JP2791858B2 - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device manufacturing method

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JP2791858B2
JP2791858B2 JP6164643A JP16464394A JP2791858B2 JP 2791858 B2 JP2791858 B2 JP 2791858B2 JP 6164643 A JP6164643 A JP 6164643A JP 16464394 A JP16464394 A JP 16464394A JP 2791858 B2 JP2791858 B2 JP 2791858B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜半導体を用いた半
導体装置の構成およびその作製方法に関する。例えば、
ガラス等の絶縁基板上に設けられたTFT(薄膜トラン
ジスタ)の構成および体装置及びその作製方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a semiconductor device using a thin film semiconductor and a method of manufacturing the same. For example,
The present invention relates to a configuration and a body device of a TFT (thin film transistor) provided on an insulating substrate such as glass, and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ
(以下TFT等)が知られている。このTFTは、基板
上に薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて構成
されるものである。このTFTは、各種集積回路に利用
されているが、特に電気光学装置特にアクティブマトリ
ックス型の液晶表示装置の各画素に設けられたスイッチ
ング素子、さらには画素を駆動する周辺回路部分に形成
されるドライバー素子として注目されている。
2. Description of the Related Art Thin film transistors (hereinafter referred to as TFTs) using thin film semiconductors are known. This TFT is formed by forming a thin-film semiconductor on a substrate and using the thin-film semiconductor. This TFT is used in various integrated circuits. In particular, a switching element provided in each pixel of an electro-optical device, particularly an active matrix type liquid crystal display device, and a driver formed in a peripheral circuit portion for driving the pixel. It is attracting attention as an element.

【0003】これらの装置に用いられるTFTには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体(a−Si)か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
2つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低
く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性
に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるTFTの作製方法の確立が強く求められて
いた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶
珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性
と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素
等が知られている。
[0003] Thin film silicon semiconductors are generally used for TFTs used in these devices. Thin-film silicon semiconductors are roughly classified into two types: those made of an amorphous silicon semiconductor (a-Si) and those made of a crystalline silicon semiconductor. Amorphous silicon semiconductors are most commonly used because they have a low manufacturing temperature, can be manufactured relatively easily by a gas phase method, and have high mass productivity. Since it is inferior to a silicon semiconductor having
In order to obtain higher-speed characteristics in the future, it has been strongly required to establish a method for manufacturing a TFT made of a crystalline silicon semiconductor. Note that, as a silicon semiconductor having crystallinity, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon containing a crystal component, semi-amorphous silicon having an intermediate state between crystalline and amorphous, and the like are known. .

【0004】これら結晶性を有する薄膜状の珪素半導体
を得る方法としては、 (1) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。 (2) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光
のエネルギーにより結晶性を有せしめる。 (3) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギ
ーを加えることにより結晶性を有せしめる。 と言った方法が知られている。
A method for obtaining a silicon semiconductor in the form of a thin film having crystallinity is as follows: (1) A film having crystallinity is directly formed at the time of film formation. (2) An amorphous semiconductor film is formed, and crystallinity is imparted by the energy of laser light. (3) An amorphous semiconductor film is formed and crystallinity is imparted by applying thermal energy. Is known.

【0005】しかしながら、(1)の方法は良好な半導
体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜す
ることが技術上困難であり、また成膜温度が600℃以
上と高いので、安価なガラス基板が使用できないという
コストの問題がある。また、(2)の方法は、現在最も
一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとる
と、レーザー光の照射面積が小さいため、スループット
が低いという問題がまずあり、また大面積基板の全面を
均一に処理するにはレーザーの安定性が充分ではなく、
次世代の技術という感が強い。(3)の方法は、
(1)、(2)の方法と比較すると大面積に対応できる
という利点はあるが、やはり加熱温度として600℃以
上の高温にすることが必要であり、安価なガラス基板を
用いることを考えると、さらに加熱温度を下げる必要が
ある。特に現在の液晶表示装置の場合には大画面化が進
んでおり、その為ガラス基板も同様に大型の物を使用す
る必要がある。この様に大型のガラス基板を使用する場
合には、半導体作製に必要不可欠な加熱工程における縮
みや歪みといったものが、マスク合わせ等の精度を下
げ、大きな問題点となっている。特に現在最も一般的に
使用されているコーニング7059ガラスの場合には、
歪み点が593℃であり、従来の加熱結晶化方法では大
きな変形を起こしてしまう。また、温度の問題以外にも
現在のプロセスでは結晶化に要する加熱時間が数十時間
以上にも及ぶので、さらにその時間を短くすることも必
要である。
However, in the method (1), it is technically difficult to uniformly form a film having good semiconductor properties over the entire surface of the substrate, and the film forming temperature is as high as 600 ° C. or more. However, there is a cost problem that an inexpensive glass substrate cannot be used. In the method (2), taking an excimer laser, which is currently most commonly used, as an example, there is a problem that the irradiation area of the laser beam is small, so that the throughput is low. The laser stability is not enough to uniformly process
There is a strong sense of next-generation technology. Method (3) is
Compared to the methods (1) and (2), there is an advantage that a large area can be dealt with, but it is still necessary to set the heating temperature to a high temperature of 600 ° C. or higher, and considering using an inexpensive glass substrate. It is necessary to further lower the heating temperature. In particular, in the case of the current liquid crystal display device, the screen size is increasing, and therefore, it is necessary to use a large glass substrate as well. When such a large glass substrate is used, shrinkage or distortion in a heating step which is indispensable for semiconductor fabrication lowers the accuracy of mask alignment and the like, and is a serious problem. Especially in the case of Corning 7059 glass, which is currently most commonly used,
Since the strain point is 593 ° C., the conventional heating crystallization method causes large deformation. In addition to the problem of the temperature, the heating time required for crystallization in the current process is several tens of hours or more, so that it is necessary to further shorten the heating time.

【0006】そして更に大きな問題としてこれらの方法
によって作製された結晶性を有するシリコン薄膜は、偶
発的な核発生とそこからの結晶成長によっているため、
その粒径、配向性等が殆ど制御できないことであった。
これらを制御しようとする試みは過去から現在に渡り非
常に多く行われており、その例として例えば特公平5─
71993に示される様な特許を挙げることができる。
しかしこの特許に示される様な方法においても、所詮は
ある限定された範囲内での偶発的な核を用いたに過ぎ
ず、完全に膜の配向性を制御したわけではなく、また粒
径の制御は全く行われていないのが現実である。
[0006] As a further problem, the silicon thin film having crystallinity produced by these methods is based on accidental nucleation and crystal growth therefrom.
That is, the particle size, orientation and the like could hardly be controlled.
There have been many attempts to control these from the past to the present, for example,
Patents such as those shown in US Pat.
However, even in the method shown in this patent, incidental nuclei within a limited range are used only, and the orientation of the film is not completely controlled and the particle size is not controlled. The reality is that no control is performed.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決する手段を提供するものである。より具体的には
非晶質珪素からなる薄膜を加熱により結晶化させる方法
を用いた、結晶性を有する珪素半導体からなる薄膜の作
製方法において、結晶化に必要な温度の低温化と時間の
短縮を両立するプロセスを提供することをその目的とす
る。勿論、本発明で提供されるプロセスを用いて作製し
た結晶性を有する珪素半導体は、従来技術で作製された
ものと同等以上の物性を有し、TFTの活性層領域にも
使用可能なものであることは言うまでもないことであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides means for solving the above problems. More specifically, in a method for producing a thin film made of a crystalline silicon semiconductor using a method of crystallizing a thin film made of amorphous silicon by heating, the temperature required for crystallization is lowered and the time is shortened. The aim is to provide a process that balances Of course, a crystalline silicon semiconductor manufactured using the process provided by the present invention has physical properties equal to or higher than those manufactured by the conventional technology, and can be used for the active layer region of the TFT. It goes without saying that there is something.

【0008】その際に、従来の偶発的な核発生を利用し
た方法に代わる新しい結晶性珪素薄膜の作製方法を提供
するものである。この方法は、比較的低温において十分
な生産性を有する結晶性珪素薄膜の作製方法であると同
時に、粒径の制御及び配向性についてもかなり高い制御
性を有する方法である。
In this case, the present invention provides a new method for producing a crystalline silicon thin film instead of the conventional method utilizing accidental nucleation. This method is a method for producing a crystalline silicon thin film having a sufficient productivity at a relatively low temperature, and at the same time, a method having a considerably high controllability of the particle size control and orientation.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

〔発明の背景〕本発明人らは、上記従来の技術の項で述
べた様な非晶質珪素の結晶化に付随する問題点を解決す
るため、熱結晶化を促進する方法、粒径及び配向性の制
御方法を検討すべく、以下のような実験及び考察を行っ
た。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present inventors have developed a method for promoting thermal crystallization, a particle size and a method for solving the problems associated with the crystallization of amorphous silicon as described in the section of the prior art. The following experiments and considerations were made in order to study a method for controlling the orientation.

【0010】まずは、熱結晶化を促進する方法について
述べる。まず実験事実として、ガラス基板上に非晶質珪
素膜を成膜し、この膜を加熱により結晶化させるメカニ
ズムを調べると、結晶成長はガラス基板と非晶質珪素と
の界面から始まり、ある程度の膜厚以上までは基板表面
に対して垂直な柱状に進行することが認められた。
First, a method for promoting thermal crystallization will be described. First, as an experimental fact, an amorphous silicon film is formed on a glass substrate, and the mechanism of crystallizing the film by heating is investigated. Crystal growth starts from the interface between the glass substrate and amorphous silicon, and to some extent Up to the film thickness or more, it was recognized that it progressed in a columnar shape perpendicular to the substrate surface.

【0011】上記現象は、ガラス基板と非晶質珪素膜と
の界面に、結晶成長の基となる結晶核(結晶成長の基と
なる種)が存在しており、その核から結晶が成長してい
くことに起因すると考察される。このような結晶核は、
基板表面に微量に存在している不純物金属元素やガラス
表面の結晶成分(結晶化ガラスと呼ばれるように、ガラ
ス基板表面には酸化珪素の結晶成分が存在していると考
えられる)あるいは応力に起因するものであると考えら
れる。
The above phenomenon is caused by the fact that a crystal nucleus (a seed serving as a base for crystal growth) exists at the interface between the glass substrate and the amorphous silicon film, and a crystal grows from the nucleus. It is considered to be due to going. Such a crystal nucleus
A small amount of impurity metal elements present on the substrate surface, crystal components on the glass surface (likely crystallized glass, it is thought that silicon oxide crystal components exist on the glass substrate surface) or due to stress It is considered to be something to do.

【0012】そこで、より積極的に結晶核を導入するこ
とによって結晶化温度の低温化が可能ではないかと考
え、その効果を確認すべく、他の金属を微量に基板上に
成膜し、その上に非晶質珪素からなる薄膜を成膜、その
後加熱結晶化を行う実験を試みた。その結果、幾つかの
金属を基板上に成膜した場合においては結晶化温度の低
下が確認され、異物を結晶核とした結晶成長が起こって
いることが示唆された。そこで低温化が可能であった複
数の不純物金属について更に詳しくそのメカニズムを調
査した。
Therefore, it was considered that the crystallization temperature could be lowered by more actively introducing crystal nuclei, and in order to confirm the effect, a small amount of another metal was deposited on the substrate. An experiment was conducted in which a thin film made of amorphous silicon was formed thereon and then heated and crystallized. As a result, when some metals were formed on the substrate, a decrease in the crystallization temperature was confirmed, and it was suggested that crystal growth using foreign matters as crystal nuclei was occurring. Therefore, the mechanism of a plurality of impurity metals whose temperature could be reduced was investigated in more detail.

【0013】結晶化は、初期の核生成と、その核からの
結晶成長の2段階に分けて考えることができる。ここ
で、初期の核生成の速度は、一定温度において点状に微
細な結晶が発生するまでの時間を測定することによって
観測されるが、この時間は上記不純物金属を成膜した薄
膜ではいずれの場合も短縮され、結晶核導入の結晶化温
度低温化に対する効果が確認された。しかも予想外のこ
とであるのだが、核生成後の結晶粒の成長を加熱時間を
変化させて調べたところ、ある種の金属を成膜後、その
上に成膜した非晶質珪素薄膜の結晶化においては、核生
成後の結晶成長の速度までが飛躍的に増大することが観
測された。このメカニズムについては後ほど詳しく述べ
ることにする。
[0013] Crystallization can be considered in two stages: initial nucleation and crystal growth from the nucleus. Here, the initial nucleation rate is observed by measuring the time required for the generation of point-like fine crystals at a constant temperature. The case was also shortened, and the effect of introducing crystal nuclei on lowering the crystallization temperature was confirmed. In addition, unexpectedly, when the growth of crystal grains after nucleation was examined by changing the heating time, after the formation of a certain metal, the amorphous silicon thin film In crystallization, it was observed that the rate of crystal growth after nucleation increased dramatically. This mechanism will be described in detail later.

【0014】いずれにしろ、上記2つの効果により、あ
る種の金属を微量に成膜した上に非晶質珪素からなる薄
膜を成膜、その後加熱結晶化した場合には、従来考えら
れなかったような、580℃以下の温度で4 時間程度の
時間で十分な結晶性が得られることが判明した。この様
な効果を有する不純物金属の中で、最も効果が顕著であ
り、我々が選択した材料がニッケルである。
In any case, due to the above two effects, when a thin film made of amorphous silicon is formed after a certain metal is formed in a very small amount, and then the film is heated and crystallized, it has not been considered conventionally. It has been found that sufficient crystallinity can be obtained at a temperature of 580 ° C. or less for about 4 hours. Among the impurity metals having such an effect, the effect is most remarkable, and a material selected by us is nickel.

【0015】ニッケルがどの程度の効果を有するのか一
例を挙げると、なんら処理を行なわない、即ちニッケル
の微量な薄膜を成膜していない基板上(コーニング70
59)にプラズマCVD法で形成された非晶質珪素から
なる薄膜を窒素雰囲気中での加熱によって、結晶化する
場合、その加熱温度として600℃とした場合、加熱時
間として10時間以上の時間を必要としたが、ニッケル
の微量な薄膜を成膜した基板上の非晶質珪素からなる薄
膜を用いた場合には、4時間程度の加熱において同様な
結晶化状態を得るこができた。尚この際の結晶化の判断
はラマン分光スペクトルを利用した。このことだけから
も、ニッケルの効果が非常に大きいことが判るであろ
う。
One example of the effect of nickel is as follows. On a substrate on which no treatment is performed, that is, a thin film of nickel is not formed (Corning 70
59) In the case where a thin film made of amorphous silicon formed by a plasma CVD method is crystallized by heating in a nitrogen atmosphere, when the heating temperature is 600 ° C., the heating time is 10 hours or more. Although it was necessary, when a thin film made of amorphous silicon was used on a substrate on which a thin film of nickel was formed, a similar crystallization state could be obtained by heating for about 4 hours. In this case, the crystallization was determined using Raman spectroscopy. From this alone, it can be seen that the effect of nickel is very large.

【0016】上記説明から判る様に、ニッケルの微量な
薄膜を成膜した上から、非晶質珪素からなる薄膜を成膜
した場合、結晶化温度の低温化及び結晶化に要する時間
の短縮が可能である。そこで、このプロセスをTFTの
製造に用いることを前提に、さらに詳細な説明を加えて
いくことにする。尚、後ほど詳述するが、ニッケルの薄
膜は基板上のみならず非晶質珪素上に成膜しても同様に
低温化の効果を有すること、及びイオン注入等でも同様
であったことから、今後本明細書ではこれら一連の処理
を「ニッケル微量添加」と呼ぶことにする。
As can be seen from the above description, when a thin film of amorphous silicon is formed on a thin film of nickel, a lower crystallization temperature and a shorter time required for crystallization are obtained. It is possible. Therefore, a more detailed description will be given on the assumption that this process is used for manufacturing a TFT. As will be described later in detail, the nickel thin film has the same effect of lowering the temperature even when it is formed not only on the substrate but also on amorphous silicon. Hereinafter, in the present specification, these series of processes will be referred to as “addition of a small amount of nickel”.

【0017】まずニッケル微量添加の方法について説明
する。ニッケルの微量添加は、基板上に微量なニッケル
薄膜を成膜し、その後非晶質珪素を成膜する方法でも、
先に非晶質珪素を成膜し、その上から微量なニッケル薄
膜を成膜する方法でも、両者同様に低温化の効果が有
り、その成膜方法はスパッタ法でも、蒸着法でもあるい
はプラズマ処理でも可能で、成膜方法は問わないことが
判明している。プラズマ処理とは、平行平板型あるいは
陽光柱型のプラズマCVD装置において、電極として触
媒元素を含んだ材料を用い、窒素または水素等の雰囲気
でプラズマを生じさせることによって非晶質珪素膜に触
媒元素の添加を行なう方法である。ただし、基板上に微
量なニッケル薄膜を成膜する場合、7059ガラス基板
の上から直接微量なニッケル薄膜を成膜するよりは、同
基板上に酸化珪素の薄膜を成膜し、その上に微量なニッ
ケル薄膜を成膜した場合の方が効果がより顕著である。
この理由として考えられることとして、珪素とニッケル
が直接接触していることが今回の低温結晶化には重要で
あり、7059ガラスの場合には珪素以外の成分がこの両者
の接触あるいは反応を阻害するのではないかということ
が挙げられる。
First, a method for adding a trace amount of nickel will be described. The addition of a small amount of nickel is also possible by forming a small amount of nickel thin film on a substrate and then forming amorphous silicon.
A method in which amorphous silicon is formed first and then a small amount of nickel thin film is formed thereon has an effect of lowering the temperature similarly, and the film formation method is sputtering, vapor deposition, or plasma processing. However, it has been found that the film formation method is not limited. Plasma treatment refers to the use of a material containing a catalyst element as an electrode in a parallel plate type or positive column type plasma CVD apparatus, and generation of plasma in an atmosphere such as nitrogen or hydrogen to form a catalyst element on an amorphous silicon film. This is a method of adding. However, when a very small amount of nickel thin film is formed on a substrate, a silicon oxide thin film is formed on the same substrate and a very small amount of nickel thin film is formed thereon rather than directly on a 7059 glass substrate. The effect is more remarkable when a thin nickel thin film is formed.
One possible reason for this is that direct contact between silicon and nickel is important for the low-temperature crystallization, and in the case of 7059 glass, components other than silicon inhibit the contact or reaction between the two. It may be that.

【0018】また、微量添加の方法としては、非晶質珪
素の上または下に接して薄膜を形成する以外に、イオン
注入によってニッケルを添加してもほぼ同様の効果が確
認されている。ニッケルの量については、1×1015
toms/cm3 以上の量の添加において低温化が確認
されているが、1×1021atoms/cm3 以上の添
加量においては、ラマン分光スペクトルのピークの形状
が珪素単体の物とは明らかに異なることから、実際に使
用可能であるのは1×1015atoms/cm3 〜5×
1019atoms/cm3 の範囲であると思われる。ま
た、半導体物性として、TFTの活性層に使用すること
を考えると、この量を1×1015atoms/cm3
1×1019atoms/cm3 に抑えることが必要であ
る。しかしながら、上記のような元素が半導体中に多量
に存在していることは、これら半導体を用いた装置の信
頼性や電気的安定性を阻害するものであり好ましいこと
ではない。
As a method of adding a trace amount, almost the same effect has been confirmed by adding nickel by ion implantation, in addition to forming a thin film in contact with above or below amorphous silicon. For the amount of nickel, 1 × 10 15 a
It has been confirmed that the temperature is lowered when the amount of addition is equal to or more than toms / cm 3 , but when the amount of addition is equal to or more than 1 × 10 21 atoms / cm 3 , the shape of the peak of the Raman spectroscopy spectrum is clearly different from that of simple silicon Because of the difference, the actual use is only 1 × 10 15 atoms / cm 3 to 5 ×
It appears to be in the range of 10 19 atoms / cm 3 . Considering that the semiconductor material is used for the active layer of the TFT, the amount is set to 1 × 10 15 atoms / cm 3 to
It is necessary to suppress it to 1 × 10 19 atoms / cm 3 . However, the presence of a large amount of such elements in a semiconductor impairs the reliability and electrical stability of a device using such a semiconductor, and is not preferable.

