JP4602023B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Landscapes
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Description
本発明は結晶性の高い結晶性半導体膜、結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタ、並びに薄膜トランジスタを有する半導体装置、及びそれらを作製するための結晶化方法に関する。さらに本発明の結晶化方法を提供するためのレーザ照射装置に関する。 The present invention relates to a crystalline semiconductor film having high crystallinity, a thin film transistor having a crystalline semiconductor film, a semiconductor device having a thin film transistor, and a crystallization method for manufacturing them. Furthermore, it is related with the laser irradiation apparatus for providing the crystallization method of this invention.
最近、薄膜トランジスタを用いた高性能な半導体装置に関して研究が進められている。特に、高速性や高機能性が要求される半導体装置においては、高移動度を有する薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴとも表記する）を実現する必要がある。 Recently, research on high-performance semiconductor devices using thin film transistors has been advanced. In particular, in a semiconductor device that requires high speed and high functionality, it is necessary to realize a thin film transistor (hereinafter also referred to as TFT) having high mobility.
その半導体膜の結晶性を高める方法として、半導体膜にニッケル元素（Ｎｉ）を代表とする結晶性を促進させる金属元素を添加、成膜又は塗布しその後加熱処理を施し、結晶性半導体膜を形成する結晶化方法が行われている（例えば、特許文献１参照）。 As a method for increasing the crystallinity of the semiconductor film, a metal element typified by nickel element (Ni) is added to the semiconductor film, and the film is formed or applied, and then subjected to heat treatment to form a crystalline semiconductor film. A crystallization method is performed (see, for example, Patent Document 1).
このような結晶化の工程において、Ｎｉを代表とする結晶化を促進する金属元素を用いることで、大粒径の結晶性半導体膜が得られ、粒界と粒界とが繋がる確率が高く、粒内欠陥が少ない結晶性半導体膜が得られた。 In such a crystallization process, by using a metal element that promotes crystallization represented by Ni, a crystalline semiconductor film having a large grain size is obtained, and the probability that the grain boundary and the grain boundary are connected is high. A crystalline semiconductor film with few intragranular defects was obtained.
また、加熱処理とは異なる結晶化方法として、レーザ照射により結晶化を行う方法が研究されている。従来のレーザ照射による結晶化方法は、非晶質若しくは多結晶のシリコン層に紫外線ビームをパルス状にして照射し、シリコン単結晶粒子群からなるシリコン薄膜を形成しているものがある（例えば、特許文献２参照。）。このレーザ結晶化は、矩形状の紫外線ビームの照射完了から次のビーム照射までの間おける紫外線ビーム照射位置の移動量を４０μｍ以下とし、且つ、移動方向に沿って測った紫外線ビームの幅に対する該移動量の割合を０．１乃至５％としている。そして得られたシリコン単結晶粒子は、基体の表面に対する選択方位が略＜１００＞方位であることが開示されている。 Further, as a crystallization method different from the heat treatment, a method of performing crystallization by laser irradiation has been studied. There is a conventional crystallization method by laser irradiation in which an amorphous or polycrystalline silicon layer is irradiated with a pulsed ultraviolet beam to form a silicon thin film composed of silicon single crystal particles (for example, (See Patent Document 2). In this laser crystallization, the movement amount of the ultraviolet beam irradiation position from the completion of the irradiation of the rectangular ultraviolet beam to the next beam irradiation is set to 40 μm or less and the width of the ultraviolet beam measured along the moving direction is reduced. The rate of movement is set to 0.1 to 5%. The obtained silicon single crystal particles are disclosed to have a substantially <100> orientation with respect to the surface of the substrate.
また、偏光方向を持ったレーザ光により結晶化を行う場合、レーザ照射条件を最適化することにより、偏光方向と垂直な方向にいわゆるリッジが生じることが報告されている（非特許文献１参照）。非特許文献１では、リッジの間隔はレーザ光の波長と照射角度に依存し、ｐ波に偏光されたレーザ光においてλ／（１±ｓｉｎθ）で表すことができると記載されている。 In addition, when crystallization is performed with a laser beam having a polarization direction, it is reported that a so-called ridge is generated in a direction perpendicular to the polarization direction by optimizing the laser irradiation conditions (see Non-Patent Document 1). . Non-Patent Document 1 describes that the interval between ridges depends on the wavelength and irradiation angle of laser light and can be expressed by λ / (1 ± sin θ) in laser light polarized into p-waves.
特に、非特許文献１の図２（ａ）には、線状のパルスレーザを一回照射すると、リッジは線状に形成されることが開示されている。そして、図２（ｂ）には、一度目のレーザ照射方向と９０度をなすように２度目の線状のパルスレーザを照射すると、リッジは格子状に形成されることが開示されている。 In particular, FIG. 2A of Non-Patent Document 1 discloses that a ridge is formed in a linear shape when a linear pulse laser is irradiated once. FIG. 2B discloses that the ridge is formed in a lattice shape when the second linear pulse laser is irradiated so as to form 90 degrees with the first laser irradiation direction.
そして非特許文献１では、ガラス基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、基板温度を３５０°とし、超真空、且つ基板と同温度に保持された成膜室でＮｄ：ＹＡＧのパルスレーザを照射した実験が報告されている。
特許文献１による結晶化方法によると、約２００μｍ〜３００μｍもの大きさを有する柱状の結晶の集合（ドメインとも呼ぶ）が多数形成され、一つのドメインにおける結晶は同じ結晶配向を有する。また、隣りあうドメインとは、配向が異なっており、ドメイン間に境界を有する。この一つのドメイン内に収まるようにチャネル形成領域を配置してＴＦＴを形成すれば、高い電気特性が得られる。 According to the crystallization method according to Patent Document 1, a large number of columnar crystal aggregates (also referred to as domains) having a size of about 200 μm to 300 μm are formed, and crystals in one domain have the same crystal orientation. Moreover, the orientation is different from the adjacent domains, and there is a boundary between the domains. High electrical characteristics can be obtained by forming a TFT by arranging the channel formation region so as to be within this one domain.
しかし、ドメインはランダムに形成され、形成された一つドメインの内にＴＦＴのチャネル形成領域が配置されるように作製することは困難であった。そのため、画素部や駆動回路部に配置される全てのＴＦＴのチャネル形成領域をそれぞれ一つのドメイン内に形成することは困難となってしまう。 However, it is difficult to fabricate the domains so that the domains are formed at random, and the channel formation region of the TFT is arranged in one formed domain. Therefore, it becomes difficult to form the channel formation regions of all TFTs arranged in the pixel portion and the drive circuit portion in one domain.
その結果、このような結晶質半導体膜をＴＦＴの活性層（チャネル形成領域、不純物領域を含む島状半導体膜）に用いた場合、電気特性が高い長所を有する反面、隣りあうドメイン（異なる配向を有するドメイン）との境界の存在の有無、または、形成されるドメインのサイズの違いにより各々のＴＦＴ特性に若干の差、即ちバラツキが生じる恐れがある。 As a result, when such a crystalline semiconductor film is used for an active layer (channel formation region, island-shaped semiconductor film including an impurity region) of a TFT, it has an advantage of high electrical characteristics, but adjacent domains (with different orientations). There is a possibility that a slight difference, that is, variation, occurs in each TFT characteristic due to the presence or absence of a boundary with the domain having a domain) or a difference in the size of a domain to be formed.
画素部や駆動回路部に配置されるＴＦＴに電気特性のバラツキがあれば、各画素電極に印加する電圧や電流のバラツキが生じ、これが表示むらとなって観察者の目に映ることになる。 If the TFTs arranged in the pixel portion and the drive circuit portion have variations in electrical characteristics, variations in voltage and current applied to each pixel electrode occur, which becomes uneven display and is seen by the observer.
現在の時点では、このバラツキは許容範囲内であり、問題ない程度であるが、今後、画素サイズの微細化がさらに進み、より高精細な画像が求められた場合、このバラツキが非常に重大な問題になってくると考えられる。将来、さらにゲート配線幅の微小化するとともにチャネル形成領域のサイズ（チャネル幅）が微小化するため、ドメインとドメインとの境界をチャネル形成領域に有するＴＦＴが形成される恐れが生じ、そのＴＦＴ特性（移動度、Ｓ値、オン電流値、オフ電流値等）は境界のないチャネル形成領域を有するＴＦＴと比べて差が生じ、それが表示むらを招くと考えられる。 At present, this variation is within an acceptable range and is not a problem. However, if the pixel size is further miniaturized and higher definition images are required in the future, this variation will be very serious. It seems to be a problem. In the future, the gate wiring width will be further reduced and the size of the channel formation region (channel width) will be further reduced, so that a TFT having a domain-domain boundary in the channel formation region may be formed. (Mobility, S value, on-current value, off-current value, etc.) are different from those of a TFT having a channel formation region without a boundary, and this is considered to cause display unevenness.
また特許文献２による結晶化方法は、矩形状の紫外線ビームの照射完了から次のビーム照射までの間おける紫外線ビーム照射位置の移動量を４０μｍ以下とし、且つ、移動方向に沿って測った紫外線ビームの幅に対する該移動量の割合を０．１乃至５％としており、実施例１において、ある位置における非晶質のシリコン層は１００回、パルス状の紫外線レーザに曝されている。 In addition, the crystallization method according to Patent Document 2 uses an ultraviolet beam measured along the moving direction with the movement amount of the ultraviolet beam irradiation position from the completion of irradiation of the rectangular ultraviolet beam to the next beam irradiation being 40 μm or less. The ratio of the amount of movement to the width of 0.1 to 5% was set to 0.1 to 5%. In Example 1, the amorphous silicon layer at a certain position was exposed to the pulsed ultraviolet laser 100 times.
このような結晶化方法では、レーザを１００回といった多数回、シリコン層へ照射するため、処理時間がかかってしまう。 In such a crystallization method, since the silicon layer is irradiated many times such as 100 times, a processing time is required.
特に、Ｎｉとの金属を用いて配向性を制御して形成された結晶性半導体膜にレーザを多数回照射する場合、その配向性を維持することは不可能となる。つまり、特許文献１に示すように、金属元素を用いて配向性が制御された結晶性半導体膜を形成した後、特許文献２に示す条件のように、レーザを多数回照射させると、配向性が制御された結晶性半導体膜を維持することができない。 In particular, when a crystalline semiconductor film formed by controlling orientation using a metal with Ni is irradiated with a laser many times, it is impossible to maintain the orientation. That is, as shown in Patent Document 1, after forming a crystalline semiconductor film in which orientation is controlled using a metal element, the alignment is performed when laser is irradiated many times as in the condition shown in Patent Document 2. However, it is not possible to maintain a crystalline semiconductor film in which is controlled.
また非特許文献１に示すように、真空に保たれた成膜室において、基板温度を３５０後に保持した状態で、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを照射する条件で、二度目のレーザ照射を一度目のレーザ照射と９０度をなすように照射しないとリッジは格子状に形成されないと、レーザ処理に時間がかかってしまう。その結果、薄膜トランジスタ、半導体装置の作製に時間がかかり、量産には不向きである。 Further, as shown in Non-Patent Document 1, the second laser irradiation is performed for the first laser under the condition of irradiating the Nd: YAG laser with the substrate temperature held after 350 in the film forming chamber kept in vacuum. If the ridge is not formed in a lattice shape unless it is irradiated at 90 degrees to the irradiation, it takes time for the laser processing. As a result, it takes time to manufacture the thin film transistor and the semiconductor device, which is not suitable for mass production.
そこで本発明は、結晶化を促進する金属元素を用いた配向性を制御可能な結晶化方法であって、一度のレーザ照射により、結晶粒径の小さく、且つ等間隔で格子状に整列した結晶粒を有する結晶性半導体膜、及び結晶性半導体膜の作製方法を提供することを課題とする。さらに本発明は、該結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタ、該薄膜トランジスタを有する半導体装置、及びそれらの作製方法を提供することを課題とする。 Accordingly, the present invention is a crystallization method capable of controlling the orientation using a metal element that promotes crystallization, wherein the crystals are small in crystal grain size and arranged in a lattice at equal intervals by a single laser irradiation. It is an object to provide a crystalline semiconductor film having grains and a method for manufacturing the crystalline semiconductor film. Another object of the present invention is to provide a thin film transistor having the crystalline semiconductor film, a semiconductor device having the thin film transistor, and a method for manufacturing the semiconductor device.
上記課題を鑑み本発明は、非晶質半導体膜に結晶化を促進する金属元素（以下、単に金属元素とも表記する）を添加して結晶性半導体膜を形成し、結晶性半導体膜に偏光方向を制御したパルス発振型のレーザ（以下、パルスレーザと表記する）を照射することにより、結晶性半導体膜表面に格子状に整列したリッジを形成することを特徴とする。なおリッジとは、結晶粒がぶつかり合う点に形成される膜の不規則な隆起点、凸部であり、例えば図５のＳＥＭ写真に示すように結晶粒がぶつかる点に形成される。 In view of the above problems, the present invention forms a crystalline semiconductor film by adding a metal element that promotes crystallization (hereinafter also simply referred to as a metal element) to an amorphous semiconductor film, and the polarization direction of the crystalline semiconductor film By irradiating a pulse oscillation type laser (hereinafter referred to as a pulse laser) with controlled ridges, ridges aligned in a lattice shape are formed on the surface of the crystalline semiconductor film. The ridge is an irregular raised point or convex portion of a film formed at a point where crystal grains collide with each other, and is formed at a point where crystal grains collide, for example, as shown in the SEM photograph of FIG.
