JP4776766B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本願発明は薄膜トランジスタ(以下、TFTという)で構成された回路を有する半導体装置およびその作製方法に関する。例えば、液晶表示パネルに代表される電気光学装置およびその様な電気光学装置を部品として搭載した電子機器に関する。
【0002】
なお、本明細書中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、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【0003】
【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膜を形成し、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膜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。
【0004】
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、非晶質半導体膜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、短波長領域で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。
【0005】
レーザーアニール法は様々な半導体材料の結晶化に適用できる。しかし、これまでのところ、TFTの活性層には、結晶質珪素膜を用いることで高い電界効果移動度を実現してきた。そして、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を形成したモノリシック型の液晶表示装置を可能とした。
【0006】
しかしながら、レーザーアニール法で作製される結晶質珪素膜は複数の結晶粒が集合した形で形成され、その結晶粒の位置と大きさはランダムなものであった。従って、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。
【0007】
このような問題点を解決する方法として、結晶粒を大きくすると共に、その結晶粒の位置を制御して、チャネル形成領域から結晶粒界をなくすことは有効な手段として考えられる。例えば、「”Location Control of Large Grain Following Excimer−Laser Melting of Si Thin−Films”, R.Ishihara and A.Burtsev, Japanese Journal of Applied Physics vol.37, No.3B, pp1071−1075,198」には、シリコン膜の温度分布を3次元的に制御して結晶の位置制御と大粒径化を実現する方法が開示されている。その方法によれば、ガラス基板上に高融点金属を成膜して、その上に部分的に膜厚の異なる酸化シリコン膜を形成し、その表面に非晶質シリコン膜を形成した基板の両面からエキシマレーザー光を照射することにより結晶粒径を数μmに大きくできることが報告されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記Ishiharaらの方法は、非晶質シリコン膜の下地材料の熱特性を局所的に変化させて、基板への熱の流れを制御して温度勾配を持たせることを特徴としている。しかしながら、そのためにガラス基板上に高融点金属層/酸化シリコン層/半導体膜の3層構造を形成している。この半導体膜を活性層としてトップゲート型のTFTを形成することは構造的には可能であるが、半導体膜と高融点金属層との間に設けられた酸化シリコン膜により寄生容量が発生するので、消費電力が増加し、TFTの高速動作を実現することは困難となる。
【0009】
一方、上記Ishiharaらの方法は、高融点金属層をゲート電極とすることにより、ボトムゲート型または逆スタガ型のTFTに対しては有効に適用できうると考えられる。しかし、前記3層構造において、半導体膜の厚さを除いたとしても、高融点金属層と酸化シリコン層の膜厚は、結晶化工程において適した膜厚と、TFT素子としての特性において適した膜厚とは必ずしも一致しないので、結晶化工程における最適設計と素子構造の最適設計とを両方同時に満足することはできない。
【0010】
また、透光性のない高融点金属層をガラス基板の全面に形成すると、透過型の液晶表示装置を製作することは不可能である。高融点金属層は熱伝導率が高いという点では有用であるが、高融点金属材料として使用されるクロム(Cr)膜やチタン(Ti)膜は内部応力が高いので、ガラス基板との密着性に問題が生じる可能性が高い。さらに、内部応力の影響はこの上層に形成する半導体膜へも及び、形成された結晶性半導体膜に歪みを与える力として作用する可能性が大きい。
【0011】
一方、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の荷電欠陥密度を低減させることや、その内部応力のバランスを考慮する必要があった。このような要求に対して、酸化珪素膜や酸化窒化珪素膜などの珪素を構成元素として含む材料が適していた。従って、温度勾配を持たせるために高融点金属層を設けることは、そのバランスを崩してしまうことが懸念される。
【0012】
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、結晶粒の位置とその大きさを制御した結晶質半導体膜を作製し、さらにその結晶質半導体膜をTFTのチャネル形成領域に用いることにより高速動作が可能なTFTを実現する。さらに、そのようなTFTを透過型の液晶表示装置やEL表示装置などのさまざまな半導体装置に適用できる技術を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明の構成は、
透光性を有する基板に接して所定の形状を有する有機樹脂膜と、
前記有機樹脂膜を覆う無機絶縁膜と、
前記無機絶縁膜に接して結晶質半導体膜とを有し、
前記有機樹脂膜の上方に前記無機絶縁膜を介して前記結晶質半導体膜が存在していることを特徴とする半導体装置である。
【0014】
上記無機絶縁膜は、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜から選ばれた単層膜、またはそれらの積層膜であり、その膜厚は50nm〜200nmとする。
【0015】
また、他の発明の構成として、前記基板と前記有機樹脂膜の間に下地絶縁膜を有している構成としてもよい。
【0016】
また、前記有機樹脂膜は、BCB(ベンゾシクロブテン)樹脂、ポリイミド系樹脂(フッ素添加ポリイミド)、アクリル系樹脂、シロキサン系樹脂、フッ素添加パラキシレン、フッ素添加パリレン、テフロン、フルオロポリアリルエーテル、PFCB、ポリシラザンから選ばれた単層膜、またはそれらの積層膜であって、その有機樹脂膜の熱伝導率は、1.0Wm-1-1以下であることを特徴としている。
【0017】
また、上記有機樹脂膜が、感光性を有していればパターニングを簡単に行うことができるため好ましい。
【0018】
また、上記構造を実現するための発明の構成は、
透光性を有する基板上に接して有機樹脂膜を形成した後、前記有機樹脂膜を所定の形状にパターニングし、
前記所定の形状を有する有機樹脂膜を覆う無機絶縁膜を形成し、
前記無機絶縁膜に接して非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜にレーザー光を照射することによって、第1領域と、前記第1領域とは結晶粒径が異なる第2領域とを有する結晶質半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【0019】
また、前記第1領域における結晶粒径は、前記第2領域における結晶粒径より大きい。
【0020】
なお、前記第1領域は、前記結晶質半導体膜のうち、下方に前記無機絶縁膜を介して前記有機樹脂膜を有している領域である。また、前記第2領域は、前記結晶質半導体膜のうち、下方に前記無機絶縁膜を介して前記有機樹脂膜を有していない領域である。
【0021】
上記第1領域をTFTのチャネル形成領域として用いれば、優れたTFT特性を有するTFTを得ることができる。
【0022】
また、他の発明の構成は、
透光性を有する基板上に接して有機樹脂膜を形成し、
前記有機樹脂膜を覆う無機絶縁膜を形成し、
前記無機絶縁膜に接して非晶質半導体膜を形成し、
レーザー光を照射して前記非晶質半導体膜を結晶化させて結晶質半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【0023】
また、上記作製方法において、無機絶縁膜と前記非晶質半導体膜は、大気にふれることなく連続して形成してもよい。
【0024】
また、上記作製方法において、上記レーザー光は、前記基板の表面側から照射してもよいし、前記基板の表面側および裏面側から同時に照射してもよい。
【0025】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施形態について、以下に説明する。
【0026】
本発明人らは、従来のレーザー結晶化によるポリシリコン膜の形成において、結晶粒径が小さい原因は、溶融後のシリコン層の冷却速度が速く、核発生密度が大きくなり、1つの結晶核からの十分な結晶成長が阻害されているためであると考えた。そこで、本発明人らは、固相状態へ変化する際に上層のシリコン層から下層の酸化シリコン層および基板への熱拡散を抑え、溶融後のシリコン層の冷却速度を小さくすれば、粒径の大きな結晶の形成が可能であると思いたった。
【0027】
本発明は、図1に示すように、絶縁表面を有する基板1上に有機樹脂膜2を選択的に形成し、有機樹脂膜2に接して珪素を含む無機絶縁膜3を形成し、その上に非晶質半導体膜を形成した状態を得た後、レーザーアニ−ル法による結晶化を行うことを特徴としている。
【0028】
レーザーアニール法では、照射するレーザー光(またはレーザービーム)の条件を最適なものとすることにより半導体膜を加熱溶融させ、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。
【0029】
図1において破線で区別した領域Aは、基板1と無機絶縁膜3との間に有機樹脂膜2を有している領域を指し、領域Aに位置する半導体膜を第1領域4aと呼ぶ。また、領域Bは、基板1と無機絶縁膜3との間に有機樹脂膜2を有していない領域を指し、領域Bに位置する半導体膜を第2領域4bと呼ぶ。
【0030】
図18はレーザーアニール装置の構成の一例を示す図である。レーザー光発生装置801にはエキシマレーザーやアルゴンレーザーやYAGレーザーなどを適用する。ただし、YAGレーザーにおいては第2高調波を用いればよい。レーザー光発生装置801から発せられたレーザービームはビームエキスパンダー802、803によりレーザービームを一方向に広げ、ミラー804によって反射したレーザービームは、シリンドリカルレンズアレイ805で分割され、シリンドリカルレンズ806、807によって、線幅100〜1000μmの線状ビームにして、試料面に照射領域810を形成するように照射する。基板08はX方向、Y方向、Θ方向に動作可能なステージ809に保持される。そして、照射領域810に対し、ステージ809を動かすことにより、基板808の全面に渡ってレーザーアニールを施すことができる。このとき、基板808は大気雰囲気中に保持しても良いし、減圧下または不活性ガス雰囲気中に保持して結晶化を行っても良い。
【0031】
なお、レーザーアニール法では、特に、波長400nm以下のレーザー光を発するエキシマレーザーを光源に使用すると、半導体膜を優先的に加熱することができるので適している。エキシマレーザーのパルス幅は数nsec〜数十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、半導体膜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ことになる。レーザー光の照射が終わった直後からは無機絶縁膜2を通して熱が拡散するので、領域Bの方が急激に冷却が始まり固相状態へ変化するのに対し、領域Aでは有機樹脂膜3の存在により領域Bと比較して半導体膜から基板への熱拡散が抑えられ、冷却速度が小さくなる。
【0032】
結晶核は溶融状態から固相状態へ移る冷却過程で生成形成されるものと推定されているが、その核発生密度は、溶融状態の温度と冷却速度とに相関があり、高温から急冷されると核発生密度が高くなる傾向が経験的知見として得られている。従って、溶融状態から急激に冷却される第2領域4b(領域Bに位置する半導体膜)では、結晶核の発生密度が第1領域4a(領域Aに位置する半導体膜)よりも高くなり、ランダムに結晶核が発生することにより複数の結晶粒が形成され、かつ第1領域4aに生成される結晶粒よりも粒径が相対的に小さくなる。一方、第1領域4aではレーザー光の照射条件と、有機樹脂膜2および無機絶縁膜3を最適なものとすることで、溶融状態の温度とその冷却速度を制御することが可能となり、結晶核の発生数を抑え、大粒径の結晶を成長させることができる。
【0033】
なお、絶縁表面を有する基板1としては、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や石英基板等を用いることができるが、透光性を有する点と、安価である点と、大面積基板を容易に製造できる点でガラス基板を用いることが望ましい。
【0034】
有機樹脂膜2は、基板上においてTFTの活性層(チャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域、およびLDD領域が形成される半導体膜)の配置に合わせて、同様に島状またはストライプ状に分割して形成する。その大きさは、例えばTFTの大きさに合わせて0.35×0.35μm2(チャネル長×チャネル幅)としたサブミクロンサイズとしても良いし、8×8μm2、8×200μm2または12×400μm2などとすることができる。少なくともTFTのチャネル形成領域の位置と大きさに合わせて有機樹脂膜2を形成することにより、この上に形成される結晶粒径の大きな結晶質半導体膜でチャネル形成領域を形成することが可能となる。
【0035】
また、有機樹脂膜2としては、熱伝導率が1.0Wm-1-1以下、好ましくは0.3Wm-1-1以下であれば特に限定されない。この有機樹脂膜2の熱伝導率は、基板(石英ガラス:1.4Wm-1-1)及び有機樹脂膜上に接する珪素を含む無機絶縁膜(1〜2Wm-1-1)と比べて非常に低いため、十分に半導体膜から基板への熱拡散が抑えられる。
【0036】
例えば、上記有機樹脂膜2として、BCB(ベンゾシクロブテン)樹脂、ポリイミド系樹脂(フッ素添加ポリイミド)、アクリル系樹脂、シロキサン系樹脂、フッ素添加パラキシレン、フッ素添加パリレン、テフロン、フルオロポリアリルエーテル、PFCB、ポリシラザン等が挙げられる。中でも、耐熱性が450℃程度と高く、耐プラズマ性を有し、且つ平坦性を有するBCB(ベンゾシクロブテン)樹脂が本発明に最も好ましい。
【0037】
また、有機樹脂膜2に無機絶縁膜3や非晶質半導体膜等を積層するため、表面が平坦となるスピンコート法により形成することが望ましく、パターニングされた有機樹脂膜の端部はテーパ−形状として、カバレッジを良好なものとすることが望ましい。また、スピンコート法で代表される塗布法を用いて有機樹脂膜を形成すれば、CVD装置を用いた無機絶縁膜に比べコストが格段に低く、複雑な成膜プロセスを必要としないため有利である。また、パターン加工の面においても感光性の有機樹脂膜を用いれば、フォトレジストによるフォトリソグラフィを必要としないため工程を削減することができる。また、感光性の有機樹脂膜を用いない場合においても、無機絶縁膜のエッチングに比べ基板や下地絶縁膜とのエッチングレートが確保しやすく、制御性も高いため有利である。
【0038】
また、有機樹脂膜の膜厚は、100nm〜500nmとすることが望ましい。この膜厚を調節することによって、結晶化工程における冷却速度を制御することができる。なお、100nmより薄い膜厚とした場合、平坦性が悪化してしまう。また、500nmより厚い膜厚とした場合、段差が大きすぎて積層膜を形成することが困難になってしまう。
【0039】
また、珪素を含む無機絶縁膜としては、PCVD法、LPCVD法、またはスパッタ法により酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜から選ばれた単層膜、または、それらの積層膜を適宜用いることができる。この無機絶縁膜は、基板及び有機樹脂膜からの不純物拡散を防ぐ役目と、積層される半導体膜との密着性を向上させる役目を果たしている。また、有機樹脂膜としてBCB樹脂(450℃)を用い、酸化珪素膜で覆った基板は550℃程度の加熱処理に耐えることができる。このように、無機絶縁膜は、有機樹脂膜を保護する役目を果たすとともに、有機樹脂膜の耐熱性を向上させる効果をも有している。
【0040】
また、この珪素を含む無機絶縁膜の膜厚は、50nm〜200nmとする。この無機絶縁膜の膜厚が200nmより厚くなると、半導体膜から基板への熱拡散を抑えられなくなる可能性が高い。また、無機絶縁膜の膜厚が50nmより薄くなるとカバレッジが悪くなり有機樹脂膜を覆いきれなくなる恐れがある。
【0041】
また、珪素を含む無機絶縁膜上に形成する非晶質半導体膜としては、非晶質半導体膜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、非晶質半導体膜の成膜方法は、PCVD法、LPCVD法、スパッタ法等の公知の方法を用いればよい。
【0042】
本発明は、上記無機絶縁膜3の材料及び膜厚、または上記有機樹脂膜2の材料及び膜厚により冷却速度を調節して結晶粒径を制御することができ、さらに上記有機樹脂膜2の配置により大きな粒径の結晶の位置を制御することができる。
【0043】
図2を用い、本発明の作製方法における実施の形態の一例として島状の結晶質半導体膜の作製例を簡略に示す。
【0044】
まず、無アルカリガラス基板等からなる基板1上に有機樹脂膜を形成し、パターニングを施して所望の形状(島状またはストライプ状)の有機樹脂膜2を形成する。(図2(A))
【0045】
次いで、有機樹脂膜2を覆う無機絶縁膜3を形成する。続いて、無機絶縁膜3上に非晶質半導体膜4を形成する。(図2(B))また、ここで大気に触れさせずに無機絶縁膜3と非晶質半導体膜4とを連続成膜して不純物の混入を低減してもよい。
【0046】
次いで、レーザー光5を照射して非晶質半導体膜の結晶化を行い結晶質半導体膜4a、4bを形成する。(図2(C))
【0047】
次いで、結晶質半導体膜をパターニングし、第1領域4aからなる島状の結晶質半導体膜6、7を完成する。(図2(D))
【0048】
以下、図2に示した工程により形成された島状の結晶質半導体膜をTFTの活性層(チャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域、およびLDD領域が形成される半導体膜)に用い、公知の方法に従ってTFTを作製すれば、優れた電気特性を有する半導体装置が得られる。
【0049】
また、図3(C)に示すように、絶縁表面を有する基板901上に、有機樹脂膜902を全面に形成し、有機樹脂膜902に接して珪素を含む無機絶縁膜903を設け、その上に非晶質半導体膜904を形成した状態を得た後、レーザー結晶化を行ってもよい。ただし、この場合においては、有機樹脂膜902の材料や膜厚で冷却速度を調節することはできるが、大きな粒径の結晶の位置を制御することは困難である。なお、プラスチック基板上に非晶質半導体膜を形成し、レーザー結晶化させた場合と比較した場合、結晶化の冷却速度は低下するが、その冷却速度を調節することは不可能であった。
【0050】
また、図4に示したように下地絶縁膜405を設けてもよい。この下地絶縁膜405は、基板401からの不純物拡散を防ぐとともに、基板401と有機樹脂膜402との密着性の向上を図ることができる。
【0051】
なお本明細書中の「冷却速度」は、レーザー光による溶融後の半導体膜における冷却速度を指している。
【0052】
また、図5に示したように、結晶化の工程は、通常のレーザーアニール法のみが適用されるものでなく、基板の表面側及び裏面側からレーザー光を同時に照射してもよい。また、レーザー光は、パルス発振型または連続発光型を用いてもよい。また、レーザー光は、光学系にて線状ビーム、スポット状ビーム、面状ビームなどとすることが可能であり、その形状に限定されるものはない。
【0053】
また、基板を加熱させながらレーザーアニ−ル法を行ってもよい。また、熱アニール法とレーザーアニール法とを組み合わせても良い。また、触媒元素を用いる結晶化法を応用しても良い。
【0054】
以上の構成でなる本願発明について、以下に示す実施例でもってさらに詳細な説明を行うこととする。
【0055】
【実施例】
[実施例1]
本発明を利用して島状にパターニングされた結晶質半導体膜(本実施例では結晶質珪素膜)を作製する工程について説明する。以下、図2を用いて本実施例を示す。
【0056】
まず、透光性を有する基板1上に有機樹脂膜(膜厚100nm〜500nm)をスピンコート法等により塗布し、焼成することで形成する。本実施例では、有機樹脂膜としてベンゾシクロブテン膜(以下、BCB膜と呼ぶ)をスピンコート法により塗布した後、焼成(300℃、1時間)して200nmの膜厚を得た。なお、本実施例で用いたBCB膜の膜厚は、スピン回転数により膜厚を容易に制御することができる。また、透過型表示素子(液晶パネル等)に用いない場合には透光性を有する基板1が透明である必要はなく、この後のCVD装置を使用するプロセスに対して耐えうる耐熱性と耐プラズマ性を有するものであれば、有機樹脂膜はBCB膜に限定されないことは言うまでもない。
【0057】
次いで、BCB膜を公知のフォトリソグラフィ法によりパターニングし、ドライエッチングにより島状の有機樹脂膜2を形成する。(図2(A))本実施例では、O2とCF4との混合ガスを用いてドライエッチングを行った。ただし、島状の有機樹脂膜2の位置については、後の工程で形成する島状の結晶質珪素膜に合わせて形成する。また、有機樹脂膜として感光性を有する材料を用いれば、レジストを用いることなく、パターニングを行え、製造工程の短縮化ができる。
【0058】
次いで、島状の有機樹脂膜2を覆って公知の方法により膜厚50nm〜200nmの無機絶縁膜3を形成する。無機絶縁膜3としては、PCVD法、LPCVD法、スパッタ法等の公知の方法を用いて酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜から選ばれた単層膜またはそれらの積層膜を用いることができる。ただし、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜を用いる場合は、内部応力のバランスを考慮することが必要である。この無機絶縁膜3は基板からの不純物拡散を防ぐ目的と、後で形成される半導体膜との密着性の向上させる目的と、後でエッチングされる半導体膜との選択比を確保する目的とによって形成されている。本実施例ではPCVD法により膜厚50nmの酸化珪素膜を成膜した。
【0059】
次いで、無機絶縁膜3上に非晶質半導体膜4を形成する。本実施例ではPCVD法により膜厚55nmの非晶質珪素膜(アモルファスシリコン膜)を形成した。(図2(B))また、非晶質構造を含む半導体膜であれば非晶質珪素膜に限定されず、例えば微結晶半導体膜、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を含む化合物半導体膜を用いてもよい。また、無機絶縁膜3と非晶質半導体膜4とを大気に触れさせずに連続成膜を行ってもよい。
【0060】
次いで、非晶質半導体膜4の結晶化をレーザーアニ−ル法により行う。レーザービームとしては幅100〜1000μmの線状ビームを用い、図2(C)に示すように基板表面側から照射する。本実施例では、パルス発振型のエキシマレーザーを光源とするレーザー照射装置を用いた。(図2(C))
【0061】
このレーザー光の結晶化工程において、パルス状のレーザー光が照射されると、非晶質珪素膜は瞬時に加熱され溶融状態となる。この後、領域Aにおいては、溶融状態の珪素膜の下面から無機絶縁膜3を通じ、有機樹脂膜2、基板1へと順次に熱が伝導することで、溶融状態の珪素膜は徐々に冷却されていく。
【0062】
一方、領域Bにおいては、溶融状態の珪素膜の下面から無機絶縁膜3を通じ、基板1へと順次に熱が伝導し、溶融状態の珪素膜は急激に冷却されていく。
【0063】
従って、有機樹脂膜2が存在しない領域Bではレーザー照射後にシリコンが急激に冷却されてしまうため、結晶粒径が小さくなる。しかし、有機樹脂膜2が存在する領域Aでは、徐々に冷却されるため、結晶化速度が遅くなり結晶粒径の大きな多結晶珪素膜(ポリシリコン膜)を形成することができる。この有機樹脂膜2の熱伝導度が、無機絶縁膜3の熱伝導度に比べて非常に低いため、レーザー照射後の冷却速度が抑えられる。この冷却速度は、有機樹脂膜2の材料及び膜厚によって制御することができる。
【0064】
次いで、結晶化された結晶質半導体膜は、公知のフォトリソグラフィ法によりパターニングして島状の結晶質半導体膜6、7を形成する。本実施例では、O2とCF4の混合ガスを用いたドライエッチング法によりパターニングを行った。
【0065】
以上のようにして島状の有機樹脂膜2によりレーザー照射後の冷却速度を制御して格子欠陥密度が非常に小さく、結晶粒径が大きい島状の結晶質珪素膜を所望の位置に得ることができた。この島状の結晶質半導体膜6、7をTFTの活性層に用いた場合、優れた特性を得ることができる。
【0066】
[実施例2]
実施例1では、有機樹脂膜をパターニングした例を示したが、本実施例では、有機樹脂膜をパターニングしない例を図3に示す。
【0067】
まず、実施例1と同様にして透光性を有する基板901上に有機樹脂膜902(膜厚100nm〜500nm)をスピンコート法により塗布し、焼成することで形成する。本実施例では、有機樹脂膜902としてBCB膜をスピンコート法により塗布した後、焼成(300℃、1時間)して200nmの膜厚を得た。(図3(A))なお、本実施例で用いたBCB膜の膜厚は、スピン回転数により膜厚を容易に制御することができる。また、透過型表示素子(液晶パネル等)に用いない場合には透光性を有する基板901が透明である必要はなく、この後のCVD装置を使用するプロセスに対して耐えうる耐熱性と耐プラズマ性を有するものであれば、有機樹脂膜はBCB膜に限定されないことは言うまでもない。
【0068】
次いで、有機樹脂膜902を覆って公知の方法により膜厚50nm〜200nmの無機絶縁膜903を形成する。無機絶縁膜903としては、PCVD法、LPCVD法、スパッタ法等の公知の方法を用いて酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜から選ばれた単層膜またはそれらの積層膜を用いることができる。この無機絶縁膜903は基板からの不純物拡散を防ぐ目的と、後で形成される半導体膜との密着性の向上させる目的と、後でエッチングされる半導体膜との選択比を確保する目的とによって形成されている。本実施例ではPCVD法により膜厚50nmの酸化珪素膜を成膜した。
【0069】
次いで、無機絶縁膜903上に非晶質半導体膜904を形成する。本実施例ではPCVD法により膜厚55nmの非晶質珪素膜(アモルファスシリコン膜)903を形成した。(図3(B))また、非晶質構造を含む半導体膜であれば非晶質珪素膜に限定されず、例えば微結晶半導体膜、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を含む化合物半導体膜を用いてもよい。また、無機絶縁膜903と非晶質半導体膜904とを大気に触れさせずに連続成膜を行ってもよい。
【0070】
次いで、非晶質半導体膜904の結晶化をレーザーアニ−ル法により行う。レーザービームとしては幅100〜1000μmの線状ビームを用い、図3(C)に示すように基板表面側から照射する。本実施例では、パルス発振型のエキシマレーザーを光源とするレーザー照射装置を用いた。(図3(C))
【0071】
