JP3845569B2 - Thin film semiconductor device, method for manufacturing the same, and electronic device including the device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜半導体装置及びその製造方法並びに当該装置を備える電子デバイスに関する。特に、ガラス等の絶縁表面を有する基板上に形成される薄膜半導体装置(以下、TFTという)等の薄膜半導体装置及びその製造方法並びに当該装置を備える液晶表示装置及び有機EL表示装置等の電子デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
複数の画素を有するアクティブ型液晶表示装置、有機EL表示装置、及びイメージセンサ等の各種電子デバイスにおいては、各画素を個別に駆動するために、ガラス等の絶縁表面を有する基板上に形成されるTFTが用いられることが多い。また、近年の表示素子は、画素を駆動するためのTFTが形成された基板上に、このTFTのスイッチング動作を制御するための駆動回路が設けられることが多い。この駆動回路内には多数のトランジスタが設けられるが、このトランジスタもTFTで形成されている。
【0003】
TFTは、ガラス等の絶縁性表面上に薄膜状の珪素半導体(Si)又はその酸化物(酸化珪素(SiO2))を堆積し、エッチング処理、熱処理、電極形成処理、その他の処理を行いつつ、これらの処理を繰り返し行うことにより製造される。薄膜状の珪素半導体は、結晶性を有するものと非晶質珪素半導体(a−Si)とに大別される。
【0004】
非晶質珪素半導体は作成温度が低く、気相法で比較的容易に作成することが可能であり、更に量産性にも富むため、TFTに用いる薄膜状の珪素半導体として最も一般的に用いられている。しかしながら、非晶質珪素半導体は、導電率等の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るという欠点がある。従って、今後TFTの動作速度を高速化するためには、結晶性を有する珪素半導体を用いたTFT及びその製造方法を確立することが極めて重要となる。
【0005】
現状においては、結晶性を有する珪素半導体として製造上の容易さから多結晶珪素半導体(p−Si)が多く用いられている。汎用ガラス基板を使用し得る600℃程度以下の低温にて薄膜状の多結晶珪素半導体を作成する方法としては、非晶質珪素半導体膜を厚さ50nm程度成膜した後、この非晶質珪素半導体膜にキセノン塩素(XeCl)エキシマレーザ光(波長308nm)を照射し、非晶質珪素半導体膜を溶融結晶化させて多結晶珪素半導体膜を得るという方法が一般的である。
【0006】
しかしながら、上述の多結晶珪素半導体膜を用いたTFTのチャネル形成領域には、多結晶珪素半導体膜の結晶粒界が存在する為、その電気特性が単結晶珪素半導体を用いたTFTに比べて著しく劣ることが分かっている。このため、大粒径の多結晶珪素半導体を用いることにより、結晶粒界の電気特性への影響を小さくする方法等の方策が採られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のエキシマレーザ光を照射して多結晶珪素半導体膜を得る方法では、最大1μm程度の結晶粒が得られるが、結晶粒及び結晶粒界の位置を制御することができない。このため、チャネル形成領域に結晶粒界が含まれるかどうかは確率的事象であって、全く制御不可能であった。チャネル形成領域に結晶粒界が含まれるか否かによりTFTの特性は大きくばらつくことになる。例えば、チャネル形成領域に存在する結晶粒界の数が多ければTFTの電気特性は悪くなり、チャネル形成領域に存在する結晶粒界の数が少なければTFTの電気特性は比較的良くなる。しかしながら、例えチャネル形成領域に存在する結晶粒界の数を少なくすることができたとしても、そのTFTの電気特性は単結晶珪素半導体を用いたTFTに比べれば遙かに劣る。
【0008】
近年の電子デバイスは高速動作が求められており、特に電子デバイス内に設けられるTFTには各素子毎の電気的特性のばらつきが少なく、且つ、高速でスイッチング可能な優れた電気的特性が求められている。例えば、液晶表示装置を例に挙げると、高精細化により画素の数が増加すると、増加した分だけ1画素がオン状態となっている時間が短くなる。これは、画素を駆動するTFTのみならず、このTFTを駆動するための駆動回路内に設けられているTFTについても同様である。従って、電子デバイスの特性を向上させるためには、基本となるTFTの電気的特性を改善することが極めて重要である。
【0009】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、結晶粒界の位置が制御された結晶性の良い大粒径の結晶粒からなる半導体膜を備え、電気特性が良く且つそのばらつきが少ない薄膜半導体装置及びその製造方法並びに当該装置を備える電子デバイスを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に形成された半導体膜の一部をチャネル形成領域として用いる薄膜半導体装置の製造方法において、前記半導体膜の一部を局所的に加熱する局所加熱機構を前記基板上に形成する加熱機構形成工程と、前記加熱機構形成工程後に行われ、前記局所加熱機構上に前記半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、前記局所加熱機構により前記半導体膜が局所的に加熱された状態にて前記半導体膜を溶融結晶化させる結晶化工程と、前記半導体膜を島状に加工する素子分離工程と、前記島状に加工した半導体膜の上にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記半導体膜の結晶成長が進行する第1方向に関して、前記局所加熱機構の中心近傍上の前記半導体膜に不純物イオンを注入する不純物イオン注入工程と、前記不純物イオン注入工程後、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体膜に不純物イオンを注入しソース領域、ドレイン領域、及びチャネル形成領域を形成する工程と、を含み、前記チャネル形成領域は、前記第1方向に関して、前記局所加熱機構に完全に含まれ、且つ、前記局所加熱機構の中心近傍の両側に所定の距離だけ離間するように配置されていることを特徴としている。
かかる構成の発明は、まず基板上に局所加熱機構を形成する(加熱機構形成工程)。局所加熱機構は、一例として基板上に形成された島状の第一半導体膜とこれを覆う下側絶縁膜とから成る。従って局所加熱機構形成工程の具体例としては、基板上に第一半導体膜を堆積する第一半導体膜堆積工程と、この第一半導体膜を所定の形状に加工する第一半導体膜加工工程と、第一半導体膜上に下側絶縁膜を形成する下側絶縁膜形成工程とを含んだ工程が挙げられる。
次に前記局所加熱機構上に半導体膜を形成する(半導体膜形成工程)。半導体膜は、非晶質半導体膜または結晶性を有する半導体膜から成る。従って半導体膜形成工程の具体例としては、前記局所加熱機構上に非晶質半導体膜を堆積する工程が挙げられ、更にこの非晶質半導体膜の結晶性を高める工程として非晶質半導体膜を固相にて結晶化させる固相成長工程や非晶質半導体膜を溶融状態を経て結晶性を改善する溶融結晶化改善工程が挙げられる。
次に前記局所加熱機構により前記半導体膜が局所的に加熱された状態にて前記半導体膜を溶融結晶化させる(結晶化工程)。結晶化工程は前記半導体膜側から光を照射する工程である。光を照射すると、一部の光は前記半導体膜に吸収され、一部の光は前記半導体膜を透過する。ある程度の光を吸収した半導体膜は溶融結晶化する。一方、半導体膜を透過した光は前記局所加熱機構の第一半導体膜に吸収される。第一半導体膜の温度は光を吸収したことにより上昇し、第一半導体膜上の半導体膜は局所的に加熱される。ここで、半導体膜は溶融結晶化過程にあるが、溶融結晶化過程では結晶粒は低温部から高温部に向かって成長する。半導体膜の内でその下に局所加熱機構を備えた部位のみがその周辺に比べて高温に成る為に、冷却固化時における結晶粒は局所加熱機構の辺の僅かに外側上の半導体膜部位から局所加熱機構の中心上の半導体膜部位に向かって成長する。局所加熱機構によって形成された温度差が溶融半導体膜の冷却固化時に結晶の横成長を生じさせるのである。
ここで、結晶化工程の具体例としては半導体膜側から半導体膜を20%程度以上透過するレーザー光を照射するという工程が挙げられる。そのレーザー光の具体例としては光の波長が約532nmの固体レーザーの高調波が挙げられ、更に具体的に言えばQスイッチ発振するネオジウム(Nd)添加のイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)レーザー光の第二高調波(Nd:YAG2ωレーザー光)等が挙げられる。
