JP3908129B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板又は半導体膜などをレーザー光を用いて結晶化又はイオン注入後の活性化をするレーザー処理装置及びレーザー照射方法と、当該レーザー装置を用いて形成された半導体装置及びその作製方法と、前記半導体装置を用いた電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、基板上にTFTを形成する技術が大幅に進歩し、アクティブマトリクス型の半導体表示装置への応用開発が進められている。特に、ポリシリコン膜を用いたTFTは、従来のアモルファスシリコン膜を用いたTFTよりも電界効果移動度(モビリティともいう)が高いので、高速動作が可能である。そのため、従来基板の外に設けられた駆動回路で行っていた画素の制御を、画素と同一の基板上に形成した駆動回路で行うことが可能である。
【0003】
ところで半導体装置に用いる基板は、コストの面から単結晶シリコン基板よりも、ガラス基板が有望視されている。ガラス基板は耐熱性に劣り、熱変形しやすいため、ガラス基板上にポリシリコンTFTを形成する場合には、ガラス基板の熱変形を避けるために、半導体膜の結晶化にレーザーアニールが用いられる。
【0004】
レーザーアニールの特徴は、輻射加熱或いは伝導加熱を利用するアニール法と比較して処理時間を大幅に短縮できることや、半導体又は半導体膜を選択的、局所的に加熱して、基板に殆ど熱的損傷を与えないことなどが上げられている。
【0005】
なお、ここでいうレーザーアニール法とは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層やアモルファス層を再結晶化する技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術を指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる。適用されるレーザー発振装置は、エキシマレーザーに代表される気体レーザー発振装置、YAGレーザーに代表される固体レーザー発振装置であり、レーザー光の照射によって半導体の表面層を数十ナノ〜数十マイクロ秒程度のごく短時間加熱して結晶化させるものとして知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
レーザーはその発振方法により、パルス発振と連続発振の2種類に大別される。パルス発振のレーザーは出力エネルギーが比較的高いため、ビームスポットの大きさを数cm2以上として量産性を上げることができる。特に、ビームスポットの形状を光学系を用いて加工し、長さ10cm以上の線状にすると、基板へのレーザー光の照射を効率的に行うことができ、量産性をさらに高めることができる。そのため、半導体膜の結晶化には、パルス発振のレーザーを用いるのが主流となりつつあった。
【0007】
しかし近年、半導体膜の結晶化においてパルス発振のレーザーよりも連続発振のレーザーを用いる方が、半導体膜内に形成される結晶の粒径が大きくなることが見出された。半導体膜内の結晶粒径が大きくなると、該半導体膜を用いて形成されるTFTの移動度が高くなり、結晶粒界によるTFTの特性のばらつきが抑えられる。そのため、連続発振のレーザーはにわかに脚光を浴び始めている。
【0008】
しかし、一般的に連続発振のレーザーは、パルス発振のレーザーに比べてその最大出力エネルギーが小さいため、ビームスポットのサイズが10-3mm2程度と小さい。そのため、1枚の大きな基板を処理するためには、基板におけるビームの照射位置を上下左右に移動させる必要がある。
【0009】
ビームの照射位置を上下左右に移動させるには、基板の位置を固定してビームの照射方向を変化させる方法と、ビームの照射方向を固定して基板の位置を移動させる方法と、上記2つの方法を組み合わせた方法とがある。
【0010】
ビームの照射方向を変化させると、照射する位置によって基板に対するビームの照射角度が変化する。照射角度が変化すると、基板で反射して戻ってくるビームの強さや干渉の強さ等が基板の位置によって変化するため、基板に対する処理を均一に行うことができなくなる。例えばレーザー照射により半導体膜を結晶化させる場合、基板の位置によって結晶性に差が生じたりする。
【0011】
一方、ビームの照射方向を固定して基板の位置を移動させる場合、基板に対するビームの照射角度は、基板の位置に関わらず固定されているため、上述した問題は回避され、さらに光学系もよりシンプルになる(例えば、特許文献1参照)。
【0012】
【特許文献1】
特開平05−275336号公報(第3−4頁)
【0013】
しかし、基板の移動において問題となるのが、方向転換に伴う時間のロスである。
【0014】
図20に、ビームの照射方向を固定して基板の位置を移動させたときの、基板上のビームの照射位置の移動する方向を矢印で示す。一般的にレーザー光の照射は、一定方向に照射位置を移動させた後、方向を変えて、再び一定方向に照射位置を移動させる。このとき、照射位置の移動速度が基板の位置によって変化すると、基板に対する処理を均一に行うことが難しくなる。よって、照射位置の移動速度は一定に保つことが肝要であり、照射位置の移動方向を転換するためには、図20の破線で囲んだ部分に示すように、照射位置が基板から外れた時に行うのが一般的である。照射位置が基板から外れた後、一旦基板の移動を停止し、基板の移動する方向を変えて再び一定の値まで基板の移動速度を上げた後に、レーザー光の基板への照射が行われるようにする必要がある。したがって、必然的に基板の方向転換には所定の時間を要することとなり、基板の処理速度を低下させる原因となっていた。
【0015】
これはビームの照射方向を変化させる場合にも生じる問題であり、ビームの照射方向を転換する際に所定の時間を要するため、基板の処理速度を低下させる原因となる。
【0016】
特に、連続発振のレーザーの場合、パルス発振のレーザーと異なりビームスポットのサイズがもともと小さいので、処理の効率が悪く、基板の処理速度の向上が重要な課題となっている。
【0017】
本発明は上述した問題に鑑み、従来に比べて処理の効率を高めることができる、連続発振のレーザー装置及び該レーザー装置を用いた半導体装置の作製方法の提供を課題とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザー装置は、被処理物を設置する第1の手段と、第1の手段に設置された被処理物を回転させる第2の手段と、前記回転の中心を直線上において移動させる第3の手段と、被処理物の移動する範囲内における一定の領域に、一定の位置及び一定の方向からレーザー光を照射することができる第4の手段とを有する。
【0019】
そして、回転の中心が移動する直線の延長上に、レーザー光が照射される一定の領域が存在するようにする。
【0020】
第2の手段により被処理物を回転させつつ、第3の手段によって前記回転の中心を直線上において移動させることで、レーザー光が照射される一定の領域と、被処理物との重なる部分を移動させ、被処理物全体をレーザー光で照射することができる。
【0021】
さらに、被処理物の部分によってレーザー光の照射時間を一定にするために、回転の中心の移動に伴い、回転の速度を調整するようにする。具体的には、レーザー光が照射される一定の領域が回転の中心から離れるほど、回転の速度を落とし、回転の中心に近づくほど、回転の速度を上げるようにする。
【0022】
本発明のレーザー装置は、一定の位置及び一定の方向からレーザー光を照射していても、第2の手段及び第3の手段によって、被処理物の移動方向を転換せずとも被処理物におけるレーザー光の照射位置をX方向及びY方向へ移動させることができ、被処理物全面をレーザー光で照射することができる。よって、被処理物の移動方向の転換に伴う時間のロスが生じることはなく、従来に比べて処理の効率を高めることができる。
【0023】
また、第4の手段により照射されたレーザー光は、被処理物に対する照射角度が照射位置に関わらず固定されているため、被処理物内で反射して戻ってくるビームの強さや干渉の強さ等が照射位置によって異なることを防ぎ、被処理物に対する処理をほぼ均一に行うことができる。例えばレーザー照射により半導体膜を結晶化させる場合、半導体膜の位置によって結晶性に差が生じるのを防ぐことができる。そして、ビームの照射方向を変えて被処理物全体をレーザー光で照射する場合に比べて、光学系をシンプルにすることができる。
【0024】
なお、第1の手段を複数設け、並行して複数の被処理物の処理を行うようにしても良い。ただし、全ての被処理物の回転の中心を一致させる。上記構成により、処理の効率をより高めることができる。
【0025】
なお、本発明のレーザー装置は、連続発振のレーザーを前提としているが、無論パルス発振のレーザーを用いていても良い。
【0026】
また本発明のレーザー装置の用途は、半導体膜の結晶化にのみに限定されない。本発明のレーザー装置は、上述したレーザーアニール法全般に用いることができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザー装置の構成について説明する。図1(A)に本発明の発光装置の側面図、図1(B)に上面図を示す。
【0028】
図1に示した本発明のレーザー装置は、被処理物を設置する第1の手段に相当するステージ101を複数有している。ここではステージが4つ設けられている例について示す。ステージを複数設けて複数の被処理物を並行して処理することで、処理の効率をより高めることができる。各ステージ101上にはレーザー光を照射する被処理物100が設置されている。
【0029】
各ステージ101は、回転台103上に設置されており、回転台103は回転台103用のモーター(以下、回転台用モーターとする)106によって、104を中心として被処理物を矢印の方向に回転させることができる。回転の方向は設計者が適宜設定することができる。回転台103と、回転台用モーター106とが、本発明のレーザー装置の第2の手段に相当する。ただし、本発明のレーザー装置が有する第2の手段はこの構成に限定されず、ステージ101に設置された被処理物100を回転させることができる手段であれば良い。
【0030】
なお、全ての被処理物100の回転の中心は一致している。
【0031】
回転台103は、ガイドレール102に沿って移動可能になっている。なお、ガイドレール102に沿って回転台103を移動させたときに、回転台103の回転の中心が直線上において移動するようにガイドレールを設置するようにする。
【0032】
ガイドレール102に沿って回転台103を移動させる手段が、本発明のレーザー装置が有する第3の手段に相当する。具体的に図1では、回転台103の移動用のモーター(以下、移動用モーターとする)105と、ガイドレール102とが第3の手段に相当する。しかし本発明のレーザー装置における第3の手段は、被処理物の回転の中心を直線上において移動させることができれば良く、図1に示した構成に限定されない。
【0033】
そして、レーザー発振装置及びその他光学系107によって、一定の位置及び一定の方向から、レーザー光を被処理物100の移動する範囲内における特定の領域に照射することができる。発振装置及びその他光学系107は、本発明のレーザー装置の第4の手段に相当する。
【0034】
レーザーは、処理の目的によって適宜変えることが可能である。本発明のレーザー装置の第4の手段として、公知のレーザーを用いることができる。レーザーは、連続発振またはパルス発振の気体レーザーもしくは固体レーザーを用いることができる。気体レーザーとして、エキシマレーザー、Arレーザー、Krレーザーなどがあり、固体レーザーとして、YAGレーザー、YVOレーザー、YLFレーザー、YAlOレーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、アレキサンドライレーザー、Ti:サファイアレーザー、Yレーザーなどが挙げられる。固体レーザーとしては、Cr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti、Yb又はTmがドーピングされたYAG、YVO、YLF、YAlOなどの結晶を使ったレーザーが適用される。当該レーザーの基本波はドーピングする材料によって異なり、1μm前後の基本波を有するレーザー光が得られる。基本波に対する高調波は、非線形光学素子を用いることで得ることができる。
【0035】
またさらに、固体レーザーから発せられらた赤外レーザー光を非線形光学素子でグリーンレーザー光に変換後、さらに別の非線形光学素子によって得られる紫外レーザー光を用いることもできる。
【0036】
なお本発明のレーザー装置は、上記4つの手段の他に、被処理物の温度を調節する手段を備えていても良い。
【0037】
図2に、図1の回転台の動きを簡単に示す。回転台103は、104を中心として矢印110に示す方向に回転している。そして、回転の中心104は、矢印111に示す方向に移動する。回転台103の中心104が移動する直線状の軌跡の延長上には、レーザー光が照射される一定の領域109が存在している。
【0038】
次に、実際にレーザー光がどのように被処理物100に照射されるかについて説明する。図3に、図1に示したレーザー装置によって、被処理物100にレーザー光が照射される様子を示す。
【0039】
図3(A)と図3(B)は、被処理物100へのレーザー光照射における回転台103の経時的な位置の変化を示している。図3(A)から図3(B)へと、ステージ101が104を中心に矢印110の方向に回転しており、回転台103の回転の中心104は矢印111の方向に向かって移動する。
【0040】
レーザー光が照射される一定の領域109は、回転台103の中心104が移動する直線状の軌跡の延長上に存在している。
【0041】
回転台103が回転することで、レーザー光の照射される一定の領域109は破線で示すような軌跡108を描くように、回転台103上に照射される。該レーザー光の軌跡108は、104を中心として円を描いている。被処理物100は、該レーザー光の軌跡と重なる部分においてレーザー光が照射される。
【0042】
回転台103の中心104が矢印111の方向に移動し、中心104とレーザー光の照射される一定の領域109との距離が離れると、レーザー光の照射される一定の領域109が描く円の半径は大きくなる。逆に、中心104とレーザー光の照射される一定の領域109との距離が近づくと、レーザー光の照射される一定の領域109が描く円の半径は小さくなる。よって、被処理物100とレーザー光の軌跡108と重なる部分が時間と共にずれてゆくと、最終的には被処理物100全面にレーザー光を照射することができる。
【0043】
なお、回転台103上の被処理物100と重ならない部分においてもレーザー光が照射されるので、回転台103はレーザー光によって変形または損傷しないような材質で形成するのが望ましい。
【0044】
図4に、図3でレーザー光が照射された被処理物100における、レーザー光の照射位置の移動方向を矢印で示す。矢印の数は回転台103の回転数と同じであり、回転数が増えれば増えるほど矢印の数が増えていく。
【0045】
被処理物の部分によってレーザー光の照射時間を一定にするために、回転の中心の移動に伴い、回転の速度を調整するようにする。また、被処理物100の各部分におけるレーザー光の適切な照射時間を考慮に入れ、被処理物100の回転速度と、回転の中心の移動速度とを決めることが重要である。具体的には、レーザー光が照射される一定の領域が回転の中心から離れるほど、回転の速度を落とし、回転の中心に近づくほど、回転の速度を上げるようにする。例えば半導体膜の結晶化に用いる場合、エネルギー密度が5×104〜1.3×105(cm2/W)のとき、照射位置の移動速度を10〜100cm/sec、好ましくは20〜50cm/secに保つと良い。
【0046】
また、被処理物100全面をレーザー光で照射しようとするならば、被処理物100の回転速度と、回転の中心104の移動速度とを適宜調整する必要がある。被処理物100の回転速度に対して回転の中心104の移動速度が速すぎると被処理物全面をレーザー光で照射できなくなる。
【0047】
また、被処理物100の回転速度と、回転の中心の移動速度とを調整することで、被処理物100の各部分において複数回レーザー光を照射することも可能である。また、回転の中心を一方向に移動させた後、逆方向に移動させることで、被処理物100に複数回レーザー光を照射させることも可能である。
【0048】
上記構成により本発明のレーザー装置は、一定の位置及び一定の方向からレーザー光を照射していても、被処理物の移動方向を転換せずに被処理物におけるレーザー光の照射位置を移動させ、被処理物全面をレーザー光で照射することができる。よって、被処理物の移動方向の転換に伴う時間のロスが生じることはなく、従来に比べて処理の効率を高めることができる。
【0049】
また、レーザー光は被処理物に対する照射角度が照射位置に関わらず固定されているため、被処理物で反射して戻ってくるビームの強さや干渉の強さ等が照射位置によって異なることを防ぎ、被処理物に対する処理をほぼ均一に行うことができる。例えばレーザー照射により半導体膜を結晶化させる場合、被処理物の位置によって結晶性に差が生じるのを防ぐことができる。そして、ビームの照射方向を変えて被処理物全体をレーザー光で照射する場合に比べて、光学系をシンプルにすることができる。
【0050】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【0051】
(実施例1)
本実施例では、レーザー照射を複数回行う場合において、各回におけるレーザー光のエッジの部分が重ならないようにレーザー光を照射する場合について説明する。
【0052】
一般的にレーザー光は、エッジの部分におけるエネルギーが他の部分と異なっており、被処理物への処理が均一に行えない場合があった。そこで、複数回のレーザー照射において、レーザー光のエッジの部分を重ねないようにすることで、エッジの部分におけるエネルギーの不均一さを緩和し、被処理物への処理をほぼ均一に行うことができるようになる。
【0053】
エッジを重ねないようにするためには、1回目のレーザー照射と2回目のレーザー照射とで、被処理物の回転の中心を、レーザー光の軌跡の幅よりも小さい距離の範囲内でずらし、被処理物の移動する範囲をずらす方法がある。ただし、2回目以降のレーザー照射における回転の中心は、1回目のレーザー照射における回転の中心とレーザー光が照射される一定の位置とを結んだ線の延長上に存在させる。
【0054】
図5(A)に1回目のレーザー照射開始時におけるレーザー装置の断面図を、図5(B)に2回目のレーザー照射開始時におけるレーザー装置の断面図を示す。301は回転台、303はステージ、304は被処理物を示している。
【0055】
1回目のレーザー照射と、2回目のレーザー照射とのそれぞれにおいて、回転台303の中心が幅t分ずれている。幅tはレーザー光の軌跡の幅よりも小さくする。1回目のレーザー照射と、2回目のレーザー照射とで、レーザー光の照射が開始される時点での、被処理物の位置が幅t分ずれているので、回転の中心の移動に伴う被処理物304の移動範囲も異なる。
【0056】
上記方法により、1回目のレーザー照射におけるレーザー光のエッジと、2回目のレーザー照射におけるレーザー光のエッジとが重ならず、エッジの部分におけるエネルギーの不均一さを緩和し、被処理物への処理をほぼ均一に行うことができるようになる。
【0057】
(実施例2)
本実施例では、レーザー照射を複数回行う場合において、各回におけるレーザー光のエッジの部分が重ならないようにレーザー光を照射する、実施例1とは異なる方法について説明する。
【0058】
本実施例では、エッジを重ねないようにするために、1回目のレーザー照射と2回目のレーザー照射において、回転台におけるレーザー光の照射位置を変える。図6に、回転台における1回目のレーザー照射と2回目のレーザー照射における、レーザー光の軌跡を示す。401は回転台、402は被処理物を示している。
【0059】
403は、1回目のレーザー照射におけるレーザー光の軌跡を示しており、404は、2回目のレーザー照射におけるレーザー光の軌跡を示している。レーザー光の軌跡403とレーザー光の軌跡404は互いに重なっており、そのエッジは互いに重なっていない。1回目のレーザー照射においては、被処理物402のレーザー光の軌跡403と重なる部分において処理がなされ、2回目のレーザー照射においては、被処理物402のレーザー光の軌跡404と重なる部分において処理がなされる。
【0060】
上記方法により、1回目のレーザー照射におけるレーザー光のエッジと、2回目のレーザー照射におけるレーザー光のエッジとが重ならないので、エッジの部分におけるエネルギーの不均一さを緩和し、被処理物への処理をほぼ均一に行うことができるようになる。
【0061】
本実施例は、実施例1と組み合わせて実施することが可能である。
【0062】
(実施例3)
本実施例では、被処理物上に形成された被処理膜の表面及び裏面からレーザー光を照射するための構成について説明する。
【0063】
図7(A)に本実施例のレーザー装置の側面図を示す。図7(A)に示した本発明のレーザー装置は、被処理物410とステージ411の間に、レーザー光を反射させるための反射体420が配置されている。
【0064】
ステージ411は回転台413に設置されており、回転台413は、回転台用モーター416によって回転する。また、回転台413は、移動用モーター415によってガイドレール402に沿って移動可能になっている。なお、ガイドレール402に沿って回転台413を移動させたときに、回転台413の回転の中心が直線上において移動するようにガイドレール402を設置するようにする。
【0065】
そして、発振装置及びその他光学系417、光学系418によって、一定の位置及び一定の方向からレーザー光を被処理物410に照射することができる。レーザー光が照射される一定の領域は、回転台413の回転の中心が移動する直線状の軌跡の延長上に存在する。
【0066】
なお本実施例では、基板の表面でレーザー光の一部が反射し、入射したときと同じ光路を戻るいわゆる戻り光が、レーザー発振装置の出力、周波数等の変動や、ロッドの破壊などの悪影響を及ぼすのを防ぐために、基板対して垂直にレーザー光を入射させずに、基板に対して斜めに入射させるようにする。この場合、レーザー光は指向性およびエネルギー密度の高い光であるため、反射光が不適切な箇所を照射するのを防ぐためダンパーを設置して、反射光を吸収させるのが好ましい。なお、ダンパーには冷却水が循環しており、反射光の吸収によりダンパーの温度が上昇するのを防いでいる。
【0067】
なお、レーザー光を基板に対して斜めに入射させなくとも、戻り光を取り除きレーザーの発振を安定させるため、アイソレータを設置するようにしても良い。
【0068】
図7(B)に、図7(A)における被処理物410と反射体420との位置関係を示す。
【0069】
図7(B)において、被処理物410は、透光性を有する基板421と、その表面(薄膜または素子が形成される側の面)に形成された絶縁膜422と、非晶質半導体膜423が形成されている。また、透光性基板421の下にはレーザー光を反射させるための反射体420が配置される。
【0070】
透光性基板421はガラス基板、石英基板、結晶化ガラス基板若しくはプラスチック基板が用いられる。また、絶縁膜422は酸化シリコン膜や窒化酸化シリコン膜(SiOxNy)などの珪素を含む絶縁膜を用いれば良い。非晶質半導体膜410はアモルファスシリコン膜、アモルファスシリコンゲルマニウム膜などがありうる。
【0071】
また、反射体420は表面(レーザー光の反射面)に金属膜を形成した基板であっても良いし、金属元素でなる基板であっても良い。この場合、金属膜としては如何なる材料を用いても良い。代表的には、アルミニウム、銀、タングステン、チタン、タンタルのいずれかの元素を含む金属膜を用いる。
【0072】
また、反射体420を配置する代わりに、透光性基板421の裏面(表面の反対側の面)に直接上述のような金属膜を形成し、そこでレーザー光を反射させることも可能である。但し、その構成は半導体装置の作製過程で裏面に形成した金属膜が除去されないことが前提である。
【0073】
そして、光学系418(図中ではシリンドリカルレンズのみを示す。)を経由して線状に加工されたレーザー光が、非晶質半導体膜410に照射される。このとき、非晶質半導体膜410に照射されるレーザー光には、光学系418を通過して直接照射されるレーザー光と、反射体420で一旦反射されて非晶質半導体膜410へ照射されるレーザー光とが得られるように、光学系418が設計されていることが肝要である。なお、本明細書中では、非晶質半導体膜の表面に照射されるレーザー光を第一次レーザー光と呼び、裏面に照射されるレーザー光を第二次レーザー光と呼ぶ。
【0074】
光学系418を通過したレーザー光は、集光される過程で基板表面に対して45〜90°の入射角を持つ。そのため、第二次レーザー光は非晶質半導体膜410の裏面側にも回り込んで照射される。また、反射体420の反射面に起伏部を設けてレーザー光を乱反射させることで、第二次レーザー光をさらに効率良く得ることができる。
【0075】
特に、YAGレーザーの第2高調波の波長は532nmであり、非晶質半導体膜に照射した場合、最も非晶質半導体膜で反射しない波長範囲(530nm前後)内である。また、この波長範囲においては、非晶質半導体膜を透過するレーザー光が十分な光量であるため、反射体を用いて再度、裏面側から非晶質半導体膜に照射することにより効率よく照射できる。また、第2高調波のレーザーエネルギーは、(既存のYAGレーザー装置における)最大値で約1.5J/pulseと大きく、線状に加工した場合、長手方向の長さを飛躍的に長くすることができ、一括で大面積のレーザー光照射が可能となる。
【0076】
図7(C)に、図7(A)の矢印425から見た、被処理物410と反射体420との位置関係を示す。本実施例では、戻り光がもときた光路をたどって発振装置417に戻るのを防ぐために、基板421に対する入射角が、0より大きく90°より小さくなるように保っている。より具体的には5〜30°に保つ。
【0077】
なお、照射面に垂直な平面であって、かつ前記長いビームの形状を長方形と見立てたときの短辺を含む面を入射面と定義すると、前記レーザビームの入射角度θは、前記短辺の長さがW、前記照射面に設置され、かつ、前記レーザビームに対して透光性を有する基板の厚さがdであるとき、θ≧arctan(W/2d)を満たすのが望ましい。なお、レーザビームの軌跡が、前記入射面上にないときは、該軌跡を該入射面に射影したものの入射角度をθとする。この入射角度θでレーザビームが入射されれば、基板の表面での反射光と、前記基板の裏面からの反射光とが干渉せず、一様なレーザビームの照射を行うことができる。以上の議論は、基板の屈折率を1として考えた。実際は、基板の屈折率が1.5前後のものが多く、この数値を考慮に入れると上記議論で算出した角度よりも大きな計算値が得られる。しかしながら、ビームスポットの長手方向の両端のエネルギーは減衰があるため、この部分での干渉の影響は少なく、上記の算出値で十分に干渉減衰の効果が得られる。
【0078】
以上のように、本実施例によれば、レーザー光を第一次レーザー光及び第二次レーザー光に分光して、非晶質半導体膜の表面及び裏面に照射することが可能である。
【0079】
本実施例は、実施例1または実施例2と組み合わせて実施することが可能である。
【0080】
(実施例4)
本実施例では、本発明のレーザー装置を用いたレーザーアニールにより半導体膜を結晶化する工程を、駆動回路を画素部と同じ基板上に有するアクティブマトリクス型の半導体表示装置の作製方法に応用した例について説明する。
【0081】
図8(A)に、基板200上に画素部201と、信号線駆動回路202と、走査線駆動回路203とが備えられた、液晶パネルの上面図を示す。図8(A)において、破線で示した矢印の方向に向かって、レーザー光の照射位置が移動する。
【0082】
本発明のレーザー装置によって半導体膜にレーザー光を照射すると、レーザー光の軌跡が完全な直線は描かず、ゆるやかな円弧を描く。よって本発明のレーザー装置を用いて半導体膜を結晶化すると、半導体膜にレーザー光の照射跡が円弧状に形成される。なおこの円弧は、厳密にはその円弧毎に曲率半径が異なっており、照射位置と回転の中心が近いと曲率半径が小さくなり、遠いと大きくなる。しかし該半導体膜をパターニングして形成されるTFTの活性層のサイズは、該円弧の半径に比較して小さいため、活性層1つ1つのレーザー光の照射跡が残っていたとしても、該照射跡はほぼ直線状になっている。
【0083】
図8(A)の画素部201の一部204の拡大図を図8(B)に、信号線駆動回路202の一部205の拡大図を図8(C)に、走査線駆動回路203の一部206の拡大図を図8(D)に示す。
【0084】
画素部201、信号線駆動回路202、走査線駆動回路203のそれぞれにおいて、各TFTの活性層となる島状の半導体膜が複数形成されている。207、208、209はパターニング後にTFTの活性層となる部分である。破線220はレーザー光の照射跡である。
【0085】
レーザー光の照射跡220は、チャネルが移動する方向またはその逆の方向にほぼ沿うようにする。
【0086】
本実施例は、実施例1〜実施例3と組み合わせて実施することが可能である。
【0087】
(実施例5)
本実施例では、絶縁表面上に公知の成膜法で成膜した半導体膜を、パターニングして島状にした後、本発明のレーザー装置を用いたレーザーアニールにより結晶化する例について説明する。
【0088】
図9(A)に島状の半導体膜450にレーザー光を照射し、結晶化している様子を示す。島状の半導体膜450は、非晶質構造を有しており、半導体の材料に限定はないが、好ましくはシリコンまたはシリコンゲルマニウム(SiGe)合金などで形成すると良い。
【0089】
破線451は、島状の半導体膜450をレーザーアニールにより結晶化した後、パターニングすることによって得られるTFTの活性層の位置を示している。レーザー光の照射位置452は、チャネルが移動する方向またはその逆の方向に沿うように移動させる。
【0090】
島状の半導体膜450においてレーザー光が最初に照射される部分453の拡大図を、図9(B)に示す。本実施例では、レーザー光の照射は、意図的に島状の半導体膜のエッジの部分から開始する。エッジとは、レーザー光が照射される方向から島状の半導体膜を見たときに、半導体膜の角を有している部分を指す。
【0091】
図9(B)において、レーザー光が照射される方向から見たときの、エッジの角度θ1は、180°未満にする。また、絶縁表面に対する
島状の半導体膜450の側面の角度θ2は、90±10°とし、よりのぞましくは90±5°とする。
【0092】
島状の半導体膜450が有するエッジの部分からレーザー光の照射を開始すると、エッジの部分から(100)面の配向を有する結晶が成長を開始する。そして、島状の半導体膜450へのレーザー光の照射が終了すると、島状の半導体膜450全体の(100)面の配向率を高めることができる。
【0093】
半導体膜の(100)面の配向率を高めると、活性層として用いたときにTFTの移動度を高くすることができる。また、半導体膜の(100)面の配向率が高いと、その上に形成するゲート絶縁膜の膜質のバラツキを少なくすることができ、それ故にTFTのしきい値電圧のバラツキを小さくすることができる。
【0094】
なお、本発明のレーザー装置によって基板にレーザー光を照射すると、レーザー光の軌跡が完全な直線は描かず、ゆるやかな円弧を描く。しかし島状の半導体膜のサイズは、該円弧の半径に比較して小さいため、島状の半導体膜1つ1つのレーザー光の照射跡が残っていたとしても、該照射跡はほぼ直線状になっている。
