JP4683696B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁表面を有する基板上に形成する結晶構造を有する半導体膜の作製方法、並びに該半導体膜を活性層に用いた半導体装置の作製方法に関する。特に、結晶質半導体層で活性層を形成した薄膜トランジスタの作製方法に関する。尚、本明細書において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、薄膜トランジスタを用いて形成されるアクティブマトリクス型の液晶表示装置に代表される電気光学装置、およびそのような電気光学装置を搭載した電子機器は半導体装置の範疇とする。
【0002】
【従来の技術】
ガラスなどの透光性を有する絶縁基板上に非晶質半導体層を形成し、レーザーアニール法や熱アニール法などで結晶化させた結晶質半導体層を活性層とした薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:以下、TFTと記す)が開発されている。絶縁基板には、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が多くの場合用いられている。このようなガラス基板は石英基板と比べ耐熱性は劣るものの市販価格は安価であることから、大面積基板を容易に製造できる利点を有している。
【0003】
レーザーアニール法はガラス基板の温度をあまり上昇させず、非晶質半導体層にのみ高いエネルギーを与えて結晶化させることができる結晶化技術として知られている。特に、短波長の光を大出力が得られるエキシマレーザーはこの用途において最も適していると考えられている。エキシマレーザーを用いたレーザーアニール法は、レーザービームを被照射面においてスポット状や線状となるように光学系で加工し、その加工されたレーザー光で被照射面を走査すること(レーザー光の照射位置を被照射面に対して相対的に移動させる)により行う。例えば、線状レーザー光を用いたエキシマレーザーアニール法は、その長手方向と直角な方向だけの走査で被照射面全体をレーザーアニールすることも可能であり、生産性に優れることからTFTを用いる液晶表示装置の製造技術として主流となりつつある。その技術は一枚のガラス基板上に画素部を形成する画素TFTと、画素部の周辺に設けられる駆動回路のTFTを形成したモノシリック型の液晶表示装置を可能とした。
【0004】
しかし、レーザーアニール法で作製される結晶質半導体層は複数の結晶粒が集合して形成され、その結晶粒の位置と大きさはランダムなものであった。ガラス基板上に作製されるTFTは、素子分離のために、結晶質半導体層を島状のパターンに分離して形成している。その場合において、結晶粒の位置や大きさを指定して形成することはできなかった。結晶粒の界面(結晶粒界)には、非晶質構造や結晶欠陥などに起因する再結合中心や捕獲中心や結晶粒界におけるポテンシャル準位の影響により、キャリアの電流輸送特性が低下させる原因があった。しかし、結晶の性質がTFTの特性に重大な影響を及ぼすチャネル形成領域を、結晶粒界の影響を排除して単一の結晶粒で形成することは殆ど不可能であった。そのため結晶質シリコン膜を活性層とするTFTは、単結晶シリコン基板に作製されるMOSトランジスタの特性と同等なものは今日まで得られていない。
【0005】
このような問題点を解決するために、結晶粒を大きく成長させる試みがなされている。例えば、「"High-Mobility Poly-Si Thin-Film Transistors Fabricated by a Novel Excimer Laser Crystallization Method", K.Shimizu, O.Sugiura and M.Matumura, IEEE Transactions on Electron Devices vol.40, No.1, pp112-117,1993」には、基板上にSi/SiO2/Siの3層構造の膜を形成し、エキシマレーザー光をその膜側と基板側の両側から照射するデュアルビームレーザーアニール法についての報告がある。その方法によれば、ある所定のエネルギー強度でレーザー光を照射することにより結晶粒の大粒形化を図ることができることが示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
モノシリック型の液晶表示装置は、画像表示を行う画素部と駆動回路が同一の基板上に形成されている。画素部には画素TFTと保持容量が設けられおり、駆動回路にはCMOS回路を基本として形成されるシフトレジスタ回路、レベルシフタ回路、バッファ回路、サンプリング回路などから構成されている。しかし、画素TFTと駆動回路のTFTとでは動作条件が同一でなく、従ってTFTに要求される特性は少なからず異なっている。例えば、画素TFTはスイッチ素子として機能するものであり、液晶に電圧を印加して駆動させるものである。液晶は交流で駆動させるので、フレーム反転駆動と呼ばれる方式が多く採用されている。この方式では消費電力を低く抑えるために、画素TFTに要求される特性はオフ電流値(TFTがオフ動作時に流れるドレイン電流)を十分低くすることである。一方、制御回路のバッファ回路は高い駆動電圧が印加されるため、高電圧が印加されても壊れないように耐圧を高めておく必要がある。また電流駆動能力を高めるために、オン電流値(TFTがオン動作時に流れるドレイン電流)を十分確保する必要がある。
【0007】
また、TFTにおいて重要な特性パラメータであるしきい値電圧(以下、Vthと記す)を所定の範囲内に制御するためには、チャネル形成領域の価電子制御の他に、活性層に密接して絶縁膜で形成する下地膜やゲート絶縁膜および層間絶縁膜の荷電欠陥密度を低減さることや、その内部応力のバランスを考慮する必要があつた。このような要求に対して、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などのシリコンを構成元素として含む材料が適していた。
【0008】
このように、モノシリック型の液晶表示装置の性能向上を図るには、活性層を形成する結晶質半導体層の結晶粒の大粒形化によりTFTの性能を向上を図るのみでは不十分であり、活性層とその上方および下方に形成する下地膜やゲート絶縁膜および層間絶縁膜の諸特性をも考慮する必要があった。
【0009】
本発明はこのような問題点を解決するための技術であり、島状のパターンに形成された半導体領域を、単結晶または単結晶と見なせる領域として形成すると共に、TFTの諸特性を安定化させることのできる積層構造を同時に実現させることを目的とする。さらに、同一の基板上に複数の機能回路が形成されるモノシリック型の液晶表示装置に代表される半導体装置において、その機能回路が要求する仕様に応じて適切な性能のTFTを配置することを可能とし、その動作特性や信頼性を大幅に向上させることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
ガラスなどの基板上に形成した非晶質半導体層から結晶質半導体層を形成する方法にレーザーアニール法を用いる。本発明のレーザーアニール法は、パルス発振型または連続発光型のエキシマレーザーやアルゴンレーザーをその光源とし、光学系にて線状に形成されたレーザー光を、半導体層の下地膜と接する第1の表面と、その反対側の第2の表面の両方から照射する。
【0011】
図3(A)はこのようなレーザーアニール装置の構成を示す図である。レーザーアニール装置は、レーザー発振器1201、光学系1100、基板を固定するステージ1202を有し、ステージ1202にはヒーター1203とヒーターコントローラー1204が付加されて、基板を100〜450℃まで加熱することができる。ステージ1202上には反射板1205が設けられ、その上に基板1206を設置する。図3(A)のような構成のレーザーアニール装置の構成において、基板1206の保持方法を図3(B)を用いて説明する。ステージ1202に保持された基板1206は、反応室1213に設置されレーザー光が照射される。反応室内は図示されていない排気系またはガス系により減圧状態または不活性ガス雰囲気とすることができ、半導体膜を汚染させることなく100〜450℃まで加熱することができる。ステージ1202はガイドレール1216に沿って反応室内を移動することができ、基板の全面に線状レーサー光を照射させることができる。レーザー光は基板1206の上面に設けられた図示されていない石英製の窓から入射する。また、図3(B)ではこの反応室1213にトランスファー室1210、中間室1211、ロード・アンロード室1212が接続し、仕切弁1217、1218で分離されている。ロード・アンロード室1212には複数の基板を保持することが可能なカセット1214が設置され、トランスファー室1210に設けられた搬送ロボット1215により基板が搬送される。基板1206は搬送中の基板を表す。このような構成とすることによりレーザーアニールを減圧下または不活性ガス雰囲気中で連続して処理することができる。
【0012】
図2(A)、(B)は図3(A)で示したレーザーアニール装置の光学系構成を説明する図である。レーザー発振器1101にはエキシマレーザーやアルゴンレーザーなどを適用する。図2(A)は光学系1100を側面から見た図であり、レーザー発振器1101から出たレーザー光はシリンドリカルレンズアレイ1102により縦方向に分割される。この分割されたレーザー光はシリンドリカルレンズ1104により、一旦集光された後広がって、ミラー1107で反射され、その後、シリンドリカルレンズ1108により照射面1109で線状レーザー光となるようにする。これにより、線状レーザー光の幅方向のエネルギー分布の均一化を図ることができる。また、図2(B)は光学系1100を上面から見た図であり、レーザー発振器1101から出たレーザー光はシリンドリカルレンズアレイ1102により横方向に分割される。その後、シリンドリカルレンズ1105により、レーザー光は照射面1109で一つに合成される。これにより、線状レーザー光の長手方向のエネルギー分布の均一化を図ることができる。
【0013】
さらに、図1は本発明に関わるレーザーアニール法の概念を説明する図である。ガラスなどの基板1001上に絶縁膜1002が形成され、その上に島状半導体層1003が形成されている。絶縁膜1002は酸化シリコン膜や窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、およびアルミニウムを成分とする絶縁膜などを適用し、これらの膜単体か若しくは適宣組み合わせて用いる。そして、図2(A)、(B)で説明した光学系1100により、シリンドリカルレンズ1108と同等の機能を有するシリンドリカルレンズ1005を通過したレーザー光は線状レーザー光として島状半導体層1003に照射される。島状半導体層1003には、シリンドリカルレンズ1005を通過して直接島状半導体層1003の第2の表面から照射する直達レーザー光成分1006と、絶縁膜1002と基板1001を透過して、反射板1004で反射して、再度基板1001と絶縁膜1002を透過して島状半導体層1003の第1の表面から照射される拡散レーザー光成分1007がある。いずれにしても、シリンドリカルレンズ1005を通過したレーザー光は、集光される過程で基板表面に対し、45〜90°の入射角を持つので、反射板1004で反射するレーザー光は、島状半導体層1003の内側の方向にも反射する。反射板1004はアルミニウムなどで反射表面を形成する。この反射表面を鏡面にしておくと、240〜320nmの波長範囲で約90%の正反射率が得られる。また、材質をアルミニウムとして、その表面に数100nmの微細な凹凸形状を形成しておくと、拡散反射率(積分反射率―正反射率)は50〜70%が得られる。
【0014】
このようにして、レーザー光は基板1001の第2の表面と第1の表面から照射され、この基板1001上に形成された島状半導体層1003は両面からレーザーアニールされることになる。レーザーアニール法では、照射するレーザー光の条件を最適なものとすることにより半導体膜を瞬時に加熱して溶融させ、結晶核の発生密度とその結晶核からの結晶成長を制御しようとしている。エキシマレーザーの発振パルス幅は数nsec〜数百nsec、例えば30nsecであるので、パルス発振周波数を30Hzとして照射すると、そのレーザー光が照射された領域の半導体層はパルスレーザー光により瞬時に加熱され、その加熱時間よりも遥かに長い時間冷却される。
【0015】
基板上に形成された半導体層に対して、一方の面のみからのレーザー光の照射では、片側しか加熱されないので、加熱溶融と冷却固化のサイクルは急峻なものとなり、結晶核の発生密度を制御できたとしても十分な結晶成長は期待できない。しかし、半導体層の両方の面からレーザー光を照射するとこの加熱溶融と冷却固化のサイクルが緩やかなものとなり、冷却固化の過程で結晶成長に許容される時間が相対的に長くなることにより、充分な結晶成長を得ることができる。
【0016】
エキシマレーザー光の波長では、レーザー光は半導体層の最表面のみ吸収されて熱に変換される。例えば、波長308nmのXeClエキシマレーザー光の場合、シリコン層の表面から20nmまでの領域で殆どが吸収され発熱する。その後、その領域から内側のシリコン層に熱伝導することで、シリコン層全体がアニールされる。つまり、レーザー光が照射されている間は、常にシリコン層の表面温度が他の領域と比較して高くなる。この事は、レーザーアニールにおける熱伝導シミュレーションから得られる結果から推測することができる。
【0017】
ここで、表側からの片面からレーザー光を照射した場合と、表側と裏側の両面からレーザー光が照射された時において、シリコン層に吸収されて熱に変換されるエネルギーが同じ場合を仮定する。図26にシリコン層の深さ方向におけるレーザー光強度分布のシミュレーション結果を、片面照射と両面照射のそれぞれの場合について示す。両面照射の場合には、表側照射強度と裏側照射強度の比が3:1の場合を示している。図26に示すように、レーザー光が照射される温度上昇過程において、両面照射の場合、レーザー光を吸収して発熱する領域が、表面側と下地界面側の2つになる。つまり、発熱する領域を実効的に拡大することができる。このため、片面照射と比較してアブレーションが発生しにくくなる(エキシマレーザー光を半導体層に照射する場合、あるレーザーエネルギー密度以上でアブレーションが発生することが知られている)。つまり、両面照射では、半導体層にアブレーションを発生させることなく実効的に高いエネルギー密度で半導体層を加熱することができる。
【0018】
本発明は、このようなレーザーアニール法(デュアルビームレーザーアニール法)を適用して、島状半導体層を単結晶または単結晶と見なせる領域を形成し、そのような島状半導体層をTFTの活性層に用いて、さらに各回路の機能に応じた構造を有するTFTを有する半導体装置を作製する。
【0019】
従って、上記問題点を解決するために本発明の構成は、基板に密接して下地膜を形成する第1の工程と、前記下地膜上に、該下地膜に接する第1の表面と、その反対側に第2の表面を有する第1形状の非晶質半導体層を形成する第2の工程と、前記第1形状の非晶質半導体層の第2の表面に第1のレーザー光を照射して、かつ、前記第1形状の非晶質半導体層の周辺の領域より入射して、前記基板を透過して反射板にて反射した第2のレーザー光を前記第1の表面から照射して、第1形状の結晶質半導体層を形成する第3の工程と、前記第1形状の結晶質半導体層のゲート電極と重なる領域、若しくはチャネル形成領域を形成する領域において、該第1形状の結晶質半導体層の端部から1μm以上除去して、第2形状の結晶質半導体層を形成する第4の工程と、前記第2形状の結晶質半導体層に、一導電型の不純物領域を形成する第5の工程と、前記第2形状の結晶質半導体層に、水素を添加する第6の工程とを有することを特徴としている。
【0020】
また、他の発明の構成は、基板に密接して下地膜を形成する第1の工程と、前記下地膜上に、該下地膜に接する第1の表面と、その反対側に第2の表面を有する第1形状の非晶質半導体層を形成する第2の工程と、前記第1形状の非晶質半導体層に半導体の結晶化を助長する元素を導入する第3の工程と、前記第1形状の非晶質半導体層の第2の表面に第1のレーザー光を照射して、かつ、前記第1形状の非晶質半導体層の周辺の領域より入射して、前記基板を透過して反射板にて反射した第2のレーザー光を前記第1の表面から照射して、第1形状の結晶質半導体層を形成する第4の工程と、前記第1形状の結晶質半導体層のゲート電極と重なる領域、若しくはチャネル形成領域を形成する領域において、該第1形状の結晶質半導体層の端部から1μm以上除去して、第2形状の結晶質半導体層を形成する第5の工程と、前記第2形状の結晶質半導体層に、一導電型の不純物領域を形成する第6の工程と、前記第2形状の結晶質半導体層に、水素を添加する第7の工程とを有することを特徴としている。
【0021】
また、他の発明の構成は、基板に密接して下地膜を形成する第1の工程と、前記下地膜上に非晶質半導体層を形成する第2の工程と、前記非晶質半導体層に該非晶質半導体の結晶化を助長する元素を導入し、加熱処理により結晶質半導体膜を形成する第3の工程と、前記下地膜上に、該下地膜に接する第1の表面と、その反対側に第2の表面を有する第1形状の結晶質半導体層を形成する第4の工程と、前記第1形状の結晶質半導体層の第2の表面に第1のレーザー光を照射して、かつ、前記第1形状の結晶質半導体層の周辺の領域より入射して、前記基板を透過して反射板にて反射した第2のレーザー光を前記第1の表面から照射する第5の工程と、前記第1形状の結晶質半導体層のゲート電極と重なる領域、若しくはチャネル形成領域を形成する領域において、該第1形状の結晶質半導体層の端部から1μm以上除去して、第2形状の結晶質半導体層を形成する第6の工程と、前記第2形状の結晶質半導体層に、一導電型の不純物領域を形成する第7の工程と、前記第2形状の結晶質半導体層に、水素を添加する第8の工程とを有することを特徴としている。
【0022】
上記本発明の構成は、pチャネル型TFTとnチャネル型TFTとを同一の基板上に有する半導体装置の作製方法においても好適に適用できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
[実施形態1]
本発明の実施形態を図4を用いて説明する。図4(A)において、基板401には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無アルカリガラス基板を用いる。例えば、コーニング社の#7059ガラスや#1737ガラス基などを好適に用いることができる。その他に、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)など光学的異方性を有しないプラスチック基板を用いることができる。ガラス基板を用いる場合には、ガラス歪み点よりも10〜20℃程度低い温度であらかじめ熱処理しておいても良い。基板401のTFTを形成する一主表面に密接させて、基板401からの不純物拡散を防ぐために、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜などの下地膜402を形成する。例えば、プラズマCVD法でSiH4、NH3、N2Oから作製される酸化窒化シリコン膜402aを10〜200nm(好ましくは50〜100nm)、同様にSiH4、N2Oから作製される酸化窒化水素化シリコン膜402bを50〜200nm(好ましくは100〜150nm)の厚さに積層形成する。
【0024】
酸化窒化シリコン膜は従来型の平行平板型のプラズマCVD法を用いて形成する。酸化窒化シリコン膜402aは、SiH4を10SCCM、NH3を100SCCM、N2Oを20SCCMとして反応室に導入し、基板温度325℃、反応圧力40Pa、放電電力密度0.41W/cm2、放電周波数60MHzとした。一方、酸化窒化水素化シリコン膜402bは、SiH4を5SCCM、N2Oを120SCCM、H2を125SCCMとして反応室に導入し、基板温度400℃、反応圧力20Pa、放電電力密度0.41W/cm2、放電周波数60MHzとした。これらの膜は、基板温度を変化させ、反応ガスの切り替えのみで連続して形成することもできる。このような下地膜は、内部応力が基板に対して引張応力を有するように形成しておくと、しきい値電圧(Vth)を安定化させる上で望ましい。また、その内部応力は400〜600℃の熱処理において変化しないことが望ましい。
【0025】
このようにして作製した酸化窒化シリコン膜402aは、密度が9.28×1022/cm3であり、フッ化水素アンモニウム(NH4HF2)を7.13%とフッ化アンモニウム(NH4F)を15.4%含む混合溶液(ステラケミファ社製、商品名LAL500)の20℃におけるエッチング速度が約63nm/minと遅く、緻密で硬い膜である。このような膜を下地膜に用いると、この上に形成する半導体層にガラス基板からのアルカリ金属元素が拡散するのを防ぐのに有効である。
【0026】
次に、25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで非晶質構造を有する非晶質半導体層403を、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で形成する。例えば、プラズマCVD法で非晶質シリコン膜を55nmの厚さに形成する。非晶質構造を有する半導体膜には、非晶質半導体層や微結晶半導体膜があり、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。また、下地膜102と非晶質半導体層403とは両者を連続形成することも可能である。例えば、前述のように酸化窒化シリコン膜402aと酸化窒化水素化シリコン膜402bをプラズマCVD法で連続して成膜後、反応ガスをSiH4、N2O、H2からSiH4とH2或いはSiH4のみに切り替えれば、一旦大気雰囲気に晒すことなく連続形成できる。その結果、酸化窒化水素化シリコン膜402bの表面の汚染を防ぐことが可能となり、作製するTFTの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減させることができる。
【0027】