結晶化工程が終了したら、前記半導体膜を島状に加工し(素子分離工程)、半導体膜の結晶成長が進行する第1方向に関して、局所加熱機構の中心近傍上の半導体膜に不純物イオンを注入する(不純物イオン注入工程)。その後、島状に加工した半導体膜の上にゲート絶縁膜を形成し(ゲート絶縁膜形成工程)、このゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し(ゲート電極形成工程)、このゲート電極をマスクとして半導体膜に不純物イオンを注入してソース領域及びドレイン領域を形成する。
上記のゲート電極形成工程では、第1方向に関して前記局所加熱機構に完全に含まれるようにゲート電極を形成する。半導体膜内での結晶横成長は必ず局所加熱機構の外側1μm程度の位置から始まる。従って上述の位置関係に局所加熱機構とゲート電極とを設定しておけば、半導体膜内で第1方向(半導体装置が動作する際の電流方向)を横切る結晶粒界(電流を横切る結晶粒界)の数を常に局所加熱機構の中心上付近に一個とすることができる。
また、上述の通り、不純物イオン注入工程において不純物イオンを注入することにより、半導体膜内の第1方向を横切る結晶粒界付近を低抵抗化し、結晶粒界が半導体装置に与える電気的影響を取り除くことができる。これは第1方向を横切る結晶粒界を避けてチャネル形成領域を形成したようなものである。すなわち、チャネル形成領域内に結晶粒界を横切らない電流経路を必ず複数個形成することができるので、薄膜半導体装置は単結晶珪素薄膜を用いた小さなシリコン−オン−インシュレーター(SOI)装置を複数個並列接続したものと同等と化し、その性能は一般的な薄膜半導体装置に比べて飛躍的に向上する。
またチャネル形成領域内で長さ方向を横切る結晶粒界が全く無いとみなせるので、結晶粒界の存在に起因する薄膜半導体装置の特性ばらつきが無くなる。すなわち、基板上に形成される全ての薄膜半導体装置がほとんど同じ特性を示す様になる。更に上述したように局所加熱機構の長さ方向に関する中心近傍上のチャネル形成領域に不純物イオンを注入することにより、薄膜半導体装置のオフ電流が低減されるという効果がある。上述のように不純物イオンを注入するということは、チャネル形成領域を長さ方向に分割するということと同じ効果をもたらす。チャネル形成領域を長さ方向に分割すれば、薄膜半導体装置のソース・ドレイン電圧は各チャネル形成領域に割り振られ、その結果ドレイン領域端空乏領域の電場が弱くなる。よってプール・フレンケル効果を伴うフォノン・アシスト・トンネリング現象は抑制され、薄膜半導体装置のオフ電流は低減されるのである。
以上のように、上記製造方法によれば、チャネル形成領域内で長さ方向を横切る結晶粒界付近は不純物イオン注入により低抵抗化されているのでチャネル形成領域内で長さ方向を横切る結晶粒界が全く無いとみなせ、チャネル形成領域は長さ方向に分割されたようになっているので、電気特性が良く、ばらつきの少ない薄膜半導体装置を製造できる。
また、本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、前記第1方向における不純物が注入されていない前記チャネル形成領域の長さが、2μm以下であることを特徴としている。
この製造方法によれば、チャネル形成領域内の長さ方向を横切る結晶粒界が半導体装置に与える電気的影響を確実に取り除くことができるという効果を有する。結晶の横成長の大きさは典型的には2μmから2.5μm程度で、最大で3.5μm程度である。よって、不純物イオンが注入されていないチャネル形成領域の長さを2μm以下にすれば、チャネル形成領域内の長さ方向を横切る結晶粒界が半導体装置に与える電気的影響を確実に取り除くことができるのである。
また、本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、前記不純物イオンが注入される領域が、前記第1方向に関する前記局所加熱機構の中心近傍から前記第1方向に0.5μm以上の領域であることを特徴としている。
この製造方法によれば、チャネル形成領域内の長さ方向を横切る結晶粒界が半導体装置に与える電気的影響を確実に取り除くことができるという効果を有する。また、チャネル形成領域の長さ方向を横切る結晶粒界付近は、結晶粒界部を頂上として山状に隆起している。上記製造方法によれば、結晶粒界部を頂上とする山状の領域に不純物イオンを注入することができる。すなわち、半導体装置の電気的特性に強く影響する、不純物イオンが注入されていないチャネル形成領域は、半導体膜厚の薄い領域のみに形成される為、半導体装置の電気特性が向上する。また、不純物イオンが注入されていないチャネル形成領域は平坦な領域に形成されるので、不純物イオンが注入されていないチャネル形成領域とゲート絶縁膜の界面状態が良好になり、半導体装置の信頼性が向上する。
上記課題を解決するために、本発明の薄膜半導体装置は、基板上に形成された半導体膜の一部をチャネル形成領域として用いる薄膜半導体装置において、前記基板と前記チャネル形成領域との間に局所加熱機構が形成されており、前記半導体膜には、異なる2箇所にチャネル形成領域が形成されており、当該チャネル形成領域が配列された第1方向を横切る第2方向に延びる1つの結晶粒界が存在し、当該結晶粒界付近に不純物イオンが注入されていることを特徴としている。
この構成によれば、チャネル形成領域内で長さ方向を横切る結晶粒界付近は不純物イオン注入により低抵抗化されているのでチャネル形成領域内で長さ方向を横切る結晶粒界が全く無いとみなせ、チャネル形成領域は長さ方向に分割されたようになっているので、電気特性が良く、ばらつきの少ない薄膜半導体装置となる。
また、本発明の薄膜半導体装置は、前記第1方向における前記不純物イオンが注入されていない前記チャネル形成領域それぞれの長さが、2μm以下であることを特徴としている。
上記構成によれば、チャネル形成領域内の長さ方向を横切る結晶粒界が半導体装置に与える電気的影響を確実に取り除くことができるという効果を有する。結晶の横成長の大きさは典型的には2μmから2.5μm程度で、最大で3.5μm程度である。よって、不純物イオンが注入されていないチャネル形成領域の長さを2μm以下にすれば、チャネル形成領域内の長さ方向を横切る結晶粒界が半導体装置に与える電気的影響を確実に取り除くことができるのである。
また、本発明の薄膜半導体装置は、前記不純物イオンが注入される領域が、前記結晶粒界から前記第1方向に0.5μm以上の領域に設定されていることを特徴としている。
上記構成によれば、チャネル形成領域内の長さ方向を横切る結晶粒界が半導体装置に与える電気的影響を確実に取り除くことができるという効果を有する。また、チャネル形成領域の長さ方向を横切る結晶粒界付近は、結晶粒界部を頂上として山状に隆起している。上記製造方法によれば、結晶粒界部を頂上とする山状の領域に不純物イオンを注入することができる。すなわち、半導体装置の電気的特性に強く影響する、不純物イオンが注入されていないチャネル形成領域は、半導体膜厚の薄い領域のみに形成される為、半導体装置の電気特性が向上する。また、不純物イオンが注入されていないチャネル形成領域は平坦な領域に形成されるので、不純物イオンが注入されていないチャネル形成領域とゲート絶縁膜の界面状態が良好になり、信頼性の高い半導体装置となる。
上記課題を解決するために、本発明の電子デバイスは、上記の何れかに記載の薄膜半導体装置の製造方法を用いて製造された薄膜半導体装置、又は、上記の何れかに記載の薄膜半導体装置を、電気的なスイッチング手段及び電気光学的なスイッチング手段の少なくとも一方のスイッチング手段として備えることを特徴としている。
この発明によれば、電気特性が良く且つそのばらつきが少ない薄膜半導体装置を電気的なスイッチング手段及び電気光学的なスイッチング手段の少なくとも一方のスイッチング手段として備えており、動作速度を高速化することができるため、多数の画素を有するアクティブ型液晶表示装置、有機EL表示装置、及びイメージセンサ等の各種電子デバイスに用いて極めて好適である。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による薄膜半導体装置及びその製造方法並びに当該装置を備える電子デバイスについて詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態による電子デバイスの全体構成の一例を示す斜視図である。図1に示した電子デバイスは、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor, 以下、TFTと略記する)をスイッチング手段として用いたアクティブマトリクス方式の透過型液晶装置の例であり、図1(a)は液晶装置の全体構成を示す斜視図であって、図1(b)は図1(a)における一画素の拡大図である。尚、図1においては、理解を容易にするため、画素及び画素に設けられたTFTを拡大して図示している。
【0012】