【0019】即ち、上記のニッケル等の結晶化を助長す
る元素(本明細書では、結晶化を助長する元素を触媒元
素という)は、非晶質珪素を結晶化させる際には必要で
あるが、結晶化した珪素中には極力含まれないようにす
ることが望ましい。この目的を達成するには、触媒元素
として結晶性珪素中で不活性な傾向が強いものを選ぶと
同時に、結晶化に必要な触媒元素の量を極力少なくし、
最低限の量で結晶化を行なう必要がある。この量につい
ては、活性層中のニッケル濃度が1×1019atoms cm
-3以下でないとデバイス特性に悪影響が生じることが判
明している。そしてそのためには、上記触媒元素の添加
量を精密に制御して導入する必要がある。
In other words, the above-described elements that promote crystallization such as nickel (elements that promote crystallization are referred to as catalyst elements in the present specification) are necessary when crystallizing amorphous silicon. It is desirable that the crystallized silicon is not contained as much as possible. In order to achieve this purpose, at the same time as selecting a catalyst element that has a strong tendency to be inactive in crystalline silicon, the amount of the catalyst element required for crystallization is minimized,
Crystallization must be performed in a minimum amount. For this amount, the nickel concentration in the active layer is 1 × 10 19 atoms cm
It has been found that if it is not less than -3 , device characteristics are adversely affected. For that purpose, it is necessary to precisely control the amount of the catalyst element to be introduced.

【0020】また、ニッケルを触媒元素とした場合、非
晶質珪素膜を成膜し、ニッケル添加をプラズマ処理法に
よって行ない結晶性珪素膜を作製し、その結晶化過程等
を詳細に検討したところ以下の事項が判明した。 (1)プラズマ処理によってニッケルを非晶質珪素膜上
に導入した場合、熱処理を行なう以前に既に、ニッケル
は非晶質珪素膜中のかなりの深さの部分まで侵入してい
る。 (2)結晶の初期核発生は、ニッケルを導入した表面か
ら発生している。 (3)蒸着法でニッケルを非晶質珪素膜上に成膜した場
合であっても、プラズマ処理を行なった場合と同様に結
晶化が起こる。
When nickel was used as a catalytic element, an amorphous silicon film was formed, nickel was added by a plasma treatment method to produce a crystalline silicon film, and the crystallization process and the like were examined in detail. The following matters were found. (1) When nickel is introduced onto an amorphous silicon film by plasma treatment, nickel has already penetrated to a considerable depth in the amorphous silicon film before heat treatment. (2) The initial nucleation of the crystal occurs from the surface into which nickel is introduced. (3) Even when nickel is formed on an amorphous silicon film by a vapor deposition method, crystallization occurs as in the case where plasma processing is performed.

【0021】上記事項から、プラズマ処理によって導入
されたニッケルが全て効果的に機能していないというこ
とが結論される。即ち、多量のニッケルが導入されても
十分に機能していないニッケルが存在していると考えら
れる。このことから、ニッケルと珪素が接している点
(面)が低温結晶化の際に機能していると考えられる。
そして、可能な限りニッケルは微細に原子状に分散して
いることが必要であることが結論される。即ち、「必要
なのは非晶質珪素膜の表面近傍に低温結晶化が可能な範
囲内で可能な限り低濃度のニッケルが原子状で分散して
導入されればよい」ということが結論される。
From the above, it is concluded that all the nickel introduced by the plasma treatment is not functioning effectively. That is, it is considered that some nickel does not function sufficiently even if a large amount of nickel is introduced. From this, it is considered that the point (plane) where nickel and silicon are in contact functions at the time of low-temperature crystallization.
It is concluded that it is necessary for nickel to be dispersed as finely as possible. In other words, it is concluded that "what is necessary is to introduce as low a concentration of nickel as possible in the form of atoms in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film in a range where low-temperature crystallization is possible".

【0022】非晶質珪素膜の表面近傍のみに極微量のニ
ッケルを導入する方法、言い換えるならば、非晶質珪素
膜の表面近傍のみに結晶化を助長する触媒元素を極微量
導入する方法としては、蒸着法を挙げることができる
が、蒸着法は制御性が悪く、触媒元素の導入量を厳密に
制御することが困難であるという問題がある。
A method for introducing a trace amount of nickel only near the surface of the amorphous silicon film, in other words, a method for introducing a trace amount of a catalytic element for promoting crystallization only near the surface of the amorphous silicon film. Can be exemplified by a vapor deposition method, but the vapor deposition method has a problem that controllability is poor and it is difficult to strictly control the introduction amount of the catalyst element.

【0023】また、触媒元素の導入量は極力少ないこと
が必要とされるが、この場合、結晶性が不良となる問題
が生じ、適切な量の触媒元素の制御が重要である。これ
らを解決する手段として、溶液を用いた触媒元素の添加
方法を本発明人らが発明したが、これについては本明細
書中では詳細は割愛する。この方法を用いることによ
り、1×1016atoms cm-3〜1×1019atoms cm-3
の範囲内で触媒元素の濃度を制御可能であることが判明
している。また、ニッケル以外にも同様の効果が得られ
る触媒元素として、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、I
n、Sn、Pb、As、Sbから選ばれた一種または複
数種類の元素を用いることが可能であることが発明者ら
の研究により判明している。
Further, it is necessary that the amount of the catalyst element introduced is as small as possible. In this case, however, there arises a problem that crystallinity becomes poor, and it is important to control an appropriate amount of the catalyst element. As a means for solving these problems, the inventors of the present invention have invented a method of adding a catalyst element using a solution, but the details thereof will be omitted in this specification. By using this method, 1 × 10 16 atoms cm −3 to 1 × 10 19 atoms cm −3
It has been found that the concentration of the catalytic element can be controlled within the range of (1). In addition to nickel, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, I
Research by the inventors has revealed that one or more elements selected from n, Sn, Pb, As, and Sb can be used.

【0024】続いて、ニッケル微量添加を行った場合の
結晶成長及び結晶形態の特色について述べ、そこから推
測される結晶化機構について説明を加える。
Next, the characteristics of crystal growth and crystal morphology in the case where a trace amount of nickel is added will be described, and the crystallization mechanism deduced therefrom will be described.

【0025】上述の通り、ニッケルを添加しない場合に
は、基板界面等の結晶核からランダムに核が発生し、そ
の核からの結晶成長も同様にランダムで、作製方法によ
っては(110)或いは(111)に比較的配向した結
晶が得られることが報告されており、当然ながら薄膜全
体に渡ってほぼ均一な結晶成長が観測される。
As described above, when nickel is not added, nuclei are generated at random from crystal nuclei at the substrate interface and the like, and crystal growth from the nuclei is also random, and depending on the manufacturing method, (110) or ( 111), it is reported that relatively oriented crystals can be obtained. Naturally, almost uniform crystal growth is observed over the entire thin film.

【0026】まずこの機構を確認すべく、DSC(示差
走査熱量計)による解析を行った。プラズマCVDで基
板上に成膜した非晶質珪素薄膜を、基板についたまま試
料容器に充填し、一定速度で昇温していった。すると、
およそ700℃前後で明確な発熱ピークが観察され、結
晶化が観測された。この温度は、昇温速度を変えると当
然シフトするが、例えば10℃/minの速度で行った
場合には700.9℃から結晶化が開始した。次に昇温
速度を3種類変えたものを測定し、それらから小沢法に
よって初期核生成後の結晶成長の活性化エネルギーを求
めた。すると、およそ3.04eVという値が得られ
た。また、反応速度式を理論曲線とのフィッティングか
ら求めたところ、無秩序核生成とその成長モデルによっ
て、最も良く説明されることが判明し、基板界面等の結
晶核からランダムに核が発生し、その核からの結晶成長
というモデルの妥当性が確認された。
First, in order to confirm this mechanism, an analysis was performed using a DSC (differential scanning calorimeter). An amorphous silicon thin film formed on a substrate by plasma CVD was filled in a sample container while remaining on the substrate, and the temperature was raised at a constant rate. Then
A clear exothermic peak was observed at about 700 ° C., and crystallization was observed. This temperature naturally shifts when the rate of temperature rise is changed. For example, when the temperature is increased at a rate of 10 ° C./min, crystallization starts at 700.9 ° C. Next, three kinds of heating rates were measured, and the activation energy of crystal growth after initial nucleation was determined by the Ozawa method. Then, a value of about 3.04 eV was obtained. In addition, when the reaction rate equation was obtained from fitting with a theoretical curve, it was found that the reaction was best explained by disorder nucleation and its growth model, and nuclei were generated randomly from crystal nuclei at the substrate interface and the like. The validity of the model of crystal growth from the nucleus was confirmed.

【0027】前述と全く同様の測定を、ニッケルを微量
添加したものについても行ってみた。すると、10℃/
minの速度で昇温を行った場合には619.9℃から
結晶化が開始し、それら一連の測定から求めた結晶成長
の活性化エネルギーはおよそ1.87eVであって、結
晶成長が容易となっていることが数値的にも明らかとな
った。また、理論曲線とのフィッティングから求めた反
応速度式は、一次元的界面律速のモデルに近く、結晶成
長に一定方向の方向性を有することが示唆された。
The same measurement as described above was performed on a sample to which a small amount of nickel was added. Then 10 ° C /
When the temperature was raised at a rate of min, crystallization started at 619.9 ° C., and the activation energy of crystal growth determined from a series of these measurements was approximately 1.87 eV, which indicated that crystal growth was easy. It became clear numerically that it had become. Moreover, the reaction rate equation obtained from the fitting with the theoretical curve was close to a one-dimensional interface rate-determining model, suggesting that the crystal growth has a certain directionality.

【0028】上記熱分析によって得られたデータを下記
表5に示す。
The data obtained by the above thermal analysis is shown in Table 5 below.

【0029】この表5に示す活性化エネルギーは、試料
を加熱していく段階で、試料から放出される熱量を計測
し、その結果から小沢法と呼ばれる解析手段によって算
出したものである。
The activation energies shown in Table 5 are obtained by measuring the amount of heat released from the sample at the stage of heating the sample, and calculating from the result by an analysis means called the Ozawa method.

【0030】[0030]

【表5】 [Table 5]

【0031】上記表5における活性化エネルギーは、結
晶化のし易さを示すパラメータであり、その値が大きい
程結晶化はしにくく、またその値が小さい程結晶化がし
易いことを示す。表5を見ると、ニッケル添加の試料
は、結晶化が進むにつれて活性化エネルギーが低下する
ことが見てとれる。即ち、結晶化が進んでいくにつれ
て、結晶化がより行ない易くなることが示されている。
一方、ニッケル無添加の従来の方法による結晶性珪素膜
の場合は、結晶化が進行するにつれて、活性化エネルギ
ーが高くなることが示されている。これは、結晶化が進
行するにつれて、より結晶化しにくくなることを示して
いる。また、活性化エネルギーの平均値を比較すると、
ニッケル添加によって結晶化させた珪素膜の値はニッケ
ル無添加の結晶性珪素膜の場合の約62%であり、この
ことからもニッケル添加の非晶質珪素膜の結晶化のし易
さが示唆される。
The activation energy in Table 5 is a parameter indicating the easiness of crystallization. The larger the value, the more difficult the crystallization, and the smaller the value, the easier the crystallization. In Table 5, it can be seen that the activation energy of the nickel-added sample decreases as the crystallization proceeds. That is, it is shown that crystallization is more easily performed as crystallization proceeds.
On the other hand, in the case of a crystalline silicon film formed by a conventional method without addition of nickel, it is shown that the activation energy increases as crystallization proceeds. This indicates that crystallization becomes more difficult as crystallization proceeds. Also, comparing the average activation energy,
The value of the silicon film crystallized by nickel addition is about 62% of that of the crystalline silicon film without nickel addition, which suggests that the amorphous silicon film with nickel addition is easily crystallized. Is done.

【0032】次に、今回のニッケル微量添加したものの
結晶形態について、800Åの非晶質珪素を出発膜とし
て用いた場合のTEM(透過型電子顕微鏡)で観察した
結果を示す。TEM観察の結果から判明した特徴的な現
象として、ニッケルを添加した領域と、その近傍の部分
で結晶成長が異なるということが挙げられる。即ち、ニ
ッケルを添加した領域について、断面から観察すると、
モアレあるいは格子像とみられる縞が基板にほぼ垂直に
観測され、このことは添加したニッケルあるいはその珪
素との化合物が結晶核となり、ニッケルを添加していな
いものと同様に基板にほぼ垂直に結晶が成長することを
示すものと考えられる。また、ニッケルを添加した周辺
の領域においては、基板に平行な方向に針状あるいは柱
状に結晶成長している様子が観察された。
Next, the results of the TEM (transmission electron microscope) observation of the crystal morphology of the sample in which a trace amount of nickel was added this time using amorphous silicon of 800 ° as a starting film are shown. As a characteristic phenomenon found from the result of the TEM observation, there is a difference in crystal growth between a region to which nickel is added and a portion in the vicinity thereof. That is, when the region to which nickel is added is observed from a cross section,
Moire or fringes that appear to be lattice images are observed almost perpendicular to the substrate, which means that the added nickel or its compound with silicon becomes the crystal nucleus, and the crystals are almost perpendicular to the substrate as in the case without nickel. It is considered to indicate growth. Further, in the peripheral region to which nickel was added, it was observed that crystals were grown in a needle-like or columnar shape in a direction parallel to the substrate.

【0033】これらの現象を更に詳細に説明する上で結
晶学の基礎ではあるが以下の様な記号を用いて説明をす
ることにする。まず{hkl}とは、(hkl)面に等
価な面の全てを含んだものを示す記号である。また同様
に〈hkl〉とは、〔hkl〕軸に等価な軸を全て含ん
だものを示す記号である。
In describing these phenomena in more detail, the following symbols will be used, although they are the basis of crystallography. First, {hkl} is a symbol indicating a plane including all planes equivalent to the (hkl) plane. Similarly, <hkl> is a symbol indicating an axis that includes all axes equivalent to the [hkl] axis.

【0034】ニッケルを添加した領域の近傍の結晶形態
の観察結果を示す。まず、ニッケルを直接微量添加して
いない領域が結晶化すること自体が予想外であったので
あるが、ニッケル微量添加部分、その近傍の横方向の結
晶成長部分(以後横成長部分と略)、更に遠方の非晶質
部分( かなり離れた部分では低温結晶化は行われず、非
晶質部分が残る) について、ニッケルの濃度をSIMS
( 二次イオン質量分析法) により調べた所、図17に示す
ように横成長部分はニッケル微量添加部分から少ない濃
度が検出され、非晶質部分は更に約1桁少ない量が観測
された。すなわち、ニッケルはかなり広範囲に渡って拡
散しており、ニッケルを添加した領域の近傍の領域の結
晶化もまたニッケル微量添加の効果であると考えられ
る。
The observation results of the crystal form near the nickel-added region are shown. Firstly, it was unexpected that the region where nickel was not directly added in a small amount crystallized itself was unexpected. However, a nickel added portion, a lateral crystal growth portion in the vicinity thereof (hereinafter abbreviated as a lateral growth portion), Further, the concentration of nickel in the distant amorphous portion (the amorphous portion remains at a portion far away where low-temperature crystallization is not performed and the amorphous portion remains) is increased by SIMS.
As a result of examination by (secondary ion mass spectrometry), as shown in FIG. 17, a small concentration was detected in the laterally grown portion from the nickel-added portion, and the amount of the amorphous portion was further reduced by about one digit. That is, nickel is diffused over a fairly wide range, and crystallization of a region near the region to which nickel is added is also considered to be an effect of the addition of a small amount of nickel.

【0035】まず、800Åの非晶質珪素を用い、ニッ
ケルを添加した領域の近傍の表面TEM像を図13に示
す。図より明らかなように、特徴的な、幅の揃った針状
または柱状の結晶が基板に概略平行方向に観測される。
またその結晶の先端部分には、他の結晶部分とはコント
ラストの異なる層があることが観測され、その後の高分
解能TEM及びTEM−EDXの結果から、この部分が
NiSi2 であって、結晶の成長方向に対して垂直にN
iSi2 層が存在している(これは膜厚によって変わる
のであるが、このことについては後ほど詳述する)こと
が判明している。この基板に概略平行な横成長は、ニッ
ケルを微量添加した領域から、大きいものでは数百μm
も成長することが観測され、時間の増加及び温度が高く
なるに比例して成長量も増大することも判った。例とし
て、550℃、4時間においては約20μm程度の成長
が観測された。次いで、上記針状あるいは柱状に結晶成
長した領域3点についてのTEDパターン(電子線回折
像)を図14に示す。このTEDパターンは、基板に垂直
な方向からとったものである。このパターンは、珪素膜
の結晶構造を示すものである。このパターンを見ると、
非常にパターンがシンプルであり、単結晶或いは多くて
も双晶のようなものが見られる程度で、結晶方位は非常
に揃っていることがわかる。このパターンより上記80
0Åの非晶質珪素膜を出発膜として用い、横成長させた
結晶はその軸方向が〈111〉方向であることがわか
る。この関係を、図16に示す。
First, FIG. 13 shows a surface TEM image near the region where nickel is added using amorphous silicon of 800 °. As is clear from the figure, a characteristic needle-like or columnar crystal having a uniform width is observed in a direction substantially parallel to the substrate.
Further, it was observed that a layer having a contrast different from that of the other crystal portions was present at the tip of the crystal. From the results of the subsequent high-resolution TEM and TEM-EDX, this portion was NiSi 2 , N perpendicular to the growth direction
It has been found that an iSi 2 layer is present (this depends on the film thickness, which will be described in detail later). The lateral growth substantially parallel to this substrate is from a region where a small amount of nickel is added, to several hundred μm in a large one.
Was also observed to grow, and it was also found that the growth amount increased in proportion to the increase in time and the temperature. As an example, a growth of about 20 μm was observed at 550 ° C. for 4 hours. Next, FIG. 14 shows TED patterns (electron diffraction images) of the three points where the needles or columns are grown. This TED pattern is taken from a direction perpendicular to the substrate. This pattern shows the crystal structure of the silicon film. Looking at this pattern,
It can be seen that the pattern is very simple, and a single crystal or at most a twin crystal can be seen, and the crystal orientation is very uniform. From this pattern, the above 80
It can be seen that the axial direction of the crystal laterally grown using the 0 ° amorphous silicon film as the starting film is the <111> direction. FIG. 16 shows this relationship.

【0036】以上の実験事実に基づき、発明者らは以下
のような機構により結晶化が進行すると考えている。
Based on the above experimental facts, the inventors believe that crystallization proceeds by the following mechanism.

【0037】まず縦成長について考えると、結晶化の初
期段階において核発生が起こるが、この際の活性化エネ
ルギーがニッケルの微量添加により低減される。このこ
とはニッケルを添加することにより、より低温から結晶
化が発生していることから自明であって、この理由とし
てはニッケルの異物としての効果以外にも、非晶質珪素
が結晶化するよりも低温で生成するニッケルと珪素から
なる金属間化合物の内の一つ(NiSi2 )が、結晶シ
リコンと格子定数が近いために結晶核として作用してい
ると考えられる。また、この核発生はニッケルの添加し
た領域全面についてほぼ同時に発生するため、結果とし
て結晶成長は面のまま成長するような機構となり、この
場合反応速度式は一次元的界面律速過程となり、基板に
概略垂直方向に結晶成長した結晶が得られる。しかしな
がら、膜厚に制限されること、及び応力等の影響で、完
全に揃った結晶軸を有するとまではいかない。
First, when considering vertical growth, nucleation occurs in the initial stage of crystallization, and the activation energy at this time is reduced by adding a small amount of nickel. This is obvious from the fact that crystallization occurs from a lower temperature by adding nickel. The reason for this is that, besides the effect of nickel as foreign matter, amorphous silicon is more likely to crystallize. It is considered that one of the intermetallic compounds (NiSi 2 ) composed of nickel and silicon generated at a low temperature acts as a crystal nucleus because the lattice constant is close to that of crystalline silicon. In addition, since this nucleation occurs almost simultaneously on the entire surface of the region to which nickel is added, the crystal growth has a mechanism of growing as a plane. In this case, the reaction rate equation is a one-dimensional interface rate-determining process, and Crystals obtained by crystal growth in a substantially vertical direction are obtained. However, due to the limitation of the film thickness and the influence of stress and the like, the crystal axes do not always have to be completely aligned.