【0095】
次に、上述した半導体膜の結晶化の方法を、駆動回路を画素部と同じ基板上に有する、アクティブマトリクス型の半導体表示装置の作製方法に応用した例について説明する。
【0096】
図23(A)に、基板500上に画素部501と、信号線駆動回路502と、走査線駆動回路503とが備えられた、液晶パネルの上面図を示す。図23(A)において、破線で示した矢印の方向に向かって、レーザー光の照射位置が移動する。
【0097】
図23(A)の画素部501の一部504の拡大図を図23(B)に、信号線駆動回路502の一部505の拡大図を図23(C)に、走査線駆動回路503の一部506の拡大図を図23(D)に示す。
【0098】
画素部501、信号線駆動回路502、走査線駆動回路503のそれぞれにおいて、各TFTの活性層となる島状の半導体膜が複数形成されている。507、508、509に示す領域にレーザー光が照射され、各領域は矢印の方向に向かって移動する。
【0099】
そして島状の半導体膜のそれぞれは、エッジの部分からレーザー光の照射が開始されるように、その配置が定められている。
【0100】
なお、島状の半導体膜のサイズ及び形状は、画素部501、信号線駆動回路502、走査線駆動回路503のそれぞれにおいて形成されるTFTの形状に合わせて決める。また、1つの島状の半導体膜から複数のTFTの活性層を形成するようにしても良い。
【0101】
本実施例は、実施例1〜実施例4と組み合わせて実施することが可能である。
【0102】
(実施例6)
本実施例では、本発明のレーザー装置において用いられるレーザー光の発振装置及びその他光学系について説明する。
【0103】
図10に本実施例のレーザー装置の構造を示す。520は連続発振又はパルス発振が可能なレーザー光の発振装置である。発振装置520は、チラー527によってその温度を一定に保たれるようにする。チラー527は必ずしも設ける必要はないが、発振装置520の温度を一定に保つことで、発振装置から出力されるレーザー光のエネルギーが、発振装置の温度によってばらつくのを抑えることができる。
【0104】
発振装置520から出力されたレーザー光は、固定ミラー521、522、523によってその光路を変えられて、コリメータレンズ又はシリンドリカルレンズなどのレンズ524、525によって集光され、ステージ528に設置された被処理物526に照射される。勿論、光学系の数に限定はなく、レーザー光が被処理物に、一定の位置及び一定の角度から照射される手段が備えられていれば良い。
【0105】
なお、被処理物に照射されたレーザー光は表面で反射して、再び光学系に入射することにより、レーザー発振装置にダメージを与えることがあるので、レーザー光は所定の角度をもって被処理物に入射させることが望ましい。
【0106】
そして、実施の形態において説明したように、ステージ528を回転台529上において回転させ、なおかつ回転の中心を直線状に移動させることによって、被処理物526上におけるレーザー光の照射位置を移動させ、被処理物526全面を処理することができる。
【0107】
本実施例は、実施例1〜実施例5と組み合わせて実施することが可能である。
【0108】
(実施例7)
本実施例では、本発明のレーザー装置において用いられるレーザー光の発振装置及びその他光学系について説明する。
【0109】
図11に本実施例のレーザー装置の構造を示す。本実施例のレーザー装置は、複数の発振装置を用い、該複数の発振装置から発振された複数のレーザー光を1つにまとめる。なお本実施例では3つの発振装置550(550a、550b、550c)を用いた場合を例に挙げて説明する。
【0110】
各発振装置からのレーザー光の発振は、制御装置552により自在に制御することができる。3つの発振装置550のうち、少なくとも1つは、出力するレーザー光は非線形光学素子により、第2高調波や、第3高調波、第4高調波に変換する。本実施例では、全ての発振装置550から出力されるレーザー光を非線形光学素子551a、551b、551cにより、それぞれその波長を変換する。変換する波長は同じであっても、いずれかが異なっていてもよい。
【0111】
3つの発振装置550からそれぞれ出力されたレーザー光は、1つに合成される。具体的に本実施例では、それぞれのレーザー光を、各レーザー光に対応したファイバーアレイ553を介して導波路554に入射させ、1つのレーザー光にまとめる。薄膜偏光素子(TFP:Thin Film Polarizer)やその他の偏光子を用いても行うことができる。
【0112】
導波路554を経て合成されたレーザー光を再び光ファイバ555へ入射させ、レーザー光が拡散するのを低減させる。光ファイバ555から射出したレーザー光は凸レンズ556により集光し、ステージ540に設置された被処理物559へ到達する。
【0113】
1つに合成されたレーザー光は、大出力レーザーから発振されたレーザー光に相当するエネルギー密度を有している。また、同じレーザーから発振されるレーザー光は干渉性が高いが、異なるレーザーから発振されるレーザー光同士は干渉しないため、複数のレーザーが1つにまとめられたレーザー光は、互いに補い合って干渉を低減することを可能とする。また、レーザー光を高調波に変換するために用いる非線形光学素子は、レーザー光が透過するため、十分な耐熱性、耐久性が必要とされ、大出力のレーザーであるほど、非線形光学素子における劣化は大きい。そのため、透過するレーザー光のエネルギーが少しでも小さければ、非線形光学素子の寿命が延び、コストダウンに繋がる。複数の非線形光学素子で複数のレーザー光の波長を変換した後、合成して1つのレーザー光とするという本実施例の構成は、単数の非線形光学素子で1つのレーザー光の波長を変換するよりも1つの非線形光学素子にかかる負担が軽減される。そのため、各非線形光学素子の寿命を延ばすことができ、コストダウンにさせることができる。
【0114】
そして、このようなレーザー光を光ファイバ、ガルバノメータ、ポリゴンメータなどの光学系を用いて、被処理物の全面に照射することができる。
【0115】
照射面におけるレーザー光の形状は、レーザーの種類によって異なるし、光学系により成形することもできる。例えば、ラムダ社製のXeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅30ns)L3308から射出されたレーザー光の形状は、10mm×30mm(共にビームプロファイルにおける半値幅)の矩形状である。また、YAGレーザーから射出されたレーザー光の形状は、ロッド形状が円筒形であれば円状となり、スラブ型であれば矩形状となる。このようなレーザー光を光学系により、さらに成形することにより、所望の大きさのレーザー光をつくることもできる。
【0116】
さらに、被処理物が有する基板に対して垂直にレーザー光を入射させる場合は、基板の表面でレーザー光の一部が反射し、入射したときと同じ光路を戻る、いわゆる戻り光となるが、該戻り光はレーザーの出力や周波数の変動や、ロッドの破壊などの悪影響を及ぼす。そのため、戻り光を取り除きレーザーの発振を安定させるため、アイソレータを設置するのが好ましい。
【0117】
一方、戻り光を防ぐため、基板に対して斜めにレーザー光を入射させることもできる。しかしながら、レーザー光は指向性およびエネルギー密度の高い光であるため、反射光が不適切な箇所を照射するのを防ぐためダンパーを設置して、反射光を吸収させるのが好ましい。なお、ダンパーには冷却水が循環しており、反射光の吸収によりダンパーの温度が上昇するのを防いでいる。
【0118】
そして、実施の形態において説明したように、ステージ540を回転台541上において回転させ、該回転の中心を直線上において移動させることによって、被処理物559上におけるレーザー光の照射位置を移動させ、被処理物559全面を処理することができる。
【0119】
本実施例は、実施例1〜実施例5と組み合わせて実施することが可能である。
【0120】
(実施例8)
本実施例では、本発明のレーザー装置において用いられるレーザー光の発振装置及びその他光学系について説明する。
【0121】
図12に本実施例のレーザー装置の構造を示す。本実施例のレーザー装置は、発振装置571から発振されたレーザー光が非線形光学素子572により高調波に変換され、分割手段であるミラー573により複数のレーザー光に分割される。
【0122】
それぞれのレーザー光は周期的なエネルギー分布を有するレーザー光の形成手段であるミラー574a、574bによって反射され、それぞれシリンドリカルレンズ575a、575bによって集光され、ステージ(本実施例では図示せず)上に設置された被処理物561に到達する。被処理物561において、複数のレーザー光が合成されることで干渉が生じ、周期的なエネルギー分布を有するレーザー光が形成される。シリンドリカルレンズ575a、575bは必ずしも設置する必要はないが、設置することで照射面においてエネルギー密度を高めることができる。
【0123】
なお、レーザーから射出されたレーザー光の形状は、レーザーの種類によって異なり、ロッド形状が円筒形であれば円状となり、スラブ型であれば矩形状となる。
【0124】
そして、実施の形態において説明したように、ステージを回転台560上において回転させ、該回転の中心を直線上において移動させることによって、被処理物561上におけるレーザー光の照射位置を移動させ、被処理物561全面を処理することができる。
【0125】
本実施例は、実施例1〜実施例5と組み合わせて実施することが可能である。
【0126】
(実施例9)
本実施例ではアクティブマトリクス基板の作製方法について図13〜図15を用いて説明する。本明細書ではCMOS回路、及び駆動回路と、画素TFT、保持容量とを有する画素部を同一基板上に形成された基板を、便宜上アクティブマトリクス基板と呼ぶ。
【0127】
まず、本実施例ではバリウムホウケイ酸ガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラスからなる基板600を用いる。なお、基板600としては、石英基板やシリコン基板、金属基板またはステンレス基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。また、本実施例の処理温度に耐えうる耐熱性が有するプラスチック基板を用いてもよい。
【0128】
次いで、基板600上に酸化珪素膜、窒化珪素膜または酸化窒化珪素膜などの絶縁膜から成る下地膜601を公知の手段(スパッタ法、LPCVD法、プラズマCVD法等)により形成する。本実施例では下地膜601として2層構造を用いるが、前記絶縁膜の単層膜または2層以上積層させた構造を用いても良い。
【0129】
次いで、下地膜上に半導体層602〜606を形成する。半導体層602〜606は公知の手段(スパッタ法、LPCVD法、プラズマCVD法等)により25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで半導体膜を成膜し、レーザー結晶化法により結晶化させる。レーザー結晶化法は、本発明のレーザー装置を用いて行うことができる。もちろん、レーザー結晶化法だけでなく、他の公知の結晶化法(RTAやファーネスアニール炉を用いた熱結晶化法、結晶化を助長する金属元素を用いた熱結晶化法等)と組み合わせて行ってもよい。そして、得られた結晶性半導体膜を所望の形状にパターニングして半導体層602〜606を形成する。前記半導体膜としては、非晶質半導体膜や微結晶半導体膜、結晶性半導体膜などがあり、非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。
【0130】
レーザー発振装置は、パルス発振型または連続発光型のエキシマレーザーやYAGレーザー、YVO4レーザーを用いる。結晶化の条件は実施者が適宣選択するものであるが、エキシマレーザーを用いる場合はパルス発振周波数300Hzとし、レーザーエネルギー密度を100〜400mJ/cm2(代表的には200〜300mJ/cm2)とする。また、YAGレーザーを用いる場合にはその第2高調波を用いパルス発振周波数30〜300kHzとし、レーザーエネルギー密度を300〜600mJ/cm2(代表的には350〜500mJ/cm2)とすると良い。そして幅100〜1000μm、例えば400μmで線状に集光したレーザー光を基板全面に渡って照射し、この時の線状レーザー光の重ね合わせ率(オーバーラップ率)を50〜90%として行う。
【0131】
なおレーザーは、連続発振またはパルス発振の気体レーザーもしくは固体レーザーを用いることができる。気体レーザーとして、エキシマレーザー、Arレーザー、Krレーザーなどがあり、固体レーザーとして、YAGレーザー、YVOレーザー、YLFレーザー、YAlOレーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、アレキサンドライレーザー、Ti:サファイアレーザー、Yレーザーなどが挙げられる。固体レーザーとしては、Cr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti、Yb又はTmがドーピングされたYAG、YVO、YLF、YAlOなどの結晶を使ったレーザー等も使用可能である。当該レーザーの基本波はドーピングする材料によって異なり、1μm前後の基本波を有するレーザー光が得られる。基本波に対する高調波は、非線形光学素子を用いることで得ることができる。
【0132】
非晶質半導体膜の結晶化に際し、大粒径に結晶を得るためには、連続発振が可能な固体レーザーを用い、基本波の第2高調波〜第4高調波を適用するのが好ましい。代表的には、Nd:YVO4レーザー(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)や第3高調波(355nm)を適用するのが望ましい。具体的には、出力10Wの連続発振のYVO4レーザーから射出されたレーザー光を非線形光学素子により高調波に変換する。また、共振器の中にYVO4結晶と非線形光学素子を入れて、高調波を射出する方法もある。そして、好ましくは光学系により照射面にて矩形状または楕円形状のレーザー光に成形して、被処理体に照射する。このときのエネルギー密度は0.01〜100MW/cm2程度(好ましくは0.1〜10MW/cm2)が必要である。そして、10〜2000cm/s程度の速度でレーザー光に対して相対的に半導体膜を移動させて照射する。
【0133】
続いて、フォトリソグラフィ法を用いたパターニング処理によって半導体層602〜606を形成する。
【0134】
また、半導体層602〜606を形成した後、TFTのしきい値を制御するために微量な不純物元素(ボロンまたはリン)のドーピングを行ってもよい。
【0135】
次いで、半導体層602〜606を覆うゲート絶縁膜607を形成する。ゲート絶縁膜607はプラズマCVD法またはスパッタ法を用い、厚さを40〜150nmとして珪素を含む絶縁膜で形成する。本実施例では、プラズマCVD法により110nmの厚さで酸化窒化珪素膜(組成比Si=32%、O=59%、N=7%、H=2%)で形成した。勿論、ゲート絶縁膜は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0136】
また、酸化珪素膜を用いる場合には、プラズマCVD法でTEOS(Tetraethyl Orthosilicate)とO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.5〜0.8W/cm2で放電させて形成することができる。このようにして作製される酸化珪素膜は、その後400〜500℃の熱アニールによりゲート絶縁膜として良好な特性を得ることができる。
【0137】
次いで、ゲート絶縁膜607上に膜厚20〜100nmの第1の導電膜608と、膜厚100〜400nmの第2の導電膜609とを積層形成する。本実施例では、膜厚30nmのTaN膜からなる第1の導電膜608と、膜厚370nmのW膜からなる第2の導電膜609を積層形成した。TaN膜はスパッタ法で形成し、Taのターゲットを用い、窒素を含む雰囲気内でスパッタする。また、W膜は、Wのターゲットを用いたスパッタ法で形成した。その他に6フッ化タングステン(WF6)を用いる熱CVD法で形成することもできる。いずれにしてもゲート電極として使用するためには低抵抗化を図る必要があり、W膜の抵抗率は20μΩcm以下にすることが望ましい。W膜は結晶粒を大きくすることで低抵抗率化を図ることができるが、W膜中に酸素などの不純物元素が多い場合には結晶化が阻害され高抵抗化する。従って、本実施例では、高純度のW(純度99.9999%)のターゲットを用いたスパッタ法で、さらに成膜時に気相中からの不純物の混入がないように十分配慮してW膜を形成することにより、抵抗率9〜20μΩcmを実現することができる。
【0138】
なお、本実施例では、第1の導電膜608をTaN、第2の導電膜609をWとしたが、特に限定されず、いずれもTa、W、Ti、Mo、Al、Cu、Cr、Ndから選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成してもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶珪素膜に代表される半導体膜を用いてもよい。また、AgPdCu合金を用いてもよい。また、第1の導電膜をタンタル(Ta)膜で形成し、第2の導電膜をW膜とする組み合わせ、第1の導電膜を窒化チタン(TiN)膜で形成し、第2の導電膜をW膜とする組み合わせ、第1の導電膜を窒化タンタル(TaN)で形成し、第2の導電膜をWとする組み合わせ、第1の導電膜を窒化タンタル(TaN)膜で形成し、第2の導電膜をAl膜とする組み合わせ、第1の導電膜を窒化タンタル(TaN)膜で形成し、第2の導電膜をCu膜とする組み合わせとしてもよい。
【0139】
また、2層構造に限定されず、例えば、タングステン膜、アルミニウムとシリコンの合金(Al−Si)膜、窒化チタン膜を順次積層した3層構造としてもよい。また、3層構造とする場合、タングステンに代えて窒化タングステンを用いてもよいし、アルミニウムとシリコンの合金(Al−Si)膜に代えてアルミニウムとチタンの合金膜(Al−Ti)を用いてもよいし、窒化チタン膜に代えてチタン膜を用いてもよい。
【0140】
なお、導電膜の材料によって、適宜最適なエッチングの方法や、エッチャントの種類を選択することが重要である。
【0141】
次に、フォトリソグラフィ法を用いてレジストからなるマスク610〜615を形成し、電極及び配線を形成するための第1のエッチング処理を行う。第1のエッチング処理では第1及び第2のエッチング条件で行う。(図13(B))本実施例では第1のエッチング条件として、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用い、エッチング用ガスにCF4とCl2とO2とを用い、それぞれのガス流量比を25:25:10(sccm)とし、1Paの圧力でコイル型の電極に500WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを生成してエッチングを行う。基板側(試料ステージ)にも150WのRF(13.56MHz)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。この第1のエッチング条件によりW膜をエッチングして第1の導電層の端部をテーパー形状とする。
【0142】
この後、レジストからなるマスク610〜615を除去せずに第2のエッチング条件に変え、エッチング用ガスにCF4とCl2とを用い、それぞれのガス流量比を30:30(sccm)とし、1Paの圧力でコイル型の電極に500WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを生成して約30秒程度のエッチングを行った。基板側(試料ステージ)にも20WのRF(13.56MHz)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。CF4とCl2を混合した第2のエッチング条件ではW膜及びTaN膜とも同程度にエッチングされる。なお、ゲート絶縁膜上に残渣を残すことなくエッチングするためには、10〜20%程度の割合でエッチング時間を増加させると良い。
【0143】
上記第1のエッチング処理では、レジストからなるマスクの形状を適したものとすることにより、基板側に印加するバイアス電圧の効果により第1の導電層及び第2の導電層の端部がテーパー形状となる。このテーパー部の角度は15〜45°となる。こうして、第1のエッチング処理により第1の導電層と第2の導電層から成る第1の形状の導電層617〜622(第1の導電層617a〜622aと第2の導電層617b〜622b)を形成する。616はゲート絶縁膜であり、第1の形状の導電層617〜622で覆われない領域は20〜50nm程度エッチングされ薄くなった領域が形成される。
【0144】
次いで、レジストからなるマスクを除去せずに第2のエッチング処理を行う。(図13(C))ここでは、エッチングガスにCF4とCl2とO2とを用い、W膜を選択的にエッチングする。この時、第2のエッチング処理により第2の導電層628b〜633bを形成する。一方、第1の導電層617a〜622aは、ほとんどエッチングされず、第2の形状の導電層628〜633を形成する。
【0145】
そして、レジストからなるマスクを除去せずに第1のドーピング処理を行い、半導体層にn型を付与する不純物元素を低濃度に添加する。ドーピング処理はイオンドープ法、若しくはイオン注入法で行えば良い。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1013〜5×1014/cm2とし、加速電圧を40〜80kVとして行う。本実施例ではドーズ量を1.5×1013/cm2とし、加速電圧を60kVとして行う。n型を付与する不純物元素として15族に属する元素、典型的にはリン(P)または砒素(As)を用いるが、ここではリン(P)を用いる。この場合、導電層628〜633がn型を付与する不純物元素に対するマスクとなり、自己整合的に不純物領域623〜627が形成される。不純物領域623〜627には1×1018〜1×1020atoms/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素を添加する。
【0146】
レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスク634a〜634cを形成して第1のドーピング処理よりも高い加速電圧で第2のドーピング処理を行う。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1013〜1×1015/cm2とし、加速電圧を60〜120kVとして行う。ドーピング処理は第2の導電層628b〜632bを不純物元素に対するマスクとして用い、第1の導電層のテーパー部の下方の半導体層に不純物元素が添加されるようにドーピングする。続いて、第2のドーピング処理より加速電圧を下げて第3のドーピング処理を行って図14(A)の状態を得る。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1015〜1×1017/cm2とし、加速電圧を50〜100kVとして行う。第2のドーピング処理および第3のドーピング処理により、第1の導電層と重なる低濃度不純物領域636、642、648には1×1018〜5×1019 atoms/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素を添加され、高濃度不純物領域635、641、644、647には1×1019〜5×1021atoms/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素を添加される。
【0147】
もちろん、適当な加速電圧にすることで、第2のドーピング処理および第3のドーピング処理は1回のドーピング処理で、低濃度不純物領域および高濃度不純物領域を形成することも可能である。
【0148】
次いで、レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスク650a〜650cを形成して第4のドーピング処理を行う。この第4のドーピング処理により、pチャネル型TFTの活性層となる半導体層に前記一導電型とは逆の導電型を付与する不純物元素が添加された不純物領域653、654、659、660を形成する。第2の導電層628a〜632aを不純物元素に対するマスクとして用い、p型を付与する不純物元素を添加して自己整合的に不純物領域を形成する。本実施例では、不純物領域653、654、659、660はジボラン(B26)を用いたイオンドープ法で形成する。(図14(B))この第4のドーピング処理の際には、nチャネル型TFTを形成する半導体層はレジストからなるマスク650a〜650cで覆われている。第1乃至3のドーピング処理によって、不純物領域653、659と654、660にはそれぞれ異なる濃度でリンが添加されているが、そのいずれの領域においてもp型を付与する不純物元素の濃度を1×1019〜5×1021atoms/cm3となるようにドーピング処理することにより、pチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域として機能するために何ら問題は生じない。
【0149】
以上までの工程で、それぞれの半導体層に不純物領域が形成される。
【0150】
次いで、レジストからなるマスク650a〜650cを除去して第1の層間絶縁膜661を形成する。この第1の層間絶縁膜661としては、プラズマCVD法またはスパッタ法を用い、厚さを100〜200nmとして珪素を含む絶縁膜で形成する。本実施例では、プラズマCVD法により膜厚150nmの酸化窒化珪素膜を形成した。勿論、第1の層間絶縁膜661は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0151】
次いで、図14(C)に示すように、活性化処理としてレーザー照射方法を用いる。レーザーアニール法を用いる場合、結晶化の際に用いたレーザーを使用することが可能である。活性化の場合は、移動速度は結晶化と同じにし、0.01〜100MW/cm2程度(好ましくは0.01〜10MW/cm2)のエネルギー密度が必要となる。また結晶化の際には連続発振のレーザーを用い、活性化の際にはパルス発振のレーザーを用いるようにしても良い。
【0152】
また、第1の層間絶縁膜を形成する前に活性化処理を行っても良い。
【0153】
そして、加熱処理(300〜550℃で1〜12時間の熱処理)を行うと水素化を行うことができる。この工程は第1の層間絶縁膜661に含まれる水素により半導体層のダングリングボンドを終端する工程である。第1の層間絶縁膜の存在に関係なく半導体層を水素化することができる。水素化の他の手段として、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)や、3〜100%の水素を含む雰囲気中で300〜650℃で1〜12時間の加熱処理を行っても良い。
【0154】
次いで、第1の層間絶縁膜661上に無機絶縁膜材料または有機絶縁物材料から成る第2の層間絶縁膜662を形成する。本実施例では、膜厚1.6μmのアクリル樹脂膜を形成したが、粘度が10〜1000cp、好ましくは40〜200cpのものを用い、表面に凸凹が形成されるものを用いる。
【0155】
本実施例では、鏡面反射を防ぐため、表面に凸凹が形成される第2の層間絶縁膜を形成することによって画素電極の表面に凸凹を形成した。また、画素電極の表面に凹凸を持たせて光散乱性を図るため、画素電極の下方の領域に凸部を形成してもよい。その場合、凸部の形成は、TFTの形成と同じフォトマスクで行うことができるため、工程数の増加なく形成することができる。なお、この凸部は配線及びTFT部以外の画素部領域の基板上に適宜設ければよい。こうして、凸部を覆う絶縁膜の表面に形成された凸凹に沿って画素電極の表面に凸凹が形成される。
【0156】
また、第2の層間絶縁膜662として表面が平坦化する膜を用いてもよい。その場合は、画素電極を形成した後、公知のサンドブラスト法やエッチング法等の工程を追加して表面を凹凸化させて、鏡面反射を防ぎ、反射光を散乱させることによって白色度を増加させることが好ましい。
【0157】
そして、駆動回路686において、各不純物領域とそれぞれ電気的に接続する配線663〜667を形成する。なお、これらの配線は、膜厚50nmのTi膜と、膜厚500nmの合金膜(AlとTiとの合金膜)との積層膜をパターニングして形成する。もちろん、二層構造に限らず、単層構造でもよいし、三層以上の積層構造にしてもよい。また、配線の材料としては、AlとTiに限らない。例えば、TaN膜上にAlやCuを形成し、さらにTi膜を形成した積層膜をパターニングして配線を形成してもよい。(図15)
【0158】
また、画素部687においては、画素電極670、ゲート配線669、接続電極668を形成する。この接続電極668によりソース配線(633aと633bの積層)は、画素TFTと電気的な接続が形成される。また、ゲート配線669は、画素TFTのゲート電極と電気的な接続が形成される。また、画素電極670は、画素TFTのドレイン領域642と電気的な接続が形成され、さらに保持容量を形成する一方の電極として機能する半導体層659と電気的な接続が形成される。また、画素電極670としては、AlまたはAgを主成分とする膜、またはそれらの積層膜等の反射性の優れた材料を用いることが望ましい。
【0159】
以上の様にして、nチャネル型TFT681とpチャネル型TFT682からなるCMOS回路、及びnチャネル型TFT683を有する駆動回路686と、画素TFT684、保持容量685とを有する画素部687を同一基板上に形成することができる。こうして、アクティブマトリクス基板が完成する。
【0160】
駆動回路686のnチャネル型TFT681はチャネル形成領域637、ゲート電極の一部を構成する第1の導電層628aと重なる低濃度不純物領域636(GOLD領域)、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域652と、n型を付与する不純物元素が導入された不純物領域690を有している。このnチャネル型TFT681と電極666で接続してCMOS回路を形成するpチャネル型TFT682にはチャネル形成領域640、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域654と、n型を付与する不純物元素およびp型を付与する不純物元素が導入された不純物領域653を有している。また、nチャネル型TFT683にはチャネル形成領域643、ゲート電極の一部を構成する第1の導電層630aと重なる低濃度不純物領域642(GOLD領域)、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域656と、n型を付与する不純物元素が導入された不純物領域691を有している。
【0161】
画素部の画素TFT684にはチャネル形成領域646、ゲート電極の外側に形成される低濃度不純物領域645(LDD領域)、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域658と、n型を付与する不純物元素が導入された不純物領域692を有している。また、保持容量685の一方の電極として機能する半導体層には、n型を付与する不純物元素およびp型を付与する不純物元素が添加されている。保持容量685は、絶縁膜616を誘電体として、電極(632aと632bの積層)と、半導体層とで形成している。
