JP4439789B2 - レーザ照射装置、並びに半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザまたはそれに準ずる強光により半導体膜をアニールする工程を含んで作製される半導体装置の作製方法に関する。前記半導体装置は、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、例えば、液晶表示装置に代表される電気光学装置、及び電気光学装置を部品として搭載した電気機器、発光装置等も半導体装置の範疇に入るものとする。
【0002】
【従来の技術】
ガラス等の絶縁基板上に形成された半導体膜に対しレーザアニールを行い、結晶化させたり結晶性を向上させたり半導体膜に添加されたドーパントを活性化させたりする技術が広く研究されている。上記半導体膜には珪素膜がよく用いられる。
【0003】
上記絶縁基板にはガラス基板がよく用いられる。ガラス基板であれば、例えば600×720×0.7 mmのサイズの大面積基板に加工することができる。ガラス基板以外には石英基板などが使用されるが、石英基板の大面積化は非常に困難である。このようにガラス基板を使う利点は大きいが、石英基板と比較してガラス基板の融点が低いことが問題である。半導体膜のアニールには比較的高温を要するため、アニールの際のガラス基板の変形が問題となっていた。本問題を解決するために考案されたのが、半導体膜のレーザアニールである。レーザは非常に強いエネルギーを短時間に発光することができるため、物体を非平衡に加熱することが可能である。よって、ガラス基板の温度をあまり上げずに、半導体膜の温度のみを上昇させることが可能となる。すなわち、ガラス基板に成膜された半導体膜のアニールには、レーザを用いるのが好ましい。
【0004】
上記技術により得られた結晶性半導体膜は多くの結晶粒からできているため、多結晶半導体膜と呼ばれる。多結晶半導体膜は、非晶質半導体膜と比較し、非常に高い移動度を有する。このため、多結晶半導体膜を利用すると、例えば、従来の非晶質半導体膜を使って作製した半導体装置では実現できなかったアクティブマトリクス型の液晶表示装置(一枚の基板上に、画素駆動用と駆動回路用の薄膜トランジスタ(TFT)を作製した半導体装置)が作製できる。このように、多結晶半導体膜は、非晶質半導体膜と比較し、非常に特性の高い半導体膜である。
【0005】
一方、非晶質半導体膜の結晶化工程においては、比較的低温の熱処理で行える方法も考案された。前記方法の詳細は特開平7-183540号公報に記載されている。ここで、前記方法を簡単に説明する。まず、非晶質半導体膜にニッケルまたは、パラジウム、または鉛等の元素を微量に添加する。添加の方法は、プラズマ処理法や蒸着法、イオン注入法、スパッタ法、溶液塗布法等を利用すればよい。前記添加の後、非晶質半導体膜を例えば550℃の窒素雰囲気下で4時間加熱すると、多結晶半導体膜が得られる。結晶化に最適な加熱温度や加熱時間等は、前記元素の添加量や、非晶質半導体膜の状態による。以上、加熱による非晶質半導体膜の結晶化の方法の例を記した。
【0006】
前述のように、レーザアニールによる結晶化は、基板の温度を余り上昇させずに、非晶質半導体膜にのみ高いエネルギーを与えることが出来るため、歪点の低いガラス基板には勿論、プラスティック基板等にも用いることが出来る。レーザアニールの工程は、半導体膜に添加されたドーパントを活性化させる工程にも用いられる。前記工程は熱アニールで行われることも多い。
【0007】
また、現在の量産工程において、レーザアニールに用いられるレーザはエキシマレーザである。エキシマレーザは、パルス発振式のため出力も大きく、また半導体膜でよく用いられる珪素膜に対し吸収係数が非常に高いため、前記量産工程に用いられる。出力の大きいパルス発振式のレーザ光を照射面において、数cm角の四角いスポットや、長さ10cm以上の線状となるように光学系にて成形し、レーザ光を走査させて(あるいはレーザ光の照射位置を照射面に対し相対的に移動させて)、レーザアニールを行う方法が、生産性が高く工業的に優れているため、好んで使用されている。
【0008】
特に、照射面においてレーザ光の形状が線状であるレーザ光(以下線状ビームと表記する)を用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザ光を用いた場合とは異なり、線状ビームの線方向に直角な方向だけの走査でより大面積にレーザ光を照射することができるため、生産性が高い。線方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率の良い走査方向であるからである。この高い生産性により、現在レーザアニールにはパルス発振式の大出力のレーザを適当な光学系で成形した線状ビームを使用することが主流になりつつある。線状ビームは特にサイズが600×720×0.7mmのような大面積基板を使った量産工程において有効である。
【0009】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は、レーザによる半導体膜のアニールの際に半導体膜の表面に形成される凹凸を減少させ、同時に該凹凸の減少の技術にかかるコストを抑えることを課題とする。
【0010】
半導体膜にレーザを照射することで、半導体膜を結晶化させたり、結晶性を向上させることができるが、その際に半導体膜はレーザのエネルギーにより溶融し、再び固化する過程を経る。前記固化する過程で、半導体膜は無数の核を形成し、各々の核が主に半導体膜の膜面に平行な方向に成長して結晶粒を作る。これらの結晶粒の成長において、隣接する結晶粒が互いに衝突することにより、非常に高い凸部が半導体膜に形成される。特に酸素を含む雰囲気、例えば大気雰囲気においてレーザによる半導体膜のアニールが行われると、この凸部は非常に大きく成長し、半導体膜の厚さと同程度の高さに達することもある。このようにしてレーザが照射された半導体膜の表面に凹凸が形成されるのであるが、特にトップゲート型TFTを作製する場合には、凹凸のある表面がゲート絶縁膜との界面となるため、該凹凸は、素子特性のばらつきや、オフ電流値の上昇の原因となった。
【0011】
前記凸部の成長は、レーザによる半導体膜のアニールの際の雰囲気から酸素を除けば著しく抑えられることが判っているため、よく本アニールは酸素のない雰囲気、例えば窒素雰囲気、あるいは真空にて行われる。このようにすることで半導体膜の凹凸を抑えることができるのであるが、レーザアニールの際の雰囲気を窒素雰囲気や真空とするためには、強固な真空チャンバーや真空排気装置、大量の窒素の供給が必要となり、装置の大型化およびコスト高につながる。本発明は、このようなコストを引き上げる元を削減する。即ち、本発明は、真空装置を使わずに、酸素のない雰囲気でレーザによる半導体膜のアニールを行って半導体膜表面を平坦化させる装置並びに半導体装置の作製方法を提供することを課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、高価な真空装置を使わずに、レーザ照射されている半導体膜の極近傍の雰囲気のみを酸素の無い雰囲気、例えば窒素雰囲気や希ガス雰囲気や水素雰囲気等にすることを特徴とする。これらの半導体膜に対して反応性の低い気体を不活性気体と呼ぶこととする。水素は他の気体と比較して反応性が高いが、本明細書中では不活性気体の一種とみることとする。具体的には、レーザが半導体膜に照射されている部分に、酸素を含まない気体を供給することで、極局所的に酸素の少ない雰囲気を形成することを特徴とする。
【0013】
具体的には、非常に強い気流を形成して、レーザ光が半導体膜に照射されている領域に酸素を含まない気体を吹き付けながらレーザアニールを行う。あるいは、半導体膜の極近傍に酸素を含まないガスを噴射できる平坦な板を設置し、前記板を介してレーザ光を半導体膜に照射する。すなわち、前記板はレーザ光に対して透明でなくてはならない。レーザ光が半導体膜に照射されている領域の近傍の酸素濃度を極力少なくするために、前記板を半導体膜に対してエア浮上させる構造を採るとよい。即ち、前記板から噴射されるガスにより前記板を浮上させる。このような構造とすれば前記板と半導体膜との距離を1mm以下とすることが可能である。
【0014】
酸素のない雰囲気下でレーザアニールされた半導体膜を用い、例えばTFTを作製すると、酸素のある雰囲気下でレーザアニールされたものと比較し、ON電流値の特性等で劣ることがある。すなわち、酸素の無い雰囲気下でレーザアニールした場合、半導体膜の表面の凹凸を小さくする効果がある反面、半導体特性の低下が見られる場合がある。本問題を解決するために、レーザアニールを複数回行う方法が提案されている。
【0015】
本方法は、酸素を含む雰囲気下で半導体膜に第一のレーザ光の照射を行って結晶化させた後、第一のレーザ光の照射で形成された酸化膜を除去し、その後に酸素を含まない雰囲気下で第二のレーザ光の照射を行うことで半導体膜の表面の凹凸を小さく、すなわち半導体膜の表面を平坦化するものである。このような工程を経ることにより、TFTの電流値をほとんど劣化させることなく半導体膜の表面を平坦化することができる。これにより、上記諸問題、特にオフ電流値の上昇を抑制することができる。
【0016】
上記、第二のレーザ光の照射におけるレーザのエネルギー密度は、第一のレーザ光の照射におけるレーザのエネルギー密度よりも、5〜15%高くすると、照射前と比較して半導体膜の表面の平坦性が格段に向上する。例えば、照射前と比較して表面荒さが1/2以下、若しくは1/3以下にまで低下する。
【0017】
第一のレーザ光の照射を行った後、酸化膜を除去し、さらに酸素濃度が10ppm以下の雰囲気下において、第二のレーザ光を照射した半導体膜を用いてnチャネル型TFTを作製し、そのオフ電流値(Vds=14V)における確率統計分布を○印でプロットしたものを図14中に示す。また、比較のため、図14中に第一のレーザ光の照射のみを行ったnチャネル型TFTのオフ電流値の確率統計分布を●印でプロットしたものを示す。図14の縦軸はパーセントで、50%における横軸の値がオフ電流の平均値を示す。図の横軸はオフ電流値であり、それらの値のばらつきが大きければ、プロットの領域の横幅が広くなる。第一のレーザ光のみの照射を行ったnチャネル型TFT(●印)よりも、第二のレーザ光を照射したnチャネル型TFT(○印)のほうが、オフ電流値の平均値が低く、オフ電流値のばらつきも3〜20pAと小さいことが図14から判る。
【0018】
また、ニッケルまたは、パラジウム、または鉛等の金属元素の微量に添加して非晶質構造を有する半導体膜を結晶化させるのにかかる時間を短縮する技術(特開平7-183540号公報に記載)を用いれば、例えば550℃の窒素雰囲気に4時間の加熱処理で特性の良好な結晶構造を有する半導体膜を得ることができる。この技術は、結晶化に必要とする加熱温度を低下させる効果ばかりでなく、結晶方位の配向性を単一方向に高めることが可能である。このような結晶構造を有する半導体膜を基にTFTを作製すると、電界効果移動度の向上のみでなく、サブスレッショルド係数(S値)が小さくなり、飛躍的に電気的特性を向上させることが可能となる。前記加熱処理のみでなくさらにレーザアニールを行うと、加熱処理またはレーザアニールのとちらかだけで結晶化を行う場合よりも半導体膜としての特性が向上する場合がある。このレーザアニールを上記第一のレーザ光の照射とし、該照射により形成された酸化膜を除去した後、さらに上記第二のレーザ光の照射を行うことも可能である。なお、高い特性を得るためには、加熱処理条件とレーザアニール条件を最適化する必要がある。
【0019】
また、このようにして得られる結晶構造を有する半導体膜には、金属元素(ここではニッケルまたは、パラジウム、または鉛等)が残存している。それは膜中において一様に分布していないにしろ、平均的な濃度とすれば、1×1019/cm3を超える濃度で残存している。勿論、このような状態でもTFTをはじめ各種半導体素子を形成することが可能であるが、以下に示すゲッタリング技術を用いて前記金属元素を除去すると、オフ電流値のばらつきや、上昇を抑制できるので好ましい。
【0020】
まず、結晶構造を有する半導体膜上にエッチングストッパーとなる酸化膜(バリア層)を形成し、希ガス元素を含む半導体膜(ゲッタリングサイト)を形成した後、ゲッタリングサイトに金属元素をゲッタリングし、前記希ガス元素を含む半導体膜を除去する。なお、希ガス元素はHe、Ne、Ar、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種であり、これらの元素を半導体膜中に含有させることにより、ダングリングボンドや、格子歪みを形成してゲッタリングサイトを形成する。
【0021】
このゲッタリング技術を適用する際においても、酸化膜を形成する前に第二のレーザ光を照射して半導体膜の平坦性を向上させることでゲッタリングの効果を増大させることができる。即ち、ゲッタリングを行う前に第二のレーザ光を照射して前記平坦化を行い、金属元素が偏析しやすい半導体膜表面の凸部を小さくすることは極めて有効である。本発明の構成の一つは、半導体膜のレーザ照射されている部分の極近傍の雰囲気を制御し、第一のレーザ光の照射の際には前記雰囲気を酸素を含む雰囲気とし、第二のレーザ光の照射の際には前記雰囲気を酸素を含まない雰囲気とすることで、半導体膜の表面の平坦化を行った後、ゲッタリングを行う工程を有する半導体装置の作製方法である。
【0022】
或いは、ゲッタリング技術を適用し、酸化膜を除去した後、第二のレーザ光を照射して半導体膜の表面を平坦化してもよい。また、希ガス元素を含む半導体膜を形成する際に結晶構造を有する半導体膜に希ガス元素が添加された場合、第二のレーザ光の照射で膜中の希ガス元素の低減、または除去ができる。
【0023】
本明細書で開示する発明の構成1は、
絶縁表面上に半導体膜を形成する第1工程と、
不活性気体を前記半導体膜に大気を混入させることなく吹き付けながらレーザ光を照射して半導体膜をアニールする第2の工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【0024】
上記発明において、前記不活性気体に含まれる酸素濃度が10ppm以下であると、半導体膜の酸化をよく抑えることができ、レーザ光の照射により半導体膜の表面に形成される凹凸が小さくなるので好ましい。また、前記気体の流速を非常に早くすることで、半導体膜の表面に形成される凹凸を小さくすることができる。流速を早める手段には、エアナイフなどを用いるとよい。
【0025】
他の発明の構成2は、
絶縁表面上に半導体膜を形成する第1工程と、
不活性気体または、酸素を含む気体を噴射し半導体膜上で浮上する板を介してレーザ光を照射して半導体膜をアニールする第2の工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【0026】
