JPWO2013061383A1 - Thin film semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
Thin film semiconductor device and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2013061383A1 JPWO2013061383A1 JP2012506244A JP2012506244A JPWO2013061383A1 JP WO2013061383 A1 JPWO2013061383 A1 JP WO2013061383A1 JP 2012506244 A JP2012506244 A JP 2012506244A JP 2012506244 A JP2012506244 A JP 2012506244A JP WO2013061383 A1 JPWO2013061383 A1 JP WO2013061383A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- film
- semiconductor device
- insulating film
- organic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
本発明に係る薄膜半導体装置(10)の製造方法は、基板(1)を準備する第1工程と、基板(1)上にゲート電極(2)を形成する第2工程と、ゲート電極(2)上に第1絶縁膜としてゲート絶縁膜(3)を形成する第3工程と、ゲート絶縁膜(3)上に、チャネル層(4)となる非結晶質の半導体薄膜(4a)を形成する第4工程と、非結晶質の半導体薄膜(4a)上に、第2絶縁膜としてチャネル保護膜(5)を形成する第5工程と、チャネル保護膜(5)にレーザー光を照射することにより、チャネル保護膜(5)の透過率を高くする第6工程と、チャネル層(4)の上方にソース電極(7S)及びドレイン電極(7D)を形成する第7工程と、を含む。The method of manufacturing a thin film semiconductor device (10) according to the present invention includes a first step of preparing a substrate (1), a second step of forming a gate electrode (2) on the substrate (1), and a gate electrode (2 ) A third step of forming a gate insulating film (3) as a first insulating film thereon, and an amorphous semiconductor thin film (4a) to be a channel layer (4) is formed on the gate insulating film (3). A fourth step, a fifth step of forming a channel protective film (5) as a second insulating film on the amorphous semiconductor thin film (4a), and irradiating the channel protective film (5) with laser light. The sixth step of increasing the transmittance of the channel protective film (5) and the seventh step of forming the source electrode (7S) and the drain electrode (7D) above the channel layer (4) are included.
Description
本発明は、薄膜半導体装置及びその製造方法に関し、特にチャネル保護型の薄膜トランジスタ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thin film semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a channel protection type thin film transistor and a manufacturing method thereof.
近年、液晶ディスプレイに変わる次世代フラットパネルディスプレイの一つとしての有機材料のEL(Electro Luminescence)を利用した有機ELディスプレイが注目されている。有機ELディスプレイ等のアクティブマトリクス方式の表示装置では、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)と呼ばれる薄膜半導体装置が用いられる。 In recent years, an organic EL display using an organic material EL (Electro Luminescence) as one of the next generation flat panel displays replacing the liquid crystal display has been attracting attention. In an active matrix display device such as an organic EL display, a thin film semiconductor device called a thin film transistor (TFT) is used.
特に、有機ELディスプレイは、電圧駆動型の液晶ディスプレイと異なり電流駆動型のディスプレイデバイスであり、アクティブマトリクス方式の表示装置の駆動回路として優れたオンオフ特性を有する薄膜トランジスタの開発が急がれている。薄膜トランジスタの構成は、基板上に、ゲート電極、半導体層(チャネル層)、ソース電極及びドレイン電極が形成されたものであり、チャネル層にはシリコン薄膜を用いることが一般的である。 In particular, an organic EL display is a current-driven display device unlike a voltage-driven liquid crystal display, and development of a thin film transistor having excellent on / off characteristics as a drive circuit of an active matrix display device has been urgently developed. A thin film transistor has a structure in which a gate electrode, a semiconductor layer (channel layer), a source electrode, and a drain electrode are formed on a substrate, and a silicon thin film is generally used for the channel layer.
また、ディスプレイデバイスには大画面化及び低コスト化が求められており、容易に低コスト化が可能な薄膜トランジスタとして、一般的には、ゲート電極がチャネル層より基板側に形成されたボトムゲート型の薄膜トランジスタが用いられる。 In addition, display devices are required to have a large screen and a low cost, and as a thin film transistor that can be easily reduced in cost, generally a bottom gate type in which a gate electrode is formed on the substrate side from a channel layer. The thin film transistor is used.
ボトムゲート型の薄膜トランジスタは、チャネル層がエッチングされるチャネルエッチング型の薄膜トランジスタと、チャネル層をエッチング処理から保護するチャネル保護型(エッチングストッパ型)の薄膜トランジスタとの2つに大別される。 Bottom-gate thin film transistors are roughly classified into two types: a channel etching type thin film transistor in which a channel layer is etched, and a channel protection type (etching stopper type) thin film transistor that protects the channel layer from an etching process.
チャネルエッチング型の薄膜トランジスタは、チャネル保護型の薄膜トランジスタに比べて、フォトリソグラフィ工程数を削減することができ、製造コストを抑えられるという利点がある。 A channel etching type thin film transistor has an advantage that the number of photolithography steps can be reduced and a manufacturing cost can be reduced as compared with a channel protection type thin film transistor.
一方、チャネル保護型の薄膜トランジスタは、エッチング処理によるチャネル層へのダメージを防ぐことができ、基板面内での特性ばらつきを抑制することができる。また、チャネル保護型の薄膜トランジスタの方がチャネル層を薄膜化することができ、寄生抵抗成分を低減してオン特性を向上させることができるため、高精細化には有利である。 On the other hand, the channel protective thin film transistor can prevent damage to the channel layer due to the etching process, and can suppress variation in characteristics in the substrate surface. In addition, a channel protection type thin film transistor is advantageous for high definition because a channel layer can be thinned and a parasitic resistance component can be reduced to improve on-state characteristics.
このため、チャネル保護型の薄膜トランジスタは、例えば有機EL素子を用いた電流駆動型の有機EL表示装置における駆動トランジスタに適しており、チャネルエッチング型の薄膜トランジスタに比べて製造コストが増加したとしても、有機EL表示装置の画素回路に採用する試みがなされている。 Therefore, the channel protection type thin film transistor is suitable for a driving transistor in a current driving type organic EL display device using an organic EL element, for example. Even if the manufacturing cost is increased as compared with the channel etching type thin film transistor, Attempts have been made to employ it in pixel circuits of EL display devices.
例えば特許文献1には、微結晶半導体薄膜をチャネル層とするチャネル保護型のTFTが開示されており、チャネル層上にバッファ層を介してチャネル保護層を形成することが記載されている。
For example,
しかしながら、チャネル保護型の薄膜トランジスタでは、チャネル保護層に正の固定電荷が存在するので、この固定電荷によってチャネル層にバックチャネルが形成され、その結果、リーク電流が増大し、薄膜トランジスタのオフ特性が悪化するという問題がある。特に、有機材料を塗布することによってチャネル保護層を形成すると、無機材料のチャネル保護層と比べて、チャネル保護層に正の固定電荷が多く含まれるので、リーク電流がさらに増大し、オフ特性が一層悪化する。 However, in a channel protection type thin film transistor, a positive fixed charge is present in the channel protection layer, so that a back channel is formed in the channel layer due to this fixed charge, resulting in an increase in leakage current and a deterioration in the off characteristics of the thin film transistor. There is a problem of doing. In particular, when the channel protective layer is formed by applying an organic material, the channel protective layer contains a larger amount of positive fixed charges than the channel protective layer made of an inorganic material. It gets worse.
また、チャネル保護型の薄膜トランジスタでは、チャネル保護層に含まれる不純物等によってチャネル保護層内にはトラップ準位が存在するため、このトラップ準位によりキャリアがトラップされやすく、その結果、薄膜トランジスタの閾値電圧がシフトして、薄膜トランジスタの信頼性が悪化するという問題もある。特に、塗布型の有機材料からなるチャネル保護層は、無機材料のチャネル保護層と比べて、チャネル保護層内にトラップ準位が多く存在するため、閾値電圧のシフト量が大きくなり、薄膜トランジスタの信頼性が一層悪化する。 In a channel protective thin film transistor, trap levels exist in the channel protective layer due to impurities contained in the channel protective layer, and carriers are easily trapped by this trap level. As a result, the threshold voltage of the thin film transistor is reduced. There is also a problem that the reliability of the thin film transistor is deteriorated. In particular, a channel protective layer made of a coating-type organic material has more trap levels in the channel protective layer than a channel protective layer made of an inorganic material. Sexually worsens.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、チャネル保護型の薄膜トランジスタにおいて、オフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a thin film semiconductor device excellent in off characteristics and reliability in a channel protection type thin film transistor and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板を準備する第1工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第2工程と、前記ゲート電極上に第1絶縁膜を形成する第3工程と、前記第1絶縁膜上に、チャネル層となる半導体薄膜を形成する第4工程と、前記半導体薄膜上に第2絶縁膜を形成する第5工程と、前記第2絶縁膜に光線を照射することにより、前記第2絶縁膜の透過率を高くする第6工程と、前記チャネル層の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第7工程と、を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a first step of preparing a substrate, a second step of forming a gate electrode on the substrate, A third step of forming a first insulating film, a fourth step of forming a semiconductor thin film serving as a channel layer on the first insulating film, and a fifth step of forming a second insulating film on the semiconductor thin film. And a sixth step of increasing the transmittance of the second insulating film by irradiating the second insulating film with light, and a seventh step of forming a source electrode and a drain electrode above the channel layer, It is characterized by including.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置は、基板と、前記基板上に形成したゲート電極と、前記ゲート電極上に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第2絶縁膜と、を具備し、前記第2絶縁膜は、当該第2絶縁膜の前駆体に前記光線を照射することにより形成され、前記第2絶縁膜の前記光線に対する透過率は、前記光線の照射後で前記光線の照射前より高いことを特徴とする。 The thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention is formed over a substrate, a gate electrode formed over the substrate, a first insulating film formed over the gate electrode, and the first insulating film. A crystalline semiconductor thin film, a source electrode and a drain electrode formed above the crystalline semiconductor thin film, and a second insulating film formed on the crystalline semiconductor thin film, The second insulating film is formed by irradiating the precursor of the second insulating film with the light beam, and the transmittance of the second insulating film with respect to the light beam is higher after the light beam irradiation and before the light beam irradiation. It is characterized by that.
本発明によれば、オフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置を実現することができる。 According to the present invention, a thin film semiconductor device having excellent off characteristics and reliability can be realized.
本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板を準備する第1工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第2工程と、前記ゲート電極上に第1絶縁膜を形成する第3工程と、前記第1絶縁膜上に、チャネル層となる半導体薄膜を形成する第4工程と、前記半導体薄膜上に第2絶縁膜を形成する第5工程と、前記第2絶縁膜に光線を照射することにより、前記第2絶縁膜の透過率を高くする第6工程と、前記チャネル層の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第7工程と、を含む。 A method for manufacturing a thin film semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a first step of preparing a substrate, a second step of forming a gate electrode on the substrate, and a first insulating film on the gate electrode. A third step, a fourth step of forming a semiconductor thin film serving as a channel layer on the first insulating film, a fifth step of forming a second insulating film on the semiconductor thin film, and A sixth step of increasing the transmittance of the second insulating film by irradiating light; and a seventh step of forming a source electrode and a drain electrode above the channel layer.
本態様によれば、半導体薄膜上に形成された第2絶縁膜に対して光線を照射することにより第2絶縁膜の透過率を高くする。これにより、第2絶縁膜を無機化することができるので、第2絶縁膜の固定電荷を少なくしてバックチャネルの形成を抑えることができ、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現できる。さらに、第2絶縁膜を無機化することにより、第2絶縁膜のトラップ準位を少なくしてキャリアのトラップを抑えて閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性の高い薄膜半導体装置を実現できる。 According to this aspect, the transmittance of the second insulating film is increased by irradiating the second insulating film formed on the semiconductor thin film with light. As a result, the second insulating film can be made inorganic, so that the fixed charge of the second insulating film can be reduced, the formation of the back channel can be suppressed, and a thin film semiconductor device having excellent off characteristics can be realized. Further, by making the second insulating film inorganic, the trap level of the second insulating film can be reduced, carrier traps can be suppressed, and the threshold voltage shift can be suppressed. Therefore, a highly reliable thin film semiconductor device can be obtained. realizable.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記第5工程において、前記光線に対する透過率が37%未満の有機材料からなる前記第2絶縁膜を形成し、前記第6工程において、前記光線の照射により前記第2絶縁膜の透過率を37%以上にすることが好ましい。 In the method of manufacturing a thin film semiconductor device according to one aspect of the present invention, in the fifth step, the second insulating film made of an organic material having a light transmittance of less than 37% is formed, and the sixth step In the above, it is preferable that the transmittance of the second insulating film is 37% or more by irradiation with the light beam.
本態様によれば、光線の照射前は第2絶縁膜の透過率は37%以下であるため、光線は第2絶縁膜に吸収され熱発生する。これにより、第2絶縁膜を容易に透明化することができる。また、光線の照射後は第2絶縁膜の透過率は37%以上であるため、光線は第2絶縁膜を透過し、半導体薄膜に吸収され熱発生する。これにより、半導体薄膜を容易に熱処理することができ、熱伝播により第2絶縁膜を透明化することができる。これらの作用により、オフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置を実現できる。 According to this aspect, since the transmittance of the second insulating film is 37% or less before irradiation with light, the light is absorbed by the second insulating film and generates heat. Thereby, the second insulating film can be easily made transparent. Moreover, since the transmittance of the second insulating film is 37% or more after the light irradiation, the light passes through the second insulating film and is absorbed by the semiconductor thin film to generate heat. Thereby, the semiconductor thin film can be easily heat-treated, and the second insulating film can be made transparent by heat propagation. By these actions, a thin film semiconductor device having excellent off characteristics and reliability can be realized.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記第4工程において、非結晶質の前記半導体薄膜を形成し、前記第6工程において、前記第2絶縁膜の上方から前記光線を照射することにより、前記第2絶縁膜の下方の前記半導体薄膜を結晶化することが好ましい。 In the method of manufacturing a thin film semiconductor device according to an aspect of the present invention, the amorphous semiconductor thin film is formed in the fourth step, and the light beam is emitted from above the second insulating film in the sixth step. It is preferable to crystallize the semiconductor thin film below the second insulating film by irradiating.
