JP4268700B2 - エキシマレーザアニール装置、多結晶薄膜トランジスタの製造方法及び液晶表示素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファスシリコンをアニールして多結晶シリコンを得るために、アモルファスシリコンにエキシマレーザビームを照射するエキシマレーザアニール装置及び、このエキシマレーザアニール装置によるアニールにより形成される多結晶シリコンを半導体層とする多結晶薄膜トランジスタの製造方法並びに、このようにして得られた多結晶薄膜トランジスタを用いて成る液晶表示素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、高精細な液晶表示素子のスイッチング素子として、移動度が高く且つ液晶表示素子の駆動も含めた高性能化が可能であることから、多結晶シリコンを半導体層とする多結晶薄膜トランジスタ(以下p−SiTFTと略称する。)の実用化が進められている。一般に多結晶シリコンは、アモルファスシリコンにレーザビームを照射して多結晶化するレーザアニール法により形成されている。
【0003】
このようなレーザアニール法において、液晶表示素子の大型化に応じるためのp−SiTFTが形成されるアレイ基板の一層の大面積化に伴い、レーザビームの長尺化が要求される。但しレーザビームの長尺化に拘わらず、レーザビームの長さが、アレイ基板の表示領域の幅より短く、レーザビーム1ラインの長さではアレイ基板の走査幅をカバー出来ない場合は、図5に示す様に、アレイ基板5の表示領域をP1及びP2に分割して、分割された領域毎にレーザビームLにより走査を行っていた
このためアレイ基板5上には、レーザビームLが重ねて照射される領域Qを生じてしまい、この重ね照射領域Qでは他の領域と特性が異なったり、表面凹凸の程度が異なっており、このようなアレイ基板を用いて液晶表示素子を製造すると、表示品位の低下を生じ、ひいては生産歩留まりを低下するという問題を生じていた。
【0004】
従って、アニールにより極力良好な多結晶シリコンを得るため、従来は、レーザビームのライン長の長いエキシマレーザアニール装置を用いていて、アモルファスシリコンのアニールを行っていた。
【0005】
即ち図6に示す市販のエキシマレーザアニール装置1は、光源から発光され結像レンズ2を通過した所定長さのエキシマレーザビーム3の両端を、長尺スリット4でカットした後、窓枠6に支持されるアニーラウィンドウ7を介し、アニールチャンバ8に入射し、ステージ10上に照射して、ステージ10により走査移動可能に支持されるアレイ基板11上のアモルファスシリコンを、1ラインのエキシマレーザビーム3でアニールして多結晶化していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらライン長の長いエキシマレーザビームであってもそのライン長は限界が有る一方、液晶表示素子は、より一層の大型化の要求により、13.3型(203mm×270mm)の大型のものが主流に成りつつ有る。駆動回路体型のアレイ基板を得るためには、210×280の多結晶シリコンが必要となる。これに対し、現状の市販のエキシマレーザアニール装置においては、エキシマレーザビームのライン長は最大200mm程度が限界とされている。従ってエキシマレーザビームを用いても、より大型の13.3型の液晶表示素子のアレイ基板をアニールするには、1ラインのエキシマレーザビームではその全域をカバー出来ず、アレイ基板を2領域に分割してアニールせざるを得ず、ひいては周囲と特性の異なるレーザビームの重ね照射領域を生じてしまい、表示品位の低下を来たすという問題を依然として生じてしまっていた。
【0007】
このため、少なくとも13.3型の、より大型の液晶表示素子に適用出来る様、市販のエキシマレーザアニール装置のエキシマレーザビームの長さを少しでも長くするための開発が成されているが、エキシマレーザの出力アップや、より最適な光学系の開発を必要とする等、開発に時間を要する問題が多く、その実現が成されずにいる。
【0008】
他方、前述の市販のエキシマレーザアニール装置1は、アニールチャンバ8内のステージ10上にエキシマレーザビーム3を入射させるアニーラウィンドウ7を支える窓枠6の内周6aが、エキシマレーザビームの進行方向に対して平行に形成されている。
【0009】