半導体膜上で板を浮上させることにより、板と半導体膜との間の距離をより狭くすることができるため、半導体膜の近傍を不活性気体のみとすることができる。レーザ照射を板を介して行うため、前記板には例えば、レーザ光を通過させる窓を設ける。或いは、前記板にはレーザ光を通過させる開口部を設ける。前記板には、レーザ光の入射側にレーザ光を透過させる窓を設け、レーザ光の出射側に開口部を設けると、板の浮力を高めることができるため気体の流量を抑えることができるので好ましい。本発明の構成は、不活性気体のみでなく、酸素を含んだ気体の噴射にも適応できる。また、不活性気体や酸素を含む気体のみでなく、他の気体の噴射にも適用できる。酸素を含んだ気体の噴射とレーザ光の照射を同時に行うことにより、半導体表面の酸化を促進させ、半導体膜の特性を向上させることができる。これにより、大気中で行うレーザ光の照射と比較して、半導体膜への酸素以外の不純物の混入を抑えることができる。
【0027】
本発明の他の構成3は、
絶縁表面上に半導体膜を形成する第1工程と、
前記半導体膜にレーザ光を照射して結晶構造を有する半導体膜及び該膜上に酸化膜とを形成する第2工程と、
前記酸化膜を除去する第3工程と、
不活性気体を前記半導体膜に大気を混入させることなく吹き付けながらレーザ光を照射して前記半導体膜の表面を平坦化する第4工程とを有することを特徴とする半導体装置の作製方法である。前記第4工程におけるレーザ光のエネルギー密度は、前記第2工程におけるレーザ光のエネルギー密度より高いとより平坦化の効果が上がるのでよい。また、前記第2工程におけるレーザ光の照射時の雰囲気は、大気または酸素と窒素との混合気体であると半導体膜の特性が向上するのでよい。
【0028】
本発明の他の構成4は、
絶縁表面上に半導体膜を形成する第1工程と、
前記半導体膜にレーザ光を照射して結晶構造を有する半導体膜及び該膜上に酸化膜を形成する第2工程と、
前記結晶構造を有する半導体膜の表面をオゾンを含む溶液で酸化する第3工程と、
前記酸化膜を除去する第4工程と、
不活性気体を前記半導体膜に大気を混入させることなく吹き付けながらレーザ光を照射して前記半導体膜の表面を平坦化する第5工程とを有することを特徴とする半導体装置の作製方法である。前記第5工程におけるレーザ光のエネルギー密度は、前記第2工程におけるレーザ光のエネルギー密度より高いとより半導体膜を平坦化できるので好ましい。
【0029】
本発明の他の構成5は、
絶縁表面上に半導体膜を形成する第1工程と、
前記半導体膜にレーザ光を照射して結晶構造を有する半導体膜及び該膜上に酸化膜とを形成する第2工程と、
前記酸化膜を除去する第3工程と、
不活性気体を前記半導体膜に大気を混入させることなく吹き付けながらレーザ光を照射して前記半導体膜の表面を平坦化する第4工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法である。前記第4工程におけるレーザ光のエネルギー密度は、前記第2工程におけるレーザ光のエネルギー密度より高いとより半導体膜を平坦化できるので好ましい。
【0030】
上記の一連の発明において、前記不活性気体は、窒素または希ガスまたは水素またはそれらの混合気体であると半導体膜の平坦化がよく達成されるので好ましい。
【0031】
上記の一連の発明において、前記不活性気体は50℃以上に加熱されるとレーザのエネルギーの不足を補えるため、より大面積のレーザ光を得ることができる。
【0032】
上記の一連の発明において、前記不活性気体は水素を0.1〜5%含んでいると酸素と化合するため、半導体膜表面の酸化をより抑えることができる。
【0033】
上記の一連の発明において、前記レーザ光は前記半導体膜面上において線状のエネルギー分布を持つとレーザの照射が効率よく行えるため好ましい。
【0034】
また、本発明の他の構成6は、
レーザ発振器と、
光学系と、
気体を噴射する開口部が設けられた板と、
基板を配置するステージと、
前記板から気体を噴射させ、前記ステージに配置する前記基板上で前記板を浮上させる手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置である。
【0035】
また、本発明の他の構成7は、
レーザ発振器と、
光学系と、
気体を噴射する開口部と前記レーザ発振器が射出するレーザ光に対し透光性をもつ窓を設けた板と、
基板を配置するステージと、
前記板から気体を噴射させ、前記ステージに配置する前記基板上で前記板を浮上させる手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置である。
【0036】
上記各レーザ照射装置の発明において、前記光学系は前記レーザ発振器から射出するレーザ光を基板を配置する面において線状に整形するものであると、レーザの処理の効率が高いので好ましい。
【0037】
上記各レーザ照射装置の発明において、前記気体は不活性気体であると半導体膜の表面の酸化が抑えられるため、半導体膜表面に形成される凹凸が小さく抑えることができるので好ましい。このとき、前記気体は酸素濃度が10ppm以下の不活性気体であるとより半導体膜の表面の酸化が防げるので好ましい。また、前記不活性気体は窒素または希ガスまたは水素またはそれらの混合気体であると、半導体膜への不純物の混入がより抑えられるので好ましい。
【0038】
上記各レーザ照射装置の発明において、前記レーザ光を前記基板に照射する際、前記板と前記基板との距離が0.01〜1mmであると基板近傍の雰囲気がよく制御できるので好ましい。
【0039】
上記各レーザ照射装置の発明において、前記気体の加熱手段があるとレーザエネルギーを補え、より大面積にレーザ光を広げることができるため、生産性が向上し好ましい。
【0040】
上記各レーザ照射装置の発明において、前記気体を噴射する開口部を通過したレーザ光のみが選択的に基板へ照射されることを特徴としており、開口部はスリットとして機能している。
【0041】
また、本発明者らは、以下に示す実験を行った。
【0042】
(実験)
図20に示す治具を用いて窒素ブローとレーザ光の照射とを同時に行う方法と、N2ガンで窒素ガスを吹き付けながらレーザ光を照射する方法とを比較する実験を行った。
【0043】
まず、ガラス基板上にPCVD法により非晶質半導体膜(アモルファスシリコン膜)を形成する。次いで、ニッケルを含む溶液を塗布した後、スピンコートを行う。次いで、電気炉を用いた熱処理(450℃、1時間の熱処理後に550℃、4時間)を行って結晶化させ、結晶構造を有する半導体膜(ポリシリコン膜)を得る。
【0044】
この結晶構造を有する半導体膜に以下の条件でレーザ光の照射を行った。
【0045】
(比較条件)大気でエキシマレーザ光を照射した後の表面写真(暗視野反射モード:500倍、露出時間3.2min)が図21(A)である。図21(A)では、凹凸による小さな白点が多数観測でできる。
【0046】
(条件1)結晶構造を有する半導体膜の表面に形成された薄い酸化膜(図示しない)を除去した後、図20に示す治具を用いて窒素ブローとレーザ光の照射とを同時に行った。照射した後の表面写真(暗視野反射モード:500倍、露出時間3.2min)が図21(B)である。図21(B)では、図21(A)に比べ小さな白点の数が低減していることから平坦性が向上していることが確認できる。
【0047】
なお、図20(A)は治具の上面図であり、図20(B)は断面図である。図20に示す治具は、図2(a)に示した図と原理はほぼ同じである。図20に示す治具1200は、金属からなる遮蔽板で構成されており、レーザー光が通過する窓(石英など)と、不活性ガス(窒素ガスなど)を治具内に導入する手段(管など)が設けられ、さらに不活性ガス(窒素ガスなど)を噴出させる開口部1202とを有している。ここでは2箇所から不活性ガスを治具内に導入する例を示す。
【0048】
また、図20に示す治具は、基板1205上に形成された半導体膜1206表面と2.5mmの間隔を保って固定している。また、基板1205を移動させてレーザ光1203の走査を行っている。また、図20(C)に示すように、治具は、窒素ガスが吹き出る穴(開口部)1202を通過してレーザ光1203が照射するようになっている。従って、図20に示す治具は、窒素ガスとレーザ光とが両方同じ箇所(開口部1202)を通過するものとなる。また、開口部1202はスリットとなり、開口部1202以外の場所に照射されるレーザ光は遮蔽される。この治具を用いることによって、不活性気体を吹き付けながら、半導体膜を大気(特に酸素)にふれることなくレーザ光を照射して半導体膜の表面を平坦化することができる。
【0049】
(条件2)結晶構造を有する半導体膜の表面に形成された薄い酸化膜(図示しない)を除去せずに、大気中でレーザ光(1回目)を照射した後、表面の酸化膜除去を行い、さらに図20に示す治具を用いて窒素ブローとレーザ光(2回目)の照射とを同時に行った。照射した後の表面写真(暗視野反射モード:500倍、露出時間3.2min)が図21(C)である。図21(C)では、大気でレーザ光の照射を行った後の半導体膜の表面状態を顕微鏡で観察したもの(図21(A))や条件1のもの(図21(B))に比べて、半導体膜の表面状態の荒れを少なくすることができ、平坦化させることが可能なことを確認できた。
【0050】
さらに、上記治具を用いたレーザ光の照射に対して、比較のため、N2ガンで窒素ガスを吹き付ける方法でレーザ光の照射を行った場合、窒素ガスを吹き付ける際、周囲の大気に含まれる酸素を巻き込んでしまい、半導体膜表面を平坦化させる効果は確認できなかった。
【0051】
また、レーザ照射装置に図20に示す治具を適用する際、具体的な一例を図22に示す。図22(A)は下面図であり、図22(B)は断面図である。図22では1箇所から不活性ガスを治具内に導入する例を示す。
【0052】
図22において、レーザ発振器から出射されたレーザ光1303は、不活性ガスで充填された空間に配置された光学系1304に通過させて、集光またはレーザ光の照射形状を所望の形状(ここでは矩形もしくは線状)とし、基板1305上の半導体膜1306に照射する。光学系1304は、第1の遮蔽板1301aで仕切られ、不活性気体で充填された空間に配置されている。第1の遮蔽板1301aは、前記レーザ発振器が射出するレーザ光に対し透光性をもつ材料からなる窓1300a、1300bが設けられている。
【0053】
また、基板1305を配置するステージ(図示しない)と、該ステージと前記光学系1304の間に第2の遮蔽板1301bを有しており、該第2の遮蔽板は、レーザ光1303が通過する開口部1302を有し、該開口部から不活性ガスを噴射させることができる。なお、図22(B)に示す第2の遮蔽板1301bは、基板1305上に形成された半導体膜1306表面と2.5mmの間隔を保って第1の遮蔽板1301aと固定されている。また、基板1305を配置するステージを移動させてレーザ光1303の走査を行っている。図22に示す機構を備えたレーザ照射装置を用いることによって、不活性気体を吹き付けながら、半導体膜を大気(特に酸素)にふれることなくレーザ光を照射して半導体膜の表面を平坦化することができる。
【0054】
また、図22に示した照射システムは、レーザ照射装置に図20に示す治具を単に組み合わせたものではない。図20に示す治具と窒素パージされた光学系とを単純に組み合わせた場合、通過させる窓(石英)は3つとなり、1つの窓を通過すると約1%のロスが発生することから、トータルで約3%のレーザエネルギーロスが発生する。一方、図22に示した照射システムにおいては、通過させる窓(石英)が2つ(1300a、1300b)となっており、トータルでのレーザエネルギーロスを約2%に抑えている。
【0055】
また、本発明の他の構成8は、
レーザ発振器と、第1の遮蔽板と、該第1の遮蔽板で仕切られ、不活性気体で充填された空間に配置された光学系と、基板を配置するステージと、該ステージと前記光学系の間に第2の遮蔽板を有し、
前記第1の遮蔽板は、前記レーザ発振器が射出するレーザ光に対し透光性をもつ材料からなる窓を有し、
前記第2の遮蔽板は、レーザ光が通過する開口部を有し、該開口部から不活性ガスを噴射させることを特徴とするレーザ照射装置である。
【0056】
上記構成において、前記第1の遮蔽板と前記第2の遮蔽板との間の空間に不活性気体ガスを導入する手段が設けられ、該手段で導入されたガスは、前記第2の遮蔽板の開口部のみから噴出されることを特徴としている。
【0057】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に説明する。
【0058】
本発明の1つは、絶縁表面上に半導体膜を形成するプロセスと、該半導体膜に第一のレーザ光を大気雰囲気または酸素を含む雰囲気で照射して結晶構造を有する半導体膜及び該膜上に酸化膜とを形成するプロセスと、該酸化膜を除去するプロセスと、第一のレーザ光より高いエネルギー密度、例えば5〜15%高いエネルギー密度を有し、該半導体膜の平坦性を高める第二のレーザ光を前記半導体膜に照射しながら、第二のレーザ光が照射されている領域に酸素を含まない気体を吹き付けるプロセスとを有している。なお、第二のレーザ光を照射して半導体膜表面を平坦化するプロセスは、結晶構造を有する半導体膜を所望の形状にパターニングした後に行ってもよい。
【0059】
以下に本発明を用いて作製される代表的なTFTの作製手順を図4〜図6を用いて示す。
【0060】
(実施の形態1)
図4(A)中100は、絶縁表面を有する基板、101はブロッキング層となる絶縁膜、102は非晶質構造を有する半導体膜である。
【0061】
図4(A)において、基板100はガラス基板、石英基板、セラミック基板などを用いることができる。また、シリコン基板、金属基板またはステンレス基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いてもよい。また、本工程の処理温度に耐える耐熱性を有するプラスチック基板を用いてもよい。
【0062】
まず、図4(A)に示すように基板100上に酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜(SiOxNy)等の絶縁膜から成る下地絶縁膜101を形成する。代表的な一例は、下地絶縁膜101を2層構造とし、SiH4、HN3、及びN2Oを反応ガスとして成膜される第一酸化窒化シリコン膜を50〜100nm、SiH4、及びN2Oを反応ガスとして成膜される第二酸化窒化シリコン膜を100〜150nmの厚さに積層形成する構造である。また、下地絶縁膜101の一層として膜厚10nm以下の窒化シリコン膜(SiN膜)、或いは第二酸化窒化シリコン膜(SiOxNy膜(x≫y))を用いることが好ましい。ゲッタリングの際、ニッケルは酸素濃度の高い領域に移動しやすい傾向があるため、半導体膜と接する下地絶縁膜を窒化シリコン膜とすることは極めて有効である。また、第一酸化窒化シリコン膜、第二酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜とを順次積層した3層構造としてもよい。