このレーザー光の結晶化工程において、パルス状のレーザー光が照射されると、非晶質珪素膜904は瞬時に加熱され溶融状態となる。この後、溶融状態の珪素膜の下面から無機絶縁膜903を通じ、有機樹脂膜902、基板901へと順次に熱が伝導することで、溶融状態の珪素膜は徐々に冷却されていく。本実施例においては、有機樹脂膜であるBCB膜が基板全面に存在するため、結晶化速度が遅くなり結晶粒径が大きな多結晶珪素膜(ポリシリコン膜)を均一に形成することができる。この有機樹脂膜902の熱伝導度が、無機絶縁膜903の熱伝導度に比べて非常に低いため、レーザー照射後の冷却速度が抑えられる。この冷却速度は、有機樹脂膜902の材料及び膜厚によって制御することができる。
【0072】
次いで、結晶化された結晶質半導体膜は、公知のフォトリソグラフィ法によりパターニングして島状の結晶質半導体膜906、907を形成する。本実施例では、O2とCF4の混合ガスを用いたドライエッチング法によりパターニングを行った。
【0073】
以上のようにして有機樹脂膜902によりレーザー照射後の冷却速度を制御して格子欠陥密度が非常に小さく、結晶粒径の大きな島状の結晶質珪素膜を得ることができた。この島状の結晶質半導体膜906、907をTFTの活性層に用いた場合、優れた特性を得ることができる。
【0074】
[実施例3]
本実施例では、基板と有機樹脂膜との間に下地絶縁膜を設けた例を図4に示す。
【0075】
まず、ガラス基板401上に公知の方法により膜厚50nm〜400nmの下地絶縁膜405を形成する。下地絶縁膜405としては、PCVD法、LPCVD法、スパッタ法等の公知の方法を用いて酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜から選ばれた単層膜またはそれらの積層膜を用いることができる。ただし、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜を用いる場合は、内部応力のバランスを考慮することが必要である。この下地絶縁膜405は基板からの不純物拡散を防ぐ目的によって形成されている。本実施例ではPCVD法により膜厚50nmの酸化珪素膜を成膜した。
【0076】
次いで、下地絶縁膜405上に有機樹脂膜(膜厚100nm〜500nm)をスピンコート法等により塗布し、焼成することで形成する。本実施例では、有機樹脂膜としてベンゾシクロブテン膜(以下、BCB膜と呼ぶ)をスピンコート法により塗布した後、焼成(300℃、1時間)して200nmの膜厚を得た。また、透過型表示素子(液晶パネル等)に用いない場合には透光性を有する基板1が透明である必要はなく、この後のCVD装置を使用するプロセスに対して耐えうる耐熱性と耐プラズマ性を有するものであれば、有機樹脂膜はBCB膜に限定されないことは言うまでもない。
【0077】
次いで、実施例1に従いBCB膜を公知のフォトリソグラフィ法によりパターニングし、ドライエッチングにより島状の有機樹脂膜402を形成する。ここで、下地絶縁膜405はガラス基板表面をドライエッチングから保護している。
【0078】
以降の工程は、実施例1に従い島状の有機樹脂膜402を覆って公知の方法により無機絶縁膜403、及び非晶質半導体膜を形成した後、レーザー結晶化を行い、レーザー照射後の冷却速度を制御して格子欠陥密度が非常に小さく、結晶粒径が大きい結晶質珪素膜を所望の位置(領域A)に得た。なお、領域Bに位置する結晶質半導体膜404bの結晶粒径は小さい。この結晶質半導体膜404aをTFTの活性層に用いた場合、優れた特性を得ることができる。
【0079】
また、本実施例は実施例2と適宜組み合わせることが可能である。
【0080】
[実施例4]
本実施例では、実施例1とは異なるレーザー照射方法による結晶化を行った例を図5に示す。なお、実施例1とは、レーザー照射方法以外は同一であるため、詳細な説明は省略する。
【0081】
実施例1に従い、基板501上に島状の有機樹脂膜502を形成する。次いで、実施例1と同様にして島状の有機樹脂膜502を覆う無機絶縁膜503を形成し、無機絶縁膜503上に非晶質半導体膜を形成する。ただし、本実施例において、基板501、及び島状の有機樹脂膜502は透光性を有することが必要である。
【0082】
次いで、図5に示すように基板の表面側及び裏面側からレーザー光を同時に照射する。ここで、基板の表面側から基板を照射するレーザービームのエネルギーと、基板の裏面側から基板を照射するレーザービームのエネルギーとの比は、6対4〜8対2の間であると、多結晶半導体膜の結晶粒径をさらに大きくすることができるため好ましい。
【0083】
以上の工程により、レーザー照射後の冷却速度を制御して格子欠陥密度が非常に小さく、結晶粒径の大きな結晶質珪素膜を所望の位置(領域A)に得た。なお、領域Bに位置する結晶質半導体膜504bの結晶粒径は0.3μm以下と小さい。この結晶質半導体膜504aをTFTの活性層に用いた場合、優れた特性を得ることができる。
【0084】
また、本実施例は、実施例2または実施例3と適宜、自由に組み合わせることが可能である。
【0085】
[実施例5]
本実施例では、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTでなるCMOS回路の作製工程を図6〜図8を用いて説明する。
【0086】
まず、実施例1に記載した方法により基板101上に、島状の有機樹脂膜103、104、無機絶縁膜105、島状半導体膜107、108aを形成する。次いで、プラズマCVD法や減圧CVD法、またはスパッタ法により50〜100nmの厚さの酸化珪素膜によるマスク層109を形成する。(図6(A))
【0087】
図8(A)は図6(A)における上面図を示している。島状半導体膜107、108bは、島状にパターン形成された有機樹脂膜103、104にそれぞれ重なるようにして設けられている。図8(A)において、A−A'断面が図6(A)における断面構造に対応している。
【0088】
そして、図6(B)に示すように、フォトレジストマスク110を設け、nチャネル型TFTを形成する島状半導体膜108aにしきい値電圧を制御する目的で1×1016〜5×1017atoms/cm3程度の濃度でp型を付与する不純物元素を添加する。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。ここではイオンドープ法でジボラン(B26)を用いホウ素(B)を添加した。ホウ素(B)添加は必ずしも必要でなく省略しても差し支えないが、ホウ素(B)を添加した半導体層108bは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形成することができる。
【0089】
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膜108bに選択的に添加する。半導体に対してn型を付与する不純物元素には、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)など周期律表第15族の元素が知られている。フォトレジストマスク111を形成し、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。形成される不純物領域112におけるリン(P)濃度は2×1016〜5×1019atoms/cm3の範囲とする(図6(C))。本明細書中では、不純物領域112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。
【0090】
次に、マスク層109を純水で希釈したフッ酸などのエッチング液により除去した。そして、図6(B)と図6(C)で島状半導体膜108b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時間の熱アニールや、レーザーアニールなどの方法により行うことができる。また、両方の方法を併用して行っても良い。本実施例では、レーザー活性化の方法を用い、エキシマレーザー光を用い、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、島状半導体膜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。
【0091】
ゲート絶縁膜113はプラズマCVD法またはスパッタ法を用い、膜厚を40〜150nmとして珪素を含む絶縁膜で形成する。例えば、120nmの厚さで、酸化窒化珪素膜で形成すると良い。また、SiH4とN2OにO2を添加させて作製された酸化窒化珪素膜は、膜中の固定電荷密度が低減されているのでさらに良い。ゲート絶縁膜は、このような酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い(図6(D))。
【0092】
図6(E)に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成するために導電層を成膜する。この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積層構造とすることもできる。本実施形態では、導電性の窒化物金属膜から成る導電層(A)114と金属膜から成る導電層(B)115とを積層した構造とした。導電層(B)115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)114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)114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。
【0093】
導電層(A)114は10〜50nm(好ましくは20〜30nm)とし、導電層(B)115は200〜400nm(好ましくは250〜350nm)とすれば良い。本実施例では、導電層(A)114に30nmの厚さのWN膜を、導電層(B)115には350nmのW膜を用い、いずれもスパッタ法で形成した。尚、図示しないが、導電層(A)111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)または導電層(B)が微量に含有するアルカリ金属元素がゲート絶縁膜113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)は抵抗率を10〜500μΩcmの範囲ですることが好ましい。
【0094】
次に、所定のパターンのフォトレジストマスクを形成し、導電層(A)114と導電層(B)115とを一括でエッチングしてゲート電極116、117を形成する。ゲート電極116、117は、導電層(A)から成る116a、117aと、導電層(B)から成る116b、117bとが一体として形成されている。この時、nチャネル型TFTに設けるのゲート電極117は不純物領域112の一部と、ゲート絶縁膜113を介して重なるように形成する(図7(A))。また、ゲート電極は導電層(B)のみで形成することも可能である。
【0095】
図8(B)は図7(A)における上面図を示している。島状半導体膜107、108b上にゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極116、117は、ゲート配線128に接続する。図8(B)において、A−A'断面が図7(A)における断面構造に対応している。
【0096】
次いで、pチャネル型TFTを形成する島状半導体膜107にソース領域およびドレイン領域とする不純物領域119を形成する。ここでは、ゲート電極116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108bはフォトレジストマスク118で被覆しておく。そして、不純物領域119はジボラン(B)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/cmとなるようにする(図7(B))。本明細書中では、ここで形成された不純物領域119に含まれるp型を付与する不純物元素の濃度を(p)と表す。
【0097】
次に、nチャネル型TFTを形成する島状半導体膜108bにソース領域またはドレイン領域を形成する不純物領域121の形成を行った。ここでは、フォスフィン(PH3)を用いたイオンドープ法で行い、この領域のリン(P)濃度を1×1020〜1×1021atoms/cm3とした(図7(C))。本明細書中では、ここで形成された不純物領域121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。不純物領域119にも同時にリン(P)が添加されるが、既に前の工程で添加されたボロン(B)濃度と比較して不純物領域117に添加されたリン(P)濃度はその1/2〜1/3程度なのでp型の導電性が確保され、TFTの特性に何ら影響を与えることはない。
【0098】
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レーザーアニール法で行う。この工程はファーネスアニール炉を用いれば良い。その他に、熱アニール法、またはラピッドサーマルアニール法(RTA法)で行うことができる。ここでは、レーザー活性化の方法を用い、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として島状半導体膜が形成された基板全面を処理した。また、アニール処理の前に、50〜200nmの厚さの保護絶縁層122を酸化窒化珪素膜や酸化珪素膜などで形成すると良い。(図7(D))。
【0099】
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、島状半導体膜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膜にある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。
【0100】
活性化および水素化の工程が終了したら、保護絶縁層上にさらに酸化窒化珪素膜または酸化珪素膜を積層させ、層間絶縁層123を形成する。酸化窒化珪素膜は保護絶縁層122と同様にしてSiHを27SCCM、NOを900SCCMとして反応圧力160Pa、基板温度325℃とし、放電電力密度を0.15W/cmとして、500〜1500nm(好ましくは600〜800nm)の厚さで形成する。そして、層間絶縁層123および保護絶縁層122TFTの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し、ソース配線124、125と、ドレイン配線126を形成する。図示していないが、本実施例ではこの電極を、Ti膜を100nm、Tiを含むアルミニウム膜300nm、Ti膜150nmをスパッタ法で連続して形成した3層構造の積層膜とした。
【0101】
次に、パッシベーション膜127として、窒化珪素膜または酸化窒化珪素膜を50〜500nm(代表的には100〜300nm)の厚さで形成する。さらに、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層間絶縁層123および保護絶縁層122に存在する水素を島状半導体膜107、108bに拡散させ水素化をすることもできる。
【0102】
こうして図7(E)に示すように、基板101上に、nチャネル型TFT151とpチャネル型TFT150とを完成させることができた。pチャネル型TFT150には、島状半導体膜107にチャネル形成領域152、ソース領域153、ドレイン領域154を有している。nチャネル型TFT151には、島状半導体膜108にチャネル形成領域155、ゲート電極117と重なるLDD領域156(以降、このようなLDD領域をLovと記す)、ソース領域157、ドレイン領域158を有している。このLov領域のチャネル長方向の長さは、チャネル長3〜8μmに対して、0.5〜3.0μm(好ましくは1.0〜1.5μm)とした。本実施例ではそれぞれのTFTをシングルゲート構造としたが、ダブ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。
【0103】
図8(C)は図7(E)における上面図を示している。ソース配線124、125は、図示していない層間絶縁層123、保護絶縁層122に設けられたコンタクトホールによって島状半導体膜107、108bと接触している。図8(C)において、A−A'断面が図7(E)における断面構造に対応している。
【0104】
このようにして作製されたpチャネル型TFT150とnチャネル型TFT151は、チャネル形成領域が結晶粒径の大きな多結晶珪素膜で形成されている。また、このようなTFTを用いてシフトレジスタ回路、バッファ回路、D/Aコンバータ回路、レベルシフタ回路、マルチプレクサ回路などを形成することができる。これらの回路を適宣組み合わせることにより、液晶表示装置やEL表示装置、および密着型イメージセンサなどガラス基板上に作製される半導体装置を形成することができる。
【0105】
ただし、上記全ての熱処理において、有機樹脂膜103、104が耐え得る温度範囲内になるよう熱処理の温度には十分気をつけることが必要である。
【0106】
[実施例6]
本発明の実施例を図9〜図13を用いて説明する。ここでは画素部の画素TFTと、画素部の周辺に設けられる駆動回路のTFTを同一基板上に作製する方法について工程に従って詳細に説明する。但し、説明を簡単にするために、制御回路ではシフトレジスタ回路、バッファ回路などの基本回路であるCMOS回路と、サンプリング回路を形成するnチャネル型TFTとを図示することにする。
【0107】
まず、実施例1に記載した方法により基板201上に、島状の有機樹脂膜203〜206、無機絶縁膜207、非晶質半導体膜208aを形成する。(図9(A))
【0108】
次いで、実施例1に記載した方法により非晶質半導体膜208aをレーザー結晶化させ結晶質半導体膜208bを形成する。(図9(B))ここでは、結晶質半導体膜208bのうち、下方に無機絶縁膜を介して有機樹脂膜を有している領域の結晶粒径は、有機樹脂膜を有していない領域よりも大きいが図示しない。
【0109】
次いで、結晶質半導体膜208bをエッチング処理して島状に分割し、島状半導体膜209、210a〜212aを形成し活性層とする。その後、プラズマCVD法や減圧CVD法、またはスパッタ法により50〜100nmの厚さの酸化珪素膜によるマスク層213を形成する。(図9(C))
【0110】
チャネルドープ工程は、フォトレジストマスク214を設け、nチャネル型TFTを形成する島状半導体膜210a〜212aの全面にしきい値電圧を制御する目的で1×1016〜5×1017atoms/cm3程度の濃度でp型を付与する不純物元素としてボロン(B)を添加した。ボロン(B)の添加はイオンドープ法で実施しても良いし、非晶質珪素膜を成膜するときに同時に添加しておくこともできる。ここでのボロン(B)添加は必ずしも必要でないが、ボロン(B)を添加した半導体層210b〜212bは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形成することが好ましかった(図9(D))。
【0111】
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膜210b、211bに選択的に添加する。あらかじめフォトレジストマスク215〜218を形成した。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(n-)219、220のリン(P)濃度は、1×1017〜5×1019atoms/cm3とする(図10(A))。また、不純物領域221は、画素部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。
【0112】
次に、マスク層213をフッ酸などにより除去して、図9(D)と図10(A)で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時間の熱アニールや、レーザーアニール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。本実施例では、レーザー活性化の方法を用い、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、島状半導体膜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。
【0113】
そして、ゲート絶縁膜222をプラズマCVD法またはスパッタ法を用いて40〜150nmの厚さでシリコンを含む絶縁膜で形成する。例えば、SiH4、N2O、O2を原料としてプラズマCVD法で作製される酸化窒化珪素膜で形成する。(図10(B))
【0114】
次に、ゲート電極を形成するために第1の導電層を成膜する。本実施例では導電性の窒化物金属膜から成る導電層(A)223と金属膜から成る導電層(B)224とを積層させた。ここでは、Wをターゲットとしたスパッタ法で導電層(B)224をタングステン(W)で250nmの厚さに形成し、導電層(A)223はタングステン(WN)で50nmの厚さに形成した(図10(C))。
【0115】
次に、フォトレジストマスク225〜229を形成し、導電層(A)223と導電層(B)224とを一括でエッチングしてゲート電極230〜233と容量配線234を形成する。ゲート電極230〜233と容量配線234は、導電層(A)から成る230a〜234aと、導電層(B)から成る230b〜234bとが一体として形成されている。この時、駆動回路に形成するゲート電極231、232は不純物領域219、220の一部と、ゲート絶縁膜222を介して重なるように形成する(図10(D))。
【0116】
次いで、駆動回路のpチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域を形成するために、p型を付与する不純物元素を添加する工程を行う。ここでは、ゲート電極230をマスクとして、自己整合的に不純物領域を形成する。nチャネル型TFTが形成される領域はフォトレジストマスク235で被覆しておく。そして、ジボラン(B)を用いたイオンドープ法で不純物領域(p)23を1×1021atoms/cmの濃度で形成した(図11(A))。
【0117】
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不純物領域の形成を行った。レジストのマスク237〜239を形成し、n型を付与する不純物元素を添加して不純物領域241〜244を形成した。これは、フォスフィン(PH3)を用いたイオンドープ法で行い、不純物領域(n+)241〜244の(P)濃度を5×1020atoms/cm3とした(図11(B))。不純物領域240には、既に前工程で添加されたボロン(B)が含まれているが、それに比して1/2〜1/3の濃度でリン(P)が添加されるので、添加されたリン(P)の影響は考えなくても良く、TFTの特性に何ら影響を与えることはなかった。
【0118】
そして、画素部の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添加の工程を行った。ここではゲート電極233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。添加するリン(P)の濃度は5×1016atoms/cm3とし、図9(A)および図10(A)と図10(B)で添加する不純物元素の濃度よりも低濃度で添加することで、実質的には不純物領域(n--)245、246のみが形成される(図11(C))。
【0119】
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ために窒素雰囲気中で熱処理工程(400〜700℃)を行う。この工程はファーネスアニール炉を用いた熱アニール法、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)で行うことができる。
【0120】
この熱アニールにおいて、ゲート電極230〜233と容量配線234形成するW膜230b〜234bは、表面から5〜80nmの厚さでWNから成る導電層(C)230c〜234cが形成される。また、その他に導電層(B)230b〜234bが、チタン(Ti)の場合には窒化チタン(TiN)を形成することができる。また、窒素またはアンモニアなどを用いた窒素を含むプラズマ雰囲気にゲート電極230〜234を晒しても同様に形成することができる。さらに、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱アニールを行い、島状半導体膜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膜にある1×1016〜1×1018/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。(図11(D))
【0121】
なお、図14(A)は、図11(D)におけるTFTの上面図であり、A−A'断面は図11(D)のA−A'に対応している。
【0122】
活性化および水素化の工程が終了したら、ゲート配線とする第2の導電層を形成する。この第2の導電層は低抵抗材料であるアルミニウム(Al)や銅(Cu)を主成分とする導電層(D)で形成する。いずれにしても、第2の導電層の抵抗率は0.1〜10μΩcm程度とする。さらに、チタン(Ti)やタンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)から成る導電層(E)を積層形成すると良い。本実施例では、チタン(Ti)を0.1〜2重量%含むアルミニウム(Al)膜を導電層(D)247とし、チタン(Ti)膜を導電層(E)248として形成した。導電層(D)247は200〜400nm(好ましくは250〜350nm)とすれば良く、導電層(E)248は50〜200nm(好ましくは100〜150nm)で形成すれば良い(図12(A))。
【0123】
そして、ゲート電極に接続するゲート配線を形成するために導電層(E)248と導電層(D)247とをエッチング処理して、ゲート配線249、250と容量配線251を形成した。
【0124】
なお、図14(B)はこの状態の上面図を示し、A−A'断面は図12(B)のA−A'に対応している。
【0125】
次いで、第1の層間絶縁膜252は500〜1500nmの厚さで酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜で形成する。本実施例では、SiH4を27SCCM、N2Oを900SCCM、として反応圧力160Pa、基板温度325℃で放電電力密度0.15W/cm2で形成した。その後、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し、ソース配線253〜256と、ドレイン配線257〜260を形成する。図示していないが、本実施例ではこの電極を、Ti膜を100nm、Tiを含むアルミニウム膜300nm、Ti膜150nmをスパッタ法で連続して形成した3層構造の積層膜とした。
【0126】
次に、パッシベーション膜261として、窒化珪素膜、酸化珪素膜、または酸化窒化珪素膜を50〜500nm(代表的には100〜300nm)の厚さで形成する。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第1の層間絶縁膜252に存在する水素を島状半導体膜209、210b〜212bに拡散させ水素化をすることもできる。(図12(C))。なお、ここで後に画素電極とドレイン配線を接続するためのコンタクトホールを形成する位置において、パッシベーション膜261に開口部を形成しておいても良い。
【0127】
図14(C)はこの状態の上面図を示し、A−A'断面は図12(C)のA−A'に対応している。
【0128】
その後、有機樹脂からなる第2の層間絶縁膜262を1.0〜1.5μmの厚さに形成する。有機樹脂としては、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。ここでは、基板に塗布後、熱重合するタイプのポリイミドを用い、300℃で焼成して形成した。そして、第2の層間絶縁膜262にドレイン配線260に達するコンタクトホールを形成し、画素電極263、264を形成する。画素電極は、透過型液晶表示装置とする場合には透明導電膜を用いれば良く、反射型の液晶表示装置とする場合には金属膜を用いれば良い。本実施例では透過型の液晶表示装置とするために、酸化インジウム・スズ(ITO)膜を100nmの厚さにスパッタ法で形成した(図13)。
【0129】