そして、図4(B)に示すように非晶質半導体半導体層403から、第1の形状を有する島状半導体層404を形成する。第1の形状は、正方形、長方形、または任意の多角形とすることができるが、中心部から端部までの距離が50μm以下の領域を有するようにする。これは、レーザーアニールの工程において、レーザー光を島状半導体層403の周辺の領域から基板へ入射させ、基板の下側に置いた反射板で反射したレーザー光を再び島状半導体層403の第1の表面に入射させて、結晶化を有効に行わせる目的おいて限定される値である。一辺がこの値以上であると、島状半導体層403の内側まで前記反射したレーザー光が入射しなくなり、結晶化が良好に行われなくなる。
【0028】
次に、結晶化を図4(C)に示すように、レーザーアニール法により行う。結晶化のためにはまず、非晶質半導体層が含有する水素を放出させておくことが望ましく、400〜500℃で1時間程度の熱処理を行い含有する水素量を5atomic%以下にしておくと良い。レーザーアニール法は、パルス発振型または連続発光型のエキシマレーザーやアルゴンレーザーをその光源とする。その装置の構成および概念はは、前述の様に図1と図3で説明したものと同様なものを適用する。
【0029】
レーザーアニール条件は実施者が適宣選択するものであるが、例えば、エキシマレーザーのパルス発振周波数30Hzとし、レーザーエネルギー密度を100〜500mJ/cm2(代表的には300〜350mJ/cm2)として、線幅100〜1000μm、例えば線幅400μmの線状ビームを照射する。この線幅は島状半導体層404よりも大きいので、1パルスの線状ビームで、少なくとも一つの島状半導体層404の第2の表面の全面と、島状半導体層404の周辺を照射することができる。島状半導体層404の周辺にある入射角θを持って照射された光の一部は基板の下側の反射板に達し、そこで反射角θ'を持って反射された光の一部は島状半導体層404の第1の表面に照射される。また、線状ビームを走査しながら複数回照射しても良い。この時の線状ビームの重ね合わせ率(オーバーラップ率)を50〜98%として行うと良い。実際には照射パルス数を20〜40パルスとすると良い。レーザービームの形状は面状としても同様に処理することができる。
【0030】
このような、レーザーアニール方法において、島状半導体層404の周辺にある入射角θを持って照射された光は、基板401を通過する過程で約50%減衰する。反射板の正反射率を90%としても、実際に島状半導体層404の第1の表面に照射されるレーザー光は、直達レーザー光の15〜30%程度であると考えられる。しかし、この程度の強度の拡散レーザー光によっても島状半導体層404は十分に加熱される。その結果、直達レーザー光と拡散レーザー光によって溶融された半導体層の冷却過程は緩やかなものとなり、結晶成長を十分成し遂げさせることが可能となる。
【0031】
これは、図3(A)で示すステージ1202に設けられたヒーター1203によっても基板を100〜450℃までの加熱ができるが、拡散レーザー光による半導体層の加熱はこの温度以上の効果がある。
【0032】
また、島状半導体層404の内側まで拡散レーザー光を効果的に入射させるには、反射板をアルミニウムとして、その表面に数100nmの微細な凹凸形状を形成して、拡散反射率を50〜70%としておくと有効である。これは、微細な凹凸形状の表面によりレーザー光の散乱角が大きくなるためである。
【0033】
このようにしてレーザーアニールを施す結果、図4(C)に示すように島状半導体層404は、非晶質構造から結晶質構造へ遷移することにより緻密化して1〜15%程度収縮する(図中の点線はアニール前の島状半導体層の大きさを示す)。そして、結晶構造を有する島状半導体層405が形成される。この島状半導体層405の周辺部には収縮による歪みが蓄積した領域406ができる。この歪みが蓄積した領域406には多数の捕獲中心や再結合中心などの欠陥準位があるので、少なくともTFTのチャネル形成領域などに使用することは適切でない。そのために、特開平8−228006号公報には、このような島状半導体層の周辺の歪みが蓄積した領域を除去して新たな形状の島状半導体層を形成する技術が開示されている。従って、図4(D)に示すように、歪みが蓄積した領域406をエッチングして除去して島状半導体層407を形成する(図中の点線で示す408はエッチングで除去した領域を示す)。
【0034】
その後、島状半導体層407は、3〜100%の水素を含む雰囲気中で300〜450℃の加熱処理、或いは、プラズマによって生成された水素を含む雰囲気中で200〜450℃の加熱処理によって、残留する欠陥を中和することができる。このようにして作製された島状半導体層407は、TFTの活性層として好適に用いることができる。
【0035】
[実施形態2]
本発明の他の実施形態を図5を用いて説明する。図5(A)において、基板501、下地膜502、非晶質半導体層503は実施形態1と同様にして作製する。そして、図5(B)に示すように非晶質半導体半導体層503から、第1の形状を有する島状半導体層504を形成する。そして、重量換算で5〜100ppmの触媒元素を含む水溶液をスピンコート法で塗布して触媒元素を含有する層505を形成する。触媒元素にはニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、鉄(Fe)、パラジウム(Pd)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、コバルト(Co)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)などである。この触媒元素を含有する層505は、スピンコート法の他にスパッタ法や真空蒸着法によって上記触媒元素の層を1〜5nmの厚さに形成しても良い。
【0036】
この状態の基板に対して、実施形態1と同様にしてレーザーアニールを施す。その結果、直達レーザー光および拡散レーザー光により一旦溶融状態を経て形成される結晶構造を有する島状半導体層506中には触媒元素が1×1017〜1×1019atoms/cm3程度の濃度で含まれている。触媒元素は結晶化において半導体層中にシリサイドを形成しながら拡散し、その過程で半導体層の結晶化を促進させる効果があり、実施形態1と比較してより結晶性の高い結晶質半導体層を形成することを可能とする。しかし、この場合でも島状半導体層506は、非晶質構造から結晶質構造へ遷移することにより緻密化して収縮する(図中の点線はアニール前の島状半導体層の大きさを示す)ので、この島状半導体層506の周辺部には収縮による歪みが蓄積した領域507ができる。従って、この場合でも図5(D)に示すように、歪みが蓄積した領域507をエッチングして除去して第2の形状を有する島状半導体層508を形成する(図中の点線で示す509はエッチングで除去した領域を示している)。
【0037】
その後、島状半導体層508は、3〜100%の水素を含む雰囲気中で300〜450℃の加熱処理、或いは、プラズマによって生成された水素を含む雰囲気中で200〜450℃の加熱処理によって、残留する欠陥を中和することができる。このようにして作製された島状半導体層508は、TFTの活性層として好適に用いることができる。
【0038】
[実施形態3]
TFTの活性層とする結晶構造を有する島状半導体層の作製方法は、レーザーアニール法のみから作製されるものではなく、本発明に関わるレーザーアニール法と熱アニール法を併用させても良い。特に、熱アニール法による結晶化は、特開平7−130652号公報で開示される触媒元素を用いる結晶化法にも応用すると、600℃以下の温度で結晶化を実現でき、このようにして作製された結晶質半導体層を本発明に関わるレーザーアニール法で処理すると高品質の結晶質半導体層を得ることができる。このような実施形態を図6を用いて説明する。
【0039】
図6(A)において、基板601には実施形態1で示したガラス基板を好適に用いることができる。その他、下地膜602、非晶質半導体層603は実施形態1と同様にして作製する。そして、この状態で実施形態2と同様にして触媒元素を含有する層604を非晶質半導体層603上に形成する。その後、まず400〜500℃で1時間程度の熱処理を行い、非晶質半導体層の含有水素量を5atomic%以下にする。そして、ファーネスアニール炉を用い、窒素雰囲気中において550〜600℃で1〜8時間、好ましくは550℃で4時間の熱アニールを行う。以上の工程により結晶質シリコン膜から成る結晶質半導体層を得ることができる(図示せず)。この熱アニールによって作製された結晶質半導体層は、光学顕微鏡観察により巨視的に観察すると局所的に非晶質領域が残存していることが観察されることがあり、このような場合、同様にラマン分光法では480cm-1にブロードなピークを持つ非晶質成分が観測される。しかし、このような非晶質領域は本発明のレーザーアニール法により容易に除去することが可能であり、良質な結晶質半導体層を得ることができる。
【0040】
そこで、上述の熱アニールが施された結晶質半導体層から第1の形状を有する島状半導体層605を形成する。結晶質半導体層は、非晶質構造から結晶質構造へ遷移することにより緻密化して収縮するので、その膜厚は非晶質半導層603の厚さ(図中の点線606で示す)よりも1〜15%程度薄くなる(図6(B))。
【0041】
この状態の基板に対して、実施形態1と同様にしてレーザーアニールを施す。その結果、直達レーザー光および拡散レーザー光により一旦溶融状態を経て新に結晶構造を有する島状半導体層607が形成される。この場合でも島状半導体層605は、結晶性が高まることにより僅かに緻密化して収縮する(図中の点線はレーザーアニール前の島状半導体層605の大きさを示す)ので、この島状半導体層607の周辺部には収縮による歪みが蓄積した領域608ができてしまう。また、島状半導体層607中には触媒元素が1×1017〜1×1019atoms/cm3程度の濃度で含まれている。この場合でも図6(D)に示すように、歪みが蓄積した領域608をエッチングして除去して第2の形状を有する島状半導体層609を形成する(図中の点線で示す610はエッチングで除去した領域を示す)。
【0042】
その後、同様に島状半導体層609は、3〜100%の水素を含む雰囲気中で300〜450℃の加熱処理、或いは、プラズマによって生成された水素を含む雰囲気中で200〜450℃の加熱処理を施すと良い。
【0043】
[実施形態4]
図7で説明する実施形態は、レーザーアニール法において半導体層に温度勾配をもたせて結晶化させることにより、より良質な結晶質半導体層を形成する方法である。図7(A)において、基板701は実施形態1と同様なものを用いることができる。
【0044】
この基板701のTFTを形成する表面に、透光性でかつ絶縁性を有し、熱伝導性の優れる熱伝導層702を形成する。熱伝導層702の厚さは50〜500nmとし、熱伝導率は10Wm-1K-1以上であることが必要である。このような材料として、アルミニウムの酸化物(酸化アルミニウム(Al2O3)は可視光において透光性を有し、熱伝導率が20Wm-1K-1であり適している。また、酸化アルミニウムは化学量論比に限定されるものでなく、熱伝導率特性と内部応力などの特性を制御するために、他の元素を添加しても良い。例えば、酸化アルミニウムに窒素を含ませて、酸化窒化アルミニウム(AlNxO1-x:0.02≦x≦0.5)を用いても良いし、アルミニウムの窒化物(AlNx)を用いることも可能である。また、シリコン(Si)、酸素(O)、窒素(N)とM(Mはアルミニウム(Al)または希土類元素から選ばれた少なくとも一種)を含む化合物を用いることができる。例えば、AlSiONやLaSiONなどを好適に用いることができる。その他に、窒化ホウ素なども適用することができる。上記の酸化物、窒化物、および化合物はいずれもスパッタ法で形成することができる。これは所望の組成のターゲットを用い、アルゴン(Ar)や窒素などの不活性ガスを用いてスパッタすることにより形成できる。また、熱伝導度が1000Wm-1K-1に達する薄膜ダイアモンド層やDLC(Diamond Like Carbon)層を設けても良い。
【0045】
この上に島状の絶縁層703を形成する。島状の絶縁層703の熱伝導率は10Wm-1K-1未満である材料を用いる。このような材料として、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などを選択することができるが、好ましくは酸化窒化シリコン膜で形成すると良い。酸化窒化シリコン膜は、プラズマCVD法でSiH4、N2Oを原料ガスとして作製する。この原料ガスにO2を添加しても良い。作製条件は限定されないが、この島状の絶縁膜703としての酸化窒化シリコン膜は膜厚を50〜500nmとし、含有酸素濃度を55atomic%以上70atomic%未満とし、かつ、含有窒素濃度を1atomic%以上20atomic%未満となるようにする。このような組成として酸化窒化シリコン膜の内部応力が低減すると共に固定電荷密度を減少させておく。
【0046】
次に、25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで非晶質構造を有する半導体膜704を、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で形成する。例えば、プラズマCVD法で非晶質シリコン膜を55nmの厚さに形成した。非晶質構造を有する半導体膜としては、非晶質半導体層や微結晶半導体膜があり、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。その後、非晶質構造を有する半導体膜704から第1の形状を有する島状半導体層705を形成する。この島状半導体層705は、島状の絶縁層703を覆って、端部が熱伝導層702と接するように形成すると良い(図6(B))。
【0047】
そして、デュアルビームレーザーアニール法を使用して島状半導体層705を結晶化させる。この過程において、島状半導体層705の端部が熱伝導層702と接する領域は急激に冷却されることにより、この領域において最初に結晶核が生成され、この領域では微細な結晶粒が形成される。一方、島状の絶縁層703上にある半導体層は加熱と冷却の温度変化が比較的おだやかなものとなり、この領域にある半導体層は熱伝導層702に近い端部から比較的緩やかに結晶粒が成長し、島状の絶縁層703上のほぼ全面に渡って単一の結晶粒を成長させることができる。
【0048】
その結果、図7(C)に示すように島状半導体層705は、非晶質構造から結晶質構造へ遷移することにより緻密化して1〜15%程度収縮する(図中の点線はアニール前の島状半導体層の大きさを示す)。そして、結晶構造を有する島状半導体層706が形成される。この島状半導体層706の周辺部には収縮による歪みが蓄積する領域707ができる。この歪みが蓄積する領域707には多数の捕獲中心や再結合中心などの欠陥準位があるので、少なくともTFTのチャネル形成領域などに使用することは適切でない。最後に、図7(D)に示すように、歪みが蓄積する領域707をエッチングして除去して第2の形状を有する島状半導体層708を形成する(図中の点線で示す709はエッチングで除去した領域を示す)。
【0049】
その後、同様に島状半導体層708は、3〜100%の水素を含む雰囲気中で300〜450℃の加熱処理、或いは、プラズマによって生成された水素を含む雰囲気中で200〜450℃の加熱処理を施すと良い。以上のように本実施形態では、下地膜に熱伝導層を設け、半導体層の温度勾配を利用する方法を、実施形態1で説明したレーザーアニール法に適用する例を示したが、このような方法は実施形態2または実施形態3と組み合わせて実施しても良い。
【0050】
【実施例】
[実施例1]
本発明の実施例を図8〜図10を用いて説明する。ここでは、画素部の画素TFTおよび保持容量と、画素部の周辺に設けられる駆動回路のnチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを同時に作製する方法について工程に従って説明する。
【0051】
図8(A)において、基板101にはコーニング社の#7059ガラスや#1737ガラスなどに代表されるバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板の他に、結晶化や活性化の工程をレーザーアニール法のみで行う場合には、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)など光学的異方性を有しないプラスチック基板を用いることができる。ガラス基板を用いる場合には、ガラス歪み点よりも10〜20℃程度低い温度であらかじめ熱処理しておいても良い。そして、基板101のTFTを形成する表面に、基板101からの不純物拡散を防ぐために、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜などの下地膜102を形成する。例えば、プラズマCVD法でSiH4、NH3、N2Oから作製される酸化窒化シリコン膜102aを10〜200nm(好ましくは50〜100nm)、同様にSiH4、N2Oから作製される酸化窒化水素化シリコン膜102bを50〜200nm(好ましくは100〜150nm)の厚さに積層形成する。
【0052】
酸化窒化シリコン膜は従来の平行平板型のプラズマCVD法を用いて形成する。酸化窒化シリコン膜102aは、SiH4を10SCCM、NH3を100SCCM、N2Oを20SCCMとして反応室に導入し、基板温度325℃、反応圧力40Pa、放電電力密度0.41W/cm2、放電周波数60MHzとした。一方、酸化窒化水素化シリコン膜102bは、SiH4を5SCCM、N2Oを120SCCM、H2を125SCCMとして反応室に導入し、基板温度400℃、反応圧力20Pa、放電電力密度0.41W/cm2、放電周波数60MHzとした。これらの膜は、基板温度を変化させ、反応ガスの切り替えのみで連続して形成することもできる。
【0053】
また、酸化窒化シリコン膜102aは基板を中心に考えて、その内部応力が引張り応力となるように形成する。酸化窒化水素化シリコン膜102bも同様な方向に内部応力を持たせるが、酸化窒化シリコン膜102aよりも絶対値で比較して小さい応力となりようにする。
【0054】
次に、25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで非晶質構造を有する半導体層103を、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で形成する。例えば、プラズマCVD法で非晶質シリコン膜を55nmの厚さに形成する。非晶質構造を有する半導体膜には、非晶質半導体層や微結晶半導体膜があり、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。また、下地膜102と非晶質半導体層103とは両者を連続形成することも可能である。例えば、前述のように酸化窒化シリコン膜102aと酸化窒化水素化シリコン膜102bをプラズマCVD法で連続して成膜後、反応ガスをSiH4、N2O、H2からSiH4とH2或いはSiH4のみに切り替えれば、一旦大気雰囲気に晒すことなく連続形成できる。その結果、酸化窒化水素化シリコン膜102bの表面の汚染を防ぐことが可能となり、作製するTFTの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減させることができる。
【0055】
そして、まず非晶質構造を有する半導体層103から、図8(B)で点線で示すように第1の形状を有する島状半導体層104〜108を形成する。図11(A)はこの状態における島状半導体層104、105の上面図であり、同様に図12(A)は島状半導体層108の上面図を示す。図11および図12において、島状半導体層は長方形とし一辺が50μm以下となるように形成するが、島状半導体層の形状は任意なものとすることが可能で、好ましくはその中心部から端部までの最小距離が50μm以下となるような形態であればどのような多角形、或いは円形とすることもできる。
【0056】
次に、このような島状半導体層104〜108に対して結晶化の工程を行う。結晶化の工程は、実施形態1〜4で説明したいずれの方法を適用することも可能である。いずれにしても、本発明に関わるデュアルビームレーザーアニール法を適用することにより、新に図8(B)の実線で示す結晶質シリコン膜から成る島状半導体層109〜113が形成される。この場合も同様に、非晶質シリコン膜の結晶化に伴って膜が緻密化し、1〜15%程度収縮する。従って、このような結晶質シリコン膜から成る島状半導体層は、基板を中心に考えて引張り応力を有している。また、島状半導体層109〜113の周辺の領域には、この収縮により歪みが蓄積した領域114が形成される。図11(B)および図12(B)は、それぞれこの状態の島状半導体層109、110および113の上面図を示す。同図中で点線で示す領域104、105、108は元々あった島状半導体層104、105、108の大きさを示す。
【0057】
このような歪みが蓄積した領域114にかかってTFTのゲート電極が形成されると、この部分は前述のように多数の欠陥準位があり、また結晶性も良好でないのでTFTの特性を劣化させる原因となる。例えば、オフ電流値(TFTのオフ状態で流れる電流値)が増大したり、この領域に電流が集中して局部的に発熱したりする。従って、図8(C)で示すように、このような歪みが蓄積した領域114が除去されるように第2の形状の島状半導体層115〜119を形成する。図中点線で示す114'は歪みが蓄積した領域114が存在していた領域であり、その領域より内側に第2の形状の島状半導体層115〜119を形成する状態を示している。この第2の形状の島状半導体層115〜119の形状は任意な形状のものとすれば良い。図11(C)にはこの状態における島状半導体層115、114の上面図を示す。また、同様に図12(C)には島状半導体層119の上面図を示す。
【0058】
その後、この島状半導体層115〜119を覆って、プラズマCVD法またはスパッタ法により50〜100nmの厚さの酸化シリコン膜によるマスク層137を形成する。
【0059】
この状態で島状半導体層に対し、TFTのしきい値電圧(Vth)を制御する目的でp型を付与する不純物元素を1×1016〜5×1017atoms/cm3程度の濃度で島状半導体層の全面に添加しても良い。半導体に対してp型を付与する不純物元素には、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)など周期律表第13族の元素が知られている。その方法として、イオン注入法やイオンドープ法を用いることができるが、大面積基板を処理するにはイオンドープ法が適している。イオンドープ法ではジボラン(B2H6)をソースガスとして用いホウ素(B)を添加する。このような不純物元素の注入は必ずしも必要でなく省略しても差し支えないが、特にnチャネル型TFTのしきい値電圧を所定の範囲内に収めるために好適に用いる手法である。
