JP2007005508A - Method for manufacturing thin film transistor and for display device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a channel layer of a thin film transistor showing less characteristics change in a threshold voltage, etc., less scattering in electric characteristics, and sufficient breakdown voltage. <P>SOLUTION: A method for manufacturing a reverse staggered thin film transistor includes a process of forming the channel layer 18 of the thin film transistor. The process comprises a step 3 of forming an amorphous silicon film 14, a buffer film 31, and a light-heat conversion film 32 on a gate insulating film 13 in increasing order; a step 4 of emitting semiconductor laser light 16 onto the light-heat conversion film 32 to crystallize the amorphous silicon film 14 into a microcrystalline silicon film 15; a step 5 of eliminating the light-heat conversion film 32 and the buffer film 31; and a step 6 of forming an amorphous silicon film 17 on the microcrystalline silicon film 15. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、特性変動の小さな薄膜トランジスタの製造方法および長期間安定した表示品質が保てる表示装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor having a small characteristic fluctuation and a method for manufacturing a display device capable of maintaining stable display quality for a long period of time.

有機エレクトロルミネッセンス(以下、「エレクトロルミネッセンス」を「EL」と略記する。)ディスプレイの駆動用薄膜トランジスタには、(a)長期に渡って駆動し続けてもしきい値電圧等の特性変動が少ないこと、(b)表示画面にムラがないように電気特性のバラツキが少ないこと、(c)MPE(マルチフォトンエミッション)構造等の多段EL層を高電圧で駆動する場合でも十分な耐圧があること、等の性能が必要である。   Organic electroluminescence (hereinafter, “electroluminescence” is abbreviated as “EL”) The display driving thin film transistor includes: (a) a characteristic variation such as a threshold voltage is small even if the driving is continued for a long period of time; (B) There is little variation in electrical characteristics so that there is no unevenness on the display screen, (c) There is sufficient breakdown voltage even when a multi-stage EL layer such as an MPE (multi-photon emission) structure is driven at a high voltage, etc. Performance is required.

既に液晶ディスプレイ用として量産化されている薄膜トランジスタ(以下、「TFT」と略記する。TFTはThin Film Transistorの略。)を大別すると、チャネル層が非晶質シリコンからなるアモルファスシリコンTFTと多結晶シリコンからなる低温ポリシリコンTFT(無アルカリガラス基板)及び高温ポリシリコンTFT(石英ガラス基板)がある。   Thin film transistors (hereinafter abbreviated as “TFT”, abbreviated as “Thin Film Transistor”) that have already been mass-produced for liquid crystal displays can be broadly divided into amorphous silicon TFTs and polycrystals whose channel layers are made of amorphous silicon. There are low-temperature polysilicon TFTs (non-alkali glass substrates) made of silicon and high-temperature polysilicon TFTs (quartz glass substrates).

有機EL駆動用TFTを考えた場合、従来のアモルファスシリコンTFTは、前記(b)と(c)の性能は満足するが前記(a)の性能が不十分である。また、ポリシリコンTFTは前記(a)の性能を満足するが、前記(b)と(c)の性能が不十分である。前記(a)と(b)の性能は有機ELディスプレイ用TFTに限らず、液晶ディスプレイ用TFTにとっても改善されるべき性能であるため、これらを改善する目的で以下に示す様々な提案が出されている。しかしながら、これらの手法においても未だ十分な改善がなされてなく、これらを有機EL駆動用のTFTとして使用する場合においても十分な性能は得られていない。   When considering an organic EL driving TFT, the conventional amorphous silicon TFT satisfies the performances (b) and (c), but the performance (a) is insufficient. The polysilicon TFT satisfies the performance (a), but the performances (b) and (c) are insufficient. Since the performances of (a) and (b) are not limited to TFTs for organic EL displays but also for TFTs for liquid crystal displays, the following various proposals have been made for the purpose of improving them. ing. However, these methods have not been sufficiently improved, and sufficient performance has not been obtained even when these are used as TFTs for driving an organic EL.

(1)液晶表示装置用として、多結晶Siと非晶質Siの2層チャネルからなる逆スタガー型の薄膜トランジスタを提案している(例えば、特許文献1、2参照。)。この提案では2層チャネル構造のTFTによって前記(a)の性能の特性変動を抑えているが、周辺回路用のTFTとしてのみ使われており、画素回路用のTFTには非晶質Siの積層膜がチャネルとして使われている。これは2層チャネルのうちの多結晶Siチャネル層を出力安定性の悪いエキシマレーザ照射によって作製しているために特性のバラツキが大きく、上記(b)の性能の点が問題となって画素回路用TFTとして使えないためである。   (1) An inverted staggered thin film transistor composed of a two-layer channel of polycrystalline Si and amorphous Si has been proposed for use in a liquid crystal display device (see, for example, Patent Documents 1 and 2). In this proposal, the characteristic variation of the performance (a) is suppressed by the TFT of the two-layer channel structure, but it is used only as the TFT for the peripheral circuit, and the TFT for the pixel circuit is laminated with amorphous Si. A membrane is used as a channel. This is because the polycrystalline Si channel layer of the two-layer channel is manufactured by excimer laser irradiation with poor output stability, and thus the characteristic variation is large, and the performance point (b) becomes a problem. This is because the TFT cannot be used.

(2)チャネル層を微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンと非晶質の水素化シリコンとの2層構造からなる構造体、薄膜トランジスタ、及びその製法が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。そして、微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンの作製方法としては非晶質シリコン上への結晶性シリコンのCVD成膜、あるいは非晶質シリコン膜の上面領域を熱アニーリングまたはフラッシュ・アニールすることで結晶性シリコン膜を作製する2層チャネル構造の作製方法が開示されている。しかしながら上記の手法で微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンを作製する場合、非晶質シリコンの上方に結晶性シリコンが作製されるため、この発明にあるスタガー型の薄膜トランジスタの場合はチャネルとなるゲート絶縁膜近傍の半導体層が結晶性シリコンとなって狙いとしている安定性が得られる。しかしながら、逆スタガー型の薄膜トランジスタ構造をとる場合はチャネルとなるゲート絶縁膜近傍が非晶質シリコンになってしまうために安定性が低下し、(a)の性能が確保できない。   (2) A structure in which a channel layer has a two-layer structure of microcrystalline silicon or polycrystalline silicon and amorphous silicon hydride, a thin film transistor, and a manufacturing method thereof are disclosed (for example, see Patent Document 3). . Microcrystalline silicon or polycrystalline silicon can be produced by CVD of crystalline silicon on amorphous silicon, or by thermal annealing or flash annealing of the upper surface region of amorphous silicon film. A method for producing a two-layer channel structure for producing a silicon film is disclosed. However, when microcrystalline silicon or polycrystalline silicon is manufactured by the above method, crystalline silicon is formed above amorphous silicon. Therefore, in the case of the staggered thin film transistor according to the present invention, a gate insulating film serving as a channel The nearby semiconductor layer becomes crystalline silicon, and the stability targeted is obtained. However, when the inverted stagger type thin film transistor structure is employed, the vicinity of the gate insulating film serving as the channel becomes amorphous silicon, so that the stability is lowered and the performance of (a) cannot be ensured.

(3)レーザアニールでポリシリコンチャネル層を作製する低温ポリシリコンTFTにおいて、非晶質あるいは微結晶シリコン膜上に光吸収膜を設け、これに安定した出力の連続発振レーザを照射することでシリコン膜を溶融、再結晶化させて大粒径シリコン層を作製する手法である(例えば、特許文献4、5参照。)。この手法においては出力の安定した連続発振レーザを用いることで欠陥の少ない大粒径シリコンを作製し、(a)の特性変動と(b)の特性バラツキを低減するものである。しかしながら、ここで作製した大粒径シリコンや単結晶に近いシリコンをチャネル層に用いてTFTを構成すると、移動度が大きく高いオン電流が得られるという特長がある反面、耐圧性能が低くオフ電流が高いという問題点も現れて、高電圧での駆動が必要な有機EL用TFTにとっては好ましくない。さらには逆スタガー型トランジスタ構造の場合、レーザアニールするシリコン膜の下方に熱伝導性の高いゲート配線が配置されるため、シリコン再結晶化時の冷却速度が配線パターンに影響されて粒径サイズにバラツキが生じ、TFT特性もばらついてしまう。これによって(b)の均一性が悪いものになってしまう。   (3) In a low-temperature polysilicon TFT in which a polysilicon channel layer is formed by laser annealing, a light absorption film is provided on an amorphous or microcrystalline silicon film, and silicon is obtained by irradiating a continuous wave laser with a stable output thereto. This is a technique for producing a large grain silicon layer by melting and recrystallizing the film (see, for example, Patent Documents 4 and 5). In this technique, a continuous-wave laser having a stable output is used to produce large-grain silicon having few defects, and the characteristic variation of (a) and the characteristic variation of (b) are reduced. However, if the TFT is formed using the large-grained silicon or silicon close to a single crystal produced here for the channel layer, it has a feature that high on-current can be obtained with high mobility, but it has low withstand voltage performance and low off-current. The problem that it is high appears, and it is not preferable for a TFT for organic EL that needs to be driven at a high voltage. Furthermore, in the case of an inverted staggered transistor structure, a gate wiring with high thermal conductivity is arranged under the silicon film to be laser-annealed. Therefore, the cooling rate during silicon recrystallization is affected by the wiring pattern and the grain size is reduced. Variations occur and the TFT characteristics vary. As a result, the uniformity of (b) is deteriorated.

