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JP4035019B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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JP4035019B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、無アルカリガラス等の非晶質基板上に、各々複数の薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT。以下TFTと示す。)を有してなる画素領域及びドライバー領域が設けられてなる半導体装置、いわゆるドライバー画素一体型(システム・オン・パネル/System On Panel:SOP。以下SOPと示す。)に適用して好適である。
【0002】
【従来の技術】
前記TFTは、極めて薄く微細な動作半導体膜に形成されるものであるため、近時の大面積化の要請を考慮して大画面の液晶パネル等への搭載が検討されており、特に、SOP等への適用が期待されている。
【0003】
SOPでは、無アルカリガラス等の非晶質基板上に複数の多結晶半導体TFT(特に多結晶シリコン(以下p−Siと示す。)TFT)を形成する。この場合、半導体膜としてアモルファスシリコン(以下a−Siと示す。)膜を成膜した後、紫外波長・短パルスのエキシマレーザを照射することで、ガラス基板に影響を与えずa−Si膜のみを溶融結晶化させて動作半導体膜として機能するp−Si膜を得る方法が主流である。
【0004】
以下、従来例の具体的な形態について図面を参照しながら説明する。
【0005】
図14及び図15に上記パルス発振エキシマレーザビームを線状に加工し、例えばa−Si膜に対し、該線状レーザビームを走査させながら照射した場合の様子を示す。
【0006】
図14は、従来の実施形態に係るSOPの液晶表示装置の構成を模式的に示した図であり、図示中、基板は1、画素領域は101、データドライバー領域102、走査ドライバー領域はは103、線状(リボン状)にパターニングされた半導体薄膜(a−Si膜)(以下、半導体薄膜リボンと称する。)は104である。前記線状レーザビーム照射は例えば、図14に示すように、画素領域101、データドライバー領域102、及び走査ドライバー領域103の半導体薄膜リボン104に対して矢印の方向へ走査する。
【0007】
図15は前記半導体薄膜リボン104に前記線状レーザビームを照射走査する様子を示す図であり、該半導体薄膜リボン104の幅は70μm、該各半導体薄膜リボン104領域間の隙間は80μmである。
【0008】
図16は図15の半導体薄膜リボン104にTFTアイランドが形成された様子を示す図であり、図示中、半導体薄膜リボン104内のチャネル領域は105、それを挟みソース/ドレイン106、それら領域を有するTFTのアイランド領域は107である。
【0009】
図16に示すように、画素領域101、データドライバー領域102、及び走査ドライバー領域103に形成されたa−Si膜を半導体薄膜リボン104にパターニングし、該パターニング後のa−Si膜104の表面又は基板1の裏面に対し、前記線状レーザビームを矢印の方向へ照射走査する。使用する前記レーザビームの幅寸法は100μmであるため、150μmずつ走査位置をずらしながら、前記基板1の全域の半導体薄膜リボン104を照射する。この後、リボン状の半導体薄膜104をパターニング及びエッチングして、該半導体薄膜リボン104内にチャネル領域105を挟みソース/ドレイン106となる領域を有するTFTのアイランド領域107を形成する。このとき、前記半導体薄膜リボン104表面の1箇所からみれば前記レーザビームは1回の照射走査である。
【0010】
アイランド領域107の周辺部の半導体薄膜リボン104には、周囲への熱拡散により冷却速度が速いために微結晶である動作半導体膜(p−Si膜)が形成されるが、内部では冷却速度を十分に遅くでき、数μm幅、数十μmの長さの結晶粒が形成される。これにより、チャネル部の結晶粒径を大きくできる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
SOPの大面積化に対応した高出力且つ線状のビームを出射するエキシマレーザが開発され、レーザ結晶化によって得られるp−Si膜は、結晶粒径が大きく、大面積に均一に形成することが可能となってきた。
【0012】
このように、例えば、前記SOPの液晶表示装置において、前記パルス発振エキシマレーザを用いた結晶化によって得られるp−Si膜を用いてTFTを作製した場合、前記画素領域及び前記各ドライバー領域を構成するTFTの前記チャネル領域には、結晶粒径が大きく、該チャネル内に存在する粒界が少ないために移動度が大きい高いレベルのトランジスタ特性を有するTFTが製造可能となってきた。この技術により得られるTFTの移動度は約150cm2/Vs程度である。
【0013】
上述したように、前記パルス発振エキシマレーザを画素領域及びドライバー領域に形成されたa−Si膜に1回の照射走査を施することにより、該全領域に均等に高移動度のTFTを形成することはできるようになってきたが、前記画素領域において、各画素をスイッチングするためのTFTでは、この方法によって得られた動作半導体膜となるp−Si膜の膜厚が厚いために、オフ電流(リーク電流)が大きくなってしまうという問題が生じていた。
【0014】
そこで、本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、SOPの液晶表示装置等への適用に際して、TFTのトランジスタ特性を高レベルにし、画素スイッチング用およびドライバー高速駆動用にそれぞれ最適のTFTを備えてなる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。
【0015】
更に本発明は、TFTのトランジスタ特性を高レベルにし、画素スイッチング用およびドライバー高速駆動用にそれぞれ最適のTFTを実現するに際して、CWレーザエネルギービームの照射回数を画素領域及びドライバー領域で異ならせて、それぞれに最適の動作半導体膜となるp−Si膜の膜厚を制御して、前記TFTを実現することを可能とする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。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、以下に示す諸態様を備える。
【0017】
本発明の態様は、基板上に、各々複数のTFTを有する画素領域及びドライバー領域が設けられてなる半導体装置の製造方法であって、画素領域及びドライバー領域に形成された半導体薄膜に時間に対して連続的にエネルギーを出力するエネルギービームを照射し、該各半導体薄膜を結晶化し、該各TFTの動作半導体薄膜とする際、該エネルギービームの該画素領域に形成された半導体薄膜への照射回数を該ドライバー領域に形成された半導体薄膜への該照射回数よりも多くすることを特徴とする。
【0018】
この場合、前記画素領域を構成する該各TFTの動作半導体薄膜の膜厚は、前記ドライバー領域を構成する該各TFTの動作半導体薄膜の膜厚よりも薄くなる。
【0019】
このように、画素領域を構成する前記各TFTの動作半導体薄膜の膜厚を薄くすることにより、リーク電流(オフ電流)を低減することができる。
【0020】
この場合、前記エネルギービームの具体例としては、CWレーザ光、更には半導体励起の固体レーザ光(DPSSレーザ光)が好ましい。
【0021】
このように、CWレーザ等のような時間に対して連続的に出力するエネルギービームにより半導体薄膜を結晶化することにより、結晶粒径を大粒径に、具体的にはエネルギービームの走査方向に沿って半導体薄膜の結晶状態が結晶粒が長い流線形状のフローパターンに形成される。この場合の結晶粒径は、例えば、現在使用されているエキシマレーザ光により結晶化された場合の10〜100倍の大きさとなる。
【0022】
出力の大きい、CWレーザ等のレーザビームを、被照射面において、数cm角の四角いスポットや、長さ10cm以上の線状となるように光学系にて加工し、レーザビームを走査させて(レーザビームの照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて)、レーザアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好ましい。
【0023】
