JPH04313734A - 光弁装置、半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、直視型表示装置や投
影型表示装置に用いられる平板型光弁装置にに関する。 より詳しくは、半導体薄膜に駆動回路が形成された集積
回路を液晶パネルとして一体的に組み込んだ光弁装置例
えばアクティブマトリクス液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アクティブマトリクス液晶表示装置の原
理は至って簡単であり、各画素にスイッチ素子を設け、
特定の画素を選択する場合には対応するスイッチ素子を
導通させ、非選択時においてはスイッチ素子を非導通状
態にしておくものである。このスイッチ素子は液晶パネ
ルを構成するガラス基板上に形成されている。従ってス
イッチ素子の薄膜化技術が重要である。この素子として
通常薄膜トランジスタが用いられている。

【０００３】従来アクティブマトリクス装置においては
薄膜トランジスタはガラス基板上に堆積された非晶質シ
リコン薄膜あるいは多結晶シリコンの表面に形成されて
いた。これら非晶質シリコン薄膜及び多結晶シリコン薄
膜は化学気相成長法を用いてガラス基板の上に容易に堆
積できるので比較的大画面のアクティブマトリクス液晶
表示装置を製造するのに適している。非晶質あるいは多
結晶シリコン薄膜に形成されるトランジスタ素子は一般
に電界効果絶縁ゲート型のものである。現在、非晶質シ
リコンを用いたアクティブマトリクス液晶表示装置では
３インチから１０インチ程度の面積のものが商業的に生
産されている。非晶質シリコン薄膜は３５０　℃以下の
低温で形成できるため大面積液晶パネルに適している。 又、多結晶シリコン膜を用いたアクティブマトリクス液
晶表示装置では現在２インチ程度の小型液晶表示パネル
が商業的に生産されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の非晶質
シリコン薄膜あるいは多結晶シリコン薄膜を用いたアク
ティブマトリクス液晶表示装置は比較的大画面の画像面
を必要とする直視型表示装置に適している一方、装置の
微細化及び画素の高密度化には必ずしも適していない。 最近直視型表示装置とは別に、微細化された高密度の画
素を有する超小型表示装置あるいは光弁装置に対する要
求が高まってきている。かかる超小型光弁装置は例えば
投影型画像装置の一次画像形成面として利用され、投影
型のハイビジョンテレビとして応用可能である。微細半
導体製造技術を用いることにより１０μｍオーダの画素
寸法を有し全体としても数ｃｍ程度の寸法を有する超小
型光弁装置が可能となる。

【０００５】しかしながら、従来の非晶質あるいは多結
晶シリコン薄膜を用いた場合には、微細半導体加工技術
を適用してサブミクロンオーダのトランジスタ素子を形
成することができない。例えば非晶質シリコン薄膜の場
合その易動度が１　ｃｍ２／Ｖｓｅｃ程度であるため、
高速動作が求められる駆動回路を同一基板上に形成でき
ない。また多結晶シリコン薄膜の場合には、結晶粒子の
大きさが数μｍ程度であるため、必然的に能動素子の微
細化が制限されるなどの課題があった。

【０００６】そこで、この発明の目的は、従来のこのよ
うな課題を解決するため、超小型で微細化されたアクテ
ィブマトリクス液晶表示装置等の光弁装置、これを一用
途とする半導体装置及びその製造方法を提供することを
目的とする。この目的を達成するために、本発明におい
ては担体層の上に形成した半導体単結晶層に駆動回路を
形成するようにした。

