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JP4115153B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP4115153B2
JP4115153B2 JP2002105383A JP2002105383A JP4115153B2 JP 4115153 B2 JP4115153 B2 JP 4115153B2 JP 2002105383 A JP2002105383 A JP 2002105383A JP 2002105383 A JP2002105383 A JP 2002105383A JP 4115153 B2 JP4115153 B2 JP 4115153B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor: TFT)を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。更に詳しく言えば、非晶質半導体膜を結晶化することによって作製した結晶性領域をチャネル形成領域等として有する薄膜トランジスタを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。本発明は、特に、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機EL表示装置、密着型イメージセンサー、三次元ICなどに好適に利用される。
【0002】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置や有機EL表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ICなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みがなされている。特に、同一基板上に画素部と駆動回路が設けられた液晶表示装置はパーソナルコンピュータ(PC)向けのモニターとしてだけでなく、一般家庭の中に進出し始めている。例えば、CRT(Cathode-ray Tube)の代わりにテレビジョンとして液晶ディスプレイが、また、娯楽として映画を観たりゲームをしたりするためのフロントプロジェクタが、一般家庭に導入されるようになり、液晶表示装置の市場規模はかなりの勢いで大きくなってきている。更に、ガラス基板上にメモリ回路やクロック発生回路等のロジック回路を内蔵したシステムオンパネルの開発もさかんに進められている。
【0003】
高解像度な画像表示を行うために画素に書き込む情報量が増え、更にその情報は短時間で書き込まれなければ、高精細な表示のための膨大な情報量を有する画像を動画表示したりすることは不可能である。そこで、駆動回路に用いられるTFTには、高速動作が求められている。高速動作を可能にするためには、高い電界効果移動度を得られる良質な結晶性を有する結晶質半導体膜を用いてTFTを実現することが求められている。
【0004】
ガラス基板上に良好な結晶質半導体膜を得る方法として、本発明者らは、非晶質半導体膜に結晶化を促進する作用を有する金属元素を添加した後、加熱処理を施すことにより、従来より低温・短時間の加熱処理で、結晶の配向性が揃った良好な半導体膜が得られる技術を開発している。
【0005】
しかし、触媒元素を用いて得られた結晶質ケイ素膜をそのまま半導体層として用いて作製されたTFTには、オフ電流が突発的に増加してしまうという問題がある。触媒元素が半導体膜中で不規則に偏析すること、特に結晶粒界においてこの偏析が顕著に確認され、この触媒元素の偏析が、電流の逃げ道(リークパス)となり、これが原因でオフ電流の突発的な増加を引き起こしているのではないかと考えられる。そこで、結晶質ケイ素膜の作製工程の後、触媒元素を半導体膜中から移動させて、半導体膜中の触媒元素濃度を低減させる必要がある。以後、この触媒元素を取り除く工程をゲッタリング工程と称する。
【0006】
このゲッタリング工程に関しては、様々な方法が提案されている。特開平10−270363号公報では、触媒元素によって結晶化されたケイ素に対して、その一部にリンなど5族B(リン等)の元素を選択的に導入し、加熱処理を行うことで、5族Bの元素が導入された領域に触媒元素を移動(ゲッタリング)させる技術が開示されている。この技術によれば、5族B元素が導入された領域以外の領域(すなわち触媒元素がゲッタリングによって低濃度化した領域)を使用して半導体装置の活性領域が形成されている。
【0007】
また、特開平11−40499号公報は、5族B元素が選択的に導入された領域に対してレーザ光などの強光照射を行い、その後に加熱処理を行うことで、より触媒元素をゲッタリングする効果を高める技術が開示している。
【0008】
更に、特開平11−54760号公報は、5族B元素に加えて3族B元素(ボロン等)も導入することにより、触媒元素に対するゲッタリング効果を高める技術を開示している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来のゲッタリング工程における第1の問題点は、ゲッタリングのための工程付加によってプロセスが複雑化し、製造コストが上昇することにある。この問題の解決策として、TFT活性領域中から触媒元素を全て取り除くのではなく、TFT活性領域のソース領域またはドレイン領域となる領域に触媒元素を移動させ、チャネル領域から触媒元素を取り除く方法が考えられた。
【0010】
この方法では、触媒元素を集める領域(本明細書において「ゲッタリング領域」と称する。)として、ソース領域またはドレイン領域となる領域を用いる。このため、触媒元素を移動させる作用を有する周期表第5族Bに属する元素(代表的には、リン、ヒ素等:n型を付与する不純物元素でもある)をソース・ドレイン領域に高濃度に添加し、加熱処理を施している。この加熱処理によって、触媒元素はソース・ドレイン領域に移動し、チャネル形成領域に含まれる触媒元素濃度が低減する。このとき、特開平11−54760号公報に教示されているように、周期表3族Bに属する不純物元素(代表的には、ボロン、アルミニウム等:p型を付与する不純物元素でもある)をソース・ドレイン領域に高濃度に添加することで、より高いゲッタリング効果が期待できる。
【0011】
しかし、ソース領域またはドレイン領域をゲッタリング領域として使用する場合、nチャネル型TFTにおいては、n型を付与する5族Bに属する元素(リン等)が単独でゲッタリング元素として作用するが、pチャネル型TFTにおいては、p型を付与する3族Bに属する元素(ボロン等)のみではゲッタリング元素として作用しない。このため、pチャネル型TFTのソース領域またはドレイン領域にもゲッタリング元素としてn型を付与する5族Bに属する元素(リン等)を添加する必要がある。すなわち、pチャネル型TFTにおいては、触媒元素に対するゲッタリング処理のために高濃度にn型を付与する不純物元素が添加された領域をp型に反転させる(カウンタードープという)必要があった。そして、pチャネル型TFTの半導体層において、n型をp型に反転させるためには、n型不純物元素の1.5〜3倍のp型不純物元素を添加しなければならない。したがって、ゲッタリング効果を上げるためにn型を付与する5族Bに属する元素(リン等)の添加量を上げると、p型を付与する3族Bに属する元素(ボロン等)の添加量も非常識なレベルに上げる必要があり、ドーピング装置の処理能力を大きく圧迫し、到底量産可能なプロセスではなかった。
【0012】
更には、ゲッタリング効果としては、n型を付与する5族Bに属する元素(リン等)に加えてp型を付与する3族Bに属する元素(ボロン等)も添加した方が高まるため、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとではゲッタリング能力が均一でないという問題もあった。ゲッタリング能力に差があると、半導体膜中に含まれている触媒元素がゲッタリング領域に移動する効率がnチャネル型TFTとpチャネル型TFTとで異なるため、素子特性にバラツキが生じてしまう原因の1つとなってしまっていた。
【0013】
また、n型を付与する5族Bに属する元素(リン等)のみによってゲッタリングを行うnチャネル型TFTではゲッタリング効果が十分ではなく、TFTチャネル領域における触媒元素の残留量はまだ十分には低減できていない。本発明者らが、実際に特開平10−270363号公報や特開平11−40499号公報に記載されている方法を用いて実験を行い、TFT素子を試作したところ、それぞれ若干の効果の違いは見られるが、数%程度の確率でTFTオフ時のリーク電流が非常に大きい不良TFTが出現した。そして、その不良TFTにおける原因を解析すると、チャネル領域とドレイン領域との接合部に、触媒元素によるシリサイドが存在していることが確認された。よって、前記公報の技術では、十分に触媒元素をゲッタリングできておらず、高性能なTFT素子は一部確率的に作製できても、不良率が高く、また信頼性も悪く、量産できるような技術ではなかった。
【0014】
これに対して、特開平11−54760号公報に記載されている技術のように、nチャネル型TFTにも、5族Bに属する不純物元素および族Bに属する不純物元素の両方を添加することで、よりゲッタリング効果を高めることはできる。しかし、この場合、nチャネル型TFTにおいては、n型不純物元素をp型不純物元素より高い濃度で添加しなければならない。一方、pチャネル型TFTにおいては、逆にp型不純物元素をn型不純物元素より高い濃度で添加しなければならない。したがって、製造工程が非常に複雑化する。加えて、導電型の異なる半導体層におけるゲッタリング領域で添加される不純物の濃度が異なるため、ゲッタリング効率がnチャネル型TFTとpチャネル型TFTとで異なるという問題は解決することができない。
【0015】
更に、TFTオフ動作時にリーク電流が増大するという現象は、チャネル領域とドレイン領域との接合部に存在する触媒元素の偏析によって主に生じることが判明している。したがって、ソース領域およびドレイン領域をゲッタリング領域として利用すると、チャネル領域とソース・ドレイン領域の接合部は、ゲッタリング領域と非ゲッタリング領域との境界でもあるため、触媒元素によるTFTオフ動作時のリーク電流増大を抑えることは難しい。
【0016】
本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、本発明の主たる目的は、良質な結晶性半導体領域を用いて薄膜トランジスタを作製し、良好な特性を有する半導体装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、チャネル形成領域、ソース領域、およびドレイン領域を含む結晶質領域を備えた半導体層と、前記チャネル形成領域の導電性を制御するゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜とを有する薄膜トランジスタを備えた半導体装置であって、前記半導体層は、希ガス元素がドープされたゲッタリング領域を含んでいる。
【0018】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域における希ガス元素の濃度は、前記チャネル形成領域、前記ソース領域、および前記ドレイン領域における希ガス元素の濃度よりも高い。
【0019】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記半導体層内において、前記結晶性領域の外側に形成されている。
【0020】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記チャネル形成領域と隣接していない。
【0021】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、各薄膜トランジスタを電気的に接続する配線が前記半導体層と接触する部分より外側に位置している。
【0022】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記半導体層の外縁部に形成されており、各薄膜トランジスタを電気的に接続する配線が前記半導体層と接触する部分は、前記ゲッタリング領域の一部を含んだ領域および前記結晶性領域を含む領域である。
【0023】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記半導体層の外縁部に形成されており、各薄膜トランジスタを電気的に接続する配線が前記半導体層と接触する部分は、前記結晶性領域内である。
【0024】
好ましい実施形態において、前記半導体層の1つに対して複数の薄膜トランジスタが割り当てられており、前記複数の薄膜トランジスタによって前記ソース領域またはドレイン領域が共有され、前記ゲッタリング領域は、前記複数の薄膜トランジスタによって共有された前記ソース領域またはドレイン領域に隣接する位置に形成されている。
【0025】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記半導体層の外縁部および前記ソース領域または前記ドレイン領域に挟まれた領域に形成されており、各薄膜トランジスタを電気的に接続する配線が前記半導体層と接触する部分は、は、前記ゲッタリング領域の一部を含んだ領域および前記結晶性領域を含む領域である。
【0026】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記半導体層の外縁部および前記ソース領域または前記ドレイン領域に挟まれた領域に形成されており、各薄膜トランジスタを電気的に接続する配線が前記半導体層と接触する部分は、前記結晶性領域内である。
【0027】
好ましい実施形態において、チャネル形成領域、ソース領域、およびドレイン領域を含む結晶質領域を備えた半導体層と、前記チャネル形成領域の導電性を制御するゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜とを有するnチャネル型薄膜トランジスタ、および、チャネル形成領域、ソース領域、およびドレイン領域を含む結晶質領域を備えた半導体層と、前記チャネル形成領域の導電性を制御するゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜とを有するpチャネル型薄膜トランジスタを備えた半導体装置であって、前記各半導体層は、希ガス元素がドープされたゲッタリング領域を含んでいる。
【0028】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域における希ガス元素の濃度は、前記チャネル形成領域、前記ソース領域、および前記ドレイン領域における希ガス元素の濃度よりも高い。
【0029】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記各半導体層内において、前記結晶性領域の外側に形成されている。
【0030】
好ましい実施形態において、前記nチャネル型TFTにおける前記活性領域の幅Wに対する前記ゲッタリング領域の面積Sの比S/Wが、前記pチャネル型TFTにおける前記活性領域の幅Wに対する前記ゲッタリング領域の面積Sの比S/Wと概略等しい。
【0031】
好ましい実施形態において、前記nチャネル型TFTにおける前記ソース領域またはドレイン領域とチャネル部との接合部から前記ゲッタリング領域までの距離Lが、前記pチャネル型TFTにおける前記ソース領域またはドレイン領域とチャネル部との接合部から前記ゲッタリング領域までの距離Lと概略等しい。
【0032】
好ましい実施形態において、前記半導体層は、結晶質ケイ素から形成されている。
【0033】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域には、Ar、Kr、およびXeからなる群から選択された少なくとも1種類の希ガス元素がドープされている。
【0034】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域には、1×1019〜3×1021atoms/cm3の濃度の希ガス元素がドープされている。
【0035】
好ましい実施形態において、前記チャネル形成領域の希ガス元素濃度は、1×1019atoms/cm3以下である。
【0036】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域には、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、Fe、およびCuからなる群から選択された少なくとも1種の元素が存在している。
【0037】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域には、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素が1×1019atoms/cm3以上の濃度で存在している。
【0038】
好ましい実施形態において、前記ゲート電極は、W、Ta、Ti、およびMoからなる群から選択された少なくとも1種の材料から形成されている。
【0039】
本発明による半導体装置の製造方法は、結晶化を促進する触媒元素が少なくとも一部に添加された非晶質半導体膜を用意する工程と、前記非晶質半導体膜に対して第1の加熱処理を行うことにより、前記非晶質半導体膜の少なくとも一部を結晶化し、結晶質領域を含む半導体膜を得る工程と、前記半導体膜をパターニングすることにより、それぞれが結晶質領域を備えた複数の島状半導体層を形成する工程と、前記島状半導体層の一部に選択的に希ガス元素を添加し、ゲッタリング領域を形成する工程と、第2の加熱処理を行うことにより、前記島状半導体層中の前期触媒元素の少なくとも一部を前記ゲッタリング領域に移動させる工程とを包含する。
【0040】
好ましい実施形態において、前記第2の加熱処理を行う前に、前記島状半導体層の選択された部分にn型不純物および/またはp型不純物をドープする工程を更に包含する。
【0041】
好ましい実施形態において、前記島状半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記島状半導体層のうち前記ゲート電極に覆われていない領域に対してn型不純物および/またはp型不純物をドープする工程とを包含する。
【0042】
好ましい実施形態において、前記非晶質半導体膜を用意する工程は、開口部を有するマスクを前記非晶質半導体膜上に形成する工程と、前記開口部を通して前記触媒元素を前記非晶質半導体膜の選択された領域に添加する工程とを含んである。
【0043】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、薄膜トランジスタのソース領域またはドレイン領域と隣接し、チャネル領域とは隣接しないように位置に形成する。
【0044】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、電子または正孔が移動する領域以外の領域に形成する。
【0045】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記島状半導体層と配線とを電気的に接続するためのコンタクト領域の中心よりも前記島状半導体層の外縁に近い位置に形成される。
【0046】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記コンタクト領域と部分的にオーバラップしている。
【0047】
好ましい実施形態において、前記ゲッタリング領域における前記希ガス元素の濃度を1×1019〜3×1021atoms/cm3の範囲内に調節する。
【0048】
好ましい実施形態において、前記希ガス元素は、Ar、Kr、およびXeからなる群から選択された少なくとも1種の元素である。
【0049】
好ましい実施形態において、前記第1の加熱処理の後、前記半導体膜にレーザ光を照射する工程を更に包含する。
【0050】
好ましい実施形態において、前記第2の加熱処理により、前記島状半導体層にドープされた前記不純物の活性化を行う。
【0051】
好ましい実施形態において、前記触媒元素は、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、Fe、およびCuからなる群から選択された少なくとも1種の元素である。
【0052】
本発明の電子機器は、上記いずれかの半導体装置を備えていることを特徴とする。
【0053】
好ましい実施形態においては、前記半導体装置を用いて表示動作が実行される表示部を備えている。
【0054】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前記5族B元素に変わる新たなゲッタリング元素として、希ガス元素を見出した。希ガス元素は、触媒元素に対してゲッタリング効率が5族B元素よりも高く、半導体膜中でも不活性である。しかしながら、n型やp型の低抵抗な半導体膜中に添加すると、その抵抗値を大きく悪化させることがわかった。すなわち、TFT活性領域のソース領域およびドレイン領域をゲッタリング領域としてチャネル領域の触媒元素をゲッタリングする場合、ソース領域およびドレイン領域に希ガス元素を添加すると、抵抗増大の問題が発生する。また、このようなソース領域およびドレイン領域をそのままゲッタリング領域として利用すると、チャネル領域とソース・ドレイン領域の接合部はゲッタリング領域と非ゲッタリング領域との境界でもあり、チャネル領域とドレイン領域との接合部に存在する触媒元素の偏析を取り除くことができない。
【0055】
本発明では、TFTの活性領域として機能する半導体層中に、ソース領域およびドレイン領域とは別に、ゲッタリング領域を有しており、そのゲッタリング領域は、TFTのキャリア(電子または正孔)の移動を妨げないように、キャリアが移動する領域以外の領域に形成されている。
【0056】
ゲッタリング領域が希ガス元素を含有することにより、高いゲッタリング効率を実現できる。ゲッタリング効率を確保するためには、ゲッタリング領域における希ガス元素の濃度が、チャネル領域およびソース・ドレイン領域における希ガス元素の濃度よりも高くなるようにする必要がある。
【0057】
ソース・ドレイン領域とゲッタリング領域とを別の位置に設けたことにより、ソース・ドレイン領域にドープすべきn型不純物やp型不純物の添加量を最適に設定することができる。その結果、プロセスマージンが拡がると共に、ドーピング装置のスループットを大きく向上することができる。また、ソース・ドレイン領域の抵抗を低くし、TFTのオン特性を向上することができる。
【0058】
ソース・ドレイン領域の外側にゲッタリング領域を設けることにより、ソース・ドレイン領域における触媒元素濃度も充分に低下するため、チャネル領域とソース・ドレイン領域との接合部に残存する触媒元素がリークパスを作る可能性もほとんどなくなる。その結果、希ガス元素による高いゲッタリング効率と合わせて、TFT特性上問題となっているオフ動作時のリーク電流の増大を略完全に抑えることができ、更には高い信頼性も同時に確保することができる。
【0059】
このように本発明によれば、触媒元素の偏析によるリーク電流の発生を抑制することができ、特に画素部のスイッチング素子として用いる場合に良好な特性を有するTFTを実現することができる。
【0060】
触媒元素を用いて結晶化を行った半導体膜は良好な結晶性を示すため、本発明による半導体装置のTFTは、高い電界効果移動度を必要とする駆動回路の素子として用いる場合にも良好な特性を発揮することができる。
【0061】
従来技術によって作製したTFTでは、3%程度の確率で見られたTFTオフ時のリーク電流の異常な増大現象が、本発明による半導体装置によれば全く見られなかった。
【0062】
本発明の半導体装置を用い作製した液晶表示装置では、従来法で頻発していた線状の表示むら(ドライバー部のサンプリングTFT起因)や、オフ時のリーク電流による画素欠陥も全く無く、表示品位を大きく向上する。しかも、良品率を高め、簡便な製造工程で実現できる。
【0063】
ゲッタリング領域をチャネル形成領域とは隣接しないように形成することにより、前述のように、チャネル領域とソース・ドレイン領域との接合部からのゲッタリングも充分に達成することができる。そのため、接合部における触媒元素の偏析残留に起因して生じやすいTFTオフ動作時のリーク電流の増大を略完全に抑えることができる。
【0064】
各TFTを電気的に接続する配線が接続される領域(コンタクト領域)よりも半導体層の外縁部に近い位置にゲッタリング領域を形成すると、TFTのキャリア(電子または正孔)のパスを妨げない効率的な配置が実現でき、極力大きな面積のゲッタリング領域が実現可能である。
【0065】
半導体層の外縁部にゲッタリング領域を形成し、上記コンタクト領域とゲッタリング領域とを部分的にオーバラップさせたとしても、ゲッタリング領域に邪魔されないキャリアパスを確保することができるため、ゲッタリング領域の比較的高い抵抗がTFTのオン電流を大きく低下させることない。
【0066】
ゲッタリング領域を避けてコンタクト領域を配置すれば、最も安定してTFTのキャリアパスを確保することができ、高いオン電流を得ることができる。
【0067】
複数のTFTを同一基板上に配置し、クロックドインバーターやラッチ回路などの各種回路を形成する場合、レイアウト面積の効率的利用のためには、1つの半導体層(活性領域)を用いて複数のTFTを形成することが好ましい。その場合、隣接するTFTによって共有される部分にゲッタリング領域を設けることができる。この場合においても、ゲッタリング領域は、TFTのキャリアが移動する領域以外に形成されることが好ましい。例えば、半導体層の外縁部、およびソース・レイン領域に挟まれた領域にゲッタリング領域を配置することができる。
【0068】
このような場合、コンタクト領域は、ゲッタリング領域以外の領域に配置されることが好ましいが、TFTのキャリアパスを確保できれば、コンタクト領域とゲッタリング領域とが部分的にオーバラップしてもよい。
【0069】
同一基板上nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTを形成する場合にも本発明を適用できる。nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとが同濃度の希ガス元素をゲッタリング元素として含有すれば、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTは略同等のゲッタリング能力をもつことになり、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTにおいてゲッタリング効率を揃えることができる。
【0070】
その結果、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの各々において残留する触媒元素の濃度が略同等となり、触媒元素の残留濃度に起因する素子特性のバラツキを低減することができる。更に、チャネル形成領域や、チャネル形成領域とソース・ドレイン領域との接合部において触媒元素の濃度を充分に低減することができる。
【0071】
対をなすnチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTにおいては、活性領域の幅Wに対するゲッタリング領域の面積Sの比S/Wを、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとで概等しく設定することが好ましい。また、ソース・ドレイン領域とチャネル部との間に形成される接合部からゲッタリング領域までの距離Lを、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとで概同一することが好ましい。
【0072】
TFTのチャネル領域に存在する触媒元素に対するゲッタリング効果は、ゲッタリング領域のゲッタリング効率が最も支配的である。しかし、その他の要因として、TFTチャネル領域の幅に対するゲッタリング領域の面積の比率や、TFTチャネル領域からゲッタリング領域までの距離Lもゲッタリング効果に重要な影響を与えるパラメータである。
【0073】
ゲッタリング領域の面積Sが大きくなるほど、ゲッタリング能力は増し、S/Wによってチャネル領域のゲッタリング効率が決定される。触媒元素をゲッタリング移動させるのに必要なゲッタリング距離(=「距離L」)は、チャネル領域に対するゲッタリング効率に大きく影響する。
【0074】
