KR100998777B1 - 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법 및 이것을 이용한 화상표시 장치 - Google Patents

액티브 매트릭스 기판의 제조 방법 및 이것을 이용한 화상표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고성능의 액티브 매트릭스 기판을 저비용 장치에서 고스루풋으로 제조하여, 이 액티브 매트릭스 기판으로 화상 표시 장치를 구성하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 레일 상을 단축 X 방향과 장축 Y 방향으로 이동하는 스테이지 상에 비정질 실리콘 반도체막을 형성한 기판을 장착하여 유지한다. 라인 빔 형상의 펄스 레이저 빔을 레이저 빔의 장축 Y 방향으로 주기적인 위상 시프트 마스크를 이용하여 강도 변조하고, 기판 상에 형성된 비정질 Si막에 대하여 변조 방향으로 랜덤하게 이동시키면서 조사하여 결정화하여, 결정 입자가 큰 다결정 실리콘막을 얻어서, 이 실리콘막으로 형성한 박막 트랜지스터 등의 액티브 소자를 갖는 액티브 매트릭스 기판으로 화상 표시 장치를 구성한다.
Figure R1020040006173
박막 트랜지스터, 펄스 레이저 빔, 비정질 실리콘 반도체막, 위상 시프트 마스크, 결정 입자

Description

액티브 매트릭스 기판의 제조 방법 및 이것을 이용한 화상 표시 장치{METHOD OF MANUFACTURING AN ACTIVE MATRIX SUBSTRATE AND AN IMAGE DISPLAY DEVICE USING THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법의 실시예를 설명하는 모식도.
도 2는 본 발명에서 이용하는 레이저 빔의 강도 분포예의 설명도.
도 3은 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에서의 레이저 빔의 주사 방법의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도.
도 4는 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에서의 레이저 빔 주사 시의 레이저 빔의 강도 분포와 기판과의 상대적인 위치 관계의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도.
도 5는 펄스 레이저 빔을 조사했을 때의 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판 상에 성막된 반도체막의 용융 형태를 설명하는 모식도.
도 6은 위상 시프트 마스크로 강도 변조한 레이저 빔을 조사하여 결정화한 막에 재차 위상 시프트 마스크로 변조한 레이저 빔을 조사하는 경우의 실리콘 반도체막의 단면과 평면도의 일례를 설명하는 모식도.
도 7은 도 6에 도시한 구성에서 레이저 빔을 조사한 후의 결정의 단면과 평 면을 나타내는 모식도.
도 8은 장축 방향으로 주기와 거의 동일한 입경(粒徑)을 갖는 다결정막에 입계(粒界)를 포함하지 않는 단일 결정 입자를 분할하는 형태로 융해 임계값을 초과하는 레이저 빔을 조사하기 전의 결정의 예를 나타내는 모식도.
도 9는 장축 방향으로 주기와 거의 동일한 입경을 갖는 다결정막에 입계를 포함하지 않는 단일 결정 입자를 분할하는 형태로 융해 임계값을 초과하는 레이저 빔을 조사한 후의 결정의 예를 나타내는 모식도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 형성되는 다결정 반도체막의 입계와 돌기의 배치의 예를 나타내는 모식도.
도 11은 본 발명의 제조 방법을 이용하여 얻은 실리콘 반도체막의 일례를 설명하는 현미경 사진의 도면.
도 12는 도 11의 사진에서의 입계와 돌기를 스케치하여 도시하는 모식도.
도 13은 서로 다른 주기성을 갖는 레이저 빔을 조사하여 반도체막을 제조하는 공정예의 설명도.
도 14는 서로 다른 주기성을 갖는 레이저 빔을 조사하여 반도체막을 제조하는 다른 공정예의 설명도.
도 15는 본 발명의 제조 방법의 다른 실시예에서의 서로 수직인 방향으로 주기성을 갖는 레이저 빔을 순차 조사하여 형성한 실리콘 반도체막의 일례를 설명하는 현미경 사진의 도면.
도 16은 도 15의 사진에서의 입계와 돌기를 스케치하여 도시하는 모식도.
도 17은 본 발명의 제조 방법으로 다결정화한 반도체막에 형성한 박막 트랜지스터를 갖는 액정 표시 장치용 액티브 매트릭스 기판 위의 회로 배치의 실시예를 모식적으로 설명하는 평면도.
도 18은 본 발명의 제조 방법에 따른 반도체 박막을 이용하여 형성한 액정 표시 장치에 이용하는 반도체 장치의 일 화소 부분의 구성예를 모식적으로 설명하는 평면도.
도 19는 도 18의 파선 A-B를 따른 단면도.
도 20은 도 19에 도시한 액티브 매트릭스 기판의 제조 공정의 설명도.
도 21은 도 19에 도시한 액티브 매트릭스 기판의 도 20에 계속되는 제조 공정의 설명도.
도 22는 도 19에 도시한 액티브 매트릭스 기판의 도 21에 계속되는 제조 공정의 설명도.
도 23은 도 19에 도시한 액티브 매트릭스 기판의 도 22에 계속되는 제조 공정의 설명도.
도 24는 도 19에 도시한 액티브 매트릭스 기판의 도 23에 계속되는 제조 공정의 설명도.
도 25는 도 19에 도시한 액티브 매트릭스 기판의 도 24에 계속되는 제조 공정의 설명도.
도 26은 본 발명의 제조 방법으로 제조한 액티브 매트릭스 기판을 이용한 유기 발광 소자에 의한 화상 표시 장치예의 설명도.
도 27은 도 26에 도시한 유기 발광 소자의 등가 회로의 설명도.
도 28은 도 26의 C-D선을 따른 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 펄스 레이저 빔
2 : 비정질 실리콘 반도체막
3 : 다결정 실리콘 반도체막
4 : 위상 시프트 마스크
5 : 스테이지
6 : 기판
7 : 미러
8 : 원통형 렌즈
11 : 단축 폭
12 : 장축 폭
13 : 레이저 빔 조사 위치
14 : 조사 간격
15 : 레이저 플루언스 최대 위치
16 : 변동 범위
21 : 마스크 주기
22 : 레이저 변조 주기
23 : 융해 임계값
24 : 융해 영역
25 : 비융해 영역
31 : 입계
32 : 결정 입자
33 : 돌기
34 : 결정 입자
35 : 결정 입자
36 : 돌기
37 : 주기
38 : 돌기 열
39 : 돌기 열
40 : 어긋남
41 : 위상 시프트 마스크
42 : 다결정 실리콘 반도체막
43 : 주기 방향
44 : 위상 시프트 마스크
45 : 다결정 실리콘 반도체막
46 : 조사 위치 이동량
51 : 기판
52 : 게이트선
53 : 데이터선
54 : 화소
55 : 화소 스위치
56 : 유지 용량
57 : 액정
58 : 게이트선 드라이버
59 : 데이터선 드라이버
60 : 공통선
61 : 소스 또는 드레인
62 : LDD
63 : 게이트
64 : 채널
65 : 배선
71 : 전원선
72 : N형 박막 트랜지스터
73 : P형 박막 트랜지스터
74 : 유기 발광 소자
75 : 투명 전극
76 : 캐소드
101 : 유리 기판
102 : SiN 기초막
103 : SiO2 기초막
104 : 반도체 박막
105 : 게이트 절연막
106 : MoW막
107 : 층간 절연막
108 : MoW막
109 : Al 합금막
110 : MoW막
111 : SiN 보호막
112 : 유기 보호막
113 : 화소 전극
114 : 비정질 실리콘 반도체막
115 : 다결정 실리콘 반도체막
116 : 레지스터 패턴
117 : N 도핑 영역
118 : 유기막
본 발명은, 저온 다결정 실리콘 반도체막을 이용한 구동 회로를 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법과 이것을 이용한 화상 표시 장치에 관한 것이다.
소위, 플랫 패널형 화상 표시 장치로서, 액정 표시 장치나 유기 발광 표시 장치가 실용화 단계 내지는 개발 단계에 있다. 액정 표시 장치는, 박형이며 저소비 전력이라는 특성을 갖고 있기 때문에 퍼스널 컴퓨터나 각종 정보 처리 장치의 모니터, 혹은 텔레비전 수상기에 널리 이용되고 있다. 또한, 유기 발광 표시 장치는 자발광형인 것이므로, 액정 표시 장치와 같은 외부 조명 장치를 필요로 하지 않기 때문에 박형이며 경량의 화상 표시 장치로서 주목받고 있다. 이들 액티브 매트릭스형 화상 표시 장치에서는 매트릭스 형상으로 배치한 다수의 화소 회로와, 이 화소 회로를 스위칭하는 액티브 소자, 화소 회로를 구동하는 화소 구동 회로, 및 화상 표시에 필요한 그 밖의 회로를 동일한 절연성 기판 상에 형성하여 액티브 매트릭스 기판으로 하고 있다. 화소 회로나 화소 구동 회로는 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판 상에 성막한 실리콘 반도체막에 제작된 액티브 소자를 회로 소자로서 이용한다. 이 액티브 소자의 전형이 박막 트랜지스터이다.
최근, 이러한 액티브 소자에 저온 다결정 실리콘 반도체막을 이용한 박막 트랜지스터를 채용하여, 이 박막 트랜지스터에 의한 화소 구동 회로 및 그 밖의 회로를 절연성 기판 상에 형성하여 액티브 매트릭스 기판으로 함으로써, 표시 화상의 고정밀화와 제조 시 저비용화한 화상 표시 장치를 얻을 수 있게 되었다. 이하에서는, 저온 다결정 실리콘 반도체막을 간단히 다결정 실리콘 반도체막 혹은 반도체막 이라고도 한다.
다결정 실리콘 반도체막으로 대표되는 반도체 박막의 제조 방법으로는, 절연성 기판 상에 비정질 실리콘 반도체막을 성막한 후, 이 비정질 실리콘 반도체막에 레이저 빔을 조사하고, 어닐링하여 결정화하는 레이저 결정화 방법이 일반적으로 이용되고 있다. 특히, 텔레비전 수상기를 위한 화상 표시 장치의 액티브 매트릭스 기판과 같은 큰 면적의 절연성 기판에 다결정 실리콘 반도체막을 얻기 위해서는, 고출력을 얻을 수 있는 펄스 엑시머 레이저를 복수회 조사하여 결정화하는, 소위 멀티 샷 방식에 따른 결정화(멀티 샷 레이저 결정화법)가 이용되고 있다.
멀티 샷 방식의 레이저 결정화법에 의해, 실리콘 결정의 입경이 0.5㎛ 이상의 비교적 큰 결정이 얻어져서, 화상 표시 장치의 액티브 매트릭스 기판에 갖는 회로 구동의 구성에 적합한 높은 전자 이동도의 반도체막을 형성할 수 있다. 큰 면적이며 균일한 막을 얻기 위해서는, 반도체막 상에서의 레이저 빔의 조사 패턴을 구형상, 특히 장축에 비해 단축이 극단적으로 짧은 라인 빔 형상으로 하여, 이 빔 형상의 단축 방향으로 반도체막을 성막한 절연성 기판을 상대적으로 이동하면서 조사하는 방법이 일반적이다.
