JP4445024B2 - Semiconductor device - Google Patents

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本発明は、横方向に成長させた小粒径結晶をチャネル領域とするTFTと、横方向に成長させた大粒径結晶をチャネル領域とするTFTとを具備した半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a TFT having a small grain crystal grown in a lateral direction as a channel region and a TFT having a large grain crystal grown in a lateral direction as a channel region.

現在の液晶ディスプレイの表示方式として、個々の画素をスイッチングするアクティブマトリックス方式がある。画素スイッチにおいては、電界効果トランジスタの一種である非晶質シリコン薄膜トランジスタ(a-SiTFT)が主に用いられている。
液晶ディスプレイの技術開発では、高精細化、高開口率化、軽量化、及び低コスト化などを目指している。これらの性能を実現するために、電界効果トランジスタの一種である多結晶シリコン薄膜トランジスタ(poly-SiTFT)を用いた技術が注目されている。Poly-SiTFTは、a-SiTFTに比べて、移動度が2桁以上高いため、素子サイズを小さくすることができ、また集積回路を形成することもできることから、ディスプレイに駆動回路や演算回路も搭載することが可能である。
As a display method of the current liquid crystal display, there is an active matrix method in which individual pixels are switched. In the pixel switch, an amorphous silicon thin film transistor (a-Si TFT) which is a kind of field effect transistor is mainly used.
In the technological development of liquid crystal displays, it aims at high definition, high aperture ratio, light weight and low cost. In order to realize these performances, a technique using a polycrystalline silicon thin film transistor (poly-Si TFT) which is a kind of field effect transistor has attracted attention. Poly-SiTFT has a mobility that is two orders of magnitude higher than a-SiTFT, so the device size can be reduced and an integrated circuit can be formed. Is possible.

以下に従来技術によるエキシマレーザ結晶化法による多結晶半導体薄膜トランジスタの製造法を説明する。
図5(a)に示すように、ガラス基板101の上に下地保護膜(例えばSiO2膜、SiN膜、およびSiN/SiO2積層膜など)102および非晶質シリコン薄膜103を堆積する。次に図5(b)に示すように、光学系により四角形状もしくは長尺状にビーム整形されたエキシマレーザ(XeClやKrFなど)104で、非晶質シリコン薄膜の表面を照射すると、非晶質シリコン薄膜103は、エキシマレーザ104の照射加熱により、50-100nsの極短時間における溶融凝固の過程を経て、非晶質構造から多結晶構造に変換される。非晶質シリコン膜103の表面全体をエキシマレーザ104で105矢方向に走査加熱すると、図5(c)に示すような多結晶シリコン薄膜106が形成される。以上のプロセスはエキシマレーザ結晶化技術と呼ばれている。ガラスなどの低融点材料の基板上に高品質な多結晶シリコン薄膜を製造する際に用いられる。これらに関しては、例えば「日経マイクロデバイス別冊フラットパネル・ディスプレイ1999(日経BP社、1998年、pp.132-139)」に詳しい。
A method for manufacturing a polycrystalline semiconductor thin film transistor by an excimer laser crystallization method according to the prior art will be described below.
As shown in FIG. 5 (a), a base protective film (for example, a SiO 2 film, a SiN film, a SiN / SiO 2 laminated film, etc.) 102 and an amorphous silicon thin film 103 are deposited on a glass substrate 101. Next, as shown in FIG. 5 (b), when the surface of the amorphous silicon thin film is irradiated with an excimer laser (XeCl, KrF, etc.) 104 that has been shaped into a square shape or a long shape by an optical system, The amorphous silicon thin film 103 is converted from an amorphous structure to a polycrystalline structure through a melting and solidifying process in an extremely short time of 50 to 100 ns by irradiation and heating of the excimer laser 104. When the entire surface of the amorphous silicon film 103 is scanned and heated by the excimer laser 104 in the direction of the arrow 105, a polycrystalline silicon thin film 106 as shown in FIG. 5 (c) is formed. The above process is called an excimer laser crystallization technique. It is used when manufacturing a high-quality polycrystalline silicon thin film on a substrate of a low melting point material such as glass. These are detailed in, for example, “Nikkei Microdevices separate volume flat panel display 1999 (Nikkei BP, 1998, pp. 132-139)”.

図5(c)の多結晶シリコン薄膜106を用いてトランジスタを形成したのが図5(d)である。多結晶シリコン薄膜106の上部には、成膜によりSiO2膜などのゲート絶縁膜107が設けられている。さらにソース不純物注入領域109、ドレイン不純物注入領域108が設けられている。ソース、ドレイン領域、およびゲート絶縁膜上にゲート電極110を設け、保護膜111を成膜し、ソース電極112、ドレイン電極113を形成する。以上により、ゲート電極の電圧によって、ソースとドレイン間の電流を制御できるTFTが完成する。   FIG. 5 (d) shows a transistor formed using the polycrystalline silicon thin film 106 of FIG. 5 (c). A gate insulating film 107 such as a SiO2 film is formed on the polycrystalline silicon thin film 106 by film formation. Further, a source impurity implantation region 109 and a drain impurity implantation region 108 are provided. A gate electrode 110 is provided over the source and drain regions and the gate insulating film, a protective film 111 is formed, and a source electrode 112 and a drain electrode 113 are formed. Thus, a TFT capable of controlling the current between the source and the drain by the voltage of the gate electrode is completed.

