JP3590156B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、トップゲート型シリコン薄膜トランジスタをスイッチング素子とするアクティブマトリクス型液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ポリシリコン薄膜トランジスタは、数十〜数百cm2 /Vs程度の高い移動度を示すため、アクティブマトリクス型液晶表示装置の画素部スイッチング素子や、駆動回路部素子として用いられている。画素部スイッチング素子には、一般にn型のポリシリコン薄膜トランジスタが用いられるが、通常の構造ではリーク電流が大きくなるため、LDD(Lightly Doped Drain )構造あるいはダブルゲート構造を採用し、ドレイン端の電界を緩和してリーク電流を低減させている。
【0003】
従来のトップゲート型ポリシリコン薄膜トランジスタ(TFT)をスイッチング素子とするアクティブマトリクス型液晶表示装置としては、図7に示す構造のものが挙げられる。
【0004】
この液晶表示装置の画素部nチャネルLDDTFTにおいては、ガラス基板21上に、下地層22が形成されており、下地層22上にパターニングされたチャネルポリシリコン層23が形成されている。チャネルポリシリコン層23の両側には、n− 型のLDD領域24−2を介してn+ 型のソース・ドレイン領域24−1が形成されている。
【0005】
チャネルポリシリコン層23、n− 型のLDD領域24−2、およびn+ 型のソース・ドレイン領域24−1上には、ゲート絶縁膜25が形成されており、ゲート絶縁膜25上であってチャネルポリシリコン層23上方には、ゲート線26−1が形成されている。また、ゲート絶縁膜25上であってソース・ドレイン領域24−2上方には、補助容量線26−2が形成されている。
【0006】
ゲート線26−1および補助容量線26−2上には、層間絶縁膜27−1および27−2が形成されている。層間絶縁膜27−1には、ソース・ドレイン領域24−2に達するコンタクトホールが形成されており、そのコンタクトホール内にソース・ドレイン領域24−2に電気的に接続するように信号線28が形成されている。また、層間絶縁膜27−2には、信号線28に達するコンタクトホールが形成されており、そのコンタクトホール内に画素電極29が形成されている。
【0007】
なお、図7において、画素部の右側は駆動部TFTを示しており、駆動部TFTにおける左側はnチャネルTFTであり、右側はp+ 型のソース・ドレイン領域24−3を有するpチャネルTFTである。
【0008】
上記構造を有する画素部および駆動部を製造する工程は次のようになる。
まず、図8(A)に示すように、ガラス基板21上に下地層22としてSiO2 膜およびアモルファスシリコン膜を順次形成し、レーザアニールによりアモルファスシリコンを結晶化させてポリシリコン層23とし、ポリシリコン層23をパターニングする。
【0009】
次いで、図8(B)に示すように、ポリシリコン層23上に保護膜30を形成し、イオン注入する領域のポリシリコン層23上の保護膜30を除去して、イオン注入する領域のポリシリコン層を露出させる。露出したポリシリコン層に高ドーズ量で補助容量部P+ イオンドーピングを行う。
【0010】
次いで、図8(C)に示すように、保護膜30を除去した後、全面にゲート絶縁膜25を形成する。その後、補助容量部をレーザを用いて活性化した後、ゲート線26−1および補助容量線26−2を形成し、このゲート線26−1および補助容量線26−2をマスクとして、低ドーズ量でポリシリコン層23および補助容量部にP+ イオンドーピングを行い、LDD領域24−2を形成する。
【0011】
次いで、図8(D)に示すように、ゲート線26−1上に保護膜を形成し、この保護膜30をマスクとして、高ドーズ量でソース・ドレイン領域24−1にP+ イオンドーピングを行う。このとき、ポリシリコン層23の両側に保護膜30の幅分のLDD領域24−2が残る。
【0012】
次いで、図9(A)に示すように、保護膜30を除去した後、pチャネルTFT領域以外の領域に新たに保護膜30を形成し、高ドーズ量でB+ イオンドーピングを行い、p+ 型のソース・ドレイン領域24−3を形成する。
【0013】
次いで、図9(B)に示すように、保護膜30を除去した後、全面に層間絶縁膜27−1を形成し、ソース・ドレイン領域24−1をレーザを用いて活性化した後、これにコンタクトホールを形成する。
【0014】
次いで、図9(C)に示すように、コンタクトホール内に信号線28を形成し、図10(A)に示すように、全面に層間絶縁膜27−2を形成し、これにコンタクトホールを形成する。
【0015】
