JP2010278116A - Method of manufacturing semiconductor element substrate, the semiconductor element substrate and display device - Google Patents
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本発明は、半導体素子基板の製造方法及び半導体素子基板並びに表示装置に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element substrate, a semiconductor element substrate, and a display device.
半導体素子基板は、半導体の電気特性を利用した能動素子を有する電気回路を備え、例えば、オーディオ機器、通信機器、家電機器などに広く応用されている。なかでも、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、以下、TFTと称する)やMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタなどの電界効果トランジスタを備える半導体素子基板は、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置などの薄型表示装置におけるアクティブマトリクス基板として用いられている。 A semiconductor element substrate includes an electric circuit having an active element utilizing the electrical characteristics of a semiconductor, and is widely applied to, for example, audio equipment, communication equipment, home appliances, and the like. Among them, a semiconductor element substrate including a field effect transistor such as a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) or a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor is an active matrix driving type liquid crystal display device or an organic electroluminescence display device. It is used as an active matrix substrate in a thin display device.
このような半導体素子基板を製造する方法として、近年、ガラス基板などの絶縁性の表面を有する基板上に非晶質半導体膜を成膜し、その非晶質半導体膜を結晶化することにより、結晶質半導体膜(結晶構造を有する半導体膜)を形成する技術が広く研究されている。結晶質半導体膜は、非晶質半導体膜と比較して非常に高いキャリア移動度を有する。このため、結晶質半導体膜を用いて形成したTFTは、例えば、表示領域を構成する複数の画素と共に駆動回路などの周辺回路が同一基板上に作り込まれたフルモノリシック型の液晶表示装置において、各画素のTFT及び駆動回路のTFTなどとして利用され、表示装置の高精細化及び高速動画表示を可能にしている。 As a method for manufacturing such a semiconductor element substrate, in recent years, an amorphous semiconductor film is formed on a substrate having an insulating surface such as a glass substrate, and the amorphous semiconductor film is crystallized, A technique for forming a crystalline semiconductor film (a semiconductor film having a crystal structure) has been widely studied. A crystalline semiconductor film has a very high carrier mobility compared to an amorphous semiconductor film. Therefore, a TFT formed using a crystalline semiconductor film is, for example, a full monolithic liquid crystal display device in which peripheral circuits such as a drive circuit are formed on the same substrate together with a plurality of pixels constituting a display region. It is used as a TFT of each pixel, a TFT of a driving circuit, etc., and enables high definition and high speed moving image display of a display device.
結晶質半導体膜を形成するための結晶化の方法としては、ファーネスアニール炉を用いた熱アニール法が知られている。このファーネスアニール炉を用いた熱アニール法で非晶質半導体膜を結晶化させるには、通常、600℃以上の温度で10時間以上に亘って熱処理を行うことが必要となる。このため、結晶化に適用可能な基板材料としては、高価な石英などに限られてしまう。また、半導体素子基板の生産効率を高めるには、基板を大面積化する必要があり、近年では一辺が1mを越えるサイズの基板の使用も考慮されるようになってきているが、特に石英を大面積な基板に加工するのは非常に困難である。 As a crystallization method for forming a crystalline semiconductor film, a thermal annealing method using a furnace annealing furnace is known. In order to crystallize an amorphous semiconductor film by a thermal annealing method using this furnace annealing furnace, it is usually necessary to perform a heat treatment at a temperature of 600 ° C. or more for 10 hours or more. For this reason, the substrate material applicable to crystallization is limited to expensive quartz or the like. In order to increase the production efficiency of the semiconductor element substrate, it is necessary to increase the area of the substrate. In recent years, the use of a substrate having a side exceeding 1 m has been considered. It is very difficult to process a large area substrate.
そこで、結晶化温度の低温化及び処理時間の短縮を可能にする方法として、非晶質半導体膜に結晶化を助長する触媒元素を添加した後に熱処理を行うことにより結晶質半導体膜を形成する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、非晶質半導体膜にニッケル、パラジウム、鉛などの元素を微量に添加し、その後550℃で4時間の熱処理を行うことにより、結晶質半導体膜を形成する。 Therefore, as a method for enabling the crystallization temperature to be lowered and the processing time to be shortened, a method of forming a crystalline semiconductor film by performing a heat treatment after adding a catalytic element that promotes crystallization to an amorphous semiconductor film Is known (see, for example, Patent Document 1). Specifically, a small amount of an element such as nickel, palladium, or lead is added to the amorphous semiconductor film, and then a heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours to form a crystalline semiconductor film.
また、基板の温度をあまり上昇させることなく、半導体膜のみに高いエネルギーを付与する技術としてレーザアニール法が知られている。レーザアニール法としては、例えば、エキシマレーザなどのパルス発振のレーザビームを、照射面において、数cm角の四角いスポットや、長さが100mm以上の直線状となるように光学系にて成形し、被照射体に対して相対的に移動させることによりアニールを行う方法が挙げられる。このようなレーザアニール法により非晶質半導体膜を結晶化する場合には、基板材料として、歪点の比較的低いガラスは勿論、プラスチックなども用いることが可能になる。 Further, a laser annealing method is known as a technique for imparting high energy only to a semiconductor film without significantly increasing the temperature of the substrate. As the laser annealing method, for example, a pulsed laser beam such as an excimer laser is formed in an optical system so that a square spot of several centimeters square or a linear shape having a length of 100 mm or more is formed on the irradiated surface. An example is a method in which annealing is performed by moving the object relative to the irradiation object. When the amorphous semiconductor film is crystallized by such a laser annealing method, it is possible to use not only glass with a relatively low strain point but also plastic as a substrate material.
さらに、上記の結晶化の方法を組み合わせた方法、すなわち、非晶質半導体膜に結晶化を助長する触媒元素を添加して熱処理を行うことにより結晶質半導体膜を形成した後、その結晶質半導体膜の結晶性をレーザアニール法により向上させる方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。そして、結晶質半導体膜の結晶性を向上させるためのレーザアニール法を2回行う方法も知られている(例えば、特許文献3参照)。これらの方法によれば、比較的大きな結晶粒を全体に亘って有する結晶質半導体膜を形成することが可能になり、結晶質半導体膜のキャリア移動度をより高くすることができる。 Further, a method combining the above crystallization methods, that is, after forming a crystalline semiconductor film by adding a catalyst element that promotes crystallization to the amorphous semiconductor film and performing a heat treatment, the crystalline semiconductor A method for improving the crystallinity of a film by a laser annealing method is known (for example, see Patent Document 2). A method of performing laser annealing twice to improve the crystallinity of the crystalline semiconductor film is also known (see, for example, Patent Document 3). According to these methods, it is possible to form a crystalline semiconductor film having relatively large crystal grains throughout, and the carrier mobility of the crystalline semiconductor film can be further increased.
しかしながら、特許文献2及び3で開示された方法によって結晶質半導体膜を形成し、その結晶質半導体膜を用いて同一基板上に各画素及び周辺回路を作り込む場合には、例えば画素のTFTのようにチャネル領域が比較的小さいTFT間において、チャネル領域での結晶粒の数が大きく異なりやすい、すなわちチャネル領域での結晶粒界の数が大きく異なりやすいため、TFT間での閾値電圧が大きくばらつく場合がある。このようなTFT間での閾値電圧のばらつきを抑制するには、結晶質半導体膜の結晶粒径を小さくすることが考えられるが、結晶粒径を小さくすると、キャリア移動度が低下するため、高いキャリア移動度が要求される周辺回路のTFTについてもキャリア移動度が低下してしまう。
However, when a crystalline semiconductor film is formed by the method disclosed in
また、特許文献2及び3で開示された方法によって形成した結晶質半導体膜を用いてTFTと共にフォトダイオードなどの光センサを同一基板上に作り込む場合には、光センサにおいて、暗時のオフリーク電流が比較的大きくなり、オン状態とオフ状態とで流れる電流の比(以下、オン/オフ比と称する)が低下する場合がある。このような光センサのオン/オフ比の低下を抑制するには、結晶質半導体膜の結晶粒径を小さくすることが考えられるが、上述したように周辺回路のTFTにおけるキャリア移動度が低下してしまう。
Further, in the case where a photosensor such as a photodiode is formed on the same substrate together with a TFT using a crystalline semiconductor film formed by the method disclosed in
したがって、互いに異なる大きさのチャネル領域を有する2種類のTFTやTFTと共にフォトダイオードなどの光センサが同一基板上に形成された半導体素子基板では、基板上に存在するTFTやフォトダイオードなどの全ての半導体素子について必要十分な電気特性を得ることが困難である。また、このような半導体素子基板をアクティブマトリクス基板として備える表示装置は、輝度や色のばらつきが大きくなりやすく、表示が安定しないため、改善の余地がある。 Therefore, in a semiconductor element substrate in which an optical sensor such as a photodiode is formed on the same substrate together with two types of TFTs and TFTs having channel regions of different sizes, all TFTs and photodiodes existing on the substrate It is difficult to obtain necessary and sufficient electrical characteristics for a semiconductor element. In addition, a display device including such a semiconductor element substrate as an active matrix substrate has a room for improvement because variations in luminance and color tend to be large and display is not stable.
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、同一基板上に、結晶粒の平均粒径が互いに異なり、各々優れたキャリア移動度を有する2種類の結晶質半導体膜を形成し、それら2種類の結晶質半導体膜を用いて異なる電気特性が要求される各半導体素子に所望の電気特性を得ることにある。 The present invention has been made in view of such various points. The object of the present invention is to provide two types of crystals on the same substrate, each having an average particle size of crystal grains different from each other and each having excellent carrier mobility. Forming a crystalline semiconductor film and using the two types of crystalline semiconductor films to obtain desired electrical characteristics for each semiconductor element that requires different electrical characteristics.
本発明者らは、結晶粒の平均粒径が異なる2種類の結晶質半導体膜を形成する方法について種々検討したところ、結晶質半導体膜を形成する工程の中で、半導体膜の結晶化を行う工程(以下、結晶化工程と称する)に着目した。そして、結晶化工程の中でも、半導体膜の結晶化を複数回行う方法において、非晶質半導体膜の一部を結晶化することで第1結晶質半導体膜を形成した後、残部の非晶質半導体膜を固相成長させることで第1結晶質半導体膜よりも結晶粒の平均粒径が大きい第2結晶質半導体膜を形成することにより、結晶粒の平均粒径が異なる2種類の結晶質半導体膜を形成できることを見出した。そして、第1結晶質半導体膜の結晶粒の平均粒径が第2結晶質半導体膜の結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化して再結晶化することにより、それら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜の結晶性を向上させて、特に固相成長によって結晶化された第2結晶質半導体膜中の結晶欠陥を減少させることで第2結晶質半導体膜の結晶性を向上させてキャリア移動度を高めることが可能であることを見出し、これにより上記課題を見事に解決できることに想到し、本発明に到達したものである。 The inventors of the present invention have studied various methods for forming two types of crystalline semiconductor films having different average grain sizes, and crystallize the semiconductor film during the process of forming the crystalline semiconductor film. Attention was focused on the process (hereinafter referred to as the crystallization process). In the method of performing crystallization of the semiconductor film a plurality of times during the crystallization process, after forming the first crystalline semiconductor film by crystallizing a part of the amorphous semiconductor film, the remaining amorphous By forming a second crystalline semiconductor film having a larger average grain size than that of the first crystalline semiconductor film by solid-phase growth of the semiconductor film, two types of crystalline materials having different average grain diameters of the crystal grains are formed. It has been found that a semiconductor film can be formed. Then, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are maintained while maintaining the average grain size of the first crystalline semiconductor film smaller than the average grain size of the crystal grains of the second crystalline semiconductor film. In the second crystalline semiconductor film crystallized by solid phase growth, the crystallinity of the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film is improved by melting and solidifying and recrystallizing. It has been found that it is possible to improve the crystallinity of the second crystalline semiconductor film by increasing the crystal defects of the second crystalline semiconductor film, thereby increasing the carrier mobility, and thus the above problem can be solved brilliantly. Has reached
すなわち、上記の目的を達成するために、この発明は、非晶質半導体膜の一部を溶融固化した後に残部の非晶質半導体膜を固相成長させることにより、結晶粒の平均粒径が互いに異なる第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜をそれぞれ形成し、それら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化して再結晶化するものである。 That is, in order to achieve the above-described object, the present invention provides a solid crystal growth of the remaining amorphous semiconductor film after a part of the amorphous semiconductor film is melted and solidified, whereby the average grain size of the crystal grains is increased. A first crystalline semiconductor film and a second crystalline semiconductor film that are different from each other are formed, and the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are melted and solidified and recrystallized.
なお、本明細書において、結晶粒の平均粒径とは、結晶質半導体膜に含まれる結晶粒の粒径の平均の大きさのことであり、後方拡散電子回折像法(Electron Backscatter Diffracation Patterns法、以下、EBSP法と称する)などによって測定することが可能である。 In the present specification, the average grain size of crystal grains means the average size of crystal grains contained in the crystalline semiconductor film, and is based on the back diffusion electron diffraction image method (Electron Backscatter Diffracation Patterns method). , Hereinafter referred to as the EBSP method).
具体的に、本発明に係る半導体素子基板の製造方法は、絶縁性の表面を有する基板上に半導体素子を備える半導体素子基板を製造する方法であって、前記基板上に非晶質半導体膜を成膜する非晶質膜成膜工程と、前記非晶質半導体膜の一部を溶融固化して結晶化することにより、第1結晶質半導体膜を形成する第1結晶化工程と、前記第1結晶化工程で結晶化しなかった残部の非晶質半導体膜を固相成長させることにより、前記第1結晶質半導体膜よりも結晶粒の平均粒径が大きい第2結晶質半導体膜を形成する第2結晶化工程と、前記第1結晶質半導体膜における結晶粒の平均粒径が前記第2結晶質半導体膜における結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながら前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化することにより、該第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を再結晶化する再結晶化工程とを含むことを特徴とする。 Specifically, a method for manufacturing a semiconductor element substrate according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor element substrate having a semiconductor element on a substrate having an insulating surface, wherein an amorphous semiconductor film is formed on the substrate. An amorphous film forming step of forming a film; a first crystallization step of forming a first crystalline semiconductor film by melting and solidifying a part of the amorphous semiconductor film; and The remaining amorphous semiconductor film that has not been crystallized in one crystallization step is solid-phase grown to form a second crystalline semiconductor film having an average grain size larger than that of the first crystalline semiconductor film. A second crystallization step and the first crystalline semiconductor while maintaining an average grain size of the crystal grains in the first crystalline semiconductor film smaller than an average grain size of the crystal grains in the second crystalline semiconductor film; Melting and solidifying the film and the second crystalline semiconductor film Ri, characterized in that it comprises a recrystallization step of recrystallizing the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film.
