JP2013161963A - Thin film transistor, manufacturing method of thin film transistor and display device - Google Patents

Thin film transistor, manufacturing method of thin film transistor and display device Download PDF

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Mitsumasa Matsumoto
光正 松本
Takahiro Kawashima
孝啓 川島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film transistor having a channel structure compatible with a large ON-state current and a small OFF-state current.SOLUTION: A thin film transistor (100) includes: a substrate (10); a gate electrode (12); a gate insulating layer (13); a first silicon layer (16) formed over the gate insulating layer (13) in a central area in a length direction of the gate above the gate electrode (12); a pair of second silicon layers (15) formed in both sides of the first silicon layer (16) over the gate insulating layer (13) above both sides of the gate electrode (12) in the length direction of the gate; and a pair of source and drain electrodes (19). The first silicon layer (16) is thicker than the second silicon layers (15). The first silicon layer (16) is constituted of crystalline silicon. The second silicon layers (15) are constituted of crystalline silicon or amorphous silicon, average grain size thereof is smaller than that in the first silicon layer (16).

Description

本発明は、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタの製造方法、及び表示装置に関する。より詳しくは、高い結晶性を有する半導体と低い結晶性を有する半導体からなるチャネル層を備えた薄膜トランジスタ、そのような薄膜トランジスタの製造方法、及びそのような薄膜トランジスタを備えた表示装置に関する。   The present invention relates to a thin film transistor, a method for manufacturing the thin film transistor, and a display device. More specifically, the present invention relates to a thin film transistor including a channel layer made of a semiconductor having high crystallinity and a semiconductor having low crystallinity, a method for manufacturing such a thin film transistor, and a display device including such a thin film transistor.

近年、更なる高付加価値なディスプレイを作製するために、有機EL(EL:Electro Luminescence)デバイスを使用したディスプレイの開発が盛んに行われて、現在ではモバイル用小型表示装置として実用化されている。   In recent years, in order to produce a display with higher added value, a display using an organic EL (EL) device has been actively developed, and is currently put into practical use as a mobile small display device. .

有機ELディスプレイのアクティブマトリクス方式の表示装置には、複数の薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)素子がマトリクス状に配置されたTFTアレイを用いる。従来の液晶ディスプレイでは、電圧駆動型の画素回路であるのに対し、有機ELデバイスは電流駆動型デバイスである。このため、有機ELデバイスを駆動するためのTFTは、従来の液晶ディスプレイに用いられるTFTと比べて、より高い駆動電流およびより小さな閾値電圧のバラつきが要求される。そこで、有機ELデバイスの駆動にはチャネル層を結晶性シリコンとした、例えば多結晶シリコン、微結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタが用いられる。   A TFT array in which a plurality of thin film transistor (TFT) elements are arranged in a matrix is used for an active matrix display device of an organic EL display. The conventional liquid crystal display is a voltage-driven pixel circuit, whereas the organic EL device is a current-driven device. For this reason, TFTs for driving organic EL devices are required to have higher drive current and smaller threshold voltage variations than TFTs used in conventional liquid crystal displays. Therefore, for driving the organic EL device, a thin film transistor using, for example, polycrystalline silicon or microcrystalline silicon in which the channel layer is crystalline silicon is used.

チャネル部の結晶性シリコンは、一般的に、非晶質シリコンのレーザ光を照射して瞬間的に温度を上昇させ溶融し、再結晶化させる方法で形成される(特許文献1)。   The crystalline silicon in the channel part is generally formed by a method in which the amorphous silicon is irradiated with laser light to instantaneously raise the temperature to melt and recrystallize (Patent Document 1).

特開2007−115786号公報JP 2007-115786 A

結晶性シリコンTFTは、非晶質シリコンTFTと比較して、信頼性や移動度、駆動電流が高く、光耐性に優れているなどの有利な特徴を有している半面、結晶性シリコンには非晶質シリコンよりもバンドギャップが狭いことに起因して、結晶性シリコンTFTではオフ電流が増大するという課題がある。   Crystalline silicon TFTs have advantageous features such as high reliability, mobility, drive current, and excellent light resistance compared to amorphous silicon TFTs. Due to the narrower band gap than amorphous silicon, the crystalline silicon TFT has a problem that the off-current increases.

本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、大きなオン電流と小さなオフ電流とを両立するチャネル構造を有する薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタの製造方法、及び表示装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and has an object to provide a thin film transistor having a channel structure that achieves both a large on-current and a small off-current, a method for manufacturing the thin film transistor, and a display device. To do.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタは、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層と、前記ゲート電極のゲートの長さ方向における中央部上方の前記ゲート絶縁層上に形成された第1シリコン層と、前記ゲート電極のゲートの長さ方向における両端部上方の前記ゲート絶縁層上であって前記第1シリコン層の両側に形成された1対の第2シリコン層と、前記第2シリコン層の上面に沿って、前記第2シリコン層の各々の上方に形成された1対のソース・ドレイン電極と、を備え、前記第1シリコン層は前記各々の第2シリコン層よりも膜厚が厚く、前記第1シリコン層は結晶性シリコンで構成され、前記各々の第2シリコン層は、前記第1シリコン層に含まれる結晶粒の平均粒径より小さい平均粒径の結晶性シリコンまたは非結晶シリコンで構成されている。   In order to achieve the above object, a thin film transistor according to one embodiment of the present invention includes a substrate, a gate electrode formed over the substrate, a gate insulating layer formed over the gate electrode, and a gate of the gate electrode. A first silicon layer formed on the gate insulating layer above the central portion in the length direction of the gate electrode; and the first silicon layer on the gate insulating layer above both ends in the gate length direction of the gate electrode. A pair of second silicon layers formed on both sides of the layer, and a pair of source / drain electrodes formed above each of the second silicon layers along the upper surface of the second silicon layer, The first silicon layer is thicker than each of the second silicon layers, the first silicon layer is made of crystalline silicon, and each of the second silicon layers is formed on the first silicon layer. Included It is composed of a crystalline silicon or amorphous silicon having an average particle size smaller than the average grain size of crystal grains that.

本発明の薄膜トランジスタでは、オン動作時には、前記第1シリコン層と前記第2シリコン層の両方に電界が印加され、チャネル抵抗が低減されるため、オン電流が増大する。また、オフ動作時には、前記第2シリコン層がドレイン端の電界を緩和させるため、オフ電流が低減する。従って、本発明の薄膜トランジスタでは大きなオン電流と小さなオフ電流とを両立した薄膜トランジスタを提供することができる。   In the thin film transistor of the present invention, an electric field is applied to both the first silicon layer and the second silicon layer during the on operation, and the channel resistance is reduced, so that the on current increases. Further, during the off operation, the second silicon layer relaxes the electric field at the drain end, so that the off current is reduced. Therefore, the thin film transistor of the present invention can provide a thin film transistor that has both a large on-state current and a small off-state current.

図1は、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a thin film transistor according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態に係る表示装置の等価回路を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the display device according to the embodiment of the present invention. 図3Aは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタアレイの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the thin film transistor array according to the embodiment of the present invention. 図3Bは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタアレイの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the thin film transistor array according to the embodiment of the present invention. 図3Cは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタアレイの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 3C is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the thin film transistor array according to the embodiment of the present invention. 図3Dは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタアレイの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 3D is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the thin film transistor array according to the embodiment of the present invention. 図3Eは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタアレイの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 3E is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the thin film transistor array according to the embodiment of the present invention. 図3Fは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタアレイの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 3F is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor array according to the embodiment of the present invention. 図3Gは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタアレイの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 3G is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the thin film transistor array according to the embodiment of the present invention. 図3Hは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタアレイの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 3H is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor array according to the embodiment of the present invention. 図4は、振幅反射率および振幅透過率の計算方法を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a method of calculating the amplitude reflectance and the amplitude transmittance. 図5は、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体装置のモデル構造の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a model structure of a thin film semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図6は、レーザアニール法により結晶性シリコン層領域を形成する際に、第5工程で加工される非晶質シリコン層に第1シリコン層、第2シリコン層としてそれぞれ好適な光学膜厚/レーザ波長の範囲が存在することを説明するための図である。FIG. 6 shows an optical film thickness / laser suitable as the first silicon layer and the second silicon layer for the amorphous silicon layer processed in the fifth step when the crystalline silicon layer region is formed by the laser annealing method. It is a figure for demonstrating that the range of a wavelength exists. 図7は、レーザアニール法により結晶性シリコン層領域を形成する際に、第5工程で加工される非晶質シリコン層に第1シリコン層、第2シリコン層としてそれぞれ好適な実膜厚の範囲が存在することを説明するための図である。FIG. 7 shows a range of actual film thicknesses suitable for the amorphous silicon layer processed in the fifth step as the first silicon layer and the second silicon layer when the crystalline silicon layer region is formed by laser annealing. It is a figure for demonstrating that there exists. 図8は、第5工程で加工した非晶質シリコン層のレーザ光の吸収率と、レーザ光のエネルギー密度との関係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the laser beam absorption rate of the amorphous silicon layer processed in the fifth step and the energy density of the laser beam. 図9Aは、レーザを好適範囲で照射した後の第1領域の表面SEM像である。FIG. 9A is a surface SEM image of the first region after irradiation with a laser in a preferred range. 図9Bは、レーザを好適範囲外で照射した後の第1領域の表面SEM像である。FIG. 9B is a surface SEM image of the first region after irradiation with a laser outside the preferred range. 図10Aは、第2の実施形態において、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体装置のモデル構造の断面図である。FIG. 10A is a cross-sectional view of a model structure of a thin film semiconductor device according to an embodiment of the present invention in the second embodiment. 図10Bは、第2の実施形態において、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体装置のモデル構造の断面図である。FIG. 10B is a cross-sectional view of the model structure of the thin film semiconductor device according to the embodiment of the present invention in the second embodiment. 図11は、第2の実施形態において、レーザアニール法により結晶性シリコン層領域を形成する際に、第5工程で加工される非晶質シリコン層に第1シリコン層、第2シリコン層としてそれぞれ好適な光学膜厚/レーザ波長の範囲が存在することを説明するための図である。FIG. 11 shows that when the crystalline silicon layer region is formed by laser annealing in the second embodiment, the amorphous silicon layer processed in the fifth step is used as a first silicon layer and a second silicon layer, respectively. It is a figure for demonstrating that the range of the suitable optical film thickness / laser wavelength exists. 図12は本発明の薄膜トランジスタを用いた表示装置の一例を示す図である。FIG. 12 shows an example of a display device using the thin film transistor of the present invention.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタは、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層と、前記ゲート電極のゲートの長さ方向における中央部上方の前記ゲート絶縁層上に形成された第1シリコン層と、前記ゲート電極のゲートの長さ方向における両端部上方の前記ゲート絶縁層上であって前記第1シリコン層の両側に形成された1対の第2シリコン層と、前記第2シリコン層の上面に沿って、前記第2シリコン層の各々の上方に形成された1対のソース・ドレイン電極と、を備え、前記第1シリコン層は前記各々の第2シリコン層よりも膜厚が厚く、前記第1シリコン層は結晶性シリコンで構成され、前記各々の第2シリコン層は、前記第1シリコン層に含まれる結晶粒の平均粒径より小さい平均粒径の結晶性シリコンまたは非結晶シリコンで構成されている。   In order to achieve the above object, a thin film transistor according to one embodiment of the present invention includes a substrate, a gate electrode formed over the substrate, a gate insulating layer formed over the gate electrode, and a gate of the gate electrode. A first silicon layer formed on the gate insulating layer above the central portion in the length direction of the gate electrode; and the first silicon layer on the gate insulating layer above both ends in the gate length direction of the gate electrode. A pair of second silicon layers formed on both sides of the layer, and a pair of source / drain electrodes formed above each of the second silicon layers along the upper surface of the second silicon layer, The first silicon layer is thicker than each of the second silicon layers, the first silicon layer is made of crystalline silicon, and each of the second silicon layers is formed on the first silicon layer. Included It is composed of a crystalline silicon or amorphous silicon having an average particle size smaller than the average grain size of crystal grains that.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの一態様において、さらに、前記第1シリコン層および第2シリコン層上に形成されたチャネル保護層を備えてもよい。   The thin film transistor according to the aspect of the invention may further include a channel protective layer formed on the first silicon layer and the second silicon layer.

