JP2011009583A - Semiconductor device, method for manufacturing the same, and display device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device, a method for manufacturing the same, and a display device which can suppress reduction in the yield and the throughput, even when a crystalline silicon thin film is formed by laser annealing of an amorphous silicon thin film.SOLUTION: The semiconductor device is configured, by forming a thin film transistor TFT having a semiconductor layer 15 composed of crystalline silicon and a wiring layer LN composed of a metal wire 12, on one surface side of an insulating substrate 11 in an in-phase state. The semiconductor layer 15 in the thin film transistor TFT is formed, by patterning a photothermal conversion layer 22 only on a region which serves as a channel layer on an amorphous silicon thin film 15x formed on one surface side of the substrate 11, and then irradiating the whole area of the substrate 11 with a laser beam BM, by laser beam scanning and applying thermal annealing to crystallize the amorphous silicon thin film 15x.

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法並びに表示装置に関し、特に、非晶質の半導体膜を用いた薄膜トランジスタと、結晶質又は微晶質の半導体膜を用いた薄膜トランジスタとを同一基板上に備えた半導体装置及びその製造方法、並びに、該半導体装置を適用した表示装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a display device, and more particularly, a thin film transistor using an amorphous semiconductor film and a thin film transistor using a crystalline or microcrystalline semiconductor film are provided over the same substrate. The present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a display device to which the semiconductor device is applied.

近年、携帯電話やデジタルカメラ等の携帯機器をはじめ、テレビジョンやパーソナルコンピュータ等の電子機器のディスプレイやモニタとして、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、プラズマディスプレイ等の薄型ディスプレイが用いられている。そして、このような薄型ディスプレイの表示パネルや駆動ドライバにおいては、一般にシリコン薄膜をチャネル層として用いた薄膜トランジスタ素子が用いられている。   In recent years, thin displays such as liquid crystal display devices, organic electroluminescence displays, and plasma displays have been used as displays and monitors for portable devices such as mobile phones and digital cameras, as well as electronic devices such as televisions and personal computers. In such a thin display panel and drive driver, a thin film transistor element using a silicon thin film as a channel layer is generally used.

周知のように、薄膜トランジスタ素子は、シリコン薄膜の固体構造に基づいて、非晶質(アモルファス)シリコン薄膜トランジスタと、結晶性シリコン薄膜トランジスタの2種類に大別することができる。非晶質シリコン薄膜トランジスタは、非晶質シリコン薄膜を低コストで大面積に均一に成膜することができ、また、近接素子間の性能のバラツキが少ないという特長を有している。しかしながら、電子移動度が低いため(概ね0.5〜1cm2V-1s-1)、例えば非晶質シリコン薄膜トランジスタを表示装置に適用して、表示領域の画素と同時にドライバ等の回路を形成した場合、ドライバ回路として十分な性能を実現することができないという問題を有していた。また、非晶質シリコン薄膜トランジスタは、長期にわたって駆動させた場合、しきい値電圧(Vth)がシフトする(すなわち、ストレス耐性が低い)という欠点も有している。 As is well known, thin film transistor elements can be broadly classified into two types, an amorphous silicon thin film transistor and a crystalline silicon thin film transistor, based on the solid structure of the silicon thin film. Amorphous silicon thin film transistors are characterized in that an amorphous silicon thin film can be uniformly formed in a large area at a low cost, and there is little variation in performance between adjacent elements. However, since the electron mobility is low (approximately 0.5 to 1 cm 2 V −1 s −1 ), for example, an amorphous silicon thin film transistor is applied to the display device, and a circuit such as a driver is formed simultaneously with the pixels in the display region. In this case, there is a problem that sufficient performance as a driver circuit cannot be realized. In addition, the amorphous silicon thin film transistor also has a disadvantage that the threshold voltage (Vth) shifts (that is, stress resistance is low) when driven for a long period of time.

一方、結晶性シリコン薄膜トランジスタは、電子移動度が高く、経時的なしきい値電圧Vthのシフトも少ないので、上述したように、表示装置の画素と同時にドライバ回路を形成した場合であっても、ドライバ回路として十分な性能を実現することができるという特長を有している。このような結晶性シリコン薄膜トランジスタに用いるシリコン薄膜の形成方法としては、例えばプラズマ化学気相成長法(Plasma Enhanced chemical
vapor deposition ;PECVD)等を用いて、非晶質のシリコン薄膜を成膜した後、赤外線ランプやレーザー等による熱アニールにより非晶質シリコンを融解、冷却させることで結晶化する手法が知られている。
On the other hand, a crystalline silicon thin film transistor has a high electron mobility and a small shift of the threshold voltage Vth with time. Therefore, as described above, even when a driver circuit is formed simultaneously with a pixel of a display device, the driver It has a feature that it can realize sufficient performance as a circuit. As a method for forming a silicon thin film used for such a crystalline silicon thin film transistor, for example, a plasma enhanced chemical vapor deposition method (Plasma Enhanced chemical vapor deposition).
There is a known technique for crystallizing an amorphous silicon thin film by vapor deposition (PECVD), etc., and then melting and cooling the amorphous silicon by thermal annealing using an infrared lamp or laser. Yes.

ここで、レーザーにより非晶質シリコンを結晶化する際には、非晶質シリコンの吸収係数が高いエキシマーレーザーが通常用いられるが、量産化の観点からは出力が不安定で、メンテナンス性も悪いという問題を有している。そこで、出力がより安定していて、メンテナンス性にも優れている半導体レーザーの使用が提案されている。   Here, when crystallizing amorphous silicon with a laser, an excimer laser having a high absorption coefficient of amorphous silicon is usually used, but the output is unstable and maintenance is poor from the viewpoint of mass production. Has the problem. Therefore, it has been proposed to use a semiconductor laser having a more stable output and excellent maintainability.

ところが、非晶質シリコンは、半導体レーザーにより発振される赤外光や可視光の波長の光に対する吸収係数が低いという問題を有している。そのため、効率的に非晶質シリコン膜を熱アニールする手法として、非晶質シリコン薄膜を成膜した後、当該薄膜上に赤外光や可視光に対する光吸収係数が高い光熱変換層を形成する方法が提案されている。これにより、光熱変換層にレーザー光を照射することで、光熱変換層が加熱され、その熱で下層の非晶質シリコンをアニールして効率的に結晶化することができる。このような結晶性シリコン薄膜の形成方法については、例えば特許文献1や非特許文献1、2等に記載されている。   However, amorphous silicon has a problem in that it has a low absorption coefficient for light having wavelengths of infrared light and visible light oscillated by a semiconductor laser. Therefore, as a method for efficiently annealing the amorphous silicon film, after forming an amorphous silicon thin film, a photothermal conversion layer having a high light absorption coefficient for infrared light and visible light is formed on the thin film. A method has been proposed. Thus, by irradiating the light-to-heat conversion layer with laser light, the light-to-heat conversion layer is heated, and the amorphous silicon in the lower layer can be annealed with the heat and efficiently crystallized. Such a method for forming a crystalline silicon thin film is described in, for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2, and the like.

特開2007−005508号公報JP 2007-005508 A

T.Sameshima and N. Andoh:Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) 7305.T. Sameshima and N. Andoh: Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) 7305. T.Sameshima, M. Maki, M, Takiuchi, N. Andoh, N. Sano, Y. Matsuda and Y. Andoh:Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) 6474.T. Sameshima, M. Maki, M, Takiuchi, N. Andoh, N. Sano, Y. Matsuda and Y. Andoh: Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) 6474.

上述した各先行技術文献に示された結晶性シリコン薄膜の形成方法においては、薄膜トランジスタ素子を形成する基板上に一面に光熱変換層が成膜されるため、レーザー光を照射した際加熱する必要の無い箇所まで加熱される可能性があった。そのため、結晶性シリコン薄膜トランジスタのチャネル層となる領域以外の、例えば配線部分が加熱されると、当該配線上の膜が剥離したり、クラックが生じたりするという問題を有していた。特に、金属配線部分では加熱の度合いが大きくなるため、シリコン絶縁膜等の層間膜の剥離が顕著になり、製造歩留まりの低下を招くという問題を有していた。このような問題を回避するためには、配線部分を加熱しないようにレーザー高を局所的に照射する必要があるため、レーザー光の照射工程におけるスループット(又は作業効率)の低下を招くという問題を有していた。   In the method for forming a crystalline silicon thin film described in each of the prior art documents described above, a photothermal conversion layer is formed on the entire surface of the substrate on which the thin film transistor element is formed. Therefore, it is necessary to heat when irradiated with laser light. There was a possibility of heating up to a place where there was no. Therefore, there is a problem that, for example, when a wiring portion other than a region that becomes a channel layer of the crystalline silicon thin film transistor is heated, a film on the wiring is peeled off or a crack is generated. In particular, since the degree of heating is increased in the metal wiring portion, peeling of the interlayer film such as a silicon insulating film becomes prominent, resulting in a decrease in manufacturing yield. In order to avoid such a problem, it is necessary to locally irradiate the laser height so as not to heat the wiring portion. Therefore, there is a problem in that the throughput (or work efficiency) in the laser light irradiation process is reduced. Had.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、非晶質シリコン薄膜をレーザーアニールして結晶性シリコン薄膜を形成する場合であっても、歩留まりやスループットの低下を抑制することができる半導体装置及びその製造方法並びに表示装置を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above-described problems, the present invention provides a semiconductor device capable of suppressing a decrease in yield and throughput even when a crystalline silicon thin film is formed by laser annealing an amorphous silicon thin film. An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a display device.

請求項1記載の発明に係る半導体装置は、基板上に、少なくとも結晶性の膜質からなる半導体層を有する薄膜トランジスタを備え、前記薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記基板上に成膜された非晶質の薄膜に対して、前記薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ形成された光熱変換層を介して熱アニールを施すことにより結晶化したものであることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の半導体装置において、前記薄膜トランジスタの半導体層は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする。
The semiconductor device according to claim 1 is provided with a thin film transistor having a semiconductor layer made of at least a crystalline film on a substrate, and the semiconductor layer of the thin film transistor is an amorphous film formed on the substrate. The thin film is crystallized by subjecting it to thermal annealing through a photothermal conversion layer formed only on a region to be a channel layer of the thin film transistor.
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, the semiconductor layer of the thin film transistor has a microcrystalline film quality.

請求項3記載の発明に係る半導体装置は、基板上に、少なくとも、結晶性の膜質からなる半導体層を有する第1の薄膜トランジスタと、非晶質の半導体層を有する第2の薄膜トランジスタと、を備え、前記第1の薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記基板上に成膜された非晶質の薄膜に対して、前記薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ形成された光熱変換層を介して熱アニールを施すことにより結晶化したものであり、前記第2の薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記非晶質の薄膜からなることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項3記載の半導体装置において、前記第1の薄膜トランジスタの半導体層は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including, on a substrate, at least a first thin film transistor having a semiconductor layer having a crystalline film quality and a second thin film transistor having an amorphous semiconductor layer. The semiconductor layer of the first thin film transistor is heated with respect to an amorphous thin film formed on the substrate via a photothermal conversion layer formed only on a region that becomes a channel layer of the thin film transistor. It is crystallized by annealing, and the semiconductor layer of the second thin film transistor is made of the amorphous thin film.
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the third aspect, the semiconductor layer of the first thin film transistor has a microcrystalline film quality.

請求項5記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に非晶質の薄膜を形成する工程と、薄膜トランジスタのチャネル層に対応する領域上にのみ、光熱変換層を形成する工程と、前記基板の全域にレーザー光を照射して、前記光熱変換層の下層に形成された前記非晶質の薄膜に熱アニールを施すことにより結晶化する工程と、前記光熱変換層を除去する工程と、を含むことを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザー光を照射して、前記非晶質の薄膜を熱アニールすることにより結晶化された前記薄膜からなる半導体層を、チャネル層として有する第1の薄膜トランジスタを形成する工程を、さらに有していることを特徴とする。
請求項7記載の発明は、請求項6記載の半導体装置の製造方法において、前記非晶質の薄膜からなる半導体層を、チャネル層として有する第2の薄膜トランジスタを形成する工程を、さらに有していることを特徴とする。
請求項8記載の発明は、請求項7記載の半導体装置の製造方法において、前記第1の薄膜トランジスタ及び第2の薄膜トランジスタを同一の工程を用いて同時に形成することを特徴とする。
請求項9記載の発明は、請求項5乃至8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザー光を照射して、前記非晶質の薄膜を熱アニールすることにより結晶化された前記薄膜は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising: forming an amorphous thin film on a substrate; forming a photothermal conversion layer only on a region corresponding to a channel layer of a thin film transistor; Irradiating the entire area of the substrate with laser light and crystallizing the amorphous thin film formed under the photothermal conversion layer by thermal annealing; and removing the photothermal conversion layer; , Including.
According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the fifth aspect, the semiconductor layer comprising the thin film crystallized by irradiating the laser beam and thermally annealing the amorphous thin film The method further includes the step of forming a first thin film transistor having a channel layer as a channel layer.
According to a seventh aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth aspect, the method further includes the step of forming a second thin film transistor having the semiconductor layer made of the amorphous thin film as a channel layer. It is characterized by being.
According to an eighth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the seventh aspect, the first thin film transistor and the second thin film transistor are simultaneously formed using the same process.
According to a ninth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to any of the fifth to eighth aspects, the amorphous thin film is crystallized by irradiating the laser beam and thermally annealing the amorphous thin film. The thin film has a microcrystalline film quality.