이러한 레이저 빔의 조사에 의한 실리콘 박막의 결정화법에 의해, 각 레이저 펄스의 조사 동안 레이저 빔의 이동 거리를 그 빔의 폭(즉, 단축 길이)보다 작게 함으로써 멀티 샷화에 의한 양호한 어닐링 효과를 얻고 있다. 장축 방향이 단축 방향보다도 긴 라인 빔 형상의 레이저 빔을 균일하게 형성함으로써, 넓은 범위에서 연속적인 결정을 얻을 수 있다. 또한, 보다 큰 입경이며 높은 전자 이동도의 반도 체막을 얻는 방법으로서, 가로 방향 성장을 이용한 결정화 방법이 검토되도록 되고 있다.
「비 특허 문헌 1」, "Japanese Journal of Applied Physics Vol. 31, (1992) pp. 4545-4549"에는, 절연성 기판의 열용량에 차를 갖게 한 상태에서 비정질 실리콘 반도체막에 레이저 빔을 조사하여 열 구배를 형성하고, 실리콘 결정을 저온부로부터 고온부로 성장시켜 큰 입경의 결정을 형성할 수 있는 것이 기재되어 있다.
「특허 문헌 1」, "일본 특허 공개 제1994-140323호 공보"에는, 엑시머 레이저 빔을 회절 광학 소자를 통해 변조하여, 이것을 비정질 실리콘 반도체막에 조사하여 비정질 실리콘 반도체막에 온도 분포를 형성함으로써, 저온부로부터 고온부로 결정을 성장시켜 입경을 확대하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 「특허 문헌 2」, "일본 특허 공개 제2001-274088호 공보"에는, 레이저 빔을 이전의 융해 영역에 중첩을 갖게 하여 이동시키면서 순차 조사하는 방법에 의해, 결정을 순차 가로 방향으로 성장시켜 큰 입경의 결정을 형성하는 소위 SLS법의 기재가 있다. 또, 용해 영역에 중첩을 갖게 하여 순차 펄스 레이저 빔을 조사하는 예로서는, 「비 특허 문헌 2」, "Japanese Journal of Applied Physics Vol. 21, (1982) pp. 879-884"에, 비정질 실리콘 반도체막에 펄스 레이저 빔을 주사하면서 조사하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법에서는, 레이저 빔의 주사 속도가 99㎝/s, 및 레이저 빔의 주파수가 2kHz로 기재되어 있으며, 각 레이저 빔 조사 동안 49.5㎛의 간격을 갖고 이동시키면서 조사하고 있는 것으로 가정하여 계산된다. 또 한, 그 도 9에는 레이저의 각 펄스로의 용융 폭이 50㎛ 이상이며, 이전 융해 영역과 다음의 융해 영역이 중첩을 가지며 조사된 예가 기재되어 있다.
또한, 「특허 문헌 3」, "일본 특허 공개 제2002-280302호 공보"에는, 레이저 빔의 간섭에 의해 강도 변조된 레이저 빔을 가로 방향의 성장 거리만큼 이동시켜 조사함으로써, 큰 입경의 결정을 형성하는 가로 방향 성장법의 예가 개시되어 있다.
[비 특허 문헌 1]
Japanese Journal of Applied Physics Vol. 31, (1992) pp. 4545-4549
[비 특허 문헌 2]
Japanese Journal of Applied Physics Vol. 21, (1982) pp. 879-884
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 제1994-140323호 공보
[특허 문헌 2]
일본 특허 공개 제2001-274088호 공보
[특허 문헌 3]
일본 특허 공개 제2002-280302호 공보
화상 표시 장치의 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판에 성막한 반도체막에 대하여, 상기 멀티 샷 레이저 결정화법에 의해 큰 입경의 결정을 형성할 때의 스루풋을 향상하기 위해서는, 레이저 빔의 샷 수를 삭감할 필요가 있다. 그러나, 종래의 변조가 없는 균일한 강도의 레이저 빔을 이용한 경우에 그 샷 수를 줄이면, 얻을 수 있는 결정의 입경이 감소하여 반도체막의 전자 이동도가 저하되기 때문에, 스루풋의 향상이 곤란하였다.
한편, 가로 방향 성장을 이용한 반도체막의 결정화 방법에 의해서는, 레이저 빔의 샷 수 저감이 가능하다. 그러나, 종래의 방법에 의해서는 어느 것도 레이저 빔과 절연성 기판의 상대적인 위치를 가로 방향 성장 거리와 동일한 정도의 길이로 제어할 필요가 있다. 결정의 가로 방향 성장 거리는 Si막의 두께, 결정화 시의 기판 온도, 조사할 레이저 빔의 펄스 시간에 의존하며, 예를 들면 막 두께가 50㎚의 실리콘 반도체막을 실온에서 25nsec의 펄스 엑시머 레이저 빔에 의해 융해하여 결정화하는 경우, 결정의 가로 방향 성장 거리는 1㎛ 이하로 된다. 따라서, 각 조사 위치를 1㎛ 이하의 고정밀도로 제어할 필요가 있다. 이 때문에, 고정밀도의 이동 기구가 필요하게 되어, 장치 비용이 높아진다.
본 발명의 목적은, 변조 레이저 빔에 의한 실리콘 결정의 가로 방향 성장이 촉진된 고스루풋화가 가능하며, 또한 레이저 빔과 절연성 기판의 상대 이동 기구가, 결정의 가로 방향 성장 거리보다 큰 오차를 갖는 저비용의 장치를 이용할 수 있는, 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법과, 이 기판을 이용한 화상 표시 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법의 제1 특징은, 절연성 기판 상에 반도체막을 성막하여, 이 반도체막에 주기적 으로 변조된 레이저 빔을 조사하여 그 반도체막을 결정화할 때에, 레이저 빔의 조사 위치를 상기 주기 방향으로 랜덤하게 이동시키는 것에 있다. 이것에 의해, 레이저 빔과 절연성 기판의 상대 이동 기구가 가로 방향 성장 거리보다 큰 오차를 갖는 장치에서도 가로 방향 성장을 사용할 수 있어서, 저비용의 장치를 이용하여 고스루풋화가 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법의 제2 특징은, 절연성 기판 상에 성막한 반도체막의 결정 입자보다 작은 영역을 융해하여 분할하고, 분할된 결정 입자를 핵으로 하는 가로 방향 성장에 의해, 단일 결정 입자를 재차 형성하여 반도체막을 결정화하는 것에 있다. 이것에 의해, 레이저 빔과 절연성 기판의 상대적인 조사 위치에 의하지 않아 새로운 입계의 발생이 없기 때문에, 랜덤하게 이동시키는 상기 제1 특징과 아울러 이용함으로써, 입경이 고른 고품질의 결정을 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법의 제3 특징은, 절연성 기판 상에 형성한 박막에, 제1 주기를 갖는 변조된 펄스 레이저 빔을 조사하고, 상기 제1 주기보다 작은 주기를 갖는 제2 변조된 펄스 레이저 빔을 조사하여 반도체막을 결정화하는 것에 있다. 이것을 상기 특징과 아울러 이용함으로써, 등방적인 결정성을 갖는 반도체막을 저비용 장치로 얻을 수 있다. 또한, 박막 트랜지스터의 형성에 적합한 평탄한 막을 형성할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 화상 표시 장치의 특징은, 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판 상의 화소 영역에 다수의 화소 회로를 배치함과 함께, 표시 영역의 외측에 화소 구동 회로나 그 밖의 회로를 배치하며, 이들 화소 회로와 화소 구동 회로 혹은 다른 회로를, 상기 제조 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 제조한 반도체 박막을 채널로 사용한 박막 트랜지스터로 형성한 것에 있다.
또한, 본 발명에 따른 화상 표시 장치의 특징은, 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판 상의 표시 영역에 복수의 서로 교차하는 배선을 가지며, 상기 배선의 교차부 부근에, 투과율, 반사율, 또는 발광량을 변화시키는 화소 회로를 배치하고, 상기 화소 회로에 구비되며 그 화소를 선택적으로 구동하는 스위치 소자를, 상기 제조 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 제조한 반도체 박막을 채널로 이용한 박막 트랜지스터로 구성한 것에 있다.
또한, 본 발명에 따른 화상 표시 장치의 특징은, 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판 상의 표시 영역에 복수의 상호 교차하는 배선을 가지며, 상기 배선의 교차부 부근에, 유기막을 이용한 발광 소자로 이루어지는 화소 회로를 배치하고, 상기 화소 회로에 구비되며 그 화소를 선택적으로 구동하는 스위치 소자를, 상기한 제조 방법 중 어느 하나에 의해 제조한 반도체막을 채널로 이용한 박막 트랜지스터로 구성하며, 상기 발광 소자를 선택적으로 구동하는 박막 트랜지스터의 채널로, 상기 제조 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 제조한 반도체막을 이용하여, 채널 방향이 상기 반도체막의 돌기의 주기 방향과 평행하며, 그 채널 길이가 상기 반도체막의 돌기의 주기의 자연수배로 되도록 구성한 것에 있다.
또, 본 발명은 상기 구성 및 후술하는 실시예에 개시한 구성에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 여러가지의 변경이 가능한 것은 물 론이다.
이하, 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법과 이 액티브 매트릭스 기판을 이용하여 구성한 화상 표시 장치의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은, 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법의 실시예를 설명하는 모식도이다. 도 1에서의 참조 부호 1은 빔 형상의 펄스 레이저 빔을, 참조 부호 2는 절연성 기판을, 참조 부호 3은 폴리실리콘 반도체막(이하, 다결정 실리콘막, 다결정 Si막으로도 표기함)을, 참조 부호 4는 위상 시프트 마스크를, 참조 부호 5는 스테이지를, 참조 부호 6은 절연성 기판(통상적으로는, 유리 기판, 이하 유리 기판 또는 단순히 기판으로 표기함)을, 참조 부호 7은 미러를, 참조 부호 8은 원통형 렌즈를 나타낸다.
레일 상을 단축 X 방향과 장축 Y 방향으로 이동하는 스테이지(5) 상에 비정질 실리콘 반도체막(이하, 비정질 Si막으로도 표기함)(2)이 형성된 유리 기판(6)이 장착되어 유지되어 있다. 라인 빔 형상의 펄스 레이저 빔(1)을 레이저 빔의 장축 Y 방향으로 주기적인 위상 시프트 마스크(4)를 이용하여 강도 변조하고, 유리 기판(6) 상에 형성된 비정질 Si막(2)에 조사한다. 위상 시프트 마스크(4)는 다수의 미세한 요철이 마스크 표면에 형성되며, 주기적으로 배열된 것이고, 통과되는 레이저 빔의 위상을 변조하여, 간섭에 의해 그 강도를 주기적으로 변조하는 기능을 갖는다. 레이저 빔(1)은, 레이저 빔을 단축 X 방향으로 집광하는 기능을 갖는 원통형 렌즈(8)를 포함하는 광학계에 의해, 위상 시프트 마스크(4)가 없을 경우에는 기판(6) 상에 단축 X 방향으로 거의 똑같은 플루언스를 갖는, 소위 탑 플랫 형상(top flat shape)의 빔 형상을 형성하도록 조정되어 있다.