(4)この手法においても前記(2)と同様に半導体膜上に光吸収層を設け、連続発振の半導体レーザ光を照射して半導体膜を大粒径シリコン膜に変換する手法が提案されている(例えば、特許文献6参照。)。光源に出力が安定な半導体レーザを用いることで安定に大粒径ポリシリコン膜が作製でき、高移動度でバラツキの少ないTFTが低コスト、高スループットで実現できている。しかしながら、この場合も前記(2)と同様にチャネル層に大粒径ポリシリコン膜を使用するため、移動度は高いが耐圧が低く、オフ電流の高いTFTになってしまう。オフ電流を下げる手法としてマルチゲート構造やオフセット構造、LDD構造などが一般的に用いられ、効果も確認されているが前記(c)の性能の耐圧に関しては大粒径ポリシリコンがチャネル層に存在する限り、TFT構造やプロセス条件を工夫しても大幅な改善は望めない。また、前記(3)の後半に示したように逆スタガー型トランジスタ構造の場合は前記(b)の性能の問題も生じる。   (4) Also in this method, a method has been proposed in which a light absorption layer is provided on a semiconductor film as in (2) above, and the semiconductor film is converted to a large grain silicon film by irradiation with a continuous oscillation semiconductor laser beam. (For example, refer to Patent Document 6). By using a semiconductor laser having a stable output as a light source, a large-grain polysilicon film can be stably produced, and a TFT with high mobility and little variation can be realized at low cost and high throughput. However, in this case as well, since a large grain polysilicon film is used for the channel layer as in (2), the TFT has a high mobility but a low breakdown voltage and a high off current. A multi-gate structure, offset structure, LDD structure, etc. are generally used as a method for reducing the off-current, and the effect has been confirmed, but with regard to the breakdown voltage of the performance of (c), large-grain polysilicon is present in the channel layer. As long as the TFT structure and process conditions are devised, no significant improvement can be expected. Further, as shown in the latter half of the above (3), in the case of the inverted staggered transistor structure, the problem of the performance of (b) also occurs.

特許第2814319号公報Japanese Patent No. 2814319 特許第3121005号公報Japanese Patent No. 3121005 特開平6-342909号公報JP-A-6-342909 特開2002-50576号公報JP 2002-50576 A 特開2003-168646号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-168646 特開2004-134577号公報JP 2004-134777 A

解決しようとする問題点は、長期駆動に対する特性変動がある点、耐圧が低い点を同時に解決することができない点である。   The problem to be solved is that the characteristic variation with respect to long-term driving and the low breakdown voltage cannot be solved simultaneously.

本発明は、薄膜トランジスタのチャネル層を改善して、長期に渡って駆動し続けてもしきい値電圧等の特性変動が少なく、表示画面にムラがないように電気特性のバラツキが少なく、MPE(マルチフォトンエミッション)構造等の多段EL層を高電圧で駆動する場合でも十分な耐圧を有することを可能にすることを課題とする。   The present invention improves the channel layer of a thin film transistor so that even if it is driven for a long period of time, there is little variation in characteristics such as threshold voltage, and there is little variation in electrical characteristics so that there is no unevenness in the display screen. It is an object of the present invention to make it possible to have a sufficient breakdown voltage even when a multi-stage EL layer having a photon emission) structure or the like is driven at a high voltage.

本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を被覆するように前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介してチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層の一方側にソース電極を形成するとともに他方側にドレイン電極を形成する工程とを備えた薄膜トランジスタの製造方法において、前記チャネル層を形成する工程は、前記ゲート絶縁膜上に非晶質シリコン膜、バッファー膜、光−熱変換膜の順に成膜する工程、前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程と、前記光−熱変換膜とバッファー膜とを除去する工程と、前記微結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を成膜する工程とを有することを特徴とする。   The thin film transistor manufacturing method of the present invention includes a step of forming a gate electrode on a substrate, a step of forming a gate insulating film on the substrate so as to cover the gate electrode, and the gate insulating film on the gate electrode. Forming a channel layer in a method of manufacturing a thin film transistor, comprising: forming a channel layer via a step; and forming a source electrode on one side of the channel layer and forming a drain electrode on the other side. Forming an amorphous silicon film, a buffer film, and a light-to-heat conversion film on the gate insulating film in this order, and irradiating the light-to-heat conversion film with a semiconductor laser beam to form the amorphous silicon film. A step of crystallizing into a microcrystalline silicon film, a step of removing the light-heat conversion film and the buffer film, and a step of forming an amorphous silicon film on the microcrystalline silicon film. Characterized in that it has and.

上記薄膜トランジスタの製造方法では、前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程を備えていることから、光−熱変換膜が照射レーザ光の多くを吸収することによって非晶質シリコン膜の膜厚が薄い場合であっても照射光のエネルギーの多くを吸収して有効に熱に変換する。そして融点に達して溶融した非晶質シリコン膜は照射光が通り過ぎることによって冷却固化して微結晶シリコンに変化する。このときに膜厚方向の空間的な距離(非晶質シリコン膜を挟む酸化シリコン膜からなるバッファー膜およびゲート絶縁膜中の酸化シリコン膜間のギャップ)を一定に保つ構造体として働く。これによって非晶質シリコンの体積変化が起き難くなり、ラテラル成長によるシリコンの大粒径化を抑制して微結晶シリコンのみの生成が促進される。また、半導体レーザ光を光源に用いていることから、高出力で安定したレーザ光照射が可能となり、光−熱変換膜の加熱を均一性よく高精度に行うことができるので、粒径の小さな微結晶シリコンを生成することが容易になる。   The thin film transistor manufacturing method includes the step of irradiating the light-heat conversion film with semiconductor laser light to crystallize the amorphous silicon film into a microcrystalline silicon film. By absorbing much of the irradiation laser light, even if the amorphous silicon film is thin, much of the energy of the irradiation light is absorbed and effectively converted into heat. Then, the amorphous silicon film that has reached the melting point and has melted is cooled and solidified as the irradiation light passes and is changed to microcrystalline silicon. At this time, it functions as a structure that keeps a spatial distance in the film thickness direction (a gap between a buffer film made of a silicon oxide film sandwiching an amorphous silicon film and a silicon oxide film in a gate insulating film) constant. This makes it difficult for the volume change of amorphous silicon to occur, and suppresses the increase in the silicon grain size due to lateral growth, thereby promoting the generation of only microcrystalline silicon. In addition, since semiconductor laser light is used as a light source, high-power and stable laser light irradiation is possible, and the light-heat conversion film can be heated with high uniformity and high accuracy. It becomes easy to produce microcrystalline silicon.

本発明の表示装置の製造方法は、複数の画素からなる表示パネルの画素を駆動する薄膜トランジスタを備えた表示装置の製造方法において、前記薄膜トランジスタの製造工程は、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を被覆するように前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介してチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層の一方側にソース電極を形成するとともに他方側にドレイン電極を形成する工程とを備え、前記チャネル層を形成する工程は、前記ゲート絶縁膜上に非晶質シリコン膜、バッファー膜、光−熱変換膜の順に成膜する工程と、前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程と、前記光−熱変換膜とバッファー膜とを除去する工程と、前記微結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を成膜する工程とを有することを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, there is provided a display device manufacturing method including a thin film transistor for driving a pixel of a display panel including a plurality of pixels, wherein the thin film transistor manufacturing step includes a step of forming a gate electrode on a substrate. A step of forming a gate insulating film on the substrate so as to cover the gate electrode, a step of forming a channel layer on the gate electrode through the gate insulating film, and a source on one side of the channel layer Forming a drain electrode on the other side, and forming the channel layer in the order of an amorphous silicon film, a buffer film, and a light-to-heat conversion film on the gate insulating film. A step of irradiating the light-heat conversion film with a semiconductor laser light to crystallize the amorphous silicon film into a microcrystalline silicon film; and the light-heat conversion. And having the removing the buffer layer, and a step of forming an amorphous silicon film on the microcrystalline silicon film.