本態様によれば、オン動作時には、前記第1シリコン層と前記第2シリコン層の両方に電界が印加され、チャネル抵抗が低減されるため、オン電流が向上する。また、オフ動作時には、前記第2シリコン層がドレイン端の電界を緩和させるため、また、前記第1シリコン層が厚くかつ前記第2シリコン層が薄い凸型形状によって、電流パス(バックチャネル)が長くなるため、オフ電流が低減する。従って、本発明の薄膜トランジスタでは大きなオン電流と小さなオフ電流の両立が図れる。   According to this aspect, during the on operation, an electric field is applied to both the first silicon layer and the second silicon layer, and the channel resistance is reduced, so that the on current is improved. Further, during the off operation, the second silicon layer relaxes the electric field at the drain end, and the current path (back channel) is formed by the convex shape that the first silicon layer is thick and the second silicon layer is thin. Since it becomes longer, the off-current is reduced. Therefore, the thin film transistor of the present invention can achieve both a large on-state current and a small off-state current.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの一態様において、前記第1シリコン層の、前記第2シリコン層に接していない部分が、前記第1の平均粒径より小さい結晶粒径の結晶性シリコンで構成されていることが望ましい。   In one embodiment of the thin film transistor according to the present invention, a portion of the first silicon layer that is not in contact with the second silicon layer is made of crystalline silicon having a crystal grain size smaller than the first average grain size. It is desirable that

本態様であれば、ホットキャリア抑制領域である電界緩和層の役割を担い、オフ電流の低減効果がある。   If it is this aspect, it will play the role of the electric field relaxation layer which is a hot carrier suppression area | region, and has the reduction effect of an off-current.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの一態様において、前記第1シリコン層は粒子径50nm以上の結晶シリコンが含まれることが望ましい。   In the thin film transistor according to the aspect of the invention, it is preferable that the first silicon layer includes crystalline silicon having a particle diameter of 50 nm or more.

本態様であれば、チャネル抵抗が低下し、オン電流の増大効果がある。   According to this embodiment, the channel resistance is reduced, and the on-current is increased.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの一態様において、前記第2シリコン層は粒子径10nm以下の微結晶シリコンが含まれることが望ましい。   In the aspect of the thin film transistor according to the present invention, it is preferable that the second silicon layer includes microcrystalline silicon having a particle diameter of 10 nm or less.

本態様であれば、前記第2シリコン層が電界緩和層の役割を担うことでオフ電流の低減することができる。   If it is this aspect, an off-current can be reduced because the said 2nd silicon layer plays the role of an electric field relaxation layer.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの一態様において、前記第2シリコン層は非晶質シリコンが含まれることが望ましい。   In the aspect of the thin film transistor according to the present invention, it is preferable that the second silicon layer includes amorphous silicon.

本態様であれば、ゲート動作オフ時に、前記第2シリコン層は特にチャネル抵抗が増大し、更には電界緩和層の役割を担うためオフ電流を低減することができる。   According to this aspect, when the gate operation is turned off, the channel resistance of the second silicon layer is particularly increased, and further, the off-current can be reduced because it plays the role of an electric field relaxation layer.

また、本発明に関わる薄膜トランジスタの一態様において、前記ゲート絶縁層は、酸化珪素、窒化珪素もしくは酸化珪素と窒化珪素の積層構造であることが望ましい。   In one embodiment of the thin film transistor according to the present invention, the gate insulating layer preferably has silicon oxide, silicon nitride, or a stacked structure of silicon oxide and silicon nitride.

本態様によれば、ゲート絶縁層を酸化珪素と窒化珪素、もしくは酸化珪素と窒化珪素の積層構造を形成することができる。   According to this aspect, the gate insulating layer can be formed with a stacked structure of silicon oxide and silicon nitride, or silicon oxide and silicon nitride.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の一態様は、基板を準備する第1工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第2工程と、前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する第3工程と、前記ゲート絶縁層上に非晶質シリコン層を形成する第4工程と、前記非晶質シリコン層を、前記ゲート電極のゲートの長さ方向における中央部の上に位置する第1領域の厚さが、前記ゲート電極のゲートの長さ方向における両端部の上に位置する第2領域の厚さよりも厚い凸型形状に加工する第5工程と、凸型形状に加工後の前記非晶質シリコン層の上方からレーザ光を照射することにより、前記非晶質シリコン層の前記第1領域から、結晶性シリコンで構成される第1シリコン層を形成し、前記非晶質シリコン層の前記第2領域から、前記第1シリコン層に含まれる結晶粒の平均粒径より小さい平均粒径の結晶性シリコンまたは非結晶シリコンで構成される第2シリコン層を形成する第6工程と、前記第1シリコン層上に形成されたチャネル保護層を形成する第7工程と、前記チャネル保護層の端部の上面、前記チャネル保護層の側面、並びに前記第2シリコン層の上面のみに沿って、コンタクト層を形成する第8工程と、コンタクト層の一方の上方に形成されたソース電極およびコンタクト層の他方の上方に形成されたドレイン電極を形成する第9工程と、を含む。   According to another aspect of the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention, a first step of preparing a substrate, a second step of forming a gate electrode on the substrate, and a first step of forming a gate insulating layer on the gate electrode. 3 steps, a fourth step of forming an amorphous silicon layer on the gate insulating layer, and a first step of positioning the amorphous silicon layer on a central portion of the gate electrode in the length direction of the gate. A fifth step in which the thickness of the region is processed into a convex shape that is thicker than the thickness of the second region located on both ends of the gate electrode in the length direction of the gate; By irradiating laser light from above the amorphous silicon layer, a first silicon layer made of crystalline silicon is formed from the first region of the amorphous silicon layer, and the amorphous silicon layer From the second region of the A sixth step of forming a second silicon layer composed of crystalline silicon or amorphous silicon having an average grain size smaller than the average grain size of crystal grains contained in the silicon layer; and formed on the first silicon layer A seventh step of forming a channel protective layer; an eighth step of forming a contact layer only along the upper surface of the end portion of the channel protective layer, the side surface of the channel protective layer, and the upper surface of the second silicon layer; And a ninth step of forming a source electrode formed above one of the contact layers and a drain electrode formed above the other of the contact layers.

本態様によれば、ゲート電極上方のゲート絶縁層上のチャネル層は、凸型形状となり、凸型形状の厚膜部(前記第1シリコン層)は高い結晶シリコン層、例えば多結晶シリコン層であり、凸型形状の薄膜部(前記第2シリコン層)は低い結晶シリコン層もしくは非晶質シリコン層の構造を形成することができ、その効果は、ゲート電圧がオンのときは、前記第1シリコン層と前記第2シリコン層の両方に電界がかかり、チャネル抵抗を下げてオン電流確保できる。また、ゲート電圧がオフの時には、前記第2シリコン層のチャネル抵抗が特に増加し、更には前記第2シリコン層がホットキャリア抑制領域となる電界緩和層の役割を果たすため、オフ電流の低減効果がある。これらのことから本発明の薄膜トランジスタでは大きなオン電流と小さなオフ電流の両立が図れる。   According to this aspect, the channel layer on the gate insulating layer above the gate electrode has a convex shape, and the convex thick film portion (the first silicon layer) is a high crystalline silicon layer, for example, a polycrystalline silicon layer. In addition, the convex-shaped thin film portion (the second silicon layer) can form a structure of a low crystalline silicon layer or an amorphous silicon layer, and the effect is that when the gate voltage is on, the first An electric field is applied to both the silicon layer and the second silicon layer, and the channel resistance can be lowered to ensure the on-current. In addition, when the gate voltage is off, the channel resistance of the second silicon layer is particularly increased, and further, the second silicon layer serves as an electric field relaxation layer serving as a hot carrier suppression region. There is. For these reasons, the thin film transistor of the present invention can achieve both a large on-state current and a small off-state current.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の一態様において、前記第6工程で、前記非晶質シリコン層をレーザアニールすることが望ましい。   In the aspect of the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention, it is preferable that the amorphous silicon layer is laser-annealed in the sixth step.

本態様によれば、レーザを非晶質シリコン層に照射することで、基板には低熱負荷で非晶質シリコン層を溶融させ再結晶化し、高品質な結晶性シリコンを得ることができる。   According to this aspect, by irradiating the amorphous silicon layer with a laser, the amorphous silicon layer is melted and recrystallized on the substrate with a low thermal load, and high-quality crystalline silicon can be obtained.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の一態様において、前記第6工程で、前記非晶質シリコン層に、レーザ波長が473nm以上561nm以下のグリーンレーザを照射することが望ましい。   In the aspect of the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention, it is desirable that in the sixth step, the amorphous silicon layer is irradiated with a green laser having a laser wavelength of 473 nm to 561 nm.

