JP4439775B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP4439775B2
JP4439775B2 JP2001365447A JP2001365447A JP4439775B2 JP 4439775 B2 JP4439775 B2 JP 4439775B2 JP 2001365447 A JP2001365447 A JP 2001365447A JP 2001365447 A JP2001365447 A JP 2001365447A JP 4439775 B2 JP4439775 B2 JP 4439775B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
semiconductor film
heat treatment
region
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001365447A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002270508A (en
Inventor
圭恵 高野
浩二 大力
舜平 山崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority to JP2001365447A priority Critical patent/JP4439775B2/en
Publication of JP2002270508A publication Critical patent/JP2002270508A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4439775B2 publication Critical patent/JP4439775B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁表面を有する基板上に形成された結晶質半導体膜を用いた薄膜トランジスタ(以下、TFTという)で形成された回路を有する半導体装置の作製方法に関する。特に本発明は、画素部とその周辺に設けられる駆動回路を同一基板上に設けた液晶表示装置および該液晶表示装置を表示部に用いた電気器具(電子機器ともいう)に関する。
【0002】
【従来技術】
情報化社会の急速な発展に伴い、企業だけでなく個人にもパーソナルコンピュータ(PC)をはじめとする情報家電の普及が急速に進んできている。携帯用情報機器やPCのディスプレイの省スペース化といった面ではやくから有望視されているのが、液晶表示装置(液晶ディスプレイ)である。しかし、液晶表示装置の製造工程は複雑で歩留まりが低く、そのため製造コストが高いといった問題があった。
【0003】
また近年、電界効果移動度の問題から基板(例えば、ガラス基板、石英基板、ステンレス鋼基板等)上に設けられた絶縁表面上に形成された非晶質半導体(例えば、シリコン)膜(以下、アモルファスシリコン膜という)を結晶化させて、多結晶状態になった多結晶半導体膜(以下、ポリシリコン膜または結晶性シリコン膜という)を用いた薄膜トランジスタ(以下、TFTという)の技術開発が急速に進んでいる。なかでも、結晶化のための加熱処理を低温(600℃以下)で行って作成された多結晶シリコン膜は、低温ポリシリコン膜と称されている。
【0004】
近年、ガラス基板等に上にTFTを形成して半導体回路を構成することが研究されてきた。そのような半導体回路を用いる電気器具としてはアクティブマトリクス型液晶表示装置のような電気光学装置が代表的である。
【0005】
アクティブマトリクス型液晶表示装置とは、同一基板上に画素マトリクス回路とドライバー回路とを設けたモノシリック型表示装置である。さらにメモリ回路やクロック発生回路等のロジック回路を内蔵したシステムオンパネルの開発も進められている。
【0006】
このようなドライバー回路やロジック回路は高速動作を行う必要があるので、活性層として非晶質珪素膜(アモルファスシリコン膜)を用いることは不適当である。そのため、現状では結晶性珪素膜(ポリシリコン膜)を活性層としたTFTが主流になりつつある。
【0007】
そして、ガラス基板のように石英基板に比較し耐熱性の低い基板上に、大面積に結晶性珪素膜を形成するためのプロセス、いわゆる低温プロセスに関して、研究・開発が盛んに行われている。
【0008】
低温ポリシリコン膜を作成する方法としては、主にレーザーアニール法やイオンドープ法などが主に用いられている。良質な低温ポリシリコン膜を得る方法として、金属元素の結晶化を促進する触媒元素として用いる技術について、特開平7−183540号公報等で開示されている。金属元素としては、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、鉛(Pb)、スズ(Sn)などが用いられる。これらの触媒元素を溶液塗布法、スパッタ法、イオン注入法、蒸着法、プラズマ処理法などの方法により半導体(シリコン)膜に添加して、結晶化のための加熱処理を行う。しかし、これらの処理は低温で処理できるかわりに、処理時間が長いという問題があった。
【0009】
本発明者らは、特開平7−130652号公報において、ガラス基板上に結晶性珪素膜を得るため技術を開示している。同公報記載の技術は、非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する触媒元素を添加し、加熱処理を行い、非晶質珪素膜を結晶化するというものである。
【0010】
この結晶化技術によって、非晶質珪素膜の結晶化温度を50〜100℃も引き下げることが可能になり、また結晶化に要する時間も1/5〜1/10にまで短縮することが可能になった。その結果、耐熱性の低いガラス基板上にも、結晶化珪素膜を大面積に形成することが可能になった。このような、低温プロセスよって得られた結晶性珪素膜は、優れた結晶性を有することが実験的に確かめられている。
【0011】
また、環境問題が深刻化し、全世界レベルで家電機器に関する省エネルギー化対策を取る必要が迫られている。そこで、液晶セルの量産のための製造工程の高効率化や製造コストの低減といった課題を解決するために、製造工程における基板の大型化が求められており、大型のガラス基板から複数のTFT基板をとるための技術開発が進められている。
【0012】
なお、本明細書において、液晶セルとは画素TFTの形成された基板と対向基板との間に液晶が挟まれた状態の表示デバイスのことを指す。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、特開平7−130652号公報で、結晶化工程において非晶質半導体膜に結晶化を促進する作用を有する金属元素(以下、触媒元素という)を添加して加熱処理を行うことにより、結晶性の高い結晶質半導体膜を作製する方法を開示している。
【0014】
しかし、上記公報記載の方法は、炉を用いた加熱処理であり、さらに加熱処理にかかる時間も〜14時間とかなりの時間を費やして結晶質半導体膜を形成していた。
【0015】
実際に半導体装置を大量に生産する製造工程において、処理時間の短縮化は重要な課題である。
【0016】
また、製造工程の効率を向上させるための他の技術として、1枚の大型ガラス基板、例えば550mm×650mmの基板から複数の液晶セル、例えば6枚の12.1型の液晶セルを製造する技術の確立も進められている。今後は、さらに大型のガラス基板からより多くの液晶セルを製造する技術および製造装置の導入が求められている。処理前の母材(ガラス基板)の大型化に伴い、製造工程で用いられる装置も当然大型化される必要があり、加熱処理を行うための炉は、設置面積の増大に関する問題や上記したような大型基板を処理するための大型の炉を均一にかつ十分に温めるだけのエネルギーが必要であり、そのエネルギーは膨大な消費電力となってしまうという課題があった。
【0017】
そこで、製造の効率や生産性の向上の点を考慮すると加熱方法として、RTA(Rapid Thermal Anneal)法が適していると考えられる。しかし、RTA法は、半導体層中での不純物の拡散を抑制することを目的として、高温で短時間の加熱処理を行う方法であり、触媒元素を用いた結晶化工程やゲッタリング工程といった元素の拡散を必要とする半導体膜の加熱処理工程では、所望の効果を得る前に、ガラス基板が歪みを起こしてしまう可能性がある。例えば炉におけるゲッタリング工程において、800℃で60秒の処理をしただけで、ガラス基板は自重により湾曲変形してしまうことが確認されている。
【0018】
本発明は、上記問題を解決して、大型基板を用いた量産を可能にするために、大型ガラス基板上に良好な結晶質半導体膜を効率よく作製する方法を提供することを課題とする。
【0019】
また、600℃を超える高温状態において加熱処理を行うと、触媒元素による酸化半導体膜の高速成長が起こり、形成された半導体素子の破壊が起きることが知られている。更に900℃を超える高温状態において加熱処理を行うと触媒元素のない領域においても酸化半導体膜が高速に成長することが知られている。
【0020】
そこで、本発明は、結晶化のための加熱処理を光源を制御して、パルス状の光を照射することにより、工程にかかる時間短縮を行うことを課題とする。
【0021】
また、減圧雰囲気で結晶化のための加熱処理を行うことにより、膜中の水素を低減し、結晶性を向上させることを課題とする。また、減圧雰囲気で加熱処理を行うことにより、雰囲気中の酸素濃度を低減し、結晶化を助長する触媒元素の酸化物形成を抑制することを課題とする。また、真空下で結晶化のための加熱処理を行うことにより、結晶化を促進し、結晶時間の短縮を行うことを課題とする。また、真空下で結晶化のための加熱処理を行うことにより、膜中の水素を低減し、結晶性を向上させることを課題とする。また、真空下で加熱処理を行うことにより、雰囲気中の酸素濃度を低減し、結晶化を助長する触媒元素の酸化物形成を抑制することを課題とする。
【0022】
また、他の課題として、低温プロセスでガラス基板上に良好な結晶質半導体膜を作製した後、半導体膜中に触媒元素が高濃度に残留していると、触媒元素が半導体膜(シリコン膜)中に深いエネルギー準位を形成してキャリアを捕獲し、再結合してしまうため、得られる結晶性シリコン膜を用いてTFTを形成すると、TFTの電気特性や信頼性に悪影響を及ぼすことが予想される。
【0023】
結晶質半導体膜中に残存した触媒元素が不規則に、特に結晶粒界に集中して偏析することが確認されており、この偏析が半導体膜の素子となる領域(特に、チャネル形成領域およびチャネル形成領域とソース領域またはドレイン領域との接合部)において存在していると、微弱な電流の逃げ道(リークパス)となり、オフ電流(TFTがオフ状態にある時の電流)の突発的な増加の原因になっていると考えられている。
【0024】
そこで、触媒元素を用いた結晶化工程後、速やかに結晶質半導体膜に残留する触媒元素の濃度を低減させるためのゲッタリング工程も低温プロセスで行う方法を提供することを課題とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
上記したようにRTA装置を用いることによって加熱処理のスループットを向上させることが可能となる。また光源をパルス状に照射させることによって、ガラスに熱が伝わる前に処理温度を下げることができるので、ガラス基板上に成膜された半導体膜の加熱処理が可能となる。
【0026】
さらに、パルス状に制御した光源の点灯による熱の伝達を温度センサーにより制御しており、この制御にあわせてガラス基板にガラス転移温度以上の熱が伝わらないような冷却手段を用いている。加熱および冷却を同時に行っているため、加熱処理中にガラス転移温度を超えない、もしくは超える時間を短くすることができる。また、この加熱処理を繰り返すことにより、半導体膜の結晶化を促進する触媒元素が半導体中を拡散する温度を保持している間も、ガラス基板を歪ませることなく、比較的短時間で効率よく半導体膜の結晶化および触媒元素をゲッタリングするための半導体膜の加熱処理を行うことができる。この方法を本明細書では、Plural Pulse Thermal Annealing(以下、PPTA)と呼ぶ。
【0027】
PPTA(Plural Pulse Thermal Anneal)装置では、光源をパルス状に発光させて照射することにより、瞬間的に半導体膜だけを加熱してその熱がガラス基板に伝わる前に加熱を止めることができる急速加熱、急冷が可能な加熱方法であるため、ガラス基板が熱によって変形したりダメージを受けることはない。さらに、パルス状に制御した光源の点灯による熱の伝達を温度センサーにより制御しており、この制御にあわせてガラス基板にガラス転移温度以上の熱が伝わらないような冷却手段を用いている。また、この加熱処理を繰り返すことにより、半導体膜の結晶化を促進する触媒元素が半導体中を拡散する温度を保持している間も、ガラス基板を歪ませることなく、比較的短時間で効率よく半導体膜の結晶化および触媒元素をゲッタリングするための半導体膜の加熱処理を行うことができる。
【0028】
なお、図20にPPTA(Plural Pulse Thermal Anneal)装置の一例を示す。図20では、第1搬送室750の周りに第1熱処理室751、第2熱処理室752、第3熱処理室753がゲート772d〜772fを介して接続されている。これらの熱処理室の構成は図1と同様である。冷媒はシリンダー766から流量制御手段767を介して各熱処理室に導入する構成となっている。処理室内を減圧にするための排気手段はターボ分子ポンプ768a〜768cとドライポンプ769a〜769cで構成されている。また、冷媒を循環させるためのサーキュレーター771a〜771cと、冷媒を精製するための精製器770a〜770cが備えられている。図示していないが、光源の点滅と冷媒の供給などはコンピュータにより制御するものとする。また、各処理室内には、光源762a〜c、基板ステージ763a〜cが備えられている。
【0029】
第2の搬送室754には搬送手段760が備えられ、第1の処理室750や表面処理室755、冷却室756への被処理基板の搬送を行う。表面処理室755にはスピナー764が備えられている。また冷却室756には基板ステージ765が備えられている。ロード室757及びアンロード室758の構成では搬送手段761により被処理基板の移動を行う。なお、759は処理基板の搬送手段である。
【0030】
本発明は、上記したような加熱処理装置を用いる半導体装置の作製方法であって、絶縁表面上に形成された非晶質半導体膜に結晶化を助長する触媒元素を添加する第1の工程と、光源を制御して前記非晶質半導体膜にパルス状の光を照射して結晶化し、結晶質半導体膜を形成する第2の工程と、を含むことを特徴としている。
【0031】
また、本発明は、上記したような加熱処理装置を用いる半導体装置の作製方法であって、絶縁表面上に形成された非晶質半導体膜に結晶化を促進する触媒元素を添加する第1の工程と、光源を制御して前記非晶質半導体膜にパルス状の光の照射をして結晶化し、結晶質半導体膜を形成する第2の工程と、を含み、前記光源の発光時間は、1〜60秒である工程を含むことを特徴としている。
【0032】
上記発明において、前記第2の工程の後、前記結晶質半導体膜にレーザ光を照射して結晶性を向上させる工程を含むことを特徴としている。
【0033】
上記発明において、前記第2の工程は、処理室内が減圧の雰囲気であることを特徴としている。
【0034】
上記発明において、前記第2の工程は、処理室内の酸素濃度が5ppm以下の雰囲気であることを特徴としている。
【0035】
また、本発明は、上記したような加熱処理装置を用いる半導体装置の作製方法であって、非晶質半導体膜に触媒元素を添加し、加熱処理をして形成された結晶質半導体膜に、不純物元素を添加する第1の工程と、前記不純物元素が添加された結晶質半導体膜に、光源を制御して前記結晶質半導体膜にパルス状の光を照射する第2の工程と、を含み、前記光照射処理によって前記触媒元素のゲッタリングを行うことを特徴としている。
【0036】
また、本発明は、上記したような加熱処理装置を用いる半導体装置の作製方法であって、非晶質半導体膜に触媒元素を添加し、加熱処理をして形成された結晶質半導体膜に不純物元素を添加する第1の工程と、前記不純物元素が添加された結晶質半導体膜に、光源を制御して前記結晶質半導体膜にパルス状の光を照射し、前記触媒元素をゲッタリングする第2の工程と、を含み、前記光源の発光時間は、1〜40秒間である工程を含むことを特徴としている。
【0037】
上記発明において、前記不純物元素は、周期表の15族に属する元素であることを特徴としている。
【0038】
上記発明において、前記不純物元素は、周期表の15族に属する元素および周期表の13族に属する元素であることを特徴としている。
【0039】
上記発明において、前記不純物元素は、周期表の18族に属する元素、周期表の15族に属する元素および周期表の13族に属する元素であることを特徴としている。
【0040】
上記発明において、前記13族に属する不純物元素の濃度は、前記15族に属する不純物元素の濃度の100分の1以上100倍以下とすることを特徴としている。
【0041】
また、本発明は、上記したような加熱処理装置を用いる半導体装置の作製方法であって、非晶質半導体膜に触媒元素を添加し、加熱処理をして形成された結晶質半導体膜上に非晶質半導体膜を成膜し、前記非晶質半導体膜に不純物元素を添加する第1の工程と、前記結晶質半導体膜に、光源を制御してパルス状の光を照射し、前記触媒元素をゲッタリングする第2の工程と、を含むことを特徴としている。
【0042】
上記発明において、前記不純物元素は、周期表の18族に属する元素であることを特徴としている。
【0043】
上記発明において、前記不純物元素は、周期表の18族に属する不純物元素、周期表の15族に属する不純物元素および周期表の13族に属する不純物元素であることを特徴としている。
【0044】
上記発明において、前記第2の工程は、処理室内の排気を行い、圧力が26.6Pa以下であることを特徴としている。
【0045】
上記発明において、前記第2の工程は、処理室内、特に前記結晶質半導体膜近傍の酸素濃度が2ppm以下の雰囲気であることを特徴としている。
【0046】
上記発明において、前記周期表の15族に属する不純物元素は、N、P、As、Sb、Biから選ばれた元素であることを特徴としている。
【0047】
上記発明において、前記周期表の13族に属する不純物元素は、B、Al、Ga、In、Tlから選ばれた元素であることを特徴としている。
【0048】
上記発明において、前記周期表の18族に属する不純物元素は、Ar、Kr、Xeから選ばれた元素であることを特徴としている。
【0049】
上記発明において、前記第2の工程は、ガラス歪点を超える温度の連続保持時間が20秒以下であることを特徴としている。
【0050】
上記発明において、前記第2の工程の前記光源の最高強度保持時間は、1〜5秒であることを特徴としている。
【0051】
上記発明において、前記第2の工程は、窒素ガス、不活性ガスまたは液体を冷媒として用いた冷却が同時に行われていることを特徴としている。
【0052】
上記発明において、前記第2の工程は、前記結晶質半導体膜近傍が窒素(N2)雰囲気、不活性気体雰囲気、または水素(H2)雰囲気、還元性気体雰囲気であることを特徴としている。
【0053】
上記発明において、前記光源は、赤外光、または紫外光を発する光源であることを特徴としている。
【0054】
上記発明において、前記光源は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、低圧水銀ランプを用いることを特徴としている。
【0055】
上記発明において、前記光源は、基板の上側から、基板の下側からもしくは基板の下側および上側から照射されることを特徴としている。
【0056】
上記発明において、前記触媒元素は、Ni、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種であることを特徴としている。
【0057】
また、本発明は、上記したような加熱処理装置を用いる半導体装置の作製方法であって、絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成する第1の工程と、前記非晶質半導体膜表面に結晶化を促進する触媒元素を添加する第2の工程と、前記触媒元素が添加された非晶質半導体膜に光源を制御してパルス状の光を照射し、該非晶質半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜を形成する第3の工程と、前記結晶質半導体膜に不純物元素を添加する第4の工程と、前記不純物元素が添加された結晶質半導体膜に光源を制御してパルス状の光を照射し、前記触媒元素をゲッタリングさせる第5の工程と、を含むことを特徴としている。
【0058】
また、本発明は、上記したような加熱処理装置を用いる半導体装置の作製方法であって、絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成する第1の工程と、前記非晶質半導体膜表面に結晶化を促進する触媒元素を塗布し触媒元素含有領域を形成する第2の工程と、表面に前記触媒元素が塗布された非晶質半導体膜に光源を制御してパルス状の光を照射し、該非晶質半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜を形成する第3の工程と、前記結晶質半導体膜に不純物元素を添加する第4の工程と、前記不純物元素が添加された結晶質半導体膜に光源を制御してパルス状の光を照射し、前記触媒元素をゲッタリングさせる第5の工程と、前記第5の工程において触媒元素をゲッタリングした結晶質半導体膜を所望の形状の半導体層に形成する第6の工程と、前記半導体層を覆うゲート絶縁膜を形成する第7の工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第8の工程と、前記半導体層にn型不純物元素を添加する第9の工程と、後のpチャネル型TFTの活性層となる半導体層にp型不純物元素を添加する第10の工程と、光源を制御してパルス状の光を照射し、前記半導体層に添加された不純物元素を活性化する第11の工程と、を含むことを特徴としている。
【0059】
上記発明において、前記半導体層の結晶化工程および前記半導体層に添加された不純物元素の活性化工程は、ロータリーポンプおよびメカニカルブースターポンプにより排気を行い、酸素濃度を低減した減圧雰囲気下において行われることを特徴としている。
【0060】
上記発明において、前記第4の工程で添加される前記不純物元素は、周期表の15族に属する不純物元素であって、前記周期表の15族に属する不純物元素は、N、P、As、Sb、Biから選ばれた元素であることを特徴としている。
【0061】
上記発明において、前記第4の工程で添加される前記不純物元素は、周期表の15族に属する元素および周期表の13族に属する元素であって、前記周期表の15族に属する元素は、N、P、As、Sb、Biから選ばれた元素であり、前記周期表の13族に属する元素は、B、Al、Ga、In、Tlから選ばれた元素であることを特徴としている。
【0062】
上記発明において、前記第3の工程および前記第5の工程は、前記結晶質半導体膜近傍が窒素(N2)雰囲気、不活性気体雰囲気、または水素(H2)雰囲気、還元性気体雰囲気において行われることを特徴としている。
【0063】
上記発明において、前記触媒元素は、Ni、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種であることを特徴としている。
【0064】
以上のような装置を適用して半導体膜の結晶化処理および半導体膜中に存在する触媒元素の移動(ゲッタリング)処理を行うことにより、半導体膜の結晶化工程にかかる時間および半導体膜に添加された触媒元素のゲッタリング工程にかかる時間の短縮が可能になる。
【0065】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
本発明で開示するPPTA装置を用いた結晶化方法およびゲッタリング方法について、図1を用いて説明する。
【0066】
まず、光を透過するガラス基板10の絶縁表面上に下地絶縁膜11を形成する。下地絶縁膜としては、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のいずれかの膜を用いればよく、またこれらの膜を積層してもよい。
【0067】
次いで、下地絶縁膜11上に非晶質半導体膜12を形成する。本実施形態では、アモルファスシリコン膜を55nm形成した。続いて、アモルファスシリコン膜12の表面に結晶化を促進する触媒元素として公知の方法でニッケル(Ni)を塗布し、触媒元素含有層13を形成する。
【0068】
この基板を処理室14に移動させ、加熱処理を行う。加熱処理は基板の下側に11本および上側に10本設置されたハロゲンランプ(赤外光)15を1〜60秒(好ましくは30〜60秒)、1〜10回(好ましくは、2〜6回)点灯させる。図4(A)は、加熱処理中の光源の強度、図4(B)の実線グラフは、シリコンウエハに埋め込まれた熱電対(図3の508b)で測定した基板近傍の温度、図4(B)の破線グラフは基板中央部裏側から処理室外側の放射温度計(図3の508a)で測定した温度である。このグラフから、ハロゲンランプが供給する熱(シリコンウエハに埋め込まれた熱電対で測定)は700〜1300℃であると考えられる。本実施形態では、光源としてハロゲンランプを用いているが、その他、キセノンランプのように、紫外光ランプを光源として用いるのも好ましい。
【0069】
なお、図3に示すように、本明細書において開示するPPTA装置には冷却手段として、反応室内および反応室を冷却する手段が設けられており、光源をパルス状に制御して半導体膜に照射し、半導体膜を加熱処理するのと同時に、ガラス基板が歪まないように冷媒を用いて冷却をしている。反応室内の冷媒としては、窒素ガス、ヘリウムなどの不活性ガス、反応室そのものを冷却する冷媒としては、窒素ガス、ヘリウムなどの不活性ガスもしくは液体を用いればよい。本実施形態では、窒素ガスを2〜10(slm)を流入している。
【0070】
また、光源として用いるランプは、図4(B)のグラフで示すようにパルス状に温度を制御できれば、赤外光だけでなく、紫外光を発するランプや、一般的なハロゲン化金属ランプ、キセノンアークランプ、低圧水銀ランプのいずれを用いてもよい。
【0071】
さらに、結晶化のための加熱処理はロータリーポンプやメカニカルブースターポンプなどを用いて排気を行い、酸素濃度を低減した減圧雰囲気において行えば、さらに効果的である。処理室内の圧力は、1.33×104Pa以下となるようにすればよい。または、26.7Pa〜1.33×104Paでもよい。さらに、13.3Pa以下でもよい。
【0072】
PPTA装置により結晶化を行って得られた結晶質シリコン膜16を光学顕微鏡で観察した様子を図5(A)に示す。また、セコエッチング法で処理した半導体膜の粒界をSEMにて観察した結果を図5(B)に示す。図5(A)は光学顕微鏡の透過モードで観察しており、結晶質シリコンと非晶質シリコンの透過率の違いから、黒くなっている部分が非晶質シリコンの領域であると考えられる。非晶質シリコンのままであると思われる領域はほとんど見られない。ここで、結晶化の様子を観察するために、さらに画像処理を行って結晶化率を測定した。
【0073】
光学顕微鏡により観察して撮影された写真を画像処理により2階調化する。グリーンにおいて非晶質シリコンと結晶質シリコンの分離ができるため、写真をグリーンの画像とし、この画像を2階調化して非晶質シリコン領域と結晶質シリコンの領域に分離し、画像処理ソフト(NIH-Image)を用いて計算した。この測定法によると、結晶化率は99.8%であった。
【0074】
次いで、PPTA装置を用いたゲッタリング処理について図1(D)、(E)および図2で説明する。ゲッタリング作用を有する周期表の15族に属する不純物元素(代表的にはリン)を結晶質シリコン膜16に添加するためにマスク絶縁膜17を形成し、リン(P)を添加して、ゲッタリング領域18を形成する。このゲッタリング領域18には、1×1020〜1×1021atoms/cm3のリンが添加されている。なお、周期表の15族に属する不純物元素としては、N、P、As、Sb、Biから選ばれた元素を用いればよい。
【0075】
触媒元素は半導体膜全面に塗布されており、後のチャネル形成領域となる領域にも1×1017〜1×1019atoms/cm3の触媒元素が残存している。基板の下面および上面からランプ光をパルス状にして照射(以下、パルス状にして照射されるランプ光のことをパルス光とする)し、ゲッタリング領域18に触媒元素をゲッタリングさせる。パルス光は、結晶化のための加熱処理と同様にハロゲンランプを用い、1220℃まで加熱して40秒間その温度を保持する。次いで、300〜400℃まで冷却する。この処理を1回行っただけでもゲッタリングの効果を確認することができるが、さらに好ましくは2〜20回の処理を行うとよい。この加熱処理により、半導体膜中の触媒元素を1×1017atoms/cm3以下に低減することができる。加熱処理中は、ガラス基板に熱が伝わらないようにするために反応室内に冷媒として窒素ガス2〜10(slm)を流入させている。なお、ゲッタリングのための加熱処理も、結晶化のための加熱処理と同様にロータリーポンプやメカニカルブースターポンプにより排気を行って雰囲気が大気圧以下の減圧雰囲気で行うと、ゲッタリングの効率がさらによくなる。
【0076】
上記した加熱処理は、半導体膜にランプ光をパルス状に照射して結晶化やゲッタリングといった処理を施しているが、加熱がパルス的に行われる(例えば、光源自体を動かしたり、基板自体を動かしたりして半導体膜にパルス光を照射するのと同じ効果にする)のであれば、光源(ランプ)をパルス状に制御する必要はない。
【0077】
ここで、本発明で用いられるPPTA装置の一例を図3を用いて簡単に説明する。枚葉式で処理室500は、石英で形成されている。処理室500のまわりは冷却するために水冷式の冷却装置501が設けられている。光源502としては、棒状のハロゲンランプが基板の下側および上側に設けられ、実施形態では両側の光源が用いられている。ただし、光源の使用は片側のみでもよく、使用者が適宜決定すればよい。光源502は、光源制御装置503により制御されパルス光(例えば、0.5μm〜3μmの波長を含む)として点灯する。
【0078】
処理室500には、冷媒供給源504から冷媒(ガス)520として窒素ガスが流量制御装置505を介して供給される。なお、温度検知器507に接続された温度センサー508a、508bによって測定された結果をもとに、制御手段506で冷媒の供給量を制御したり、光源の強度を制御したりする。処理室500に供給された冷媒は、排気口509から外部に排出され処理室500は常に清浄なガスで充填されるようになっている。
【0079】
基板514は、ローダ/アンローダ室513で基板ホルダーに設置され、搬送室512の搬送手段511により処理室500に搬送される。搬送室512と処理室500との間には仕切り弁510が設けられている。また、ロータリーポンプ515、メカニカルブースターポンプ516で処理室500の排気を行っている。
【0080】
(実施形態2)
実施形態1に示した非晶質半導体の結晶化工程において、非晶質半導体膜の結晶化のための加熱処理を0.1Pa以下の真空雰囲気で行ってもよい。この場合はターボ分子ポンプなど高真空を実現できるポンプを使用して、処理室内を高真空にした後、光源を制御して加熱処理を行えばよい。
【0081】
(実施形態3)
本実施形態では、PPTA装置を用いたゲッタリング方法の実施形態1とは異なる例について説明する。なお、異なるのは、ゲッタリング領域に添加する不純物元素であるため、説明には図1を用いる。
【0082】
実施形態1にしたがって、光を透過するガラス基板10の絶縁表面上に下地絶縁膜11を形成する。次いで、下地絶縁膜11上に非晶質半導体膜12を形成する。本実施形態では、アモルファスシリコン膜を55nm形成した(図1(A))。
【0083】
続いて、アモルファスシリコン膜12の表面に結晶化を促進する触媒元素として公知の方法でニッケル(Ni)を塗布し、触媒元素含有層13を形成した後、処理室14での加熱処理により前記アモルファスシリコン膜12を結晶化させて、結晶性珪素膜16を形成する。この加熱処理後にレーザ光を結晶性珪素膜16に照射して結晶性を向上させてもよい(図1(B)、(C))。
【0084】
以上のようにして形成された結晶質シリコン膜16中に残存する触媒元素の濃度を低減する。PPTA装置を用いたゲッタリング処理について図1(D)、(E)および図2を用いて説明する。ゲッタリング作用を有する周期表の15族に属する不純物元素(代表的にはリン)及び13族に属する不純物元素を結晶質シリコン膜16に添加するためにマスク絶縁膜17を形成し、リン(P)及びボロン(B)を添加して、ゲッタリング領域18を形成する。このゲッタリング領域18には、13族に属する不純物元素の濃度は、15族に属する不純物元素の濃度の100分の1以上100倍以下となっている(この実施例では1×1019〜1×1021atoms/cm3のリン及び1×1019〜1×1021atoms/cm3のボロンを添加している)。添加方法としてはイオンドーピンク法やプラズマドーピング法等の気相法や、13族元素及び/又は15族元素を含有する層を固相法や、溶液を用いた液相法にて形成する方法を用いる。なお、周期表の15族に属する不純物元素としては、N、P、As、Sb、Biから選ばれた元素を用いればよく、周期表の13族に属する不純物元素としては、B、Al、Ga、In、Tlから選ばれた元素を用いればよい。
【0085】
この基板を再び処理室14に移動させて加熱処理を行う。加熱処理は基板の下側に11本および上側に10本設置されたハロゲンランプ(赤外光)15を1〜180秒(好ましくは30〜60秒)、1〜30回(好ましくは、2〜10回)点灯させる。ガラス基板が大きく歪んだり反ったりしない温度で処理する。この実施例では放射温度計による基板裏面からの測定により、この時の基板温度が700℃以下になるように制御し、ガラス歪み点である667℃以上の温度を連続保持するのを20秒以内に押さえている。本実施形態では、光源としてハロゲンランプを用いているが、その他、キセノンランプのように、紫外光ランプを光源として用いるのも好ましい。
【0086】
なお、図3に示すように、本明細書において開示するPPTA装置には冷却手段として、反応室内および反応室を冷却する手段が設けられており、光源をパルス状に制御して半導体膜に照射し、半導体膜を加熱処理するのと同時に、ガラス基板が歪まないように冷媒を用いて冷却している。反応室内の冷媒としては、窒素ガス、ヘリウムなどの不活性ガス、反応室そのものを冷却する冷媒としては、窒素ガス、ヘリウムなどの不活性ガスもしくは液体、またはその両方を用いればよい。本実施形態では、窒素ガスを2〜10(slm)を流入している。
【0087】
また、光源として用いるランプは、パルス状に急峻に照度を制御できれば、赤外光だけでなく、紫外光を発するランプや、一般的なハロゲン化金属ランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、低圧水銀ランプのいずれを用いてもよい。
【0088】
さらに処理室14においては、ロータリーポンプやメカニカルブースターポンプにより排気を行って雰囲気が大気圧以下の減圧雰囲気で行うことによりゲッタリング効果を高めてある。本実施の形態では高い純度(窒素中に含まれるCH4、CO、CO2、H2、H2O及びO2の濃度が1ppb以下である)の窒素を5l/minで流して圧力を2.67Pa以下に保ち、酸素濃度が5ppm以下(本実施形態では2ppm以下)の窒素雰囲気を作る。この窒素雰囲気中で450℃〜950℃、4〜24時間の加熱処理工程を行う。なお、本実施形態においては、窒素雰囲気としたが、酸素濃度が5ppm以下にできれば雰囲気は、酸素を含まない気体、例えばヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)といった不活性気体でもよい。また、熱による分解で堆積したり、半導体膜と反応したりしないような気体、例えば水素(H2)でもよい。
【0089】
触媒元素は半導体膜21全面に塗布されており、後のチャネル形成領域となる領域にも1×1017〜1×1019atoms/cm3の触媒元素が残存している。基板の下面および上面からランプ光をパルス状にして照射(以下、パルス状にして照射されるランプ光のことをパルス光20とする)し、ゲッタリング領域18に触媒元素をゲッタリングさせる。パルス光20はハロゲンランプを用いており、700℃までランプ加熱して直後に600℃(好ましくは450℃以下)の温度になるまで冷却する。この処理を1回行っただけでもゲッタリングの効果を確認することができるが、さらに好ましくは2〜30回の処理を行うとよい。
【0090】
この加熱処理により図1(F)に示すように、この加熱処理工程により結晶質シリコン膜中のニッケルが矢印の方向に移動し、リンのゲッタリング作用によって、ゲッタリング領域18に捕獲される。即ち、結晶質シリコン膜中からニッケルが除去され、結晶質シリコン膜に含まれるニッケルの濃度は1×1017 atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms/cm3以下にまで低減することができる。加熱処理中は、ガラス基板に熱が伝わらないようにするために反応室内に冷媒として窒素ガス2〜10(slm)を流入させている。
【0091】
上記した加熱処理は、半導体膜にランプ光をパルス状に照射して結晶化やゲッタリングといった処理を施しているが、加熱がパルス的に行われる(例えば、光源自体を動かしたり、基板自体を動かしたりして半導体膜にパルス光を照射するのと同じ効果にする)のであれば、光源(ランプ)をパルス状に制御する必要はない。このようにして得られた結晶質シリコン膜をパターニングして、後のTFTの半導体層となる領域22が得られる。
【0092】
(実施形態4)
本実施形態では、PPTA装置を用いたゲッタリング方法の実施形態3とは異なる例について説明する。
【0093】
実施形態1にしたがって、触媒元素を用いて結晶質半導体膜を形成する。なお、加熱処理により得られた結晶質半導体膜(結晶質シリコン膜)にレーザ光を照射して結晶性を向上させてもよい。
【0094】
以上のようにして形成された結晶質シリコン膜は、結晶化を助長する触媒元素を用い、さらに結晶化のあとに、触媒元素をリンのゲッタリング作用により除去しており、結晶質シリコン膜中に残存する触媒元素の濃度を低減することにより、さらに良好な結晶質シリコン膜を得ることができる。
【0095】
ここで、PPTA装置を用いたゲッタリング処理について説明する。ゲッタリング作用を有する周期表の15族に属する不純物元素(代表的にはリン)、周期表の13族に属する不純物元素(代表的にはボロン)および周期表の18族に属する不純物元素(代表的にはアルゴン)を結晶質シリコン膜16に添加するためにマスク絶縁膜17を形成し、リン(P)及びアルゴン(Ar)を添加して、ゲッタリング領域18を形成する。このときリン(P)及びボロン(B)を添加して、ゲッタリング領域18を形成しても良いが、この場合、このゲッタリング領域18には、13族に属する不純物元素の濃度は、15族に属する不純物元素の濃度の100分の1以上100倍以下となっている(この実施例では1×1019〜1×1021atoms/cm3のリン及び1×1019〜1×1021atoms/cm3のボロンを添加している)。添加方法としてはイオンドーピンク法やプラズマドーピング法等の気相法や、13族元素及び/又は15族元素を含有する層を固相法や、溶液を用いた液相法にて形成する方法を用いる。またアルゴン(Ar)についてはスパッタで半導体膜を堆積させるときに膜に混入させても良い。更に、ゲッタリング方法としては非晶質半導体膜を被ゲッタリング領域に隣接するように成膜しても良い。
なお、周期表の18族に属する不純物元素としては、Arの他に、Kr、Xe等を用いてもよい。
【0096】
さらに、図1(c)、(d)で示すように触媒元素を添加し、加熱処理を行って結晶質シリコン膜16を形成した後、図21に示すように、結晶質シリコン膜16上に、周期表の18族に属する不純物元素を含む非晶質シリコン膜31を形成して加熱処理をすることにより、この非晶質シリコン膜31がゲッタリング領域16として機能して、結晶質シリコン膜16中に残留する触媒元素を移動させることができる。なお、ゲッタリング領域として機能する非晶質シリコン膜は、ゲッタリング工程後、エッチング等により除去するため、エッチング処理の際にエッチャントから結晶質シリコン膜を保護するためのバリア層30を結晶質シリコン膜16上に形成してから、非晶質シリコン膜31を形成するとよい。なお、このバリア層30は、オゾン水で処理することにより形成されるケミカルオキサイド膜や硫酸、塩酸、硝酸などと過酸化水素水を混合させた水溶液で処理して形成されるケミカルオキサイド膜を用いればよい。これらの膜は、フッ酸処理により除去することができる。
【0097】
この基板を再び処理室14に移動させて加熱処理を行う。加熱処理は基板の下側に11本および上側に10本設置されたハロゲンランプ(赤外光)15を1〜180秒(好ましくは30〜60秒)、1〜30回(好ましくは、2〜10回)点灯させる。ガラス基板が大きく歪んだり反ったりしない温度で処理する。この実施形態では放射温度計による基板裏面からの測定により、この時の基板温度が700℃以下になるように制御し、ガラス歪み点である667℃以上の温度を連続保持するのを20秒以内に押さえている。また、スループットの向上と消費電力の低減のために光照射を数分行い、600℃から700℃の温度を保持しても良い。本実施形態では、光源としてハロゲンランプを用いているが、その他、キセノンランプのように、紫外光ランプを光源として用いるのも好ましい。
【0098】
なお、図3に示すように、本明細書において開示するPPTA装置には冷却手段として、反応室内および反応室を冷却する手段が設けられており、光源をパルス状に制御して半導体膜に照射し、半導体膜を加熱処理するのと同時に、ガラス基板が歪まないように冷媒を用いて冷却している。反応室内の冷媒としては、窒素ガス、ヘリウムなどの不活性ガス、反応室そのものを冷却する冷媒としては、窒素ガス、ヘリウムなどの不活性ガスもしくは液体、またはその両方を用いればよい。本実施形態では、窒素ガスを2〜10(slm)を流入している。
【0099】
また、光源として用いるランプは、パルス状に急峻に照度を制御できれば、赤外光だけでなく、紫外光を発するランプや、一般的なハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、低圧水銀ランプなどのいずれを用いてもよい。
【0100】
さらに処理室14においては、ロータリーポンプやメカニカルブースターポンプにより排気を行って雰囲気が大気圧以下の減圧雰囲気で行うことによりゲッタリング効果を高めてある。本実施の形態では高い純度(窒素中に含まれるCH4、CO、CO2、H2、H2O及びO2の濃度が1ppb以下である)の窒素を5l/minで流して圧力を26.7Pa以下に保ち、酸素濃度が5ppm以下(本実施形態では2ppm以下)の窒素雰囲気を作る。この窒素雰囲気中で450℃〜950℃、4〜24時間の加熱処理工程を行う。なお、本実施形態においては、窒素雰囲気としたが、酸素濃度が5ppm以下にできれば雰囲気は、酸素を含まない気体、例えばヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)といった不活性気体でもよい。また、熱による分解で堆積したり、半導体膜と反応したりしないような気体、例えば水素(H2)でもよい。
【0101】
触媒元素は半導体膜全面に塗布されており、後のチャネル形成領域となる領域にも1×1017〜1×1019atoms/cm3の触媒元素が残存している。基板の下面および上面からランプ光をパルス状にして照射(以下、パルス状にして照射されるランプ光のことをパルス光とする)し、ゲッタリング領域18に触媒元素をゲッタリングさせる。パルス光はハロゲンランプを用いており、700℃までランプ加熱して直後に600℃(好ましくは450℃以下)の温度になるまで冷却する。この処理を1回行っただけでもゲッタリングの効果を確認することができるが、さらに好ましくは2〜30回の処理を行うとよい。また、スループットの向上と消費電力の低減のために光照射を数分行い、600℃から700℃の温度を保持しても良い。
【0102】
この加熱処理により図1(F)に示すように、この加熱処理工程において結晶質シリコン膜中のニッケルが矢印の方向に移動し、リンのゲッタリング作用によって、ゲッタリング領域18に捕獲される。即ち、結晶質シリコン膜中からニッケルが除去され、結晶質シリコン膜に含まれるニッケルの濃度は1×1017atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms/cm3以下にまで低減することができる。加熱処理中は、ガラス基板に熱が伝わらないようにするために反応室内に冷媒として窒素ガス2〜10(slm)を流入させている。
【0103】
上記した加熱処理は、半導体膜にランプ光をパルス状に照射して結晶化やゲッタリングといった処理を施しているが、加熱がパルス的に行われる(例えば、光源自体を動かしたり、基板自体を動かしたりして半導体膜にパルス光を照射するのと同じ効果にする)のであれば、光源(ランプ)をパルス状に制御する必要はない。
【0104】
【実施例】
(実施例1)
本発明を用いてTFT基板を作製する方法の一例について本実施例で図6〜9を用いて説明する。
【0105】
まず本実施例では、光を透過するアルミノホウケイ酸ガラスまたはバリウムホウケイ酸ガラスなどからなるガラス基板または、比重が2.5g/cm3以下、熱膨張係数が35.0×10-7/℃以下のガラス基板を用いる。ガラス基板100上に、下地絶縁膜101を形成する。下地絶縁膜101は、CVD装置でSiH4とN2Oを用い、酸化窒化シリコン(SiNO)膜101aを形成し、次いで、酸化窒化シリコン(SiON)膜101bを同じチャンバーにて形成する。SiNO膜とSiON膜との積層の膜厚が50〜200nmの厚さになるように形成する。
【0106】
次いで、非晶質半導体膜としてアモルファスシリコン膜102を形成する。次いで、アモルファスシリコン膜102上にマスク絶縁膜(図示せず)を形成する。マスク絶縁膜を介してアモルファスシリコン膜102にp型を付与する不純物元素(以下、p型不純物元素という)を添加する工程で用いられる。p型不純物元素としては、代表的には13族に属する元素、典型的にはボロンまたはガリウムを用いることができる。この工程(チャネルドープ工程という)はTFTのしきい値電圧を制御するための工程である。なお、ここではジボラン(B26)を質量分離しないでプラズマ励起したイオンドープ法でボロンを添加する。勿論、質量分離を行うイオンインプランテーション法を用いても良い。
【0107】
次いで、アモルファスシリコン膜102の結晶化処理を行う。まず、アモルファスシリコン膜102の表面に重量換算で10ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液を塗布して、触媒元素含有層103を形成する。塗布方法は、スピナーによる塗布、またはスパッタ法等公知の方法でよい(図6(A))。続いて、図4(B)の実線グラフで示すように、加熱のために光源を制御してパルス状に照射を行うことにより(以下、光源を制御してパルス状に照射された光をパルス光という)1220℃(図3の508bで示す温度センサ−の測定)を40秒保持したら5秒間パルス光104を切る作業を1サイクルとし、これを3回繰り返し、4パルス目は、1220℃(図3の508bで示す温度センサ−の測定)を60秒間保持した。なお、パルス光104が最高強度を保持する時間は、1〜5秒程度である。本実施例ではパルス光の照射を4回にしているが、2〜10回行ってよい。これにより結晶質シリコン膜105が形成される。なお、結晶化率をさらに高め、結晶粒内の欠陥を補修するために、結晶質シリコン膜105に対してレーザー照射を行ってもよい(図6(B))。また、結晶化処理の前に、アモルファスシリコン膜中に含まれる水素量を減らすための熱処理を行ってもよい。
【0108】
続いて、結晶質シリコン膜105から結晶化処理に用いた触媒元素をゲッタリングするために、ゲッタリング作用を有する周期表の15族に属する不純物元素(代表的にはリン)を添加して、ゲッタリング領域107を形成する。マスク絶縁膜170を形成し、結晶質シリコン膜が露出した領域にリンを添加する。ゲッタリング領域107には、リンだけでなくボロンが添加されていてもよい。この後、パルス光106を照射する。照射するパルス光は100〜200℃/秒の速度で1220℃まで加熱し、40秒間保持し、冷却温度は、50〜150℃/秒として、300〜400℃まで冷却するというパルス光が適している。また、ガラス基板がガラス転移温度以上にならないように、冷媒として窒素ガスを2〜10(slm)流入している。このようなパルス光を1回照射することで、触媒元素がゲッタリング領域107にゲッタリングされる。十分なゲッタリング効果を得るために、パルス光照射は2〜20回行ってもよい。また、半導体膜の結晶化および触媒元素のゲッタリングのための加熱処理の工程は、ロータリーポンプやメカニカルブースターポンプにより排気を行って酸素濃度を低減した減圧雰囲気で行うことが好ましい(図6(C))。