本態様によれば、1回の光線のスキャンで、第2絶縁膜の透過率を高くするとともに、半導体薄膜の結晶化を行うことができる。その結果、工程数を増加させることなく、第2絶縁膜の透過率を高くすることができる。 According to this aspect, the transmittance of the second insulating film can be increased and the semiconductor thin film can be crystallized by a single light beam scan. As a result, the transmittance of the second insulating film can be increased without increasing the number of steps.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記第4工程において、非結晶質の前記半導体薄膜を形成し、さらに、前記第6工程と前記第7工程との間に、前記半導体薄膜を結晶化する工程を含む、としてもよい。あるいは、前記第4工程において、結晶化された前記半導体薄膜を形成する、としてもよい。 In the method of manufacturing a thin film semiconductor device according to one aspect of the present invention, in the fourth step, the amorphous semiconductor thin film is formed, and further, between the sixth step and the seventh step. A step of crystallizing the semiconductor thin film may be included. Alternatively, in the fourth step, the crystallized semiconductor thin film may be formed.
本態様によれば、第2絶縁膜の透過率を高くする工程と、半導体薄膜の結晶化を行う工程とが別々に行われるので、それぞれの所望の条件で光線を照射することができる。従って、第2絶縁膜の透過率を確実に高くすることができるとともに、半導体薄膜を確実に結晶化することができる。 According to this aspect, since the step of increasing the transmittance of the second insulating film and the step of crystallizing the semiconductor thin film are performed separately, it is possible to irradiate the light with each desired condition. Therefore, the transmittance of the second insulating film can be reliably increased, and the semiconductor thin film can be reliably crystallized.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記光線の照射前において、前記第2絶縁膜の吸収係数と前記第2絶縁膜の膜厚との積が1より大きい、とすることができる。また、前記光線の照射後において、前記第2絶縁膜の吸収係数と前記第2絶縁膜の膜厚との積が1以下である、とすることができる。 In the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the product of the absorption coefficient of the second insulating film and the film thickness of the second insulating film is greater than 1 before the irradiation with the light beam. can do. In addition, the product of the absorption coefficient of the second insulating film and the film thickness of the second insulating film after the irradiation of the light beam may be 1 or less.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記第6工程において、前記光線の照射により前記第2絶縁膜を無機化する、とすることができる。この場合、前記無機化は、前記光線により前記第2絶縁膜内で光反応、あるいは熱反応が進むことにより起こる、とすることができる。 In the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, in the sixth step, the second insulating film may be mineralized by irradiation with the light beam. In this case, the mineralization may be caused by a light reaction or a thermal reaction proceeding in the second insulating film by the light beam.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置は、基板と、前記基板上に形成したゲート電極と、前記ゲート電極上に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第2絶縁膜と、を具備し、前記第2絶縁膜は、当該第2絶縁膜の前駆体に前記光線を照射することにより形成され、前記第2絶縁膜の前記光線に対する透過率は、前記光線の照射後で前記光線の照射前より高い。 The thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention is formed over a substrate, a gate electrode formed over the substrate, a first insulating film formed over the gate electrode, and the first insulating film. A crystalline semiconductor thin film, a source electrode and a drain electrode formed above the crystalline semiconductor thin film, and a second insulating film formed on the crystalline semiconductor thin film, The second insulating film is formed by irradiating the precursor of the second insulating film with the light beam, and the transmittance of the second insulating film with respect to the light beam is higher after the light beam irradiation and before the light beam irradiation. .
本態様によれば、半導体薄膜上に第2絶縁膜に対して光線を照射することにより、第2絶縁膜の透過率を高くすることができる。これにより、第2絶縁膜を無機化することができるので、第2絶縁膜の固定電荷を少なくしてバックチャネルの形成を抑えることができ、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現できる。さらに、第2絶縁膜を無機化することにより、第2絶縁膜のトラップ準位を少なくしてキャリアのトラップを抑えて閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性の高い薄膜半導体装置を実現できる。 According to this aspect, the transmittance of the second insulating film can be increased by irradiating the second insulating film with light on the semiconductor thin film. As a result, the second insulating film can be made inorganic, so that the fixed charge of the second insulating film can be reduced, the formation of the back channel can be suppressed, and a thin film semiconductor device having excellent off characteristics can be realized. Further, by making the second insulating film inorganic, the trap level of the second insulating film can be reduced, carrier traps can be suppressed, and the threshold voltage shift can be suppressed. Therefore, a highly reliable thin film semiconductor device can be obtained. realizable.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記第2絶縁膜の前記光線に対する透過率は、前記光線の照射前で37%未満であり、前記光線の照射後で37%以上である、とすることができる。 In the thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the transmittance of the second insulating film with respect to the light beam is less than 37% before irradiation with the light beam and is 37% or more after irradiation with the light beam. , And can be.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記前駆体は有機材料で構成され、前記第2絶縁膜は、前記有機材料が前記光線の照射により無機化したものである、とすることができる。 In the thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the precursor is made of an organic material, and the second insulating film is made of the organic material made inorganic by irradiation with the light beam. Can do.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記光線の照射前での前記第2絶縁膜の吸収係数と前記第2絶縁膜の膜厚との積が1より大きい、とすることができる。 In the thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a product of an absorption coefficient of the second insulating film and a film thickness of the second insulating film before irradiation with the light beam may be greater than 1. it can.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記光線の照射後での前記第2絶縁膜の吸収係数と前記第2絶縁膜の膜厚との積が1以下である、とすることができる。 In the thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the product of the absorption coefficient of the second insulating film and the film thickness of the second insulating film after the light irradiation is 1 or less. Can do.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、さらに、前記結晶質の半導体薄膜と前記第2絶縁膜との間に形成された、カーボンを含有する界面層を有し、前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含有される不純物としてのカーボンの濃度の50倍以上であることが好ましい。この場合、前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、5×1020(atoms/cm3)以上であることが好ましい。The thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention further includes a carbon-containing interface layer formed between the crystalline semiconductor thin film and the second insulating film, and the interface layer includes The concentration of carbon contained is preferably 50 times or more the concentration of carbon as an impurity contained in the crystalline semiconductor thin film. In this case, the concentration of carbon contained in the interface layer is preferably 5 × 10 20 (atoms / cm 3 ) or more.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層は、硫黄を含む、とすることができる。この場合、前記界面層に含有される硫黄の濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含まれる不純物としての硫黄の濃度の100倍以上であることが好ましい。あるいは、前記界面層に含有される硫黄の濃度は、5×1019(atoms/cm3)以上であることが好ましい。In the thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the interface layer may contain sulfur. In this case, the concentration of sulfur contained in the interface layer is preferably 100 times or more the concentration of sulfur as an impurity contained in the crystalline semiconductor thin film. Or it is preferable that the density | concentration of the sulfur contained in the said interface layer is 5 * 10 < 19 > (atoms / cm < 3 >) or more.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層の比抵抗は、2×106(Ω・cm)以上であることが好ましい。In the thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the specific resistance of the interface layer is preferably 2 × 10 6 (Ω · cm) or more.
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層の厚みは、1nm以上、5nm以下である、とすることができる。 In the thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the interface layer can have a thickness of 1 nm to 5 nm.
以下、本発明の実施の形態における薄膜半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。すなわち、本発明は、請求の範囲だけによって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、各図面において、実質的に同一の構成、動作、及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。 Hereinafter, a thin film semiconductor device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present invention. The numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connecting forms of the constituent elements, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. That is, the present invention is specified only by the claims. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present invention are not necessarily required to achieve the object of the present invention. It will be described as constituting a preferred form. Moreover, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected about the element showing substantially the same structure, operation | movement, and an effect.
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置10の構成について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置10の構成を模式的に示した断面図である。(First embodiment)
First, the configuration of the thin
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置10は、チャネル保護型でボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、基板1と、基板1の上方に順次形成された、ゲート電極2、ゲート絶縁膜(第1絶縁膜)3、チャネル層(半導体薄膜)4及びチャネル保護膜(第2絶縁膜)5とを備え、さらに、チャネル保護膜5を挟んでチャネル層4の上方に形成された一対のコンタクト層6と、コンタクト層6の上に形成された一対のソース電極7S及びドレイン電極7Dとを備える。
As shown in FIG. 1, a thin
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置10の各構成要素について詳述する。
Hereinafter, each component of the thin
基板1は、例えば、石英ガラス、無アルカリガラス及び高耐熱性ガラス等のガラス材料からなるガラス基板である。なお、ガラス基板の中に含まれるナトリウムやリン等の不純物がチャネル層4に侵入することを防止するために、表面に窒化シリコン(SiNx)、酸化シリコン(SiOy)又はシリコン酸窒化膜(SiOyNx)等からなるアンダーコート層が形成された基板を用いてもよい。また、アンダーコート層は、レーザーアニール等の高温熱処理プロセスにおいて、基板1への熱の影響を緩和させる役割を担うこともある。アンダーコート層の膜厚は、例えば、100nm〜2000nm程度とすることができる。The
ゲート電極2は、基板1の上方に所定形状で形成される。ゲート電極2は、シリコンの融点温度に耐えられる導電性材料又はその合金等の単層構造又は多層構造からなり、例えば、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン(W)、Ta(タンタル)、Nb(ニオブ)、Ni(ニッケル)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、又はモリブデンタングステン(MoW)等を用いることができる。ゲート電極2は、基板1上にこれらの材料からなるゲート金属膜を形成し、これを所定形状にパターニングすることで形成される。ゲート電極2の膜厚は、好ましくは30nm以上300nm以下であり、より好ましくは、50nm以上100nm以下である。これは、ゲート電極2の膜厚が薄いと、ゲート電極2の透過率が増加してしまい、レーザー光の反射が低下しやすくなるからである。一方、ゲート電極2の膜厚が厚いとゲート絶縁膜3のカバレッジが低下してしまい、特にはゲート電極2の端部でゲート絶縁膜3が段切れしてしまう等、薄膜トランジスタの特性が劣化しやすくなるからである。
The
ゲート絶縁膜3は、ゲート電極2の上に形成された第1絶縁膜であり、基板1上のゲート電極2を覆うように基板1及びゲート電極2の上に形成される。ゲート絶縁膜3は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコン酸窒化膜、酸化アルミニウム(AlOz)、酸化タンタル(TaOw)又はその積層膜等を用いて形成することができる。The
本実施の形態では、チャネル層4として結晶質シリコン薄膜を用いているので、ゲート絶縁膜3としては酸化シリコンを用いることが好ましい。これは、TFTにおける良好な閾値電圧特性を維持するためにはチャネル層4とゲート絶縁膜3との界面状態を良好なものにすることが好ましく、これには酸化シリコンが適しているからである。
In this embodiment, since a crystalline silicon thin film is used as the
チャネル層4は、ゲート絶縁膜3上に形成される結晶質の半導体薄膜を含み、ゲート電極2の電圧によってキャリアの移動が制御される領域であるチャネル領域を有する。本実施の形態において、チャネル層4の少なくともチャネル領域は、多結晶質シリコン薄膜からなる結晶質シリコン薄膜であり、前駆体としての非結晶質シリコン薄膜(アモルファスシリコン膜)における非晶質のシリコンの少なくとも一部をレーザー照射することにより多結晶質化(微結晶化も含む)することで形成された結晶化領域である。なお、チャネル層4は、非結晶性シリコンと結晶性シリコンとの混晶構造を有する結晶質シリコン薄膜とすることもできる。また、チャネル層4に含まれる結晶の平均粒径は例えば10nm以上1μm以下である。
The
本実施の形態において、チャネル層4の結晶化は、チャネル保護膜5の膜改質工程と同時に行われ、チャネル保護膜5の前駆体である有機膜5aの上方からレーザー光を走査することにより、非結晶質シリコン薄膜における有機膜5aが形成されていない領域と有機膜5aが形成されている領域とに対してレーザー光が照射される。これにより、有機膜5aの下方の領域も含めて非結晶質シリコン薄膜が結晶化して結晶質シリコン薄膜となる。
In the present embodiment, the crystallization of the
チャネル保護膜5は、チャネル層4の上に形成される第2絶縁膜であり、チャネル層4のチャネル領域を保護する保護膜である。すなわち、チャネル保護膜5は、一対のコンタクト層6を形成するときのエッチング処理時において、チャネル層4がエッチングされてしまうことを防止するためのチャネルエッチングストッパ(CES)層として機能する。なお、チャネル保護膜5は、絶縁性を有するので、一対のコンタクト層6同士は電気的に接続されていない。
The channel
また、チャネル保護膜5は、チャネル層4上に塗布した有機膜に対してレーザー光を照射することにより形成される。このチャネル保護膜5は、前駆体(レーザー光照射前のチャネル保護膜5)である不透明の有機膜がレーザー照射によって透明化された透明化膜であり、チャネル保護膜5のレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射後においてレーザー光の照射前よりも高くなっている。すなわち、レーザー光照射後のチャネル保護膜5の透過率は、レーザー照射前のチャネル保護膜5の透過率よりも高くなっている。
The channel
また、チャネル保護膜5において、有機膜(前駆体)のレーザー光に対する透過率は37%未満である。すなわち、チャネル保護膜5のレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射前で37%未満である。このとき、レーザー光の照射前において、チャネル保護膜5の吸収係数とチャネル保護膜5の膜厚との積が1より大きくなっている。
In the channel
一方、この有機膜(前駆体)はレーザー光の照射により透明化し、レーザー光に対する透過率が37%以上となる。すなわち、チャネル保護膜5のレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射後で37%以上となる。このとき、レーザー光の照射後において、チャネル保護膜5の吸収係数とチャネル保護膜5の膜厚との積が1以下となっている。
On the other hand, the organic film (precursor) is made transparent by irradiation with laser light, and the transmittance with respect to the laser light becomes 37% or more. That is, the transmittance of the channel
なお、チャネル保護膜5の透過率は、有機膜の膜厚及び有機膜の吸収係数によって決定される。また、有機膜の吸収係数は、レーザー光の波長及び有機膜の加熱温度によって決定される。詳細については後述する。
The transmittance of the channel
さらに、有機膜(前駆体)は、レーザー光の照射によって、酸化シリコン成分や窒化シリコン成分等の無機成分を主成分とする無機化膜に改質される。すなわち、チャネル保護膜5は、レーザー光が照射されることによって前駆体である有機膜が透明化した透明化膜であるとともに無機化した無機化膜である。
Furthermore, the organic film (precursor) is modified into an inorganic film containing an inorganic component such as a silicon oxide component or a silicon nitride component as a main component by irradiation with laser light. That is, the channel
ここで、チャネル保護膜5の前駆体である有機膜は、シリコン、酸素及びカーボンを含む有機材料を主として含有する有機材料からなり、例えば、感光性塗布型の有機材料をパターニング及び固化することによって形成することができる。
Here, the organic film which is a precursor of the channel
この有機膜(前駆体)を形成するための有機材料は、例えば、有機樹脂材料、界面活性剤、溶媒及び感光剤からなる。有機樹脂材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト及びベンゾシクロブテン等の中から選ばれる1種又は複数種からなる感光性又は非感光性の有機樹脂材料を用いることができる。界面活性剤としては、シロキサン等のシリコン化合物からなる界面活性剤を用いることができる。溶媒としては、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート又は1,4−ジオキサン等の有機溶媒を用いることができる。また、感光剤としては、ナフトキノンジアジト等のポジ型感光剤を用いることができる。なお、感光剤には、炭素及び硫黄が含まれている。 The organic material for forming this organic film (precursor) is composed of, for example, an organic resin material, a surfactant, a solvent, and a photosensitizer. As the organic resin material, a photosensitive or non-photosensitive organic resin material composed of one or more kinds selected from polyimide, acrylic, polyamide, polyimide amide, resist, benzocyclobutene, and the like can be used. As the surfactant, a surfactant made of a silicon compound such as siloxane can be used. As the solvent, an organic solvent such as propylene glycol monomethyl ether acetate or 1,4-dioxane can be used. As the photosensitizer, a positive photosensitizer such as naphthoquinone diazite can be used. Note that the photosensitizer contains carbon and sulfur.