本態様によれば、より安定に非晶質シリコン層を溶融し再結晶化することができる。   According to this aspect, the amorphous silicon layer can be melted and recrystallized more stably.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の一態様において、前記第6工程で、連続発振モードまたは擬似レーザ発振モードで動作するレーザ光源にて前記レーザ光を生成し、前記非晶質シリコン層に照射することが望ましい。   In the aspect of the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention, in the sixth step, the laser light is generated by a laser light source operating in a continuous oscillation mode or a pseudo laser oscillation mode, and the amorphous silicon layer is formed on the amorphous silicon layer. Irradiation is desirable.

本態様によれば、連続発振モードまたは擬似連続発振モードでレーザ光を照射することにより、前記第1シリコン層を溶融状態に保持することができる。   According to this aspect, the first silicon layer can be held in a molten state by irradiating the laser beam in the continuous oscillation mode or the pseudo continuous oscillation mode.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の一態様において、前記第4工程で形成した非晶質シリコン層の前記レーザ光の吸収率(%)をXとし、前記第4工程で形成された前記非晶質シリコン層の前記レーザ光の吸収率が23.2%である場合に、前記非晶質シリコン層を結晶化させるのに必要な前記レーザ光のエネルギー密度を1としたときの相対値Yとしたとき、前記Xおよび前記Yは、
Y≦1.2 ・・・(式1)
Y≧42.9X−1.19 ・・・(式2)
で規定される範囲を満たす数値であることが望ましい。
Moreover, in one mode of the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention, the absorption rate (%) of the laser beam of the amorphous silicon layer formed in the fourth step is X, and the thin film transistor formed in the fourth step When the absorption rate of the laser beam of the amorphous silicon layer is 23.2%, the relative value when the energy density of the laser beam necessary to crystallize the amorphous silicon layer is 1. X is Y and Y is
Y ≦ 1.2 (Formula 1)
Y ≧ 42.9X− 1.19 (Formula 2)
It is desirable that the numerical value satisfy the range specified in.

本態様によれば、レーザ光の照射によって、前記第1シリコン層及び前記第2シリコン層の領域を安定して形成することができる。   According to this aspect, the regions of the first silicon layer and the second silicon layer can be stably formed by laser light irradiation.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の一態様において、前記第5工程で形成した非晶質シリコン層の膜厚に前記レーザ光の波長で除算した値をXとし、前記第3工程で形成したゲート絶縁層の膜厚に前記ゲート絶縁層の屈折率を積算した値である前記ゲート絶縁層の光学膜厚を前記レーザの波長で除算した値をYとしたとき、前記非晶質シリコン層の前記第1領域は(式3)または(式4)を満たし、かつ前記第2領域は(式5)または(式6)を満たす、
0.32≦X≦0.47かつ0.33≦Y≦0.39 ・・・(式3)
0.41≦X≦0.59かつ0.51≦Y≦0.69 ・・・(式4)
0.20≦X≦0.28かつ0.33≦Y≦0.39 ・・・(式5)
0.20≦X≦0.28かつ0.51≦Y≦0.69 ・・・(式6)
ことが望ましい。
Further, in one aspect of the thin film transistor manufacturing method according to the present invention, the value obtained by dividing the film thickness of the amorphous silicon layer formed in the fifth step by the wavelength of the laser beam is X, and is formed in the third step. When the value obtained by dividing the optical film thickness of the gate insulating layer by the wavelength of the laser, which is a value obtained by adding the refractive index of the gate insulating layer to the film thickness of the gate insulating layer, is Y. The first region of the above satisfies (Equation 3) or (Equation 4), and the second region satisfies (Equation 5) or (Equation 6).
0.32 ≦ X ≦ 0.47 and 0.33 ≦ Y ≦ 0.39 (Formula 3)
0.41 ≦ X ≦ 0.59 and 0.51 ≦ Y ≦ 0.69 (Formula 4)
0.20 ≦ X ≦ 0.28 and 0.33 ≦ Y ≦ 0.39 (Formula 5)
0.20 ≦ X ≦ 0.28 and 0.51 ≦ Y ≦ 0.69 (Formula 6)
It is desirable.

本態様によれば、前記非晶質シリコン層の前記レーザ光の吸収率は、前記第1領域において40%以上であり、また前記第2領域において20%未満であるため、第6工程でのレーザアニール工程において、高い結晶性を有する第1シリコン層、例えば多結晶シリコン層と、低い結晶性を有する第2シリコン層、例えば微結晶シリコン層もしくは非晶質シリコン層とを自己整合的に形成することができる。   According to this aspect, since the absorption rate of the laser light of the amorphous silicon layer is 40% or more in the first region and less than 20% in the second region, In the laser annealing process, a first silicon layer having high crystallinity, for example, a polycrystalline silicon layer, and a second silicon layer having low crystallinity, for example, a microcrystalline silicon layer or an amorphous silicon layer are formed in a self-aligned manner. can do.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の一態様において、前記第4工程で、前記非晶質シリコン層の前記第2領域を前記ゲート電極の有無に係らず一定の厚さに形成することが望ましい。   In the aspect of the thin film transistor manufacturing method according to the present invention, in the fourth step, the second region of the amorphous silicon layer may be formed to have a constant thickness regardless of the presence or absence of the gate electrode. desirable.

本態様によれば、前記第1シリコン層のみが高い結晶性、例えば多結晶シリコン層を生成することができるため、レーザアニールによる基板への熱ダメージを必要な部分のみに抑制することができる。   According to this aspect, since only the first silicon layer can generate a high crystallinity, for example, a polycrystalline silicon layer, thermal damage to the substrate due to laser annealing can be suppressed only in necessary portions.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の一態様において、前記第8工程で、前記1対のソース・ドレイン電極を、前記第7工程で形成するチャネル保護層を介し、前記非晶質シリコン層の前記第2領域の上に形成することが望ましい。   Further, in one aspect of the method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention, in the eighth step, the amorphous silicon layer is formed through the channel protective layer in which the pair of source / drain electrodes are formed in the seventh step. Preferably, it is formed on the second region.

本態様によれば、高い結晶性シリコン層である前記第1領域の突起物による電極への不具合を回避することができる。   According to this aspect, it is possible to avoid problems with the electrode due to the protrusions in the first region, which is a highly crystalline silicon layer.

また本発明に係る表示装置の一態様は、表示パネルと、上述の薄膜トランジスタと、を備え、前記薄膜トランジスタは、前記表示パネルを駆動させる表示装置である。   One embodiment of the display device according to the present invention includes a display panel and the above-described thin film transistor, and the thin film transistor is a display device that drives the display panel.

本態様によれば、前記薄膜トランジスタにおいて大きなON電流と小さなOFF電流とが両立できるので、高品質な表示装置を実現することができる。   According to this aspect, since a large ON current and a small OFF current can be compatible in the thin film transistor, a high-quality display device can be realized.

(第1実施形態)
以下、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスの製造方法、薄膜トランジスタ及び表示装置について、図面を参照しながら説明する。本発明は、請求の範囲の記載に基づいて特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、請求項に記載されていない構成要素は、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。
(First embodiment)
Hereinafter, a thin film transistor manufacturing method, a thin film transistor, and a display device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is specified based on the description of the scope of claims. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the claims are not necessarily required to achieve the object of the present invention, but are described as constituting more preferable embodiments. . Each figure is a schematic diagram and is not necessarily shown strictly.

図1は、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタ100の構成を示す断面図の一例である。図2は本発明の実施の形態に係る表示装置の画素部分の等価回路を示す図である。図1の断面図で示される薄膜トランジスタ100は、例えば図2における駆動トランジスタに用いられる。   FIG. 1 is an example of a cross-sectional view illustrating a configuration of a thin film transistor 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of a pixel portion of the display device according to the embodiment of the present invention. The thin film transistor 100 shown in the cross-sectional view of FIG. 1 is used, for example, in the drive transistor in FIG.

図1に示すように、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ100は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ素子である。薄膜トランジスタ100は、基板10、アンダーコート層11、ゲート電極12、ゲート絶縁層13、高結晶性の第1シリコン層16、1対の低結晶性の第2シリコン層15、1対のコンタクト層18、1対のソース・ドレイン電極19を備えている。   As shown in FIG. 1, a thin film transistor 100 according to this embodiment is a bottom-gate thin film transistor element. The thin film transistor 100 includes a substrate 10, an undercoat layer 11, a gate electrode 12, a gate insulating layer 13, a high crystalline first silicon layer 16, a pair of low crystalline second silicon layers 15, and a pair of contact layers 18. A pair of source / drain electrodes 19 is provided.

基板10は、例えば、石英ガラス、無アルカリガラス及び高耐熱性ガラス等のガラス材料で構成されるガラス基板である。   The substrate 10 is a glass substrate made of a glass material such as quartz glass, non-alkali glass, and high heat resistant glass.

アンダーコート層11は、基板10上に形成されている。このアンダーコート層11は、シリコン窒化膜(SiN)、シリコン酸化膜(SiO)及びシリコン酸窒化膜(SiO)等で構成される。アンダーコート層11は、基板10中に含まれるナトリウム及びリン等の不純物が第2シリコン層及び第1シリコン層16に侵入することを防止する機能を有する。また、このアンダーコート層11は、レーザアニール法等の高温熱処理プロセスにおいて、基板10に対する熱の影響を緩和させる機能をも有する。アンダーコート層の膜厚は、300〜500nmに設定することが好ましい。 The undercoat layer 11 is formed on the substrate 10. The undercoat layer 11 includes a silicon nitride film (SiN x ), a silicon oxide film (SiO y ), a silicon oxynitride film (SiO y N x ), and the like. The undercoat layer 11 has a function of preventing impurities such as sodium and phosphorus contained in the substrate 10 from entering the second silicon layer and the first silicon layer 16. The undercoat layer 11 also has a function of reducing the influence of heat on the substrate 10 in a high-temperature heat treatment process such as a laser annealing method. The film thickness of the undercoat layer is preferably set to 300 to 500 nm.

ゲート電極12は、アンダーコート層11上に所定形状でパターン形成される。ゲート電極12は、導電性材料及びその合金等の単層構造又は多層構造とすることができ、例えば、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン(W)、チタン(Ti)、クロム(Cr)及びモリブデンタングステン(MoW)等で構成することができる。ゲート電極の膜厚は、50〜300nmに設定することが好ましい。   The gate electrode 12 is patterned in a predetermined shape on the undercoat layer 11. The gate electrode 12 can have a single layer structure or a multilayer structure such as a conductive material and an alloy thereof, for example, molybdenum (Mo), aluminum (Al), copper (Cu), tungsten (W), titanium (Ti) ), Chromium (Cr), molybdenum tungsten (MoW), or the like. The film thickness of the gate electrode is preferably set to 50 to 300 nm.