【0162】
本実施例の画素構造は、ブラックマトリクスを用いることなく、画素電極間の隙間が遮光されるように、画素電極の端部をソース配線と重なるように配置形成する。
【0163】
本実施例は、実施例1〜実施例8と組み合わせて実施することが可能である。
【0164】
(実施例10)
本実施例では、実施例9で作製したアクティブマトリクス基板から、反射型液晶表示装置を作製する工程を以下に説明する。説明には図16を用いる。
【0165】
まず、実施例9に従い、図15の状態のアクティブマトリクス基板を得た後、図15のアクティブマトリクス基板上、少なくとも画素電極670上に配向膜867を形成しラビング処理を行う。なお、本実施例では配向膜867を形成する前に、アクリル樹脂膜等の有機樹脂膜をパターニングすることによって基板間隔を保持するための柱状のスペーサ872を所望の位置に形成した。また、柱状のスペーサに代えて、球状のスペーサを基板全面に散布してもよい。
【0166】
次いで、対向基板869を用意する。次いで、対向基板869上に着色層870、871、平坦化膜873を形成する。赤色の着色層870と青色の着色層871とを重ねて、遮光部を形成する。また、赤色の着色層と緑色の着色層とを一部重ねて、遮光部を形成してもよい。
【0167】
本実施例では、実施例9に示す基板を用いている。従って、少なくともゲート配線669と画素電極670の間隙と、ゲート配線669と接続電極668の間隙と、接続電極668と画素電極670の間隙を遮光する必要がある。本実施例では、それらの遮光すべき位置に着色層の積層からなる遮光部が重なるように各着色層を配置して、対向基板を貼り合わせた。
【0168】
このように、ブラックマスク等の遮光層を形成することなく、各画素間の隙間を着色層の積層からなる遮光部で遮光することによって工程数の低減を可能とした。
【0169】
次いで、平坦化膜873上に透明導電膜からなる対向電極876を少なくとも画素部に形成し、対向基板の全面に配向膜874を形成し、ラビング処理を施した。
【0170】
そして、画素部と駆動回路が形成されたアクティブマトリクス基板と対向基板とをシール材868で貼り合わせる。シール材868にはフィラーが混入されていて、このフィラーと柱状スペーサによって均一な間隔を持って2枚の基板が貼り合わせられる。その後、両基板の間に液晶材料875を注入し、封止剤(図示せず)によって完全に封止する。液晶材料875には公知の液晶材料を用いれば良い。このようにして図16に示す反射型液晶表示装置が完成する。そして、必要があれば、アクティブマトリクス基板または対向基板を所望の形状に分断する。さらに、対向基板のみに偏光板(図示しない)を貼りつけた。そして、公知の技術を用いてFPCを貼りつけた。
【0171】
以上のようにして作製される液晶表示装置はエネルギー分布が周期的または一様なレーザー光が照射され、大粒径の結晶粒が形成された半導体膜を用いて作製されたTFTを有しており、前記液晶表示装置の動作特性や信頼性を十分なものとなり得る。そして、このような液晶表示装置は各種電子機器の表示部として用いることができる。
【0172】
なお、本実施例は実施例1〜実施例9と組み合わせて実施することが可能である。
【0173】
(実施例11)
本実施例では、実施例9で示したアクティブマトリクス基板を作製するときのTFTの作製方法を用いて、発光装置を作製する例を以下に説明する。本明細書において、発光装置とは、基板上に形成された発光素子を該基板とカバー材の間に封入した表示用パネルおよび該表示用パネルにTFT等を実装した表示用モジュールを総称したものである。なお、発光素子は、電場を加えることで発生するルミネッセンス(Electro Luminescence)が得られる有機化合物を含む層(発光層)と陽極層と、陰極層とを有する。また、有機化合物におけるルミネッセンスには、一重項励起状態から基底状態に戻る際の発光(蛍光)と三重項励起状態から基底状態に戻る際の発光(リン光)があり、これらのうちどちらか、あるいは両方の発光を含む。
【0174】
なお、本明細書中では、発光素子において陽極と陰極の間に形成された全ての層を有機発光層と定義する。有機発光層には具体的に、発光層、正孔注入層、電子注入層、正孔輸送層、電子輸送層等が含まれる。基本的に発光素子は、陽極層、発光層、陰極層が順に積層された構造を有しており、この構造に加えて、陽極層、正孔注入層、発光層、陰極層や、陽極層、正孔注入層、発光層、電子輸送層、陰極層等の順に積層した構造を有していることもある。
【0175】
図17は本実施例の発光装置の断面図である。図17において、基板700上に設けられたスイッチングTFT733は実施例9の作製方法を用いて形成される。
【0176】
なお、本実施例ではチャネル形成領域が二つ形成されるダブルゲート構造としているが、チャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。
【0177】
基板700上に設けられた駆動回路は実施例9の作製方法を用いて形成される。なお、本実施例ではシングルゲート構造としているが、ダブルゲート構造もしくはトリプルゲート構造であっても良い。
【0178】
また、配線701、703はCMOS回路のソース配線、702はドレイン配線として機能する。また、配線704はソース配線708とスイッチングTFTのソース領域とを電気的に接続する配線として機能し、配線705はドレイン配線709とスイッチングTFTのドレイン領域とを電気的に接続する配線として機能する。
【0179】
なお、電流制御TFT734は実施例9の作製方法を用いて形成される。なお、本実施例ではシングルゲート構造としているが、ダブルゲート構造もしくはトリプルゲート構造であっても良い。
【0180】
また、配線706は電流制御TFTのソース配線(電流供給線に相当する)であり、707は電流制御TFTのドレイン領域と画素電極711とを電気的に接続する電極である。
【0181】
なお、711は、透明導電膜からなる画素電極(発光素子の陽極)である。透明導電膜としては、酸化インジウムと酸化スズとの化合物、酸化インジウムと酸化亜鉛との化合物、酸化亜鉛、酸化スズまたは酸化インジウムを用いることができる。また、前記透明導電膜にガリウムを添加したものを用いても良い。画素電極711は、上記配線を形成する前に平坦な層間絶縁膜710上に形成する。本実施例においては、樹脂からなる平坦化膜710を用いてTFTによる段差を平坦化することは非常に重要である。後に形成される発光層は非常に薄いため、段差が存在することによって発光不良を起こす場合がある。従って、発光層をできるだけ平坦面に形成しうるように画素電極を形成する前に平坦化しておくことが望ましい。
【0182】
配線701〜707を形成後、図17に示すようにバンク712を形成する。バンク712は100〜400nmの珪素を含む絶縁膜もしくは有機樹脂膜をパターニングして形成すれば良い。
【0183】
なお、バンク712は絶縁膜であるため、成膜時における素子の静電破壊には注意が必要である。本実施例ではバンク712の材料となる絶縁膜中にカーボン粒子や金属粒子を添加して抵抗率を下げ、静電気の発生を抑制する。この際、抵抗率は1×106〜1×1012Ωm(好ましくは1×108〜1×1010Ωm)となるようにカーボン粒子や金属粒子の添加量を調節すれば良い。
【0184】
画素電極711の上には発光層713が形成される。なお、図17では一画素しか図示していないが、本実施例ではR(赤)、G(緑)、B(青)の各色に対応した発光層を作り分けている。また、本実施例では蒸着法により低分子系有機発光材料を形成している。具体的には、正孔注入層として20nm厚の銅フタロシアニン(CuPc)膜を設け、その上に発光層として70nm厚のトリス−8−キノリノラトアルミニウム錯体(Alq3)膜を設けた積層構造としている。Alq3にキナクリドン、ペリレンもしくはDCM1といった蛍光色素を添加することで発光色を制御することができる。
【0185】
但し、以上の例は発光層として用いることのできる有機発光材料の一例であって、これに限定する必要はまったくない。発光層、電荷輸送層または電荷注入層を自由に組み合わせて発光層(発光及びそのためのキャリアの移動を行わせるための層)を形成すれば良い。例えば、本実施例では低分子系有機発光材料を発光層として用いる例を示したが、中分子系有機発光材料や高分子系有機発光材料を用いても良い。なお、本明細書中において、昇華性を有さず、かつ、分子数が20以下または連鎖する分子の長さが10μm以下の有機発光材料を中分子系有機発光材料とする。また、高分子系有機発光材料を用いる例として、正孔注入層として20nmのポリチオフェン(PEDOT)膜をスピン塗布法により設け、その上に発光層として100nm程度のパラフェニレンビニレン(PPV)膜を設けた積層構造としても良い。なお、PPVのπ共役系高分子を用いると、赤色から青色まで発光波長を選択できる。また、電荷輸送層や電荷注入層として炭化珪素等の無機材料を用いることも可能である。これらの有機発光材料や無機材料は公知の材料を用いることができる。
【0186】
次に、発光層713の上には導電膜からなる陰極714が設けられる。本実施例の場合、導電膜としてアルミニウムとリチウムとの合金膜を用いる。勿論、公知のMgAg膜(マグネシウムと銀との合金膜)を用いても良い。陰極材料としては、周期表の1族もしくは2族に属する元素からなる導電膜もしくはそれらの元素を添加した導電膜を用いれば良い。
【0187】
この陰極714まで形成された時点で発光素子715が完成する。なお、ここでいう発光素子715は、画素電極(陽極)711、発光層713及び陰極714で形成されたダイオードを指す。
【0188】
発光素子715を完全に覆うようにしてパッシベーション膜716を設けることは有効である。パッシベーション膜716としては、炭素膜、窒化珪素膜もしくは窒化酸化珪素膜を含む絶縁膜からなり、該絶縁膜を単層もしくは組み合わせた積層で用いる。
【0189】
この際、カバレッジの良い膜をパッシベーション膜として用いることが好ましく、炭素膜、特にDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜を用いることは有効である。DLC膜は室温から100℃以下の温度範囲で成膜可能であるため、耐熱性の低い発光層713の上方にも容易に成膜することができる。また、DLC膜は酸素に対するブロッキング効果が高く、発光層713の酸化を抑制することが可能である。そのため、この後に続く封止工程を行う間に発光層713が酸化するといった問題を防止できる。
【0190】
さらに、パッシベーション膜716上に封止材717を設け、カバー材718を貼り合わせる。封止材717としては紫外線硬化樹脂を用いれば良く、内部に吸湿効果を有する物質もしくは酸化防止効果を有する物質を設けることは有効である。また、本実施例においてカバー材718はガラス基板や石英基板やプラスチック基板(プラスチックフィルムも含む)の両面に炭素膜(好ましくはダイヤモンドライクカーボン膜)を形成したものを用いる。
【0191】
こうして図17に示すような構造の発光装置が完成する。なお、バンク712を形成した後、パッシベーション膜716を形成するまでの工程をマルチチャンバー方式(またはインライン方式)の成膜装置を用いて、大気解放せずに連続的に処理することは有効である。また、さらに発展させてカバー材718を貼り合わせる工程までを大気解放せずに連続的に処理することも可能である。
【0192】
こうして、基板700上にnチャネル型TFT731、732、スイッチングTFT(nチャネル型TFT)733および電流制御TFT(nチャネル型TFT)734が形成される。
【0193】
さらに、図17を用いて説明したように、ゲート電極に絶縁膜を介して重なる不純物領域を設けることによりホットキャリア効果に起因する劣化に強いnチャネル型TFTを形成することができる。そのため、信頼性の高い発光装置を実現できる。
【0194】
また、本実施例では画素部と駆動回路の構成のみ示しているが、本実施例の製造工程に従えば、その他にも信号分割回路、D/Aコンバータ、オペアンプ、γ補正回路などの論理回路を同一の絶縁体上に形成可能であり、さらにはメモリやマイクロプロセッサをも形成しうる。
【0195】
以上のようにして作製される発光装置はエネルギー分布が周期的または一様なレーザー光が照射され、大粒径の結晶粒が形成された半導体膜を用いて作製されたTFTを有しており、前記発光装置の動作特性や信頼性を十分なものとなり得る。そして、このような発光装置は各種電子機器の表示部として用いることができる。
【0196】
なお、本実施例は実施例1〜実施例9のいずれか一と組み合わせて実施することが可能である。
【0197】
(実施例12)
本実施例では、本発明の半導体装置の1つである発光装置の画素の、実施例11とは異なる構成について説明する。図18に本実施例の発光装置の画素の断面図を示す。
【0198】
751はnチャネル型TFTであり、752はpチャネル型TFTである。nチャネル型TFT751は、半導体膜753と、第1の絶縁膜770と、第1の電極754、755と、第2の絶縁膜771と、第2の電極756、757とを有している。そして、半導体膜753は、第1濃度の一導電型不純物領域758と、第2濃度の一導電型不純物領域759と、チャネル形成領域760、761を有している。
【0199】
第1の電極754、755とチャネル形成領域760、761とは、それぞれ第1の絶縁膜770を間に挟んで重なっている。また、第2の電極756、757と、チャネル形成領域760、761とは、それぞれ第2の絶縁膜771を間に挟んで重なっている。
【0200】
pチャネル型TFT752は、半導体膜780と、第1の絶縁膜770と、第1の電極781と、第2の絶縁膜771と、第2の電極782とを有している。そして、半導体膜780は、第3濃度の一導電型不純物領域783と、チャネル形成領域784を有している。
【0201】
第1の電極781とチャネル形成領域784とは、それぞれ第1の絶縁膜770を間に挟んで重なっている。第2の電極782とチャネル形成とは、それぞれ第2の絶縁膜771を間に挟んで重なっている。
【0202】
そして、第1の電極781と第2の電極782とは、配線790を介して電気的に接続されている。
【0203】
本発明のレーザー装置は、半導体膜753、780の結晶化、活性化またはその他レーザーアニールを用いる工程において使用することができる。
【0204】
本実施例では、スイッチング素子として用いるTFT(本実施例の場合nチャネル型TFT751)は、第1の電極に一定の電圧を印加している。第1の電極に一定の電圧を印加することで、電極が1つの場合に比べて閾値のばらつきを抑えることができ、なおかつオフ電流を抑えることができる。
【0205】
また、スイッチング素子として用いるTFTよりも大きな電流を流すTFT(本実施例の場合pチャネル型TFT752)は、第1の電極と第2の電極とを電気的に接続している。第1の電極と第2の電極に同じ電圧を印加することで、実質的に半導体膜の膜厚を薄くしたのと同じように空乏層が早く広がるので、サブスレッショルド係数を小さくすることができ、オン電流を大きくすることができる。よって、この構造のTFTを駆動回路に使用することにより、駆動電圧を低下させることができる。また、オン電流を大きくすることができるので、TFTのサイズ(特にチャネル幅)を小さくすることができる。そのため集積密度を向上させることができる。
【0206】
なお、本実施例は実施例1〜実施例11のいずれか一と組み合わせて実施することが可能である。
【0207】
(実施例13)
本実施例では、本発明の半導体装置の1つである発光装置の画素の、実施例11、実施例12とは異なる構成について説明する。図19に本実施例の発光装置の画素の断面図を示す。
【0208】
図19において、911は基板、912は下地となる絶縁膜(以下、下地膜という)である。基板911としては透光性基板、代表的にはガラス基板、石英基板、ガラスセラミックス基板、又は結晶化ガラス基板を用いることができる。但し、作製プロセス中の最高処理温度に耐えるものでなくてはならない。
【0209】
8201はスイッチングTFT、8202は電流制御TFTであり、それぞれnチャネル型TFT、pチャネル型TFTで形成されている。有機発光層の発光方向が基板の下面(TFT及び有機発光層が設けられていない面)の場合、上記構成であることが好ましい。しかしスイッチングTFTと電流制御TFTは、nチャネル型TFTでもpチャネル型TFTでも、どちらでも構わない。
【0210】
スイッチングTFT8201は、ソース領域913、ドレイン領域914、LDD領域915a〜915d、分離領域916及びチャネル形成領域917a、917bを含む活性層と、ゲート絶縁膜918と、ゲート電極919a、919bと、第1層間絶縁膜920と、ソース信号線921と、ドレイン配線922とを有している。なお、ゲート絶縁膜918又は第1層間絶縁膜920は基板上の全TFTに共通であっても良いし、回路又は素子に応じて異ならせても良い。
【0211】
また、図19に示すスイッチングTFT8201はゲート電極917a、917bが電気的に接続されており、いわゆるダブルゲート構造となっている。勿論、ダブルゲート構造だけでなく、トリプルゲート構造などいわゆるマルチゲート構造(直列に接続された二つ以上のチャネル形成領域を有する活性層を含む構造)であっても良い。
【0212】
マルチゲート構造はオフ電流を低減する上で極めて有効であり、スイッチングTFTのオフ電流を十分に低くすれば、それだけ電流制御TFT8202のゲート電極に接続された保持容量が必要とする最低限の容量を抑えることができる。即ち、保持容量の面積を小さくすることができるので、マルチゲート構造とすることは発光素子の有効発光面積を広げる上でも有効である。
【0213】
さらに、スイッチングTFT8201においては、LDD領域915a〜915dは、ゲート絶縁膜918を介してゲート電極919a、919bと重ならないように設ける。このような構造はオフ電流を低減する上で非常に効果的である。また、LDD領域915a〜915dの長さ(幅)は0.5〜3.5μm、代表的には2.0〜2.5μmとすれば良い。なお、二つ以上のゲート電極を有するマルチゲート構造の場合、チャネル形成領域の間に設けられた分離領域916(ソース領域又はドレイン領域と同一の濃度で同一の不純物元素が添加された領域)がオフ電流の低減に効果的である。
【0214】
次に、電流制御TFT8202は、ソース領域926、ドレイン領域927及びチャネル形成領域965を含む活性層と、ゲート絶縁膜918と、ゲート電極930と、第1層間絶縁膜920と、ソース信号線931並びにドレイン配線932を有して形成される。本実施例において電流制御TFT8202はpチャネル型TFTである。
【0215】
また、スイッチングTFT8201のドレイン領域914は電流制御TFT8202のゲート930に接続されている。図示してはいないが、具体的には電流制御TFT8202のゲート電極930はスイッチングTFT8201のドレイン領域914とドレイン配線(接続配線とも言える)922を介して電気的に接続されている。なお、ゲート電極930はシングルゲート構造となっているが、マルチゲート構造であっても良い。また、電流制御TFT8202のソース信号線931は電源供給線(図示せず)に接続される。
【0216】
以上は画素内に設けられたTFTの構造について説明したが、このとき同時に駆動回路も形成される。図19には駆動回路を形成する基本単位となるCMOS回路が図示されている。
【0217】
図19においては極力動作速度を落とさないようにしつつホットキャリア注入を低減させる構造を有するTFTをCMOS回路のnチャネル型TFT8204として用いる。なお、ここでいう駆動回路としては、ソース信号側駆動回路、ゲート信号側駆動回路を指す。勿論、他の論理回路(レベルシフタ、A/Dコンバータ、信号分割回路等)を形成することも可能である。
【0218】
CMOS回路のnチャネル型TFT8204の活性層は、ソース領域935、ドレイン領域936、LDD領域937及びチャネル形成領域938を含み、LDD領域937はゲート絶縁膜918を介してゲート電極939と重なっている。
【0219】
ドレイン領域936側のみにLDD領域937を形成しているのは、動作速度を落とさないための配慮である。また、このnチャネル型TFT8204はオフ電流値をあまり気にする必要はなく、それよりも動作速度を重視した方が良い。従って、LDD領域937は完全にゲート電極に重ねてしまい、極力抵抗成分を少なくすることが望ましい。即ち、いわゆるオフセットはなくした方がよい。
【0220】
また、CMOS回路のpチャネル型TFT8205は、ホットキャリア注入による劣化が殆ど気にならないので、特にLDD領域を設けなくても良い。従って活性層はソース領域940、ドレイン領域941及びチャネル形成領域961を含み、その上にはゲート絶縁膜918とゲート電極943が設けられる。勿論、nチャネル型TFT8204と同様にLDD領域を設け、ホットキャリア対策を講じることも可能である。
【0221】
なお942、938、917a、917b、929はチャネル形成領域961〜965を形成するためのマスクである。
【0222】
また、nチャネル型TFT8204及びpチャネル型TFT8205はそれぞれソース領域上に第1層間絶縁膜920を間に介して、ソース信号線944、945を有している。また、ドレイン配線946によってnチャネル型TFT8204とpチャネル型TFT8205とのドレイン領域は互いに電気的に接続される。
【0223】
本発明のレーザー装置は、活性層の結晶化、活性化またはその他レーザーアニールを用いる工程において使用することができる。
【0224】
なお本実施例の構成は、実施例1〜11と自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0225】
(実施例14)
本実施例では、半導体膜をレーザー光照射により結晶化したときに溶融した半導体膜中に混入した不純物を、除去する例について説明する。以下に代表的な作製手順を簡略に図21を用いて示す。
【0226】
図21(A)中、1100は、絶縁表面を有する基板、1101は下地絶縁膜、1102は非晶質構造を有する半導体膜である。
【0227】
まず、基板1100上にブロッキング層として酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜などの絶縁膜からなる下地絶縁膜1101を形成する。ここでは下地絶縁膜1101として2層構造(膜厚50nmの酸化窒化シリコン膜、膜厚100nmの酸化窒化シリコン膜)を用いるが、単層膜または2層以上積層させた構造を用いても良い。ただし、ブロッキング層を設ける必要がない場合には下地絶縁膜を形成しなくともよい。(図21(A))
【0228】
次いで、下地絶縁膜上に非晶質構造を有する半導体膜1102を公知の手段により結晶化して結晶構造を有する半導体膜1104を形成する。(図21(B))
【0229】
本実施例において、結晶構造を有する半導体膜は、プラズマCVD法、減圧熱CVD法、またはスパッタ法で得られる非晶質構造を有する半導体膜1102を、本発明のレーザー装置を用いたレーザーアニールにより結晶化を行う。
【0230】
なおレーザー発振装置は、連続発振またはパルス発振の気体レーザーもしくは固体レーザーを用いることができる。気体レーザーとして、エキシマレーザー、Arレーザー、Krレーザーなどがあり、固体レーザーとして、YAGレーザー、YVOレーザー、YLFレーザー、YAlOレーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、アレキサンドライレーザー、Ti:サファイアレーザー、Yレーザーなどが挙げられる。固体レーザーとしては、Cr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti、Yb又はTmがドーピングされたYAG、YVO、YLF、YAlOなどの結晶を使ったレーザー等も使用可能である。当該レーザーの基本波はドーピングする材料によって異なり、1μm前後の基本波を有するレーザー光が得られる。基本波に対する高調波は、非線形光学素子を用いることで得ることができる。レーザー光の照射における詳しい条件については、実施例9の記載を参照することができる。
【0231】
なお、結晶構造を有する半導体膜1104中の酸素濃度(SIMS分析)は、5×1018atoms/cm3以下となるように形成することが望ましい。
【0232】
次いで、結晶構造を有する半導体膜1104上に珪素を主成分とするバリア層1105を形成する。なお、このバリア層1105は極薄いものでよく、自然酸化膜であってもよいし、酸素を含む雰囲気下において紫外線の照射によりオゾンを発生させて酸化させる酸化膜であってもよい。また、このバリア層1105として、炭素、即ち有機物の除去のために行われるヒドロ洗浄と呼ばれる表面処理に使用するオゾンを含む溶液で酸化させた酸化膜であってもよい。このバリア層1105は、主にエッチングストッパーとして用いるものである。また、このバリア層1105を形成した後、チャネルドープを行い、その後、強光を照射して活性化させてもよい。
【0233】
次いで、バリア層1105上に第2の半導体膜1106を形成する。(図21(C))この第2の半導体膜1106は非晶質構造を有する半導体膜であってもよいし、結晶構造を有する半導体膜であってもよい。この第2の半導体膜1106の膜厚は、5〜50nm、好ましくは10〜20nmとする。第2の半導体膜1106には、酸素(SIMS分析での濃度が5×1018atoms/cm3以上、好ましくは1×1019atoms/cm3以上)を含有させてゲッタリング効率を向上させることが望ましい。
【0234】
次いで、第2の半導体膜1106上に希ガス元素を含む第3の半導体膜(ゲッタリングサイト)1107を形成する。この第3の半導体膜1107はプラズマCVD法、減圧熱CVD法、またはスパッタ法を用いた非晶質構造を有する半導体膜であってもよいし、結晶構造を有する半導体膜であってもよい。第3の半導体膜は、成膜段階で希ガス元素を含む半導体膜であってもよいし、希ガス元素を含んでいない半導体膜の成膜後に希ガス元素を添加してもよい。本実施例では成膜段階で希ガス元素を含む第3の半導体膜1107を形成した後、さらに希ガス元素を選択的に添加して第3の半導体膜1108を形成した例を示した。(図21(D))また、第2の半導体膜と第3の半導体膜とを大気に触れることなく連続的に成膜してもよい。また、第2の半導体膜の膜厚と第3の半導体膜の膜厚との和は30〜200nm、例えば50nmとすればよい。
【0235】
本実施例は、第2の半導体膜1106によって、第1の半導体膜1104と第3の半導体膜(ゲッタリングサイト)1108との間隔を空けている。ゲッタリングの際、半導体膜1104中に存在する金属等の不純物元素は、ゲッタリングサイトの境界付近に集まりやすい傾向があるため、本実施例のように第2の半導体膜1106によって、ゲッタリングサイトの境界を第1の半導体膜1104から遠ざけてゲッタリング効率を向上させることが望ましい。加えて、第2の半導体膜1106は、ゲッタリングの際、ゲッタリングサイトに含まれる不純物元素が拡散して第1の半導体膜の界面に達することがないようにブロッキングする効果も有している。また、第2の半導体膜1106は、希ガス元素を添加する場合、第1の半導体膜にダメージを与えないように保護する効果も有している。
【0236】
次いで、ゲッタリングを行う。ゲッタリングを行う工程としては、窒素雰囲気中で450〜800℃、1〜24時間、例えば550℃にて14時間の熱処理を行えばよい。また、熱処理に代えて強光を照射してもよい。また、熱処理に加えて強光を照射してもよい。また、加熱したガスを噴射して基板を加熱するようにしても良い。この場合、600℃〜800℃、より望ましくは650℃〜750℃で1〜60分加熱を行えば良く。時間を短縮化することができる。このゲッタリングにより、図21(E)中の矢印の方向に不純物元素が移動し、バリア層1105で覆われた半導体膜1104に含まれる不純物元素の除去、または不純物元素の濃度の低減が行われる。ここでは、不純物元素が第1の半導体膜1104に偏析しないよう全て第3の半導体膜1108に移動させ、第1の半導体膜1104に含まれる不純物元素がほとんど存在しない、即ち膜中の不純物元素濃度が1×1018atoms/cm3以下、望ましくは1×1017atoms/cm3以下になるように十分ゲッタリングする。
【0237】
次いで、バリア層1105をエッチングストッパーとして、1106、1108で示した半導体膜のみを選択的に除去した後、半導体膜1104を公知のパターニング技術を用いて所望の形状の半導体層1109を形成する。(図21(F))
【0238】
次いで、半導体層の表面をフッ酸を含むエッチャントで洗浄した後、ゲート絶縁膜1110となる珪素を主成分とする絶縁膜を形成する。この表面洗浄とゲート絶縁膜の形成は、大気にふれさせずに連続的に行うことが望ましい。
【0239】
次いで、ゲート絶縁膜表面を洗浄した後、ゲート電極1111を形成し、半導体にn型を付与する不純物元素(P、As等)、ここではリンを適宜添加して、ソース領域1112及びドレイン領域1113を形成する。添加した後、不純物元素を活性化するために加熱処理、強光の照射、または本発明のレーザー装置を用いたレーザー光の照射を行う。また、活性化と同時にゲート絶縁膜へのプラズマダメージやゲート絶縁膜と半導体層との界面へのプラズマダメージを回復することができる。特に、室温〜300℃の雰囲気中において、表面または裏面からYAGレーザーの第2高調波を照射して不純物元素を活性化させることは非常に有効である。YAGレーザーはメンテナンスが少ないため好ましい活性化手段である。
【0240】
以降の工程は、層間絶縁膜1115を形成し、水素化を行って、ソース領域、ドレイン領域に達するコンタクトホールを形成し、ソース電極1116、ドレイン電極1117を形成してTFTを完成させる。(図21(G))
【0241】
こうして得られたTFTは、少なくともチャネル形成領域1114に含まれていた不純物元素は除去され、且つ、希ガス元素も含有していない。
【0242】
また、本実施例は図21の構造に限定されず、必要があればチャネル形成領域とドレイン領域(またはソース領域)との間にLDD領域を有する低濃度ドレイン(LDD:Lightly Doped Drain)構造としてもよい。この構造はチャネル形成領域と、高濃度に不純物元素を添加して形成するソース領域またはドレイン領域との間に低濃度に不純物元素を添加した領域を設けたものであり、この領域をLDD領域と呼んでいる。さらにゲート絶縁膜を介してLDD領域をゲート電極と重ねて配置させた、いわゆるGOLD(Gate Overlapped LDD)構造としてもよい。
【0243】
また、ここではnチャネル型TFTを用いて説明したが、半導体にn型を付与する不純物元素に代えて、半導体にp型を付与する不純物元素を用いることによってpチャネル型TFTを形成することができることは言うまでもない。
【0244】
また、本実施例では、ゲッタリングが終了してから半導体膜をパターニングしているが、本実施例はこの構成に限定されない。半導体膜のパターニングは結晶化する前に行っても良いし、結晶化した後バリア層を形成する前に行っても良い。また、半導体膜を、結晶化する前、または結晶化した後でなおかつバリア層を形成する前に、大まかにパターニングし、そして、ゲッタリングした後に再びパターニングを行って、TFTの活性層を形成するようにしても良い。