こうして同一基板上に、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た。駆動回路にはpチャネル型TFT301、第1のnチャネル型TFT302、第2のnチャネル型TFT303、画素部には画素TFT304、保持容量305が形成した。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。
【0130】
ただし、上記アクティブマトリクス基板の全ての熱処理において、有機樹脂膜203〜206が耐え得る温度範囲内になるよう熱処理の温度には十分気をつけることが必要である。
【0131】
駆動回路のpチャネル型TFT301には、島状半導体膜209にチャネル形成領域306、ソース領域307a、307b、ドレイン領域308a,308bを有している。第1のnチャネル型TFT302には、島状半導体膜210にチャネル形成領域309、ゲート電極231と重なるLDD領域(Lov)310、ソース領域311、ドレイン領域312を有している。このLov領域のチャネル長方向の長さは0.5〜3.0μm、好ましくは1.0〜1.5μmとした。第2のnチャネル型TFT303には、島状半導体膜211にチャネル形成領域313、Lov領域とLoff領域(ゲート電極と重ならないLDD領域であり、以降Loff領域と記す)とが形成され、このLoff領域のチャネル長方向の長さは0.3〜2.0μm、好ましくは0.5〜1.5μmである。画素TFT304には、島状半導体膜212にチャネル形成領域318、319、Loff領域320〜323、ソースまたはドレイン領域324〜326を有している。Loff領域のチャネル長方向の長さは0.5〜3.0μm、好ましくは1.5〜2.5μmである。さらに、容量配線234、251と、ゲート絶縁膜と同じ材料から成る絶縁膜と、画素TFT304のドレイン領域326に接続し、n型を付与する不純物元素が添加された半導体層327とから保持容量305が形成されている。図12では画素TFT304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。
【0132】
以上の様な構成は、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の構造を最適化し、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。さらにゲート電極を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、ゲート配線低抵抗材料で形成することにより、配線抵抗を十分低減できる。従って、表示領域(画面サイズ)が4インチクラス以上の表示装置に適用することができる。そして、下地層を形成する有機樹脂層203〜206上で選択的に形成された結晶質半導体膜を用いることにより、完成したTFTにおいて非常に優れた特性を実現することができる。
【0133】
[実施例7]
本実施例では、実施例6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。図15に示すように、図13の状態のアクティブマトリクス基板に対し、配向膜601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が多く用いられている。対向側の対向基板602には、遮光膜603、透明導電膜604および配向膜605を形成した。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。そして、画素部と、CMOS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、公知のセル組み工程によってシール材やスペーサ(共に図示せず)などを介して貼りあわせる。その後、両基板の間に液晶材料606を注入し、封止剤(図示せず)によって完全に封止した。液晶材料には公知の液晶材料を用いれば良い。このようにして図15に示すアクティブマトリクス型液晶表示装置が完成した。
【0134】
次に、このアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を、図16の斜視図および図17の上面図を用いて説明する。尚、図16と図17は、図9〜図13と図15の断面構造図と対応付けるため、共通の符号を用いている。また、図17で示すE―E’に沿った断面構造は、図13に示す画素マトリクス回路の断面図に対応している。
【0135】
図16においてアクティブマトリクス基板は、ガラス基板201上に形成された、画素部706と、走査信号駆動回路704と、画像信号駆動回路05で構成される。表示領域には画素TFT304が設けられ、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704と、画像信号駆動回路705はそれぞれゲート配線250とソース配線256で画素TFT304に接続している。また、FPC(Flexible Print Circuit)731が外部入力端子734に接続され、入力配線02、03でそれぞれの駆動回路に接続している。
【0136】
図17は表示領域706のほぼ一画素分を示す上面図である。ゲート配線250は、図示されていないゲート絶縁膜を介してその下の半導体層212と交差している。図示はしていないが、半導体層には、ソース領域、ドレイン領域、n--領域でなるLoff領域が形成されている。また、265はソース配線256とソース領域324とのコンタクト部、266はドレイン配線260とドレイン領域326とのコンタクト部、267はドレイン配線260と画素電極263のコンタクト部である。保持容量305は、画素TFT304のドレイン領域326から延在する半導体層327とゲート絶縁膜を介して容量配線234、251が重なる領域で形成されている。
【0137】
なお、本実施例のアクティブマトリクス型液晶表示装置は、実施例6で説明した構造と照らし合わせて説明したが、実施例6の構成に限定されるものでなく、実施形態1〜5で示した構成を実施例6に応用して完成させたアクティブマトリクス基板を用いても良い。いずれにしても、実施の形態で示した有機樹脂膜を設けたアクティブマトリクス基板であれば自由に組み合わせてアクティブマトリクス型液晶表示装置を作製することができる。
【0138】
[実施例8]
本実施例では、本願発明を用いてEL(エレクトロルミネッセンス)モジュール(EL表示装置ともいう)を作製した例について説明する。
【0139】
図19(A)は本願発明を用いたEL表示パネルの上面図である。図19(A)において、10は基板、11は画素部、12はソース側駆動回路、13はゲート側駆動回路であり、それぞれの駆動回路は配線14〜16を経てFPC17に至り、外部機器へと接続される。
【0140】
このとき少なくとも画素部、好ましくは駆動回路及び画素部を覆うようにして基板82を設ける。なお、基板82はガラス板またはプラスチック板を用いても良いし、紫外線硬化樹脂を用いても良い。基板82を用いた場合、接着剤81によって基板10に固着させ、基板10との間に樹脂20を充填する。このとき、EL素子は完全に前記樹脂20に封入された状態となり、外気から完全に遮断される。
【0141】
また、基板82と基板10との間に密閉空間を設け不活性ガス(アルゴン、ヘリウム、窒素等)を充填しておいたり、酸化バリウム等の乾燥剤を設けてもよい。これによりEL素子の水分等による劣化を抑制することが可能である。
【0142】
また、図19(B)は本実施例のEL表示パネルの断面構造であり、基板10、無機絶縁膜21の上に駆動回路用TFT(但し、ここではNTFTとPTFTを組み合わせたCMOS回路を図示している。)22及び画素部用TFT23(但し、ここではEL素子への電流を制御するTFTだけ図示している。)が形成されている。駆動回路用TFT22としては、図7に示したNTFT及びPTFTを用いれば良い。また、画素部用TFT23には図7に示したNTFTまたはPTFTを用いれば良い。
【0143】
本願発明を用いて駆動回路用TFT22、画素部用TFT23が完成したら、樹脂材料でなる層間絶縁膜(平坦化膜)26の上に画素部用TFT23のドレインと電気的に接続する透明導電膜でなる画素電極27を形成する。透明導電膜としては、酸化インジウムと酸化スズとの化合物(ITOと呼ばれる)または酸化インジウムと酸化亜鉛との化合物を用いることができる。そして、画素電極27を形成したら、絶縁膜28を形成し、画素電極27上に開口部を形成する。
【0144】
次に、EL層29を形成する。EL層29は公知のEL材料(正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層または電子注入層)を自由に組み合わせて積層構造または単層構造とすれば良い。どのような構造とするかは公知の技術を用いれば良い。また、EL材料には低分子系材料と高分子系(ポリマー系)材料がある。低分子系材料を用いる場合は蒸着法を用いるが、高分子系材料を用いる場合には、スピンコート法、印刷法またはインクジェット法等の簡易な方法を用いることが可能である。
【0145】
本実施例では、シャドーマスクを用いて蒸着法によりEL層を形成する。シャドーマスクを用いて画素毎に波長の異なる発光が可能な発光層(赤色発光層、緑色発光層及び青色発光層)を形成することで、カラー表示が可能となる。その他にも、色変換層(CCM)とカラーフィルターを組み合わせた方式、白色発光層とカラーフィルターを組み合わせた方式があるがいずれの方法を用いても良い。勿論、単色発光のEL表示装置とすることもできる。
【0146】
EL層29を形成したら、その上に陰極30を形成する。陰極30とEL層29の界面に存在する水分や酸素は極力排除しておくことが望ましい。従って、真空中でEL層29と陰極30を連続成膜するか、EL層29を不活性雰囲気で形成し、大気解放しないで陰極30を形成するといった工夫が必要である。本実施例ではマルチチャンバー方式(クラスターツール方式)の成膜装置を用いることで上述のような成膜を可能とする。
【0147】
なお、本実施例では陰極30として、LiF(フッ化リチウム)膜とAl(アルミニウム)膜の積層構造を用いる。具体的にはEL層29上に蒸着法で1nm厚のLiF(フッ化リチウム)膜を形成し、その上に300nm厚のアルミニウム膜を形成する。勿論、公知の陰極材料であるMgAg電極を用いても良い。そして陰極30は31で示される領域において配線16に接続される。配線16は陰極30に所定の電圧を与えるための電源供給線であり、導電性ペースト材料32を介してFPC17に接続される。また、樹脂80で接続部分を覆い、接続部分を保護する。
【0148】
31に示された領域において陰極30と配線16とを電気的に接続するために、層間絶縁膜26及び絶縁膜28にコンタクトホールを形成する必要がある。これらは層間絶縁膜26のエッチング時(画素電極用コンタクトホールの形成時)や絶縁膜28のエッチング時(EL層形成前の開口部の形成時)に形成しておけば良い。また、絶縁膜28をエッチングする際に、層間絶縁膜26まで一括でエッチングしても良い。この場合、層間絶縁膜26と絶縁膜28が同じ樹脂材料であれば、コンタクトホールの形状を良好なものとすることができる。
【0149】
また、配線16は基板82と基板10との間を隙間(但し接着剤81で塞がれている。)を通ってFPC17に電気的に接続される。なお、ここでは配線16について説明したが、他の配線14、15も同様にして基板82の下を通ってFPC17に電気的に接続される。
【0150】
以上のような構成でなるEL表示パネルにおいて、本願発明を用いることができる。ここで画素部のさらに詳細な断面構造を図20に、上面構造を図21(A)に、回路図を図21(B)に示す。図20、図21(A)及び図21(B)では共通の符号を用いるので互いに参照すれば良い。
【0151】
図21において、基板1001上に設けられたスイッチング用TFT1002は本願発明のNTFTを用いて形成される。本実施例ではダブルゲート構造としているが、構造及び作製プロセスに大きな違いはないので説明は省略する。但し、ダブルゲート構造とすることで実質的に二つのTFTが直列された構造となり、オフ電流値を低減することができるという利点がある。なお、本実施例ではダブルゲート構造としているが、シングルゲート構造でも構わないし、トリプルゲート構造やそれ以上のゲート本数を持つマルチゲート構造でも構わない。また、本願発明のPTFTを用いて形成しても構わない。
【0152】
また、電流制御用TFT1003は本願発明のNTFTを用いて形成される。このとき、スイッチング用TFT1002のドレイン配線35は配線36によって電流制御用TFTのゲート電極37に電気的に接続されている。また、38で示される配線は、スイッチング用TFT1002のゲート電極39a、39bを電気的に接続するゲート配線である。
【0153】
このとき、電流制御用TFT1003が本願発明の構造であることは非常に重要な意味を持つ。電流制御用TFTはEL素子を流れる電流量を制御するための素子であるため、多くの電流が流れ、熱による劣化やホットキャリアによる劣化の危険性が高い素子でもある。そのため、電流制御用TFTのドレイン側に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極に重なるようにLDD領域を設ける本願発明の構造は極めて有効である。
【0154】
また、本実施例では電流制御用TFT1003をシングルゲート構造で図示しているが、複数のTFTを直列につなげたマルチゲート構造としても良い。さらに、複数のTFTを並列につなげて実質的にチャネル形成領域を複数に分割し、熱の放射を高い効率で行えるようにした構造としても良い。このような構造は熱による劣化対策として有効である。
【0155】
また、図21(A)に示すように、電流制御用TFT1003のゲート電極37となる配線は1004で示される領域で、電流制御用TFT1003のドレイン配線40と絶縁膜を介して重なる。このとき、1004で示される領域ではコンデンサが形成される。このコンデンサ1004は電流制御用TFT1003のゲートにかかる電圧を保持するためのコンデンサとして機能する。なお、ドレイン配線40は電流供給線(電源線)1101に接続され、常に一定の電圧が加えられている。
【0156】
スイッチング用TFT1002及び電流制御用TFT1003の上には第1パッシベーション膜41が設けられ、その上に樹脂絶縁膜でなる平坦化膜42が形成される。平坦化膜42を用いてTFTによる段差を平坦化することは非常に重要である。後に形成されるEL層は非常に薄いため、段差が存在することによって発光不良を起こす場合がある。従って、EL層をできるだけ平坦面に形成しうるように画素電極を形成する前に平坦化しておくことが望ましい。
【0157】
また、43は反射性の高い導電膜でなる画素電極(EL素子の陰極)であり、電流制御用TFT1003のドレインに電気的に接続される。画素電極43としてはアルミニウム合金膜、銅合金膜または銀合金膜など低抵抗な導電膜またはそれらの積層膜を用いることが好ましい。勿論、他の導電膜との積層構造としても良い。
【0158】
また、絶縁膜(好ましくは樹脂)で形成されたバンク44a、44bにより形成された溝(画素に相当する)の中に発光層45が形成される。なお、ここでは一画素しか図示していないが、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色に対応した発光層を作り分けても良い。発光層とする有機EL材料としてはπ共役ポリマー系材料を用いる。代表的なポリマー系材料としては、ポリパラフェニレンビニレン(PPV)系、ポリビニルカルバゾール(PVK)系、ポリフルオレン系などが挙げられる。
【0159】
なお、PPV系有機EL材料としては様々な型のものがあるが、例えば「H. Shenk,H.Becker,O.Gelsen,E.Kluge,W.Kreuder,and H.Spreitzer,“Polymers for Light Emitting Diodes”,Euro Display,Proceedings,1999,p.33-37」や特開平10−92576号公報に記載されたような材料を用いれば良い。
【0160】
具体的な発光層としては、赤色に発光する発光層にはシアノポリフェニレンビニレン、緑色に発光する発光層にはポリフェニレンビニレン、青色に発光する発光層にはポリフェニレンビニレン若しくはポリアルキルフェニレンを用いれば良い。膜厚は30〜150nm(好ましくは40〜100nm)とすれば良い。
【0161】
但し、以上の例は発光層として用いることのできる有機EL材料の一例であって、これに限定する必要はまったくない。発光層、電荷輸送層または電荷注入層を自由に組み合わせてEL層(発光及びそのためのキャリアの移動を行わせるための層)を形成すれば良い。また、EL層として一重項励起により発光(蛍光)する発光材料(シングレット化合物)からなる薄膜、または三重項励起により発光(リン光)する発光材料(トリプレット化合物)からなる薄膜を用いることができる。
【0162】
例えば、本実施例ではポリマー系材料を発光層として用いる例を示したが、低分子系有機EL材料を用いても良い。また、電荷輸送層や電荷注入層として炭化珪素等の無機材料を用いることも可能である。これらの有機EL材料や無機材料は公知の材料を用いることができる。
【0163】
本実施例では発光層45の上にPEDOT(ポリチオフェン)またはPAni(ポリアニリン)でなる正孔注入層46を設けた積層構造のEL層としている。そして、正孔注入層46の上には透明導電膜でなる陽極47が設けられる。本実施例の場合、発光層45で生成された光は上面側に向かって(TFTの上方に向かって)放射されるため、陽極は透光性でなければならない。透明導電膜としては酸化インジウムと酸化スズとの化合物や酸化インジウムと酸化亜鉛との化合物を用いることができるが、耐熱性の低い発光層や正孔注入層を形成した後で形成するため、可能な限り低温で成膜できるものが好ましい。
【0164】
陽極47まで形成された時点でEL素子2405が完成する。なお、ここでいうEL素子1005は、画素電極(陰極)43、発光層45、正孔注入層46及び陽極47で形成されたコンデンサを指す。図21(A)に示すように画素電極43は画素の面積にほぼ一致するため、画素全体がEL素子として機能する。従って、発光の利用効率が非常に高く、明るい画像表示が可能となる。
【0165】
ところで、本実施例では、陽極47の上にさらに第2パッシベーション膜48を設けている。第2パッシベーション膜48としては窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜が好ましい。この目的は、外部とEL素子とを遮断することであり、有機EL材料の酸化による劣化を防ぐ意味と、有機EL材料からの脱ガスを抑える意味との両方を併せ持つ。これによりEL表示装置の信頼性が高められる。
【0166】
以上のように本願発明のEL表示パネルは図20のような構造の画素からなる画素部を有し、オフ電流値の十分に低いスイッチング用TFTと、ホットキャリア注入に強い電流制御用TFTとを有する。従って、高い信頼性を有し、且つ、良好な画像表示が可能なEL表示パネルが得られる。
【0167】
なお、本実施例の構成は、実施例1〜7の構成と自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0168】
[実施例9]
本実施例では、実施例8に示した画素部において、EL素子1005の構造を反転させた構造について説明する。説明には図2を用いる。なお、図21(A)の構造と異なる点はEL素子の部分と電流制御用TFTだけであるので、その他の説明は省略することとする。
【0169】
図22において、電流制御用TFT1201は本願発明のPTFTを用いて形成される。作製プロセスは実施例1を参照すれば良い。
【0170】
本実施例では、画素電極(陽極)50として透明導電膜を用いる。具体的には酸化インジウムと酸化亜鉛との化合物でなる導電膜を用いる。勿論、酸化インジウムと酸化スズとの化合物でなる導電膜を用いても良い。
【0171】
そして、絶縁膜でなるバンク51a、51bが形成された後、溶液塗布によりポリビニルカルバゾールでなる発光層52が形成される。その上にはカリウムアセチルアセトネート(acacKと表記される)でなる電子注入層53、アルミニウム合金でなる陰極54が形成される。この場合、陰極54がパッシベーション膜としても機能する。こうしてEL素子1202が形成される。
【0172】
本実施例の場合、発光層53で発生した光は、矢印で示されるようにTFTが形成された基板の方に向かって放射される。本実施例のような構造とする場合、電流制御用TFT1201はPTFTで形成することが好ましい。
【0173】
なお、本実施例の構成は、実施例1〜7の構成と自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0174】
〔実施例10〕
本実施例では、図21(B)に示した回路図とは異なる構造の画素とした場合の例について図23に示す。なお、本実施例において、1301はスイッチング用TFT1302のソース配線、1303はスイッチング用TFT1302のゲート配線、1304は電流制御用TFT、1305はコンデンサ、1306、1308は電流供給線、1307はEL素子とする。
【0175】
図23(A)は、二つの画素間で電流供給線1306を共通とした場合の例である。即ち、二つの画素が電流供給線1306を中心に線対称となるように形成されている点に特徴がある。この場合、電源供給線の本数を減らすことができるため、画素部をさらに高精細化することができる。
【0176】
また、図23(B)は、電流供給線1308をゲート配線1303と平行に設けた場合の例である。なお、図23(B)では電流供給線1308とゲート配線1303とが重ならないように設けた構造となっているが、両者が異なる層に形成される配線であれば、絶縁膜を介して重なるように設けることもできる。この場合、電源供給線1308とゲート配線1303とで専有面積を共有させることができるため、画素部をさらに高精細化することができる。
【0177】
また、図23(C)は、図23(B)の構造と同様に電流供給線1308をゲート配線1303と平行に設け、さらに、二つの画素を電流供給線1308を中心に線対称となるように形成する点に特徴がある。また、電流供給線1308をゲート配線1303のいずれか一方と重なるように設けることも有効である。この場合、電源供給線の本数を減らすことができるため、画素部をさらに高精細化することができる。
【0178】
なお、本実施例の構成は、実施例8または実施例9の構成と自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0179】
〔実施例11〕
実施例8に示した図21(A)、図21(B)では電流制御用TFT1003のゲートにかかる電圧を保持するためにコンデンサ1004を設ける構造としているが、コンデンサ1004を省略することも可能である。
【0180】
実施例8の場合、電流制御用TFT1003として図20に示すような本願発明のNTFTを用いているため、ゲート絶縁膜を介してゲート電極と重なるように設けられたLDD領域を有している。この重なり合った領域には一般的にゲート容量と呼ばれる寄生容量が形成されるが、本実施例ではこの寄生容量をコンデンサ1004の代わりとして積極的に用いる点に特徴がある。
【0181】
この寄生容量のキャパシタンスは上記ゲート電極とLDD領域とが重なり合った面積によって変化するため、その重なり合った領域に含まれるLDD領域の長さによって決まる。
【0182】
また、実施例10に示した図23(A)、(B)、(C)の構造においても同様にコンデンサ1305を省略することは可能である。
【0183】
なお、本実施例の構成は、実施例8または実施例9の構成と自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0184】
[実施例12]
本願発明を実施して形成されたCMOS回路や画素部は様々な電気光学装置(アクティブマトリクス型液晶ディスプレイ、ELモジュール、アクティブマトリクス型ECディスプレイ)に用いることができる。即ち、それら電気光学装置を表示部に組み込んだ電子機器全てに本願発明を実施できる。
【0185】
その様な電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター(リア型またはフロント型)、ヘッドマウントディスプレイ(ゴーグル型ディスプレイ)、カーナビゲーション、カーステレオ、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。それらの一例を図24、図25及び図26に示す。
【0186】
図24(A)はパーソナルコンピュータであり、本体2001、画像入力部2002、表示部2003、キーボード2004等を含む。本発明を画像入力部2002、表示部2003やその他の駆動回路に適用することができる。
【0187】
図24(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示部2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106等を含む。本発明を表示部2102やその他の駆動回路に適用することができる。
【0188】
図24(C)はモバイルコンピュータ(モービルコンピュータ)であり、本体2201、カメラ部2202、受像部2203、操作スイッチ2204、表示部2205等を含む。本発明は表示部2205やその他の駆動回路に適用できる。
【0189】
図24(D)はゴーグル型ディスプレイであり、本体2301、表示部2302、アーム部2303等を含む。本発明は表示部2302やその他の駆動回路に適用することができる。
【0190】
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、表示部2402、スピーカ部2403、記録媒体2404、操作スイッチ2405等を含む。なお、このプレーヤーは記録媒体としてDVD(Digtial Versatile Disc)、CD等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。本発明は表示部2402やその他の駆動回路に適用することができる。
【0191】
図24(F)はデジタルカメラであり、本体2501、表示部2502、接眼部2503、操作スイッチ2504、受像部(図示しない)等を含む。本願発明を表示部2502やその他の駆動回路に適用することができる。
【0192】
図25(A)はフロント型プロジェクターであり、投射装置2601、スクリーン2602等を含む。本発明は投射装置2601の一部を構成する液晶表示装置2808やその他の駆動回路に適用することができる。
【0193】
図25(B)はリア型プロジェクターであり、本体2701、投射装置2702、ミラー2703、スクリーン2704等を含む。本発明は投射装置2702の一部を構成する液晶表示装置2808やその他の駆動回路に適用することができる。
【0194】
なお、図25(C)は、図25(A)及び図25(B)中における投射装置2601、2702の構造の一例を示した図である。投射装置2601、2702は、光源光学系2801、ミラー2802、2804〜2806、ダイクロイックミラー2803、プリズム2807、液晶表示装置2808、位相差板2809、投射光学系2810で構成される。投射光学系2810は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図25(C)中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0195】
また、図25(D)は、図25(C)中における光源光学系2801の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系2801は、リフレクター2811、光源2812、レンズアレイ2813、2814、偏光変換素子2815、集光レンズ2816で構成される。なお、図25(D)に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0196】
ただし、図25に示したプロジェクターにおいては、透過型の電気光学装置を用いた場合を示しており、反射型の電気光学装置及びEL表示装置での適用例は図示していない。
【0197】
