JP4578618B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁表面を有する基板上に形成する結晶構造を有する半導体膜及びその作製方法、並びに該半導体膜を活性層に用いた半導体装置及びその作製方法に関する。特に、結晶質半導体膜で活性層を形成した薄膜トランジスタに関する。尚、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、薄膜トランジスタを用いて形成されるアクティブマトリクス型の液晶表示装置に代表される電気光学装置、およびそのような電気光学装置を部品として搭載した電子装置を範疇とする。
【0002】
【従来の技術】
ガラスなどの透光性を有する絶縁基板上に非晶質半導体膜を形成し、レーザーアニール法や熱アニール法などで結晶化させた結晶質半導体膜を活性層とする薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:以下、TFTと記す)が開発されている。このTFTを作製するために主として使用される基板は、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板である。このようなガラス基板は石英基板と比べ耐熱性は劣るものの市販価格は安価であり、大面積基板を容易に製造できる利点を有している。
【0003】
レーザーアニール法はガラス基板の温度をあまり上昇させず、非晶質半導体膜にのみ高いエネルギーを与えて結晶化させることができる結晶化技術として知られている。特に、短波長光で大出力が得られるエキシマレーザーはこの用途において最も適していると考えられている。エキシマレーザーを用いたレーザーアニール法は、レーザービームを被照射面においてスポット状や線状となるように光学系で加工し、その加工されたレーザー光で被照射面を走査すること(レーザー光の照射位置を被照射面に対して相対的に移動させる)により行う。例えば、線状レーザー光を用いたエキシマレーザーアニール法は、その長手方向と直角な方向だけの走査で被照射面全体をレーザーアニールすることができ、生産性に優れることからTFTを用いる液晶表示装置の製造技術として主流となりつつある。
【0004】
レーザーアニール法は様々な半導体材料の結晶化に適用できる。しかし、TFTの特性面から考慮すると、結晶質シリコン膜を活性層に用いると高い移動度を実現することが得ることができるので適していると考えられている。その技術は一枚のガラス基板上に画素部を形成する画素TFTと、画素部の周辺に設けられる駆動回路のTFTを形成したモノシリック型の液晶表示装置を実現させた。
【0005】
しかしながら、レーザーアニール法で作製される結晶質シリコン膜は複数の結晶粒の集合であり、結晶粒の位置と大きさがランダムであり、任意の位置に意図的に結晶粒を形成することは出来なかった。そのため、結晶性が最も重要視されるTFTのチャネル形成領域を単一の結晶粒で形成することは殆ど不可能であった。結晶粒の界面(結晶粒界)には、非晶質構造や結晶欠陥などに起因する再結合中心や捕獲中心や結晶粒界におけるポテンシャル準位の影響により、キャリアの電流輸送特性が低下させる原因があった。そのことに起因して結晶性シリコン膜を活性層とするTFTは、単結晶シリコン基板に作製されるMOSトランジスタの特性と同等なものは今日まで得られていない。
【0006】
このような問題点を解決する方法として、結晶粒を大きくすると共に、その結晶粒の位置を制御して、チャネル形成領域から結晶粒界をなくすことは有効な手段として考えられる。例えば、「"Location Control of Large Grain Following Excimer-Laser Melting of Si Thin-Films", R.Ishihara and A.Burtsev, Japanese Journal of Applied Physics vol.37, No.3B, pp1071-1075,1998」には、シリコン膜の温度分布を3次元的に制御して結晶の位置制御と大粒形化を実現する方法が開示されている。その方法によれば、ガラス基板上に高融点金属を成膜して、その上に部分的に膜厚の異なる酸化シリコン膜を形成し、その表面に非晶質シリコン膜を形成した基板の両面からエキシマレーザー光を照射することにより結晶粒径を数μmに大きくできることが報告されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記Ishiharaらの方法は、非晶質シリコン膜の下地材料の熱特性を局所的に変化させて、基板への熱の流れを制御して温度勾配を持たせることを特徴としている。しかしながら、そのためにガラス基板上に高融点金属層/酸化シリコン層/半導体膜の3層構造を形成することが必要とされている。この半導体膜を活性層としてトップゲート型のTFTを形成することは構造的には可能であるが、半導体膜と高融点金属層との間で寄生容量が発生するので、消費電力が増加し、TFTの高速動作を実現することは困難となってしまう。
【0008】
一方、高融点金属層がゲート電極を兼ねることによって、ボトムゲート型または逆スタガ型のTFTに対しては有効に適用できるものである。しかし、前記3層構造において、半導体膜の厚さを除いても、高融点金属層と酸化シリコン層の膜厚は、結晶化工程において適した膜厚と、TFT素子としての特性において適した膜厚ちは必ずしも一致しないので、結晶化工程における最適設計と素子構造の最適設計とを両方同時に満足することはできない。
【0009】
また、透光性のない高融点金属層をガラス基板の全面に形成すると、透過型の液晶表示装置を製作することは不可能である。高融点金属層は熱伝導率が高いという点では有用であるが、高融点金属材料として代表的に使用されるクロム(Cr)膜やチタン(Ti)膜は内部応力が高いので、ガラス基板との密着性に問題が生じる可能性が高い。内部応力の影響はこの上層に形成する半導体膜へも及び、形成された結晶性半導体膜に歪みを与える力として作用することが憂慮される。
【0010】
本発明はこのような問題点を解決するための技術であり、結晶粒の位置とその大きさを制御した結晶質半導体膜を作製し、さらにその結晶質半導体膜をTFTのチャネル形成領域に用いることにより高速動作が可能なTFTを実現する。さらに、そのようなTFTを透過型の液晶表示装置やイメージセンサなどのさまざまな半導体装置に適用できる技術を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するための手段を図1を用いて説明する。基板1の主表面に密接して透光性と絶縁性を有する熱伝導層2を設け、その熱伝導層上の選択された領域に、島状またはストライプ状に形成した第1の絶縁層3を形成する。この上に第2の絶縁層4、半導体膜5を積層させる。最初、半導体膜5は非晶質構造を有する半導体膜(非晶質半導体膜)で形成しておく。第1の絶縁層3及び第2の絶縁層4は熱伝導層2への熱の流出速度を制御するための機能を持たせるものである。第2の絶縁層4は省略することも可能である。いずれにしても、非晶質半導体膜5は基板上の第1の絶縁層3が設けられた領域と、それ以外の領域に連続して形成する。
【0012】
非晶質構造を有する様に形成した半導体膜5は、結晶化の工程により結晶質半導体膜となる。結晶化の工程はレーザーアニール法で実施されるのが最も好ましい。特に、波長400nm以下のレーザー光を発するエキシマレーザーを光源に使用すると、半導体膜を優先的に加熱することができるので適している。エキシマレーザーは、パルス発振型または連続発光型を用いることができる。半導体膜5に照射する光は、光学系にて線状ビーム、スポット状ビーム、面状ビームなどとすることが可能であり、その形状に限定されるものはない。具体的なレーザーアニール条件は実施者が適宣決定するものとするが、本発明における結晶化の工程においては、概略以下のように溶融状態から固相状態に変遷する反応を行うものである。
【0013】
レーザーアニール法では、照射するレーザー光(またはレーザービーム)の条件を最適なものとすることにより半導体膜を加熱溶融させ、結晶核の発生密度とその結晶核からの結晶成長を制御しようとしている。図1において破線で区別した領域Aは熱伝導層2上に第1の絶縁層3が設けられた領域である。領域Bは第1の絶縁層3が設けられていいない周辺の領域を指している。エキシマレーザーのパルス幅は数nsec〜数十nsec、例えば30nsecであるので、パルス発振周波数を30Hzとして照射すると、半導体膜はパルスレーザー光により瞬時に加熱され、その加熱時間よりも遥かに長い時間冷却されることになる。レーザー光の照射により半導体膜は溶融状態となるが、領域Aでは領域Bと比較して第1の絶縁層が形成されている分だけ体積が増えるため温度上昇が低くなる。一方、レーザー光の照射が終わった直後からは熱伝導層2を通して熱が拡散するので、領域Bの方が急激に冷却が始まり固相状態へ変化するのに対し、領域Aでは相対的に緩やかに冷却される。
【0014】
結晶核は溶融状態から固相状態へ移る冷却過程で生成形成されるものと推定されているが、その核発生密度は、溶融状態の温度と冷却速度とに相関があり、高温から急冷されると核発生密度が高くなる傾向が経験的知見として得られている。従って、溶融状態から急激に冷却される領域Bでは結晶核の発生密度が領域Aよりも高くなり、ランダムに結晶核が発生することにより複数の結晶粒が形成され、かつ領域Aに生成される結晶粒よりも粒形が相対的に小さくなる。一方、領域Aではレーザー光の照射条件と、第1の絶縁層3および第2の絶縁層4を最適なものとすることで、溶融状態の温度とその冷却速度を制御することが可能となり、結晶核の発生数を1個として、大粒形の結晶を成長させることができる。
【0015】
このような結晶化を可能とするレーザーは、その他にYAGレーザー、YVO4レーザー、YLFレーザーに代表される固体レーザーがある。これらの固体レーザーはレーザーダイオード励起のものが好ましく、その第2高調波(532nm)、第3高調波(354.7nm)、第4高調波(266nm)を用る。照射条件はパルス発振周波数1〜10kHzが可能となり、レーザーエネルギー密度を300〜600mJ/cm2(代表的には350〜500mJ/cm2)とする。そして幅100〜1000μm、例えば400μmで線状に集光したレーザー光を基板全面に渡って照射する。この時の線状レーザー光の重ね合わせ率(オーバーラップ率)は80〜98%とする。
【0016】
結晶化の工程は、レーザーアニール法のみが適用されるものでなく、熱アニール法とレーザーアニール法とを組み合わせても良い。例えば、最初熱アニール法で非晶質半導体膜を結晶化させた後、さらにレーザー光を照射して結晶質半導体膜を形成することも可能である。熱アニール法には、触媒元素を用いる結晶化法を応用しても良い。
【0017】
このような結晶化の工程において、基板の主表面に密接して形成する熱伝導層2と第1の絶縁層3および第2の絶縁層4に用いる材料とその膜厚は、熱伝導の過渡的な現象を制御する目的で重要な選択項目となる。熱伝導層は、常温における熱伝導率が10Wm-1K-1以上である材料を用いることが必要となる。そのような材料として、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、から選ばれた一種または複数種を成分とする化合物を適用することができる。或いは、Si、N、O、M(MはAlまたは希土類元素から選ばれた少なくとも一種)からなる化合物としても良い。
【0018】
一方、第1の絶縁層3および第2の絶縁層4は、常温における熱伝導率が、10Wm-1K-1未満である材料を用いる。そのような熱伝導率を有する材料であり、かつ、ガラス基板上に形成するTFTの下地層として適しているものとして、酸化窒化シリコン膜を用いることが望ましい。勿論、その他に窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などを用いることも可能である。しかしながら、最も好ましい材料として、第1の絶縁膜3または第2の絶縁膜4を、プラズマCVD法でSiH4、N2Oから作製する酸化窒化シリコン膜で形成し、その組成を含有酸素濃度が55atomic%以上70atomic%以下であり、かつ含有窒素濃度が1atomic%以上20atomic%以下とすると良い。
【0019】
第1の絶縁層3は、ガラス基板上においてTFTの活性層(チャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域、およびLDD領域が形成される半導体膜)の配置に合わせて、同様に島状またはストライプ状に分割して形成する。その大きさは、例えばTFTの大きさに合わせて0.35×0.35μm2(チャネル長×チャネル幅)としたサブミクロンサイズとしても良いし、8×8μm2、8×200μm2または12×400μm2などとすることができる。少なくともTFTのチャネル形成領域の位置と大きさに合わせて第1の絶縁層3を形成することにより、この上に形成される結晶質半導体膜の一つの結晶粒でチャネル形成領域を形成することが可能となる。即ち、実質的に単結晶膜でチャネル形成領域を形成したものと同等な構造とすることができる。このとき、第1の絶縁膜の端面における側壁の角度が、ガラス基板の主表面に対して、10度以上40度未満で形成することが望ましい。
【0020】
このような現象を利用することにより、結晶質半導体膜に存在する結晶粒の大粒形化を図ることができる。さらに、その結晶粒の位置をTFTの活性層を形成する位置に配置させることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
[実施形態1]
本発明の実施形態を図2を用いて説明する。図2(A)において、基板501にはバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガラス基板を用いる。例えば、コーニング社の#7059ガラスや#1737ガラス基などを好適に用いることができる。このようなガラス基板は、ガラス歪み点よりも10〜20℃程度低い温度であらかじめ熱処理しておくと後の工程において基板の収縮による変形を低減できる。
【0022】
この基板501のTFTを形成する表面に、透光性でかつ絶縁性を有し、熱伝導性の優れる熱伝導層502を形成する。熱伝導層502の厚さは50〜500nmとし、熱伝導率は10Wm-1K-1以上であることが必要である。このような材料として、アルミニウムの酸化物(酸化アルミニウム(Al2O3)は可視光において透光性を有し、熱伝導率が20Wm-1K-1であり適している。また、酸化アルミニウムは化学量論比に限定されるものでなく、熱伝導率特性と内部応力などの特性を制御するために、他の元素を添加しても良い。例えば、酸化アルミニウムに窒素を含ませて、酸化窒化アルミニウム(AlNxO1-x:0.02≦x≦0.5)を用いても良いし、アルミニウムの窒化物(AlNx)を用いることも可能である。また、シリコン(Si)、酸素(O)、窒素(N)とM(Mはアルミニウム(Al)または希土類元素から選ばれた少なくとも一種)を含む化合物を用いることができる。例えば、AlSiONやLaSiONなどを好適に用いることができる。その他に、窒化ホウ素なども適用することができる。
【0023】
上記の酸化物、窒化物、および化合物はいずれもスパッタ法で形成することができる。これは所定の組成のターゲットを用い、アルゴン(Ar)や窒素などの不活性ガスを用いてスパッタすることにより形成する。また、熱伝導度が1000Wm-1K-1に達する薄膜ダイアモンド層やDLC(Diamond Like Carbon)層を設けても良い。
【0024】
この上に第1の絶縁層503を形成する。第1の絶縁層の熱伝導率は10Wm-1K-1未満である材料を用いる。このような材料として、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などを選択することができるが、好ましくは酸化窒化シリコン膜で形成すると良い。酸化窒化シリコン膜は、プラズマCVD法でSiH4、N2Oを原料ガスとして作製する。この原料ガスにO2を添加しても良い。作製条件は限定されないが、この第1の絶縁膜としての酸化窒化シリコン膜は膜厚を50〜500nmとし、含有酸素濃度を55atomic%以上70atomic%以下とし、かつ、含有窒素濃度を1atomic%以上20atomic%以下となるようにする。このような組成として酸化窒化シリコン膜の内部応力が低減すると共に固定電荷密度が減少する。
【0025】
第1の絶縁膜503は、図2(B)に示すようにエッチングして島状またはストライプ状に形成する。エッチングはフッ化水素(HF)やフッ化水素アンモニウム(NH4HF2)を含む溶液で行う。島状に形成した第1の絶縁膜504、505の大きさは適宣決定されるものである。その大きさは用途によるものであるが、例えばTFTの大きさに合わせて0.35×0.35μm2(チャネル長×チャネル幅)としたサブミクロンサイズとしても良いし、8×8μm2、8×200μm2または12×400μm2などとすることができる。少なくともTFTのチャネル形成領域の位置と大きさに合わせて第1の絶縁層504、505を形成することにより、この上に形成される結晶質半導体膜の一つの結晶粒でチャネル形成領域を形成することが可能となる。また、第1の絶縁層504、505の端面における側壁の角度は、ガラス基板501の主表面に対して、10°以上40°未満となるようにテーパー状にエッチングしてこの上に積層させる膜のステップカバレージを確保する。このように作製した熱伝導層502と第1の絶縁膜503、504を、本明細書では下地層と呼ぶ。
【0026】
次に、25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで非晶質構造を有する半導体膜506を、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で形成する。本実施形態では、プラズマCVD法で非晶質シリコン膜を55nmの厚さに形成した。非晶質構造を有する半導体膜としては、非晶質半導体膜や微結晶半導体膜があり、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。
【0027】
そして、レーザーアニール法を使用して非晶質半導体膜506を結晶化させる。結晶化の方法は、その他にラピットサーマルアニール法(RTA法)を適用することもできる。RTA法では、赤外線ランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを光源に用いる。結晶化の工程ではまず、非晶質半導体膜が含有する水素を放出させておくことが望ましく、400〜500℃で1時間程度の熱処理を行い含有する水素量を5atomic%以下にしておく。
【0028】
結晶化をレーザーアニール法にて行う場合には、パルス発振型または連続発光型のエキシマレーザーやアルゴンレーザー、またはYAGレーザーなどの固体レーザーをその光源とする。図22はこのようなレーザーアニール装置の構成を示す図である。レーザー光発生装置2101にはエキシマレーザーやアルゴンレーザーなどを適用する。レーザー光発生装置2101から発せられたレーザービームはビームエキスパンダー2102、2103によりレーザービームを一方向に広げ、ミラー2104によって反射したレーザービームは、シリンドリカルレンズアレイ2105で分割され、シリンドリカルレンズ2106、2107によって、線幅100〜1000μmの線状ビームにして、試料面に照射領域2110を形成するように照射する。基板2108はX方向、Y方向、θ方向に動作可能なステージ2109に保持される。そして、照射領域2110に対し、ステージ2109を動かすことにより、基板2108の全面に渡ってレーザーアニールを施すことができる。このとき、基板2108は大気雰囲気中に保持しても良いし、図23で示すような反応室を設け、減圧下または不活性ガス雰囲気中に保持して結晶化を行っても良い。
【0029】
図23は図22で説明したレーザーアニール装置の基板保持方法に関する一実施形態を説明する図である。ステージ2109に保持された基板2108は反応室2206に設置される。反応室内は図示されていない排気系またはガス系により減圧状態または不活性ガス雰囲気とすることが出来、ステージ2109はガイドレール2207に沿って反応室内を移動することができる。レーザー光は基板2108の上面に設けられた図示されていない石英製の窓から入射する。このような構成にすると、ステージ2109に設けた加熱手段(図示せず)によって基板2108を300〜500℃まで加熱することが可能である。また、図23ではこの反応室2206にトランスファー室2201、中間室2202、ロード・アンロード室2203が接続し、仕切弁2208、2209で分離されている。
ロード・アンロード室2203には複数の基板を保持することが可能なカセット2204が設置され、トランスファー室2201に設けられた搬送ロボット2205により基板が搬送される。基板2108'は搬送中の基板を表す。こうのうような構成とすることによりレーザーアニールを減圧下または不活性ガス雰囲気中で連続して処理することができる。
【0030】
レーザーアニール条件は実施者が適宣選択するものであるが、例えば、エキシマレーザーのパルス発振周波数30Hzとし、レーザーエネルギー密度を100〜500mJ/cm2(代表的には300〜400mJ/cm2)とする。そして線幅100〜1000μm、例えば線幅400μmの線状ビームを基板全面に渡って照射する。この線幅は島状に形成した第1の絶縁膜よりも大きいので、1パルスの線状ビームの照射で第1の絶縁膜上の非晶質シリコン層を結晶化させることもできる。または、線状ビームを走査しながら複数回照射しても良い。この時の線状ビームの重ね合わせ率(オーバーラップ率)を50〜98%として行うと良い。レーザービームの形状は面状としても同様に処理することができる。
【0031】
エキシマレーザーのパルス発振周波数を30Hzとすると、そのパルス幅は数nsec(ナノ秒)〜数十nsec、例えば30nsec程度であるので、非晶質シリコン膜にパルス状の線状レーザービームを照射すると、瞬時に加熱され、加熱時間よりも遥かに長い時間冷却されることになる。この時、図2(D)に示すように第1の絶縁膜が形成されている領域を領域A、それ以外の領域を領域Bとすると、領域Aは第1の絶縁膜が形成されている分体積が増えるため、領域Bと比べレーザービームの照射による温度上昇が低くなる。一方、レーザービームの照射が終わった直後からは、熱伝導層502を通して熱が拡散するので、領域Bの方が急激に冷却される。
【0032】
連続発光型のエキシマレーザーをレーザー発生装置2101に使用する場合には、同様の光学系を使用する。例えば、出力1000Wの連続発光エキシマレーザーを使用すると、光学系にて400μm×125mmの線状ビームにして0.1〜10m/secの走査速度で基板全面をスキャンすれば良い。
【0033】
レーザーアニール法では、照射するレーザービームの条件を最適なものとすることにより、結晶核の発生密度と、その結晶核からの結晶成長を制御している。
領域Aは加熱と冷却の温度変化が比較的おだやかなものとなるため、領域Aにある半導体膜508はその中心から結晶粒が成長し、第1の絶縁層504、505上のほぼ全面に渡って単一の結晶粒を成長させることができる。一方、領域Bは急激に冷却されることにより、領域Bにある半導体膜507は小さな結晶粒しか成長しないので、複数の結晶粒が集合した構造となる。このようにして、結晶粒の位置を制御した結晶質半導体膜を形成することができる。
【0034】
その後、形成された結晶質半導体膜の領域A上にフォトレジストパターンを形成し、ドライエッチングによって領域Bの結晶質シリコン膜を選択的に除去して、島状半導体層509、510を形成しても良い。ドライエッチングにはCF4とO2の混合ガスを用いる。このようにして作製された島状半導体層509、510には1016〜1018/cm3の欠陥準位が残留するため、水素雰囲気中、または1〜3%の水素を含む窒素雰囲気中、または、プラズマ化して生成された水素を含む雰囲気中で300〜450℃の温度で加熱処理して水素化の工程を実施すると良い。この水素化の工程によって、0.01〜0.1atomic%程度の水素が島状半導体層509、510に添加される。このようにして、島状半導体層509、510は単一の結晶粒で形成され、実質的に単結晶と同等であるため、この部分にTFTなどの素子を形成すると単結晶シリコン基板に形成されるMOSトランジスタに匹敵する特性を得ることができる。
【0035】
[実施形態2]
図3に示す実施形態は、実施形態1と同様に基板501上に熱伝導層502を形成し、第1の絶縁層504、505を形成する。その後、熱伝導層および第1の絶縁層上に第2の絶縁層511を形成する。第2の絶縁層は第1の絶縁層と同様に酸化窒化シリコン膜で形成すると良い。第2の絶縁層511上には実施形態1と同様な手順により、島状半導体層509、510を形成する。
【0036】
第2の絶縁層511はその膜厚を変化させることで、半導体膜から基板への熱が拡散する速度を制御することができる。また、熱伝導層として用いる材料の種類やその作製条件にもよるが、窒化アルミニウムなどは内部応力が比較的大きいので、その影響で半導体膜との界面で歪みが発生し、これが結晶化に悪影響を及ぼす場合もあるが、図3に示すように内部応力が小さい酸化窒化シリコン膜を形成しておくと、そのような悪影響を緩和させることができる。この場合、第2の絶縁層の厚さは5〜100nmとすれば良い。
【0037】
[実施形態3]
TFTの活性層とする結晶質半導体膜の作製方法は、レーザーアニール法のみに限定されるものでなく、レーザーアニール法と熱アニール法を併用しても良い。例えば、図2(C)の状態の非晶質構造を有する半導体膜506(非晶質シリコン膜)が形成された基板をファーネスアニール炉を用い600〜670℃で4〜12時間程度加熱して結晶化させ、その後実施形態1で説明したレーザーアニール法で処理しても同様な効果が得られる。その他に熱アニール法による結晶化は、特開平7−130652号公報で開示される触媒元素を用いる結晶化法にも応用することができる。
【0038】
図4(A)で示すように、実施形態1と同様にして、ガラス基板501上に熱伝導層502、第1の絶縁層504、505を形成する。さらに、実施形態2と同様に第2の絶縁層511を形成しても良いし、この層は省略しても良い。そしてプラズマCVD法やスパッタ法などで非晶質半導体膜506を25〜80nmの厚さで形成する。例えば、非晶質シリコン膜を55nmの厚さで形成する。そして、重量換算で10ppmの触媒元素を含む水溶液をスピンコート法で塗布して触媒元素を含有する層512を形成する。触媒元素にはニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、鉄(Fe)、パラジウム(Pd)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、コバルト(Co)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)などである。この触媒元素を含有する層511は、スピンコート法の他にスパッタ法や真空蒸着法によって上記触媒元素の層を1〜5nmの厚さに形成しても良い。
【0039】
第1の絶縁層504、505が選択的に形成されることによって非晶質半導体膜506の表面に凹凸が形成される。触媒元素を含む水溶液をスピンコート法で塗布して触媒元素を含有する層512を形成した場合、触媒元素を含有する層512の厚さは一様ではなく、相対的に第1の絶縁層が形成されない凹の領域が厚くなる。その結果、次の熱アニールの工程で半導体膜中に拡散する触媒元素の濃度も多くなる。
【0040】
そして、図4(B)に示す結晶化の工程では、まず400〜500℃で1時間程度の熱処理を行い、非晶質シリコン膜の含有水素量を5atomic%以下にする。
そして、ファーネスアニール炉を用い、窒素雰囲気中において550〜600℃で1〜8時間の熱アニールを行う。以上の工程により結晶質シリコン膜を得ることができる。しかし、ここまでの工程で熱アニールによって作製された結晶質半導体膜513は、透過型電子顕微鏡などで微視的に観察すると複数の結晶粒から成り、その結晶粒の大きさとその配置は一様ではなくランダムなものである。また、ラマン分光法で観測すると局所的に非晶質領域が残存していることが観察されることがある。
【0041】
このような結晶質半導体膜513の結晶粒を所定の位置に形成できるように制御し、また大粒形化を目的として、レーザーアニール法をこの段階で実施すると有効である。レーザーアニール法では結晶質半導体膜513を一旦溶融状態にしてから再結晶化させるため、上記目的を達成することができる。例えば、XeClエキシマレーザー(波長308nm)を用い、光学系で線状ビームを形成して、発振周波数5〜50Hz、エネルギー密度100〜500mJ/cm2として線状ビームのオーバーラップ率を80〜98%として照射する。この時、図4(C)に示すように、第1の絶縁層504、505が形成されている領域Aとそれ以外の領域Bとでは、前述のようにレーザービームの照射により加熱される最高温度と、照射後の冷却速度がことなることにより、領域Aでは大きな結晶粒が成長しやすくなる一方で、領域Bは急激に冷却されることにより、小さな結晶粒しか成長しない。このようにして、大粒形の位置を制御した結晶質半導体膜を形成することができる。
【0042】
このようにして、第1の絶縁層上に形成された作製された結晶質半導体膜514は、その領域上でほぼ単一の結晶粒を形成させることができる。それ以外の結晶質半導体膜515は相対的に小さく、大きさもランダム結晶粒が形成される領域である。しかし、この状態で結晶質半導体膜514、515の表面に残存する触媒元素の濃度は3×1010〜2×1011atoms/cm2である。
【0043】
そこで、特開平10−247735号公報で開示されているゲッタリングの工程を行っても良い。このゲッタリングの工程により結晶質シリコン膜中の触媒元素の濃度を1×1017atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms/cm3にまで低減させることができる。まず、図4(D)に示すように、結晶質半導体膜514、515の表面にマスク絶縁膜膜516を150nmの厚さに形成し、パターニングにより開口部517を形成し、結晶質シリコン膜を露出させる。そして、リンを添加する工程を実施して、結晶質シリコン膜にリン含有領域518を設ける。
この状態で、図4(E)に示すように、窒素雰囲気中で500〜800℃(好ましくは500〜550℃)、5〜24時間、例えば525℃、12時間の熱処理を行うと、リン含有領域518がゲッタリングサイトとして働き、結晶質シリコン膜514、515に残存している触媒元素をリン含有領域518に偏析させることができる。そして、マスク絶縁膜膜516とリン含有領域518を除去し、図4(F)に示すように島状半導体層519、520を形成することにより、結晶化の工程で使用した触媒元素の濃度を1×1017atoms/cm3以下にまで低減された結晶質シリコン膜を得ることができる。
【0044】
このようにして、触媒元素を添加して熱アニール法により作製した結晶質シリコン膜に対し、本発明のレーザーアニール法による結晶化の工程を実施すると、実施形態1において示したレーザーアニール法のみの結晶化の工程と比較して、さらに結晶粒の大きな結晶質半導体膜を得ることがでる。しかし、作製された島状半導体層519、520には1016〜1018/cm3の欠陥準位が残留するため、水素雰囲気中、または1〜3%の水素を含む窒素雰囲気中、または、プラズマ化して生成された水素を含む雰囲気中で300〜450℃の温度で加熱処理して水素化の工程を実施することによって欠陥密度を1016/cm3以下にすることができる。この水素化の工程によって、0.01〜0.1atomic%程度の水素が島状半導体層519、520に添加される。
【0045】
【実施例】
[実施例1]
本実施例では、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTでなるCMOS回路の作製工程を図5と図6を用いて説明する。
【0046】
図5(A)において、基板101にはコーニング社の#7059ガラスや#1737ガラス基板などに代表されるバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどを用いる。そして、ガラス歪み点よりも10〜20℃程度低い温度であらかじめ熱処理しておくと後の工程において基板の収縮による変形を低減できる。この基板101のTFTを形成する表面に、透光性と絶縁性を有する熱伝導層102を少なくとも1層形成する。ここでは、酸化窒化アルミニウム(AlNxO1-x:0.02≦x≦0.5)を50〜500nmの厚さで形成する。その他にSi、N、O、M(MはAl、Y、La、Gd、Dy、Nd、Sm、Erから選ばれた少なくとも1つの元素)、例えばAlSiON、LaSiONなどで形成しても良い。このような熱伝導層はスパッタ法で形成することができる。所望の組成のターゲットを用い、アルゴン(Ar)や窒素などの不活性ガスを用いてスパッタすることにより形成できる。また、熱伝導度が1000Wm-1K-1に達する薄膜ダイアモンド層やDLC(Diamond Like Carbon)層を設けても良い。
【0047】
そして、この上にプラズマCVD法でSiH4、N2Oから作製する酸化窒化シリコン膜を50〜500nmの厚さで形成し、フッ化水素(HF)やフッ化水素アンモニウム(NH4HF2)を含む溶液で部分的にエッチングして、島状に第1の絶縁膜103、104を形成する。この第1の絶縁膜の含有酸素濃度は55atomic%以上70atomic%以下とし、かつ、含有窒素濃度1atomic%以上20atomic%以下となるようにする。このような組成とすることにより、膜中の固定電荷密度を低減させ、さらに膜を緻密化できる。
【0048】
島状に形成した第1の絶縁膜103、104の大きさは、後の工程で活性層とすべく形成する島状半導体層の大きさと同じかそれよりも若干大きく形成する。
もしくは、TFTのチャネル形成領域の大きさと同じか若干大きくする。島状半導体層の大きさは要求されるTFTの特性に応じて適宣決められるものであるが、例えば、20μm×8μm(チャネル長方向の長さ×チャネル幅方向の長さ)としても良いし、28μm×30μm、45μm×63μmなど様々な大きさで形成される。従って、第1の絶縁膜103、104の外寸は、それぞれの島状半導体層の大きさに合わせて、同じ大きさかそれよりも1〜20%程度大きくする。また、第1の絶縁膜103、104の端面における側壁の角度は、ガラス基板の主表面に対して、10度以上40度未満となるようにテーパーエッチングしてこの上に積層させる膜のステップかバレージを確保する。
【0049】
さらに、プラズマCVD法でSiH4、N2Oから作製する酸化窒化シリコン膜から成る第2の絶縁層105を形成する。酸化窒化シリコン膜の組成は、含有酸素濃度が55atomic%以上65atomic%以下であり、かつ、含有窒素濃度が1atomic%以上20atomic%以下として、内部応力を低減させておき、この上に形成する半導体層に直接ストレスが及ばないようにする。第2の絶縁膜は10〜200nm(好ましくは20〜100nm)の厚さで形成する。第2の絶縁層は実施形態1で示すように省略することもできる。
【0050】
次に、25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで非晶質構造を有する半導体層を、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で形成する。例えば、プラズマCVD法で非晶質シリコン膜を55nmの厚さに形成する。非晶質構造を有する半導体膜としては、非晶質半導体膜や微結晶半導体膜があり、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。また、下地層のうち第2の絶縁層と非晶質半導体層とは両者を連続形成しても良い。
【0051】
そして、実施形態1〜3に記載したいずれかの方法を選択し、結晶質半導体膜(ここでは結晶質シリコン膜)を形成し、エッチング処理をして島状半導体層107、108aを形成する。エッチング処理はドライエッチング法で行い、CF4とO2の混合ガスを用いた。島状半導体層107、108aはそれぞれ単一の結晶粒から成るものであり、エッチングによりパターン形成したものは実質的に単結晶とみなすことができた。その後、プラズマCVD法や減圧CVD法、またはスパッタ法により50〜100nmの厚さの酸化シリコン膜によるマスク層109を形成する。例えば、プラズマCVD法による場合、オルトケイ酸テトラエチル(Tetraethyl Ortho silicate:TEOS)とO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.5〜0.8W/cm2で放電させ、100〜150nm代表的には130nmの厚さに形成する。
【0052】
図7(A)は図5(A)における上面図を示している。図7(A)では、マスク層と第1および第2の絶縁膜は省略して表している。島状半導体層107、108bは、島状にパターン形成された第1の絶縁膜103、104にそれぞれ重なるようにして設けられている。図7(A)において、A−A'断面が図5(A)における断面構造に対応している。
【0053】
そして図5(B)に示すように、フォトレジストマスク110を設け、nチャネル型TFTを形成する島状半導体層108aにしきい値電圧を制御する目的で1×1016〜5×1017atoms/cm3程度の濃度でp型を付与する不純物元素を添加する。半導体に対してp型を付与する不純物元素には、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)など周期律表第13族の元素が知られている。ここではイオンドープ法でジボラン(B2H6)を用いホウ素(B)を添加した。ホウ素(B)添加は必ずしも必要でなく省略しても差し支えないが、ホウ素(B)を添加した半導体層108bはnチャネル型TFTのしきい値電圧を所定の範囲内に収めるために形成することができる。
【0054】
nチャネル型TFTのLDD領域を形成するために、n型を付与する不純物元素を島状半導体層108bに選択的に添加する。半導体に対してn型を付与する不純物元素には、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)など周期律表第15族の元素が知られている。フォトレジストマスク111を形成し、ここではリン(P)を添加すべく、フォスフィン(PH3)を用いたイオンドープ法を適用した。形成される不純物領域112におけるリン(P)濃度は2×1016〜5×1019atoms/cm3の範囲とする(図5(C))。本明細書中では、不純物領域112に含まれるn型を付与する不純物元素の濃度を(n-)と表す。
【0055】
次に、マスク層109を純水で希釈したフッ酸などのエッチング液により除去した。そして、図5(B)と(C)で島状半導体層108bに添加した不純物元素を活性化させる工程を行う。活性化は窒素雰囲気中において500〜600℃で1〜4時間の熱アニールや、他の手法としてレーザーアニールなどの方法により行うことができる。また、両方の方法を併用して行っても良い。本実施例では、レーザー活性化の方法を用い、エキシマレーザー光を用い、線状ビームを形成して、発振周波数5〜50Hz、エネルギー密度100〜500mJ/cm2として線状ビームのオーバーラップ率を80〜98%として、島状半導体層が形成された基板全面を処理した。尚、レーザー光の照射条件には何ら限定される事項はなく、実施者が適宣決定すれば良い。
【0056】
ゲート絶縁膜113はプラズマCVD法またはスパッタ法を用い、膜厚を40〜150nmとしてシリコンを含む絶縁膜で形成する。例えば、120nmの厚さで、第1の絶縁膜と同じ酸化窒化シリコン膜で形成すると良い。また、SiH4とN2OにO2を添加させて作製された酸化窒化シリコン膜は、膜中の固定電荷密度が低減されているのでさらに良い。ゲート絶縁膜は、このような酸化窒化シリコン膜に限定されるものでなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い(図5(D))。
【0057】
図5(E)に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成するために導電層を成膜する。この導電層は単層で形成しても良いが、必要に応じて二層あるいは三層といった積層構造とすることもできる。本実施形態では、導電性の窒化物金属膜から成る導電層(A)114と金属膜から成る導電層(B)115とを積層した構造とした。導電層(B)115はタンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)から選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金か、前記元素を組み合わせた合金膜(代表的にはMo−W合金膜、Mo−Ta合金膜)で形成すれば良く、導電層(A)114は窒化タンタル(TaN)、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)膜、窒化モリブデン(MoN)などで形成する。また、導電層(A)114はタングステンシリサイド、チタンシリサイド、モリブデンシリサイドを適用しても良い。導電層(B)115は低抵抗化を図るために含有する不純物濃度を低減させると良く、特に酸素濃度に関しては30ppm以下とすると良かった。例えば、タングステン(W)は酸素濃度を30ppm以下とすることで20μΩcm以下の比抵抗値を実現することができる。
【0058】
