JP2007220918A - Laser annealing method, thin-film semiconductor device, manufacturing method thereof, display, and manufacturing method thereof - Google Patents

Laser annealing method, thin-film semiconductor device, manufacturing method thereof, display, and manufacturing method thereof Download PDF

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亨 菊池
Shin Asari
伸 浅利
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Hitoshi Ikeda
均 池田
Koichi Tamagawa
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser annealing method whereby the crystal grain-sizes of a polysilicon film can be made uniform over the whole of a substrate, a thin-film semiconductor device, a manufacturing method thereof, a display, and a manufacturing method thereof. <P>SOLUTION: The laser annealing method is so performed that a film material including an amorphous silicon film disposed on a substrate is irradiated by a linear beam shaped by using the laser beam emitted from a pulse-laser light source whose wavelength is not shorter than 350 nm and not longer than 800 nm. The semiconductor thin film crystallized by using this laser annealing method is so disposed on a substrate via an insulating film as to obtain a thin-film semiconductor device. The element comprising the semiconductor thin film crystallized by such method is so disposed on a displaying substrate as to obtain a display. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザアニール方法、この方法を利用して形成した半導体薄膜を設けてなる薄膜半導体装置及びその製造方法、並びにこの半導体薄膜を利用してなる表示装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a laser annealing method, a thin film semiconductor device provided with a semiconductor thin film formed by using this method, a manufacturing method thereof, a display device using this semiconductor thin film, and a manufacturing method thereof.

低温ポリシリコン薄膜トランジスタ(LTPS TFT)を用いた有機ELディスプレイ(OLED)や液晶ディスプレイ(LCD)は、高精細、高画質なフラットパネルディスプレイ(FPD)として注目されている。このLTPS TFTの製造を支えるキー工程の一つが、パルスレーザ光源より発生されるレーザビームを線状ビームに成形してガラス基板上の非晶質シリコン膜(以下、a-Si膜とも称す)に照射することにより、a-Si膜を溶融、結晶化させて多結晶シリコン膜(以下、poly-Si膜とも称す)を形成するレーザアニール工程である。形成されるpoly-Si膜の結晶粒径は照射するレーザ光強度に依存して変化する。現在、LTPS TFTを用いたFPDの生産ラインでは、レーザアニール用の光源として波長380nm以下の紫外域の光源であるエキシマレーザ(KrF(波長:248nm)、XeCl(波長:308nm)など)が用いられている。   Organic EL displays (OLEDs) and liquid crystal displays (LCDs) using low-temperature polysilicon thin film transistors (LTPS TFTs) are attracting attention as high-definition, high-quality flat panel displays (FPDs). One of the key processes supporting the manufacture of this LTPS TFT is to form a laser beam generated from a pulsed laser light source into a linear beam into an amorphous silicon film (hereinafter also referred to as a-Si film) on a glass substrate. This is a laser annealing step in which the a-Si film is melted and crystallized by irradiation to form a polycrystalline silicon film (hereinafter also referred to as a poly-Si film). The crystal grain size of the poly-Si film to be formed varies depending on the intensity of the laser beam to be irradiated. Currently, excimer lasers (KrF (wavelength: 248 nm), XeCl (wavelength: 308 nm), etc.) that are UV light sources with a wavelength of 380 nm or less are used as light sources for laser annealing in FPD production lines using LTPS TFTs. ing.

エキシマレーザではレーザ発振用の励起ガスとしてハロゲン系のガスを用いるが、励起ガス純度の劣化が早く、日常的な励起ガスの交換、メンテナンスを必要とする。また、活性ガスプラズマによるレーザ発振管、光学部品の損傷による交換も必要であり、大きなダインタイム、大きなランニングコストが発生する。さらに、放電現象特有のゆらぎに伴うレーザパルスの突発的な変動が生じる。   The excimer laser uses a halogen-based gas as an excitation gas for laser oscillation, but the purity of the excitation gas deteriorates rapidly, and routine exchanging and maintenance of the excitation gas is required. In addition, it is necessary to replace the laser oscillator tube and the optical parts due to the active gas plasma, resulting in a large dyne time and a large running cost. Furthermore, sudden fluctuations in the laser pulse occur due to fluctuations peculiar to the discharge phenomenon.

エキシマレーザの抱えている上記の課題を解決できる可能性を持つ光源として、固体レーザが注目されて研究が行われてきた。固体レーザでは大出力化と線状ビームの均一化が技術課題であったが、これらの課題を解決してQスイッチNd:YAGレーザの第2高調波(波長:532nm)(以下、固体グリーンレーザと称す)をレーザ光源として搭載した生産用レーザアニール装置が最近開発された(例えば、非特許文献1及び2参照)。
IDW'04 Digest pp.615-618(2004) SID'04 Digest pp.1088-1091(2004)
Solid-state lasers have attracted attention and researched as light sources that have the potential to solve the above-mentioned problems of excimer lasers. For solid-state lasers, high output and uniform linear beam were technical issues, but these problems were solved and the second harmonic (wavelength: 532 nm) of Q-switched Nd: YAG laser (hereinafter referred to as solid-state green laser) Recently, a production laser annealing apparatus equipped with a laser light source has been developed (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
IDW'04 Digest pp.615-618 (2004) SID'04 Digest pp.1088-1091 (2004)

波長が532nmの固体グリーンレーザは、短波長の紫外域のエキシマレーザと比べて、a-Si膜の吸収係数が小さいという特徴を持っている。エキシマレーザアニールでは、入射レーザ光は、基板上に形成される通常の膜厚構成の積層膜による吸収及び反射で減衰してしまうので、ガラス基板にはほとんど到達しない。これに対して、固体グリーンレーザでは、入射光の一部は基板上部の積層膜を透過して基板に到達する。基板上部の積層膜が基板全面に渡って同一の膜構成(トップゲート型TFT作製の場合に相当)であれば、吸収係数が小さいことは均一な粒径のpoly-Si膜の形成には影響しない。しかし、基板上にパターニングされた電極膜を形成し、その上に絶縁膜及びa-Si膜等の積層膜が形成されるような構成(ボトムゲート型TFT作製の場合に相当)では、以下のように、形成されるpoly-Si膜の粒径の均一性に問題が生じる場合がある。また、電極膜まで到達した入射レーザ光の反射光が上部積層膜で再吸収されて、電極膜上部の積層膜と、電極膜の無い領域のガラス基板上部の積層膜とでレーザ光の吸収率に差が生じる場合がある。その結果、電極膜上部の積層膜と、電極膜の無い領域のガラス基板上部の積層膜とでそれぞれ形成されるpoly-Si膜の粒径に差が生じる場合があり、結晶粒径を基板全面に渡って均一にすることが難しくなる。   The solid green laser having a wavelength of 532 nm has a feature that the absorption coefficient of the a-Si film is smaller than that of the short wavelength ultraviolet excimer laser. In excimer laser annealing, incident laser light is attenuated by absorption and reflection by a laminated film having a normal film thickness formed on the substrate, and therefore hardly reaches the glass substrate. On the other hand, in the solid green laser, a part of incident light passes through the laminated film on the upper part of the substrate and reaches the substrate. If the laminated film on the top of the substrate has the same film configuration over the entire surface of the substrate (equivalent to the case of top gate type TFT fabrication), a small absorption coefficient will affect the formation of a poly-Si film with a uniform grain size do not do. However, in a configuration in which a patterned electrode film is formed on a substrate and a laminated film such as an insulating film and an a-Si film is formed on the electrode film (corresponding to the production of a bottom gate TFT), Thus, there may be a problem in the uniformity of the particle size of the formed poly-Si film. In addition, the reflected light of the incident laser light that has reached the electrode film is reabsorbed by the upper laminated film, and the absorption rate of the laser light is obtained by the laminated film above the electrode film and the laminated film on the glass substrate in the region without the electrode film. There may be differences. As a result, there may be a difference in the grain size of the poly-Si film formed between the laminated film on the electrode film and the laminated film on the glass substrate in the region without the electrode film. It becomes difficult to make uniform over the whole area.

また、ボトムゲート型TFT、トップゲート型TFTの何れを作製する場合にも、基板上に形成される積層膜の膜厚構成により、固体グリーンレーザの場合、入射レーザ光の吸収率がエキシマレーザに比べて大きく変化する。その結果、積層膜の吸収率が低いために結晶化に必要なレーザ光強度がエキシマレーザに比べて大きくなる場合があり、レーザ光の利用効率が悪くなる場合があるという問題があった。   In addition, when fabricating either a bottom gate type TFT or a top gate type TFT, the absorption rate of incident laser light is changed to an excimer laser in the case of a solid green laser depending on the film thickness of the laminated film formed on the substrate. Compared to a large change. As a result, since the absorption rate of the laminated film is low, the laser light intensity required for crystallization may be larger than that of the excimer laser, and there is a problem that the utilization efficiency of the laser light may be deteriorated.

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、poly-Si膜の結晶粒径を基板全体に渡って均一にすることを可能とすると共に、レーザ光の利用効率を向上せしめたレーザアニール方法、この方法を利用して形成した半導体薄膜を設けてなる薄膜半導体装置及びその製造方法、並びにこの半導体薄膜を利用してなる表示装置及びその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, making it possible to make the crystal grain size of the poly-Si film uniform over the entire substrate, and to make efficient use of laser light. An improved laser annealing method, a thin film semiconductor device provided with a semiconductor thin film formed using this method, a manufacturing method thereof, a display device using this semiconductor thin film, and a manufacturing method thereof is there.

本発明のレーザアニール方法は、波長が350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを線状ビームに成形し、基板上の膜材料に照射することを特徴とする。   The laser annealing method of the present invention is characterized in that a laser beam generated from a pulsed laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less is formed into a linear beam and irradiated onto a film material on the substrate.

上記基板上の膜材料は、非晶質シリコン膜単独、又は非晶質シリコン膜と絶縁膜とが積層された多層膜であることを特徴とし、この絶縁膜は、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であることが好ましい。   The film material on the substrate is an amorphous silicon film alone or a multilayer film in which an amorphous silicon film and an insulating film are stacked. The insulating film includes a silicon oxide film and a silicon nitride film. It is preferably at least one film selected from physical films.

上記基板上の膜材料は、パターニングされた電極膜の上に形成されていることが好ましい。   The film material on the substrate is preferably formed on a patterned electrode film.

また、上記レーザアニール方法によれば、基板上の膜材料として用いる非晶質シリコン膜の膜厚を、照射レーザ光の光吸収率が大きくなるように制御し、より小さな照射レーザ光強度で基板面内で均一な粒径の多結晶シリコン膜を形成することを特徴とする。   Further, according to the laser annealing method, the film thickness of the amorphous silicon film used as the film material on the substrate is controlled so that the light absorption rate of the irradiation laser light is increased, and the substrate is obtained with a smaller irradiation laser light intensity. A polycrystalline silicon film having a uniform grain size is formed in the plane.

さらに、上記レーザアニール方法によれば、基板上の膜材料として用いる多層膜の各層の膜厚を制御することで照射レーザ光の光吸収率を制御し、基板面内で均一な大粒径の多結晶シリコン膜を形成することを特徴とする。   Furthermore, according to the laser annealing method, the light absorption rate of the irradiation laser light is controlled by controlling the film thickness of each layer of the multilayer film used as the film material on the substrate, and the uniform large particle diameter is obtained within the substrate surface. A polycrystalline silicon film is formed.

