JP2009004770A - 多結晶シリコン層の製造方法、これを用いて形成した薄膜トランジスタ、その製造方法、並びに、これを備えた有機電界発光表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多結晶シリコン層を用いる薄膜トランジスタ、その製造方法、並びに、これを備えた有機電界発光表示装置を提供する。
【解決手段】基板を提供する段階と、前記基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層上に１０ないし５０Å厚さで熱酸化膜を形成する段階と、前記シリコン熱酸化膜上に結晶化のための金属触媒層を形成する段階と、前記基板を熱処理して前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒を用いて前記非晶質シリコン層を多結晶シリコン層に結晶化する段階とを含むことを特徴とする多結晶シリコン層の製造方法を用い、前記非晶質シリコン層からＳＧＳ結晶化法により多結晶シリコン層を形成する。工程を簡素化した多結晶シリコン層の製造方法、その製造方法を用いて製造された多結晶シリコン層を用いる薄膜トランジスタ、その製造方法、並びに、これを備えた有機電界発光表示装置に関する。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、多結晶シリコン層の製造方法、これを用いて形成した薄膜トランジスタ、その製造方法、並びに、これを備えた有機電界発光表示装置に関し、より詳しくは、非晶質シリコン層上に１０ないし５０Å厚さの熱酸化膜を形成することで、前記非晶質シリコン層をＳＧＳ結晶化法により結晶化することができ、ＳＧＳ結晶化法でキャッピング層を形成するための別途の工程を減少することができる多結晶シリコン層の製造方法、これを用いて形成した薄膜トランジスタ、その製造方法、並びに、これを備えた有機電界発光表示装置（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ， ＴＦＴ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ， ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ＴＦＴ， ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ（ＯＬＥＤ） ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ）に関する。

一般に、多結晶シリコン層は高い電界効果移動度と高速動作回路に適し、ＣＭＯＳ回路構成が可能であるという長所を有し、薄膜トランジスタ用半導体層の用途として多く用いられる。このような多結晶シリコン層を用いた薄膜トランジスタは、主にアクティブマトリックス液晶ディスプレイ装置（ＡＭＬＣＤ）の能動素子と有機電界発光素子（ＯＬＥＤ）のスイッチング素子及び駆動素子に用いられる。

前記非晶質シリコンを多結晶シリコンに結晶化する方法は、固相結晶化法（Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）、エキシマレーザ結晶化法（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）、金属誘導結晶化法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）及び金属誘導側面結晶化法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｌａｔｅｒａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）などがあるが、固相結晶化法は非晶質シリコン層を薄膜トランジスタとして用いるディスプレイ素子の基板を形成する物質であるガラス変形温度の約７００℃以下の温度で数時間ないし数十時間アニーリングする方法であり、エキシマレーザ結晶化法はエキシマレーザを非晶質シリコン層に走査して極短時間の間に局所的に高い温度で加熱して結晶化する方法であり、金属誘導結晶化法はニッケル、パラジウム、金、アルミニウムなどの金属を非晶質シリコン層と接触させるか、又は注入して前記金属により非晶質シリコン層から多結晶シリコン層への相変化を誘導する現象を用いる方法であり、金属誘導側面結晶化法は金属とシリコンが反応して生成されたシリサイドが側面に沿って伝播されながら順に非晶質シリコン層の結晶化を誘導する方法を用いる結晶化方法である。

しかし、前記の固相結晶化法は工程時間が長く、高温での長期間の熱処理によって基板の変形が発生しやすく、エキシマレーザ結晶化法は高価レーザ装置であり、また多結晶化された表面に突起（ｐｒｏｔｒｕｓｉｏｎ）が発生して半導体層とゲート絶縁膜の界面特性がよくなく、前記金属誘導結晶化法または金属誘導側面結晶化法で結晶化させた場合は、多量の金属触媒が結晶化の多結晶シリコン層に残留して薄膜トランジスタの半導体層の漏洩電流を増加させるという短所がある。

現在、金属を用いて非晶質シリコン層を結晶化する方法が、固相結晶化（Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）よりも低い温度で短時間内に結晶化することができるので、多く研究されている。金属を用いる代表的な結晶化方法として、金属誘導結晶化（ＭＩＣ， Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）方法と金属誘導側面結晶化（ＭＩＬＣ， Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｌａｔｅｒａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）方法がある。しかし、金属触媒を用いる前記方法の場合は、金属触媒による汚染によって薄膜トランジスタの素子特性が低下されるという問題点がある。