本発明では、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとでS/WおよびLを概略同一となるように設計し、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTにおいてゲッタリング効率をより完全に揃えることにより、nチャネル型TFTpチャネル型TFT共に残留する触媒元素濃度が略同等となるため、触媒元素の残留濃度に起因する素子特性のバラツキを低減することができる。
【0075】
本発明では、TFTの活性領域(半導体層)は、好ましくは、結晶性を有する結晶質ケイ素膜から形成される。結晶質ケイ素膜を活性領域とすることで、安定したTFT特性が得られ、TFTにおけるオン特性とオフ特性とのバランスに優れる。製造工程も容易で、非常に扱いやすい材料でもある。結晶質ケイ素膜以外に本発明に適用可能な材質は、微結晶ケイ素膜や結晶質ゲルマニウム膜などがある。
【0076】
次に、本発明の製造方法に関して述べる。
【0077】
本発明では、結晶化を促進する触媒元素が少なくとも一部に添加された非晶質半導体膜を用意する工程と、非晶質半導体膜に対して第1の加熱処理を行うことにより、非晶質半導体膜の少なくとも一部を結晶化し、結晶質領域を含む半導体膜を得る工程と、半導体膜をパターニングすることにより、それぞれが結晶質領域を備えた複数の島状半導体層を形成する工程と、島状半導体層の一部に選択的に希ガス元素を添加し、ゲッタリング領域を形成する工程と、第2の加熱処理を行うことにより、島状半導体層中の前期触媒元素の少なくとも一部を前記ゲッタリング領域に移動させる工程とを行う。
【0078】
第2の加熱処理を行う前に、島状半導体層の選択された部分に対して、ソース・ドレイン領域形成などのために、n型を付与する不純物元素(n型不純物元素)および/またはp型を付与する不純物元素(p型不純物元素)をドープする工程を行ってもよい。
【0079】
触媒元素を非晶質半導体膜に導入する際、まず開口部を有するマスクを非晶質半導体膜上に形成し、このマスク開口部を通して、非晶質半導体膜の選択された領域に触媒元素を添加してもよい。その後の第1の加熱処理により、触媒元素が選択的に添加された領域から、その周辺部へと横方向に結晶成長させ、結晶質半導体膜を形成することができる。これにより、結晶成長方向が略一方向にそろった良好な結晶質半導体膜を得ることができ、TFTの電流駆動能力をより高めることが可能である。
【0080】
ゲッタリング領域は、ソース領域またはドレイン領域と隣接しており、TFTの活性領域におけるチャネル領域とは隣接しないように形成することが好ましい。また、ゲッタリング領域は、電子または正孔が移動する領域以外に形成することが好ましい。
【0081】
ゲッタリング領域に、Ar、Kr、Xeから選ばれた1種または複数種類の希ガス元素が含まれていると、そこで大きな格子間歪みが生じ、そこをゲッタリングサイトとして触媒元素のゲッタリング作用が強力に働く。特開平10−270363号公報や特開平11−40499号公報で利用されている5族B元素(リン等)は、半導体膜中での触媒元素の固溶度を上げることで、ゲッタリング領域として作用させるが、本発明における希ガス元素は、これとは全く異なる作用で、より強力なゲッタリング作用をもつ。Ar、Kr、Xeから選ばれた1種または複数種類の希ガス元素であれば、本発明に十分なゲッタリング効果が得られるが、特にこれらの希ガス元素の中で最も効果が高いのはArであり、Arを用いた時に最も大きな効果を得ることができる。
【0082】
活性領域のゲッタリング領域に添加される希ガス元素の濃度は、1×1019〜3×1021atoms/cm3とすることが好ましい。希ガス元素のゲッタリング領域中での濃度をこのような範囲内とすることにより、本発明のゲッタリング効果が好適に得られる。一方、希ガス元素のゲッタリング領域中での濃度が1×1019atoms/cm3より少なければ、触媒元素に対するゲッタリング作用が見られなくなる。また、この濃度が3×1021atoms/cm3より大きい場合は、ゲッタリング効果は飽和状態となると共に、ゲッタリング領域の膜質がポーラスになり、その領域での半導体層の剥がれなどの問題が生じる。
【0083】
ゲッタリング領域に添加された希ガス元素は、半導体装置の作製後までその領域に滞まり、他の領域に移動することはない。
【0084】
チャネル形成領域の希ガス元素濃度は、1×1019atoms/cm3以下であることが好ましい。チャネル領域に、強制的に希ガス元素を添加する必要はないが、もとの半導体膜成膜の際に微量の希ガス元素が含まれる可能性もある。本発明による効果を得るためには、ゲッタリング領域に比べ非ゲッタリング領域の希ガス元素濃度が低い状態であることが好ましい。チャネル領域の濃度は、1×1019atoms/cm3以下であることが好ましい。
【0085】
触媒元素として、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、Fe、Cuから選ばれた1種または複数種の元素を用いることができる。これらの元素であれば、微量で結晶化助長の効果がある。特にNiを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。この理由については、次のようなモデルが考えられる。触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合しシリサイド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構造が、非晶質ケイ素膜結晶化時に1種の鋳型のように作用し、非晶質ケイ素膜の結晶化を促すといったモデルである。Niは2つのSiとNiSi2のシリサイドを形成する。NiSi2は螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、NiSi2はその格子定数が5.406Åであり、結晶シリコンのダイヤモンド構造での格子定数5.430Åに非常に近い値をもつ。よって、NiSi2は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、本発明における触媒元素としては、特にNiを用いるのが最も望ましい。
【0086】
このような触媒元素を用いて本発明の半導体装置を作製した場合、最終的な半導体装置内のゲッタリング領域には、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として添加した上記の触媒元素が存在することになる。触媒元素の濃度は、ゲッタリング領域において、1×1019atoms/cm3以上であるが、チャネル領域中の触媒元素濃度は、1×1015〜1×1017atoms/cm3程度の範囲内にまで低減される。このように、ゲッタリング領域の触媒元素濃度は、チャネル領域における触媒元素濃度に比べて2〜4桁も上昇している。
【0087】
上記の触媒元素を用いた結晶化を行った後、そのようにして得られた結晶質半導体膜に対して、更にレーザ光を照射することが好ましい。レーザ光の照射により、結晶質部分と非晶質と部分の融点の相違から結晶粒界部や微小な残留非晶質領域(未結晶化領域)が集中的に処理される。
【0088】
触媒元素を導入し、結晶化した結晶質ケイ素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるため、レーザ光の照射により結晶粒界部が処理されると、基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶質ケイ素膜が得られ、結晶性が大きく改善される。この結果、TFTのオン特性は大きく向上し、電流駆動能力が向上した半導体装置を実現できる。
【0089】
ゲッタリングのために行う加熱熱処理を利用して、活性領域に添加されたn型不純物元素またはp型不純物元素の活性化も同時に行うことが好ましい。この加熱処理により、ゲッタリングと活性化とを同時に行えば、工程数が短縮される結果、製造プロセスが簡略化でき、製造コストが削減できる。
【0090】
ゲッタリングのための加熱処理をゲート電極形成後に行う場合、TFTのゲート電極は、W、Ta、Ti、Moから選ばれた材料、またはこれらの材料の組み合わせから形成することが好ましい。ゲッタリングのため加熱処理には、500℃以上の温度が必要であるため、耐熱性の観点から高融点金属であることが望ましい。
【0091】
なお、触媒元素がゲッタリング領域に移動する効率は、例えば、次のような方法で観察することができる。
【0092】
ゲッタリング領域に添加された元素の影響により、触媒元素(ニッケル)がゲッタリング領域に移動するとき、触媒元素は、チャネル形成領域からゲッタリング領域に移動する過程でSiと結合してNiSix(ニッケルシリサイド)になると考えられている。このニッケルシリサイドは、酸化シリコン膜をフッ化水素アンモニウム(NH4HF2)を7.13%とフッ化アンモニウム(NH4F)を15.4%含む混合溶液(ステラケミファ社製、商品名LAL500)によって除去し、体積比がHF(濃度50%):H22(濃度33%):H2O=45:72:4500で混合された薬液(FPM液)に40分間基板を浸しておくことにより、NiSixを選択的に除去することができる。
【0093】
NiSixが除去された後が孔となり、NiSixが除去された後の孔を光学顕微鏡の透過モードで黒点として観察する。そして、観察された黒点の数が多ければ、触媒元素(ニッケル)をゲッタリング領域にたくさん移動させることができた、すなわち、ゲッタリング効率がよいという評価をすることができる。
【0094】
(実施形態)
図1を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【0095】
本実施形態では、nチャネル型TFTをガラス基板上に作製する。図1(A)から(G)は、nチャネル型TFTの作製工程を示す断面図であり、(A)から(G)の順序にしたがって工程が進行する。図1では、単一のTFTを示しているが、実際には同一基板上に多数のTFTが同時に形成される。
【0096】
まず、図1(A)を参照する。
【0097】
ガラス基板11上に、膜厚50〜300nmの酸化ケイ素または窒化ケイ素膜からなる下地絶縁膜12を形成する。この下地絶縁膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。この後、下地絶縁膜12上に膜厚20〜80nmの真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)13を堆積する。
【0098】
次に、結晶化のため、a−Si膜13に触媒元素を添加した後、加熱処理を行う。具体的には、まず、a−Si膜13に対して重量換算で例えば10ppmの触媒元素(本実施例ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素含有層14を形成する。ここで使用可能な触媒元素は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)、および金(Au)からなる群から選択された一種または複数種の元素である。添加する触媒元素の量は極微量であり、a−Si膜13の表面における触媒元素濃度は、全反射蛍光X線分析(TRXRF)法によって管理される。本実施形態では、a−Si膜13の表面における触媒元素濃度が7×1012atoms/cm2程度に調節される。
【0099】
なお、本実施形態ではスピンコート法でニッケルを添加する方法を用いたが、触媒元素から形成された薄膜(本実施例の場合はニッケル膜)を蒸着法やスパッタ法などによってa−Si膜13上に堆積してもよい。
【0100】
次に、上記の処理を施した基板に対して不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)中で加熱する。この加熱処理は、550〜600℃で30分〜4時間程度(例えば580℃にて1時間)行うことが好ましい。この加熱処理において、a−Si膜13の表面に添加されたニッケル14がa−Si膜13中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、生成されたシリサイドを核としてa−Si膜13の結晶化が進行する。その結果、a−Si膜13は結晶化され、結晶質ケイ素膜13aとなる。なお、ここでは炉を用いた加熱処理により結晶化を行ったが、ランプ等を熱源として用いるRTA(Rapid Thermal Annealing)装置で結晶化を行ってもよい。
【0101】
次に、図1(B)に示すように、結晶質ケイ素膜13aにレーザ光15を照射することにより、結晶質ケイ素膜13aの結晶性を向上させた結晶質ケイ素膜14bを形成する。レーザ光としては、XeClエキシマレーザ(波長308nm、パルス幅40nsec)やKrFエキシマレーザ(波長248nm)を用いることができる。レーザ光のビームサイズは、基板11の表面において長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に順次走査を行うことで、基板全面の再結晶化を行うことが好ましい。このとき、ビームの一部が重なるようにして走査することにより、結晶質ケイ素膜13aの任意の一点において、複数回のレーザ照射が行われ、均一性の向上が図れる。このようにして、固相結晶化により得られた結晶性ケイ素膜13aは、レーザ照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜13bとなる。
【0102】
その後、結晶質ケイ素膜13bの不要な部分を除去して素子間分離を行う。この工程により、図1(C)に示すように、後にTFTの活性領域(ソース・ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶質ケイ素膜16が形成される。本明細書における個々の「活性領域」とは、ソース・ドレイン領域、チャネル形成領域、およびゲッタリング領域を含む個々の島状半導体層を指すものとする。本発明では、1つの活性領域を用いて1つ以上の薄膜トランジスタが形成される。
【0103】
次に、これらの島状の結晶質ケイ素膜16を覆うゲート絶縁膜17を形成する。ゲート絶縁膜17としては、厚さ20〜150nmの酸化ケイ素膜が好ましく、本実施形態では100nmの酸化ケイ素膜を用いる。
【0104】
ゲート絶縁膜17上に導電膜をスパッタ法またはCVD法などを用いて堆積した後、この導電膜をパターニングすることにより、ゲート電極18を形成する。導電膜としては、高融点金属のW、Ta、Ti、Mo、または、これらの合金材料のいずれかを用いればよい。導電膜の厚さは、300〜600nmが望ましい。本実施形態では、膜厚450nmの窒素が微量に添加されたTaからゲート電極18を形成する。
【0105】
次いで、図1(D)に示すように、ゲート電極18を覆うように、ゲート絶縁膜17上にレジストからなるマスク19を形成する。このマスク19は島状半導体の全てを覆わず、TFTの活性領域16の一部(外縁部)が露出する。この状態で、基板11の上方から希ガス元素(本実施形態ではAr)20を基板11の全面に対してイオンドーピングする。この工程により、TFT活性領域16の露出領域21に希ガス元素20が注入され、ゲッタリング領域21が形成される。マスク19によって覆われている領域には、希ガス元素はドーピングされない。希ガス元素としては、Ar、Kr、Xeから選ばれた1種または複数種類の希ガス元素を用いることができる。ドーピング条件は、ゲッタリング領域21中の希ガス元素濃度が1×1019〜3×1021atoms/cm3となるように調節される。
【0106】
マスク19を除去した後、図1(E)に示すようにゲート電極18をマスクとして、イオンドーピング法でn型不純物(リン)22を活性領域16に高濃度に注入する。この工程により、TFT活性領域16において、ゲート電極18に覆われていない領域24には高濃度のリン22が注入される。このリン22が注入された領域のうち、ゲッタリング領域21以外の部分が、最終的にTFTのソース・ドレイン領域となる。また、ゲート電極18でマスクされ、リン22が注入されなかった領域23は、最終的にはTFTのチャネル領域となる。 次に、不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)にて熱処理を行うことにより、図1(F)に示すように、ゲッタリングを行う。具体的には、ソース・ドレイン領域24の外側に形成されたゲッタリング領域21において、高濃度にドーピングされているアルゴン20が、チャネル領域23およびソース・ドレイン領域24に存在しているニッケルを、チャネル領域からソース・ドレイン領域、そしてゲッタリング領域21へと、矢印25のような方向へ移動させる。よって、TFT活性領域のチャネル形成領域やチャネル形成領域とソース領域またはドレイン領域との接合部において残留している触媒元素をゲッタリングでき、触媒元素の偏析によるリーク電流の発生を抑制することができる。
【0107】
このように、本発明の実施形態では、活性領域16内にゲッタリング領域21が存在し、しかも、そのゲッタリング領域21がソース領域およびドレイン領域以外の部分に設けられる。ゲッタリング領域21は、チャネル領域とソース・ドレイン領域との間に位置するpn接合部からは離れているため、結晶化を促進する不純物がpn接合部に残存してリーク原因となる問題を解決することができる。
【0108】
また、ゲッタリング領域が、ソース・ドレイン間の電流パス上に存在しないため、希ガス元素の導入によってゲッタリング領域の電気抵抗が増加しても、ソース領域またはドレイン領域の電気抵抗が上昇するという問題は生じない。
【0109】
なお、上記の加熱処理工程により、ゲッタリング領域には触媒元素が移動してくるため、ゲッタリング領域における触媒元素は1×1019/cm3以上の濃度となる。
【0110】
この加熱処理としては、450〜600℃の範囲で30分から8時間行うことが望ましい。RTAによっても同様の処理が可能である。なお、この加熱処理工程で、ソース・ドレイン領域24にドーピングされたn型不純物(リン)22の活性化も同時に行われ、ソース・ドレイン領域24シート抵抗値は、2kΩ/□以下まで低抵抗化される。
【0111】
続いて、図1(G)に示すように、酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜を層間絶縁膜26として形成した後、コンタクトホールを形成する。次に、金属材料の堆積およびパターニングにより、TFTの電極・配線27を層間絶縁膜26上に形成する。
【0112】
最後に1気圧の水素雰囲気で350℃、1時間のアニールを行い、図1(G)に示すTFT28を完成させる。更に必要に応じて、TFT28を保護する目的で、TFT28上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。このようにして、薄膜トランジスタを備えた半導体装置を得ることがてきる。
【0113】
本実施形態の半導体装置は、ゲート電極が半導体層の上に形成されるトップゲート型であるが、本発明はこれに限定されず、ゲート電極が半導体層の下方に位置するボトムゲート型、あるいは、その他の型のトランジスタに適用することも可能である。
【0114】
また、本実施形態では、半導体としてケイ素を用いているが、本発明はこれに限定されない。他のタイプの半導体材料を用いても良い。また、半導体層の下地はガラス基板に限定されず、プラスチック基板、あるいは平板ではない絶縁物、または、層間絶縁膜が堆積された半導体基板などであってもよい。
【0115】
なお、本明細書における「半導体装置」とは、個々のTFTだけを指すものではなく、半導体の性質を利用する構造を備えた装置、例えばアクティブマトリクス基板や3次元LSIなどを広く含むものとする。
【0116】
(実施例1)
本発明の第1の実施例を説明する。
【0117】
本実施例では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回路を形成するnチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTを相補型に構成したCMOS構造の回路をガラス基板上に作製する工程について、説明を行う。
【0118】
図2および図3は、本実施例で説明するTFTの作製工程を示す断面図であり、図2(A)から(E)、図3(A)から(D)の順にしたがって工程が順次進行する。
【0119】
まず、図2(A)を参照する。基板101としては、低アルカリガラス基板や石英基板を用いることができるが、本実施例では低アルカリガラス基板を用いた。この場合、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いても良い。基板101のTFTを形成する表面には、基板101からの不純物拡散を防ぐために、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜または酸化窒化ケイ素膜などの下地膜を形成する。本実施例では、例えば、プラズマCVD法でSiH4、NH3、N2Oの材料ガスから作製される酸化窒化ケイ素膜を、下層の第1下地膜102として成膜し、その上に同様にプラズマCVD法によりSiH4、N2Oを材料ガスとして第2の下地膜103を積層形成した。このときの第1下地膜102の酸化窒化ケイ素膜の膜厚は25〜200nm(例えば100nm)とし、第2下地膜103の酸化窒化ケイ素膜の膜厚としては25〜300nm(例えば100nm)とした。本実施例では2層の下地膜を使用したが、例えば酸化ケイ素膜の単層を用いてもよい。
【0120】
次に、20〜150nm(好ましくは30〜80nm)の厚さで非晶質構造を有するケイ素膜(a−Si膜)104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法で非晶質ケイ素膜を50nmの厚さに形成した。また、下地膜102、103と非晶質ケイ素膜104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。下地膜を形成した後、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。
【0121】
次に、a−Si膜104の表面上に触媒元素(本実施例ではニッケル)105の微量添加を行う。ニッケル105の微量添加は、ニッケルの溶液をa−Si膜104上に保持し、スピナーにより溶液を基板101上に均一に延ばし乾燥させることによって行った。本実施例では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度は10ppmとなるようにした。
【0122】
図2(A)の状態におけるa−Si膜104表面上のニッケル濃度を全反射蛍光X線分析(TRXRF)法により測定すると、7×1012atoms/cm2程度であった。触媒元素をa−Si膜104に添加する方法としては、触媒元素を含有する溶液を塗布する方法以外に、プラズマドーピング法、蒸着法、またはスパッタ法等の気相法などを利用することもできる。溶液を用いる方法は、触媒元素の添加量の制御が容易であり、ごく微量な添加を行うのも容易である。
【0123】
次に、不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)中に加熱処理を行う。このときの加熱処理としては、520〜600℃で1〜8時間のアニール処理を行う。本実施例では、580℃にて1時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜104の表面に添加されたニッケル105がa−Si膜104中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、シリサイドを核としてa−Si膜104の結晶化が進行する。その結果、図2(B)に示すように、a−Si膜104は結晶化され、結晶質ケイ素膜106となる。
【0124】
次に、図2(C)に示すように、レーザ光107を照射することにより、結晶質ケイ素膜106を溶融再結晶化し、その結晶性を向上させる。このときのレーザ光としては、XeClエキシマレーザ(波長308nm、パルス幅40nsec)を用いた。レーザ光の照射条件は、エネルギー密度250〜500mJ/cm2(例えば400mJ/cm2)で照射した。ビームサイズは、基板101表面で150mm×1mmの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、結晶質ケイ素膜106の任意の一点において、合計20回のレーザ照射が行われることになる。このようにして、固相結晶化により得られた結晶質ケイ素膜106は、レーザ照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜108となる。この時使用できるレーザとしては、パルス発振型または連続発光型のKrFエキシマレーザ、XeClエキシマレーザ、YAGレーザまたはYVO4レーザを用いることができる。結晶化の条件は、実施者が適宜選択すればよい。
【0125】
その後、結晶質ケイ素膜108の不要な部分を除去して素子間分離を行う。この工程により、図2(D)に示すように、nチャネル型TFTが形成される活性領域となる島状結晶質ケイ素膜109n、および、pチャネル型TFTが形成される活性領域となる島状結晶質ケイ素膜109pが形成される。
【0126】
ここで、トランジスタのしきい値電圧を制御する目的で、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの活性領域の全面に対して、1×1016〜5×1017/cm3程度の濃度となるようにp型不純物元素としてボロンを添加してもよい。ボロンの添加はイオンドープ法によって行ってもよいし、非晶質シリコン膜を堆積するときに同時に添加しておくこともできる。
【0127】
次に、上記の活性領域となる結晶質ケイ素膜109nおよび109pを覆うように厚さ20〜150nm(本実施例では厚さ100nm)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜110として形成する。酸化ケイ素膜の形成には、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料として用い、酸素とともにRFプラズマCVD法で分解・堆積した。堆積時の基板温度は150〜600℃(好ましくは300〜450℃)であった、成膜後、ゲート絶縁膜110のバルク特性、および結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜との間の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で500〜600℃で1〜4時間のアニールを行ってもよい。ゲート絶縁膜110には、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。
【0128】
次に、図2(D)に示すように、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積した後、これをパターニング形成して、ゲート電極111nと111pを形成する。高融点メタルとしては、タンタル(Ta)またはタングステン(W)、モリブデン(Mo)チタン(Ti)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)107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)を用いる。また、その他の代替材料として、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。本実施例では、タングステン(W)を用い、厚さが300〜600nm、例えば450nmとした。このとき、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、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た。
【0129】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極111nと111pをマスクとして活性領域に低濃度の不純物(リン)112を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3)を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1012〜1×1014cm-2、例えば2×1013cm-2とする。この工程により島状のケイ素膜109nと109pにおいて、ゲート電極111nと111pに覆われていない領域は低濃度のリン112が注入された領域114nと114pとなり、ゲート電極111n、111pにマスクされ不純物112が注入されない領域は、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTのチャネル領域113nと113pとなる。この状態が図2(D)に相当する。