【０００７】ところで従来かかる担体層の上に半導体層
を形成した種々のタイプの半導体積層基板が知られてい
る。いわゆるＳＯＩ基板と呼ばれているものである。Ｓ
ＯＩ基板は例えば絶縁物質からなる担体表面に化学気相
成長法等を用いて多結晶シリコン薄膜を堆積させた後、
レーザービーム照射等により多結晶膜を再結晶化して単
結晶構造に転換して得られていた。しかしながら、一般
に多結晶の再結晶化により得られた単結晶は必ずしも一
様な結晶方位を有しておらず、また格子欠陥密度が大き
かった。これらの理由により、従来の方法により製造さ
れたＳＯＩ基板に対してシリコン単結晶ウェハと同様に
微細化技術を適用することは困難であった。この点に鑑
み、本発明は半導体プロセスで広く用いられているシリ
コン単結晶と同程度の結晶方位の一様性及び低密度の格
子欠陥を有する半導体薄膜を用いて微細、高分解能の光
弁装置を提供することを第２の目的とする。

【０００８】さらに、光弁装置は高強度の入射光のある
状態で使用される場合が多い。これに対し、高品質の単
結晶半導体薄膜は大きな光導電性を示し、単結晶半導体
薄膜で形成されたトランジスタは誤動作をしてしまう。 そこで、本発明はこの誤動作を防止するため光弁装置へ
の入射光を遮断する遮光方法を提供することを第３の目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明が採用した手段は次のとおりである。該駆
動基板は担体層と、半導体単結晶薄膜層と、該担体層と
該半導体単結晶薄膜層の間の接着層と、導体層とからな
る４層構造を有し、該駆動回路は該半導体単結晶薄膜層
に形成された集積回路からなり、該駆動電極は該半導体
単結晶薄膜層の上に集積配置され、かつ、該駆動回路に
より励起されたとき該電気光学装置に作用しその光透過
性を制御し、該導体層は不透明であって、該半導体薄膜
層の接着層とは反対側の面、該電気光学物質層と接する
面に該駆動回路の能動領域を平面的に覆っていることを
特徴とする点にあり、その製造方法は、（Ａ）単結晶半
導体基板の上に絶縁膜を挟んで単結晶半導体層を形成す
る工程。

【００１０】（Ｂ）単結晶半導体層に半導体微細加工で
、画素電極、駆動回路、制御回路などを形成する工程。 （Ｃ）単結晶半導体層と担体層を接着層を介して貼りあ
わせる工程。 （Ｄ）単結晶半導体基板の絶縁層と単結晶半導体層を残
して半導体基板を除去する工程。

【００１１】（Ｅ）単結晶半導体層に形成されたトラン
ジスタなどの光に感受性のある素子部分を金属膜などか
らなる遮光層で覆う工程からなる。

【００１２】

【作用】上記のように構成された光弁装置においては、
絶縁性の担体層及び接着層を介してその上に形成された
半導体単結晶薄膜層とその上の遮光膜からなる４層構造
を有する基板を用いており、且つ該半導体単結晶薄膜層
は半導体単結晶バルクからなるウェハと同等の品質を有
している。従って、かかる半導体単結晶薄膜層に微細化
技術を駆使して画素電極及び画素を駆動するスイッチン
グ素子などを集積的に形成することができる。この結果
得られる集積回路チップは極めて高い画素密度及び極め
て小さい画素寸法を有し、外部からの電気的接続端子を
数十以下と非常に少なくした超小型光弁装置例えばアク
ティブマトリクス液晶表示を構成できる。

