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発明の名称 液晶表示装置及びその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−45607
公開日 平成6年(1994)2月18日
出願番号 特願平4−193720
出願日 平成4年(1992)7月21日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 小川 和宏 / 小野 記久雄
要約 目的
a−Siにエキシマレーザを照射して結晶性の優れたpoly−Siを形成し、高移動度のTFTを製造すること又、前記poly−Si TFTをアクティブマトリクス基板に適用することで、駆動回路内蔵型TFT−LCD,高精細TFT−LCDを実現することを目的とする。

構成
プラズマCVD法により、SiH4 及びB26及びPH3 を原料ガスとして、B及びPを微量含んだa−Siを形成する。不純物を含んだa−Siは結晶化しやすく、エキシマレーザを下地膜に熱ダメージを与えない低エネルギーで照射しても結晶性の優れたpoly−Siが得られる。従って、前記poly−SiをTFTの半導体層に適用することで、高移動度のTFTが製造でき、駆動回路内蔵型TFT−LCD,高精細TFT−LCDを製造することができる。
特許請求の範囲
【請求項1】絶縁性基板上にゲート電極,ゲート絶縁膜,チャネル層,n型不純物層及びソース・ドレイン電極を構成要素とする複数の薄膜トランジスタをスイッチング素子として具備した液晶表示装置において、前記チャネル層がp型及びn型の不純物を含む薄膜多結晶シリコンで構成され、かつ、前記薄膜多結晶シリコンの導電型がp型であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項2】絶縁性基板上にゲート電極,ゲート絶縁膜,チャネル層,p型不純物層及びソース・ドレイン電極を構成要素とする複数の薄膜トランジスタをスイッチング素子として具備した液晶表示装置において、前記チャネル層がp型及びn型の不純物を含む薄膜多結晶シリコンで構成され、かつ、前記薄膜多結晶シリコンの導電型がn型であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項3】絶縁性基板上に、ゲート電極,ゲート絶縁膜,チャネル層,n型不純物層、及びソース・ドレイン電極を構成要素とする複数の第1の薄膜トランジスタと、ゲート電極,ゲート絶縁膜,チャネル層,p型不純物層、及びソース・ドレイン電極を構成要素とする複数の第2の薄膜トランジスタを、スイッチング素子として具備した液晶表示装置において、前記第1の薄膜トランジスタのチャネル層がp型及びn型の不純物を含む薄膜多結晶シリコンで構成され、かつ、前記第1の薄膜トランジスタのチャネル層の導電型がp型であり、前記第2の薄膜トランジスタのチャネル層がp型及びn型の不純物を含む薄膜多結晶シリコンで構成され、かつ、前記第2の薄膜トランジスタのチャネル層の導電型がn型であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項4】請求項1,2又は3において、前記液晶表示装置が、画像を表示する画素電極を駆動するための複数の薄膜トランジスタを備えた画素部と、前記画素部を駆動するための複数の薄膜トランジスタを備えた回路部により構成されていることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項5】絶縁性基板上に画像を表示する画素電極を駆動するための第1の複数の薄膜トランジスタと、前記第1の複数の薄膜トランジスタを駆動する回路を構成するための第2の複数の薄膜トランジスタを具備し、前記薄膜トランジスタが、ゲート電極,ゲート絶縁膜,チャネル層,不純物シリコン層、及びソース・ドレイン電極により構成される液晶表示装置において、前記第2の薄膜トランジスタのチャネル層がp型及びn型の不純物を含む薄膜多結晶シリコンにより構成され、かつ、前記第2の薄膜トランジスタのチャネル層の導電型が、前記第2の薄膜トランジスタの不純物シリコン層の導電型と逆導電型であり、前記第1の薄膜トランジスタのチャネル層はp型及びn型の不純物を含む薄膜非晶質シリコンにより構成されることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項6】絶縁性基板上にゲート電極,ゲート絶縁膜,チャネル層,不純物シリコン層、及びソース・ドレイン電極を構成要素とする複数の薄膜トランジスタをスイッチング素子として具備した液晶表示装置において、前記薄膜トランジスタのチャネル層をゲート絶縁膜と接する側から多結晶シリコンと非晶質シリコンの二層構造とし、前記多結晶シリコンがp型及びn型の不純物を含み、かつ、前記多結晶シリコンの導電型が前記不純物シリコン層の導電型と逆導電型であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項7】絶縁性基板上に画像を表示する画素電極を駆動するための第1の複数の薄膜トランジスタと、前記第1の複数の薄膜トランジスタを駆動する回路を構成するための第2の複数の薄膜トランジスタを具備し、前記薄膜トランジスタが、ゲート電極,ゲート絶縁膜,チャネル層,不純物シリコン層、及びソース・ドレイン電極により構成される液晶表示装置において、前記第1及び第2の薄膜トランジスタのチャネル層をゲート絶縁膜と接する側から多結晶シリコンと非晶質シリコンの二層構造とし、前記多結晶シリコンがp型及びn型の不純物を含み、かつ、前記多結晶シリコンの導電型が前記第1及び第2の薄膜トランジスタの不純物シリコン層の導電型と逆導電型であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項8】絶縁性基板上に画像を表示する画素電極を駆動するための第1の複数の薄膜トランジスタと、前記第1の複数の薄膜トランジスタを駆動する回路を構成するための第2の複数の薄膜トランジスタを具備し、前記薄膜トランジスタが、ゲート電極,ゲート絶縁膜,チャネル層,不純物シリコン層、及びソース・ドレイン電極により構成される液晶表示装置において、前記第2の薄膜トランジスタのチャネル層をゲート絶縁膜と接する側から多結晶シリコンと非晶質シリコンの二層構造とし、前記多結晶シリコンがp型及びn型の不純物を含み、かつ、前記多結晶シリコンの導電型が前記第2の薄膜トランジスタの不純物シリコン層の導電型と逆導電型であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項9】請求項1,2,3,4,5,6,7又は8において、前記多結晶シリコンがn型の際には〔n型不純物濃度〕/〔p型不純物濃度〕≧10、前記多結晶シリコンがp型の際には〔p型不純物濃度〕/〔n型不純物濃度〕≧10とすることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項10】請求項1,2,3,4,5,6,7,8又は9において、前記p型不純物がボロンであり、前記n型不純物がリンであることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項11】請求項1,2,3,4,5,6,7,8,9又は10において、前記多結晶シリコンは、レーザを照射して形成したことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【請求項12】請求項11において、前記p型及びn型不純物の導入をレーザ照射前とすることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【請求項13】請求項12において、前記多結晶シリコンを、プラズマCVD法により、SiH及びB6及びPH3 の混合ガス、或いは、前記混合ガス中にH2 或いはHeなどの不活性ガスを添加した混合ガスを原料として非晶質シリコンを形成した後、レーザを照射して形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【請求項14】請求項12において、ゲート絶縁膜を形成した後、PH3 を原料ガスとしてプラズマ処理し、その後、プラズマCVD法により、SiH4 及びB26の混合ガス、或いは、前記混合ガス中にH2 或いはHeなどの不活性ガスを添加した混合ガスを原料として非晶質シリコンを形成した後、レーザを照射して形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【請求項15】請求項11,12,13又は14において、前記多結晶シリコンを形成する手段にエキシマレーザを用いることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示装置及びその製造方法に関し、特に液晶表示装置のスイッチング素子として用いる薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】薄膜トランジスタ(TFT)をスイッチング素子に用いた液晶デイスプレイ(LCD)は、薄型,軽量,低消費電力という特長からOA用VDTやカラーテレビ等に適用されている。このTFT−LCDの課題は、高精細化,大画面化,さらには低コスト化である。
【0003】高精細化及び大画面化には、現在使われているTFTのサイズを小さくし、開口率の向上並びに1ライン当たりの負荷の低減が必要となる。そのためには、現在広く用いられている非晶質シリコン(a−Si)を半導体層に適用したa−Si TFTでは、移動度が小さく(0.5cm2/V・s程度)、TFTサイズを小さくするには限界がある。従って、従来よりa−Si膜を結晶化して多結晶Si(poly−Si)に改質し、前記poly−Si膜をTFTの半導体層に用いることが考えられている。これにより、移動度を10cm2 /V・s以上にすることができる。a−Si膜を結晶化する手段としては、レーザを照射したり或いは600℃以上で加熱している(特開昭56−92573 号公報記載)。