請求項10記載の発明は、表示素子と、該表示素子を駆動するための画素駆動回路とを有する複数の表示画素が、基板上に2次元配列された表示パネルを備える表示装置において、前記画素駆動回路は、少なくとも、前記表示画素に表示データを書き込む際に、前記表示画素を選択状態に設定するための選択トランジスタと、前記表示データに応じた電流値を有する発光駆動電流を前記表示素子に供給する駆動トランジスタとを有し、少なくとも、前記駆動トランジスタは、結晶性の膜質からなる半導体層を有する第1の薄膜トランジスタからなり、前記選択トランジスタは、非晶質の半導体層を有する第2の薄膜トランジスタからなり、前記第1の薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記基板上に成膜された非晶質の薄膜に対して、前記薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ形成された光熱変換層を介して熱アニールを施すことにより結晶化したものであり、前記第2の薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記非晶質の薄膜からなることを特徴とする。
請求項11記載の発明は、請求項10記載の表示装置において、前記第1の薄膜トランジスタの半導体層は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする。
請求項12記載の発明は、請求項10又は11記載の表示装置において、前記表示素子は、有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする。
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a display device including a display panel in which a plurality of display pixels each having a display element and a pixel driving circuit for driving the display element are two-dimensionally arranged on a substrate. The drive circuit includes at least a selection transistor for setting the display pixel in a selected state when writing display data to the display pixel, and a light emission drive current having a current value corresponding to the display data to the display element. A driving transistor to be supplied, wherein at least the driving transistor comprises a first thin film transistor having a semiconductor layer made of a crystalline film, and the selection transistor has a second thin film transistor having an amorphous semiconductor layer And the semiconductor layer of the first thin film transistor is formed on the amorphous thin film formed on the substrate. The semiconductor layer of the second thin film transistor is crystallized by performing thermal annealing through a light-to-heat conversion layer formed only on a region serving as a channel layer of the film transistor. It is characterized by comprising.
According to an eleventh aspect of the present invention, in the display device according to the tenth aspect, the semiconductor layer of the first thin film transistor has a microcrystalline film quality.
According to a twelfth aspect of the present invention, in the display device according to the tenth or eleventh aspect, the display element is an organic electroluminescence element.

請求項13記載の発明は、基板上に、複数の表示画素が2次元配列された画素アレイと、前記表示画素に表示データを書き込む際に、前記表示画素を選択状態に設定するための選択ドライバ部と、前記表示画素に前記表示データを供給するデータドライバ部とを備える表示装置において、少なくとも、前記選択ドライバ部及び前記データドライバ部の駆動回路が、結晶性の膜質からなる半導体層を有する薄膜トランジスタからなり、前記薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記基板上に成膜された非晶質の薄膜に対して、前記薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ形成された光熱変換層を介して熱アニールを施すことにより結晶化したものであることを特徴とする。
請求項14記載の発明は、請求項13記載の表示装置において、前記薄膜トランジスタの半導体層は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする。
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a pixel array in which a plurality of display pixels are two-dimensionally arranged on a substrate, and a selection driver for setting the display pixels to a selected state when writing display data to the display pixels. And a data driver unit for supplying the display data to the display pixel, wherein at least the selection driver unit and the driver circuit of the data driver unit have a semiconductor layer made of a crystalline film quality The semiconductor layer of the thin film transistor is thermally annealed with respect to an amorphous thin film formed on the substrate via a photothermal conversion layer formed only on a region to be a channel layer of the thin film transistor. It is characterized by being crystallized by applying.
A fourteenth aspect of the present invention is the display device according to the thirteenth aspect, wherein the semiconductor layer of the thin film transistor has a microcrystalline film quality.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法並びに表示装置によれば、非晶質シリコン薄膜をレーザーアニールして結晶性シリコン薄膜を形成する場合であっても、歩留まりやスループットの低下を抑制することができる。   According to the semiconductor device, the manufacturing method thereof, and the display device according to the present invention, even when the amorphous silicon thin film is laser-annealed to form the crystalline silicon thin film, it is possible to suppress a decrease in yield and throughput. it can.

本発明に係る半導体装置の第1の実施形態を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. 第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程断面図(その1)である。FIG. 6 is a schematic process cross-sectional view (part 1) illustrating the example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程断面図(その2)である。FIG. 6 is a schematic process cross-sectional view (part 2) illustrating the example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 比較例における半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程図である。It is a schematic process drawing which shows an example of the manufacturing method of the semiconductor device in a comparative example. 薄膜トランジスタに用いられるシリコン薄膜の結晶化度の一例を示すラマン(Raman)分光スペクトル図である。It is a Raman (Raman) spectroscopy spectrum figure which shows an example of the crystallinity degree of the silicon thin film used for a thin-film transistor. 本発明に係る半導体装置が適用される表示装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the display apparatus with which the semiconductor device which concerns on this invention is applied. 本発明に係る半導体装置が適用される表示画素の回路構成例を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the circuit structural example of the display pixel to which the semiconductor device which concerns on this invention is applied. 第2の実施形態に適用される表示画素の基板構造を模式的に示した断面構造図である。FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram schematically illustrating a substrate structure of a display pixel applied to a second embodiment. 第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程断面図(その1)である。It is a schematic process sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程断面図(その2)である。FIG. 6 is a schematic process cross-sectional view (part 2) illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment. 第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程断面図(その3)である。It is a schematic process sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 本発明に係る半導体装置が適用される表示装置の他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of the display apparatus with which the semiconductor device which concerns on this invention is applied.

以下、本発明に係る半導体装置及びその製造方法並びに表示装置について、実施の形態を示して詳しく説明する。
<第1の実施形態>
(半導体装置)
図1は、本発明に係る半導体装置の第1の実施形態を示す概略断面図である。ここで、図1では、説明の簡略化のため、薄膜トランジスタと配線層を各1箇所設けた構成を示す。
Hereinafter, a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a display device according to the present invention will be described in detail with reference to embodiments.
<First Embodiment>
(Semiconductor device)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. Here, FIG. 1 shows a configuration in which one thin film transistor and one wiring layer are provided for simplification of description.

本実施形態に係る半導体装置は、図1に示すように、例えばガラスやプラスチック等の絶縁性の基板11の一面(図面上面)側に、多結晶質シリコン又は微晶質シリコンからなる半導体層を有する薄膜トランジスタ(結晶性シリコン薄膜トランジスタ)TFTと、金属配線12からなる配線層LNと、が同層に設けられている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment has a semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon on one surface (upper surface in the drawing) side of an insulating substrate 11 such as glass or plastic. The thin film transistor (crystalline silicon thin film transistor) TFT and the wiring layer LN made of the metal wiring 12 are provided in the same layer.

具体的には、薄膜トランジスタTFTは、図1に示すように、例えば絶縁性の基板11の一面側の表面に設けられたゲート電極13と、ゲート絶縁膜となる絶縁膜14を介して、ゲート電極13に対応する領域に設けられた結晶性のシリコンからなる半導体層(チャネル層)15と、半導体層15上に設けられたチャネルプロテクト層(又は、ブロック層)16と、チャネルプロテクト層16の両端部から半導体層15上に延在して設けられたドープ層(不純物層)17と、ドープ層17上に整合して設けられたソース電極及びドレイン電極(以下、「ソース、ドレイン電極」と総称する)18と、を有している。また、配線層LNは、図1に示すように、例えば上記の薄膜トランジスタTFTのゲート電極13と同層に設けられる金属配線12からなり、ゲート絶縁膜となる絶縁膜14に被覆されている。   Specifically, as shown in FIG. 1, the thin film transistor TFT includes, for example, a gate electrode 13 via a gate electrode 13 provided on one surface side of the insulating substrate 11 and an insulating film 14 serving as a gate insulating film. 13, a semiconductor layer (channel layer) 15 made of crystalline silicon provided in a region corresponding to 13, a channel protect layer (or block layer) 16 provided on the semiconductor layer 15, and both ends of the channel protect layer 16 A doped layer (impurity layer) 17 provided on the semiconductor layer 15 extending from the portion, and a source electrode and a drain electrode (hereinafter referred to as “source and drain electrodes”) provided in alignment on the doped layer 17 18). Further, as shown in FIG. 1, the wiring layer LN is made of, for example, a metal wiring 12 provided in the same layer as the gate electrode 13 of the thin film transistor TFT, and is covered with an insulating film 14 serving as a gate insulating film.

なお、図1においては、基板11上に設けられた薄膜トランジスタTFTのソース、ドレイン電極18が露出した状態を示したが、実製品においては、薄膜トランジスタTFTを含む基板11の上面が、図示を省略した絶縁膜等により被覆保護される。また、図1に示した構成上に、層間絶縁膜や平坦化膜等を介して表示素子や上層の配線層等が形成された構成を有するものであってもよい。   Although FIG. 1 shows a state in which the source and drain electrodes 18 of the thin film transistor TFT provided on the substrate 11 are exposed, in the actual product, the upper surface of the substrate 11 including the thin film transistor TFT is not shown. It is covered and protected by an insulating film or the like. In addition, a structure in which a display element, an upper wiring layer, and the like are formed via an interlayer insulating film, a planarizing film, or the like on the structure shown in FIG.

上述したような構成を有する半導体装置において、本実施形態においては、薄膜トランジスタTFTが結晶性のシリコンからなる半導体層15を有していることを特徴としている。ここで、本発明において、「結晶性」とは、後述する半導体装置の製造方法において説明するように、基板11上に成膜された非晶質(アモルファス)のシリコン薄膜を熱アニールにより結晶化することにより得られる多結晶質(ポリクリスタル)又は微晶質(マイクロクリスタル)の膜質を有しているものと定義する。より詳しい定義付けについては後述する。   In the semiconductor device having the configuration as described above, the present embodiment is characterized in that the thin film transistor TFT includes a semiconductor layer 15 made of crystalline silicon. Here, in the present invention, “crystallinity” means that an amorphous silicon thin film formed on a substrate 11 is crystallized by thermal annealing, as will be described later in a method for manufacturing a semiconductor device. It is defined as having a polycrystalline (polycrystal) or microcrystalline (microcrystal) film quality. More detailed definition will be described later.

(製造方法)
次に、上述したような半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。
図2、図3は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程断面図である。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device as described above will be described with reference to the drawings.
2 and 3 are schematic process cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図2(a)に示すように、絶縁性の基板11上に、金属材料を含む薄膜をスパッタリング法等で成膜した後、所望の平面形状にパターニングして薄膜トランジスタTFTのゲート電極13及び金属配線12を形成する。ここで、基板11の材質としては、例えば無アルカリガラスを用いる。また、ゲート電極13及び金属配線12となるゲートメタルとしては、例えばアルミニウム(Al)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、インジウム(In)、スズ(Sn)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、金(Au)等の金属単体、又は、これらのいずれか含む化合物、又は、これらの合金を含む金属材料を用いる。   First, as shown in FIG. 2A, a thin film containing a metal material is formed on an insulating substrate 11 by a sputtering method or the like, and then patterned into a desired planar shape to form the gate electrode 13 of the thin film transistor TFT and Metal wiring 12 is formed. Here, as the material of the substrate 11, for example, alkali-free glass is used. Examples of the gate metal that becomes the gate electrode 13 and the metal wiring 12 include aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), and cobalt (Co ), Nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), palladium (Pd), silver (Ag), indium (In), tin (Sn) ), Tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), gold (Au), etc., or a metal material containing any of these, or a metal material containing these alloys.

次いで、ゲート電極13及び金属配線12が形成された基板11をCVD装置のチャンバー内にセットし、例えばプラズマCVD法を用いて、ゲート絶縁膜となる絶縁膜14を基板11全域に成膜する。これにより、図2(a)に示すように、基板11上のゲート電極13及び金属配線12が絶縁膜14に被覆される。ここで、絶縁膜14としては、例えば窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜を用いる。   Next, the substrate 11 on which the gate electrode 13 and the metal wiring 12 are formed is set in a chamber of a CVD apparatus, and an insulating film 14 serving as a gate insulating film is formed over the entire region of the substrate 11 by using, for example, a plasma CVD method. As a result, the gate electrode 13 and the metal wiring 12 on the substrate 11 are covered with the insulating film 14 as shown in FIG. Here, as the insulating film 14, for example, a silicon nitride film or a silicon oxide film is used.

次いで、図2(b)に示すように、上記CVD装置のチャンバー内で、プラズマCVD法を用いて、基板11全域に非晶質シリコン薄膜15x及びバッファ層21を連続して成膜する。具体的には、非晶質シリコン薄膜15xの成膜条件として、シランガス及び水素ガスのガス流量を各々シランガス/水素ガス=1500/190(SCCM)、パワー密度を0.034W/cm2、チャンバー内圧力を50Paに設定した。ここで、非晶質シリコン薄膜15xの厚みは、概ね5〜100nmが適当である。これは、非晶質シリコン薄膜15xの厚みが5nm以下の場合には、薄膜としての機能を果たさず、また、厚過ぎる場合には、基板面に垂直方向の抵抗が増大し、また、膜応力も増加してクラックが発生しやすくなるためである。 Next, as shown in FIG. 2B, an amorphous silicon thin film 15x and a buffer layer 21 are continuously formed over the entire region of the substrate 11 by plasma CVD in the chamber of the CVD apparatus. Specifically, as the film formation conditions for the amorphous silicon thin film 15x, the gas flow rates of silane gas and hydrogen gas are respectively silane gas / hydrogen gas = 1500/190 (SCCM), the power density is 0.034 W / cm 2 , and the pressure in the chamber Was set to 50 Pa. Here, the thickness of the amorphous silicon thin film 15x is appropriately about 5 to 100 nm. This is because when the thickness of the amorphous silicon thin film 15x is 5 nm or less, it does not function as a thin film, and when it is too thick, the resistance in the direction perpendicular to the substrate surface increases, and the film stress This is because cracks are likely to occur.

バッファ層21は、後述するように、非晶質シリコン薄膜15x上に成膜する光熱変換層22xとして金属薄膜を用いる場合に、非晶質シリコン薄膜15xと光熱変換層22xとの間に介在するように形成する。バッファ層21としては、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を用い、10〜50nm程度の厚みに成膜する。   As will be described later, the buffer layer 21 is interposed between the amorphous silicon thin film 15x and the photothermal conversion layer 22x when a metal thin film is used as the photothermal conversion layer 22x formed on the amorphous silicon thin film 15x. To form. As the buffer layer 21, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film is used and is formed to a thickness of about 10 to 50 nm.