本実施形態による電子デバイスとしての液晶装置1は、図1(a)に示すように、TFTが形成された側の素子基板2と対向基板3とが対向配置され、これらの素子基板2と対向基板3との間に誘電率異方性が正の液晶からなる液晶層(図示省略)が封入されている。素子基板2の内面側には、多数のソース線4及び多数のゲート線5が互いに交差するように格子状に設けられている。各ソース線4と各ゲート線5の交差点の近傍にはTFT6が形成されており、各TFT6を介して画素電極7がそれぞれ接続されている。即ち、マトリクス状に配置された各画素毎に1つのTFT6と1つの画素電極7とが設けられている。一方、対向基板3の内面側全面には、多数の画素がマトリクス状に配列されてなる表示領域の全体にわたって一つの共通電極8が形成されている。
【0013】
図1(b)に示すように、TFT6は、ゲート線5から延びるゲート電極10と、ゲート電極10を覆う絶縁膜(図示略)と、この絶縁膜上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層11と、半導体層11中のソース領域に電気的に接続されたソース線4から延びるソース電極12と、半導体層11中のドレイン領域に電気的に接続されたドレイン電極13とを有している。そして、TFT6のドレイン電極13が画素電極7に電気的に接続されている。本実施形態においては、画素電極7がITO等の透明導電膜で形成され、対向基板3側の共通電極8もITO等の透明導電膜で形成されている。
【0014】
また、図1において、20,21はTFT6を駆動するための駆動回路(ソースドライバ)を示している。この駆動回路20,21は、TFT6と同様に素子基板2の内面側に形成されており、図示せぬ多数のTFTを含んで構成されている。この駆動回路20,21には、図示せぬ制御回路から制御信号が供給されており、この制御信号に基づいて各TFT6を駆動するための駆動信号(走査信号)を生成する。また、図1中の22,23は、TFT6を駆動するためのもう一つの駆動回路(ゲートドライバ)を示している。この駆動回路22,23も多数のTFTを含んで構成され、供給される制御信号から各TFT6を駆動するための駆動信号(データ信号)を生成する。
【0015】
以上、本発明の一実施形態による電子デバイスの一例としての液晶装置について説明したが、次に、本発明の実施形態による薄膜半導体装置としてのTFT6及び駆動回路20〜23内に設けられる図示しないTFTの製造方法及びその構成の詳細について説明する。
【0016】
〔第1実施形態による薄膜半導体装置及びその製造方法〕
図2〜図6は、本発明の第1実施形態による薄膜半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。図2〜図6において、(a)は薄膜半導体装置の断面図であり、(b)は平面透視図である。尚、以下の説明においては、図2〜図6中に示したXYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。図2〜図6に示したXYZ直交座標系は、積層構造を有する薄膜半導体装置の界面内にXY平面を設定し、界面に直交する方向をZ軸方向に設定してある。
【0017】
本実施形態の薄膜半導体装置は、図2に示すように、まず、基板として厚さ1.1mmの石英基板111を用い、この石英基板111上に下地保護膜112として電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学気相堆積法(ECR−PECVD法)により酸化珪素膜(SiO2膜)を膜厚200nm程度堆積する。次に、下地保護膜112としての酸化珪素膜上に低圧化学気相堆積法(LPCVD法)により非晶質珪素膜(a−Si膜)を膜厚50nm程度堆積し、その後フォト・リソグラフィー法により上記非晶質珪素膜をパターニングして第一半導体膜113とする。
【0018】
第一半導体膜113の長さ(Y方向の長さ)は後述する活性領域(チャネル形成領域)の長さ(X方向の長さ)よりも約1μm長くなるように形成される。尚、詳細は後述するが、活性領域のY方向の位置は第一半導体膜113の中央付近に設定される。ここでは、第一半導体膜113の長さを5μmとする。また、第一半導体膜の幅(X方向の長さ)は50μm程度に設定され、活性領域は幅方向(X方向)に関して完全に第一半導体膜113に包含されるように設定される。
【0019】
第一半導体膜113を形成すると、次に、第一半導体膜113及び下地保護膜112上に下側絶縁膜114としてECR−PECVD法により酸化珪素膜を膜厚160nm程度堆積する。上述した第一半導体膜113と下側絶縁膜114とは、後に活性領域と化す半導体膜(活性半導体膜)部位を局所的に加熱する発熱部材であり、本発明にいう局所加熱機構に相当するものである。尚、第一半導体膜113及び下側絶縁膜114を形成する工程は、本発明にいう加熱機構形成工程に相当する。
【0020】
以上の工程が終了すると、下側絶縁膜114としての酸化珪素膜上に活性半導体膜115としてLPCVD法により非晶質珪素膜を膜厚50nm程度堆積し、その後固相成長法により窒素雰囲気下600℃にて48時間の熱処理を施して活性半導体膜115の結晶性を改善し、更に活性半導体膜115としての大粒径多結晶珪素膜にキセノン塩素(XeCl)エキシマレーザ(波長308nm)を照射して活性珪素膜中の結晶内部欠陥を低減する。この工程は本発明にいう半導体膜形成工程に相当する。
【0021】
以上の工程が終了すると、第一半導体膜113と下側絶縁膜114とからなる発熱部材によって活性半導体膜115を局所的に加熱した状態で活性半導体膜115を溶融結晶化させる工程が行われる。具体的には、図3(a)に示すように、活性半導体膜115としての多結晶珪素膜側からイットリウムアルミニウムガーネットにNd3+イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザ(YAGレーザ:波長1064nm)の第二高調波を用いたレーザ(YAG2ωレーザ:波長532nm)から射出されるYAG2ωレーザ光116を照射する。
【0022】
YAG2ωレーザ光116の照射領域は長さ15mmで幅65μmの長方形状であり、その照射領域内における光強度分布は、長さ方向に略台形状に分布しており、幅方向については、略台形状又は略ガウス関数的な光強度分布を有しているのが好ましい。YAG2ωレーザ光116の照射領域は、その長さ方向が第一半導体膜113の幅方向(X方向)とほぼ一致するように設定される。従って、YAG2ωレーザ光116は、照射領域の幅の分だけ移動(進行)させて順次照射されるが、この照射領域の進行方向と薄膜半導体装置のソース・ドレイン方向とがほぼ平行になる。
【0023】
ここで、YAG2ωレーザ光116の照射エネルギー密度は450mJ・cm-2で、活性半導体膜115上の任意の一点は20回のパルスレーザ光が照射される。YAG2ωレーザ光116を照射すると、YAG2ωレーザ光116の一部は活性半導体膜115としての多結晶珪素膜に吸収されるが、残りのYAG2ωレーザ光116は活性半導体膜115としての多結晶珪素膜に吸収されずに透過する。活性半導体膜115としての多結晶珪素膜を透過したYAG2ωレーザ光117は下側絶縁膜114としての酸化珪素膜を透過して第一半導体膜113に吸収される。尚、下側絶縁膜114に入射したYAG2ωレーザ光117の一部は、酸化珪素膜11内において多重反射又は干渉した後で第一半導体膜113に吸収される。
【0024】
第一半導体膜113はYAG2ωレーザ光117を吸収したことにより温度が上昇し、熱を持つようになる。この第一半導体膜113から放出される熱118が活性半導体膜115に影響して、第一半導体膜113直上の活性半導体膜115の温度が、第一半導体膜113直上以外の活性半導体膜115の温度よりも高くなる。こうして生じた活性半導体膜115内の温度差により活性半導体膜115の結晶成長が温度が低い領域(第一半導体膜113直上以外の活性半導体膜から温度が高い領域(第一半導体膜113直上の活性半導体膜)へ(図3中Y方向)と生じる。
【0025】
Y軸方向に関しては、第一半導体膜113の直上が最も温度が高く、この位置からY方向及び−Y方向へ進むに従って、温度が低くなる。従って、結晶成長はY方向及び−Y方向へ進行する訳であるが、最終的に第一半導体膜113の中央直上で二つの成長した結晶が衝突し、そこに結晶の成長方向(Y方向)に垂直な方向(X方向)に延びる結晶粒界119が生ずる。図3(b)に示すように、X軸方向に延びる結晶粒界119は1つのみであり、他の結晶粒界はY軸方向へ延びていることに注意されたい。尚、結晶の横成長(X方向及びY方向)の大きさは典型的には2μm〜2.5μm程度であり、最大で3.5μm程度となる。尚、以上の工程は、本発明にいう結晶化工程に相当する。
【0026】