【0245】
また、ここではトップゲート型TFTを例として説明したが、TFT構造に関係なく本実施例を適用することが可能であり、例えばボトムゲート型(逆スタガ型)TFTや順スタガ型TFTに適用することが可能である。
【0246】
なお本実施例の構成は、実施例1〜13と自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0247】
(実施例15)
本実施例では、本発明のレーザー装置が具備している、被処理物を回転させる第2の手段と、該回転の中心を直線上において移動させる第3の手段と、該被処理物の移動範囲内の一定の領域に一定の位置及び一定の方向からレーザー光を照射する第4の手段とを、CPUを用いてその動作を制御する例について説明する。
【0248】
図22に示した本発明のレーザー装置は、被処理物230を設置する第1の手段に相当するステージ231を有している。ステージ231を回転させることができる第2の手段に相当する、回転台233及び回転台用モーター236を有している。また、回転の中心を直線上において移動させることができる第3の手段に相当する、ガイドレール232及び移動用モーター235を有している。さらに、一定の位置及び一定の方向から、レーザー光を被処理物230の移動する範囲内における特定の領域に照射することができる第4の手段に相当する、レーザー発振装置及びその他光学系237を有している。
【0249】
回転台233の回転の中心が移動する直線状の軌跡の延長上には、レーザー光が照射される一定の領域が存在している。
【0250】
照射位置の移動するスピードを一定にし、被処理物の部分によってレーザー光の照射時間を一定にするために、回転の中心の移動に伴い、回転の速度を調整する必要がある。CPU240は、被処理物230の各部分におけるレーザー光の適切な照射時間を考慮に入れ、被処理物230の回転速度と、回転の中心の移動速度とを制御する。具体的には、レーザー光が照射される一定の領域が回転の中心から離れるほど、回転の速度を落とし、回転の中心に近づくほど、回転の速度を上げるようにする。
【0251】
また、被処理物230の回転速度に対して回転の中心234の移動速度が速すぎると被処理物全面をレーザー光で照射できなくなるので、被処理物230全面をレーザー光で照射しようとするならば、被処理物230の回転速度と、回転の中心234の移動速度とをCPUで適宜調整する。
【0252】
また、被処理物230の回転速度と、回転の中心の移動速度とを調整することで、被処理物230の各部分において複数回レーザー光を照射することも可能である。また、回転の中心を一方向に移動させた後、逆方向に移動させることで、被処理物230に複数回レーザー光を照射させることも可能である。
【0253】
また、実施例2に示したように、1回目のレーザー照射と2回目のレーザー照射において、回転台におけるレーザー光の照射位置を変える場合、CPU240で第4の手段を制御し、その照射位置を制御するようにしても良い。
【0254】
なお本発明のレーザー装置は、上記4つの手段の他に、被処理物の温度を調節する手段を備えていても良い。そして、被処理物の温度を調節する手段をCPU240によって制御するようにしても良い。
【0255】
本実施例は、実施例1〜実施例14と組み合わせて実施することが可能である。
【0256】
(実施例16)
本発明のレーザー装置によって形成された半導体装置を用いた電子機器として、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、オーディオコンポ等)、ノート型パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDVD(digital versatile disc)等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置)などが挙げられる。それら電子機器の具体例を図24に示す。
【0257】
図24(A)は表示装置であり、筐体2001、支持台2002、表示部2003、スピーカー部2004、ビデオ入力端子2005等を含む。本発明の半導体装置は表示部2003に用いることができる。半導体装置は自発光型であるためバックライトが必要なく、液晶ディスプレイよりも薄い表示部とすることができる。なお、表示装置は、パソコン用、TV放送受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。
【0258】
図24(B)はデジタルスチルカメラであり、本体2101、表示部2102、受像部2103、操作キー2104、外部接続ポート2105、シャッター2106等を含む。本発明の半導体装置は表示部2102及びその他回路に用いることができる。
【0259】
図24(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、本体2201、筐体2202、表示部2203、キーボード2204、外部接続ポート2205、ポインティングマウス2206等を含む。本発明の半導体装置は表示部2203及びその他回路に用いることができる。
【0260】
図24(D)はモバイルコンピュータであり、本体2301、表示部2302、スイッチ2303、操作キー2304、赤外線ポート2305等を含む。本発明の半導体装置は表示部2302に用いることができる。
【0261】
図24(E)は記録媒体を備えた携帯型の画像再生装置(具体的にはDVD再生装置)であり、本体2401、筐体2402、表示部A2403、表示部B2404、記録媒体(DVD等)読み込み部2405、操作キー2406、スピーカー部2407等を含む。表示部A2403は主として画像情報を表示し、表示部B2404は主として文字情報を表示するが、本発明の半導体装置はこれら表示部A、B2403、2404及びその他回路に用いることができる。なお、記録媒体を備えた画像再生装置には家庭用ゲーム機器なども含まれる。
【0262】
図24(F)はゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)であり、本体2501、表示部2502、アーム部2503を含む。本発明の半導体装置は表示部2502及びその他回路に用いることができる。
【0263】
図24(G)はビデオカメラであり、本体2601、表示部2602、筐体2603、外部接続ポート2604、リモコン受信部2605、受像部2606、バッテリー2607、音声入力部2608、操作キー2609、接眼部2610等を含む。本発明の半導体装置は表示部2602及びその他回路に用いることができる。
【0264】
ここで図24(H)は携帯電話であり、本体2701、筐体2702、表示部2703、音声入力部2704、音声出力部2705、操作キー2706、外部接続ポート2707、アンテナ2708等を含む。本発明の半導体装置は表示部2703及びその他回路に用いることができる。なお、表示部2703は黒色の背景に白色の文字を表示することで携帯電話の消費電力を抑えることができる。
【0265】
なお、上述した電子機器の他に、フロント型若しくはリア型のプロジェクターに用いることも可能となる。
【0266】
以上の様に、本発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。また、本実施例の電子機器は実施例1〜15に示したいずれの構成の半導体装置を用いても良い。
【0267】
(実施例17)
本実施例では、本発明のレーザー装置を用いて半導体膜を結晶化例について説明する。
【0268】
図25(A)中、3000は、絶縁表面を有する基板、3001は基板中の不純物が半導体膜中に入り込むのを防ぐ絶縁膜である下地膜、3002は非晶質構造を有する半導体膜である。
【0269】
図25(A)において、基板3000はガラス基板、石英基板、セラミック基板などを用いることができる。また、シリコン基板、金属基板またはステンレス基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。また、本工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板を用いてもよい。
【0270】
まず、図25(A)に示すように基板3000上に酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜(SiOxy)等の絶縁膜から成る下地絶縁膜3001を形成する。代表的な一例は下地絶縁膜3001として2層構造から成り、SiH4、NH3、及びN2Oを反応ガスとして成膜される第1酸化窒化シリコン膜を30〜100nm、SiH4、及びN2Oを反応ガスとして成膜される第2酸化窒化シリコン膜を30〜150nmの厚さに積層形成する構造を用いることができる。また、第1酸化窒化シリコン膜、第2酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜とを順次積層した3層構造を用いてもよい。
【0271】
次いで、下地絶縁膜3001上に非晶質構造を有する半導体膜3002を形成する。半導体膜3002は、シリコンを主成分とする半導体材料を用いる。代表的には、非晶質シリコン膜又は非晶質シリコンゲルマニウム膜などが適用され、プラズマCVD法や減圧CVD法、或いはスパッタ法で10〜100nmの厚さに形成する。後の結晶化で良質な結晶性を有する半導体膜を得るためには、非晶質構造を有する半導体膜3002の膜中に含まれる酸素、窒素などの不純物濃度を5×1018 atoms/cm3(二次イオン質量分析法(SIMS)にて測定した原子濃度)以下に低減させておくと良い。これらの不純物は後の結晶化を妨害する要因となり、また、結晶化後においても捕獲中心や再結合中心の密度を増加させる要因となる。そのために、高純度の材料ガスを用いることはもとより、反応室内の鏡面処理(電界研磨処理)やオイルフリーの真空排気系を備えた超高真空対応のCVD装置を用いることが望ましい。
【0272】
次いで、大気中または酸素雰囲気化において非晶質構造を有する半導体膜3002を、本発明のレーザー装置を用いて第1のレーザー光を照射し、結晶化させる。本実施例では第1のレーザーとして連続発振のYVO4レーザーを用いる。本実施例では、レーザー光の出力エネルギーを27Wとし、レーザーのビームスポットを、長軸×短軸が500μm×50μmの楕円形状とし、楕円の短軸方向にレーザー光が移動するようにする。なお、レーザー光の出力エネルギーや、ビームスポットの形状は、設計者が適宜設定することが可能である。
【0273】
なお本実施例では連続発振型のYVO4レーザーを用いるが、本実施例はこの構成に限定されない。例えば、レーザー発振装置は、パルス発振型または連続発光型のエキシマレーザーやYAGレーザー、YVO4レーザーを用いることができる。結晶化の条件は実施者が適宣選択するものであるが、エキシマレーザーを用いる場合はパルス発振周波数300Hzとし、レーザーエネルギー密度を100〜400mJ/cm2(代表的には200〜300mJ/cm2)とする。また、YAGレーザーを用いる場合にはその第2高調波を用いパルス発振周波数30〜300kHzとし、レーザーエネルギー密度を300〜600mJ/cm2(代表的には350〜500mJ/cm2)とすると良い。そして幅100〜1000μm、例えば400μmで線状に集光したレーザー光を基板全面に渡って照射し、この時の線状レーザー光の重ね合わせ率(オーバーラップ率)を50〜90%として行う。
【0274】
なおレーザーは、連続発振またはパルス発振の気体レーザーもしくは固体レーザーを用いることができる。気体レーザーとして、エキシマレーザー、Arレーザー、Krレーザーなどがあり、固体レーザーとして、YAGレーザー、YVOレーザー、YLFレーザー、YAlOレーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、アレキサンドライレーザー、Ti:サファイアレーザー、Yレーザーなどが挙げられる。固体レーザーとしては、Cr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti、Yb又はTmがドーピングされたYAG、YVO、YLF、YAlOなどの結晶を使ったレーザー等も使用可能である。当該レーザーの基本波はドーピングする材料によって異なり、1μm前後の基本波を有するレーザー光が得られる。基本波に対する高調波は、非線形光学素子を用いることで得ることができる。
【0275】
非晶質半導体膜の結晶化に際し、大粒径に結晶を得るためには、連続発振が可能な固体レーザーを用い、基本波の第2高調波〜第4高調波を適用するのが好ましい。代表的には、Nd:YVO4レーザー(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)や第3高調波(355nm)を適用するのが望ましい。具体的には、出力10Wの連続発振のYVO4レーザーから射出されたレーザー光を非線形光学素子により高調波に変換する。また、共振器の中にYVO4結晶と非線形光学素子を入れて、高調波を射出する方法もある。そして、好ましくは光学系により照射面にて矩形状または楕円形状のレーザー光に成形して、被処理体に照射する。このときのエネルギー密度は0.01〜100MW/cm2程度(好ましくは0.1〜10MW/cm2)が必要である。そして、10〜2000cm/s程度の速度でレーザー光に対して相対的に半導体膜を移動させて照射する。
【0276】
レーザー光の照射により、非晶質構造を有する半導体膜3002が結晶化され、結晶性を有する半導体膜3003と、半導体膜3003に接する酸化膜3004が形成される。なお、レーザー光の照射の際に、半導体膜3003の結晶粒界に沿って突起した部分(リッジ)3005が形成される。(図25(B))
【0277】
次いで、酸化膜3004を除去する。本実施例ではフッ酸系のエッチング液を用いて酸化膜3004を除去し、結晶性を有する半導体膜3003の表面を露出する。なお酸化膜3004の除去の仕方は上述した方法に限定されない。例えば、フッ素系ガスを用いて酸化膜3004を除去するようにいても良い。
【0278】
次いで、結晶性を有する半導体膜3003に対してレーザー光(第2のレーザー光)を、窒素または真空雰囲気下で照射する(図25(C))。なお、不活性雰囲気下で第2のレーザー光を照射する場合、例えば図26に示すように、半導体膜3003のレーザー光が照射される部分にのみ不活性ガスを照射するようにしても良い。例えば図26(A)に示すように、レーザー発振装置及び光学系4001から出力されたレーザー光が、ガス吹きつけ部4002のスリットを通過して半導体膜3003に照射されるようにしても良い。図26(B)はガス吹きつけ部4002の拡大図であり、ガス吹きつけ部4002は、レーザー光が通過できるスリット4006が設けられている。また、ガス吹きつけ部4002は、導管4007を通して供給される不活性ガスが、半導体膜3003のレーザー光が照射される周辺に噴射できるような開口部4008が設けられている。開口部4008から噴射された不活性ガスは半導体膜3003に吹き付けられる。
【0279】
第2のレーザー光照射により、レーザー光(第2のレーザー光)を照射した場合、第1のレーザー光の照射により形成された凹凸の高低差(P―V値:Peak to Valley、高さの最大値と最小値の差分)が低減、即ち、平坦化された半導体膜3006が形成される。(図25(D))ここで、凹凸のP―V値は、AFM(原子間力顕微鏡)により観察すればよい。具体的には、第1のレーザー光の照射により形成された表面の凹凸のP―V値が例えば10nm〜30nm程度であった場合、第2のレーザー光の照射により表面における凸凹のP―V値を5nm以下とすることができる。
【0280】
このレーザー光(第2のレーザー光)には波長400nm以下のエキシマレーザー光や、YAGレーザーの第2高調波、第3高調波を用いる。また、上述した第1のレーザー光と同じレーザーを用いても良い。
【0281】
なお、第2のレーザー光の照射は、第1のレーザー光のエネルギー密度よりも高いが、照射前後で結晶性はほとんど変化しない。また、粒径などの結晶状態もほとんど変化しない。即ち、この第2のレーザー光の照射では平坦化のみが行われていると思われる。
【0282】
結晶性を有する半導体膜3006が第2のレーザー光の照射により平坦化されたメリットは非常に大きい。具体的には、平坦性が向上したことによって、後に形成されるゲート絶縁膜を薄くすることが可能となり、TFTのオン電流値を向上させることができる。また、平坦性が向上したことによって、TFTを作製した場合、オフ電流を低減することができる。
【0283】
本実施例は、実施例1〜実施例16と組み合わせて実施することが可能である。
【0284】
【発明の効果】
本発明のレーザー装置は、一定の位置及び一定の方向からレーザー光を照射していても、被処理物の移動方向を転換せずに被処理物におけるレーザー光の照射位置をX方向及びY方向へ移動させることができ、被処理物全面をレーザー光で照射することができる。よって、被処理物の移動方向の転換に伴う時間のロスが生じることはなく、従来に比べて処理の効率を高めることができる。
【0285】
また、レーザー光は、被処理物に対する照射角度が照射位置に関わらず固定されているため、被処理物内で反射して戻ってくるビームの強さや干渉の強さ等が照射位置によって異なることを防ぎ、被処理物に対する処理をほぼ均一に行うことができる。例えばレーザー照射により半導体膜を結晶化させる場合、半導体膜の位置によって結晶性に差が生じるのを防ぐことができる。そして、ビームの照射方向を変えて被処理物全体をレーザー光で照射する場合に比べて、光学系をシンプルにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のレーザー装置の構造を示す図。
【図2】 本発明のレーザー装置の構造を示す図。
【図3】 被処理物においてレーザー光の照射位置の移動する方向を示す図。
【図4】 本発明のレーザー装置の構造を示す図と、被処理物においてレーザー光の照射位置の移動する方向を示す図。
【図5】 レーザー光の照射される位置を示す図。
【図6】 レーザー光の照射される位置を示す図。
【図7】 本発明のレーザー装置の構造を示す図。
【図8】 液晶パネルにおけるレーザー光軌跡を示す図。
【図9】 レーザー光の照射される位置を示す図。
【図10】 本発明のレーザー装置の構造を示す図。
【図11】 本発明のレーザー装置の構造を示す図。
【図12】 本発明のレーザー装置の構造を示す図。
【図13】 本発明のレーザー装置を用いた半導体装置の作製方法を示す図。
【図14】 本発明のレーザー装置を用いた半導体装置の作製方法を示す図。
【図15】 本発明のレーザー装置を用いた半導体装置の作製方法を示す図。
【図16】 本発明のレーザー装置を用いた半導体装置の作製方法を示す図。
【図17】 本発明のレーザー装置を用いた半導体装置の作製方法を示す図。
【図18】 本発明のレーザー装置を用いた半導体装置の作製方法を示す図。
【図19】 本発明のレーザー装置を用いた半導体装置の作製方法を示す図。
【図20】 従来の被処理物においてレーザー光の照射位置の移動する方向を示す図。
【図21】 本発明のレーザー装置を用いた半導体装置の作製方法を示す図。
【図22】 本発明のレーザー装置のブロック図。
【図23】 液晶パネルにレーザー光を照射する方法を示す図。
【図24】 本発明の半導体装置を用いた電子機器の図。
【図25】 本発明のレーザー装置を用いた半導体膜の結晶化の方法を示す図。
【図26】 本発明のレーザー装置の一実施例を示す図。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser irradiation method for crystallizing a semiconductor substrate or a semiconductor film using a laser beam or activating after ion implantation, a semiconductor device formed using the laser apparatus, and a manufacturing method thereof. The present invention relates to a method and an electronic apparatus using the semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a technology for forming a TFT on a substrate has greatly advanced, and application development to an active matrix semiconductor display device has been advanced. In particular, a TFT using a polysilicon film has a higher field effect mobility (also referred to as mobility) than a TFT using a conventional amorphous silicon film, and thus can operate at high speed. For this reason, it is possible to perform control of a pixel, which has been conventionally performed by a drive circuit provided outside the substrate, with a drive circuit formed on the same substrate as the pixel.
[0003]
By the way, as a substrate used for a semiconductor device, a glass substrate is considered promising rather than a single crystal silicon substrate in terms of cost. Since a glass substrate is inferior in heat resistance and easily deforms by heat, when a polysilicon TFT is formed on the glass substrate, laser annealing is used for crystallization of the semiconductor film in order to avoid thermal deformation of the glass substrate.
[0004]
The characteristics of laser annealing are that the processing time can be greatly shortened compared to annealing methods using radiation heating or conduction heating, and the substrate or semiconductor film is selectively and locally heated to cause almost thermal damage to the substrate. Is not given.
[0005]
The laser annealing method here refers to a technique for recrystallizing a damaged layer or an amorphous layer formed on a semiconductor substrate or semiconductor film, or a technique for crystallizing an amorphous semiconductor film formed on a substrate. pointing. Moreover, the technique applied to planarization and surface modification of a semiconductor substrate or a semiconductor film is also included. The laser oscillation device to be applied is a gas laser oscillation device typified by an excimer laser, or a solid-state laser oscillation device typified by a YAG laser. It is known to be crystallized by heating for a very short time.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Lasers are roughly classified into two types, pulse oscillation and continuous oscillation, depending on the oscillation method. Pulsed lasers have a relatively high output energy, so the size of the beam spot is several cm 2 As described above, mass productivity can be improved. In particular, when the shape of the beam spot is processed using an optical system to form a linear shape having a length of 10 cm or more, the substrate can be efficiently irradiated with laser light, and mass productivity can be further improved. For this reason, it has become the mainstream to use a pulsed laser for crystallization of the semiconductor film.
[0007]
Recently, however, it has been found that the crystal grain size formed in a semiconductor film is larger when a continuous wave laser is used than when a pulsed laser is used for crystallization of a semiconductor film. When the crystal grain size in the semiconductor film increases, the mobility of the TFT formed using the semiconductor film increases, and variations in TFT characteristics due to crystal grain boundaries are suppressed. For this reason, continuous wave lasers are starting to attract attention.
[0008]
However, in general, a continuous wave laser has a smaller maximum output energy than a pulsed laser, and therefore the beam spot size is 10. -3 mm 2 About small. Therefore, in order to process a single large substrate, it is necessary to move the beam irradiation position on the substrate vertically and horizontally.
[0009]
In order to move the beam irradiation position vertically and horizontally, a method of changing the irradiation direction of the beam by fixing the position of the substrate, a method of moving the position of the substrate by fixing the irradiation direction of the beam, and the above two There are methods that combine methods.
[0010]
When the irradiation direction of the beam is changed, the irradiation angle of the beam with respect to the substrate changes depending on the irradiation position. When the irradiation angle changes, the intensity of the beam reflected by the substrate and the intensity of the interference change depending on the position of the substrate, so that the processing on the substrate cannot be performed uniformly. For example, when a semiconductor film is crystallized by laser irradiation, a difference in crystallinity occurs depending on the position of the substrate.
[0011]
On the other hand, when moving the position of the substrate while fixing the beam irradiation direction, the beam irradiation angle with respect to the substrate is fixed regardless of the position of the substrate. It becomes simple (for example, refer patent document 1).
[0012]
[Patent Document 1]
JP 05-275336 A (page 3-4)
[0013]
However, a problem in moving the substrate is a time loss accompanying the change of direction.