図26(A)は携帯電話であり、本体2901、音声出力部2902、音声入力部2903、表示部2904、操作スイッチ2905、アンテナ2906等を含む。本願発明を音声出力部2902、音声入力部2903、表示部2904やその他の駆動回路に適用することができる。
【0198】
図26(B)は携帯書籍(電子書籍)であり、本体3001、表示部3002、3003、記憶媒体3004、操作スイッチ3005、アンテナ3006等を含む。本発明は表示部3002、3003やその他の駆動回路に適用することができる。
【0199】
図26(C)はディスプレイであり、本体3101、支持台3102、表示部3103等を含む。本発明は表示部3103に適用することができる。本発明のディスプレイは特に大画面化した場合において有利であり、対角10インチ以上(特に30インチ以上)のディスプレイには有利である。
【0200】
以上の様に、本願発明の適用範囲は極めて広く、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1〜11のどのような組み合わせからなる構成を用いても実現することができる。
【0201】
[実施例13]
本実施例では、以下のような実験を行った。以下に本実施例で示す実験手順を示す。
【0202】
まず、ガラス基板1400上に膜厚200nmのBCB膜を成膜した後、後に形成する半導体層と同じマスクを用いてパターニングした後、BCB膜1401を形成した。
【0203】
次いで、プラズマCVD法を用い、SiH4、及びN2Oを反応ガスとして成膜される酸化窒化シリコン膜(組成比Si=32%、O=59%、N=7%、H=2%)を200nmの厚さで積層形成する。
【0204】
次いで、本実施例では、プラズマCVD法を用い、54nmの非晶質シリコン膜1403を成膜した。(図27(A))
【0205】
この非晶質シリコン膜に脱水素化(500℃、1時間)を行った後、パターニングを行った。(図27(B))
【0206】
次いで、バッファーフッ酸で自然酸化膜の除去を行い、本実施例のレーザーアニ―ル処理を行って結晶質シリコン膜1404を形成した。(図27(C))
【0207】
なお、上記結晶質シリコン膜1404の形成工程は、実施例1乃至11のいずれか一に記載の結晶質シリコン膜の形成工程に代えて使用することができることは言うまでもない。
【0208】
本実施例のレーザーアニ―ル処理は、図28に示した方法で非晶質シリコン膜1403の表面及び裏面にエキシマレーザー光1502、1503(波長308nm)を照射した。ここでのレーザー照射条件は、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、非晶質シリコン膜1403が形成された基板全面を処理した。ただし、ここでは波長308nmのエキシマレーザーに対する透過率が約50%であるガラス基板(コーニング1737)を用いたが、波長308nmのエキシマレーザーに対する透過率が約100%である石英基板を用いてもよい。
【0209】
図28において、1400は透光性基板であり、その表面にはBCB膜1401、絶縁膜1402、非晶質半導体膜(または微結晶半導体膜)1403が形成されている。また、透光性基板1400の下にはレーザー光を反射させるための反射体1501が配置される。
【0210】
透光性基板1400はガラス基板、石英基板、結晶化ガラス基板若しくはプラスチック基板が用いられる。この透光性基板1400自体で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節することが可能である。また、絶縁膜1802は酸化シリコン膜や窒化酸化シリコン膜(SiOxNy)などの珪素を含む絶縁膜を用いれば良く、この絶縁膜1400で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節しても良い。
【0211】
また、図28の構成においては、第二次レーザー光1503は、反射体1501で反射されたレーザー光である。従って、非晶質半導体膜1403で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節することもできる。また、非晶質半導体膜1403はアモルファスシリコン膜の他に、アモルファスシリコンゲルマニウム膜などの化合物半導体膜も含む。
【0212】
また、反射体1501は表面(レーザー光の反射面)に金属膜を形成した基板であっても良いし、金属元素でなる基板であっても良い。この場合、金属膜としては如何なる材料を用いても良い。代表的には、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)のいずれかの元素を含む金属膜を用いる。例えば、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)を用いても良い。
【0213】
さらに、この反射体1501は透光性基板1400に接して設けても良いし、離して設けても良い。また、反射体1501を配置する代わりに、基板1400の裏面(表面の反対側の面)に直接上述のような金属膜を形成し、そこでレーザー光を反射させることも可能である。いずれにしても、この反射体1501の反射率で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節することができる。また、反射体1501を透光性基板1400と離して設置する場合、その隙間に充填する気体(ガス)で第二次レーザー光のエネルギー強度を制御することも可能である。
【0214】
なお、上記レーザーアニ―ル処理は、実施例1乃至11のいずれか一に記載のレーザーアニール処理に代えて使用することができることは言うまでもない。
【0215】
以上の工程を経て形成された結晶質シリコン膜における結晶粒径の大きさを観察したSEM写真図が図29である。図29に示すように約2μm程度の大きな結晶粒径を有する結晶質シリコン膜が得られた。この粒径の大きな領域をTFTのチャネル形成領域として用いれば、良好なTFT特性を示すTFTを得ることができる。
【0216】
また、結晶成長の始点位置を調べるために比較的大きな島状半導体をパターニングしてレーザーを照射した後、観察したSEM写真図が図30である。図30に示すように端部からラテラル成長している結晶質シリコン膜が得られた。
【0217】
以上の実験結果から、本発明により結晶質半導体膜における結晶の位置を制御できることが実証された。
【0218】
【発明の効果】
本発明の結晶化の技術を用いることにより、結晶の位置と結晶粒径の大きさが制御された結晶質半導体膜を作製することができる。所定の形状を有する有機樹脂膜の配置に従って結晶粒径の大きな結晶質半導体膜の位置が決定される。また、有機樹脂膜の材料及び膜厚、または無機絶縁膜の材料及び膜厚を調節することにより、結晶粒径の大きな領域を選択的に形成することができる。また、この結晶粒径の大きな領域は非常に格子欠陥密度が小さく、該領域をTFTのチャネル形成領域として用いた場合、優れた電気特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の構成を説明する図。
【図2】 本発明による結晶質半導体膜の作製工程を示す断面図。
【図3】 本発明による結晶質半導体膜の作製工程を示す断面図。
【図4】 本発明の構成を説明する図。(実施例3)
【図5】 本発明の構成を説明する図。(実施例4)
【図6】 TFTの作製工程を示す断面図。
【図7】 TFTの作製工程を示す断面図。
【図8】 TFTの作製工程を示す上面図。
【図9】 アクティブマトリクス基板の作製工程を示す断面図である。
【図10】 アクティブマトリクス基板の作製工程を示す断面図である。
【図11】 アクティブマトリクス基板の作製工程を示す断面図である。
【図12】 アクティブマトリクス基板の作製工程を示す断面図である。
【図13】 アクティブマトリクス基板の作製工程を示す断面図である。
【図14】 アクティブマトリクス基板の作製工程を示す上面図である。
【図15】 アクティブマトリクス型液晶表示装置の断面構造図である。
【図16】 AM−LCDの外観を示す図。
【図17】 アクティブマトリクス型液晶表示装置における1画素を示す上面図。
【図18】 レーザーアニ−ル装置の構成を示す図。
【図19】 EL表示装置の構成を示す断面図。
【図20】 EL表示装置の構成を示す断面図。
【図21】 EL表示装置の構成を示す上面図。
【図22】 EL表示装置の構成を示す断面図。
【図23】 EL表示装置の構成を示す回路図。
【図24】 電子機器の一例を示す図。
【図25】 電子機器の一例を示す図。
【図26】 電子機器の一例を示す図。
【図27】 作製工程を示す断面図。
【図28】 レーザー照射方法を示す断面図。
【図29】 結晶粒径の大きさを示すSEM写真図。
【図30】 結晶成長の位置を示すSEM写真図。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a circuit formed of a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) and a method for manufacturing the semiconductor device. For example, the present invention relates to an electro-optical device typified by a liquid crystal display panel and an electronic apparatus in which such an electro-optical device is mounted as a component.
[0002]
Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.
[0003]
[Prior art]
Thin film transistors (hereinafter referred to as thin film transistors) in which an amorphous semiconductor film is formed on a light-transmitting insulating substrate such as glass and the active layer is a crystalline semiconductor film 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.
[0004]
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 film by applying high energy. In particular, an excimer laser capable of obtaining a large output in a short wavelength region is considered 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.
[0005]
Laser annealing can be applied to crystallization of various semiconductor materials. However, so far, a high field effect mobility has been realized by using a crystalline silicon film for the active layer of the TFT. The technology is a monolithic device in which a pixel TFT for forming a pixel portion on a single glass substrate and a TFT for a drive circuit provided around the pixel portion are formed. Rishi A liquid crystal display device of the same type was made possible.
[0006]
However, the crystalline silicon film produced by the laser annealing method is formed in a form in which a plurality of crystal grains are aggregated, and the position and size of the crystal grains are random. Therefore, it has not been possible to specify the position and size of the crystal grains. At the crystal grain interface (grain boundary), carrier current transport characteristics due to recombination centers, trap centers, and potential levels at the grain boundaries due to amorphous structures and crystal defects. The There was a cause to reduce. However, it has been almost impossible to form a channel formation region in which the properties of the crystal have a significant influence on the characteristics of the TFT with a single crystal grain, excluding 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.
[0007]
As a method for solving such a problem, it can be considered as an effective means to eliminate the crystal grain boundary from the channel formation region by increasing the crystal grain and controlling the position of the crystal grain. For example, "" Location Control of Large Grain Flowing Excimer-Laser Melting of Si Thin-Films ", R. Ishihara and A. Burtsev, Japan p. 3A. Boursev, Japan. . 1071-1075,19 9 No. 8 "discloses a method for controlling the position of crystals and increasing the grain size by controlling the temperature distribution of the silicon film three-dimensionally. According to the method, a refractory metal film is formed on a glass substrate, a silicon oxide film having a different thickness is partially formed thereon, and both surfaces of the substrate on which an amorphous silicon film is formed are formed. It is reported that the crystal grain size can be increased to several μm by irradiating excimer laser light.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The method of Ishihara et al. Is characterized in that the thermal characteristics of the underlying material of the amorphous silicon film are locally changed to control the flow of heat to the substrate so as to have a temperature gradient. However, for this purpose, a three-layer structure of a refractory metal layer / silicon oxide layer / semiconductor film is formed on a glass substrate. Although it is structurally possible to form a top gate TFT using this semiconductor film as an active layer, a parasitic capacitance is generated by the silicon oxide film provided between the semiconductor film and the refractory metal layer. As a result, power consumption increases and it is difficult to realize high-speed operation of the TFT.
[0009]
On the other hand, it is considered that the method of Ishihara et al. Can be effectively applied to a bottom gate type or an inverted stagger type TFT by using a refractory metal layer as a gate electrode. However, in the three-layer structure, even if the thickness of the semiconductor film is excluded, the film thickness of the refractory metal layer and the silicon oxide layer is suitable for the film thickness suitable for the crystallization process and the characteristics as the TFT element. Since the film thickness does not always match, both the optimum design in the crystallization process and the optimum design of the element structure cannot be satisfied at the same time.
[0010]
Further, when a refractory metal layer having no translucency is formed on the entire surface of the glass substrate, it is impossible to manufacture a transmissive liquid crystal display device. Although the refractory metal layer is useful in terms of high thermal conductivity, the chromium (Cr) film and the titanium (Ti) film used as the refractory metal material have high internal stress, so the adhesion to the glass substrate There is a high possibility of problems. Further, the influence of the internal stress extends to the semiconductor film formed in the upper layer, and there is a high possibility that it acts as a force that distorts the formed crystalline semiconductor film.
[0011]
On the other hand, 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, It was necessary to reduce the charge defect density of the base film and gate insulating film formed of the insulating film and to consider the balance of internal stress. In response to such a demand, a material containing silicon as a constituent element, such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, was suitable. Therefore, there is a concern that the provision of the refractory metal layer to give a temperature gradient will break the balance.
[0012]
The present invention is a technique for solving such problems. A crystalline semiconductor film in which the position and size of crystal grains are controlled is produced, and the crystalline semiconductor film is used as a channel formation region of a TFT. As a result, a TFT capable of high-speed operation is realized. It is another object of the present invention to provide a technique that can apply such a TFT to various semiconductor devices such as a transmissive liquid crystal display device and an EL display device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the invention disclosed in this specification is as follows.
An organic resin film having a predetermined shape in contact with the light-transmitting substrate;
An inorganic insulating film covering the organic resin film;
A crystalline semiconductor film in contact with the inorganic insulating film;
The semiconductor device is characterized in that the crystalline semiconductor film exists above the organic resin film through the inorganic insulating film.
[0014]
The inorganic insulating film is a single layer film selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film, or a laminated film thereof, and has a thickness of 50 nm to 200 nm.
[0015]
As another configuration of the invention, a base insulating film may be provided between the substrate and the organic resin film.
[0016]
The organic resin film is made of BCB (benzocyclobutene) resin, polyimide resin (fluorine-added polyimide), acrylic resin, siloxane resin, fluorine-added paraxylene, fluorine-added parylene, Teflon, fluoropolyallyl ether, PFCB. , A single layer film selected from polysilazane, or a laminated film thereof, and the thermal conductivity of the organic resin film is 1.0 Wm -1 K -1 It is characterized by the following.
[0017]
Further, it is preferable that the organic resin film has photosensitivity because patterning can be easily performed.
[0018]
The configuration of the invention for realizing the above structure is as follows.
After forming an organic resin film on a substrate having translucency, the organic resin film is patterned into a predetermined shape,
Forming an inorganic insulating film covering the organic resin film having the predetermined shape;
Forming an amorphous semiconductor film in contact with the inorganic insulating film;
By irradiating the amorphous semiconductor film with laser light, a crystalline semiconductor film having a first region and a second region having a crystal grain size different from that of the first region is formed. It is a manufacturing method of an apparatus.