次いで、非晶質シリコン薄膜15x及びバッファ層21が形成された基板11をチャンバーから取り出し、図2(c)に示すように、光熱変換層22xを基板11全域に形成する。ここで、光熱変換層22xとしてダイヤモンドライクカーボン(DLC)を用いる場合には、スパッタリング装置のチャンバー内にセットした基板11に対して、真空雰囲気中でカーボンをターゲットとしたスパッタリング法を用いて成膜する。また、光熱変換層22xとして金属薄膜を用いる場合には、例えばモリブデン(Mo)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)等の金属単体、又は、これらの合金をターゲットとしたスパッタリング法を用いて成膜する。光熱変換層22xの膜厚は、50〜400nm程度に設定する。   Next, the substrate 11 on which the amorphous silicon thin film 15x and the buffer layer 21 are formed is taken out of the chamber, and the photothermal conversion layer 22x is formed over the entire substrate 11 as shown in FIG. Here, when diamond-like carbon (DLC) is used as the photothermal conversion layer 22x, the film is formed on the substrate 11 set in the chamber of the sputtering apparatus by using a sputtering method using carbon as a target in a vacuum atmosphere. To do. When a metal thin film is used as the photothermal conversion layer 22x, for example, a simple metal such as molybdenum (Mo), chromium (Cr), aluminum (Al), titanium (Ti), niobium (Nb), or an alloy thereof. A film is formed using a sputtering method with a target. The film thickness of the photothermal conversion layer 22x is set to about 50 to 400 nm.

また、光熱変換層22xとして金属薄膜を用いる場合には、非晶質シリコンと金属が化学的に反応してシリサイドを形成する恐れがあるので、上述したように、非晶質シリコン薄膜15xと金属薄膜からなる光熱変換層22xとの間に、絶縁膜からなるバッファ層21を形成する。   Further, when a metal thin film is used as the photothermal conversion layer 22x, amorphous silicon and metal may chemically react to form silicide, so that the amorphous silicon thin film 15x and the metal are formed as described above. A buffer layer 21 made of an insulating film is formed between the photothermal conversion layer 22x made of a thin film.

次いで、図2(d)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて上記光熱変換層22xをパターニングして、所定の平面形状を有する光熱変換層22を形成する。具体的には、まず、図示を省略したフォトレジストを、薄膜トランジスタTFTのチャネル層となる領域(すなわち、上記ゲート電極13の形成領域を含む領域であって、後述するレーザーアニールにより非晶質シリコン薄膜15xを結晶化させたい領域)上のみに残るようにパターニングし、当該フォトレジストを用いて下層の光熱変換層22xをエッチングする。光熱変換層22xとして、上述したダイヤモンドライクカーボン(DLC)を用いた場合には、酸素プラズマによるドライエッチング法によりエッチングする。また、光熱変換層22xとして、上述した金属薄膜を用いた場合には、それぞれの薄膜材料に適したエッチャントを用いてウェットエッチングを行うか、ドライエッチングによりエッチングする。   Next, as shown in FIG. 2D, the photothermal conversion layer 22x is patterned using a photolithography technique to form the photothermal conversion layer 22 having a predetermined planar shape. Specifically, first, a photoresist (not shown) is applied to a region to be a channel layer of the thin film transistor TFT (that is, a region including the region where the gate electrode 13 is formed, and an amorphous silicon thin film is formed by laser annealing described later. 15x is patterned so as to remain only on the region to be crystallized), and the lower photothermal conversion layer 22x is etched using the photoresist. When the above-described diamond-like carbon (DLC) is used as the photothermal conversion layer 22x, etching is performed by a dry etching method using oxygen plasma. Further, when the metal thin film described above is used as the photothermal conversion layer 22x, wet etching is performed using an etchant suitable for each thin film material, or etching is performed by dry etching.

次いで、図2(e)に示すように、半導体レーザー装置(図示を省略)を用いてレーザー光BMを基板11全域に照射して、光熱変換層22の下層の非晶質シリコン薄膜15xのみを熱アニール(レーザーアニール)する。これにより、光熱変換層22が残されている領域直下の非晶質シリコン薄膜15xのみが結晶化して、多結晶質シリコン薄膜又は微晶質シリコン薄膜からなる半導体層15が形成される。   Next, as shown in FIG. 2E, a laser beam BM is irradiated to the entire area of the substrate 11 using a semiconductor laser device (not shown), and only the amorphous silicon thin film 15x under the photothermal conversion layer 22 is irradiated. Perform thermal annealing (laser annealing). As a result, only the amorphous silicon thin film 15x immediately below the region where the photothermal conversion layer 22 remains is crystallized to form the semiconductor layer 15 made of a polycrystalline silicon thin film or a microcrystalline silicon thin film.

具体的には、レーザーアニールに用いるレーザー光源としては、例えば波長808nmのブロードエリア型高出力半導体レーザー装置を用いる。そして、このような半導体レーザー装置において、約4Wの光出力のレーザー光を連続発振させ、マイクロレンズアレイ等の均一照明光学系を通して所望のビーム形状に整形する。さらに、このビームを約2mW/μm2の光強度に集光し、基板11を例えば約40mm/sの一定速度で移動させつつ照射する。すなわち、所定の照射範囲を有するレーザー光BMを走査することにより、基板11全域にレーザー光BMを照射して熱アニールを行う。 Specifically, as a laser light source used for laser annealing, for example, a broad area type high-power semiconductor laser device having a wavelength of 808 nm is used. In such a semiconductor laser device, laser light having a light output of about 4 W is continuously oscillated and shaped into a desired beam shape through a uniform illumination optical system such as a microlens array. Further, this beam is condensed to a light intensity of about 2 mW / μm 2 and irradiated while moving the substrate 11 at a constant speed of about 40 mm / s, for example. That is, the laser beam BM having a predetermined irradiation range is scanned to irradiate the entire region of the substrate 11 with the laser beam BM, thereby performing thermal annealing.

これにより、光熱変換層22を形成する膜材料が高温に加熱され、この熱が熱伝導により下層のバッファ層21を介して非晶質シリコン薄膜15xに伝わる。そして、非晶質シリコン薄膜15xが融点に達し、熱アニールされることにより、図3(a)に示すように、光熱変換層22直下の非晶質シリコン薄膜15xのみが結晶化して、微晶質シリコン薄膜からなる半導体層15が形成される。このように、レーザーアニールの設定条件に応じて、薄膜トランジスタTFTのチャネル層となる領域の非晶質シリコン薄膜15xを結晶化して、多結晶質シリコン薄膜又は微晶質シリコン薄膜からなる半導体層15を形成することができる。一方、光熱変換層22が形成されていない領域の非晶質シリコン薄膜15xは、吸収係数(吸光度)が低いため、レーザー光BMが素通りして加熱されず、非晶質の状態が維持される。   As a result, the film material forming the photothermal conversion layer 22 is heated to a high temperature, and this heat is transferred to the amorphous silicon thin film 15x through the lower buffer layer 21 by heat conduction. Then, when the amorphous silicon thin film 15x reaches the melting point and is thermally annealed, only the amorphous silicon thin film 15x immediately below the photothermal conversion layer 22 is crystallized as shown in FIG. A semiconductor layer 15 made of a porous silicon thin film is formed. As described above, the amorphous silicon thin film 15x in the region to be the channel layer of the thin film transistor TFT is crystallized in accordance with the setting conditions of the laser annealing, and the semiconductor layer 15 made of the polycrystalline silicon thin film or the microcrystalline silicon thin film is formed. Can be formed. On the other hand, since the amorphous silicon thin film 15x in the region where the photothermal conversion layer 22 is not formed has a low absorption coefficient (absorbance), the laser beam BM does not pass through and is maintained in an amorphous state. .

次いで、図3(b)に示すように、バッファ層21上の光熱変換層22を除去した後、例えばプラズマCVD法を用いて、チャネルプロテクト層となる絶縁層16xを基板11全域に成膜する。ここで、光熱変換層22の除去方法は、上述した光熱変換層22xをパターニングする工程と同様の方法(膜材料に応じてドライエッチング法又はウェットエッチング法等)を適用することができる。また、絶縁層16xとしては、上述した絶縁膜14やバッファ層21と同様に、例えば窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜を用いる。   Next, as shown in FIG. 3B, after the photothermal conversion layer 22 on the buffer layer 21 is removed, an insulating layer 16x serving as a channel protection layer is formed over the entire region of the substrate 11 by using, for example, a plasma CVD method. . Here, as the method for removing the light-to-heat conversion layer 22, the same method as the step of patterning the light-to-heat conversion layer 22x described above (such as a dry etching method or a wet etching method depending on the film material) can be applied. As the insulating layer 16x, for example, a silicon nitride film or a silicon oxide film is used as in the case of the insulating film 14 and the buffer layer 21 described above.

次いで、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて上記絶縁層16x及びバッファ層21を連続的にパターニングして、所定の平面形状を有するチャネルプロテクト層16を形成する。具体的には、図示を省略したフォトレジストを、薄膜トランジスタTFTのチャネル層となる領域であって、上記ゲート電極13の形成領域に対応する領域上のみに残るようにパターニングし、当該フォトレジストを用いて下層の絶縁層16x及びバッファ層21を連続的にドライエッチングする。これにより、絶縁層16x及びバッファ層21からなるチャネルプロテクト層16が形成される。   Next, as shown in FIG. 3C, the insulating layer 16x and the buffer layer 21 are successively patterned using a photolithography technique to form a channel protect layer 16 having a predetermined planar shape. Specifically, a photoresist (not shown) is patterned so as to remain only in a region that becomes a channel layer of the thin film transistor TFT and corresponds to a region where the gate electrode 13 is formed, and the photoresist is used. Then, the lower insulating layer 16x and the buffer layer 21 are continuously dry-etched. As a result, the channel protect layer 16 including the insulating layer 16x and the buffer layer 21 is formed.

次いで、図3(c)に示すように、薄膜トランジスタTFTのソース、ドレインを形成するためのドープ層(不純物層)17xを基板11全域に成膜する。ここで、ドープ層17xとしてどのような材料を用いるかは、製造する薄膜トランジスタTFTがp型かn型かによって異なる。p型薄膜トランジスタの場合、シランガス中にジボラン等のアクセプター型の不純物を混入させたシリコン層(p+-Si層)を、プラズマCVD法を用いて成膜させることにより、ドープ層17xを形成する。一方、n型薄膜トランジスタの場合、シランガス中にアルシンやホスフィン等のドナー型の不純物を混入させたシリコン層(n+-Si層)を、プラズマCVD法を用いて成膜させることにより、ドープ層17xを形成する。また、ドープ層17xの厚みは、ノンドープシリコン層(i-Si層)である、上述した非晶質シリコン薄膜15xの場合と同様の理由により、概ね5〜100nmに設定する。 Next, as illustrated in FIG. 3C, a doped layer (impurity layer) 17 x for forming the source and drain of the thin film transistor TFT is formed over the entire region of the substrate 11. Here, what material is used for the doped layer 17x differs depending on whether the thin film transistor TFT to be manufactured is p-type or n-type. In the case of a p-type thin film transistor, a doped layer 17x is formed by forming a silicon layer (p + -Si layer) in which an acceptor-type impurity such as diborane is mixed in silane gas by using a plasma CVD method. On the other hand, in the case of an n-type thin film transistor, a silicon layer (n + -Si layer) in which a donor-type impurity such as arsine or phosphine is mixed in a silane gas is formed using a plasma CVD method, thereby forming a doped layer 17x. Form. The thickness of the doped layer 17x is set to approximately 5 to 100 nm for the same reason as in the case of the amorphous silicon thin film 15x described above, which is a non-doped silicon layer (i-Si layer).

次いで、図3(d)に示すように、ドープ層17xをパターニングして、チャネルプロテクト層16の両端部から半導体層15上に延在する平面形状を有するドープ層17を形成するとともに、薄膜トランジスタTFTのチャネル層となる領域の半導体層15以外の非晶質シリコン薄膜15xを除去する。具体的には、図示を省略したフォトレジストを、薄膜トランジスタTFTのソース、ドレイン電極18の平面形状に対応する領域上のみに残るようにパターニングし、当該フォトレジストを用いて下層のドープ層17x及び非晶質シリコン薄膜15xを連続的にドライエッチングする。これにより、薄膜トランジスタTFTの形成領域にドープ層17が形成されるとともに、薄膜トランジスタTFTの形成領域外の非晶質シリコン薄膜15xが除去されて絶縁膜14が露出する。   Next, as shown in FIG. 3D, the doped layer 17x is patterned to form the doped layer 17 having a planar shape extending from both ends of the channel protect layer 16 onto the semiconductor layer 15, and the thin film transistor TFT. The amorphous silicon thin film 15x other than the semiconductor layer 15 in the region to be the channel layer is removed. Specifically, a photoresist (not shown) is patterned so as to remain only on the region corresponding to the planar shape of the source and drain electrodes 18 of the thin film transistor TFT, and the lower doped layer 17x and the non-doped layer are formed using the photoresist. The crystalline silicon thin film 15x is continuously dry etched. Thereby, the doped layer 17 is formed in the formation region of the thin film transistor TFT, and the amorphous silicon thin film 15x outside the formation region of the thin film transistor TFT is removed, and the insulating film 14 is exposed.

次いで、図3(e)に示すように、薄膜トランジスタTFTのソース、ドレイン電極18を形成するためのドレインメタル層18xを基板11全域に成膜する。ドレインメタル層18xは、例えばクロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)等の金属単体、又は、これらの合金からなる電極層を積層した電極構造を有するように、例えばスパッタリング法を用いて形成する。   Next, as shown in FIG. 3E, a drain metal layer 18 x for forming the source and drain electrodes 18 of the thin film transistor TFT is formed over the entire region of the substrate 11. The drain metal layer 18x has an electrode structure in which an electrode layer made of a single metal such as chromium (Cr), aluminum (Al), titanium (Ti), niobium (Nb), or an alloy thereof is laminated, for example. For example, it is formed using a sputtering method.