【0130】
次いで、図2(E)に示すように、後のnチャネル型TFTのゲート電極111nを一回り大きく覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク115を設け、後のpチャネル型TFTの活性領域109pを覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク116を設ける。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク115と116をマスクとして活性領域に不純物(リン)117を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3)を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1015〜1×1016cm-2、例えば5×1015cm-2とする。この工程により、高濃度に不純物(リン)117が注入された領域119は、後にnチャネル型TFTのソース・ドレイン領域となる。そして、活性領域109nにおいて、レジストマスク115に覆われ、高濃度のリン117がドーピングされなかった領域は、低濃度にリンが注入された領域114nとして残り、LDD(Lightly Doped Drain)領域118を形成する。このように、LDD領域118を形成することで、チャネル領域とソース・ドレイン領域との接合部における電界集中を緩和でき、TFTオフ動作時のリーク電流を低減できると共に、ホットキャリアによる劣化を抑えることができTFTの信頼性を向上できる。後のpチャネル型TFTの活性領域109pにおいては、マスク116で全面が覆われているため、高濃度のリン117はドーピングされない。
【0131】
次に、レジストマスク115、116を除去した後、図3(A)に示すように、nチャネル型TFTの活性領域109nを覆うようにレジストマスク120を設ける。この状態で、レジストマスク120、および、pチャネル型TFTのゲート電極111pをドーピングマスクとして、イオンドーピング法により、pチャネル型TFTの活性領域109pにp型不純物(ホウ素)121を注入する。このとき、ドーピングガスとしてジボラン(B26)を用い、加速電圧を40kV〜80kV、例えば65kVとし、ドーズ量は1×1015〜1×1016cm-2、例えば5×1015cm-2とする。この工程により、ホウ素121が高濃度に注入された領域122は、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域となり、ゲート電極111pにマスクされ不純物が注入されない領域は、pチャネル型TFTのチャネル領域113pとなる。この工程において、nチャネル型TFTの活性領域109nは、マスク120で全面覆われているため、ホウ素121はドーピングされない。
【0132】
n型不純物およびp型不純物のドーピングに際しては、このようにドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことにより、それぞれの元素を選択的にドーピングを行する。その結果、n型の高濃度不純物領域119とp型の不純物領域122とが形成され、図3に示すようにnチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを形成することができる。なお、本実施形態において、n型不純物元素のドーピングの後にp型不純物元素のドーピングを行ったがが、ドーピングの順序は、これに限定されない。
【0133】
次いで、レジストマスク120を除去した後、図3(B)に示すように、nチャネル型TFTのゲート電極111nおよびpチャネル型TFTのゲート電極111pを覆うように、レジストマスク122を形成する。このレジストマスク122は、nチャネル型TFTの活性領域109nおよびpチャネル型TFTの活性領域109pの一部(外縁部)を覆わず、露出させる。
【0134】
この状態で、図3(B)に示すように、基板の上方から、希ガス元素(本実施例ではAr)123を基板全面に対してイオンドーピングする。この工程により、TFT活性領域の露出領域に対して希ガス元素123が注入され、nチャネル型TFTの活性領域109nおよびpチャネル型TFTの活性領域109pの外縁部に、ゲッタリング領域124が形成される。
【0135】
ドープする希ガス元素としては、Ar、Kr、およびXeからなる群から選択された任意の1種または複数種類の希ガス元素を用いることができる。活性領域のうちレジストマスク19によって覆われている領域には、希ガス元素はドーピングされない。
【0136】
本実施形態では、ドーピングガスとして100%のArを用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとし、ドーズ量としては1×1015〜1×1016cm-2、例えば3×1015cm-2の条件を採用した。この条件によると、ゲッタリング領域124中の希ガス元素の濃度は、1×1019〜3×1021atoms/cm3となる。
【0137】
本実施形態では、TFTのチャネル幅Wに対するゲッタリング領域124の面積Sの比率(W/S)が約1となるようレイアウトを設計している。通常、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとでは、電流駆動能力が異なる。本実施例の場合、nチャネル型TFTの電流駆動力はpチャネル型TFTのそれに比べて2倍以上大きい。したがって、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとで同程度の電流を流すには、pチャネル型TFTのチャネル幅を大きく設定する必要がある。例えば、nチャネル型TFTの活性領域109nにおけるチャネル領域幅Wが20μmであるとすると、pチャネル型TFTの活性領域109pにおけるチャネル幅Wは40μmに設定される。この場合、それぞれの活性領域におけるゲッタリング領域124の面積は、nチャネル型TFTに対してpチャネル型TFTが概略2倍となるように設定される。このようにすることで、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの活性領域において、ゲッタリングの効率を等しくすることができる。
【0138】
次に、レジストマスク122を除去した後、不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)中において熱処理を行う。本実施例では、窒素雰囲気中にて500℃から600℃で30分から8時間、より好ましくは530〜580℃の温度で30分〜2時間の熱処理工程を行う。この熱処理工程により、図3(C)に示すように、ゲッタリングが進行する。すなわち、nチャネル型TFTの活性領域109nにおいては、ソース・ドレイン領域の外側に形成されたゲッタリング領域124に高濃度にドーピングされているアルゴン123が、チャネル領域113n、LDD領域118およびソース・ドレイン領域119に存在しているニッケルを、チャネル領域からLDD領域、さらにソース・ドレイン領域、最終的にはゲッタリング領域124へと、矢印125で示される方向に移動させる。また、pチャネル型TFTの活性領域109pにおいては、ソース・ドレイン領域の外側に形成されたゲッタリング領域124に高濃度にドーピングされているアルゴン123が、チャネル領域113p、ソース・ドレイン領域122に存在しているニッケルを、チャネル領域からソース・ドレイン領域、そしてゲッタリング領域124へと、同様に矢印125で示される方向に移動させる。
【0139】
上記の熱処理工程により、ゲッタリング領域124にはニッケルが移動してくるため、ゲッタリング領域124におけるニッケル濃度は、1×1019/cm3以上と上昇する。
【0140】
このようにして本実施例では、TFT活性領域のチャネル形成領域や、チャネル形成領域とソース・ドレイン領域との接合部、またLDD領域との接合部において残留している触媒元素をゲッタリングできるため、触媒元素の偏析によるリーク電流の発生を抑制することができる。
【0141】
上記の熱処理工程によれば、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域119およびLDD領域118にドーピングされたn型不純物(リン)117と、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域122にドーピングされたp型不純物(リン)121の活性化も同時に行われる。その結果、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域119のシート抵抗値は400〜700Ω/□程度となり、LDD領域118のシート抵抗値は30〜60kΩ/□となる。また、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域122のシート抵抗値は1〜1.5kΩ/□程度になる。
【0142】
本実施例では、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの活性領域において、ソース領域またはドレイン領域とは別の領域にゲッタリング領域を形成するため、希ガス元素の導入によってTFT活性領域の一部で電気抵抗が徐称してもトランジスタ特性に影響することはない。
【0143】
上記の熱処理工程は、RTA(Rapid Thermal Annealing)を用いて行っても良い。
【0144】
次いで、図3(D)に示すように、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTを覆う無機層間絶縁膜を形成する。層間絶縁膜としては、窒化ケイ素膜、酸化ケイ素膜、または窒化酸化ケイ素膜を400〜1500nm(代表的には600〜1000nm)の厚さで形成することが好ましい。本実施例では、膜厚200nmの窒化ケイ素膜126と膜厚700nmの酸化ケイ素膜127とを積層形成し、2層構造とした。これらの膜の形成は、プラズマCVD法を用いて堆積した。窒化ケイ素膜の堆積は、SiH4とNH3を原料ガスとして行い、酸化ケイ素膜の堆積は、TEOSとO2を原料として行った。これらの2層は連続的に形成した。
【0145】
無機層間絶縁膜としては、上記の例に限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜、その他の膜を単層または積層して堆積してもよい。
【0146】
次に、300〜500℃で1〜12時間の熱処理を行い、半導体層を水素化する。この工程は、活性領域/ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、TFT特性を劣化させる不対結合手(ダングリングボンド)を終端化し、不活性化するために行う。本実施例では、水素を約3%含む窒素雰囲気下で410℃、1時間の熱処理を行った。層間絶縁膜(特に窒化ケイ素膜126)に含まれる水素の量が十分である場合には、窒素雰囲気で熱処理を行っても効果が得られる。水素化の他の手段としては、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)を行ってもよい。
【0147】
上記の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、金属材料(例えば窒化チタンとアルミニウムの二層膜)によってTFTの電極・配線128を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。そして最後に、350℃、1時間のアニールを行い、図3(D)に示すnチャネル型TFT201とpチャネル型TFT202とを完成させる。更に必要に応じて、ゲート電極111nおよび111pの上にもコンタクトホールを設けて、配線128によって必要な電極間を接続する。また、TFTを保護する目的で、それぞれのTFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0148】
以上の実施例にしたがって作製したそれぞれのTFTの電界効果移動度は、nチャネル型TFTで250〜300cm2/Vs、pチャネル型TFTで120〜150cm2/Vsと高く、閾値電圧はN型TFTで1V程度、P型TFTで−1.5V程度と非常に良好な特性を示す。しかも、従来例で頻繁に見られたTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が全く無く、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られなかった。また、本実施例で作製したnチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを相補的に構成したCMOS構造回路で、インバーターチェーンやリングオシレーター等の回路を形成した場合、従来のものと比べて非常に信頼性が高く、安定した回路特性を示した。
【0149】
(実施例2)
本実施例では、実施例1で作製したnチャネル型TFT201とpチャネル型TFT202とを利用して、液晶表示用のドライバー内蔵型アクティブマトリクス基板を作製する工程を以下に説明する。
【0150】
図4を参照する。
【0151】
まず、実施例1について説明した方法を用いて、駆動回路205を構成するnチャネル型TFT201およぴpチャネル型TFT202を作製する。このとき、同一基板上の画素部206に画素TFT203および保持容量204を同時に形成する。なお、本明細書では、図4に示す構成を有する基板を「アクティブマトリクス基板」と呼ぶこととする。
【0152】
駆動回路205のnチャネル型TFT201は、活性領域109nにチャネル形成領域113n、ソース領域・ドレイン領域119、LDD領域118、およびゲッタリング領域124を有している。nチャネル型TFT201は、更に、活性領域109n上に形成されたゲート絶縁膜110と、ゲート絶縁膜110上に形成されたゲート電極111nとを有しており、ソース・ドレイン領域119に接続された配線128を介して、他のTFTに接続されている。
【0153】
駆動回路のpチャネル型TFT202は、活性領域109pにチャネル形成領域113p、ソース領域・ドレイン領域122、およびゲッタリング領域124を有している。pチャネル型TFT202は、更に、活性領域109p上に形成されたゲート絶縁膜110と、ゲート絶縁膜110上に形成されたゲート電極111pとを有しており、ソース・ドレイン領域122に接続された配線128を介して、他のTFTに接続されている。
【0154】
図4では、駆動回路205を構成するTFTとして、2つのTFTのみを記載しているが、実際には、駆動回路205を構成する他のTFTが同一基板上に多数形成されている。
【0155】
画素部206の画素TFT203は、駆動回路205のnチャネル型TFT201を作製する工程と全く同一の工程で作製されている。画素TFT203は、活性領域109gにチャネル形成領域113g、ソース領域・ドレイン領域119、LDD領域118、およびゲッタリング領域124を有している。ゲート絶縁膜110上には、2本のゲート電極111gを直列に配置したダブルゲート構造が形成される。このダブルゲート構造は、オフ動作時のリーク電流を抑える機能を有している。このリーク電流を更に抑制するためには、LDD領域の長さも最適化され、駆動回路部のnチャネル型TFT201のLDD領域より長くなるように形成されていることが望ましい。LDD領域118の位置は、レジストマスクによって規定されるため、レジストマスクのレイアウトを調節することにより、任意のTFTに対して、LDD領域の長さを任意の値に設計できる。
【0156】
本実施例の画素TFT204は、上述のように、ダブルゲート構造を有しているが、画素TFT204はシングルゲート構造を有するものであっても良いし、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造を有するものであっても良い。
【0157】
保持容量部204は、ゲート絶縁膜110と同じ材料から生成された絶縁膜を容量として、下部電極はn型不純物元素が一部に添加された領域119を有する半導体層109cから形成され、上部電極はゲート電極111と同材料の電極111cで形成されている。これらの電極の形成は、全てnチャネル型TFTの作製工程と同時に行われる。
【0158】
窒化ケイ素膜126と酸化ケイ素膜127の2層構造の層間絶縁膜上には、透明導電膜を80〜120nmの厚さで形成し、パターニングすることによって画素電極129を形成される。透明導電膜には、一般的に使用されるITOの他、酸化インジウム酸化亜鉛合金(In23−ZnO)、酸化亜鉛(ZnO)も適した材料であり、更に可視光の透過率や導電率を高めるためにガリウム(Ga)を添加した酸化亜鉛(ZnO:Ga)等を適用することもできる。
【0159】
画素部206においては、ソース・ドレイン領域119と電気的に接続する電極・配線130、131が形成される。電極131は、画素電極129と接続され、電極130は、ソースバスラインと接続される。電極130には、ソースバスラインを介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン111gのゲート信号に基づいて画素電極129に必要な電荷が書き込まれる。
【0160】
保持容量部204においては、画素電極129は、配線132により、保持容量を形成する一方の電極として機能する半導体層109cのn型不純物添加領域119と電気的に接続される。なお、これらの電極は、駆動回路部のnチャネル型TFT201、pチャネル型TFT202の配線128の形成工程で、同材料により同時に形成される。
【0161】
なお、本実施例では画素電極129として、透明導電膜を用いた例を示したが、反射性を有する導電性材料を用いて画素電極を形成すれば、反射型の表示装置を作製することができる。その場合、電極を作製する工程で画素電極を同時に形成でき、その画素電極の材料としては、AlまたはAgを主成分とする膜、またはそれらの積層膜等の反射性が優れた材料を用いることが望ましい。
【0162】
以上の工程により作製されたアクティブマトリクス基板の上面図を図5に示す。図5のA−A’線は、図4のA−A’線に対応し、画素TFTの活性領域109g、ゲート電極111g、および配線130を横切っている。同様に、図5のB−B’線は、図4のB−B’線に対応し、半導体層109c、画素電極129、および配線131を横切っている。
【0163】
このように本実施例では、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が可能である。更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、触媒元素のゲッタリング効率を高め工程簡略ができると共に、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に行える。また、配線を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。したがって、画素部(画面サイズ)が10インチクラス以上の表示装置に適用することもできる。
【0164】
(実施例3)
本実施例では、実施例2の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(液晶表示パネルともいう)を作製する。
【0165】
図6を参照する。
【0166】
まず、図4に示すアクティブマトリクス基板を用意する。このアクティブマトリクス基板上でアクリル樹脂膜等の有機樹脂膜をパターニングすることにより、後に設ける対向基板とアクティブマトリクス基板との間隔を保持するための柱状スペーサ181を所定の位置に形成する。なお、この柱状スペーサに代えて、球状のスペーサを基板全面に散布してもよい。この後、配向膜180を形成し、配向膜180のラビング処理を行う。
【0167】
次に、対向基板182を用意する。対向基板182には、着色層183、184、および平坦化膜185を形成する。赤色の着色層183と青色の着色層184とを一部重ねて、第2遮光部を形成する。なお、図6では図示しないが、赤色の着色層と緑色の着色層とを一部重ねて第1遮光部を形成する。対向電極186を画素部に形成した後、対向基板の全面に配向膜187を形成し、ラビング処理を施す。
【0168】
次に、画素部206および駆動回路205が形成されたアクティブマトリクス基板と、対向基板とをシール材188で貼り合わせる。シール材188にはフィラーが混入されていて、このフィラーと柱状スペーサによって均一な間隔を持って2枚の基板が貼り合わせられる。その後、両基板の間に液晶材料189を注入し、封止剤(図示せず)によって完全に封止する。液晶材料189には公知の液晶材料を用いれば良い。
【0169】
このようにして図6に示すアクティブマトリクス型液晶表示装置が完成する。必要があれば、アクティブマトリクス基板または対向基板を所定の形状に分断する。更に、公知の技術を用いて偏光板等を適宜設けた後、FPC(フレキシブルプリント配線板:Flexible Printed Circuit)を貼りつける。
【0170】
次に、図7を参照しながら、上記の方法で作製した液晶表示パネルの構成を説明する。図7において、図6と対応する部分には同じ符号を用いる。
【0171】
図7(A)は、アクティブマトリクス基板と、カラーフィルタなどが設けられた対向基板182とがシール材188を介して貼り合わされた状態の液晶表示パネルの上面を示している。図7(A)には、画素部206、駆動回路205a、205b、FPCを貼り付ける外部入力端子210、外部入力端子と各回路の入力部までを接続する接続配線211などが図示されている。
【0172】
図7(B)は、図7(A)に示す外部入力端子210のe−e'線断面を示している。外部入力端子210には、ベースフィルム213と配線214とから形成されたFPCが異方性導電性樹脂215によって貼り合わさせられ、さらに補強板で機械的強度が高められている。配線217は、画素電極140を形成するために堆積した導電膜をパターニングすることによって形成されたものである。導電性粒子216の外径は、配線217のピッチよりも小さいので、接着剤215中に分散する量を適当なものとすると隣接する配線と短絡することなく対応するFPC側の配線と電気的な接続を形成することができる。
【0173】
本実施例の液晶表示パネルは、各種電子機器の表示部として用いることができる。本実施例の液晶表示装置を実際に点灯評価したところ、従来の液晶表示装置に比べて表示むらが明らかに少なく、TFTリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。
【0174】
(実施例4)
図8を参照しながら本実施例の半導体装置を説明する。図8は、ソース側駆動回路90、画素部91、およびゲート側駆動回路92を備えた半導体装置のアナログ駆動用回路構成を示している。本明細書中において、「駆動回路」とは、ソース側処理回路およびゲート側駆動回路を含めた回路を広く総称するものとする。
【0175】
本実施例のソース側駆動回路90は、シフトレジスタ90a、バッファ90b、およびサンプリング回路(トランスファゲート)90cを有している。また、ゲート側駆動回路92は、シフトレジスタ92a、レベルシフタ92b、およびバッファ92cを備えている。必要に応じて、サンプリング回路とシフトレジスタとの間にレベルシフタ回路を設けてもよい。
【0176】
画素部91は、行および列からなるマトリクス状に配列された複数の画素から構成されており、各画素が前述した構成のTFT素子を含んでいる。なお、図示してはいないが、画素部91を挟んでゲート側駆動回路92の反対側に更にゲート側駆動回路を設けても良い。
【0177】
アナログ駆動に代えてデジタル駆動を行う場合は、図9に示すように、サンプリング回路の代わりにラッチ(A)93b、ラッチ(B)93cを設ければよい。ソース側駆動回路93は、シフトレジスタ93a、ラッチ(A)93b、ラッチ(B)93c、D/Aコンバータ93d、バッファ93eを設けている。また、ゲート側駆動回路95は、シフトレジスタ95a、レベルシフタ95b、バッファ95cを設けている。また、必要であればラッチ(B)93cとD/Aコンバータ93dとの間にレベルシフタ回路を設けてもよい。
【0178】
上記の各構成は、実施例1および実施例2について説明した製造方法に従って作製され得る。図8および図9では、画素部および駆動回路の配置構成のみを示しているが、表示パネルの基板上にメモリやマイクロプロセッサを形成してもよい。メモリやマイクロプロセッサを構成するTFTも、駆動回路や画素部のTFTを作製する工程を利用して作製することができる。
【0179】
(実施例5)
図10を参照しながら、本実施例を説明する。
【0180】
本実施例では、実施例1の結晶化方法とは異なる方法で結晶化を行う。図10は、本実施例での作製工程を示す断面図であり、(A)から(D)にしたがって作製工程が順次進行する。
【0181】
まず、ガラス基板50上に厚さ300nmの窒化酸化ケイ素膜から形成された下地絶縁膜51と、厚さ50nmの非晶質ケイ素膜52とをこの順番に堆積する。この堆積工程は、下地絶縁膜と非晶質半導体膜を大気に暴露しないで、同一の薄膜堆積装置内で連続的に形成することが好ましい。
【0182】
次に、酸化ケイ素膜から形成されたマスク絶縁膜53を200nmの厚さに形成する。マスク絶縁膜は、図10(A)に示すように、半導体膜に触媒元素を添加するための開口部を有している。
【0183】
図10(B)に示すように、重量換算で10ppmの触媒元素(本実施例ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素層54を形成する。この時、触媒元素層54は、マスク絶縁膜53の開口部において、選択的に非晶質ケイ素膜52に接触して、触媒元素添加領域55が形成される。ここで使用可能な触媒元素は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)から選ばれた一種または複数の元素である。
【0184】
本実施例では、スピンコート法でニッケルを添加しているが、蒸着法やスパッタ法などによって触媒元素から形成された薄膜(例えばニッケル膜)を非晶質ケイ素膜52上に形成してもよい。
【0185】
次に、500〜650℃(好ましくは550〜600℃)で6〜16時間(好ましくは8〜14時間)の加熱処理を行う。本実施例では、570℃で14時間の加熱処理を行う。その結果、図10(C)に示すように、触媒元素添加領域55に結晶核が発生し、この結晶核を起点として概略基板と平行な方向(矢印で示した方向)に結晶化が進行し、結晶成長方向が巨視的に揃った結晶質ケイ素膜57が形成される。このとき、マスク53上に存在するニッケル54は、マスク膜53に阻まれ、下層のa−Si膜へは到達せず、領域55において導入されたニッケルのみによりa−Si膜52の結晶化が行われる。得られた結晶質シリコン膜に対しては、図10(D)で示すようにレーザ光を照射して結晶性の改善を行ってもよい。
【0186】
本実施例の結晶化方法は、前述した全ての結晶化工程に適応することができる。この結晶化方法によれば、電流駆動能力を更に工事要させた高性能TFTを形成することができる。
【0187】
(実施例6)
図11および図12を参照しながら、半導体層内におけるゲッタリング領域の配置例を説明する。本実施例の配置例は、前述した各実施例におけるnチャネル型TFTおよび/またはpチャネル型TFTに適用することができる。なお、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの両方を同一基板上に作製する場合は、nチャネル型TFTの活性領域におけるゲッタリング領域の面積を、pチャネル型TFTの活性領域におけるゲッタリング領域の面積と概略等しくし、ゲッタリング領域からチャネル領域までの距離を概略等しくすることが好ましい。そのようにすることで、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとの間で、触媒元素のゲッタリング効率を揃えることができるからである。
【0188】