さらにまた、上記レーザアニール方法によれば、基板上の膜材料として用いる多層膜の各層の膜厚を、照射レーザ光の光吸収率が大きくなるように制御し、より小さな照射レーザ光強度で基板面内で均一な粒径の多結晶シリコン膜を形成することを特徴とする。   Furthermore, according to the laser annealing method, the film thickness of each layer of the multilayer film used as the film material on the substrate is controlled so that the light absorption rate of the irradiation laser light is increased, and the substrate can be formed with a smaller irradiation laser light intensity. A polycrystalline silicon film having a uniform grain size is formed in the plane.

このレーザアニール方法に用いるパルスレーザ光源は、QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:ガラスレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:YLFレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Yb:YAGやYb:ガラスのYbイオンドープの固体レーザの第2高調波若しくは第3高調波、又はTi:サファイアレーザの基本波若しくは第2高調波であることが好ましく、QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波(波長:532nm)又は第3高調波(波長:355nm)であることがさらに好ましい。   The pulsed laser light source used in this laser annealing method is the second or third harmonic of a Q-switched Nd: YAG laser, the second or third harmonic of an Nd: glass laser, and the second of an Nd: YLF laser. Harmonic or third harmonic, Yb: YAG or Yb: second harmonic or third harmonic of Yb ion-doped solid-state laser of glass, or fundamental or second harmonic of Ti: sapphire laser The second harmonic (wavelength: 532 nm) or the third harmonic (wavelength: 355 nm) of a Q-switched Nd: YAG laser is more preferable.

本発明の薄膜半導体装置は、ゲート電極を含む配線形状にパターニングされている光吸収層が形成された基板上に絶縁膜を介して半導体薄膜を設けてなる薄膜半導体装置において、該半導体薄膜が、波長350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを成形した線状ビームを照射してレーザアニールして結晶化された膜であることを特徴とする。この場合、使用するパルスレーザ光源は、上記した通りである。   The thin film semiconductor device of the present invention is a thin film semiconductor device in which a semiconductor thin film is provided via an insulating film on a substrate on which a light absorption layer patterned into a wiring shape including a gate electrode is formed. The film is characterized by being crystallized by irradiating a linear beam obtained by shaping a laser beam generated from a pulse laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less and laser annealing. In this case, the pulse laser light source to be used is as described above.

上記半導体装置において、絶縁膜が、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であり、半導体薄膜が、非晶質シリコン膜であることが好ましい。   In the semiconductor device, the insulating film is preferably at least one film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the semiconductor thin film is preferably an amorphous silicon film.

本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、ゲート電極を含む配線形状にパターニングされている光吸収層が形成された基板上に半導体薄膜を含む薄膜半導体装置用の膜材料を形成し、この膜材料に対して、波長が350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを成形した線状ビームを照射して半導体薄膜をレーザアニールし、結晶化することを特徴とする。この場合に使用するパルスレーザ光源は、上記した通りである。また、膜材料は、非晶質シリコン膜単独、又は非晶質シリコン膜とシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の絶縁膜である膜とが積層された多層膜であること、また、パターニングされた電極膜である光吸収層上に積層されている多層膜であることが好ましい。   The manufacturing method of a thin film semiconductor device of the present invention forms a film material for a thin film semiconductor device including a semiconductor thin film on a substrate on which a light absorption layer patterned into a wiring shape including a gate electrode is formed. On the other hand, the semiconductor thin film is laser-annealed by irradiating a linear beam obtained by shaping a laser beam generated from a pulse laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less, and is crystallized. The pulse laser light source used in this case is as described above. The film material is an amorphous silicon film alone or a multilayer film in which an amorphous silicon film and a film that is at least one insulating film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film are stacked. In addition, a multilayer film laminated on a light absorption layer which is a patterned electrode film is preferable.

本発明の上記薄膜半導体装置の製造方法においては、膜材料として用いる多層膜の各層の膜厚を制御することで照射レーザ光の光吸収率を制御し、基板面内で均一な大粒径の多結晶シリコン膜を形成することが好ましい。また、上記膜材料として用いる多層膜の各層の膜厚を、照射レーザ光の光吸収率が大きくなるように制御し、より小さな照射レーザ光強度で基板面内で均一な粒径の多結晶シリコン膜を形成することもできる。   In the manufacturing method of the thin film semiconductor device of the present invention, the light absorption rate of the irradiation laser light is controlled by controlling the film thickness of each layer of the multilayer film used as the film material, and the uniform large particle diameter is obtained within the substrate surface. A polycrystalline silicon film is preferably formed. In addition, the thickness of each layer of the multilayer film used as the film material is controlled so that the light absorption rate of the irradiation laser light is increased, and polycrystalline silicon having a uniform particle diameter within the substrate surface with a smaller irradiation laser light intensity. A film can also be formed.

本発明の表示装置は、表示基板上に薄膜半導体素子を設けてなる表示装置において、該薄膜半導体素子が、ゲート電極を含む配線形状にパターニングされている光吸収層が形成された基板上に絶縁膜を介して半導体薄膜を設けてなるものであり、該半導体薄膜が、波長が350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを成形した線状ビームを照射してレーザアニールして結晶化された膜であることを特徴とする。この場合のパルスレーザ光源は、上記した通りである。また、絶縁膜はシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であり、半導体薄膜は非晶質シリコン膜であることが好ましい。   The display device of the present invention is a display device in which a thin film semiconductor element is provided on a display substrate, and the thin film semiconductor element is insulated on the substrate on which the light absorption layer patterned in a wiring shape including the gate electrode is formed. A semiconductor thin film is provided via a film, and the semiconductor thin film is subjected to laser annealing by irradiating a linear beam formed by a laser beam generated from a pulse laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less. It is characterized by being a crystallized film. The pulse laser light source in this case is as described above. The insulating film is preferably at least one film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the semiconductor thin film is preferably an amorphous silicon film.

上記表示装置は、表示基板上に、薄膜半導体素子に接続された有機EL素子を設けてなり、また、表示基板上に、薄膜半導体素子に接続させて液晶駆動用の画素電極を設けてなることが好ましい。   The display device includes an organic EL element connected to a thin film semiconductor element on a display substrate, and a pixel electrode for driving a liquid crystal connected to the thin film semiconductor element on the display substrate. Is preferred.

本発明の表示装置の製造方法は、表示基板上に薄膜半導体素子を設けてなる表示装置の製造方法において、ゲート電極を含む配線形状にパターニングされている光吸収層が形成された基板上に絶縁膜を介して半導体薄膜を設けて薄膜半導体素子を形成し、該半導体薄膜に対し、波長350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを成形した線状ビームを照射してレーザアニールして結晶化させることを特徴とする。この場合に使用するパルスレーザ光源は、上記した通りである。また、絶縁膜は、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であり、半導体薄膜は、非晶質シリコン膜であることが好ましい。   The display device manufacturing method of the present invention is a display device manufacturing method in which a thin film semiconductor element is provided on a display substrate, and is insulated on the substrate on which the light absorption layer patterned into a wiring shape including a gate electrode is formed. A semiconductor thin film is formed through a film to form a thin film semiconductor element, and laser annealing is performed by irradiating the semiconductor thin film with a linear beam formed by a pulsed laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less. And crystallizing. The pulse laser light source used in this case is as described above. The insulating film is at least one film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the semiconductor thin film is preferably an amorphous silicon film.

上記表示装置の製造方法において、表示基板上に、薄膜半導体素子に接続させて有機EL素子を形成し、また、表示基板上に、薄膜半導体素子に接続させて液晶駆動用の画素電極を形成することが好ましい。   In the display device manufacturing method, an organic EL element is formed on a display substrate by being connected to a thin film semiconductor element, and a liquid crystal driving pixel electrode is formed on the display substrate by being connected to the thin film semiconductor element. It is preferable.

本発明のレーザアニール方法によれば、例えばボトムゲート型TFTを作製する場合のように、基板上に異なる層からなる積層膜構成が混在する場合でも、基板面内でほぼ均一な粒径の、また、大粒径のpoly-Si膜を形成することが可能になるという効果を奏する共に、積層膜による入射レーザ光の吸収率が大きくなる膜厚構成にすることで、最適な結晶粒径を有するために必要なレーザ光強度を小さくすることも可能になるという効果を奏する。   According to the laser annealing method of the present invention, even when a laminated film configuration composed of different layers is mixed on the substrate, for example, when producing a bottom gate type TFT, the particle size of the substrate is substantially uniform, In addition, the poly-Si film having a large grain size can be formed, and an optimum crystal grain size can be obtained by adopting a film thickness configuration that increases the absorption rate of incident laser light by the laminated film. There is an effect that it is possible to reduce the intensity of the laser beam necessary to have it.

また、本発明のレーザアニール方法を利用して半導体薄膜を形成すれば、粒径分布の均一な大粒径の半導体薄膜が得られるので、この半導体薄膜を例えばチャンネル部に使用すると、TFT特性の優れた薄膜半導体装置を提供できるという効果を奏する。   In addition, if a semiconductor thin film is formed using the laser annealing method of the present invention, a semiconductor thin film having a large particle size with a uniform particle size distribution can be obtained. There is an effect that an excellent thin film semiconductor device can be provided.

さらに、本発明のレーザアニール方法を利用して半導体薄膜を得、この半導体薄膜が用いられた薄膜半導体素子を設けた表示装置によれば、例えばボトムゲート型構造の薄膜半導体素子を有する表示装置の場合、この表示装置における薄膜半導体素子が良好なTFT特性を有するという効果を奏する。   Furthermore, according to the display device provided with the thin film semiconductor element using the semiconductor thin film obtained by using the laser annealing method of the present invention, the display device having the thin film semiconductor element of the bottom gate type structure, for example, In this case, there is an effect that the thin film semiconductor element in this display device has good TFT characteristics.

通常、ボトムゲート型のTFTを作製する場合には、パターニングされたゲート電極膜を有するガラス基板上に、絶縁膜としてSiNx膜やSiOx膜を形成し、この絶縁膜の上にa-Si膜を形成して積層膜とすることになる。 Normally, when fabricating a bottom gate type TFT, an SiN x film or SiO x film is formed as an insulating film on a glass substrate having a patterned gate electrode film, and a-Si is formed on the insulating film. A film is formed to form a laminated film.

本発明では、これらの積層膜の膜厚を制御して、ゲート電極を含む配線(この配線は、以下、単にゲート電極膜と称す)の上部の積層膜と、パターニングされてゲート電極膜の無いガラス基板上部の積層膜とで、入射レーザ光の吸収率がほぼ同一になるようにする。吸収率をほぼ同一にすることで、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無いガラス基板上部とでそれぞれの積層膜が吸収するレーザエネルギーがほぼ同一となるので、形成されるpoly-Si膜の結晶粒径を電極膜上部と電極膜の無いガラス基板上部とでほぼ同一にすることができる。   In the present invention, the film thickness of these laminated films is controlled so that the laminated film on the upper part of the wiring including the gate electrode (this wiring is simply referred to as a gate electrode film hereinafter) and the gate electrode film are not patterned. The absorption rate of incident laser light is made to be substantially the same for the laminated film on the glass substrate. By making the absorption rate substantially the same, the laser energy absorbed by each laminated film is almost the same between the upper part of the gate electrode film and the upper part of the glass substrate without the gate electrode film. The particle size can be made substantially the same between the upper part of the electrode film and the upper part of the glass substrate without the electrode film.

