JPH09251171A - 液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 逆スタガ型ＴＦＴの活性層のゲート電極側の
部分の多結晶化を容易にし、特性の向上、均質化をはか
る。 【解決手段】 薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のゲート電
極１０２に多結晶化１０４ａするための光１０６を透過
する開口部１０２ａを設けることにより、製造工程にお
いて成膜した非晶質シリコン層１０４のゲート電極に面
する側の多結晶化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は活性層として多結晶
シリコンからなる薄膜トランジスタを有するアクティブ
マトリクス型液晶表示装置およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】小形軽量な画像表示装置として有用な液
晶表示装置の中で、反射型液晶表示装置は背面からバッ
クライトによる光を必要とせず、消費電力が小さく電池
での長時間駆動に適しており、携帯用端末やノートパソ
コンなどに使用されている。

【０００３】また、液晶表示装置は大画面化、高精細化
が進んでおり、れに合わせてスイッチング素子として使
用される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の特性の向上が要
求される。とくに、ＴＦＴの小型化、高速度動作を実現
するために活性層の移動度の向上が必要であり、ａ−Ｓ
ｉに代えて移動度の大きな多結晶シリコンを使用するＴ
ＦＴが実現している。

【０００４】多結晶シリコンの活性層の製造方法とし
て、非晶質からの熱処理による固相成長法や、レーザー
走査やランプの光照射によるアニールなどで結晶成長さ
せる方法がある。

【０００５】多結晶シリコンは移動度が非晶質シリコン
に比較して２桁程度高く、ＴＦＴの小型化や同一基板へ
の駆動回路の形成が可能になる。従来の多結晶シリコン
ＴＦＴは、コプラナ構造であり、熱酸化やイオン注入に
よる半導体製造技術を使用する。しかし、これらの製造
技術は小型、高精細のアレイ基板を作製する場合に有効
であるが、大画面の液晶表示装置などに適していない。
これは熱酸化やイオン注入後の活性化に高温処理工程が
必要であり、基板に石英などの耐熱性絶縁板が必要なこ
と、高温工程で基板が変形、伸縮し大画面になるほど問
題になることによる。

【０００６】そこで、ガラス基板の使用が可能な最高温
度が６００℃程度までの加熱工程で多結晶シリコンＴＦ
Ｔを製造することができる方法として、あらかじめａ−
Ｓｉ膜をガラス基板上に成膜し、レーザー照射により多
結晶化する方法が提案されている。

【０００７】低温で多結晶シリコンＴＦＴを製造する場
合、逆スタガー型ＴＦＴが有利である。このＴＦＴは絶
縁基板上にまずゲート電極を形成し、その上に活性層を
形成するもので、熱酸化やイオン注入が不要であること
に加え、非晶質シリコンＴＦＴを使用している大型液晶
表示装置に用いられるなど、低温での製造工程に高い信
頼性をもっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】逆スタガー型ＴＦＴで
活性層を多結晶化して形成する場合、ゲート電極上に積
層した非晶質シリコン層面にレーザー光などを照射して
多結晶化する。ところが、非晶質層のゲート電極に面す
る側に光が十分に届かないため活性層のチャンネル形成
領域の多結晶化を十分に行うことができず、所期の特性
が得られないなどの不都合が生じている。

【０００９】本発明の目的は活性層のゲート電極側の部
分の多結晶化を容易にし、特性の向上、均質化をはかる
ことができる液晶表示装置およびその製造方法を得るも
のである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁基板上に
設けられたゲート電極と、このゲート電極上に設けられ
たゲート絶縁膜、シリコン活性層およびソース、ドレイ
ン電極からなる逆スタガー型薄膜トランジスタをスイッ
チング素子として前記絶縁基板上の画素電極に接続した
液晶表示装置において、前記ゲート電極の一部に光を透
過する開口部が形成されてなる液晶表示装置を得るもの
である。

