JP2009016600A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Hiroshi Matsukizono
広志 松木薗
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device wherein the malfunction of a thin film transistor for achieving a high-speed operation is suppressed. <P>SOLUTION: The semiconductor device by this invention includes: a transparent substrate (112) provided with a front surface (112a) and a back surface (112b); a first semiconductor layer (120) supported by the front surface (112a) of the transparent substrate (112); an insulating layer (114) selectively provided on the first semiconductor layer (120); and a second semiconductor layer (130) including the active layer (132) of the thin film transistor (140), wherein the active layer (132) faces the first semiconductor layer (120) through the insulating layer (114). The first semiconductor layer (120) contains a gettering element and a catalyst element accelerating the crystallization of the second semiconductor layer, and the active layer (132) overlaps with the first semiconductor layer (120) when viewed from the normal direction of the back surface (112b) of the transparent substrate (112). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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 Patent Document 1 will be described with reference to FIG.

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 semiconductor layer 620 is formed on the insulating substrate 612. For example, the insulating substrate 612 is a glass substrate, and the semiconductor layer 620 is an amorphous silicon layer. The amorphous silicon layer is formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) or LPCVD (Low Pressure CVD). Thereafter, a nickel acetate film 615 is formed over the semiconductor layer 620.

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 semiconductor layer 620 is crystallized by heat treatment. During the heat treatment, nickel acetate in the nickel acetate film 615 is thermally decomposed into nickel, which promotes crystallization of the semiconductor layer 620. After that, the semiconductor layer 620 is irradiated with an excimer laser beam to perform laser annealing treatment. Thereby, the catalyst element is dispersed. Since an oxide film is formed on the surface of the semiconductor layer 620 in the previous step, the oxide film is removed by hydrofluoric acid treatment.

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 resist layer 632 is formed over the semiconductor layer 620. The resist layer 632 is made of, for example, silicon nitride.

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 mask 634 is formed by etching the resist layer 632. After that, phosphorus is implanted as a gettering element into a region 622 of the semiconductor layer 620 that is not covered with the mask 634. The region 622 into which phosphorus is implanted is referred to as a gettering region.

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 semiconductor layer 620 is gettered into the gettering region 622 by heat treatment. Accordingly, the concentration of the catalytic element in the region covered with the mask 634 in the semiconductor layer 620 decreases.

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 mask 634 to remove part of the region other than the gettering region 622 from the semiconductor layer 620 together with the gettering region 622. In this manner, the semiconductor layer 620 having a low catalyst element concentration can be formed. This semiconductor layer 620 is used as an active layer of the TFT.

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 first semiconductor layer 720 is formed on the insulating substrate 712. For example, the insulating substrate 712 is a glass substrate, and the first semiconductor layer 720 is an amorphous silicon layer. Next, a mask 734 is formed over the first semiconductor layer 720. The mask 734 is made of, for example, silicon oxide. The mask 734 is provided with an opening, and a part of the first semiconductor layer 720 is exposed from the opening of the mask 734.

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 nickel acetate film 715 is formed over the first semiconductor layer 720 and the mask 734. Nickel is a catalyst element for promoting crystallization, whereby the catalyst element is imparted to the first semiconductor layer 720.

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 first semiconductor layer 720. During the heat treatment, nickel in the nickel acetate film 715 moves laterally in the first semiconductor layer 720 from a portion corresponding to the opening of the mask 734. Thereby, crystallization of the first semiconductor layer 720 is promoted.

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 silicon oxide film 736 is formed over the region of the first semiconductor layer 720 exposed from the opening of the mask 734. Thereafter, a second semiconductor layer 730 covering the mask 734 and the silicon oxide film 736 is formed. The second semiconductor layer 730 contains phosphorus as a gettering element.

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 first semiconductor layer 720 is transferred from the first semiconductor layer 720 to the second semiconductor layer 730 through the silicon oxide film 736. The catalyst element in the first semiconductor layer 720 is gettered to the second semiconductor layer 730. As a result, the concentration of the catalytic element in the first semiconductor layer 720 decreases.