次いで、ドレインメタル層18xを所定の平面形状を有するようにパターニングして、図1に示したように、薄膜トランジスタTFTのドープ層17上にソース、ドレイン電極18を形成する。具体的には、図示を省略したフォトレジストを、薄膜トランジスタTFTのソース、ドレイン電極18の平面形状に対応する領域上のみに残るようにパターニングし、当該フォトレジストを用いて下層のドレインメタル層18xをドライエッチングする。これにより、薄膜トランジスタTFTの形成領域に、チャネルプロテクト層16の両端部から半導体層15上に延在する平面形状を有するドープ層17及びソース、ドレイン電極18が形成される。   Next, the drain metal layer 18x is patterned to have a predetermined planar shape, and the source and drain electrodes 18 are formed on the doped layer 17 of the thin film transistor TFT as shown in FIG. Specifically, a photoresist (not shown) is patterned so as to remain only on the region corresponding to the planar shape of the source and drain electrodes 18 of the thin film transistor TFT, and the underlying drain metal layer 18x is formed using the photoresist. Perform dry etching. As a result, the doped layer 17 and the source / drain electrodes 18 having a planar shape extending from both ends of the channel protect layer 16 onto the semiconductor layer 15 are formed in the formation region of the thin film transistor TFT.

なお、上述した半導体装置の製造方法においては、非晶質シリコン薄膜15xの除去と、ドープ層17及びソース、ドレイン電極18のパターニングを別個の工程で行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、次のような製造方法を適用するものであってもよい。   In the semiconductor device manufacturing method described above, the case where the removal of the amorphous silicon thin film 15x and the patterning of the doped layer 17 and the source and drain electrodes 18 are performed in separate steps has been described. It is not limited and the following manufacturing methods may be applied.

すなわち、例えば図3(c)に示したように、薄膜トランジスタTFTのチャネル層となる領域にチャネルプロテクト層16をパターニング形成した後、基板11上にドープ層17x及びドレインメタル層18xを順次成膜する。次いで、ソース、ドレイン電極18の平面形状に対応する領域上のみにフォトレジストが残るようにパターニングし、当該フォトレジストを用いて、まず、ドレインメタル層18xをドライエッチングしてソース、ドレイン電極18を形成する。次いで、パターニング形成されたソース、ドレイン電極18をマスクとして用いて、下層のドープ層17x及び非晶質シリコン薄膜15xを連続的にドライエッチングして、ソース、ドレイン電極18に整合するドープ層17を形成するとともに、非晶質シリコン薄膜15xを除去する。このような製造方法によれば、フォトリソグラフィ及びパターニングの工程数を削減して、製造効率を向上させることができる。   That is, for example, as shown in FIG. 3C, after the channel protect layer 16 is formed by patterning in a region that becomes the channel layer of the thin film transistor TFT, the doped layer 17x and the drain metal layer 18x are sequentially formed on the substrate 11. . Next, patterning is performed so that the photoresist remains only on the region corresponding to the planar shape of the source and drain electrodes 18. Using the photoresist, the drain metal layer 18 x is first dry-etched to form the source and drain electrodes 18. Form. Next, using the patterned source and drain electrodes 18 as a mask, the lower doped layer 17x and the amorphous silicon thin film 15x are continuously dry etched to form the doped layer 17 that matches the source and drain electrodes 18. At the same time, the amorphous silicon thin film 15x is removed. According to such a manufacturing method, the number of photolithography and patterning steps can be reduced, and the manufacturing efficiency can be improved.

次に、上述した本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法における作用効果の優位性について、比較例を示して詳しく説明する。
図4は、本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法における作用効果を説明するための、従来技術(以下、「比較例」と記す)における半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程図である。ここで、上述した本実施形態と同等の構成及び製造工程については、同等の符号を付すとともに、図2及び図3を参照して、その説明を簡略化又は省略する。
Next, the advantages of the operational effects of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the above-described embodiment will be described in detail with reference to comparative examples.
FIG. 4 is a schematic process diagram showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device in the prior art (hereinafter referred to as “comparative example”) for explaining the operational effects of the semiconductor device and the method for manufacturing the same according to the present embodiment. is there. Here, about the structure and manufacturing process equivalent to this embodiment mentioned above, while attaching | subjecting an equivalent code | symbol, the description is simplified or abbreviate | omitted with reference to FIG.2 and FIG.3.

比較例における半導体装置の製造方法は、上述した第1の実施形態において、図2(a)に示したように、基板11上にゲート電極13及び金属配線12をパターニングした後、図4(a)に示すように、絶縁膜14、非晶質シリコン薄膜15x及び光熱変換層22xを、基板11全域に順次積層形成する。その後、図4(b)に示すように、図示を省略した半導体レーザー装置から発振される所定の照射領域を有するレーザー光BMを走査することにより、基板11の全域にレーザー光BMを照射して熱アニールを行う。   The semiconductor device manufacturing method in the comparative example is obtained by patterning the gate electrode 13 and the metal wiring 12 on the substrate 11 as shown in FIG. ), The insulating film 14, the amorphous silicon thin film 15x, and the photothermal conversion layer 22x are sequentially stacked over the entire substrate 11. Thereafter, as shown in FIG. 4B, the entire region of the substrate 11 is irradiated with the laser beam BM by scanning the laser beam BM having a predetermined irradiation region oscillated from a semiconductor laser device (not shown). Perform thermal annealing.

このような製造方法においては、光熱変換層22xを基板11の全域に形成した状態でレーザー光が照射されるため、本来熱アニールを必要とする薄膜トランジスタTFT(チャネル層)の形成領域以外の領域においても、光熱変換層22xによる加熱が生じる。この場合、例えば金属配線12と、絶縁膜14を構成する窒化シリコン膜や酸化シリコン膜における熱吸収係数及び熱膨張係数の違いにより、金属配線12上の絶縁膜14に剥離やクラックが生じる等の問題を有している。このような現象を回避する方法として、熱アニールが必要な領域(薄膜トランジスタTFTの形成領域)のみにレーザー光を照射し、熱アニールを必要としない領域(例えば配線層LN等の形成領域)にレーザー光を照射しないように走査することも考えられるが、この場合には、レーザー光の照射工程におけるスループット(作業効率)の低下を招くという問題を有していた。   In such a manufacturing method, laser light is irradiated in a state where the photothermal conversion layer 22x is formed over the entire area of the substrate 11, and therefore, in a region other than the region where the thin film transistor TFT (channel layer) that originally requires thermal annealing is formed. However, heating by the photothermal conversion layer 22x occurs. In this case, for example, the insulating film 14 on the metal wiring 12 is peeled off or cracked due to the difference in the heat absorption coefficient and the thermal expansion coefficient between the metal wiring 12 and the silicon nitride film or silicon oxide film constituting the insulating film 14. Have a problem. As a method for avoiding such a phenomenon, only a region where thermal annealing is necessary (a region where a thin film transistor TFT is formed) is irradiated with laser light, and a region where thermal annealing is not necessary (for example, a region where a wiring layer LN is formed) is lasered. Although it is conceivable to perform scanning so as not to irradiate light, in this case, there is a problem that the throughput (working efficiency) in the laser light irradiation process is reduced.

これに対して、本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法においては、非晶質シリコン薄膜15xを結晶化する際に、薄膜トランジスタTFTのチャネル層となる領域上にのみ光熱変換層22を形成した後、レーザー光BMを照射して熱アニールを施す手法を有している。これによれば、薄膜トランジスタTFT(チャネル層)の形成領域における非晶質シリコン薄膜15xのみを効率的に加熱して結晶化させることができるとともに、当該薄膜トランジスタTFTの形成領域以外の、例えば金属配線12の形成領域における熱アニールによる加熱を抑え、絶縁膜14等の剥離やクラックの発生を抑制して製造歩留まりの低下を抑制することができる。また、この場合、上述した比較例と同様に、レーザー光BMを走査して基板11の全域に照射すればよいので、レーザー光BMの照射工程におけるスループット(作業効率)の低下を招くことがない。   In contrast, in the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, when the amorphous silicon thin film 15x is crystallized, the photothermal conversion layer 22 is formed only on the region that becomes the channel layer of the thin film transistor TFT. Thereafter, there is a method of performing thermal annealing by irradiating laser beam BM. According to this, only the amorphous silicon thin film 15x in the region where the thin film transistor TFT (channel layer) is formed can be efficiently heated and crystallized, and the metal wiring 12 other than the region where the thin film transistor TFT is formed, for example. It is possible to suppress heating due to thermal annealing in the formation region of the film, suppress peeling of the insulating film 14 and the like, and generation of cracks, thereby suppressing a decrease in manufacturing yield. In this case, similarly to the above-described comparative example, the laser beam BM may be scanned and irradiated to the entire area of the substrate 11, so that the throughput (working efficiency) in the laser beam BM irradiation process is not reduced. .

ここで、本実施形態に係る半導体装置に適用される薄膜トランジスタTFTの素子特性について説明する。
上述した半導体装置及びその製造方法においては、レーザーアニールにより形成される結晶性のシリコンからなる半導体層を有する薄膜トランジスタTFTとして、多結晶質(ポリクリスタル)又は微晶質(マイクロクリスタル)のシリコン薄膜を半導体層として有する薄膜トランジスタについて説明した。
Here, element characteristics of the thin film transistor TFT applied to the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
In the semiconductor device and the manufacturing method thereof described above, a polycrystalline (polycrystal) or microcrystalline (microcrystal) silicon thin film is used as the thin film transistor TFT having a semiconductor layer made of crystalline silicon formed by laser annealing. The thin film transistor included as the semiconductor layer has been described.

特に、微晶質のシリコン薄膜を半導体層として有する薄膜トランジスタ(微晶質シリコン薄膜トランジスタ)は、電子移動度が多結晶質シリコン薄膜トランジスタに比較して僅かに低いものの、非晶質シリコン薄膜トランジスタに比較して高く、かつ、しきい値電圧Vthの変動も多結晶質シリコン薄膜トランジスタと同等程度に少なく、さらに、近接素子間の性能のバラツキも非晶質シリコン薄膜トランジスタと同等程度に少ないという、優れた特徴を有している。   In particular, a thin film transistor (microcrystalline silicon thin film transistor) having a microcrystalline silicon thin film as a semiconductor layer has a slightly lower electron mobility than a polycrystalline silicon thin film transistor, but is in comparison with an amorphous silicon thin film transistor. It has excellent characteristics that it has a high threshold voltage variation as low as that of a polycrystalline silicon thin film transistor, and that variations in performance between adjacent elements are as small as that of an amorphous silicon thin film transistor. is doing.

このような微晶質シリコンは、一般に、結晶の粒径が数十nm〜数μmオーダーの範囲であって、かつ、結晶化したシリコン薄膜中に非晶質シリコンが概ね30%程度含まれている状態をいうと定義されている。ここで、上述した半導体装置の製造方法において示したレーザーアニールの設定条件に基づいて、非晶質シリコン薄膜にレーザー光を照射することにより熱アニールして形成された試料(結晶性のシリコン薄膜)について、ラマン分光スペクトルの実測データを示して、その結晶化度について具体的に解析する。   Such microcrystalline silicon generally has a crystal grain size in the order of several tens of nm to several μm, and the crystallized silicon thin film contains approximately 30% of amorphous silicon. It is defined as the state of being. Here, a sample (crystalline silicon thin film) formed by thermal annealing by irradiating an amorphous silicon thin film with laser light based on the laser annealing setting conditions shown in the semiconductor device manufacturing method described above. The measured data of the Raman spectrum is shown, and the crystallinity is specifically analyzed.

図5は、薄膜トランジスタに用いられるシリコン薄膜の結晶化度の一例を示すラマン(Raman)分光スペクトル図である。
図5に示すように、上記試料に対するラマン分光による実測スペクトルSPzは、結晶化(多結晶質)シリコンにおける典型的なスペクトルSPcのピーク強度(概ね520cm-1付近)と、微晶質シリコンにおける典型的なスペクトルSPmのピーク強度(概ね500cm-1付近)と、非晶質シリコンにおける典型的なスペクトルSPaのピーク強度(概ね470cm-1付近)を合計した計算値の曲線SPxに略一致する。すなわち、微晶質シリコン薄膜は、非晶質、微晶質及び結晶質のシリコンが混在した状態にあり、その実測スペクトルSPzは、図5に示すように、結晶化シリコンと微晶質シリコンと非晶質シリコンの3つのピークに分解することができる。これにより、次式(1)に示すようにシリコンの結晶化度を表すことができる。
結晶化度=(Ic-Si+Iμc-Si)/(Ic-Si+Iμc-Si+Ia-Si) ・・・(1)
FIG. 5 is a Raman spectroscopic spectrum diagram showing an example of the crystallinity of a silicon thin film used for a thin film transistor.
As shown in FIG. 5, the measured spectrum SPz of the above sample by Raman spectroscopy shows the peak intensity of a typical spectrum SPc in crystallized (polycrystalline) silicon (approximately 520 cm −1 ) and the typical spectrum in microcrystalline silicon. The peak intensity of a typical spectrum SPm (approximately around 500 cm −1 ) and the curve SPx of a calculated value obtained by summing the peak intensities of typical spectra SPa in amorphous silicon (approximately 470 cm −1 ) are substantially the same. That is, the microcrystalline silicon thin film is in a state where amorphous, microcrystalline, and crystalline silicon are mixed, and the measured spectrum SPz is as shown in FIG. It can be decomposed into three peaks of amorphous silicon. Thereby, the crystallinity of silicon can be expressed as shown in the following formula (1).
Crystallinity = (Ic-Si + I.mu.c-Si) / (Ic-Si + I.mu.c-Si + Ia-Si) (1)

式(1)において、Ic-Siは、ラマン分光スペクトルにおける結晶化(多結晶質)シリコンのピーク強度であり、Iμc-Siは、微晶質シリコンのピーク強度であり、Ia-Siは、非晶質シリコンのピーク強度である。この式(1)に基づいて、図5に示した実測スペクトルSPzを有する上記試料の結晶化度を算出すると72.2%となり、非晶質シリコンの含有量が概ね30%程度であるので、微晶質シリコンが形成されていると判定することができる。   In formula (1), Ic-Si is the peak intensity of crystallized (polycrystalline) silicon in the Raman spectrum, Iμc-Si is the peak intensity of microcrystalline silicon, and Ia-Si is non- It is the peak intensity of crystalline silicon. Based on this formula (1), the crystallinity of the sample having the measured spectrum SPz shown in FIG. 5 is calculated to be 72.2%, and the content of amorphous silicon is approximately 30%. It can be determined that microcrystalline silicon is formed.

