JP2003203864A - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法

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JP2003203864A
JP2003203864A JP2002002848A JP2002002848A JP2003203864A JP 2003203864 A JP2003203864 A JP 2003203864A JP 2002002848 A JP2002002848 A JP 2002002848A JP 2002002848 A JP2002002848 A JP 2002002848A JP 2003203864 A JP2003203864 A JP 2003203864A
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Masanobu Miyao
正信 宮尾
Taizo Sado
泰造 佐道
Atsushi Gonjo
淳 権丈
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁膜やガラス等の非晶質材料上に高品質な
Si半導体やヘテロ混晶半導体等の半導体素子を形成可
能な半導体薄膜の製造方法の提供。 【解決手段】 非晶質Si層5を触媒金属としてのNi
6に直に接触させて熱処理により多結晶化させるシリサ
イド反応層とし、非晶質Si0.7Ge0.3層3を高
品質な多結晶半導体を形成することを目的とする固相成
長層とし、非晶質Ge層4をこれらのシリサイド反応層
と固相成長層との間に介在してシリサイド反応層から固
相成長層への触媒金属の拡散を阻止するとともにシリサ
イド反応層の熱的核成長を固相成長層へ転写する成長転
写層として熱処理する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜の製造
方法に関し、特にSi(シリコン)半導体及びヘテロ混
晶半導体の半導体素子を絶縁膜やガラス等の非晶質材料
上に500℃以下の低温度で形成するのに好適な半導体
薄膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】液晶フラットパネルディスプレイの分野
では、駆動用薄膜トランジスタの高品質化を目指して様
々な結晶成長の工夫がなされている。例えば、石英基板
上に高温プロセス(700〜950℃程度)を用いて大
粒径の多結晶シリコン(Si)を形成する手法がその代
表例である。しかしながら、この手法では高温プロセス
を用いるため、高温に耐える高価な石英を基板として用
いる必要がある。
【0003】近年では、大面積かつ低価格の高精細ディ
スプレイへの要求が高まっていることから、低廉なガラ
ス基板上に多結晶Siを形成するための研究が行われて
いる。ガラス基板は低温(500〜600℃程度)で軟
化してしまうため、多結晶Siを500℃以下の低温プ
ロセスで形成する必要がある。しかしながら、多結晶S
i形成を低温成長で行うと、結晶粒径が小さくなってし
まうため、電気特性は劣悪となる。
【0004】そこで、ガラス基板上に堆積した非晶質S
i膜の表面層のみをレーザアニール法を用いて溶融し、
その冷却過程で液層成長を誘起する手法が注目を集めて
いる。この手法によれば、比較的電気移動度の高い大粒
径の多結晶Si膜を得ることができるとされている。し
かしながら、この手法では、溶融・冷却に伴って、多結
晶Siの表面に凸凹が発生する。
【0005】一方、多結晶Si薄膜を絶縁膜上に低温度
形成する別の手法として触媒金属誘起固相成長法が、最
近注目を集めている(S-W Lee and S-K Joo, IEEE Elec
tronDevice Letters vol 17, No 4, pp160-162, 1996)