導電層(A)114は10〜50nm(好ましくは20〜30nm)とし、導電層(B)115は200〜400nm(好ましくは250〜350nm)とすれば良い。本実施例では、導電層(A)114に30nmの厚さのTaN膜を、導電層(B)115には350nmのTa膜を用い、いずれもスパッタ法で形成した。TaN膜はTaをターゲットとしてスパッタガスにArと窒素との混合ガスを用いて成膜した。TaはスパッタガスにArを用いた。また、これらのスパッタガス中に適量のXeやKrを加えておくと、形成する膜の内部応力を緩和して膜の剥離を防止することができる。α相のTa膜の抵抗率は20μΩcm程度でありゲート電極に使用することができるが、β相のTa膜の抵抗率は180μΩcm程度でありゲート電極とするには不向きであった。TaN膜はα相に近い結晶構造を持つので、この上にTa膜を形成すればα相のTa膜が容易に得られた。尚、図示しないが、導電層(A)114の下に2〜20nm程度の厚さでリン(P)をドープしたシリコン膜を形成しておくことは有効である。これにより、その上に形成される導電膜の密着性向上と酸化防止を図ると同時に、導電層(A)または導電層(B)が微量に含有するアルカリ金属元素がゲート絶縁膜113に拡散するのを防ぐことができる。いずれにしても、導電層(B)は抵抗率を10〜500μΩcmの範囲ですることが好ましい。
【0059】
次に、所定のパターンのフォトレジストマスクを形成し、導電層(A)114と導電層(B)115とを一括でエッチングしてゲート電極116、117を形成する。例えば、ドライエッチング法によりCF4とO2の混合ガス、またはCl2を用いて1〜20Paの反応圧力で行うことができる。ゲート電極116、117は、導電層(A)から成る116a、117aと、導電層(B)から成る116b、117bとが一体として形成されている。この時、nチャネル型TFTに設けるのゲート電極117は不純物領域112の一部と、ゲート絶縁膜113を介して重なるように形成する。また、ゲート電極は導電層(B)のみで形成することも可能である(図6(A))。
【0060】
図7(B)は図6(A)における上面図を示している。図7(B)では、ゲート絶縁膜と第1および第2の絶縁膜とは省略して表している。島状半導体層107、108b上にゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極116、117は、ゲート配線128に接続する。図7(B)において、A−A'断面が図6(A)における断面構造に対応している。
【0061】
次いで、pチャネル型TFTを形成する島状半導体層107にソース領域およびドレイン領域とする不純物領域119を形成する。ここでは、ゲート電極116をマスクとしてp型を付与する不純物元素を添加し、自己整合的に不純物領域を形成する。このとき、nチャネル型TFTを形成する島状半導体層108bはフォトレジストマスク118で被覆しておく。そして、不純物領域119はジボラン(B2H6)を用いたイオンドープ法で形成する。この領域のボロン(B)濃度は3×1020〜3×1021atoms/cm3となるようにする(図6(B))。本明細書中では、ここで形成された不純物領域134に含まれるp型を付与する不純物元素の濃度を(p+)と表す。
【0062】
次に、nチャネル型TFTを形成する島状半導体層108bにソース領域またはドレイン領域を形成する不純物領域121の形成を行った。ここでは、フォスフィン(PH3)を用いたイオンドープ法で行い、この領域のリン(P)濃度を1×1020〜1×1021atoms/cm3とした(図6(C))。本明細書中では、ここで形成された不純物領域121に含まれるn型を付与する不純物元素の濃度を(n+)と表す。不純物領域119にも同時にリン(P)が添加されるが、既に前の工程で添加されたボロン(B)濃度と比較して不純物領域117に添加されたリン(P)濃度はその1/2〜1/3程度なのでp型の導電性が確保され、TFTの特性に何ら影響を与えることはない。
【0063】
その後、それぞれの濃度で添加されたn型またはp型を付与する不純物元素を活性化する工程を熱アニール法で行う。この工程はファーネスアニール炉を用いれば良い。その他に、レーザーアニール法、またはラピッドサーマルアニール法(RTA法)で行うことができる。アニール処理は酸素濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下の窒素雰囲気中で400〜700℃、代表的には500〜600℃で行うものであり、本実施例では550℃で4時間の熱処理を行った。
また、アニール処理の前に、50〜200nmの厚さの保護絶縁層122を酸化窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などで形成すると良い。酸化窒化シリコン膜は表1のいずれの条件でも形成できるが、その他にも、SiH4を27SCCM、N2Oを900SCCMとして反応圧力160Pa、基板温度325℃、放電電力密度0.1W/cm2で形成すると良い(図6(D))。
【0064】
活性化の工程の後、さらに、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱処理を行い、島状半導体層を水素化する工程を行った。この工程は熱的に励起された水素により島状半導体層にある1016〜1018/cm3のダングリングボンドを終端する工程である。水素化の他の手段として、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)を行っても良い。
【0065】
活性化および水素化の工程が終了したら、保護絶縁層上にさらに酸化窒化シリコン膜または酸化シリコン膜を積層させ、層間絶縁層123を形成する。酸化窒化シリコン膜は保護絶縁層119と同様にしてSiH4を27SCCM、N2Oを900SCCMとして反応圧力160Pa、基板温度325℃とし、放電電力密度を0.15W/cm2として、500〜1500nm(好ましくは600〜800nm)の厚さで形成する。そして、層間絶縁層123および保護絶縁層122TFTのソース領域またはドレイン領域に達するコンタクトホールを形成し、ソース配線124、125と、ドレイン配線126を形成する。図示していないが、本実施例ではこの電極を、Ti膜を100nm、Tiを含むアルミニウム膜300nm、Ti膜150nmをスパッタ法で連続して形成した3層構造の積層膜とした。
【0066】
次に、パッシベーション膜127として、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を50〜500nm(代表的には100〜300nm)の厚さで形成する。さらに、この状態で水素化処理を行うとTFTの特性向上に対して好ましい結果が得られた。例えば、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱処理を行うと良く、あるいはプラズマ水素化法を用いても同様の効果が得られた。また、このような熱処理により層間絶縁層123および保護絶縁層122に存在する水素を島状半導体層107、108bに拡散させ水素化をすることもできる。いずれにしても、島状半導体層107、108b中の欠陥密度を1016/cm3以下とすることが望ましく、そのために水素を0.01〜0.1atomic%程度付与すれば良かった。
【0067】
こうして図6(E)に示すように、基板101上に、nチャネル型TFT151とpチャネル型TFT150とを完成させることができた。pチャネル型TFT150には、島状半導体層107にチャネル形成領域152、ソース領域153、ドレイン領域154を有している。nチャネル型TFT151には、島状半導体層108にチャネル形成領域155、ゲート電極117と重なるLDD領域156(以降、このようなLDD領域をLovと記す)、ソース領域157、ドレイン領域158を有している。このLov領域のチャネル長方向の長さは、チャネル長3〜8μmに対して、0.5〜3.0μm(好ましくは1.0〜1.5μm)とした。図2ではそれぞれのTFTをシングルゲート構造としたが、ダブルゲート構造でも良いし、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造としても差し支えない。
【0068】
図7(C)は図6(E)における上面図を示している。ソース配線124、125は、図示していない層間絶縁層123、保護絶縁層122に設けられたコンタクトホールによって島状半導体層107、108bと接触している。図7(C)において、A−A'断面が図6(E)における断面構造に対応している。
【0069】
このようにして作製されたpチャネル型TFT150とnチャネル型TFT151とは、チャネル形成領域が単一の結晶粒、即ち単結晶で形成されている。その結果、TFTの動作時における電流輸送特性は、粒界のポテンシャルやトラップの影響を受けることがないので、単結晶シリコン基板に作製したMOSトランジスタに匹敵する特性を得ることができる。また、このようなTFTを用いてシフトレジスタ回路、バッファ回路、D/Aコンバータ回路、レベルシフタ回路、マルチプレクサ回路などを形成することができる。これらの回路を適宣組み合わせることにより、液晶表示装置やEL表示装置、および密着型イメージセンサなどガラス基板上に作製される半導体装置を形成することができる。
【0070】
[実施例2]
本実施例は図8を用い、実施例1で作製したTFTに対し、下地層を異なる形態で作製するものについて説明する。図8で示すTFT断面構造は、実施例1の作製手順に従って形成されるものであり、ここでは、実施例1との差異について示す。
【0071】
図8(A)は、熱伝導層102、選択的に形成された第1の絶縁層103、104上に、SiH4、N2O、NH3からプラズマCVD法で作製した酸化窒化シリコン膜から成る絶縁層133を設ける。この酸化窒化シリコン膜は、含有酸素濃度が20atomic%以上30atomic%以下であり、かつ、含有窒素濃度が20atomic%以上30atomic%以下である酸化窒化シリコン膜であり、酸素の含有量と窒素の含有量をほぼ同等として形成する。その結果、窒化シリコン膜よりも内部応力を低減させ、かつ、アルカリ金属元素のブロッキング性をもたせることができる。さらにこの上に第2の絶縁層511を形成する。第1の絶縁層103、104の厚さ50〜500nmに対し、絶縁層133は50〜200nmの厚さで形成する。第3の絶縁層は応力を緩和する作用があり、その結果、TFTのしきい値電圧やS値の変動を抑える効果がある。
【0072】
図8(B)は第1の絶縁層134、135の大きさが島状半導体層107、108よりも相対的に小さくしたものである。第1の絶縁層上における結晶粒は大粒形化するが、このときチャネル形成領域152、155をこの部分に位置させると、チャネル形成領域内に結晶粒界を無くすことも可能である。
【0073】
図8(C)において、ガラス基板136のTFTを形成する表面に溝が形成されている。溝の深さは50〜500nmとし、このような溝加工は所定のパターンでフォトレジストマスクをガラス基板表面に形成しておき、フッ化水素(HF)を含む水溶液でエッチングすることにより容易に形成できる。そして、溝が形成された表面に熱伝導層を形成する。熱伝導層137の厚さは50〜500nmとする。その上に第1の絶縁層を500〜2000nmの厚さで形成する。その後、CMP(Chemical-Mechanical Polishing:化学的・機械的ポリッシング)法を用いて表面を平坦化する。例えば、深さ200nmの溝が形成されている表面に、熱伝導層137を100nmの厚さで形成し、第1の絶縁層を1000nmの厚さで形成する。その後、CMP法を用いて平坦化することにより、第1の絶縁層138の厚さは溝が形成されている部分で500nm、溝が形成されていない部分で300nmとすることができる。第2の絶縁膜に用いる酸化窒化シリコン膜に対するCMPの研磨剤には、例えば、塩化シリコンガスを熱分解して得られるフュームドシリカ粒子をKOH添加水溶液に分散したものを用いる。このようにして平坦化された表面上に、実施形態1と同様にしてTFTを作製する。
【0074】
図8(D)は、nチャネル型TFT151とpチャネル型TFT150とを、第1の絶縁層140上に形成した一つの島状半導体層143に形成した例を示す。それぞれのTFTを作製する工程は同一であり、使用するフォトマスクのレイアウトパターンを変更することで、図8(D)の構造を完成させることができる。実施例1における図6(D)と同様に、pチャネル型TFT150には、チャネル形成領域152、ソース領域153、ドレイン領域154を有している。nチャネル型TFT151には、チャネル形成領域155、ゲート電極157と重なるLDD領域156、ソース領域157、ドレイン領域158を有している。
図6〜図8ではそれぞれのTFTをシングルゲート構造とする例を示したが、ゲート電極の構造はこの他にダブルゲート構造でも良いし、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造としても差し支えない。このように2つのTFTを近接させることにより、TFTの特性バラツキを低減させることが可能であり、また、集積度を向上させることができる。
【0075】
[実施例3]
本実施形態を図27と図28を用い、実施例1とは異なる構造のnチャネル型TFTとpチャネル型TFTでなるCMOS回路の作製工程を示す。ここでの工程順および作製条件の許容される範囲は実施例1に従う。
【0076】
図27(A)に示すように、実施例1と同様に、ガラス基板1501上に第1の絶縁膜1502、第2の絶縁膜1503〜1505、第3の絶縁膜1506を形成する。パターン形成されている第2の絶縁膜のサイズに限定はないが、後の工程で45μm×65μm(チャネル長方向の長さ×チャネル幅方向の長さ)の島状半導体層を形成するために、例えば、第2の絶縁膜1504のサイズは50μm×70μmで形成する。そしてこの上に非晶質シリコン膜1507aを形成する。
【0077】
次に、図27(B)に示すように実施形態1で説明したレーザーアニール法を用いて結晶質シリコン膜1507bを形成する。第2の絶縁膜上において、結晶粒径は数μmのサイズで成長するが、必ずしも単一の結晶粒である必要はなく、複数の結晶粒が存在しても構わない。
【0078】
そして、図27(C)に示すように、第2の絶縁膜1504上に第3の絶縁膜1506を介して45μm×65μmの島状半導体層1508を形成する。そしてマスク層1509を形成する。図6(D)から図7(F)で示す工程は、この島状半導体層1508を活性層としてnチャネル型TFTとpチャネル型TFTを形成し、CMOS回路を形成する工程を説明するものである。
【0079】
図27(D)はチャネルドープの工程であり、レジストマスク1510を設け、nチャネル型TFTを形成する領域にイオンドープ法でボロン(B)を添加する。図27(E)では、レジストマスク1511を設け、nチャネル型TFTのLDD領域とするn-不純物領域1512を形成する。そして、図27(F)で示すように、マスク層1509を除去してレーザー活性化の処理を行い、ゲート絶縁膜1513を形成する。
【0080】
図28(A)において、ゲート絶縁膜上に導電層(A)1514、導電層(B)1515をスパッタ法で形成する。これらの導電層の好ましい組み合わせは、導電層(A)をTaNとし、導電層(B)をTaとする組み合わせ、または導電層(A)をWNとし、導電層(B)をWで形成する組み合わせである。そして、図28(B)に示すようにゲート電極1516、1517を形成する。ゲート電極1516、1517は、導電層(A)から成る1516a、1517aと導電層(B)から成る1516b、1517bで構成される。
【0081】
そして、これらのゲート電極をマスクとして、イオンドープ法により不純物元素を添加して自己整合的にソース領域およびドレイン領域を形成する。図28(C)はpチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域を形成する工程であり、p型を付与する不純物元素をイオンドープ法で添加して、p+不純物領域1519を形成する。このとき、nチャネル型TFTが形成される領域はレジストマスク1518で覆っておく。図28(D)はnチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域を形成する工程であり、n型を付与する不純物元素をイオンドープ法で添加して、n+不純物領域1521を形成する。不純物領域1519にも同時にリン(P)が添加されるが、既に前の工程で添加されたボロン(B)濃度と比較して不純物領域1520に添加されたリン(P)濃度はその1/2〜1/3程度なのでp型の導電性が確保され、TFTの特性に何ら影響を与えることはない。
【0082】
その後、図28(E)に示すように保護絶縁層1522を形成し、活性化工程および水素化工程を実施する。活性化および水素化の工程が終了したら、保護絶縁層上にさらに酸化窒化シリコン膜または酸化シリコン膜を積層させ、層間絶縁層1523を形成する。そして、層間絶縁層1523および保護絶縁層1522TFTのソース領域またはドレイン領域に達するコンタクトホールを形成し、ソース配線1524、1525と、ドレイン配線1526を形成する。次に、パッシベーション膜1527として、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を50〜500nm(代表的には100〜300nm)の厚さで形成する。さらに、この状態で水素化処理を行うとTFTの特性向上に対して好ましい結果が得られる。
【0083】
こうして基板1501上に、nチャネル型TFT1551とpチャネル型TFT1550とを完成させることができる。pチャネル型TFT1550にはチャネル形成領域1552、ソース領域1553、ドレイン領域1554を有している。nチャネル型TFT1551はチャネル形成領域1555、ゲート電極1517と重なるLDD領域1556、ソース領域1557、ドレイン領域1558を有している。図28ではそれぞれのTFTをシングルゲート構造としたが、ダブルゲート構造でも良いし、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造としても差し支えない。
【0084】
このようにして、一つの島状に形成された第2の絶縁層1504上に島状半導体層1508を形成し、その島状半導体層1508を用いて2つのTFTを形成することもできる。このように2つのTFTを近接させることにより、TFTの特性バラツキを低減させることが可能であり、また、集積度を向上させることができる。
【0085】
[実施例4]
図9〜図13を用い、画素部の画素TFTと、画素部の周辺に設けられる駆動回路のTFTを同一基板上に作製する方法について工程に従って詳細に説明する。但し、説明を簡単にするために、制御回路ではシフトレジスタ回路、バッファ回路などの基本回路であるCMOS回路と、サンプリング回路を形成するnチャネル型TFTとを図示することにする。
【0086】
図9(A)において、基板201にはバリウムホウケイ酸ガラス基板やアルミノホウケイ酸ガラス基板を用いる。本実施例ではアルミノホウケイ酸ガラス基板を用いた。この基板201のTFTを形成する表面に、熱伝導層202として、窒化アルミニウム(AlN)を50nmの厚さで形成する。その上に島状に加工した酸化窒化シリコン膜から成る第1の絶縁層203〜206を200nmの厚さで形成する。さらにその上に酸化窒化シリコン膜から成る第2の絶縁層207を100nmの厚さで形成した。このように、熱伝導層202と第1の絶縁層203〜206、および第2の絶縁層207を積層して下地層とした。
【0087】
次に、25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで非晶質構造を有する半導体層208aを、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で形成する。本実施例では、プラズマCVD法で非晶質シリコン膜を55nmの厚さに形成した。非晶質構造を有する半導体膜としては、非晶質半導体膜や微結晶半導体膜があり、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。また、第2の絶縁膜207と非晶質シリコン層208aとは同じ成膜法で形成することが可能であるので、両者を連続形成しても良い。第2の絶縁膜を形成した後、一旦大気雰囲気に晒さないことでその表面の汚染を防ぐことが可能となり、作製するTFTの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減させることができる。
【0088】
そして、非晶質シリコン層208aから結晶質シリコン膜208bを形成する。これは実施形態1で示したように、本発明のレーザーアニール法を適用する。
また、実施形態3で示した特開平7−130652号公報で開示された技術に従って、熱アニール法とレーザーアニール法を組み合わせて結晶性シリコン膜208bを形成しても良い。レーザーアニール法を用いる場合には、例えば、XeClエキシマレーザー(波長308nm)をレーザー光発生装置として、図21で示したレーザーアニール装置を用い、光学系で線状ビームを形成して、発振周波数5〜50Hz、エネルギー密度100〜500mJ/cm2として線状ビームのオーバーラップ割合を80〜98%として照射する。このようにして、結晶性シリコン膜208bを得る(図9(B))。