【0063】
ついで、下地絶縁膜上に非晶質構造を有する第一の半導体膜102を形成する。第1の半導体膜102は、シリコンを主成分とする半導体材料を用いる。代表的には、非晶質シリコン膜又は非晶質シリコンゲルマニウム膜などが適用され、プラズマCVD法や減圧CVD法、或いはスパッタ法で10〜100nmの厚さに形成する。後の結晶化で良質な結晶構造を有する半導体膜を得るためには、非晶質構造を有する第一の半導体膜102の膜中に含まれる酸素、窒素などの不純物濃度を5×1018/cm3(二次イオン質量分析法(SIMS)にて測定した原子濃度)以下にしておくとよい。これらの不純物は後の結晶化を妨害する要因となり、また、結晶化後においても捕獲中心や再結合中心の密度を増加させる要因となる。そのために、高純度の材料ガスを用いることはもとより、反応室内の鏡面処理(電界研磨処理)やオイルフリーの真空排気系を備えた超高真空対応のCVD装置を用いることが望ましい。
【0064】
次いで、非晶質構造を有する第一の半導体膜102を結晶化させる技術としてここでは特開平8-78329号公報記載の技術を用いて結晶化させる。同公報記載の技術は、非晶質シリコン膜(アモルファスシリコン膜とも呼ばれる)に対して結晶化を助長する金属元素を選択的に添加し、加熱処理を行うことで該金属元素を核として成長した無数の結晶粒からなる半導体膜を形成するものである。まず、非晶質構造を有する第一の半導体膜102に表面に、結晶化を促進する触媒作用のある金属元素(ここではニッケル)を重量換算で1〜100ppm含む酢酸ニッケル塩溶液をスピナーで塗布してニッケル含有層103を形成する。(図4(B))塗布によるニッケル含有層103の形成方法以外の他の手段として、スパッタ法、蒸着法、またはプラズマ処理により極薄い膜を形成する手段を用いてもよい。また、ここでは、全面に塗布する例を示したが、マスクを形成して選択的にニッケル含有層を形成してもよい。
【0065】
次いで、加熱処理を行い、結晶化を行う。この場合、結晶化は半導体の結晶化を助長する金属元素が接した半導体膜の部分でシリサイドが形成され、それらを核として結晶化が進行する。こうして、図4(C)に示す結晶構造を有する第一の半導体膜104aが形成される。なお、結晶化後での第一の半導体膜104aの酸素濃度は、5×1018/cm3以下とすることが望ましい。ここでは、脱水素化のための熱処理(450℃、1時間)の後、結晶化のための熱処理(550℃〜650℃で4〜24時間)を行う。また、強光の照射により結晶化を行う場合は、赤外光、可視光、または紫外光のいずれか一またはそれらの混在するものを用いることが可能であるが、代表的には、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、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、または高圧水銀ランプから射出された光を用いる。ランプ光源は、1〜60秒、好ましくは30秒から60秒点灯させ、それを1〜10回繰り返し、半導体膜が瞬間的に600℃〜1000℃程度にまで加熱すればよい。なお、必要であれば、強光を照射する前に非晶質構造を有する第一の半導体膜104aに含有する水素を放出させる熱処理を行ってもよい。また、熱処理と強光の照射とを同時に行って結晶化を行ってもよい。生産性を考慮すると。結晶化は強光の照射により行うことが好ましい。
【0066】
このようにして得られる第一の半導体膜104aには、金属元素(ここではニッケル)が残存している。それは膜中において一様に分布していないにしろ、平均的な濃度では、1×1019/cm3を超える濃度で残存している。勿論、このような状態でもTFTをはじめ各種半導体素子を形成することが可能であるが、以降に示す方法で当該元素を除去する。
【0067】
次いで、結晶化率(膜の全体積における結晶成分の割合)を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するために、結晶構造を有する第1の半導体膜104aに対してレーザ光(第1のレーザ光)を大気または酸素を含有する雰囲気で照射する。レーザ光(第1のレーザ光)を照射した場合、表面に凹凸が形成されるとともに薄い酸化膜105aが形成される。(図4(D))このレーザ光(第1のレーザ光)には波長400nm以下のエキシマレーザ光や、YAGレーザの第2高調波、第3高調波を用いる。また、エキシマレーザ光に代えて紫外光ランプから発する光を用いてもよい。
【0068】
さらに、オゾン含有水溶液(代表的にはオゾン水)で酸化膜(ケミカルオキサイドと呼ばれる)を形成して合計1〜10nmの酸化膜からなるバリア層105bを形成し、このバリア層105b上に希ガス元素を含む第2の半導体膜106を形成する。(図4(E))なお、ここでは、結晶構造を有する第1の半導体膜104aに対してレーザ光を照射した場合に形成される酸化膜105aもバリア層の一部と見なしている。このバリア層105bは、後の工程で第2の半導体膜106のみを選択的に除去する際にエッチングストッパーとして機能する。また、オゾン含有水溶液に代えて、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も同様にケミカルオキサイドを形成することができる。また、他のバリア層105bの形成方法としては、酸素雰囲気下の紫外線の照射でオゾンを発生させて前記結晶構造を有する半導体膜の表面を酸化して形成してもよい。また、他のバリア層105bの形成方法としては、プラズマCVD法やスパッタ法や蒸着法などで1〜10nm程度の酸化膜を堆積してバリア層としても良い。また、他のバリア層105の形成方法としては、クリーンオーブンを用い、200〜350℃程度に加熱して薄い酸化膜を形成しても良い。なお、バリア層105bは、上記方法のいずれか一の方法、またはそれらの方法を組み合わせて形成されたものであれば特に限定されないが、後のゲッタリングで第1の半導体膜中のニッケルが第2の半導体膜に移動可能な膜質または膜厚とすることが必要である。
【0069】
ここでは、希ガス元素を含む第2の半導体膜106をスパッタ法にて形成し、ゲッタリングサイトを形成する。(図4(E))なお、第1の半導体膜には希ガス元素が添加されないようにスパッタ条件を適宜調節することが望ましい。希ガス元素としてはヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)から選ばれた一種または複数種を用いる。中でも安価なガスであるアルゴン(Ar)が好ましい。ここでは希ガス元素を含む雰囲気でシリコンからなるターゲットを用い、第2の半導体膜を形成する。膜中に不活性気体である希ガス元素イオンを含有させる意味は二つある。一つはダングリングボンドを形成し半導体膜に歪みを与えることであり、他の一つは半導体膜の格子間に歪みを与えることである。半導体膜の格子間に歪みを与えるにはアルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などシリコンより原子半径の大きな元素を用いた時に顕著に得られる。また、膜中に希ガス元素を含有させることにより、格子歪だけでなく、不対結合手も形成させてゲッタリング作用に寄与する。
【0070】
また、一導電型の不純物元素であるリンを含むターゲットを用いて第2の半導体膜を形成した場合、希ガス元素によるゲッタリングに加え、リンのクーロン力を利用してゲッタリングを行うことができる。
【0071】
また、ゲッタリングの際、ニッケルは酸素濃度の高い領域に移動しやすい傾向があるため、第2の半導体膜106に含まれる酸素濃度は、第1の半導体膜に含まれる酸素濃度より高い濃度、例えば5×1018/cm3以上とすることが望ましい。
【0072】
次いで、加熱処理を行い、第1の半導体膜中における金属元素(ニッケル)の濃度を低減、あるいは除去するゲッタリングを行う。(図4(F))ゲッタリングを行う加熱処理としては、強光を照射する処理または熱処理を行えばよい。この処理により、図4(F)中の矢印の方向(即ち、基板側から第2の半導体膜表面に向かう方向)に金属元素が移動し、第1の半導体膜104aに含まれる金属元素は、バリア層105を介して、第2の半導体膜106に移動する。この処理により第一の半導体膜中の金属元素の濃度は減少する。金属元素がゲッタリングの際に移動する距離は、少なくとも第1の半導体膜の厚さ程度の距離であればよく、比較的短時間でゲッタリングを完遂することができる。ここでは、ニッケルが第1の半導体膜104aに偏析しない状態を達成すればよい。具体的には、第1の半導体膜104aに含まれるニッケルがほとんど存在しない、即ち膜中のニッケル濃度が1×1018/cm3以下、望ましくは1×1017/cm3以下になるように十分ゲッタリングすればよい。
【0073】
また、このゲッタリングの加熱処理の条件によっては、ゲッタリングと同時に第1の半導体膜の結晶化率を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修する、即ち結晶性の改善を行うことができる。
【0074】
本明細書において、ゲッタリングとは、被ゲッタリング領域(ここでは第1の半導体膜)にある金属元素が熱エネルギーにより放出され、拡散によりゲッタリングサイトに移動することを指している。
【0075】
また、このゲッタリングの加熱処理として強光を照射する処理を用いる場合は、加熱用のランプ光源を1〜60秒、好ましくは30〜60秒点灯させ、それを1〜10回、好ましくは2〜6回繰り返す。ランプ光源の発光強度は任意なものとするが、瞬間的には600〜1000℃、好ましくは700〜750℃程度に半導体膜が加熱されるようにする。
【0076】
また、熱処理で行う場合は、酸化を防ぐため窒素雰囲気中で450〜800℃、1〜24時間、例えば550℃にて14時間の熱処理を行えばよい。また、熱処理に加えて強光を照射してもよい。
【0077】
次いで、バリア層105bをエッチングストッパーとして、106で示した第2の半導体膜のみを選択的に除去した後、酸化膜からなるバリア層105bを除去する。第2の半導体膜のみを選択的にエッチングする方法としては、ClF3によるプラズマを用いないドライエッチング、或いはヒドラジンや、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド(化学式 (CH3)4NOH)を含む水溶液などアルカリ溶液によるウエットエッチングで行うことができる。また、第2の半導体膜を除去した後、バリア層の表面をTXRFでニッケル濃度を測定したところ、ニッケルが高濃度で検出されるため、バリア層は除去することが望ましく、フッ酸を含むエッチャントにより除去すれば良い。
【0078】
次いで、結晶構造を有する第1の半導体膜に対してレーザ光(第2のレーザ光)を照射しながら、該半導体膜にレーザ光が照射されている領域に、酸素を含まない気体(例えば窒素、ヘリウム等)を吹き付ける。これにより、レーザ光の照射されている半導体膜の領域の近傍は酸素の少ない雰囲気とすることができる。気体の吹きつけの効果をより高めるために、レーザ光の照射されている半導体膜の直上に、気体を噴射する板116を配置し、該板116を半導体膜の上でエア浮上させるとよい。気体は気体供給管117を介して、板116に供給される。板116は、図示しない適当な支えを用いて保持させ、位置のずれを抑えるとよい。このとき、板116と半導体膜の間の距離は、0.01〜1mm程度とする。この距離は狭ければ狭いほどよい。該板をエア浮上させなくても該板が半導体膜の近くに設置されていれば同様な効果が期待できる。この場合は該板と基板が接触する可能性を無くすために1〜5mm程度の距離とするとよい。また、板116の大きさは、レーザ光が照射される領域(ここでは長方形状とする)の長辺と短辺の長さにそれぞれ40mm程度加えられた程度あるとよい。
【0079】
酸素濃度が低減された状態でレーザ光を半導体膜に照射すると適当なエネルギーで半導体膜の表面が平坦化することが実験から判っている。つまりレーザ光(第2のレーザ光)を例えば、酸素濃度が10ppm以下の雰囲気下において、適当なエネルギーで照射した場合、第1のレーザ光の照射により形成された凹凸の高低差(P―V値:Peak to Valley、高さの最大値と最小値の差分)が低減、即ち、平坦化される。(図4(G))ここで、凹凸のP―V値は、AFM(原子間力顕微鏡)により観察すればよい。具体的には、第1のレーザ光の照射により形成された凹凸のP―V値が10nm〜30nm程度であった表面は、第2のレーザ光の照射により表面における凸凹のP―V値を5nm以下とすることができる。このレーザ光(第2のレーザ光)には波長400nm以下のエキシマレーザ光や、YAGレーザの第2高調波、第3高調波を用いる。また、エキシマレーザ光に代えて紫外光ランプから発する光を用いてもよい。
【0080】
本発明者らは、以下に示す実験を行った。
【0081】
(実験1)
まず、ガラス基板上に下地絶縁膜(酸化窒化シリコン膜、膜厚150nm)を形成し、その上にプラズマCVD法により膜厚54nmの非晶質シリコン膜を形成した試料を用意した。次いで、ニッケルを重量換算で10ppm含む溶液を塗布した後、500℃、1時間の熱処理を行った後、さらに550℃、4時間の熱処理を行って結晶化させて結晶構造を有するシリコン膜を形成した。次いで、希フッ酸で半導体膜の表面を洗浄した後、大気または酸素を含有する雰囲気で第1のレーザ光(エキシマレーザ)を照射する。ここでの第1のレーザ光におけるエネルギー密度は476mJ/cm2とした。次いで、第1のレーザ光照射の際に形成された酸化膜を希フッ酸で除去した後、第2のレーザ光のエネルギー密度(476、507、537、567mJ/cm2)の条件を振って窒素雰囲気でそれぞれ照射してP―V値を測定して比較を行った。
【0082】
図15に実験結果を示す。
【0083】
図15より、第2のレーザ光のエネルギー密度は、第1のレーザ光のエネルギー密度より大きくし、好ましくは30〜60mJ/cm2(第一のレーザ光のエネルギー密度の5〜15%程度)大きくする。ただし、第2のレーザ光のエネルギー密度が第1のレーザ光のエネルギー密度よりも90mJ/cm2以上大きいエネルギー密度だと、表面の粗さが増大し、さらに結晶性の低下、或いは微結晶化してしまい、特性が悪化する傾向が見られた。
【0084】
なお、第2のレーザ光の照射は、第1のレーザ光のエネルギー密度よりも高いが、照射前後で結晶性はほとんど変化しない。また、粒径などの結晶状態もほとんど変化しない。即ち、この第2のレーザ光の照射では平坦化のみが行われていると推測できる。