YAG2ωレーザー光116を照射して活性半導体膜115の結晶化を行なった後は、活性半導体膜115を島状に加工して活性領域を形成する素子分離工程として、フォト・リソグラフィー法により活性半導体膜115のパターニングを行う。ここで、図4(b)に示すように、パターニング後の活性半導体膜115の幅(X方向の長さ)が第一半導体膜113の幅(X方向の長さ)よりも短くなり、且つ活性半導体膜115の長さ(Y方向の長さ)が第一半導体膜113の長さ(Y方向の長さ)よりも長くなるようにパターニングする。このようにパターニングすることで、活性領域が長さ方向(Y方向)に関して局所加熱機構としての第一半導体膜113に完全に含まれることになる。
【0027】
以上の工程が終了すると、図4(a)に示すように、活性半導体膜115上にゲート絶縁膜としてECR−PECVD法により酸化珪素膜を膜厚60nm程度堆積する。この酸化珪素膜は、ゲート絶縁膜120として用いられる。そして、ゲート絶縁膜120としての酸化珪素膜上にスパッタリング法によりアルミニウム(Al)膜121を堆積する。その後、フォト・リソグラフィー法により活性半導体膜115にある結晶粒界119付近のAlを除去する。ここでは、例えば結晶粒界119から結晶粒界119に垂直な方向(Y方向)に0.5μmの距離までのアルミニウムを除去する。
【0028】
次に、アルミニウム膜121をマスクとして不純物イオン122をイオンドーピング法により打ち込む。ここで、NMOSトランジスタを作成する際には不純物元素として水素中に5%の濃度で希釈されたフォスフィン(PH3)を選び、加速電圧45kVにて水素を含んだ総イオンを5×1015cm-2の濃度で打ち込む。一方、PMOSトランジスタを作成する際には不純物元素として水素中に5%の濃度で希釈されたジボラン(B2H6)を選び、加速電圧40kVにて水素を含んだ総イオンを5×1015cm-2の濃度で打ち込む。活性半導体膜115のうちの不純物イオンが打ち込まれた結晶粒界119付近の領域115aは、後に行われる活性化アニールによって低抵抗化される。尚、以上の工程は、本発明にいう不純物イオン注入工程に相当する。
【0029】
以上の工程を終えると、図5(a)に示すように、アルミニウム膜121を除去し、ゲート絶縁膜120としての酸化珪素膜上にスパッタリング法により窒化タンタル(TaN)膜を50nm程度堆積し、タンタル(Ta)膜を450nm程度堆積する。その後、フォト・リソグラフィー法により上記TaN膜、Ta膜をパターニングしてゲート電極123とする。
【0030】
ゲート電極123のパターニングを行なう際、薄膜半導体装置のチャネル形成領域となるゲート電極123直下の活性半導体膜115が、長さ方向(Y方向)に関して第一半導体膜113に完全に含まれるようにゲート電極123を形成する。ここでは、ゲート電極123の長さが第一半導体膜113の長さよりも1μm短い4μmに設定している。
【0031】
また、ゲート電極123と第一半導体膜113の長さ方向(Y方向)に関する中心を合わせる。よって、ゲート電極123直下の活性半導体膜115には、ゲート電極123の長さ方向(Y方向)に関する中心下に結晶粒界119があり、結晶粒界119からY方向に0.5μm離れた位置までの領域115a内には不純物イオンが打ち込まれており、結晶粒界119からの距離が0.5μmから1.5μmのチャネル形成領域115cには結晶の横成長により長さ方向を横切る結晶粒界が存在しないことになる。
【0032】
次に上記ゲート電極123をマスクとしてドナーまたはアクセプターとなる不純物イオン124をイオンドーピング法により打ち込み、図5(a)、図5(b)に示すように、ソース領域115b、ドレイン領域115d、及びチャネル形成領域115cを自己整合的に形成する。ここで、不純物イオンの打ち込み条件は結晶粒界119付近の領域115aへの打ち込み条件と同じにする。また、活性半導体膜115の結晶の横成長方向(Y方向)に沿ってキャリアが移動するようにソース領域115b及びドレイン領域115dを形成する。そして、ソース領域115b及びドレイン領域115d並びに結晶粒界119付近の領域115aに添加された不純物元素の活性化を行なうために、窒素雰囲気下において、300℃にて4時間の熱処理を施す。
【0033】
その後、図6に示すように、層間絶縁膜125としてプラズマCVD法(PECVD法)によりTEOS(Si(OCH2CH3)4)と酸素とを原料気体とした酸化珪素膜を膜厚500nm程度堆積する。最後に、フォト・リソグラフィー法によりコンタクト・ホールを形成した後で、スパッタリング法によりアルミニウム(Al)を堆積し、フォト・リソグラフィー法によりAlをパターニングしてソース電極126及びドレイン電極127を形成して薄膜半導体装置が製造される。
【0034】
以上説明したように、本発明の第1実施形態による薄膜半導体装置によれば、薄膜半導体装置のチャネル形成領域115bとなるゲート電極123直下の活性半導体膜115に、キャリアが移動する方向(Y方向)に垂直な方向(X方向)の結晶粒界119が一つ存在するが、その結晶粒界119付近は不純物注入によって低抵抗化されているので、結晶粒界119の影響は無視できる。よってキャリアが移動する方向(Y方向)に垂直な方向(X方向)の結晶粒径が存在しないと見なすことができるため、単結晶半導体装置並みの高性能な薄膜半導体装置を特性ばらつきなく製造することができる。
【0035】
〔第2実施形態による薄膜半導体装置〕
次に、本発明の第2実施形態による薄膜半導体装置及びその製造方法について説明する。尚、以下の説明においては、以上説明した第1実施形態による薄膜半導体装置及びその製造方法と共通する部分については、説明を簡略化し又は説明を割愛する。図7は、本発明の第2実施形態による薄膜半導体装置を説明するための図であり、(a)は薄膜半導体装置の断面図であり、(b)は平面透視図である。尚、第1実施形態と同様に、XYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。図2〜図6に示したXYZ直交座標系は、積層構造を有する薄膜半導体装置の界面内にXY平面を設定し、界面に直交する方向をZ軸方向に設定してある。
【0036】
本実施形態の薄膜半導体装置は、基板として厚さ1.1mmの石英基板211があり、この石英基板211上に下地保護膜212として酸化珪素膜が膜厚200nm程度に形成されている。更に、下地保護膜212としての酸化珪素膜上に活性半導体膜213として多結晶珪素膜が膜厚50nm程度形成されている。ここで、本発明の第1実施形態と同様に、下地保護膜212としての酸化珪素膜と活性半導体膜213としての多結晶珪素膜との間に発熱部材として第一半導体膜と下側絶縁膜とが存在していても良い。
【0037】
また、上述した活性半導体膜213としての多結晶珪素膜の上にゲート絶縁膜215としての酸化珪素膜が形成されており、このゲート絶縁膜215としての酸化珪素膜上にゲート電極216として膜厚50nm程度の窒化タンタル(TaN)膜と膜厚450nm程度のタンタル(Ta)膜が形成されている。更に、ゲート電極216及びゲート絶縁膜215上には、層間絶縁膜217としての酸化珪素膜とアルミニウム(Al)からなるソース電極218及びドレイン電極219が形成されている。
【0038】
上記ゲート電極216直下の活性半導体膜213としての多結晶珪素膜には、ゲート電極216の長さ方向(Y方向)に関する中心下に結晶粒界214があり、結晶粒界214からY方向に0.5μm離れた位置までの領域213aには不純物イオンが打ち込まれており、結晶粒界214からの距離が0.5μmから1.5μmのチャネル領域213cは結晶の横成長により長さ方向(Y方向)を横切る結晶粒界が存在しない。また、ゲート電極216直下外の活性半導体膜213としての多結晶珪素膜には領域213aと同じ不純物イオンが打ち込まれており、ソース領域213b及びドレイン領域21dが形成されている。本実施形態の薄膜半導体装置は以上の構成を有している。
【0039】
以上説明したように、本発明の第2実施形態による薄膜半導体装置によれば、薄膜半導体装置のチャネル形成領域213cとなるゲート電極216直下の活性半導体膜213に、キャリアが移動する方向(Y方向)に垂直な方向(X方向)の結晶粒界214が一つ存在するが、その結晶粒界214付近の領域213aは不純物注入によって低抵抗化されているので、結晶粒界214の影響は無視できる。よって、キャリアが移動する方向(Y方向)に垂直な方向(X方向)の結晶粒径が存在しないと見なすことができるため、単結晶半導体装置並みの高性能な薄膜半導体装置を特性ばらつきなく製造することができる。
【0040】
以上、本発明の第1、第2実施形態による薄膜半導体装置、及びその製造方法、並びに薄膜半導体装置を備える電子デバイスについて説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、薄膜半導体装置として液晶表示装置の画素を駆動するために設けられるTFT及びこのTFTを駆動するための駆動装置内に設けられるTFTを例に挙げて説明したが。しかしながら、本発明は液晶表示装置に設けられるTFTのみならず、有機EL表示装置に設けられるTFTにも適用することができる。勿論、有機EL表示装置の場合も、画素を駆動するために設けられるTFT及びこのTFTを駆動するための駆動装置内に設けられるTFTに適用することができる。つまるところ、本発明は、トランジスタを製造する過程で活性領域内に結晶粒界が生じ、電気特性が悪化する場合の全般について適用可能である。