上記表示装置の製造方法では、画素を駆動する薄膜トランジスタの製造工程に本発明の薄膜トランジスタの製造方法を採用することで、上記説明したように、粒径の小さな微結晶シリコン膜と非晶質シリコン膜とを有するチャネル層を備えた薄膜トランジスタの製造を可能にする。   In the manufacturing method of the display device, as described above, the microcrystalline silicon film and the amorphous silicon film having a small particle size are adopted by adopting the thin film transistor manufacturing method of the present invention in the manufacturing process of the thin film transistor for driving the pixel. It is possible to manufacture a thin film transistor including a channel layer including:

本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、チャネル層を微結晶シリコン膜と非晶質シリコン膜の2層構造に形成することができるため、特性変動の小さい薄膜トランジスタを製造することができるので、駆動時間が長い表示装置、例えば有機EL表示装置であっても長期間安定した表示品質が保てるという利点がある。また特性バラツキの小さい薄膜トランジスタを製造することができるため、表示画面にムラのない表示装置、例えば有機EL表示装置を実現することができるという利点がある。また従来のアモルファスシリコンTFTに比べて移動度の高いトランジスタを得ることができるため、画素内のトランジスタ数が多い表示装置、例えば有機EL表示装置においても小型・高解像度の表示装置が実現できる。   In the thin film transistor manufacturing method of the present invention, since the channel layer can be formed in a two-layer structure of a microcrystalline silicon film and an amorphous silicon film, a thin film transistor with small characteristic fluctuations can be manufactured. Even a long display device, such as an organic EL display device, has an advantage that a stable display quality can be maintained for a long time. In addition, since a thin film transistor with small variation in characteristics can be manufactured, there is an advantage that a display device with no uneven display screen, for example, an organic EL display device can be realized. In addition, since a transistor having higher mobility than a conventional amorphous silicon TFT can be obtained, a display device having a small number and high resolution can be realized even in a display device having a large number of transistors in a pixel, for example, an organic EL display device.

本発明の表示装置の製造方法は、本発明の薄膜トランジスタの製造方法により表示装置の駆動トランジスタを形成することができるため、上記薄膜トランジスタの製造方法で得られる作用、効果をえることができるという利点がある。よって、長期間安定した表示品質が保てて、表示画面にムラのない表示装置を得ることができる。   The display device manufacturing method of the present invention can form the driving transistor of the display device by the thin film transistor manufacturing method of the present invention. Therefore, there is an advantage that the operation and effect obtained by the thin film transistor manufacturing method can be obtained. is there. Therefore, it is possible to obtain a display device that maintains stable display quality for a long period of time and has no uneven display screen.

本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第1例を、図1の製造工程を示したフローチャートおよび図2の製造工程断面図によって説明する。   A first example of an embodiment according to the method for manufacturing a thin film transistor of the present invention will be described with reference to a flowchart showing the manufacturing process of FIG. 1 and a manufacturing process sectional view of FIG.

図1に示す工程1〜工程4を行う。まず工程1では図2(1)に示すように、基板11を洗浄する。上記基板11には、例えばガラス基板を用いる。洗浄後、上記基板11上にゲート電極形成膜を成膜する。このゲート電極形成膜は、例えば、スパッタリング法によって、モリブデン膜を90nmの厚さに形成する。次いで、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、上記ゲート電極形成膜で所定の形状にパターニングしてゲート電極12を作製する。   Steps 1 to 4 shown in FIG. 1 are performed. First, in step 1, the substrate 11 is cleaned as shown in FIG. As the substrate 11, for example, a glass substrate is used. After cleaning, a gate electrode formation film is formed on the substrate 11. As the gate electrode formation film, a molybdenum film is formed to a thickness of 90 nm by sputtering, for example. Next, through a photolithography process and an etching process, the gate electrode 12 is manufactured by patterning the gate electrode formation film into a predetermined shape.

次に、図1に示す工程2を行う。工程2では図2(1)に示すように、上記ゲート電極12を被覆する状態に上記基板11上にゲート絶縁膜13を形成する。このゲート絶縁膜13は、例えば、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層膜で形成する。この窒化シリコン膜の膜厚は例えば50nmとし、上記酸化シリコン膜の膜厚は例えば120nmとする。さらに、上記ゲート絶縁膜13上にチャネル層を形成する膜として、例えば非晶質シリコン膜14を、例えば15nmの厚さに形成する。その成膜方法は、例えばプラズマエンハンスメント−化学的気相成長法(PE−CVD法)を用いることができる。   Next, step 2 shown in FIG. 1 is performed. In step 2, a gate insulating film 13 is formed on the substrate 11 so as to cover the gate electrode 12, as shown in FIG. For example, the gate insulating film 13 is formed of a laminated film of a silicon nitride film and a silicon oxide film. The thickness of the silicon nitride film is, for example, 50 nm, and the thickness of the silicon oxide film is, for example, 120 nm. Further, as a film for forming a channel layer on the gate insulating film 13, for example, an amorphous silicon film 14 is formed to a thickness of 15 nm, for example. As the film forming method, for example, a plasma enhancement-chemical vapor deposition method (PE-CVD method) can be used.

次に、図1に示す工程3を行う。工程3では図2(1)に示すように、上記非晶質シリコン膜14上にバッファー膜31を形成する。このバッファー膜31は、例えば絶縁膜で形成され、例えば酸化シリコン膜を例えば20nmの厚さに成膜して形成する。次いで、上記バッファー膜31上に光−熱変換膜32を形成する。この光−熱変換膜32は、例えばモリブデンを例えば100nmの厚さに堆積して形成する。この成膜方法としては、PE−CVD法、スパッタリング法等を用いることができる。ここで、酸化シリコンからなる上記バッファー膜31は、レーザ光照射時に高温となる光−熱変換膜32のモリブデン(Mo)が上記非晶質シリコン膜14の膜内に拡散してモリブデンシリサイドが生成されることを防止する役割を果たす。   Next, step 3 shown in FIG. 1 is performed. In step 3, a buffer film 31 is formed on the amorphous silicon film 14 as shown in FIG. The buffer film 31 is formed of, for example, an insulating film, and is formed by, for example, forming a silicon oxide film with a thickness of, for example, 20 nm. Next, a light-heat conversion film 32 is formed on the buffer film 31. The light-heat conversion film 32 is formed by depositing, for example, molybdenum to a thickness of 100 nm, for example. As this film formation method, a PE-CVD method, a sputtering method, or the like can be used. Here, in the buffer film 31 made of silicon oxide, molybdenum (Mo) of the light-to-heat conversion film 32 that becomes high temperature when irradiated with laser light diffuses into the amorphous silicon film 14 to generate molybdenum silicide. It plays a role to prevent being done.

次に、図1に示す工程4を行う。工程4では図2(1)に示すように、光−熱変換膜32上にレーザ光16を照射して光−熱変換膜32を加熱し、この熱によって下層にある非晶質シリコン膜14を微結晶シリコン膜15に変化させる。   Next, step 4 shown in FIG. 1 is performed. In step 4, as shown in FIG. 2A, the light-heat conversion film 32 is irradiated with the laser light 16 to heat the light-heat conversion film 32, and the amorphous silicon film 14 in the lower layer is heated by this heat. Is changed to the microcrystalline silicon film 15.

