JP2896124B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP2896124B2
JP2896124B2 JP35675596A JP35675596A JP2896124B2 JP 2896124 B2 JP2896124 B2 JP 2896124B2 JP 35675596 A JP35675596 A JP 35675596A JP 35675596 A JP35675596 A JP 35675596A JP 2896124 B2 JP2896124 B2 JP 2896124B2
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス等の絶縁基
板、あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設
けられた非単結晶珪素膜を有する半導体装置、たとえ
ば、薄膜トランジスタ(TFT)や薄膜ダイオード(T
FD)、またはそれらを応用した薄膜集積回路、特に、
アクティブ型液晶表示装置(液晶ディスプレー)用薄膜
集積回路の作製方法に関するものである。
The present invention relates to a semiconductor device having a non-single-crystal silicon film provided on an insulating substrate made of glass or the like or an insulating film formed on various substrates, for example, a thin film transistor (TFT), Thin film diode (T
FD) or a thin film integrated circuit using the same, particularly,
The present invention relates to a method for manufacturing a thin film integrated circuit for an active liquid crystal display device (liquid crystal display).

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上に薄膜トラ
ンジスタを有する半導体装置、たとえば、薄膜トランジ
スタを画素の駆動に用いるアクティブ型液晶表示装置や
イメージセンサー等が開発されている。
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor devices having thin film transistors on an insulating substrate such as glass, for example, active type liquid crystal display devices and image sensors using the thin film transistors for driving pixels have been developed.

【0003】これらの装置に用いられる薄膜トランジス
タには、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、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、気相法を用いて比較的容易に作製
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。しかし、非単結晶珪素半導体は、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ため、結晶性を有する珪素半導
体からなる薄膜トランジスタの作製方法の確立が強く求
められていた。なお、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。
In general, a thin film silicon semiconductor is used for a thin film transistor 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 using a vapor phase method, and have high mass productivity. However, since a non-single-crystal silicon semiconductor is inferior in physical properties such as conductivity to a silicon semiconductor having crystallinity,
In order to obtain higher-speed characteristics in the future, there has been a strong demand for establishing a method of manufacturing a thin film transistor made of a silicon semiconductor having crystallinity. Note that as the 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、長時間、熱
エネルギーを印加(アニール)することにより結晶性を
有せしめる。という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 in advance, and crystallinity is imparted by applying thermal energy (annealing) for a long time. The method 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
いうコストの問題もあった。成膜温度が低いと、特性の
良好な膜を得ることは困難であった。また、結晶が基板
に対して垂直に成長するために、平面的な電気伝導を使
用する薄膜トランジスタに用いるには適さなかった。
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 600.
Since the temperature is high at not less than ° C., there is also a problem of cost that an inexpensive glass substrate cannot be used. If the film forming temperature is low, it has been difficult to obtain a film having good characteristics. Further, since the crystal grows perpendicularly to the substrate, it is not suitable for use in a thin film transistor using planar electric conduction.

【0006】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い。さら
に、良好な結晶性を得るには、基板を加熱し、かつ、真
空中でレーザー照射することが必要とされた。このた
め、スループットが制限されるという課題があった。
The method (2) has a problem in that the throughput is low because the irradiation area of the laser beam is small, taking the excimer laser, which is currently most commonly used, as an example. In order to uniformly process the entire surface of the area substrate, the stability of the laser is not sufficient. Furthermore, in order to obtain good crystallinity, it was necessary to heat the substrate and irradiate it with a laser in a vacuum. For this reason, there is a problem that the throughput is limited.

【0007】(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、そのた
め、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
ているコーニング社の7059ガラスは、歪み点が59
3℃であり、従来の加熱結晶化方法で行うと、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、その加熱時間を短くすることも
必要である。
The method (3) has an advantage that it can be applied to a large area as compared with the methods (1) and (2), but also requires a high heating temperature of 600 ° C. or more. Considering the use of inexpensive glass substrates,
Further, it is necessary to lower the heating temperature. In particular, in the case of the current liquid crystal display device, the screen is becoming larger, and therefore, it is necessary to use a large glass substrate as well. When such a large glass substrate is used, shrinkage and 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. In particular, the most commonly used Corning 7059 glass today has a strain point of 59.
It is 3 ° C., and if it is performed by a conventional heating crystallization method, large deformation will occur. In addition to the problem of the temperature, in the current process, the heating time required for crystallization is several tens of hours or more. Therefore, it is necessary to further shorten the heating time.