この製造方法によると、非晶質膜成膜工程において基板上に非晶質半導体膜を成膜し、第1結晶化工程において非晶質半導体膜の一部を溶融固化して結晶化することで第1結晶質半導体膜を形成した後、第2結晶化工程において残部の非晶質半導体膜を固相成長させることで、第1結晶質半導体膜よりも結晶粒の平均粒径が大きい第2結晶質半導体膜を形成する。そのことにより、結晶粒の平均粒径が互いに異なる第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜が形成される。さらに、再結晶化工程において、第1結晶質半導体膜における結晶粒の平均粒径が第2結晶質半導体膜における結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながら、第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化することで、それら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を再結晶化する。そのことにより、第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜の結晶性が向上してキャリア移動度が高められる。したがって、同一基板上に、結晶粒の平均粒径が互いに異なり、各々優れたキャリア移動度を有する第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜が形成される。そして、それら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を用いて異なる電気特性が要求される各半導体素子に所望の電気特性を得ることが可能になる。 According to this manufacturing method, the amorphous semiconductor film is formed on the substrate in the amorphous film forming process, and a part of the amorphous semiconductor film is melted and solidified and crystallized in the first crystallization process. Then, after the first crystalline semiconductor film is formed, the remaining amorphous semiconductor film is solid-phase grown in the second crystallization step, so that the average grain size of the crystal grains is larger than that of the first crystalline semiconductor film. A two crystalline semiconductor film is formed. As a result, a first crystalline semiconductor film and a second crystalline semiconductor film having different average grain sizes are formed. Further, in the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film is maintained while maintaining the average grain size of the crystal grains in the first crystalline semiconductor film smaller than the average grain diameter of the crystal grains in the second crystalline semiconductor film. The first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are recrystallized by melting and solidifying the second crystalline semiconductor film. Thereby, the crystallinity of the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film is improved and the carrier mobility is increased. Therefore, on the same substrate, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film having different average grain diameters and having excellent carrier mobility are formed. The first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film can be used to obtain desired electrical characteristics for each semiconductor element that requires different electrical characteristics.
本発明に係る半導体素子基板の製造方法は、上述したように非晶質膜成膜工程、第1結晶化工程、第2結晶化工程及び再結晶化工程を必須工程として含むものである限り、その他の工程を含んでいても含んでいなくてもよいが、以下のように構成されていることが好ましい。 As described above, the method of manufacturing a semiconductor element substrate according to the present invention includes other steps as long as it includes the amorphous film forming step, the first crystallization step, the second crystallization step, and the recrystallization step as essential steps. Although it does not need to include the process, it is preferably configured as follows.
前記非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜であることが好ましい。 The amorphous semiconductor film is preferably an amorphous silicon film.
この製造方法によると、第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜として、連続粒界シリコン(Continuous Grain Silicon、以下、CGシリコンと称する)や多結晶シリコン(ポリシリコン)などのキャリア移動度の優れた結晶質ケイ素膜を形成することが可能になる。 According to this manufacturing method, carrier mobility such as continuous grain silicon (hereinafter referred to as CG silicon) or polycrystalline silicon (polysilicon) is used as the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film. It is possible to form an excellent crystalline silicon film.
前記非晶質膜成膜工程よりも前に、前記第1結晶質半導体膜を形成する領域に対して、レーザビームを反射又は吸収して前記非晶質半導体膜の加熱を促進させるための加熱促進層を形成する加熱促進層形成工程をさらに含み、前記第1結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の一部をレーザビームの照射により溶融固化することが好ましい。 Prior to the amorphous film formation step, heating for promoting heating of the amorphous semiconductor film by reflecting or absorbing a laser beam to a region where the first crystalline semiconductor film is formed It is preferable to further include a heating promotion layer forming step of forming an acceleration layer, and in the first crystallization step, a part of the amorphous semiconductor film is melted and solidified by laser beam irradiation.
この製造方法によると、非晶質膜成膜工程よりも前に、第1結晶質半導体膜を形成する領域に対して、レーザビームを反射又は吸収して非晶質半導体膜の加熱を促進させるための加熱促進層を形成することにより、第1結晶化工程において非晶質半導体膜にレーザビームを照射したときに、加熱促進層がレーザビームを反射又は吸収して、非晶質半導体膜における加熱促進層上及びその近傍の部分が加熱促進層から離れた部分よりも加熱されて温度が高くなる。そのことにより、非晶質半導体膜における加熱促進層上及びその近傍の部分のみを選択的に溶融固化して結晶化することが可能になるため、結晶粒の粒径が異なる第1結晶質半導体膜と第2結晶質半導体膜とを確実に分けて形成することが可能になる。 According to this manufacturing method, heating of the amorphous semiconductor film is promoted by reflecting or absorbing the laser beam to the region where the first crystalline semiconductor film is formed before the amorphous film forming step. When the amorphous semiconductor film is irradiated with the laser beam in the first crystallization step, the heating promoting layer reflects or absorbs the laser beam in the first crystallization step, so that the amorphous semiconductor film The portion on and near the heating promotion layer is heated more than the portion away from the heating promotion layer, and the temperature rises. This makes it possible to selectively melt and solidify only the portion on and near the heating promoting layer in the amorphous semiconductor film, so that the first crystalline semiconductor having different crystal grain sizes can be obtained. It is possible to reliably form the film and the second crystalline semiconductor film separately.
さらに、前記第1結晶化工程では、前記加熱促進層上及び該加熱促進層の近傍における前記非晶質半導体膜のみが結晶化する条件のレーザビームを前記非晶質半導体膜に照射することが好ましい。例えば、前記非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜であり、前記第1結晶化工程では、波長が370nm以上且つ650nm以下のレーザビームを前記非晶質半導体膜に照射することが好ましい。 Furthermore, in the first crystallization step, the amorphous semiconductor film may be irradiated with a laser beam under a condition that only the amorphous semiconductor film is crystallized on the heating promotion layer and in the vicinity of the heating promotion layer. preferable. For example, it is preferable that the amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film, and in the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a laser beam having a wavelength of 370 nm or more and 650 nm or less.
この製造方法によると、非晶質半導体膜における加熱促進層上及びその近傍の第1結晶質半導体膜を形成する部分のみが選択的に溶融固化して結晶化されるため、第1結晶質半導体膜を所定の位置に形成することが可能になる。そのことにより、第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を所望の位置に分けて形成することが可能になる。 According to this manufacturing method, only the portion of the amorphous semiconductor film that forms the first crystalline semiconductor film on and near the heating promotion layer is selectively melted and solidified to be crystallized. The film can be formed at a predetermined position. This makes it possible to form the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film in desired positions.
また、前記第1結晶化工程では、パルス発振又は連続発振の固体レーザビームを前記非晶質半導体膜に照射することが好ましい。 In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is preferably irradiated with a pulsed or continuous wave solid laser beam.
この製造方法によると、固体レーザビームのレーザ発振器は簡素な構造を有しているため長期間に亘ってメンテナンスが不要であり、その結果、稼働時間を長く、且つランニングコストを安価にすることが可能になる。 According to this manufacturing method, since the laser oscillator of the solid laser beam has a simple structure, no maintenance is required over a long period of time. As a result, the operating time can be extended and the running cost can be reduced. It becomes possible.
そして、前記第1結晶化工程では、イットリウムアルミニウムガーネット(Yttrium Aluminium Garnet)レーザ(以下、YAGレーザと称する)の第2高調波を前記非晶質半導体膜に照射することが好ましい。 In the first crystallization step, it is preferable to irradiate the amorphous semiconductor film with a second harmonic of a yttrium aluminum garnet laser (hereinafter referred to as a YAG laser).
この製造方法によると、YAGレーザの第2高調波は532nmの波長を有するので、非晶質半導体膜における加熱促進層上及びその近傍の部分のみを選択的に溶融固化して結晶化することが可能になる。特に、非晶質半導体膜が非晶質ケイ素膜である場合には、YAGレーザの第2高調波を非晶質半導体膜に効率良く吸収させることが可能であり、非晶質半導体膜の結晶化を効率良く行うことが可能になる。 According to this manufacturing method, since the second harmonic of the YAG laser has a wavelength of 532 nm, it is possible to selectively melt and solidify only the portion of the amorphous semiconductor film on and near the heating promoting layer for crystallization. It becomes possible. In particular, when the amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film, it is possible to efficiently absorb the second harmonic of the YAG laser in the amorphous semiconductor film, and the crystal of the amorphous semiconductor film Can be efficiently performed.
また、前記第1結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の表面でのビーム形状が直線状であるパルス発振のレーザビームを該レーザビームの幅方向にステップ走査しながら前記非晶質半導体膜に照射することが好ましい。ここで、直線状とは、長方形又は楕円形で細長い形状を意味する。レーザビームの幅方向とは、レーザビームが長方形である場合にはそのレーザビームの短辺方向、レーザビームが楕円形である場合にはそのレーザビームの短軸方向をそれぞれ意味する。また、ステップ走査とは、パルス発振のレーザビームのショット毎に、レーザビームの照射位置を所定の幅で移動させる走査方法である。 In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is scanned while step-scanning a pulsed laser beam having a linear beam shape on the surface of the amorphous semiconductor film in the width direction of the laser beam. Is preferably irradiated. Here, the straight shape means a rectangular or elliptical and elongated shape. The width direction of the laser beam means the short side direction of the laser beam when the laser beam is rectangular, and the short axis direction of the laser beam when the laser beam is elliptical. The step scanning is a scanning method in which the irradiation position of the laser beam is moved by a predetermined width for each shot of the pulsed laser beam.
この製造方法によると、直線状のレーザビームをその幅方向にステップ走査しながら非晶質半導体膜に照射するため、非晶質半導体膜が効率良く簡便に結晶化される。そのため、非晶質半導体膜が大面積の場合には特に有効である。 According to this manufacturing method, the amorphous semiconductor film is efficiently and simply crystallized because the amorphous semiconductor film is irradiated with a linear laser beam while performing step scanning in the width direction. Therefore, it is particularly effective when the amorphous semiconductor film has a large area.
また、その他に、前記第1結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の表面を5cm/s以上且つ3m/s以下の速度で走査しながら連続発振のレーザビームを該非晶質半導体膜に照射することが好ましい。 In addition, in the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a continuous wave laser beam while scanning the surface of the amorphous semiconductor film at a speed of 5 cm / s or more and 3 m / s or less. It is preferable to do.
この製造方法によると、レーザビームを走査する速度が5cm/s以上であるので、非晶質半導体膜が過剰なエネルギーを受けて蒸発することが抑制される。そして、レーザビームを走査する速度が3m/s以下の速度であるので、レーザビームの走査速度が速すぎず、非晶質半導体膜を確実に溶融固化することが可能である。 According to this manufacturing method, since the scanning speed of the laser beam is 5 cm / s or more, the amorphous semiconductor film is suppressed from being evaporated by receiving excessive energy. Since the scanning speed of the laser beam is 3 m / s or less, the scanning speed of the laser beam is not too high, and the amorphous semiconductor film can be reliably melted and solidified.
また、前記加熱促進層形成工程では、膜厚が50nm以上且つ500nm以下となるように前記加熱促進層を形成することが好ましく、膜厚が50nm以上且つ300nm以下となるように前記加熱促進層を形成することがさらに好ましい。 In the heating promotion layer forming step, the heating promotion layer is preferably formed so that the film thickness is 50 nm or more and 500 nm or less, and the heating promotion layer is formed so that the film thickness is 50 nm or more and 300 nm or less. More preferably, it is formed.
仮に、膜厚が50nmよりも小さくなるように加熱促進層を形成すると、第1結晶化工程で非晶質半導体膜にレーザビームを照射したときに、加熱促進層におけるレーザビームの反射又は吸収が不十分なものとなり、非晶質半導体膜における加熱促進層上及びその近傍の部分のみを選択的に溶融固化することができない虞がある。一方、仮に、膜厚が500nmよりも大きくなるように加熱促進層を形成すると、加熱促進層が設けられた領域と加熱促進層が設けられていない領域との間での段差が比較的大きくなるため、その段差により電極や配線などが段切れしやすくなる。 If the heating promotion layer is formed so that the film thickness is smaller than 50 nm, the laser beam is reflected or absorbed by the heating promotion layer when the amorphous semiconductor film is irradiated with the laser beam in the first crystallization step. This may be insufficient, and it may not be possible to selectively melt and solidify only the portion of the amorphous semiconductor film on and near the heating promoting layer. On the other hand, if the heating promotion layer is formed so that the film thickness is larger than 500 nm, the step between the region where the heating promotion layer is provided and the region where the heating promotion layer is not provided becomes relatively large. For this reason, the electrodes and wirings are likely to be disconnected due to the steps.
これに対して、上記の製造方法のように膜厚が50nm以上且つ500nm以下となるように加熱促進層を形成すると、非晶質半導体膜における加熱促進層上及びその近傍の部分のみの選択的な溶融固化を確実に行うことが可能になると共に、加熱促進層が設けられた領域と加熱促進層が設けられていない領域との間の段差が比較的小さくなるため、その段差により電極や配線などが段切れすることが抑制される。さらに、膜厚が300nm以下となるように加熱促進層を形成すると、加熱促進層が設けられた領域と加熱促進層が設けられていない領域との間の段差による電極や配線などの段切れがさらに抑制される。 On the other hand, when the heating promotion layer is formed so that the film thickness is 50 nm or more and 500 nm or less as in the manufacturing method described above, only the portion of the amorphous semiconductor film on and near the heating promotion layer is selectively used. Can be reliably melted and solidified, and the step between the region provided with the heating promoting layer and the region not provided with the heating promoting layer is relatively small. Etc. are prevented from breaking. Furthermore, when the heating promotion layer is formed so that the film thickness is 300 nm or less, disconnection of electrodes, wiring, and the like due to a step between the region where the heating promotion layer is provided and the region where the heating promotion layer is not provided. It is further suppressed.
また、前記加熱促進層は、モリブデン及びタングステンのうち少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。 The heating promotion layer preferably contains at least one element of molybdenum and tungsten.
この製造方法によると、モリブデン及びタングステンは高融点材料であるため、それらモリブデン及びタングステンのうち少なくとも1種の元素を含む加熱促進層は、第1結晶化工程を含む全ての工程において溶融し難くなる。そのことにより、加熱促進層の材料が第1結晶質半導体膜中に拡散することが抑制されるため、加熱促進層に起因して第1結晶質半導体膜の電気特性が劣化することが抑制される。 According to this manufacturing method, since molybdenum and tungsten are high melting point materials, the heating promotion layer containing at least one element of molybdenum and tungsten is difficult to melt in all the steps including the first crystallization step. . As a result, the material of the heating promotion layer is prevented from diffusing into the first crystalline semiconductor film, so that deterioration of the electrical characteristics of the first crystalline semiconductor film due to the heating promotion layer is suppressed. The
前記第2結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を前記残部の非晶質半導体膜に添加した後、該残部の非晶質半導体膜を結晶化エネルギーの付与によって選択的に固相成長させることが好ましい。ここで、触媒元素は、第1結晶化工程で結晶化しなかった残部の非晶質半導体膜のみに添加してもよいが、第1結晶質半導体膜を含む半導体膜全体に添加してもよい。具体的には、触媒元素を含む溶液を塗布したり、触媒元素を真空蒸着させることで簡便に添加することが可能である。 In the second crystallization step, a catalyst element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film is added to the remaining amorphous semiconductor film, and then the remaining amorphous semiconductor film is imparted with crystallization energy. It is preferable to perform solid phase growth selectively. Here, the catalytic element may be added only to the remaining amorphous semiconductor film that has not been crystallized in the first crystallization step, or may be added to the entire semiconductor film including the first crystalline semiconductor film. . Specifically, it can be simply added by applying a solution containing the catalyst element or vacuum depositing the catalyst element.