なおリッジは結晶粒界に形成されており、結晶性半導体膜表面にリッジが格子状に整列するとは、結晶性半導体膜の結晶粒が格子状に整列していることとなる。そしてリッジが格子状に整列するとは、特に薄膜トランジスタを形成する領域でリッジが概ね格子状に整列していればよく、結晶性半導体膜の全体に渡ってリッジが格子状に整列している必要はない。 Note that the ridge is formed at the crystal grain boundary, and the fact that the ridge is aligned in a lattice form on the surface of the crystalline semiconductor film means that the crystal grains of the crystalline semiconductor film are aligned in the lattice form. The ridges should be aligned in a lattice pattern, particularly in the region where the thin film transistor is formed, as long as the ridges are generally aligned in a lattice pattern. The ridges need to be aligned in a lattice pattern over the entire crystalline semiconductor film. Absent.
特に本発明は、リッジの間隔は結晶性半導体膜に照射するパルスレーザの発振波長と同程度の間隔で形成されることを特徴とする。そして、リッジの間隔をパルスレーザの波長で制御することを特徴とする。さらに、リッジの間隔は、結晶性半導体膜に照射するパルスレーザの入射角度θにより制御してもよい。 In particular, the present invention is characterized in that the interval between the ridges is formed at an interval approximately equal to the oscillation wavelength of the pulse laser that irradiates the crystalline semiconductor film. The ridge interval is controlled by the wavelength of the pulse laser. Further, the interval between the ridges may be controlled by the incident angle θ of the pulse laser that irradiates the crystalline semiconductor film.
加えて本発明は、一度のパルスレーザ照射により格子状に整列したリッジを形成することができる。なお、一度のパルスレーザ照射とは、被照射物となる結晶性半導体膜に対して、一度走査する場合を指し、結晶性半導体膜のレーザを照射されるある面（ある任意の照射面）では、複数ショットのパルスレーザが照射される。 In addition, the present invention can form ridges arranged in a lattice pattern by a single pulse laser irradiation. Note that one-time pulse laser irradiation refers to a case where the crystalline semiconductor film to be irradiated is scanned once, and on a certain surface (an arbitrary irradiation surface) irradiated with the laser of the crystalline semiconductor film. A plurality of shot pulse lasers are irradiated.
特に、本発明では、金属元素を添加して形成された結晶性半導体膜の配向性を維持する程度のエネルギーと、ショット数でパルスレーザを照射する。例えば、半導体膜の膜厚が５０ｎｍ前後の場合、パルス発振型のエキシマレーザを用いて、３５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ2で、２０〜４０ショットの条件で照射する。 In particular, in the present invention, the pulse laser is irradiated with energy and a shot number enough to maintain the orientation of a crystalline semiconductor film formed by adding a metal element. For example, when the film thickness of the semiconductor film is around 50 nm, irradiation is performed using a pulsed excimer laser at 350 to 450 mJ / cm 2 and 20 to 40 shots.
本発明において、パルスレーザは光学系を用いて線状に加工すると好ましい。なお「線状」とは、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比の大きい長方形（もしくは長楕円形）を意味する。例えば、アスペクト比が２以上（好ましくは１０〜１００００）のものを線状と呼ぶが、線状が矩形状に含まれることに変わりはない。その結果、大面積を照射することができ、量産性を高めることができる。 In the present invention, the pulse laser is preferably processed into a linear shape using an optical system. “Linear” does not mean “line” in a strict sense, but means a rectangle (or oval) having a large aspect ratio. For example, an aspect ratio of 2 or more (preferably 10 to 10000) is called a linear shape, but the linear shape is still included in a rectangular shape. As a result, a large area can be irradiated and mass productivity can be improved.
また本発明において、非晶質半導体膜に対して入射角度θを有するように、斜めにパルスレーザを入射してもよい。なお、入射角度は０＜θ＜９０°、好ましくは２０°≦θ≦４５°とする。例えば、θ＝３０°のとき、リッジ間隔の一方向（パルスレーザが斜めに入射される方向）はパルスレーザの波長の２倍となる。 In the present invention, the pulse laser may be incident obliquely so as to have an incident angle θ with respect to the amorphous semiconductor film. The incident angle is 0 <θ <90 °, preferably 20 ° ≦ θ ≦ 45 °. For example, when θ = 30 °, one direction of the ridge interval (the direction in which the pulse laser is incident obliquely) is twice the wavelength of the pulse laser.
そのため本発明のレーザ装置は少なくとも、パルスレーザ共振器と、パルスレーザの偏光方向を制御する手段と、被照射物となる非晶質半導体膜を固定するステージと、非晶質半導体膜とパルスレーザを相対的に移動させる移動手段とを有する。また好ましくは、パルスレーザを線状に加工する光学系を有する。更に好ましくは、非晶質半導体膜に対してパルスレーザが斜めに照射されるように制御する手段を有する。 Therefore, the laser device of the present invention includes at least a pulse laser resonator, means for controlling the polarization direction of the pulse laser, a stage for fixing an amorphous semiconductor film to be irradiated, an amorphous semiconductor film, and a pulse laser. Moving means for relatively moving the. Preferably, an optical system for processing the pulse laser into a linear shape is provided. More preferably, there is provided means for controlling the amorphous semiconductor film so that the pulse laser is irradiated obliquely.
なお、パルスレーザの偏光方向を制御する手段として、λ／２波長板や、ミラーを用いることができる。ステージとパルスレーザを相対的に移動させる移動手段として、Ｘ軸用の一軸ロボット及びＹ軸用の一軸ロボットを用いることができる。パルスレーザを線状に加工する光学系として、シリンドリカルレンズ、凹レンズ、又は凸レンズ等の光学系レンジを用いることができる。非晶質半導体膜に対してパルスレーザが斜めに照射されるように制御する手段として、θ軸用の一軸ロボットを用いることができる。 Note that a λ / 2 wavelength plate or a mirror can be used as means for controlling the polarization direction of the pulse laser. As the moving means for relatively moving the stage and the pulse laser, a uniaxial robot for the X axis and a uniaxial robot for the Y axis can be used. An optical system range such as a cylindrical lens, a concave lens, or a convex lens can be used as an optical system for processing the pulse laser into a linear shape. A uniaxial robot for the θ axis can be used as means for controlling the amorphous semiconductor film to be irradiated obliquely with a pulse laser.
なお本発明において、金属元素はＮｉ以外に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）などであり、これらから選ばれた一種又は複数種を用いることができうる。 In the present invention, in addition to Ni, the metal element is iron (Fe), cobalt (Co), palladium (Pd), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag) indium (In). , Tin (Sn), etc., and one or more selected from these can be used.
パルスレーザ共振器より射出されるパルスレーザとして、Arレーザ、Krレーザ、エキシマレーザ、YAGレーザ、Y2O3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、アレキサンドライドレーザ、Ti：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザの一種又は複数種を用いることができる。 Ar laser, Kr laser, excimer laser, YAG laser, Y 2 O 3 laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, glass laser, ruby laser, alexandride laser as pulse laser emitted from pulse laser resonator , Ti: one or more of sapphire laser, copper vapor laser, or gold vapor laser can be used.
例えば、発振波長５２７ｎｍのＹＬＦを用いると、結晶粒の大きさは概ね５２７ｎｍとなり、整列した結晶性半導体膜を得ることができる。また例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（発振波長：５３２ｎｍ）を用いると、結晶粒の大きさは概ね５３２ｎｍとなり、整列した結晶性半導体膜を得ることができる。 For example, when YLF having an oscillation wavelength of 527 nm is used, the size of crystal grains is approximately 527 nm, and an aligned crystalline semiconductor film can be obtained. For example, when the second harmonic (oscillation wavelength: 532 nm) of an Nd: YAG laser is used, the size of the crystal grains is approximately 532 nm, and an aligned crystalline semiconductor film can be obtained.
なお本発明において、レーザ共振器は、内部発振型共振器、及び外部発振型共振器のいずれかを用いることができる。 In the present invention, the laser resonator can be either an internal oscillation type resonator or an external oscillation type resonator.
本発明のように、結晶化を促進する金属元素を用いた結晶化を行う場合、該金属元素がＴＦＴの電気特性に悪影響を与えるとき、該金属元素を除去、又は低減させる必要がある。これをゲッタリングという。 When crystallization is performed using a metal element that promotes crystallization as in the present invention, when the metal element adversely affects the electrical characteristics of the TFT, it is necessary to remove or reduce the metal element. This is called gettering.
本発明において、レーザを照射すると、Ｎｉを代表とする金属元素はリッジへ偏析する。そのため、ゲッタリングを行う場合、効率よくゲッタリングシンクへ金属元素を捕獲することができる。特に、レーザ照射後、リッジが形成された結晶性半導体膜上に、希ガスを添加された半導体膜をゲッタリングシンクとして形成するゲッタリング方法を用いるとよい。つまり、結晶性半導体膜の先端となるリッジへＮｉを代表とする金属元素がすべて偏析しているため、リッジに最も近い位置へゲッタリングシンクを形成することで、ゲッタリング効率を高めることができる。これらゲッタリングシンクは、エッチング等により除去する必要がある。また、結晶性半導体膜の所定領域をゲッタリングシンクとしてもよい。例えば、ソース・ドレイン領域となる不純物領域をゲッタリングシンクとして、金属元素を低減又は除去してもよい。 In the present invention, when irradiated with a laser, a metal element typified by Ni segregates into the ridge. Therefore, when performing gettering, the metal element can be efficiently captured in the gettering sink. In particular, after the laser irradiation, a gettering method in which a semiconductor film to which a rare gas is added is formed as a gettering sink over the crystalline semiconductor film in which the ridge is formed may be used. In other words, since all metal elements, such as Ni, are segregated in the ridge that becomes the tip of the crystalline semiconductor film, gettering efficiency can be improved by forming a gettering sink at a position closest to the ridge. . These gettering sinks need to be removed by etching or the like. Further, a predetermined region of the crystalline semiconductor film may be used as a gettering sink. For example, the metal element may be reduced or removed using an impurity region serving as a source / drain region as a gettering sink.
また本発明のように、結晶性半導体膜を形成すると、格子状に整列したリッジ、例えばリッジの先端に金属元素が偏析している。また該リッジをフッ酸等により除去することで、ゲッタリング工程を行うこともできる。この場合、ゲッタリングシンクを形成する必要はない。 In addition, when a crystalline semiconductor film is formed as in the present invention, metal elements are segregated at ridges arranged in a lattice pattern, for example, at the tips of the ridges. Further, the gettering step can be performed by removing the ridge with hydrofluoric acid or the like. In this case, it is not necessary to form a gettering sink.
以上のように形成される結晶性半導体膜を用いて薄膜トランジスタ、及び該薄膜トランジスタを少なくとも画素部、又は駆動回路部に用いた、半導体装置を作製することができる。 A thin film transistor using the crystalline semiconductor film formed as described above, and a semiconductor device using the thin film transistor in at least a pixel portion or a driver circuit portion can be manufactured.
本発明は、偏光方向が制御されたパルスレーザの一度照射により、リッジの間隔、つまり結晶粒の大きさを制御して形成された結晶性半導体膜を得ることができる。さらに、結晶化を促進する金属元素を用いて配向性を制御することができる。 According to the present invention, a crystalline semiconductor film formed by controlling the interval between ridges, that is, the size of crystal grains, by one-time irradiation of a pulsed laser whose polarization direction is controlled can be obtained. Further, the orientation can be controlled using a metal element that promotes crystallization.
このような結晶性半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成すると、電気特性の揃ったものを作製することができる。また結晶粒の方向と、電流の流れる方向とを合わせてチャネル形成領域を形成することにより、薄膜トランジスタの移動度を向上させることができる。 When a thin film transistor is formed using such a crystalline semiconductor film, a film with uniform electrical characteristics can be manufactured. Further, the mobility of the thin film transistor can be improved by forming the channel formation region by combining the direction of crystal grains and the direction of current flow.
さらに、リッジの間隔、つまり結晶粒の間隔は、照射されるレーザ光の波長と同程度となり、非常に細かい間隔で整列する。そのため、チャネル形成領域には、複数の結晶粒が存在することとなり、結晶粒が少数の場合と比べて、結晶粒界での悪影響を緩和させ、ＴＦＴ電気特性のバラツキを低減することができる。 Furthermore, the ridge spacing, that is, the crystal grain spacing, is about the same as the wavelength of the laser beam to be irradiated, and the ridges are aligned at very fine intervals. Therefore, a plurality of crystal grains exist in the channel formation region, and the adverse effect at the crystal grain boundary can be alleviated and variation in TFT electrical characteristics can be reduced as compared with the case where the number of crystal grains is small.
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態１）
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different modes, and those skilled in the art can easily understand that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of this embodiment mode. Note that in all the drawings for describing the embodiments, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof is omitted.
(Embodiment 1)
本実施の形態では、具体的な結晶性半導体膜の作製方法について説明する。 In this embodiment, a specific method for manufacturing a crystalline semiconductor film is described.
まず図１（Ａ）に示すように、絶縁表面を有する基板１００上に下地膜１０１を形成する。基板１００には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、ステンレス（ＳＵＳ）基板等を用いることができる。また、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮに代表されるプラスチックや、アクリル等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に他の基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。 First, as illustrated in FIG. 1A, a base film 101 is formed over a substrate 100 having an insulating surface. As the substrate 100, for example, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass, a quartz substrate, a stainless steel (SUS) substrate, or the like can be used. In addition, plastics typified by PET, PES, and PEN, and substrates made of a synthetic resin having flexibility such as acrylic generally tend to have a lower heat resistant temperature than other substrates. Any material can be used as long as it can withstand the processing temperature.