【0038】しかしながら、基板に水平方向は、垂直方
向と比較して均質であるため、柱状あるいは針状の結晶
がニッケル添加部分を核として横方向に揃って成長し、
その成長面の方向は〈111〉となり、例えば800Å
の非晶質珪素膜を用いた場合には結晶成長方向も同様に
〈111〉となる。勿論この場合も反応速度式は一次元
界面律速型となることが予想される。結晶成長の活性化
エネルギーは、前述の通りニッケルを添加することによ
り低減されているため、この横方向の成長速度は非常に
速いことが期待され、事実そうなっている。
However, since the horizontal direction of the substrate is more uniform than the vertical direction, columnar or needle-like crystals grow laterally in alignment with the nickel-added portion as nuclei.
The direction of the growth surface is <111>, for example, 800 °
When the amorphous silicon film is used, the crystal growth direction is also <111>. Of course, also in this case, the reaction rate equation is expected to be a one-dimensional interface rate-determining type. Since the activation energy for crystal growth is reduced by the addition of nickel as described above, this lateral growth rate is expected to be very high, which is the case.

【0039】次に、上記ニッケル微量添加部分とその近
傍の横成長部分についての電気特性を説明する。ニッケ
ル微量添加部分の電気特性は、導電率に関してはほぼニ
ッケルを添加していない膜、即ち600℃程度で数十時
間結晶化を行ったものと同程度の値であり、また導電率
の温度依存性から活性化エネルギーを求めたところ、ニ
ッケルの添加量を前述の様に1017atoms/cm3
〜1018atoms/cm3 程度とした場合には、ニッ
ケルの準位に起因すると思われる様な挙動は観測されな
かった。即ち、この実験事実からは、上記の濃度であれ
ばTFTの活性層等として使用が可能であることが考察
される。
Next, the electrical characteristics of the nickel-added portion and the lateral growth portion in the vicinity thereof will be described. The electrical characteristics of the nickel-added portion are substantially the same as those of a film to which nickel is not substantially added, that is, a film which has been crystallized at about 600 ° C. for several tens of hours. When the activation energy was determined from the properties, the amount of nickel added was 10 17 atoms / cm 3 as described above.
When the concentration was set to about 10 18 atoms / cm 3, no behavior that might be caused by the nickel level was observed. That is, it is considered from this experimental fact that the above-described concentration can be used as an active layer of a TFT or the like.

【0040】それに対し、横成長部分は、導電率がニッ
ケル微量添加部分と比較して1桁以上高く、結晶性を有
する珪素半導体としてはかなり高い値を有していた。こ
のことは、電流のパス方向が結晶の横成長方向と合致し
たため、電極間で電子が通過する間に存在する粒界が少
ないあるいは殆ど無かったことによるものと考えられ、
透過電子線顕微鏡写真の結果と矛盾無く一致する。即
ち、キャリアの移動が針状または柱状に成長した結晶の
粒界に沿ったものとなるので、キャリアは移動しやすい
状態が実現されている、と考えることができる。
On the other hand, the laterally grown portion has an electric conductivity one order of magnitude higher than that of the nickel-added portion, and has a considerably high value as a crystalline silicon semiconductor. This is considered to be due to the fact that the current path direction coincided with the lateral growth direction of the crystal, so that few or no grain boundaries existed during the passage of electrons between the electrodes.
It is consistent with the result of the transmission electron micrograph. That is, it can be considered that the carrier moves along the grain boundary of the crystal grown in the shape of a needle or a column, so that the carrier can easily move.

【0041】また、上記図13に示す針状あるいは柱状に
結晶成長した先端部を拡大した珪素の結晶構造を示す写
真であるTEM写真を図15に示す。図15には、その端部
に黒い部分が現れており、この部分は前述の通りNiS
2 であることが判明している。即ち、基板に平行に針
状あるいは柱状に結晶成長する結晶の先端部にはニッケ
ルが集中的に存在しており、その中間領域においては、
ニッケル濃度が低いことが理解される。
FIG. 15 is a TEM photograph showing the crystal structure of silicon in which the tip portion where the crystal has grown into a needle or column shape shown in FIG. 13 is enlarged. In FIG. 15, a black portion appears at the end, and this portion is NiS
It has been found to be a i 2. That is, nickel is concentrated at the tip of a crystal that grows in a needle or column shape parallel to the substrate, and in the intermediate region, nickel is present.
It is understood that the nickel concentration is low.

【0042】そこで、本明細書で開示する発明の効果の
一つとしては、上記結晶粒界に概略沿った方向と半導体
装置(例えばTFT)内のキャリアが移動する方向を概
略一致せしめることにより、キャリアの移動度を向上さ
せることが挙げられる。また、基板と平行な方向に結晶
成長した領域の先端部を避けて、その中間領域、即ち、
横方向に結晶成長した結晶性珪素膜の成長端部とニッケ
ルが添加された領域の中間の領域を利用することによ
り、キャリアの移動し易い結晶性珪素膜を利用すると同
時に、ニッケルの濃度の低い領域を利用する構成を挙げ
ることができる。
Therefore, one of the effects of the invention disclosed in this specification is that the direction roughly along the crystal grain boundary and the direction in which carriers move in a semiconductor device (for example, a TFT) are made to substantially match. Improving the mobility of carriers can be mentioned. Further, avoiding the tip of the region where the crystal has grown in the direction parallel to the substrate, an intermediate region thereof, that is,
By utilizing the intermediate region between the growth end portion of the crystalline silicon film grown in the lateral direction and the region to which nickel is added, the crystalline silicon film in which carriers can easily move is used, and the nickel concentration is low. A configuration using an area can be given.

【0043】この結晶粒界に沿った方向は、針状または
柱状に結晶成長した成長方向であり、しかもこの成長方
向は、800Åの膜厚においては(正確には、これ以上
の膜厚においては同様であることが判明しているが)
〈111〉の軸方向に結晶性を有する方向であり、さら
にまたこの方向は、前述のように他の方向(例えば結晶
成長に垂直な方向)に対して選択的に高い導電率を有す
る方向である。また現実問題として、結晶成長方向とキ
ャリアの流れる方向とが完全に一致することは困難であ
り、また結晶も完全に全面に渡って、一様な方向に揃っ
て成長するわけではない。そこで実際問題としては、結
晶成長の方向は平均的な方向として定められる。またそ
の方向とキャリアの流れる方向とは±20°程度の範囲
であれば一致しているとみなすこととし、800Åの非
晶質珪素膜を用いた場合には完全にこの範囲に入ってい
ることが判明している。
The direction along the crystal grain boundaries is the growth direction of the crystal growth in the shape of needles or columns, and this growth direction is at a film thickness of 800 ° (more precisely, at a film thickness of more than 800 °). It turns out to be the same)
This is a direction having crystallinity in the <111> axial direction, and this direction is a direction having selectively high conductivity with respect to another direction (for example, a direction perpendicular to crystal growth) as described above. is there. Also, as a practical problem, it is difficult for the crystal growth direction to completely match the carrier flowing direction, and the crystal does not completely grow in a uniform direction over the entire surface. Therefore, as a practical matter, the direction of crystal growth is determined as an average direction. In addition, it is assumed that the direction coincides with the direction in which carriers flow within a range of about ± 20 °, and when the amorphous silicon film of 800 ° is used, the direction completely falls within this range. Is known.

【0044】次に、粒径及び配向性の制御方法について
説明する。触媒元素を導入して結晶化を施した試料につ
いて、X線回折を行ったが、その際にパラメータとして
以下の内容について検討した。
Next, a method for controlling the particle size and the orientation will be described. X-ray diffraction was performed on the sample crystallized by introducing a catalytic element, and the following contents were examined as parameters at that time.

【0045】・触媒元素を非晶質珪素薄膜の表面に導入
した場合と、下地との界面に導入した場合の比較 ・触媒を添加した領域(縦成長と本明細書中では表記す
る)と、その周辺の横成長領域の比較 ・非晶質珪素膜の膜厚を変化させたときの依存性 ・触媒濃度を変化させた時の依存性 ・横成長プロセスを使用した場合で、該横成長領域が上
下とも酸化珪素ではさまれた構造とするか、上面が酸化
珪素が無い構造とするかの比較
Comparison between the case where the catalyst element is introduced to the surface of the amorphous silicon thin film and the case where the catalyst element is introduced to the interface with the base. The region where the catalyst is added (vertical growth and described in this specification), Comparison of the lateral growth region around it. Dependency when the film thickness of the amorphous silicon film is changed. Dependency when the catalyst concentration is changed. When the lateral growth process is used, the lateral growth region Comparison between a structure in which silicon oxide is sandwiched between upper and lower sides and a structure in which the upper surface is free of silicon oxide

【0046】そして、上記のパラメータを変化させたと
きに、得られた傾向を定量的に評価するため下記数1に
示すように(111)配向比率を定義することにし、
(111)配向性が高いという目安を上記(111)配
向比率が0.67以上(完全にランダムな粉末において
は上記定義に従うと(111)配向比率が0.33とな
り、この比率の倍以上の比率があれば(111)配向と
呼んでも問題がないと考えた為である)とすることにし
た。
When the above parameters are changed, the (111) orientation ratio is defined as shown in the following equation 1 in order to quantitatively evaluate the obtained tendency.
The (111) orientation ratio is 0.67 or more (in a completely random powder, the (111) orientation ratio is 0.33 according to the above definition, and the (111) orientation ratio is 0.33, which is more than twice the ratio). If there is a ratio, it is considered that there is no problem even if it is called (111) orientation).

【0047】[0047]

【数1】 (Equation 1)

【0048】そしてこの(111)配向比率を基に評価
した結果、下記表1、表2、表3、表4及び図1の様な
傾向が観察された。
As a result of evaluation based on the (111) orientation ratio, the following trends shown in Tables 1, 2, 3, and 4 and FIG. 1 were observed.

【0049】[0049]

【表1】 [Table 1]

【0050】[0050]

【表2】 [Table 2]

【0051】[0051]

【表3】 [Table 3]

【0052】[0052]

【表4】 [Table 4]

【0053】尚、作製方法は表中に示されたパラメータ
以外は全て同一であり、触媒元素としてニッケルを用
い、添加方法は溶液からのニッケル添加方法(以後液相
法と省略)を用い、特に横成長と示されていないものに
関してはシリコン表面に塗布した場合の縦成長を用い
た。ただし、横成長プロセスにおいて、上面の酸化珪素
膜の有無を比較する実験においては、上面に酸化珪素が
ない横成長プロセスを実現するためにOCD等のSOG
用の溶液中にニッケルを添加したものを用い、他の横成
長プロセスとは逆に直接添加領域(縦成長領域)のみに
OCDを残し、横成長すべき領域上には酸化珪素が無い
構造とした。また、固相成長(図中ではSPCとも表記
する)を550℃8時間、その後のレーザー結晶化(補
助的に行うことにより、結晶性を飛躍的に高めることが
可能である)を300mJ/cm2 とした。
The preparation method was the same except for the parameters shown in the table. Nickel was used as a catalyst element, and the addition method was a method of adding nickel from a solution (hereinafter abbreviated as a liquid phase method). For those not shown as lateral growth, vertical growth when applied to the silicon surface was used. However, in an experiment for comparing the presence or absence of a silicon oxide film on the upper surface in the lateral growth process, an SOG such as an OCD was used to realize a lateral growth process without silicon oxide on the upper surface.
A structure in which nickel is added to a solution for use, and the OCD is left only in the directly added region (vertical growth region), contrary to other lateral growth processes, and there is no silicon oxide on the region to be laterally grown. did. In addition, solid phase growth (also referred to as SPC in the figure) is carried out at 550 ° C. for 8 hours, followed by laser crystallization (which can drastically increase crystallinity by performing auxiliary) at 300 mJ / cm. And 2 .

【0054】表1は、表中に示されている通り、触媒添
加場所を変化させた場合の結果であり、添加場所が異な
るだけで配向性が全く異なるという特異的な傾向が観測
された。粒径においては、添加場所の依存性は殆ど観測
されず、任意の場所について粒径分布を測定したとこ
ろ、分布の幅は触媒元素を添加しなかった場合の半分程
度であり、均一な粒径が得られていることが判明した。
As shown in Table 1, Table 1 shows the results when the catalyst addition location was changed, and a specific tendency was observed in which the orientation was completely different only at the different addition location. Regarding the particle size, almost no dependence on the addition location was observed, and when the particle size distribution was measured at an arbitrary location, the width of the distribution was about half that when no catalyst element was added, and the uniform particle size was observed. Was found to have been obtained.

【0055】表2は、結晶成長方法を変えた場合の結果
であり、全面にニッケルを導入した場合(縦成長)と、
アモルファスシリコンの上に酸化珪素を成膜し(カバー
酸化珪素)、該酸化珪素をパターニングして触媒元素を
添加する窓を開け、そこからの横成長をさせた部分との
比較である。その結果、縦成長部分は比較的ランダムで
あり、上面に酸化珪素膜の有る横成長部分は、膜厚にも
よるが(膜厚依存性については後述)ほぼ完全に(11
1)配向性を有していた。
Table 2 shows the results obtained when the crystal growth method was changed, in which nickel was introduced over the entire surface (vertical growth), and
This is a comparison with a portion obtained by forming a silicon oxide film on amorphous silicon (cover silicon oxide), patterning the silicon oxide, opening a window for adding a catalytic element, and laterally growing from the window. As a result, the vertical growth portion is relatively random, and the horizontal growth portion having the silicon oxide film on the upper surface is almost completely (11) depending on the film thickness (the film thickness dependency will be described later).
1) It had orientation.

【0056】表3は膜厚依存性についてであるが、膜厚
は300Åから5000Åについて実験を行ったとこ
ろ、横成長部分については膜厚が薄いほど(111)配
向性が強くでるという傾向がはっきりと確認された。こ
の内、400Åから800Åについては図9に示される
ようにほぼ誤差範囲内で直線性が見出された。尚、縦成
長部分に関しては、元々がランダムであるため明確な傾
向は観測されなかった。表4は横成長プロセスにおい
て、上面の酸化珪素膜の有無を比較する実験の結果であ
るが、上面に酸化珪素がない横成長プロセスの試料は膜
厚によりその配向性が変化するが何れも(111)配向
性以外の配向を示すのに対し、上面の酸化珪素が有る場
合の横成長プロセスで得られる結晶性珪素の配向性は
(111)配向性が強く、特に図9からも強く示唆され
るように、800Å以下ではかなり強い(111)配向
であることは前述の通りである。そしてこのことから、
膜厚を800Å以下とすることによって、(111)配
向を強くできることが結論される。
Table 3 shows the dependence on the film thickness. When an experiment was conducted at a film thickness of 300 ° to 5000 °, it is clear that the thinner the film thickness, the stronger the (111) orientation is in the lateral growth portion. It was confirmed. Among them, linearity was found within a range of error from 400 ° to 800 °, as shown in FIG. Note that no clear tendency was observed in the vertical growth portion because it was originally random. Table 4 shows the results of an experiment comparing the presence or absence of a silicon oxide film on the upper surface in the lateral growth process. The orientation of the sample in the lateral growth process without silicon oxide on the upper surface changes depending on the film thickness. In contrast to the orientation other than the (111) orientation, the orientation of crystalline silicon obtained by the lateral growth process when silicon oxide is present on the upper surface has a strong (111) orientation, and is particularly strongly suggested from FIG. As described above, at 800 ° or less, the (111) orientation is quite strong, as described above. And from this,
It is concluded that the (111) orientation can be strengthened by setting the film thickness to 800 ° or less.

【0057】図1は、縦成長を用い、ニッケルの添加量
を変化させた場合の依存性をプロットしたものである
が、横軸はニッケルの酢酸塩あるいは硝酸塩を用いて液
相添加を行った際のドーズ量を、左側の縦軸が(11
1)配向比率を、また右側の縦軸がレーザー結晶化前の
シリコン膜の内、固相成長によって結晶化している面積
の比率を示したものである。この図より、(111)配
向比率を、触媒元素の濃度によってランダムから(11
1)配向性まで自由に変化させることが可能であること
が理解される。また、これらはレーザー結晶化前に固相
成長で成長した割合の変化と完全に一致していることが
判り、そのことは濃度変化の代わりに加熱温度及び加熱
時間を変えてレーザー結晶化前に固相成長で成長した割
合を変えても同様の傾向が見られることにより確認され
た。
FIG. 1 is a graph plotting the dependency when the amount of nickel added is changed using vertical growth. The horizontal axis indicates the liquid phase addition using nickel acetate or nitrate. The vertical axis on the left side shows the dose amount (11
1) The orientation ratio, and the vertical axis on the right side indicates the ratio of the area of the silicon film before laser crystallization that has been crystallized by solid phase growth. According to this figure, the (111) orientation ratio was changed from random to (11
1) It is understood that the orientation can be freely changed. In addition, it can be seen that these completely match the change in the rate of solid phase growth before laser crystallization, which means that instead of changing the concentration, the heating temperature and heating time were changed before laser crystallization. It was confirmed that the same tendency was observed even when the growth rate in solid phase growth was changed.

【0058】次に、図には示していないが、粒径につい
て示すと、光学顕微鏡から観測された粒径(必ずしもこ
の中が単結晶であるかは現在までのところ判明していな
い。)はドーズ量を増やすに連れて、33μmから20
μmまで減少していくことが確認された。
Next, although not shown in the figure, regarding the particle size, the particle size observed by an optical microscope (whether or not this is a single crystal has not yet been determined so far) is shown. As the dose is increased, from 33 μm to 20
It was confirmed that the particle diameter was reduced to μm.

【0059】では、上記の実験結果はどの様な機構によ
るかであるが、配向性についてはシリコン─酸化珪素界
面の影響を、固相成長の際にどの程度受けたかで全てを
解釈することが可能である。この様な観点から上記の現
象を解釈すると以下の様になる。
Although the above experimental results depend on the mechanism, all of the orientations can be interpreted based on the degree of the influence of the silicon-silicon oxide interface during solid phase growth. It is possible. Interpreting the above phenomenon from such a point of view results in the following.

【0060】表1の結果については、下地界面に触媒元
素を導入した場合には、核発生する際にすでに下地の影
響を受けており、この時点で(111)配向性になる可
能性が高い。それに比して、表面で核発生する場合には
下地の影響を受けずに、ランダムな核発生をすることが
できる。そして結晶成長の間中、その履歴をもっている
と考えられるのである。
The results shown in Table 1 show that when a catalytic element is introduced into the interface of the base, the nucleation is already affected by the base, and there is a high possibility that (111) orientation will occur at this point. . In contrast, when nuclei are generated on the surface, random nuclei can be generated without being affected by the base. And it is thought that it has the history throughout the crystal growth.

【0061】表2の結果については、縦成長部分は上述
と同様の機構であり、横成長に関しては、成長点が下地
及びカバーの酸化珪素と接触しながら成長する為、これ
らの影響を大きく受けやすいと考えられる。
The results shown in Table 2 indicate that the vertical growth portion has the same mechanism as described above, and the lateral growth is greatly affected by the growth point where the growth point comes in contact with the silicon oxide of the base and the cover. It is considered easy.

【0062】表3の膜厚依存性については、膜厚が厚く
なれば、系全体の自由エネルギーに対する下地酸化珪素
との界面のエネルギーの比率が相対的に低下し、(11
1)に配向させる力が弱まる為と考えられる。
Regarding the film thickness dependence in Table 3, as the film thickness increases, the ratio of the energy at the interface with the underlying silicon oxide to the free energy of the entire system relatively decreases, and (11)
It is considered that the force for orienting in 1) is weakened.