(M Wang, Z Meng, Y Zoharand M Wong, IEEE Transact
ions on Electron Devices Vol 48, No 4, pp794-800,
2001)。
【0006】触媒金属誘起固相成長法では、非晶質Si
膜上に触媒金属(Ni,Pd,Sb,Ti,Al,Au
等)を堆積し、低温アニール(500℃以下)する。こ
の場合、触媒金属が非晶質Si膜中を拡散する過程でS
i−Si間のボンド結合が再配列し、多結晶化するた
め、成長後には、面方位のほぼ揃った、表面平滑性の良
い大粒径の多結晶Si膜が得られる。しかしながら、こ
の手法を用いて多結晶Si膜を得た場合、膜中に触媒金
属が残留するようになるため、電気的特性が余り良くな
いという欠点を有している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、超高
密度集積回路であるVLSI(Very Large Scale Integ
ration)をさらに超える数のトランジスタを配置したU
LSI(Ultra Large Scale Integration)の開発が進
んでいる。ULSIでは、数ミリ角の基板上に数百万個
のトランジスタを配置するため、高品質な多結晶Siを
形成して微細なトランジスタを得る必要がある。したが
って、前述のレーザアニールによる溶融・冷却を行う方
法は、多結晶Siの表面に凸凹が発生してしまうため、
ULSIへの適用は困難である。さらに、前述の触媒金
属誘起固相成長法では、膜中に触媒金属が残留し、電気
的特性が余り良くないため、ULSIへの適用は困難で
ある。
【0008】また、ULSIの性能を高機能化(高速・
低消費電力化)するには、Si半導体に異種原子(G
e,C等)を導入し、ヘテロ混晶半導体(SiGe,S
iGeC等)を形成して、それらの機能(電子移動速度
の高速化、室温に於ける発光等)をULSIに付加する
ことが重要である。しかしながら、SiGeやSiGe
C等の非晶質混晶半導体をレーザアニールすると、溶融
・冷却の課程でSi、GeおよびCに偏析が生じるた
め、高品質なヘテロ混晶半導体の形成は困難である。ま
た、SiGeやSiGeC等の非晶質混晶半導体に触媒
金属固相成長法を適用すると、触媒金属とSi、Geお
よびCの反応が不均一に生じるため、高品質なヘテロ混
晶半導体の形成は困難である。
【0009】そこで、本発明は、絶縁膜やガラス等の非
晶質材料上に高品質なSi半導体やヘテロ混晶半導体等
の半導体素子を形成可能な半導体薄膜の製造方法を提供
することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、触媒金属
誘起固相成長法を非晶質SiGeC薄膜の結晶化に応用
したところ、SiGeC薄膜が樹枝状に不均一に結晶成
長するとの現象に遭遇した。そこで、Si−Ge−C−
触媒金属の四元的反応を検討した結果、触媒金属はSi
GeC薄膜中を均一には拡散せず、Si原子とのみシリ
サイド反応しつつ選択的に拡散することが判明した。こ
のことから、Ge,C薄膜は触媒金属原子の良い拡散阻
止層となると考え、この知見に基づいて本発明をなすに
至った。
【0011】本発明の半導体薄膜の製造方法は、絶縁膜
上に形成した非晶質半導体薄膜上に触媒金属を付着して
熱処理する半導体薄膜の製造方法において、非晶質半導
体薄膜を、触媒金属に直に接触させて熱処理により多結
晶化させるシリサイド反応層と、高品質な多結晶半導体
を形成することを目的とする固相成長層と、シリサイド
反応層と固相成長層との間に介在してシリサイド反応層
から固相成長層への前記触媒金属の拡散を阻止するとと
もにシリサイド反応層の熱的核成長を前記固相成長層へ
転写する成長転写層との3層以上として熱処理すること
を特徴とする。
【0012】ここで、シリサイド反応層とは、Ni,P
d,Sb,Ti,Al,Au等の触媒金属とのシリサイ
ド反応によって多結晶化される性質を有する非晶質半導