【0085】
結晶構造を有する半導体膜が第2のレーザ光の照射により平坦化されたメリットは非常に大きい。例えば、平坦性が向上したことによって、後に形成されるゲート絶縁膜を薄くすることが可能となり、TFTの移動度を向上させることができる。また、平坦性が向上したことによって、TFTを作製した場合、オフ電流を低減することができる。
【0086】
次いで、平坦化された第1の半導体膜104bを公知のパターニング技術を用いて所望の形状の半導体層107を形成する。(図5(A))また、レジストからなるマスクを形成する前に、オゾン水で表面に薄い酸化膜を形成することが望ましい。
【0087】
次いで、半導体層の表面をフッ酸を含むエッチャントで洗浄した後、ゲート絶縁膜108となる珪素を主成分とする絶縁膜を形成する。この表面洗浄とゲート絶縁膜の形成は、大気にふれさせずに連続的に行うことが望ましい。
【0088】
次いで、ゲート絶縁膜108の表面を洗浄した後、ゲート電極109を形成する。次いで、半導体にn型を付与する不純物元素(P、As等)、ここではリンを適宜添加して、ソース領域110及びドレイン領域111を形成する。その後、ゲート電極109を少しエッチングし、さらに、リンをソース領域110に添加した量よりも少なく添加し、低ドーズ領域118、119を形成してもよい。前記低ドーズ領域は、LDD(LDD:Lightly Doped Drain)領域と呼ばれる。この構造はチャネル形成領域と、高濃度に不純物元素を添加して形成するソース領域またはドレイン領域との間に低濃度に不純物元素を添加した領域を設けたものである。さらにゲート絶縁膜を介してLDD領域をゲート電極と重ねて配置させた、いわゆるGOLD(Gate-drain Overlapped LDD)構造としてもよい。
【0089】
添加した後、不純物元素を活性化するために加熱処理、強光の照射、またはレーザ光の照射を行う。また、活性化と同時にゲート絶縁膜へのプラズマダメージやゲート絶縁膜と半導体層との界面へのプラズマダメージを回復することができる。特に、室温〜300℃の雰囲気中において、表面または裏面からYAGレーザの第2高調波を照射して不純物元素を活性化させることは非常に有効である。YAGレーザはメンテナンスが容易であるため好ましい活性化手段である。あるいは、本発明が開示するレーザ照射の工程を使って、半導体膜の酸化を抑えると半導体膜の表面の凹凸が抑えられるので好ましい。
【0090】
以降の工程は、層間絶縁膜113を形成し、水素化を行って、ソース領域、ドレイン領域に達するコンタクトホールを形成し、ソース電極114、ドレイン電極115を形成してTFT(nチャネル型TFT)を完成させる。(図5(B))
【0091】
こうして得られたTFTのチャネル形成領域112に含まれる金属元素の濃度は1×1017/cm3未満とすることができる。また、こうして得られたTFTの半導体表面における平坦性は、上記本工程により飛躍的に向上されたため、オフ電流値が低減し、オフ電流値のバラツキも低減する。
【0092】
本発明は図5(B)のTFT構造に限定されない。また、ここではnチャネル型TFTを用いて説明したが、n型不純物元素に代えてp型不純物元素を用いることによってpチャネル型TFTを形成することができることは言うまでもない。
【0093】
また、ここではトップゲート型TFTを例として説明したが、TFT構造に関係なく本発明を適用することが可能であり、例えばボトムゲート型(逆スタガ型)TFTや順スタガ型TFTに適用することが可能である。
【0094】
また、ここでは希ガスを含む半導体膜を利用したゲッタリングを例として説明したが、本発明により金属元素が偏析しやすいリッジを低減することができるため、ゲッタリング方法に関係なく本発明は効果的であり、例えばリンを選択的に添加してゲッタリングサイトを形成し、加熱処理を行うことによってゲッタリングを行う方法等に適用することが可能であり、実施の形態1と同様にゲッタリング効果が向上することは言うまでもない。
【0095】
また、パターニング前に第2のレーザ光の照射を行わず、パターニングにより所望の形状の半導体層を形成した後に酸化膜を除去した後、酸素を含まない気体を吹き付けながら第2のレーザ光の照射を行って平坦化してもよい。
【0096】
(実施の形態2)
ここでは、実施の形態1とは異なる工程順序で第2のレーザ光の照射を行う例を図6に示す。
【0097】
まず、実施の形態1に従って、第1のレーザ光の照射を行う工程まで行う。なお、図6(A)は図4(A)に対応し、図6(B)は図4(B)に対応し、図6(C)は図4(C)に対応し、図6(D)は図4(D)に対応している。
【0098】
また、図6中、200は基板、201はブロッキング層となる絶縁膜、202は非晶質構造を有する半導体膜、203はニッケル含有層、204aは結晶構造を有する半導体膜、205aは酸化膜である。
【0099】
次いで、第1のレーザ光の照射により形成された酸化膜205aを除去する。(図6(E))
【0100】
次いで、結晶構造を有する第1の半導体膜に対してレーザ光(第2のレーザ光)を照射しながら、該半導体膜にレーザ光が照射されている領域に、酸素を含まない気体(例えば窒素、ヘリウム等)を吹き付ける。これにより、レーザ光の照射されている半導体膜の領域の近傍は酸素の少ない雰囲気とすることができる。気体の吹きつけの効果をより高めるために、レーザ光の照射されている半導体膜の直上に、気体を噴射する板116を配置し、該板116を半導体膜の上でエア浮上させるとよい。気体は気体供給管117を介して、板116に供給される。板116は、図示しない適当な支えを用いて保持させ、位置のずれを抑えるとよい。このとき、板116と半導体膜の間の距離は、0.01〜1mm程度とする。この距離は狭ければ狭いほどよい。該板をエア浮上させなくても該板が半導体膜の近くに設置されていれば同様な効果が期待できる。また、板116の大きさは、レーザ光が照射される領域(ここでは長方形状とする)の長辺と短辺の長さにそれぞれ40mm程度加えられた程度あるとよい。
【0101】
酸素濃度が低減された状態でレーザ光を半導体膜に照射すると適当なエネルギーで半導体膜の表面が平坦化することが実験から判っている。つまりレーザ光(第2のレーザ光)を例えば、酸素濃度が10ppm以下の雰囲気下において、適当なエネルギーで照射した場合、第1のレーザ光の照射により形成された凹凸の高低差(P―V値:Peak to Valley、高さの最大値と最小値の差分)が低減、即ち、平坦化される。(図6(F))具体的には、第1のレーザ光の照射により形成された凹凸のP―V値が10nm〜30nmであった表面は、第2のレーザ光の照射により表面における凸凹のP―V値を5nm以下とすることができる。このレーザ光(第2のレーザ光)には波長400nm以下のエキシマレーザ光や、YAGレーザの第2高調波、第3高調波を用いる。また、エキシマレーザ光に代えて紫外光ランプから発する光を用いてもよい。なお、第2のレーザ光のエネルギー密度は、第1のレーザ光のエネルギー密度より大きくし、好ましくは30〜60mJ/cm2(第一のレーザ光のエネルギー密度の5〜15%程度)大きくする。ただし、第2のレーザ光のエネルギー密度が第1のレーザ光のエネルギー密度よりも90mJ/cm2以上大きいエネルギー密度だと、結晶性の低下、或いは微結晶化してしまい、特性が悪化する。
【0102】
なお、第2のレーザ光の照射は、第1のレーザ光のエネルギー密度よりも高いが、照射前後で結晶性はほとんど変化しない。また、粒径などの結晶状態もほとんど変化しない。即ち、この第2のレーザ光の照射では平坦化のみが行われていると推測できる。
【0103】
結晶構造を有する半導体膜が第2のレーザ光の照射により平坦化されたメリットは非常に大きい。例えば、後に行われるゲッタリングの際、リッジにニッケルが偏析しやすい。従って、ゲッタリングを行う前に第2のレーザ光の照射により予め表面を平坦化した後、ゲッタリングを行うとゲッタリングの効果が増大する。また、平坦性が向上したことによって、後に形成されるゲート絶縁膜を薄くすることが可能となり、TFTの移動度を向上させることができる。また、平坦性が向上したことによって、TFTを作製した場合、オフ電流を低減することができる。
【0104】
次いで、オゾン含有水溶液(代表的にはオゾン水)で酸化膜(ケミカルオキサイドと呼ばれる)を形成して1〜10nmの酸化膜からなるバリア層205bを形成し、このバリア層205b上に希ガス元素を含む第2の半導体膜206を形成する。(図6(G))
【0105】
また、他のバリア層205bの形成方法としては、酸素雰囲気下の紫外線の照射でオゾンを発生させて前記結晶構造を有する半導体膜の表面を酸化して形成してもよい。また、他のバリア層205bの形成方法としては、プラズマCVD法やスパッタ法や蒸着法などで1〜10nm程度の酸化膜を堆積してバリア層としても良い。また、他のバリア層205bの形成方法としては、クリーンオーブンを用い、200〜350℃程度に加熱して薄い酸化膜を形成しても良い。なお、バリア層205bは上記方法のいずれか一の方法、またはそれらの方法を組み合わせて形成されたものであれば特に限定されないが、後のゲッタリングで第1の半導体膜中のニッケルが第2の半導体膜に移動可能な膜質または膜厚とすることが必要である。
【0106】
ここでは、希ガス元素を含む第2の半導体膜206をスパッタ法にて形成し、ゲッタリングサイトを形成する。希ガス元素としてはヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)から選ばれた一種または複数種を用いる。中でも安価なガスであるアルゴン(Ar)が好ましい。ここでは希ガス元素を含む雰囲気でシリコンからなるターゲットを用い、第2の半導体膜を形成する。膜中に不活性気体である希ガス元素イオンを含有させる意味は二つある。一つはダングリングボンドを形成し半導体膜に歪みを与えることであり、他の一つは半導体膜の格子間に歪みを与えることである。半導体膜の格子間に歪みを与えるにはアルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などシリコンより原子半径の大きな元素を用いた時に顕著に得られる。また、膜中に希ガス元素を含有させることにより、格子歪だけでなく、不対結合手も形成させてゲッタリング作用に寄与する。
【0107】
次いで、加熱処理を行い、第1の半導体膜中における金属元素(ニッケル)の濃度を低減、あるいは除去するゲッタリングを行う。(図6(H))前記加熱処理は、強光を照射する処理または熱処理とすればよい。この処理により、図6(H)中の矢印の方向(即ち、基板側から第2の半導体膜表面に向かう方向)に金属元素が移動し、第1の半導体膜204bに含まれる金属元素は、バリア層205bを介して、第2の半導体膜206に移動する。この処理により第一の半導体膜中の金属元素の濃度は減少する。金属元素がゲッタリングの際に移動する距離は、少なくとも第1の半導体膜の厚さ程度の距離であればよく、比較的短時間でゲッタリングを完遂することができる。ここでは、ニッケルが第1の半導体膜204bに偏析しない状態を達成すればよい。具体的には、第1の半導体膜204bに含まれるニッケルがほとんど存在しない、即ち膜中のニッケル濃度が1×1018/cm3以下、望ましくは1×1017/cm3以下になるように十分ゲッタリングすればよい。
【0108】
また、上記ゲッタリングの際、レーザ光の照射(第1のレーザ光及び第2のレーザ光)によるダメージを修復することが同時に行われる。
【0109】
次いで、バリア層205bをエッチングストッパーとして、206で示した第2の半導体膜のみを選択的に除去した後、バリア層205bを除去し、第1の半導体膜204bを公知のパターニング技術を用いて所望の形状の半導体層を形成する。
【0110】
以降の工程は、実施の形態1と同一の工程によりTFTを完成させる。
【0111】
また、本実施の形態は実施の形態1と組み合わせることが可能である。また、他の公知のゲッタリング技術と組み合わせることが可能である。
【0112】
また、ゲッタリング前に第2のレーザ光の照射を行わず、所望の形状の半導体層を形成した後に酸化膜を除去した後、酸素を含まない気体を吹き付けながら第2のレーザ光の照射を行って平坦化してもよい。
【0113】
以上の構成でなる本発明について、以下に示す実施例でさらに詳細な説明を行う。
【0114】
【実施例】
[実施例1]
本発明の実施例は、図16を用いて説明する。ここでは、実施の形態に示した結晶化方法(ニッケルを用いた結晶化方法)とは異なる方法を用いた例を示す。具体的には、絶縁基板上に設けられた非晶質構造を有する半導体膜をレーザによりアニールする方法について詳細に説明する。
【0115】
まず、上記実施の形態で示した方法でガラス基板1100上に下地絶縁膜1101を形成する。本実施例では、ガラス基板上に設ける下地絶縁膜1101として2層構造を用いるが、前記絶縁膜の単層膜または2層以上積層させた構造を用いても良い。下地絶縁膜1101の一層目としては、プラズマCVD法を用い、SiH4、NH3、及びN2Oを反応ガスとして成膜される第1酸化窒化シリコン膜(組成比Si=32%、O=27%、N=24%、H=17%)を膜厚50nmで形成する。次いで、下地絶縁膜1101のニ層目としては、プラズマCVD法を用い、SiH4及びN2Oを反応ガスとして成膜される第2酸化窒化シリコン膜(組成比Si=32%、O=59%、N=7%、H=2%)を膜厚100nmで形成する。
【0116】
次いで、下地絶縁膜1101上にプラズマCVD法を用いた非晶質シリコン膜102を50nmの膜厚で形成する。ここで、一般にプラズマCVD法にて成膜されたシリコン膜には水素が多く含まれることが多い。この水素量が多いと、シリコン膜のレーザに対する耐久性が極端に弱くなるため、ここでは脱水素化のための熱処理(窒素雰囲気500℃、1時間)を行う。なお、ここでは炉を用いた熱処理を用いて脱水素化を行ったが、ランプアニール装置で脱水素化を行ってもよい。(図16(A))
【0117】