特に、線状レーザビームを用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザビームを用いた場合とは異なり、線状レーザの線方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザ照射を行うことができるため、高い量産性が得られる。線方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。
【0024】
前記態様において、前記各半導体薄膜を前記基板上に線状又は島状にパターニングすることが好適である。
【0025】
CWレーザによる結晶化技術は、SOI(Silicon On Insulator)の分野において古くから研究が成されてきたが、ガラス基板では熱的に耐えないものと考えられていた。確かに、半導体薄膜としてa−Si膜が全面に成膜されている状態でレーザ照射すると、a−Si膜の温度上昇と共にガラス基板の温度も上昇し、クラック等のダメージが観察される。本発明では、半導体薄膜を予め線状又は島状にパターニングしておくことにより、ガラス基板の温度は上がらず、クラックの発生や不純物の膜中への拡散等の発生が防止される。これにより、ガラス等の基板にTFTの動作半導体薄膜を形成する際にも、CWレーザに代表される時間に対して連続的にエネルギーを出力するエネルギービームを不都合なく用いることが可能となる。
【0026】
前記態様において、前記画素領域と前記ドライバー領域とにおいて、時間に対して連続的に且つ線状にエネルギーを出力する前記エネルギービームの照射回数を異なるようにして(具体的には、前記ドライバー領域に形成された半導体薄膜に1回、前記画素領域に形成された半導体薄膜に少なくとも2回以上)、前記画素領域及び前記ドライバー領域に形成された半導体薄膜に照射することにより結晶化し、該各それぞれの動作半導体薄膜とすること等が好ましい。
【0027】
画素領域とドライバー領域に設けられるTFTでは、要求精度が異なり、その作製の際に最適化が必要となる。従って、確実に大粒径の結晶粒を有する動作半導体薄膜の形成が可能であり、各TFTの動作特性を高いレベルにでき、時間に対して連続的にエネルギーを出力するエネルギービームを画素領域及びドライバー領域に適用し、該画素領域と該ドライバー領域とで当該エネルギービームの照射回数を異ならせ、線状のエネルギービームを適用する等、該画素領域及び該ドライバー領域をそれぞれ構成するTFTの動作半導体薄膜の膜厚に差異を設ける。これにより、極めて効率的に各場所の精度要求に見合った所望のSOPを実現することが可能となる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0029】
─時間に対して連続的に出力するエネルギービームによる結晶化─
先ず、本実施形態の主要構成、即ち、時間に対して連続的にエネルギーを出力するエネルギービームをCWレーザとし、ここではCWレーザを利用した半導体薄膜の結晶化について開示する。
【0030】
時間に対して連続したエネルギービームを半導体薄膜、例えばa−Si膜に対して照射走査することにより、大粒径のポリシリコン結晶を形成することが可能である。このときの結晶粒径は数μm程度となり、非常に大きな結晶を形成できる。この結晶粒径は例えば、現在使用されているエキシマレーザの10〜100倍の大きさになる。従って、高速動作を必要とされるドライバー部分のTFTには非常に有利である。
【0031】
図1−図5にCWレーザを利用した半導体薄膜の結晶化の様子を示す。
【0032】
図1はSOPの液晶表示装置の構成を模式的に示した図であり、その構成は図14のものと同一のものであって、既に説明しているので、ここではその説明を省略し、同一の符号で示す(図14参照)。前記CWレーザ照射は例えば、図1に示すように、画素領域101、データドライバー102、及び走査ドライバー領域103の半導体薄膜リボン104に対して矢印の方向へ走査する。
【0033】
図2は、半導体薄膜リボン104にCWレーザ3から時間に対して連続的に出力するエネルギービームを矢印の方向へ1回目の照射走査する様子を示す図であり、図15のものと同一のものは同一の符号で示している。図2のように半導体薄膜リボン104の幅は70μm、該各半導体薄膜リボン104領域間の隙間は80μmである。図2中の円形図は、前記該リボン104幅内に形成された複数個のTFTの模式図である。
【0034】
図3はデータドライバー領域102及び走査ドライバー領域103にTFTアイランドが形成された様子を示す図であり、図16のものと同一のものは同一の符号で示している。図示中、半導体薄膜リボン104内のチャネル領域は105、それを挟みソース/ドレイン106、それら領域を有するTFTのアイランド領域は107である。
【0035】
図4は、画素領域101に形成された半導体薄膜リボン104にCWレーザ3から時間に対して連続的に出力するエネルギービームを矢印の方向へ2回目の照射走査する様子を示す図であり、図2のものと同一のものは同一の符号で示している。図4中の円形図は、前記該リボン104幅内に形成された複数個のTFTの模式図である。
【0036】
図5は画素領域101にTFTアイランドが形成された様子を示す図であり、図示中、半導体薄膜リボン104内のチャネル領域は105、それを挟みソース/ドレイン106、それら領域を有するTFTのアイランド領域は107である。
【0037】
図1−図3に示すように、バッファーSiO2を形成したガラス基板1上でa−Si膜2(膜厚:100nm)を線状(リボン状)にパターニングし、a−Si膜2の表面又はガラス基板1の裏面に対し、CWレーザ3から時間に対して連続的に出力するエネルギービームを矢印の方向へ1回目の照射走査する。図2に示すように、使用する前記レーザビームの幅寸法は100μmであるため、150μmずつ走査位置をずらしながら、該基板1全域の半導体薄膜リボン104を照射する。
【0038】
この後、図3に示すように、データドライバー領域102及び走査ドライバー領域103のリボン状の半導体薄膜104のみパターニング及びエッチングして、各半導体薄膜104内にチャネル領域4を挟みソース/ドレイン5となる領域を有するTFTのアイランド領域6を形成する。これにより、該データドライバー領域102及び走査ドライバー領域103の半導体薄膜リボン104は結晶化され、該各TFT膜の動作半導体薄膜(膜厚:約100nm程度)が形成される。
【0039】
次に、図4に示すように、画素領域101のリボン状の半導体薄膜104の表面又はガラス基板1の裏面のみに対し、CWレーザ3から時間に対して連続的に出力するエネルギービームを矢印の方向へ2回目の照射走査する。図4に示すように、使用する前記レーザビームの幅寸法は100μmであり、上記した1回目のレーザの1走査領域の位置から30μmずらして2回目の走査を開始し、150μmずつ走査位置をずらしながら画素領域101全域の半導体薄膜リボン104のみを照射走査する。
【0040】
この後、図5に示すように、画素領域101のリボン状の半導体薄膜104のみパターニング及びエッチングして、該各半導体薄膜104内にチャネル領域4を挟みソース/ドレイン5となる領域を有するTFTのアイランド領域6を形成する。これにより、該画素101の半導体薄膜リボン104は結晶化され、該領域を構成するTFT膜の動作半導体薄膜(膜厚:約50nm程度)が形成される。
【0041】
前記各アイランド領域6の周辺部には、周囲への熱拡散により冷却速度が速いために微結晶が形成されるが、内部ではCWレーザ3の照射条件(エネルギー及び走査速度)を適切に選ぶことにより冷却速度を十分に遅くでき、数μm幅、数十μmの長さの結晶粒が形成される。これにより、チャネル部の結晶粒径を大きくできる。
【0042】
このように、前記画素領域と前記各ドライバー領域とで当該CWレーザビームの照射回数を異ならせ、線状のエネルギービームを適用する等、該画素領域及び該各ドライバー領域をそれぞれ構成するTFTの動作半導体薄膜の膜厚に差異を設けることができる。
【0043】
なお、時間に対して連続したエネルギービームによる結晶化技術は、SOI(Silicon On Insulator)の分野において古くから研究が成されてきたが、ガラス基板では熱的に耐えられないと考えられていた。確かに、a−Si膜が全面に成膜されている状態でレーザ照射すると、a−Si膜の温度上昇と共にガラス基板の温度も上昇し、クラック等のダメージが観察されるが、a−Si膜を予め線状(又は島状)に加工しておくことにより、ガラス基板の温度は上がらず、クラックの発生や不純物の膜中への拡散等が発生しない。
【0044】
以下、CWレーザを利用した結晶化の具体例を示す。