【００１３】遮光膜は集積回路のトランジスタなどの素
子に入射する光を遮断すると共に、画素電極と遮光膜と
が対向する部分は間に絶縁部を有するキャパシタンスを
形成させて遮光膜を特定の電位に保つことで各画素に容
量を付加できる。付加された容量は画素電極に書き込ま
れた信号電圧の保持時間を長くすることができる。即ち
、トランジスタなどによるリーク電流による画素に保持
された電圧が変動することで発生するフリッカや、保持
された信号電圧の低下によるコントラストの低下を防ぐ
ことができる。さらに一定電位に保たれた遮光膜は隣あ
う液晶駆動電極間に生ずる電界をシールドでき、電気光
学物質駆動電極以外の領域を通過する光を遮断し、画素
以外の領域で電気光学物質層が画素電極の影響を受け動
作することを防ぐ。その結果、光弁装置に於いて、コン
トラストの低下、クロストークなどを防止できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面とともに
説明する。図１（Ａ）は本発明に用いられる基板１の平
面形状を示し、図１（Ｂ）は基板１より得られた１チッ
プの模式的断面構造を示す。図示するように、基板１は
例えば直径６インチのウェハ形状を有する。基板１は、
例えば石英からなる担体層２と、その上に形成された例
えばシリコンからなる単結晶半導体層３と、担体層２と
単結晶半導体層３の間の有機接着剤、低融点ガラスなど
からなる接着層４と、単結晶半導体層３の上の絶縁層５
と、絶縁層５の上に形成された遮光層６とで構成される
５層構造を有する。この基板１は単結晶半導体層３に対
して微細化半導体製造技術を適用し、チップ区画毎に例
えばアクティブマトリクス表示装置の駆動回路及び画素
電極が形成されている。

【００１５】図１（Ｃ）は基板１より得られた集積回路
チップの拡大平面図である。図示するように、集積回路
チップ７は例えば一片１．５ｃｍの長さを有し、従来の
アクティブマトリクス表示装置と比べ著しく小型化され
いる。集積回路チップ７はマトリクス状に配置された微
細な画素電極及び個々の画素電極に対応した絶縁ゲート
電界効果型トランジスタの形成された画素領域８と、各
トランジスタに対して画像信号を供給するための駆動回
路即ちＸドライバが形成されたＸドライバ領域９と、各
トランジスタを線順次で走査するための走査回路即ちＹ
ドライバ領域１０とを有している。本発明によれば、非
晶質薄膜あるいは多結晶薄膜に比べて電荷易動度が極め
て大きく、結晶欠陥の少ない単結晶薄膜を用いているの
で、高速応答性を要するＸ及びＹドライバを画素領域と
同一面上に形成することができる。

【００１６】図１（Ｄ）は上述した集積回路チップ７を
用いて組み立てられた超小型かつ超高密度のアクティブ
マトリクス型光弁装置を示す断面図である。図示するよ
うに、光弁装置は集積回路チップ７に対して所定の間隙
を介して対向配置された対向基板１１と、該間隙に充填
された電気光学物質層例えば液晶層１２とからなる。な
お、集積回路チップ７の表面には液晶層１２に含まれる
液晶分子を配向するための配向膜１３が被覆されている
。集積回路チップ７の画素領域８に形成された個々の画
素電極は対応するトランジスタ素子の導通により選択的
に励起され液晶層１２に作用してその光透過特性を制御
し光弁として機能する。個々の画素電極の大きさは１０
μｍ程度であるので極めて高精細なアクティブマトリク
ス液晶光弁装置を得ることができる。

【００１７】図２（Ａ）は、図１（Ｃ）に示す画素領域
８のＡ部拡大平面図であり、１個の画素を示す。図示す
るように、画素１４は画素電極１５と、画素電極１５を
信号に応じて励起させるためのトランジスタ１６と、該
トランジスタ１６に信号を供給するための信号線１７及
び該トランジスタを走査するための走査線１８とから構
成されている。信号線１７はＸドライバに接続されてお
り、走査線１８はＹドライバに接続されている。