【0008】[0008]

【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。本発明は、より
具体的に、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場合において、良好な結晶性と、加
熱温度の低温化、言い換えるならば、ガラス基板への影
響を低減できるプロセスの確立を行うことができる半導
体装置の作製方法を提供することを目的とする。本発明
は、非単結晶珪素膜を通して加熱アニールにより結晶化
を行った後、結晶化がされずに残された部分を赤外光の
照射により結晶化を助長させた半導体装置の作製方法を
提供することを目的とする。本発明は、非単結晶珪素膜
に結晶化を助長する金属元素を添加して絶縁ゲイト型電
界効果半導体装置に適した半導体装置の作製方法を提供
することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides means for solving the above problems. More specifically, the present invention provides a method of crystallizing a thin film made of amorphous silicon by heating, which has good crystallinity and lower heating temperature, in other words, the effect on a glass substrate. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device which can establish a process capable of reducing the number of semiconductor devices. The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device in which after crystallization is performed by heat annealing through a non-single-crystal silicon film, the remaining portion that has not been crystallized is irradiated with infrared light to promote crystallization. The purpose is to do. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device suitable for an insulated gate field effect semiconductor device by adding a metal element which promotes crystallization to a non-single-crystal silicon film.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に非単
結晶珪素膜が形成された後、当該非単結晶珪素膜を60
0℃以下の加熱アニールによって結晶化する。その後、
上記非単結晶珪素膜は、赤外光が照射され、加熱アニー
ルによって結晶化されなかった部分の結晶性を助長せし
めると同時に、膜質を緻密化すると共に、基板と非単結
晶珪素膜との剥離を防止することを特徴とする。具体的
には、加熱アニールの終了後、島状にパターニングされ
た非単結晶珪素膜に近赤外光から可視光にかけての光、
好ましくは波長が4μm〜0.5μmの光(たとえば、
波長1.3μmにピークを有する赤外光)を10秒〜1
000秒程度の比較的短い時間、照射して、非単結晶珪
素膜が加熱されることにより、結晶性を助長せしめるこ
とを特徴とする。用いる光の波長は、珪素膜に吸収さ
れ、ガラス基板では、実質的に吸収されない。さらに、
かような熱処理において、珪素膜と基板の間の熱膨張率
の違い、珪素膜表面と基板と珪素膜界面との温度の違い
などに基づく珪素膜と基板との剥離は減少した。特に、
上記剥離現象の減少は、珪素膜を基板上に島状としたた
め、顕著であった。したがって、珪素膜を十分に小さな
面積に分断し、また、余分な熱を吸収しないように、珪
素膜と珪素膜との間隔を十分に広くすることによって、
珪素膜と基板との剥離等は、防止することができる。ま
た、基板表面全面が珪素膜を通じて加熱されることがな
いので、基板が熱的に収縮することは、最低限に抑えら
れる。
According to the present invention, after a non-single-crystal silicon film is formed on a substrate, the non-single-crystal silicon
It is crystallized by heat annealing at 0 ° C. or less. afterwards,
The non-single-crystal silicon film is irradiated with infrared light to promote the crystallinity of a portion not crystallized by the heat annealing, and at the same time, to densify the film quality and to separate the substrate from the non-single-crystal silicon film. It is characterized by preventing. Specifically, after the end of the heat annealing, light from near-infrared light to visible light is applied to the non-single-crystal silicon film patterned in an island shape,
Light having a wavelength of preferably 4 μm to 0.5 μm (for example,
Infrared light having a peak at a wavelength of 1.3 μm) for 10 seconds to 1
Irradiation is performed for a relatively short time of about 2,000 seconds to heat the non-single-crystal silicon film, thereby promoting crystallinity. The wavelength of the light used is absorbed by the silicon film and is not substantially absorbed by the glass substrate. further,
In such a heat treatment, the separation between the silicon film and the substrate due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the silicon film and the substrate, the difference in the temperature between the surface of the silicon film and the interface between the silicon film and the silicon film, etc. was reduced. In particular,
The decrease in the peeling phenomenon was remarkable because the silicon film was formed into an island shape on the substrate. Therefore, the silicon film is divided into sufficiently small areas, and the distance between the silicon films is sufficiently widened so as not to absorb excess heat.
The separation between the silicon film and the substrate can be prevented. Further, since the entire surface of the substrate is not heated through the silicon film, thermal contraction of the substrate can be minimized.