【0063】表4の2つの横成長(上面に酸化珪素膜が
有るものと無いもの)の結果については、上面が酸化珪
素で覆われたものは、結果として上下を酸化珪素で囲ま
れていることとなり、その界面を安定化させるべく(1
11)配向性となるものと考えられる。それに対し、上
面に酸化珪素の無い横成長プロセスはこの界面の寄与が
半分になるためそれだけ拘束力が弱まり(111)以外
の配向性を示すものと考えられる。ところで前述の様
に、上面に酸化珪素の無い横成長プロセスにおいては、
膜厚と配向性の間に明確な相関があった。例えば500
Åの非晶質珪素を用いた場合には(200)あるいは
(311)の配向性が強く観察された。これについて
は、結晶学的な解析、及び図18に示す様な写真より、図
19の様な機構で結晶成長が起こっていると考えることが
できる。即ち、結晶の成長面501あるいは506は
(111)面であり、これは常に一定であるが、この面
が基板に対してどの様な角度を有しているかはその膜厚
によりほぼ一義的に決定するというものである。その結
果膜厚が変化すれば、例えば800Åの膜厚において
は、見掛け上の結晶成長方向504と結晶成長面501
はほぼ垂直であり、その結果配向性(配向性と言った場
合一般的には基板に垂直方向の配向性を言う)としては
〈111〉軸に垂直な方向が観測されることになる。し
かし膜厚500Åにおいては、結晶成長面506と見掛
け上の結晶成長方向505とは垂直ではなく、その為配
向性も変化する。即ち、上面に酸化珪素が無い横成長プ
ロセスにおいては、膜厚を変化させることにより配向性
制御が可能である。図1の結果は、上述の縦成長がラン
ダムな理由に付加して、レーザー結晶化が(111)配
向であることを認めることによって容易に説明される。
その機構を簡単に示したものが図2である。図中のAは
触媒元素のドーズ量が少なく、レーザー結晶化前に固相
成長で結晶化しているランダムな部分が少なく、それよ
りもレーザー結晶化した(111)配向性の部分が多い
例であり、図中のBは、殆どが固相成長したもので、レ
ーザー結晶化した(111)配向の部分が殆どない例で
ある。これを裏付ける実験として、レーザー結晶化の際
のエネルギー密度及び照射時間を変化させた実験を行な
ってみた。すると、エネルギー密度及び照射時間を増大
させるに連れ、(111)配向比率が高くなることが判
明した。この結果は、レーザーにより結晶化する割合を
高めることが(111)配向比率を高めることに直結し
ていることを示すものと考えられる。
As for the results of the two lateral growths shown in Table 4 (with and without the silicon oxide film on the upper surface), those with the upper surface covered with silicon oxide are consequently surrounded by silicon oxide on the upper and lower sides. In order to stabilize the interface, (1
11) It is considered that orientation is obtained. On the other hand, in the lateral growth process without silicon oxide on the upper surface, the contribution of this interface is reduced by half, so that the binding force is correspondingly weakened and it is considered that the orientation other than (111) is exhibited. By the way, as described above, in the lateral growth process without silicon oxide on the upper surface,
There was a clear correlation between film thickness and orientation. For example, 500
When amorphous silicon was used, the orientation of (200) or (311) was strongly observed. About this, from the crystallographic analysis and the photograph as shown in FIG.
It can be considered that crystal growth is occurring by a mechanism such as 19. That is, the crystal growth surface 501 or 506 is a (111) plane, which is always constant, but what angle this plane has with respect to the substrate is almost uniquely determined by its film thickness. It is to decide. As a result, if the film thickness changes, for example, at a film thickness of 800 °, the apparent crystal growth direction 504 and the crystal growth surface 501
Is almost perpendicular, and as a result, the orientation perpendicular to the <111> axis is observed as the orientation (the orientation generally refers to the orientation perpendicular to the substrate). However, at a film thickness of 500 °, the crystal growth surface 506 is not perpendicular to the apparent crystal growth direction 505, and thus the orientation changes. That is, in a lateral growth process in which silicon oxide is not present on the upper surface, the orientation can be controlled by changing the film thickness. The results of FIG. 1 are easily explained by recognizing that laser crystallization is in the (111) orientation, in addition to the above-mentioned vertical growth being random.
FIG. 2 schematically shows the mechanism. A in the figure is an example in which the dose of the catalytic element is small, the number of random portions crystallized by solid phase growth before laser crystallization is small, and the number of laser crystallized (111) -oriented portions is larger than that. In the figure, B in the figure is an example in which almost all are solid-phase grown, and there is almost no (111) oriented portion crystallized by laser. As an experiment supporting this, an experiment was performed in which the energy density and irradiation time during laser crystallization were changed. Then, it was found that the (111) orientation ratio increased as the energy density and the irradiation time increased. This result is considered to indicate that increasing the rate of crystallization by laser is directly linked to increasing the (111) orientation ratio.

【0064】次に粒径については、前述の現象を説明す
るためには、触媒元素を用いた場合にはその添加場所等
によらず、触媒元素のドーズ量により核発生密度が一義
的に決定し、その結果結晶成長できる大きさが決まって
きてしまうと考えると説明可能である。
Next, regarding the particle diameter, in order to explain the above-mentioned phenomenon, in the case where a catalyst element is used, the nucleation density is uniquely determined by the dose amount of the catalyst element regardless of the place of addition. However, it can be explained by considering that the size at which the crystal can be grown is determined as a result.

【0065】よってこれらをまとめると、低温結晶化及
び配向性の制御方法は以下の様になる。
Therefore, when these are summarized, the method of controlling the crystallization at low temperature and the orientation is as follows.

【0066】まず前提としてニッケルに代表される触媒
元素を表面から液相法で添加する方法を用い、結晶化に
は固相成長とレーザー結晶化を併用することにする。こ
の様に触媒元素を微量に添加することにより結晶化温度
の低温化及び要する時間の飛躍的な短縮が可能となる。
First, it is assumed that a method of adding a catalytic element typified by nickel from the surface by a liquid phase method is used, and solid phase growth and laser crystallization are used for crystallization. By adding a small amount of the catalyst element in this way, it is possible to lower the crystallization temperature and to drastically reduce the required time.

【0067】・(111)配向性が高い膜を得たい場合 横成長プロセスを用いるか、レーザー結晶化前の結晶化
比率を小さくする。この方法を用いることにより、(1
11)配向比率を0.67〜1の間で任意に制御するこ
とが可能である。この結晶化比率を下げる方法として
は、触媒元素のドーズ量を小さくする、あるいは固相成
長条件を変える方法のいずれかを選択すればよい。
When a film having a high (111) orientation is desired to be obtained, a lateral growth process is used or the crystallization ratio before laser crystallization is reduced. By using this method, (1)
11) It is possible to arbitrarily control the orientation ratio between 0.67 and 1. As a method of lowering the crystallization ratio, either a method of reducing the dose of the catalyst element or a method of changing the solid phase growth condition may be selected.

【0068】・ランダムな膜を得たい場合 縦成長プロセスを用いて、レーザー結晶化前の結晶化比
率を大きくする。この結晶化比率を高める方法として
は、触媒元素のドーズ量を多くする、あるいは固相成長
条件を変える方法のいずれかを選択すればよい。
When a random film is to be obtained The crystallization ratio before laser crystallization is increased by using a vertical growth process. As a method of increasing the crystallization ratio, either a method of increasing the dose of the catalyst element or a method of changing the solid phase growth conditions may be selected.

【0069】・上記の中間の配向性を有する膜を得たい
場合 縦成長プロセスを用い、レーザー結晶化前の結晶化比率
を適当にする。このプロセスを用いることにより、(1
11)配向比率を0.33〜1の間で任意に制御するこ
とが可能である。この結晶化比率を適当な値にする方法
としては、触媒元素のドーズ量を変える、あるいは固相
成長条件を変える方法のいずれかを選択すればよい。
When a film having the above-mentioned intermediate orientation is to be obtained: A vertical growth process is used, and the crystallization ratio before laser crystallization is made appropriate. By using this process, (1
11) It is possible to arbitrarily control the orientation ratio between 0.33 and 1. As a method of setting the crystallization ratio to an appropriate value, either a method of changing the dose of the catalytic element or a method of changing the solid-phase growth condition may be selected.

【0070】・その他の配向性の膜を得たい場合 上面に酸化珪素の無い横成長プロセスを用い、膜厚を変
化させることにより配向性を制御する。この際には、膜
厚としては800Åから300Å程度の間で変化させる
ことが制御性から言って望ましい。それ以上厚い場合に
は、膜厚よりも柱状結晶の幅が小さくなり、ランダムな
傾向に成りやすく、また300Å以下では結晶成長が困
難であった。
When a film of another orientation is desired to be obtained, the orientation is controlled by changing the film thickness using a lateral growth process without silicon oxide on the upper surface. At this time, it is desirable from the viewpoint of controllability that the film thickness is changed between 800 ° and 300 °. When the thickness is larger than that, the width of the columnar crystal is smaller than the film thickness, and the tendency tends to be random.

【0071】次に、結晶の粒径を変える手段としては以
下の様にすれば良い。 ・粒径を大きくする場合、添加する触媒元素の濃度を下
げる。
Next, the means for changing the crystal grain size may be as follows. -When increasing the particle size, lower the concentration of the added catalytic element.

【0072】・粒径を小さくする場合、添加する触媒元
素の濃度を上げる。
When reducing the particle size, increase the concentration of the catalyst element to be added.

【0073】尚、上記の触媒元素の添加量を制御するの
と同時に、固相成長の温度及び時間を制御することは有
効である。しかしながら最大どの程度まで粒径を大きく
できるかは前記触媒元素の添加量によって一義的に決定
される。
It is effective to control the temperature and time of solid phase growth simultaneously with controlling the amount of the catalyst element added. However, the maximum extent to which the particle size can be increased is uniquely determined by the amount of the catalyst element added.

【0074】本発明においては、触媒元素としてニッケ
ルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる
が、その他利用できる触媒元素の種類としては、好まし
くはPt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Pd、P、
As、Sbを利用することができる。これらの元素は珪
素に対して侵入型の元素であり、珪素膜中に拡散してい
き、結晶化を助長する作用を有する。
In the present invention, the most remarkable effect can be obtained when nickel is used as the catalyst element. However, other types of catalyst elements that can be used are preferably Pt, Cu, Ag, Au, In, and In. Sn, Pd, P,
As and Sb can be used. These elements are interstitial elements with respect to silicon, and have an effect of diffusing into a silicon film and promoting crystallization.

【0075】また、触媒元素の導入方法は、水溶液やア
ルコール等の溶液を用いた液相法に限定されるものでは
なく、触媒元素を含んだ物質を広く用いることができ
る。例えば、触媒元素を含んだ金属化合物や酸化物を用
いることができる。
The method for introducing the catalytic element is not limited to the liquid phase method using an aqueous solution or a solution such as alcohol, and a substance containing the catalytic element can be widely used. For example, a metal compound or oxide containing a catalyst element can be used.

【0076】では最後に、上述の各種特性を踏まえた上
でTFTに応用する方法について説明する。ここでTF
Tの応用分野としてはTFTを画素の駆動に用いるアク
ティブマトリックス型液晶表示装置を想定するものとす
る。前述の様に、最近の大画面のアクティブマトリック
ス型液晶表示装置においては、ガラス基板の縮みを抑え
ることが重要であるが、本発明のニッケル微量添加プロ
セスを用いることにより、ガラスの歪み点に比較して十
分に低い温度で結晶化が可能であり、特に好適である。
本発明を用いれば、従来非晶質珪素を用いていた部分
を、ニッケルを微量添加し、500〜550℃程度で4
時間程度結晶化させることにより、結晶性を有するシリ
コンに置き換えることが容易に可能である。勿論、デザ
インルール等をそれ相応に変更する必要はあるが、装
置、プロセス共従来の物で十分に対応可能であり、その
メリットは大きいものと考えられる。本明細書中におい
ては、絶縁ゲイト型を有する薄膜トランジスタ(TF
T)の例を主に示すが、本明細書で開示する発明は、薄
膜半導体を用いた素子に広く利用することができる。例
えば、薄膜ダイオードや薄膜バイポーラトランジスタ、
さらには薄膜半導体を用いた光電変換装置に利用するこ
とができる。
Finally, a method of applying the present invention to a TFT based on the above various characteristics will be described. Where TF
As an application field of T, an active matrix type liquid crystal display device using TFTs for driving pixels is assumed. As described above, in recent large-screen active-matrix liquid crystal display devices, it is important to suppress the shrinkage of the glass substrate. Therefore, crystallization can be performed at a sufficiently low temperature, which is particularly preferable.
According to the present invention, a part where amorphous silicon is conventionally used is added with a trace amount of nickel,
By crystallizing for about a time, it is possible to easily replace the silicon with crystalline silicon. Of course, it is necessary to change the design rules and the like accordingly. However, it is considered that the conventional apparatus and process can sufficiently cope with this, and the merits thereof are considered to be great. In this specification, a thin film transistor (TF
Although the example of T) is mainly shown, the invention disclosed in the present specification can be widely used for an element using a thin film semiconductor. For example, thin-film diodes, thin-film bipolar transistors,
Further, it can be used for a photoelectric conversion device using a thin film semiconductor.

【0077】[0077]

【実施例】【Example】

〔実施例1〕本実施例は、1200Åの酸化珪素膜を選
択的に設け、この酸化珪素膜をマスクとして選択的にニ
ッケルを導入し、横成長を行わせ、(111)配向性の
高いシリコン膜を作製する例である。
Embodiment 1 In this embodiment, a silicon oxide film of 1200 ° is selectively provided, nickel is selectively introduced using this silicon oxide film as a mask, lateral growth is performed, and silicon having a high (111) orientation is obtained. This is an example of producing a film.

【0078】図3に本実施例における作製工程の概略を
示す。まず、ガラス基板11(コーニング7059、1
0cm角)上の非晶質珪素膜12(プラズマCVDの5
00Åの膜)上にマスクとなる酸化珪素膜21(カバー
酸化珪素)を1000Å以上、ここでは1200Åの厚
さに成膜する。この酸化珪素膜21の膜厚については、
発明者等の実験によると500Åでも問題がないことを
確認しており、膜質が緻密であれば更に薄くても良いと
思われる。
FIG. 3 shows an outline of a manufacturing process in this embodiment. First, the glass substrate 11 (Corning 7059, 1
Amorphous silicon film 12 (0 cm square)
A silicon oxide film 21 (cover silicon oxide) serving as a mask is formed to a thickness of 1000 ° or more, here 1200 °, on the (00 ° film). Regarding the thickness of the silicon oxide film 21,
According to experiments by the inventors, it has been confirmed that there is no problem even at 500 °, and it is considered that a thinner film may be used if the film quality is dense.

【0079】そして通常のフォトリソパターニング工程
によって、必要とするパターンに酸化珪素膜21をパー
ニングする。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照
射で薄い酸化珪素膜20を成膜する。この酸化珪素膜
は、濡れ性を改善し、後に導入されるニッケルを含有し
た溶液が均一に塗布する目的で形成される。この酸化珪
素膜20の作製は、酸素雰囲気中でUV光を5分間照射
することによって行なわれる。なおこの酸化珪素膜20
の厚さは20〜50Å程度と考えられる。(図3
(A))
Then, the silicon oxide film 21 is subjected to a necessary pattern by a usual photolithography patterning process. Then, a thin silicon oxide film 20 is formed by ultraviolet irradiation in an oxygen atmosphere. This silicon oxide film is formed for the purpose of improving wettability and uniformly applying a solution containing nickel to be introduced later. The production of the silicon oxide film 20 is performed by irradiating UV light for 5 minutes in an oxygen atmosphere. The silicon oxide film 20
Is considered to be about 20-50 °. (FIG. 3
(A))

【0080】この状態において、100ppmのニッケ
ルを含有した酢酸塩溶液を5ml滴下(10cm角基板
の場合)する。またこの際、スピナー15で50rpm
で10秒のスピンコートを行い、基板表面全体に均一な
水膜14を形成させる。さらにこの状態で、1分間保持
した後スピナーを用いて2000rpm、60秒のスピ
ンドライを行う。なおこの保持は、スピナー上において
0〜100rpmの回転をさせながら行なってもよい。
(図3(B))
In this state, 5 ml of an acetate solution containing 100 ppm of nickel is dropped (in the case of a 10 cm square substrate). Also, at this time, 50 rpm with the spinner 15
For 10 seconds to form a uniform water film 14 on the entire surface of the substrate. Further, in this state, after holding for 1 minute, spin dry is performed at 2000 rpm for 60 seconds using a spinner. This holding may be performed while rotating the spinner at 0 to 100 rpm.
(FIG. 3 (B))

【0081】そして550度(窒素雰囲気)、8時間の
加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜12の結晶化
を行う。この際、ニッケルが導入された部分22の領域
から23で示されるように、ニッケルが導入されなった
領域へと横方向に結晶成長が行われる。今回の条件では
横成長量として30μm程度が得られた。そしてその
後、カバー酸化珪素をバッファーフッ酸を用いて剥離
し、300mJ/cm2 のパワー密度でKrFエキシマ
レーザ(248nm)によるレーザー結晶化を行った。
Then, the amorphous silicon film 12 is crystallized by performing a heat treatment at 550 ° C. (nitrogen atmosphere) for 8 hours. At this time, crystal growth is performed in the lateral direction from the region of the portion 22 where nickel has been introduced to the region where nickel has not been introduced as indicated by 23. Under this condition, a lateral growth amount of about 30 μm was obtained. Then, the cover silicon oxide was peeled off using buffered hydrofluoric acid, and laser crystallization was performed with a KrF excimer laser (248 nm) at a power density of 300 mJ / cm 2 .

【0082】この様にして得られたシリコン膜をX線回
折を行ってみたところ、(111)配向比率が0.91
7と、(111)配向性が非常に高い膜が得られた。そ
の結果を図4に示す。
When the silicon film thus obtained was subjected to X-ray diffraction, the (111) orientation ratio was found to be 0.91.
7 and films having very high (111) orientation were obtained. FIG. 4 shows the results.

【0083】〔実施例2〕本実施例は、実施例1と全く
同一のプロセスを用い、非晶質珪素膜の膜厚のみを40
0Åと800Åの2種類で試した例である。
[Embodiment 2] In this embodiment, the same process as in Embodiment 1 is used, and only the thickness of the amorphous silicon film is reduced by 40%.
This is an example in which two types of 0 ° and 800 ° were tried.

【0084】結果としては、X線回折から求めた(11
1)配向比率については、400Åの試料は約1.0と
ほぼ完全に(111)配向の膜であり、800Åの試料
は0.720と500Åに比較して若干(111)配向
性が弱くなっていることが判明した。
The results were obtained from X-ray diffraction (11
1) With respect to the orientation ratio, the sample at 400 ° is a film having almost completely (111) orientation of about 1.0, and the sample at 800 ° is slightly weaker in (111) orientation than 0.720 and 500 °. Turned out to be.

【0085】〔実施例3〕本実施例では、結晶化を助長
する触媒元素を水溶液に含有させて、非晶質珪素膜上に
塗布し、しかる後に加熱により結晶化させ、さらにレー
ザー光の照射により結晶性を高める例である。この構成
は前述の記載においては縦成長にあたり、比較的ランダ
ムな配向性を有する膜を得ることができる。
[Embodiment 3] In this embodiment, a catalyst element for promoting crystallization is contained in an aqueous solution, applied onto an amorphous silicon film, and then crystallized by heating, and further irradiated with laser light. This is an example in which the crystallinity is improved by the method. This configuration corresponds to vertical growth in the above description, and a film having a relatively random orientation can be obtained.

【0086】図5を用いて、触媒元素(ここではニッケ
ルを用いる)を導入するところまでを説明する。本実施
例においては、基板11としてコーニング7059ガラ
スを用いる。またその大きさは100mm×100mm
とする。
With reference to FIG. 5, the process up to the point where the catalytic element (here, nickel is used) is introduced will be described. In this embodiment, Corning 7059 glass is used as the substrate 11. The size is 100mm x 100mm
And

【0087】まず、非晶質珪素膜12をプラズマCVD
法やLPCVD法によって100〜1500Å形成す
る。ここでは、プラズマCVD法によって非晶質珪素膜
12を500Åの厚さに成膜する。(図5(A))
First, the amorphous silicon film 12 is formed by plasma CVD.
Is formed at a temperature of 100 to 1500 ° by an LPCVD method. Here, the amorphous silicon film 12 is formed to a thickness of 500 ° by a plasma CVD method. (FIG. 5 (A))

【0088】そして、汚れ及び自然酸化膜を取り除くた
めにフッ酸処理を行い、その後酸化膜13を10〜50
Åに成膜する。汚れが無視できる場合には、酸化膜13
の代わりに自然酸化膜をそのまま用いれば良い。
Then, a hydrofluoric acid treatment is performed to remove the dirt and the natural oxide film.
Å is formed. If the contamination can be ignored, the oxide film 13
Instead, a natural oxide film may be used as it is.