[0014]
In FIG. 20, the direction of movement of the irradiation position of the beam on the substrate when the position of the substrate is moved while the irradiation direction of the beam is fixed is indicated by an arrow. In general, laser irradiation is performed by moving the irradiation position in a certain direction, changing the direction, and moving the irradiation position in the certain direction again. At this time, if the moving speed of the irradiation position changes depending on the position of the substrate, it becomes difficult to uniformly process the substrate. Therefore, it is important to keep the movement speed of the irradiation position constant. In order to change the movement direction of the irradiation position, as shown in the part surrounded by the broken line in FIG. 20, when the irradiation position deviates from the substrate. It is common to do it. After the irradiation position deviates from the substrate, stop the movement of the substrate, change the direction of movement of the substrate, increase the moving speed of the substrate to a certain value again, and then irradiate the substrate with laser light It is necessary to. Therefore, a predetermined time is inevitably required to change the direction of the substrate, which causes a reduction in the processing speed of the substrate.
[0015]
This is a problem that occurs even when the beam irradiation direction is changed, and it takes a predetermined time to change the beam irradiation direction, which causes a reduction in the processing speed of the substrate.
[0016]
In particular, in the case of a continuous wave laser, unlike a pulsed laser, the size of a beam spot is originally small, so that the processing efficiency is low, and improving the processing speed of the substrate is an important issue.
[0017]
In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a continuous-wave laser device and a method for manufacturing a semiconductor device using the laser device, which can increase the processing efficiency as compared with the related art.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The laser apparatus according to the present invention includes a first means for installing an object to be processed, a second means for rotating the object to be processed installed on the first means, and a first means for moving the center of rotation on a straight line. And a fourth means capable of irradiating laser light from a certain position and a certain direction to a certain region within the range in which the workpiece is moved.
[0019]
Then, a certain region where the laser beam is irradiated exists on an extension of the straight line along which the center of rotation moves.
[0020]
While rotating the object to be processed by the second means, the center of the rotation is moved on a straight line by the third means, so that a certain region where the laser beam is irradiated overlaps with the object to be processed. The entire object to be processed can be irradiated with laser light.
[0021]
Furthermore, in order to make the irradiation time of the laser light constant depending on the part to be processed, the rotation speed is adjusted with the movement of the center of rotation. Specifically, the rotation speed is decreased as the certain area irradiated with the laser beam is further away from the center of rotation, and the rotation speed is increased as the distance from the center of rotation is approached.
[0022]
In the laser apparatus of the present invention, even if the laser beam is irradiated from a certain position and a certain direction, the second means and the third means do not change the moving direction of the object to be processed by the second means and the third means. The irradiation position of the laser beam can be moved in the X direction and the Y direction, and the entire surface of the object to be processed can be irradiated with the laser beam. Therefore, there is no time loss associated with the change of the moving direction of the object to be processed, and the processing efficiency can be increased as compared with the conventional case.
[0023]
Further, since the irradiation angle of the laser beam irradiated by the fourth means is fixed regardless of the irradiation position, the intensity of the beam reflected and returning from the object to be processed is strong. It is possible to prevent the thickness and the like from being different depending on the irradiation position, and to process the object to be processed almost uniformly. For example, when a semiconductor film is crystallized by laser irradiation, it is possible to prevent a difference in crystallinity depending on the position of the semiconductor film. In addition, the optical system can be simplified as compared with the case where the entire object to be processed is irradiated with laser light by changing the beam irradiation direction.
[0024]
Note that a plurality of first means may be provided, and a plurality of objects to be processed may be processed in parallel. However, the centers of rotation of all the workpieces are matched. With the above configuration, the processing efficiency can be further increased.
[0025]
The laser device of the present invention is based on a continuous wave laser, but of course, a pulsed laser may be used.
[0026]
The application of the laser apparatus of the present invention is not limited to crystallization of a semiconductor film. The laser apparatus of the present invention can be used for all of the laser annealing methods described above.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the structure of the laser apparatus of this invention is demonstrated. FIG. 1A shows a side view of the light-emitting device of the present invention, and FIG. 1B shows a top view.
[0028]
The laser apparatus of the present invention shown in FIG. 1 has a plurality of stages 101 corresponding to a first means for installing an object to be processed. Here, an example in which four stages are provided will be described. By providing a plurality of stages and processing a plurality of objects to be processed in parallel, the processing efficiency can be further increased. On each stage 101, an object 100 to be irradiated with laser light is installed.
[0029]
Each stage 101 is installed on a turntable 103, and the turntable 103 is moved in the direction of an arrow about a workpiece 104 by a motor for the turntable 103 (hereinafter referred to as a turntable motor) 106. Can be rotated. The direction of rotation can be set as appropriate by the designer. The turntable 103 and the turntable motor 106 correspond to the second means of the laser apparatus of the present invention. However, the second means included in the laser apparatus of the present invention is not limited to this configuration, and any means that can rotate the workpiece 100 placed on the stage 101 may be used.
[0030]
Note that the centers of rotation of all the workpieces 100 coincide.
[0031]
The turntable 103 is movable along the guide rail 102. The guide rail is installed so that the center of rotation of the turntable 103 moves on a straight line when the turntable 103 is moved along the guide rail 102.
[0032]
The means for moving the turntable 103 along the guide rail 102 corresponds to the third means included in the laser apparatus of the present invention. Specifically, in FIG. 1, a moving motor (hereinafter referred to as a moving motor) 105 for the turntable 103 and a guide rail 102 correspond to the third means. However, the third means in the laser apparatus of the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. 1 as long as the center of rotation of the workpiece can be moved on a straight line.
[0033]
The laser oscillator and the other optical system 107 can irradiate a specific region within a range in which the workpiece 100 moves from a certain position and a certain direction. The oscillation device and the other optical system 107 correspond to the fourth means of the laser device of the present invention.
[0034]
The laser can be appropriately changed depending on the purpose of processing. A known laser can be used as the fourth means of the laser apparatus of the present invention. As the laser, a continuous wave or pulsed gas laser or solid laser can be used. There are excimer laser, Ar laser, Kr laser, etc. as gas laser, and YAG laser, YVO as solid laser. 4 Laser, YLF laser, YAlO 3 Laser, glass laser, ruby laser, alexandry G Laser, Ti: sapphire laser, Y 2 O 3 A laser etc. are mentioned. Solid lasers include YAG, YVO doped with Cr, Nd, Er, Ho, Ce, Co, Ti, Yb or Tm. 4 , YLF, YAlO 3 Lasers using crystals such as are applied. The fundamental wave of the laser differs depending on the material to be doped, and a laser beam having a fundamental wave of about 1 μm can be obtained. The harmonic with respect to the fundamental wave can be obtained by using a nonlinear optical element.
[0035]
Furthermore, after converting infrared laser light emitted from a solid-state laser into green laser light using a nonlinear optical element, ultraviolet laser light obtained by another nonlinear optical element can also be used.
[0036]
The laser apparatus of the present invention may include means for adjusting the temperature of the object to be processed in addition to the above four means.
[0037]
FIG. 2 simply shows the movement of the turntable of FIG. The turntable 103 rotates in the direction indicated by the arrow 110 around 104. Then, the rotation center 104 moves in the direction indicated by the arrow 111. On the extension of the linear trajectory along which the center 104 of the turntable 103 moves, there is a certain region 109 irradiated with laser light.
[0038]
Next, how laser light is actually irradiated onto the workpiece 100 will be described. FIG. 3 shows a state in which laser light is irradiated on the workpiece 100 by the laser apparatus shown in FIG.
[0039]
FIG. 3A and FIG. 3B show a change in position of the turntable 103 over time when the workpiece 100 is irradiated with laser light. From FIG. 3A to FIG. 3B, the stage 101 rotates in the direction of arrow 110 around 104, and the center of rotation 104 of the turntable 103 moves in the direction of arrow 111.
[0040]
A certain region 109 to which the laser beam is irradiated exists on an extension of a linear locus along which the center 104 of the turntable 103 moves.
[0041]
As the turntable 103 rotates, a certain region 109 irradiated with laser light is irradiated onto the turntable 103 so as to draw a locus 108 as indicated by a broken line. The laser beam locus 108 draws a circle centering on 104. The workpiece 100 is irradiated with laser light at a portion overlapping the locus of the laser light.
[0042]
When the center 104 of the turntable 103 moves in the direction of the arrow 111 and the distance between the center 104 and the fixed region 109 irradiated with the laser beam is increased, the radius of the circle drawn by the fixed region 109 irradiated with the laser beam Will grow. On the contrary, when the distance between the center 104 and the certain region 109 irradiated with the laser light is reduced, the radius of the circle drawn by the certain region 109 irradiated with the laser light becomes smaller. Therefore, when the portion of the object to be processed 100 and the laser beam locus 108 shifts with time, the entire surface of the object to be processed 100 can be finally irradiated with laser light.
[0043]
Note that since the laser beam is irradiated even on a portion of the turntable 103 that does not overlap the workpiece 100, the turntable 103 is preferably formed of a material that is not deformed or damaged by the laser light.
[0044]
In FIG. 4, the moving direction of the irradiation position of the laser beam in the workpiece 100 irradiated with the laser beam in FIG. 3 is indicated by an arrow. The number of arrows is the same as the number of rotations of the turntable 103, and the number of arrows increases as the number of rotations increases.
[0045]
In order to make the irradiation time of the laser light constant depending on the portion of the object to be processed, the rotation speed is adjusted as the rotation center moves. In addition, it is important to determine the rotation speed of the object to be processed 100 and the moving speed of the center of rotation in consideration of an appropriate irradiation time of the laser beam in each part of the object to be processed 100. Specifically, the rotation speed is decreased as the certain area irradiated with the laser beam is further away from the center of rotation, and the rotation speed is increased as the distance from the center of rotation is approached. For example, when used for crystallization of a semiconductor film, the energy density is 5 × 10 5. Four ~ 1.3 × 10 Five (Cm 2 / W), the moving speed of the irradiation position should be kept at 10 to 100 cm / sec, preferably 20 to 50 cm / sec.
[0046]
Further, if it is intended to irradiate the entire surface of the workpiece 100 with laser light, it is necessary to appropriately adjust the rotational speed of the workpiece 100 and the moving speed of the center 104 of rotation. If the moving speed of the center of rotation 104 is too high relative to the rotational speed of the workpiece 100, the entire surface of the workpiece cannot be irradiated with laser light.
[0047]
Further, by adjusting the rotation speed of the object to be processed 100 and the moving speed of the center of rotation, it is possible to irradiate each part of the object to be processed 100 with the laser light a plurality of times. In addition, after moving the center of rotation in one direction, the object to be processed 100 can be irradiated with laser light a plurality of times by moving in the opposite direction.
[0048]
With the above configuration, the laser apparatus of the present invention moves the irradiation position of the laser beam on the object to be processed without changing the moving direction of the object to be processed even when the laser beam is irradiated from a certain position and a certain direction. The entire surface of the object to be processed can be irradiated with laser light. Therefore, there is no time loss associated with the change of the moving direction of the object to be processed, and the processing efficiency can be increased as compared with the conventional case.
[0049]
In addition, since the irradiation angle of the laser beam to the object to be processed is fixed regardless of the irradiation position, the intensity of the beam reflected by the object to be processed and the intensity of interference are prevented from changing depending on the irradiation position. Thus, it is possible to perform the processing on the object to be processed substantially uniformly. For example, when the semiconductor film is crystallized by laser irradiation, it is possible to prevent a difference in crystallinity depending on the position of the object to be processed. In addition, the optical system can be simplified as compared with the case where the entire object to be processed is irradiated with laser light by changing the beam irradiation direction.
[0050]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0051]
Example 1
In this embodiment, a case will be described in which laser light is irradiated so that the edge portions of the laser light do not overlap each time when laser irradiation is performed a plurality of times.
[0052]
In general, the energy of the edge of the laser beam is different from that of the other portions, and there are cases where the processing of the object to be processed cannot be performed uniformly. Therefore, by avoiding overlapping of the laser light edge in multiple laser irradiations, the non-uniformity of energy at the edge can be alleviated and the processing of the workpiece can be performed almost uniformly. become able to.
[0053]
In order not to overlap the edges, the center of rotation of the object to be processed is shifted within a range of a distance smaller than the width of the locus of the laser beam in the first laser irradiation and the second laser irradiation, There is a method of shifting the moving range of the workpiece. However, the center of rotation in the second and subsequent laser irradiations is present on an extension of a line connecting the center of rotation in the first laser irradiation and a certain position where the laser light is irradiated.
[0054]
FIG. 5A shows a cross-sectional view of the laser device at the start of the first laser irradiation, and FIG. 5B shows a cross-sectional view of the laser device at the start of the second laser irradiation. Reference numeral 301 denotes a turntable, 303 a stage, and 304 a workpiece.
[0055]
In each of the first laser irradiation and the second laser irradiation, the center of the turntable 303 is shifted by the width t. The width t is made smaller than the width of the laser beam trajectory. Since the position of the object to be processed is shifted by the width t at the time when the laser irradiation is started between the first laser irradiation and the second laser irradiation, the object to be processed accompanying the movement of the center of rotation The moving range of the object 304 is also different.
[0056]
By the above method, the edge of the laser beam in the first laser irradiation and the edge of the laser beam in the second laser irradiation do not overlap, and the unevenness of energy at the edge portion is alleviated, Processing can be performed almost uniformly.
[0057]
(Example 2)
In this embodiment, a method different from that in Embodiment 1 will be described in which laser light is irradiated so that the edge portions of the laser light do not overlap each other when laser irradiation is performed a plurality of times.
[0058]
In this embodiment, in order not to overlap the edges, the irradiation position of the laser beam on the turntable is changed in the first laser irradiation and the second laser irradiation. FIG. 6 shows the locus of laser light in the first laser irradiation and the second laser irradiation on the rotary table. Reference numeral 401 denotes a turntable, and 402 denotes an object to be processed.
[0059]
Reference numeral 403 denotes a laser beam trajectory in the first laser irradiation, and reference numeral 404 denotes a laser light trajectory in the second laser irradiation. The laser beam trajectory 403 and the laser beam trajectory 404 overlap each other, and their edges do not overlap each other. In the first laser irradiation, processing is performed in a portion overlapping the laser beam trajectory 403 of the workpiece 402, and in the second laser irradiation, processing is performed in a portion overlapping the laser beam trajectory 404 of the workpiece 402. Made.
[0060]
By the above method, since the edge of the laser beam in the first laser irradiation and the edge of the laser beam in the second laser irradiation do not overlap, the unevenness of energy at the edge portion is alleviated and the object is processed. Processing can be performed almost uniformly.
[0061]
This embodiment can be implemented in combination with the first embodiment.
[0062]
(Example 3)
In this embodiment, a structure for irradiating laser light from the front surface and the back surface of a film to be processed formed on the object to be processed will be described.
[0063]
FIG. 7A shows a side view of the laser device of this embodiment. In the laser device of the present invention illustrated in FIG. 7A, a reflector 420 for reflecting laser light is disposed between an object to be processed 410 and a stage 411.
[0064]
The stage 411 is installed on a turntable 413, and the turntable 413 is rotated by a turntable motor 416. Further, the turntable 413 is movable along the guide rail 402 by a moving motor 415. In addition, when the turntable 413 is moved along the guide rail 402, the guide rail 402 is installed so that the center of rotation of the turntable 413 moves on a straight line.
[0065]
The processing object 410 can be irradiated with laser light from a certain position and a certain direction by the oscillation device and the other optical systems 417 and 418. A certain region irradiated with the laser light exists on an extension of a linear locus along which the center of rotation of the turntable 413 moves.
[0066]
In this embodiment, a part of the laser beam is reflected on the surface of the substrate and the so-called return light that returns the same optical path as the incident light has adverse effects such as fluctuations in the output of the laser oscillation device, frequency, etc. In order to prevent the laser beam from being exerted, the laser beam is not incident perpendicularly to the substrate, but is incident obliquely with respect to the substrate. In this case, since the laser light is light with high directivity and energy density, it is preferable to install a damper to absorb the reflected light in order to prevent the reflected light from irradiating an inappropriate place. Note that cooling water circulates in the damper to prevent the temperature of the damper from rising due to absorption of reflected light.
[0067]
Note that an isolator may be installed in order to remove the return light and stabilize the laser oscillation without causing the laser light to enter the substrate obliquely.
[0068]
FIG. 7B shows the positional relationship between the workpiece 410 and the reflector 420 in FIG.
[0069]
In FIG. 7B, an object to be processed 410 includes a light-transmitting substrate 421, an insulating film 422 formed on a surface thereof (a surface on which a thin film or an element is formed), an amorphous semiconductor film, and the like. 423 is formed. In addition, a reflector 420 for reflecting the laser light is disposed under the translucent substrate 421.
[0070]
As the light-transmitting substrate 421, a glass substrate, a quartz substrate, a crystallized glass substrate, or a plastic substrate is used. The insulating film 422 may be an insulating film containing silicon such as a silicon oxide film or a silicon nitride oxide film (SiOxNy). The amorphous semiconductor film 410 can be an amorphous silicon film, an amorphous silicon germanium film, or the like.
[0071]
Further, the reflector 420 may be a substrate on which a metal film is formed on the surface (laser light reflecting surface) or a substrate made of a metal element. In this case, any material may be used for the metal film. Typically, a metal film containing any element of aluminum, silver, tungsten, titanium, and tantalum is used.
[0072]
Further, instead of disposing the reflector 420, it is also possible to directly form the metal film as described above on the back surface (surface opposite to the front surface) of the translucent substrate 421 and reflect the laser beam there. However, the configuration is based on the premise that the metal film formed on the back surface in the manufacturing process of the semiconductor device is not removed.
[0073]
Then, the amorphous semiconductor film 410 is irradiated with a laser beam processed into a linear shape via an optical system 418 (only a cylindrical lens is shown in the drawing). At this time, the laser light applied to the amorphous semiconductor film 410 is irradiated with the laser light that is directly irradiated through the optical system 418 and the reflector 420 once reflected by the reflector 420. It is important that the optical system 418 is designed so that a laser beam can be obtained. Note that in this specification, laser light applied to the surface of the amorphous semiconductor film is referred to as primary laser light, and laser light applied to the back surface is referred to as secondary laser light.
[0074]
The laser beam that has passed through the optical system 418 has an incident angle of 45 to 90 ° with respect to the substrate surface in the process of being condensed. Therefore, the secondary laser light irradiates around the back side of the amorphous semiconductor film 410. In addition, by providing an undulating portion on the reflecting surface of the reflector 420 to diffusely reflect the laser light, the secondary laser light can be obtained more efficiently.
[0075]
In particular, the wavelength of the second harmonic of the YAG laser is 532 nm, and when the amorphous semiconductor film is irradiated, it is within the wavelength range (around 530 nm) that is not reflected by the amorphous semiconductor film. Further, in this wavelength range, since the laser beam that passes through the amorphous semiconductor film has a sufficient amount of light, it can be efficiently irradiated by irradiating the amorphous semiconductor film from the back side again using a reflector. . The laser energy of the second harmonic is as large as about 1.5 J / pulse at the maximum value (in the existing YAG laser apparatus), and when processed into a linear shape, the length in the longitudinal direction should be dramatically increased. This enables large area laser light irradiation.
[0076]
FIG. 7C illustrates the positional relationship between the workpiece 410 and the reflector 420 as viewed from the arrow 425 in FIG. In this embodiment, the incident angle with respect to the substrate 421 is kept larger than 0 and smaller than 90 ° in order to prevent the return light from following the original optical path and returning to the oscillation device 417. More specifically, it is kept at 5 to 30 °.
[0077]
When a plane that is a plane perpendicular to the irradiation surface and includes a short side when the long beam shape is regarded as a rectangle is defined as an incident surface, the incident angle θ of the laser beam is defined as It is desirable that θ ≧ arctan (W / 2d) is satisfied when the length is W, the thickness of the substrate that is placed on the irradiation surface and is transparent to the laser beam is d. When the locus of the laser beam is not on the incident surface, the incident angle of the locus projected onto the incident surface is defined as θ. If the laser beam is incident at this incident angle θ, the reflected light from the surface of the substrate and the reflected light from the back surface of the substrate do not interfere with each other, and uniform laser beam irradiation can be performed. In the above discussion, the refractive index of the substrate was considered as 1. Actually, in many cases, the refractive index of the substrate is around 1.5, and if this value is taken into consideration, a calculated value larger than the angle calculated in the above discussion can be obtained. However, since the energy at both ends in the longitudinal direction of the beam spot is attenuated, the influence of interference in this portion is small, and the effect of interference attenuation can be sufficiently obtained with the above calculated value.
[0078]
As described above, according to this embodiment, it is possible to split the laser light into the primary laser light and the secondary laser light and irradiate the front and back surfaces of the amorphous semiconductor film.
[0079]
This embodiment can be implemented in combination with Embodiment 1 or Embodiment 2.
[0080]
Example 4
In this embodiment, the step of crystallizing a semiconductor film by laser annealing using the laser device of the present invention is applied to a method for manufacturing an active matrix semiconductor display device having a driver circuit on the same substrate as the pixel portion. Will be described.
[0081]
FIG. 8A is a top view of a liquid crystal panel in which a pixel portion 201, a signal line driver circuit 202, and a scan line driver circuit 203 are provided over a substrate 200. FIG. In FIG. 8A, the irradiation position of the laser light moves in the direction of the arrow indicated by the broken line.
[0082]
When a semiconductor film is irradiated with a laser beam by the laser apparatus of the present invention, the locus of the laser beam does not draw a complete straight line but draws a gentle arc. Therefore, when the semiconductor film is crystallized using the laser apparatus of the present invention, the laser beam irradiation trace is formed in an arc shape in the semiconductor film. Strictly speaking, this arc has a different radius of curvature for each arc, and the radius of curvature decreases when the irradiation position and the center of rotation are close, and increases when the arc is far. However, since the size of the active layer of the TFT formed by patterning the semiconductor film is smaller than the radius of the arc, even if the irradiation trace of each laser beam of the active layer remains, the irradiation The trace is almost straight.
[0083]
8B is an enlarged view of a part 204 of the pixel portion 201 in FIG. 8A, FIG. 8C is an enlarged view of a part 205 of the signal line driver circuit 202, and FIG. An enlarged view of part 206 is shown in FIG.
[0084]
In each of the pixel portion 201, the signal line driver circuit 202, and the scanning line driver circuit 203, a plurality of island-shaped semiconductor films serving as active layers of the TFTs are formed. Reference numerals 207, 208, and 209 are portions that become active layers of TFTs after patterning. A broken line 220 is an irradiation trace of the laser beam.
[0085]
The laser beam irradiation trace 220 is substantially along the direction in which the channel moves or vice versa.
[0086]
This embodiment can be implemented in combination with the first to third embodiments.
[0087]
(Example 5)
In this embodiment, an example will be described in which a semiconductor film formed on an insulating surface by a known film formation method is patterned into an island shape and then crystallized by laser annealing using the laser apparatus of the present invention.
[0088]
FIG. 9A illustrates a state where the island-shaped semiconductor film 450 is crystallized by being irradiated with laser light. The island-shaped semiconductor film 450 has an amorphous structure and is not limited to a semiconductor material, but is preferably formed of silicon, a silicon germanium (SiGe) alloy, or the like.
[0089]
A broken line 451 indicates the position of the active layer of the TFT obtained by patterning the island-shaped semiconductor film 450 after crystallization by laser annealing. The irradiation position 452 of the laser beam is moved along the direction in which the channel moves or the opposite direction.
[0090]
FIG. 9B shows an enlarged view of a portion 453 where the laser light is first irradiated in the island-shaped semiconductor film 450. In this embodiment, laser light irradiation is intentionally started from the edge portion of the island-shaped semiconductor film. An edge refers to a portion having a corner of a semiconductor film when the island-shaped semiconductor film is viewed from a direction in which laser light is irradiated.
[0091]
In FIG. 9B, the angle θ1 of the edge when viewed from the direction in which the laser beam is irradiated is set to be less than 180 °. Also against the insulating surface
The angle θ2 of the side surface of the island-shaped semiconductor film 450 is 90 ± 10 °, and more preferably 90 ± 5 °.
[0092]
When laser light irradiation is started from an edge portion of the island-shaped semiconductor film 450, a crystal having an orientation of (100) plane starts to grow from the edge portion. When the irradiation of the laser light onto the island-shaped semiconductor film 450 is completed, the orientation rate of the (100) plane of the entire island-shaped semiconductor film 450 can be increased.
[0093]
When the orientation ratio of the (100) plane of the semiconductor film is increased, the mobility of the TFT can be increased when used as an active layer. In addition, when the orientation ratio of the (100) plane of the semiconductor film is high, variations in the film quality of the gate insulating film formed thereon can be reduced, and hence variations in the threshold voltage of the TFT can be reduced. it can.
[0094]
In addition, when a laser beam is irradiated to a board | substrate with the laser apparatus of this invention, the locus | trajectory of a laser beam draws a gentle arc instead of drawing a perfect straight line. However, since the size of the island-shaped semiconductor film is small compared to the radius of the arc, even if the irradiation trace of the laser light of each island-shaped semiconductor film remains, the irradiation trace is almost linear. It has become.
[0095]
Next, an example in which the above-described method for crystallizing a semiconductor film is applied to a method for manufacturing an active matrix semiconductor display device having a driver circuit over the same substrate as a pixel portion will be described.
[0096]
FIG. 23A is a top view of a liquid crystal panel in which a pixel portion 501, a signal line driver circuit 502, and a scan line driver circuit 503 are provided over a substrate 500. In FIG. 23A, the irradiation position of the laser light moves in the direction of the arrow indicated by the broken line.
[0097]
FIG. 23B is an enlarged view of a part 504 of the pixel portion 501 in FIG. 23A, FIG. 23C is an enlarged view of a part 505 of the signal line driver circuit 502, and FIG. An enlarged view of part 506 is shown in FIG.
[0098]
In each of the pixel portion 501, the signal line driver circuit 502, and the scanning line driver circuit 503, a plurality of island-shaped semiconductor films serving as active layers of the TFTs are formed. Laser light is applied to the areas indicated by 507, 508, and 509, and each area moves in the direction of the arrow.
[0099]
Each of the island-like semiconductor films is arranged so that laser light irradiation is started from the edge portion.
[0100]
Note that the size and shape of the island-shaped semiconductor film are determined in accordance with the shape of the TFT formed in each of the pixel portion 501, the signal line driver circuit 502, and the scan line driver circuit 503. Further, an active layer of a plurality of TFTs may be formed from one island-shaped semiconductor film.
[0101]
This embodiment can be implemented in combination with the first to fourth embodiments.