次いで、前記非晶質シリコン膜1102を結晶化させるためのレーザ光(XeCl:波長308nm)の照射を大気中で行う。レーザ光には波長400nm以下のエキシマレーザ光や、YAGレーザの第2高調波、第3高調波を用いる。いずれにしても、繰り返し周波数10〜1000Hz程度のパルスレーザ光を用い、当該レーザ光を光学系にて、エネルギー密度が100〜500mJ/cm2の長方形状に集光し、90〜95%のオーバーラップ率をもって照射し、シリコン膜表面を走査させればよい。ここでは、繰り返し周波数30Hz、エネルギー密度476mJ/cm2でレーザ光の照射を大気中で行なう。レーザ光を集光する光学系には例えば、図1に示したトリプレットシリンドリカルレンズ301を用い、線状に集光させると、レーザ処理の効率が高いので好ましい。トリプレットシリンドリカルレンズは、球面収差を抑えるために3枚のレンズで構成されるレンズである。本発明には、シングレットシリンドリカルレンズ(1枚構成のレンズ)、図3に示すダブレットシリンドリカルレンズ319などを用いてもよい。半導体膜面において、よりエネルギー分布の均一なビームを得るには、より球面収差の少ないレンズを用いた方がよいことは言うまでもない。本工程により、結晶構造を有するシリコン膜1102aが得られる。また、本工程は大気雰囲気で行われるため、酸化膜1105aが形成される。(図16(B))酸化膜1105aは第2のレーザ光の照射の前にフッ酸などのエッチャントにより除去する。(図16(C))
【0118】
次いで、酸化膜の除去されたシリコン膜1102bに第2のレーザ光を照射する工程の詳細を図1に沿って示す。まず、シリコン膜1102bが成膜された基板305(図16の基板1100に相当する。)をステージ306に配置する。そして、不活性気体を噴射する板304に気体供給管302から例えば窒素を供給し、窒素を噴射させる。板の保持機構307により保持された板304を半導体膜102の直上に配置し、板が噴射する窒素により、板304を半導体膜上で浮上させる。板の保持機構307は板304と完全に固着しているわけではなく、板304が浮上する余地が残してある。不活性気体には、希ガス等を用いてもよい。また、水素を使うことにより、酸素と半導体膜とが反応することを抑制することができる。
【0119】
板304が浮上した状態で、レーザ光を例えば、トリプレットシリンドリカルレンズ301により線状に集光させ、レーザ光に対し透光性を有する窓303を介してシリコン膜1102に照射し、ステージ306を図中矢印の方向、すなわち線状ビームの長さ方向に対して直角方向に動作させ、シリコン膜1102全体にレーザ光を照射する。窓303は、石英窓を用いるのがレーザ光の透過率が高いため好ましい。この工程により、レーザ光がまさに当たっているシリコン膜の近傍の雰囲気をほとんど窒素雰囲気とすることができる。これにより、シリコン膜の酸化が防げるので、シリコン膜の表面に生ずる凹凸が小さくなり好ましい。以上の工程を経て表面の凹凸が非常に小さい結晶性シリコン膜1102cを得ることができる。
【0120】
本工程は、先に示した第2のレーザ光の照射に用いると半導体特性が高く、しかもシリコン膜の表面に生ずる凹凸が小さいものができるので好ましいが、特に高い特性の半導体膜を必要としない場合には、第一のレーザ光の照射を省いて、第二のレーザ光の照射のみを行い、半導体膜表面に形成される凹凸を小さくしてもよい。前記凹凸の低減は、半導体装置の歩留まり向上につながる。本実施例では、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射する例を示したが、先に示した金属元素によるシリコン膜の結晶化工程を経た結晶性シリコン膜に同様のレーザ光の照射を行ってもよい。
【0121】
[実施例2]
本実施例では、気体を噴射する板の構造の例を図2に沿って示す。
【0122】
図2a)に気体を噴射する板の一例を示す。不活性気体を気体供給管309から石英窓310とアルミ合金311で構成される板に供給し、アルミ合金の下部に設けられたスリット状の穴から前記不活性気体を噴射させる。この状態で、半導体膜312の直上に前記板を配置し、不活性気体の噴射の圧力により浮上させる。
図2には図示しないが、図1に示した保持機構307のような、板の位置を安定させるための保持機構を設ける必要がある。これにより、板を半導体膜102上で安定に浮上させることができる。図の例では、レーザ光を線状に集光させるため、トリプレットシリンドリカルレンズ308を用いている。これにより、半導体膜102にレーザ光を集光させ、より高いエネルギー密度を得ることができる。
【0123】
石英窓310はレーザ光を透光させるために設けた。アルミ合金の下部に設けられている穴は、不活性気体の噴射口の役割と、レーザ光を通す役割とを兼ねている。アルミ合金を用いたのは、板の軽量化が目的であるため、他の材料で構成しても構わない。
【0124】
次いで、図2b)に他の気体を噴射する板の例を示す。不活性気体、例えば窒素を気体供給管309からアルミ合金313で構成される板に供給し、アルミ合金の上下部に設けられたスリット状の穴から前記不活性気体を噴射させる。気体供給管は図中に示したように板の左右に設置されると、構成が左右対称になるため、より安定に気体を供給できるのでよい。この構成は、図2a)に示したものに用いてもよい。この状態で、半導体膜312の直上に前記板を配置し、窒素の噴射の圧力により浮上させる。板の上下にスリット上の穴が設けられているため、窒素は板の上下のスリットから噴射する。板の下方に噴射する窒素は板の浮上のために使われる。板の上方に噴射される窒素は、板の上方に設けられた光学素子、本実施例では、トリプレットシリンドリカルレンズ308に吹き付けられるためトリプレットシリンドリカルレンズへのゴミの付着を防ぐことができる。
【0125】
図2には図示しないが、図1に示した保持機構307のような、板の位置を安定させるための保持機構を設ける必要がある。これにより、板を半導体膜102上で安定に浮上させることができる。図の例では、レーザ光を線状に集光させるため、トリプレットシリンドリカルレンズ308を用いている。これにより、半導体膜102にレーザ光を集光させ、より高いエネルギー密度を得ることができる。
【0126】
図2b)の例では、板の上下にスリットを設けたため、両スリットの中にレーザ光を通せばよい。板にアルミ合金を用いたのは、軽量化が目的であるため、他の材料で構成しても構わない。
【0127】
[実施例3]
本実施例では、本発明を量産工程で実施する例を図3に沿って説明する。レーザ発振器314には、例えば、ラムダ社製4308Bを用いる。本レーザは、1パルス当たり670mJのエネルギーを射出する能力を有しているため、適当な光学系により300mm程度の長い線状ビームとすることができる。
【0128】
線状ビームを形成させるための光学系315の説明をする。光学系315は照射面においてエネルギー分布の均一な線状ビームを得るために、ホモジナイザの機構を有している。光学素子316は、シリンドリカルレンズアレイとシリンドリカルレンズを組み合わせることにより、線状ビームの短幅方向のエネルギー分布の均一化を行う。図のようにシリンドリカルレンズアレイを2つ用いて、線状ビームの短幅の長さを可変としてもよい。前記長さを変えるには、シリンドリカルレンズアレイの距離を変えればよい。また、光学素子317は同様にシリンドリカルレンズアレイとシリンドリカルレンズを組み合わせることにより、線状ビームの長幅方向のエネルギー分布の均一化を行う。前記光学素子317の上面図を図3に示す。図ではシリンドリカルレンズアレイが1つであるが、2つのシリンドリカルレンズを用いて線状ビームの長幅の長さを可変としてもよい。ミラー318は水平方向に進むレーザ光を鉛直方向に曲げる役割を果たす。これにより、線状ビームを水平面に形成できるため、照射の対象となる半導体膜を水平に設置することが可能となる。ダブレットシリンドリカルレンズ319により、線状ビームの短幅をさらに短くし、照射面においてより高いエネルギー密度が得られるようにしてもよい。これにより、より線状ビームの長さを長くすることができるため、大面積の基板にも効率よくレーザ光を照射できる。レーザを照射する半導体膜まわりの雰囲気と、光学系315の雰囲気とを分断するために光学系315を敷居で囲い、レーザ光を透過させる石英窓320設けてもよい。例えば、本実施例では、光学系315を窒素パージすることで光学系の劣化を抑制する。
【0129】
次いで、レーザ光を半導体膜に照射する工程を説明する。基板324は、図示しないロボットアーム等によりステージ325上に配置される。その後、窒素ボンベ326に接続される気体供給装置322より気体を噴射する板323に窒素が供給され、窒素が前記板から適当な流量で噴射される状態とする。次いで、前記板323を半導体膜直上に配置させ、窒素の噴射により半導体膜上で浮上させる。窒素気体は、加熱装置327により加熱するとレーザエネルギーの不足を補うことができる。この状態を維持させたまま、レーザ光を照射しながら、ステージ325を線状ビームの長幅方向に対し直角方向に移動させ、半導体膜にレーザ光を照射する。レーザ発振器314はコントローラ321により制御されており、発振するエネルギーや周波数などを入力させることができる。気体を噴射する板は、適当な動作機構と接続させ、基板324がステージ325に配置される前は、適当な場所に待機させると、基板と板との干渉の可能性が低くなるので好ましい。以上の一連の動作を繰り返すことにより、多数枚の半導体膜をレーザで処理することができる。
【0130】
[実施例4]
本実施例ではアクティブマトリクス基板の作製方法について図7〜図10を用いて説明する。本明細書ではCMOS回路、及び駆動回路と、画素TFT、保持容量とを有する画素部を同一基板上に形成された基板を、便宜上アクティブマトリクス基板と呼ぶ。
【0131】
まず、本実施例ではコーニング社の#7059ガラスや#1737ガラスなどに代表されるバリウムホウケイ酸ガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラスからなる基板400を用いる。なお、基板400としては、石英基板やシリコン基板、金属基板またはステンレス基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。また、本実施例の処理温度に耐えうる耐熱性が有するプラスチック基板を用いてもよい。
【0132】
次いで、基板400上に酸化珪素膜、窒化珪素膜または酸化窒化珪素膜などの絶縁膜から成る下地膜401を形成する。本実施例では下地膜401として2層構造を用いるが、前記絶縁膜の単層膜または2層以上積層させた構造を用いても良い。下地膜401の一層目としては、プラズマCVD法を用い、SiH4、NH3、及びN2Oを反応ガスとして成膜される酸化窒化珪素膜401aを10〜200nm(好ましくは50〜100nm)形成する。本実施例では、膜厚50nmの酸化窒化珪素膜401a(組成比Si=32%、O=27%、N=24%、H=17%)を形成した。次いで、下地膜401のニ層目としては、プラズマCVD法を用い、SiH4、及びN2Oを反応ガスとして成膜される酸化窒化珪素膜401bを50〜200nm(好ましくは100〜150nm)の厚さに積層形成する。本実施例では、膜厚100nmの酸化窒化珪素膜401b(組成比Si=32%、O=59%、N=7%、H=2%)を形成する。
【0133】
次いで、下地膜上に半導体層402〜406を形成する。半導体層402〜406は公知の手段(スパッタ法、LPCVD法、またはプラズマCVD法等)により25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで半導体膜を成膜し、公知の結晶化法(レーザ結晶化法、RTAやファーネスアニール炉を用いた熱結晶化法、結晶化を助長する金属元素を用いた熱結晶化法等)により結晶化させる。そして、得られた結晶質半導体膜を所望の形状にパターニングして半導体層402〜406を形成する。前記半導体膜としては、非晶質半導体膜や微結晶半導体膜、結晶質半導体膜などがあり、非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。本実施例では、プラズマCVD法を用い、55nmの非晶質珪素膜を成膜する。そして、ニッケルを含む溶液を非晶質珪素膜上に保持させ、この非晶質珪素膜に脱水素化(500℃、1時間)を行なった後、熱結晶化(550℃、4時間)を行ない、レーザ光を照射して結晶質珪素膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ法を用いたパターニング処理によって半導体層402〜406を形成する。
【0134】
また、レーザ結晶化法で結晶質半導体膜を作製する場合には、パルス発振型または連続発光型のエキシマレーザやYAGレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、YAlO3レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、Ti:サファイアレーザ等を用いることができる。これらのレーザを用いる場合には、レーザ発振器から放射されたレーザ光を光学系で線状に集光し半導体膜に照射する方法を用いると良い。結晶化の条件は実施者が適宣選択するものであるが、エキシマレーザを用いる場合はパルス発振周波数300Hzとし、レーザエネルギー密度を100〜700mJ/cm2(代表的には200〜300mJ/cm2)とする。また、YAGレーザを用いる場合にはその第2高調波を用いパルス発振周波数1〜300Hzとし、レーザエネルギー密度を300〜1000mJ/cm2(代表的には350〜500mJ/cm2)とすると良い。そして幅100〜1000μm、例えば400μmで線状に集光したレーザ光を基板全面に渡って照射し、この時の線状ビームの重ね合わせ率(オーバーラップ率)を50〜98%として行なってもよい。
【0135】
また、非晶質半導体膜の結晶化に際し、大粒径に結晶を得るためには、連続発振が可能な固体レーザを用い、基本波の第2高調波〜第4高調波を適用するのが好ましい。代表的には、Nd:YVO4レーザー(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)や第3高調波(355nm)を適用すればよい。連続発振のレーザを用いる場合には、出力10Wの連続発振のYVO4レーザから射出されたレーザ光を非線形光学素子により高調波に変換する。また、共振器の中にYVO4結晶と非線形光学素子を入れて、高調波を射出する方法もある。そして、好ましくは光学系により照射面にて矩形状または楕円形状のレーザ光に成形して、被処理体に照射する。このときのエネルギー密度は0.01〜100MW/cm2程度(好ましくは0.1〜10MW/cm2)が必要である。そして、10〜2000cm/s程度の速度でレーザ光に対して相対的に半導体膜を移動させて照射すればよい。
【0136】
本実施例では、結晶化を助長する金属元素を用いて非晶質珪素膜の結晶化を行なったため、前記金属元素が結晶質珪素膜中に残留している。そのため、前記結晶質珪素膜上に50〜100nmの非晶質珪素膜を形成し、加熱処理(RTA法やファーネスアニール炉を用いた熱アニール等)を行なって、該非晶質珪素膜中に前記金属元素を拡散させ、前記非晶質珪素膜は加熱処理後にエッチングを行なって除去する。このようにすることで、前記結晶質珪素膜中の金属元素の含有量を低減または除去することができる。
【0137】