この製造方法によると、触媒元素が添加された残部の非晶質半導体膜の結晶化が促進され、触媒元素に起因して平均粒径が比較的大きな結晶粒が成長するため、第2結晶質半導体膜のキャリア移動度を確実に高めることが可能になる。したがって、製造工程の効率化及び第2結晶質半導体膜の特性向上を図ることが可能になる。 According to this manufacturing method, crystallization of the remaining amorphous semiconductor film to which the catalytic element is added is promoted, and crystal grains having a relatively large average grain size grow due to the catalytic element. The carrier mobility of the semiconductor film can be reliably increased. Therefore, it is possible to improve the efficiency of the manufacturing process and improve the characteristics of the second crystalline semiconductor film.
さらに、前記第2結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の表面における濃度が1×1010atoms/cm2以上且つ1×1012atoms/cm2以下となるように前記触媒元素を添加することが好ましい。ここで、非晶質半導体膜の表面における触媒元素の濃度は、全反射蛍光X線分析法により容易に測定することが可能である。また、非晶質半導体膜の表面における触媒元素の濃度は、非晶質半導体膜の表面から数nm(5nm〜10nm)までの深さの領域の濃度を測定した結果であればよい。 Further, in the second crystallization step, the catalyst element is added so that the concentration on the surface of the amorphous semiconductor film is 1 × 10 10 atoms / cm 2 or more and 1 × 10 12 atoms / cm 2 or less. It is preferable. Here, the concentration of the catalytic element on the surface of the amorphous semiconductor film can be easily measured by total reflection X-ray fluorescence analysis. The concentration of the catalytic element on the surface of the amorphous semiconductor film may be a result of measuring the concentration in a region having a depth of several nm (5 nm to 10 nm) from the surface of the amorphous semiconductor film.
仮に、非晶質半導体膜の表面における濃度が1×1010atoms/cm2未満となるように触媒元素を添加すると、触媒元素による非晶質半導体膜の結晶化を助長する効果が比較的小さいため、非晶質半導体膜を結晶化するために必要な時間が長くなり、製造工程の効率が低下する。一方、非晶質半導体膜の表面における濃度が1×1012atoms/cm2を越えるように触媒元素を添加すると、第2結晶質半導体膜中の触媒元素が高濃度になり、触媒元素に起因して形成される結晶粒の密度が比較的高くなって結晶粒の平均粒径が小さくなるため、第2非晶質半導体膜のキャリア移動度が小さくなりやすい。このため、第2結晶質半導体膜を用いてTFTを形成する場合には、十分なトランジスタ特性が得られない虞がある。 If the catalytic element is added so that the concentration on the surface of the amorphous semiconductor film is less than 1 × 10 10 atoms / cm 2, the effect of promoting crystallization of the amorphous semiconductor film by the catalytic element is relatively small. Therefore, the time required to crystallize the amorphous semiconductor film becomes long, and the efficiency of the manufacturing process is lowered. On the other hand, when the catalytic element is added so that the concentration on the surface of the amorphous semiconductor film exceeds 1 × 10 12 atoms / cm 2 , the catalytic element in the second crystalline semiconductor film becomes high in concentration and is attributed to the catalytic element. Since the density of the formed crystal grains becomes relatively high and the average grain diameter of the crystal grains becomes small, the carrier mobility of the second amorphous semiconductor film tends to be small. For this reason, when a TFT is formed using the second crystalline semiconductor film, sufficient transistor characteristics may not be obtained.
これに対して、上記の製造方法のように非晶質半導体膜の表面における濃度が1×1010atoms/cm2以上且つ1×1012atoms/cm2以下となるように触媒元素を添加すると、残部の非晶質半導体膜の結晶化が触媒元素により効果的に促進されるため、製造工程を効率的に行うことが可能となる。さらに、第2結晶質半導体膜中の触媒元素が低濃度になり、触媒元素に起因して形成される結晶粒の密度が比較的低くなって結晶粒の平均粒径が大きくなるため、第2結晶質半導体膜のキャリア移動度を確実に大きくすることが可能になる。したがって、製造工程の効率化及び第2結晶質半導体膜の特性向上をさらに図ることが可能になる。そして、第2結晶質半導体膜を用いてTFTを形成する場合には、所望のトランジスタ特性を得ることが可能になる。 On the other hand, when the catalyst element is added so that the concentration on the surface of the amorphous semiconductor film is 1 × 10 10 atoms / cm 2 or more and 1 × 10 12 atoms / cm 2 or less as in the above manufacturing method. Since the crystallization of the remaining amorphous semiconductor film is effectively promoted by the catalytic element, the manufacturing process can be performed efficiently. Furthermore, since the catalyst element in the second crystalline semiconductor film has a low concentration, the density of the crystal grains formed due to the catalyst element is relatively low, and the average grain size of the crystal grains is increased. The carrier mobility of the crystalline semiconductor film can be reliably increased. Therefore, it is possible to further improve the efficiency of the manufacturing process and improve the characteristics of the second crystalline semiconductor film. In the case where a TFT is formed using the second crystalline semiconductor film, desired transistor characteristics can be obtained.
前記触媒元素は、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅及び金からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。 The catalytic element preferably contains at least one element selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, germanium, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, copper and gold.
この製造方法によると、触媒元素が添加された残部の非晶質半導体膜の結晶化を良好に促進させることが可能である。 According to this manufacturing method, it is possible to favorably promote the crystallization of the remaining amorphous semiconductor film to which the catalytic element is added.
また、前記第2結晶化工程では、前記非晶質半導体膜を熱処理炉で熱処理することにより、前記残部の非晶質半導体膜を固相成長させてもよい。 In the second crystallization step, the remaining amorphous semiconductor film may be solid-phase grown by heat-treating the amorphous semiconductor film in a heat treatment furnace.
この製造方法によると、製造工程の効率化と第2結晶質半導体膜の特性向上とを両立しながら、第2結晶質半導体膜を容易に形成することが可能になる。 According to this manufacturing method, it is possible to easily form the second crystalline semiconductor film while simultaneously improving the efficiency of the manufacturing process and improving the characteristics of the second crystalline semiconductor film.
そして、前記第2結晶化工程では、500℃以上且つ700℃以下の温度で前記非晶質半導体膜を熱処理することが好ましい。 In the second crystallization step, the amorphous semiconductor film is preferably heat-treated at a temperature of 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
仮に、500℃未満の温度で非晶質半導体膜を熱処理すると、非晶質半導体膜の固相成長の速度が比較的遅くなる。一方、700℃を越える温度で非晶質半導体膜を熱処理すると、触媒元素に起因して固相成長する結晶粒の他に、触媒元素に起因しない例えば0.2μm以下の比較的小さい粒径の結晶粒が成長するため、第2結晶質半導体膜のキャリア移動度が小さくなりやすい。このため、第2結晶質半導体膜を用いてTFTを形成する場合には、十分なトランジスタ特性が得られない虞がある。 If the amorphous semiconductor film is heat-treated at a temperature lower than 500 ° C., the solid phase growth rate of the amorphous semiconductor film becomes relatively slow. On the other hand, when the amorphous semiconductor film is heat-treated at a temperature exceeding 700 ° C., in addition to the crystal grains that are solid-phase grown due to the catalytic element, a relatively small particle size of, for example, 0.2 μm or less that does not originate from the catalytic element. Since crystal grains grow, the carrier mobility of the second crystalline semiconductor film tends to decrease. For this reason, when a TFT is formed using the second crystalline semiconductor film, sufficient transistor characteristics may not be obtained.
これに対して、上記の製造方法のように500℃以上且つ700℃以下の温度で非晶質半導体膜を熱処理すると、非晶質半導体膜の固相成長の速度が良好に速くなる。さらに、触媒元素に起因しない結晶粒の成長が抑制され、第2結晶質半導体膜のキャリア移動度を確実に大きくすることが可能になる。したがって、製造工程の効率化及び第2結晶質半導体膜の特性向上を図りながらも第2結晶質半導体膜を容易に形成することが可能になる。そして、第2結晶質半導体膜を用いてTFTを形成する場合には、所望のトランジスタ特性を得ることが可能になる。 On the other hand, when the amorphous semiconductor film is heat-treated at a temperature of 500 ° C. or more and 700 ° C. or less as in the above manufacturing method, the solid-phase growth rate of the amorphous semiconductor film is increased favorably. Furthermore, the growth of crystal grains not caused by the catalytic element is suppressed, and the carrier mobility of the second crystalline semiconductor film can be reliably increased. Therefore, it is possible to easily form the second crystalline semiconductor film while improving the efficiency of the manufacturing process and improving the characteristics of the second crystalline semiconductor film. In the case where a TFT is formed using the second crystalline semiconductor film, desired transistor characteristics can be obtained.
前記再結晶化工程では、前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を部分的に溶融する条件のレーザビームを前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射することにより、該第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を部分的に溶融固化することが好ましい。例えば、前記非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜であり、再結晶化工程では、波長が126nm以上且つ370nm未満のレーザビームを前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射することが好ましい。 In the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are irradiated with a laser beam under a condition for partially melting the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film. Thus, it is preferable to partially melt and solidify the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film. For example, the amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film, and a laser beam having a wavelength of 126 nm or more and less than 370 nm is applied to the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film in the recrystallization process. Irradiation is preferred.
この製造方法によると、第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜の各一部を溶融せずにそれら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を部分的に溶融固化するため、第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜の結晶粒の平均粒径及び結晶方位を変化させることなく結晶性を向上させることが可能である。 According to this manufacturing method, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are partially melted and solidified without melting each part of the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film. The crystallinity can be improved without changing the average grain size and crystal orientation of the crystal grains of the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film.
上述したように、本発明の作用効果をより確実に発揮するという観点から、第1結晶化工程と再結晶化工程とでは、非晶質半導体膜の材料に応じて異なる波長のレーザビームを用いることが好ましい。具体的に、非晶質半導体膜が非晶質ケイ素膜である場合には、第1結晶化工程では波長が370nm以上且つ650nm以下のレーザビームを非晶質半導体膜に照射し、再結晶化工程では波長が126nm以上且つ370nm未満のレーザビームを第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射することが好ましい。 As described above, from the viewpoint of exerting the operational effects of the present invention more reliably, the first crystallization step and the recrystallization step use laser beams having different wavelengths depending on the material of the amorphous semiconductor film. It is preferable. Specifically, when the amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film, in the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a laser beam having a wavelength of 370 nm or more and 650 nm or less to perform recrystallization. In the step, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are preferably irradiated with a laser beam having a wavelength of 126 nm or more and less than 370 nm.
また、前記再結晶化工程では、パルス発振のエキシマレーザビームを前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射することにより、該第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化してもよい。 In the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are irradiated by irradiating the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film with a pulsed excimer laser beam. May be melted and solidified.
そして、前記再結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の表面でのビーム形状が直線状であるパルス発振のレーザビームを該レーザビームの幅方向にステップ走査しながら前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射することにより、該第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化することが好ましい。 In the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film is scanned while step-scanning a pulsed laser beam having a linear beam shape on the surface of the amorphous semiconductor film in the width direction of the laser beam. It is preferable that the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are melted and solidified by irradiating the second crystalline semiconductor film.
この製造方法によると、直線状のレーザビームをその幅方向にステップ走査しながら非晶質半導体膜に照射するため、第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を効率良く簡便に溶融固化して結晶性を向上させることが可能になる。 According to this manufacturing method, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are efficiently and simply melted and solidified because the amorphous semiconductor film is irradiated while step-scanning the linear laser beam in the width direction. Thus, crystallinity can be improved.
また、本発明に係る半導体素子基板は、本発明に係る半導体素子基板の製造方法によって製造されたことを特徴とする。 The semiconductor element substrate according to the present invention is manufactured by the method for manufacturing a semiconductor element substrate according to the present invention.
この構成によると、本発明に係る半導体素子基板の製造方法によって形成される第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜は、互いに異なる結晶粒の平均粒径を有しており、キャリア移動度などの電気特性が互いに異なっているので、要求される電気特性に応じてこれら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜のいずれかを用いて半導体素子を形成することにより、異なる電気特性が要求される各半導体素子に所望の電気特性を得ることが可能である。 According to this configuration, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film formed by the method for manufacturing a semiconductor element substrate according to the present invention have different average grain sizes, and carrier movement Since the electrical characteristics such as degrees differ from each other, by forming a semiconductor element using one of the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film according to the required electrical characteristics, different electrical characteristics can be obtained. Desired electrical characteristics can be obtained for each semiconductor element that requires characteristics.
上記構成の半導体素子基板において、前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する第1TFTと、前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する第2TFTとを備えていてもよい。 The semiconductor element substrate having the above structure may include a first TFT having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film and a second TFT having a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film. Good.
この構成によると、異なる電気特性が要求される第1TFT及び第2TFTに所望の電気特性を得ることが可能になる。 According to this configuration, it is possible to obtain desired electrical characteristics for the first TFT and the second TFT that require different electrical characteristics.
また、前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する光センサと、前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する半導体素子とを備えていてもよい。 Moreover, you may provide the optical sensor which has a semiconductor layer formed from the said 1st crystalline semiconductor film, and the semiconductor element which has a semiconductor layer formed from the said 2nd crystalline semiconductor film.
この構成によると、光センサが第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有し、半導体素子が第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有しているため、半導体素子のキャリア移動度を低下させずに、光センサにおいて、暗時のオフリーク電流を抑制して、オン/オフ比を高めることが可能になる。 According to this configuration, the optical sensor has the semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film, and the semiconductor element has the semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film. In the optical sensor, it is possible to suppress the off-leak current in the dark and increase the on / off ratio without reducing the mobility.
また、加熱促進層形成工程を含む半導体素子基板の製造方法によって製造された半導体装置において、前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する光センサと、前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を形成する半導体素子とを備え、前記加熱促進層は、遮光性を有していることが好ましい。 Further, in a semiconductor device manufactured by a method of manufacturing a semiconductor element substrate including a heating promotion layer forming step, an optical sensor having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film, and the second crystalline semiconductor film It is preferable that the heating promotion layer has a light-shielding property.
この構成によると、半導体素子のキャリア移動度を低下させずに、光センサにおいて、暗時のオフリーク電流を抑制して、オン/オフ比を高めることが可能になることに加え、加熱促進層が遮光性を有していることにより光センサの遮光膜として機能するため、加熱促進層と別個に光センサの遮光膜を設ける必要がなく、製造効率が高められる。 According to this configuration, in the optical sensor, it is possible to suppress the off-leak current in the dark and increase the on / off ratio without reducing the carrier mobility of the semiconductor element. Since it functions as a light-shielding film of the optical sensor by having the light-shielding property, it is not necessary to provide the light-shielding film of the optical sensor separately from the heating acceleration layer, and the manufacturing efficiency is increased.