ここで、nチャネル型TFTの活性領域におけるゲッタリング領域とpチャネル型TFTの活性領域におけるゲッタリング領域との面積を概略等しくするということの意味は、それぞれのTFTにおいて、活性領域(チャネル領域)の幅をW、ゲッタリング領域の面積Sとしたとき、活性領域(チャネル領域)の幅Wおよびゲッタリング領域の面積Sの比S/Wがnチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTにおいて概略等しくすることである。
【0189】
以下、本実施例の活性領域に形成されるゲッタリング領域の形状の例を説明する。
【0190】
図11(A)は、希ガス元素が高濃度に含まれたゲッタリング領域1203a、1204aが、ゲート電極1205a下部の活性領域に形成されるチャネル形成領域から離れた位置(活性領域の外縁部)に、ゲート電極1205aと平行方向を長辺とする長方形状で、当該長方形のコーナー部が活性領域のコーナー部に掛かる様に配置された例を示している。
【0191】
図11(B)は、ゲッタリング領域1203b、1204bがゲート電極1205b下部の活性領域に形成されるチャネル形成領域から離れた位置(半活性領域の外縁部)に、ゲート電極1205bと垂直方向を長辺とする長方形状で、当該長方形のコーナー部が活性領域のコーナー部に掛かる様に配置された例を示している。
【0192】
図11(C)は、ゲッタリング領域1203c、1204cがゲート電極1205c下部の活性領域に形成されるチャネル形成領域から離れた位置に(活性領域の外縁部)、ゲート電極1205cと平行方向を長辺とする長方形と垂直方向を長辺とする長方形を組み合わせてできた複雑な形状で、当該形状のコーナー部が活性領域のコーナー部に掛かる様に配置された例を示している。このような配置の場合は、図11(A)または図11(B)に示す配置例と比較して、ゲッタリング領域の面積を大きくすることができ、触媒元素に対するゲッタリング効率をより高められる。
【0193】
上記の何れの配置例に於いても、ゲッタリング領域は、ソース領域またはドレイン領域に形成されるコンタクト部(各TFTを電気的に接続する配線が活性領域と接続される部分を本明細書において、コンタクト部という)の間を流れる電流を妨げない位置に配置されている。即ち、図11(A)のゲッタリング領域1203a、1204aは、ソース領域1201aに形成されているコンタクト部1206aとドレイン領域1202aに形成されているコンタクト部1207aの間を流れる電流を妨げない位置に配置されている。
【0194】
図11(B)のゲッタリング領域1203b、1204bは、ソース領域1201bに接続しているコンタクト部1206bとドレイン領域1202bに形成されているコンタクト部1207bの間を流れる電流を妨げない位置に配置されている。
【0195】
図11(C)のゲッタリング領域1203c、1204cは、ソース領域1201cに形成されているコンタクト部1206cとドレイン領域1202cに形成されているコンタクト部1207cの間を流れる電流を妨げない位置に配置されている。
【0196】
図11(D)は、図11(C)の配置例に比べ、ゲッタリング領域1203d、1204dのゲッタリング効率を拡大するため、ゲッタリング領域1203d、1204dの面積を更に拡大し、ゲッタリング領域1203dがコンタクト部1206dの一部とオーバラップした配置例を示している。ゲッタリング領域1203d、1204dがコンタクト部1206d、1207dの一部とオーバラップしても大きな問題は無いが、オーバラップ部分の面積が大きくなると、コンタクト抵抗の増加が無視できなくなるため好ましくない。このため、オーバラップ部分の面積は、最大でもコンタクト部1206d、1207dの面積の半分以下になるようにすることが好ましい。なお、コンタクト部1206d、1207dとゲッタリング領域1203d、1204dとの間の設計距離は、各々の領域形成に対応するフォトリソグラフィ工程で使用する露光装置のアライメント精度を考慮して設定する必要がある。
【0197】
ゲッタリング領域1204Cの位置は、TFTのオン動作時にソース領域とドレイン領域との間の電流を阻害しないかぎり、図11(A)から(D)に示す位置に限定されず、任意に設定され得る。
【0198】
次に図12(A)および(B)を参照する。
【0199】
図12(A)は、活性領域を複数のゲート電極1205eが横切り、その下部に複数のチャネル形成領域が形成される。また、複数のゲート電極の間には、ソース領域1201e(またはドレイン領域1202e)、ゲッタリング領域1208e、コンタクト部1209eが形成されている。なお、活性領域の外縁部には図11(A)〜(D)と同様にゲッタリング領域1203e、1204eが形成され、その内側にソース領域1201eまたはドレイン領域1202eおよびコンタクト部1206e、1207eが形成されている。図12(A)に示す配置例でも、ゲッタリング領域1203eがコンタクト部1206eの一部とオーバラップしても良い。ただし、オーバラップ部分の面積が最大でもコンタクト部1206e、1207eの半分以下になる様に留意する必要がある。
【0200】
図12(B)も、活性領域を複数のゲート電極1205fが横切り、その下部に複数のチャネル形成領域が形成された配置例を示している。図12(B)のは一例では、3つのTFTが活性領域を共有して、ソース・ドレイン領域が直列に連結されている。この配置例は、各連結部にはコンタクト部が形成されておらず、連結部から電気信号を取り出す必要が無い場合に用いられる。このような構成のTFTは、クロックトインバータやラッチ回路等の回路で実際に使用される。複数のゲート電極の間には、ソース領域1201f(またはドレイン領域1202f)、ゲッタリング領域1208f、が形成されている。
【0201】
なお、活性領域の外縁部には、図11(A)〜(D)と同様にゲッタリング領域1203f、1204fが形成され、その内側にソース領域1201fまたはドレイン領域1202fおよびコンタクト部1206f、1207fが形成されている。連結部の領域においては、ゲッタリング領域1208fが、コンタクト部1206fからコンタクト部1207fへと流れる電流を少なくとも妨げない位置に配置されている。
【0202】
TFTの活性領域の形状およびサイズは、そのTFTに要求される電流量によって適宜設計される。図11(A)から(D)、および図12(A)は、ソース・ドレイン領域よりもチャネル領域の幅が狭められ、くさび形状を有する活性領域を示しており、図12(B)は、ソース・ドレイン領域とチャネル領域の幅が同一となる形状を有する活性領域を示している。活性領域の形状は任意である。
【0203】
ゲッタリングのための加熱処理により、ゲッタリング領域には触媒元素が移動してくるため、触媒元素が、1×1019/cm3以上の濃度となる。
【0204】
(実施例7)
前述したように、本発明による半導体装置は、アクティブマトリクス型の表示装置に好適に用いられる。即ち、本発明は、アクティブマトリクス駆動で動作する表示装置を表示部に備えた電子機器の全てに対して適用することが可能である。本発明を適用できる電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクタ(リア型またはフロント型)、ヘッドマウントディスプレイ(ゴーグル型ディスプレイ)、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。
【0205】
以下、図13、図14及び図15を参照しながら、本発明の半導体装置を備えた電子機器の一例を説明する。
【0206】
まず、図13を参照する。図13(A)に示すパーソナルコンピュータは、本体2001、画像入力部2002、表示部2003、キーボード2004を備えている。
【0207】
図13(B)に示す電子機器は、ビデオカメラであり、本体2101、表示部2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106を備えている。
【0208】
図13(C)に示す電子機器は、モバイルコンピュータ(モービルコンピュータ)であり、本体2201、カメラ部2202、受像部2203、操作スイッチ2204、および表示部2205を備えている。
【0209】
図13(D)に示す電子機器は、ゴーグル型ディスプレイであり、本体2301、表示部2302、アーム部2303を備えている。
【0210】
図13(E)に示す電子機器は、プレーヤであり、データまたはプログラムを記録した記録媒体(以下、記録媒体と呼ぶ)を用いるプレーヤであり、本体2401、表示部2402、スピーカ部2403、記録媒体2404、操作スイッチ2405を備えている。なお、このプレーヤは、記録媒体としてDVDやCDなどを再生し、屋内外での音楽鑑賞、映画鑑賞、ゲーム、およびインターネットを可能にする。
【0211】
図13(F)に示す電子機器は、デジタルカメラであり、本体2501、表示部2502、接眼部2503、操作スイッチ2504、受像部(図示しない)を備えている。
【0212】
本発明による半導体装置を上記電子機器の駆動部に適用することにより、触媒元素を用いた良好な結晶性を有する結晶質ケイ素膜を形成することができ、更に十分に触媒元素をゲッタリングできるため、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとの特性を向上させ、信頼性の高い、安定した回路特性の、良好なCMOS駆動回路を実現することができる。また、オフ動作時のリーク電流が問題となる画素におけるスイッチングTFTや、アナログスイッチ部のサンプリング回路のTFT等でも、触媒元素の偏析によると考えられるリーク電流の発生を十分に抑制することができる。その結果、表示ムラのない良好な表示が可能な上記したような電子機器を実現することができる。
【0213】
図14(A)に示す電子機器は、フロント型プロジェクタであり、投射装置2601、スクリーン2602を備えている。
【0214】
図14(B)に示す電子機器は、リア型プロジェクタであり、本体2701、投射装置2702、ミラー2703、スクリーン2704を備えている。
【0215】
図14(C)は、図14(A)および図14(B)に示す投射装置2601、2702の内部構造の一例を示している。投射装置2601、2702は、光源光学系2801、ミラー2802、2804〜2806、ダイクロイックミラー2803、プリズム2807、液晶表示装置2808、位相差板2809、投射光学系2810で構成される。投射光学系2810は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図14(C)中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0216】
図14(D)は、図14(C)に示す光源光学系2801の内部構造の一例を示している。本実施例では、光源光学系2801は、リフレクター2811、光源2812、レンズアレイ2813、2814、偏光変換素子2815、集光レンズ2816で構成される。なお、図14(D)に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0217】
図14に示したプロジェクタは、透過型の液晶表示装置を用いて構成されているが、反射型の液晶表示装置やその他の表示装置を用いても良い。
【0218】
本発明を上記の電子機器に適応することにより、触媒元素を用いた良好な結晶性を有する結晶質ケイ素膜を形成することができ、触媒元素を充分にゲッタリングできるため、画素におけるスイッチングTFTや、アナログスイッチ部のサンプリング回路のTFT等では、触媒元素の偏析によると考えられるリーク電流の発生を抑制することができ、表示ムラのない良好な表示が可能なプロジェクタを実現することができる。また、表示ムラがないため、光源の制御もしやすくなり、低消費電力化も実現できるようになる。
【0219】
図15(A)に示す電子機器は、携帯電話であり、本発明による半導体装置を用いて作製された表示用パネル3001と、種々の操作キーを有する操作用パネル3002とを供えている。表示用パネル3001と操作用パネル3002とは、接続部3003によって接続されている。接続部3003における、表示用パネル3001の表示部3004が設けられている面と操作用パネル3002の操作キー3006が設けられている面との角度θは、接続部3003によって0°から180°程度の範囲内で任意に変えることができる。
【0220】
この携帯電話は、音声出力部3005、操作キー3006、電源スイッチ3007、および音声入力部3008を有している。
【0221】
図15(B)に示す電子機器は、携帯書籍(電子書籍)であり、本体3101、表示部3102および3103、記憶媒体3104、操作スイッチ3105、ならびにアンテナ3106を備えている。
【0222】
図15(C)に示す電子機器は、ディスプレイ(表示装置)であり、本体3201、支持台3202、表示部3203を備えている。
【0223】
本発明を上記の電子機器に適用することにより、触媒元素を用いた良好な結晶性を有する結晶質ケイ素膜を形成することができ、更に十分に触媒元素をゲッタリングできるため、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとの特性を向上させ、信頼性の高い、安定した回路特性の良好なCMOS駆動回路を実現することができる。また、オフ動作時のリーク電流が問題となる画素におけるスイッチングTFTや、アナログスイッチ部のサンプリング回路のTFT等でも、触媒元素の偏析によると考えられるリーク電流の発生を十分に抑制することができる。その結果、表示ムラのない良好な表示が可能になる。また表示ムラがない良好な表示であるため、光源を必要以上に使用する必要がなく無駄な消費電力を低減することができ、低消費電力化も可能な電子機器(携帯電話、携帯書籍、ディスプレイ)を実現することができる。
【0224】
以上のように、本発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる電子機器に適用することが可能である。
【0225】
【発明の効果】
本発明によれば、触媒元素を用いて作製された良好な結晶性を有する結晶質半導体膜の素子領域における触媒元素、特にチャネル形成領域やチャネル形成領域とソース・ドレイン領域との接合部に残留する触媒元素の濃度を十分に低減することが可能になる。
【0226】
また、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとで触媒元素のゲッタリング効率を揃えることができるため、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの各々について充分なゲッタリングを実行することができ、良好な結晶質半導体膜を得ることができる。このような半導体膜を用いたTFTを用いれば、リーク電流の発生を抑制することができ、且つ、信頼性も向上することができ、更に、特性ばらつきも少ない安定した特性の高性能半導体素子が実現できる。
【0227】
本発明によれば、ゲッタリングのための付加工程の数を低減することができ、製造工程の簡略化が図れる。その結果、良品率を大きく向上できると共に、半導体装置の製造コストを低減することができる。
【0228】
本発明によれば、性能に優れたTFTを高い密度で集積した半導体装置を簡便な製造プロセスで提供することができる。
【0229】
特に、本発明を液晶表示装置に適用した場合、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチングTFTのスイッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するTFTに要求される高性能化・高集積化を同時に満足し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板において、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)から(G)は、本発明の実施形態を示す工程断面図である。
【図2】(A)から(E)は、本発明の実施例を示す工程断面図である。
【図3】(A)から(D)は、本発明の実施例を示す工程断面図である。
【図4】本発明の実施例を示す断面図である。
【図5】本発明の実施例を示す平面図である。
【図6】本発明の実施例を示す断面図である。
【図7】(A)は、本発明の実施例を示す上面図であり、(B)は、その断面図である。
【図8】本発明の実施例を示す平面図である。
【図9】本発明の実施例を示す平面図である。
【図10】(A)から(D)は、本発明の実施例を示す工程断面図である。
【図11】(A)から(D)は、本発明の実施例を示す平面図である。
【図12】(A)および(B)は、本発明の実施例を示す平面図である。
【図13】(A)から(F)は、本発明が適用される電子機器の一例を示す図である。
【図14】(A)から(D)は、本発明が適用される電子機器の一例を示す図である。
【図15】(A)から(C)は、本発明が適用される電子機器の一例を示す図である。
【符号の説明】
11 ガラス基板
12 窒化ケイ素膜からなる下地絶縁膜
13 真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)
13a 結晶質ケイ素膜
13b 結晶質ケイ素膜
14 ニッケル
15 レーザ光
16 島状の結晶質ケイ素膜
17 ゲート絶縁膜
18 ゲート電極
19 マスク
20 希ガス元素
21 ゲッタリング領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a thin film transistor (TFT) and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device including a thin film transistor having a crystalline region manufactured by crystallizing an amorphous semiconductor film as a channel formation region or the like, and a manufacturing method thereof. The present invention is particularly suitably used for active matrix liquid crystal display devices, organic EL display devices, contact image sensors, three-dimensional ICs, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-resolution liquid crystal display devices and organic EL display devices, high-speed, high-resolution contact image sensors, three-dimensional ICs, etc. have been developed on insulating substrates such as glass and insulating films. Attempts have been made to form high performance semiconductor devices. In particular, a liquid crystal display device in which a pixel portion and a drive circuit are provided on the same substrate has begun to enter into a general household as well as a monitor for a personal computer (PC). For example, instead of CRT (Cathode-ray Tube), liquid crystal displays as televisions and front projectors for watching movies and playing games as entertainment have been introduced into ordinary homes. The market for equipment is growing at a considerable rate. Furthermore, development of a system-on-panel in which a logic circuit such as a memory circuit or a clock generation circuit is built on a glass substrate is being promoted.
[0003]
The amount of information written to a pixel increases to display a high-resolution image, and if that information is not written in a short time, an image having an enormous amount of information for high-definition display is displayed as a moving image. Is impossible. Accordingly, high-speed operation is required for TFTs used in driving circuits. In order to enable high-speed operation, it is required to realize a TFT using a crystalline semiconductor film having good crystallinity that can obtain high field effect mobility.
[0004]
As a method for obtaining a good crystalline semiconductor film on a glass substrate, the present inventors have conventionally added a metal element having an action of promoting crystallization to an amorphous semiconductor film, followed by heat treatment. We are developing a technology to obtain a good semiconductor film with uniform crystal orientation by heat treatment at lower temperature and shorter time.
[0005]
However, a TFT manufactured using a crystalline silicon film obtained by using a catalytic element as a semiconductor layer as it is has a problem that off-current suddenly increases. Catalytic element segregates irregularly in the semiconductor film, especially at the grain boundaries, and this segregation of the catalytic element becomes a current escape path (leakage path), which causes sudden off-current. It is thought that it is causing the increase. Therefore, it is necessary to reduce the concentration of the catalytic element in the semiconductor film by moving the catalytic element from the semiconductor film after the crystalline silicon film manufacturing process. Hereinafter, the process of removing the catalyst element is referred to as a gettering process.
[0006]
Various methods have been proposed for this gettering process. In Japanese Patent Laid-Open No. 10-270363, a silicon crystallized by a catalytic element is selectively introduced with a group 5 B (phosphorus, etc.) element such as phosphorus, and a heat treatment is performed. A technique for moving (gettering) a catalytic element to a region into which a Group 5 B element has been introduced is disclosed. According to this technique, the active region of the semiconductor device is formed using a region other than the region where the Group 5 B element is introduced (that is, a region where the concentration of the catalytic element is reduced by gettering).
[0007]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-40499 discloses that a catalytic element is more gettered by irradiating a region where a group 5 B element is selectively introduced with intense light such as laser light and then performing heat treatment. A technique for enhancing the effect of ringing is disclosed.
[0008]
Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-54760 discloses a technique for enhancing the gettering effect on the catalytic element by introducing a Group 3 B element (boron or the like) in addition to the Group 5 B element.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The first problem in the conventional gettering process is that the process becomes complicated due to the addition of a process for gettering, and the manufacturing cost increases. As a solution to this problem, a method of removing the catalytic element from the channel region by moving the catalytic element to the source or drain region of the TFT active region instead of removing all the catalytic element from the TFT active region is considered. It was.