この時のレーザアニール工程を詳しく説明する。使用したレーザ光源は、波長808nmのブロードエリア型高出力半導体レーザ装置で、連続発振にて約4Wの光出力が得られるものである。マイクロレンズアレイ等を用いた均一照明光学系に上記半導体レーザ装置(図示せず)から射出されたレーザ光16を通し、長軸側の光強度プロファイルが平坦なトップハット型で、短軸側の光強度プロファイルがガウシアン型の矩形ビームに整形する。このビームを約2mW/μm2の光強度に集光して光−熱変換膜32上に照射し、基板11を約40mm/sの一定速度で移動させる。高い光強度の半導体レーザ光の照射によってモリブデン膜が高温に加熱され、この熱が熱伝導によって下層の酸化シリコンからなるバッファー膜31、非晶質シリコン膜14に伝わり、非晶質シリコン膜14が融点に達する。溶融した非晶質シリコン膜14は照射光が通り過ぎることによって冷却固化して微結晶シリコンに変化し、上記微結晶シリコン膜15が形成される。 The laser annealing process at this time will be described in detail. The laser light source used is a broad-area high-power semiconductor laser device with a wavelength of 808 nm, and a light output of about 4 W can be obtained by continuous oscillation. The laser light 16 emitted from the semiconductor laser device (not shown) is passed through a uniform illumination optical system using a microlens array or the like, and is a top hat type with a flat light intensity profile on the long axis side, and on the short axis side. The light intensity profile is shaped into a Gaussian rectangular beam. This beam is condensed to a light intensity of about 2 mW / μm 2 and irradiated onto the light-heat conversion film 32, and the substrate 11 is moved at a constant speed of about 40 mm / s. The molybdenum film is heated to a high temperature by irradiation with high-intensity semiconductor laser light, and this heat is transferred to the lower buffer film 31 and the amorphous silicon film 14 made of silicon oxide by heat conduction. Reach the melting point. The melted amorphous silicon film 14 is cooled and solidified by passing through the irradiation light and changed to microcrystalline silicon, and the microcrystalline silicon film 15 is formed.

この再結晶化プロセスで得られた微結晶シリコンを電子顕微鏡(SEM)によって観察すると、図3に示すように、粒径はおよそ10nm〜50nmであることが観察された。このSEM写真は微結晶シリコン膜15をセコエッチングした後に観察したものである。ここで光−熱変換膜32はシリコンの結晶化プロセスにおいて2つの重要な役割を果たす。1つは光−熱変換膜32が照射レーザ光の多くを吸収することで、これによって非晶質シリコン膜の膜厚が薄い場合であっても照射光のエネルギーの多くを吸収して有効に熱に変換する。もう1つは溶融した非晶質シリコン膜が結晶化するときに膜厚方向の空間的な距離(非晶質シリコン膜を挟む酸化シリコン膜からなるバッファー膜31およびゲート絶縁膜13中の酸化シリコン膜間のギャップ)を一定に保つ構造体として働くことである。この効果によって非晶質シリコンの体積変化が起き難くなり、ラテラル成長によるシリコンの大粒径化を抑制して微結晶シリコンのみの生成を促進する。   When the microcrystalline silicon obtained by this recrystallization process was observed with an electron microscope (SEM), the particle size was observed to be approximately 10 nm to 50 nm as shown in FIG. This SEM photograph is observed after the microcrystalline silicon film 15 is subjected to Secco etching. Here, the light-heat conversion film 32 plays two important roles in the silicon crystallization process. One is that the light-to-heat conversion film 32 absorbs much of the irradiation laser light, thereby effectively absorbing much of the energy of the irradiation light even when the amorphous silicon film is thin. Convert to heat. The other is a spatial distance in the film thickness direction when the molten amorphous silicon film is crystallized (the buffer film 31 made of a silicon oxide film sandwiching the amorphous silicon film and the silicon oxide in the gate insulating film 13). It works as a structure that keeps the gap between the films constant. This effect makes it difficult for the volume change of amorphous silicon to occur, and suppresses the increase in the silicon grain size due to lateral growth, thereby promoting the production of only microcrystalline silicon.

次に、図1に示す工程5を行う。工程5では、トランジスタを構成する上で不要となる光−熱変換膜32およびバッファー膜31を除去する。光−熱変換膜32を構成するモリブデンはリン硝酢酸溶液中に浸漬することで除去する。また、酸化シリコンからなるバッファー膜31はフッ酸溶液中に浸漬することで除去する。このエッチングでは、微結晶シリコンはフッ酸溶液にほとんど溶解しないため、図2(2)に示すように、上記微結晶シリコン膜15が露出されるが、この微結晶シリコン膜15は結晶化したままの膜厚で残存する。   Next, step 5 shown in FIG. 1 is performed. In step 5, the light-heat conversion film 32 and the buffer film 31 that are not necessary for forming the transistor are removed. Molybdenum constituting the light-heat conversion film 32 is removed by being immersed in a phosphonitrate solution. The buffer film 31 made of silicon oxide is removed by being immersed in a hydrofluoric acid solution. In this etching, since the microcrystalline silicon is hardly dissolved in the hydrofluoric acid solution, the microcrystalline silicon film 15 is exposed as shown in FIG. 2 (2), but the microcrystalline silicon film 15 remains crystallized. It remains with a film thickness of.

次に、図1に示す工程6を行う。工程6では、図2(3)に示すように、上記微結晶シリコン膜15上に非晶質シリコン膜17を形成する。この非晶質シリコン膜17は、例えば、120nmの厚さに形成する。その成膜方法は、例えばPE−CVD法を用いることができる。このようにして、本発明の特長となる微結晶シリコン膜15と非晶質シリコン膜17とからなる2層チャネル構造のチャネル層18が作製される。   Next, step 6 shown in FIG. 1 is performed. In step 6, an amorphous silicon film 17 is formed on the microcrystalline silicon film 15 as shown in FIG. The amorphous silicon film 17 is formed with a thickness of 120 nm, for example. For example, a PE-CVD method can be used as the film formation method. In this manner, a channel layer 18 having a two-layer channel structure composed of the microcrystalline silicon film 15 and the amorphous silicon film 17 which is a feature of the present invention is manufactured.

次に、図1に示す工程7〜工程9を行う。まず工程7では図2(4)に示すように、一般的な非晶質シリコンTFTの製造プロセスと同様な工程を行う。上記非晶質シリコン膜17上にチャネル保護膜を形成する。このチャネル保護膜は、例えば窒化シリコン膜で形成する。その成膜方法は、例えば化学的気相成長法を用いることができる。その後、通常のフォトリソグラフィー工程およびエッチング工程により上記チャネル層18の上部に上記チャネル保護膜を用いてストッパー層19を形成する。   Next, steps 7 to 9 shown in FIG. 1 are performed. First, in step 7, as shown in FIG. 2 (4), the same steps as those for manufacturing a general amorphous silicon TFT are performed. A channel protective film is formed on the amorphous silicon film 17. This channel protective film is formed of, for example, a silicon nitride film. As the film formation method, for example, a chemical vapor deposition method can be used. Thereafter, a stopper layer 19 is formed on the channel layer 18 using the channel protective film by a normal photolithography process and etching process.

次に、図1に示す工程8を行う。工程8では図2(4)に示すように、上記非晶質シリコン膜17上のソース・ドレインが形成される領域に、n型不純物として、例えばリンをドープした非晶質シリコン層(以下、n+a−Si層と記す。)20を形成する。このn+a−Si層20は、例えば化学的気相成長法によって成膜することができる。その後、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程によってアイランド構造を作製する。このドライエッチング工程では、例えば反応性イオンエッチング装置を用いることができる。 Next, step 8 shown in FIG. 1 is performed. In step 8, as shown in FIG. 2 (4), an amorphous silicon layer doped with, for example, phosphorus (hereinafter referred to as phosphorus) as an n-type impurity in the region where the source / drain on the amorphous silicon film 17 is formed. (referred to as an n + a-Si layer). The n + a-Si layer 20 can be formed by, for example, chemical vapor deposition. Thereafter, an island structure is formed by a photolithography process and a dry etching process. In this dry etching process, for example, a reactive ion etching apparatus can be used.

次に、図1に示す工程9を行う。工程9では図2(4)に示すように、上記n+a−Si層20を被覆するように、ソース電極およびドレイン電極を形成するための電極膜を形成する。この電極膜は、例えばスパッタリングにより形成することができる。そして、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程によって、上記電極膜をパターニングしてソース電極21およびドレイン電極22を形成する。このドライエッチング工程では、例えば反応性イオンエッチング装置を用いることができる。本実施例では、上記電極膜として、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)/チタン(Ti)の3層構造を用いた。以上の工程によりチャネル層18が微結晶シリコン膜15および非晶質シリコン膜17の2層構造からなる逆スタガー型の薄膜トランジスタ1が形成された。 Next, step 9 shown in FIG. 1 is performed. In step 9, as shown in FIG. 2 (4), an electrode film for forming a source electrode and a drain electrode is formed so as to cover the n + a-Si layer 20. This electrode film can be formed by sputtering, for example. Then, the source electrode 21 and the drain electrode 22 are formed by patterning the electrode film by a photolithography process and a dry etching process. In this dry etching process, for example, a reactive ion etching apparatus can be used. In this example, a three-layer structure of titanium (Ti) / aluminum (Al) / titanium (Ti) was used as the electrode film. Through the above steps, the inverted staggered thin film transistor 1 in which the channel layer 18 has a two-layer structure of the microcrystalline silicon film 15 and the amorphous silicon film 17 was formed.