【0109】
このようにして得られた良質の結晶質シリコン膜105を島状にパターニングして後のTFTの活性層となる半導体層108〜112を形成する(図6(D))。次いで、島状の半導体層108〜112上に、ゲート絶縁膜113をプラズマCVD法にて厚さ50〜150nmに形成する。次いで、ゲート電極を形成するための導電膜として、厚さ20〜100nmの導電膜(A)114および厚さ100〜400nmの導電膜(B)115を形成する。本実施例では、導電膜(A)114をTaN、導電膜(B)115をWとして形成したが、Ta、W、Ti、Mo、Al、Cuから選ばれた元素、またはこれらの元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料のいずれかで形成すればよい(図7(A))。
【0110】
次いで、レジストからなるマスク116a〜116gを形成し、導電膜(A)114および導電膜(B)115をエッチングして、導電膜(A)および導電膜(B)の積層からなるゲート電極117〜120を形成する。エッチング方法に限定はないが、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いるとよい。エッチング用ガスにはCF4とCl2とを用いる。同一の工程で、保持容量の上部電極となる容量配線121、配線122、123が形成される。
【0111】
ゲート電極117〜120、配線121〜123が形成されたら、該ゲート電極をマスクとしてゲート絶縁膜113を介してイオンドープ法により半導体層108〜112にn型を付与する不純物元素(以下、n型不純物元素という)を添加する。この工程により、不純物濃度が1×1016〜1×1018atoms/cm3のn型不純物領域124a〜124eが形成される(図7(B))。
【0112】
次いで、レジストからなるマスクをそのままに第2のエッチング処理を行い第2の形状のゲート電極および配線125〜131を形成する。続いて、第2の形状のゲート電極および配線125〜131をマスクにして、さらにn型不純物元素の添加を行う。これにより、後にソース領域またはドレイン領域になるn型不純物濃度が1×1020〜1×1021atoms/cm3のn型不純物領域(n+)と、該n型不純物領域(n+)よりチャネル形成領域側に後に低濃度不純物領域(以下、LDD領域という)となるn型不純物元素濃度が1×1018〜1×1019atoms/cm3のn型不純物領域(n-)132a〜132eが形成される(図7(C))。
【0113】
そして、後のnチャネル型TFTとなる領域にレジストからなるマスク133、134を形成し、p型不純物元素を添加して、p型不純物領域135a、135bを形成する。なお、p型不純物領域135の不純物濃度は、先の工程において添加されているn型不純物濃度の最大値に対して1.5〜3倍の2×1020〜2×1021atoms/cm3となるようにすればよい(図8(A))。
【0114】
次いで、後の駆動回路206のnチャネル型TFT201および第2のpチャネル型TFT203をレジストからなるマスク136、137で覆ってエッチング処理を行い、後の駆動回路206の第1のpチャネル型TFT202、画素TFT204および配線において、第3の形状のゲート電極と配線138〜142を形成した。
【0115】
次いで、半導体膜に添加された不純物元素の活性化のための加熱処理を行う。この加熱処理は、図3に示すPPTA装置を用いてパルス光を複数回照射して活性化を行う。パルス光は基板裏面側(本明細書において、TFTが形成される面を基板表面とする)から照射する。この加熱処理により確実に不純物を活性化することができる。なお、本実施例では、基板裏面側からのみの照射の例を示しているが、基板表面および裏面の両側からバルス光を照射してもかまわない。
【0116】
活性化処理後、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜からなる第1の層間絶縁膜143をプラズマCVD法により形成する。そして、第1の層間絶縁膜143中から水素を放出させ、半導体膜の水素化を行うための加熱処理をする。この加熱処理は、350〜450℃(好ましくは、410℃)でクリーンオーブンで行えばよい。または、公知のプラズマ化されることによって生じた水素を含む雰囲気中での水素化処理を行ってもよい(図8(C))。
【0117】
次いで、第2の層間絶縁膜144として、アクリルまたはポリイミドなどの有機絶縁材料を用いて平坦化を行う。そして、第1の層間絶縁膜143および第2の層間絶縁膜144に、後のTFTの活性層となる半導体膜108〜112にまで達するコンタクトホールを形成し、そこに、厚さ100〜200nmのTi膜、厚さ250〜350nmの合金膜(AlとTiとの合金膜)、厚さ50〜150nmのTi膜を積層して、所望の形状にパターニングし、接続配線145〜152を形成して、それぞれのTFTを電気的に接続する。
【0118】
また、画素部207においては、画素電極153を形成する。画素電極153は、画素TFT204のドレイン領域124dおよび保持容量205の下部電極(不純物が添加された半導体膜)135cと電気的に接続される。
【0119】
nチャネル型TFT201は、活性層にチャネル形成領域161、ソース領域およびドレイン領域124a、LDD領域132aを有する。
【0120】
第1のpチャネル型TFT202は、活性層にチャネル形成領域162、ソース領域およびドレイン領域135を有する。
【0121】
第2のpチャネル型TFT203は、活性層にチャネル形成領域163、ソース領域およびドレイン領域135b、LDD領域135eを有する。なお、ゲート電極127がLDD領域135eと重なる領域を有している。
【0122】
画素TFT204は、活性層にチャネル形成領域164、ソース領域およびドレイン領域124d、LDD領域132dを有する。
【0123】
保持容量205は、下部電極(不純物元素が添加された半導体膜)112、誘電体(ゲート絶縁膜113から連続して形成された絶縁膜)および上部電極(ゲート電極を形成する導電膜(A)および導電膜(B)の積層からなる)129を有する。
【0124】
以上、nチャネル型TFT201およびpチャネル型TFT202からなるCMOS構造208を含む駆動回路206と、画素TFT204および保持容量205を含む画素部207からなるアクティブマトリクス基板が作製される(図9)。
【0125】
本実施例で開示するように本発明を用いると、PPTA装置により加熱処理を短時間で行うことができ、スループットが向上し、効率よく信頼性の高いTFTを作製することができる。
【0126】
(実施例2)
ボトムゲート型のTFT基板も本発明で示した結晶化工程およびゲッタリング工程を適応することができる。図10、11を用いて説明する。
【0127】
基板50上に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等の絶縁膜を形成し(図示せず)、ゲート電極を形成するために導電膜を形成し、所望の形状にパターニングしてゲート電極51を得る。導電膜には、Ta、Ti、W、Mo、CrまたはAlから選ばれた元素またはいずれかの元素を主成分とする導電膜を用いればよい(図10(A))。
【0128】
次いで、ゲート絶縁膜52を形成する。ゲート絶縁膜は、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の単層、もしくはいずれかの膜の積層構造にしてもよい。
【0129】
次いで、非晶質半導体膜としてアモルファスシリコン膜53を熱CVD法、プラズマCVD法、減圧CVD法、蒸着法またはスパッタリング法により10〜1150nm厚に形成する。なお、ゲート絶縁膜52とアモルファスシリコン膜53とは、同じ成膜法で形成することが可能であるため、両者を連続形成してもよい。連続形成することで、一旦大気に曝すことがなくなり、表面の汚染を防ぐことができ、作製するTFTの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減することができる(図10(B))。
【0130】
次いで、アモルファスシリコン膜の結晶化処理を行う。アモルファスシリコン膜に触媒元素を添加して触媒元素含有層54を形成する。続いて、パルス状に制御された光源(バルス光55)を用いて、アモルファスシリコン膜に照射して結晶質半導体膜(結晶質シリコン膜)56を形成する。
【0131】
続いて、触媒元素をTFTの半導体層となる領域から移動させる触媒元素のゲッタリング処理を行う。結晶質半導体膜56上にマスク57を形成し、半導体膜の選択された領域にゲッタリング作用を有する不純物元素を添加してゲッタリング領域58を形成する。添加する不純物元素としては、周期表の15族に属する不純物元素、周期表の15族に属する不純物元素および周期表の13族に属する不純物元素、または、周期表の15族に属する不純物元素、周期表の13族に属する不純物元素および周期表の18族に属する不純物元素を添加すればよい。この後、パルス状に制御された光源(パルス光59)を用いて、触媒元素をゲッタリング領域58に移動させる(図10(D))。
【0132】
次いで、保護絶縁膜60を100〜400nm厚で形成する。続いて、レジストからなるマスク(図示せず)を用いて、後のnチャネル型TFT70の活性層となる結晶性シリコン膜にn型を付与する不純物元素、後のpチャネル型TFT71の活性層となる結晶性シリコン膜にp型不純物元素を添加して、ソース領域、ドレイン領域、LDD領域を形成する(図11(A))。
【0133】
次いで、結晶性シリコン膜に添加された不純物元素を活性化する処理を行う。活性化処理は、実施形態や実施例1で開示したパルス光を用いた加熱処理を行えばよい。続いて活性化処理後、公知のプラズマ化されることによって生じた水素を含む雰囲気中での水素化処理を行ってもよい。
【0134】
次いで、結晶性シリコン膜上の絶縁膜60を除去し、結晶性シリコン膜を所望の形状の半導体層に形成した後、層間絶縁膜61を形成する。層間絶縁膜は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等のシリコンを含む絶縁膜のいずれか、もしくはそれらの積層で厚さ500〜1500nmになるように形成する(図11(B))。
【0135】
その後、それぞれのTFTのソース領域またはドレイン領域74に達するコンタクトホールを形成して、各TFTを電気的に接続するための配線62を形成する。なお、72は、低濃度に不純物元素が添加されたLDD領域、73および75はチャネル形成領域である(図11(C))。
【0136】
以上のように、本発明はTFTの形状に関わらず適応することができる。
【0137】
(実施例3)
実施例1に示したTFT作製工程において、非晶質半導体膜の結晶化工程を以下のように行ってもよい。
【0138】
まず、アモルファスシリコン膜102の表面に重量換算で100ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液を塗布して、触媒元素含有層103を形成する。塗布方法は、スピナーによる塗布、またはスパッタ法等公知の方法でよい。続いて、ロータリーポンプ、メカニカルブースターポンプで真空引きを行い、高い純度(窒素中に含まれるCH4)、CO、CO2、H2、H2O及びO2の濃度が1ppb以下である)の窒素を2 l/minで流して圧力26.7Paを保ち、窒素雰囲気を作る。この窒素雰囲気中で、1220℃で60秒間1回のみ加熱した。なお、パルス光が最高強度を保持する時間は、1〜5秒程度である。これにより結晶質シリコン膜105が形成される。なお、結晶化率をさらに高め、結晶粒内の欠陥を補修するために、結晶質シリコン膜105に対してレーザー照射を行ってもよい。
また、結晶化処理の前に、アモルファスシリコン膜中に含まれる水素量を減らすための熱処理を行ってもよい。
【0139】
(実施例4)
本実施例では、実施例1〜3を適応して作製されたTFT基板からアクティブマトリクス駆動の液晶表示装置を作製する工程を説明する。図12は、TFT基板と対向基板180とをシール材で貼り合わせた状態を示している。TFT基板上には柱状のスペーサ183を形成する。柱状のスペーサ183は画素電極上に形成されるコンタクト部のくぼみに合わせて形成するとよい。柱状スペーサ183は用いる液晶材料にも依存するが、3〜10μmの高さで形成する。コンタクト部では、コンタクトホールに対応した凹部が形成されるので、この部分に合わせてスペーサを形成することにより液晶の配向の乱れを防ぐことができる。その後、配向膜182を形成し、ラビング処理を行う。対向基板180には透明導電膜184、配向膜181を形成する。その後、TFT基板および対向基板180をシール材により貼り合わせて液晶を注入し、液晶層185を形成する。以上のようにして作製されるアクティブマトリクス駆動の液晶表示装置を完成させることができる。
【0140】
(実施例5)
PPTA装置を用いてアクティブマトリクス基板を作製する他の方法について図17、図18を用いて説明する。なお、図17および図18は、画素部の画素TFT320および保持容量321を形成する方法を図示している。
【0141】
基板300表面に下地絶縁膜301を形成する。下地絶縁膜301としては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜のいずれか、またはいずれかの膜の積層構造にすればよい。本実施例では、プラズマCVD法で、SiH4およびN2Oを用いて酸化窒化シリコン膜を50〜200nmの厚さに形成する。
【0142】
次いで、Niの極薄い膜(以下、便宜上薄膜という)302を形成する。Niを含有する材料からなる電極を用いた平行平板型、あるいは陽光柱型プラズマCVD装置の成膜チャンバ内に下地絶縁膜301を成膜した基板300を置いて、窒素、水素、あるいは不活性気体の雰囲気下においてプラズマを発生させる。本実施例においては、基板温度300℃、圧力6.65Pa、アルゴン100(sccm)、RF電力50Wという条件のプラズマ処理により、Niの量が1×1010atoms/cm2〜1×1013atoms/cm2のNi薄膜302が形成される。Ni薄膜302は、後の半導体層を結晶化する工程において、結晶化を促進するための触媒元素として作用する(図17(A))。なお、本実施例では、Ni薄膜を形成したが、半導体膜の結晶化を促進する作用を有する元素(本明細書においては、触媒元素という)であればニッケル(Ni)以外でも、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類の元素を含む薄膜を形成すればよい。
【0143】
次いで、Ni薄膜302上にアモルファスシリコン膜を形成する。所望の形状にパターニングして、後のTFTの活性層となる半導体層304および後の保持容量の下部電極となる半導体層305を形成する(図17(B))。
【0144】
続いて、半導体層304、305上にマスク絶縁膜306を形成する。マスク絶縁膜としては、酸化シリコン膜をプラズマCVD法で形成する。この後、マスク絶縁膜306を介して、半導体層にp型不純物元素(代表的には、ボロンまたはガリウム)を添加する。この工程(チャネルドープ工程という)は、TFTのしきい値電圧を制御するために行う。この工程により、半導体層には、1×1015〜1×1018atoms/cm3の濃度でp型不純物元素(本実施例では、ボロン)が添加される(図17(C))。
【0145】
次いで、マスク絶縁膜306を除去し、ゲート絶縁膜307を形成する(図17(D))。ゲート絶縁膜としては、プラズマCVD法またはスパッタ法を用いて形成する。続いて、ゲート電極を形成するために、導電膜(A)308および導電膜(B)309を形成する。本実施例において、導電膜(A)308は、窒化タンタル(TaN)であり、これを50〜100nmの厚さに形成する。導電膜(B)309は、タングステン(W)やモリブデン(Mo)などの高融点金属を用い、100〜300nmの厚さに形成する。この導電膜(A)および導電膜(B)をエッチングし、ゲート電極310、のちの保持容量の上部電極となる容量配線311を形成する。エッチング方法に限定はないが、好適には、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いるとよい。この時、エッチング用ガスには、CF4およびCl2の混合ガスを用いる。
【0146】
ゲート電極および容量配線をマスクとして用いて、半導体層にn型不純物元素を添加して、n型不純物元素が1×1020〜1×1021atoms/cm3の濃度含まれた後のTFTの活性層のソース領域またはドレイン領域となるn型不純物領域312、n型不純物元素が1×1018〜1×1019atoms/cm3の濃度含まれた後のTFT活性層のLDD領域となるn型不純物領域313、チャネル形成領域314が形成される。(図17(E))
【0147】
次いで、後のnチャネル型TFTとなる領域をマスクで覆い、後のpチャネル型TFTとなる領域にp型不純物元素を添加する(図示せず)。なお、この工程でp型不純物元素が2×1020〜3×1021 atoms /cm3の濃度で添加されたp型不純物領域が形成される(図示せず)。なお、315、316は保持容量321の下部電極となる半導体層305に形成された不純物領域であり、317は不純物が添加されない領域である。
【0148】
続いて、PPTA装置で冷媒による冷却を行いながら、アモルファス状態の半導体層を結晶化する工程を行う。光源318をパルス状に制御し基板に照射する。シリコンウエハに埋め込まれた熱電対(図3の508b)で測定したとき、800〜1100℃になるように光源を制御して、この温度を1〜30秒保持し、このような照射を1〜5回行えばよい。半導体層上には、ゲート絶縁膜307、ゲート電極310、311が形成されているため半導体層から熱が逃げにくくなり、短時間で効率よく半導体層を結晶化することができる。なお、この工程において、ロータリーポンプやメカニカルブースターポンプにより排気を行って雰囲気中の酸素濃度を低減し、処理室内の圧力が0.001〜26.7Pa程度の減圧した窒素または不活性ガスの雰囲気中において、加熱処理を行うのが好ましい(図18(A))。
【0149】
次いで、ゲート電極上に第1層間絶縁膜319を形成する。第1層間絶縁膜としては、シリコンを含む窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜といった絶縁膜、またはそれらを組み合わせた積層膜を膜厚100〜400nm程度で形成すればよい。(図18(B))
【0150】
続いて、PPTA装置を用いて、パルス状に制御された光源を複数回照射することで、半導体層に添加された不純物元素の活性化を行う。この工程において、結晶化の際に触媒元素として作用し、その後半導体層中に拡散しているNi元素が、ゲッタリング作用を有する不純物元素(リン)が高濃度に添加された領域312に移動して(図18(C)の矢印)、後の活性層のチャネル形成領域314となる領域の触媒元素(Ni)の濃度を1×1017atoms/cm3以下(好ましくは、1×1016atoms/cm3以下)に低減することができる。また、この工程において、ロータリーポンプやメカニカルブースターポンプにより排気を行って雰囲気中の酸素濃度を低減し、減圧した雰囲気中において、加熱処理を行うのが好ましい。
【0151】
以下、実施例1の水素化処理以降の工程に従って作製すれば、電気炉を用いることなく、短時間に効率よく半導体装置を作製することができる。
【0152】
(実施例6)
PPTA装置を用いて画素TFT410、保持容量411を有するアクティブマトリクス基板を作製する他の方法について図19を用いて説明する。
【0153】
本実施例は、導電膜(A)308および導電膜(B)309を形成する工程までは、実施例5に従って作製すればよい。なお、同一の工程においては、同一の符号で示すこととする。
【0154】
導電膜(A)308および導電膜(B)309を形成したら、PPTA装置で冷媒による冷却、パルス状に制御した光源を照射して非晶質状態の半導体層の結晶化を行う(図19(A))。シリコンウエハに埋め込まれた熱電対(図3の508b)で測定して、800〜1100℃の熱を1〜30秒保持するように光源を制御して、この照射を1〜5回繰り返す。
【0155】
本実施例で示すように半導体層上にゲート絶縁膜およびゲート電極が形成された状態で結晶化を行うと熱が逃げにくくなり、短時間でより効果的に半導体層の結晶化を行うことができる。なお、この工程において、ロータリーポンプやメカニカルブースターポンプにより排気を行って雰囲気中の酸素濃度を低減し、減圧した雰囲気中において、加熱処理を行うのが好ましい。
【0156】
次いで、導電膜(A)308および導電膜(B)309を所望の形状にパターニングして、ゲート電極401および後の保持容量の上部電極となる容量配線402を形成する。ゲート電極および保持容量の形成方法に限定はないが、実施例1と同様に、IPCエッチング法を用いるとよい。
【0157】
n型不純物元素、p型不純物元素を実施例5の工程に従って添加し、不純物領域403、404、406、407および不純物元素が添加されない領域405、408を形成する(図19(B))。続いて、シリコンを含む窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜といった絶縁膜、またはそれらを組み合わせた積層膜を膜厚100〜400nm成膜して、第1層間絶縁膜409を形成する(図19(C))。
【0158】
次いで、PPTA装置による不純物元素の活性化のための加熱処理を行う。この活性化のための加熱処理の工程において、半導体層中の触媒元素をリンが高濃度に添加された領域403にゲッタリングすることができる(図19(D))。
【0159】
本実施例を用いることで、電気炉を用いることなく、結晶性のよい半導体層を有する半導体装置を効率よく作製することができる。本実施例は、実施例3と組み合わせて、アクティブマトリクス型液晶表示装置を完成させることができる。
【0160】
(実施例7)
本実施例では実施例1により得られるTFT基板(アクティブマトリクス基板)を用いて、アクティブマトリクス駆動の発光装置を作製する工程を図16で説明する。
【0161】
基板1601はガラス基板を用いる。このガラス基板1601上には駆動回路1650にnチャネル型TFT1652とpチャネル型TFT1653が形成され、画素部1651にスイッチング用TFT1654、電流制御用TFT1655が形成されている。これらのTFTは、半導体層1603〜1606、ゲート絶縁膜とする第2絶縁膜1607、ゲート電極1608〜1611などを用いて形成されている。
【0162】
基板1601上に形成する第1絶縁膜1602は酸化窒化シリコン(SiO xyで表される)、窒化シリコン膜などを50〜200nmの厚さに形成して設ける。層間絶縁膜は窒化シリコン、酸化窒化シリコンなどで形成される無機絶縁膜1618と、アクリルまたはポリイミドなどで形成される有機絶縁膜1619とから成っている。
【0163】
駆動回路1650の回路構成は、ゲート信号側駆動回路とデータ信号側駆動回路とで異なるがここでは省略する。nチャネル型TFT1652及びpチャネル型TFT1653には配線1612、1613が接続され、これらのTFTを用いて、シフトレジスタやラッチ回路、バッファ回路などが形成される。
【0164】
画素部1651では、データ配線1614がスイッチング用TFT1654のソース側に接続し、ドレイン側の配線1615は電流制御用TFT1655のゲート電極1611と接続している。また、電流制御用TFT1655のソース側は電源供給配線1617と接続し、ドレイン側の電極1616がEL素子の陽極と接続するように配線されている。
【0165】
陽極、陰極及びその間にエレクトロルミネセンス(Electro Luminescence)が得られる有機化合物を含む層(以下、EL層と総称する)を有するEL素子は画素部のTFT上に形成される。尚、有機化合物におけるミネ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)とがあり、その両者を含むものとする。
【0166】
EL素子は、配線を覆うようにアクリルやポリイミドなどの有機樹脂、好適には感光性の有機樹脂を用いてバンク1620、1621を形成した後に設ける。本実施例では、EL素子1656は、ITO(酸化インジウム・スズ)で形成される陽極1622、EL層1623、MgAgやLiFなどのアルカリ金属またはアルカリ土類金属などの材料を用いて形成される陰極1624とから成っている。バンク1620、1621は、陽極1622の端部を覆うように形成され、この部分で陰極と陽極とがショートすることを防ぐために設ける。
【0167】
EL層1623の上にはEL素子の陰極1624が設けられる。陰極1624としては、仕事関数の小さいマグネシウム(Mg)、リチウム(Li)若しくはカルシウム(Ca)を含む材料を用いる。好ましくはMgAg(MgとAgをMg:Ag=10:1で混合した材料)でなる電極を用いれば良い。他にもMgAgAl電極、LiAl電極、また、LiFAl電極が挙げられる。
【0168】
EL層1623と陰極1624とでなる積層体は、各画素で個別に形成する必要があるが、EL層1623は水分に極めて弱いため、通常のフォトリソグラフィ技術を用いることができない。また、アルカリ金属を用いて作製される陰極1624は容易に酸化されてしまう。従って、メタルマスク等の物理的なマスク材を用い、真空蒸着法、スパッタ法、プラズマCVD法等の気相法で選択的に形成することが好ましい。また、陰極1624上に外部の水分等から保護するための保護電極を積層しても良い。保護電極としては、アルミニウム(Al)、銅(Cu)若しくは銀(Ag)を含む低抵抗な材料を用いることが好ましい。
【0169】
少ない消費電力で高い輝度を得るためには、EL層を形成する材料に三重項励起子(トリプレット)により発光する有機化合物(以下、トリプレット化合物という)を用いる。尚、シングレット化合物とは一重項励起のみを経由して発光する化合物を指し、トリプレット化合物とは三重項励起を経由して発光する化合物を指す。
【0170】
トリプレット化合物としては以下の論文に記載の有機化合物が代表的な材料として挙げられる。(1)T.Tsutsui, C.Adachi, S.Saito, Photochemical Processes in Organized Molecular Systems, ed.K.Honda, (Elsevier Sci.Pub., Tokyo,1991) p.437.(2)M.A.Baldo, D.F.O'Brien, Y.You, A.Shoustikov, S.Sibley, M.E.Thompson, S.R.Forrest, Nature 395 (1998) p.151.(3)M.A.Baldo, S.Lamansky, P.E.Burrrows, M.E.Thompson, S.R.Forrest, Appl.Phys.Lett.,75 (1999) p.4.(4)T.Tsutsui, M.-J.Yang, M.Yahiro, K.Nakamura, T.Watanabe, T.tsuji, Y.Fukuda, T.Wakimoto, S.Mayaguchi, Jpn.Appl.Phys., 38 (12B) (1999) L1502.
【0171】
上記トリプレット化合物は、シングレット化合物よりも発光効率が高く、同じ発光輝度を得るにも動作電圧(EL素子を発光させるに要する電圧)を低くすることが可能である。
【0172】
図16ではスイッチング用TFT1654をマルチゲート構造とし、電流制御用TFT1655にはゲート電極とオーバーラップするLDDを設けている。多結晶シリコンを用いたTFTは、高い動作速度を示すが故にホットキャリア注入などの劣化も起こりやすい。そのため、図16のように、画素内において機能に応じて構造の異なるTFT(オフ電流の十分に低いスイッチング用TFTと、ホットキャリア注入に強い電流制御用TFT)を形成することは、高い信頼性を有し、且つ、良好な画像表示が可能な(動作性能の高い)表示装置を作製する上で非常に有効である。以上のようにして作製されるアクティブマトリクス駆動の発光装置を完成させることができる。
【0173】
(実施例8)
本願発明を実施して形成されたCMOS回路や画素部はアクティブマトリクス型液晶表示装置として用いることができ、それら液晶表示装置を表示部に組み込んだ電気器具全てに本発明を実施できる。
【0174】
その様な電気器具としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター(リア型またはフロント型)、ヘッドマウントディスプレイ(ゴーグル型ディスプレイ)、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。それらの一例を図13、図14及び図15に示す。
【0175】
図13(A)はパーソナルコンピュータであり、本体2001、画像入力部2002、表示部2003、キーボード2004等を含む。
【0176】
図13(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示部2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106等を含む。
【0177】
図13(C)はモバイルコンピュータ(モービルコンピュータ)であり、本体2201、カメラ部2202、受像部2203、操作スイッチ2204、表示部2205等を含む。
【0178】
図13(D)はゴーグル型ディスプレイであり、本体2301、表示部2302、アーム部2303等を含む。
【0179】
図13(E)はプログラムを記録した記録媒体(以下、記録媒体と呼ぶ)を用いるプレーヤーであり、本体2401、表示部2402、スピーカ部2403、記録媒体2404、操作スイッチ2405等を含む。なお、このプレーヤーは記録媒体としてDVD(Digtial Versatile Disc)、CD等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。
【0180】
図13(F)はデジタルカメラであり、本体2501、表示部2502、接眼部2503、操作スイッチ2504、受像部(図示しない)等を含む。
【0181】
図14(A)はフロント型プロジェクターであり、投射装置2601、スクリーン2602等を含む。
【0182】
図14(B)はリア型プロジェクターであり、本体2701、投射装置2702、ミラー2703、スクリーン2704等を含む。
【0183】
なお、図14(C)は、図14(A)及び図14(B)中における投射装置2601、2702の構造の一例を示した図である。投射装置2601、2702は、光源光学系2801、ミラー2802、2804〜2806、ダイクロイックミラー2803、プリズム2807、液晶表示装置2808、位相差板2809、投射光学系2810で構成される。投射光学系2810は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図14(C)中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0184】
また、図14(D)は、図14(C)中における光源光学系2801の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系2801は、リフレクター2811、光源2812、レンズアレイ2813、2814、偏光変換素子2815、集光レンズ2816で構成される。なお、図14(D)に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0185】
ただし、図14に示したプロジェクターにおいては、透過型の液晶表示装置を用いた場合を示しており、反射型の液晶表示装置の適用例は図示していない。
【0186】
図15(A)は携帯電話であり、3001は表示用パネル、3002は操作用パネルである。表示用パネル3001と操作用パネル3002とは接続部3003において接続されている。接続部3003における、表示用パネル3001の表示部3004が設けられている面と操作用パネル3002の操作キー3006が設けられている面との角度θは、任意に変えることができる。
さらに、音声出力部3005、操作キー3006、電源スイッチ3007、音声入力部3008を有している。
【0187】
図15(B)は携帯書籍(電子書籍)であり、本体3101、表示部3102、3103、記憶媒体3104、操作スイッチ3105、アンテナ3106等を含む。
【0188】
図15(C)はディスプレイであり、本体3201、支持台3202、表示部3203等を含む。
【0189】
以上の様に、本発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電気器具に適用することが可能である。また、本実施例の電気器具は実施形態、実施例1〜6を組み合わせて実現することができる。
【0190】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、消費電力の大きな電気炉を用いなくても大型のガラス基板から複数のTFT基板を効率よく製造することができる。触媒元素を添加した後、PPTA装置による加熱処理により結晶粒径が大きい良好な結晶質半導体膜を得ることができる。さらに、得られた結晶質半導体膜に残留する触媒元素をPPTA装置によりゲッタリングすることができる。
また、上記したようにPPTA装置を用いて作製された良質な結晶質半導体膜をTFTの活性層に用いることができるため、信頼性の高いTFTおよび該TFTを用いた半導体装置を得ることができる。
【0191】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明で開示する加熱処理(結晶化、ゲッタリング)を説明する図。
【図2】 本発明で開示する加熱処理(ゲッタリング)を説明する図。
【図3】 本発明で用いる加熱処理装置の一例を示す図。
【図4】 光源の強度変化の測定結果を示す図、半導体膜及び基板の温度変化の測定結果を示す図。
【図5】 本発明を用いて作製された結晶質半導体膜を観察した結果を示す図。
【図6】 TFTの作製工程を示す図。
【図7】 TFTの作製工程を示す図。
【図8】 TFTの作製工程を示す図。
【図9】 本発明を用いて作製されたアクティブマトリクス基板を示す図。
【図10】 発明の実施の一例を示す図。
【図11】 発明の実施の一例を示す図。
【図12】 発明の実施の一例を示す図。
【図13】 電気器具の一例を示す図。
【図14】 電気器具の一例を示す図。
【図15】 電気器具の一例を示す図。
【図16】 本発明を用いて作製された発光装置を示す図。
【図17】 本発明の実施の一例を示す図。
【図18】 本発明の実施の一例を示す図。
【図19】 本発明の実施の一例を示す図。
【図20】 本発明で用いる加熱処理装置の一例を示す図。
【図21】 本発明の実施の一例を示す図。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a circuit formed of a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) using a crystalline semiconductor film formed over a substrate having an insulating surface. In particular, the present invention relates to a liquid crystal display device in which a pixel portion and a drive circuit provided around the pixel portion are provided over the same substrate, and an electric appliance (also referred to as an electronic device) using the liquid crystal display device for the display portion.
[0002]
[Prior art]
With the rapid development of the information society, information appliances such as personal computers (PCs) are rapidly spreading not only to companies but also to individuals. A liquid crystal display device (liquid crystal display) has long been regarded as promising in terms of space saving of portable information devices and PC displays. However, the manufacturing process of the liquid crystal display device is complicated and has a low yield, so that the manufacturing cost is high.
[0003]
In recent years, an amorphous semiconductor (for example, silicon) film (for example, silicon) film formed on an insulating surface provided on a substrate (for example, a glass substrate, a quartz substrate, a stainless steel substrate, etc.) due to the problem of field effect mobility Technology development of a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) using a polycrystalline semiconductor film (hereinafter referred to as polysilicon film or crystalline silicon film) which has been crystallized by crystallizing an amorphous silicon film) Progressing. In particular, a polycrystalline silicon film formed by performing heat treatment for crystallization at a low temperature (600 ° C. or lower) is called a low-temperature polysilicon film.
[0004]
In recent years, it has been studied to form a semiconductor circuit by forming TFTs on a glass substrate or the like. As an electric appliance using such a semiconductor circuit, an electro-optical device such as an active matrix liquid crystal display device is typical.
[0005]
An active matrix liquid crystal display device is a monolithic display device in which a pixel matrix circuit and a driver circuit are provided on the same substrate. Furthermore, the development of a system-on-panel that incorporates logic circuits such as a memory circuit and a clock generation circuit is underway.
[0006]
Since such driver circuits and logic circuits need to operate at high speed, it is inappropriate to use an amorphous silicon film (amorphous silicon film) as an active layer. Therefore, TFTs using a crystalline silicon film (polysilicon film) as an active layer are becoming mainstream at present.
[0007]
Research and development are actively conducted on a process for forming a crystalline silicon film over a large area on a substrate having a lower heat resistance than a quartz substrate such as a glass substrate, that is, a so-called low temperature process.
[0008]
As a method for forming a low-temperature polysilicon film, a laser annealing method, an ion doping method, or the like is mainly used. As a method for obtaining a high-quality low-temperature polysilicon film, a technique used as a catalyst element for promoting crystallization of a metal element is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-183540. As the metal element, nickel (Ni), palladium (Pd), lead (Pb), tin (Sn), or the like is used. These catalytic elements are added to the semiconductor (silicon) film by a method such as a solution coating method, a sputtering method, an ion implantation method, a vapor deposition method, or a plasma treatment method, and heat treatment for crystallization is performed. However, these treatments have a problem that the treatment time is long instead of being treated at a low temperature.
[0009]
The present inventors have disclosed a technique for obtaining a crystalline silicon film on a glass substrate in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-130652. The technique described in this publication is that a catalyst element for promoting crystallization is added to an amorphous silicon film, heat treatment is performed, and the amorphous silicon film is crystallized.
[0010]
With this crystallization technique, the crystallization temperature of the amorphous silicon film can be lowered by 50 to 100 ° C., and the time required for crystallization can be reduced to 1/5 to 1/10. became. As a result, a crystallized silicon film can be formed over a large area even on a glass substrate with low heat resistance. It has been experimentally confirmed that the crystalline silicon film obtained by such a low temperature process has excellent crystallinity.
[0011]
In addition, environmental problems have become serious, and it is necessary to take energy-saving measures for household electrical appliances worldwide. Therefore, in order to solve the problems such as high efficiency of the manufacturing process for mass production of liquid crystal cells and reduction of manufacturing cost, it is required to increase the size of the substrate in the manufacturing process. From a large glass substrate to a plurality of TFT substrates. Technology development is underway.
[0012]
Note that in this specification, a liquid crystal cell refers to a display device in which liquid crystal is sandwiched between a substrate on which a pixel TFT is formed and a counter substrate.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-130652, the present applicant performs heat treatment by adding a metal element (hereinafter referred to as catalyst element) having an action of promoting crystallization to an amorphous semiconductor film in a crystallization process. Discloses a method for manufacturing a crystalline semiconductor film having high crystallinity.
[0014]
However, the method described in the above publication is a heat treatment using a furnace, and the time required for the heat treatment is ˜14 hours to form a crystalline semiconductor film.
[0015]
In the manufacturing process for actually producing a large number of semiconductor devices, shortening the processing time is an important issue.
[0016]