【0060】
駆動回路のnチャネル型TFTのLDD領域を形成するために、n型を付与する不純物元素を島状半導体層116、118に選択的に添加する。そのため、あらかじめレジストマスク120a〜120eを形成した。n型を付与する不純物元素としては、リン(P)や砒素(As)を用いれば良く、ここではリン(P)を添加すべく、フォスフィン(PH3)を用いたイオンドープ法を適用した。形成された不純物領域は低濃度n型不純物領域121、122として、このリン(P)濃度は2×1016〜5×1019atoms/cm3の範囲とすれば良い。本明細書中では、ここで形成された不純物領域121、122に含まれるn型を付与する不純物元素の濃度を(n-)と表す。また、不純物領域123は、画素マトリクス回路の保持容量を形成するための半導体層であり、この領域にも同じ濃度でリン(P)を添加した(図8(D))。
【0061】
次に、添加した不純物元素を活性化させる工程を行う。活性化は、窒素雰囲気中で500〜600℃で1〜4時間の熱処理や、レーザー活性化の方法により行うことができる。また、両者を併用して行っても良い。レーザー活性化の方法による場合、KrFエキシマレーザー光(波長248nm)を用い、線状ビームを形成して、発振周波数5〜50Hz、エネルギー密度100〜500mJ/cm2として線状ビームのオーバーラップ割合を80〜98%として走査して、島状半導体層が形成された基板全面を処理した。尚、レーザー光の照射条件には何ら限定される事項はなく、実施者が適宣決定すれば良い。マスク層137はこの段階でフッ酸などの溶液でエッチング除去する。
【0062】
図8(E)において、ゲート絶縁膜127はプラズマCVD法またはスパッタ法を用い、膜厚を40〜150nmとしてシリコンを含む絶縁膜で形成する。例えば、120nmの厚さで酸化窒化シリコン膜から形成すると良い。また、SiH4とN2OにO2を添加させて作製された酸化窒化シリコン膜は、膜中の固定電荷密度が低減されているのでこの用途に対して好ましい材料となる。勿論、ゲート絶縁膜127はこのような酸化窒化シリコン膜に限定されるものでなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜127は基板を中心に考え圧縮応力となるように形成する。
【0063】
そして、図8(E)に示すように、ゲート絶縁膜127上にゲート電極を形成するための耐熱性導電層を形成する。耐熱性導電層は単層で形成しても良いが、必要に応じて二層あるいは三層といった複数の層から成る積層構造としても良い。このような耐熱性導電性材料を用い、例えば、導電性の窒化物金属膜から成る導電層(A)124と金属膜から成る導電層(B)125とを積層した構造とすると良い。導電層(B)125はタンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)から選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金か、前記元素を組み合わせた合金膜(代表的にはMo−W合金膜、Mo−Ta合金膜)で形成すれば良く、導電層(A)124は窒化タンタル(TaN)、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)膜、窒化モリブデン(MoN)などで形成する。また、導電層(A)124はタングステンシリサイド、チタンシリサイド、モリブデンシリサイドを適用しても良い。導電層(B)125は低抵抗化を図るために含有する不純物濃度を低減させることが好ましく、特に酸素濃度に関しては30ppm以下とすると良かった。例えば、タングステン(W)は酸素濃度を30ppm以下とすることで20μΩcm以下の比抵抗値を実現することができた。
【0064】
導電層(A)124は10〜50nm(好ましくは20〜30nm)とし、導電層(B)125は200〜400nm(好ましくは250〜350nm)とすれば良い。Wをゲート電極とする場合には、Wをターゲットとしたスパッタ法で、アルゴン(Ar)ガスと窒素(N2)ガスを導入して導電層(A)125を窒化タングステン(WN)で50nmの厚さに形成し、導電層(B)124をWで250nmの厚さに形成する。その他の方法として、W膜は6フッ化タングステン(WF6)を用いて熱CVD法で形成することもできる。いずれにしてもゲート電極として使用するためには低抵抗化を図る必要があり、W膜の抵抗率は20μΩcm以下にすることが望ましい。W膜は結晶粒を大きくすることで低抵抗率化を図ることができるが、W中に酸素などの不純物元素が多い場合には結晶化が阻害され高抵抗化する。このことより、スパッタ法による場合、純度99.9999%のWターゲットを用い、さらに成膜時に気相中からの不純物の混入がないように十分配慮してW膜を形成することにより、抵抗率9〜20μΩcmを実現することができる。
【0065】
一方、導電層(A)124にTaN膜を、導電層(B)125にTa膜を用いる場合には、同様にスパッタ法で形成することが可能である。TaN膜はTaをターゲットとしてスパッタガスにArと窒素との混合ガスを用いて形成し、Ta膜はスパッタガスにArを用いる。また、これらのスパッタガス中に適量のXeやKrを加えておくと、形成する膜の内部応力を緩和して膜の剥離を防止することができる。α相のTa膜の抵抗率は20μΩcm程度でありゲート電極に使用することができるが、β相のTa膜の抵抗率は180μΩcm程度であり、ゲート電極とするには不向きであった。TaN膜はα相に近い結晶構造を持つので、この上にTa膜を形成すればα相のTa膜が容易に得られた。尚、図示しないが、導電層(A)124の下に2〜20nm程度の厚さでリン(P)をドープしたシリコン膜を形成しておくことは有効である。これにより、その上に形成される導電膜の密着性向上と酸化防止を図ると同時に、導電層(A)124または導電層(B)125が微量に含有するアルカリ金属元素がゲート絶縁膜127に拡散するのを防ぐことができる。いずれにしても、導電層(B)125は抵抗率を10〜50μΩcmの範囲ですることが好ましい。
【0066】
次に、フォトマスクを用い、フォトリソグラフィーの技術を使用してレジストマスク126a〜126fを形成し、導電層(A)124と導電層(B)125とを一括でエッチングしてゲート電極128〜132と容量配線133を形成する。ゲート電極128〜132と容量配線133は、導電層(A)から成る128a〜132aと、導電層(B)から成る128b〜132bとが一体として形成されている(図9(A))。また、この状態における島状半導体層115、116とゲート絶縁膜128、129との位置関係を図11(D)に示す。同様に島状半導体層119とゲート電極132、容量配線133の関係を図12(D)に示す。図11(D)および図12(D)において、ゲート絶縁膜127は省略して示す。
【0067】
導電層(A)および導電層(B)をエッチングする方法は実施者が適宣選択すれば良いが、前述のようにWを主成分とする材料で形成されている場合には、高速でかつ精度良くエッチングを実施するために高密度プラズマを用いたドライエッチング法を適用することが望ましい。高密度プラズマを得る方法として、マイクロ波プラズマや誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma:ICP)エッチング装置を用いると良い。例えば、ICPエッチング装置を用いたWのエッチング法は、エッチングガスにCF4とCl2の2種のガスを反応室に導入し、圧力0.5〜1.5Pa(好ましくは1Pa)とし、誘導結合部に200〜1000Wの高周波(13.56MHz)電力を印加する。この時、基板が置かれたステージには20Wの高周波電力が印加され、自己バイアスで負電位に帯電することにより、正イオンが加速されて異方性のエッチングを行うことができる。ICPエッチング装置を使用することにより、Wなどの硬い金属膜も2〜5nm/秒のエッチング速度を得ることができる。また、残渣を残すことなくエッチングするためには、10〜20%程度の割合でエッチング時間を増しオーバーエッチングをすると良い。しかし、この時に下地とのエッチングの選択比に注意する必要がある。例えば、W膜に対する酸化窒化シリコン膜(ゲート絶縁膜127)の選択比は2.5〜3であるので、このようなオーバーエッチング処理により、酸化窒化シリコン膜が露出した面は20〜50nm程度エッチングされて実質的に薄くなった。
【0068】
そして、画素TFTのnチャネル型TFTにLDD領域を形成するために、n型を付与する不純物元素添加の工程(n--ドープ工程)を行った。ゲート電極128〜132をマスクとして自己整合的にn型を付与する不純物元素をイオンドープ法で添加した。n型を付与する不純物元素として添加するリン(P)の濃度は1×1016〜5×1019atoms/cm3の濃度範囲で添加する。このようにして、図9(B)に示すように島状半導体層に低濃度n型不純物領域134〜139を形成する。
【0069】
次に、nチャネル型TFTにおいて、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度n型不純物領域の形成を行った(n+ドープ工程)。まず、フォトマスクを用い、レジストのマスク140a〜140dを形成し、n型を付与する不純物元素を添加して高濃度n型不純物領域141〜146を形成した。n型を付与する不純物元素にはリン(P)を用い、その濃度が1×1020〜1×1021atoms/cm3の濃度範囲となるようにフォスフィン(PH3)を用いたイオンドープ法で行った(図9(C))。
【0070】
そして、pチャネル型TFTを形成する島状半導体層115、117にソース領域およびドレイン領域とする高濃度p型不純物領域148、149を形成する。ここでは、ゲート電極128、130をマスクとしてp型を付与する不純物元素を添加し、自己整合的に高濃度p型不純物領域を形成する。このとき、nチャネル型TFTを形成する島状半導体膜116、118、119は、フォトマスクを用いてレジストマスク147a〜147cを形成し全面を被覆しておく。高濃度p型不純物領域148、149はジボラン(B2H6)を用いたイオンドープ法で形成する。この領域のボロン(B)濃度は3×1020〜3×1021atoms/cm3となるようにする(図9(D))。この高濃度p型不純物領域148、149には、前工程においてリン(P)が添加されていて、高濃度p型不純物領域148a、149aには1×1020〜1×1021atoms/cm3の濃度で、高濃度p型不純物領域148b、149bには1×1016〜5×1019atoms/cm3の濃度で含有しているが、この工程で添加するボロン(B)の濃度を1.5から3倍となるようにすることにより、pチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域として機能する上で何ら問題はなかった。
【0071】
その後、図10(A)に示すように、ゲート電極およびゲート絶縁膜上から保護絶縁膜150を形成する。保護絶縁膜は酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、またはこれらを組み合わせた積層膜で形成すれば良い。いずれにしても保護絶縁膜150は無機絶縁物材料から形成する。保護絶縁膜150の膜厚は100〜200nmとする。ここで、酸化シリコン膜を用いる場合には、プラズマCVD法で、オルトケイ酸テトラエチル(Tetraethyl Ortho Silicate:TEOS)とO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.5〜0.8W/cm2で放電させて形成することができる。酸化窒化シリコン膜を用いる場合には、プラズマCVD法でSiH4、N2O、NH3から作製される酸化窒化シリコン膜、またはSiH4、N2Oから作製される酸化窒化シリコン膜で形成すれば良い。この場合の作製条件は反応圧力20〜200Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(60MHz)電力密度0.1〜1.0W/cm2で形成することができる。また、SiH4、N2O、H2から作製される酸化窒化水素化シリコン膜を適用しても良い。窒化シリコン膜も同様にプラズマCVD法でSiH4、NH3から作製することが可能である。このような保護絶縁膜は、基板を中心に考えて圧縮応力となるように形成する。
【0072】
その後、それぞれの濃度で添加されたn型またはp型を付与する不純物元素を活性化する工程を行う。この工程はファーネスアニール炉を用いる熱アニール法で行う。その他に、レーザーアニール法、またはラピッドサーマルアニール法(RTA法)を適用することができる。熱アニール法では酸素濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下の窒素雰囲気中で400〜700℃、代表的には500〜600℃で行うものであり、本実施例では550℃で4時間の熱処理を行った。また、基板101に耐熱温度が低いプラスチック基板を用いる場合にはレーザーアニール法を適用することが好ましい(図10(B))。
【0073】
活性化の工程の後、さらに、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱処理を行い、島状半導体層を水素化する工程を行った。この工程は熱的に励起された水素により島状半導体層にある1016〜1018/cm3のダングリングボンドを終端する工程である。水素化の他の手段として、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)を行っても良い。また、300〜450℃の加熱処理により、下地膜102の酸化窒化水素化シリコン膜102b、保護絶縁膜150の酸化窒化シリコン膜の水素を拡散させて島状半導体層を水素化しても良い。
【0074】
活性化および水素化の工程が終了したら、有機絶縁物材料からなる層間絶縁膜151を1.0〜2.0μmの平均厚を有して形成する。有機樹脂材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、BCB(ベンゾシクロブテン)等を使用することができる。例えば、基板に塗布後、熱重合するタイプのポリイミドを用いる場合には、クリーンオーブンを用い、300℃で焼成して形成する。また、アクリルを用いる場合には、2液性のものを用い、主材と硬化剤を混合した後、スピナーを用いて基板全面に塗布した後、ホットプレートを用い、80℃で60秒の予備加熱を行い、さらにクリーンオーブンを用い、250℃で60分焼成して形成することができる。
【0075】
層間絶縁膜を有機絶縁物材料で形成することにより、表面を良好に平坦化させることができる。また、有機樹脂材料は一般に誘電率が低いので、寄生容量を低減することができる。しかし、吸湿性があり保護膜としては適さないので、本実施例のように、保護絶縁膜150として形成した酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜などと組み合わせて用いる必要がある。
【0076】
その後、フォトマスクを用い、所定のパターンのレジストマスクを形成し、それぞれの島状半導体膜に形成されたソース領域またはドレイン領域に達するコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形成はドライエッチング法により行う。この場合、エッチングガスにCF4、O2、Heの混合ガスを用い有機樹脂材料から成る層間絶縁膜をまずエッチングし、その後、続いてエッチングガスをCF4、O2として保護絶縁膜146をエッチングする。さらに、島状半導体層との選択比を高めるために、エッチングガスをCHF3に切り替えてゲート絶縁膜をエッチングすることにより、良好にコンタクトホールを形成することができる。
【0077】
そして、導電性の金属膜をスパッタ法や真空蒸着法で形成し、フォトマスクによりレジストマスクパターンを形成し、エッチングによってソース配線152〜156とドレイン配線157〜161を形成する。ドレイン配線162は隣接する画素のドレイン配線を示す。ここで、ドレイン配線161は画素電極として機能するものである。図示していないが、本実施例ではこの電極を、Ti膜を50〜150nmの厚さで形成し、島状半導体層のソースまたはドレイン領域を形成する半導体膜とコンタクトを形成し、そのTi膜上に重ねてアルミニウム(Al)を300〜400nmの厚さで形成して配線とした。
【0078】
図11(E)はこの状態における島状半導体層115、116、ゲート電極128、129、ソース配線152、153およびドレイン配線157、158の上面図を示す。ソース配線152、153は図示されていない層間絶縁膜および保護絶縁膜に設けられたコンタクトホールによって、島状半導体層115、116とそれぞれ230、233で接続している。また、ドレイン配線157、158は231、232で島状半導体層115、116と接続している。同様に、図12(E)では島状半導体層119、ゲート電極132、容量配線133、ソース配線156およびドレイン配線161の上面図を示すし、ソース配線156はコンタクト部234で、ドレイン配線161はコンタクト部235でそれぞれ島状半導体層119と接続している。いづれにしても、第1の形状を有する島状半導体層の内側の領域に、歪みが残留している領域を除去して、第2の形状を有する島状半導体層を形成し、TFTを形成する。
【0079】
この状態で水素化処理を行うとTFTの特性向上に対して好ましい結果が得られた。例えば、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱処理を行うと良く、あるいはプラズマ水素化法を用いても同様の効果が得られた。また、このような熱処理により保護絶縁膜146や、下地膜102に存在する水素を島状半導体膜115〜119に拡散させ水素化をすることもできる。いずれにしても、島状半導体層115〜119中の欠陥密度を1016/cm3以下とすることが望ましく、そのために水素を5×1018〜5×1019atoms/cm3程度付与すれば良かった(図10(C))。このような処理を加えられた島状半導体層は僅かに存在する結晶粒界も不活性なものとなり、実質的に単結晶と見なせる領域が形成された。
【0080】
こうして同一の基板上に、駆動回路のTFTと画素部の画素TFTとを有した基板を完成させることができる。駆動回路には第1のpチャネル型TFT200、第1のnチャネル型TFT201、第2のpチャネル型TFT202、第2のnチャネル型TFT203、画素部には画素TFT204、保持容量205が形成されている。本明細書では便宜上このような基板をアクティブマトリクス基板と呼ぶ。
【0081】
駆動回路の第1のpチャネル型TFT200には、島状半導体膜115にチャネル形成領域206、高濃度p型不純物領域から成るソース領域207a、207b、ドレイン領域208a,208bを有したシングルドレインの構造を有している。第1のnチャネル型TFT201には、島状半導体膜116にチャネル形成領域209、ゲート電極119と重なるLDD領域210、ソース領域212、ドレイン領域211を有している。このLDD領域において、ゲート電極119と重なるLDD領域をLovとしてそのチャネル長方向の長さは0.5〜3.0μm、好ましくは1.0〜2.0μmとした。nチャネル型TFTにおけるLDD領域の長さをこのようにすることにより、ドレイン領域近傍に発生する高電界を緩和して、ホットキャリアの発生を防ぎ、TFTの劣化を防止することができる。駆動回路の第2のpチャネル型TFT202は同様に、島状半導体膜117にチャネル形成領域213、高濃度p型不純物領域から成るソース領域214a、214b、ドレイン領域215a,215bを有したシングルドレインの構造を有している。第2のnチャネル型TFT203には、島状半導体膜118にチャネル形成領域216、ゲート電極121と一部が重なるLDD領域217、218、ソース領域220、ドレイン領域219が形成されている。このTFTのゲート電極と重なるLovの長さも0.5〜3.0μm、好ましくは1.0〜2.0μmとした。また、ゲート電極と重ならないLDD領域をLoffとして、このチャネル長方向の長さは0.5〜4.0μm、好ましくは1.0〜2.0μmとした。画素TFT204には、島状半導体膜119にチャネル形成領域221、222、LDD領域223〜225、ソースまたはドレイン領域226〜228を有している。LDD領域(Loff)のチャネル長方向の長さは0.5〜4.0μm、好ましくは1.5〜2.5μmである。さらに、容量配線123と、ゲート絶縁膜と同じ材料から成る絶縁膜と、画素TFT204のドレイン領域228に接続する半導体層229とから保持容量205が形成されている。図10(C)では画素TFT204をダブルゲート構造としたが、シングルゲート構造でも良いし、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造としても差し支えない。
【0082】
図13は画素部のほぼ一画素分を示す上面図である。図中に示すA−A'断面が図10(C)に示す画素部の断面図に対応している。画素TFT204は、ゲート配線を兼ねるゲート電極132は、図示されていないゲート絶縁膜を介してその下の島状半導体層119と交差している。図示はしていないが、島状半導体層には、ソース領域、ドレイン領域、LDD領域が形成されている。また、234はソース配線156とソース領域226とのコンタクト部、235はドレイン配線161とドレイン領域228とのコンタクト部である。保持容量205は、画素TFT204のドレイン領域228から延在する半導体層229とゲート絶縁膜を介して容量配線133が重なる領域で形成されている。
【0083】
以上のような工程を経て本発明に関わるデュアルビームレーザーアニール法から形成された島状半導体層は単結晶構造を有している。このような島状半導体層を用いて、画素TFTおよび駆動回路が要求する仕様に応じて各回路を構成するTFTの構造を最適化することにより、半導体装置の動作性能と信頼性を向上させることを可能としている。さらにゲート電極は耐熱性を有する導電性材料で形成することによりLDD領域やソース領域およびドレイン領域の活性化を容易としている。そして、このようなアクティブマトリクス基板で高品質な表示装置を実現することができる。本実施例で作製したアクティブマトリクス基板からは、反射型の液晶表示装置を作製することができる。