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 second semiconductor layer 730 and the mask 734 are removed. In this manner, the first semiconductor layer 720 having a low catalytic element concentration can be formed. The first semiconductor layer 720 is used as an active layer of the TFT.

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 first semiconductor layer 820 is formed on the insulating substrate 812. The insulating substrate 812 is a glass substrate, and the first semiconductor layer 820 is an amorphous silicon layer. The first semiconductor layer 820 is formed by a sputtering method. The first semiconductor layer 820 contains argon as a gettering element.

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 layer 814 is formed on the first semiconductor layer 820. The first insulating layer 814 is made of silicon oxide. The first insulating layer 814 is formed by a plasma CVD method.

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 second semiconductor layer 830 is formed on the first insulating layer 814. The second semiconductor layer 830 is an amorphous silicon layer. The second semiconductor layer 830 is formed by a plasma CVD method.

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 second semiconductor layer 830 as a catalyst element. Nickel is applied to the entire surface of the second semiconductor layer 830. Thereafter, heat treatment is performed. By this heat treatment, the second semiconductor layer 830 is crystallized, and nickel present in the second semiconductor layer 830 is gettered to the first semiconductor layer 820.

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 second semiconductor layer 830 is irradiated with a laser beam. Thereby, the crystallinity of the second semiconductor layer 830 is improved. An excimer laser beam is used as the laser beam.

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 second semiconductor layer 830 is removed, and element isolation is performed. The second semiconductor layer 830 thus formed is used as an active layer of the TFT. Thereafter, a second insulating layer 816 is formed over the second semiconductor layer 830.

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 metal layer 842 is formed on the second insulating layer 816. The metal layer 842 functions as a gate electrode of the TFT.

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 second semiconductor layer 830 that is not covered with the metal layer 842. The impurity element is implanted, for example, by an ion doping method. The TFT 840 is manufactured as described above.

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。
特開平10−223533号公報 特開平11−354448号公報 特開2003−100629号公報 特開2000−47254号公報
FIG. 9 shows a liquid crystal display device 900 disclosed in Patent Document 4. The liquid crystal display device 900 is provided with a conductive light-shielding film 950 extending below both the TFT 940 and the auxiliary capacitance wiring 942. The conductive light-shielding film 950 is made of a metal or a metal compound, and forms a capacitor with the semiconductor layer 920 that is electrically connected to the pixel electrode 944. Therefore, the conductive light shielding film 950 not only functions as a light shielding film for the semiconductor layer 920 but also reduces the leakage current of the TFT 940.
JP-A-10-223533 JP-A-11-354448 JP 2003-100629 A JP 2000-47254 A

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 Patent Document 1, the gettering region is removed after crystallization using a catalytic element. In the manufacturing method disclosed in Patent Document 2, the second semiconductor layer including the gettering region is removed after crystallization using a catalytic element. Thus, in the manufacturing methods disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, since the semiconductor layer containing the gettering element or a part thereof is removed, the number of manufacturing steps and manufacturing time of the crystalline semiconductor layer are removed. Therefore, a TFT that operates at high speed cannot be easily manufactured.

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 semiconductor device 100 of the present embodiment is selectively provided on the transparent substrate 112 having the front surface 112a and the back surface 112b, the first semiconductor layer 120 supported by the front surface 112a of the transparent substrate 112, and the first semiconductor layer 120. The first insulating layer 114 and the second semiconductor layer 130 including the active layer 132 of the TFT 140 are provided. The active layer 132 faces the first semiconductor layer 120 with the first insulating layer 114 interposed therebetween. A base coat layer 113 is provided between the transparent substrate 112 and the first semiconductor layer 120. The source region 132a and the drain region 132b of the active layer 132 contain an impurity element and are electrically connected to the source electrode 144 and the drain electrode 146, respectively. The gate electrode 142 faces the channel region 132c of the active layer 132 with the second insulating layer 116 interposed therebetween.

