JP2005216934A - Manufacturing method for semiconductor thin-film, semiconductor device and manufacturing method for thin-film transistor, thin-film transistor and liquid-crystal display and manufacturing method for driver-circuit integral type liquid-crystal display - Google Patents

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Masahito Hiramatsu
雅人 平松
Masakiyo Matsumura
正清 松村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a silicon thin-film being composed of a crystal having a large grain size corresponding to a device size and having the small irregularities of the surface of the crystal. <P>SOLUTION: An amorphous silicon thin-film 12a is deposited on an insulating layer 11 formed on a substrate 10. A first laser annealing is carried out to the amorphous silicon thin-film 12a, and a polysilicon thin-film 12b having a crystal-grain size of 0.2 μm or more is formed. A second laser annealing is carried out to the polysilicon thin-film 12b, crystal grains are grown in the parallel direction to the surface of the substrate 10 and the polysilicon thin-film 12c having a size of 4 μm or more in the growth direction of the crystal grains is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば薄膜トランジスタなどの製造工程に用いられている半導体薄膜の製造方法、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ及び液晶表示装置に係る。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor thin film, a method for manufacturing a thin film transistor, a thin film transistor, and a liquid crystal display device used in a manufacturing process of a thin film transistor, for example.

薄膜半導体技術は、薄膜トランジスタ(TFT)、密着センサ、光電変換素子等の半導体素子を絶縁性基板上に形成するための重要な技術である。薄膜トランジスタは、MOS(MIS)構造の電界効果トランジスタであり、液晶表示装置のようなフラットパネル・ディスプレイに広く応用されている。   Thin film semiconductor technology is an important technology for forming semiconductor elements such as thin film transistors (TFTs), contact sensors, and photoelectric conversion elements on an insulating substrate. A thin film transistor is a field effect transistor having a MOS (MIS) structure, and is widely applied to a flat panel display such as a liquid crystal display device.

液晶表示装置は、一般に薄型、軽量、低消費電力でカラー表示も容易であるという特徴を有し、この特徴からパーソナルコンピュータあるいは様々な携帯用情報端末のディスプレイとして広く用いられている。液晶表示装置がアクティブマトリクス型である場合には、薄膜トランジスタが画素スイッチング素子として使用される。   Liquid crystal display devices are generally thin, lightweight, have low power consumption, and are easy to display color, and are widely used as displays for personal computers or various portable information terminals. When the liquid crystal display device is an active matrix type, a thin film transistor is used as a pixel switching element.

この薄膜トランジスタの活性層(キャリア移動層)は、例えばシリコン薄膜からなる。シリコン薄膜は、非晶質シリコン(アモルファスシリコン:a−Si)及び結晶相を有する多結晶質シリコン(非単結晶の結晶質シリコン)に分類される。多結晶質シリコンは、主に多結晶シリコン(Poly−Si)であり、微結晶シリコン(μc−Si)も多結晶質シリコンとして知られている。シリコン以外の半導体薄膜材料としては、例えば、SiGe、SiO、CdSe、Te、CdS等が挙げられる。   The active layer (carrier transport layer) of this thin film transistor is made of, for example, a silicon thin film. Silicon thin films are classified into amorphous silicon (amorphous silicon: a-Si) and polycrystalline silicon having a crystalline phase (non-single crystalline crystalline silicon). Polycrystalline silicon is mainly polycrystalline silicon (Poly-Si), and microcrystalline silicon (μc-Si) is also known as polycrystalline silicon. Examples of the semiconductor thin film material other than silicon include SiGe, SiO, CdSe, Te, and CdS.

多結晶質シリコンのキャリア移動度は、非晶質シリコンのキャリア移動度の10倍から100倍程度大きい。この特性は、スイッチング素子の半導体薄膜材料として非常に優れている。近年、多結晶シリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタは、動作の高速性から、例えばドミノ回路及びCMOSトランスミッション・ゲートのような様々な論理回路を構成することが可能なスイッチング素子であるとして注目されている。この論理回路は、液晶表示装置及びエレクトロ・ルミネセンス表示装置の駆動回路、マルチプレクサ、EPROM、EEPROM、CCD、及びRAM等を構成する場合に必要となる。   The carrier mobility of polycrystalline silicon is about 10 to 100 times larger than the carrier mobility of amorphous silicon. This characteristic is very excellent as a semiconductor thin film material for a switching element. In recent years, a thin film transistor using polycrystalline silicon as an active layer has attracted attention as a switching element capable of forming various logic circuits such as a domino circuit and a CMOS transmission gate because of its high-speed operation. Yes. This logic circuit is required when configuring a driving circuit, a multiplexer, an EPROM, an EEPROM, a CCD, a RAM, and the like for a liquid crystal display device and an electroluminescence display device.

ここで、多結晶シリコン薄膜を形成する際の従来の代表的なプロセスについて、以下に説明する。このプロセスでは、ガラス等の絶縁性基板が使用され、その上に、先ず、アンダーコート層(またはバッファ層)として、例えばシリコン酸化膜(SiO)が堆積される。次いで、その上に、半導体薄膜としてアモルファスシリコン膜(a−Si)が約50nm程度の厚さで堆積される。その後、アモルファスシリコン膜中の水素濃度を低下させるため、脱水素処理が行われる。続いて、アモルファスシリコン膜の溶融再結晶化がエキシマレーザ結晶化法等により行われる。具体的には、アモルファスシリコン膜にエキシマレーザが照射され、これによりアモルファスシリコンを多結晶シリコンに変化させる。 Here, a conventional typical process for forming a polycrystalline silicon thin film will be described below. In this process, an insulating substrate such as glass is used, and a silicon oxide film (SiO 2 ), for example, is first deposited thereon as an undercoat layer (or buffer layer). Next, an amorphous silicon film (a-Si) is deposited thereon as a semiconductor thin film with a thickness of about 50 nm. Thereafter, a dehydrogenation process is performed to reduce the hydrogen concentration in the amorphous silicon film. Subsequently, melt recrystallization of the amorphous silicon film is performed by an excimer laser crystallization method or the like. Specifically, an excimer laser is irradiated to the amorphous silicon film, thereby changing the amorphous silicon into polycrystalline silicon.

現在では、このようにして得られる多結晶シリコン薄膜が、nチャネル型またはpチャネル型薄膜トランジスタの活性層として用いられている。この場合、薄膜トランジスタの電界効果移動度(電界効果による電子または正孔の移動度)が、nチャネル型で100〜150cm/(V・sec)程度となり、pチャネル型で100cm/(V・sec)程度となる。このような薄膜トランジスタを用いれば、駆動回路一体型の表示装置、即ち、信号線駆動回路及び走査線駆動回路のような駆動回路が画素スイッチング素子と同一の基板上に形成された表示装置を製造することができる。これによって、表示装置の製造コストを低減することが可能になる。 At present, the polycrystalline silicon thin film thus obtained is used as an active layer of an n-channel or p-channel thin film transistor. In this case, the field effect mobility (electron or hole mobility due to the field effect) of the thin film transistor is about 100 to 150 cm 2 / (V · sec) in the n-channel type, and 100 cm 2 / (V · sec) in the p-channel type. sec). When such a thin film transistor is used, a display device integrated with a drive circuit, that is, a display device in which drive circuits such as a signal line drive circuit and a scan line drive circuit are formed on the same substrate as the pixel switching element is manufactured. be able to. This makes it possible to reduce the manufacturing cost of the display device.

ところで、現在の薄膜トランジスタの電気的特性は、デジタル映像データをアナログ映像信号に変換するDA変換器や、デジタル映像データを加工するゲートアレイ等の信号処理回路を、表示装置の基板上で一体化できるほどには優れていない。このような場合には、薄膜トランジスタに、現在の3倍から5倍程度の電流駆動能力が要求される。また、薄膜トランジスタには、電界効果移動度として300cm/(V・sec)程度が要求される。 By the way, the current electrical characteristics of thin film transistors can be integrated on a substrate of a display device with a DA converter that converts digital video data into an analog video signal and a signal processing circuit such as a gate array that processes the digital video data. Not as good as it is. In such a case, the current driving capability of the thin film transistor is required to be about 3 to 5 times the current. Thin film transistors are required to have a field effect mobility of about 300 cm 2 / (V · sec).

表示装置の高機能化及び高付加価値化のためには、薄膜トランジスタの電気的特性を更に向上させる必要がある。薄膜トランジスタで構成されるスタティックメモリが、例えばメモリ機能を持たせるために各画素に付加される場合には、単結晶半導体を用いた場合と同等の電気的特性がこの薄膜トランジスタに対して要求される。このような理由から、シリコン薄膜の結晶性を単結晶に近付けるための研究が盛んに行われている。   In order to increase the functionality and added value of a display device, it is necessary to further improve the electrical characteristics of the thin film transistor. When a static memory composed of a thin film transistor is added to each pixel, for example, to have a memory function, the thin film transistor is required to have the same electrical characteristics as when a single crystal semiconductor is used. For these reasons, research is being actively conducted to bring the crystallinity of a silicon thin film closer to a single crystal.

近年、レーザアニールを用いたシリコン薄膜の結晶化に関して、従来の膜厚方向への成長から、何らかの方法によって基板面に対して平行な方向へのいわゆる横方向成長をさせることで、デバイスサイズの大粒径のシリコン薄膜を製造する試みがなされている。   In recent years, with regard to crystallization of a silicon thin film using laser annealing, the device size can be increased by performing so-called lateral growth in a direction parallel to the substrate surface by some method from the conventional growth in the film thickness direction. Attempts have been made to produce silicon thin films of particle size.

例えば、松村らは、エキシマレーザ光を位相シフタを介して非単結晶Si薄膜に照射し、レーザ光の強度を空間的に変調させることによって強度の低い場所から高い場所への横方向成長を行なわせることを報告している(非特許文献1)。また、イムらのグループは、均一なエキシマレーザを徐々に移動させることにより、その移動方向に結晶成長させるプロセスについて報告をしている(非特許文献2、非特許文献3)。さらに、量産に際して、大面積の基板の各回路形成部に薄膜トランジスタを形成するのに充分なサイズの結晶化領域を歩留まりよく製造できる歩留りの高い半導体薄膜の製造方法が要求されている。   For example, Matsumura et al. Irradiate non-single crystal Si thin film through excimer laser light through a phase shifter and spatially modulate the intensity of the laser light to perform lateral growth from a low intensity place to a high place. (Non-Patent Document 1). Moreover, the group of Im et al. Reported a process of crystal growth in the moving direction by gradually moving a uniform excimer laser (Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3). Furthermore, in mass production, there is a demand for a method for manufacturing a semiconductor thin film with a high yield that can manufacture a crystallized region having a size sufficient for forming a thin film transistor in each circuit formation portion of a large-area substrate with a high yield.

また、非晶質シリコンを初期膜として用いた場合、大粒径の結晶化工程を実行すると体積が増すという現象が生ずる。これは、結晶シリコンは、ダイヤモンド構造であるために、シリコン原子が格子中に高密度には充填されておらず、非晶質シリコンと比べて密度が低いことに起因している。非晶質シリコンの場合には、低温のCVDにより得られる水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)のケースでも1割程度密度が高い。そのため、横方向成長をさせる際、極く僅かな時間差ではあるが同時には結晶化しないため、作製された結晶の表面には、凹凸が生ずる。   In addition, when amorphous silicon is used as the initial film, a phenomenon occurs in which the volume increases when a crystallization process with a large grain size is performed. This is because crystalline silicon has a diamond structure, so that silicon atoms are not packed in the lattice at a high density, and the density is lower than that of amorphous silicon. In the case of amorphous silicon, the density is about 10% higher even in the case of hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) obtained by low-temperature CVD. For this reason, when the lateral growth is performed, the crystal is not crystallized at the same time although there is a slight time difference.