【0041】
また、上記実施形態では、電子デバイスとして液晶表示装置を例に挙げたが、有機EL表示装置及びイメージセンサのみならず、液晶プロジェクタ、マルチメディア対応のパーソナルコンピュータ(PC)及びエンジニアリング・ワークステーション(EWS)、ページャ、携帯電話、ワードプロセッサ、テレビ、ビューファインダ型又はモニタ直視型のビデオテープレコーダ、電子手帳、電子卓上計算機、カーナビゲーション装置、POS端末、タッチパネルを備えた装置等の電子デバイスに適用することが可能である。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、結晶性の良い大粒径の結晶粒から成る半導体膜から成り、チャネル形成領域の結晶粒界の位置が制御された、電気特性が良く、ばらつきの少ない薄膜半導体装置を提供することができるという効果がある。
また、本発明の薄膜半導体装置の製造方法によると、安価なガラス基板の使用が可能となる低温プロセスを用いて高性能な薄膜半導体装置を容易に且つ安定的に製造することができるという効果がある。
従って、本発明の薄膜半導体装置、及びその製造方法をアクティブ・マトリックス液晶表示装置に適用した場合には、大型で高品質な液晶表示装置を容易に且つ安定的に製造することができる。更に他の電子回路の製造に適用した場合にも高品質な電子回路を容易に且つ安定的に製造することができる。
この発明によれば、電気特性が良く且つそのばらつきが少ない薄膜半導体装置を電気的なスイッチング手段及び電気光学的なスイッチング手段の少なくとも一方のスイッチング手段として備えており、動作速度を高速化することができるため、多数の画素を有するアクティブ型液晶表示装置、有機EL表示装置、及びイメージセンサ等の各種電子デバイスに用いて極めて好適である。
更に、他の電子デバイスの製造に適用した場合にも高品質な電子デバイスを容易に且つ安定的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態による電子デバイスの全体構成の一例を示す斜視図である。
【図2】 本発明の第1実施形態による薄膜半導体装置の製造方法の一例を示す工程図であり、(a)は薄膜半導体装置の断面図であり、(b)は平面透視図である。
【図3】 本発明の第1実施形態による薄膜半導体装置の製造方法の一例を示す工程図であり、(a)は薄膜半導体装置の断面図であり、(b)は平面透視図である。
【図4】 本発明の第1実施形態による薄膜半導体装置の製造方法の一例を示す工程図であり、(a)は薄膜半導体装置の断面図であり、(b)は平面透視図である。
【図5】 本発明の第1実施形態による薄膜半導体装置の製造方法の一例を示す工程図であり、(a)は薄膜半導体装置の断面図であり、(b)は平面透視図である。
【図6】 本発明の第1実施形態による薄膜半導体装置の製造方法の一例を示す工程図であり、(a)は薄膜半導体装置の断面図であり、(b)は平面透視図である。
【図7】 本発明の第2実施形態による薄膜半導体装置を説明するための図であり、(a)は薄膜半導体装置の断面図であり、(b)は平面透視図である。
【符号の説明】
20〜23……駆動回路
111,211……石英基板
112,212……下地保護膜
113……第一半導体膜
114……下側絶縁膜
115,213……活性半導体膜
115a,213a……領域
115b,213b……ソース領域
115d,213d……ドレイン領域
115c,213c……チャネル形成領域
116……YAG2ωレーザ光
117……活性半導体膜を透過したYAG2ωレーザ光
118……第一半導体膜の熱
119,214……結晶粒界
120,215……ゲート絶縁膜
122……不純物イオン
123,216……ゲート電極
124……不純物イオン
125,217……層間絶縁膜
126,218……ソース電極
127,219……ドレイン電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film semiconductor device, a manufacturing method thereof, and an electronic device including the device. Particularly, a thin film semiconductor device such as a thin film semiconductor device (hereinafter referred to as TFT) formed on a substrate having an insulating surface such as glass, a manufacturing method thereof, and an electronic device such as a liquid crystal display device and an organic EL display device provided with the device. About.
[0002]
[Prior art]
In various electronic devices such as an active liquid crystal display device having a plurality of pixels, an organic EL display device, and an image sensor, each pixel is formed on a substrate having an insulating surface such as glass in order to drive each pixel individually. TFT is often used. Also, in recent display elements, a drive circuit for controlling the switching operation of the TFT is often provided on a substrate on which a TFT for driving a pixel is formed. A number of transistors are provided in the drive circuit, and these transistors are also formed of TFTs.
[0003]
A TFT has a thin-film silicon semiconductor (Si) or oxide thereof (silicon oxide (SiO 2) on an insulating surface such as glass. 2 )) Is deposited, and these processes are repeated while performing an etching process, a heat treatment, an electrode formation process, and other processes. Thin film silicon semiconductors are broadly classified into those having crystallinity and amorphous silicon semiconductors (a-Si).
[0004]
Amorphous silicon semiconductors are the most commonly used thin-film silicon semiconductors used in TFTs because they have a low production temperature, can be produced relatively easily by a vapor phase method, and are also mass-productive. ing. However, an amorphous silicon semiconductor has a defect that physical properties such as conductivity are inferior to a silicon semiconductor having crystallinity. Therefore, in order to increase the operating speed of the TFT in the future, it is very important to establish a TFT using a crystalline silicon semiconductor and a method for manufacturing the TFT.