一般に、画素部に用いられるTFTは、アクティブマトリックス制御において電荷を保持することが目的で、極端な高移動度は要求されず、むしろ低オフ電流が要求される。
オフ電流を低減するには、ドレイン端の電界強度を緩和するために開口率を低下させない程度にTFTのチャネル長を長くするなどの必要がある。
一方、駆動回路や演算回路に用いられるTFTは、高速動作のために高移動度が求められ、オフ電流はあまり問題にならない。
このため、特にチャネル長の微細化が高速化に有効なことからTFTのサイズを小さくする必要がある。
このように、画素部に用いられるTFTと、駆動回路や演算回路に用いられるTFTでは、要求される特性やサイズが異なる。
これらのTFTは、同一基板内にすべて同時に形成されなくては内蔵化の経済効果が薄れる。
In general, a TFT used in a pixel portion is intended to hold charges in active matrix control, and does not require extremely high mobility, but rather requires low off-state current.
In order to reduce the off-state current, it is necessary to increase the TFT channel length to such an extent that the aperture ratio is not lowered in order to reduce the electric field strength at the drain end.
On the other hand, TFTs used for driver circuits and arithmetic circuits are required to have high mobility for high-speed operation, and off-state current is not a problem.
For this reason, it is necessary to reduce the size of the TFT because miniaturization of the channel length is particularly effective for speeding up.
Thus, required characteristics and sizes are different between the TFT used in the pixel portion and the TFT used in the drive circuit and the arithmetic circuit.
If these TFTs are not formed on the same substrate all at the same time, the economic effect of integration will be reduced.

ところが、従来技術による結晶化法では、一定の結晶性を持ったpoly-Si薄膜しか形成できず、同一基板内に異なるサイズのTFTを作ると以下のような問題が生じる。
サイズの大きなTFTは、TFTのチャネル領域での結晶粒界が多くなるため、特性のバラツキは小だが性能が低い。
サイズの小さなTFTは、TFTのチャネル領域での結晶粒界が少なくなるため、性能は高いが特性のバラツキは大きい。
However, in the conventional crystallization method, only a poly-Si thin film having a certain crystallinity can be formed. When TFTs having different sizes are formed on the same substrate, the following problems occur.
A large-size TFT has a small variation in characteristics but low performance due to an increase in crystal grain boundaries in the TFT channel region.
A small-size TFT has high performance but large variations in characteristics because it has fewer crystal grain boundaries in the TFT channel region.

そこで本発明は、2種以上の平均結晶粒径を有する半導体層を直接または間接的に同一基板上に形成することができ、またその結果、サイズの異なるTFTに対してTFTの活性層となるチャネル領域での電流方向を横切る平均結晶粒界数Naが一定となるように結晶粒径が制御された半導体装置を提案することを目的になされたものである。   Therefore, in the present invention, a semiconductor layer having two or more kinds of average crystal grain sizes can be formed directly or indirectly on the same substrate, and as a result, it becomes a TFT active layer for TFTs having different sizes. The object of the present invention is to propose a semiconductor device in which the crystal grain size is controlled so that the average number of grain boundaries Na across the current direction in the channel region is constant.

かかる目的を達成するために、本発明は以下のように構成した。   In order to achieve this object, the present invention is configured as follows.

すなわち、請求項1に係る発明は、直接または間接的に同一基板上に設けられた横方向に成長させた小粒径結晶領域と大粒径結晶領域が設けられた半導体層と、
前記横方向に成長させた小粒径結晶をチャネル領域とするTFTと、
前記横方向に成長させた大粒径結晶をチャネル領域とするTFTと、
を具備し、
前記横方向に成長させた小粒径結晶のチャネル領域と前記横方向に成長させた大粒径結晶のチャネル領域での、電流方向を横切る結晶粒界数の平均値が同一であることを特徴とする
That is, the invention according to claim 1 is a semiconductor layer provided with a small grain crystal region and a large grain crystal region grown in a lateral direction directly or indirectly provided on the same substrate,
A TFT having a small grain crystal grown in the lateral direction as a channel region;
A TFT having a large grain crystal grown in the lateral direction as a channel region;
Comprising
The average value of the number of grain boundaries across the current direction is the same in the channel region of the small grain crystal grown in the lateral direction and the channel region of the large grain crystal grown in the lateral direction. to.