このような凹凸は、結晶化プロセス以降のプロセス、特に、コプラナ型トランジスタを製造するために必要となるゲート絶縁膜プロセスにおいて、大きな問題となる。即ち、活性層の表面に生じた凸部の頂点とゲート電極の下面との間の距離が充分に確保されるように、ゲート絶縁膜の膜厚を設定する必要があり、従って、ゲート絶縁膜を薄くすることができない。その結果、従来の方法により製造された薄膜トランジスタでは、シリコン結晶の品質を向上させ、また、ゲート電極のソースドレイン方向の幅(即ち、ゲート長)を短くするなどの、トランジスタの電流駆動能力を向上させるための施策を施しても、充分な特性向上が得られないという問題点がある。
松村,表面科学:vol.21, No.5, p.278−287, 2000 電子材料:2002年12月号、p.80〜84 次田,イム:第12回FPDセミナー,電子ジャーナル(2002年9月30日)
Such unevenness becomes a serious problem in the processes after the crystallization process, particularly in the gate insulating film process necessary for manufacturing the coplanar transistor. That is, it is necessary to set the film thickness of the gate insulating film so that a sufficient distance is ensured between the apex of the convex portion generated on the surface of the active layer and the lower surface of the gate electrode. Can not be thinned. As a result, in the thin film transistor manufactured by the conventional method, the quality of the silicon crystal is improved, and the current drive capability of the transistor is improved, for example, the width of the gate electrode in the source / drain direction (ie, the gate length) is shortened. However, there is a problem in that sufficient improvement in characteristics cannot be obtained even if measures are taken.
Matsumura, Surface Science: vol.21, No.5, p.278-287, 2000 Electronic materials: December 2002, p. 80-84 Tsutsuda, Im: 12th FPD Seminar, Electronic Journal (September 30, 2002)

本発明は、以上のようなシリコン薄膜のレーザアニールによる結晶化における問題点に鑑み成されたもので、本発明の目的は、デバイスサイズ相当の大きな粒径の結晶粒を高い歩留りで形成することができる半導体薄膜の製造方法、半導体装置及び薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ及び液晶表示装置及び駆動回路一体型液晶表示装置の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in crystallization of a silicon thin film by laser annealing, and an object of the present invention is to form crystal grains having a large grain size corresponding to the device size with a high yield. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor thin film, a method for manufacturing a semiconductor device and a thin film transistor, a method for manufacturing a thin film transistor and a liquid crystal display device, and a liquid crystal display device integrated with a driving circuit.

本発明の半導体薄膜の製造方法は、
基板上に結晶粒径が0.2μm以上の非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、
前記半導体薄膜にレーザアニールを施して基板面に対して平行方向に結晶粒を成長させ、結晶粒の成長方向の寸法が4μm以上の半導体薄膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする。
The method for producing a semiconductor thin film of the present invention comprises:
Forming a non-single crystal semiconductor thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more on a substrate;
Performing laser annealing on the semiconductor thin film to grow crystal grains in a direction parallel to the substrate surface, and forming a semiconductor thin film having a dimension in the crystal grain growth direction of 4 μm or more;
It is provided with.

半導体薄膜の結晶粒を基板面に対して平行方向に成長させる際、結晶成長前の結晶粒径と結晶粒の成長距離との間には強い相関関係がある。従って、結晶成長前の半導体薄膜の結晶粒径をある程度以上の大きさとすることによって(0.2μm以上)、結晶粒をデバイスサイズ相当の寸法まで成長させることが可能になる。これによって、高い移動度を有する半導体薄膜を形成することができる。   When growing crystal grains of a semiconductor thin film in a direction parallel to the substrate surface, there is a strong correlation between the crystal grain size before crystal growth and the crystal grain growth distance. Therefore, by setting the crystal grain size of the semiconductor thin film before crystal growth to a certain level or more (0.2 μm or more), it is possible to grow the crystal grains to a size corresponding to the device size. Thereby, a semiconductor thin film having high mobility can be formed.

ここで、結晶粒径は、二次元のSEM写真よりそれぞれの粒の面積を積分し、円と仮定した場合の直径を計算することによって得られた値である。   Here, the crystal grain size is a value obtained by integrating the area of each grain from a two-dimensional SEM photograph and calculating the diameter assuming a circle.

なお、前記半導体薄膜の結晶粒を基板面に対して平行方向に成長させる際には、位相シフタを用いてレーザ光を位相変調させて基板表面に照射することにより、基板表面でのレーザ光の強度を空間的に変化させ、それによって、結晶粒をレーザ光の強度の勾配方向に成長させる方法を採用することができる。   When the crystal grains of the semiconductor thin film are grown in a direction parallel to the substrate surface, the phase of the laser beam is modulated using a phase shifter and irradiated onto the substrate surface, so that the laser beam on the substrate surface is irradiated. It is possible to employ a method in which the intensity is spatially changed, and thereby the crystal grains are grown in the direction of the gradient of the intensity of the laser beam.

あるいは、前記半導体薄膜の結晶粒を基板面に対して平行方向に成長させる際には、ライン状のレーザをその一部を重ねながら幅方向にスキャンして行くことによって、結晶粒をスキャン方向に成長させる方法を採用することもできる。   Alternatively, when the crystal grains of the semiconductor thin film are grown in a direction parallel to the substrate surface, the crystal grains are moved in the scan direction by scanning a line-shaped laser in the width direction while overlapping a part thereof. A growing method can also be adopted.

例えば、前記結晶粒径が0.2μm以上の半導体薄膜は、基板上に形成された絶縁層の上に、非晶質の半導体薄膜を形成し、この非晶質の半導体薄膜をレーザアニールして形成することができる。   For example, for the semiconductor thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more, an amorphous semiconductor thin film is formed on the insulating layer formed on the substrate, and this amorphous semiconductor thin film is subjected to laser annealing. Can be formed.

このように、非晶質薄膜を、一旦、多結晶薄膜に変え、次いで、この多結晶薄膜の結晶粒を基板面に対して平行方向に成長させることによって、非晶質薄膜から多結晶薄膜に変わる際の体積変化に起因する多結晶薄膜表面での凹凸を小さく抑えることができる。   Thus, by changing the amorphous thin film into a polycrystalline thin film, and then growing the crystal grains of the polycrystalline thin film in a direction parallel to the substrate surface, the amorphous thin film is converted into a polycrystalline thin film. Unevenness on the surface of the polycrystalline thin film due to the volume change at the time of change can be reduced.

なお、必要に応じて、閾値を制御するため、前記非晶質薄膜に(第一の)レーザアニールを施す前に、前記非晶質薄膜に微量の不純物イオンを注入しても良い。   If necessary, a small amount of impurity ions may be implanted into the amorphous thin film before (first) laser annealing to control the threshold value.

また、結晶粒を成長させる前の多結晶薄膜として、上記のように非晶質薄膜に(第一の)レーザアニールを施して得られた多結晶薄膜の代わりに、絶縁層の上に直接堆積された多結晶薄膜を用いることもできる。その場合、例えば、CVD法を用いてポリシリコン薄膜を堆積すれば、それに続く(第二の)レーザアニールの際に、十分な成長距離を確保することができる。   Also, as a polycrystalline thin film before crystal grain growth, it is deposited directly on the insulating layer instead of the polycrystalline thin film obtained by subjecting the amorphous thin film to the (first) laser annealing as described above. It is also possible to use a polycrystalline thin film. In that case, for example, if a polysilicon thin film is deposited by using the CVD method, a sufficient growth distance can be secured in the subsequent (second) laser annealing.

また、上記の半導体薄膜の製造方法が組み込まれた本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、上記の工程に続いて、
その結果得られた半導体薄膜の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
このゲート絶縁膜の上に電極層を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
を備える。
Moreover, the manufacturing method of the thin film transistor of the present invention in which the manufacturing method of the semiconductor thin film described above is incorporated,
Forming a gate insulating film on the resulting semiconductor thin film; and
Forming an electrode layer on the gate insulating film;
Forming a source region and a drain region on both sides of the gate electrode;
Is provided.

また、本発明の駆動回路一体型液晶表示装置の製造方法は、
共通の基板上に、画素のスイッチング素子となるnチャネル型の薄膜トランジスタと、画素領域の周辺に配置される駆動回路を構成するpチャネル型及びnチャネル型の薄膜トランジスタとが形成された駆動回路一体型液晶表示装置の製造方法において、
基板上に形成された絶縁層の上に、アモルファスシリコン薄膜を堆積する工程と、
このアモルファスシリコン薄膜に第一のレーザアニールを施して、結晶粒径が0.2μm以上のポリシリコン薄膜を形成する工程と、
このポリシリコン薄膜に第二のレーザアニールを施して、基板面に対して平行方向に結晶粒を成長させ、結晶粒の成長方向の寸法が4μm以上のポリシリコン薄膜を形成する工程と、
その結果得られたポリシリコン薄膜を島状にパターニングする工程と、
パターニングされたポリシリコン薄膜の上に、ゲート絶縁膜を堆積する工程と、
このゲート絶縁膜の上に電極層を堆積し、次いでこの電極層をパターニングしてゲート電極を形成する工程と、
このゲート電極をマスクとして用いて、後にnチャネル型の薄膜トランジスタが形成される島状のポリシリコン薄膜にドナーイオンを注入し、後にpチャネル型の薄膜トランジスタが形成される島状のポリシリコン薄膜にアクセプタイオンを注入する工程と、
このポリシリコン薄膜にアニールを施して、ゲート電極の両側にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
ゲート電極及びゲート絶縁膜の上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
この層間絶縁膜及びゲート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、次いで、これらのコンタクトホールを介して、ゲート電極、ソース領域及びドレイン領域にそれぞれ電極配線を接続する工程と、
を備えたことを特徴とする。
In addition, the manufacturing method of the drive circuit integrated liquid crystal display device of the present invention includes:
A driver circuit integrated type in which an n-channel thin film transistor serving as a switching element of a pixel and p-channel and n-channel thin film transistors constituting a driver circuit disposed around the pixel region are formed on a common substrate. In the manufacturing method of the liquid crystal display device,
Depositing an amorphous silicon thin film on an insulating layer formed on a substrate;
Applying a first laser annealing to the amorphous silicon thin film to form a polysilicon thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more;
Applying a second laser annealing to the polysilicon thin film to grow crystal grains in a direction parallel to the substrate surface, and forming a polysilicon thin film having a dimension in the crystal grain growth direction of 4 μm or more;
Patterning the resulting polysilicon thin film into islands,
Depositing a gate insulating film on the patterned polysilicon thin film;
Depositing an electrode layer on the gate insulating film and then patterning the electrode layer to form a gate electrode;
Using this gate electrode as a mask, donor ions are implanted into an island-shaped polysilicon thin film on which an n-channel thin film transistor is to be formed later, and an acceptor is formed on the island-shaped polysilicon thin film on which a p-channel thin film transistor is to be formed later. A step of implanting ions;
Annealing the polysilicon thin film to form source and drain regions on both sides of the gate electrode;
Depositing an interlayer insulating film on the gate electrode and the gate insulating film;
Forming contact holes in the interlayer insulating film and the gate insulating film, and then connecting electrode wirings to the gate electrode, the source region, and the drain region through these contact holes, and
It is provided with.