体、例えば非晶質Siなどにより形成した層である。ま
た、成長転写層とは、隣接するシリサイド反応層の触媒
金属によって誘起された熱的核成長に誘起されて多結晶
化されるが、この触媒金属の拡散を阻止する性質を有す
る非晶質半導体、例えば、非晶質Geや非晶質Cなどに
より形成した層である。固相成長層とは、金属元素を含
まない高品質な多結晶半導体を得ようとする目的で固相
成長させる層であり、例えば、非晶質Si、非晶質Si
Geや非晶質SiGeCなどにより形成した層である。
【0013】本発明によれば、絶縁膜上に形成した非晶
質半導体薄膜上に触媒金属を付着して低温(500℃以
下)で熱処理すると、触媒金属に直に接触させたシリサ
イド反応層では、触媒金属がこのシリサイド反応層の非
晶質半導体とシリサイド反応することにより、シリサイ
ド反応層の非晶質半導体を多結晶化していく。このと
き、成長転写層では、シリサイド反応層のシリサイド反
応による熱的核成長に誘起されてこの層自身の非晶質半
導体を多結晶化するとともに、このときの熱的核成長を
固相成長層へ転写する。固相成長層は、この成長転写層
からの熱的核成長の転写によって多結晶化される。この
とき、成長転写層はシリサイド反応層からの触媒金属の
拡散を阻止することから、固相成長層は触媒金属によっ
て汚染されない。すなわち、本発明によれば、固相成長
層において金属元素を含まない高品質な多結晶半導体を
形成した半導体薄膜が得られる。もちろん、本発明では
非晶質半導体を固相成長させるため、レーザアニール法
で問題となる表面の凸凹は発生しない。
【0014】
【発明の実施の形態】(実施の形態1)図1は本発明の
第1実施形態における半導体薄膜の製造工程図である。
同図(a)は、Si基板1上に形成した絶縁膜としての
SiO膜2上に非晶質半導体薄膜としてのヘテロ非晶
質の多層膜を形成する工程を示している。図示例では、
表面にSiO膜2を有するSi基板1を化学洗浄した
後、分子線成長装置またはスパッタリング装置に導入
し、SiO膜2上に順次、非晶質Si .7Ge
0.3層3(厚さ:30nm)、非晶質Ge層4(厚
さ:30nm)、非晶質Si層5(厚さ:30nm)を
多層に形成している。その後、結晶成長を促進する触媒
金属としてのNi6(厚さ:5nm程度)を非晶質Si
層5上に部分的に堆積している。
【0015】図1(b)は、堆積したヘテロ非晶質の多
層膜を固相成長させ、多結晶Si層5a(厚さ:30n
m)、多結晶Ge層4a(厚さ:30nm)、多結晶S
.7Ge0.3層3a(厚さ:30nm)を得る工
程を示している。ここでは、試料を真空装置あるいは不
活性ガス(窒素やアルゴン等)を流した電気炉に入れ、
500℃で2時間の熱処理を行っている。
【0016】図1(c)は、多結晶Si層5a、多結晶
Ge層4aを選択的に削除し、所望の多結晶Si0.7
Ge0.3層3aのみをSiO膜2上に残す工程を示
している。具体的には、HF:H=2:1のエッ
チング液を用いて多結晶Si層5aを削除するととも
に、HF:HNO=1:30のエッチング液を用いて
多結晶Ge層4aを削除する。以上の工程により、Ni
6を含まない良質の多結晶Si0.7Ge0.3層(薄
膜)3aがSiO膜2上に形成される。
【0017】なお、図1(a),(b)に示す工程によ
り得られた試料について、電子顕微鏡を用いて試料の断
面構造を観察したところ、当初非晶質であった非晶質S
.7Ge0.3層3、非晶質Ge層4、非晶質Si
層5の全てが多結晶に結晶成長していることが判明し
た。また、Ni6の濃度分布を二次イオン質量分析装置
を用いて深さ方向に測定したところ、Ni6の熱的拡散
は多結晶Ge層4で阻止され、多結晶Si0.7Ge
0.3層3には達していないことが判明した。
【0018】以上の結果から、本工程における非晶質ヘ
テロ構造の多結晶化は、 (1)最上層の非晶質Si層5が、Ni6とシリサイド
反応(触媒金属誘起固相成長)し、多結晶Si層5aに