[0010]
In this method, a region to be a source region or a drain region is used as a region for collecting a catalyst element (referred to as a “gettering region” in this specification). Therefore, an element belonging to Group B of the periodic table having a function of moving the catalyst element (typically phosphorus, arsenic, etc .: also an impurity element imparting n-type) is highly concentrated in the source / drain regions. Added and heat-treated. By this heat treatment, the catalyst element moves to the source / drain region, and the concentration of the catalyst element contained in the channel formation region is reduced. At this time, as taught in Japanese Patent Laid-Open No. 11-54760, an impurity element belonging to Group B of the periodic table (typically boron, aluminum, etc .: also an impurity element imparting p-type) is used as a source. -A higher gettering effect can be expected by adding a high concentration to the drain region.
[0011]
However, when the source region or the drain region is used as a gettering region, in an n-channel TFT, an element belonging to Group 5 B that imparts n-type (phosphorus or the like) acts alone as a gettering element. In a channel TFT, only an element belonging to Group 3 B that imparts p-type (boron or the like) does not act as a gettering element. For this reason, it is necessary to add an element (phosphorus or the like) belonging to Group 5 B that imparts n-type as a gettering element to the source region or drain region of the p-channel TFT. That is, in the p-channel TFT, it is necessary to invert the region to which the impurity element imparting n-type at a high concentration is added to p-type (referred to as counter-doping) for the gettering process with respect to the catalyst element. In order to invert the n-type to the p-type in the p-channel TFT semiconductor layer, the p-type impurity element must be added 1.5 to 3 times the n-type impurity element. Therefore, when the amount of addition of an element belonging to Group B that imparts n-type (such as phosphorus) is increased to increase the gettering effect, the amount of addition of an element belonging to Group B that imparts p-type (such as boron) is also increased. It was necessary to raise it to an insane level, and the processing capacity of the doping apparatus was greatly reduced, and it was not a process capable of mass production.
[0012]
Furthermore, as the gettering effect, the addition of an element belonging to Group 3 B that imparts p-type (boron or the like) in addition to an element belonging to Group 5 B that imparts n-type (such as phosphorus) increases. There is also a problem that the gettering capability is not uniform between the n-channel TFT and the p-channel TFT. If there is a difference in gettering capability, the efficiency of moving the catalytic element contained in the semiconductor film to the gettering region differs between the n-channel TFT and the p-channel TFT, resulting in variations in device characteristics. It was one of the causes.
[0013]
In addition, an n-channel TFT that performs gettering only with an element belonging to Group 5 B that imparts n-type (phosphorus or the like) does not have a sufficient gettering effect, and the residual amount of catalyst element in the TFT channel region is still insufficient. It has not been reduced. When the inventors actually conducted experiments using the methods described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 10-270363 and 11-40499 and prototyped TFT elements, there were slight differences in the effects. As can be seen, a defective TFT with a very large leakage current when the TFT is turned off appears with a probability of several percent. Then, when the cause of the defective TFT was analyzed, it was confirmed that silicide due to the catalytic element was present at the junction between the channel region and the drain region. Therefore, in the technique of the above publication, the catalytic element cannot be sufficiently gettered, and even if a high-performance TFT element can be partially manufactured, the defect rate is high, the reliability is low, and mass production is possible. It was not a good technique.
[0014]
On the other hand, as in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-54760, both an impurity element belonging to Group 5 B and an impurity element belonging to Group B are added to the n-channel TFT. The gettering effect can be further enhanced. However, in this case, in the n-channel TFT, the n-type impurity element must be added at a higher concentration than the p-type impurity element. On the other hand, in a p-channel TFT, the p-type impurity element must be added at a higher concentration than the n-type impurity element. Therefore, the manufacturing process becomes very complicated. In addition, since the concentration of the impurity added in the gettering regions in the semiconductor layers having different conductivity types is different, the problem that the gettering efficiency is different between the n-channel TFT and the p-channel TFT cannot be solved.
[0015]
Furthermore, it has been found that the phenomenon that the leakage current increases during the TFT off operation is mainly caused by segregation of the catalytic element present at the junction between the channel region and the drain region. Therefore, when the source region and the drain region are used as gettering regions, the junction between the channel region and the source / drain region is also a boundary between the gettering region and the non-gettering region. It is difficult to suppress an increase in leakage current.
[0016]
The present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a semiconductor device having good characteristics by manufacturing a thin film transistor using a high-quality crystalline semiconductor region.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor layer including a crystalline region including a channel formation region, a source region, and a drain region, a gate electrode that controls conductivity of the channel formation region, the gate electrode, and the semiconductor layer The semiconductor layer includes a gettering region doped with a rare gas element.
[0018]
In a preferred embodiment, the concentration of the rare gas element in the gettering region is higher than the concentration of the rare gas element in the channel formation region, the source region, and the drain region.
[0019]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed outside the crystalline region in the semiconductor layer.
[0020]
In a preferred embodiment, the gettering region is not adjacent to the channel forming region.
[0021]
In a preferred embodiment, the gettering region is located outside a portion where a wiring electrically connecting each thin film transistor is in contact with the semiconductor layer.
[0022]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed at an outer edge portion of the semiconductor layer, and a portion where a wiring electrically connecting each thin film transistor is in contact with the semiconductor layer is a part of the gettering region. And a region including the crystalline region.
[0023]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed at an outer edge portion of the semiconductor layer, and a portion where a wiring electrically connecting each thin film transistor is in contact with the semiconductor layer is in the crystalline region.
[0024]
In a preferred embodiment, a plurality of thin film transistors are allocated to one of the semiconductor layers, the source region or the drain region is shared by the plurality of thin film transistors, and the gettering region is shared by the plurality of thin film transistors. It is formed at a position adjacent to the source region or drain region.
[0025]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed in an outer edge portion of the semiconductor layer and a region sandwiched between the source region or the drain region, and a wiring electrically connecting each thin film transistor is connected to the semiconductor layer. The contact portion is a region including a part of the gettering region and a region including the crystalline region.
[0026]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed in an outer edge portion of the semiconductor layer and a region sandwiched between the source region or the drain region, and a wiring electrically connecting each thin film transistor is connected to the semiconductor layer. The contacting portion is in the crystalline region.
[0027]
In a preferred embodiment, a semiconductor layer including a crystalline region including a channel formation region, a source region, and a drain region, a gate electrode that controls conductivity of the channel formation region, and the gate electrode and the semiconductor layer An n-channel thin film transistor having a gate insulating film provided therebetween, a semiconductor layer including a crystalline region including a channel formation region, a source region, and a drain region, and conductivity of the channel formation region are controlled A semiconductor device comprising a p-channel thin film transistor having a gate electrode and a gate insulating film provided between the gate electrode and the semiconductor layer, wherein each semiconductor layer is doped with a rare gas element Includes gettering area.
[0028]
In a preferred embodiment, the concentration of the rare gas element in the gettering region is higher than the concentration of the rare gas element in the channel formation region, the source region, and the drain region.
[0029]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed outside the crystalline region in each semiconductor layer.
[0030]
In a preferred embodiment, the ratio S / W of the area S of the gettering region to the width W of the active region in the n-channel TFT is such that the ratio of the gettering region to the width W of the active region in the p-channel TFT. It is approximately equal to the ratio S / W of the area S.
[0031]
In a preferred embodiment, the distance L from the junction between the source region or drain region and the channel portion in the n-channel TFT to the gettering region is such that the source region or drain region and the channel portion in the p-channel TFT. Is approximately equal to the distance L from the junction to the gettering region.
[0032]
In a preferred embodiment, the semiconductor layer is made of crystalline silicon.
[0033]
In a preferred embodiment, the gettering region is doped with at least one kind of rare gas element selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe.
[0034]
In a preferred embodiment, the gettering region includes 1 × 10 19 ~ 3x10 twenty one atoms / cm Three Is doped with a rare gas element at a concentration of.
[0035]
In a preferred embodiment, the rare gas element concentration in the channel formation region is 1 × 10 19 atoms / cm Three It is as follows.
[0036]
In a preferred embodiment, the gettering region includes at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Sn, Pb, Pd, Fe, and Cu as a catalytic element for promoting crystallization of an amorphous silicon film. Species elements are present.
[0037]
In a preferred embodiment, the gettering region contains 1 × 10 catalyst elements that promote crystallization of the amorphous silicon film. 19 atoms / cm Three It exists in the above concentration.
[0038]
In a preferred embodiment, the gate electrode is made of at least one material selected from the group consisting of W, Ta, Ti, and Mo.
[0039]
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of preparing an amorphous semiconductor film to which a catalytic element for promoting crystallization is added at least partially, and a first heat treatment for the amorphous semiconductor film. Performing a step of crystallizing at least a part of the amorphous semiconductor film to obtain a semiconductor film including a crystalline region; and patterning the semiconductor film so that each of the plurality of crystalline regions includes a plurality of crystalline regions. A step of forming an island-shaped semiconductor layer; a step of selectively adding a rare gas element to a part of the island-shaped semiconductor layer to form a gettering region; and a second heat treatment, whereby the island-shaped semiconductor layer is formed. Moving at least part of the pre-catalyst element in the semiconductor layer to the gettering region.
[0040]
In a preferred embodiment, the method further includes a step of doping a selected portion of the island-shaped semiconductor layer with an n-type impurity and / or a p-type impurity before performing the second heat treatment.
[0041]
In a preferred embodiment, a step of forming a gate insulating film on the island-shaped semiconductor layer, a step of forming a gate electrode on the gate insulating film, and the island-shaped semiconductor layer not covered with the gate electrode Doping the region with n-type impurities and / or p-type impurities.
[0042]
In a preferred embodiment, the step of preparing the amorphous semiconductor film includes a step of forming a mask having an opening on the amorphous semiconductor film, and the catalyst element is passed through the opening. Adding to selected areas.
[0043]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed at a position adjacent to the source region or drain region of the thin film transistor and not adjacent to the channel region.
[0044]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed in a region other than a region where electrons or holes move.
[0045]
In a preferred embodiment, the gettering region is formed at a position closer to the outer edge of the island-shaped semiconductor layer than the center of the contact region for electrically connecting the island-shaped semiconductor layer and the wiring.
[0046]
In a preferred embodiment, the gettering region partially overlaps the contact region.
[0047]
In a preferred embodiment, the concentration of the rare gas element in the gettering region is 1 × 10 19 ~ 3x10 twenty one atoms / cm Three Adjust within the range.
[0048]
In a preferred embodiment, the rare gas element is at least one element selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe.
[0049]
In a preferred embodiment, the method further includes a step of irradiating the semiconductor film with laser light after the first heat treatment.
[0050]
In a preferred embodiment, the impurity doped in the island-like semiconductor layer is activated by the second heat treatment.
[0051]
In a preferred embodiment, the catalytic element is at least one element selected from the group consisting of Ni, Co, Sn, Pb, Pd, Fe, and Cu.
[0052]
An electronic apparatus according to the present invention includes any one of the above semiconductor devices.
[0053]
In a preferred embodiment, a display unit is provided that performs a display operation using the semiconductor device.
[0054]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventors have found a rare gas element as a new gettering element that replaces the Group 5 B element. The rare gas element has a higher gettering efficiency than the group 5 B element with respect to the catalyst element, and is inert even in the semiconductor film. However, it has been found that the resistance value is greatly deteriorated when added to an n-type or p-type low-resistance semiconductor film. That is, when the catalytic element in the channel region is gettered using the source region and drain region of the TFT active region as a gettering region, a problem of increased resistance occurs when a rare gas element is added to the source region and drain region. Further, when such a source region and drain region are used as a gettering region as they are, the junction between the channel region and the source / drain region is also a boundary between the gettering region and the non-gettering region, and the channel region and the drain region The segregation of the catalytic elements present in the joints cannot be removed.
[0055]
In the present invention, the semiconductor layer functioning as the active region of the TFT has a gettering region separately from the source region and the drain region, and the gettering region is a carrier (electron or hole) of the TFT. The carrier is formed in a region other than the region where the carrier moves so as not to hinder the movement.
[0056]
When the gettering region contains a rare gas element, high gettering efficiency can be realized. In order to ensure gettering efficiency, the concentration of the rare gas element in the gettering region needs to be higher than the concentration of the rare gas element in the channel region and the source / drain regions.
[0057]
By providing the source / drain region and the gettering region at different positions, the addition amount of the n-type impurity and the p-type impurity to be doped into the source / drain region can be set optimally. As a result, the process margin can be expanded and the throughput of the doping apparatus can be greatly improved. Further, the resistance of the source / drain regions can be lowered, and the on-characteristics of the TFT can be improved.
[0058]
By providing a gettering region outside the source / drain region, the concentration of the catalytic element in the source / drain region is sufficiently reduced, so that the catalytic element remaining at the junction between the channel region and the source / drain region creates a leak path. There is almost no possibility. As a result, along with high gettering efficiency due to rare gas elements, it is possible to almost completely suppress an increase in leakage current during off operation, which is a problem in TFT characteristics, and at the same time ensure high reliability. Can do.
[0059]
As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the generation of leakage current due to segregation of the catalytic element, and it is possible to realize a TFT having good characteristics particularly when used as a switching element in a pixel portion.
[0060]
Since a semiconductor film crystallized using a catalytic element exhibits good crystallinity, the TFT of the semiconductor device according to the present invention is good even when used as an element of a drive circuit that requires high field effect mobility. The characteristic can be exhibited.
[0061]
In the TFT manufactured by the prior art, the abnormal increase phenomenon of the leakage current when the TFT is turned off, which was seen with a probability of about 3%, was not seen at all with the semiconductor device according to the present invention.
[0062]
In the liquid crystal display device manufactured using the semiconductor device of the present invention, there is no linear display irregularity (due to the sampling TFT in the driver section) that frequently occurs in the conventional method, or pixel defects due to leakage current at the time of OFF, and display quality is improved. Greatly improve. Moreover, the yield rate can be increased and realized with a simple manufacturing process.
[0063]
By forming the gettering region so as not to be adjacent to the channel formation region, gettering from the junction between the channel region and the source / drain regions can be sufficiently achieved as described above. For this reason, it is possible to almost completely suppress an increase in leakage current at the time of TFT off operation, which is likely to be caused by the segregation residue of the catalytic element at the junction.
[0064]
If a gettering region is formed at a position closer to the outer edge of the semiconductor layer than a region (contact region) to which wiring for electrically connecting each TFT is connected, the path of TFT carriers (electrons or holes) is not obstructed. An efficient arrangement can be realized, and a gettering region having a large area as much as possible can be realized.
[0065]
Even if a gettering region is formed in the outer edge portion of the semiconductor layer and the contact region and the gettering region are partially overlapped, a carrier path that is not obstructed by the gettering region can be secured. The relatively high resistance in the region does not greatly reduce the on-current of the TFT.
[0066]
If the contact region is arranged avoiding the gettering region, the carrier path of the TFT can be secured most stably, and a high on-current can be obtained.
[0067]
When a plurality of TFTs are arranged on the same substrate and various circuits such as a clocked inverter and a latch circuit are formed, a plurality of TFTs are used by using one semiconductor layer (active region) for efficient use of the layout area. It is preferable to form a TFT. In that case, a gettering region can be provided in a portion shared by adjacent TFTs. Even in this case, the gettering region is preferably formed in a region other than the region where the TFT carrier moves. For example, gettering regions can be arranged in the outer edge of the semiconductor layer and in a region sandwiched between source / rain regions.
[0068]
In such a case, the contact region is preferably arranged in a region other than the gettering region, but the contact region and the gettering region may partially overlap as long as the carrier path of the TFT can be secured.
[0069]
The present invention can also be applied to the case where an n-channel TFT and a p-channel TFT are formed on the same substrate. If the n-channel TFT and the p-channel TFT contain the rare gas element having the same concentration as the gettering element, the n-channel TFT and the p-channel TFT have substantially the same gettering capability. The gettering efficiency can be made uniform in the type TFT and the p-channel type TFT.
[0070]
As a result, the concentration of the catalytic element remaining in each of the n-channel TFT and the p-channel TFT becomes substantially equal, and variations in device characteristics due to the residual concentration of the catalytic element can be reduced. Furthermore, the concentration of the catalytic element can be sufficiently reduced at the channel forming region or at the junction between the channel forming region and the source / drain region.
[0071]
In a pair of n-channel TFT and p-channel TFT, the ratio S / W of the area S of the gettering region to the width W of the active region is set to be approximately equal between the n-channel TFT and the p-channel TFT. Is preferred. In addition, it is preferable that the distance L from the junction formed between the source / drain region and the channel portion to the gettering region is approximately the same between the n-channel TFT and the p-channel TFT.
[0072]
The gettering effect for the catalytic element existing in the channel region of the TFT is most dominant in the gettering efficiency of the gettering region. However, as other factors, the ratio of the area of the gettering region to the width of the TFT channel region and the distance L from the TFT channel region to the gettering region are parameters that have an important influence on the gettering effect.
[0073]
The gettering capability increases as the area S of the gettering region increases, and the gettering efficiency of the channel region is determined by S / W. The gettering distance (= “distance L”) necessary for the gettering movement of the catalytic element greatly affects the gettering efficiency for the channel region.
[0074]
In the present invention, the n-channel TFT and the p-channel TFT are designed so that the S / W and the L are substantially the same, and the gettering efficiency is more uniform in the n-channel TFT and the p-channel TFT. In addition, since the remaining catalyst element concentrations in both the n-channel TFT and the p-channel TFT are substantially equal, variation in device characteristics due to the remaining concentration of the catalyst element can be reduced.
[0075]
In the present invention, the active region (semiconductor layer) of the TFT is preferably formed from a crystalline silicon film having crystallinity. By using the crystalline silicon film as the active region, stable TFT characteristics can be obtained, and the balance between the on characteristics and the off characteristics in the TFT is excellent. The manufacturing process is also easy and the material is very easy to handle. In addition to the crystalline silicon film, materials applicable to the present invention include a microcrystalline silicon film and a crystalline germanium film.
[0076]
Next, the manufacturing method of the present invention will be described.
[0077]
In the present invention, an amorphous semiconductor film in which a catalyst element for promoting crystallization is added at least in part is prepared, and the amorphous semiconductor film is subjected to a first heat treatment, whereby an amorphous semiconductor film is obtained. Crystallizing at least a part of the crystalline semiconductor film to obtain a semiconductor film including a crystalline region, and forming a plurality of island-like semiconductor layers each having a crystalline region by patterning the semiconductor film; Then, a rare gas element is selectively added to a part of the island-shaped semiconductor layer to form a gettering region, and a second heat treatment is performed, so that at least one of the previous catalyst elements in the island-shaped semiconductor layer is obtained. Moving the part to the gettering region.
[0078]
Before performing the second heat treatment, an impurity element imparting n-type (n-type impurity element) and / or p is used to form a source / drain region for a selected portion of the island-shaped semiconductor layer. A step of doping an impurity element imparting a mold (p-type impurity element) may be performed.
[0079]
When introducing the catalytic element into the amorphous semiconductor film, first, a mask having an opening is formed on the amorphous semiconductor film, and the catalytic element is applied to a selected region of the amorphous semiconductor film through the mask opening. It may be added. By the subsequent first heat treatment, crystal growth can be performed in the lateral direction from the region where the catalytic element is selectively added to the periphery thereof, so that a crystalline semiconductor film can be formed. As a result, it is possible to obtain a good crystalline semiconductor film in which the crystal growth direction is aligned substantially in one direction, and it is possible to further increase the current driving capability of the TFT.
[0080]
The gettering region is preferably formed adjacent to the source region or the drain region and not adjacent to the channel region in the active region of the TFT. The gettering region is preferably formed in a region other than the region where electrons or holes move.
[0081]
If the gettering region contains one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe, a large interstitial distortion occurs there, and the gettering site serves as a gettering action of the catalytic element. Works powerfully. The group 5 B element (phosphorus, etc.) used in JP-A-10-270363 and JP-A-11-40499 is used as a gettering region by increasing the solid solubility of the catalytic element in the semiconductor film. Although it acts, the rare gas element in the present invention is a completely different action and has a stronger gettering action. If one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe are used, a sufficient gettering effect can be obtained in the present invention. In particular, the most effective of these rare gas elements is Ar is the most effective when Ar is used.
[0082]
The concentration of the rare gas element added to the gettering region of the active region is 1 × 10 19 ~ 3x10 twenty one atoms / cm Three It is preferable that By setting the concentration of the rare gas element in the gettering region within such a range, the gettering effect of the present invention can be suitably obtained. On the other hand, the concentration of the rare gas element in the gettering region is 1 × 10. 19 atoms / cm Three If it is less, the gettering action on the catalytic element cannot be seen. This concentration is 3 × 10 twenty one atoms / cm Three If it is larger, the gettering effect becomes saturated and the film quality of the gettering region becomes porous, causing problems such as peeling of the semiconductor layer in that region.
[0083]
The rare gas element added to the gettering region stays in the region until the semiconductor device is manufactured and does not move to another region.
[0084]
The rare gas element concentration in the channel formation region is 1 × 10 19 atoms / cm Three The following is preferable. Although it is not necessary to forcibly add a rare gas element to the channel region, there is a possibility that a trace amount of a rare gas element is contained in the original film formation of the semiconductor film. In order to obtain the effect of the present invention, it is preferable that the concentration of the rare gas element in the non-gettering region is lower than that in the gettering region. The concentration of the channel region is 1 × 10 19 atoms / cm Three The following is preferable.