本発明によれば、同一基板にサイズの違うTFTを製造する場合、サイズの小さなTFTの小粒径結晶のチャネル領域と、サイズの大きなTFT大粒径結晶のチャネル領域での、両領域における電流方向を横切る結晶粒界数の平均値が同一であるから、サイズの大きなTFTとサイズの小さなTFTの間で特性のバラツキが少なく、性能の高い半導体装置が得られる According to the present invention, when TFTs of different sizes are manufactured on the same substrate, the current in both regions in the channel region of the small grain crystal of the small TFT and the channel region of the large crystal grain of the large TFT. Since the average number of crystal grain boundaries across the direction is the same, there is little variation in characteristics between a large size TFT and a small size TFT, and a high performance semiconductor device can be obtained .

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1に、本発明に使用するレーザ結晶化装置の概略図を示す。
レーザ結晶化装置は、レーザ光源1の光軸aの始端にアッテネータ(減衰器)2とビームプロファイル変調部3を配置し、ミラー4を経由して終端に半導体基板5を設置する。
また、半導体基板5にビームプロファイル測定部6を並設し、半導体基板5とビームプロファイル測定部6を移動ステージ7に固定する。
また、制御用のパソコン8を設置して入力側にビームプロファイル測定部6を接続し、出力側にアッテネータ2、ビームプロファイル変調部3、移動ステージ7の制御系をそれぞれ接続する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic diagram of a laser crystallization apparatus used in the present invention.
In the laser crystallization apparatus, an attenuator (attenuator) 2 and a beam profile modulation unit 3 are disposed at the start end of the optical axis a of the laser light source 1, and a semiconductor substrate 5 is disposed at the end via a mirror 4.
In addition, the beam profile measuring unit 6 is arranged in parallel on the semiconductor substrate 5, and the semiconductor substrate 5 and the beam profile measuring unit 6 are fixed to the moving stage 7.
Further, a control personal computer 8 is installed, the beam profile measuring unit 6 is connected to the input side, and the control system of the attenuator 2, the beam profile modulating unit 3, and the moving stage 7 is connected to the output side.

アッテネータ2は、誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザ光の強度(振幅)を光学的に変調するもので、図示しないセンサ、モータ、制御系を備える。   The attenuator 2 optically modulates the intensity (amplitude) of laser light by adjusting the angle of the dielectric multilayer coating filter, and includes a sensor, a motor, and a control system (not shown).

ビームプロファイル変調部3は、レーザ光の空間的な強度分布を変調するもので、位相シフトマスク31と結像光学系32で構成する。
位相シフトマスク31は、マスクパターンを通過する光の位相を交互に0、πとずらすことにより、位相シフト部において光強度が極小となる逆ピークパターンを発生し、この逆ピークパターンにより半導体基板5上において一番最初に凝固する領域(結晶核)を位置制御し、そこから周囲に結晶を横方向に成長させる(ラテラル成長)ことにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。
このとき、位相シフトマスクの形状や半導体基板5との距離、レーザ光の角度分布などにより、所望のビームプロファイルを設定する。
位相シフトマスク31は、また、マスクパターンの交換や光軸方向の位置合わせのための図示しないセンサ、アクチュエータ、制御系を備える。
The beam profile modulation unit 3 modulates the spatial intensity distribution of the laser light, and includes a phase shift mask 31 and an imaging optical system 32.
The phase shift mask 31 generates a reverse peak pattern in which the light intensity is minimized in the phase shift portion by alternately shifting the phase of light passing through the mask pattern to 0 and π, and the semiconductor substrate 5 is generated by this reverse peak pattern. By controlling the position of the first solidified region (crystal nucleus) above, the crystal is laterally grown from there (lateral growth), thereby providing a crystal grain having a large grain size at a designated position.
At this time, a desired beam profile is set according to the shape of the phase shift mask, the distance from the semiconductor substrate 5, the angular distribution of the laser light, and the like.
The phase shift mask 31 also includes sensors, actuators, and a control system (not shown) for exchanging mask patterns and aligning in the optical axis direction.

結像光学系32は、レンズなどの光学部品で構成し、結像光学系32の焦点位置からデフォーカスした位置に半導体基板5を保持してレーザ光を照射する。
このときのマスクパターンとデフォーカス量により逆ピークパターンの形状と幅を制御する。
逆ピークパターンの幅は、デフォーカス量の1/2乗に比例して拡大する。
The imaging optical system 32 is composed of an optical component such as a lens, and irradiates the laser beam while holding the semiconductor substrate 5 at a position defocused from the focal position of the imaging optical system 32.
The shape and width of the reverse peak pattern are controlled by the mask pattern and the defocus amount at this time.
The width of the reverse peak pattern increases in proportion to the defocus amount to the half power.