一対のコンタクト層6は、不純物を高濃度に含む非晶質半導体層、又は不純物を高濃度に含む多結晶半導体層からなり、その一部がチャネル層4の上方にチャネル保護膜5を介して形成され、他部がチャネル層4の上に接して形成される。また、一対のコンタクト層6は、チャネル保護膜5上において所定の間隔をあけて対向配置されている。
The pair of
一対のコンタクト層6のそれぞれは、チャネル保護膜5の上面端部からチャネル層4の上面までを跨るようにして形成されており、チャネル保護膜5の上面と側面、及び、チャネル層4の上面を覆うように形成されている。より具体的には、2つのコンタクト層6は、チャネル層4の両端部の上方に設けられており、チャネル保護膜5の端部の上面及び側面、チャネル保護膜5の側面につらなるチャネル層4の上面上に形成されている。
Each of the pair of
一対のコンタクト層6は、例えば、アモルファスシリコンに不純物としてリン(P)をドーピングしたn型半導体層であって、1×1019(atm/cm3)以上の高濃度の不純物を含むn+層である。各コンタクト層6の膜厚は、例えば5nm〜100nmとすることができる。The pair of
一対のソース電極7S及びドレイン電極7Dは、それぞれチャネル層4のチャネル領域(結晶化領域)の上方にチャネル保護膜5を介して同層に形成されており、本実施の形態では、一対のコンタクト層6上に所定の間隔をあけて対向配置される。すなわち、ソース電極7Sは、コンタクト層6を介してチャネル層4の一方の端部の上方に形成されており、また、ドレイン電極7Dは、コンタクト層6を介してチャネル層4の他方の端部の上方に形成されている。
The pair of
ソース電極7S及びドレイン電極7Dは、それぞれ導電性材料又はこれらの合金等からなる単層構造又は多層構造とすることができ、例えば、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銀(Ag)、銅(Cu)、チタン(Ti)又はクロム(Cr)等の材料により構成される。また、ソース電極7S及びドレイン電極7Dは、MoW/Al/MoWの三層構造とすることもできる。なお、ソース電極7S及びドレイン電極7Dの膜厚は、例えば、100nm〜500nm程度とすることができる。
The
次に、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置10の製造方法について、図2を用いて説明する。図2は、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法における各工程の構成を模式的に示した断面図である。
Next, a method for manufacturing the thin
本実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板1を準備する第1工程と、基板1上にゲート電極2を形成する第2工程と、ゲート電極2上に第1絶縁膜としてゲート絶縁膜3を形成する第3工程と、ゲート絶縁膜3上にチャネル層4となる半導体薄膜を形成する第4工程と、チャネル層4上に第2絶縁膜としてチャネル保護膜5を形成する第5工程と、チャネル保護膜5にレーザー光を照射することにより、チャネル保護膜5の透過率を高くする第6工程と、チャネル層4の上方にソース電極7S及びドレイン電極7Dを形成する第7工程と、を含む。
The manufacturing method of the thin film semiconductor device according to the present embodiment includes a first step of preparing the
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法における各工程について、図面を用いて詳細に説明する。 Hereafter, each process in the manufacturing method of the thin film semiconductor device which concerns on this Embodiment is demonstrated in detail using drawing.
まず、図2の(a)に示すように、基板1としてガラス基板を準備する。なお、ゲート電極2を形成する前に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)等によって基板1の表面に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、及びシリコン酸窒化膜等からなるアンダーコート層を形成してもよい。アンダーコート層は、1.5<y<2.0のシリコン酸化膜(SiOy)で、300nm以上1500nm以下の膜厚で構成されるのが好ましい。より好ましいアンダーコート層の膜厚範囲は、500nm以上1000nm以下である。これは、アンダーコート層の厚みを厚くすると基板1への熱負荷を低減できるが、厚すぎると膜剥がれやクラックが発生してしまうことによる。なお、基板1を準備する工程には、アンダーコート層を形成する工程の他に、基板1を洗浄する工程も含まれる。First, as shown in FIG. 2A, a glass substrate is prepared as the
次に、図2の(b)に示すように、基板1上に所定形状のゲート電極2を形成する。例えば、基板1上にMo又はMoWを含む高融点金属あるいは当該高融点金属の合金からなるゲート金属膜をゲート電極2としてスパッタによって成膜し、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法を用いてゲート金属膜をパターニングすることにより、所定形状のゲート電極2を形成することができる。MoWのウェットエッチングは、例えば、リン酸(HPO4)、硝酸(HNO3)、酢酸(CH3COOH)及び水を所定の配合で混合した薬液を用いて行うことができる。なお、基板1の表面にアンダーコート層が形成されている場合には、アンダーコート層上にゲート電極2を形成する。Next, as shown in FIG. 2B, a
次に、図2の(c)に示すように、ゲート電極2を覆って基板1及びゲート電極2の上にゲート絶縁膜3を形成する。例えば、プラズマCVD法により、ゲート絶縁膜3として酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜あるいはこれらの積層膜をゲート電極2の上に成膜する。
Next, as shown in FIG. 2C, a
次に、図2の(d)に示すように、ゲート絶縁膜3上に、チャネル層4となる非結晶質の半導体薄膜4aを形成する。例えば、ゲート絶縁膜3上に、非結晶質の半導体薄膜4aとして、アモルファスシリコンからなる非結晶質シリコン薄膜をプラズマCVD等によって成膜する。この非結晶質シリコン薄膜は、例えば、シランガス(SiH4)と水素ガス(H2)とを所定の濃度比で導入することで成膜することができる。なお、非結晶質シリコン薄膜は、プラズマCVDによってゲート絶縁膜3の成膜と連続的に成膜することができる。Next, as shown in FIG. 2D, an amorphous semiconductor thin film 4 a that becomes the
次に、図2の(e)に示すように、非結晶質の半導体薄膜4aの上に、チャネル保護膜5の前駆体として、有機材料からなる有機膜5aを所定の塗布方法によって形成する。例えば、所定の有機材料を非結晶質の半導体薄膜4a上に塗布及びスピンコートすることによって有機膜5aを非結晶質の半導体薄膜4aの全面に形成する。なお、有機膜5aの所定の有機材料としては、シリコン、酸素及びカーボンを含む上述の感光性塗布型の有機材料を用いることができる。また、有機膜5aは、次工程で照射されるレーザー光に対する透過率が37%未満となるように形成されることが好ましい。なお、その後、有機膜5aに対してプリベークを行って有機膜5aの仮焼成を行う。例えば、約110℃の温度で約60秒間の加熱を行う。これにより、有機膜5aに含まれる溶剤が気化する。
Next, as shown in FIG. 2E, an
次に、図2の(f)に示すように、フォトマスクを用いて露光及び現像することにより、有機膜5aを所定形状にパターニングする。なお、現像液としては、例えば、TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxyde)の2.38%水溶液を用いることができる。その後、パターン形成された有機膜5aに対してポストベークを行うことにより、有機膜5aの本焼成を行う。例えば、280℃〜300℃の温度で約1時間の加熱を行う。これにより、有機膜5a中の有機成分の一部が気化、分解して、膜質が改善される。
Next, as shown in FIG. 2F, the
次に、図2の(g)に示すように、有機膜5aの上方から所定のレーザー光を基板1に対して一定の方向に相対的に走査することにより、露出する非結晶質の半導体薄膜4aと有機膜5aとにレーザー光を照射する。
Next, as shown in FIG. 2G, an amorphous semiconductor thin film exposed by scanning a predetermined laser beam relative to the
このとき、レーザー光が照射された有機膜5aは透過率が高くなって透明化する。この場合、レーザー光は、レーザー光の照射後における有機膜5aの透過率が37%以上となるような条件にて行うことが好ましい。この有機膜5aの透明化は、有機膜5aにレーザー光が吸収されて光反応、あるいは熱反応が起こることによって生じる。
At this time, the
さらに、本実施の形態では、有機膜5aが透明化することによってレーザー光が有機膜5aを透過するようになる。これにより、有機膜5aが形成された非結晶質の半導体薄膜4aの領域にもレーザー光が照射される。従って、有機膜5aが形成されていない領域だけではなく有機膜5aが形成された領域にもレーザー光が照射されるので、レーザー光が照射された非結晶質の半導体薄膜4aの全体を結晶化することが可能となる。つまり、有機膜5aの下方に位置する非結晶質の半導体薄膜4aも結晶化する。この工程により、非結晶質の半導体薄膜4aが結晶化して、多結晶質(微結晶を含む)の結晶化領域を含むチャネル層4とすることができる。このように、有機膜5aの上方からレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜4aを結晶化させて結晶化領域を形成する。
Further, in the present embodiment, the
非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化は、非結晶質の半導体薄膜4aがレーザー光のエネルギーを吸収して温度上昇することによって発現する。本実施の形態では、非結晶質の半導体薄膜4aとしてアモルファスシリコン膜を用いているので、アモルファスシリコンが1414度(シリコンの融点)以上の温度にまで上昇して多結晶化する場合だけではなく、アモルファスシリコンが750度〜1414度程度の温度により固相成長又は過冷却液体状態を経て微結晶化する場合も含まれる。この場合、チャネル層4における結晶シリコンの平均結晶粒径は、5nm〜1000nm程度であり、チャネル層4には、平均結晶粒径が100nm以上の多結晶シリコンだけではなく、平均結晶粒径が5nm〜100nmのマイクロクリスタル(μc)と呼ばれる微結晶シリコンも含まれる場合もある。
Crystallization of the amorphous semiconductor thin film 4a is manifested when the amorphous semiconductor thin film 4a absorbs laser light energy and rises in temperature. In the present embodiment, since an amorphous silicon film is used as the amorphous semiconductor thin film 4a, not only the case where amorphous silicon rises to a temperature of 1414 ° C. (melting point of silicon) or more and becomes polycrystalline, The case where the amorphous silicon is microcrystallized through a solid phase growth or a supercooled liquid state at a temperature of about 750 to 1414 degrees is also included. In this case, the average crystal grain size of crystalline silicon in the
このように、本実施の形態では、基板1に対してレーザー光を相対走査することによってレーザー光の照射を行うことにより、有機膜5aの透明化と非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化とが同時に行われる。
As described above, in the present embodiment, the
さらに、本実施の形態では、有機膜5aにレーザー光が照射されることによって、当該有機膜5aが無機化する。有機膜5aの無機化は、有機膜5aにレーザー光が吸収されることによる有機膜5a自身による熱反応、及び、非結晶質の半導体薄膜4aが結晶化する際における非結晶質の半導体薄膜4aの生成熱によって生じる。このとき、有機膜5aの温度は、600度以上となることが好ましい。なお、有機膜5aの無機化の詳細については、後述する。
Further, in the present embodiment, the
本工程におけるレーザー光は、後述するように、有機膜5aの無機化及び非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化を考慮して決定する。例えば、レーザー光のレーザー光源としては、紫外線領域、可視光領域、又は赤外線領域の波長の光を発する光源を用いることができ、これらの光源を、図2の(g)に示す有機膜の透明化の工程と半導体薄膜の結晶化の工程とに応じて使い分けることができる。本実施の形態では、紫外線領域の波長の光を発するレーザーを用いることができる。例えば、有機膜の吸収係数が不透明領域から透明領域に急峻に変化する発光波長が約190nm以上350nm以下であるエキシマレーザーを用いることができる。
The laser light in this step is determined in consideration of the inorganicization of the
なお、線状に集光されたレーザー光を非結晶質の半導体薄膜4a及び有機膜5aに照射するが、この照射の方法には例えば2つある。1つは、線状に集光されたレーザー光の照射位置を固定し、非結晶質の半導体薄膜4a及び有機膜5aが形成された基板1が載せられたステージを移動させる方法である。もう1つは、逆に、ステージ(基板1)を固定し、レーザー光の照射位置を移動させる方法である。いずれの方法においても、レーザー光は、非結晶質の半導体薄膜4a及び有機膜5aに対して相対的に移動しながら照射される。
In addition, although the amorphous semiconductor thin film 4a and the
次に、図2の(h)に示すように、チャネル保護膜5の上面からチャネル層4の上面までを跨るようにして、コンタクト層6を形成する。具体的には、チャネル保護膜5の上面及び側面上と、チャネル層4の上面上とを覆うようにして、例えばプラズマCVDによってリン等の5価元素の不純物をドープしたアモルファスシリコンからなるコンタクト層6を成膜する。
Next, as shown in FIG. 2H, the
次に、図2の(i)に示すように、コンタクト層6を覆うようにして、ソース電極7S及びドレイン電極7Dとなるソースドレイン金属膜7を形成する。例えば、スパッタによって、MoW/Al/MoWの三層構造のソースドレイン金属膜7を成膜する。
Next, as shown in FIG. 2I, the source / drain metal film 7 to be the
その後、図示しないが、所定形状のソース電極7S及びドレイン電極7Dをパターン形成するために、ソースドレイン金属膜7上にレジスト材料を塗布し、露光及び現像を行って、所定形状にパターニングされたレジストを形成する。
Thereafter, although not shown, in order to pattern the
次に、このレジストをマスクとしてエッチングを施してソースドレイン金属膜7をパターニングすることにより、図2の(j)に示すように、所定形状のソース電極7S及びドレイン電極7Dを形成する。このとき、コンタクト層6がエッチングストッパとして機能する。その後、ソース電極7S及びドレイン電極7D上のレジストを除去し、ソース電極7S及びドレイン電極7Dをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、コンタクト層6をパターニングするとともにチャネル層4を島状にパターニングする。これにより、所定形状の一対のコンタクト層6と島状のチャネル層4とを形成することができる。ドライエッチングの条件としては、例えば、塩素系ガスを用いることができる。
Next, etching is performed using this resist as a mask to pattern the source / drain metal film 7, thereby forming a
以上のようにして、本実施の形態に係る薄膜半導体装置10を製造することができる。
As described above, the thin
次に、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の特性について、発明に至った経緯も含めて、図3A〜図14を用いて説明する。 Next, the characteristics of the thin film semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 14 including the background to the invention.