変化する。 (2)非晶質Ge層4が、触媒金属誘起固相成長した多
結晶Si層5aを結晶成長の種として固相成長する。 (3)多結晶Si層5内部を熱的に拡散したNi6原子
が、多結晶Ge層4によって拡散を阻止される。 (4)非晶質Si0.7Ge0.3層3が、多結晶Ge
層4aを結晶成長の種として固相成長する。 ことにより行われることが判明した。
【0019】すなわち、本実施形態における半導体薄膜
の製造方法は、非晶質Si層5を触媒金属としてのNi
6に直に接触させて熱処理により多結晶化させるシリサ
イド反応層とし、非晶質Si0.7Ge0.3層3を高
品質な多結晶半導体を形成することを目的とする固相成
長層とし、非晶質Ge層4をこれらのシリサイド反応層
と固相成長層との間に介在してシリサイド反応層から固
相成長層への触媒金属の拡散を阻止するとともにシリサ
イド反応層の熱的核成長を固相成長層へ転写する成長転
写層として熱処理するものである。
【0020】これにより、非晶質Si0.7Ge0.3
層3は、多結晶Ge層4aからの熱的核成長の転写によ
って多結晶化されるが、多結晶Ge層4aが多結晶Si
層5aからのNi6の拡散を阻止することから、非晶質
Si0.7Ge0.3層3はその成長過程においてNi
6によって汚染されない。したがって、本実施形態の製
造方法によれば、非晶質Si0.7Ge0.3層3が固
相成長した多結晶Si 0.7Ge0.3層3aにおいて
金属元素を含まない高品質な多結晶半導体を形成した半
導体薄膜が得られる。
【0021】(実施の形態2)本発明の第2実施形態で
は、多結晶Si層、多結晶Ge層の選択エッチングを行
うことなく、触媒金属を含まない良質の多結晶Si
0.7Ge0.3薄膜を得る製造方法について説明す
る。図2は本発明の第2実施形態における半導体薄膜の
製造工程図であって、(a)はSi基板上に形成した絶
縁膜としてのSiO膜上に非晶質半導体薄膜としての
ヘテロ非晶質の多層膜を形成する工程を示す図、(b)
は堆積したヘテロ非晶質の多層膜を固相成長させ、多結
晶Si層、多結晶Ge層、多結晶Si0.7Ge0.3
層を得る工程を示す図である。
【0022】図2(a)に示すように表面に絶縁膜とし
てのSiO膜2を有するSi基板1の一部に触媒金属
としてのNi6(厚さ:5nm程度)を堆積した試料
を、分子線成長装置またはスパッタリング装置に導入
し、非晶質Si層5(厚さ:30nm)、非晶質Ge層
4(厚さ:30nm)、非晶質Si0.7Ge0.3
3(厚さ:30nm)を多層に形成する。
【0023】次に、図2(b)に示すように、試料を真
空装置あるいは不活性ガス(窒素やアルゴン等)を流し
た電気炉に入れ、500℃で2時間の熱処理を行うこと
により、堆積したヘテロ非晶質の多層膜を固相成長さ
せ、多結晶Si0.7Ge0. 層3a(厚さ:30n
m)、多結晶Ge層4a(厚さ:30nm)、多結晶S
i層5a(厚さ:30nm)を得る。
【0024】この場合、非晶質ヘテロ構造の多結晶化
は、 (1)最下層の非晶質Si層5が、Ni6とシリサイド
反応(触媒金属誘起固相成長)し、多結晶Si層5aに
変化する。 (2)非晶質Ge層4が、触媒金属誘起固相成長した多
結晶Si層5aを結晶成長の種として固相成長する。 (3)多結晶Si層5a内部を熱的に拡散したNi6原
子が、多結晶Ge層4aによって拡散を阻止される。 (4)非晶質Si0.7Ge0.3層3が、多結晶Ge
層4aを結晶成長の種として固相成長する。ことにより
行われる。
【0025】この結果、触媒金属としてのNi6を最下
層に配置し、下から上へと結晶成長を順次誘起すること
で、トランジスタ等のデバイスを作り込む多結晶Si
0.7Ge0.3層3aをヘテロ構造の最上層に形成す
ることが可能となる。
【0026】(実施の形態3)本発明の第3実施形態で
は、多結晶Si層、多結晶Ge層の選択エッチングを行
うことなく、絶縁膜の直上に触媒金属を含まない良質の