<第2の実施形態>
次に、本発明に係る半導体装置及びその製造方法並びに表示装置の第2の実施形態について説明する。
上述した第1の実施形態においては、単一の基板11上に、結晶性(多結晶質又は微晶質)のシリコンからなる半導体層を有する薄膜トランジスタTFTと配線層LNを同時に形成する場合について説明した。第2の実施形態においては、単一の基板11上に、結晶性シリコン薄膜トランジスタと、非晶質シリコン薄膜トランジスタと、配線層とを同時に形成する場合について説明する。
<Second Embodiment>
Next, a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a display device according to a second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment described above, the case where the thin film transistor TFT having the semiconductor layer made of crystalline (polycrystalline or microcrystalline) silicon and the wiring layer LN are simultaneously formed on the single substrate 11 will be described. did. In the second embodiment, a case where a crystalline silicon thin film transistor, an amorphous silicon thin film transistor, and a wiring layer are simultaneously formed on a single substrate 11 will be described.

(表示装置)
まず、本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法を適用可能な表示装置及び表示画素について説明する。なお、以下に示す実施形態においては、表示パネルとして、有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)を有する複数の表示画素を2次元配列した構成を有し、各表示画素が表示データ(映像データ)に応じた輝度階調で発光動作することにより画像情報を表示する有機EL表示パネルに、本発明の半導体装置を適用する場合について説明するが、他の表示方法により画像情報を表示する表示パネルに適用するものであってもよい。
(Display device)
First, a display device and display pixels to which the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment can be applied will be described. In the embodiment described below, the display panel has a configuration in which a plurality of display pixels each having an organic electroluminescence element (organic EL element) are two-dimensionally arranged, and each display pixel is used as display data (video data). The case where the semiconductor device of the present invention is applied to an organic EL display panel that displays image information by performing a light emission operation with a corresponding luminance gradation will be described. However, the present invention is applied to a display panel that displays image information by other display methods. You may do.

図6は、本発明に係る半導体装置が適用される表示装置の一例を示す概略構成図であり、図7は、本発明に係る半導体装置が適用される表示画素の回路構成例を示す等価回路図である。
本実施形態に係る半導体装置を適用可能な表示装置は、図6に示すように、少なくとも、複数の表示画素PIXが二次元配列された表示パネル110と、各表示画素PIXを選択状態に設定するためのゲートドライバ120と、各表示画素PIXに表示データに応じた階調信号を供給するためのデータドライバ130と、を備えている。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a display device to which the semiconductor device according to the present invention is applied, and FIG. 7 is an equivalent circuit illustrating a circuit configuration example of a display pixel to which the semiconductor device according to the present invention is applied. FIG.
As shown in FIG. 6, the display device to which the semiconductor device according to the present embodiment is applicable sets at least the display panel 110 in which a plurality of display pixels PIX are two-dimensionally arranged and the display pixels PIX in a selected state. And a data driver 130 for supplying a gradation signal corresponding to display data to each display pixel PIX.

(表示画素)
各表示画素PIXは、図7に示すように、画素駆動回路DCと有機EL素子OELとを備え、画素駆動回路DCにより表示データに応じた電流値の発光駆動電流が有機EL素子OELに供給されることにより、当該表示データに応じた所定の輝度階調で発光動作する。
(Display pixel)
As shown in FIG. 7, each display pixel PIX includes a pixel drive circuit DC and an organic EL element OEL, and a light emission drive current having a current value corresponding to display data is supplied to the organic EL element OEL by the pixel drive circuit DC. Thus, the light emission operation is performed with a predetermined luminance gradation corresponding to the display data.

画素駆動回路DCは、例えば図7に示すように、薄膜トランジスタTr11と薄膜トランジスタTr12とキャパシタCsとを備えている。薄膜トランジスタTr11は、ゲート端子が選択ラインLsに、ドレイン端子がデータラインLdに、ソース端子が接点N11に各々接続されている。薄膜トランジスタTr12は、ゲート端子が接点N11に、ドレイン端子が所定の高電位電圧Vddが印加された電源電圧ラインLaに、ソース端子が接点N12に各々接続されている。キャパシタCsは、薄膜トランジスタTr12のゲート端子及びソース端子間(接点N11及び接点N12)間に接続されている。   For example, as shown in FIG. 7, the pixel drive circuit DC includes a thin film transistor Tr11, a thin film transistor Tr12, and a capacitor Cs. The thin film transistor Tr11 has a gate terminal connected to the selection line Ls, a drain terminal connected to the data line Ld, and a source terminal connected to the contact N11. The thin film transistor Tr12 has a gate terminal connected to the contact N11, a drain terminal connected to a power supply voltage line La to which a predetermined high potential voltage Vdd is applied, and a source terminal connected to the contact N12. The capacitor Cs is connected between the gate terminal and the source terminal (the contact N11 and the contact N12) of the thin film transistor Tr12.

ここでは、薄膜トランジスタTr11、Tr12は、いずれもnチャネル型の薄膜トランジスタ(電界効果型トランジスタ)が適用されている。薄膜トランジスタTr11、Tr12がpチャネル型であれば、ソース端子及びドレイン端子が互いに逆になる。また、キャパシタCsは、薄膜トランジスタTr12のゲート−ソース間に形成される寄生容量、又は、該ゲート・ソース間に付加的に設けられた補助容量、もしくは、これらの寄生容量と補助容量からなる容量成分である。   Here, as the thin film transistors Tr11 and Tr12, n-channel thin film transistors (field effect transistors) are applied. If the thin film transistors Tr11 and Tr12 are p-channel type, the source terminal and the drain terminal are opposite to each other. The capacitor Cs is a parasitic capacitance formed between the gate and the source of the thin film transistor Tr12, an auxiliary capacitance additionally provided between the gate and the source, or a capacitance component composed of these parasitic capacitance and auxiliary capacitance. It is.

また、有機EL素子OELは、アノード端子(アノード電極)が上記画素駆動回路DCの接点N12に接続され、カソード端子(カソード電極)が所定の低電位電圧Vss(例えば接地電圧Vgnd)が印加された電源電圧ラインLc(又は共通電極)に接続されている。   The organic EL element OEL has an anode terminal (anode electrode) connected to the contact N12 of the pixel drive circuit DC and a cathode terminal (cathode electrode) to which a predetermined low potential voltage Vss (for example, ground voltage Vgnd) is applied. The power supply voltage line Lc (or common electrode) is connected.

そして、選択ラインLsは、上述したゲートドライバ120に接続されて、所定のタイミングで選択レベル又は非選択レベルの選択電圧Vselが印加され、また、データラインLdは、上述したデータドライバ130に接続されて、上記選択電圧Vselにより選択状態に設定された表示画素PIXに対して、表示データに応じた階調信号(階調電圧)Vdataが印加される。   The selection line Ls is connected to the gate driver 120 described above, and a selection voltage Vsel of a selection level or a non-selection level is applied at a predetermined timing, and the data line Ld is connected to the data driver 130 described above. Thus, the gradation signal (gradation voltage) Vdata corresponding to the display data is applied to the display pixel PIX set to the selected state by the selection voltage Vsel.

次に、このような回路構成を有する表示画素PIXの駆動制御動作について、簡単に説明する。
まず、選択期間においては、ゲートドライバ120から選択ラインLsに対して、選択レベル(ハイレベル)の選択電圧Vselを印加することにより、トランジスタTr11がオン動作して選択状態に設定される。このタイミングに同期して、データドライバ130から表示データに応じた電圧値の階調電圧VdataをデータラインLdに印加することにより、トランジスタTr11を介して、階調電圧Vdataに応じた電位が接点N11(トランジスタTr12のゲート端子)に印加される。
Next, the drive control operation of the display pixel PIX having such a circuit configuration will be briefly described.
First, in the selection period, the transistor Tr11 is turned on and set to the selected state by applying the selection voltage Vsel of the selection level (high level) from the gate driver 120 to the selection line Ls. In synchronization with this timing, the gradation voltage Vdata having a voltage value corresponding to the display data is applied from the data driver 130 to the data line Ld, so that the potential corresponding to the gradation voltage Vdata is connected to the contact N11 via the transistor Tr11. Applied to (gate terminal of transistor Tr12).

これにより、トランジスタTr12が階調電圧Vdataに応じた導通状態でオン動作して、ドレイン・ソース間に所定の電流値の発光駆動電流が流れる。したがって、有機EL素子OELは、階調電圧Vdata(すなわち表示データ)に応じた輝度階調で発光動作する。このとき、トランジスタTr12のゲート・ソース間に接続されたキャパシタCsには、接点N11に印加された階調電圧Vdataに基づいて電荷が蓄積(充電)される。   As a result, the transistor Tr12 is turned on in a conductive state corresponding to the gradation voltage Vdata, and a light emission drive current having a predetermined current value flows between the drain and the source. Therefore, the organic EL element OEL emits light with a luminance gradation corresponding to the gradation voltage Vdata (that is, display data). At this time, charges are stored (charged) in the capacitor Cs connected between the gate and source of the transistor Tr12 based on the gradation voltage Vdata applied to the contact N11.

次いで、非選択期間においては、選択ラインLsに対して、非選択レベル(ローレベル)の選択電圧Vselを印加することにより、トランジスタTr11がオフ動作して非選択状態に設定される。これにより、上記キャパシタCsに蓄積された電荷(すなわち、ゲート・ソース間の電位差)が保持されて、トランジスタTr12のゲート端子に階調電圧Vdataに相当する電圧が印加される。したがって、トランジスタTr12のドレイン・ソース間に上記の発光動作状態と同等の電流値の発光駆動電流が流れて、有機EL素子OELの発光動作状態が継続される。そして、このような駆動制御動作を、表示パネル110に2次元配列された全ての表示画素PIXについて、例えば各行ごとに順次実行することにより、所望の画像情報が表示される。   Next, in the non-selection period, by applying a selection voltage Vsel of a non-selection level (low level) to the selection line Ls, the transistor Tr11 is turned off and set to a non-selection state. As a result, the charge accumulated in the capacitor Cs (that is, the potential difference between the gate and the source) is held, and a voltage corresponding to the gradation voltage Vdata is applied to the gate terminal of the transistor Tr12. Accordingly, a light emission drive current having a current value equivalent to that of the above light emission operation state flows between the drain and source of the transistor Tr12, and the light emission operation state of the organic EL element OEL is continued. Then, the desired image information is displayed by sequentially executing such a drive control operation on all the display pixels PIX two-dimensionally arranged on the display panel 110, for example, for each row.

このように、図7に示したような画素駆動回路DCを備えた表示画素PIXにおいて、トランジスタTr11は選択トランジスタとして機能し、また、トランジスタTr12は駆動トランジスタとして機能する。ここで、選択トランジスタはスイッチング特性に優れていることが望ましく、また、駆動トランジスタは素子特性の変動が小さく、電子移動度が高いことが望ましい。   As described above, in the display pixel PIX including the pixel drive circuit DC as shown in FIG. 7, the transistor Tr11 functions as a selection transistor, and the transistor Tr12 functions as a drive transistor. Here, it is desirable that the selection transistor has excellent switching characteristics, and it is desirable that the driving transistor have a small variation in element characteristics and a high electron mobility.

したがって、同一基板上に形成される選択トランジスタ及び駆動トランジスタにおいて、チャネル層として結晶性のシリコン半導体層を適用した場合、駆動トランジスタのしきい値電圧の変動(Vthシフト)が抑制されるので、素子特性の劣化を抑えられ、かつ、電子移動度が向上するので、低いゲート電圧で所望の電流値の発光駆動電流を流して、所定の発光輝度が得られる等のメリットがある。一方、このとき、駆動トランジスタと同様に、選択トランジスタのチャネル層を結晶化すると、非晶質シリコン半導体層を適用した場合に比較して、ドレイン・ソース間のリーク電流が大きくなるため、スイッチング特性が劣化するというデメリットがある。   Therefore, when a crystalline silicon semiconductor layer is used as the channel layer in the selection transistor and the driving transistor formed on the same substrate, the threshold voltage variation (Vth shift) of the driving transistor is suppressed. Since the deterioration of characteristics can be suppressed and the electron mobility is improved, there is an advantage that a predetermined emission luminance can be obtained by supplying a light emission driving current having a desired current value with a low gate voltage. On the other hand, when the channel layer of the selection transistor is crystallized, the leakage current between the drain and the source becomes larger than when the amorphous silicon semiconductor layer is applied, as in the driving transistor. There is a demerit that deteriorates.

そこで、本実施形態においては、図7に示したような画素駆動回路DCを備えた表示画素PIXにおいて、同一基板上に形成される選択トランジスタ及び駆動トランジスタのうち、駆動トランジスタのチャネル層のみに結晶化されたシリコン半導体層を適用し、選択トランジスタのチャネル層に非晶質シリコン半導体層を適用した基板構造を有している。以下に、本実施形態に係る表示画素に適用される基板構造について図面を示して説明する。   Therefore, in the present embodiment, in the display pixel PIX including the pixel driving circuit DC as shown in FIG. 7, the crystal is only formed in the channel layer of the driving transistor among the selection transistor and the driving transistor formed on the same substrate. The substrate structure is such that an oxidized silicon semiconductor layer is applied and an amorphous silicon semiconductor layer is applied to the channel layer of the select transistor. Hereinafter, a substrate structure applied to the display pixel according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.