ゲート絶縁層13は、ゲート電極12を被覆するよう形成される。ゲート絶縁層としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、タンタル酸化膜、アルミ酸化膜、及びそれらの積層膜などで構成することができる。ゲート絶縁層13の膜厚は、TFTの耐圧などの要求に応じて設計することができ、例えば、50〜500nmが望ましい。本実施形態では、ゲート絶縁層13には、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜を用いる。   The gate insulating layer 13 is formed so as to cover the gate electrode 12. The gate insulating layer can be composed of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a tantalum oxide film, an aluminum oxide film, and a laminated film thereof. The film thickness of the gate insulating layer 13 can be designed according to demands such as the breakdown voltage of the TFT, and is preferably 50 to 500 nm, for example. In the present embodiment, for example, a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film is used for the gate insulating layer 13.

第1シリコン層16及び第2シリコン層15は、ゲート電極12に対応するゲート絶縁層13上の領域に形成されている。この第1シリコン層16は、結晶性シリコン例えば多結晶シリコンから構成され、また、第2シリコン層15は微結晶もしくは非晶質シリコンから構成されている。なお、この第1シリコン層16及び第2シリコン層15は、後述するように、第1シリコン層16及び第2シリコン層15の前駆体である非晶質シリコン層(図1には示さず)にレーザ光を照射して、当該非晶質シリコン層を結晶化させることにより形成される。   The first silicon layer 16 and the second silicon layer 15 are formed in a region on the gate insulating layer 13 corresponding to the gate electrode 12. The first silicon layer 16 is made of crystalline silicon such as polycrystalline silicon, and the second silicon layer 15 is made of microcrystalline or amorphous silicon. As will be described later, the first silicon layer 16 and the second silicon layer 15 are amorphous silicon layers (not shown in FIG. 1) that are precursors of the first silicon layer 16 and the second silicon layer 15. The amorphous silicon layer is crystallized by irradiating with laser light.

なお、発明の効果を得るために必須ではないため図1には示していないが、例えば図3Hに示されるように、チャネル保護層17が、第2シリコン層15のゲート電極12の上方に位置する領域上及び第1シリコン層16上に形成されていてもよい。チャネル保護層17を設ける場合、チャネル保護層17はシリコン膜、シリコン窒化膜や有機材料などから形成され、膜厚は100〜700nmが望ましい。   Although not shown in FIG. 1 because it is not essential for obtaining the effects of the invention, for example, as shown in FIG. 3H, the channel protective layer 17 is positioned above the gate electrode 12 of the second silicon layer 15. It may be formed on the region to be formed and on the first silicon layer 16. When the channel protective layer 17 is provided, the channel protective layer 17 is formed of a silicon film, a silicon nitride film, an organic material, or the like, and the film thickness is desirably 100 to 700 nm.

1対のコンタクト層18は、第1シリコン層16の上面及び、チャネル保護層が存在する場合には、当該チャネル保護層の側面及び当該側面に接続する上面の端部を覆うようにして形成し、第1シリコン層16の上方には形成しない。コンタクト層18は、不純物を高濃度に含む非晶質半導体膜で構成されている。コンタクト層18は、例えば、アモルファスシリコンに不純物としてリン(P)をドーピングしたn型半導体膜もしくはボロン(B)をドーピングしたp型半導体膜によって構成することができ、1×1018〜1×1021atm/cmの範囲の不純物を含む。これらのことより本発明の薄膜トランジスタはn型薄膜トランジスタでもp型薄膜トランジスタでも適応することができる。 The pair of contact layers 18 are formed so as to cover the upper surface of the first silicon layer 16 and, when the channel protective layer is present, the side surface of the channel protective layer and the end of the upper surface connected to the side surface. It is not formed above the first silicon layer 16. The contact layer 18 is composed of an amorphous semiconductor film containing impurities at a high concentration. The contact layer 18 can be configured by, for example, an n-type semiconductor film doped with phosphorus (P) as an impurity in amorphous silicon or a p-type semiconductor film doped with boron (B), which is 1 × 10 18 to 1 × 10 6. Impurities in the range of 21 atm / cm 3 are included. Accordingly, the thin film transistor of the present invention can be applied to either an n-type thin film transistor or a p-type thin film transistor.

ソース電極及びドレイン電極19は、コンタクト層18上に形成されている。ソース電極及びドレイン電極19は、導電性材料及びその合金等の単層構造又は多層構造とすることができ、例えば、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、チタン(Ti)及びクロム(Cr)等で構成される。ソース・ドレイン電極の膜厚は、50〜300nmであることが好ましい。   The source and drain electrodes 19 are formed on the contact layer 18. The source electrode and the drain electrode 19 can have a single layer structure or a multilayer structure such as a conductive material and an alloy thereof, for example, aluminum (Al), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), It is composed of titanium (Ti), chromium (Cr), or the like. The film thickness of the source / drain electrodes is preferably 50 to 300 nm.

次に、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ100の製造方法について、図3A〜図3Hを用いて説明する。図3A〜図3Hは、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタ100の製造方法を説明するための断面図である。   Next, a method for manufacturing the thin film transistor 100 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 3H are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the thin film transistor 100 according to the embodiment of the present invention.

まず、図3Aに示すように、ガラス基板で構成される基板10を準備する(第1工程)。   First, as shown to FIG. 3A, the board | substrate 10 comprised with a glass substrate is prepared (1st process).

次に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)等によって、基板10上にシリコン窒化膜、シリコン酸化膜及びシリコン酸窒化膜等で構成されるアンダーコート層11を形成し、アンダーコート層11上にゲート電極12を形成する(第2工程)。この第2工程においては、例えば、アンダーコート層11上にモリブデンタングステン(MoW)で構成されるゲート金属膜をスパッタによって成膜した後に、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法を用いてゲート金属膜をパターニングすることにより、所定形状のゲート電極12を形成することができる。モリブデンタングステン(MoW)のウェットエッチングは、例えば、リン酸(HPO)、硝酸(HNO)、酢酸(CHCOOH)及び水を所定の配合で混合した薬液を用いて行うことができる。 Next, an undercoat layer 11 composed of a silicon nitride film, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like is formed on the substrate 10 by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) or the like, and a gate electrode is formed on the undercoat layer 11. 12 is formed (second step). In this second step, for example, after a gate metal film made of molybdenum tungsten (MoW) is formed on the undercoat layer 11 by sputtering, the gate metal film is patterned using a photolithography method and a wet etching method. By doing so, the gate electrode 12 having a predetermined shape can be formed. The wet etching of molybdenum tungsten (MoW) can be performed using, for example, a chemical solution in which phosphoric acid (HPO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), acetic acid (CH 3 COOH), and water are mixed in a predetermined composition.

その後、図3Bに示すように、ゲート電極12及びアンダーコート層11を覆うようにして、ゲート絶縁層13を形成する(第3工程)。この第3工程においては、まず、プラズマCVD等によって、窒化珪素(SiN)で構成される窒化珪素膜を複数のゲート電極12及びアンダーコート層11を覆うようにして成膜する。その後、プラズマCVD等によって、酸化珪素(SiO)で構成される酸化珪素膜を窒化珪素膜上に成膜する。酸化珪素膜は、例えば、シランガス(SiH)及び亜酸化窒素ガス(NO)を所定の濃度比で導入することにより成膜することができる。 Thereafter, as shown in FIG. 3B, a gate insulating layer 13 is formed so as to cover the gate electrode 12 and the undercoat layer 11 (third step). In the third step, first, a silicon nitride film made of silicon nitride (SiN x ) is formed by plasma CVD or the like so as to cover the plurality of gate electrodes 12 and the undercoat layer 11. Thereafter, a silicon oxide film made of silicon oxide (SiO x ) is formed on the silicon nitride film by plasma CVD or the like. The silicon oxide film can be formed, for example, by introducing silane gas (SiH 4 ) and nitrous oxide gas (N 2 O) at a predetermined concentration ratio.

なお、レーザ光の波長に対するゲート絶縁層13の消衰係数は0.01以下であるのが好ましい。そのようなゲート絶縁層13は、レーザ光をほとんど吸収しない透明な層と見なせる。その後、ゲート絶縁層13上に非晶質シリコン層14を形成する(第4工程)。この第4工程では、プラズマCVD等によって、アモルファスシリコンで構成される非晶質シリコン層14を成膜する。なお、非晶質シリコン層14は、例えば、シランガス(SiH)及び水素ガス(H)を所定の濃度比で導入することにより成膜することができる。 Note that the extinction coefficient of the gate insulating layer 13 with respect to the wavelength of the laser light is preferably 0.01 or less. Such a gate insulating layer 13 can be regarded as a transparent layer that hardly absorbs laser light. Thereafter, an amorphous silicon layer 14 is formed on the gate insulating layer 13 (fourth step). In the fourth step, an amorphous silicon layer 14 made of amorphous silicon is formed by plasma CVD or the like. The amorphous silicon layer 14 can be formed by introducing, for example, silane gas (SiH 4 ) and hydrogen gas (H 2 ) at a predetermined concentration ratio.

ここで、非晶質シリコン層14を、レーザ光の照射により溶融させ再結晶化させた場合に形成される結晶組織と、非晶質シリコン層14の当該レーザ光の吸収率(以下、光吸収率とも言う)との関係について、説明する。   Here, the crystal structure formed when the amorphous silicon layer 14 is melted and recrystallized by laser light irradiation, and the absorption rate of the laser light of the amorphous silicon layer 14 (hereinafter referred to as light absorption). Will be explained.

薄膜トランジスタ等を構成する多層薄膜の光吸収率は、各々の薄膜に対する振幅反射率及び振幅透過率を計算することによって求められる。図4は、振幅反射率および振幅透過率の計算方法を説明するための図であり、薄膜トランジスタの構造をモデル化した多層構造のモデル構造を示す図である。   The light absorptance of the multilayer thin film constituting the thin film transistor or the like is obtained by calculating the amplitude reflectance and the amplitude transmittance for each thin film. FIG. 4 is a diagram for explaining a calculation method of the amplitude reflectance and the amplitude transmittance, and is a diagram showing a model structure of a multilayer structure in which the structure of the thin film transistor is modeled.