多結晶Si0.7Ge 0.3薄膜を得る製造方法につい
て説明する。図3は本発明の第3実施形態における半導
体薄膜の製造工程図であって、(a)はSi基板上に形
成した絶縁膜としてのSiO膜上に非晶質半導体薄膜
としてのヘテロ非晶質の多層膜を形成する工程を示す
図、(b)は堆積したヘテロ非晶質の多層膜を固相成長
させ、多結晶Si層、多結晶Ge層、多結晶Si0.7
Ge0.3層を得る工程を示す図である。
【0027】図3(a)に示すように表面に絶縁膜とし
てのSiO膜2を有するSi基板1上に非晶質Si
0.7Ge0.3層3(厚さ:30nm)、非晶質Ge
層4(厚さ:30nm)、非晶質Si層5(厚さ:30
nm)、触媒金属としてのNi6(厚さ:5nm程度)
を多層かつ階段状に形成する。なお、この階段構造は、
第1層の非晶質Si0.7Ge0.3層3を形成後、そ
の表面の一部分を絶縁膜で覆い、非晶質Ge層4、非晶
質Si層5、Ni6を多層積層して、最終的に絶縁膜を
リフトオフ法で除去することで形成される。あるいは、
非晶質Si0.7Ge0.3層3、非晶質Ge層4、非
晶質Si層5、Ni6を順次堆積し、多層ヘテロ構造を
形成した後、最終的に所望の領域以外の領域を選択的に
エッチングしても良い。
【0028】次に、図3(b)に示すように、試料を真
空装置あるいは不活性ガス(窒素やアルゴン等)を流し
た電気炉に入れ、500℃で2時間の熱処理を行うこと
により、堆積したヘテロ非晶質の多層膜を固相成長さ
せ、多結晶Si層5a(厚さ:30nm)、多結晶Ge
層4a(厚さ:30nm)、多結晶Si0.7Ge0.
層3a(厚さ:30nm)を得る。
【0029】この場合、非晶質ヘテロ構造の多結晶化
は、 (1)最上層の非晶質Si層5が、Ni6とシリサイド
反応(触媒金属誘起固相成長)し、多結晶Si層5aに
変化する。 (2)非晶質Ge層4が、触媒金属誘起固相成長した多
結晶Si層5aを結晶成長の種として固相成長する。 (3)多結晶Si層5a内部を熱的に拡散したNi6原
子が、多結晶Ge層4aによって拡散を阻止される。 (4)非晶質Si0.7Ge0.3層3が、多結晶Ge
層4aを結晶成長の種として、最初は縦方向に固相成長
し、次いで横方向に固相成長する。ことにより行われ
る。
【0030】この結果、トランジスタ等のデバイスを作
り込む多結晶Si0.7Ge0.3層3aを絶縁膜とし
てのSiO膜2の直上に形成することが可能となる。
【0031】なお、上記第1〜第3実施形態において、
Si基板上に形成する絶縁膜として、Si膜等を
用いることも可能である。さらに、絶縁膜およびSi基
板に代えてガラス基板を用い、このガラス基板上に上記
と同様に半導体薄膜を製造することも可能である。
【0032】また、第1〜第3実施形態では、触媒金属
/非晶質Si/非晶質Ge/非晶質Si0.7Ge
0.3の構造を例に取って説明したが、非晶質Ge以外
に非晶質Cも成長転写層となりうる。また、非晶質Si
0.7Ge0.3層は、非晶質Si1−X−YGe
層(0≦X+Y≦1)とすることができる。すなわ
ち、非晶質Si、非晶質SiGeや非晶質SiGeC等
も成長転写層を結晶成長の種として固相成長しうる。し
たがって、成長転写層としては非晶質Ge以外に非晶質
Cも用いることができる。さらに、成長転写層を結晶成
長の種として多結晶Si、多結晶SiGeや多結晶Si
GeC等を形成することが可能であることは言うまでも
ない。また、第1〜第3実施形態では、触媒金属として
Niを例に取って説明したが、Pd,Sb,Ti,A
l,Au等も触媒金属として用いることができることは
言うまでもない。
【0033】
【発明の効果】本発明では、非晶質半導体薄膜を、触媒
金属に直に接触させて熱処理により多結晶化させるシリ
サイド反応層と、高品質な多結晶半導体を形成すること
を目的とする固相成長層と、シリサイド反応層と固相成
長層との間に介在してシリサイド反応層から固相成長層
への触媒金属の拡散を阻止するとともにシリサイド反応