ビームプロファイル測定部6は、紫外光のエキシマレーザを蛍光板61で受光して可視光に変換し、ミラー62に反射した可視光をCCD63で受光してレーザ光の強度とビームプロファイルを同時に測定する。
レーザ光の強度は、半導体パワーメータなどを用いて別々に測定してもよい。
また、紫外光のエキシマレーザを直接CCD63に受光してもよい。
The beam profile measuring unit 6 receives an ultraviolet excimer laser with a fluorescent plate 61 and converts it into visible light, receives the visible light reflected by the mirror 62 with a CCD 63, and simultaneously measures the intensity and beam profile of the laser light.
The intensity of the laser beam may be measured separately using a semiconductor power meter or the like.
Further, an ultraviolet excimer laser may be directly received by the CCD 63.

蛍光板61は、半導体基板5と同一平面上あるいは平行平面上に設置する。
蛍光板61を段差のある平行平面上に設置する場合は、移動ステージ7を上下して蛍光板61を半導体基板5と同じ高さに位置付けて測定する。
これにより、基板面におけるレーザ光のビームプロファイルを実際の照射時と同一条件で測定できるようにする。
The fluorescent plate 61 is installed on the same plane as the semiconductor substrate 5 or on a parallel plane.
When the fluorescent plate 61 is installed on a parallel plane having a step, the movable stage 7 is moved up and down to position the fluorescent plate 61 at the same height as the semiconductor substrate 5 and perform measurement.
Thereby, the beam profile of the laser beam on the substrate surface can be measured under the same conditions as in actual irradiation.

CCD63で受光した画像は、パソコン8に入力して任意の走査線でスライスし、画像信号の強度分布からレーザ光の強度とビームプロファイルを測定する。
そして、測定した強度とあらかじめ設定した目標の強度を比較して操作量を計算し、アッテネータ2に操作信号を出力して測定した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ2の角度を調節する。
また、測定したビームプロファイルとあらかじめ設定した目標のビームプロファイルを比較して操作量を計算し、ビームプロファイル変調部3と移動ステージ7に操作信号を出力して測定したビームプロファイルが目標のビームプロファイルになるようにフィードバックしながら位相シフトマスク31の位置と移動ステージ7の高さを調節する。
The image received by the CCD 63 is input to the personal computer 8 and sliced by an arbitrary scanning line, and the intensity of the laser beam and the beam profile are measured from the intensity distribution of the image signal.
Then, the manipulated variable is calculated by comparing the measured intensity with a preset target intensity, and the angle of the attenuator 2 is adjusted while feeding back the measured intensity to the target intensity by outputting an operation signal to the attenuator 2. Adjust.
Further, an operation amount is calculated by comparing the measured beam profile with a preset target beam profile, and an operation signal is output to the beam profile modulation unit 3 and the moving stage 7 so that the measured beam profile becomes the target beam profile. The position of the phase shift mask 31 and the height of the moving stage 7 are adjusted while feedback is performed.

移動ステージ7は、前後、左右、上下の3次元方向に移動が可能で、面内方向や光軸方向の位置合わせのための図示しないセンサ、アクチュエータ、制御系を備える。   The moving stage 7 can move in the front and rear, left and right, and up and down three-dimensional directions, and includes a sensor, an actuator, and a control system (not shown) for alignment in the in-plane direction and the optical axis direction.

本発明に使用するレーザ結晶化装置は以上のような構成で、レーザ結晶化工程は、最初に移動ステージ7を面内方向に移動してレーザ光源1の光軸aの先端をビームプロファイル測定部6の蛍光板61に位置付け、レーザ光を照射してその強度とビームプロファイルを測定する。
次に、測定した強度とビームプロファイルがあらかじめ設定した目標と一致するようにアッテネータ2の角度、位相シフトマスク31の位置、移動ステージ7の高さをそれぞれ位置合わせする。
次に、移動ステージ7を面内方向に移動して今度は光軸aの先端を半導体基板5の所定の結晶領域に位置付け、あらかじめ設定した強度とビームプロファイルのレーザ光を照射する。
以上の測定、位置合わせ、照射を繰り返して同一基板内にTFTのサイズは異なるがチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Naが一定の結晶領域を同時に作り分ける。
測定、位置合わせ、照射はこのように交互に行うのではなく、最初にすべての測定を行って位置合わせに必要な操作量を求め、次に結晶領域毎に位置合わせと照射を平行して行うようにしてもよい。
The laser crystallization apparatus used in the present invention is configured as described above. In the laser crystallization process, first, the moving stage 7 is moved in the in-plane direction, and the tip of the optical axis a of the laser light source 1 is set as a beam profile measuring unit. 6 is positioned on the fluorescent plate 61 and irradiated with laser light to measure its intensity and beam profile.
Next, the angle of the attenuator 2, the position of the phase shift mask 31, and the height of the moving stage 7 are aligned so that the measured intensity and the beam profile match a preset target.
Next, the moving stage 7 is moved in the in-plane direction, this time the tip of the optical axis a is positioned in a predetermined crystal region of the semiconductor substrate 5, and laser light having a preset intensity and beam profile is irradiated.
By repeating the above measurement, alignment and irradiation, crystal regions having different TFT sizes in the same substrate but having a constant average value Na of crystal grain boundaries across the current direction in the channel region are formed simultaneously.
Measurement, alignment, and irradiation are not performed alternately in this way. First, all measurements are performed to determine the amount of operation necessary for alignment, and then alignment and irradiation are performed in parallel for each crystal region. You may do it.