まず、図3A、図3B及び図4を用いて、従来の薄膜半導体装置100の課題について説明する。図3A及び図3Bは、従来の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。また、図4は、従来の薄膜半導体装置の電流電圧特性を示す図である。
First, the problem of the conventional thin
図3A及び図3Bに示す従来の薄膜半導体装置100と図1に示す本実施の形態に係る薄膜半導体装置10とは、チャネル保護膜の構成が異なっており、従来の薄膜半導体装置100のチャネル保護膜105は有機材料で構成されているが、レーザー照射されておらず、透明化及び無機化されていない。
The conventional thin
このような構成の従来の薄膜半導体装置100では、図3Aに示すように、有機材料からなるチャネル保護膜105には正の固定電荷が多く含まれる。このため、固定電荷によってチャネル保護膜105の下のチャネル層4(チャネル保護膜5とチャネル層4との界面近傍)に微弱な電圧(Vf)が印加される状態となる。この場合、固定電荷による電圧(Vf)が、チャネル層4におけるバックチャネルの閾値電圧(Vbc)以上になってしまうと、寄生トランジスタが動作してバックチャネルが形成される。その結果、リーク電流が増大し、図4に示すように、薄膜半導体装置のオフ特性が悪化する。
In the conventional thin
また、有機材料からなるチャネル保護膜105に含まれる不純物等によってチャネル保護膜105にはトラップ準位が多数存在し、このトラップ準位によりキャリアがトラップされやすくなっている。このトラップ準位によってキャリアがトラップされるので、図4に示すように、薄膜半導体装置100の閾値電圧がシフトし、薄膜半導体装置の信頼性が悪化したり、電気特性にバラツキが生じて基板面内均一性が悪化したりする。
Further, the channel
このように、有機材料のチャネル保護膜を有する薄膜半導体装置は、オフ特性及び信頼性が悪いという問題がある。 As described above, a thin film semiconductor device having a channel protective film of an organic material has a problem that off characteristics and reliability are poor.
そこで、本願発明者は、以下の実験を行って鋭意検討した結果、有機膜からなるチャネル保護膜を無機化することによって、すなわち有機膜のストイキオメトリーを無機膜のストイキオメトリーに近づけるように膜改質することによって、上記課題を解決できることを見出した。以下、詳細に説明する。 Therefore, the inventors of the present application conducted the following experiments and made extensive studies. As a result, the channel protective film made of an organic film is made inorganic, that is, the stoichiometry of the organic film is made closer to the stoichiometry of the inorganic film. It has been found that the above problems can be solved by modifying the membrane. Details will be described below.
まず、無機材料からなる無機膜としては、酸化シリコン膜がある。そこで、まず、酸化シリコン膜の化学構造を調べるために、シリコン基板上に100nm程度の酸化シリコン膜を形成してIRスペクトルを測定した。図5は、酸化シリコン膜のIRスペクトルを示す図である。 First, an inorganic film made of an inorganic material is a silicon oxide film. Therefore, first, in order to investigate the chemical structure of the silicon oxide film, a silicon oxide film of about 100 nm was formed on the silicon substrate, and the IR spectrum was measured. FIG. 5 is a diagram showing an IR spectrum of the silicon oxide film.
測定の結果、図5に示すように、酸化シリコン膜には、Si−O−Siの振動として3つのピークが見られることが分かった。具体的には、480cm−1(A)におけるSi−O−Si(横揺れ振動)と、780cm−1(B)におけるSi−O−Si(変角振動)と、1080cm−1(C)におけるSi−O−Si(伸縮振動)とを確認することができる。As a result of the measurement, as shown in FIG. 5, it was found that the silicon oxide film has three peaks as Si—O—Si vibration. Specifically, Si—O—Si (rolling vibration) at 480 cm −1 (A), Si—O—Si (bending vibration) at 780 cm −1 (B), and 1080 cm −1 (C). Si-O-Si (stretching vibration) can be confirmed.
次に、有機膜の化学構造を調べるために、シリコン基板上に100nm程度の有機材料からなる有機膜を形成してIRスペクトルを測定した。また、有機膜は熱処理によって固化させるが、有機膜のIRスペクトルの温度依存性についても調べた。図6は、有機膜のIRスペクトルを示す図である。なお、有機膜は、上述の本実施の形態におけるチャネル保護膜5の有機材料を用いた。また、有機膜は、20分間のベークを行ったものである。
Next, in order to investigate the chemical structure of the organic film, an organic film made of an organic material of about 100 nm was formed on a silicon substrate, and an IR spectrum was measured. Moreover, although the organic film was solidified by heat treatment, the temperature dependence of the IR spectrum of the organic film was also examined. FIG. 6 is a diagram showing an IR spectrum of the organic film. In addition, the organic material used the organic material of the channel
測定の結果、図6に示すように、有機膜には、A〜Iの9個のピークが見られることが分かった。具体的には、480cm−1(A)におけるSi−O−Si(横揺れ)と、700cm−1(B)におけるC−H(変角(芳香族))と、780cm−1(C)におけるSi−O−Si(変角)と、1080cm−1(D)におけるSi−O−Si(伸縮)と、1130cm−1(E)におけるSi−phenylと、1280cm−1(F)におけるSi−CH3(変角)と、1430cm−1(G)におけるSi−phenylと、1500cm−1(H)におけるC−C(伸縮(芳香族))と、1580cm−1(I)におけるC−C(伸縮(芳香族))とを確認することができる。As a result of the measurement, as shown in FIG. 6, it was found that nine peaks A to I were observed in the organic film. Specifically, Si—O—Si (rolling) at 480 cm −1 (A), C—H (variable angle (aromatic)) at 700 cm −1 (B), and 780 cm −1 (C). Si—O—Si (variable angle), Si—O—Si (stretching) at 1080 cm −1 (D), Si-phenyl at 1130 cm −1 (E), and Si—CH at 1280 cm −1 (F) 3 (inclination), Si-phenyl at 1430 cm −1 (G), CC (stretching (aromatic)) at 1500 cm −1 (H), and CC (stretching) at 1580 cm −1 (I) (Aromatic)).
また、ベーク温度を300度〜600度の温度範囲で変化させて測定しているが、図6に示すように、ベーク温度の上昇とともに、Si−O−Si結合が増加するとともに、Si−OH、Si−phenyl結合が減少していることが確認できる。 Further, although the bake temperature is measured by changing in the temperature range of 300 to 600 degrees, as shown in FIG. 6, as the bake temperature rises, Si—O—Si bonds increase and Si—OH increases. It can be confirmed that the Si-phenyl bond is reduced.
図5及び図6に示す結果に基づいて、本願発明者は、有機膜を加熱することによって有機膜のストイキオメトリーを無機膜のストイキオメトリーに近づけることができ得るという知見を得ることができた。 Based on the results shown in FIG. 5 and FIG. 6, the inventor of the present application can obtain the knowledge that the stoichiometry of the organic film can be brought close to the stoichiometry of the inorganic film by heating the organic film. It was.
しかしながら、図6に示すように、600度の熱処理後においても、相当な量の有機成分が残っていることが分かる。そこで、有機膜に対して600度以上の熱処理を施すことにより、有機膜をさらに無機化することができると考えられるが、ベーク温度を600度以上にするとガラス基板が溶融してしまうので、ベーク温度を600度以上にすることは難しい。また、ベーク温度を600度以上にすると、上限が400度程度である低温プロセスを用いて薄膜トランジスタを製造することができなくなる。なお、通常、有機膜のチャネル保護膜のベーク温度は最大でも400度程度で十分であることからも、ベーク温度を600度以上にすることは好ましくない。このように、ベークは、基板全体が高温に曝されてしまうので、ベーク温度を上昇させるには限界がある。
However, as shown in FIG. 6, it can be seen that a considerable amount of organic components remain even after heat treatment at 600 degrees. Therefore, it is considered that the organic film can be made more inorganic by performing a heat treatment of 600 ° C. or more on the organic film. However, if the baking temperature is set to 600 ° C. or higher, the glass substrate is melted. It is difficult to make the
そこで、本願発明者は、有機膜に対してレーザー光を照射することによって有機膜を600度以上の高温にすることを考えた。レーザー光であれば、レーザー光の照射部分を局所的に高温にすることができるので、ガラス基板を溶融させることなく、また、低温プロセスを用いて薄膜トランジスタを製造することも可能となる。 Therefore, the inventor of the present application has considered that the organic film is heated to 600 ° C. or higher by irradiating the organic film with laser light. In the case of laser light, the irradiated portion of the laser light can be locally heated to a high temperature, so that the thin film transistor can be manufactured without melting the glass substrate and using a low temperature process.
図7は、有機膜のIRスペクトルを示す図であり、有機膜を300度〜1100度の温度範囲で5分間の熱処理を行った後、IR測定した結果を示している。なお、図7における有機膜は、シロキサンを主骨格に含む有機材料(材料A)によって構成されている。 FIG. 7 is a diagram showing the IR spectrum of the organic film, and shows the result of IR measurement after the organic film was heat-treated for 5 minutes in the temperature range of 300 to 1100 degrees. Note that the organic film in FIG. 7 is composed of an organic material (material A) containing siloxane in the main skeleton.
図7に示すように、温度の増加に伴って、1280cm−1でピークが見られるSi−CH3(変角)等の有機物に起因する振動モードが消失し、1080cm−1でピークが見られるSi−O−Si(伸縮)が増加してSiOの結合が増加していることが分かる。特に、500度と600度との間においてスペクトルが急に変化していることが分かる。図8Aの(a)及び図8Bの(a)は、それぞれ図7の(c)及び(d)を拡大したものである。図8Aの(b)及び図8Bの(b)は、それぞれ図8Aの(a)及び図8Aの(a)における破線で囲まれる領域を拡大した図である。7, with an increase in temperature, vibration mode disappears due to organic substances such as Si-CH 3 peak is observed (deformation) in 1280 cm -1, a peak is observed at 1080 cm -1 It can be seen that Si—O—Si (stretching) increases and SiO bonding increases. In particular, it can be seen that the spectrum suddenly changes between 500 degrees and 600 degrees. (A) of FIG. 8A and (a) of FIG. 8B are enlarged views of (c) and (d) of FIG. 7, respectively. FIG. 8A (b) and FIG. 8B (b) are enlarged views of regions surrounded by broken lines in FIG. 8A (a) and FIG. 8A (a), respectively.