Further, as another technique for improving the efficiency of the manufacturing process, a technique for manufacturing a plurality of liquid crystal cells, for example, six 12.1 type liquid crystal cells from one large glass substrate, for example, a 550 mm × 650 mm substrate. Is also being established. In the future, it is required to introduce technology and manufacturing equipment for manufacturing more liquid crystal cells from a larger glass substrate. With the increase in size of the base material (glass substrate) before processing, the apparatus used in the manufacturing process also needs to be increased in size, and the furnace for performing the heat treatment has problems related to an increase in the installation area and the above-described problem. However, there is a problem that energy for heating a large furnace for processing a large substrate uniformly and sufficiently is necessary, and that energy becomes enormous power consumption.
[0017]
Therefore, in view of improvement in production efficiency and productivity, it is considered that a rapid thermal annealing (RTA) method is suitable as a heating method. However, the RTA method is a method in which a heat treatment is performed at a high temperature for a short time for the purpose of suppressing diffusion of impurities in the semiconductor layer. Elements such as a crystallization process and a gettering process using a catalytic element are used. In the heat treatment process of the semiconductor film that requires diffusion, the glass substrate may be distorted before obtaining a desired effect. For example, in a gettering process in a furnace, it has been confirmed that the glass substrate is bent and deformed by its own weight only after being treated at 800 ° C. for 60 seconds.
[0018]
An object of the present invention is to provide a method for efficiently producing a good crystalline semiconductor film on a large glass substrate in order to solve the above problems and enable mass production using a large substrate.
[0019]
Further, it is known that when heat treatment is performed at a high temperature exceeding 600 ° C., a high-speed growth of an oxide semiconductor film due to a catalytic element occurs and the formed semiconductor element is destroyed. Further, it is known that when heat treatment is performed at a high temperature exceeding 900 ° C., an oxide semiconductor film grows at high speed even in a region where there is no catalyst element.
[0020]
Therefore, an object of the present invention is to reduce the time required for the process by irradiating pulsed light by controlling the light source for the heat treatment for crystallization.
[0021]
Another object is to reduce hydrogen in the film and improve crystallinity by performing heat treatment for crystallization in a reduced-pressure atmosphere. It is another object of the present invention to reduce the oxygen concentration in the atmosphere by performing heat treatment in a reduced pressure atmosphere and to suppress oxide formation of a catalyst element that promotes crystallization. Another object is to accelerate the crystallization and shorten the crystallization time by performing heat treatment for crystallization under vacuum. Another object is to reduce hydrogen in the film and improve crystallinity by performing heat treatment for crystallization under vacuum. It is another object of the present invention to reduce the oxygen concentration in the atmosphere by performing heat treatment under vacuum and to suppress formation of an oxide of a catalyst element that promotes crystallization.
[0022]
As another problem, after a good crystalline semiconductor film is formed on a glass substrate by a low temperature process, if the catalytic element remains in a high concentration in the semiconductor film, the catalytic element is converted into a semiconductor film (silicon film). Since a deep energy level is formed inside and carriers are captured and recombined, it is expected that the TFT formed using the crystalline silicon film will adversely affect the electrical characteristics and reliability of the TFT. Is done.
[0023]
It has been confirmed that catalyst elements remaining in the crystalline semiconductor film are segregated irregularly, particularly concentrated at the grain boundaries, and the segregation is a region (in particular, a channel forming region and a channel). If it exists in the junction between the formation region and the source region or the drain region), a weak current escape path (leakage path) occurs, causing a sudden increase in off-current (current when the TFT is in an off state). It is considered that.
[0024]
Therefore, it is an object to provide a method in which a gettering step for quickly reducing the concentration of a catalytic element remaining in a crystalline semiconductor film after a crystallization step using a catalytic element is also performed by a low temperature process.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
As described above, by using the RTA apparatus, the throughput of the heat treatment can be improved. Further, by irradiating the light source in a pulsed manner, the treatment temperature can be lowered before the heat is transmitted to the glass, so that the semiconductor film formed over the glass substrate can be heat-treated.
[0026]
Further, the heat transfer by turning on the light source controlled in a pulsed manner is controlled by a temperature sensor, and in accordance with this control, a cooling means is used so that the heat above the glass transition temperature is not transmitted to the glass substrate. Since heating and cooling are simultaneously performed, the time during which the glass transition temperature is not exceeded or exceeded during the heat treatment can be shortened. In addition, by repeating this heat treatment, the glass substrate is not distorted while maintaining the temperature at which the catalyst element that promotes crystallization of the semiconductor film diffuses in the semiconductor, and it can be efficiently performed in a relatively short time. Heat treatment of the semiconductor film for crystallization of the semiconductor film and gettering of the catalytic element can be performed. This method is referred to herein as Plural Pulse Thermal Annealing (hereinafter PPTA).
[0027]
In the PPTA (Plural Pulse Thermal Anneal) device, rapid heating is possible by heating only the semiconductor film instantaneously and stopping the heating before it is transmitted to the glass substrate by emitting light in a pulsed form and irradiating it. Since it is a heating method capable of rapid cooling, the glass substrate is not deformed or damaged by heat. Further, the heat transfer by turning on the light source controlled in a pulsed manner is controlled by a temperature sensor, and in accordance with this control, a cooling means is used so that the heat above the glass transition temperature is not transmitted to the glass substrate. In addition, by repeating this heat treatment, the glass substrate is not distorted while maintaining the temperature at which the catalyst element that promotes crystallization of the semiconductor film diffuses in the semiconductor, and it can be efficiently performed in a relatively short time. Heat treatment of the semiconductor film for crystallization of the semiconductor film and gettering of the catalytic element can be performed.
[0028]
FIG. 20 shows an example of a PPTA (Plural Pulse Thermal Anneal) apparatus. In FIG. 20, a first heat treatment chamber 751, a second heat treatment chamber 752, and a third heat treatment chamber 753 are connected around a first transfer chamber 750 through gates 772d to 772f. The structure of these heat treatment chambers is the same as that shown in FIG. The refrigerant is introduced into each heat treatment chamber from the cylinder 766 via the flow rate control means 767. Exhaust means for reducing the pressure in the processing chamber includes turbo molecular pumps 768a to 768c and dry pumps 769a to 769c. Further, circulators 771a to 771c for circulating the refrigerant and purifiers 770a to 770c for purifying the refrigerant are provided. Although not shown, the blinking of the light source and the supply of the refrigerant are controlled by a computer. In each processing chamber, light sources 762a to 762c and substrate stages 763a to 76c are provided.
[0029]
The second transfer chamber 754 is provided with a transfer unit 760, and transfers the substrate to be processed to the first process chamber 750, the surface treatment chamber 755, and the cooling chamber 756. The surface treatment chamber 755 is provided with a spinner 764. The cooling chamber 756 is provided with a substrate stage 765. In the configuration of the load chamber 757 and the unload chamber 758, the substrate to be processed is moved by the transfer means 761. Note that reference numeral 759 denotes a processing substrate transfer means.
[0030]
The present invention is a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment apparatus as described above, and includes a first step of adding a catalytic element for promoting crystallization to an amorphous semiconductor film formed over an insulating surface; And a second step of forming a crystalline semiconductor film by controlling the light source and irradiating the amorphous semiconductor film with pulsed light to crystallize the amorphous semiconductor film.
[0031]
In addition, the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment apparatus as described above, and includes a first method of adding a catalytic element for promoting crystallization to an amorphous semiconductor film formed over an insulating surface. And a second step of controlling the light source to form a crystalline semiconductor film by irradiating the amorphous semiconductor film with pulsed light to crystallize, and the light emission time of the light source is It is characterized by including a step of 1 to 60 seconds.
[0032]
The above invention is characterized in that, after the second step, a step of irradiating the crystalline semiconductor film with laser light to improve crystallinity is included.
[0033]
In the above invention, the second step is characterized in that the inside of the processing chamber has a reduced pressure atmosphere.
[0034]
In the above invention, the second step is characterized in that the atmosphere in the processing chamber has an oxygen concentration of 5 ppm or less.
[0035]
In addition, the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device using the above-described heat treatment apparatus, in which a catalytic element is added to an amorphous semiconductor film, and the crystalline semiconductor film formed by heat treatment is used. A first step of adding an impurity element; and a second step of irradiating the crystalline semiconductor film to which the impurity element is added with a pulsed light by controlling a light source. The catalyst element is gettered by the light irradiation treatment.
[0036]
The present invention is also a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment apparatus as described above, in which an impurity is added to a crystalline semiconductor film formed by adding a catalytic element to an amorphous semiconductor film and performing heat treatment. A first step of adding an element; and a step of controlling the light source to irradiate the crystalline semiconductor film to which the impurity element is added with pulsed light to getter the catalytic element. And the light emission time of the light source includes a step of 1 to 40 seconds.
[0037]
In the above invention, the impurity element is an element belonging to Group 15 of the periodic table.
[0038]
In the above invention, the impurity element is an element belonging to Group 15 of the periodic table and an element belonging to Group 13 of the periodic table.
[0039]
In the above invention, the impurity element is an element belonging to Group 18 of the periodic table, an element belonging to Group 15 of the periodic table, or an element belonging to Group 13 of the periodic table.
[0040]
In the above-described invention, the concentration of the impurity element belonging to Group 13 is set to be 1/100 or more and 100 times or less than the concentration of the impurity element belonging to Group 15.
[0041]
The present invention is also a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment apparatus as described above, wherein a catalytic element is added to an amorphous semiconductor film, and the heat treatment is performed on the crystalline semiconductor film. A first step of forming an amorphous semiconductor film and adding an impurity element to the amorphous semiconductor film; and irradiating the crystalline semiconductor film with pulsed light by controlling a light source; And a second step of gettering the element.
[0042]
In the above invention, the impurity element is an element belonging to Group 18 of the periodic table.
[0043]
In the above invention, the impurity element is an impurity element belonging to Group 18 of the periodic table, an impurity element belonging to Group 15 of the periodic table, or an impurity element belonging to Group 13 of the periodic table.
[0044]
In the above invention, the second step is characterized in that the processing chamber is evacuated and the pressure is 26.6 Pa or less.
[0045]
In the above invention, the second step is characterized in that the oxygen concentration in the processing chamber, particularly in the vicinity of the crystalline semiconductor film, is 2 ppm or less.
[0046]
In the above invention, the impurity element belonging to Group 15 of the periodic table is an element selected from N, P, As, Sb, and Bi.
[0047]
In the above invention, the impurity element belonging to Group 13 of the periodic table is an element selected from B, Al, Ga, In, and Tl.
[0048]
In the above invention, the impurity element belonging to Group 18 of the periodic table is an element selected from Ar, Kr, and Xe.
[0049]
In the above invention, the second step is characterized in that the continuous holding time at a temperature exceeding the glass strain point is 20 seconds or less.
[0050]
In the above invention, the maximum intensity holding time of the light source in the second step is 1 to 5 seconds.
[0051]
In the above invention, the second step is characterized in that cooling using nitrogen gas, inert gas or liquid as a refrigerant is performed at the same time.
[0052]
In the above invention, in the second step, the vicinity of the crystalline semiconductor film is nitrogen (N 2 ) Atmosphere, inert gas atmosphere, or hydrogen (H 2 ) It is characterized by an atmosphere and a reducing gas atmosphere.
[0053]
In the above invention, the light source is a light source that emits infrared light or ultraviolet light.
[0054]
In the above invention, the light source is a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, or a low-pressure mercury lamp.
[0055]
In the above invention, the light source is irradiated from above the substrate, from below the substrate, or from below and above the substrate.
[0056]
In the above invention, the catalyst element is one or more selected from Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au.
[0057]
The present invention is also a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment apparatus as described above, and includes a first step of forming an amorphous semiconductor film on an insulating surface, and a surface of the amorphous semiconductor film. A second step of adding a catalytic element for promoting crystallization; and irradiating the amorphous semiconductor film to which the catalytic element is added with a light source by controlling a light source to crystallize the amorphous semiconductor film A third step of forming a crystalline semiconductor film, a fourth step of adding an impurity element to the crystalline semiconductor film, and a pulsed light source controlled to the crystalline semiconductor film to which the impurity element is added. And a fifth step of gettering the catalyst element.
[0058]
The present invention is also a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment apparatus as described above, and includes a first step of forming an amorphous semiconductor film on an insulating surface, and a surface of the amorphous semiconductor film. A second step of applying a catalytic element for promoting crystallization to form a catalytic element-containing region; and irradiating pulsed light by controlling a light source on an amorphous semiconductor film having the catalytic element applied to the surface. A third step of crystallizing the amorphous semiconductor film to form a crystalline semiconductor film, a fourth step of adding an impurity element to the crystalline semiconductor film, and a crystalline semiconductor to which the impurity element is added A fifth step of irradiating the film with a light source to irradiate pulsed light to getter the catalytic element, and a crystalline semiconductor film gettered with the catalytic element in the fifth step in a semiconductor having a desired shape A sixth step of forming a layer; A seventh step of forming a gate insulating film covering the body layer; an eighth step of forming a gate electrode on the gate insulating film; a ninth step of adding an n-type impurity element to the semiconductor layer; A tenth step of adding a p-type impurity element to a semiconductor layer to be an active layer of a later p-channel TFT, and irradiating pulsed light by controlling a light source, and removing the impurity element added to the semiconductor layer And an eleventh step of activation.
[0059]
In the above invention, the step of crystallizing the semiconductor layer and the step of activating the impurity element added to the semiconductor layer are performed in a reduced pressure atmosphere in which oxygen concentration is reduced by exhausting with a rotary pump and a mechanical booster pump. It is characterized by.
[0060]
In the above invention, the impurity element added in the fourth step is an impurity element belonging to Group 15 of the periodic table, and the impurity elements belonging to Group 15 of the periodic table are N, P, As, Sb. , Bi is an element selected from Bi.
[0061]
In the above invention, the impurity element added in the fourth step is an element belonging to Group 15 of the periodic table and an element belonging to Group 13 of the periodic table, and the element belonging to Group 15 of the periodic table is: The element selected from N, P, As, Sb, and Bi, and the element belonging to Group 13 of the periodic table is an element selected from B, Al, Ga, In, and Tl.
[0062]
In the above invention, in the third step and the fifth step, the vicinity of the crystalline semiconductor film is nitrogen (N 2 ) Atmosphere, inert gas atmosphere, or hydrogen (H 2 ) It is characterized by being performed in an atmosphere or a reducing gas atmosphere.
[0063]
In the above invention, the catalyst element is one or more selected from Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au.
[0064]
By applying the apparatus as described above to the crystallization process of the semiconductor film and the transfer (gettering) process of the catalytic element present in the semiconductor film, the time required for the crystallization process of the semiconductor film and the addition to the semiconductor film It is possible to reduce the time required for the gettering step of the catalyst element.
[0065]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
A crystallization method and a gettering method using the PPTA apparatus disclosed in the present invention will be described with reference to FIG.
[0066]
First, the base insulating film 11 is formed on the insulating surface of the glass substrate 10 that transmits light. As the base insulating film, any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film may be used, or these films may be stacked.
[0067]
Next, an amorphous semiconductor film 12 is formed over the base insulating film 11. In this embodiment, an amorphous silicon film is formed to 55 nm. Subsequently, nickel (Ni) is applied to the surface of the amorphous silicon film 12 as a catalytic element that promotes crystallization by a known method to form the catalytic element-containing layer 13.
[0068]
The substrate is moved to the processing chamber 14 and heat treatment is performed. Heat treatment is performed for 1 to 60 seconds (preferably 30 to 60 seconds), 1 to 10 times (preferably 2 to 2) of halogen lamps (infrared light) 15 installed on the lower side of the substrate and 10 on the upper side. (6 times) Turn it on. 4A shows the intensity of the light source during the heat treatment, the solid line graph in FIG. 4B shows the temperature in the vicinity of the substrate measured with a thermocouple embedded in a silicon wafer (508b in FIG. 3), and FIG. The broken line graph of B) is the temperature measured from the back side of the center of the substrate with a radiation thermometer (508a in FIG. 3) outside the processing chamber. From this graph, it is considered that the heat supplied by the halogen lamp (measured with a thermocouple embedded in a silicon wafer) is 700 to 1300 ° C. In this embodiment, a halogen lamp is used as the light source, but it is also preferable to use an ultraviolet lamp as the light source, such as a xenon lamp.
[0069]
As shown in FIG. 3, the PPTA apparatus disclosed in this specification is provided with a cooling means for cooling the reaction chamber and the reaction chamber, and the semiconductor film is irradiated by controlling the light source in pulses. At the same time as the heat treatment of the semiconductor film, cooling is performed using a refrigerant so that the glass substrate is not distorted. An inert gas such as nitrogen gas or helium may be used as the refrigerant in the reaction chamber, and an inert gas or liquid such as nitrogen gas or helium may be used as the refrigerant for cooling the reaction chamber itself. In the present embodiment, 2 to 10 (slm) of nitrogen gas is introduced.