【0010】本発明における半導体装置の作製方法は、
基板上に非単結晶珪素膜を形成する第1の工程と、前記
非単結晶珪素膜に選択的に結晶化を助長させる金属元素
を含有させる第2の工程と、前記非単結晶珪素膜を加熱
アニールする第3の工程と、前記非単結晶珪素膜をフッ
素、塩素または臭素の化合物、またはハロゲン化水素を
含む水素雰囲気中で光アニールする第4の工程とから構
成される。特に、真性または実質的に真性の非晶質珪素
膜は、可視光、特に、0.5μm未満の波長の光で、よ
く吸収され、光を熱に変換できるが、本発明の光は、
0.5μm〜4μmの波長の光を照射する。この波長
は、結晶化させた真性または実質的に真性(燐またはホ
ウ素が1017cm-3以下)の珪素膜に対し、有効に光を
吸収し、熱に変換できる。また、10μm以上の波長の
遠赤外光は、ガラス基板に吸収され、加熱されるが、4
μm以下の波長が大部分の場合、ガラスの加熱が極めて
少ない。すなわち、結晶化された珪素膜をさらに結晶化
させるには、0.5μm〜4μmの波長が有効である。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises:
A first step of forming a non-single-crystal silicon film on a substrate, a second step of allowing the non-single-crystal silicon film to contain a metal element that selectively promotes crystallization, It comprises a third step of heat annealing and a fourth step of optically annealing the non-single-crystal silicon film in a hydrogen atmosphere containing a compound of fluorine, chlorine or bromine, or hydrogen halide. In particular, the intrinsic or substantially intrinsic amorphous silicon film is well-absorbed by visible light, particularly light having a wavelength of less than 0.5 μm, and can convert light into heat.
Irradiation is performed with light having a wavelength of 0.5 μm to 4 μm. This wavelength can effectively absorb light and convert it into heat for a crystallized intrinsic or substantially intrinsic (phosphor or boron of 10 17 cm −3 or less) silicon film. Further, far-infrared light having a wavelength of 10 μm or more is absorbed by a glass substrate and heated,
When most of the wavelengths below μm are used, heating of the glass is extremely low. That is, in order to further crystallize the crystallized silicon film, a wavelength of 0.5 μm to 4 μm is effective.

【0011】本発明の上記第1の工程として、ニッケル
等の結晶化を助長せしめる金属元素を用いて、通常の固
相成長温度よりも低温で結晶化を行う方法を採用した場
合には、本発明の効果が著しい。本発明に利用すること
のできる結晶化を助長させる元素としては、8族元素で
あるFe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、I
r、Ptを用いることができる。また3d元素であるS
c、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Znも利用すること
ができる。さらに、実験によれば、Au、Ag、におい
ても、結晶化の作用が確認されている。特に、上記元素
の中で、顕著な効果が得られ、その作用で結晶化した結
晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタの動作が確認され
ているのがニッケルである。
In the first step of the present invention, when a method of performing crystallization at a lower temperature than a normal solid phase growth temperature using a metal element such as nickel which promotes crystallization is adopted, The effect of the invention is remarkable. Elements that promote crystallization that can be used in the present invention include Group VIII elements Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, and I.
r and Pt can be used. The 3d element S
c, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn can also be used. Further, according to the experiment, the action of crystallization was confirmed also in Au and Ag. In particular, among the above elements, nickel has a remarkable effect, and nickel has been confirmed to operate as a thin film transistor using a crystalline silicon film crystallized by the effect.