【0045】
当該CWレーザの波長は532nmである。なお、波長は半導体薄膜が結晶化できる波長を利用すればよい。出力100Wであり、基板としては非晶質基板であるNA35ガラスを利用する。非晶質基板の材質はこれに限定したものではなく、他の無アルカリガラス、石英ガラス、シリコン単結晶、セラミックス、プラスチック等でも良い。
【0046】
ガラス基板と半導体薄膜との間に、SiO2バッファ層を膜厚400nm程度に形成している。なお、バッファー層はこれに限定したものではなく、SiO2膜とSiN膜の積層構造でも良い。半導体薄膜はプラズマCVDで形成したシリコン薄膜である。エネルギー照射前に450℃、2時間の熱処理により水素出しの熱処理を行っている。ここで、水素出しは熱処理に限定したものではない。本例では、ガラスを透過して裏面から照射しているが、これに限定したものではなく半導体薄膜側から照射しても良い。
【0047】
エネルギービームはサイズが150μm×20μmの長尺線状ビーム(又は楕円ビーム)に成型されている。ここで、エネルギービームのサイズ及び形状はこれに限定されたものではなく、結晶化に必要な最適な大きさに調整すればよい。例えば、ビーム形状としては、長方形ビーム(又は楕円ビーム)、線状ビーム(又は楕円ビーム)等が好適である。なお、長尺線状ビーム(又は楕円ビーム)、長方形ビーム(又は楕円ビーム)、線状ビーム(又は楕円ビーム)は、ビーム内で均一のエネルギー強度を有することが好ましいが、必ずしも均一である必要はなく、ビームの中心位置が最高強度を持つエネルギープロファイルでも良い。
【0048】
本例では、TFTが形成されるシリコン領域は図2及び図3のようにリボン状にa−Si膜104がパターニングされており、隣接するリボン状のa−Si膜104間は所定距離に分離され、a−Si膜104の存在しない領域が存在する。このようにa−Si膜2の配置を構成することにより、NA35ガラス基板1に対する熱損傷を大幅に低減することが可能となる。なお、a−Si膜はリボン状(線状)に限定されたものではなく、島形状としても良い。
【0049】
本例では、NA35ガラス基板1と半導体薄膜であるa−Si膜2との間には、PECVDで形成した膜厚400nm程度のSiO2膜がバッファー層として存在する。なお、バッファー層はこれに限定したものではなく、SiO2単独であれば200nm以上、またはSiO2膜とSiN膜との積層構造を利用しても良い。
【0050】
なお本例では、出力100W、波長532nmのCWレーザ1台を利用して結晶化したが、図1のように半導体薄膜パターンの配列が既に分かっているときには複数のビームを形成し、各エネルギービームを半導体薄膜領域に整合させて同時に照射しても良い。このとき、複数のエネルギービーム発生装置を利用しても良いし、また1台からエネルギービームを複数本に分離しても良い。
【0051】
─TFTの作製─
以下、上述のCWレーザビームを用いたnチャネルTFTの作製例について説明する。図6〜図9は、このTFTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【0052】
基板としては、上述と同様に、非晶質基板であるNA35のガラス基板21を使用する。先ず、図6(a)に示すように、ガラス基板21上に膜厚400nm程度のSiO2バッファー層22と膜厚100nm程度の非晶質シリコン薄膜(a−Si膜)を形成したパターニングSi薄膜を形成し、水素出しのために450℃、2時間の熱処理を行う。なお、水素出しは熱処理に限定したものではない。
【0053】
続いて、上述の時間に対して連続的に出力するエネルギービームを用いて前記a−Si膜を結晶化し、動作半導体薄膜11を形成する。具体的には、例えば図1等のようにリボン状に半導体薄膜、ここでは前記a−Si膜を形成し、CWレーザを用いて、波長532nm、エネルギービームサイズ150μm×20μmの線状ビームにより該a−Si膜を照射走査して結晶化する(図6(a)参照)。この結晶化後の動作半導体薄膜11の膜厚は約100nm程度である。
【0054】
続いて、前記エネルギービームを用いて、図6(a)の動作半導体薄膜11に2回目の照射走査して結晶化し、前記動作半導体薄膜11の膜厚よりも薄い膜厚の動作半導体薄膜11´(図示せぬ)を形成する。この動作半導体薄膜11´の膜厚は約50nm程度である。以下、前記動作半導体薄膜11を用いたTFTの作成についてのみ示すが、前記動作半導体薄膜11´を用いた場合も同様である。
【0055】
続いて、例えば図4のように、結晶化されたリボン状の半導体薄膜(図4中の符号では104)にTFTアイランド領域6を形成する。このとき、リボン状の半導体薄膜の中心軸上にTFTのチャネル領域4が位置するように加工する。即ち、完成したTFTにおいて流れる電流はレーザ光の走査方向と一致する。この場合、図2及び図4の円形図に示すように、リボン幅内に複数個(図示の例では6つ)のTFTが形成されても良い。
【0056】
続いて、図6(b)に示すように、動作半導体薄膜11上に膜厚100nm程度にゲート酸化膜となるシリコン酸化膜23をPECVD法により形成する。このとき、他の手法、例えばLPCVD法又はスパッタリング法等を利用しても良い。
【0057】
続いて、図6(c)に示すように、膜厚300nm程度となるようにアルミニウム膜(又はアルミニウム合金膜)24をスパッタリング法により成膜形成する。
【0058】
続いて、図7(a)に示すように、例えば、アルミニウム膜24をフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより電極形状にパターニングし、ゲート電極24を形成する。
【0059】
続いて、図7(b)に示すように、パターニングされたゲート電極24をマスクとしてシリコン酸化膜23をパターニングし、ゲート電極形状に倣ったゲート酸化膜23を形成する。
【0060】
続いて、図7(c)に示すように、ゲート電極24をマスクとして動作半導体薄膜11のゲート電極24の両側部位にイオンドープする。具体的には、n型不純物、ここではリン(P)を加速エネルギー20keV、ドーズ量4×1015/cm2の条件でイオンドープし、ソース/ドレイン領域を形成する。
【0061】
続いて、図8(a)に示すように、ソース/ドレイン領域のリンを活性化するためにエキシマレーザ照射を行った後、図8(b)に示すように、全面を覆うように膜厚300nm程度にSiNを堆積し、層間絶縁膜25を形成する。
【0062】
続いて、図9(a)に示すように、ゲート電極24上、動作半導体薄膜11のソース/ドレイン領域上をそれぞれ露出させるコンタクトホール26を層間絶縁膜25に開口形成する。
【0063】
続いて、図9(b)に示すように、各コンタクトホール26を埋め込むようにアルミニウム等の金属膜27を形成した後、図9(c)に示すように、金属膜27をパターニングし、それぞれコンタクトホール26を通じてゲート電極24、動作半導体薄膜11のソース/ドレイン領域と導通する配線27を形成する。
【0064】
しかる後、全面を覆う保護膜の形成等を経て、上記のような動作半導体膜11及び11´の膜厚の異なるnチャネルTFTを完成させる。
【0065】
図10−図13に、本発明の実施形態に係るnチャネルTFTの動作半導体膜の膜厚とTFT特性との関係を示す。
【0066】
図10は、前記本発明の実施形態に係るnチャネルTFTのId−Vg特性を示すグラフであり、ドレイン電圧Vd(V)を1Vにした状態でゲート電圧Vg(V)を変化させた場合のドレイン電流Id(A)を示している。図示中、縦軸はドレイン電流Id(A)、横軸はゲート電圧Vg(V)であり、実線で示すそれは該CWレーザビームを2回照射して結晶化された動作半導体膜11´(膜厚:約50nm,図示せぬ)を有するTFTの、点線で示す特性はCWレーザビームを1回照射して結晶化された動作半導体膜11(膜厚:約100nm,図6(a)参照)を有するTFTのものである。
【0067】
図11は、前記本発明の実施形態に係るnチャネルTFTのS−Value特性を示すグラフであり、前記リボン幅内6箇所(図2及び図4の円形図内1〜6の実線で示されたもの)のTFTの位置での、(オン電流を一定として)ドレイン電流Id(A)を10倍増加させるためのゲート電圧Vg(V)の増加分を示している。図示中、縦軸はTFTのId−Vg特性の傾きの逆数(V/dec)、横軸は前記リボン幅内にある実線で示した1〜6のTFTの位置であり、▲印で示す特性はCWレーザビームを1回照射して結晶化された動作半導体膜11(図6(a)参照)を有するTFTの、●印で示すそれは該CWレーザビームを2回照射して結晶化された動作半導体膜11´(図示せぬ)を有するTFTのものである(以下、図12及び図13中の●印、▲印についても同様とする。)。