[0070]
As shown in the graph of FIG. 4B, the lamp used as the light source can be a lamp that emits not only infrared light but also ultraviolet light, a general metal halide lamp, and xenon as long as the temperature can be controlled in a pulsed manner. Either an arc lamp or a low-pressure mercury lamp may be used.
[0071]
Further, it is more effective if the heat treatment for crystallization is performed in a reduced pressure atmosphere in which oxygen concentration is reduced by exhausting using a rotary pump or a mechanical booster pump. The pressure in the processing chamber is 1.33 × 10 Four What is necessary is just to make it become Pa or less. Or, 26.7 Pa to 1.33 × 10 Four Pa may be used. Furthermore, it may be 13.3 Pa or less.
[0072]
FIG. 5A shows a state where the crystalline silicon film 16 obtained by crystallization with a PPTA apparatus is observed with an optical microscope. Further, FIG. 5B shows the result of observing the grain boundary of the semiconductor film processed by the Secco etching method with an SEM. FIG. 5A is observed in a transmission mode of an optical microscope. From the difference in transmittance between crystalline silicon and amorphous silicon, the blackened portion is considered to be an amorphous silicon region. There are few regions that appear to remain amorphous silicon. Here, in order to observe the state of crystallization, image processing was further performed to measure the crystallization rate.
[0073]
A photograph taken by observation with an optical microscope is converted into two gradations by image processing. Since green can separate amorphous silicon and crystalline silicon, the photograph is made into a green image, and this image is divided into two gradations to separate the amorphous silicon region and the crystalline silicon region, and image processing software ( NIH-Image). According to this measuring method, the crystallization rate was 99.8%.
[0074]
Next, gettering processing using a PPTA apparatus will be described with reference to FIGS. In order to add an impurity element (typically phosphorus) belonging to Group 15 of the periodic table having a gettering action to the crystalline silicon film 16, a mask insulating film 17 is formed, phosphorus (P) is added, and the getter is added. A ring region 18 is formed. The gettering region 18 has 1 × 10 20 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three Of phosphorus has been added. Note that as the impurity element belonging to Group 15 of the periodic table, an element selected from N, P, As, Sb, and Bi may be used.
[0075]
The catalytic element is applied to the entire surface of the semiconductor film, and 1 × 10 6 is also formed in a region that becomes a channel formation region later. 17 ~ 1x10 19 atoms / cm Three The catalytic element remains. Lamp light is irradiated in a pulsed form from the lower surface and the upper surface of the substrate (hereinafter, the lamp light irradiated in a pulsed form is referred to as pulsed light), and the gettering region 18 is gettered with the catalytic element. The pulsed light is heated to 1220 ° C. using a halogen lamp in the same manner as the heat treatment for crystallization, and the temperature is maintained for 40 seconds. Subsequently, it cools to 300-400 degreeC. Although the effect of gettering can be confirmed only by performing this process once, it is more preferable to perform the process 2 to 20 times. By this heat treatment, the catalyst element in the semiconductor film is removed by 1 × 10. 17 atoms / cm Three The following can be reduced. During the heat treatment, nitrogen gas 2 to 10 (slm) is allowed to flow as a refrigerant into the reaction chamber in order to prevent heat from being transmitted to the glass substrate. In addition, the heat treatment for gettering is performed in a reduced-pressure atmosphere with an atmospheric pressure or lower by exhausting with a rotary pump or a mechanical booster pump in the same manner as the heat treatment for crystallization. Get better.
[0076]
In the above heat treatment, the semiconductor film is irradiated with lamp light in a pulsed manner to perform crystallization or gettering, but the heating is performed in a pulsed manner (for example, the light source itself is moved or the substrate itself is moved). The light source (lamp) is not required to be controlled in a pulse shape.
[0077]
Here, an example of the PPTA apparatus used in the present invention will be briefly described with reference to FIG. The single chamber processing chamber 500 is made of quartz. A water cooling type cooling device 501 is provided around the processing chamber 500 for cooling. As the light source 502, rod-shaped halogen lamps are provided on the lower side and the upper side of the substrate, and light sources on both sides are used in the embodiment. However, the light source may be used only on one side and the user may determine as appropriate. The light source 502 is controlled by the light source control device 503 and is turned on as pulsed light (for example, including a wavelength of 0.5 μm to 3 μm).
[0078]
Nitrogen gas is supplied to the processing chamber 500 from the refrigerant supply source 504 as the refrigerant (gas) 520 via the flow rate control device 505. Note that, based on the results measured by the temperature sensors 508a and 508b connected to the temperature detector 507, the control unit 506 controls the supply amount of the refrigerant and the intensity of the light source. The refrigerant supplied to the processing chamber 500 is discharged from the exhaust port 509 to the outside, and the processing chamber 500 is always filled with clean gas.
[0079]
The substrate 514 is placed on the substrate holder in the loader / unloader chamber 513 and is transferred to the processing chamber 500 by the transfer means 511 in the transfer chamber 512. A gate valve 510 is provided between the transfer chamber 512 and the processing chamber 500. Further, the processing chamber 500 is exhausted by a rotary pump 515 and a mechanical booster pump 516.
[0080]
(Embodiment 2)
In the crystallization process of the amorphous semiconductor described in Embodiment Mode 1, heat treatment for crystallization of the amorphous semiconductor film may be performed in a vacuum atmosphere of 0.1 Pa or less. In this case, a heat treatment may be performed by controlling the light source after making the inside of the treatment chamber high vacuum using a pump capable of realizing high vacuum such as a turbo molecular pump.
[0081]
(Embodiment 3)
In the present embodiment, an example different from the first embodiment of the gettering method using the PPTA device will be described. Note that the impurity element added to the gettering region is different from that shown in FIG.
[0082]
According to the first embodiment, the base insulating film 11 is formed on the insulating surface of the glass substrate 10 that transmits light. Next, an amorphous semiconductor film 12 is formed over the base insulating film 11. In this embodiment, an amorphous silicon film having a thickness of 55 nm is formed (FIG. 1A).
[0083]
Subsequently, nickel (Ni) is applied to the surface of the amorphous silicon film 12 as a catalytic element for promoting crystallization by a known method to form the catalytic element-containing layer 13, and then the amorphous is formed by heat treatment in the processing chamber 14. The crystalline silicon film 16 is formed by crystallizing the silicon film 12. Crystallinity may be improved by irradiating the crystalline silicon film 16 with laser light after this heat treatment (FIGS. 1B and 1C).
[0084]
The concentration of the catalytic element remaining in the crystalline silicon film 16 formed as described above is reduced. A gettering process using a PPTA apparatus will be described with reference to FIGS. A mask insulating film 17 is formed to add an impurity element belonging to Group 15 of the periodic table (typically phosphorus) having a gettering action and an impurity element belonging to Group 13 to the crystalline silicon film 16, and phosphorus (P ) And boron (B) are added to form the gettering region 18. In the gettering region 18, the concentration of the impurity element belonging to Group 13 is 1/100 to 100 times the concentration of the impurity element belonging to Group 15 (in this embodiment, 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three Of phosphorus and 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three Of boron). As an addition method, a gas phase method such as an ion-dop pink method or a plasma doping method, or a method of forming a layer containing a group 13 element and / or a group 15 element by a solid phase method or a liquid phase method using a solution. Is used. As the impurity element belonging to Group 15 of the periodic table, an element selected from N, P, As, Sb, and Bi may be used, and as the impurity element belonging to Group 13 of the periodic table, B, Al, Ga An element selected from In, Tl and Tl may be used.
[0085]
The substrate is moved again to the processing chamber 14 and heat treatment is performed. Heat treatment is performed for 1 to 180 seconds (preferably 30 to 60 seconds), 1 to 30 times (preferably 2 to 2) of halogen lamps (infrared light) 15 installed 11 on the lower side and 10 on the upper side. 10 times). Processing is performed at a temperature at which the glass substrate does not greatly warp or warp. In this embodiment, the substrate temperature at this time is controlled to 700 ° C. or lower by measurement from the back surface of the substrate with a radiation thermometer, and the glass strain point of 667 ° C. or higher is continuously maintained within 20 seconds. Hold it down. In this embodiment, a halogen lamp is used as the light source, but it is also preferable to use an ultraviolet lamp as the light source, such as a xenon lamp.
[0086]
As shown in FIG. 3, the PPTA apparatus disclosed in this specification is provided with a cooling means for cooling the reaction chamber and the reaction chamber, and the semiconductor film is irradiated by controlling the light source in pulses. At the same time as the heat treatment of the semiconductor film, the glass substrate is cooled using a refrigerant so that the glass substrate is not distorted. As the refrigerant in the reaction chamber, an inert gas such as nitrogen gas or helium, and as the refrigerant for cooling the reaction chamber itself, an inert gas or liquid such as nitrogen gas or helium, or both may be used. In the present embodiment, 2 to 10 (slm) of nitrogen gas is introduced.
[0087]
The lamp used as the light source can control not only infrared light but also ultraviolet light, general metal halide lamps, xenon arc lamps, carbon arc lamps, low-pressure mercury lamps as long as the illuminance can be controlled sharply in a pulsed manner. Any of the lamps may be used.
[0088]
Further, in the processing chamber 14, the gettering effect is enhanced by exhausting with a rotary pump or a mechanical booster pump in a reduced-pressure atmosphere having an atmospheric pressure or lower. In this embodiment, high purity (CH contained in nitrogen) Four , CO, CO 2 , H 2 , H 2 O and O 2 At a flow rate of 5 l / min to maintain the pressure at 2.67 Pa or less, and create a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 5 ppm or less (in this embodiment, 2 ppm or less). In this nitrogen atmosphere, a heat treatment process is performed at 450 ° C. to 950 ° C. for 4 to 24 hours. In this embodiment, the nitrogen atmosphere is used. However, if the oxygen concentration can be reduced to 5 ppm or less, the atmosphere may be an oxygen-free gas, for example, an inert gas such as helium (He), neon (Ne), or argon (Ar). Good. In addition, a gas that does not accumulate by thermal decomposition or react with the semiconductor film, such as hydrogen (H 2 )
[0089]
The catalytic element is applied to the entire surface of the semiconductor film 21, and 1 × 10 6 is also formed in a region that becomes a channel forming region later. 17 ~ 1x10 19 atoms / cm Three The catalytic element remains. Lamp light is irradiated in a pulsed form from the lower surface and the upper surface of the substrate (hereinafter, the lamp light irradiated in a pulsed form is referred to as pulsed light 20), and the gettering region 18 is gettered with the catalytic element. The pulsed light 20 uses a halogen lamp, which is heated to 700 ° C. and immediately cooled to a temperature of 600 ° C. (preferably 450 ° C. or less). Although the effect of gettering can be confirmed by performing this process once, it is more preferable to perform the process 2 to 30 times.
[0090]
As shown in FIG. 1F by this heat treatment, nickel in the crystalline silicon film moves in the direction of the arrow by this heat treatment step and is captured in the gettering region 18 by the gettering action of phosphorus. That is, nickel is removed from the crystalline silicon film, and the concentration of nickel contained in the crystalline silicon film is 1 × 10. 17 atoms / cm Three Or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm Three It can be reduced to the following. During the heat treatment, nitrogen gas 2 to 10 (slm) is allowed to flow as a refrigerant into the reaction chamber in order to prevent heat from being transmitted to the glass substrate.
[0091]
In the above heat treatment, a semiconductor film is irradiated with lamp light in a pulsed manner to perform crystallization or gettering. However, the heating is performed in a pulsed manner (for example, the light source itself is moved or the substrate itself is moved). The light source (lamp) is not required to be controlled in a pulse shape. The crystalline silicon film thus obtained is patterned to obtain a region 22 to be a semiconductor layer of a later TFT.
[0092]
(Embodiment 4)
In the present embodiment, an example different from the third embodiment of the gettering method using the PPTA device will be described.
[0093]
In accordance with Embodiment 1, a crystalline semiconductor film is formed using a catalytic element. Note that crystallinity may be improved by irradiating a crystalline semiconductor film (crystalline silicon film) obtained by heat treatment with laser light.
[0094]
The crystalline silicon film formed as described above uses a catalytic element that promotes crystallization, and after crystallization, the catalytic element is removed by the gettering action of phosphorus. An even better crystalline silicon film can be obtained by reducing the concentration of the catalyst element remaining in the film.
[0095]
Here, the gettering process using the PPTA apparatus will be described. An impurity element belonging to Group 15 of the periodic table (typically phosphorus) having a gettering action, an impurity element belonging to Group 13 of the periodic table (typically boron), and an impurity element belonging to Group 18 of the periodic table (representative) Specifically, in order to add argon) to the crystalline silicon film 16, a mask insulating film 17 is formed, and phosphorus (P) and argon (Ar) are added to form a gettering region 18. At this time, phosphorus (P) and boron (B) may be added to form the gettering region 18. In this case, the concentration of the impurity element belonging to group 13 is 15 in this gettering region 18. 1 to 100 times the concentration of the impurity element belonging to the group (in this embodiment, 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three Of phosphorus and 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three Of boron). As an addition method, a gas phase method such as an ion-dop pink method or a plasma doping method, or a method of forming a layer containing a group 13 element and / or a group 15 element by a solid phase method or a liquid phase method using a solution. Is used. Argon (Ar) may be mixed into the film when the semiconductor film is deposited by sputtering. Further, as a gettering method, an amorphous semiconductor film may be formed adjacent to the gettering region.
In addition to Ar, Kr, Xe, or the like may be used as the impurity element belonging to Group 18 of the periodic table.
[0096]
Further, after adding a catalytic element as shown in FIGS. 1C and 1D and performing heat treatment to form the crystalline silicon film 16, the crystalline silicon film 16 is formed on the crystalline silicon film 16 as shown in FIG. By forming an amorphous silicon film 31 containing an impurity element belonging to Group 18 of the periodic table and performing a heat treatment, the amorphous silicon film 31 functions as the gettering region 16 and the crystalline silicon film The catalyst element remaining in 16 can be moved. Note that since the amorphous silicon film functioning as a gettering region is removed by etching or the like after the gettering step, a barrier layer 30 for protecting the crystalline silicon film from the etchant during the etching process is used as the crystalline silicon film. The amorphous silicon film 31 is preferably formed after being formed on the film 16. The barrier layer 30 may be a chemical oxide film formed by treatment with ozone water, or a chemical oxide film formed by treatment with an aqueous solution in which sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid or the like is mixed with hydrogen peroxide. That's fine. These films can be removed by hydrofluoric acid treatment.
[0097]
The substrate is moved again to the processing chamber 14 and heat treatment is performed. Heat treatment is performed for 1 to 180 seconds (preferably 30 to 60 seconds), 1 to 30 times (preferably 2 to 2) of halogen lamps (infrared light) 15 installed 11 on the lower side and 10 on the upper side. 10 times). Processing is performed at a temperature at which the glass substrate does not greatly warp or warp. In this embodiment, the substrate temperature at this time is controlled to be 700 ° C. or lower by measurement from the back surface of the substrate with a radiation thermometer, and the glass strain point of 667 ° C. or higher is continuously maintained within 20 seconds. Hold it down. Further, in order to improve throughput and reduce power consumption, light irradiation may be performed for several minutes to maintain a temperature of 600 ° C. to 700 ° C. In this embodiment, a halogen lamp is used as the light source, but it is also preferable to use an ultraviolet lamp as the light source, such as a xenon lamp.
[0098]
As shown in FIG. 3, the PPTA apparatus disclosed in this specification is provided with a cooling means for cooling the reaction chamber and the reaction chamber, and the semiconductor film is irradiated by controlling the light source in pulses. At the same time as the heat treatment of the semiconductor film, the glass substrate is cooled using a refrigerant so that the glass substrate is not distorted. As the refrigerant in the reaction chamber, an inert gas such as nitrogen gas or helium, and as the refrigerant for cooling the reaction chamber itself, an inert gas or liquid such as nitrogen gas or helium, or both may be used. In the present embodiment, 2 to 10 (slm) of nitrogen gas is introduced.
[0099]
The lamp used as the light source can control not only infrared light but also ultraviolet light, general halogen lamps, metal halide lamps, xenon arc lamps, carbon arc lamps, low-pressure lamps, as long as the illuminance can be controlled sharply in a pulse shape. Any of mercury lamps and the like may be used.
[0100]
Further, in the processing chamber 14, the gettering effect is enhanced by exhausting with a rotary pump or a mechanical booster pump in a reduced-pressure atmosphere having an atmospheric pressure or lower. In this embodiment, high purity (CH contained in nitrogen) Four , CO, CO 2 , H 2 , H 2 O and O 2 At a flow rate of 5 l / min to maintain a pressure of 26.7 Pa or less, and a nitrogen atmosphere having an oxygen concentration of 5 ppm or less (in this embodiment, 2 ppm or less) is created. In this nitrogen atmosphere, a heat treatment process is performed at 450 ° C. to 950 ° C. for 4 to 24 hours. In this embodiment, the nitrogen atmosphere is used. However, if the oxygen concentration can be reduced to 5 ppm or less, the atmosphere may be an oxygen-free gas, for example, an inert gas such as helium (He), neon (Ne), or argon (Ar). Good. In addition, a gas that does not accumulate by thermal decomposition or react with the semiconductor film, such as hydrogen (H 2 )
[0101]
The catalytic element is applied to the entire surface of the semiconductor film, and 1 × 10 6 is also formed in a region that becomes a channel formation region later. 17 ~ 1x10 19 atoms / cm Three The catalytic element remains. Lamp light is irradiated in a pulsed form from the lower surface and the upper surface of the substrate (hereinafter, the lamp light irradiated in a pulsed form is referred to as pulsed light), and the gettering region 18 is gettered with the catalytic element. The pulsed light uses a halogen lamp, which is heated to 700 ° C. and immediately cooled to a temperature of 600 ° C. (preferably 450 ° C. or less). Although the effect of gettering can be confirmed by performing this process once, it is more preferable to perform the process 2 to 30 times. Further, in order to improve throughput and reduce power consumption, light irradiation may be performed for several minutes to maintain a temperature of 600 ° C. to 700 ° C.
[0102]