【0084】
[実施例2]
本発明において、デュアルビームレーザーアニール法を適用する上で、アニールする島状半導体層の大きさは、好適には中心部から端部までの距離が50μm以下の領域を有するようにする。しかしながら、回路特性上TFTのチャネル幅を50μm以上とする要求も有り得る。本実施例では、そのような場合にも本発明の効果が十分得られる島状半導体層の構成例を示す。
【0085】
図14は、実施例1で図8〜図10を用いて説明したアクティブマトリクス基板の駆動回路のTFTにおいて、図10(C)に対応する上面図を示している。複数に分割されて形成された第2の形状を有する島状半導体層115a〜115c、116a〜116cはそれぞれ間隙を持って形成されている。第1の形状の島状半導体層をこのように間隙をもって形成しておくことで、デュアルビームレーザーアニール法による結晶化の工程で、直達レーザー光と拡散レーザー光を有効に利用することができる。即ち、外側に位置する島状半導体層115a、115c、116a、116cと中央部に位置する島状半導体層115b、116bのいずれも同等な結晶性を有する結晶質半導体層を形成することができる。図14(A)では、このような島状半導体層上にゲート電極128、129とソース配線152、153、ドレイン配線157、158が形成されている様子を示している。そして、歪みが蓄積している領域114は、ゲート電極と島状半導体層がかさなるチャネル形成領域およびその周辺の領域以外にはそのまま残してある。このように、少なくともチャネル形成領域以外の部分について歪みが蓄積している領域114を残存させたままTFTを作製しても、前述のような特性が劣化する原因とはならない。このような構成は、また、実施例1で作製したそれぞれのTFTにも適用することができる。勿論、島状半導体層を分割する数に制限はなく、また、pチャネル型TFTとnチャネル型TFTとでその数を異ならせることも可能である。このようなTFTにより、CMOS回路の基本形態であるインバータ回路をはじめとしてさまざまな回路を形成することが可能である。
【0086】
また、図14(B)は第2の形状を有する島状半導体層115、116のそれそれの内側に少なくとも一つの間隙1401を設けた例であり、このような間隙1401を予め第1の形状を有する島状半導体層に形成しておき、デュアルビームレーザーアニール法による結晶化を行うことにより、同様に直達レーザー光と拡散レーザー光を有効に利用することができる。図14(B)では、このような島状半導体層上にゲート電極128、129とソース配線152、153、ドレイン配線157、158が形成されている様子を示し、歪みが蓄積している領域114は、ゲート電極と島状半導体層がかさなるチャネル形成領域およびその周辺の領域以外にはそのまま残して形成しても良い。
【0087】
[実施例3]
実施例1では、駆動回路の第1のnチャネル型TFT201と第2のnチャネル型TFT203のLDD領域のすべてまたは一部をゲート電極と重なるように形成するいわゆるGOLD(Gate-drain Overlapped LDD)構造で形成した。しかし、工程を簡略化し、より低コストで製造するためにはGOLD構造を省いて、前記nチャネル型TFTをLDD構造で作製する方法もある。GOLD構造ではnチャネル型TFTにおいてホットキャリアによる劣化を防止することができるが、LDD構造としても、そのLDD領域のチャネル長方向の長さを適切なものとすることにより、ホットキャリアによる劣化を抑止することができる。
【0088】
駆動回路の第1のnチャネル型TFT201と第2のnチャネル型TFT203をLDD構造のTFTとするためには、実施例1において図8〜図10を用いて説明した工程において、図8(D)で説明する工程を省略すれば良い。そのような工程で作製されるアクティブマトリクス基板を図15に示す。
【0089】
図15において、駆動回路の第1のpチャネル型TFT200には、島状半導体膜115にチャネル形成領域206、高濃度p型不純物領域から成るソース領域207a、207b、ドレイン領域208a,208bを有したシングルドレインの構造を有している。第1のnチャネル型TFT201には、島状半導体膜116にチャネル形成領域209、ゲート電極129と重ならないLDD領域210b、ソース領域212、ドレイン領域211を有している。このLDD領域のチャネル長方向の長さは1.0〜4.0μm、好ましくは2.0〜3.0μmとした。nチャネル型TFTにおけるLDD領域の長さをこのようにすることにより、ドレイン領域近傍に発生する高電界を緩和して、ホットキャリアの発生を防ぎ、TFTの劣化を防止することができる。駆動回路の第2のpチャネル型TFT202は同様に、島状半導体膜117にチャネル形成領域213、高濃度p型不純物領域から成るソース領域214a、214b、ドレイン領域215a,215bを有したシングルドレインの構造を有している。第2のnチャネル型TFT203には、島状半導体膜118にチャネル形成領域216、LDD領域217b、218b、ソース領域220、ドレイン領域219が形成されている。このTFTのLDDの長さも1.0〜4.0μmとして形成した。画素TFT204には、島状半導体膜119にチャネル形成領域221、222、LDD領域223〜225、ソースまたはドレイン領域226〜228を有している。LDD領域のチャネル長方向の長さは0.5〜4.0μm、好ましくは1.5〜2.5μmである。さらに、容量配線133と、ゲート絶縁膜と同じ材料から成る絶縁膜と、画素TFT204のドレイン領域228に接続する半導体層229とから保持容量205が形成されている。
【0090】
本実施例の工程においても実施例2で説明したTFTの構成を採用することができる。そして、本実施例で作製したアクティブマトリクス基板からは、反射型の液晶表示装置を作製することができる。
【0091】
[実施例4]
実施例1で作製したアクティブマトリクス基板はそのまま反射型の液晶表示装置に適用することができる。一方、透過型の液晶表示装置とする場合には画素部の各画素に設ける画素電極を透明電極で形成すれば良い。本実施例では透過型の液晶表示装置に対応するアクティブマトリクス基板の作製方法について図16を用いて説明する。
【0092】
アクティブマトリクス基板は実施例1と同様に作製する。図16(A)では、ソース配線とドレイン配線は導電性の金属膜をスパッタ法や真空蒸着法で形成する。これは、Ti膜を50〜150nmの厚さで形成し、島状半導体層のソースまたはドレイン領域を形成する半導体膜とコンタクトを形成し、そのTi膜上に重ねてアルミニウム(Al)を300〜400nmの厚さで形成し、さらにTi膜または窒化チタン(TiN)膜を100〜200nmの厚さで形成して3層構造とした。その後、透明導電膜を全面に形成し、フォトマスクを用いたパターニング処理およびエッチング処理により画素電極171を形成する。画素電極164は、層間絶縁膜151上に形成され、画素TFT204のドレイン配線163と重なる部分を設け、接続構造を形成している。
【0093】
図16(B)では最初に層間絶縁膜151上に透明導電膜を形成し、パターニング処理およびエッチング処理をして画素電極166を形成した後、ドレイン配線165を画素電極166と重なる部分を設けて形成した例である。ドレイン配線165はTi膜を50〜150nmの厚さで形成し、島状半導体層のソースまたはドレイン領域を形成する半導体膜とコンタクトを形成し、そのTi膜上に重ねてアルミニウム(Al)を300〜400nmの厚さで形成して設ける。この構成にすると、画素電極166はドレイン配線165を形成するTi膜のみと接触することになる。その結果、図16(A)の構成と比較して透明導電膜材料とAlとが反応するのを確実に防止できる。
【0094】
透明導電膜の材料は、酸化インジウム(In2O3)や酸化インジウム酸化スズ合金(In2O3―SnO2;ITO)などをスパッタ法や真空蒸着法などを用いて形成して用いることができる。このような材料のエッチング処理は塩酸系の溶液により行う。しかし、特にITOのエッチングは残渣が発生しやすいので、エッチング加工性を改善するために酸化インジウム酸化亜鉛合金(In2O3―ZnO)を用いても良い。酸化インジウム酸化亜鉛合金は表面平滑性に優れ、ITOに対して熱安定性にも優れているので、図16(A)の構造におけるドレイン配線163の端面で接触するAlとの腐蝕反応を防止できる。同様に、酸化亜鉛(ZnO)も適した材料であり、さらに可視光の透過率や導電率を高めるためにガリウム(Ga)を添加した酸化亜鉛(ZnO:Ga)などを用いることができる。
【0095】
このようにして、透過型の液晶表示装置に対応したアクティブマトリクス基板を完成させることができる。本実施例では、実施例1と同様な工程として説明したが、このような構成は実施例2や実施例3で示すアクティブマトリクス基板に適用することができる。
【0096】
[実施例5]
非晶質構造を有する島状半導体層から本発明に関わるデュアルビームレーザーアニール法で結晶構造を有する島状半導体層を作製する方法において、実施形態2または実施形態3の方法により作製された結晶構造を有する島状半導体層には、該島状半導体層中には微量(1×1017〜1×1019atoms/cm3程度)の触媒元素が残留する。勿論、そのような状態でもTFTを完成させることが可能であるが、残留する触媒元素を少なくともチャネル形成領域から除去する方がより好ましかった。この触媒元素を除去する手段の一つにリン(P)によるゲッタリング作用を利用する手段がある。
【0097】
この目的におけるリン(P)によるゲッタリング処理は、図10(B)で説明した活性化工程で同時に行うことができる。この様子を図17で説明する。ゲッタリングに必要なリン(P)の濃度は高濃度n型不純物領域の不純物濃度と同程度でよく、活性化工程の熱アニールにより、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTのチャネル形成領域から触媒元素をその濃度でリン(P)を含有する不純物領域へ偏析させることができる(図17で示す矢印の方向)。その結果その不純物領域には触媒元素が偏析し、その濃度は1×1017〜1×1019atoms/cm3程度となった。このようにして作製したTFTはオフ電流値が下がり、結晶性が良いことから高い電界効果移動度が得られ、良好な特性を達成することができる。
【0098】
[実施例6]
本実施例では実施例1で作製したアクティブマトリクス基板から、アクティブマトリクス型液晶表示装置を作製する工程を説明する。まず、図18(A)に示すように、図10(C)の状態のアクティブマトリクス基板に柱状スペーサ168から成るスペーサを形成する。スペーサは数μmの粒子を散布して設ける方法でも良いが、ここでは基板全面に樹脂膜を形成した後これをパターニングして形成する方法を採用した。このようなスペーサの材料に限定はないが、例えば、JSR社製のNN700を用い、スピナーで塗布した後、露光と現像処理によって所定のパターンに形成する。さらにクリーンオーブンなどで150〜200℃で加熱して硬化させる。このようにして作製されるスペーサは露光と現像処理の条件によって形状を異ならせることができるが、好ましくは、柱状スペーサ168の形状は柱状で頂部が平坦な形状となるようにすると、対向側の基板を合わせたときに液晶表示パネルとしての機械的な強度を確保することができる。形状は円錐状、角錐状など特別の限定はないが、例えば円錐状としたときに具体的には、高さHを1.2〜5μmとし、平均半径L1を5〜7μm、平均半径L1と底部の半径L2との比を1対1.5とする。このとき側面のテーパー角は±15°以下とする。
【0099】
柱状スペーサの配置は任意に決定すれば良いが、好ましくは、図18(A)で示すように、画素部においてはドレイン配線161(画素電極)のコンタクト部235と重ねてその部分を覆うように柱状スペーサ168を形成すると良い。コンタクト部235は平坦性が損なわれこの部分では液晶がうまく配向しなくなるので、このようにしてコンタクト部235にスペーサ用の樹脂を充填する形で柱状スペーサ168を形成することでディスクリネーションなどを防止することができる。
【0100】
その後、配向膜169を形成する。通常液晶表示素子の配向膜にはポリイミド樹脂を用いる。配向膜を形成した後、ラビング処理を施して液晶分子がある一定のプレチルト角を持って配向するようにした。画素部に設けた柱状スペーサ168の端部からラビング方向に対してラビングされない領域が2μm以下となるようにした。また、ラビング処理では静電気の発生がしばしば問題となるが、駆動回路のTFT上であって、少なくともソース配線およびドレイン配線上にもスペーサ167a〜167eを形成しておくと、ラビング工程におけるスペーサとしての本来の役割と、静電気からTFTを保護する効果を得ることができる。
【0101】
対向側の対向基板170には、遮光膜171、透明導電膜172および配向膜173を形成する。遮光膜171はTi、Cr、Alなどを150〜300nmの厚さで形成する。そして、画素部と駆動回路が形成されたアクティブマトリクス基板と対向基板とをシール剤174で貼り合わせる。シール剤174にはフィラー175が混入されていて、このフィラー175とスペーサ167、168によって均一な間隔を持って2枚の基板が貼り合わせられる。その後、両基板の間に液晶材料176を注入し、封止剤(図示せず)によって完全に封止する。液晶材料には公知の液晶材料を用いれば良い。例えば、TN液晶の他に、電場に対して透過率が連続的に変化する電気光学応答性を示す、無しきい値反強誘電性混合液晶を用いることもできる。この無しきい値反強誘電性混合液晶には、V字型の電気光学応答特性を示すものもある。このようにして図18(B)に示すアクティブマトリクス型液晶表示装置が完成する。
【0102】
図18ではスペーサ167を駆動回路のTFT上の少なくともソース配線およびドレイン配線上にもスペーサ167a〜167eに分割して形成したが、その他に、駆動回路の全面を覆って形成しても差し支えない。
【0103】
図19はアクティブマトリクス基板の上面図を示し、画素部および駆動回路部とスペーサおよびシール剤の位置関係を示す上面図である。画素部700の周辺に駆動回路として走査信号駆動回路701と画像信号駆動回路702が設けられている。さらに、その他CPUやメモリーなどの信号処理回路703も付加されていても良い。そして、これらの駆動回路は接続配線711によって外部入出力端子710と接続されている。画素部700では走査信号駆動回路701から延在するゲート配線群704と画像信号駆動回路702から延在するソース配線群705がマトリクス状に交差して画素を形成し、各画素にはそれぞれ画素TFT204と保持容量205が設けられている。
【0104】
画素部において設けられる柱状スペーサ706は、図18で示した柱状スペーサ168に対応するもので、すべての画素に対して設けても良いが、マトリクス状に配列した画素の数個から数十個おきに設けても良い。即ち、画素部を構成する画素の全数に対するスペーサの数の割合は20〜100%とすると良い。また、駆動回路部に設けるスペーサ707、708、709はその全面を覆うように設けても良いし、図18で示したように各TFTのソースおよびドレイン配線の位置にあわせて複数個に分割して設けても良い。
【0105】
シール剤174は、基板101上の画素部700および走査信号制御回路701、画像信号制御回路702、その他の信号処理回路703の外側であって、外部入出力端子710よりも内側に形成する。
【0106】
このようなアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を図20の斜視図を用いて説明する。図20においてアクティブマトリクス基板は、ガラス基板101上に形成された、画素部700と、走査信号駆動回路701と、画像信号駆動回路702とその他の信号処理回路703とで構成される。画素部700には画素TFT204と保持容量205が設けられ、画素部の周辺に設けられる駆動回路はCMOS回路を基本として構成されている。走査信号駆動回路701と、画像信号駆動回路702はそれぞれゲート配線132とソース配線156で画素TFT204に接続している。また、フレキシブルプリント配線板(Flexible Printed Circuit:FPC)713が外部入力端子710に接続していて画像信号などを入力するのに用いる。フレキシブルプリント配線板713は補強樹脂712で接着強度を高めて固定されている。そして接続配線711でそれぞれの駆動回路に接続している。また、対向基板175には図示していないが、遮光膜や透明電極が設けられている。
【0107】
このような構成の液晶表示装置は、実施例1〜5で示したアクティブマトリクス基板を用いて形成することができる。例えば、実施例1〜3で示すアクティブマトリクス基板を用いれば反射型の液晶表示装置が得られ、実施例4で示すアクティブマトリクス基板を用いると透過型の液晶表示装置を得ることができる。
【0108】
[実施例7]
本実施例では、本発明をアクティブマトリクス型有機エレクトロルミネッセンス(有機EL)材料を用いた表示装置(有機EL表示装置)に適用した例を図22で説明する。図21(A)はガラス基板上に表示領域とその周辺に駆動回路を設けたアクティブマトリクス型有機EL表示装置の回路図を示す。この有機EL表示装置は、基板上に設けられた表示領域11、X方向周辺駆動回路12、Y方向周辺駆動回路13から成る。この表示領域11は、スイッチ用TFT30、保持容量32、電流制御用TFT31、有機EL素子33、X方向信号線18a、18b、電源線19a、19b、Y方向信号線20a、20b、20cなどにより構成される。
【0109】
図21(B)はほぼ一画素分の上面図を示している。スイッチ用TFT30は図10(C)に示すnチャネル型TFT204と同様にして形成し、電流制御用TFT31はpチャネル型TFT200と同様にして形成すると良い。
【0110】
図22は図21(B)におけるB−B'断面図であり、スイッチ用TFT30、保持容量32、電流制御用TFT31および有機EL素子部の断面図を示している。図22において、島状半導体層43、44は実施形態1〜4の方法で作製する。そして、基板40上に下地膜41、42、ゲート絶縁膜45、保護絶縁膜46、ゲート電極47、48、容量配線49、ソースおよびドレイン配線18a、19a、51、52、層間絶縁膜50は実施例1と同様にして作製する。そして、その上に層間絶縁膜50と同様にして、第2の層間絶縁膜53を形成し、さらにドレイン配線52に達するコンタクトホールを形成した後、透明導電膜から成る画素電極54を形成する。有機EL素子部は、この画素電極54とその画素電極上と第2の層間絶縁膜53上に渡って形成された有機EL層55と、その上に形成されたMgAg化合物からなる第1の電極56、Alから成る第2の電極57により形成されている。そして、図示しないがカラーフィルターを設ければカラー表示をすることも可能である。いずれにしても、実施例1〜5で示したアクティブマトリクス基板の作製方法を応用」すれば容易にアクティブマトリクス型有機EL表示装置を作製することができる。
【0111】
[実施例8]
本発明を実施して作製されたアクティブマトリクス基板および液晶表示装置並びにEL型表示装置は様々な電気光学装置に用いることができる。そして、そのような電気光学装置を表示媒体として組み込んだ電子機器全てに本発明を適用することがでできる。電子機器としては、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、電子書籍など)、ナビゲーションシステムなどが上げられる。
【0112】
図23(A)は携帯情報端末であり、本体2201、画像入力部2202、受像部2203、操作スイッチ2204、表示装置2205で構成される。本発明は表示装置2205やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0113】
このような携帯型情報端末は、屋内はもとより屋外で使用されることも多い。長時間の使用を可能とするためにはバックライト使用せず、外光を利用する反射型の液晶表示装置が低消費電力型として適しているが、周囲が暗い場合にはバックライトを設けた透過型の液晶表示装置が適している。このような背景から反射型と透過型の両方の特徴を兼ね備えたハイブリット型の液晶表示装置が開発されているが、本発明はこのようなハイブリット型の液晶表示装置にも適用できる。表示装置2205はタッチパネル3002、液晶表示装置3003、LEDバックライト3004により構成されている。タッチパネル3002は携帯型情報端末の操作を簡便にするために設けている。タッチパネル3002の構成は、一端にLEDなどの発光素子3100を、他の一端にフォトダイオードなどの受光素子3200が設けられ、その両者の間に光路が形成されている。このタッチパネル3002を押して光路を遮ると受光素子3200の出力が変化するので、この原理を用いて発光素子と受光素子を液晶表示装置上でマトリクス状に配置させることにより、入力媒体として機能させることができる。
【0114】
図23(B)はハイブリット型の液晶表示装置の画素部の構成であり、画素TFT204および保持容量205上の層間絶縁膜上にドレイン配線177と画素電極178が設けられている。このような構成は、実施例4を適用すれば形成することができる。ドレイン配線はTi膜とAl膜の積層構造として画素電極を兼ねる構成としている。画素電極177は実施例4で説明した透明導電膜材料を用いて形成する。液晶表示装置3003をこのようなアクティブマトリクス基板から作製することで携帯型情報端末に好適に用いることができる。
【0115】
図24(A)はパーソナルコンピュータであり、マイクロプロセッサやメモリーなどを備えた本体2001、画像入力部2002、表示装置2003、キーボード2004で構成される。本発明は表示装置2003やその他の信号処理回路を形成することができる。
【0116】
図24(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示装置2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106で構成される。本発明は表示装置2102やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0117】