[0019]
The crystal grain size in the first region is larger than the crystal grain size in the second region.
[0020]
The first region is a region having the organic resin film below the crystalline semiconductor film with the inorganic insulating film interposed therebetween. The second region is a region of the crystalline semiconductor film that does not have the organic resin film below the inorganic insulating film with the inorganic insulating film interposed therebetween.
[0021]
If the first region is used as a channel formation region of a TFT, a TFT having excellent TFT characteristics can be obtained.
[0022]
In addition, the configuration of other inventions is as follows:
Form an organic resin film in contact with the substrate having translucency,
Forming an inorganic insulating film covering the organic resin film;
Forming an amorphous semiconductor film in contact with the inorganic insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that a crystalline semiconductor film is formed by crystallizing the amorphous semiconductor film by laser irradiation.
[0023]
In the above manufacturing method, the inorganic insulating film and the amorphous semiconductor film may be continuously formed without being exposed to the air.
[0024]
Moreover, in the said manufacturing method, the said laser beam may be irradiated from the surface side of the said board | substrate, and may be irradiated simultaneously from the surface side and the back surface side of the said board | substrate.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0026]
In the conventional formation of a polysilicon film by laser crystallization, the inventors of the present invention have the reason that the crystal grain size is small because the cooling rate of the silicon layer after melting is high, the nucleation density increases, and one crystal nucleus It was thought that this was because sufficient crystal growth was inhibited. Therefore, the present inventors suppress the thermal diffusion from the upper silicon layer to the lower silicon oxide layer and the substrate when changing to the solid phase, and reduce the cooling rate of the silicon layer after melting to reduce the particle size. I thought it was possible to form large crystals.
[0027]
In the present invention, as shown in FIG. 1, an organic resin film 2 is selectively formed on a substrate 1 having an insulating surface, an inorganic insulating film 3 containing silicon is formed in contact with the organic resin film 2, and After obtaining a state in which an amorphous semiconductor film is formed, crystallization is performed by a laser annealing method.
[0028]
In the laser annealing method, the semiconductor film is heated and melted by optimizing the condition of the laser beam (or laser beam) to be irradiated, and the generation density of crystal nuclei and the crystal growth from the crystal nuclei are controlled.
[0029]
In FIG. 1, a region A distinguished by a broken line indicates a region having the organic resin film 2 between the substrate 1 and the inorganic insulating film 3, and a semiconductor film located in the region A is called a first region 4a. The region B refers to a region that does not have the organic resin film 2 between the substrate 1 and the inorganic insulating film 3, and a semiconductor film located in the region B is referred to as a second region 4b.
[0030]
FIG. 18 is a diagram showing an example of the configuration of a laser annealing apparatus. An excimer laser, an argon laser, a YAG laser, or the like is applied to the laser light generator 801. However, the second harmonic may be used in the YAG laser. The laser beam emitted from the laser beam generator 801 is spread in one direction by beam expanders 802 and 803, and the laser beam reflected by the mirror 804 is divided by the cylindrical lens array 805, and the cylindrical lenses 806 and 807 A linear beam having a line width of 100 to 1000 μm is irradiated so as to form an irradiation region 810 on the sample surface. substrate 8 08 is held on a stage 809 operable in the X direction, Y direction, and Θ direction. Then, laser annealing can be performed over the entire surface of the substrate 808 by moving the stage 809 with respect to the irradiation region 810. At this time, the substrate 808 may be held in an air atmosphere, or may be crystallized under a reduced pressure or in an inert gas atmosphere.
[0031]
In the laser annealing method, in particular, an excimer laser that emits laser light having a wavelength of 400 nm or less is used as a light source because the semiconductor film can be preferentially heated, which is suitable. Since the pulse width of the excimer laser is several nsec to several tens of nsec, for example, 30 nsec, when irradiated with a pulse oscillation frequency of 30 Hz, the semiconductor film is instantaneously heated by the pulse laser beam and cooled for a time much longer than the heating time. Will be. Immediately after the end of laser light irradiation, heat diffuses through the inorganic insulating film 2, so that the cooling of the region B starts more rapidly and changes to the solid state, whereas the organic resin film 3 exists in the region A. Therefore, compared with the region B, thermal diffusion from the semiconductor film to the substrate is suppressed, and the cooling rate is reduced.
[0032]
It is estimated that crystal nuclei are formed and formed in the cooling process from the molten state to the solid state, but the nucleation density correlates with the temperature of the molten state and the cooling rate, and is rapidly cooled from a high temperature. The tendency to increase the nucleation density has been obtained as empirical knowledge. Therefore, in the second region 4b (semiconductor film located in the region B) that is rapidly cooled from the molten state, the generation density of crystal nuclei is higher than that in the first region 4a (semiconductor film located in the region A), and randomly. The generation of crystal nuclei forms a plurality of crystal grains, and the grain size is relatively smaller than the crystal grains generated in the first region 4a. On the other hand, in the first region 4a, it is possible to control the temperature of the molten state and its cooling rate by optimizing the laser light irradiation conditions and the organic resin film 2 and the inorganic insulating film 3, and crystal nuclei. It is possible to grow a crystal having a large grain size by suppressing the number of occurrences of.
[0033]
As the substrate 1 having an insulating surface, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass, a quartz substrate, or the like can be used. However, the substrate 1 has translucency, is inexpensive, It is desirable to use a glass substrate in that an area substrate can be easily manufactured.
[0034]
The organic resin film 2 is similarly divided into islands or stripes in accordance with the arrangement of the TFT active layers (semiconductor film in which the channel formation region, the source region, the drain region, and the LDD region are formed) on the substrate. Form. The size is 0.35 × 0.35 μm according to the size of the TFT, for example. 2 Submicron size (channel length x channel width) or 8 x 8 μm 2 8 × 200μm 2 Or 12 × 400μm 2 And so on. By forming the organic resin film 2 in accordance with at least the position and size of the channel formation region of the TFT, it is possible to form the channel formation region with a crystalline semiconductor film having a large crystal grain size formed thereon. Become.
[0035]
The organic resin film 2 has a thermal conductivity of 1.0 Wm. -1 K -1 Or less, preferably 0.3 Wm -1 K -1 If it is the following, it will not specifically limit. This organic resin film 2 has a thermal conductivity of a substrate (quartz glass: 1.4 Wm -1 K -1 ) And an inorganic insulating film containing silicon in contact with the organic resin film (1-2 Wm) -1 K -1 ), The thermal diffusion from the semiconductor film to the substrate is sufficiently suppressed.
[0036]
For example, as the organic resin film 2, BCB (benzocyclobutene) resin, polyimide resin (fluorine-added polyimide), acrylic resin, siloxane resin, fluorine-added paraxylene, fluorine-added parylene, Teflon, fluoropolyallyl ether, Examples thereof include PFCB and polysilazane. Among them, BCB (benzocyclobutene) resin having high heat resistance of about 450 ° C., plasma resistance and flatness is most preferable in the present invention.
[0037]
In addition, since the inorganic insulating film 3 and the amorphous semiconductor film are stacked on the organic resin film 2, it is desirable to form the organic resin film 2 by a spin coat method in which the surface is flat, and the end of the patterned organic resin film is tapered. As a shape, it is desirable to have good coverage. In addition, if an organic resin film is formed using a coating method typified by a spin coating method, the cost is much lower than that of an inorganic insulating film using a CVD apparatus, and it is advantageous because a complicated film forming process is not required. is there. In addition, if a photosensitive organic resin film is used also in terms of pattern processing, photolithography using a photoresist is not necessary, and the number of steps can be reduced. Further, even when the photosensitive organic resin film is not used, it is advantageous because the etching rate with the substrate and the base insulating film is easily secured and the controllability is high as compared with the etching of the inorganic insulating film.
[0038]
The film thickness of the organic resin film is preferably 100 nm to 500 nm. By adjusting this film thickness, the cooling rate in the crystallization step can be controlled. In addition, when it is set as a film thickness thinner than 100 nm, flatness will deteriorate. Further, when the film thickness is greater than 500 nm, it is difficult to form a laminated film because the step is too large.
[0039]
As the inorganic insulating film containing silicon, a single layer film selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film by a PCVD method, an LPCVD method, or a sputtering method, or a stacked film thereof is appropriately used. be able to. This inorganic insulating film plays a role of preventing impurity diffusion from the substrate and the organic resin film and a function of improving the adhesion between the laminated semiconductor films. A substrate covered with a silicon oxide film using BCB resin (450 ° C.) as the organic resin film can withstand heat treatment at about 550 ° C. Thus, the inorganic insulating film plays the role of protecting the organic resin film and also has the effect of improving the heat resistance of the organic resin film.
[0040]
The film thickness of the inorganic insulating film containing silicon is 50 nm to 200 nm. When the thickness of the inorganic insulating film is greater than 200 nm, there is a high possibility that thermal diffusion from the semiconductor film to the substrate cannot be suppressed. Further, when the thickness of the inorganic insulating film is less than 50 nm, the coverage may be deteriorated and the organic resin film may not be covered.
[0041]
Further, as an amorphous semiconductor film formed over an inorganic insulating film containing silicon, there are an amorphous semiconductor film and a microcrystalline semiconductor film, and a compound semiconductor film having an amorphous structure such as an amorphous silicon germanium film. May be applied. As a method for forming the amorphous semiconductor film, a known method such as a PCVD method, an LPCVD method, or a sputtering method may be used.
[0042]
In the present invention, the crystal grain size can be controlled by adjusting the cooling rate according to the material and film thickness of the inorganic insulating film 3 or the material and film thickness of the organic resin film 2. The position of the crystal having a large grain size can be controlled by the arrangement.
[0043]
An example of manufacturing an island-shaped crystalline semiconductor film is briefly shown as an example of an embodiment of a manufacturing method of the present invention with reference to FIGS.
[0044]
First, an organic resin film is formed on a substrate 1 made of an alkali-free glass substrate or the like, and patterned to form an organic resin film 2 having a desired shape (island shape or stripe shape). (Fig. 2 (A))
[0045]
Next, an inorganic insulating film 3 that covers the organic resin film 2 is formed. Subsequently, an amorphous semiconductor film 4 is formed on the inorganic insulating film 3. (FIG. 2B) Further, the inorganic insulating film 3 and the amorphous semiconductor film 4 may be continuously formed without being exposed to the air to reduce the contamination of impurities.
[0046]
Next, the amorphous semiconductor film is crystallized by irradiating the laser beam 5 to form crystalline semiconductor films 4a and 4b. (Fig. 2 (C))
[0047]
Next, the crystalline semiconductor film is patterned to complete island-shaped crystalline semiconductor films 6 and 7 including the first region 4a. (Fig. 2 (D))
[0048]
Hereinafter, the island-shaped crystalline semiconductor film formed by the process shown in FIG. 2 is used for an active layer of TFT (a semiconductor film in which a channel formation region, a source region, a drain region, and an LDD region are formed), and is known. If a TFT is manufactured according to the method, a semiconductor device having excellent electrical characteristics can be obtained.
[0049]
As shown in FIG. 3C, an organic resin film 902 is formed over the entire surface of a substrate 901 having an insulating surface, and an inorganic insulating film 903 containing silicon is provided in contact with the organic resin film 902. After obtaining the state in which the amorphous semiconductor film 904 is formed, laser crystallization may be performed. However, in this case, the cooling rate can be adjusted by the material and film thickness of the organic resin film 902, but it is difficult to control the position of crystals having a large grain size. When compared with the case where an amorphous semiconductor film is formed on a plastic substrate and laser crystallization is performed, the cooling rate of crystallization is reduced, but it is impossible to adjust the cooling rate.
[0050]
In addition, a base insulating film 405 may be provided as illustrated in FIG. The base insulating film 405 can prevent impurity diffusion from the substrate 401 and can improve the adhesion between the substrate 401 and the organic resin film 402.
[0051]
The “cooling rate” in this specification refers to the cooling rate of the semiconductor film after being melted by laser light.
[0052]
Further, as shown in FIG. 5, the crystallization process is not limited to the ordinary laser annealing method, and laser light may be irradiated simultaneously from the front surface side and the back surface side of the substrate. Further, the laser light may be a pulse oscillation type or a continuous emission type. The laser beam can be a linear beam, a spot beam, a planar beam, or the like in the optical system, and is not limited to the shape.
[0053]
Further, the laser annealing method may be performed while heating the substrate. Further, a thermal annealing method and a laser annealing method may be combined. Further, a crystallization method using a catalytic element may be applied.
[0054]
The present invention having the above-described configuration will be described in more detail with the following examples.
[0055]
【Example】
[Example 1]
A process of manufacturing a crystalline semiconductor film (crystalline silicon film in this embodiment) patterned into an island shape using the present invention will be described. Hereinafter, this embodiment will be described with reference to FIG.
[0056]
First, an organic resin film (film thickness: 100 nm to 500 nm) is applied on a light-transmitting substrate 1 by a spin coat method or the like and baked. In this example, a benzocyclobutene film (hereinafter referred to as a BCB film) was applied as an organic resin film by a spin coating method, followed by baking (300 ° C., 1 hour) to obtain a film thickness of 200 nm. Note that the thickness of the BCB film used in this embodiment can be easily controlled by the number of spin rotations. Further, when not used for a transmissive display element (such as a liquid crystal panel), the light-transmitting substrate 1 does not need to be transparent, and can withstand heat resistance and resistance to subsequent processes using a CVD apparatus. It goes without saying that the organic resin film is not limited to the BCB film as long as it has plasma properties.
[0057]
Next, the BCB film is patterned by a known photolithography method, and an island-shaped organic resin film 2 is formed by dry etching. (FIG. 2A) In this embodiment, O 2 And CF Four Etching was performed using a mixed gas. However, the position of the island-shaped organic resin film 2 is formed in accordance with the island-shaped crystalline silicon film formed in a later step. Further, if a photosensitive material is used as the organic resin film, patterning can be performed without using a resist, and the manufacturing process can be shortened.
[0058]
Next, an inorganic insulating film 3 having a thickness of 50 nm to 200 nm is formed by a known method so as to cover the island-shaped organic resin film 2. As the inorganic insulating film 3, a single layer film selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film or a laminated film thereof using a known method such as a PCVD method, an LPCVD method, or a sputtering method is used. Can do. However, when using a silicon nitride film or a silicon oxynitride film, it is necessary to consider the balance of internal stress. The inorganic insulating film 3 is used for the purpose of preventing impurity diffusion from the substrate, the purpose of improving the adhesion with a semiconductor film to be formed later, and the purpose of ensuring a selection ratio with a semiconductor film to be etched later. Is formed. In this embodiment, a silicon oxide film having a thickness of 50 nm is formed by PCVD.
[0059]
Next, an amorphous semiconductor film 4 is formed on the inorganic insulating film 3. In this embodiment, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) having a thickness of 55 nm is formed by the PCVD method. (FIG. 2B) In addition, the semiconductor film is not limited to an amorphous silicon film as long as the semiconductor film includes an amorphous structure. For example, the semiconductor film includes an amorphous structure such as a microcrystalline semiconductor film or an amorphous silicon germanium film. A compound semiconductor film may be used. Alternatively, the inorganic insulating film 3 and the amorphous semiconductor film 4 may be continuously formed without being exposed to the atmosphere.
[0060]
Next, the amorphous semiconductor film 4 is crystallized by a laser annealing method. As the laser beam, a linear beam having a width of 100 to 1000 μm is used and irradiated from the substrate surface side as shown in FIG. In this embodiment, a laser irradiation apparatus using a pulse oscillation type excimer laser as a light source is used. (Fig. 2 (C))
[0061]
In this laser light crystallization process, when the pulsed laser light is irradiated, the amorphous silicon film is instantaneously heated to be in a molten state. Thereafter, in region A, heat is sequentially conducted from the lower surface of the molten silicon film through the inorganic insulating film 3 to the organic resin film 2 and the substrate 1, so that the molten silicon film is gradually cooled. To go.
[0062]
On the other hand, in the region B, heat is sequentially conducted from the lower surface of the molten silicon film through the inorganic insulating film 3 to the substrate 1, and the molten silicon film is rapidly cooled.
[0063]
Accordingly, in the region B where the organic resin film 2 does not exist, the silicon is rapidly cooled after laser irradiation, so that the crystal grain size becomes small. However, in the region A where the organic resin film 2 is present, since it is gradually cooled, the crystallization speed becomes slow, and a polycrystalline silicon film (polysilicon film) having a large crystal grain size can be formed. Since the thermal conductivity of the organic resin film 2 is very low compared to the thermal conductivity of the inorganic insulating film 3, the cooling rate after laser irradiation can be suppressed. This cooling rate can be controlled by the material and film thickness of the organic resin film 2.
[0064]
Next, the crystallized crystalline semiconductor film is patterned by a known photolithography method to form island-shaped crystalline semiconductor films 6 and 7. In this embodiment, O 2 And CF Four Patterning was performed by a dry etching method using a mixed gas of
[0065]
As described above, the island-shaped organic resin film 2 controls the cooling rate after laser irradiation to obtain an island-shaped crystalline silicon film having a very small lattice defect density and a large crystal grain size at a desired position. I was able to. When these island-like crystalline semiconductor films 6 and 7 are used for the active layer of the TFT, excellent characteristics can be obtained.
[0066]
[Example 2]
In Example 1, the example in which the organic resin film was patterned was shown, but in this example, an example in which the organic resin film is not patterned is shown in FIG.
[0067]
First, in the same manner as in Example 1, an organic resin film 902 (film thickness: 100 nm to 500 nm) is applied on a light-transmitting substrate 901 by a spin coating method and is baked. In this example, a BCB film was applied as the organic resin film 902 by spin coating, and then baked (300 ° C., 1 hour) to obtain a film thickness of 200 nm. Note that the film thickness of the BCB film used in this example can be easily controlled by the spin rotation speed. Further, when not used for a transmissive display element (such as a liquid crystal panel), the light-transmitting substrate 901 does not need to be transparent, and can withstand heat resistance and resistance to subsequent processes using a CVD apparatus. It goes without saying that the organic resin film is not limited to the BCB film as long as it has plasma properties.
[0068]
Next, an inorganic insulating film 903 having a thickness of 50 nm to 200 nm is formed by a known method so as to cover the organic resin film 902. As the inorganic insulating film 903, a single layer film selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film or a stacked film thereof using a known method such as a PCVD method, an LPCVD method, or a sputtering method is used. Can do. This inorganic insulating film 903 is used for the purpose of preventing impurity diffusion from the substrate, the purpose of improving the adhesion with a semiconductor film to be formed later, and the purpose of ensuring the selection ratio with a semiconductor film to be etched later. Is formed. In this embodiment, a silicon oxide film having a thickness of 50 nm is formed by PCVD.
[0069]
Next, an amorphous semiconductor film 904 is formed over the inorganic insulating film 903. In this embodiment, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) 903 having a film thickness of 55 nm is formed by PCVD. (FIG. 3B) In addition, the semiconductor film is not limited to an amorphous silicon film as long as it includes an amorphous structure, and includes an amorphous structure such as a microcrystalline semiconductor film or an amorphous silicon germanium film. A compound semiconductor film may be used. Alternatively, the inorganic insulating film 903 and the amorphous semiconductor film 904 may be continuously formed without being exposed to the air.
[0070]
Next, the amorphous semiconductor film 904 is crystallized by a laser annealing method. As the laser beam, a linear beam having a width of 100 to 1000 μm is used, and irradiation is performed from the substrate surface side as shown in FIG. In this embodiment, a laser irradiation apparatus using a pulse oscillation type excimer laser as a light source is used. (Fig. 3 (C))
[0071]
In this laser light crystallization step, when pulsed laser light is irradiated, the amorphous silicon film 904 is instantaneously heated to be in a molten state. Thereafter, heat is sequentially conducted from the lower surface of the molten silicon film to the organic resin film 902 and the substrate 901 through the inorganic insulating film 903, whereby the molten silicon film is gradually cooled. In this embodiment, since the BCB film, which is an organic resin film, is present on the entire surface of the substrate, the crystallization speed is slow and a polycrystalline silicon film (polysilicon film) having a large crystal grain size can be formed uniformly. Since the thermal conductivity of the organic resin film 902 is much lower than that of the inorganic insulating film 903, the cooling rate after laser irradiation can be suppressed. This cooling rate can be controlled by the material and film thickness of the organic resin film 902.
[0072]
Next, the crystallized crystalline semiconductor film is patterned by a known photolithography method to form island-shaped crystalline semiconductor films 906 and 907. In this embodiment, O 2 And CF Four Patterning was performed by a dry etching method using a mixed gas of
[0073]
As described above, the cooling rate after laser irradiation was controlled by the organic resin film 902 to obtain an island-like crystalline silicon film having a very small lattice defect density and a large crystal grain size. When these island-like crystalline semiconductor films 906 and 907 are used for the active layer of the TFT, excellent characteristics can be obtained.
[0074]
[Example 3]
In this embodiment, an example in which a base insulating film is provided between a substrate and an organic resin film is shown in FIG.