【0089】
そして、結晶質シリコン膜208bをエッチング処理して島状に分割し、島状半導体層209、210a〜212aを形成し活性層とする。その後、プラズマCVD法や減圧CVD法、またはスパッタ法により50〜100nmの厚さの酸化シリコン膜によるマスク層213を形成する。例えば、減圧CVD法でSiH4とO2との混合ガスを用い、266Paにおいて400℃に加熱して酸化シリコン膜を形成する(図9(C))。
【0090】
チャネルドープ工程は、フォトレジストマスク214を設け、nチャネル型TFTを形成する島状半導体層210a〜212aの全面にしきい値電圧を制御する目的で1×1016〜5×1017atoms/cm3程度の濃度でp型を付与する不純物元素としてボロン(B)を添加した。ボロン(B)の添加はイオンドープ法で実施しても良いし、非晶質シリコン膜を成膜するときに同時に添加しておくこともできる。ここでのボロン(B)添加は必ずしも必要でないが、ボロン(B)を添加した半導体層210b〜212bはnチャネル型TFTのしきい値電圧を所定の範囲内に収めるために形成することが好ましかった(図9(D))。
【0091】
駆動回路のnチャネル型TFTのLDD領域を形成するために、n型を付与する不純物元素を島状半導体層210b、211bに選択的に添加する。あらかじめフォトレジストマスク215〜218を形成した。ここではリン(P)を添加するために、フォスフィン(PH3)を用いたイオンドープ法を適用した。形成された不純物領域(n-)219、220のリン(P)濃度は1×1017〜5×1019atoms/cm3のとする(図10(A))。また、不純物領域221は、画素部の保持容量を形成するための半導体層であり、この領域にも同じ濃度でリン(P)を添加した。
【0092】
次に、マスク層213をフッ酸などにより除去して、図9(D)と図10(A)で添加した不純物元素を活性化させる工程を行う。活性化は、窒素雰囲気中において500〜600℃で1〜4時間の熱アニールや、他の方法としてレーザーアニールの方法により行うことができる。また、両者を併用して行っても良い。
本実施例では、レーザー活性化の方法を用い、KrFエキシマレーザー光(波長248nm)を用い、線状ビームを形成して、発振周波数5〜50Hz、エネルギー密度100〜500mJ/cm2として線状ビームのオーバーラップ割合を80〜98%として走査して、島状半導体層が形成された基板全面を処理した。
尚、レーザー光の照射条件には何ら限定される事項はなく、実施者が適宣決定すれば良い。
【0093】
そして、ゲート絶縁膜222をプラズマCVD法またはスパッタ法を用いて40〜150nmの厚さでシリコンを含む絶縁膜で形成する。例えば、SiH4、N2O、O2を原料としてプラズマCVD法で作製される酸化窒化シリコン膜で形成する。(図10(B))
【0094】
次に、ゲート電極を形成するために第1の導電層を成膜する。本実施例では導電性の窒化物金属膜から成る導電層(A)223と金属膜から成る導電層(B)224とを積層させた。ここでは、Taをターゲットとしたスパッタ法で導電層(B)224をタンタル(Ta)で250nmの厚さに形成し、導電層(A)223は窒化タンタル(TaN)で50nmの厚さに形成した(図10(C))。
【0095】
次に、フォトレジストマスク225〜229を形成し、導電層(A)223と導電層(B)224とを一括でエッチングしてゲート電極230〜233と容量配線234を形成する。ゲート電極230〜233と容量配線234は、導電層(A)から成る230a〜234aと、導電層(B)から成る230b〜234bとが一体として形成されている。この時、駆動回路に形成するゲート電極231、232は不純物領域219、220の一部と、ゲート絶縁膜222を介して重なるように形成する(図10(D))。
【0096】
次いで、駆動回路のpチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域を形成するために、p型を付与する不純物元素を添加する工程を行う。ここでは、ゲート電極230をマスクとして、自己整合的に不純物領域を形成する。nチャネル型TFTが形成される領域はフォトレジストマスク235で被覆しておく。そして、ジボラン(B2H6)を用いたイオンドープ法で不純物領域(p+)234を1×1021atoms/cm3の濃度で形成した(図11(A))。
【0097】
次に、nチャネル型TFTにおいて、ソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域の形成を行った。レジストのマスク237〜239を形成し、n型を付与する不純物元素を添加して不純物領域241〜244を形成した。これは、フォスフィン(PH3)を用いたイオンドープ法で行い、不純物領域(n+)241〜244の(P)濃度を5×1020atoms/cm3とした(図11(B))。不純物領域240には、既に前工程で添加されたボロン(B)が含まれているが、それに比して1/2〜1/3の濃度でリン(P)が添加されるので、添加されたリン(P)の影響は考えなくても良く、TFTの特性に何ら影響を与えることはなかった。
【0098】
そして、画素部のnチャネル型TFTのLDD領域を形成するために、n型を付与する不純物添加の工程を行った。ここではゲート電極233をマスクとして自己整合的にn型を付与する不純物元素をイオンドープ法で添加した。添加するリン(P)の濃度は5×1016atoms/cm3とし、図9(A)および図10(A)と図10(B)で添加する不純物元素の濃度よりも低濃度で添加することで、実質的には不純物領域(n--)245、246のみが形成される(図11(C))。
【0099】
その後、それぞれの濃度で添加されたn型またはp型を付与する不純物元素を活性化するために熱処理工程を行う。この工程はファーネスアニール炉を用いた熱アニール法、レーザーアニール法、またはラピッドサーマルアニール法(RTA法)で行うことができる。ここではファーネスアニール法で活性化工程を行った。熱処理は酸素濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下の窒素雰囲気中で400〜700℃、代表的には500〜600℃で行うものであり、本実施例では550℃で4時間の熱処理を行った。
【0100】
この熱アニールにおいて、ゲート電極230〜233と容量配線234形成するTa膜230b〜234bは、表面から5〜80nmの厚さでTaNから成る導電層(C)230c〜234cが形成される。また、その他に導電層(B)230b〜234bがタングステン(W)の場合には窒化タングステン(WN)が形成され、チタン(Ti)の場合には窒化チタン(TiN)を形成することができる。また、窒素またはアンモニアなどを用いた窒素を含むプラズマ雰囲気にゲート電極230〜234を晒しても同様に形成することができる。さらに、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱アニールを行い、島状半導体層を水素化する工程を行った。この工程は熱的に励起された水素により島状半導体層にある1016〜1018/cm3のダングリングボンドを終端する工程である。水素化の他の手段として、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)を行っても良い。
【0101】
結晶化の工程においてシリコンの結晶化を助長する触媒元素を使用し、その後実施形態3で説明したゲッタリングの工程を行わない場合、島状半導体層中には微量(1×1017〜1×1019atoms/cm3程度)の触媒元素が残留する。勿論、そのような状態でもTFTを完成させることが可能であるが、残留する触媒元素を少なくともチャネル形成領域から除去する方がより好ましかった。この触媒元素を除去する手段の一つにリン(P)によるゲッタリング作用を利用する手段があった。ゲッタリングに必要なリン(P)の濃度は図10(B)で形成した不純物領域(n+)と同程度であれば良く、ここで実施される活性化工程の熱アニールにより、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTのチャネル形成領域から触媒元素を不純物領域240〜244に偏析させゲッタリングをすることができた。その結果不純物領域240〜244には1×1017〜1×1019atoms/cm3程度の触媒元素が偏析する(図11(D))。
【0102】
図14(A)および図15(A)は、図11(D)におけるTFTの上面図であり、A−A'断面およびC−C'断面は図11(D)のA−A'およびC−C'に対応している。また、B−B'断面およびD−D'断面は図16(A)および図17(A)の断面図に対応している。図14および図15の上面図はゲート絶縁膜を省略しているが、ここまでの工程で、第2の絶縁層203、204、206上に形成された島状半導体層209、210、212上にゲート電極230、231、233と容量配線234が図に示すように形成される。
【0103】
活性化および水素化の工程が終了したら、ゲート配線とする第2の導電層を形成する。この第2の導電層は低抵抗材料であるアルミニウム(Al)や銅(Cu)を主成分とする導電層(D)で形成する。いずれにしても、第2の導電層の抵抗率は0.1〜10μΩcm程度とする。さらに、チタン(Ti)やタンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)から成る導電層(E)を積層形成すると良い。本実施例では、チタン(Ti)を0.1〜2重量%含むアルミニウム(Al)膜を導電層(D)247とし、チタン(Ti)膜を導電層(E)248として形成した。導電層(D)247は200〜400nm(好ましくは250〜350nm)とすれば良く、導電層(E)248は50〜200(好ましくは100〜150nm)で形成すれば良い(図12(A))。
【0104】
そして、ゲート電極に接続するゲート配線を形成するために導電層(E)248と導電層(D)247とをエッチング処理して、ゲート配線249、250と容量配線251を形成した。エッチング処理は最初にSiCl4とCl2とBCl3との混合ガスを用いたドライエッチング法で導電層(E)の表面から導電層(D)の途中まで除去し、その後リン酸系のエッチング溶液によるウエットエッチングで導電層(D)を除去することにより、下地との選択加工性を保ってゲート配線を形成することができる。
【0105】
図14(B)および図15(B)はこの状態の上面図を示し、A−A'断面およびC−C'断面は図12(B)のA−A'およびC−C'に対応している。また、B−B'断面およびD−D'断面は図16(B)および図17(B)のB−B'およびD−D'に対応している。図14(B)および図15(B)において、ゲート配線249、250の一部は、ゲート電極230、231、233の一部と重なり電気的に接触している。この様子はB−B'断面およびD−D'断面に対応した図16(B)および図17(B)の断面構造図からも明らかで、第1の導電層を形成する導電層(C)と第2の導電層を形成する導電層(D)とが電気的に接触している。
【0106】
第1の層間絶縁膜252は500〜1500nmの厚さで酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜で形成する。本実施例では、SiH4を27SCCM、N2Oを900SCCM、として反応圧力160Pa、基板温度325℃で放電電力密度0.15W/cm2で形成する。その後、それぞれの島状半導体層に形成されたソース領域またはドレイン領域に達するコンタクトホールを形成し、ソース配線253〜256と、ドレイン配線257〜260を形成する。図示していないが、本実施例ではこの電極を、Ti膜を100nm、Tiを含むアルミニウム膜300nm、Ti膜150nmをスパッタ法で連続して形成した3層構造の積層膜とした。
【0107】
次に、パッシベーション膜261として、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を50〜500nm(代表的には100〜300nm)の厚さで形成する。この状態で水素化処理を行うとTFTの特性向上に対して好ましい結果が得られた。例えば、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱処理を行うと良く、あるいはプラズマ水素化法を用いても同様の効果が得られた。また、このような熱処理により第1の層間絶縁膜252に存在する水素を島状半導体層209、210b〜212bに拡散させ水素化をすることもできる。いずれにしても、島状半導体層107、108b中の欠陥密度を1016/cm3以下とすることが望ましく、そのために水素を0.01〜0.1atomic%程度付与すれば良かった(図12(C))。なお、ここで後に画素電極とドレイン配線を接続するためのコンタクトホールを形成する位置において、パッシベーション膜261に開口部を形成しておいても良い。
【0108】
図14(C)および図15(C)のはこの状態の上面図を示し、A−A'断面およびC−C'断面は図12(C)のA−A'およびC−C'に対応している。また、B−B'断面およびD−D'断面は図16(C)および図17(C)のB−B'およびD−D'に対応している。図14(C)と図15(C)では第1の層間絶縁膜を省略して示すが、島状半導体層209、210、212の図示されていないソースおよびドレイン領域にソース配線253、254、256とドレイン配線257、258、260が第1の層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して接続している。
【0109】
その後、有機樹脂からなる第2の層間絶縁膜262を1.0〜1.5μmの厚さに形成する。有機樹脂としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、BCB(ベンゾシクロブテン)等を使用することができる。ここでは、基板に塗布後、熱重合するタイプのポリイミドを用い、300℃で焼成して形成する。そして、第2の層間絶縁膜262にドレイン配線260に達するコンタクトホールを形成し、画素電極263、264を形成する。画素電極は、透過型液晶表示装置とする場合には透明導電膜を用いれば良く、反射型の液晶表示装置とする場合には金属膜を用いれば良い。本実施例では透過型の液晶表示装置とするために、酸化インジウム・スズ(ITO)膜を100nmの厚さにスパッタ法で形成する(図13)。
【0110】
こうして同一基板上に、駆動回路のTFTと画素部の画素TFTとを有した基板を完成させることができた。駆動回路にはpチャネル型TFT301、第1のnチャネル型TFT302、第2のnチャネル型TFT303、画素部には画素TFT304、保持容量305が形成した。本明細書では便宜上このような基板をアクティブマトリクス基板と呼ぶ。
【0111】
駆動回路のpチャネル型TFT301には、島状半導体層209にチャネル形成領域306、ソース領域307a、307b、ドレイン領域308a,308bを有している。第1のnチャネル型TFT302には、島状半導体層210にチャネル形成領域309、ゲート電極231と重なるLDD領域(Lov)310、ソース領域311、ドレイン領域312を有している。このLov領域のチャネル長方向の長さは0.5〜3.0μm、好ましくは1.0〜1.5μmとした。第2のnチャネル型TFT303には、島状半導体層211にチャネル形成領域313、Lov領域とLoff領域(ゲート電極と重ならないLDD領域であり、以降Loff領域と記す)とが形成され、このLoff領域のチャネル長方向の長さは0.3〜2.0μm、好ましくは0.5〜1.5μmである。画素TFT304には、島状半導体層212にチャネル形成領域318、319、Loff領域320〜323、ソースまたはドレイン領域324〜326を有している。Loff領域のチャネル長方向の長さは0.5〜3.0μm、好ましくは1.5〜2.5μmである。さらに、容量配線234、251と、ゲート絶縁膜と同じ材料から成る絶縁膜と、画素TFT304のドレイン領域326に接続し、n型を付与する不純物元素が添加された半導体層327とから保持容量305が形成されている。図12では画素TFT304をダブルゲート構造としたが、シングルゲート構造でも良いし、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造としても差し支えない。
【0112】
以上の様な構成は、画素TFTおよび駆動回路が要求する仕様に応じて各回路を構成するTFTの構造を最適化し、半導体装置の動作性能と信頼性を向上させることを可能としている。さらにゲート電極を耐熱性を有する導電性材料で形成することによりLDD領域やソース領域およびドレイン領域の活性化を容易とし、ゲート配線低抵抗材料で形成することにより、配線抵抗を十分低減できる。従って、表示領域(画面サイズ)が4インチクラス以上の表示装置に適用することができる。そして、下地層を形成する第1の絶縁層203〜206上で選択的に形成された単結晶構造を有する結晶質シリコン膜を用いることにより、完成したTFTにおいてnチャネル型TFTでは、S値を0.10V/dec以上0.30V/dec以下、Vthを0.5V以上2.5V以下、電界効果移動度は300cm2/V・sec以上を実現することもできる。また、pチャネル型TFTでは、S値を0.10V/dec以上0.30V/dec以下、Vthを−0.5V以上−2.5V以下、電界効果移動度は200cm2/V・sec以上を実現することもできる。
【0113】
[実施例5]
本実施例では、実施例4で作製したアクティブマトリクス基板から、アクティブマトリクス型液晶表示装置を作製する工程を説明する。図19に示すように、図13の状態のアクティブマトリクス基板に対し、配向膜601を形成する。通常液晶表示素子の配向膜にはポリイミド樹脂が多く用いられている。対向側の対向基板602には、遮光膜603、透明導電膜604および配向膜605を形成した。配向膜を形成した後、ラビング処理を施して液晶分子がある一定のプレチルト角を持って配向するようにした。そして、画素部と、CMOS回路が形成されたアクティブマトリクス基板と対向基板とを、公知のセル組み工程によってシール材やスペーサ(共に図示せず)などを介して貼りあわせる。その後、両基板の間に液晶材料606を注入し、封止剤(図示せず)によって完全に封止した。
液晶材料には公知の液晶材料を用いれば良い。このようにして図19に示すアクティブマトリクス型液晶表示装置が完成した。
【0114】
次に、このアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を、図20の斜視図および図21の上面図を用いて説明する。尚、図20と図21は、図9〜図13と図19の断面構造図と対応付けるため、共通の符号を用いている。また、図21で示すE―E’に沿った断面構造は、図13に示す画素マトリクス回路の断面図に対応している。
【0115】
図20においてアクティブマトリクス基板は、ガラス基板201上に形成された、画素部406と、走査信号駆動回路404と、画像信号駆動回路405で構成される。表示領域には画素TFT304が設けられ、周辺に設けられる駆動回路はCMOS回路を基本として構成されている。走査信号駆動回路404と、画像信号駆動回路405はそれぞれゲート配線250とソース配線256で画素TFT304に接続している。また、FPC(Flexible Print Circuit)731が外部入出力端子734に接続され、入力配線402、403でそれぞれの駆動回路に接続している。
【0116】
図21は表示領域406のほぼ一画素分を示す上面図である。ゲート配線250は、図示されていないゲート絶縁膜を介してその下の半導体層212と交差している。図示はしていないが、半導体層には、ソース領域、ドレイン領域、n--領域でなるLoff領域が形成されている。また、265はソース配線256とソース領域324とのコンタクト部、266はドレイン配線260とドレイン領域326とのコンタクト部、267はドレイン配線260と画素電極263のコンタクト部である。保持容量305は、画素TFT304のドレイン領域326から延在する半導体層327とゲート絶縁膜を介して容量配線234、251が重なる領域で形成されている。
【0117】
なお、本実施例のアクティブマトリクス型液晶表示装置は、実施例4で説明した構造と照らし合わせて説明したが、実施例4の構成に限定されるものでなく、実施形態1〜3で示した構成を実施例4に応用して完成させたアクティブマトリクス基板を用いても良い。いずれにしても、実施形態1で示した下地層を設けたアクティブマトリクス基板であれば自由に組み合わせてアクティブマトリクス型液晶表示装置を作製することができる。
【0118】
[実施例6]