레이저 빔 조사 시의 온도는 실온으로 하며, 도시하지 않지만 N2 가스를 기판(6)과 위상 시프트 마스크(4) 사이에 흘린 상태에서 레이저 빔(1)을 조사하고 있다. 또한, 레이저 빔 조사 시에는 위상 시프트 마스크(4)의 마스크면과 기판(6)의 면의 높이를 일정하게 유지하여, 기판(6)의 면 위에서의 레이저 빔의 변조도를 일정하게 하고 있다. 레이저 빔(1)으로는, 파장 308㎚의 펄스 엑시머 레이저 빔을 이용하고 있다.
위상 시프트 마스크(4)의 슬릿 주기는, 2㎛ 내지 10㎛의 범위로 설정되며, 0.5㎛ 내지 10㎛의 범위의 변조 주기를 갖는 레이저 빔이 형성된다. 본 실시예에서는, 위상 시프트 마스크(4)의 주기를 3㎛로 하였다. 위상 시프트 마스크(4)는 석영제이며, 파장 308㎚의 레이저 빔에 대하여 인접하는 단차 간에 위상 차가 180°로 되도록 주기적인 선형의 단차를 형성하고 있다. 그리고, 기판(6)으로부터의 위상 시프트 마스크(4)의 높이를 0.9㎜로 조정함으로써, 그 위상 시프트 마스크의 주기의 절반인 1.5㎛의 주기의 강도 변조가 레이저 빔 전체에 걸쳐 얻어지고 있다. 또, 위상 시프트 마스크(4)에 의한 레이저 빔 변조에는 상기 주기의 절반 이외에도, 정수분의 1의 파장의 주기의 성분이 포함되어 있다.
레이저 빔(1)을 라인 빔으로 형성하는 광학계는, 빔 길이를 확대하는 과정으로, 원래의 레이저 빔을 입사각이 약간 다른 복수의 광선으로 하여 기판(6)에 조사하는 구성으로 되어 있다. 이러한 광을 위상 시프트 마스크(4)에 입사하면, 각 변 조 성분은 그 위상 시프트 마스크(4)와 기판(6) 간의 높이에 의존하여 평균화되어, 특정 주기의 성분이 강조된다. 따라서, 본 실시예의 구성을 이용하면, 위상 시프트 마스크(4)의 높이를 조정함으로써, 해당 위상 시프트 마스크의 슬릿 주기의 절반 이외의 주기, 예를 들면 2/3의 주기의 변조를 얻을 수도 있다.
반도체막의 형성 시에는, 레이저 빔(1)은 일정한 반복 주파수, 예를 들면 300Hz로 발진되며, 일정한 속도로 해당 레이저 빔의 단축 방향으로 스테이지(5)를 주사하면서, 장축 Y 방향으로 랜덤하게 이동시키면서 레이저 빔(1)을 기판(6)에 조사함으로써, 기판(6) 상의 비정질 Si막(2)을 결정화하여 다결정 Si막(3)을 순차적으로 형성한다.
레이저 빔(1)의 변조 주기 방향인 장축 Y 방향으로 조사 위치를 이동시키는 방법으로서는, 스테이지(5)의 장축 Y 방향으로의 이동 기구를 이용하여, 조사 어긋남이 허용되는 범위, 예를 들면 0.1㎜ 정도의 범위로 왕복시키는 방법이 있다. 스테이지(5)의 이동에는 통상, ㎛ 단위의 백 러쉬(back rush)가 있으며, 왕복에 의해 레이저 빔의 변조 주기와 동일한 정도의 오차가 발생하여, 이동량이 랜덤화된다. 또한, 랜덤하게 이동시키기 위해서는, 스테이지(5)의 이동 방향을 정하는 레일에 수 ㎛ 정도의 진폭의 기복을 형성하여, 이 기복에 따라 스테이지를 이동시킬 수도 있다. 또한, 스테이지(5)를 이동시키는 대신하여, 위상 시프트 마스크(4)를 진동시키는 기구를 설치할 수 있다. 또한, 레이저 빔(1)을 위상 시프트 마스크(4)에 입사하는 반사 미러(7)의 각도를 위상 시프트 마스크(4)의 변조 방향에 대응하여 진동시켜, 레이저 빔의 입사각을 진동시킴으로써 레이저 빔(1)의 강도 분포를 이동시킬 수도 있다.
도 2는 본 발명에서 이용하는 레이저 빔의 강도 분포예의 설명도이다. 레이저 빔(1)의 빔 형상은 예를 들면, 장축 Y의 폭(12)을 370㎜로 하며, 단축 X의 폭(11)을 360㎛로 하는 미세한 구형상 즉, 실질적으로 라인 형상이다. 위상 시프트 마스크(4)의 라인 빔의 장축 방향으로는 주기적인 패턴이 형성되어 있다. 위상 시프트 마스크(4)를 투과한 레이저 빔(1)에는 장축 Y 방향으로 주기적인 강도 변조가 형성되어 있다. 한편, 단축 X 방향으로는 소위, 탑 플랫 형상이 형성되어 있다.
본 실시예와 같이, 위상 시프트 마스크(4)의 주기 방향을 레이저 빔(레이저 빔)의 장축과 평행하게 배치함으로써, 위상 시프트 마스크에 의한 회절 광은 장축 방향으로 회절되어, 거의 라인 빔 내에 머물기 때문에, 레이저 빔(1)의 손실을 피할 수 있는 이점이 있다. 또한, 레이저 빔(1)의 단축 방향으로의 회절이 없어서, 단축 방향으로는 위상 시프트 마스크(4)를 투과하기 전의 탑 플랫 형상이 유지되어, 각 샷에서의 조사 시의 평균 플루언스를 거의 일정하게 할 수 있어서, 프로세스 안정성이 우수하다. 또한, 기판(6)으로부터는 거의 180°에 걸친 지향각으로 레이저 빔(1)이 입사되기 때문에, 장축 방향으로는 개구 수가 거의 1인 광학계로 간주할 수 있어서, 거의 파장과 동일한 정도의 높은 분해능을 얻을 수 있으므로, 보다 급격한 변조를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에서의 레이저 빔의 주사 방법의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 3에는, 레이저 빔(13)의 장축의 길이의 거의 2배의 폭을 갖는 기판(6)을 전면(全面)에서 결정화하 는 예를 나타낸다. 장축 방향으로 변조된 라인 빔 형상의 레이저 빔을 기판(6) 상에서 레이저 빔(13)의 단축 방향으로 일정 속도로 이동시키면서, 빔을 장축 방향으로 랜덤하게 변위시키면서 조사한다. 단축 방향의 각 레이저 펄스 조사 동안의 이동 거리를 레이저 빔 폭보다 작게 함으로써, 각각의 조사 영역에 중첩이 발생하여, 동일한 영역에 복수회의 레이저가 조사된다.
레이저 빔의 조사 횟수는 단축 방향으로의 이동 속도에 의해 제어할 수 있다. 도 3에서, 기판(6)의 상반면을 조사한 후, 하반면을 마찬가지로 조사하여, 전면이 결정화된 기판을 얻는다. 또, 상반면과 하반면의 조사 영역이 중첩되도록 형성함으로써, 기판 전면에서 연속된 결정을 얻을 수 있다. 본 실시예에서는, 상반분의 조사와 하반분의 조사 사이의 위치가 변화하여도, 장축 방향의 랜덤한 이동에 의해 결정화의 불균일이 무해화되기 때문에, 기판 중앙에서의 결정성의 저하가 없다는 이점이 있다.
도 4는 본 발명에 따른 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에서의 레이저 빔 주사 시의 레이저 빔의 강도 분포와 기판과의 상대적인 위치 관계의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 본 예에서는, 도 4의 상하 방향으로 긴 구형상의 레이저 빔이 그 장축 방향으로 주기적으로 변조되어 있다. 또한, 본 예에서는 레이저 빔이 도 4의 우측 방향으로 일정한 조사 간격(14)으로 이동하면서 조사되는 경우의 예를 나타내고 있다. 각 조사에서의 레이저 빔의 플루언스(fluence)가 최대로 되는 위치(15)가 장축 방향으로 주기적으로 형성되어 있으며, 그 장축 방향의 위치는 정수를 n, 레이저 빔의 변조 주기(22)를 a, 네가티브가 아니며 a보다 작은 값을 r 로 하여, na+r로 표시되어 있다.
각 조사마다 최대 위치(15)는 장축 방향으로 랜덤하게 이동하기 때문에, r 값도 변화한다. r 값이 주기 a에 비해 작으면, 실질적으로 조사 위치가 고정되게 되어, 약한 플루언스의 레이저 빔으로만 조사되는 영역이 형성되어 결정성이 저하되는 문제가 있다. r 값의 변동 폭(16)은 주기 a의 적어도 절반 이상인 것이 바람직하다.
도 5는 펄스 레이저 빔을 조사했을 때의 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판 상에 성막된 반도체막의 용융 형태를 설명하는 모식도이다. 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판으로서 유리 기판을 이용한 경우에 대하여 설명한다. 유리 기판(101) 상에는, 플라즈마 CVD법에 의해 SiN 및 SiO로 이루어지는 기초막(102 및 103), 프리커서(precursor)로 되는 비정질 Si막(2)이 각각 50㎚, 100㎚, 및 50㎚로 퇴적되어 있다. 비정질 Si막은 450℃의 어닐링에 의해 탈수소 처리되어 있으며, 레이저 빔의 조사 시의 수소의 돌비(bumping)에 의한 결함의 발생을 억제하고 있다. 레이저 빔의 장축 방향으로 주기적인 위상 시프트 마스크(4)를 투과하여 변조된 레이저 빔이 비정질 Si 막에 조사된다. 레이저 빔은 위상 시프트 마스크(4)의 단차부에서 약해지며, 그 밖의 부분에서 강화된다. 레이저 빔의 변조 주기(22)는 위상 시프트 마스크(4)의 단차 주기(21)의 절반으로 되어 있다.
레이저 빔의 플루언스가 융해 임계값(23)을 초과하는 영역(24)에 포함되는 비정질 Si막은 막 두께 방향에 걸쳐 완전 용융한다. 한편, 융해 임계값 이하의 레이저 빔이 조사된 영역(25)에서는 비정질 Si막은 부분적으로 용융되며, 결정화되어 다결정 Si막으로 변화한다. 완전 용융된 영역(24)은 주위의 비융해 영역(25)의 결정을 핵으로 하여, 장축 방향으로 가로 방향 성장한다. 여기서, 펄스 엑시머 레이저 빔의 펄스 폭을 25㎱, 비정질 Si막(2)의 막 두께를 50㎚로 한 경우, 실온에서의 최대 가로 방향 성장 거리는 1㎛ 정도이다. 융해 영역(24)의 폭이 최대의 가로 방향 성장 거리의 2배 이상이면, 융해 영역(24)의 중앙이 가로 방향 성장으로부터 뒤쳐져서, 미결정이 형성되어 결정성이 나쁜 영역으로 되기 때문에 바람직하지 않다. 예를 들면, 위상 시프트 마스크(4)의 단차 주기(21)를 3㎛로 하고, 레이저 빔의 변조 주기(22)를 가로 방향 성장 거리 1㎛의 2배 이내인 1.5㎛이라고 하면, 레이저 빔의 플루언스의 변동에 의해 융해 영역(24)의 폭이 변동하여도, 미결정의 발생이 억제된다. 따라서, 레이저의 플루언스 변동에 대하여 마진이 넓은 이점이 있다. 이하에서는, 변조 영역(24)의 폭이 최대 가로 방향 성장 거리의 2배 이하이라고 하여 설명한다.
