JP2009016600A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
近年、ガラス基板等の絶縁基板上に形成した非晶質半導体層を結晶化することにより、結晶構造を有する半導体層(以下、結晶質半導体層という。)を作製する技術が広く研究されている。結晶質半導体層は、例えば、多結晶半導体層、微結晶半導体層である。結晶質半導体層は非晶質半導体層よりも高いキャリア移動度を有しており、結晶質半導体層を用いて作製された薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)は、非晶質半導体層を用いて作製されたTFTよりも高速に動作可能である。 In recent years, a technique for manufacturing a semiconductor layer having a crystal structure (hereinafter referred to as a crystalline semiconductor layer) by crystallizing an amorphous semiconductor layer formed over an insulating substrate such as a glass substrate has been widely studied. . The crystalline semiconductor layer is, for example, a polycrystalline semiconductor layer or a microcrystalline semiconductor layer. The crystalline semiconductor layer has higher carrier mobility than the amorphous semiconductor layer, and a thin film transistor (TFT) manufactured using the crystalline semiconductor layer uses the amorphous semiconductor layer. It can operate at higher speed than the fabricated TFT.
非晶質半導体層を結晶化する方法として、非晶質半導体層に、結晶化の触媒となる触媒元素(例えば、ニッケル)を添加して加熱処理を行うCGS(Continuous Grain Silicon)法が知られている。CGS法により、ガラスの歪み点以下の低温度で結晶化を行うことができる。また、CGS法で得られる結晶質半導体層(例えば、多結晶シリコン層)の平均結晶粒径は、エキシマレーザビームの照射によって得られる結晶質半導体層の平均結晶粒径よりも大きく、高い移動度を実現することができる。 As a method for crystallizing an amorphous semiconductor layer, there is known a CGS (Continuous Grain Silicon) method in which a catalytic element (for example, nickel) serving as a crystallization catalyst is added to an amorphous semiconductor layer and heat treatment is performed. ing. By the CGS method, crystallization can be performed at a low temperature below the strain point of glass. The average crystal grain size of a crystalline semiconductor layer (for example, a polycrystalline silicon layer) obtained by the CGS method is larger than the average crystal grain size of a crystalline semiconductor layer obtained by irradiation with an excimer laser beam, and has a high mobility. Can be realized.
しかしながら、CGS法で作製した結晶質半導体層を用いてTFTを形成する場合、触媒元素がチャネル領域に残留していると、TFTのオフ電流が突発的に増大することがある。このため、触媒元素をゲッタリングするためのゲッタリング領域を設けて、オフ電流の突発的な増加を抑制することが知られている(例えば、特許文献1参照)。 However, when a TFT is formed using a crystalline semiconductor layer manufactured by the CGS method, the off-current of the TFT may increase suddenly if the catalytic element remains in the channel region. For this reason, it is known that a gettering region for gettering the catalytic element is provided to suppress a sudden increase in off-current (for example, see Patent Document 1).
以下、図6を参照して、特許文献1に開示されている結晶質半導体層の従来の製造方法を説明する。
Hereinafter, a conventional method for manufacturing a crystalline semiconductor layer disclosed in
まず、図6(a)に示すように、絶縁基板612上に半導体層620を形成する。例えば、絶縁基板612はガラス基板であり、半導体層620は非晶質シリコン層である。非晶質シリコン層は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法やLPCVD(Low Pressure CVD)法で形成される。その後、半導体層620上に酢酸ニッケル膜615を形成する。
First, as illustrated in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、加熱処理により、半導体層620を結晶化する。加熱処理時に、酢酸ニッケル膜615の酢酸ニッケルは熱分解されてニッケルとなり、このニッケルが半導体層620の結晶化を促進する。その後、半導体層620にエキシマレーザビームを照射して、レーザアニール処理を行う。これにより、触媒元素が分散される。先の工程において半導体層620の表面に酸化膜が形成されるため、酸化膜をフッ酸処理で除去する。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、図6(c)に示すように、半導体層620上にレジスト層632を形成する。レジスト層632は、例えば窒化シリコンから形成される。
Next, as illustrated in FIG. 6C, a
次に、図6(d)に示すように、レジスト層632をエッチングすることにより、マスク634を形成する。その後、半導体層620のうちマスク634で覆われていない領域622にゲッタリング元素として燐を注入する。燐の注入された領域622をゲッタリング領域という。
Next, as shown in FIG. 6D, a
次に、図6(e)に示すように、加熱処理により、半導体層620内の触媒元素をゲッタリング領域622にゲッタリングする。これにより、半導体層620のうちマスク634で覆われている領域内の触媒元素濃度が低下する。
Next, as shown in FIG. 6E, the catalytic element in the
次に、図6(f)に示すように、マスク634を利用してエッチングを行うことにより、半導体層620からゲッタリング領域622とともにゲッタリング領域622以外の領域の一部を除去する。このようにして、触媒元素濃度の低い半導体層620を形成することができる。この半導体層620はTFTの活性層として用いられる。
Next, as illustrated in FIG. 6F, etching is performed using a
また、TFTの活性層として用いる半導体層とは別に半導体層を設けて、ゲッタリングを行うことも知られている(例えば、特許文献2および3参照)。 It is also known to perform gettering by providing a semiconductor layer separately from the semiconductor layer used as the active layer of the TFT (see, for example, Patent Documents 2 and 3).
以下、図7を参照して、特許文献2に開示されている結晶質半導体層の従来の製造方法を説明する。 Hereinafter, a conventional method for manufacturing a crystalline semiconductor layer disclosed in Patent Document 2 will be described with reference to FIG.
