電子デバイス／薄膜トランジスタ

８．低温ポリシリコン膜

　水素化アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ：Ｈ）を使ったＴＦＴはアクティブマトリックス液晶ディスプレイに応用され実用化されています。しかし以前にも触れたようにａ－Ｓｉ・ＴＦＴにも問題がないわけではありません。もっとも大きな不満は電子移動度が小さいためにスイッチング速度が遅いということでしょう。液晶も分子が向きを変えて画像を切り換えるので動作は決して速くなく、その切り換えだけならａ－Ｓｉ・ＴＦＴでも充分使えます。

　しかし非常にたくさんのスイッチを駆動する周辺のトランジスタは高速で動作することが要求されます。このため駆動用トランジスタ（ＩＣ）は別に用意し、ＴＦＴと配線を繋ぐ必要があります。ＴＦＴが高速になれば、この駆動用のトランジスタの一部もガラス基板上に載せてしまうなど、いろいろな展開が期待できます。またａ－Ｓｉ：Ｈという物質は強い光を受けていると変質してしまう場合があるという難点もありました。

　これらの不満点を解決できるのであれば、他の材料でＴＦＴを作った方がよいわけです。ａ－Ｓｉと似た材料で従来から知られていたのが多結晶シリコンです。"Poly-crystalline silicon"を日本では略して「ポリシリコン」と呼ぶことが多いので、ここでは略号は「ｐｏｌｙ－Ｓｉ」と書くことにします。

　このｐｏｌｙ－Ｓｉは結晶シリコンを使うＩＧＦＥＴの世界では以前から電極材料などとして使われてきました。メモリー素子で浮遊ゲートに使われているのもこれです。ｐｏｌｙ－Ｓｉの電子移動度は、ａ－Ｓｉに比べると10倍から100倍も大きく、結晶シリコンの数分の１くらいにまで迫っています。このためスイッチング速度はかなり高速化できます。

　問題は作り方にありました。シリコンを非晶質でなく小さな結晶の集まりの多結晶にするには高い温度が必要です。シリコン原子が基板表面に飛んできてくっついたとき、温度が低いとそこから動けません。結晶になるためにきちんとした並びになろうとすると、基板上で原子が動いて所定の位置に落ち着く必要があります。シリコン原子の場合、1000℃くらいの高温でないと動けないのです。多結晶といってもその結晶の大きさ（結晶粒径と言います）はいろいろです。結晶粒径が小さくてもよければ、やや低い温度でもよいですが、電子移動度も小さくなってしまいます。

　ＩＧＦＥＴに使われていたｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜は化学気相成長法（熱ＣＶＤ法）で作られていました。ａ－Ｓｉの場合のプラズマＣＶＤ法と似た方法ですが、プラズマは使用せず加熱でシランを分解する方法で高温にする必要がありました。シリコン単結晶を基板とする場合は1000℃くらいの高温は気にしなくてもよかったのですが、ガラス基板の場合はそうはいきません。普通のガラスは1000℃にもなると融け始めてしまいます。1000℃でも耐えるガラスというと石英ガラスくらいしか普通に入手できるものはありません。

　石英ガラス基板でもよいならば、多結晶シリコン膜を作る技術はすでにありましたから、ＴＦＴを作ることも可能でした。実際にｐｏｌｙ－Ｓｉ・ＴＦＴを使った液晶ディスプレイはａ－Ｓｉのそれより早く1983年頃には実現しています。ただし大きさは２インチ（約５ｃｍ）程度でした。石英ガラス基板では大きなものを作るのは困難で、これ以上の進展は望めません。

　そこで何とか普通のガラス基板が使えるような低温でｐｏｌｙ－Ｓｉ膜を作るための研究開発が盛んに行われました。1990年代になって実用になってきた方法はレーザ照射処理によるものです。これはａ－Ｓｉを低温で成長し、あとでレーザを照射して結晶化を行おうというものです。

　三洋電機が1993年に出願した特許(1)はレーザ照射によるｐｏｌｙ－Ｓｉ膜の形成方法について述べています。この特許ではプラズマＣＶＤ法でａ－Ｓｉ膜をまず作りますが、ａ－Ｓｉ膜に含まれる酸素や水素がその後の結晶化の障害になるとして、事前に熱処理してこれらを除去する必要があるとしています。ただしこの熱処理も600℃以下の温度に抑えなければ意味がありません。

　その後、レーザ光を照射します。レーザ光を当てるのはやはり加熱してシリコンを一度融かすためです。強いレーザ光のエネルギーによってアモルファスシリコンの表面が融け、それが冷えて固まるときに結晶化が起きます。光が表面付近で吸収されてしまえば、融解するのは表面付近だけでこの部分は高温になりますが、基板の温度はあまり影響を受けないで済みます。基板を低温に保ったまま、結晶化だけを進めることができるわけです。

　使われているレーザはエキシマレーザと言われる紫外線レーザです。このレーザは連続発振するものでなく、パルス光を出します。ボタンを押すと１回パチンと光る、そんなイメージで動作します。１回の発光を１ショットと言い、２ショット、３ショットと数えます。上記の特許では図８－１に示すイメージでショット数が増えるごとに結晶粒径が大きくなるとしています。基板を400℃に加熱し、120ショット、レーザを照射すると、結晶粒径は4.5μｍになったと書かれています。

(1)特開平6-283422号