図24(C)はゴーグル型ディスプレイであり、本体2901、表示装置2902、アーム部2903から成っている。本発明は表示装置2902やその他図示されていない信号制御回路に適用することができる。
【0118】
図24(D)はテレビゲームまたはビデオゲームなどの電子遊技機器であり、CPU等の電子回路2308、記録媒体2304などが搭載された本体2301、コントローラ2305、表示装置2303、本体2301に組み込まれた表示装置2302で構成される。表示装置2303と本体2301に組み込まれた表示装置2302とは、同じ情報を表示しても良いし、前者を主表示装置とし、後者を副表示装置として記録媒体2304の情報を表示したり、機器の動作状態を表示したり、或いはタッチセンサーの機能を付加して操作盤とすることもできる。また、本体2301とコントローラ2305と表示装置2303とは、相互に信号を伝達するために有線通信としても良いし、センサ部2306、2307を設けて無線通信または光通信としても良い。本発明は、表示装置2302、2303に適用することができる。表示装置2303は従来のCRTを用いることもできる。
【0119】
図24(E)はプログラムを記録した記録媒体(以下、記録媒体と呼ぶ)を用いるプレーヤーであり、本体2401、表示装置2402、スピーカー部2403、記録媒体2404、操作スイッチ2405で構成される。尚、記録媒体にはDVD(Digital Versatile Disc)やコンパクトディスク(CD)などを用い、音楽プログラムの再生や映像表示、ビデオゲーム(またはテレビゲーム)やインターネットを介した情報表示などを行うことができる。本発明は表示装置2402やその他の信号制御回路に好適に利用することができる。
【0120】
図24(F)はデジタルカメラであり、本体2501、表示装置2502、接眼部2503、操作スイッチ2504、受像部(図示しない)で構成される。本発明は表示装置2502やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0121】
図25(A)はフロント型プロジェクターであり、光源光学系および表示装置2601、スクリーン2602で構成される。本発明は表示装置やその他の信号制御回路に適用することができる。図25(B)はリア型プロジェクターであり、本体2701、光源光学系および表示装置2702、ミラー2703、スクリーン2704で構成される。本発明は表示装置やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0122】
なお、図25(C)に、図25(A)および図25(B)における光源光学系および表示装置2601、2702の構造の一例を示す。光源光学系および表示装置2601、2702は光源光学系2801、ミラー2802、2804〜2806、ダイクロイックミラー2803、ビームスプリッター2807、液晶表示装置2808、位相差板2809、投射光学系2810で構成される。投射光学系2810は複数の光学レンズで構成される。図25(C)では液晶表示装置2808を三つ使用する三板式の例を示したが、このような方式に限定されず、単板式の光学系で構成しても良い。また、図25(C)中で矢印で示した光路には適宣光学レンズや偏光機能を有するフィルムや位相を調節するためのフィルムや、IRフィルムなどを設けても良い。また、図25(D)は図25(C)における光源光学系2801の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系2801はリフレクター2811、光源2812、レンズアレイ2813、2814、偏光変換素子2815、集光レンズ2816で構成される。尚、図25(D)に示した光源光学系は一例であって図示した構成に限定されるものではない。
【0123】
また、ここでは図示しなかったが、本発明はその他にも、ナビゲーションシステムやイメージセンサの読み取り回路などに適用することも可能である。このように本願発明の適用範囲はきわめて広く、あらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。また、本実施例の電子機器は実施例1〜5の技術を用いて実現することができる。
【0124】
[実施例9]
図27は非晶質シリコンから成る島状半導体層をレーザーアニール法により結晶化させた試料の走査型電子顕微鏡写真を示している。図27(A)は島状半導体層の表側からレーザー光を照射した試料であり、図27(B)は表側と裏側の両面から照射した試料の写真を示している。試料表面はセコ液(主成分(体積比)HF:H2O=67:33、添加剤K2Cr2O7)で表面をエッチング処理してある。このエッチング処理は、結晶粒と結晶粒界のエッチング速度の差を利用したもので、結晶粒を顕在化させるために行った。
【0125】
レーザーアニール条件は、波長308nmのエキシマレーザー光を用い、光強度370mJ/cm2、繰り返し周波数30Hzで20回同じ場所を照射した。両面からレーザー光を照射するデュアルレーザーアニール法では、島状半導体層の裏側、即ちガラス基板の下方にAlの反射板を設けた。この反射板はミラーポリッシュされたシリコンウエハーの表面にスパッタ法でAl膜を形成したものを用いた。
【0126】
平均粒径は図27(A)において0.05〜0.2μmであり、図27(B)では0.3〜1.5μmである。明らかに後者の方が粒径が大きく、デュアルビームレーザーアニール法の優位性を確認することができる。
【0127】
【発明の効果】
本発明を用いて、島状のパターンに形成された非晶質半導体領域を結晶化させることにより、結晶粒の大型化を図ることができる。このような島状半導体層を用いて、画素TFTおよび駆動回路が要求する仕様に応じて各回路を構成するTFTの構造を最適化することにより、半導体装置の動作性能と信頼性を向上させることを可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に関わるレーザーアニール法の概念を説明する図。
【図2】 レーザーアニール装置の光学系の構成を説明する図。
【図3】 レーザーアニール装置の光学系の構成を説明する図。
【図4】 本発明の島状半導体層の作製工程を説明する図。
【図5】 本発明の島状半導体層の作製工程を説明する図。
【図6】 本発明の島状半導体層の作製工程を説明する図。
【図7】 本発明の島状半導体層の作製工程を説明する図。
【図8】 画素TFT、駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図9】 画素TFT、駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図10】 画素TFT、駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図11】 駆動回路のTFTの作製工程を示す上面図。
【図12】 画素TFTの作製工程を示す上面図。
【図13】 画素部の画素を示す上面図。
【図14】 TFTの構造を説明する上面図。
【図15】 画素TFT、駆動回路のTFTの構成を示す断面図。
【図16】 画素TFT、駆動回路のTFTの構成を示す断面図。
【図17】 画素TFT、駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図18】 アクティブマトリクス型液晶表示装置の作製工程を示す断面図。
【図19】 液晶表示装置の入出力端子、配線、回路配置、スペーサ、シール剤の配置を説明する上面図。
【図20】 液晶表示装置の構造を示す斜視図。
【図21】 アクティブマトリクス型EL表示装置の構成を示す図。
【図22】 アクティブマトリクス型EL表示装置の画素部の構成を示す断面図。
【図23】 半導体装置の一例を示す図。
【図24】 半導体装置の一例を示す図。
【図25】 投影型液晶表示装置の構成を示す図。
【図26】 シリコン層の深さ方向におけるレーザー光強度分布のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図27】 レーザーアニール法で結晶化したシリコン膜の電子顕微鏡写真。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor film having a crystal structure formed over a substrate having an insulating surface, and a method for manufacturing a semiconductor device using the semiconductor film as an active layer. In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor in which an active layer is formed using a crystalline semiconductor layer. Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, an electro-optical device typified by an active matrix liquid crystal display device formed using thin film transistors, and its An electronic device equipped with such an electro-optical device falls under the category of a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Thin film transistors (hereinafter referred to as thin film transistors) in which an amorphous semiconductor layer is formed on a light-transmitting insulating substrate such as glass and the active layer is a crystalline semiconductor layer crystallized by laser annealing or thermal annealing. , Written as TFT). As the insulating substrate, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass is often used. Although such a glass substrate is inferior in heat resistance to a quartz substrate, but has a low commercial price, it has an advantage that a large-area substrate can be easily manufactured.
[0003]
The laser annealing method is known as a crystallization technique that does not raise the temperature of a glass substrate so much and can crystallize only an amorphous semiconductor layer by applying high energy. In particular, an excimer laser capable of obtaining a large output of light having a short wavelength is considered to be most suitable for this application. In the laser annealing method using an excimer laser, a laser beam is processed by an optical system so as to be spot-like or linear on the irradiated surface, and the irradiated surface is scanned with the processed laser light (laser light irradiation). The irradiation position is moved relative to the irradiated surface). For example, the excimer laser annealing method using linear laser light can also perform laser annealing of the entire irradiated surface by scanning only in the direction perpendicular to the longitudinal direction, and is excellent in productivity. It is becoming mainstream as a display device manufacturing technology. The technology enables a monolithic liquid crystal display device in which a pixel TFT for forming a pixel portion on a single glass substrate and a TFT for a driving circuit provided around the pixel portion are formed.
[0004]
However, the crystalline semiconductor layer produced by the laser annealing method is formed by aggregating a plurality of crystal grains, and the positions and sizes of the crystal grains are random. A TFT manufactured on a glass substrate is formed by separating a crystalline semiconductor layer into an island-like pattern for element isolation. In that case, the crystal grain position and size could not be specified and formed. At the crystal grain interface (grain boundary), the current transport characteristics of the carrier deteriorate due to the influence of recombination centers, trap centers, and potential levels at the grain boundaries due to amorphous structures and crystal defects. was there. However, it has been almost impossible to form a channel formation region in which the properties of the crystal significantly affect the characteristics of the TFT with a single crystal grain by eliminating the influence of the grain boundary. For this reason, TFTs having a crystalline silicon film as an active layer have not been obtained to date with characteristics equivalent to those of MOS transistors fabricated on a single crystal silicon substrate.
[0005]
In order to solve such problems, attempts have been made to grow crystal grains greatly. For example, "" High-Mobility Poly-Si Thin-Film Transistors Fabricated by a Novel Excimer Laser Crystallization Method ", K. Shimizu, O. Sugiura and M. Matumura, IEEE Transactions on Electron Devices vol.40, No.1, pp112 -117,1993 "includes Si / SiO2 on the substrate. 2 There is a report on a dual beam laser annealing method in which a film having a three-layer structure of / Si is formed and excimer laser light is irradiated from both the film side and the substrate side. According to the method, it is shown that the crystal grains can be enlarged by irradiating laser light with a certain predetermined energy intensity.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In a monolithic liquid crystal display device, a pixel portion that performs image display and a drive circuit are formed over the same substrate. A pixel TFT and a storage capacitor are provided in the pixel portion, and a drive circuit is configured by a shift register circuit, a level shifter circuit, a buffer circuit, a sampling circuit, and the like that are formed based on a CMOS circuit. However, the operating conditions of the pixel TFT and the TFT of the driving circuit are not the same, and therefore, the characteristics required for the TFT are not a little different. For example, the pixel TFT functions as a switch element, and is driven by applying a voltage to the liquid crystal. Since the liquid crystal is driven by alternating current, a method called frame inversion driving is often employed. In this method, in order to keep power consumption low, a characteristic required for the pixel TFT is to sufficiently reduce an off-current value (a drain current that flows when the TFT is turned off). On the other hand, since a high drive voltage is applied to the buffer circuit of the control circuit, it is necessary to increase the withstand voltage so as not to break even when a high voltage is applied. In order to increase the current driving capability, it is necessary to secure a sufficient on-current value (drain current that flows when the TFT is on).
[0007]