図18は液晶表示装置の入出力端子、表示領域、駆動回路の配置の一例を示す図である。画素部406にはm本のゲート配線とn本のソース配線がマトリクス状に交差している。例えば、画素密度がVGAの場合、480本のゲート配線と640本のソース配線が形成され、XGAの場合には768本のゲート配線と1024本のソース配線が形成される。表示領域の画面サイズは、13インチクラスの場合対角線の長さは340mmとなり、18インチクラスの場合には460mmとなる。このような液晶表示装置を実現するには、ゲート配線を実施例3で示したような低抵抗材料で形成する必要がある。ゲート配線の時定数(抵抗×容量)が大きくなると走査信号の応答速度が遅くなり、液晶を高速で駆動できなくなる。例えば、ゲート配線を形成する材料の比抵抗が100μΩcmである場合には6インチクラスの画面サイズがほぼ限界となるが、3μΩcmである場合には27インチクラスの画面サイズまで対応できる。
【0119】
表示領域406の周辺には走査信号駆動回路404と画像信号駆動回路405が設けられている。これらの駆動回路のゲート配線の長さも表示領域の画面サイズの大型化と共に必然的に長くなるので、大画面を実現するためには実施例4で示したようなアルミニウム(Al)や銅(Cu)などの低抵抗材料でゲート配線を形成することが好ましい。また、本発明は入力端子401から各駆動回路までを接続する入力配線402、403をゲート配線と同じ材料で形成することができ、配線抵抗の低抵抗化に寄与することができる。
【0120】
一方、表示領域の画面サイズが0.9インチクラスの場合には、対角線の長さが24mm程度となり、TFTをサブミクロンルールで作製すると周辺に設ける駆動回路を含めても30×30mm2以内に収まる。このような場合には、実施例4で示したような低抵抗材料でゲート配線を形成することは必ずしも必要でなく、TaやWなどのゲート電極を形成する材料と同じ材料でゲート配線を形成することも可能である。
【0121】
このような構成の液晶表示装置は、実施形態1〜3で示した結晶化の方法を実施例4に応用して完成させたアクティブマトリクス基板を用いて完成させることができる。いずれにしても、実施形態1〜3で示した結晶化技術により完成したアクティブマトリクス基板であれば自由に組み合わせてアクティブマトリクス型液晶表示装置を作製することができる。
【0122】
[実施例7]
本実施例では、本発明をアクティブマトリクス型有機エレクトロルミネッセンス(有機EL)材料を用いた表示装置(有機EL表示装置)に適用した例を図24で説明する。図24(A)はアクティブマトリクス型有機EL表示装置の回路図を示す。この有機EL表示装置は、基板上に設けられた表示領域11、X方向周辺駆動回路12、Y方向周辺駆動回路13から成る。この表示領域11は、スイッチ用TFT330、保持容量332、電流制御用TFT331、有機EL素子333、X方向信号線18a、18b、電源線19a、19b、Y方向信号線20a、20b、20cなどにより構成される。
【0123】
図24(B)はほぼ一画素分の上面図を示している。スイッチ用TFT330は図13に示すpチャネル型TFT301と同様にして形成し、電流制御用TFT331はnチャネル型TFT303と同様にして形成すると良い。
【0124】
ところで、TFTの上方に向かって光を発光させる動作モードの有機EL表示装置の場合、画素電極をAlなどの反射性の電極で形成することになる。ここでは、有機EL表示装置の画素領域の構成について示したが、実施例1と同様に画素領域の周辺に駆動回路を設けた周辺回路一体型のアクティブマトリクス型表示装置とすることもできる。そして、図示しないがカラーフィルターを設ければカラー表示をすることも可能である。いずれにしても、実施形態1で示した下地層を設けたアクティブマトリクス基板であれば自由に組み合わせてアクティブマトリクス型有機EL表示装置を作製することができる。
【0125】
[実施例8]
本発明を実施して作製されたアクティブマトリクス基板および液晶表示装置並びにEL型表示装置は様々な電気光学装置に用いることができる。そして、そのような電気光学装置を表示媒体として組み込んだ電子機器全てに本発明を適用することがでできる。電子機器としては、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、電子書籍など)、ナビゲーションシステムなどが上げられる。それらの一例を図25に示す。
【0126】
図25(A)はパーソナルコンピュータであり、マイクロプロセッサやメモリーなどを備えた本体2001、画像入力部2002、表示装置2003、キーボード2004で構成される。本発明のレーザーアニール法で作製される結晶質半導体膜を用いて作製されるTFTは、表示装置2003やその他の信号処理回路を形成することができる。
【0127】
図25(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示装置2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106で構成される。本発明のレーザーアニール法で作製される結晶質半導体膜を用いて作製されるTFTは、表示装置2102やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0128】
図25(C)は携帯情報端末であり、本体2201、画像入力部2202、受像部2203、操作スイッチ2204、表示装置2205で構成される。本発明のレーザーアニール法で作製される結晶質半導体膜を用いて作製されるTFTは、表示装置2205やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0129】
図25(D)はテレビゲームまたはビデオゲームなどの電子遊技機器であり、CPU等の電子回路2308、記録媒体2304などが搭載された本体2301、コントローラ2305、表示装置2303、本体2301に組み込まれた表示装置2302で構成される。表示装置2303と本体2301に組み込まれた表示装置2302とは、同じ情報を表示しても良いし、前者を主表示装置とし、後者を副表示装置として記録媒体2304の情報を表示したり、機器の動作状態を表示したり、或いはタッチセンサーの機能を付加して操作盤とすることもできる。また、本体2301とコントローラ2305と表示装置2303とは、相互に信号を伝達するために有線通信としても良いし、センサ部2306、2307を設けて無線通信または光通信としても良い。本発明のレーザーアニール法で作製される結晶質半導体膜を用いて作製されるTFTは、表示装置2302、2303に適用することができる。表示装置2303は従来のCRTを用いることもできる。
【0130】
図25(E)はプログラムを記録した記録媒体(以下、記録媒体と呼ぶ)を用いるプレーヤーであり、本体2401、表示装置2402、スピーカー部2403、記録媒体2404、操作スイッチ2405で構成される。尚、記録媒体にはDVD(Digital Versatile Disc)やコンパクトディスク(CD)などを用い、音楽プログラムの再生や映像表示、ビデオゲーム(またはテレビゲーム)やインターネットを介した情報表示などを行うことができる。本発明のレーザーアニール法で作製される結晶質半導体膜を用いて作製されるTFTは、表示装置2402やその他の信号制御回路に好適に利用することができる。
【0131】
図25(F)はデジタルカメラであり、本体2501、表示装置2502、接眼部2503、操作スイッチ2504、受像部(図示しない)で構成される。本発明のレーザーアニール法で作製される結晶質半導体膜を用いて作製されるTFTは、表示装置2502やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0132】
図26(A)はフロント型プロジェクターであり、光源光学系および表示装置2601、スクリーン2602で構成される。本発明は表示装置やその他の信号制御回路に適用することができる。図26(B)はリア型プロジェクターであり、本体2701、光源光学系および表示装置2702、ミラー2703、スクリーン2704で構成される。本発明のレーザーアニール法で作製される結晶質半導体膜を用いて作製されるTFTは、表示装置やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0133】
なお、図26(C)に、図26(A)および図26(B)における光源光学系および表示装置2601、2702の構造の一例を示す。光源光学系および表示装置2601、2702は光源光学系2801、ミラー2802、2804〜2806、ダイクロイックミラー2803、ビームスプリッター2807、液晶表示装置2808、位相差板2809、投射光学系2810で構成される。投射光学系2810は複数の光学レンズで構成される。図26(C)では液晶表示装置2808を三つ使用する三板式の例を示したが、このような方式に限定されず、単板式の光学系で構成しても良い。また、図26(C)中で矢印で示した光路には適宣光学レンズや偏光機能を有するフィルムや位相を調節するためのフィルムや、IRフィルムなどを設けても良い。また、図26(D)は図26(C)における光源光学系2801の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系2801はリフレクター2811、光源2812、レンズアレイ2813、2814、偏光変換素子2815、集光レンズ2816で構成される。尚、図26(D)に示した光源光学系は一例であって図示した構成に限定されるものではない。
【0134】
また、ここでは図示しなかったが、本発明はその他にも、ナビゲーションシステムやイメージセンサの読み取り回路などに適用することも可能である。このように本願発明の適用範囲はきわめて広く、あらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。また、本実施例の電子機器は実施形態1〜3の結晶化技術を用い、実施例1〜7のどのような組み合わせから成る構成を用いても実現することができる。
【0135】
【発明の効果】
本発明の結晶化の技術を用いることにより、結晶粒の位置とその大きさを制御した結晶質半導体膜を作製することができる。このような結晶質半導体膜の結晶粒の位置をTFTのチャネル形成領域に合わせて形成することにより、単一の結晶粒で少なくとも該チャネル形成領域を形成することが可能となり、実質的に単結晶半導体膜で作製したTFTと同等の特性を得ることができる。
【0136】
また、熱伝導層を透光性と絶縁性を有する材料で形成することにより、トップゲート型のTFTにおいてバックチャネル側の寄生容量を無くすことが可能となり、透過型の液晶表示装置をはじめとして、EL型表示装置やイメージセンサなどのさまざまな半導体装置に適用することにより、該半導体装置の高性能化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を説明する図。
【図2】本発明による結晶質半導体膜の作製工程を示す断面図。
【図3】本発明による結晶質半導体膜を示す断面図。
【図4】本発明による結晶質半導体膜の作製工程を示す断面図。
【図5】TFTの作製工程を示す断面図。
【図6】TFTの作製工程を示す断面図。
【図7】TFTの作製工程を示す上面図。
【図8】下地層の構成を説明する断面図。
【図9】画素TFT、駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図10】画素TFT、駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図11】画素TFT、駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図12】画素TFT、駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図13】画素TFT、駆動回路のTFTの断面図。
【図14】駆動回路のTFTの作製工程を示す上面図。
【図15】画素TFTの作製工程を示す上面図。
【図16】駆動回路のTFTの作製工程を示す断面図。
【図17】画素TFTの作製工程を示す断面図。
【図18】液晶表示装置の入出力端子、配線、回路配置を説明する上面図。
【図19】液晶表示装置の構造を示す断面図。
【図20】液晶表示装置の構造を示す斜視図。
【図21】画素部の画素を示す上面図。
【図22】レーザーアニール装置の構成を示す図。
【図23】レーザーアニール装置の反応室の構成を示す図。
【図24】アクティブマトリクス型EL表示装置の構成を示す図。
【図25】半導体装置の一例を示す図。
【図26】投影型液晶表示装置の構成を示す図。
【図27】TFTの作製工程を示す断面図。
【図28】TFTの作製工程を示す断面図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor film having a crystal structure formed over a substrate having an insulating surface, a manufacturing method thereof, a semiconductor device using the semiconductor film as an active layer, and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a thin film transistor in which an active layer is formed using a crystalline semiconductor film. Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, an electro-optical device typified by an active matrix liquid crystal display device formed using thin film transistors, and An electronic device in which such an electro-optical device is mounted as a component is included in the category.
[0002]
[Prior art]
A thin film transistor (hereinafter referred to as a thin film transistor) whose active layer is an amorphous semiconductor film formed on a light-transmitting insulating substrate such as glass and crystallized by laser annealing or thermal annealing. , Written as TFT). A substrate mainly used for manufacturing this TFT is a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass. Although such a glass substrate is inferior in heat resistance to a quartz substrate, the commercial price is low, and it has an advantage that a large-area substrate can be easily manufactured.
[0003]
The laser annealing method is known as a crystallization technique that does not raise the temperature of a glass substrate so much and can crystallize only an amorphous semiconductor film by applying high energy. In particular, an excimer laser capable of obtaining a large output with short wavelength light is considered to be most suitable for this application. In the laser annealing method using an excimer laser, a laser beam is processed by an optical system so as to be spot-like or linear on the irradiated surface, and the irradiated surface is scanned with the processed laser light (laser light irradiation). The irradiation position is moved relative to the irradiated surface). For example, the excimer laser annealing method using linear laser light is capable of laser annealing the entire irradiated surface by scanning only in the direction perpendicular to the longitudinal direction, and is excellent in productivity. It is becoming mainstream as a manufacturing technology.
[0004]
Laser annealing can be applied to crystallization of various semiconductor materials. However, considering the characteristics of the TFT, it is considered that the use of a crystalline silicon film as the active layer is suitable because high mobility can be achieved. The technology realized a monolithic liquid crystal display device in which a pixel TFT for forming a pixel portion on a single glass substrate and a TFT for a driving circuit provided around the pixel portion are formed.
[0005]
However, the crystalline silicon film produced by the laser annealing method is a collection of a plurality of crystal grains, and the position and size of the crystal grains are random, and it is possible to intentionally form crystal grains at an arbitrary position. There wasn't. For this reason, it has been almost impossible to form a channel formation region of a TFT in which crystallinity is regarded as the most important with a single crystal grain. At the crystal grain interface (grain boundary), the current transport characteristics of the carrier deteriorate due to the influence of recombination centers, trap centers, and potential levels at the grain boundaries due to amorphous structures and crystal defects. was there. As a result, TFTs having a crystalline silicon film as an active layer have not been obtained to date with characteristics equivalent to those of MOS transistors fabricated on a single crystal silicon substrate.
[0006]