【0089】なお、この酸化膜13は極薄のため正確な
膜厚は不明であるが、20Å程度であると考えられる。
ここでは酸素雰囲気中でのUV光の照射により酸化膜1
3を成膜する。成膜条件は、酸素雰囲気中においてUV
を5分間照射することにおって行なった。この酸化膜1
3の成膜方法としては、熱酸化法を用いるのでもよい。
また過酸化水素による処理によるものでもよい。
Although the exact thickness of the oxide film 13 is unknown because it is extremely thin, it is considered to be about 20 °.
Here, the oxide film 1 is irradiated with UV light in an oxygen atmosphere.
3 is formed. Film formation conditions are UV in oxygen atmosphere.
For 5 minutes. This oxide film 1
As the film forming method of No. 3, a thermal oxidation method may be used.
Further, a treatment by hydrogen peroxide may be used.

【0090】この酸化膜13は、後のニッケルを含んだ
酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜の表面全体
に酢酸塩溶液を行き渡らせるため、即ち濡れ性の改善の
為のものである。例えば、非晶質珪素膜の表面に直接酢
酸塩溶液を塗布した場合、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾
いてしまうので、非晶質珪素膜の表面全体にニッケルを
導入することができない。即ち、均一な結晶化を行うこ
とができない。
This oxide film 13 is used to spread the acetate solution over the entire surface of the amorphous silicon film in the subsequent step of applying an acetate solution containing nickel, that is, to improve the wettability. It is. For example, when an acetate solution is directly applied to the surface of an amorphous silicon film, nickel cannot be introduced into the entire surface of the amorphous silicon film because the amorphous silicon repels the acetate solution. That is, uniform crystallization cannot be performed.

【0091】つぎに、ニッケルの酢酸塩水溶液を作る。
ニッケルの濃度は25ppmとする。そしてこの酢酸塩
溶液を非晶質珪素膜12上の酸化膜13の表面に2ml
滴下し、水膜14を形成する。またこの状態を5分間保
持する。そしてスピナーを用いてスピンドライ(200
0rpm、60秒)を行う。(図5(C)、(D))
Next, an aqueous solution of nickel acetate is prepared.
The concentration of nickel is 25 ppm. Then, 2 ml of this acetate solution is applied to the surface of the oxide film 13 on the amorphous silicon film 12.
By dripping, a water film 14 is formed. This state is maintained for 5 minutes. Then, spin dry using a spinner (200
0 rpm, 60 seconds). (FIGS. 5C and 5D)

【0092】酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は、1
ppm以上であれば実用になるが、所望の配向性と鑑み
て、今回は25ppmとした。また、溶液として2−エ
チルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶
媒を用いる場合、酸化膜13は不要であり、直接非晶質
珪素膜上に触媒元素を導入することができる。
The concentration of nickel in the acetic acid solution is 1
If it is not less than ppm, it is practical, but in consideration of desired orientation, it was set to 25 ppm in this case. When a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate is used as the solution, the oxide film 13 is unnecessary, and the catalyst element can be directly introduced onto the amorphous silicon film.

【0093】このニッケル溶液の塗布工程を、1回〜複
数回行なうことにより、スピンドライ後の非晶質珪素膜
12の表面に数Å〜数百Åの平均の膜厚を有するニッケ
ルを含む層を形成することができる。この場合、この層
のニッケルがその後の加熱工程において、非晶質珪素膜
に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。な
お、この層というのは、完全な膜になっているとは限ら
ない。尚、本実施例においては塗布回数は1回とした。
This nickel solution coating step is performed once to plural times to form a layer containing nickel having an average film thickness of several to several hundreds on the surface of the amorphous silicon film 12 after spin drying. Can be formed. In this case, nickel in this layer diffuses into the amorphous silicon film in the subsequent heating step and acts as a catalyst for promoting crystallization. Note that this layer is not necessarily a complete film. In this example, the number of application was one.

【0094】上記溶液の塗布の後、1分間その状態を保
持させる。この保持させる時間によっても、最終的に珪
素膜12中に含まれるニッケルの濃度を制御することが
できるが、最も大きな制御因子は溶液の濃度である。
After the application of the solution, the state is maintained for one minute. Although the concentration of nickel contained in the silicon film 12 can be finally controlled by the holding time, the largest controlling factor is the concentration of the solution.

【0095】そして、加熱炉において、窒素雰囲気中に
おいて550度、8時間の加熱処理を行う。この結果、
基板11上に形成された一部結晶性を有する珪素薄膜1
2を得ることができる。この段階での結晶化比率を、コ
ンピュータを用いた画像解析から求めたところ、98.
84%であった。
Then, in a heating furnace, heat treatment is performed at 550 ° C. for 8 hours in a nitrogen atmosphere. As a result,
Partially crystalline silicon thin film 1 formed on substrate 11
2 can be obtained. The crystallization ratio at this stage was determined by image analysis using a computer.
84%.

【0096】上記の加熱処理は450度以上の温度で行
うことができるが、温度が低いと加熱時間を長くしなけ
らばならず、生産効率が低下する。また、550度以上
とすると基板として用いるガラス基板の耐熱性の問題が
表面化してしまう。
The above heat treatment can be carried out at a temperature of 450 ° C. or higher. However, if the temperature is low, the heating time must be lengthened and the production efficiency decreases. Further, if the temperature is 550 degrees or more, the problem of heat resistance of a glass substrate used as a substrate will surface.

【0097】本実施例においては、非晶質珪素膜上に触
媒元素を導入する方法を示したが、非晶質珪素膜下に触
媒元素を導入する方法を採用してもよい。しかしながら
その場合には、前述の通り(111)配向性が非常に高
くなってしまうことに注意する必要がある。
In this embodiment, the method of introducing a catalytic element on the amorphous silicon film has been described, but a method of introducing a catalytic element below the amorphous silicon film may be employed. However, in such a case, it should be noted that the (111) orientation becomes extremely high as described above.

【0098】加熱処理により一部結晶性を有する珪素膜
12を得たら、KrFエキシマレーザ(波長248n
m、パルス幅30nsec)を窒素雰囲気中において2
00〜350mJ/cm2 のパワー密度で数ショト、本
実施例では300mJ/cm2で1ショット照射し、珪
素膜12を完全に結晶化せしめる。この工程は、赤外光
の照射によってもよい。
After the silicon film 12 having partial crystallinity is obtained by the heat treatment, a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm) is used.
m, pulse width 30 nsec) in a nitrogen atmosphere.
00~350mJ / cm 2 of power density number Shoto, in the present embodiment 1 shot irradiated at 300 mJ / cm 2, completely allowed to crystallize the silicon film 12. This step may be performed by irradiation with infrared light.

【0099】この様にして得られた結晶性を有する珪素
膜を、X線回折を行って配向性を評価した。その結果を
図6に示す。(111)(220)(311)のピーク
がはっきりと観測され、これについて(111)配向比
率を計算すると0.405となりランダムな膜が希望通
り得られていることが判明した。
The silicon film having crystallinity thus obtained was subjected to X-ray diffraction to evaluate the orientation. FIG. 6 shows the result. The peaks of (111), (220), and (311) were clearly observed, and the (111) orientation ratio was calculated to be 0.405, indicating that a random film was obtained as desired.

【0100】〔実施例4〕本実施例は、実施例3におい
て、触媒元素であるニッケル塩の濃度を1ppmとした
ものである。その他の処理は全て実施例3と同様であ
る。この様な構成とすることにより、1つの結晶粒径を
大きくすることが可能である。また、本実施例に関して
は、固相成長条件を4時間のものと16時間の物の2つ
の条件で実験を行った。熱処理後の薄膜を顕微鏡観察し
た結果、この様に濃度を下げ、固相成長の時間を4時間
とした試料は、実施例3の試料よりも非晶質珪素の部分
が多く、また結晶性珪素からなる結晶核の数も低下して
いた。次にレーザー結晶化後の試料をセコエッチ後SE
Mにより観察してみた。その結果、今回の様に溶液濃度
を低下することにより、一つの結晶粒の大きさを、実施
例2の場合と比較して大きくすることが可能であること
が判明した。
[Embodiment 4] In this embodiment, the concentration of the nickel salt as a catalyst element in Embodiment 3 is 1 ppm. All other processing is the same as in the third embodiment. With such a configuration, it is possible to increase one crystal grain size. In this example, an experiment was performed under two solid-phase growth conditions, one for 4 hours and the other for 16 hours. As a result of microscopic observation of the thin film after the heat treatment, the sample in which the concentration was reduced in this manner and the solid phase growth time was 4 hours had more amorphous silicon portions and the crystalline silicon The number of crystal nuclei consisting of also decreased. Next, the sample after laser crystallization was subjected to SECO etching and then SE.
Observed by M. As a result, it was found that the size of one crystal grain can be increased as compared with the case of Example 2 by reducing the solution concentration as in this case.

【0101】更に、レーザー結晶化後の試料をX線回折
を行ってみたところ、固相成長が4時間の物は(11
1)配向比率が0.730と、(111)配向性の膜が
得られた。また16時間固相成長を行った膜は、同配向
比率が0.4程度に低下しており、ランダムな膜となっ
ていた。 〔実施例5〕本実施例は、本明細書で開示する発明の方
法を利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、TFTを
得る例である。本実施例のTFTは、アクティブマトリ
ックス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分に
用いることができる。なお、TFTの応用範囲として
は、液晶表示装置のみではなく、一般に言われる薄膜集
積回路に利用できることはいうまでもない。
Further, when the sample after laser crystallization was subjected to X-ray diffraction, it was found that the sample after 4 hours of solid phase growth was (11)
1) A film having an orientation ratio of 0.730 and a (111) orientation was obtained. Further, the film subjected to the solid phase growth for 16 hours had the same orientation ratio lowered to about 0.4, and was a random film. [Embodiment 5] In this embodiment, a TFT is obtained using a crystalline silicon film manufactured by using the method of the invention disclosed in this specification. The TFT of this embodiment can be used for a driver circuit or a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device. It is needless to say that TFTs can be applied not only to liquid crystal display devices but also to thin film integrated circuits generally referred to.

【0102】図7に本実施例の作製工程の概要を示す。
まずガラス基板11上に下地の酸化珪素膜(図示せず)
を2000Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜は、ガ
ラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。
FIG. 7 shows an outline of the manufacturing process of this embodiment.
First, an underlying silicon oxide film (not shown) is formed on a glass substrate 11.
Is formed to a thickness of 2000 mm. This silicon oxide film is provided to prevent diffusion of impurities from the glass substrate.

【0103】そして、非晶質珪素膜を実施例1と同様な
方法で500Åの厚さに成膜する。そして、自然酸化膜
を取り除くためのフッ酸処理の後、薄い酸化膜を20Å
程度の厚さに酸素雰囲気でのUV光の照射によって成膜
する。この薄い酸化膜の作製方法は、過水処理や熱酸化
による方法でもよい。
Then, an amorphous silicon film is formed to a thickness of 500 ° in the same manner as in the first embodiment. After the hydrofluoric acid treatment for removing the natural oxide film, a thin oxide film is
The film is formed to a thickness of about a degree by irradiation with UV light in an oxygen atmosphere. The thin oxide film may be formed by a method using a water treatment or thermal oxidation.

【0104】そして25ppmのニッケルを含有した酢
酸塩溶液を塗布し、1分間保持し、スピナーを用いてス
ピンドライを行う。その後バッファフッ酸によって酸化
珪素膜20と21を取り除き、550度、8時間の加熱
によって、珪素膜を結晶化させる。(ここまでは実施例
1に示した作製方法と同じ)
Then, an acetate solution containing 25 ppm of nickel is applied, held for 1 minute, and spin-dried using a spinner. Thereafter, the silicon oxide films 20 and 21 are removed with buffered hydrofluoric acid, and the silicon film is crystallized by heating at 550 ° C. for 8 hours. (Up to this point, the same as the manufacturing method shown in Example 1)

【0105】上記加熱処理を行うことによって、非晶質
成分と結晶成分とが混在した珪素膜を得られる。この結
晶成分には結晶核が存在している。さらにKrFエキシ
マレーザー光を200〜300mJ/cm2 、本実施例
では300mJ/cm2 で照射することにより、珪素膜
の結晶性を助長させる。このレーザー光の照射工程にお
いては、基板を400℃程度に加熱する。この工程よっ
て、更に結晶化を高める。
By performing the above heat treatment, a silicon film in which an amorphous component and a crystalline component are mixed can be obtained. This crystal component has a crystal nucleus. Further, the crystallinity of the silicon film is promoted by irradiating a KrF excimer laser beam at 200 to 300 mJ / cm 2 , in this embodiment, at 300 mJ / cm 2 . In this laser light irradiation step, the substrate is heated to about 400 ° C. This step further enhances crystallization.

【0106】次に、結晶化した珪素膜をパターニングし
て、島状の領域104を形成する。この島状の領域10
4はTFTの活性層を構成する。そして、厚さ200〜
1500Å、ここでは1000Åの酸化珪素膜105を
形成する。この酸化珪素膜はゲイト絶縁膜として機能す
る。(図7(A))
Next, an island-shaped region 104 is formed by patterning the crystallized silicon film. This island-shaped area 10
4 constitutes an active layer of the TFT. And the thickness 200 ~
A silicon oxide film 105 of 1500 °, here 1000 °, is formed. This silicon oxide film functions as a gate insulating film. (FIG. 7 (A))

【0107】上記酸化珪素膜105の作製には注意が必
要である。ここでは、TEOSを原料とし、酸素ととも
に基板温度150〜600℃、好ましくは300〜45
0℃で、RFプラズマCVD法で分解・堆積した。TE
OSと酸素の圧力比は1:1〜1:3、また、圧力は
0.05〜0.5torr、RFパワーは100〜25
0Wとした。あるいはTEOSを原料としてオゾンガス
とともに減圧CVD法もしくは常圧CVD法によって、
基板温度を350〜600℃、好ましくは400〜55
0℃として形成した。成膜後、酸素もしくはオゾンの雰
囲気で400〜600℃で30〜60分アニールした。
Care must be taken in manufacturing the silicon oxide film 105. Here, TEOS is used as a raw material, and a substrate temperature is 150 to 600 ° C., preferably 300 to 45 ° C. together with oxygen.
Decomposition and deposition were performed at 0 ° C. by an RF plasma CVD method. TE
The pressure ratio between OS and oxygen is 1: 1 to 1: 3, the pressure is 0.05 to 0.5 torr, and the RF power is 100 to 25.
0 W. Alternatively, TEOS is used as a raw material together with ozone gas by a low pressure CVD method or a normal pressure CVD method.
The substrate temperature is set to 350 to 600 ° C, preferably 400 to 55.
Formed at 0 ° C. After the film formation, annealing was performed at 400 to 600 ° C. for 30 to 60 minutes in an atmosphere of oxygen or ozone.

【0108】この状態でKrFエキシマーレーザー(波
長248nm、パルス幅20nsec)あるいはそれと
同等な強光を照射することで、シリコン領域104の結
晶化を助長させてもよい。特に、赤外光を用いたRTA
(ラピットサーマルアニール)は、ガラス基板を加熱せ
ずに、珪素のみを選択的に加熱することができ、しかも
珪素と酸化珪素膜との界面における界面準位を減少させ
ることができるので、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置
の作製においては有用である。
In this state, crystallization of the silicon region 104 may be promoted by irradiating a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, pulse width: 20 nsec) or strong light equivalent thereto. In particular, RTA using infrared light
(Rapid thermal annealing) can selectively heat only silicon without heating the glass substrate, and can reduce the interface state at the interface between silicon and the silicon oxide film. It is useful in manufacturing a field-effect semiconductor device.

【0109】その後、厚さ2000Å〜1μmのアルミ
ニウム膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これを
パターニングし、ゲイト電極106を形成する。アルミ
ニウムにはスカンジウム(Sc)を0.15〜0.2重
量%ドーピングしておいてもよい。次に基板をpH≒
7、1〜3%の酒石酸のエチレングリコール溶液に浸
し、白金を陰極、このアルミニウムのゲイト電極を陽極
として、陽極酸化を行う。陽極酸化は、最初一定電流で
220Vまで電圧を上げ、その状態で1時間保持して終
了させる。本実施例では定電流状態では、電圧の上昇速
度は2〜5V/分が適当である。このようにして、厚さ
1500〜3500Å、例えば、2000Åの陽極酸化
物109を形成する。(図7(B))
Thereafter, an aluminum film having a thickness of 2000 to 1 μm is formed by an electron beam evaporation method, and is patterned to form a gate electrode 106. Aluminum may be doped with scandium (Sc) by 0.15 to 0.2% by weight. Next, the substrate is adjusted to pH ≒.
7, immersed in an ethylene glycol solution of 1 to 3% tartaric acid, and anodized using platinum as a cathode and the aluminum gate electrode as an anode. The anodic oxidation is performed by first increasing the voltage to 220 V with a constant current and maintaining the state for one hour to complete the process. In this embodiment, in the constant current state, the voltage rising speed is suitably 2 to 5 V / min. Thus, anodic oxide 109 having a thickness of 1500 to 3500 °, for example, 2000 ° is formed. (FIG. 7 (B))

【0110】その後、イオンドーピング法(プラズマド
ーピング法ともいう)によって、各TFTの島状シリコ
ン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不
純物(燐)を注入する。ドーピングガスとしてはフォス
フィン(PH3 )を用いる。ドーズ量は、1〜4×10
15cm-2とする。
Thereafter, an impurity (phosphorus) is implanted in a self-aligned manner into the island-like silicon film of each TFT by ion doping (also called plasma doping) using the gate electrode portion as a mask. Phosphine (PH 3 ) is used as a doping gas. Dose amount is 1-4 × 10
15 cm -2 .

【0111】さらに、図7(C)に示すようにKrFエ
キシマーレーザー(波長248nm、パルス幅20ns
ec)を照射して、上記不純物領域の導入によって結晶
性の劣化した部分の結晶性を改善させる。レーザーのエ
ネルギー密度は150〜400mJ/cm2 、好ましく
は200〜250mJ/cm2 である。こうして、N型
不純物(燐)領域108、109を形成する。これらの
領域のシート抵抗は200〜800Ω/□となる。
Further, as shown in FIG. 7C, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 ns)
ec) is applied to improve the crystallinity of the portion where the crystallinity is deteriorated by the introduction of the impurity region. The energy density of the laser is 150 to 400 mJ / cm 2 , preferably 200 to 250 mJ / cm 2 . Thus, N-type impurity (phosphorus) regions 108 and 109 are formed. The sheet resistance in these regions is 200 to 800 Ω / □.

【0112】この工程において、レーザー光を用いる代
わりに、フラッシュランプを使用して短時間に1000
〜1200℃(シリコンモニターの温度)まで上昇さ
せ、試料を加熱する。ここでRTA(ラピッド・サーマ
ル・アニール)(RTP、ラピット・サーマル・プロセ
スともいう)等のいわゆるレーザー光と同等の強光の照
射を用いてもよい。
In this step, instead of using a laser beam, a flash lamp is used for a short period of time.
The temperature is raised to 11200 ° C. (temperature of the silicon monitor), and the sample is heated. Here, irradiation of intense light equivalent to so-called laser light such as RTA (rapid thermal annealing) (RTP, also called rapid thermal process) may be used.

【0113】その後、全面に層間絶縁物110として、
TEOSを原料として、これと酸素とのプラズマCVD
法、もしくはオゾンとの減圧CVD法あるいは常圧CV
D法によって酸化珪素膜を厚さ3000Å形成する。基
板温度は250〜450℃、例えば、350℃とする。
成膜後、表面の平坦性を得るため、この酸化珪素膜を機
械的に研磨する。(図7(D))
Then, an interlayer insulator 110 is formed on the entire surface.
Plasma CVD of TEOS as raw material and oxygen
Method, reduced pressure CVD method with ozone, or normal pressure CV
A silicon oxide film having a thickness of 3000 is formed by method D. The substrate temperature is 250 to 450 ° C., for example, 350 ° C.
After the film formation, the silicon oxide film is mechanically polished to obtain a flat surface. (FIG. 7 (D))

【0114】そして、層間絶縁物110をエッチングし
て、図7(E)に示すようにTFTのソース/ドレイン
にコンタクトホールを形成し、クロムもしくは窒化チタ
ンの配線112、113を形成する。
Then, the interlayer insulator 110 is etched, contact holes are formed in the source / drain of the TFT as shown in FIG. 7E, and wirings 112 and 113 of chromium or titanium nitride are formed.