도 6은 위상 시프트 마스크로 강도 변조한 레이저 빔을 조사하여 결정화한 막에 재차 위상 시프트 마스크로 변조한 레이저 빔을 조사하는 경우의 Si막의 단면도와 평면도의 일례를 설명하는 모식도이다. 도 6에 도시한 Si막은, 이전의 조사에 의해 입계(31)로 구획된 결정 입자(32)로 이루어지는 다결정막으로 되어 있다. 또한, 응고 시의 체적 변화에 수반하는 돌기(33)가, 레이저 빔의 주기와 동일한 주기로 형성되어 있다. 이전의 조사에서 약한 플루언스로 조사된 영역에는, 비교적 작은 입경의 결정(34)이 형성되어 있다. 본 예에서는, 이 비교적 작은 입경의 결정에 대하여, 융해 임계값(23) 이상의 레이저 빔이 조사되는 예를 나타내었다. 도 5와 동일한 참조 부호는 동일한 부분 또는 동일한 의미를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시한 구성에서 레이저 빔을 조사한 후의 결정의 단면과 평면을 설명하는 모식도이다. 도 6과 동일한 참조 부호는 동일한 부분 또는 동일한 의미를 나타낸다. 상기 도 6에서, 융해 임계값(23)을 초과하는 레이저 빔이 조사된 영역(24)에 포함되어 있던 결정은 융해되어, 융해 영역(24)의 단부의 결정과 동일한 방위의 결정이 새롭게 가로 방향으로 성장하여 도 7에 도시한 바와 같은 다결정막(32)으로 된다. 융해 영역(24)의 양단의 결정은 일반적으로는, 결정 방위가 상이하여, 도 7에서의 영역(24)의 중앙에 새로운 입계(31)가 형성된다. 또한, 도 7에서, 용융 영역의 중앙에는 새로운 돌기(33)가 형성된다. 본 예에서는 이 조사에 의해, 융해 영역(24)에 포함되지 않는 영역의 결정이 양측으로 성장하여, 레이저 빔의 변조 주기와 거의 동일한 길이를 갖는 결정 입자(32)가 형성되어 있으며, 막 전체의 장축 방향의 입경이 레이저 빔의 변조 주기와 거의 일치한 다결정막으로 되어 있다.
그리고, 장축 방향으로 랜덤하게 이동시키면서 레이저 빔의 조사를 반복함으로써, 각 조사 시의 용융 영역(24)은 랜덤하게 이동한다. 레이저 빔이 조사된 영역에서는 가로 방향 성장이 진행되어 장축 방향의 입경이 증대되고, 최종적으로 도 7에 도시한 바와 같이 레이저 빔의 변조 주기와 동일한 길이까지 성장된다. 한편,한번에 주기와 동일한 길이의 입경의 결정이 형성된 후, 그 이후의 조사에 의해 입경이 감소되지 않는 것이 양호한 결정성을 얻는 데 중요하다.
도 8은 장축 방향으로 주기와 거의 동일한 입경을 갖는 다결정막에 입계를 포함하지 않는 단일 결정 입자(32)를 분할하는 형태로 융해 임계값을 초과하는 레이저 빔을 조사하기 전의 결정의 예를 나타내는 모식도이며, 도 9는 장축 방향으로 주기와 거의 동일한 입경을 갖는 다결정막에 입계를 포함하지 않는 단일 결정 입자(32)를 분할하는 형태로 융해 임계값을 초과하는 레이저 빔을 조사한 후의 결정의 예를 나타내는 모식도이다. 레이저 빔의 조사전의 결정은, 도 8에 도시한 바와 같이 돌기(33)가 주기적으로 형성되어 있으며, 또한 돌기(33)를 따라 입계(31)가 형성되어 있다. 융해 영역(24)의 결정은 레이저 빔의 조사에 의해 융해되지만, 그 양단의 결정은 원래 단일 결정이어서, 그 방위는 동일해지기 때문에, 가로 방향으로 성장한 결정의 방위도 동일해진다.
레이저 빔의 조사 후에는, 도 9에 도시한 바와 같이 용융 영역(24)의 중앙에서 가로 방향으로 성장한 결정끼리 융합하여 다시 단일 결정 입자(32)가 형성된다. 한편, 체적 팽창에 수반하는 새로운 돌기(36)가 융해 영역(24)의 중앙 부근에 형성된다. 통상, 레이저 어닐링에 의한 돌기는 3개 이상의 결정이 교차하는 점에서 발생하기 쉽고, 2개 이상의 입계가 교차하는 부분에서는 돌기(36)에 교차하는 입계가 도시한 바와 같은 Z자형의 1개만이 포함되어 있다는 특징이 있다. 또, 융해 영역(24)의 양측으로부터 성장한 결정의 폭이 다르기 때문에, 일부 융해 영역의 중앙 부근에 새로운 입계를 발생시키는 경우도 있지만, 양측으로부터 성장한 결정의 대부분은 새로운 입계를 형성하지 않고 융합하여, 레이저 빔의 변조 주기와 거의 동일한 정도의 길이의 입경을 갖는 막이 유지된다. 이와 같이, 일단 레이저 빔의 주기와 동일한 길이의 결정 입자가 형성되면, 그 후의 레이저 빔의 조사에서는 입 경은 거의 일정해진다. 그 결과로서, 본 실시예의 방법에서는 복수회의 조사에 의해 높은 확률로 최종적으로 주기와 거의 동일한 길이의 결정 입자가 형성된다.
본 실시예에서의 실리콘 반도체막의 결정화 방법에서는, 레이저 빔의 각 조사 동안 위치 정렬에 오차가 있어도, 이 오차는 레이저 빔의 변조의 주기 방향으로 가해지는 랜덤한 변위에 흡수되어 무해화된다. 따라서, 기판을 장착하는 스테이지 주사의 오차가 가로 방향 성장 거리보다 커도 되며, 간편한 스테이지 주사 기구를 이용할 수 있어서, 장치 비용을 억제할 수 있다. 또한, 레이저 빔의 조사 횟수는 평균적으로 각 영역이 1회 정도 융해하도록 설정하면 되고, 본 실시예에서는 예를 들면, 10회 정도의 조사 횟수로 주기 방향의 입경이 레이저 빔의 변조 주기, 예를 들면 1.5㎛의 결정이 형성된다. 종래의 멀티 샷법에서는 마찬가지의 입경의 결정을 형성하는 데 수십회의 조사가 필요한 것에 비해 적은 조사 횟수만으로 스루풋을 향상할 수 있다.
또한, 결정의 입경이 레이저 빔의 변조 주기로 결정되기 때문에, 가로 방향 성장 거리가 변화하여도 거의 동일한 결정 입경이 얻어져서, 레이저 빔의 플루언스에 대한 마진이 크다는 이점이 있다. 또한, 본 발명에서는 막의 전체 영역을 한번에 융해할 필요가 없이, 국소적으로 융해 임계값을 초과하는 플루언스의 레이저 빔을 조사할 수 있으면 되기 때문에, 평균적인 플루언스를 낮게 억제할 수 있다. 위상 시프트 마스크에 의한 변조는, 변조 전후에서의 평균 강도가 마스크의 반사에 의한 손실을 제외하고 동일하여, 결과적으로 처리에 필요한 레이저 출력을 종래보다도 저감할 수 있는 효과가 있다. 또한 동일한 발진 출력의 레이저를 이용한 경 우에는, 보다 넓은 범위를 한번에 처리할 수 있어서 스루풋이 향상된다는 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에서는, 레이저 빔 조사 위치의 변조 주기 방향으로의 이동은, 임의의 영역이 적어도 한 번 융해 임계값 이상의 플루언스로 조사되도록 행할 필요가 있지만, 연속된 레이저 빔 조사 동안 융해 영역이 중첩을 갖고 있지 않아도 된다. 각 레이저 빔 조사 시의 위치가 랜덤이면, 복수회의 조사에서 한번도 융해 임계값 이상의 플루언스의 레이저 빔이 조사되지 않는 영역이 남을 확률은 조사 횟수에 대하여 지수 함수적으로 감소된다. 레이저 빔의 변조 주기를 가로 방향 성장 거리의 2배 이하, 융해 임계값을 초과하는 플루언스로 조사되는 영역의 폭을 그 주기의 절반 이상으로 하면, 5회 정도의 적은 샷 수로 그 주기와 거의 동일한 결정을 실용상 문제 없는 수율로 형성할 수 있으므로, 스루풋을 향상할 수 있어서 적합하다.
본 실시예에서는, 레이저 빔의 변조의 주기 방향으로의 이동은 완전히 랜덤할 필요는 없고, 실리콘 반도체막(Si막)의 각 위치가 융해 임계값을 초과하는 플루언스의 레이저 빔으로 조사되면 된다. Si막의 각 위치가 1번 내지 2번 순서에 상관없이 조사되면 양호한 결정이 얻어진다. 예를 들면, 수 샷마다 1번 내지 2번 정도 주기 방향의 이동 방향이 반전하는 구성으로 하는 것도 가능하다. 또한, 얻어지는 결정의 입경이 조사 개시 위치에도 의하지 않기 때문에, 위치 정렬할 필요가 없어서, 한번 불충분한 결정화가 이루어진 기판을 재차 결정화하여 회복하는 것도 용이하다.
또, 이상 설명한 실시예에서는, 레이저 빔으로서 펄스 레이저 빔을 이용하였 지만, 연속 발진한 레이저 빔을 이용할 수도 있다. 이 경우에도, 조사 위치의 변조 주기 방향으로의 이동에 수반하여 가로 방향 성장 위치가 이동하여, 펄스 레이저 빔을 이용한 경우와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 레이저 빔의 파장은 308㎚에 한정되는 것은 아니며, Si 반도체막에 흡수되어 열로 되며, 또한 위상 시프트 마스크로서 이용되는 투명하며 레이저의 조사에 내구성을 가진 소재가 있는 파장이면 된다. 예를 들면, 파장 248㎚의 엑시머 레이저와 석영으로 형성된 위상 시프트 마스크의 조합을 이용할 수도 있다. 또한, 파장 532㎚의 연속 발진 레이저와 투명 수지로 형성된 위상 시프트 마스크를 이용할 수도 있다. 플라스틱 마스크는 형틀을 이용하여 성형함으로써 저가로 얻을 수 있다. 또한, 플라스틱 마스크는 내충격성이 우수하여서, 보다 얇은 마스크를 형성할 수 있기 때문에 경량화가 가능하고, 상기 주기 방향으로의 이동을 고속화하기 쉽다는 이점이 있다. 또한, 본 실시예에 따른 다결정 Si막의 제조 방법은 레이저 빔의 간섭성이 낮아도 이용하는 것이 가능하다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 형성되는 다결정 반도체막의 입계와 돌기의 배치의 예를 나타내는 모식도이다. 도 10은 도 10의 수직 방향으로 긴 구형상의 레이저 빔을 이용하며, 장축 방향으로 주기적인 위상 시프트 마스크를 이용하여 변조한 레이저 빔을 도 10의 좌측에서부터 오른쪽으로 순차 주사하여 형성한 다결정 반도체막의 예이다. 레이저 빔의 조사 위치를 수평 방향, 즉 단축 방향으로, 레이저 빔의 각 레이저 펄스의 조사마다에 조사 간격(14)만큼 이동하면서, 장축 방향으로는 랜덤하게 이동시켜 조사한다. 조사 간격(14)은 레이저 빔의 단축 폭(도 시 생략)보다 작고, 반도체막의 각 위치는 복수회의 레이저 빔 조사가 이루어진다.