図8A及び図8Bに示すように、500度と600度との間において吸収係数が急に大きくなるとともに半値幅が急に小さくなることも分かる。従って、本実施の形態では、有機膜のIRスペクトルが急に変化する500度と600度とにおける1080cm−1に存在するピークの半値幅が(60cm−1+170cm−1)/2=115cm−1以下となる場合を無機化と定義する。As shown in FIGS. 8A and 8B, it can also be seen that the absorption coefficient suddenly increases and the half-value width suddenly decreases between 500 degrees and 600 degrees. Thus, in this embodiment, the half width of the peaks present in 1080 cm -1 in the 500 ° and 600 ° IR spectrum of the organic film varies suddenly (60cm -1 + 170cm -1) / 2 = 115cm -1 The following cases are defined as mineralization.
次に、上記有機材料(材料A)によって形成された有機膜におけるレーザー光に対する光学特性について、図9A、図9B、図10A及び図10Bを用いて説明する。図9A及び図9Bは、材料Aの有機膜を熱処理したときにおける、有機膜の屈折率の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の屈折率との関係を示した図である。また、図10A及び図10Bは、材料Aの有機膜を熱処理したときにおける、有機膜の消衰係数に関する波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の消衰係数との関係を示した図である。なお、図9Bは、図9Aと横軸のパラメータが異なるのみで、図9Aと同じ特性を示している。図10Bも同様に図10Aと同じ特性を示している。 Next, optical characteristics of the organic film formed of the organic material (material A) with respect to laser light will be described with reference to FIGS. 9A, 9B, 10A, and 10B. 9A and 9B show the wavelength dependency of the refractive index of the organic film and the dependency of the heat treatment temperature when the organic film of the material A is heat-treated. The wavelength of the irradiated laser light, the organic film It is the figure which showed the relationship between the heat processing temperature of and the refractive index of an organic film. 10A and 10B show the wavelength dependency of the extinction coefficient of the organic film and the dependency of the heat treatment temperature when the organic film of the material A is heat-treated. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature of the organic film and the extinction coefficient of the organic film. FIG. 9B shows the same characteristics as FIG. 9A, except that the parameters on the horizontal axis are different from those in FIG. 9A. FIG. 10B also shows the same characteristics as FIG. 10A.
まず、図9A及び図9Bに示すように、有機膜の加熱温度が上昇するに従って、屈折率が小さくなり、酸化シリコンの屈折率(n=1.4)に近づくことが分かる。すなわち、屈折率の観点から、レーザー光によって有機膜を加熱することによって有機膜を酸化シリコン膜に近づけることができる、ということが分かる。 First, as shown in FIGS. 9A and 9B, it can be seen that as the heating temperature of the organic film increases, the refractive index decreases and approaches the refractive index of silicon oxide (n = 1.4). That is, it can be seen from the viewpoint of refractive index that the organic film can be brought closer to the silicon oxide film by heating the organic film with laser light.
また、図10A及び図10Bに示すように、有機膜の加熱温度が上昇するに従って、消衰係数が小さくなることが分かる。すなわち、レーザー光によって有機膜を加熱することによって、有機膜を透明化することができる。なお、図10A及び図10Bにおいて、約800度〜約900度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、これは測定装置の検出限界を超えたためである。この範囲では、消衰係数の値は小さく、1×10−7cm−1以下となっている。なお、測定装置は、分光エリプソメーターを用いた。Further, as shown in FIGS. 10A and 10B, it can be seen that the extinction coefficient decreases as the heating temperature of the organic film increases. That is, the organic film can be made transparent by heating the organic film with laser light. In FIGS. 10A and 10B, data is not plotted for a temperature range from about 800 degrees to about 900 degrees, because this exceeds the detection limit of the measuring apparatus. In this range, the extinction coefficient is small and is not more than 1 × 10 −7 cm −1 . A spectroscopic ellipsometer was used as the measuring device.
また、吸収係数αは、入射する波長をλ、消衰係数をkとすると、α=4πk/λとして表すことができるので、図10A及び図10Bに示す消衰係数の特性は吸収係数の特性としても表すことができ、図11A及び図11Bに示す結果となる。図11A及び図11Bは、材料Aの有機膜に熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の吸収係数との関係を示す図である。なお、図11Bは、図11Aと横軸のパラメータが異なるのみで、図11Aと同じ特性を示している。 The absorption coefficient α can be expressed as α = 4πk / λ where λ is the incident wavelength and k is the extinction coefficient. Therefore, the extinction coefficient characteristic shown in FIGS. 10A and 10B is the characteristic of the absorption coefficient. As shown in FIGS. 11A and 11B. FIG. 11A and FIG. 11B show the wavelength dependency of the absorption coefficient of the organic film and the dependency of the heat treatment temperature when the organic film of the material A is heat-treated. It is a figure which shows the relationship between the heat processing temperature of and the absorption coefficient of an organic film. Note that FIG. 11B shows the same characteristics as FIG. 11A except that the parameters on the horizontal axis are different from those in FIG. 11A.
図11A及び図11Bに示すように、有機膜(材料A)の吸収係数は、500度までは一定あるいは微増しているが、500度から600度になると1桁以上小さくなることが分かる。また、600度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。なお、図11A及び図11Bにおいて、約800度〜約900度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、図10Bと同様に、実際には限りなく小さい値の吸収係数であり、吸収係数は1×10−1cm−1以下となっている。As shown in FIGS. 11A and 11B, the absorption coefficient of the organic film (material A) is constant or slightly increased up to 500 degrees, but it can be seen that it decreases by an order of magnitude or more from 500 degrees to 600 degrees. Moreover, it turns out that an absorption coefficient becomes still smaller when it exceeds 600 degree | times and becomes still higher temperature. In FIGS. 11A and 11B, data is not plotted for a temperature range from about 800 ° C. to about 900 ° C., but as in FIG. The coefficient is 1 × 10 −1 cm −1 or less.
以上のように、有機膜は、レーザー光の照射によって温度が上昇し、これにより、吸収係数が小さくなって透明化するということが分かる。また、有機膜の温度が上昇することによって、有機物に起因する振動モードが消失するとともにSiOの結合が増加し、これにより、無機化することが分かる。 As described above, it can be understood that the temperature of the organic film is increased by the irradiation of the laser beam, and thereby the absorption coefficient is reduced and the organic film becomes transparent. Further, it can be seen that when the temperature of the organic film rises, the vibration mode caused by the organic matter disappears and the bonding of SiO increases, thereby making it inorganic.
次に、有機膜の材料を変えて、図11A及び図11Bと同様にして有機膜における吸収係数の波長及び温度の依存性を測定した結果について説明する。図12A及び図12Bは、材料Bによって形成された有機膜を熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものである。また、図13A及び図13Bは、材料Cによって形成された有機膜を熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものである。なお、図12B及び図13Bは、それぞれ、図12A及び図13Aに対して横軸のパラメータが異なるのみで、図12A及び図12Bと同じ特性を示している。 Next, the result of measuring the wavelength and temperature dependence of the absorption coefficient in the organic film in the same manner as in FIGS. 11A and 11B by changing the material of the organic film will be described. 12A and 12B show the wavelength dependency of the absorption coefficient of the organic film and the dependency of the heat treatment temperature when the organic film formed of the material B is heat treated. 13A and 13B show the wavelength dependency of the absorption coefficient of the organic film and the dependency of the heat treatment temperature when the organic film formed of the material C is heat treated. Note that FIGS. 12B and 13B show the same characteristics as FIGS. 12A and 12B, respectively, except that the parameters on the horizontal axis differ from FIGS. 12A and 13A.
ここで、材料Bは、材料Aと同様に、シロキサンを主骨格に含む有機材料である。また、材料Cは、シルセスシオキサンを主骨格に含む有機材料である。なお、材料B及び材料Cのその他の構成は材料Aと同様である。 Here, like the material A, the material B is an organic material containing siloxane in the main skeleton. Material C is an organic material containing silsesquioxane in the main skeleton. The other configurations of the material B and the material C are the same as the material A.
図12A及び図12Bに示すように、有機膜(材料B)の吸収係数は、有機膜(材料A)と同様に、500度までは一定あるいは微増しているが、500度から600度になると1桁以上小さくなることが分かる。また、600度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。 As shown in FIGS. 12A and 12B, the absorption coefficient of the organic film (material B) is constant or slightly increased up to 500 degrees as in the case of the organic film (material A), but when it becomes 500 degrees to 600 degrees. It can be seen that it is one digit smaller. Moreover, it turns out that an absorption coefficient becomes still smaller when it exceeds 600 degree | times and becomes still higher temperature.
また、図13A及び図13Bに示すように、有機膜(材料C)の吸収係数は、有機膜(材料A)と同様に、500度までは一定あるいは微増しているが、500度から600度になると1桁以上小さくなることが分かる。また、600度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。なお、図13A及び図13Bにおいて、約700度〜約900度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、図11Bと同様に、実際には限りなく小さい値の吸収係数であり、吸収係数は1×10−1cm−1以下となっている。As shown in FIGS. 13A and 13B, the absorption coefficient of the organic film (material C) is constant or slightly increased up to 500 degrees as in the organic film (material A), but is 500 degrees to 600 degrees. It turns out that becomes smaller by one digit or more. Moreover, it turns out that an absorption coefficient becomes still smaller when it exceeds 600 degree | times and becomes still higher temperature. In FIG. 13A and FIG. 13B, data is not plotted for a temperature range from about 700 degrees to about 900 degrees. However, as in FIG. The coefficient is 1 × 10 −1 cm −1 or less.
以上のように、異なる有機材料からなる有機膜であっても、レーザー光の照射によって温度が上昇し、これにより、吸収係数が小さくなって透明化するということが分かる。また、有機膜の温度が上昇することによって、有機物に起因する振動モードが消失するとともにSiOの結合が増加し、これにより、無機化することが分かる。 As described above, it can be seen that even an organic film made of a different organic material increases in temperature due to laser light irradiation, thereby reducing the absorption coefficient and making it transparent. Further, it can be seen that when the temperature of the organic film rises, the vibration mode caused by the organic matter disappears and the bonding of SiO increases, thereby making it inorganic.
また、有機膜の材料を異ならせることによって、レーザー光の波長に対する吸収係数を変えることができることも分かる。これにより、レーザー光の照射前においては非透明(色付き)となるように、かつ、レーザー光の照射後においては透明となるように、有機材料の種類及びレーザー光の波長を選択することができる。 It can also be seen that the absorption coefficient with respect to the wavelength of the laser beam can be changed by changing the material of the organic film. This makes it possible to select the type of organic material and the wavelength of the laser light so that it is non-transparent (colored) before laser light irradiation and transparent after laser light irradiation. .
本実施の形態では、チャネル保護膜5の前駆体である非透明の有機膜5aにレーザー光を照射することによって、当該有機膜5aを透明化してチャネル保護膜5を形成するとともに、これと同時にチャネル保護膜5の下層の非結晶質の半導体薄膜4aを結晶化する。従って、レーザー光照射前における透過率が37%未満となるように、また、レーザー光照射後における透過率が37%以上となるように、有機膜5aの材料及びレーザー光の波長を選択することが好ましい。
In the present embodiment, the non-transparent
ここで、有機膜の透過率τは、入射光の強度I0と、有機膜を通過した光の強度Iとを用いて表すと、τ=I/I0で表され、さらに、有機膜の吸収係数αと、有機膜の膜厚tとを用いて表すと、τ=I/I0=exp(−αt)で表すことができる。本実施の形態において、有機膜が不透明である場合を、有機膜の吸収係数αと有機膜の膜厚tとの積が1より大きい場合とすると、この場合、−αt=−1となる透過率τは、τ=exp(−1)=0.36789≒37%となるので、透過率は37%未満となる。一方、有機膜が透明である場合を、有機膜の吸収係数αと有機膜の膜厚tとの積が1以下の場合とすると、この場合、透過率は37%以上となる。なお、吸収率は、1−透過率(τ)で表すことができる。Here, the transmittance τ of the organic film is represented by τ = I / I 0 when expressed using the intensity I 0 of the incident light and the intensity I of the light that has passed through the organic film. the absorption coefficient alpha, expressed by using the thickness t of the organic layer, can be expressed by τ = I / I 0 = exp (-αt). In this embodiment, if the organic film is opaque, and the product of the absorption coefficient α of the organic film and the film thickness t of the organic film is greater than 1, in this case, the transmission is −αt = −1. Since the rate τ is τ = exp (−1) = 0.36789≈37%, the transmittance is less than 37%. On the other hand, when the product of the organic film is transparent and the product of the absorption coefficient α of the organic film and the film thickness t of the organic film is 1 or less, in this case, the transmittance is 37% or more. The absorptance can be expressed by 1-transmittance (τ).
図14は、有機膜の吸収係数α(cm−1)と有機膜の膜厚t(cm)とに対する有機膜の透過率の関係を示す図である。図14に示すように、本実施の形態では、有機膜の透過率が37%未満となる場合を不透明とし、有機膜の透過率が37%以上となる場合を透明としている。FIG. 14 is a diagram showing the relationship of the transmittance of the organic film to the absorption coefficient α (cm −1 ) of the organic film and the film thickness t (cm) of the organic film. As shown in FIG. 14, in the present embodiment, the case where the transmittance of the organic film is less than 37% is opaque, and the case where the transmittance of the organic film is 37% or more is transparent.