本実施例によるTFTのトランジスタ特性を評価し、従来品TFTのトランジスタ特性と比較した。有機ELディスプレイ用のTFTにとって非常に重要な特性の1つが電流値の特性バラツキである。このバラツキが大きいと画質のムラとなって表示品質を悪くするため、小さい値が要求される。隣接する16個のトランジスタのオン電流Ionバラツキ(Ionのσ/平均値)を基板内の複数箇所で測定し、その平均値を表1に示す。   The transistor characteristics of the TFT according to this example were evaluated and compared with those of a conventional TFT. One of the very important characteristics for TFTs for organic EL displays is the variation in current value characteristics. If this variation is large, the image quality becomes uneven and the display quality is deteriorated, so a small value is required. On-current Ion variation (σ of Ion / average value) of 16 adjacent transistors was measured at a plurality of locations in the substrate, and the average value is shown in Table 1.

表1に示すように、本実施の形態例によるTFTの電流値バラツキは2.0%と小さく、液晶表示装置に通常用いられている非晶質(アモルファス)シリコンTFTとほぼ同等のバラツキを示した。エキシマレーザアニールを用いる低温ポリシリコンTFTのバラツキは5%以上と大きく、有機ELディスプレイの駆動用TFTに用いるとレーザアニールに起因する筋状のムラが表示画面に存在する。これはエキシマレーザに代表されるパルスレーザはパルスごとのエネルギーバラツキが大きいためであり、通常のエキシマレーザのパルスバラツキはPeak to Peakで5%〜10%ある。また、比較的安定な半導体レーザ励起のYAGレーザであってもPeak to Peakで2%〜3%のパルスバラツキを持っており、本実施の形態例で使用した半導体レーザの出力変動がPeak to Peak で0.5%以下であることと比較すると大きな変動量を持っている。本実施の形態例によるTFTを用いた有機ELディスプレイでは表示画面にムラがなく、この点で低温ポリシリコンTFTより優る特性を持つことがわかる。   As shown in Table 1, the current value variation of the TFT according to this embodiment is as small as 2.0%, which is almost the same as the amorphous silicon TFT normally used in liquid crystal display devices. It was. The variation of the low-temperature polysilicon TFT using excimer laser annealing is as large as 5% or more, and when used for a driving TFT of an organic EL display, streaky unevenness caused by laser annealing exists on the display screen. This is because a pulse laser represented by an excimer laser has a large energy variation for each pulse, and a pulse variation of a normal excimer laser is 5% to 10% in terms of Peak to Peak. Moreover, even a relatively stable YAG laser pumped by a semiconductor laser has a pulse variation of 2% to 3% in Peak to Peak, and the output fluctuation of the semiconductor laser used in this embodiment is Peak to Peak. Compared with 0.5% or less, it has a large fluctuation amount. It can be seen that the organic EL display using the TFT according to the present embodiment has no unevenness in the display screen and has characteristics superior to those of the low-temperature polysilicon TFT in this respect.

もう1つの重要なトランジスタ特性としてしきい値電圧(Vth)の経時変動がある。上記表1にこのVthの経時変動を評価した時のデータも併せて示した。   Another important transistor characteristic is variation with time of the threshold voltage (Vth). Table 1 also shows the data obtained when the variation with time of Vth was evaluated.

トランジスタの駆動方法、条件等によって各種評価方法があるが、ここではゲートに15Vの電圧を印加し、50℃の環境下で連続して約28時間駆動したときのVthの変化量を示した。本実施の形態例によるTFTは0.3Vという小さな値を示し、低温ポリシリコン並みの高信頼性を示した。一方、通常の非晶質シリコンTFTは15Vという大きな変動量を示しており、長時間連続して駆動するとVthの変動量が大きくなりすぎて正常なトランジスタ動作をしなくなることが容易に想像できる。有機ELディスプレイは電流を連続的に流すことによって画面表示をするため、トランジスタにはVth変動量の小さなものが要求される。この点で本実施例によるTFTは非晶質シリコンTFTに比べて大いに優る特性を持っていることがわかる。   There are various evaluation methods depending on the driving method and conditions of the transistor. Here, the amount of change in Vth when a voltage of 15 V is applied to the gate and driving continuously for about 28 hours in an environment of 50 ° C. is shown. The TFT according to this embodiment showed a small value of 0.3 V, and showed high reliability equivalent to low-temperature polysilicon. On the other hand, a normal amorphous silicon TFT shows a large fluctuation amount of 15 V, and it can be easily imagined that if it is continuously driven for a long time, the fluctuation amount of Vth becomes too large to operate normally. Since an organic EL display displays a screen by continuously supplying a current, a transistor having a small Vth variation is required. In this respect, it can be seen that the TFT according to this example has much superior characteristics as compared with the amorphous silicon TFT.

本発明の大きな特徴はチャネル層18が微結晶シリコン膜15と非晶質シリコン膜17の2層からなることである。ゲート電極12側に微結晶シリコン膜15を形成することによって電圧印加によるVthの変動を起こり難くすると共に移動度を上げる効果によってトランジスタサイズを小さくできる。本実施例では移動度2cm2/V/sが得られており、従来の非晶質シリコンTFTの移動度約0.5cm2/V/sの4倍の特性が得られている。 A major feature of the present invention is that the channel layer 18 is composed of two layers of a microcrystalline silicon film 15 and an amorphous silicon film 17. By forming the microcrystalline silicon film 15 on the gate electrode 12 side, the variation in Vth due to voltage application is less likely to occur, and the transistor size can be reduced by increasing the mobility. In this embodiment, a mobility of 2 cm 2 / V / s is obtained, and a characteristic four times that of a conventional amorphous silicon TFT having a mobility of about 0.5 cm 2 / V / s is obtained.

さらに、微結晶シリコン膜15上に積層する非晶質シリコン膜17はソースとドレイン間に均一な高抵抗層を導入した効果があり、オフ電流を下げると共に高い耐圧特性を示す。   Further, the amorphous silicon film 17 stacked on the microcrystalline silicon film 15 has an effect of introducing a uniform high resistance layer between the source and the drain, and exhibits a high withstand voltage characteristic while reducing the off current.

次に、本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第2例を説明する。   Next, a second example of the embodiment according to the method for manufacturing a thin film transistor of the present invention will be described.

この第2例では前記第1例とほぼ同様なプロセスを用いて微結晶シリコン膜15と非晶質シリコン膜17とからなる2層チャネル構造の薄膜トランジスタ1を作製した。前記第1例と異なる点は前記図1の工程3において、図4に示すように、光−熱変換膜32上に反射低減膜33を形成した点である。この反射低減膜33は、例えば、厚さが120nmの酸化シリコン(SiO2)膜で形成することができる。この反射低減膜33によってレーザ光を効率よくモリブデン膜からなる光−熱変換膜32の温度上昇に利用することができる。このため、前記第1例と同様に、非晶質シリコン膜14を結晶化する際のビーム走査速度を120mm/sまで高速化することができた。その後は、前記図1の工程5で反射低減膜を剥離するプロセスを追加するのみで、その他は、前記第1例と同一のプロセスで行うことができる。このようにして得られたTFTの諸特性は、前記第1例のTFTとほぼ同等のものが得られた。 In this second example, a thin film transistor 1 having a two-layer channel structure made of a microcrystalline silicon film 15 and an amorphous silicon film 17 was fabricated by using a process substantially similar to the first example. The difference from the first example is that a reflection reducing film 33 is formed on the light-heat conversion film 32 in step 3 of FIG. 1 as shown in FIG. The reflection reducing film 33 may be, for example, thickness is formed of silicon oxide (SiO 2) film of 120 nm. With this reflection reducing film 33, the laser light can be efficiently used to raise the temperature of the light-heat conversion film 32 made of a molybdenum film. Therefore, as in the first example, the beam scanning speed when crystallizing the amorphous silicon film 14 can be increased to 120 mm / s. Thereafter, only the process of removing the reflection reducing film is added in Step 5 of FIG. 1, and the other processes can be performed by the same process as in the first example. Various characteristics of the TFT thus obtained were almost the same as those of the TFT of the first example.