반도체막에는, 각 레이저 빔의 조사 시에 용융한 영역에 대응한 돌기(33)가 직선 상으로 배열된 돌기 열(38)이 형성된다. 돌기 열(38)의 주기(37)는 레이저 빔의 변조 주기와 동일하다. 또한, 각 조사에서의 주기 방향으로의 이동은 랜덤하기 때문에, 돌기의 열이 형성되는 위치도 또한 랜덤해져서, 조사 간격(14)마다 돌기 열에는 랜덤한 어긋남(40)이 발생한다. 또한, 융해 임계값 이상의 플루언스로 조사된 영역의 돌기는 융해되지만, 그것 이외의 영역의 돌기는 잔존한다. 융해 영역의 폭은 주기보다 작기 때문에, 대부분의 경우 최후의 레이저 빔 조사에서의 용융 영역에 포함되지 않는 돌기 열이 존재한다. 따라서, 최후의 레이저 빔 조사 시에 형성된 돌기 열 이외에, 그 주기 내에 돌기 열이 잔존하게 된다. 그 결과, 주기 내에 복수의 돌기 열이 형성된다.
또한, 거의 주기와 동일한 길이의 결정 입자가 형성된 후, 결정 입자를 분할하는 위치에 융해 임계값을 초과하는 플루언스의 레이저가 조사되어, 재차 단일 결정이 형성되면, 도 9에 도시한 바와 같이 교차하는 입계가 1개인 돌기의 열이 형성된다. 본 실시예의 변조 위치의 랜덤한 이동을 행하여 결정화된 반도체막은, 이들 특징을 갖는다.
레이저 빔의 플루언스가 낮고, 융해 영역의 폭이 레이저 빔의 변조 주기에 비해 작은 경우에는, 상기한 돌기 열이 잔존할 가능성이 증가하여, 그 주기 내에 보다 많은 돌기 열이 형성되는 경향이 있다. 융해 영역의 폭이 1/2보다 근접한 돌기는 융해되기 때문에, 이 돌기 열의 최소 간격은 레이저 빔의 최종 샷에서의 가로 방향 성장 거리의 1/2과 거의 동일한 정도로 된다. 또한, 복수의 돌기 열이 형성된 막에서는 가로 방향 성장 거리가 작기 때문에, 체적 팽창에 의해 돌기의 높이가 작아지는 경향이 있어서, 박막 트랜지스터의 채널로서 이용하는 데 보다 적합하다. 레이저 빔 조사의 전반(前半)의 플루언스를 크게 하여, 융해 영역의 폭이 크고 적은 샷 수로 주기와 거의 동일한 길이의 결정 입자를 형성한 후, 그 조사의 후반에 플루언스를 작게 하여 융해 영역의 폭을 좁게 하면, 새로운 입계를 형성하지 않고 복수의 돌기 열을 형성하여 전체의 요철을 감소시킬 수 있으므로, 박막 트랜지스터의 채널로서 이용하는 데 적합한 반도체막을 얻을 수 있다.
단축 방향으로 레이저 빔 조사의 전반에 비해, 그 후반에서 조사 플루언스가 감소하도록 플루언스 기울기를 형성함으로써 마찬가지의 효과를 얻을 수도 있다. 또한, 레이저 빔 조사의 전반에 그 레이저 빔의 변조 주기를 크게 하며, 후반에 작게 함으로써도 마찬가지로, 전반의 레이저 빔의 변조 주기에 상당하는 큰 입경을 가지며, 후반의 레이저 빔의 변조 주기에 대응한 돌기 열의 평균 간격이 작은, 따라서 요철이 작아지는 막을 얻을 수 있다.
도 11은 본 발명의 제조 방법을 이용하여 얻은 Si막의 일례를 설명하는 현미경 사진이다. 도 11에 도시한 다결정 Si막은, 유리 기판 상에 기초막과 50㎚의 비정질 Si막을 형성하여, 탈수소 처리를 행한 것을 상기한 제조 방법에 의해 결정화한 것이다. 이 결정화에는 레이저 빔 빔의 단축 방향의 폭 360㎛, 장축 방향의 폭 365㎜의 장축 방향으로 변조된 펄스 엑시머 레이저 빔을 이용하였다. 3㎛의 주기의 위상 시프트 마스크를 이용하여, 레이저 빔을 1.5㎛ 주기로 변조하였다. 조사 위치를 도 11의 좌측에서부터 우측으로 향해 주사하면서, 장축 방향으로 랜덤하게 이동시키면서 결정화하였다. 라인 형상의 빔으로 정형하기 전의 레이저 빔의 플루언스를 800mJ로 하며, 조사 위치의 단축 방향으로의 각 레이저 펄스 조사 동안의 이동 거리를 36㎛로 하여, 10 샷의 조사를 행하였다. 얻어진 막을 라이트(Wright) 에처를 이용하여 입계를 선택 에치하고, 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다. 도 11에서, 하얗게 보이는 부분은 주위보다 막이 두껍고, 돌기(33)가 형성되어 있다.
도 12는 도 11의 사진에서의 입계와 돌기를 스케치하여 도시하는 모식도이다. 도 12의 직선 형상으로 형성된 돌기 열(38)의 주기(37)는 1.5㎛이며, 레이저 빔의 변조 주기에 일치하고 있다. 또한, 주기 방향으로 거의 주기와 동일한 길이의 결정 입자(32)가 사선으로 나타낸 바와 같이 형성되어 있다. 주기 내에는 입계와 거의 일치하는 돌기 열(38) 외에도 돌기 열(39)이 형성되어 있다. 이 돌기 열(39)의 돌기에는 교차하는 입계가 1개밖에 없는 돌기(36)가 포함되어 있다.
도 13 및 도 14는 서로 다른 주기성을 갖는 레이저 빔을 조사하여 반도체막을 제조하는 공정예의 설명도이다. 도 13에서, 라인 빔 형상의 펄스 레이저 빔(1)의 단축 방향으로, 주기 8㎛의 선형 패턴을 갖는 위상 시프트 마스크(41)에 레이저 빔을 투과시킨다. 위상 시프트 마스크(41)는 기판으로부터 0.7㎜의 높이로 유지되며, 주기 4㎛의 단축 방향으로 주기적인 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 형성한다. 레이저 빔의 플루언스는, 다결정 Si막의 용융 임계값을 초과하는 플루언스의 레이저 빔이 조사되는 영역의 폭이, 최대 가로 방향 성장 거리의 2배 이하, 예를 들면 최대 가로 방향 성장 거리가 1㎛인 경우, 1㎛ 정도로 되도록 설정한다.
기판(6)을 장착하여 유지하는 스테이지(5)를 단축 방향으로 주사하면서 조사함으로써, 기판의 각 영역에 1회 이상 용융 임계값 이상의 플루언스의 레이저 빔이 조사되도록 한다. 빔 폭을 330㎛로 하여, 각 조사마다 기판을 33㎛ 단축 방향으로 이동시켜, 비정질 Si막(2)이 형성된 기판에 10 샷 조사하였다. 본 실시예에서는 용융 임계값을 초과하는 영역의 폭은 레이저 변조 주기의 4분의 1 정도이며, 10회의 조사에 의해 각 영역은 1회 이상 용융한다. 조사 후의 다결정 Si막(42)의 결정 입자는 레이저의 강도 변조 방향(43)인 단축 방향으로 가로 방향 성장한 형상으로 되며, 단축 방향으로 평균화되어 가로 방향 성장 거리인 약 1㎛ 정도의 결정 입경을 갖는다.
본 실시예와 같이, 단축 방향으로 주기성을 갖는 위상 시프트 마스크(41)를 이용하여 레이저 빔(1)을 변조하는 경우, 단축 방향의 회절 광이 라인 빔 형상 레이저 빔의 외부로 빠져나가 플루언스에 손실이 발생된다. 이 손실은 위상 시프트 마스크(41)의 피치가 작을수록, 또한 그 위상 시프트 마스크와 기판의 거리가 멀어질수록 많아진다. 기판(6)과 위상 시프트 마스크(41) 간의 거리는 그 위상 시프트 마스크(41)에의 부착물을 방지하는 관점에서, 예를 들면 0.2㎜ 이상으로 할 필요가 있으며, 너무 작게 할 수 없다. 따라서, 이 손실을 피하기 위해서는 단축 방향으로 주기를 갖는 위상 시프트 마스크(41)에서는 그 주기를 장축 방향으로 주기성을 갖는 위상 시프트 마스크를 배치하는 경우에 비해 크게 하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 레이저 빔의 빔 형상과 위상 시프트 마스크 높이에서는 위상 시프트 마스 크의 피치를 6㎛ 이상으로 하면, 회절 광에 의한 손실을 실용상 문제 없는 범위인 10% 이하로 억제할 수 있다.
또한, 상기한 미세한 결정화의 억제를 위해, 융해 임계값을 초과하는 영역의 폭은 최대 가로 방향 성장 거리로 제한된다. 따라서, 레이저 빔의 변조 주기가 커지면, 레이저 빔의 조사 영역에서 차지하는 가로 방향 성장하는 영역의 범위가 적어져서, 양호한 결정성을 얻는 데 필요한 조사 횟수는 증가된다. 10 샷 정도의 조사 횟수로 전면을 가로 방향 성장할 수 있도록 하기 위해서는, 레이저 빔의 변조 주기는 최대 가로 방향 성장 거리의 5배 정도로 억제할 필요가 있다. 본 실시예의 경우, 예를 들면 레이저 빔의 주기가 5㎛ 이하이면, 10 샷 정도로 전면을 가로 방향 성장시킬 수 있다.
도 14에서는, 도 1과 마찬가지로, 단축 방향으로 주기성을 갖는 위상 시프트 마스크(44)에 레이저 빔(1)을 입사하여, 장축 방향으로 주기성을 갖는 레이저 빔을 형성하며, 도 13의 방법으로 얻어진 다결정 Si막에 조사한다. 기판(6)을 장착하여 유지한 스테이지(5)를 단축 방향으로 일정 속도로 이동시키면서, 장축 방향으로 랜덤한 변위(46)를 주어 조사함으로써, 장축 방향으로 레이저 빔의 변조 주기와 거의 동일한 길이의 결정 입자를 갖는 다결정 Si막(45)이 얻어진다. 또한, 다결정 Si막(45)은 성장 방향과 수직인 방향, 즉 단축 방향의 입경은 원래의 다결정 Si막(42)의 결정성을 반영하기 때문에, 비정질 Si막에 직접 조사된 경우에 비해 입경이 커져서, 보다 이방성이 저감된 막을 얻을 수 있다.