[0085]
As the catalyst element, one or more elements selected from Ni, Co, Sn, Pb, Pd, Fe, and Cu can be used. These elements have an effect of promoting crystallization in a small amount. In particular, the most prominent effect can be obtained when Ni is used. The following model can be considered for this reason. The catalytic element does not act alone, but acts on crystal growth by bonding to the silicon film and silicidation. The crystal structure at that time is a model that acts as one type of template during crystallization of the amorphous silicon film and promotes crystallization of the amorphous silicon film. Ni is two Si and NiSi 2 The silicide is formed. NiSi 2 Shows a meteorite-type crystal structure, which is very similar to the diamond structure of single crystal silicon. Moreover, NiSi 2 Has a lattice constant of 5.406 、, which is very close to the lattice constant of 5.430 で in the diamond structure of crystalline silicon. Therefore, NiSi 2 Is the best template for crystallizing an amorphous silicon film, and it is most desirable to use Ni as the catalyst element in the present invention.
[0086]
When the semiconductor device of the present invention is manufactured using such a catalyst element, the above catalyst added as a catalyst element for promoting crystallization of the amorphous silicon film in the gettering region in the final semiconductor device. Elements will be present. The concentration of the catalytic element is 1 × 10 6 in the gettering region. 19 atoms / cm Three As described above, the concentration of the catalytic element in the channel region is 1 × 10 15 ~ 1x10 17 atoms / cm Three Reduced to the extent of the degree. Thus, the catalyst element concentration in the gettering region is increased by 2 to 4 orders of magnitude compared to the catalyst element concentration in the channel region.
[0087]
After crystallization using the above catalyst element, it is preferable to further irradiate the crystalline semiconductor film thus obtained with laser light. By laser light irradiation, crystal grain boundaries and minute residual amorphous regions (uncrystallized regions) are intensively processed due to the difference in melting point between the crystalline portion and the amorphous portion.
[0088]
The crystalline silicon film crystallized by introducing the catalytic element is formed of columnar crystals, and the inside thereof is in a single crystal state. Therefore, when the crystal grain boundary is processed by laser light irradiation, Thus, a high-quality crystalline silicon film close to a single crystal state is obtained, and the crystallinity is greatly improved. As a result, the on-characteristics of the TFT are greatly improved, and a semiconductor device with improved current driving capability can be realized.
[0089]
It is preferable that activation of the n-type impurity element or the p-type impurity element added to the active region is performed at the same time by using a heat treatment performed for gettering. If gettering and activation are performed simultaneously by this heat treatment, the number of steps is shortened. As a result, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
[0090]
When the heat treatment for gettering is performed after the formation of the gate electrode, the gate electrode of the TFT is preferably formed of a material selected from W, Ta, Ti, and Mo, or a combination of these materials. Since heat treatment requires a temperature of 500 ° C. or higher for gettering, a refractory metal is desirable from the viewpoint of heat resistance.
[0091]
The efficiency with which the catalytic element moves to the gettering region can be observed, for example, by the following method.
[0092]
When the catalytic element (nickel) moves to the gettering region due to the influence of the element added to the gettering region, the catalytic element combines with Si in the process of moving from the channel formation region to the gettering region, and thus NiSi. x (Nickel silicide). This nickel silicide forms a silicon oxide film with ammonium hydrogen fluoride (NH Four HF 2 ) 7.13% and ammonium fluoride (NH Four F) is removed by a mixed solution containing 15.4% (product name: LAL500, manufactured by Stella Chemifa Corporation), and the volume ratio is HF (concentration 50%): H 2 O 2 (Concentration 33%): H 2 By immersing the substrate in a chemical solution (FPM solution) mixed at O = 45: 72: 4500 for 40 minutes, NiSi x Can be selectively removed.
[0093]
NiSi x After the removal, the holes become NiSi x The hole after the removal is observed as a black spot in the transmission mode of the optical microscope. If the number of observed black spots is large, it can be evaluated that the catalyst element (nickel) can be moved to the gettering region in a large amount, that is, the gettering efficiency is good.
[0094]
(Embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0095]
In this embodiment, an n-channel TFT is manufactured on a glass substrate. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an n-channel TFT, and the process proceeds in the order of (A) to (G). Although a single TFT is shown in FIG. 1, in practice, a large number of TFTs are formed simultaneously on the same substrate.
[0096]
First, reference is made to FIG.
[0097]
A base insulating film 12 made of a silicon oxide or silicon nitride film having a thickness of 50 to 300 nm is formed on the glass substrate 11. This base insulating film is provided to prevent diffusion of impurities from the glass substrate. Thereafter, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 13 having a film thickness of 20 to 80 nm is deposited on the base insulating film 12.
[0098]
Next, a heat treatment is performed after adding a catalytic element to the a-Si film 13 for crystallization. Specifically, first, an aqueous solution (nickel acetate aqueous solution) containing, for example, 10 ppm of a catalytic element (nickel in this embodiment) in terms of weight is applied to the a-Si film 13 by a spin coating method to contain the catalytic element. Layer 14 is formed. The catalyst elements that can be used here are iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium. These are one or more elements selected from the group consisting of (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au). The amount of the catalytic element to be added is extremely small, and the concentration of the catalytic element on the surface of the a-Si film 13 is managed by the total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method. In the present embodiment, the catalyst element concentration on the surface of the a-Si film 13 is 7 × 10. 12 atoms / cm 2 Adjusted to degree.
[0099]
In this embodiment, a method of adding nickel by a spin coating method is used. However, a thin film (a nickel film in this embodiment) formed from a catalytic element is formed by an evaporation method, a sputtering method, or the like. It may be deposited on top.
[0100]
Next, the substrate subjected to the above treatment is heated in an inert atmosphere (for example, a nitrogen atmosphere). This heat treatment is preferably performed at 550 to 600 ° C. for about 30 minutes to 4 hours (for example, at 580 ° C. for 1 hour). In this heat treatment, nickel 14 added to the surface of the a-Si film 13 diffuses into the a-Si film 13 and silicidation occurs, and the a-Si film 13 is crystallized using the generated silicide as a nucleus. Progresses. As a result, the a-Si film 13 is crystallized to become a crystalline silicon film 13a. Although crystallization is performed here by heat treatment using a furnace, crystallization may be performed by an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus using a lamp or the like as a heat source.
[0101]
Next, as shown in FIG. 1B, the crystalline silicon film 13b is irradiated with a laser beam 15 to form a crystalline silicon film 14b with improved crystallinity of the crystalline silicon film 13a. As the laser light, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 nsec) or a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) can be used. The beam size of the laser light is formed to be a long shape on the surface of the substrate 11, and the entire surface of the substrate can be recrystallized by sequentially scanning in the direction perpendicular to the long direction. preferable. At this time, scanning is performed so that parts of the beams overlap each other, so that laser irradiation is performed a plurality of times at any one point of the crystalline silicon film 13a, and uniformity can be improved. In this way, the crystalline silicon film 13a obtained by solid-phase crystallization is reduced in crystal defects by a melting and solidifying process by laser irradiation, and becomes a higher quality crystalline silicon film 13b.
[0102]
Thereafter, unnecessary portions of the crystalline silicon film 13b are removed, and element isolation is performed. By this step, as shown in FIG. 1C, an island-like crystalline silicon film 16 that will later become an active region (source / drain region, channel region) of the TFT is formed. In this specification, each “active region” refers to an individual island-shaped semiconductor layer including a source / drain region, a channel formation region, and a gettering region. In the present invention, one or more thin film transistors are formed using one active region.
[0103]
Next, a gate insulating film 17 covering these island-like crystalline silicon films 16 is formed. As the gate insulating film 17, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm is preferable. In this embodiment, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm is used.
[0104]
After depositing a conductive film on the gate insulating film 17 by sputtering or CVD, the conductive film is patterned to form the gate electrode 18. As the conductive film, refractory metals W, Ta, Ti, Mo, or any of these alloy materials may be used. The thickness of the conductive film is preferably 300 to 600 nm. In this embodiment, the gate electrode 18 is formed from Ta to which nitrogen having a thickness of 450 nm is added in a small amount.
[0105]
Next, as shown in FIG. 1D, a mask 19 made of a resist is formed over the gate insulating film 17 so as to cover the gate electrode 18. This mask 19 does not cover all of the island-shaped semiconductor, and a part (outer edge portion) of the active region 16 of the TFT is exposed. In this state, a rare gas element (Ar in this embodiment) 20 is ion-doped from above the substrate 11 to the entire surface of the substrate 11. Through this step, the rare gas element 20 is implanted into the exposed region 21 of the TFT active region 16 to form the gettering region 21. A region covered with the mask 19 is not doped with a rare gas element. As the rare gas element, one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe can be used. The doping condition is that the rare gas element concentration in the gettering region 21 is 1 × 10. 19 ~ 3x10 twenty one atoms / cm Three It is adjusted to become.
[0106]
After removing the mask 19, an n-type impurity (phosphorus) 22 is implanted into the active region 16 at a high concentration by ion doping using the gate electrode 18 as a mask as shown in FIG. By this step, high concentration phosphorus 22 is implanted into the region 24 not covered with the gate electrode 18 in the TFT active region 16. Of the region where phosphorus 22 is implanted, the portion other than the gettering region 21 finally becomes the source / drain region of the TFT. Further, the region 23 masked by the gate electrode 18 and not implanted with phosphorus 22 finally becomes a channel region of the TFT. Next, heat treatment is performed in an inert atmosphere (for example, a nitrogen atmosphere) to perform gettering as illustrated in FIG. Specifically, in the gettering region 21 formed outside the source / drain region 24, argon 20 that is highly doped is used to replace nickel existing in the channel region 23 and the source / drain region 24, The channel region is moved to the source / drain region and the gettering region 21 in the direction indicated by the arrow 25. Therefore, the catalyst element remaining at the channel forming region of the TFT active region or the junction between the channel forming region and the source region or the drain region can be gettered, and generation of a leakage current due to segregation of the catalyst element can be suppressed. .
[0107]
As described above, in the embodiment of the present invention, the gettering region 21 exists in the active region 16, and the gettering region 21 is provided in a portion other than the source region and the drain region. Since the gettering region 21 is separated from the pn junction located between the channel region and the source / drain regions, the problem of causing leakage of impurities that promote crystallization remains in the pn junction. can do.
[0108]
In addition, since the gettering region does not exist on the current path between the source and the drain, even if the electrical resistance of the gettering region is increased by introducing a rare gas element, the electrical resistance of the source region or the drain region is increased. There is no problem.
[0109]
Note that the catalytic element moves to the gettering region by the above heat treatment step, and thus the catalytic element in the gettering region is 1 × 10 6. 19 / Cm Three It becomes the above density.
[0110]
This heat treatment is desirably performed in the range of 450 to 600 ° C. for 30 minutes to 8 hours. Similar processing is possible with RTA. In this heat treatment step, the n-type impurity (phosphorus) 22 doped in the source / drain region 24 is also activated, and the sheet resistance value of the source / drain region 24 is lowered to 2 kΩ / □ or less. Is done.
[0111]
Subsequently, as shown in FIG. 1G, after a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed as the interlayer insulating film 26, contact holes are formed. Next, TFT electrodes / wirings 27 are formed on the interlayer insulating film 26 by deposition and patterning of a metal material.
[0112]
Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete the TFT 28 shown in FIG. Furthermore, if necessary, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on the TFT 28 for the purpose of protecting the TFT 28. In this manner, a semiconductor device including a thin film transistor can be obtained.
[0113]
The semiconductor device of the present embodiment is a top gate type in which the gate electrode is formed on the semiconductor layer, but the present invention is not limited to this, and the bottom gate type in which the gate electrode is located below the semiconductor layer, or It is also possible to apply to other types of transistors.
[0114]
In this embodiment, silicon is used as a semiconductor, but the present invention is not limited to this. Other types of semiconductor materials may be used. The base of the semiconductor layer is not limited to the glass substrate, and may be a plastic substrate, an insulator that is not a flat plate, or a semiconductor substrate on which an interlayer insulating film is deposited.
[0115]
Note that the “semiconductor device” in this specification does not refer only to individual TFTs but includes a wide range of devices having a structure utilizing the properties of a semiconductor, such as an active matrix substrate and a three-dimensional LSI.
[0116]
(Example 1)
A first embodiment of the present invention will be described.
[0117]
In this embodiment, a peripheral drive circuit of an active matrix type liquid crystal display device and a circuit having a CMOS structure in which an n-channel TFT and a p-channel TFT forming a general thin film integrated circuit are complementary are formed on a glass substrate. The manufacturing process will be described.
[0118]
2 and 3 are cross-sectional views showing a manufacturing process of a TFT described in this embodiment. The processes are sequentially performed in the order of FIGS. 2 (A) to 2 (E) and FIGS. 3 (A) to 3 (D). To do.
[0119]
First, reference is made to FIG. As the substrate 101, a low alkali glass substrate or a quartz substrate can be used. In this embodiment, a low alkali glass substrate is used. In this case, heat treatment may be performed in advance at a temperature lower by about 10 to 20 ° C. than the glass strain point. In order to prevent impurity diffusion from the substrate 101, a base film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed on the surface of the substrate 101 on which the TFT is formed. In this embodiment, for example, SiH is formed by plasma CVD. Four , NH Three , N 2 A silicon oxynitride film produced from a material gas of O is formed as a lower first undercoat film 102, and SiHH is similarly formed thereon by plasma CVD. Four , N 2 A second base film 103 was stacked using O as a material gas. At this time, the film thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 102 is set to 25 to 200 nm (for example, 100 nm), and the film thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 103 is set to 25 to 300 nm (for example, 100 nm). . In this embodiment, a two-layer base film is used, but for example, a single layer of a silicon oxide film may be used.
[0120]
Next, a silicon film (a-Si film) 104 having an amorphous structure with a thickness of 20 to 150 nm (preferably 30 to 80 nm) is formed by a known method such as a plasma CVD method or a sputtering method. In this example, an amorphous silicon film was formed to a thickness of 50 nm by plasma CVD. Further, since the base films 102 and 103 and the amorphous silicon film 104 can be formed by the same film formation method, both may be formed continuously. After the formation of the base film, it is possible to prevent contamination of the surface by not exposing it to the air atmosphere, and it is possible to reduce variations in characteristics of TFTs to be manufactured and variations in threshold voltage.
[0121]
Next, a small amount of catalyst element (nickel in this embodiment) 105 is added onto the surface of the a-Si film 104. The nickel 105 was added in a small amount by holding the nickel solution on the a-Si film 104, uniformly spreading the solution on the substrate 101 with a spinner, and drying. In this example, nickel acetate was used as the solute, water was used as the solvent, and the nickel concentration in the solution was 10 ppm.
[0122]
When the nickel concentration on the surface of the a-Si film 104 in the state of FIG. 2A is measured by a total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method, 7 × 10 7 is obtained. 12 atoms / cm 2 It was about. As a method of adding the catalytic element to the a-Si film 104, a gas phase method such as a plasma doping method, a vapor deposition method, or a sputtering method can be used in addition to a method of applying a solution containing the catalytic element. . In the method using a solution, the addition amount of the catalyst element can be easily controlled, and a very small amount can be easily added.
[0123]
Next, heat treatment is performed in an inert atmosphere (for example, a nitrogen atmosphere). As the heat treatment at this time, annealing treatment is performed at 520 to 600 ° C. for 1 to 8 hours. In this example, heat treatment was performed at 580 ° C. for 1 hour. In this heat treatment, nickel 105 added to the surface of the a-Si film 104 diffuses into the a-Si film 104 and silicidation occurs, and the crystallization of the a-Si film 104 proceeds using silicide as a nucleus. . As a result, the a-Si film 104 is crystallized into a crystalline silicon film 106 as shown in FIG.
[0124]
Next, as shown in FIG. 2C, the crystalline silicon film 106 is melted and recrystallized by irradiating the laser beam 107 to improve its crystallinity. As the laser light at this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) was used. The laser light irradiation condition is an energy density of 250 to 500 mJ / cm. 2 (For example, 400 mJ / cm 2 ). The beam size was formed to be a long shape of 150 mm × 1 mm on the surface of the substrate 101, and scanning was sequentially performed with a step width of 0.05 mm in a direction perpendicular to the long direction. That is, a total of 20 laser irradiations are performed at any one point of the crystalline silicon film 106. In this manner, the crystalline silicon film 106 obtained by solid-phase crystallization is reduced in crystal defects by a melting and solidifying process by laser irradiation, and becomes a higher quality crystalline silicon film 108. Lasers that can be used at this time include pulse oscillation type or continuous emission type KrF excimer laser, XeCl excimer laser, YAG laser, or YVO. Four A laser can be used. The practitioner may select the crystallization conditions as appropriate.
[0125]
Thereafter, unnecessary portions of the crystalline silicon film 108 are removed, and element isolation is performed. By this step, as shown in FIG. 2D, the island-shaped crystalline silicon film 109n serving as an active region where an n-channel TFT is formed and the island-shaped serving as an active region where a p-channel TFT is formed. A crystalline silicon film 109p is formed.
[0126]
Here, for the purpose of controlling the threshold voltage of the transistor, 1 × 10 5 is applied to the entire active region of the n-channel TFT and the p-channel TFT. 16 ~ 5x10 17 / Cm Three You may add boron as a p-type impurity element so that it may become a density | concentration of a grade. Boron may be added by an ion doping method, or may be added at the same time when an amorphous silicon film is deposited.
[0127]
Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm (in this embodiment, a thickness of 100 nm) is formed as the gate insulating film 110 so as to cover the crystalline silicon films 109n and 109p serving as the active regions. For the formation of the silicon oxide film, TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) was used as a raw material, and was decomposed and deposited by RF plasma CVD with oxygen. The substrate temperature at the time of deposition was 150 to 600 ° C. (preferably 300 to 450 ° C.). After the film formation, the bulk characteristics of the gate insulating film 110 and the interface characteristics between the crystalline silicon film and the gate insulating film are shown. In order to improve, annealing may be performed at 500 to 600 ° C. for 1 to 4 hours in an inert gas atmosphere. As the gate insulating film 110, another insulating film containing silicon may be used as a single layer or a stacked structure.
[0128]
Next, as shown in FIG. 2D, after depositing a refractory metal by a sputtering method, this is patterned to form gate electrodes 111n and 111p. As the refractory metal, an element selected from tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo) titanium (Ti), an alloy containing the element as a main component, or an alloy film combining the elements (typical) For example, the conductive layer (A) 107 may be formed of tantalum nitride (TaN), tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN) film, molybdenum nitride (MoN). MoN) is used. Further, tungsten silicide, titanium silicide, or molybdenum silicide may be applied as another alternative material. In this embodiment, tungsten (W) is used and the thickness is set to 300 to 600 nm, for example, 450 nm. At this time, it is preferable to reduce the concentration of impurities contained in order to reduce the resistance, and by setting the oxygen concentration to 30 ppm or less, a specific resistance value of 20 μΩcm or less could be realized.
[0129]
Next, a low concentration impurity (phosphorus) 112 is implanted into the active region by ion doping using the gate electrodes 111n and 111p as a mask. As doping gas, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 1 × 10 12 ~ 1x10 14 cm -2 For example 2 × 10 13 cm -2 And In this process, in the island-shaped silicon films 109n and 109p, the regions not covered with the gate electrodes 111n and 111p become regions 114n and 114p into which low-concentration phosphorus 112 has been implanted, and are masked by the gate electrodes 111n and 111p. The regions where no ions are implanted later become channel regions 113n and 113p of n-channel TFTs and p-channel TFTs. This state corresponds to FIG.
[0130]
Next, as shown in FIG. 2E, a doping mask 115 made of photoresist is provided so as to cover the gate electrode 111n of the subsequent n-channel TFT, and the active region 109p of the subsequent p-channel TFT is covered. Thus, a doping mask 116 made of a photoresist is provided. Thereafter, an impurity (phosphorus) 117 is implanted into the active region by ion doping using the resist masks 115 and 116 as a mask. As doping gas, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 1 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 5 × 10 15 cm -2 And By this step, the region 119 into which the impurity (phosphorus) 117 is implanted at a high concentration later becomes the source / drain region of the n-channel TFT. In the active region 109n, the region covered with the resist mask 115 and not doped with the high concentration phosphorus 117 remains as a region 114n into which low concentration phosphorus is implanted, thereby forming an LDD (Lightly Doped Drain) region 118. To do. By forming the LDD region 118 in this way, electric field concentration at the junction between the channel region and the source / drain region can be alleviated, leakage current at the time of TFT off operation can be reduced, and deterioration due to hot carriers can be suppressed. And the reliability of the TFT can be improved. In the active region 109p of the later p-channel TFT, since the entire surface is covered with the mask 116, the high concentration phosphorus 117 is not doped.
[0131]
Next, after removing the resist masks 115 and 116, as shown in FIG. 3A, a resist mask 120 is provided so as to cover the active region 109n of the n-channel TFT. In this state, a p-type impurity (boron) 121 is implanted into the active region 109p of the p-channel TFT by ion doping using the resist mask 120 and the gate electrode 111p of the p-channel TFT as a doping mask. At this time, diborane (B 2 H 6 ), The acceleration voltage is 40 kV to 80 kV, for example, 65 kV, and the dose is 1 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 5 × 10 15 cm -2 And By this step, the region 122 into which boron 121 is implanted at a high concentration becomes the source / drain region of the p-channel TFT, and the region where impurities are not implanted by being masked by the gate electrode 111p is the channel region 113p of the p-channel TFT. Become. In this step, since the active region 109n of the n-channel TFT is entirely covered with the mask 120, the boron 121 is not doped.
[0132]
When doping an n-type impurity and a p-type impurity, each region is selectively doped by covering a region where doping is not necessary with a photoresist. As a result, an n-type high concentration impurity region 119 and a p-type impurity region 122 are formed, and an n-channel TFT and a p-channel TFT can be formed as shown in FIG. In this embodiment, the p-type impurity element is doped after the n-type impurity element is doped, but the order of doping is not limited to this.