【００１８】図２（Ｂ）は同じく１個の画素１４の模式
的断面図である。トランジスタ１６は単結晶薄膜層３に
形成されたドレイン領域、ソース領域、及びゲート絶縁
膜を介してチャンネル領域の上に形成されたゲート電極
１９とから構成されている。即ちトランジスタ１６は絶
縁ゲート電界効果型である。ゲート電極１９は走査線１
８の一部から構成されており、ソース領域には画素電極
１５が接続されており、ドレイン領域にはドレイン電極
２０がが接続されている。ドレイン電極２０は信号線１
７の一部を構成する。遮光膜６はトランジスタ１６へ遮
光膜の側から入射する光を遮断し、トランジスタ１６の
ドレイン領域とソース領域の間に発生する光リーク電流
を防ぐ。さらに、遮光膜６を一定電位に保つことでは隣
接する画素の液晶駆動電極１５との間の電界を遮蔽する
とともに、画素電極間を透過する迷光を遮断する。また
遮光膜６と液晶駆動電極１５は絶縁膜５を介して平面的
に重なりあう部分を有するので、ここにキャパシタンス
を持つことができ、画素電極１５に書き込まれた電圧を
保持することができる。

【００１９】図３（Ａ）〜（Ｅ）は基板１の製造方法を
示す断面図である。図３（Ａ）に示すように、単結晶半
導体基板２５の上に絶縁膜５を挟んで単結晶半導体層３
を形成する。具体的には、一例として単結晶シリコン基
板に酸素イオンをイオン注入後アニールすることでシリ
コン基板の表面に単結晶シリコン層を残したまま基板シ
リコンとの間を酸化シリコンで絶縁できる。あるいは、
他の一例として酸化膜を表面に形成したシリコン単結晶
基板とシリコン単結晶基板を貼りあわせ一方のシリコン
基板を薄膜層の厚さを残して除去することで実現できる
。

【００２０】次に図３（Ｂ）に示すように、単結晶半導
体層３に通常の半導体微細加工で、画素電極１５、駆動
回路、制御回路などを形成する。さらに図３（Ｃ）に示
すように、単結晶半導体基板２５と担体層２を接着層４
を介して貼りあわせる。担体層２はガラス、石英などの
絶縁体である。図３（Ｄ）は、単結晶半導体基板２５の
絶縁層５と単結晶半導体層３を残して半導体基板を除去
した図で、除去する方法としては研磨、あるいはエッチ
ングなどの方法が用いられる。この際、絶縁層はエッチ
ングの停止層あるいは研磨の終点検出として用いること
ができる。

【００２１】最後に図３（Ｅ）に示すように、単結晶半
導体層３に形成されたトランジスタなどの光に感受性の
ある素子部分を金属膜などからなる遮光層６で覆う。図
４は本発明にかかる光弁装置の一実施例を示す模式的分
解斜視図である。図示するように、光弁装置は駆動基板
１と、該駆動基板に対向配置された対向基板１１と、該
駆動基板１と該対向基板１１との間に配置された電気光
学物質層例えば液晶層１２とから構成されている。

【００２２】駆動基板１には画素１４を規定する画素電
極あるいは駆動電極と、所定の信号に応じて駆動電極を
励起するための駆動回路とが形成されている。駆動基板
１は石英ガラスからなる担体層２と単結晶シリコン半導
体膜層３と接着層４と絶縁層５と遮光層６とからなる５
層構造を有する。加えて、石英ガラス担体層２の裏面側
には偏光板２１が接着されている。そして、駆動回路は
この単結晶シリコン半導体膜層３に形成された集積回路
からなる。この集積回路はマトリクス上に配置された複
数の電界効果型絶縁ゲートトランジスタ１６を含んでい
る。トランジスタ１６のソース電極は対応する画素電極
１５に接続されており、同じくゲート電極は走査線１８
に接続されており、同じくドレイン電極は信号線１７に
接続されている。該集積回路はさらにＸドライバ９を含
み列状の信号線１７に接続されている。

【００２３】さらには、Ｙドライバ１０を含み行状の走
査線１８に接続されている。これらＸドライバ９、Ｙド
ライバ１０は、同じく単結晶半導体膜層３に形成された
画像信号処理回路２６に接続され、外部よりの画像信号
に応じて、上記処理回路２６を介して駆動される。また
、対向基板１１はガラス担体２２と、ガラス担体２２の
外面側に形成された偏光板２３と、ガラス担体２２の内
面側に形成された対向電極あるいは共通電極２４とから
構成されている。遮光層６は絶縁層５を介して半導体膜
層３のトランジスタやＰＮ接合など入射光の影響を受け
特性が変化する部分を覆う。