By this heat treatment, as shown in FIG. 1F, nickel in the crystalline silicon film moves in the direction of the arrow in this heat treatment step and is captured in the gettering region 18 by the gettering action of phosphorus. That is, nickel is removed from the crystalline silicon film, and the concentration of nickel contained in the crystalline silicon film is 1 × 10. 17 atoms / cm Three Or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm Three It can be reduced to the following. During the heat treatment, nitrogen gas 2 to 10 (slm) is allowed to flow as a refrigerant into the reaction chamber in order to prevent heat from being transmitted to the glass substrate.
[0103]
In the above heat treatment, the semiconductor film is irradiated with lamp light in a pulsed manner to perform crystallization or gettering, but the heating is performed in a pulsed manner (for example, the light source itself is moved or the substrate itself is moved). The light source (lamp) is not required to be controlled in a pulse shape.
[0104]
【Example】
Example 1
An example of a method for manufacturing a TFT substrate using the present invention will be described in this embodiment with reference to FIGS.
[0105]
First, in this embodiment, a glass substrate made of aluminoborosilicate glass or barium borosilicate glass that transmits light, or a specific gravity of 2.5 g / cm. Three Hereinafter, the thermal expansion coefficient is 35.0 × 10 -7 A glass substrate of / ° C. or lower is used. A base insulating film 101 is formed over the glass substrate 100. The base insulating film 101 is made of SiH with a CVD apparatus. Four And N 2 A silicon oxynitride (SiNO) film 101a is formed using O, and then a silicon oxynitride (SiON) film 101b is formed in the same chamber. The SiNO film and the SiON film are formed so as to have a thickness of 50 to 200 nm.
[0106]
Next, an amorphous silicon film 102 is formed as an amorphous semiconductor film. Next, a mask insulating film (not shown) is formed on the amorphous silicon film 102. It is used in a step of adding an impurity element imparting p-type (hereinafter referred to as p-type impurity element) to the amorphous silicon film 102 through the mask insulating film. As the p-type impurity element, typically, an element belonging to Group 13, typically boron or gallium can be used. This step (referred to as channel doping step) is a step for controlling the threshold voltage of the TFT. Here, diborane (B 2 H 6 Boron is added by ion doping that is plasma-excited without mass separation. Of course, an ion implantation method for performing mass separation may be used.
[0107]
Next, the amorphous silicon film 102 is crystallized. First, a catalytic element containing layer 103 is formed by applying a nickel acetate salt solution containing 10 ppm of nickel in terms of weight to the surface of the amorphous silicon film 102. The application method may be a known method such as application using a spinner or sputtering (FIG. 6A). Subsequently, as shown by the solid line graph in FIG. 4B, by controlling the light source for heating and performing irradiation in a pulsed manner (hereinafter, the light irradiated in a pulsed manner by controlling the light source is pulsed). The operation of turning off the pulsed light 104 for 5 seconds after holding 1220 ° C. (measurement by the temperature sensor indicated by 508b in FIG. 3) for 40 seconds is one cycle, and this is repeated three times, and the fourth pulse is 1220 ° C. ( The measurement of the temperature sensor indicated by 508b in FIG. 3) was held for 60 seconds. In addition, the time for which the pulsed light 104 maintains the maximum intensity is about 1 to 5 seconds. In this embodiment, the pulsed light is irradiated four times, but may be performed two to ten times. Thereby, the crystalline silicon film 105 is formed. Note that laser irradiation may be performed on the crystalline silicon film 105 in order to further increase the crystallization rate and repair defects in the crystal grains (FIG. 6B). Further, heat treatment for reducing the amount of hydrogen contained in the amorphous silicon film may be performed before the crystallization treatment.
[0108]
Subsequently, in order to getter the catalytic element used for the crystallization process from the crystalline silicon film 105, an impurity element belonging to Group 15 of the periodic table having a gettering action (typically phosphorus) is added, A gettering region 107 is formed. A mask insulating film 170 is formed, and phosphorus is added to a region where the crystalline silicon film is exposed. In addition to phosphorus, boron may be added to the gettering region 107. Thereafter, pulsed light 106 is irradiated. The pulse light to be irradiated is heated to 1220 ° C. at a rate of 100 to 200 ° C./second, held for 40 seconds, and the cooling temperature is 50 to 150 ° C./second, and the pulse light to be cooled to 300 to 400 ° C. is suitable. Yes. Further, 2 to 10 (slm) of nitrogen gas is introduced as a refrigerant so that the glass substrate does not exceed the glass transition temperature. By irradiating such pulsed light once, the catalytic element is gettered to the gettering region 107. In order to obtain a sufficient gettering effect, the pulsed light irradiation may be performed 2 to 20 times. In addition, the heat treatment process for crystallization of the semiconductor film and gettering of the catalytic element is preferably performed in a reduced pressure atmosphere in which oxygen concentration is reduced by exhausting with a rotary pump or a mechanical booster pump (FIG. 6C )).
[0109]
The high-quality crystalline silicon film 105 obtained in this way is patterned into an island shape to form semiconductor layers 108 to 112 that will become active layers of the subsequent TFT (FIG. 6D). Next, a gate insulating film 113 is formed to a thickness of 50 to 150 nm on the island-shaped semiconductor layers 108 to 112 by a plasma CVD method. Next, a conductive film (A) 114 having a thickness of 20 to 100 nm and a conductive film (B) 115 having a thickness of 100 to 400 nm are formed as a conductive film for forming a gate electrode. In this embodiment, the conductive film (A) 114 is formed using TaN and the conductive film (B) 115 is formed using W. However, an element selected from Ta, W, Ti, Mo, Al, and Cu, or these elements are mainly used. What is necessary is just to form with either the alloy material or compound material which is a component (FIG. 7 (A)).
[0110]
Next, resist masks 116a to 116g are formed, and the conductive film (A) 114 and the conductive film (B) 115 are etched, so that the gate electrodes 117 to 115 formed of a stack of the conductive film (A) and the conductive film (B) are formed. 120 is formed. An etching method is not limited, but an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method may be used. CF for etching gas Four And Cl 2 And are used. In the same process, the capacitor wiring 121 and the wirings 122 and 123 to be the upper electrode of the storage capacitor are formed.
[0111]
When the gate electrodes 117 to 120 and the wirings 121 to 123 are formed, an impurity element that imparts n-type to the semiconductor layers 108 to 112 by ion doping through the gate insulating film 113 using the gate electrode as a mask (hereinafter referred to as n-type). Impurity element) is added. By this step, the impurity concentration is 1 × 10. 16 ~ 1x10 18 atoms / cm Three N-type impurity regions 124a to 124e are formed (FIG. 7B).
[0112]
Next, a second etching process is performed while the resist mask is used as it is to form second-shaped gate electrodes and wirings 125 to 131. Subsequently, an n-type impurity element is further added using the second shape gate electrode and the wirings 125 to 131 as a mask. As a result, the n-type impurity concentration that later becomes the source region or the drain region becomes 1 × 10 20 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three N-type impurity region (n +), and an n-type impurity element concentration that becomes a low-concentration impurity region (hereinafter referred to as an LDD region) later to the channel formation region side than the n-type impurity region (n +) is 1 × 10 18 ~ 1x10 19 atoms / cm Three N-type impurity regions (n −) 132a to 132e are formed (FIG. 7C).
[0113]
Then, masks 133 and 134 made of resist are formed in a region to be a later n-channel TFT, and a p-type impurity element is added to form p-type impurity regions 135a and 135b. The impurity concentration of the p-type impurity region 135 is 2 × 10, which is 1.5 to 3 times the maximum value of the n-type impurity concentration added in the previous step. 20 ~ 2x10 twenty one atoms / cm Three (FIG. 8A).
[0114]
Next, the n-channel TFT 201 and the second p-channel TFT 203 of the later drive circuit 206 are covered with a resist mask 136, 137 and an etching process is performed, and the first p-channel TFT 202, A third shape gate electrode and wirings 138 to 142 were formed in the pixel TFT 204 and the wiring.
[0115]
Next, heat treatment for activating the impurity element added to the semiconductor film is performed. This heat treatment is activated by irradiating a pulsed light a plurality of times using the PPTA apparatus shown in FIG. The pulsed light is irradiated from the back side of the substrate (in this specification, the surface on which the TFT is formed is the substrate surface). Impurities can be reliably activated by this heat treatment. In this embodiment, an example of irradiation only from the back side of the substrate is shown, but pulse light may be irradiated from both sides of the front and back surfaces of the substrate.
[0116]
After the activation process, a first interlayer insulating film 143 made of a silicon nitride film or a silicon oxynitride film is formed by a plasma CVD method. Then, hydrogen is released from the first interlayer insulating film 143 and heat treatment is performed to hydrogenate the semiconductor film. This heat treatment may be performed in a clean oven at 350 to 450 ° C. (preferably 410 ° C.). Alternatively, hydrogenation treatment may be performed in an atmosphere containing hydrogen generated by being converted to plasma (FIG. 8C).
[0117]
Next, planarization is performed using an organic insulating material such as acrylic or polyimide as the second interlayer insulating film 144. Then, contact holes reaching the semiconductor films 108 to 112 to be active layers of the later TFTs are formed in the first interlayer insulating film 143 and the second interlayer insulating film 144, and a thickness of 100 to 200 nm is formed there. A Ti film, an alloy film having a thickness of 250 to 350 nm (alloy film of Al and Ti), and a Ti film having a thickness of 50 to 150 nm are laminated and patterned into a desired shape to form connection wirings 145 to 152. Each TFT is electrically connected.
[0118]
In the pixel portion 207, a pixel electrode 153 is formed. The pixel electrode 153 is electrically connected to the drain region 124d of the pixel TFT 204 and the lower electrode (semiconductor film to which impurities are added) 135c of the storage capacitor 205.
[0119]
The n-channel TFT 201 has a channel formation region 161, a source region and drain region 124a, and an LDD region 132a in an active layer.
[0120]
The first p-channel TFT 202 has a channel formation region 162, a source region and a drain region 135 in the active layer.
[0121]
The second p-channel TFT 203 has a channel formation region 163, a source and drain region 135b, and an LDD region 135e in the active layer. Note that the gate electrode 127 has a region overlapping with the LDD region 135e.
[0122]
The pixel TFT 204 includes a channel formation region 164, a source region and drain region 124d, and an LDD region 132d in an active layer.
[0123]
The storage capacitor 205 includes a lower electrode (a semiconductor film to which an impurity element is added) 112, a dielectric (an insulating film formed continuously from the gate insulating film 113), and an upper electrode (a conductive film (A) forming a gate electrode). And 129 (consisting of a stack of conductive films (B)).
[0124]
As described above, an active matrix substrate including the driving circuit 206 including the CMOS structure 208 including the n-channel TFT 201 and the p-channel TFT 202 and the pixel portion 207 including the pixel TFT 204 and the storage capacitor 205 is manufactured (FIG. 9).
[0125]
When the present invention is used as disclosed in this embodiment, heat treatment can be performed in a short time using a PPTA apparatus, throughput can be improved, and a highly reliable TFT can be manufactured efficiently.
[0126]
(Example 2)
The bottom gate type TFT substrate can be applied to the crystallization process and the gettering process shown in the present invention. This will be described with reference to FIGS.
[0127]
An insulating film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed on the substrate 50 (not shown), a conductive film is formed to form a gate electrode, and is patterned into a desired shape. A gate electrode 51 is obtained. For the conductive film, an element selected from Ta, Ti, W, Mo, Cr, or Al or a conductive film containing any element as a main component may be used (FIG. 10A).
[0128]
Next, the gate insulating film 52 is formed. The gate insulating film may be a single layer of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film, or a stacked structure of any of the films.
[0129]
Next, an amorphous silicon film 53 is formed as an amorphous semiconductor film to a thickness of 10 to 1150 nm by a thermal CVD method, a plasma CVD method, a low pressure CVD method, a vapor deposition method or a sputtering method. Note that since the gate insulating film 52 and the amorphous silicon film 53 can be formed by the same film formation method, both may be continuously formed. By continuous formation, exposure to the atmosphere is no longer required, contamination of the surface can be prevented, and variations in characteristics of TFTs to be manufactured and variations in threshold voltage can be reduced (FIG. 10B).
[0130]
Next, the amorphous silicon film is crystallized. A catalytic element is added to the amorphous silicon film to form the catalytic element-containing layer 54. Subsequently, a crystalline semiconductor film (crystalline silicon film) 56 is formed by irradiating the amorphous silicon film using a pulsed light source (pulse light 55).
[0131]
Subsequently, a gettering process of the catalyst element for moving the catalyst element from the region to be the semiconductor layer of the TFT is performed. A mask 57 is formed over the crystalline semiconductor film 56, and an impurity element having gettering action is added to a selected region of the semiconductor film to form a gettering region 58. As an impurity element to be added, an impurity element belonging to Group 15 of the periodic table, an impurity element belonging to Group 15 of the periodic table, an impurity element belonging to Group 13 of the periodic table, an impurity element belonging to Group 15 of the periodic table, or a period An impurity element belonging to Group 13 of the table and an impurity element belonging to Group 18 of the periodic table may be added. Thereafter, the catalytic element is moved to the gettering region 58 by using a light source (pulse light 59) controlled in a pulse shape (FIG. 10D).
[0132]
Next, the protective insulating film 60 is formed with a thickness of 100 to 400 nm. Subsequently, using a resist mask (not shown), an impurity element for imparting n-type to the crystalline silicon film to be an active layer of the later n-channel TFT 70, an active layer of the later p-channel TFT 71, and A p-type impurity element is added to the resulting crystalline silicon film to form a source region, a drain region, and an LDD region (FIG. 11A).
[0133]
Next, treatment for activating the impurity element added to the crystalline silicon film is performed. The activation treatment may be performed by heat treatment using the pulsed light disclosed in the embodiment or Example 1. Subsequently, after the activation treatment, a hydrogenation treatment may be performed in an atmosphere containing hydrogen generated by being converted into a known plasma.
[0134]
Next, the insulating film 60 on the crystalline silicon film is removed and the crystalline silicon film is formed in a semiconductor layer having a desired shape, and then an interlayer insulating film 61 is formed. The interlayer insulating film is formed so as to have a thickness of 500 to 1500 nm in any one of insulating films containing silicon such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film (see FIG. 11B). ).
[0135]
Thereafter, a contact hole reaching the source region or drain region 74 of each TFT is formed, and a wiring 62 for electrically connecting each TFT is formed. Note that 72 is an LDD region to which an impurity element is added at a low concentration, and 73 and 75 are channel formation regions (FIG. 11C).
[0136]
As described above, the present invention can be applied regardless of the shape of the TFT.
[0137]
(Example 3)
In the TFT manufacturing process shown in Embodiment 1, the crystallization process of the amorphous semiconductor film may be performed as follows.
[0138]
First, a catalytic element-containing layer 103 is formed by applying a nickel acetate salt solution containing 100 ppm of nickel in terms of weight to the surface of the amorphous silicon film 102. The application method may be a known method such as application using a spinner or sputtering. Subsequently, vacuuming is performed with a rotary pump and a mechanical booster pump, and high purity (CH contained in nitrogen) Four ), CO, CO 2 , H 2 , H 2 O and O 2 The nitrogen concentration is 1 ppb or less) at a flow rate of 2 l / min to maintain a pressure of 26.7 Pa and create a nitrogen atmosphere. In this nitrogen atmosphere, heating was performed only once at 1220 ° C. for 60 seconds. In addition, the time for which the pulsed light maintains the maximum intensity is about 1 to 5 seconds. Thereby, the crystalline silicon film 105 is formed. Note that laser irradiation may be performed on the crystalline silicon film 105 in order to further increase the crystallization rate and repair defects in the crystal grains.
Further, heat treatment for reducing the amount of hydrogen contained in the amorphous silicon film may be performed before the crystallization treatment.
[0139]
Example 4
In this embodiment, a process of manufacturing an active matrix liquid crystal display device from a TFT substrate manufactured by applying Embodiments 1 to 3 will be described. FIG. 12 shows a state where the TFT substrate and the counter substrate 180 are bonded together with a sealing material. A columnar spacer 183 is formed on the TFT substrate. The columnar spacer 183 is preferably formed in accordance with a recess of a contact portion formed on the pixel electrode. The columnar spacer 183 is formed with a height of 3 to 10 μm, depending on the liquid crystal material used. Since the concave portion corresponding to the contact hole is formed in the contact portion, disorder of the alignment of the liquid crystal can be prevented by forming a spacer in accordance with this portion. Thereafter, an alignment film 182 is formed and a rubbing process is performed. A transparent conductive film 184 and an alignment film 181 are formed on the counter substrate 180. Thereafter, the TFT substrate and the counter substrate 180 are bonded together with a sealing material, and liquid crystal is injected to form a liquid crystal layer 185. An active matrix liquid crystal display device manufactured as described above can be completed.
[0140]
(Example 5)
Another method for manufacturing an active matrix substrate using a PPTA apparatus will be described with reference to FIGS. 17 and 18 illustrate a method of forming the pixel TFT 320 and the storage capacitor 321 in the pixel portion.
[0141]
A base insulating film 301 is formed on the surface of the substrate 300. The base insulating film 301 may be a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a stacked structure of any of the films. In this example, the plasma CVD method is used to form SiH. Four And N 2 A silicon oxynitride film is formed to a thickness of 50 to 200 nm using O.
[0142]
Next, a very thin Ni film (hereinafter referred to as a thin film for convenience) 302 is formed. A substrate 300 on which a base insulating film 301 is formed is placed in a film formation chamber of a parallel plate type or positive column type plasma CVD apparatus using an electrode made of Ni, and nitrogen, hydrogen, or an inert gas is placed. Plasma is generated under the atmosphere of In this embodiment, the amount of Ni is 1 × 10 5 by plasma treatment under conditions of a substrate temperature of 300 ° C., a pressure of 6.65 Pa, argon of 100 (sccm), and RF power of 50 W. Ten atoms / cm 2 ~ 1x10 13 atoms / cm 2 The Ni thin film 302 is formed. The Ni thin film 302 acts as a catalyst element for promoting crystallization in the subsequent step of crystallizing the semiconductor layer (FIG. 17A). In this embodiment, the Ni thin film is formed. However, as long as it is an element having an action of promoting the crystallization of the semiconductor film (referred to as a catalytic element in this specification), it is possible to use Fe, Co, other than nickel (Ni). A thin film containing one or more elements selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au may be formed.
[0143]
Next, an amorphous silicon film is formed on the Ni thin film 302. Patterning into a desired shape forms a semiconductor layer 304 to be an active layer of a later TFT and a semiconductor layer 305 to be a lower electrode of a later storage capacitor (FIG. 17B).
[0144]