本発明の実施例として、サイズは異なるが同一特性のTFT−A(小サイズTFT)およびTFT−B(大サイズTFT)の作成例を以下に示す。
まず基板の準備として、図3(a)に示すように、絶縁体基板301(例えばコーニング1737ガラス、溶融石英、サファイア、プラスチック、ポリイミドなど)の表面に第一薄膜302(例えばテトラエチルオルソシリケート(TEOS)とO2のプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚300nmのSiO2膜、もしくはSiN/SiO2積層膜、アルミナ、マイカなど)、第一薄膜302の表面に、第二薄膜の非晶質半導体薄膜303(例えばプラズマ化学気相成長法によって膜厚100nmの非晶質Si、非晶質SiGeなど)を成膜する。その上にSiO2を成膜ゲート絶縁膜として、テトラエチルオルソシリケート(TEOS)とO2のプラズマ化学気相成長による(例えば膜厚100nm)のSiO2膜305を成膜する。次に薄膜の脱水素処理を行う(例えば窒素雰囲気で600℃、1時間の加熱処理)。
As an example of the present invention, an example of creating TFT-A (small size TFT) and TFT-B (large size TFT) having the same characteristics but different sizes is shown below.
First, as shown in FIG. 3A, as a substrate preparation, a first thin film 302 (eg, tetraethylorthosilicate (TEOS) is formed on the surface of an insulator substrate 301 (eg, Corning 1737 glass, fused silica, sapphire, plastic, polyimide, etc.). ) And O2 plasma chemical vapor deposition 300 nm thick SiO2 film, SiN / SiO2 laminated film, alumina, mica, etc.), second thin film amorphous semiconductor on the surface of the first thin film 302 A thin film 303 (for example, amorphous Si or amorphous SiGe having a thickness of 100 nm is formed by plasma chemical vapor deposition). A SiO2 film 305 is formed by plasma chemical vapor deposition (for example, 100 nm thickness) of tetraethylorthosilicate (TEOS) and O2 using SiO2 as a gate insulating film. Next, dehydrogenation of the thin film is performed (for example, heat treatment at 600 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere).

次に、図1のレーザ結晶化装置を用いてレーザ結晶化を行う。レーザ光源1は、例えばKrFエキシマレーザなどのパルス発振の高エネルギーレーザを用いる。
レーザ光源1から発したレーザ光は、パワーおよびビームプロファイルを変調可能なアッテネータ2とビームプロファイル変調部3を透過する。その結果、パワーとビームプロファイルが変調される。その後、ミラー4などの光学素子を経て移動ステージ7へ到達する。移動ステージ7には、半導体基板5が配置されている。レーザ結晶化は、変調されたレーザ光を半導体基板5に照射することで行う。移動ステージ7にはビームプロファイルを測定可能でパワーメータとしても使用可能な、ビームプロファイル測定部6を設置している。この装置は測定用のパソコン8と連動し、好適なビームプロファイルを持つように移動ステージ7高さz、パワーおよびビームプロファイルを変調可能な光学系のパラメータ(例えばアッテネータ2の角度と位相シフトマスク31の位置など)を設定する。
図2(a)のビームプロファイルAは小粒径結晶領域、図2(b)のビームプロファイルBは、大結晶粒径結晶領域の形成可能なビームプロファイルである。このビームプロファイルは、前述の測定用のパソコン8と連動したシステムで条件設定を行う。
ビームプロファイルAまたはビームプロファイルBによって結晶化した結果、所望の結晶粒径のpoly-Siが形成される。例えばビームプロファイルAでレーザ結晶化を行った場合、図2(a)のような、選択された領域に小結晶粒径領域r1が形成される。また、ビームプロファイルBにおいてレーザ結晶化を行った場合、図2(b)のような、選択された領域に大結晶径粒領域r2が形成され、ビームプロファイルに依存した結晶領域のつくり分けが出来る。
Next, laser crystallization is performed using the laser crystallization apparatus of FIG. The laser light source 1 uses a pulsed high energy laser such as a KrF excimer laser.
The laser light emitted from the laser light source 1 passes through the attenuator 2 and the beam profile modulation unit 3 that can modulate the power and the beam profile. As a result, the power and beam profile are modulated. Thereafter, it reaches the moving stage 7 through an optical element such as the mirror 4. A semiconductor substrate 5 is disposed on the moving stage 7. Laser crystallization is performed by irradiating the semiconductor substrate 5 with modulated laser light. The moving stage 7 is provided with a beam profile measuring unit 6 that can measure a beam profile and can also be used as a power meter. This apparatus works in conjunction with a personal computer 8 for measurement, and parameters of the optical system (for example, the angle of the attenuator 2 and the phase shift mask 31) that can modulate the moving stage 7 height z, power, and beam profile so as to have a suitable beam profile. For example).
The beam profile A in FIG. 2 (a) is a small-grain crystal region, and the beam profile B in FIG. 2 (b) is a beam profile in which a large crystal grain crystal region can be formed. The beam profile is set by a system linked to the above-described measurement personal computer 8.
As a result of crystallization using the beam profile A or the beam profile B, poly-Si having a desired crystal grain size is formed. For example, when laser crystallization is performed with the beam profile A, a small crystal grain size region r1 is formed in a selected region as shown in FIG. Further, when laser crystallization is performed in the beam profile B, a large crystal grain region r2 is formed in a selected region as shown in FIG. 2 (b), and the crystal region can be divided depending on the beam profile. .

TFTのチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Naの評価は、以下のように行う。TFTの活性層のエッジが分かるように、図4で示すようにレーザマーカbなどでマーキングを四ヶ所に行う。そのあと図3(b)で示されている、ソース電極312、ドレイン電極313、ゲート電極309、層間絶縁膜314を塩酸やフッ酸などで除去し、TFTの活性層であるpoly-Si層306を露出させる。このあと、seccoエッチング液などで30秒ほどウエットエッチングを行い、結晶粒界を際立たせる。乾燥させたのち、走査型電子顕微鏡による像観察を行う。なお、像観察装置としては、表面粗さ計や原子間力顕微鏡などを用いてもよい。   Evaluation of the average value Na of the number of crystal grain boundaries crossing the current direction in the channel region of the TFT is performed as follows. As shown in FIG. 4, marking is performed at four locations with a laser marker b or the like so that the edge of the TFT active layer can be seen. After that, the source electrode 312, the drain electrode 313, the gate electrode 309, and the interlayer insulating film 314 shown in FIG. To expose. Thereafter, wet etching is performed for about 30 seconds with a secco etching solution or the like to make crystal grain boundaries stand out. After drying, image observation with a scanning electron microscope is performed. As the image observation apparatus, a surface roughness meter, an atomic force microscope, or the like may be used.

チャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数のカウントは、ソース部分の2箇所のマーキングおよびドレイン部分の2箇所のマーキングを例えばそれぞれ10等分し、おのおのが平行となる直線を決定する。その直線と粒界がクロスする数を平均化して計算する。
ビームプロファイルによって粒径が制御されることから、小粒径結晶領域には大粒径結晶領域よりも密に結晶粒界が存在する。
The number of crystal grain boundaries that cross the current direction in the channel region is determined by dividing the two markings in the source portion and the two markings in the drain portion, for example, into 10 equal parts, and the straight lines are parallel to each other. The number of crossings between the straight line and the grain boundary is averaged and calculated.
Since the grain size is controlled by the beam profile, there are crystal grain boundaries in the small grain crystal region more densely than in the large grain crystal region.

TFT-Aのゲート長Laは2μm、TFT-Bのゲート長Lbは4μmとし、幅Wはいずれも2μmとした。
図2に示すように、同一の性能を達成することが出来るTFT特性を得るためのビームプロファイルAとビームプロファイルBをあらかじめ計測した。図6に示すように、この場合はステージ高さZと1μm当たりの結晶粒界数との関係データを基に、所望のプロファイルをZ値によって決定できた。
この場合では、位相シフトマスクの高さd=0μm一定で
TFT-Aに必要なプロファイルは、Z=30μmでレーザ強度を500mJ/cm2、
TFT-Bに必要なプロファイルは、Z=20μmでレーザ強度を700mJ/cm2、
であることが計測された。
この条件で、結晶化を基板上の複数の領域に行った。
The gate length La of TFT-A was 2 μm, the gate length Lb of TFT-B was 4 μm, and the width W was 2 μm.
As shown in FIG. 2, a beam profile A and a beam profile B for obtaining a TFT characteristic capable of achieving the same performance were measured in advance. As shown in FIG. 6, in this case, a desired profile could be determined by the Z value based on the relational data between the stage height Z and the number of grain boundaries per 1 μm.
In this case, the phase shift mask height d = 0μm is constant.
The profile required for TFT-A is Z = 30μm, laser intensity is 500mJ / cm2,
The profile required for TFT-B is Z = 20μm and the laser intensity is 700mJ / cm2,
It was measured that.
Under these conditions, crystallization was performed on a plurality of regions on the substrate.