[0075]
First, a base insulating film 405 having a thickness of 50 nm to 400 nm is formed over the glass substrate 401 by a known method. As the base insulating film 405, a single layer film selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film or a stacked film thereof using a known method such as a PCVD method, an LPCVD method, or a sputtering method is used. Can do. However, when using a silicon nitride film or a silicon oxynitride film, it is necessary to consider the balance of internal stress. The base insulating film 405 is formed for the purpose of preventing impurity diffusion from the substrate. In this embodiment, a silicon oxide film having a thickness of 50 nm is formed by PCVD.
[0076]
Next, an organic resin film (with a film thickness of 100 nm to 500 nm) is applied over the base insulating film 405 by a spin coating method or the like, and is baked. In this example, a benzocyclobutene film (hereinafter referred to as a BCB film) was applied as an organic resin film by a spin coating method, followed by baking (300 ° C., 1 hour) to obtain a film thickness of 200 nm. Further, when not used for a transmissive display element (such as a liquid crystal panel), the light-transmitting substrate 1 does not need to be transparent, and can withstand heat resistance and resistance to subsequent processes using a CVD apparatus. It goes without saying that the organic resin film is not limited to the BCB film as long as it has plasma properties.
[0077]
Next, the BCB film is patterned by a known photolithography method according to Example 1, and an island-shaped organic resin film 402 is formed by dry etching. Here, the base insulating film 405 protects the glass substrate surface from dry etching.
[0078]
In the subsequent steps, the inorganic insulating film 403 and the amorphous semiconductor film are formed by a known method so as to cover the island-shaped organic resin film 402 in accordance with Embodiment 1, laser crystallization is performed, and cooling after laser irradiation is performed. By controlling the speed, a crystalline silicon film having a very small lattice defect density and a large crystal grain size was obtained at a desired position (region A). Note that the crystal grain size of the crystalline semiconductor film 404b located in the region B is small. When this crystalline semiconductor film 404a is used for an active layer of a TFT, excellent characteristics can be obtained.
[0079]
In addition, this embodiment can be combined with Embodiment 2 as appropriate.
[0080]
[Example 4]
In this embodiment, an example in which crystallization is performed by a laser irradiation method different from that in Embodiment 1 is shown in FIG. In addition, since Example 1 is the same except for the laser irradiation method, a detailed description is omitted.
[0081]
In accordance with Embodiment 1, an island-shaped organic resin film 502 is formed on the substrate 501. Next, an inorganic insulating film 503 that covers the island-shaped organic resin film 502 is formed in the same manner as in Example 1, and an amorphous semiconductor film is formed over the inorganic insulating film 503. However, in this embodiment, the substrate 501 and the island-shaped organic resin film 502 are required to have translucency.
[0082]
Next, as shown in FIG. 5, laser light is simultaneously irradiated from the front surface side and the back surface side of the substrate. Here, the ratio of the energy of the laser beam that irradiates the substrate from the front surface side of the substrate to the energy of the laser beam that irradiates the substrate from the back surface side of the substrate is between 6: 4 and 8: 2. This is preferable because the crystal grain size of the crystalline semiconductor film can be further increased.
[0083]
Through the above steps, the cooling rate after laser irradiation was controlled to obtain a crystalline silicon film having a very small lattice defect density and a large crystal grain size at a desired position (region A). Note that the crystal grain size of the crystalline semiconductor film 504b located in the region B is as small as 0.3 μm or less. When this crystalline semiconductor film 504a is used for an active layer of a TFT, excellent characteristics can be obtained.
[0084]
In addition, this embodiment can be freely combined with Embodiment 2 or Embodiment 3 as appropriate.
[0085]
[Example 5]
In this embodiment, a manufacturing process of a CMOS circuit including an n-channel TFT and a p-channel TFT will be described with reference to FIGS.
[0086]
First, island-shaped organic resin films 103 and 104, an inorganic insulating film 105, and island-shaped semiconductor films 107 and 108a are formed on a substrate 101 by the method described in Embodiment 1. Next, a mask layer 109 made of a silicon oxide film having a thickness of 50 to 100 nm is formed by plasma CVD, low pressure CVD, or sputtering. (Fig. 6 (A))
[0087]
FIG. 8A shows a top view of FIG. The island-shaped semiconductor films 107 and 108b are provided so as to overlap with the organic resin films 103 and 104 patterned in an island shape, respectively. In FIG. 8A, the AA ′ cross section corresponds to the cross sectional structure in FIG.
[0088]
Then, as shown in FIG. 6B, a photoresist mask 110 is provided, and the island-shaped semiconductor film 108a for forming the n-channel TFT is controlled to have a threshold voltage of 1 × 10. 16 ~ 5x10 17 atoms / cm Three An impurity element imparting p-type is added at a moderate concentration. 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. Here, diborane (B 2 H 6 ) And boron (B) was added. Addition of boron (B) is not always necessary and may be omitted, but the semiconductor layer 108b to which boron (B) is added is formed in order to keep the threshold voltage of the n-channel TFT within a predetermined range. Can do.
[0089]
In order to form the LDD region of the n-channel TFT, an impurity element imparting n-type conductivity is selectively added to the island-shaped semiconductor film 108b. As an impurity element imparting n-type to a semiconductor, elements of Group 15 of the periodic table such as phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb) are known. A photoresist mask 111 is formed, and phosphine (PH) is added here to add phosphorus (P). Three ) Was applied. The phosphorus (P) concentration in the impurity region 112 to be formed is 2 × 10 16 ~ 5x10 19 atoms / cm Three (FIG. 6C). In this specification, the concentration of an impurity element imparting n-type contained in the impurity region 112 is defined as (n - ).
[0090]
Next, the mask layer 109 was removed with an etching solution such as hydrofluoric acid diluted with pure water. Then, a step of activating the impurity element added to the island-shaped semiconductor film 108b in FIGS. 6B and 6C is performed. The activation can be performed by a method such as thermal annealing or laser annealing at 500 to 600 ° C. for 1 to 4 hours in a nitrogen atmosphere. Moreover, you may carry out using both methods together. In this example, a laser activation method is used, an excimer laser beam is used to form a linear beam, an oscillation frequency of 5 to 50 Hz, and an energy density of 100 to 500 mJ / cm. 2 As a result, the entire surface of the substrate on which the island-shaped semiconductor film 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.
[0091]
The gate insulating film 113 is formed of an insulating film containing silicon with a thickness of 40 to 150 nm by using a plasma CVD method or a sputtering method. For example, a silicon oxynitride film is preferably formed with a thickness of 120 nm. SiH Four And N 2 O to O 2 The silicon oxynitride film manufactured by adding is preferable because the fixed charge density in the film is reduced. The gate insulating film is not limited to such a silicon oxynitride film, and another insulating film containing silicon may be used as a single layer or a stacked structure (FIG. 6D).
[0092]
As shown in FIG. 6E, a conductive layer is formed to form a gate electrode over the gate insulating film. Although this conductive layer may be formed as a single layer, it may have a laminated structure of two layers or three layers as required. In the present embodiment, a conductive layer (A) 114 made of a conductive nitride metal film and a conductive layer (B) 115 made of a metal film are stacked. The conductive layer (B) 115 is an element selected from tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and tungsten (W), an alloy containing the element as a main component, or an alloy film in which the elements are combined. (Typically, the conductive layer (A) 114 may be formed of tantalum nitride (TaN), tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN) film, nitride). It is made of molybdenum (MoN) or the like. Alternatively, tungsten silicide, titanium silicide, or molybdenum silicide may be used for the conductive layer (A) 114.
[0093]
The conductive layer (A) 114 may be 10 to 50 nm (preferably 20 to 30 nm), and the conductive layer (B) 115 may be 200 to 400 nm (preferably 250 to 350 nm). In this example, a 30 nm thick WN film was used for the conductive layer (A) 114 and a 350 nm W film was used for the conductive layer (B) 115, both of which were formed by sputtering. 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) 111. 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) or the conductive layer (B) diffuses into the gate insulating film 113. Can be prevented. In any case, the conductive layer (B) preferably has a resistivity in the range of 10 to 500 μΩcm.
[0094]
Next, a photoresist mask having a predetermined pattern is formed, and the conductive layers (A) 114 and (B) 115 are collectively etched to form gate electrodes 116 and 117. The gate electrodes 116 and 117 are integrally formed of 116a and 117a made of a conductive layer (A) and 116b and 117b made of a conductive layer (B). At this time, the gate electrode 117 provided in the n-channel TFT is formed so as to overlap with part of the impurity region 112 with the gate insulating film 113 interposed therebetween (FIG. 7A). Alternatively, the gate electrode can be formed using only the conductive layer (B).
[0095]
FIG. 8B shows a top view of FIG. Gate electrodes 116 and 117 provided on the island-shaped semiconductor films 107 and 108b with a gate insulating film interposed therebetween are connected to the gate wiring 128. In FIG. 8B, the AA ′ cross section corresponds to the cross sectional structure in FIG.
[0096]
Next, impurity regions 119 serving as a source region and a drain region are formed in the island-shaped semiconductor film 107 that forms the p-channel TFT. Here, an impurity element imparting p-type is added using the gate electrode 116 as a mask, and an impurity region is formed in a self-aligning manner. At this time, the island-shaped semiconductor film 108b forming the n-channel TFT is covered with the photoresist mask 118. The impurity region 119 is diborane (B 2 H 6 ) Using an ion doping method. The boron (B) concentration in this region is 3 × 10 20 ~ 3x10 21 atoms / cm 3 (FIG. 7B). In this specification, the impurity region 1 formed here 19 The concentration of the impurity element imparting p-type contained in (p + ).
[0097]
Next, an impurity region 121 for forming a source region or a drain region was formed in the island-shaped semiconductor film 108b for forming the n-channel TFT. Here, phosphine (PH Three ), And the phosphorus (P) concentration in this region is 1 × 10 20 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three (FIG. 7C). In this specification, the concentration of the impurity element imparting n-type contained in the impurity region 121 formed here is defined as (n + ). Phosphorus (P) is also added to the impurity region 119 at the same time, but the phosphorus (P) concentration added to the impurity region 117 is half that of the boron (B) concentration already added in the previous step. Since it is about 1 /, p-type conductivity is ensured and the TFT characteristics are not affected at all.
[0098]
Thereafter, a step of activating the impurity element imparting n-type or p-type added at each concentration is performed by laser annealing. A furnace annealing furnace may be used for this step. In addition, a thermal annealing method or a rapid thermal annealing method (RTA method) can be used. Here, a laser activation method is used, a linear beam is formed using KrF excimer laser light (wavelength 248 nm), an oscillation frequency of 5 to 50 Hz, and an energy density of 100 to 500 mJ / cm. 2 The entire substrate on which the island-shaped semiconductor film was formed was processed. Further, before the annealing treatment, the protective insulating layer 122 with a thickness of 50 to 200 nm is preferably formed using a silicon oxynitride film, a silicon oxide film, or the like. (FIG. 7 (D)).
[0099]
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 film. This process is performed on the island-like semiconductor film 10 by thermally excited hydrogen. 16 -10 18 /cm Three This is a step of terminating the dangling bond. As another means of hydrogenation, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) may be performed.
[0100]
After the activation and hydrogenation steps are completed, a silicon oxynitride film or a silicon oxide film is further stacked over the protective insulating layer to form an interlayer insulating layer 123. The silicon oxynitride film is the protective insulating layer 1 22 SiH 4 27 SCCM, N 2 O is 900 SCCM, the reaction pressure is 160 Pa, the substrate temperature is 325 ° C., and the discharge power density is 0.15 W / cm. 2 As a thickness of 500-1500 nm (preferably 600-800 nm). Then, the interlayer insulating layer 123 and the protective insulating layer 122 In Contact holes reaching the source region or the drain region of the TFT are formed, and source wirings 124 and 125 and a drain wiring 126 are formed. Although not shown, in this embodiment, this electrode is a laminated film having a three-layer structure in which a Ti film is 100 nm, an aluminum film containing Ti is 300 nm, and a Ti film is 150 nm continuously formed by sputtering.
[0101]
Next, a silicon nitride film or a silicon oxynitride film is formed as the passivation film 127 with a thickness of 50 to 500 nm (typically 100 to 300 nm). Furthermore, when the hydrogenation treatment was performed in this state, a favorable result was obtained for improving the characteristics of the TFT. 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 existing in the interlayer insulating layer 123 and the protective insulating layer 122 can be diffused into the island-shaped semiconductor films 107 and 108b to be hydrogenated.
[0102]
Thus, as shown in FIG. 7E, an n-channel TFT 151 and a p-channel TFT 150 were completed on the substrate 101. The p-channel TFT 150 includes a channel formation region 152, a source region 153, and a drain region 154 in the island-shaped semiconductor film 107. The n-channel TFT 151 includes a channel formation region 155, an LDD region 156 (hereinafter, such an LDD region is referred to as Lov) overlapping the island formation semiconductor film 108 and the gate electrode 117, a source region 157, and a drain region 158. ing. The length of the Lov region in the channel length direction was 0.5 to 3.0 μm (preferably 1.0 to 1.5 μm) with respect to the channel length of 3 to 8 μm. In this embodiment, each TFT has a single gate structure, but a double gate structure or a multi-gate structure in which a plurality of gate electrodes are provided may be used.
[0103]
FIG. 8C shows a top view of FIG. The source wirings 124 and 125 are in contact with the island-shaped semiconductor films 107 and 108b through contact holes provided in the interlayer insulating layer 123 and the protective insulating layer 122 (not shown). 8C, the AA ′ cross section corresponds to the cross sectional structure in FIG.
[0104]
In the p-channel TFT 150 and the n-channel TFT 151 thus manufactured, the channel formation region is formed of a polycrystalline silicon film having a large crystal grain size. In addition, a shift register circuit, a buffer circuit, a D / A converter circuit, a level shifter circuit, a multiplexer circuit, and the like can be formed using such TFTs. By appropriately combining these circuits, a semiconductor device manufactured on a glass substrate such as a liquid crystal display device, an EL display device, and a contact image sensor can be formed.
[0105]
However, in all of the above heat treatments, it is necessary to pay sufficient attention to the temperature of the heat treatment so that the temperature is within the temperature range that the organic resin films 103 and 104 can withstand.
[0106]
[Example 6]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a method for manufacturing the pixel TFT of the pixel portion and the TFT of the driver circuit provided around the pixel portion over the same substrate will be described in detail according to the process. However, in order to simplify the description, a CMOS circuit that is a basic circuit such as a shift register circuit and a buffer circuit is shown in the control circuit, and an n-channel TFT that forms a sampling circuit.
[0107]
First, island-shaped organic resin films 203 to 206, an inorganic insulating film 207, and an amorphous semiconductor film 208a are formed on a substrate 201 by the method described in Embodiment 1. (Fig. 9 (A))
[0108]
Next, the amorphous semiconductor film 208a is laser crystallized by the method described in Embodiment 1 to form a crystalline semiconductor film 208b. (FIG. 9B) Here, in the crystalline semiconductor film 208b, the crystal grain size of the region having the organic resin film below the inorganic insulating film is the region not having the organic resin film. Larger than that but not shown.
[0109]
Next, the crystalline semiconductor film 208b is etched and divided into islands, and island-like semiconductor films 209 and 210a to 212a are formed as active layers. Thereafter, a mask layer 213 made of a silicon oxide film having a thickness of 50 to 100 nm is formed by plasma CVD, low pressure CVD, or sputtering. (Figure 9 (C))
[0110]
In the channel doping process, a photoresist mask 214 is provided, and the entire surface of the island-shaped semiconductor films 210a to 212a forming the n-channel TFT is controlled by 1 × 10 16 ~ 5x10 17 atoms / cm Three Boron (B) was added as an impurity element imparting p-type at a moderate concentration. Boron (B) may be added by an ion doping method, or may be added simultaneously with the formation of an amorphous silicon film. Although boron (B) is not necessarily added here, the semiconductor layers 210b to 212b to which boron (B) is added are preferably formed in order to keep the threshold voltage of the n-channel TFT within a predetermined range. It was good (FIG. 9D).
[0111]
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-shaped semiconductor films 210b and 211b. Photoresist masks 215 to 218 were formed in advance. Here, phosphine (PH) is added to add phosphorus (P). Three ) Was applied. Impurity region (n - ) The phosphorus (P) concentration of 219, 220 is 1 × 10 17 ~ 5x10 19 atoms / cm Three (FIG. 10A). The impurity region 221 is a semiconductor layer for forming a storage capacitor of the pixel portion, and phosphorus (P) is added to this region at the same concentration.
[0112]
Next, the mask layer 213 is removed with hydrofluoric acid or the like, and a step of activating the impurity element added in FIGS. 9D and 10A is performed. Activation can be performed by a method of thermal annealing or laser annealing at 500 to 600 ° C. for 1 to 4 hours in a nitrogen atmosphere. Moreover, you may carry out using both together. In this embodiment, a laser activation method is used, a KrF excimer laser beam (wavelength 248 nm) is used to form a linear beam, an oscillation frequency of 5 to 50 Hz, and an energy density of 100 to 500 mJ / cm. 2 As a result, the entire surface of the substrate on which the island-shaped semiconductor film 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.
[0113]
Then, the gate insulating film 222 is formed with an insulating film containing silicon with a thickness of 40 to 150 nm by plasma CVD or sputtering. For example, SiH Four , N 2 O, O 2 Is formed of a silicon oxynitride film manufactured by a plasma CVD method. (Fig. 10 (B))
[0114]
Next, a first conductive layer is formed to form a gate electrode. In this embodiment, a conductive layer (A) 223 made of a conductive nitride metal film and a conductive layer (B) 224 made of a metal film are laminated. Here, the conductive layer (B) 224 is formed with tungsten (W) to a thickness of 250 nm by sputtering using W as a target, and the conductive layer (A) 223 is formed with tungsten (WN) to a thickness of 50 nm. (FIG. 10C).
[0115]
Next, photoresist masks 225 to 229 are formed, and the conductive layer (A) 223 and the conductive layer (B) 224 are etched together to form gate electrodes 230 to 233 and a capacitor wiring 234. The gate electrodes 230 to 233 and the capacitor wiring 234 are integrally formed of 230a to 234a made of a conductive layer (A) and 230b to 234b made of a conductive layer (B). At this time, the gate electrodes 231 and 232 formed in the driver circuit are formed so as to overlap with part of the impurity regions 219 and 220 with the gate insulating film 222 interposed therebetween (FIG. 10D).
[0116]
Next, in order to form a source region and a drain region of the p-channel TFT of the driver circuit, a step of adding an impurity element imparting p-type is performed. Here, the impurity region is formed in a self-aligning manner using the gate electrode 230 as a mask. The region where the n-channel TFT is formed is covered with a photoresist mask 235. And diborane (B 2 H 6 The impurity region (p + 23) 6 1 × 10 21 atoms / cm 3 (FIG. 11A).
[0117]
Next, in the n-channel TFT, an impurity region functioning as a source region or a drain region was formed. Resist masks 237 to 239 are formed, and an impurity element imparting n-type conductivity is added to form impurity regions 241 to 244. This is the phosphine (PH Three The impurity region (n + ) (P) concentration of 241 to 244 is 5 × 10 20 atoms / cm Three (FIG. 11B). The impurity region 240 already contains boron (B) added in the previous step, but phosphorus (P) is added at a concentration of 1/2 to 1/3 as compared with it. The influence of phosphorus (P) is not considered, and the TFT characteristics were not affected at all.
[0118]
Then, in order to form an LDD region of the n-channel TFT in the pixel portion, an impurity addition step for imparting n-type was performed. Here, an impurity element imparting n-type in a self-aligning manner is added by ion doping using the gate electrode 233 as a mask. The concentration of phosphorus (P) to be added is 5 × 10 16 atoms / cm Three 9A, FIG. 10A, and FIG. 10B, the impurity region (n - Only 245 and 246 are formed (FIG. 11C).
[0119]
Thereafter, a heat treatment step (400 to 700 ° C.) is performed in a nitrogen atmosphere in order to activate the impurity element imparting n-type or p-type added at each concentration. This step can be performed by a thermal annealing method using a furnace annealing furnace, a laser annealing method, or a rapid thermal annealing method (RTA method).
[0120]
In this thermal annealing, the conductive films (C) 230c to 234c made of WN are formed with a thickness of 5 to 80 nm from the surface of the W films 230b to 234b formed on the gate electrodes 230 to 233 and the capacitor wiring 234. In addition, when the conductive layers (B) 230b to 234b are made of titanium (Ti), titanium nitride (TiN) can be formed. Alternatively, the gate electrodes 230 to 234 can be similarly formed by exposing them to a plasma atmosphere containing nitrogen using nitrogen or ammonia. Further, thermal annealing 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 film. This process is performed by 1 × 10 6 in the island-like semiconductor film by thermally excited hydrogen. 16 ~ 1x10 18 /cm Three This is a step of terminating the dangling bond. As another means of hydrogenation, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) may be performed. (Fig. 11 (D))
[0121]
FIG. 14A is a top view of the TFT in FIG. 11D, and the AA ′ cross section corresponds to AA ′ in FIG. 11D.