Subsequently, a mask insulating film 306 is formed over the semiconductor layers 304 and 305. As the mask insulating film, a silicon oxide film is formed by a plasma CVD method. After that, a p-type impurity element (typically boron or gallium) is added to the semiconductor layer through the mask insulating film 306. This step (referred to as channel doping step) is performed to control the threshold voltage of the TFT. By this process, the semiconductor layer has a size of 1 × 10 15 ~ 1x10 18 atoms / cm Three A p-type impurity element (boron in this embodiment) is added at a concentration of (FIG. 17C).
[0145]
Next, the mask insulating film 306 is removed, and a gate insulating film 307 is formed (FIG. 17D). The gate insulating film is formed using a plasma CVD method or a sputtering method. Subsequently, in order to form a gate electrode, a conductive film (A) 308 and a conductive film (B) 309 are formed. In this embodiment, the conductive film (A) 308 is tantalum nitride (TaN) and is formed to a thickness of 50 to 100 nm. The conductive film (B) 309 is formed using a refractory metal such as tungsten (W) or molybdenum (Mo) to a thickness of 100 to 300 nm. The conductive film (A) and the conductive film (B) are etched to form the gate electrode 310 and the capacitor wiring 311 that becomes the upper electrode of the storage capacitor later. Although there is no limitation on the etching method, it is preferable to use an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method. At this time, the etching gas is CF Four And Cl 2 The mixed gas is used.
[0146]
Using the gate electrode and the capacitor wiring as a mask, an n-type impurity element is added to the semiconductor layer so that the n-type impurity element is 1 × 10 20 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three The n-type impurity region 312 to be the source region or drain region of the active layer of the TFT after the concentration of 1% is contained, and the n-type impurity element is 1 × 10 18 ~ 1x10 19 atoms / cm Three Thus, an n-type impurity region 313 and a channel formation region 314 are formed to be the LDD region of the TFT active layer after the concentration of. (Fig. 17 (E))
[0147]
Next, a region to be a later n-channel TFT is covered with a mask, and a p-type impurity element is added to a region to be a later p-channel TFT (not shown). In this step, the p-type impurity element is 2 × 10. 20 ~ 3x10 twenty one atoms / cm Three A p-type impurity region added at a concentration of (not shown) is formed. Note that reference numerals 315 and 316 denote impurity regions formed in the semiconductor layer 305 serving as a lower electrode of the storage capacitor 321, and reference numeral 317 denotes a region to which no impurities are added.
[0148]
Subsequently, a process of crystallizing the amorphous semiconductor layer is performed while cooling with a refrigerant in a PPTA apparatus. The light source 318 is controlled in a pulse shape to irradiate the substrate. When measured with a thermocouple embedded in a silicon wafer (508b in FIG. 3), the light source is controlled to be 800 to 1100 ° C., and this temperature is maintained for 1 to 30 seconds. 5 times is enough. Since the gate insulating film 307 and the gate electrodes 310 and 311 are formed over the semiconductor layer, it is difficult for heat to escape from the semiconductor layer, and the semiconductor layer can be efficiently crystallized in a short time. In this step, the oxygen concentration in the atmosphere is reduced by exhausting with a rotary pump or a mechanical booster pump, and the pressure in the processing chamber is reduced to about 0.001 to 26.7 Pa in an atmosphere of reduced nitrogen or inert gas. In this case, heat treatment is preferably performed (FIG. 18A).
[0149]
Next, a first interlayer insulating film 319 is formed over the gate electrode. As the first interlayer insulating film, an insulating film such as a silicon nitride film containing silicon, a silicon oxide film, or a silicon nitride oxide film, or a stacked film combining them may be formed with a thickness of about 100 to 400 nm. (Fig. 18B)
[0150]
Subsequently, the impurity element added to the semiconductor layer is activated by irradiating the light source controlled in a pulse shape a plurality of times using a PPTA apparatus. In this step, Ni element that acts as a catalytic element during crystallization and then diffuses in the semiconductor layer moves to a region 312 to which an impurity element (phosphorus) having a gettering action is added at a high concentration. (Arrow in FIG. 18C), the concentration of the catalytic element (Ni) in the region that will become the channel formation region 314 of the active layer later is set to 1 × 10. 17 atoms / cm Three The following (preferably 1 × 10 16 atoms / cm Three Or less). In this step, it is preferable to perform heat treatment in a reduced pressure atmosphere by exhausting with a rotary pump or a mechanical booster pump to reduce the oxygen concentration in the atmosphere.
[0151]
Hereinafter, if the semiconductor device is manufactured according to the steps after the hydrogenation treatment in Example 1, a semiconductor device can be efficiently manufactured in a short time without using an electric furnace.
[0152]
(Example 6)
Another method for manufacturing an active matrix substrate having a pixel TFT 410 and a storage capacitor 411 using a PPTA device will be described with reference to FIGS.
[0153]
This embodiment may be manufactured according to Embodiment 5 up to the step of forming the conductive film (A) 308 and the conductive film (B) 309. In the same step, the same symbol is used.
[0154]
After the conductive film (A) 308 and the conductive film (B) 309 are formed, the semiconductor layer in an amorphous state is crystallized by cooling with a refrigerant with a PPTA apparatus and irradiating a light source controlled in a pulse shape (FIG. 19 ( A)). This irradiation is repeated 1 to 5 times by measuring with a thermocouple embedded in a silicon wafer (508b in FIG. 3) and controlling the light source so as to hold heat at 800 to 1100 ° C. for 1 to 30 seconds.
[0155]
As shown in this embodiment, when crystallization is performed in a state where the gate insulating film and the gate electrode are formed on the semiconductor layer, heat is difficult to escape, and the semiconductor layer can be crystallized more effectively in a short time. it can. Note that in this step, it is preferable to perform heat treatment in a reduced pressure atmosphere by exhausting with a rotary pump or a mechanical booster pump to reduce the oxygen concentration in the atmosphere.
[0156]
Next, the conductive film (A) 308 and the conductive film (B) 309 are patterned into a desired shape, so that the gate electrode 401 and a capacitor wiring 402 to be an upper electrode of a storage capacitor later are formed. Although there is no limitation on the method for forming the gate electrode and the storage capacitor, the IPC etching method may be used as in the first embodiment.
[0157]
An n-type impurity element and a p-type impurity element are added in accordance with the steps of Example 5 to form impurity regions 403, 404, 406, and 407 and regions 405 and 408 to which no impurity element is added (FIG. 19B). Subsequently, an insulating film such as a silicon nitride film containing silicon, a silicon oxide film, and a silicon nitride oxide film, or a laminated film formed by combining them is formed to a thickness of 100 to 400 nm to form a first interlayer insulating film 409 ( FIG. 19 (C)).
[0158]
Next, heat treatment for activation of the impurity element is performed by the PPTA apparatus. In the heat treatment step for activation, the catalytic element in the semiconductor layer can be gettered to the region 403 to which phosphorus is added at a high concentration (FIG. 19D).
[0159]
By using this embodiment, a semiconductor device having a semiconductor layer with good crystallinity can be efficiently manufactured without using an electric furnace. This embodiment can be combined with Embodiment 3 to complete an active matrix liquid crystal display device.
[0160]
(Example 7)
In this embodiment, a process of manufacturing an active matrix driving light-emitting device using the TFT substrate (active matrix substrate) obtained in Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.
[0161]
A glass substrate is used as the substrate 1601. On the glass substrate 1601, an n-channel TFT 1652 and a p-channel TFT 1653 are formed in the driving circuit 1650, and a switching TFT 1654 and a current control TFT 1655 are formed in the pixel portion 1651. These TFTs are formed using semiconductor layers 1603 to 1606, a second insulating film 1607 as a gate insulating film, gate electrodes 1608 to 1611, and the like.
[0162]
A first insulating film 1602 formed over the substrate 1601 is made of silicon oxynitride (SiO x N y A silicon nitride film or the like is formed to a thickness of 50 to 200 nm. The interlayer insulating film includes an inorganic insulating film 1618 formed of silicon nitride, silicon oxynitride, or the like, and an organic insulating film 1619 formed of acrylic or polyimide.
[0163]
The circuit configuration of the drive circuit 1650 differs between the gate signal side drive circuit and the data signal side drive circuit, but is omitted here. Wirings 1612 and 1613 are connected to the n-channel TFT 1652 and the p-channel TFT 1653, and a shift register, a latch circuit, a buffer circuit, or the like is formed using these TFTs.
[0164]
In the pixel portion 1651, the data wiring 1614 is connected to the source side of the switching TFT 1654, and the drain side wiring 1615 is connected to the gate electrode 1611 of the current control TFT 1655. The source side of the current control TFT 1655 is connected to the power supply wiring 1617, and the drain side electrode 1616 is connected to the anode of the EL element.
[0165]
An EL element having an anode, a cathode, and a layer containing an organic compound (hereinafter collectively referred to as an EL layer) from which electroluminescence is obtained is formed on the TFT of the pixel portion. Minescence in an organic compound includes light emission (fluorescence) when returning from the singlet excited state to the ground state and light emission (phosphorescence) when returning from the triplet excited state to the ground state, and includes both.
[0166]
The EL element is provided after the banks 1620 and 1621 are formed using an organic resin such as acrylic or polyimide, preferably a photosensitive organic resin so as to cover the wiring. In this embodiment, the EL element 1656 includes an anode 1622 formed of ITO (indium tin oxide), an EL layer 1623, and a cathode formed using a material such as an alkali metal or alkaline earth metal such as MgAg or LiF. It consists of 1624. The banks 1620 and 1621 are formed so as to cover the end portion of the anode 1622 and are provided to prevent the cathode and the anode from being short-circuited at this portion.
[0167]
On the EL layer 1623, a cathode 1624 of an EL element is provided. As the cathode 1624, a material containing magnesium (Mg), lithium (Li), or calcium (Ca) having a low work function is used. An electrode made of MgAg (a material in which Mg and Ag are mixed at Mg: Ag = 10: 1) is preferably used. Other examples include MgAgAl electrodes, LiAl electrodes, and LiFAl electrodes.
[0168]
A stacked body including the EL layer 1623 and the cathode 1624 needs to be formed individually for each pixel. However, since the EL layer 1623 is extremely weak against moisture, a normal photolithography technique cannot be used. Further, the cathode 1624 manufactured using an alkali metal is easily oxidized. Accordingly, it is preferable to use a physical mask material such as a metal mask and selectively form the film by a vapor phase method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, or a plasma CVD method. Further, a protective electrode for protecting from external moisture or the like may be stacked over the cathode 1624. As the protective electrode, it is preferable to use a low-resistance material containing aluminum (Al), copper (Cu), or silver (Ag).
[0169]
In order to obtain high luminance with low power consumption, an organic compound that emits light by triplet excitons (triplet compound) is used as a material for forming the EL layer. The singlet compound refers to a compound that emits light only through singlet excitation, and the triplet compound refers to a compound that emits light via triplet excitation.
[0170]
As the triplet compound, organic compounds described in the following papers can be cited as typical materials. (1) T. Tsutsui, C. Adachi, S. Saito, Photochemical Processes in Organized Molecular Systems, ed. K. Honda, (Elsevier Sci. Pub., Tokyo, 1991) p.437. (2) MABaldo, DFO ' Brien, Y.You, A.Shoustikov, S.Sibley, METhompson, SRForrest, Nature 395 (1998) p.151. (3) MABaldo, S.Lamansky, PEBurrrows, METhompson, SRForrest, Appl.Phys.Lett., 75 (1999) p.4. (4) T. Tsutsui, M.-J. Yang, M. Yahiro, K. Nakamura, T. Watanabe, T. Tsuji, Y. Fukuda, T. Wakimoto, S. Mayaguchi, Jpn .Appl.Phys., 38 (12B) (1999) L1502.
[0171]
The triplet compound has higher luminous efficiency than the singlet compound, and the operating voltage (voltage required for causing the EL element to emit light) can be lowered to obtain the same light emission luminance.
[0172]
In FIG. 16, the switching TFT 1654 has a multi-gate structure, and the current control TFT 1655 is provided with an LDD overlapping with the gate electrode. Since TFTs using polycrystalline silicon exhibit a high operating speed, deterioration such as hot carrier injection is likely to occur. Therefore, as shown in FIG. 16, it is highly reliable to form TFTs having different structures (switching TFTs with sufficiently low off-state current and TFTs for current control resistant to hot carrier injection) having different structures depending on functions in the pixel. And is very effective in manufacturing a display device capable of good image display (high operation performance). An active matrix light-emitting device manufactured as described above can be completed.
[0173]
(Example 8)
The CMOS circuit and the pixel portion formed by implementing the present invention can be used as an active matrix type liquid crystal display device, and the present invention can be implemented in all electric appliances incorporating the liquid crystal display device in the display portion.
[0174]
Such electric appliances include video cameras, digital cameras, projectors (rear type or front type), head mounted displays (goggles type displays), personal computers, personal digital assistants (mobile computers, mobile phones, electronic books, etc.), etc. Is mentioned. Examples of these are shown in FIGS. 13, 14 and 15. FIG.
[0175]
FIG. 13A illustrates a personal computer, which includes a main body 2001, an image input portion 2002, a display portion 2003, a keyboard 2004, and the like.
[0176]
FIG. 13B illustrates a video camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an audio input portion 2103, operation switches 2104, a battery 2105, an image receiving portion 2106, and the like.
[0177]
FIG. 13C illustrates a mobile computer, which includes a main body 2201, a camera unit 2202, an image receiving unit 2203, operation switches 2204, a display unit 2205, and the like.
[0178]
FIG. 13D shows a goggle type display, which includes a main body 2301, a display portion 2302, an arm portion 2303, and the like.
[0179]
FIG. 13E shows a player using a recording medium (hereinafter referred to as a recording medium) on which a program is recorded, and includes a main body 2401, a display portion 2402, a speaker portion 2403, a recording medium 2404, operation switches 2405, and the like. This player uses a DVD (Digital Versatile Disc), CD, or the like as a recording medium, and can perform music appreciation, movie appreciation, games, and the Internet.
[0180]
FIG. 13F illustrates a digital camera, which includes a main body 2501, a display portion 2502, an eyepiece portion 2503, an operation switch 2504, an image receiving portion (not shown), and the like.
[0181]
FIG. 14A illustrates a front type projector, which includes a projection device 2601, a screen 2602, and the like.
[0182]
FIG. 14B shows a rear projector, which includes a main body 2701, a projection device 2702, a mirror 2703, a screen 2704, and the like.
[0183]
Note that FIG. 14C is a diagram illustrating an example of the structure of the projection devices 2601 and 2702 in FIGS. 14A and 14B. The projection devices 2601 and 2702 include a light source optical system 2801, mirrors 2802, 2804 to 2806, a dichroic mirror 2803, a prism 2807, a liquid crystal display device 2808, a phase difference plate 2809, and a projection optical system 2810. Projection optical system 2810 includes an optical system including a projection lens. Although the present embodiment shows a three-plate type example, it is not particularly limited, and for example, a single-plate type may be used. Further, the practitioner may appropriately provide an optical system such as an optical lens, a film having a polarization function, a film for adjusting a phase difference, or an IR film in the optical path indicated by an arrow in FIG. Good.
[0184]
FIG. 14D shows an example of the structure of the light source optical system 2801 in FIG. In this embodiment, the light source optical system 2801 includes a reflector 2811, a light source 2812, lens arrays 2813 and 2814, a polarization conversion element 2815, and a condenser lens 2816. Note that the light source optical system illustrated in FIG. 14D is an example and is not particularly limited. For example, the practitioner may appropriately provide an optical system such as an optical lens, a film having a polarization function, a film for adjusting a phase difference, or an IR film in the light source optical system.
[0185]
However, the projector shown in FIG. 14 shows a case where a transmissive liquid crystal display device is used, and an application example of the reflective liquid crystal display device is not shown.
[0186]
FIG. 15A shows a mobile phone, 3001 is a display panel, and 3002 is an operation panel. The display panel 3001 and the operation panel 3002 are connected at a connection portion 3003. An angle θ between the surface of the connection unit 3003 on which the display unit 3004 of the display panel 3001 is provided and the surface of the operation panel 3002 on which the operation keys 3006 are provided can be arbitrarily changed.
Further, it has an audio output unit 3005, operation keys 3006, a power switch 3007, and an audio input unit 3008.
[0187]
FIG. 15B illustrates a portable book (electronic book) which includes a main body 3101, display portions 3102 and 3103, a storage medium 3104, operation switches 3105, an antenna 3106, and the like.
[0188]
FIG. 15C illustrates a display, which includes a main body 3201, a support base 3202, a display portion 3203, and the like.
[0189]
As described above, the scope of application of the present invention is extremely wide and can be applied to electric appliances in various fields. Moreover, the electric appliance of a present Example can be implement | achieved combining embodiment and Example 1-6.
[0190]
【The invention's effect】
By using the present invention, a plurality of TFT substrates can be efficiently manufactured from a large glass substrate without using an electric furnace with high power consumption. After adding the catalyst element, a good crystalline semiconductor film having a large crystal grain size can be obtained by heat treatment using a PPTA apparatus. Further, the catalyst element remaining in the obtained crystalline semiconductor film can be gettered by the PPTA apparatus.
In addition, since a high-quality crystalline semiconductor film manufactured using a PPTA device as described above can be used for an active layer of a TFT, a highly reliable TFT and a semiconductor device using the TFT can be obtained. .
[0191]
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B illustrate heat treatment (crystallization, gettering) disclosed in the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining heat treatment (gettering) disclosed in the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a heat treatment apparatus used in the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a measurement result of an intensity change of a light source, and a diagram showing a measurement result of a temperature change of a semiconductor film and a substrate.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing results of observing a crystalline semiconductor film manufactured using the present invention. FIGS.
6A and 6B illustrate a manufacturing process of a TFT.
FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating a manufacturing process of a TFT.
FIGS. 8A and 8B are diagrams illustrating a manufacturing process of a TFT. FIGS.
FIG. 9 shows an active matrix substrate manufactured using the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing an example of implementation of the invention.
FIG. 11 shows an example of the implementation of the invention.
FIG. 12 shows an example of the implementation of the invention.
FIG. 13 shows an example of an electric appliance.
FIG. 14 illustrates an example of an electric appliance.
FIG. 15 is a diagram showing an example of an electric appliance.
FIG. 16 shows a light-emitting device manufactured using the present invention.
FIG. 17 shows an example of implementation of the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing an example of implementation of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing an example of implementation of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing an example of a heat treatment apparatus used in the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing an example of implementation of the present invention.