【0115】最後に、水素中で300〜400℃で0.
1〜2時間アニールして、シリコンの水素化を完了す
る。このようにして、TFTが完成する。そして、同時
に作製した多数のTFTをマトリクス状に配列せしめて
アクティブマトリクス型液晶表示装置として完成する。
このTFTは、ソース/ドレイン領域108/109と
チャネル形成領域114を有している。また115がN
Iの電気的接合部分となる。
Finally, at 300 to 400 ° C. in hydrogen at 0.
Anneal for 1-2 hours to complete silicon hydrogenation. Thus, the TFT is completed. Then, a large number of TFTs manufactured at the same time are arranged in a matrix to complete an active matrix liquid crystal display device.
This TFT has source / drain regions 108/109 and a channel formation region 114. 115 is N
It becomes an electrical junction of I.

【0116】本実施例の構成を採用した場合、活性層中
に存在するニッケルの濃度は、3×1018cm-3程度あ
るいはそれ以下の、1×1016atoms cm-3〜3×10
18atoms cm-3であると考えられる。
When the structure of this embodiment is adopted, the concentration of nickel present in the active layer is about 3 × 10 18 cm −3 or less, and 1 × 10 16 atoms cm −3 to 3 × 10 3
It is considered to be 18 atoms cm -3 .

【0117】本実施例で作製されたTFTは、移動度が
Nチャネルで75cm2 /Vs以上のものが得られてい
る。またVthも小さく良好な特性を有していることが確
認されている。さらに、移動度のバラツキも±5%以内
であることが確認されている。このバラツキの少なさ
は、配向性がランダムであるため、デバイスの動作特性
に異方性がないためであると考えられる。レーザー光の
みを利用した場合には、Nチャネル型で100cm2
Vs以上のものを容易に得ることができるが、バラツキ
が大きく、本実施例のような均一性を得ることができな
い。
The TFT manufactured in this embodiment has an N-channel mobility of 75 cm 2 / Vs or more. It has also been confirmed that V th is small and has good characteristics. Further, it has been confirmed that the variation in the mobility is within ± 5%. It is considered that this small variation is due to the random orientation of the device and the absence of anisotropy in the operating characteristics of the device. When only laser light is used, the N-channel type is 100 cm 2 /
Although it is possible to easily obtain a material having a voltage of Vs or more, the dispersion is large and uniformity as in this embodiment cannot be obtained.

【0118】〔実施例6〕本実施例は、実施例5のニッ
ケル濃度を1ppmとし、結晶粒径を大きくする構成で
ある。それ以外の構成は実施例5と全く同一である。
[Embodiment 6] In this embodiment, the nickel concentration of Embodiment 5 is set to 1 ppm, and the crystal grain size is increased. The other configuration is exactly the same as that of the fifth embodiment.

【0119】結果としては、移動度がNチャネルで15
0cm2 /Vs以上のものが得られた。これは結晶粒径
が大きくなった効果であると考えられる。しかしなが
ら、移動度のバラツキが±30%程度存在し、均一性は
それほど高くなかった。この理由は明らかではないが、
(111)配向性をある程度有しているため、デバイス
に異方性が生じてしまった可能性があると推測される。
As a result, the mobility is 15 for the N channel.
Those having a density of 0 cm 2 / Vs or more were obtained. This is considered to be an effect of increasing the crystal grain size. However, the mobility variation was about ± 30%, and the uniformity was not so high. The reason for this is not clear,
It is presumed that the device has a certain degree of (111) orientation, which may have caused anisotropy in the device.

【0120】〔実施例7〕本実施例においては、実施例
2に示すようにニッケルを選択的に導入し、その部分か
ら横方向(基板に平行な方向)に結晶成長した領域を用
いて電子デバイスを形成する例を示す。このような構成
を採用した場合、デバイスの活性層領域におけるニッケ
ル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的
安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすること
ができる。また、非晶質珪素膜の膜厚を400Åとする
ことによって、ほぼ完全に(111)配向性の膜を得る
ことが可能である。
[Embodiment 7] In this embodiment, as shown in Embodiment 2, nickel is selectively introduced, and an electron is formed by using a region where crystal growth is performed in a lateral direction (a direction parallel to the substrate) from that portion. 4 shows an example of forming a device. When such a configuration is employed, the nickel concentration in the active layer region of the device can be further reduced, and a highly preferable configuration can be obtained from the viewpoint of electrical stability and reliability of the device. By setting the thickness of the amorphous silicon film to 400 °, it is possible to obtain a film with (111) orientation almost completely.

【0121】図8に本実施例の作製工程を示す。まず、
基板201を洗浄し、TEOS(テトラ・エトキシ・シ
ラン)と酸素を原料ガスとしてプラズマCVD法によっ
て厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜202を形成す
る。そして、プラズマCVD法によって、厚さ300〜
1500Å、本実施例では400Åの真性(I型)の非
晶質珪素膜203を成膜する。次に連続的に厚さ500
〜2000Å、例えば1000Åの酸化珪素膜205を
プラズマCVD法によって成膜する。そして、酸化珪素
膜205を選択的にエッチングして、非晶質珪素の露出
した領域206を形成する。
FIG. 8 shows a manufacturing process of this embodiment. First,
The substrate 201 is washed, and a 2000-nm-thick silicon oxide base film 202 is formed by a plasma CVD method using TEOS (tetraethoxysilane) and oxygen as source gases. Then, a thickness of 300 to
In this embodiment, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film 203 of 1500 ° and 400 ° is formed. Then continuously 500 thickness
A silicon oxide film 205 having a thickness of 2000 to 2000, for example, 1000 is formed by a plasma CVD method. Then, the silicon oxide film 205 is selectively etched to form a region 206 where amorphous silicon is exposed.

【0122】そして実施例2に示した方法により結晶化
を助長する触媒元素であるニッケル元素を含んだ溶液
(ここでは酢酸塩溶液)塗布する。酢酸溶液中における
ニッケルの濃度は100ppmである。その他、詳細な
工程順序や条件は実施例1で示したものと同一である。
この工程は、実施例5または実施例6に示した方法によ
るものであってもよい。
Then, a solution (here, an acetate solution) containing nickel, which is a catalyst element for promoting crystallization, is applied by the method shown in Example 2. The concentration of nickel in the acetic acid solution is 100 ppm. Other detailed steps and conditions are the same as those described in the first embodiment.
This step may be performed by the method described in the fifth or sixth embodiment.

【0123】この後、窒素雰囲気下で500〜620
℃、例えば550℃、8時間の加熱アニールを行い、珪
素膜203の結晶化を行う。結晶化は、ニッケルと珪素
膜が接触した領域206を出発点として、矢印で示され
るように基板に対して平行な方向に結晶成長が進行す
る。図においては領域204はニッケルが直接導入され
て結晶化した部分、領域203は横方向に結晶化した部
分を示す。この203で示される横方向への結晶は、2
5μm程度である。(図8(A))
Thereafter, 500 to 620 in a nitrogen atmosphere.
C., for example, at 550.degree. C. for 8 hours, to crystallize the silicon film 203. FIG. In the crystallization, the crystal growth proceeds in a direction parallel to the substrate as indicated by an arrow, starting from a region 206 where the nickel and silicon films are in contact. In the drawing, a region 204 indicates a portion crystallized by directly introducing nickel, and a region 203 indicates a portion crystallized in the lateral direction. The crystal in the horizontal direction indicated by 203 is 2
It is about 5 μm. (FIG. 8A)

【0124】上記加熱処理による結晶化工程の後にさら
にレーザー光の照射により珪素膜203の結晶性を助長
させる。この工程は、実施例1と全く同一であるが、酸
化珪素膜205を除去せずにレーザー結晶化を施すため
に、実施例1よりも更に高エネルギー、本実施例中では
350mJ/cm2 で結晶化を行った。
After the crystallization step by the heat treatment, the crystallinity of the silicon film 203 is further promoted by irradiating a laser beam. This step is exactly the same as that of the first embodiment, but in order to perform laser crystallization without removing the silicon oxide film 205, the energy is higher than that of the first embodiment, and 350 mJ / cm 2 in the present embodiment. Crystallization was performed.

【0125】次に、酸化珪素膜205を除去する。この
際、領域206の表面に形成される酸化膜も同時に除去
する。そして、珪素膜204をパターニング後、ドライ
エッチングして、島状の活性層領域208を形成する。
この際、図8(A)で206で示された領域は、ニッケ
ルが直接導入された領域であり、ニッケルが高濃度に存
在する領域である。また、結晶成長の先端にも、やはり
ニッケルが高濃度に存在することが確認されている。こ
れらの領域では、その中間の領域に比較してニッケルの
濃度が高いことが判明している。したがって、本実施例
においては、活性層208において、これらのニッケル
濃度の高い領域がチャネル形成領域と重ならないように
した。
Next, the silicon oxide film 205 is removed. At this time, the oxide film formed on the surface of the region 206 is also removed at the same time. Then, after patterning the silicon film 204, dry etching is performed to form an island-shaped active layer region 208.
At this time, a region indicated by 206 in FIG. 8A is a region where nickel is directly introduced, and is a region where nickel is present at a high concentration. It has also been confirmed that nickel also exists at a high concentration at the tip of crystal growth. It has been found that in these regions, the nickel concentration is higher than in the intermediate region. Therefore, in the present embodiment, in the active layer 208, these regions where the nickel concentration is high do not overlap with the channel formation region.

【0126】その後、100体積%の水蒸気を含む10
気圧、500〜600℃の、代表的には550℃の雰囲
気中において、1時間放置することによって、活性層
(珪素膜)208の表面を酸化させ、酸化珪素膜209
を形成する。酸化珪素膜の厚さは1000Åとする。熱
酸化によって酸化珪素膜209を形成したのち、基板
を、アンモニア雰囲気(1気圧、100%)、400℃
に保持させる。そして、この状態で基板に対して、波長
0.6〜4μm、例えば、0.8〜1.4μmにピーク
をもつ赤外光を30〜180秒照射し、酸化珪素膜20
9に対して窒化処理を施す。なおこの際、雰囲気に0.
1〜10%のHClを混入してもよい。(図8(B))
Thereafter, 10% by volume containing 100% by volume of water vapor was
The surface of the active layer (silicon film) 208 is oxidized by leaving it for 1 hour in an atmosphere of atmospheric pressure at 500 to 600 ° C., typically 550 ° C.
To form The thickness of the silicon oxide film is 1000 °. After the silicon oxide film 209 is formed by thermal oxidation, the substrate is placed in an ammonia atmosphere (1 atm, 100%) at 400 ° C.
To be held. Then, in this state, the substrate is irradiated with infrared light having a peak at a wavelength of 0.6 to 4 μm, for example, 0.8 to 1.4 μm for 30 to 180 seconds, and the silicon oxide film 20 is irradiated.
9 is subjected to a nitriding treatment. At this time, 0.
HCl of 1 to 10% may be mixed. (FIG. 8 (B))

【0127】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åのアルミ
ニウム(0.01〜0.2%のスカンジウムを含む)を
成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極210を形成する。(図8(C))
Subsequently, by the sputtering method,
Aluminum (including 0.01 to 0.2% scandium) having a thickness of 3000 to 8000 °, for example, 6000 ° is formed. Then, the gate electrode 210 is formed by patterning the aluminum film. (FIG. 8 (C))

【0128】さらに、このアルミニウムの電極の表面を
陽極酸化して、表面に酸化物層211を形成する。この
陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエチレングリコ
ール溶液中で行う。得られる酸化物層211の厚さは2
000Åである。なお、この酸化物211は、後のイオ
ンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形
成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長さを
上記陽極酸化工程で決めることができる。(図8
(D))
Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form an oxide layer 211 on the surface. This anodization is performed in an ethylene glycol solution containing tartaric acid at 1 to 5%. The thickness of the obtained oxide layer 211 is 2
000. Note that the oxide 211 has a thickness for forming an offset gate region in a later ion doping process, so that the length of the offset gate region can be determined in the anodic oxidation process. (FIG. 8
(D))

【0129】次に、イオンドーピング法(プラズマドー
ピング法でもよい)によって、活性層領域(ソース/ド
レイン、チャネルを構成する)にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極210とその周囲の酸化層211をマスク
として、自己整合的にN導電型を付与する不純物(ここ
では燐)を添加する。ドーピングガスとして、フォスフ
ィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例
えば80kVとする。ドーズ量は1×1015〜8×10
15cm-2、例えば、4×1015cm-2とする。この結
果、N型の不純物領域212と213を形成することが
できる。図からも明らかなように不純物領域とゲイト電
極とは距離xだけ放れたオフセット状態となる。このよ
うなオフセット状態は、特にゲイト電極に逆電圧(Nチ
ャネルTFTの場合はマイナス)を印加した際のリーク
電流(オフ電流ともいう)を低減する上で有効である。
特に、本実施例のようにアクティブマトリクスの画素を
制御するTFTにおいては良好な画像を得るために画素
電極に蓄積された電荷が逃げないようにリーク電流が低
いことが望まれるので、オフセットを設けることは有効
である。
Next, the gate electrode portion, that is, the gate electrode 210 and the surrounding oxide layer 211 are used as masks in the active layer region (forming the source / drain and channel) by ion doping (plasma doping). In addition, an impurity (here, phosphorus) which imparts the N conductivity type in a self-aligned manner is added. Phosphine (PH 3 ) is used as the doping gas, and the acceleration voltage is set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. Dose amount is 1 × 10 15 to 8 × 10
15 cm -2 , for example, 4 × 10 15 cm -2 . As a result, N-type impurity regions 212 and 213 can be formed. As is clear from the figure, the impurity region and the gate electrode are offset from each other by a distance x. Such an offset state is particularly effective in reducing a leakage current (also referred to as an off-state current) when a reverse voltage (minus in the case of an N-channel TFT) is applied to the gate electrode.
In particular, in the TFT for controlling the pixels of the active matrix as in the present embodiment, it is desired that the leakage current is low so that the electric charge accumulated in the pixel electrode does not escape in order to obtain a good image, so that an offset is provided. That is valid.

【0130】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行う。レーザー光としては、KrFエキシマレーザ
ー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いる
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2
例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10
ショット、例えば2ショット照射した。このレーザー光
の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱すること
によって、効果を増大せしめてもよい。(図8(E))
Thereafter, annealing is performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, pulse width: 20 nsec) is used, but another laser may be used. The irradiation condition of the laser beam is such that the energy density is 200 to 400 mJ / cm 2 ,
For example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10
A shot, for example, two shots was irradiated. The effect may be increased by heating the substrate to about 200 to 450 ° C. during the irradiation with the laser light. (FIG. 8 (E))

【0131】続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜21
4を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成す
る。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリ
イミド膜215を形成し、表面を平坦化する。
Subsequently, a silicon oxide film 21 having a thickness of 6000.degree.
4 is formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Further, a transparent polyimide film 215 is formed by spin coating, and the surface is flattened.

【0132】そして、層間絶縁物214、215にコン
タクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタ
ンとアルミニウムの多層膜によってTFTの電極・配線
217、218を形成する。最後に、1気圧の水素雰囲
気で350℃、30分のアニールを行い、TFTを有す
るアクティブマトリクスの画素回路を完成する。(図8
(F))
Then, contact holes are formed in the interlayer insulators 214 and 215, and the electrodes / wirings 217 and 218 of the TFT are formed of a metal material, for example, a multilayer film of titanium nitride and aluminum. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere at 1 atm to complete an active matrix pixel circuit having a TFT. (FIG. 8
(F))

【0133】本実施例で作製したTFTは高移動度を得
ることができるので、アクティブマトリックス型の液晶
表示装置のドライバー回路に利用することができる。具
体的には移動度がNチャネルで250cm2 /Vs以上
のものが得られた。これは結晶の配向性が非常に高くな
ったため、粒界におけるポテンシャル障壁が低下したこ
とに起因していると予想される。
Since the TFT manufactured in this embodiment can obtain high mobility, it can be used for a driver circuit of an active matrix type liquid crystal display device. Specifically, an N channel having a mobility of 250 cm 2 / Vs or more was obtained. This is considered to be due to the fact that the crystal orientation became very high, and the potential barrier at the grain boundaries was lowered.

【0134】〔実施例8〕本実施例は、実施例7の横成
長の方法をOCDを用いた方法に変更したものである。
即ち、500Åの真性(I型)の非晶質珪素膜203の
後に連続的に成膜した厚さ500〜2000Å、例えば
1000Åの酸化珪素膜205を省略し、その代わりに
ニッケルを含有させたSOG膜、ここでは東京応化製の
OCD Type−2 のノンド─プの材料 Si−5
9000−SGを用い、この中にニッケル化合物を含有
させた物を成膜した。成膜に先立っては、表面をオゾン
にさらして非常に薄い酸化膜を形成し、その後にOCD
を成膜した。その後80℃及び150℃のプリベ─クを
行い、続いて250℃のキュアを行った。このキュアの
温度が高すぎるとこの工程において既にニッケルが非晶
質珪素中に拡散してしまうため注意が必要である。ま
た、オゾンによって生成した非常に薄い酸化膜はこのキ
ュア工程における拡散のバリヤーとして作用し、これが
無い場合には250℃でも充分にニッケルが拡散してし
まうので注意が必要である。次に、所定のパタ−ニング
を行う。このパターニングは実施例7のマスクを用い
て、レジストでポジネガ反転させたものを用いた。パタ
ーニング後のエッチングは、OCDのエッチングレート
が非常に早い為、ウェットよりもドレイプロセスが望ま
しい。以下の工程は実施例7とほぼ同様であるため省略
する。得られたTFTの特性は実施例7の物と殆ど同様
であった。得られたTFTのゲ─ト部分を剥離し、その
下の活性層部分の配向性を電子線回折から調べたとこ
ろ、ほぼ(200)配向となっていることが観測され
た。
[Embodiment 8] This embodiment is a modification of the lateral growth method of Embodiment 7 to a method using OCD.
That is, the silicon oxide film 205 having a thickness of 500 to 2,000 例 え ば, for example, 1000 し た continuously formed after the intrinsic (I-type) amorphous silicon film 203 of 500 省略 is omitted, and SOG containing nickel is used instead. Membrane, here OCD Type-2 non-doped material Si-5 manufactured by Tokyo Ohka
Using 9000-SG, a film containing a nickel compound therein was formed. Prior to film formation, the surface is exposed to ozone to form a very thin oxide film.
Was formed. Thereafter, prebaking at 80 ° C. and 150 ° C. was performed, and then curing at 250 ° C. was performed. If the temperature of this cure is too high, care must be taken because nickel already diffuses into the amorphous silicon in this step. Also, it is necessary to be careful that the very thin oxide film generated by ozone acts as a diffusion barrier in this curing step, and without this, nickel is sufficiently diffused even at 250 ° C. Next, predetermined patterning is performed. This patterning was performed by using the mask of Example 7 and inverting the film with a resist. In the etching after patterning, a drain process is more preferable than a wet process because the OCD etching rate is very fast. The following steps are substantially the same as in the seventh embodiment, and will not be described. The characteristics of the obtained TFT were almost the same as those of Example 7. The gate portion of the obtained TFT was peeled off, and the orientation of the active layer portion thereunder was examined by electron beam diffraction. As a result, it was observed that the TFT had a substantially (200) orientation.