[0005]
At present, a polycrystalline silicon semiconductor (p-Si) is often used as a crystalline silicon semiconductor because of its ease of manufacture. As a method of forming a thin film-like polycrystalline silicon semiconductor at a low temperature of about 600 ° C. or less that can use a general-purpose glass substrate, an amorphous silicon semiconductor film is formed to a thickness of about 50 nm, and then this amorphous silicon is used. In general, a semiconductor film is irradiated with xenon chlorine (XeCl) excimer laser light (wavelength 308 nm) to melt and crystallize the amorphous silicon semiconductor film to obtain a polycrystalline silicon semiconductor film.
[0006]
However, since the crystal grain boundary of the polycrystalline silicon semiconductor film exists in the channel formation region of the TFT using the above-described polycrystalline silicon semiconductor film, its electrical characteristics are significantly higher than that of the TFT using the single crystal silicon semiconductor. I know it ’s inferior. For this reason, measures such as a method of reducing the influence on the electrical characteristics of the crystal grain boundaries by using a polycrystalline silicon semiconductor having a large grain size have been adopted.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the method of obtaining the polycrystalline silicon semiconductor film by irradiating the above-described conventional excimer laser light, crystal grains of about 1 μm at maximum can be obtained, but the positions of crystal grains and crystal grain boundaries cannot be controlled. For this reason, whether or not the crystal grain boundary is included in the channel formation region is a stochastic event and cannot be controlled at all. The characteristics of the TFT greatly vary depending on whether or not a crystal grain boundary is included in the channel formation region. For example, if the number of crystal grain boundaries present in the channel formation region is large, the electrical characteristics of the TFT are deteriorated. If the number of crystal grain boundaries present in the channel formation region is small, the electrical characteristics of the TFT are relatively good. However, even if the number of crystal grain boundaries existing in the channel formation region can be reduced, the electrical characteristics of the TFT are much inferior to those of a TFT using a single crystal silicon semiconductor.
[0008]
In recent years, electronic devices are required to operate at high speeds. In particular, TFTs provided in electronic devices are required to have excellent electrical characteristics that can be switched at high speed with little variation in the electrical characteristics of each element. ing. For example, taking a liquid crystal display device as an example, when the number of pixels increases due to high definition, the time during which one pixel is in an on state is shortened by the increase. This applies not only to the TFT that drives the pixel, but also to the TFT provided in the drive circuit for driving the TFT. Therefore, in order to improve the characteristics of the electronic device, it is extremely important to improve the electrical characteristics of the basic TFT.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a thin film having a semiconductor film made of large crystal grains with good crystallinity with controlled crystal grain boundary positions and good electrical characteristics and little variation. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and an electronic device including the device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a thin film semiconductor device in which a part of a semiconductor film formed on a substrate is used as a channel formation region. A heating mechanism forming step of forming a local heating mechanism on the substrate to locally heat the substrate, a semiconductor film forming step of forming the semiconductor film on the local heating mechanism, performed after the heating mechanism forming step, A crystallization process in which the semiconductor film is melt-crystallized in a state where the semiconductor film is locally heated by a local heating mechanism, an element isolation process in which the semiconductor film is processed into an island shape, and the island shape is processed. With respect to a gate insulating film forming step of forming a gate insulating film on the semiconductor film and a first direction in which crystal growth of the semiconductor film proceeds, the semiconductor film on the vicinity of the center of the local heating mechanism is not An impurity ion implantation step for implanting impurity ions; a gate electrode formation step for forming a gate electrode on the gate insulating film after the impurity ion implantation step; and impurity ions are implanted into the semiconductor film using the gate electrode as a mask. Forming a source region, a drain region, and a channel formation region, wherein the channel formation region is completely included in the local heating mechanism with respect to the first direction and the center of the local heating mechanism It is characterized by being arranged so as to be separated by a predetermined distance on both sides in the vicinity.
In the invention having such a configuration, a local heating mechanism is first formed on a substrate (heating mechanism forming step). As an example, the local heating mechanism includes an island-shaped first semiconductor film formed on a substrate and a lower insulating film covering the first semiconductor film. Therefore, as a specific example of the local heating mechanism forming step, a first semiconductor film deposition step of depositing the first semiconductor film on the substrate, a first semiconductor film processing step of processing the first semiconductor film into a predetermined shape, A step including a lower insulating film forming step of forming a lower insulating film on the first semiconductor film.
Next, a semiconductor film is formed on the local heating mechanism (semiconductor film forming step). The semiconductor film is made of an amorphous semiconductor film or a crystalline semiconductor film. Therefore, a specific example of the semiconductor film forming step is a step of depositing an amorphous semiconductor film on the local heating mechanism, and an amorphous semiconductor film is used as a step of further improving the crystallinity of the amorphous semiconductor film. Examples thereof include a solid phase growth step of crystallizing in a solid phase and a melt crystallization improvement step of improving the crystallinity of an amorphous semiconductor film through a molten state.
Next, the semiconductor film is melted and crystallized in a state where the semiconductor film is locally heated by the local heating mechanism (crystallization step). The crystallization step is a step of irradiating light from the semiconductor film side. When light is irradiated, part of the light is absorbed by the semiconductor film, and part of the light is transmitted through the semiconductor film. A semiconductor film that absorbs a certain amount of light is melted and crystallized. On the other hand, the light transmitted through the semiconductor film is absorbed by the first semiconductor film of the local heating mechanism. The temperature of the first semiconductor film rises by absorbing light, and the semiconductor film on the first semiconductor film is locally heated. Here, the semiconductor film is in the melt crystallization process. In the melt crystallization process, crystal grains grow from the low temperature portion toward the high temperature portion. Since only the portion of the semiconductor film that has a local heating mechanism underneath it becomes hotter than its surroundings, the crystal grains during cooling solidification are from the semiconductor film portion slightly outside the side of the local heating mechanism. It grows toward the semiconductor film part on the center of the local heating mechanism. The temperature difference formed by the local heating mechanism causes crystal lateral growth when the molten semiconductor film is cooled and solidified.
Here, as a specific example of the crystallization process, there is a process of irradiating the semiconductor film with a laser beam that transmits about 20% or more through the semiconductor film. Specific examples of the laser light include harmonics of a solid-state laser having a light wavelength of about 532 nm, and more specifically, a yttrium aluminum garnet (YAG) laser beam doped with neodymium (Nd) that oscillates in a Q switch. Second harmonic (Nd: YAG2ω laser light) and the like can be mentioned.
When the crystallization process is completed, the semiconductor film is processed into an island shape (element isolation process), and impurity ions are implanted into the semiconductor film near the center of the local heating mechanism in the first direction in which the crystal growth of the semiconductor film proceeds. (Impurity ion implantation step). Thereafter, a gate insulating film is formed on the island-processed semiconductor film (gate insulating film forming step), a gate electrode is formed on the gate insulating film (gate electrode forming step), and the gate electrode is used as a mask. Impurity ions are implanted into the semiconductor film to form a source region and a drain region.
In the gate electrode formation step, the gate electrode is formed so as to be completely included in the local heating mechanism in the first direction. The lateral crystal growth in the semiconductor film always starts from a position of about 1 μm outside the local heating mechanism. Therefore, if the local heating mechanism and the gate electrode are set in the above positional relationship, the crystal grain boundary (the crystal grain boundary crossing the current) crossing the first direction (current direction when the semiconductor device operates) in the semiconductor film. ) Can always be one near the center of the local heating mechanism.
In addition, as described above, by implanting impurity ions in the impurity ion implantation step, the resistance near the crystal grain boundary crossing the first direction in the semiconductor film is reduced, and the electrical influence of the crystal grain boundary on the semiconductor device is removed. be able to. This is like forming a channel formation region avoiding a grain boundary crossing the first direction. That is, since a plurality of current paths that do not cross the crystal grain boundary can always be formed in the channel formation region, the thin film semiconductor device includes a plurality of small silicon-on-insulator (SOI) devices using a single crystal silicon thin film. It is equivalent to those connected in parallel, and its performance is drastically improved compared to general thin film semiconductor devices.