[0102]
(Example 6)
In this embodiment, a laser beam oscillation device and other optical systems used in the laser device of the present invention will be described.
[0103]
FIG. 10 shows the structure of the laser device of this example. Reference numeral 520 denotes a laser beam oscillation device capable of continuous oscillation or pulse oscillation. The oscillation device 520 keeps its temperature constant by the chiller 527. The chiller 527 is not necessarily provided, but by keeping the temperature of the oscillation device 520 constant, the energy of the laser light output from the oscillation device can be prevented from varying depending on the temperature of the oscillation device.
[0104]
The laser light output from the oscillation device 520 is changed in its optical path by fixed mirrors 521, 522, and 523, collected by lenses 524 and 525 such as a collimator lens or a cylindrical lens, and is processed on a stage 528. The object 526 is irradiated. Needless to say, the number of optical systems is not limited, and it is only necessary to include means for irradiating the workpiece with a laser beam from a certain position and a certain angle.
[0105]
Note that the laser beam irradiated to the object to be processed may be reflected on the surface and incident on the optical system again, thereby damaging the laser oscillation device. It is desirable to make it incident.
[0106]
Then, as described in the embodiment, the irradiation position of the laser beam on the workpiece 526 is moved by rotating the stage 528 on the turntable 529 and moving the center of rotation linearly, The entire surface of the workpiece 526 can be processed.
[0107]
This embodiment can be implemented in combination with the first to fifth embodiments.
[0108]
(Example 7)
In this embodiment, a laser beam oscillation device and other optical systems used in the laser device of the present invention will be described.
[0109]
FIG. 11 shows the structure of the laser device of this example. The laser device of this embodiment uses a plurality of oscillation devices, and combines a plurality of laser beams oscillated from the plurality of oscillation devices into one. In this embodiment, a case where three oscillation devices 550 (550a, 550b, 550c) are used will be described as an example.
[0110]
The oscillation of the laser beam from each oscillation device can be freely controlled by the control device 552. At least one of the three oscillation devices 550 converts the laser beam to be output into the second harmonic, the third harmonic, and the fourth harmonic by a nonlinear optical element. In this embodiment, the wavelengths of the laser beams output from all the oscillation devices 550 are converted by the nonlinear optical elements 551a, 551b, and 551c, respectively. The wavelengths to be converted may be the same or any of them may be different.
[0111]
The laser beams output from the three oscillation devices 550 are combined into one. Specifically, in this embodiment, each laser beam is incident on the waveguide 554 via the fiber array 553 corresponding to each laser beam, and is combined into one laser beam. A thin film polarizing element (TFP: Thin Film Polarizer) or other polarizers can also be used.
[0112]
The laser beam synthesized through the waveguide 554 is again incident on the optical fiber 555 to reduce the diffusion of the laser beam. The laser light emitted from the optical fiber 555 is condensed by the convex lens 556 and reaches the object 559 installed on the stage 540.
[0113]
The laser beam synthesized into one has an energy density corresponding to the laser beam oscillated from the high-power laser. Laser light oscillated from the same laser has high coherence, but laser light oscillated from different lasers do not interfere with each other. Therefore, laser beams combined into a plurality of lasers complement each other and interfere with each other. It is possible to reduce. In addition, nonlinear optical elements used to convert laser light into higher harmonics are required to have sufficient heat resistance and durability because the laser light is transmitted through them. Is big. Therefore, if the energy of the transmitted laser beam is as small as possible, the lifetime of the nonlinear optical element is extended, leading to cost reduction. The configuration of the present embodiment, in which the wavelengths of a plurality of laser beams are converted by a plurality of nonlinear optical elements and then combined into one laser beam, the wavelength of one laser beam is converted by a single nonlinear optical element. However, the burden on one nonlinear optical element is reduced. Therefore, the lifetime of each nonlinear optical element can be extended and the cost can be reduced.
[0114]
Such laser light can be irradiated onto the entire surface of the object to be processed using an optical system such as an optical fiber, a galvanometer, or a polygon meter.
[0115]
The shape of the laser beam on the irradiated surface varies depending on the type of laser, and can be shaped by an optical system. For example, the shape of a laser beam emitted from a Lambda XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 30 ns) L3308 is a rectangular shape of 10 mm × 30 mm (both half-value width in the beam profile). The shape of the laser light emitted from the YAG laser is circular if the rod shape is cylindrical, and rectangular if it is slab type. By further shaping such laser light with an optical system, laser light of a desired size can be produced.
[0116]
Furthermore, when laser light is incident perpendicular to the substrate of the object to be processed, a part of the laser light is reflected on the surface of the substrate and returns to the same optical path as the incident light, so-called return light, The return light has adverse effects such as fluctuations in laser output and frequency, and rod destruction. For this reason, it is preferable to install an isolator in order to remove the return light and stabilize the oscillation of the laser.
[0117]
On the other hand, in order to prevent the return light, the laser beam can be incident obliquely with respect to the substrate. However, since the laser light is light having high directivity and energy density, it is preferable to install a damper to absorb the reflected light in order to prevent the reflected light from irradiating an inappropriate place. Note that cooling water circulates in the damper to prevent the temperature of the damper from rising due to absorption of reflected light.
[0118]
Then, as described in the embodiment, by rotating the stage 540 on the turntable 541 and moving the center of the rotation on a straight line, the irradiation position of the laser beam on the workpiece 559 is moved, The entire surface of the object to be processed 559 can be processed.
[0119]
This embodiment can be implemented in combination with the first to fifth embodiments.
[0120]
(Example 8)
In this embodiment, a laser beam oscillation device and other optical systems used in the laser device of the present invention will be described.
[0121]
FIG. 12 shows the structure of the laser device of this example. In the laser device of this embodiment, the laser light oscillated from the oscillation device 571 is converted into a harmonic by the nonlinear optical element 572, and is divided into a plurality of laser beams by the mirror 573, which is a dividing means.
[0122]
Each laser beam is reflected by mirrors 574a and 574b, which are laser beam forming means having a periodic energy distribution, and is collected by cylindrical lenses 575a and 575b, respectively, on a stage (not shown in this embodiment). It reaches the workpiece 561 that has been installed. In the object to be processed 561, a plurality of laser beams are combined to cause interference, and a laser beam having a periodic energy distribution is formed. The cylindrical lenses 575a and 575b are not necessarily installed, but the energy density can be increased on the irradiation surface by installing them.
[0123]
The shape of the laser light emitted from the laser differs depending on the type of laser, and is circular if the rod shape is cylindrical, and rectangular if it is slab type.
[0124]
Then, as described in the embodiment, by rotating the stage on the turntable 560 and moving the center of the rotation on a straight line, the irradiation position of the laser light on the object to be processed 561 is moved, and the object to be processed is moved. The entire surface of the processing object 561 can be processed.
[0125]
This embodiment can be implemented in combination with the first to fifth embodiments.
[0126]
Example 9
In this embodiment, a method for manufacturing an active matrix substrate will be described with reference to FIGS. In this specification, a substrate in which a pixel portion having a CMOS circuit, a driver circuit, a pixel TFT, and a storage capacitor is formed over the same substrate is referred to as an active matrix substrate for convenience.
[0127]
First, in this embodiment, a substrate 600 made of glass such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass is used. Note that as the substrate 600, a quartz substrate, a silicon substrate, a metal substrate, or a stainless steel substrate on which an insulating film is formed may be used. Further, a plastic substrate having heat resistance that can withstand the processing temperature of this embodiment may be used.
[0128]
Next, a base film 601 formed of an insulating film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed over the substrate 600 by a known means (a sputtering method, an LPCVD method, a plasma CVD method, or the like). Although a two-layer structure is used as the base film 601 in this embodiment, a single-layer film of the insulating film or a structure in which two or more layers are stacked may be used.
[0129]
Next, semiconductor layers 602 to 606 are formed over the base film. The semiconductor layers 602 to 606 are formed by forming a semiconductor film with a thickness of 25 to 80 nm (preferably 30 to 60 nm) by a known means (sputtering method, LPCVD method, plasma CVD method, etc.), and crystallized by a laser crystallization method. Let The laser crystallization method can be performed using the laser apparatus of the present invention. Of course, not only the laser crystallization method but also other known crystallization methods (thermal crystallization method using RTA or furnace annealing furnace, thermal crystallization method using metal element for promoting crystallization, etc.) You may go. Then, the obtained crystalline semiconductor film is patterned into a desired shape to form semiconductor layers 602 to 606. Examples of the semiconductor film include an amorphous semiconductor film, a microcrystalline semiconductor film, a crystalline semiconductor film, and the like, and a compound semiconductor film having an amorphous structure such as an amorphous silicon germanium film may be applied.
[0130]
Laser oscillators are pulse oscillation type or continuous emission type excimer laser, YAG laser, YVO Four Use a laser. Crystallization conditions are appropriately selected by the practitioner. When an excimer laser is used, the pulse oscillation frequency is 300 Hz and the laser energy density is 100 to 400 mJ / cm. 2 (Typically 200-300mJ / cm 2 ). When a YAG laser is used, the second harmonic is used and the pulse oscillation frequency is set to 30 to 300 kHz, and the laser energy density is set to 300 to 600 mJ / cm. 2 (Typically 350-500mJ / cm 2 ) Then, laser light condensed linearly with a width of 100 to 1000 μm, for example 400 μm, is irradiated over the entire surface of the substrate, and the superposition rate (overlap rate) of the linear laser light at this time is 50 to 90%.
[0131]
As the laser, a continuous wave or pulsed gas laser or solid laser can be used. There are excimer laser, Ar laser, Kr laser, etc. as gas laser, and YAG laser, YVO as solid laser. 4 Laser, YLF laser, YAlO 3 Laser, glass laser, ruby laser, alexandry G Laser, Ti: sapphire laser, Y 2 O 3 A laser etc. are mentioned. Solid lasers include YAG, YVO doped with Cr, Nd, Er, Ho, Ce, Co, Ti, Yb or Tm. 4 , YLF, YAlO 3 Lasers using crystals such as can also be used. The fundamental wave of the laser differs depending on the material to be doped, and a laser beam having a fundamental wave of about 1 μm can be obtained. The harmonic with respect to the fundamental wave can be obtained by using a nonlinear optical element.
[0132]
In crystallization of the amorphous semiconductor film, in order to obtain a crystal with a large grain size, it is preferable to use a solid-state laser capable of continuous oscillation and apply the second to fourth harmonics of the fundamental wave. Typically, Nd: YVO Four It is desirable to apply the second harmonic (532 nm) or the third harmonic (355 nm) of the laser (fundamental wave 1064 nm). Specifically, continuous output YVO with an output of 10 W Four Laser light emitted from the laser is converted into a harmonic by a non-linear optical element. Also, YVO in the resonator Four There is also a method of emitting harmonics by inserting a crystal and a nonlinear optical element. Preferably, the laser beam is shaped into a rectangular or elliptical shape on the irradiation surface by an optical system, and the object to be processed is irradiated. The energy density at this time is 0.01 to 100 MW / cm. 2 Degree (preferably 0.1-10 MW / cm 2 )is required. Then, irradiation is performed by moving the semiconductor film relative to the laser light at a speed of about 10 to 2000 cm / s.
[0133]
Subsequently, semiconductor layers 602 to 606 are formed by a patterning process using a photolithography method.
[0134]
Further, after forming the semiconductor layers 602 to 606, a small amount of impurity element (boron or phosphorus) may be doped in order to control the threshold value of the TFT.
[0135]
Next, a gate insulating film 607 covering the semiconductor layers 602 to 606 is formed. The gate insulating film 607 is formed of an insulating film containing silicon with a thickness of 40 to 150 nm by a plasma CVD method or a sputtering method. In this embodiment, a silicon oxynitride film (composition ratio: Si = 32%, O = 59%, N = 7%, H = 2%) with a thickness of 110 nm is formed by plasma CVD. Needless to say, the gate insulating film is not limited to the silicon oxynitride film, and another insulating film containing silicon may be used as a single layer or a stacked structure.
[0136]
When a silicon oxide film is used, TEOS (Tetraethyl Orthosilicate) and O 2 The reaction pressure is 40 Pa, the substrate temperature is 300 to 400 ° C., and the high frequency (13.56 MHz) power density is 0.5 to 0.8 W / cm. 2 And can be formed by discharging. The silicon oxide film thus manufactured can obtain good characteristics as a gate insulating film by thermal annealing at 400 to 500 ° C. thereafter.
[0137]
Next, a first conductive film 608 with a thickness of 20 to 100 nm and a second conductive film 609 with a thickness of 100 to 400 nm are stacked over the gate insulating film 607. In this example, a first conductive film 608 made of a TaN film with a thickness of 30 nm and a second conductive film 609 made of a W film with a thickness of 370 nm were stacked. The TaN film is formed by sputtering, and is sputtered in a nitrogen-containing atmosphere using a Ta target. The W film was formed by sputtering using a W target. In addition, tungsten hexafluoride (WF 6 It can also be formed by a thermal CVD method using In any case, in order to use as a gate electrode, it is necessary to reduce the resistance, and the resistivity of the W film is desirably 20 μΩcm or less. The resistivity of the W film can be reduced by increasing the crystal grains. However, when there are many impurity elements such as oxygen in the W film, the crystallization is hindered and the resistance is increased. Therefore, in this embodiment, a sputtering method using a target of high purity W (purity 99.9999%) is used, and the W film is formed with sufficient consideration so that impurities are not mixed in from the gas phase during film formation. By forming, a resistivity of 9 to 20 μΩcm can be realized.
[0138]
In this embodiment, the first conductive film 608 is TaN and the second conductive film 609 is W. However, there is no particular limitation, and all of them are Ta, W, Ti, Mo, Al, Cu, Cr, Nd. You may form with the element selected from these, or the alloy material or compound material which has the said element as a main component. Alternatively, a semiconductor film typified by a polycrystalline silicon film doped with an impurity element such as phosphorus may be used. Further, an AgPdCu alloy may be used. In addition, the first conductive film is formed using a tantalum (Ta) film, the second conductive film is formed using a W film, the first conductive film is formed using a titanium nitride (TiN) film, and the second conductive film is formed. The first conductive film is formed of tantalum nitride (TaN), the second conductive film is formed of W, the first conductive film is formed of tantalum nitride (TaN) film, and the first conductive film is formed of tantalum nitride (TaN) film. Alternatively, the second conductive film may be a combination of Al films, the first conductive film may be a tantalum nitride (TaN) film, and the second conductive film may be a Cu film.
[0139]
The structure is not limited to the two-layer structure, and for example, a three-layer structure in which a tungsten film, an aluminum-silicon alloy (Al-Si) film, and a titanium nitride film are sequentially stacked may be employed. In the case of a three-layer structure, tungsten nitride may be used instead of tungsten, or an aluminum / titanium alloy film (Al—Ti) is used instead of an aluminum / silicon alloy film (Al—Si) film. Alternatively, a titanium film may be used instead of the titanium nitride film.
[0140]
Note that it is important to select an optimum etching method and etchant type depending on the material of the conductive film.
[0141]
Next, resist masks 610 to 615 are formed by photolithography, and a first etching process for forming electrodes and wirings is performed. The first etching process is performed under the first and second etching conditions. (FIG. 13 (B)) In this embodiment, ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method is used as the first etching condition, and CF is used as an etching gas. Four And Cl 2 And O 2 The gas flow ratio is 25:25:10 (sccm), and 500 W of RF (13.56 MHz) power is applied to the coil-type electrode at a pressure of 1 Pa to generate plasma and perform etching. 150 W RF (13.56 MHz) power is also applied to the substrate side (sample stage), and a substantially negative self-bias voltage is applied. The W film is etched under this first etching condition so that the end portion of the first conductive layer is tapered.
[0142]
Thereafter, the resist masks 610 to 615 are not removed, but the second etching condition is changed, and the etching gas is changed to CF. Four And Cl 2 The gas flow ratio is 30:30 (sccm), and 500 W of RF (13.56 MHz) power is applied to the coil-type electrode at a pressure of 1 Pa to generate plasma and etching for about 30 seconds. Went. 20 W of RF (13.56 MHz) power is also applied to the substrate side (sample stage), and a substantially negative self-bias voltage is applied. CF Four And Cl 2 Under the second etching condition in which is mixed, the W film and the TaN film are etched to the same extent. Note that in order to perform etching without leaving a residue on the gate insulating film, it is preferable to increase the etching time at a rate of about 10 to 20%.
[0143]
In the first etching process, the shape of the mask made of resist is made suitable, and the end portions of the first conductive layer and the second conductive layer are tapered due to the effect of the bias voltage applied to the substrate side. It becomes. The angle of this taper portion is 15 to 45 °. Thus, the first shape conductive layers 617 to 622 (the first conductive layers 617 a to 622 a and the second conductive layers 617 b to 622 b) composed of the first conductive layer and the second conductive layer by the first etching treatment. Form. Reference numeral 616 denotes a gate insulating film, and a region which is not covered with the first shape conductive layers 617 to 622 is etched by about 20 to 50 nm to form a thinned region.
[0144]
Next, a second etching process is performed without removing the resist mask. Here, CF is used as an etching gas. Four And Cl 2 And O 2 Then, the W film is selectively etched. At this time, second conductive layers 628b to 633b are formed by a second etching process. On the other hand, the first conductive layers 617a to 622a are hardly etched, and the second shape conductive layers 628 to 633 are formed.
[0145]
Then, a first doping process is performed without removing the resist mask, and an impurity element imparting n-type conductivity is added to the semiconductor layer at a low concentration. The doping process may be performed by ion doping or ion implantation. The condition of the ion doping method is a dose of 1 × 10 13 ~ 5x10 14 /cm 2 The acceleration voltage is 40 to 80 kV. In this embodiment, the dose is 1.5 × 10 13 /cm 2 The acceleration voltage is 60 kV. As an impurity element imparting n-type, an element belonging to Group 15, typically phosphorus (P) or arsenic (As), is used here, but phosphorus (P) is used. In this case, the conductive layers 628 to 633 serve as a mask for the impurity element imparting n-type, and the impurity regions 623 to 627 are formed in a self-aligning manner. Impurity regions 623 to 627 have 1 × 10 18 ~ 1x10 20 atoms / cm Three An impurity element imparting n-type is added in a concentration range of.
[0146]
After removing the resist mask, new resist masks 634a to 634c are formed, and the second doping process is performed at an acceleration voltage higher than that of the first doping process. The condition of the ion doping method is a dose of 1 × 10 13 ~ 1x10 15 /cm 2 The acceleration voltage is set to 60 to 120 kV. In the doping treatment, the second conductive layers 628b to 632b are used as a mask for the impurity element, and doping is performed so that the impurity element is added to the semiconductor layer below the tapered portion of the first conductive layer. Subsequently, the third doping process is performed by lowering the acceleration voltage than the second doping process to obtain the state of FIG. The condition of the ion doping method is a dose of 1 × 10 15 ~ 1x10 17 /cm 2 And an acceleration voltage of 50 to 100 kV. The low-concentration impurity regions 636, 642, and 648 overlapping with the first conductive layer by the second doping process and the third doping process have 1 × 10 18 ~ 5x10 19 atoms / cm Three An impurity element imparting n-type is added in a concentration range of 1 × 10 in the high concentration impurity regions 635, 641, 644 and 647. 19 ~ 5x10 twenty one atoms / cm Three An impurity element imparting n-type is added in a concentration range of.
[0147]
Needless to say, by setting the acceleration voltage to be appropriate, the second and third doping processes can be performed in a single doping process to form the low-concentration impurity region and the high-concentration impurity region.
[0148]
Next, after removing the resist mask, new resist masks 650a to 650c are formed, and a fourth doping process is performed. By this fourth doping treatment, impurity regions 653, 654, 659, and 660 in which an impurity element imparting a conductivity type opposite to the one conductivity type is added to the semiconductor layer that becomes the active layer of the p-channel TFT are formed. To do. The second conductive layers 628a to 632a are used as masks for the impurity element, and an impurity element imparting p-type is added to form an impurity region in a self-aligning manner. In this embodiment, the impurity regions 653, 654, 659, and 660 are diborane (B 2 H 6 ) Using an ion doping method. (FIG. 14B) In the fourth doping process, the semiconductor layer forming the n-channel TFT is covered with masks 650a to 650c made of resist. By the first to third doping treatments, phosphorus is added to the impurity regions 653, 659 and 654, 660 at different concentrations, and the concentration of the impurity element imparting p-type is set to 1 × in any of the regions. 10 19 ~ 5x10 twenty one atoms / cm Three By performing the doping treatment so as to become, no problem arises because it functions as the source region and drain region of the p-channel TFT.
[0149]
Through the above steps, impurity regions are formed in the respective semiconductor layers.
[0150]
Next, the resist masks 650a to 650c are removed, and a first interlayer insulating film 661 is formed. The first interlayer insulating film 661 is formed of an insulating film containing silicon with a thickness of 100 to 200 nm by using a plasma CVD method or a sputtering method. In this embodiment, a silicon oxynitride film having a thickness of 150 nm is formed by a plasma CVD method. Needless to say, the first interlayer insulating film 661 is not limited to the silicon oxynitride film, and another insulating film containing silicon may be used as a single layer or a stacked structure.
[0151]
Next, as shown in FIG. 14C, a laser irradiation method is used as the activation treatment. When the laser annealing method is used, it is possible to use a laser used for crystallization. In the case of activation, the moving speed is the same as that of crystallization, and 0.01-100 MW / cm. 2 Degree (preferably 0.01 to 10 MW / cm 2 ) Energy density is required. Further, a continuous wave laser may be used for crystallization, and a pulsed laser may be used for activation.
[0152]
In addition, an activation process may be performed before forming the first interlayer insulating film.
[0153]
Then, hydrogenation can be performed by heat treatment (heat treatment at 300 to 550 ° C. for 1 to 12 hours). This step is a step of terminating dangling bonds in the semiconductor layer with hydrogen contained in the first interlayer insulating film 661. The semiconductor layer can be hydrogenated regardless of the presence of the first interlayer insulating film. As other means of hydrogenation, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) or heat treatment at 300 to 650 ° C. for 1 to 12 hours in an atmosphere containing 3 to 100% hydrogen good.
[0154]
Next, a second interlayer insulating film 662 made of an inorganic insulating film material or an organic insulating material is formed over the first interlayer insulating film 661. In this embodiment, an acrylic resin film having a thickness of 1.6 μm is formed, but a film having a viscosity of 10 to 1000 cp, preferably 40 to 200 cp, and having a surface with unevenness is used.
[0155]
In this embodiment, in order to prevent specular reflection, the surface of the pixel electrode is formed with the unevenness by forming the second interlayer insulating film having the unevenness on the surface. In addition, a convex portion may be formed in a region below the pixel electrode in order to make the surface of the pixel electrode uneven to achieve light scattering. In that case, since the convex portion can be formed using the same photomask as that of the TFT, it can be formed without increasing the number of steps. In addition, this convex part should just be suitably provided on the board | substrate of pixel part area | regions other than wiring and a TFT part. Thus, irregularities are formed on the surface of the pixel electrode along the irregularities formed on the surface of the insulating film covering the convex portions.
[0156]
Alternatively, a film whose surface is planarized may be used as the second interlayer insulating film 662. In that case, after forming the pixel electrode, adding a step such as a known sandblasting method or etching method to make the surface uneven, prevent specular reflection, and increase the whiteness by scattering the reflected light Is preferred.
[0157]
In the driver circuit 686, wirings 663 to 667 that are electrically connected to the impurity regions are formed. Note that these wirings are formed by patterning a laminated film of a Ti film having a thickness of 50 nm and an alloy film (alloy film of Al and Ti) having a thickness of 500 nm. Of course, not only a two-layer structure but also a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers may be used. Further, the wiring material is not limited to Al and Ti. For example, a wiring may be formed by patterning a laminated film in which Al or Cu is formed on a TaN film and a Ti film is further formed. (Fig. 15)
[0158]
In the pixel portion 687, a pixel electrode 670, a gate wiring 669, and a connection electrode 668 are formed. With this connection electrode 668, the source wiring (stack of 633a and 633b) is electrically connected to the pixel TFT. The gate wiring 669 is electrically connected to the gate electrode of the pixel TFT. In addition, the pixel electrode 670 is electrically connected to the drain region 642 of the pixel TFT, and is further electrically connected to the semiconductor layer 659 functioning as one electrode forming the storage capacitor. Further, as the pixel electrode 670, it is desirable to use a material having excellent reflectivity such as a film containing Al or Ag as a main component or a laminated film thereof.
[0159]
As described above, a CMOS circuit including an n-channel TFT 681 and a p-channel TFT 682, a driver circuit 686 having an n-channel TFT 683, a pixel portion 687 having a pixel TFT 684 and a storage capacitor 685 are formed over the same substrate. can do. Thus, the active matrix substrate is completed.
[0160]
An n-channel TFT 681 in the driver circuit 686 has a channel formation region 637, a low concentration impurity region 636 (GOLD region) overlapping with the first conductive layer 628a which forms part of the gate electrode, and a high concentration functioning as a source region or a drain region. An impurity region 652 and an impurity region 690 into which an impurity element imparting n-type conductivity is introduced are provided. The p-channel TFT 682, which is connected to the n-channel TFT 681 by the electrode 666 to form a CMOS circuit, includes a channel formation region 640, a high-concentration impurity region 654 that functions as a source region or a drain region, and an impurity element that imparts n-type conductivity And an impurity region 653 into which an impurity element imparting p-type conductivity is introduced. In the n-channel TFT 683, a channel formation region 643, a low-concentration impurity region 642 (GOLD region) that overlaps with the first conductive layer 630a that forms part of the gate electrode, and a high-concentration impurity that functions as a source region or a drain region A region 656 and an impurity region 691 into which an impurity element imparting n-type conductivity is introduced are provided.
[0161]
A pixel TFT 684 in the pixel portion is provided with a channel formation region 646, a low concentration impurity region 645 (LDD region) formed outside the gate electrode, a high concentration impurity region 658 functioning as a source region or a drain region, and an n-type. An impurity region 692 into which an impurity element is introduced is provided. In addition, an impurity element imparting n-type conductivity and an impurity element imparting p-type conductivity are added to the semiconductor layer functioning as one electrode of the storage capacitor 685. The storage capacitor 685 is formed of an electrode (stack of 632a and 632b) and a semiconductor layer using the insulating film 616 as a dielectric.
[0162]
In the pixel structure of this embodiment, the end portions of the pixel electrodes are arranged and formed so as to overlap the source wiring so that the gap between the pixel electrodes is shielded from light without using a black matrix.
[0163]
This embodiment can be implemented in combination with the first to eighth embodiments.