前記のような金属触媒の汚染問題を解決するために非晶質シリコン層に拡散する金属触媒の濃度を低濃度に調節して結晶粒の大きさを数μｍないし数百μｍまで調節することができる結晶化方法のＳＧＳ（Ｓｕｐｅｒ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）結晶化法が開発された。前記ＳＧＳ結晶化法では、前記非晶質シリコン層に拡散する金属触媒の濃度を低濃度で調節するための一実施形態として、前記非晶質シリコン層上に金属触媒の拡散を制御することができるキャッピング層を形成し、前記キャッピング層上に金属触媒層を形成した後熱処理して金属触媒を拡散させて前記非晶質シリコン層をＳＧＳ結晶化法により多結晶シリコン層として結晶化することができる。

しかし、この場合、化学的気相蒸着法または物理的気相蒸着法によりキャッピング層を形成するための別途工程が必要とされるので、工程が複雑となる問題点がある。
大韓民国出願第２００２−００６８９９４号明細書

本発明は、これらの従来技術の問題点を解決するためのものであって、ＳＧＳ結晶化法においてキャッピング層を形成するための別途工程を減少させる多結晶シリコン層の製造方法、これを用いて形成した薄膜トランジスタ、その製造方法、並びに、これを備えた有機電界発光表示装置を提供する。

上記目的を達成するために、基板を提供する段階と、前記基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層上に１０ないし５０Å厚さで熱酸化膜を形成する段階と、前記シリコン熱酸化膜上に結晶化のための金属触媒層を形成する段階と、前記基板を熱処理して前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒を用いて前記非晶質シリコン層を多結晶シリコン層に結晶化する段階とを含む多結晶シリコン層の製造方法を提供する。

また、本発明は、基板と、前記基板上に位置し、金属触媒を用いて結晶化された半導体層と、前記半導体層上に位置する１０ないし５０Å厚さの熱酸化膜と、前記熱酸化膜上に位置するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、前記ゲート電極上に位置する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に位置し、前記半導体層のソース／ドレイン領域と電気的に接続するソース／ドレイン電極とを含むことを特徴とする薄膜トランジスタを提供する。

また、本発明は、基板を提供する段階と、前記基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層上に１０ないし５０Å厚さで熱酸化膜を形成する段階と、前記熱酸化膜上に結晶化のための金属触媒層を形成する段階と、前記基板を熱処理して前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒を用いて前記非晶質シリコン層を多結晶シリコン層で結晶化する段階と、前記金属触媒層を除去する段階と、前記熱酸化膜をパターニングする段階と、前記多結晶シリコン層をパターニングして半導体層を形成する段階と、前記半導体層及び熱酸化膜を含む基板上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜上に前記半導体層のソース／ドレイン領域と電気的に接続するソース／ドレイン電極を形成する段階とを含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法を提供する。

また、本発明は、基板と、前記基板上に位置し、金属触媒を用いて結晶化された半導体層と、前記半導体層上に位置する１０ないし５０Å厚さの熱酸化膜と、前記熱酸化膜上に位置するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、前記ゲート電極上に位置する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に位置し、前記半導体層のソース／ドレイン領域と電気的に接続するソース／ドレイン電極と、前記ソースまたはドレイン電極に電気的に接続する第１電極と、前記第１電極上に位置する発光層を含む有機膜層と、前記有機膜層上に位置する第２電極と、を含むことを特徴とする有機電界発光表示装置を提供する。

本発明によれば、ＳＧＳ結晶化法により非晶質シリコン層を多結晶シリコン層に形成することができ、キャッピング層形成のための別途工程を減少し、工程を簡素化した多結晶シリコン層の製造方法、これを用いて形成した薄膜トランジスタ、その製造方法、並びに、これを備えた有機電界発光表示装置を提供することができる。

以下、本発明に係る好適な実施形態を添付した図面を参照しながらさらに詳細に説明する。しかし、本発明は、ここで説明する実施形態に限らず、他の形態によっても具体化されることができる。

図１Ａないし図１Ｃは、本発明の一実施形態に係るＳＧＳ結晶化法で多結晶シリコン層を製造する工程の断面図である。

図１Ａを参照すると、ガラス、ステンレススチールまたはプラスチックなどからなる基板１００上に化学的気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法または物理的気相蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜のような絶縁膜の単層または複層でバッファ層１１０を形成する。このとき、前記バッファ層１１０は基板１００から発生する水分または不純物の拡散を防止したり、結晶化時の熱伝達速度を調節したりすることで、非晶質シリコン層の結晶化を促進する。

続いて、前記バッファ層１１０上に非晶質シリコン層１２０を形成する。このとき、前記非晶質シリコン層１２０は一般に化学的気相蒸着法により形成するが、化学的気相蒸着法により形成した前記非晶質シリコン層１２０は水素のようなガスを含むことになり、このガスは電子移動度を減少させるなどの問題を発生するので、前記非晶質シリコン層１２０内に水素が残留されないように脱水素工程を行うことができる。