最後に、図10(B)に示すように、コンタクトホール内に画素電極29を形成し、周辺パッド部を開孔して画素部および駆動回路部が作製される。この方法によれば、10pep(photo etching process )でTFT基板を作製することができる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
液晶表示装置の画面を明るく、コントラスト比を上げるためには、画素の開口率を上げることが重要である。開口率を上げるためには、補助容量線の面積を小さくすることが有効である。この場合、容量を変えずに補助容量線の面積を小さくする手段としては、補助容量絶縁膜厚を薄くすることが考えられる。例えば、補助容量絶縁膜厚が10nm以下であることが望ましい。
【0017】
しかしながら、従来の構造においては、補助容量絶縁膜とゲート絶縁膜が同時に形成されるため、補助容量絶縁膜の厚さを10nm以下にすると、必然的にゲート絶縁膜の厚さも10nm以下と薄くなる。通常、液晶表示装置に使用されるガラス基板には、ナトリウムイオンやカリウムイオンのような可動イオンを含む安価なガラス基板が使用されており、ゲート絶縁膜の厚さが10nm以下と薄いと、製造工程中の熱プロセスやウェットプロセス等を通じて可動イオンがTFTに混入し、TFTが劣化し易くなる。
【0018】
また、従来の製造方法では、工程が10pepであり、スループットの点で問題がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、基板材料中の可動イオンによる劣化がなく、しかも開口率が高い液晶表示装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このような液晶表示装置を効率よく得ることができる液晶表示装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、薄膜トランジスタをスイッチング素子として有する第1の基板と、前記第1の基板の薄膜トランジスタ形成面に対向するように配置された第2の基板と、前記第1及び第2の基板間に挟持された液晶材料とを具備する液晶表示装置であって、
前記薄膜トランジスタは、チャネル領域及び前記チャネル領域の両側に形成されたソース・ドレイン領域を備える半導体層と、前記半導体層のソース・ドレイン領域以外のチャネル領域上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜及び前記半導体層上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜の前記第1のゲート絶縁膜上の部分上に形成されたゲート線と、前記第2のゲート絶縁膜の前記ソース・ドレイン領域上の部分上に形成された補助容量線とを有することを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【0020】
また、本発明は、一方の基板に薄膜トランジスタをスイッチング素子として有する一対の基板を前記薄膜トランジスタが内側に向くようにして配置し、その間に液晶材料を注入してなる液晶表示装置の製造方法であって、前記薄膜トランジスタは、前記一方の基板上に直接または下地層を介して半導体層を形成する工程と、前記半導体層上に第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第1のゲート絶縁膜をマスクとして用いて前記半導体層に不純物を導入して、ソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記第1のゲート絶縁膜および前記ソース・ドレイン領域上に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第2のゲート絶縁膜の前記第1のゲート絶縁膜上の部分上にゲート線を、前記第2のゲート絶縁膜の前記ソース・ドレイン領域上の部分上に補助容量線を形成する工程とにより作製されることを特徴とする液晶表示装置の製造方法を提供する。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して具体的に説明する。
本発明のトップゲート型ポリシリコン薄膜トランジスタ(TFT)をスイッチング素子とするアクティブマトリクス型液晶表示装置を図1に示す。
【0022】
この液晶表示装置の画素部nチャネルLDDTFTにおいては、ガラス基板(第1の基板)11上に、シリコン酸化膜等からなる下地層12が形成されており、下地層12上にパターニングされたチャネルポリシリコン層13が形成されている。チャネルポリシリコン層13の両側には、n− 型のLDD領域14−2を介してn+ 型のソース・ドレイン領域14−1が形成されている。
【0023】