なお、この場合、共通の基板上に、nチャネル型及びpチャネル型の二種類の薄膜トランジスタを形成するため、前記アモルファスシリコン薄膜に第一のレーザアニールを施す前に、前記アモルファスシリコン薄膜の内、後にpチャネル型の薄膜トランジスタが形成される領域に微量のドナーイオンを注入する。   In this case, in order to form two types of thin film transistors of n channel type and p channel type on a common substrate, before performing the first laser annealing on the amorphous silicon thin film, A small amount of donor ions is implanted into a region where a p-channel thin film transistor is formed later.

あるいは、前記アモルファスシリコン薄膜に第一のレーザアニールを施す前に、前記アモルファスシリコン薄膜の内、後にnチャネル型の薄膜トランジスタが形成される領域に微量のアクセプタイオンを注入する。   Alternatively, before the first laser annealing is performed on the amorphous silicon thin film, a small amount of acceptor ions are implanted into a region where an n-channel thin film transistor is formed later in the amorphous silicon thin film.

あるいは、前記アモルファスシリコン薄膜に第一のレーザアニールを施す前に、前記アモルファスシリコン薄膜の内、後にpチャネル型の薄膜トランジスタが形成される領域に微量のドナーイオンを注入し、後にnチャネル型の薄膜トランジスタが形成される領域に微量のアクセプタイオンを注入する。   Alternatively, before the first laser annealing is performed on the amorphous silicon thin film, a small amount of donor ions are implanted into a region in the amorphous silicon thin film where a p-channel thin film transistor is to be formed later, followed by an n-channel thin film transistor. A small amount of acceptor ions is implanted into the region where the is formed.

本発明の方法によれば、所定の大きさの結晶化領域を高い歩留りで形成することができる。結晶化工程後の半導体薄膜の表面の凹凸を小さく抑えることができる。   According to the method of the present invention, a crystallized region having a predetermined size can be formed with a high yield. Unevenness on the surface of the semiconductor thin film after the crystallization step can be suppressed to a small level.

従って、本発明の方法によれば、結晶化工程後の半導体薄膜上に形成されるゲート絶縁膜の厚さを所望する厚さに薄くすることが可能になる。これによって、後続のプロセスの負荷が軽減され、製造される薄膜半導体素子の信頼性が改善され、更に、その電流駆動能力を高めることができる。   Therefore, according to the method of the present invention, the thickness of the gate insulating film formed on the semiconductor thin film after the crystallization step can be reduced to a desired thickness. As a result, the load of the subsequent process is reduced, the reliability of the manufactured thin film semiconductor device is improved, and the current driving capability can be increased.

また、本発明の方法によれば、高い移動度を備えた半導体薄膜を形成することが可能になる。従って、このような半導体薄膜を用いることによって、高速で且つ電流駆動能力の高い薄膜半導体素子を製造することができる。その結果、共通の基板上に、画素のスイッチングとなるnチャネル型の薄膜トランジスタに加えて、画素領域の周辺に配置される駆動回路を構成するpチャネル型及びnチャネル型の薄膜トランジスタを形成することが可能になる。更に、そのようなpチャネル型及びnチャネル型の薄膜トランジスタにより構成されるCMOSインバータを用いて、静止画像を表示させるためのスタティックメモリを各画素に設けることもできる。   Moreover, according to the method of the present invention, it is possible to form a semiconductor thin film having high mobility. Therefore, by using such a semiconductor thin film, a thin film semiconductor element having a high speed and a high current driving capability can be manufactured. As a result, on the common substrate, in addition to the n-channel thin film transistor used for pixel switching, the p-channel and n-channel thin film transistors that form the drive circuit arranged around the pixel region can be formed. It becomes possible. Furthermore, a static memory for displaying a still image can be provided in each pixel by using a CMOS inverter constituted by such p-channel and n-channel thin film transistors.

本発明者は、半導体薄膜をレーザアニールすることにより結晶化領域を横方向に成長させ、安定して4μm以上の結晶化領域を安定に高い歩留りで形成するためには、種結晶の粒径が重要な要素であることを見出した。この実施形態は、粒径が0.2μm以上の結晶粒を種結晶にすると、横成長距離が4μm以上の結晶粒を得る結晶化方法の例である。さらに、この実施形態は、結晶化方法により結晶化された領域に薄膜トランジスタを形成し、この薄膜トランジスタを用いた駆動回路一体型の液晶表示装置を構成することにより高速度スイッチングを可能にした例である。   In order to grow a crystallized region laterally by laser annealing a semiconductor thin film and stably form a crystallized region of 4 μm or more with a high yield, the grain size of the seed crystal is I found it an important element. This embodiment is an example of a crystallization method for obtaining crystal grains having a lateral growth distance of 4 μm or more when crystal grains having a grain diameter of 0.2 μm or more are used as seed crystals. Furthermore, this embodiment is an example in which high-speed switching is enabled by forming a thin film transistor in a region crystallized by a crystallization method and constructing a liquid crystal display device integrated with a drive circuit using this thin film transistor. .

粒径が0.2μm以上の結晶粒を種結晶にしてレーザアニールし結晶化した結果、大粒径の結晶化領域の表面に発生していた凹凸は、大きく減少し、ゲート絶縁膜の薄膜化の効果が得られた。この結晶化領域表面の凹凸の減少化の因果関係は、明らかではないが、0.2μm以上の結晶粒を種結晶にするため結晶化の過程において、非晶質半導体膜と比較して大幅に体積の変化が小さく表面の歪が減少したものと考えられる。この実施形態は、種結晶として粒径が0.2μm以上の結晶粒を得る手段として、非晶質半導体膜をレーザアニールすることにより得た例である。   As a result of laser annealing with crystal grains having a grain size of 0.2 μm or more as a seed crystal, the unevenness generated on the surface of the crystallized region with a large grain size is greatly reduced, and the gate insulating film is made thinner. The effect of was obtained. Although the causal relationship of the decrease in the unevenness of the surface of the crystallized region is not clear, since the crystal grains of 0.2 μm or more are used as seed crystals, in the crystallization process, it is greatly compared with the amorphous semiconductor film. It is considered that the volume change is small and the surface strain is reduced. This embodiment is an example obtained by laser annealing an amorphous semiconductor film as means for obtaining crystal grains having a grain size of 0.2 μm or more as seed crystals.

(例1)
先ず、本発明に基づくレーザアニール方法が適用される薄膜トランジスタ(TFT)の製造工程の概要について説明する。図1から図21に、そのようなTFTの製造工程の一例を示す。なお、この薄膜トランジスタは、表示装置、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置の画素スイッチング素子アレイ、駆動回路、更にはDA変換器等を構成するために用いられる。
(Example 1)
First, an outline of a manufacturing process of a thin film transistor (TFT) to which the laser annealing method according to the present invention is applied will be described. FIG. 1 to FIG. 21 show an example of the manufacturing process of such a TFT. This thin film transistor is used to constitute a display device, for example, a pixel switching element array of an active matrix liquid crystal display device, a drive circuit, and a DA converter.

図1に示す工程では、石英(または無アルカリガラス等)からなる絶縁基板10の上にアンダーコート層(絶縁層)11が堆積される。この例では、このアンダーコート層11は、シリコン酸化膜(SiO)であって、プラズマCVD法を用いて堆積される。アンダーコート層11の厚さは80nmであり、プラズマCVDの条件は、基板温度が330℃、堆積時間が5分である。 In the process shown in FIG. 1, an undercoat layer (insulating layer) 11 is deposited on an insulating substrate 10 made of quartz (or non-alkali glass or the like). In this example, the undercoat layer 11 is a silicon oxide film (SiO 2 ) and is deposited using a plasma CVD method. The thickness of the undercoat layer 11 is 80 nm, and the conditions for plasma CVD are a substrate temperature of 330 ° C. and a deposition time of 5 minutes.

次に、結晶粒径が0.2μm以上の非単結晶半導体薄膜を形成する工程例を説明する。図2に示す工程では、アンダーコート層11の上に非単結晶半導体薄膜例えばシリコン薄膜12a(非晶質シリコン薄膜)が堆積される。この例では、シリコン薄膜12aの堆積はプラズマCVD法を用いて行なわれ、その膜厚は50nmである。   Next, an example of a process for forming a non-single crystal semiconductor thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more will be described. In the step shown in FIG. 2, a non-single crystal semiconductor thin film such as a silicon thin film 12 a (amorphous silicon thin film) is deposited on the undercoat layer 11. In this example, the silicon thin film 12a is deposited using the plasma CVD method, and the film thickness is 50 nm.

なお、この例では、しきい値を制御するための微量ドーピングは採用されていないが、必要に応じて行われる場合もある。微量ドーピングが行なわれる場合には、シリコン薄膜の堆積中に原料ガスにジボランなどのドーピング用ガスが混合されるか、あるいは、シリコン薄膜の堆積後にイオンドーピングが施される。   In this example, a small amount of doping for controlling the threshold value is not employed, but it may be performed as necessary. When a small amount of doping is performed, a doping gas such as diborane is mixed with the source gas during deposition of the silicon thin film, or ion doping is performed after deposition of the silicon thin film.

この時点では、シリコン薄膜12aは非晶質シリコンである。結晶粒径が0.2μm以上の結晶粒を形成するための手段として本発明の方法では、以下において説明するように、この非晶質シリコン薄膜にレーザアニールを施して多結晶シリコン薄膜に変える。次いで、結晶化のために、この多結晶シリコン薄膜に更にレーザアニールを施して結晶の横方向成長(基板面に対して平行方向の成長)を促し、デバイスサイズ相当の結晶粒を形成する。   At this point, the silicon thin film 12a is amorphous silicon. In the method of the present invention as means for forming crystal grains having a crystal grain size of 0.2 μm or more, as will be described below, this amorphous silicon thin film is subjected to laser annealing to be changed to a polycrystalline silicon thin film. Next, for crystallization, the polycrystalline silicon thin film is further subjected to laser annealing to promote crystal lateral growth (growth in a direction parallel to the substrate surface) to form crystal grains corresponding to the device size.

図3に、結晶粒径が0.2μm以上の結晶粒を形成するための手段として第一回目のレーザアニールの工程を示す。このレーザアニールの際、照射エネルギーを変えることによって、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径をコントロールすることができる。なお、多結晶化のためのプロセス条件については、後で更に説明を行なう。   FIG. 3 shows a first laser annealing step as means for forming crystal grains having a crystal grain size of 0.2 μm or more. During the laser annealing, the crystal grain size of the polycrystalline silicon thin film can be controlled by changing the irradiation energy. The process conditions for polycrystallization will be further described later.