Claims (3)

第1の非晶質半導体膜に触媒元素を添加する工程と、
前記第1の非晶質半導体膜を加熱処理して結晶質半導体膜を形成する工程と、
前記結晶質半導体膜に、マスクを用いて周期表の15族、13族及び18族に属する元素を添加する工程と、
前記結晶質半導体膜上に、周期表の18族に属する元素を含む第2の非晶質半導体膜を成膜する工程と、
前記結晶質半導体膜を加熱処理して、前記触媒元素を前記第2の非晶質半導体膜にゲッタリングする工程と、
前記第2の非晶質半導体膜を除去する工程と、
前記結晶質半導体膜に、光源を制御してパルス状の光を照射し、前記結晶質半導体膜に残存する前記触媒元素を前記結晶質半導体膜のうち前記元素が添加された領域にゲッタリングする工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Adding a catalytic element to the first amorphous semiconductor film;
Heating the first amorphous semiconductor film to form a crystalline semiconductor film;
Adding an element belonging to Group 15, Group 13 and Group 18 of the periodic table to the crystalline semiconductor film using a mask;
Forming a second amorphous semiconductor film containing an element belonging to Group 18 of the periodic table on the crystalline semiconductor film;
Heat-treating the crystalline semiconductor film to getter the catalytic element to the second amorphous semiconductor film;
Removing the second amorphous semiconductor film;
The crystalline semiconductor film is irradiated with pulsed light by controlling a light source, and the catalytic element remaining in the crystalline semiconductor film is gettered to a region of the crystalline semiconductor film to which the element is added. And a method for manufacturing a semiconductor device.
第1の非晶質半導体膜に触媒元素を添加する工程と、
前記第1の非晶質半導体膜を加熱処理して結晶質半導体膜を形成する工程と、
前記結晶質半導体膜に、マスクを用いて周期表の15族、13族及び18族に属する元素を添加する工程と、
前記結晶質半導体膜上にバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に、周期表の18族に属する元素を含む第2の非晶質半導体膜を成膜する工程と、
前記結晶質半導体膜を加熱処理して、前記触媒元素を前記第2の非晶質半導体膜にゲッタリングする工程と、
前記第2の非晶質半導体膜及び前記バリア層を除去する工程と、
前記結晶質半導体膜に、光源を制御してパルス状の光を照射し、前記結晶質半導体膜に残存する前記触媒元素を前記結晶質半導体膜のうち前記元素が添加された領域にゲッタリングする工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Adding a catalytic element to the first amorphous semiconductor film;
Heating the first amorphous semiconductor film to form a crystalline semiconductor film;
Adding an element belonging to Group 15, Group 13 and Group 18 of the periodic table to the crystalline semiconductor film using a mask;
Forming a barrier layer on the crystalline semiconductor film;
Forming a second amorphous semiconductor film containing an element belonging to Group 18 of the periodic table on the barrier layer;
Heat-treating the crystalline semiconductor film to getter the catalytic element to the second amorphous semiconductor film;
Removing the second amorphous semiconductor film and the barrier layer;
The crystalline semiconductor film is irradiated with pulsed light by controlling a light source, and the catalytic element remaining in the crystalline semiconductor film is gettered to a region of the crystalline semiconductor film to which the element is added. And a method for manufacturing a semiconductor device.
請求項又は請求項において、
前記光の照射と同時に、窒素ガス、不活性ガスまたは液体を冷媒として用いた冷却を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 1 or claim 2 ,
Simultaneously with the light irradiation, cooling using nitrogen gas, inert gas, or liquid as a coolant is performed.
JP2001365447A 2000-12-05 2001-11-30 Method for manufacturing semiconductor device Expired - Fee Related JP4439775B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001365447A JP4439775B2 (en) 2000-12-05 2001-11-30 Method for manufacturing semiconductor device