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 first semiconductor layer 120 contains a gettering element and a catalyst element that promotes crystallization of the second semiconductor layer 130. Further, when viewed from the normal direction of the back surface 112b of the transparent substrate 112, the entire active layer 132 overlaps the first semiconductor layer 120, and the active layer 132 extends from the back surface 112b of the transparent substrate 112 in parallel to the normal direction. Light traveling in the direction is blocked by the first semiconductor layer 120. Thereby, the malfunction of the TFT 140 is prevented.

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 first semiconductor layer 120 is higher than the concentration of the catalytic element in the second semiconductor layer 130. For example, the concentration of the catalytic element in the first semiconductor layer 120 is 1 × 10 19 to 9 × 10 19 atoms / cm 3 , and the concentration of the catalytic element in the second semiconductor layer 130 is 8 × 10 18 to 1 × 10. 19 atoms / cm 3 . Note that secondary ion mass spectrometry (SIMS) or inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) is used to measure the concentration of the catalytic element.

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 semiconductor device 100 of the present embodiment, the second semiconductor layer 130 further has a connection portion 135. The connection part 135 contains the same impurity element as the source region 132 a and the drain region 132 b, and the bottom gate voltage input electrode 150 is electrically connected to the first semiconductor layer 120 through the connection part 135.

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 first semiconductor layer 120 has a higher electrical conductivity than the channel region 132c of the active layer 132 by containing the gettering element. When a voltage is applied from the bottom gate voltage input electrode 150 to the first semiconductor layer 120 via the connection portion 135, the conductivity of the channel region 132c of the active layer 132 can be controlled. Thus, the first semiconductor layer 120 also functions as a bottom gate electrode, and the TFT 140 is a double gate transistor. Note that the structure of the semiconductor device 100 can be easily verified by a cross-sectional structure analysis using an electron microscope or the like.

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 semiconductor device 100 of the present embodiment, respectively.

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 transparent substrate 112 having a front surface 112a and a back surface 112b is prepared, a base coat layer 113 is formed on the front surface 112a of the transparent substrate 112, and then a first coat is formed on the base coat layer 113. A semiconductor layer 120 is formed. The first semiconductor layer 120 is, for example, an n-type amorphous silicon layer containing phosphorus. This phosphorus functions as a gettering element.

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 layer 114 is selectively formed on the first semiconductor layer 120. The first insulating layer 114 is provided with an opening, and the first semiconductor layer 120 is exposed from the opening of the first insulating layer 114.

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 second semiconductor layer 130 that covers the first semiconductor layer 120 and the first insulating layer 114 is formed. Note that a portion of the second semiconductor layer 130 that becomes the active layer of the TFT 140 is a portion that faces the first semiconductor layer 120 with the first insulating layer 114 interposed therebetween, and this portion is referred to as a facing portion 132. In addition, a portion of the second semiconductor layer 130 that is continuous with both the facing portion 132 and the first semiconductor layer 120 is referred to as a continuous portion 134. The facing portion 132 of the second semiconductor layer 130 overlaps the first semiconductor layer 120 when viewed from the normal direction of the back surface 112 b of the transparent substrate 112.

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 nickel acetate film 115 is formed on the second semiconductor layer 130. Nickel is a catalytic element for promoting crystallization, whereby the catalytic element is imparted to the second semiconductor layer 130. The concentration of the catalytic element in the second semiconductor layer 130 is 2 × 10 19 to 9 × 10 20 atoms / cm 3 .

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 second semiconductor layer 130 is crystallized. At this time, the catalytic element present in the facing portion 132 of the second semiconductor layer 130 moves in the lateral direction and promotes crystallization of the second semiconductor layer 130. When the catalytic element reaches the continuous portion 134, the catalytic element moves from the continuous portion 134 to the first semiconductor layer 120 containing the gettering element. Accordingly, the concentration of the catalytic element in the first semiconductor layer 120 is 1 × 10 19 to 9 × 10 19 atoms / cm 3 , and the concentration of the catalytic element in the second semiconductor layer 130 is 8 × 10 18 to 1 × 10. 19 atoms / cm 3 . As described above, the second semiconductor layer 130 is crystallized by the thermal annealing treatment, and at least a part of the catalytic element in the second semiconductor layer 130 moves to the first semiconductor layer 120.

