JP4307853B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の作製方法に関し、特に結晶化を促進するための元素を用いた結晶化工程を有する半導体装置の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、薄膜トランジスタ(以下、TFTと略記)を用いた表示装置あるいは集積回路装置などの開発が注目されている。
【0003】
TFTを構成する半導体層として、ファーネスによる熱処理やレーザー光照射して非晶質半導体膜を結晶化することにより形成した結晶質半導体膜が用いられている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平10−189449号公報(第5−11、第2図)
結晶質半導体膜を用いることにより、非晶質半導体膜で形成したTFTよりも非常に高い電界効果移動度を有するTFTを作製できる。しかしながら、結晶質半導体膜は主に多結晶性の膜であり、各々の結晶粒の結晶軸が一様でないため、膜面には複数の面方位が存在する。結晶質半導体膜の面方位の違いはTFTの電気的特性の差を生じ、結果として同一基板内に形成したTFTの特性ばらつきを生じる要因となる。
【0005】
TFTの特性ばらつきは、TFTを用いた回路の誤作動などを引き起こす原因となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題を鑑み、本発明では、特定の面方位に対する配向比率が高い膜面を有する結晶質半導体膜を用いた半導体装置の作製方法について提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の作製方法は、複数の非晶質半導体膜を積層した状態で、最上層の膜の上に結晶化を促進するための元素を添加し、熱処理することを特徴としている。
【0008】
本発明の半導体装置の作製方法は、第1の非晶質半導体膜を形成する工程と、前記第1の非晶質半導体膜の上に分離膜を形成する工程と、前記分離膜の上に第2の非晶質半導体膜を形成する工程と、前記第2の非晶質半導体膜の上に結晶化を促進するための元素を添加した後、熱処理を施し、第1の結晶質半導体膜と第2の結晶質半導体膜を形成する工程と、前記分離膜と前記第2の結晶質半導体膜を除去する工程とを有することを特徴としている。
【0009】
分離膜は、第1の非晶質半導体膜の層と第2の非晶質半導体膜の層とを分離するために設けられる膜である。なお、分離膜は、結晶化を促進するための元素が拡散できるよう、薄い膜であることが好ましい。
【0010】
第1の非晶質半導体膜および、第2の非晶質半導体膜としては、非晶質珪素膜や、珪素中に非晶質シリコンゲルマニウム膜などを用いることできる。また、第1の非晶質半導体膜および、第2の非晶質半導体膜を形成する方法は、プラズマCVD法、LPCVD法、スパッタ法、蒸着法のいずれの方法を用いても構わない。
【0011】
なお、第1の非晶質半導体膜と第2の非晶質半導体膜とは同じ材料で形成してもよく、または、第1の非晶質半導体膜と第2の非晶質半導体膜とをそれぞれ異なる材料により形成してもよい。つまり、第1の結晶質半導体膜と第2の非晶質半導体膜の膜との両方とも非晶質珪素膜(或いは、非晶質シリコンゲルマニウム膜など)を用いて形成してもよいし、或いは、第1の非晶質半導体膜として非晶質珪素膜を用い、第2の非晶質半導体膜として非晶質シリコンゲルマニウム膜を用いて形成しても構わない。また、第1の非晶質半導体膜として非晶質シリコンゲルマニウム膜を用い、第2の非晶質半導体膜として非晶質珪素膜を用いても構わない。
【0012】
前記第1の非晶質半導体膜が水素等を含有する膜である場合、前記第1の非晶質半導体膜の形成後、前記第1の非晶質半導体膜に結晶核が発生しないような温度条件下で熱処理し、膜中に含有されている水素を放出する処理を行うことが好ましい。
【0013】
なお第1の非晶質半導体膜が非晶質珪素膜である場合、400〜500℃の熱処理を行い膜中の水素を放出することが好ましい。
【0014】
また、分離膜は前記第1の結晶質半導体膜と前記2の結晶質半導体膜の各々と選択的なエッチングが可能な材料で形成されていることを特徴としている。
【0015】
これにより、第1の結晶質半導体膜と第2の結晶質半導体膜が同一の材料から形成されている、若しくは選択性のあるエッチングが不可能な膜で形成されている場合、第2の結晶質半導体膜の除去工程において第1の結晶質半導体膜も同時に除去されてしまうのを阻止することができる。
【0016】
なお、本明細書において、TFTの特性ばらつきとは、隣接するTFTの特性差を表す隣接間ばらつきや基板内におけるTFTの特性差を表す面内ばらつきのいずれをも含む。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の一態様について図1の断面図を用いて説明する。
【0018】
基板10に非晶質半導体膜11(第1の非晶質半導体膜)を形成する。なお、非晶質半導体膜11としては、非晶質シリコンゲルマニウム膜などを用いてもよい。またプラズマCVD法や、LPCVD法やスパッタ法など、いずれの成膜方法を用いて形成してもよい。
【0019】
なお、非晶質半導体膜11が水素等を含有している膜である場合には、非晶質半導体膜11に結晶核が発生しない温度および時間条件で熱処理し、膜中から水素等を放出する。本工程は、水素の含有率の低い非晶質半導体膜を用いる場合は特に必要ではない。
【0020】
次に、非晶質半導体膜11の上に分離膜12を形成する。本実施の形態においては、オゾン水を用いて非晶質半導体膜11の表面に酸化珪素膜形成し、分離膜12とした。なお分離膜12の形成方法としては、オゾン水を用いる以外にも酸素雰囲気中でUV光を照射して形成するなど他の方法を用いてもよい。なお、分離膜12は結晶化を促進するための元素が拡散できるよう薄い膜厚であることが好ましい。
【0021】
次に、分離膜12の上に非晶質半導体膜13(第2の非晶質半導体膜)を形成する。また、非晶質半導体膜13としては、数%のゲルマニウム(Ge)を含有した非晶質シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。またプラズマCVD法や、LPCVD法やスパッタ法など、いずれの成膜方法を用いて形成してもよい。
【0022】
次に、非晶質半導体膜13の膜表面に結晶化を促進するための元素としてニッケル(Ni)を添加した後、熱処理し、結晶質半導体膜14、15を形成する。なお、非晶質半導体膜13が水素等を含有している膜である場合には、非晶質半導体膜13に結晶核が発生しない温度および時間条件で熱処理し、膜中から水素等を放出した後、結晶化のための熱処理をし、結晶質半導体膜14、15を形成する。
【0023】
なお、非晶質半導体膜13の膜表面に添加したNiは、非晶質半導体膜13および分離膜12の膜中を拡散し、非晶質半導体膜11中に至る。このため、分離膜12中をNiが拡散できるよう、分離膜12の膜厚は薄い方が好ましい。非晶質半導体膜13はニッケルの拡散距離を延ばすために形成する。これは、結晶化を促進するための元素を用いた場合、結晶核が発生してから僅かに結晶成長が進んだ後、結晶成長方向が安定するという効果を利用するためである。
【0024】
次に、結晶質半導体膜15および分離膜12を除去する。本実施の形態においては、TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)溶液を用いて結晶質半導体膜15をエッチングして除去した後、さらにフッ酸(HF)溶液を用いて分離膜12をエッチングして除去する。本工程において、分離膜12は、結晶質半導体膜14がTMAH溶液によりエッチングされるのを阻止する膜として機能する。従って、分離膜12としては結晶質半導体膜14,15と選択性のあるエッチングが可能な膜を選択することが好ましい。なお、TMAH以外に、コリン等他の溶液を用いても構わない。
【0025】
このように、結晶化後不要になった分離膜12および結晶質半導体膜15を選択的に除去することが可能である。従って、TFTの半導体層として必要な膜厚で非晶質半導体膜11を成膜すればよい。
【0026】
以上のようにして特定の面方位に対する配向比率が高い膜面を有する結晶質半導体膜を作製することができる。
【0027】
上記のようにして作製した結晶質半導体膜14からニッケルを除去する。さらに、TFTを形成し、半導体装置を作製する。なお、TFTの構造については、シングルドレイン構造、LDD構造などいずれの構造のものでもよく、限定されない。またシングルゲート構造以外に、一つの素子に複数のゲート電極を有するマルチゲート構造としてもよい。
【0028】
本発明を適用した半導体装置は、特定の面方位に対する配向比率が高い膜面を有する結晶質半導体膜を用いて形成されている。このため、面方位の違いに起因したTFT特性のばらつきが低減され、特に隣接するTFTの特性差を表す隣接間ばらつきや基板内におけるTFTの特性差を表す面内ばらつきが低減さている。
【0029】
【実施例】
(実施例1)
本実施例では、本発明の半導体装置の作製方法について図3〜5の断面図を用いて説明する。
【0030】
なお、本実施例においては、Nチャネル型TFTとPチャネル型TFTとからなる集積回路装置を形成する方法について説明する。本発明を適用した半導体装置は、特定の面方位に対する配向比率が高い膜面を有する結晶質半導体膜を用いて形成される。このため、面方位の違いに起因したTFT特性のばらつきが低減され、特に隣接するTFTの特性差が表す隣接間ばらつきや基板内におけるTFTの特性差を表す面内ばらつきを低減されている。従って、TFTばらつき(隣接間ばらつき、面内ばらつきの両方)に起因した集積回路のエラーを低減でき、また集積回路の設計ルールを広げることができる。
【0031】
基板1500上に下地絶縁膜1501aおよび下地絶縁膜1501bを積層成膜して形成する。下地絶縁膜1501(1501a、1501b)は、基板1500から半導体層への不純物拡散を防ぐために形成される。本実施例では、低アルカリガラスを用い、下地絶縁膜1501aには膜厚50nmの窒化珪素膜を下地絶縁膜1501bには膜厚100nmの酸化珪素膜をそれぞれプラズマCVD法により成膜した。また本実施例では、下地絶縁膜を二層の積層成膜しているが、不純物拡散の阻止効果を得られるなら、一層あるいは三層以上の積層としてもよい。
【0032】
次に、下地絶縁膜1501の上に半導体層1502a〜1502dを形成する。半導体膜1502a〜1502dの形成方法は以下の通りである。
【0033】
下地絶縁膜1501の上に膜厚54nmの非晶質珪素膜5001をプラズマCVD法を成膜する。なお、プラズマCVD以外にスパッタ法等他の方法で成膜しても構わない。膜厚についても、TFTの半導体層として必要な膜厚で成膜すればよく、適宜変更して構わない。
【0034】
次に、非晶質半導体膜5001に含有されている水素を放出するための熱処理を施す。本実施例においては、ファーネスにより500℃、1時間の熱処理を施した。なお、熱処理温度、時間については、非晶質半導体膜に結晶核が発生せず、また膜中の水素が膜中から放出されるような温度条件であれば上記の値に限らず、適宜変更して構わない。また、本工程は、プラズマCVD法により成膜した非晶質珪素膜中には水素が多く含有されているためおこなう工程であり、水素の含有率の低い非晶質半導体膜を用いる場合は特に必要ではない。
【0035】
次に、非晶質半導体膜5001の上に分離膜5002を形成する。本実施例においては、オゾン水を用いて非晶質半導体膜11の表面に膜厚1nmの酸化珪素膜形成し、分離膜5002とした。
【0036】
次に、分離膜5002の上に非晶質半導体膜5003を形成する。本実施の形態においては、プラズマCVD法を用いて10nmの膜厚で成膜し、非晶質珪素膜5003を形成する。本実施例においては、非晶質半導体膜5003の膜厚を薄くすることでピーリングを防止している。また、非晶質半導体膜5003としては、非晶質シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。
【0037】
このように、分離膜5002および非晶質半導体膜5003を形成することで、後の工程で行う結晶化を促進するための元素の拡散距離を延ばすことができる。
【0038】
次に、非晶質半導体膜5003の上に結晶化を促進するための元素としてニッケル(Ni)を添加する。本実施例においては、オゾン水を用いて非晶質半導体膜5003の表面に薄い酸化膜を形成した後、2ppmの濃度に調整した酢酸ニッケルの水溶液を非晶質半導体膜5003の上に添加する方法法により、ニッケルを添加した。なお、結晶化を促進するための元素の添加方法および添加量については上記の値に限らず適宜変更して構わない。
【0039】
なお、本実施例において結晶化を促進するための元素の添加工程においては、非晶質半導体膜5003の上全体に結晶化を促進するための元素を添加しており、マスク等を用いた局所的な結晶化を促進するための元素添加は行っていない。但し、結晶化を促進するための元素を添加する領域と添加しない領域を設けたい場合には、マスク等を用いればよく、いずれの方法を用いるかは実施者が適宜選択すればよい。
【0040】
次に、熱処理を施し、結晶質半導体膜5004、5005を形成する。本実施例では、ファーネスにより、500℃、1時間の熱処理を施した後、連続して550℃、12時間の熱処理を施す方法を用いる。なお、熱処理温度、時間については、非晶質半導体膜の膜質や膜厚などによっても最適値が異なるため、上記の値に限らず適宜変更すればよい。なお、500℃、1時間の熱処理は、非晶質半導体膜5003中に含有されている水素を放出するために行う。従って、非晶質半導体膜5003中に水素が含有されていない場合は、省略しても構わない。
【0041】
なお、非晶質半導体膜5003の膜表面に添加したNiは、非晶質半導体膜5003および分離膜5002の膜中を拡散し、非晶質半導体膜5001中に至る。このため、分離膜5002中をNiが拡散できるよう、分離膜5002の膜厚は薄い方が好ましい。
【0042】
次に、結晶質半導体膜5005および分離膜5002を除去する。本実施例においては、溶液温度50℃のTMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)溶液を用いて結晶質半導体膜5005をエッチングして除去した後、さらにフッ酸(HF)溶液を用いて分離膜5002をエッチングして除去する。本工程において、分離膜5002は、結晶質半導体膜5004がTMAH溶液によりエッチングされるのを阻止する膜として機能する。従って、分離膜5002としては結晶質半導体膜5004,5005と選択性のあるエッチングが可能な膜を選択することが好ましい。なお、結晶質半導体膜5005を選択的にエッチングできる溶液であれば、TMAH以外にコリンなどを用いても構わない。
【0043】
このように、分離膜5002および非晶質半導体膜5003用いて、結晶化を促進するための元素の拡散距離を延ばし、また結晶化後不要になった分離膜5002および結晶質半導体膜5005を選択的に除去することが可能である。従って、TFTの半導体層として必要な膜厚で非晶質半導体膜5001を成膜すればよい。
【0044】
以上のようにして、〈111〉方向の配向比率の高い膜面を有する結晶質半導体膜を形成することが出来る。なお、〈111〉、〈001〉、〈101〉のいずれの面方位への配向比率が高いかは、非晶質半導体膜5003の膜種や添加する結晶化を促進するための元素の種類、添加量により異なる。
【0045】
図2に、本実施例の方法を用いて形成した結晶質半導体膜を、エレクトロンバックスキャッタディフラクションパターン(EBSP:Electron Backscatter Diffraction Pattern)法により分析し、結晶質半導体膜の膜面における面方位(膜面に垂直な方向の結晶軸方位)を解析した結果を示す。EBSP法において、測定は試料面(即ち、結晶質半導体膜の膜面)に対し、60°の入射角で電子線を入射して行う。測定範囲は、40μm×30μmであり、0.2μmステップで測定している。
図2(A)は面方位分布図、図2(B)は面方位出現度数分布図である。図2(A)は、〈001〉、〈101〉、〈111〉の各々の面方位をもつ領域が、測定範囲内においてどのように分布しているかを示している。また、図2(B)は、〈001〉、〈101〉、〈111〉以外の面方位も含めた各種面方位の出現頻度を示している。従って、図2(A)、(B)の両図より、本実施例の方法を用いて形成した結晶質半導体膜の膜面においては、〈111〉方向の面方位を多く有することが分かる。なお、本試料の膜面において〈001〉、〈101〉、〈111〉方向を法線とする面の割合はそれぞれ0.4%、5.8%、54.6%(±10°の角度揺らぎの範囲内において)である。
【0046】
次に、結晶質半導体膜5004の結晶性を向上させるためにエキシマレーザー光による処理を行い、結晶質半導体膜5006を得る。なお、エキシマレーザー光の照射は、結晶質半導体膜5004の下部はエキシマレーザー光により溶融せず、種結晶として残すようにする。これにより、結晶質半導体膜5004のもつ配向性を維持し、また粒内欠陥の少ない良好な膜質の結晶質半導体膜5006を形成できる。なお、以上に述べたエキシマレーザー光による処理は必ずしも必要はない、従って、本工程を行うか否かについては、本発明の実施者が適宜判断すればよい。
【0047】
前述のようなエキシマレーザー光を用いるほか、YAG、YVO4をレーザー媒質として用いたパルス発振型または連続発振型のレーザーを用いることができる。
【0048】
次に、オゾン水を用いて結晶質半導体膜5006表面に1nmの膜厚の薄い酸化膜を形成し、さらにその上にアルゴン(Ar)を含有した非晶質珪素膜をスパッタ法により100nmの膜厚で形成する。そして、550℃、4時間のファーネスによる熱処理を行い、結晶質半導体膜5006中に含有されている結晶化を促進するための元素を、非晶質珪素膜中へと移動させた(ゲッタリング処理)。ゲッタリング処理後、不要になった非晶質珪素膜(ゲッタリング後は結晶化を促進するための元素の効果により結晶質珪素膜となる場合がある)をTMAH溶液を用いて除去し、さらにフッ酸溶液を用いて除去する。
【0049】
なお、Niの除去方法は、上記の方法に限らず、他の方法を用いてもよい。例えば、結晶質珪素膜5005の除去前に、結晶質珪素膜5005の上に非晶質珪素膜を成膜した後、熱処理を施す方法等を用いてもよい。
【0050】
次に、結晶質半導体膜5006をフォトリソグラフィーによるパターニングおよびエッチングにより所望の形状に加工し、半導体層1502a、1502bを形成する。
【0051】
なお、半導体層1502a、1502bを形成する前、もしくは形成した後、TFTの閾値を制御するための不純物添加(チャネルドープ)を行ってもよい。添加する不純物としては、ボロン又は燐などを用いればよい。
【0052】
次に、半導体層1502a、1502bを覆うゲート絶縁膜1503を形成する。本実施例においては、酸化珪素を50nmの膜厚で成膜してゲート絶縁膜1503形成する。なお、酸化珪素に限らず、窒化珪素など他の絶縁性材料をもちいてもよい。膜厚も上記の値に限定されず適宜変更して構わない。
【0053】
次に、ゲート絶縁膜1503の上にゲート電極1504a、1504bを形成する。本実施例においては、導電膜1504aとして窒化チタン、導電膜1504bとしてタングステンをそれぞれ膜厚30nm、370nmで積層して成膜したのち、パターニングおよびエッチングによりこれらを加工し、ゲート電極1505a、1505bを形成する。なお、ゲート電極の材料としては上記のもの以外の導電性膜でも構わない。また膜厚も上記の値に限定されず適宜変更して構わない。
【0054】
次にpチャネル型TFTとなる領域(半導体層1502bおよびその上方部)をレジストでマスクし、さらにゲート電極1505aをマスクとして半導体層1502aにn型不純物を添加し、ソース(或いは、ドレイン)1506を形成する。なお、本実施例においては、n型不純物として燐を添加する。なお、n型不純物であれば燐以外のものを用いても構わない。
【0055】
次にnチャネル型TFTとなる領域(半導体層1502aおよびその上方部)をレジストでマスクし、さらにゲート電極1505bをマスクとして半導体層1502bにp型不純物を添加し、ソース(或いは、ドレイン)1507を形成する。なお、本実施例においては、p型不純物としてボロンを添加する。なお、p型不純物であればボロン以外のものを用いても構わない。
【0056】
次に、層間絶縁膜1508を形成し、添加した不純物を活性化するための熱処理を施す。
【0057】
次に、層間絶縁膜1508を貫通しソース(或いは、ドレイン)1505、1506に至るコンタクトホールを開孔する。
【0058】
次に、数%のシリコンを含有するアルミニウムからなる配線1509を形成した後、水素化を行う。
【0059】
以上のようにして、本発明を適用した半導体装置を作製する。なお、本実施例においては、シングルドレイン構造を有するnチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTを作製しているが、これに限らずLDD(Lightly Doped Drain)構造、若しくはGOLD(Gate Overlapped LDD)構造など他の構造を有するTFTを作製しても構わない。TFT構造に関してはとくに限定されない。また層間絶縁膜についても2層以上の多層膜としてもよく、熱処理工程を施す工程位置についても適宜変更して構わない。さらに、層間絶縁膜と配線の形成を繰り返し、多層配線構造を有する半導体装置としても構わない。
(実施例2)
本実施例では、本発明を適用した発光表示装置について図6(A)、(B)説明する。
【0060】
本発明を適用した半導体装置は、面方位の違いに起因したTFT特性のばらつきが低減され、特に隣接するTFTの特性差を表す隣接間ばらつきや基板内におけるTFTの特性差を表す面内ばらつきが低減されている。従って、このような半導体装置を備えた発光表示装置においては、特に画素ごとに配置されている発光素子駆動用TFTの特性ばらつきが低減され、発光素子駆動用TFTの特性ばらつきに起因した表示ムラなどが低減される。また駆動回路においては、TFTばらつき(隣接間ばらつき、面内ばらつきの両方)に起因した駆動回路のエラーが低減される。
【0061】
図6(A)は、発光表示装置を示す上面図、図6(B)は図6(A)をA−A’で切断した断面図である。
【0062】
図6(B)において、基板201上には、実施例1に示した方法に従って結晶質半導体膜5004を形成した後、複数の発光素子駆動用TFT202が形成されている。また、発光素子駆動用TFT以外に駆動回路用TFT203a、203bも形成されている。
【0063】
TFTの構造については、シングルゲート構造のものに限らず、一つの素子に複数のゲート電極を有するマルチゲート構造のものでもよい。またシングルドレイン構造以外に、LDD構造、GOLD構造などでも構わない。発光素子駆動用TFT202と駆動回路用TFTとでそれぞれ異なるTFT構造としてもよい。本実施例では、発光素子駆動用TFT202としてpチャネル型、GOLD構造のTFTを作製し、駆動回路用TFT203aとしてnチャネル型、GOLD構造のTFT、駆動回路用TFT203bとしてpチャネル型、GOLD構造のTFTを作製する。
【0064】
さらに、各々の発光素子駆動用TFT202と電気的に接続している発光素子204が形成されており、発光素子204を覆う保護膜も形成されている。なお、発光素子204は公知の構造のものでよい。
【0065】
本実施例において発光表示装置はソース信号線駆動回路230、画素部231、ゲート信号線駆動回路232を有する。また、210は封止基板、220はシール剤であり、封止基板210とシール剤220で囲まれた内側は、空間208になっている。
【0066】
206はソース信号線駆動回路230及びゲート信号線駆動回路232に入力される信号を伝送するための配線であり、外部入力端子となるFPC(フレキシブルプリントサーキット)211からビデオ信号やクロック信号を受け取る。なお、ここではFPCしか図示されていないが、このFPCにはプリント配線基盤(PWB)が取り付けられていても良い。
(実施例3)
本実施例では、本発明を適用した液晶表示装置について図7(A),(B)を用いて説明する。
【0067】
本発明を適用した半導体装置は、面方位の違いに起因したTFT特性のばらつきが低減され、特に隣接するTFTの特性差を表す隣接間ばらつきや基板内におけるTFTの特性差を表す面内ばらつきが低減される。従って、このような半導体装置を備えた液晶表示装置は、特に画素ごとに配置されている画素電極駆動用TFTの特性ばらつきが低減され、画素電極駆動用TFTの特性ばらつきに起因した表示欠陥などが低減される。また駆動回路においては、TFTばらつき(隣接間ばらつき、面内ばらつきの両方)に起因した駆動回路のエラーが低減される。
【0068】
図7(A)は、液晶表示装置を示す上面図、図7(B)は図7(A)をA−A’で切断した断面図である。
【0069】
図7(B)において、TFT基板301には、実施例1に示した方法に従って結晶質半導体膜5004を形成した後、複数の画素電極駆動用TFT302が形成されている。また、画素電極駆動用TFT以外に駆動回路用TFT303a、303bも形成されている。
【0070】
TFTの構造については、シングルゲート構造のものに限らず、一つの素子に複数のゲート電極を有するマルチゲート構造のものでもよい。またシングルドレイン構造以外に、LDD構造、GOLD構造などでも構わない。発光素子駆動用TFT202と駆動回路用TFTとでそれぞれ異なるTFT構造としてもよい。本実施例では、画素電極駆動用TFT302としてnチャネル型、LDD構造のTFTを一つの素子に二つの電極を有する構造で作製し、駆動回路用TFT303aとしてnチャネル型、GOLD構造のTFT、駆動回路用TFT303bとしてpチャネル型、GOLD構造のTFTを作製する。
【0071】
さらに、各々の画素電極駆動用TFT302と電気的に接続している画素電極304が形成されている。さらに対向基板310にも画素電極311が形成されている。またTFT基板301と対向基板310には配向膜320、321が形成されており、二つの配向膜320、321の間には液晶322が注入されている。なお液晶表示装置のセル組は公知の方法を用いて行えばよい。
【0072】
図9(A)は本発明を適用して作製した液晶装置の上面図である。画素部330の周辺に走査信号駆動回路331aと画像信号駆動回路331bが設けられている。駆動回路は接続配線群332によって外部入出力端子群333と接続されている。画素部331では走査信号駆動回路331aから延在するゲート配線群と画像信号駆動回路331bから延在するデータ配線群がマトリクス状に交差して画素を形成している。シール剤334は、TFTアレイ基板334上の画素部330および走査信号駆動回路331a、画像信号駆動回路331bの外側であり、且つ外部入力端子333よりも内側の部分に形成する。液晶装置には、フレキシブルプリント配線板(FPC: Flexible Printed Circuit)335が外部入出力端子333に接続しており、接続配線群332によりそれぞれの駆動回路に接続している。外部入出力端子333はデータ配線群と同じ導電性膜から形成される。フレキシブルプリント配線板335はポリイミドなどの有機樹脂フィルムに銅配線が形成されており、異方性導電性接着剤で外部入出力端子333と接続する。
(実施例4)
本実施例では、本発明を適用して作製した電子機器について図8(A)〜(F)を用いて説明する。本発明の半導体装置を適用した電子機器においては、良好な表示画像を有する。
【0073】
図8(A)は表示装置であり、筐体5501、支持台5502、表示部5503を含む。本発明は表示部5503を有する表示装置に適用が可能である。
【0074】
図8(B)はビデオカメラであり、本体5511、表示部5512、音声入力5513、操作スイッチ5514、バッテリー5515、受像部5516などによって構成されている。
【0075】
図8(C)は、本発明を適用して作製したノート型のパーソナルコンピュータであり、本体5501、筐体5502、表示部5503、キーボード5504などによって構成されている。
【0076】
図8(D)は、本発明を適用して作製した携帯情報端末(PDA)であり、本体5531には表示部5532と、外部インターフェイス5535と、操作ボタン5534等が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス5532がある。
【0077】
図8(E)はデジタルカメラであり、本体5551、表示部(A)5552、接眼部5553、操作スイッチ5554、表示部(B)5555、バッテリー5556などによって構成されている。
【0078】
図8(F)は、本発明を適用して作製した携帯電話である。本体5561には表示部5564と、音声出力部5562操作スイッチ5565、アンテナ5566等が設けられている。
【0079】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の作製方法により、面方位の違いに起因したTFT特性のばらつきを低減できる。従って、本発明を適用した集積回路装置においては、TFTばらつきに起因した集積回路のエラーを低減できる。また本発明を適用した表示装置においては、表示ムラや表示欠陥の少ない画像を表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の作製方法を示す工程断面図。
【図2】本発明における結晶質珪素膜のEBSP法による解析図。
【図3】本発明の半導体装置の作製方法を示す工程断面図。
【図4】本発明の半導体装置の作製方法を示す工程断面図。
【図5】本発明の半導体装置の作製方法を示す工程断面図。
【図6】本発明を適用した表示装置の図。
【図7】本発明を適用した表示装置の図。
【図8】本発明を適用した電子機器の図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a crystallization process using an element for promoting crystallization.
[0002]
[Prior art]
In recent years, development of display devices or integrated circuit devices using thin film transistors (hereinafter abbreviated as TFTs) has attracted attention.
[0003]
As a semiconductor layer constituting the TFT, a crystalline semiconductor film formed by crystallizing an amorphous semiconductor film by heat treatment by furnace or laser light irradiation is used (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-189449 (FIGS. 5-11 and 2)
By using a crystalline semiconductor film, a TFT having a field effect mobility much higher than that of a TFT formed using an amorphous semiconductor film can be manufactured. However, the crystalline semiconductor film is mainly a polycrystalline film, and the crystal axes of each crystal grain are not uniform, and thus there are a plurality of plane orientations on the film surface. A difference in the plane orientation of the crystalline semiconductor film causes a difference in the electrical characteristics of the TFT, and as a result, causes a variation in characteristics of the TFT formed in the same substrate.
[0005]
Variations in TFT characteristics cause malfunctions of circuits using TFTs.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device using a crystalline semiconductor film having a film surface with a high orientation ratio with respect to a specific plane orientation.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is characterized in that an element for promoting crystallization is added and heat-treated on the uppermost film in a state where a plurality of amorphous semiconductor films are stacked.
[0008]
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first amorphous semiconductor film, a step of forming a separation film on the first amorphous semiconductor film, and a step of forming a separation film on the separation film. A step of forming a second amorphous semiconductor film; and an element for promoting crystallization is added to the second amorphous semiconductor film, and then heat treatment is performed, so that the first crystalline semiconductor film is formed. And a step of forming a second crystalline semiconductor film, and a step of removing the separation film and the second crystalline semiconductor film.
[0009]
The separation film is a film provided to separate the first amorphous semiconductor film layer and the second amorphous semiconductor film layer. Note that the separation membrane is preferably a thin membrane so that an element for promoting crystallization can diffuse.
[0010]
As the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film, an amorphous silicon film, an amorphous silicon germanium film in silicon, or the like can be used. In addition, as a method for forming the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film, any one of a plasma CVD method, an LPCVD method, a sputtering method, and a vapor deposition method may be used.
[0011]
Note that the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film may be formed of the same material, or the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film May be formed of different materials. That is, both the first crystalline semiconductor film and the second amorphous semiconductor film may be formed using an amorphous silicon film (or an amorphous silicon germanium film). Alternatively, an amorphous silicon film may be used as the first amorphous semiconductor film and an amorphous silicon germanium film may be used as the second amorphous semiconductor film. Alternatively, an amorphous silicon germanium film may be used as the first amorphous semiconductor film, and an amorphous silicon film may be used as the second amorphous semiconductor film.
[0012]
When the first amorphous semiconductor film is a film containing hydrogen or the like, crystal nuclei are not generated in the first amorphous semiconductor film after the formation of the first amorphous semiconductor film. It is preferable to perform a heat treatment under temperature conditions to release hydrogen contained in the film.
[0013]
Note that in the case where the first amorphous semiconductor film is an amorphous silicon film, it is preferable to perform heat treatment at 400 to 500 ° C. to release hydrogen in the film.
[0014]
In addition, the separation film is formed of a material that can be selectively etched with respect to each of the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film.
[0015]
Thus, when the first crystalline semiconductor film and the second crystalline semiconductor film are formed of the same material or are formed of films that cannot be selectively etched, the second crystal It is possible to prevent the first crystalline semiconductor film from being removed at the same time in the removal process of the crystalline semiconductor film.
[0016]
Note that in this specification, the TFT characteristic variation includes both adjacent variation that represents the characteristic difference between adjacent TFTs and in-plane variation that represents the TFT characteristic difference in the substrate.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
One embodiment of the present invention is described with reference to a cross-sectional view of FIG.
[0018]
An amorphous semiconductor film 11 (first amorphous semiconductor film) is formed on the
[0019]
Note that in the case where the
[0020]
Next, the
[0021]
Next, an amorphous semiconductor film 13 (second amorphous semiconductor film) is formed on the
[0022]
Next, after adding nickel (Ni) as an element for promoting crystallization to the film surface of the
[0023]
Note that Ni added to the film surface of the
[0024]
Next, the
[0025]
In this way, it is possible to selectively remove the
[0026]
As described above, a crystalline semiconductor film having a film surface with a high orientation ratio with respect to a specific plane orientation can be manufactured.
[0027]
Nickel is removed from the
[0028]
A semiconductor device to which the present invention is applied is formed using a crystalline semiconductor film having a film surface with a high orientation ratio with respect to a specific plane orientation. For this reason, the variation in TFT characteristics due to the difference in the plane orientation is reduced, and in particular, the variation between adjacent areas representing the characteristic difference between adjacent TFTs and the in-plane variation representing the characteristic difference between TFTs in the substrate are reduced.
[0029]
【Example】
Example 1
In this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to cross-sectional views of FIGS.
[0030]
Note that in this embodiment, a method for forming an integrated circuit device including an N-channel TFT and a P-channel TFT will be described. A semiconductor device to which the present invention is applied is formed using a crystalline semiconductor film having a film surface with a high orientation ratio with respect to a specific plane orientation. For this reason, the variation in TFT characteristics due to the difference in the plane orientation is reduced, and in particular, the in-plane variation representing the difference between adjacent TFTs and the difference in TFT characteristics within the substrate are reduced. Accordingly, errors in the integrated circuit due to TFT variations (both adjacent variations and in-plane variations) can be reduced, and the design rules for the integrated circuits can be expanded.
[0031]
Over the
[0032]
Next,
[0033]
An
[0034]
Next, heat treatment for releasing hydrogen contained in the
[0035]
Next, a
[0036]
Next, an
[0037]
In this manner, by forming the
[0038]
Next, nickel (Ni) is added over the
[0039]
Note that in the addition process of an element for promoting crystallization in this embodiment, an element for promoting crystallization is added to the entire surface of the
[0040]
Next, heat treatment is performed to form
[0041]
Note that Ni added to the film surface of the
[0042]
Next, the
[0043]
In this manner, the
[0044]
As described above, a crystalline semiconductor film having a film surface with a high orientation ratio in the <111> direction can be formed. Note that which of <111>, <001>, and <101> has a high orientation ratio in the plane orientation depends on the type of element for promoting the crystallization of the
[0045]
In FIG. 2, the crystalline semiconductor film formed by using the method of this embodiment is analyzed by an electron backscatter diffraction pattern (EBSP) method, and the plane orientation on the film surface of the crystalline semiconductor film ( The result of analyzing the crystal axis orientation in the direction perpendicular to the film surface is shown. In the EBSP method, measurement is performed with an electron beam incident on the sample surface (that is, the film surface of the crystalline semiconductor film) at an incident angle of 60 °. The measurement range is 40 μm × 30 μm, and measurement is performed in 0.2 μm steps.
2A is a plane orientation distribution chart, and FIG. 2B is a plane orientation appearance frequency distribution chart. FIG. 2A shows how the regions having the surface orientations <001>, <101>, and <111> are distributed within the measurement range. FIG. 2B shows the appearance frequency of various surface orientations including surface orientations other than <001>, <101>, and <111>. Therefore, it can be seen from FIGS. 2A and 2B that the film surface of the crystalline semiconductor film formed by using the method of this embodiment has many plane orientations in the <111> direction. In the film surface of this sample, the ratios of the planes whose normals are the <001>, <101>, and <111> directions are 0.4%, 5.8%, and 54.6% (± 10 ° angle), respectively. (Within the range of fluctuation).
[0046]
Next, treatment with excimer laser light is performed to improve the crystallinity of the
[0047]
In addition to using excimer laser light as described above, YAG, YVO Four A pulse oscillation type laser or a continuous oscillation type laser using a laser medium as a laser medium can be used.
[0048]
Next, a thin oxide film with a thickness of 1 nm is formed on the surface of the
[0049]
The Ni removal method is not limited to the above method, and other methods may be used. For example, a method of forming an amorphous silicon film over the
[0050]
Next, the
[0051]
Note that impurity doping (channel doping) may be performed before or after the
[0052]
Next, a
[0053]
Next,
[0054]
Next, a region to be a p-channel TFT (
[0055]
Next, a region to be an n-channel TFT (
[0056]
Next, an
[0057]
Next, contact holes that penetrate the
[0058]
Next, after forming a
[0059]
As described above, a semiconductor device to which the present invention is applied is manufactured. In this embodiment, an n-channel TFT and a p-channel TFT having a single drain structure are manufactured. However, the present invention is not limited to this, and an LDD (Lightly Doped Drain) structure, a GOLD (Gate Overlapped LDD) structure, or the like. A TFT having another structure may be manufactured. The TFT structure is not particularly limited. Also, the interlayer insulating film may be a multilayer film of two or more layers, and the process position for performing the heat treatment process may be appropriately changed. Further, the formation of the interlayer insulating film and the wiring may be repeated to form a semiconductor device having a multilayer wiring structure.
(Example 2)
In this embodiment, a light-emitting display device to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS.
[0060]
In the semiconductor device to which the present invention is applied, the variation in TFT characteristics due to the difference in the plane orientation is reduced, and in particular, the variation between adjacent areas representing the characteristic difference between adjacent TFTs and the in-plane variation representing the characteristic difference between TFTs in the substrate. Has been reduced. Therefore, in the light emitting display device including such a semiconductor device, the variation in characteristics of the light emitting element driving TFTs arranged for each pixel is reduced, and the display unevenness due to the characteristic variation of the light emitting element driving TFTs is reduced. Is reduced. In the drive circuit, errors in the drive circuit due to TFT variations (both adjacent variations and in-plane variations) are reduced.
[0061]
6A is a top view illustrating the light-emitting display device, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 6A.
[0062]
In FIG. 6B, a
[0063]
The structure of the TFT is not limited to the single gate structure, but may be a multi-gate structure having a plurality of gate electrodes in one element. In addition to the single drain structure, an LDD structure, a GOLD structure, or the like may be used. The light emitting element driving TFT 202 and the driving circuit TFT may have different TFT structures. In this embodiment, a p-channel type GOLD structure TFT is manufactured as the light-emitting element driving TFT 202, an n-channel type GOLD structure TFT as the driving
[0064]
Further, a light emitting element 204 electrically connected to each light emitting element driving TFT 202 is formed, and a protective film covering the light emitting element 204 is also formed. Note that the light-emitting element 204 may have a known structure.
[0065]
In this embodiment, the light-emitting display device includes a source signal line driver circuit 230, a pixel portion 231, and a gate signal line driver circuit 232. Reference numeral 210 denotes a sealing substrate, and 220 denotes a sealing agent. An inside surrounded by the sealing substrate 210 and the sealing agent 220 is a space 208.
[0066]
Reference numeral 206 denotes wiring for transmitting signals input to the source signal line driving circuit 230 and the gate signal line driving circuit 232, and receives video signals and clock signals from an FPC (flexible printed circuit) 211 serving as an external input terminal. Although only the FPC is shown here, a printed wiring board (PWB) may be attached to the FPC.
(Example 3)
In this embodiment, a liquid crystal display device to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS.
[0067]
In the semiconductor device to which the present invention is applied, the variation in TFT characteristics due to the difference in the plane orientation is reduced, and in particular, the variation between adjacent areas representing the characteristic difference between adjacent TFTs and the in-plane variation representing the characteristic difference between TFTs in the substrate. Reduced. Accordingly, in the liquid crystal display device including such a semiconductor device, the variation in characteristics of the pixel electrode driving TFTs arranged especially for each pixel is reduced, and display defects caused by the characteristic variation of the pixel electrode driving TFTs are reduced. Reduced. In the drive circuit, errors in the drive circuit due to TFT variations (both adjacent variations and in-plane variations) are reduced.