次に、結晶粒径が0.2μm以上の結晶粒を種結晶として結晶化工程を行う。この結晶化工程は、結晶粒の成長方向の寸法が4μm以上の結晶粒を有する半導体薄膜を形成する工程である。図4に、結晶化のための第二回目のレーザアニールの工程を示す。なお、このレーザアニール工程の詳細については先に挙げた非特許文献1に記載されている。このレーザアニールの際、レーザ強度の分布を空間的に変化させることによって、シリコン薄膜12b(多結晶シリコン薄膜)の微細な結晶粒を横方向に成長させて、デバイスサイズ相当の大きな結晶粒に変えることができる。   Next, a crystallization process is performed using a crystal grain having a crystal grain size of 0.2 μm or more as a seed crystal. This crystallization step is a step of forming a semiconductor thin film having crystal grains having a crystal grain growth dimension of 4 μm or more. FIG. 4 shows a second laser annealing step for crystallization. The details of this laser annealing step are described in Non-Patent Document 1 mentioned above. During this laser annealing, the distribution of the laser intensity is spatially changed, so that fine crystal grains of the silicon thin film 12b (polycrystalline silicon thin film) are grown in the lateral direction and changed into large crystal grains corresponding to the device size. be able to.

この工程は、シリコン薄膜12aを溶融させるエネルギー光を出力する光源、例えば、KrFエキシマレーザをエネルギー光として用いて行われる。KrFエキシマレーザは、ホモジナイザ(図示せず)で光強度の均一化処理されたのち、図4に示す様に、位相シフタ13を介してシリコン薄膜12bを照射し、この結果シリコン薄膜12bを加熱する。位相シフタ13を介すことで、レーザ強度を空間的に変調して、光強度分布Rを逆ピーク状に変調し、レーザ強度の弱い地点から強い地点への横方向成長を実現することができる。この結果、基板10面に対して平行方向に結晶粒を成長させ、結晶粒の成長方向の寸法が4μm以上のシリコン薄膜12bを形成することができる。KrFエキシマレーザのエネルギー密度は、例えば、350mJ/cmである。こうして加熱された状態にあるシリコン薄膜12b内では、微細な多結晶シリコンが成長して、大粒径の多結晶シリコンに変わる。なお、この横方向成長のためのプロセス条件については、後で更に説明を行なう。このように、この発明の特徴は、結晶化のためのレーザアニールを、結晶粒径が0.2μm以上の非単結晶半導体薄膜に対して行うことである。この結果、所定の大きさの結晶化領域を高い歩留りで形成することができる。単なる非単結晶半導体薄膜に結晶化のためのレーザアニールをするのでは、所定の大きさの結晶化領域を高い歩留りで形成することができない。結晶化工程の前に、シリコン薄膜12b上に絶縁膜(図示せず)を形成することにより、結晶化工程時に、この絶縁膜の蓄熱効果により、より大きな結晶化領域の形成に有効である。 This step is performed using a light source that outputs energy light for melting the silicon thin film 12a, for example, a KrF excimer laser as energy light. The KrF excimer laser is irradiated with a silicon thin film 12b through a phase shifter 13, as shown in FIG. 4, after the light intensity is homogenized by a homogenizer (not shown). As a result, the silicon thin film 12b is heated. . By passing through the phase shifter 13, the laser intensity can be spatially modulated, the light intensity distribution R can be modulated in an inverse peak shape, and lateral growth from a point where the laser intensity is weak to a strong point can be realized. . As a result, crystal grains can be grown in a direction parallel to the surface of the substrate 10 to form a silicon thin film 12b having a crystal grain growth direction dimension of 4 μm or more. The energy density of the KrF excimer laser is, for example, 350 mJ / cm 2 . In the thus heated silicon thin film 12b, fine polycrystalline silicon grows and changes to polycrystalline silicon having a large grain size. The process conditions for this lateral growth will be further described later. Thus, a feature of the present invention is that laser annealing for crystallization is performed on a non-single-crystal semiconductor thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more. As a result, a crystallized region having a predetermined size can be formed with a high yield. If laser annealing for crystallization is performed on a simple non-single crystal semiconductor thin film, a crystallized region of a predetermined size cannot be formed with a high yield. By forming an insulating film (not shown) on the silicon thin film 12b before the crystallization step, it is effective to form a larger crystallization region due to the heat storage effect of the insulating film during the crystallization step.

図5に示す工程では、シリコン薄膜12c(横方向成長をさせた後の多結晶のシリコン薄膜)の上にレジストが塗布される。このレジスト膜14は、フォトマスクを用いて選択的に露光され、次いで選択的に除去される。この工程によって、TFTが形成される領域に対応するレジストパターン14が形成される。   In the step shown in FIG. 5, a resist is applied on the silicon thin film 12c (polycrystalline silicon thin film after lateral growth). The resist film 14 is selectively exposed using a photomask and then selectively removed. By this step, a resist pattern 14 corresponding to the region where the TFT is formed is formed.

図6に示す工程では、レジストパターン14をマスクとして用いてドライエッチング処理が行われ、シリコン薄膜12cがパターニングされる。このドライエッチング処理では、エッチングガスとして、例えばCF及びOが用いられる。 In the step shown in FIG. 6, a dry etching process is performed using the resist pattern 14 as a mask, and the silicon thin film 12c is patterned. In this dry etching process, for example, CF 4 and O 2 are used as an etching gas.

図7に示す工程では、シリコン薄膜12c上のレジストパターン14が除去される。   In the step shown in FIG. 7, the resist pattern 14 on the silicon thin film 12c is removed.

図8に示す工程では、シリコン薄膜12c上にゲート絶縁膜15が形成される。この例では、ゲート絶縁膜15はシリコン酸化膜であり、LP−CVD法により堆積される。ゲート絶縁膜15の厚さは80nmであり、LP−CVDの条件は、基板温度が500℃、堆積時間が45分である。   In the step shown in FIG. 8, the gate insulating film 15 is formed on the silicon thin film 12c. In this example, the gate insulating film 15 is a silicon oxide film and is deposited by the LP-CVD method. The thickness of the gate insulating film 15 is 80 nm, and the LP-CVD conditions are that the substrate temperature is 500 ° C. and the deposition time is 45 minutes.

図9に示す工程では、ゲート絶縁膜15の上に電極層16が形成される。この例では、電極層16はアルミニウムであり、スパッタリングにより堆積される。電極層16の厚さは100nmであり、スパッタリングの条件は、基板温度が100℃、堆積時間が10分である。   In the step shown in FIG. 9, the electrode layer 16 is formed on the gate insulating film 15. In this example, the electrode layer 16 is aluminum and is deposited by sputtering. The thickness of the electrode layer 16 is 100 nm, and the sputtering conditions are a substrate temperature of 100 ° C. and a deposition time of 10 minutes.

図10に示す工程では、電極層16の上にレジストが塗布される。このレジスト膜は、フォトマスクを用いて選択的に露光され、次いで除去される。これによって、ゲート電極用領域に対応するレジストパターン17が形成される。   In the step shown in FIG. 10, a resist is applied on the electrode layer 16. This resist film is selectively exposed using a photomask and then removed. As a result, a resist pattern 17 corresponding to the gate electrode region is formed.

図11に示す工程では、レジストパターン17をマスクとして用いてドライエッチング処理が行なわれ、電極層16がパターニングされる。その結果、ゲート電極18に対応する領域を残して、電極層16が除去される。このドライエッチング処理では、エッチングガスとして、例えばBCl及びCHが用いられる。 In the step shown in FIG. 11, a dry etching process is performed using the resist pattern 17 as a mask, and the electrode layer 16 is patterned. As a result, the electrode layer 16 is removed leaving a region corresponding to the gate electrode 18. In this dry etching process, for example, BCl 3 and CH 4 are used as an etching gas.

図12に示す工程では、ゲート電極18上のレジストパターン17が除去される。   In the step shown in FIG. 12, the resist pattern 17 on the gate electrode 18 is removed.

図13に示す工程では、ゲート電極18をマスクとして用いて、シリコン薄膜12cに不純物が添加される。ポリシリコンTFTをnチャネル型にする場合には、リンがシリコン薄膜12cにイオン注入される。これに対して、ポリシリコンTFTをpチャネル型にする場合には、ボロンがシリコン薄膜12cにイオン注入される。例えば、CMOSインバータのような論理回路は、nチャネル型ポリシリコンTFT及びpチャネル型ポリシリコンTFTの組み合わせにより構成される。このため、nチャネル型ポリシリコンTFT及びpチャネル型ポリシリコンTFTの一方のイオン注入は、不所望なイオン注入を阻止するレジスト等のマスクにより他方のポリシリコンTFTのシリコン薄膜12cを覆った状態で行われる。   In the step shown in FIG. 13, an impurity is added to the silicon thin film 12c using the gate electrode 18 as a mask. When the polysilicon TFT is an n-channel type, phosphorus is ion-implanted into the silicon thin film 12c. On the other hand, when the polysilicon TFT is a p-channel type, boron is ion-implanted into the silicon thin film 12c. For example, a logic circuit such as a CMOS inverter is composed of a combination of an n-channel polysilicon TFT and a p-channel polysilicon TFT. For this reason, the ion implantation of one of the n-channel type polysilicon TFT and the p-channel type polysilicon TFT is performed in a state where the silicon thin film 12c of the other polysilicon TFT is covered with a mask such as a resist that prevents undesired ion implantation. Done.

nチャネル型ポリシリコンTFT及びpチャネル型ポリシリコンTFTの各々に対するイオン注入後、シリコン薄膜12を活性化させるためにアニール処理が行なわれる。この例では、アニール処理は、窒素雰囲気中において基板温度600℃で3時間行われる。これにより、ゲート電極18の両側のシリコン薄膜12cには、高不純物濃度のソース領域19及びドレイン領域20が形成される。   After ion implantation for each of the n-channel polysilicon TFT and the p-channel polysilicon TFT, an annealing process is performed to activate the silicon thin film 12. In this example, the annealing process is performed in a nitrogen atmosphere at a substrate temperature of 600 ° C. for 3 hours. As a result, a source region 19 and a drain region 20 having a high impurity concentration are formed in the silicon thin film 12 c on both sides of the gate electrode 18.

図14に示す工程では、ゲート絶縁膜15及びゲート電極18上に層間絶縁膜21が形成される。この例では、層間絶縁膜21はシリコン酸化膜であり、プラズマCVD法によって堆積される。層間絶縁膜21の厚さは500nmであり、プラズマCVDの条件は、基板温度が500℃、堆積時間が20分である。   In the step shown in FIG. 14, an interlayer insulating film 21 is formed on the gate insulating film 15 and the gate electrode 18. In this example, the interlayer insulating film 21 is a silicon oxide film and is deposited by a plasma CVD method. The thickness of the interlayer insulating film 21 is 500 nm, and the conditions for plasma CVD are that the substrate temperature is 500 ° C. and the deposition time is 20 minutes.

図15に示す工程では、層間絶縁膜21の上にレジストが塗布される。このレジスト膜は、フォトマスクを用いて選択的に露光され、次いで除去される。これによって、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極用の各コンタクトホールに対応するレジストパターン22が形成される。   In the step shown in FIG. 15, a resist is applied on the interlayer insulating film 21. This resist film is selectively exposed using a photomask and then removed. As a result, a resist pattern 22 corresponding to each contact hole for the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode is formed.