続いて、前記非晶質シリコン層１２０上に１０ないし５０Å厚さの熱酸化膜１３０を形成する。前記熱酸化膜１３０は酸素ガスまたは水蒸気及び不活性ガスを含む雰囲気の中で前記非晶質シリコン層を熱酸化させて形成することができる。このとき、前記熱酸化は４００ないし７００℃の温度で行われるが、４００℃未満では熱酸化が起きにくく、７００℃を超える場合は熱酸化時に基板変形などが起きることもある。前記不活性ガスとしては窒素ガスまたはアルゴンガスなどがあるが、窒素ガス雰囲気で形成した場合、膜質はより高密度化される。

前記熱酸化膜１３０は、１０ないし５０Å厚さで形成される。前記熱酸化膜１３０が１０Å未満の厚さである場合は、前記熱酸化膜１３０が前記非晶質シリコン層１２０に拡散する金属触媒の濃度を制御するキャッピング層の役割を果たすことができず、ＳＧＳ結晶化法ではないＭＩＣ結晶化法による結晶化が起こりうる。一方、前記熱酸化膜１３０が５０Åを超える厚さの場合は、前記非晶質シリコン層１２０に拡散する金属触媒の量が少なくて結晶化の核となるシードの量が少なく形成されるので、前記非晶質シリコン層１２０を完全に結晶化することができない。

より好ましくは、前記熱酸化膜１３０は１７ないし２６Å厚さで形成される。前記厚さ範囲の前記熱酸化膜１３０を介して金属触媒を拡散させて前記非晶質シリコン層１２０を結晶化する場合、前記非晶質シリコン層１２０はＳＧＳ結晶化法により完全な結晶化を起こすことができ、結晶化の多結晶シリコン層に残存する金属触媒の濃度も低濃度で制御することができる。

一般に、化学気相蒸着法や物理気相蒸着法などにより酸化膜を形成する場合は、前記酸化膜の厚さを数十Å以下に薄くすることは工程上難しく、量産することができる酸化膜の厚さは数百Åである。また、前記酸化膜は前記熱酸化膜１３０に比べて膜質が均一ではない。したがって、前記酸化膜をＳＧＳ結晶化法でキャッピング層として用いる場合には結晶化のための金属触媒が前記非晶質シリコン層１２０内に不均一に拡散し、厚さが大きいために前記非晶質シリコン層１２０内に金属触媒が拡散せず、結晶化のためシードを形成するほどの濃度に拡散しない領域も発生し、前記非晶質シリコン層１２０がＳＧＳ結晶化法により均一に結晶化されない場合もある。

これと比較し、前記熱酸化膜１３０は前記非晶質シリコン層１２０を熱酸化して形成することによって、化学気相蒸着法や物理気相蒸着法などを用いて酸化膜を形成する場合よりも膜質を均一に形成することができるので、前記熱酸化膜１３０を用いれば、前記非晶質シリコン層１２０内に結晶化のための金属触媒を均一に拡散させることができる。また、前記熱酸化膜１３０は、１０ないし５０Åの薄い厚さで形成することができるので、前記非晶質シリコン層１２０がＳＧＳ結晶化法により完全に結晶化することができるように前記金属触媒を拡散させることが可能である。

また、前記熱酸化膜１３０は前記非晶質シリコン層１２０の脱水素工程と同時に形成することができる。上述のように脱水素工程で前記熱酸化膜１３０を同時に形成する場合にはＳＧＳ結晶化のためのキャッピング層を形成する別途の工程を減少することができるので、工程をさらに単純化することができる。

続いて、図１Ｂを参照すると、前記熱酸化膜１３０上に金属触媒を蒸着して金属触媒層１４０を形成する。このとき、前記金属触媒は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｄ及びＰｔからなるグループから選択されたいずれか１つを用いることができるが、好ましくはニッケル（Ｎｉ）が用いられる。このとき、前記金属触媒層１４０は前記熱酸化膜１３０上に１０^１１ないし１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の面密度で形成されるが、前記金属触媒が１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の面密度よりも小さく形成された場合には結晶化の核となるシードの量が少なくて前記非晶質シリコン層１２０が多結晶シリコン層に結晶化されにくいし、前記金属触媒が１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の面密度よりも大きく形成された場合には非晶質シリコン層に拡散する金属触媒の量が多くてＭＩＣ結晶化法による結晶化が起き、また、残留する金属触媒の量が多くなって前記多結晶シリコン層をパターニングして形成する半導体層の特性が低下される。

続いて、図１Ｃを参照すると、前記バッファ層１１０、非晶質シリコン層１２０、熱酸化膜１３０及び金属触媒層１４０が形成された前記基板１００を熱処理１５０して前記非晶質シリコン層１２０をＳＧＳ結晶化法により結晶化する。前記熱処理１５０時に前記熱酸化膜１３０を通過して拡散する金属触媒１４０ａ、１４０ｂのうち微量の金属触媒１４０ｂだけが前記非晶質シリコン層１２０の表面に拡散されて、大部分の金属触媒１４０ａは前記熱酸化膜１３０を通過できず、前記非晶質シリコン層１２０に到達することができない。