また、本発明に係る表示装置は、本発明に係る半導体素子基板を備えることを特徴とする。 In addition, a display device according to the present invention includes the semiconductor element substrate according to the present invention.
本発明に係る半導体素子基板は、表示装置においても有効である。 The semiconductor element substrate according to the present invention is also effective in a display device.
上記構成の表示装置において、前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する第1TFTと、前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する第2TFTとを備え、前記第1TFTの半導体層は、相対的に小さなチャネル領域を有し、前記第2TFTの半導体層は、相対的に大きなチャネル領域を有していることが好ましい。 The display device having the above structure includes a first TFT having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film, and a second TFT having a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film. The semiconductor layer preferably has a relatively small channel region, and the semiconductor layer of the second TFT preferably has a relatively large channel region.
この構成によると、相対的に小さなチャネル領域を有する第1TFTにおける電気特性のばらつき、及び相対的に大きなチャネル領域を有する第2TFTにおけるキャリア移動度の低下が抑制されるため、これら第1TFT及び第2TFTが要求される電気特性に応じて表示装置に適用されることにより、異なる電気特性が要求される表示装置の各TFTに所望の電気特性を得ることが可能になる。 According to this configuration, variations in electrical characteristics in the first TFT having a relatively small channel region and a decrease in carrier mobility in the second TFT having a relatively large channel region are suppressed. Therefore, the first TFT and the second TFT are suppressed. Is applied to a display device in accordance with the required electrical characteristics, whereby desired electrical characteristics can be obtained for each TFT of the display device that requires different electrical characteristics.
そして、複数の画素によって構成された表示領域を有し、前記第1TFTは、前記各画素毎に設けられ、前記第2TFTは、前記表示領域の外側に設けられた周辺回路を構成していることが好ましい。 And it has a display area constituted by a plurality of pixels, the first TFT is provided for each pixel, and the second TFT constitutes a peripheral circuit provided outside the display area. Is preferred.
この構成によると、画素のTFT間における閾値電圧のばらつきが抑制され、且つ周辺回路のTFTにおけるキャリア移動度の低下が抑制される。これにより、異なる電気特性が要求される画素のTFTと周辺回路のTFTとに所望の電気特性が得られるため、輝度や色のばらつきが少なく、安定した表示が可能な表示装置を実現することが可能になる。 According to this configuration, variations in threshold voltage between the TFTs of the pixel are suppressed, and a decrease in carrier mobility in the TFTs of the peripheral circuit is suppressed. As a result, desired electrical characteristics can be obtained for the TFTs of the pixels that require different electrical characteristics and the TFTs of the peripheral circuits, so that a display device capable of stable display with little variation in luminance and color can be realized. It becomes possible.
また、前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する光センサと、前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有するTFTとを備えることが好ましい。 Further, it is preferable that the optical sensor includes a photosensor having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film and a TFT having a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film.
この構成によると、光センサが第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有し、TFTが第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有しているため、TFTのキャリア移動度を低下させずに、光センサにおいて、暗時のオフリーク電流を抑制して、オン/オフ比を高めることが可能になる。 According to this configuration, since the optical sensor has a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film and the TFT has a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film, the carrier mobility of the TFT In the optical sensor, the on / off ratio can be increased by suppressing the off-leakage current in the dark without reducing the above.
本発明によれば、非晶質半導体膜の一部を溶融固化した後に残部の非晶質半導体膜を固相成長させることにより、互いに結晶粒の平均粒径が異なる第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜をそれぞれ形成し、それら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化して再結晶化することにより、第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜の結晶性、特に固相成長によって結晶化された第2結晶質半導体膜の結晶性が向上するので、同一基板上に、結晶粒の平均粒径が互いに異なり、各々優れたキャリア移動度を有する第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を形成できる。そして、それら第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を用いて異なる電気特性が要求される各半導体素子に所望の電気特性を得ることができる。例えば、フルモノリシック型の液晶表示装置において、第1結晶質半導体膜を用いて各画素のTFT、第2結晶質半導体膜を用いて周辺回路のTFTがそれぞれ形成されることによって、各画素のTFT間における閾値電圧のばらつき、及び周辺回路のTFTにおけるキャリア移動度の低下を抑制できる。さらに、第1結晶質半導体膜を用いてフォトダイオードなどの光センサが形成されることによって、周辺回路のTFTにおけるキャリア移動度の低下を抑制しながら、光センサのオン/オフ比を大きくできる。その結果、表示装置の高性能化及び高画質化を実現できる。 According to the present invention, the first amorphous semiconductor film having a different average grain size from each other by solid-phase growth of the remaining amorphous semiconductor film after melting and solidifying a part of the amorphous semiconductor film and The first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are formed by respectively forming the second crystalline semiconductor film and melting and solidifying the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film to recrystallize them. The crystallinity of the second crystalline semiconductor film, particularly the crystallinity of the second crystalline semiconductor film crystallized by solid phase growth, is improved, so that the average grain sizes of the crystal grains are different from each other on the same substrate, and each has excellent carrier mobility. A first crystalline semiconductor film and a second crystalline semiconductor film can be formed. The first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film can be used to obtain desired electrical characteristics for each semiconductor element that requires different electrical characteristics. For example, in a full monolithic type liquid crystal display device, a TFT of each pixel is formed using a first crystalline semiconductor film, and a TFT of a peripheral circuit is formed using a second crystalline semiconductor film, respectively. It is possible to suppress variations in threshold voltage between them and a decrease in carrier mobility in the TFTs in the peripheral circuit. Further, by forming a photosensor such as a photodiode using the first crystalline semiconductor film, the on / off ratio of the photosensor can be increased while suppressing a decrease in carrier mobility in the TFT of the peripheral circuit. As a result, high performance and high image quality of the display device can be realized.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.
《発明の実施形態1》
図1〜図18は、本発明に係る半導体素子基板の製造方法及び半導体素子基板並びに表示装置の実施形態1を示している。
1 to 18
図1は、液晶表示装置1を概略的に示す平面図である。図2は、図1のII−II線に沿って液晶表示装置1を概略的に示す断面図である。図3は、液晶表示装置1を構成するアクティブマトリクス基板10の各TFT20A,20Bを概略的に示す断面図である。図4〜図18は、後述するように、本実施形態のアクティブマトリクス基板10の製造方法を説明するための図である。なお、図3は、図中左側が画素のTFT20A、図中右側が周辺回路のTFT20Bをそれぞれ示している。また、図1では偏光板36の図示を省略し、図2では駆動回路21の図示を省略している。
FIG. 1 is a plan view schematically showing the liquid
本実施形態の半導体素子基板は、液晶表示装置を構成するアクティブマトリクス基板として用いられている。 The semiconductor element substrate of this embodiment is used as an active matrix substrate that constitutes a liquid crystal display device.
<液晶表示装置>
液晶表示装置1は、図1に示すように表示領域Dを構成する複数の画素と共に駆動回路21,22などの周辺回路が同一基板上に作り込まれたフルモノリシック型の表示装置であり、図2に示すように、半導体素子基板であるアクティブマトリクス基板10と、アクティブマトリクス基板10に対向して配置された対向基板30と、アクティブマトリクス基板10及び対向基板30との間に設けられた液晶層31と、アクティブマトリクス基板10と対向基板30とを接着すると共に液晶層31を封入するように設けられたシール材32とを備えている。
<Liquid crystal display device>
The liquid
アクティブマトリクス基板10及び対向基板30は、例えば矩形状に形成され、液晶層31側の表面に配向膜33,34がそれぞれ設けられていると共に、液晶層31とは反対側の表面に偏光板35,36がそれぞれ設けられている。液晶層31は、電気光学特性を有するネマチックの液晶材料などにより構成されている。シール材32は、例えば対向基板30の各辺に沿って延びるように矩形枠状に形成されている。
The
また、液晶表示装置1には、アクティブマトリクス基板10と対向基板30とが重なる領域であってシール材32の内側に画像表示を行う表示領域Dが規定されている。ここで、表示領域Dは、画像の最小単位である画素がマトリクス状に複数配列して構成されている。また、液晶表示装置1には、表示領域Dの周囲において、シール材32が配置される4辺の額縁領域Fと、アクティブマトリクス基板10の一辺側(図1中下側)が対向基板30から露出した端子領域Tとが規定されている。端子領域Tにはフレキシブルプリント配線基板(Flexible Printed Circuit、以下、FPCと称する)37が接続され、そのFPC37を介して画像表示のための信号などが外部回路から表示装置1に入力されるように構成されている。
Further, in the liquid
<アクティブマトリクス基板>
アクティブマトリクス基板10は、表示領域Dにおいて、図示は省略するが、ガラス基板やプラスチック基板などの絶縁性の表面を有する基板上に、互いに並行に延びるように設けられた複数のゲート配線と、各ゲート配線を覆うように設けられた層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に各ゲート配線に交差する方向に互いに並行に延びるように設けられた複数のソース配線とを備えている。ここで、ゲート配線及びソース配線は各画素を区画するように全体として格子状に設けられている。そして、ゲート配線及びソース配線の格子間には、複数の画素電極がマトリクス状に設けられている。
<Active matrix substrate>
Although not shown in the display region D, the
そして、アクティブマトリクス基板10には、各画素毎に、画素電極に接続された図3中左側に示す第1TFTであるTFT(以下、画素TFTと称する)20Aが設けられている。また、アクティブマトリクス基板10には、図1に示すように、モノリシック回路として、図中右側の額縁領域Fにゲート駆動回路21、図中下側の額縁領域Fにソース駆動回路22などの周辺回路がそれぞれ設けられ、それら周辺回路21,22を構成する図3中右側に示す第2TFTであるTFT(以下、周辺回路TFTと称する)20Bが設けられている。
The
これら画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bは、nチャネル型TFTであり、図3に示すように、不純物の拡散を防ぐ目的で設けられたベースコート膜13を介して基板11上に形成されている。また、各画素には、図3中左側に示すように、画素TFT20Aが設けられた領域を含むように基板11とベースコート膜13との間に加熱促進層12が設けられている。
The
<画素TFT>
画素TFT20Aは、ベースコート膜13上に設けられてチャネル領域14c、ソース領域14s及びドレイン領域14dを有する島状の第1結晶質ケイ素層14Aと、第1結晶質ケイ素層14A上にゲート絶縁膜15を介して設けられたゲート電極16aと、ゲート電極16aを覆うように設けられた層間絶縁膜17と、層間絶縁膜17上にソース領域14s及びドレイン領域14dからそれぞれ引き出された引き出し電極19s,19dとを備えている。
<Pixel TFT>
The
第1結晶質ケイ素層14Aは、ゲート電極16aに重なるチャネル領域14cと、チャネル領域14cの両側に設けられたソース領域14s及びドレイン領域14dとで構成されている。この第1結晶質ケイ素層14Aは、多結晶シリコンで構成されている。ソース領域14s及びドレイン領域14dには、リン(P)などのn型不純物元素がイオン注入されている。なお、ソース領域14s及びドレイン領域14dのそれぞれとチャネル領域14cとの間には、不純物元素が低濃度にイオン注入されたLDD(Lightly Doped Drain)領域が形成されていてもよい。
The first
ゲート電極16aはゲート配線に接続されている。ゲート絶縁膜15及び層間絶縁膜17にはソース領域14s及びドレイン領域14dに達するコンタクトホール18がそれぞれ形成されており、それら各コンタクトホール18を介して各引き出し電極19s,19dがソース領域14s及びドレイン領域14dにそれぞれ接続されている。また、ソース領域14s側の引き出し電極19sはソース配線に接続されている一方、ドレイン領域14d側の引き出し電極19dは画素電極に接続されている。
The
この画素TFT20Aのチャネル領域14cは、例えば縦4μm且つ横4μm程度の相対的に小さい矩形状に形成されている。そして、第1結晶質ケイ素層14Aにおける結晶粒の平均粒径は、例えば0.1μm以上且つ1.0μm以下程度である。
The
<周辺回路TFT>
周辺回路TFT20Bも、画素TFT20Aと同様に構成され、ベースコート膜13上に設けられたチャネル領域14c、ソース領域14s及びドレイン領域14dを有する島状の第2結晶質ケイ素層14Bと、チャネル領域14c上にゲート絶縁膜15を介して設けられたゲート電極16bと、ゲート電極16bを覆うように設けられた層間絶縁膜17と、ゲート絶縁膜15及び層間絶縁膜17に形成されたコンタクトホール18を介してソース領域14s及びドレイン領域14dから層間絶縁膜17上にそれぞれ引き出された引き出し電極19s,19dとを備えている。
<Peripheral circuit TFT>
The
この周辺回路TFT20Bのチャネル領域14cは、例えば縦20μm且つ横20μm程度の相対的に大きな矩形状に形成されている。そして、結晶質ケイ素層14Bは、CGシリコンなどの結晶粒の平均粒径が比較的大きな多結晶シリコンで構成され、その結晶粒の平均粒径が、例えば3.0μm以上である。
The
このように、画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bは、チャネル領域14cの大きさと、結晶質ケイ素層14A,14Bにおける結晶粒の平均粒径とが互いに異なることを除いては同一の構造を有している。これら画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bは、ソース領域14s側の引き出し電極19sに注入された電子がチャネル領域14cを経てドレイン領域14dに受け渡され、ドレイン領域14d側の引き出し電極19dに流れることによって電流が流れる。
Thus, the