[0133]
Next, after removing the resist mask 120, as shown in FIG. 3B, a resist mask 122 is formed so as to cover the gate electrode 111n of the n-channel TFT and the gate electrode 111p of the p-channel TFT. The resist mask 122 does not cover and expose a part (outer edge portion) of the active region 109n of the n-channel TFT and the active region 109p of the p-channel TFT.
[0134]
In this state, as shown in FIG. 3B, a rare gas element (Ar in this embodiment) 123 is ion-doped on the entire surface of the substrate from above. By this step, a rare gas element 123 is implanted into the exposed region of the TFT active region, and a gettering region 124 is formed at the outer edge portion of the active region 109n of the n-channel TFT and the active region 109p of the p-channel TFT. The
[0135]
As the rare gas element to be doped, any one or plural kinds of rare gas elements selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe can be used. A region covered with the resist mask 19 in the active region is not doped with a rare gas element.
[0136]
In this embodiment, 100% Ar is used as the doping gas, the acceleration voltage is set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 1 × 10. 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 3 × 10 15 cm -2 The conditions were adopted. According to this condition, the concentration of the rare gas element in the gettering region 124 is 1 × 10 19 ~ 3x10 twenty one atoms / cm Three It becomes.
[0137]
In this embodiment, the layout is designed so that the ratio (W / S) of the area S of the gettering region 124 to the channel width W of the TFT is about 1. Usually, an n-channel TFT and a p-channel TFT have different current driving capabilities. In the case of this embodiment, the current driving capability of the n-channel TFT is twice or more larger than that of the p-channel TFT. Therefore, in order to pass the same current between the n-channel TFT and the p-channel TFT, it is necessary to set the channel width of the p-channel TFT to be large. For example, if the channel region width W in the active region 109n of the n-channel TFT is 20 μm, the channel width W in the active region 109p of the p-channel TFT is set to 40 μm. In this case, the area of the gettering region 124 in each active region is set so that the p-channel TFT is approximately twice as large as the n-channel TFT. By doing so, the gettering efficiency can be made equal in the active regions of the n-channel TFT and the p-channel TFT.
[0138]
Next, after removing the resist mask 122, heat treatment is performed in an inert atmosphere (for example, a nitrogen atmosphere). In this embodiment, a heat treatment step is performed in a nitrogen atmosphere at 500 to 600 ° C. for 30 minutes to 8 hours, more preferably at a temperature of 530 to 580 ° C. for 30 minutes to 2 hours. By this heat treatment step, gettering proceeds as shown in FIG. That is, in the active region 109n of the n-channel TFT, argon 123 that is doped at a high concentration in the gettering region 124 formed outside the source / drain region becomes the channel region 113n, the LDD region 118, and the source / drain region. Nickel present in the region 119 is moved in the direction indicated by the arrow 125 from the channel region to the LDD region, further to the source / drain region, and finally to the gettering region 124. Further, in the active region 109p of the p-channel TFT, argon 123 that is highly doped in the gettering region 124 formed outside the source / drain region is present in the channel region 113p and the source / drain region 122. Similarly, the nickel being moved is moved from the channel region to the source / drain region and the gettering region 124 in the direction indicated by the arrow 125.
[0139]
Since nickel moves to the gettering region 124 by the above heat treatment process, the nickel concentration in the gettering region 124 is 1 × 10 5. 19 / Cm Three It rises with the above.
[0140]
In this manner, in this embodiment, the remaining catalyst element can be gettered in the channel forming region of the TFT active region, the junction between the channel formation region and the source / drain region, or the junction with the LDD region. In addition, generation of leakage current due to segregation of catalyst elements can be suppressed.
[0141]
According to the above heat treatment process, the n-type impurity (phosphorus) 117 doped in the source / drain region 119 and the LDD region 118 of the n-channel TFT and the p-type doped in the source / drain region 122 of the p-channel TFT. The activation of the type impurity (phosphorus) 121 is also performed at the same time. As a result, the sheet resistance value of the source / drain region 119 of the n-channel TFT is about 400 to 700 Ω / □, and the sheet resistance value of the LDD region 118 is 30 to 60 kΩ / □. The sheet resistance value of the source / drain region 122 of the p-channel TFT is about 1 to 1.5 kΩ / □.
[0142]
In this embodiment, in the active region of the n-channel TFT and the p-channel TFT, a gettering region is formed in a region different from the source region or the drain region. Therefore, a part of the TFT active region is introduced by introducing a rare gas element. Even if the electrical resistance is gradually referred to, the transistor characteristics are not affected.
[0143]
The above heat treatment step may be performed using RTA (Rapid Thermal Annealing).
[0144]
Next, as shown in FIG. 3D, an inorganic interlayer insulating film that covers the n-channel TFT and the p-channel TFT is formed. As the interlayer insulating film, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon nitride oxide film is preferably formed with a thickness of 400 to 1500 nm (typically 600 to 1000 nm). In this example, a 200-nm-thick silicon nitride film 126 and a 700-nm-thick silicon oxide film 127 are stacked to form a two-layer structure. These films were formed using a plasma CVD method. The deposition of silicon nitride film is SiH Four And NH Three The silicon oxide film is deposited using TEOS and O. 2 As a raw material. These two layers were formed continuously.
[0145]
The inorganic interlayer insulating film is not limited to the above example, and other insulating films containing silicon and other films may be deposited as a single layer or stacked layers.
[0146]
Next, heat treatment is performed at 300 to 500 ° C. for 1 to 12 hours to hydrogenate the semiconductor layer. This step is performed to supply hydrogen atoms to the active region / gate insulating film interface to terminate and inactivate dangling bonds that degrade the TFT characteristics. In this example, heat treatment was performed at 410 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere containing about 3% hydrogen. If the amount of hydrogen contained in the interlayer insulating film (particularly the silicon nitride film 126) is sufficient, the effect can be obtained even if heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere. As another means of hydrogenation, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) may be performed.
[0147]
After a contact hole is formed in the interlayer insulating film, a TFT electrode / wiring 128 is formed from a metal material (for example, a double layer film of titanium nitride and aluminum). The titanium nitride film is provided as a barrier film for the purpose of preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour to complete the n-channel TFT 201 and the p-channel TFT 202 shown in FIG. Further, if necessary, contact holes are provided also on the gate electrodes 111n and 111p, and necessary electrodes are connected by the wiring 128. For the purpose of protecting the TFT, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on each TFT.
[0148]
The field effect mobility of each TFT manufactured according to the above example is 250 to 300 cm for an n-channel TFT. 2 / Vs, 120-150cm for p-channel TFT 2 / Vs is high, and the threshold voltage is about 1V for the N-type TFT and about -1.5V for the P-type TFT, and exhibits very good characteristics. In addition, there was no abnormal increase in leakage current frequently observed in the TFT off operation, which was frequently observed in the conventional example, and even when repeated measurements and durability tests due to bias and temperature stress were performed, there was almost no deterioration in characteristics. In addition, when a circuit such as an inverter chain or a ring oscillator is formed with a CMOS structure circuit in which the n-channel TFT and the p-channel TFT manufactured in this embodiment are complementarily configured, it is much more difficult than the conventional one. High reliability and stable circuit characteristics.
[0149]
(Example 2)
In this embodiment, a process of manufacturing an active matrix substrate with a built-in driver for liquid crystal display using the n-channel TFT 201 and the p-channel TFT 202 manufactured in Embodiment 1 will be described below.
[0150]
Please refer to FIG.
[0151]
First, an n-channel TFT 201 and a p-channel TFT 202 that form the driver circuit 205 are manufactured using the method described in Embodiment 1. At this time, the pixel TFT 203 and the storage capacitor 204 are simultaneously formed in the pixel portion 206 on the same substrate. In the present specification, a substrate having the configuration shown in FIG. 4 is referred to as an “active matrix substrate”.
[0152]
The n-channel TFT 201 of the drive circuit 205 has a channel formation region 113n, a source / drain region 119, an LDD region 118, and a gettering region 124 in the active region 109n. The n-channel TFT 201 further includes a gate insulating film 110 formed on the active region 109 n and a gate electrode 111 n formed on the gate insulating film 110, and is connected to the source / drain region 119. The wiring 128 is connected to another TFT.
[0153]
The p-channel TFT 202 of the driver circuit has a channel formation region 113p, a source / drain region 122, and a gettering region 124 in the active region 109p. The p-channel TFT 202 further includes a gate insulating film 110 formed on the active region 109 p and a gate electrode 111 p formed on the gate insulating film 110, and is connected to the source / drain region 122. The wiring 128 is connected to another TFT.
[0154]
In FIG. 4, only two TFTs are shown as TFTs constituting the drive circuit 205, but in reality, many other TFTs constituting the drive circuit 205 are formed on the same substrate.
[0155]
The pixel TFT 203 of the pixel portion 206 is manufactured in exactly the same process as the process of manufacturing the n-channel TFT 201 of the driver circuit 205. The pixel TFT 203 includes a channel formation region 113g, a source / drain region 119, an LDD region 118, and a gettering region 124 in an active region 109g. A double gate structure in which two gate electrodes 111g are arranged in series is formed on the gate insulating film 110. This double gate structure has a function of suppressing a leakage current during an off operation. In order to further suppress this leakage current, it is desirable that the length of the LDD region is also optimized and formed to be longer than the LDD region of the n-channel TFT 201 in the driver circuit portion. Since the position of the LDD region 118 is defined by the resist mask, the length of the LDD region can be designed to an arbitrary value for an arbitrary TFT by adjusting the layout of the resist mask.
[0156]
The pixel TFT 204 of this embodiment has a double gate structure as described above, but the pixel TFT 204 may have a single gate structure or a multi-gate structure provided with a plurality of gate electrodes. You may have.
[0157]
The storage capacitor portion 204 is formed of a semiconductor layer 109c having a region 119 in which an n-type impurity element is partially added, with an insulating film generated from the same material as the gate insulating film 110 serving as a capacitor. Is formed of an electrode 111c made of the same material as the gate electrode 111. These electrodes are all formed simultaneously with the manufacturing process of the n-channel TFT.
[0158]
A pixel electrode 129 is formed on the interlayer insulating film having a two-layer structure of the silicon nitride film 126 and the silicon oxide film 127 by forming a transparent conductive film with a thickness of 80 to 120 nm and patterning the transparent conductive film. For transparent conductive films, in addition to commonly used ITO, indium zinc oxide alloy (In 2 O Three -ZnO) and zinc oxide (ZnO) are also suitable materials, and zinc oxide (ZnO: Ga) to which gallium (Ga) is added can also be applied to increase visible light transmittance and conductivity. .
[0159]
In the pixel portion 206, electrodes / wirings 130 and 131 that are electrically connected to the source / drain regions 119 are formed. The electrode 131 is connected to the pixel electrode 129, and the electrode 130 is connected to the source bus line. A video signal is supplied to the electrode 130 via the source bus line, and necessary charges are written to the pixel electrode 129 based on the gate signal of the gate bus line 111g.
[0160]
In the storage capacitor portion 204, the pixel electrode 129 is electrically connected to the n-type impurity addition region 119 of the semiconductor layer 109 c functioning as one electrode forming the storage capacitor by the wiring 132. Note that these electrodes are formed of the same material at the same time in the process of forming the wiring 128 of the n-channel TFT 201 and the p-channel TFT 202 in the driver circuit portion.
[0161]
Note that although a transparent conductive film is used as the pixel electrode 129 in this embodiment, a reflective display device can be manufactured by forming a pixel electrode using a reflective conductive material. it can. In that case, the pixel electrode can be formed at the same time in the step of manufacturing the electrode, and the material of the pixel electrode should be a highly reflective material such as a film containing Al or Ag as a main component or a laminated film thereof. Is desirable.
[0162]
FIG. 5 shows a top view of the active matrix substrate manufactured through the above steps. The AA ′ line in FIG. 5 corresponds to the AA ′ line in FIG. 4 and crosses the active region 109g, the gate electrode 111g, and the wiring 130 of the pixel TFT. Similarly, the BB ′ line in FIG. 5 corresponds to the BB ′ line in FIG. 4 and crosses the semiconductor layer 109c, the pixel electrode 129, and the wiring 131.
[0163]
As described above, in this embodiment, it is possible to optimize the structure of the TFT constituting each circuit according to the specifications required by the pixel TFT and the driving circuit, and to improve the operation performance and reliability of the semiconductor device. Further, by forming the gate electrode from a conductive material having heat resistance, the gettering efficiency of the catalytic element can be increased and the process can be simplified, and the activation of the LDD region, the source region, and the drain region can be easily performed. In addition, the wiring resistance can be sufficiently reduced by forming the wiring with a low resistance material. Therefore, the present invention can be applied to a display device having a pixel portion (screen size) of 10 inch class or more.
[0164]
(Example 3)
In this embodiment, an active matrix liquid crystal display device (also referred to as a liquid crystal display panel) is manufactured from the active matrix substrate of Embodiment 2.
[0165]
Please refer to FIG.
[0166]
First, an active matrix substrate shown in FIG. 4 is prepared. By patterning an organic resin film such as an acrylic resin film on the active matrix substrate, columnar spacers 181 for maintaining a distance between the counter substrate and the active matrix substrate to be provided later are formed at predetermined positions. Instead of the columnar spacers, spherical spacers may be scattered over the entire surface of the substrate. Thereafter, an alignment film 180 is formed, and the alignment film 180 is rubbed.
[0167]
Next, a counter substrate 182 is prepared. Color layers 183 and 184 and a planarization film 185 are formed on the counter substrate 182. The red colored layer 183 and the blue colored layer 184 are partially overlapped to form the second light shielding portion. Although not shown in FIG. 6, the first light-shielding portion is formed by partially overlapping the red colored layer and the green colored layer. After the counter electrode 186 is formed in the pixel portion, an alignment film 187 is formed on the entire surface of the counter substrate, and a rubbing process is performed.
[0168]
Next, the active matrix substrate on which the pixel portion 206 and the driving circuit 205 are formed is bonded to a counter substrate with a sealant 188. A filler is mixed in the sealing material 188, and two substrates are bonded to each other with a uniform interval by the filler and the columnar spacer. Thereafter, a liquid crystal material 189 is injected between both the substrates and completely sealed with a sealant (not shown). A known liquid crystal material may be used for the liquid crystal material 189.
[0169]
Thus, the active matrix type liquid crystal display device shown in FIG. 6 is completed. If necessary, the active matrix substrate or the counter substrate is divided into a predetermined shape. Further, after appropriately providing a polarizing plate or the like using a known technique, an FPC (Flexible Printed Circuit) is attached.
[0170]
Next, the configuration of the liquid crystal display panel manufactured by the above method will be described with reference to FIG. In FIG. 7, the same reference numerals are used for portions corresponding to those in FIG.
[0171]
FIG. 7A illustrates an upper surface of the liquid crystal display panel in a state where an active matrix substrate and a counter substrate 182 provided with a color filter or the like are bonded to each other with a sealant 188 interposed therebetween. FIG. 7A illustrates a pixel portion 206, driving circuits 205a and 205b, an external input terminal 210 to which an FPC is attached, a connection wiring 211 for connecting the external input terminal to the input portion of each circuit, and the like.
[0172]
FIG. 7B shows a cross section taken along line ee ′ of the external input terminal 210 shown in FIG. An FPC formed of a base film 213 and a wiring 214 is bonded to the external input terminal 210 by an anisotropic conductive resin 215, and mechanical strength is further enhanced by a reinforcing plate. The wiring 217 is formed by patterning a conductive film deposited to form the pixel electrode 140. Since the outer diameter of the conductive particles 216 is smaller than the pitch of the wirings 217, if the amount dispersed in the adhesive 215 is appropriate, the conductive particles 216 are electrically connected to the corresponding wiring on the FPC side without short-circuiting with the adjacent wirings. A connection can be formed.
[0173]
The liquid crystal display panel of this embodiment can be used as a display portion of various electronic devices. When the lighting evaluation of the liquid crystal display device of this example was actually performed, the display unevenness was clearly smaller than that of the conventional liquid crystal display device, the pixel defect due to TFT leakage was extremely small, and a high display quality liquid crystal panel with a high contrast ratio was obtained. Obtained.
[0174]
Example 4
The semiconductor device of this example will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows an analog driving circuit configuration of a semiconductor device including a source side driving circuit 90, a pixel portion 91, and a gate side driving circuit 92. In this specification, the “drive circuit” is a general term for circuits including a source side processing circuit and a gate side drive circuit.
[0175]
The source side driving circuit 90 of this embodiment includes a shift register 90a, a buffer 90b, and a sampling circuit (transfer gate) 90c. The gate side driving circuit 92 includes a shift register 92a, a level shifter 92b, and a buffer 92c. If necessary, a level shifter circuit may be provided between the sampling circuit and the shift register.
[0176]
The pixel portion 91 is composed of a plurality of pixels arranged in a matrix composed of rows and columns, and each pixel includes the TFT element configured as described above. Although not shown, a gate side driver circuit may be further provided on the opposite side of the gate side driver circuit 92 with the pixel portion 91 interposed therebetween.
[0177]
When digital driving is performed instead of analog driving, a latch (A) 93b and a latch (B) 93c may be provided instead of the sampling circuit, as shown in FIG. The source side driving circuit 93 includes a shift register 93a, a latch (A) 93b, a latch (B) 93c, a D / A converter 93d, and a buffer 93e. The gate side driving circuit 95 includes a shift register 95a, a level shifter 95b, and a buffer 95c. If necessary, a level shifter circuit may be provided between the latch (B) 93c and the D / A converter 93d.
[0178]
Each of the above configurations can be manufactured according to the manufacturing method described for the first and second embodiments. 8 and 9 show only the arrangement of the pixel portion and the driver circuit, a memory or a microprocessor may be formed on the substrate of the display panel. The TFTs constituting the memory and the microprocessor can also be manufactured using a process for manufacturing a TFT of a driver circuit or a pixel portion.
[0179]
(Example 5)
The present embodiment will be described with reference to FIG.
[0180]
In this example, crystallization is performed by a method different from the crystallization method of Example 1. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing process in this example, and the manufacturing process proceeds sequentially according to (A) to (D).
[0181]
First, a base insulating film 51 formed of a silicon nitride oxide film having a thickness of 300 nm and an amorphous silicon film 52 having a thickness of 50 nm are deposited in this order on the glass substrate 50. In this deposition step, it is preferable that the base insulating film and the amorphous semiconductor film are continuously formed in the same thin film deposition apparatus without exposing them to the atmosphere.
[0182]
Next, a mask insulating film 53 formed of a silicon oxide film is formed to a thickness of 200 nm. As shown in FIG. 10A, the mask insulating film has an opening for adding a catalytic element to the semiconductor film.
[0183]
As shown in FIG. 10B, a catalytic element layer 54 is formed by applying an aqueous solution (nickel acetate aqueous solution) containing a catalytic element (nickel in this embodiment) of 10 ppm in terms of weight by a spin coating method. At this time, the catalytic element layer 54 selectively contacts the amorphous silicon film 52 at the opening of the mask insulating film 53 to form the catalytic element addition region 55. The catalyst elements that can be used here are iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum. One or more elements selected from (Pt), copper (Cu), and gold (Au).
[0184]
In this embodiment, nickel is added by spin coating, but a thin film (for example, nickel film) formed from a catalytic element may be formed on the amorphous silicon film 52 by vapor deposition or sputtering. .
[0185]
Next, heat treatment is performed at 500 to 650 ° C. (preferably 550 to 600 ° C.) for 6 to 16 hours (preferably 8 to 14 hours). In this embodiment, heat treatment is performed at 570 ° C. for 14 hours. As a result, as shown in FIG. 10C, crystal nuclei are generated in the catalytic element addition region 55, and crystallization proceeds in a direction substantially parallel to the substrate (in the direction indicated by the arrow) starting from the crystal nuclei. Thus, the crystalline silicon film 57 in which the crystal growth directions are aligned macroscopically is formed. At this time, the nickel 54 existing on the mask 53 is blocked by the mask film 53 and does not reach the underlying a-Si film, and the a-Si film 52 is crystallized only by the nickel introduced in the region 55. Done. The obtained crystalline silicon film may be improved in crystallinity by irradiation with laser light as shown in FIG.
[0186]
The crystallization method of this embodiment can be applied to all the crystallization steps described above. According to this crystallization method, it is possible to form a high-performance TFT that requires further current driving capability.
[0187]
(Example 6)
An arrangement example of gettering regions in the semiconductor layer will be described with reference to FIGS. 11 and 12. The arrangement example of this embodiment can be applied to the n-channel TFT and / or the p-channel TFT in each of the embodiments described above. Note that in the case where both an n-channel TFT and a p-channel TFT are formed on the same substrate, the area of the gettering region in the active region of the n-channel TFT is set to be equal to that of the gettering region in the active region of the p-channel TFT. It is preferable that the distance is approximately equal to the area and the distance from the gettering region to the channel region is approximately equal. By doing so, the gettering efficiency of the catalytic element can be made uniform between the n-channel TFT and the p-channel TFT.
[0188]
Here, the meaning that the areas of the gettering region in the active region of the n-channel TFT and the gettering region in the active region of the p-channel TFT are approximately equal means that in each TFT, the active region (channel region) The width S of the active region (channel region) and the ratio S / W of the area S of the gettering region are approximately equal in the n-channel TFT and the p-channel TFT. That is.
[0189]
Hereinafter, an example of the shape of the gettering region formed in the active region of this embodiment will be described.