【００２４】次に図４を参照して上述した実施例の動作
を詳細に説明する。個々のトランジスタ素子１６のゲー
ト電極は走査線１８に接続されており、Ｙドライバ１０
によって走査信号が印加され線順次で個々のトランジス
タ素子１６の導通及び遮断を制御する。Ｘドライバ９か
ら出力される表示信号は信号線１７を介して導通状態に
ある選択されたトランジスタ１６に印加される。印加さ
れた表示信号は対応する画素電極１５に伝えられ、画素
電極を励起示液晶層１２に作用してその透過率を実質１
００％とする。

【００２５】一方、非選択時においてはトランジスタ素
子１６は非導通状態となり画素電極に書き込まれた表示
信号を電荷として維持する。なお液晶層１２は比抵抗が
高く通常は容量性として動作する。これら駆動トランジ
スタ素子１６のスッチング性能を表すためにオン／オフ
電流比が用いられる。液晶動作に必要な電流比は書き込
み時間と保持時間から簡単に求められる。例えば表示信
号がテレビジョン信号である場合には、１走査期間の約
６０μｓｅｃ　の間の表示信号の９０％以上を書き込ま
ねばならない。

【００２６】一方、１フィールド期間である約１６ｍｓ
ｅｃで電荷の９０％以上を保持しなければならない。そ
の結果、電流比は５桁以上必要となる。この時、駆動ト
ランジスタ素子は電荷易動度が極めて高い単結晶シリコ
ン半導体薄膜層３の上に形成されているのでオン／オフ
比は６桁以上を確保できる。従って、極めて高速な信号
応答性を有するアクティブマトリクスタイプの光弁装置
を得ることが出来る。又、単結晶薄膜の高易動度性を利
用して、時に、周辺回路９及び１０を同一シリコン単結
晶半導体薄膜上に形成することが可能となる。さらに、
遮光膜６が形成されているので光弁装置として強い入射
光にも影響されること無く動作する。

【００２７】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば担体層
の上に形成された半導体単結晶薄膜に対して半導体微細
化技術を用いて画素電極、駆動回路を集積的に形成して
得られる集積回路チップ基板を用いて光弁装置を形成し
ている。このため、極めて高い画素密度を有する光弁装
置を得ることができるという効果がある。又、集積回路
チップと同程度にできるので極めて小型の光弁装置を得
ることができるという効果がある。単結晶薄膜層に対し
て集積回路技術を用いることができるのでＬＳＩに匹敵
する種々の機能を有する回路を容易に付加できるという
効果がある。さらに、単結晶薄膜を用いてスイッチング
トランジスタのみならず駆動回路を同時に内蔵できると
いう効果がある。また遮光膜によって入射光が強いとき
でも、正常に動作する。さらに遮光膜と画素電極との間
に容量を有し、画素に書き込まれた信号の保持時間を伸
ばし、画素間の電界をシールドすることで画素間のクロ
ストークを防ぐなど光弁装置の画質を大きく向上するな
どの著しい効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の基板の平面形状をを示した説
明図である。 （Ｂ）は本発明の基板の断面構造をを示した説明図であ
る。 （Ｃ）は本発明の画素領域の一部拡大平面図を示した説
明図である。 （Ｄ）は本発明のアクティブマトリクス型光弁装置の断
面構造図を示した説明図である。

【図２】（Ａ）は本発明の画素領域の一部拡大平面図を
示した説明図である。 （Ｂ）は本発明の画素領域の一部拡大断面図を示した説
明図である。

【図３】（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の半導体装置の製造工
程をを示した説明図である。