[0122]
When the activation and hydrogenation steps are completed, a second conductive layer serving as a gate wiring is formed. The second conductive layer is formed of a conductive layer (D) mainly composed of aluminum (Al) or copper (Cu) which is a low resistance material. In any case, the resistivity of the second conductive layer is about 0.1 to 10 μΩcm. Further, a conductive layer (E) made of titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), or molybdenum (Mo) is preferably stacked. In this example, an aluminum (Al) film containing 0.1 to 2% by weight of titanium (Ti) was formed as the conductive layer (D) 247, and a titanium (Ti) film was formed as the conductive layer (E) 248. The conductive layer (D) 247 may be 200 to 400 nm (preferably 250 to 350 nm), and the conductive layer (E) 248 may be formed to be 50 to 200 nm (preferably 100 to 150 nm) (FIG. 12A). ).
[0123]
Then, in order to form a gate wiring connected to the gate electrode, the conductive layer (E) 248 and the conductive layer (D) 247 were etched to form gate wirings 249 and 250 and a capacitor wiring 251.
[0124]
FIG. 14B shows a top view of this state, and the AA ′ cross section corresponds to AA ′ in FIG.
[0125]
Next, the first interlayer insulating film 252 is formed with a thickness of 500 to 1500 nm using a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. In this example, SiH Four 27SCCM, N 2 O is 900 SCCM, reaction pressure is 160 Pa, substrate temperature is 325 ° C., discharge power density is 0.15 W / cm 2 Formed with. Thereafter, contact holes reaching the source region or the drain region formed in each island-shaped semiconductor film are formed, and source wirings 253 to 256 and drain wirings 257 to 260 are formed. Although not shown, in this embodiment, this electrode is a laminated film having a three-layer structure in which a Ti film is 100 nm, an aluminum film containing Ti is 300 nm, and a Ti film is 150 nm continuously formed by sputtering.
[0126]
Next, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon oxynitride film is formed as the passivation film 261 with a thickness of 50 to 500 nm (typically 100 to 300 nm). 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 existing in the first interlayer insulating film 252 can be diffused into the island-shaped semiconductor films 209 and 210b to 212b to be hydrogenated. (FIG. 12C). Note that an opening may be formed in the passivation film 261 at a position where a contact hole for connecting the pixel electrode and the drain wiring is formed later.
[0127]
FIG. 14C shows a top view of this state, and the AA ′ cross section corresponds to AA ′ of FIG.
[0128]
Thereafter, a second interlayer insulating film 262 made of an organic resin is formed to a thickness of 1.0 to 1.5 μm. As the organic resin, polyimide, acrylic, polyamide, polyimide amide, BCB (benzocyclobutene), or the like can be used. Here, it was formed by baking at 300 ° C. using a type of polyimide that is thermally polymerized after being applied to the substrate. Then, a contact hole reaching the drain wiring 260 is formed in the second interlayer insulating film 262, and pixel electrodes 263 and 264 are formed. The pixel electrode may be a transparent conductive film in the case of a transmissive liquid crystal display device, and may be a metal film in the case of a reflective liquid crystal display device. In this example, an indium tin oxide (ITO) film having a thickness of 100 nm was formed by sputtering to obtain a transmissive liquid crystal display device (FIG. 13).
[0129]
In this way, a substrate having the TFT of the driving circuit and the pixel TFT of the pixel portion on the same substrate was completed. A p-channel TFT 301, a first n-channel TFT 302, and a second n-channel TFT 303 are formed in the driver circuit, and a pixel TFT 304 and a storage capacitor 305 are formed in the pixel portion. In this specification, such a substrate is referred to as an active matrix substrate for convenience.
[0130]
However, in all the heat treatments of the active matrix substrate, it is necessary to pay sufficient attention to the temperature of the heat treatment so that the organic resin films 203 to 206 are within a temperature range that can be tolerated.
[0131]
The p-channel TFT 301 of the driver circuit includes a channel formation region 306, source regions 307a and 307b, and drain regions 308a and 308b in an island-shaped semiconductor film 209. The first n-channel TFT 302 includes a channel formation region 309, an LDD region (Lov) 310 that overlaps with the gate electrode 231, a source region 311, and a drain region 312 on the island-shaped semiconductor film 210. The length of the Lov region in the channel length direction is 0.5 to 3.0 μm, preferably 1.0 to 1.5 μm. In the second n-channel TFT 303, a channel formation region 313, a Lov region and an Loff region (an LDD region that does not overlap with the gate electrode, hereinafter referred to as an Loff region) are formed in the island-shaped semiconductor film 211. The length of the region in the channel length direction is 0.3 to 2.0 μm, preferably 0.5 to 1.5 μm. The pixel TFT 304 has channel formation regions 318 and 319, Loff regions 320 to 323, and source or drain regions 324 to 326 in the island-shaped semiconductor film 212. The length of the Loff region in the channel length direction is 0.5 to 3.0 μm, preferably 1.5 to 2.5 μm. Further, the storage capacitor 305 includes the capacitor wirings 234 and 251, an insulating film made of the same material as the gate insulating film, and a semiconductor layer 327 connected to the drain region 326 of the pixel TFT 304 and doped with an impurity element imparting n-type conductivity. Is formed. Although the pixel TFT 304 has a double gate structure in FIG. 12, it may have a single gate structure or a multi-gate structure provided with a plurality of gate electrodes.
[0132]
The configuration as described above makes it possible to optimize the structure of the TFT constituting each circuit according to the specifications required by the pixel TFT and the drive circuit, and to improve the operation performance and reliability of the semiconductor device. Furthermore, the LDD region, the source region, and the drain region can be easily activated by forming the gate electrode from a heat-resistant conductive material, and the wiring resistance can be sufficiently reduced by forming the gate electrode from a low-resistance material. Therefore, the present invention can be applied to a display device having a display area (screen size) of 4 inches class or more. And by using the crystalline semiconductor film selectively formed on the organic resin layers 203 to 206 forming the base layer, extremely excellent characteristics can be realized in the completed TFT.
[0133]
[Example 7]
In this embodiment, a process of manufacturing an active matrix liquid crystal display device from the active matrix substrate manufactured in Embodiment 6 will be described. As shown in FIG. 15, an alignment film 601 is formed on the active matrix substrate in the state shown in FIG. Usually, a polyimide resin is often used for the alignment film of the liquid crystal display element. A light shielding film 603, a transparent conductive film 604, and an alignment film 605 were formed on the counter substrate 602 on the counter side. After the alignment film was formed, rubbing treatment was performed so that the liquid crystal molecules were aligned with a certain pretilt angle. Then, the pixel portion, the active matrix substrate on which the CMOS circuit is formed, and the counter substrate are bonded to each other through a sealing material, a spacer (both not shown), and the like by a known cell assembling process. Thereafter, a liquid crystal material 606 was injected between both substrates and completely sealed with a sealant (not shown). A known liquid crystal material may be used as the liquid crystal material. Thus, the active matrix liquid crystal display device shown in FIG. 15 was completed.
[0134]
Next, the structure of the active matrix liquid crystal display device will be described with reference to the perspective view of FIG. 16 and the top view of FIG. 16 and 17 use the same reference numerals in order to correspond to the sectional structure diagrams of FIGS. 9 to 13 and FIG. Further, the cross-sectional structure along the line EE ′ shown in FIG. 17 corresponds to the cross-sectional view of the pixel matrix circuit shown in FIG.
[0135]
In FIG. 16, the active matrix substrate includes a pixel portion 706, a scanning signal driving circuit 704, and an image signal driving circuit formed on the glass substrate 201. 7 05. A pixel TFT 304 is provided in the display area, and a driving circuit provided in the periphery is configured based on a CMOS circuit. The scanning signal driving circuit 704 and the image signal driving circuit 705 are connected to the pixel TFT 304 by a gate wiring 250 and a source wiring 256, respectively. Further, an FPC (Flexible Print Circuit) 731 is connected to the external input terminal 734, and the input wiring 7 02, 7 03 is connected to each drive circuit.
[0136]
FIG. 17 is a top view showing almost one pixel in the display area 706. The gate wiring 250 intersects the underlying semiconductor layer 212 through a gate insulating film (not shown). Although not shown, the semiconductor layer includes a source region, a drain region, and n - A Loff region formed of a region is formed. Reference numeral 265 denotes a contact portion between the source wiring 256 and the source region 324, 266 denotes a contact portion between the drain wiring 260 and the drain region 326, and 267 denotes a contact portion between the drain wiring 260 and the pixel electrode 263. The storage capacitor 305 is formed in a region where the capacitor wirings 234 and 251 overlap with a semiconductor layer 327 extending from the drain region 326 of the pixel TFT 304 and a gate insulating film.
[0137]
Note that the active matrix liquid crystal display device of this example has been described with reference to the structure described in Example 6, but is not limited to the configuration of Example 6 and is described in Embodiments 1 to 5. An active matrix substrate completed by applying the configuration to the sixth embodiment may be used. In any case, an active matrix liquid crystal display device can be manufactured by freely combining the active matrix substrates provided with the organic resin film described in the embodiment mode.
[0138]
[Example 8]
In this example, an example in which an EL (electroluminescence) module (also referred to as an EL display device) is manufactured using the present invention will be described.
[0139]
FIG. 19A is a top view of an EL display panel using the present invention. In FIG. 19A, 10 is a substrate, 11 is a pixel portion, 12 is a source side driving circuit, 13 is a gate side driving circuit, and each driving circuit reaches the FPC 17 via wirings 14 to 16 to an external device. Connected.
[0140]
At this time, the substrate 82 is provided so as to cover at least the pixel portion, preferably the driver circuit and the pixel portion. The substrate 82 may be a glass plate or a plastic plate, or an ultraviolet curable resin. When the substrate 82 is used, the substrate 82 is fixed to the substrate 10 with the adhesive 81, and the resin 20 is filled between the substrate 82. At this time, the EL element is completely enclosed in the resin 20 and is completely shielded from the outside air.
[0141]
Further, a sealed space may be provided between the substrate 82 and the substrate 10 and filled with an inert gas (argon, helium, nitrogen, etc.), or a drying agent such as barium oxide may be provided. Thereby, it is possible to suppress deterioration of the EL element due to moisture or the like.
[0142]
FIG. 19B shows a cross-sectional structure of the EL display panel of this embodiment. A driving circuit TFT (however, here a CMOS circuit combining NTFT and PTFT is illustrated on the substrate 10 and the inorganic insulating film 21 is shown. And a pixel portion TFT 23 (here, only the TFT for controlling the current to the EL element is shown). As the driving circuit TFT 22, the NTFT and PTFT shown in FIG. 7 may be used. The pixel portion TFT 23 may be the NTFT or PTFT shown in FIG.
[0143]
When the driving circuit TFT 22 and the pixel portion TFT 23 are completed using the present invention, a transparent conductive film electrically connected to the drain of the pixel portion TFT 23 is formed on the interlayer insulating film (planarization film) 26 made of a resin material. A pixel electrode 27 is formed. As the transparent conductive film, a compound of indium oxide and tin oxide (referred to as ITO) or a compound of indium oxide and zinc oxide can be used. Then, after the pixel electrode 27 is formed, an insulating film 28 is formed, and an opening is formed on the pixel electrode 27.
[0144]
Next, the EL layer 29 is formed. The EL layer 29 may have a laminated structure or a single layer structure by freely combining known EL materials (a hole injection layer, a hole transport layer, a light emitting layer, an electron transport layer, or an electron injection layer). A known technique may be used to determine the structure. EL materials include low-molecular materials and high-molecular (polymer) materials. When a low molecular material is used, a vapor deposition method is used. When a high molecular material is used, a simple method such as a spin coating method, a printing method, or an ink jet method can be used.
[0145]
In this embodiment, the EL layer is formed by vapor deposition using a shadow mask. Color display is possible by forming a light emitting layer (a red light emitting layer, a green light emitting layer, and a blue light emitting layer) capable of emitting light having different wavelengths for each pixel using a shadow mask. In addition, there are a method in which a color conversion layer (CCM) and a color filter are combined, and a method in which a white light emitting layer and a color filter are combined, but either method may be used. Needless to say, an EL display device emitting monochromatic light can also be used.
[0146]
After the EL layer 29 is formed, the cathode 30 is formed thereon. It is desirable to remove moisture and oxygen present at the interface between the cathode 30 and the EL layer 29 as much as possible. Therefore, it is necessary to devise such that the EL layer 29 and the cathode 30 are continuously formed in a vacuum, or the EL layer 29 is formed in an inert atmosphere and the cathode 30 is formed without being released to the atmosphere. In this embodiment, the above-described film formation is possible by using a multi-chamber type (cluster tool type) film formation apparatus.
[0147]
In this embodiment, a laminated structure of a LiF (lithium fluoride) film and an Al (aluminum) film is used as the cathode 30. Specifically, an LiF (lithium fluoride) film having a thickness of 1 nm is formed on the EL layer 29 by vapor deposition, and an aluminum film having a thickness of 300 nm is formed thereon. Of course, you may use the MgAg electrode which is a well-known cathode material. The cathode 30 is connected to the wiring 16 in a region indicated by 31. The wiring 16 is a power supply line for applying a predetermined voltage to the cathode 30, and is connected to the FPC 17 through a conductive paste material 32. Further, the connecting portion is covered with the resin 80 to protect the connecting portion.
[0148]
In order to electrically connect the cathode 30 and the wiring 16 in the region indicated by 31, it is necessary to form contact holes in the interlayer insulating film 26 and the insulating film 28. These may be formed when the interlayer insulating film 26 is etched (when the pixel electrode contact hole is formed) or when the insulating film 28 is etched (when the opening before the EL layer is formed). Further, when the insulating film 28 is etched, the interlayer insulating film 26 may be etched all at once. In this case, if the interlayer insulating film 26 and the insulating film 28 are the same resin material, the shape of the contact hole can be improved.
[0149]
In addition, the wiring 16 is electrically connected to the FPC 17 through a gap (but closed with an adhesive 81) between the substrate 82 and the substrate 10. Although the wiring 16 has been described here, the other wirings 14 and 15 are also electrically connected to the FPC 17 under the substrate 82 in the same manner.
[0150]
The present invention can be used in an EL display panel having the above-described configuration. Here, a more detailed cross-sectional structure of the pixel portion is shown in FIG. 20, a top structure is shown in FIG. 21A, and a circuit diagram is shown in FIG. In FIG. 20, FIG. 21 (A) and FIG.
[0151]
In FIG. 21, a switching TFT 1002 provided on a substrate 1001 is formed using the NTFT of the present invention. In this embodiment, a double gate structure is used. However, there is no significant difference in structure and manufacturing process, and thus description thereof is omitted. However, the double gate structure substantially has a structure in which two TFTs are connected in series, and there is an advantage that the off-current value can be reduced. Although the double gate structure is used in this embodiment, a single gate structure may be used, and a triple gate structure or a multi-gate structure having more gates may be used. Moreover, you may form using PTFT of this invention.
[0152]
The current control TFT 1003 is formed using the NTFT of the present invention. At this time, the drain wiring 35 of the switching TFT 1002 is electrically connected to the gate electrode 37 of the current control TFT by the wiring 36. A wiring indicated by 38 is a gate wiring that electrically connects the gate electrodes 39a and 39b of the switching TFT 1002.
[0153]
At this time, it is very important that the current control TFT 1003 has the structure of the present invention. Since the current control TFT is an element for controlling the amount of current flowing through the EL element, a large amount of current flows, and it is also an element with a high risk of deterioration due to heat or hot carriers. Therefore, the structure of the present invention in which the LDD region is provided on the drain side of the current control TFT so as to overlap the gate electrode through the gate insulating film is extremely effective.
[0154]
In this embodiment, the current control TFT 1003 is shown as a single gate structure, but a multi-gate structure in which a plurality of TFTs are connected in series may be used. Further, a structure may be employed in which a plurality of TFTs are connected in parallel to substantially divide the channel formation region into a plurality of portions so that heat can be emitted with high efficiency. Such a structure is effective as a countermeasure against deterioration due to heat.
[0155]
Further, as shown in FIG. 21A, the wiring that becomes the gate electrode 37 of the current control TFT 1003 overlaps the drain wiring 40 of the current control TFT 1003 with an insulating film in the region indicated by 1004. At this time, a capacitor is formed in a region indicated by 1004. This capacitor 1004 functions as a capacitor for holding the voltage applied to the gate of the current control TFT 1003. The drain wiring 40 is connected to a current supply line (power supply line) 1101, and a constant voltage is always applied.
[0156]
A first passivation film 41 is provided on the switching TFT 1002 and the current control TFT 1003, and a planarizing film 42 made of a resin insulating film is formed thereon. It is very important to flatten the step due to the TFT using the flattening film 42. Since an EL layer to be formed later is very thin, a light emission defect may occur due to the presence of a step. Therefore, it is desirable to planarize the pixel electrode before forming the pixel electrode so that the EL layer can be formed as flat as possible.
[0157]
Reference numeral 43 denotes a pixel electrode (EL element cathode) made of a highly reflective conductive film, which is electrically connected to the drain of the current control TFT 1003. As the pixel electrode 43, it is preferable to use a low-resistance conductive film such as an aluminum alloy film, a copper alloy film, or a silver alloy film, or a laminated film thereof. Of course, a laminated structure with another conductive film may be used.
[0158]
A light emitting layer 45 is formed in a groove (corresponding to a pixel) formed by banks 44a and 44b formed of an insulating film (preferably resin). Although only one pixel is shown here, a light emitting layer corresponding to each color of R (red), G (green), and B (blue) may be formed separately. A π-conjugated polymer material is used as the organic EL material for the light emitting layer. Typical polymer materials include polyparaphenylene vinylene (PPV), polyvinyl carbazole (PVK), and polyfluorene.
[0159]
There are various types of PPV organic EL materials such as “H. Shenk, H. Becker, O. Gelsen, E. Kluge, W. Kreuder, and H. Spreitzer,“ Polymers for Light Emitting ”. Materials such as those described in “Diodes”, Euro Display, Proceedings, 1999, p. 33-37 ”and Japanese Patent Laid-Open No. 10-92576 may be used.
[0160]
As a specific light emitting layer, cyanopolyphenylene vinylene may be used for a light emitting layer that emits red light, polyphenylene vinylene may be used for a light emitting layer that emits green light, and polyphenylene vinylene or polyalkylphenylene may be used for a light emitting layer that emits blue light. The film thickness may be 30 to 150 nm (preferably 40 to 100 nm).
[0161]
However, the above example is an example of an organic EL material that can be used as a light emitting layer, and is not necessarily limited to this. An EL layer (a layer for emitting light and moving carriers therefor) may be formed by freely combining a light-emitting layer, a charge transport layer, or a charge injection layer. As the EL layer, a thin film made of a light emitting material (singlet compound) that emits light (fluorescence) by singlet excitation, or a thin film made of a light emitting material (phosphorescence) that emits light (phosphorescence) by triplet excitation can be used.
[0162]
For example, in this embodiment, an example in which a polymer material is used as the light emitting layer is shown, but a low molecular weight organic EL material may be used. It is also possible to use an inorganic material such as silicon carbide for the charge transport layer or the charge injection layer. As these organic EL materials and inorganic materials, known materials can be used.
[0163]
In this embodiment, the EL layer has a laminated structure in which a hole injection layer 46 made of PEDOT (polythiophene) or PAni (polyaniline) is provided on the light emitting layer 45. An anode 47 made of a transparent conductive film is provided on the hole injection layer 46. In the case of the present embodiment, since the light generated in the light emitting layer 45 is emitted toward the upper surface side (upward of the TFT), the anode must be translucent. As the transparent conductive film, a compound of indium oxide and tin oxide or a compound of indium oxide and zinc oxide can be used, but it is possible to form after forming a light-emitting layer or hole injection layer with low heat resistance. What can form into a film at low temperature as much as possible is preferable.
[0164]
When the anode 47 is formed, the EL element 2405 is completed. Here, the EL element 1005 refers to a capacitor formed by the pixel electrode (cathode) 43, the light emitting layer 45, the hole injection layer 46, and the anode 47. As shown in FIG. 21A, since the pixel electrode 43 substantially matches the area of the pixel, the entire pixel functions as an EL element. Therefore, the use efficiency of light emission is very high, and a bright image display is possible.
[0165]
By the way, in the present embodiment, a second passivation film 48 is further provided on the anode 47. The second passivation film 48 is preferably a silicon nitride film or a silicon nitride oxide film. This purpose is to cut off the EL element from the outside, and has both the meaning of preventing deterioration due to oxidation of the organic EL material and the meaning of suppressing degassing from the organic EL material. This increases the reliability of the EL display device.
[0166]
As described above, the EL display panel of the present invention has a pixel portion composed of pixels having a structure as shown in FIG. 20, and includes a switching TFT having a sufficiently low off-current value and a current control TFT resistant to hot carrier injection. Have. Therefore, an EL display panel having high reliability and capable of displaying a good image can be obtained.