As a method for solving such problems, it can be considered as an effective means to increase the crystal grains and control the position of the crystal grains to eliminate the crystal grain boundaries from the channel formation region. For example, "" Location Control of Large Grain Following Excimer-Laser Melting of Si Thin-Films ", R.Ishihara and A.Burtsev, Japanese Journal of Applied Physics vol.37, No.3B, pp1071-1075,1998" A method is disclosed in which the temperature distribution of a silicon film is controlled three-dimensionally to realize crystal position control and enlargement. According to the method, a refractory metal film is formed on a glass substrate, a silicon oxide film having a different thickness is partially formed thereon, and both surfaces of the substrate on which an amorphous silicon film is formed are formed. It is reported that the crystal grain size can be increased to several μm by irradiating excimer laser light.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The method of Ishihara et al. Is characterized in that the thermal characteristics of the underlying material of the amorphous silicon film are locally changed to control the flow of heat to the substrate so as to have a temperature gradient. However, for that purpose, it is necessary to form a three-layer structure of a refractory metal layer / silicon oxide layer / semiconductor film on a glass substrate. Although it is structurally possible to form a top gate type TFT using this semiconductor film as an active layer, parasitic capacitance is generated between the semiconductor film and the refractory metal layer, resulting in an increase in power consumption. It becomes difficult to realize high-speed operation of the TFT.
[0008]
On the other hand, since the refractory metal layer also serves as a gate electrode, it can be effectively applied to a bottom gate type or an inverted stagger type TFT. However, in the three-layer structure, even if the thickness of the semiconductor film is excluded, the refractory metal layer and the silicon oxide layer have a film thickness suitable for the crystallization process and a film suitable for characteristics as a TFT element. Since the thicknesses do not necessarily match, both the optimum design in the crystallization process and the optimum design of the device structure cannot be satisfied at the same time.
[0009]
Further, when a refractory metal layer having no translucency is formed on the entire surface of the glass substrate, it is impossible to manufacture a transmissive liquid crystal display device. Although the refractory metal layer is useful in terms of high thermal conductivity, a chromium (Cr) film or a titanium (Ti) film typically used as a refractory metal material has high internal stress. There is a high possibility that a problem will occur in the adhesiveness. It is feared that the internal stress affects the semiconductor film formed in the upper layer and acts as a force for distorting the formed crystalline semiconductor film.
[0010]
The present invention is a technique for solving such problems. A crystalline semiconductor film in which the position and size of crystal grains are controlled is produced, and the crystalline semiconductor film is used as a channel formation region of a TFT. As a result, a TFT capable of high-speed operation is realized. It is another object of the present invention to provide a technology capable of applying such TFTs to various semiconductor devices such as a transmissive liquid crystal display device and an image sensor.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Means for solving the above problems will be described with reference to FIG. A heat
[0012]
The semiconductor film 5 formed to have an amorphous structure becomes a crystalline semiconductor film by a crystallization process. Most preferably, the crystallization step is performed by laser annealing. In particular, use of an excimer laser that emits laser light having a wavelength of 400 nm or less as a light source is suitable because the semiconductor film can be preferentially heated. As the excimer laser, a pulse oscillation type or a continuous emission type can be used. The light applied to the semiconductor film 5 can be a linear beam, a spot beam, a planar beam, or the like in the optical system, and is not limited to the shape. The specific laser annealing conditions are appropriately determined by the practitioner. In the crystallization process of the present invention, a reaction that changes from a molten state to a solid state is performed as follows.
[0013]
In the laser annealing method, the semiconductor film is heated and melted by optimizing the condition of the laser beam (or laser beam) to be irradiated, and the generation density of crystal nuclei and the crystal growth from the crystal nuclei are controlled. In FIG. 1, a region A distinguished by a broken line is a region where the first insulating
[0014]
It is estimated that crystal nuclei are formed and formed in the cooling process from the molten state to the solid state, but the nucleation density correlates with the temperature of the molten state and the cooling rate, and is rapidly cooled from a high temperature. The tendency to increase the nucleation density has been obtained as empirical knowledge. Accordingly, in the region B that is rapidly cooled from the molten state, the generation density of crystal nuclei is higher than that in the region A, and a plurality of crystal grains are formed by the generation of crystal nuclei at random, and are generated in the region A. Grain shape is relatively smaller than crystal grains. On the other hand, in the region A, by optimizing the laser light irradiation conditions and the first insulating
[0015]
Other lasers that enable such crystallization are YAG laser and YVO. Four There are solid-state lasers represented by lasers and YLF lasers. These solid-state lasers are preferably laser diode-excited, and their second harmonic (532 nm), third harmonic (354.7 nm), and fourth harmonic (266 nm) are used. Irradiation conditions can be a pulse oscillation frequency of 1 to 10 kHz, and a laser energy density of 300 to 600 mJ / cm. 2 (Typically 350-500mJ / cm 2 ). Then, a laser beam condensed linearly with a width of 100 to 1000 μm, for example, 400 μm, is irradiated over the entire surface of the substrate. At this time, the superposition ratio (overlap ratio) of the linear laser light is 80 to 98%.
[0016]
For the crystallization process, only the laser annealing method is not applied, and a thermal annealing method and a laser annealing method may be combined. For example, after the amorphous semiconductor film is first crystallized by a thermal annealing method, it is also possible to form a crystalline semiconductor film by further irradiating laser light. A crystallization method using a catalytic element may be applied to the thermal annealing method.
[0017]
In such a crystallization process, the materials used for the heat
[0018]
On the other hand, the first insulating
[0019]
The first insulating
[0020]
By utilizing such a phenomenon, the crystal grains existing in the crystalline semiconductor film can be enlarged. Further, the position of the crystal grains can be arranged at a position where an active layer of the TFT is formed.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 2A, an alkali-free glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass is used for the
[0022]
On the surface of the
[0023]
Any of the above oxides, nitrides, and compounds can be formed by sputtering. This is formed by sputtering using a target having a predetermined composition and using an inert gas such as argon (Ar) or nitrogen. Also, the thermal conductivity is 1000Wm -1 K -1 A thin-film diamond layer or a DLC (Diamond Like Carbon) layer that reaches the maximum thickness may be provided.
[0024]
A first insulating
[0025]
The first
[0026]
Next, a
[0027]
Then, the
[0028]
When crystallization is performed by laser annealing, a solid-state laser such as a pulse oscillation type or continuous emission type excimer laser, argon laser, or YAG laser is used as the light source. FIG. 22 is a diagram showing the configuration of such a laser annealing apparatus. An excimer laser, an argon laser, or the like is applied to the
[0029]
FIG. 23 is a diagram for explaining an embodiment relating to the substrate holding method of the laser annealing apparatus explained in FIG. The
A
[0030]
The laser annealing conditions are appropriately selected by the practitioner. For example, the pulse oscillation frequency of an excimer laser is 30 Hz, and the laser energy density is 100 to 500 mJ / cm. 2 (Typically 300-400mJ / cm 2 ). Then, a linear beam having a line width of 100 to 1000 μm, for example, a line width of 400 μm, is irradiated over the entire surface of the substrate. Since this line width is larger than that of the first insulating film formed in an island shape, the amorphous silicon layer on the first insulating film can be crystallized by irradiation with one pulse of linear beam. Or you may irradiate several times, scanning a linear beam. At this time, the linear beam superposition ratio (overlap ratio) is preferably set to 50 to 98%. The shape of the laser beam can be processed in the same manner even if it is a planar shape.