まず、図7(a)に示すように、絶縁基板712上に第1半導体層720を形成する。例えば、絶縁基板712はガラス基板であり、第1半導体層720は非晶質シリコン層である。次に、第1半導体層720上にマスク734を形成する。マスク734は、例えば酸化シリコンから形成されている。マスク734には開口部が設けられており、第1半導体層720の一部はマスク734の開口部から露出されている。
First, as shown in FIG. 7A, the
次に、第1半導体層720およびマスク734上に酢酸ニッケル膜715を形成する。ニッケルは結晶化を促進するための触媒元素であり、これにより、触媒元素が第1半導体層720に付与される。
Next, a
次に、図7(b)に示すように、加熱処理を行い、第1半導体層720を結晶化する。加熱処理時に、酢酸ニッケル膜715のニッケルは、マスク734の開口部に対応する部分から第1半導体層720を横方向に移動する。これにより、第1半導体層720の結晶化が促進される。
Next, as shown in FIG. 7B, heat treatment is performed to crystallize the
次に、図7(c)に示すように、マスク734の開口部から露出されている第1半導体層720の領域上に酸化シリコン膜736を形成する。その後、マスク734および酸化シリコン膜736を覆う第2半導体層730を形成する。第2半導体層730は、ゲッタリング元素として燐を含有している。
Next, as illustrated in FIG. 7C, a
次に、図7(d)に示すように、加熱処理を行い、第1半導体層720内の触媒元素の少なくとも一部を第1半導体層720から酸化シリコン膜736を介して第2半導体層730に移動させて、第1半導体層720内の触媒元素を第2半導体層730にゲッタリングする。これにより、第1半導体層720内の触媒元素濃度が低下する。
Next, as shown in FIG. 7D, heat treatment is performed, and at least a part of the catalytic element in the
次に、図7(e)に示すように、第2半導体層730およびマスク734を除去する。このようにして、触媒元素濃度の低い第1半導体層720を形成することができる。この第1半導体層720はTFTの活性層として用いられる。
Next, as shown in FIG. 7E, the
次に、図8を参照して、特許文献3に開示されている半導体装置の従来の製造方法を説明する。 Next, a conventional method for manufacturing a semiconductor device disclosed in Patent Document 3 will be described with reference to FIG.
まず、図8(a)に示すように、絶縁基板812上に第1半導体層820を形成する。絶縁基板812はガラス基板であり、第1半導体層820は非晶質シリコン層である。第1半導体層820はスパッタリング法で形成される。第1半導体層820は、ゲッタリング元素としてアルゴンを含有している。
First, as shown in FIG. 8A, the
次に、図8(b)に示すように、第1半導体層820上に第1絶縁層814を形成する。第1絶縁層814は酸化シリコンから形成されている。第1絶縁層814はプラズマCVD法で形成される。
Next, as illustrated in FIG. 8B, a first insulating
次に、図8(c)に示すように、第1絶縁層814上に第2半導体層830を形成する。第2半導体層830は非晶質シリコン層である。第2半導体層830はプラズマCVD法で形成される。
Next, as illustrated in FIG. 8C, the
次に、図8(d)に示すように、第2半導体層830に触媒元素としてニッケルを添加する。ニッケルは第2半導体層830の全面に付与される。その後、加熱処理を行う。この加熱処理により、第2半導体層830が結晶化されるとともに第2半導体層830内に存在したニッケルは第1半導体層820にゲッタリングされる。
Next, as shown in FIG. 8D, nickel is added to the
次に、図8(e)に示すように、第2半導体層830にレーザビームを照射する。これにより、第2半導体層830の結晶性が向上する。レーザビームとしてエキシマレーザビームが用いられる。
Next, as shown in FIG. 8E, the
次に、図8(f)に示すように、第2半導体層830の一部を除去し、素子間分離を行う。このようにして形成された第2半導体層830はTFTの活性層として用いられる。その後、第2半導体層830上に第2絶縁層816を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 8F, part of the
次に、図8(g)に示すように、第2絶縁層816の上に金属層842を形成する。金属層842はTFTのゲート電極として機能する。
Next, as illustrated in FIG. 8G, a
次に、図8(h)に示すように、第2半導体層830の金属層842によって覆われていない領域に不純物元素を注入する。不純物元素の注入は、例えば、イオンドーピング法で行われる。以上のようにしてTFT840が作製される。
Next, as illustrated in FIG. 8H, an impurity element is implanted into a region of the
また、TFTの活性層に光が入射すると、それに応じて、TFTが誤動作することがある。特に、半導体装置を用いて液晶表示装置のアクティブマトリクス基板を作製する場合、バックライトの光によってTFTは誤動作しやすい。このようなTFTの誤動作を防止するために、遮光膜を設けることが知られている(例えば、特許文献4参照)。 Further, when light enters the active layer of the TFT, the TFT may malfunction accordingly. In particular, when an active matrix substrate of a liquid crystal display device is manufactured using a semiconductor device, the TFT is likely to malfunction due to backlight light. In order to prevent such a malfunction of the TFT, it is known to provide a light shielding film (for example, see Patent Document 4).
図9に、特許文献4に開示されている液晶表示装置900を示す。液晶表示装置900には、TFT940および補助容量配線942の両方の下方にわたって広がる導電性遮光膜950が設けられている。導電性遮光膜950は、金属または金属化合物からなり、画素電極944と電気的に接続された半導体層920と容量を形成する。このため、導電性遮光膜950は、半導体層920の遮光膜として機能するだけでなくTFT940のリーク電流を低減している。
特許文献1に開示されている製造方法では、触媒元素を用いて結晶化を行った後にゲッタリング領域を除去している。また、特許文献2に開示されている製造方法では、触媒元素を用いて結晶化を行った後にゲッタリング領域を含む第2半導体層を除去している。このように、特許文献1および特許文献2に開示されている製造方法では、ゲッタリング元素を含有する半導体層またはその一部を除去しているため、結晶質半導体層の製造工程数および製造時間が増大し、高速動作を行うTFTを簡便に製造できない。
In the manufacturing method disclosed in
また、特許文献3に開示されている製造方法では、触媒元素が横方向に移動する結晶成長と触媒元素が縦方向に移動するゲッタリングとが同時に進行する。このため、第1半導体層と第2半導体層との間に設けられた絶縁層が厚いと、ゲッタリングよりも結晶成長が優先して起こり、粒径の大きな結晶性シリコンが得られる一方でゲッタリングが十分に行われない可能性がある。また、第1半導体層と第2半導体層との間に設けられた絶縁層が薄いと、結晶成長よりもゲッタリングが優先して起こるため、触媒元素の不足に起因して結晶性シリコンの粒径が小さくなったり、半導体層において十分に結晶化されない領域が残ってしまう可能性がある。このように、特許文献3の製造方法では、絶縁層が厚くても薄くても問題が発生し、絶縁層の厚さのバラツキに対するマージンが小さい。 Further, in the manufacturing method disclosed in Patent Document 3, crystal growth in which the catalytic element moves in the horizontal direction and gettering in which the catalytic element moves in the vertical direction proceed simultaneously. For this reason, if the insulating layer provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is thick, crystal growth takes precedence over gettering, and crystalline silicon having a large grain size can be obtained while gettering is obtained. There is a possibility that the ring is not performed sufficiently. In addition, if the insulating layer provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is thin, gettering takes precedence over crystal growth. There is a possibility that the diameter becomes small or a region that is not sufficiently crystallized remains in the semiconductor layer. As described above, in the manufacturing method of Patent Document 3, a problem occurs whether the insulating layer is thick or thin, and a margin for variation in the thickness of the insulating layer is small.
また、特許文献4に開示されている液晶表示装置のように、TFTの誤動作を防止するために遮光層を作製すると、製造工程数および製造時間が増大する。 Further, as in the liquid crystal display device disclosed in Patent Document 4, if a light shielding layer is produced in order to prevent malfunction of the TFT, the number of production steps and production time increase.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、高速動作を実現する薄膜トランジスタの誤動作を抑制した半導体装置およびその簡便な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 problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which malfunction of a thin film transistor that realizes high-speed operation is suppressed, and a simple manufacturing method thereof.
本発明による半導体装置は、前面および背面を有する透明基板と、前記透明基板の前記前面に支持された第1半導体層と、前記第1半導体層上に選択的に設けられた絶縁層と、薄膜トランジスタの活性層であって、前記絶縁層を介して前記第1半導体層と対向する活性層を含む第2半導体層とを備える半導体装置であって、前記第1半導体層は、ゲッタリング元素と、前記第2半導体層の結晶化を促進した触媒元素とを含有しており、前記透明基板の前記背面の法線方向からみたときに前記活性層は前記第1半導体層と重なっている。 A semiconductor device according to the present invention includes a transparent substrate having a front surface and a back surface, a first semiconductor layer supported on the front surface of the transparent substrate, an insulating layer selectively provided on the first semiconductor layer, and a thin film transistor And a second semiconductor layer including an active layer facing the first semiconductor layer with the insulating layer interposed therebetween, wherein the first semiconductor layer includes a gettering element, A catalyst element that promotes crystallization of the second semiconductor layer, and the active layer overlaps the first semiconductor layer when viewed from the normal direction of the back surface of the transparent substrate.
ある実施形態において、前記第1半導体層内の前記触媒元素の濃度は、前記第2半導体層内の前記触媒元素の濃度よりも高い。 In one embodiment, the concentration of the catalytic element in the first semiconductor layer is higher than the concentration of the catalytic element in the second semiconductor layer.
ある実施形態において、前記活性層は、ソース領域、チャネル領域およびドレイン領域を有しており、前記第1半導体層は、前記活性層の前記チャネル領域よりも高い電気伝導率を有しており、前記第1半導体層は、前記チャネル領域の導電性を制御するゲートとして機能する。 In one embodiment, the active layer has a source region, a channel region, and a drain region, and the first semiconductor layer has a higher electrical conductivity than the channel region of the active layer, The first semiconductor layer functions as a gate for controlling the conductivity of the channel region.
ある実施形態において、前記第2半導体層は、前記第1半導体層と接触する接続部をさらに含み、前記活性層の前記ソース領域および前記ドレイン領域、ならびに、前記接続部は、同じ不純物元素を含有している。 In one embodiment, the second semiconductor layer further includes a connection part in contact with the first semiconductor layer, and the source region and the drain region of the active layer, and the connection part contain the same impurity element. is doing.