【0068】
図12は、前記本発明の実施形態に係るnチャネルTFTの移動度(Mobility)を示すグラフであり、前記リボン幅内6箇所(図2及び図4の円形図内1〜6の実線で示されたもの)のTFTの位置におけるTFTの移動度(Mobility)を示している。図示中、縦軸はTFTの移動度(Mobility)(cm2/Vs)、横軸は前記リボン幅内にある実線で示した1〜6のTFTの位置である。
【0069】
図13は、前記本発明の実施形態に係るnチャネルTFTのVth特性を示すグラフであり、前記リボン幅内に6箇所(図2及び図4の円形図内1〜6の実線で示されたもの)のTFTの位置での、TFTをオンするためのゲート電圧値(Vth)を示している。図示中、縦軸はTFTのVth(V)、横軸は前記リボン幅内にある実線で示した1〜6のTFTの位置である。
【0070】
この結果より、CWレーザビームを1回照射して結晶化された動作半導体膜11を有するnチャネルTFTと、該CWレーザビームを2回照射して結晶化された動作半導体膜11´を有するnチャネルTFTとでは、そのトランジスタ特性、すなわちTFTの移動度はほぼ350cm2/Vs程度の高いレベルで同等であり、該CWレーザビームを2回照射して結晶化された動作半導体膜11´を有するnチャネルTFTの方が該各動作半導体膜の膜厚が薄くなりその結果、オフ/オンの比、すなわち、オン電流(=一定)とオフ電流の差は小さくなり、よって、ゲート電圧Vgが負におけるドレイン電流Id、すなわち、オフ電流は低減されていることがわかる。
【0071】
本実施形態によれば、上記のようなSOPの液晶表示装置等への適用に際して、画素スイッチング用及びドライバー高速駆動用にそれぞれに最適のTFTとして、TFTのトランジスタ特性、すなわち、TFTの移動度を約350cm2/Vs程度の高レベルで均質化し、該各TFTに最適の動作半導体膜となるp−Si膜の膜厚を制御(具体的には、該ドライバー高速駆動用TFTでは、前記CWレーザビームを1回照射して結晶化した膜厚を有する動作半導体膜11´を、該画素スイッチング用TFTのでは、該CWレーザビームを2回照射して結晶化した薄い膜厚を有する動作半導体膜11´を適用)して、当該各TFTを実現することが可能となる。これにより、当該TFTを多数備えてなる高性能なSOPの液晶表示装置等が実現可能となる。
【0072】
【発明の効果】
本発明によれば、TFTのトランジスタ特性を高レベルにし、画素スイッチング用およびドライバー高速駆動用にそれぞれ最適のTFTを備えることができ、特に該画素スイッチング用TFTのオン電流(リーク電流)を低減することが可能となる。
【0073】
更に本発明によれば、SOPの液晶表示装置等への適用に際して、TFTのトランジスタ特性を高レベルにし、該TFTの動作特性を高いレベルにできる連続的にエネルギーを出力するエネルギービームをドライバー領域及び画素領域に適用し、ドライバー領域と画素領域とで当該エネルギービームの照射回数を異ならせ、且つ、線状のエネルギービーム適用する等して、該ドライバー領域及び該画素領域をそれぞれ構成するTFTの動作半導体薄膜の膜厚に差異を設けて、極めて効率的に各場所の精度要求に見合った所望のSOPの液晶表示装置等を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に係るSOPの液晶表示装置の構成を模式的に示した図である。
【図2】 半導体薄膜リボン104にCWレーザ3から時間に対して連続的に出力するエネルギービームを矢印の方向へ1回目の照射走査する様子を示す図である。
【図3】 走査ドライバー領域102及びゲートドライバー領域103にTFTアイランドが形成された様子を示す図である。
【図4】 画素領域101に形成された半導体薄膜リボン104にCWレーザ3から時間に対して連続的に出力するエネルギービームを矢印の方向へ2回目の照射走査する様子を示す図である。
【図5】 画素領域101にTFTアイランドが形成された様子を示す図である。
【図6】 本発明の実施形態に係るTFTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図7】 図6に引き続き、本発明の実施形態に係るTFTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図8】 図7に引き続き、本発明の実施形態に係るTFTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図9】 図8に引き続き、本発明の実施形態に係るTFTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図10】 本発明の実施形態に係るnチャネルTFTのId−Vg特性を示すグラフである。
【図11】 本発明の実施形態に係るnチャネルTFTのS−Value特性を示すグラフである。
【図12】 本発明の実施形態に係るnチャネルTFTの移動度(Mobility)を示すグラフである。
【図13】 本発明の実施形態に係るnチャネルTFTのVth特性を示すグラフである。
【図14】 従来の実施形態に係るSOPの液晶表示装置の構成を模式的に示した図である。
【図15】 半導体薄膜リボン104に前記線状レーザビームを照射走査する様子を示す図である。
【図16】 図15の半導体薄膜リボン104にTFTアイランドが形成された様子を示す図である。
【符号の説明】
1 基板
3 CWレーザビーム
11、11´ 動作半導体膜(p−Si膜)
101 画素領域
102 走査ドライバー領域
103 ゲートドライバー領域
104 半導体薄膜リボン(a−Si膜)
105 チャネル領域
106 ソース/ドレイン
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and in particular, a pixel region having a plurality of thin film transistors (TFTs, hereinafter referred to as TFTs) on an amorphous substrate such as non-alkali glass. And a semiconductor device provided with a driver region, that is, a so-called driver pixel integrated type (System On Panel: SOP; hereinafter referred to as SOP).
[0002]
[Prior art]
Since the TFT is formed on an extremely thin and fine operating semiconductor film, it is considered to be mounted on a large-screen liquid crystal panel in consideration of the recent demand for a large area. Etc. are expected to be applied.
[0003]
In SOP, a plurality of polycrystalline semiconductor TFTs (particularly polycrystalline silicon (hereinafter referred to as p-Si) TFTs) are formed on an amorphous substrate such as alkali-free glass. In this case, after an amorphous silicon (hereinafter referred to as a-Si) film is formed as a semiconductor film, an excimer laser having an ultraviolet wavelength and a short pulse is irradiated, so that only the a-Si film is not affected by the glass substrate. The mainstream method is to obtain a p-Si film that functions as an operating semiconductor film by melting and crystallizing.