図4に示すモデル構造は、下から順に、第4層404、第3層403、第2層402及び第1層401が積層されたものである。このモデル構造において、第1層401は、膜厚がdで複素屈折率がNであり、第2層402は、膜厚がdで複素屈折率がNであり、第3層403は、膜厚がdで複素屈折率がNであり、第4層404は、膜厚がdで複素屈折率がNである。また、図中に示す複素屈折率がNの領域は、モデル構造の外部であり、レーザ光がモデル構造に入射される側を示している。この複素屈折率がNの領域は、例えば空気又はNガス雰囲気の領域である。 The model structure shown in FIG. 4 is obtained by stacking a fourth layer 404, a third layer 403, a second layer 402, and a first layer 401 in order from the bottom. In this model structure, the first layer 401 has a film thickness d 1 and a complex refractive index N 1 , and the second layer 402 has a film thickness d 2 and a complex refractive index N 2 , and the third layer 403 has a film thickness of d 3 and a complex refractive index of N 3 , and the fourth layer 404 has a film thickness of d 4 and a complex refractive index of N 4 . Further, the region where the complex refractive index is N 0 shown in the figure is outside the model structure and indicates the side on which the laser light is incident on the model structure. The region where the complex refractive index is N 0 is, for example, an air or N 2 gas atmosphere region.

図4において、Nを第n層における複素屈折率とすると、複素屈折率は屈折率n(実部)と消衰係数k(虚部)とによって表すことができることから、第1層401、第2層402、第3層403及び第4層404の各複素屈折率は、N=n−ik、N=n−ik、N=n−ik、N=n−ikと表すことができる。なお、外部の複素屈折率は、N=n−ikと表すことができる。 In FIG. 4, when N n is a complex refractive index in the n-th layer, the complex refractive index can be expressed by a refractive index n (real part) and an extinction coefficient k (imaginary part). the second layer 402, the complex refractive index of the third layer 403 and fourth layer 404, n 1 = n 1 -ik 1 , n 2 = n 2 -ik 2, n 3 = n 3 -ik 3, n 4 = N 4 −ik 4 . The external complex refractive index can be expressed as N 0 = n 0 -ik 0 .

また、図4において、θを第n層での入射角とすると、外部から第1層401への入射角、第1層401から第2層402への入射角、第2層402から第3層403への入射角及び第3層403から第4層404への入射角は、θ、θ、θ及びθと表すことができる。 In FIG. 4, when θ n is an incident angle in the n-th layer, the incident angle from the outside to the first layer 401, the incident angle from the first layer 401 to the second layer 402, and the second layer 402 to the second layer The incident angle to the third layer 403 and the incident angle from the third layer 403 to the fourth layer 404 can be expressed as θ 0 , θ 1 , θ 2, and θ 3 .

ここで、スネルの法則により、以下の(式7)が成り立つ。   Here, according to Snell's law, the following (formula 7) is established.

また、図4において、ρmnを第m層から第n層へ入射される光の振幅反射係数とすると、外部から第1層401へ入射される光に対する振幅反射係数ρ01、第1層401から第2層402へ入射される光に対する振幅反射係数ρ12、第2層402から第3層403へ入射される光に対する振幅反射係数ρ23、及び、第3層403から第4層404へ入射される光に対する振幅反射係数ρ34は、それぞれ以下の(式8)〜(式10)で表すことができる。 In FIG. 4, when ρ mn is the amplitude reflection coefficient of light incident on the m-th layer from the m-th layer, the amplitude reflection coefficient ρ 01 for light incident on the first layer 401 from the outside, the first layer 401 Amplitude reflection coefficient ρ 12 for light incident on the second layer 402 from the second layer, amplitude reflection coefficient ρ 23 for light incident on the third layer 403 from the second layer 402, and from the third layer 403 to the fourth layer 404. The amplitude reflection coefficient ρ 34 for incident light can be expressed by the following (Equation 8) to (Equation 10), respectively.

また、図4において、τmnを第m層から第n層へ入射される光の振幅透過係数とすると、外部から第1層401へ入射される光の振幅透過係数τ01、第1層401から第2層402へ入射される光の振幅透過係数τ12、第2層402から第3層403へ入射される光の振幅透過係数τ23、及び、第3層403から第4層404へ入射される光の振幅透過係数τ34は、以下の(式11)〜(式13)で表すことができる。 In FIG. 4, when τ mn is an amplitude transmission coefficient of light incident on the m-th layer from the m-th layer, the amplitude transmission coefficient τ 01 of light incident on the first layer 401 from the outside, the first layer 401 The amplitude transmission coefficient τ 12 of light incident on the second layer 402 from the second layer 402, the amplitude transmission coefficient τ 23 of light incident on the third layer 403 from the second layer 402, and the fourth layer 404 from the third layer 403 The amplitude transmission coefficient τ 34 of the incident light can be expressed by the following (Expression 11) to (Expression 13).

ここで、第3層403及び第2層402の2層をまとめて1層であると仮定した際の振幅反射係数及び振幅透過係数をそれぞれρ123及びτ123とし、第3層403、第2層402及び第1層401の3層をまとめて1層であると仮定した際の振幅反射係数及び振幅透過係数をそれぞれρ0123及びτ0123とすると、ρ123、τ123、ρ0123、及び、τ0123は、以下の(式14)〜(式19)で与えられる。なお、λは、第1層401に入射するレーザ光の波長を表している。 Here, when the two layers of the third layer 403 and the second layer 402 are assumed to be a single layer, the amplitude reflection coefficient and the amplitude transmission coefficient are ρ 123 and τ 123 , respectively. Assuming that the amplitude reflection coefficient and the amplitude transmission coefficient when the three layers of the layer 402 and the first layer 401 are combined into one layer are ρ 0123 and τ 0123 , respectively, ρ 123 , τ 123 , ρ 0123 , and τ 0123 is given by the following (formula 14) to (formula 19). Note that λ represents the wavelength of the laser light incident on the first layer 401.

(式8)〜(式13)を(式14)〜(式19)に代入することにより、反射率R及びRと透過率T及びTとを算出すると、以下の(式20)〜(式23)のように表すことができる。 By substituting (Equation 8) to (Equation 13) into (Equation 14) to (Equation 19), the reflectances R 1 and R 2 and the transmittances T 1 and T 2 are calculated. ) To (Equation 23).

そして、第1層401の光吸収率Aは、RとTとを用いて以下の(式24)で表すことができる。 The light absorption rate A of the first layer 401 can be expressed by the following (Equation 24) using R 1 and T 1 .

上述した計算方法を用いて、図4に示すモデル構造に対して、垂直に、すなわちθ=0°(sinθ=0)が近似的に成り立つ範囲の入射角θによって波長λのレーザ光が入射した場合に、ゲート電極上の非結晶のシリコン薄膜の光吸収率を算出することができる。 Using the calculation method described above, a laser beam having a wavelength λ with an incident angle θ 0 perpendicular to the model structure shown in FIG. 4, that is, in a range in which θ 0 = 0 ° (sin θ 0 = 0) approximately holds. Is incident, the light absorption rate of the amorphous silicon thin film on the gate electrode can be calculated.

本実施の形態では、薄膜半導体装置のモデル構造として、図5に示すように、基板410上に、第4層404に相当する構成としてゲート電極411を形成し、ゲート電極411上に、第3層403に相当する構成として第1ゲート絶縁層412aを形成し、第1ゲート絶縁層412a上に、第2層402に相当する構成として第2ゲート絶縁層412bを形成し、第2ゲート絶縁層412b上に、第1層401に相当する構成として非結晶のシリコン薄膜413を形成した構成を考えると、第1層401に相当する非結晶のシリコン薄膜413の光吸収率Aは、上記の(式24)によって算出することができる。   In this embodiment mode, as a model structure of a thin film semiconductor device, as illustrated in FIG. 5, a gate electrode 411 is formed on a substrate 410 as a structure corresponding to the fourth layer 404, and a third structure is formed on the gate electrode 411. A first gate insulating layer 412a is formed as a structure corresponding to the layer 403, a second gate insulating layer 412b is formed as a structure corresponding to the second layer 402 on the first gate insulating layer 412a, and a second gate insulating layer is formed. Considering a configuration in which an amorphous silicon thin film 413 corresponding to the first layer 401 is formed on 412b, the light absorption rate A of the amorphous silicon thin film 413 corresponding to the first layer 401 is ( It can be calculated by equation 24).

続いて、図3Cに示すように、非晶質シリコン層14を、ゲート電極12のゲートの長さ方向における中央部の上に位置する第1領域では厚膜であり、ゲート電極12のゲートの長さ方向における両端部の上に位置する第2領域(つまり、前記第1領域以外の領域)では薄膜になるように凸型構造に加工する(第5工程)。   Subsequently, as shown in FIG. 3C, the amorphous silicon layer 14 is a thick film in the first region located on the central portion in the gate length direction of the gate electrode 12, and the gate electrode 12 In the second region (that is, the region other than the first region) located on both ends in the length direction, a convex structure is processed so as to become a thin film (fifth step).

非晶質シリコン層14の第1領域および第2領域、ならびにゲート絶縁層13の好適な膜厚は、非晶質シリコン層14の第1領域と第2領域の望ましい光吸収率から、上述した計算方法により求められる。   The preferred thicknesses of the first and second regions of the amorphous silicon layer 14 and the gate insulating layer 13 are described above from the desirable light absorption rates of the first and second regions of the amorphous silicon layer 14. It is determined by the calculation method.

一例として、非晶質シリコン層14の膜厚に前記レーザ光の波長で除算した値をXとし、前記第3工程で形成されるゲート絶縁層13の膜厚に前記ゲート絶縁層の屈折率を積算した値である前記ゲート絶縁層の光学膜厚を前記レーザの波長で除算した値をYとしたとき、前記第1領域は(式3)または(式4)、前記第2領域は(式5)または(式6)で規定される範囲をそれぞれ満たす膜厚であることが望ましい。   As an example, X is a value obtained by dividing the film thickness of the amorphous silicon layer 14 by the wavelength of the laser beam, and the refractive index of the gate insulating layer is set to the film thickness of the gate insulating layer 13 formed in the third step. When the value obtained by dividing the optical film thickness of the gate insulating layer, which is an integrated value, by the wavelength of the laser is Y, the first region is represented by (Expression 3) or (Expression 4), and the second region is represented by (Expression It is desirable that the film thickness satisfy the range defined by 5) or (Formula 6).