チャネルポリシリコン層13およびn− 型のLDD領域14−2上には、第1のゲート絶縁膜15−1が形成されており、第1のゲート絶縁膜15−1およびn+ 型のソース・ドレイン領域24−1上には、第2のゲート絶縁膜15−2が形成されている。第1および第2のゲート絶縁膜15−1,15−2としては、シリコン酸化膜等を用いることができる。また、第1および第2のゲート絶縁膜15−1,15−2の膜厚は、50〜100nm(例えば、第1のゲート絶縁膜の膜厚を50nm、第2のゲート絶縁膜の膜厚を80nm)であることが好ましい。したがって、補助容量絶縁膜(補助容量線下部の絶縁膜)の膜厚は50〜100nmであることが好ましく、ゲート絶縁膜の膜厚は100〜200nmであることが好ましい。
【0024】
補助容量絶縁膜と開口率は、図2に示すような関係を有している。すなわち、補助容量絶縁膜の膜厚が大きくなるにつれて開口率が低下する。液晶表示装置においては、開口率が約40%未満になると、白表示で充分に白くならず、画質が不充分となる。したがって、充分な画質を得るためには、開口率を約40%以上にする必要があり、そのためには、補助容量絶縁膜の厚さを約100nm以下に設定する必要がある。
【0025】
一方、ゲート絶縁膜とTFT特性(バイアス・温度ストレス試験による閾値電圧シフト量)は、ゲート−ソース間20Vバイアス、ドレイン−ソース間0Vバイアス、80℃、10000秒のストレス条件下において、図3に示す関係を有している。すなわち、ゲート絶縁膜の膜厚が大きくなるにつれて閾値電圧シフト量が小さくなる。この場合、閾値電圧シフト量が1V以下であれば実用上問題はないため、ゲート絶縁膜の厚さを約100nm以上に設定する必要がある。ゲート絶縁膜の厚さを約100nm以上に設定することにより、可動イオンがゲート絶縁膜でトラップされ、ゲート絶縁膜/チャネルポリシリコン層界面は清浄に保たれるため、TFTの可動イオン製劣化は実用上問題なくなる。
【0026】
このように、補助容量絶縁膜の厚さとゲート絶縁膜の厚さは、それぞれ好ましい範囲があり、その範囲は異なっている。従来の方法では、補助容量絶縁膜とゲート絶縁膜は同じ工程で形成されているので、両者を独立に好ましい膜厚に設定することはできないが、本発明の方法によれば、両者を独立に好ましい膜厚に設定することができる。
【0027】
第2のゲート絶縁膜15−2上であってチャネルポリシリコン層13上方には、ゲート線16−1が形成されている。また、第2のゲート絶縁膜15−2上であってソース・ドレイン領域14−2上方には、補助容量線16−2が形成されている。ゲート線16−1および補助容量線16−2の材料としては、MoTa、MoW等を用いることができる。
【0028】
ゲート線16−1および補助容量線16−2上には、シリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜17−1および17−2が形成されている。層間絶縁膜17−1には、ソース・ドレイン領域14−1に達するコンタクトホールが形成されており、そのコンタクトホール内にソース・ドレイン領域14−2に電気的に接続するように、Al、Al合金等からなる信号線18が形成されている。また、層間絶縁膜17−2には、信号線18に達するコンタクトホールが形成されており、そのコンタクトホール内に、ITO(Indium Tin Oxide)等からなる画素電極19が形成されている。
【0029】
なお、図3において、画素部の右側は駆動部TFTを示しており、駆動部TFTにおける左側はnチャネルTFTであり、右側はp+ 型のソース・ドレイン領域14−3を有するpチャネルTFTである。
【0030】
次に、上記構造を有する画素部および駆動部の製造工程について説明する。
ポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法においては、チャネル層の形成方法として、レーザアニール法あるいは熱を用いる固相成長法が挙げられ、ソース・ドレイン領域の形成方法として、イオン注入法とレーザ活性化法あるいは熱活性法との組み合わせ等が挙げられる。チャネル層形成およびソース・ドレイン領域形成にレーザを用いる方法は、低温プロセスであるので、安価なガラス基板を用いることが可能となる。したがって、この方法は、ポリシリコン薄膜トランジスタを用いて液晶表示装置を量産する際においては非常に有力な方法である。また、イオン注入の際にイオンの質量分離を行わないイオンドーピング法は、大型基板を用いたプロセスに適するため、量産に向けて非常に有力な方法である。ここでは、レーザアニール法およびレーザ活性化法、並びにイオンドーピング法を用いる場合について説明する。
【0031】
まず、図4(A)に示すように、ガラス基板11上に下地層12としてSiO2 膜およびアモルファスシリコン膜をプラズマCVD法により順次形成し、レーザアニールによりアモルファスシリコンを結晶化させてポリシリコン層13とし、ポリシリコン層13をフォトリソグラフィー法およびエッチング法によりパターニングする。