これに対し、エキシマレーザビーム3は光源から広がりながらアニールチャンバ8に入射してくるので、点線領域[R]にて入射されたエキシマレーザビーム3は窓枠6の内周6aで反射を生じる。この反射ビームがアレイ基板1に照射されると、アレイ基板1上でのエキシマレーザビーム3の照射強度分布に凹凸を生じ、ビームプロフアイルがトップフラット形でなくなってしまい、均一なアニールを得られず、多結晶シリコンの均一な結晶化を得られないという問題を生じていた。
【0010】
このため従来は、アニールチャンバ8への入射時、エキシマレーザビーム3の両端が窓枠6に触れないよう、エキシマレーザビーム3幅を狭める様、長尺スリット4の位置を狭めたり、或いはアニーラウィンドウ7よりも光源側にスリットを形成したりしており、結果としてアレイ基板1に照射されるエキシマレーザビーム3のビーム長の長尺化が必要以上に損なわれ、エキシマレーザアニール装置のメリットを最大限に生かしきれずにいた。
【0011】
本発明は上記課題を除去するもので、光源からのエキシマレーザビームをアニーラウィンドウを介しアニールチャンバに入射する際に、エキシマレーザビームのビーム長を必要以上に短縮する事無く、長尺レーザビームであるエキシマレーザビームのメリットを最大限に生かす事により、より大型のアレイ基板に対しても全面にわたりエキシマレーザビームを均一強度で照射出来、ひいては多結晶薄膜トランジスタ装置の駆動特性の均一化を図り、表示品位の高い液晶表示素子を得る事の出来るエキシマレーザアニール装置、多結晶薄膜トランジスタ装置の製造方法及び液晶表示素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、絶縁基板上に堆積されるアモルファスシリコンにエキシマレーザビームを照射して前記アモルファスシリコンを多結晶化するエキシマレーザアニール装置において、前記絶縁基板を支持する支持手段と、この支持手段を走査可能に収納する筐体と、この筐体外部から前記筐体内にて走査移動される前記支持手段にエキシマレーザビームを発光する光源と、前記筐体に形成され、前記エキシマレーザビーム発光手段から発光された前記エキシマレーザビームを前記筐体内に入射する開口部と、
この開口部周縁を支持し、内周の少なくとも一部がこの一部近傍を通過する前記エキシマレーザビームの外側への進行方向に対して同方向に傾斜して成る窓枠と、を設けるものである。
【0013】
そして本発明は上記構成により、窓枠から筐体内への入射時、窓枠にてエキシマレーザビームの反射を生じる事が無く、照射強度が均一且つより長尺のエキシマレーザビームにより、より大型のアレイ基板の均一なアニールを可能とするものである。
【0014】
又本発明は上記課題を解決するため、絶縁基板上に堆積されるアモルファスシリコンにエキシマレーザビームを照射して成る多結晶シリコンを半導体層として薄膜トランジスタを形成する多結晶薄膜トランジスタの製造方法において、前記絶縁基板上に前記アモルファスシリコンを堆積する工程と、前記絶縁基板を支持する支持手段を走査移動可能に収納する筐体内に、内周の少なくとも一部がこの一部近傍を通過するエキシマレーザビームを発光する光源からのエキシマレーザビームの外側への進行方向に対して同方向に傾斜して成る窓枠を有する開口部を介して前記エキシマレーザビームを入射して、前記アモルファスシリコンを多結晶シリコンに結晶化する工程と、を実施するものである。
【0015】
そして本発明は上記構成により、照射強度が均一且つより長尺のエキシマレーザビームでの照射により、より大型のアレイ基板上に均一な多結晶シリコンを得られ、ひいては均一な駆動特性のp−SiTFTを、大面積で得るものである。
【0016】
又本発明は上記課題を解決するため、第1の絶縁基板上に堆積されるアモルファスシリコンにエキシマレーザビームを照射して成る多結晶シリコンを半導体層として形成される薄膜トランジスタにて駆動される画素電極を有するアレイ基板と、第2の絶縁基板上に対向電極を有し前記アレイ基板に対向して配置される対向基板と、前記アレイ基板及び前記対向基板間に封入される液晶組成物とを有する液晶表示素子の製造方法において、前記第1の絶縁基板上に前記アモルファスシリコンを堆積する工程と、前記第1の絶縁基板を支持する支持手段を走査移動可能に収納する筐体内に、内周の少なくとも一部がこの一部近傍を通過するエキシマレーザビームを発光する光源からのエキシマレーザビームの外側への進行方向に対して同方向に傾斜して成る窓枠を有する開口部を介して前記エキシマレーザビームを入射して、前記アモルファスシリコンを多結晶シリコンに結晶化する工程と、を実施するものである。