下地膜１０１は基板１００中に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が、半導体膜中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設ける。よってアルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体膜への拡散を抑えることができる酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素などの絶縁膜を用いて形成する。本実施の形態では、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０〜４００ｎｍ（好ましくは５０〜３００ｎｍ）の膜厚になるように形成する。なお下地膜１０１は積層構造を有してもよく、例えば第１の酸化窒化珪素膜を１０〜２００ｎｍ（好ましくは５０〜１００ｎｍ）、第２の酸化窒化珪素膜５０〜２００ｎｍ（好ましくは１００〜１５０ｎｍ）の順に積層してもよい。第１の酸化窒化珪素膜は、酸素の成分と窒素の成分が同程度であり、組成比で示すと例えば、Ｓｉ=３２％、Ｏ=２７％、Ｎ=２４％、Ｈ=１７％である。一方第２の窒化酸化珪素膜は、酸素の成分が窒素の成分より非常に多い膜であり、組成比で示すと例えば、Ｓｉ=３２%、Ｏ=５９％、Ｎ=７％、Ｈ=２％である。 The base film 101 is provided to prevent alkali metal such as Na or alkaline earth metal contained in the substrate 100 from diffusing into the semiconductor film and adversely affecting the characteristics of the semiconductor element. Therefore, an insulating film such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon nitride oxide that can suppress diffusion of alkali metal or alkaline earth metal into the semiconductor film is used. In this embodiment, a silicon nitride oxide film is formed to a thickness of 10 to 400 nm (preferably 50 to 300 nm) by a plasma CVD method. Note that the base film 101 may have a stacked structure. For example, the first silicon oxynitride film is 10 to 200 nm (preferably 50 to 100 nm), and the second silicon oxynitride film is 50 to 200 nm (preferably 100 to 150 nm). ) May be stacked in this order. In the first silicon oxynitride film, the oxygen component and the nitrogen component are approximately the same. For example, Si = 32%, O = 27%, N = 24%, and H = 17% in terms of the composition ratio. . On the other hand, the second silicon nitride oxide film is a film having a much larger amount of oxygen than that of nitrogen. In terms of composition ratio, for example, Si = 32%, O = 59%, N = 7%, H = 2 %.
ガラス基板、ＳＵＳ基板またはプラスチック基板のように、アルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なりとも含まれている基板を用いる場合、不純物の拡散を防ぐという観点から下地膜を設けることは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がさして問題とならない場合は、必ずしも設ける必要はない。 When using a substrate that contains alkali metal or alkaline earth metal, such as a glass substrate, a SUS substrate, or a plastic substrate, it is effective to provide a base film from the viewpoint of preventing diffusion of impurities. In the case where diffusion of impurities does not cause any problem, such as a quartz substrate, it is not necessarily provided.
下地膜１０１上に非晶質半導体膜１０２を形成する。非晶質半導体膜１０２の膜厚は２５〜１００ｎｍ（好ましくは３０〜６０ｎｍ）とする。また非晶質半導体は珪素だけではなくシリコンゲルマニウムも用いることができ、シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５atomic％程度であることが好ましい。本実施の形態では４０ｎｍの珪素を主成分とする半導体膜（非晶質珪素膜とも表記する）を用いる。 An amorphous semiconductor film 102 is formed over the base film 101. The thickness of the amorphous semiconductor film 102 is 25 to 100 nm (preferably 30 to 60 nm). As the amorphous semiconductor, not only silicon but also silicon germanium can be used. When silicon germanium is used, the concentration of germanium is preferably about 0.01 to 4.5 atomic%. In this embodiment mode, a semiconductor film containing 40 nm silicon as a main component (also referred to as an amorphous silicon film) is used.
次に図１（Ｂ）に示すように、非晶質半導体膜１０２に金属元素を添加する。ここで添加とは、少なくとも結晶化が促進されるように非晶質半導体膜１０２の表面上に金属元素を形成することをいう。例えば、非晶質半導体膜１０２上にスピンコーティング法やディップ法といった塗布方法によりＮｉ溶液（水溶液や酢酸溶液を含む）を塗布し、Ｎｉを含む膜１０３（但し、極めて薄いため膜として観測できない場合もある）を形成する。このとき非晶質半導体膜１０２の表面の濡れ性を改善し、非晶質半導体膜の表面全体に水溶液を行き渡らせるため、酸素雰囲気中でのＵＶ光の照射、熱酸化法、ヒドロキシラジカルを含むオゾン水又は過酸化水素による処理等により、酸化膜（図示しない）を１０〜５０Åに成膜することが望ましい。また、イオン注入法によりＮｉイオンを非晶質半導体膜中に注入したり、Ｎｉを含有する水蒸気雰囲気中で加熱したり、ターゲットをＮｉ材料としてＡｒプラズマでスパッタリングしてもよい。本実施の形態では、Ｎｉ酢酸塩１０ｐｐｍを含有した水溶液をスピンコーティング法により塗布する。 Next, as shown in FIG. 1B, a metal element is added to the amorphous semiconductor film 102. Here, the addition means that a metal element is formed on the surface of the amorphous semiconductor film 102 so that crystallization is promoted at least. For example, a Ni solution (including an aqueous solution and an acetic acid solution) is applied onto the amorphous semiconductor film 102 by a coating method such as a spin coating method or a dip method, and the Ni-containing film 103 (however, it is extremely thin and cannot be observed as a film) There is also. At this time, in order to improve the wettability of the surface of the amorphous semiconductor film 102 and to spread the aqueous solution over the entire surface of the amorphous semiconductor film, UV light irradiation in an oxygen atmosphere, a thermal oxidation method, and a hydroxy radical are included. It is desirable to form an oxide film (not shown) in a thickness of 10 to 50 mm by treatment with ozone water or hydrogen peroxide. Alternatively, Ni ions may be implanted into the amorphous semiconductor film by an ion implantation method, heated in a water vapor atmosphere containing Ni, or sputtered with Ar plasma using a target as a Ni material. In this embodiment, an aqueous solution containing 10 ppm of Ni acetate is applied by a spin coating method.
その後、非晶質半導体膜１０２を５００〜５５０℃で２〜２０時間かけて熱処理を行い、非晶質半導体膜を結晶化し結晶性半導体膜を形成する。このとき加熱温度を徐々に変化させると好ましい。最初の低温加熱工程により、非晶質半導体膜の水素等が出てくるため、結晶化の際の膜荒れを低減することができる。また、磁場をかけてその磁気エネルギーと合わせて結晶化させてもよいし、高出力マイクロ波を使用しても構わない。本実施の形態では、縦型炉を用いて５００℃で１時間熱処理後、５５０℃４時間で熱処理を行う。 Thereafter, the amorphous semiconductor film 102 is heat-treated at 500 to 550 ° C. for 2 to 20 hours to crystallize the amorphous semiconductor film and form a crystalline semiconductor film. At this time, it is preferable to gradually change the heating temperature. In the first low-temperature heating step, hydrogen or the like of the amorphous semiconductor film is generated, so that film roughness during crystallization can be reduced. Alternatively, a magnetic field may be applied to crystallize the magnetic energy and high-power microwaves may be used. In this embodiment, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours after heat treatment at 500 ° C. for 1 hour using a vertical furnace.
次に結晶性半導体膜の表面に形成された酸化膜をフッ酸でエッチング除去した後、図１（Ｃ）に示すように、結晶化が行われた非晶質半導体膜１０２にパルスレーザ光１０４を照射する。本実施の形態では、偏光方向が制御されたパルス発振型のエキシマレーザ（ＸｅＣｌ、発振波長３０８ｎｍ）をエネルギー密度４２０ｍＪ／ｃｍ2、２５ショットの条件で照射する。このとき線状レーザの形状は、４００μｍ×１２０ｍｍである。 Next, after the oxide film formed on the surface of the crystalline semiconductor film is removed by etching with hydrofluoric acid, as shown in FIG. 1C, pulsed laser light 104 is applied to the crystallized amorphous semiconductor film 102. Irradiate. In this embodiment mode, a pulsed excimer laser (XeCl, oscillation wavelength 308 nm) with a controlled polarization direction is irradiated under an energy density of 420 mJ / cm 2 and 25 shots. At this time, the shape of the linear laser is 400 μm × 120 mm.
すると図１（Ｄ）に示すように、結晶性半導体膜の表面にリッジと呼ばれる凸部１０５が整列して形成される。このリッジの大きさはレーザ照射条件に依存し、エネルギー密度、ショット数が多いほど増加する傾向がある。なおリッジが整列するとは、結晶粒が整列していることとなる。なお図１（Ｄ）はリッジの形状を模式的に示した断面図であり、具体的には実施例１で示す図５のＳＥＭ写真のように、リッジが整列して形成される。 Then, as shown in FIG. 1D, convex portions 105 called ridges are formed in alignment on the surface of the crystalline semiconductor film. The size of this ridge depends on the laser irradiation conditions and tends to increase as the energy density and the number of shots increase. Note that the ridges are aligned means that the crystal grains are aligned. Note that FIG. 1D is a cross-sectional view schematically showing the shape of the ridge. Specifically, as shown in the SEM photograph of FIG.
このリッジには、結晶化を促進する金属元素が偏析している。例えば、金属元素にＮｉを用いて結晶性珪素膜を形成する場合、リッジにニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ2、Ｎｉ3Ｓｉ2、Ｎｉ2Ｓｉ等）が偏析する。このように結晶性珪素膜のリッジへニッケルシリサイドが偏析すると、リッジ外にはＮｉが存在しなくなっており、効果的にＮｉを代表とする金属元素を除去することができる。 The ridge has segregated metal elements that promote crystallization. For example, when a crystalline silicon film is formed using Ni as a metal element, nickel silicide (NiSi 2 , Ni 3 Si 2 , Ni 2 Si, etc.) segregates on the ridge. When nickel silicide segregates on the ridge of the crystalline silicon film in this manner, Ni does not exist outside the ridge, and a metal element typified by Ni can be effectively removed.
図１（Ｅ）には、リッジに金属元素が偏析した状態に不活性元素、例えばＡｒが添加された非晶質半導体膜１０６を形成し、加熱処理を行うゲッタリング工程を施す。なお、リッジを除去した状態でゲッタリング工程を施してもよい。 In FIG. 1E, an amorphous semiconductor film 106 to which an inert element such as Ar is added is formed in a state where a metal element is segregated on the ridge, and a gettering process is performed in which heat treatment is performed. Note that the gettering step may be performed with the ridge removed.
非晶質半導体膜１０６は、Ｓｉを有するターゲットを用いたスパッタリング法、又はＣＶＤ法により形成することができる。例えばスパッタリング装置において、高周波電源を動作させ、ターゲットに高周波を印加し、さらに永久磁石を用いて磁場をかけるとよい。なおターゲット（１２インチサイズ）に印加する電力は０．５〜３Ｋｗとする。またこのとき、基板１００を室温（２５℃）〜３００℃に加熱すると好ましい。すると、ゲッタリングシンクとなる非晶質半導体膜１０６が形成される。より好ましくは、基板１００上方から加熱されたアルゴンガスを供給し、非晶質半導体膜１０６の成膜面と反対の面（非成膜面）に吹き付けるとよい。この加熱されたアルゴンガスの流量は１０〜５０ｓｃｃｍ程度とすればよい。なお処理時間は成膜条件やスループットを考慮する必要があるが、１〜２０分、好ましくは５分程度とする。 The amorphous semiconductor film 106 can be formed by a sputtering method using a target containing Si or a CVD method. For example, in a sputtering apparatus, a high frequency power source is operated, a high frequency is applied to the target, and a magnetic field is applied using a permanent magnet. The power applied to the target (12 inch size) is 0.5 to 3 Kw. At this time, the substrate 100 is preferably heated to room temperature (25 ° C.) to 300 ° C. Then, an amorphous semiconductor film 106 serving as a gettering sink is formed. More preferably, heated argon gas is supplied from above the substrate 100 and sprayed onto a surface opposite to the film formation surface of the amorphous semiconductor film 106 (non-film formation surface). The flow rate of the heated argon gas may be about 10 to 50 sccm. In addition, although it is necessary to consider the film forming conditions and throughput, the processing time is 1 to 20 minutes, preferably about 5 minutes.
なお非晶質半導体膜１０６を半導体膜上に形成する場合、濡れ性を向上させ、膜剥がれがないように酸化膜を形成すると好ましい。酸化膜は、オゾン水、又は硫酸、塩酸又は硝酸等の過酸化水素水を混同させた水溶液で処理することにより形成される薄い膜（ケミカルオキサイド）を用いることができる。他の方法としては、酸素雰囲気中でのプラズマ処理や、酸素含有雰囲気中で紫外線照射することによりオゾンを発生させて酸化処理を行ってもよい。 Note that in the case where the amorphous semiconductor film 106 is formed over the semiconductor film, it is preferable to form an oxide film so as to improve wettability and prevent film peeling. As the oxide film, a thin film (chemical oxide) formed by treatment with ozone water or an aqueous solution mixed with hydrogen peroxide such as sulfuric acid, hydrochloric acid, or nitric acid can be used. As another method, the plasma treatment in an oxygen atmosphere or the oxidation treatment may be performed by generating ozone by irradiating ultraviolet rays in an oxygen-containing atmosphere.