本発明による半導体装置の製造方法は、前面および背面を有する透明基板を用意する工程と、前記透明基板の前記前面に支持された第1半導体層であって、ゲッタリング元素を含有する第1半導体層を形成する工程と、前記第1半導体層上に選択的に絶縁層を形成する工程と、前記第1半導体層および前記絶縁層を覆う第2半導体層を形成する工程と、結晶化を促進するための触媒元素を前記第2半導体層に付与する工程と、前記第2半導体層に前記触媒元素を付与した後、熱アニール処理を行う工程であって、前記第2半導体層を結晶化するとともに前記第2半導体層内の触媒元素の少なくとも一部を前記第1半導体層に移動させる工程と、前記熱アニール処理を行った後、前記第2半導体層のうち前記透明基板の前記背面の法線方向からみたときに前記第1半導体層と重なる部分を活性層として用いた薄膜トランジスタを形成する工程とを包含する。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of preparing a transparent substrate having a front surface and a back surface, and a first semiconductor layer supported on the front surface of the transparent substrate, the first semiconductor containing a gettering element. A step of forming a layer, a step of selectively forming an insulating layer on the first semiconductor layer, a step of forming a second semiconductor layer covering the first semiconductor layer and the insulating layer, and promoting crystallization A step of applying a catalytic element to the second semiconductor layer, and a step of applying a thermal annealing treatment after applying the catalytic element to the second semiconductor layer, wherein the second semiconductor layer is crystallized. And at least part of the catalytic element in the second semiconductor layer is moved to the first semiconductor layer, and after the thermal annealing treatment, the method of the back surface of the transparent substrate in the second semiconductor layer is performed. From the line direction Comprising a step of a portion overlapping with the first semiconductor layer to form a thin film transistor used as the active layer when the.
ある実施形態において、前記薄膜トランジスタを形成する工程は、前記第2半導体層の一部を選択的に除去することにより、前記第2半導体層のうち前記薄膜トランジスタの前記活性層となる部分と前記第1半導体層とを分離する工程を含む。 In one embodiment, the step of forming the thin film transistor includes selectively removing a part of the second semiconductor layer, so that a portion of the second semiconductor layer that becomes the active layer of the thin film transistor and the first semiconductor layer are formed. A step of separating the semiconductor layer.
本発明によれば、高速動作を実現する薄膜トランジスタの誤動作を抑制した半導体装置およびその簡便な製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses a malfunction of a thin film transistor that realizes a high-speed operation and a simple manufacturing method thereof.
以下、図面を参照して、本発明による半導体装置、および、半導体装置の製造方法の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
まず、図1を参照して、本発明による半導体装置の実施形態を説明する。 First, an embodiment of a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態の半導体装置100は、前面112aおよび背面112bを有する透明基板112と、透明基板112の前面112aに支持された第1半導体層120と、第1半導体層120上に選択的に設けられた第1絶縁層114と、TFT140の活性層132を含む第2半導体層130とを備えている。活性層132は、第1絶縁層114を介して第1半導体層120と対向している。また、透明基板112と第1半導体層120との間にはベースコート層113が設けられている。活性層132のソース領域132a、ドレイン領域132bは不純物元素を含有しており、それぞれ、ソース電極144、ドレイン電極146と電気的に接続している。ゲート電極142は、第2絶縁層116を介して活性層132のチャネル領域132cと対向している。
The
第1半導体層120は、ゲッタリング元素、および、第2半導体層130の結晶化を促進した触媒元素を含有している。また、透明基板112の背面112bの法線方向からみたときに活性層132の全体は第1半導体層120と重なっており、透明基板112の背面112bからその法線方向に平行に活性層132に向かって進行する光は、第1半導体層120によって遮られる。これにより、TFT140の誤動作が防止されている。
The
第1半導体層120内の触媒元素の濃度は第2半導体層130内の触媒元素の濃度よりも高い。例えば、第1半導体層120内の触媒元素の濃度は1×1019〜9×1019atoms/cm3であり、第2半導体層130内の触媒元素の濃度は8×1018〜1×1019atoms/cm3である。なお、触媒元素の濃度測定には、2次イオン質量分析(Secondary ion Mass Spectroscopy:SIMS)や誘導結合ブラズマ質量分析(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry:ICP−MS)が用いられる。
The concentration of the catalytic element in the
また、本実施形態の半導体装置100では、第2半導体層130は接続部135をさらに有している。接続部135はソース領域132aおよびドレイン領域132bと同様の不純物元素を含有しており、ボトムゲート電圧入力電極150は接続部135を介して第1半導体層120と電気的に接続している。
Further, in the