[0004]
A specific form of the conventional example will be described below with reference to the drawings.
[0005]
FIGS. 14 and 15 show a state in which the pulsed excimer laser beam is processed into a linear shape and, for example, an a-Si film is irradiated while scanning the linear laser beam.
[0006]
FIG. 14 is a diagram schematically showing the configuration of an SOP liquid crystal display device according to a conventional embodiment. In the drawing, the substrate is 1, the pixel area is 101, the data driver area is 102, and the scan driver area is 103. 104 is a semiconductor thin film (a-Si film) patterned in a linear (ribbon) form (hereinafter referred to as a semiconductor thin film ribbon). For example, the linear laser beam irradiation scans the semiconductor thin film ribbon 104 in the pixel region 101, the data driver region 102, and the scan driver region 103 in the direction of the arrow as shown in FIG.
[0007]
FIG. 15 is a diagram showing a state in which the semiconductor thin film ribbon 104 is irradiated and scanned with the linear laser beam. The width of the semiconductor thin film ribbon 104 is 70 μm, and the gap between the semiconductor thin film ribbon 104 regions is 80 μm.
[0008]
FIG. 16 is a diagram showing a state where TFT islands are formed on the semiconductor thin film ribbon 104 of FIG. 15. In the drawing, the channel region in the semiconductor thin film ribbon 104 is 105, the source / drain 106 is sandwiched between them, and these regions are included. The island region of the TFT is 107.
[0009]
As shown in FIG. 16, the a-Si film formed in the pixel region 101, the data driver region 102, and the scan driver region 103 is patterned into a semiconductor thin film ribbon 104, and the surface of the patterned a-Si film 104 or The linear laser beam is irradiated and scanned on the back surface of the substrate 1 in the direction of the arrow. Since the width dimension of the laser beam to be used is 100 μm, the semiconductor thin film ribbon 104 on the entire area of the substrate 1 is irradiated while shifting the scanning position by 150 μm. Thereafter, the ribbon-like semiconductor thin film 104 is patterned and etched to form an island region 107 of a TFT having a region to be the source / drain 106 with the channel region 105 sandwiched in the semiconductor thin film ribbon 104. At this time, when viewed from one place on the surface of the semiconductor thin film ribbon 104, the laser beam is one irradiation scan.
[0010]
The semiconductor thin film ribbon 104 in the periphery of the island region 107 is formed with an operating semiconductor film (p-Si film) that is a microcrystal because the cooling rate is high due to thermal diffusion to the periphery. Crystal grains having a width of several μm and a length of several tens of μm can be formed sufficiently late. Thereby, the crystal grain size of the channel part can be increased.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
An excimer laser that emits a high-power and linear beam corresponding to the increase in the area of SOP has been developed, and the p-Si film obtained by laser crystallization has a large crystal grain size and is formed uniformly in a large area. Has become possible.
[0012]
Thus, for example, in the SOP liquid crystal display device, when a TFT is manufactured using a p-Si film obtained by crystallization using the pulsed excimer laser, the pixel region and each driver region are configured. In the channel region of the TFT, the TFT having a high level of transistor characteristics with a high mobility can be manufactured because the crystal grain size is large and there are few grain boundaries present in the channel. The mobility of TFT obtained by this technique is about 150 cm 2 / Vs.
[0013]
As described above, the pulsed excimer laser is subjected to one irradiation scan on the a-Si film formed in the pixel region and the driver region, so that high mobility TFTs are uniformly formed in the entire region. However, in the pixel region, in the TFT for switching each pixel, the p-Si film serving as the operation semiconductor film obtained by this method is thick, so that the off-current There has been a problem that (leakage current) becomes large.
[0014]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and when applying the SOP to a liquid crystal display device or the like, the transistor characteristics of the TFT are set to a high level, and each TFT is optimal for pixel switching and driver high-speed driving. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
[0015]
Furthermore, in the present invention, when the transistor characteristics of the TFT are set to a high level and the optimum TFT is realized for each of pixel switching and driver high-speed driving, the number of irradiation times of the CW laser energy beam is made different between the pixel region and the driver region. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of realizing the TFT by controlling the film thickness of a p-Si film that is an optimum operating semiconductor film, and a method for manufacturing the same.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention includes the following aspects.
[0017]
An aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which a pixel region and a driver region each having a plurality of TFTs are provided on a substrate, and the semiconductor thin film formed in the pixel region and the driver region is subjected to time. When the semiconductor thin film is irradiated with an energy beam that continuously outputs energy to crystallize each semiconductor thin film to form an active semiconductor thin film for each TFT, the number of times of irradiation of the semiconductor thin film formed in the pixel region with the energy beam Is more than the number of times of irradiation of the semiconductor thin film formed in the driver region.
[0018]
In this case, the thickness of the operating semiconductor thin film of each TFT constituting the pixel region is smaller than the thickness of the operating semiconductor thin film of each TFT constituting the driver region.
[0019]
As described above, the leakage current (off current) can be reduced by reducing the film thickness of the operating semiconductor thin film of each TFT constituting the pixel region.
[0020]
In this case, as a specific example of the energy beam, a CW laser beam, and further a semiconductor-excited solid-state laser beam (DPSS laser beam) are preferable.
[0021]
Thus, by crystallizing the semiconductor thin film with an energy beam that is continuously output with respect to time, such as a CW laser, the crystal grain size is increased to a larger grain size, specifically in the energy beam scanning direction. The crystal state of the semiconductor thin film is formed along a streamlined flow pattern with long crystal grains. The crystal grain size in this case is, for example, 10 to 100 times larger than that when crystallized by an excimer laser beam currently used.
[0022]
A laser beam such as a CW laser having a high output is processed by an optical system so as to form a square spot of several centimeters square or a linear shape having a length of 10 cm or more on the irradiated surface, and the laser beam is scanned ( A method of performing laser annealing by moving the irradiation position of the laser beam relative to the irradiated surface is preferable because it is excellent in mass productivity and industrially excellent.
[0023]
In particular, when a linear laser beam is used, the laser beam is scanned over the entire irradiated surface by scanning only in the direction perpendicular to the linear direction of the linear laser, unlike the case of using a spot laser beam that requires scanning in front, rear, left, and right. Since irradiation can be performed, high mass productivity is obtained. The reason for scanning in the direction perpendicular to the line direction is that it is the most efficient scanning direction.
[0024]
In the above aspect, it is preferable that the semiconductor thin films are patterned on the substrate in a linear or island shape.
[0025]
Crystallization technology using a CW laser has been studied for a long time in the field of SOI (Silicon On Insulator), but it has been considered that a glass substrate cannot be thermally endured. Certainly, when laser irradiation is performed in a state where the a-Si film is formed on the entire surface as a semiconductor thin film, the temperature of the glass substrate increases as the temperature of the a-Si film increases, and damage such as cracks is observed. In the present invention, by previously patterning the semiconductor thin film into a linear or island shape, the temperature of the glass substrate does not rise, and the occurrence of cracks, diffusion of impurities into the film, and the like are prevented. As a result, when forming an operating semiconductor thin film of TFT on a substrate such as glass, it is possible to use an energy beam that outputs energy continuously with respect to time typified by a CW laser.
[0026]
In the above aspect, the number of irradiation times of the energy beam that outputs energy continuously and linearly with respect to time is different between the pixel region and the driver region (specifically, in the driver region). Crystallizing by irradiating the semiconductor thin film formed in the pixel region and the driver region once to the formed semiconductor thin film, and at least twice to the semiconductor thin film formed in the pixel region; It is preferable to use an operating semiconductor thin film.
