JP2002299629A - Polysilicon thin film semiconductor and manufacturing method therefor - Google Patents
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Landscapes
- Liquid Crystal (AREA)
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- Thin Film Transistor (AREA)
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜半導体装置とそ
のの製造方法に関する。詳しくは、例えば1000cm 2 以上
の大面積を有するガラス等の絶縁基板に成膜された非単
結晶性の半導体薄膜に対し不純物イオンを選択的に注入
して低濃度不純物領域、高濃度不純物領域及びチャネル
領域を備えた薄膜トランジスタを集積形成し、且つ60
0℃以下の低温プロセスで必要な熱処理等を行なった薄
膜半導体装置とこれを製造する方法に関する。より詳し
くは、薄膜トランジスタの閾値電圧調整の為の不純物イ
オン注入方法及び活性化方法に関する。The present invention relates to a thin film semiconductor device and a thin film semiconductor device.
And a method for producing the same. For details, for example, 1000cm Two that's all
Film formed on an insulating substrate such as glass having a large area
Selective implantation of impurity ions into crystalline semiconductor thin films
Low-concentration impurity region, high-concentration impurity region and channel
Forming a thin film transistor having an integrated region,
A thin film that has been subjected to the necessary heat treatment in a low-temperature process of 0 ° C or less
The present invention relates to a film semiconductor device and a method for manufacturing the same. More details
In other words, impurity ions for adjusting the threshold voltage of thin film transistors
The present invention relates to an on-injection method and an activation method.
【0002】[0002]
【従来の技術】液晶ディスプレイ等に用いられる大面積
の薄膜半導体装置が盛んに開発されている。従来、画素
スイッチング用として薄膜半導体装置に集積形成される
薄膜トランジスタは非晶質シリコンを活性層とする構造
が一般的であった。しかしながら、非晶質シリコン薄膜
トランジスタはキャリア移動度が低く十分な動作特性を
備えていない為、周辺の駆動回路等を絶縁基板上に集積
形成することができなかった。近年では多結晶シリコン
薄膜トランジスタを用いた薄膜半導体装置が開発されて
いる。多結晶シリコン薄膜トランジスタは非晶質シリコ
ン薄膜トランジスタに比べ動作特性が優れており、画素
スイッチング用に加え周辺駆動回路のデバイスとしても
利用できる。この様に、多結晶シリコン薄膜トランジス
タを用いた薄膜半導体装置は大面積の駆動回路内蔵型高
解像度液晶ディスプレイ等に最適であり、盛んに研究開
発が行なわれている。一般に、多結晶シリコン薄膜トラ
ンジスタの製造では、1000℃以上の熱処理を含む高
温プロセスと、プロセス最高温度が600℃以下に抑制
された低温プロセスとに分けられる。比較的コスト等で
有利なガラスを絶縁基板として用いる為には低温プロセ
スが必須であり、現在主流となっている。2. Description of the Related Art Large-area thin-film semiconductor devices used for liquid crystal displays and the like have been actively developed. Conventionally, thin film transistors integrated on a thin film semiconductor device for pixel switching generally have a structure using amorphous silicon as an active layer. However, since amorphous silicon thin film transistors have low carrier mobility and do not have sufficient operating characteristics, peripheral drive circuits and the like cannot be integratedly formed on an insulating substrate. In recent years, thin film semiconductor devices using polycrystalline silicon thin film transistors have been developed. Polycrystalline silicon thin film transistors have better operation characteristics than amorphous silicon thin film transistors, and can be used as devices for peripheral driving circuits in addition to pixel switching. As described above, a thin film semiconductor device using a polycrystalline silicon thin film transistor is most suitable for a large-area high-resolution liquid crystal display with a built-in drive circuit, and has been actively researched and developed. In general, the production of polycrystalline silicon thin film transistors is divided into a high-temperature process including a heat treatment at 1000 ° C. or higher and a low-temperature process in which the maximum process temperature is suppressed to 600 ° C. or lower. A low-temperature process is indispensable for using glass, which is comparatively advantageous in cost and the like, as an insulating substrate, and is currently mainstream.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の低温
プロセスでは薄膜トランジスタの閾値電圧(Vth)の
制御が困難であり現実には行なわれていなかった。一般
に、薄膜トランジスタの閾値電圧を調整する為には半導
体薄膜のチャネル領域(活性層)に比較的低いドーズ量
で不純物イオンを制御よく注入し且つ活性化する必要が
あるが、従来の低温プロセスではこれらの処理が困難で
あった。また活性層にあらかじめ不純物が混入されてい
る場合は全てが熱処理で活性化されてしまう。However, in the conventional low-temperature process, it is difficult to control the threshold voltage (Vth) of the thin film transistor, and it has not been actually performed. Generally, in order to adjust the threshold voltage of a thin film transistor, it is necessary to controlly implant and activate impurity ions at a relatively low dose into a channel region (active layer) of a semiconductor thin film. Was difficult to process. Further, when impurities are mixed in the active layer in advance, all are activated by the heat treatment.
【0004】しかしながら、薄膜トランジスタを高性能
化し、且つ大面積の絶縁基板上で薄膜トランジスタの動
作特性を均一化する為には、閾値電圧の制御が必須にな
っている。従来の低温プロセスでは薄膜トランジスタの
閾値電圧の制御を行なっていない為、例えば閾値電圧
(Vth)が工程上のばらつきでデプレッション側に振
れた場合、補償が不可能となり薄膜トランジスタのリー
ク電流が増大し、画素の輝点欠陥になることがあった。
また非晶質シリコン表面に初期から不純物汚染があると
そのままレーザーアニールすることにより汚染不純物が
活性化され各トランジスタにばらつきが生じる。However, in order to improve the performance of the thin film transistor and to make the operation characteristics of the thin film transistor uniform on a large-area insulating substrate, it is essential to control the threshold voltage. In the conventional low-temperature process, the threshold voltage of the thin film transistor is not controlled. For example, when the threshold voltage (Vth) fluctuates toward the depletion side due to process variations, compensation becomes impossible, and the leak current of the thin film transistor increases. Bright spot defect.
In addition, if impurity contamination is present on the amorphous silicon surface from the beginning, laser annealing is performed as it is, thereby contaminating impurities are activated and variations occur in each transistor.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明は上述した従来の
技術の課題を解決するため、薄膜トランジスタの閾値電
圧調整の為の不純物注入処理及び活性化処理を正確に制
御可能な薄膜半導体の製造方法および薄膜半導体装置を
提供することを目的とする。かかる目的を達成する為に
本発明による薄膜半導体装置の製造方法は、先ず絶縁基
板に非単結晶の半導体薄膜を成膜する第1の工程を行な
い、次に、第2の工程で、最低結晶化エネルギーを超え
る強度のレーザ光を半導体薄膜に照射して非単結晶を多
結晶に転換し薄膜トランジスタの活性層を形成する。According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film semiconductor capable of accurately controlling an impurity implantation process and an activation process for adjusting a threshold voltage of a thin film transistor. And a thin film semiconductor device. In order to achieve this object, a method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention comprises first performing a first step of forming a non-single-crystal semiconductor thin film on an insulating substrate, and then, A semiconductor thin film is irradiated with laser light having an intensity exceeding the activation energy to convert a non-single crystal into a polycrystal to form an active layer of a thin film transistor.
【0006】ここで高抵抗を測れるリング電極型シート
抵抗器を用いて抵抗値をモニターして109 ohm/sq以下の
抵抗値をもつ薄膜は除外する。Here, a resistance value is monitored using a ring electrode type sheet resistor capable of measuring a high resistance, and a thin film having a resistance value of 10 9 ohm / sq or less is excluded.
【0007】さらに第3の工程で、薄膜トランジスタの
閾値電圧を調整する為あらかじめ測定したシート抵抗値
に見合った不純物を該活性層に所定の濃度で不純物注入
する処理を行なった後、熱処理を行う。あるいは最低結
晶化エネルギーよりも大きく多結晶の平均結晶粒径が最
大となるエネルギー以下の強度を有するレーザ光を半導
体薄膜に照射する処理を行ない、活性層に注入された不
純物を1.5×1018/cm3未満の実効濃度で活性化する。Further, in a third step, in order to adjust the threshold voltage of the thin film transistor, an impurity corresponding to a previously measured sheet resistance is implanted into the active layer at a predetermined concentration, and then a heat treatment is performed. Alternatively, the semiconductor thin film is irradiated with a laser beam having an intensity larger than the minimum crystallization energy and equal to or lower than the energy at which the average crystal grain size of the polycrystal is the maximum, and the impurity injected into the active layer is reduced to 1.5 × 10 18 / Activates at an effective concentration of less than cm 3 .
【0008】最後に第4の工程で、活性層をチャネル領
域としてそのまま残す部分以外の半導体薄膜に不純物を
選択的に注入して少なくとも薄膜トランジスタのソース
領域及びドレイン領域を形成することを特徴とするもの
である。Finally, in a fourth step, at least the source region and the drain region of the thin film transistor are formed by selectively injecting impurities into the semiconductor thin film other than the portion where the active layer is left as a channel region as it is. It is.