図16に示す工程では、レジストパターン22をマスクとして用いてドライエッチング処理が行なわれ、層間絶縁膜21及びゲート絶縁膜15がパターニングされる。これにより、ゲート電極18、ソース領域19及びドレイン領域20をそれぞれ部分的に露出させるためのコンタクトホールが形成される。このドライエッチング処理では、エッチングガスとして、例えば、CHFが用いられる。 In the step shown in FIG. 16, dry etching is performed using the resist pattern 22 as a mask, and the interlayer insulating film 21 and the gate insulating film 15 are patterned. As a result, contact holes for partially exposing the gate electrode 18, the source region 19 and the drain region 20 are formed. In this dry etching process, for example, CHF 3 is used as an etching gas.

図17に示す工程では、層間絶縁膜21上のレジストパターン22が除去される。   In the step shown in FIG. 17, the resist pattern 22 on the interlayer insulating film 21 is removed.

図18に示す工程では、層間絶縁膜21上に電極層23が形成される。電極層23は、コンタクトホールを介して、ゲート電極18、ソース領域19及びドレイン領域20に接続される。この例では、電極層23はアルミニウム層であり、スパッタリングにより堆積される。層間絶縁膜21の厚さは100nmであり、スパッタリングの条件は、基板温度が100℃、堆積時間が10分である。   In the step shown in FIG. 18, the electrode layer 23 is formed on the interlayer insulating film 21. The electrode layer 23 is connected to the gate electrode 18, the source region 19, and the drain region 20 through contact holes. In this example, the electrode layer 23 is an aluminum layer and is deposited by sputtering. The thickness of the interlayer insulating film 21 is 100 nm, and the sputtering conditions are a substrate temperature of 100 ° C. and a deposition time of 10 minutes.

図19に示す工程では、電極層23の上にレジストが塗布される。このレジスト膜は、フォトマスクを用いて選択的に露光され、次いで、除去される。これによって、上部ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極に対応するレジストパターン24が形成される。   In the step shown in FIG. 19, a resist is applied on the electrode layer 23. This resist film is selectively exposed using a photomask and then removed. As a result, a resist pattern 24 corresponding to the upper gate electrode, the source electrode, and the drain electrode is formed.

図20に示す工程では、レジストパターン24をマスクとして用いたドライエッチング処理が行なわれ、電極層23がパターニングされる。これにより、これにより、層間絶縁膜21の上に、上部ゲート電極18A、ソース電極25及びドレイン電極26が形成される。このドライエッチング処理では、エッチングガスとして、例えば、BCl及びCHが用いられる。 In the step shown in FIG. 20, a dry etching process using the resist pattern 24 as a mask is performed, and the electrode layer 23 is patterned. Thereby, the upper gate electrode 18A, the source electrode 25, and the drain electrode 26 are formed on the interlayer insulating film 21. In this dry etching process, for example, BCl 3 and CH 4 are used as an etching gas.

図21に示す工程では、上部ゲート電極18A、ソース電極25及びドレイン電極26上のレジストパターンが除去される。   In the step shown in FIG. 21, the resist pattern on the upper gate electrode 18A, the source electrode 25, and the drain electrode 26 is removed.

以上の工程を経て、デバイスサイズ相当のシリコン結晶により半導体活性層が構成された薄膜トランジスタが完成される。   Through the above steps, a thin film transistor in which a semiconductor active layer is formed of silicon crystals corresponding to the device size is completed.

ここで、先に、図3に示した第一回目のレーザアニールのプロセス及び、及び図4に示した第二回目のレーザアニールのプロセスについて、更に説明する。先に述べたように、本発明の方法では、先ず、この非晶質シリコンに通常のレーザアニールを施して多結晶シリコンに変え、次いで、更にこの多結晶シリコンにレーザアニールを施して結晶化領域の横方向成長を促し、デバイスサイズ相当の結晶粒径を形成する。   Here, the first laser annealing process shown in FIG. 3 and the second laser annealing process shown in FIG. 4 will be further described. As described above, in the method of the present invention, first, this amorphous silicon is subjected to normal laser annealing to be changed to polycrystalline silicon, and then this polycrystalline silicon is further subjected to laser annealing to obtain a crystallization region. The crystal grain size corresponding to the device size is formed.

図22に、非晶質シリコン薄膜を多結晶化させる際に照射されるレーザのフルエンスと、その結果得られた多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す。なお、この例では、レーザ照射前の非晶質シリコン薄膜(シリコン初期膜)の厚さを50nmとし、レーザの照射フルエンスを変えて、照射フルエンスと得られた多結晶シリコンの結晶粒径の関係を求めている。この例によれば、多結晶シリコンの結晶粒径として0.2μm以上の値を得るためには、約320mJ/cm以上の照射フルエンスが必要になることが分かる。 FIG. 22 shows the relationship between the fluence of laser irradiated when polycrystallizing an amorphous silicon thin film and the crystal grain size of the resulting polycrystalline silicon thin film. In this example, the thickness of the amorphous silicon thin film (silicon initial film) before laser irradiation is 50 nm, the irradiation fluence of the laser is changed, and the relationship between the irradiation fluence and the crystal grain size of the obtained polycrystalline silicon. Seeking. According to this example, it is understood that an irradiation fluence of about 320 mJ / cm 2 or more is required to obtain a value of 0.2 μm or more as the crystal grain size of polycrystalline silicon.

ここで、結晶粒径の測定は、具体的には、株式会社プラネトロン社製のImage−Pro Plusを用いて行なった。なお、この装置は、画像処理技術を用いて、それぞれの結晶粒の面積を求め、それに基づいて円と仮定したときの直径の値を算出している。   Here, the crystal grain size was specifically measured using Image-Pro Plus manufactured by Planetron Co., Ltd. This apparatus uses an image processing technique to determine the area of each crystal grain, and based on this, calculates the value of the diameter assuming a circle.

シリコン薄膜(12b:図3)の表面は、コプラナ型ポリシリコンTFTのような素子が形成される側の表面であり、ポリシリコンTFTのゲート電極(18:図12)は、その上方にゲート絶縁膜(15:図12)を介して形成され、活性層となるシリコン薄膜(12c:図12)の一部に対向する。担体である電子あるいは正孔の大部分は、この活性層においてゲート絶縁膜に近い表面領域を主に移動する。この場合、TFTの活性層にある結晶と結晶の境目、いわゆる粒界の数が多いと、それだけ電気特性が悪くなる。従って、同じデバイスサイズで結晶粒界の数を減らすためには、一つ一つの結晶粒を大きくする必要がある。   The surface of the silicon thin film (12b: FIG. 3) is a surface on which an element such as a coplanar polysilicon TFT is formed, and the gate electrode (18: FIG. 12) of the polysilicon TFT is gate-insulated above it. It is formed through a film (15: FIG. 12) and faces a part of a silicon thin film (12c: FIG. 12) which becomes an active layer. Most of the electrons or holes which are carriers move mainly in the surface region near the gate insulating film in the active layer. In this case, if the number of so-called grain boundaries between the crystals in the active layer of the TFT is large, the electrical characteristics deteriorate accordingly. Therefore, in order to reduce the number of crystal grain boundaries with the same device size, it is necessary to enlarge each crystal grain.

上記実施形態において、本願発明者らが見出したところによると、多結晶シリコン薄膜にレーザアニールを施して結晶粒を横方向に成長させた場合、第二のレーザアニール前の多結晶シリコン薄膜の結晶粒径と、第二のレーザアニール後の結晶粒径との間に相関関係があることが判った。この関係は、図23に示されている。   In the above embodiment, the inventors have found that when the polycrystalline silicon thin film is subjected to laser annealing to grow crystal grains in the lateral direction, the crystal of the polycrystalline silicon thin film before the second laser annealing is obtained. It was found that there is a correlation between the grain size and the crystal grain size after the second laser annealing. This relationship is shown in FIG.

上記実施形態において、図23に、レーザアニール前(横方向成長前)の多結晶シリコン薄膜の結晶粒径(横軸)と、第二のレーザアニール後の結晶粒の成長距離(縦軸)との関係を示す。第二のレーザアニール前の多結晶シリコン薄膜は、ほぼ溶融していると考えられるにも拘わらず、横方向成長距離には、第二のレーザアニール前の結晶粒径の影響が顕著に現れている。この例によれば、第二のレーザアニール前の結晶粒径が0.2μm以上の場合に、第二のレーザアニール後、4μm以上の横方向成長距離が得られている。なお、ゲート長を1.5μm程度と想定すると、結晶粒径が4μm程度であれば、半導体活性層中にキャリアの移動方向を横切るような結晶粒界が無いMOSトランジスタを製造することができる。即ち、4μmと言う数値は、上記のような要件を満足させることができる最低限の結晶粒径に相当することが分かる。更に、第二のレーザアニール前の結晶粒径が0.3μmあれば、5μm以上の横方向成長距離が得られる。   In the above embodiment, FIG. 23 shows the crystal grain size (horizontal axis) of the polycrystalline silicon thin film before laser annealing (before lateral growth) and the crystal grain growth distance (vertical axis) after the second laser annealing. The relationship is shown. Although the polycrystalline silicon thin film before the second laser annealing is considered to have almost melted, the influence of the crystal grain size before the second laser annealing appears remarkably in the lateral growth distance. Yes. According to this example, when the crystal grain size before the second laser annealing is 0.2 μm or more, a lateral growth distance of 4 μm or more is obtained after the second laser annealing. Assuming that the gate length is about 1.5 μm, if the crystal grain size is about 4 μm, it is possible to manufacture a MOS transistor having no crystal grain boundary across the carrier moving direction in the semiconductor active layer. That is, it can be seen that the numerical value of 4 μm corresponds to the minimum crystal grain size that can satisfy the above requirements. Furthermore, if the crystal grain size before the second laser annealing is 0.3 μm, a lateral growth distance of 5 μm or more can be obtained.

上記の方法を用いて製造されたTFTの電界効果移動度と、レーザアニール前の多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を、図24に示す。レーザアニール前の結晶粒径が大きいほど、レーザアニールによる横方向成長後の結晶粒径は大きくなり、それに伴ない、製造されたTFTの電界効果移動度が向上することが分かる。   FIG. 24 shows the relationship between the field effect mobility of the TFT manufactured using the above method and the crystal grain size of the polycrystalline silicon thin film before laser annealing. It can be seen that the larger the crystal grain size before laser annealing, the larger the crystal grain size after lateral growth by laser annealing, and accordingly, the field effect mobility of the manufactured TFT is improved.

(例2)
なお、上記の例においては、多結晶シリコン薄膜のレーザアニールの際(先に、図4に示した工程)に、位相シフタ13を用いてレーザ光強度の分布を空間的に変化させることによって結晶粒を横方向に成長させているが、他の方法によって結晶粒を横方向に成長させることもできる。
(Example 2)
In the above example, the crystal is obtained by spatially changing the laser light intensity distribution using the phase shifter 13 during the laser annealing of the polycrystalline silicon thin film (the process shown in FIG. 4). Although the grains are grown in the lateral direction, the crystal grains can be grown in the lateral direction by other methods.

例えば、図25に示すように、レーザスポット幅が数μmのライン状のレーザを、例えば50%ずつ重ねながらスキャンしていくことによって、第一のレーザショットで生じた結晶をスキャン方向に連続的に成長させて、結晶粒を横方向に成長させることもできる。なお、このレーザアニール工程の詳細については非特許文献2及び3に記載されている。   For example, as shown in FIG. 25, by scanning a line-shaped laser having a laser spot width of several μm, for example, while overlapping each other by 50%, the crystal generated in the first laser shot is continuously in the scanning direction. The crystal grains can be grown in the lateral direction. The details of this laser annealing process are described in Non-Patent Documents 2 and 3.