光−熱変換膜32として用いたモリブデン膜は、波長808nmのレーザ光に対して約56%の反射率を持っており、膜に吸収されてアニールに寄与するエネルギー量は44%である。上記反射低減膜33を用いることによってこの反射率を約30%に低減することができる。つまりは入射光量の70%を光−熱変換膜32の加熱に利用することができる。出力が4Wのレーザ光を用いた場合、反射低減膜33のない場合は1.76Wのエネルギーをアニールに使うが、上記反射低減膜33を形成することで2.8Wと、およそ1.6倍のエネルギーを利用することができる。   The molybdenum film used as the light-heat conversion film 32 has a reflectance of about 56% with respect to laser light having a wavelength of 808 nm, and the amount of energy absorbed by the film and contributing to annealing is 44%. By using the reflection reducing film 33, the reflectance can be reduced to about 30%. That is, 70% of the incident light quantity can be used for heating the light-heat conversion film 32. When a laser beam having an output of 4 W is used, energy of 1.76 W is used for annealing when the reflection reduction film 33 is not provided. However, by forming the reflection reduction film 33, it is 2.8 W, which is approximately 1.6 times. Can be used.

大型のガラス基板を用いてディスプレイ用のTFT基板を量産する場合、このレーザアニールプロセスの基板処理速度が生産量を決める重要なファクターとなる。上記第2例でわかるように、反射低減膜を用いることによってビームの走査速度を大幅に上げることができるため、装置1台あたりの生産量も大幅に増やすことができる。   When mass-producing a TFT substrate for a display using a large glass substrate, the substrate processing speed of this laser annealing process is an important factor that determines the production amount. As can be seen from the second example, since the beam scanning speed can be significantly increased by using the reflection reducing film, the production amount per apparatus can be greatly increased.

上記第2例では、反射低減膜33として酸化シリコン膜を用いたが、その他にも屈折率が1.5から2.5程度の透光性高融点膜であれば同様な効果が得られる。例えば、厚さが90nmの窒化シリコン(SiN)膜をモリブデン膜上に成膜することで、反射率は約15%まで低減することができ、酸化シリコン膜の場合よりさらにエネルギー利用効率を高めることができる。また、反射低減膜33として、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜を用いることもできる。   In the second example, a silicon oxide film is used as the reflection reducing film 33. However, the same effect can be obtained as long as it is a translucent high melting point film having a refractive index of about 1.5 to 2.5. For example, by forming a silicon nitride (SiN) film having a thickness of 90 nm on a molybdenum film, the reflectance can be reduced to about 15%, and the energy utilization efficiency can be further increased than in the case of a silicon oxide film. Can do. Further, as the reflection reducing film 33, a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film can be used.

次に、本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第3例を説明する。   Next, a third example of one embodiment according to the method for manufacturing a thin film transistor of the present invention will be described.

この第3例では前記第1例とほぼ同様なプロセスを用いて微結晶シリコン膜15と非晶質シリコン膜17とからなる2層チャネル構造の薄膜トランジスタ1を作製した。前記第1例と異なる点は前記図1の工程2で成膜する非晶質シリコン膜14の膜厚を43nmと厚くしたこと、前記図1の工程3で成膜する光−熱変換膜32の厚さを50nmとしたこと、前記図1の工程4において、アニールに使用する半導体レーザ光を、波長が808nmの赤外線半導体レーザ光ではなく、波長が405nmの窒化ガリウム(GaN)系青色半導体レーザ光を用いた点である。   In this third example, a thin film transistor 1 having a two-layer channel structure composed of a microcrystalline silicon film 15 and an amorphous silicon film 17 was fabricated using a process substantially similar to that of the first example. The difference from the first example is that the film thickness of the amorphous silicon film 14 formed in step 2 of FIG. 1 is increased to 43 nm, and the light-heat conversion film 32 formed in step 3 of FIG. In step 4 of FIG. 1, the semiconductor laser light used for annealing is not an infrared semiconductor laser light having a wavelength of 808 nm, but a gallium nitride (GaN) blue semiconductor laser having a wavelength of 405 nm. It is a point using light.

この第3例で用いたアニール装置は、前記第1例で使用したアニール装置の光源部と照明光学系部を波長が405nmの半導体レーザ光およびこれに対応した均一照明光学系に変更したものである。照射する光エネルギー強度と走査速度を調整し、好適な微結晶シリコン膜15が得られる照射条件にて結晶化プロセスを行なった。前記図1の工程5以降は前記第1例と同様なプロセスを用いてTFTデバイスを製作し、電気特性を評価を行った。   The annealing apparatus used in the third example is obtained by changing the light source unit and the illumination optical system unit of the annealing apparatus used in the first example to a semiconductor laser beam having a wavelength of 405 nm and a uniform illumination optical system corresponding thereto. is there. The crystallization process was performed under the irradiation conditions for adjusting the irradiation light energy intensity and the scanning speed to obtain a suitable microcrystalline silicon film 15. After Step 5 in FIG. 1, a TFT device was manufactured using the same process as in the first example, and the electrical characteristics were evaluated.

その結果、電気特性は、前記第1例の結果と大きく変わらず、移動度が第1例の1.3倍、オン電流の隣接トランジスタ間バラツキが平均値で3%となり、有機EL用TFTとして十分な性能が得られた。このデバイスにおける微結晶シリコン膜15の粒径サイズを観察した写真を図5に示した。粒径は、10nm〜80nmであり、非晶質シリコン膜14の膜厚が43nmと厚くなった分、第1例に比べてやや大きいが、ラテラル成長は見られなかった。このように、微結晶シリコンができていることによってオン電流のバラツキが小さく抑えられているといえる。   As a result, the electrical characteristics are not significantly different from the results of the first example, the mobility is 1.3 times that of the first example, and the on-current variation between adjacent transistors is 3% on average. Sufficient performance was obtained. A photograph observing the grain size of the microcrystalline silicon film 15 in this device is shown in FIG. The particle diameter was 10 nm to 80 nm, and although the amorphous silicon film 14 was as thick as 43 nm, it was slightly larger than the first example, but no lateral growth was observed. Thus, it can be said that the variation in the on-state current is suppressed by the microcrystalline silicon.

次に、比較例として、バッファー膜31および光−熱変換膜32を形成しない薄膜トランジスタの製造方法を説明する。   Next, as a comparative example, a method for manufacturing a thin film transistor in which the buffer film 31 and the light-heat conversion film 32 are not formed will be described.

比較例では、前記第3例において、バッファー膜31、光−熱変換膜32を形成することなしに、405nm半導体レーザ光で非晶質シリコン膜14をアニールした。その他のプロセスは、前記第3例とほぼ同様である。   In the comparative example, the amorphous silicon film 14 was annealed with 405 nm semiconductor laser light without forming the buffer film 31 and the light-heat conversion film 32 in the third example. The other processes are almost the same as in the third example.

この比較例では、非晶質シリコン膜14はアニールの結果、図6の電子顕微鏡(TEM)写真に示すように、粒径が100nmから1μm程度と大きく成長したポリシリコン膜となった。このポリシリコン膜を用いて前記図1の工程6以降を、前記第1例と同様のプロセスを行ってTFTデバイスを作製した。このデバイスの特性を評価したところ、移動度は第3例の約10倍と非常に高い値を示したが、オン電流の隣接バラツキも約8%と高くなった。このバラツキの値はテレビ等のディスプレイ用途に使用すると画質のムラを生じるレベルである。従来技術の課題の部分に記述したように、チャネル層に大粒径シリコンができると耐圧が低下したり、ゲート配線パターンの影響を受けて粒径のバラツキが大きくなり、従って特性バラツキの増大が生じる。   In this comparative example, as a result of annealing, the amorphous silicon film 14 became a polysilicon film having a grain size greatly grown from about 100 nm to about 1 μm as shown in the electron microscope (TEM) photograph of FIG. Using this polysilicon film, a TFT device was manufactured by performing the same process as in the first example from step 6 onward in FIG. When the characteristics of this device were evaluated, the mobility was as high as about 10 times that of the third example, but the on-current adjacent variation was also as high as about 8%. This variation value is a level that causes unevenness in image quality when used for display applications such as televisions. As described in the problem section of the prior art, when the silicon layer has a large grain size, the breakdown voltage decreases, and the variation in the grain size increases due to the influence of the gate wiring pattern. Arise.

第1例、第3例および比較例における特性バラツキと結晶粒径とを比較して、表2に示した。   Table 2 compares the characteristic variation and the crystal grain size in the first example, the third example, and the comparative example.

