JP2004349351A - Crystalline semiconductor film, its manufacturing method, semiconductor device, and indicating device - Google Patents

Crystalline semiconductor film, its manufacturing method, semiconductor device, and indicating device Download PDF

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JP2004349351A JP2003142579A JP2003142579A JP2004349351A JP 2004349351 A JP2004349351 A JP 2004349351A JP 2003142579 A JP2003142579 A JP 2003142579A JP 2003142579 A JP2003142579 A JP 2003142579A JP 2004349351 A JP2004349351 A JP 2004349351A
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Toshio Mizuki
敏雄 水木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor device with high electron mobility by a method wherein crystal quality is evaluated with sufficient reproducibility, so that crystal defect is reduced and a crystalline semiconductor film with superior crystallinity is obtained. <P>SOLUTION: In a method for forming the crystalline semiconductor film by a method wherein energy is applied to an amorphous semiconductor film 2 formed on a substrate 1 and crystal growth is performed, each crystal grain which constitutes the crystalline semiconductor film is controlled in such a manner that ratio of grains wherein crystal orientation angle difference of adjoining crystal grains is at least 34° and at most 42° and at least 58° and at most 62° is controlled to at least 0.35 and at most 1. For example, excimer laser luminous energy density is set to at least 380 mJ/cm<SP>2</SP>and at most 400 mJ/cm<SP>2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液晶ドライバー装置、半導体メモリ装置、半導体論理回路などのTFT(薄膜トランジスタ)チャネル領域などとして用いられる結晶性半導体膜とその製造方法、その結晶性半導体膜を用いたTFTなどの半導体装置およびその半導体装置を用いた液晶表示装置やエレクトロルミネッセンス表示装置などの表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、絶縁性表面を持つ基板上に形成された非単結晶絶縁膜または非単結晶絶縁基板などのような絶縁性表面を有する基板上に非晶質半導体膜を形成し、この非晶質半導体膜にエネルギーを加えることにより非晶質半導体膜を結晶化させる結晶化方法が知られている。
【0003】
例えば、特許文献1には、石英基板上に、スパッタリング法を用いて非晶質シリコン膜を100nmの膜厚に形成した後、この非晶質シリコン膜にエネルギーとしてエキシマレーザ光を照射して非晶質シリコン膜を結晶化させることにより、結晶性シリコン膜を製造する結晶化方法が開示されている。また、この特許文献1には、この結晶化方法により得られる結晶性シリコン膜をラマン分光測定し、ラマン・ピークのラマンシフトが515cm−1以上を示す薄膜を用いてTFT(薄膜トランジスタ)を形成することによって、電子移動度を高くすることができるということが開示されている。
【0004】
また、非特許文献1には、ガラス基板上に、PE−CVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法を用いて非晶質シリコン膜を45〜50nmの膜厚に形成した後、この非晶質シリコン膜にエキシマレーザ光を照射して非晶質シリコン膜を結晶化させることにより、結晶粒径が700nmという大きな結晶粒の結晶性シリコン膜を製造する結晶化方法が開示されている。また、この非特許文献1には、この結晶化方法により得られた結晶性シリコン膜を用いて作製されたTFT(薄膜トランジスタ)は、その電子移動度が、結晶粒径が大きくなると共に高くなり、結晶粒径700nmにおいて、移動度320cm2/V・secが得られたことが開示されている。
【0005】
さらに、特許文献2として、高い特性の半導体装置を得るために、非晶質の珪素膜に結晶化を助長する物質を接する工程と、この工程後に珪素膜の一部のみを結晶化する工程と、この結晶化工程後に珪素膜に、エネルギー密度が200〜400(mJ/cm2)の例えば250(mJ/cm2)のKrFエキシマレーザ(波長248nm、パルス幅20nsec)を照射する工程とを有する半導体装置の作製方法が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−311857号公報
【非特許文献1】
電子情報通信学会技術研究報告、信学技報,Vol.100,No.2,ED2000−14(2000年4月)pp.27〜32
【特許文献2】
特開2000−150382号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1のように、ラマンシフトを測定することによって結晶化状態を評価し、TFTの電子移動度を制御する結晶化方法では、結晶中の酸素濃度などによってもラマンピーク値が変動するため、電子移動度を再現性良く制御することができないという問題がある。
【0008】
また、非特許文献1の結晶化方法では、結晶粒径によってTFTの電子移動度を評価しているが、この非特許文献1には結晶粒界の性質は規定されておらず、粒界の性質によって異なる再結合順位については考慮されていない。よって、この非特許文献1のように、結晶粒径によって半導体膜の結晶化条件を制御した場合、再結合準位が高い半導体膜が製造される虞があり、このような半導体膜を用いて製造されたTFTなどの半導体装置は、所望の性能を再現性良く得ることができないという問題がある。また、特許文献2においても、非特許文献1の場合と同様、結晶粒界の性質は規定されておらず、粒界の性質によって異なる再結合準位については考慮されていない。
【0009】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、結晶品質を再現性良く評価することにより、結晶欠陥を大幅に低減できる結晶性が良好な結晶性半導体膜およびその製造方法、その結晶性半導体膜を用いた半導体装置およびその半導体装置を用いた表示装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶性半導体膜は、基板上に設けられた非晶質半導体膜にエネルギーを加えて得られる結晶性半導体膜において、該結晶性半導体膜を構成する各結晶粒は、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が概略34°以上42°以下または/および58°以上62°以下になるように制御されており、そのことにより上記目的が達成される。
【0011】
また、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜において、結晶性半導体膜を構成する各結晶粒は、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下または/および58°以上62°以下であるものの比率が0.35以上1以下になるように制御されている。
【0012】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜において、結晶性半導体膜を構成する各結晶粒は、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下または/および58°以上62°以下であるものの比率が最も高くなるように制御されている。
【0013】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜における結晶性半導体膜はシリコン材料からなっている。
【0014】
本発明の結晶性半導体膜の製造方法は、基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、該非晶質半導体膜に対して、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が概略34°以上42°以下または/および58°以上62°以下になるようにエネルギーを加えることにより、該非晶質半導体膜を結晶化させる工程とを有しており、そのことにより上記目的が達成される。
【0015】
また、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法に用いるエネルギーの密度および供給時間の少なくとも何れかは、前記非晶質半導体膜にエネルギーを加えた後で、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下または/および58°以上62°以下であるものの比率が0.35以上1以下になるように制御されている。
【0016】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法に用いるエネルギーの密度および供給時間の少なくとも何れかは、前記非晶質半導体膜にエネルギーを加えた後で、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下または/および58°以上62°以下であるものの比率が最も高くなるように制御されている。
【0017】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における結晶性半導体膜はシリコン材料からなっている。
【0018】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法に用いるエネルギーは強光または荷電粒子によるエネルギーである。
【0019】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における強光は、エキシマレーザ光およびYAGレーザ光の何れかである。
【0020】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法におけるエキシマレーザ光のエネルギー密度は、380mJ/cm2以上400mJ/cm2以下である。
【0021】
本発明の半導体装置は、請求項1〜4の何れかに記載の結晶性半導体膜を用いており、そのことにより上記目的が達成される。
【0022】
本発明の表示装置は、請求項12に記載の半導体装置を用いており、そのことにより上記目的が達成される。
【0023】
前記比率は0.37以上0.40以下である。
【0024】
上記構成により、以下に、本発明の作用を説明する。
【0025】
本発明においては、例えば絶縁性表面を有する基板上に形成されたシリコン材料などからなる非晶質半導体膜に、強光や荷電粒子などのエネルギーを加えることにより得られる結晶性半導体膜において、隣接結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下の範囲では、その結晶粒界が低指数のCSL(Coincidence site lattice)となり格子欠陥が少なくなる。また、その結晶方位角度差が58°以上62°以下の範囲では、その結晶構造がツイン構造となり、その結晶粒界に再結合中心が生じない。よって、これらの範囲の比率が例えば0.35以上1以下、より好ましくは、その比率が最も高くなるように制御することによって、結晶品質が再現性良く評価され、高品質な結晶性半導体膜を得ることが可能となる。
【0026】
この場合のエネルギーとして強光を用いる場合、薄い非晶質半導体膜を溶融させるためには例えばエキシマレーザ光を用い、厚い非晶質半導体膜を溶融させるためにはYAGレーザ光を用いることが可能となる。
【0027】
エキシマレーザ光を用いた場合、そのエネルギー密度は、例えば380mJ/cm2以上400mJ/cm2以下にする。
【0028】
このようにして製造された高品質な結晶性半導体膜を用いてTFTなどの半導体装置を製造することが可能となる。これにより、電子移動度が高いTFTなどのトランジスタが得られる。このトランジスタを用いて高性能な液晶ドライバー装置、半導体メモリ装置および半導体論理回路などの半導体装置を得ることが可能となる。この半導体装置を備えた高性能な表示装置をも実現することが可能となる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0030】
本発明は、絶縁性表面を有する基板上に形成された非晶質半導体領域の非晶質シリコン膜にエネルギーを加えて結晶化させることにより得られる結晶性半導体膜において、そのエネルギーの加え方に適正な条件があることに着目して為されたものである。本発明者らの実験によれば、この適正条件によりエネルギーを非晶質シリコン膜に加えると、得られる結晶性シリコン膜において互いに隣接する結晶粒の結晶方位差は、34°以上42°以下または/および58°以上62°以下のものの比率が高くなり、結晶欠陥が低減された良好な結晶性を有する結晶性シリコン膜を再現性よく得ることができることが分かった。
【0031】
以下に、本願発明者らがこのような知見を得た実験について、詳細に説明する。
【0032】
まず、成膜温度を300℃として、SiH4ガスを用いたPE−CVD法によって、ガラス基板上に非晶質シリコン膜を50nmの膜厚に形成した。
【0033】
次に、この非晶質シリコン膜に、XeClエキシマレーザ光を照射して結晶化させることにより、結晶性シリコン膜を作製した。このとき、非晶質シリコン膜に対して、結晶化のために照射されるエキシマレーザ光のエネルギー密度を、360mJ/cm2〜420mJ/cm2の範囲で変化させて、エキシマレーザ光のエネルギー密度について、最適条件を検討した。
【0034】
非晶質シリコン膜に加熱処理を行って得られる結晶性シリコン膜および、非晶質シリコン膜にエキシマレーザ光を照射することによって得られる結晶性シリコン膜の結晶方位は、EBSP(Electron Backscatter Diffraction Pattern)法により測定することができる。このEBSP法は、結晶方位を測定する対象となる試料に対して電子線を照射し、試料によって散乱された電子線によって表される菊地図によって、結晶方位の角度精度±1°以下で、結晶方位の角度を測定する方法である。
【0035】
このEBSP法を用いて、面積6μm×6μmのシリコン膜に、測定ピッチ0.05μmで電子線を照射して、隣接する各測定点間の結晶方位の角度差=Misorientation角度(以下、M角度という)を測定した。
【0036】
図1は、非晶質シリコン膜に加熱処理を行うことによって得られる結晶性シリコン膜の結晶方位について、各M角度の発生数を長さに換算して示したグラフである。
【0037】
図1を参照すると、Misorientation長さ(以下、M長さという)は、測定精度の下限値であるM角度2°から現れ、約65°までの間に分布している。M長さは、34°以上42°以下および58°以上62°以下の範囲で長くなっている。この理由は、次のように考えられる。
【0038】
非晶質シリコン膜に結晶化のためにはエキシマレーザ光が照射されるが、そのエネルギー密度が高いため、形成された結晶性シリコン膜の一部が局所的に溶融されて、再結晶化される。その際に、小さい結晶粒が形成されるが、この小さい結晶粒のM角度が、34°以上42°以下および58°以上62°以下である場合に、エネルギー的に安定化され、配列しやすくなると考えられる。
【0039】
本願発明者らがM角度が34°以上42°以下である結晶粒界を調べたところ、主としてΣ5、Σ7、Σ9という低い指数のCSL(Coincidence site lattice)であった。例えば、Σ5CSLは、5個の基本単位格子毎に同じ構造の境界が繰り返されることを表し、Σ7CSLは、7個の基本単位格子毎に同じ構造の境界が繰り返されることを表し、Σ9CSLは、9個の基本単位格子毎に同じ構造の境界が繰り返されることを表す。このCSLの数字が小さいことは、格子欠陥が少ないことに対応する。
【0040】
また、本願発明者らがM角度が58°以上62°以下であるMisorientationの結晶構造を調べたところ、ツイン構造であった。
下記の表1に、非晶質シリコン膜に対して照射されるエキシマレーザ光のエネルギー密度を360mJ/cm2〜420mJ/cm2の範囲で種々変更した場合について、得られる結晶性シリコン膜のM長さを測定した結果を示している。この表1では、(a)欄にエキシマレーザ光のレーザエネルギー密度、(b)欄に各エネルギー密度のエキシマレーザ光を照射することにより得られた結晶性シリコン膜(結晶性半導体膜)について、M角度範囲34°以上42°以下および58°以上62°以下(表1および図1参照)、2°以上65°以下(図1参照)の各領域のM長さ、(c)欄にM角度範囲34°以上42°以下、58°以上62°以下の各領域の比率とその合計を示している。さらに、(d)欄には、各エネルギー密度のエキシマレーザ光を照射することにより得られた結晶性シリコン膜を用いて、NチャネルTFTを作製し、そのTFTの電子移動度を測定した結果を示している。
【0041】
【表1】

Figure 2004349351
【0042】
エネルギー密度360mJ/cm2および370mJ/cm2でエキシマレーザ光を照射して得られる結晶性シリコン膜は、エキシマレーザ光による非晶質シリコン膜の加熱が不十分であるため、結晶化も不十分となり、M長さが長く、TFTの電子移動度も低くなると考えられる。
【0043】
また、エネルギー密度が380mJ/cm2〜400mJ/cm2でエキシマレーザ光を照射して得られる結晶性シリコン膜は、エキシマレーザ光による非晶質シリコン膜の加熱が適切であり、充分に結晶化されるため、M長さが短く、TFTの電子移動度も高くなると考えられる。即ち、表1では、レーザエネルギー密度を適宜設定してM角度が「34°〜42°」および「58°〜62のものの比率が0.37〜0.40の範囲内にあるときに「移動度」が高くなっている。
【0044】
さらに、エネルギー密度が410mJ/cm2以上では、結晶性シリコン膜が完全溶融された後、冷却中に極微結晶として析出していると考えられる。このため、M長さが長く、再結合中心が多い状態であり、再結合中心がキャリアのトラップ準位として働き、TFTの電子移動度が低下したと考えられる。
【0045】
上記表1によれば、TFTの電子移動度200cm2/V・sec以上を得るための適正条件は、エキシマレーザ光のエネルギー密度が、380mJ/cm2以上400mJ/cm2以下の範囲であるということが分かる。このような条件でエキシマレーザ光を照射して得られる結晶性シリコン膜のM長さは、M角度34°以上42°以下および58°以上62°以下(図1参照)で長くなっている。その中には、再結合中心として作用する結晶格子欠陥が含まれる34°以上42°以下のM角度も存在するが、実用上は許容できる範囲である。
【0046】
上記表1において、隣接する結晶粒の結晶方位差の比率は、下記の式(1)によって求めたものである。
(隣接する結晶粒の結晶方位差34°以上42°以下および58°以上62°以下であるものの比率)={(M角度34°以上42°以下であるもののM長さ)+(M角度58°以上62°以下であるもののM長さ)}/(M角度2°以上65°以下であるもののM長さ)・・・・・・・・式(1)
上記表1によれば、エキシマレーザ光のエネルギー密度が、380mJ/cm2以上400mJ/cm2以下(表1参照)の範囲である場合、隣接する結晶粒の結晶方位差34°以上42°以下および58°以上62°以下であるものの比率は、0.35以上1以下(表1では0.37以上0.40以下)になっている。
従って、隣接する結晶粒の結晶方位差34°以上42°以下および58°以上62°以下であるものの比率が0.35以上1以下であることが好ましいことが分かる。
【0047】
また、TFTの電子移動度が最も高い最適条件では、隣接する結晶粒の結晶方位差が34°以上42°以下および58°以上62°以下であるものの比率も最も高くなっている。したがって、隣接する結晶粒の結晶方位差が34°以上42°以下および58°以上62°以下であるものの比率が最も高くなるように、エキシマレーザ光のエネルギー密度を制御することによって、結晶性が良好な結晶性シリコン膜が得られ、移動度が高いTFTが得られることが分かる。
【0048】
以下に、本発明の結晶性半導体膜とその製造方法、その結晶性半導体膜を用いた半導体装置およびそれを用いた表示装置の具体例について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明では、以下の各具体例(実施形態1〜3)に限定されるものではない。
【0049】
(実施形態1)
本実施形態1では、絶縁性表面を有する基板としてのガラス基板上に、非晶質半導体膜としての非晶質シリコン膜を形成し、その非晶質シリコン膜に対して、エネルギーとしてエキシマレーザ光を照射することにより、結晶性半導体膜として結晶性シリコン膜を作製する場合である。
【0050】
図2は、本発明の結晶性半導体膜の実施形態1とその製造方法について説明するための要部断面図である。
【0051】
図2に示すように、まず、PE−CVD法によって、ガラス基板1上の全面にわたって、非晶質シリコン膜2を50nmの膜厚に形成する。この成膜に用いる材料ガスとしては、SiH4ガスを用い、基板温度は300℃とする。
【0052】
次に、XeClエキシマレーザ光を非晶質シリコン膜2上に照射して、非晶質シリコン膜2を結晶化させる。このときのエキシマレーザ光のエネルギー密度は、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下および58°以上62°以下であるものの比率が最も高くなるように、380mJ/cm2以上400mJ/cm2以下の範囲内に設定する。
【0053】
以上の工程により、隣接する各結晶粒の結晶方位角度差が34°以上42°以下および58°以上62°以下であるものの比率が0.35以上1以下に制御された結晶性シリコン膜が作製される。
【0054】
このようにして、作製された結晶性シリコン膜は、隣接する各結晶粒の結晶方位角度差が34°以上42°以下であるものは結晶欠陥が少なく、隣接する各結晶粒の結晶方位角度差が58°以上62°以下であるものは再結合中心として作用しないため、良好な結晶性を有する結晶シリコン膜を得ることができる。
【0055】
(実施形態2)
本実施形態2では、上述した実施形態1において説明した結晶性シリコン膜を用いて、半導体装置としてのTFT(薄膜トランジスタ)を製造する場合である。
【0056】
図3は、本発明の半導体装置の実施形態2とその製造方法について説明するための断面図である。
【0057】
図3において、本発明の半導体装置としてのTFT(薄膜トランジスタ)は、ガラス基板11上に結晶性シリコン膜12が設けられ、結晶性シリコン膜12に設けられたチャネル領域上に、SiO2膜からなるゲート絶縁膜13を介して、結晶性WSi2膜からなるゲート電極14が設けられている。結晶性シリコン膜12の両側のソース領域およびドレイン領域はそれぞれ、SiO2膜からなるゲート絶縁膜13および層間絶縁膜15に設けられた各コンタクトホール16をそれぞれ介して、Al膜からなる各配線17とそれぞれ電気的に接続されている。この各配線17は、SiN膜からなる保護膜18の各スルーホール19によって外部との各電気的接続が可能となっている。
【0058】
上記構成の薄膜トランジスタを、以下のようにして製造することができる。
【0059】
まず、ガラス基板11上に、上記実施形態1で説明したように、結晶性シリコン膜を形成し、次に、この結晶性シリコン膜をCF4ガスとO2ガスとを用いたRIE法によって、所定形状にパターニングすることによって、島状の結晶性シリコン膜12を形成する。
【0060】
その後、この結晶性シリコン膜12が形成されたガラス基板11の全面にわたって、TEOS(テトラエトキシシラン)ガスとO3ガスとを用いたプラズマCVD法によって、SiO2膜からなるゲート絶縁膜13を形成する。
【0061】
次に、スパッタリング法によって、ゲート絶縁膜13が形成されたガラス基板11の全面にわたって結晶性WSi2膜を形成した後、CF4ガスとO2ガスとを用いたRIE法によって、結晶性シリコン膜12上の略中央部分にのみWSi2膜が残るようにエッチングを行ってパターニングすることにより、結晶性WSi2膜からなるゲート電極14を形成する。
【0062】
さらに、TFT(薄膜トランジスタ)のソース領域およびドレイン領域となる結晶性シリコン膜12の所定部分に不純物をイオンドーピング法により導入する。本実施形態2では、上記結晶性WSi2膜からなるゲート電極14が不純物を導入する際のマスクとして作用するため、ゲート電極14が設けられた部分以外の結晶シリコン膜12に不純物が導入される。n型のトランジスタを形成する場合には、導入される不純物としてリン(P)が用いられ、p型のトランジスタを形成する場合には、導入される不純物としてホウ素(B)が用いられる。
【0063】
さらに、TEOSガスとO3ガスとを用いたプラズマCVD法によって、ガラス基板11の全面にわたって、SiO2膜からなる層間絶縁膜15を形成した後、CF4ガスとCHF3ガスとを用いたRIE法によって、ソース領域およびドレイン領域とされる結晶性シリコン膜12上の層間絶縁膜15に各コンタクトホール16をそれぞれ形成する。
【0064】
さらに、スパッタリング法を用いて基板の全体にわたってAl層を積層した後、BCl3ガスとCl2ガスとを用いたRIE法によって、層間絶縁膜15に形成された各コンタクトホール16をそれぞれ介して結晶性シリコン膜12に導通するAl配線17とする。
【0065】
さらに、SiH4ガスとNH3ガスまたはN2ガスとを用いたプラズマCVD法によって、ガラス基板11の全面にわたって、SiN膜からなる保護膜18を形成し、最後に、保護膜18の一部をCF4ガスとCHF3ガスとを用いたエッチングによって、Al膜からなるAl配線17上に電気的に接続可能なように各スルーホール19を保護膜18にそれぞれ形成することによって、TFT(薄膜トランジスタ)が完成する。
【0066】
このようにして作製されたTFT(薄膜トランジスタ)は、結晶性シリコン膜12において、隣接する各結晶粒の結晶方位角度差が34°以上42°以下であるものは結晶欠陥が少なく、隣接する各結晶粒の結晶方位角度差が58°以上62°以下であるものは再結合中心として作用しないため、移動度が高いTFT(薄膜トランジスタ)を得ることができる。このTFT(薄膜トランジスタ)は、半導体装置として、液晶ドライバー装置、半導体メモリ装置および半導体論理回路などに用いることが可能である。
【0067】
(実施形態3)
本実施形態3では、上記の実施形態2で説明した半導体装置を用いて液晶表示装置などの表示装置を構成する場合である。
【0068】
図4(a)および図4(b)は、本発明の表示装置の実施形態3とその製造方法について説明するための断面図である。なお、図4では、上記実施形態2で説明したTFTについては、図3と同じ符号を付してその詳しい説明は省略する。
【0069】
図4(a)に示すように、表示装置としての液晶表示装置を構成する一方の基板部(アクティブマトリクス基板)は、ガラス基板11上にTFTおよび画素電極20が設けられている。
【0070】
画素電極20は、保護膜18上に設けられており、スルーホール19を介してTFTの配線17と電気的に接続されている。また、画素電極20上にはSiNからなる保護膜21が設けられており、その上にポリイミド膜からなる配向膜22が設けられている。なお、図4(a)では、1画素分だけが示されており、ガラス基板11上には、複数のTFTおよび複数の画素電極20が縦方向および横方向にマトリックス状に設けられてそれぞれ電気的に接続されている。
【0071】
図3(b)に示すように、表示装置としての液晶表示装置を構成する他方の基板部(対向基板)は、ガラス基板31上に、カラーフィルタ32、対向電極33およびポリイミド膜からなる配向膜34が設けられている。
【0072】
両基板部はそれぞれ、所定の間隔を開けて対向配置(間に液晶層を挟んで配向膜22,34が互いに対向配置)されており、両基板の間隙には液晶層が挟持される。
【0073】
この液晶表示装置は、例えば以下のようにして製造することができる。
【0074】
図4(a)に示すように、一方の基板部は、まず、上記実施形態2に説明したように、ガラス基板などの絶縁性基板11上に半導体装置としてのTFTを製造する。
【0075】
次に、保護膜18が形成されたガラス基板11の全面にわたってITO膜を形成し、続いて、HClガスとFeCl3ガスとを用いてエッチングを行ってパターニングすることにより、保護膜18に形成されたスルーホール19を介してTFTの配線17に電気的に接続される画素電極20を形成する。
【0076】
さらに、SiH4ガスとNH3ガスまたはN2ガスとを用いたプラズマCVD法によって、ガラス基板11の全面にわたってSiN膜からなる保護膜21を形成する。
【0077】
その後、この保護膜21上に、ポリイミド膜をオフセット印刷法を用いて形成し、ラビング処理を行うことによって所定の配向膜22を形成する。
【0078】
一方、他方の基板部は、図4(b)に示すように、まず、ガラス基板31上に、R(赤)、G(緑)、B(青)の各感光性樹脂膜を付したフィルムを熱圧着により転写した後、フォトリソグラフィ工程によるパターニングを行い、さらに、R、G、Bの各感光性樹脂が転写された部分間に、遮光性を有するブラックマトリクス部を形成して、カラーフィルタ32を作製する。
【0079】
このカラーフィルター32上に、スパッタリング法によってITO膜をガラス基板31の全面にわたって形成し、これを対向電極33とする。
【0080】
その後、この対向電極33上にポリイミド膜をオフセット印刷法によって形成し、この液晶層側の面のラビング処理を行うことによって配向膜34を形成する。
【0081】
以上のようにして作製された図4(b)に示すカラーフィルタ32などが形成されたガラス基板31を有する対向基板と、図4(a)に示すTFTなどが形成されたガラス基板11を有するアクティブマトリクス基板とを、ラビング処理が施された配向膜22,34の各面が互いに対向するように配置して、シール樹脂によって貼り合わせる。この際、2枚の各ガラス基板11,31間の間隙が一定になるように、ガラス基板11,31間に真球状のシリカからなるスペーサーを散布する。両基板11,31間の間隙に表示媒体となる液晶を注入した後、両ガラス基板11,31の両外側にそれぞれ偏光板を貼り付け、さらに、その周辺にドライバーICなどを実装することによって、液晶表示装置が完成する。
【0082】
このようにして作製された液晶表示装置は、結晶性シリコン膜12において、隣接する各結晶粒の結晶方位角度差が34°以上42°以下であるものは結晶欠陥が少なく、隣接する各結晶粒の結晶方位角度差が58°以上62°以下であるものは再結合中心として作用せず、移動度が高いTFTを備えているため、良好な表示状態の液晶表示装置を得ることができる。
【0083】
以上により、上記実施形態1〜3では、絶縁性表面を有する基板1上に形成された非晶質半導体膜2にエネルギーを加えて結晶成長させることにより結晶性半導体膜を製造する結晶性半導体膜の製造方法において、結晶性半導体膜を構成する各結晶粒が、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が概略34°以上42°以下および58°以上62°以下であるものの比率が0.35以上1以下に制御する。例えば、エキシマレーザ光のエネルギー密度を380mJ/cm2以上400mJ/cm2以下に設定する。これによって、結晶品質を再現性良く評価することにより、結晶欠陥をより低減でき、結晶性が良好な結晶性半導体膜を得ることができて、電子移動度が高い半導体装置および、表示が良好な表示装置を得ることができる。
【0084】
なお、上記実施形態1〜3では、絶縁性表面を有する基板として、ガラス基板11,31を用いたが、石英基板を用いてもよい。また、SiウェハにSiO2膜やSiN膜などを形成したものなどを用いてもよい。
【0085】
また、上記実施形態1〜3では、作製される結晶性半導体膜の具体例として、結晶性シリコン膜を形成する方法を示したが、本発明の結晶性半導体膜の製造方法としては、結晶性シリコン膜を形成する場合に限らず、SiGe膜(結晶性SiGe膜)などを形成する場合についても適用することができる。
【0086】
また、上記実施形態1〜3では、非晶質半導体膜(非晶質シリコン膜)を形成する方法として、SiH4ガスを用いたPE−CVD法を用いたが、Si2H6ガスを用いた減圧CVD法、スパッタ法などの他の方法を用いてもよい。
【0087】
さらに、上記実施形態1〜3では、形成される非晶質半導体膜の膜厚を50nmとしたが、50nm〜150nmの範囲であれば、本発明の結晶性半導体膜の製造方法を適用することができる。
【0088】
この非晶質半導体膜に照射されるレーザ光として、紫外光の波長域を有するエキシマレーザ光、可視・紫外光の波長域を有するYAGレーザ光などが挙げられるが、これらは、半導体膜の種類および膜厚によって使い分けることができる。例えば、紫外光の吸収係数はシリコン材料に対して高いので、薄いシリコン膜を溶融させるためには、紫外光の波長域を有するエキシマレーザ光が適している。また、可視・紫外光の吸収係数はシリコン材料に対して低いので、厚いシリコン膜を溶融させるためには、可視・紫外光の波長域を有するYAGレーザ光が適している。上記実施形態1〜3では、50nmの薄膜のシリコン膜を用いたので、エキシマレーザー光が適している。
【0089】
なお、非晶質半導体膜を結晶化させるためのエネルギーとしてはレーザ光以外の強光によるエネルギーであってもよく、また、荷電粒子によるエネルギーであってもよい。
【0090】
また、上記実施形態1〜3では、レーザエネルギー密度が、非晶質半導体膜にエネルギーを加えた後で、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が所定範囲(略34°以上42°以下または/および58°以上62°以下)であるものの比率が0.35以上1以下になる(または最も高くなる)ように制御する場合について説明したが、レーザ照射条件として、レーザエネルギー密度の他にレーザ照射時間(エネルギー供給時間)があり、レーザエネルギー密度が一定でレーザ照射時間を変化させたり、レーザエネルギー密度およびレーザ照射時間を共に変化させたりすることにより、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が所定範囲であるものの比率が0.35以上1以下になる(または最も高くなる)ように制御していもよい。
【0091】
【発明の効果】
以上により、本発明によれば、基板上に形成された非晶質半導体膜に、隣接する各結晶粒の結晶方位角度差が概略34°以上42°以下または/および58°以上62°以下に制御されたエネルギーを加えることにより、高品質な結晶性半導体膜を得ることができる。このような結晶性が良好な結晶性半導体膜をTFTなどの半導体装置に用いることにより、移動度が高い、高性能な半導体装置を得ることができる。また、このような高性能な半導体装置を用いることにより、表示状態が良好な表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】レーザ照射によって得られる結晶性シリコン膜の結晶方位についてMisorientation長さを示すグラフである。
【図2】本発明の結晶性半導体膜の実施形態1とその製造方法を説明するための基板部の断面図である。
【図3】図1の結晶性シリコン膜を用いた本発明の半導体装置の実施形態2とその製造方法を説明するための基板部の断面図である。
【図4】(a)および(b)はそれぞれ、本発明の表示装置の実施形態3とその製造方法を説明するための各基板部の断面図である。
【符号の説明】
1,11,31 ガラス基板
2 非晶質シリコン膜
12 結晶性シリコン膜
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15 層間絶縁膜
16 コンタクトホール
17 配線
18,21 保護膜
19 スルーホール
20 画素電極
22,34 配向膜
32 カラーフィルタ
33 対向電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a crystalline semiconductor film used as a TFT (thin film transistor) channel region of a liquid crystal driver device, a semiconductor memory device, a semiconductor logic circuit, and the like, a method of manufacturing the same, and a semiconductor device such as a TFT using the crystalline semiconductor film. And a display device such as a liquid crystal display device or an electroluminescence display device using the semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an amorphous semiconductor film is formed over a substrate having an insulating surface such as a non-single-crystal insulating film formed on a substrate having an insulating surface or a non-single-crystal insulating substrate. A crystallization method for crystallizing an amorphous semiconductor film by applying energy to the semiconductor film is known.
[0003]
For example, in Patent Literature 1, an amorphous silicon film is formed to a thickness of 100 nm on a quartz substrate by a sputtering method, and then the amorphous silicon film is irradiated with excimer laser light as energy. A crystallization method for manufacturing a crystalline silicon film by crystallizing a crystalline silicon film is disclosed. In Patent Document 1, a crystalline silicon film obtained by this crystallization method is subjected to Raman spectroscopic measurement, and a TFT (thin film transistor) is formed using a thin film having a Raman peak Raman shift of 515 cm −1 or more. Thus, it is disclosed that electron mobility can be increased.
[0004]
Non-Patent Document 1 discloses that an amorphous silicon film is formed to a thickness of 45 to 50 nm on a glass substrate by using a PE-CVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method, and then the amorphous silicon film is formed. A crystallization method is disclosed in which an amorphous silicon film is crystallized by irradiating the film with excimer laser light to produce a crystalline silicon film having a large crystal grain size of 700 nm. According to Non-Patent Document 1, a TFT (thin film transistor) manufactured using a crystalline silicon film obtained by this crystallization method has an electron mobility that increases as the crystal grain size increases, It is disclosed that a mobility of 320 cm 2 / V · sec was obtained at a crystal grain size of 700 nm.
[0005]
Further, as a patent document 2, a step of contacting a substance which promotes crystallization with an amorphous silicon film in order to obtain a semiconductor device with high characteristics, and a step of crystallizing only a part of the silicon film after this step Irradiating the silicon film with a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, pulse width: 20 nsec) having an energy density of 200 to 400 (mJ / cm2), for example, 250 (mJ / cm2) after the crystallization step. Are disclosed.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-311857 A
[Non-patent document 1]
IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, Vol. 100, no. 2, ED2000-14 (April 2000) pp. 27-32
[Patent Document 2]
JP-A-2000-150382
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the crystallization method of evaluating the crystallization state by measuring the Raman shift and controlling the electron mobility of the TFT as in Patent Document 1, the Raman peak value varies depending on the oxygen concentration in the crystal and the like. Therefore, there is a problem that the electron mobility cannot be controlled with good reproducibility.
[0008]
In addition, in the crystallization method of Non-Patent Document 1, the electron mobility of a TFT is evaluated based on the crystal grain size. However, in Non-Patent Document 1, the properties of the crystal grain boundaries are not specified, and No consideration is given to recombination orders that differ by nature. Therefore, when the crystallization condition of the semiconductor film is controlled by the crystal grain size as in Non-Patent Document 1, a semiconductor film having a high recombination level may be manufactured. Semiconductor devices such as manufactured TFTs have a problem that desired performance cannot be obtained with good reproducibility. Also, in Patent Document 2, similarly to Non-Patent Document 1, the properties of the crystal grain boundaries are not specified, and recombination levels that differ depending on the properties of the grain boundaries are not considered.
[0009]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and evaluates crystal quality with good reproducibility, thereby greatly reducing crystal defects. It is an object to provide a semiconductor device using a film and a display device using the semiconductor device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The crystalline semiconductor film of the present invention is a crystalline semiconductor film obtained by applying energy to an amorphous semiconductor film provided on a substrate, wherein each crystal grain constituting the crystalline semiconductor film has an adjacent crystal grain. The crystal orientation angle difference between them is controlled so as to be approximately 34 ° or more and 42 ° or less and / or 58 ° or more and 62 ° or less, thereby achieving the above object.
[0011]
Preferably, in the crystalline semiconductor film of the present invention, each crystal grain constituting the crystalline semiconductor film has a crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains of 34 ° or more and 42 ° or less or / and 58 ° or more and 62 ° or less. The ratio is controlled so that the ratio is less than or equal to 0.35 and less than or equal to 1.
[0012]
More preferably, in the crystalline semiconductor film of the present invention, each crystal grain constituting the crystalline semiconductor film has a crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains of 34 ° or more and 42 ° or less or / and 58 ° or more and 62 ° or less. ° or less is controlled so that the ratio is the highest.
[0013]
More preferably, the crystalline semiconductor film in the crystalline semiconductor film of the present invention is made of a silicon material.
[0014]
In the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention, a step of forming an amorphous semiconductor film on a substrate, and a difference in crystal orientation angle between adjacent crystal grains with respect to the amorphous semiconductor film is approximately 34 ° or more. Crystallizing the amorphous semiconductor film by applying energy so as to be 42 ° or less and / or 58 ° or more and 62 ° or less, thereby achieving the above object.
[0015]
Further, preferably, at least one of the energy density and the supply time used in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention is such that, after applying energy to the amorphous semiconductor film, the crystal of adjacent crystal grains is formed. The azimuth angle difference is controlled so that the ratio of those having an azimuth angle difference of 34 ° or more and 42 ° or less and / or 58 ° or more and 62 ° or less becomes 0.35 or more and 1 or less.
[0016]
Further preferably, at least one of the energy density and the supply time used in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention is such that, after applying energy to the amorphous semiconductor film, the crystal of adjacent crystal grains is formed. The azimuth angle difference is controlled so that the ratio of those having a directional angle difference of 34 ° or more and 42 ° or less and / or 58 ° or more and 62 ° or less becomes the highest.
[0017]
Still preferably, in a method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to the present invention, the crystalline semiconductor film is made of a silicon material.
[0018]
More preferably, the energy used in the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention is energy from strong light or charged particles.
[0019]
Still preferably, in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to the present invention, the intense light is one of an excimer laser beam and a YAG laser beam.
[0020]
More preferably, the energy density of excimer laser light in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention is 380 mJ / cm2 or more and 400 mJ / cm2 or less.
[0021]
A semiconductor device according to the present invention uses the crystalline semiconductor film according to any one of claims 1 to 4, thereby achieving the above object.
[0022]
A display device according to the present invention uses the semiconductor device according to claim 12, thereby achieving the above object.
[0023]
The ratio is 0.37 or more and 0.40 or less.
[0024]
The operation of the present invention having the above configuration will be described below.
[0025]
In the present invention, for example, a crystalline semiconductor film obtained by applying energy such as strong light or charged particles to an amorphous semiconductor film made of a silicon material or the like formed over a substrate having an insulating surface is adjacent to the amorphous semiconductor film. When the crystal orientation angle difference between the crystal grains is in the range of 34 ° or more and 42 ° or less, the crystal grain boundary becomes a low index CSL (Coincidence site lattice) and lattice defects are reduced. When the crystal orientation angle difference is in the range of 58 ° or more and 62 ° or less, the crystal structure becomes a twin structure, and no recombination center is generated at the crystal grain boundary. Therefore, the ratio of these ranges is, for example, 0.35 or more and 1 or less, and more preferably, by controlling the ratio to be the highest, the crystal quality is evaluated with good reproducibility, and a high-quality crystalline semiconductor film is obtained. It is possible to obtain.
[0026]
When intense light is used as energy in this case, for example, excimer laser light can be used to melt a thin amorphous semiconductor film, and YAG laser light can be used to melt a thick amorphous semiconductor film. It becomes.
[0027]
When excimer laser light is used, the energy density is, for example, not less than 380 mJ / cm2 and not more than 400 mJ / cm2.
[0028]
A semiconductor device such as a TFT can be manufactured using the high-quality crystalline semiconductor film manufactured as described above. Thereby, a transistor such as a TFT having high electron mobility can be obtained. Using this transistor, a high-performance semiconductor device such as a liquid crystal driver device, a semiconductor memory device, or a semiconductor logic circuit can be obtained. It is also possible to realize a high-performance display device including this semiconductor device.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
The present invention relates to a crystalline semiconductor film obtained by applying energy to an amorphous silicon film in an amorphous semiconductor region formed on a substrate having an insulating surface to crystallize the amorphous silicon film. It is made by paying attention to the fact that there are appropriate conditions. According to the experiments of the present inventors, when energy is applied to the amorphous silicon film under the proper conditions, the crystal orientation difference between adjacent crystal grains in the obtained crystalline silicon film is 34 ° or more and 42 ° or less or And / or the ratio of those of 58 ° or more and 62 ° or less was increased, and it was found that a crystalline silicon film having good crystallinity with reduced crystal defects can be obtained with good reproducibility.
[0031]
Hereinafter, an experiment in which the inventors of the present application have obtained such knowledge will be described in detail.
[0032]
First, an amorphous silicon film was formed to a thickness of 50 nm on a glass substrate by a PE-CVD method using a SiH 4 gas at a film formation temperature of 300 ° C.
[0033]
Next, a crystalline silicon film was produced by irradiating the amorphous silicon film with XeCl excimer laser light for crystallization. At this time, the energy density of the excimer laser light irradiated for crystallization on the amorphous silicon film is changed in the range of 360 mJ / cm2 to 420 mJ / cm2, and the energy density of the excimer laser light is The optimal conditions were studied.
[0034]
The crystal orientation of the crystalline silicon film obtained by performing heat treatment on the amorphous silicon film and the crystalline silicon film obtained by irradiating the amorphous silicon film with excimer laser light is EBSP (Electron Backscatter Diffraction Pattern). ) Method. In the EBSP method, an electron beam is applied to a sample whose crystal orientation is to be measured, and the crystal orientation is adjusted to an angle accuracy of ± 1 ° or less by a chrysanthemum map represented by the electron beam scattered by the sample. This is a method of measuring the azimuth angle.
[0035]
Using this EBSP method, a silicon film having an area of 6 μm × 6 μm is irradiated with an electron beam at a measurement pitch of 0.05 μm, and the angle difference of crystal orientation between adjacent measurement points = Misorientation angle (hereinafter referred to as M angle) ) Was measured.
[0036]
FIG. 1 is a graph showing the crystal orientation of a crystalline silicon film obtained by performing a heat treatment on an amorphous silicon film by converting the number of occurrences of each M angle into a length.
[0037]
Referring to FIG. 1, the Misorientation length (hereinafter, referred to as M length) appears from an M angle of 2 ° which is a lower limit value of the measurement accuracy, and is distributed up to about 65 °. The M length is longer in the range of 34 ° to 42 ° and 58 ° to 62 °. The reason is considered as follows.
[0038]
Excimer laser light is applied to the amorphous silicon film for crystallization, but due to its high energy density, part of the formed crystalline silicon film is locally melted and recrystallized. You. At this time, small crystal grains are formed. When the M angle of the small crystal grains is 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less, the energy is stabilized and the alignment is easy. It is considered to be.
[0039]
When the inventors of the present application examined a crystal grain boundary having an M angle of 34 ° or more and 42 ° or less, it was found that the index was mainly CSL (coincidence site lattice) having a low index of Σ5, Σ7, and Σ9. For example, $ 5CSL indicates that the boundary of the same structure is repeated for every five basic unit cells, $ 7CSL indicates that the boundary of the same structure is repeated for every seven basic unit cells, and $ 9CSL indicates that the boundary of the same structure is nine. It indicates that the boundary of the same structure is repeated for each of the basic unit cells. A small CSL number corresponds to a small number of lattice defects.
[0040]
Further, the present inventors examined the crystal structure of Misorientation having an M angle of 58 ° or more and 62 ° or less, and found that the crystal structure had a twin structure.
Table 1 below shows the M length of the obtained crystalline silicon film when the energy density of the excimer laser light applied to the amorphous silicon film was variously changed in the range of 360 mJ / cm2 to 420 mJ / cm2. Shows the results of the measurement. In Table 1, column (a) shows the laser energy density of the excimer laser beam, and column (b) shows the crystalline silicon film (crystalline semiconductor film) obtained by irradiating the excimer laser beam of each energy density. M angle range 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less (see Table 1 and FIG. 1), M length of each region of 2 ° or more and 65 ° or less (see FIG. 1), and M in column (c). The ratio of each region in the angle range of 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less and the sum thereof are shown. In column (d), an N-channel TFT was fabricated using a crystalline silicon film obtained by irradiating an excimer laser beam of each energy density, and the result of measurement of the electron mobility of the TFT was measured. Is shown.
[0041]
[Table 1]
Figure 2004349351
[0042]
A crystalline silicon film obtained by irradiating an excimer laser beam at an energy density of 360 mJ / cm2 and 370 mJ / cm2 has insufficient crystallization due to insufficient heating of the amorphous silicon film by the excimer laser beam. It is considered that the M length is long and the electron mobility of the TFT is also low.
[0043]
A crystalline silicon film obtained by irradiating an excimer laser beam at an energy density of 380 mJ / cm2 to 400 mJ / cm2 is suitable for heating an amorphous silicon film by the excimer laser beam and is sufficiently crystallized. Therefore, it is considered that the M length is short and the electron mobility of the TFT is also increased. That is, in Table 1, the laser energy density is appropriately set, and the “moving” is performed when the ratio of the M angles of “34 ° to 42 °” and “58 ° to 62” is in the range of 0.37 to 0.40. Degree is higher.
[0044]
Further, when the energy density is 410 mJ / cm2 or more, it is considered that the crystalline silicon film is completely melted and then precipitated as microcrystals during cooling. Therefore, the M length is long and the number of recombination centers is large, and it is considered that the recombination centers function as trap levels of carriers, and the electron mobility of the TFT is reduced.
[0045]
According to the above Table 1, it is understood that the appropriate condition for obtaining the electron mobility of 200 cm2 / V · sec or more of the TFT is that the energy density of the excimer laser light is in the range of 380 mJ / cm2 to 400 mJ / cm2. . The M length of the crystalline silicon film obtained by irradiating the excimer laser beam under such conditions is longer at M angles of 34 ° to 42 ° and 58 ° to 62 ° (see FIG. 1). Among them, there is also an M angle of 34 ° or more and 42 ° or less including a crystal lattice defect acting as a recombination center, but this is within a practically acceptable range.
[0046]
In the above Table 1, the ratio of the crystal orientation difference between adjacent crystal grains is obtained by the following equation (1).
(Ratio of crystal orientation difference between adjacent crystal grains of 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less) = {(M length of M angle of 34 ° or more and 42 ° or less) + (M angle 58 M length of not less than 60 ° and not more than 62 °) / (M length of M not less than 2 ° and not more than 65 °) Equation (1)
According to Table 1, when the energy density of the excimer laser beam is in the range of 380 mJ / cm2 to 400 mJ / cm2 (see Table 1), the crystal orientation difference between adjacent crystal grains is 34 ° to 42 ° and 58%. The ratio of those not less than ° and not more than 62 ° is not less than 0.35 and not more than 1 (in Table 1, not less than 0.37 and not more than 0.40).
Therefore, it is understood that the ratio of the crystal orientation difference between adjacent crystal grains of 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less is preferably 0.35 or more and 1 or less.
[0047]
Further, under the optimum condition where the electron mobility of the TFT is the highest, the ratio of the crystal orientation difference between adjacent crystal grains of 34 ° to 42 ° and 58 ° to 62 ° is also highest. Therefore, the crystallinity is controlled by controlling the energy density of the excimer laser light so that the ratio of the crystal orientation difference between adjacent crystal grains of 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less becomes highest. It can be seen that a favorable crystalline silicon film can be obtained and a TFT having high mobility can be obtained.
[0048]
Hereinafter, specific examples of a crystalline semiconductor film of the present invention, a manufacturing method thereof, a semiconductor device using the crystalline semiconductor film, and a display device using the same will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following specific examples (Embodiments 1 to 3).
[0049]
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, an amorphous silicon film as an amorphous semiconductor film is formed on a glass substrate as a substrate having an insulating surface, and excimer laser light is used as energy for the amorphous silicon film. Is applied to form a crystalline silicon film as a crystalline semiconductor film.
[0050]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a principal part for describing Embodiment 1 of the crystalline semiconductor film of the present invention and a method for manufacturing the same.
[0051]
As shown in FIG. 2, first, an amorphous silicon film 2 is formed to a thickness of 50 nm over the entire surface of a glass substrate 1 by PE-CVD. As a material gas used for the film formation, a SiH4 gas is used, and the substrate temperature is set to 300 ° C.
[0052]
Next, the amorphous silicon film 2 is crystallized by irradiating the amorphous silicon film 2 with XeCl excimer laser light. At this time, the energy density of the excimer laser light is 380 mJ / cm 2 or more such that the ratio of the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains of 34 ° to 42 ° and 58 ° to 62 ° is highest. It is set within the range of 400 mJ / cm2 or less.
[0053]
Through the above steps, a crystalline silicon film in which the ratio between crystal orientation angles of adjacent crystal grains of 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less is controlled to 0.35 or more and 1 or less is manufactured. Is done.
[0054]
In the crystalline silicon film thus manufactured, the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains of 34 ° or more and 42 ° or less has few crystal defects, and the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is small. Is 58 ° or more and 62 ° or less, does not act as a recombination center, so that a crystalline silicon film having good crystallinity can be obtained.
[0055]
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a TFT (thin film transistor) as a semiconductor device is manufactured using the crystalline silicon film described in the first embodiment.
[0056]
FIG. 3 is a cross-sectional view for describing Embodiment 2 of the semiconductor device of the present invention and a method for manufacturing the same.
[0057]
In FIG. 3, a TFT (thin film transistor) as a semiconductor device of the present invention has a crystalline silicon film 12 provided on a glass substrate 11, and a gate made of a SiO 2 film on a channel region provided in the crystalline silicon film 12. A gate electrode 14 made of a crystalline WSi2 film is provided via an insulating film 13. The source region and the drain region on both sides of the crystalline silicon film 12 are connected to respective wirings 17 made of an Al film via respective contact holes 16 provided in a gate insulating film 13 made of a SiO 2 film and an interlayer insulating film 15. Each is electrically connected. Each wiring 17 can be electrically connected to the outside by each through hole 19 of a protective film 18 made of a SiN film.
[0058]
The thin film transistor having the above configuration can be manufactured as follows.
[0059]
First, a crystalline silicon film is formed on the glass substrate 11 as described in the first embodiment, and then this crystalline silicon film is formed into a predetermined shape by RIE using CF4 gas and O2 gas. By patterning, an island-shaped crystalline silicon film 12 is formed.
[0060]
Thereafter, a gate insulating film 13 made of a SiO2 film is formed over the entire surface of the glass substrate 11 on which the crystalline silicon film 12 is formed by a plasma CVD method using a TEOS (tetraethoxysilane) gas and an O3 gas.
[0061]
Next, a crystalline WSi2 film is formed over the entire surface of the glass substrate 11 on which the gate insulating film 13 is formed by a sputtering method, and then the crystalline silicon film 12 is formed on the crystalline silicon film 12 by an RIE method using a CF4 gas and an O2 gas. The gate electrode 14 made of a crystalline WSi2 film is formed by performing etching and patterning so that the WSi2 film remains only at a substantially central portion.
[0062]
Further, impurities are introduced into predetermined portions of the crystalline silicon film 12 to be source and drain regions of a TFT (thin film transistor) by an ion doping method. In the second embodiment, since the gate electrode 14 made of the crystalline WSi2 film functions as a mask when introducing the impurity, the impurity is introduced into the crystalline silicon film 12 other than the portion where the gate electrode 14 is provided. When an n-type transistor is formed, phosphorus (P) is used as an impurity to be introduced, and when a p-type transistor is formed, boron (B) is used as an impurity to be introduced.
[0063]
Further, after an interlayer insulating film 15 made of a SiO2 film is formed over the entire surface of the glass substrate 11 by a plasma CVD method using a TEOS gas and an O3 gas, the source is formed by an RIE method using a CF4 gas and a CHF3 gas. Each contact hole 16 is formed in the interlayer insulating film 15 on the crystalline silicon film 12 to be a region and a drain region.
[0064]
Further, after an Al layer is stacked over the entire substrate by using the sputtering method, the crystalline silicon is formed through the respective contact holes 16 formed in the interlayer insulating film 15 by the RIE method using BCl3 gas and Cl2 gas. The Al wiring 17 is connected to the film 12.
[0065]
Further, a protective film 18 made of a SiN film is formed over the entire surface of the glass substrate 11 by a plasma CVD method using a SiH4 gas and an NH3 gas or a N2 gas. Finally, a part of the protective film 18 is formed with a CF4 gas. By forming each through hole 19 in the protective film 18 so as to be electrically connectable on the Al wiring 17 made of an Al film by etching using CHF3 gas, a TFT (thin film transistor) is completed.
[0066]
In the TFT (thin film transistor) manufactured as described above, the crystal silicon film 12 in which the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is 34 ° or more and 42 ° or less has few crystal defects, and Those having a crystal orientation angle difference of 58 ° or more and 62 ° or less do not act as recombination centers, so that a TFT (thin film transistor) having high mobility can be obtained. This TFT (thin film transistor) can be used as a semiconductor device in a liquid crystal driver device, a semiconductor memory device, a semiconductor logic circuit, or the like.
[0067]
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a display device such as a liquid crystal display device is configured using the semiconductor device described in the second embodiment.
[0068]
FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views illustrating a display device according to a third embodiment of the present invention and a method for manufacturing the display device. In FIG. 4, the same reference numerals as in FIG. 3 denote the TFTs described in the second embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
[0069]
As shown in FIG. 4A, one substrate portion (active matrix substrate) of a liquid crystal display device as a display device has a TFT and a pixel electrode 20 provided on a glass substrate 11.
[0070]
The pixel electrode 20 is provided on the protective film 18 and is electrically connected to the TFT wiring 17 via the through hole 19. A protective film 21 made of SiN is provided on the pixel electrode 20, and an alignment film 22 made of a polyimide film is provided thereon. In FIG. 4A, only one pixel is shown. On the glass substrate 11, a plurality of TFTs and a plurality of pixel electrodes 20 are provided in a matrix in a vertical direction and a horizontal direction, and each of them is electrically connected. Connected.
[0071]
As shown in FIG. 3B, the other substrate part (opposite substrate) constituting the liquid crystal display device as a display device includes a glass substrate 31, a color filter 32, an opposite electrode 33, and an alignment film made of a polyimide film. 34 are provided.
[0072]
The two substrates are opposed to each other at a predetermined interval (the alignment films 22 and 34 are opposed to each other with a liquid crystal layer interposed therebetween), and the liquid crystal layer is sandwiched between the two substrates.
[0073]
This liquid crystal display device can be manufactured, for example, as follows.
[0074]
As shown in FIG. 4A, in one substrate portion, first, as described in the second embodiment, a TFT as a semiconductor device is manufactured on an insulating substrate 11 such as a glass substrate.
[0075]
Next, an ITO film was formed over the entire surface of the glass substrate 11 on which the protective film 18 was formed, and subsequently, the protective film 18 was formed by etching and patterning using HCl gas and FeCl 3 gas. A pixel electrode 20 that is electrically connected to the TFT wiring 17 via the through hole 19 is formed.
[0076]
Further, a protective film 21 made of a SiN film is formed over the entire surface of the glass substrate 11 by a plasma CVD method using a SiH4 gas and an NH3 gas or an N2 gas.
[0077]
Thereafter, a polyimide film is formed on the protective film 21 by using an offset printing method, and a predetermined alignment film 22 is formed by performing a rubbing process.
[0078]
On the other hand, as shown in FIG. 4B, the other substrate portion is a film in which R (red), G (green), and B (blue) photosensitive resin films are formed on a glass substrate 31. Is transferred by thermocompression bonding, patterning is performed by a photolithography process, and a black matrix portion having a light-shielding property is formed between the portions where the R, G, and B photosensitive resins are transferred. 32 is manufactured.
[0079]
On this color filter 32, an ITO film is formed over the entire surface of the glass substrate 31 by a sputtering method, and this is used as a counter electrode 33.
[0080]
Thereafter, a polyimide film is formed on the counter electrode 33 by an offset printing method, and a rubbing process is performed on the surface on the liquid crystal layer side to form an alignment film 34.
[0081]
A counter substrate having the glass substrate 31 on which the color filter 32 and the like shown in FIG. 4B formed as described above is formed, and a glass substrate 11 on which a TFT and the like are formed as shown in FIG. The active matrix substrate is arranged such that the surfaces of the rubbed alignment films 22 and 34 face each other, and are bonded together with a sealing resin. At this time, a spacer made of true spherical silica is dispersed between the glass substrates 11 and 31 so that the gap between the two glass substrates 11 and 31 is constant. After injecting liquid crystal serving as a display medium into the gap between the two substrates 11 and 31, a polarizing plate is attached to both outer sides of the two glass substrates 11 and 31, and further, a driver IC or the like is mounted on the periphery thereof. The liquid crystal display device is completed.
[0082]
In the liquid crystal display device manufactured in this manner, in the crystalline silicon film 12, when the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is 34 ° or more and 42 ° or less, there are few crystal defects, and A crystal liquid crystal display device having a crystal orientation angle difference of 58 ° or more and 62 ° or less does not act as a recombination center and has a high mobility TFT, so that a liquid crystal display device in a good display state can be obtained.
[0083]
As described above, in the first to third embodiments, the crystalline semiconductor film is manufactured by applying energy to the amorphous semiconductor film 2 formed on the substrate 1 having an insulating surface to grow the crystal. In the manufacturing method, the ratio of the crystal grains constituting the crystalline semiconductor film in which the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is approximately 34 ° to 42 ° and 58 ° to 62 ° is 0.35. It is controlled to be 1 or less. For example, the energy density of the excimer laser light is set to 380 mJ / cm2 or more and 400 mJ / cm2 or less. Thereby, by evaluating the crystal quality with good reproducibility, crystal defects can be further reduced, a crystalline semiconductor film having good crystallinity can be obtained, and a semiconductor device having high electron mobility and good display can be obtained. A display device can be obtained.
[0084]
In the first to third embodiments, the glass substrates 11 and 31 are used as substrates having an insulating surface, but a quartz substrate may be used. Further, an Si wafer formed with a SiO2 film, a SiN film, or the like may be used.
[0085]
In the first to third embodiments, a method of forming a crystalline silicon film has been described as a specific example of a crystalline semiconductor film to be manufactured. The present invention can be applied not only to the case of forming a silicon film but also to the case of forming a SiGe film (crystalline SiGe film) or the like.
[0086]
In the first to third embodiments, the PE-CVD method using a SiH4 gas is used as a method for forming an amorphous semiconductor film (amorphous silicon film), but the low-pressure CVD method using a Si2H6 gas is used. Alternatively, another method such as a sputtering method may be used.
[0087]
Further, in the first to third embodiments, the thickness of the formed amorphous semiconductor film is set to 50 nm. However, if the thickness is in the range of 50 nm to 150 nm, the method of manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention may be applied. Can be.
[0088]
Examples of the laser light applied to the amorphous semiconductor film include an excimer laser light having a wavelength range of ultraviolet light and a YAG laser light having a wavelength range of visible / ultraviolet light. It can be properly used depending on the film thickness. For example, since the absorption coefficient of ultraviolet light is higher than that of a silicon material, excimer laser light having a wavelength range of ultraviolet light is suitable for melting a thin silicon film. Further, since the absorption coefficient of visible / ultraviolet light is lower than that of a silicon material, a YAG laser beam having a visible / ultraviolet light wavelength range is suitable for melting a thick silicon film. In the first to third embodiments, since a thin silicon film of 50 nm is used, excimer laser light is suitable.
[0089]
Note that the energy for crystallizing the amorphous semiconductor film may be energy due to strong light other than laser light, or energy due to charged particles.
[0090]
In the first to third embodiments, the laser energy density is such that the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is within a predetermined range (approximately 34 ° to 42 ° or less) after applying energy to the amorphous semiconductor film. And / or 58 ° or more and 62 ° or less), the case where the ratio is controlled to be 0.35 or more and 1 or less (or the highest) has been described. There is an irradiation time (energy supply time). By changing the laser irradiation time while the laser energy density is constant, or by changing both the laser energy density and the laser irradiation time, the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains May be controlled so that the ratio of which is within a predetermined range becomes 0.35 or more and 1 or less (or becomes the highest).
[0091]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the crystal orientation angle difference of each crystal grain adjacent to the amorphous semiconductor film formed on the substrate is approximately 34 ° or more and 42 ° or less and / or 58 ° or more and 62 ° or less. By applying controlled energy, a high-quality crystalline semiconductor film can be obtained. By using such a crystalline semiconductor film with good crystallinity for a semiconductor device such as a TFT, a high-performance semiconductor device with high mobility can be obtained. In addition, by using such a high-performance semiconductor device, a display device with a favorable display state can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a Misorientation length with respect to a crystal orientation of a crystalline silicon film obtained by laser irradiation.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a substrate portion for explaining a crystalline semiconductor film according to a first embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate part for describing a second embodiment of the semiconductor device of the present invention using the crystalline silicon film of FIG. 1 and a method of manufacturing the same.
FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views of respective substrate portions for describing a display device according to a third embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same.
[Explanation of symbols]
1,11,31 glass substrate
2 Amorphous silicon film
12 crystalline silicon film
13 Gate insulating film
14 Gate electrode
15 Interlayer insulation film
16 Contact hole
17 Wiring
18,21 protective film
19 Through Hole
20 pixel electrode
22, 34 alignment film
32 color filters
33 Counter electrode

Claims (13)

基板上に設けられた非晶質半導体膜にエネルギーを加えて得られる結晶性半導体膜において、
該結晶性半導体膜を構成する各結晶粒は、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下および58°以上62°以下の少なくとも何れかの範囲内になるように制御されている結晶性半導体膜。
In a crystalline semiconductor film obtained by applying energy to an amorphous semiconductor film provided on a substrate,
Each crystal grain constituting the crystalline semiconductor film is controlled such that the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is at least one of 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less. Crystalline semiconductor film.
前記結晶性半導体膜を構成する各結晶粒は、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下および58°以上62°以下の少なくとも何れかの範囲内にあるものの比率が0.35以上1以下になるように制御されている請求項1に記載の結晶性半導体膜。The crystal grains constituting the crystalline semiconductor film have a crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains of 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less in a ratio of 0. 2. The crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the crystalline semiconductor film is controlled to be not less than 35 and not more than 1. 前記結晶性半導体膜を構成する各結晶粒は、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下および58°以上62°以下の少なくとも何れかの範囲内にあるものの比率が最も高くなるように制御されている請求項1に記載の結晶性半導体膜。In each of the crystal grains constituting the crystalline semiconductor film, the ratio of those in which the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is in at least one of 34 ° to 42 ° and 58 ° to 62 ° is the most. 2. The crystalline semiconductor film according to claim 1, which is controlled to be higher. 前記結晶性半導体膜はシリコン材料からなっている請求項1〜3の何れかに記載の結晶性半導体膜。The crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the crystalline semiconductor film is made of a silicon material. 基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、
該非晶質半導体膜に対して、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下および58°以上62°以下の少なくとも何れかの範囲内になるようにエネルギーを加えることにより、該非晶質半導体膜を結晶化させる工程とを有する結晶性半導体膜の製造方法。
Forming an amorphous semiconductor film on the substrate;
By applying energy to the amorphous semiconductor film so that the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains falls within at least one of 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or less. Crystallizing the amorphous semiconductor film.
前記エネルギーの密度および供給時間の少なくとも何れかは、前記非晶質半導体膜にエネルギーを加えた後で、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下および58°以上62°以下の少なくとも何れかの範囲内にあるものの比率が0.35以上1以下になるように制御されている請求項5に記載の結晶性半導体膜の製造方法。At least one of the energy density and the supply time is such that after applying energy to the amorphous semiconductor film, the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or more. The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 5, wherein a ratio of at least one of the following ranges is controlled to be 0.35 or more and 1 or less. 前記エネルギーの密度および供給時間の少なくとも何れかは、前記非晶質半導体膜にエネルギーを加えた後で、隣接する結晶粒同士の結晶方位角度差が34°以上42°以下および58°以上62°以下の少なくとも何れかの範囲内にあるものの比率が最も高くなるように制御されている請求項5に記載の結晶性半導体膜の製造方法。At least one of the energy density and the supply time is such that after applying energy to the amorphous semiconductor film, the crystal orientation angle difference between adjacent crystal grains is 34 ° or more and 42 ° or less and 58 ° or more and 62 ° or more. The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 5, wherein a ratio of at least one of the following ranges is controlled to be highest. 前記結晶性半導体膜はシリコン材料からなっている請求項5〜7の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法。The method according to claim 5, wherein the crystalline semiconductor film is made of a silicon material. 前記エネルギーは強光または荷電粒子によるエネルギーである請求項5に記載の結晶性半導体膜の製造方法。The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 5, wherein the energy is energy by strong light or charged particles. 前記強光は、エキシマレーザ光およびYAGレーザ光の何れかである請求項9に記載の結晶性半導体膜の製造方法。The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 9, wherein the intense light is one of an excimer laser beam and a YAG laser beam. 前記エキシマレーザ光のエネルギー密度は、380mJ/cm2以上400mJ/cm2以下である請求項10に記載の結晶性半導体膜の製造方法。The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 10, wherein the energy density of the excimer laser light is 380 mJ / cm2 or more and 400 mJ / cm2 or less. 請求項1〜4の何れかに記載の結晶性半導体膜が用いれた半導体装置。A semiconductor device using the crystalline semiconductor film according to claim 1. 請求項12に記載の半導体装置が用いられた表示装置。A display device using the semiconductor device according to claim 12.
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