本実施の形態では、図１（Ｃ）に示すように、結晶性半導体膜にレーザ光を照射すると、半導体膜表面には酸化膜が形成される。そのため、該酸化膜を除去せずに非晶質半導体膜１０６を形成することができる。 In this embodiment mode, as illustrated in FIG. 1C, when a crystalline semiconductor film is irradiated with laser light, an oxide film is formed on the surface of the semiconductor film. Therefore, the amorphous semiconductor film 106 can be formed without removing the oxide film.
さらに、不純物領域の一部へ不純物元素を注入してゲッタリングシンクとし、加熱を行うゲッタリング工程を行っても構わない。 Further, a gettering step in which an impurity element is implanted into part of the impurity region to form a gettering sink and heating may be performed.
なお本実施の形態では、パルスレーザ結晶化後に、ゲッタリング工程を施すため、結晶性半導体膜中の非晶質状態の半導体膜を低減した後に、ゲッタリング工程を行うことができる。そのため、結晶化を促進させる金属元素を効率よくゲッタリングシンクへ捕獲することができる。なお、ゲッタリング工程後にパルスレーザ結晶化を行っても構わない。 Note that in this embodiment mode, a gettering process is performed after pulse laser crystallization; therefore, the gettering process can be performed after the number of amorphous semiconductor films in the crystalline semiconductor film is reduced. Therefore, the metal element that promotes crystallization can be efficiently captured in the gettering sink. Note that pulse laser crystallization may be performed after the gettering step.
その後図１（Ｆ）に示すように、ウェットエッチング、ドライエッチング、又はＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、化学的・機械的ポリッシング）による研磨などを用いて、非晶質半導体膜１０６を除去する。例えば、ヒドラジンやテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイト（ＴＭＡＨ、化学式：（ＣＨ3）4ＮＯＨ））を代表とするアルカリ性溶液を使用したウェットエッチングにより非晶質半導体膜１０６の除去ができる。 After that, as shown in FIG. 1F, the amorphous semiconductor film 106 is removed by wet etching, dry etching, polishing by a CMP method (Chemical Mechanical Polishing), or the like. For example, the amorphous semiconductor film 106 can be removed by wet etching using an alkaline solution typified by hydrazine or tetramethylammonium hydroxide (TMAH, chemical formula: (CH 3 ) 4 NOH).
その後酸化膜を、フッ酸系のエッチング溶液を用いてウェットエッチングにより除去する。またフッ酸系のエッチング溶液は、界面活性剤が含まれていると好ましい。 Thereafter, the oxide film is removed by wet etching using a hydrofluoric acid-based etching solution. The hydrofluoric acid-based etching solution preferably contains a surfactant.
薄膜トランジスタのチャネル形成領域、ドレイン領域、又はソース領域にニッケルシリサイド等が存在すると電流のパスとなり、オフ電流増大の原因となる。そのため、本実施の形態のように金属元素を効率的にゲッタリングすることは結晶性半導体膜を形成する工程において重要である。 When nickel silicide or the like is present in the channel formation region, drain region, or source region of the thin film transistor, a current path is formed, which increases off current. Therefore, efficient gettering of a metal element as in this embodiment is important in a process of forming a crystalline semiconductor film.
非晶質半導体膜１０６と、酸化膜のみを除去する場合、リッジ１０５が残ってしまうため、結晶性半導体膜表面に平坦化処理を施すとよい。例えば、ＣＭＰ法による研磨により結晶性半導体膜表面を平坦化すればよい。また結晶性半導体膜表面の平坦性が問題とならない場合は、平坦化処理を行う必要はない。なお、平坦化処理により多少の影響がでる可能性はあるが、結晶粒の整列状態は保持されている。 When only the amorphous semiconductor film 106 and the oxide film are removed, the ridge 105 remains, so that the planarization treatment is preferably performed on the surface of the crystalline semiconductor film. For example, the surface of the crystalline semiconductor film may be planarized by polishing using a CMP method. Further, in the case where the flatness of the surface of the crystalline semiconductor film does not cause a problem, it is not necessary to perform the flattening process. Although there is a possibility that the flattening process has some influence, the alignment state of the crystal grains is maintained.
またリッジ１０５を除去する場合、フッ酸系のエッチング溶液を用いてウェットエッチングすればよい。またフッ酸系のエッチング溶液は、界面活性剤が含まれていると好ましい。特に、リッジが除去されることにより結晶粒への影響がでる可能性はあるが、結晶粒の整列状態は保持されている。 When the ridge 105 is removed, wet etching may be performed using a hydrofluoric acid-based etching solution. The hydrofluoric acid-based etching solution preferably contains a surfactant. In particular, the removal of the ridge may affect the crystal grains, but the crystal grain alignment state is maintained.
リッジを除去する際に、くぼんだ穴（凹部）が形成される。そのため、結晶性半導体膜表面に平坦化処置を施すとよい。このとき、酸素が存在しないガス雰囲気、つまり不活性ガス雰囲気中でレーザ光を照射するとよい。例えば、窒素ガス雰囲気で、パルス発振型のエキシマレーザ（ＸｅＣｌ、発振波長３０８ｎｍ）をエネルギー密度４８０ｍＪ／ｃｍ2、１２ショットの条件で照射し、平坦化処理を行う。なお、ＣＭＰ法による研磨により結晶性半導体膜表面を平坦化しても構わない。また結晶性半導体膜表面の平坦性が問題とならない場合は、平坦化処理を行う必要はない。なお、リッジ除去後の平坦化処理により多少の影響がでる可能性はあるが、結晶粒の整列状態は保持されている。 When removing the ridge, a recessed hole (recess) is formed. Therefore, planarization treatment is preferably performed on the surface of the crystalline semiconductor film. At this time, the laser beam may be irradiated in a gas atmosphere in which oxygen is not present, that is, an inert gas atmosphere. For example, in a nitrogen gas atmosphere, a pulsed excimer laser (XeCl, oscillation wavelength 308 nm) is irradiated under the conditions of an energy density of 480 mJ / cm 2 and 12 shots to perform planarization. Note that the surface of the crystalline semiconductor film may be planarized by polishing using a CMP method. Further, in the case where the flatness of the surface of the crystalline semiconductor film is not a problem, it is not necessary to perform the planarization process. Although there is a possibility that the flattening process after removing the ridge may have some influence, the alignment state of the crystal grains is maintained.
このように、半導体表面の荒れを抑えることができ、界面準位密度のばらつきによって生じる閾値のばらつきを抑えることができる。 As described above, roughness of the semiconductor surface can be suppressed, and variation in threshold value caused by variation in interface state density can be suppressed.
このように形成された結晶性半導体膜を、所定の形状にパターニングし、島状の結晶性半導体膜を形成する。その後、この結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタを形成することができる。 The crystalline semiconductor film thus formed is patterned into a predetermined shape to form an island-shaped crystalline semiconductor film. After that, a thin film transistor having this crystalline semiconductor film can be formed.
そして、該薄膜トランジスタを有する半導体装置を作製することができる。半導体装置は、集積回路や半導体表示装置であって、特に液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）等の半導体表示装置の画素部及び駆動回路部に本発明の薄膜トランジスタを用いることができる。 Then, a semiconductor device having the thin film transistor can be manufactured. A semiconductor device is an integrated circuit or a semiconductor display device. In particular, a liquid crystal display device, a light-emitting device including a light-emitting element typified by an organic light-emitting element in each pixel, DMD (Digital Micromirror Device), PDP (Plasma Display Panel). The thin film transistor of the present invention can be used for a pixel portion and a driver circuit portion of a semiconductor display device such as FED (Field Emission Display).
特に結晶粒を小さくすることができるため、集積回路を有するＣＰＵの薄膜トランジスタのように、チャネルサイズが小さい薄膜トランジスタに用いるとよい。 In particular, since crystal grains can be reduced, the thin film transistor is preferably used for a thin film transistor having a small channel size, such as a thin film transistor of a CPU having an integrated circuit.
また半導体表示装置において、画素部と駆動回路部とにおいて結晶性半導体膜を作り分けてもよい。例えば、駆動回路部に用いられるＴＦＴは高移動度が要求される。そのため、駆動回路部に用いられるＴＦＴにのみ、結晶化を助長する金属元素を添加するためマスクを用い、その後画素部、及び駆動回路部にレーザ結晶化を施してもよい。 In the semiconductor display device, a crystalline semiconductor film may be separately formed in the pixel portion and the driver circuit portion. For example, high mobility is required for a TFT used in a driver circuit portion. Therefore, a mask may be used only for the TFT used for the driver circuit portion in order to add a metal element that promotes crystallization, and then laser crystallization may be performed on the pixel portion and the driver circuit portion.
画素部内においても結晶性半導体膜を作り分けることができる。例えば、画素部が有するＴＦＴ、特に発光素子と接続される駆動用ＴＦＴの結晶性がばらつくと、表示ムラとなってしまう。一方、画素部に形成される容量素子を構成する半導体膜にリッジが形成されると、リーク電流が発生する恐れがある。そのため画素部のＴＦＴ、特に駆動用ＴＦＴにのみレーザ結晶化を行い、容量素子にはレーザ結晶化を行わないようにマスクを形成してもよい。 A crystalline semiconductor film can be formed separately even in the pixel portion. For example, if the crystallinity of a TFT included in the pixel portion, particularly a driving TFT connected to a light emitting element, varies, display unevenness occurs. On the other hand, if a ridge is formed in the semiconductor film that forms the capacitor element formed in the pixel portion, a leakage current may occur. Therefore, a mask may be formed so that laser crystallization is performed only on the TFT in the pixel portion, particularly the driving TFT, and laser capacitance is not formed on the capacitor element.
以上により、格子状に整列した結晶粒を有する結晶性半導体膜を形成することができる。このような結晶性半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成すると、電気特性の揃ったものを作製することができる。また結晶粒の方向と、電流の流れる方向とを合わせてチャネル形成領域を形成することにより、薄膜トランジスタの移動度を向上させることができる。 Thus, a crystalline semiconductor film having crystal grains arranged in a lattice pattern can be formed. When a thin film transistor is formed using such a crystalline semiconductor film, a film with uniform electrical characteristics can be manufactured. Further, the mobility of the thin film transistor can be improved by forming the channel formation region by combining the direction of crystal grains and the direction of current flow.
さらに、リッジの間隔、つまり結晶粒の間隔は、照射されるレーザ光の波長と同程度となり、非常に細かい間隔で整列する。そのため、チャネル形成領域には、複数の結晶粒が存在することとなり、結晶粒が少数の場合と比べて、結晶粒界での悪影響が均一化され、緩和することができる。 Furthermore, the ridge spacing, that is, the crystal grain spacing, is about the same as the wavelength of the laser beam to be irradiated, and the ridges are aligned at very fine intervals. Therefore, a plurality of crystal grains exist in the channel formation region, and the adverse effects at the crystal grain boundaries can be made uniform and alleviated as compared with the case where the number of crystal grains is small.
またＮｉを代表とする金属元素が偏析したリッジを除去することにより、新たなゲッタリングシンクを形成することなくゲッタリングを行うことができる。さらに偏析することにより、リッジ外には金属元素がほぼ存在しないため、効率的に除去することができる。 Further, by removing a ridge in which a metal element typified by Ni is segregated, gettering can be performed without forming a new gettering sink. Further segregation allows the metal element to be removed efficiently because there is almost no metal element outside the ridge.
（実施の形態２）
本実施の形態では、レーザ照射装置を有するマルチチャンバー装置及びそのレーザ照射装置の光学系について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment mode, a multi-chamber apparatus having a laser irradiation apparatus and an optical system of the laser irradiation apparatus will be described.
図２（Ａ）には、非晶質半導体膜までを形成することができる第１処理室２０１、金属元素を添加することができる第２処理室２０２、加熱処理を行うことができる第３処理室２０３、基板の取り出しを行う取出室２０４、レーザ照射処理を行うレーザ照射室２０５、基板をストックしておくことができるロード室２０６が、搬送室２０７を中心に設けられたマルチチャンバー装置を示す。そして各処理室等は、搬送口４０ａ〜４０ｆを介して搬送室２０７に設置されている。このように搬送手段を有する搬送室を中心にして各処理室等を設けることにより、搬送距離、搬送時間を省略することができる。 FIG. 2A illustrates a first treatment chamber 201 in which even an amorphous semiconductor film can be formed, a second treatment chamber 202 in which a metal element can be added, and a third treatment in which heat treatment can be performed. A chamber 203, a take-out chamber 204 for taking out a substrate, a laser irradiation chamber 205 for performing laser irradiation processing, and a load chamber 206 capable of stocking a substrate are shown as a multi-chamber apparatus provided around a transfer chamber 207. . Each processing chamber is installed in the transfer chamber 207 through the transfer ports 40a to 40f. Thus, by providing each processing chamber etc. centering on the transfer chamber having the transfer means, the transfer distance and transfer time can be omitted.
第１処理室２０１は、例えば、プラズマＣＶＤ処理を行うため電極、高周波電源、真空ポンプ、ガス供給口を有する。供給されるガスを異ならせて、下地膜、及び非晶質半導体膜を形成することができる。 The first processing chamber 201 includes, for example, an electrode, a high frequency power source, a vacuum pump, and a gas supply port for performing plasma CVD processing. The base film and the amorphous semiconductor film can be formed with different supplied gases.
第２処理室２０２は、例えば、金属元素を含む水溶液を塗布するノズルと、基板を回転させる手段とを有する。 The second processing chamber 202 includes, for example, a nozzle that applies an aqueous solution containing a metal element and means for rotating the substrate.