【0135】〔実施例9〕本実施例は、ガラス基板上に
形成された結晶性珪素膜を用いたPチャネル型TFT
(PTFTという)とNチャネル型TFT(NTFTと
いう)とを相補型に組み合わせた回路を形成する例であ
る。本実施例の構成は、アクティブ型の液晶表示装置の
画素電極のスイッチング素子や周辺ドライバー回路、さ
らにはイメージセンサや集積回路に利用することができ
る。図10に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、
基板(コーニング7059)301上にスパッタリング
法によって厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜302を
形成する。つぎにメタルマスクまたは酸化珪素膜等によ
って形成されたマスク303を設ける。このマスク30
3は、300の領域でスリット状に下地膜302を露呈
させる。即ち、図10(A)の状態を上面から見ると、ス
リット状に下地膜302は露呈しており、他ぼ部分はマ
スクされている状態となっている。
[Embodiment 9] This embodiment relates to a P-channel type TFT using a crystalline silicon film formed on a glass substrate.
This is an example of forming a circuit in which a TFT (referred to as PTFT) and an N-channel TFT (referred to as NTFT) are combined in a complementary manner. The configuration of this embodiment can be used for a switching element of a pixel electrode and a peripheral driver circuit of an active type liquid crystal display device, as well as an image sensor and an integrated circuit. FIG. 10 shows a cross-sectional view of a manufacturing process of this example. First,
On a substrate (Corning 7059) 301, a 2000-nm-thick silicon oxide base film 302 is formed by a sputtering method. Next, a mask 303 formed using a metal mask, a silicon oxide film, or the like is provided. This mask 30
3 exposes the base film 302 in a slit shape in a region 300. That is, when the state of FIG. 10A is viewed from above, the base film 302 is exposed in a slit shape, and the other portions are masked.

【0136】上記マスク303を設けた後、スパッタリ
ング法によって、厚さ5〜200Å、例えば20Åの珪
化ニッケル膜(化学式NiSix 、0.4≦x≦2.
5、例えば、x=2.0)を300の領域に選択的に成
膜する。
After the mask 303 is provided, a nickel silicide film (NiSi x , 0.4 ≦ x ≦ 2.
5, for example, x = 2.0) is selectively formed in a region of 300.

【0137】つぎに、プラズマCVD法によって、厚さ
500〜1500Å、例えば1000Åの真性(I型)
の非晶質珪素膜304を成膜する。そして、これを水素
還元雰囲気下(好ましくは、水素の分圧が0.1〜1気
圧),550℃、または不活性雰囲気化(大気圧),5
50℃、で4時間アニールして結晶化させる。この際、
珪化ニッケル膜が選択的に成膜された300の領域にお
いては、基板301に対して垂直方向に非晶質珪素膜3
04の結晶化が起こる。そして、領域300以外の領域
では、矢印305で示すように、領域300から横方向
(基板と平行な方向)に結晶成長が行われる。
Then, an intrinsic (I-type) film having a thickness of 500 to 1500 °, for example, 1000 ° is formed by a plasma CVD method.
Of the amorphous silicon film 304 is formed. Then, the mixture is placed in a hydrogen reducing atmosphere (preferably, a partial pressure of hydrogen is 0.1 to 1 atm) at 550 ° C. or in an inert atmosphere (atmospheric pressure).
Anneal at 50 ° C. for 4 hours to crystallize. On this occasion,
In the region 300 where the nickel silicide film is selectively formed, the amorphous silicon film 3 is perpendicular to the substrate 301.
Crystallization of 04 occurs. Then, in a region other than the region 300, as indicated by an arrow 305, crystal growth is performed in a lateral direction (a direction parallel to the substrate) from the region 300.

【0138】上記工程の結果、非晶質珪素膜304を結
晶化させて、結晶性珪素膜を得ることができる。その
後、スパッタリング法によって厚さ1000Åの酸化珪
素膜306をゲイト絶縁膜として成膜する。スパッタリ
ングには、ターゲットとして酸化珪素を用い、スパッタ
リング時の基板温度は200〜400℃、例えば350
℃、スパッタリング雰囲気は酸素とアルゴンで、アルゴ
ン/酸素=0〜0.5、例えば0.1以下とする。そし
て、素子間分離を行ない、TFTの活性層領域を確定す
る。この際、チャネル形成領域となる部分に305で示
す結晶成長の先端部が存在しないようにすることは重要
である。こうすることで、ソース/ドレイン間を移動す
るキャリアがチャネル形成領域において、ニッケル元素
の影響を受けないようにすることができる。
As a result of the above steps, the amorphous silicon film 304 can be crystallized to obtain a crystalline silicon film. Thereafter, a silicon oxide film 306 having a thickness of 1000 ° is formed as a gate insulating film by a sputtering method. For sputtering, silicon oxide was used as a target, and the substrate temperature during sputtering was 200 to 400 ° C., for example, 350 ° C.
C., the sputtering atmosphere is oxygen and argon, and argon / oxygen = 0 to 0.5, for example, 0.1 or less. Then, isolation between elements is performed to determine an active layer region of the TFT. At this time, it is important that the tip of crystal growth indicated by 305 does not exist in a portion to be a channel formation region. This makes it possible to prevent carriers moving between the source and the drain from being affected by the nickel element in the channel formation region.

【0139】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ6000〜8000Å、例えば6000Åのアルミ
ニウム(0.1〜2%のシリコンを含む)を成膜する。
Subsequently, by the sputtering method,
Aluminum (containing 0.1 to 2% of silicon) having a thickness of 6000 to 8000 °, for example, 6000 ° is deposited.

【0140】そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極307、309を形成する。さらに、こ
のアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸
化物層308、310を形成する。この陽極酸化は、酒
石酸が1〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で行
った。得られた酸化物層308、310の厚さは200
0Åであった。なお、この酸化物308と310とは、
後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト
領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域
の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
Then, the aluminum film is patterned to form gate electrodes 307 and 309. Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form oxide layers 308 and 310 on the surface. This anodization was performed in an ethylene glycol solution containing tartaric acid at 1 to 5%. The thickness of the obtained oxide layers 308 and 310 is 200
It was 0 °. Note that the oxides 308 and 310
In the later ion doping step, the thickness is such that the offset gate region is formed, so that the length of the offset gate region can be determined in the anodic oxidation step.

【0141】次に、イオンド注入によって、活性層領域
(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)に一導電型
を付与する不純物を添加する。このドーピング工程にお
いて、ゲイト電極307とその周囲の酸化層308、ゲ
イト電極309とその周囲の酸化層310をマスクとし
て不純物(燐およびホウ素)を注入する。ドーピングガ
スとして、フォスフィン(PH3 )およびジボラン(B
26 )を用い、前者の場合は、加速電圧を60〜90
kV、例えば80kV、後者の場合は、40〜80k
V、例えば65kVとする。ドース量は1×1015〜8
×1015cm-2、例えば、燐を2×1015cm-2、ホウ
素を5×1015とする。ドーピングに際しては、一方の
領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの
元素を選択的にドーピングする。この結果、N型の不純
物領域314と316、P型の不純物領域311と31
3が形成され、Pチャネル型TFT(PTFT)の領域
とNチャネル型TFT(NTFT)との領域を形成する
ことができる。
Next, an impurity imparting one conductivity type is added to the active layer region (constituting the source / drain and channel) by ion implantation. In this doping step, impurities (phosphorus and boron) are implanted using the gate electrode 307 and the surrounding oxide layer 308 and the gate electrode 309 and the surrounding oxide layer 310 as masks. Phosphine (PH 3 ) and diborane (B
2 H 6 ), and in the former case, the accelerating voltage is 60 to 90
kV, for example 80 kV, in the latter case 40-80 k
V, for example, 65 kV. Dose amount is 1 × 10 15 -8
× 10 15 cm -2 , for example, phosphorus is 2 × 10 15 cm -2 and boron is 5 × 10 15 . At the time of doping, each element is selectively doped by covering one region with a photoresist. As a result, N-type impurity regions 314 and 316 and P-type impurity regions 311 and 31
3 is formed, and a region of a P-channel TFT (PTFT) and a region of an N-channel TFT (NTFT) can be formed.

【0142】その後、レーザー光の照射によってアニー
ル行う。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー
(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いた
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2
例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10
ショット、例えば2ショット照射する。このレーザー光
の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱すること
は有用である。このレーザアニール工程において、先に
結晶化された領域にはニッケルが拡散しているので、こ
のレーザー光の照射によって、再結晶化が容易に進行
し、P型を付与する不純物がドープされた不純物領域3
11と313、さらにはNを付与する不純物がドープさ
れた不純物領域314と316は、容易に活性化させる
ことができる。
Thereafter, annealing is performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, pulse width: 20 nsec) was used, but another laser may be used. The irradiation condition of the laser beam is such that the energy density is 200 to 400 mJ / cm 2 ,
For example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10
A shot, for example, two shots is irradiated. It is useful to heat the substrate to about 200 to 450 ° C. at the time of this laser light irradiation. In this laser annealing step, nickel is diffused in the previously crystallized region, so that the laser light irradiation facilitates recrystallization, and the impurity doped with an impurity imparting a P-type. Area 3
The impurity regions 11 and 313 and the impurity regions 314 and 316 doped with an impurity for imparting N can be easily activated.

【0143】この工程は、赤外線(例えば1.2μm)
によるランプアニールによる方法でもよい。赤外線は珪
素へは吸収されやすく、1000度以上の熱アニールに
も匹敵する効果的なアニールを行うことができる。その
反面、ガラス基板へは吸収されにくいので、ガラス基板
を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむ
ので、ガラス基板の縮みが問題となる工程においては最
適な方法であるといえる。
In this step, infrared rays (for example, 1.2 μm)
May be used. Infrared rays are easily absorbed by silicon, and effective annealing comparable to thermal annealing of 1000 degrees or more can be performed. On the other hand, since it is hardly absorbed by the glass substrate, it is not necessary to heat the glass substrate to a high temperature, and the process can be performed in a short time. .

【0144】続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜31
8を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成
し、これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例
えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってTF
Tの電極・配線317、320、319を形成する。最
後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニー
ルを行い、TFTを相補型に構成した半導体回路を完成
した。(図10(D))
Subsequently, a silicon oxide film 31 having a thickness of 6000.degree.
8 is formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method, a contact hole is formed therein, and a metal material, for example, TF is formed by a multilayer film of titanium nitride and aluminum.
The T electrodes / wirings 317, 320, and 319 are formed. Finally, annealing was performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere at 1 atm to complete a semiconductor circuit having a complementary TFT. (Fig. 10 (D))

【0145】上記に示す回路は、PTFTとNTFTと
を相補型に設けたCMOS構造であるが、上記工程にお
いて、2つのTFTを同時に作り、中央で切断すること
により、独立したTFTを2つ同時に作製することも可
能である。
The above-described circuit has a CMOS structure in which PTFT and NTFT are provided in a complementary manner. In the above-described process, two TFTs are formed at the same time and cut at the center, whereby two independent TFTs are simultaneously formed. It is also possible to produce.

【0146】図11に、図10(D)を上面から見た概要を
示す。図11における符号は図10の符号に対応する。図11
に示すように結晶化の方向は矢印で示す方向であり、ソ
ース/ドレイン領域の方向(ソース領域とドレイン領域
を結んだ線方向)に結晶成長が行われている。この構成
のTFTの動作時において、キャリアはソース/ドレイ
ン間を針状あるいは柱状に成長した結晶に沿って移動す
る。即ちキャリアは針状あるいは柱状の結晶の結晶粒界
に沿って移動する。従って、キャリアが移動する際に受
ける抵抗を低減することができ、高移動度を有するTF
Tを得ることができる。
FIG. 11 shows an outline of FIG. 10D as viewed from above. The reference numerals in FIG. 11 correspond to those in FIG. FIG.
As shown in (1), the direction of crystallization is the direction indicated by the arrow, and the crystal is grown in the direction of the source / drain region (the line direction connecting the source region and the drain region). During the operation of the TFT having this configuration, carriers move between the source and the drain along the crystal grown in a needle or column shape. That is, the carriers move along the crystal grain boundaries of needle-like or columnar crystals. Therefore, it is possible to reduce the resistance received when the carrier moves, and to obtain a TF having high mobility.
T can be obtained.

【0147】本実施例においては、Niを導入する方法
として、非晶質珪素膜304下の下地膜302上に選択
的にNiを薄膜(極めて薄いので、膜として観察するこ
とは困難である)として形成し、この部分から結晶成長
を行わす方法を採用したが、非晶質珪素膜304を形成
後に、選択的に珪化ニッケル膜を成膜する方法でもよ
い。即ち、結晶成長は非晶質珪素膜の上面から行っても
よいし、下面から行ってもよい。また、予め非晶質珪素
膜を成膜し、さらにイオンドーピング法を用いて、ニッ
ケルイオンをこの非晶質珪素膜304中に選択的に注入
する方法を採用してもよい。この場合は、ニッケル元素
の濃度を制御することができるという特徴を有する。ま
た非晶質珪素膜に対するニッケルの導入手段は、プラズ
マ処理やCVD法による方法でもよい。
In this embodiment, as a method for introducing Ni, Ni is selectively thinned on the base film 302 under the amorphous silicon film 304 (it is difficult to observe Ni as a thin film). Although the method of forming a crystal and performing crystal growth from this portion is adopted, a method of selectively forming a nickel silicide film after forming the amorphous silicon film 304 may be used. That is, crystal growth may be performed from the upper surface of the amorphous silicon film or from the lower surface. Alternatively, a method in which an amorphous silicon film is formed in advance and nickel ions are selectively implanted into the amorphous silicon film 304 using an ion doping method may be employed. This case has a feature that the concentration of the nickel element can be controlled. The means for introducing nickel into the amorphous silicon film may be a method using a plasma treatment or a CVD method.

【0148】〔実施例10〕本実施例は、アクティブ型の
液晶表示装置において、Nチャネル型TFTをスイッチ
ング素子として各画素に設けた例である。以下において
は、一つの画素について説明するが、他に多数(一般に
は数十万)の画素が同様な構造で形成される。また、N
チャネル型ではなくPチャネル型でもよいことはいうま
でもない。また、液晶表示装置の画素部分に設けるので
はなく、周辺回路部分にも利用できる。また、イメージ
センサや他の装置に利用することができる。即ち薄膜ト
ランジタと利用するのであれば、特にその用途が限定さ
れるものではない。
[Embodiment 10] This embodiment is an example in which an N-channel TFT is provided in each pixel as a switching element in an active liquid crystal display device. Hereinafter, one pixel will be described, but a large number (generally, hundreds of thousands) of other pixels are formed in a similar structure. Also, N
It goes without saying that a P-channel type may be used instead of a channel type. Further, it can be used not only for the pixel portion of the liquid crystal display device but also for the peripheral circuit portion. Further, it can be used for image sensors and other devices. That is, as long as it is used as a thin film transistor, its use is not particularly limited.

【0149】本実施例の作製工程の概略を図12に示す。
本実施例において、基板401としてはコーニング70
59ガラス基板(厚さ1.1mm、300×400m
m)を使用した。まず、下地膜402(酸化珪素)をス
パッタリング法で2000Åの厚さに形成する。この後
選択的にニッケルを導入するために、メタルマスクや酸
化珪素膜、またはフォトレジスト等により、マスク40
3を形成する。そして、スパッタリング法により珪化ニ
ッケル膜を成膜する。この珪化ニッケル膜は、スパッタ
リング法によって、厚さ5〜200Å、例えば20Åの
厚さに形成する。この珪化ニッケル膜は、化学式NiS
x 、0.4≦x≦2.5、例えば、x=2.0で示さ
れる。このようにして、選択的に領域404に珪化ニッ
ケル膜が形成される。
FIG. 12 shows an outline of the manufacturing process of this embodiment.
In this embodiment, the substrate 401 is Corning 70
59 glass substrate (1.1 mm thick, 300 × 400 m
m) was used. First, a base film 402 (silicon oxide) is formed to a thickness of 2000 ° by a sputtering method. Thereafter, in order to selectively introduce nickel, a mask 40 is formed using a metal mask, a silicon oxide film, a photoresist, or the like.
Form 3 Then, a nickel silicide film is formed by a sputtering method. This nickel silicide film is formed to a thickness of 5 to 200 °, for example, 20 ° by a sputtering method. This nickel silicide film has the chemical formula NiS
i x, 0.4 ≦ x ≦ 2.5 , for example, represented by x = 2.0. Thus, a nickel silicide film is selectively formed in the region 404.

【0150】この後、LPCVD法もしくはプラズマC
VD法で非晶質珪素膜405を1000Åの厚さに形成
し、400℃で1時間脱水素化を行った後、加熱アニー
ルによって結晶化を行う。このアニール工程は、水素還
元雰囲気下(好ましくは、水素の分圧が0.1〜1気
圧)、550℃で4時間行った。またこの加熱アニール
工程を窒素等の不活性雰囲気中で行ってもよい。
Thereafter, LPCVD or plasma C
An amorphous silicon film 405 is formed to a thickness of 1000 ° by the VD method, dehydrogenated at 400 ° C. for 1 hour, and then crystallized by heat annealing. This annealing step was performed at 550 ° C. for 4 hours under a hydrogen reducing atmosphere (preferably, a partial pressure of hydrogen was 0.1 to 1 atm). This heat annealing step may be performed in an inert atmosphere such as nitrogen.

【0151】このアニール工程において、非晶質珪素膜
405下の一部の領域には、珪化ニッケル膜が形成され
ているので、この部分から結晶化が起こる。この結晶化
の際、図12(B)の矢印で示すように、珪化ニッケルが
成膜されている部分404では、基板401に垂直方向
にシリコンの結晶成長が進行する。また、同様に矢印で
示されるように、珪化ニッケルが成膜されいていない領
域(領域404以外の領域)においては、基板に対し、
平行な方向に結晶成長が行われる。
In this annealing step, since a nickel silicide film is formed in a part of the region under the amorphous silicon film 405, crystallization occurs from this part. At the time of this crystallization, as shown by the arrow in FIG. 12B, in the portion 404 where the nickel silicide is formed, crystal growth of silicon proceeds in a direction perpendicular to the substrate 401. Similarly, as indicated by an arrow, in a region where nickel silicide is not formed (a region other than the region 404),
Crystal growth occurs in parallel directions.

【0152】こうして、結晶性珪素よりなる半導体膜4
05を得ることができる。次に、上記半導体膜405を
パターニングして島状の半導体領域(TFTの活性層)
を形成する。この際、矢印の如く結晶成長した結晶の先
端部が活性層、特にチャネル形成領域に存在しないよう
にすることが重要である。具体的には、図12(B)の矢
印の先端部が結晶成長に終点(端部)である場合、ニッ
ケルが導入された404の部分とこの矢印の終点(図面
左端)の部分の結晶性珪素膜405をエッチングで除去
し、結晶性珪素膜405の基板に平行な方向に結晶成長
した中間部分を活性層として利用することが有用であ
る。これは、ニッケルが結晶成長先端部に集中している
事実を踏まえ、この先端部に集中したニッケルがTFT
の特性に悪影響を及ぼすことを防ぐためである。
Thus, the semiconductor film 4 made of crystalline silicon
05 can be obtained. Next, the semiconductor film 405 is patterned to form an island-shaped semiconductor region (TFT active layer).
To form At this time, it is important that the tip of the crystal grown as indicated by the arrow does not exist in the active layer, particularly in the channel formation region. Specifically, when the tip of the arrow in FIG. 12B is the end point (end) for crystal growth, the crystallinity of the portion 404 where nickel is introduced and the end of the arrow (left end in the drawing) It is useful to remove the silicon film 405 by etching and use the intermediate portion of the crystalline silicon film 405 that has grown in a direction parallel to the substrate as an active layer. This is based on the fact that nickel is concentrated at the tip of crystal growth,
This is to prevent adverse effects on the characteristics of the device.

【0153】さらにテトラ・エトキシ・シラン(TEO
S)を原料として、酸素雰囲気中のプラズマCVD法に
よって、酸化珪素のゲイト絶縁膜(厚さ70〜120n
m、典型的には100nm)406を形成する。基板温
度はガラスの縮みやソリを防止するために400℃以
下、好ましくは200〜350℃とする。
Further, tetraethoxysilane (TEO)
S) as a raw material, a gate insulating film of silicon oxide (thickness of 70 to 120 n) is formed by a plasma CVD method in an oxygen atmosphere.
m, typically 100 nm) 406. The substrate temperature is set to 400 ° C. or less, preferably 200 to 350 ° C. in order to prevent shrinkage and warpage of the glass.

【0154】次に、公知のシリコンを主成分とした膜を
CVD法で形成し、パターニングを行うことによって、
ゲイト電極407を形成する。その後、N型の不純物と
して、リンをイオン注入法で注入し、自己整合的にソー
ス領域408、チャネル形成領域409、ドレイン領域
410を形成する。そして、KrFレーザー光を照射す
ることによって、イオン注入のために結晶性の劣化した
珪素膜の結晶性を改善させる。このときにはレーザー光
のエネルギー密度は250〜300mJ/cm2 とす
る。このレーザー照射によって、このTFTのソース/
ドレインのシート抵抗は300〜800Ω/cm2 とな
る。このアニール工程を、赤外線のランプアニールによ
って行うのは有用である。
Next, a known film containing silicon as a main component is formed by a CVD method, and is patterned to obtain a film.
A gate electrode 407 is formed. After that, phosphorus is implanted as an N-type impurity by an ion implantation method, and a source region 408, a channel formation region 409, and a drain region 410 are formed in a self-aligned manner. By irradiating a KrF laser beam, the crystallinity of the silicon film having deteriorated crystallinity due to ion implantation is improved. At this time, the energy density of the laser beam is set to 250 to 300 mJ / cm 2 . By this laser irradiation, the source of this TFT /
The sheet resistance of the drain becomes 300 to 800 Ω / cm 2 . It is useful to perform this annealing step by infrared lamp annealing.

【0155】その後、酸化珪素によって層間絶縁物41
1を形成し、さらに、画素電極412をITOによって
形成する。そして、コンタクトホールを形成して、TF
Tのソース/ドレイン領域にクロム/アルミニウム多層
膜で電極413、414を形成し、このうち一方の電極
414はITO412にも接続するようにする。最後
に、水素中で200〜300℃で2時間アニールして、
シリコンの水素化を完了する。このようにして、TFT
を完成する。この工程は、同時に他の多数の画素領域に
おいても同時に行われる。
Thereafter, the interlayer insulator 41 is formed by silicon oxide.
1 is formed, and the pixel electrode 412 is formed by ITO. Then, a contact hole is formed and TF
The electrodes 413 and 414 are formed of a chromium / aluminum multilayer film in the source / drain region of T, and one of the electrodes 414 is also connected to the ITO 412. Finally, annealing in hydrogen at 200 to 300 ° C. for 2 hours,
Complete silicon hydrogenation. In this way, the TFT
To complete. This process is performed simultaneously in many other pixel regions.

【0156】本実施例で作製したTFTは、ソース領
域、チャネル形成領域、ドレイン領域を構成する活性層
として、キャリアの流れる方向に結晶成長させた結晶性
珪素膜を用いているので、結晶粒界をキャリアが横切る
ことがなく、即ちキャリアが針状あるいは柱状の結晶の
結晶粒界に沿って移動することになるから、キャリアの
移動度の高いTFTを得ることができた。本実施例で作
製したTFTはNチャネル型であり、その移動度は、9
0〜130(cm2 /Vs)であった。従来の600
℃、48時間の熱アニールによる結晶化によって得られ
た結晶シリコン膜を用いたNチャネル型TFTに移動
が、80〜100(cm2 /Vs)であったことと比較
すると、これはこれは大きな特性の向上である。
In the TFT manufactured in this embodiment, a crystalline silicon film grown in the direction in which carriers flow is used as an active layer constituting a source region, a channel formation region, and a drain region. , Ie, the carriers move along the crystal grain boundaries of the needle-like or columnar crystals, so that a TFT with high carrier mobility can be obtained. The TFT manufactured in this example is an N-channel type, and has a mobility of 9
0 to 130 (cm 2 / Vs). Conventional 600
This is large compared to the fact that the transfer to an N-channel TFT using a crystalline silicon film obtained by crystallization by thermal annealing at 48 ° C. for 48 hours is 80 to 100 (cm 2 / Vs). It is an improvement in characteristics.

【0157】また上記の工程と同様な作製方法によっ
て、Pチャネル型TFTを作製し、その移動度を測定す
ると、50〜80(cm2 /Vs)であった。これも従
来の600℃、48時間の熱アニールによる結晶化によ
って得られた結晶性珪素膜を用いたPチャネル型TFT
に移動が、30〜60(cm2 /Vs)であったことに
比較すると大きな特性の向上である。
Further, a P-channel TFT was manufactured by the same manufacturing method as in the above steps, and its mobility was measured to be 50 to 80 (cm 2 / Vs). This is also a conventional P-channel type TFT using a crystalline silicon film obtained by crystallization by thermal annealing at 600 ° C. for 48 hours.
This is a great improvement in characteristics as compared with the case where the movement was 30 to 60 (cm 2 / Vs).

【0158】〔実施例11〕本実施例は、実施例10に示す
TFTにおいて、結晶の成長方向に大して垂直な方向に
ソース/ドレインを設けた例である。即ち、移動する方
向が結晶成長方向とは垂直になっており、針状あるいは
柱状の結晶の結晶粒界を横切るようにしてキャリアが移
動する構成とした例である。このような構成とすると、
ソース/ドレイン間の抵抗を高くすることができる。こ
れは、針状あるいは柱状に結晶成長した結晶の結晶粒界
を横切るようにキャリアが移動しなければならないため
である。本実施例の構成を実現するには、実施例10に示
す構成において、単にTFTをどのような向きで設ける
かを設定すればよい。
[Embodiment 11] This embodiment is an example in which the source / drain is provided in a direction substantially perpendicular to the crystal growth direction in the TFT shown in Embodiment 10. That is, in this example, the moving direction is perpendicular to the crystal growth direction, and the carrier moves so as to cross the crystal grain boundaries of the acicular or columnar crystals. With such a configuration,
The resistance between the source and the drain can be increased. This is because the carriers must move across the crystal grain boundaries of the crystal grown in a needle or column shape. In order to realize the configuration of this embodiment, in the configuration shown in the tenth embodiment, it is sufficient to simply set the direction in which the TFT is provided.

【0159】〔実施例12〕本実施例は、実施例10に示す
構成において、TFTを設ける向き(ここではソース/
ドレイン領域を結ぶ線で定義する。即ち、キャリアの流
れる向きでTFTの方向を決めることとする)を結晶性
珪素膜の基板表面に対する結晶成長方向と任意の角度で
設定することにより、TFTの特性を選択することを要
旨とする。
[Embodiment 12] In this embodiment, in the configuration shown in Embodiment 10, the direction of providing the TFT (here, the source /
It is defined by a line connecting the drain regions. That is, the characteristic of the TFT is selected by setting the direction of the TFT according to the direction in which carriers flow) at an arbitrary angle with respect to the crystal growth direction of the crystalline silicon film with respect to the substrate surface.

【0160】前述のように、結晶の成長方向にキャリア
を移動させる場合、キャリアは結晶粒界に沿って移動す
るので、その移動度を向上させることができる。一方、
結晶の成長方向に対して垂直な方向にキャリアを移動さ
せる場合には、キャリアが多数の粒界を横切らなければ
ならないので、キャリアの移動度は低下する。
As described above, when carriers are moved in the crystal growth direction, the carriers move along the crystal grain boundaries, so that the mobility can be improved. on the other hand,
When moving carriers in a direction perpendicular to the crystal growth direction, the carriers have to cross many grain boundaries, so that the carrier mobility decreases.

【0161】そこで、この2つの状態の間で、即ち結晶
成長方向とキャリアの移動する方向との角度を0〜90
°の範囲において設定することにより、キャリアの移動
度を制御することができる。また別な見方をするなら
ば、上記結晶成長方向とキャリアの移動する方向との角
度を設定することにより、ソース/ドレイン領域間の抵
抗を制御できることになる。勿論この構成は、図11に
示す構成にも利用することができる。この場合、図11
に示すスリット状のニッケル微量添加領域300が0〜
90°の範囲で回転し、矢印305で示す結晶の成長方
向と、ソース/ドレイン領域を結ぶ線との角度が0〜9
0°範囲で選択されることになる。そして、この角度
が、0°に近い場合は移動度が大きく、ソース/ドレイ
ン間の電気抵抗が小さい構成とすることができる。また
この角度が90°に近い場合、移動度が小さく、ソース
/ドレイン間の抵抗が大きい構成とすることができる。
Therefore, the angle between the two states, that is, the angle between the crystal growth direction and the direction in which carriers move, is set to 0 to 90.
By setting within the range of °, the mobility of the carrier can be controlled. From another viewpoint, the resistance between the source / drain regions can be controlled by setting the angle between the crystal growth direction and the direction in which carriers move. Of course, this configuration can also be used for the configuration shown in FIG. In this case, FIG.
The slit-shaped nickel trace addition region 300 shown in FIG.
Rotation is performed within a range of 90 °, and the angle between the crystal growth direction indicated by arrow 305 and the line connecting the source / drain regions is 0 to 9
It will be selected in the 0 ° range. When the angle is close to 0 °, the mobility is large and the electrical resistance between the source and the drain can be small. When this angle is close to 90 °, a structure with low mobility and high resistance between source / drain can be obtained.

【0162】[0162]

【効果】基板上に設けられ、しかも基板表面に平行な方
向に結晶成長した結晶性を有する非単結晶珪素半導体膜
をTFTに利用するに際して、TFT内を移動するキャ
リアの流れの方向を結晶成長が行われた方向と合わせる
ことにより、キャリアの移動が針状または柱状に成長し
た結晶の結晶粒界に沿って(平行に)移動する構成とす
ることができ、高移動度を有するTFTを得るこができ
る。
When a non-single-crystal silicon semiconductor film having crystallinity provided on a substrate and grown in a direction parallel to the surface of the substrate and having crystallinity is used for the TFT, the direction of flow of carriers moving in the TFT is controlled by the crystal growth. The carrier movement along the grain boundaries of the crystals grown in a needle-like or columnar shape (parallel) to obtain a TFT having high mobility. I can do this.

【0163】また、基板に平行な方向に結晶成長した先
端部には、結晶化を助長させるための金属元素が集中し
て存在しているので、この領域をさけてTFTを形成す
ることにより、TFTの動作の安定性や信頼性を高める
ことができる。さらに、触媒元素を導入して低温で短時
間で結晶化させ、さらにレーザー光または強光を照射し
た結晶性珪素膜を用いて、半導体装置を作製すること
で、生産性が高く、特性のよいデバイスを得ることがで
きる。
In addition, since the metal element for promoting crystallization is concentrated at the tip where the crystal has grown in the direction parallel to the substrate, the TFT is formed by avoiding this region. The stability and reliability of the operation of the TFT can be improved. Furthermore, by introducing a catalytic element to crystallize in a short time at a low temperature and further manufacturing a semiconductor device using a crystalline silicon film irradiated with laser light or strong light, high productivity and good characteristics are obtained. You can get the device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 結晶性珪素膜における配向性の触媒元素濃度
依存性を示す。
FIG. 1 shows the catalytic element concentration dependency of the orientation in a crystalline silicon film.

【図2】 結晶化機構を説明するモデル図である。FIG. 2 is a model diagram illustrating a crystallization mechanism.

【図3】 実施例の作製工程を示す。FIG. 3 shows a manufacturing process of an example.

【図4】 結晶性珪素膜のX線回折の結果を示す。FIG. 4 shows a result of X-ray diffraction of a crystalline silicon film.

【図5】 実施例の作製工程を示す。FIG. 5 shows a manufacturing process of an example.

【図6】 結晶性珪素膜のX線回折の結果を示す。FIG. 6 shows a result of X-ray diffraction of a crystalline silicon film.

【図7】 実施例の作製工程を示す。FIG. 7 shows a manufacturing process of an example.

【図8】 実施例の作製工程を示す。FIG. 8 shows a manufacturing process of the example.

【図9】 結晶性珪素膜の膜厚と配向性の関係を示す。FIG. 9 shows the relationship between the thickness of a crystalline silicon film and the orientation.

【図10】 実施例の作製工程を示す。FIG. 10 shows a manufacturing process of the example.

【図11】 実施例の概要を示す。FIG. 11 shows an outline of an embodiment.

【図12】 実施例の作製工程を示す。FIG. 12 illustrates a manufacturing process of the example.

【図13】 珪素膜の結晶構造を示す写真である。FIG. 13 is a photograph showing a crystal structure of a silicon film.

【図14】 珪素膜の結晶構造を示す写真である。FIG. 14 is a photograph showing a crystal structure of a silicon film.

【図15】 珪素膜の結晶構造を示す写真である。FIG. 15 is a photograph showing a crystal structure of a silicon film.

【図16】 珪素膜の結晶方位を示した模式図である。FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a crystal orientation of a silicon film.

【図17】 珪素膜中のニッケルの濃度を示す。FIG. 17 shows the concentration of nickel in a silicon film.

【図18】 珪素薄膜の状態を示す写真である。FIG. 18 is a photograph showing a state of a silicon thin film.

【図19】 珪素膜の結晶化機構を示した模式図である。FIG. 19 is a schematic diagram illustrating a crystallization mechanism of a silicon film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11・・・・ガラス基板 12・・・・非晶質珪素膜 20・・・・酸化珪素膜 14・・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜 15・・・・ズピナー 21・・・・マスク用酸化珪素膜 22・・・・縦成長部分 23・・・・横成長部分 13・・・・酸化珪素膜 104・・・活性層 105・・・酸化珪素膜 106・・・ゲイト電極 109・・・酸化物層 108・・・ソース/ドレイン領域 109・・・ドレイン/ソース領域 110・・・層間絶縁膜(酸化珪素膜) 112・・・電極 113・・・電極 114・・・チャネル形成領域 201・・・ガラス基板 202・・・下地膜 203・・・珪素膜 205・・・マスク用酸化珪素膜 206・・・開孔部分 207・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜 208・・・活性層 209・・・酸化珪素膜 210・・・ゲイト電極 211・・・酸化物 212・・・N型の不純物領域 213・・・N型の不純物領域 214・・・酸化珪素膜(層間絶縁物) 215・・・層間絶縁物 217・・・電極・配線 218・・・電極・配線 301 ガラス基板 302 下地膜(酸化珪素膜) 303 マスク 304 珪素膜 305 結晶化の方向 306 ゲイト絶縁膜 307 ゲイト電極 308 陽極酸化層 309 ゲイト電極 310 陽極酸化層 311 ソース/ドレイン領域 312 チャネル形成領域 313 ドレイン/ソース領域 314 ソース/ドレイン領域 315 チャネル形成領域 316 ドレイン/ソース領域 317 電極 318 層間絶縁物 320 電極 319 電極 401 ガラス基板 402 下地膜(酸化珪素膜) 403 マスク 404 ニッケル微量添加領域 405 珪素膜 406 ゲイト絶縁膜 407 ゲイト電極 408 ソース/ドレイン領域 409 チャネル形成領域 410 ドレイン/ソース領域 411 層間絶縁物 413 電極 414 電極 412 ITO(画素電極) 501 結晶成長面 502 結晶性珪素 503 非晶質珪素 504 見掛け上の結晶成長方向 505 見掛け上の結晶成長方向 506 結晶成長面 11: a glass substrate 12: an amorphous silicon film 20: a silicon oxide film 14: an acetic acid solution film containing nickel 15: a spinner 21: a mask Silicon oxide film 22 ... Vertical growth part 23 ... Horizontal growth part 13 ... Silicon oxide film 104 ... Active layer 105 ... Silicon oxide film 106 ... Gate electrode 109 ... Oxide layer 108 source / drain region 109 drain / source region 110 interlayer insulating film (silicon oxide film) 112 electrode 113 electrode 114 channel formation region 201 ··· Glass substrate 202 ··· Base film 203 ··· Silicon film 205 ··· Silicon oxide film for mask 206 ··· Opening portion 207 ··· Nickel-containing acetic acid solution film 208 ··· Active layer 209 ... Oxidation Base film 210: Gate electrode 211: Oxide 212: N-type impurity region 213: N-type impurity region 214: Silicon oxide film (interlayer insulator) 215: Interlayer insulation Object 217: electrode / wiring 218: electrode / wiring 301 Glass substrate 302 Underlayer (silicon oxide film) 303 Mask 304 Silicon film 305 Direction of crystallization 306 Gate insulating film 307 Gate electrode 308 Anodized layer 309 Gate electrode 310 Anodized layer 311 Source / drain region 312 Channel formation region 313 Drain / source region 314 Source / drain region 315 Channel formation region 316 Drain / source region 317 Electrode 318 Interlayer insulator 320 Electrode 319 Electrode 401 Glass substrate 402 Glass substrate 402 Silicon film) 403 Mask 404 Nick Micro-addition region 405 Silicon film 406 Gate insulating film 407 Gate electrode 408 Source / drain region 409 Channel formation region 410 Drain / source region 411 Interlayer insulator 413 Electrode 414 Electrode 412 ITO (pixel electrode) 501 Crystal growth surface 502 Crystalline silicon 503 Amorphous silicon 504 Apparent crystal growth direction 505 Apparent crystal growth direction 506 Crystal growth surface

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 27/12 H01L 29/78 620 (72)発明者 竹村 保彦 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 宮永 昭治 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 審査官 大日方 和幸 (56)参考文献 特開 平2−143415(JP,A) 特開 平4−180219(JP,A) 特開 平2−32527(JP,A) 特開 昭60−136304(JP,A) 特開 平1−132116(JP,A) 特開 平5−82442(JP,A)Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 27/12 H01L 29/78 620 (72) Inventor Yasuhiko Takemura 398 Hase, Atsugi-shi, Kanagawa Semiconductor Energy Research Institute, Inc. (72) Inventor Miyanaga 398, Hase, Atsugi-shi, Kanagawa, Japan Examiner, Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Kazuyuki Ochinata (56) References JP-A-2-143415 (JP, A) JP-A-4-180219 (JP, A) JP-A-2- 32527 (JP, A) JP-A-60-136304 (JP, A) JP-A-1-132116 (JP, A) JP-A-5-82442 (JP, A)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 非晶質珪素膜の一方の面に結晶化を助長
する金属元素を導入する工程と、 加熱処理を施し前記非晶質珪素膜の一部または全部を結
晶化させる工程と、 前記一部または全部が結晶化した珪素膜にレーザー光ま
たは強光を照射する工程とを有する半導体装置作製方法
であって、 前記加熱による結晶化の割合と前記レーザー光または強
光の照射による結晶化の割合を制御することにより、前
記珪素膜の配向性を制御し、 前記加熱による結晶化の割合の制御は、前記金属元素の
導入量によって行なわれることを特徴とする半導体装置
作製方法。
A step of introducing a metal element that promotes crystallization to one surface of the amorphous silicon film; a step of performing a heat treatment to crystallize a part or all of the amorphous silicon film; Irradiating the partially or entirely crystallized silicon film with laser light or intense light, the method comprising the steps of: Controlling the orientation of the silicon film by controlling the rate of crystallization, and controlling the rate of crystallization by heating by controlling the amount of the metal element introduced.
【請求項2】 絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜
を形成する工程と、前記非晶質珪素膜の一方の面の一部
の領域に結晶化を助長する金属元素を導入する工程と、 加熱処理を施し、前記金属元素が導入された領域から前
記基板に平行な方向に結晶成長を行なわす工程と、 前記結晶成長がなされた珪素膜にレーザー光または強光
を照射する工程と、を有し、 前記非晶質珪素膜の膜厚を制御することにより、珪素膜
の配向性を制御することを特徴とする半導体装置作製方
法。
2. A step of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, and a step of introducing a metal element which promotes crystallization into a partial region of one surface of the amorphous silicon film. Performing a heat treatment to perform crystal growth in a direction parallel to the substrate from the region where the metal element is introduced; and irradiating the silicon film on which the crystal growth has been performed with laser light or strong light. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: controlling the film thickness of the amorphous silicon film to control the orientation of the silicon film.
【請求項3】 請求項乃至請求項において、金属 元素として、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、A
u、In、Sn、Pb、As、Sbから選ばれた一種ま
たは複数種類の元素が用いられることを特徴とする半導
体装置作製方法。
3. The method of claim 1 to claim 2, as the metal element, Ni, Pd, Pt, Cu , Ag, A
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein one or more elements selected from u, In, Sn, Pb, As, and Sb are used.
【請求項4】 請求項乃至請求項において、金属 元素の濃度が、1×1016atoms cm−3
〜1×1019atoms cm−3であることを特徴
とする半導体装置作製方法。
4. The method of claim 1 to claim 2, the concentration of the metal element, 1 × 10 16 atoms cm -3
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by being at most 1 × 10 19 atoms cm −3 .
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