作製した結晶は、図2(a)(b)に示すようなビームプロファイルによって、結晶化した。
これらの方法で作製された結晶領域は、それぞれTFT−A、TFT−Bのあったサイズでパターニングを行い、以下のプロセスを行う。図3(b)に示すようにゲート絶縁膜の上にゲート電極309(例えば高濃度リンドープポリシリコン、W、TiW、WSi2、MoSi2)を設ける。ゲート電極309をマスクにして、イオン注入を行って、ソース領域311、ドレイン領域310を形成する。例えばイオン注入は、N型TFTであれば、P+を1015cm-2オーダで注入し、P型TFTでは、BF2+を1015 cm-2オーダで注入する。その後、電気炉内で窒素をキャリアガスとして、500℃から600℃で約1時間のアニールを行い不純物の活性化を行う。また、ラピッドサーマルアニーリング(RTA)で700℃、1分加熱してもよい。最後に、層間絶縁膜314を成膜し、コンタクト穴を形成し、ソース電極312、ドレイン電極313を形成する。ソース電極312、ドレイン電極313の材料は例えばAl、W、Al/TiNを用いる。
The produced crystal was crystallized by a beam profile as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b).
The crystal regions manufactured by these methods are patterned with the sizes of TFT-A and TFT-B, respectively, and the following processes are performed. As shown in FIG. 3B, a gate electrode 309 (for example, high-concentration phosphorus-doped polysilicon, W, TiW, WSi2, or MoSi2) is provided on the gate insulating film. Using the gate electrode 309 as a mask, ion implantation is performed to form a source region 311 and a drain region 310. For example, in the case of N-type TFT, ion implantation is performed by injecting P + in the order of 1015 cm −2, and in the P-type TFT, BF 2+ is injected in the order of 1015 cm −2. Thereafter, annealing is performed at 500 to 600 ° C. for about 1 hour using nitrogen as a carrier gas in an electric furnace to activate the impurities. Moreover, you may heat at 700 degreeC for 1 minute by rapid thermal annealing (RTA). Finally, an interlayer insulating film 314 is formed, contact holes are formed, and a source electrode 312 and a drain electrode 313 are formed. As the material of the source electrode 312 and the drain electrode 313, for example, Al, W, or Al / TiN is used.

TFTの評価は、350mm×400mm基板において、2本の対角線を引いてクロスした中央位置、中央位置と基板四隅との中点の合計5点において行った。
領域内にはTFTの幅Wが2μm一定で、長さLa=2μmのTFT-A、Lb=4μmのTFT-Bが一定のパターンで形成されている。5点それぞれの位置において、TFT特性を測定したところ、TFT-A、TFT-Bともに同一の特性が得られた。さらに、チャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Naとゲート長Lの比Na/Lを調査するために、特性を測定したTFTについて、poly-Si層を明確にするように位置のマーキングと上層部の除去を行い、50um×50umの範囲内を走査型電子顕微鏡によって評価した。その結果、複数計測したTFT-A、TFT-Bそれぞれにおけるチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Naとゲート長Lの比Na/Lは、いずれも±5%以内の度数分布となっていた。
本発明で作製した複数のTFTの特性測定を行った結果、TFT−AおよびTFT−Bは、トランジスタサイズが異なるにもかかわらず、同一の性能(電子移動度:250cm2/V・s)を得ることが出来た。
The evaluation of TFT was performed on a 350 mm × 400 mm substrate at a total of five points including a central position where two diagonal lines were drawn and crossed, and a midpoint between the central position and the four corners of the substrate.
In the region, the TFT width W is 2 μm constant, the length La = 2 μm TFT-A, and the Lb = 4 μm TFT-B are formed in a constant pattern. When the TFT characteristics were measured at each of the five points, the same characteristics were obtained for both TFT-A and TFT-B. Furthermore, in order to investigate the ratio Na / L of the average number Na of crystal grain boundaries and the gate length L across the current direction in the channel region, the poly-Si layer should be clarified for the TFT whose characteristics were measured. The marking of the position and the removal of the upper layer portion were performed, and the range of 50 μm × 50 μm was evaluated by a scanning electron microscope. As a result, the ratio Na / L of the grain boundary average Na and the gate length L across the current direction in the channel region in each of the TFT-A and TFT-B measured multiple times is a frequency within ± 5%. It was a distribution.
As a result of measuring the characteristics of a plurality of TFTs manufactured according to the present invention, TFT-A and TFT-B have the same performance (electron mobility: 250 cm 2 / V · s) even though the transistor sizes are different. I was able to.