【0012】これらの金属を添加された珪素膜は、針状
の結晶が膜厚方向ではなく、基板表面に沿った方向に成
長することが観察されている。しかしながら、珪素膜
は、全面が均一に結晶化してしまうわけではなく、結晶
と結晶との間に非晶質もしくはそれと同程度の結晶性の
低い領域が取り残される。
[0012] In the silicon film to which these metals are added, it has been observed that acicular crystals grow not in the film thickness direction but in the direction along the substrate surface. However, the entire surface of the silicon film is not uniformly crystallized, and an amorphous region or a region having low crystallinity equivalent to the amorphous region is left between crystals.

【0013】上述の様に、このような金属元素の添加さ
れた珪素膜は、針状に結晶が成長し、その幅は、珪素膜
厚の0.5倍〜3倍程度であり、横方向への、すなわ
ち、結晶の側面への成長は少ない。このため、前記非晶
質領域は、長時間の熱アニールでも結晶化が完成せず、
これを薄膜トランジスタに用いた場合、特性の向上が十
分でないことが問題となった。
As described above, in the silicon film to which such a metal element is added, a crystal grows in a needle shape, the width thereof is about 0.5 to 3 times the silicon film thickness, and Growth, ie, on the sides of the crystal. For this reason, the amorphous region is not completely crystallized even by long-time thermal annealing,
When this is used for a thin film transistor, there is a problem that the characteristics are not sufficiently improved.

【0014】本発明の光アニールは、見掛け上、500
°C〜600°Cの横方向の成長のみでなく、これに加
えて800°C〜1300°Cの温度(珪素に熱電対を
接触させて測定する)で、針状結晶成長が「櫛の歯」の
ように成長した歯の間の低度の結晶化領域をさらに結晶
化を助長させるのに特に寄与する。すなわち、本発明の
珪素膜は、針状の結晶の側面からエピタキシャル状に結
晶が成長し、その後、非晶質部分が結晶化される。
The optical annealing of the present invention is apparently 500
At a temperature of 800 ° C. to 1300 ° C. (measured by bringing a thermocouple into contact with silicon), the needle-like crystal growth is not limited to the lateral growth from The low crystallization areas between the grown teeth, such as "teeth", contribute particularly to further crystallization. That is, in the silicon film of the present invention, the crystal grows epitaxially from the side face of the needle-like crystal, and then the amorphous portion is crystallized.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】400°C〜650°C、代表的
には、500°C〜600°Cの熱アニールによって、
結晶化させた薄膜珪素半導体のうち、アクティブ素子、
たとえば、薄膜トランジスタを形成する領域を除いた他
をパターニング除去した。この針状の横成長させた島状
の結晶領域に可視または近赤外光の照射を行うことで、
珪素膜を選択的に加熱することができ、さらに、結晶性
を助長させることができる。この際、ガラス基板等の赤
外光の吸収は、十分小さいので、ガラス基板を軟化させ
たり、収縮させたりして、工学的に使用できなくなるほ
どの加熱を行うことなしに光アニールを行うことができ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A thermal anneal at 400.degree. C. to 650.degree. C., typically 500.degree.
Among the crystallized thin-film silicon semiconductors, active elements,
For example, patterning was removed except for a region where a thin film transistor was formed. By irradiating visible or near-infrared light to this needle-like laterally grown island-like crystal region,
The silicon film can be selectively heated, and crystallinity can be further promoted. At this time, since the absorption of infrared light from the glass substrate or the like is sufficiently small, the optical annealing should be performed without heating the glass substrate to a degree that renders the glass substrate soft or shrinkable so that the glass substrate cannot be used engineeringly. Can be.