0.32≦X≦0.47かつ0.33≦Y≦0.39 ・・・(式3)
0.41≦X≦0.59かつ0.51≦Y≦0.69 ・・・(式4)
0.20≦X≦0.28かつ0.33≦Y≦0.39 ・・・(式5)
0.20≦X≦0.28かつ0.51≦Y≦0.69 ・・・(式6)
0.32 ≦ X ≦ 0.47 and 0.33 ≦ Y ≦ 0.39 (Formula 3)
0.41 ≦ X ≦ 0.59 and 0.51 ≦ Y ≦ 0.69 (Formula 4)
0.20 ≦ X ≦ 0.28 and 0.33 ≦ Y ≦ 0.39 (Formula 5)
0.20 ≦ X ≦ 0.28 and 0.51 ≦ Y ≦ 0.69 (Formula 6)

図6には、(式3)〜(式6)で規定されるXYの範囲が示されている。図6から、レーザアニール法により第1シリコン層16および第2シリコン層15を形成するために、ゲート絶縁層13ならびに非晶質シリコン層14の第1領域および第2領域に、それぞれ好適な膜厚の範囲が存在することが分かる。より具体的には図6において、破線で囲まれた領域は、第1領域、すなわち凸型形状の厚膜部の好適エネルギー吸収率範囲であり、また実線で囲まれた領域は第2領域、すなわち凸型形状の薄膜部の好適エネルギー吸収率範囲である。   FIG. 6 shows the range of XY defined by (Expression 3) to (Expression 6). From FIG. 6, in order to form the first silicon layer 16 and the second silicon layer 15 by the laser annealing method, films suitable for the first region and the second region of the gate insulating layer 13 and the amorphous silicon layer 14, respectively. It can be seen that a range of thickness exists. More specifically, in FIG. 6, a region surrounded by a broken line is a first region, that is, a preferred energy absorption rate range of the convex thick film portion, and a region surrounded by a solid line is a second region, That is, it is a preferable energy absorption rate range of the convex-shaped thin film portion.

また図7は、レーザ光波長が532nmであるとした時の、図6で示したX軸、及びY軸の値をそれぞれ非晶質シリコン層14とゲート絶縁層13の実膜厚としたものである。図7より、第5工程における形成プロセスでは、厚膜部、つまり第1領域を破線領域範囲で作製し、第2領域の膜厚を29nm以下までに加工、例えばエッチングなどを行うことで、非晶質シリコン層14の好ましい凸型形状が得られることを示している。   7 shows the values of the X-axis and Y-axis shown in FIG. 6 as the actual film thicknesses of the amorphous silicon layer 14 and the gate insulating layer 13 when the laser beam wavelength is 532 nm. It is. As shown in FIG. 7, in the formation process in the fifth step, the thick film portion, that is, the first region is formed in the range of the broken line region, and the film thickness of the second region is reduced to 29 nm or less, for example, by etching, It shows that a preferable convex shape of the crystalline silicon layer 14 is obtained.

図3Dに示すようにレーザアニール法によって、第5工程により凸型形状に加工した非晶質シリコン層14を結晶化させて、第1シリコン層16及び第2シリコン層15を形成する(第6工程)。この第6工程においては、第4工程及び第5工程で形成し加工された非晶質シリコン層14に対して脱水素処理(一例として500℃で20分間)を行った後に、レーザアニール法によって、非晶質シリコン層14の全域に対してレーザ光源(不図示)からのレーザ光を照射(一例として70kW、400mm/sec)する。 As shown in FIG. 3D, the first silicon layer 16 and the second silicon layer 15 are formed by crystallizing the amorphous silicon layer 14 processed into a convex shape in the fifth step by laser annealing (sixth silicon layer 16). Process). In this sixth step, the amorphous silicon layer 14 formed and processed in the fourth step and the fifth step is subjected to dehydrogenation treatment (for example, at 500 ° C. for 20 minutes) and then laser annealing. Then, the entire region of the amorphous silicon layer 14 is irradiated with laser light from a laser light source (not shown) (as an example, 70 kW, 400 mm 2 / sec).

このレーザアニール法では、基板10が搭載されたステージの位置が固定された状態で、レーザ光源が基板10に対して所定方向に相対的に移動することにより、線状に集光されたレーザ光が、非晶質シリコン層14の全域に対して走査しながら照射される。或いは、レーザ光源の位置が固定された状態で、基板10が搭載されたステージがレーザ光源に対して所定方向に相対的に移動するように構成することもできる。本実施の形態では、レーザアニール法で用いられるレーザ光は、473nm以上561nm以下の波長を有する緑色のレーザ光である。   In this laser annealing method, the laser light focused linearly by moving the laser light source relative to the substrate 10 in a predetermined direction while the position of the stage on which the substrate 10 is mounted is fixed. Is irradiated while scanning the entire area of the amorphous silicon layer 14. Alternatively, the stage on which the substrate 10 is mounted can be configured to move relative to the laser light source in a predetermined direction while the position of the laser light source is fixed. In this embodiment mode, laser light used in the laser annealing method is green laser light having a wavelength of 473 nm to 561 nm.

なお、レーザ光は、連続発振モード又は擬似連続発振モードで照射されることが好ましい。その理由として、連続発振モード又は擬似連続発振モードでレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン層14を溶融状態に保持することができるためである。なお、レーザ光源は、固体レーザ装置、或いは、半導体レーザ素子を用いたレーザ装置で構成することができる。   Note that the laser light is preferably irradiated in a continuous oscillation mode or a pseudo continuous oscillation mode. This is because the amorphous silicon layer 14 can be held in a molten state by irradiating laser light in a continuous oscillation mode or a pseudo continuous oscillation mode. The laser light source can be constituted by a solid-state laser device or a laser device using a semiconductor laser element.

また、第6工程において、第1シリコン層16及び第2シリコン層15を安定して結晶化するために、第6工程で照射されるレーザ光のエネルギー密度は、所定の関係式(式1)、(式2)を満たすことが好ましい。   In the sixth step, in order to stably crystallize the first silicon layer 16 and the second silicon layer 15, the energy density of the laser light irradiated in the sixth step is a predetermined relational expression (formula 1). (Formula 2) is preferably satisfied.

図8は、非晶質シリコン層14のレーザ光の吸収率と、レーザ光のエネルギー密度との関係を示す図である。図8において、横軸(X軸)は、非晶質シリコン層14のレーザ光の吸収率(%)を表している。縦軸(Y軸)は、レーザ光のエネルギー密度を、非晶質シリコン層14のレーザ光の吸収率が23.2%である場合に非晶質シリコン層14を結晶化させて第1シリコン層16を形成するのに少なくとも必要なレーザ光のエネルギー密度(J/cm)を1とした相対値で表している。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the laser beam absorption rate of the amorphous silicon layer 14 and the energy density of the laser beam. In FIG. 8, the horizontal axis (X axis) represents the laser light absorption rate (%) of the amorphous silicon layer 14. The vertical axis (Y-axis) indicates the energy density of the laser beam. When the absorption rate of the laser beam of the amorphous silicon layer 14 is 23.2%, the amorphous silicon layer 14 is crystallized to form the first silicon. The energy value (J / cm 2 ) of the laser beam required at least for forming the layer 16 is expressed as a relative value.

非晶質シリコン層14のレーザ光の吸収率X、及び第6工程で照射されるレーザ光のエネルギー密度Yは、下記の(式1)及び(式2)で規定される好適範囲に属するX、Yを満たすように構成されることが好ましい。   The laser beam absorptance X of the amorphous silicon layer 14 and the energy density Y of the laser beam irradiated in the sixth step are in the preferred range defined by the following (Expression 1) and (Expression 2). , Y is preferably satisfied.

Y≦1.2 ・・・(式1)
Y≧42.9X−1.19 ・・・(式2)
Y ≦ 1.2 (Formula 1)
Y ≧ 42.9X− 1.19 (Formula 2)

図8において、上側のグラフは(式1)を表し、下側のグラフは(式2)を表している。非晶質シリコン層14のレーザ光の吸収率及びレーザ光のエネルギー密度が、下記の式2及び式13で規定される好適範囲に属するX、Yを満たすように構成されることによって、非晶質シリコン層14の第1領域から第1シリコン層16を安定して形成することができる。図9Aは、レーザを上記好適範囲の条件で照射した後の第1領域の表面SEM像である。第1領域が結晶化して第1シリコン層16が形成されている。   In FIG. 8, the upper graph represents (Expression 1), and the lower graph represents (Expression 2). By configuring the amorphous silicon layer 14 so that the absorption rate of the laser beam and the energy density of the laser beam satisfy X and Y belonging to a preferable range defined by the following formulas 2 and 13, The first silicon layer 16 can be stably formed from the first region of the porous silicon layer 14. FIG. 9A is a surface SEM image of the first region after the laser irradiation with the conditions in the preferred range. The first region is crystallized to form the first silicon layer 16.

なお、Yの値が(式2)で規定される範囲よりも小さい場合には、レーザ光のエネルギー密度が低過ぎて、第1シリコン層16を形成することができない。図9Bは、レーザを上記好適範囲外の、エネルギー密度が低すぎる条件で照射した後の第1領域の表面SEM像である。第1領域が非晶質のままであり、第1シリコン層16が形成されていない。   If the value of Y is smaller than the range defined by (Expression 2), the energy density of the laser light is too low to form the first silicon layer 16. FIG. 9B is a surface SEM image of the first region after the laser is irradiated under conditions where the energy density is too low outside the preferred range. The first region remains amorphous and the first silicon layer 16 is not formed.

また、Yの値が(式1)で規定される範囲よりも大きい場合には、レーザ光のエネルギー密度が高過ぎて、第2シリコン層15までもが高い結晶性(例えば多結晶シリコン)を持つように形成されてしまうおそれがある。   When the value of Y is larger than the range defined by (Equation 1), the energy density of the laser beam is too high, and even the second silicon layer 15 has high crystallinity (for example, polycrystalline silicon). There is a risk that it will be formed.

次に、図3Eで示すように、チャネル保護層17の形成を行う。チャネル保護層17の形成には例えば、プラズマCVD法による形成膜(酸化珪素膜や窒化珪素膜)もしくは塗布プロセスによる有機膜などが用いられる。その後、図3Fで示すようにゲート電極上にチャネル保護層17を残すような加工(例えばゲート電極をマスクにする加工など)を行い、チャネル保護層17を形成する。   Next, as shown in FIG. 3E, the channel protective layer 17 is formed. For example, a film formed by plasma CVD (silicon oxide film or silicon nitride film) or an organic film formed by a coating process is used to form the channel protective layer 17. Thereafter, as shown in FIG. 3F, a process for leaving the channel protective layer 17 on the gate electrode (for example, a process using the gate electrode as a mask) is performed to form the channel protective layer 17.