なお、本実施例ではシリコンの結晶化を助長する金属元素としてニッケルを用いた熱結晶化を行った後にパルス発振型のレーザー光を照射する技術を用いたが、ニッケルを添加することなく、連続発振のレーザー(YVO4レーザーの第2高調波)でアモルファスシリコン膜を結晶化させてもよい。
【0138】
また、半導体層402〜406を形成した後、TFTのしきい値を制御するために微量な不純物元素(ボロンまたはリン)のドーピングを行なってもよい。
【0139】
次いで、半導体層402〜406を覆うゲート絶縁膜407を形成する。ゲート絶縁膜407はプラズマCVD法またはスパッタ法を用い、厚さを40〜150nmとして珪素を含む絶縁膜で形成する。本実施例では、プラズマCVD法により110nmの厚さで酸化窒化珪素膜(組成比Si=32%、O=59%、N=7%、H=2%)で形成した。勿論、ゲート絶縁膜は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0140】
また、酸化珪素膜を用いる場合には、プラズマCVD法でTEOS(Tetraethyl Orthosilicate)とO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.5〜0.8W/cm2で放電させて形成することができる。このようにして作製される酸化珪素膜は、その後400〜500℃の熱アニールによりゲート絶縁膜として良好な特性を得ることができる。
【0141】
次いで、ゲート絶縁膜407上に膜厚20〜100nmの第1の導電膜408と、膜厚100〜400nmの第2の導電膜409とを積層形成する。本実施例では、膜厚30nmのTaN膜からなる第1の導電膜408と、膜厚370nmのW膜からなる第2の導電膜409を積層形成した。TaN膜はスパッタ法で形成し、Taのターゲットを用い、窒素を含む雰囲気内でスパッタした。また、W膜は、Wのターゲットを用いたスパッタ法で形成した。その他に6フッ化タングステン(WF6)を用いる熱CVD法で形成することもできる。いずれにしてもゲート電極として使用するためには低抵抗化を図る必要があり、W膜の抵抗率は20μΩcm以下にすることが望ましい。W膜は結晶粒を大きくすることで低抵抗率化を図ることができるが、W膜中に酸素などの不純物元素が多い場合には結晶化が阻害され高抵抗化する。従って、本実施例では、高純度のW(純度99.9999%)のターゲットを用いたスパッタ法で、さらに成膜時に気相中からの不純物の混入がないように十分配慮してW膜を形成することにより、抵抗率9〜20μΩcmを実現することができた。
【0142】
なお、本実施例では、第1の導電膜408をTaN、第2の導電膜409をWとしたが、特に限定されず、いずれもTa、W、Ti、Mo、Al、Cu、Cr、Ndから選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成してもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶珪素膜に代表される半導体膜を用いてもよい。また、AgPdCu合金を用いてもよい。また、第1の導電膜をタンタル(Ta)膜で形成し、第2の導電膜をW膜とする組み合わせ、第1の導電膜を窒化チタン(TiN)膜で形成し、第2の導電膜をW膜とする組み合わせ、第1の導電膜を窒化タンタル(TaN)膜で形成し、第2の導電膜をAl膜とする組み合わせ、第1の導電膜を窒化タンタル(TaN)膜で形成し、第2の導電膜をCu膜とする組み合わせとしてもよい。
【0143】
次に、フォトリソグラフィ法を用いてレジストからなるマスク410〜415を形成し、電極及び配線を形成するための第1のエッチング処理を行なう。第1のエッチング処理では第1及び第2のエッチング条件で行なう。(図7(B))本実施例では第1のエッチング条件として、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用い、エッチング用ガスにCF4とCl2とO2とを用い、それぞれのガス流量比を25/25/10(sccm)とし、1Paの圧力でコイル型の電極に500WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを生成してエッチングを行った。ここでは、松下電器産業(株)製のICPを用いたドライエッチング装置(Model E645−□ICP)を用いた。基板側(試料ステージ)にも150WのRF(13.56MHz)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。この第1のエッチング条件によりW膜をエッチングして第1の導電層の端部をテーパー形状とする。
【0144】
この後、レジストからなるマスク410〜415を除去せずに第2のエッチング条件に変え、エッチング用ガスにCF4とCl2とを用い、それぞれのガス流量比を30/30(sccm)とし、1Paの圧力でコイル型の電極に500WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを生成して約30秒程度のエッチングを行った。基板側(試料ステージ)にも20WのRF(13.56MHz)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。CF4とCl2を混合した第2のエッチング条件ではW膜及びTaN膜とも同程度にエッチングされる。なお、ゲート絶縁膜上に残渣を残すことなくエッチングするためには、10〜20%程度の割合でエッチング時間を増加させると良い。
【0145】
上記第1のエッチング処理では、レジストからなるマスクの形状を適したものとすることにより、基板側に印加するバイアス電圧の効果により第1の導電層及び第2の導電層の端部がテーパー形状となる。このテーパー部の角度は15〜45°となる。こうして、第1のエッチング処理により第1の導電層と第2の導電層から成る第1の形状の導電層417〜422(第1の導電層417a〜422aと第2の導電層417b〜422b)を形成する。416はゲート絶縁膜であり、第1の形状の導電層417〜422で覆われない領域は20〜50nm程度エッチングされ薄くなった領域が形成される。
【0146】
次いで、レジストからなるマスクを除去せずに第2のエッチング処理を行なう。(図7(C))ここでは、エッチングガスにCF4とCl2とO2とを用い、W膜を選択的にエッチングする。この時、第2のエッチング処理により第2の導電層428b〜433bを形成する。一方、第1の導電層417a〜422aは、ほとんどエッチングされず、第2の形状の導電層428〜433を形成する。
【0147】
そして、レジストからなるマスクを除去せずに第1のドーピング処理を行い、半導体層にn型を付与する不純物元素を低濃度に添加する。ドーピング処理はイオンドープ法、若しくはイオン注入法で行なえば良い。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1013〜5×1014/cm2とし、加速電圧を40〜80keVとして行なう。本実施例ではドーズ量を1.5×1013/cm2とし、加速電圧を60keVとして行なう。n型を付与する不純物元素として15族に属する元素、典型的にはリン(P)または砒素(As)を用いるが、ここではリン(P)を用いる。この場合、導電層428〜433がn型を付与する不純物元素に対するマスクとなり、自己整合的に不純物領域423〜427が形成される。不純物領域423〜427には1×1018〜1×1020/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素を添加する。
【0148】
レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスク434a〜434cを形成して第1のドーピング処理よりも高い加速電圧で第2のドーピング処理を行なう。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1013〜1×1015/cm2とし、加速電圧を60〜120keVとして行なう。ドーピング処理は第2の導電層428b〜432bを不純物元素に対するマスクとして用い、第1の導電層のテーパー部の下方の半導体層に不純物元素が添加されるようにドーピングする。続いて、第2のドーピング処理より加速電圧を下げて第3のドーピング処理を行なって図8(A)の状態を得る。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1015〜1×1017/cm2とし、加速電圧を50〜100keVとして行なう。第2のドーピング処理および第3のドーピング処理により、第1の導電層と重なる低濃度不純物領域436、442、448には1×1018〜5×1019/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素を添加され、高濃度不純物領域435、441、444、447には1×1019〜5×1021/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素を添加される。
【0149】
もちろん、適当な加速電圧にすることで、第2のドーピング処理および第3のドーピング処理は1回のドーピング処理で、低濃度不純物領域および高濃度不純物領域を形成することも可能である。
【0150】
次いで、レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスク450a〜450cを形成して第4のドーピング処理を行なう。この第4のドーピング処理により、pチャネル型TFTの活性層となる半導体層に前記一導電型とは逆の導電型を付与する不純物元素が添加された不純物領域453、454、459、460を形成する。第2の導電層428a〜432aを不純物元素に対するマスクとして用い、p型を付与する不純物元素を添加して自己整合的に不純物領域を形成する。本実施例では、不純物領域453、454、459、460はジボラン(B2H6)を用いたイオンドープ法で形成する。(図8(B))この第4のドーピング処理の際には、nチャネル型TFTを形成する半導体層はレジストからなるマスク450a〜450cで覆われている。第1乃至3のドーピング処理によって、不純物領域435、439にはそれぞれ異なる濃度でリンが添加されているが、そのいずれの領域においてもp型を付与する不純物元素の濃度を1×1019〜5×1021atoms/cm3となるようにドーピング処理することにより、pチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域として機能するために何ら問題は生じない。
【0151】
以上までの工程で、それぞれの半導体層に不純物領域が形成される。
【0152】
次いで、レジストからなるマスク450a〜450cを除去して第1の層間絶縁膜461を形成する。この第1の層間絶縁膜461としては、プラズマCVD法またはスパッタ法を用い、厚さを100〜200nmとして珪素を含む絶縁膜で形成する。本実施例では、プラズマCVD法により膜厚150nmの酸化窒化珪素膜を形成した。勿論、第1の層間絶縁膜461は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0153】
次いで、図8(C)に示すように、加熱処理を行なって、半導体層の結晶性の回復、それぞれの半導体層に添加された不純物元素の活性化を行なう。この加熱処理はファーネスアニール炉を用いる熱アニール法で行なう。熱アニール法としては、酸素濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下の窒素雰囲気中で400〜700℃、代表的には500〜550℃で行えばよく、本実施例では550℃、4時間の熱処理で活性化処理を行った。なお、熱アニール法の他に、レーザアニール法、またはラピッドサーマルアニール法(RTA法)を適用することができる。
【0154】
また、第1の層間絶縁膜を形成する前に加熱処理を行なっても良い。ただし、用いた配線材料が熱に弱い場合には、本実施例のように配線等を保護するため層間絶縁膜(珪素を主成分とする絶縁膜、例えば窒化珪素膜)を形成した後で活性化処理を行なうことが好ましい。
【0155】
そして、加熱処理(300〜550℃で1〜12時間の熱処理)を行なうと水素化を行なうことができる。この工程は第1の層間絶縁膜461に含まれる水素により半導体層のダングリングボンドを終端する工程である。第1の層間絶縁膜の存在に関係なく半導体層を水素化することができる。水素化の他の手段として、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)や、3〜100%の水素を含む雰囲気中で300〜450℃で1〜12時間の加熱処理を行っても良い。
【0156】
また、活性化処理としてレーザアニール法を用いる場合には、上記水素化を行った後、エキシマレーザやYAGレーザ等のレーザ光を照射することが望ましい。
【0157】
次いで、第1の層間絶縁膜461上に無機絶縁膜材料または有機絶縁物材料から成る第2の層間絶縁膜462を形成する。本実施例では、膜厚1.6μmのアクリル樹脂膜を形成したが、粘度が10〜1000cp、好ましくは40〜200cpのものを用い、表面に凸凹が形成されるものを用いる。
【0158】
本実施例では、鏡面反射を防ぐため、表面に凸凹が形成される第2の層間絶縁膜を形成することによって画素電極の表面に凸凹を形成した。また、画素電極の表面に凹凸を持たせて光散乱性を図るため、画素電極の下方の領域に凸部を形成してもよい。その場合、凸部の形成は、TFTの形成と同じフォトマスクで行なうことができるため、工程数の増加なく形成することができる。なお、この凸部は配線及びTFT部以外の画素部領域の基板上に適宜設ければよい。こうして、凸部を覆う絶縁膜の表面に形成された凸凹に沿って画素電極の表面に凸凹が形成される。
【0159】
また、第2の層間絶縁膜462として表面が平坦化する膜を用いてもよい。その場合は、画素電極を形成した後、公知のサンドブラスト法やエッチング法等の工程を追加して表面を凹凸化させて、鏡面反射を防ぎ、反射光を散乱させることによって白色度を増加させることが好ましい。
【0160】
そして、駆動回路506において、各不純物領域とそれぞれ電気的に接続する配線463〜467を形成する。なお、これらの配線は、膜厚50nmのTi膜と、膜厚500nmの合金膜(AlとTiとの合金膜)との積層膜をパターニングして形成する。もちろん、二層構造に限らず、単層構造でもよいし、三層以上の積層構造にしてもよい。また、配線の材料としては、AlとTiに限らない。例えば、TaN膜上にAlやCuを形成し、さらにTi膜を形成した積層膜をパターニングして配線を形成してもよい。(図9)
【0161】