上記の方法を用いて製造されたTFTの電界効果移動度と、アニール前の多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を、図26に示す。先に挙げた例ほどの差はないもののアニール前の結晶粒径が大きくなるに従って、横方向成長後の結晶粒径が大きくなり、その結果として、電界効果移動度が向上していることが分かる。   FIG. 26 shows the relationship between the field effect mobility of the TFT manufactured using the above method and the crystal grain size of the polycrystalline silicon thin film before annealing. Although there is no difference as in the previous examples, it can be seen that as the crystal grain size before annealing increases, the crystal grain size after lateral growth increases, and as a result, field effect mobility is improved. .

(例3)
次に、上記の方法で得られる薄膜トランジスタを、アクティブマトリクス型液晶表示装置に適用した例について説明する。この液晶表示装置は、通常表示モード及び静止画表示モードを有するものである。
(Example 3)
Next, an example in which the thin film transistor obtained by the above method is applied to an active matrix liquid crystal display device will be described. This liquid crystal display device has a normal display mode and a still image display mode.

図27はこの液晶表示装置の概略的な回路構成を示し、図28はこの液晶表示装置の概略的な断面構造を示し、図29は、図27に示した表示画素周辺の等価回路を示す。   27 shows a schematic circuit configuration of the liquid crystal display device, FIG. 28 shows a schematic cross-sectional structure of the liquid crystal display device, and FIG. 29 shows an equivalent circuit around the display pixel shown in FIG.

この液晶表示装置は、液晶表示パネル100及びこの液晶表示パネル100を制御する液晶コントローラ102を備える。液晶表示パネル100は、例えば液晶層LQがアレイ基板AR及び対向基板CT間に保持される構造を有し、液晶コントローラ102は液晶表示パネル100から独立した駆動回路基板上に配置される。   The liquid crystal display device includes a liquid crystal display panel 100 and a liquid crystal controller 102 that controls the liquid crystal display panel 100. The liquid crystal display panel 100 has a structure in which, for example, a liquid crystal layer LQ is held between the array substrate AR and the counter substrate CT, and the liquid crystal controller 102 is disposed on a drive circuit substrate independent of the liquid crystal display panel 100.

アレイ基板ARは、ガラス基板上の表示領域DSにおいてマトリクス状に配置される複数の画素電極PE、複数の画素電極PEの行に沿って形成される複数の走査線Y(Y1〜Ym)、複数の画素電極PEの列に沿って形成される複数の信号線X(X1〜Xn)、信号線X1〜Xn及び走査線Y1〜Ymの交差位置にそれぞれ隣接して配置され各々対応走査線Yからの走査信号に応答して対応信号線Xからの映像信号Vpixを取り込み対応画素電極PEに印加する画素スイッチング素子111、走査線Y1〜Ymを駆動する走査線駆動回路3、並びに信号線X1〜Xnを駆動する信号線駆動回路4を備える。   The array substrate AR includes a plurality of pixel electrodes PE arranged in a matrix in the display region DS on the glass substrate, a plurality of scanning lines Y (Y1 to Ym) formed along a row of the plurality of pixel electrodes PE, and a plurality of pixels. Of the plurality of signal lines X (X1 to Xn), the signal lines X1 to Xn, and the scanning lines Y1 to Ym formed along the column of the pixel electrodes PE, respectively. In response to the scanning signal, the pixel switching element 111 that takes in the video signal Vpix from the corresponding signal line X and applies it to the corresponding pixel electrode PE, the scanning line driving circuit 3 that drives the scanning lines Y1 to Ym, and the signal lines X1 to Xn. A signal line driving circuit 4 is provided.

各画素スイッチング素子111は、例えばnチャネルポリシリコン薄膜トランジスタにより構成され、先に述べた方法を用いてアレイ基板AR上に形成される。走査線駆動回路103及び信号線駆動回路104は、複数のポリシリコン薄膜トランジスタによりに構成され、先に述べた方法を用いて、画素スイッチング素子111の薄膜トランジスタとともに、アレイ基板AR上に一体的に形成される。   Each pixel switching element 111 is composed of, for example, an n-channel polysilicon thin film transistor, and is formed on the array substrate AR using the method described above. The scanning line driving circuit 103 and the signal line driving circuit 104 are composed of a plurality of polysilicon thin film transistors, and are integrally formed on the array substrate AR together with the thin film transistors of the pixel switching elements 111 using the method described above. The

対向基板CTは、複数の画素電極PEに対向して配置されコモン電位Vcomに設定される単一の対向電極CE、及びカラーフィルタ(図示せず)等を含む。   The counter substrate CT includes a single counter electrode CE that is arranged to face the plurality of pixel electrodes PE and is set to the common potential Vcom, a color filter (not shown), and the like.

液晶コントローラ102は、例えば外部から供給される映像信号及び同期信号を受取り、通常表示モードにおいて、映像信号Vpix、垂直走査制御信号YCT及び水平走査制御信号XCTを発生する。垂直走査制御信号YCTは、例えば垂直スタートパルス、垂直クロック信号、出力イネーブル信号ENAB等を含み、走査線駆動回路103に供給される。水平走査制御信号XCTは、水平スタートパルス、水平クロック信号、極性反転信号等を含み、映像信号Vpixと共に信号線駆動回路104に供給される。   The liquid crystal controller 102 receives, for example, a video signal and a synchronization signal supplied from the outside, and generates a video signal Vpix, a vertical scanning control signal YCT, and a horizontal scanning control signal XCT in the normal display mode. The vertical scanning control signal YCT includes, for example, a vertical start pulse, a vertical clock signal, an output enable signal ENAB, and the like, and is supplied to the scanning line driving circuit 103. The horizontal scanning control signal XCT includes a horizontal start pulse, a horizontal clock signal, a polarity inversion signal, and the like, and is supplied to the signal line driving circuit 104 together with the video signal Vpix.

走査線駆動回路103は、シフトレジスタを含み、画素スイッチング素子111を導通させる走査信号を1垂直走査(フレーム)期間毎に走査線Y1〜Ymに順次供給するように、垂直走査制御信号YCTによって制御される。シフトレジスタは、1垂直走査期間毎に供給される垂直スタートパルスを垂直クロック信号に同期してシフトさせることにより、複数の走査線Y1〜Ymのうちの1本を選択し、出力イネーブル信号ENABを参照して選択走査線に走査信号を出力する。出力イネーブル信号ENABは、垂直走査(フレーム)期間のうちの有効走査期間においては、走査信号の出力を許可するために高レベルに維持され、この垂直走査期間から有効走査期間を除いた垂直ブランキング期間においては、走査信号の出力を禁止するために低レベルに維持される。   The scanning line driving circuit 103 includes a shift register, and is controlled by the vertical scanning control signal YCT so as to sequentially supply a scanning signal for conducting the pixel switching element 111 to the scanning lines Y1 to Ym every one vertical scanning (frame) period. Is done. The shift register selects one of the plurality of scanning lines Y1 to Ym by shifting the vertical start pulse supplied every vertical scanning period in synchronization with the vertical clock signal, and outputs the output enable signal ENAB. The scanning signal is output to the selected scanning line with reference. The output enable signal ENAB is maintained at a high level during the effective scanning period of the vertical scanning (frame) period in order to permit the output of the scanning signal, and vertical blanking excluding the effective scanning period from the vertical scanning period. In the period, it is maintained at a low level in order to inhibit the output of the scanning signal.

信号線駆動回路104は、シフトレジスタ及びサンプリング出力回路を有し、各走査線Yが走査信号により駆動される1水平走査期間(1H)において、入力される映像信号を直並列変換し、画素表示信号としてサンプリングしたアナログの映像信号Vpixを信号線X1〜Xnにそれぞれ供給するように、水平走査制御信号XCTによって制御される。   The signal line driving circuit 104 includes a shift register and a sampling output circuit, and in the one horizontal scanning period (1H) in which each scanning line Y is driven by the scanning signal, the input video signal is subjected to serial-parallel conversion to display a pixel. The analog video signal Vpix sampled as a signal is controlled by the horizontal scanning control signal XCT so as to be supplied to the signal lines X1 to Xn, respectively.

なお、対向電極CEは、図29に示すように、コモン電位Vcomに設定される。コモン電位Vcomは、通常表示モードにおいては1水平走査期間(H)毎に0V及び5Vの一方から他方にレベル反転され、静止画表示モードにおいては1フレーム期間(F)毎に0V及び5Vの一方から他方にレベル反転される。また、通常表示モードにおいて、この例のように、1水平走査期間(H)毎にコモン電位Vcomをレベル反転させる代わりに、例えば2H毎、あるいは1フレーム期間(F)毎にコモン電位Vcomをレベル反転させてもかまわない。   The counter electrode CE is set to the common potential Vcom as shown in FIG. In the normal display mode, the common potential Vcom is inverted in level from one of 0 V and 5 V every horizontal scanning period (H) to the other, and in the still image display mode, one of 0 V and 5 V is generated every frame period (F). The level is inverted from one to the other. In the normal display mode, instead of inverting the level of the common potential Vcom every horizontal scanning period (H) as in this example, the level of the common potential Vcom is set every 2H or every frame period (F), for example. You can invert it.

極性反転信号は、このコモン電位Vcomのレベル反転に同期して信号線駆動回路4に供給される。そして、信号線駆動回路104は、通常表示モードにおいては、0Vから5Vの振幅を持つ映像信号Vpixを、コモン電位Vcomに対して逆極性となるように極性反転信号に応答して、レベル反転し出力し、静止画表示モードにおいては、静止画用に諧調制限した映像信号を出力した後に、その動作を停止する。   The polarity inversion signal is supplied to the signal line drive circuit 4 in synchronization with the level inversion of the common potential Vcom. In the normal display mode, the signal line driving circuit 104 inverts the level of the video signal Vpix having an amplitude of 0 V to 5 V in response to the polarity inversion signal so as to have the opposite polarity with respect to the common potential Vcom. In the still image display mode, the operation is stopped after outputting the gradation-controlled video signal for the still image.

この液晶表示パネル100の液晶層LQは、例えば対向電極CEに設定される0Vのコモン電位Vcomに対して、5Vの映像信号Vpixを画素電極PEに印加することにより黒表示を行うノーマリホワイトであり、上述したように、通常表示モードでは、映像信号Vpix及びコモン電位Vcomの電位関係が1水平走査期間(H)毎に交互に反転されるHコモン反転駆動が採用され、静止画表示モードでは、1フレーム毎に交互に反転されるフレーム反転駆動が採用されている。   The liquid crystal layer LQ of the liquid crystal display panel 100 is normally white which performs black display by applying a video signal Vpix of 5V to the pixel electrode PE with respect to a common potential Vcom of 0V set to the counter electrode CE, for example. Yes, as described above, in the normal display mode, the H common inversion drive is employed in which the potential relationship between the video signal Vpix and the common potential Vcom is alternately inverted every horizontal scanning period (H), and in the still image display mode. Frame inversion driving is employed in which the frames are alternately inverted every frame.