表2に示すように、結晶粒径が100nm以上まで成長してしまうプロセスでは特性バラツキ、特に電流値バラツキ(Ionのσ/平均値)が6.8%と大きくなることがわかる。また、前記第1例では結晶粒径が30nm±20nmであり、電流値バラツキ(Ionのσ/平均値)は1.3%、前記第3例では結晶粒径が50nm±40nmであり、電流値バラツキ(Ionのσ/平均値)は2.8%であった。このように、結晶粒径が100nm以上になると、電流値バラツキが大きくなりすぎ、例えば有機EL表示装置の駆動トランジスタとしてこの薄膜トランジスタを用いることが困難になることがわかる。一方、本発明の製造方法により製造された薄膜トランジスタでは、結晶粒径が90nm以下であり、電流値バラツキ(Ionのσ/平均値)が2.8%以下であることから、例えば有機EL表示装置の駆動トランジスタに採用することが可能であることが判る。   As shown in Table 2, in the process in which the crystal grain size grows to 100 nm or more, the characteristic variation, particularly the current value variation (σ of Ion / average value) increases to 6.8%. In the first example, the crystal grain size is 30 nm ± 20 nm, the current value variation (σ of Ion / average value) is 1.3%, and in the third example, the crystal grain size is 50 nm ± 40 nm. The value variation (σ of Ion / average value) was 2.8%. Thus, it can be seen that when the crystal grain size is 100 nm or more, the current value variation becomes too large, and it becomes difficult to use this thin film transistor as a drive transistor of an organic EL display device, for example. On the other hand, the thin film transistor manufactured by the manufacturing method of the present invention has a crystal grain size of 90 nm or less and a current value variation (σ of Ion / average value) of 2.8% or less. It can be seen that the present invention can be applied to the driving transistor.

次に、図7のオン電流と電流値バラツキとの関係を説明する。図7では、黒塗りの菱形が第1例のデータであり、黒塗りの四角形が第3例のデータであり、白抜きの三角形が比較例のデータである。   Next, the relationship between the on-current and the current value variation in FIG. 7 will be described. In FIG. 7, black diamonds are data of the first example, black squares are data of the third example, and white triangles are data of the comparative example.

図7に示すように、結晶粒径の大きい比較例では、最大15.5%の電流値バラツキがあることがわかる。一方、第3例のように結晶粒径が10nm〜90nmでは、電流値バラツキの最大値は4.8%であり、さらに第1例のように結晶粒径が10nm〜50nmでは、電流値バラツキの最大値は3.0%であり、結晶粒径が小さくなるほど電流値バラツキの最大値も小さくなることが判る。このことからも、本発明の薄膜トランジスタを例えば有機EL表示装置の駆動トランジスタとして用いる場合には、でき得る限り結晶粒径の小さな、例えば10nmに近い結晶粒径の微結晶シリコン膜15を形成することが有効であることが判る。   As shown in FIG. 7, in the comparative example having a large crystal grain size, it can be seen that there is a maximum current value variation of 15.5%. On the other hand, when the crystal grain size is 10 nm to 90 nm as in the third example, the maximum value of the current value variation is 4.8%, and when the crystal grain size is 10 nm to 50 nm as in the first example, the current value variation is larger. The maximum value is 3.0%, and it can be seen that the maximum value of the current value variation decreases as the crystal grain size decreases. For this reason as well, when the thin film transistor of the present invention is used as a driving transistor of an organic EL display device, for example, the microcrystalline silicon film 15 having a crystal grain size as small as possible, for example, a crystal grain size close to 10 nm, is formed. It turns out that is effective.

次に、上記各実施の形態例の変形例について説明する。   Next, modified examples of the above embodiments will be described.

光源となる半導体レーザ装置は、発振波長が350nm〜1000nm程度の連続発振の半導体レーザ装置であり、上記実施の形態例ではAlGaAs系の化合物半導体を活性層に用いた半導体レーザ装置を使用したが、GaN、InGaN、GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、InGaAlP、ZnSe、ZnS、SiC等の化合物半導体を活性層に用いた半導体レーザ装置を用いることが可能である。特には、GaAsやAlGaAsを用いた半導体レーザ装置は高出力で長寿命のものが安価に市販されており、プロセス装置用の光源として非常に適している。   The semiconductor laser device serving as the light source is a continuous oscillation semiconductor laser device having an oscillation wavelength of about 350 nm to 1000 nm. In the above embodiment, a semiconductor laser device using an AlGaAs compound semiconductor as an active layer is used. It is possible to use a semiconductor laser device using a compound semiconductor such as GaN, InGaN, GaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsP, InGaAlP, ZnSe, ZnS, and SiC as an active layer. In particular, semiconductor laser devices using GaAs or AlGaAs have high output and long life and are commercially available at low cost, and are very suitable as light sources for process devices.

上記バッファー膜31は、図8のバッファー膜と薄膜トランジスタの移動度との関係図に示すように、上記実施の形態例では、10nm以上160nm以下の膜厚があれば良好な移動度を有する薄膜トランジスタを製造することができる。例えば、バッファー膜31が酸化シリコン膜で形成され、その膜厚が10nm〜160nmでは移動度が1.70cm2/V/s〜1.77cm2/V/sであった。 As shown in the relational diagram between the buffer film and the mobility of the thin film transistor in FIG. Can be manufactured. For example, the buffer layer 31 is formed of a silicon oxide film, a film thickness of mobility in 10nm~160nm was 1.70cm 2 /V/s~1.77cm 2 / V / s .

光−熱変換膜32は、上記実施の形態例では、酸化シリコン膜とモリブデン膜とを用いたが、その他にもシリコンの融点(1410℃)より高い温度での耐熱性を持つものを使用することができる。モリブデン(融点2623℃)以外の高融点金属として、チタン(Ti)(融点1666℃)、バナジウム(V)(融点1917℃)、クロム(Cr)(融点1857℃)、ジルコニウム(Zr)(融点1852℃)、ニオブ(Nb)(融点2470℃)、ハフニウム(Hf)(融点2230℃)、タンタル(Ta)(融点2985℃)、タングステン(W)(融点3407℃)等の高融点金属、また、融点の高い金属化合物として、上記高融点金属の酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物等の高融点金属化合物、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)、炭化シリコン(SiC)、酸化炭化シリコン(SiOC)、酸化アルミニウム(Al23)等を挙げることができる。もしくは、上記金属膜の積層膜、上記金属化合物膜の積層膜、上記金属膜と上記金属化合物膜との積層膜を用いることができる。 In the above embodiment, the light-heat conversion film 32 uses a silicon oxide film and a molybdenum film. However, a film having heat resistance at a temperature higher than the melting point of silicon (1410 ° C.) is used. be able to. As high melting point metals other than molybdenum (melting point 2623 ° C.), titanium (Ti) (melting point 1666 ° C.), vanadium (V) (melting point 1917 ° C.), chromium (Cr) (melting point 1857 ° C.), zirconium (Zr) (melting point 1852) ), Niobium (Nb) (melting point 2470 ° C.), hafnium (Hf) (melting point 2230 ° C.), tantalum (Ta) (melting point 2985 ° C.), tungsten (W) (melting point 3407 ° C.), High melting point metal compounds such as high melting point metal oxides, nitrides, carbides, oxynitrides, aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), carbide Examples thereof include silicon (SiC), silicon oxide carbide (SiOC), and aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Alternatively, a stacked film of the metal film, a stacked film of the metal compound film, or a stacked film of the metal film and the metal compound film can be used.

また、本発明の薄膜トランジスタ(第1例の薄膜トランジスタ)と従来型のアモルファスシリコンTFTについて、駆動時間によるしきい値電圧の変化量を調べた。その結果を図9に示す。図9では、縦軸にしきい値電圧の変化量ΔVth(V)を示し、横軸に駆動時間(s)を示す。   In addition, for the thin film transistor of the present invention (the thin film transistor of the first example) and the conventional amorphous silicon TFT, the amount of change in threshold voltage depending on the driving time was examined. The result is shown in FIG. In FIG. 9, the vertical axis represents the threshold voltage variation ΔVth (V), and the horizontal axis represents the drive time (s).

図9に示すように、薄膜トランジスタの駆動時間の経過とともにしきい値電圧が上昇していくが、本発明の薄膜トランジスタは、10万秒駆動してもしきい値電圧は0.07Vであったが従来型のアモルファスシリコンTFTでは、10秒の時点で0.122Vあり、10万秒の駆動時間では15.69Vとなった。このように、本発明の薄膜トランジスタでは、駆動時間が長くなっても、しきい値電圧がほとんど変化しないことが判る。このように、本発明の製造方法により形成された薄膜トランジスタは、長期間安定した表示品質が保てるという特徴を有する。このため、表示装置、とりわけ、有機EL表示装置の駆動トランジスタとして用いることにより、有機EL表示装置を長期間、安定した画質で表示することが可能になる。   As shown in FIG. 9, the threshold voltage increases as the driving time of the thin film transistor elapses, but the threshold voltage of the thin film transistor of the present invention was 0.07 V even when driven for 100,000 seconds. In the case of the type of amorphous silicon TFT, it was 0.122 V at the time of 10 seconds, and 15.69 V at the driving time of 100,000 seconds. Thus, it can be seen that in the thin film transistor of the present invention, the threshold voltage hardly changes even when the driving time is increased. As described above, the thin film transistor formed by the manufacturing method of the present invention has a feature that a stable display quality can be maintained for a long time. For this reason, by using it as a drive transistor of a display device, especially an organic EL display device, the organic EL display device can be displayed with a stable image quality for a long period of time.