第３処理室２０３は、加熱温度を制御するシステムが搭載され、加熱温度を徐々に上げていくことができる。 The third processing chamber 203 is equipped with a system for controlling the heating temperature, and the heating temperature can be gradually increased.
また各処理室、及びレーザ照射室は、チャンバー内の雰囲気を制御することができる。例えば、減圧状態としたり、不活性雰囲気とすることができる。 In addition, each processing chamber and the laser irradiation chamber can control the atmosphere in the chamber. For example, it can be in a reduced pressure state or an inert atmosphere.
このようなマルチチャンバー装置を用いることによりスループットを向上させることができる。さらに、同様のマルチチャンバー装置を複数配置することにより、一つのチャンバーがメンテナンスを行っていても、工程を止めることなく基板処理を行うことができる。 By using such a multi-chamber apparatus, throughput can be improved. Further, by arranging a plurality of similar multi-chamber apparatuses, substrate processing can be performed without stopping the process even if one chamber is performing maintenance.
また図２（Ｂ）にはレーザ照射室２０５の具体的な構成を示す。 FIG. 2B shows a specific structure of the laser irradiation chamber 205.
レーザ共振器３００から発振（射出）されたレーザ光は、ビームエキスパンダー３０１に入射する。ビームエキスパンダー３０１によって、入射してきたレーザ光の広がりを抑え、ビームの断面形状の大きさを調整する。 Laser light oscillated (emitted) from the laser resonator 300 enters the beam expander 301. The beam expander 301 suppresses the spread of the incident laser light and adjusts the size of the cross-sectional shape of the beam.
レーザ光として、Arレーザ、Krレーザ、エキシマレーザ、YAGレーザ、Y2O3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、アレキサンドライドレーザ、Ti：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザの一種又は複数種を用いることができる。 Laser light: Ar laser, Kr laser, excimer laser, YAG laser, Y 2 O 3 laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, glass laser, ruby laser, alexandride laser, Ti: sapphire laser, copper vapor One or a plurality of lasers or gold vapor lasers can be used.
ビームエキスパンダー３０１から出射したレーザ光は、シリンドリカルレンズ３０２において、そのビームの断面形状が矩形状、楕円形状または線状になるように加工される。 The laser light emitted from the beam expander 301 is processed by the cylindrical lens 302 so that the cross-sectional shape of the beam is rectangular, elliptical, or linear.
そして、レーザ光は、ミラー３０３で反射し、線状に集光され、レーザ照射室２０５内の被処理物３０６に照射される。 Then, the laser light is reflected by the mirror 303, condensed in a linear shape, and irradiated on the object 306 in the laser irradiation chamber 205.
すなわち、ビームエキスパンダー、シリンドリカルレンズ、及びミラーが、レーザ光を線状に加工する一手段に相当する。 That is, the beam expander, the cylindrical lens, and the mirror correspond to one means for processing laser light into a linear shape.
このとき、レーザ照射室２０５には、λ／２波長板を有する窓３１５が設けられており、パルスレーザは窓３１５を入射するときに偏光方向が９０度偏光するように制御される。なおλ／２波長板の挿入位置は、レーザの光路上であればどこでもよい。但し、λ／２波長板の大きさを考慮すると、レーザのビーム径が小さい位置へ挿入する方が好ましい。例えば、被照射物となる非晶質半導体膜の表面近傍に固定するとよい。 At this time, the laser irradiation chamber 205 is provided with a window 315 having a λ / 2 wavelength plate, and the pulse laser is controlled so that the polarization direction is polarized by 90 degrees when entering the window 315. The insertion position of the λ / 2 wavelength plate may be anywhere on the laser optical path. However, in consideration of the size of the λ / 2 wavelength plate, it is preferable to insert it at a position where the laser beam diameter is small. For example, it may be fixed in the vicinity of the surface of the amorphous semiconductor film to be irradiated.
また図３に示すように、ミラーを用いてレーザの偏光方向を制御してもよい。縦偏光を有するレーザ（縦偏光）３２０を第１のミラー３２１により反射させ、更に第２のミラー３２２により反射させることにより、横偏光を有するレーザ（横偏光）３２３とすることができる。 Further, as shown in FIG. 3, the polarization direction of the laser may be controlled using a mirror. A laser (vertically polarized light) 320 having longitudinally polarized light is reflected by the first mirror 321 and further reflected by the second mirror 322, whereby a laser having transversely polarized light (laterally polarized light) 323 can be obtained.
レーザ照射室２０５内において、被処理物３０６はステージ３０７上に配置されており、ステージ３０７は位置制御手段となる一軸ロボット３０８〜３１０によってその位置が制御されている。具体的には、θ軸用の一軸ロボット３０８により、水平面内においてステージ３０７を回転したり、水平面より傾けることができる。θ軸用の一軸ロボット３０８により、被照射物に対して斜め方向からレーザ光を照射することができる。なお、ステージ上の被照射物を斜めに固定して、斜め照射を行っても構わない。 In the laser irradiation chamber 205, the workpiece 306 is disposed on a stage 307, and the position of the stage 307 is controlled by uniaxial robots 308 to 310 serving as position control means. Specifically, the stage 307 can be rotated or tilted from the horizontal plane by the uniaxial robot 308 for the θ axis. The uniaxial robot 308 for the θ axis can irradiate the irradiated object with laser light from an oblique direction. Note that oblique irradiation may be performed by fixing the irradiation object on the stage obliquely.
また、Ｘ軸用の一軸ロボット３０９により、ステージ３０７をＸ軸方向に移動させることができる。また、Ｙ軸用の一軸ロボット３１０により、ステージ３０７をＹ軸方向に移動させることができる。そして、Ｙ軸方向に長く伸ばされた線状のビームスポットを照射しながら被処理物をＸ方向に走査させる。各位置制御手段の動作は、中央処理装置３１１において制御されている。Ｘ軸用の一軸ロボット、及びＹ軸用の一軸ロボットが、被照射物と、レーザ光と、を相対的に移動させる一手段に相当する。 Further, the stage 307 can be moved in the X-axis direction by the single-axis robot 309 for the X-axis. Further, the stage 307 can be moved in the Y-axis direction by the single-axis robot 310 for the Y-axis. Then, the workpiece is scanned in the X direction while irradiating a linear beam spot elongated in the Y-axis direction. The operation of each position control means is controlled by the central processing unit 311. The X-axis uniaxial robot and the Y-axis uniaxial robot correspond to one means for relatively moving the irradiated object and the laser beam.
パルス発振のレーザを用いた場合走査の速度は、パルス毎の基板送りピッチを１〜３０μｍとすればよい。 When a pulsed laser is used, the scanning speed may be set to 1 to 30 μm at the substrate feed pitch for each pulse.
なお本実施の形態のように、ＣＣＤ等の受光素子を用いたモニター３１２を設け、被処理物３０６の位置を正確に把握できるようにしても良い。 Note that as in this embodiment, a monitor 312 using a light receiving element such as a CCD may be provided so that the position of the workpiece 306 can be accurately grasped.
レーザ光を照射する直前に酸化膜を除去することにより、半導体膜への不純物汚染を低減することができる。 By removing the oxide film immediately before the laser irradiation, impurity contamination of the semiconductor film can be reduced.
このようなレーザ照射装置のシステムを用いることにより、正確な位置制御に基づくレーザ処理を行うことができる。さらに、被処理物を水平状態、または傾けた状態にステージを固定することができ、垂直方向又は斜め方向からのレーザ照射を行うことができる。 By using such a laser irradiation apparatus system, laser processing based on accurate position control can be performed. Furthermore, the stage can be fixed in a horizontal state or an inclined state, and laser irradiation from a vertical direction or an oblique direction can be performed.
（実施の形態３）
本実施の形態では、結晶性半導体膜を有する半導体装置の一例である発光装置について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a light-emitting device that is an example of a semiconductor device including a crystalline semiconductor film will be described.
図７（Ａ）には、第１の基板１２１０上に信号線駆動回路１２００、走査線駆動回路１２０１、及び画素部１２０２が形成された発光装置を示す。 FIG. 7A illustrates a light-emitting device in which a signal line driver circuit 1200, a scan line driver circuit 1201, and a pixel portion 1202 are formed over a first substrate 1210.
図７（Ｂ）は表示装置のＡ−Ａ’の断面図を示し、第１の基板１２１０上に、ｎチャネル型ＴＦＴ１２２３とｐチャネル型ＴＦＴ１２２４とを有するＣＭＯＳ回路を備えた信号線駆動回路１２００を示す。ｎチャネル型ＴＦＴ１２２３とｐチャネル型ＴＦＴ１２２４とは、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いてレーザニールすることにより、高品質な結晶性半導体膜を有するように形成される。信号線駆動回路１２００や走査線駆動回路１２０１を形成するＴＦＴは、ＣＭＯＳ回路、ＰＭＯＳ回路又はＮＭＯＳ回路で形成してもよい。 FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the display device. A signal line driver circuit 1200 including a CMOS circuit having an n-channel TFT 1223 and a p-channel TFT 1224 over a first substrate 1210 is shown. Show. The n-channel TFT 1223 and the p-channel TFT 1224 are formed to have a high-quality crystalline semiconductor film by laser annealing using a pulse laser whose polarization direction is controlled. The TFTs forming the signal line driver circuit 1200 and the scanning line driver circuit 1201 may be formed of a CMOS circuit, a PMOS circuit, or an NMOS circuit.
画素部１２０２は、スイッチング用ＴＦＴ１２１１及び駆動用ＴＦＴ１２１２を有する。スイッチング用ＴＦＴ１２１１及び駆動用ＴＦＴ１２１２とは、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いてレーザニールすることにより、高品質な結晶性半導体膜を有するように形成される。なお、画素部１２０２のＴＦＴは信号線駆動回路１２００や走査線駆動回路１２０１と比べると、高い結晶性を有する必要がない。また画素部１２０２は、駆動用ＴＦＴ１２１２の一方の電極と接続された発光素子の第１の電極１２１３と、スイッチング用ＴＦＴ１２１１及び駆動用ＴＦＴ１２１２を覆い、発光素子の第１の電極１２１３に相当する位置に開口部を有する絶縁物１２１４と、第１の電極１２１３上に設けられた電界発光層１２１５と、対向して設けられた発光素子の第２の電極１２１６を有する発光素子１２１８とを有する。なお電界発光層は、有機材料、又は無機材料を有し、電子注入層、電子輸送層、発光層、正孔輸送層、正孔注入層等を適宜組み合わせて構成される。 The pixel portion 1202 includes a switching TFT 1211 and a driving TFT 1212. The switching TFT 1211 and the driving TFT 1212 are formed to have a high-quality crystalline semiconductor film by laser annealing using a pulse laser whose polarization direction is controlled. Note that the TFT of the pixel portion 1202 does not need to have high crystallinity as compared with the signal line driver circuit 1200 and the scan line driver circuit 1201. The pixel portion 1202 covers the first electrode 1213 of the light emitting element connected to one electrode of the driving TFT 1212, the switching TFT 1211, and the driving TFT 1212, and is in a position corresponding to the first electrode 1213 of the light emitting element. An insulator 1214 having an opening, an electroluminescent layer 1215 provided over the first electrode 1213, and a light-emitting element 1218 including a second electrode 1216 of the light-emitting element provided to face each other. Note that the electroluminescent layer includes an organic material or an inorganic material, and includes an electron injection layer, an electron transport layer, a light emitting layer, a hole transport layer, a hole injection layer, and the like as appropriate.
絶縁物１２１４はレジスト、ポリイミド、若しくはアクリル等の有機樹脂膜、又は窒化珪素、若しくは酸化珪素等の珪素を含む無機絶縁膜で形成すればよい。ここでは、絶縁物１２１４として、ポジ型の感光性アクリル樹脂膜を用いて形成する。なお有機樹脂膜等を用いる場合、水分や酸素の侵入を防止するため窒化珪素または窒化酸化珪素を主成分とする絶縁膜、または水素を含むＤＬＣ膜（Diamond Like Carbon）を形成するとよい。 The insulator 1214 may be formed of an organic resin film such as a resist, polyimide, or acrylic, or an inorganic insulating film containing silicon such as silicon nitride or silicon oxide. Here, the insulator 1214 is formed using a positive photosensitive acrylic resin film. In the case of using an organic resin film or the like, an insulating film containing silicon nitride or silicon nitride oxide as a main component or a DLC film (Diamond Like Carbon) containing hydrogen may be formed in order to prevent intrusion of moisture and oxygen.
なお、後に形成する電極や電界発光層の段差被覆性を良好なものとするため、絶縁物１２１４の上端部又は下端部に曲率を有する曲面が形成されるようにすると好ましい。例えば、絶縁物１２１４の材料としてポジ型の感光性アクリルを用いた場合、絶縁物１２１４の上端部のみに曲率半径（０．２μｍ〜３μｍ）を有する曲面を持たせるとよい。また、絶縁物１２１４として、感光性の光によってエッチャントに不溶解性となるネガ型、又は光によってエッチャントに溶解性となるポジ型のいずれも使用することができる。 Note that a curved surface having a curvature is preferably formed on the upper end portion or the lower end portion of the insulator 1214 in order to improve the step coverage of an electrode or an electroluminescent layer to be formed later. For example, in the case where positive photosensitive acrylic is used as a material for the insulator 1214, only the upper end portion of the insulator 1214 may have a curved surface having a curvature radius (0.2 μm to 3 μm). As the insulator 1214, either a negative type that becomes insoluble in an etchant by photosensitive light or a positive type that becomes soluble in an etchant by light can be used.