【００１１】さらに、第１の絶縁基板とこの基板の一主
面上にゲート電極とシリコン活性層を有する薄膜トラン
ジスタおよびこの薄膜トランジスタに接続される表示画
素電極がマトリクス状に形成されたアレイ基板と、第２
の基板とこの基板の一主面上に共通電極が形成された対
向基板と、前記第１の基板と第２の基板を前記各電極が
対向するように組み合わされて得られる間隙に挟持され
る液晶とを具備する液晶表示装置において、前記シリコ
ン活性層は少なくとも一部が多結晶シリコンで形成さ
れ、前記ゲート電極に光透過可能な開口部が形成されて
いることを特徴とする液晶表示装置を得るものである。

【００１２】さらに、上記において、ゲート電極の開口
部がソース電極からドレイン電極にわたるように形成さ
れてなる液晶表示装置を得るものである。

【００１３】さらに本発明は、光透過性の絶縁基板上に
導電性薄膜を形成する工程と、前記導電性薄膜を一部に
光を透過する開口部のあるゲート電極にパターニングす
る工程と、前記ゲート電極上に非晶質シリコン層を成膜
する工程と、前記絶縁基板側から前記ゲート電極の開口
部を通して前記非晶質シリコン層に光照射し非晶質シリ
コン層の一部を多結晶化する工程とを具備してなる液晶
表示装置の製造方法を得るものである。

【００１４】さらに、非晶質シリコン層の一部に形成さ
れた多結晶を種結晶として熱処理による固相成長により
前記種結晶に隣接する非晶質シリコン層を結晶成長させ
て非晶質シリコン層を多結晶化することを特徴とする液
晶表示装置の製造方法を得るものである。なお、前記開
口部はスリット、矩形、長方形、楕円、円などまたはこ
れらの組合わせにより形成することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】上記のように、薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）のゲート電極に多結晶化するための光を透過
する開口部を設けることにより、製造工程において成膜
した非晶質シリコン層のゲート電極に重なりかつ面する
側の多結晶化を容易にし、多結晶シリコンの活性層を得
ることができる。なお、ゲート電極の開口部により動作
時に活性層に光漏れを生じるが、反射型表示装置におい
ては、そのおそれは少ない。本発明を透過型表示装置に
用いる場合は開口部を遮光する遮光膜を基板に形成する
ことが望ましい。

【００１６】図１により本発明の１実施形態を説明す
る。

【００１７】（第１工程）（図（ａ）） まず、ガラス絶縁基板１０１を用意し、その一主面にゲ
ート電極となる導電性膜に金属として例えばＴａ膜を成
膜する。次に光が透過するための開口部１０２ａとして
スリットを開け櫛形状としたゲート電極１０２にパター
ニングする。

【００１８】（第２工程）（図（ｂ）） ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜１０３を成膜する。
続いて活性層となる非晶質シリコン層１０４と電極コン
タクトのための低抵抗シリコン層１０５を連続して成膜
する。

【００１９】（第３工程）（図（ｃ）） 下側すなわち絶縁基板１０１側からエネルギー線（レー
ザー光、ランプ光）１０６の照射を行う。このときゲー
ト電極１０２の開口部１０２ａを通して光１０６が活性
層となる非晶質シリコン層１０４に達し多結晶シリコン
１０４ａが形成される。光が照射されたことにより発生
した熱は層の横方向にも拡散するため、これにより多結
晶化する幅は開口部１０２ａよりも大きくなる。したが
って、光照射時にゲート電極直上のこの電極に面する側
にあって電極に重なる部分の遮光される非晶質シリコン
層部分も多結晶化される。すなわちチャンネルが形成さ
れる部分の多結晶化が可能になる。

【００２０】さらにこの多結晶を種結晶にしてさらに結
晶成長させることができる。

【００２１】図２は本発明の他の実施形態を説明するも
のである。

【００２２】（第１工程）（図（ａ）） ガラス絶縁基板２０１を用意し、その一主面２０１ａに
ゲート電極となる導電性膜として例えば低抵抗非晶質シ
リコン層を成膜し、次に光が透過するための開口部２０
２ａとしてスリットを開けた櫛形状のゲート電極２０２
にパターニングする。

【００２３】（第２工程）（図（ｂ）） ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜２０３を成膜する。
続いて活性層となる非晶質シリコン層２０４と電極コン
タクトのための低抵抗シリコン層２０５を連続して成膜
する。