層の熱的核成長を固相成長層へ転写する成長転写層との
3層以上として熱処理することで、固相成長層において
金属元素を含まない高品質な多結晶半導体を形成した半
導体薄膜が得られる。
【0034】すなわち、本発明によって、触媒金属誘起
固相成長法が抜本的に改良され、絶縁膜やガラス等の非
晶質材料上において、金属汚染のない大粒径多結晶Si
薄膜、大粒径多結晶SiGe薄膜や大粒径多結晶SiG
eC薄膜等の形成が500℃以下の低温度で可能とな
る。この結果、液晶フラットパネルディスプレイの高精
細化、ULSIの高度化およびULSIやディスプレイ
等の異種システムを統合したシステム・イン・ディスプ
レイを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態における半導体薄膜の
製造工程図である。
【図2】 本発明の第2実施形態における半導体薄膜の
製造工程図である。
【図3】 本発明の第3実施形態における半導体薄膜の
製造工程図である。
【符号の説明】
1 Si基板 2 SiO膜 3 非晶質Si0.7Ge0.3層 3a 多結晶Si0.7Ge0.3層 4 非晶質Ge層 4a 多結晶Ge層 5 非晶質Si層 5a 多結晶Si層 6 Ni
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2H092 JA24 KA04 KA05 MA05 MA17 MA29 NA25 5F052 AA02 AA17 DA01 DA03 DB06 DB07 EA02 EA13 EA16 FA06 JA01 5F110 AA01 AA17 BB01 BB02 DD02 DD05 DD13 DD14 GG01 GG13 GG25 GG42 GG43 PP01 PP13 PP22 PP23 PP31 PP34 QQ14

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁膜上に形成した非晶質半導体薄膜上
    に触媒金属を付着して熱処理する半導体薄膜の製造方法
    において、 前記非晶質半導体薄膜を、前記触媒金属に直に接触させ
    て熱処理により多結晶化させるシリサイド反応層と、高
    品質な多結晶半導体を形成することを目的とする固相成
    長層と、前記シリサイド反応層と固相成長層との間に介
    在して前記シリサイド反応層から固相成長層への前記触
    媒金属の拡散を阻止するとともに前記シリサイド反応層
    の熱的核成長を前記固相成長層へ転写する成長転写層と
    の3層以上として熱処理することを特徴とする半導体薄
    膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記シリサイド反応層が非晶質Si、前
    記成長転写層が非晶質Geまたは非晶質C、前記固相成
    長層が非晶質Si、非晶質SiGeまたは非晶質SiG
    eCである請求項1記載の半導体薄膜の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010510656A (ja) * 2006-11-15 2010-04-02 サンディスク スリーディー,エルエルシー 誘電性アンチヒューズと直列にシリサイドに隣接して結晶化されたp−i−nダイオードおよびその形成方法
KR101333797B1 (ko) 2012-05-10 2013-11-29 주승기 실리사이드 씨드 유도 측면 결정화를 이용한 비정질 실리콘 박막의 결정화 방법 및 이를 이용한 다결정 박막 트랜지스터의 제조방법
JP2014154765A (ja) * 2013-02-12 2014-08-25 Nagoya Univ 半導体結晶、その製造方法、及び多層膜構造体

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