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 TFT 140 is formed using the facing portion 132 of the second semiconductor layer 130 as an active layer. Specifically, first, a connection portion 135 separated from the facing portion 132 of the second semiconductor layer 130 is formed by removing a part of the continuous portion 134 of the second semiconductor layer 130. The facing part 132 becomes an active layer of the TFT. After that, the second insulating layer 116 that covers the active layer 132, the connection portion 135, and the first insulating layer 114 is formed, and the gate electrode 142 is formed at a position facing the active layer 132 with the second insulating layer 116 interposed therebetween. After that, an interlayer film 118 that covers the second insulating layer 116 and the gate electrode 142 is formed, and contact holes are formed in the second insulating layer 116 and the interlayer film 118. A source electrode 144, a drain electrode 146, and a bottom gate voltage input electrode 150 are formed in the contact hole. The semiconductor device 100 is manufactured as described above.

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 Patent Documents 1 and 2 described above with reference to FIGS. 6 and 7 contains a gettering element after gettering. The semiconductor layer or a part thereof is removed. In contrast, in the present embodiment, the first semiconductor layer 120 containing the gettering element is not removed, and the crystalline semiconductor layer can be manufactured in a shorter time than the conventional manufacturing method.

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 second semiconductor layer 830 moves not only in the horizontal direction but also in the vertical direction during the thermal annealing process. Gettering is performed by vertical movement. In contrast, in the manufacturing method of the present embodiment, the catalytic element in the facing portion 132 of the second semiconductor layer 130 moves in the lateral direction until reaching the continuous portion 134, and the first semiconductor is passed through the continuous portion 134. Move to layer 120. Since the opposing portion 132 crystallized by moving the catalytic element in the lateral direction is used as the active layer of the TFT 140, the TFT 140 can realize high-speed operation.

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 first semiconductor layer 120 containing a gettering element is used as a light shielding layer and a bottom gate. For this reason, the manufacturing process and manufacturing time for separately manufacturing the light shielding layer and the bottom gate can be shortened.

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 first semiconductor layer 120 is reduced, so that the light-shielding property of the first semiconductor layer 120 can be improved. When the first semiconductor layer 120 is used as a bottom gate electrode, it is preferable to use an element belonging to Group B of the periodic table as a gettering element in order to achieve low resistance.

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 second semiconductor layer 130 becomes. On the contrary, the catalyst element that has moved to the semiconductor layer 120 and has moved from the second semiconductor layer 130 to the first semiconductor layer 120 does not move from the first semiconductor layer 120 to the second semiconductor layer 130. Further, the catalyst element does not move from the second semiconductor layer 130 to the first semiconductor layer 120 in various processes other than the thermal annealing process.

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 transparent substrate 112 having a front surface 112 a and a back surface 112 b is prepared, and a base coat layer 113 is formed on the front surface 112 a of the transparent substrate 112. The transparent substrate 112 is, for example, a glass substrate. The base coat layer 113 is formed by sequentially depositing a silicon oxynitride film and a silicon oxide film by, for example, a plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD) method.

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 first semiconductor layer 120 is formed on the base coat layer 113. The first semiconductor layer 120 is an n-type amorphous silicon layer containing phosphorus, and this phosphorus functions as a gettering element. The n-type amorphous silicon layer is formed, for example, by a PE-CVD method using SiH 4 (silane), PH 3 (phosphine), and NH 3 mixed gas. The ratio of PH 3 is about 0.5% of SiH 4 , and the phosphorus concentration in the first semiconductor layer 120 is 1 × 10 19 to 1 × 10 22 / cm 3 .