[0164]
(Example 10)
In this example, a process of manufacturing a reflective liquid crystal display device from the active matrix substrate manufactured in Example 9 will be described below. FIG. 16 is used for the description.
[0165]
First, after obtaining the active matrix substrate in the state of FIG. 15 according to Embodiment 9, an alignment film 867 is formed on at least the pixel electrode 670 on the active matrix substrate of FIG. In this embodiment, before the alignment film 867 is formed, a columnar spacer 872 for maintaining the distance between the substrates is formed by patterning an organic resin film such as an acrylic resin film. Further, instead of the columnar spacers, spherical spacers may be scattered over the entire surface of the substrate.
[0166]
Next, a counter substrate 869 is prepared. Next, colored layers 870 and 871 and a planarization film 873 are formed over the counter substrate 869. The red colored layer 870 and the blue colored layer 871 are overlapped to form a light shielding portion. Further, the light shielding portion may be formed by partially overlapping the red colored layer and the green colored layer.
[0167]
In this example, the substrate shown in Example 9 is used. Accordingly, at least the gap between the gate wiring 669 and the pixel electrode 670, the gap between the gate wiring 669 and the connection electrode 668, and the gap between the connection electrode 668 and the pixel electrode 670 need to be shielded from light. In this example, the respective colored layers were arranged so that the light-shielding portions formed by the lamination of the colored layers overlapped at the positions where light shielding should be performed, and the counter substrate was bonded.
[0168]
As described above, the number of steps can be reduced by shielding the gap between the pixels with the light shielding portion formed by the lamination of the colored layers without forming a light shielding layer such as a black mask.
[0169]
Next, a counter electrode 876 made of a transparent conductive film was formed over the planarization film 873 at least in the pixel portion, an alignment film 874 was formed over the entire surface of the counter substrate, and a rubbing process was performed.
[0170]
Then, the active matrix substrate on which the pixel portion and the driver circuit are formed and the counter substrate are attached to each other with a sealant 868. A filler is mixed in the sealing material 868, and two substrates are bonded to each other with a uniform interval by the filler and the columnar spacer. Thereafter, a liquid crystal material 875 is injected between both substrates and completely sealed with a sealant (not shown). A known liquid crystal material may be used for the liquid crystal material 875. In this way, the reflection type liquid crystal display device shown in FIG. 16 is completed. If necessary, the active matrix substrate or the counter substrate is divided into a desired shape. Further, a polarizing plate (not shown) was attached only to the counter substrate. And FPC was affixed using the well-known technique.
[0171]
The liquid crystal display device manufactured as described above includes a TFT manufactured using a semiconductor film in which a laser beam having a periodic or uniform energy distribution is irradiated and crystal grains having a large particle size are formed. Therefore, the operation characteristics and reliability of the liquid crystal display device can be sufficient. And such a liquid crystal display device can be used as a display part of various electronic devices.
[0172]
Note that this embodiment can be implemented in combination with the first to ninth embodiments.
[0173]
(Example 11)
In this example, an example of manufacturing a light-emitting device using the manufacturing method of a TFT when manufacturing an active matrix substrate shown in Example 9 will be described below. In this specification, the light emitting device is a general term for a display panel in which a light emitting element formed on a substrate is sealed between the substrate and a cover material, and a display module in which a TFT or the like is mounted on the display panel. It is. Note that the light-emitting element includes a layer (light-emitting layer) containing an organic compound from which luminescence (Electro Luminescence) generated by applying an electric field is obtained, an anode layer, and a cathode layer. In addition, luminescence in an organic compound includes light emission (fluorescence) when returning from a singlet excited state to a ground state and light emission (phosphorescence) when returning from a triplet excited state to a ground state, one of these, Or both luminescence is included.
[0174]
In the present specification, all layers formed between the anode and the cathode in the light emitting element are defined as organic light emitting layers. Specifically, the organic light emitting layer includes a light emitting layer, a hole injection layer, an electron injection layer, a hole transport layer, an electron transport layer, and the like. Basically, a light emitting element has a structure in which an anode layer, a light emitting layer, and a cathode layer are sequentially laminated. In addition to this structure, an anode layer, a hole injection layer, a light emitting layer, a cathode layer, and an anode layer , A hole injection layer, a light emitting layer, an electron transport layer, a cathode layer and the like may be laminated in this order.
[0175]
FIG. 17 is a cross-sectional view of the light emitting device of this example. In FIG. 17, the switching TFT 733 provided over the substrate 700 is formed by using the manufacturing method of Embodiment 9.
[0176]
Note that although a double gate structure in which two channel formation regions are formed is used in this embodiment, a single gate structure in which one channel formation region is formed or a triple gate structure in which three channel formation regions are formed may be used.
[0177]
A driver circuit provided over the substrate 700 is formed by using the manufacturing method of Embodiment 9. In this embodiment, a single gate structure is used, but a double gate structure or a triple gate structure may be used.
[0178]
Further, the wirings 701 and 703 function as source wirings of the CMOS circuit, and the wiring 702 functions as a drain wiring. The wiring 704 functions as a wiring that electrically connects the source wiring 708 and the source region of the switching TFT, and the wiring 705 functions as a wiring that electrically connects the drain wiring 709 and the drain region of the switching TFT.
[0179]
Note that the current control TFT 734 is formed by using the manufacturing method of Example 9. In this embodiment, a single gate structure is used, but a double gate structure or a triple gate structure may be used.
[0180]
A wiring 706 is a source wiring (corresponding to a current supply line) of the current control TFT, and 707 is an electrode that electrically connects the drain region of the current control TFT and the pixel electrode 711.
[0181]
Reference numeral 711 denotes a pixel electrode (anode of the light emitting element) made of a transparent conductive film. As the transparent conductive film, a compound of indium oxide and tin oxide, a compound of indium oxide and zinc oxide, zinc oxide, tin oxide, or indium oxide can be used. Moreover, you may use what added the gallium to the said transparent conductive film. The pixel electrode 711 is formed on the flat interlayer insulating film 710 before forming the wiring. In this embodiment, it is very important to flatten the step due to the TFT using the flattening film 710 made of resin. Since the light emitting layer formed later is very thin, the presence of a step may cause a light emission failure. Therefore, it is desirable to planarize the pixel electrode before forming it so that the light emitting layer can be formed as flat as possible.
[0182]
After the wirings 701 to 707 are formed, a bank 712 is formed as shown in FIG. The bank 712 may be formed by patterning an insulating film or organic resin film containing silicon of 100 to 400 nm.
[0183]
Note that since the bank 712 is an insulating film, attention must be paid to electrostatic breakdown of elements during film formation. In this embodiment, carbon particles or metal particles are added to the insulating film that is the material of the bank 712 to reduce the resistivity and suppress the generation of static electricity. At this time, the resistivity is 1 × 10 6 ~ 1x10 12 Ωm (preferably 1 × 10 8 ~ 1x10 Ten The added amount of carbon particles and metal particles may be adjusted so that the resistance becomes Ωm).
[0184]
A light emitting layer 713 is formed on the pixel electrode 711. Although only one pixel is shown in FIG. 17, in this embodiment, light emitting layers corresponding to the respective colors R (red), G (green), and B (blue) are separately formed. In this embodiment, a low molecular weight organic light emitting material is formed by a vapor deposition method. Specifically, a copper phthalocyanine (CuPc) film having a thickness of 20 nm is provided as a hole injection layer, and a tris-8-quinolinolato aluminum complex (Alq) having a thickness of 70 nm is formed thereon as a light emitting layer. Three ) A laminated structure provided with a film. Alq Three The emission color can be controlled by adding a fluorescent dye such as quinacridone, perylene, or DCM1.
[0185]
However, the above example is an example of an organic light emitting material that can be used as a light emitting layer, and it is not absolutely necessary to limit to this. A light emitting layer (a layer for emitting light and moving carriers therefor) may be formed by freely combining a light emitting layer, a charge transport layer, or a charge injection layer. For example, in this embodiment, an example in which a low molecular weight organic light emitting material is used as the light emitting layer is shown, but a medium molecular weight organic light emitting material or a high molecular weight organic light emitting material may be used. Note that in this specification, an organic light-emitting material that does not have sublimation and has 20 or less molecules or a chain molecule length of 10 μm or less is referred to as a medium molecular organic light-emitting material. As an example of using a polymer organic light emitting material, a 20 nm polythiophene (PEDOT) film is provided by a spin coating method as a hole injection layer, and a paraphenylene vinylene (PPV) film of about 100 nm is provided thereon as a light emitting layer. Alternatively, a laminated structure may be used. If a PPV π-conjugated polymer is used, the emission wavelength can be selected from red to blue. It is also possible to use an inorganic material such as silicon carbide for the charge transport layer or the charge injection layer. Known materials can be used for these organic light emitting materials and inorganic materials.
[0186]
Next, a cathode 714 made of a conductive film is provided on the light emitting layer 713. In this embodiment, an alloy film of aluminum and lithium is used as the conductive film. Of course, a known MgAg film (magnesium and silver alloy film) may be used. As the cathode material, a conductive film made of an element belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic table or a conductive film added with these elements may be used.
[0187]
When the cathode 714 is formed, the light emitting element 715 is completed. Note that the light-emitting element 715 here refers to a diode formed of a pixel electrode (anode) 711, a light-emitting layer 713, and a cathode 714.
[0188]
It is effective to provide a passivation film 716 so as to completely cover the light emitting element 715. As the passivation film 716, an insulating film including a carbon film, a silicon nitride film, or a silicon nitride oxide film is used, and the insulating film is used as a single layer or a combination thereof.
[0189]
At this time, it is preferable to use a film with good coverage as the passivation film, and it is effective to use a carbon film, particularly a DLC (diamond-like carbon) film. Since the DLC film can be formed in a temperature range from room temperature to 100 ° C., it can be easily formed over the light-emitting layer 713 having low heat resistance. In addition, the DLC film has a high blocking effect against oxygen and can suppress oxidation of the light-emitting layer 713. Therefore, the problem that the light emitting layer 713 is oxidized during the subsequent sealing process can be prevented.
[0190]
Further, a sealing material 717 is provided over the passivation film 716 and a cover material 718 is attached thereto. As the sealing material 717, an ultraviolet curable resin may be used, and it is effective to provide a substance having a hygroscopic effect or a substance having an antioxidant effect inside. In this embodiment, the cover material 718 is formed by forming a carbon film (preferably a diamond-like carbon film) on both surfaces of a glass substrate, a quartz substrate, or a plastic substrate (including a plastic film).
[0191]
Thus, a light emitting device having a structure as shown in FIG. 17 is completed. Note that it is effective to continuously process the steps from the formation of the bank 712 to the formation of the passivation film 716 using a multi-chamber type (or in-line type) film formation apparatus without releasing to the atmosphere. . Further, it is possible to continuously process the process up to the step of bonding the cover material 718 without releasing to the atmosphere.
[0192]
Thus, n-channel TFTs 731 and 732, a switching TFT (n-channel TFT) 733 and a current control TFT (n-channel TFT) 734 are formed on the substrate 700.
[0193]
Furthermore, as described with reference to FIGS. 17A and 17B, an n-channel TFT which is resistant to deterioration due to the hot carrier effect can be formed by providing an impurity region overlapping with the gate electrode through an insulating film. Therefore, a highly reliable light emitting device can be realized.
[0194]
In addition, in this embodiment, only the configuration of the pixel portion and the drive circuit is shown. However, according to the manufacturing process of this embodiment, other logic circuits such as a signal dividing circuit, a D / A converter, an operational amplifier, and a γ correction circuit are provided. Can be formed on the same insulator, and a memory and a microprocessor can also be formed.
[0195]
The light-emitting device manufactured as described above has a TFT manufactured using a semiconductor film on which large-sized crystal grains are formed by irradiation with laser light having a periodic or uniform energy distribution. The operational characteristics and reliability of the light emitting device can be sufficient. And such a light-emitting device can be used as a display part of various electronic devices.
[0196]
In addition, a present Example can be implemented in combination with any one of Example 1- Example 9.
[0197]
(Example 12)
In this embodiment, a structure different from that of Embodiment 11 of a pixel of a light emitting device which is one of the semiconductor devices of the present invention will be described. FIG. 18 is a cross-sectional view of a pixel of the light emitting device of this example.
[0198]
751 is an n-channel TFT, and 752 is a p-channel TFT. The n-channel TFT 751 includes a semiconductor film 753, a first insulating film 770, first electrodes 754 and 755, a second insulating film 771, and second electrodes 756 and 757. The semiconductor film 753 includes a first-concentration one-conductivity type impurity region 758, a second-concentration one-conductivity type impurity region 759, and channel formation regions 760 and 761.
[0199]
The first electrodes 754 and 755 and the channel formation regions 760 and 761 overlap each other with the first insulating film 770 interposed therebetween. In addition, the second electrodes 756 and 757 and the channel formation regions 760 and 761 overlap with the second insulating film 771 interposed therebetween.
[0200]
The p-channel TFT 752 includes a semiconductor film 780, a first insulating film 770, a first electrode 781, a second insulating film 771, and a second electrode 782. The semiconductor film 780 includes a first conductivity type impurity region 783 having a third concentration and a channel formation region 784.
[0201]
The first electrode 781 and the channel formation region 784 overlap with each other with the first insulating film 770 interposed therebetween. The second electrode 782 and the channel formation overlap with each other with the second insulating film 771 interposed therebetween.
[0202]
The first electrode 781 and the second electrode 782 are electrically connected through a wiring 790.
[0203]
The laser apparatus of the present invention can be used in the steps of crystallizing, activating, or other laser annealing of the semiconductor films 753 and 780.
[0204]
In this embodiment, a constant voltage is applied to the first electrode of the TFT used as a switching element (n-channel TFT 751 in this embodiment). By applying a constant voltage to the first electrode, variation in threshold value can be suppressed as compared with the case where there is one electrode, and off-state current can be suppressed.
[0205]
In addition, a TFT (p-channel TFT 752 in this embodiment) that flows a larger current than a TFT used as a switching element electrically connects the first electrode and the second electrode. By applying the same voltage to the first electrode and the second electrode, the depletion layer spreads quickly in the same way as when the film thickness of the semiconductor film is substantially reduced, so that the subthreshold coefficient can be reduced. The on-current can be increased. Therefore, the driving voltage can be lowered by using the TFT having this structure in the driving circuit. In addition, since the on-current can be increased, the TFT size (especially the channel width) can be reduced. Therefore, the integration density can be improved.
[0206]
In addition, a present Example can be implemented in combination with any one of Example 1- Example 11.
[0207]
(Example 13)
In this embodiment, a structure different from those in Embodiments 11 and 12 of a pixel of a light-emitting device that is one of the semiconductor devices of the present invention will be described. FIG. 19 is a cross-sectional view of a pixel of the light emitting device of this example.
[0208]
In FIG. 19, reference numeral 911 denotes a substrate, and 912 denotes an insulating film to be a base (hereinafter referred to as a base film). As the substrate 911, a light-transmitting substrate, typically a glass substrate, a quartz substrate, a glass ceramic substrate, or a crystallized glass substrate can be used. However, it must withstand the maximum processing temperature during the fabrication process.
[0209]
Reference numeral 8201 denotes a switching TFT, and 8202 denotes a current control TFT, which are formed of an n-channel TFT and a p-channel TFT, respectively. When the light emitting direction of the organic light emitting layer is the lower surface of the substrate (the surface on which the TFT and the organic light emitting layer are not provided), the above configuration is preferable. However, the switching TFT and the current control TFT may be either an n-channel TFT or a p-channel TFT.
[0210]
The switching TFT 8201 includes a source region 913, a drain region 914, an LDD region 915a to 915d, an isolation region 916, and channel formation regions 917a and 917b, a gate insulating film 918, gate electrodes 919a and 919b, and a first interlayer. An insulating film 920, a source signal line 921, and a drain wiring 922 are included. Note that the gate insulating film 918 or the first interlayer insulating film 920 may be common to all TFTs on the substrate, or may be different depending on a circuit or an element.
[0211]
Further, the switching TFT 8201 shown in FIG. 19 has a so-called double gate structure in which the gate electrodes 917a and 917b are electrically connected. Needless to say, not only a double gate structure but also a so-called multi-gate structure (a structure including an active layer having two or more channel formation regions connected in series) such as a triple gate structure may be used.
[0212]
The multi-gate structure is extremely effective in reducing the off-current. If the off-current of the switching TFT is made sufficiently low, the minimum capacity required for the storage capacitor connected to the gate electrode of the current control TFT 8202 can be reduced. Can be suppressed. That is, since the area of the storage capacitor can be reduced, the multi-gate structure is also effective in increasing the effective light emitting area of the light emitting element.
[0213]
Further, in the switching TFT 8201, the LDD regions 915a to 915d are provided so as not to overlap with the gate electrodes 919a and 919b with the gate insulating film 918 interposed therebetween. Such a structure is very effective in reducing off current. The length (width) of the LDD regions 915a to 915d may be set to 0.5 to 3.5 μm, typically 2.0 to 2.5 μm. Note that in the case of a multi-gate structure including two or more gate electrodes, an isolation region 916 (a region to which the same impurity element is added at the same concentration as the source region or the drain region) provided between channel formation regions It is effective for reducing the off current.
[0214]
Next, the current control TFT 8202 includes an active layer including a source region 926, a drain region 927, and a channel formation region 965, a gate insulating film 918, a gate electrode 930, a first interlayer insulating film 920, a source signal line 931, and the like. A drain wiring 932 is formed. In this embodiment, the current control TFT 8202 is a p-channel TFT.
[0215]
The drain region 914 of the switching TFT 8201 is connected to the gate 930 of the current control TFT 8202. Although not shown, specifically, the gate electrode 930 of the current control TFT 8202 is electrically connected to the drain region 914 of the switching TFT 8201 via the drain wiring (also referred to as connection wiring) 922. Note that the gate electrode 930 has a single gate structure, but may have a multi-gate structure. The source signal line 931 of the current control TFT 8202 is connected to a power supply line (not shown).
[0216]
Although the above has described the structure of the TFT provided in the pixel, a driving circuit is also formed at this time. FIG. 19 shows a CMOS circuit as a basic unit for forming a driving circuit.
[0217]
In FIG. 19, a TFT having a structure that reduces hot carrier injection while reducing the operating speed as much as possible is used as the n-channel TFT 8204 of the CMOS circuit. Note that the driver circuit here refers to a source signal side driver circuit and a gate signal side driver circuit. Of course, other logic circuits (level shifter, A / D converter, signal dividing circuit, etc.) can be formed.
[0218]
An active layer of the n-channel TFT 8204 in the CMOS circuit includes a source region 935, a drain region 936, an LDD region 937, and a channel formation region 938, and the LDD region 937 overlaps with the gate electrode 939 with a gate insulating film 918 interposed therebetween.
[0219]
The reason why the LDD region 937 is formed only on the drain region 936 side is to prevent the operation speed from being lowered. In addition, the n-channel TFT 8204 does not need to worry about the off-current value so much, and it is better to focus on the operation speed than that. Therefore, it is desirable that the LDD region 937 is completely overlapped with the gate electrode to reduce the resistance component as much as possible. That is, it is better to eliminate the so-called offset.
[0220]
Further, the p-channel TFT 8205 of the CMOS circuit is hardly concerned with deterioration due to hot carrier injection, so that it is not particularly necessary to provide an LDD region. Therefore, the active layer includes a source region 940, a drain region 941, and a channel formation region 961, and a gate insulating film 918 and a gate electrode 943 are provided thereon. Needless to say, it is possible to provide an LDD region as in the case of the n-channel TFT 8204 and take measures against hot carriers.
[0221]
Note that 942, 938, 917a, 917b, and 929 are masks for forming channel formation regions 961 to 965.
[0222]
Each of the n-channel TFT 8204 and the p-channel TFT 8205 has source signal lines 944 and 945 on the source region with a first interlayer insulating film 920 interposed therebetween. Further, the drain regions of the n-channel TFT 8204 and the p-channel TFT 8205 are electrically connected to each other by the drain wiring 946.
[0223]
The laser apparatus of the present invention can be used in crystallization of the active layer, activation, or other processes using laser annealing.
[0224]
In addition, the structure of a present Example can be implemented combining freely with Examples 1-11.
[0225]
(Example 14)
In this embodiment, an example will be described in which impurities mixed in a melted semiconductor film when the semiconductor film is crystallized by laser light irradiation are removed. A typical manufacturing procedure will be briefly described below with reference to FIGS.
[0226]
In FIG. 21A, reference numeral 1100 denotes a substrate having an insulating surface, 1101 denotes a base insulating film, and 1102 denotes a semiconductor film having an amorphous structure.
[0227]
First, a base insulating film 1101 made of an insulating film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed over the substrate 1100 as a blocking layer. Here, a two-layer structure (a 50-nm-thick silicon oxynitride film and a 100-nm-thick silicon oxynitride film) is used as the base insulating film 1101, but a single-layer film or a structure in which two or more layers are stacked may be used. However, when it is not necessary to provide a blocking layer, the base insulating film is not necessarily formed. (FIG. 21 (A))
[0228]
Next, the semiconductor film 1102 having an amorphous structure is crystallized by a known method over the base insulating film to form a semiconductor film 1104 having a crystalline structure. (Fig. 21 (B))
[0229]
In this embodiment, a semiconductor film having a crystal structure is obtained by subjecting a semiconductor film 1102 having an amorphous structure obtained by plasma CVD, reduced pressure thermal CVD, or sputtering to laser annealing using the laser apparatus of the present invention. Crystallize.
[0230]
Note that a continuous wave or pulsed gas laser or solid state laser can be used as the laser oscillation device. There are excimer laser, Ar laser, Kr laser, etc. as gas laser, and YAG laser, YVO as solid laser. 4 Laser, YLF laser, YAlO 3 Laser, glass laser, ruby laser, alexandry G Laser, Ti: sapphire laser, Y 2 O 3 A laser etc. are mentioned. Solid lasers include YAG, YVO doped with Cr, Nd, Er, Ho, Ce, Co, Ti, Yb or Tm. 4 , YLF, YAlO 3 Lasers using crystals such as can also be used. The fundamental wave of the laser differs depending on the material to be doped, and a laser beam having a fundamental wave of about 1 μm can be obtained. The harmonic with respect to the fundamental wave can be obtained by using a nonlinear optical element. For the detailed conditions in laser light irradiation, the description in Example 9 can be referred to.
[0231]
Note that the oxygen concentration (SIMS analysis) in the semiconductor film 1104 having a crystal structure is 5 × 10 5. 18 atoms / cm Three It is desirable to form the following.
[0232]
Next, a barrier layer 1105 containing silicon as a main component is formed over the semiconductor film 1104 having a crystal structure. Note that the barrier layer 1105 may be an extremely thin layer, and may be a natural oxide film, or may be an oxide film that is oxidized by generating ozone by irradiation with ultraviolet rays in an atmosphere containing oxygen. The barrier layer 1105 may be an oxide film oxidized with a solution containing ozone used for surface treatment called hydro-cleaning performed for removing carbon, that is, organic substances. This barrier layer 1105 is mainly used as an etching stopper. Further, after forming the barrier layer 1105, channel doping may be performed, and then activated by irradiating with strong light.
[0233]
Next, a second semiconductor film 1106 is formed over the barrier layer 1105. (FIG. 21C) The second semiconductor film 1106 may be a semiconductor film having an amorphous structure or a semiconductor film having a crystal structure. The thickness of the second semiconductor film 1106 is 5 to 50 nm, preferably 10 to 20 nm. The second semiconductor film 1106 contains oxygen (concentration of 5 × 10 5 in SIMS analysis). 18 atoms / cm Three Or more, preferably 1 × 10 19 atoms / cm Three It is desirable to improve the gettering efficiency by containing the above.
[0234]
Next, a third semiconductor film (gettering site) 1107 containing a rare gas element is formed over the second semiconductor film 1106. The third semiconductor film 1107 may be a semiconductor film having an amorphous structure using a plasma CVD method, a low pressure thermal CVD method, or a sputtering method, or may be a semiconductor film having a crystal structure. The third semiconductor film may be a semiconductor film containing a rare gas element in the deposition step, or a rare gas element may be added after the formation of the semiconductor film not containing the rare gas element. In this embodiment, the third semiconductor film 1107 containing a rare gas element is formed in the deposition step, and then the third semiconductor film 1108 is formed by selectively adding a rare gas element. (FIG. 21D) Alternatively, the second semiconductor film and the third semiconductor film may be successively formed without exposure to the air. The sum of the thickness of the second semiconductor film and the thickness of the third semiconductor film may be 30 to 200 nm, for example, 50 nm.
[0235]
In this embodiment, the second semiconductor film 1106 forms a gap between the first semiconductor film 1104 and the third semiconductor film (gettering site) 1108. At the time of gettering, an impurity element such as a metal present in the semiconductor film 1104 tends to gather near the boundary of the gettering site. Therefore, the gettering site is obtained by the second semiconductor film 1106 as in this embodiment. It is desirable to improve the gettering efficiency by keeping the boundary of the first semiconductor film 1104 away from the first semiconductor film 1104. In addition, the second semiconductor film 1106 also has an effect of blocking the impurity element contained in the gettering site from diffusing and reaching the interface of the first semiconductor film during gettering. . Further, the second semiconductor film 1106 also has an effect of protecting the first semiconductor film from being damaged when a rare gas element is added.
[0236]
Next, gettering is performed. As a step of performing gettering, heat treatment may be performed in a nitrogen atmosphere at 450 to 800 ° C. for 1 to 24 hours, for example, at 550 ° C. for 14 hours. Moreover, you may irradiate strong light instead of heat processing. Moreover, you may irradiate strong light in addition to heat processing. Further, the substrate may be heated by injecting heated gas. In this case, heating may be performed at 600 ° C. to 800 ° C., more preferably at 650 ° C. to 750 ° C. for 1 to 60 minutes. Time can be shortened. By this gettering, the impurity element moves in the direction of the arrow in FIG. 21E, and the impurity element contained in the semiconductor film 1104 covered with the barrier layer 1105 is removed or the concentration of the impurity element is reduced. . Here, all the impurity elements are moved to the third semiconductor film 1108 so as not to be segregated in the first semiconductor film 1104, and the impurity elements contained in the first semiconductor film 1104 are hardly present, that is, the impurity element concentration in the film Is 1 × 10 18 atoms / cm Three Below, desirably 1 × 10 17 atoms / cm Three Getter enough to get:
[0237]
Next, after selectively removing only the semiconductor films 1106 and 1108 using the barrier layer 1105 as an etching stopper, a semiconductor layer 1109 having a desired shape is formed on the semiconductor film 1104 using a known patterning technique. (Fig. 21 (F))
[0238]
Next, after cleaning the surface of the semiconductor layer with an etchant containing hydrofluoric acid, an insulating film containing silicon as a main component and serving as the gate insulating film 1110 is formed. The surface cleaning and the formation of the gate insulating film are desirably performed continuously without exposure to the atmosphere.