なお、ここでは画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bがnチャネル型TFTである場合について説明したが、ソース領域14s及びドレイン領域14dにホウ素(B)などのp型不純物元素がイオン注入されたpチャネル型TFTであってもよく、その場合には正孔(ホール)をキャリアとして電流が流れる。
Although the case where the
<対向基板>
対向基板30は、図示は省略するが、ガラス基板やプラスチック基板などの絶縁性の表面を有する基板上に、ゲート配線及びソース配線に対応するように格子状に設けられたブラックマトリクスと、そのブラックマトリクスの格子間に周期的に配列するようにそれぞれ設けられた例えば赤色層、緑色層及び青色層を含む複数色のカラーフィルタと、それらブラックマトリクス及び各カラーフィルタを覆うように設けられた共通電極と、その共通電極上に柱状に設けられたフォトスペーサとを備えている。
<Counter substrate>
Although not shown, the
<液晶表示装置の作動>
上記構成の液晶表示装置1では、各画素において、ゲート駆動回路21からゲート信号がゲート配線を介してゲート電極16aに送られて、画素TFT20Aがオン状態になったときに、ソース駆動回路22からソース信号がソース配線を介してソース領域14s側の引き出し電極19sに送られて第1結晶質ケイ素層14A及びドレイン領域14d側の引き出し電極19dを介して、画素電極に所定の電荷が書き込まれる。このとき、アクティブマトリクス基板10の各画素電極と対向基板30の共通電極の間において電位差が生じ、液晶層31に所望の電圧が印加される。そして、液晶表示装置1では、液晶層31に印加する電圧の大きさによって液晶分子の配向状態を各画素毎に変えることにより、液晶層31の光透過率を調整して所望の画像が表示される。
<Operation of liquid crystal display device>
In the liquid
−製造方法−
次に、上記アクティブマトリクス基板10及び液晶表示装置1を製造する方法について説明する。
-Manufacturing method-
Next, a method for manufacturing the
液晶表示装置1を製造するには、まず、アクティブマトリクス基板10及び対向基板30をそれぞれ製造し、これら両基板10,30に配向膜33,34をそれぞれ形成する。次いで、アクティブマトリクス基板10及び対向基板30をシール材32を介して互いに貼り合わせると共に、そのシール材32によってアクティブマトリクス基板10と対向基板30との間に液晶層31を封入する。そして、アクティブマトリクス基板10及び対向基板30に偏光板35,36をそれぞれ貼り付けた後、FPC37を接続する。本発明に係る製造方法は、特に、アクティブマトリクス基板10の製造方法に特徴があるため、以下に図4〜図18を参照しながら詳述する。図4〜図18は、アクティブマトリクス基板10の製造方法を説明するための図であり、図3に対応するように画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bが形成される箇所の断面を示している。
In order to manufacture the liquid
なお、対向基板30の製造、配向膜33,34の形成、アクティブマトリクス基板10と対向基板30との貼り合わせ、偏光板35,36の貼り付け、及びFPC37の接続などのアクティブマトリクス基板10の製造以外の方法については公知の方法を用いて行うことができるので、その説明は省略する。
It should be noted that the manufacturing of the
本実施形態のアクティブマトリクス基板10の製造方法には、加熱促進層形成工程と、非晶質膜成膜工程と、第1結晶化工程と、第2結晶化工程と、再結晶化工程とが含まれる。
The manufacturing method of the
まず、画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bを形成するための結晶質半導体膜を形成する方法について説明する。
First, a method for forming a crystalline semiconductor film for forming the
<加熱促進層形成工程>
ガラス基板やプラスチック基板などの絶縁性の表面を有する基板11上に、図4に示すように、例えばスパッタリング法によりモリブデン膜23を成膜する。続いて、このモリブデン膜23をフォトリソグラフィーによりパターニングして、図5に示すように画素TFT20Aを形成する領域を含むようにレーザビームを反射する加熱促進層12を形成する。なお、モリブデン膜23に代えてレーザビームを吸収するタングステン膜から加熱促進層12を形成してもよい。
<Heating acceleration layer forming step>
As shown in FIG. 4, a
ここで、仮に、膜厚が50nmよりも小さくなるように加熱促進層12を形成すると、後に行う第1結晶化工程で非晶質ケイ素膜にレーザビームを照射したときに、加熱促進層12におけるレーザビームの反射が不十分なものとなり、非晶質ケイ素膜における加熱促進層12上及びその近傍のみを選択的に溶融固化することができない虞がある。一方、仮に、膜厚が500nmよりも大きくなるように加熱促進層12を形成すると、加熱促進層12が設けられた領域と加熱促進層12が設けられていない領域との段差が比較的大きくなるため、その段差により、後に形成する引き出し電極19s,19dが段切れしやすくなる。このことから、加熱促進層12は、50nm以上且つ500nm以下の厚さに形成することが好ましい。さらに、引き出し電極19s,19dの段切れを良好に抑制する観点から300nm以下の厚さに形成することがより好ましい。
Here, if the
次いで、加熱促進層12が形成された基板上に、原料ガスとしてTEOS(Tetra EthOxy Silane)を用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによって二酸化ケイ素膜を成膜することにより、図6に示すように、ベースコート膜13を例えば100nm程度の厚さに形成する。なお、ベースコート膜13としては、二酸化ケイ素膜の他に、窒化ケイ素膜、酸窒化ケイ素膜などを成膜してもよく、これらの膜の積層体を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 6, a silicon dioxide film is formed on the substrate on which the
<非晶質膜成膜工程>
ベースコート膜13が形成された基板上に、原料ガスとしてSiH4を用いたLPCVD(Low Pressure CVD)法などにより、非晶質半導体膜として非晶質ケイ素膜24を例えば50nm程度の厚さで成膜する。
<Amorphous film formation process>
On the substrate on which the
<第1結晶化工程>
非晶質膜成膜工程で成膜した非晶質ケイ素膜24に対し、図7に示すように、その非晶質ケイ素膜24の表面でのビーム形状が直線状であるパルス発振のレーザビーム25をそのレーザビーム25の幅方向(図中に矢印で示す方向)にステップ走査しながら照射することにより、非晶質ケイ素膜24における加熱促進層12上及びその加熱促進層12の近傍の領域を溶融固化して結晶化する。
<First crystallization step>
As shown in FIG. 7, a pulsed laser beam having a linear beam shape on the surface of the
レーザビーム25は、アスペクト比が2以上であることが好ましく、10以上且つ10000以下のアスペクト比であることがさらに好ましい。このような直線状にレーザビームが成形されていれば、非晶質ケイ素膜24を十分にアニールできる程度のエネルギー密度を確保することが可能になる。そして、このような直線状のレーザビーム25をその幅方向にステップ走査しながら非晶質ケイ素膜24に照射することにより、非晶質ケイ素膜24を効率良く簡便に結晶化することが可能である。
The
また、レーザビーム25は、加熱促進層12上及びその加熱促進層12の近傍における非晶質ケイ素膜24のみを結晶化する条件のレーザビームであることが好ましく、例えば波長が370nm以上且つ650nm以下のレーザビームであることが好ましい。そこで、レーザビーム25としては、例えばYAGレーザの第2高調波を用いる。YAGレーザの第2高調波は波長が532nmであるのでケイ素膜に吸収されやすく、これを非晶質ケイ素膜24に照射すると、より効率良く結晶化を行うことが可能である。また、YAGレーザビームは、固体レーザビームであり、そのレーザ発振器は簡素な構造を有しているため長期間に亘ってメンテナンスが不要であり、その結果、稼働時間を長く、且つランニングコストを安価にすることが可能である。
Further, the
この第1結晶化工程を行うことにより、図8に示すように、加熱促進層12上及びその加熱促進層12の周囲の非晶質ケイ素膜24を結晶化して、第1結晶質半導体膜として第1結晶質ケイ素膜24Aを形成する。一方、非晶質ケイ素膜24におけるその他の領域は非晶質ケイ素膜24のまま変化しない。
By performing this first crystallization step, as shown in FIG. 8, the
<第2結晶化工程>
第1結晶化工程で形成した第1結晶質ケイ素膜24Aを含むケイ素膜24Cの表面全体に、例えば抵抗加熱法により、図9に示すように、非晶質ケイ素膜24の結晶化を助長する触媒元素としてニッケル(Ni)26を蒸着させることにより添加する。図9ではニッケル26を膜状に示しているが、実際には、ニッケル26はケイ素膜24Cの表面に粒状に散乱している。
<Second crystallization step>
As shown in FIG. 9, the entire surface of the
なお、触媒元素としては、ニッケル26の他に、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ゲルマニウム(Ge)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)及び金(Au)などが挙げられ、この第2結晶化工程では、ニッケル26に代えて、これらの金属のうち少なくとも1種類の元素をケイ素膜24Cに添加することが好ましく、これらの金属の化合物や、金属単体と金属化合物を添加してもよい。
In addition to
ニッケル26は、全反射蛍光X線分析法によって表面濃度を測定することが可能である。ここで、仮に、非晶質ケイ素膜24の表面における濃度が1×1010atoms/cm2未満となるようにニッケル26を添加すると、ニッケル26による非晶質ケイ素膜24の結晶化を助長する効果が比較的小さいため、非晶質ケイ素膜24を結晶化するために必要な時間が長くなり、製造工程の効率が低下する。一方、非晶質ケイ素膜24の表面における濃度が1×1012atoms/cm2を越えるようにニッケル26を添加すると、後述する熱処理を行ったときに、非晶質ケイ素膜24中のニッケル26が高濃度になり、ニッケル26に起因して形成される結晶粒の密度が比較的高くなって結晶粒の平均粒径が小さくなるため、これにより形成された結晶質ケイ素膜のキャリア移動度が小さくなりやすい。そして、その結晶質ケイ素膜を用いてTFTを形成する場合には、十分なトランジスタ特性が得られない虞がある。このことから、ニッケル26は、非晶質ケイ素膜24の表面における濃度が1×1010atoms/cm2以上且つ1×1012atoms/cm2未満となるように添加することが好ましい。
The surface concentration of
次いで、ケイ素膜24Cにニッケル26が添加された基板を電気炉(熱処理炉)に搬入し、その電気炉で窒素雰囲気中において基板(ケイ素膜24C)を熱処理する。この熱処理により、非晶質ケイ素膜24の表面のニッケル26を非晶質領域へと拡散させ、拡散したニッケル26に起因して第1結晶化工程で結晶化しなかった残部の非晶質ケイ素膜24に比較的大きな結晶粒を固相成長させる。
Next, the substrate in which
ここで、仮に、500℃未満の温度で非晶質ケイ素膜24を熱処理すると、非晶質ケイ素膜24の固相成長の速度が比較的遅くなる。一方、700℃を越える温度で非晶質ケイ素膜24を熱処理すると、ニッケル26に起因して固相成長する結晶粒の他に、ニッケル26に起因しない例えば0.2μm以下の比較的小さい粒径の結晶粒が成長するため、これにより形成された結晶質ケイ素膜を用いてTFTを形成する場合には、十分なトランジスタ特性が得られない虞がある。このことから、500℃以上且つ700℃以下の温度で非晶質ケイ素膜24を熱処理することが好ましい。
Here, if the
この第2結晶化工程を行うことにより、第1結晶化工程で結晶化しなかった残部の非晶質ケイ素膜24を固相成長させて、図10に示すように、第1結晶質ケイ素膜24Aよりも結晶粒の平均粒径が大きい第2結晶質ケイ素膜24Bを形成する。このとき、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径は、影響を受けず変化しない。
By performing this second crystallization step, the remaining
<再結晶化工程>
第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bに対し、図11に示すように、それら各結晶質ケイ素膜24A,24Bの表面でのビーム形状が直線状であるパルス発振のレーザビーム27をそのレーザビーム27の幅方向(図中に矢印で示す方向)にステップ走査しながら照射する。そのことにより、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径が第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを溶融固化して、それら各結晶質ケイ素膜24A,24Bを再結晶化する。このように直線状のレーザビーム27をその幅方向にステップ走査しながら各結晶質ケイ素膜24A,24Bに照射することにより、各結晶質ケイ素膜24A,24Bを効率良く簡便に結晶化することが可能である。
<Recrystallization process>
For the first
レーザビーム27は、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径が第2結晶質ケイ素膜24Bおける結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を確実に維持しながらこれら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを再結晶化する観点から、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを部分的に溶融する条件のレーザビームであることが好ましく、例えば波長が126nm以上且つ370nm未満のレーザビームであることが好ましい。そこで、レーザビーム27としては、例えば波長が308nmのXeClエキシマレーザビームを用いる。
The
この再結晶化工程を行うことにより、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの表面から溶融を進行させるが、ベースコート膜13との界面から数nm程度の領域の第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bは溶融させない。そして、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを部分的に溶融固化して再結晶化することにより、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径が変化することなくこれら各結晶質ケイ素膜24A,24Bの結晶性が向上する。
By performing this recrystallization step, melting proceeds from the surface of the first
以上のようにして、同一基板11上に、結晶粒の平均粒径が互いに異なり、各々優れたキャリア移動度を有する第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成することができる。次に、これら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを用いて画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bを形成する方法について説明する。
As described above, the first
第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bをフォトリソグラフィーによりパターニングして、図12及び図13に示すように、各々、チャネル領域14c、ソース領域14s及びドレイン領域14dとなる領域を有するように、第1結晶質ケイ素膜24Aから第1結晶質ケイ素層14A’、第2結晶質ケイ素膜24Bから第2結晶質ケイ素層14B’をそれぞれ形成する。ここで、第1結晶質ケイ素層14A’及び第2結晶質ケイ素層14B’は、図12に示すような同一の外形を有し、チャネル領域14cとなる領域の大きさだけが異なるように形成する。
The first
次いで、第1結晶質ケイ素層14A’及び第2結晶質ケイ素層14B’が形成された基板上に、原料ガスとしてTEOSなどを用いたAPCVD(Atmospheric Pressure CVD)法により、第1結晶質ケイ素層14A’及び第2結晶質ケイ素層14B’を覆うように二酸化ケイ素膜などの酸化膜を成膜することにより、図14に示すように、ゲート絶縁膜15を例えば100nm程度に形成する。なお、ゲート絶縁膜15としては、二酸化ケイ素膜の他に、窒化ケイ素膜、酸窒化ケイ素膜などが挙げられ、これらの膜の積層体としてもよい。
Next, the first crystalline silicon layer is formed on the substrate on which the first
続いて、ゲート絶縁膜15が形成された基板上に、スパッタ法により、図15に示すように、アルミニウム膜28を例えば300nm程度の厚さに形成した後、そのアルミニウム膜28をフォトリソグラフィー法によりパターニングすることにより、図16に示すように、ゲート電極16a,16bを形成する。このとき、アルミニウム膜28からゲート配線も同時に形成する。なお、ゲート電極16a,16bは、アルミニウムに代えて、例えばタングステン(W)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、及びチタン(Ti)などの高融点金属材料の膜や、これら高融点金属材料の窒化物などの膜から形成してもよく、これらの膜が積層された積層体から形成してもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 15, an
さらに、第1結晶質ケイ素層14A’及び第2結晶質ケイ素層14B’に、図17に示すように、ゲート電極16a,16bをマスクとして例えばリンなどのn型不純物元素をイオン注入した後、電気炉で活性化アニールを行うことにより、第1結晶質ケイ素層14A’及び第2結晶質ケイ素層14B’において、ゲート電極16a,16bが重なっていない領域にソース領域14s及びドレイン領域14d、ゲート電極16a,16bが重なる領域にチャネル領域14cをそれぞれ形成する。ここで、図17中の矢印はリンを注入する方向を示している。このようにして第1結晶質ケイ素層14A及び第2結晶質ケイ素層14Bが形成される。
Further, as shown in FIG. 17, after the n-type impurity element such as phosphorus is ion-implanted into the first
次に、各結晶質ケイ素層14A,14Bにチャネル領域14c、ソース領域14s及びドレイン領域14dが形成された基板上に、APCVD法により、ゲート電極16a,16bを覆うように窒化ケイ素膜などを成膜することにより、層間絶縁膜17を例えば500nm程度の厚さに形成する。そして、層間絶縁膜17及びゲート絶縁膜15をフォトリソグラフィーによりパターニングして、図18に示すように、層間絶縁膜17及びゲート絶縁膜15にソース領域14s及びドレイン領域14d上で貫通するコンタクトホール18をそれぞれ形成する。
Next, a silicon nitride film or the like is formed on the substrate in which the
さらに、層間絶縁膜17及びゲート絶縁膜15にコンタクトホール18が形成された基板上に、スパッタリング法により、チタン膜、アルミニウム膜及びチタン膜を順に成膜して金属積層体を形成した後、その金属積層体をパターニングすることにより、引き出し電極19s,19dを形成する。これにより、コンタクトホール18を介して引き出し電極19s,19dとソース領域14s及びドレイン領域14dとの間にオーミック接触を実現させる。このようにして図3に示す画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bが形成される。このとき、金属積層体からソース配線も同時に形成する。なお、引き出し電極19s,19dは、チタン膜、アルミニウム膜及びチタン膜の積層体に代えて、例えばタングステン、チタン及びアルミニウムなどの単体の金属膜から形成していてもよく、チタン膜、アルミニウム膜及びチタン膜の積層体以外の金属積層体から形成してもよい。
Further, after a titanium film, an aluminum film, and a titanium film are sequentially formed on the substrate having the
その後、引き出し電極19s,19dが形成された基板上に、スパッタリング法により、例えばITO(Indium Tin Oxide)膜などの透明導電膜を成膜し、その透明導電膜をフォトリソグラフィーによりパターニングして、画素電極を形成する。
Thereafter, a transparent conductive film such as an ITO (Indium Tin Oxide) film is formed on the substrate on which the
以上のようにして、アクティブマトリクス基板10を製造することができる。
The
−実施例−