【0032】
次いで、図4(B)に示すように、ポリシリコン層13上にプラズマCVD法あるいは常圧CVD法でSiO2 を堆積させることにより第1のゲート絶縁膜15−1を形成し、フォトリソグラフィー法およびエッチング法によりパターニングする。この第1のゲート絶縁膜15−1をマスクとして、高ドーズ量で補助容量部P+ イオンドーピングを行い、n+ 型のソース・ドレイン領域14−1を形成する。次いで、これをレーザを用いて活性化する。このn+ 型のソース・ドレイン領域14−1は補助容量線16−2の下部電極を兼ねている。したがって、ポリシリコンチャネル層13と補助容量線16−2の下部電極は同一層で形成されている。
【0033】
この高ドーズ量のn型不純物ドーピングにより、第1のゲート絶縁膜15−1には、P,As,Bi,Sb等のn型不純物が約1012/cm2 以上の濃度で含まれることになる。第1のゲート絶縁膜15−1に不純物元素が含まれることにより、ガラス基板に含まれるナトリウムイオンやカリウムイオン等の可動イオンのゲッタリング効果が発揮され、TFTの可動イオン性劣化に対する耐性が増大する。
【0034】
次いで、図4(C)に示すように、プラズマCVD法あるいは常圧CVD法でSiO2 を堆積させることにより、全面に第2の絶縁膜15−2を形成し、第2の絶縁膜15−2上に、スパッタリング法でMoTaを堆積させて膜形成し、フォトリソグラフィー法およびエッチング法によりパターニングしてゲート線16−1および補助容量線16−2を形成する。したがって、ゲート線16−1と補助容量線16−2は同一層で形成されている。このとき、ゲート線16−1の幅は、第1の絶縁膜15−1の幅よりも若干小さく設定する(4〜8μm程度)。その後、低ドーズ量でP+ イオンドーピングを行い、LDD領域14−2を形成する。
【0035】
次いで、図4(D)に示すように、pチャネルTFT領域以外の領域にAl等からなる保護膜20を形成し、高ドーズ量でB+ イオンドーピングを行い、p+ 型のソース・ドレイン領域14−3を形成する。
【0036】
次いで、図5(A)に示すように、保護膜20を除去した後、プラズマCVD法あるいは常圧CVD法でSiO2 を堆積させることにより、全面に層間絶縁膜17−1を形成し、n+ 型のソース・ドレイン領域14−1,14−2,14−3をレーザを用いて活性化した後、これにコンタクトホールを形成する。
【0037】
次いで、図5(B)に示すように、コンタクトホール内に充填されるようにスパッタリング法でAlを堆積させ、フォトリソグラフィー法およびエッチング法によりパターニングして信号線18を形成し、図5(C)に示すように、プラズマCVD法でシリコン窒化物を堆積させることにより、全面に層間絶縁膜17−2を形成し、これにコンタクトホールを形成する。
【0038】
最後に、図6に示すように、コンタクトホール内に充填されるようにスパッタリング法でITOを堆積させ、フォトリソグラフィー法およびエッチング法によりパターニングして画素電極19を形成し、周辺パッド部を開孔して画素部および駆動回路部が作製される。この方法によれば、9pep(photo etching process )でTFT基板を作製することができる。
【0039】
このTFT基板についてTFTの移動度を調べたところ、nチャネル(n−ch)TFTにおいて移動度は>100cm2 /Vsであり、pチャネル(p−ch)TFTにおいて移動度は>80cm2 /Vsであった。また、バイアス・温度ストレス(BTS)試験を行ったところ、ゲート−ソース間20Vバイアス、80℃、10000秒のストレス条件下でnチャネル(n−ch)TFT、pチャネル(p−ch)TFT共に閾値電圧のシフト量は1V以下であった。
【0040】
このようにして得られたTFT基板を用いて、常法にしたがってアクティブマトリクス型液晶表示装置を作製した。この液晶表示装置の開口率を調べたところ、40%以上であることが確認された。
【0041】
本実施形態においては、ポリシリコン薄膜トランジスタについて説明しているが、本発明はアモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタにも同様に適用することができる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の液晶表示装置は、薄膜トランジスタをスイッチング素子として有し、前記薄膜トランジスタは、前記第1の基板上方に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート線と、前記第1の基板上方に形成された補助容量絶縁膜と、前記補助容量絶縁膜上に形成された補助容量線とを有しており、前記ゲート絶縁膜の厚さが前記補助容量絶縁膜の厚さよりも厚いので、基板材料中の可動イオンによる劣化がなく、しかも開口率が高いものである。