図8は、本実施形態に適用される表示画素の基板構造を模式的に示した断面構造図である。ここで、図8では、説明の簡略化のため、選択トランジスタ及び駆動トランジスタとなる薄膜トランジスタと配線層を個別に示し、相互の接続関係については図示を省略した。また、上述した第1の実施形態と同等と構成については、同等の符号を付して説明する。   FIG. 8 is a cross-sectional structure diagram schematically showing the substrate structure of the display pixel applied to this embodiment. Here, in FIG. 8, for simplification of description, the thin film transistor and the wiring layer that are the selection transistor and the drive transistor are individually shown, and the illustration of the mutual connection relationship is omitted. In addition, components equivalent to those in the first embodiment described above are described with the same reference numerals.

本実施形態に係る半導体装置は、図8に示すように、単一の絶縁性の基板11の一面(図面上面)側に、多結晶質シリコン又は微晶質シリコンからなる半導体層を有する薄膜トランジスタ(結晶性シリコン薄膜トランジスタ;第1の薄膜トランジスタ)TFT−mと、非晶質シリコン半導体層を有する薄膜トランジスタ(非晶質シリコン薄膜トランジスタ;第2の薄膜トランジスタ)TFT−aと、金属配線12を含む配線層LNと、が同層に設けられている。ここで、薄膜トランジスタTFT−mは、図7に示した駆動トランジスタとして機能する薄膜トランジスタTr12に相当し、また、薄膜トランジスタTFT−aは、図7に示した選択トランジスタとして機能する薄膜トランジスタTr11に相当する。   As shown in FIG. 8, the semiconductor device according to the present embodiment includes a thin film transistor having a semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon on one surface (upper surface in the drawing) side of a single insulating substrate 11. Crystalline silicon thin film transistor; first thin film transistor) TFT-m, thin film transistor (amorphous silicon thin film transistor; second thin film transistor) TFT-a having an amorphous silicon semiconductor layer, and wiring layer LN including metal wiring 12 Are provided in the same layer. Here, the thin film transistor TFT-m corresponds to the thin film transistor Tr12 functioning as the drive transistor shown in FIG. 7, and the thin film transistor TFT-a corresponds to the thin film transistor Tr11 functioning as the selection transistor shown in FIG.

具体的には、図8に示すように、薄膜トランジスタTFT−mは、上述した第1の実施形態(図1参照)と同様に、絶縁性の基板11の一面側の表面に設けられたゲート電極13mと、ゲート絶縁膜となる絶縁膜14を介して、ゲート電極13mに対応する領域に設けられた結晶性のシリコンからなる半導体層15mと、半導体層15m上に設けられたチャネルプロテクト層16mと、チャネルプロテクト層16mの両端部から半導体層15m上に延在して設けられたドープ層17mと、ドープ層17m上に整合して設けられたソース、ドレイン電極18mと、を有している。   Specifically, as shown in FIG. 8, the thin film transistor TFT-m includes a gate electrode provided on the surface on the one surface side of the insulating substrate 11, as in the first embodiment (see FIG. 1). 13 m, a semiconductor layer 15 m made of crystalline silicon provided in a region corresponding to the gate electrode 13 m via an insulating film 14 serving as a gate insulating film, and a channel protect layer 16 m provided on the semiconductor layer 15 m And a doped layer 17m provided on both ends of the channel protect layer 16m and extending on the semiconductor layer 15m, and a source / drain electrode 18m provided in alignment with the doped layer 17m.

また、薄膜トランジスタTFT−aは、基板11の一面側に設けられたゲート電極13aと、絶縁膜14を介して、ゲート電極13aに対応する領域に設けられた非晶質シリコンからなる半導体層15aと、半導体層15a上に設けられたチャネルプロテクト層16aと、チャネルプロテクト層16aの両端部から半導体層15a上に延在して設けられたドープ層17a及びソース、ドレイン電極18aと、を有している。   The thin film transistor TFT-a includes a gate electrode 13a provided on one surface of the substrate 11, and a semiconductor layer 15a made of amorphous silicon provided in a region corresponding to the gate electrode 13a via the insulating film 14. A channel protect layer 16a provided on the semiconductor layer 15a, a doped layer 17a provided on both sides of the channel protect layer 16a and extending on the semiconductor layer 15a, and a source / drain electrode 18a. Yes.

ここで、図8に示すように、薄膜トランジスタTFT−mのゲート電極13mと、薄膜トランジスタTFT−aのゲート電極13aと、配線層LNを構成する金属配線12は、同層に設けられ、共通の絶縁膜14に被覆されている。また、薄膜トランジスタTFT−mの半導体層15mと、チャネルプロテクト層16mと、ドープ層17mと、ソース、ドレイン電極18mは、各々、薄膜トランジスタTFT−aの半導体層15aと、チャネルプロテクト層16aと、ドープ層17aと、ソース、ドレイン電極18aと同層に設けられている。すなわち、薄膜トランジスタTFT−mと薄膜トランジスタTFT−aは、半導体層15m、15aとなるシリコン薄膜の膜質のみが異なり、他の素子構造は同一になるように形成されている。   Here, as shown in FIG. 8, the gate electrode 13m of the thin film transistor TFT-m, the gate electrode 13a of the thin film transistor TFT-a, and the metal wiring 12 constituting the wiring layer LN are provided in the same layer and have a common insulation. The membrane 14 is covered. Further, the semiconductor layer 15m, the channel protect layer 16m, the doped layer 17m, and the source / drain electrodes 18m of the thin film transistor TFT-m are respectively the semiconductor layer 15a, the channel protect layer 16a, and the doped layer of the thin film transistor TFT-a. 17a and the same layer as the source / drain electrode 18a. That is, the thin film transistor TFT-m and the thin film transistor TFT-a are formed such that only the film quality of the silicon thin film serving as the semiconductor layers 15m and 15a is different, and the other element structures are the same.

なお、図8においても、図1と同様に、基板11上に設けられた薄膜トランジスタTFT−m、TFT−aのソース、ドレイン電極18m、18aが露出した状態を示したが、実製品においては、図示を省略した絶縁膜等により被覆保護される。   8 shows the state in which the source and drain electrodes 18m and 18a of the thin film transistors TFT-m and TFT-a provided on the substrate 11 are exposed, as in FIG. It is covered and protected by an insulating film (not shown).

(製造方法)
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。
図9乃至図11は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す概略工程断面図である。ここで、上述した第1の実施形態(図2、図3参照)と同等の製造工程については、その説明を簡略化する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
9 to 11 are schematic process cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment. Here, the description of the manufacturing steps equivalent to those of the first embodiment (see FIGS. 2 and 3) described above will be simplified.

まず、図9(a)に示すように、絶縁性の基板11上に成膜された金属材料を含む薄膜をパターニングして、薄膜トランジスタTFT−mのゲート電極13m、薄膜トランジスタTFT-aのゲート電極13a及び金属配線12を形成する。その後、基板11の全域にゲート絶縁膜となる絶縁膜14を成膜して、ゲート電極13m、13a及び金属配線12を被覆する。その後、図9(b)に示すように、基板11の全域に、プラズマCVD法を用いて非晶質シリコン薄膜15x及びバッファ層21を連続して成膜し、さらにその上層に、スパッタリング法等を用いて光熱変換層22xを形成する。   First, as shown in FIG. 9A, a thin film containing a metal material formed on an insulating substrate 11 is patterned to form a gate electrode 13m of the thin film transistor TFT-m and a gate electrode 13a of the thin film transistor TFT-a. And the metal wiring 12 is formed. Thereafter, an insulating film 14 serving as a gate insulating film is formed over the entire area of the substrate 11 to cover the gate electrodes 13 m and 13 a and the metal wiring 12. Thereafter, as shown in FIG. 9B, the amorphous silicon thin film 15x and the buffer layer 21 are continuously formed on the entire surface of the substrate 11 by using the plasma CVD method, and further, a sputtering method or the like is formed thereon. Is used to form the photothermal conversion layer 22x.

次いで、図9(c)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて光熱変換層22xをパターニングして、薄膜トランジスタTFT−mのチャネル層となる領域(すなわち、上記ゲート電極13mの形成領域を含む領域であって、レーザーアニールにより非晶質シリコン薄膜15xを結晶化させたい領域)上にのみ、光熱変換層22を残す。   Next, as shown in FIG. 9C, the photothermal conversion layer 22x is patterned using a photolithography technique to form a region to be a channel layer of the thin film transistor TFT-m (that is, a region including the formation region of the gate electrode 13m). The photothermal conversion layer 22 is left only on the region where the amorphous silicon thin film 15x is desired to be crystallized by laser annealing.

次いで、図10(a)に示すように、レーザー光BMを走査して基板11全域に照射し、光熱変換層22直下の非晶質シリコン薄膜15xのみを熱アニールして結晶化することにより、図10(b)に示すように、薄膜トランジスタTFT-mの形成領域に、多結晶質シリコン薄膜又は微晶質シリコン薄膜からなる半導体層15mを形成する。このとき、薄膜トランジスタTFT-mの形成領域以外の、薄膜トランジスタTFT−aや配線層LNの形成領域の非晶質シリコン薄膜15xは結晶化されず、非晶質の状態を維持する。   Next, as shown in FIG. 10A, by scanning the laser beam BM and irradiating the entire region of the substrate 11, only the amorphous silicon thin film 15x directly under the photothermal conversion layer 22 is thermally annealed to be crystallized. As shown in FIG. 10B, a semiconductor layer 15m made of a polycrystalline silicon thin film or a microcrystalline silicon thin film is formed in the formation region of the thin film transistor TFT-m. At this time, the amorphous silicon thin film 15x in the formation region of the thin film transistor TFT-a and the wiring layer LN other than the formation region of the thin film transistor TFT-m is not crystallized and maintains an amorphous state.

次いで、図10(c)に示すように、バッファ層21上の光熱変換層22をエッチング法等を用いて除去した後、プラズマCVD法を用いてチャネルプロテクト層となる絶縁層16xを基板11全域に成膜する。その後、図11(a)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて絶縁層16x及びバッファ層21を連続的にパターニングして、薄膜トランジスタTFTのチャネル層となる領域であって、上記ゲート電極13m、13aの形成領域に対応する領域上に絶縁層16x及びバッファ層21からなるチャネルプロテクト層16m、16aを形成する。その後、プラズマCVD法を用いて薄膜トランジスタTFT−m、TFT−aのソース、ドレインを形成するためのドープ層17xを基板11全域に成膜する。   Next, as shown in FIG. 10C, after the photothermal conversion layer 22 on the buffer layer 21 is removed using an etching method or the like, the insulating layer 16x serving as a channel protection layer is formed over the entire substrate 11 using a plasma CVD method. A film is formed. Thereafter, as shown in FIG. 11A, the insulating layer 16x and the buffer layer 21 are continuously patterned by using a photolithography technique to form a channel layer of the thin film transistor TFT, the gate electrode 13m, Channel protect layers 16m and 16a made of the insulating layer 16x and the buffer layer 21 are formed on the region corresponding to the region 13a. Thereafter, a doped layer 17x for forming the source and drain of the thin film transistors TFT-m and TFT-a is formed over the entire region of the substrate 11 by plasma CVD.

次いで、図11(b)に示すように、ドープ層17xをパターニングして、各々、チャネルプロテクト層16m、16aの両端部から半導体層15m、15a上に延在するドープ層17m、17aを形成するとともに、薄膜トランジスタTFT−m、TFT−aのチャネル層となる領域の半導体層15m、15a以外の非晶質シリコン薄膜15xを除去する。   Next, as shown in FIG. 11B, the doped layer 17x is patterned to form doped layers 17m and 17a extending from both ends of the channel protect layers 16m and 16a onto the semiconductor layers 15m and 15a, respectively. At the same time, the amorphous silicon thin film 15x other than the semiconductor layers 15m and 15a in the region to be the channel layer of the thin film transistors TFT-m and TFT-a is removed.

次いで、図11(c)に示すように、スパッタリング法等を用いて薄膜トランジスタTFTのソース、ドレイン電極18m、18aを形成するためのドレインメタル層18xを基板11全域に成膜する。その後、ドレインメタル層18xをパターニングして、図8に示したように、薄膜トランジスタTFT−m、TFT−aのドープ層17m、17a上に、各々ソース、ドレイン電極18m、18aを形成する。   Next, as shown in FIG. 11C, a drain metal layer 18x for forming the source and drain electrodes 18m and 18a of the thin film transistor TFT is formed over the entire region of the substrate 11 by using a sputtering method or the like. Thereafter, the drain metal layer 18x is patterned to form source and drain electrodes 18m and 18a on the doped layers 17m and 17a of the thin film transistors TFT-m and TFT-a, respectively, as shown in FIG.

このように、本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法においては、単一の基板11上に、多結晶質シリコン又は微晶質シリコンからなる半導体層15mを有する薄膜トランジスタTFT−mと、非晶質シリコン半導体層15aを有する薄膜トランジスタTFT−aが混在するように設けられている。そして、非晶質シリコン薄膜15xを結晶化する際に、薄膜トランジスタTFT−mのチャネル層となる領域上にのみ光熱変換層22を形成した後、レーザー光BMを照射して熱アニールを施す手法を有している。   As described above, in the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to this embodiment, the thin film transistor TFT-m having the semiconductor layer 15m made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon on the single substrate 11, and the amorphous The thin film transistors TFT-a having the quality silicon semiconductor layer 15a are provided so as to coexist. Then, when the amorphous silicon thin film 15x is crystallized, after the photothermal conversion layer 22 is formed only on the region to be the channel layer of the thin film transistor TFT-m, a laser annealing is performed by irradiating the laser beam BM. Have.

これによれば、単一の基板11に対する1回のレーザーアニール工程で、薄膜トランジスタTFT−mを構成する結晶性のシリコンからなる半導体層15mと、薄膜トランジスタTFT−aを構成する非晶質シリコンからなる半導体層15aとを同時に形成することができるとともに、薄膜トランジスタTFT−aや金属配線12の形成領域における絶縁膜14等の剥離やクラックの発生を抑制することができる。   According to this, the semiconductor layer 15m made of crystalline silicon constituting the thin film transistor TFT-m and the amorphous silicon constituting the thin film transistor TFT-a are formed in a single laser annealing process on the single substrate 11. The semiconductor layer 15a can be formed at the same time, and peeling of the insulating film 14 and the like in the formation region of the thin film transistor TFT-a and the metal wiring 12 and the occurrence of cracks can be suppressed.