上記本実施形態の製造方法に従って、以下の条件で第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成し、第1結晶質ケイ素膜24Aを用いて画素TFT20A、第2結晶質ケイ素膜24Bを用いて周辺回路TFT20Bをそれぞれ50個ずつ作製した。本実施例で作製する画素TFT20Aはチャネル領域14cが縦4μm且つ横4μmの矩形状であり、周辺回路TFT20Bはチャネル領域14cが縦20μm且つ横20μmの矩形状である。
-Example-
According to the manufacturing method of the present embodiment, the first
<作製方法>
加熱促進層形成工程において、ガラス基板11上に加熱促進層12を150nm程度の厚さに形成した。ベースコート膜13としては、二酸化ケイ素膜を100nmの厚さに成膜した。さらに、非晶質膜成膜工程では、非晶質ケイ素膜24を50nmの厚さで成膜した。
<Production method>
In the heating promotion layer forming step, the
次に、第1結晶化工程において、非晶質ケイ素膜24の表面でのビーム形状が長さ100mm且つ幅45μm程度の矩形直線状となるようにパルス発振のYAGレーザビーム25を成形し、そのレーザビーム25をパルス発振のショット毎に2μmの幅で移動させるようにステップ走査しながら非晶質ケイ素膜24にYAGレーザの第2高調波を照射した。このとき、パルス発振のYAGレーザの第2高調波を出力するレーザ発振器に印加するエネルギーを30Wに設定した。これにより、加熱促進層12上及びその周囲500nmの領域の非晶質ケイ素膜24が溶融固化して結晶化することにより第1結晶質ケイ素膜24Aが形成された。
Next, in the first crystallization step, the pulsed
続いて、第2結晶化工程において、全反射蛍光X線分析法によればケイ素膜24Cの表面から数nm(5nm〜10nm)程度の深さまでの領域の濃度が5×1010atoms/cm2程度となるように触媒元素としてニッケル26をケイ素膜24Cに添加した。そして、電気炉で窒素雰囲気において基板を600℃で1時間に亘って熱処理した。
Subsequently, in the second crystallization step, according to the total reflection X-ray fluorescence analysis, the concentration of the region from the surface of the
次いで、再結晶化工程において、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの表面でのビーム形状が長さ125mm且つ幅0.4mm程度の矩形直線状となるようにパルス発振のXeClエキシマレーザビーム27を成形し、そのレーザビーム27をパルス発振のショット毎に20μmの幅で移動させるようにステップ走査しながら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bに照射した。このとき、XeClエキシマレーザビーム27の出力は、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの表面に照射するエネルギー密度が350mJ/cm2となるように設定した。これにより、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの表面から溶融が進行したが、ベースコート膜13との界面から5nmの領域の第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bは溶融しなかった。
Next, in the recrystallization step, pulse oscillation is performed so that the beam shape on the surface of the first
そして、ゲート絶縁膜15を100nmの厚さに形成し、ゲート電極16a,16bをアルミニウム膜から300nmの厚さに形成した。また、第1結晶質ケイ素層14A及び第2結晶質ケイ素層14Bのソース領域14s及びドレイン領域14dをリンをイオン注入することにより形成した。さらに、層間絶縁膜17を500nmの厚さに形成し、引き出し電極19s,19dを、下層からチタン膜を100nm、アルミニウム膜を300nm、チタン膜を100nmの厚さで積層した金属積層膜から形成した。
Then, the
<評価>
上記第1結晶化工程、第2結晶化工程、及び再結晶化工程のそれぞれの直後におけるケイ素膜について、EBSP法により結晶粒の平均粒径を測定した。第1結晶化工程後の第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径は約0.3μmであった。第2結晶化工程後において、第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径は約4.0μmであり、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径は約0.3μmのまま変化していなかった。また、再結晶化工程後においても、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径は約0.3μmであり、第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径は約4.0μmであった。
<Evaluation>
For the silicon film immediately after each of the first crystallization step, the second crystallization step, and the recrystallization step, the average grain size of the crystal grains was measured by the EBSP method. The average grain size of the crystal grains in the first
また、得られた画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bについて、TFT電気特性測定器を用いてI−V測定を行い、キャリア移動度及び閾値電圧のばらつきを測定した。画素TFT20Aについては、キャリア移動度が180cm2/V・sであり、50個の閾値電圧のばらつきが0.05Vと比較的小さかった。一方、周辺回路TFT20Bについては、キャリア移動度が370cm2/V・sであり、50個の閾値電圧のばらつきが0.15Vと比較的大きかった。
Further, the obtained
以上のことから、非晶質ケイ素膜24の一部を溶融固化した後に残部の非晶質ケイ素膜24を固相成長させることにより、互いに結晶粒の平均粒径が異なる第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成でき、さらに第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを溶融固化することにより再結晶化することにより、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径が第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながらそれら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの結晶性を向上させることができることが分かる。
From the above, the first crystalline silicon film having a different average grain size from each other is obtained by solid-phase growth of the remaining
そして、第1結晶質ケイ素膜24Aを用いて画素TFT20A、第2結晶質ケイ素膜24Bを用いて周辺回路TFT20Bをそれぞれ形成することにより、画素TFT20A間の閾値電圧のばらつきを小さくできると共に、画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bの双方に優れたキャリア移動度を得ることができ、特に周辺回路TFT20Bに高いキャリア移動度を得ることができることが分かる。
Then, by forming the
−実施形態1の効果−
したがって、この実施形態1によると、非晶質膜成膜工程において基板11上に非晶質ケイ素膜24を成膜し、第1結晶化工程において非晶質ケイ素膜24における第1結晶質ケイ素層14Aを形成する領域を溶融固化して結晶化することで第1結晶質ケイ素膜24Aを形成した後、第2結晶化工程において残部の非晶質ケイ素膜24を固相成長させることで第1結晶質ケイ素膜24Aよりも結晶粒の平均粒径が大きい第2結晶質ケイ素膜24Bを形成する。そのことにより、結晶粒の平均粒径が互いに異なる第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成できる。さらに、再結晶化工程において、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径が第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながら、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを溶融固化することでそれら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを再結晶化する。そのことにより、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの結晶性が向上してキャリア移動度を高めることができる。特に、固相成長によって結晶化された第2結晶質ケイ素膜24B中の結晶欠陥が減少することで第2結晶質ケイ素膜24Bの結晶性が向上してキャリア移動度を高めることができる。したがって、同一基板11上に、結晶粒の平均粒径が互いに異なり、各々優れたキャリア移動度を有する第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成することができる。
-Effect of Embodiment 1-
Therefore, according to the first embodiment, the
そして、第1結晶質ケイ素膜24Aを用いて画素TFT20A、第2結晶質ケイ素膜24Bを用いて周辺回路TFT20Bをそれぞれ形成するため、画素TFT20A間における閾値電圧のばらつきを抑制でき、且つ周辺回路TFT20Bにおけるキャリア移動度の低下を抑制できる。これにより、異なる電気特性が要求される画素TFT20Aと周辺回路TFT20Bとに所望の電気特性を得ることができるため、輝度や色のばらつきが少なく、安定した表示が可能な表示装置1を実現することができる。
Since the
《発明の実施形態2》
図19〜図28、本発明に係る半導体素子基板及びその製造方法の実施形態2を示している。なお、以降の各実施形態では、図1〜図18と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
<<
19 to 28 show a second embodiment of the semiconductor element substrate and the manufacturing method thereof according to the present invention. In the following embodiments, the same portions as those in FIGS. 1 to 18 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図19は、フォトダイオード20Cを概略的に示す断面図である。図20〜図28は、後述するように、本実施形態のアクティブマトリクス基板10の製造方法を説明するための図である。
FIG. 19 is a cross-sectional view schematically showing the photodiode 20C. 20 to 28 are views for explaining a method of manufacturing the
本実施形態の半導体素子基板も、液晶表示装置を構成するアクティブマトリクス基板として用いられている。このアクティブマトリクス基板10には、タッチセンサとして機能する光センサである図19に示すフォトダイオード20Cが各画素若しくは所定の数の画素群毎に設けられている。本実施形態のアクティブマトリクス基板10のその他の構成については、上記実施形態1のアクティブマトリクス基板10と同様である。
The semiconductor element substrate of this embodiment is also used as an active matrix substrate constituting a liquid crystal display device. The
フォトダイオード20Cは、図19に示すように、PIN構造を有しており、画素TFT20Aと共に加熱促進層12上に重なるようにベースコート膜13上に形成されている。加熱促進層12は、遮光性を有し、フォトダイオード20Cの遮光膜として機能している。そのことにより、後述するアクティブマトリクス基板10の製造方法において、加熱促進層12とは別個にフォトダイオード20Cの遮光膜を設ける必要がなく、製造効率が高められる。
As shown in FIG. 19, the photodiode 20C has a PIN structure, and is formed on the
このフォトダイオード20Cは、ベースコート膜13上に設けられた真性半導体領域14i、n型半導体領域14n及びp型半導体領域14pを有する島状の第1結晶質ケイ素層14Cと、第1結晶質ケイ素層14Cを覆うように設けられたゲート絶縁膜15及び層間絶縁膜17と、層間絶縁膜17上にn型半導体領域14n及びp型半導体領域14pからそれぞれ引き出された引き出し電極19n,19pとを備えている。
The photodiode 20C includes an island-shaped first
第1結晶質ケイ素層14Cは、中央部に設けられた真性半導体領域14iと、真性半導体領域14iの両側に設けられたn型半導体領域14n及びp型半導体領域14pとで構成されている。この第1結晶質ケイ素層14Cも画素TFT20Aの第1結晶質ケイ素層14Aと同様のCGシリコンなどの多結晶シリコンで構成されている。n型半導体領域14nにはリンなどのn型不純物元素がイオン注入されている一方、p型半導体領域14pにはホウ素などのp型不純物元素がイオン注入されている。
The first
ゲート絶縁膜15及び層間絶縁膜17には、n型半導体領域14n及びp型半導体領域14pに達するコンタクトホール18がそれぞれ形成されており、それら各コンタクトホール18を介して各引き出し電極19n,19pがn型半導体領域14n及びp型半導体領域14pにそれぞれ接続されている。
Contact holes 18 reaching the n-
このフォトダイオード20Cの真性半導体領域14iは、例えば縦5μm且つ横10μm程度の矩形状に形成されている。そして、第1結晶質ケイ素層14Cにおける結晶粒の平均粒径は、例えば0.1μm以上且つ1.0μm以下程度である。
The
−製造方法−
次に、上記構成のアクティブマトリクス基板10を製造する方法について、図20〜図28を参照しながら説明する。図20〜図28は、本実施形態のアクティブマトリクス基板10の製造方法を説明するための図であり、図19に対応するようにフォトダイオード20Cが形成される箇所の断面を示している。
-Manufacturing method-
Next, a method for manufacturing the
本実施形態のアクティブマトリクス基板10の製造方法も、加熱促進層形成工程と、非晶質膜成膜工程と、第1結晶化工程と、第2結晶化工程と、再結晶化工程とを含んでいる。
The manufacturing method of the
まず、フォトダイオード20C、画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bを形成するための結晶質半導体膜を形成する方法について説明する。
First, a method for forming a crystalline semiconductor film for forming the photodiode 20C, the
<加熱促進層形成工程>
上記実施形態1と同様に、ガラス基板やプラスチック基板などの絶縁性の表面を有する基板11上に、スパッタリング法によりモリブデン膜23を例えば150nm程度の厚さに成膜した後、このモリブデン膜23をフォトリソグラフィーによりパターニングして、図20に示すように、フォトダイオード20Cを形成する領域に加熱促進層12を形成する。このとき、画素TFT20Aを形成する領域にも加熱促進層12が形成される。なお、モリブデン膜23に代えてタングステン膜から加熱促進層12を形成してもよい。
<Heating acceleration layer forming step>
As in the first embodiment, a
次いで、加熱促進層12が形成された基板上に、原料ガスとしてTEOSを用いたCVD法などによって二酸化ケイ素膜を成膜することにより、ベースコート膜13を例えば100nm程度の厚さに形成する。なお、ベースコート膜13としては、二酸化ケイ素膜の他に、窒化ケイ素膜、酸窒化ケイ素膜などを成膜してもよく、これらの膜の積層体を形成してもよい。
Next, a
<非晶質膜成膜工程>
上記実施形態1と同様に、ベースコート膜13が形成された基板上に、原料ガスとしてSiH4を用いたLPCVD(Low Pressure CVD)法などにより、非晶質半導体膜として非晶質ケイ素膜24を例えば50nm程度の厚さで成膜する。
<Amorphous film formation process>
As in the first embodiment, an
<第1結晶化工程>
非晶質膜成膜工程で成膜した非晶質ケイ素膜24に対し、図7に示すように、その非晶質ケイ素膜24の表面でのビーム形状が直線状である連続発振のレーザビーム25をそのレーザビーム25の幅方向に走査しながら照射することにより、非晶質ケイ素膜24における加熱促進層12上及びその加熱促進層12の近傍の領域を溶融固化して結晶化する。ここで、レーザビーム25は、非晶質ケイ素膜24を十分にアニールできる程度のエネルギー密度を確保する観点から、アスペクト比が10以上且つ10000以下であることが好ましい。また、レーザビーム25としては、非晶質ケイ素膜24を効率良く結晶化すると共に、レーザ発振器の稼働時間を長くし、且つランニングコストを安価にする観点から、例えばYAGレーザの第2高調波を用いる。
<First crystallization step>
For the
ここで、レーザビーム25を走査する速度が5cm/sよりも遅いと、非晶質ケイ素膜24が過剰なエネルギーを受けて蒸発し、その非晶質ケイ素膜24を良好に結晶化できない虞がある。一方、レーザビーム25を走査する速度が3m/sよりも速いと、レーザビーム25の走査速度が速すぎて、非晶質ケイ素膜24を確実に溶融固化できない虞がある。このことから、レーザビーム25を走査する速度は、5cm/s以上且つ3m/s以下であることが好ましい。
Here, if the scanning speed of the
この第1結晶化工程を行うにより、図21に示すように、加熱促進層12上及びその加熱促進層の周囲の非晶質ケイ素膜を結晶化して、第1結晶質半導体膜として第1結晶質ケイ素膜24Aを形成する。一方、非晶質ケイ素膜24におけるその他の領域は非晶質ケイ素膜24のまま変化しない。
By performing this first crystallization step, as shown in FIG. 21, the amorphous silicon film on and around the
<第2結晶化工程>
上記実施形態1と同様に、第1結晶化工程で形成した第1結晶質ケイ素膜24Aを含むケイ素膜24Cの表面全体に、抵抗加熱法により、図22に示すように、触媒元素としてニッケル26を蒸着させて添加する。図22でもニッケル26を膜状に示しているが、実際には、ニッケル26はケイ素膜24Cの表面に粒状に散乱している。このとき、ニッケル26は、残部の非晶質ケイ素膜24の結晶化を効果的に促進して製造工程を効率的に行い、且つ形成される結晶粒の密度を低くして結晶粒の平均粒径を大きくすることで第2結晶質ケイ素膜24Bのキャリア移動度を確実に大きくする観点から、非晶質ケイ素膜24の表面における濃度が1×1010atoms/cm2以上且つ1×1012atoms/cm2未満となるように添加することが好ましい。
<Second crystallization step>
As in the first embodiment, the entire surface of the
次いで、ケイ素膜24Cにニッケル26が添加された基板を電気炉で窒素雰囲気中において熱処理することにより、非晶質ケイ素膜24中にニッケル26を拡散させ、拡散したニッケル26に起因して第1結晶化工程で結晶化しなかった残部の非晶質ケイ素膜24を固相成長させて、第1結晶質ケイ素膜24Aよりも結晶粒の大きい第2結晶質ケイ素膜24Bを形成する。このときの熱処理は、非晶質ケイ素膜24の固相成長の速度を良好に速くし、且つ触媒元素26に起因しない結晶粒の成長を抑制して第2結晶質ケイ素膜24Bのキャリア移動度を確実に大きくする観点から、500℃以上且つ700℃以下の温度で行うことが好ましい。
Next, the substrate in which
この第2結晶化工程を行うにより、第1結晶化工程で結晶化しなかった残部の非晶質ケイ素膜24を固相成長させて、第1結晶質ケイ素膜24Aよりも結晶粒の平均粒径が大きい第2結晶質ケイ素膜24Bを形成する。このとき、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径は、影響を受けず変化しない。
By performing this second crystallization step, the remaining
<再結晶化工程>