【００２４】（第３工程）（図（ｃ）） 基板側からエネルギー線（レーザー光、ランプ光）２０
６の照射を行う。このときゲート電極２０２に開口部２
０２ａがあるため、開口部を通して光２０６が活性層と
なる非晶質シリコン層２０４に達し一部に多結晶シリコ
ン領域２０４ａが形成される。

【００２５】（第４工程）（図（ｄ）） 温度６００℃で５時間程度のアニールを行い、多結晶化
されている部分２０４ａを種結晶として活性層全体と低
抵抗シリコン膜の結晶成長２０４ｂ、２０５ｂを行う。

【００２６】図３に、本発明の実施形態のゲート電極の
開口部形状を示す。

【００２７】（ａ）はソース電極２０７、ドレイン電極
２０８間の活性層に形成されるチャンネル形成方向２０
９を横切るように櫛２０２ｂを並べた櫛形ゲート電極２
０２とし、櫛間のスリット２０２ｃを開口部としてもの
である。

【００２８】（ｂ）はチャンネル形成方向２０９に平行
に櫛形２０２ｂを配置した櫛型ゲート電極で、櫛間のス
リット２０２ｃを開口部としている。

【００２９】図４は図（ｂ）櫛２０２ｂを横切る方向Ｂ
−Ｂ´線にそう断面図で、開口部２０２ｃを通過した光
の照射部分に非晶質シリコン層２０４に多結晶化領域２
０４ａが形成され、ゲート電極２０２ｂと重なる部分が
非晶質のまま残ることを示している。

【００３０】（ｃ）はジグザグ状ゲート電極２０２で電
極線２０２ｂに挟まれたスリット２０２ｃを開口部とし
ている。

【００３１】（ｄ）は梯子型にゲート電極２０２を形成
し、矩形開口単位２０２ｆの長辺をソース、ドレイン電
極２０７、２０８間のチャンネルの伸びる方向２０９に
そって延在させたものである。

【００３２】（ｅ）は電極中心にチャンネルを横切る細
幅の電極線２０２ｄを形成し、その両側に櫛形２０２ｂ
を形成した構造である。

【００３３】（ｆ）はゲート電極２０２内に楕円開口単
位２０２ｅを複数個形成した網目構造である。

【００３４】これらは多結晶化に有効な開口形状である
が、熱処理による固相成長を行わない場合は、（ｂ）、
（ｃ）および（ｄ）の形状がとくに適している。これは
基板側からの光照射時に影となるゲート電極直上の電極
に重なる部分が多結晶化しにくいため、開口部でさらさ
れる活性層領域がソース電極２０７からドレイン電極２
０８まで連続的に伸びた構造が活性層を確実に多結晶化
するのに適しているからである。これらの構造では、ゲ
ート電極直上の電極と重なる部分を非晶質のままにして
おくことができる。

【００３５】（ａ）、（ｅ）および（ｆ）はアニールに
より非照射部分を多結晶化することができるが、ゲート
電極と重なる非照射部分を確実に多結晶化するために電
極のチャンネル方向の櫛幅を狭めることが望ましい。

【００３６】

【実施例】

（実施例１）図５により本発明の１実施例を説明する。

【００３７】図５において、液晶表示装置は、絶縁基板
４０１の一主面上にゲート電極４０２とシリコン活性層
を有する薄膜トランジスタ４１３およびこの薄膜トラン
ジスタに接続される表示画素電極４１１がマトリクス状
に形成されたアレイ基板と、一主面上に共通電極が形成
された対向基板と、これらの基板を各電極が対向するよ
うに組み合わされて得られる間隙に挟持される液晶とを
有する。

【００３８】シリコン活性層は多結晶シリコンで形成さ
れ、ゲート電極４０２に光を透過する窓として開口部４
０２ａが形成されている。

【００３９】以下、この製造方法を説明する。

【００４０】（第１工程）（図（ａ）） 透明なガラス基板４０１上に４０００Ａ厚のＴａ膜を成
膜し、パターニングによりスリット４０２ａが開いた形
状にゲート電極４０２とゲート配線４０３および補助容
量線４０４を形成する。ゲート電極のスリット幅を
μｍとする。