[0190]
FIG. 11A shows a position where gettering regions 1203a and 1204a containing a rare gas element at a high concentration are separated from a channel formation region formed in an active region under the gate electrode 1205a (outer edge portion of the active region). In addition, an example is shown in which a rectangular shape having a long side in the direction parallel to the gate electrode 1205a is arranged so that the corner portion of the rectangle extends over the corner portion of the active region.
[0191]
FIG. 11B illustrates a case where the gettering regions 1203b and 1204b extend in a direction perpendicular to the gate electrode 1205b at a position away from the channel formation region formed in the active region below the gate electrode 1205b (outer edge portion of the semi-active region). In this example, the sides are rectangular, and the corners of the rectangles are placed on the corners of the active region.
[0192]
FIG. 11C illustrates that the gettering regions 1203c and 1204c are separated from the channel formation region formed in the active region below the gate electrode 1205c (the outer edge portion of the active region), and the long side is parallel to the gate electrode 1205c. In this example, a rectangular shape is combined with a rectangular shape having a long side in the vertical direction, and the corner portion of the shape is arranged so as to hang over the corner portion of the active region. In the case of such an arrangement, the area of the gettering region can be increased as compared with the arrangement example shown in FIG. 11A or FIG. 11B, and the gettering efficiency for the catalytic element can be further increased. .
[0193]
In any of the above arrangement examples, the gettering region is a contact portion formed in the source region or the drain region (the portion where the wiring electrically connecting each TFT is connected to the active region is referred to in this specification). , Which is referred to as a contact portion). That is, the gettering regions 1203a and 1204a in FIG. 11A are arranged at positions that do not hinder current flowing between the contact portion 1206a formed in the source region 1201a and the contact portion 1207a formed in the drain region 1202a. Has been.
[0194]
The gettering regions 1203b and 1204b in FIG. 11B are arranged at positions that do not hinder current flowing between the contact portion 1206b connected to the source region 1201b and the contact portion 1207b formed in the drain region 1202b. Yes.
[0195]
The gettering regions 1203c and 1204c in FIG. 11C are arranged at positions that do not hinder current flowing between the contact portion 1206c formed in the source region 1201c and the contact portion 1207c formed in the drain region 1202c. Yes.
[0196]
In FIG. 11D, the area of the gettering regions 1203d and 1204d is further expanded in order to increase the gettering efficiency of the gettering regions 1203d and 1204d, compared to the arrangement example of FIG. Shows an arrangement example in which a part of the contact portion 1206d overlaps. There is no significant problem even if the gettering regions 1203d and 1204d overlap with a part of the contact portions 1206d and 1207d, but an increase in the area of the overlap portion is not preferable because an increase in contact resistance cannot be ignored. For this reason, it is preferable that the area of the overlap portion is at most half of the area of the contact portions 1206d and 1207d. Note that the design distance between the contact portions 1206d and 1207d and the gettering regions 1203d and 1204d needs to be set in consideration of the alignment accuracy of the exposure apparatus used in the photolithography process corresponding to each region formation.
[0197]
The position of the gettering region 1204C is not limited to the position shown in FIGS. 11A to 11D as long as the current between the source region and the drain region is not inhibited during the on-operation of the TFT, and can be arbitrarily set. .
[0198]
Reference is now made to FIGS.
[0199]
In FIG. 12A, a plurality of gate electrodes 1205e cross the active region, and a plurality of channel formation regions are formed below the active region. A source region 1201e (or drain region 1202e), a gettering region 1208e, and a contact portion 1209e are formed between the plurality of gate electrodes. 11A to 11D, gettering regions 1203e and 1204e are formed in the outer edge portion of the active region, and source regions 1201e or drain regions 1202e and contact portions 1206e and 1207e are formed inside the gettering regions 1203e and 1204e. ing. In the arrangement example shown in FIG. 12A, the gettering region 1203e may overlap with part of the contact portion 1206e. However, it is necessary to pay attention so that the area of the overlap portion is at most half of the contact portions 1206e and 1207e.
[0200]
FIG. 12B also illustrates an arrangement example in which a plurality of gate electrodes 1205f crosses the active region and a plurality of channel formation regions are formed therebelow. In one example of FIG. 12B, three TFTs share an active region, and source / drain regions are connected in series. This arrangement example is used when a contact portion is not formed in each connecting portion and it is not necessary to take out an electrical signal from the connecting portion. The TFT having such a configuration is actually used in a circuit such as a clocked inverter or a latch circuit. A source region 1201f (or drain region 1202f) and a gettering region 1208f are formed between the plurality of gate electrodes.
[0201]
11A to 11D, gettering regions 1203f and 1204f are formed in the outer edge portion of the active region, and source regions 1201f or drain regions 1202f and contact portions 1206f and 1207f are formed inside the gettering regions 1203f and 1204f. Has been. In the connection portion region, the gettering region 1208f is arranged at a position that does not at least prevent the current flowing from the contact portion 1206f to the contact portion 1207f.
[0202]
The shape and size of the active region of the TFT are appropriately designed according to the amount of current required for the TFT. 11 (A) to 11 (D) and FIG. 12 (A) show an active region having a wedge shape in which the width of the channel region is narrower than that of the source / drain regions, and FIG. An active region having a shape in which the widths of the source / drain regions and the channel region are the same is shown. The shape of the active region is arbitrary.
[0203]
Due to the heat treatment for gettering, the catalytic element moves to the gettering region. 19 / Cm Three It becomes the above density.
[0204]
(Example 7)
As described above, the semiconductor device according to the present invention is suitably used for an active matrix display device. In other words, the present invention can be applied to all electronic devices including a display device that operates in active matrix driving in a display portion. Electronic devices to which the present invention can be applied include video cameras, digital cameras, projectors (rear type or front type), head mounted displays (goggles type displays), personal computers, personal digital assistants (mobile computers, mobile phones, electronic books, etc.) ) And the like.
[0205]
Hereinafter, an example of an electronic apparatus including the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIGS. 13, 14, and 15.
[0206]
First, referring to FIG. A personal computer illustrated in FIG. 13A includes a main body 2001, an image input portion 2002, a display portion 2003, and a keyboard 2004.
[0207]
An electronic device illustrated in FIG. 13B is a video camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an audio input portion 2103, operation switches 2104, a battery 2105, and an image receiving portion 2106.
[0208]
An electronic device illustrated in FIG. 13C is a mobile computer, and includes a main body 2201, a camera portion 2202, an image receiving portion 2203, an operation switch 2204, and a display portion 2205.
[0209]
An electronic device illustrated in FIG. 13D is a goggle type display, which includes a main body 2301, a display portion 2302, and an arm portion 2303.
[0210]
An electronic device illustrated in FIG. 13E is a player and a player that uses a recording medium (hereinafter, referred to as a recording medium) in which data or a program is recorded, and includes a main body 2401, a display portion 2402, a speaker portion 2403, and a recording medium. 2404 and an operation switch 2405 are provided. This player reproduces a DVD or CD as a recording medium, and enables music indoors and outdoors, movie appreciation, games, and the Internet.
[0211]
An electronic device illustrated in FIG. 13F is a digital camera, which includes a main body 2501, a display portion 2502, an eyepiece portion 2503, an operation switch 2504, and an image receiving portion (not illustrated).
[0212]
By applying the semiconductor device according to the present invention to the drive unit of the electronic device, a crystalline silicon film having good crystallinity using a catalytic element can be formed, and the catalytic element can be sufficiently gettered. The characteristics of the n-channel TFT and the p-channel TFT can be improved, and a high-reliability, stable circuit characteristic and good CMOS driving circuit can be realized. In addition, even in a switching TFT in a pixel in which a leakage current during an off operation is a problem, a TFT in a sampling circuit of an analog switch portion, etc., the generation of a leakage current considered to be due to segregation of a catalytic element can be sufficiently suppressed. As a result, it is possible to realize the electronic device as described above that can perform good display without display unevenness.
[0213]
An electronic device illustrated in FIG. 14A is a front projector, and includes a projection device 2601 and a screen 2602.
[0214]
An electronic device illustrated in FIG. 14B is a rear projector, and includes a main body 2701, a projection device 2702, a mirror 2703, and a screen 2704.
[0215]
FIG. 14C shows an example of the internal structure of the projection devices 2601 and 2702 shown in FIGS. 14A and 14B. The projection devices 2601 and 2702 include a light source optical system 2801, mirrors 2802 and 2804 to 2806, a dichroic mirror 2803, a prism 2807, a liquid crystal display device 2808, a phase difference plate 2809, and a projection optical system 2810. Projection optical system 2810 includes an optical system including a projection lens. Although the present embodiment shows a three-plate type example, it is not particularly limited, and for example, a single-plate type may be used. Further, the practitioner may appropriately provide an optical system such as an optical lens, a film having a polarization function, a film for adjusting a phase difference, or an IR film in the optical path indicated by an arrow in FIG. Good.
[0216]
FIG. 14D illustrates an example of an internal structure of the light source optical system 2801 illustrated in FIG. In this embodiment, the light source optical system 2801 includes a reflector 2811, a light source 2812, lens arrays 2813 and 2814, a polarization conversion element 2815, and a condenser lens 2816. Note that the light source optical system illustrated in FIG. 14D is an example and is not particularly limited. For example, the practitioner may appropriately provide an optical system such as an optical lens, a film having a polarization function, a film for adjusting a phase difference, or an IR film in the light source optical system.
[0217]
Although the projector shown in FIG. 14 is configured using a transmissive liquid crystal display device, a reflective liquid crystal display device or other display devices may be used.
[0218]
By applying the present invention to the above electronic device, a crystalline silicon film having good crystallinity using a catalytic element can be formed, and the catalytic element can be sufficiently gettered. The TFT of the sampling circuit of the analog switch unit can suppress the occurrence of a leak current considered to be due to segregation of the catalytic element, and can realize a projector capable of good display without display unevenness. Further, since there is no display unevenness, it becomes easy to control the light source, and low power consumption can be realized.
[0219]
An electronic device illustrated in FIG. 15A is a mobile phone, and includes a display panel 3001 manufactured using the semiconductor device according to the present invention and an operation panel 3002 having various operation keys. The display panel 3001 and the operation panel 3002 are connected by a connection unit 3003. An angle θ between the surface of the connection portion 3003 on which the display portion 3004 of the display panel 3001 is provided and the surface on which the operation key 3006 of the operation panel 3002 is provided is approximately 0 ° to 180 ° depending on the connection portion 3003. It can be arbitrarily changed within the range.
[0220]
This mobile phone has an audio output unit 3005, operation keys 3006, a power switch 3007, and an audio input unit 3008.
[0221]
An electronic device illustrated in FIG. 15B is a portable book (electronic book), which includes a main body 3101, display portions 3102 and 3103, a storage medium 3104, an operation switch 3105, and an antenna 3106.
[0222]
An electronic device illustrated in FIG. 15C is a display (display device), and includes a main body 3201, a support base 3202, and a display portion 3203.
[0223]
By applying the present invention to the above electronic device, a crystalline silicon film having good crystallinity using a catalytic element can be formed, and the catalytic element can be sufficiently gettered. The characteristics of the TFT and the p-channel TFT can be improved, and a CMOS drive circuit with high reliability and stable circuit characteristics can be realized. In addition, even in a switching TFT in a pixel in which a leakage current during an off operation is a problem, a TFT in a sampling circuit of an analog switch portion, etc., the generation of a leakage current considered to be due to segregation of a catalytic element can be sufficiently suppressed. As a result, a good display without display unevenness is possible. In addition, because it is a good display with no display unevenness, it is not necessary to use a light source more than necessary, and it is possible to reduce wasteful power consumption and to reduce power consumption (cell phones, portable books, displays) ) Can be realized.
[0224]
As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to all electronic devices.
[0225]
【The invention's effect】
According to the present invention, a catalytic element in an element region of a crystalline semiconductor film having a good crystallinity manufactured using a catalytic element, particularly, a channel forming region or a channel forming region and a junction between the channel forming region and the source / drain region. It is possible to sufficiently reduce the concentration of the catalytic element.
[0226]
In addition, since the gettering efficiency of the catalytic element can be made uniform between the n-channel TFT and the p-channel TFT, sufficient gettering can be performed for each of the n-channel TFT and the p-channel TFT, which is favorable. A crystalline semiconductor film can be obtained. If a TFT using such a semiconductor film is used, the generation of leakage current can be suppressed, the reliability can be improved, and a high-performance semiconductor element having stable characteristics with little characteristic variation can be obtained. realizable.
[0227]
According to the present invention, the number of additional steps for gettering can be reduced, and the manufacturing process can be simplified. As a result, the yield rate can be greatly improved and the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.
[0228]
According to the present invention, a semiconductor device in which TFTs having excellent performance are integrated at a high density can be provided by a simple manufacturing process.
[0229]
In particular, when the present invention is applied to a liquid crystal display device, the improvement of the switching characteristics of the pixel switching TFT required for the active matrix substrate and the high performance and high integration required for the TFT constituting the peripheral drive circuit section are simultaneously achieved. Satisfactory, in a driver monolithic active matrix substrate in which the active matrix portion and the peripheral drive circuit portion are formed on the same substrate, the module can be made compact, high performance, and low cost.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1G are process cross-sectional views illustrating an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2E are process cross-sectional views illustrating an embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 3A to 3D are process cross-sectional views illustrating an embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
7A is a top view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a cross-sectional view thereof.
FIG. 8 is a plan view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view showing an embodiment of the present invention.
FIGS. 10A to 10D are process cross-sectional views illustrating an example of the present invention. FIGS.
11A to 11D are plan views showing an embodiment of the present invention.
FIGS. 12A and 12B are plan views showing an embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 13A to 13F are diagrams showing examples of electronic devices to which the present invention is applied. FIGS.
FIGS. 14A to 14D are diagrams illustrating an example of an electronic apparatus to which the present invention is applied.
FIGS. 15A to 15C are diagrams showing examples of electronic devices to which the present invention is applied. FIGS.
[Explanation of symbols]
11 Glass substrate
12 Underlying insulating film made of silicon nitride film
13 Intrinsic (type I) amorphous silicon film (a-Si film)
13a Crystalline silicon film
13b Crystalline silicon film
14 Nickel
15 Laser light
16 Island-like crystalline silicon film
17 Gate insulation film
18 Gate electrode
19 Mask
20 Noble gas elements
21 Gettering area

Claims (14)

結晶化を促進する触媒元素が少なくとも一部に添加された非晶質ケイ素膜を用意する工程と、
前記非晶質ケイ素膜に対して第1の加熱処理を行うことにより、前記非晶質ケイ素膜の少なくとも一部を結晶化し、結晶質領域を含む半導体膜を得る工程と、
前記半導体膜をパターニングすることにより、それぞれが結晶質領域を備えた複数の島状半導体層を形成する工程と、
前記島状半導体層のうちチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域となる領域以外の領域の一部に選択的に希ガス元素を添加し、ゲッタリング領域を形成する工程と、
第2の加熱処理を行うことにより、前記島状半導体層中の前触媒元素の少なくとも一部を前記ゲッタリング領域に移動させる工程と、
を包含し、
前記触媒元素はニッケルであり、
前記ゲッタリング領域を、前記島状半導体層のうち薄膜トランジスタのソース領域またはドレイン領域となる領域と隣接し、チャネル領域となる領域とは隣接しないような位置に形成する半導体装置の製造方法。
Preparing an amorphous silicon film to which a catalytic element for promoting crystallization is added at least in part;
Wherein by performing the first heat treatment with respect to the amorphous silicon film, wherein at least a portion of the amorphous silicon film is crystallized, to thereby obtain a semiconductor film containing a crystalline region,
Forming a plurality of island-like semiconductor layers each having a crystalline region by patterning the semiconductor film;
A step of selectively adding a rare gas element to a part of the island-shaped semiconductor layer other than a region to be a channel region, a source region, and a drain region to form a gettering region;
By performing the second heat treatment, a step of moving at least a part of the previous SL catalyst element of the island-like semiconductor layers in the gettering region,
It encompasses,
The catalytic element is nickel;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the gettering region is formed at a position adjacent to a region that becomes a source region or a drain region of a thin film transistor in the island-shaped semiconductor layer and not adjacent to a region that becomes a channel region .
前記第2の加熱処理を行う前に、前記島状半導体層のうち前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記ゲッタリング領域となる領域にn型不純物および/またはp型不純物をドープする工程を更に包含する請求項に記載の製造方法。Before performing the second heat treatment, the method further includes a step of doping an n-type impurity and / or a p-type impurity into the source region, the drain region, and the gettering region of the island-shaped semiconductor layer. The manufacturing method according to claim 1 . 前記島状半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記島状半導体層のうち前記ゲート電極に覆われていない領域に対してn型不純物および/またはp型不純物をドープする工程と、
を包含する請求項に記載の製造方法。
Forming a gate insulating film on the island-like semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Doping an n-type impurity and / or a p-type impurity into a region of the island-shaped semiconductor layer that is not covered with the gate electrode;
The process according to claim 1 including.
前記非晶質ケイ素膜を用意する工程は、
開口部を有するマスクを前記非晶質ケイ素膜上に形成する工程と、
前記開口部を通して前記触媒元素を前記非晶質ケイ素膜の選択された領域に添加する工程と
を含請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。
The step of preparing the amorphous silicon film includes
Forming a mask having an opening on the amorphous silicon film;
The process according to the step of adding the catalyst element to a selected region of the amorphous silicon film through the opening in any of including claims 1 to 3.
前記ゲッタリング領域は、電子または正孔が移動する領域以外の領域に形成される請求項1から4のいずれかに記載の製造方法。The gettering region, the production method according to claims 1, electrons or holes Ru is formed in a region other than the region to be moved to one of the 4. 前記ゲッタリング領域は、前記島状半導体層と配線とを電気的に接続するためのコンタクト領域の中心よりも前記島状半導体層の外縁に近い位置に形成される請求項1から5のいずれかに記載の製造方法。The gettering region is any one of claims 1 to 5, which is formed on the outer edge near the position of the island-shaped semiconductor layer of the center of the contact region for electrically connecting the line and the island-shaped semiconductor layer The manufacturing method as described in. 前記ゲッタリング領域は、前記コンタクト領域と部分的にオーバラップしている請求項に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 6 , wherein the gettering region partially overlaps the contact region. 前記ゲッタリング領域における前記希ガス元素の濃度を1×1019〜3×1021atoms/cm3の範囲内に調節する請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。The process according to any one of claims 1 to 7 to adjust the concentration of the rare gas element in the gettering region in the range of 1 × 10 19 ~3 × 10 21 atoms / cm 3. 前記希ガス元素は、Ar、Kr、およびXeからなる群から選択された少なくとも1種の元素である請求項1から8のいずれかに記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, wherein the rare gas element is at least one element selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe. 前記第1の加熱処理の後、前記半導体膜にレーザ光を照射する工程を更に包含する請求項1から9のいずれかに記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, further comprising a step of irradiating the semiconductor film with laser light after the first heat treatment. 前記第2の加熱処理により、前記島状半導体層にドープされた前記不純物の活性化を行う請求項2または3に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 2 , wherein the impurity doped in the island-shaped semiconductor layer is activated by the second heat treatment. 前記複数の島状半導体層はnチャネル型薄膜トランジスタ用島状半導体層とpチャネル型薄膜トランジスタ用島状半導体層とを含み、The plurality of island-shaped semiconductor layers include an island-shaped semiconductor layer for an n-channel thin film transistor and an island-shaped semiconductor layer for a p-channel thin film transistor,
前記nチャネル型薄膜トランジスタ用島状半導体層における前記島状半導体層の幅Wに対する前記ゲッタリング領域の面積Sの比S/Wが、前記pチャネル型薄膜トランジスタ用島状半導体層における前記島状半導体層の幅Wに対する前記ゲッタリング領域の面積S  The ratio S / W of the area S of the gettering region to the width W of the island-shaped semiconductor layer in the island-shaped semiconductor layer for the n-channel thin film transistor is the island-shaped semiconductor layer in the island-shaped semiconductor layer for the p-channel thin film transistor. The area S of the gettering region with respect to the width W of の比S/Wと概略等しい請求項1から11のいずれかに記載の製造方法。The manufacturing method according to any one of claims 1 to 11, which is substantially equal to the ratio S / W.
前記複数の島状半導体層はnチャネル型薄膜トランジスタ用島状半導体層とpチャネル型薄膜トランジスタ用島状半導体層とを含み、The plurality of island-shaped semiconductor layers include an island-shaped semiconductor layer for an n-channel thin film transistor and an island-shaped semiconductor layer for a p-channel thin film transistor,
前記nチャネル型薄膜トランジスタ用島状半導体層における前記ソース領域またはドレイン領域となる領域と前記チャネル領域となる領域との接合部から前記ゲッタリング領域までの距離Lが、前記pチャネル型薄膜トランジスタ用島状半導体層における前記ソース領域またはドレイン領域となる領域と前記チャネル領域となる領域との接合部から前記ゲッタリング領域までの距離Lと概略等しい請求項1から12のいずれかに記載の製造方法。  The distance L from the junction between the region that becomes the source region or the drain region and the region that becomes the channel region in the island-like semiconductor layer for the n-channel type thin film transistor to the gettering region is an island shape for the p-channel type thin film transistor. 13. The manufacturing method according to claim 1, wherein a distance L from a junction between a region to be the source region or the drain region and a region to be the channel region in the semiconductor layer to the gettering region is approximately equal.
前記ゲート電極は、W、Ta、Ti、およびMoからなる群から選択された少なくとも1種の材料から形成されている請求項3に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 3, wherein the gate electrode is made of at least one material selected from the group consisting of W, Ta, Ti, and Mo.
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