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 layer 114 having a thickness of 30 nm to 100 nm (for example, 70 nm) is formed on the first semiconductor layer 120. The first insulating layer 114 is made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a laminated film thereof, and is formed by a PE-CVD method. Thereafter, an opening is formed by a photolithography method in a region of the first insulating layer 114 that does not correspond to the active layer 132 of the TFT 140. The size of the opening is 1.0 μm □ to 8.0 μm □ (for example, 5 μm □), and a part of the first semiconductor layer 120 is exposed from the opening of the first insulating layer 114.

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 second semiconductor layer 130 covering the first insulating layer 114 and the first semiconductor layer 120 is formed. The second semiconductor layer 130 is an amorphous silicon layer, for example, and is formed by a PE-CVD method. By forming the second semiconductor layer 130 in this way, a part of the second semiconductor layer 130 is in contact with the first semiconductor layer 120. The facing portion 132 of the second semiconductor layer 130 faces the first semiconductor layer 120 via the insulating layer 114, and the continuous portion 134 of the second semiconductor layer 130 is connected to both the facing portion 132 and the first semiconductor layer 120. It is continuous.

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 nickel acetate film 115 is formed on the second semiconductor layer 130. The nickel acetate film 115 is formed by spin-coating a nickel acetate aqueous solution having a concentration of 1 to 10 ppm (weight percentage). Thereby, nickel which is a catalytic element is applied to the surface of the second semiconductor layer 130.

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 second semiconductor layer 130 to which the catalytic element is applied is crystallized by solid phase growth. In addition, since the first semiconductor layer 120 contains a gettering element, the catalytic element that promotes crystallization of the second semiconductor layer 130 during the thermal annealing process is transmitted from the continuous portion 134 of the second semiconductor layer 130 to the first semiconductor. Move to layer 120.

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 second semiconductor layer 130 is crystallized, and at least a part of the catalytic element is gettered to the first semiconductor layer 120.

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 second semiconductor layer 130. Thereby, the crystallinity of the second semiconductor layer 130 is further improved. For example, a pulse laser beam having a wavelength of 308 nm is used as the laser beam.

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 second semiconductor layer 130 is patterned. This patterning is performed by a photolithographic method, whereby a part of the continuous portion 134 is removed, and the second semiconductor layer 130 has a facing portion 132 that becomes an active layer of the TFT 140 and a connecting portion that contacts the first semiconductor layer 120. 135. Further, if necessary, the first insulating layer 114 and the first semiconductor layer 120 may be patterned by a photolithography method.

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 layer 116 that covers the active layer 132, the connection portion 135, and the first insulating layer 114 is formed. The second insulating layer 116 is made of, for example, silicon oxide or a laminated film of silicon oxide and silicon nitride, and is formed by a PE-CVD method. The second insulating layer 116 functions as a gate insulating layer of the TFT 140.

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 gate electrode 142 is formed on the second insulating layer 116. The gate electrode 142 is formed by forming a gate electrode layer made of a laminated film of tungsten and tantalum nitride by sputtering and patterning the gate electrode layer by photolithography.

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 gate electrode 142 as a doping mask. In the case of manufacturing an n-channel TFT, phosphorus is used as a dopant (impurity element). On the other hand, when a p-channel TFT is manufactured, boron is used as a dopant. A dopant is implanted into the source region 132a and the drain region 132b of the active layer 132 by the doping process. Further, the dopant is also implanted into the connection portion 135 by this doping process.

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 portion 135 and the laser annealing conditions may be equal to the N-type impurity concentration regions in the source region and the drain region. Dopant concentration is 1 × 10 19 ~1 × 10 22 months / cm 3 or so, in the laser annealing, wavelength 308 nm, an excimer laser beam energy 250~450mJ / cm 2 is irradiated. For this reason, the characteristics of the source region 132a, the drain region 132b, and the connection portion 135 are substantially equal. Depending on the characteristics required for the TFT, the tapered portion of the gate electrode 142 and a photoresist are used as a doping mask for further doping to form an LDD (Lightly Doped Drain) structure or a GOLD (Gate Overlapped LDD) structure. May be.