[0068]
7A is a top view illustrating the liquid crystal display device, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 7A.
[0069]
In FIG. 7B, a
[0070]
The structure of the TFT is not limited to the single gate structure, but may be a multi-gate structure having a plurality of gate electrodes in one element. In addition to the single drain structure, an LDD structure, a GOLD structure, or the like may be used. The light emitting element driving TFT 202 and the driving circuit TFT may have different TFT structures. In this embodiment, an n-channel type and LDD structure TFT is manufactured as a pixel
[0071]
Further, a
[0072]
FIG. 9A is a top view of a liquid crystal device manufactured by applying the present invention. A scanning
(Example 4)
In this embodiment, electronic devices manufactured by applying the present invention will be described with reference to FIGS. An electronic apparatus to which the semiconductor device of the present invention is applied has a good display image.
[0073]
FIG. 8A illustrates a display device, which includes a housing 5501, a
[0074]
FIG. 8B illustrates a video camera, which includes a main body 5511, a
[0075]
FIG. 8C illustrates a laptop personal computer manufactured by applying the present invention, which includes a main body 5501, a
[0076]
FIG. 8D illustrates a personal digital assistant (PDA) manufactured by applying the present invention. A main body 5531 is provided with a
[0077]
FIG. 8E illustrates a digital camera which includes a main body 5551, a display portion (A) 5552, an eyepiece portion 5553, an
[0078]
FIG. 8F illustrates a cellular phone manufactured by applying the present invention. A
[0079]
【The invention's effect】
By the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, variation in TFT characteristics due to a difference in plane orientation can be reduced. Therefore, in the integrated circuit device to which the present invention is applied, errors in the integrated circuit due to TFT variations can be reduced. In the display device to which the present invention is applied, an image with less display unevenness and display defects can be displayed.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. FIGS.
FIG. 2 is an analysis diagram of a crystalline silicon film according to the present invention by an EBSP method.
3A to 3D are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
4A to 4E are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIGS. 5A to 5D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. FIGS.
FIG. 6 is a diagram of a display device to which the present invention is applied.
FIG. 7 is a diagram of a display device to which the present invention is applied.
FIG. 8 is a diagram of an electronic device to which the present invention is applied.
Claims (4)
前記第1の非晶質半導体膜の上に分離膜を形成し、
前記分離膜の上に第2の非晶質半導体膜を形成し、
前記第2の非晶質半導体膜の上に結晶化を促進するための元素を添加し、
熱処理を行い、前記元素を前記第2の非晶質膜及び前記分離膜の膜中に拡散させて前記第1の非晶質半導体膜に至らせることにより、前記第1の非晶質半導体膜を結晶化した第1の結晶質半導体膜と、前記第2の非晶質半導体膜を結晶化した第2の結晶質半導体膜とを形成し、
前記第2の結晶質半導体膜を選択的に除去し、
前記分離膜を選択的に除去し、
前記第1の結晶質半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A first amorphous semiconductor film is formed,
Forming a separation film on the first amorphous semiconductor film;
A second amorphous semiconductor film is formed over the separation membrane,
Adding an element for promoting crystallization on the second amorphous semiconductor film ;
By thermal treatment, by bringing the first amorphous semiconductor film by diffusing the element in the film of the second amorphous film and the separation layer, the first amorphous semiconductor film was formed and the first crystalline semiconductor film crystallized, and a second crystalline semiconductor film crystallized the second amorphous semiconductor film,
Selectively removing the second crystalline semiconductor film,
Selectively removing the separation layer,
A manufacturing method of a semiconductor device, wherein a thin film transistor is formed using the first crystalline semiconductor film .
前記第1の非晶質半導体膜に、前記第1の非晶質半導体膜に結晶核が発生する温度より低い温度で熱処理を行い、
前記第1の非晶質半導体膜の上に分離膜を形成し、
前記分離膜の上に第2の非晶質半導体膜を形成し、
前記第2の非晶質半導体膜の上に結晶化を促進するための元素を添加し、
熱処理を行い、前記元素を前記第2の非晶質膜及び前記分離膜の膜中に拡散させて前記第1の非晶質半導体膜に至らせることにより、前記第1の非晶質半導体膜を結晶化した第1の結晶質半導体膜と、前記第2の非晶質半導体膜を結晶化した第2の結晶質半導体膜とを形成し、
前記第2の結晶質半導体膜を選択的に除去し、
前記分離膜を選択的に除去し、
前記第1の結晶質半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 Forming a first amorphous semiconductor film using a plasma CVD method;
Wherein the first amorphous semiconductor film, a heat treatment at the first temperature lower than the temperature at which crystal nuclei are generated in the amorphous semiconductor film,
Forming a separation film on the first amorphous semiconductor film;
Forming a second amorphous semiconductor film on the separation film;
Adding an element for promoting crystallization on the second amorphous semiconductor film;
The first amorphous semiconductor film is subjected to a heat treatment to diffuse the element into the second amorphous film and the separation film to reach the first amorphous semiconductor film. Forming a first crystalline semiconductor film obtained by crystallizing the second amorphous semiconductor film, and a second crystalline semiconductor film obtained by crystallizing the second amorphous semiconductor film,
Selectively removing the second crystalline semiconductor film;
Selectively removing the separation membrane;
A manufacturing method of a semiconductor device, wherein a thin film transistor is formed using the first crystalline semiconductor film.
前記第1の非晶質半導体膜及び前記第2の非晶質半導体膜は、非晶質シリコン膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film are amorphous silicon films.
前記分離膜を、オゾン水を用いて前記第1の非晶質半導体膜の表面を酸化することにより形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the separation film is formed by oxidizing the surface of the first amorphous semiconductor film using ozone water.
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