表示画面は複数の表示画素PXにより構成される。各表示画素PXは画素電極PE及び対向電極CE、並びにこれらの間に挟持された液晶層LQの液晶材料を含む。更に、複数のスタティックメモリ部113及び複数の接続制御部114が、複数の表示画素PXに対してそれぞれ設けられる。図29に示すように、画素電極PEは、この信号線X上の映像信号Vpixを選択的に取り込む画素スイッチング素子111に接続され、更に、例えば対向電極CEのコモン電位Vcomに等しい電位Vcsに設定される補助容量線に容量結合される。画素電極PE及び対向電極CEは、液晶材料を介して液晶容量を構成し、画素電極PE及び補助容量線は、液晶材料を介さず液晶容量に並列的な補助容量112を構成する。   The display screen is composed of a plurality of display pixels PX. Each display pixel PX includes a pixel electrode PE, a counter electrode CE, and a liquid crystal material of a liquid crystal layer LQ sandwiched therebetween. Furthermore, a plurality of static memory units 113 and a plurality of connection control units 114 are provided for the plurality of display pixels PX, respectively. As shown in FIG. 29, the pixel electrode PE is connected to a pixel switching element 111 that selectively takes in the video signal Vpix on the signal line X, and is further set to a potential Vcs equal to the common potential Vcom of the counter electrode CE, for example. Capacitively coupled to the auxiliary capacitance line. The pixel electrode PE and the counter electrode CE constitute a liquid crystal capacitance via a liquid crystal material, and the pixel electrode PE and the auxiliary capacitance line constitute an auxiliary capacitance 112 parallel to the liquid crystal capacitance without passing through the liquid crystal material.

画素スイッチング素子111は、走査線Yからの走査信号によって駆動されたときに、信号線X上の映像信号Vpixを表示画素PXに印加する。補助容量112は、液晶容量に比べて十分大きな容量値を有し、表示画素PXに印加された映像信号Vpixにより充放電される。補助容量112がこの充放電により映像信号Vpixを保持すると、この映像信号Vpixは画素スイッチング素子111が非導通となったときに、液晶容量に保持された電位の変動を補償し、これにより画素電極PE及び対向電極CE間の電位差が維持される。   When the pixel switching element 111 is driven by a scanning signal from the scanning line Y, the pixel switching element 111 applies the video signal Vpix on the signal line X to the display pixel PX. The auxiliary capacitor 112 has a capacitance value sufficiently larger than the liquid crystal capacitor, and is charged / discharged by the video signal Vpix applied to the display pixel PX. When the auxiliary capacitor 112 holds the video signal Vpix by this charging / discharging, the video signal Vpix compensates for the fluctuation of the potential held in the liquid crystal capacitor when the pixel switching element 111 becomes non-conductive, and thereby the pixel electrode The potential difference between the PE and the counter electrode CE is maintained.

更に、各スタティックメモリ部113は、pチャネルポリシリコン薄膜トランジスタQ1,Q3,Q5及びnチャネルポリシリコン薄膜トランジスタQ2,Q4を有し、それらは、先に述べた方法に基づいて形成される。各スタティックメモリ部113は、画素スイッチング素子111から表示画素PXに印加された映像信号Vsigを保持する。各接続制御部114は、nチャネルポリシリコン薄膜トランジスタQ6及びQ7を有し、表示画素PXとスタティックメモリ部113の間の電気的な接続を制御するだけでなく、スタティックメモリ部113に保持された映像信号の出力極性を制御する極性制御回路を兼ねる。   Further, each static memory portion 113 includes p-channel polysilicon thin film transistors Q1, Q3, Q5 and n-channel polysilicon thin film transistors Q2, Q4, which are formed based on the method described above. Each static memory unit 113 holds the video signal Vsig applied from the pixel switching element 111 to the display pixel PX. Each connection control unit 114 includes n-channel polysilicon thin film transistors Q6 and Q7, and not only controls the electrical connection between the display pixel PX and the static memory unit 113 but also the video held in the static memory unit 113. Also serves as a polarity control circuit that controls the output polarity of the signal.

スタティックメモリ部113の薄膜トランジスタQ1,Q2は、電源端子Vdd(=5V)及び電源端子Vss(=0V)間の電源電圧で動作する第1インバータ回路INV1を構成し、薄膜トランジスタQ3,Q4は、電源端子Vdd,Vss間の電源電圧で動作する第2インバータINV2を構成する。第1インバータ回路INV1の出力端は、走査線Yを介して制御される薄膜トランジスタQ5を介して第2インバータ回路INV2の入力端に接続され、第2インバータ回路INV2の出力端は、第1インバータ回路INV1の入力端に接続される。薄膜トランジスタQ5は、画素スイッチング素子111が走査線Yからの走査信号の立ち上がりにより導通するフレーム期間において導通せず、このフレームの次のフレーム期間において導通する。これにより、少なくとも画素スイッチング素子111が映像信号Vpixを取り込むまで、薄膜トランジスタQ5は非導通状態に維持される。   The thin film transistors Q1 and Q2 of the static memory unit 113 constitute a first inverter circuit INV1 that operates with a power supply voltage between the power supply terminal Vdd (= 5V) and the power supply terminal Vss (= 0V), and the thin film transistors Q3 and Q4 are power supply terminals. A second inverter INV2 that operates with a power supply voltage between Vdd and Vss is configured. The output terminal of the first inverter circuit INV1 is connected to the input terminal of the second inverter circuit INV2 via the thin film transistor Q5 controlled via the scanning line Y, and the output terminal of the second inverter circuit INV2 is connected to the first inverter circuit. Connected to the input terminal of INV1. The thin film transistor Q5 is not turned on in the frame period in which the pixel switching element 111 is turned on by the rise of the scanning signal from the scanning line Y, and is turned on in the next frame period of this frame. As a result, the thin film transistor Q5 is maintained in the non-conductive state at least until the pixel switching element 111 takes in the video signal Vpix.

薄膜トランジスタQ6及びQ7は、静止画表示モードにおいて、例えば1フレーム毎に交互に高レベルに設定される極性制御信号POL1及びPOL2によりそれぞれ制御される。薄膜トランジスタQ6は、画素電極PEと第2インバータ回路INV2の入力端並びに薄膜トランジスタQ5を介して、第1インバータ回路INV1の出力端との間に接続され、薄膜トランジスタQ7は、画素電極PEと第1インバータ回路INV1の入力端並びに第2インバータ回路INV2の出力端との間に接続される。   In the still image display mode, the thin film transistors Q6 and Q7 are controlled by polarity control signals POL1 and POL2, which are alternately set to a high level every frame, for example. The thin film transistor Q6 is connected between the pixel electrode PE and the input terminal of the second inverter circuit INV2 and the output terminal of the first inverter circuit INV1 via the thin film transistor Q5. The thin film transistor Q7 is connected to the pixel electrode PE and the first inverter circuit. It is connected between the input terminal of INV1 and the output terminal of the second inverter circuit INV2.

この液晶表示装置は、走査線駆動回路103、信号線駆動回路104、スタティックメモリ部113及び接続制御部114を、画素スイッチング素子111と同一のアレイ基板AR上に配置した駆動回路一体型となっている。ここで、走査線駆動回路103、信号線駆動回路104、スタティックメモリ部113及び接続制御部114は、画素スイッチング素子111と一緒に、先に述べたプロセスを用いて形成される。従って、液晶表示装置の性能と共に生産性を向上させることができる。   This liquid crystal display device is a drive circuit integrated type in which the scanning line driving circuit 103, the signal line driving circuit 104, the static memory unit 113, and the connection control unit 114 are arranged on the same array substrate AR as the pixel switching element 111. Yes. Here, the scanning line driving circuit 103, the signal line driving circuit 104, the static memory unit 113, and the connection control unit 114 are formed using the process described above together with the pixel switching element 111. Therefore, productivity can be improved together with the performance of the liquid crystal display device.

また、図29に示した例のように、スタティックメモリ部113を設けることにより、表示画素PXに対して供給される映像信号を保持する機能を得ることができる。静止画表示モードでは、映像信号がスタティックメモリ部113から表示画素PXに供給されることから、この状態で走査線駆動回路103及び信号線駆動回路104をサスペンドさせることにより表示装置全体の消費電力を低減することが可能である。   In addition, as in the example illustrated in FIG. 29, by providing the static memory unit 113, a function of holding a video signal supplied to the display pixel PX can be obtained. In the still image display mode, the video signal is supplied from the static memory unit 113 to the display pixel PX. In this state, the scanning line driving circuit 103 and the signal line driving circuit 104 are suspended to reduce the power consumption of the entire display device. It is possible to reduce.

尚、本発明は上述の実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で様々に変形可能である。例えば、上記の例では、KrFエキシマレーザ(λ=248nm)がエネルギー光として用いられているが、他に、例えばXeCl(λ=308nm)、XeF(λ=351nm)、ArF(λ=193nm)も利用可能である。この場合、用いるエネルギーは初期膜の吸収係数と厚さによって最適化して使用することができる。   In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can deform | transform variously in the range which does not deviate from the summary. For example, in the above example, a KrF excimer laser (λ = 248 nm) is used as energy light, but other examples include XeCl (λ = 308 nm), XeF (λ = 351 nm), and ArF (λ = 193 nm). Is available. In this case, the energy used can be optimized and used according to the absorption coefficient and thickness of the initial film.

さらに、上述の実施形態では、結晶粒径が0.2μm以上の半導体薄膜を形成する工程としてレーザアニールすることにより形成した例について説明したが、他の手段により結晶粒径が0.2μm以上の半導体薄膜を形成してもよい、例えば非晶質半導体膜成膜時に高温雰囲気で成膜してもよい。   Further, in the above-described embodiment, an example in which laser annealing is performed as a step of forming a semiconductor thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more has been described. However, the crystal grain size is 0.2 μm or more by other means. A semiconductor thin film may be formed, for example, an amorphous semiconductor film may be formed in a high temperature atmosphere.