【図４】本発明の実施例の斜視分解図を示した説明図で
ある。

【符号の説明】

１　　基板 ２　　担体層 ３　　単結晶半導体層 ４　　接着層 ５　　絶縁層 ６　　遮光層 ７　　集積回路チップ ８　　画素領域 ９　　Ｘドライバ １０　　Ｙドライバ １１　　対向基板 １２　　液晶層 １３　　配向膜 １４　　画素 １５　　画素電極 １６　　トランジスタ １７　　信号線 １８　　走査線 １９　　ゲート電極 ２０　　ドレイン電極 ２１　　偏光板 ２２　　ガラス担体 ２３　　偏光板 ２４　　共通電極 ２５　　基板 ２６　　画像信号処理回路

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　駆動電極と所定の信号に応じて該駆動
   電極を励起するための駆動回路とが形成された駆動基板
   と、該駆動基板に対向配置された対向基板と、該駆動基
   板と対向基板の間に配置された電気光学物質層とからな
   る光弁装置において、該駆動基板は担体層と、半導体単
   結晶薄膜層と、該担体層と該半導体薄膜単結晶薄膜層の
   間の接着層と、導体層とからなる４層構造を有し、該駆
   動回路は該半導体単結晶薄膜層に形成された集積回路か
   らなり、該駆動電極は該半導体単結晶薄膜層の上に集積
   配置されかつ該駆動回路により励起されたとき該電気光
   学装置に作用しその光透過性を制御し、該導体層は不透
   明であって、該半導体薄膜層の接着層とは反対側の面、
   該電気光学物質層と接する面に該駆動回路の能動領域を
   平面的に覆っていることを特徴とする光弁装置。
2. 【請求項２】　　該集積回路はマトリクス状に配置され
   た複数の駆動素子を含み、該駆動電極はマトリクス状に
   配置された複数の画素電極からなりかつこの駆動素子に
   より選択的に励起されることを特徴とする請求項１に記
   載の光弁装置。
3. 【請求項３】　　該集積回路は該マトリクス状駆動素子
   を走査するための走査回路を含んでいることを特徴とす
   る請求項２に記載の光弁装置。
4. 【請求項４】　　該集積回路は外部から入力された画像
   信号を処理し該走査回路に転送するための画像信号処理
   回路を含んでいることを特徴とする請求項３に記載の光
   弁装置。
5. 【請求項５】　　該導体層は該駆動電極と対向して重な
   りあう部分を有することを特徴とする請求項１に記載の
   光弁装置。
6. 【請求項６】　　担体層と、半導体単結晶薄膜層と、該
   担体層と該半導体薄膜単結晶薄膜層の間の接着層と、導
   体層とからなる４層構造の基板と、該半導体単結晶薄膜
   層の上にに形成された集積画素電極と、該半導体単結晶
   薄膜層に集積的に形成され該集積画素電極を励起するた
   めの集積駆動回路とからなり、該導体層は集積駆動回路
   への入射光を遮光している半導体装置。
7. 【請求項７】　　該集積回路は該半導体単結晶薄膜層表
   面に形成された絶縁ゲート型トランジスタを含み、その
   チャンネル形成領域下は該半導体単結晶薄膜層に接地さ
   れている請求項６に記載の半導体装置。
8. 【請求項８】　　半導体装置の製造方法に於いて、すく
   なくとも （Ａ）単結晶半導体基板の上に絶縁膜を挟んで単結晶半
   導体層を形成する工程。 （Ｂ）単結晶半導体層に半導体微細加工で、画素電極、
   駆動回路、制御回路などを形成する工程。 （Ｃ）単結晶半導体層と担体層を接着層とを介して貼り
   あわせる工程。 （Ｄ）単結晶半導体基板の絶縁層と単結晶半導体層を残
   して半導体基板を除去する工程。 （Ｅ）単結晶半導体層に形成されたトランジスタなどの
   光に感受性のある素子部分を金属膜などからなる遮光層
   で覆う工程。とからなる半導体装置の製造方法。