発光素子の第１の電極１２１３が駆動用ＴＦＴ１２１２の第１の電極と接している構成となっているため、発光素子の第１の電極１２１３の少なくとも下面は、半導体膜の第１の電極領域とオーミックコンタクトのとれる材料とし、電界発光層と接する表面に仕事関数の大きい材料を用いて形成することが望ましい。例えば発光素子の第１の電極１２１３は、窒化チタン膜の単層としてもよいし、３層以上の積層を用いてもよい。 Since the first electrode 1213 of the light emitting element is in contact with the first electrode of the driving TFT 1212, at least the lower surface of the first electrode 1213 of the light emitting element is connected to the first electrode region of the semiconductor film. It is desirable to use a material having a high work function on the surface in contact with the electroluminescent layer as a material capable of forming an ohmic contact. For example, the first electrode 1213 of the light-emitting element may be a single layer of a titanium nitride film or a stack of three or more layers.
発光素子の第１の電極１２１３、及び第２の電極１２１６として透光性を有する導電膜を用いれば両面発光型の発光装置を作製することができる。 When a light-transmitting conductive film is used for the first electrode 1213 and the second electrode 1216 of the light-emitting element, a double-sided light-emitting device can be manufactured.
また第１の電極１２１３は非透光性、好ましくは反射性の高い導電膜とし、第２の電極１２１６は透光性を有する導電膜とすることができる。すると、光は封止基板側のみへ出射される上面出射型の発光装置を作製することができる。 The first electrode 1213 can be a light-transmitting conductive film, preferably a highly reflective conductive film, and the second electrode 1216 can be a light-transmitting conductive film. Then, a top emission light-emitting device in which light is emitted only to the sealing substrate side can be manufactured.
また第１の電極１２１３は透光性を有する導電膜とし、第２の電極１２１６は非透光性、好ましくは反射性の高い導電膜とすることができる。すると、光は基板側のみへ出射される下面出射型の発光装置を作製することができる。 The first electrode 1213 can be a light-transmitting conductive film, and the second electrode 1216 can be a light-transmitting conductive film, preferably a highly reflective conductive film. Then, a bottom emission type light emitting device in which light is emitted only to the substrate side can be manufactured.
なお、光の出射方向とならない側に設けられた発光素子の電極に、反射性の高い導電膜を用いることにより光を有効利用することができる。 Note that light can be effectively used by using a highly reflective conductive film for an electrode of a light-emitting element provided on the side not corresponding to the light emission direction.
なお画素構成により、第１の電極及び第２の電極のいずれも陽極、又は陰極となりうる。例えば、第１の電極を陽極とし、第２の電極を陰極とする場合で具体的な電極材料について説明する。 Note that depending on the pixel structure, both the first electrode and the second electrode can be an anode or a cathode. For example, specific electrode materials will be described in the case where the first electrode is an anode and the second electrode is a cathode.
陽極材料としては、仕事関数の大きい（仕事関数４．０eV以上）金属、合金、電気伝導性化合物、およびこれらの混合物などを用いることが好ましい。陽極材料の具体例としては、ＩＴＯ（indium tin oxide）、酸化インジウムに２〜２０%の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を混合したＩＺＯ（indium zinc oxide）の他、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、または金属材料の窒化物（ＴｉＮ）等を用いることができる。 As the anode material, it is preferable to use a metal, an alloy, an electrically conductive compound, a mixture thereof, or the like having a high work function (work function of 4.0 eV or more). Specific examples of the anode material include ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide) in which 2 to 20% zinc oxide (ZnO) is mixed with indium oxide, gold (Au), platinum (Pt), Nickel (Ni), tungsten (W), chromium (Cr), molybdenum (Mo), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu), palladium (Pd), or metal nitride (TiN), etc. Can be used.
一方、陰極材料としては、仕事関数の小さい（仕事関数３．８eV以下）金属、合金、電気伝導性化合物、およびこれらの混合物などを用いることが好ましい。陰極材料の具体例としては、元素周期律の１族または２族に属する元素、すなわちＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等、およびこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉ）や化合物（ＬｉＦ、ＣｓＦ、ＣａＦ2）の他、希土類金属を含む遷移金属を用いて形成することができる。但し、陰極が透光性を有する場合、これら金属、又はこれら金属を含む合金を非常に薄く形成し、ＩＴＯ等の金属（合金を含む）との積層により形成する。 On the other hand, it is preferable to use a metal, an alloy, an electrically conductive compound, a mixture thereof, or the like having a low work function (work function of 3.8 eV or less) as the cathode material. Specific examples of the cathode material include elements belonging to Group 1 or Group 2 of the element periodicity, that is, alkali metals such as Li and Cs, Mg, Ca, Sr, and the like, and alloys containing these (Mg: Ag, Al: In addition to Li) and compounds (LiF, CsF, CaF 2 ), transition metals including rare earth metals can be used. However, when the cathode has a light-transmitting property, these metals or alloys containing these metals are formed very thin, and are formed by lamination with a metal (including alloys) such as ITO.
これら陽極、及び陰極は蒸着法、スパッタリング法等により形成することができる。 These anode and cathode can be formed by vapor deposition, sputtering, or the like.
また、電界発光層１２１５として、フルカラー表示とする場合、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の発光を示す材料を、それぞれ蒸着マスクを用いた蒸着法、またはインクジェット法などによって選択的に形成すればよい。具体的には、ＨＩＬとしてＣｕＰｃやＰＥＤＯＴ、ＨＴＬとしてα−ＮＰＤ、ＥＴＬとしてＢＣＰやＡｌｑ3、ＥＩＬとしてＢＣＰ：ＬｉやＣａＦ2をそれぞれ用いる。また例えばＥＭＬは、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれの発光色に対応したドーパント（Ｒの場合ＤＣＭ等、Ｇの場合ＤＭＱＤ等）をドープしたＡｌｑ3を用いればよい。 Further, in the case of full-color display as the electroluminescent layer 1215, materials that emit red (R), green (G), and blue (B) light are selected by an evaporation method using an evaporation mask or an inkjet method, respectively. It may be formed automatically. Specifically, CuPc or PEDOT is used as HIL, α-NPD is used as HTL, BCP or Alq 3 is used as ETL, and BCP: Li or CaF 2 is used as EIL. Further, for example, EML may be Alq 3 doped with a dopant corresponding to each emission color of R, G, and B (DCM in the case of R, DMQD in the case of G).
より具体的な電界発光層１２１５の積層構造は、赤色の発光を示す電界発光層を形成する場合、例えば、ＣｕＰｃを３０ｎｍ形成し、α-ＮＰＤを６０ｎｍ形成した後、同一のマスクを用いて、赤色の発光層としてＤＣＭ2及びルブレンが添加されたＡｌｑ3を４０ｎｍ形成し、電子輸送層としてＢＣＰを４０ｎｍ形成し、電子注入層としてＬｉが添加されたＢＣＰを１ｎｍ形成する。また、緑色の発光を示す電界発光層を形成する場合、例えば、ＣｕＰｃを３０ｎｍ形成し、α―ＮＰＤを６０ｎｍ形成した後、同一の蒸着マスクを用いて、緑色の発光層としてクマリン５４５Ｔが添加されたＡｌｑ3を４０ｎｍ形成し、電子輸送層としてＢＣＰを４０ｎｍ形成し、電子注入層としてＬｉが添加されたＢＣＰを１ｎｍ形成する。また、青色の発光を示す電界発光層を形成する場合、例えば、ＣｕＰｃを３０ｎｍ形成し、α-ＮＰＤを６０ｎｍ形成した後、同一のマスクを用いて発光層としてビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾオキサゾラト］亜鉛：Ｚｎ(ＰＢＯ)2を１０ｎｍ形成し、電子輸送層としてＢＣＰを４０ｎｍ形成し、電子注入層としてＬｉが添加されたＢＣＰを１ｎｍ形成する。なお、上記電界発光層の積層構造に限定されない。 More specifically, in the case of forming an electroluminescent layer that emits red light, for example, after forming 30 nm of CuPc and 60 nm of α-NPD, the same mask is used when forming an electroluminescent layer that emits red light. Alq 3 to which DCM 2 and rubrene are added is formed to 40 nm as a red light emitting layer, BCP is formed to 40 nm as an electron transport layer, and BCP to which Li is added is formed 1 nm as an electron injection layer. In the case of forming an electroluminescent layer that emits green light, for example, CuPc is formed to 30 nm and α-NPD is formed to 60 nm, and then coumarin 545T is added as a green light emitting layer using the same vapor deposition mask. 40 nm of Alq 3 is formed, 40 nm of BCP is formed as an electron transport layer, and 1 nm of BCP to which Li is added is formed as an electron injection layer. In the case of forming an electroluminescent layer that emits blue light, for example, CuPc is formed to 30 nm and α-NPD is formed to 60 nm, and then bis [2- (2-hydroxyphenyl) is formed as the light emitting layer using the same mask. ) Benzoxazolate] Zinc: Zn (PBO) 2 is formed to 10 nm, BCP is formed to 40 nm as an electron transport layer, and BCP to which Li is added is formed to be 1 nm as an electron injection layer. Note that the present invention is not limited to the stacked structure of the electroluminescent layer.
以上、各色の電界発光層のうち、共通しているＣｕＰｃやα-ＮＰＤは、画素部全面に形成することができる。またマスクは、各色で共有することもでき、例えば、赤色の電界発光層を形成後、マスクをずらして、緑色の電界発光層、再度マスクをずらして青色の電界発光層を形成することができる。形成する各色の電界発光層の順序は適宜設定すればよい。 As described above, among the electroluminescent layers of the respective colors, common CuPc and α-NPD can be formed on the entire surface of the pixel portion. The mask can also be shared by each color. For example, after forming a red electroluminescent layer, the mask can be shifted to form a green electroluminescent layer, and the mask can be shifted again to form a blue electroluminescent layer. . What is necessary is just to set suitably the order of the electroluminescent layer of each color to form.
また白色発光の場合、カラーフィルタ、又はカラーフィルタ及び色変換層などを別途設けることによってフルカラー表示を行ってもよい。カラーフィルタや色変換層は、第２の基板に設けた後、張り合わせればよい。 In the case of white light emission, full color display may be performed by separately providing a color filter or a color filter and a color conversion layer. The color filter and the color conversion layer may be attached after being provided over the second substrate.
さらに水分や酸素等による発光素子の劣化を防止するために、発光素子の第２の電極を覆って設けられた保護膜１２１７を有する。本実施の形態では保護膜１２１７にスパッタ法（ＤＣ方式やＲＦ方式）により得られる窒化珪素または窒化酸化珪素を主成分とする絶縁膜、または水素を含むＤＬＣ膜（Diamond Like Carbon）を使用する。 Further, in order to prevent deterioration of the light-emitting element due to moisture, oxygen, or the like, a protective film 1217 is provided to cover the second electrode of the light-emitting element. In this embodiment mode, an insulating film mainly containing silicon nitride or silicon nitride oxide obtained by a sputtering method (DC method or RF method) or a DLC film (Diamond Like Carbon) containing hydrogen is used for the protective film 1217.
そして図７に示すように、発光素子の第２の電極１２１６は、接続領域の絶縁物１２１４に設けられた開口部（コンタクト）から引き回し配線を介して、接続配線１２０８と接続される。接続配線１２０８は、異方性導電樹脂（ＡＣＦ）によりフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１２０９に接続されている。そして、ＦＰＣ１２０９を介して外部入力信号となるビデオ信号やクロック信号を受け取る。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板（ＰＷＢ）が取り付けられていてもよい。 As shown in FIG. 7, the second electrode 1216 of the light-emitting element is connected to the connection wiring 1208 through a lead-out wiring from an opening (contact) provided in the insulator 1214 in the connection region. The connection wiring 1208 is connected to a flexible printed circuit board (FPC) 1209 by an anisotropic conductive resin (ACF). Then, a video signal and a clock signal which are external input signals are received via the FPC 1209. Although only the FPC is shown here, a printed wiring board (PWB) may be attached to the FPC.
本実施の形態では、基板１２１０上に信号線駆動回路１２００及び走査線駆動回路１２０１を形成したドライバ一体型の発光装置を示すが、信号線駆動回路及び走査線駆動回路はＩＣにより形成し、ＳＯＧ法やＴＡＢ法により信号線、又は走査線等と接続してもよい。 In this embodiment mode, a driver-integrated light emitting device in which a signal line driver circuit 1200 and a scan line driver circuit 1201 are formed over a substrate 1210 is shown; however, the signal line driver circuit and the scan line driver circuit are formed using an IC, and the SOG May be connected to a signal line, a scanning line, or the like by a method or a TAB method.
また加圧や加熱によりＡＣＦを接着するときに、基板のフレキシブル性や加熱による軟化のため、クラックが生じないように注意する。例えば、接着領域に硬性の高い基板を補助として配置したりすればよい。 Also, when the ACF is bonded by pressurization or heating, care should be taken not to cause cracks due to the flexibility of the substrate and softening due to heating. For example, a highly rigid substrate may be disposed as an auxiliary in the adhesion region.
また第１の基板の周縁部にはシール材１２０５が設けられ、第２の基板１２０４と張り合わせられ、封止されている。シール材１２０５はエポキシ系樹脂を用いるのが好ましい。 In addition, a sealant 1205 is provided on a peripheral portion of the first substrate, and is bonded to the second substrate 1204 and sealed. The sealing material 1205 is preferably an epoxy resin.