【0004】低コスト化には、現在外付けされている駆動用LSIを画素と同一基板上に内蔵することが考えられている。駆動用回路は高速動作が必要なため、a−SiTFTでは移動度が小さく、回路を構成することは困難である。従って、少なくとも回路を構成する部分はpoly−Si TFTで構成しなければならない。前記回路内蔵を実現するために、レーザを回路を構成する部分のみに照射して、その部分をpoly−Si化し、回路部はpoly−Si TFT、画素部はa−Si TFTで構成することが考えられている。別の手段としては、熱処理を施して画素を含めてpoly−Si化し、LCDを構成する全てのTFTをpoly−Si TFTで構成することが考えられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に示すようにa−Siを結晶化する際、600℃以上で加熱したり、或いはレーザ等のエネルギービームを照射している。しかし、600℃以上で加熱する場合、低融点の低価格ガラスを使用することはできず、そのため石英ガラスなどの高価なガラスを使用している。従って、製造コストが高いという課題が生じる。又、エキシマレーザを照射する場合においても、従来のようにプラズマCVD法やスパッタ法等により形成したa−Siを結晶化する際は、照射エネルギーが300mJ/cm2 前後と高エネルギーを必要とする。従って、前記a−Siの下地膜に熱ダメージを与えるという問題が生じる。上記従来技術では、以上示すような課題に対する配慮がなされていない。
【0006】又、上記従来技術に示すように形成したpoly−Si TFTは、リーク電流が大きいという課題がある。
【0007】本発明の目的は、下地膜に熱ダメージを与えずに、結晶性の優れたpoly−Siを形成し、高移動度のTFTを提供することにある。
【0008】本発明の第2の目的は、上記高移動度のTFTをTFT−LCDに適用し、駆動回路内蔵型LCD,高精細LCD,大画面LCDを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、本発明では、TFTの構造を以下に示すようにする。p型及びn型の不純物を含むa−Siを形成し、かつ、前記a−Siの導電型をp型TFTの際はn型に、n型TFTの際はp型にする。その後、前記a−Siにレーザを照射することにより形成したpoly−SiをTFTのチャネル層に使用する。
【0010】又、駆動用回路内蔵型TFT−LCDに本発明を適用する場合、画素部TFT及び回路部TFTのチャネル層に、p型及びn型の不純物を含むa−Siを形成し、かつ、前記a−Siの導電型をp型TFTの際はn型に、n型TFTの際はp型にし、その後前記a−Siにレーザを照射して形成したpoly−Siを使用する。又、画素部TFTは、現状のa−Si TFTでも動作可能なため、回路部TFTのみ上記構造としても良い。
【0011】上記課題を解決するための別の手段としては、TFTのチャネル層を、ゲート絶縁膜と接する側からpoly−Siとa−Siの二層構造とし、かつ前記poly−Siを、p型及びn型の不純物を含むa−Siにレーザを照射して形成し、前記poly−Siの導電型をp型TFTの際はn型に、n型TFTの際はp型にする。以上示したp型或いはn型の不純物としては、特にBやPが有効である。
【0012】上記課題を解決するための製造方法の一手段を以下に示す。TFTのチャネル層に使用するpoly−Siを、プラズマCVD法により、SiH4 及びB26及びPH3 の混合ガス、或いは、前記混合ガス中にH2 或いはHeなどの不活性ガスを添加した混合ガスを原料として成膜した後、レーザ等のエネルギービームを照射して形成する。或いは、逆スタガ構造TFTの場合、ゲート絶縁膜を形成した後、PH3 を原料ガスとしてプラズマ処理し、その後、プラズマCVD法により、SiH4 及びB26の混合ガス、或いは、前記混合ガス中にH2 或いはHeなどの不活性ガスを添加した混合ガスを原料としてBを含有したa−Siを形成する。その後、前記a−Siにレーザを照射してpoly−Si化し、TFTのチャネル層に用いる。
【0013】a−Siの結晶化に用いるレーザとしては、a−Siに対する吸収係数の大きい紫外光であるエキシマレーザが適する。
【0014】