【0043】
また、本発明の液晶表示装置の製造方法は、一方の基板にスイッチング素子として形成された薄膜トランジスタが、一方の基板上に直接または下地層を介してチャネル層およびソース・ドレイン領域を形成し、チャネル層上に第1のゲート絶縁膜を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート絶縁膜を形成し、第2のゲート絶縁膜上であってチャネル層上方にゲート線を形成し、第2のゲート絶縁膜上であって一方のソース・ドレイン領域上方に補助容量線を形成するので、製造工程を従来より1pep削減することができ、上記液晶表示装置を効率よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアクティブマトリクス型液晶表示装置のTFT構造を示す図。
【図2】補助容量絶縁膜厚と開口率との関係を示すグラフ。
【図3】ゲート絶縁膜厚と閾値電圧シフト量との関係を示すグラフ。
【図4】(A)〜(D)は図1に示すTFTの製造工程を説明するための図。
【図5】(A)〜(C)は図1に示すTFTの図4(D)以降の製造工程を説明するための図。
【図6】図1に示すTFTの図5(C)以降の製造工程を説明するための図。
【図7】従来のアクティブマトリクス型液晶表示装置のTFT構造を示す図。
【図8】(A)〜(D)は図7に示すTFTの製造工程を説明するための図。
【図9】(A)〜(C)は図7に示すTFTの図8(D)以降の製造工程を説明するための図。
【図10】(A)および(B)は図7に示すTFTの図9(C)以降の製造工程を説明するための図。
【符号の説明】
11…ガラス基板、12…下地層、13…チャネルポリシリコン層、14−1…n+ 型のソース・ドレイン領域、14−2…n− 型のLDD領域、14−3…p+ 型のソース・ドレイン領域、15−1…第1のゲート絶縁膜、15−2…第2のゲート絶縁膜、16−1…ゲート線、16−2…補助容量線、17−1,17−2…層間絶縁膜、18…信号線、19…画素電極、20…保護膜。
Claims (5)
- 薄膜トランジスタをスイッチング素子として有する第1の基板と、前記第1の基板の薄膜トランジスタ形成面に対向するように配置された第2の基板と、前記第1及び第2の基板間に挟持された液晶材料とを具備する液晶表示装置であって、
前記薄膜トランジスタは、チャネル領域及び前記チャネル領域の両側に形成されたソース・ドレイン領域を備える半導体層と、前記半導体層のソース・ドレイン領域以外のチャネル領域上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜及び前記半導体層上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜の前記第1のゲート絶縁膜上の部分上に形成されたゲート線と、前記第2のゲート絶縁膜の前記ソース・ドレイン領域上の部分上に形成された補助容量線とを有することを特徴とする液晶表示装置。 - 前記補助容量絶縁膜の厚さが開口率約40%以上を達成する厚さである請求項1記載の液晶表示装置。
- 前記第1のゲート絶縁膜が、1012/cm2以上の濃度でn型不純物元素を含む請求項1記載の液晶表示装置。
- 前記半導体層は、チャネル領域とソース・ドレイン領域との間に、前記ソース・ドレイン領域よりも低い濃度の前記ソース・ドレイン領域と同一導電型の不純物元素を含む領域を備え、この不純物元素を含む領域上にも前記第1のゲート絶縁膜が形成される請求項1記載の液晶表示装置。
- 一方の基板に薄膜トランジスタをスイッチング素子として有する一対の基板を前記薄膜トランジスタが内側に向くようにして配置し、その間に液晶材料を注入してなる液晶表示装置の製造方法であって、
前記薄膜トランジスタは、
前記一方の基板上に直接または下地層を介して半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁膜をマスクとして用いて前記半導体層に不純物を導入して、ソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁膜および前記ソース・ドレイン領域上に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜の前記第1のゲート絶縁膜上の部分上にゲート線を、前記第2のゲート絶縁膜の前記ソース・ドレイン領域上の部分上に補助容量線を形成する工程と、
により作製されることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
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