【0017】
そして本発明は上記構成により、照射強度が均一且つより長尺のエキシマレーザビームでの照射により、より大型のアレイ基板上に形成される均一な多結晶シリコンをからなる駆動特性の均一なp−SiTFTを用いて成る、より大型の表示品位の良好な液晶表示素子を得るものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図1乃至図4に示す実施の形態を参照して説明する。12は13.3型(210mm×280mm)の駆動回路一体型の液晶表示素子であり、p−SiTFT13にて画素電極28を駆動するアレイ基板16と対向基板17との間隙に、配向膜18a、18bを介して液晶組成物20を封入してなっている。
【0019】
アレイ基板16は第1の絶縁基板21上にアンダーコート層22を介し多結晶シリコンからなる活性層23a、ドレイン領域23b、ソース領域23cを有する半導体層23がパターン形成されている。半導体層23上にはゲート絶縁膜24を介しゲート電極26が形成されている。更に層間絶縁膜27を介し画素電極28が形成され、画素電極28及びソース領域23cがソース電極30により接続され、ドレイン領域23b及び信号線(図示せず)がドレイン電極31により接続されている。又32は保護膜である。対向基板17は、第2の絶縁基板33上に対向電極34を有している。
【0020】
次に、第1の絶縁基板21上にて多結晶シリコンの半導体層23を得るために、アモルファスシリコンをレーザアニールするエキシマレーザアニール装置について述べる。図2はエキシマレーザアニール装置36をエキシマレーザビーム37の長軸方向から見た概略構成図である。エキシマレーザアニール装置36は、光源(図示せず)から発光されるエキシマレーザビーム37を、結像レンズ38で結像し、長尺スリット40にて両端をカットし、アニールチャンバ41内にて、エキシマレーザビーム37の長軸方向と垂直な方向に走査移動するステージ42上に照射される。
【0021】
即ち、アニールチャンバ41の上方には窓枠43に支持されるアニーラウィンドウ44が形成され、長尺スリット40にて両端をカットされたエキシマレーザビーム37は、このアニーラウィンドウ44を介しアニールチャンバ41に入射するようになっている。そしてアニーラウィンドウ44を支える窓枠43の周縁のうち、エキシマレーザビーム37の長軸と向かい合う周縁部43aが斜めにカットされている。このためエキシマレーザビーム37は、光源(図示せず)から広がりながら窓枠43いっぱいの幅で、アニーラウィンドウ44に入射しても、窓枠43に当たる事が無い。従って、ステージ42上に照射されるエキシマレーザビーム37は、長尺スリット40により必要以上に両端をカットしなくても、凹凸の無い、均一の強度分布をえられる。
【0022】
このエキシマレーザアニール装置36によるステージ42上でのエキシマレーザビーム37の長軸の強度分布を調べた所、図3に示す様に、長さ220mmに渡り、トップフラットのビームプロフアイルを有する事が判明した。
【0023】
次にエキシマレーザアニール装置36によるアレイ基板16の多結晶シリコンからなる半導体層23の形成方法について述べる。
【0024】
先ず400mm×500mmサイズのガラス基板47上にプラズマCVD法により窒化シリコン(SiNx)膜を50nm、酸化シリコン(SiOx)膜を100nm成膜してなるアンダーコート層22を形成し、次いでプラズマCVD法によりアモルファスシリコンを50nm成膜する。この後窒素雰囲気中で500℃、1時間の熱処理を行い、膜中の水素濃度を低下させる。この時、アモルファスシリコンの膜厚を分光エリプソ法により求めた所実際の膜厚は51nmであった。
【0025】
その後、ガラス基板47をエキシマレーザアニール装置36のステージ42に載置し、ステージ42をエキシマレーザビーム37の長軸と垂直方向に0.6mm/sの速度で走査移動しながら、図4に示す様に、先ず片側の第1の領域[A]のアモルファスシリコンを、エキシマレーザビーム37にてアニールする。光源(図示せず)にてエキシマレーザを300Hzで発振させ、エキシマレーザビーム37の照射サイズは、220mm×0.4mmの線状ビームとし、ガラス基板47上での照射エネルギー密度は300mJ/cm2 、エキシマレーザビームの長軸方向と垂直な方向への走査時のオーパーラップ率は95%となるように設定した。
【0026】