その後、図3Gに示すように、第1シリコン層16及び第2シリコン層15の側面とチャネル保護層17とを覆うようにして、コンタクト層18を成膜する。この工程においては、例えば、プラズマCVDによって、リン(P)、もしくはボロン(B)等の不純物をドープしたアモルファスシリコンで構成されるコンタクト層18を形成する(第8工程)。   Thereafter, as shown in FIG. 3G, a contact layer 18 is formed so as to cover the side surfaces of the first silicon layer 16 and the second silicon layer 15 and the channel protective layer 17. In this step, for example, the contact layer 18 made of amorphous silicon doped with impurities such as phosphorus (P) or boron (B) is formed by plasma CVD (eighth step).

その後、図3Fに示すようにコンタクト層18上にソース・ドレイン電極19をパターン形成する(第9工程)。この第9工程においては、まず、図3Gに示すように、ソース・ドレイン電極19の材料で構成されたソース・ドレイン金属膜を、例えばスパッタによって成膜する。その後、所定形状のソース・ドレイン電極19を形成するために、ソース・ドレイン電極膜上にレジスト材料を塗布し、露光及び現像を行って、所定形状にパターニングされたレジストを形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 3F, the source / drain electrodes 19 are formed on the contact layer 18 by patterning (9th step). In the ninth step, first, as shown in FIG. 3G, a source / drain metal film made of the material of the source / drain electrode 19 is formed by sputtering, for example. Thereafter, in order to form a source / drain electrode 19 having a predetermined shape, a resist material is applied onto the source / drain electrode film, and exposure and development are performed to form a resist patterned in a predetermined shape.

次いで、このレジストをマスクとしてウェットエッチングを施してソース・ドレイン金属膜をパターニングすることにより、図3Hに示すように、所定形状のソース・ドレイン電極19が形成される。また、ソース・ドレイン電極は第2シリコン層15を介したコンタクト層上に形成し、第1シリコン層16を介したコンタクト層18上には形成しない構造とする。このとき、コンタクト層18がエッチングストッパ層として機能する。その後、ソース・ドレイン電極19上のレジストを除去する。   Next, by performing wet etching using this resist as a mask and patterning the source / drain metal film, a source / drain electrode 19 having a predetermined shape is formed as shown in FIG. 3H. The source / drain electrodes are formed on the contact layer via the second silicon layer 15 and are not formed on the contact layer 18 via the first silicon layer 16. At this time, the contact layer 18 functions as an etching stopper layer. Thereafter, the resist on the source / drain electrode 19 is removed.

その後、図3Hに示すように、ソース・ドレイン電極19をマスクとしてドライエッチングを施すことにより、コンタクト層18をパターニングするとともに、ソース・ドレイン電極19を島状にパターニングする。これにより、コンタクト層18、ソース・ドレイン電極19を島状に形成することができる。このとき、チャネル保護層17がエッチングストッパ層として機能する。なお、ドライエッチングの条件としては、塩素系ガスを用いることができる。   Thereafter, as shown in FIG. 3H, by performing dry etching using the source / drain electrode 19 as a mask, the contact layer 18 is patterned, and the source / drain electrode 19 is patterned into an island shape. Thereby, the contact layer 18 and the source / drain electrode 19 can be formed in an island shape. At this time, the channel protective layer 17 functions as an etching stopper layer. Note that a chlorine-based gas can be used as a dry etching condition.

以上のようにして、実施の形態に係る薄膜トランジスタ100を製造することができる。   As described above, the thin film transistor 100 according to the embodiment can be manufactured.

(第2実施形態)
実際の製造工程において、非晶質シリコン層14の第1領域及び第2領域のレーザ光の吸収率差、例えば膜厚差を利用することで、第1シリコン層16と第2シリコン層15を、様々な組み合わせ、例えば多結晶シリコン層とアモルファスシリコン層、多結晶シリコン層と微結晶シリコン層などで形成することができる。
(Second Embodiment)
In the actual manufacturing process, the first silicon layer 16 and the second silicon layer 15 are formed by utilizing the difference in absorption rate of laser light between the first region and the second region of the amorphous silicon layer 14, for example, the difference in film thickness. Various combinations such as a polycrystalline silicon layer and an amorphous silicon layer, a polycrystalline silicon layer and a microcrystalline silicon layer can be used.

第2実施形態では、その一例を示す。また、第2実施形態において第1実施形態で説明した構成要素と同一または類似の材質からなる構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。   An example is shown in the second embodiment. In the second embodiment, components made of the same or similar materials as the components described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.

図10Aから図10Bは、第2実施形態における薄膜トランジスタの製造工程を説明するための断面図である。図10Aに示すように、上記図3Aから図3Bまでの製造工程に係る説明に従って非晶質シリコン層14を形成した後、次に非晶質シリコン層14を凸型形状に加工する。図11は、図6と同様、非晶質シリコン層14及びゲート絶縁層13のそれぞれの膜厚とレーザ吸収率の分布図を示したものであり、非晶質シリコン層14の膜厚に前記レーザ光の波長で除算した値をXとし、ゲート絶縁層13の膜厚にゲート絶縁層13の屈折率を積算した値であるゲート絶縁層13の光学膜厚を前記レーザの波長で除算した値をYとしたときの、非晶質シリコン層14のレーザ光吸収率のXY分布を示している。   10A to 10B are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of the thin film transistor according to the second embodiment. As shown in FIG. 10A, after the amorphous silicon layer 14 is formed according to the description of the manufacturing steps from FIG. 3A to FIG. 3B, the amorphous silicon layer 14 is then processed into a convex shape. FIG. 11 shows the distribution of the film thickness and laser absorption rate of each of the amorphous silicon layer 14 and the gate insulating layer 13 as in FIG. A value obtained by dividing the optical film thickness of the gate insulating layer 13 by the wavelength of the laser, which is a value obtained by adding the refractive index of the gate insulating layer 13 to the film thickness of the gate insulating layer 13. The XY distribution of the laser light absorptance of the amorphous silicon layer 14 when Y is Y is shown.

図11に示すような条件、つまり第1領域は(式25)または(式26)、第2領域は(式27)または(式28)の範囲で規定すると、第2領域のレーザ光吸収率は20〜40%と高いため、非晶質シリコン層14の第2領域から、微結晶シリコンで構成される第2シリコン層20が形成される。図11中の破線部及び実線部はそれぞれ第1領域と第2領域に対応しており、実際に図10Bに示される構造を形成するような条件が存在することを示している。   When the conditions shown in FIG. 11 are satisfied, that is, the first region is defined by (Expression 25) or (Expression 26), and the second region is defined by the range of (Expression 27) or (Expression 28), the laser light absorption rate of the second region. Therefore, the second silicon layer 20 made of microcrystalline silicon is formed from the second region of the amorphous silicon layer 14. The broken line portion and the solid line portion in FIG. 11 correspond to the first region and the second region, respectively, and indicate that there is a condition that actually forms the structure shown in FIG. 10B.

0.32≦X≦0.47かつ0.33≦Y≦0.39 ・・・(式25)
0.41≦X≦0.59かつ0.51≦Y≦0.69 ・・・(式26)
0.28≦X≦0.33かつ0.33≦Y≦0.39 ・・・(式27)
0.30≦X≦0.36かつ0.51≦Y≦0.69 ・・・(式28)
0.32 ≦ X ≦ 0.47 and 0.33 ≦ Y ≦ 0.39 (Equation 25)
0.41 ≦ X ≦ 0.59 and 0.51 ≦ Y ≦ 0.69 (Formula 26)
0.28 ≦ X ≦ 0.33 and 0.33 ≦ Y ≦ 0.39 (Expression 27)
0.30 ≦ X ≦ 0.36 and 0.51 ≦ Y ≦ 0.69 (Equation 28)

この場合、チャネル層は多結晶シリコンと微結晶シリコンとで構成されることになるため、高いオン電流が期待でき、更には第2シリコン層領域である微結晶シリコン層が電荷緩和層の役割を担うことでオフ電流の低減効果がある。   In this case, since the channel layer is composed of polycrystalline silicon and microcrystalline silicon, a high on-current can be expected, and the microcrystalline silicon layer as the second silicon layer region plays the role of the charge relaxation layer. By carrying this, there is an effect of reducing off-current.

本実施の形態による薄膜トランジスタ100は、例えば、図15に示すような表示装置200に搭載することができる。図5に示す表示装置200は、液晶パネル及び有機ELパネル等で構成される表示パネル21を備えている。この表示パネル21は、薄膜トランジスタ100によって駆動される。   The thin film transistor 100 according to the present embodiment can be mounted on a display device 200 as shown in FIG. 15, for example. A display device 200 shown in FIG. 5 includes a display panel 21 including a liquid crystal panel and an organic EL panel. The display panel 21 is driven by the thin film transistor 100.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施の形態に示す構成は一例であって、発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな変形を加えることができるのは言うまでも無い。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the configuration shown in the above embodiment is an example, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.

本発明に係る薄膜トランジスタは、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ及び携帯電話等の表示装置又はその他薄膜トランジスタを有する様々な電気機器に広く利用することができる。   The thin film transistor according to the present invention can be widely used in display devices such as a television set, a personal computer, and a mobile phone, or other various electric devices having a thin film transistor.