ここで、前記熱酸化膜１３０を通過して前記非晶質シリコン層１２０の表面に拡散した金属触媒１４０ｂにより前記非晶質シリコン層１２０が多結晶シリコン層１６０に結晶化される。すなわち、前記拡散した金属触媒１４０ｂが前記非晶質シリコン層１２０のシリコンと結合して金属シリサイドを形成し、前記金属シリサイドが結晶化の核となるシード（ｓｅｅｄ）を形成して非晶質シリコン層が多結晶シリコン層に結晶化される。このとき、前記熱処理１５０工程は、炉（ｆｕｒｎａｃｅ）工程、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｌｉｎｇ）工程、ＵＶ工程またはレーザ（Ｌａｓｅｒ）工程のうちのいずれか１つの工程を用いることができる。

前記熱処理１５０工程は２回実施することができるが、第１熱処理工程は前記金属触媒層１４０の金属触媒が前記熱酸化膜１３０と前記非晶質シリコン層１２０の界面に移動してシードを形成する工程であり、第２熱処理工程は前記シードにより前記非晶質シリコン層１２０が多結晶シリコン層に結晶化する工程である。このとき、第１熱処理工程の工程温度は２００ないし８００℃であり、第２熱処理工程の工程温度は４００ないし１３００℃である。

また、図１Ｃでは、前記金属触媒層１４０を除去せずに前記熱処理１５０を実施したが、この実施形態とは異なって、前記第１熱処理工程以後に前記金属触媒層１４０を除去して第２熱処理工程間で金属触媒の拡散または浸透ができないようすることもできる。

前記熱酸化膜１３０及び前記金属触媒層１４０を用いてＳＧＳ結晶化法により結晶化された前記多結晶シリコン層１６０内には、前記多結晶シリコン層１６０の上部面から、すなわち、前記多結晶シリコン層１６０と前記熱酸化膜１３０が接する表面から前記基板１００方向に１００Åの距離に、結晶化のための金属触媒が１×ｅ^９ないし１×ｅ^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２存在する。

図２Ａないし図２Ｃは、本発明の実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いて形成された多結晶シリコン層、前記熱酸化膜１３０が形成されないか、または１０Å未満に形成された場合の多結晶シリコン層、及び前記熱酸化膜１３０が５０Åを超えて形成された場合の多結晶シリコン層の写真である。また、図２Ｄは非晶質シリコン層上に化学気相蒸着法や物理気相蒸着法などで酸化膜が形成された場合の多結晶シリコン層の写真である。

まず、図２Ａは、本発明の実施形態に従って前記非晶質シリコン層１２０上に前記熱酸化膜１３０を１０ないし５０Å厚さで形成し、前記非晶質シリコン層１２０をＳＧＳ結晶化法により結晶化させた多結晶シリコン層の写真である。

図２Ａを参照すると、多結晶シリコン層がシードとの間の間隔が約２０μｍであって、すなわち、約２０μｍの大きさの結晶粒で形成されていることが分かる。また、前記結晶粒の中心部にシード（ａ）、前記結晶粒が互いに接して生じる結晶粒界（ｂ）、及び前記シード（ａ）と前記結晶粒界（ｂ）との間の領域（ｃ）が存在することを確認することができる。ＳＧＳ結晶化法による多結晶シリコン層には、上記のようにシード、結晶粒界、及びシードと結晶粒界との間の領域の結晶性が互いに異なる３つの領域から存在し、前記図２Ａによって前記３つの領域が存在することを確認することができる。したがって、本実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法によると、ＳＧＳ結晶化法による結晶化が起きていることを確認することができる。

次に、図２Ｂは、本発明の実施形態と異なり、前記非晶質シリコン層１２０上に前記熱酸化膜１３０が形成されないか、又は１０Å未満で形成し、前記非晶質シリコン層１２０を結晶化させた多結晶シリコン層の写真である。

図２Ｂを参照すると、前記多結晶シリコン層では結晶粒界を確認することができず、前記多結晶シリコン層はただの金属シリサイドの集合体（ｄ）が均等に分布して形成されていることが確認できる。したがって、前記多結晶シリコン層にはＭＩＣ結晶化法による結晶化が起きていることを確認することができる。

次に、図２Ｃは、本発明の実施形態と異なり、前記非晶質シリコン層１２０上に前記熱酸化膜１３０を５０Å超えた１００Åの厚さで形成し、前記非晶質シリコン層１２０を結晶化させた多結晶シリコン層の写真である。