【作用】レーザを照射してa−Siを結晶化する際、前記a−Si中に導電性を示す不純物が含有している場合、結晶化のしきいエネルギー値が低下する。従って、前記不純物を含有しない場合と比較して低エネルギーでpoly−Si化することから、結晶化するa−Siの下地膜へ熱ダメージを与えずに、グレインサイズの大きなpoly−Siを得ることができる。従って、結晶化するa−Si中にn型及びp型の不純物を導入することで上記作用を得ることができる。又、レーザを照射してpoly−Si TFTを形成した場合、TFTのしきい電圧が負側にシフトする現象がある。そのため、n型TFTの場合には前記poly−Siをp型に、p型TFTの場合には前記poly−Siをn型にすることで、前記現象を解決することができる。さらに、不純物のド−プ量を制御することにより、TFTのしきい電圧を制御することができる。
【0015】TFTのチャネル層をゲート絶縁膜と接する側からpoly−Siとa−Siの二層構造にし、かつ、前記poly−Siを上記要領で構成することにより、電界が集中するソース・ドレイン電極と半導体層の接合部がa−Siで構成させるため、poly−Siで接合を形成するよりもリーク電流を著しく低減できる。さらには、オン電流が流れるチャネル領域は、結晶性の優れたpoly−Siで構成されるため、高移動度が得られる。
【0016】又、回路内蔵型TFT−LCDの回路部TFT、或いは、回路部及び画素部TFTの両方に上記TFTを適用することで、下地膜に熱ダメージを与えずに高移動度のpoly−Si TFTが形成でき、駆動回路内蔵型TFT−LCDを歩留まり良く製造できる。さらに、画素部TFTに本発明を適用した場合、TFTが高移動度であることから、TFTサイズを小さくでき、高精細化,大画面化が実現できる。
【0017】製造方法としては、TFTの半導体層に使用するpoly−Siを、プラズマCVD法により、SiH4 及びB26及びPH3 の混合ガス、或いは、前記混合ガス中にH2 或いはHeなどの不活性ガスを添加した混合ガスを原料として成膜した後、レーザ等のエネルギービームを照射して形成したものとする。ここで、前記B26及びPH3 ガスのガス流量を制御することで、a−Si中に所望のB及びPをドーピングすることができる。前記B及びPのドーピング量を制御するにより、TFTのしきい電圧を制御することができる。a−Si中にBやPがドーピングされているため、レーザを低エネルギーで照射してもグレインサイズの大きなpoly−Siが得られる。或いは、逆スタガ構造TFTの場合、ゲート絶縁膜を形成した後、PH3 を原料ガスとしてプラズマ処理し、その後、プラズマCVD法により、SiH4 及びB26の混合ガス、或いは、前記混合ガス中にH2 或いはHeなどの不活性ガスを添加した混合ガスを原料としてBを含んだa−Siを形成する。その後、レーザを照射してpoly−Si化し、TFTのチャネル層に用いる。以上のようにすることでも、a−Siの結晶化に要するしきいエネルギー値を小さくすることができる。
【0018】結晶化に用いるレーザとしては、a−Siに対する吸収係数の大きいエキシマレーザが適する。例えば、XeClエキシマレーザの発振波長は、308nmの紫外光領域である。そのため、Si表面の数10nmの領域で吸収されるため、レーザエネルギーを効率良く熱エネルギーに変換でき、結晶化には有効である。
【0019】
【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【0020】実施例1本発明を駆動用回路を内蔵した液晶表示装置に適用した場合を示す。図1は、駆動用回路を内蔵した液晶表示装置用アクティブマトリクス基板の概略を示す。画像を表示する画素部102と、前記画素部に備えられているTFTを駆動するための回路部101により構成されている。本実施例では、前記画素部102及び回路部101に用いるTFTを図1に示す構造とする。即ち、TFTのチャネル層をゲート絶縁膜と接する側からpoly−Siとa−Siの二層構造とし、かつ、前記poly−SiをB及びPを含むa−Siにレーザを照射して形成したものとする。BやPを含むa−Siは、結晶化しやすく、低エネルギーのレーザを照射しても結晶性の優れたpoly−Siが得られる。従って、a−Siの下地膜に熱ダメージを与えることはない。さらに、導電型をp型にしておくことで、TFTのディプレッションモードの特性を解消できる。
【0021】次に、本実施例を実現するための製造方法を以下に示す。ガラス基板1上にスパッタ法(DC100V,温度100℃)によりCrを120nm堆積した後、ホトエッチング工程によりゲート電極2パタ−ンを形成する。プラズマCVD法によりSiN膜3を350nm(基板温度350℃,圧力0.6Torr ,パワー60W、ガス流量SiH4 :NH3 :N2 =8:48:160sccm)堆積した後、B及びPを含んだa−Si4を40nmの膜厚で連続形成する。前記a−Si膜の形成条件は、基板温度300℃、圧力0.6Torr ,パワ−40W,ガス流量SiH4:0.1%B26(H2希釈):0.5%PH3(H2 希釈)=20:15:15sccmとした。その後、図2に示すようにエキシマレーザを170mJ/cm2照射して前記a−Si膜を結晶化する。