【００４１】（第２工程）（図（ｂ）） ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜４０５を３０００
Ａ、活性層として非晶質シリコン層４０６を４０００
Ａ、ソース、ドレイン領域としてりんがドープされた非
晶質シリコン層４０７を５００Ａを、プラズマＣＶＤ装
置で連続して成膜する。

【００４２】（第３工程）（図（ｃ）） 基板側からレーザー光４１２の照射を行い、活性層４０
６の非晶質シリコンの多結晶化４０６ａを行う。

【００４３】（第４工程）（図（ｄ）） 活性層の島を形成するために、低抵抗非晶質シリコンと
多結晶シリコンをパターニングし、周辺部にゲート配線
接続するためのコンタクトホールを開口した後、信号配
線４０８とドレイン電極４０９、およびソース電極４１
０と画素電極４１１としてＡｌを成膜しパターニングす
る。

【００４４】（第５工程）（図（ｅ）） ゲート上部の低抵抗シリコン層４０７をＡｌ電極４０
９、４１０をマスクとして、エッチングする。この後、
保護膜の成膜とコンタクトホールの開口を行うことによ
ってアレイ基板は完成する。本実施例で作製したＴＦＴ
の特性を測定したところ、移動度は５．２cm² /Vsec と
良好な値が得られた。これは非晶質シリコンＴＦＴの移
動度の０．４cm² /Vsec や従来の製法で作製した逆スタ
ガー型多結晶シリコンＴＦＴの移動度１．６cm² /Vsec
よりも大幅に向上しており、本発明の効果を示してい
る。

【００４５】この実施例ではゲート電極としてＴａを使
用したが、金属だけでなく、不純物が天下された非晶質
シリコンや多結晶シリコン、あるいはシリサイドのしよ
うも可能である。非晶質シリコンであれば、レーザーや
ランプ照射によってゲートの多結晶化も同時に行うこと
ができ特性が向上する。

【００４６】（実施例２）本実施例を図６により説明す
る。

【００４７】本例は耐熱ガラス基板上に表示部を形成し
た反射型液晶表示装置用ＴＦＴアレイ基板の製造方法で
ある。

【００４８】（第１工程）（図（ａ）） 高耐熱ガラス基板５０１上にリンが添加された低抵抗シ
リコン膜を成膜し、スリット５０２ａが開いた形状にゲ
ート電極５０２とゲート配線５０３、および容量補助配
線５０４を形成する。

【００４９】（第２工程）（図（ｂ）） ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜５０５を３０００
Ａ、活性層として非晶質シリコン５０６を４０００Ａ、
ソース、ドレイン領域として低抵抗シリコン膜５０７を
５００Ａ、プラズマＣＶＤ装置で連続して成膜する。

【００５０】（第３工程）（図（ｃ）） 基板側からレーザー５１２の照射を行い活性層の非晶質
シリコン層５０６の多結晶化５０６ａを行う。

【００５１】（第４工程）（図（ｄ）） さらにアニール炉で窒素雰囲気中で６００℃、５時間の
アニールを行い多結晶化領域５０６ａを種結晶として活
性層非晶質シリコン全体と低抵抗シリコン層の多結晶化
５０６ｂ、５０７ｂを行う。

【００５２】（第５工程）（図（ｅ）） 活性層の島５０６ｃを形成するために、低抵抗非晶質シ
リコンと多結晶シリコンをパターニングし、周辺部にゲ
ート配線を接続するためのパッドのコンタクトホールを
開口した後、信号配線５０８とドレイン電極５０９、お
よびソース電極５１０と画素電極５１１としてＡｌを成
膜し、パターニングする。

【００５３】（第６工程）（図（ｆ）） ゲート５０２上部の低抵抗シリコン層５０７ｂ（図
（ｅ））をＡｌ電極５０９、５１０をマスクとして、エ
ッチングする。この後、保護膜の成膜とコンタクトホー
ルの開口を行うことによってアレイ基板は完成する。

【００５４】このアレイ基板にガラス絶縁基板５１３の
一主面に光吸収層５１４とＩＴＯの共通電極５１５を形
成した対向基板を間隙を介して組合わせ、この間隙に液
晶を挟持させてセルとする。