図２Ｃを参照すると、前記多結晶シリコン層では、前記非晶質シリコン層に拡散した金属触媒の量が少なくて結晶化の核となるシードの量が少なく形成されて、前記非晶質シリコン層がＳＧＳ結晶化法により完全に結晶化することができずに、固相結晶化法（ＳＰＣ結晶化法）による結晶化領域と混在する領域（ｅ）が存在することを確認することができる。すなわち、前記（ｅ）領域では、本発明の実施形態に従ってＳＧＳ結晶化法により完全に結晶化された前記図２Ａと比較した場合、ＳＧＳ結晶化領域とＳＰＣ結晶化領域とが互いに混在したため結晶粒境界が明確でない領域が形成したことを確認することができる。

次に、図２Ｄは、本発明の実施形態と異なり、前記非晶質シリコン層１２０上に化学気相蒸着法で数百Å厚さの酸化膜を蒸着し、前記非晶質シリコン層１２０を結晶化させた多結晶シリコン層の写真である。

図２Ｄを参照すると、前記酸化膜が不均一に形成されて金属触媒の拡散が不均一に起きることによって、前記多結晶シリコン層内にはＳＧＳ結晶化法により結晶化された領域（ｆ）だけでなく、ＭＩＣ結晶化法により結晶化された領域とＳＧＳ結晶化法により結晶化された領域が混在する領域（ｇ）が存在することが分かる。

したがって、本発明のように、前記非晶質シリコン層１２０上に１０ないし５０Å厚さで前記熱酸化膜１３０を形成し、前記熱酸化膜１３０上に前記金属触媒層１４０を形成した場合、前記非晶質シリコン層１２０がＳＧＳ結晶化法により結晶化されることが分かる。また、前記熱酸化膜１３０を前記非晶質シリコン層１２０の脱水素工程と同時に形成した場合には、キャッピング層を形成するための別途の工程を減少することができ、工程を単純化させることができる。

図３Ａないし図３Ｄは、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてトップゲート薄膜トランジスタを製造する工程の断面図である。以下説明を除いては、前記図１の実施形態の記載を参照する。

図３Ａを参照すると、ガラス、ステンレススチールまたはプラスチックなどからなる基板３００上にバッファ層３１０を形成する。次に、前記図１の実施形態のように、前記バッファ層３１０上に非晶質シリコン層３２０、熱酸化膜３３０、及び金属触媒層３４０を形成した後、熱処理３５０して前記非晶質シリコン層３２０をＳＧＳ結晶化法による多結晶シリコン層３６０で形成させる。

続いて、図３Ｂを参照すると、前記金属触媒層３４０を除去した後、前記多結晶シリコン層３６０及び前記熱酸化膜３３０をパターニングする。前記パターニングされた多結晶シリコン層は薄膜トランジスタの半導体層３７０となる。前記多結晶シリコン層３６０及び前記熱酸化膜３３０のパターニングは本実施形態と異なって後続工程で行うこともできる。

続いて、前記基板全面にゲート絶縁膜３８０を形成する。前記ゲート絶縁膜３８０は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはこれらの二重層とすることができる。本実施形態では、前記熱酸化膜３３０を除去せず、前記熱酸化膜３３０上に前記ゲート絶縁膜３８０を形成する。このとき、前記熱酸化膜３３０は、前記半導体層３７０と後で形成されるゲート電極とを絶縁させるための絶縁膜の役割をする。前記熱酸化膜３３０は、化学気相蒸着法や物理気相蒸着法などによって形成された酸化膜よりも膜の欠陥密度が低く、膜質が均一であるので、これを除去せず残す場合は、前記半導体層３７０とゲート電極との絶縁特性をさらに向上させることができる。一方、本実施形態とは異なって、前記熱酸化膜３３０を除去して前記ゲート絶縁膜３８０を形成することもできる。

続いて、前記ゲート絶縁膜３８０上にアルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム−ネオジム（Ａｌ−Ｎｄ）のようなアルミニウム合金の単一層や、クロム（Ｃｒ）またはモリブデン（Ｍｏ）合金上にアルミニウム合金が積層された多重層をゲート電極用金属層（図示せず）として形成し、フォトエッチング工程で前記ゲート電極用金属層をエッチングして前記半導体層３７０のチャンネル領域に対応する部分にゲート電極３８５を形成する。

続いて、図３Ｃに示すように、前記ゲート電極３８５をマスクとして用いて導電型の不純物イオンをドーピングしてソース領域３７１とドレイン領域３７２を形成する。前記不純物イオンはｐ型またはｎ型不純物であり、前記ｐ型不純物はホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、カリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）からなるグループから選択することができ、前記ｎ型不純物は燐（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）及びヒ素Ａｓからなるグループから選択されたいずれか１つを用いることができる。このとき、前記ソース領域３７１とドレイン領域３７２との間に位置した不純物がドーピングされない領域はチャンネル領域３７３として作用する。また、前記ドーピング工程はゲート電極３８５を形成する前にフォトレジストを形成して行うこともできる。