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 interlayer film 118 covering the second insulating layer 116 and the gate electrode 142 is formed. The interlayer film 118 is made of, for example, a laminated film of silicon oxide and silicon nitride, and is formed by PE-CVD. Alternatively, the formation method of the interlayer film 118 is not limited to the PE-CVD method, and the interlayer film 118 may be formed by spin-coating an SOG (Silicon on Glass) material.

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 layer 116 and the interlayer film 118 is removed by photolithography to form a contact hole. A part of the active layer 132 and a part of the connection part 135 are exposed through the contact hole formed in this way.

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 source electrode 144, a drain electrode 146, and a bottom gate voltage input electrode 150 are formed in the contact hole. The source electrode 144 and the drain electrode 146 are in contact with the active layer 132, and the bottom gate voltage input electrode 150 is in contact with the connection portion 135. These electrodes 144, 146, and 150 are formed by forming an electrode layer made of a laminated film of titanium and aluminum by a sputtering method and patterning the electrode layer by a photolithography method.

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 connection part 135, the connection part 135 has a higher electrical conductivity than the channel region 132 c of the active layer 132. For this reason, the first semiconductor layer 120 is electrically connected to the bottom gate voltage input electrode 150 through the connection portion 135, and the voltage is applied from the bottom gate voltage input electrode 150 to the first semiconductor layer 120 through the connection portion 135. Is applied, the conductivity of the channel region 132c of the active layer 132 can be controlled. Thus, the first semiconductor layer 120 functions as a bottom gate electrode.

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 voltage input electrode 150 is formed together with the source electrode 144 and the drain electrode 146, but the present invention is not limited to this. The bottom gate voltage input electrode 150 may not be formed. In the above description, the connecting portion 135 is formed by removing a part of the continuous portion 134, but the present invention is not limited to this. All of the continuous part 134 may be removed.

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).

本発明による半導体装置の実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram showing an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. (a)〜(f)は、それぞれ、本実施形態の半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。(A)-(f) is typical sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment, respectively. (a)〜(f)は、それぞれ、本実施形態の半導体装置の製造工程を説明するための模式的な断面図である。(A)-(f) is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment, respectively. (g)〜(l)は、それぞれ、本実施形態の半導体装置の製造工程を説明するための模式的な断面図である。(G)-(l) is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment, respectively. (m)〜(p)は、それぞれ、本実施形態の半導体装置の製造工程を説明するための模式的な断面図である。(M)-(p) is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment, respectively. (a)〜(f)は、それぞれ、結晶質半導体層の従来の製造方法を説明するための模式的な断面図である。(A)-(f) is typical sectional drawing for demonstrating the conventional manufacturing method of a crystalline semiconductor layer, respectively. (a)〜(e)は、それぞれ、結晶質半導体層の別の従来の製造方法を説明するための模式的な断面図である。(A)-(e) is typical sectional drawing for demonstrating another conventional manufacturing method of a crystalline semiconductor layer, respectively. (a)〜(h)は、それぞれ、半導体装置の従来の製造方法を説明するための模式的な断面図である。(A)-(h) is typical sectional drawing for demonstrating the conventional manufacturing method of a semiconductor device, respectively. (a)は、従来の液晶表示装置の模式的な断面図であり、(b)は、(a)とは別の断面に沿った模式的な断面図である。(A) is typical sectional drawing of the conventional liquid crystal display device, (b) is typical sectional drawing along the cross section different from (a).

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 100 Semiconductor device 112 Transparent substrate 113 Base coat layer 114 1st insulating layer 116 2nd insulating layer 120 1st semiconductor layer 130 2nd semiconductor layer 140 TFT

Claims (6)

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、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、請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a concentration of the catalytic element in the first semiconductor layer is higher than a concentration of the catalytic element in the second semiconductor layer. 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、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、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:
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、請求項5に記載の半導体装置の製造方法。   The step of forming the thin film transistor separates the first semiconductor layer from the portion of the second semiconductor layer that becomes the active layer of the thin film transistor by selectively removing a part of the second semiconductor layer. The manufacturing method of the semiconductor device of Claim 5 including the process to carry out.
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