これにより、図14と、図11A〜図13Bとを用いることにより、レーザー光を照射する前には不透明としつつレーザー光を照射した後には透明となるような、所望の有機材料の種類、レーザー光の波長及びレーザー照射条件(加熱温度)を選択することができる。 Thus, by using FIG. 14 and FIGS. 11A to 13B, a desired organic material type, laser that is opaque before being irradiated with laser light and transparent after being irradiated with laser light. The wavelength of light and laser irradiation conditions (heating temperature) can be selected.
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体装置10によれば、非結晶質の半導体薄膜4aの上に形成された有機膜5aに対して所望のレーザー光を照射することにより、有機膜5aの透過率を高くして有機膜5aを透明化することができるとともに、有機膜5aの温度が上昇して有機膜5aを無機化することができる。また、本実施の形態では、有機膜5aの透明化に伴ってレーザー光が透過し、これにより、有機膜5aの下の非結晶質の半導体薄膜4aが結晶化する。この場合、有機膜5aには、非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化時における熱が伝導し、この熱によっても有機膜5aの温度が上昇して有機膜5aは無機化する。すなわち、本実施の形態において、有機膜5aは、レーザー光を吸収することによる有機膜5a自身による生成熱、及び、非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化時の生成熱によって無機化する。このようにして、本実施の形態では、透明化及び無機化されたチャネル保護膜5を形成することができる。
As described above, according to the thin
従って、図15Aに示すように、チャネル保護膜5が無機化されることによって、チャネル保護膜5の固定電荷が減少するので、バックチャネルの形成を抑えることができる。これにより、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現することができる。
Therefore, as shown in FIG. 15A, since the
また、チャネル保護膜5が無機化されることによって、図15Bに示すように、チャネル保護膜5のトラップ準位を減少させることもできるので、チャネル保護膜5におけるキャリアのトラップを抑えることができる。これにより、薄膜半導体装置における閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性に優れ、かつ、面内均一性が高い薄膜半導体装置を実現することができる。
Further, by making the channel
なお、本実施の形態において、チャネル保護膜5の膜厚は、以下に説明するような範囲とすることが好ましい。
In the present embodiment, the thickness of the channel
図16は、チャネル保護膜5の膜厚を変化させた場合における非結晶質の半導体薄膜4aの吸収率の変化を示す図である。なお、図16では、チャネル保護膜5の光学膜厚をレーザー光の波長で除算した値を横軸に、非結晶質の半導体薄膜4aの吸収率を縦軸に示している。また、図16の計算では、ゲート絶縁膜3が酸化シリコンからなり、ゲート絶縁層3の光学膜厚、すなわちゲート絶縁層3の膜厚にゲート絶縁層3の屈折率を積算した値を、レーザー光の波長で除算した値が0.276(波長532nmで酸化シリコン層膜厚が100nmに対応)からなり、チャネル保護膜5の下の非結晶質の半導体薄膜4a(非結晶性シリコン薄膜)の光学膜厚に非結晶質の半導体薄膜4aの屈折率を積算した値を、レーザー光の波長で除算した値が0.477(波長532nmで非結晶性シリコン層の膜厚が50nmに対応)からなり、チャネル保護層5が酸化シリコンの場合からなるモデルを用いている。そして、図16の破線、二点鎖線および実線は、それぞれゲート電極2がCu、AlおよびMoWの場合の計算結果を示している。
FIG. 16 is a diagram showing a change in the absorptance of the amorphous semiconductor thin film 4a when the thickness of the channel
図16に示すように、チャネル保護膜5の光学膜厚をレーザー光の波長で除算した値をZとし、kを0から始まる整数とし、Zが下記の(式1)を満たせば、非結晶質の半導体薄膜4aにおけるレーザー光の吸収効率を増大させることができる。なお、図16のk=0、1、2は、それぞれ(式1)におけるk=0、1、2のときのZの範囲を示している。
As shown in FIG. 16, when the value obtained by dividing the optical film thickness of the channel
(式1)0.5×(k+0.3)≦Z≦0.5×(k+0.7) (Formula 1) 0.5 × (k + 0.3) ≦ Z ≦ 0.5 × (k + 0.7)
このように、チャネル保護膜5の膜厚を(式1)の条件を満たすように設定することにより、チャネル保護膜5の下の非結晶質の半導体薄膜4aにおけるレーザー光の吸収効率を増大させることができるので、チャネル保護膜5の下の領域を効率的に加熱処理でき、非結晶質の半導体薄膜を効率的に結晶化することができるとともに、半導体薄膜からの熱伝播によりチャネル保護膜5を効率的に透明化できる。これによりオフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置を実現することができる。
Thus, by setting the film thickness of the channel
また、本実施の形態において、図2の(e)において、有機膜5aに対してプリベークを行ったが、このときに、非結晶質の半導体薄膜4aと有機膜5aとの界面に界面層50が生成する場合がある。界面層50は、カーボンを主成分として含むものであり、その主成分であるカーボンは有機膜5aの有機材料に由来するカーボンである。
In the present embodiment, the
図17Aは、界面層50が形成された場合における第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置10Aの構成を示す断面図である。
FIG. 17A is a cross-sectional view showing the configuration of the thin
図17Aに示すように、界面層50は、チャネル層4とチャネル保護膜5との間に形成される。界面層50は、絶縁性を有する絶縁膜であって、界面層50の比抵抗は、2×106(Ω・cm)以上とすることが好ましい。As shown in FIG. 17A, the
また、図17Aに示すように、薄膜半導体装置10Aでは、界面層50とコンタクト層6との間に、一対の非結晶質のシリコン薄膜60が形成されている。非結晶質のシリコン薄膜60は、アモルファスシリコン膜からなり、意図的な不純物のドーピングが行われていないi層である。従って、非結晶質のシリコン薄膜60は、不純物がドープされたコンタクト層6と比べて電気抵抗が高くなっている。但し、非結晶質のシリコン薄膜60には、自然に含まれる不純物は存在し、非結晶質のシリコン薄膜60の不純物濃度としては、1×1017(atm/cm3)以下である。As shown in FIG. 17A, in the thin
次に、図17Aに示す薄膜半導体装置10Aにおける界面層50の構成について、図18A及び図18Bを用いて説明する。図18Aは、図17Aに示す薄膜半導体装置の界面層周辺における断面TEM像である。また、図18Bは、図18Aの破線で囲まれる領域Bの断面構造を説明するための模式図である。
Next, the configuration of the
図18Aに示すように、チャネル層4とチャネル保護膜5との界面に、極薄膜の界面層50が形成されていることが分かる。また、図18Aから、膜厚が2nm程度の界面層50が形成されていることが分かる。
As shown in FIG. 18A, it can be seen that an
界面層50は、上述のように、チャネル保護膜5を加熱固化する際に生成される層であり、図18Bに示すように、界面層50のチャネル層4側は、チャネル保護膜5の前駆体である有機膜5aの材料に含まれる界面活性剤のシリコン化合物と、チャネル層4のシリコン原子とが結合した状態となっていると考えられる。
As described above, the
具体的には、図18Bに示すように、界面層50とチャネル層との界面は、界面活性剤のY−Si−(O)3と結晶シリコン薄膜のSiとが結合し、Si−O−Si結合が存在する状態となっている。なお、Y−Si−(O)3におけるYは、有機材料と反応結合する官能基であって、アミノ基、エポキシ基、メタクリル基、ビニル基又はメルカプト基等である。Specifically, as shown in FIG. 18B, at the interface between the
また、界面層50のチャネル保護膜5側は、SiOC系ポリマー(少なくともSi、O、Cを主成分元素として形成された薄膜)及びS(硫黄)系ポリマー(構成元素としてSi、O、C、Sを含有する薄膜)が存在する状態となっている。SiOC系ポリマーは、有機膜5aの材料に含まれる界面活性剤のシリコン化合物と感光性有機樹脂材料に含まれるカーボンとがポリマー化したものと考えられる。また、S系ポリマーは、有機膜5aの有機材料に含まれる感光剤、界面活性剤及び感光剤がポリマー化した薄膜であると考えられる。
In addition, the channel
このように、界面層50は、Si−O−Si結合とポリマーとが複合的にマトリクス状となった構成であると考えられる。また、界面層50の上には、バルクのSiOC系ポリマーからなるチャネル保護膜5が存在する。
Thus, the
なお、界面層50がチャネル層4及びチャネル保護膜5のいずれとも異なる材料で構成されることは、図18Aからも明らかである。すなわち、図18AのTEM像に示されるように、チャネル層4とチャネル保護膜5との間にはコントラストの異なる層が確認できる。なお、TEM像においてコントラストの違いは材料の密度が異なることを表しており、異なる層が存在することを意味する。従って、チャネル層4とチャネル保護膜5との間には、これらの層とは異なる層として界面層50が存在している。
It is apparent from FIG. 18A that the
次に、図17Aに示す薄膜半導体装置10Aにおける炭素(C)及び硫黄(S)の濃度分布について、図19を用いて説明する。図19は、図17Aに示す薄膜半導体装置を構成する膜中に含まれる炭素及び硫黄の濃度分布を示す図であって、図17Aの矢印Aに示される厚み(深さ)方向における元素濃度を二次イオン質量分析法(SIMS)によって測定してプロットしたものである。
Next, the concentration distribution of carbon (C) and sulfur (S) in the thin
図17Aに示される薄膜半導体装置10Aにおいて、同図の矢印Aの深さ方向に従って炭素及び硫黄の濃度を測定すると、すなわち、コンタクト層6、非結晶質のシリコン薄膜60、界面層50及びチャネル層4の順に炭素及び硫黄の濃度を測定すると、図19に示す測定結果となる。なお、図19において、「12C」及び「32S」で示す曲線は、それぞれ炭素及び硫黄の濃度分布を表している。
In the thin
図19に示すように、界面層50は他の層と比べて炭素濃度及び硫黄濃度が高くなっており、界面層50に含まれる炭素濃度は、5×1020(atoms/cm3)以上であり、また、界面層50に含まれる硫黄濃度は、5×1019(atoms/cm3)以上であることが分かる。As shown in FIG. 19, the
さらに、界面層50に含まれる炭素濃度は、チャネル層4に含まれる不純物としての炭素濃度の50倍以上であることも分かる。また、界面層50に含まれる硫黄濃度は、チャネル層4に含まれる不純物としての硫黄濃度の100倍以上であることも分かる。
Further, it can be seen that the carbon concentration contained in the
このように形成された界面層50は、カーボンを主成分としているので、チャネル層4と比較してより多くのカーボンを含有している。このように、チャネル層4の凸部とチャネル保護層5との界面にカーボンを主成分とする界面層50が存在するので、チャネル保護層5とチャネル層4との界面において散乱を増大させることができ、当該界面層50がキャリアの移動をブロックする障壁として機能する。すなわち、チャネル層4の上部における抵抗値を増加させることができる。これにより、チャネル層4のバックチャネル領域でのキャリア移動度を低下させることができる。
The
また、界面層50に含まれる硫黄は、チャネル保護層5の有機材料の感光剤に含まれる硫黄である。すなわち、界面層50に含まれる硫黄は、チャネル保護層5の有機材料に由来する。硫黄は、カーボン及び酸素に比べて原子半径が大きいため、キャリアの移動を妨げる効果がカーボン及び酸素に比べて大きい。従って、界面層6に硫黄が含まれていることにより、上記のキャリア移動度をさらに低下させることができ、薄膜半導体装置のオフ特性を一層向上させることができる。
The sulfur contained in the
これにより、仮にチャネル保護層5に固定電荷が発生した場合であっても、界面層50による散乱によって、キャリアのバックチャネル伝導を抑制することができる。
Thereby, even if a fixed charge is generated in the channel
なお、図17Aに示した薄膜半導体装置10Aは、界面層50の成分を詳細に検討するために、界面層50を除去せずに意図的にチャネル層4の全面に界面層50を残しているが、TFT特性を向上させるという観点からは、電流経路に存在する界面層50は十分除去することが好ましい。つまり、図17Aに示した薄膜半導体装置10Aでは、電流経路となるコンタクト層60とチャネル層4の間に高抵抗の界面層50が存在するため、オン特性が低下する。従って、優れたオン特性を有する薄膜半導体装置を実現するためには、有機膜5aを所定形状にパターニングする際、残渣として残りうる界面層50を現像処理、またはエッチング処理を用いて十分除去することによって、図17Bに示す薄膜半導体装置10Bのように、電流経路となるコンタクト層60とチャネル層4の間に高抵抗の界面層50が存在させないことが好ましい。
In the thin
以上のように、本発明の第1の実施の形態に係る他の薄膜半導体装置10Bによれば、チャネル層4の上部とチャネル保護層5との間にカーボンを主成分として含む界面層50が形成されているので、チャネル層4のバックチャネル領域でのキャリア移動度を低下させることができる。これにより、オフ時のリーク電流を抑制することができるので、オフ特性を向上させることができる。
As described above, according to the other thin
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法について、図20を用いて説明する。図20は、本発明の第2の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。なお、図20において、図2に示す構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付している。(Second Embodiment)
Next, a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 20, the same components as those shown in FIG.