続いて、図３Ｄを参照すると、前記ゲート電極３８５を含む基板全面にわたって層間絶縁膜３９０を形成する。ここで、前記層間絶縁膜３９０は、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜またはこれらの多重層とすることができる。

続いて、前記層間絶縁膜３９０、前記ゲート絶縁膜３８０、及び前記熱酸化膜３３０をエッチングして前記半導体層３７０のソース／ドレイン領域３７１、３７２を露出するコンタクトホールを形成する。続いて、前記コンタクトホールを介して前記ソース／ドレイン領域３７１、３７２と接続するソース／ドレイン電極３９１、３９２を形成する。ここで、前記ソース／ドレイン電極３９１、３９２は、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム−ネオジム（Ａｌ−Ｎｄ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデンタングステン（ＭｏＷ）及びアルミニウム（Ａｌ）のうちから選択されたいずれか１つから形成することができる。これによって、前記半導体層３７０、前記ゲート電極３８５及び前記ソース／ドレイン電極３９１、３９２を含むトップゲート薄膜トランジスタが完成される。

図４Ａないし図４Ｃは、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてボトムゲート薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。以下説明を除いては上記実施形態の記載を参照する。

図４Ａを参照すると、基板４００上にバッファ層４１０を形成する。前記バッファ層４１０上にゲート電極用金属層（図示せず）を形成し、フォトエッチング工程により前記ゲート電極用金属層をエッチングしてゲート電極４２０を形成する。続いて、前記ゲート電極４２０が形成された基板４００上にゲート絶縁膜４３０を形成する。

続いて、図４Ｂを参照すると、前記ゲート絶縁膜４３０上に非晶質シリコン層４４０を形成した後、前記非晶質シリコン層４４０上に１０ないし５０Å厚さの熱酸化膜４５０を形成する。前記熱酸化膜４５０を前記非晶質シリコン層４４０の脱水素工程と同時に形成することで、ＳＧＳ結晶化法により前記非晶質シリコン層４４０を結晶化するためのキャッピング層を形成する別途工程を減少することができるので、工程を単純化させることができる。

次に、前記熱酸化膜４５０上に金属触媒層４６０を形成した後、熱処理４６５して前記非晶質シリコン層４４０をＳＧＳ結晶化法による多結晶シリコン層４７０として形成する。

続いて、図４Ｃを参照すると、前記金属触媒層４６０及び前記熱酸化膜４５０を除去し、前記多結晶シリコン層４７０をパターニングする。前記パターニングされた多結晶シリコン層は薄膜トランジスタの半導体層４７５となる。前記金属触媒層４６０及び前記熱酸化膜４５０を除去することは、本実施形態と異なり、前記金属触媒層４６０の金属触媒が前記熱酸化膜４５０と前記非晶質シリコン層４４０との界面に移動してシードを形成する第１熱処理工程を実施した後に除去することもできる。

続いて、前記半導体層４７５上にオーミックコンタクト物質膜及びソース／ドレイン導電膜を順に積層し、積層されたソース／ドレイン導電膜及びオーミックコンタクト物質膜を順にパターニングしてソース／ドレイン電極４９１、４９２及びオーミックコンタクト層（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ ｌａｙｅｒ）４８０を形成する。前記オーミックコンタクト層４８０は不純物がドーピングされた非晶質シリコンとすることができる。

前記ソース／ドレイン導電膜及び前記オーミックコンタクト物質膜を、マスクの低減のために１つのマスクでパターニングすることができる。このようにした場合、前記オーミックコンタクト層４８０は前記ソース／ドレイン電極４９１、４９２下部全体に位置することができる。前記オーミックコンタクト層４８０は前記半導体層４７５と前記ソース／ドレイン電極４９１、４９２との間に介在されて前記ソース／ドレイン電極４９１、４９２と前記半導体層４７５とがオーミックコンタクトとすることができるようにする。一方、前記オーミックコンタクト層４８０は省略することもできる。その場合、前記ソース／ドレイン導電膜を積層する前に半導体層４７５に導電領域を形成して前記ソース／ドレイン電極４９１、４９２とオーミックコンタクトを形成することができる。これによって、前記ゲート電極４２０、前記半導体層４７５、及び前記ソース／ドレイン電極４９１、４９２を含むボトムゲート薄膜トランジスタが完成される。