また、ボトムゲート型のTFTに限らず、トップゲート型のTFT作製の場合にもガラス基板上に積層するSiNx膜、SiOx膜、及びa-Si膜の膜厚を制御することにより、積層膜による入射レーザ光の吸収率が大きくなる膜厚構成にすることができ、最適な結晶粒径を得るために必要なレーザ光強度を小さくすることが可能になる。 In addition to the bottom gate type TFT, the top gate type TFT can be manufactured by controlling the film thickness of the SiN x film, the SiO x film, and the a-Si film laminated on the glass substrate. The film thickness can be increased so that the absorption rate of incident laser light by the film is increased, and the laser light intensity necessary for obtaining an optimum crystal grain size can be reduced.

以下、本発明のレーザアニール方法の一実施の形態について説明するが、まず、ボトムゲート型のTFTを作製する際のレーザアニール時に用いる積層膜構成の一例について、説明する。   Hereinafter, an embodiment of the laser annealing method of the present invention will be described. First, an example of a laminated film configuration used at the time of laser annealing when manufacturing a bottom gate type TFT will be described.

ガラス、透明プラスチック等からなる基板の上に、ゲート電極膜を形成する。すなわち、基板上に、Mo、Ta、W及びCr、Al等から選ばれた金属、又はこれら金属の少なくとも1種を含む合金からなる金属膜を公知のスパッタ法により形成する。この金属膜の上にフォトレジストを塗布後パターンニングし、得られたレジストパターンをマスクとして用いてエッチングし、所定のパターン形状を有するゲート電極膜を形成する。この電極膜は、公知の多層膜からなるものであっても良い。   A gate electrode film is formed on a substrate made of glass, transparent plastic, or the like. That is, a metal film made of a metal selected from Mo, Ta, W, Cr, Al, or the like, or an alloy containing at least one of these metals is formed on the substrate by a known sputtering method. A photoresist is applied on the metal film and then patterned, and etching is performed using the obtained resist pattern as a mask to form a gate electrode film having a predetermined pattern shape. The electrode film may be a known multilayer film.

次いで、上記ゲート電極膜を覆うように絶縁層を形成する。この絶縁層としては、特に制限はないが、例えば、酸化物膜及び窒化物膜のいずれか一方又は両方からなることが好ましい。この絶縁膜として、例えばシリコン窒化物膜(SiNx膜)及びシリコン酸化物膜(SiOx膜)から選ばれた少なくとも1種の膜、好ましくはこれら2種の膜からなる二層構造を用いることができる。 Next, an insulating layer is formed so as to cover the gate electrode film. Although there is no restriction | limiting in particular as this insulating layer, For example, it is preferable to consist of any one or both of an oxide film and a nitride film. As this insulating film, for example, at least one film selected from, for example, a silicon nitride film (SiN x film) and a silicon oxide film (SiO x film), preferably a two-layer structure including these two films is used. Can do.

このシリコン窒化物膜は、例えば、シランガスとアンモニアガスとを用い、プラズマCVD法に従って、公知のプロセス条件で、50〜200nmの膜厚で形成する。その他に、常圧CVD法、減圧CVD法、スパッタ法及び蒸着法等を用いて形成しても良い。また、シリコン酸化物膜は、シランガスと酸素原子含有ガス(例えば、酸素ガスや酸化窒素ガス等)とを用いて、上記したプラズマCVD法等に従って公知のプロセス条件で、50〜300nmの膜厚で形成する。   This silicon nitride film is formed with a film thickness of 50 to 200 nm under known process conditions using, for example, silane gas and ammonia gas according to the plasma CVD method. In addition, it may be formed using a normal pressure CVD method, a low pressure CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, or the like. In addition, the silicon oxide film has a thickness of 50 to 300 nm under a known process condition according to the above-described plasma CVD method using a silane gas and an oxygen atom-containing gas (for example, oxygen gas or nitrogen oxide gas). Form.

その後、絶縁膜の上に、a-Si膜を、例えばプラズマCVD法に従って、シランガスを用いて、公知のプロセス条件で、40〜100nmの膜厚で形成する。   Thereafter, an a-Si film is formed on the insulating film with a film thickness of 40 to 100 nm under a known process condition using a silane gas according to, for example, a plasma CVD method.

かくして得られるa-Si/SiOx/SiNx/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成に対して、ゲート電極膜上部の積層膜と、パターニングされてゲート電極膜の無い基板上部の積層膜とにおける入射固体グリーンレーザ光の吸収率の差が小さくなるように(例えば、5%程度)、成形された線状レーザビームを照射してレーザアニールし、a-Siを結晶化してpoly-Siとし、目的とする薄膜を形成する。 For the a-Si / SiO x / SiN x / gate electrode film / glass substrate laminated film configuration thus obtained, a laminated film on the gate electrode film and a laminated film on the substrate without the gate electrode film being patterned In order to reduce the difference in the absorption rate of incident solid green laser light (eg about 5%), laser annealing is performed by irradiating a shaped linear laser beam, and a-Si is crystallized to poly-Si. The target thin film is formed.

次いで、本発明で用いるレーザ光について説明する。照射するレーザ光の吸収率は、積層膜構成により決まるので、同じオーダーの吸収率を有する350nm〜800nmの波長のレーザ光であれば、全て同様な効果が得られる。すなわち、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無い基板上部とで、それぞれの積層膜が吸収するレーザエネルギーをほぼ同一にすることができるので、形成されるpoly-Si膜の結晶粒径をゲート電極膜上部とゲート電極膜の無い基板上部とでほぼ同一にすることができる。従って、Nd:YAGレーザの第2高調波、Nd:YAGレーザの第3高調波、Nd:ガラスレーザの第2又は第3高調波、Nd:YLFレーザの第2又は第3高調波、Yb:YAGやYb:ガラスなどのYbイオンドープの固体レーザの第2又は第3高調波や、Ti:Sapphireレーザの基本波又は第2高調波を用いて、同様な効果を達成するレーザアニールを行うことができる。これらのうち、Nd:YAGレーザの第2高調波(波長:532nm)は、レーザ発振の効率が良く高出力のものが得られるため、レーザアニール処理の生産性が良いというメリットがあるので、本発明において使用するのに最も好都合である。   Next, laser light used in the present invention will be described. Since the absorption rate of the laser beam to be irradiated is determined by the laminated film configuration, the same effect can be obtained for all laser beams having a wavelength of 350 nm to 800 nm having the same order of absorption rate. That is, since the laser energy absorbed by each laminated film can be made substantially the same between the upper part of the gate electrode film and the upper part of the substrate without the gate electrode film, the crystal grain size of the formed poly-Si film can be set to the gate electrode. The upper part of the film and the upper part of the substrate without the gate electrode film can be made substantially the same. Therefore, the second harmonic of the Nd: YAG laser, the third harmonic of the Nd: YAG laser, the second or third harmonic of the Nd: glass laser, the second or third harmonic of the Nd: YLF laser, Yb: Perform laser annealing to achieve the same effect using the second or third harmonic of a Yb ion-doped solid-state laser such as YAG or Yb: glass, or the fundamental or second harmonic of a Ti: Sapphire laser. Can do. Among these, the second harmonic (wavelength: 532 nm) of the Nd: YAG laser has the merit that the productivity of the laser annealing treatment is good because the laser oscillation efficiency is high and a high output is obtained. Most convenient for use in the invention.

本発明によれば、以下の実施例で示すように、上記のような積層膜構成において、レーザ光の吸収率が大きい基板上の領域の方が低エネルギー密度で結晶が形成されており、また、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無い基板上部との各積層膜の吸収率がほぼ等しくなる場合には、poly-Si平均結晶粒径のエネルギー密度による変化の仕方はほぼ等しくなる。このことから、ボトムゲート型TFTを作製する場合のように、基板上に異なる積層膜構成が混在する場合でも、照射レーザ光の吸収率がほぼ同一になるように積層膜の膜厚を制御することで、基板面内でほぼ均一な大粒径のpoly-Si膜の形成が可能なことがわかる。この場合、a-Si膜厚を制御することにより、基板面内でほぼ均一な大粒径のpoly-Si膜の形成が可能であると共に、積層膜の他の構成膜をも含めてその膜厚を制御しても、同様の効果が得られる。すなわち、以下の実施例で示すように、SiOx膜及び/又はSiNx膜の膜厚を制御することにより、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無い基板上部との各積層膜の吸収率をほぼ等しくできる。 According to the present invention, as shown in the following examples, in the laminated film structure as described above, a region on the substrate having a larger laser light absorption rate has crystals formed at a lower energy density, and When the absorptances of the laminated films of the upper part of the gate electrode film and the upper part of the substrate without the gate electrode film are substantially equal, the way of changing the poly-Si average crystal grain size depending on the energy density is substantially equal. Therefore, even when different laminated film configurations are mixed on the substrate as in the case of manufacturing a bottom gate type TFT, the film thickness of the laminated film is controlled so that the absorption rate of the irradiation laser light is almost the same. As a result, it can be seen that a poly-Si film having a large uniform particle diameter can be formed on the substrate surface. In this case, by controlling the a-Si film thickness, it is possible to form a poly-Si film having a substantially uniform large particle size within the substrate surface, and also to include other constituent films of the laminated film. The same effect can be obtained even if the thickness is controlled. That is, as shown in the following examples, by controlling the film thickness of the SiO x film and / or the SiN x film, the absorptance of each laminated film of the upper part of the gate electrode film and the upper part of the substrate without the gate electrode film is adjusted. Can be almost equal.

本発明によれば、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無いガラス基板上部とで、それぞれの積層膜の吸収率の差が小さいa-Si膜厚の場合は、レーザアニールで形成されるpoly-Si膜の結晶粒径の差は小さく、吸収率の差が大きいa-Si膜厚の場合は、結晶粒径の差は大きくなると推測される。この場合、吸収率の差が5%以内であれば、poly-Si膜の平均結晶粒径の差が0.1μm以内となって、ほぼ均一な粒径となるので、吸収率の差が5%以内の場合に同一の粒径を有するPoly-Si膜を得ることができる。このような同一の粒径を有するPoly-Si膜を得るためには、以下の実施例で示すように、a-Si膜厚は、20〜28nm程度、65〜86nm程度、及び116〜148nm程度の範囲であることが好ましい。この膜厚範囲内で、基板面内および膜厚全体にわたってほぼ均一な粒径のpoly-Si膜を形成することができる。a-Si膜厚が20nm未満の場合、28nmを超えかつ65nm未満の場合、86nmを超えかつ116nm未満の場合には、基板全面にわたって均一な膜厚でa-Siを成膜するのが難しく、膜厚均一性が悪くなるため、レーザアニールにより基板面内でほぼ均一な粒径のpoly-Si膜を形成するのが難しくなる。また、a-Si膜厚が148nmを超え厚すぎると、膜深さによるレーザ光吸収量の差が大きくなるため、レーザアニールにより膜厚全体にわたって均一なpoly-Si膜を形成するのが難しくなる。   According to the present invention, when the a-Si film thickness has a small difference in the absorptivity of the laminated film between the upper part of the gate electrode film and the upper part of the glass substrate without the gate electrode film, the poly- The difference in crystal grain size of the Si film is small, and in the case of an a-Si film thickness with a large difference in absorption rate, the difference in crystal grain size is estimated to be large. In this case, if the difference in absorptance is within 5%, the difference in the average crystal grain size of the poly-Si film is within 0.1 μm, and the particle size is almost uniform. %, It is possible to obtain a Poly-Si film having the same particle size. In order to obtain such a Poly-Si film having the same particle size, the a-Si film thickness is about 20-28 nm, about 65-86 nm, and about 116-148 nm, as shown in the following examples. It is preferable that it is the range of these. Within this film thickness range, it is possible to form a poly-Si film having a substantially uniform grain size within the substrate surface and over the entire film thickness. When the a-Si film thickness is less than 20 nm, when it exceeds 28 nm and less than 65 nm, when it exceeds 86 nm and less than 116 nm, it is difficult to form a-Si with a uniform film thickness over the entire surface of the substrate, Since the film thickness uniformity deteriorates, it becomes difficult to form a poly-Si film having a substantially uniform particle diameter within the substrate surface by laser annealing. Also, if the a-Si film thickness exceeds 148 nm, the difference in the amount of laser light absorption due to the film depth increases, making it difficult to form a uniform poly-Si film over the entire film thickness by laser annealing. .

さらに、本発明によれば、積層膜による入射レーザ光の吸収率が大きくなる膜厚構成にすることで、最適な結晶粒径を得るために必要なレーザ光強度を小さくすることも可能になる。   Furthermore, according to the present invention, it is possible to reduce the laser light intensity necessary for obtaining an optimum crystal grain size by adopting a film thickness configuration in which the absorption rate of incident laser light by the laminated film is increased. .

本発明のレーザアニール方法で用いるレーザアニール装置は、波長が350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源と、このパルスレーザ光源より発生されるレーザビームを線状ビームに成形するための線状ビーム成形用光学系とを備えているものである。このレーザアニール装置は、上記したように、例えば、成形された線状ビームをa-Si膜に照射してpoly-Si膜を形成する際や、ゲート電極膜と、所定の膜厚を有する絶縁膜と、所定の膜厚を有する半導体薄膜とを有する多層膜材料に対して成形された線状ビームを照射し、レーザアニールして結晶化された半導体薄膜を製造する際に用いられ得る。この場合のパルスレーザ光源としては特に制限はなく、上記した光源であれば十分に満足なアニール処理を行うことができる。   The laser annealing apparatus used in the laser annealing method of the present invention is a pulse laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less, and a linear beam forming device for forming a laser beam generated from the pulse laser light source into a linear beam. And an optical system. As described above, this laser annealing apparatus, for example, forms a poly-Si film by irradiating a shaped linear beam onto an a-Si film, or forms an insulating film having a predetermined film thickness with a gate electrode film. It can be used when manufacturing a crystallized semiconductor thin film by irradiating a shaped linear beam on a multilayer film material having a film and a semiconductor thin film having a predetermined film thickness and laser annealing. The pulse laser light source in this case is not particularly limited, and a sufficiently satisfactory annealing process can be performed with the above light source.

以下、本発明の一実施の形態に係るボトムゲート型のpoly-Si薄膜トランジスタ(TFT)を有する薄膜半導体装置及びその製造方法について説明する。この薄膜半導体装置は、本発明のレーザアニール処理工程以外は公知のプロセス条件に従って製造できる。   Hereinafter, a thin film semiconductor device having a bottom gate poly-Si thin film transistor (TFT) according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described. This thin film semiconductor device can be manufactured according to known process conditions except for the laser annealing treatment step of the present invention.

まず、上記したように、ガラス等からなる基板の上に、ゲート電極膜を形成する。この際、スパッタ法により上記金属又は合金からなる金属膜を所定の厚さで形成し、次いでフォト・リソグラフィー技術によってレジストパターンを形成し、これをマスクに用いたドライエッチング又はウェットエッチングによって上記金属膜を所定の形状に加工して、パターン化されたゲート電極膜を形成する。このゲート電極膜の電気抵抗を低減するために、基板上に、まず低抵抗金属膜を形成し、この上に金属膜を積層させることにより得られた多層構造の金属膜を形成しても良い。   First, as described above, a gate electrode film is formed on a substrate made of glass or the like. At this time, a metal film made of the above metal or alloy is formed with a predetermined thickness by a sputtering method, and then a resist pattern is formed by a photolithographic technique, and the above metal film is formed by dry etching or wet etching using this as a mask. Is processed into a predetermined shape to form a patterned gate electrode film. In order to reduce the electric resistance of the gate electrode film, a metal film having a multilayer structure obtained by first forming a low resistance metal film on the substrate and laminating the metal film thereon may be formed. .

次いで、ゲート電極膜を覆うように絶縁膜を形成する。このゲート絶縁膜としては、例えば、シリコン窒化物膜とこの上に形成したシリコン酸化物膜とからなる二層構造として形成しても良い。まず、シランガス(SiH4ガス)とアンモニアガス(NH3ガス)とを用い、プラズマCVD法により、シリコン窒化物膜を基板温度400℃程度で所定の厚さ(例えば、50〜200nm程度)に形成する。この場合、常圧CVD、減圧化学気相成長法、スパッタ法、蒸着法を用いてもよい。その後、シランガスと酸化窒素ガス(N2Oガス)とを用い、シリコン酸化物膜を所定の膜厚(例えば、50〜300nm程度)で形成する。 Next, an insulating film is formed so as to cover the gate electrode film. For example, the gate insulating film may be formed in a two-layer structure including a silicon nitride film and a silicon oxide film formed thereon. First, using a silane gas (SiH 4 gas) and an ammonia gas (NH 3 gas), a silicon nitride film is formed to a predetermined thickness (for example, about 50 to 200 nm) at a substrate temperature of about 400 ° C. by plasma CVD. To do. In this case, atmospheric pressure CVD, reduced pressure chemical vapor deposition, sputtering, or vapor deposition may be used. Thereafter, a silicon oxide film is formed with a predetermined film thickness (for example, about 50 to 300 nm) using silane gas and nitrogen oxide gas (N 2 O gas).

上記絶縁膜の上に、シランガスのみを用い、例えばプラズマCVD法により、公知の条件で、a-Si又は粒径の小さな(例えば、0.1μm程度以下)poly-Si等からなる半導体薄膜を所定の膜厚(例えば、40〜100nm程度)で形成する。   On the insulating film, a predetermined semiconductor thin film made of a-Si or poly-Si having a small particle size (for example, about 0.1 μm or less) is used, for example, by a plasma CVD method under known conditions, using only silane gas. With a thickness of (for example, about 40 to 100 nm).

かくして得られるa-Si/SiOx/SiNx/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成を有する半導体薄膜に対して、ゲート電極膜上部の積層膜と、パターニングされてゲート電極膜の無い基板上部の積層膜とにおける入射固体グリーンレーザ光の吸収率の差が小さくなるように(例えば、5%程度)、上記したようにして成形された線状レーザビームを照射してレーザアニールし、a-Siを結晶化してpoly-Siとし、目的とする薄膜を形成する。この際、レーザ光の照射によって、半導体薄膜を加熱すると共に、半導体薄膜と同程度以上の温度となるようにゲート電極膜が加熱されるように、レーザ光の波長を選択し、半導体薄膜からゲート電極膜への熱伝導がほとんどない温度になるようにする。このようなレーザ光の波長としては、上記した光源から得られるものであれば良い。   For the semiconductor thin film having the laminated film structure of a-Si / SiOx / SiNx / gate electrode film / glass substrate thus obtained, the laminated film on the upper part of the gate electrode film and the laminated film on the upper part of the substrate without being patterned. In order to reduce the difference in the absorption rate of the incident solid green laser light from the film (for example, about 5%), laser annealing is performed by irradiating the linear laser beam formed as described above. Crystallize into poly-Si to form the desired thin film. At this time, the semiconductor thin film is heated by the laser light irradiation, and the wavelength of the laser light is selected so that the gate electrode film is heated to a temperature equal to or higher than that of the semiconductor thin film. The temperature should be such that there is almost no heat conduction to the electrode film. As the wavelength of such laser light, any wavelength can be used as long as it can be obtained from the above-described light source.

以上のようにして半導体薄膜の結晶化を行った後、結晶化された半導体薄膜上に絶縁性材料を用いて、プラズマCVD法等により公知のプロセス条件下、ストッパ膜をパターン形成する。このストッパ膜により、直下に位置する半導体薄膜部分をチャネル部として保護する。   After the semiconductor thin film is crystallized as described above, a stopper film is patterned on the crystallized semiconductor thin film using an insulating material by a plasma CVD method or the like under known process conditions. By this stopper film, the semiconductor thin film portion located immediately below is protected as a channel portion.

続いて、ストッパ膜をマスクとしたイオン注入により、不純物(例えば、P+イオン)を半導体薄膜に注入し、低濃度のオフセット領域を形成する。この時のドース量は通常の不純物注入量と同じで良い。さらに、ストッパ膜及びその両側のオフセット領域を被覆するようにフォトレジストをパターニング形成した後、これをマスクとして再び不純物(例えば、P+イオン)を高濃度で注入し、オフセット領域の両脇にN型のソース・ドレインを形成する。このような不純物注入には、例えばイオンドーピングを用いることができる。 Subsequently, impurities (for example, P + ions) are implanted into the semiconductor thin film by ion implantation using the stopper film as a mask to form a low concentration offset region. The dose amount at this time may be the same as the normal impurity implantation amount. Further, after patterning the photoresist so as to cover the stopper film and the offset regions on both sides thereof, impurities (for example, P + ions) are again implanted at a high concentration using this as a mask, and N is formed on both sides of the offset region. Form the source and drain of the mold. For such impurity implantation, for example, ion doping can be used.

上記したようにして半導体薄膜に注入された不純物を活性化するために、急速熱アニールを用いた公知の活性化アニールを行う。これにより、ボトムゲート型構造のpoly-Si TFTが得られる。   In order to activate the impurities implanted into the semiconductor thin film as described above, known activation annealing using rapid thermal annealing is performed. As a result, a bottom-gate poly-Si TFT can be obtained.

その後、半導体薄膜をエッチング加工して、各poly-Si TFT部分を分離する。   Thereafter, the semiconductor thin film is etched to separate each poly-Si TFT portion.

次いで、プラズマCVD法によって、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜を所定の厚さで形成して、この2層構造の層間絶縁膜を得る。その後、層間絶縁膜にコンタクトホール等を開口し、AlやTi等を単層又は多層層で所定の厚さにスパッタ形成した後、所定の形状にパターニングして配線電極を形成する。さらに、アクリル系樹脂などからなる感光性の平坦化層を塗布した後、フォトリソグラフィーによりコンタクトホールを開口する。平坦化層の上に、例えばITO等からなる透明導電膜をスパッタした後、この透明導電膜を所定の形状にパターニングすることにより、コンタクトホールを介してソース・ドレインに接続された画素電極に加工する。   Next, a silicon oxide film and a silicon nitride film are formed with a predetermined thickness by plasma CVD, and an interlayer insulating film having a two-layer structure is obtained. Thereafter, a contact hole or the like is opened in the interlayer insulating film, Al or Ti or the like is sputtered to a predetermined thickness with a single layer or a multilayer layer, and then patterned into a predetermined shape to form a wiring electrode. Further, after applying a photosensitive flattening layer made of an acrylic resin or the like, a contact hole is opened by photolithography. A transparent conductive film made of, for example, ITO is sputtered on the planarizing layer, and then the transparent conductive film is patterned into a predetermined shape to be processed into pixel electrodes connected to the source / drain through contact holes. To do.

かくして、基板上にボトムゲート型構造のpoly-Si TFTを備え、これに画素電極を接続させた表示装置用の回路基板が薄膜半導体装置として得られる。   Thus, a circuit board for a display device having a bottom-gate type poly-Si TFT on a substrate and having a pixel electrode connected thereto is obtained as a thin film semiconductor device.

次に、上記した実施形態の製造方法に従って製造した薄膜半導体装置(回路基板)を用いたアクティブマトリクス型表示装置及びその製造方法の一実施の形態について説明する。この表示装置は、本発明のレーザアニール処理工程以外は公知のプロセス条件に従って製造できる。   Next, an embodiment of an active matrix display device using a thin film semiconductor device (circuit board) manufactured according to the manufacturing method of the above-described embodiment and a manufacturing method thereof will be described. This display device can be manufactured according to known process conditions except for the laser annealing treatment step of the present invention.

本発明の表示装置は、表示基板上に、上記したような波長が350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生されるレーザビームを成形した線状ビームを照射してレーザアニールして結晶化された半導体薄膜の設けられた薄膜半導体素子が設けられたものであり、この半導体薄膜は、ゲート電極膜が形成された基板上に絶縁膜を介して設けられている。この絶縁膜は、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であり、半導体薄膜は、a-Si膜である。この表示装置の表示基板上には、薄膜半導体素子に接続された有機EL素子が設けられ、また、表示基板上には、薄膜半導体素子に接続された液晶駆動用の画素電極が設けられている。このような表示装置は、表示基板上に、薄膜半導体素子に接続させて有機EL素子や液晶を用いた装置を形成し、また、表示基板上に、薄膜半導体素子に接続させて有機EL素子用や液晶駆動用の画素電極を形成することにより製造される。   The display device of the present invention is crystallized on a display substrate by irradiating a linear beam obtained by shaping a laser beam generated from a pulse laser light source having a wavelength of 350 nm to 800 nm as described above, and laser annealing. A thin film semiconductor element provided with a semiconductor thin film is provided, and this semiconductor thin film is provided on a substrate on which a gate electrode film is formed via an insulating film. The insulating film is at least one film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the semiconductor thin film is an a-Si film. An organic EL element connected to the thin film semiconductor element is provided on the display substrate of the display device, and a pixel electrode for driving a liquid crystal connected to the thin film semiconductor element is provided on the display substrate. . Such a display device is connected to a thin film semiconductor element on a display substrate to form a device using an organic EL element or liquid crystal, and is connected to the thin film semiconductor element on the display substrate for an organic EL element. And a pixel electrode for driving a liquid crystal.

以下、本発明の表示装置について、液晶型表示装置を例にとり詳細に説明する。本発明の表示装置の製造方法は、特に制限されず、本発明のレーザアニール方法を利用することができるものであれば良い。この表示装置は、本発明のレーザアニール処理工程以外は公知のプロセス条件に従って製造できる。   Hereinafter, the display device of the present invention will be described in detail by taking a liquid crystal display device as an example. The manufacturing method of the display device of the present invention is not particularly limited as long as the laser annealing method of the present invention can be used. This display device can be manufactured according to known process conditions except for the laser annealing treatment step of the present invention.

例えば、本発明の表示装置として、一対の絶縁基板とこれらの絶縁基板の間に保持されている公知の液晶材料とを備えたパネル構造を有している液晶型の表示装置を挙げることができる。下側の絶縁基板には画素アレイ部と駆動回路部とが集積形成されている。この駆動回路部は垂直スキャナと水平スキャナとに分かれている。また、下側の絶縁基板の上面の周辺部には外部接続用の端子が形成されており、この端子は配線を介して上記垂直スキャナ及び水平スキャナに接続している。画素アレイ部にはゲート電極膜と信号配線膜とが形成されている。これらのゲート電極膜と信号配線膜との交差部には画素電極及びこれを駆動するTFTが形成されている。   For example, as the display device of the present invention, a liquid crystal display device having a panel structure including a pair of insulating substrates and a known liquid crystal material held between the insulating substrates can be given. . A pixel array portion and a drive circuit portion are integrated on the lower insulating substrate. This drive circuit section is divided into a vertical scanner and a horizontal scanner. Further, a terminal for external connection is formed in the peripheral portion of the upper surface of the lower insulating substrate, and this terminal is connected to the vertical scanner and the horizontal scanner via wiring. A gate electrode film and a signal wiring film are formed in the pixel array portion. A pixel electrode and a TFT for driving the pixel electrode are formed at the intersection between the gate electrode film and the signal wiring film.

上記TFTのゲート電極は対応するゲート電極膜に接続され、ドレインは対応する画素電極に接続され、ソースは対応する信号配線膜に接続されている。このゲート電極膜が垂直スキャナに接続されており、信号配線膜は水平スキャナに接続されている。   The TFT gate electrode is connected to the corresponding gate electrode film, the drain is connected to the corresponding pixel electrode, and the source is connected to the corresponding signal wiring film. The gate electrode film is connected to the vertical scanner, and the signal wiring film is connected to the horizontal scanner.

上記した画素電極をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ及び垂直スキャナと水平スキャナとに含まれるTFTが、上記したように本発明の方法に従って製造されたボトムゲート型構造のpoly-Si TFT となり、画素電極と共に、上記した回路が形成された下側の絶縁基板である回路基板が薄膜半導体装置となる。   The TFT included in the thin film transistor and the vertical scanner and the horizontal scanner for switching driving the pixel electrode is a bottom-gate type poly-Si TFT manufactured according to the method of the present invention as described above. The circuit board which is the lower insulating substrate on which the above circuit is formed becomes a thin film semiconductor device.

上記したような構成の表示装置においては、薄膜トランジスタのチャネル部の結晶性及び粒径が改善されているため、より小さなTFTにより電流駆動能力などについて同一の特性を達成できる。さらに、本発明のレーザアニール方法を利用して得られた粒径分布の均一な大粒径の半導体薄膜が設けられた薄膜半導体素子を設けた表示装置を提供できるので、特にボトムゲート型構造の薄膜半導体素子を有する表示装置の場合、この表示装置における薄膜半導体素子が良好なTFT特性を有する。   In the display device having the above-described configuration, since the crystallinity and grain size of the channel portion of the thin film transistor are improved, the same characteristics can be achieved with respect to the current driving capability and the like with a smaller TFT. Furthermore, since a display device provided with a thin film semiconductor element provided with a semiconductor thin film having a large particle size with a uniform particle size distribution obtained by using the laser annealing method of the present invention can be provided, particularly a bottom gate type structure is provided. In the case of a display device having a thin film semiconductor element, the thin film semiconductor element in the display device has good TFT characteristics.

なお、表示装置としては、上記した液晶型表示装置の他に、有機EL素子のような自発光素子を用いた表示装置であってもよく、例えば、有機EL素子を用いたアクティブマトリックス型の表示装置であれば、上記液晶型表示装置と同様の構成の下側の絶縁基板が用いられ得る。そして、画素電極をアノードまたはカソードとし、この上部に有機発光層を含む複数層の有機層を積層形成し、さらにこれらの有機層上にカソードまたはアノードを積層形成することで、アノードとカソードとの間に有機層を狭持した各発光素子を形成することができる。これにより、各発光素子がそれぞれTFTに接続されたアクティブマトリックス型の表示装置が構成され、液晶表示装置と同様の効果を得ることができる。   The display device may be a display device using a self-luminous element such as an organic EL element in addition to the liquid crystal display device described above, for example, an active matrix display using an organic EL element. If it is a device, a lower insulating substrate having the same configuration as that of the liquid crystal display device may be used. Then, the pixel electrode is used as an anode or a cathode, and a plurality of organic layers including an organic light emitting layer are stacked on the pixel electrode. Further, a cathode or an anode is stacked on these organic layers, whereby the anode and the cathode Each light-emitting element having an organic layer interposed therebetween can be formed. Thus, an active matrix display device in which each light emitting element is connected to the TFT is configured, and the same effect as the liquid crystal display device can be obtained.

以下、本発明の実施例について、特にレーザアニール方法の具体例について説明する。   In the following, examples of the present invention will be described, in particular, specific examples of laser annealing methods.

図1に、ボトムゲート型TFTを作製する際に、レーザアニール時に用いる積層膜構成の例を模式的に示す。図1に示すように、ガラス基板1の上に、ゲート電極膜2を以下のプロセス条件で形成した。このプロセス条件は、Ar流量:100sccm、圧力:0.3Pa、基板温度:120℃、及びスパッタパワー:15kWである。   FIG. 1 schematically shows an example of a laminated film configuration used at the time of laser annealing when a bottom gate type TFT is manufactured. As shown in FIG. 1, a gate electrode film 2 was formed on a glass substrate 1 under the following process conditions. The process conditions are Ar flow rate: 100 sccm, pressure: 0.3 Pa, substrate temperature: 120 ° C., and sputtering power: 15 kW.

次いで、ゲート電極膜2を覆うように、以下のプロセス条件でゲート絶縁膜3及び4を形成した。本実施例では、ゲート絶縁膜3はSiNx膜からなる窒化物膜であり、ゲート絶縁膜4はSiOxからなる酸化物膜であり、二層構造として、それぞれ、50nm厚さで形成した。これらのプロセス条件は、SiNx膜の場合、SiH4ガス流量:400sccm、N2ガス流量:4slm(standard liter/min)、NH3ガス流量:6slm、圧力:300Pa、基板温度:400℃、及びRFパワー:4kWであり、また、SiOx膜の場合、SiH4ガス流量:400sccm、Arガス流量:8slm、N2Oガス流量:7slm、圧力:200Pa、基板温度:400℃、及びRFパワー:1.4kWであ。 Next, gate insulating films 3 and 4 were formed under the following process conditions so as to cover the gate electrode film 2. In this embodiment, the gate insulating film 3 is a nitride film made of a SiN x film, and the gate insulating film 4 is an oxide film made of SiO x , each having a two-layer structure formed with a thickness of 50 nm. For SiN x films, these process conditions are: SiH 4 gas flow rate: 400 sccm, N 2 gas flow rate: 4 slm (standard liter / min), NH 3 gas flow rate: 6 slm, pressure: 300 Pa, substrate temperature: 400 ° C., and RF power: 4 kW, and for SiO x film, SiH 4 gas flow rate: 400 sccm, Ar gas flow rate: 8 slm, N 2 O gas flow rate: 7 slm, pressure: 200 Pa, substrate temperature: 400 ° C., and RF power: 1.4kW.

その後、ゲート絶縁膜4の上に、SiH4ガスを用いてa-Si膜5を膜厚20〜150nmで形成した。 Thereafter, an a-Si film 5 having a thickness of 20 to 150 nm was formed on the gate insulating film 4 using SiH 4 gas.

かくして得られたa-Si/SiOx(50nm)/SiNx(50nm)/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成に対して固体グリーンレーザ光(QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波(波長:532nm))を照射せしめ、a-Si膜厚を変化させたときの、ゲート電極膜上部の積層膜とパターニングされてゲート電極膜の無いガラス基板上部の積層膜とにおける入射固体グリーンレーザ光の吸収率について検討し、この結果を図2に示す。 The a-Si / SiO x (50 nm) / SiN x (50 nm) / gate electrode film / glass substrate laminated film structure thus obtained is used for solid green laser light (second harmonic of a Q-switched Nd: YAG laser ( The incident solid-state green laser light in the laminated film on the gate electrode film and the laminated film on the glass substrate without the gate electrode film when the a-Si film thickness is changed by irradiating the wavelength: 532 nm)) The results are shown in FIG.

図2から明らかなように、ゲート電極膜上部の積層膜とゲート電極膜の無いガラス基板上部の積層膜とで、吸収率のa-Si膜厚による変化の様子が大きく異なっていることがわかる。ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無いガラス基板上部とで、それぞれの積層膜の吸収率の差が小さいa-Si膜厚の場合は、レーザアニールで形成されるpoly-Si膜の結晶粒径の差は小さく、一方、吸収率の差が大きいa-Si膜厚の場合は、結晶粒径の差は大きくなると推測される。この場合、吸収率の差が5%以内であれば、poly-Si膜の平均結晶粒径の差が0.1μm以内となり、ほぼ均一な粒径となることから、吸収率の差が5%以内であればほぼ同一の粒径を有するPoly-Si膜を得ることができる。   As is apparent from FIG. 2, it can be seen that the absorptivity changes greatly depending on the a-Si film thickness between the laminated film on the gate electrode film and the laminated film on the glass substrate without the gate electrode film. . In the case of a-Si film thickness where the difference in the absorption rate of each laminated film is small between the upper part of the gate electrode film and the glass substrate without the gate electrode film, the crystal grain size of the poly-Si film formed by laser annealing On the other hand, in the case of an a-Si film thickness where the difference in absorption is large, the difference in crystal grain size is estimated to be large. In this case, if the difference in absorptivity is within 5%, the difference in the average crystal grain size of the poly-Si film is within 0.1 μm and the particle size is almost uniform. If it is within the range, a Poly-Si film having substantially the same particle diameter can be obtained.

かくして、本発明者らの実験によると、上記積層膜構成において同一の粒径を有するPoly-Si膜を得るためには、図2から明らかなように、a-Si膜厚が、20〜28nm程度、65〜86nm程度、及び116〜148nm程度の範囲であれば、基板面内および膜厚全体にわたってほぼ均一な粒径のpoly-Si膜を形成することができた。a-Si膜厚が20nm未満の場合、28nmを超えかつ65nm未満の場合、86nmを超えかつ116nm未満の場合には、基板全面にわたって均一な膜厚でa-Siを成膜するのが難しく、膜厚均一性が悪くなるため、レーザアニールにより基板面内でほぼ均一な粒径のpoly-Si膜を形成するのが難しかった。また、a-Si膜厚が148nmを超えると、膜深さによるレーザ光吸収量の差が大きくなるため、レーザアニールにより膜厚全体にわたって均一なpoly-Si膜を形成するのが難しかった。   Thus, according to the experiments of the present inventors, in order to obtain a Poly-Si film having the same grain size in the above laminated film configuration, as is apparent from FIG. 2, the a-Si film thickness is 20 to 28 nm. In the range of about 65 to 86 nm and 116 to 148 nm, a poly-Si film having a substantially uniform grain size could be formed in the substrate surface and over the entire film thickness. When the a-Si film thickness is less than 20 nm, when it exceeds 28 nm and less than 65 nm, when it exceeds 86 nm and less than 116 nm, it is difficult to form a-Si with a uniform film thickness over the entire surface of the substrate, Due to the poor film thickness uniformity, it was difficult to form a poly-Si film having a substantially uniform grain size within the substrate surface by laser annealing. Further, when the a-Si film thickness exceeds 148 nm, the difference in the amount of laser light absorption depending on the film depth becomes large, and it is difficult to form a uniform poly-Si film over the entire film thickness by laser annealing.

実施例1に記載の手順に準じて、パターニングされた電極膜上にSiNx膜とSiOx膜とを何れも50nmの厚さでこの順番に積層し、その上にa-Si膜を50nmと70nmとの2種類の膜厚で形成した基板のレーザアニールを、照射レーザ光のエネルギー密度(mJ/cm2)を変えて行った。レーザアニール後の基板をSeccoエッチングしてからSEM測定を行い、形成されたpoly-Siの平均結晶粒径(μm)を算出した。a-Si膜厚が50nmと70nmとの場合にそれぞれ得られたエネルギー密度と平均結晶粒径との関係を図3と図4に示す。 In accordance with the procedure described in Example 1, both a SiN x film and a SiO x film are laminated in this order on a patterned electrode film in a thickness of 50 nm, and an a-Si film is formed thereon with a thickness of 50 nm. Laser annealing of the substrate formed with two kinds of film thicknesses of 70 nm was performed by changing the energy density (mJ / cm 2 ) of the irradiation laser beam. The substrate after laser annealing was Secco etched and then subjected to SEM measurement, and the average crystal grain size (μm) of the formed poly-Si was calculated. FIGS. 3 and 4 show the relationship between the energy density and the average crystal grain size obtained when the a-Si film thickness is 50 nm and 70 nm, respectively.

図3から明らかなように、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無いガラス基板上部とのそれぞれの積層膜の吸収率が大きく異なるa-Si膜厚が50nm(図2参照)の場合には、poly-Si平均結晶粒径のエネルギー密度による変化の仕方が大きく異なっている。すなわち、レーザ光の吸収率が大きいゲート電極膜上部の積層膜の方が低エネルギー密度でPoly-Si結晶が形成されていることがわかる。   As is clear from FIG. 3, when the a-Si film thickness is 50 nm (see FIG. 2) where the absorption ratios of the stacked films of the upper part of the gate electrode film and the upper part of the glass substrate without the gate electrode film are greatly different, The way of changing the poly-Si average grain size depending on the energy density is greatly different. That is, it can be seen that a poly-Si crystal is formed at a lower energy density in the laminated film on the gate electrode film having a larger laser light absorption rate.

これに対して、図4から明らかなように、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無いガラス基板上部とのそれぞれの積層膜の吸収率がほぼ等しくなるa-Si膜厚が70nm(図2参照)の場合には、poly-Si平均結晶粒径のエネルギー密度による変化の仕方はほぼ等しくなる。このことから、ボトムゲート型TFTを作製する場合のように、ガラス基板上に異なる積層膜構成が混在する場合でも、照射レーザ光の吸収率がほぼ同一になるように積層膜の膜厚を制御することで、基板面内でほぼ均一な大粒径のpoly-Si膜の形成が可能なことがわかる。   On the other hand, as can be seen from FIG. 4, the a-Si film thickness at which the absorptivity of the laminated films of the upper part of the gate electrode film and the upper part of the glass substrate without the gate electrode film is almost equal is 70 nm (see FIG. 2). In the case of), the poly-Si average crystal grain size is almost equal in how it changes depending on the energy density. This makes it possible to control the film thickness of the laminated film so that the absorptivity of the irradiated laser beam is almost the same even when different laminated film configurations are mixed on the glass substrate, as in the case of manufacturing a bottom gate type TFT. By doing so, it can be seen that a poly-Si film having a substantially uniform large grain size can be formed in the substrate surface.

以上説明した実施例では、a-Si膜厚を制御することにより、基板面内でほぼ均一な大粒径のpoly-Si膜の形成が可能であることを示したが、以下の実施例で示すように、積層膜の他の構成膜厚を制御しても、同様の効果が得られる。   In the embodiment described above, it was shown that a poly-Si film having a substantially uniform large grain size can be formed in the substrate surface by controlling the a-Si film thickness. As shown, the same effect can be obtained by controlling other constituent film thicknesses of the laminated film.

実施例1に記載の手順に準じて、a-Si(50nm)/SiOx/SiNx(50nm)/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成として、SiOx膜厚を変化させたとき、及びa-Si(50nm)/SiOx(50nm)/SiNx/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成として、SiNx膜厚を変化させたときの、それぞれの場合の入射レーザ光の吸収率の結果を図5と図6に示す。 According to the procedure described in Example 1, when the SiO x film thickness is changed as the laminated film configuration of a-Si (50 nm) / SiO x / SiN x (50 nm) / gate electrode film / glass substrate, and As a laminated film configuration of a-Si (50 nm) / SiO x (50 nm) / SiN x / gate electrode film / glass substrate, the absorption rate of incident laser light in each case when the SiN x film thickness is changed The results are shown in FIGS.

これらの図より、SiOx膜またはSiNx膜の膜厚を制御することにより、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無いガラス基板上部とのそれぞれの積層膜の吸収率をほぼ等しくすることができることがわかる。すなわち、SiOx膜厚を108〜141nm程度とした場合、また、SiNx膜厚を90〜115nm程度とした場合に積層膜の吸収率が5%以内であり、ほぼ同一の均一な粒径のPoly-Si膜の形成が可能となることが分かる。 From these figures, by controlling the film thickness of the SiO x film or SiN x film, it is possible to make the absorptivity of each laminated film of the upper part of the gate electrode film and the upper part of the glass substrate without the gate electrode film substantially equal. I understand. That is, when the SiO x film thickness is about 108 to 141 nm, and when the SiN x film thickness is about 90 to 115 nm, the absorptivity of the laminated film is within 5%, and the same uniform particle size is obtained. It can be seen that a poly-Si film can be formed.

図2から明らかなように、a-Si/SiOx(50nm)/SiNx(50nm)/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成におけるゲート電極膜に対する固体グリーンレーザ光吸収率は、ゲート電極膜上部とゲート電極膜のないガラス基板上部とのそれぞれにおいて、a-Si膜厚により変化し、a-Si膜厚が40〜65nm付近及び100〜120nm付近で大きく、膜厚がこの範囲を外れると小さくなる。 As is apparent from FIG. 2, the solid green laser light absorptance for the gate electrode film in the laminated film structure of a-Si / SiO x (50 nm) / SiN x (50 nm) / gate electrode film / glass substrate is In each of the upper part and the upper part of the glass substrate without the gate electrode film, it changes depending on the a-Si film thickness, the a-Si film thickness is large in the vicinity of 40 to 65 nm and 100 to 120 nm, and the film thickness is out of this range. Get smaller.

そこで、本実施例では、ガラス基板上にSiNx膜とSiOx膜とを何れも50nmの厚さでこの順序に積層し、その上にa-Si膜厚を40nm、50nm、60nm、及び70nmの4種類の膜厚で形成した基板に対して、照射レーザ光のエネルギー密度を変えながらレーザアニールを行った。レーザアニール後の基板をSeccoエッチングしてからSEM測定を行い、各エネルギー密度での平均結晶粒径を算出し、a-Si膜の各膜厚の場合に対して0.5μmと1.0μmの平均粒径の結晶が得られるエネルギー密度を算出した。得られた結果を図7に示す。 Therefore, in this example, both the SiN x film and the SiO x film are laminated in this order on the glass substrate in a thickness of 50 nm, and the a-Si film thickness is 40 nm, 50 nm, 60 nm, and 70 nm thereon. Laser annealing was performed on the substrates formed with the four types of film thicknesses while changing the energy density of the irradiation laser light. SEM measurement is performed after Secco etching of the substrate after laser annealing, the average crystal grain size at each energy density is calculated, and the average grain size of 0.5 μm and 1.0 μm for each thickness of the a-Si film The energy density at which a crystal with a diameter was obtained was calculated. The obtained results are shown in FIG.

図7から明らかなように、結晶形成に必要なエネルギー密度は図2のレーザ光吸収率と異なる傾向を示しており、a-Si膜厚が60nm付近でエネルギー密度が最も低く、膜厚をそれよりも薄くしても厚くしても結晶形成に必要なエネルギー密度は高くなる。このことより、積層膜による入射レーザ光の吸収率が大きくなる膜厚構成にすることで、最適な結晶粒径を得るために必要なレーザ光強度を小さくすることが可能なことがわかる。   As is clear from FIG. 7, the energy density required for crystal formation tends to be different from the laser light absorption rate of FIG. 2, and the energy density is the lowest when the a-Si film thickness is around 60 nm. Even if it is made thinner or thicker, the energy density required for crystal formation becomes higher. From this, it is understood that the laser beam intensity required for obtaining the optimum crystal grain size can be reduced by adopting a film thickness configuration in which the absorption rate of the incident laser beam by the laminated film is increased.

実施例1〜4では、Nd:YAGレーザの第2高調波(波長:532nm)を用いる場合について説明した。Nd:YAGレーザの第2高調波はレーザ発振の効率が良く高出力のものが得られるため、レーザアニール処理の生産性が良いというメリットがある。本発明の趣旨によれば、照射するレーザ光の吸収率は、a-Si/SiOx/SiNx/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成で決まるので、同じオーダーの吸収率を有する350nmから800nmまでの波長のレーザ光であれば、532nmの場合と同様な効果が得られる。 In Examples 1 to 4, the case where the second harmonic (wavelength: 532 nm) of the Nd: YAG laser is used has been described. The second harmonic of the Nd: YAG laser has a merit that the productivity of the laser annealing process is good because the laser oscillation efficiency is high and a high output is obtained. According to the gist of the present invention, the absorptivity of the laser beam to be irradiated is determined by the laminated film configuration of a-Si / SiO x / SiN x / gate electrode film / glass substrate. If the laser beam has a wavelength up to 800 nm, the same effect as in the case of 532 nm can be obtained.

従って、350nm〜800nmの波長を有するNd:YAGレーザの第3高調波、Nd:ガラスレーザの第2または第3高調波、Nd:YLFレーザの第2又は第3高調波、Yb:YAGやYb:ガラスなどYbイオンドープの固体レーザの第2又は第3高調波や、Ti:Sapphireレーザの基本波又は第2高調波を用いて、実施例1〜4に準じて、a-Si/SiOx/SiNx/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成に対してレーザアニールを行うことにより、ゲート電極膜上部とゲート電極膜の無いガラス基板上部とでそれぞれの積層膜が吸収するレーザエネルギーをほぼ同一にすることができ、形成されるpoly-Si膜の結晶粒径をゲート電極膜上部、ゲート電極膜の無いガラス基板上部とでほぼ同一にすることができる。 Therefore, the third harmonic of an Nd: YAG laser having a wavelength of 350 nm to 800 nm, the second or third harmonic of an Nd: glass laser, the second or third harmonic of an Nd: YLF laser, Yb: YAG or Yb : Using the second or third harmonic of a Yb ion-doped solid laser such as glass or the fundamental or second harmonic of a Ti: Sapphire laser, a-Si / SiO x By performing laser annealing on the laminated film structure of / SiN x / gate electrode film / glass substrate, the laser energy absorbed by each laminated film at the upper part of the gate electrode film and the upper part of the glass substrate without the gate electrode film is reduced. The crystal grain size of the formed poly-Si film can be made substantially the same between the upper part of the gate electrode film and the upper part of the glass substrate without the gate electrode film.

以上述べたように、本発明のレーザアニール方法によれば、特にボトムゲート型TFTを作製する場合のように、基板上に異なる積層膜構成が混在する場合でも、基板面内でほぼ均一な大粒径のpoly-Si膜を形成することが可能になると共に、積層膜による入射レーザ光の吸収率が大きくなる膜厚構成にすることで、最適な結晶粒径を得るために必要なレーザ光強度を小さくすることも可能になる。   As described above, according to the laser annealing method of the present invention, even when different laminated film configurations are mixed on the substrate, particularly when a bottom gate type TFT is manufactured, a large size that is almost uniform within the substrate surface. It is possible to form a poly-Si film with a grain size, and the laser beam necessary to obtain the optimum crystal grain size by adopting a film thickness configuration that increases the absorption rate of incident laser light by the laminated film It is also possible to reduce the strength.

また、本発明のレーザアニール方法を利用して半導体薄膜を形成すれば、粒径分布の均一な大粒径の半導体薄膜が得られるので、この半導体薄膜を例えばチャンネル部に使用すると、TFT特性の優れた薄膜半導体装置を提供できる。   In addition, if a semiconductor thin film is formed using the laser annealing method of the present invention, a semiconductor thin film having a large particle size with a uniform particle size distribution can be obtained. An excellent thin film semiconductor device can be provided.

さらに、本発明のレーザアニール方法を利用して得られた半導体薄膜が使用された薄膜半導体素子を設けた表示装置によれば、特にボトムゲート型構造の薄膜半導体素子を有する表示装置の場合、この表示装置における薄膜半導体素子が良好なTFT特性を有する。   Further, according to the display device provided with the thin film semiconductor element using the semiconductor thin film obtained by utilizing the laser annealing method of the present invention, particularly in the case of the display device having the thin film semiconductor element of the bottom gate type structure, A thin film semiconductor element in a display device has good TFT characteristics.

上記したようにして、本発明によれば結晶性と均一性に優れたpoly-Si膜を提供でき、この膜を用いたTFTを実現することができるので、本発明は、このTFTを用いた有機ELディスプレイや液晶ディスプレイ等のフラットパネルディスプレイの表示装置分野に適用可能である。   As described above, according to the present invention, a poly-Si film having excellent crystallinity and uniformity can be provided, and a TFT using this film can be realized. Therefore, the present invention uses this TFT. The present invention is applicable to the field of flat panel display devices such as organic EL displays and liquid crystal displays.

ボトムゲート型TFTを作製する際のレーザアニール時の積層膜構成を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the laminated film structure at the time of laser annealing at the time of producing bottom gate type TFT. a-Si/SiOx(50nm)/SiNx(50nm)/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成において、a-Si膜厚を変えたときの固体グリーンレーザ吸収率の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of a solid green laser absorptivity when a-Si film thickness is changed in the laminated film structure of a-Si / SiO x (50 nm) / SiN x (50 nm) / gate electrode film / glass substrate. a-Si(50nm)/SiOx(50nm)/SiNx(50nm)/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成において、レーザアニールした時の照射レーザ光エネルギー密度とpoly-Si平均結晶粒径との関係を示すグラフ。In the laminated film configuration of a-Si (50 nm) / SiO x (50 nm) / SiN x (50 nm) / gate electrode film / glass substrate, the irradiation laser light energy density and the poly-Si average crystal grain size during laser annealing The graph which shows the relationship. a-Si(70nm)/SiOx(50nm)/SiNx(50nm)/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成において、レーザアニールした時の照射レーザ光エネルギー密度とpoly-Si平均結晶粒径との関係を示すグラフ。In the laminated film configuration of a-Si (70 nm) / SiO x (50 nm) / SiN x (50 nm) / gate electrode film / glass substrate, the irradiation laser beam energy density and poly-Si average crystal grain size when laser annealing is performed The graph which shows the relationship. a-Si(50nm)/SiOx/SiNx(50nm)/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成において、SiOx膜厚を変えたときの固体グリーンレーザ吸収率の変化を示すグラフ。In a-Si (50nm) / SiO x / SiN x (50nm) / gate electrode film / laminate film structure of the glass substrate, the graph showing the change of the solid-state green laser absorptivity when changing the SiO x film thickness. a-Si(50nm)/SiOx(50nm)/SiNx/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成において、SiNx膜厚を変えたときの固体グリーンレーザ吸収率の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of a solid green laser absorptivity when SiNx film thickness is changed in the laminated film structure of a-Si (50 nm) / SiO x (50 nm) / SiN x / gate electrode film / glass substrate. a-Si(40-70nm)/SiOx(50nm)/SiNx(50nm)/ゲート電極膜/ガラス基板の積層膜構成において、レーザアニールした時の0.5μmと1.0μmの平均粒径の結晶が得られるエネルギー密度とa-Si膜厚との関係を示すグラフ。In the laminated film configuration of a-Si (40-70 nm) / SiO x (50 nm) / SiN x (50 nm) / gate electrode film / glass substrate, crystals with an average grain size of 0.5 μm and 1.0 μm when laser annealed The graph which shows the relationship between the energy density obtained and a-Si film thickness.

符号の説明Explanation of symbols

1 ガラス基板 2 ゲート電極膜
3 SiNx 4 SiOx
5 a-Si膜
1 Glass substrate 2 Gate electrode film 3 SiN x film 4 SiO x film 5 a-Si film

Claims (27)