[0031]
When the pulse oscillation frequency of the excimer laser is 30 Hz, the pulse width is several nanoseconds to several tens of nanoseconds, for example, about 30 nanoseconds. It is heated instantaneously and cooled for a time much longer than the heating time. At this time, as shown in FIG. 2D, when the region where the first insulating film is formed is the region A and the other region is the region B, the region A is formed with the first insulating film. Since the partial volume increases, the temperature rise due to the laser beam irradiation is lower than that in the region B. On the other hand, immediately after the end of the laser beam irradiation, heat diffuses through the heat
[0032]
When a continuous light emission excimer laser is used for the
[0033]
In the laser annealing method, the generation density of crystal nuclei and the crystal growth from the crystal nuclei are controlled by optimizing the conditions of the laser beam to be irradiated.
In the region A, the temperature change between heating and cooling is relatively gentle. Therefore, crystal grains grow from the center of the
[0034]
Thereafter, a photoresist pattern is formed on the region A of the formed crystalline semiconductor film, and the crystalline silicon film in the region B is selectively removed by dry etching to form island-like semiconductor layers 509 and 510. Also good. CF for dry etching Four And O 2 The mixed gas is used. The island-shaped semiconductor layers 509 and 510 thus fabricated have 10 16 -10 18 /cm Three Therefore, heat treatment is performed at a temperature of 300 to 450 ° C. in a hydrogen atmosphere, in a nitrogen atmosphere containing 1 to 3% hydrogen, or in an atmosphere containing hydrogen generated by plasma formation. It is better to carry out the hydrogenation step. Through this hydrogenation step, about 0.01 to 0.1 atomic% of hydrogen is added to the island-shaped semiconductor layers 509 and 510. In this manner, the island-like semiconductor layers 509 and 510 are formed of a single crystal grain and are substantially equivalent to a single crystal. Therefore, when an element such as a TFT is formed in this portion, it is formed on a single crystal silicon substrate. The characteristics comparable to the MOS transistor can be obtained.
[0035]
[Embodiment 2]
In the embodiment shown in FIG. 3, the heat
[0036]
By changing the thickness of the second insulating
[0037]
[Embodiment 3]
The manufacturing method of the crystalline semiconductor film used as the active layer of the TFT is not limited to the laser annealing method, and the laser annealing method and the thermal annealing method may be used in combination. For example, the substrate on which the semiconductor film 506 (amorphous silicon film) having an amorphous structure in the state of FIG. 2C is formed is heated at 600 to 670 ° C. for about 4 to 12 hours using a furnace annealing furnace. The same effect can be obtained by crystallizing and then processing by the laser annealing method described in the first embodiment. In addition, crystallization by a thermal annealing method can be applied to a crystallization method using a catalyst element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-130652.
[0038]
As shown in FIG. 4A, a heat
[0039]
By selectively forming the first insulating
[0040]
Then, in the crystallization step shown in FIG. 4B, first, heat treatment is performed at 400 to 500 ° C. for about 1 hour, so that the hydrogen content of the amorphous silicon film is 5 atomic% or less.
Then, using a furnace annealing furnace, thermal annealing is performed at 550 to 600 ° C. for 1 to 8 hours in a nitrogen atmosphere. A crystalline silicon film can be obtained by the above steps. However, the
[0041]
It is effective to control the crystal grains of the
[0042]
In this manner, the manufactured
[0043]
Therefore, a gettering step disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-247735 may be performed. By this gettering step, the concentration of the catalytic element in the crystalline silicon film is reduced to 1 × 10. 17 atoms / cm Three Or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm Three It can be reduced to. First, as shown in FIG. 4D, a
In this state, as shown in FIG. 4E, when heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 500 to 800 ° C. (preferably 500 to 550 ° C.) for 5 to 24 hours, for example, 525 ° C. for 12 hours, The
[0044]
As described above, when the crystalline silicon film manufactured by the thermal annealing method with the addition of the catalytic element is subjected to the crystallization step by the laser annealing method of the present invention, only the laser annealing method shown in the first embodiment is performed. Compared with the crystallization step, a crystalline semiconductor film having larger crystal grains can be obtained. However, the island-shaped semiconductor layers 519 and 520 thus manufactured have 10 16 -10 18 /cm Three Therefore, heat treatment is performed at a temperature of 300 to 450 ° C. in a hydrogen atmosphere, in a nitrogen atmosphere containing 1 to 3% hydrogen, or in an atmosphere containing hydrogen generated by plasma formation. By performing the hydrogenation process, the defect density is reduced to 10 16 /cm Three It can be: Through this hydrogenation step, about 0.01 to 0.1 atomic% of hydrogen is added to the island-shaped semiconductor layers 519 and 520.
[0045]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, a manufacturing process of a CMOS circuit including an n-channel TFT and a p-channel TFT will be described with reference to FIGS.
[0046]
In FIG. 5A, barium borosilicate glass or aluminoborosilicate glass represented by Corning # 7059 glass or # 1737 glass substrate is used for the
[0047]
Then, SiH is formed thereon by plasma CVD. Four , N 2 A silicon oxynitride film made from O is formed to a thickness of 50 to 500 nm, and hydrogen fluoride (HF) or ammonium hydrogen fluoride (NH Four HF 2 The first insulating
[0048]
The size of the first insulating
Alternatively, it is the same as or slightly larger than the size of the channel formation region of the TFT. The size of the island-shaped semiconductor layer is appropriately determined according to the required TFT characteristics. For example, it may be 20 μm × 8 μm (the length in the channel length direction × the length in the channel width direction). , 28 μm × 30 μm, 45 μm × 63 μm, etc. Therefore, the outer dimensions of the first insulating
[0049]
Furthermore, SiH is formed by plasma CVD. Four , N 2 A second insulating
[0050]
Next, a semiconductor layer having an amorphous structure with a thickness of 25 to 80 nm (preferably 30 to 60 nm) is formed by a known method such as a plasma CVD method or a sputtering method. For example, an amorphous silicon film is formed to a thickness of 55 nm by plasma CVD. As the semiconductor film having an amorphous structure, there are an amorphous semiconductor film and a microcrystalline semiconductor film, and a compound semiconductor film having an amorphous structure such as an amorphous silicon germanium film may be applied. In addition, the second insulating layer and the amorphous semiconductor layer of the base layer may be formed continuously.
[0051]
Then, any one of the methods described in Embodiments 1 to 3 is selected, a crystalline semiconductor film (here, a crystalline silicon film) is formed, and etching is performed to form island-shaped semiconductor layers 107 and 108a. Etching is done by dry etching, CF Four And O 2 The mixed gas was used. Each of the island-like semiconductor layers 107 and 108a is composed of a single crystal grain, and a pattern formed by etching can be regarded as a substantially single crystal. Thereafter, a
[0052]
FIG. 7A shows a top view in FIG. In FIG. 7A, the mask layer and the first and second insulating films are omitted. The island-shaped semiconductor layers 107 and 108b are provided so as to overlap with the first insulating
[0053]
Then, as shown in FIG. 5B, a
[0054]
In order to form the LDD region of the n-channel TFT, an impurity element imparting n-type conductivity is selectively added to the island-shaped
[0055]
Next, the
[0056]
The
[0057]
As shown in FIG. 5E, a conductive layer is formed to form a gate electrode over the gate insulating film. Although this conductive layer may be formed as a single layer, it may have a laminated structure of two layers or three layers as required. In the present embodiment, a conductive layer (A) 114 made of a conductive nitride metal film and a conductive layer (B) 115 made of a metal film are stacked. The conductive layer (B) 115 is an element selected from tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and tungsten (W), an alloy containing the element as a main component, or an alloy film in which the elements are combined. (Typically, the conductive layer (A) 114 may be formed of tantalum nitride (TaN), tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN) film, nitride). It is made of molybdenum (MoN) or the like. Alternatively, tungsten silicide, titanium silicide, or molybdenum silicide may be used for the conductive layer (A) 114. In the conductive layer (B) 115, it is preferable to reduce the concentration of impurities contained in order to reduce the resistance. In particular, the oxygen concentration is preferably set to 30 ppm or less. For example, tungsten (W) can realize a specific resistance value of 20 μΩcm or less by setting the oxygen concentration to 30 ppm or less.
[0058]
The conductive layer (A) 114 may be 10 to 50 nm (preferably 20 to 30 nm), and the conductive layer (B) 115 may be 200 to 400 nm (preferably 250 to 350 nm). In this embodiment, a 30 nm thick TaN film was used for the conductive layer (A) 114 and a 350 nm Ta film was used for the conductive layer (B) 115, both of which were formed by sputtering. The TaN film was formed using Ta as a target and a mixed gas of Ar and nitrogen as a sputtering gas. Ta used Ar as the sputtering gas. In addition, when an appropriate amount of Xe or Kr is added to these sputtering gases, the internal stress of the film to be formed can be relaxed and the film can be prevented from peeling. The resistivity of the α-phase Ta film is about 20 μΩcm and can be used as a gate electrode, but the resistivity of the β-phase Ta film is about 180 μΩcm and is not suitable for a gate electrode. Since the TaN film has a crystal structure close to an α phase, an α phase Ta film can be easily obtained by forming a Ta film thereon. Although not shown, it is effective to form a silicon film doped with phosphorus (P) with a thickness of about 2 to 20 nm under the conductive layer (A) 114. This improves adhesion and prevents oxidation of the conductive film formed thereon, and at the same time, an alkali metal element contained in a trace amount in the conductive layer (A) or the conductive layer (B) diffuses into the
[0059]
Next, a photoresist mask having a predetermined pattern is formed, and the conductive layers (A) 114 and (B) 115 are collectively etched to form
[0060]
FIG. 7B shows a top view of FIG. In FIG. 7B, the gate insulating film and the first and second insulating films are omitted.
[0061]
Next,
[0062]
Next, an
[0063]
Thereafter, a step of activating the impurity element imparting n-type or p-type added at each concentration is performed by a thermal annealing method. A furnace annealing furnace may be used for this step. In addition, it can be performed by a laser annealing method or a rapid thermal annealing method (RTA method). The annealing treatment is performed at 400 to 700 ° C., typically 500 to 600 ° C. in a nitrogen atmosphere having an oxygen concentration of 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less. In this embodiment, the heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours. Went.
Further, before the annealing treatment, the protective insulating layer 122 with a thickness of 50 to 200 nm is preferably formed using a silicon oxynitride film, a silicon oxide film, or the like. The silicon oxynitride film can be formed under any of the conditions in Table 1, but in addition, SiH Four 27SCCM, N 2 Reaction pressure 160Pa,
[0064]
After the activation step, a heat treatment was performed at 300 to 450 ° C. for 1 to 12 hours in an atmosphere containing 3 to 100% hydrogen to perform a step of hydrogenating the island-shaped semiconductor layer. This step is performed on the island-like semiconductor layer 10 by thermally excited hydrogen. 16 -10 18 /cm Three This is a step of terminating the dangling bond. As another means of hydrogenation, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) may be performed.
[0065]
After the activation and hydrogenation steps are completed, a silicon oxynitride film or a silicon oxide film is further stacked over the protective insulating layer, so that an interlayer insulating
[0066]
Next, a silicon nitride film or a silicon oxynitride film is formed as the
[0067]
Thus, as shown in FIG. 6E, an n-
[0068]
FIG. 7C shows a top view of FIG. The source wirings 124 and 125 are in contact with the island-shaped semiconductor layers 107 and 108b through contact holes provided in the
[0069]
In the p-
[0070]
[Example 2]
This embodiment will be described with reference to FIGS. 8A and 8B in which the underlying layer is manufactured in a different form from the TFT manufactured in Embodiment 1. FIG. The TFT cross-sectional structure shown in FIG. 8 is formed in accordance with the manufacturing procedure of Example 1, and here, differences from Example 1 are shown.
[0071]
FIG. 8A shows a case where SiH is formed on the heat conductive layer 102 and the selectively formed first insulating
[0072]
In FIG. 8B, the size of the first insulating
[0073]
In FIG. 8C, a groove is formed on the surface of the
[0074]
FIG. 8D illustrates an example in which an n-
FIGS. 6 to 8 show examples in which each TFT has a single gate structure, but the gate electrode may have a double gate structure or a multi-gate structure in which a plurality of gate electrodes are provided. . By bringing the two TFTs close to each other in this way, it is possible to reduce the variation in characteristics of the TFTs and to improve the degree of integration.
[0075]
[Example 3]
This embodiment mode will be described with reference to FIGS. 27 and 28 and a manufacturing process of a CMOS circuit composed of an n-channel TFT and a p-channel TFT having a structure different from that of Example 1. FIG. The permissible range of the process order and the manufacturing conditions here is in accordance with Example 1.
[0076]
As shown in FIG. 27A, a first
[0077]
Next, as shown in FIG. 27B, a
[0078]
Then, as shown in FIG. 27C, a 45 μm × 65 μm island-shaped
[0079]
FIG. 27D shows a channel doping process, in which a resist
[0080]
In FIG. 28A, a conductive layer (A) 1514 and a conductive layer (B) 1515 are formed over the gate insulating film by a sputtering method. A preferred combination of these conductive layers is a combination in which the conductive layer (A) is TaN and the conductive layer (B) is Ta, or a combination in which the conductive layer (A) is WN and the conductive layer (B) is W. It is. Then,
[0081]
Then, using these gate electrodes as a mask, an impurity element is added by an ion doping method to form a source region and a drain region in a self-aligning manner. FIG. 28C shows a step of forming a source region and a drain region of a p-channel TFT, and an impurity element imparting p-type is added by an ion doping method. +
[0082]
After that, as shown in FIG. 28E, a protective insulating
[0083]
Thus, an n-
[0084]
In this manner, the island-shaped
[0085]
[Example 4]
A method for manufacturing the pixel TFT of the pixel portion and the TFT of the driver circuit provided in the periphery of the pixel portion over the same substrate will be described in detail with reference to FIGS. However, in order to simplify the description, a CMOS circuit that is a basic circuit such as a shift register circuit and a buffer circuit is shown in the control circuit, and an n-channel TFT that forms a sampling circuit.
[0086]
In FIG. 9A, a barium borosilicate glass substrate or an alumino borosilicate glass substrate is used as the
[0087]
Next, a
[0088]
Then, a
Further, the
[0089]
Then, the
[0090]
In the channel doping process, a
[0091]
In order to form the LDD region of the n-channel TFT of the driver circuit, an impurity element imparting n-type conductivity is selectively added to the island-like semiconductor layers 210b and 211b. Photoresist masks 215 to 218 were formed in advance. Here, in order to add phosphorus (P), phosphine (PH Three ) Was applied. Impurity region (n - ) The phosphorus (P) concentration of 219, 220 is 1 × 10 17 ~ 5x10 19 atoms / cm Three (FIG. 10A). The
[0092]
Next, the
In this embodiment, a laser activation method is used, a KrF excimer laser beam (
Note that there are no particular limitations on the irradiation conditions of the laser beam, and the practitioner may make an appropriate decision.
[0093]
Then, the
[0094]
Next, a first conductive layer is formed to form a gate electrode. In this embodiment, a conductive layer (A) 223 made of a conductive nitride metal film and a conductive layer (B) 224 made of a metal film are laminated. Here, the conductive layer (B) 224 is formed with tantalum (Ta) to a thickness of 250 nm by sputtering using Ta as a target, and the conductive layer (A) 223 is formed with tantalum nitride (TaN) to a thickness of 50 nm. (FIG. 10C).
[0095]
Next, photoresist masks 225 to 229 are formed, and the conductive layer (A) 223 and the conductive layer (B) 224 are etched together to form
[0096]
Next, in order to form a source region and a drain region of the p-channel TFT of the driver circuit, a step of adding an impurity element imparting p-type is performed. Here, the impurity region is formed in a self-aligning manner using the
[0097]
Next, in the n-channel TFT, an impurity region functioning as a source region or a drain region was formed. Resist
[0098]
Then, in order to form an LDD region of the n-channel TFT in the pixel portion, an impurity addition step for imparting n-type was performed. Here, an impurity element imparting n-type in a self-aligning manner is added by ion doping using the
[0099]
Thereafter, a heat treatment process is performed to activate the impurity element imparting n-type or p-type added at each concentration. This step can be performed by a thermal annealing method using a furnace annealing furnace, a laser annealing method, or a rapid thermal annealing method (RTA method). Here, the activation process was performed by furnace annealing. The heat treatment is performed at 400 to 700 ° C., typically 500 to 600 ° C. in a nitrogen atmosphere having an oxygen concentration of 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less. In this embodiment, the heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours. went.