도 15는 본 발명의 제조 방법의 다른 실시예에서의 상호 수직인 방향으로 주기성을 갖는 레이저 빔을 순차 조사하여 형성한 Si막의 일례를 설명하는 현미경 사진이다. 여기서는, 10㎛ 피치의 위상 시프트 마스크를 이용하여 빔의 단축 방향으로 변조한 레이저 빔을 10 샷 조사한 후, 3㎛ 피치의 위상 시프트 마스크를 이용하여 빔의 장축 방향으로 변조한 레이저 빔을 10 샷 조사하여 결정화하였다. 후자의 결정화에서는, 레이저 빔의 변조 주기 방향인 장축 방향으로, 샷마다 랜덤한 거리를 기판을 이동시켜 조사하였다. 도 15는 얻어진 반도체막에 입계 현재화(顯在化)를 위한 라이트(Wright) 에치를 행한 후 SEM을 이용하여 관찰한 것이다.
도 16은 도 15의 사진에서의 입계와 돌기를 스케치하여 도시하는 모식도이다. 도 16에서, 후반에 조사한 장축 방향으로 주기적인 레이저 빔의 변조 주기와 거의 일치하는 1.5㎛의 주기로 돌기(33)가 형성되어 있다. 또한, 주기 내에 직선 형상으로 돌기가 배열된 돌기 열(38)이 복수 형성되어 있다. 한편, 그 주기와 수직 방향의 입경은 전반의 단축 방향으로 주기적인 레이저 빔에 의한 결정화에서의 가로 방향 성장을 반영하며, 도 11과 도 12에서 설명한 예에 비해 커지고 있다. 도 11과 도 12에서는 평균 약 0.3㎛인 것이, 평균 약 0.5㎛로 확대되며, 이방성이 저감되고 있다. 또, 단축 방향의 가로 방향 성장에 의해 형성되는 장축 방향으로 평행한 돌기 열은 2회째의 조사에 의해 거의 소멸되고 있으며, 도 11과 도 12에서 설명한 실시예에 비해 새로운 요철의 증가는 보이지 않는다.
본 실시예는, 제조 공정의 도중에 위상 시프트 마스크를 전환하는 기구를 부가함으로써, 단일 장치만을 이용하여 용이하게 실현할 수 있어서, 장치 비용을 낮게 억제할 수 있다. 또, 마찬가지의 이방성 저감 효과는 장축 방향으로 주기성을 갖는 마스크만을 이용하여 레이저 빔을 변조하여, 기판을 단축 방향으로 주사하면서, 장축 방향으로 랜덤하게 이동시키면서 레이저 빔을 조사하는 결정화의 도중에 기판의 방향을 90° 회전시켜 마찬가지의 조사를 계속함으로써도 얻어질 수 있다. 이 경우, 스테이지 또는 기판 반입 시에 기판을 90° 회전하는 기구가 필요하여 장치 비용이 약간 증가하지만, 세로 및 가로에 거의 동일한 입경의 보다 이방성이 저감된 결정이 얻어진다. 또, 이 방법에 의해서도, 전반에 형성된 돌기는 90° 회전 후의 레이저 조사에 의해 완만한 요철이 잔류하지만 거의 소멸된 상태로 되어, 새롭게 90° 회전한 방향으로 회전하지 않고서 조사한 경우와 동일한 정도의 요철을 갖는 돌기 열이 형성되기 때문에, 요철의 증대는 없다.
도 17은 본 발명의 제조 방법에 의해 다결정화한 반도체막에 형성한 박막 트랜지스터를 갖는, 액정 표시 장치용 액티브 매트릭스 기판 위의 회로 배치의 실시예를 모식적으로 설명하는 평면도이다. 이 액정 표시 장치는, 박막 트랜지스터가 형성된 액티브 매트릭스 기판(51)과, 도시하지 않지만 대향 기판과의 사이에 액정(57)이 봉입된 구성으로 되어 있다. 박막 트랜지스터가 형성된 액티브 매트릭스 기판(51)은 유리로 이루어지는 투명 절연 기판(유리 기판)이며, 그 위에 상호 교차하는 복수의 배선(게이트선(52) 및 데이터선(53))이 배치되어 있다.
각 게이트선(52) 및 데이터선(53)의 교차부에는, 액정(57)을 구동하는 화소 회로(54)가 형성되어 있다. 화소 회로(54)에는, 스위치로서 기능하는 박막 트랜지스터로 이루어지는 화소 스위치(55)와 유지 용량(56)이 형성되어 있다. 화소 스위치(55)를 이루는 박막 트랜지스터에는 상기 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 반 도체막이 이용되고 있다. 또한, 화소 구동 회로 중 게이트선을 구동하기 위한 회로인 게이트선 드라이버(58)와, 화소 구동 회로 중 데이터선을 구동하기 위한 회로인 데이터선 드라이버(59)가 동일한 유리 기판 위에 형성되어 액티브 매트릭스 기판(51)으로 되어 있다.
본 실시예의 액정 표시 장치에 따르면, 유리 기판 위에 큰 면적의 반도체막을 고스루풋으로 형성 가능하다. 따라서, 큰 면적이 요구되는 화상 표시 장치의 화소 스위치로 되는 박막 트랜지스터의 형성에 적합하다. 또한, 비교적 입경이 큰 결정의 반도체막이 얻어지기 때문에, 보다 고성능이 요구되는 화소 회로 주변의 화소 구동 회로에 상기 제조 방법에 의해 형성된 박막 트랜지스터를 배치할 수도 있다. 또한, 본 실시예에서의 반도체막은 성장 방향인 변조 방향, 본 실시예에서는 예를 들면, 장축 방향의 입경이 일반적으로 보다 크기 때문에, 박막 트랜지스터의 채널을 장축 방향으로 배치함으로서 보다 높은 전자 이동도를 얻을 수 있다.
액티브 매트릭스 기판(51)을 구성하는 유리 기판 위에 주변 회로(화소 구동 회로 등)의 영역을 박막 트랜지스터로 구성하는 경우, 보다 구동력이 큰 박막 트랜지스터의 채널 방향을 성장 방향으로 갖는 것이 바람직하다. 한편, 화소 회로의 영역에서는 그다지 높은 이동도는 필요 없기 때문에, 박막 트랜지스터의 채널 방향을 장축 방향 및 단축 방향의 어느 방향으로 취하여도 된다. 또한, 상기한 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같은 이방성을 저감하는 공정을 이용하면, 얻어지는 박막 트랜지스터의 성능은 채널 방향에 의하지 않게 된다. 따라서, 회로에 대해서도 박막 트랜지스터의 채널 방향을 어느 하나의 방향으로 취하여도 된다.
도 18은 본 발명의 제조 방법에 의한 반도체 박막을 이용하여 형성한 액정 표시 장치에 이용되는 반도체 장치의 일 화소 부분의 구성예를 모식적으로 설명하는 평면도이다. 액정 표시 장치에서는, 박막 트랜지스터가 형성된 기판인 액티브 매트릭스 기판과 대향 기판 사이에 액정을 봉입하여 동작시키지만, 도 18에서는 박막 트랜지스터가 형성된 액티브 매트릭스 기판만 도시하였다.
도 19는 도 18의 파선 A-B에 따른 단면도이다. 본 발명의 제조 방법에 따른 다결정 Si막은 장축 방향으로 주기성을 갖는 반도체막(104)이며, 화소 스위치(55)를 구성하는 박막 트랜지스터, 및 유지 용량(56)으로 사용되고 있다. 유지 용량(56)은 화소 스위치(55)의 박막 트랜지스터의 소스 또는 드레인(61)에 접속되어 있으며, 다른 쪽이 화소 전극(113)에 접속되어, 화소 전극(113)의 전압을 유지하는 기능을 갖고 있다. 화소 스위치(55)는 게이트가 2개 형성된 소위, 더블 게이트형 박막 트랜지스터이다. 또한, 반도체막(104)의 게이트(63)의 하측단에 소스 또는 드레인(61)보다 저농도의 N형 영역인 LDD(62)를 형성하여, 누설 전류를 억제하고 있다. 또, 참조 부호 53은 데이터선, 참조 부호 60은 공통선, 참조 부호 64는 채널, 참조 부호 101은 유리 기판, 참조 부호 102는 SiN 기초막, 참조 부호 103은 SiO2 기초막, 참조 부호 105는 게이트 절연층, 참조 부호 107은 층간 절연층, 참조 부호 112는 유기 보호막, 참조 부호 113은 화소 전극이다.
화소 스위치(55)의 박막 트랜지스터의 채널 방향은 상기 반도체막의 주기 방향으로 수직인 단축 방향이기 때문에, 장축 방향으로 채널이 배치된 박막 트랜지스 터에 비해 구동력이 작아지고 있지만, 액정의 구동에는 충분한 성능을 갖고 있다. 한편, 유지 용량(56)은 공통선(60)에 플러스 전압을 인가하여, 하부의 반도체막(104)에 캐리어를 유기한 상태로 이용되기 때문에, 반도체막의 이동도가 큰 방향으로 전류 방향을 맞춤으로써, 유지 용량(56)에 접속되는 반도체막의 저항이 저감되어, 보다 고속 동작이 가능한다. 도 18에 도시한 구성예에서는, 유지 용량(56)의 하층의 반도체막(104)에는 주로 장축 방향으로 전류가 흐르기 때문에, 보다 입경이 큰 방향을 장축 방향에 맞추고 있다.
도 20 내지 도 25는 도 19에 도시한 액티브 매트릭스 기판의 제조 공정의 설명도이다. 먼저, 도 20에 도시한 바와 같이, 유리 기판(101) 상에 플라즈마 CVD를 이용하여 SiN 기초막(102)을 140㎚의 막 두께로, 또한 SiO2 기초막(103)을 100㎚의 막 두께로, 비정질 Si막(114)을 40㎚의 막 두께로 순차 퇴적한다. 이것을 400°에서 10분의 어닐링에 의해 비정질 Si막의 탈수소 처리를 행한 후, 펄스 엑시머 레이저를 조사하여 결정화한다. 결정화의 공정은, 2㎛ 피치의 위상 시프트 마스크를 이용하여 변조한 1㎛ 주기의 레이저 빔을 그 레이저 빔의 변조 주기 방향으로 랜덤하게 이동시켜 행한다. 10 샷의 조사을 행하여, 주기 방향으로 약 1㎛의 입경을 갖는 결정으로 이루어지는 도 21에 도시한 다결정 Si막(115)으로 한다.