また、画素部507においては、画素電極470、ゲート配線469、接続電極468を形成する。この接続電極468によりソース配線(443aと443bの積層)は、画素TFTと電気的な接続が形成される。また、ゲート配線469は、画素TFTのゲート電極と電気的な接続が形成される。また、画素電極470は、画素TFTのドレイン領域442と電気的な接続が形成され、さらに保持容量を形成する一方の電極として機能する半導体層458と電気的な接続が形成される。また、画素電極471としては、AlまたはAgを主成分とする膜、またはそれらの積層膜等の反射性の優れた材料を用いることが望ましい。
【0162】
以上の様にして、nチャネル型TFT501とpチャネル型TFT502からなるCMOS回路、及びnチャネル型TFT503を有する駆動回路506と、画素TFT504、保持容量505とを有する画素部507を同一基板上に形成することができる。こうして、アクティブマトリクス基板が完成する。
【0163】
駆動回路506のnチャネル型TFT501はチャネル形成領域437、ゲート電極の一部を構成する第1の導電層428aと重なる低濃度不純物領域436(GOLD領域)、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域452とを有している。このnチャネル型TFT501と電極466で接続してCMOS回路を形成するpチャネル型TFT502にはチャネル形成領域440、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域454と、n型を付与する不純物元素およびp型を付与する不純物元素が導入された不純物領域453を有している。また、nチャネル型TFT503にはチャネル形成領域443、ゲート電極の一部を構成する第1の導電層430aと重なる低濃度不純物領域442(GOLD領域)、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域456と、n型を付与する不純物元素およびp型を付与する不純物元素が導入された不純物領域455を有している。
【0164】
画素部の画素TFT504にはチャネル形成領域446、ゲート電極の外側に形成される低濃度不純物領域445(LDD領域)、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域458とを有している。また、保持容量505の一方の電極として機能する半導体層には、n型を付与する不純物元素およびp型を付与する不純物元素が添加されている。保持容量505は、絶縁膜416を誘電体として、電極(432aと432bの積層)と、半導体層とで形成している。
【0165】
本実施例の画素構造は、ブラックマトリクスを用いることなく、画素電極間の隙間が遮光されるように、画素電極の端部をソース配線と重なるように配置形成する。
【0166】
また、本実施例で作製するアクティブマトリクス基板の画素部の上面図を図10に示す。なお、図7〜図10に対応する部分には同じ符号を用いている。図9中の鎖線A−A’は図10中の鎖線A―A’で切断した断面図に対応している。また、図9中の鎖線B−B’は図10中の鎖線B―B’で切断した断面図に対応している。
【0167】
なお、本実施例は実施例1乃至3のいずれか一と自由に組み合わせることが可能である。
【0168】
[実施例5]
本実施例では、実施例4で作製したアクティブマトリクス基板から、反射型液晶表示装置を作製する工程を以下に説明する。説明には図11を用いる。
【0169】
まず、実施例4に従い、図9の状態のアクティブマトリクス基板を得た後、図9のアクティブマトリクス基板上、少なくとも画素電極470上に配向膜567を形成しラビング処理を行なう。なお、本実施例では配向膜567を形成する前に、アクリル樹脂膜等の有機樹脂膜をパターニングすることによって基板間隔を保持するための柱状のスペーサ572を所望の位置に形成した。また、柱状のスペーサに代えて、球状のスペーサを基板全面に散布してもよい。
【0170】
次いで、対向基板569を用意する。次いで、対向基板569上に着色層570、571、平坦化膜573を形成する。赤色の着色層570と青色の着色層571とを重ねて、遮光部を形成する。また、赤色の着色層と緑色の着色層とを一部重ねて、遮光部を形成してもよい。
【0171】
本実施例では、実施例4に示す基板を用いている。従って、実施例4の画素部の上面図を示す図10では、少なくともゲート配線469と画素電極470の間隙と、ゲート配線469と接続電極468の間隙と、接続電極468と画素電極470の間隙を遮光する必要がある。本実施例では、それらの遮光すべき位置に着色層の積層からなる遮光部が重なるように各着色層を配置して、対向基板を貼り合わせた。
【0172】
このように、ブラックマスク等の遮光層を形成することなく、各画素間の隙間を着色層の積層からなる遮光部で遮光することによって工程数の低減を可能とした。
【0173】
次いで、平坦化膜573上に透明導電膜からなる対向電極576を少なくとも画素部に形成し、対向基板の全面に配向膜574を形成し、ラビング処理を施した。
【0174】
そして、画素部と駆動回路が形成されたアクティブマトリクス基板と対向基板とをシール材568で貼り合わせる。シール材568にはフィラーが混入されていて、このフィラーと柱状スペーサによって均一な間隔を持って2枚の基板が貼り合わせられる。その後、両基板の間に液晶材料575を注入し、封止剤(図示せず)によって完全に封止する。液晶材料575には公知の液晶材料を用いれば良い。このようにして図11に示す反射型液晶表示装置が完成する。そして、必要があれば、アクティブマトリクス基板または対向基板を所望の形状に分断する。さらに、対向基板のみに偏光板(図示しない)を貼りつけた。そして、公知の技術を用いてFPCを貼りつけた。
【0175】
以上のようにして作製される液晶表示パネルは各種電子機器の表示部として用いることができる。
【0176】
なお、本実施例は実施例1乃至4と自由に組み合わせることが可能である。
【0177】
[実施例6]
本実施例では、本発明を用いて発光装置を作製した例について説明する。本明細書において、発光装置とは、基板上に形成された発光素子を該基板とカバー材の間に封入した表示用パネルおよび該表示用パネルにICを実装した表示用モジュールを総称したものである。なお、発光素子は、電場を加えることで発生するルミネッセンス(Electro Luminescence)が得られる有機化合物を含む層(発光層)と陽極層と、陰極層とを有する。また、有機化合物におけるルミネッセンスには、一重項励起状態から基底状態に戻る際の発光(蛍光)と三重項励起状態から基底状態に戻る際の発光(リン光)があり、これらのうちどちらか、あるいは両方の発光を含む。
【0178】
図12は本実施例の発光装置の断面図である。図12において、基板700上に設けられたスイッチングTFT603は図9のnチャネル型TFT503を用いて形成される。したがって、構造の説明はnチャネル型TFT503の説明を参照すれば良い。
【0179】
なお、本実施例ではチャネル形成領域が二つ形成されるダブルゲート構造としているが、チャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。
【0180】
基板700上に設けられた駆動回路は図9のCMOS回路を用いて形成される。従って、構造の説明はnチャネル型TFT501とpチャネル型TFT502の説明を参照すれば良い。なお、本実施例ではシングルゲート構造としているが、ダブルゲート構造もしくはトリプルゲート構造であっても良い。
【0181】
また、配線701、703はCMOS回路のソース配線、702はドレイン配線として機能する。また、配線704はソース配線とスイッチングTFTのソース領域とを電気的に接続する配線として機能し、配線705はドレイン配線709とスイッチングTFTのドレイン領域とを電気的に接続する配線として機能する。
【0182】
なお、電流制御TFT604は図9のpチャネル型TFT502を用いて形成される。従って、構造の説明はpチャネル型TFT502の説明を参照すれば良い。なお、本実施例ではシングルゲート構造としているが、ダブルゲート構造もしくはトリプルゲート構造であっても良い。
【0183】
また、配線706は電流制御TFTのソース配線(電流供給線に相当する)であり、707は電流制御TFTの画素電極711上に重ねることで画素電極711と電気的に接続する電極である。
【0184】
なお、711は、透明導電膜からなる画素電極(発光素子の陽極)である。透明導電膜としては、酸化インジウムと酸化スズとの化合物、酸化インジウムと酸化亜鉛との化合物、酸化亜鉛、酸化スズまたは酸化インジウムを用いることができる。また、前記透明導電膜にガリウムを添加したものを用いても良い。画素電極711は、上記配線を形成する前に平坦な層間絶縁膜710上に形成する。本実施例においては、樹脂からなる平坦化膜710を用いてTFTによる段差を平坦化することは非常に重要である。後に形成される発光層は非常に薄いため、段差が存在することによって発光不良を起こす場合がある。従って、発光層をできるだけ平坦面に形成しうるように画素電極を形成する前に平坦化しておくことが望ましい。
【0185】
配線701〜707を形成後、図12に示すようにバンク712を形成する。バンク712は100〜400nmの珪素を含む絶縁膜もしくは有機樹脂膜をパターニングして形成すれば良い。
【0186】
なお、バンク712は絶縁膜であるため、成膜時における素子の静電破壊には注意が必要である。本実施例ではバンク712の材料となる絶縁膜中にカーボン粒子や金属粒子を添加して抵抗率を下げ、静電気の発生を抑制する。この際、抵抗率は1×106〜1×1012Ωm(好ましくは1×108〜1×1010Ωm)となるようにカーボン粒子や金属粒子の添加量を調節すれば良い。
【0187】
画素電極711の上には発光層713が形成される。なお、図12では一画素しか図示していないが、本実施例ではR(赤)、G(緑)、B(青)の各色に対応した発光層を作り分けている。また、本実施例では蒸着法により低分子系有機発光材料を形成している。具体的には、正孔注入層として20nm厚の銅フタロシアニン(CuPc)膜を設け、その上に発光層として70nm厚のトリス−8−キノリノラトアルミニウム錯体(Alq3)膜を設けた積層構造としている。Alq3にキナクリドン、ペリレンもしくはDCM1といった蛍光色素を添加することで発光色を制御することができる。
【0188】
但し、以上の例は発光層として用いることのできる有機発光材料の一例であって、これに限定する必要はまったくない。発光層、電荷輸送層または電荷注入層を自由に組み合わせて発光層(発光及びそのためのキャリアの移動を行わせるための層)を形成すれば良い。例えば、本実施例では低分子系有機発光材料を発光層として用いる例を示したが、高分子系有機発光材料を用いても良い。また、電荷輸送層や電荷注入層として炭化珪素等の無機材料を用いることも可能である。これらの有機発光材料や無機材料は公知の材料を用いることができる。
【0189】
次に、発光層713の上には導電膜からなる陰極714が設けられる。本実施例の場合、導電膜としてアルミニウムとリチウムとの合金膜を用いる。勿論、公知のMgAg膜(マグネシウムと銀との合金膜)を用いても良い。陰極材料としては、周期表の1族もしくは2族に属する元素からなる導電膜もしくはそれらの元素を添加した導電膜を用いれば良い。
【0190】
この陰極714まで形成された時点で発光素子715が完成する。なお、ここでいう発光素子715は、画素電極(陽極)711、発光層713及び陰極714で形成されたダイオードを指す。
【0191】
発光素子715を完全に覆うようにしてパッシベーション膜716を設けることは有効である。パッシベーション膜716としては、炭素膜、窒化珪素膜もしくは窒化酸化珪素膜を含む絶縁膜からなり、該絶縁膜を単層もしくは組み合わせた積層で用いる。
【0192】
この際、カバレッジの良い膜をパッシベーション膜として用いることが好ましく、炭素膜、特にDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜を用いることは有効である。DLC膜は室温から100℃以下の温度範囲で成膜可能であるため、耐熱性の低い発光層713の上方にも容易に成膜することができる。また、DLC膜は酸素に対するブロッキング効果が高く、発光層713の酸化を抑制することが可能である。そのため、この後に続く封止工程を行う間に発光層713が酸化するといった問題を防止できる。
【0193】
さらに、パッシベーション膜716上に封止材717を設け、カバー材718を貼り合わせる。封止材717としては紫外線硬化樹脂を用いれば良く、内部に吸湿効果を有する物質もしくは酸化防止効果を有する物質を設けることは有効である。また、本実施例においてカバー材718はガラス基板や石英基板やプラスチック基板(プラスチックフィルムも含む)の両面に炭素膜(好ましくはダイヤモンドライクカーボン膜)を形成したものを用いる。
【0194】
こうして図12に示すような構造の発光装置が完成する。なお、バンク712を形成した後、パッシベーション膜716を形成するまでの工程をマルチチャンバー方式(またはインライン方式)の成膜装置を用いて、大気解放せずに連続的に処理することは有効である。また、さらに発展させてカバー材718を貼り合わせる工程までを大気解放せずに連続的に処理することも可能である。
【0195】
こうして、基板700上にnチャネル型TFT601、602、スイッチングTFT(nチャネル型TFT)603および電流制御TFT(nチャネル型TFT)604が形成される。
【0196】
さらに、図12を用いて説明したように、ゲート電極に絶縁膜を介して重なる不純物領域を設けることによりホットキャリア効果に起因する劣化に強いnチャネル型TFTを形成することができる。そのため、信頼性の高い発光装置を実現できる。
【0197】
また、本実施例では画素部と駆動回路の構成のみ示しているが、本実施例の製造工程に従えば、その他にも信号分割回路、D/Aコンバータ、オペアンプ、γ補正回路などの論理回路を同一の絶縁体上に形成可能であり、さらにはメモリやマイクロプロセッサをも形成しうる。
【0198】
さらに、発光素子を保護するための封止(または封入)工程まで行った後の本実施例の発光装置について図13を用いて説明する。なお、必要に応じて図12で用いた符号を引用する。
【0199】
図13(A)は、発光素子の封止までを行った状態を示す上面図、図13(B)は図13(A)をC−C’で切断した断面図である。点線で示された801はソース側駆動回路、806は画素部、807はゲート側駆動回路である。また、901はカバー材、902は第1シール材、903は第2シール材であり、第1シール材902で囲まれた内側には封止材907が設けられる。