また、第1半導体層120は、ゲッタリング元素を含有していることにより、活性層132のチャネル領域132cよりも高い電気伝導率を有している。ボトムゲート電圧入力電極150から接続部135を介して第1半導体層120に電圧を印加すると、活性層132のチャネル領域132cの導電性を制御することができる。このように、第1半導体層120はボトムゲート電極としても機能し、TFT140はダブルゲートトランジスタである。なお、半導体装置100の構造は、電子顕微鏡などを用いた断面構造解析により、容易に検証することができる。
In addition, the
以下、図2を参照して、本発明による半導体装置の製造方法の実施形態を説明する。図2(a)〜(f)は、それぞれ、本実施形態の半導体装置100の製造工程を示す模式的な断面図である。
Hereinafter, an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG. 2A to 2F are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of the
まず、図2(a)に示すように、前面112aおよび背面112bを有する透明基板112を用意し、透明基板112の前面112a上にベースコート層113を形成し、その後、ベースコート層113上に第1半導体層120を形成する。第1半導体層120は、例えば、燐を含有するn型非晶質シリコン層である。この燐はゲッタリング元素として機能する。
First, as shown in FIG. 2A, a
次に、図2(b)に示すように、第1半導体層120上に選択的に第1絶縁層114を形成する。第1絶縁層114には開口部が設けられており、第1絶縁層114の開口部から第1半導体層120が露出されている。
Next, as illustrated in FIG. 2B, the first insulating
次に、図2(c)に示すように、第1半導体層120および第1絶縁層114を覆う第2半導体層130を形成する。なお、第2半導体層130のうち、TFT140の活性層となる部分は第1絶縁層114を介して第1半導体層120と対向する部分であり、この部分を対向部132とよぶ。また、第2半導体層130のうち、対向部132と第1半導体層120との両方と連続する部分を連続部134とよぶ。透明基板112の背面112bの法線方向からみたときに第2半導体層130の対向部132は第1半導体層120と重なっている。
Next, as shown in FIG. 2C, a
次に、図2(d)に示すように、第2半導体層130の上に酢酸ニッケル膜115を形成する。ニッケルは、結晶化を促進するための触媒元素であり、これにより、触媒元素が第2半導体層130に付与される。第2半導体層130内の触媒元素の濃度は2×1019〜9×1020atoms/cm3である。
Next, as illustrated in FIG. 2D, a
次に、図2(e)に示すように、熱アニール処理を行う。これにより、第2半導体層130の結晶化が行われる。このとき、第2半導体層130の対向部132に存在していた触媒元素は横方向に移動して、第2半導体層130の結晶化を促進する。触媒元素は、連続部134に到達すると、連続部134からゲッタリング元素を含有している第1半導体層120に移動する。これにより、第1半導体層120内の触媒元素の濃度は1×1019〜9×1019atoms/cm3となり、第2半導体層130内の触媒元素の濃度は8×1018〜1×1019atoms/cm3となる。このように、熱アニール処理により、第2半導体層130の結晶化が行われるとともに第2半導体層130内の触媒元素の少なくとも一部が第1半導体層120に移動する。
Next, as shown in FIG. 2E, thermal annealing is performed. Thereby, the
次に、図2(f)に示すように、第2半導体層130の対向部132を活性層としたTFT140を形成する。具体的には、まず、第2半導体層130の連続部134の一部を除去することにより、第2半導体層130の対向部132から分離された接続部135を形成する。対向部132はTFTの活性層となる。その後、活性層132、接続部135および第1絶縁層114を覆う第2絶縁層116を形成し、第2絶縁層116を介して活性層132と対向する位置にゲート電極142を形成する。その後、第2絶縁層116およびゲート電極142を覆う層間膜118を形成し、第2絶縁層116および層間膜118にコンタクトホールを形成する。このコンタクトホールにソース電極144、ドレイン電極146およびボトムゲート電圧入力電極150を形成する。半導体装置100は以上のようにして作製される。
Next, as shown in FIG. 2F, a
本実施形態の製造方法によれば、熱アニール処理により、結晶化とともにゲッタリングを行うため、製造工程および製造時間を短縮することができる。なお、一般的に、結晶質半導体層の作製は、非晶質半導体層と比較して、多くの工程数および長い作製時間を要する。特に、CGS法で結晶質半導体層を作製する場合、図6および図7を参照して上述した特許文献1および2に開示されている製造方法では、ゲッタリングを行った後にゲッタリング元素を含有する半導体層またはその一部を除去している。これに対して、本実施形態では、ゲッタリング元素を含有する第1半導体層120を除去しておらず、従来の製造方法と比べて短時間で結晶質半導体層を作製することができる。
According to the manufacturing method of this embodiment, since gettering is performed together with crystallization by thermal annealing, the manufacturing process and manufacturing time can be shortened. Note that in general, a crystalline semiconductor layer requires a larger number of steps and a longer manufacturing time than an amorphous semiconductor layer. In particular, when a crystalline semiconductor layer is manufactured by the CGS method, the manufacturing method disclosed in
また、図8を参照して上述した特許文献3に開示されている製造方法では、熱アニール処理時において第2半導体層830内の触媒元素は横方向だけでなく縦方向にも移動し、この縦方向の移動により、ゲッタリングが行われている。これに対して、本実施形態の製造方法では、第2半導体層130の対向部132内の触媒元素は、連続部134に到達するまで横方向に移動し、連続部134を介して第1半導体層120に移動する。触媒元素が横方向に移動して結晶化された対向部132がTFT140の活性層として用いられるため、TFT140は高速動作を実現することができる。
Further, in the manufacturing method disclosed in Patent Document 3 described above with reference to FIG. 8, the catalyst element in the
また、本実施形態では、ゲッタリング元素を含有する第1半導体層120を遮光層およびボトムゲートとして活用している。このため、遮光層およびボトムゲートを別途作製するための製造工程および製造時間を短縮することができる。
In the present embodiment, the
なお、上述した説明では触媒元素はニッケル(Ni)であったが、本発明はこれに限定されない。触媒元素は、Co、Sn、Pb、Pd、FeまたはCuであってもよく、またはこれらのうちの複数種の元素であってもよい。 In the above description, the catalyst element is nickel (Ni), but the present invention is not limited to this. The catalytic element may be Co, Sn, Pb, Pd, Fe, or Cu, or a plurality of these elements.
また、上述した説明では、ゲッタリング元素は燐(P)であったが、本発明はこれに限定されない。ゲッタリング元素として、燐以外のn型を付与する周期表第5族Bに属する元素を用いてもよい。また、ゲッタリング元素として、上記周期表第5族Bに属する元素とともに周期表第3族Bに属する元素を用いてもよい。なお、ゲッタリング元素として燐やボロンを用いることにより、第1半導体層120の可視光の透過率が低下するため、第1半導体層120の遮光性を向上させることができる。また、第1半導体層120をボトムゲート電極として用いる場合、低抵抗を実現するために、ゲッタリング元素として周期表第5族Bに属する元素を用いることが好ましい。
In the above description, the gettering element is phosphorus (P), but the present invention is not limited to this. As the gettering element, an element belonging to Group B of the periodic table that imparts n-type other than phosphorus may be used. Moreover, you may use the element which belongs to periodic table group 3 B with the element which belongs to the said periodic table group 5 B as a gettering element. Note that by using phosphorus or boron as the gettering element, the visible light transmittance of the
ゲッタリングは、触媒元素の固溶度の違いに起因して行われている。半導体層に対する触媒元素の固溶度を比較すると、非晶質半導体層の固溶度は多結晶半導体層よりも高く、また、非晶質半導体層のうち、不純物元素のドーピングされた非晶質半導体層の固溶度は不純物元素のドーピングされていない非晶質半導体層よりも高い。触媒元素は、熱アニール処理工程において、固溶度の小さな領域から固溶度の大きな領域に移動するため、熱アニール処理の時間が長いほど、多くの触媒元素が第2半導体層130から第1半導体層120に移動し、反対に、第2半導体層130から第1半導体層120に移動した触媒元素は、第1半導体層120から第2半導体層130に移動しない。また、触媒元素は、熱アニール処理以外の様々な処理においても第2半導体層130から第1半導体層120に移動しない。
Gettering is performed due to the difference in the solid solubility of the catalytic element. Comparing the solid solubility of the catalytic element with respect to the semiconductor layer, the solid solubility of the amorphous semiconductor layer is higher than that of the polycrystalline semiconductor layer, and the amorphous semiconductor layer is doped with an impurity element. The solid solubility of the semiconductor layer is higher than that of an amorphous semiconductor layer not doped with an impurity element. Since the catalytic element moves from the low solid solubility region to the high solid solubility region in the thermal annealing treatment step, the longer the thermal annealing treatment time, the more the catalytic element from the
次に、図3から図5を参照して本実施形態の製造方法を更に詳細に説明する。 Next, the manufacturing method of this embodiment will be described in more detail with reference to FIGS.
まず、図3(a)に示すように、前面112aおよび背面112bを有する透明基板112を用意し、透明基板112の前面112a上にベースコート層113を形成する。透明基板112は、例えば、ガラス基板である。また、ベースコート層113は、例えば、プラズマ化学気相成長法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition:PE−CVD)法により、酸窒化シリコン膜および酸化シリコン膜を順番に堆積することにより、形成される。
First, as shown in FIG. 3A, a
次に、図3(b)に示すように、ベースコート層113上に第1半導体層120を形成する。第1半導体層120は、燐を含有するn型非晶質シリコン層であり、この燐はゲッタリング元素として機能する。n型非晶質シリコン層は、例えば、SiH4(シラン)、PH3(ホスフィン)、NH3混合ガスを用いたPE−CVD法で形成される。なお、PH3の比率はSiH4の0.5%程度であり、第1半導体層120内の燐濃度は1×1019〜1×1022ヶ/cm3である。
Next, as shown in FIG. 3B, the
次に、図3(c)に示すように、第1半導体層120上に厚さ30nm〜100nm(例えば70nm)の第1絶縁層114を形成する。第1絶縁層114は、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜、あるいはそれらの積層膜からなり、PE−CVD法で形成される。その後、第1絶縁層114のうち、TFT140の活性層132とは対応しない領域にフォトリソ法で開口部を形成する。開口部の大きさは1.0μm□〜8.0μm□(例えば、5μm□)であり、第1半導体層120の一部は、第1絶縁層114の開口部から露出されている。
Next, as illustrated in FIG. 3C, the first insulating
次に、図3(d)に示すように、第1絶縁層114および第1半導体層120を覆う第2半導体層130を形成する。第2半導体層130は、例えば、非晶質シリコン層であり、PE−CVD法で形成される。このように第2半導体層130を形成することにより、第2半導体層130の一部は第1半導体層120と接触する。第2半導体層130の対向部132は絶縁層114を介して第1半導体層120と対向しており、第2半導体層130の連続部134は、対向部132および第1半導体層120の両方と連続している。
Next, as shown in FIG. 3D, a
次に、図3(e)に示すように、第2半導体層130の上に酢酸ニッケル膜115を形成する。酢酸ニッケル膜115は、濃度1〜10ppm(重量百分率)の酢酸ニッケル水溶液をスピン塗布することによって形成される。これにより、第2半導体層130の表面に触媒元素であるニッケルが付与される。
Next, as illustrated in FIG. 3E, a
次に、図3(f)に示すように、熱アニール処理を行う。熱アニール処理は、例えば、500〜650℃の温度で30〜180分間行われる。これにより、触媒元素の付与されている第2半導体層130は、固相成長で結晶化する。また、第1半導体層120はゲッタリング元素を含有しているため、熱アニール処理時に、第2半導体層130の結晶化を促進した触媒元素は第2半導体層130の連続部134から第1半導体層120に移動する。
Next, as shown in FIG. 3F, thermal annealing is performed. The thermal annealing treatment is performed, for example, at a temperature of 500 to 650 ° C. for 30 to 180 minutes. Thereby, the