[0027]
The TFTs provided in the pixel region and the driver region have different required accuracy and need to be optimized when manufacturing them. Accordingly, it is possible to reliably form an operating semiconductor thin film having a large grain size, to make the operating characteristics of each TFT high, and to apply an energy beam that continuously outputs energy over time to the pixel region and Applying to the driver region, the number of times of irradiation of the energy beam is different between the pixel region and the driver region, and applying a linear energy beam, etc., the operating semiconductor of the TFT that respectively constitutes the pixel region and the driver region A difference is made in the thickness of the thin film. This makes it possible to achieve a desired SOP that meets the accuracy requirements of each location extremely efficiently.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0029]
─Crystalling with energy beam output continuously over time─
First, a main configuration of this embodiment, that is, an energy beam that continuously outputs energy with respect to time is a CW laser, and here, crystallization of a semiconductor thin film using the CW laser will be disclosed.
[0030]
By irradiating and scanning a semiconductor thin film such as an a-Si film with a continuous energy beam with respect to time, it is possible to form a polysilicon crystal having a large particle size. The crystal grain size at this time is about several μm, and a very large crystal can be formed. This crystal grain size is, for example, 10 to 100 times larger than the excimer laser currently used. Therefore, it is very advantageous for a TFT of a driver portion that requires high speed operation.
[0031]
FIGS. 1 to 5 show crystallization of a semiconductor thin film using a CW laser.
[0032]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an SOP liquid crystal display device, and the configuration is the same as that of FIG. 14 and has already been described. It shows with the same code | symbol (refer FIG. 14). For example, as shown in FIG. 1, the CW laser irradiation scans the pixel region 101, the data driver 102, and the semiconductor thin film ribbon 104 in the scan driver region 103 in the direction of the arrow.
[0033]
FIG. 2 is a diagram showing a state in which an energy beam continuously output with respect to time from the CW laser 3 to the semiconductor thin film ribbon 104 is irradiated and scanned in the direction of the arrow, which is the same as that in FIG. Are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 2, the width of the semiconductor thin film ribbon 104 is 70 μm, and the gap between the semiconductor thin film ribbon 104 regions is 80 μm. A circular diagram in FIG. 2 is a schematic diagram of a plurality of TFTs formed within the width of the ribbon 104.
[0034]
FIG. 3 is a diagram showing a state where TFT islands are formed in the data driver region 102 and the scan driver region 103, and the same components as those in FIG. 16 are denoted by the same reference numerals. In the figure, a channel region in the semiconductor thin film ribbon 104 is 105, a source / drain 106 sandwiching the channel region, and an island region 107 of the TFT having these regions is 107.
[0035]
FIG. 4 is a diagram showing a state in which the semiconductor thin film ribbon 104 formed in the pixel region 101 is irradiated and scanned for the second time in the direction of the arrow with the energy beam continuously output from the CW laser 3 with respect to time. The same thing as 2 thing is shown with the same code | symbol. 4 is a schematic view of a plurality of TFTs formed in the width of the ribbon 104. In FIG.
[0036]
FIG. 5 is a diagram showing a state where TFT islands are formed in the pixel region 101. In the figure, the channel region in the semiconductor thin film ribbon 104 is 105, the source / drain 106 sandwiching it, and the island region of the TFT having these regions Is 107.
[0037]
1-3, buffer SiO 2 The a-Si film 2 (film thickness: 100 nm) is patterned into a linear shape (ribbon shape) on the glass substrate 1 formed with the CW laser 3 on the surface of the a-Si film 2 or the back surface of the glass substrate 1. The first irradiation scan is performed in the direction of the arrow with the energy beam output continuously with respect to time. As shown in FIG. 2, since the width of the laser beam used is 100 μm, the semiconductor thin film ribbon 104 on the entire area of the substrate 1 is irradiated while shifting the scanning position by 150 μm.
[0038]
After that, as shown in FIG. 3, only the ribbon-like semiconductor thin film 104 in the data driver region 102 and the scan driver region 103 is patterned and etched to sandwich the channel region 4 in each semiconductor thin film 104 to form the source / drain 5. An island region 6 of the TFT having the region is formed. As a result, the semiconductor thin film ribbon 104 in the data driver region 102 and the scan driver region 103 is crystallized to form an operating semiconductor thin film (film thickness: about 100 nm) of each TFT film.
[0039]
Next, as shown in FIG. 4, an energy beam continuously output with respect to time from the CW laser 3 is applied to only the front surface of the ribbon-like semiconductor thin film 104 in the pixel region 101 or the back surface of the glass substrate 1 as indicated by the arrows. Second irradiation scan in the direction. As shown in FIG. 4, the width of the laser beam used is 100 μm, the second scanning is started by shifting 30 μm from the position of the first scanning region of the first laser, and the scanning position is shifted by 150 μm. However, only the semiconductor thin film ribbon 104 in the entire pixel region 101 is irradiated and scanned.
[0040]
Thereafter, as shown in FIG. 5, only the ribbon-like semiconductor thin film 104 in the pixel region 101 is patterned and etched, and the TFT having a region that becomes the source / drain 5 with the channel region 4 sandwiched in each semiconductor thin film 104. An island region 6 is formed. Thereby, the semiconductor thin film ribbon 104 of the pixel 101 is crystallized, and an operating semiconductor thin film (film thickness: about 50 nm) of the TFT film constituting the region is formed.
[0041]
Microcrystals are formed in the periphery of each island region 6 due to the high cooling rate due to thermal diffusion to the periphery, but the irradiation conditions (energy and scanning speed) of the CW laser 3 are appropriately selected inside. Thus, the cooling rate can be sufficiently slowed down, and crystal grains with a width of several μm and a length of several tens of μm are formed. Thereby, the crystal grain size of the channel part can be increased.
[0042]
In this way, the operation of the TFT that constitutes the pixel region and each driver region, such as applying a linear energy beam by changing the number of times of irradiation of the CW laser beam between the pixel region and each driver region. A difference can be provided in the film thickness of the semiconductor thin film.
[0043]
In addition, although the crystallization technique by the energy beam continuous with respect to time has been studied for a long time in the field of SOI (Silicon On Insulator), it was considered that the glass substrate cannot be thermally endured. Certainly, when laser irradiation is performed with the a-Si film formed on the entire surface, the temperature of the glass substrate increases with the temperature of the a-Si film, and damage such as cracks is observed. By processing the film into a linear shape (or an island shape) in advance, the temperature of the glass substrate does not increase, and cracks and impurities do not diffuse into the film.
[0044]
Hereinafter, specific examples of crystallization using a CW laser will be shown.
[0045]
The wavelength of the CW laser is 532 nm. Note that the wavelength may be a wavelength at which the semiconductor thin film can be crystallized. The output is 100 W, and the substrate is NA35 glass which is an amorphous substrate. The material of the amorphous substrate is not limited to this, and other non-alkali glass, quartz glass, silicon single crystal, ceramics, plastic, etc. may be used.
[0046]
Between the glass substrate and the semiconductor thin film, SiO 2 The buffer layer is formed with a film thickness of about 400 nm. The buffer layer is not limited to this, and SiO 2 A laminated structure of a film and a SiN film may be used. The semiconductor thin film is a silicon thin film formed by plasma CVD. Before the energy irradiation, heat treatment for removing hydrogen is performed by heat treatment at 450 ° C. for 2 hours. Here, hydrogen extraction is not limited to heat treatment. In this example, the light is transmitted from the back surface through the glass. However, the present invention is not limited to this, and the light may be irradiated from the semiconductor thin film side.