上記実施形態1と同様に、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bに対し、図11に示すように、それら各結晶質ケイ素膜24A,24Bの表面でのビーム形状が直線状であるパルス発振のレーザビーム27をそのレーザビーム27の幅方向にステップ走査しながら照射する。そのことにより、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径が第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを溶融固化して、それら各結晶質ケイ素膜24A,24Bを再結晶化する。レーザビーム27としては、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを部分的に溶融する観点から、例えば波長が308nmのXeClエキシマレーザビームを用いる。
<Recrystallization process>
As in the first embodiment, the first
この再結晶化工程を行うことにより、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの表面から溶融を進行させるが、ベースコート膜13との界面から数nm程度の領域の第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bは溶融させない。そして、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bが部分的に溶融固化して再結晶化することにより、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径が変化することなくこれら各結晶質ケイ素膜24A,24Bの結晶性が向上する。
By performing this recrystallization step, melting proceeds from the surface of the first
以上のようにして、同一基板11上に、結晶粒の平均粒径が互いに異なり、各々優れたキャリア移動度を有する第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成することができる。次に、これら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを用いてフォトダイオード20C、画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bを形成する方法について説明する。
As described above, the first
第1結晶質ケイ素膜24Aをフォトリソグラフィーによりパターニングして、図23に示すように真性半導体領域14i、n型半導体領域14n及びp型半導体領域14pとなる領域を有するように第1結晶質ケイ素層14C’を形成する。このとき、第1結晶質ケイ素膜24Aから画素TFT20Aの第1結晶質ケイ素層14A’、第2結晶質ケイ素膜24Bから周辺回路TFT20Bの第2結晶質ケイ素層14B’も同時にそれぞれ形成する。
The first
次いで、第1結晶質ケイ素層14A’,14C’及び第2結晶質ケイ素層14B’が形成された基板上に、原料ガスとしてTEOSなどを用いたAPCVD法により、第1結晶質ケイ素層14A’,14C’及び第2結晶質ケイ素層14B’を覆うように二酸化ケイ素膜などを成膜することにより、図24に示すように、ゲート絶縁膜15を例えば100nm程度に形成する。なお、ゲート絶縁膜15としては、二酸化ケイ素膜の他に、窒化ケイ素膜、酸窒化ケイ素膜などが挙げられ、これらの膜の積層体としてもよい。
Next, the first
続いて、図示は省略するが、ゲート絶縁膜15が形成された基板上に、スパッタ法により、アルミニウム膜28を例えば300nm程度の厚さに形成した後、そのアルミニウム膜28をフォトリソグラフィー法によりパターニングすることにより、ゲート電極16a,16bを形成する。このとき、アルミニウム膜28からゲート配線も同時に形成する。なお、ゲート電極16a,16bは、アルミニウムに代えて、例えばタングステン、モリブデン、タンタル及びチタンなどの高融点金属材料や、これら高融点金属材料の窒化物などの膜から形成してもよく、これらの膜が積層された積層体から形成してもよい。
Subsequently, although illustration is omitted, after an
次に、図25に示すように、フォトダイオード20Cを形成するための第1結晶質ケイ素層14C’のn型半導体領域14nとなる領域に開口を有し、その他の領域を覆うようにレジスト層40を形成した後、そのレジスト層40をマスクとして第1結晶質ケイ素層14C’のn型半導体領域14nとなる領域にリンをイオン注入する。図25中の矢印はリンを注入する方向を示している。このとき、画素TFT20Aを形成するための第1結晶質ケイ素層14A’及び周辺回路TFT20Bを形成するための第2結晶質ケイ素層14B’のソース領域14s及びドレイン領域14dとなる各領域にも開口を有するようにレジスト層40を形成することで、それら第1結晶質ケイ素層14A’及び第2結晶質ケイ素層14B’のソース領域14s及びドレイン領域14dとなる各領域にもリンがイオン注入される。その後、レジスト層40をアッシングなどにより除去する。
Next, as shown in FIG. 25, the first
さらに、図26に示すように、第1結晶質ケイ素層14C’のp型半導体領域14pとなる領域に開口を有してその他の領域を覆うようにレジスト層41を形成した後、そのレジスト層41をマスクとして第1結晶質ケイ素層14C’のp型半導体領域14pとなる領域にホウ素をイオン注入する。図26中の矢印はホウ素を注入する方向を示している。その後、レジスト層41をアッシングなどにより除去する。
Further, as shown in FIG. 26, after forming a resist
そして、リン及びホウ素が注入された第1結晶質ケイ素層14C’に活性化アニールを行うことにより、図27に示すように、第1結晶質ケイ素層14C’に真性半導体領域14i、n型半導体領域14n及びp型半導体領域14pを形成する。このように、フォトダイオード20Cの第1結晶質ケイ素層14Cが形成される。このとき、画素TFT20Aを形成するための第1結晶質ケイ素層14A’及び周辺回路TFT20Bを形成するための第2結晶質ケイ素層14B’の活性化アニールも行い、これら第1結晶質ケイ素層14A’及び第2結晶質ケイ素層14B’にソース領域14s及びドレイン領域14dを同時に形成することにより、画素TFT20Aの第1結晶質ケイ素層14A及び周辺回路TFT20Bの第2結晶質ケイ素層14Bが形成される。
Then, by performing activation annealing on the first
次に、第1結晶質ケイ素層14Cに真性半導体領域14i、n型半導体領域14n及びp型半導体領域14pが形成された基板上に、APCVD法により、図示省略のゲート電極16a,16bを覆うように窒化ケイ素膜などを成膜することにより、層間絶縁膜17を例えば500nm程度の厚さに形成する。
Next, the
続いて、層間絶縁膜17及びゲート絶縁膜15をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、図28に示すように、層間絶縁膜17及びゲート絶縁膜15にn型半導体領域14n及びp型半導体領域14p上で貫通するコンタクトホール18をそれぞれ形成する。このとき、画素TFT20Aを形成するための第1結晶質ケイ素層14A及び周辺回路TFT20Bを形成するための第2結晶質ケイ素層14Bのソース領域14s及びドレイン領域14d上で貫通するコンタクトホール18も同時に層間絶縁膜17及びゲート絶縁膜15に形成する。
Subsequently, the
さらに、ゲート絶縁膜15及び層間絶縁膜17にコンタクトホール18が形成された基板上に、スパッタリング法により、チタン膜、アルミニウム膜及びチタン膜を順に成膜して金属積層体を形成した後、その金属積層体をパターニングすることにより、引き出し電極19n,19pを形成する。これにより、コンタクトホール18を介して引き出し電極19n,19pとn型半導体領域14n及びp型半導体領域14pとの間にオーミック接触を実現させる。このようにして図19に示すPIN構造のフォトダイオード20Cが形成される。このとき、画素TFT20Aを形成するための第1結晶質ケイ素層14A及び周辺回路TFT20Bを形成するための第2結晶質ケイ素層14Bのソース領域14s及びドレイン領域14dにコンタクトホール18を介して接続する引き出し電極19s,19dも同時に形成することにより、画素TFT20A及び周辺回路TFT20Bが形成される。また、金属積層体からソース配線も同時に形成する。なお、引き出し電極19n,19pは、チタン膜、アルミニウム膜及びチタン膜の積層体に代えて、例えばタングステン、チタン及びアルミニウムなどの単体の金属膜から形成していてもよく、チタン膜、アルミニウム膜及びチタン膜の積層体以外の金属積層体から形成してもよい。
Further, after a titanium film, an aluminum film, and a titanium film are sequentially formed on the substrate having the
その後、上記実施形態1と同様に、引き出し電極19n,19p,19s,19dが形成された基板上に、スパッタリング法により、例えばITO膜などの透明導電膜を成膜し、その透明導電膜をフォトリソグラフィーによりパターニングして、画素電極を形成する。
Thereafter, as in the first embodiment, a transparent conductive film such as an ITO film is formed by sputtering on the substrate on which the
以上のようにして、アクティブマトリクス基板10を製造することができる。
The
−実施例−
上記本実施形態の製造方法に従って、以下の条件で第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成し、第1結晶質ケイ素膜24Aを用いてフォトダイオード20Cを作製した。また、第2結晶質ケイ素膜24Bを用いて比較例としてのフォトダイオードと周辺回路TFT20Bとを作製した。本実施例で作製するフォトダイオード20Cは真性半導体領域14iが縦5μm且つ横10μmの矩形状であり、周辺回路TFT20Bはチャネル領域14cが縦20μm且つ横20μmの矩形状である。
-Example-
In accordance with the manufacturing method of the present embodiment, the first
<作製方法>
加熱促進層形成工程において、ガラス基板11上に加熱促進層12を150nm程度の厚さに形成した。ベースコート膜13としては、二酸化ケイ素膜を100nmの厚さに成膜した。さらに、非晶質膜成膜工程では、非晶質ケイ素膜24を50nmの厚さで成膜した。
<Production method>
In the heating promotion layer forming step, the
次に、第1結晶化工程において、非晶質ケイ素膜24の表面でのビーム形状が長さ2mm且つ幅50μm程度の矩形直線状となるように連続発振のYAGレーザビーム25を成形し、そのレーザビーム25を20cm/sの速度で走査しながら非晶質ケイ素膜24にYAGレーザの第2高調波を照射した。ここで、連続発振のYAGレーザの第2高調波を出力するレーザ発振器に印加するエネルギーを1.2Wに設定した。これにより、加熱促進層12上及びその周囲500nmの領域の非晶質ケイ素膜24が溶融固化して結晶化することにより第1結晶質ケイ素膜24Aが形成された。
Next, in the first crystallization step, the continuous wave
続いて、第2結晶化工程において、全反射蛍光X線分析によればケイ素膜24Cの表面から数nm(5nm〜10nm)程度の深さまでの領域の濃度が5×1010atoms/cm2程度となるように触媒元素としてニッケル26をケイ素膜24Cに添加した。そして、電気炉で窒素雰囲気において基板を600℃で1時間に亘って熱処理した。
Subsequently, in the second crystallization step, according to the total reflection fluorescent X-ray analysis, the concentration of the region from the surface of the
次いで、再結晶化工程において、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの表面でのビーム形状が長さ215mm且つ幅0.4mm程度の矩形直線状となるようにパルス発振のXeClエキシマレーザビーム27を成形し、そのレーザビーム27をパルス発振のショット毎に20μmの幅で移動させるようにステップ走査しながら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bに照射した。このとき、XeClエキシマレーザビーム27の出力は、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの表面に照射するエネルギー密度が350mJ/cm2となるように設定した。これにより、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの表面から溶融が進行したが、ベースコート膜13との界面から5nmの領域の第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bは溶融しなかった。
Next, in the recrystallization step, pulse oscillation is performed so that the beam shape on the surface of the first
そして、第1結晶質ケイ素層14Cのn型半導体領域14nをリンをイオン注入することで形成し、p型半導体領域14pをホウ素をイオン注入することで形成した。さらに、層間絶縁膜17を500nmの厚さに形成し、引き出し電極19n,19pを、下層からチタン膜を100nm、アルミニウム膜を300nm、チタン膜を100nmの厚さで積層した金属積層膜から形成した。
Then, the n-
<評価>
上記第1結晶化工程、第2結晶化工程、及び再結晶化工程のそれぞれの直後におけるケイ素膜について、EBSP法により結晶粒の平均粒径を測定した。第1結晶化工程後の第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径は約0.3μmであった。第2結晶化工程後において、第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径は約4.0μmであり、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径は約0.3μmのまま変化していなかった。また、再結晶化工程後においても、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径は約0.3μmであり、第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径は約4.0μmであった。
<Evaluation>
For the silicon film immediately after each of the first crystallization step, the second crystallization step, and the recrystallization step, the average grain size of the crystal grains was measured by the EBSP method. The average grain size of the crystal grains in the first
さらに、得られた実施例のフォトダイオード20C及び比較例のフォトダイオードについて、明時のオン電流と暗時のオフ電流との比(オン/オフ比)をそれぞれ測定して比較したところ、実施例のフォトダイオード20Cには比較例のフォトダイオードに比べて5.4倍の大きなオン/オフ比が測定された。また、第2結晶質ケイ素膜から形成した周辺回路TFT20Bについてキャリア移動度を測定したところ、350cm2/V・sと比較的高かった。
Furthermore, when the photodiode 20C of the obtained example and the photodiode of the comparative example were compared by measuring the ratio (on / off ratio) between the on-current in the light and the off-current in the dark, respectively. A large ON / OFF ratio of 5.4 times that of the photodiode of the comparative example was measured for the photodiode 20C. The carrier mobility of the
以上のことから、非晶質ケイ素膜24の一部を溶融固化した後に残部の非晶質ケイ素膜24を固相成長させることにより、互いに結晶粒の平均粒径が異なる第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成でき、さらに第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを溶融固化して再結晶化することにより、第1結晶質ケイ素膜24Aにおける結晶粒の平均粒径が第2結晶質ケイ素膜24Bにおける結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながらそれら第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの結晶性を向上させることができることが分かる。
From the above, the first crystalline silicon film having a different average grain size from each other is obtained by solid-phase growth of the remaining
さらに、第1結晶質ケイ素膜24Aを用いてフォトダイオード20C、第2結晶質ケイ素膜24Bを用いて周辺回路TFT20Bをそれぞれ形成することにより、周辺回路TFT20Bに高いキャリア移動度を得ながら、フォトダイオード20Cのオン/オフ比を高めることができることが分かる。
Further, the photodiode 20C is formed using the first
−実施形態2の効果−
したがって、この実施形態2によっても、非晶質膜成膜工程、第1結晶化工程及び第2結晶化工程を行うことにより、結晶粒の平均粒径が互いに異なる第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成できる。さらに、再結晶化工程を行うことにより、第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bの結晶性、特に第2結晶質ケイ素膜24Bの結晶性が向上してキャリア移動度を高めることができる。したがって、同一基板11上に、結晶粒の平均粒径が互いに異なり、各々優れたキャリア移動度を有する第1結晶質ケイ素膜24A及び第2結晶質ケイ素膜24Bを形成することができる。
-Effect of Embodiment 2-
Therefore, also according to the second embodiment, the first
そして、上記実施形態1と同様に、第1結晶質ケイ素膜24Aを用いて形成した画素TFT20A間における閾値電圧のばらつき、及び第2結晶質ケイ素膜24Bを用いて形成した周辺回路TFT20Bにおけるキャリア移動度の低下を抑制できる。これにより、異なる電気特性が要求される画素TFT20Aと周辺回路TFT20Bとに所望の電気特性を得ることができるため、輝度や色のばらつきが少なく、安定した表示が可能な表示装置を実現することができる。
As in the first embodiment, the threshold voltage varies between the
さらに、第1結晶質ケイ素膜24Aを用いてフォトダイオード20Cを形成するため、周辺回路TFT20Bのキャリア移動度の低下を抑制しながら、フォトダイオード20Cにおいて、暗時のオフリーク電流を抑制でき、オン/オフ比を高めることができる。
Furthermore, since the photodiode 20C is formed using the first
なお、上記各実施形態では、アクティブマトリクス基板10を備えた液晶表示装置1を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られず、有機エレクトロルミネッセンス表示装置などの他の表示装置にも適用することができる。また、表示装置以外であっても、同一基板上に異なる電気特性が要求される複数の半導体素子が設けられた半導体素子基板、及びそれを備えるものであれば適用することができる。
In each of the above embodiments, the liquid
以上説明したように、本発明は、半導体素子基板の製造方法及び半導体素子基板並びに表示装置について有用であり、特に、同一基板上で異なる電気特性が要求される各半導体素子に所望の電気特性を得ることが要望される半導体素子基板の製造方法及び半導体素子基板並びに表示装置に適している。 As described above, the present invention is useful for a method of manufacturing a semiconductor element substrate, a semiconductor element substrate, and a display device. In particular, each semiconductor element that requires different electrical characteristics on the same substrate has desired electrical characteristics. It is suitable for a semiconductor element substrate manufacturing method, a semiconductor element substrate, and a display device that are desired to be obtained.