[0167]
In addition, the structure of a present Example can be implemented in combination freely with the structure of Examples 1-7.
[0168]
[Example 9]
In this embodiment, a structure in which the structure of the EL element 1005 is inverted in the pixel portion described in Embodiment 8 will be described. The explanation is shown in FIG. 2 Is used. Note that the only difference from the structure of FIG. 21A is the EL element portion and the current control TFT, and thus other descriptions are omitted.
[0169]
In FIG. 22, the current control TFT 12 01 is formed using the PTFT of the present invention. For the manufacturing process, Example 1 may be referred to.
[0170]
In this embodiment, a transparent conductive film is used as the pixel electrode (anode) 50. Specifically, a conductive film made of a compound of indium oxide and zinc oxide is used. Of course, a conductive film made of a compound of indium oxide and tin oxide may be used.
[0171]
Then, after banks 51a and 51b made of insulating films are formed, a light emitting layer 52 made of polyvinylcarbazole is formed by solution coating. An electron injection layer 53 made of potassium acetylacetonate (denoted as acacK) and a cathode 54 made of an aluminum alloy are formed thereon. In this case, the cathode 54 also functions as a passivation film. Thus EL element 12 02 is formed.
[0172]
In the case of the present embodiment, the light generated in the light emitting layer 53 is emitted toward the substrate on which the TFT is formed as indicated by an arrow. In the case of the structure as in this embodiment, the current control TFT 1201 is preferably formed of PTFT.
[0173]
In addition, the structure of a present Example can be implemented in combination freely with the structure of Examples 1-7.
[0174]
Example 10
In this embodiment, an example of a pixel having a structure different from the circuit diagram shown in FIG. 21B is shown in FIG. In this embodiment, 1301 is a source wiring of the switching TFT 1302, 1303 is a gate wiring of the switching TFT 1302, 1304 is a current control TFT, 1305 is a capacitor, 1306 and 1308 are current supply lines, and 1307 is an EL element. .
[0175]
FIG. 23A shows an example in which the current supply line 1306 is shared between two pixels. That is, there is a feature in that two pixels are formed so as to be symmetrical with respect to the current supply line 1306. In this case, since the number of power supply lines can be reduced, the pixel portion can be further refined.
[0176]
FIG. 23B illustrates an example in which the current supply line 1308 is provided in parallel with the gate wiring 1303. Note that in FIG. 23B, the current supply line 1308 and the gate wiring 1303 are provided so as not to overlap with each other. However, if the wirings are formed in different layers, they overlap with each other through an insulating film. It can also be provided. In this case, since the exclusive area can be shared by the power supply line 1308 and the gate wiring 1303, the pixel portion can be further refined.
[0177]
In FIG. 23C, a current supply line 1308 is provided in parallel with the gate wiring 1303 as in the structure of FIG. 23B, and two pixels are symmetrical about the current supply line 1308. It is characterized in that it is formed. It is also effective to provide the current supply line 1308 so as to overlap any one of the gate wirings 1303. In this case, since the number of power supply lines can be reduced, the pixel portion can be further refined.
[0178]
It should be noted that the configuration of this embodiment can be implemented by freely combining with the configuration of Embodiment 8 or Embodiment 9.
[0179]
Example 11
In FIGS. 21A and 21B shown in Embodiment 8, the capacitor 1004 is provided to hold the voltage applied to the gate of the current control TFT 1003. However, the capacitor 1004 can be omitted. is there.
[0180]
In the case of Example 8, since the NTFT of the present invention as shown in FIG. 20 is used as the current control TFT 1003, it has an LDD region provided so as to overlap the gate electrode through the gate insulating film. A parasitic capacitance generally referred to as a gate capacitance is formed in the overlapping region, but this embodiment is characterized in that this parasitic capacitance is actively used in place of the capacitor 1004.
[0181]
Since the capacitance of the parasitic capacitance varies depending on the area where the gate electrode and the LDD region overlap, it is determined by the length of the LDD region included in the overlapping region.
[0182]
Similarly, the capacitor 1305 can be omitted in the structures of FIGS. 23A, 23B, and 23C shown in the tenth embodiment.
[0183]
It should be noted that the configuration of this embodiment can be implemented by freely combining with the configuration of Embodiment 8 or Embodiment 9.
[0184]
[Example 12]
The CMOS circuit and the pixel portion formed by implementing the present invention can be used for various electro-optical devices (active matrix liquid crystal display, EL module, active matrix EC display). That is, the present invention can be implemented in all electronic devices in which these electro-optical devices are incorporated in the display unit.
[0185]
Such electronic devices include video cameras, digital cameras, projectors (rear type or front type), head mounted displays (goggles type displays), car navigation systems, car stereos, personal computers, personal digital assistants (mobile computers, mobile phones) Or an electronic book). Examples of these are shown in FIGS. 24, 25 and 26. FIG.
[0186]
FIG. 24A illustrates a personal computer, which includes a main body 2001, an image input portion 2002, a display portion 2003, a keyboard 2004, and the like. The present invention can be applied to the image input unit 2002, the display unit 2003, and other driving circuits.
[0187]
FIG. 24B illustrates a video camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an audio input portion 2103, operation switches 2104, a battery 2105, an image receiving portion 2106, and the like. The present invention can be applied to the display portion 2102 and other driver circuits.
[0188]
FIG. 24C illustrates a mobile computer, which includes a main body 2201, a camera unit 2202, an image receiving unit 2203, operation switches 2204, a display unit 2205, and the like. The present invention can be applied to the display portion 2205 and other driving circuits.
[0189]
FIG. 24D illustrates a goggle type display including a main body 2301, a display portion 2302, an arm portion 2303, and the like. The present invention can be applied to the display portion 2302 and other driving circuits.
[0190]
FIG. 24E shows a player using a recording medium (hereinafter referred to as a recording medium) on which a program is recorded, and includes a main body 2401, a display portion 2402, a speaker portion 2403, a recording medium 2404, an operation switch 2405, and the like. This player uses a DVD (Digital Versatile Disc), CD, or the like as a recording medium, and can perform music appreciation, movie appreciation, games, and the Internet. The present invention can be applied to the display portion 2402 and other driving circuits.
[0191]
FIG. 24F illustrates a digital camera, which includes a main body 2501, a display portion 2502, an eyepiece portion 2503, operation switches 2504, an image receiving portion (not shown), and the like. The present invention can be applied to the display portion 2502 and other driving circuits.
[0192]
FIG. 25A illustrates a front type projector, which includes a projection device 2601, a screen 2602, and the like. The present invention can be applied to the liquid crystal display device 2808 constituting a part of the projection device 2601 and other driving circuits.
[0193]
FIG. 25B shows a rear projector, which includes a main body 2701, a projection device 2702, a mirror 2703, a screen 2704, and the like. The present invention can be applied to the liquid crystal display device 2808 constituting a part of the projection device 2702 and other driving circuits.
[0194]
Note that FIG. 25C illustrates an example of the structure of the projection devices 2601 and 2702 in FIGS. 25A and 25B. The projection devices 2601 and 2702 include a light source optical system 2801, mirrors 2802 and 2804 to 2806, a dichroic mirror 2803, a prism 2807, a liquid crystal display device 2808, a phase difference plate 2809, and a projection optical system 2810. Projection optical system 2810 includes an optical system including a projection lens. Although the present embodiment shows a three-plate type example, it is not particularly limited, and for example, a single-plate type may be used. In addition, the practitioner may appropriately provide an optical system such as an optical lens, a film having a polarization function, a film for adjusting a phase difference, or an IR film in the optical path indicated by an arrow in FIG. Good.
[0195]
FIG. 25D illustrates an example of the structure of the light source optical system 2801 in FIG. In this embodiment, the light source optical system 2801 includes a reflector 2811, a light source 2812, lens arrays 2813 and 2814, a polarization conversion element 2815, and a condenser lens 2816. Note that the light source optical system illustrated in FIG. 25D is an example and is not particularly limited. For example, the practitioner may appropriately provide an optical system such as an optical lens, a film having a polarization function, a film for adjusting a phase difference, or an IR film in the light source optical system.
[0196]
However, the projector shown in FIG. 25 shows a case where a transmissive electro-optical device is used, and an application example in a reflective electro-optical device and an EL display device is not shown.
[0197]
FIG. 26A shows a cellular phone, which includes a main body 2901, an audio output portion 2902, an audio input portion 2903, a display portion 2904, operation switches 2905, an antenna 2906, and the like. The present invention can be applied to the audio output unit 2902, the audio input unit 2903, the display unit 2904, and other driving circuits.
[0198]
FIG. 26B illustrates a portable book (electronic book) which includes a main body 3001, display portions 3002 and 3003, a storage medium 3004, operation switches 3005, an antenna 3006, and the like. The present invention can be applied to the display portions 3002 and 3003 and other driving circuits.
[0199]
FIG. 26C illustrates a display which includes a main body 3101, a support base 3102, a display portion 3103, and the like. The present invention can be applied to the display portion 3103. The display of the present invention is particularly advantageous when the screen is enlarged, and is advantageous for displays having a diagonal of 10 inches or more (particularly 30 inches or more).
[0200]
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 even if it uses the structure which consists of what combination of Examples 1-11.
[0201]
[Example 13]
In this example, the following experiment was performed. The experimental procedure shown in this example is shown below.
[0202]
First, after forming a BCB film having a thickness of 200 nm on a glass substrate 1400, patterning was performed using the same mask as a semiconductor layer to be formed later, and then a BCB film 1401 was formed.
[0203]
Next, using plasma CVD, SiH Four And N 2 A silicon oxynitride film (composition ratio Si = 32%, O = 59%, N = 7%, H = 2%) formed using O as a reactive gas is stacked to a thickness of 200 nm.
[0204]
Next, in this example, a 54 nm amorphous silicon film 1403 was formed by plasma CVD. (Fig. 27 (A))
[0205]
This amorphous silicon film was dehydrogenated (500 ° C., 1 hour) and then patterned. (Fig. 27 (B))
[0206]
Next, the natural oxide film was removed with buffer hydrofluoric acid, and the laser annealing process of this example was performed to form a crystalline silicon film 1404. (Fig. 27 (C))
[0207]
Needless to say, the step of forming the crystalline silicon film 1404 can be used in place of the step of forming the crystalline silicon film described in any one of Examples 1 to 11.
[0208]
In the laser annealing treatment of this example, excimer laser beams 1502 and 1503 (wavelength 308 nm) were irradiated on the front and back surfaces of the amorphous silicon film 1403 by the method shown in FIG. The laser irradiation conditions here are energy density of 100 to 500 mJ / cm. 2 As a result, the entire surface of the substrate on which the amorphous silicon film 1403 was formed was processed by scanning with the linear beam overlap ratio of 80 to 98%. However, here, a glass substrate (Corning 1737) having a transmittance of about 50% for an excimer laser having a wavelength of 308 nm is used. However, a quartz substrate having a transmittance of about 100% for an excimer laser having a wavelength of 308 nm may be used. .
[0209]
In FIG. 28, reference numeral 1400 denotes a light-transmitting substrate, on which a BCB film 1401, an insulating film 1402, and an amorphous semiconductor film (or microcrystalline semiconductor film) 1403 are formed. In addition, a reflector 1501 for reflecting the laser light is disposed under the translucent substrate 1400.
[0210]
As the light-transmitting substrate 1400, a glass substrate, a quartz substrate, a crystallized glass substrate, or a plastic substrate is used. The translucent substrate 1400 itself can adjust the effective energy intensity of the secondary laser light. As the insulating film 1802, an insulating film containing silicon such as a silicon oxide film or a silicon nitride oxide film (SiOxNy) may be used, and the effective energy intensity of the secondary laser light may be adjusted by the insulating film 1400.
[0211]
In the configuration of FIG. 28, the secondary laser beam 1503 is a laser beam reflected by the reflector 1501. Therefore, the effective energy intensity of the secondary laser light can be adjusted by the amorphous semiconductor film 1403. The amorphous semiconductor film 1403 includes a compound semiconductor film such as an amorphous silicon germanium film in addition to the amorphous silicon film.
[0212]
Further, the reflector 1501 may be a substrate on which a metal film is formed on the surface (laser light reflecting surface) or a substrate made of a metal element. In this case, any material may be used for the metal film. Typically, a metal film containing any element of silicon (Si), aluminum (Al), silver (Ag), tungsten (W), titanium (Ti), and tantalum (Ta) is used. For example, tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), or tantalum nitride (TaN) may be used.
[0213]
Further, the reflector 1501 may be provided in contact with the light-transmitting substrate 1400 or may be provided separately. Further, instead of disposing the reflector 1501, it is also possible to form the above-described metal film directly on the back surface (surface opposite to the front surface) of the substrate 1400 and reflect the laser light there. In any case, the effective energy intensity of the secondary laser light can be adjusted by the reflectance of the reflector 1501. In the case where the reflector 1501 is provided apart from the light-transmitting substrate 1400, the energy intensity of the secondary laser light can be controlled by a gas (gas) filling the gap.
[0214]
Needless to say, the laser annealing treatment can be used in place of the laser annealing treatment described in any one of Examples 1 to 11.
[0215]
FIG. 29 is a SEM photograph showing the crystal grain size in the crystalline silicon film formed through the above steps. As shown in FIG. 29, a crystalline silicon film having a large crystal grain size of about 2 μm was obtained. If this large particle size region is used as a TFT channel formation region, a TFT having good TFT characteristics can be obtained.
[0216]
Further, FIG. 30 shows an SEM photograph observed after patterning a relatively large island-shaped semiconductor and irradiating a laser in order to examine the starting point position of crystal growth. As shown in FIG. 30, a crystalline silicon film laterally grown from the end portion was obtained.
[0217]
From the above experimental results, it was proved that the position of crystals in the crystalline semiconductor film can be controlled by the present invention.
[0218]
【The invention's effect】
By using the crystallization technique of the present invention, a crystalline semiconductor film in which the crystal position and the crystal grain size are controlled can be manufactured. The position of the crystalline semiconductor film having a large crystal grain size is determined according to the arrangement of the organic resin film having a predetermined shape. Further, by adjusting the material and film thickness of the organic resin film or the material and film thickness of the inorganic insulating film, a region having a large crystal grain size can be selectively formed. Further, the region having a large crystal grain size has a very small lattice defect density, and when this region is used as a channel formation region of a TFT, excellent electrical characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates a configuration of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a crystalline semiconductor film according to the present invention. FIGS.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a crystalline semiconductor film according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the present invention. (Example 3)
FIG. 5 illustrates a structure of the present invention. Example 4
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT.
7 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT. FIG.
FIG. 8 is a top view illustrating a manufacturing process of a TFT.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of an active matrix substrate.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an active matrix substrate.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an active matrix substrate.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an active matrix substrate.
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of an active matrix substrate.
FIG. 14 is a top view illustrating a manufacturing process of an active matrix substrate.
FIG. 15 is a cross-sectional structure diagram of an active matrix liquid crystal display device.
FIG. 16 is a diagram showing the appearance of an AM-LCD.
FIG. 17 is a top view showing one pixel in an active matrix liquid crystal display device.
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a laser annealing apparatus.
FIG 19 is a cross-sectional view illustrating a structure of an EL display device.
FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating a structure of an EL display device.
FIG. 21 is a top view illustrating a structure of an EL display device.
FIG 22 is a cross-sectional view illustrating a structure of an EL display device.
FIG. 23 is a circuit diagram illustrating a structure of an EL display device.
FIG 24 illustrates an example of an electronic device.
FIG 25 illustrates an example of an electronic device.
FIG 26 illustrates an example of an electronic device.
FIG. 27 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process.
FIG. 28 is a cross-sectional view illustrating a laser irradiation method.
FIG. 29 is a SEM photograph showing the crystal grain size.
FIG. 30 is a SEM photograph showing the position of crystal growth.

Claims (9)

基板上に有機樹脂膜を形成した後、前記有機樹脂膜を島状またはストライプ状にパターニングし、
パターニングした前記有機樹脂膜を覆うように無機絶縁膜を形成し、
前記無機絶縁膜上に、前記無機絶縁膜を介して前記有機樹脂膜と重なる第1領域と、前記無機絶縁膜を介して前記有機樹脂膜と重ならない第2領域とを有する非晶質構造を含む半導体膜を形成し、
前記非晶質構造を含む半導体膜にレーザー光を照射することによって、結晶質半導体膜を形成し、
前記レーザー光は、前記基板に対して前記有機樹脂膜及び前記無機絶縁膜を形成した側並びにその反対側から同時に照射し、
前記結晶質半導体膜をパターニングして前記第1領域のみを有する島状の結晶質半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
After forming the organic resin film on the substrate, the organic resin film is patterned into islands or stripes,
An inorganic insulating film is formed so as to cover the patterned organic resin film,
An amorphous structure having a first region overlapping with the organic resin film via the inorganic insulating film and a second region not overlapping with the organic resin film via the inorganic insulating film on the inorganic insulating film. Forming a semiconductor film including,
By irradiating the semiconductor film containing the amorphous structure with laser light, a crystalline semiconductor film is formed,
The laser beam is irradiated simultaneously from the side on which the organic resin film and the inorganic insulating film are formed and the opposite side to the substrate,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising patterning the crystalline semiconductor film to form an island-shaped crystalline semiconductor film having only the first region.
基板上に有機樹脂膜を形成した後、前記有機樹脂膜を島状またはストライプ状にパターニングし、
パターニングした前記有機樹脂膜を覆うように無機絶縁膜を形成し、
前記無機絶縁膜上に、前記無機絶縁膜を介して前記有機樹脂膜と重なる第1領域と、前記無機絶縁膜を介して前記有機樹脂膜と重ならない第2領域とを有する非晶質構造を含む半導体膜を形成し、
前記非晶質構造を含む半導体膜にレーザー光を照射することによって、結晶質半導体膜を形成し、
前記レーザー光は、前記基板に対して前記有機樹脂膜及び前記無機絶縁膜を形成した側並びにその反対側から同時に照射し、
前記結晶質半導体膜をパターニングして前記第1領域のみを有する島状の結晶質半導体膜を形成し、
前記島状の結晶質半導体膜を活性層に用いて薄膜トランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
After forming the organic resin film on the substrate, the organic resin film is patterned into islands or stripes,
An inorganic insulating film is formed so as to cover the patterned organic resin film,
An amorphous structure having a first region overlapping with the organic resin film via the inorganic insulating film and a second region not overlapping with the organic resin film via the inorganic insulating film on the inorganic insulating film. Forming a semiconductor film including,
By irradiating the semiconductor film containing the amorphous structure with laser light, a crystalline semiconductor film is formed,
The laser beam is irradiated simultaneously from the side on which the organic resin film and the inorganic insulating film are formed and the opposite side to the substrate,
Patterning the crystalline semiconductor film to form an island-shaped crystalline semiconductor film having only the first region;
A thin film transistor is formed using the island-shaped crystalline semiconductor film as an active layer.
請求項1または請求項2において、前記結晶質半導体膜において、前記第1領域における結晶粒径は、前記第2領域における結晶粒径より大きいことを特徴とする半導体装置の作製方法。  3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the crystalline semiconductor film, a crystal grain size in the first region is larger than a crystal grain size in the second region. 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、前記無機絶縁膜と前記非晶質構造を含む半導体膜は、大気にふれることなく連続して形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。  4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the inorganic insulating film and the semiconductor film including the amorphous structure are continuously formed without being exposed to the air. 請求項1乃至請求項のいずれか一において、前記無機絶縁膜は、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜から選ばれた単層膜、またはそれらの積層膜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 to 4, wherein the inorganic insulating film, a silicon oxide film, a silicon nitride film, and characterized in that it is a silicon oxynitride film single layer selected from or laminated films thereof, A method for manufacturing a semiconductor device. 請求項1乃至請求項のいずれか一において、前記基板と前記有機樹脂膜の間に絶縁膜を有していることを特徴とする半導体装置の作製方法。In any one of claims 1 to 5, a method for manufacturing a semiconductor device, characterized by having an insulating film between the substrate and the organic resin film. 請求項1乃至請求項のいずれか一において、前記有機樹脂膜の熱伝導率は、1.0Wm−1−1以下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 to 6, the thermal conductivity of the organic resin film, a method for manufacturing a semiconductor device which is characterized in that less than 1.0 Wm -1 K -1. 請求項1乃至請求項のいずれか一において、前記有機樹脂膜は、感光性を有す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 to 7, wherein the organic resin film, a method for manufacturing a semiconductor device characterized by having photosensitivity. 請求項1乃至請求項のいずれか一において、前記有機樹脂膜は、BCB樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、シロキサン系樹脂、フッ素添加パラキシレン、フッ素添加パリレン、テフロン、フルオロポリアリルエーテル、PFCB、ポリシラザンから選ばれた単層膜、またはそれらの積層膜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 to 8, wherein the organic resin film, BCB resin, polyimide resin, acrylic resin, siloxane-based resin, fluorine-added paraxylene, fluoridation parylene, Teflon, fluoro polyallyl ether, A method for manufacturing a semiconductor device, which is a single-layer film selected from PFCB and polysilazane, or a stacked film thereof.
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