[0047]
The energy beam is formed into a long linear beam (or elliptical beam) having a size of 150 μm × 20 μm. Here, the size and shape of the energy beam are not limited to this, and may be adjusted to an optimum size necessary for crystallization. For example, the beam shape is preferably a rectangular beam (or elliptical beam), a linear beam (or elliptical beam), or the like. Note that the long linear beam (or elliptical beam), rectangular beam (or elliptical beam), and linear beam (or elliptical beam) preferably have uniform energy intensity within the beam, but they need to be uniform. Rather, an energy profile having the highest intensity at the center position of the beam may be used.
[0048]
In this example, the a-Si film 104 is patterned in a ribbon shape in the silicon region where the TFT is formed as shown in FIGS. 2 and 3, and the adjacent ribbon-shaped a-Si films 104 are separated by a predetermined distance. In other words, there is a region where the a-Si film 104 does not exist. By configuring the arrangement of the a-Si film 2 in this manner, thermal damage to the NA35 glass substrate 1 can be greatly reduced. Note that the a-Si film is not limited to a ribbon shape (linear shape), and may be an island shape.
[0049]
In this example, between the NA 35 glass substrate 1 and the a-Si film 2 which is a semiconductor thin film, a SiOCVD film having a film thickness of about 400 nm formed by PECVD. 2 A membrane exists as a buffer layer. The buffer layer is not limited to this, and SiO 2 200nm or more if used alone or SiO 2 A laminated structure of a film and a SiN film may be used.
[0050]
In this example, crystallization was performed using one CW laser having an output of 100 W and a wavelength of 532 nm. However, when the arrangement of the semiconductor thin film pattern is already known as shown in FIG. May be irradiated at the same time in alignment with the semiconductor thin film region. At this time, a plurality of energy beam generators may be used, or a plurality of energy beams may be separated from one unit.
[0051]
--TFT fabrication--
Hereinafter, an example of manufacturing an n-channel TFT using the above-described CW laser beam will be described. 6 to 9 are schematic cross-sectional views showing the manufacturing method of this TFT in the order of steps.
[0052]
As the substrate, the glass substrate 21 of NA35 which is an amorphous substrate is used as described above. First, as shown in FIG. 6A, an SiO film having a thickness of about 400 nm is formed on a glass substrate 21. 2 A patterned Si thin film in which an amorphous silicon thin film (a-Si film) having a thickness of about 100 nm and a buffer layer 22 is formed is formed, and heat treatment is performed at 450 ° C. for 2 hours for hydrogen extraction. Note that hydrogen extraction is not limited to heat treatment.
[0053]
Subsequently, the a-Si film is crystallized by using an energy beam that is continuously output with respect to the above-described time, and the operating semiconductor thin film 11 is formed. Specifically, for example, as shown in FIG. 1 and the like, a semiconductor thin film, in this case, the a-Si film is formed in a ribbon shape, and the CW laser is used to form a linear beam having a wavelength of 532 nm and an energy beam size of 150 μm × 20 μm. The a-Si film is crystallized by irradiation scanning (see FIG. 6A). The film thickness of the operative semiconductor thin film 11 after crystallization is about 100 nm.
[0054]
Subsequently, using the energy beam, the operation semiconductor thin film 11 shown in FIG. 6A is crystallized by a second irradiation scan, and the operation semiconductor thin film 11 ′ having a thickness smaller than the film thickness of the operation semiconductor thin film 11 is obtained. (Not shown). The film thickness of the operating semiconductor thin film 11 ′ is about 50 nm. Hereinafter, only the fabrication of the TFT using the operating semiconductor thin film 11 will be described, but the same applies to the case where the operating semiconductor thin film 11 ′ is used.
[0055]
Subsequently, for example, as shown in FIG. 4, a TFT island region 6 is formed in a crystallized ribbon-like semiconductor thin film (reference numeral 104 in FIG. 4). At this time, processing is performed so that the channel region 4 of the TFT is positioned on the central axis of the ribbon-like semiconductor thin film. That is, the current flowing in the completed TFT matches the scanning direction of the laser beam. In this case, as shown in the circular diagrams of FIGS. 2 and 4, a plurality of (six in the illustrated example) TFTs may be formed within the ribbon width.
[0056]
Subsequently, as shown in FIG. 6B, a silicon oxide film 23 to be a gate oxide film is formed on the operating semiconductor thin film 11 to a thickness of about 100 nm by PECVD. At this time, other methods such as an LPCVD method or a sputtering method may be used.
[0057]
Subsequently, as shown in FIG. 6C, an aluminum film (or aluminum alloy film) 24 is formed by sputtering to have a film thickness of about 300 nm.
[0058]
Subsequently, as shown in FIG. 7A, for example, the aluminum film 24 is patterned into an electrode shape by photolithography and subsequent dry etching to form the gate electrode 24.
[0059]
Subsequently, as shown in FIG. 7B, the silicon oxide film 23 is patterned using the patterned gate electrode 24 as a mask to form a gate oxide film 23 following the shape of the gate electrode.
[0060]
Subsequently, as shown in FIG. 7C, both sides of the gate electrode 24 of the operating semiconductor thin film 11 are ion-doped using the gate electrode 24 as a mask. Specifically, an n-type impurity, here phosphorus (P), is ion-doped under conditions of an acceleration energy of 20 keV and a dose of 4 × 10 15 / cm 2 to form source / drain regions.
[0061]
Subsequently, as shown in FIG. 8A, after excimer laser irradiation is performed to activate phosphorus in the source / drain regions, the film thickness is formed so as to cover the entire surface as shown in FIG. 8B. SiN is deposited to a thickness of about 300 nm, and an interlayer insulating film 25 is formed.
[0062]
Subsequently, as shown in FIG. 9A, contact holes 26 that expose the gate electrode 24 and the source / drain regions of the operating semiconductor thin film 11 are formed in the interlayer insulating film 25.
[0063]
Subsequently, as shown in FIG. 9B, after forming a metal film 27 such as aluminum so as to bury each contact hole 26, the metal film 27 is patterned as shown in FIG. A wiring 27 is formed to be electrically connected to the gate electrode 24 and the source / drain region of the operating semiconductor thin film 11 through the contact hole 26.
[0064]
Thereafter, through formation of a protective film covering the entire surface, etc., n-channel TFTs having different film thicknesses of the operating semiconductor films 11 and 11 ′ as described above are completed.
[0065]
10 to 13 show the relationship between the film thickness of the operating semiconductor film of the n-channel TFT and the TFT characteristics according to the embodiment of the present invention.
[0066]
FIG. 10 is a graph showing the Id-Vg characteristics of the n-channel TFT according to the embodiment of the present invention, in the case where the gate voltage Vg (V) is changed with the drain voltage Vd (V) being 1V. The drain current Id (A) is shown. In the figure, the vertical axis represents the drain current Id (A) and the horizontal axis represents the gate voltage Vg (V), which is indicated by the solid line, which is an operation semiconductor film 11 ′ (film) crystallized by irradiating the CW laser beam twice. The characteristic indicated by the dotted line of the TFT having a thickness of about 50 nm (not shown) is an operation semiconductor film 11 crystallized by irradiating the CW laser beam once (film thickness: about 100 nm, see FIG. 6A). It is a TFT having
[0067]
FIG. 11 is a graph showing the S-Value characteristics of the n-channel TFT according to the embodiment of the present invention, which is indicated by the solid lines 6 to 6 within the ribbon width (1 to 6 in the circular diagrams of FIGS. 2 and 4). The increase in the gate voltage Vg (V) for increasing the drain current Id (A) by a factor of 10 (assuming the on-state current is constant) at the TFT position is shown. In the figure, the vertical axis represents the reciprocal of the slope of the Id-Vg characteristic of the TFT (V / dec), and the horizontal axis represents the position of the TFTs 1 to 6 indicated by the solid line within the ribbon width. Is a TFT having an operation semiconductor film 11 (see FIG. 6A) crystallized by irradiating once with the CW laser beam, which is indicated by ●, which is crystallized by irradiating the CW laser beam twice. This is for a TFT having an operating semiconductor film 11 ′ (not shown) (hereinafter, the same applies to the marks ● and ▲ in FIGS. 12 and 13).