In addition, in order to control the threshold voltage (hereinafter referred to as Vth), which is an important characteristic parameter in the TFT, within a predetermined range, in addition to controlling the valence electrons in the channel formation region, the threshold voltage is closely It is necessary to reduce the charge defect density of the base film, the gate insulating film, and the interlayer insulating film formed of the insulating film, and to consider the balance of the internal stress. In response to such a requirement, a material containing silicon as a constituent element, such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, was suitable.
[0008]
Thus, in order to improve the performance of the monolithic liquid crystal display device, it is not sufficient to improve the performance of the TFT only by increasing the crystal grains of the crystalline semiconductor layer forming the active layer. It was necessary to consider the characteristics of the layer and the underlying film, gate insulating film, and interlayer insulating film formed above and below the layer.
[0009]
The present invention is a technique for solving such a problem. A semiconductor region formed in an island-like pattern is formed as a single crystal or a region that can be regarded as a single crystal, and various characteristics of the TFT are stabilized. The object is to realize a stack structure that can be used simultaneously. Furthermore, in a semiconductor device typified by a monolithic liquid crystal display device in which a plurality of functional circuits are formed on the same substrate, it is possible to arrange TFTs with appropriate performance according to the specifications required by the functional circuits. The purpose is to greatly improve the operating characteristics and reliability.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Laser annealing is used as a method for forming a crystalline semiconductor layer from an amorphous semiconductor layer formed on a substrate such as glass. In the laser annealing method of the present invention, a pulse oscillation type or continuous light emission type excimer laser or argon laser is used as a light source, and a laser beam linearly formed by an optical system is in contact with a base film of a semiconductor layer. Irradiate from both the surface and the second surface on the opposite side.
[0011]
FIG. 3A is a diagram showing the configuration of such a laser annealing apparatus. The laser annealing apparatus includes a
[0012]
2A and 2B are views for explaining the optical system configuration of the laser annealing apparatus shown in FIG. An excimer laser, an argon laser, or the like is applied to the
[0013]
FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of the laser annealing method according to the present invention. An insulating
[0014]
In this way, the laser light is irradiated from the second surface and the first surface of the
[0015]
Laser irradiation from only one side of the semiconductor layer formed on the substrate heats only one side, so the cycle of heating and melting and cooling and solidification becomes steep, and the generation density of crystal nuclei is controlled. Even if it is possible, sufficient crystal growth cannot be expected. However, when laser light is irradiated from both sides of the semiconductor layer, this heating and melting and cooling and solidification cycle becomes gradual, and the time allowed for crystal growth in the cooling and solidification process becomes relatively long. Crystal growth can be obtained.
[0016]
At the wavelength of the excimer laser light, the laser light is absorbed only at the outermost surface of the semiconductor layer and converted into heat. For example, in the case of XeCl excimer laser light having a wavelength of 308 nm, most of the light is absorbed and generated in the region from the surface of the silicon layer to 20 nm. Thereafter, the entire silicon layer is annealed by conducting heat from that region to the inner silicon layer. That is, the surface temperature of the silicon layer is always higher than that in other regions while the laser beam is irradiated. This can be inferred from the results obtained from the thermal conduction simulation in laser annealing.
[0017]
Here, it is assumed that when the laser beam is irradiated from one side from the front side and when the laser beam is irradiated from both the front side and the back side, the energy absorbed by the silicon layer and converted into heat is the same. FIG. 26 shows the simulation results of the laser light intensity distribution in the depth direction of the silicon layer for each case of single-sided irradiation and double-sided irradiation. In the case of double-sided irradiation, the case where the ratio of front-side irradiation intensity to back-side irradiation intensity is 3: 1 is shown. As shown in FIG. 26, in the temperature rise process in which laser light is irradiated, in the case of double-sided irradiation, there are two regions that absorb the laser light and generate heat, the front surface side and the base interface side. That is, it is possible to effectively expand the region that generates heat. For this reason, ablation is less likely to occur compared to single-sided irradiation (it is known that ablation occurs above a certain laser energy density when excimer laser light is applied to a semiconductor layer). That is, in the double-sided irradiation, the semiconductor layer can be heated with an effective high energy density without causing ablation in the semiconductor layer.
[0018]
The present invention applies such a laser annealing method (dual beam laser annealing method) to form a region where the island-like semiconductor layer can be regarded as a single crystal or a single crystal, and such an island-like semiconductor layer is activated in the TFT. A semiconductor device having a TFT having a structure corresponding to the function of each circuit is manufactured using the layer.
[0019]
Therefore, in order to solve the above problems, the configuration of the present invention includes a first step of forming a base film in close contact with the substrate, a first surface in contact with the base film on the base film, A second step of forming a first shape amorphous semiconductor layer having a second surface on the opposite side; and irradiating the second surface of the first shape amorphous semiconductor layer with a first laser beam In addition, a second laser beam incident from a peripheral region of the first shape amorphous semiconductor layer and transmitted through the substrate and reflected by a reflecting plate is irradiated from the first surface. In the third step of forming the crystalline semiconductor layer of the first shape and the region overlapping with the gate electrode of the crystalline semiconductor layer of the first shape or the region of forming the channel formation region, Remove 2 μm or more from the edge of the crystalline semiconductor layer to form the second shape crystalline semiconductor layer A fourth step of forming an impurity region of one conductivity type in the second shape crystalline semiconductor layer, and a sixth step of adding hydrogen to the second shape crystalline semiconductor layer. It is characterized by having these processes.
[0020]
According to another aspect of the invention, there is provided a first step of forming a base film in close contact with the substrate, a first surface in contact with the base film on the base film, and a second surface on the opposite side. A second step of forming a first shape amorphous semiconductor layer comprising: a third step of introducing an element that promotes crystallization of a semiconductor into the first shape amorphous semiconductor layer; Irradiating the second surface of the one-shaped amorphous semiconductor layer with the first laser beam and entering from the peripheral region of the first-shaped amorphous semiconductor layer, the light passes through the substrate. A fourth step of irradiating a second laser beam reflected by the reflector from the first surface to form a first-shaped crystalline semiconductor layer; and In the region overlapping with the gate electrode or the region forming the channel formation region, the edge of the crystalline semiconductor layer having the first shape A fifth step of forming a second shape crystalline semiconductor layer by removing 1 μm or more from the first shape, and a sixth step of forming an impurity region of one conductivity type in the second shape crystalline semiconductor layer; And a seventh step of adding hydrogen to the second shape crystalline semiconductor layer.
[0021]
According to another aspect of the invention, there is provided a first step of forming a base film in close contact with a substrate, a second step of forming an amorphous semiconductor layer on the base film, and the amorphous semiconductor layer. An element for promoting crystallization of the amorphous semiconductor, and a third step of forming a crystalline semiconductor film by heat treatment; a first surface in contact with the base film on the base film; and A fourth step of forming a first shape crystalline semiconductor layer having a second surface on the opposite side; and irradiating the second surface of the first shape crystalline semiconductor layer with a first laser beam. And a second laser beam incident from a peripheral region of the crystalline semiconductor layer of the first shape and transmitted through the substrate and reflected by a reflecting plate is irradiated from the first surface. A region overlapping with the gate electrode of the crystalline semiconductor layer of the first shape, or a channel formation region A sixth step of forming a second-shaped crystalline semiconductor layer by removing 1 μm or more from the end of the first-shaped crystalline semiconductor layer in the region to be formed; and the second-shaped crystalline semiconductor layer And a seventh step of forming an impurity region of one conductivity type and an eighth step of adding hydrogen to the crystalline semiconductor layer having the second shape.