波長が350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを線状ビームに成形し、基板上の膜材料に照射することを特徴とするレーザアニール方法。 A laser annealing method characterized by forming a laser beam generated from a pulse laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less into a linear beam and irradiating the film material on the substrate. 上記基板上の膜材料が、非晶質シリコン膜単独、又は非晶質シリコン膜と絶縁膜とが積層された多層膜であることを特徴とする請求項1記載のレーザアニール方法。 2. The laser annealing method according to claim 1, wherein the film material on the substrate is an amorphous silicon film alone or a multilayer film in which an amorphous silicon film and an insulating film are laminated. 上記絶縁膜が、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であることを特徴とする請求項2記載のレーザアニール方法。 3. The laser annealing method according to claim 2, wherein the insulating film is at least one film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film. 上記基板上の膜材料が、パターニングされた電極膜の上に形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のレーザアニール方法。 The laser annealing method according to claim 1, wherein the film material on the substrate is formed on a patterned electrode film. 上記基板上の膜材料として用いる非晶質シリコン膜の膜厚を照射レーザ光の光吸収率が大きくなるように制御し、より小さな照射レーザ光強度で基板面内で均一な粒径の多結晶シリコン膜を形成することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のレーザアニール方法。 The film thickness of the amorphous silicon film used as the film material on the substrate is controlled so that the light absorptance of the irradiation laser beam is increased, and the polycrystalline particle having a uniform grain size within the substrate surface with a smaller irradiation laser beam intensity. The laser annealing method according to claim 2, wherein a silicon film is formed. 上記基板上の膜材料として用いる多層膜の各層の膜厚を制御することで照射レーザ光の光吸収率を制御し、基板面内で均一な大粒径の多結晶シリコン膜を形成することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のレーザアニール方法。 By controlling the film thickness of each layer of the multilayer film used as the film material on the substrate, the light absorptance of the irradiation laser beam is controlled, and a polycrystalline silicon film having a uniform large grain size is formed on the substrate surface. The laser annealing method according to any one of claims 2 to 4, wherein 上記基板上の膜材料として用いる多層膜の各層の膜厚を照射レーザ光の光吸収率が大きくなるように制御し、より小さな照射レーザ光強度で基板面内で均一な粒径の多結晶シリコン膜を形成することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のレーザアニール方法。 The thickness of each layer of the multilayer film used as the film material on the substrate is controlled so that the light absorptance of the irradiation laser light is increased, and the polycrystalline silicon has a uniform particle size within the substrate surface with a smaller irradiation laser light intensity. The laser annealing method according to claim 2, wherein a film is formed. 上記パルスレーザ光源が、QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:ガラスレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:YLFレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Yb:YAGやYb:ガラスのYbイオンドープの固体レーザの第2高調波若しくは第3高調波、又はTi:サファイアレーザの基本波若しくは第2高調波であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のレーザアニール方法。 The pulse laser source is the second or third harmonic of a Q-switched Nd: YAG laser, the second or third harmonic of an Nd: glass laser, or the second or third harmonic of an Nd: YLF laser. A harmonic, a second harmonic or a third harmonic of a Yb: YAG or Yb: glass Yb ion-doped solid-state laser, or a fundamental wave or a second harmonic of a Ti: sapphire laser. The laser annealing method according to any one of 1 to 7. ゲート電極を含む配線形状にパターニングされている光吸収層が形成された基板上に絶縁膜を介して半導体薄膜を設けてなる薄膜半導体装置において、該半導体薄膜が、波長350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを成形した線状ビームを照射してレーザアニールして結晶化された膜であることを特徴とする薄膜半導体装置。 In a thin film semiconductor device in which a semiconductor thin film is provided via an insulating film on a substrate on which a light absorption layer patterned into a wiring shape including a gate electrode is formed, the semiconductor thin film has a pulse having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less A thin film semiconductor device characterized by being a film crystallized by irradiating a linear beam formed by a laser beam generated from a laser light source and laser annealing. 上記絶縁膜が、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であり、上記半導体薄膜が、非晶質シリコン膜であることを特徴とする請求項9記載の薄膜半導体装置。 10. The thin film semiconductor according to claim 9, wherein the insulating film is at least one film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the semiconductor thin film is an amorphous silicon film. apparatus. 上記パルスレーザ光源が、QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:ガラスレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:YLFレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Yb:YAGやYb:ガラスのYbイオンドープの固体レーザの第2高調波若しくは第3高調波、又はTi:サファイアレーザの基本波若しくは第2高調波であることを特徴とする請求項9又は10記載の薄膜半導体装置。 The pulse laser source is the second or third harmonic of a Q-switched Nd: YAG laser, the second or third harmonic of an Nd: glass laser, or the second or third harmonic of an Nd: YLF laser. A harmonic, a second harmonic or a third harmonic of a Yb: YAG or Yb: glass Yb ion-doped solid-state laser, or a fundamental wave or a second harmonic of a Ti: sapphire laser. The thin film semiconductor device according to 9 or 10. ゲート電極を含む配線形状にパターニングされている光吸収層が形成された基板上に半導体薄膜を含む薄膜半導体装置用の膜材料を形成し、この膜材料に対して、波長が350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを成形した線状ビームを照射して半導体薄膜をレーザアニールし、結晶化することを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。 A film material for a thin film semiconductor device including a semiconductor thin film is formed on a substrate on which a light absorption layer patterned into a wiring shape including a gate electrode is formed, and the wavelength of the film material is 350 nm to 800 nm. A method of manufacturing a thin film semiconductor device, wherein a semiconductor thin film is laser-annealed by irradiating a linear beam formed from a laser beam generated from a pulsed laser light source and crystallized. 上記膜材料が、非晶質シリコン膜単独、又は非晶質シリコン膜とシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の絶縁膜である膜とが積層された多層膜であることを特徴とする請求項12記載の薄膜半導体装置の製造方法。 The film material is an amorphous silicon film alone or a multilayer film in which an amorphous silicon film and a film that is at least one insulating film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film are laminated. The method of manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 12. 上記膜材料が、パターニングされた電極膜である光吸収層上に積層されている多層膜であることを特徴とする請求項12又は13記載の薄膜半導体装置の製造方法。 14. The method of manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 12, wherein the film material is a multilayer film laminated on a light absorption layer which is a patterned electrode film. 上記膜材料として用いる多層膜の各層の膜厚を制御することで照射レーザ光の光吸収率を制御し、基板面内で均一な大粒径の多結晶シリコン膜を形成することを特徴とする請求項12〜14のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。 By controlling the film thickness of each layer of the multilayer film used as the film material, the light absorptance of the irradiation laser light is controlled, and a polycrystalline silicon film having a uniform large grain size is formed within the substrate surface. The manufacturing method of the thin film semiconductor device in any one of Claims 12-14. 上記膜材料として用いる多層膜の各層の膜厚を、照射レーザ光の光吸収率が大きくなるように制御し、より小さな照射レーザ光強度で基板面内で均一な粒径の多結晶シリコン膜を形成することを特徴とする請求項12〜14のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。 The film thickness of each layer of the multilayer film used as the film material is controlled so that the light absorptance of the irradiation laser light is increased, and a polycrystalline silicon film having a uniform grain size within the substrate surface with a smaller irradiation laser light intensity. The method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 12, wherein the method is formed. 上記パルスレーザ光源が、QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:ガラスレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:YLFレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Yb:YAGやYb:ガラスのYbイオンドープの固体レーザの第2高調波若しくは第3高調波、又はTi:サファイアレーザの基本波若しくは第2高調波であることを特徴とする請求項12〜16のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。 The pulse laser source is the second or third harmonic of a Q-switched Nd: YAG laser, the second or third harmonic of an Nd: glass laser, or the second or third harmonic of an Nd: YLF laser. A harmonic, a second harmonic or a third harmonic of a Yb: YAG or Yb: glass Yb ion-doped solid-state laser, or a fundamental wave or a second harmonic of a Ti: sapphire laser. The manufacturing method of the thin film semiconductor device in any one of 12-16. 表示基板上に薄膜半導体素子を設けてなる表示装置において、該薄膜半導体素子が、ゲート電極を含む配線形状にパターニングされている光吸収層が形成された基板上に絶縁膜を介して半導体薄膜を設けてなるものであり、該半導体薄膜が、波長が350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを成形した線状ビームを照射してレーザアニールして結晶化された膜であることを特徴とする表示装置。 In a display device in which a thin film semiconductor element is provided on a display substrate, the thin film semiconductor element is formed on a substrate on which a light absorption layer patterned in a wiring shape including a gate electrode is formed via an insulating film. The semiconductor thin film is a film that is crystallized by laser annealing by irradiating a linear beam formed from a laser beam generated from a pulsed laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less. A display device characterized by that. 上記絶縁膜が、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であり、上記半導体薄膜が、非晶質シリコン膜であることを特徴とする請求項18記載の表示装置。 19. The display device according to claim 18, wherein the insulating film is at least one film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the semiconductor thin film is an amorphous silicon film. . 上記表示基板上に、上記薄膜半導体素子に接続された有機EL素子を設けてなることを特徴とする請求項18又は19記載の表示装置。 20. The display device according to claim 18, wherein an organic EL element connected to the thin film semiconductor element is provided on the display substrate. 上記表示基板上に、上記薄膜半導体素子に接続させて液晶駆動用の画素電極を設けてなることを特徴とする請求項18〜20のいずれかに記載の表示装置。 21. The display device according to claim 18, wherein a pixel electrode for driving a liquid crystal is provided on the display substrate so as to be connected to the thin film semiconductor element. 上記パルスレーザ光源が、QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:ガラスレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:YLFレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Yb:YAGやYb:ガラスのYbイオンドープの固体レーザの第2高調波若しくは第3高調波、又はTi:サファイアレーザの基本波若しくは第2高調波であることを特徴とする請求項18〜21のいずれかに記載の表示装置。 The pulse laser source is the second or third harmonic of a Q-switched Nd: YAG laser, the second or third harmonic of an Nd: glass laser, or the second or third harmonic of an Nd: YLF laser. A harmonic, a second harmonic or a third harmonic of a Yb: YAG or Yb: glass Yb ion-doped solid-state laser, or a fundamental wave or a second harmonic of a Ti: sapphire laser. The display device according to any one of 18 to 21. 表示基板上に薄膜半導体素子を設けてなる表示装置の製造方法において、
ゲート電極を含む配線形状にパターニングされている光吸収層が形成された基板上に絶縁膜を介して半導体薄膜を設けて薄膜半導体素子を形成し、該半導体薄膜に対し、波長350nm以上800nm以下であるパルスレーザ光源より発生させたレーザビームを成形した線状ビームを照射してレーザアニールして結晶化させ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 in which a thin film semiconductor element is provided on a display substrate,
A thin film semiconductor element is formed by providing a semiconductor thin film through an insulating film on a substrate on which a light absorption layer patterned into a wiring shape including a gate electrode is formed, and the wavelength of the semiconductor thin film is 350 nm to 800 nm. A method for manufacturing a display device, characterized in that a linear beam formed by a laser beam generated from a pulsed laser light source is irradiated and laser annealed to crystallize.
上記絶縁膜が、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜から選ばれた少なくとも1種の膜であり、上記半導体薄膜が、非晶質シリコン膜であることを特徴とする請求項23記載の表示装置の製造方法。 24. The display device according to claim 23, wherein the insulating film is at least one film selected from a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the semiconductor thin film is an amorphous silicon film. Manufacturing method. 上記表示基板上に、上記薄膜半導体素子に接続させて有機EL素子を形成することを特徴とする請求項23又は24記載の表示装置の製造方法。 25. The method of manufacturing a display device according to claim 23, wherein an organic EL element is formed on the display substrate by being connected to the thin film semiconductor element. 上記表示基板上に、上記薄膜半導体素子に接続させて液晶駆動用の画素電極を形成することを特徴とする請求項23〜25のいずれかに記載の表示装置の製造方法。 26. The method for manufacturing a display device according to claim 23, wherein a pixel electrode for driving a liquid crystal is formed on the display substrate so as to be connected to the thin film semiconductor element. 上記パルスレーザ光源が、QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波又は第3高調波、Nd:ガラスレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Nd:YLFレーザの第2高調波若しくは第3高調波、Yb:YAGやYb:ガラスのYbイオンドープの固体レーザの第2高調波若しくは第3高調波、又はTi:サファイアレーザの基本波若しくは第2高調波であることを特徴とする請求項23〜26のいずれかに記載の表示装置の製造方法。 The pulse laser source is the second or third harmonic of a Q-switched Nd: YAG laser, the second or third harmonic of an Nd: glass laser, the second or third harmonic of an Nd: YLF laser. A harmonic, a second harmonic or a third harmonic of a Yb: YAG or Yb: glass Yb ion-doped solid-state laser, or a fundamental wave or a second harmonic of a Ti: sapphire laser. The manufacturing method of the display apparatus in any one of 23-26.
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