【0009】好ましくは、第4の工程は、ソース領域及
び/又はドレイン領域とチャネル領域との間にソース領
域及び/又はドレイン領域と同一導電型でより低濃度且
つチャネル領域より高濃度の不純物を注入して低濃度不
純物領域を形成する処理を含んでいる。なお、本発明の
好ましい実施態様では、無アルカリガラスからなる絶縁
基板に薄膜トランジスタを形成する為、第1ないし第4
の工程を含む全ての工程は600℃以下の処理温度で実
行される。Preferably, in the fourth step, an impurity having the same conductivity type as the source region and / or the drain region and a lower concentration and a higher concentration than the channel region is provided between the source region and / or the drain region and the channel region. It includes a process of forming a low concentration impurity region by implantation. In a preferred embodiment of the present invention, the thin film transistor is formed on an insulating substrate made of non-alkali glass.
Are performed at a processing temperature of 600 ° C. or less.
【0010】本発明によれば、プロセス最高温度が例え
ば600℃以下に設定された薄膜半導体装置の製造方法
において、薄膜トランジスタの閾値電圧制御の為少なく
とも活性層(チャネル領域)に所定の不純物種をイオン
注入等で導入している。特徴事項として、活性層に導入
された不純物イオンを熱処理またはレーザ光の照射によ
り活性化している。この際、非単結晶を多結晶に転換す
る為に必要な最低結晶化エネルギーよりも大きく、多結
晶の平均結晶粒径が最大となるエネルギー以下に設定さ
れたレーザ光を照射する。さらに、活性化した不純物イ
オンの濃度が1.5×1018/cm3 未満となる様に制御す
る。かかる注入処理及び活性化処理により薄膜トランジ
スタの閾値電圧を正確に制御する事ことが可能になる。According to the present invention, in a method of manufacturing a thin film semiconductor device in which the maximum process temperature is set to, for example, 600 ° C. or less, a predetermined impurity species is ionized at least in an active layer (channel region) for controlling a threshold voltage of a thin film transistor. Introduced by injection. As a characteristic feature, impurity ions introduced into the active layer are activated by heat treatment or laser light irradiation. At this time, a laser beam which is larger than the minimum crystallization energy required for converting the non-single crystal into the polycrystal and is set to be equal to or less than the energy at which the average crystal grain size of the polycrystal becomes the maximum is applied. Further, control is performed so that the concentration of the activated impurity ions is less than 1.5 × 10 18 / cm 3. With such an injection process and an activation process, the threshold voltage of the thin film transistor can be accurately controlled.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の最良
な実施形態を詳細に説明する。図1は本発明にかかる薄
膜半導体装置製造方法の第1実施形態を示す工程図であ
る。本実施形態では、1000cm2 程度以上の面積を有する
絶縁基板に成膜された非単結晶性の半導体薄膜に対し不
純物イオンを選択的に注入して低濃度不純物領域、高濃
度不純物領域及びチャネル領域を備えた薄膜トランジス
タを集積形成し、且つ600℃以下のプロセス温度で必要
な熱処理を行なって薄膜半導体装置を製造している。本
実施形態の薄膜トランジスタはトップゲート構造を有
し、Nチャネル型及びPチャネル型の両者を含んでい
る。但し、図示を容易にする為に、Nチャネル型の薄膜
トランジスタのみを示している。この薄膜トランジスタ
はチャネル領域の幅寸法Wが10μmであり、チャネル領
域の長手寸法が4μmに設定されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a process chart showing a first embodiment of a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention. In this embodiment, a non-single-crystal semiconductor thin film formed on an insulating substrate having an area of about 1000 cm 2 or more is selectively implanted with impurity ions to form a low-concentration impurity region, a high-concentration impurity region, and a channel region. The thin-film semiconductor device is manufactured by integrally forming a thin film transistor having the above structure and performing necessary heat treatment at a process temperature of 600 ° C. or less. The thin film transistor of the present embodiment has a top gate structure, and includes both an N-channel type and a P-channel type. However, only an N-channel thin film transistor is shown for ease of illustration. In this thin film transistor, the width dimension W of the channel region is 10 μm, and the longitudinal dimension of the channel region is set to 4 μm.
【0012】先ず図1(a)に示す様に、ガラス等から
なる絶縁基板100の上に下地膜としてのバッファ層1
を形成する。例えば、SiO2 膜又はSiNx 膜を約1
00nm〜200nmの厚みで堆積しバッファ層1とする。
なお、このバッファ層1は必ずしも必要ではない。続い
て、プラズマCVD法又はLPCVD(減圧CVD)法
等で、非晶質シリコンからなる半導体薄膜2を約30nm
〜80nmの膜厚で成膜する。なお、これらのバッファ層
1や半導体薄膜2が全面に成膜された絶縁基板100の
寸法は90cm×120cmである。ここで、非晶質シリコンか
らなる半導体薄膜2の成膜にプラズマCVD法を用いた
場合は、膜中の水素を脱離させる為にアニールを行な
う。このアニールは窒素雰囲気中に絶縁基板100を投
入し400〜450℃の温度で1時間程度加熱する。なお、こ
の脱水素化アニールはRTA(Rapid Thermal Annealing)等
のランプアニールを用いても良い。続いて、レーザアニ
ール又は固相成長等の手段を用いて非晶質シリコンを結
晶化させ多結晶シリコンに転換する。First, as shown in FIG. 1A, a buffer layer 1 as a base film is formed on an insulating substrate 100 made of glass or the like.
To form For example, a SiO2 film or a SiNx film is
The buffer layer 1 is deposited with a thickness of 00 nm to 200 nm.
Note that the buffer layer 1 is not always necessary. Subsequently, the semiconductor thin film 2 made of amorphous silicon is formed to a thickness of about 30 nm by a plasma CVD method or an LPCVD (low pressure CVD) method.
The film is formed to a thickness of about 80 nm. The dimensions of the insulating substrate 100 on which the buffer layer 1 and the semiconductor thin film 2 are formed over the entire surface are 90 cm × 120 cm. Here, when the plasma CVD method is used to form the semiconductor thin film 2 made of amorphous silicon, annealing is performed to desorb hydrogen in the film. In this annealing, the insulating substrate 100 is put in a nitrogen atmosphere and heated at a temperature of 400 to 450 ° C. for about one hour. This dehydrogenation annealing may use lamp annealing such as RTA (Rapid Thermal Annealing). Subsequently, the amorphous silicon is crystallized using a means such as laser annealing or solid phase growth to be converted into polycrystalline silicon.
【0013】次にこの多結晶シリコンのシート抵抗を測
定し抵抗値をモニターしておく。多結晶シリコン膜は高
抵抗であることが予測されるため4端子4探針測定では
難しい。そのためドーナツ状に作成したリング状の電極
を作製し高抵抗測定用の装置とした。これを図2に示
す。外側の内径6mmと内側電極外形3mmのリング電極を用
いて抵抗値を測定し、測定結果が109 ohm/sq以下である
場合は、この薄膜内に不純物が多量に存在するものとし
て除外する。Next, the sheet resistance of the polycrystalline silicon is measured to monitor the resistance value. The polycrystalline silicon film is expected to have a high resistance, so it is difficult to measure it with a four-terminal four-point probe. For this reason, a ring-shaped electrode made in a donut shape was manufactured and used as an apparatus for measuring high resistance. This is shown in FIG. The resistance value is measured using a ring electrode having an outer inner diameter of 6 mm and an inner electrode outer diameter of 3 mm. If the measurement result is 10 9 ohm / sq or less, it is excluded because a large amount of impurities exists in this thin film.
【0014】この両電極に多結晶薄膜を接触させて1-10
0V程度印加すると簡単にシート抵抗を測定することがで
きる。このシート抵抗値から閾値電圧Vthを予め予測
することができる。[0014] A polycrystalline thin film is brought into contact with these two electrodes,
When a voltage of about 0 V is applied, the sheet resistance can be easily measured. The threshold voltage Vth can be predicted in advance from the sheet resistance value.
【0015】これはドーナツ状の金属パターンをa-Si上
に成膜してもよく、成膜後に内側と外側のそれぞれに電
圧を印加してそのときに流れる電流値をモニターして抵
抗値に換算する。なお、非晶質シリコン膜をレ−ザ−ア
ニ−ルによって結晶化する際、非晶質シリコン膜の表面
または内部におけるボロン、アルミニウムなどの金属不
純物の汚染量が、1017/cm3以下であり,さらに作製され
た多結晶シリコン膜内も不純物の汚染量が1017/cm3以下
であることがしきい値制御のために望ましい。In this method, a donut-shaped metal pattern may be formed on a-Si. After the film is formed, a voltage is applied to each of the inside and the outside, and a current value flowing at that time is monitored to obtain a resistance value. Convert. When the amorphous silicon film is crystallized by laser annealing, the amount of metal impurities such as boron and aluminum on the surface or inside of the amorphous silicon film is 10 17 / cm 3 or less. Further, it is desirable for the control of the threshold value that the contamination amount of the impurity is 10 17 / cm 3 or less also in the fabricated polycrystalline silicon film.