[0022]
The above-described structure of the present invention can also be suitably applied to a method for manufacturing a semiconductor device having a p-channel TFT and an n-channel TFT on the same substrate.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 4A, an alkali-free glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass is used for the
[0024]
The silicon oxynitride film is formed by using a conventional parallel plate type plasma CVD method. The
[0025]
The
[0026]
Next, an
[0027]
Then, as illustrated in FIG. 4B, an island-shaped
[0028]
Next, crystallization is performed by laser annealing as shown in FIG. In order to crystallize, it is desirable to first release the hydrogen contained in the amorphous semiconductor layer. When heat treatment is performed at 400 to 500 ° C. for about 1 hour to reduce the amount of hydrogen contained to 5 atomic% or less. good. The laser annealing method uses a pulse oscillation type or continuous light emission type excimer laser or argon laser as its light source. The configuration and concept of the apparatus is the same as that described with reference to FIGS. 1 and 3 as described above.
[0029]
The laser annealing conditions are appropriately selected by the practitioner. For example, the pulse oscillation frequency of the excimer laser is 30 Hz, and the laser energy density is 100 to 500 mJ / cm. 2 (Typically 300-350mJ / cm 2 ) Is irradiated with a linear beam having a line width of 100 to 1000 μm, for example, a line width of 400 μm. Since this line width is larger than that of the island-shaped
[0030]
In such a laser annealing method, light irradiated with an incident angle θ around the island-
[0031]
This is because the substrate can also be heated to 100 to 450 ° C. by the heater 1203 provided on the
[0032]
Further, in order to make the diffused laser light effectively enter the inside of the island-
[0033]
As a result of laser annealing in this way, as shown in FIG. 4C, the island-shaped
[0034]
Thereafter, the island-shaped
[0035]
[Embodiment 2]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 5A, a
[0036]
Laser annealing is performed on the substrate in this state in the same manner as in the first embodiment. As a result, in the island-shaped
[0037]
Thereafter, the island-shaped
[0038]
[Embodiment 3]
The method for producing the island-shaped semiconductor layer having a crystal structure as the active layer of the TFT is not produced only by the laser annealing method, and the laser annealing method and the thermal annealing method according to the present invention may be used in combination. In particular, crystallization by thermal annealing can be realized at a temperature of 600 ° C. or lower when applied to the crystallization method using a catalytic element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-130652. When the crystalline semiconductor layer is processed by the laser annealing method according to the present invention, a high-quality crystalline semiconductor layer can be obtained. Such an embodiment will be described with reference to FIG.
[0039]
In FIG. 6A, the glass substrate described in
[0040]
Therefore, the island-shaped
[0041]
Laser annealing is performed on the substrate in this state in the same manner as in the first embodiment. As a result, an island-shaped
[0042]
Thereafter, similarly, the island-shaped
[0043]
[Embodiment 4]
The embodiment described with reference to FIG. 7 is a method of forming a crystalline semiconductor layer of higher quality by crystallizing a semiconductor layer with a temperature gradient in a laser annealing method. In FIG. 7A, a
[0044]
On the surface of the
[0045]
An island-like insulating
[0046]
Next, a
[0047]
Then, the island-shaped
[0048]
As a result, as shown in FIG. 7C, the island-
[0049]
Thereafter, similarly, the island-shaped
[0050]
【Example】
[Example 1]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a method for simultaneously manufacturing a pixel TFT and a storage capacitor in a pixel portion and an n-channel TFT and a p-channel TFT in a driver circuit provided around the pixel portion will be described according to steps.
[0051]
In FIG. 8A, the
[0052]
The silicon oxynitride film is formed by using a conventional parallel plate type plasma CVD method. The silicon oxynitride film 102a is made of SiH. Four 10SCCM, NH Three To 100 SCCM, N 2 O was introduced into the reaction chamber as 20 SCCM, the substrate temperature was 325 ° C., the reaction pressure was 40 Pa, and the discharge power density was 0.41 W / cm. 2 The discharge frequency was 60 MHz. On the other hand, the silicon oxynitride silicon film 102b is made of SiH. Four 5SCCM, N 2 O for 120 SCCM, H 2 Was introduced into the reaction chamber as 125 SCCM, the substrate temperature was 400 ° C., the reaction pressure was 20 Pa, and the discharge power density was 0.41 W / cm. 2 The discharge frequency was 60 MHz. These films can be formed continuously only by changing the substrate temperature and switching the reaction gas.
[0053]
Further, the silicon oxynitride film 102a is formed so that the internal stress becomes tensile stress with the substrate as the center. The silicon oxynitride silicon film 102b is also given internal stress in the same direction, but is smaller than the silicon oxynitride film 102a in absolute value.
[0054]
Next, a
[0055]
Then, first, island-shaped semiconductor layers 104 to 108 having a first shape are formed from the
[0056]
Next, a crystallization process is performed on such island-shaped semiconductor layers 104 to 108. Any method described in
[0057]
When the TFT gate electrode is formed over the
[0058]
Thereafter, a
[0059]
In this state, an impurity element imparting p-type is added to the island-like semiconductor layer for the purpose of controlling the threshold voltage (Vth) of the TFT by 1 × 10 16 ~ 5x10 17 atoms / cm Three You may add to the whole surface of an island-like semiconductor layer with a density | concentration of a grade. As an impurity element imparting p-type to a semiconductor, elements of Group 13 of the periodic table such as boron (B), aluminum (Al), and gallium (Ga) are known. As the method, an ion implantation method or an ion doping method can be used, but an ion doping method is suitable for processing a large-area substrate. In the ion doping method, diborane (B 2 H 6 ) As a source gas and boron (B) is added. Such implantation of the impurity element is not always necessary and may be omitted. However, this is a technique that is particularly suitable for keeping the threshold voltage of the n-channel TFT within a predetermined range.
[0060]
In order to form the LDD region of the n-channel TFT of the driver circuit, an impurity element imparting n-type conductivity is selectively added to the island-like semiconductor layers 116 and 118. Therefore, resist
[0061]
Next, a step of activating the added impurity element is performed. The activation can be performed by a heat treatment at 500 to 600 ° C. for 1 to 4 hours or a laser activation method in a nitrogen atmosphere. Moreover, you may carry out using both together. In the case of the laser activation method, a KrF excimer laser beam (wavelength 248 nm) is used to form a linear beam, the oscillation frequency is 5 to 50 Hz, and the energy density is 100 to 500 mJ / cm. 2 As a result, the entire surface of the substrate on which the island-shaped semiconductor layer was formed was processed by scanning the linear beam with an overlap ratio of 80 to 98%. Note that there are no particular limitations on the irradiation conditions of the laser beam, and the practitioner may make an appropriate decision. The
[0062]
In FIG. 8E, the
[0063]
Then, as shown in FIG. 8E, a heat resistant conductive layer for forming a gate electrode is formed over the
[0064]
The conductive layer (A) 124 may be 10 to 50 nm (preferably 20 to 30 nm), and the conductive layer (B) 125 may be 200 to 400 nm (preferably 250 to 350 nm). When W is used as a gate electrode, argon (Ar) gas and nitrogen (N 2 ) Gas is introduced to form the conductive layer (A) 125 with tungsten nitride (WN) to a thickness of 50 nm, and the conductive layer (B) 124 is formed with W to a thickness of 250 nm. As another method, W film is tungsten hexafluoride (WF 6 Can also be formed by a thermal CVD method. In any case, it is necessary to reduce the resistance in order to use it as a gate electrode, and it is desirable that the resistivity of the W film be 20 μΩcm or less. The resistivity of the W film can be reduced by increasing the crystal grains. However, when there are many impurity elements such as oxygen in W, crystallization is hindered and the resistance is increased. Therefore, in the case of sputtering, the resistivity is obtained by using a W target with a purity of 99.9999% and forming a W film with sufficient consideration so that impurities are not mixed in the gas phase during film formation. 9-20 μΩcm can be realized.
[0065]
On the other hand, when a TaN film is used for the conductive layer (A) 124 and a Ta film is used for the conductive layer (B) 125, it can be similarly formed by sputtering. The TaN film is formed using Ta as a target and a mixed gas of Ar and nitrogen as a sputtering gas, and the Ta film uses Ar as a sputtering gas. In addition, when an appropriate amount of Xe or Kr is added to these sputtering gases, the internal stress of the film to be formed can be relaxed and the film can be prevented from peeling. The resistivity of the α-phase Ta film is about 20 μΩcm and can be used as a gate electrode, but the resistivity of the β-phase Ta film is about 180 μΩcm, which is not suitable for a gate electrode. Since the TaN film has a crystal structure close to an α phase, an α phase Ta film can be easily obtained by forming a Ta film thereon. Although not shown, it is effective to form a silicon film doped with phosphorus (P) with a thickness of about 2 to 20 nm under the conductive layer (A) 124. This improves adhesion and prevents oxidation of the conductive film formed thereon, and at the same time, an alkali metal element contained in a trace amount in the conductive layer (A) 124 or the conductive layer (B) 125 is added to the
[0066]
Next, resist masks 126a to 126f are formed using a photomask using a photolithographic technique, and the conductive layer (A) 124 and the conductive layer (B) 125 are collectively etched to form
[0067]
A method for etching the conductive layer (A) and the conductive layer (B) may be appropriately selected by a practitioner. However, when the conductive layer (A) and the conductive layer (B) are formed of a material mainly composed of W as described above, the method In order to perform etching with high accuracy, it is desirable to apply a dry etching method using high-density plasma. As a method for obtaining high-density plasma, microwave plasma or inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus may be used. For example, the W etching method using an ICP etching apparatus uses CF as an etching gas. Four And Cl 2 These gases are introduced into the reaction chamber, the pressure is set to 0.5 to 1.5 Pa (preferably 1 Pa), and 200 to 1000 W of high frequency (13.56 MHz) power is applied to the inductive coupling portion. At this time, high-frequency power of 20 W is applied to the stage on which the substrate is placed, and the negative ions are charged by self-bias, whereby positive ions are accelerated and anisotropic etching can be performed. By using an ICP etching apparatus, a hard metal film such as W can obtain an etching rate of 2 to 5 nm / second. Further, in order to perform etching without leaving a residue, overetching is preferably performed by increasing the etching time at a rate of about 10 to 20%. However, it is necessary to pay attention to the etching selectivity with the base at this time. For example, since the selection ratio of the silicon oxynitride film (gate insulating film 127) to the W film is 2.5 to 3, the surface where the silicon oxynitride film is exposed by such over-etching is etched by about 20 to 50 nm. Has been substantially thinned.
[0068]
Then, in order to form an LDD region in the n-channel TFT of the pixel TFT, an impurity element addition step (n - Doping process) was performed. An impurity element imparting n-type in a self-aligning manner is added by ion doping using the
[0069]
Next, in the n-channel TFT, a high concentration n-type impurity region functioning as a source region or a drain region was formed (n + Doping process). First, resist
[0070]
Then, high-concentration p-type impurity regions 148 and 149 serving as a source region and a drain region are formed in the island-shaped semiconductor layers 115 and 117 forming the p-channel TFT. Here, an impurity element imparting p-type is added using the
[0071]
After that, as shown in FIG. 10A, a protective
[0072]
Thereafter, a step of activating the impurity element imparting n-type or p-type added at each concentration is performed. This step is performed by a thermal annealing method using a furnace annealing furnace. In addition, a laser annealing method or a rapid thermal annealing method (RTA method) can be applied. In the thermal annealing method, the oxygen concentration is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less in a nitrogen atmosphere at 400 to 700 ° C., typically 500 to 600 ° C. In this embodiment, the temperature is 550 ° C. for 4 hours. Heat treatment was performed. In the case where a plastic substrate having a low heat resistant temperature is used for the
[0073]
After the activation step, a heat treatment was performed at 300 to 450 ° C. for 1 to 12 hours in an atmosphere containing 3 to 100% hydrogen to perform a step of hydrogenating the island-shaped semiconductor layer. This step is performed on the island-
[0074]
When the activation and hydrogenation steps are completed, an
[0075]
By forming the interlayer insulating film with an organic insulating material, the surface can be satisfactorily flattened. In addition, since organic resin materials generally have a low dielectric constant, parasitic capacitance can be reduced. However, since it is hygroscopic and not suitable as a protective film, it needs to be used in combination with a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride film, or the like formed as the protective
[0076]
After that, a resist mask having a predetermined pattern is formed using a photomask, and contact holes reaching the source region or the drain region formed in each island-shaped semiconductor film are formed. Contact holes are formed by dry etching. In this case, CF is used as an etching gas. Four , O 2 First, the interlayer insulating film made of an organic resin material is etched using a mixed gas of He, and then the etching gas is changed to CF. Four , O 2 The protective
[0077]
Then, a conductive metal film is formed by sputtering or vacuum deposition, a resist mask pattern is formed by a photomask, and source wirings 152 to 156 and
[0078]
FIG. 11E is a top view of the island-shaped semiconductor layers 115 and 116, the
[0079]
When the hydrogenation treatment was performed in this state, favorable results were obtained with respect to the improvement of TFT characteristics. For example, heat treatment may be performed at 300 to 450 ° C. for 1 to 12 hours in an atmosphere containing 3 to 100% hydrogen, or the same effect can be obtained by using a plasma hydrogenation method. Further, by such heat treatment, hydrogen present in the protective
[0080]
In this way, a substrate having the TFT of the driving circuit and the pixel TFT of the pixel portion can be completed on the same substrate. A first p-channel TFT 200, a first n-channel TFT 201, a second p-channel TFT 202, and a second n-channel TFT 203 are formed in the driver circuit, and a
[0081]
The first p-channel TFT 200 of the driving circuit has a single drain structure in which an island-
[0082]
FIG. 13 is a top view showing almost one pixel in the pixel portion. A cross section AA ′ shown in the drawing corresponds to the cross sectional view of the pixel portion shown in FIG. In the
[0083]
The island-like semiconductor layer formed from the dual beam laser annealing method according to the present invention through the above steps has a single crystal structure. By using such island-shaped semiconductor layers, the structure of the TFTs constituting each circuit is optimized according to the specifications required by the pixel TFT and the drive circuit, thereby improving the operation performance and reliability of the semiconductor device. Is possible. Further, the gate electrode is made of a heat-resistant conductive material, thereby facilitating activation of the LDD region, the source region, and the drain region. A high-quality display device can be realized with such an active matrix substrate. A reflective liquid crystal display device can be manufactured from the active matrix substrate manufactured in this embodiment.
[0084]
[Example 2]
In the present invention, when the dual beam laser annealing method is applied, the size of the island-shaped semiconductor layer to be annealed is preferably such that the distance from the center portion to the end portion is 50 μm or less. However, there may be a demand for the channel width of the TFT to be 50 μm or more due to circuit characteristics. In this embodiment, a configuration example of an island-shaped semiconductor layer that can sufficiently obtain the effects of the present invention is shown in such a case.
[0085]
FIG. 14 shows a top view corresponding to FIG. 10C in the TFT of the driving circuit of the active matrix substrate described in
[0086]
FIG. 14B shows an example in which at least one gap 1401 is provided inside each of the island-shaped semiconductor layers 115 and 116 having the second shape. Such a gap 1401 is formed in advance in the first shape. In the same manner, the direct laser beam and the diffused laser beam can be used effectively by performing crystallization by a dual beam laser annealing method. FIG. 14B shows a state where
[0087]
[Example 3]
In the first embodiment, a so-called GOLD (Gate-drain Overlapped LDD) structure in which all or part of the LDD regions of the first n-channel TFT 201 and the second n-channel TFT 203 of the driving circuit overlap with the gate electrode is formed. Formed with. However, in order to simplify the process and manufacture at a lower cost, there is a method in which the GOLD structure is omitted and the n-channel TFT is manufactured with an LDD structure. Although the GOLD structure can prevent the deterioration due to hot carriers in the n-channel TFT, the LDD structure also suppresses the deterioration due to hot carriers by making the length of the LDD region in the channel length direction appropriate. can do.
[0088]
In order to make the first n-channel TFT 201 and the second n-channel TFT 203 of the drive circuit into TFTs having an LDD structure, in the process described in
[0089]
In FIG. 15, the first p-channel TFT 200 of the drive circuit has a
[0090]
Also in the process of this embodiment, the structure of the TFT described in Embodiment 2 can be employed. A reflective liquid crystal display device can be manufactured from the active matrix substrate manufactured in this embodiment.