このとき、薄膜トランジスタTFT−mの形成領域における非晶質シリコン薄膜15xのみを効率的に加熱して結晶化させることができるとともに、当該薄膜トランジスタTFT−mの形成領域以外の、薄膜トランジスタTFT−aや金属配線12の形成領域における熱アニールによる加熱を抑制することができる。したがって、製造歩留まり及びスループットの低下を抑制しつつ、結晶性のシリコン半導体を有する駆動トランジスタと、非晶質シリコン半導体を有する選択トランジスタとを、同一基板上に良好に形成することができる。   At this time, only the amorphous silicon thin film 15x in the formation region of the thin film transistor TFT-m can be efficiently heated and crystallized, and the thin film transistor TFT-a and the metal other than the formation region of the thin film transistor TFT-m can be crystallized. Heating due to thermal annealing in the formation region of the wiring 12 can be suppressed. Accordingly, it is possible to satisfactorily form the driving transistor having a crystalline silicon semiconductor and the selection transistor having an amorphous silicon semiconductor on the same substrate while suppressing a decrease in manufacturing yield and throughput.

そして、このような基板構造を有する表示パネルによれば、駆動トランジスタ(薄膜トランジスタTr12)のチャネル層が結晶性のシリコン薄膜で形成されているので、チャネル層を非晶質シリコン薄膜で形成した場合に比較して、しきい値電圧Vthシフトを少なくして、素子劣化を抑制することができる。また、駆動トランジスタ(薄膜トランジスタTr12)の電子移動度を向上させることができるので、低電圧のゲート電圧(階調電圧Vdata)で所定の輝度階調による発光動作を実現することができる。一方、選択トランジスタ(薄膜トランジスタTr11)のチャネル層は、非晶質シリコン薄膜で形成されているので、チャネル層を結晶性のシリコン薄膜で形成した場合に比較して、リーク電流の影響を大幅に抑制することができる。   According to the display panel having such a substrate structure, since the channel layer of the driving transistor (thin film transistor Tr12) is formed of a crystalline silicon thin film, the channel layer is formed of an amorphous silicon thin film. In comparison, the threshold voltage Vth shift can be reduced to suppress element degradation. In addition, since the electron mobility of the driving transistor (thin film transistor Tr12) can be improved, a light emitting operation with a predetermined luminance gradation can be realized with a low gate voltage (gradation voltage Vdata). On the other hand, since the channel layer of the selection transistor (thin film transistor Tr11) is formed of an amorphous silicon thin film, the influence of leakage current is greatly suppressed as compared with the case where the channel layer is formed of a crystalline silicon thin film. can do.

なお、本実施形態においては、表示画素PIXを構成する画素駆動回路DCとして2個の薄膜トランジスタ(トランジスタTr11、Tr12)を有する回路構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、少なくとも画素駆動回路DCが、選択トランジスタの役目をする薄膜トランジスタと、駆動トランジスタの役目をする薄膜トランジスタを、各々一つずつ備えたものであれば、例えば3個以上の薄膜トランジスタを有するものであってもよい。   In the present embodiment, the circuit configuration including two thin film transistors (transistors Tr11 and Tr12) is shown as the pixel drive circuit DC constituting the display pixel PIX, but the present invention is not limited to this. The present invention includes, for example, three or more thin film transistors as long as at least the pixel drive circuit DC includes one thin film transistor serving as a selection transistor and one thin film transistor serving as a drive transistor. There may be.

また、図7においては、表示画素PIXに設けられる画素駆動回路DCとして、表示データに応じて各表示画素PIX(具体的には、画素駆動回路DCのトランジスタTr12のゲート端子;接点N11)に書き込む階調電圧Vdataの電圧値を調整(指定)することにより、有機EL素子OELに流す発光駆動電流の電流値を制御して、所望の輝度階調で発光動作させる電圧指定型の階調制御方式の回路構成を示したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、表示データに応じて各表示画素PIXに書き込む電流の電流値を調整(指定)することにより、有機EL素子OELに流す発光駆動電流の電流値を制御して、所望の輝度階調で発光動作させる電流指定型の階調制御方式の回路構成を有するものであってもよい。   In FIG. 7, the pixel driving circuit DC provided in the display pixel PIX is written in each display pixel PIX (specifically, the gate terminal of the transistor Tr12 of the pixel driving circuit DC; the contact N11) according to the display data. By adjusting (specifying) the voltage value of the gradation voltage Vdata, the current value of the light emission drive current that flows through the organic EL element OEL is controlled to perform the light emission operation at a desired luminance gradation. However, the present invention is not limited to this. That is, according to the present invention, by adjusting (specifying) the current value of the current written to each display pixel PIX according to the display data, the current value of the light emission drive current that flows to the organic EL element OEL is controlled, and the desired luminance It may have a circuit configuration of a current designation type gradation control system that performs light emission operation at gradation.

<第3の実施形態>
次に、本発明に係る半導体装置及びその製造方法並びに表示装置の第3の実施形態について説明する。
上述した第2の実施形態においては、単一の基板11上に、結晶性シリコン薄膜トランジスタと、非晶質シリコン薄膜トランジスタとを設けた基板構造を、表示装置(表示パネル)の各表示画素に適用した場合について説明した。第3の実施形態においては、第2の実施形態に示した基板構造を、表示パネルの駆動に用いるドライバに適用する場合について説明する。
<Third Embodiment>
Next, a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a display device according to a third embodiment of the present invention will be described.
In the second embodiment described above, a substrate structure in which a crystalline silicon thin film transistor and an amorphous silicon thin film transistor are provided on a single substrate 11 is applied to each display pixel of a display device (display panel). Explained the case. In the third embodiment, a case will be described in which the substrate structure shown in the second embodiment is applied to a driver used for driving a display panel.

図12は、本発明に係る半導体装置が適用される表示装置の他の例を示す概略構成図である。ここで、上述した第2の実施形態と同等の構成については、同等の符号を付してその説明を簡略化又は省略する。   FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing another example of a display device to which the semiconductor device according to the present invention is applied. Here, about the structure equivalent to 2nd Embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the description is simplified or abbreviate | omitted.

本実施形態に係る半導体装置を適用可能な表示装置は、図12に示すように、単一の基板11上に、少なくとも、複数の表示画素PIXが二次元配列された画素アレイ(表示領域)111と、各表示画素PIXを選択状態に設定するためのゲートドライバ部121と、各表示画素PIXに表示データに応じた階調信号を供給するためのデータドライバ部131と、を備えている。   As shown in FIG. 12, a display device to which the semiconductor device according to this embodiment can be applied includes a pixel array (display region) 111 in which at least a plurality of display pixels PIX are two-dimensionally arranged on a single substrate 11. And a gate driver 121 for setting each display pixel PIX to a selected state, and a data driver 131 for supplying a gradation signal corresponding to display data to each display pixel PIX.

ここで、本実施形態においては、同一基板11上に形成される、少なくともゲートドライバ部121及びデータドライバ部131の駆動回路に設けられるトランジスタとして、第2の実施形態(図8参照)に示した薄膜トランジスタTFT−mと同様に、結晶性(多結晶質又は微晶質)のシリコン半導体層を有する薄膜トランジスタを適用する。   Here, in the present embodiment, the transistors provided on at least the driver circuits of the gate driver unit 121 and the data driver unit 131 formed on the same substrate 11 are shown in the second embodiment (see FIG. 8). Similarly to the thin film transistor TFT-m, a thin film transistor having a crystalline (polycrystalline or microcrystalline) silicon semiconductor layer is applied.

このような基板構造を有する半導体装置(表示装置)の製造方法について、上述した第2の実施形態に示した図面を参照して説明する。
まず、図9(a)〜(c)に示したように、単一の基板11の一面側であって、ゲートドライバ部121及びデータドライバ部131の形成領域に、薄膜トランジスタTFT−mのゲート電極13m、薄膜トランジスタTFT-aのゲート電極13a及び金属配線12を形成する。その後、基板11の全域にゲート絶縁膜となる絶縁膜14を成膜してゲート電極13m、13a及び金属配線12を被覆し、さらにその上に、非晶質シリコン薄膜15x、バッファ層21及び光熱変換層22xを順次積層形成する。
A method for manufacturing a semiconductor device (display device) having such a substrate structure will be described with reference to the drawings described in the second embodiment.
First, as shown in FIGS. 9A to 9C, the gate electrode of the thin film transistor TFT-m is formed on one surface side of the single substrate 11 in the formation region of the gate driver unit 121 and the data driver unit 131. 13m, the gate electrode 13a of the thin film transistor TFT-a and the metal wiring 12 are formed. Thereafter, an insulating film 14 serving as a gate insulating film is formed over the entire area of the substrate 11 to cover the gate electrodes 13m and 13a and the metal wiring 12, and further, an amorphous silicon thin film 15x, a buffer layer 21 and photothermal The conversion layer 22x is sequentially stacked.

次いで、光熱変換層22xをパターニングして、ゲートドライバ部121及びデータドライバ部131の駆動回路に設けられるトランジスタのチャネル層となる領域にのみ、光熱変換層22を残す。そして、この状態で、図10(a)に示したように、レーザー光BMを走査して基板11全域に照射することにより、図10(b)に示したように、光熱変換層22直下の非晶質シリコン薄膜15xのみを熱アニールして結晶化し、多結晶質シリコン薄膜又は微晶質シリコン薄膜からなる半導体層15mを形成する。このとき、光熱変換層22の形成されていない領域の非晶質シリコン薄膜15xは、結晶化されず非晶質の状態を維持する。   Next, the photothermal conversion layer 22x is patterned to leave the photothermal conversion layer 22 only in a region to be a channel layer of a transistor provided in the driver circuit of the gate driver unit 121 and the data driver unit 131. Then, in this state, as shown in FIG. 10A, the laser beam BM is scanned and irradiated to the entire area of the substrate 11, so that as shown in FIG. Only the amorphous silicon thin film 15x is crystallized by thermal annealing to form a semiconductor layer 15m made of a polycrystalline silicon thin film or a microcrystalline silicon thin film. At this time, the amorphous silicon thin film 15x in the region where the photothermal conversion layer 22 is not formed is not crystallized and maintains an amorphous state.

これにより、ゲートドライバ部121及びデータドライバ部131の駆動回路には、結晶性のシリコン半導体層を有する薄膜トランジスタが形成されるとともに、それ以外の領域には、非晶質シリコン半導体層を有する薄膜トランジスタが同時に形成される。   Thus, thin film transistors having a crystalline silicon semiconductor layer are formed in the driver circuits of the gate driver unit 121 and the data driver unit 131, and thin film transistors having an amorphous silicon semiconductor layer are formed in other regions. Formed simultaneously.

本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法並びに表示装置によれば、非晶質シリコン薄膜を熱アニールして結晶化する際に、結晶性シリコン薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ光熱変換層を形成した状態でレーザーアニールを行うことにより、当該領域の非晶質シリコン薄膜のみを結晶化することができるので、単一の基板11上に、結晶性シリコン薄膜トランジスタと、非晶質シリコン薄膜トランジスタとを同時に形成することができる。   According to the semiconductor device, the manufacturing method thereof, and the display device according to this embodiment, when the amorphous silicon thin film is crystallized by thermal annealing, the photothermal conversion layer is formed only on the region that becomes the channel layer of the crystalline silicon thin film transistor. By performing laser annealing in a state in which the film is formed, only the amorphous silicon thin film in the region can be crystallized. Therefore, a crystalline silicon thin film transistor, an amorphous silicon thin film transistor, Can be formed simultaneously.

このとき、結晶性シリコン薄膜トランジスタの形成領域以外の、非晶質シリコン薄膜トランジスタや配線層の形成領域には光熱変換層が形成されていないので、熱アニールによる加熱を抑制することができ、ゲート電極や金属配線上に形成された絶縁膜等の剥離やクラックの発生を抑制することができる。したがって、画素アレイ111を駆動するためのゲートドライバ部121及びデータドライバ部131を単一の基板11上に設けた表示装置において、製造歩留まり及びスループットの低下を抑制しつつ、結晶性シリコン薄膜トランジスタと、非晶質シリコン薄膜トランジスタとを良好に形成することができる。   At this time, since the photothermal conversion layer is not formed in the formation region of the amorphous silicon thin film transistor or the wiring layer other than the formation region of the crystalline silicon thin film transistor, heating by thermal annealing can be suppressed, and the gate electrode or Peeling of an insulating film or the like formed on the metal wiring and generation of cracks can be suppressed. Accordingly, in a display device in which the gate driver unit 121 and the data driver unit 131 for driving the pixel array 111 are provided on a single substrate 11, while suppressing a decrease in manufacturing yield and throughput, a crystalline silicon thin film transistor, An amorphous silicon thin film transistor can be formed satisfactorily.

ここで、図12に示したように、画素アレイ111に配列された表示画素PIX(画素駆動回路)とともに、当該表示画素PIXを駆動するためのゲートドライバ部121やデータドライバ部131等を、単一の基板11上に形成した表示装置についてさらに詳しく説明する。   Here, as shown in FIG. 12, together with the display pixels PIX (pixel drive circuit) arranged in the pixel array 111, a gate driver unit 121, a data driver unit 131, and the like for driving the display pixels PIX are provided. A display device formed over one substrate 11 will be described in more detail.

図12に示した表示装置において、表示画素PIXが上述した第2の実施形態(図7参照)に示したような画素駆動回路DCを備えている場合について検討する。第2の実施形態においては、画素駆動回路DCの薄膜トランジスタTr11、Tr12として、その機能に応じて非晶質シリコン薄膜トランジスタ、あるいは、結晶性シリコン薄膜トランジスタを適用することが画素駆動の特性上望ましいことを説明した。   In the display device shown in FIG. 12, the case where the display pixel PIX includes the pixel driving circuit DC as shown in the second embodiment (see FIG. 7) will be considered. In the second embodiment, it is desirable in terms of pixel driving characteristics that an amorphous silicon thin film transistor or a crystalline silicon thin film transistor is applied as the thin film transistors Tr11 and Tr12 of the pixel drive circuit DC in accordance with their functions. did.