熱アニール処理の結果、図4(g)に示すように、第2半導体層130は結晶化され、触媒元素の少なくとも一部は第1半導体層120にゲッタリングされる。
As a result of the thermal annealing treatment, as shown in FIG. 4G, the
次に、図4(h)に示すように、第2半導体層130に対してレーザアニール処理を行う。これにより、第2半導体層130の結晶性がさらに向上する。レーザビームとして、例えば、波長308nmのパルスレーザビームが用いられる。
Next, as shown in FIG. 4H, a laser annealing process is performed on the
次に、図4(i)に示すように、第2半導体層130をパターニングする。このパターニングはフォトリソ法で行われ、これにより、連続部134の一部が除去され、第2半導体層130は、TFT140の活性層となる対向部132と、第1半導体層120と接触する接続部135とに分離される。また、必要に応じて、第1絶縁層114および第1半導体層120をフォトリソ法でパターニングしてもよい。
Next, as shown in FIG. 4I, the
次に、図4(j)に示すように、活性層132、接続部135および第1絶縁層114を覆う第2絶縁層116を形成する。この第2絶縁層116は、例えば、酸化シリコンまたは酸化シリコンおよび窒化シリコンの積層膜からなり、PE−CVD法で形成される。第2絶縁層116は、TFT140のゲート絶縁層として機能する。
Next, as illustrated in FIG. 4J, the second insulating
次に、図4(k)に示すように、第2絶縁層116上にゲート電極142を形成する。ゲート電極142は、タングステンおよび窒化タンタルの積層膜からなるゲート電極層をスパッタ法で形成し、このゲート電極層をフォトリソ法でパターニングすることによって、形成される。
Next, as illustrated in FIG. 4K, the
次に、図4(l)に示すように、ゲート電極142をドーピングマスクとして用いたセルフアライメントでドーピング処理を行う。nチャネルTFTを作製する場合、ドーパント(不純物元素)として燐を用いる。一方、pチャネルTFTを作製する場合、ドーパントとしてホウ素を用いる。ドーピング処理により、活性層132のソース領域132aおよびドレイン領域132bにドーパントが注入される。また、このドーピング処理により、接続部135にもドーパントが注入される。
Next, as shown in FIG. 4L, a doping process is performed by self-alignment using the
なお、接続部135のドーパント量やレーザアニール条件は、ソース領域およびドレイン領域のN型不純物濃度領域と等しくてもよい。ドーパント濃度は1×1019〜1×1022ヶ/cm3程度であり、レーザアニールにおいて、波長308nm、エネルギー250〜450mJ/cm2のエキシマレーザビームが照射される。このため、ソース領域132a、ドレイン領域132b、および、接続部135の特性は略等しい。なお、TFTに要求される特性に応じて、ゲート電極142のテーパー部や、フォトレジストをドーピングマスクとして用いて、さらにドーピングを行いLDD(Lightly Doped Drain)構造やGOLD(Gate Overlapped LDD)構造を形成してもよい。
Note that the amount of dopant in the connecting
次に、図5(m)に示すように、第2絶縁層116およびゲート電極142を覆う層間膜118を形成する。層間膜118は、例えば、酸化シリコンと窒化シリコンの積層膜からなり、PE−CVD法で形成する。あるいは、層間膜118の形成方法は、PE−CVD法に限定されず、層間膜118は、SOG(Silicon on Glass)材料をスピン塗布することによって形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 5M, an
次に、図5(n)に示すように、熱処理を行い、ドーパントを活性化する。熱処理は、例えば、500〜700℃の温度で30分から120分間行われる。 Next, as shown in FIG. 5 (n), heat treatment is performed to activate the dopant. The heat treatment is performed at a temperature of 500 to 700 ° C. for 30 to 120 minutes, for example.
次に、図5(o)に示すように、第2絶縁層116および層間膜118の一部をフォトリソ法で除去することにより、コンタクトホールを形成する。このように形成されたコンタクトホールを介して、活性層132の一部および接続部135の一部が露出される。
Next, as shown in FIG. 5 (o), a part of the second insulating
次に、図5(p)に示すように、コンタクトホールにソース電極144、ドレイン電極146およびボトムゲート電圧入力電極150を形成する。ソース電極144およびドレイン電極146は活性層132と接触しており、ボトムゲート電圧入力電極150は、接続部135と接触している。なお、これらの電極144、146、150は、チタン、アルミニウムの積層膜からなる電極層をスパッタ法で形成し、この電極層をフォトリソ法でパターニングすることによって形成される。
Next, as shown in FIG. 5P, a
接続部135に注入されたドーパントを活性化することにより、接続部135は活性層132のチャネル領域132cよりも高い電気伝導率を有している。このため、第1半導体層120は接続部135を介してボトムゲート電圧入力電極150と電気的に接続されており、ボトムゲート電圧入力電極150から接続部135を介して第1半導体層120に電圧を印加することにより、活性層132のチャネル領域132cの導電性を制御することができる。このように、第1半導体層120はボトムゲート電極として機能する。
By activating the dopant implanted into the
なお、金属や金属化合物をボトムゲート電極として用いた場合、金属や金属化合物の熱伝導率は酸化シリコン膜やシリコン膜よりも大きいため、ボトムゲート電極の配置されている部分と配置されていない部分との間でレーザアニール処理工程においてレーザビームによって与えられた熱の拡散の程度が大きく異なる。このため、半導体層の結晶性にバラツキが生じやすく、結果として、トランジスタの特性にバラツキが生じることがある。それに対して、ボトムゲートが半導体層で構成されていることにより、ボトムゲート電極の配置の有無による結晶性のバラツキを抑制することができる。 When metal or metal compound is used as the bottom gate electrode, the thermal conductivity of the metal or metal compound is larger than that of the silicon oxide film or silicon film, so the portion where the bottom gate electrode is disposed and the portion where it is not disposed The degree of diffusion of heat given by the laser beam in the laser annealing process differs greatly. For this reason, the crystallinity of the semiconductor layer is likely to vary, and as a result, the transistor characteristics may vary. On the other hand, when the bottom gate is formed of a semiconductor layer, variation in crystallinity due to the presence or absence of the bottom gate electrode can be suppressed.