【0016】その後、この多結晶シリコンに転換された
半導体薄膜2をエッチングでアイランド状にパターニン
グし、薄膜トランジスタの素子領域とする。エッチング
された半導体薄膜2を被覆する様にゲート絶縁膜3を形
成する。例えば、プラズマCVD法、常圧CVD法、減
圧CVD法、ECR−CVD法、スパッタ法等でSiO
2 膜を50nm〜400nm堆積成長させゲート絶縁膜3と
する。After that, the semiconductor thin film 2 converted into polycrystalline silicon is patterned into an island shape by etching to form an element region of a thin film transistor. A gate insulating film is formed so as to cover the etched semiconductor thin film. For example, a plasma CVD method, a normal pressure CVD method, a low pressure CVD method, an ECR-CVD method, a sputtering method, etc.
2 A film is deposited and grown to a thickness of 50 nm to 400 nm to form a gate insulating film 3.
【0017】ここで、必要に応じ、大電流イオンインプ
ランテーション装置を用いて第1注入工程(追加のイオ
ンビーム注入工程)を行なう。即ち、イオン源から生じ
た不純物イオンを質量分離にかけて目的のイオン種のみ
を取り出し、且つビーム状に整形して得られた第1のイ
オンビームを走査しながら1×1013/cm2 未満のドー
ズ量で半導体薄膜2に注入し、後工程でチャネル領域と
なる部分の不純物濃度を調整して薄膜トランジスタの閾
値電圧Vthを予めシート抵抗値から概算して制御してお
く。この処理に用いる大電流イオンインプランテーショ
ン装置は磁場偏向器を備えており、静電偏向では走査が
困難な程度に大電流のイオンビームを磁場偏向で走査す
る事により1000cm2 以上の大面積を有する絶縁基板10
0の効率的な処理を可能にする。具体的には、目的のイ
オン種であるB+を薄膜トランジスタ(TFT)のVt
hを制御する目的でドーズ量を1×1012/cm2 〜8×
1012/cm2 程度に設定し、イオン注入を行なう。この
時の加速電圧は例えば10kVに設定する。又、イオンビ
ーム電流は4μA〜10μAであり、水平方向の走査周
波数は1Hzであり、垂直方向の走査速度は30mm/sec
であり、ビームスポットのオーバーラップ量は66.7
%であり、垂直方向の走査サイクルは8sycles〜10cy
clesであり、イオン注入に要した総時間は300sec 〜
400sec である。なお、このVth制御の為の第1注
入工程はゲート絶縁膜3の成膜前に行なっても良い。ま
たこの注入は質量分離型の注入機でリボンビームをガラ
ス基板上に走査することにより注入してもよい。Here, if necessary, a first implantation step (an additional ion beam implantation step) is performed using a large current ion implantation apparatus. That is, the impurity ion generated from the ion source is subjected to mass separation to extract only the target ion species, and the dose is less than 1 × 10 13 / cm 2 while scanning the first ion beam obtained by shaping into a beam shape. The threshold voltage Vth of the thin film transistor is controlled by estimating the threshold voltage Vth of the thin film transistor in advance by adjusting the impurity concentration of a portion to be a channel region in a later step. The high-current ion implantation system used for this process has a magnetic field deflector, and has a large area of 1000 cm 2 or more by scanning a high-current ion beam with magnetic field deflection to the extent that scanning by electrostatic deflection is difficult Insulating substrate 10
0 enables efficient processing. Specifically, the target ion species B + is converted to the Vt of a thin film transistor (TFT).
In order to control h, the dose is set to 1 × 10 12 / cm 2 to 8 ×
The ion implantation is performed at a setting of about 10 12 / cm 2 . The acceleration voltage at this time is set to, for example, 10 kV. The ion beam current is 4 μA to 10 μA, the scanning frequency in the horizontal direction is 1 Hz, and the scanning speed in the vertical direction is 30 mm / sec.
And the overlap amount of the beam spot is 66.7.
%, And the vertical scanning cycle is 8 sycles to 10 cy.
cles, and the total time required for ion implantation is 300 sec.
400 seconds. Note that the first implantation step for Vth control may be performed before the gate insulating film 3 is formed. In addition, this implantation may be performed by scanning the ribbon beam on the glass substrate with a mass separation type injector.
【0018】次に図1(b)に示す様に、絶縁基板10
0の上にAl,Ti,Mo,W,Ta,低抵抗化ポリシ
リコン、あるいはこれらの合金を200nm〜800nmの
厚みで成膜し、所定の形状にパターニングしてゲート電
極4に加工する。次いで、第1注入工程と同様に磁場偏
向器を備えた大電流イオンインプランテーション装置を
用いて第2注入工程(イオンビーム注入工程)を行な
う。即ち、イオン源から生じた不純物イオンを質量分離
にかけて目的のイオン種のみを取り出し、且つビーム状
に整形して得られた第2のイオンビーム5を走査しなが
ら1×1014/cm2 未満のドーズ量で半導体薄膜2に注
入し、TFTの低濃度不純物領域8-1を形成する。具体
的には、ゲート電極4をマスクとして目的のイオン種で
あるP+をイオン注入する。この時のドーズ量は6×1
012/cm2 〜5×1013/cm2 に設定する。Next, as shown in FIG.
A film of Al, Ti, Mo, W, Ta, low-resistance polysilicon or an alloy thereof having a thickness of 200 nm to 800 nm is formed on 0, and is patterned into a predetermined shape to be processed into the gate electrode 4. Next, as in the first implantation step, a second implantation step (ion beam implantation step) is performed using a high-current ion implantation apparatus equipped with a magnetic field deflector. That is, the impurity ions generated from the ion source are subjected to mass separation to extract only the target ion species, and the dose of less than 1 × 10 14 / cm 2 is scanned while scanning the second ion beam 5 obtained by shaping into a beam shape. In the semiconductor thin film 2 to form a low-concentration impurity region 8-1 of the TFT. Specifically, P + which is a target ion species is ion-implanted using the gate electrode 4 as a mask. The dose at this time is 6 × 1
It is set to 0 12 / cm 2 to 5 × 10 13 / cm 2 .
【0019】さらに図1(c)に示す様に、Nチャネル
トランジスタ用のレジストパタン6を形成し、ゲート電
極4を含めてその周囲を被覆する。ここでイオンドーピ
ング装置を用いて第3注入工程(イオンシャワー工程)
を行なう。即ち、別のイオン源から生じた不純物イオン
を質量分離にかける事なく目的のイオン種を含んだまま
電界加速して得られたイオンシャワー7を走査する事な
く1×1014/cm2 以上のドーズ量で半導体薄膜2に注
入し、TFTの高濃度不純物領域8-2を形成する。具体
的には、目的のイオン種であるP+を1×1015/cm2
程度のドーズ量でイオン注入する。このイオンドーピン
グ装置はバケットタイプのチャンバから一括して不純物
イオンを引き出し、絶縁基板100の全面に照射する
為、スループットは高く搬送を含めても1枚当たりの処
理時間は1min 程度である。Further, as shown in FIG. 1C, a resist pattern 6 for an N-channel transistor is formed, and its periphery including the gate electrode 4 is covered. Here, a third implantation step (ion shower step) is performed using an ion doping apparatus.
Perform That is, a dose of 1 × 10 14 / cm 2 or more is obtained without scanning the ion shower 7 obtained by accelerating the electric field while containing the target ion species without subjecting the impurity ions generated from another ion source to mass separation. In the semiconductor thin film 2 to form a high-concentration impurity region 8-2 of the TFT. Specifically, the target ion species, P + , is set to 1 × 10 15 / cm 2
Ion implantation is performed at a dose of about the same. Since this ion doping apparatus collectively extracts impurity ions from a bucket type chamber and irradiates the entire surface of the insulating substrate 100, the throughput is high and the processing time per one wafer is about 1 min even when the wafer is transported.
【0020】なお、場合によってはイオンドーピング装
置の代わりに前述したイオンインプランテーション装置
を用いて第3注入工程を行っても良い。以上の処理によ
り、ゲート電極4の直下には予めVthが調整されたチャ
ネル領域Chが形成され、その両側には低濃度不純物領
域8-1からなるLDD(Lightly Doped Drain)領域が形成
され、さらにその両側には高濃度不純物領域8-2からな
るソース領域S及びドレイン領域Dが形成される。な
お、絶縁基板100上にCMOS回路を集積形成する場
合には、Nチャネルトランジスタ用のレジストパタン6
に代えてPチャネルトランジスタ用のレジストパタンを
形成し、イオン源のガス系を5%B2H6/H2 に切り換
え、ドーズ量1×1015/cm2 程度でB+をイオン注入
すれば良い。In some cases, the third implantation step may be performed using the above-described ion implantation apparatus instead of the ion doping apparatus. By the above processing, a channel region Ch whose Vth is adjusted in advance is formed immediately below the gate electrode 4, and an LDD (Lightly Doped Drain) region including the low concentration impurity region 8-1 is formed on both sides thereof. A source region S and a drain region D composed of the high concentration impurity region 8-2 are formed on both sides thereof. When a CMOS circuit is integrated on the insulating substrate 100, the resist pattern 6 for the N-channel transistor is used.