図５は本発明の一実施形態に係るトップゲート薄膜トランジスタを含む有機電界発光表示装置の断面図である。

図５を参照すると、前記本発明の図３Ｄの実施形態に係る薄膜トランジスタを含む前記基板３００の全面に絶縁膜５１０を形成する。前記絶縁膜５１０は無機膜であるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはシリコン・オン・ガラス（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｇｌａｓｓ）のうちから選択されるいずれか１つまたは有機膜であるポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ベンゾシクロブテン系樹脂（ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｎ）またはアクリレート（ａｃｒｙｌａｔｅ）のうちから選択されたいずれか１つから形成することができる。また、前記無機膜と前記有機膜との積層構造として形成することもできる。

前記絶縁膜５１０をエッチングして前記ソースまたはドレイン電極３９１、３９２を露出するビアホールを形成する。前記ビアホールを介して前記ソースまたはドレイン電極３９１、３９２のうちのいずれか１つと接続する第１電極５２０を形成する。前記第１電極５２０はアノードまたはカソードで形成することができる。前記第１電極５２０がアノードの場合に前記アノードはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）またはＩＴＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）のうちのいずれか１つからなる透明導電膜で形成することができ、カソードの場合に前記カソードは、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂａまたはこれらの合金を用いて形成することができる。

続いて、前記第１電極５２０上に、前記第１電極５２０の表面一部を露出させる開口部を有する画素定義膜５３０を形成し、前記露出した第１電極５２０上に発光層を含む有機膜層５４０を形成する。前記有機膜層５４０には正孔注入層、正孔輸送層、正孔抑制層、電子抑制層、電子注入層及び電子輸送層からなるグループから選択される１つまたは多数の層をさらに含むことができる。続いて、前記有機膜層５４０上に第２電極５５０を形成する。これによって、本発明の一実施形態に係る有機電界発光表示装置が完成される。

よって、前記非晶質シリコン層上に、１０ないし５０Å厚さの熱酸化膜を形成することによって、前記非晶質シリコン層をＳＧＳ結晶化法により結晶化して多結晶シリコン層として製造することができ、前記熱酸化膜を前記非晶質シリコン層の脱水素工程と同時に形成することで、ＳＧＳ結晶化法に必要なキャッピング層を形成するための別途の工程を除去することができ、工程を単純化させることができる。また、優れた絶縁特性を有する前記熱酸化膜を除去せず、半導体層とゲート電極との絶縁のための膜として用いることで、前記半導体層とゲート電極との間の絶縁特性も向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るＳＧＳ結晶化法により多結晶シリコン層を製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係るＳＧＳ結晶化法により多結晶シリコン層を製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係るＳＧＳ結晶化法により多結晶シリコン層を製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いて形成された多結晶シリコン層、熱酸化膜が形成されないか、又は１０Å未満に形成した場合の多結晶シリコン層、及び熱酸化膜が５０Åを超えて形成された場合の多結晶シリコン層の写真である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いて形成された多結晶シリコン層、熱酸化膜が形成されないか、又は１０Å未満に形成した場合の多結晶シリコン層、及び熱酸化膜が５０Åを超えて形成された場合の多結晶シリコン層の写真である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いて形成された多結晶シリコン層、熱酸化膜が形成されないか、又は１０Å未満に形成した場合の多結晶シリコン層、及び熱酸化膜が５０Åを超えて形成された場合の多結晶シリコン層の写真である。 化学気相蒸着法により数百Å厚さの酸化膜が形成された場合の多結晶シリコン層の写真である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてトップゲート薄膜トランジスタを製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてトップゲート薄膜トランジスタを製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてトップゲート薄膜トランジスタを製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてトップゲート薄膜トランジスタを製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてボトムゲート薄膜トランジスタを製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてボトムゲート薄膜トランジスタを製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン層の製造方法を用いてボトムゲート薄膜トランジスタを製造する工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係るトップゲート薄膜トランジスタを含む有機電界発光表示装置の断面図である。

符号の説明

１００、３００、４００ 基板
１１０、３１０、４１０ バッファ層
１２０、３２０、４４０ 非晶質シリコン層
１３０、３３０、４５０ 熱酸化膜
１４０、３４０、４６０ 金属触媒層
１６０、３６０、４７０ 多結晶シリコン層
３７０、４７５ 半導体層
３８０、４３０ ゲート絶縁膜
３８５、４２０ ゲート電極
３９０ 層間絶縁膜
３９１、３９２、４９１、４９２ ソース／ドレイン電極
４８０ オーミックコンタクト層
５１０ 絶縁膜
５２０ 第１電極
５３０ 画素定義膜
５４０ 有機膜層
５５０ 第２電極

Claims (24)