上記説明した本発明の薄膜トランジスタは、複数の画素を有する表示パネルの画素を駆動する駆動トランジスタとして用いることができる。したがって、表示装置の製造方法において、薄膜トランジスタを形成する工程では、前記説明した本発明の薄膜トランジスタの製造方法を採用することができる。   The thin film transistor of the present invention described above can be used as a driving transistor for driving a pixel of a display panel having a plurality of pixels. Therefore, in the method for manufacturing a display device, in the step of forming a thin film transistor, the above-described method for manufacturing a thin film transistor of the present invention can be employed.

したがって、特性変動の小さい薄膜トランジスタを製造することができるため、駆動時間が長い表示装置であっても長期間安定した表示品質が保てるという利点がある。この利点は、有機EL表示装置のような薄膜トランジスタの駆動時間が長い表示装置に、特に有効である。また、特性バラツキの小さい薄膜トランジスタを製造することができるため、表示画面にムラのない表示装置が実現できる。この利点も、有機EL表示装置のような薄膜トランジスタの駆動時間が長い表示装置に有効である。また、従来のアモルファスシリコンTFTに比べて移動度の高いトランジスタが得られるため、画素内のトランジスタ数が多い表示装置、例えば有機EL表示装置においては、小型・高解像度の表示装置を実現することができる。さらに、プロセス装置に使用する光源が小型、高出力、安価、長寿命な半導体レーザ装置であるため、プロセス装置自体が安価で高信頼性なものとなり、量産設備の初期投資、メンテナンスコストを低く抑えることができることによって、表示装置の生産コストを低減することが可能となる。   Therefore, since a thin film transistor with small characteristic fluctuation can be manufactured, there is an advantage that a stable display quality can be maintained for a long time even in a display device with a long driving time. This advantage is particularly effective for a display device such as an organic EL display device having a long driving time of a thin film transistor. In addition, since a thin film transistor with small variation in characteristics can be manufactured, a display device in which the display screen is not uneven can be realized. This advantage is also effective for a display device such as an organic EL display device having a long driving time of a thin film transistor. In addition, since a transistor having higher mobility than a conventional amorphous silicon TFT can be obtained, a display device having a large number of transistors in a pixel, for example, an organic EL display device, can realize a small and high-resolution display device. it can. Furthermore, since the light source used in the process equipment is a small, high-power, inexpensive, and long-life semiconductor laser device, the process equipment itself is inexpensive and highly reliable, keeping the initial investment and maintenance costs of mass production equipment low. As a result, the production cost of the display device can be reduced.

本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第1例を示した製造工程のフローチャートである。It is the flowchart of the manufacturing process which showed the 1st example of one Embodiment which concerns on the manufacturing method of the thin-film transistor of this invention. 本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第1例を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed the 1st example of one Embodiment which concerns on the manufacturing method of the thin-film transistor of this invention. 第1例における再結晶化プロセスで得られた微結晶シリコン膜の電子顕微鏡(SEM)写真である。It is an electron microscope (SEM) photograph of the microcrystalline silicon film obtained by the recrystallization process in the first example. 本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第2例を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed the 2nd example of one Embodiment which concerns on the manufacturing method of the thin-film transistor of this invention. 第3例における再結晶化プロセスで得られた微結晶シリコン膜の電子顕微鏡(SEM)写真である。It is an electron microscope (SEM) photograph of the microcrystalline silicon film obtained by the recrystallization process in the third example. 比較例における再結晶化プロセスで得られたシリコン結晶の電子顕微鏡(SEM)写真である。It is an electron microscope (SEM) photograph of the silicon crystal obtained by the recrystallization process in a comparative example. オン電流と電流値バラツキとの関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram between on-current and current value variation. バッファー膜と薄膜トランジスタの移動度との関係図である。It is a relationship diagram between the mobility of a buffer film and a thin-film transistor. しきい値電圧の変化量と薄膜トランジスタの駆動時間との関係図である。It is a relationship diagram between the amount of change in threshold voltage and the driving time of a thin film transistor.

符号の説明Explanation of symbols

1…薄膜トランジスタ、11…基板、12…ゲート電極、13…ゲート絶縁膜、14…非晶質シリコン膜、15…微結晶シリコン膜、16…半導体レーザ光、17…非晶質シリコン膜、31…バッファー膜、32…光−熱変換膜   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thin film transistor, 11 ... Substrate, 12 ... Gate electrode, 13 ... Gate insulating film, 14 ... Amorphous silicon film, 15 ... Microcrystalline silicon film, 16 ... Semiconductor laser beam, 17 ... Amorphous silicon film, 31 ... Buffer film, 32 ... Light-heat conversion film

Claims (4)

基板上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を被覆するように前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介してチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層の一方側にソース電極を形成するとともに他方側にドレイン電極を形成する工程と
を備えた薄膜トランジスタの製造方法において、
前記チャネル層を形成する工程は、
前記ゲート絶縁膜上に非晶質シリコン膜、バッファー膜、光−熱変換膜の順に成膜する工程、
前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程と、
前記光−熱変換膜とバッファー膜とを除去する工程と、
前記微結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を成膜する工程と
を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
Forming a gate electrode on the substrate;
Forming a gate insulating film on the substrate so as to cover the gate electrode;
Forming a channel layer on the gate electrode via the gate insulating film;
Forming a source electrode on one side of the channel layer and forming a drain electrode on the other side.
The step of forming the channel layer includes:
Forming an amorphous silicon film, a buffer film, and a light-to-heat conversion film in this order on the gate insulating film;
Irradiating the light-heat conversion film with semiconductor laser light to crystallize the amorphous silicon film into a microcrystalline silicon film;
Removing the light-heat conversion film and the buffer film;
And a step of forming an amorphous silicon film over the microcrystalline silicon film.
前記微結晶シリコン膜の結晶粒径は100nm以下である
ことを特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
The method for manufacturing a thin film transistor according to claim 1, wherein a crystal grain size of the microcrystalline silicon film is 100 nm or less.
前記光−熱変換膜を形成した後で前記半導体レーザ光を照射する前に、前記光−熱変換膜上に反射低減膜を形成し、
前記反射低減膜は前記光−熱変換膜及び前記バッファー膜を除去する際に除去する
ことを特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
Before irradiating the semiconductor laser light after forming the light-heat conversion film, forming a reflection reducing film on the light-heat conversion film,
The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1, wherein the reflection reducing film is removed when the light-heat conversion film and the buffer film are removed.
複数の画素からなる表示パネルの画素を駆動する薄膜トランジスタを備えた表示装置の製造方法において、
前記薄膜トランジスタの製造工程は、
基板上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を被覆するように前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介してチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層の一方側にソース電極を形成するとともに他方側にドレイン電極を形成する工程とを備え、
前記チャネル層を形成する工程は、
前記ゲート絶縁膜上に非晶質シリコン膜、バッファー膜、光−熱変換膜の順に成膜する工程と、
前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程と、
前記光−熱変換膜とバッファー膜とを除去する工程と、
前記微結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を成膜する工程と
を有することを特徴とする表示装置の製造方法。
In a method for manufacturing a display device including a thin film transistor for driving a pixel of a display panel including a plurality of pixels,
The manufacturing process of the thin film transistor includes
Forming a gate electrode on the substrate;
Forming a gate insulating film on the substrate so as to cover the gate electrode;
Forming a channel layer on the gate electrode via the gate insulating film;
Forming a source electrode on one side of the channel layer and forming a drain electrode on the other side,
The step of forming the channel layer includes:
Forming an amorphous silicon film, a buffer film, and a light-to-heat conversion film in this order on the gate insulating film;
Irradiating the light-heat conversion film with semiconductor laser light to crystallize the amorphous silicon film into a microcrystalline silicon film;
Removing the light-heat conversion film and the buffer film;
And a step of forming an amorphous silicon film on the microcrystalline silicon film.
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