なお、上述した説明では、ソース電極144およびドレイン電極146とともにボトムゲート電圧入力電極150を形成したが、本発明はこれに限定されない。ボトムゲート電圧入力電極150を形成しなくてもよい。また、上述した説明では、連続部134の一部を除去して接続部135を形成したが、本発明はこれに限定されない。連続部134をすべて除去してもよい。
In the above description, the bottom gate
また、上述した説明では、不純物元素を注入したが、本発明はこれに限定されない。不純物元素の注入を省略してもよい。また、この場合、不純物元素の活性化率を向上させるためのアニール処理を省略してもよい。 In the above description, the impurity element is implanted, but the present invention is not limited to this. The implantation of the impurity element may be omitted. In this case, the annealing process for improving the activation rate of the impurity element may be omitted.
また、上述した説明では、ゲッタリング元素として、周期表第5族Bや第3族Bに属する元素を用いたが、本発明はこれに限定されない。ゲッタリング元素として希ガス元素を用いてもよい。 In the above description, an element belonging to Group 5B or Group 3B of the periodic table is used as the gettering element, but the present invention is not limited to this. A rare gas element may be used as the gettering element.
本発明によれば、高速動作を実現するTFTの誤動作を抑制した半導体装置を簡便に製造することができる。また、このような半導体装置は、例えば、液晶もしくは有機EL(Electroluminescence)、FED(Field Emission Display)などの表示装置に好適に用いられる。 According to the present invention, it is possible to easily manufacture a semiconductor device in which malfunction of a TFT that realizes high-speed operation is suppressed. In addition, such a semiconductor device is suitably used for a display device such as a liquid crystal, an organic EL (Electroluminescence), or an FED (Field Emission Display).
100 半導体装置
112 透明基板
113 ベースコート層
114 第1絶縁層
116 第2絶縁層
120 第1半導体層
130 第2半導体層
140 TFT
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記透明基板の前記前面に支持された第1半導体層と、
前記第1半導体層上に選択的に設けられた絶縁層と、
薄膜トランジスタの活性層であって、前記絶縁層を介して前記第1半導体層と対向する活性層を含む第2半導体層と
を備える半導体装置であって、
前記第1半導体層は、ゲッタリング元素と、前記第2半導体層の結晶化を促進した触媒元素とを含有しており、
前記透明基板の前記背面の法線方向からみたときに前記活性層は前記第1半導体層と重なっている、半導体装置。 A transparent substrate having a front surface and a back surface;
A first semiconductor layer supported on the front surface of the transparent substrate;
An insulating layer selectively provided on the first semiconductor layer;
A semiconductor device comprising: an active layer of a thin film transistor; and a second semiconductor layer including an active layer facing the first semiconductor layer with the insulating layer interposed therebetween,
The first semiconductor layer contains a gettering element and a catalytic element that promotes crystallization of the second semiconductor layer,
The semiconductor device, wherein the active layer overlaps the first semiconductor layer when viewed from the normal direction of the back surface of the transparent substrate.
前記第1半導体層は、前記活性層の前記チャネル領域よりも高い電気伝導率を有しており、
前記第1半導体層は、前記チャネル領域の導電性を制御するゲートとして機能する、請求項1または2に記載の半導体装置。 The active layer has a source region, a channel region, and a drain region,
The first semiconductor layer has a higher electrical conductivity than the channel region of the active layer;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer functions as a gate that controls conductivity of the channel region.
前記活性層の前記ソース領域および前記ドレイン領域、ならびに、前記接続部は、同じ不純物元素を含有している、請求項3に記載の半導体装置。 The second semiconductor layer further includes a connection part in contact with the first semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 3, wherein the source region and the drain region of the active layer, and the connection portion contain the same impurity element.
前記透明基板の前記前面に支持された第1半導体層であって、ゲッタリング元素を含有する第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層上に選択的に絶縁層を形成する工程と、
前記第1半導体層および前記絶縁層を覆う第2半導体層を形成する工程と、
結晶化を促進するための触媒元素を前記第2半導体層に付与する工程と、
前記第2半導体層に前記触媒元素を付与した後、熱アニール処理を行う工程であって、前記第2半導体層を結晶化するとともに前記第2半導体層内の触媒元素の少なくとも一部を前記第1半導体層に移動させる工程と、
前記熱アニール処理を行った後、前記第2半導体層のうち前記透明基板の前記背面の法線方向からみたときに前記第1半導体層と重なる部分を活性層として用いた薄膜トランジスタを形成する工程と
を包含する半導体装置の製造方法。 Preparing a transparent substrate having a front surface and a back surface;
Forming a first semiconductor layer supported on the front surface of the transparent substrate, the first semiconductor layer containing a gettering element;
Selectively forming an insulating layer on the first semiconductor layer;
Forming a second semiconductor layer covering the first semiconductor layer and the insulating layer;
Applying a catalyst element for promoting crystallization to the second semiconductor layer;
A step of performing a thermal annealing process after applying the catalytic element to the second semiconductor layer, crystallizing the second semiconductor layer and at least part of the catalytic element in the second semiconductor layer; Moving to one semiconductor layer;
Forming a thin film transistor using, as the active layer, a portion of the second semiconductor layer that overlaps the first semiconductor layer when viewed from the normal direction of the back surface of the transparent substrate after the thermal annealing treatment; A method for manufacturing a semiconductor device including:
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