To form a resist pattern for the P-channel transistor in place of, switch the gas system of the ion source 5% B2 H6 / H2, the B + may be ion implanted at a dose of about 1 × 10 15 / cm @ 2.
【0021】最後に図1(d)に示す様に、薄膜トラン
ジスタTFTをPSG等からなる層間絶縁膜9で被覆す
る。その膜厚は約600nm程度である。この状態で30
0℃〜400℃の温度下アニールを行ない、半導体薄膜
2に注入されたドーパントを活性化させる。この様な低
温活性化アニールの代わりにレーザ活性化アニールを行
なっても良い。さらに、層間絶縁膜9にコンタクトホー
ルを開口した後、Al−Si等からなる金属膜をスパッ
タリングにより成膜し、所定の形状にパタニングして配
線電極10に加工する。この配線電極10の上を順にS
iO2 膜11及びSiNx 膜12で被覆する。これらの
膜の合計厚みは200nm〜400nm程度である。この状
態で絶縁基板100を窒素雰囲気中に投入し350℃程
度の温度で1時間程度水素化アニールを実行する。これ
により、SiO2 膜11に含有されていた水素が半導体薄
膜2に導入され、薄膜トランジスタTFTの動作特性を
改善できる。以上の様にして薄膜半導体装置が完成す
る。なお、この薄膜半導体装置を液晶ディスプレイに用
いる場合、さらにSiNx 膜12の上にITO等からなる
画素電極を形成する場合がある。以上に説明した薄膜半
導体装置のプロセス温度は最高が脱水素アニールの40
0℃〜450℃である。Finally, as shown in FIG. 1D, the thin film transistor TFT is covered with an interlayer insulating film 9 made of PSG or the like. Its thickness is about 600 nm. 30 in this state
Annealing is performed at a temperature of 0 ° C. to 400 ° C. to activate the dopant implanted in the semiconductor thin film 2. Laser activation annealing may be performed instead of such low-temperature activation annealing. Further, after opening a contact hole in the interlayer insulating film 9, a metal film made of Al—Si or the like is formed by sputtering, patterned into a predetermined shape, and processed into the wiring electrode 10. S on the wiring electrodes 10 in order
It is covered with an iO2 film 11 and a SiNx film 12. The total thickness of these films is about 200 to 400 nm. In this state, the insulating substrate 100 is placed in a nitrogen atmosphere, and hydrogenation annealing is performed at a temperature of about 350 ° C. for about 1 hour. Thereby, the hydrogen contained in the SiO2 film 11 is introduced into the semiconductor thin film 2, and the operation characteristics of the thin film transistor TFT can be improved. As described above, the thin film semiconductor device is completed. When the thin film semiconductor device is used for a liquid crystal display, a pixel electrode made of ITO or the like may be further formed on the SiNx film 12. The process temperature of the thin-film semiconductor device described above is up to 40 for dehydrogenation annealing.
0 ° C to 450 ° C.
【0022】図3は、前述した第1注入工程及び第2注
入工程で用いられる大電流イオンインプランテーション
装置の具体的な構成を示すブロック図である。図示する
様に、本装置はイオン源31、質量分離器32、四重極
レンズ33、偏向マグネット34、角度補正マグネット
35、ワークステーション36等を備えている。イオン
源31から発生したイオンビームは質量分離器32を通
り質量分離される。さらに、四重極33を介して偏向マ
グネット34に入射する。この後角度補正マグネット3
5を通過する事により、基板に対するイオンビームの角
度を調節し、ドーズ量の基板面内分布を均一化する。最
後にイオンビームはワークステーション36に載置され
た絶縁基板上に入射する。四重極レンズ33は大電流イ
オンビームに伴なう空間電荷効果に起因する結像位置の
変化を補償する為に装入されている。かかる構成を有す
る大電流イオンインプランテーション装置のさらに具体
的な光学系は、例えばNuclear Instrum
ents and Methods in Physi
cs Research A363(1995)p.4
68に開示されている。この大電流イオンインプランテ
ーション装置は投入可能な最大基板サイズが32cm×4
0cmであり、最大ビーム電流は16mAであり、注入エネ
ルギーは10KeV 〜100KeV の間で可変であり、ドー
ズ量は1×1012/cm2 〜1×1016/cm2 の範囲で制
御可能である。又、注入可能なイオン種としてはP+と
B+に対応している。本イオンインプランテーション装
置の特徴は、大電流のイオンビームを電場ではなく磁場
によって走査させる事にあり、この為、従来静電偏向器
では困難であった大電流イオンビームの走査も可能とな
っている。磁場偏向型の走査系を持つ為、10mA以上の
大電流イオンビームを用いて基板を枚葉で処理する事が
できる。加えて、イオン注入時間も数10秒〜数分以内
で完了し、スループット低下の心配もない。大電流イオ
ンビームのスポットサイズは90mm×120mmの正方形であ
る。FIG. 3 is a block diagram showing a specific configuration of a high-current ion implantation apparatus used in the above-described first implantation step and second implantation step. As shown, the apparatus includes an ion source 31, a mass separator 32, a quadrupole lens 33, a deflection magnet 34, an angle correction magnet 35, a work station 36, and the like. The ion beam generated from the ion source 31 passes through the mass separator 32 and is mass-separated. Further, the light enters the deflection magnet 34 via the quadrupole 33. After this, the angle correction magnet 3
5, the angle of the ion beam with respect to the substrate is adjusted, and the dose distribution in the substrate surface is made uniform. Finally, the ion beam is incident on the insulating substrate mounted on the workstation 36. The quadrupole lens 33 is provided to compensate for a change in the imaging position due to the space charge effect accompanying the high current ion beam. A more specific optical system of the large current ion implantation apparatus having such a configuration is, for example, Nuclear Instrument.
ents and Methods in Physi
cs Research A363 (1995) p. 4
68. This large current ion implantation system has a maximum substrate size of 32 cm x 4
0 cm, the maximum beam current is 16 mA, the implantation energy is variable between 10 KeV and 100 KeV, and the dose is controllable in the range of 1 × 10 12 / cm 2 to 1 × 10 16 / cm 2 . The implantable ion species correspond to P + and B + . The feature of this ion implantation system is that a large current ion beam is scanned by a magnetic field instead of an electric field. Therefore, it is possible to scan a large current ion beam, which was difficult with the conventional electrostatic deflector. I have. Since it has a magnetic-deflection type scanning system, it is possible to process a substrate in a single wafer using a high-current ion beam of 10 mA or more. In addition, the ion implantation time is completed within a few tens of seconds to a few minutes, and there is no fear of a decrease in throughput. The spot size of the high-current ion beam is a square of 90 mm × 120 mm.
【0023】図4は、上述した第3注入工程で用いられ
るイオンドーピング装置の一例を示すブロック図であ
る。このイオンドーピング装置は基板サイズに相当する
開口部を持つ大型であり、容量結合型高周波放電により
プラズマを発生させるイオン源51を主体とする。イオ
ン源51はマッチングボックス52を介して高周波電源
53に接続されている。4枚の多孔電極(第1電極5
4、第2電極55、抑制電極56、接地電極57)で形
成された引き出し・加速電極系によりイオンシャワー5
8を引き出す。FIG. 4 is a block diagram showing an example of an ion doping apparatus used in the above third implantation step. This ion doping apparatus is large, having an opening corresponding to the size of a substrate, and mainly includes an ion source 51 for generating plasma by capacitively-coupled high-frequency discharge. The ion source 51 is connected to a high frequency power supply 53 via a matching box 52. Four porous electrodes (first electrode 5
4, an ion shower 5 by the extraction / acceleration electrode system formed by the second electrode 55, the suppression electrode 56, and the ground electrode 57).
Pull out 8.
【0024】4枚電極構成のイオン源としては1段加速
方式と2段加速方式があるが、本例では前者を採用して
いる。この1段加速方式の場合単一の加速電圧でイオン
エネルギーを決定できる。又、エネルギーとは独立した
引き出し電流の制御でプラズマからのイオンの引き出し
状態を調整できる。即ち、この1段加速方式では引き出
し電源59、加速電源60、抑制電源61を別々に備え
ている。図示する様にイオンドーピング装置はイオンイ
ンプランテーション装置と異なり加速管や走査部は持た
ない。必要なエネルギーはイオン源の引き出し・加速電
極系で決まる。一方、必要な基板サイズに相当するイオ
ンシャワー58の大きさについては、イオン源の多孔領
域を基板サイズに応じたものを使用する。従って、基板
サイズの大型化に伴ない、イオン源が大型化する事にな
る。現状の90cm×120cm基板対応のイオン源では、最大
径が2.5mにまでなっている。There are a single-stage acceleration system and a two-stage acceleration system as an ion source having a four-electrode configuration. In the present embodiment, the former is adopted. In the case of this one-stage acceleration method, ion energy can be determined with a single acceleration voltage. Further, the state of extraction of ions from the plasma can be adjusted by controlling the extraction current independent of the energy. That is, in this one-stage acceleration system, a drawing power source 59, an acceleration power source 60, and a suppression power source 61 are separately provided. As shown in the figure, the ion doping apparatus differs from the ion implantation apparatus in that it does not have an accelerating tube or a scanning unit. The required energy is determined by the extraction and acceleration electrode system of the ion source. On the other hand, as for the size of the ion shower 58 corresponding to the required substrate size, a porous region of the ion source according to the substrate size is used. Therefore, as the size of the substrate increases, the size of the ion source increases. In the current ion source for a 90 cm × 120 cm substrate, the maximum diameter is 2.5 m.
【0025】図5は本発明にかかる半導体装置製造方法
の第2実施形態を示す工程図である。図1に示した第1
実施形態と対応する部分については対応する参照番号を
付して理解を容易にしている。本実施形態ではボトムゲ
ート構造の薄膜トランジスタを集積形成している。図示
を容易にする為、Nチャネル型の薄膜トランジスタのみ
を示している。そのチャネル幅は10μmであり、チャ
ネル長は7μmである。先ず図5(a)に示す様に、ガ
ラス等からなる絶縁基板100の上にSiO2膜又はS
iNx 膜等を約100nm〜200nmの厚みで形成し、バ
ッファ層1とする。絶縁基板100の大きさは30cm×
35cmである。次いで、Al,Ta,Mo,W,Cr又
はこれらの合金からなる金属膜を100nm〜200nmの
厚みで形成し、所定の形状にパタニングしてゲート電極
4に加工する。ゲート電極4の材料としてAl,Ta,
Mo/Ta等を用いた場合はその表面を陽極酸化する事
でゲート絶縁膜3aを形成できる。次いで、プラズマC
VD法、常圧CVD法、減圧CVD法等でSiNx を5
0nm堆積しさらに連続してSiO2 を約200nm堆積
し、ゲート絶縁膜3bとする。さらにこの上に、連続的
に非晶質シリコンからなる半導体薄膜2を約30nm〜8
0nmの厚みで成膜する。ここでプラズマCVD法を用い
た場合は、膜中の水素を脱離させる為に窒素雰囲気中で
400℃〜450℃、1時間程度のアニールを行なう。
この脱水素化アニールはRTP等のランプアニールを用
いても良い。ここで、TFTのVthを制御する目的で
大電流イオンインプランテーション装置を用いB+をイ
オン注入する。そのドーズ量は1×1012/cm2 〜6×
1012/cm2 程度に設定される。FIG. 5 is a process chart showing a second embodiment of the semiconductor device manufacturing method according to the present invention. The first shown in FIG.
Corresponding reference numerals are assigned to portions corresponding to the embodiment to facilitate understanding. In this embodiment mode, a thin film transistor having a bottom gate structure is integrated and formed. For ease of illustration, only an N-channel thin film transistor is shown. The channel width is 10 μm and the channel length is 7 μm. First, as shown in FIG. 5A, an SiO2 film or S
An iNx film or the like is formed with a thickness of about 100 nm to 200 nm to form a buffer layer 1. The size of the insulating substrate 100 is 30 cm ×
35 cm. Next, a metal film made of Al, Ta, Mo, W, Cr or an alloy thereof is formed to a thickness of 100 nm to 200 nm, patterned into a predetermined shape, and processed into the gate electrode 4. As a material of the gate electrode 4, Al, Ta,
When Mo / Ta or the like is used, the gate insulating film 3a can be formed by anodizing the surface. Next, plasma C
5 SiNx by VD method, normal pressure CVD method, low pressure CVD method, etc.
A gate insulating film 3b is formed by depositing 0 nm and continuously depositing about 200 nm of SiO2. Further, a semiconductor thin film 2 made of amorphous silicon is continuously formed thereon by about 30 nm to 8 nm.
The film is formed with a thickness of 0 nm. Here, when the plasma CVD method is used, annealing is performed at about 400 ° C. to about 450 ° C. for about 1 hour in a nitrogen atmosphere in order to desorb hydrogen in the film.
This dehydrogenation annealing may use lamp annealing such as RTP. Here, in order to control Vth of the TFT, B + ions are implanted using a large current ion implantation apparatus. The dose amount is 1 × 10 12 / cm 2 to 6 ×
It is set to about 10 12 / cm 2 .
【0026】この段階でレーザアニール法あるいは固相
成長法を用いて非晶質シリコンを多結晶シリコンに転換
する。シート抵抗を測定後、転換された多結晶シリコン
からなる半導体薄膜2を薄膜トランジスタの素子領域の
形状にパターニングする。At this stage, amorphous silicon is converted to polycrystalline silicon by using a laser annealing method or a solid phase growth method. After measuring the sheet resistance, the converted semiconductor thin film 2 made of polycrystalline silicon is patterned into the shape of the element region of the thin film transistor.
【0027】次に図5(b)に示す様に、SiO2 を約
100nm〜300nmの厚みで形成し、ゲート電極4をマ
スクとした裏面露光によりパターニングしストッパ6a
に加工する。次いで、大電流イオンインプランテーショ
ン装置を用い、ストッパ6aをマスクとしてP+イオン
を半導体薄膜2に注入し、低濃度不純物領域8-1を形成
する。この時のドーズ量は6×1012/cm2 〜5×10
13/cm2である。Next, as shown in FIG. 5B, SiO2 is formed to a thickness of about 100 nm to 300 nm and patterned by backside exposure using the gate electrode 4 as a mask to form a stopper 6a.
Process into Next, using a large current ion implantation apparatus, P + ions are implanted into the semiconductor thin film 2 using the stopper 6a as a mask to form a low concentration impurity region 8-1. The dose at this time is 6 × 10 12 / cm 2 to 5 × 10
13 / cm 2 .
【0028】次いで図5(c)に示す様に、Nチャネル
トランジスタ4のレジストパタン6を形成する。このレ
ジストパタン6をマスクとして大電流イオンインプラン
テンション装置によりP+を半導体薄膜2に注入し、高
濃度不純物領域8-2を形成する。この時のドーズ量は1
×1015/cm2 程度である。なお、CMOS回路を絶縁
基板0上に形成する場合には、Nチャネルトランジスタ
用のレジストパタン6とは別にPチャネルトランジスタ
用のレジストパタンを形成し、イオン種をP+からB+
に切り換えてイオン注入すれば良い。Next, as shown in FIG. 5C, a resist pattern 6 of the N-channel transistor 4 is formed. Using this resist pattern 6 as a mask, P + is implanted into the semiconductor thin film 2 by a high-current ion implantation apparatus to form a high-concentration impurity region 8-2. The dose at this time is 1
It is about × 10 15 / cm 2. When a CMOS circuit is formed on the insulating substrate 0, a resist pattern for a P-channel transistor is formed separately from the resist pattern 6 for an N-channel transistor, and the ion species is changed from P + to B +.
And ion implantation may be performed.
【0029】この時のドーズ量は1×1015/cm2 程度
である。なお、第1実施形態と同様にこの高濃度不純物
領域形成では質量非分離型のイオンドーピング装置を用
いても良い。以上の様にして、ボトムゲート構造の薄膜
トランジスタTFTが集積形成される。ストッパ6aの
直下にはチャネル領域Chが形成され、その両側には低
濃度不純物領域8-1からなるLDD領域が形成され、さ
らにその両側には高濃度不純物領域8-2からなるソース
領域S及びドレイン領域Dが形成される。この後、30
0℃〜400℃程度でアニールし、半導体薄膜2に注入
されたドーパントを活性化させる。この活性化アニール
をレーザアニールで行なっても良い事は第1実施形態と
同様である。The dose at this time is about 1 × 10 15 / cm 2. As in the first embodiment, a non-mass separation type ion doping apparatus may be used for forming the high concentration impurity region. As described above, a thin film transistor TFT having a bottom gate structure is integrally formed. A channel region Ch is formed immediately below the stopper 6a, an LDD region including a low-concentration impurity region 8-1 is formed on both sides thereof, and a source region S and a high-concentration impurity region 8-2 on both sides thereof. A drain region D is formed. After this, 30
Anneal at about 0 ° C. to 400 ° C. to activate the dopant implanted in the semiconductor thin film 2. This activation annealing may be performed by laser annealing as in the first embodiment.
【0030】最後に図5(d)に示す様に、SiO2 を
20nm程度の厚みで成膜し、層間絶縁膜9とする。この
層間絶縁膜9にコンタクトホールを開口した後、Mo,
Al等の金属膜を200nm〜400nmの厚みでスパッタ
リングし、所定の形状にパタニングして配線電極10に
加工する。この上にSiO2 膜11及びSiNx 膜12
を重ねて200nm〜400nm堆積する。さらに、絶縁基
板100を窒素雰囲気中に投入し350℃の温度に1時
間保持して水素化アニールを行ない、薄膜半導体装置を
完成させる。本実施形態のプロセス最高温度は脱水素ア
ニールの400℃〜450℃である。Finally, as shown in FIG. 5D, SiO 2 is deposited to a thickness of about 20 nm to form an interlayer insulating film 9. After opening a contact hole in the interlayer insulating film 9, Mo, Mo,
A metal film such as Al is sputtered with a thickness of 200 nm to 400 nm, patterned into a predetermined shape, and processed into the wiring electrode 10. On top of this, a SiO2 film 11 and a SiNx film 12
And deposit 200 to 400 nm. Further, the insulating substrate 100 is put in a nitrogen atmosphere, and is held at a temperature of 350 ° C. for one hour to perform hydrogenation annealing, thereby completing a thin film semiconductor device. The maximum process temperature of this embodiment is 400 ° C. to 450 ° C. for dehydrogenation annealing.
【0031】図6は、薄膜トランジスタの閾電圧Vth
とチャネル領域に対する不純物イオンのドーズ量との関
係を示すグラフである。このドーズ量はシート抵抗値か
ら予め予測して見合った分を注入したものである。この
グラフは本発明の第2の実施形態で作成された薄膜トラ
ンジスタの実測データであり、Nチャネルトランジスタ
とPチャネルトランジスタの両方を示している。このグ
ラフはゲート電圧を−10Vから+15Vまで掃引し、
ドレイン電圧を10Vに設定した条件下でVthを測定
している。(a)に示すNチャネルトランジスタの場
合、ドーズ量が3×1012/cm2 (一番ドーズ量の多い
点)の時、全くイオン注入を行なっていないNチャネル
トランジスタに対し、Vthを約0.5Vエンハンスメン
ト方向にシフトすることができる。FIG. 6 shows the threshold voltage Vth of the thin film transistor.
4 is a graph showing the relationship between the dose and the dose of impurity ions with respect to the channel region. This dose is obtained by injecting a dose corresponding to the dose predicted in advance from the sheet resistance value. This graph is actual measurement data of a thin film transistor created in the second embodiment of the present invention, and shows both an N-channel transistor and a P-channel transistor. This graph sweeps the gate voltage from -10V to + 15V,
Vth is measured under the condition that the drain voltage is set to 10V. In the case of the N-channel transistor shown in (a), when the dose is 3 × 10 12 / cm 2 (the point where the dose is the largest), Vth is set to about 0.5 V with respect to the N-channel transistor which has not been subjected to ion implantation at all. It can be shifted in the enhancement direction.
【0032】一方(b)に示すPチャネルトランジスタ
はNチャネルトランジスタほど顕著にVthがシフトし
ていない。それでも、B+を3×1012/cm2 のドーズ
量で注入した場合、全くイオン注入をしていないPチャ
ネルトランジスタに比べ、Vthを約0.1Vデプレッシ
ョン側にシフトさせる事ができる。On the other hand, Vth of the P-channel transistor shown in (b) is not remarkably shifted as compared with the N-channel transistor. Nevertheless, when B + is implanted at a dose of 3.times.10@12 / cm @ 2, Vth can be shifted to the depletion side by about 0.1 V as compared with a P-channel transistor without any ion implantation.
【0033】図7は、第2の実施形態で作成したNチャ
ネルトランジスタのゲート電圧/ドレイン電流特性を示
すグフラである。(a)はチャネル領域に対するドーズ
量が1×1013/cm2 未満の場合の特性を示し、(b)
はチャネル領域に対するドーズ量が1×1013/cm2 を
超えた場合の特性を表わしている。閾値電圧制御用のド
ーズ量が1×1013/cm2 を超えると、(b)に示す様
に薄膜トランジスタのゲート電圧/ドレイン電流特性に
異常が現われる。従って、Vth制御用のB+のドーズ
量は1013/cm2 未満に調整する事が必要であり、望ま
しくは3×10 12/cm2 以下である。この様にすれば、
(a)に示す様に薄膜トランジスタの正常なゲート電圧
/ドレイン電流特性が得られる。なお、以上の結果は第
2の実施形態で得られた薄膜トランジスタに関するもの
であるが、第1の実施形態で作成された薄膜トランジス
タについても同様の事がいえる。FIG. 7 shows the N channel created in the second embodiment.
Gate voltage / drain current characteristics of
This is Suguura. (A) is the dose to the channel region
1 × 1013/cmTwo(B)
Means that the dose to the channel region is 1 × 1013/ Cm2
It shows the characteristics when exceeding. Threshold voltage control
Dose amount is 1 × 1013/ Cm2, as shown in (b)
To thin film transistor gate voltage / drain current characteristics
Abnormality appears. Therefore, the dose of B + for controlling Vth
Quantity is 1013/ Cm2 must be adjusted to less than
Or 3 × 10 12/ Cm2 or less. If you do this,
Normal gate voltage of thin film transistor as shown in (a)
/ Drain current characteristics. The above results are
Relating to the thin film transistor obtained in the second embodiment
However, the thin film transistor formed in the first embodiment
The same can be said for data.
【0034】図8は、第2の実施形態で作成されたNチ
ャネル薄膜トランジスタにおける低濃度不純物領域(L
DD領域)のドーズ量とリーク電流との関係を示すグラ
フである。このグラフから明らかな様に、リーク電流は
LDD領域のドーズ量に略比例している。FIG. 8 shows a low-concentration impurity region (L) in the N-channel thin-film transistor formed in the second embodiment.
9 is a graph showing a relationship between a dose amount (DD region) and a leak current. As is clear from this graph, the leak current is substantially proportional to the dose in the LDD region.
【0035】LDD領域のP+のドーズ量が1×1014
/cm2 を超えると、リーク電流は10pA以上となり、L
DD領域を設けた効果が殆ど失われる。従って、LDD
領域に対するドーズ量はP+イオンの実効ドーズ量に換
算して1×1014/cm2 未満である事が必要になる。The dose of P + in the LDD region is 1 × 10 14
/ Cm2, the leakage current becomes 10 pA or more, and L
The effect of providing the DD region is almost lost. Therefore, LDD
The dose for the region needs to be less than 1 × 10 14 / cm 2 in terms of the effective dose of P + ions.
【0036】好ましくは、5×1013/cm2 以下に制御
する事が良い。以上、第2の実施形態で作成されたサン
プルを例にとり説明したが、第1の実施形態で製造され
た薄膜トランジスタについても同様の事がいえる。又、
NチャネルトランジスタばかりでなくPチャネルトラン
ジスタについても同様の事がいえる。Preferably, the control is performed at 5 × 10 13 / cm 2 or less. As described above, the sample prepared in the second embodiment has been described as an example, but the same can be said for the thin film transistor manufactured in the first embodiment. or,
The same can be said for not only N-channel transistors but also P-channel transistors.
【0037】シート抵抗から概算して5×1013/cm2
以上注入しなければならない場合,この基板はロットア
ウトとみなすべきである。5 × 10 13 / cm 2 estimated from sheet resistance
If more must be implanted, this substrate should be considered a lot-out.
【0038】以上のような工程で作成した薄膜トランジ
スタは、正確なしきい値制御によって均一な特性に揃え
ることができるので、液晶表示装置、あるいは有機エレ
クトロルミネッセンス表示装置のアクティブマトリック
ス用素子、あるいは駆動回路用素子としてとくに適して
いる。The thin film transistor formed by the above-described steps can be made uniform in characteristics by accurate threshold value control. Therefore, the active matrix element of a liquid crystal display device or an organic electroluminescence display device, or a driving circuit device. Particularly suitable as an element.
【0039】[0039]
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、レ
ーザーアニール後にシート抵抗を予め測定しておくこと
により、従来の技術では困難であった低温プロセス薄膜
トランジスタのVthを予め知ることができ、Vthの制
御及びLDD領域の形成が容易になった。109 [ohm/s
q]以下である場合は、多結晶シリコン内に不純物が活性
化されVthを制御することは困難な膜であると判断す
る。109 [ohm/sq]以上の膜ではVth制御が可能であ
る。As described above, according to the present invention, by measuring the sheet resistance in advance after laser annealing, it is possible to know in advance the Vth of a low-temperature process thin film transistor, which was difficult with the prior art. , Vth and the formation of the LDD region are facilitated. 10 9 [ohm / s
q] or less, it is determined that the film is difficult to control Vth because impurities are activated in the polycrystalline silicon. Vth control is possible with a film of 10 9 [ohm / sq] or more.
【0040】電気特性が正確に制御された低温多結晶シ
リコン等からなる薄膜トランジスタを絶縁基板の大面積
に渡って集積形成する事が容易になる。従って、本発明
を利用することにより大面積の基板上に周辺駆動回路を
一体化した高解像度の液晶ディスプレイを実現できる。It becomes easy to form thin-film transistors made of low-temperature polycrystalline silicon or the like whose electric characteristics are accurately controlled over a large area of an insulating substrate. Therefore, by using the present invention, a high-resolution liquid crystal display in which peripheral driving circuits are integrated on a large-sized substrate can be realized.
【図1】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の第1
実施形態を示す工程図FIG. 1 shows a first example of a method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention.
Process drawing showing the embodiment
【図2】リング電極の構成図FIG. 2 is a configuration diagram of a ring electrode.
【図3】本発明の実施に用いられる大電流イオンインプ
ランテーション装置の一例を示すブロック図FIG. 3 is a block diagram showing an example of a high-current ion implantation apparatus used for implementing the present invention.
【図4】本発明の実施に用いられるイオンドーピング装
置の一例を示すブロック図FIG. 4 is a block diagram showing an example of an ion doping apparatus used for implementing the present invention.
【図5】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の第2
実施形態を示す工程図FIG. 5 shows a second example of the method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention.
Process drawing showing the embodiment
【図6】本発明に従って作成された薄膜トランジスタの
閾電圧とドーズ量との関係を示すグラフFIG. 6 is a graph showing a relationship between a threshold voltage and a dose of a thin film transistor manufactured according to the present invention.
【図7】同じく本発明に従って作成された薄膜トランジ
スタのゲート電圧/ドレイン電流特性を示すグラフFIG. 7 is a graph showing gate voltage / drain current characteristics of a thin film transistor similarly manufactured according to the present invention.
【図8】同じく本発明に従って作成された薄膜トランジ
スタのドーズ量とリーク電流との関係を示すグラフFIG. 8 is a graph showing the relationship between the dose and the leakage current of a thin film transistor similarly manufactured according to the present invention.
100 絶縁基板 1 バッファ層 2 半導体薄膜 3 ゲート絶縁膜 4 ゲート電極 5 イオンビーム 6 レジストパタン 6a ストッパ 7 イオンシャワー 8−1 低濃度不純物領域 8−2 高濃度不純物領域 9 層間絶縁膜 31 イオン源 32 質量分離器 32 四重極レンズ 34 偏向マグネット 35 角度補正マグネット 36 ワークステーション 51 イオン源 52 マッチングボックス 53 高周波電源 54 第1電極 55 第2電極 56 抑制電極 57 接地電極 58 イオンシャワー 59 引き出し電源 60 加速電源 61 抑制電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Insulating substrate 1 Buffer layer 2 Semiconductor thin film 3 Gate insulating film 4 Gate electrode 5 Ion beam 6 Resist pattern 6a Stopper 7 Ion shower 8-1 Low concentration impurity region 8-2 High concentration impurity region 9 Interlayer insulating film 31 Ion source 32 Mass Separator 32 Quadrupole lens 34 Deflection magnet 35 Angle correction magnet 36 Workstation 51 Ion source 52 Matching box 53 High frequency power supply 54 First electrode 55 Second electrode 56 Suppression electrode 57 Ground electrode 58 Ion shower 59 Extraction power supply 60 Acceleration power supply 61 Suppression power supply
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/265 602 H01L 21/265 604Z 604 H05B 33/14 A 21/336 H01L 29/78 618F H05B 33/14 616A 627G (72)発明者 河北 哲郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 筒 博司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2H092 JA25 JA34 JA37 JA41 JA46 KA04 KA05 KA10 MA08 MA18 MA27 MA30 NA05 NA22 NA24 NA29 3K007 AB18 DB03 EB00 FA01 FA02 5C094 AA05 AA43 BA03 BA29 BA43 CA19 DA14 DA15 EA04 EA07 EB02 FB14 5F052 AA02 AA11 AA24 BB03 BB07 DB02 DB03 EA15 FA19 HA06 JA01 5F110 AA08 AA17 AA28 BB02 BB04 CC02 CC08 DD02 DD13 DD14 EE03 EE04 EE06 EE09 FF02 FF03 FF09 FF10 FF24 FF28 FF29 FF30 FF31 FF32 GG02 GG06 GG13 GG28 GG29 GG32 GG34 GG45 GG47 GG52 HJ01 HJ04 HJ13 HJ23 HL03 HL04 HL06 HL23 HM15 NN03 NN04 NN14 NN23 NN24 NN25 PP01 PP03 PP31 PP35 QQ09 QQ11 QQ12 QQ23 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 21/265 602 H01L 21/265 604Z 604 H05B 33/14 A 21/336 H01L 29/78 618F H05B 33 / 14 616A 627G (72) Inventor Tetsuro Kawakita 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Pref. Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Hiroshi Tsutsumi 1006 Odaka Kadoma Kadoma, Osaka Pref. Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F-term (reference) 2H092 JA25 JA34 JA37 JA41 JA46 KA04 KA05 KA10 MA08 MA18 MA27 MA30 NA05 NA22 NA24 NA29 3K007 AB18 DB03 EB00 FA01 FA02 5C094 AA05 AA43 BA03 BA29 BA43 CA19 DA14 DA15 EA04 EA07 EB02 FB14 5F052 AA02 DBA03 AA02 DBA03 AA17 AA28 BB02 BB04 CC02 CC08 DD02 DD13 DD14 EE03 EE04 EE06 EE09 FF02 FF03 FF09 F F10 FF24 FF28 FF29 FF30 FF31 FF32 GG02 GG06 GG13 GG28 GG29 GG32 GG34 GG45 GG47 GG52 HJ01 HJ04 HJ13 HJ23 HL03 HL04 HL06 HL23 HM15 NN03 NN04 NN14 NN23 NN24 NNQ PP15
Claims (22)
する第1の工程と、最低結晶化エネルギーを超える強度
のレーザ光を半導体薄膜に照射して非単結晶を1.0×109
ohm/sq.以上のシート抵抗を有する多結晶に転換し薄
膜トランジスタの活性層を形成する第2の工程と、 薄膜トランジスタの閾値電圧を調整するために前記活性
層に所定の濃度で不純物を注入する処理を行なった後、
最低結晶化エネルギーよりも大きく多結晶の平均結晶粒
径が最大となるエネルギー以下の強度を有するレーザ光
を半導体薄膜に照射する処理を行ない前記活性層に注入
された不純物を1.5×1018/cm3 未満の実効濃度で活性化
する第3の工程と、活性層をチャネル領域としてそのま
ま残す部分以外の半導体薄膜に不純物を選択的に注入し
て少なくとも薄膜トランジスタのソース領域及びドレイ
ン領域を形成する第4の工程とを備えた薄膜半導体装置
の製造方法。1. A first step of forming a non-single-crystal semiconductor thin film on an insulating substrate, and irradiating the semiconductor thin film with a laser beam having an intensity exceeding a minimum crystallization energy to reduce the non-single crystal to 1.0 × 10 9
a second step of forming an active layer of a thin film transistor by converting to polycrystalline having a sheet resistance of at least ohm / sq., and a process of injecting impurities at a predetermined concentration into the active layer to adjust a threshold voltage of the thin film transistor. After doing
The impurity implanted into the active layer is subjected to a process of irradiating the semiconductor thin film with laser light having an intensity equal to or less than the energy at which the average crystal grain size of the polycrystal is larger than the minimum crystallization energy and is 1.5 × 10 18 / cm3. A third step of activating at an effective concentration of less than and a fourth step of selectively injecting impurities into a semiconductor thin film other than a portion where the active layer is left as it is as a channel region to form at least a source region and a drain region of the thin film transistor. And a method of manufacturing a thin film semiconductor device.
はドレイン領域とチャネル領域との間にソース領域及び
/又はドレイン領域と同一導電型でより低濃度且つチャ
ネル領域より高濃度の不純物を注入して低濃度不純物領
域を形成する処理を含んでいる請求項1記載の薄膜半導
体装置の製造方法。2. The method according to claim 1, further comprising the step of: adding an impurity having the same conductivity type as the source region and / or the drain region and a lower concentration and a higher concentration than the channel region between the source region and / or the drain region. 2. The method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1, further comprising a process of forming a low concentration impurity region by implantation.
膜トランジスタを形成する為、前記第1ないし第4の工
程を含む全ての工程は600℃以下の処理温度で実行さ
れる請求項1あるいは2に記載の薄膜半導体装置の製造
方法。3. The process according to claim 1, wherein all the steps including the first to fourth steps are performed at a processing temperature of 600 ° C. or less in order to form a thin film transistor on an insulating substrate made of non-alkali glass. Of manufacturing a thin film semiconductor device.
いて、この表示素子に駆動電圧を印加する駆動用TFT
の活性層を形成するとともに、前記活性層を構成するポ
リシリコンの不純物注入前のシート抵抗値が1.0×109
ohm/sq. 以上であること特徴とする薄膜トランジス
タ。4. In a display element driven by voltage for each pixel, a driving TFT for applying a drive voltage to the display element
And the sheet resistance of the polysilicon constituting the active layer before impurity implantation is 1.0 × 10 9
A thin film transistor characterized by having an ohm / sq. or more.
いて、この表示素子に駆動電圧を印加する駆動用TFT
の活性層を形成するとともに、前記活性層を構成するポ
リシリコンの不純物注入前のシート抵抗値が1.0×109
ohm/sq. 以上であること特徴とする薄膜トランジスタ
集積回路を集積したアレイ基板。5. A driving TFT for applying a driving voltage to a display element driven by voltage for each pixel.
And the sheet resistance of the polysilicon constituting the active layer before impurity implantation is 1.0 × 10 9
An array substrate on which a thin film transistor integrated circuit characterized by being at least ohm / sq.
いて、この表示素子に駆動電圧を印加する駆動用TFT
の活性層を形成するとともに、活性層を構成するポリシ
リコンの不純物注入前のシート抵抗値が1.0×109 ohm/
sq. 以上である薄膜トランジスタ集積回路を用いたこ
とを特徴とする画像表示素子。6. A driving TFT for applying a driving voltage to a display element driven by voltage for each pixel.