Applications Claiming Priority (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000-370787 2000-12-05
JP2000-370724 2000-12-05
JP2000370724 2000-12-05
JP2000370787 2000-12-05
JP2000-370794 2000-12-05
JP2000370794 2000-12-05
JP2000-403513 2000-12-28
JP2000403513 2000-12-28
JP2001365447A JP4439775B2 (en) 2000-12-05 2001-11-30 Method for manufacturing semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002270508A JP2002270508A (en) 2002-09-20
JP4439775B2 true JP4439775B2 (en) 2010-03-24

Family

ID=27531735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001365447A Expired - Fee Related JP4439775B2 (en) 2000-12-05 2001-11-30 Method for manufacturing semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4439775B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5568580B2 (en) * 2012-02-22 2014-08-06 株式会社半導体エネルギー研究所 Method for manufacturing photoelectric conversion device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002270508A (en) 2002-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7575985B2 (en) Method of fabricating semiconductor device
US7566625B2 (en) Semiconductor device manufacturing method, heat treatment apparatus, and heat treatment method
US6706544B2 (en) Light emitting device and fabricating method thereof
US7820464B2 (en) Light emitting device and manufacturing method thereof
TWI280818B (en) Light emitting device, method of manufacturing the same, and manufacturing apparatus therefor
US8642406B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
US7485553B2 (en) Process for manufacturing a semiconductor device
JP2010153397A (en) Light emitting device
JP4067819B2 (en) Light emitting device
US7507617B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP4050902B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP4004765B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP4841740B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP4439775B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP4044360B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2008090322A (en) Light emitting device
JP4316831B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP4587251B2 (en) Heat treatment equipment
JP5127101B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP4267253B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2002064207A (en) Method for manufacturing light emitting device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20041129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080729

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080923

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090428

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090617

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20091201

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091207

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100105

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100106

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130115

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130115

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130115

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140115

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees