JP2004006679A - Semiconductor element and semiconductor device using it - Google Patents

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JP2004006679A
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Shunpei Yamazaki
山崎 舜平
Kiyoshi Kato
加藤 清
Atsuo Isobe
磯部 敦生
Hidekazu Miyairi
宮入 秀和
Hideomi Suzawa
須沢 英臣
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element capable of high speed operation and exhibiting large current driving power while suppressing variations between the elements. <P>SOLUTION: The semiconductor element having a first crystallinity semiconductor region including a plurality of crystal orientations substantially having no crystal grain boundary is formed on an insulating surface wherein the first crystallinity semiconductor region is provided contiguously to a conductive second crystallinity semiconductor region. The first crystallinity semiconductor region extends in a direction parallel with an insulation film provided in linear stripe pattern on the insulating surface. The second crystallinity semiconductor region is provided across the insulation film extending in linear stripe pattern. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶構造を有する半導体膜を用いて形成される半導体素子及びその作製方法並びにその半導体素子を集積化した回路を備えた半導体装置及びその作製方法に関する。特に半導体素子として、絶縁表面上に形成された結晶性半導体膜でチャネル形成領域を形成する電界効果型トランジスタ(代表的には薄膜トランジスタ)や結晶性半導体膜を用いた薄膜ダイオード等に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガラスなどによる絶縁基板上に非晶質珪素膜を形成し、それを結晶化させてトランジスタなどの半導体素子を形成する技術が開発されている。特に、レーザー光を照射して非晶質珪素膜を結晶化させる技術は薄膜トランジスタ(TFT)の製造技術に応用されている。結晶構造を有する半導体膜(結晶性半導体膜)を用いて作製されるトランジスタは、液晶表示装置に代表される平面型表示装置(フラットパネルディスプレイ)に応用されている。
【0003】
半導体製造プロセスにおけるレーザー光の応用は、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層や非晶質層を再結晶化する技術、絶縁表面上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術に展開されている。適用されるレーザー発振装置は、エキシマレーザーに代表される気体レーザーや、YAGレーザーに代表される固体レーザーが通常用いられている。
【0004】
レーザー光の照射による非晶質半導体膜の結晶化の一例は、レーザー光の走査速度をビームスポット径×5000/秒以上として高速走査により非晶質半導体膜を完全な溶融状態に至らしめることなく多結晶化するものがある(例えば、特許文献1参照。)。また、島状に形成された半導体膜に、引き延ばされたレーザー光を照射して実質的に単結晶領域を形成する技術がある(例えば、特許文献2参照。)。或いはレーザー処理装置のように光学系にて線状にビームを加工して照射する方法が知られている(例えば、特許文献3参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開昭62−104117号公報
【特許文献2】
米国特許第4,330,363号明細書
【特許文献3】
特開平8−195357号公報
【0006】
さらに、Nd:YVOレーザーなど固体レーザー発振装置を用いて、その第2高調波であるレーザー光を非晶質半導体膜に照射して、従来に比べ結晶粒径の大きい結晶性半導体膜を形成し、トランジスタを作製する技術がある(例えば、特許文献4参照。)。
【0007】
【特許文献4】
特開2001−144027号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、平坦な表面上に形成された非晶質半導体膜にレーザー光を照射して結晶化させると結晶は多結晶となり、結晶粒界などの欠陥が任意に形成されて配向の揃った結晶を得ることはできなかった。
【0009】
結晶粒界には結晶欠陥が含まれ、それがキャリアトラップとなって電子又は正孔の移動度が低下する要因となっている。また、結晶化に伴って起こる半導体膜の体積収縮や下地との熱応力や格子不整合などにより、歪みや結晶欠陥の存在しない半導体膜を形成することは出来なかった。従って、張り合わせSOI(Silicon on Insulator)など特殊な方法を省いては、絶縁表面上に形成され、結晶化又は再結晶化された結晶性半導体膜をもって、単結晶基板に形成されるMOSトランジスタと同等の品質を得ることはできなかった。
【0010】
前述の平面型表示装置などは、ガラス基板上に半導体膜を形成してトランジスタを作り込むものであるが、任意に形成される結晶粒界を避けるようにトランジスタを配置することは殆ど不可能であった。つまり、トランジスタのチャネル形成領域の結晶性を厳密に制御し、意図せずに含まれてしまう結晶粒界や結晶欠陥を排除することはできなかった。結局、トランジスタの電気特性が劣るばかりでなく、個々の素子特性がばらつく要因となっていた。
【0011】
特に、工業的に多用されている無アルカリガラス基板上にレーザー光を用いて結晶性半導体膜を形成する場合、無アルカリガラス基板自体のうねりの影響を受けてレーザー光の焦点がばらつき、結果的に結晶性のばらつきを招くという問題がある。さらに、無アルカリガラス基板はアルカリ金属による汚染を避けるために、絶縁膜等の保護膜を下地膜として設ける必要があり、その上に結晶粒界や結晶欠陥の排除された結晶性半導体膜を大粒径で形成することは殆ど不可能であった。
【0012】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、絶縁表面上、特にガラス基板を支持基体とする絶縁表面上に、少なくともチャネル形成領域において結晶粒界が存在しない結晶性半導体膜を形成し、高速動作が可能で電流駆動能力の高く、且つ複数の素子間においてばらつきの小さい半導体素子又は半導体素子群により構成される半導体装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明は、絶縁表面を有する基板上に直線状のストライプパターンで延在する凹部及び凸部が設けられた絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に非晶質半導体膜を形成し、前記絶縁膜の凹部にあたる部分(以下、単に凹部という。)に半導体膜を溶融して流し込み結晶化させた結晶性半導体膜を形成し、不要な領域をエッチング除去して前記結晶性半導体膜から島状に分割された結晶性半導体膜(後に半導体素子の一部となる。)を形成し、少なくともチャネル形成領域を形成する部位が前述の凹部に形成された結晶性半導体膜となるように、前記結晶性半導体膜上にゲート絶縁膜及びゲート電極を設けたことを特徴とするものである。
【0014】
なお、前記凹部または凸部にあたる部分(以下、単に凸部という。)が設けられた絶縁膜のうち、凸部の上に形成された結晶性半導体膜の結晶性は凹部に形成された結晶性半導体膜に比べて劣るが、本発明では、当該凸部の上に形成された結晶性半導体膜を積極的に電極(薄膜トランジスタであればソース領域もしくはドレイン領域に相当する。)もしくは配線として用いることを特徴とするものである。配線として用いる場合、占有面積についての設計の自由度が高いため、配線長を調節して抵抗として用いたり、形状を屈曲した形状として保護回路としての機能を持たせることも可能である。
【0015】
前述の凹部は絶縁基板の表面を直接エッチング処理して形成しても良いし、酸化珪素、窒化珪素、又は酸窒化珪素膜などを用い、それをエッチング処理して凹部を形成しても良い。凹部は半導体素子、特にトランジスタのチャネル形成領域を含む島状の半導体膜の配置に合わせて形成し、少なくともチャネル形成領域に合致するように形成されていることが望ましい。また、凹部はチャネル長方向に延在して設けられている。凹部の幅(チャネル形成領域とする場合におけるチャネル幅方向)が0.01μm以上2μm以下、好ましくは0.1〜1μmで形成し、その深さは、0.01μm以上3μm以下、好ましくは0.1μm以上2μm以下で形成する。
【0016】
勿論、絶縁表面上に島状の絶縁膜を形成し、積極的に凸部を形成することも可能である。その場合、複数の直線状のストライプパターンで延在する凸部は、隣接間で相対的に凹部にあたる部分を形成することになるので、その凹部を半導体素子のチャネル形成領域を含む島状の半導体膜の配置に合わせて形成すれば良いし、幅についても前述の範囲に収めれば良い。
【0017】
最初の段階において絶縁膜上及び凹部にかけて形成する半導体膜はプラズマCVD法、スパッタリング法、減圧CVD法で形成される非晶質半導体膜又は多結晶半導体膜、或いは、固相成長により形成された多結晶半導体膜などが適用される。尚、本発明でいう非晶質半導体膜とは、狭義の意味で完全な非晶質構造を有するものだけではなく、微細な結晶粒子が含まれた状態、又はいわゆる微結晶半導体膜、局所的に結晶構造を含む半導体膜を含む。代表的には非晶質シリコン膜が適用され、その他に非晶質シリコンゲルマニウム膜、非晶質シリコンカーバイト膜などを適用することもできる。また、多結晶半導体膜は、これら非晶質半導体膜を公知の方法で結晶化させたものである。
【0018】
結晶性半導体膜を溶融して結晶化させる手段としては、気体レーザー発振装置、固体レーザー発振装置を光源とするパルス発振又は連続発振レーザー光を適用する。照射するレーザー光は光学系にて線状に集光されたものであり、その強度分布が長手方向において均一な領域を有し、短手方向に分布を持っていても良く、光源として用いるレーザー発振装置は、矩形ビーム固体レーザー発振装置が適用され、特に好ましくは、スラブレーザー発振装置が適用される。或いは、Nd、Tm、Hoをドープしたロッドを用いた固体レーザー発振装置であり、特にYAG、YVO、YLF、YAlOなどの結晶にNd、Tm、Hoをドープした結晶を使った固体レーザー発振装置にスラブ構造増幅器を組み合わせたものでも良い。スラブ材料としては、Nd:YAG、Nd:GGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)、Nd:GSGG(ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット)などの結晶が使用される。スラブレーザーでは、この板状のレーザー媒質の中を、全反射を繰り返しながらジグザグ光路で進む。
【0019】
また、それに準ずる強光を照射しても良い。例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、高圧水銀灯、メタルハライドランプ、エキシマランプから放射される光を反射鏡やレンズなどにより集光したエネルギー密度の高い光であっても良い。
【0020】
線状に集光され長手方向に拡張されたレーザー光又は強光は結晶性半導体膜に照射し、且つレーザー光の照射位置と結晶性半導体膜が形成された基板とを相対的に動かして、レーザー光が一部又は全面を走査することにより結晶性半導体膜を溶融させ、その状態を経て結晶化又は再結晶化を行う。レーザー光の走査方向は、絶縁膜に形成され直線状のストライプパターンで延在する凹部の長手方向又はトランジスタのチャネル長方向に沿って行う。これによりレーザー光の走査方向に沿って結晶が成長し、結晶粒界がチャネル長方向と交差することを防ぐことができる。
【0021】
また、レーザー光の照射は、半導体膜の上面側からの照射が典型的ではあるが、下面側(基板側)からの照射、上面側斜め方向または下面側斜め方向からの照射もしくは上面側と下面側の両面側からの照射(斜め方向からの照射も含む)のいずれの照射方法で行っても良い。
【0022】
また他の構成として、結晶性半導体膜は、ガラス又は石英基板上に、W、Mo、Ti、Ta、Crから選ばれた一種又は複数種を含む金属層上に設けられ、金属層と結晶性半導体膜との間には絶縁層が介在して設けられていても良い。或いは、ガラス又は石英基板上にW、Mo、Ti、Ta、Crから選ばれた一種又は複数種を含む金属層と、当該金属層上に、窒化アルミニウム又は酸窒化アルミニウムから成る絶縁層が設けられ、その上に結晶性半導体膜が設けられた構成としても良い。ここで形成される金属層は、チャネル形成領域に入射する光を遮る遮光膜として機能させることもできるし、特定の電位を付与して固定電荷又は空乏層の広がりを制御することもできる。また、ジュール熱を放散させる放熱板としての機能を付与することもできる。
【0023】
凹部の深さを半導体膜の厚さと同程度かそれ以上とすることにより、レーザー光又は強光の照射により溶融した半導体膜が表面張力により凹部に凝集して固化する。その結果、絶縁膜の凸部にある半導体膜の厚さは薄くなり、そこに応力歪みを集中させることができる。また凹部の側面は結晶方位をある程度規定する効力を持つ。
【0024】
半導体膜を溶融状態として、表面張力により絶縁表面上に形成した凹部に凝集させ、凹部の底部と側面部の概略交点から結晶成長させることにより結晶化に伴い発生する歪みを凹部以外の領域に集中させることができる。即ち、凹部に充填されるように形成した結晶性半導体領域(第1の結晶性半導体領域)を歪みから開放することができる。そして、絶縁膜上に残存し、結晶粒界、結晶欠陥を含む結晶性半導体領域(第2の結晶性半導体領域)は、半導体素子のチャネル形成領域以外の部分、代表的にはソース領域もしくはドレイン領域として用いる。
【0025】
そして、凹部に結晶粒界が存在しない結晶性半導体膜を形成した後、半導体素子の活性層(キャリア移動経路として機能する半導体層)をパターニングにより形成し、当該活性層に接するゲート絶縁膜を形成し、さらにゲート電極を形成する。この後は、公知の手法によって電界効果型トランジスタを形成することができる。
【0026】
上記本発明によって、トランジスタなどの半導体素子、特にそのチャネル形成領域の形成される領域を指定して、結晶粒界が存在しない結晶性半導体領域を当該領域に形成することが可能となる。これにより不用意に介在する結晶粒界や結晶欠陥により特性がばらつく要因を無くすことができる。即ち、高速動作が可能で電流駆動能力の高く、且つ複数の素子間においてばらつきの小さい半導体素子又はその半導体素子群により構成される半導体装置を形成することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]
以下、図面を参照して本発明を用いて薄膜トランジスタを作製する実施の態様について説明する。図1において示す斜視図は、基板101上に第1絶縁膜102と直線状のストライプパターン形成された第2絶縁膜103〜105が形成された形態を示している。図1では第2絶縁膜による直線状のストライプパターンが3本示されているが、勿論その数に限定されることはない。
【0028】
基板は市販の無アルカリガラス基板、石英基板、サファイア基板、単結晶又は多結晶半導体基板の表面を絶縁膜で被覆した基板、金属基板の表面を絶縁膜で被覆した基板を適用することができる。サブミクロンのデザインルールで直線状のストライプパターンを形成するには、基板表面の凹凸、基板のうねり又はねじれを露光装置(特にステッパ)の焦点深度以下にしておくことが望ましい。具体的には、基板のうねり又はねじれが、1回の露光光照射領域内において1μm以下、好ましくは0.5μm以下とすることが望ましい。この点については、特に支持基体として無アルカリガラスを用いる場合には注意が必要である。
【0029】
直線状のストライプパターンに形成される第2絶縁膜の幅W1は0.1〜10μm(好ましくは0.5〜1μm)で、隣接する第2絶縁膜との間隔W2は0.01〜2μm(好ましくは0.1〜1μm)であり、第2絶縁膜の厚さdは0.01〜3μm(好ましくは0.1〜2μm)である。さらに、第2絶縁膜を覆うように設ける非晶質半導体膜の凹部における膜厚t02との関係は、d≧t02であれば良いが、dがt02に比べて厚すぎると凸部の上に結晶性半導体膜が残存しなくなるので注意が必要である。
【0030】
また、段差形状は規則的な周期パターンである必要はなく、島状の半導体膜の幅に合わせて異なる間隔で配置させても良い。その長さLも特に数値的な限定はなく、基板の一端から他端に渡るように長く形成することも可能であるし、例えばトランジスタのチャネル形成領域を形成することができる程度の長さとすることも可能である。
【0031】
第1絶縁膜102は、後に形成する第2絶縁膜との選択比の確保できる材料であれば良いが、代表的には、窒化珪素、酸化珪素、酸素含有量が窒素含有量よりも大きな酸窒化珪素(SiOxNyと示す。)、窒素含有量が酸素含有量よりも大きな窒酸化珪素(SiNxOyと示す。)、窒化アルミニウム(AlxNyと示す。)、酸素含有量が窒素含有量よりも大きな酸窒化アルミニウム(AlOxNyと示す。)、窒素含有量が酸素含有量よりも大きな窒酸化アルミニウム(AlNxOyと示す。)または酸化アルミニウムから選ばれた材料で、30〜300nmの厚さで形成する。特に、酸化アルミニウム膜はナトリウム(Na)に対するブロッキング効果が期待できるため、ガラス基板からの汚染対策として有効である。
【0032】
なお、酸窒化珪素(SiOxNy)膜としては、Siが25〜35原子%、酸素が55〜65原子%、窒素が1〜20原子%、水素が0.1〜10原子%で含まれるものを用いれば良い。また、窒酸化珪素(SiNxOy)膜としては、Siが25〜35原子%、酸素が15〜30原子%、窒素が20〜35原子%、水素が15〜25原子%で含まれるものを用いれば良い。また、酸窒化アルミニウム(AlOxNy)膜としては、Alが30〜40原子%、酸素が50〜70原子%、窒素が1〜20原子%で含まれるものを用いれば良い。また、また、窒酸化アルミニウム(AlNxOy)膜としては、Alが30〜50原子%、酸素が30〜40原子%、窒素が10〜30原子%で含まれるものを用いれば良い。
【0033】
また、第2絶縁膜103〜105は、10〜3000nm、好ましくは100〜2000nmの厚さの酸化珪素又は酸窒化珪素で形成すれば良い。酸化珪素はオルトケイ酸テトラエチル(Tetraethyl Ortho Silicate:TEOS)とOとを混合しプラズマCVD法で形成することができる。窒酸化珪素膜はSiH、NH、NO又は、SiH、NOを原料として用いプラズマCVD法で形成することができる。
【0034】
図1で示すように、直線状のストライプパターンを二層の絶縁膜で形成する場合には、エッチング加工において第1絶縁膜102と第2絶縁膜103〜105との間に選択比をもたせる必要がある。実際には、第1絶縁膜102よりも第2絶縁膜103〜105のエッチング速度が相対的に早くなるように材料及び成膜条件を適宜調整することが望ましい。エッチングの方法としては、緩衝フッ酸を用いたエッチング、又はCHFを用いたドライエッチングにより行う。そして、第2絶縁膜103〜105で形成される凹部の側面部の角度は5〜120度、好ましくは80〜100度の範囲で適宜設定すれば良い。
【0035】
なお、第2絶縁膜103〜105としては、CVD法(代表的には、プラズマCVD法もしくは熱CVD法)やPVD法(代表的には、スパッタ法もしくは蒸着法)によって形成された絶縁膜を用いることが好ましい。これは、非晶質半導体膜を結晶化する際、結晶化に伴う応力を緩和しうる程度の柔らかさを持つことが、良好な結晶性を得るにあたって重要な役割を果たしていると考えられるからである。その理由については、後述する。
【0036】
次に、図2で示すように、この第1絶縁膜102と第2絶縁膜103〜105から成る表面上および凹部を覆う非晶質半導体膜106を0.01〜3μm(好ましくは0.1〜1μm)の厚さに形成する。この時、非晶質半導体膜106の膜厚は、第2絶縁膜103〜105で形成される凹部の深さと同程度かそれ以上の厚さとすることが望ましい。非晶質半導体膜は珪素、珪素とゲルマニウムの化合物又は合金、珪素と炭素の化合物又は合金を適用することができる。
【0037】
非晶質半導体膜106は図示するように、下地の第1絶縁膜102と第2絶縁膜103〜105とで形成される凹凸構造を覆うように形成する。また、第1絶縁膜102及び第2絶縁膜103〜105の表面に付着した硼素などの化学汚染の影響を排除し、しかもその絶縁表面と非晶質半導体膜が直接に接しないように、非晶質半導体膜106を形成する直前に第3絶縁膜(図示せず)として酸窒化珪素膜を同一の成膜装置内で大気に触れさせることなく連続的に成膜すると良い。この第3絶縁膜の膜厚は、前述の化学汚染の影響の排除と密着性の向上を狙うものであり、薄いものでも十分に効果がある。典型的には、5〜50nm(化学汚染のブロッキング効果を高めるには20nm以上が好ましい。)とすれば良い。
【0038】
そして、この非晶質半導体膜106を瞬間的に溶融させ結晶化させる。この結晶化はレーザー光又はランプ光源からの放射光を光学系にて半導体膜が溶融する程度のエネルギー密度に集光して照射する。この工程においては、特に連続発振レーザー発振装置を光源とするレーザー光を適用することが好ましい。適用されるレーザー光は光学系にて線状に集光され、長さの長い方向に拡張されたものであり、その強度分布が長さの長い方向において均一な領域を有し、長さの短い方向にある程度の分布を持たせておくことが望ましい。
【0039】
なお、結晶化の際、基板の端など後にパターニングのマスク合わせに使用するマーカーを形成する位置は結晶化しないことが好ましい。結晶性半導体膜(特に結晶性珪素膜)は結晶化すると可視光の透過率が上がるため、マーカーとして識別が困難になるからである。ただし、光学的にマーカーの段差によるコントラストの違い等を識別するタイプの位置合わせ制御を行う場合には問題とならない。
【0040】
レーザー発振装置は、矩形ビーム固体レーザー発振装置が適用され、特に好ましくは、スラブレーザー発振装置が適用される。スラブ材料としては、Nd:YAG、Nd:GGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)、Nd:GSGG(ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット)などの結晶が使用される。スラブレーザーでは、この板状のレーザー媒質の中を、全反射を繰り返しながらジグザグ光路で進む。或いは、Nd、Tm、Hoをドープしたロッドを用いた固体レーザー発振装置であり、特にYAG、YVO、YLF、YAlOなどの結晶にNd、Tm、Hoをドープした結晶を使った固体レーザー発振装置にスラブ構造増幅器を組み合わせたものでも良い。
【0041】
そして、図3中に矢印で示すように、線状レーザー光の照射領域100の長さの長い方向(図中、X軸方向)が直線状のストライプパターンでなる第2絶縁膜103〜105の各々に交差するように線状のレーザー光又は強光を走査する。尚、ここでいう線状とは、長さの短い方向(図中、Y軸方向)の長さに対し、長さの長い方向(X軸方向)の長さの比が1対10以上のものをもって言う。また、図3では一部しか図示されていないが、線状レーザー光の照射領域100の端部は、矩形状となっていても曲率を持った形状となっていても良い。
【0042】
また、連続発振レーザー光の波長は、非晶質半導体膜の光吸収係数を考慮して400〜700nmであることが望ましい。このような波長帯の光は、波長変換素子を用いて基本波の第2高調波、第3高調波を取り出すことで得られる。波長変換素子としてはADP(リン酸二水素化アンモニウム)、BaNaNb15(ニオブ酸バリウムナトリウム)、CdSe(セレンカドミウム)、KDP(リン酸二水素カリウム)、LiNbO(ニオブ酸リチウム)、Se、Te、LBO、BBO、KB5などが適用される。特にLBOを用いることが望ましい。代表的な一例は、Nd:YVOレーザー発振装置(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)を用いる。また、レーザーの発振モードはTEM00モードであるシングルモードを適用する。
【0043】
最も適した材料として選ばれる珪素の場合、吸収係数が10〜10cm−1である領域はほぼ可視光域にある。ガラスなど可視光透過率の高い基板と、珪素により30〜200nmの厚さをもって形成される非晶質半導体膜を結晶化する場合、波長400〜700nmの可視光域の光を照射することで、当該半導体膜を選択的に加熱して、下地絶縁膜にダメージを与えずに結晶化を行うことができる。具体的には、非晶質珪素膜に対し、波長532nmの光の侵入長は概略100nm〜1000nmであり、膜厚30nm〜200nmで形成される非晶質半導体膜106の内部まで十分達することができる。即ち、半導体膜の内側から加熱することが可能であり、レーザー光の照射領域における半導体膜のほぼ全体を均一に加熱することができる。
【0044】
レーザー光は直線状のストライプパターンが延在する方向と平行な方向に走査され、溶融した半導体は表面張力が働いて凹部に流れ込み凝固する。凝固した状態では図3で示すように表面がほぼ平坦になる。これは半導体が一旦溶融することにより、凸部上であろうと凹部上であろうと、溶融した半導体と気相との界面が平衡状態に達し、平坦な界面が形成されるためである。さらに結晶の成長端や結晶粒界は、第2絶縁膜上(凸部上)に形成される(図中ハッチングで示す領域110)。こうして結晶性半導体膜107が形成される。
【0045】
その後、好ましくは500〜600℃の加熱処理を行い、結晶性半導体膜に蓄積された歪みを除去すると良い。この歪みは、結晶化によって起こる半導体の体積収縮、下地との熱応力や格子不整合などにより発生するものである。この加熱処理は、通常の熱処理装置を用いて行えば良いが、例えばガス加熱方式の瞬間熱アニール(RTA)法を用いて1〜10分の処理を行えば良い。尚、この工程は本発明において必須な要件ではなく、適宜選択して行えば良いものである。
【0046】
その後図4で示すように、結晶性半導体膜107をエッチングして薄膜トランジスタの活性層108を形成する。この時、成長端や結晶粒界が集中する領域110は、一部に残ってしまって構わない。本発明の特徴は、領域110を含む第2の結晶性半導体領域を薄膜トランジスタのソース領域やドレイン領域といった電極として積極的に活用することにより、ソース領域やドレイン領域と各領域に接続される電極(ソース電極もしくはドレイン電極)とのコンタクト部(図4において、111、112で示される領域)の設計マージンを確保することにある。勿論、凹部に形成された結晶性の高い半導体領域(第1の結晶性半導体領域)109a、109bは、薄膜トランジスタのチャネル形成領域として用いることになる。
【0047】
結晶性の高い半導体領域109a、109bは、複数の結晶方位を有し結晶粒界が形成されていないという特徴を有している。そして、この半導体領域109a、109bがチャネル形成領域となるように、ゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。このような各段階を経てトランジスタを完成させることができる。
【0048】
図5は本発明者による実験結果から得られた結晶化の知見を概念図として示すものである。図5(A)〜(E)は第1絶縁膜及び第2絶縁膜により形成される凹部の深さ及び間隔と結晶成長の関係を模式的に説明している。
【0049】
尚、図5で示す長さに関する符号に関し、t01:第2絶縁膜上(凸部)の非晶質半導体膜の厚さ、t02:凹部の非晶質半導体膜の厚さ、t11:第2絶縁膜上(凸部)の結晶性半導体膜の厚さ、t12:凹部の結晶性半導体膜の厚さ、d:第2絶縁膜の厚さ(凹部の深さ)、W1:第2絶縁膜の幅、W2:凹部の幅である。
【0050】
図5(A)は、d<t02、W1,W2が1μmと同程度かそれ以下の場合であり、凹部の溝の深さが非晶質半導体膜204よりも小さい場合には、溶融結晶化の過程を経ても凹部が浅いので結晶性半導体膜205の表面が十分平坦化されることはない。即ち、結晶性半導体膜205の表面状態は下地の凹凸形状が反映された状態となる。
【0051】
図5(B)は、d≧t02、W1,W2が1μmと同程度かそれ以下の場合であり、凹部の溝の深さが非晶質半導体膜203とほぼ等しいかそれより大きい場合には、表面張力が働いて凹部に集まる。それにより固化した状態では、図5(B)で示すように表面がほぼ平坦になる。この場合、t11<t12となり、第2絶縁膜202上の膜厚が薄い部分220に応力が集中しここに歪みが蓄積され、結晶粒界が形成されることになる。
【0052】
図23(A)で示す走査電子顕微鏡(SEM)写真は図5(B)の状態の一例を示し、170nmの段差を設け、0.5μmの凸部の幅と間隔を設けた下地絶縁膜上に150nmの非晶質珪素膜を形成して結晶化した結果を示している。また、結晶性半導体膜の表面は結晶粒界を顕在化させるために一般的に知られるセコ液(HF:HO=2:1に添加剤としてKCrを用いて調合した薬液)でのエッチング(セコ・エッチングとも呼ばれる。)を施してある。
【0053】
図23に示す結果は、二クロム酸カリウム(KCr)2.2gを水50ccに溶かして0.15mol/lの溶液を調製し、当該溶液にフッ酸水溶液100ccを加えてものを、さらに水で5倍に希釈したものをセコ液として使用した。また、セコ・エッチングの条件を室温(10〜30℃)にて75秒とした。なお、本明細書において、セコ液もしくはセコ・エッチングと言えば、ここで述べた溶液及び条件を指す。
【0054】
図23(B)は、図23(A)の写真の模式図である。図中、31は直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜(第2絶縁膜)であり、その凸部32にはセコ・エッチングにより明確になった結晶粒界33が集中的に発生している様子が窺える。なお、消失部分と記載された領域34は、ストライプパターンの始点に相当する領域であり、レーザー光の走査はこの始点から始められている。詳細な理由は不明だが、当該始点上の珪素膜は溶融した際に走査方向に押しやられ、当該始点に位置する第2絶縁膜が露出してしまっていた領域である。セコ液は酸化珪素膜をエッチングしてしまうため、当該始点に位置する領域はセコ・エッチングにより消失してしまっている。
【0055】
ところで、図23(A)に示した写真と対比してみると、凹部35に形成された結晶性半導体膜にはセコ・エッチングで明確になるような結晶粒界もしくは欠陥が顕在化しない、換言すれば実質的に存在しないことが判る。セコ・エッチングで明確になる結晶粒界は現状において特定できていないが、セコ・エッチングにより積層欠陥や結晶粒界が優先的にエッチングされることは良く知られている事実であり、本発明を実施して得た結晶性半導体膜は、セコ・エッチングで顕在化するような結晶粒界もしくは欠陥が実質的に存在しないことに大きな特徴があると言える。
【0056】
勿論、単結晶ではないため、セコ・エッチングで顕在化しない粒界や欠陥は当然あり得るが、そのような粒界や欠陥は半導体素子を作製した際の電気特性に影響を及ぼすようなものではないため、電気的に不活性と考えられる。一般的にそのような電気的に不活性な粒界とは、平面状粒界(低次もしくは高次の双晶又は対応粒界)と呼ばれるものであり、セコ・エッチングで顕在化しない粒界とは、平面状粒界であると推測される。その観点からすると、結晶粒界もしくは欠陥が実質的に存在しないということは、平面状粒界以外の結晶粒界が存在しないと言っても差し支えないと言える。
【0057】
また、図25は図23(B)に示される凹部35に形成される結晶性半導体膜の配向性を反射電子回折パターン(EBSP:Electron Backscatter diffraction Pattern)により求めた結果を示している。EBSPは走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscopy)に専用の検出器を設け、電子ビームを結晶面に照射してその菊池線からの結晶方位同定をコンピューターで画像認識させることによって、そのミクロな結晶性を表面配向のみならず、結晶の全方向に関して測定するものである(以下、この手法を便宜上EBSP法と呼ぶ)。
【0058】
図25のデータは、凹部35においては線状に集光されたレーザー光の走査方向と平行な方向に結晶が成長していることを示している。成長の結晶方位は<110>方位が優勢(即ち、主たる配向面は{110}面である。)であるが、<100>方位の成長も存在している。
【0059】
図5(C)は、d≧t02、W1,W2が1μmと同程度か若干大きい場合であり、凹部の幅が広がると結晶性半導体膜205が凹部を充填し、平坦化の効果はあるが、凹部の中央付近には結晶粒界が発生する。また、第2絶縁膜上にも同様に応力が集中しここに歪みが蓄積され、結晶粒界が形成される。これは、間隔が広がることで応力緩和の効果が低減するためであると推定している。この条件では、チャネル形成領域となる半導体領域にも結晶粒界が生じる可能性があるため、好ましいものではない。
【0060】
図5(D)は、d≧t02、W1,W2が1.0μmよりも大きい場合であり、図5(C)の状態がさらに顕在化してくる。この条件になるとかなりの確率でチャネル形成領域となる半導体領域に結晶粒界が生じるため、好ましいものではない。
【0061】
図24(A)で示す走査電子顕微鏡(SEM)写真は図5(D)の状態の一例を示し、170nmの段差を設け、1.8μmの凸部の幅と間隔を設けた下地絶縁膜上に150nmの非晶質珪素膜を形成して結晶化した結果を示している。結晶性半導体膜の表面は結晶粒界を顕在化させるために前述のセコ液でエッチングしてある。
【0062】
また、図24(B)は、図24(A)の写真の模式図である。図中、41は直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜(第2絶縁膜)であり、その凸部42及びその端部にはセコ・エッチングにより明確になった結晶粒界43が集中的に発生している様子が窺える。なお、消失部分と記載された領域44は、ストライプパターンの始点に相当する領域であり、前述の理由によりセコ・エッチングで消失してしまっている。なお、図24(A)に示した写真と対比してみると、結晶粒界は、ストライプパターンの凸部42だけでなく凹部45にも発生している。
【0063】
図5(E)は、本発明においては参考例であり、d>>t02、W1,W2が1μm以下の場合である。即ち、第2絶縁膜の厚さdが凹部における非晶質半導体膜の厚さt02に比べて厚すぎる場合は結晶性半導体膜204が凹部を充填するように形成され、第2絶縁膜203上には殆ど残存しない。そのため、本発明のように、第2絶縁膜上の結晶性半導体膜をソース領域とソース電極(またはドレイン領域とドレイン電極)とのコンタクト部として用いることができない。
【0064】
以上、図5(A)〜(D)を用いて説明したように、半導体素子を形成する場合、特に薄膜トランジスタにおけるチャネル形成領域を形成する場合には、図5(B)の形態が最も適していると考えられる。即ち、上述のセコ液でセコ・エッチングを施した際に、結晶粒界や欠陥が殆ど顕在化しない結晶性半導体膜、換言すれば結晶粒界及び欠陥が実質的に存在しない結晶性半導体膜をチャネル形成領域に用いることが望ましい。
【0065】
また、ここでは結晶性半導体膜を形成する下地の凹凸形状は、第1絶縁膜と第2絶縁膜で形成する一例を示したが、ここで示す形態に限定されず同様な形状を有するものであれば代替することができる。例えば、200nm〜2μm程度の厚さの絶縁膜をエッチングして所望の深さの凹部を形成しても良い。
【0066】
なお、上記結晶化工程の際、前述のように第2絶縁膜が柔らかい絶縁膜(密度の低い絶縁膜)であると、結晶化時における半導体膜の収縮等による応力を緩和するという効果が期待できる。逆に、固い絶縁膜(密度の高い絶縁膜)であると、収縮もしくは膨張しようとする半導体膜に逆らう形で応力が発生するため、結晶化後の半導体膜に応力歪み等を残しやすく結晶欠陥の原因ともなりかねない。例えば、公知のグラフォエピタキシ技術(「M.W.Geis,D.C.Flanders,H.I.Smith:Appl.Phys.Lett.35(1979)pp71」)では基板上の凹凸を固い石英ガラスで直接形成しているが、この場合において結晶Siの配向軸は[100]軸、即ち主たる配向面は{100}面であることが判明している。
【0067】
しかしながら、本発明を実施した場合、図25に示したように主たる配向面は{110}であり、明らかに結晶形態の異なる半導体膜が形成されていることが判る。その相違は、基板上の凹凸を上述のCVD法やPVD法で形成した柔らかい絶縁膜であるためである。即ち、下地となる第2絶縁膜を石英ガラスよりも柔らかい材質としたことにより、結晶化の際の応力の発生をより緩和でき、もしくは凸部上の結晶性半導体膜に応力を集中させることができた。
【0068】
なお、石英ガラスよりも柔らかい絶縁膜という意味は、例えば一般的な石英ガラス(工業的に基板として利用されている石英ガラス)よりもエッチングレートの速い絶縁膜もしくは硬度の高い絶縁膜という意味である。石英ガラスをフッ化水素アンモニウム(NHHF)を7.13%とフッ化アンモニウム(NHF)を15.4%含む混合溶液(ステラケミファ社製、商品名LAL500)をエッチャントとし、ウエットエッチングを行った結果、石英基板のエッチングレートは38nm/minであった。一方上記下地になる第2絶縁膜の同エッチャントによるエッチングレートは50〜1000nm/minであるので、石英ガラスより、柔らかい絶縁膜といえる。これらエッチングレート及び硬度に関しては、あくまで石英ガラスとの相対比較で決めれば良いので、エッチングレートの測定条件や硬度の測定条件に依存しない。
【0069】
例えば、第2絶縁膜として酸窒化珪素膜を用いるのであれば、SiHガス、NOガスを原料として用いたプラズマCVD法で成膜した酸窒化珪素膜が好ましい。当該酸窒化珪素膜は、フッ化水素アンモニウム(NHHF)を7.13%とフッ化アンモニウム(NHF)を15.4%含む混合水溶液の20℃におけるエッチングレートが110〜130nm/min(500℃、1時間+550℃、4時間の熱処理後では、90〜100nm/min)である。
【0070】
また、第2絶縁膜として窒酸化珪素膜を用いるのであれば、SiHガス、NHガス、NOガスを原料として用いたプラズマCVD法で成膜した窒酸化珪素膜が好ましい。当該窒酸化珪素膜は、フッ化水素アンモニウム(NHHF)を7.13%とフッ化アンモニウム(NHF)を15.4%含む混合水溶液の20℃におけるエッチングレートが60〜70nm/min(500℃、1時間+550℃、4時間の熱処理後では、40〜50nm/min)である。
【0071】
以上のように、絶縁膜により凹部及び凸部を有する直線状のストライプパターンを形成し、その上に非晶質半導体膜を堆積し、レーザー光の照射により溶融状態を経て結晶化させることにより凹部に半導体を流し込み凝固させ、凹部以外の領域に結晶化に伴う歪み又は応力を集中させることができ、結晶粒界など結晶性の悪い領域を選択的に形成することが可能となる。そして、結晶性の良い半導体領域を薄膜トランジスタのチャネル形成領域等のキャリア移動が行われる領域とし、結晶性の悪い半導体領域を電極とのコンタクト部として活用することが本発明の特徴である。
【0072】
即ち、凹部に複数の結晶方位を有し結晶粒界が形成されることなく、直線状のストライプパターンが延在する方向と平行な方向に延在する複数の結晶粒が集合した結晶性半導体膜を形成することができる。このような結晶性半導体膜でチャネル形成領域が配設されるようにトランジスタを形成することにより、高速動作が可能で電流駆動能力の高く、且つ複数の素子間においてばらつきの小さいトランジスタ又はそのトランジスタ群により構成される半導体装置を形成することができる。
【0073】
[実施の形態2]
本発明の結晶性半導体膜の形成において、実施の形態1で示すように非晶質半導体膜にレーザー光を照射して結晶化させる方法の他に、固相成長により結晶化した後さらにレーザー光を照射して溶融再結晶化しても良い。
【0074】
例えば、図2において非晶質半導体膜106を形成した後、当該非晶質半導体膜(例えば非晶質珪素膜)の結晶化温度を低温化させ配向性を向上させるなど、結晶化を促進する触媒作用のある金属元素としてNiを添加する。
【0075】
当該技術については、本出願人による特開平11−354442号等が詳しい。Niを添加して形成した結晶性半導体膜は、主たる配向面が{110}面であるという特徴を有し、このような結晶性半導体膜を薄膜トランジスタのチャネル形成領域に用いると、電子移動度とホール移動度が共に大幅に向上し、ひいてはNチャネル型トランジスタ及びPチャネル型トランジスタの電界効果移動度が大幅に向上するという特徴を有する。特にホール移動度の向上に伴うPチャネル型トランジスタの電界効果移動度の向上は特筆すべきものであり、主たる配向面を{110}とする利点の一つである。
【0076】
また、Niの添加法に限定はなく、スピン塗布法、蒸着法、スパッタ法などを適用するこができる。スピン塗布法による場合には酢酸ニッケル塩が5ppmの水溶液を塗布して金属元素含有層を形成する。勿論、触媒元素はNiに限定されるものではなく、他の公知の材料を用いても良い。
【0077】
その後、580℃にて4時間の加熱処理により非晶質半導体膜106を結晶化させる。この結晶化した半導体膜に対し、レーザー光又はそれと同等な強光を照射して溶融させ再結晶化する。こうして、図3と同様に表面がほぼ平坦化された結晶性半導体膜を得ることができる。この結晶性半導体膜も同様に成長端や結晶粒界110が形成された領域が形成される。
【0078】
レーザー光の被照射体として結晶化した半導体膜を用いる利点はその半導体膜の光吸収係数の変動率にあり、結晶化した半導体膜にレーザー光を照射して溶融させたとしても光吸収係数は殆ど変動しない。よって、レーザー照射条件のマージンを広くとることができる。
【0079】
こうして形成された結晶性半導体膜には金属元素が残存するが、ゲッタリング処理により取り除くことができる。この技術の詳細については、特願2001−019367号出願(又は特願2002−020801号出願)を参照されたい。また、このゲッタリング処理に伴う加熱処理は、結晶性半導体膜の歪みを緩和するという効果も合わせ持っている。
【0080】
その後、実施の形態1と同様に凹部の結晶性半導体膜をチャネル形成領域とし、かつ、凸部の結晶性半導体膜をソース領域もしくはドレイン領域として用いた薄膜トランジスタを形成する。凹部の結晶性半導体膜は、複数の結晶方位を有し結晶粒界が形成されていないという特徴を有しているため、高速動作が可能で電流駆動能力の高く、且つ複数の素子間においてばらつきの小さいトランジスタ又はそのトランジスタ群により構成される半導体装置を形成することができる。
【0081】
[実施の形態3]
次に、本実施の形態において凹部を有する下地絶縁膜上に結晶性珪素膜を形成し、その凹部に形成された半導体領域にチャネル形成領域が配設されるトランジスタを作製する一形態を図面を用いて説明する。尚、本実施の形態の係る各図面において、(A)は上面図、(B)以降はそれに対応する各部位の縦断面図を示す。
【0082】
図6において、ガラス基板301上に30〜300nmの窒化珪素、窒素含有量が酸素含有量よりも大きな酸窒化珪素、窒化アルミニウム、又は酸窒化アルミニウムでなる第1絶縁膜302を形成する。その上に凹部及び凸部を有する直線状のストライプパターンを、酸化珪素又は酸窒化珪素から成る第2絶縁膜303により形成する。酸化珪素膜はプラズマCVD法でTEOSとOとを混合し、反応圧力40Pa、基板温度400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.6W/cmで放電させ10〜3000nm、好ましくは100〜2000nmの厚さに堆積し、その後エッチングにより凹部304を形成する。凹部の幅は、特にチャネル形成領域が配置される場所において、0.01〜1μm、好ましくは0.05〜0.2μmで形成する。
【0083】
次に、図7で示すように第1絶縁膜302及び第2絶縁膜303上に酸化膜又は酸窒化珪素膜から成る第3絶縁膜305と非晶質珪素膜306を同一のプラズマCVD装置を用い大気に触れさせることなく連続的に成膜する。非晶質珪素膜305は珪素を主成分に含む半導体膜で形成し、プラズマCVD法でSiHを原料気体として用い形成する。この段階では、図示するように凹部304の底面及び側面を被覆して平坦でない表面形状が形成される。
【0084】
結晶化は連続発振レーザー光を照射して行う。図8はその結晶化後の状態を示している。結晶化の条件は連続発振モードのYVOレーザー発振器を用い、その第2高調波(波長532nm)の出力5〜10Wを、光学系にて短手方向に対する長手方向の比が10以上である線状レーザー光に集光し、且つ長手方向に均一なエネルギー密度分布を有するように集光し、5〜200cm/secの速度で走査して結晶化させる。均一なエネルギー密度分布とは、完全に一定であるもの以外を排除することではなく、エネルギー密度分布において許容される範囲は±10%である。
【0085】
線状に集光されたレーザー光の強度分布はその強度分布が長さの長い方向(図3におけるX軸方向)において均一であることが望ましい。これは加熱される半導体の温度をレーザー光の照射領域全体で均一にすることが目的である。線状に集光されたレーザー光のX軸方向に温度分布が生じると、半導体膜の結晶成長の方向をレーザー光の走査方向に規定することができなくなるためである。直線状のストライプパターンは線状に集光されたレーザー光の照射領域の走査方向と合わせて配列させておくことで、結晶の成長方向と、全てのトランジスタのチャネル長方向とを合わせることができる。これによりトランジスタの素子間の特性ばらつきを小さくすることができる。
【0086】
また、線状に集光されたレーザー光による結晶化は、1回の走査(即ち、一方向)のみで完了させても良いし、より結晶性を高めるためには往復走査しても良い。さらに、レーザー光により結晶化した後、フッ酸などによる酸化物除去、或いは、アンモニア過酸化水素水処理などアルカリ溶液により珪素膜の表面を処理し、エッチング速度の速い品質の悪い部分を選択的に除去して、再度同様の結晶化処理を行っても良い。このようにして、結晶性を高めることができる。
【0087】
この条件でレーザー光を照射することにより、非晶質半導体膜は瞬間的に溶融し結晶化する。実質的には溶融帯が移動しながら結晶化が進行する。溶融した珪素は表面張力が働いて凹部に凝集し固化する。これにより、図8に示すように凹部304を充填する形態で表面が平坦な結晶性半導体膜307が形成される。
【0088】
その後、図9に示すように、結晶性半導体膜307をエッチングし、薄膜トランジスタの活性層となる半導体領域308〜310を形成する。なお、図9は、半導体領域308〜310の形状を限定的に示すものではなく、実施の形態1で述べた如く、所定のデザインルールに従う範囲内において、特に限定されるものではない。
【0089】
結晶性半導体膜307はフッ素系のガスと酸素とをエッチングガスとして用いることにより第3絶縁膜305と選択性をもってエッチングすることができる。勿論、第3絶縁膜305がエッチングされてしまってもその下にある第1絶縁膜302や第2絶縁膜303との選択性さえ確保できれば何ら問題はない。
【0090】
なお、エッチング法として、CFとOの混合ガスやNFガスを用いたプラズマエッチング法により行っても良いし、ClFガス等のフッ化ハロゲンガスを励起しないで用いたプラズマレスのガスエッチングを行っても良い。プラズマレスのガスエッチングは、結晶性半導体膜にプラズマダメージを与えないで済むので結晶欠陥の抑制により効果的な手法である。
【0091】
次に、図10に示すように、半導体領域308〜310及び第2絶縁膜303の上面を覆うように第4絶縁膜(ゲート絶縁膜として機能する。)311、ゲート電極として用いる導電膜312、313を形成する。第4絶縁膜311は、実施の形態1で説明した酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、窒酸化アルミニウム膜、酸窒化アルミニウム膜もしくは酸化アルミニウム膜のいずれを用いても良いし、これらを適宜組み合わせた積層膜としても良い。
【0092】
ゲート絶縁膜のカバレッジを良くするためには、酸化珪素膜ならばTEOSを用いた酸化珪素膜が好ましく、窒酸化アルミニウム膜であればRFスパッタ法で形成した窒酸化アルミニウム膜を用いたり、当該窒酸化アルミニウム膜と酸化珪素膜の積層膜(酸化珪素膜は、活性層となる半導体膜を過酸化水素で酸化させたものであっても良い。)を用いたりすると良い。
【0093】
また、ゲート電極として用いる導電膜312、313はタングステン又はタングステンを含有する合金や、アルミニウム又はアルミニウム合金などで形成する。
【0094】
次に、図11に示すように、半導体領域308〜310に一導電型の不純物領域314〜319を形成する。ここでは、便宜的にn型不純物領域314、315、318及び319、p型不純物領域316及び317を設けるものとする。これらの不純物領域はゲート電極として用いる導電膜312、313をマスクとして自己整合的に形成しても良いし、フォトレジストなどでマスキングして形成しても良い。不純物領域314〜319はソース及びドレイン領域を形成し、必要に応じて低濃度ドレイン領域(一般的にはLDD領域と呼ばれる。)を設けることもできる。
【0095】
この不純物領域314〜319は不純物イオンを電界で加速して半導体領域に注入するイオン注入法又はイオンドーピング法などが適用される。この場合において、注入するイオン種の質量分離の有無は本発明を適用する上で本質的な問題とはならない。
【0096】
この時、半導体領域308〜310のうち、ゲート電極312、313の下にあり、かつ、凹部304に形成された半導体領域320が、本発明の薄膜トランジスタのチャネル形成領域となる。
【0097】
そして、図12に示すように50〜100nm程度の水素を含有する窒化珪素膜又は酸窒化珪素膜による第5絶縁膜(パッシベーション膜として機能する。)321を形成する。この状態で400〜450℃に熱処理をすることにより窒化珪素膜又は酸窒化珪素膜が含有する水素が放出され島状の半導体膜に対する水素化を行うことができる。
【0098】
次いで、酸化珪素膜などで形成する第6絶縁膜(層間絶縁膜として機能する。)322を形成し、不純物領域314〜319に接続する配線323〜327を形成する。こうしてnチャネル型トランジスタ328、330及びpチャネル型トランジスタ329を形成することができる。
【0099】
図12に示されるnチャネル型トランジスタ328及びpチャネル型トランジスタ329は、複数のチャネル形成領域320が並列に配設され、かつ、一対の不純物領域314と315(または316と317)との間に連接して設けられたマルチチャネル型のトランジスタを示している。具体的には、nチャネル型マルチチャネルトランジスタ328と、pチャネル型マルチチャネルトランジスタ329とでCMOS構造の基本回路であるインバータ回路を構成する一例を示している。この構成において並列に配設するチャネル形成領域の数に限定はなく、必要に応じて複数個配設すれば良い。例えば、nチャネル型トランジスタ330のようにシングルチャネルとしても良い。
【0100】
[実施の形態4]
実施の形態3において、トランジスタはシングルドレイン構造で示されているが、低濃度ドレイン(LDD)を設けても良い。図13はLDD構造を持ったnチャネル型マルチチャネルトランジスタの一例を示している。
【0101】
図13(A)で示すトランジスタの構造はゲート電極を窒化チタン又は窒化タンタルなど窒化物金属340aとタングステン又はタングステン合金など高融点金属340bで形成する一例であり、ゲート電極340bの側面にスペーサ341を設けている。スペーサ341は酸化珪素などの絶縁体で形成しても良いし、導電性を持たせるためにn型の多結晶珪素で形成しても良く、異方性ドライエッチングにより形成する。LDD領域342a、342bはこのスペーサを形成する前に形成することにより、ゲート電極340bに対し自己整合的に形成することができる。スペーサを導電性材料で形成した場合には、LDD領域342a、342bが実質的にゲート電極と重畳するゲート・オーバーラップLDD(Gate−Overlapped LDD)構造とすることができる。
【0102】
一方、図13(B)はゲート電極340aを設けない構造であり、この場合はLDD構造となる。
【0103】
図13(C)は、n型不純物領域315に隣接してLDD領域を形成するn型不純物領域344が形成されている。ゲート電極343は下層側ゲート電極343a、上層側ゲート電極343bの二層構造であり、n型不純物領域314、315及びLDD領域344a、344bを自己整合的に形成することができる。このようなゲート電極と不純物領域、及びその作製方法の詳細については、特願2000−128526号出願又は特願2001−011085号出願を参照されたい。
【0104】
いずれにしても、このようなゲート構造により自己整合的にLDD領域を形成する構造は、特にデザインルールを微細化する場合において有効である。ここでは単極性のトランジスタ構造を示したが、実施の形態4と同様にCMOS構造を形成することもできる。
【0105】
尚、本実施の形態においてゲート電極及びLDD領域の構成以外は、実施の形態3と同じであり詳細な説明は省略する。
【0106】
[実施の形態5]
本実施の形態は、実施の形態1で説明した構成とは別の実施形態であって、電極として機能する一導電型の不純物領域をそのまま配線としても利用したことを特徴とする発明に関する。当該実施の形態は、コンタクト部の数を減らして設計マージンの縮小による集積度の向上を図るとともに歩留まりの向上を図るものである。
【0107】
説明には図14を用いる。図14(A)は上面図であり、図14(B)〜(F)は各々該当個所の断面図を示している。なお、実施の形態1における図11の状態に対応する図である。この状態に至る過程およびその後のトランジスタ形成過程については、実施の形態1を参照すれば良い。
【0108】
図14(A)において、401〜405は一導電型の不純物領域であり、401及び402はそれぞれPチャネル型トランジスタのソース領域及びドレイン領域、403及び404はそれぞれNチャネル型トランジスタのソース領域であり、405はNチャネル型トランジスタのドレイン領域として機能する。この時、ドレイン領域405が二つのトランジスタを電気的に接続する配線として機能している点に特徴がある。
【0109】
本発明の特徴として、結晶性の悪い半導体領域も電極として活用することができるため、本実施の形態のように、配線として活用することでコンタクト部の数を減らすことができる上、コンタクト形成のための設計マージンを拡げることができる。そのため、特に微細化が進んだ論理回路を形成する際には、非常に有効である。
【0110】
なお、本実施の形態は一例に過ぎず、本発明において、一導電型の不純物領域を電極だけでなく配線として用いることができるという技術思想を開示するものである。従って、実施の形態1〜4に開示されたいずれの技術と組み合わせても本実施の形態で述べた効果を得ることができる。
【0111】
[実施の形態6]
本実施の形態は、実施の形態1で説明した構成とは別の実施形態であって、一導電型の不純物領域を配線として用いることにより複数個のトランジスタを直列に接続した構成のトランジスタを形成することを特徴とする発明に関する。当該実施の形態は、ソース領域及びドレイン領域の間に複数のチャネル形成領域を有するトランジスタを得ることも可能であることを開示するものであって、本発明のさらなる実施形態を示すものである。
【0112】
説明には図15を用いる。図15(A)は上面図であり、図15(B)〜(F)は各々該当個所の断面図を示している。なお、実施の形態1における図11の状態に対応する図である。この状態に至る過程およびその後のトランジスタ形成過程については、実施の形態1を参照すれば良い。
【0113】
図15(A)において、411〜418は一導電型の不純物領域であり、411及び414はそれぞれPチャネル型トランジスタのソース領域及びドレイン領域、412及び413は、配線として用いられる不純物領域である。なお、本発明の特徴として、不純物領域412、413の占有面積を大きくできるため、当該部分を単に配線として用いても良いし、面積を拡げて電極として用いることも可能である。また、屈曲した形状に加工して保護回路としての機能を持たせることも可能である。
【0114】
また、415はシングルチャネルのNチャネル型トランジスタのソース領域であり、416はそのドレイン領域である。さらに、当該ドレイン領域416をソース領域とし、かつ、不純物領域418をドレイン領域とするトランジスタが構成される。この場合、不純物領域417は配線として機能する。当該トランジスタは、併せて三つのチャネル形成領域を有するが、うち二つが並列に設けられ、かつ、残りの一つと直列に接続された構成となっている。勿論、本実施の形態は、当該トランジスタの構造に限定されるものではない。
【0115】
なお、本実施の形態は一例に過ぎず、本発明において、一導電型の不純物領域を電極だけでなく配線として用いることができるという技術思想を開示するものである。従って、実施の形態1〜5に開示されたいずれの技術と組み合わせても良い。
【0116】
[実施の形態7]
本発明のトランジスタにおいて、下層側に導電層を設けることにより、所謂基板バイアスを印加することが可能となる。トランジスタの作製方法は実施の形態3に従うものであるが、その差異について図16を用いて説明する。
【0117】
図16(A)において、基板上には第1絶縁膜802として窒化珪素膜を形成し、その上にタングステン膜803をスパッタリング法にて形成する。特に窒化珪素膜は高周波スパッタリング法で形成すると緻密な膜を形成することが可能である。第2絶縁膜804は酸化珪素膜で形成する。酸化珪素膜はエッチングにより図示するように凹部を形成するが、下地のタングステン膜との選択比は30程度あるので容易に加工できる。
【0118】
この上に、第3絶縁膜805として酸窒化珪素膜と非晶質珪素膜806を連続して形成し、該非晶質半導体膜806を溶融結晶化し、図16(B)で示すように結晶性珪素膜807を形成する。その後、図16(C)に示すようにトランジスタのチャネル形成領域808をエッチングにより形成し、ゲート絶縁膜809、ゲート電極810を形成する。タングステン膜803上にはゲート絶縁膜809が形成されるので、ゲート電極810と短絡することはない。
【0119】
このような形態において、タングステン膜803を接地電位に固定すると、トランジスタのしきい値電圧のばらつきを小さくすることができる。また、ゲート電極810と同電位を印加して駆動すると、オン電流を増加させることができる。
【0120】
また、放熱効果を高めるためには、図17で示すようにタングステン膜803の上層に、酸窒化アルミニウム膜(又は窒化アルミニウム膜)811を形成すると良い。これらの膜を設ける目的は、エッチング加工の選択比を確保することにある。即ち、CHFなどフッ素系のエッチングガスで第2絶縁膜804である酸化珪素を除去して、且つ下地のタングステン膜803を露出させないためには、窒化珪素膜では選択比が小さく、窒化アルミニウム膜又は酸窒化アルミニウムが適している。
【0121】
本実施の形態は、凸部及び凹部を形成する第2絶縁膜の下に導電膜を設けることにより放熱効果や実際の動作時のしきい値制御を図る構成を開示するものであり、実施の形態1〜6に開示される構成との組み合わせは可能であり、組み合わせたことによって本実施の形態に記載の効果を付与することができる。
【0122】
[実施の形態8]
本実施の形態では、実施の形態3において、薄膜トランジスタの活性層308を形成する工程の前に結晶性半導体膜307の一部(後にチャネル形成領域となる部分)をエッチングして薄膜化する例を示す。
【0123】
まず実施の形態3に示した作製方法に従って、図8に示す状態を得る。次に、結晶性半導体膜307のうち、後にソース領域またはドレイン領域となる半導体領域の上にレジストマスク1801を形成する(図18(A))。
【0124】
そして、レジストマスク1801をマスクとしてドライエッチング法またはウェットエッチング法により結晶性半導体膜307をエッチングし、下地となる第3絶縁膜305が露出させる。この工程により凹部のみに選択的に結晶性半導体膜1802を残存させることができる。また、レジストマスク1801の下には元の膜厚で結晶性半導体膜1803が残存する。本実施の形態は、結晶性半導体膜17802を薄膜トランジスタのチャネル形成領域として用い、結晶性半導体膜1803を薄膜トランジスタのソース領域またはドレイン領域として用いることを特徴とする。
【0125】
なお、上記エッチング工程は、化学的手法だけでなく、CMP(ケミカルメカニカルポリッシング)の如き機械的研磨法を用いても良い。また、化学的手法及び機械的手法を併用しても構わない。
【0126】
本実施の形態によれば、第2絶縁膜303により自己整合的にチャネル形成領域を形成することができるため、パターンずれによって第2絶縁膜の凸部に誤ってチャネル形成領域が形成されることを防ぐことができ、チャネル形成領域内に結晶粒界が含まれてしまうような事態を減らすことができる。
【0127】
これ以降の工程については、実施の形態3の図10以降の工程を参照にすれば良いので、本実施の形態での説明は省略する。なお、本実施の形態は、実施の形態1〜7のいずれの形態とも自由に組み合わせることが可能である。
【0128】
[実施の形態9]
本発明は様々な半導体装置に適用できるものであり、実施の形態1乃至8に基づいて作製される表示パネルの形態を説明する。なお、本実施の形態に示す表示パネルの具体例としては、液晶表示パネル、EL(エレクトロルミネセンス)表示パネル、FED(フィールドエミッションディスプレイ)用表示パネルといった半導体素子としてトランジスタを用いる表示パネルが挙げられる。勿論、これら表示パネルは、モジュールとして市場に流通するものを含む。
【0129】
図19は基板900には画素部902、ゲート信号側駆動回路901a、901b、データ信号側駆動回路901c、入出力端子部908、配線又は配線群917が備えられている。
【0130】
シールパターン940は、対向基板920と基板900との間に密閉空間を作るためのパターンであり、液晶表示パネルなら液晶を封入し、ELパネルならEL材料(特に有機EL材料)を外気から保護する役割を果たす。ゲート信号側駆動回路901a、901b、データ信号側駆動回路901c及び当該駆動回路部と入力端子とを接続する配線又は配線群917と一部が重なっていても良い。このようにすると、表示パネルの額縁領域(画素部の周辺領域)の面積を縮小させることができる。外部入力端子部には、FPC(フレキシブルプリントサーキット)936が固着されている。
【0131】
さらに、本発明を実施して得たトランジスタを用いて各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ/DSP(Digital Signal Processor)、グラフィクス用LSI、暗号LSI、アンプなどが形成されたチップ950が実装されていても良い。これらの機能回路は、画素部902、ゲート信号側駆動回路901a、901b、データ信号側駆動回路901cとは異なるデザインルールで形成されるものであり、具体的には1μm以下のデザインルールが適用される。なお、上記外部入力端子部やチップ950は樹脂(モール樹脂等)937によって保護しておくと良い。また、実装の方法に限定はなく、TABテープを用いた方式やCOG(チップオングラス)方式などが適用することができる。
【0132】
なお、本実施の形態において、トランジスタのゲート構造としては、図13(A)、(B)などが適している。例えば、実施の形態3乃至4で示すトランジスタは画素部902のスイッチング素子として、さらにゲート信号側駆動回路901a、901b、データ信号側駆動回路901cを構成する能動素子として適用することができる。勿論、本実施の形態は、本発明を実施して得た表示パネルの一例を示すものであり、図19の構成に限定されるものではない。
【0133】
[実施の形態10]
本発明を用いて様々な電子装置を完成させることができる。その一例は、携帯情報端末(電子手帳、モバイルコンピュータ、携帯電話など)、ビデオカメラ、デジタルカメラ、パーソナルコンピュータ、テレビ受像器、携帯電話などが挙げられる。それらの一例を図20に示す。なお、ここで示す電子装置はごく一例であり、これらの用途に限定するものではない。
【0134】
図20(A)は本発明を適用してテレビ受像器を完成させる一例であり、筐体3001、支持台3002、表示部3003などにより構成されている。本発明により作製されるトランジスタは表示部3003の他に、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSIなど様々な集積回路がガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりテレビ受像器を完成させることができる。
【0135】
図20(B)は本発明を適用してビデオカメラを完成させた一例であり、本体3011、表示部3012、音声入力部3013、操作スイッチ3014、バッテリー3015、受像部3016などにより構成されている。本発明により作製されるトランジスタは表示部3012の他に、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSIなど様々な集積回路がガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりビデオカメラを完成させることができる。
【0136】
図20(C)は本発明を適用してノート型のパーソナルコンピュータを完成させた一例であり、本体3021、筐体3022、表示部3023、キーボード3024などにより構成されている。本発明により作製されるトランジスタは表示部3023の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、暗号LSIなど様々な集積回路がガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりパーソナルコンピュータを完成させることができる。
【0137】
図20(D)は本発明を適用してPDA(Personal Digital Assistant)を完成させた一例であり、本体3031、スタイラス3032、表示部3033、操作ボタン3034、外部インターフェース3035などにより構成されている。本発明により作製されるトランジスタは表示部3033の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、暗号LSIなど様々な集積回路がガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりPDAを完成させることができる。
【0138】
図20(E)は本発明を適用して音響再生装置を完成させた一例であり、具体的には車載用のオーディオ装置であり、本体3041、表示部3042、操作スイッチ3043、3044などにより構成されている。本発明により作製されるトランジスタは表示部3042の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、増幅回路など様々な集積回路がガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりオーディオ装置を完成させることができる。
【0139】
図20(F)は本発明を適用してデジタルカメラを完成させた一例であり、本体3051、表示部(A)3052、接眼部3053、操作スイッチ3054、表示部(B)3055、バッテリー3056などにより構成されている。本発明により作製されるトランジスタは表示部(A)3052および表示部(B)3055の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、暗号LSIなど様々な集積回路がガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりデジタルカメラを完成させることができる。
【0140】
図20(G)は本発明を適用して携帯電話を完成させた一例であり、本体3061、音声出力部3062、音声入力部3063、表示部3064、操作スイッチ3065、アンテナ3066などにより構成されている。本発明により作製されるトランジスタは表示部3064の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、暗号LSI、携帯電話用LSIなど様々な集積回路がガラス上に形成し組み込むことができ、本発明により携帯電話を完成させることができる。
【0141】
[実施の形態11]
本実施の形態では、本発明の実施に用いられるレーザー照射装置の構成について、図21を用いて説明する。11はレーザー発振装置である。なお、図21では2台のレーザー発振装置を用いているが、レーザー発振装置はこの数に限定されず、3台でも4台でも良いし、それ以上であっても良い。
【0142】
また、レーザー発振装置11は、チラー12を用いてその温度を一定に保つようにしても良い。チラー12は必ずしも設ける必要はないが、レーザー発振装置11の温度を一定に保つことで、出力されるレーザー光のエネルギーが温度によってばらつくのを抑えることができる。
【0143】
また、14は光学系であり、レーザー発振装置11から出力された光路を変更したり、そのレーザービームの形状を加工したりして、レーザー光を集光することができる。さらに、図21のレーザー照射装置では、光学系14によって、複数のレーザー発振装置11から出力されたレーザー光のレーザービームを互いに一部を重ね合わせることで、合成することができる。
【0144】
なお、レーザー光を一次的に完全に遮蔽することができるAO変調器13を、被処理物である基板16とレーザー発振装置11との間の光路に設けても良い。また、AO変調器の代わりに、アテニュエイター(光量調整フィルタ)を設けて、レーザー光のエネルギー密度を調整するようにしても良い。
【0145】
また、被処理物である基板16とレーザー発振装置11との間の光路に、レーザー発振装置11から出力されたレーザー光のエネルギー密度を測定する手段(エネルギー密度測定手段)20を設け、測定したエネルギー密度の経時変化をコンピューター10において監視するようにしても良い。この場合、レーザー光のエネルギー密度の減衰を補うように、レーザー発振装置10からの出力を高めるようにしても良い。
【0146】
合成されたレーザービームは、スリット15を介して被処理物である基板16に照射される。スリット15は、レーザー光を遮ることが可能であり、なおかつレーザー光によって変形または損傷しないような材質で形成するのが望ましい。そして、スリット15はスリットの幅が可変であり、該スリットの幅によってレーザービームの幅を変更することができる。
【0147】
なお、スリット15を介さない場合の、レーザー発振装置11から発振されるレーザー光の基板16におけるレーザービームの形状は、レーザーの種類によって異なり、また光学系により成形することもできる。
【0148】
基板16はステージ17上に載置されている。図21では、位置制御手段18、19が、被処理物におけるレーザービームの位置を制御する手段に相当しており、ステージ17の位置が、位置制御手段18、19によって制御されている。図21では、位置制御手段18がX方向におけるステージ17の位置の制御を行っており、位置制御手段19はY方向におけるステージ17の位置制御を行う。
【0149】
また図21のレーザー照射装置は、メモリ等の記憶手段及び中央演算処理装置を兼ね備えたコンピューター10を有している。コンピューター10は、レーザー発振装置151の発振を制御し、レーザー光の走査経路を定め、なおかつレーザー光のレーザービームが定められた走査経路にしたがって走査されるように、位置制御手段18、19を制御し、基板を所定の位置に移動させることができる。
【0150】
なお、図21では、レーザービームの位置を、基板を移動させることで制御しているが、ガルバノミラー等の光学系を用いて移動させるようにしても良いし、その両方であってもよい。
【0151】
さらに図21では、コンピューター10によって、スリット15の幅を制御し、マスクのパターン情報に従ってレーザービームの幅を変更することができる。なおスリットは必ずしも設ける必要はない。
【0152】
さらにレーザー照射装置は、被処理物の温度を調節する手段を備えていても良い。また、レーザー光は指向性およびエネルギー密度の高い光であるため、ダンパーを設けて、反射光が不適切な箇所に照射されるのを防ぐようにしても良い。ダンパーは、反射光を吸収させる性質を有していることが望ましく、ダンパー内に冷却水を循環させておき、反射光の吸収により隔壁の温度が上昇するのを防ぐようにしても良い。また、ステージ157に基板を加熱するための手段(基板加熱手段)を設けるようにしても良い。
【0153】
なお、マーカーをレーザーで形成する場合、マーカー用のレーザー発振装置を設けるようにしても良い。この場合、マーカー用のレーザー発振装置の発振を、コンピューター10において制御するようにしても良い。さらにマーカー用のレーザー発振装置を設ける場合、マーカー用のレーザー発振装置から出力されたレーザー光を集光するための光学系を別途設ける。なおマーカーを形成する際に用いるレーザーは、代表的にはYAGレーザー、COレーザー等が挙げられるが、無論この他のレーザーを用いて形成することは可能である。
【0154】
またマーカーを用いた位置合わせのために、CCDカメラ21を1台、場合によっては数台設けるようにしても良い。なおCCDカメラとは、CCD(電荷結合素子)を撮像素子として用いたカメラを意味する。また、マーカーを設けずに、CCDカメラ21によって絶縁膜または半導体膜のパターンを認識し、基板の位置合わせを行うようにしても良い。この場合、コンピューター10に入力されたマスクによる絶縁膜または半導体膜のパターン情報と、CCDカメラ21において収集された実際の絶縁膜または半導体膜のパターン情報とを照らし合わせて、基板の位置情報を把握することができる。この場合マーカーを別途設ける必要がない。
【0155】
また、基板に入射したレーザー光は該基板の表面で反射し、入射したときと同じ光路を戻る、いわゆる戻り光となるが、該戻り光はレーザの出力や周波数の変動や、ロッドの破壊などの悪影響を及ぼす。そのため、前記戻り光を取り除きレーザの発振を安定させるため、アイソレータを設置するようにしても良い。
【0156】
なお、図21では、レーザー発振装置を複数台設けたレーザー照射装置の構成について示したが、こうすることで光学系の設計が容易となるメリットがある。本発明は、非晶質半導体膜の溶融に際して特に線状レーザー光を用いることがスループット向上の観点からも好ましい。しかしながら、長さの長い方向(図3におけるX軸方向)が長くなるとその光学設計が非常に精密になるため、複数の線状レーザー光を重ね合わせて用いることで光学設計の負担を軽減することができる。
【0157】
例えば、複数のレーザー発振装置から発振される複数のレーザー光を光学的に複合して一つの線状レーザー光を形成することが可能である。図22(A)に示したのは、個々のレーザー光の照射断面である。ここではレーザー光の照射領域が楕円形状となる場合を例に挙げているが、形状による違いはない。
【0158】
レーザー光の形状はレーザーの種類によって異なり、また光学系により成形することもできる。例えば、ラムダ社製のXeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅30ns)L3308から射出されたレーザー光の形状は、10mm×30mm(共にビームプロファイルにおける半値幅)の矩形状である。また、YAGレーザーから射出されたレーザー光の形状は、ロッド形状が円筒形であれば円状となり、スラブ型であれば矩形状となる。このようなレーザー光を光学系により、さらに成形することにより、所望の大きさのレーザー光をつくることもできる。
【0159】
図22(B)に図22(A)に示したレーザー光の長軸方向(X軸方向)におけるレーザー光のエネルギー密度の分布を示す。図21(A)に示すレーザー光は、図22(B)におけるエネルギー密度のピーク値の1/eのエネルギー密度を満たしている領域に相当する。レーザー光が楕円形状であるレーザー光のエネルギー密度の分布は、楕円の中心Oに向かうほど高くなっている。このように図22(A)に示したレーザー光は、中心軸方向におけるエネルギー密度がガウス分布に従っており、エネルギー密度が均一だと判断できる領域が狭くなる。
【0160】
次に、図22(A)に示したレーザー光を二つ合成したときの線状レーザー光の照射断面形状を図22(C)に示す。なお、図22(C)では二つのレーザー光を重ね合わせることで1つの線状のレーザー光を形成した場合について示しているが、重ね合わせるレーザー光の数はこれに限定されない。
【0161】
図22(C)に示すように、各レーザー光は、各楕円の長軸が一致し、なおかつ互いにレーザー光の一部が重なることで合成され、1つの線状レーザー光30が形成されている。なお以下、各楕円の中心Oを結ぶことで得られる直線をレーザービーム30の中心軸とする。
【0162】
図22(D)に、図22(C)に示した合成後の線状レーザー光の中心軸y方向におけるエネルギー密度の分布を示す。なお、図22(C)に示すレーザー光は、図22(B)におけるエネルギー密度のピーク値の1/eのエネルギー密度を満たしている領域に相当する。合成前の各レーザー光が重なり合っている部分において、エネルギー密度が加算される。例えば図示したように重なり合ったレーザー光のエネルギー密度L1とL2を加算すると、個々のレーザー光のエネルギー密度のピーク値L3とほぼ等しくなり、各楕円の中心Oの間においてエネルギー密度が平坦化される。
【0163】
なお、L1とL2を加算するとL3と等しくなるのが理想的だが、現実的には必ずしも等しい値にはならない。L1とL2を加算した値とL3との値のずれの許容範囲は、設計者が適宜設定することが可能である。
【0164】
レーザー光を単独で用いると、エネルギー密度がガウス分布に従っているので、絶縁膜の平坦な部分に接している半導体膜全体に均一なエネルギー密度のレーザー光を照射することが難しい。しかし、図22(D)からわかるように、複数のレーザー光を重ね合わせてエネルギー密度の低い部分を互いに補い合うようにすることで、複数のレーザー光を重ね合わせないで単独で用いるよりも、エネルギー密度の均一な領域が拡大され、半導体膜の結晶性を効率良く高めることができる。
【0165】
なお、B−B’、C−C’におけるエネルギー密度の分布は、B−B’の方がC−C’よりも弱冠小さくなっているが、ほぼ同じ大きさとみなすことができ、合成前のレーザー光のピーク値の1/eのエネルギー密度を満たしている領域における合成された線状レーザー光の形状は、線状と言って差し支えない。
【0166】
なお、合成された線状レーザー光30の照射領域の外縁近傍にはエネルギー密度の低い領域が存在する。当該領域を用いると結晶性を却って損なう可能性もあるため、図21においてスリット15を用いたように、線状レーザー光の外縁を用いない方が好ましい形態と言える。
【0167】
本実施の形態で説明したレーザー照射装置は、本発明のレーザー光照射を実施するにあたって用いることができ、実施の形態1〜10のいずれの形態を実施するに際しても使用することができる。また、合成して線状レーザー光を得るメリットはあるものの光学系やレーザー発振装置のコストは増加してしまうため、1台のレーザー発振装置及び1組みの光学系で所望の線状レーザー光を得ることができれば、そのようなレーザー照射装置を本発明の実施に使用することに何ら問題はない。
【0168】
[実施の形態12]
本実施の形態では、実施の形態3において第2絶縁膜303を形成するにあたって、ガラス基板301をエッチングストッパーとして用い、第2絶縁膜303上に第1絶縁膜302に相当する絶縁膜(第3絶縁膜305をも兼ねる。)を形成する例を示す。
【0169】
図29(A)において、まずガラス基板601上に酸化珪素又は酸窒化珪素で所定の形状で凹部が形成された第2絶縁膜602を形成する。詳細は、実施の形態3と同様である。凹部の形成は、ウェットエッチングでもドライエッチングでも良いが、本実施の形態では、CHF3ガスを用いたドライエッチングを用いる。この場合、ガス流量は30〜40sccm、反応圧力は2.7〜4.0KPa、印加電力は500W、基板温度は20℃とすれば良い。
【0170】
また、本実施の形態の場合、ガラス基板601としては、酸化珪素膜との選択比の高い材質(例えば、コーニング社製1737ガラス基板等)を用いることが好ましい。選択比が高ければ第2絶縁膜602の形成にあたって、ガラス基板601をそのままエッチングストッパーとして用いることが可能だからである。
【0171】
そして、第2絶縁膜602を形成したら、その上を窒化珪素、窒素含有量が酸素含有量よりも大きな酸窒化珪素またはこれらの積層でなる第1絶縁膜603で覆い、さらにその上に非晶質半導体膜604を形成して、図29(B)の状態を得る。これら第1絶縁膜603及び非晶質半導体膜604の詳細については、実施の形態3の記載を参照すれば良い。また、図29(B)以降の工程は、実施の形態3に従えば良いのでここでの説明は省略する。
【0172】
本実施の形態によれば、ガラス基板601と第2絶縁膜602との選択比を十分高く確保することが可能であるため、第2絶縁膜602の凹部を形成する際のプロセスマージンが向上する。また、第2絶縁膜602の下端部におけるえぐれ等の問題も起こることがない。さらに、第2絶縁膜602を設けない部分は、ガラス基板上に窒化珪素膜、窒素含有量が酸素含有量よりも大きな酸窒化珪素またはこれらの積層膜という構成となるため、窒化アルミニウム等の特殊な絶縁膜を用いる必要がない。
【0173】
なお、本実施の形態は、実施の形態1〜11のいずれの構成とも自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0174】
[実施例1]
本実施例では、本発明を実施して得た結晶性半導体膜を示す。なお、本実施例は、実施の形態2及び3に従って結晶化工程を行ったので、図6〜8を参照して説明する。
【0175】
本実施例では、図6における第1絶縁膜302として、50nmの厚さの窒酸化珪素膜を用い、第2絶縁膜303として、200nmの厚さの酸窒化珪素膜を用いた。この場合、第2絶縁膜303をエッチングした際に下地の第1絶縁膜302もエッチングされてしまったため、結果的に図1における段差dに相当する高さは250nmとなった。また、第2絶縁膜303の幅(図1におけるW1に相当する)は0.5μmとし、隣接間距離(図1におけるW2に相当する)は0.5μmとした。
【0176】
また、第2絶縁膜303上には第3絶縁膜305として20nmの厚さの酸窒化珪素膜を設けた後、大気解放せずに連続的に非晶質半導体膜306として、150nmの厚さの非晶質珪素膜を形成した。また、非晶質珪素膜は、実施の形態2の結晶化技術を用いて結晶化した。具体的には、10ppmの酢酸ニッケル水溶液を非晶質珪素膜上に保持した状態で550℃4時間の加熱処理を行って結晶化した後、線状のレーザー光を照射した。当該線状レーザー光は、連続発振モードのYVOレーザー発振器を用い、その第2高調波(波長532nm)の出力5.5Wを光学系にて線状レーザー光に集光し、室温で50cm/secの速度で走査した。
【0177】
図26(A)は、結晶性珪素膜307を形成した状態(図8に示す状態)のTEM(透過型電子顕微鏡)写真であり、図26(B)はその模式図である。第1絶縁膜302と第2絶縁膜303との積層体は、結晶性珪素膜307の下に完全に埋まった状態で存在している。
【0178】
図27(A)は、図26(A)の断面を観察した断面TEM写真であり、図27(B)はその模式図である。ストライプパターンで形成された第2絶縁膜303の間(凹部)には、充填されるように結晶性珪素膜307aが形成され、かつ、第2絶縁膜303の上面部(凸部)には結晶性珪素膜307bが形成されている。
【0179】
図28(A)は、図27(A)の断面を拡大観察した断面TEM写真であり、図28(B)はその模式図である。当該写真では、第3絶縁膜305が観察される。結晶性珪素膜307aの内部には全く結晶粒界や欠陥らしきものが観察されず、極めて高い結晶性を有していることが判る。
【0180】
本発明は、結晶性の良好な結晶性珪素膜307aをチャネル形成領域として用い、かつ、結晶性の劣る結晶性珪素膜307bを積極的に電極または配線として用いることにより高速動作が可能で電流駆動能力の高く、且つ複数の素子間においてばらつきの小さい薄膜トランジスタ又は該薄膜トランジスタ群を高い集積度で集積して構成される半導体装置を提供することができる。
【発明の効果】
以上説明したように、絶縁膜により凹凸形状を有する直線状のストライプパターンを形成し、その上に非晶質半導体膜を堆積し、レーザー光の照射により溶融状態を経て結晶化させることにより凹部に半導体を流し込み凝固させ、凹部以外の領域に結晶化に伴う歪み又は応力を集中させることができ、結晶粒界など結晶性の悪い領域を選択的に形成することが可能となる。
【0181】
そして、トランジスタなどの半導体素子、特にそのチャネル形成領域の場所を指定して、結晶粒界が存在しない結晶性半導体膜を形成することができる。これにより不用意に介在する結晶粒界や結晶欠陥により特性がばらつく要因を無くすことができ、特性ばらつきの小さいトランジスタ又はトランジスタ素子群を形成することができる。
【0182】
以上のように、本発明は、結晶性の良好な結晶半導体膜をチャネル形成領域として用い、かつ、結晶性の劣る結晶性半導体膜を積極的に電極または配線として用いることにより高速動作が可能で電流駆動能力の高く、且つ複数の素子間においてばらつきの小さい半導体素子又は該半導体素子群を高い集積度で集積して構成される半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の結晶化方法を説明する斜視図。
【図2】本発明の結晶化方法を説明する斜視図。
【図3】本発明で結晶化方法を説明する斜視図。
【図4】本発明の結晶化方法を説明する斜視図。
【図5】結晶化における開口部の形状と結晶性半導体膜の形態との関係を説明する縦断面図。
【図6】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図7】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図8】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図9】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図10】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図11】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図12】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図13】本発明のトランジスタにおいて適用することができるゲート構造の一例を示す縦断面図。
【図14】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図15】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図16】本発明のトランジスタの作製工程を説明する縦断面図。
【図17】本発明のトランジスタの作製工程を説明する縦断面図。
【図18】本発明のトランジスタの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図19】本発明の半導体装置の外観図の一例を示す図。
【図20】本発明の電子装置の具体例を示す図。
【図21】本発明の実施に使用するレーザー照射装置を示す図。
【図22】本発明の実施に使用するレーザー光の構成を示す図。
【図23】本発明を実施して得た結晶性珪素膜のセコ・エッチング後の上面を観察したTEM写真及びその模式図。
【図24】本発明を実施して得た結晶性珪素膜のセコ・エッチング後の上面を観察したTEM写真及びその模式図。
【図25】凹部に形成された結晶の配向を示すEBSPマッピングデータ。
【図26】本発明を実施して得た結晶性珪素膜の上面を観察したTEM写真及びその模式図。
【図27】本発明を実施して得た結晶性珪素膜の断面を観察したTEM写真及びその模式図。
【図28】本発明を実施して得た結晶性珪素膜の断面を観察したTEM写真及びその模式図。
【図29】本発明のトランジスタの作製工程を説明する縦断面図。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element formed using a semiconductor film having a crystal structure, a manufacturing method thereof, a semiconductor device including a circuit in which the semiconductor element is integrated, and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a field effect transistor (typically, a thin film transistor) in which a channel formation region is formed using a crystalline semiconductor film formed over an insulating surface, a thin film diode using the crystalline semiconductor film, and the like as a semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
A technique has been developed in which an amorphous silicon film is formed on an insulating substrate made of glass or the like, and the amorphous silicon film is crystallized to form a semiconductor element such as a transistor. In particular, a technique of irradiating a laser beam to crystallize an amorphous silicon film is applied to a manufacturing technique of a thin film transistor (TFT). A transistor manufactured using a semiconductor film having a crystal structure (crystalline semiconductor film) is applied to a flat display device (flat panel display) represented by a liquid crystal display device.
[0003]
The application of laser light in the semiconductor manufacturing process is a technique for recrystallizing a damaged layer or an amorphous layer formed on a semiconductor substrate or a semiconductor film, and a technique for crystallizing an amorphous semiconductor film formed on an insulating surface. Has been expanded to. As a laser oscillation device to be applied, a gas laser typified by an excimer laser or a solid laser typified by a YAG laser is usually used.
[0004]
One example of crystallization of an amorphous semiconductor film by irradiation with laser light is to set the scanning speed of laser light to a beam spot diameter × 5000 / sec or more without bringing the amorphous semiconductor film into a completely molten state by high-speed scanning. Some are polycrystalline (for example, see Patent Document 1). Further, there is a technique in which a semiconductor film formed in an island shape is irradiated with an elongated laser beam to substantially form a single crystal region (for example, see Patent Document 2). Alternatively, there is known a method of processing and irradiating a linear beam with an optical system like a laser processing apparatus (for example, see Patent Document 3).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-62-104117
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 4,330,363
[Patent Document 3]
JP-A-8-195357
[0006]
Further, Nd: YVO 4 A solid-state laser oscillation device such as a laser is used to irradiate the amorphous semiconductor film with laser light, which is the second harmonic, to form a crystalline semiconductor film having a larger crystal grain size than in the past, and to manufacture a transistor. There is a technology (for example, see Patent Document 4).
[0007]
[Patent Document 4]
JP 2001-144027 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when an amorphous semiconductor film formed on a flat surface is crystallized by irradiating a laser beam with a laser beam, the crystal becomes polycrystalline, and defects such as crystal grain boundaries are formed arbitrarily and a crystal having a uniform orientation is obtained. I couldn't get it.
[0009]
The crystal grain boundary contains crystal defects, which serve as carrier traps and cause a reduction in electron or hole mobility. In addition, due to volume shrinkage of the semiconductor film caused by crystallization, thermal stress with the base, lattice mismatch, and the like, a semiconductor film free from distortion and crystal defects cannot be formed. Therefore, when a special method such as a bonded SOI (Silicon on Insulator) is omitted, a crystalline semiconductor film formed on an insulating surface and crystallized or recrystallized is equivalent to a MOS transistor formed on a single crystal substrate. The quality could not be obtained.
[0010]
In the above-described flat display device and the like, a transistor is formed by forming a semiconductor film on a glass substrate. However, it is almost impossible to arrange the transistor so as to avoid arbitrarily formed crystal grain boundaries. . That is, it has not been possible to strictly control the crystallinity of a channel formation region of a transistor and eliminate crystal grain boundaries and crystal defects that are unintentionally included. As a result, not only are the electrical characteristics of the transistors inferior, but also the characteristics of the individual elements vary.
[0011]
In particular, when a crystalline semiconductor film is formed using laser light on an alkali-free glass substrate that is widely used in industry, the focal point of the laser light varies due to the influence of the undulation of the alkali-free glass substrate itself. There is a problem that crystallinity variation is caused. Further, a non-alkali glass substrate needs to be provided with a protective film such as an insulating film as a base film in order to avoid contamination by an alkali metal, on which a crystalline semiconductor film from which crystal grain boundaries and crystal defects are eliminated is largely formed. It was almost impossible to form with a particle size.
[0012]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and forms a crystalline semiconductor film having no crystal grain boundary in at least a channel formation region on an insulating surface, particularly, on an insulating surface having a glass substrate as a supporting base, It is an object of the present invention to provide a semiconductor device including a semiconductor element or a semiconductor element group which can operate at high speed, has high current driving capability, and has small variations among a plurality of elements.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention forms an insulating film provided with a concave portion and a convex portion extending in a linear stripe pattern on a substrate having an insulating surface, and forms an amorphous film on the insulating film. A semiconductor film is formed, a crystalline semiconductor film is formed by melting and pouring the semiconductor film into a portion corresponding to a concave portion of the insulating film (hereinafter, simply referred to as a concave portion), and an unnecessary region is removed by etching. A crystalline semiconductor film in which a crystalline semiconductor film divided into an island shape from a crystalline semiconductor film (to be a part of a semiconductor element later) is formed, and at least a portion for forming a channel formation region is formed in the above-described concave portion. And a gate insulating film and a gate electrode are provided on the crystalline semiconductor film.
[0014]
Note that, of the insulating film provided with a portion corresponding to the concave portion or the convex portion (hereinafter, simply referred to as a convex portion), the crystallinity of the crystalline semiconductor film formed over the convex portion is determined by the crystallinity formed in the concave portion. Although inferior to a semiconductor film, in the present invention, a crystalline semiconductor film formed over the projection is used as an electrode (corresponding to a source region or a drain region in the case of a thin film transistor) or a wiring. It is characterized by the following. When used as a wiring, the degree of freedom in designing the occupied area is high. Therefore, the wiring length can be adjusted to be used as a resistor, or the bent shape can have a function as a protection circuit.
[0015]
The above-described concave portion may be formed by directly etching the surface of the insulating substrate, or may be formed by using a silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride film, or the like and performing an etching process on the film. The recess is preferably formed in accordance with the arrangement of the island-shaped semiconductor film including the channel formation region of the semiconductor element, particularly the transistor, and is desirably formed so as to match at least the channel formation region. Further, the recess is provided to extend in the channel length direction. The recess has a width of 0.01 μm or more and 2 μm or less, preferably 0.1-1 μm, and a depth of 0.01 μm or more and 3 μm or less, preferably 0.1 μm or less. It is formed with a thickness of 1 μm or more and 2 μm or less.
[0016]
Of course, it is also possible to form an island-shaped insulating film on the insulating surface and positively form the convex portion. In this case, the convex portions extending in a plurality of linear stripe patterns form portions relatively corresponding to concave portions between adjacent portions, so that the concave portions are formed as island-shaped semiconductors including the channel formation region of the semiconductor element. What is necessary is just to form according to the arrangement | positioning of a film | membrane, and just to set width as mentioned above.
[0017]
In the first stage, a semiconductor film formed over the insulating film and over the concave portion is an amorphous semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film formed by a plasma CVD method, a sputtering method, a low-pressure CVD method, or a polycrystalline semiconductor film formed by solid phase growth. A crystalline semiconductor film or the like is applied. Note that the term “amorphous semiconductor film” in the present invention means not only a film having a completely amorphous structure in a narrow sense, but also a state containing fine crystal grains, or a so-called microcrystalline semiconductor film, Includes a semiconductor film having a crystal structure. Typically, an amorphous silicon film is applied. In addition, an amorphous silicon germanium film, an amorphous silicon carbide film, or the like can be used. The polycrystalline semiconductor film is obtained by crystallizing these amorphous semiconductor films by a known method.
[0018]
As a means for melting and crystallizing the crystalline semiconductor film, a pulsed or continuous wave laser beam using a gas laser oscillator or a solid laser oscillator as a light source is used. The laser light to be irradiated is linearly condensed by an optical system, and its intensity distribution has a uniform region in the longitudinal direction and may have a distribution in the lateral direction. As the oscillation device, a rectangular beam solid laser oscillation device is applied, and particularly preferably, a slab laser oscillation device is applied. Alternatively, it is a solid-state laser oscillation device using a rod doped with Nd, Tm, and Ho, and in particular, YAG, YVO 4 , YLF, YAlO 3 A solid-state laser oscillation device using a crystal in which Nd, Tm, and Ho are doped into a crystal such as the above may be combined with a slab structure amplifier. Crystals such as Nd: YAG, Nd: GGG (gadolinium gallium garnet), and Nd: GSGG (gadolinium scandium gallium garnet) are used as the slab material. In the slab laser, the laser beam travels in a zigzag optical path in this plate-shaped laser medium while repeating total reflection.
[0019]
Further, strong light corresponding thereto may be applied. For example, the light emitted from a halogen lamp, a xenon lamp, a high-pressure mercury lamp, a metal halide lamp, or an excimer lamp may be a light having a high energy density collected by a reflecting mirror or a lens.
[0020]
The laser light or intense light that is condensed linearly and extended in the longitudinal direction irradiates the crystalline semiconductor film, and relatively moves the irradiation position of the laser light and the substrate on which the crystalline semiconductor film is formed, The crystalline semiconductor film is melted by scanning a part or the entire surface of the crystalline semiconductor film with the laser light, and crystallization or recrystallization is performed through the state. The scanning direction of the laser light is along the longitudinal direction of the concave portion formed in the insulating film and extending in a linear stripe pattern or along the channel length direction of the transistor. Thereby, the crystal grows along the scanning direction of the laser beam, and it is possible to prevent the crystal grain boundary from intersecting with the channel length direction.
[0021]
The laser light irradiation is typically performed from the upper surface side of the semiconductor film. However, irradiation from the lower surface side (substrate side), irradiation from the upper surface side diagonal direction or from the lower surface side diagonal direction, or upper surface side and lower surface side is performed. Irradiation from both sides (including irradiation from an oblique direction) may be performed.
[0022]
As another structure, the crystalline semiconductor film is provided over a metal layer containing one or more kinds selected from W, Mo, Ti, Ta, and Cr on a glass or quartz substrate. An insulating layer may be provided between the semiconductor film and the semiconductor film. Alternatively, a metal layer containing one or more kinds selected from W, Mo, Ti, Ta, and Cr on a glass or quartz substrate and an insulating layer made of aluminum nitride or aluminum oxynitride are provided over the metal layer. Alternatively, a structure in which a crystalline semiconductor film is provided thereon may be adopted. The metal layer formed here can function as a light-blocking film that blocks light incident on the channel formation region, or can apply a specific potential to control the spread of fixed charges or a depletion layer. Further, a function as a heat radiating plate for dissipating Joule heat can be provided.
[0023]
When the depth of the concave portion is approximately equal to or greater than the thickness of the semiconductor film, the semiconductor film melted by irradiation with laser light or strong light is aggregated and solidified in the concave portion by surface tension. As a result, the thickness of the semiconductor film on the convex portion of the insulating film becomes thin, and stress strain can be concentrated there. Further, the side surface of the concave portion has an effect of defining the crystal orientation to some extent.
[0024]
In a molten state, the semiconductor film is aggregated in the recess formed on the insulating surface by surface tension, and the crystal is grown from the approximate intersection of the bottom and the side of the recess, so that the strain caused by crystallization is concentrated in the area other than the recess. Can be done. That is, the crystalline semiconductor region (first crystalline semiconductor region) formed so as to fill the concave portion can be released from distortion. The crystalline semiconductor region (second crystalline semiconductor region) remaining on the insulating film and including a crystal grain boundary and a crystal defect is a portion other than a channel formation region of a semiconductor element, typically, a source region or a drain region. Used as an area.
[0025]
Then, after forming a crystalline semiconductor film having no crystal grain boundary in the concave portion, an active layer (a semiconductor layer functioning as a carrier moving path) of the semiconductor element is formed by patterning, and a gate insulating film in contact with the active layer is formed. Then, a gate electrode is formed. Thereafter, a field-effect transistor can be formed by a known method.
[0026]
According to the present invention, it is possible to specify a semiconductor element such as a transistor, in particular, a region where a channel formation region is formed, and to form a crystalline semiconductor region having no crystal grain boundary in the region. As a result, it is possible to eliminate a factor in which the characteristics vary due to carelessly interposed crystal grain boundaries and crystal defects. That is, it is possible to form a semiconductor element or a semiconductor device including a semiconductor element group which can operate at high speed, has high current driving capability, and has small variation among a plurality of elements.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[Embodiment 1]
Hereinafter, an embodiment of manufacturing a thin film transistor using the present invention will be described with reference to the drawings. The perspective view shown in FIG. 1 shows a mode in which a first insulating film 102 and second insulating films 103 to 105 formed in a linear stripe pattern are formed on a substrate 101. FIG. 1 shows three linear stripe patterns formed by the second insulating film, but the number is not limited to the number.
[0028]
As the substrate, a commercially available alkali-free glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a substrate in which the surface of a single crystal or polycrystalline semiconductor substrate is covered with an insulating film, and a substrate in which the surface of a metal substrate is covered with an insulating film can be used. In order to form a linear stripe pattern according to a submicron design rule, it is desirable that unevenness of the substrate surface, undulation or twist of the substrate be less than the depth of focus of an exposure apparatus (particularly a stepper). Specifically, it is desirable that the undulation or torsion of the substrate be 1 μm or less, preferably 0.5 μm or less in a single exposure light irradiation area. Attention should be paid to this point, especially when non-alkali glass is used as the supporting substrate.
[0029]
The width W1 of the second insulating film formed in the linear stripe pattern is 0.1 to 10 μm (preferably 0.5 to 1 μm), and the distance W2 between adjacent second insulating films is 0.01 to 2 μm ( Preferably, the thickness is 0.1 to 1 μm), and the thickness d of the second insulating film is 0.01 to 3 μm (preferably 0.1 to 2 μm). Furthermore, the relationship between the thickness of the amorphous semiconductor film provided to cover the second insulating film and the film thickness t02 may be d ≧ t02. Care must be taken since the crystalline semiconductor film does not remain.
[0030]
Further, the step shape does not need to be a regular periodic pattern, and may be arranged at different intervals according to the width of the island-shaped semiconductor film. The length L is not particularly limited in numerical value, and can be formed to be long from one end to the other end of the substrate. For example, the length L is set to such a length that a channel formation region of a transistor can be formed. It is also possible.
[0031]
The first insulating film 102 may be made of any material that can secure a selectivity with respect to a second insulating film to be formed later; typically, silicon nitride, silicon oxide, or an acid whose oxygen content is larger than the nitrogen content is used. Silicon nitride (shown as SiOxNy), silicon oxynitride (shown as SiNxOy), whose nitrogen content is larger than oxygen content, aluminum nitride (shown as AlxNy), oxynitridation whose oxygen content is larger than the nitrogen content It is formed of a material selected from aluminum (shown as AlOxNy), aluminum oxynitride (shown as AlNxOy) or aluminum oxide having a nitrogen content larger than the oxygen content, and is formed with a thickness of 30 to 300 nm. In particular, since an aluminum oxide film can be expected to have a blocking effect on sodium (Na), it is effective as a countermeasure against contamination from a glass substrate.
[0032]
In addition, as a silicon oxynitride (SiOxNy) film, a film containing 25 to 35 atomic% of Si, 55 to 65 atomic% of oxygen, 1 to 20 atomic% of nitrogen, and 0.1 to 10 atomic% of hydrogen is used. You can use it. As the silicon oxynitride (SiNxOy) film, a film containing 25 to 35 atomic% of Si, 15 to 30 atomic% of oxygen, 20 to 35 atomic% of nitrogen, and 15 to 25 atomic% of hydrogen is used. good. As the aluminum oxynitride (AlOxNy) film, a film containing 30 to 40 atomic% of Al, 50 to 70 atomic% of oxygen, and 1 to 20 atomic% of nitrogen may be used. Further, as the aluminum oxynitride (AlNxOy) film, a film containing 30 to 50 atomic% of Al, 30 to 40 atomic% of oxygen, and 10 to 30 atomic% of nitrogen may be used.
[0033]
The second insulating films 103 to 105 may be formed using silicon oxide or silicon oxynitride with a thickness of 10 to 3000 nm, preferably 100 to 2000 nm. Silicon oxide is composed of tetraethyl orthosilicate (TEOS) and O 2 Can be mixed and formed by a plasma CVD method. Silicon oxynitride film is SiH 4 , NH 3 , N 2 O or SiH 4 , N 2 It can be formed by a plasma CVD method using O as a raw material.
[0034]
As shown in FIG. 1, when a linear stripe pattern is formed with two layers of insulating films, it is necessary to provide a selectivity between the first insulating film 102 and the second insulating films 103 to 105 in the etching process. There is. Actually, it is desirable to appropriately adjust the material and the film forming conditions so that the etching rate of the second insulating films 103 to 105 is relatively higher than that of the first insulating film 102. As an etching method, etching using buffered hydrofluoric acid or CHF 3 This is performed by dry etching using. The angle of the side surface of the concave portion formed by the second insulating films 103 to 105 may be appropriately set in the range of 5 to 120 degrees, preferably 80 to 100 degrees.
[0035]
Note that as the second insulating films 103 to 105, an insulating film formed by a CVD method (typically, a plasma CVD method or a thermal CVD method) or a PVD method (typically, a sputtering method or a vapor deposition method) is used. Preferably, it is used. This is because, when crystallizing an amorphous semiconductor film, it is considered that the softness enough to relieve the stress accompanying crystallization plays an important role in obtaining good crystallinity. is there. The reason will be described later.
[0036]
Next, as shown in FIG. 2, the amorphous semiconductor film 106 covering the surface of the first insulating film 102 and the second insulating films 103 to 105 and covering the recesses is formed to have a thickness of 0.01 to 3 μm (preferably 0.1 to 0.1 μm). 11 μm). At this time, the thickness of the amorphous semiconductor film 106 is desirably equal to or greater than the depth of the concave portion formed by the second insulating films 103 to 105. For the amorphous semiconductor film, silicon, a compound or alloy of silicon and germanium, or a compound or alloy of silicon and carbon can be used.
[0037]
As shown, the amorphous semiconductor film 106 is formed so as to cover the uneven structure formed by the underlying first insulating film 102 and second insulating films 103 to 105. In addition, the influence of chemical contamination, such as boron, attached to the surfaces of the first insulating film 102 and the second insulating films 103 to 105 is eliminated, and the insulating surface is not directly contacted with the amorphous semiconductor film. Immediately before the formation of the crystalline semiconductor film 106, a silicon oxynitride film may be formed continuously as a third insulating film (not shown) without being exposed to the air in the same film forming apparatus. The thickness of the third insulating film is intended to eliminate the influence of the above-mentioned chemical contamination and to improve the adhesion, and even if it is thin, it is sufficiently effective. Typically, the thickness may be 5 to 50 nm (preferably 20 nm or more to enhance the blocking effect of chemical contamination).
[0038]
Then, the amorphous semiconductor film 106 is instantaneously melted and crystallized. In this crystallization, laser light or radiation light from a lamp light source is condensed by an optical system to an energy density at which the semiconductor film is melted and irradiated. In this step, it is particularly preferable to apply laser light using a continuous wave laser oscillation device as a light source. The applied laser light is linearly condensed by the optical system and expanded in the longer direction, and its intensity distribution has a uniform region in the longer direction, It is desirable to have some distribution in the short direction.
[0039]
In the crystallization, it is preferable that a position where a marker to be used for patterning mask alignment after the end of the substrate is formed is not crystallized. This is because, when a crystalline semiconductor film (especially a crystalline silicon film) is crystallized, the transmittance of visible light increases, and it becomes difficult to identify the crystalline semiconductor film as a marker. However, there is no problem when performing a type of alignment control that optically identifies a difference in contrast or the like due to a step of the marker.
[0040]
As the laser oscillation device, a rectangular beam solid laser oscillation device is applied, and particularly preferably, a slab laser oscillation device is applied. Crystals such as Nd: YAG, Nd: GGG (gadolinium gallium garnet), and Nd: GSGG (gadolinium scandium gallium garnet) are used as the slab material. In the slab laser, the laser beam travels in a zigzag optical path in this plate-shaped laser medium while repeating total reflection. Alternatively, it is a solid-state laser oscillation device using a rod doped with Nd, Tm, and Ho, and in particular, YAG, YVO 4 , YLF, YAlO 3 A solid-state laser oscillation device using a crystal in which Nd, Tm, and Ho are doped into a crystal such as the above may be combined with a slab structure amplifier.
[0041]
Then, as shown by arrows in FIG. 3, the second insulating films 103 to 105 in which the length direction of the irradiation region 100 of the linear laser light (the X-axis direction in the drawing) is a linear stripe pattern are formed. A linear laser beam or intense light is scanned so as to intersect each other. Here, the term “linear” means that the ratio of the length in the longer direction (X-axis direction) to the length in the shorter direction (Y-axis direction in the drawing) is 1:10 or more. Say something. Although only a part is shown in FIG. 3, the end of the irradiation area 100 of the linear laser light may be rectangular or may have a curvature.
[0042]
The wavelength of the continuous wave laser light is preferably 400 to 700 nm in consideration of the light absorption coefficient of the amorphous semiconductor film. Light in such a wavelength band is obtained by extracting the second harmonic and the third harmonic of the fundamental wave using a wavelength conversion element. ADP (ammonium dihydrogen phosphate), Ba 2 NaNb 5 O Fifteen (Sodium barium niobate), CdSe (selenium cadmium), KDP (potassium dihydrogen phosphate), LiNbO 3 (Lithium niobate), Se, Te, LBO, BBO, KB5 and the like are applied. It is particularly desirable to use LBO. A typical example is Nd: YVO 4 A second harmonic (532 nm) of a laser oscillation device (fundamental wave 1064 nm) is used. The laser oscillation mode is TEM 00 Apply the single mode that is the mode.
[0043]
For silicon, which is chosen as the most suitable material, the absorption coefficient is 10 3 -10 4 cm -1 Is substantially in the visible light range. When crystallizing a substrate having a high visible light transmittance such as glass and an amorphous semiconductor film formed with silicon to have a thickness of 30 to 200 nm, irradiation with light in a visible light region having a wavelength of 400 to 700 nm is performed. By selectively heating the semiconductor film, crystallization can be performed without damaging the base insulating film. Specifically, the penetration length of light having a wavelength of 532 nm is approximately 100 nm to 1000 nm with respect to the amorphous silicon film, and sufficiently reaches the inside of the amorphous semiconductor film 106 having a thickness of 30 nm to 200 nm. it can. That is, heating can be performed from the inside of the semiconductor film, and substantially the entire semiconductor film in the laser light irradiation region can be uniformly heated.
[0044]
The laser light is scanned in a direction parallel to the direction in which the linear stripe pattern extends, and the melted semiconductor flows into the recesses due to surface tension and solidifies. In the solidified state, the surface becomes almost flat as shown in FIG. This is because once the semiconductor is melted, the interface between the melted semiconductor and the gas phase reaches an equilibrium state, whether on a convex portion or a concave portion, and a flat interface is formed. Further, a crystal growth end and a crystal grain boundary are formed on the second insulating film (on the convex portion) (region 110 shown by hatching in the figure). Thus, the crystalline semiconductor film 107 is formed.
[0045]
After that, heat treatment is preferably performed at 500 to 600 ° C. to remove strain accumulated in the crystalline semiconductor film. This distortion is caused by volume shrinkage of the semiconductor caused by crystallization, thermal stress with the base, lattice mismatch, and the like. This heat treatment may be performed using a normal heat treatment apparatus, but may be performed, for example, for 1 to 10 minutes using a gas heating type instantaneous thermal annealing (RTA) method. This step is not an essential requirement in the present invention, and may be appropriately selected and performed.
[0046]
Thereafter, as shown in FIG. 4, the crystalline semiconductor film 107 is etched to form an active layer 108 of the thin film transistor. At this time, the region 110 where the growth edge and the crystal grain boundary are concentrated may be left partially. A feature of the present invention is that the second crystalline semiconductor region including the region 110 is positively utilized as an electrode such as a source region and a drain region of a thin film transistor, so that an electrode ( The purpose is to secure a design margin of a contact portion (regions 111 and 112 in FIG. 4) with a source electrode or a drain electrode. Needless to say, the semiconductor regions with high crystallinity (first crystalline semiconductor regions) 109a and 109b formed in the concave portions are used as channel formation regions of the thin film transistor.
[0047]
The semiconductor regions 109a and 109b having high crystallinity have a feature that they have a plurality of crystal orientations and no crystal grain boundaries are formed. Then, a gate insulating film and a gate electrode are formed so that the semiconductor regions 109a and 109b become channel formation regions. Through these steps, the transistor can be completed.
[0048]
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the knowledge of crystallization obtained from the experimental results by the present inventors. FIGS. 5A to 5E schematically illustrate the relationship between the crystal growth and the depth and interval of the concave portion formed by the first insulating film and the second insulating film.
[0049]
Note that, regarding the reference numerals related to the length shown in FIG. 5, t01: the thickness of the amorphous semiconductor film on the second insulating film (convex portion), t02: the thickness of the amorphous semiconductor film in the concave portion, and t11: the second thickness. The thickness of the crystalline semiconductor film on the insulating film (convex portion), t12: the thickness of the crystalline semiconductor film in the concave portion, d: the thickness of the second insulating film (depth of the concave portion), W1: the second insulating film , W2: width of the concave portion.
[0050]
FIG. 5A shows the case where d <t02 and W1 and W2 are about the same as or less than 1 μm, and when the depth of the groove of the concave portion is smaller than that of the amorphous semiconductor film 204, the melt crystallization is performed. Even after the above process, the surface of the crystalline semiconductor film 205 is not sufficiently flattened because the recess is shallow. That is, the surface state of the crystalline semiconductor film 205 is a state in which the unevenness of the base is reflected.
[0051]
FIG. 5B shows the case where d ≧ t02 and W1 and W2 are about the same as or less than 1 μm, and when the depth of the recessed groove is substantially equal to or larger than the amorphous semiconductor film 203, Then, the surface tension acts and collects in the concave portions. As a result, in the solidified state, the surface becomes substantially flat as shown in FIG. In this case, t11 <t12, and stress concentrates on the thinner portion 220 on the second insulating film 202, where distortion is accumulated and a crystal grain boundary is formed.
[0052]
A scanning electron microscope (SEM) photograph shown in FIG. 23A shows an example of the state shown in FIG. 5B, on a base insulating film provided with a step of 170 nm and a width and interval of a projection of 0.5 μm. 3 shows a result of forming a 150 nm amorphous silicon film and crystallizing the same. In addition, the surface of the crystalline semiconductor film has a Seco solution (HF: H 2 O = 2: 1 K as additive 2 Cr 2 O 7 (A chemical solution prepared using the method described above) (also referred to as Seco etching).
[0053]
The results shown in FIG. 23 indicate that potassium dichromate (K 2 Cr 2 O 7 2.) 2.2 g was dissolved in 50 cc of water to prepare a 0.15 mol / l solution, and 100 cc of a hydrofluoric acid aqueous solution was added to the solution, which was further diluted 5-fold with water and used as a Seco solution. Further, the conditions of the Seco etching were 75 seconds at room temperature (10 to 30 ° C.). In this specification, the term “Seco solution or Seco etching” refers to the solution and conditions described herein.
[0054]
FIG. 23B is a schematic diagram of the photograph of FIG. In the figure, reference numeral 31 denotes an insulating film (second insulating film) extending in a linear stripe pattern, and crystal grain boundaries 33 clarified by secco etching are intensively formed on the convex portions 32. You can see how they are. It should be noted that the region 34 described as the disappeared portion is a region corresponding to the starting point of the stripe pattern, and the scanning of the laser beam is started from this starting point. Although the detailed reason is unknown, the silicon film on the starting point is an area where the second insulating film located at the starting point has been exposed by being pushed in the scanning direction when melted. Since the Seco solution etches the silicon oxide film, the region located at the starting point has disappeared by Seco etching.
[0055]
By the way, when compared with the photograph shown in FIG. 23A, the crystalline semiconductor film formed in the concave portion 35 does not show crystal grain boundaries or defects as clarified by secco etching. Then, it turns out that it does not substantially exist. Although the crystal grain boundaries that are clarified by Seco etching have not been identified at present, it is a well-known fact that stacking faults and crystal grain boundaries are preferentially etched by Seco etching. It can be said that the crystalline semiconductor film obtained by performing the method has a significant feature in that there is substantially no crystal grain boundary or defect which becomes obvious by the seco etching.
[0056]
Of course, since it is not a single crystal, there may naturally be grain boundaries and defects that do not become apparent by seco etching, but such grain boundaries and defects are not those that affect the electrical characteristics when a semiconductor device is manufactured. No, it is considered electrically inactive. Generally, such electrically inactive grain boundaries are referred to as planar grain boundaries (lower or higher order twins or corresponding grain boundaries), and are grain boundaries that are not revealed by seco etching. Is assumed to be a planar grain boundary. From that point of view, the fact that there is substantially no crystal grain boundary or defect can be said to mean that there is no crystal grain boundary other than the planar grain boundary.
[0057]
FIG. 25 shows the result of determining the orientation of the crystalline semiconductor film formed in the concave portion 35 shown in FIG. 23B by using a backscattered electron diffraction pattern (EBSP). The EBSP is provided with a dedicated detector in a scanning electron microscope (SEM), irradiates the crystal surface with an electron beam, and allows the computer to recognize the crystal orientation from the Kikuchi line using a computer to recognize the microscopic image. The crystallinity is measured not only in the surface orientation but also in all directions of the crystal (hereinafter, this method is referred to as EBSP method for convenience).
[0058]
The data in FIG. 25 shows that crystals grow in the concave portion 35 in a direction parallel to the scanning direction of the laser light condensed linearly. The crystal orientation of growth is dominant in the <110> orientation (that is, the main orientation plane is the {110} plane), but there is also a growth in the <100> orientation.
[0059]
FIG. 5C shows a case where d ≧ t02 and W1 and W2 are about the same as or slightly larger than 1 μm. When the width of the concave portion is widened, the crystalline semiconductor film 205 fills the concave portion and has an effect of flattening. A crystal grain boundary is generated near the center of the concave portion. In addition, stress is similarly concentrated on the second insulating film, where strain is accumulated, and a crystal grain boundary is formed. It is presumed that this is because the effect of stress relaxation is reduced by increasing the interval. This condition is not preferable because crystal grain boundaries may be generated in a semiconductor region serving as a channel formation region.
[0060]
FIG. 5D shows a case where d ≧ t02 and W1 and W2 are larger than 1.0 μm, and the state of FIG. 5C becomes more apparent. Under this condition, a crystal grain boundary is generated in the semiconductor region serving as a channel formation region with a considerable probability, which is not preferable.
[0061]
A scanning electron microscope (SEM) photograph shown in FIG. 24A shows an example of the state of FIG. 5D, on a base insulating film provided with a step of 170 nm and a width and interval of a 1.8 μm convex portion. 3 shows a result of forming a 150 nm amorphous silicon film and crystallizing the same. The surface of the crystalline semiconductor film is etched with the above-mentioned Seco solution in order to make crystal grain boundaries visible.
[0062]
FIG. 24B is a schematic diagram of the photograph of FIG. In the drawing, reference numeral 41 denotes an insulating film (second insulating film) extending in a linear stripe pattern, and a crystal grain boundary 43 clarified by secco etching is concentrated on its convex portion 42 and its end. It can be seen that this has occurred. The region 44 described as a lost portion is a region corresponding to the starting point of the stripe pattern, and has been lost by secco etching for the above-described reason. Note that, in comparison with the photograph shown in FIG. 24A, the crystal grain boundaries are generated not only in the convex portions 42 but also in the concave portions 45 of the stripe pattern.
[0063]
FIG. 5E is a reference example in the present invention, where d >> t02 and W1 and W2 are 1 μm or less. That is, when the thickness d of the second insulating film is too thick compared to the thickness t02 of the amorphous semiconductor film in the concave portion, the crystalline semiconductor film 204 is formed so as to fill the concave portion. Hardly survive. Therefore, the crystalline semiconductor film over the second insulating film cannot be used as a contact portion between the source region and the source electrode (or the drain region and the drain electrode) as in the present invention.
[0064]
As described above with reference to FIGS. 5A to 5D, in the case of forming a semiconductor element, particularly, in the case of forming a channel formation region in a thin film transistor, the mode of FIG. It is thought that there is. That is, when the Seco etching is performed with the Seco solution described above, a crystalline semiconductor film in which crystal grain boundaries and defects hardly become apparent, in other words, a crystalline semiconductor film in which crystal grain boundaries and defects are substantially absent, It is desirable to use it for a channel formation region.
[0065]
In addition, here, the unevenness of the base for forming the crystalline semiconductor film is described as an example in which the base is formed of the first insulating film and the second insulating film; however, the present invention is not limited to this embodiment and has a similar shape. If there is, it can be replaced. For example, a recess having a desired depth may be formed by etching an insulating film having a thickness of about 200 nm to 2 μm.
[0066]
In the above crystallization step, if the second insulating film is a soft insulating film (low-density insulating film) as described above, an effect of relieving stress due to shrinkage of the semiconductor film during crystallization is expected. it can. Conversely, a hard insulating film (a high-density insulating film) generates stress in a manner that opposes the semiconductor film that is about to shrink or expand, so that stress distortion and the like are likely to remain in the crystallized semiconductor film. It could be the cause of For example, in a known graphoepitaxy technique (“MW Geis, DC Flanders, HI Smith: Appl. Phys. Lett. 35 (1979) pp71”), irregularities on a substrate are hardened quartz glass. In this case, it has been found that the orientation axis of the crystalline Si is the [100] axis, that is, the main orientation plane is the {100} plane.
[0067]
However, when the present invention is implemented, the main orientation plane is {110} as shown in FIG. 25, and it is apparent that semiconductor films having different crystal forms are clearly formed. The difference is due to the soft insulating film in which the irregularities on the substrate are formed by the above-described CVD method or PVD method. That is, by using a material that is softer than quartz glass for the second insulating film serving as a base, the generation of stress during crystallization can be further reduced, or the stress can be concentrated on the crystalline semiconductor film on the convex portion. did it.
[0068]
Note that an insulating film softer than quartz glass means an insulating film having a higher etching rate or an insulating film having a higher hardness than, for example, general quartz glass (quartz glass industrially used as a substrate). . Quartz glass is treated with ammonium hydrogen fluoride (NH 4 HF 2 ) With ammonium fluoride (NH 4 As a result of performing wet etching using a mixed solution containing 15.4% of F) (trade name: LAL500, manufactured by Stella Chemifa), the etching rate of the quartz substrate was 38 nm / min. On the other hand, since the etching rate of the second insulating film serving as the base with the same etchant is 50 to 1000 nm / min, it can be said that the insulating film is softer than quartz glass. Since the etching rate and the hardness may be determined only by relative comparison with quartz glass, they do not depend on the measurement conditions of the etching rate or the hardness.
[0069]
For example, if a silicon oxynitride film is used as the second insulating film, SiH 4 Gas, N 2 A silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method using O gas as a raw material is preferable. The silicon oxynitride film is formed of ammonium hydrogen fluoride (NH 4 HF 2 ) With ammonium fluoride (NH 4 The etching rate at 20 ° C. of the mixed aqueous solution containing 15.4% of F) is 110 to 130 nm / min (90 to 100 nm / min after heat treatment at 500 ° C., 1 hour + 550 ° C. for 4 hours).
[0070]
If a silicon oxynitride film is used as the second insulating film, SiH 4 Gas, NH 3 Gas, N 2 A silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method using O gas as a raw material is preferable. The silicon oxynitride film is formed of ammonium hydrogen fluoride (NH 4 HF 2 ) With ammonium fluoride (NH 4 The etching rate at 20 ° C. of the mixed aqueous solution containing 15.4% of F) is 60 to 70 nm / min (40 to 50 nm / min after heat treatment at 500 ° C., 1 hour + 550 ° C. for 4 hours).
[0071]
As described above, a linear stripe pattern having a concave portion and a convex portion is formed by an insulating film, an amorphous semiconductor film is deposited thereon, and crystallized through a molten state by irradiation with a laser beam. The semiconductor is poured into the substrate and solidified, and strain or stress due to crystallization can be concentrated in a region other than the concave portion, so that a region having poor crystallinity such as a crystal grain boundary can be selectively formed. A feature of the present invention is that a semiconductor region with good crystallinity is used as a region where carrier movement is performed, such as a channel formation region of a thin film transistor, and a semiconductor region with poor crystallinity is used as a contact portion with an electrode.
[0072]
That is, a crystalline semiconductor film in which a plurality of crystal grains having a plurality of crystal orientations in a recess and having a plurality of crystal grains extending in a direction parallel to a direction in which a linear stripe pattern extends without forming a crystal grain boundary are formed. Can be formed. By forming a transistor so that a channel formation region is provided with such a crystalline semiconductor film, a transistor or a transistor group which can operate at high speed, has high current driving capability, and has small variation among a plurality of elements. Can be formed.
[0073]
[Embodiment 2]
In the formation of the crystalline semiconductor film of the present invention, in addition to the method of irradiating the amorphous semiconductor film with laser light to crystallize it as described in Embodiment 1, the laser light May be applied for melting and recrystallization.
[0074]
For example, after the amorphous semiconductor film 106 is formed in FIG. 2, crystallization is promoted by lowering the crystallization temperature of the amorphous semiconductor film (eg, an amorphous silicon film) to improve the orientation. Ni is added as a catalytic metal element.
[0075]
The details of this technique are described in JP-A-11-354442 by the present applicant. A crystalline semiconductor film formed by adding Ni has a feature that a main orientation plane is a {110} plane. When such a crystalline semiconductor film is used for a channel formation region of a thin film transistor, electron mobility and electron mobility can be reduced. The hole mobility is greatly improved, and the field-effect mobility of the N-channel transistor and the P-channel transistor is greatly improved. Particularly, the improvement of the field-effect mobility of the P-channel transistor accompanying the improvement of the hole mobility is remarkable, and is one of the advantages of setting the main orientation plane to {110}.
[0076]
The method for adding Ni is not limited, and a spin coating method, an evaporation method, a sputtering method, or the like can be used. In the case of spin coating, a 5 ppm aqueous solution of nickel acetate is applied to form a metal element-containing layer. Of course, the catalyst element is not limited to Ni, and other known materials may be used.
[0077]
Thereafter, the amorphous semiconductor film 106 is crystallized by a heat treatment at 580 ° C. for 4 hours. The crystallized semiconductor film is irradiated with a laser beam or an equivalent strong light to be melted and recrystallized. Thus, a crystalline semiconductor film whose surface is almost flattened as in FIG. 3 can be obtained. In this crystalline semiconductor film, similarly, a region where the growth edge and the crystal grain boundary 110 are formed is formed.
[0078]
The advantage of using a crystallized semiconductor film as an object to be irradiated with laser light lies in the rate of change of the light absorption coefficient of the semiconductor film. Even if the crystallized semiconductor film is irradiated with laser light and melted, the light absorption coefficient is reduced. Hardly fluctuates. Therefore, the margin of the laser irradiation condition can be widened.
[0079]
Although the metal element remains in the thus formed crystalline semiconductor film, it can be removed by gettering. For details of this technique, refer to Japanese Patent Application No. 2001-019367 (or Japanese Patent Application No. 2002-020801). Further, the heat treatment accompanying the gettering treatment also has an effect of alleviating distortion of the crystalline semiconductor film.
[0080]
After that, as in Embodiment 1, a thin film transistor is formed using the crystalline semiconductor film in the concave portion as a channel formation region and using the crystalline semiconductor film in the convex portion as a source region or a drain region. Since the crystalline semiconductor film in the concave portion has a feature that it has a plurality of crystal orientations and no crystal grain boundary is formed, high-speed operation is possible, current driving capability is high, and variation among a plurality of elements is caused. , Or a semiconductor device including the transistor group or the transistor group can be formed.
[0081]
[Embodiment 3]
Next, an embodiment in which a crystalline silicon film is formed over a base insulating film having a recess in this embodiment and a transistor in which a channel formation region is provided in a semiconductor region formed in the recess is described. It will be described using FIG. In each of the drawings according to the present embodiment, (A) shows a top view, and (B) and subsequent drawings show longitudinal sectional views of corresponding parts.
[0082]
In FIG. 6, a first insulating film 302 made of 30 to 300 nm of silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, or aluminum oxynitride whose nitrogen content is larger than oxygen content is formed over a glass substrate 301. A linear stripe pattern having a concave portion and a convex portion thereon is formed by the second insulating film 303 made of silicon oxide or silicon oxynitride. The silicon oxide film is made of TEOS and O by plasma CVD. 2 At a reaction pressure of 40 Pa, a substrate temperature of 400 ° C., and a high frequency (13.56 MHz) power density of 0.6 W / cm. 2 And deposit the film to a thickness of 10 to 3000 nm, preferably 100 to 2000 nm, and then form the concave portion 304 by etching. The width of the concave portion is formed at 0.01 to 1 μm, preferably 0.05 to 0.2 μm, particularly at a position where the channel formation region is arranged.
[0083]
Next, as shown in FIG. 7, on the first insulating film 302 and the second insulating film 303, a third insulating film 305 made of an oxide film or a silicon oxynitride film and an amorphous silicon film 306 are formed by the same plasma CVD apparatus. The film is continuously formed without being exposed to the atmosphere. The amorphous silicon film 305 is formed of a semiconductor film containing silicon as a main component, and is made of SiH by a plasma CVD method. 4 Is formed as a source gas. At this stage, the bottom and side surfaces of the recess 304 are covered to form an uneven surface shape as shown in the figure.
[0084]
The crystallization is performed by irradiating continuous wave laser light. FIG. 8 shows the state after the crystallization. Crystallization conditions are YVO in continuous oscillation mode. 4 Using a laser oscillator, the output of the second harmonic (wavelength: 532 nm) of 5 to 10 W is condensed by an optical system into a linear laser beam having a ratio of the longitudinal direction to the lateral direction of 10 or more, and the longitudinal direction. The light is condensed so as to have a uniform energy density distribution, and is crystallized by scanning at a speed of 5 to 200 cm / sec. Uniform energy density distribution does not exclude anything that is completely constant, and the allowable range of energy density distribution is ± 10%.
[0085]
It is desirable that the intensity distribution of the laser light condensed linearly is uniform in the direction of longer length (the X-axis direction in FIG. 3). The purpose of this is to make the temperature of the semiconductor to be heated uniform over the entire irradiation area of the laser beam. This is because if a temperature distribution occurs in the X-axis direction of the laser light condensed linearly, the direction of crystal growth of the semiconductor film cannot be defined in the scanning direction of the laser light. By arranging the linear stripe pattern in alignment with the scanning direction of the irradiation region of the laser beam condensed linearly, the crystal growth direction and the channel length direction of all transistors can be matched. . Thus, variation in characteristics between the elements of the transistor can be reduced.
[0086]
Further, the crystallization by the laser light condensed linearly may be completed by only one scan (that is, in one direction), or may be performed by reciprocating scan to further improve the crystallinity. Furthermore, after crystallization by laser light, the surface of the silicon film is treated with an alkaline solution such as removal of oxides by hydrofluoric acid or an aqueous solution of ammonia and hydrogen peroxide to selectively remove poor-quality portions having a high etching rate. After removal, the same crystallization treatment may be performed again. Thus, crystallinity can be improved.
[0087]
By irradiating a laser beam under these conditions, the amorphous semiconductor film is instantaneously melted and crystallized. The crystallization proceeds while the melting zone moves substantially. The molten silicon is aggregated and solidified in the concave portions by the surface tension. Thus, a crystalline semiconductor film 307 having a flat surface is formed so as to fill the concave portion 304 as shown in FIG.
[0088]
After that, as shown in FIG. 9, the crystalline semiconductor film 307 is etched to form semiconductor regions 308 to 310 to be active layers of the thin film transistor. FIG. 9 does not limitly show the shapes of the semiconductor regions 308 to 310, and as described in the first embodiment, is not particularly limited as long as it follows a predetermined design rule.
[0089]
The crystalline semiconductor film 307 can be selectively etched with the third insulating film 305 by using a fluorine-based gas and oxygen as an etching gas. Of course, even if the third insulating film 305 is etched, there is no problem as long as the selectivity with the underlying first and second insulating films 302 and 303 can be ensured.
[0090]
In addition, as an etching method, CF 4 And O 2 Mixed gas and NF 3 It may be performed by a plasma etching method using a gas, 3 Plasmaless gas etching using a halogen fluoride gas such as a gas without being excited may be performed. Plasmaless gas etching is an effective method for suppressing crystal defects because plasma damage to a crystalline semiconductor film is not required.
[0091]
Next, as shown in FIG. 10, a fourth insulating film (functioning as a gate insulating film) 311, a conductive film 312 used as a gate electrode is formed so as to cover the upper surfaces of the semiconductor regions 308 to 310 and the second insulating film 303. 313 is formed. The fourth insulating film 311 is formed using the silicon oxide film, silicon nitride film, silicon oxynitride film, silicon oxynitride film, aluminum nitride film, aluminum oxynitride film, aluminum oxynitride film, or aluminum oxide film described in Embodiment 1. Any of them may be used, or a laminated film in which these are appropriately combined may be used.
[0092]
In order to improve the coverage of the gate insulating film, a silicon oxide film using TEOS is preferable for a silicon oxide film, and an aluminum oxynitride film formed by an RF sputtering method is used for an aluminum oxynitride film. It is preferable to use a stacked film of an aluminum oxide film and a silicon oxide film (a silicon oxide film may be obtained by oxidizing a semiconductor film to be an active layer with hydrogen peroxide).
[0093]
The conductive films 312 and 313 used as the gate electrodes are formed using tungsten, an alloy containing tungsten, aluminum, an aluminum alloy, or the like.
[0094]
Next, as shown in FIG. 11, impurity regions 314 to 319 of one conductivity type are formed in the semiconductor regions 308 to 310. Here, n-type impurity regions 314, 315, 318 and 319 and p-type impurity regions 316 and 317 are provided for convenience. These impurity regions may be formed in a self-aligned manner using the conductive films 312 and 313 used as gate electrodes as a mask, or may be formed by masking with a photoresist or the like. The impurity regions 314 to 319 form source and drain regions, and a low-concentration drain region (generally called an LDD region) can be provided as necessary.
[0095]
For the impurity regions 314 to 319, an ion implantation method or an ion doping method in which impurity ions are accelerated by an electric field and implanted into a semiconductor region is applied. In this case, the presence or absence of mass separation of the ion species to be implanted is not an essential problem in applying the present invention.
[0096]
At this time, of the semiconductor regions 308 to 310, the semiconductor region 320 below the gate electrodes 312 and 313 and formed in the recess 304 becomes a channel formation region of the thin film transistor of the present invention.
[0097]
Then, as shown in FIG. 12, a fifth insulating film (functioning as a passivation film) 321 of a silicon nitride film or a silicon oxynitride film containing hydrogen of about 50 to 100 nm is formed. By performing a heat treatment at 400 to 450 ° C. in this state, hydrogen contained in the silicon nitride film or the silicon oxynitride film is released, so that the island-shaped semiconductor film can be hydrogenated.
[0098]
Next, a sixth insulating film (functioning as an interlayer insulating film) 322 formed of a silicon oxide film or the like is formed, and wirings 323 to 327 connected to the impurity regions 314 to 319 are formed. Thus, n-channel transistors 328 and 330 and a p-channel transistor 329 can be formed.
[0099]
In an n-channel transistor 328 and a p-channel transistor 329 illustrated in FIG. 12, a plurality of channel formation regions 320 are provided in parallel and a pair of impurity regions 314 and 315 (or 316 and 317) 3 shows a multi-channel transistor provided in series. Specifically, an example is shown in which an n-channel multi-channel transistor 328 and a p-channel multi-channel transistor 329 form an inverter circuit which is a basic circuit having a CMOS structure. In this configuration, the number of channel formation regions arranged in parallel is not limited, and a plurality of channel formation regions may be arranged as needed. For example, a single channel like the n-channel transistor 330 may be used.
[0100]
[Embodiment 4]
In Embodiment 3, the transistor has a single-drain structure; however, a low-concentration drain (LDD) may be provided. FIG. 13 illustrates an example of an n-channel multi-channel transistor having an LDD structure.
[0101]
The structure of the transistor illustrated in FIG. 13A is an example in which a gate electrode is formed using a nitride metal 340a such as titanium nitride or tantalum nitride and a high-melting metal 340b such as tungsten or a tungsten alloy. Provided. The spacer 341 may be formed of an insulator such as silicon oxide, may be formed of n-type polycrystalline silicon for imparting conductivity, and is formed by anisotropic dry etching. By forming the LDD regions 342a and 342b before forming the spacer, the LDD regions 342a and 342b can be formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 340b. When the spacer is formed using a conductive material, a gate-overlapped LDD (Gate-Overlapped LDD) structure in which the LDD regions 342a and 342b substantially overlap the gate electrode can be provided.
[0102]
On the other hand, FIG. 13B shows a structure in which the gate electrode 340a is not provided. In this case, an LDD structure is provided.
[0103]
In FIG. 13C, an n-type impurity region 344 forming an LDD region is formed adjacent to the n-type impurity region 315. The gate electrode 343 has a two-layer structure of a lower gate electrode 343a and an upper gate electrode 343b, and can form n-type impurity regions 314 and 315 and LDD regions 344a and 344b in a self-aligned manner. For details of such a gate electrode and an impurity region and a manufacturing method thereof, refer to Japanese Patent Application No. 2000-128526 or Japanese Patent Application No. 2001-011085.
[0104]
In any case, the structure in which the LDD region is formed in a self-aligned manner by such a gate structure is particularly effective in miniaturizing a design rule. Although a unipolar transistor structure is shown here, a CMOS structure can be formed as in the fourth embodiment.
[0105]
Note that the present embodiment is the same as Embodiment 3 except for the configuration of the gate electrode and the LDD region, and a detailed description is omitted.
[0106]
[Embodiment 5]
This embodiment is an embodiment different from the structure described in Embodiment 1, and relates to an invention in which one conductivity type impurity region functioning as an electrode is used as a wiring as it is. In this embodiment, the number of contact portions is reduced to improve the degree of integration by reducing the design margin and to improve the yield.
[0107]
FIG. 14 is used for the description. FIG. 14A is a top view, and FIGS. 14B to 14F are cross-sectional views of corresponding portions. FIG. 12 is a diagram corresponding to the state of FIG. 11 in the first embodiment. Embodiment 1 can be referred to for a process to reach this state and a subsequent transistor formation process.
[0108]
In FIG. 14A, 401 to 405 are impurity regions of one conductivity type, 401 and 402 are source and drain regions of a P-channel transistor, respectively, and 403 and 404 are source regions of an N-channel transistor, respectively. , 405 function as drain regions of N-channel transistors. At this time, a feature is that the drain region 405 functions as a wiring for electrically connecting the two transistors.
[0109]
As a feature of the present invention, a semiconductor region with poor crystallinity can also be used as an electrode. Therefore, as in this embodiment, the number of contact portions can be reduced by using it as a wiring, and the contact formation can be reduced. Design margin can be expanded. Therefore, it is very effective especially when forming a miniaturized logic circuit.
[0110]
Note that this embodiment is merely an example, and in the present invention, discloses a technical idea that an impurity region of one conductivity type can be used not only as an electrode but also as a wiring. Therefore, the effects described in the present embodiment can be obtained by combining any of the techniques disclosed in the first to fourth embodiments.
[0111]
Embodiment 6
This embodiment is another embodiment different from the structure described in Embodiment 1, in which a transistor having a structure in which a plurality of transistors are connected in series is formed by using an impurity region of one conductivity type as a wiring. The invention relates to the invention characterized in that: This embodiment discloses that a transistor having a plurality of channel formation regions between a source region and a drain region can be obtained, and shows a further embodiment of the present invention.
[0112]
FIG. 15 is used for the description. FIG. 15A is a top view, and FIGS. 15B to 15F are cross-sectional views of corresponding portions. FIG. 12 is a diagram corresponding to the state of FIG. 11 in the first embodiment. Embodiment 1 can be referred to for a process to reach this state and a subsequent transistor formation process.
[0113]
In FIG. 15A, reference numerals 411 to 418 denote impurity regions of one conductivity type, reference numerals 411 and 414 denote source and drain regions of a P-channel transistor, and reference numerals 412 and 413 denote impurity regions used as wiring. Note that a feature of the present invention is that the area occupied by the impurity regions 412 and 413 can be increased, so that the portion can be used simply as a wiring or can be used as an electrode with an increased area. In addition, it is also possible to provide a function as a protection circuit by processing into a bent shape.
[0114]
Reference numeral 415 denotes a source region of the single-channel N-channel transistor, and 416 denotes a drain region thereof. Further, a transistor including the drain region 416 as a source region and the impurity region 418 as a drain region is formed. In this case, the impurity region 417 functions as a wiring. The transistor has a total of three channel formation regions, two of which are provided in parallel and connected in series with the other. Needless to say, this embodiment is not limited to the structure of the transistor.
[0115]
Note that this embodiment is merely an example, and in the present invention, discloses a technical idea that an impurity region of one conductivity type can be used not only as an electrode but also as a wiring. Therefore, it may be combined with any of the techniques disclosed in the first to fifth embodiments.
[0116]
Embodiment 7
In the transistor of the present invention, by providing a conductive layer on the lower layer side, a so-called substrate bias can be applied. The method for manufacturing the transistor is in accordance with Embodiment Mode 3, but the difference will be described with reference to FIGS.
[0117]
In FIG. 16A, a silicon nitride film is formed as a first insulating film 802 over a substrate, and a tungsten film 803 is formed thereover by a sputtering method. In particular, when a silicon nitride film is formed by a high-frequency sputtering method, a dense film can be formed. The second insulating film 804 is formed using a silicon oxide film. The silicon oxide film forms a concave portion by etching as shown in the figure, but can be easily processed since the selectivity with the underlying tungsten film is about 30.
[0118]
Over this, a silicon oxynitride film and an amorphous silicon film 806 are successively formed as a third insulating film 805, and the amorphous semiconductor film 806 is melt-crystallized, and as shown in FIG. A silicon film 807 is formed. After that, as illustrated in FIG. 16C, a channel formation region 808 of the transistor is formed by etching, so that a gate insulating film 809 and a gate electrode 810 are formed. Since the gate insulating film 809 is formed over the tungsten film 803, there is no short circuit with the gate electrode 810.
[0119]
In such a mode, when the tungsten film 803 is fixed to the ground potential, variation in the threshold voltage of the transistor can be reduced. When the gate electrode 810 is driven by applying the same potential as that of the gate electrode 810, the on-state current can be increased.
[0120]
In order to enhance the heat dissipation effect, an aluminum oxynitride film (or aluminum nitride film) 811 is preferably formed over the tungsten film 803 as shown in FIG. The purpose of providing these films is to secure a selectivity of the etching process. That is, CHF 3 In order to remove silicon oxide as the second insulating film 804 with a fluorine-based etching gas and not to expose the underlying tungsten film 803, a silicon nitride film has a small selectivity and an aluminum nitride film or an aluminum oxynitride film is used. Is suitable.
[0121]
This embodiment discloses a configuration in which a conductive film is provided under a second insulating film that forms a convex portion and a concave portion to achieve a heat radiation effect and control a threshold value during an actual operation. Combinations with the configurations disclosed in Embodiment Modes 1 to 6 are possible, and the effects described in the present embodiment can be imparted by the combination.
[0122]
Embodiment 8
In this embodiment, an example in which a part of the crystalline semiconductor film 307 (a part to be a channel formation region later) is thinned before the step of forming the active layer 308 of the thin film transistor in Embodiment 3 is described. Show.
[0123]
First, the state illustrated in FIG. 8 is obtained according to the manufacturing method described in Embodiment 3. Next, a resist mask 1801 is formed over a semiconductor region which is to be a source region or a drain region later in the crystalline semiconductor film 307 (FIG. 18A).
[0124]
Then, the crystalline semiconductor film 307 is etched by a dry etching method or a wet etching method using the resist mask 1801 as a mask, so that the third insulating film 305 serving as a base is exposed. Through this step, the crystalline semiconductor film 1802 can be selectively left only in the concave portions. Further, a crystalline semiconductor film 1803 having the original thickness remains under the resist mask 1801. This embodiment is characterized in that the crystalline semiconductor film 17802 is used as a channel formation region of the thin film transistor and the crystalline semiconductor film 1803 is used as a source region or a drain region of the thin film transistor.
[0125]
The etching step may use not only a chemical method but also a mechanical polishing method such as CMP (Chemical Mechanical Polishing). Further, a chemical method and a mechanical method may be used in combination.
[0126]
According to this embodiment, since the channel formation region can be formed in a self-aligned manner by the second insulating film 303, the channel formation region is erroneously formed on the convex portion of the second insulating film due to a pattern shift. Can be prevented, and a situation in which a crystal grain boundary is included in the channel formation region can be reduced.
[0127]
For the subsequent steps, the steps after FIG. 10 in the third embodiment may be referred to, and the description in the present embodiment will be omitted. This embodiment can be freely combined with any of Embodiments 1 to 7.
[0128]
Embodiment 9
The present invention can be applied to various semiconductor devices, and a mode of a display panel manufactured based on Embodiment Modes 1 to 8 will be described. Note that specific examples of the display panel described in this embodiment include a display panel using a transistor as a semiconductor element such as a liquid crystal display panel, an EL (electroluminescence) display panel, and a FED (field emission display) display panel. . Of course, these display panels include those that are marketed as modules.
[0129]
19, a substrate 900 includes a pixel portion 902, gate signal side driver circuits 901a and 901b, a data signal side driver circuit 901c, an input / output terminal portion 908, and a wiring or a wiring group 917.
[0130]
The seal pattern 940 is a pattern for creating a sealed space between the opposing substrate 920 and the substrate 900. In the case of a liquid crystal display panel, liquid crystal is sealed, and in the case of an EL panel, an EL material (particularly, an organic EL material) is protected from the outside air. Play a role. The gate signal side driver circuits 901a and 901b, the data signal side driver circuit 901c, and the wiring or the wiring group 917 connecting the driver circuit portion and the input terminal may partially overlap. With this configuration, the area of the frame region (the peripheral region of the pixel portion) of the display panel can be reduced. An FPC (flexible print circuit) 936 is fixed to the external input terminal.
[0131]
Further, a chip in which various logic circuits, high-frequency circuits, memories, microprocessors, media processors / DSPs (Digital Signal Processors), graphics LSIs, cryptographic LSIs, amplifiers, and the like are formed using transistors obtained by implementing the present invention. 950 may be implemented. These functional circuits are formed with design rules different from those of the pixel portion 902, the gate signal side drive circuits 901a and 901b, and the data signal side drive circuit 901c. Specifically, a design rule of 1 μm or less is applied. You. Note that the external input terminal portion and the chip 950 are preferably protected by a resin (mold resin or the like) 937. The mounting method is not limited, and a method using a TAB tape, a COG (chip on glass) method, or the like can be applied.
[0132]
Note that in this embodiment, FIGS. 13A and 13B are suitable as the gate structure of the transistor. For example, the transistors described in Embodiments 3 and 4 can be applied as switching elements of the pixel portion 902, and further, as active elements included in the gate signal driver circuits 901a and 901b and the data signal driver circuit 901c. Of course, the present embodiment shows an example of a display panel obtained by carrying out the present invention, and is not limited to the configuration in FIG.
[0133]
[Embodiment 10]
Various electronic devices can be completed using the present invention. Examples include a portable information terminal (electronic notebook, mobile computer, mobile phone, etc.), a video camera, a digital camera, a personal computer, a television set, a mobile phone, and the like. Examples of those are shown in FIG. Note that the electronic device shown here is merely an example, and is not limited to these applications.
[0134]
FIG. 20A illustrates an example in which a television receiver is completed by applying the present invention, which includes a housing 3001, a support base 3002, a display portion 3003, and the like. In the transistor manufactured by the present invention, in addition to the display portion 3003, various integrated circuits such as various logic circuits, high-frequency circuits, memories, microprocessors, media processors, and graphics LSIs can be formed and incorporated on glass. According to the invention, a television receiver can be completed.
[0135]
FIG. 20B illustrates an example in which a video camera is completed by applying the present invention, which includes a main body 3011, a display portion 3012, a sound input portion 3013, operation switches 3014, a battery 3015, an image receiving portion 3016, and the like. . In the transistor manufactured by the present invention, in addition to the display portion 3012, various integrated circuits such as various logic circuits, high-frequency circuits, memories, microprocessors, media processors, and LSIs for graphics can be formed and incorporated on glass. According to the invention, a video camera can be completed.
[0136]
FIG. 20C illustrates an example in which a notebook personal computer is completed by applying the present invention, which includes a main body 3021, a housing 3022, a display portion 3023, a keyboard 3024, and the like. In addition to the display portion 3023, various integrated circuits such as a logic circuit, a high-frequency circuit, a memory, a microprocessor, a media processor, a graphics LSI, a cryptographic LSI, and the like can be formed and incorporated on a glass. According to the present invention, a personal computer can be completed.
[0137]
FIG. 20D shows an example in which a PDA (Personal Digital Assistant) is completed by applying the present invention, and includes a main body 3031, a stylus 3032, a display portion 3033, operation buttons 3034, an external interface 3035, and the like. In addition to the display portion 3033, various integrated circuits such as various logic circuits, high-frequency circuits, memories, microprocessors, media processors, graphics LSIs, cryptographic LSIs, and the like can be formed on a glass and incorporated in the transistor manufactured by the present invention. According to the present invention, a PDA can be completed.
[0138]
FIG. 20E illustrates an example in which a sound reproduction device is completed by applying the present invention, specifically, an audio device for a vehicle, which includes a main body 3041, a display portion 3042, operation switches 3043, 3044, and the like. Have been. In addition to the display portion 3042, various integrated circuits such as a logic circuit, a high-frequency circuit, a memory, a microprocessor, a media processor, a graphics LSI, and an amplifier circuit can be formed over glass and incorporated in the transistor manufactured by the present invention. According to the present invention, an audio device can be completed.
[0139]
FIG. 20F illustrates an example in which a digital camera is completed by applying the present invention. A main body 3051, a display portion (A) 3052, an eyepiece portion 3053, operation switches 3054, a display portion (B) 3055, and a battery 3056 are shown. Etc. The transistors manufactured by the present invention include various integrated circuits such as various logic circuits, high-frequency circuits, memories, microprocessors, media processors, graphics LSIs, cryptographic LSIs, in addition to the display portion (A) 3052 and the display portion (B) 3055. Can be formed and incorporated on glass, and a digital camera can be completed according to the present invention.
[0140]
FIG. 20G illustrates an example in which a mobile phone is completed by applying the present invention, which includes a main body 3061, an audio output portion 3062, an audio input portion 3063, a display portion 3064, operation switches 3065, an antenna 3066, and the like. I have. In the transistor manufactured by the present invention, in addition to the display portion 3064, various integrated circuits such as various logic circuits, high-frequency circuits, memories, microprocessors, media processors, graphics LSIs, cryptographic LSIs, and mobile phone LSIs are formed on glass. And a mobile phone can be completed by the present invention.
[0141]
[Embodiment 11]
In this embodiment mode, a structure of a laser irradiation apparatus used for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. Reference numeral 11 denotes a laser oscillation device. Although two laser oscillators are used in FIG. 21, the number of laser oscillators is not limited to this number, and may be three, four, or more.
[0142]
Further, the temperature of the laser oscillation device 11 may be kept constant by using the chiller 12. The chiller 12 is not necessarily provided, but by keeping the temperature of the laser oscillation device 11 constant, it is possible to suppress the energy of the output laser light from fluctuating due to the temperature.
[0143]
An optical system 14 can condense laser light by changing the optical path output from the laser oscillation device 11 or processing the shape of the laser beam. Further, in the laser irradiation apparatus of FIG. 21, the laser beams of the laser lights output from the plurality of laser oscillation apparatuses 11 can be synthesized by partially overlapping each other by the optical system 14.
[0144]
Note that the AO modulator 13 that can completely and completely block the laser light may be provided in the optical path between the substrate 16 to be processed and the laser oscillation device 11. Further, an attenuator (light amount adjustment filter) may be provided instead of the AO modulator to adjust the energy density of the laser light.
[0145]
Further, a means (energy density measuring means) 20 for measuring the energy density of the laser light output from the laser oscillation device 11 was provided in the optical path between the substrate 16 which is an object to be processed and the laser oscillation device 11, and the measurement was performed. The change over time in the energy density may be monitored by the computer 10. In this case, the output from the laser oscillation device 10 may be increased so as to compensate for the attenuation of the energy density of the laser light.
[0146]
The synthesized laser beam is applied to a substrate 16 as an object to be processed through a slit 15. The slit 15 is desirably formed of a material that can block laser light and is not deformed or damaged by the laser light. The width of the slit 15 is variable, and the width of the laser beam can be changed according to the width of the slit.
[0147]
Note that the shape of the laser beam on the substrate 16 of the laser light oscillated from the laser oscillator 11 when not passing through the slit 15 varies depending on the type of laser, and can be formed by an optical system.
[0148]
The substrate 16 is placed on a stage 17. In FIG. 21, the position control means 18 and 19 correspond to the means for controlling the position of the laser beam on the workpiece, and the position of the stage 17 is controlled by the position control means 18 and 19. In FIG. 21, the position control means 18 controls the position of the stage 17 in the X direction, and the position control means 19 controls the position of the stage 17 in the Y direction.
[0149]
Further, the laser irradiation apparatus of FIG. 21 has a computer 10 having both storage means such as a memory and a central processing unit. The computer 10 controls the oscillation of the laser oscillation device 151, determines the scanning path of the laser light, and controls the position control means 18 and 19 so that the laser beam of the laser light is scanned according to the defined scanning path. Thus, the substrate can be moved to a predetermined position.
[0150]
In FIG. 21, the position of the laser beam is controlled by moving the substrate. However, the position may be moved using an optical system such as a galvanometer mirror or both.
[0151]
Further, in FIG. 21, the width of the slit 15 can be controlled by the computer 10 to change the width of the laser beam according to the pattern information of the mask. Note that the slit need not always be provided.
[0152]
Further, the laser irradiation device may include a means for adjusting the temperature of the object to be processed. Further, since the laser light is light having high directivity and energy density, a damper may be provided to prevent the reflected light from being applied to an inappropriate portion. The damper desirably has a property of absorbing the reflected light, and cooling water may be circulated in the damper to prevent the temperature of the partition from rising due to the absorption of the reflected light. Further, means for heating the substrate (substrate heating means) may be provided on the stage 157.
[0153]
When the marker is formed with a laser, a laser oscillation device for the marker may be provided. In this case, the computer 10 may control the oscillation of the marker laser oscillator. Further, when a marker laser oscillation device is provided, an optical system for condensing laser light output from the marker laser oscillation device is separately provided. The laser used to form the marker is typically a YAG laser or CO2 laser. 2 Although a laser and the like can be mentioned, it is of course possible to form by using another laser.
[0154]
In addition, one CCD camera 21 may be provided for positioning using a marker, and in some cases, several CCD cameras 21 may be provided. Note that a CCD camera means a camera using a CCD (charge-coupled device) as an imaging device. Alternatively, the pattern of the insulating film or the semiconductor film may be recognized by the CCD camera 21 without using the marker, and the alignment of the substrate may be performed. In this case, the position information of the substrate is grasped by comparing the pattern information of the insulating film or the semiconductor film by the mask input to the computer 10 with the actual pattern information of the insulating film or the semiconductor film collected by the CCD camera 21. can do. In this case, there is no need to separately provide a marker.
[0155]
In addition, the laser light incident on the substrate is reflected on the surface of the substrate and returns on the same optical path as when the laser light is incident. The return light becomes so-called return light. Adverse effects. Therefore, an isolator may be provided to remove the return light and stabilize laser oscillation.
[0156]
Although FIG. 21 shows the configuration of a laser irradiation device provided with a plurality of laser oscillation devices, there is an advantage that the design of the optical system is facilitated by doing so. In the present invention, it is particularly preferable to use a linear laser beam when melting the amorphous semiconductor film from the viewpoint of improving the throughput. However, if the lengthwise direction (X-axis direction in FIG. 3) becomes longer, the optical design becomes very precise. Therefore, the burden on the optical design can be reduced by using a plurality of linear laser beams in a superimposed manner. Can be.
[0157]
For example, one linear laser light can be formed by optically combining a plurality of laser lights oscillated from a plurality of laser oscillation devices. FIG. 22A shows an irradiation cross section of each laser beam. Here, the case where the laser light irradiation region has an elliptical shape is taken as an example, but there is no difference depending on the shape.
[0158]
The shape of the laser beam differs depending on the type of laser, and can be formed by an optical system. For example, the shape of the laser light emitted from a Lamda XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 30 ns) L3308 is a rectangular shape of 10 mm × 30 mm (both half widths in a beam profile). The shape of the laser beam emitted from the YAG laser is circular if the rod shape is cylindrical, and rectangular if the rod shape is slab. By further forming such a laser beam with an optical system, a laser beam having a desired size can be produced.
[0159]
FIG. 22B shows the energy density distribution of the laser light in the major axis direction (X-axis direction) of the laser light shown in FIG. The laser light shown in FIG. 21A is 1 / e of the peak value of the energy density in FIG. 2 Corresponds to the region satisfying the energy density of The distribution of the energy density of the laser light in which the laser light has an elliptical shape becomes higher toward the center O of the ellipse. As described above, in the laser light illustrated in FIG. 22A, the energy density in the central axis direction follows a Gaussian distribution, and the area where the energy density can be determined to be uniform is narrow.
[0160]
Next, FIG. 22C shows an irradiation cross-sectional shape of a linear laser beam when two laser beams shown in FIG. 22A are combined. Note that FIG. 22C illustrates the case where one laser beam is formed by superimposing two laser beams; however, the number of laser beams to be superimposed is not limited to this.
[0161]
As shown in FIG. 22C, each laser beam is synthesized by matching the major axes of the ellipses and partially overlapping the laser beams, thereby forming one linear laser beam 30. . Hereinafter, a straight line obtained by connecting the centers O of the ellipses will be referred to as the central axis of the laser beam 30.
[0162]
FIG. 22D shows a distribution of energy density in the center axis y direction of the combined linear laser light shown in FIG. 22C. Note that the laser light illustrated in FIG. 22C is 1 / e of the peak value of the energy density in FIG. 2 Corresponds to the region satisfying the energy density of The energy density is added in the portion where the respective laser beams before combining overlap. For example, as shown, when the energy densities L1 and L2 of the laser beams overlapping each other are added, the peak values L3 of the energy densities of the individual laser beams become substantially equal, and the energy densities are flattened between the centers O of the ellipses. .
[0163]
It should be noted that, when L1 and L2 are added, it is ideally equal to L3, but actually, they do not always have the same value. The allowable range of the difference between the value obtained by adding L1 and L2 and the value of L3 can be appropriately set by a designer.
[0164]
When the laser light is used alone, it is difficult to irradiate the entire semiconductor film in contact with the flat portion of the insulating film with the laser light having a uniform energy density because the energy density follows a Gaussian distribution. However, as can be seen from FIG. 22 (D), by overlapping a plurality of laser beams so as to complement portions having a low energy density with each other, the energy can be reduced more than using a plurality of laser beams alone without overlapping. The region having a uniform density is enlarged, and the crystallinity of the semiconductor film can be efficiently increased.
[0165]
Note that the distribution of energy density in BB 'and CC' is weaker in BB 'than in CC', but can be regarded as almost the same size. 1 / e of peak value of laser beam 2 The shape of the combined linear laser light in the region satisfying the energy density of the above may be linear.
[0166]
Note that a region having a low energy density exists near the outer edge of the irradiation region of the combined linear laser beam 30. If the region is used, the crystallinity may be impaired rather than the region. Therefore, it is preferable that the outer edge of the linear laser beam is not used as in the case of using the slit 15 in FIG.
[0167]
The laser irradiation apparatus described in this embodiment can be used when performing laser light irradiation of the present invention, and can be used when performing any of the first to tenth embodiments. In addition, although there is an advantage of obtaining a linear laser beam by synthesis, the cost of an optical system and a laser oscillator increases, so that a single laser oscillator and a set of optical systems generate a desired linear laser beam. As long as it can be obtained, there is no problem in using such a laser irradiation apparatus in the practice of the present invention.
[0168]
Embodiment 12
In this embodiment mode, when forming the second insulating film 303 in Embodiment Mode 3, the glass substrate 301 is used as an etching stopper, and an insulating film (third insulating film) corresponding to the first insulating film 302 is formed on the second insulating film 303. An example in which the insulating film 305 is also used.
[0169]
In FIG. 29A, first, a second insulating film 602 in which a recess is formed in a predetermined shape with silicon oxide or silicon oxynitride is formed over a glass substrate 601. Details are the same as in the third embodiment. The recess may be formed by either wet etching or dry etching. In this embodiment mode, dry etching using CHF 3 gas is used. In this case, the gas flow rate is 30 to 40 sccm, the reaction pressure is 2.7 to 4.0 KPa, the applied power is 500 W, and the substrate temperature is 20 ° C.
[0170]
In this embodiment, as the glass substrate 601, a material having a high selectivity with respect to a silicon oxide film (for example, a 1737 glass substrate manufactured by Corning Incorporated) is preferably used. This is because if the selectivity is high, the glass substrate 601 can be used as it is as an etching stopper when the second insulating film 602 is formed.
[0171]
After the second insulating film 602 is formed, the second insulating film 602 is covered thereon with a first insulating film 603 formed of silicon nitride, silicon oxynitride having a nitrogen content larger than the oxygen content, or a laminate thereof, and further having an amorphous film thereon. The semiconductor layer 604 is formed to obtain the state shown in FIG. For the details of the first insulating film 603 and the amorphous semiconductor film 604, the description in Embodiment Mode 3 can be referred to. Further, the steps after FIG. 29B may be in accordance with the third embodiment, and the description is omitted here.
[0172]
According to the present embodiment, it is possible to ensure a sufficiently high selectivity between the glass substrate 601 and the second insulating film 602, so that the process margin when forming the concave portion of the second insulating film 602 is improved. . In addition, problems such as scuffing at the lower end of the second insulating film 602 do not occur. Further, the portion where the second insulating film 602 is not provided has a structure in which a silicon nitride film, a silicon oxynitride having a nitrogen content larger than the oxygen content or a laminated film thereof are formed on a glass substrate. It is not necessary to use a simple insulating film.
[0173]
Note that this embodiment can be implemented by being freely combined with any of the structures of Embodiments 1 to 11.
[0174]
[Example 1]
In this embodiment, a crystalline semiconductor film obtained by carrying out the present invention will be described. In the present example, the crystallization step was performed according to the second and third embodiments, and thus the example will be described with reference to FIGS.
[0175]
In this embodiment, a 50-nm-thick silicon oxynitride film was used as the first insulating film 302 in FIG. 6, and a 200-nm-thick silicon oxynitride film was used as the second insulating film 303. In this case, when the second insulating film 303 was etched, the underlying first insulating film 302 was also etched. As a result, the height corresponding to the step d in FIG. 1 was 250 nm. Further, the width of the second insulating film 303 (corresponding to W1 in FIG. 1) was 0.5 μm, and the distance between the adjacent layers (corresponding to W2 in FIG. 1) was 0.5 μm.
[0176]
After a silicon oxynitride film with a thickness of 20 nm is provided as a third insulating film 305 over the second insulating film 303, the amorphous semiconductor film 306 is continuously formed without being exposed to the atmosphere to a thickness of 150 nm. Was formed. The amorphous silicon film was crystallized using the crystallization technique of the second embodiment. Specifically, after a heat treatment at 550 ° C. for 4 hours was performed with a 10 ppm nickel acetate aqueous solution held on the amorphous silicon film for crystallization, linear laser light was irradiated. The linear laser light is a continuous oscillation mode YVO. 4 Using a laser oscillator, the output of the second harmonic (wavelength: 532 nm) of 5.5 W was condensed into linear laser light by an optical system, and scanning was performed at room temperature at a speed of 50 cm / sec.
[0177]
FIG. 26A is a TEM (transmission electron microscope) photograph of the state where the crystalline silicon film 307 is formed (the state shown in FIG. 8), and FIG. 26B is a schematic view thereof. The stacked body of the first insulating film 302 and the second insulating film 303 exists under the crystalline silicon film 307 so as to be completely buried.
[0178]
FIG. 27A is a cross-sectional TEM photograph of the cross section of FIG. 26A, and FIG. 27B is a schematic diagram thereof. A crystalline silicon film 307a is formed so as to be filled between the second insulating films 303 formed by the stripe pattern (concave portions), and a crystal is formed on the upper surface portion (convex portions) of the second insulating film 303. A conductive silicon film 307b is formed.
[0179]
FIG. 28A is an enlarged cross-sectional TEM photograph of the cross section of FIG. 27A, and FIG. 28B is a schematic view thereof. In the photograph, the third insulating film 305 is observed. No crystal grain boundaries or defects seemed to be observed at all inside the crystalline silicon film 307a, indicating that the crystalline silicon film 307a has extremely high crystallinity.
[0180]
The present invention enables high-speed operation and current drive by using a crystalline silicon film 307a having good crystallinity as a channel formation region and using a crystalline silicon film 307b having poor crystallinity as an electrode or wiring. It is possible to provide a thin film transistor having high performance and small variation among a plurality of elements or a semiconductor device formed by integrating the thin film transistor group with a high degree of integration.
【The invention's effect】
As described above, a linear stripe pattern having a concavo-convex shape is formed by an insulating film, an amorphous semiconductor film is deposited thereon, and crystallized in a molten state by irradiation with laser light to form a concave portion. The semiconductor is poured and solidified, and strain or stress due to crystallization can be concentrated in a region other than the concave portion, so that a region with poor crystallinity such as a crystal grain boundary can be selectively formed.
[0181]
Then, a semiconductor element such as a transistor, in particular, a location of a channel formation region thereof is specified to form a crystalline semiconductor film having no crystal grain boundary. As a result, it is possible to eliminate a factor in which the characteristics vary due to careless intervening crystal grain boundaries or crystal defects, and it is possible to form a transistor or a transistor element group having small characteristic variations.
[0182]
As described above, the present invention enables high-speed operation by using a crystalline semiconductor film with good crystallinity as a channel formation region and using a crystalline semiconductor film with poor crystallinity as an electrode or a wiring. It is possible to provide a semiconductor device having a high current driving capability and small variation among a plurality of elements or a semiconductor device configured by integrating the semiconductor element group with a high degree of integration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a crystallization method of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a crystallization method of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a crystallization method according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view illustrating a crystallization method of the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view illustrating the relationship between the shape of an opening and the form of a crystalline semiconductor film in crystallization.
6A to 6C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
7A to 7C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
8A to 8C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
9A to 9C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
10A to 10C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
11A to 11C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
12A to 12C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
FIG. 13 is a vertical cross-sectional view illustrating an example of a gate structure that can be used in a transistor of the present invention.
14A to 14C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
15A to 15C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
FIG. 16 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
FIG. 17 is a longitudinal sectional view illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
18A to 18C are a top view and vertical cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.
FIG. 19 illustrates an example of an external view of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing a specific example of an electronic device according to the invention.
FIG. 21 is a diagram showing a laser irradiation apparatus used for carrying out the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a laser beam used for implementing the present invention.
FIG. 23 is a TEM photograph showing the upper surface of a crystalline silicon film obtained by carrying out the present invention after secco etching, and a schematic diagram thereof.
FIG. 24 is a TEM photograph showing the upper surface of a crystalline silicon film obtained by carrying out the present invention after secco etching, and a schematic diagram thereof.
FIG. 25 is EBSP mapping data showing the orientation of a crystal formed in a concave portion.
FIG. 26 is a TEM photograph of the upper surface of a crystalline silicon film obtained by carrying out the present invention and a schematic diagram thereof.
FIG. 27 is a TEM photograph showing a cross section of a crystalline silicon film obtained by carrying out the present invention and a schematic diagram thereof.
FIG. 28 is a TEM photograph showing a cross section of a crystalline silicon film obtained by carrying out the present invention and a schematic diagram thereof.
FIG 29 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a transistor of the present invention.

Claims (8)

絶縁表面上に、実質的に結晶粒界を有することなく複数の結晶方位を含む第1の結晶性半導体領域を有し、該第1の結晶性半導体領域が導電性を有する第2の結晶性半導体領域に連接して設けられた半導体素子であって、
前記第1の結晶性半導体領域は、前記絶縁表面上に設けられた直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜と平行な方向に延び、
前記第2の結晶性半導体領域は、前記直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜に跨って設けられていることを特徴とする半導体素子。
A first crystalline semiconductor region including a plurality of crystal orientations without substantially having a crystal grain boundary on the insulating surface, wherein the first crystalline semiconductor region has conductivity; A semiconductor element provided in connection with the semiconductor region,
The first crystalline semiconductor region extends in a direction parallel to an insulating film extending in a linear stripe pattern provided on the insulating surface;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second crystalline semiconductor region is provided over an insulating film extending in the linear stripe pattern.
絶縁表面上に、実質的に結晶粒界を有することなく複数の結晶方位を含む第1の結晶性半導体領域を有し、該第1の結晶性半導体領域が導電性を有する第2の結晶性半導体領域に連接して設けられた半導体素子であって、
前記第1の結晶性半導体領域は、前記絶縁表面上に設けられた直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜と平行な方向に延び、
前記第2の結晶性半導体領域は、前記直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜に跨って設けられた配線として用いられていることを特徴とする半導体素子。
A first crystalline semiconductor region including a plurality of crystal orientations without substantially having a crystal grain boundary on the insulating surface, wherein the first crystalline semiconductor region has conductivity; A semiconductor element provided in connection with the semiconductor region,
The first crystalline semiconductor region extends in a direction parallel to an insulating film extending in a linear stripe pattern provided on the insulating surface;
The semiconductor element, wherein the second crystalline semiconductor region is used as a wiring provided over an insulating film extending in the linear stripe pattern.
絶縁表面上に、実質的に結晶粒界を有することなく複数の結晶方位を含む第1の結晶性半導体領域を有し、該第1の結晶性半導体領域が導電性を有する第2の結晶性半導体領域に連接して設けられた半導体素子であって、
前記第1の結晶性半導体領域は、前記絶縁表面上に設けられた直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜と平行な方向に延び、
前記第2の結晶性半導体領域は、前記直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜に跨って設けられ、
前記第2の結晶性半導体領域は、前記第1の結晶性半導体領域よりも膜厚が薄い部分を含むことを特徴とする半導体素子。
A first crystalline semiconductor region including a plurality of crystal orientations without substantially having a crystal grain boundary on the insulating surface, wherein the first crystalline semiconductor region has conductivity; A semiconductor element provided in connection with the semiconductor region,
The first crystalline semiconductor region extends in a direction parallel to an insulating film extending in a linear stripe pattern provided on the insulating surface;
The second crystalline semiconductor region is provided over an insulating film extending in the linear stripe pattern,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second crystalline semiconductor region includes a portion having a smaller thickness than the first crystalline semiconductor region.
絶縁表面上に実質的に結晶粒界を有することなく、かつ、複数の結晶方位を含む第1の結晶性半導体領域を有し、該第1の結晶性半導体領域が導電性を有する第2の結晶性半導体領域に連接して設けられた半導体素子であって、
前記第1の結晶性半導体領域は、前記絶縁表面上に設けられた直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜と平行な方向に延び、
前記第2の結晶性半導体領域は、前記直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜に跨って設けられた配線として用いられ、
前記第2の結晶性半導体領域は、前記第1の結晶性半導体領域よりも膜厚が薄い部分を含むことを特徴とする半導体素子。
A second crystalline semiconductor region having substantially no crystal grain boundaries on the insulating surface and including a plurality of crystal orientations, wherein the first crystalline semiconductor region has conductivity; A semiconductor element provided in connection with the crystalline semiconductor region,
The first crystalline semiconductor region extends in a direction parallel to an insulating film extending in a linear stripe pattern provided on the insulating surface;
The second crystalline semiconductor region is used as a wiring provided over an insulating film extending in the linear stripe pattern,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second crystalline semiconductor region includes a portion having a smaller thickness than the first crystalline semiconductor region.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、前記絶縁表面は、ガラス基板上に設けられた絶縁膜の表面であることを特徴とする半導体素子。The semiconductor element according to claim 1, wherein the insulating surface is a surface of an insulating film provided on a glass substrate. 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、前記直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜の幅は0.1〜10μmであり、隣接するパターン間隔は0.01〜2μmであり、かつ、膜厚は0.01〜3μmであることを特徴とする半導体素子。6. The insulating film according to claim 1, wherein a width of the insulating film extending in the linear stripe pattern is 0.1 to 10 μm, an interval between adjacent patterns is 0.01 to 2 μm, and A semiconductor element having a thickness of 0.01 to 3 μm. 請求項1乃至請求項6のいずれか一において、前記第1の結晶性半導体領域の膜厚は、前記直線状のストライプパターンで延在する絶縁膜の膜厚に等しいことを特徴とする半導体素子。7. The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the first crystalline semiconductor region is equal to a thickness of an insulating film extending in the linear stripe pattern. . 請求項1乃至請求項7のいずれか一に記載の半導体素子を集積化した回路を備えたことを特徴とする半導体装置。A semiconductor device comprising a circuit in which the semiconductor element according to claim 1 is integrated.
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