And the sheet resistance of the polysilicon constituting the active layer before impurity implantation is 1.0 × 10 9 ohm /
sq. An image display element using the thin film transistor integrated circuit described above.
を有する画像表示装置において、この薄膜表示素子に駆
動電圧を印加する駆動用TFTの活性層を形成するとと
もに、前記活性層を構成するポリシリコンの不純物注入
前のシート抵抗値が1.0×109 ohm/sq. 以上とした薄
膜トランジスタ集積回路を用いたことを特徴とする有機
エレクトロルミネセンス(EL)表示装置。7. An image display apparatus having a thin film display element driven by voltage for each pixel, wherein an active layer of a driving TFT for applying a drive voltage to the thin film display element is formed, and the active layer is formed. An organic electroluminescence (EL) display device using a thin film transistor integrated circuit having a sheet resistance value of 1.0 × 10 9 ohm / sq. Or more before polysilicon impurity implantation.
いて、この表示素子に駆動電圧を印加する駆動用TFT
の活性層を形成するとともに、前記活性層を構成するポ
リシリコンの不純物注入前のシート抵抗値が1.0×109
ohm/sq. 以上であるように制御することができること
を特徴とする前記活性層を作製するための製造装置。8. In a display element driven by voltage for each pixel, a driving TFT for applying a driving voltage to the display element.
And the sheet resistance of the polysilicon constituting the active layer before impurity implantation is 1.0 × 10 9
A manufacturing apparatus for manufacturing the active layer, wherein the apparatus can be controlled to be ohm / sq. or more.
をレ−ザ−アニ−ルによつて結晶化する際、前記非晶質
シリコン膜の表面または内部におけるボロン、アルミニ
ウムなどの金属不純物の汚染量が、1017/cm3以下である
ことを特徴とする非晶質シリコン膜。9. When a polycrystalline silicon film crystallizes an amorphous silicon film by laser annealing, metal impurities such as boron and aluminum on the surface or inside of the amorphous silicon film. The amorphous silicon film, wherein the amount of contamination is 10 17 / cm 3 or less.
膜をレ−ザ−アニ−ルによつて結晶化する際、前記非晶
質シリコン膜の表面または内部におけるボロン、アルミ
ニウムなどの金属不純物の汚染量が、1017/cm3以下であ
ることを特徴とする前記非晶質シリコン膜を多結晶シリ
コン膜にポリ化した薄膜トランジスタ集積回路を集積し
たアレイ基板。10. When a polycrystalline silicon film crystallizes an amorphous silicon film by laser annealing, metal impurities such as boron and aluminum on the surface or inside the amorphous silicon film. An array substrate on which thin film transistor integrated circuits in which the amorphous silicon film is polycrystallized into a polycrystalline silicon film are integrated, wherein the amount of contamination is 10 17 / cm 3 or less.
膜をレ−ザ−アニ−ルによつて結晶化する際、前記非晶
質シリコン膜の表面または内部におけるボロン、アルミ
ニウムなどの金属不純物の汚染量が、1017/cm3以下であ
る前記非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜にポリ化し
た薄膜トランジスタ集積回路を用いたことを特徴とする
画像表示素子。11. When a polycrystalline silicon film crystallizes an amorphous silicon film by laser annealing, a metal impurity such as boron or aluminum on the surface or inside of the amorphous silicon film. An image display element using a thin film transistor integrated circuit in which the amount of contamination is 10 17 / cm 3 or less and the amorphous silicon film is polished to a polycrystalline silicon film.
膜をレ−ザ−アニ−ルによつて結晶化する際、前記非晶
質シリコン膜の表面または内部におけるボロン、アルミ
ニウムなどの金属不純物の汚染量が、1017/cm3以下であ
る前記非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜にポリ化し
た薄膜トランジスタ集積回路を用いたことを特徴とする
有機エレクトロルミネセンス(EL)表示装置。12. When a polycrystalline silicon film crystallizes an amorphous silicon film by laser annealing, a metal impurity such as boron or aluminum on the surface or inside of the amorphous silicon film. An organic electroluminescence (EL) display device using a thin film transistor integrated circuit in which the amount of contamination of the amorphous silicon film is 10 17 / cm 3 or less.
膜をレ−ザ−アニ−ルによつて結晶化する際、前記非晶
質シリコン膜の表面または内部におけるボロン、アルミ
ニウムなどの金属不純物の汚染量が、1017/cm3以下にす
ることができることを特徴とする前記非晶質膜を作製す
るための製造装置。13. When a polycrystalline silicon film crystallizes an amorphous silicon film by laser annealing, a metal impurity such as boron or aluminum on the surface or inside of the amorphous silicon film. Wherein the amount of contamination can be 10 17 / cm 3 or less.
おいて、この表示素子に駆動電圧を印加する駆動用TF
Tのポリシリコン薄膜よりなる活性層を形成するととも
に、前記活性層内の不純物汚染量が、1017/cm3以下であ
ることを特徴とするポリシリコン薄膜。14. A driving TF for applying a driving voltage to a display element driven by voltage for each pixel.
A polysilicon thin film, wherein an active layer made of a T polysilicon thin film is formed, and an impurity contamination amount in the active layer is 10 17 / cm 3 or less.
おいて、この表示素子に駆動電圧を印加する駆動用TF
Tのポリシリコン薄膜活性層を形成するとともに、前記
活性層内の不純物汚染量が、1017/cm3以下であることを
特徴とするポリシリコン薄膜を用いたこと特徴とする薄
膜トランジスタ。15. A driving TF for applying a driving voltage to a display element which is driven by voltage for each pixel.
A thin film transistor using a polysilicon thin film, wherein a T polysilicon thin film active layer is formed, and an impurity contamination amount in the active layer is 10 17 / cm 3 or less.
おいて、この表示素子に駆動電圧を印加する駆動用TF
Tのポリシリコン薄膜活性層を形成するとともに、前記
活性層内の不純物汚染量が、1017/cm3以下であることを
特徴とするポリシリコン薄膜を用いたこと特徴とする薄
膜トランジスタ集積回路を集積したアレイ基板。16. A driving TF for applying a driving voltage to a display element driven by voltage for each pixel.
Forming a polysilicon thin film active layer of T, and integrating a thin film transistor integrated circuit using a polysilicon thin film characterized in that the impurity contamination amount in the active layer is 10 17 / cm 3 or less. Array substrate.
において、この表示素子に駆動電圧を印加する駆動用T
FTのポリシリコン薄膜活性層を形成するとともに、前
記活性層内の不純物汚染量が、1017/cm3以下であること
を特徴とするポリシリコン薄膜による薄膜トランジスタ
集積回路を用いたことを特徴とする画像表示素子。17. In a display element driven by voltage for each pixel, a driving T for applying a driving voltage to the display element is provided.
Forming an FT polysilicon thin film active layer, and using a thin film transistor integrated circuit of a polysilicon thin film, wherein an impurity contamination amount in the active layer is 10 17 / cm 3 or less. Display element.
などの金属不純物であることを特徴とする請求項14に
記載のポリシリコン薄膜。18. The polysilicon thin film according to claim 14, wherein said impurities are metal impurities such as boron and aluminum.
−ザ−を用いることを特徴とする請求項4あるいは15
に記載の薄膜トランジスタ。19. The method according to claim 4, wherein said laser annealing uses an excimer laser.
3. The thin film transistor according to claim 1.
膜を、短波長の高エネルギーパルスレーザ光照射によ
り、多結晶シリコンに変換した多結晶シリコン膜である
ことを特徴とする請求項4あるいは15に記載の薄膜ト
ランジスタ。20. The polycrystalline silicon film according to claim 4, wherein the polycrystalline silicon film is a polycrystalline silicon film obtained by converting an amorphous silicon film into polycrystalline silicon by irradiating a short-wavelength high-energy pulsed laser beam. 16. The thin film transistor according to 15.
膜を、一度HF(フッサン)等でエッチングしたのち短波
長の高エネルギーパルスレーザ光照射により、多結晶シ
リコンに変換した多結晶シリコン膜であることを特徴と
する請求項4あるいは15に記載の薄膜トランジスタ。21. The polycrystalline silicon film is a polycrystalline silicon film obtained by etching an amorphous silicon film once with HF (Fusan) or the like and then irradiating a short-wavelength high-energy pulsed laser beam to polycrystalline silicon. The thin film transistor according to claim 4, wherein the thin film transistor is provided.
膜表面を一度酸化膜等で覆った後、短波長の高エネルギ
ーパルスレーザ光照射により、多結晶シリコンに変換し
た多結晶シリコン膜であることを特徴とする請求項4、
15、20〜21のいずれかに記載の薄膜トランジス
タ。22. A polycrystalline silicon film which is obtained by once covering the surface of an amorphous silicon film with an oxide film or the like, and then converting the amorphous silicon film into polycrystalline silicon by irradiation with a short-wavelength high-energy pulsed laser beam. Claim 4, characterized in that:
A thin film transistor according to any one of 15, 20 to 21.
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- 2001-03-30 JP JP2001098656A patent/JP2002299629A/en active Pending
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