[0100]
In this thermal annealing, conductive films (C) 230c to 234c made of TaN are formed with a thickness of 5 to 80 nm from the surface of the
[0101]
In the case where a catalytic element that promotes crystallization of silicon is used in the crystallization step and the gettering step described in
[0102]
14A and 15A are top views of the TFT in FIG. 11D, and the AA ′ cross section and the CC ′ cross section are AA ′ and C in FIG. 11D. Corresponds to -C '. Further, the BB ′ cross section and the DD ′ cross section correspond to the cross sectional views of FIG. 16 (A) and FIG. 17 (A). Although the gate insulating film is omitted in the top views of FIGS. 14 and 15, the island-shaped semiconductor layers 209, 210, and 212 formed on the second insulating
[0103]
When the activation and hydrogenation steps are completed, a second conductive layer serving as a gate wiring is formed. The second conductive layer is formed of a conductive layer (D) mainly composed of aluminum (Al) or copper (Cu) which is a low resistance material. In any case, the resistivity of the second conductive layer is about 0.1 to 10 μΩcm. Further, a conductive layer (E) made of titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), or molybdenum (Mo) is preferably stacked. In this example, an aluminum (Al) film containing 0.1 to 2% by weight of titanium (Ti) was formed as the conductive layer (D) 247, and a titanium (Ti) film was formed as the conductive layer (E) 248. The conductive layer (D) 247 may be 200 to 400 nm (preferably 250 to 350 nm), and the conductive layer (E) 248 may be 50 to 200 (preferably 100 to 150 nm) (FIG. 12A). ).
[0104]
Then, in order to form a gate wiring connected to the gate electrode, the conductive layer (E) 248 and the conductive layer (D) 247 were etched to form
[0105]
14B and 15B show top views of this state, and the AA ′ and CC ′ cross sections correspond to AA ′ and CC ′ in FIG. 12B. ing. Further, the BB ′ cross section and the DD ′ cross section correspond to BB ′ and DD ′ in FIGS. 16B and 17B. 14B and 15B, part of the
[0106]
The first
[0107]
Next, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon oxynitride film is formed as the
[0108]
FIGS. 14C and 15C are top views of this state, and the AA ′ and CC ′ sections correspond to AA ′ and CC ′ in FIG. is doing. Further, the BB ′ cross section and the DD ′ cross section correspond to BB ′ and DD ′ in FIGS. 16C and 17C. 14C and 15C, the first interlayer insulating film is omitted, but source wirings 253, 254, and the like are not illustrated in the source and drain regions of the island-shaped semiconductor layers 209, 210, and 212. 256 and
[0109]
Thereafter, a second
[0110]
In this way, a substrate having the TFT of the driving circuit and the pixel TFT of the pixel portion on the same substrate was completed. A p-
[0111]
The p-
[0112]
The configuration as described above makes it possible to optimize the structure of the TFT constituting each circuit according to the specifications required by the pixel TFT and the drive circuit, and to improve the operation performance and reliability of the semiconductor device. Furthermore, the LDD region, the source region, and the drain region can be easily activated by forming the gate electrode from a heat-resistant conductive material, and the wiring resistance can be sufficiently reduced by forming the gate electrode from a low-resistance material. Therefore, the present invention can be applied to a display device having a display area (screen size) of 4 inches class or more. Then, by using a crystalline silicon film having a single crystal structure which is selectively formed over the first insulating
[0113]
[Example 5]
In this embodiment, a process of manufacturing an active matrix liquid crystal display device from the active matrix substrate manufactured in
A known liquid crystal material may be used as the liquid crystal material. Thus, the active matrix type liquid crystal display device shown in FIG. 19 was completed.
[0114]
Next, the configuration of the active matrix liquid crystal display device will be described with reference to the perspective view of FIG. 20 and the top view of FIG. 20 and 21 use the same reference numerals in order to correspond to the cross-sectional structure diagrams of FIGS. 9 to 13 and FIG. Further, the cross-sectional structure along the line EE ′ shown in FIG. 21 corresponds to the cross-sectional view of the pixel matrix circuit shown in FIG.
[0115]
In FIG. 20, the active matrix substrate includes a
[0116]
FIG. 21 is a top view showing almost one pixel in the
[0117]
Note that the active matrix liquid crystal display device of this example has been described with reference to the structure described in Example 4, but is not limited to the configuration of Example 4, and is described in Embodiments 1 to 3. An active matrix substrate completed by applying the configuration to the fourth embodiment may be used. In any case, the active matrix liquid crystal display device can be manufactured by freely combining the active matrix substrates provided with the base layer shown in Embodiment Mode 1.
[0118]
[Example 6]
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of an arrangement of input / output terminals, a display region, and a drive circuit of a liquid crystal display device. In the
[0119]
A scanning
[0120]
On the other hand, when the screen size of the display area is 0.9 inch class, the length of the diagonal line is about 24 mm, and if the TFT is manufactured according to the submicron rule, the driving circuit provided in the periphery is 30 × 30 mm. 2 Fits within. In such a case, it is not always necessary to form the gate wiring with the low resistance material as shown in the
[0121]
The liquid crystal display device having such a structure can be completed by using an active matrix substrate completed by applying the crystallization method shown in Embodiments 1 to 3 to Example 4. In any case, the active matrix liquid crystal display device can be manufactured by freely combining the active matrix substrates completed by the crystallization technique shown in the first to third embodiments.
[0122]
[Example 7]
In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a display device (organic EL display device) using an active matrix organic electroluminescence (organic EL) material will be described with reference to FIG. FIG. 24A shows a circuit diagram of an active matrix organic EL display device. This organic EL display device includes a display area 11 provided on a substrate, an X-direction peripheral drive circuit 12, and a Y-direction peripheral drive circuit 13. The display area 11 is configured by a switching
[0123]
FIG. 24B shows a top view of almost one pixel. The
[0124]
By the way, in the case of an organic EL display device in an operation mode in which light is emitted upward from the TFT, the pixel electrode is formed of a reflective electrode such as Al. Here, the configuration of the pixel region of the organic EL display device has been described. However, as in the first embodiment, a peripheral circuit integrated active matrix display device in which a drive circuit is provided around the pixel region may be used. Although not shown, color display is also possible by providing a color filter. In any case, the active matrix organic EL display device can be manufactured by freely combining the active matrix substrates provided with the base layer shown in the first embodiment.
[0125]
[Example 8]
An active matrix substrate, a liquid crystal display device, and an EL display device manufactured by implementing the present invention can be used in various electro-optical devices. The present invention can be applied to all electronic devices in which such an electro-optical device is incorporated as a display medium. Examples of electronic devices include personal computers, digital cameras, video cameras, portable information terminals (mobile computers, mobile phones, electronic books, etc.), navigation systems, and the like. An example of them is shown in FIG.
[0126]
FIG. 25A illustrates a personal computer which includes a main body 2001 including a microprocessor and a memory, an image input portion 2002, a display device 2003, and a
[0127]
FIG. 25B illustrates a video camera, which includes a
[0128]
FIG. 25C illustrates a portable information terminal which includes a
[0129]
FIG. 25D illustrates an electronic game device such as a video game or a video game, which is incorporated in a
[0130]
FIG. 25E shows a player using a recording medium (hereinafter referred to as a recording medium) on which a program is recorded. The player includes a main body 2401, a
[0131]
FIG. 25F illustrates a digital camera, which includes a main body 2501, a
[0132]
FIG. 26A shows a front projector, which includes a light source optical system, a
[0133]
Note that FIG. 26C illustrates an example of the structure of the light source optical system and the
[0134]
Although not shown here, the present invention can also be applied to a navigation system, a reading circuit of an image sensor, and the like. As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to electronic devices in various fields. In addition, the electronic apparatus of this example can be realized by using the crystallization technique of Embodiments 1 to 3 and using a configuration composed of any combination of Examples 1 to 7.
[0135]
【The invention's effect】
By using the crystallization technique of the present invention, a crystalline semiconductor film in which the position and size of crystal grains are controlled can be manufactured. By forming the crystal grain position of such a crystalline semiconductor film in accordance with the channel formation region of the TFT, it becomes possible to form at least the channel formation region with a single crystal grain, which is substantially a single crystal. Characteristics equivalent to those of a TFT manufactured using a semiconductor film can be obtained.
[0136]
In addition, by forming the heat conductive layer with a material having translucency and insulating properties, it is possible to eliminate the parasitic capacitance on the back channel side in the top gate type TFT, and in addition to the transmission type liquid crystal display device, By applying to various semiconductor devices such as an EL display device and an image sensor, the performance of the semiconductor device can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a crystalline semiconductor film according to the present invention. FIGS.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a crystalline semiconductor film according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a crystalline semiconductor film according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT.
FIG. 7 is a top view illustrating a manufacturing process of a TFT.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a structure of a base layer.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT and a TFT of a driver circuit.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT and a TFT of a driver circuit.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT and a TFT of a driver circuit.
12 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT and a driver circuit TFT; FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a pixel TFT and a TFT of a driver circuit.
FIG. 14 is a top view illustrating a manufacturing process of a TFT of a driver circuit.
FIG. 15 is a top view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT.
FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT of a driver circuit.
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a pixel TFT.
18 is a top view illustrating input / output terminals, wiring, and circuit arrangement of a liquid crystal display device. FIG.
FIG 19 is a cross-sectional view illustrating a structure of a liquid crystal display device.
FIG. 20 is a perspective view illustrating a structure of a liquid crystal display device.
FIG. 21 is a top view illustrating a pixel in a pixel portion.
FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a laser annealing apparatus.
FIG. 23 is a diagram showing a configuration of a reaction chamber of a laser annealing apparatus.
FIG 24 illustrates a structure of an active matrix EL display device.
FIG 25 illustrates an example of a semiconductor device.
FIG. 26 shows a structure of a projection type liquid crystal display device.
FIG. 27 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT.
28 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT. FIG.
Claims (19)
前記ガラス基板の主表面に密接して形成された熱伝導率が10Wm−1K−1以上であり透光性及び絶縁性を有する熱伝導層と、
前記熱伝導層上の選択された領域に、島状またはストライプ状に形成された熱伝導率が10Wm−1K−1未満の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上に選択的に形成された水素が添加された単一の結晶粒からなる半導体膜とを有し、
前記TFTのチャネル形成領域は、前記水素が添加された単一の結晶粒からなる半導体膜に形成されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a TFT on a glass substrate,
A thermal conductivity layer formed in close contact with the main surface of the glass substrate having a thermal conductivity of 10 Wm −1 K −1 or more and having translucency and insulation ;
A first insulating layer having a thermal conductivity of less than 10 Wm −1 K −1 formed in an island shape or a stripe shape in a selected region on the thermal conductive layer;
A semiconductor film made of a single crystal grain to which hydrogen is selectively formed and formed on the first insulating layer;
A channel formation region of the TFT, a semiconductor device characterized by being formed in a semiconductor film made of single crystal grains the hydrogen is added.
前記ガラス基板の主表面に密接して形成された熱伝導率が10WmThe thermal conductivity formed in close contact with the main surface of the glass substrate is 10 Wm −1-1 KK −1-1 以上であり透光性及び絶縁性を有する熱伝導層と、A heat conductive layer having translucency and insulation,
前記熱伝導層上の選択された領域に、島状またはストライプ状に形成された熱伝導率が10WmA thermal conductivity of 10 Wm formed in islands or stripes in selected areas on the thermal conductive layer. −1-1 KK −1-1 未満の第1の絶縁層と、Less than a first insulating layer;
前記熱伝導層及び前記第1の絶縁層上に形成された第2の絶縁層と、A second insulating layer formed on the heat conducting layer and the first insulating layer;
前記第2の絶縁層を介して前記第1の絶縁層上に選択的に形成され、水素が添加された単一の結晶粒からなる半導体膜とを有し、A semiconductor film made of a single crystal grain selectively formed on the first insulating layer through the second insulating layer and doped with hydrogen;
前記TFTのチャネル形成領域は、前記水素が添加された単一の結晶粒からなる半導体膜に形成されていることを特徴とする半導体装置。The channel formation region of the TFT is formed in a semiconductor film made of a single crystal grain to which the hydrogen is added.
前記ガラス基板の主表面に密接して熱伝導率が10Wm−1K−1以上であり透光性及び絶縁性を有する熱伝導層を形成する工程と、
前記熱伝導層上の選択された領域に、島状またはストライプ状に形成された熱伝導率が10Wm−1K−1未満の第1の絶縁層を形成する工程と、
前記熱伝導層上及び前記第1の絶縁層上に非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記非晶質半導体膜を結晶化させた後、前記第1の絶縁層上に単一の結晶粒からなる半導体膜を選択的に形成する工程と、
前記単一の結晶粒からなる半導体膜を水素化して、水素が添加された単一の結晶粒からなる半導体膜を形成する工程とを有し、
前記水素が添加された単一の結晶粒からなる半導体膜を用いて前記TFTのチャネル形成領域を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device having a TFT on a glass substrate,
A step of forming a heat conductive layer having a light conductivity of 10 Wm −1 K −1 or more and having a light transmitting property and an insulating property in close contact with the main surface of the glass substrate;
Forming a first insulating layer having a thermal conductivity of less than 10 Wm −1 K −1 formed in an island shape or a stripe shape in a selected region on the thermal conductive layer;
Forming an amorphous semiconductor film on the thermally conductive layer and the first insulating layer;
After crystallizing the amorphous semiconductor film, a step of selectively forming a semiconductor film made of single crystal grains on said first insulating layer,
And hydrogenating the semiconductor film made of the single crystal grains, and forming a semiconductor film consisting of a single crystal grains hydrogen is added,
The method for manufacturing a semiconductor device characterized by forming a channel formation region of the TFT using a semiconductor film before Symbol hydrogen consists of a single crystal grains that have been added.
前記ガラス基板の主表面に密接して熱伝導率が10WmThermal conductivity of 10 Wm in close contact with the main surface of the glass substrate −1-1 KK −1-1 以上であり透光性及び絶縁性を有する熱伝導層を形成する工程と、A step of forming a heat conductive layer having translucency and insulation,
前記熱伝導層上の選択された領域に、島状またはストライプ状に形成された熱伝導率が10WmA thermal conductivity of 10 Wm formed in islands or stripes in selected areas on the thermal conductive layer. −1-1 KK −1-1 未満の第1の絶縁層を形成する工程と、Forming less than the first insulating layer;
前記熱伝導層及び前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成する工程と、Forming a second insulating layer on the thermally conductive layer and the first insulating layer;
前記第2の絶縁層上に非晶質半導体膜を形成する工程と、Forming an amorphous semiconductor film on the second insulating layer;
前記非晶質半導体膜を結晶化させた後、前記第2の絶縁層を介して前記第1の絶縁層上に単一の結晶粒からなる半導体膜を選択的に形成する工程と、A step of selectively forming a semiconductor film made of a single crystal grain on the first insulating layer through the second insulating layer after crystallizing the amorphous semiconductor film;
前記単一の結晶粒からなる半導体膜を水素化して、水素が添加された単一の結晶粒からなる半導体膜を形成する工程とを有し、Hydrogenating the semiconductor film made of a single crystal grain, and forming a semiconductor film made of a single crystal grain to which hydrogen is added,
前記水素が添加された単一の結晶粒からなる半導体膜を用いて前記TFTのチャネル形成領域を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a channel formation region of the TFT is formed using a semiconductor film including a single crystal grain to which hydrogen is added.
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