ガラス基板47の第1の領域[A]のアニール走査を終了し、多結晶シリコンを形成したら、残りの第2の領域[B]のアモルファスシリコンを同様にアニールし、両領域[A]、[B]を共にエキシマレーザビーム37の1ラインの幅でアニールし、多結晶化して多結晶シリコンを形成する。次いでガラス基板47をステージ42から取り出し、フォトリソグラフィ技術を用いて、ガラス基板47の両領域[A]、[B]に、多結晶シリコンを半導体層23とするp−SiTFT13及び、画素電極28を作成してガラス基板47上の第1及び第2の領域[A]、[B]に夫々アレイ基板16を形成する。
【0027】
この後、2枚分のアレイ基板16を有するガラス基板47を切りだし、それと、対向基板17を有するガラス基板(図示せず)とをシール剤(図示せず)にて固着し、液晶セルを形成した後、間隙に液晶組成物20を封入し、2個の13.3型の液晶表示素子12を完成する。
【0028】
この様に構成すれば、従来と同じ市販の装置を用い、エキシマレーザアニール装置36のアニーラウィンドウ44を支える窓枠43の周縁部43aを斜めにカットして、エキシマレーザビーム37の窓枠43での反射を防止する事により、エキシマレーザビーム37を窓枠43いっぱいの幅でアニールチャンバ41に入射出来、エキシマレーザの出力アップや、光学系を変える事無く、従来に比し、エキシマレーザビーム37のライン長を長く出来、幅220mmにわたりトップフラットのビームプロフアイルを有するエキシマレーザビーム37を得られる。従って、大型の13.3型の駆動回路一体型のアレイ基板16であっても、アニール時、1ライン長のエキシマレーザビーム37でアニール幅全長をカバー出来、13.3型の大型の駆動回路一体型のアレイ基板16であっても、レーザビームの重ね照射領域を生じる事無く、均一にアニール出来、大型の液晶表示素子12に適用可能な均一特性を有する多結晶シリコンを容易に形成可能と成る。
【0029】
そしてこのようなエキシマレーザアニール装置36による、ライン長の長いエキシマレーザビーム37にて均一にアニールされ、均一に結晶化される多結晶シリコンを半導体層とすることにより、高い移動度を示すTFTを大面積で均一に得られることから、このようなTFTを用いる事により、13.3型と大型であり且つ表示特性が均一な液晶表示素子を容易に得られ、生産歩留まりを向上出来、高い表示品位を有する液晶表示素子の作製が可能と成る。
【0030】
尚本発明は上記実施の形態に限られるものでなく、その趣旨を変えない範囲での変更は可能であって、例えば窓枠の傾斜角度は、エキシマレーザビームの反射を生じない範囲であれば限定されない。又エキシマレーザビームの出力や周波数等も限定されない。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、エキシマレーザの出力アップや、光学系の性能向上を図る事無く、アニーラウィンドウを支持する窓枠内周を斜めにカットするのみで、エキシマレーザビームの窓枠での反射を防止し、容易にエキシマレーザアニール装置のライン長の長尺化を実現出来る。従って、1ライン長のエキシマレーザビームによるアニール幅を増大出来、大面積であってもアレイ基板上のアモルファスシリコンのアニール幅を1ライン長のエキシマレーザビームによりカバーできる事から、アニール時にエキシマレーザビームの重ね照射領域を生じる事が無く、全面に渡り均一なアニールを行えひいては均質な多結晶シリコンを容易にえられる。そしてこの均質な多結晶シリコンを半導体層とする移動度の高いTFTを大面積で均一に得られ、ひいては、13.3型の大型のであり且つ表示特性が均一で表示品位の高い液晶表示素子を歩留まり低下を生じる事無く容易に作製可能と成る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における液晶表示素子を示す一部概略断面図である。
【図2】本発明の実施の形態におけるエキシマレーザアニール装置を長軸方向から見た概略構成図である。
【図3】本発明の実施の形態におけるエキシマレーザアニール装置にるステージ上でのエキシマレーザビームの長軸の強度分布を示すグラフである。
【図4】本発明の実施の形態におけるエキシマレーザアニール装置によるガラス基板のアニール工程を示す説明図である。
【図5】従来の大型のアレイ基板を分割してレーザアニールする状態を示す説明図である。
【図6】従来のエキシマレーザアニール装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