しかしながら、表示パネルによっては、画素駆動回路DCの薄膜トランジスタとして、非晶質シリコン薄膜トランジスタのみを適用した場合であっても、画素駆動に必要な条件を満たしている場合もある。図12に示した表示装置においては、単一の基板11上に、画素アレイ111とゲートドライバ部121とデータドライバ部131とを一括して形成することになるが、基板11上の全ての薄膜トランジスタを非晶質シリコン薄膜トランジスタにより形成した場合、電子移動度が低いためゲートドライバ部121やデータドライバ部131を動作させるには駆動能力が不十分となる。   However, depending on the display panel, even when only an amorphous silicon thin film transistor is applied as the thin film transistor of the pixel driving circuit DC, the condition necessary for pixel driving may be satisfied. In the display device shown in FIG. 12, the pixel array 111, the gate driver unit 121, and the data driver unit 131 are collectively formed on a single substrate 11, but all the thin film transistors on the substrate 11 are formed. Is formed of an amorphous silicon thin film transistor, the driving ability is insufficient to operate the gate driver unit 121 and the data driver unit 131 because of low electron mobility.

このような問題を回避する手法として、各ドライバ部の形成領域にのみ光熱変換層をパターニング形成した後、レーザーアニールを施すことにより、ドライバ部の薄膜トランジスタのチャネル層を結晶化して電子移動度を向上させることができるが、ドライバ部内の加熱が不要な領域(例えば、配線等の形成領域)も加熱されてしまうため、配線上の絶縁膜等が剥離したりクラックが生じたりする等の可能性があった。   As a technique to avoid such problems, the photothermal conversion layer is patterned only in the formation area of each driver part, and then laser annealing is performed to crystallize the channel layer of the thin film transistor in the driver part to improve electron mobility. However, since the area in the driver portion that does not need to be heated (for example, the formation area of the wiring, etc.) is also heated, there is a possibility that the insulating film on the wiring is peeled off or cracks are generated. there were.

これに対して、本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法並びに表示装置においては、レーザー光を基板11に照射して非晶質シリコン薄膜を結晶化させる際に用いる光熱変換層を、少なくともゲートドライバ部121及びデータドライバ部131に設けられる駆動回路の薄膜トランジスタのチャネル層の形成領域上にのみ残るようにパターニング形成する。そして、その後、レーザー光を照射して非晶質シリコン薄膜を結晶化させることにより、結晶性シリコン薄膜トランジスタを形成する。   On the other hand, in the semiconductor device, the manufacturing method thereof, and the display device according to the present embodiment, at least the photothermal conversion layer used when the amorphous silicon thin film is crystallized by irradiating the substrate 11 with laser light is at least the gate. Patterning is performed so as to remain only on the channel layer formation region of the thin film transistor of the driver circuit provided in the driver unit 121 and the data driver unit 131. Then, a crystalline silicon thin film transistor is formed by irradiating laser light to crystallize the amorphous silicon thin film.

これにより、単一基板上に結晶性シリコン薄膜トランジスタと非晶質シリコン薄膜トランジスタとを同時に形成することができるとともに、結晶性シリコン薄膜トランジスタの形成領域以外の、配線層等の形成領域における加熱を抑制して、当該配線層上の膜の剥離やクラックの発生を抑制することができ、製造歩留まり及びスループットの低下を抑制することができる。   As a result, a crystalline silicon thin film transistor and an amorphous silicon thin film transistor can be simultaneously formed on a single substrate, and heating in a formation region such as a wiring layer other than the formation region of the crystalline silicon thin film transistor can be suppressed. Further, peeling of a film on the wiring layer and generation of cracks can be suppressed, and a decrease in manufacturing yield and throughput can be suppressed.

なお、本実施形態においては、表示画素PIXの画素駆動回路に非晶質シリコン薄膜トランジスタを適用した場合において、表示装置のゲートドライバ部121及びデータドライバ部131の駆動回路に、本発明の技術思想を適用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ゲートドライバ部121及びデータドライバ部131の駆動回路に加え、上述した第2の実施形態に示したように、表示パネル(画素アレイ)に配列された表示画素PIXの画素駆動回路の駆動トランジスタにも結晶性シリコン薄膜トランジスタを適用し、本発明の技術思想を適用するものであってもよいことはいうまでもない。   In the present embodiment, when an amorphous silicon thin film transistor is applied to the pixel drive circuit of the display pixel PIX, the technical idea of the present invention is applied to the drive circuit of the gate driver unit 121 and the data driver unit 131 of the display device. Although the case where it applies is demonstrated, this invention is not limited to this. That is, in addition to the drive circuits of the gate driver unit 121 and the data driver unit 131, as shown in the second embodiment, the drive transistors of the pixel drive circuit of the display pixels PIX arranged in the display panel (pixel array). Needless to say, a crystalline silicon thin film transistor may also be applied to apply the technical idea of the present invention.

また、上述した各実施形態においては、薄膜トランジスタとしてエッチングストッパ型の素子構造を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、チャネルエッチング型の素子構造を有するものであっても、上記と同等の作用効果を得ることができる。さらに、上述した各実施形態においては、薄膜トランジスタとして逆スタガ型の素子構造を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、正スタガ型の素子構造を有するものであってもよい。   In each of the above-described embodiments, the case where the thin film transistor has an etching stopper type element structure has been described. However, the present invention is not limited to this, and has a channel etching type element structure. In addition, the same operational effects as described above can be obtained. Furthermore, in each of the above-described embodiments, the case where the thin film transistor has an inverted staggered element structure has been described. However, the present invention is not limited to this, and has a normal staggered element structure. Also good.

11 基板
12 金属配線
13、13m、13a ゲート電極
14 絶縁膜
15、15m、15a 半導体層
15x 非晶質シリコン薄膜
16、16m、16a チャネルプロテクト層
17、17m、17a ドープ層
18、18m、18a ソース、ドレイン電極
22、22x 光熱変換層
110 表示パネル
111 画素アレイ
120 ゲートドライバ
121 ゲートドライバ部
130 データドライバ
131 データドライバ部
BM レーザー光
PIX 表示画素
DC 画素駆動回路
OEL 有機EL素子
11 substrate 12 metal wiring 13, 13m, 13a gate electrode 14 insulating film 15, 15m, 15a semiconductor layer 15x amorphous silicon thin film 16, 16m, 16a channel protection layer 17, 17m, 17a doped layer 18, 18m, 18a source, Drain electrodes 22, 22x Photothermal conversion layer 110 Display panel 111 Pixel array 120 Gate driver 121 Gate driver part 130 Data driver 131 Data driver part BM Laser light PIX Display pixel DC Pixel drive circuit OEL Organic EL element

Claims (14)

基板上に、少なくとも結晶性の膜質からなる半導体層を有する薄膜トランジスタを備え、
前記薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記基板上に成膜された非晶質の薄膜に対して、前記薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ形成された光熱変換層を介して熱アニールを施すことにより結晶化したものであることを特徴とする半導体装置。
A thin film transistor having a semiconductor layer made of at least a crystalline film quality on a substrate,
The semiconductor layer of the thin film transistor is subjected to thermal annealing with respect to an amorphous thin film formed on the substrate through a photothermal conversion layer formed only on a region to be a channel layer of the thin film transistor. A semiconductor device characterized by being crystallized by:
前記薄膜トランジスタの半導体層は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer of the thin film transistor has a microcrystalline film quality. 基板上に、少なくとも、結晶性の膜質からなる半導体層を有する第1の薄膜トランジスタと、非晶質の半導体層を有する第2の薄膜トランジスタと、を備え、
前記第1の薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記基板上に成膜された非晶質の薄膜に対して、前記薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ形成された光熱変換層を介して熱アニールを施すことにより結晶化したものであり、
前記第2の薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記非晶質の薄膜からなることを特徴とする半導体装置。
On a substrate, at least a first thin film transistor having a semiconductor layer made of a crystalline film quality and a second thin film transistor having an amorphous semiconductor layer are provided,
The semiconductor layer of the first thin film transistor is thermally annealed with respect to the amorphous thin film formed on the substrate through a photothermal conversion layer formed only on a region that becomes a channel layer of the thin film transistor. Is crystallized by applying
The semiconductor device of the second thin film transistor, wherein the semiconductor layer is made of the amorphous thin film.
前記第1の薄膜トランジスタの半導体層は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor layer of the first thin film transistor has a microcrystalline film quality. 基板上に非晶質の薄膜を形成する工程と、
薄膜トランジスタのチャネル層に対応する領域上にのみ、光熱変換層を形成する工程と、
前記基板の全域にレーザー光を照射して、前記光熱変換層の下層に形成された前記非晶質の薄膜に熱アニールを施すことにより結晶化する工程と、
前記光熱変換層を除去する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an amorphous thin film on the substrate;
Forming a photothermal conversion layer only on the region corresponding to the channel layer of the thin film transistor;
Irradiating the entire area of the substrate with laser light and crystallizing the amorphous thin film formed in the lower layer of the photothermal conversion layer by thermal annealing; and
Removing the photothermal conversion layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記レーザー光を照射して、前記非晶質の薄膜を熱アニールすることにより結晶化された前記薄膜からなる半導体層を、チャネル層として有する第1の薄膜トランジスタを形成する工程を、さらに有していることを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。   A step of forming a first thin film transistor having, as a channel layer, a semiconductor layer made of the thin film crystallized by irradiating the laser beam and thermally annealing the amorphous thin film; 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein: 前記非晶質の薄膜からなる半導体層を、チャネル層として有する第2の薄膜トランジスタを形成する工程を、さらに有していることを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。   7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, further comprising a step of forming a second thin film transistor having the semiconductor layer made of the amorphous thin film as a channel layer. 前記第1の薄膜トランジスタ及び第2の薄膜トランジスタを同一の工程を用いて同時に形成することを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。   8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the first thin film transistor and the second thin film transistor are simultaneously formed using the same process. 前記レーザー光を照射して、前記非晶質の薄膜を熱アニールすることにより結晶化された前記薄膜は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする請求項5乃至8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   9. The thin film crystallized by irradiating the laser beam and thermally annealing the amorphous thin film has a microcrystalline film quality. A method for manufacturing the semiconductor device according to claim 1. 表示素子と、該表示素子を駆動するための画素駆動回路とを有する複数の表示画素が、基板上に2次元配列された表示パネルを備える表示装置において、
前記画素駆動回路は、少なくとも、前記表示画素に表示データを書き込む際に、前記表示画素を選択状態に設定するための選択トランジスタと、
前記表示データに応じた電流値を有する発光駆動電流を前記表示素子に供給する駆動トランジスタとを有し、
少なくとも、前記駆動トランジスタは、結晶性の膜質からなる半導体層を有する第1の薄膜トランジスタからなり、前記選択トランジスタは、非晶質の半導体層を有する第2の薄膜トランジスタからなり、
前記第1の薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記基板上に成膜された非晶質の薄膜に対して、前記薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ形成された光熱変換層を介して熱アニールを施すことにより結晶化したものであり、
前記第2の薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記非晶質の薄膜からなることを特徴とする表示装置。
In a display device including a display panel in which a plurality of display pixels each having a display element and a pixel driving circuit for driving the display element are two-dimensionally arranged on a substrate,
The pixel driving circuit includes at least a selection transistor for setting the display pixel to a selected state when writing display data to the display pixel.
A driving transistor that supplies a light emission driving current having a current value corresponding to the display data to the display element;
At least the driving transistor comprises a first thin film transistor having a semiconductor layer made of a crystalline film, and the selection transistor comprises a second thin film transistor having an amorphous semiconductor layer,
The semiconductor layer of the first thin film transistor is thermally annealed with respect to the amorphous thin film formed on the substrate through a photothermal conversion layer formed only on a region that becomes a channel layer of the thin film transistor. Is crystallized by applying
The display device, wherein the semiconductor layer of the second thin film transistor is made of the amorphous thin film.
前記第1の薄膜トランジスタの半導体層は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする請求項10記載の表示装置。   11. The display device according to claim 10, wherein the semiconductor layer of the first thin film transistor has a microcrystalline film quality. 前記表示素子は、有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項10又は11記載の表示装置。   The display device according to claim 10, wherein the display element is an organic electroluminescence element. 基板上に、複数の表示画素が2次元配列された画素アレイと、前記表示画素に表示データを書き込む際に、前記表示画素を選択状態に設定するための選択ドライバ部と、前記表示画素に前記表示データを供給するデータドライバ部とを備える表示装置において、
少なくとも、前記選択ドライバ部及び前記データドライバ部の駆動回路が、結晶性の膜質からなる半導体層を有する薄膜トランジスタからなり、
前記薄膜トランジスタの前記半導体層は、前記基板上に成膜された非晶質の薄膜に対して、前記薄膜トランジスタのチャネル層となる領域上にのみ形成された光熱変換層を介して熱アニールを施すことにより結晶化したものであることを特徴とする表示装置。
A pixel array in which a plurality of display pixels are two-dimensionally arranged on a substrate, a selection driver unit for setting the display pixels to a selected state when writing display data to the display pixels, and the display pixels In a display device comprising a data driver unit for supplying display data,
At least the driving circuit of the selection driver unit and the data driver unit is formed of a thin film transistor having a semiconductor layer made of a crystalline film,
The semiconductor layer of the thin film transistor is subjected to thermal annealing with respect to an amorphous thin film formed on the substrate through a photothermal conversion layer formed only on a region to be a channel layer of the thin film transistor. A display device characterized by being crystallized by.
前記薄膜トランジスタの半導体層は、微晶質の膜質を有していることを特徴とする請求項13記載の表示装置。   14. The display device according to claim 13, wherein the semiconductor layer of the thin film transistor has a microcrystalline film quality.
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