【0200】
なお、904はソース側駆動回路801及びゲート側駆動回路807に入力される信号を伝送するための配線であり、外部入力端子となるFPC(フレキシブルプリントサーキット)905からビデオ信号やクロック信号を受け取る。なお、ここではFPCしか図示されていないが、このFPCにはプリント配線基盤(PWB)が取り付けられていても良い。本明細書における発光装置には、発光装置本体だけでなく、それにFPCもしくはPWBが取り付けられた状態をも含むものとする。
【0201】
次に、断面構造について図13(B)を用いて説明する。基板700の上方には画素部806、ゲート側駆動回路807が形成されており、画素部806は電流制御TFT604とそのドレインに電気的に接続された画素電極710を含む複数の画素により形成される。また、ゲート側駆動回路807はnチャネル型TFT601とpチャネル型TFT602とを組み合わせたCMOS回路(図15参照)を用いて形成される。
【0202】
画素電極711は発光素子715の陽極として機能する。また、画素電極711の両端にはバンク712が形成され、画素電極711上には発光層713および発光素子の陰極714が形成される。
【0203】
陰極714は全画素に共通の配線としても機能し、接続配線904を経由してFPC905に電気的に接続されている。さらに、画素部806及びゲート側駆動回路807に含まれる素子は全て陰極714およびパッシベーション膜716で覆われている。
【0204】
また、第1シール材902によりカバー材901が貼り合わされている。なお、カバー材901と発光素子との間隔を確保するために樹脂膜からなるスペーサを設けても良い。そして、第1シール材902の内側には封止材907が充填されている。なお、第1シール材902、封止材907としてはエポキシ系樹脂を用いるのが好ましい。また、第1シール材902はできるだけ水分や酸素を透過しない材料であることが望ましい。さらに、封止材907の内部に吸湿効果をもつ物質や酸化防止効果をもつ物質を含有させても良い。
【0205】
発光素子を覆うようにして設けられた封止材907はカバー材901を接着するための接着剤としても機能する。また、本実施例ではカバー材901を構成するプラスチック基板の材料としてFRP(Fiberglass-Reinforced Plastics)、PVF(ポリビニルフロライド)、マイラー、ポリエステルまたはアクリルを用いることができる。
【0206】
また、封止材907を用いてカバー材901を接着した後、封止材907の側面(露呈面)を覆うように第2シール材903を設ける。第2シール材903は第1シール材902と同じ材料を用いることができる。
【0207】
以上のような構造で発光素子を封止材907に封入することにより、発光素子を外部から完全に遮断することができ、外部から水分や酸素等の発光層の酸化による劣化を促す物質が侵入することを防ぐことができる。従って、信頼性の高い発光装置が得られる。
【0208】
[実施例7]
本発明を実施して形成された駆動回路や画素部は様々なモジュール(アクティブマトリクス型液晶モジュール、アクティブマトリクス型ELモジュール、アクティブマトリクス型ECモジュール)に用いることができる。即ち、それらを表示部に組み込んだ電子機器全てに本発明を実施できる。
【0209】
その様な電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ヘッドマウントディスプレイ(ゴーグル型ディスプレイ)、カーナビゲーション、プロジェクタ、カーステレオ、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17〜図19に示す。
【0210】
図17(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。本発明を表示部2003に適用することができる。
【0211】
図17(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。本発明を表示部2102に適用することができる。
【0212】
図17(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。本発明は表示部2205に適用できる。
【0213】
図17(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。本発明は表示部2302に適用することができる。
【0214】
図17(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。本発明は表示部2402に適用することができる。
【0215】
図17(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。本発明を表示部2502に適用することができる。
【0216】
図18(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。本発明は投射装置2601の一部を構成する液晶モジュール2808に適用することができる。
【0217】
図18(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。本発明は投射装置2702の一部を構成する液晶モジュール2808に適用することができる。
【0218】
なお、図18(C)は、図18(A)及び図18(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、液晶モジュール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18(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。
【0219】
また、図18(D)は、図18(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18(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。
【0220】
ただし、図18に示したプロジェクターにおいては、透過型の電気光学装置を用いた場合を示しており、反射型の電気光学装置及びELモジュールでの適用例は図示していない。
【0221】
図19(A)は携帯電話であり、本体2901、音声出力部2902、音声入力部2903、表示部2904、操作スイッチ2905、アンテナ2906、画像入力部(CCD、イメージセンサ等)2907等を含む。本発明を表示部2904に適用することができる。
【0222】
図19(B)は携帯書籍(電子書籍)であり、本体3001、表示部3002、3003、記憶媒体3004、操作スイッチ3005、アンテナ3006等を含む。本発明は表示部3002、3003に適用することができる。
【0223】
図19(C)はディスプレイであり、本体3101、支持台3102、表示部3103等を含む。本発明は表示部3103に適用することができる。
【0224】
ちなみに図19(C)に示すディスプレイは中小型または大型のもの、例えば5〜20インチの画面サイズのものである。また、このようなサイズの表示部を形成するためには、基板の一辺が1mのものを用い、多面取りを行って量産することが好ましい。
【0225】
以上の様に、本発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器の作製方法に適用することが可能である。また、本実施例の電子機器は実施例1〜6のどのような組み合わせからなる構成を用いても実現することができる。
【0226】
【発明の効果】
本発明により、レーザによる半導体膜のアニールの際に、半導体膜の平坦化に必要な雰囲気制御を安価な構成で行うことができる。また、本発明により半導体膜の平坦性を格段に向上させ、特にTFTのオフ電流値を低減することができるとともに、バラツキも抑制することができる。従って、そのようなTFTを用いた半導体装置の動作特性を向上させ、かつ、低消費電力化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1を説明する図。
【図2】 実施例2を説明する図。
【図3】 実施例3を説明する図。
【図4】 実施の形態1を説明する図。
【図5】 実施の形態1を説明する図。
【図6】 実施の形態2を説明する図。
【図7】 TFTの作製工程の例を説明する断面図。
【図8】 TFTの作製工程の例を説明する断面図。
【図9】 TFTの作製工程の例を説明する断面図。
【図10】 TFTの作製工程の例を説明する上面図。
【図11】 液晶表示装置の断面図の一例を示す図。
【図12】 ELモジュールの断面を示す図。
【図13】 ELモジュールの上面および断面を示す図。
【図14】 オフ電流値(Vds=14V)における確率統計分布図。
【図15】 第2のレーザ光のエネルギー密度とP―V値との関係を示す図。
【図16】 実施例1を説明する図。
【図17】 半導体装置の例を示す図。
【図18】 半導体装置の例を示す図。
【図19】 半導体装置の例を示す図。
【図20】 治具の例を示す図。
【図21】 実験結果を示す写真図。
【図22】 レーザー照射装置の例を示す図。
Claims (22)
- 絶縁表面上に半導体膜を形成し、
不活性気体または酸素を含む気体を噴射することにより前記半導体膜上で板を浮上させ、
前記板を介してレーザ光を照射することにより前記半導体膜をアニールすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 絶縁表面上に半導体膜を形成し、
酸素濃度が10ppm以下の不活性気体を噴射することにより前記半導体膜上で板を浮上させ、
前記板を介してレーザ光を照射することにより前記半導体膜をアニールすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1または請求項2において、前記板はレーザ光を通過させる窓を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項1または請求項2において、前記板はレーザ光を通過させる開口部を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項1または請求項2において、前記板は、レーザ光の入射側にレーザ光を透過させる窓とレーザ光の射出側に開口部とを有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、前記半導体膜と前記板との距離は0.01〜1mmであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 絶縁表面上に第1の半導体膜を形成し、
前記第1の半導体膜に酸素を含む雰囲気下で第1のレーザ光を照射して結晶構造を有する第2の半導体膜を形成し、
酸素濃度が10ppm以下の不活性気体を噴射することにより前記第2の半導体膜上で板を浮上させ、
前記板を介して第2のレーザ光を照射することにより前記第2の半導体膜をアニールすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項7において、前記板は前記第2のレーザ光を通過させる窓を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項7において、前記板は前記第2のレーザ光を通過させる開口部を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項7において、前記板は、前記第2のレーザ光の入射側にレーザ光を透過させる窓とレーザ光の射出側に開口部とを有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項7乃至請求項10のいずれか一において、前記第2のレーザ光のエネルギー密度は、前記第1のレーザ光のエネルギー密度より高いことを特徴とする半導体装置の作製方法。
- )
請求項7乃至請求項11のいずれか一において、前記第2の半導体膜と前記板との距離は0.01〜1mmであることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を集光する光学系と、
気体を噴射し、前記レーザ光が通過する開口部が設けられた板と、
基板を配置するステージと、
前記板から気体を噴射させ、前記ステージに配置する前記基板上で前記板を浮上させる手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置。 - レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を集光する光学系と、
気体を噴射し、前記レーザ光が通過する開口部と前記レーザ発振器が射出するレーザ光に対し透光性を有し、前記レーザ光が通過する窓とが設けられた板と、
基板を配置するステージと、
前記板から気体を噴射させ、前記ステージに配置する前記基板上で前記板を浮上させる手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置。 - 請求項13または請求項14において、前記光学系は前記レーザ発振器から射出するレーザ光を基板を配置する面において線状に整形するものであることを特徴とするレーザ照射装置。
- 請求項13乃至15のいずれか一において、前記気体は不活性気体であることを特徴とするレーザ照射装置。
- 請求項13乃至15のいずれか一において、前記気体は酸素濃度が10ppm以下の不活性気体であることを特徴とするレーザ照射装置。
- 請求項16または17において、前記不活性気体は窒素、希ガス、水素またはそれらの混合気体であることを特徴とするレーザ照射装置。
- 請求項13乃至18のいずれか一において、前記レーザ光を前記基板に照射する際、前記板と前記基板との距離が0.01〜1mmであることを特徴とするレーザ照射装置。
- 請求項13乃至19のいずれか一において、前記気体の加熱手段を有することを特徴とするレーザ照射装置。
- 請求項13乃至20のいずれか一において、前記レーザ発振器は、XeClエキシマレーザ光、または、KrFエキシマレーザ光、または、YAGレーザの基本波、または、YAGレーザの第二高調波、または、YAGレーザの第三高調波、を射出することを特徴とするレーザ照射装置。
- 請求項13乃至21のいずれか一において、前記気体を噴射する開口部を通過したレーザ光のみが選択的に基板へ照射されることを特徴とするレーザ照射装置。
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