[0091]
[Example 4]
The active matrix substrate manufactured in
[0092]
The active matrix substrate is manufactured in the same manner as in Example 1. In FIG. 16A, a conductive metal film is formed as a source wiring and a drain wiring by a sputtering method or a vacuum evaporation method. In this method, a Ti film is formed to a thickness of 50 to 150 nm, a contact is formed with a semiconductor film that forms a source or drain region of an island-like semiconductor layer, and aluminum (Al) 300 to 300 is stacked on the Ti film. The film was formed to a thickness of 400 nm, and a Ti film or a titanium nitride (TiN) film was formed to a thickness of 100 to 200 nm to form a three-layer structure. Thereafter, a transparent conductive film is formed over the entire surface, and a
[0093]
In FIG. 16B, first, a transparent conductive film is formed over the
[0094]
The material of the transparent conductive film is indium oxide (In 2 O Three ) Or indium tin oxide alloy (In 2 O Three -SnO 2 ; ITO) or the like can be formed using a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like. Etching treatment of such a material is performed with a hydrochloric acid based solution. However, in particular, etching of ITO is likely to generate a residue, so in order to improve etching processability, an indium oxide-zinc oxide alloy (In 2 O Three —ZnO) may also be used. Since the indium oxide-zinc oxide alloy has excellent surface smoothness and thermal stability with respect to ITO, it can prevent the corrosion reaction with Al in contact with the end face of the
[0095]
In this manner, an active matrix substrate corresponding to a transmissive liquid crystal display device can be completed. Although this embodiment has been described as a process similar to that of
[0096]
[Example 5]
In a method for manufacturing an island-shaped semiconductor layer having a crystal structure from an island-shaped semiconductor layer having an amorphous structure by a dual beam laser annealing method according to the present invention, the crystal structure manufactured by the method of Embodiment 2 or Embodiment 3 In the island-shaped semiconductor layer having a small amount (1 × 10 17 ~ 1x10 19 atoms / cm Three Degree) catalyst element remains. Of course, it is possible to complete the TFT even in such a state, but it is more preferable to remove at least the remaining catalyst element from the channel formation region. One means for removing this catalytic element is a means that utilizes the gettering action of phosphorus (P).
[0097]
The gettering process using phosphorus (P) for this purpose can be performed simultaneously in the activation step described with reference to FIG. This will be described with reference to FIG. The concentration of phosphorus (P) necessary for gettering may be approximately the same as the impurity concentration of the high-concentration n-type impurity region, and the catalyst from the channel formation region of the n-channel TFT and the p-channel TFT is formed by thermal annealing in the activation process. The element can be segregated to the impurity region containing phosphorus (P) at that concentration (in the direction of the arrow shown in FIG. 17). As a result, the catalytic element segregates in the impurity region, and the concentration is 1 × 10. 17 ~ 1x10 19 atoms / cm Three It became about. The TFT manufactured in this manner has a low off-current value and good crystallinity, so that high field-effect mobility can be obtained and good characteristics can be achieved.
[0098]
[Example 6]
In this embodiment, a process of manufacturing an active matrix liquid crystal display device from the active matrix substrate manufactured in
[0099]
The arrangement of the columnar spacers may be arbitrarily determined. Preferably, as shown in FIG. 18A, the pixel portion is overlapped with the
[0100]
Thereafter, an
[0101]
A
[0102]
In FIG. 18, the spacer 167 is formed on the source wiring and the drain wiring on the TFT of the drive circuit by dividing the spacer 167 into
[0103]
FIG. 19 is a top view of the active matrix substrate, and is a top view showing the positional relationship between the pixel portion and the drive circuit portion, the spacer and the sealant. Around the
[0104]
The
[0105]
The
[0106]
The structure of such an active matrix liquid crystal display device will be described with reference to the perspective view of FIG. In FIG. 20, the active matrix substrate includes a
[0107]
The liquid crystal display device having such a structure can be formed using the active matrix substrate shown in
[0108]
[Example 7]
In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a display device (organic EL display device) using an active matrix organic electroluminescence (organic EL) material will be described with reference to FIG. FIG. 21A is a circuit diagram of an active matrix organic EL display device in which a display region is provided on a glass substrate and a driver circuit is provided around the display region. This organic EL display device includes a display area 11 provided on a substrate, an X-direction
[0109]
FIG. 21B shows a top view of almost one pixel. The switching
[0110]
FIG. 22 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 21B, and shows a cross-sectional view of the switching
[0111]
[Example 8]
An active matrix substrate, a liquid crystal display device, and an EL display device manufactured by implementing the present invention can be used in various electro-optical devices. The present invention can be applied to all electronic devices in which such an electro-optical device is incorporated as a display medium. Examples of electronic devices include personal computers, digital cameras, video cameras, portable information terminals (mobile computers, mobile phones, electronic books, etc.), navigation systems, and the like.
[0112]
FIG. 23A illustrates a portable information terminal which includes a
[0113]
Such portable information terminals are often used outdoors as well as indoors. In order to enable long-term use, a backlight is not used, and a reflective liquid crystal display device that uses outside light is suitable as a low-power consumption type, but a backlight is provided when the surroundings are dark. A transmissive liquid crystal display device is suitable. From such a background, a hybrid type liquid crystal display device having both characteristics of a reflection type and a transmission type has been developed. However, the present invention can also be applied to such a hybrid type liquid crystal display device. A display device 2205 includes a touch panel 3002, a liquid crystal display device 3003, and an LED backlight 3004. A touch panel 3002 is provided to simplify the operation of the portable information terminal. In the configuration of the touch panel 3002, a light emitting element 3100 such as an LED is provided at one end, a light receiving element 3200 such as a photodiode is provided at the other end, and an optical path is formed therebetween. When the touch panel 3002 is pressed to block the optical path, the output of the light receiving element 3200 changes. By using this principle, the light emitting elements and the light receiving elements are arranged in a matrix on the liquid crystal display device, thereby functioning as an input medium. it can.
[0114]
FIG. 23B shows a structure of a pixel portion of a hybrid liquid crystal display device. A
[0115]
FIG. 24A illustrates a personal computer which includes a main body 2001 including a microprocessor and a memory, an image input portion 2002, a display device 2003, and a
[0116]
FIG. 24B shows a video camera, which includes a main body 2101, a display device 2102, an
[0117]
FIG. 24C shows a goggle type display, which includes a
[0118]
FIG. 24D illustrates an electronic game device such as a video game or a video game, which is incorporated in a
[0119]
FIG. 24E shows a player using a recording medium (hereinafter referred to as a recording medium) on which a program is recorded. The player includes a main body 2401, a
[0120]
FIG. 24F illustrates a digital camera which includes a main body 2501, a
[0121]
FIG. 25A shows a front projector, which includes a light source optical system, a
[0122]
Note that FIG. 25C illustrates an example of the structure of the light source optical system and the
[0123]
Although not shown here, the present invention can also be applied to a navigation system, a reading circuit of an image sensor, and the like. As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to electronic devices in various fields. Moreover, the electronic device of a present Example is realizable using the technique of Examples 1-5.
[0124]
[Example 9]
FIG. 27 shows a scanning electron micrograph of a sample obtained by crystallizing an island-shaped semiconductor layer made of amorphous silicon by laser annealing. FIG. 27A shows a sample irradiated with laser light from the front side of the island-shaped semiconductor layer, and FIG. 27B shows a photograph of the sample irradiated from both the front side and the back side. Sample surface is Seco liquid (main component (volume ratio) HF: H 2 O = 67: 33, additive K 2 Cr 2 O 7 The surface is etched with This etching process utilizes the difference in the etching rate between the crystal grains and the crystal grain boundaries, and was performed to make the crystal grains obvious.
[0125]
As the laser annealing conditions, an excimer laser beam having a wavelength of 308 nm is used, and the light intensity is 370 mJ / cm. 2 The same place was irradiated 20 times at a repetition frequency of 30 Hz. In the dual laser annealing method in which laser light is irradiated from both sides, an Al reflector is provided on the back side of the island-like semiconductor layer, that is, below the glass substrate. This reflector used was a mirror-polished silicon wafer with an Al film formed by sputtering on the surface.
[0126]
The average particle diameter is 0.05 to 0.2 μm in FIG. 27 (A) and 0.3 to 1.5 μm in FIG. 27 (B). Obviously, the latter has a larger particle size, and the superiority of the dual beam laser annealing method can be confirmed.
[0127]
【The invention's effect】
By using the present invention to crystallize an amorphous semiconductor region formed in an island-like pattern, the size of crystal grains can be increased. By using such island-shaped semiconductor layers, the structure of the TFTs constituting each circuit is optimized according to the specifications required by the pixel TFT and the drive circuit, thereby improving the operation performance and reliability of the semiconductor device. Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining the concept of a laser annealing method according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an optical system of a laser annealing apparatus.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an optical system of a laser annealing apparatus.
4A and 4B illustrate a manufacturing process of an island-shaped semiconductor layer of the present invention.
5A and 5B illustrate a manufacturing process of an island-shaped semiconductor layer of the present invention.
6A and 6B illustrate a manufacturing process of an island-shaped semiconductor layer of the present invention.
7A and 7B illustrate a manufacturing process of an island-shaped semiconductor layer of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT and a TFT of a driver circuit.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT and a driver circuit TFT;
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT and a TFT of a driver circuit.
FIG. 11 is a top view illustrating a manufacturing process of a TFT of a driver circuit.
FIG. 12 is a top view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT.
FIG. 13 is a top view illustrating a pixel in a pixel portion.
FIG. 14 is a top view illustrating a structure of a TFT.
FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a pixel TFT and a TFT of a driver circuit.
FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a pixel TFT and a TFT of a driver circuit.
17 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT and a driver circuit TFT. FIG.
FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of an active matrix liquid crystal display device.
FIG. 19 is a top view illustrating an arrangement of input / output terminals, wiring, circuit arrangement, spacers, and a sealant of a liquid crystal display device.
FIG. 20 is a perspective view illustrating a structure of a liquid crystal display device.
FIG. 21 illustrates a structure of an active matrix EL display device.
FIG 22 is a cross-sectional view illustrating a structure of a pixel portion of an active matrix EL display device.
FIG 23 illustrates an example of a semiconductor device.
FIG 24 illustrates an example of a semiconductor device.
FIG. 25 is a diagram showing a configuration of a projection type liquid crystal display device.
FIG. 26 is a graph showing a simulation result of the laser light intensity distribution in the depth direction of the silicon layer.
FIG. 27 is an electron micrograph of a silicon film crystallized by a laser annealing method.
Claims (8)
前記下地膜上に、該下地膜に接する第1の表面と、その反対側に第2の表面と、を有する第1形状の非晶質半導体層を形成し、
前記第1形状の非晶質半導体層の前記第2の表面に第1のレーザー光を照射して、かつ、前記第1形状の非晶質半導体層の周辺の領域より入射して、前記基板を透過して反射板にて反射した第2のレーザー光を前記第1の表面から照射して、第1形状の結晶質半導体層を形成し、
前記第1形状の結晶質半導体層の端部から1μm以上除去して、第2形状の結晶質半導体層を形成し、
前記第2形状の結晶質半導体層に、一導電型の不純物を添加することによって、高濃度n型不純物領域又は高濃度p型不純物領域を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。Form a base film on the substrate,
Wherein on the base film, forming a first surface in contact with the lower fabric layer, and a second surface on the opposite side, an amorphous semiconductor layer of the first shape having,
Wherein the second surface of the first amorphous semiconductor layer shape by irradiating a first laser beam, and is incident from the region around the amorphous semiconductor layer of the first shape, the substrate and transmitted by irradiating the second laser beam reflected from the first surface by the reflection plate to form a crystalline semiconductor layer of a first shape,
The first shape from the end portion of the crystalline semiconductor layer is removed over 1μm in, to form a crystalline semiconductor layer of the second shape,
A crystalline semiconductor layer of the second shape, by the addition of one conductivity type impurity, a method for manufacturing a semiconductor device comprising the Turkey to form a high-concentration n-type impurity region or the high-concentration p-type impurity regions .
前記下地膜上に、該下地膜に接する第1の表面と、その反対側に第2の表面と、を有する第1形状の非晶質半導体層を形成し、
前記第1形状の非晶質半導体層に結晶化を助長する元素を導入し、
前記第1形状の非晶質半導体層の前記第2の表面に第1のレーザー光を照射して、かつ、前記第1形状の非晶質半導体層の周辺の領域より入射して、前記基板を透過して反射板にて反射した第2のレーザー光を前記第1の表面から照射して、第1形状の結晶質半導体層を形成し、
前記第1形状の結晶質半導体層の端部から1μm以上除去して、第2形状の結晶質半導体層を形成し、
前記第2形状の結晶質半導体層に、一導電型の不純物を添加することによって、高濃度n型不純物領域又は高濃度p型不純物領域を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。Form a base film on the substrate,
Wherein on the base film, forming a first surface in contact with the lower fabric layer, and a second surface on the opposite side, an amorphous semiconductor layer of the first shape having,
An element which promotes binding crystallization in the amorphous semiconductor layer of the first shape,
Wherein the second surface of the first amorphous semiconductor layer shape by irradiating a first laser beam, and is incident from the region around the amorphous semiconductor layer of the first shape, the substrate and transmitted by irradiating the second laser beam reflected from the first surface by the reflection plate to form a crystalline semiconductor layer of a first shape,
The first shape from the end portion of the crystalline semiconductor layer is removed over 1μm in, to form a crystalline semiconductor layer of the second shape,
A crystalline semiconductor layer of the second shape, by the addition of one conductivity type impurity, a method for manufacturing a semiconductor device comprising the Turkey to form a high-concentration n-type impurity region or the high-concentration p-type impurity regions .
前記下地膜上に非晶質半導体層を形成し、
前記非晶質半導体層に結晶化を助長する元素を導入し、加熱処理により、結晶質半導体膜を形成し、
第1の表面と、その反対側に第2の表面を有する第1形状の結晶質半導体層を形成し、
前記第1形状の結晶質半導体層の第2の表面に第1のレーザー光を照射して、かつ、前記第1形状の結晶質半導体層の周辺の領域より入射して、前記基板を透過して反射板にて反射した第2のレーザー光を前記第1の表面から照射し、
前記第1形状の結晶質半導体層の端部から1μm以上除去して、第2形状の結晶質半導体層を形成し、
前記第2形状の結晶質半導体層に、一導電型の不純物を添加することによって、高濃度n型不純物領域又は高濃度p型不純物領域を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。Form a base film on the substrate,
Forming an amorphous semiconductor layer on the base film;
An element which promotes binding crystallization in the amorphous semiconductor layer by heat treatment to form a crystalline semiconductor film,
A first surface, to form a crystalline semiconductor layer of the first shape having a second surface on the opposite side,
The first surface of the crystalline semiconductor layer having the first shape is irradiated with the first laser light and incident from a peripheral region of the crystalline semiconductor layer having the first shape, and is transmitted through the substrate. the second laser beam reflected by the reflection plate Te is irradiated from said first surface,
The first shape from the end portion of the crystalline semiconductor layer is removed over 1μm in, to form a crystalline semiconductor layer of the second shape,
A crystalline semiconductor layer of the second shape, by the addition of one conductivity type impurity, a method for manufacturing a semiconductor device comprising the Turkey to form a high-concentration n-type impurity region or the high-concentration p-type impurity regions .
前記高濃度n型不純物領域において、前記結晶化を助長する元素が1×1017〜1×1019atoms/cm3の濃度で含有していることを特徴とする半導体装置の作製方法。Oite to claim 2 or claim 3,
Prior Symbol high concentration n-type impurity region, a method for manufacturing a semiconductor device characterized by element for promoting the crystallization is contained at a concentration of 1 × 10 17 ~1 × 10 19 atoms / cm 3.
前記反射板は、凹凸形状を有す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 reflector has an uneven shape.
前記反射板の前記第2のレーザー光に対する拡散反射率が、50〜70%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 5 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the reflection plate has a diffuse reflectance of 50 to 70% with respect to the second laser light.
前記第2形状の結晶質半導体層上にICPエッチング法によってゲート電極を形成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 forming a gate electrode on the second shape crystalline semiconductor layer by an ICP etching method.
前記半導体装置は、有機エレクトロルミネッセンス材料を用いた表示装置、パーソナルコンピュータ、ビデオカメラ、携帯型情報端末、デジタルカメラ、デジタルビデオディスクプレーヤー、ゴーグル型ディスプレイ、電子遊技機器、プロジェクターであることを特徴とする半導体装置の作製方法。Any one to Oite of claims 1 to 7,
The semiconductor device is a display device using an organic electroluminescent material, a personal computer, a video camera, a portable information terminal, a digital camera, a digital video disk player, a goggle type display, an electronic game machine, or a projector. A method for manufacturing a semiconductor device.
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