【００５５】本実施例で作製したＴＦＴの特性を測定し
たところ、移動度は２３．５cm² /Vsec と実施例１に比
較してもさらに良好な値が得られ、本発明の効果を表し
ている。

【００５６】上の例ではレーザーアニールで結晶化した
ものを種結晶として、固相成長法を用いて活性層全体、
およびソース、ドレイン部の非晶質シリコンの多結晶化
も行う。種結晶があるためアニール温度は短くなり、さ
らに結晶粒の大きさも均一化されるため特性のばらつき
も少なくなるという効果がある。

【００５７】

【発明の効果】本発明はゲート電極の開口によって、ゲ
ートを逆スタガーのような下置き構造でも、活性層のゲ
ート直上部分の多結晶化を確実かつ容易に行うことがで
き、特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態を説明
するもので、それぞれ上方に平面図、下方にＡ−Ａ´線
（図（ａ））にそう断面図を示す。

【図２】（ａ）乃至（ｄ）は本発明の他の実施形態を説
明するもので、それぞれ上方に平面図、下方にＡ−Ａ´
線（図（ａ））にそう断面図を示す。

【図３】（ａ）乃至（ｆ）は本発明の実施形態のゲート
電極の平面図である。

【図４】図３（ｂ）のＢ−Ｂ´線にそう拡大断面図であ
る。

【図５】（ａ）乃至（ｅ）は本発明の一実施例を説明す
るもので、上方に平面図、下方にＡ−Ａ´線（図
（ａ））にそう断面図を示す。

【図６】（ａ）乃至（ｆ）は本発明の他の実施例を説明
するもので、上方に平面図、下方にＡ−Ａ´線（図
（ａ））にそう断面図を示す。

【符号の説明】

１０１ …ガラス絶縁基板 １０２ …ゲート電極 １０２ａ…開口部 １０３ …シリコン酸化膜 １０４ …非晶質シリコン層（活性層） １０４ａ…多結晶シリコン １０５ …低抵抗シリコン層 １０６ …光 ５１３…ガラス絶縁基板 ５１５…共通電極 ５１６…液晶

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上に設けられたゲート電極と、
   このゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜、シリコン
   活性層およびソース、ドレイン電極からなる逆スタガー
   型薄膜トランジスタをスイッチング素子として前記絶縁
   基板上の画素電極に接続した液晶表示装置において、前
   記ゲート電極の一部に光を透過する開口部が形成されて
   なる液晶表示装置。
2. 【請求項２】 第１の絶縁基板とこの基板の一主面上に
   ゲート電極とシリコン活性層を有する薄膜トランジスタ
   およびこの薄膜トランジスタに接続される表示画素電極
   がマトリクス状に形成されたアレイ基板と、第２の基板
   とこの基板の一主面上に共通電極が形成された対向基板
   と、前記第１の基板と第２の基板を前記各電極が対向す
   るように組み合わされて得られる間隙に挟持される液晶
   とを具備する液晶表示装置において、前記シリコン活性
   層は少なくとも一部が多結晶シリコンで形成され、前記
   ゲート電極に光透過可能な開口部が形成されていること
   を特徴とする液晶表示装置。
3. 【請求項３】 ゲート電極の開口部がソース電極からド
   レイン電極にわたるように形成されてなる請求項１記載
   の液晶表示装置。
4. 【請求項４】 光透過性の絶縁基板上に導電性薄膜を形
   成する工程と、前記導電性薄膜を一部に光を透過する開
   口部のあるゲート電極にパターニングする工程と、前記
   ゲート電極上に非晶質シリコン層を成膜する工程と、前
   記絶縁基板側から前記ゲート電極の開口部を通して前記
   非晶質シリコン層に光照射し非晶質シリコン層の一部を
   多結晶化する工程とを具備してなる液晶表示装置の製造
   方法。
5. 【請求項５】 非晶質シリコン層の一部に形成された多
   結晶を種結晶として熱処理による固相成長により前記種
   結晶に隣接する非晶質シリコン層を結晶成長させて非晶
   質シリコン層を多結晶化することを特徴とする請求項４
   記載の液晶表示装置の製造方法。