[0068]
FIG. 12 is a graph showing the mobility of the n-channel TFT according to the embodiment of the present invention, which is indicated by six points within the ribbon width (shown by solid lines 1 to 6 in the circular diagrams of FIGS. 2 and 4). The mobility of the TFT at the TFT position is shown. In the figure, the vertical axis represents TFT mobility (cm). 2 / Vs), the horizontal axis is the position of the TFTs 1 to 6 indicated by solid lines within the ribbon width.
[0069]
FIG. 13 is a graph showing the Vth characteristics of the n-channel TFT according to the embodiment of the present invention, and is shown in the ribbon width at six locations (shown by solid lines 1 to 6 in the circular diagrams of FIGS. 2 and 4). The gate voltage value (Vth) for turning on the TFT at the TFT position is shown. In the drawing, the vertical axis represents the Vth (V) of the TFT, and the horizontal axis represents the position of 1 to 6 TFTs indicated by the solid line within the ribbon width.
[0070]
As a result, the n-channel TFT having the operating semiconductor film 11 crystallized by irradiating once with the CW laser beam and the n-channel TFT having the operating semiconductor film 11 ′ crystallized by irradiating the CW laser beam twice. The channel TFT has the same transistor characteristics, that is, the mobility of the TFT at a high level of about 350 cm 2 / Vs, and has an operation semiconductor film 11 ′ that is crystallized by irradiating the CW laser beam twice. In the channel TFT, the thickness of each operating semiconductor film is reduced, and as a result, the off / on ratio, that is, the difference between the on-current (= constant) and the off-current is small, and therefore the gate voltage Vg is negative. It can be seen that the drain current Id, that is, the off-current is reduced.
[0071]
According to the present embodiment, when the SOP is applied to a liquid crystal display device or the like as described above, the TFT transistor characteristics, that is, the mobility of the TFT, is obtained as an optimum TFT for each of pixel switching and driver high-speed driving. Homogenizing at a high level of about 350 cm 2 / Vs, and controlling the film thickness of the p-Si film that is the optimum operating semiconductor film for each TFT (specifically, in the driver high-speed driving TFT, the CW laser beam In the pixel switching TFT, the operating semiconductor film 11 ′ having a thin film thickness that is crystallized by irradiating the CW laser beam twice. It is possible to realize each of the TFTs by applying '). As a result, a high-performance SOP liquid crystal display device including a large number of TFTs can be realized.
[0072]
【The invention's effect】
According to the present invention, the transistor characteristics of the TFT can be set to a high level, and an optimum TFT can be provided for each of pixel switching and driver high-speed driving. In particular, the on-current (leakage current) of the pixel switching TFT can be reduced. It becomes possible.
[0073]
Further, according to the present invention, when the SOP is applied to a liquid crystal display device or the like, the transistor characteristics of the TFT are set to a high level, and the energy beam that continuously outputs energy that can increase the operating characteristics of the TFT is set to the driver region and The operation of the TFT that configures the driver region and the pixel region by applying to the pixel region, changing the number of times of irradiation of the energy beam between the driver region and the pixel region, and applying a linear energy beam, etc. By providing a difference in the thickness of the semiconductor thin film, it is possible to realize a liquid crystal display device of a desired SOP that meets the accuracy requirements of each place extremely efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an SOP liquid crystal display device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a state in which an energy beam continuously output from a CW laser 3 to a semiconductor thin film ribbon 104 with respect to time is irradiated and scanned in the direction of an arrow for the first time.
FIG. 3 is a diagram illustrating a state where TFT islands are formed in a scan driver region and a gate driver region.
FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which an energy beam continuously output from the CW laser 3 with respect to time is irradiated and scanned in the direction of an arrow on the semiconductor thin film ribbon 104 formed in the pixel region 101 for the second time.
FIG. 5 is a diagram showing a state where a TFT island is formed in the pixel region 101;
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing a TFT according to an embodiment of the invention in the order of steps.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 6, illustrating a method for manufacturing a TFT according to an embodiment of the present invention in the order of steps.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 7, showing a method for manufacturing a TFT according to an embodiment of the present invention in the order of steps.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 8, illustrating a method for manufacturing a TFT according to an embodiment of the present invention in the order of steps.
FIG. 10 is a graph showing Id-Vg characteristics of an n-channel TFT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing S-Value characteristics of an n-channel TFT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing mobility of an n-channel TFT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing Vth characteristics of an n-channel TFT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram schematically showing a configuration of an SOP liquid crystal display device according to a conventional embodiment.
FIG. 15 is a view showing a state in which a semiconductor thin film ribbon is irradiated and scanned with the linear laser beam.
16 is a view showing a state where TFT islands are formed on the semiconductor thin film ribbon 104 of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
3 CW laser beam
11, 11 'operation semiconductor film (p-Si film)
101 pixel area
102 Scan driver area
103 Gate driver area
104 Semiconductor thin film ribbon (a-Si film)
105 channel region
106 Source / Drain

Claims (4)

基板上に、各々複数の薄膜トランジスタを有する画素領域及びドライバー領域が設けられてなる半導体装置の製造方法であって、
画素領域及びドライバー領域に各々形成された半導体薄膜に、時間に対して連続的にエネルギーを出力するエネルギービームを照射し、前記各半導体薄膜を結晶化し、前記各薄膜トランジスタの動作半導体薄膜とする際、
前記エネルギービームの前記画素領域に形成された半導体薄膜への照射回数を、前記ドライバー領域に形成された半導体薄膜への照射回数よりも多くすることにより、前記画素領域に形成された半導体薄膜の膜厚を、前記ドライバー領域に形成された半導体薄膜の膜厚よりも薄くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device in which a pixel region and a driver region each having a plurality of thin film transistors are provided on a substrate,
When the semiconductor thin film formed in each of the pixel region and the driver region is irradiated with an energy beam that continuously outputs energy with respect to time to crystallize each of the semiconductor thin films,
The semiconductor thin film formed in the pixel region is formed by increasing the number of times of irradiation of the semiconductor thin film formed in the pixel region of the energy beam to the number of times of irradiation of the semiconductor thin film formed in the driver region. A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that the thickness is made thinner than the thickness of a semiconductor thin film formed in the driver region.
前記ドライバー領域に形成された半導体薄膜を結晶化した後、
前記画素領域に形成された半導体薄膜を結晶化することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
After crystallizing the semiconductor thin film formed in the driver region,
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor thin film formed in the pixel region is crystallized.
時間に対する連続的にエネルギーを出力する前記エネルギービームがCWレーザ光であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。  3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the energy beam that continuously outputs energy with respect to time is a CW laser beam. 前記CWレーザ光のビーム形状は丸ビーム、長尺線状ビーム、楕円ビーム、長方形ビーム、及び線状ビームのいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。  4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein a beam shape of the CW laser light is any one of a round beam, a long linear beam, an elliptical beam, a rectangular beam, and a linear beam.
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