本発明に基づく薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す断面図であって、ガラス基板上にアンダーコート層を堆積した状態を示す図。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing process of the thin-film transistor based on this invention, Comprising: The figure which shows the state which deposited the undercoat layer on the glass substrate. アモルファスシリコン薄膜を堆積する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of depositing an amorphous silicon thin film. アモルファスシリコンからなるシリコン薄膜に第一回目のレーザアニールを施す工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of performing the 1st laser annealing to the silicon thin film which consists of amorphous silicon. ポリシリコンからなるシリコン薄膜に第二回目のレーザアニールを施す工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of performing the 2nd laser annealing to the silicon thin film which consists of polysilicon. 横方向成長のプロセスが終了したシリコン薄膜の上にレジストを塗布した状態を示す断面図。Sectional drawing which shows the state which apply | coated the resist on the silicon thin film which the process of the horizontal growth was complete | finished. レジストパターンを用いてシリコン薄膜をパターニングする工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of patterning a silicon thin film using a resist pattern. パターニングされたシリコン薄膜の上からレジストパターンを取り除いた状態を示す断面図。Sectional drawing which shows the state which removed the resist pattern from the silicon thin film patterned. シリコン薄膜の上にゲート絶縁膜を堆積する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of depositing a gate insulating film on a silicon thin film. ゲート絶縁膜の上に電極層を堆積する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of depositing an electrode layer on a gate insulating film. 電極層の上にレジストパターンを形成する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of forming a resist pattern on an electrode layer. レジストパターンを用いて電極層をパターニングする工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of patterning an electrode layer using a resist pattern. パターニングされたゲート電極の上からレジストパターンを取り除いた状態を示す断面図。Sectional drawing which shows the state which removed the resist pattern from the patterned gate electrode. ゲート電極をマスクとして用いてソース領域及びドレイン領域に不純物を注入する工程を示す断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a step of implanting impurities into a source region and a drain region using a gate electrode as a mask. FIG. ゲート電極の上に層間絶縁膜を堆積する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of depositing an interlayer insulation film on a gate electrode. 層間絶縁膜の上にレジストパターンを形成する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of forming a resist pattern on an interlayer insulation film. レジストパターンを用いて層間絶縁膜及びゲート絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of forming a contact hole in an interlayer insulation film and a gate insulating film using a resist pattern. 層間絶縁膜及びゲート絶縁膜にコンタクトホールが形成された状態を示す断面図。Sectional drawing which shows the state in which the contact hole was formed in the interlayer insulation film and the gate insulation film. 層間絶縁膜の上に電極層を堆積する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of depositing an electrode layer on an interlayer insulation film. 電極層の上にレジストパターンを形成する工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of forming a resist pattern on an electrode layer. レジストパターンを用いて電極層をパターニングする工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of patterning an electrode layer using a resist pattern. パターニングされたソース電極、ドレイン電極及び上部ゲート電極の上からレジストパターンが取り除かれて、薄膜トランジスタが完成した状態を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a state where a resist pattern is removed from above a patterned source electrode, drain electrode, and upper gate electrode to complete a thin film transistor. アモルファスシリコン薄膜に照射されるレーザの照射フルエンスと、その結果得られたポリシリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す断面図。Sectional drawing which shows the relationship between the irradiation fluence of the laser irradiated to an amorphous silicon thin film, and the crystal grain diameter of the polysilicon thin film obtained as a result. 横方向成長前のポリシリコン薄膜の結晶粒径と、横方向成長距離との関係を示す断面図。Sectional drawing which shows the relationship between the crystal grain diameter of the polysilicon thin film before lateral growth, and lateral growth distance. 横方向成長前のポリシリコン薄膜の結晶粒径と、横方向成長のプロセスを経て製造されたTFTの電界効果移動度との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the crystal grain diameter of the polysilicon thin film before lateral growth, and the field effect mobility of TFT manufactured through the process of lateral growth. ポリシリコン薄膜の結晶粒を横方向に成長させるためのプロセスの他の例を示す図。The figure which shows the other example of the process for growing the crystal grain of a polysilicon thin film to a horizontal direction. 横方向成長前のポリシリコン薄膜の結晶粒径と、横方向成長のプロセスを経て製造されたTFTの電界効果移動度との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the crystal grain diameter of the polysilicon thin film before lateral growth, and the field effect mobility of TFT manufactured through the process of lateral growth. 図1〜図21に示す工程で形成される薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置の概略的な回路構成を示す図。FIG. 22 is a diagram showing a schematic circuit configuration of an active matrix liquid crystal display device using a thin film transistor formed in the steps shown in FIGS. 図27に示した液晶表示装置の概略的な断面構造を示す図である。FIG. 28 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional structure of the liquid crystal display device illustrated in FIG. 27. 図27に示した表示画素周辺の等価回路を示す図。FIG. 28 is a diagram showing an equivalent circuit around the display pixel shown in FIG. 27.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・絶縁基板、11・・・アンダーコート層(絶縁層)、12a・・・シリコン薄膜(アモルファスシリコン)、12b・・・シリコン薄膜(ポリシリコン)、12c・・・シリコン薄膜(横方向成長後のポリシリコン)、13・・・位相シフタ、14・17・22・・・レジストパターン(レジスト膜)、15・・・ゲート絶縁膜、16・・・電極層、18・・・ゲート電極、18A・・・上部ゲート電極、19・・・ソース領域、20・・・ドレイン領域、100・・・液晶表示パネル、102・・・液晶コントローラ、103・・・走査線駆動回路、104・・・信号線駆動回路、111・・・画素スイッチング素子、112・・・補助容量、113・・・スタティックメモリ部、114・・・接続制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Insulating substrate, 11 ... Undercoat layer (insulating layer), 12a ... Silicon thin film (amorphous silicon), 12b ... Silicon thin film (polysilicon), 12c ... Silicon thin film (lateral direction) Polysilicon after growth), 13... Phase shifter, 14, 17, 22... Resist pattern (resist film), 15... Gate insulating film, 16. , 18A ... upper gate electrode, 19 ... source region, 20 ... drain region, 100 ... liquid crystal display panel, 102 ... liquid crystal controller, 103 ... scanning line drive circuit, 104 ... Signal line drive circuit, 111... Pixel switching element, 112... Auxiliary capacitor, 113... Static memory unit, 114.

Claims (8)

基板上に結晶粒径が0.2μm以上の非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、
前記半導体薄膜にレーザアニールを施して基板面に対して平行方向に結晶粒を成長させ、結晶粒の成長方向の寸法が4μm以上の半導体薄膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
Forming a non-single crystal semiconductor thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more on a substrate;
Performing laser annealing on the semiconductor thin film to grow crystal grains in a direction parallel to the substrate surface, and forming a semiconductor thin film having a dimension in the crystal grain growth direction of 4 μm or more;
A method for producing a semiconductor thin film, comprising:
前記レーザアニールは、位相シフタを用いてレーザ光を位相変調させて前記半導体薄膜基板表面に照射することにより、結晶粒をレーザ光の強度の勾配方向に成長させることを特徴とする請求項1に記載の半導体薄膜の製造方法。   2. The laser annealing according to claim 1, wherein the crystal grains are grown in a gradient direction of the intensity of the laser beam by irradiating the surface of the semiconductor thin film substrate with the phase modulation of the laser beam using a phase shifter. The manufacturing method of the semiconductor thin film of description. 前記結晶粒径が0.2μm以上の半導体薄膜は、基板上に形成された絶縁層の上に、非晶質の半導体薄膜を形成し、この非晶質の半導体薄膜をレーザアニールして形成した薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体薄膜の製造方法。   The semiconductor thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more was formed by forming an amorphous semiconductor thin film on the insulating layer formed on the substrate, and laser annealing the amorphous semiconductor thin film. The method for producing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the method is a thin film. 請求項1の半導体薄膜の製造方法により製造された半導体薄膜の結晶粒に薄膜トランジスタ回路を形成してなる半導体装置。   A semiconductor device comprising a thin film transistor circuit formed on crystal grains of a semiconductor thin film manufactured by the method for manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1. 基板上に形成された絶縁層の上に、結晶粒径が0.2μm以上の非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、
前記非単結晶半導体薄膜にレーザアニールを施して基板面に対して平行方向に結晶粒を成長させ、結晶粒の成長方向の寸法が4μm以上の半導体薄膜を形成する工程と、
その結果得られた半導体薄膜の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
このゲート絶縁膜の上に電極層を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
を備えた薄膜トランジスタの製造方法。
Forming a non-single crystal semiconductor thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more on an insulating layer formed on a substrate;
Applying laser annealing to the non-single crystal semiconductor thin film to grow crystal grains in a direction parallel to the substrate surface, and forming a semiconductor thin film having a dimension in the crystal grain growth direction of 4 μm or more;
Forming a gate insulating film on the resulting semiconductor thin film; and
Forming an electrode layer on the gate insulating film;
Forming a source region and a drain region on both sides of the gate electrode;
The manufacturing method of the thin-film transistor provided with.
請求項5に記載された薄膜トランジスタの製造方法により製造されたことを特徴とする薄膜トランジスタ。   A thin film transistor manufactured by the method for manufacturing a thin film transistor according to claim 5. 請求項5に記載された薄膜トランジスタの製造方法により製造された薄膜トランジスタを画素スイッチング素子として用いることを特徴とする液晶表示装置。   A liquid crystal display device using a thin film transistor manufactured by the method for manufacturing a thin film transistor according to claim 5 as a pixel switching element. 共通の基板上に、画素のスイッチング素子となるnチャネル型の薄膜トランジスタと、画素領域の周辺に配置される駆動回路を構成するpチャネル型及びnチャネル型の薄膜トランジスタとが形成された駆動回路一体型液晶表示装置の製造方法において、
基板上に形成された絶縁層の上に、アモルファスシリコン薄膜を堆積する工程と、
このアモルファスシリコン薄膜に第一のレーザアニールを施して、結晶粒径が0.2μm以上のポリシリコン薄膜を形成する工程と、
このポリシリコン薄膜に第二のレーザアニールを施して、基板面に対して平行方向に結晶粒を成長させ、結晶粒の成長方向の寸法が4μm以上のポリシリコン薄膜を形成する工程と、
その結果得られたポリシリコン薄膜を島状にパターニングする工程と、
パターニングされたポリシリコン薄膜の上に、ゲート絶縁膜を堆積する工程と、
このゲート絶縁膜の上に電極層を堆積し、次いでこの電極層をパターニングしてゲート電極を形成する工程と、
このゲート電極をマスクとして用いて、後にnチャネル型の薄膜トランジスタが形成される島状のポリシリコン薄膜にドナーイオンを注入し、後にpチャネル型の薄膜トランジスタが形成される島状のポリシリコン薄膜にアクセプタイオンを注入する工程と、
このポリシリコン薄膜にアニールを施して、ゲート電極の両側にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
ゲート電極及びゲート絶縁膜の上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
この層間絶縁膜及びゲート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、次いで、これらのコンタクトホールを介して、ゲート電極、ソース領域及びドレイン領域にそれぞれ電極配線を接続する工程と、
を備えたことを特徴とする駆動回路一体型液晶表示装置の製造方法。
A drive circuit integrated type in which an n-channel thin film transistor serving as a switching element of a pixel and p-channel and n-channel thin film transistors constituting a drive circuit disposed around the pixel region are formed on a common substrate. In the manufacturing method of the liquid crystal display device,
Depositing an amorphous silicon thin film on an insulating layer formed on a substrate;
Applying a first laser annealing to the amorphous silicon thin film to form a polysilicon thin film having a crystal grain size of 0.2 μm or more;
Subjecting the polysilicon thin film to a second laser annealing, growing crystal grains in a direction parallel to the substrate surface, and forming a polysilicon thin film having a dimension in the crystal grain growth direction of 4 μm or more;
Patterning the resulting polysilicon thin film into islands,
Depositing a gate insulating film on the patterned polysilicon thin film;
Depositing an electrode layer on the gate insulating film and then patterning the electrode layer to form a gate electrode;
Using this gate electrode as a mask, donor ions are implanted into an island-shaped polysilicon thin film on which an n-channel thin film transistor is to be formed later, and an acceptor is formed on the island-shaped polysilicon thin film on which a p-channel thin film transistor is to be formed later. A step of implanting ions;
Annealing the polysilicon thin film to form source and drain regions on both sides of the gate electrode;
Depositing an interlayer insulating film on the gate electrode and the gate insulating film;
Forming contact holes in the interlayer insulating film and the gate insulating film, and then connecting electrode wirings to the gate electrode, the source region, and the drain region through these contact holes, and
A method for manufacturing a liquid crystal display device integrated with a drive circuit.
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