Further, since it can be considered that there is no crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region, there is no variation in characteristics of the thin film semiconductor device due to the presence of the crystal grain boundary. That is, all the thin film semiconductor devices formed on the substrate exhibit almost the same characteristics. Furthermore, as described above, by implanting impurity ions into the channel formation region near the center in the length direction of the local heating mechanism, there is an effect that the off-current of the thin film semiconductor device is reduced. Implanting impurity ions as described above has the same effect as dividing the channel formation region in the length direction. If the channel formation region is divided in the length direction, the source / drain voltage of the thin film semiconductor device is allocated to each channel formation region, and as a result, the electric field in the drain region end depletion region becomes weak. Therefore, the phonon assist tunneling phenomenon accompanied by the Pool-Frenkel effect is suppressed, and the off current of the thin film semiconductor device is reduced.
As described above, according to the above manufacturing method, since the resistance in the vicinity of the grain boundary crossing the length direction in the channel formation region is reduced by impurity ion implantation, the crystal grain crossing the length direction in the channel formation region. It can be considered that there is no boundary at all, and the channel formation region is divided in the length direction, so that a thin film semiconductor device with good electrical characteristics and little variation can be manufactured.
In the method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention, the length of the channel formation region in which no impurity is implanted in the first direction is 2 μm or less.
According to this manufacturing method, there is an effect that the electrical influence exerted on the semiconductor device by the crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region can be surely removed. The size of the lateral growth of the crystal is typically about 2 μm to 2.5 μm, and about 3.5 μm at the maximum. Therefore, if the length of the channel formation region into which the impurity ions are not implanted is 2 μm or less, the electrical influence exerted on the semiconductor device by the crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region can be surely removed. It is.
In the method for manufacturing a thin film semiconductor device of the present invention, the region into which the impurity ions are implanted is a region of 0.5 μm or more in the first direction from the vicinity of the center of the local heating mechanism in the first direction. It is characterized by.
According to this manufacturing method, there is an effect that the electrical influence exerted on the semiconductor device by the crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region can be surely removed. Further, the vicinity of the crystal grain boundary that crosses the length direction of the channel formation region protrudes in a mountain shape with the crystal grain boundary part as the top. According to the above manufacturing method, impurity ions can be implanted into a mountain-shaped region having the crystal grain boundary as the top. That is, the channel formation region in which impurity ions are not implanted, which strongly influences the electrical characteristics of the semiconductor device, is formed only in the region where the semiconductor film thickness is thin, so that the electrical characteristics of the semiconductor device are improved. In addition, since the channel formation region where the impurity ions are not implanted is formed in a flat region, the interface state between the channel formation region where the impurity ions are not implanted and the gate insulating film is improved, and the reliability of the semiconductor device is improved. improves.
In order to solve the above problems, a thin film semiconductor device of the present invention is a thin film semiconductor device that uses a part of a semiconductor film formed on a substrate as a channel formation region, and is locally between the substrate and the channel formation region. A heating mechanism is formed, and in the semiconductor film, channel forming regions are formed in two different places, and one crystal grain boundary extending in a second direction crossing the first direction in which the channel forming regions are arranged And impurity ions are implanted in the vicinity of the crystal grain boundary.
According to this configuration, since the resistance in the vicinity of the crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region is reduced by impurity ion implantation, it can be considered that there is no crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region. Since the channel formation region is divided in the length direction, the thin film semiconductor device has good electrical characteristics and little variation.
In the thin film semiconductor device of the present invention, the length of each channel formation region in which the impurity ions are not implanted in the first direction is 2 μm or less.
According to the above configuration, there is an effect that the electrical influence exerted on the semiconductor device by the crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region can be surely removed. The size of the lateral growth of the crystal is typically about 2 μm to 2.5 μm, and about 3.5 μm at the maximum. Therefore, if the length of the channel formation region into which the impurity ions are not implanted is 2 μm or less, the electrical influence exerted on the semiconductor device by the crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region can be surely removed. It is.
The thin film semiconductor device of the present invention is characterized in that the region into which the impurity ions are implanted is set to a region of 0.5 μm or more in the first direction from the crystal grain boundary.
According to the above configuration, there is an effect that the electrical influence exerted on the semiconductor device by the crystal grain boundary crossing the length direction in the channel formation region can be surely removed. Further, the vicinity of the crystal grain boundary that crosses the length direction of the channel formation region protrudes in a mountain shape with the crystal grain boundary part as the top. According to the above manufacturing method, impurity ions can be implanted into a mountain-shaped region having the crystal grain boundary as the top. That is, the channel formation region in which impurity ions are not implanted, which strongly influences the electrical characteristics of the semiconductor device, is formed only in the region where the semiconductor film thickness is thin, so that the electrical characteristics of the semiconductor device are improved. In addition, since the channel formation region where the impurity ions are not implanted is formed in a flat region, the interface state between the channel formation region where the impurity ions are not implanted and the gate insulating film is improved, and the semiconductor device has high reliability. It becomes.
In order to solve the above problems, an electronic device according to the present invention is a thin film semiconductor device manufactured using the method for manufacturing a thin film semiconductor device described above, or a thin film semiconductor device described above. Is provided as at least one of an electrical switching means and an electro-optical switching means.
According to the present invention, the thin film semiconductor device having good electrical characteristics and little variation is provided as at least one of the electrical switching means and the electro-optical switching means, and the operation speed can be increased. Therefore, it is extremely suitable for use in various electronic devices such as active liquid crystal display devices having a large number of pixels, organic EL display devices, and image sensors.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a thin film semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, and an electronic device including the device will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an example of the overall configuration of an electronic device according to an embodiment of the present invention. The electronic device shown in FIG. 1 is an example of an active matrix type transmissive liquid crystal device using a thin film transistor (hereinafter abbreviated as TFT) as a switching means. FIG. FIG. 1B is a perspective view showing the overall configuration, and FIG. 1B is an enlarged view of one pixel in FIG. In FIG. 1, for easy understanding, the pixel and the TFT provided in the pixel are illustrated in an enlarged manner.
[0012]
In the liquid crystal device 1 as an electronic device according to the present embodiment, as shown in FIG. 1A, the
[0013]
As shown in FIG. 1B, the TFT 6 includes a gate electrode 10 extending from the
[0014]
In FIG. 1,
[0015]
The liquid crystal device as an example of the electronic device according to the embodiment of the present invention has been described above. Next, the TFT 6 as the thin film semiconductor device according to the embodiment of the present invention and the TFT (not shown) provided in the drive circuits 20-23. Details of the manufacturing method and the configuration thereof will be described.
[0016]
[Thin Film Semiconductor Device and Manufacturing Method According to First Embodiment]
2 to 6 are process diagrams showing an example of a method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 2-6, (a) is sectional drawing of a thin film semiconductor device, (b) is a plane perspective view. In the following description, the XYZ orthogonal coordinate system shown in FIGS. 2 to 6 is set, and the positional relationship of each member will be described with reference to this XYZ orthogonal coordinate system. In the XYZ orthogonal coordinate system shown in FIGS. 2 to 6, an XY plane is set in an interface of a thin film semiconductor device having a stacked structure, and a direction orthogonal to the interface is set as a Z-axis direction.
[0017]
In the thin film semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 2, first, a
[0018]
The length (the length in the Y direction) of the
[0019]
After the
[0020]
When the above steps are completed, an amorphous silicon film is deposited as an
[0021]
When the above steps are completed, a step of melting and crystallizing the
[0022]
The irradiation region of the
[0023]
Here, the irradiation energy density of the
[0024]
The
[0025]
Regarding the Y-axis direction, the temperature is highest immediately above the
[0026]
After the
[0027]
When the above steps are completed, as shown in FIG. 4A, a silicon oxide film is deposited on the
[0028]
Next,
[0029]
When the above steps are completed, as shown in FIG. 5A, the
[0030]
When patterning the
[0031]
The centers of the
[0032]
Next,
[0033]
Thereafter, as shown in FIG. 6, TEOS (Si (OCH) is formed as an
[0034]
As described above, according to the thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the carrier moves in the
[0035]
[Thin Film Semiconductor Device According to Second Embodiment]
Next, a thin film semiconductor device and a method for manufacturing the same according to a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, description of the thin film semiconductor device according to the first embodiment described above and parts common to the manufacturing method thereof will be simplified or omitted. 7A and 7B are views for explaining the thin film semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7A is a cross-sectional view of the thin film semiconductor device, and FIG. As in the first embodiment, an XYZ orthogonal coordinate system is set, and the positional relationship of each member will be described with reference to this XYZ orthogonal coordinate system. In the XYZ orthogonal coordinate system shown in FIGS. 2 to 6, an XY plane is set in an interface of a thin film semiconductor device having a stacked structure, and a direction orthogonal to the interface is set as a Z-axis direction.