포토 리소그래피 공정을 이용하여 다결정 Si막(115)을 섬 형상으로 가공한 후, TEOS(tetra ethoxi silane)를 이용한 플라즈마 CVD에 의해, 게이트 절연막(105)으로 되는 SiO2막을 130㎚ 두께로 퇴적한다(도 22). 게이트 절연막(105) 상에 게이트로 되는 MoW(몰리브덴-텅스텐 합금)막(106)을 150㎚의 막 두께로 스퍼터링한다. MoW막(106)의 형성 후, 레지스트를 도포하여 마스크의 노광 및 현상을 순차적으로 행하여 레지스트 패턴(116)을 형성한다(도 23). 레지스트를 마스크로 하여, 인산, 질산, 아세트산 및 물의 혼합액을 이용하여, MoW막(106)을 에칭한다. 이 때, 도 23에 도시한 바와 같이, MoW막(106)이 레지스트 패턴(116)으로부터 편측으로부터 1㎛ 후퇴한 형상으로 에칭하여 게이트로 한다. 에칭 후, N형 도펀트로 되는 P 이온을, 레지스트를 마스크로 하여 가속 전압 60keV로, 평방 센치당 1015의 도우즈량으로 주입하여, 레지스트로 피복되어 있지 않은 영역의 Si막에 도핑하고 N 도핑 영역(117)으로 하여, 도 23에 도시한 구조로 한다.
레지스트 제거 후, 도 24에 도시한 바와 같이 게이트(63)를 마스크로 하여, P 이온을 가속 전압 70keV로, 평방 센치당 1013의 도우즈량으로 주입하여, 게이트단에 자기 정합적으로 길이 1㎛의 LDD(62)를 형성한다. 다음으로, 도 25에 도시한 바와 같이, TEOS를 이용한 플라즈마 CVD에 의해 두께 500㎚의 층간 절연막(107)을 형성한 후, 450℃에서 1 시간의 어닐링을 행하여 주입한 P 이온을 활성화하여, 소스 또는 드레인(61)을 형성한다. 다음으로, 불산계의 에칭액 또는 불소계의 드라이 에칭을 이용한 포토 리소그래피를 행하여 컨택트 홀을 개구한다. 또한, 스퍼터를 이용하여 배선으로 되는 MoW막(108), Al 합금막(109) 및 MoW막(110)의 적층막을 각각 100㎚, 400㎚, 50㎚의 막 두께로 순차 퇴적하여, 웨트 에칭을 이용하여 배선(65)으로 가공하여 도 25의 구조를 얻는다.
또한, 플라즈마 CVD를 이용하여 SiN으로 이루어지는 보호막(패시베이션막)(111)을 도 19에 도시한 바와 같이, 300㎚의 막 두께로 형성한 후, 질소 중에서 400℃에서 30분 어닐링하여, Si막의 결함 및 Si막과 게이트 절연막과의 계면의 결함을 종단한다. 그 후, 도 19에 도시한 유기 보호막(112)을 도포, 노광, 및 현상하여 화소 전극(113)으로의 접속 구멍인 관통 홀을 형성한 후, 반응성 스퍼터를 이용하여 화소 전극으로 되는 ITO(lndium-Tin-Oxide)로 이루어지는 투명 도전막을 형성한다. 포토 리소그래피 공정을 이용하여 화소 전극(113)을 형성하여, 도 19의 박막 트랜지스터가 형성된 액티브 매트릭스 기판을 얻는다. 또한, 화소 전극의 상층에 액정을 배향시키는 배향막을 도포하여, 러빙 또는 광 조사에 의해 배향 제어능력 부여 처리한 후, 컬러 필터가 형성된 대향 기판과의 사이에 액정을 봉입하여 액정 표시 장치가 얻어진다.
본 실시예에서는, N형의 박막 트랜지스터의 형성만 도시하였지만, 박막 트랜지스터 회로를 형성하는 경우에, 필요한 영역을 레지스트로 마스크한 후, P 이온 대신 B(붕소) 이온을 주입하는 공정을 추가하여, N형과 P형의 양측의 박막 트랜지스터가 형성된 소위, CMOS형의 박막 트랜지스터 회로를 구비한 액티브 매트릭스 기판으로 할 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는 액티브 매트릭스 기판을 구성하는 절연성 기판을 유리판으로 하였지만, 이 절연성 기판은 유리판에 한정되지 않고, 플라스틱이나 절연 처리한 금속판 등을 이용할 수 있다.
특히, 레이저 빔의 조사에 의해 가열되어 열팽창 등을 일으켜서, 가로 방향의 치수 오차가 커지기 쉬운 플라스틱 기판 등에 대해서는 종래 기술인 SLS법 등 정밀한 위치 제어가 필요한 방법에 의해서는 오정렬 때문에 막에 결함이 발생할 가능성이 있지만, 본 발명에 따른 반도체 박막의 제조 방법은 위치 정렬할 필요가 없기 때문에 플라스틱 기판 등에 대해서도 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 제조 방법의 실시예에 따르면, 위상 시프트 마스크를 이용하지 않는 ELA법에 비해 평균 플루언스를 저감할 수 있으며, 또한 보다 적은 샷 수로 동등한 결정이 얻어지기 때문에, 기판으로의 손상을 저감할 수 있는 이점이 있다.
도 26은 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 액티브 매트릭스 기판을 이용한 유기 발광 소자에 의한 화상 표시 장치예의 설명도이다. 유기 발광 소자를 이용한 화상 표시 장치(유기 발광 표시 장치)도 액정 표시 장치와 마찬가지로, 유리판 등의 절연성 기판 상에 복수의 교차 배선과 교차부 부근에 형성된 화소를 갖고 있다. 도 26에는 일 화소의 평면도를 도시하였다. 또, 본 실시예의 유기 발광 소자는 기판측으로부터 광을 추출하는 방식이며, 최상면에 Al 합금으로 이루어지는 캐소드가 형성되어 있지만, 도 26에서는 캐소드를 제외하고 나타내었다.
도 27은 도 26에 도시한 유기 발광 소자의 등가 회로의 설명도이며, 도 26의 참조 부호와 동일한 부호는 동일한 부분에 대응한다. 또한, 도 28은 도 26의 C-D선을 따른 단면도이다. 도 28에서, 유리 기판(101) 상에 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 장축 방향으로 주기성을 갖는 반도체막(104)을 이용하여, LDD가 형성된 N형의 박막 트랜지스터(72)가 형성되어 있다. 또, 유리 기판(101) 상의 기초막의 참조 부호는 도시를 생략하고 있다. 유리 기판(101)에는 상기 본 발명의 제조 방법에 의한 장축 방향으로 주기성을 갖는 반도체막을 이용하여, 채널 방향과 주기 방향이 일치하여 형성되어 있으며, 게이트 길이가 주기의 자연수배인 P형 박막 트랜지스터(73)가 형성되어 있다. N형 박막 트랜지스터(72)는 게이트선(52)의 전압에 의해 온으로 되어, 데이터선(53)의 신호 전압을 유지 용량(56)에 충전한다.
충전 후, 게이트선의 전압에 의해 N형 박막 트랜지스터(72)가 오프로 되어, 유지 용량(56)에 신호 전압이 유지된다. 또한, P형 박막 트랜지스터(73)에는 투명 전극(75)이 접속되어 있으며, 투명 전극(75) 상에는 홀 수송층, 발광층, 전자 수송층을 포함하는 유기막(118)으로 이루어지는 유기 발광 소자(74)가 형성되고, 또한 전면에 Al 합금으로 이루어지는 캐소드(76)가 증착되어 있다. P형 박막 트랜지스터(73)의 게이트(63)에는 유지 용량(56)에 유지된 전압이 인가되어 있으며, 유기 발광 소자(74)에 흐르는 전류를, 유지된 전압에 따른 값으로 일정하게 제어하여 발광 소자(74)의 발광량을 조정한다.
본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 액티브 매트릭스 기판 위의 반도체막은 상기 주기 방향으로 입경이 일정한 막이며, 그 주기 방향으로 전류를 흘리는 박막 트랜지스터를 형성하면, 그 전류 변동을 저감할 수 있다. 특히, 그 주기의 정수배의 길이의 채널을 갖는 박막 트랜지스터를 형성하면, 채널에 포함되는 입계의 수가 일정해져서, 균일도를 향상할 수 있다. 따라서, 유기 발광 소자를 이용한 화상 표시 장치와 같이, 발광 소자를 구동하는 박막 트랜지스터의 전류 변동이 화상 표시 변동에 영향을 미치는 장치에서, 본 발명에 따른 반도체막을 채널로 하여, 해당 반도체막의 상기 주기 방향으로 채널을 형성하며, 채널 길이를 그 주기의 정수배로 한 박막 트랜지스터를 유기 발광 소자의 구동에 이용함으로써 표시 화상의 균일성 을 향상시키는 효과가 있다.
또, 상기 실시예에서는 액정 표시 장치와 유기 발광 표시 장치 등의 화상 표시 장치를 구성하는 액티브 매트릭스 기판의 제조와, 이 액티브 매트릭스 기판을 이용한 화상 표시 장치를 예로서 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한하는 것은 아니며, 반도체막 웨이퍼 등의 절연성 기판을 이용한 각종 반도체 장치에도 마찬가지로 적용할 수 있는 것은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고성능의 박막 트랜지스터 등의 반도체 장치를 형성하는 반도체막을, 저비용이며 고스루풋으로 형성할 수 있으므로, 고성능의 액티브 매트릭스 기판 등의 반도체 장치를 저비용으로 제조하는 것이 가능해져서, 이 액티브 매트릭스 기판을 구성 부재로 하여 고화질의 표시를 가능하게 한 화상 표시 장치를 제공할 수 있다.