さらに、ビームプロファイル計測において、前述の条件
TFT-Aに必要なプロファイルは、Z=30μmでレーザ強度を500mJ/cm2、
TFT-Bに必要なプロファイルは、Z=20μmでレーザ強度を700mJ/cm2、
に加えて、位相シフトマスクの高さdを調整し、最適なdを検出したところ、
TFT-Aではd=5μm
TFT-Bではd=1μm
が好適であった。
この条件で前述のTFTを作製し、複数計測したTFT-A、TFT-Bそれぞれにおけるチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Naとゲート長Lの比Na/Lは、いずれも±2%以内の度数分布となっていた。
作製した複数のTFTの特性測定を行った結果、TFT−AおよびTFT−Bは、トランジスタサイズが異なるにもかかわらず、同一の性能(電子移動度:250cm2/V・s)を得ることが出来た。
Furthermore, in the beam profile measurement, the above-mentioned conditions
The profile required for TFT-A is Z = 30μm, laser intensity is 500mJ / cm2,
The profile required for TFT-B is Z = 20μm and the laser intensity is 700mJ / cm2,
In addition to adjusting the height d of the phase shift mask and detecting the optimum d,
For TFT-A, d = 5μm
For TFT-B, d = 1μm
Was preferred.
Under the above conditions, the TFT described above was fabricated, and the ratio Na / L of the average number Na of grain boundaries and the gate length L crossing the current direction in the channel region in each of the TFT-A and TFT-B measured multiple times The frequency distribution was within ± 2%.
As a result of measuring the characteristics of the fabricated TFTs, TFT-A and TFT-B can obtain the same performance (electron mobility: 250 cm2 / V · s) even though the transistor sizes are different. It was.

本発明に使用するレーザ結晶化装置の概略図である。It is the schematic of the laser crystallization apparatus used for this invention. 本発明に使用する製造装置・方法を用いて作製した電子装置の模式図である。It is a schematic diagram of the electronic device produced using the manufacturing apparatus and method used for this invention. 本発明に使用する製造装置・方法を用いて作製した電子装置の工程断面図である。It is process sectional drawing of the electronic device produced using the manufacturing apparatus and method used for this invention. TFTの活性層に設けたレーザマーカの模式図である。It is a schematic diagram of the laser marker provided in the active layer of TFT. 従来の電子装置の工程断面図である。It is process sectional drawing of the conventional electronic device. ステージ高さZと1μm当たりの結晶粒界数との関係を示すグラフである。3 is a graph showing the relationship between stage height Z and the number of crystal grain boundaries per 1 μm.

1 レーザ光源
2 アッテネータ
3 光強度パターン調整部
31 位相シフトマスク
32 結像光学系
4 ミラー
5 半導体基板
6 光強度パターン測定部
61 蛍光板
62 ミラー
63 CCD
7 移動ステージ
8 パソコン
101 ガラス基板
102 下地保護膜
103 非晶質シリコン薄膜
104 エキシマレーザ
105 走査加熱方向を示す矢印
106 多結晶シリコン薄膜
107 ゲート絶縁膜
108 ドレイン不純物注入領域
109 ソース不純物注入領域
110 ゲート電極
111 保護膜
112 ソース電極
113 ドレイン電極
301 絶縁体基板
302 第一薄膜
303 第二薄膜
305 SiO2膜
306 poly-Si層
309 ゲート電極
310 ドレイン領域
311 ソース領域
312 ソース電極
1 Laser light source 2 Attenuator 3 Light intensity pattern adjustment unit
31 Phase shift mask
32 Imaging optics 4 Mirror 5 Semiconductor substrate 6 Light intensity pattern measurement unit
61 Fluorescent screen
62 Mirror
63 CCD
7 Moving stage 8 PC
101 glass substrate
102 Base protective film
103 Amorphous silicon thin film
104 excimer laser
105 Arrow indicating scanning heating direction
106 polycrystalline silicon thin film
107 Gate insulation film
108 Drain impurity implantation region
109 Source impurity implantation region
110 Gate electrode
111 Protective film
112 Source electrode
113 Drain electrode
301 Insulator substrate
302 First thin film
303 second thin film
305 SiO2 film
306 poly-Si layer
309 Gate electrode
310 Drain region
311 Source area
312 Source electrode

Claims (1)

直接または間接的に同一基板上に設けられた横方向に成長させた小粒径結晶領域と大粒径結晶領域が設けられた半導体層と、
前記横方向に成長させた小粒径結晶をチャネル領域とするTFTと、
前記横方向に成長させた大粒径結晶をチャネル領域とするTFTと、
を具備し、
前記横方向に成長させた小粒径結晶のチャネル領域と前記横方向に成長させた大粒径結晶のチャネル領域での、電流方向を横切る結晶粒界数の平均値が同一であることを特徴とする半導体装置
A laterally grown small grain crystal region and a semiconductor layer provided with a large grain crystal region provided directly or indirectly on the same substrate;
A TFT having a small grain crystal grown in the lateral direction as a channel region;
A TFT having a large grain crystal grown in the lateral direction as a channel region;
Comprising
The average value of the number of grain boundaries across the current direction is the same in the channel region of the small grain crystal grown in the lateral direction and the channel region of the large grain crystal grown in the lateral direction. A semiconductor device .
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