本実施の形態に係る製造方法によって製造される薄膜半導体装置の構成は、第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置10の構成と同じである。つまり、本実施の形態は、第1の実施の形態と製造方法が異なる。
The configuration of the thin film semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment is the same as the configuration of the thin
具体的には、第1の実施の形態における製造方法では、図2(f)に示すように、有機膜5aに対して1回のレーザー光の照射を施すことによって、有機膜5aの透明化及び無機化と非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化とを同時に行っていたが、本実施の形態では、有機膜5aの透明化及び無機化と非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化とを別々の工程で行っている。
Specifically, in the manufacturing method in the first embodiment, as shown in FIG. 2F, the
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の具体的な製造方法について、図20を参照して説明する。 Hereinafter, a specific method for manufacturing the thin film semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
まず、図20の(a)〜(e)に示すように、図2の(a)〜(e)と同様の工程を行う。これにより、図20の(e)に示すように、非結晶質の半導体薄膜4aの上に、パターニングされた所定形状の有機膜5aが形成される。
First, as shown in FIGS. 20A to 20E, the same steps as in FIGS. 2A to 2E are performed. Thereby, as shown in FIG. 20E, a patterned
次に、図20の(g)に示すように、有機膜5aを透明化及び無機化するために、有機膜5aに対してレーザー光を照射する。これにより、有機膜5aは、レーザー光のエネルギーを吸収して光反応、あるいは熱反応し、不透明から透明に改質されて透明化する。これと同時に、有機膜5aは、レーザー光のエネルギーを吸収して光反応、あるいは熱反応し、有機膜5aが無機化する。これにより、透明化及び無機化されたチャネル保護膜5が形成される。
Next, as shown in FIG. 20G, the
この場合、有機膜5aの透明化及び無機化の程度は、有機膜5aの温度等によって決定される。具体的には、図9A〜図13Bに示される温度等に応じて決定される。
In this case, the degree of transparency and mineralization of the
なお、本実施の形態においても、チャネル保護膜5のレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射前で37%未満であり、レーザー光の照射後で37%以上とすることが好ましい。すなわち、本工程では、チャネル保護膜5は、レーザー光に対する透過率が37%以上となるような条件及び材料等で形成される。
Also in this embodiment, the transmittance of the channel
このように、レーザー光の照射後で透過率を37%以上とすることにより、非結晶質の半導体薄膜4aを結晶化するときのレーザー光を、チャネル保護膜5に容易に透過させることができる。これにより、チャネル保護膜5の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜4aを容易に結晶化させることができるので、非結晶質の半導体薄膜4aが結晶化するときの熱を、直上のチャネル保護膜5に効率良く伝導させることができる。従って、次工程において、チャネル保護膜5の無機化を促進させることができる。
Thus, by setting the transmittance to 37% or more after laser light irradiation, the laser light for crystallization of the amorphous semiconductor thin film 4a can be easily transmitted to the channel
次に、図20の(h)に示すように、非結晶質の半導体薄膜4aをアニールすることによって、非結晶質の半導体薄膜4aを結晶化させる。これにより、同図に示すように、ゲート絶縁膜3上に、チャネル領域を有するチャネル層4を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 20H, the amorphous semiconductor thin film 4a is crystallized by annealing the amorphous semiconductor thin film 4a. As a result, a
本実施の形態において、非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化は、同図に示すように、チャネル保護膜5の上方から非結晶質の半導体薄膜4aにレーザー光を照射することによって行った。このとき、チャネル保護膜5は透明化されているので、レーザー光はチャネル保護膜5を透過して、チャネル保護膜5の下の非結晶質の半導体薄膜4aにも照射される。従って、チャネル保護膜5の下方の非結晶質の半導体薄膜4aについても結晶化することができる。
In the present embodiment, the amorphous semiconductor thin film 4a is crystallized by irradiating the amorphous semiconductor thin film 4a with laser light from above the channel
なお、レーザー光のレーザー光源としては、紫外線領域、可視光領域、又は赤外線領域の波長の光を発する光源を用いることができ、これらの光源を、図20の(g)に示す有機膜の透明化の工程、あるいは図20の(h)に示す半導体薄膜の結晶化の工程のそれぞれに応じて使い分けることができる。 As the laser light source of the laser light, a light source that emits light having a wavelength in the ultraviolet region, visible light region, or infrared region can be used. These light sources are transparent organic films shown in FIG. It can be used properly according to each of the crystallization process or the crystallization process of the semiconductor thin film shown in FIG.
本実施の形態では、紫外線領域の波長の光を発するレーザーを用いることができる。好ましくは、有機膜の吸収係数が不透明領域から透明領域に急峻に変化する発光波長が約190nm以上350nm以下であるエキシマレーザーを用いることができる。 In this embodiment mode, a laser that emits light having a wavelength in the ultraviolet region can be used. Preferably, an excimer laser whose emission wavelength at which the absorption coefficient of the organic film changes abruptly from an opaque region to a transparent region is about 190 nm to 350 nm can be used.
このとき、非結晶質の半導体薄膜4aからチャネル保護膜5に伝導する熱によって、チャネル保護膜5はさらに無機化される。例えば、有機膜5aのレーザー照射時の温度よりも、非結晶質の半導体薄膜4aを結晶化するときのレーザー照射時の温度の方が高いような場合、チャネル保護膜5の無機化はさらに進行する。
At this time, the channel
なお、非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化は、レーザーアニール法に限らず、急速熱処理法(RTP)を用いてもよい。 The crystallization of the amorphous semiconductor thin film 4a is not limited to the laser annealing method, and a rapid thermal processing method (RTP) may be used.
次に、図20の(i)〜(k)に示すように、図2の(h)〜(j)と同様の工程を行う。これにより、第1の実施の形態と同様の構成の薄膜半導体装置を得ることができる。 Next, as shown in (i) to (k) of FIG. 20, the same processes as in (h) to (j) of FIG. 2 are performed. Thereby, a thin film semiconductor device having the same configuration as that of the first embodiment can be obtained.
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法によれば、第1の実施の形態と同様に、有機膜5aに対して所望のレーザー光を照射することにより、有機膜5aの透過率を高くして有機膜5aを透明化することができるとともに、有機膜5aの温度が上昇して有機膜5aを無機化することができる。
As described above, according to the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present embodiment, the transmittance of the
このように、チャネル保護膜5を無機化することによってチャネル保護膜5の固定電荷を減少させることができるので、バックチャネルの形成を抑えることができる。これにより、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現することができる。
Thus, since the fixed charge of the channel
また、チャネル保護膜5を無機化することによってチャネル保護膜5のトラップ準位を減少させることもできるので、チャネル保護膜5におけるキャリアのトラップを抑えることができる。これにより、薄膜半導体装置における閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性に優れ、かつ、面内均一性が高い薄膜半導体装置を実現することができる。
In addition, since the trap level of the channel
さらに、本実施の形態では、有機膜5a(チャネル保護膜5)の透過率を高くする工程と、非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化を行う工程とを別々に行うので、それぞれ所望の条件でレーザー光を照射することができる。従って、有機膜5aの透過率を確実に高くすることができるとともに、非結晶質の半導体薄膜4aを確実に結晶化することができる。
Further, in the present embodiment, the step of increasing the transmittance of the
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法について、図21を用いて説明する。図21は、本発明の第3の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。なお、図21において、図2に示す構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付している。(Third embodiment)
Next, a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 21 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 21, the same components as those shown in FIG.
本実施の形態に係る製造方法によって製造される薄膜半導体装置の構成は、第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置10の構成と同じである。つまり、本実施の形態は、第1の実施の形態と製造方法が異なる。
The configuration of the thin film semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment is the same as the configuration of the thin
具体的には、第1の実施の形態における製造方法では、図2(f)に示すように、有機膜5aに対してレーザー光の照射を施すことによって、有機膜5aの透明化及び無機化と非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化とを同時に行っていたが、本実施の形態では、第2の実施の形態と同様に、有機膜5aの透明化及び無機化と非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化とを別々の工程で行うものである。そして、本実施の形態では、第2の実施の形態と異なり、有機膜5aの透明化及び無機化の工程よりも先に、非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化の工程を行っている。
Specifically, in the manufacturing method in the first embodiment, as shown in FIG. 2 (f), the
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の具体的な製造方法について、図21を参照して説明する。 Hereinafter, a specific method for manufacturing the thin film semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
まず、図21の(a)〜(c)に示すように、図2の(a)〜(c)と同様の工程を行う。これにより、基板1上に、所定形状のゲート電極2とゲート絶縁膜3を形成することができる。
First, as shown in FIGS. 21A to 21C, the same steps as in FIGS. 2A to 2C are performed. Thereby, the
次に、図21の(d)に示すように、ゲート絶縁膜3の上に、結晶質のシリコン薄膜からなるチャネル層4を成膜する。チャネル層4は、上述のように、アモルファスシリコン膜を成膜して、上記のようにレーザー等によってアニールして結晶化することによって形成することができる。あるいは、CVDによる直接成長などの方法によって、結晶質のシリコン薄膜を形成することもできる。
Next, as shown in FIG. 21D, a
次に、図21の(e)に示すように、図2の(e)と同様の工程を行う。すなわち、チャネル層4の上に、チャネル保護膜5の前駆体として、有機材料からなる有機膜5aを所定の塗布方法によって形成する。また、有機膜5aは、次に照射されるレーザー光に対する透過率が37%未満となるように形成されることが好ましい。なお、その後、有機膜5aに対してプリベークを行って有機膜5aの仮焼成を行う。
Next, as shown in FIG. 21E, the same process as in FIG. 2E is performed. That is, an
次に、図21の(f)に示すように、図2の(f)と同様の工程を行う。すなわち、フォトマスクを用いて露光及び現像することにより、有機膜5aを所定形状にパターニングする。
Next, as shown in FIG. 21F, the same process as in FIG. 2F is performed. That is, the
次に、図21の(g)に示すように、レーザーアニール法によって所定のレーザー光を基板1に対して一定の方向に相対的に走査することにより、有機膜5aにレーザー光を照射する。これにより、レーザー光が照射された有機膜5aは、透過率が高くなって透明化する。この場合、レーザー光の照射後における有機膜5aの透過率が37%以上となるように行うことが好ましい。さらに、有機膜5aにレーザー光が照射されることによって、当該有機膜5aは無機化する。
Next, as shown in FIG. 21G, the
なお、有機膜5aの有機材料の種類、レーザー光の波長及びレーザー照射条件(加熱温度)については、第1の実施の形態と同様に、図14と、図11A〜図13Bとを用いることによって決定することができる。
In addition, about the kind of organic material of the
次に、図20の(h)〜(j)に示すように、図2の(h)〜(j)と同様の工程を行う。これにより、第1の実施の形態と同様の構成の薄膜半導体装置を得ることができる。 Next, as shown in (h) to (j) of FIG. 20, the same processes as in (h) to (j) of FIG. 2 are performed. Thereby, a thin film semiconductor device having the same configuration as that of the first embodiment can be obtained.
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法によれば、第1の実施の形態と同様に、有機膜5aに対して所望のレーザー光を照射することにより、有機膜5aの透過率を高くして有機膜5aを透明化することができるとともに、有機膜5aの温度が上昇して有機膜5aを無機化することができる。
As described above, according to the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present embodiment, the transmittance of the
このように、チャネル保護膜5を無機化することによってチャネル保護膜5の固定電荷を減少させることができるので、バックチャネルの形成を抑えることができる。これにより、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現することができる。
Thus, since the fixed charge of the channel
また、チャネル保護膜5を無機化することによってチャネル保護膜5のトラップ準位を減少させることもできるので、チャネル保護膜5におけるキャリアのトラップを抑えることができる。これにより、薄膜半導体装置における閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性に優れ、かつ、面内均一性が高い薄膜半導体装置を実現することができる。
In addition, since the trap level of the channel
さらに、本実施の形態では、第2の実施の形態と同様に、有機膜5a(チャネル保護膜5)の透過率を高くする工程と、非結晶質の半導体薄膜4aの結晶化を行う工程とを別々に行うので、それぞれ所望の条件でレーザー光を照射することができる。従って、有機膜5aの透過率を確実に高くすることができるとともに、非結晶質の半導体薄膜4aを確実に結晶化することができる。
Furthermore, in the present embodiment, as in the second embodiment, a step of increasing the transmittance of the
(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上記の各実施の形態に係る薄膜半導体装置を表示装置に適用した例であり、本実施の形態では、有機EL表示装置への適用例について説明する。(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. This embodiment is an example in which the thin film semiconductor device according to each of the above embodiments is applied to a display device. In this embodiment, an application example to an organic EL display device will be described.
図22は、本発明の第4の実施の形態に係る有機EL表示装置の一部切り欠き斜視図である。上述の薄膜半導体装置は、有機EL表示装置におけるアクティブマトリクス基板のスイッチングトランジスタ又は駆動トランジスタとして用いることができる。 FIG. 22 is a partially cutaway perspective view of an organic EL display device according to a fourth embodiment of the present invention. The above-described thin film semiconductor device can be used as a switching transistor or a driving transistor of an active matrix substrate in an organic EL display device.