D 表示領域
1 液晶表示装置(表示装置)
10 アクティブマトリクス基板
11 基板
12 加熱促進層
14A 第1結晶質ケイ素層(半導体層)
14B 第2結晶質ケイ素層(半導体層)
14C 第1結晶質ケイ素層(半導体層)
14c チャネル領域
20A 画素TFT(第1薄膜トランジスタ)
20B 周辺回路TFT(第2薄膜トランジスタ)
20C フォトダイオード(光センサ)
21 ゲート駆動回路(周辺回路)
22 ソース駆動回路(周辺回路)
24 非晶質ケイ素膜(非晶質半導体膜)
24A 第1結晶質ケイ素膜(第1結晶質半導体膜)
24B 第2結晶質ケイ素膜(第2結晶質半導体膜)
25,27 レーザビーム
26 ニッケル(触媒元素)
DESCRIPTION OF
14B Second crystalline silicon layer (semiconductor layer)
14C First crystalline silicon layer (semiconductor layer)
20B peripheral circuit TFT (second thin film transistor)
20C photodiode (light sensor)
21 Gate drive circuit (peripheral circuit)
22 Source drive circuit (peripheral circuit)
24 Amorphous silicon film (amorphous semiconductor film)
24A First crystalline silicon film (first crystalline semiconductor film)
24B Second crystalline silicon film (second crystalline semiconductor film)
25, 27
Claims (29)
前記基板上に非晶質半導体膜を成膜する非晶質膜成膜工程と、
前記非晶質半導体膜の一部を溶融固化して結晶化することにより、第1結晶質半導体膜を形成する第1結晶化工程と、
前記第1結晶化工程で結晶化しなかった残部の非晶質半導体膜を固相成長させることにより、前記第1結晶質半導体膜よりも結晶粒の平均粒径が大きい第2結晶質半導体膜を形成する第2結晶化工程と、
前記第1結晶質半導体膜における結晶粒の平均粒径が前記第2結晶質半導体膜における結晶粒の平均粒径よりも小さい状態を維持しながら前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化することにより、該第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を再結晶化する再結晶化工程とを含む
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor element substrate comprising a semiconductor element on a substrate having an insulating surface,
An amorphous film forming step of forming an amorphous semiconductor film on the substrate;
A first crystallization step of forming a first crystalline semiconductor film by melting and solidifying a part of the amorphous semiconductor film;
The remaining amorphous semiconductor film that has not been crystallized in the first crystallization step is solid-phase grown to obtain a second crystalline semiconductor film having an average grain size larger than that of the first crystalline semiconductor film. A second crystallization step to be formed;
The first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor are maintained while maintaining an average grain size of the crystal grains in the first crystalline semiconductor film smaller than an average grain diameter of the crystal grains in the second crystalline semiconductor film. A method for manufacturing a semiconductor element substrate, comprising: a recrystallization step of recrystallizing the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film by melting and solidifying the film.
前記非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜である
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor element substrate, wherein the amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film.
前記非晶質膜成膜工程よりも前に、前記第1結晶質半導体膜を形成する領域に対して、レーザビームを反射又は吸収して前記第1結晶質半導体膜の加熱を促進させるための加熱促進層を形成する加熱促進層形成工程をさらに含み、
前記第1結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の一部をレーザビームの照射により融固化する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 1,
Prior to the amorphous film forming step, a laser beam is reflected or absorbed in a region where the first crystalline semiconductor film is to be formed to promote heating of the first crystalline semiconductor film. It further includes a heating acceleration layer forming step of forming a heating acceleration layer,
In the first crystallization step, a part of the amorphous semiconductor film is melted and solidified by laser beam irradiation.
前記第1結晶化工程では、前記加熱促進層上及び該加熱促進層の近傍における前記非晶質半導体膜のみが結晶化する条件のレーザビームを前記非晶質半導体膜に照射する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 3,
In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a laser beam under a condition that only the amorphous semiconductor film is crystallized on and in the vicinity of the heating promotion layer. A method for manufacturing a semiconductor element substrate.
前記非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜であり、
前記第1結晶化工程では、波長が370nm以上且つ650nm以下のレーザビームを前記非晶質半導体膜に照射する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 3 or 4,
The amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film,
In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a laser beam having a wavelength of 370 nm or more and 650 nm or less.
前記第1結晶化工程では、パルス発振又は連続発振の固体レーザビームを前記非晶質半導体膜に照射する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 3 to 5,
In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a pulsed or continuous oscillation solid-state laser beam.
前記第1結晶化工程では、イットリウムアルミニウムガーネットレーザの第2高調波を前記非晶質半導体膜に照射する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 6,
In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a second harmonic of an yttrium aluminum garnet laser.
前記第1結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の表面でのビーム形状が直線状であるパルス発振のレーザビームを該レーザビームの幅方向にステップ走査しながら前記非晶質半導体膜に照射する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 3 to 5,
In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a pulsed laser beam having a linear beam shape on the surface of the amorphous semiconductor film while performing step scanning in the width direction of the laser beam. A method of manufacturing a semiconductor element substrate.
前記第1結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の表面を5cm/s以上且つ3m/s以下の速度で走査しながら連続発振のレーザビームを該非晶質半導体膜に照射する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 3 to 5,
In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a continuous wave laser beam while scanning the surface of the amorphous semiconductor film at a speed of 5 cm / s or more and 3 m / s or less. A method for manufacturing a semiconductor element substrate.
前記加熱促進層形成工程では、膜厚が50nm以上且つ500nm以下となるように前記加熱促進層を形成する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 3 to 9,
In the heating promotion layer forming step, the heating promotion layer is formed so that the film thickness is not less than 50 nm and not more than 500 nm.
前記加熱促進層は、モリブデン及びタングステンのうち少なくとも1種の元素を含む
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 3 to 10,
The method of manufacturing a semiconductor element substrate, wherein the heating promotion layer contains at least one element of molybdenum and tungsten.
前記第2結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を前記残部の非晶質半導体膜に添加した後、該残部の非晶質半導体膜を結晶化エネルギーの付与によって選択的に固相成長させる
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 1 to 11,
In the second crystallization step, a catalyst element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film is added to the remaining amorphous semiconductor film, and then the remaining amorphous semiconductor film is imparted with crystallization energy. A method of manufacturing a semiconductor device substrate, wherein solid phase growth is selectively performed by the method.
前記第2結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の表面における濃度が1×1010atoms/cm2以上且つ1×1012atoms/cm2以下となるように前記触媒元素を添加する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 12,
In the second crystallization step, the catalyst element is added so that the concentration on the surface of the amorphous semiconductor film is 1 × 10 10 atoms / cm 2 or more and 1 × 10 12 atoms / cm 2 or less. A method of manufacturing a semiconductor element substrate.
前記触媒元素は、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅及び金からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 12 or 13,
The catalytic element includes at least one element selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, germanium, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, copper and gold. Manufacturing method.
前記第2結晶化工程では、前記非晶質半導体膜を熱処理炉で熱処理することにより、前記残部の非晶質半導体膜を固相成長させる
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 1 to 14,
In the second crystallization process, the remaining amorphous semiconductor film is solid-phase grown by heat-treating the amorphous semiconductor film in a heat treatment furnace.
前記第2結晶化工程では、500℃以上且つ700℃以下の温度で前記非晶質半導体膜を熱処理する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 15,
In the second crystallization step, the amorphous semiconductor film is heat-treated at a temperature of 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
前記再結晶化工程では、前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を部分的に溶融する条件のレーザビームを前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射することにより、該第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を部分的に溶融固化する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 1,
In the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are irradiated with a laser beam under a condition for partially melting the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film. A method of manufacturing a semiconductor element substrate, wherein the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are partially melted and solidified.
前記非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜であり、
前記再結晶化工程では、波長が126nm以上且つ370nm未満のレーザビームを前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 17,
The amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film,
In the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are irradiated with a laser beam having a wavelength of 126 nm or more and less than 370 nm.
前記非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜であり、
前記第1結晶化工程では、波長が370nm以上且つ650nm以下のレーザビームを前記非晶質半導体膜に照射し、
前記再結晶化工程では、波長が126nm以上且つ370nm未満のレーザビームを前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to claim 1,
The amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film,
In the first crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a laser beam having a wavelength of 370 nm or more and 650 nm or less,
In the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are irradiated with a laser beam having a wavelength of 126 nm or more and less than 370 nm.
前記再結晶化工程では、パルス発振のエキシマレーザビームを前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射することにより、該第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 1 to 19,
In the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are melted by irradiating the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film with a pulsed excimer laser beam. A method for producing a semiconductor element substrate, comprising solidifying.
前記再結晶化工程では、前記非晶質半導体膜の表面でのビーム形状が直線状であるパルス発振のレーザビームを該レーザビームの幅方向にステップ走査しながら前記第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜に照射することにより、該第1結晶質半導体膜及び第2結晶質半導体膜を溶融固化する
ことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor element substrate according to any one of claims 1 to 20,
In the recrystallization step, the first crystalline semiconductor film and the first crystalline semiconductor film are formed while step-scanning a pulsed laser beam having a linear beam shape on the surface of the amorphous semiconductor film in the width direction of the laser beam. A method for manufacturing a semiconductor element substrate, comprising: irradiating a two crystalline semiconductor film to melt and solidify the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film.
ことを特徴とする半導体素子基板。 A semiconductor element substrate manufactured by the method for manufacturing a semiconductor element substrate according to claim 1.
前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する第1薄膜トランジスタと、
前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する第2薄膜トランジスタとを備える
ことを特徴とする半導体素子基板。 The semiconductor element substrate according to claim 22,
A first thin film transistor having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film;
And a second thin film transistor having a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film.
前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する光センサと、
前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する半導体素子とを備える
ことを特徴とする半導体素子基板。 The semiconductor element substrate according to claim 22,
An optical sensor having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film;
And a semiconductor element having a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film.
前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する光センサと、
前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する半導体素子とを備え、
前記加熱促進層は、遮光性を有している
ことを特徴とする半導体素子基板。 A semiconductor element substrate manufactured by the method for manufacturing a semiconductor element substrate according to any one of claims 3 to 11,
An optical sensor having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film;
A semiconductor element having a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film,
The semiconductor element substrate, wherein the heating promotion layer has a light shielding property.
ことを特徴とする表示装置。 A display device comprising the semiconductor element substrate according to claim 22.
前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する第1薄膜トランジスタと、
前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する第2薄膜トランジスタとを備え、
前記第1薄膜トランジスタの半導体層は、相対的に小さなチャネル領域を有し、
前記第2薄膜トランジスタの半導体層は、相対的に大きなチャネル領域を有している
ことを特徴とする表示装置。 The display device according to claim 26.
A first thin film transistor having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film;
A second thin film transistor having a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film,
The semiconductor layer of the first thin film transistor has a relatively small channel region;
A display device, wherein the semiconductor layer of the second thin film transistor has a relatively large channel region.
複数の画素によって構成された表示領域を有し、
前記第1薄膜トランジスタは、前記各画素毎に設けられ、
前記第2薄膜トランジスタは、前記表示領域の外側に設けられた周辺回路を構成している
ことを特徴とする表示装置。 The display device according to claim 27.
A display area composed of a plurality of pixels;
The first thin film transistor is provided for each pixel,
The display device, wherein the second thin film transistor constitutes a peripheral circuit provided outside the display region.
前記第1結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する光センサと、
前記第2結晶質半導体膜から形成された半導体層を有する薄膜トランジスタとを備える
ことを特徴とする表示装置。 The display device according to claim 26.
An optical sensor having a semiconductor layer formed from the first crystalline semiconductor film;
A display device comprising: a thin film transistor having a semiconductor layer formed from the second crystalline semiconductor film.
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