[0239]
Next, after cleaning the surface of the gate insulating film, a gate electrode 1111 is formed, an impurity element imparting n-type conductivity (P, As, or the like), here phosphorus, is added as appropriate to the semiconductor, and the source region 1112 and the drain region 1113 are added. Form. After the addition, heat treatment, intense light irradiation, or laser light irradiation using the laser device of the present invention is performed to activate the impurity element. Simultaneously with activation, plasma damage to the gate insulating film and plasma damage to the interface between the gate insulating film and the semiconductor layer can be recovered. In particular, in an atmosphere of room temperature to 300 ° C., it is very effective to activate the impurity element by irradiating the second harmonic of the YAG laser from the front surface or the back surface. A YAG laser is a preferred activation means because it requires less maintenance.
[0240]
In the subsequent steps, an interlayer insulating film 1115 is formed, hydrogenation is performed, contact holes reaching the source region and the drain region are formed, a source electrode 1116 and a drain electrode 1117 are formed, and a TFT is completed. (Fig. 21 (G))
[0241]
The TFT thus obtained has at least the impurity element contained in the channel formation region 1114 removed and does not contain a rare gas element.
[0242]
Further, the present embodiment is not limited to the structure shown in FIG. 21, and a lightly doped drain (LDD) structure having an LDD region between a channel formation region and a drain region (or source region) if necessary. Also good. In this structure, a region to which an impurity element is added at a low concentration is provided between a channel formation region and a source region or a drain region formed by adding an impurity element at a high concentration, and this region is referred to as an LDD region. I'm calling. Furthermore, a so-called GOLD (Gate Overlapped LDD) structure in which an LDD region is disposed so as to overlap with a gate electrode through a gate insulating film may be employed.
[0243]
Although an n-channel TFT has been described here, a p-channel TFT can be formed by using an impurity element that imparts p-type to a semiconductor instead of an impurity element that imparts n-type to a semiconductor. Needless to say, you can.
[0244]
In this embodiment, the semiconductor film is patterned after the gettering is completed. However, this embodiment is not limited to this configuration. The patterning of the semiconductor film may be performed before crystallization, or may be performed after crystallization and before forming the barrier layer. Further, the semiconductor film is roughly patterned before crystallization or after crystallization and before forming the barrier layer, and after the gettering, patterning is performed again to form an active layer of the TFT. You may do it.
[0245]
Although the top gate TFT has been described as an example here, the present embodiment can be applied regardless of the TFT structure, for example, a bottom gate TFT (reverse stagger type) TFT or a forward stagger type TFT. It is possible.
[0246]
In addition, the structure of a present Example can be implemented combining freely with Examples 1-13.
[0247]
(Example 15)
In this embodiment, the laser device of the present invention has a second means for rotating the object to be processed, a third means for moving the center of rotation on a straight line, and the movement of the object to be processed. An example in which the operation of a fourth means for irradiating laser light to a certain region within a range from a certain position and a certain direction using a CPU will be described.
[0248]
The laser apparatus of the present invention shown in FIG. 22 has a stage 231 corresponding to a first means for installing an object 230 to be processed. A turntable 233 and a turntable motor 236 corresponding to second means capable of rotating the stage 231 are provided. Further, a guide rail 232 and a moving motor 235 corresponding to third means capable of moving the center of rotation on a straight line are provided. Further, a laser oscillation device and other optical system 237 corresponding to a fourth means capable of irradiating a specific region within a moving range of the workpiece 230 from a certain position and a certain direction are provided. Have.
[0249]
On the extension of the linear trajectory along which the center of rotation of the turntable 233 moves, there is a certain region where the laser beam is irradiated.
[0250]
In order to make the speed at which the irradiation position moves constant and to make the laser light irradiation time constant depending on the portion of the object to be processed, it is necessary to adjust the rotation speed as the rotation center moves. The CPU 240 controls the rotation speed of the object 230 and the moving speed of the center of rotation in consideration of the appropriate irradiation time of the laser beam in each part of the object 230. Specifically, the rotation speed is decreased as the certain area irradiated with the laser beam is further away from the center of rotation, and the rotation speed is increased as the distance from the center of rotation is approached.
[0251]
In addition, if the moving speed of the center of rotation 234 is too high relative to the rotational speed of the object to be processed 230, the entire surface of the object to be processed cannot be irradiated with laser light. For example, the rotational speed of the workpiece 230 and the moving speed of the center of rotation 234 are adjusted appropriately by the CPU.
[0252]
In addition, by adjusting the rotational speed of the object to be processed 230 and the moving speed of the center of rotation, each part of the object to be processed 230 can be irradiated with laser light a plurality of times. Further, after moving the center of rotation in one direction and then moving in the opposite direction, the object 230 can be irradiated with laser light a plurality of times.
[0253]
In addition, as shown in the second embodiment, when changing the irradiation position of the laser beam on the turntable in the first laser irradiation and the second laser irradiation, the CPU 240 controls the fourth means and sets the irradiation position. You may make it control.
[0254]
The laser apparatus of the present invention may include means for adjusting the temperature of the object to be processed in addition to the above four means. The means for adjusting the temperature of the object to be processed may be controlled by the CPU 240.
[0255]
This embodiment can be implemented in combination with Embodiments 1 to 14.
[0256]
(Example 16)
As electronic equipment using a semiconductor device formed by the laser device of the present invention, a video camera, a digital camera, a goggle type display (head mounted display), a navigation system, a sound reproduction device (car audio, audio component, etc.), a notebook type Recording media such as personal computers, game machines, portable information terminals (mobile computers, mobile phones, portable game machines, electronic books, etc.), and image playback devices (specifically DVDs (digital versatile discs)) equipped with recording media And a device having a display capable of reproducing and displaying the image). Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.
[0257]
FIG. 24A illustrates a display device, which includes a housing 2001, a support base 2002, a display portion 2003, a speaker portion 2004, a video input terminal 2005, and the like. The semiconductor device of the present invention can be used for the display portion 2003. Since the semiconductor device is a self-luminous type, a backlight is not necessary and a display portion thinner than a liquid crystal display can be obtained. The display devices include all information display devices for personal computers, for receiving TV broadcasts, for displaying advertisements, and the like.
[0258]
FIG. 24B shows a digital still camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an image receiving portion 2103, operation keys 2104, an external connection port 2105, a shutter 2106, and the like. The semiconductor device of the present invention can be used for the display portion 2102 and other circuits.
[0259]
FIG. 24C shows a laptop personal computer, which includes a main body 2201, a housing 2202, a display portion 2203, a keyboard 2204, an external connection port 2205, a pointing mouse 2206, and the like. The semiconductor device of the present invention can be used for the display portion 2203 and other circuits.
[0260]
FIG. 24D illustrates a mobile computer, which includes a main body 2301, a display portion 2302, a switch 2303, operation keys 2304, an infrared port 2305, and the like. The semiconductor device of the present invention can be used for the display portion 2302.
[0261]
FIG. 24E illustrates a portable image reproducing device (specifically, a DVD reproducing device) provided with a recording medium, which includes a main body 2401, a housing 2402, a display portion A2403, a display portion B2404, and a recording medium (DVD or the like). A reading unit 2405, operation keys 2406, a speaker unit 2407, and the like are included. Although the display portion A 2403 mainly displays image information and the display portion B 2404 mainly displays character information, the semiconductor device of the present invention can be used for these display portions A, B 2403, 2404 and other circuits. Note that an image reproducing device provided with a recording medium includes a home game machine and the like.
[0262]
FIG. 24F illustrates a goggle type display (head mounted display), which includes a main body 2501, a display portion 2502, and an arm portion 2503. The semiconductor device of the present invention can be used for the display portion 2502 and other circuits.
[0263]
FIG. 24G illustrates a video camera, which includes a main body 2601, a display portion 2602, a housing 2603, an external connection port 2604, a remote control reception portion 2605, an image receiving portion 2606, a battery 2607, an audio input portion 2608, operation keys 2609, and an eyepiece. Part 2610 and the like. The semiconductor device of the present invention can be used for the display portion 2602 and other circuits.
[0264]
Here, FIG. 24H shows a cellular phone, which includes a main body 2701, a housing 2702, a display portion 2703, an audio input portion 2704, an audio output portion 2705, operation keys 2706, an external connection port 2707, an antenna 2708, and the like. The semiconductor device of the present invention can be used for the display portion 2703 and other circuits. Note that the display portion 2703 can reduce power consumption of the mobile phone by displaying white characters on a black background.
[0265]
In addition to the electronic devices described above, it can be used for a front-type or rear-type projector.
[0266]
As described above, the applicable range of the present invention is so wide that it can be used for electronic devices in various fields. In addition, the electronic device of this embodiment may use the semiconductor device having any structure shown in Embodiments 1 to 15.
[0267]
(Example 17)
In this embodiment, an example in which a semiconductor film is crystallized using the laser apparatus of the present invention will be described.
[0268]
In FIG. 25A, 3000 is a substrate having an insulating surface, 3001 is a base film which is an insulating film for preventing impurities in the substrate from entering the semiconductor film, and 3002 is a semiconductor film having an amorphous structure. .
[0269]
In FIG. 25A, a glass substrate, a quartz substrate, a ceramic substrate, or the like can be used as the substrate 3000. Alternatively, a silicon substrate, a metal substrate, or a stainless steel substrate with an insulating film formed thereon may be used. Alternatively, a plastic substrate having heat resistance that can withstand the processing temperature in this step may be used.
[0270]
First, as shown in FIG. 25A, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film (SiO 2) is formed over a substrate 3000. x N y A base insulating film 3001 made of an insulating film such as) is formed. A typical example has a two-layer structure as the base insulating film 3001, and SiH Four , NH Three And N 2 A first silicon oxynitride film formed using O as a reaction gas is formed to a thickness of 30 to 100 nm, SiH Four And N 2 A structure in which a second silicon oxynitride film formed using O as a reactive gas is formed to a thickness of 30 to 150 nm can be used. Alternatively, a three-layer structure in which a first silicon oxynitride film, a second silicon oxynitride film, and a silicon nitride film are sequentially stacked may be used.
[0271]
Next, a semiconductor film 3002 having an amorphous structure is formed over the base insulating film 3001. For the semiconductor film 3002, a semiconductor material containing silicon as its main component is used. Typically, an amorphous silicon film, an amorphous silicon germanium film, or the like is applied, and the film is formed to a thickness of 10 to 100 nm by a plasma CVD method, a low pressure CVD method, or a sputtering method. In order to obtain a semiconductor film having good crystallinity by subsequent crystallization, the concentration of impurities such as oxygen and nitrogen contained in the semiconductor film 3002 having an amorphous structure is set to 5 × 10. 18 atoms / cm Three It may be reduced to (atomic concentration measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) or less. These impurities interfere with subsequent crystallization, and also increase the density of capture centers and recombination centers even after crystallization. Therefore, it is desirable not only to use a high-purity material gas but also to use an ultrahigh vacuum-compatible CVD apparatus equipped with a mirror surface treatment (electropolishing treatment) in the reaction chamber and an oil-free vacuum exhaust system.
[0272]
Next, the semiconductor film 3002 having an amorphous structure in the atmosphere or in an oxygen atmosphere is crystallized by irradiation with the first laser light using the laser device of the present invention. In this embodiment, continuous wave YVO is used as the first laser. Four Use a laser. In this embodiment, the output energy of the laser beam is set to 27 W, the laser beam spot is formed into an elliptical shape having a major axis × minor axis of 500 μm × 50 μm, and the laser beam is moved in the minor axis direction of the ellipse. Note that the output energy of the laser light and the shape of the beam spot can be set as appropriate by the designer.
[0273]
In this embodiment, continuous oscillation type YVO is used. Four Although a laser is used, this embodiment is not limited to this configuration. For example, laser oscillation devices are pulse oscillation type or continuous emission type excimer lasers, YAG lasers, YVOs. Four A laser can be used. Crystallization conditions are appropriately selected by the practitioner. When an excimer laser is used, the pulse oscillation frequency is 300 Hz and the laser energy density is 100 to 400 mJ / cm. 2 (Typically 200-300mJ / cm 2 ). When a YAG laser is used, the second harmonic is used and the pulse oscillation frequency is set to 30 to 300 kHz, and the laser energy density is set to 300 to 600 mJ / cm. 2 (Typically 350-500mJ / cm 2 ) Then, laser light condensed linearly with a width of 100 to 1000 μm, for example 400 μm, is irradiated over the entire surface of the substrate, and the superposition rate (overlap rate) of the linear laser light at this time is 50 to 90%.
[0274]
As the laser, a continuous wave or pulsed gas laser or solid laser can be used. There are excimer laser, Ar laser, Kr laser, etc. as gas laser, and YAG laser, YVO as solid laser. 4 Laser, YLF laser, YAlO 3 Laser, glass laser, ruby laser, alexandry G Laser, Ti: sapphire laser, Y 2 O 3 A laser etc. are mentioned. Solid lasers include YAG, YVO doped with Cr, Nd, Er, Ho, Ce, Co, Ti, Yb or Tm. 4 , YLF, YAlO 3 Lasers using crystals such as can also be used. The fundamental wave of the laser differs depending on the material to be doped, and a laser beam having a fundamental wave of about 1 μm can be obtained. The harmonic with respect to the fundamental wave can be obtained by using a nonlinear optical element.
[0275]
In crystallization of the amorphous semiconductor film, in order to obtain a crystal with a large grain size, it is preferable to use a solid-state laser capable of continuous oscillation and apply the second to fourth harmonics of the fundamental wave. Typically, Nd: YVO Four It is desirable to apply the second harmonic (532 nm) or the third harmonic (355 nm) of the laser (fundamental wave 1064 nm). Specifically, continuous output YVO with an output of 10 W Four Laser light emitted from the laser is converted into a harmonic by a non-linear optical element. Also, YVO in the resonator Four There is also a method of emitting harmonics by inserting a crystal and a nonlinear optical element. Preferably, the laser beam is shaped into a rectangular or elliptical shape on the irradiation surface by an optical system, and the object to be processed is irradiated. The energy density at this time is 0.01 to 100 MW / cm. 2 Degree (preferably 0.1-10 MW / cm 2 )is required. Then, irradiation is performed by moving the semiconductor film relative to the laser light at a speed of about 10 to 2000 cm / s.
[0276]
By irradiation with laser light, the semiconductor film 3002 having an amorphous structure is crystallized, and a semiconductor film 3003 having crystallinity and an oxide film 3004 in contact with the semiconductor film 3003 are formed. Note that a protruding portion (ridge) 3005 is formed along the crystal grain boundary of the semiconductor film 3003 when the laser light is irradiated. (Fig. 25 (B))
[0277]
Next, the oxide film 3004 is removed. In this embodiment, the oxide film 3004 is removed using a hydrofluoric acid-based etching solution, and the surface of the semiconductor film 3003 having crystallinity is exposed. Note that the method for removing the oxide film 3004 is not limited to the above-described method. For example, the oxide film 3004 may be removed using a fluorine-based gas.
[0278]
Next, the semiconductor film 3003 having crystallinity is irradiated with laser light (second laser light) in nitrogen or a vacuum atmosphere (FIG. 25C). Note that in the case where the second laser light is irradiated in an inert atmosphere, for example, as illustrated in FIG. 26, the inert gas may be irradiated only on a portion of the semiconductor film 3003 irradiated with the laser light. For example, as shown in FIG. 26A, laser light output from the laser oscillation device and the optical system 4001 may be irradiated to the semiconductor film 3003 through the slit of the gas blowing portion 4002. FIG. 26B is an enlarged view of the gas blowing portion 4002, and the gas blowing portion 4002 is provided with a slit 4006 through which laser light can pass. In addition, the gas blowing portion 4002 is provided with an opening 4008 that allows the inert gas supplied through the conduit 4007 to be sprayed to the periphery of the semiconductor film 3003 where the laser light is irradiated. The inert gas injected from the opening 4008 is blown to the semiconductor film 3003.
[0279]
When the laser beam (second laser beam) is irradiated by the second laser beam irradiation, the height difference (PV value: Peak to Valley, height of the unevenness formed by the first laser beam irradiation) A difference between the maximum value and the minimum value) is reduced, that is, a planarized semiconductor film 3006 is formed. Here, the PV value of the unevenness may be observed with an AFM (atomic force microscope). Specifically, when the PV value of the unevenness on the surface formed by the irradiation of the first laser beam is, for example, about 10 nm to 30 nm, the uneven PV on the surface by the irradiation of the second laser beam. The value can be 5 nm or less.
[0280]
As this laser light (second laser light), excimer laser light having a wavelength of 400 nm or less, and second and third harmonics of a YAG laser are used. Further, the same laser as the first laser beam described above may be used.
[0281]
Note that the irradiation with the second laser light is higher than the energy density of the first laser light, but the crystallinity hardly changes before and after the irradiation. Also, the crystal state such as the grain size hardly changes. That is, it seems that only the flattening is performed by the irradiation of the second laser beam.
[0282]
The merit that the semiconductor film 3006 having crystallinity is planarized by irradiation with the second laser light is very large. Specifically, the improvement in flatness enables a gate insulating film to be formed later to be thinned, so that the on-current value of the TFT can be improved. In addition, when flatness is improved, off current can be reduced when a TFT is manufactured.
[0283]
This embodiment can be implemented in combination with Embodiments 1 to 16.
[0284]
【The invention's effect】
The laser apparatus of the present invention sets the irradiation position of the laser beam on the object to be processed in the X direction and the Y direction without changing the moving direction of the object to be processed even if the laser beam is irradiated from a certain position and a certain direction The entire surface of the object to be processed can be irradiated with laser light. Therefore, there is no time loss associated with the change of the moving direction of the object to be processed, and the processing efficiency can be increased as compared with the conventional case.
[0285]
In addition, since the irradiation angle of the laser beam to the object to be processed is fixed regardless of the irradiation position, the intensity of the beam reflected and returning within the object to be processed, the intensity of interference, etc. vary depending on the irradiation position. Can be prevented, and the processing of the object to be processed can be performed almost uniformly. For example, when a semiconductor film is crystallized by laser irradiation, it is possible to prevent a difference in crystallinity depending on the position of the semiconductor film. In addition, the optical system can be simplified as compared with the case where the entire object to be processed is irradiated with laser light by changing the beam irradiation direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a laser device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of a laser device of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a direction in which an irradiation position of a laser beam moves in an object to be processed.
FIG. 4 is a diagram illustrating a structure of a laser device of the present invention and a diagram illustrating a direction in which an irradiation position of a laser beam moves in an object to be processed.
FIG. 5 is a diagram showing a position irradiated with laser light.
FIG. 6 is a diagram showing a position irradiated with laser light.
FIG. 7 is a diagram showing a structure of a laser device of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a laser beam locus in a liquid crystal panel.
FIG. 9 is a diagram showing a position irradiated with laser light.
FIG. 10 is a diagram showing a structure of a laser device of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a structure of a laser device of the present invention.
FIG. 12 is a view showing a structure of a laser device of the present invention.
FIGS. 13A and 13B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device using a laser apparatus of the present invention. FIGS.
FIGS. 14A to 14C illustrate a method for manufacturing a semiconductor device using the laser apparatus of the present invention. FIGS.
FIGS. 15A to 15C illustrate a method for manufacturing a semiconductor device using a laser apparatus of the present invention. FIGS.
FIGS. 16A to 16C illustrate a method for manufacturing a semiconductor device using the laser apparatus of the present invention. FIGS.
FIGS. 17A to 17C illustrate a method for manufacturing a semiconductor device using a laser apparatus of the present invention. FIGS.
FIGS. 18A to 18C illustrate a method for manufacturing a semiconductor device using the laser apparatus of the present invention. FIGS.
FIG 19 is a diagram showing a method for manufacturing a semiconductor device using a laser apparatus of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing the direction in which the irradiation position of laser light moves in a conventional object to be processed.
FIGS. 21A to 21C illustrate a method for manufacturing a semiconductor device using a laser apparatus of the present invention. FIGS.
FIG. 22 is a block diagram of the laser apparatus of the present invention.
FIG. 23 shows a method for irradiating a liquid crystal panel with laser light.
FIG. 24 is a diagram of an electronic device using a semiconductor device of the invention.
FIG. 25 is a view showing a method for crystallizing a semiconductor film using the laser apparatus of the present invention.
FIG. 26 is a diagram showing an embodiment of a laser apparatus of the present invention.

Claims (17)

複数の基板上に半導体膜を形成し、
レーザー発振装置から出力されたレーザー光を光学系を用いて加工し、
前記複数の基板を設置した回転台を回転させながら、前記回転台の回転の中心を直線状に移動させ、なおかつ前記加工されたレーザー光を前記半導体膜の移動範囲内における一定の領域に照射することで、前記半導体膜の結晶性を高め、
前記一定の領域は、前記直線の延長上に存在することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a semiconductor film on a plurality of substrates,
Processing the laser beam output from the laser oscillator using an optical system,
While rotating the turntable installed the plurality of board, illuminated by moving the center of the rotary stage rotation linearly, yet the processed laser light in a certain region in the movement range of the semiconductor film By increasing the crystallinity of the semiconductor film,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the certain region exists on an extension of the straight line.
複数の基板上に形成された半導体膜をパターニングして島状の半導体膜を形成し、
レーザー発振装置から出力されたレーザー光を光学系を用いて加工し、
前記複数の基板設置した回転台を回転させながら、前記回転台の回転の中心を直線状に移動させ、なおかつ前記加工されたレーザー光を前記島状の半導体膜の移動範囲内における一定の領域に照射することで、前記島状の半導体膜の結晶性を高め、
前記一定の領域は、前記直線の延長上に存在することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Patterning semiconductor films formed on multiple substrates to form island-shaped semiconductor films,
Processing the laser beam output from the laser oscillator using an optical system,
While rotating the turntable installed the plurality of substrates, certain regions in the movement range of the center of the turntable rotation is moved linearly, yet the processed the laser light island-shaped semiconductor film To increase the crystallinity of the island-shaped semiconductor film,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the certain region exists on an extension of the straight line.
請求項2において、
前記パターニングされた半導体膜のエッジから、前記レーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 2,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the laser light is irradiated from an edge of the patterned semiconductor film.
複数の基板上に半導体膜を形成し、
レーザー発振装置から出力されたレーザー光を光学系を用いて加工し、
前記複数の基板を設置した回転台を回転させながら、前記回転台の回転の中心を直線状に移動させ、なおかつ前記加工されたレーザー光を前記半導体膜の移動範囲内における一定の領域に照射することで、前記半導体膜の結晶性を高め、
前記結晶性が高められた半導体膜をパターニングして島状の半導体膜を形成し、
前記一定の領域は、前記直線の延長上に存在することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a semiconductor film on a plurality of substrates,
Processing the laser beam output from the laser oscillator using an optical system,
While rotating the turntable installed the plurality of board, illuminated by moving the center of the rotary stage rotation linearly, yet the processed laser light in a certain region in the movement range of the semiconductor film By increasing the crystallinity of the semiconductor film,
Patterning the semiconductor film with increased crystallinity to form an island-shaped semiconductor film;
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the certain region exists on an extension of the straight line.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記半導体膜に照射するn(nは自然数)回目のレーザー光の軌跡と、(n+1)回目のレーザー光の軌跡は互いに重なり、かつ、前記n回目のレーザー光のエッジと前記(n+1)回目のレーザー光のエッジは互いに重ならないことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The n-th (n + 1) -th laser beam trajectory irradiates the semiconductor film and the (n + 1) -th laser beam trajectory overlap each other, and the n-th laser beam edge and the (n + 1) -th laser beam trajectory overlap each other. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein edges of laser beams do not overlap each other.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記半導体膜の下方に反射体を配置し、前記反射体で反射したレーザー光を前記半導体膜の裏面から照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: disposing a reflector below the semiconductor film; and irradiating a laser beam reflected by the reflector from a back surface of the semiconductor film.
請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
前記レーザー光の前記半導体膜に対する入射角は5〜30°であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein an incident angle of the laser beam to the semiconductor film is 5 to 30 °.
請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、
前記レーザー発振装置は、連続発振のレーザーを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 7,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the laser oscillation device uses a continuous wave laser.
請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、
前記レーザー発振装置は、固体レーザーを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 7,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the laser oscillation device uses a solid-state laser.
請求項9において、
前記固体レーザーは、YAGレーザー、YVOレーザー、YLFレーザー、YAlOレーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、アレキサンドライトレーザー、Ti:サファイアレーザー、またはYレーザーであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 9,
The solid-state laser is a YAG laser, a YVO 4 laser, a YLF laser, a YAlO 3 laser, a glass laser, a ruby laser, an alexandrite laser, a Ti: sapphire laser, or a Y 2 O 3 laser. Method.
請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、
前記レーザー発振装置は、エキシマレーザー、Arレーザー、またはKrレーザーを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 7,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the laser oscillation device uses an excimer laser, an Ar laser, or a Kr laser.
請求項1乃至請求項11のいずれか一項において、
複数の前記レーザー発振装置から出力されたレーザー光を合成させて、前記半導体膜に照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 to 11,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising combining laser beams output from a plurality of the laser oscillation devices and irradiating the semiconductor film.
請求項1乃至請求項11のいずれか一項において、
前記レーザー発振装置から出力されたレーザー光を分割して、前記半導体膜に照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 to 11,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: dividing a laser beam output from the laser oscillation device and irradiating the semiconductor film.
請求項1乃至請求項13のいずれか一項において、
前記レーザー光は第2高調波であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru / or Claim 13,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the laser beam is a second harmonic.
請求項1乃至請求項14のいずれか一項において、
前記回転の中心を移動させる速度が一定に保たれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 14,
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that a speed of moving the center of rotation is kept constant.
請求項1乃至請求項15のいずれか一項において、
前記回転の中心と前記一定の領域が近づくにつれ、前記回転の角速度が早くなることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 to 15,
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that an angular velocity of the rotation increases as the center of rotation approaches the certain region.
請求項1乃至請求項16のいずれか一項において、
前記レーザー光の入射角θは、前記レーザー光の入射面と前記平面の交線における前記レーザー光の幅をW、前記絶縁表面を有する基板の厚さをdとすると、
θ≧arctan(W/2d)
を満たすことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 16,
The incident angle θ of the laser beam is defined as W when the width of the laser beam at the intersection of the plane of incidence of the laser beam and the plane is W, and d as the thickness of the substrate having the insulating surface.
θ ≧ arctan (W / 2d)
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein:
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