図22に示すように、有機EL表示装置20は、アクティブマトリクス基板(TFTアレイ基板)21と、アクティブマトリクス基板21においてマトリクス状に配置された複数の画素22と、複数の画素22のそれぞれに対応して形成された有機EL素子23と、画素22の行方向に沿って形成された複数の走査線(ゲート線)27と、画素22の列方向に沿って形成された複数の映像信号線(ソース線)28と、映像信号線28と並行して形成された電源線29(不図示)とを備える。有機EL素子23は、アクティブマトリクス基板21上に順次積層された、陽極24、有機EL層25及び陰極26を有する。なお、陽極24は、実際には画素22に対応して複数形成される。また、有機EL層25も画素22に対応して複数形成されるとともに、それぞれ、電子輸送層、発光層、正孔輸送層等の各層が積層されて構成されている。
As shown in FIG. 22, the organic
次に、上記有機EL表示装置20における画素22の回路構成について、図23を用いて説明する。図23は、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜半導体装置を用いた画素の回路構成を示す図である。
Next, the circuit configuration of the
図23に示すように、各画素22は、直交する走査線27と映像信号線28とによって区画されており、駆動トランジスタ31と、スイッチングトランジスタ32と、コンデンサ33と、有機EL素子23とを備える。駆動トランジスタ31は、有機EL素子23を駆動するトランジスタであり、また、スイッチングトランジスタ32は、画素22を選択するためのトランジスタである。
As shown in FIG. 23, each
駆動トランジスタ31において、ゲート電極31Gがスイッチングトランジスタ32のドレイン電極32Dに接続され、ソース電極31Sが中継電極(不図示)を介して有機EL素子23のアノードに接続され、ドレイン電極31Dが電源線29に接続される。
In the
また、スイッチングトランジスタ32において、ゲート電極32Gは走査線27に接続され、ソース電極32Sは映像信号線28に接続され、ドレイン電極32Dはコンデンサ33及び駆動トランジスタ31のゲート電極31Gに接続されている。
In the switching
この構成において、走査線27にゲート信号が入力されて、スイッチングトランジスタ32がオン状態になると、映像信号線28を介して供給された映像信号電圧がコンデンサ33に書き込まれる。コンデンサ33に書き込まれた映像信号電圧は、1フレーム期間を通じて保持され、この保持された映像信号電圧により、駆動トランジスタ31のコンダクタンスがアナログ的に変化し、発光階調に対応した駆動電流が有機EL素子23のアノードからカソードへと流れて有機EL素子23が発光する。
In this configuration, when a gate signal is input to the
なお、本実施の形態では、有機EL素子を用いた有機EL表示装置について説明したが、アクティブマトリクス基板が用いられる他の表示装置にも適用することができる。また、このように構成される表示装置については、フラットパネルディスプレイとして利用することができ、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのあらゆる表示パネルを有する電子機器に適用することができる。 Note that although an organic EL display device using an organic EL element has been described in this embodiment mode, the present invention can also be applied to other display devices using an active matrix substrate. In addition, the display device configured as described above can be used as a flat panel display and can be applied to an electronic apparatus having any display panel such as a television set, a personal computer, and a mobile phone.
以上、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体装置及びその製造方法について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。 Although the thin film semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments.
例えば、上記の実施の形態では、半導体薄膜としてシリコン薄膜を用いたが、シリコン薄膜以外の半導体薄膜を用いることができる。例えば、ゲルマニウム(Ge)又はSiGeからなる半導体薄膜を結晶化させて結晶質の半導体薄膜からなるチャネル層を形成することもできる。 For example, in the above embodiment, the silicon thin film is used as the semiconductor thin film, but a semiconductor thin film other than the silicon thin film can be used. For example, a channel layer made of a crystalline semiconductor thin film can be formed by crystallizing a semiconductor thin film made of germanium (Ge) or SiGe.
また、上記の実施の形態において、結晶質シリコン薄膜は、n型半導体であっても、p型半導体であっても良い。 In the above embodiment, the crystalline silicon thin film may be an n-type semiconductor or a p-type semiconductor.
なお、その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。 In addition, it is realized by arbitrarily combining the components and functions in each embodiment without departing from the scope of the present invention, or the form obtained by making various modifications conceived by those skilled in the art to each embodiment. Forms to be made are also included in the present invention.
本発明に係る薄膜半導体装置は、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などの表示装置、又はその他薄膜トランジスタを有する様々な電気機器等に広く利用することができる。 The thin film semiconductor device according to the present invention can be widely used for display devices such as a television set, a personal computer, a mobile phone, and other various electric devices having thin film transistors.
1 基板
2、31G、32G ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 チャネル層
4a 非結晶質の半導体薄膜
5、105 チャネル保護膜
5a 有機膜
6 コンタクト層
7 ソースドレイン金属膜
7D、31D、32D ドレイン電極
7S、31S、32S ソース電極
10、10A、10B、100 薄膜半導体装置
20 有機EL表示装置
21 アクティブマトリクス基板
22 画素
23 有機EL素子
24 陽極
25 有機EL層
26 陰極
27 走査線
28 映像信号線
29 電源線
31 駆動トランジスタ
32 スイッチングトランジスタ
33 コンデンサ
50 界面層
60 非結晶質のシリコン薄膜
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記基板上にゲート電極を形成する第2工程と、
前記ゲート電極上に第1絶縁膜を形成する第3工程と、
前記第1絶縁膜上に、チャネル層となる半導体薄膜を形成する第4工程と、
前記半導体薄膜上に第2絶縁膜を形成する第5工程と、
前記第2絶縁膜に光線を照射することにより、前記第2絶縁膜の透過率を高くする第6工程と、
前記チャネル層の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第7工程と、を含む、
薄膜半導体装置の製造方法。A first step of preparing a substrate;
A second step of forming a gate electrode on the substrate;
A third step of forming a first insulating film on the gate electrode;
A fourth step of forming a semiconductor thin film to be a channel layer on the first insulating film;
A fifth step of forming a second insulating film on the semiconductor thin film;
A sixth step of increasing the transmittance of the second insulating film by irradiating the second insulating film with light;
Forming a source electrode and a drain electrode above the channel layer,
A method for manufacturing a thin film semiconductor device.
前記第6工程において、前記光線の照射により前記第2絶縁膜の透過率を37%以上にする、
請求項1に記載の薄膜半導体装置の製造方法。In the fifth step, the second insulating film made of an organic material having a light transmittance of less than 37% is formed,
In the sixth step, the transmittance of the second insulating film is set to 37% or more by irradiation with the light beam.
A method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1.
前記第6工程において、前記第2絶縁膜の上方から前記光線を照射することにより、前記第2絶縁膜の下方の前記半導体薄膜を結晶化する、
請求項1又は2に記載の薄膜半導体装置の製造方法。Forming the amorphous semiconductor thin film in the fourth step;
In the sixth step, the semiconductor thin film below the second insulating film is crystallized by irradiating the light from above the second insulating film.
A method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1.
さらに、前記第6工程と前記第7工程との間に、前記半導体薄膜を結晶化する工程を含む、
請求項1又は2に記載の薄膜半導体装置の製造方法。Forming the amorphous semiconductor thin film in the fourth step;
And a step of crystallizing the semiconductor thin film between the sixth step and the seventh step.
A method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1.
請求項1又は2に記載の薄膜半導体装置の製造方法。Forming the crystallized semiconductor thin film in the fourth step;
A method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1.
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。Before the irradiation of the light beam, a product of an absorption coefficient of the second insulating film and a film thickness of the second insulating film is larger than 1,
The method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1.
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。After the irradiation of the light beam, a product of an absorption coefficient of the second insulating film and a film thickness of the second insulating film is 1 or less.
The method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1.
請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。In the sixth step, the second insulating film is mineralized by irradiation with the light beam,
The method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1.
請求項8に記載の薄膜半導体装置の製造方法。The mineralization occurs when a light reaction or a thermal reaction proceeds in the second insulating film by the light beam.
A method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 8.
前記基板上に形成したゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、
前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第2絶縁膜と、を具備し、
前記第2絶縁膜は、当該第2絶縁膜の前駆体に前記光線を照射することにより形成され、
前記第2絶縁膜の前記光線に対する透過率は、前記光線の照射後で前記光線の照射前より高い、
薄膜半導体装置。A substrate,
A gate electrode formed on the substrate;
A first insulating film formed on the gate electrode;
A crystalline semiconductor thin film formed on the first insulating film;
A source electrode and a drain electrode formed above the crystalline semiconductor thin film;
A second insulating film formed on the crystalline semiconductor thin film,
The second insulating film is formed by irradiating the precursor of the second insulating film with the light beam,
The transmittance of the second insulating film with respect to the light beam is higher after the light beam irradiation than before the light beam irradiation,
Thin film semiconductor device.
請求項10に記載の薄膜半導体装置。The transmittance of the second insulating film with respect to the light beam is less than 37% before irradiation with the light beam, and is 37% or more after irradiation with the light beam.
The thin film semiconductor device according to claim 10.
前記第2絶縁膜は、前記有機材料が前記光線の照射により無機化したものである、
請求項10又は11に記載の薄膜半導体装置。The precursor is composed of an organic material,
The second insulating film is one in which the organic material is mineralized by irradiation with the light beam.
The thin film semiconductor device according to claim 10 or 11.
請求項10ないし請求項12のいずれか1項に記載の薄膜半導体装置。The product of the absorption coefficient of the second insulating film and the thickness of the second insulating film before the irradiation of the light beam is greater than 1,
The thin film semiconductor device according to any one of claims 10 to 12.
請求項10ないし請求項12のいずれか1項に記載の薄膜半導体装置。The product of the absorption coefficient of the second insulating film and the thickness of the second insulating film after irradiation with the light beam is 1 or less;
The thin film semiconductor device according to any one of claims 10 to 12.
前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含有される不純物としてのカーボンの濃度の50倍以上である、
請求項10ないし請求項14のいずれか1項に記載の薄膜半導体装置。Furthermore, it has an interface layer containing carbon formed between the crystalline semiconductor thin film and the second insulating film,
The concentration of carbon contained in the interface layer is at least 50 times the concentration of carbon as an impurity contained in the crystalline semiconductor thin film.
The thin film semiconductor device according to any one of claims 10 to 14.
請求項15に記載の薄膜半導体装置。The concentration of carbon contained in the interface layer is 5 × 10 20 (atoms / cm 3 ) or more.
The thin film semiconductor device according to claim 15.
請求項15又は16に記載の薄膜半導体装置。The interface layer includes sulfur;
The thin film semiconductor device according to claim 15 or 16.
請求項17に記載の薄膜半導体装置。The concentration of sulfur contained in the interface layer is at least 100 times the concentration of sulfur as an impurity contained in the crystalline semiconductor thin film.
The thin film semiconductor device according to claim 17.
請求項17に記載の薄膜半導体装置。The concentration of sulfur contained in the interface layer is 5 × 10 19 (atoms / cm 3 ) or more.
The thin film semiconductor device according to claim 17.
請求項15ないし請求項19のいずれか1項に記載の薄膜半導体装置。The specific resistance of the interface layer is 2 × 10 6 (Ω · cm) or more.
The thin film semiconductor device according to any one of claims 15 to 19.
請求項15ないし請求項20のいずれか1項に記載の薄膜半導体装置。
The thickness of the interface layer is 1 nm or more and 5 nm or less.
The thin film semiconductor device according to any one of claims 15 to 20.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012506244A JPWO2013061383A1 (en) | 2011-10-28 | 2011-10-28 | Thin film semiconductor device and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012506244A JPWO2013061383A1 (en) | 2011-10-28 | 2011-10-28 | Thin film semiconductor device and manufacturing method thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2013061383A1 true JPWO2013061383A1 (en) | 2015-04-02 |
Family
ID=52821572
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012506244A Pending JPWO2013061383A1 (en) | 2011-10-28 | 2011-10-28 | Thin film semiconductor device and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPWO2013061383A1 (en) |
-
2011
- 2011-10-28 JP JP2012506244A patent/JPWO2013061383A1/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2013061383A1 (en) | Thin film semiconductor device and method for producing same | |
KR101263726B1 (en) | Array substrate including thin film transistor of polycrystalline silicon and method of fabricating the same | |
US9178075B2 (en) | Thin-film semiconductor device and method for manufacturing the same | |
US8653525B2 (en) | Thin-film transistor and thin-film transistor manufacturing method | |
JP6142230B2 (en) | Thin film semiconductor device | |
US9929274B2 (en) | Thin-film transistor, method for fabricating thin-film transistor, and display device | |
US9431543B2 (en) | Thin-film semiconductor device for display apparatus and method of manufacturing same | |
WO2013021416A1 (en) | Thin film semiconductor device and method for manufacturing thin film semiconductor device | |
US20070210313A1 (en) | Film transistor and method for fabricating the same | |
US20130037808A1 (en) | Thin-film transistor device and method for manufacturing thin-film transistor device | |
JP5309387B2 (en) | Semiconductor layer and semiconductor device and display device using the semiconductor layer | |
US9236254B2 (en) | Substrate having thin film and method of thin film formation | |
JP2013161963A (en) | Thin film transistor, manufacturing method of thin film transistor and display device | |
US8530900B2 (en) | Method for selectively forming crystalline silicon layer regions above gate electrodes | |
KR101457705B1 (en) | Fabricating method of electric device | |
JPWO2013061383A1 (en) | Thin film semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2013098244A (en) | Thin film semiconductor device and manufacturing method of the same | |
WO2013018126A1 (en) | Thin film transistor and method for manufacturing same | |
JPWO2013008360A1 (en) | Display device, thin film transistor used in display device, and method of manufacturing thin film transistor | |
WO2013018123A1 (en) | Thin film transistor and method for manufacturing same | |
JPWO2013005250A1 (en) | THIN FILM TRANSISTOR, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND DISPLAY DEVICE | |
JPWO2013021426A1 (en) | THIN FILM TRANSISTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THIN FILM TRANSISTOR DEVICE | |
JPWO2013021416A1 (en) | Thin film semiconductor device and method of manufacturing thin film semiconductor device | |
JPWO2013001579A1 (en) | THIN FILM TRANSISTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THIN FILM TRANSISTOR DEVICE |