[0036]
The thin film semiconductor device of this embodiment includes a
[0037]
Further, a silicon oxide film as the
[0038]
The polycrystalline silicon film as the
[0039]
As described above, according to the thin film semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the carrier moves in the
[0040]
The thin film semiconductor device, the manufacturing method thereof, and the electronic device including the thin film semiconductor device according to the first and second embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment and the scope of the present invention. Can be changed freely. For example, in the above embodiment, the TFT provided for driving the pixel of the liquid crystal display device as the thin film semiconductor device and the TFT provided in the driving device for driving the TFT have been described as examples. However, the present invention can be applied not only to the TFT provided in the liquid crystal display device but also to the TFT provided in the organic EL display device. Of course, the organic EL display device can also be applied to a TFT provided for driving a pixel and a TFT provided in a driving device for driving the TFT. In other words, the present invention can be applied to all cases where crystal grain boundaries are generated in the active region in the process of manufacturing a transistor and electrical characteristics deteriorate.
[0041]
In the above embodiment, a liquid crystal display device is exemplified as an electronic device. However, not only an organic EL display device and an image sensor but also a liquid crystal projector, a multimedia-compatible personal computer (PC), and an engineering workstation (EWS). ), Pagers, mobile phones, word processors, televisions, viewfinder type or monitor direct view type video tape recorders, electronic notebooks, electronic desk calculators, car navigation devices, POS terminals, devices with touch panels, etc. Is possible.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the semiconductor film is composed of large crystal grains with good crystallinity, the position of the crystal grain boundary in the channel formation region is controlled, the electrical characteristics are good, and the variation is There is an effect that a small number of thin film semiconductor devices can be provided.
In addition, according to the method for manufacturing a thin film semiconductor device of the present invention, there is an effect that a high performance thin film semiconductor device can be easily and stably manufactured using a low temperature process that enables the use of an inexpensive glass substrate. is there.
Therefore, when the thin film semiconductor device of the present invention and the manufacturing method thereof are applied to an active matrix liquid crystal display device, a large and high quality liquid crystal display device can be manufactured easily and stably. Further, even when applied to the manufacture of other electronic circuits, a high-quality electronic circuit can be manufactured easily and stably.
According to the present invention, the thin film semiconductor device having good electrical characteristics and little variation is provided as at least one of the electrical switching means and the electro-optical switching means, and the operation speed can be increased. Therefore, it is extremely suitable for use in various electronic devices such as an active liquid crystal display device having a large number of pixels, an organic EL display device, and an image sensor.
Furthermore, even when applied to the manufacture of other electronic devices, high-quality electronic devices can be manufactured easily and stably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of the overall configuration of an electronic device according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are process diagrams showing an example of a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 2A is a cross-sectional view of the thin film semiconductor device, and FIG.
FIGS. 3A and 3B are process diagrams showing an example of a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 3A is a cross-sectional view of the thin film semiconductor device, and FIG.
FIGS. 4A and 4B are process diagrams showing an example of a method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 4A is a cross-sectional view of the thin film semiconductor device, and FIG.
FIGS. 5A and 5B are process diagrams showing an example of a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A is a cross-sectional view of the thin film semiconductor device, and FIG.
6A to 6C are process diagrams showing an example of a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 6A is a cross-sectional view of the thin film semiconductor device, and FIG.
7A and 7B are diagrams for explaining a thin film semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, FIG. 7A is a cross-sectional view of the thin film semiconductor device, and FIG. 7B is a plan perspective view.
[Explanation of symbols]
20-23 …… Drive circuit
111, 211 ... Quartz substrate
112, 212 ... Base protective film
113 …… First semiconductor film
114 …… Lower insulating film
115, 213 ... Active semiconductor film
115a, 213a ...... area
115b, 213b …… Source region
115d, 213d ...... Drain region
115c, 213c ... channel formation region
116 …… YAG2ω laser light
117... YAG2ω laser light transmitted through active semiconductor film
118 …… The heat of the first semiconductor film
119, 214 ... Grain boundary
120,215 ... Gate insulating film
122 …… Impurity ions
123, 216 ... Gate electrode
124 …… Impurity ions
125,217 …… Interlayer insulating film
126, 218 ... Source electrode
127, 219 ... Drain electrode
Claims (7)
前記半導体膜の一部を局所的に加熱する局所加熱機構を前記基板上に形成する加熱機構形成工程と、
前記加熱機構形成工程後に行われ、前記局所加熱機構上に前記半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記局所加熱機構により前記半導体膜が局所的に加熱された状態にて前記半導体膜を溶融結晶化させる結晶化工程と、
前記半導体膜を島状に加工する素子分離工程と、
前記島状に加工した半導体膜の上にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記半導体膜の結晶成長が進行する第1方向に関して、前記局所加熱機構の中心近傍上の前記半導体膜に不純物イオンを注入する不純物イオン注入工程と、
前記不純物イオン注入工程後、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記半導体膜に不純物イオンを注入しソース領域、ドレイン領域、及びチャネル形成領域を形成する工程と、を含み、
前記チャネル形成領域は、前記第1方向に関して、前記局所加熱機構に完全に含まれ、且つ、前記局所加熱機構の中心近傍の両側に所定の距離だけ離間するように配置されていることを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。In a method for manufacturing a thin film semiconductor device using a part of a semiconductor film formed on a substrate as a channel formation region,
A heating mechanism forming step of forming a local heating mechanism for locally heating a part of the semiconductor film on the substrate;
A semiconductor film forming step that is performed after the heating mechanism forming step and forms the semiconductor film on the local heating mechanism;
A crystallization step of melt crystallization of the semiconductor film in a state where the semiconductor film is locally heated by the local heating mechanism;
An element isolation step for processing the semiconductor film into an island shape;
Forming a gate insulating film on the semiconductor film processed into the island shape; and
An impurity ion implantation step of implanting impurity ions into the semiconductor film on the vicinity of the center of the local heating mechanism with respect to the first direction in which crystal growth of the semiconductor film proceeds;
A gate electrode forming step of forming a gate electrode on the gate insulating film after the impurity ion implantation step;
Implanting impurity ions into the semiconductor film using the gate electrode as a mask to form a source region, a drain region, and a channel formation region,
The channel forming region is arranged so as to be completely included in the local heating mechanism and spaced apart by a predetermined distance in the vicinity of the center of the local heating mechanism with respect to the first direction. A method for manufacturing a thin film semiconductor device.
前記基板と前記チャネル形成領域との間に局所加熱機構が形成されており、
前記半導体膜には、異なる2箇所にチャネル形成領域が形成されており、
当該チャネル形成領域が配列された第1方向を横切る第2方向に延びる1つの結晶粒界が存在し、当該結晶粒界付近に不純物イオンが注入されていることを特徴とする薄膜半導体装置。In a thin film semiconductor device using a part of a semiconductor film formed over a substrate as a channel formation region,
A local heating mechanism is formed between the substrate and the channel formation region;
In the semiconductor film, channel forming regions are formed at two different locations,
A thin film semiconductor device, wherein one crystal grain boundary extending in a second direction crossing the first direction in which the channel formation region is arranged exists, and impurity ions are implanted in the vicinity of the crystal grain boundary.
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