第２の基板１２０４で封止すると、保護膜１２１７との間に空間が形成される。空間には、不活性ガス、例えば窒素ガスを充填したり、吸水性の高い材料を形成して、水分や酸素の侵入を防止する。本実施の形態では、透光性を有し、吸水性の高い樹脂１２３０を形成する。樹脂１２３０は透光性を有するため、発光素子からの光が第２の基板側へ出射される場合であっても、透過率を低減することなく形成することができる。 When sealed with the second substrate 1204, a space is formed between the protective film 1217 and the second substrate 1204. The space is filled with an inert gas, for example, nitrogen gas, or a material with high water absorption is formed to prevent moisture and oxygen from entering. In this embodiment, a resin 1230 having a light-transmitting property and high water absorption is formed. Since the resin 1230 has a light-transmitting property, the resin 1230 can be formed without reducing transmittance even when light from the light-emitting element is emitted to the second substrate side.
以上のように、結晶粒が揃った高機能な薄膜トランジスタを有する発光装置作製することができる。 As described above, a light-emitting device having a high-performance thin film transistor with uniform crystal grains can be manufactured.
（実施の形態４）
本実施の形態では、結晶性半導体膜を有する半導体装置の一例である液晶表示装置について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a liquid crystal display device which is an example of a semiconductor device including a crystalline semiconductor film is described.
図８（Ａ）には、第１の基板１２１０上に信号線駆動回路１２００、走査線駆動回路１２０１、及び画素部１２０２が形成された液晶表示装置を示す。 FIG. 8A illustrates a liquid crystal display device in which a signal line driver circuit 1200, a scan line driver circuit 1201, and a pixel portion 1202 are formed over a first substrate 1210.
図８（Ｂ）は表示装置のＡ−Ａ’の断面図を示し、第１の基板１２１０上に、ｎチャネル型ＴＦＴ１２２３とｐチャネル型ＴＦＴ１２２４とを有するＣＭＯＳ回路を備えた信号線駆動回路１２００を示す。ｎチャネル型ＴＦＴ１２２３とｐチャネル型ＴＦＴ１２２４とは、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いてレーザニールすることにより、高品質な結晶性半導体膜を有するように形成される。信号線駆動回路１２００や走査線駆動回路１２０１を形成するＴＦＴは、ＣＭＯＳ回路、ＰＭＯＳ回路又はＮＭＯＳ回路で形成してもよい。 8B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the display device. A signal line driver circuit 1200 including a CMOS circuit having an n-channel TFT 1223 and a p-channel TFT 1224 over a first substrate 1210 is shown. Show. The n-channel TFT 1223 and the p-channel TFT 1224 are formed to have a high-quality crystalline semiconductor film by laser annealing using a pulse laser whose polarization direction is controlled. The TFTs forming the signal line driver circuit 1200 and the scanning line driver circuit 1201 may be formed of a CMOS circuit, a PMOS circuit, or an NMOS circuit.
画素部１２０２は、スイッチング用ＴＦＴ１２１１及び容量素子１２４５を有する。スイッチング用ＴＦＴ１２１１は、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いてレーザニールすることにより、高品質な結晶性半導体膜を有するように形成される。容量素子１２４５は、不純物が添加された半導体膜と、ゲート電極とに挟まれたゲート絶縁膜により構成される。なお、画素部１２０２のＴＦＴは信号線駆動回路１２００や走査線駆動回路１２０１と比べると、高い結晶性を有する必要がない。スイッチング用ＴＦＴ１２１１の一方の電極と接続された画素電極１２５０を有し、ｎチャネル型ＴＦＴ１２２３、ｐチャネル型ＴＦＴ１２２４、画素電極１２５０、及びスイッチング用ＴＦＴ１２１１を覆うように絶縁物１２１４が設けられている。 The pixel portion 1202 includes a switching TFT 1211 and a capacitor element 1245. The switching TFT 1211 is formed to have a high-quality crystalline semiconductor film by laser annealing using a pulse laser whose polarization direction is controlled. The capacitor 1245 includes a gate insulating film sandwiched between a semiconductor film to which an impurity is added and a gate electrode. Note that the TFT of the pixel portion 1202 does not need to have high crystallinity as compared with the signal line driver circuit 1200 and the scan line driver circuit 1201. A pixel electrode 1250 connected to one electrode of the switching TFT 1211 is provided, and an insulator 1214 is provided so as to cover the n-channel TFT 1223, the p-channel TFT 1224, the pixel electrode 1250, and the switching TFT 1211.
対向基板となる第２の基板１２０４には、信号線駆動回路１２００に相当する位置にブラックマトリクス１２５３が設けられ、少なくとも画素部に相当する位置にカラーフィルタ１２５２が設けられる。そして対向電極１２５１が形成された第２の基板１２０４に、ラビング処理を施し、第１の基板１２１０とスペーサ１２５５を介して張り合わせる。 A second substrate 1204 which is a counter substrate is provided with a black matrix 1253 at a position corresponding to the signal line driver circuit 1200 and a color filter 1252 at least at a position corresponding to a pixel portion. Then, the second substrate 1204 over which the counter electrode 1251 is formed is subjected to rubbing treatment, and is bonded to the first substrate 1210 with a spacer 1255 interposed therebetween.
第１の基板１２１０、及び第２の基板１２０４の間に液晶層を注入する。液晶層を注入する場合は、真空中で行うとよい。また第１の基板１２１０へ液晶層を滴下し、第２の基板１２０４で張り合わせてもよい。特に、大型基板になると液晶層を注入するより、滴下する方が好ましい。 A liquid crystal layer is injected between the first substrate 1210 and the second substrate 1204. In the case of injecting the liquid crystal layer, it may be performed in a vacuum. Alternatively, a liquid crystal layer may be dropped on the first substrate 1210 and attached to the second substrate 1204. In particular, for a large substrate, it is preferable to drop the liquid crystal layer rather than injecting it.
第１の基板１２１０と、第２の基板１２０４とをシール材１２０５を用いて接着する。第１の基板１２１０と、第２の基板１２０４とには適宜偏光板を設け、コントラストを高めるとよい。 The first substrate 1210 and the second substrate 1204 are bonded using a sealant 1205. The first substrate 1210 and the second substrate 1204 may be provided with polarizing plates as appropriate to increase contrast.
以上のように、結晶粒が揃った高機能な薄膜トランジスタを有する液晶表示装置作製することができる。 As described above, a liquid crystal display device including a high-performance thin film transistor with uniform crystal grains can be manufactured.
（実施の形態５）
本発明を適用して作製される電子機器の一例として、デジタルカメラ、カーオーディオなどの音響再生装置、ノート型パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(携帯電話、携帯型ゲーム機等)、家庭用ゲーム機などの記録媒体を備えた画像再生装置などが挙げられる。それら電子機器の具体例を図９に示す。
(Embodiment 5)
As an example of an electronic device manufactured by applying the present invention, a digital camera, a sound reproduction device such as a car audio, a notebook personal computer, a game device, a portable information terminal (a mobile phone, a portable game machine, etc.), a home use An image reproducing device including a recording medium such as a game machine may be used. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.
図９(Ａ)は表示装置であり、筐体２００１、支持台２００２、表示部２００３、スピーカー部２００４、ビデオ入力端子２００５等を含む。表示部２００３は、発光素子、又は液晶素子を有し、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いて結晶化された半導体膜を有する。 FIG. 9A illustrates a display device, which includes a housing 2001, a support base 2002, a display portion 2003, a speaker portion 2004, a video input terminal 2005, and the like. The display portion 2003 includes a light-emitting element or a liquid crystal element, and includes a semiconductor film crystallized using a pulsed laser whose polarization direction is controlled.
図９(Ｂ)はデジタルスチルカメラであり、本体２１０１、表示部２１０２、受像部２１０３、操作キー２１０４、外部接続ポート２１０５、シャッター２１０６等を含む。表示部２１０２は、発光素子、又は液晶素子を有し、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いて結晶化された半導体膜を有する。 FIG. 9B shows a digital still camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an image receiving portion 2103, operation keys 2104, an external connection port 2105, a shutter 2106, and the like. The display portion 2102 includes a light-emitting element or a liquid crystal element, and includes a semiconductor film crystallized using a pulsed laser whose polarization direction is controlled.
図９(Ｃ)はノート型パーソナルコンピュータであり、本体２２０１、筐体２２０２、表示部２２０３、キーボード２２０４、外部接続ポート２２０５、ポインティングマウス２２０６等を含む。表示部２２０３は、発光素子、又は液晶素子を有し、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いて結晶化された半導体膜を有する。 FIG. 9C illustrates a laptop personal computer, which includes a main body 2201, a housing 2202, a display portion 2203, a keyboard 2204, an external connection port 2205, a pointing mouse 2206, and the like. The display portion 2203 includes a light-emitting element or a liquid crystal element, and includes a semiconductor film crystallized using a pulsed laser whose polarization direction is controlled.
図９(Ｄ)はモバイルコンピュータであり、本体２３０１、表示部２３０２、スイッチ２３０３、操作キー２３０４、赤外線ポート２３０５等を含む。表示部２３０２は、発光素子、又は液晶素子を有し、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いて結晶化された半導体膜を有する。 FIG. 9D illustrates a mobile computer, which includes a main body 2301, a display portion 2302, a switch 2303, operation keys 2304, an infrared port 2305, and the like. The display portion 2302 includes a light-emitting element or a liquid crystal element, and includes a semiconductor film crystallized using a pulsed laser whose polarization direction is controlled.
図９(Ｅ)は記録媒体を備えた携帯型の画像再生装置であり、本体２４０１、筐体２４０２、表示部Ａ２４０３、表示部Ｂ２４０４、記録媒体読込部２４０５、操作キー２４０６、スピーカー部２４０７等を含む。表示部Ａ２４０３は主として画像情報を表示し、表示部Ｂ２４０４は主として文字情報を表示する。表示部Ａ２４０３、表示部Ｂ２４０４は、発光素子、又は液晶素子を有し、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いて結晶化された半導体膜を有する。 FIG. 9E illustrates a portable image reproducing device provided with a recording medium, which includes a main body 2401, a housing 2402, a display portion A2403, a display portion B2404, a recording medium reading portion 2405, operation keys 2406, a speaker portion 2407, and the like. Including. A display portion A2403 mainly displays image information, and a display portion B2404 mainly displays character information. The display portion A 2403 and the display portion B 2404 each include a light-emitting element or a liquid crystal element, and include a semiconductor film crystallized using a pulsed laser whose polarization direction is controlled.
図９(Ｆ)はゴーグル型ディスプレイであり、本体２５０１、表示部２５０２、アーム部２５０３を含む。表示部２５０２は、発光素子、又は液晶素子を有し、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いて結晶化された半導体膜を有する。 FIG. 9F shows a goggle type display, which includes a main body 2501, a display portion 2502, and an arm portion 2503. The display portion 2502 includes a light-emitting element or a liquid crystal element, and includes a semiconductor film crystallized using a pulsed laser whose polarization direction is controlled.
図９(Ｇ)はビデオカメラであり、本体２６０１、表示部２６０２、筐体２６０３、外部接続ポート２６０４、リモコン受信部２６０５、受像部２６０６、バッテリー２６０７、音声入力部２６０８、操作キー２６０９等を含む。表示部２６０２は、発光素子、又は液晶素子を有し、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いて結晶化された半導体膜を有する。 FIG. 9G shows a video camera, which includes a main body 2601, a display portion 2602, a housing 2603, an external connection port 2604, a remote control receiving portion 2605, an image receiving portion 2606, a battery 2607, an audio input portion 2608, operation keys 2609, and the like. . The display portion 2602 includes a light-emitting element or a liquid crystal element, and includes a semiconductor film crystallized using a pulsed laser whose polarization direction is controlled.
図９(Ｈ)は携帯端末のうちの携帯電話機であり、本体２７０１、筐体２７０２、表示部２７０３、音声入力部２７０４、音声出力部２７０５、操作キー２７０６、外部接続ポート２７０７、アンテナ２７０８等を含む。表示部２７０３は、発光素子、又は液晶素子を有し、偏光方向を制御されたパルスレーザを用いて結晶化された半導体膜を有する。 FIG. 9H illustrates a mobile phone among mobile terminals, which includes a main body 2701, a housing 2702, a display portion 2703, an audio input portion 2704, an audio output portion 2705, operation keys 2706, an external connection port 2707, an antenna 2708, and the like. Including. The display portion 2703 includes a light-emitting element or a liquid crystal element, and includes a semiconductor film crystallized using a pulsed laser whose polarization direction is controlled.
上記の電子機器において、本発明により高機能な薄膜トランジスタを有する電子機器を作製することができる。 In the above electronic device, an electronic device having a highly functional thin film transistor can be manufactured according to the present invention.
本実施の形態は、上記の実施の形態と自由に組み合わせることができる。 This embodiment mode can be freely combined with the above embodiment modes.
（実施例１）
本実施例では、本発明により形成された結晶性半導体膜が有する結晶粒について説明する。
Example 1
In this embodiment, crystal grains included in a crystalline semiconductor film formed according to the present invention will be described.
図５には、リッジが整列した結晶性珪素膜のＳＥＭ写真を示す。なおレーザは、エキシマレーザを用い、エネルギー密度４００ｍＪ／ｃｍ2、２５ショットとした。なお図５において、線状に加工されたパルスレーザビーム５００を、半導体膜に対して相対的に矢印の方向へ走査した。これをパルスレーザの走査方向、又は照射方向という。 FIG. 5 shows an SEM photograph of the crystalline silicon film in which the ridges are aligned. The laser used was an excimer laser with an energy density of 400 mJ / cm 2 and 25 shots. In FIG. 5, a pulsed laser beam 500 processed into a linear shape is scanned in the direction of the arrow relative to the semiconductor film. This is called the scanning direction or irradiation direction of the pulse laser.