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔이 반복적으로 조사되어 다결정 반도체막을 제공하고,
    상기 레이저 빔을 강도 변조하는 단계;
    상기 레이저 빔을 장축 방향 또는 단축 방향의 어느 한 방향, 또는 장축 및 단축 방향으로 주기적이 되도록 배향 및 형상화(directing and shaping)하는 단계; 및
    상기 반도체막 상에서의 레이저 빔의 강도 분포를 상기 강도 변조의 주기 방향으로 랜덤하게 이동하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 조사 시에 레이저 빔 강도가 최대로 되는 위치에서 상기 강도 변조의 주기 방향의 상기 반도체막 상에서의 좌표 y는, 상기 레이저 빔의 강도 변조의 주기를 a, 정수를 n, 조사마다 정해지는 a보다 작고 0보다 크거나 같은 수를 r로 하였을 때
    y = na + r
    을 만족하며,
    상기 r의 최대값과 최소값의 차가 주기의 1/2 이상이고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  4. 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔이 반복적으로 조사되어 다결정 반도체막을 제공하고,
    상기 레이저 빔을 강도 변조하는 단계;
    상기 레이저 빔을 장축 방향 또는 단축 방향의 어느 한 방향, 또는 장축 및 단축 방향으로 주기적이 되도록 배향 및 형상화하는 단계;
    상기 반도체막 상에서의 레이저 빔의 강도 분포를 상기 강도 변조의 주기 방향으로 랜덤하게 이동하는 단계;
    상기 반도체막에 상기 레이저 빔을 조사하여 얻은 결정화된 반도체막의 결정 입자보다 작은 범위를 상기 레이저 빔의 조사에 의해 융해하여 상기 반도체막을 분할하는 단계; 및
    상기 분할된 복수의 결정 입자를 핵으로 하는 결정화에 의해 단일 결정 입자를 재형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  5. 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔이 반복적으로 조사되어 다결정 반도체막을 제공하고,
    상기 레이저 빔을 강도 변조하는 단계;
    상기 레이저 빔을 장축 방향 또는 단축 방향의 어느 한 방향, 또는 장축 및 단축 방향으로 주기적이 되도록 배향 및 형상화하는 단계;
    상기 반도체막 상에서의 레이저 빔의 강도 분포를 상기 강도 변조의 주기 방향으로 랜덤하게 이동하는 단계; 및
    상기 레이저 빔의 강도 변조의 주기 방향으로 상기 강도 변조의 주기와 동일한 입자 크기를 갖는 다결정 반도체막을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔을 복수회 조사하여 상기 반도체 막을 결정화하는 단계를 포함하는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    상기 레이저 빔에 상기 반도체막 상에서의 조사 형상의 장축과 단축을 제공하고, 상기 장축 방향으로 주기적인 강도 변조를 갖는 구(矩) 형상의 레이저 빔을 제공하는 단계;
    상기 반도체막에 상기 레이저 빔의 상기 단축 방향으로 상기 절연성 기판에 대해 상기 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 상기 반도체 막을 복수회 조사하여 결정화하는 단계;
    상기 절연성 기판에 성막된 반도체막 상에서의 상기 레이저 빔의 강도 변조를, 상기 장축 방향으로 하나의 레이저 빔 조사 위치에서 다른 레이저 빔 조사 위치로 랜덤하게 이동시키는 단계; 및
    상기 강도 변조의 주기의 2 이상의 정수배의 주기를 갖는 위상 시프트 마스크를 이용하여, 상기 반도체막과 상기 위상 시프트 마스크 사이에 일정한 간격을 유지하여 상기 레이저 빔의 주기적인 강도 변조를 제공하는 단계 ― 상기 위상 시프트 마스크의 주기는 2㎛ 내지 10㎛ 범위 내에 있음 ―
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  9. 액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔을 복수회 조사하여 상기 반도체 막을 결정화하는 단계를 포함하는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    상기 레이저 빔에 상기 반도체막 상에서의 조사 형상의 장축과 단축을 제공하고, 상기 장축 방향으로 주기적인 강도 변조를 갖는 구(矩) 형상의 레이저 빔을 제공하는 단계;
    상기 반도체막에 상기 레이저 빔의 상기 단축 방향으로 상기 절연성 기판에 대해 상기 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 상기 반도체 막을 복수회 조사하여 결정화하는 단계; 및
    상기 절연성 기판에 성막된 반도체막 상에서의 상기 레이저 빔의 강도 변조를, 상기 장축 방향으로 하나의 레이저 빔 조사 위치에서 다른 레이저 빔 조사 위치로 랜덤하게 이동시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 조사 시에 레이저 빔 강도가 최대로 되는 위치에서 상기 강도 변조의 주기 방향의 상기 반도체막 상에서의 좌표 y는, 상기 레이저 빔의 강도 변조의 주기를 a, 정수를 n, 조사마다 정해지는 a보다 작고 0보다 크거나 같은 수를 r로 하였을 때
    y = na + r
    을 만족하며,
    상기 r의 최대값과 최소값의 차가 주기의 1/2 이상이고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  10. 액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔을 복수회 조사하여 상기 반도체 막을 결정화하는 단계를 포함하는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    상기 레이저 빔에 상기 반도체막 상에서의 조사 형상의 장축과 단축을 제공하고, 상기 장축 방향으로 주기적인 강도 변조를 갖는 구(矩) 형상의 레이저 빔을 제공하는 단계;
    상기 반도체막에 상기 레이저 빔의 상기 단축 방향으로 상기 절연성 기판에 대해 상기 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 상기 반도체 막을 복수회 조사하여 결정화하는 단계;
    상기 절연성 기판에 성막된 반도체막 상에서의 상기 레이저 빔의 강도 변조를, 상기 장축 방향으로 하나의 레이저 빔 조사 위치에서 다른 레이저 빔 조사 위치로 랜덤하게 이동시키는 단계;
    상기 반도체막에 상기 레이저 빔을 조사하여 얻은 결정화된 반도체막의 결정 입자보다 작은 범위를 상기 레이저 빔의 조사에 의해 융해하여 상기 반도체막을 분할하는 단계; 및
    상기 분할된 복수의 결정 입자를 핵으로 하는 결정화에 의해 단일 결정 입자를 재형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  11. 액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔을 복수회 조사하여 상기 반도체 막을 결정화하는 단계를 포함하는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    상기 레이저 빔에 상기 반도체막 상에서의 조사 형상의 장축과 단축을 제공하고, 상기 장축 방향으로 주기적인 강도 변조를 갖는 구(矩) 형상의 레이저 빔을 제공하는 단계;
    상기 반도체막에 상기 레이저 빔의 상기 단축 방향으로 상기 절연성 기판에 대해 상기 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 상기 반도체 막을 복수회 조사하여 결정화하는 단계;
    상기 절연성 기판에 성막된 반도체막 상에서의 상기 레이저 빔의 강도 변조를, 상기 장축 방향으로 하나의 레이저 빔 조사 위치에서 다른 레이저 빔 조사 위치로 랜덤하게 이동시키는 단계; 및
    상기 레이저 빔의 강도 변조의 주기 방향으로 상기 강도 변조의 주기와 동일한 입자 크기를 갖는 다결정 반도체막을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  12. 액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔을 복수회 조사하여 상기 반도체막을 결정화하는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    제1 주기로 강도 변조된 펄스 레이저 빔을 상기 반도체막에 조사하는 단계; 및
    상기 제1 주기보다 작은 주기로 제2 변조된 펄스 레이저 빔을 상기 반도체막에 조사하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 주기로 강도 변조된 펄스 레이저 빔을 조사한 상기 반도체막에, 상기 제1 변조된 펄스 레이저 빔의 변조 주기의 1/5배 이상, 또한 1/2배 이하의 제2 주기를 갖는 펄스 레이저 빔을 상기 제1 주기에 대하여 수직인 방향으로 조사하는 단계를 더 포함하는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  14. 액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판에 성막된 반도체막에 레이저 빔을 복수회 조사하여 상기 반도체막을 결정화하는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    상기 레이저 빔에 상기 반도체막 상에서의 조사 형상의 장축과 단축을 제공하고, 상기 장축 방향으로 주기적인 강도 변조를 갖는 구(矩) 형상의 레이저 빔을 제공하는 단계; 및
    상기 반도체막에 상기 구 형상의 레이저 빔의 상기 단축 방향으로 상기 절연성 기판에 대해 상기 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 상기 반도체 막을 복수회 조사하여 결정화하는 단계를 포함하고,
    상기 조사는:
    상기 구 형상의 단축 방향으로 제1 주기로 강도 변조된 제1 변조된 펄스 레이저 빔으로 상기 반도체막을 조사하고,
    상기 제1 변조된 펄스 레이저 빔의 변조 주기의 1/5배 이상, 또한 1/2배 이하의 제2 주기를 갖는 제2 펄스 레이저 빔을 상기 제1 주기에 대하여 수직인 방향으로 조사하고,
    상기 제2 주기를 갖는 상기 레이저 빔의 상기 반도체막 상에서의 강도 변조를, 하나의 펄스 레이저 빔 조사 위치로부터 다른 조사 위치로 상기 장축 방향으로 랜덤하게 이동시킴으로써 발생하고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  15. 다수의 화소를 매트릭스 형상으로 배열한 화소 회로와, 상기 화소 영역의 외측에 화소 구동 회로를 배치한 절연성 기판으로 이루어지는 액티브 매트릭스 기판을 포함하는 화상 표시 장치에 있어서,
    상기 액티브 매트릭스 기판은,
    상기 절연성 기판 상에 성막된 다결정 반도체막에 직선 형태로 형성된 복수의 돌기 배열;
    상기 돌기 배열이 이루는 직선 - 상기 직선은 상기 직선에 대해 수직인 방향으로 주기적으로 배열되는 주기적인 직선군을 형성함 - ; 및
    상기 주기와 상기 수직 방향으로 일정 간격에서 상기 주기적인 돌기 배열 방향으로 어긋남이 형성되어 있는 상기 직선
    을 포함하고,
    상기 일정 간격에서의 상기 직선 간의 어긋남량은 스테이지 주사의 오차에 따라 랜덤하고,
    레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 화상 표시 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 돌기 배열은, 교차하는 입계(粒界)가 1개인 돌기가 직선 형상으로 배열된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 돌기 배열이 이루는 상기 직선은 상기 직선에 대하여 수직 방향으로 주기적으로 배치되어 주기적인 직선군을 이루며,
    직선군은 상기 돌기 배열이 이루는 직선이 주기마다 복수개 형성된 영역을 포함하고,
    상기 직선군의 주기와 상기 주기 방향의 입경(粒徑)이 동일하며,
    상기 주기 방향에 대한 수직 방향의 입계는 각 주기마다 상기 돌기 배열이 이루는 직선 중 어느 하나에 일치하여 형성되는 화상 표시 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 다결정 반도체막을 채널로 이용한 박막 트랜지스터를 더 포함하는 화상 표시 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 절연성 기판 상에 형성되는 복수의 상호 교차하는 배선;
    상기 배선의 교차부 부근에 형성되며, 투과율, 반사율, 또는 발광량을 변화시키는 화소; 및
    상기 화소 내에 형성되어 상기 화소를 선택하는 스위치로 기능하는 박막 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 박막 트랜지스터는 상기 다결정 반도체막을 이용하는 상기 채널로 형성되는 화상 표시 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 절연성 기판 상에 복수의 상호 교차하는 배선;
    상기 배선의 교차부 부근에 형성된 화소;
    상기 화소 내에 형성된 유기막을 갖는 발광 소자; 및
    상기 화소 내에 형성되어 상기 발광 소자를 구동하는 박막 트랜지스를 더 포함하고,
    상기 박막 트랜지스터의 채널 방향이 상기 다결정 반도체막의 돌기의 주기 방향과 평행하고, 상기 채널의 길이가 상기 다결정 반도체막의 돌기의 주기의 자연수배인 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
  21. 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법에 있어서,
    액티브 매트릭스 기판의 절연성 기판 상에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 반복적으로 조사하여, 다결정화된 반도체막을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 조사는,
    상기 레이저 빔의 강도 분포를 강도 변조하는 단계;
    상기 레이저 빔을 장축 방향을 따라 그 형상이 주기적이 되도록 배향 및 형상화하는 단계;
    상기 반도체막 상에서의 상기 레이저 빔의 강도 분포를, 상기 반도체막이 상기 장축에 대하여 수직인 단축 방향을 따라 일정한 속도로 이동되는 범위 내에서 상기 장축 방향으로 랜덤하게 이동시키는 단계;
    상기 반도체막에 상기 레이저 빔을 조사하여 얻은 결정화된 반도체막의 결정 입자보다 작은 범위를 상기 레이저 빔의 조사에 의해 융해하여 상기 반도체막을 분할하는 단계; 및
    상기 분할된 복수의 결정 입자를 핵으로 하는 결정화에 의해 단일의 더 큰 결정 입자를 재형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔의 강도가 Si막의 융해 임계값을 초과하는 부분과 융해 임계값 이하의 부분을 갖는 액티브 매트릭스 기판의 제조 방법.
  22. 삭제
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