レーザ照射後、a−Si6をプラズマCVD法により150nm(基板温度300℃,圧力0.6Torr ,パワ−40W、ガス流量SiH4 :H2 =15:40sccm)堆積し、続いてn型Si7を40nm(基板温度250℃,圧力0.6Torr,パワー60W,ガス流量SiH4:PH3:H2=20:20:40sccm)堆積して、TFTを形成する部分のSi膜を島状加工する。スパッタ法によりCr,Al等を形成し、ソース・ドレイン電極8を形成した後、最後にプラズマCVD法によりパッシベーション膜9としてSiNを1μm堆積する。図3は完成した逆スタガ構造TFTの断面図を示す。前記poly−Si中のB及びPの濃度は、TFT形成後に所望のしきい電圧になるようにドープ量を制御する。ドープ量の制御は、成膜時のB26及びPH3 ガスの流量を変えることで容易にできる。
【0022】本発明の手段により形成したTFTと、従来より製造されている不純物を含まないa−Siをレーザアニ−ルして形成したTFTの移動度を図4に示す。図4は、移動度のエキシマレーザ照射エネルギー依存性を示すが、本発明のTFTの方が、移動度が最大となるエネルギーが低エネルギー側にシフトし、さらに従来技術よりも高移動度が得られている。これにより、本発明は、下地膜への熱ダメージの低減、TFTの高移動度化、に適している。
【0023】以上のようにしてアクティブマトリクス基板を製造することにより、図5に示す通り、従来では外付けされていた駆動用LSI103を画素102と同一基板上に内蔵できる。従って、画面サイズを変えることなくモジュ−ルの小型化,軽量化を実現することができる。
【0024】ここでは、TFTの構造を逆スタガとしたが、正スタガ,コープレナー構造としても同様の効果が得られる。
【0025】実施例2本発明を、駆動用回路部はpoly−Si TFT、画素部はa−Si TFTで構成した駆動回路内蔵型アクティブマトリクス基板の製造に適用した場合について、以下図面(図6〜図11)を用いて説明する。
【0026】ガラス基板10上にスパッタ法によりAl膜11を250nm堆積し、ゲート電極及び走査線にパターニングした後、その表面層を陽極化成する(図6)。プラズマCVD法で、SiN膜13を200nm、B及びPをドープしたa−Si膜14を40nm連続形成する。前記a−Si膜の形成条件は、基板温度300℃,圧力0.6Torr ,パワー40W,ガス流量SiH4:0.1%B26(H2 希釈):0.5%PH3(H2 希釈)=20:20:5sccmとする。質量分析の結果、前記条件で形成したa−Si膜は、〔B濃度〕:〔P濃度〕=12:1になる。前記条件で形成したa−Si膜にレーザを照射することにより、低エネルギーでグレインサイズの大きなpoly−Siを得ることができる。又、低エネルギーで結晶化できるため、下地膜に熱ダメージを与えずにpoly−Si化することができる。B及びPをドーピングしたa−Si膜14を形成した後、回路内蔵部のみ局所的にエキシマレーザを170mJ/cm2 のエネルギーで照射する(図7)。その後、プラズマCVD法によりa−Si16を160nm、n型Si17を40nm連続形成し、TFTを形成する部分上のSi膜を島状加工する(図8)。次に、スパッタ法により画素電極となるITO膜18を形成した後、パターニングする(図9)。その後、ソース・ドレイン電極及び信号線として、スパッタ法によりCr19を60nm,Al20を400nm形成し、パターニングする。前記ソース・ドレイン電極をマスクにし、TFTのチャネル上のn型Siを選択除去する(図10)。最後に、全面にパッシベーション膜として、プラズマCVD法でSiN膜21を1μm堆積して、目的のアクティブマトリクス基板が完成する(図11)。
【0027】エキシマレーザを照射した際、不純物を含まないa−Siと比較して、B及びPをドーピングしたa−Siは低エネルギーで結晶化が起こる。従って、本実施例に示す製造方法により、ゲート絶縁膜のSiNに熱ダメージを与えることなくpoly−Si化でき、高移動度かつばらつきが小さいTFTを形成できる。従って、歩留まり良く駆動回路内蔵型TFT−LCDを製造できる。本実施例の製造方法で形成したTFTの移動度は、80cm2 /V・sが得られている。
【0028】又、画素部TFTを上記回路部TFTのようなpoly−Si TFTで構成しても同様な効果が得られる。さらに、上記実施例では、TFTの構造を逆スタガとしたが、その他正スタガ,コープレナー構造でも同様の効果が得られる。
【0029】
【発明の効果】本発明により、高性能なTFTを形成することができる。さらには、前記TFTをLCDのスイッチング素子に用いることにより、高精細LCD,大画面LCD,駆動用回路内蔵LCDを提供することができる。




 

 


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