図５をみるとリッジは概ね格子状に整列していることがわかる。特に、矢印に平行方向と、矢印に垂直方向の整列と比較すると、矢印と平行方向によく揃い、より規則的に整列していることがわかる。 FIG. 5 shows that the ridges are generally arranged in a lattice pattern. In particular, when compared with the alignment in the direction parallel to the arrow and the direction perpendicular to the arrow, it can be seen that the alignment is well aligned in the direction parallel to the arrow and is more regularly aligned.
さらに、リッジはエキシマレーザの波長とほぼ等しい３００ｎｍ間隔で整列していることがわかる。 Furthermore, it can be seen that the ridges are aligned at intervals of 300 nm, which is approximately equal to the wavelength of the excimer laser.
このような結晶性珪素膜に、薄膜トランジスタを設計する場合、図６（Ａ）、（Ｂ）のようにチャネル形成領域を設けるとよい。すなわち電流が流れる方向と、リッジの整列方向とが沿うように、つまり平行となると好ましい。特に図６（Ａ）に示すように、より規則的に整列している矢印と平行方向に沿うように、電流が流れるようにするとよい。 In the case where a thin film transistor is designed in such a crystalline silicon film, a channel formation region is preferably provided as shown in FIGS. That is, it is preferable that the direction in which the current flows and the direction in which the ridges are aligned, that is, parallel. In particular, as shown in FIG. 6A, it is preferable that the current flow along a direction parallel to the arrows arranged more regularly.
（実施例２）
本実施例では、格子状に整列したリッジが形成される原理について図４を用いて説明する。
(Example 2)
In the present embodiment, the principle of forming ridges arranged in a grid will be described with reference to FIG.
図４（Ａ）にはパルスレーザ光を照射する前の珪素膜を示す。 FIG. 4A shows a silicon film before irradiation with pulsed laser light.
図４（Ｂ）に示すように、パルスレーザが1ショット照射された時点でリッジが形成される。このとき、結晶化を促進する金属元素を形成して加熱を行った珪素膜の場合、加熱処理の時点でできた核から成長した結晶粒が最後にぶつかる位置にリッジが形成される。また、金属元素を用いた加熱処理を行わない場合、ランダムな位置にリッジが形成される。 As shown in FIG. 4B, a ridge is formed when one shot of pulse laser is irradiated. At this time, in the case of a silicon film heated by forming a metal element that promotes crystallization, a ridge is formed at a position where crystal grains grown from nuclei formed at the time of the heat treatment finally hit. In addition, when heat treatment using a metal element is not performed, ridges are formed at random positions.
図４（Ｃ）に示すように、パルスレーザの２ショット目では、珪素膜の表面にリッジによる凹凸ができたことによってレーザ照射時の散乱光、又は反射光（合わせて乱反射光）が増加し、入射光と、乱反射光とは干渉する。 As shown in FIG. 4 (C), in the second shot of the pulse laser, the surface of the silicon film has irregularities due to ridges, which increases the scattered light or reflected light (also diffusely reflected light) during laser irradiation. The incident light and the irregularly reflected light interfere with each other.
そして図４（Ｄ）に示すように、パルスレーザの３ショット目以降をみると、干渉によってレーザが強めあった場所は温度が高いため最後に結晶化する。そのため、強めあった場所には新たなリッジが形成される。それ以降レーザを照射すると、そのリッジが新たな散乱源となり、また別の場所で干渉が生じる。 Then, as shown in FIG. 4D, in the third and subsequent shots of the pulse laser, the place where the laser is strengthened by interference is finally crystallized because the temperature is high. Therefore, a new ridge is formed in the strengthened place. Thereafter, when the laser is irradiated, the ridge becomes a new scattering source, and interference occurs in another place.
全てのリッジにおいて、このような干渉は起こっていると考えられ、リッジの数は増加していく。しかし、高さの高いリッジの方が散乱強度は大きくなるため、パルスレーザの波長（例えば、エキシマレーザなら約０．３μｍ）の距離の中に2つのリッジがある場合は、高いリッジの方がショット数と共に成長して行き、高さの低いリッジの方は、溶融時になくなってしまう。 Such interference is considered to occur in all ridges, and the number of ridges increases. However, since the scattering intensity of the ridge with higher height is larger, if there are two ridges within the distance of the pulse laser wavelength (for example, about 0.3 μm for excimer laser), the higher ridge is more The ridge that grows with the number of shots and has a low height disappears when melted.
そのため、初めはランダムに並んでいるリッジであっても、パルスレーザのショット数が増えるにつれ、高いリッジが規則的に整列して残る。またさらに、ある程度までリッジが整列してくると、温度分布がより顕著になり、リッジの整列が促進される。 Therefore, even if the ridges are randomly arranged at the beginning, the high ridges remain regularly aligned as the number of shots of the pulse laser increases. Furthermore, when the ridges are aligned to a certain extent, the temperature distribution becomes more prominent and the alignment of the ridges is promoted.
以上のように、格子状に整列したリッジが形成されると考えられる。 As described above, it is considered that ridges arranged in a lattice shape are formed.
Claims (9)
前記非晶質半導体膜を加熱することにより結晶性半導体膜を形成し、
レーザ照射室のλ／２板を有する窓に入射して偏光方向が９０度回転したパルス発振型のレーザ光を前記結晶性半導体膜に対して垂直方向から照射することにより、前記結晶性半導体膜表面に前記レーザ光の発振波長と同程度の間隔で格子状に整列した複数のリッジを形成し、
前記複数のリッジを除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。 Adding a metal element that promotes crystallization to the amorphous semiconductor film,
A crystalline semiconductor film is formed by heating the amorphous semiconductor film,
By polarization direction enters the window having a lambda / 2 plate in the laser irradiation chamber is irradiated from the vertical direction for the crystalline semiconductor film with laser light of pulse oscillation type which is rotated 90 degrees, the crystalline semiconductor film Forming a plurality of ridges arranged in a lattice pattern on the surface at intervals similar to the oscillation wavelength of the laser beam ;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the plurality of ridges are removed.
前記非晶質半導体膜を加熱することにより結晶性半導体膜を形成し、
レーザ照射室のλ／２板を有する窓に入射して偏光方向が９０度回転したパルス発振型のレーザ光を前記結晶性半導体膜に対して垂直方向から照射することにより、前記結晶性半導体膜表面に前記レーザ光の発振波長と同程度の間隔で格子状に整列した複数のリッジを形成し、
前記複数のリッジを除去し、
不活性ガス雰囲気中で、前記複数のリッジが除去されて複数の凹部が形成された結晶性半導体膜にレーザ光を照射して平坦化することを特徴とする半導体装置の作製方法。 Adding a metal element that promotes crystallization to the amorphous semiconductor film,
A crystalline semiconductor film is formed by heating the amorphous semiconductor film,
By polarization direction enters the window having a lambda / 2 plate in the laser irradiation chamber is irradiated from the vertical direction for the crystalline semiconductor film with laser light of pulse oscillation type which is rotated 90 degrees, the crystalline semiconductor film Forming a plurality of ridges arranged in a lattice pattern on the surface at intervals similar to the oscillation wavelength of the laser beam ;
Removing the plurality of ridges;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: planarizing a crystalline semiconductor film from which a plurality of ridges are removed and a plurality of recesses are formed in an inert gas atmosphere by irradiating laser light.
前記非晶質半導体膜を加熱することにより結晶性半導体膜を形成し、
レーザ照射室のλ／２板を有する窓に入射して偏光方向が９０度回転したパルス発振型のレーザ光を前記結晶性半導体膜に対して垂直方向から照射することにより、前記結晶性半導体膜表面に前記レーザ光の発振波長と同程度の間隔で格子状に整列した複数のリッジを形成し、
前記複数のリッジを除去し、
不活性ガス雰囲気中で、前記複数のリッジが除去されて複数の凹部が形成された結晶性半導体膜にレーザ光を照射して平坦化する半導体装置の作製方法であって、
前記複数のリッジ間に整列した結晶粒が設けられ、
前記平坦化の処理によっても前記結晶粒の整列は保持されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。 Adding a metal element that promotes crystallization to the amorphous semiconductor film,
A crystalline semiconductor film is formed by heating the amorphous semiconductor film,
By polarization direction enters the window having a lambda / 2 plate in the laser irradiation chamber is irradiated from the vertical direction for the crystalline semiconductor film with laser light of pulse oscillation type which is rotated 90 degrees, the crystalline semiconductor membrane Forming a plurality of ridges arranged in a lattice pattern on the surface at intervals similar to the oscillation wavelength of the laser beam ;
Removing the plurality of ridges;
A method of manufacturing a semiconductor device in which a planarization is performed by irradiating a crystalline semiconductor film having a plurality of recesses formed by removing a plurality of ridges in an inert gas atmosphere by irradiating a laser beam,
Crystal grains aligned between the plurality of ridges are provided,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the alignment of the crystal grains is maintained even by the planarization treatment.
前記非晶質半導体膜を加熱することにより結晶性半導体膜を形成し、A crystalline semiconductor film is formed by heating the amorphous semiconductor film,
レーザ照射室のλ／２板を有する窓に入射して偏光方向が９０度回転したパルス発振型のレーザ光を前記結晶性半導体膜に対して斜め方向から照射することにより、前記結晶性半導体膜表面に前記レーザ光の発振波長より長い間隔で格子状に整列した複数のリッジを形成し、By irradiating the crystalline semiconductor film from a slanting direction with a pulse oscillation type laser beam that is incident on a window having a λ / 2 plate of a laser irradiation chamber and whose polarization direction is rotated by 90 degrees, the crystalline semiconductor film Forming a plurality of ridges arranged in a lattice pattern at intervals longer than the oscillation wavelength of the laser beam on the surface;
前記複数のリッジを除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the plurality of ridges are removed.
前記非晶質半導体膜を加熱することにより結晶性半導体膜を形成し、A crystalline semiconductor film is formed by heating the amorphous semiconductor film,
レーザ照射室のλ／２板を有する窓に入射して偏光方向が９０度回転したパルス発振型のレーザ光を前記結晶性半導体膜に対して斜め方向から照射することにより、前記結晶性半導体膜表面に前記レーザ光の発振波長より長い間隔で格子状に整列した複数のリッジを形成し、By irradiating the crystalline semiconductor film from a slanting direction with a pulse oscillation type laser beam that is incident on a window having a λ / 2 plate of a laser irradiation chamber and whose polarization direction is rotated by 90 degrees, the crystalline semiconductor film Forming a plurality of ridges arranged in a lattice pattern at intervals longer than the oscillation wavelength of the laser beam on the surface;
前記複数のリッジを除去し、Removing the plurality of ridges;
不活性ガス雰囲気中で、前記複数のリッジが除去されて複数の凹部が形成された結晶性半導体膜にレーザ光を照射して平坦化することを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: planarizing a crystalline semiconductor film from which a plurality of ridges are removed and a plurality of recesses are formed in an inert gas atmosphere by irradiating laser light.
前記非晶質半導体膜を加熱することにより結晶性半導体膜を形成し、A crystalline semiconductor film is formed by heating the amorphous semiconductor film,
レーザ照射室のλ／２板を有する窓に入射して偏光方向が９０度回転したパルス発振型のレーザ光を前記結晶性半導体膜に対して斜め方向から照射することにより、前記結晶性半導体膜表面に前記レーザ光の発振波長より長い間隔で格子状に整列した複数のリッジを形成し、By irradiating the crystalline semiconductor film from a slanting direction with a pulse oscillation type laser beam that is incident on a window having a λ / 2 plate of a laser irradiation chamber and whose polarization direction is rotated by 90 degrees, the crystalline semiconductor film Forming a plurality of ridges arranged in a lattice pattern at intervals longer than the oscillation wavelength of the laser beam on the surface;
前記複数のリッジを除去し、Removing the plurality of ridges;
不活性ガス雰囲気中で、前記複数のリッジが除去されて複数の凹部が形成された結晶性半導体膜にレーザ光を照射して平坦化する半導体装置の作製方法であって、A method of manufacturing a semiconductor device in which a planarization is performed by irradiating a crystalline semiconductor film having a plurality of recesses formed by removing a plurality of ridges in an inert gas atmosphere by irradiating a laser beam,
前記複数のリッジ間に整列した結晶粒が設けられ、Crystal grains aligned between the plurality of ridges are provided,
前記平坦化の処理によっても前記結晶粒の整列は保持されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the alignment of the crystal grains is maintained even by the planarization treatment.
前記パルス発振型のレーザ光を前記結晶性半導体膜に照射することにより、前記結晶性半導体膜表面に前記複数のリッジと、酸化膜とを形成し、
前記酸化膜を介して不活性元素が添加された第２の非晶質半導体膜を形成して加熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 6 ,
By irradiating the crystalline semiconductor film with the pulsed laser beam, the plurality of ridges and oxide films are formed on the surface of the crystalline semiconductor film,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a heat treatment is performed by forming a second amorphous semiconductor film to which an inert element is added through the oxide film.
前記結晶化を促進する金属元素は、Ｎｉであることを特徴とする半導体装置の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 7 ,
The method for manufacturing a semiconductor device , wherein the metal element that promotes crystallization is Ni.
前記複数のリッジにはニッケルシリサイドが偏析していることを特徴とする半導体装置の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 8,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein nickel silicide is segregated in the plurality of ridges.
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