12…液晶表示素子
13…p−SiTFT
16…アレイ基板
17…対向基板
20…液晶組成物
23…半導体層
28…画素電極
36…エキシマレーザアニール装置
37…エキシマレーザビーム
41…アニールチャンバ
42…ステージ
43…窓枠
43a…周縁部
47…ガラス基板
Claims (9)
- 絶縁基板上に堆積されるアモルファスシリコンにエキシマレーザビームを照射して前記アモルファスシリコンを多結晶化するエキシマレーザアニール装置において、
前記絶縁基板を支持する支持手段と、
この支持手段を走査可能に収納する筐体と、
この筐体外部から前記筐体内にて走査移動される前記支持手段にエキシマレーザビームを発光する光源と、
前記筐体に形成され、前記光源から発光された前記エキシマレーザビームを前記筐体内に入射する開口部と、
この開口部周縁を支持し、内周の少なくとも一部がこの一部近傍を通過する前記エキシマレーザビームの外側への進行方向に対して同方向に傾斜して成る窓枠と、
を具備する事を特徴とするエキシマレーザアニール装置。 - 前記窓枠の内周の少なくとも一部が、エキシマレーザビームの開口部周縁における入射角度より広角と成る方向に傾斜して成る事を特徴とする請求項1に記載のエキシマレーザアニール装置。
- 前記エキシマレーザビームの断面形状がほぼ長方形であり、窓枠の内周の少なくとも一部が、前記エキシマレーザビームの長軸と向き合う部分である事を特徴とする請求項1又は請求項2の何れかに記載のエキシマレーザアニール装置。
- 絶縁基板上に堆積されるアモルファスシリコンにエキシマレーザビームを照射して成る多結晶シリコンを半導体層として薄膜トランジスタを形成する多結晶薄膜トランジスタの製造方法において、
前記絶縁基板上に前記アモルファスシリコンを堆積する工程と、
前記絶縁基板を支持する支持手段を走査移動可能に収納する筐体内に、内周の少なくとも一部がこの一部近傍を通過するエキシマレーザビームを発光する光源からのエキシマレーザビームの外側への進行方向に対して同方向に傾斜して成る窓枠を有する開口部を介して前記エキシマレーザビームを入射して、前記アモルファスシリコンを多結晶シリコンに結晶化する工程と、
を具備する事を特徴とする多結晶薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記窓枠の内周の少なくとも一部が、開口部周縁におけるエキシマレーザビームの入射角度より広角と成る方向に傾斜して成る事を特徴とする請求項4に記載の多結晶薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記エキシマレーザビームの断面形状がほぼ長方形であり、窓枠の内周の少なくとも一部が、前記エキシマレーザビームの長軸と向き合う部分である事を特徴とする請求項4又は請求項5の何れかに記載の多結晶薄膜トランジスタの製造方法。
- 第1の絶縁基板上に堆積されるアモルファスシリコンにエキシマレーザビームを照射して成る多結晶シリコンを半導体層として形成される薄膜トランジスタにて駆動される画素電極を有するアレイ基板と、第2の絶縁基板上に対向電極を有し前記アレイ基板に対向して配置される対向基板と、前記アレイ基板及び前記対向基板間に封入される液晶組成物とを有する液晶表示素子の製造方法において、
前記第1の絶縁基板上に前記アモルファスシリコンを堆積する工程と、
前記第1の絶縁基板を支持する支持手段を走査移動可能に収納する筐体内に、内周の少なくとも一部がこの一部近傍を通過するエキシマレーザビームを発光する光源からのエキシマレーザビームの外側への進行方向に対して同方向に傾斜して成る窓枠を有する開口部を介して前記エキシマレーザビームを入射して、前記アモルファスシリコンを多結晶シリコンに結晶化する工程と、
を具備する事を特徴とする液晶表示素子の製造方法。 - 前記窓枠の内周の少なくとも一部が、開口部周縁におけるエキシマレーザビームの入射角度より広角と成る方向に傾斜して成る事を特徴とする請求項7に記載の液晶表示素子の製造方法。
- 前記エキシマレーザビームの断面形状がほぼ長方形であり、窓枠の内周の少なくとも一部が、前記エキシマレーザビームの長軸と向き合う部分である事を特徴とする請求項7又は請求項8の何れかに記載の液晶表示素子の製造方法。
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