1. 基板を提供する段階と、
   前記基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、
   前記非晶質シリコン層上に１０ないし５０Å厚さで熱酸化膜を形成する段階と、
   前記熱酸化膜上に結晶化のための金属触媒層を形成する段階と、
   前記基板を熱処理して前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒を用いて前記非晶質シリコン層を多結晶シリコン層に結晶化する段階と、
   を含むことを特徴とする多結晶シリコン層の製造方法。
2. 前記非晶質シリコン層を形成した後に、前記非晶質シリコン層の脱水素工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン層の製造方法。
3. 前記非晶質シリコン層の脱水素工程と同時に前記熱酸化膜を形成することを特徴とする請求項２に記載の多結晶シリコン層の製造方法。
4. 前記熱酸化膜は、酸素ガスまたは水蒸気及び不活性ガスを含む雰囲気で前記非晶質シリコン層を熱酸化して形成することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン層の製造方法。
5. 前記不活性ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項４に記載の多結晶シリコン層の製造方法。
6. 前記熱酸化膜は、４００ないし７００℃の温度で形成することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン層の製造方法。
7. 前記非晶質シリコン層を、前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒を用いてＳＧＳ結晶化法により結晶化することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン層の製造方法。
8. 前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒の濃度は、１０^１２ないし１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２で形成することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン層の製造方法。
9. 基板と、
   前記基板上に位置し、金属触媒を用いて結晶化された半導体層と、
   前記半導体層上に位置する１０ないし５０Å厚さの熱酸化膜と、
   前記熱酸化膜上に位置するゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、
   前記ゲート電極上に位置する層間絶縁膜と、
   前記層間絶縁膜上に位置し、前記半導体層のソース／ドレイン領域と電気的に接続するソース／ドレイン電極と、
   を含むことを特徴とする薄膜トランジスタ。
10. 前記熱酸化膜の厚さは、１７ないし２６Åであることを特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタ。
11. 前記半導体層と前記熱酸化膜とが接する表面から前記基板方向に１００Åの距離の前記半導体層内に結晶化のための金属触媒が１×ｅ^９ないし１×ｅ^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２存在することを特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタ。
12. 前記半導体層は、ＳＧＳ結晶化法で結晶化されたことを特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタ。
13. 基板を提供する段階と、
    前記基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、
    前記非晶質シリコン層上に１０ないし５０Åの厚さで熱酸化膜を形成する段階と、
    前記熱酸化膜上に結晶化のための金属触媒層を形成する段階と、
    前記基板を熱処理して前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒を用いて前記非晶質シリコン層を多結晶シリコン層で結晶化する段階と、
    前記金属触媒層を除去する段階と、
    前記熱酸化膜をパターニングし、前記多結晶シリコン層をパターニングして半導体層を形成する段階と、
    前記半導体層及び熱酸化膜を含む基板上にゲート絶縁膜を形成する段階と、
    前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、
    前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する段階と、
    前記層間絶縁膜上に前記半導体層のソース／ドレイン領域と電気的に接続するソース／ドレイン電極を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
14. 前記非晶質シリコン層を形成した後に、前記非晶質シリコン層の脱水素工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
15. 前記非晶質シリコン層の脱水素工程と同時に前記熱酸化膜を形成することを特徴とする請求項１４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
16. 前記熱酸化膜は、酸素ガスまたは水蒸気及び不活性ガスを含む雰囲気で前記非晶質シリコン層を熱酸化して形成することを特徴とする請求項１３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
17. 前記不活性ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
18. 前記熱酸化膜は、４００ないし７００℃の温度で形成することを特徴とする請求項１３に記載の薄膜トレンジストの製造方法。
19. 前記非晶質シリコン層を前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒を用いてＳＧＳ結晶化法により結晶化することを特徴とする請求項１３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
20. 前記結晶化のための金属触媒層の金属触媒の濃度は、１０^１２ないし１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２で形成することを特徴とする請求項１３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
21. 基板と、
    前記基板上に位置し、金属触媒を用いて結晶化された半導体層と、
    前記半導体層上に位置する１０ないし５０Åの厚さの熱酸化膜と、
    前記熱酸化膜上に位置するゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、
    前記ゲート電極上に位置する層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜上に位置し、前記半導体層のソース／ドレイン領域と電気的に接続するソース／ドレイン電極と、
    前記ソースまたはドレイン電極に電気的に接続する第１電極と、
    前記第１電極上に位置する発光層を含む有機膜層と、
    前記有機膜層上に位置する第２電極と、
    を含むことを特徴とする有機電界発光表示装置。
22. 前記熱酸化膜の厚さは、１７ないし２６Åであることを特徴とする請求項２１に記載の有機電界発光表示装置。
23. 前記半導体層と前記熱酸化膜とが接する表面から前記基板方向に１００Å距離の前記半導体層内に結晶化のための金属触媒が１×ｅ^９ないし１×ｅ^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２存在することを特徴とする請求項１９に記載の有機電界発光表示装置。
24. 前記半導体層は、ＳＧＳ結晶化法に結晶化されたことを特徴とする請求項１９に記載の有機電界発光表示装置。