10 基板
11 アンダーコート層
12 ゲート電極
13 ゲート絶縁層
14 非晶質シリコン層
15 第2シリコン層
16、20 第1シリコン層
17 チャネル保護層
18 コンタクト層
19 ソース・ドレイン電極
21 表示パネル
100 薄膜トランジスタ
200 表示装置
401 第1層
402 第2層
403 第3層
404 第4層
410 基板
411 ゲート電極
412a 第1ゲート絶縁層
412b 第2ゲート絶縁層
413 シリコン薄膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11 Undercoat layer 12 Gate electrode 13 Gate insulating layer 14 Amorphous silicon layer 15 Second silicon layer 16, 20 First silicon layer 17 Channel protective layer 18 Contact layer 19 Source / drain electrode 21 Display panel 100 Thin film transistor 200 Display Device 401 First layer 402 Second layer 403 Third layer 404 Fourth layer 410 Substrate 411 Gate electrode 412a First gate insulating layer 412b Second gate insulating layer 413 Silicon thin film

Claims (16)

基板と、
前記基板上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層と、
前記ゲート電極のゲートの長さ方向における中央部上方の前記ゲート絶縁層上に形成された第1シリコン層と、
前記ゲート電極のゲートの長さ方向における両端部上方の前記ゲート絶縁層上であって前記第1シリコン層の両側に形成された1対の第2シリコン層と、
前記第2シリコン層の上面に沿って、前記第2シリコン層の各々の上方に形成された1対のソース・ドレイン電極と、
を備え、
前記第1シリコン層は前記各々の第2シリコン層よりも膜厚が厚く、
前記第1シリコン層は結晶性シリコンで構成され、
前記各々の第2シリコン層は、前記第1シリコン層に含まれる結晶粒の平均粒径より小さい平均粒径の結晶性シリコンまたは非結晶シリコンで構成されている、
薄膜トランジスタ。
A substrate,
A gate electrode formed on the substrate;
A gate insulating layer formed on the gate electrode;
A first silicon layer formed on the gate insulating layer above the central portion in the gate length direction of the gate electrode;
A pair of second silicon layers formed on both sides of the first silicon layer on the gate insulating layer above both ends in the gate length direction of the gate electrode;
A pair of source / drain electrodes formed above each of the second silicon layers along an upper surface of the second silicon layer;
With
The first silicon layer is thicker than each of the second silicon layers,
The first silicon layer is made of crystalline silicon;
Each of the second silicon layers is made of crystalline silicon or amorphous silicon having an average grain size smaller than the average grain size of crystal grains contained in the first silicon layer.
Thin film transistor.
さらに、前記第1シリコン層および第2シリコン層上に形成されたチャネル保護層を備える、
請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
And a channel protective layer formed on the first silicon layer and the second silicon layer.
The thin film transistor according to claim 1.
前記第1シリコン層の、前記第2シリコン層に接していない部分が、前記第2シリコン層に接している部分より小さい平均粒径の結晶性シリコンで構成されている、
請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
The portion of the first silicon layer that is not in contact with the second silicon layer is made of crystalline silicon having an average particle size smaller than the portion that is in contact with the second silicon layer.
The thin film transistor according to claim 1.
前記第1シリコン層は粒子径50nm以上の結晶シリコンが含まれる、
請求項1〜3の何れか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The first silicon layer includes crystalline silicon having a particle diameter of 50 nm or more.
The thin-film transistor of any one of Claims 1-3.
前記第2シリコン層は粒子径10nm以下の微結晶シリコンが含まれる、
請求項1〜3の何れか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The second silicon layer includes microcrystalline silicon having a particle diameter of 10 nm or less;
The thin-film transistor of any one of Claims 1-3.
前記第2シリコン層は非晶質シリコンが含まれる、
請求項1〜3の何れか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The second silicon layer includes amorphous silicon;
The thin-film transistor of any one of Claims 1-3.
前記ゲート絶縁層は、酸化珪素、窒化珪素もしくは酸化珪素と窒化珪素の積層構造である、
請求項1〜6の何れか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The gate insulating layer is silicon oxide, silicon nitride, or a stacked structure of silicon oxide and silicon nitride.
The thin film transistor according to any one of claims 1 to 6.
基板を準備する第1工程と、
前記基板上にゲート電極を形成する第2工程と、
前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する第3工程と、
前記ゲート絶縁層上に非晶質シリコン層を形成する第4工程と、
前記非晶質シリコン層を、前記ゲート電極のゲートの長さ方向における中央部の上に位置する第1領域の厚さが、前記ゲート電極のゲートの長さ方向における両端部の上に位置する第2領域の厚さよりも厚い凸型形状に加工する第5工程と、
凸型形状に加工後の前記非晶質シリコン層の上方からレーザ光を照射することにより、前記非晶質シリコン層の前記第1領域から、結晶性シリコンで構成される第1シリコン層を形成し、前記非晶質シリコン層の前記第2領域から、前記第1シリコン層に含まれる結晶粒の平均粒径より小さい平均粒径の結晶性シリコンまたは非結晶シリコンで構成される第2シリコン層を形成する第6工程と、
前記第1シリコン層上に形成されたチャネル保護層を形成する第7工程と、
前記チャネル保護層の端部の上面、前記チャネル保護層の側面、並びに前記第2シリコン層の上面のみに沿って、コンタクト層を形成する第8工程と、
コンタクト層の一方の上方に形成されたソース電極およびコンタクト層の他方の上方に形成されたドレイン電極を形成する第9工程と、を含む、
薄膜トランジスタの製造方法。
A first step of preparing a substrate;
A second step of forming a gate electrode on the substrate;
A third step of forming a gate insulating layer on the gate electrode;
A fourth step of forming an amorphous silicon layer on the gate insulating layer;
The thickness of the first region in which the amorphous silicon layer is located on the central portion in the gate length direction of the gate electrode is located on both end portions in the gate length direction of the gate electrode. A fifth step of processing into a convex shape thicker than the thickness of the second region;
A first silicon layer made of crystalline silicon is formed from the first region of the amorphous silicon layer by irradiating laser light from above the amorphous silicon layer after processing into a convex shape. And a second silicon layer composed of crystalline silicon or amorphous silicon having an average grain size smaller than the average grain size of crystal grains contained in the first silicon layer from the second region of the amorphous silicon layer. A sixth step of forming
A seventh step of forming a channel protective layer formed on the first silicon layer;
An eighth step of forming a contact layer only along the upper surface of the end portion of the channel protective layer, the side surface of the channel protective layer, and the upper surface of the second silicon layer;
A ninth step of forming a source electrode formed above one of the contact layers and a drain electrode formed above the other of the contact layers,
A method for manufacturing a thin film transistor.
前記第6工程で、前記非晶質シリコン層をレーザアニールする
請求項8に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 8, wherein the amorphous silicon layer is laser-annealed in the sixth step.
前記第6工程で、前記非晶質シリコン層に、レーザ波長が473nm以上561nm以下のグリーンレーザを照射する
請求項8または9に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
10. The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 8, wherein, in the sixth step, the amorphous silicon layer is irradiated with a green laser having a laser wavelength of 473 nm to 561 nm.
前記第6工程で、連続発振モードまたは擬似レーザ発振モードで動作するレーザ光源にて前記レーザ光を生成し、前記非晶質シリコン層に照射する、
請求項8〜10の何れか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
In the sixth step, the laser light is generated by a laser light source operating in a continuous oscillation mode or a pseudo laser oscillation mode, and the amorphous silicon layer is irradiated.
The manufacturing method of the thin-film transistor of any one of Claims 8-10.
前記第4工程で形成した非晶質シリコン層の前記レーザ光の吸収率(%)をXとし、前記第4工程で形成された前記非晶質シリコン層の前記レーザ光の吸収率が23.2%である場合に、前記非晶質シリコン層を結晶化させるのに必要な前記レーザ光のエネルギー密度を1としたときの相対値Yとしたとき、前記Xおよび前記Yは、
Y≦1.2 ・・・(式1)
Y≧42.9X−1.19 ・・・(式2)
で規定される範囲を満たす数値である、
請求項8〜11の何れか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
The laser light absorption rate (%) of the amorphous silicon layer formed in the fourth step is X, and the laser light absorption rate of the amorphous silicon layer formed in the fourth step is 23. When the relative value Y is 1 when the energy density of the laser beam necessary for crystallizing the amorphous silicon layer is 1 when X is 2%, X and Y are
Y ≦ 1.2 (Formula 1)
Y ≧ 42.9X− 1.19 (Formula 2)
Is a numerical value that satisfies the range specified in
The manufacturing method of the thin-film transistor of any one of Claims 8-11.
前記第5工程で形成した非晶質シリコン層の膜厚に前記レーザ光の波長で除算した値をXとし、前記第3工程で形成したゲート絶縁層の膜厚に前記ゲート絶縁層の屈折率を積算した値である前記ゲート絶縁層の光学膜厚を前記レーザの波長で除算した値をYとしたとき、前記非晶質シリコン層の前記第1領域は(式3)または(式4)を満たし、かつ前記第2領域は(式5)または(式6)を満たす、
0.32≦X≦0.47かつ0.33≦Y≦0.39 ・・・(式3)
0.41≦X≦0.59かつ0.51≦Y≦0.69 ・・・(式4)
0.20≦X≦0.28かつ0.33≦Y≦0.39 ・・・(式5)
0.20≦X≦0.28かつ0.51≦Y≦0.69 ・・・(式6)
請求項8に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
A value obtained by dividing the film thickness of the amorphous silicon layer formed in the fifth step by the wavelength of the laser beam is X, and the refractive index of the gate insulating layer is calculated as the film thickness of the gate insulating layer formed in the third step. When the value obtained by dividing the optical film thickness of the gate insulating layer by the laser wavelength is Y, the first region of the amorphous silicon layer is represented by (Equation 3) or (Equation 4). And the second region satisfies (Expression 5) or (Expression 6).
0.32 ≦ X ≦ 0.47 and 0.33 ≦ Y ≦ 0.39 (Formula 3)
0.41 ≦ X ≦ 0.59 and 0.51 ≦ Y ≦ 0.69 (Formula 4)
0.20 ≦ X ≦ 0.28 and 0.33 ≦ Y ≦ 0.39 (Formula 5)
0.20 ≦ X ≦ 0.28 and 0.51 ≦ Y ≦ 0.69 (Formula 6)
The manufacturing method of the thin-film transistor of Claim 8.
前記第4工程で、前記非晶質シリコン層の前記第2領域を前記ゲート電極の有無に係らず一定の厚さに形成する、
請求項8に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
In the fourth step, the second region of the amorphous silicon layer is formed with a constant thickness regardless of the presence or absence of the gate electrode.
The manufacturing method of the thin-film transistor of Claim 8.
前記第8工程で、前記1対のソース・ドレイン電極を、前記第7工程で形成するチャネル保護層を介し、前記非晶質シリコン層の前記第2領域の上に形成する、
請求項8に記載の薄膜トランジスタ製造方法。
In the eighth step, the pair of source / drain electrodes are formed on the second region of the amorphous silicon layer through the channel protective layer formed in the seventh step.
The thin-film transistor manufacturing method of Claim 8.
表示パネルと、請求項1に記載の薄膜トランジスタと、を備え、前記薄膜トランジスタは、前記表示パネルを駆動させる表示装置。   A display device comprising: a display panel; and the thin film transistor according to claim 1, wherein the thin film transistor drives the display panel.
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