【0016】特に、熱アニールに際して、結晶化を促進
させる金属元素を用いた場合には、それまで不十分であ
った針状結晶の側面への結晶化を促進させ、非常に緻密
な結晶性半導体薄膜を得ることができる。本発明によっ
て、たとえば、ラマン分光法により、珪素膜の結晶領域
が増加することを、以下の実施例1に示す。また、本発
明を用いて薄膜トランジスタを作製する工程例を実施例
2〜実施例4に示す。
In particular, when a metal element that promotes crystallization is used in the thermal annealing, the crystallization of the needle-like crystal on the side surface, which has been insufficient until then, is promoted. A thin film can be obtained. Example 1 below shows that the present invention increases the crystal region of a silicon film by Raman spectroscopy. Examples of steps for manufacturing a thin film transistor using the present invention are described in Examples 2 to 4.

【0017】[0017]

【実 施 例】【Example】

〔実施例1〕図1(A)ないし(E)は本発明の実施例
1および実施例2の薄膜トランジスタの作製工程を示
す。本実施例は、ガラス基板上に形成された珪素薄膜の
結晶性の改善に関するものである。図1(A)〜(C)
を用いて説明する。まず、基板(コーニング7059)
101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102を形成した。次に、メタルマ
スク、酸化珪素または窒化珪素膜等によって形成された
マスク103を設けた。このマスク103は、スリット
状に下地膜102を露呈させた。すなわち、図1(A)
の状態を上面から見ると、スリット状に下地膜102は
露呈しており、他の部分は、マスクされている状態とな
っている。上記マスク103を設けた後、スパッタリン
グ法によって、厚さ5Å〜200Å、たとえば、20Å
のニッケル膜を100の領域に選択的に成膜した。この
状態で、ニッケルが100の領域に選択的に導入される
ことになる。(図1(A))
[Embodiment 1] FIGS. 1A to 1E show steps of manufacturing a thin film transistor according to Embodiments 1 and 2 of the present invention. The present embodiment relates to improvement of crystallinity of a silicon thin film formed on a glass substrate. FIG. 1 (A) to (C)
This will be described with reference to FIG. First, the substrate (Corning 7059)
On the substrate 101, a thickness of 2000 mm is formed by a sputtering method.
A silicon oxide base film 102 was formed. Next, a metal mask, a mask 103 formed of a silicon oxide or silicon nitride film, or the like was provided. The mask 103 exposes the base film 102 in a slit shape. That is, FIG.
When the state is viewed from above, the base film 102 is exposed in a slit shape, and the other parts are in a masked state. After the mask 103 is provided, the thickness is 5 to 200 °, for example, 20 ° by sputtering.
Was selectively formed in 100 regions. In this state, nickel is selectively introduced into the region of 100. (Fig. 1 (A))

【0018】次に、マスク103を取り除いた。そし
て、プラズマCVD法によって、厚さ300Å〜150
0Å、たとえば、800Åの真性(I型)の非晶質珪素
膜104を成膜した。
Next, the mask 103 was removed. Then, a thickness of 300 to 150 mm is formed by a plasma CVD method.
An intrinsic (I-type) amorphous silicon film 104 of 0 °, for example, 800 ° was formed.

【0019】そして、上記非晶質珪素膜104は、窒素
不活性雰囲気中で(大気圧)、550°C8時間、また
は600°C4時間、熱アニールして結晶化させた。こ
の際、ニッケル膜が選択的に成膜された100の領域に
おいては、基板101に対して垂直方向に結晶性珪素膜
104の結晶化が進行した。そして、領域100以外の
領域では、矢印105で示すように、領域100から横
方向(基板と平行な方向)に結晶成長が進行した。(図
1(B))
The amorphous silicon film 104 was crystallized by thermal annealing in a nitrogen inert atmosphere (atmospheric pressure) at 550 ° C. for 8 hours or 600 ° C. for 4 hours. At this time, in the region 100 where the nickel film was selectively formed, the crystallization of the crystalline silicon film 104 progressed in the direction perpendicular to the substrate 101. Then, in regions other than the region 100, crystal growth proceeded from the region 100 in a lateral direction (a direction parallel to the substrate) as indicated by an arrow 105. (FIG. 1 (B))

【0020】この工程の後に、珪素膜104を10μm
〜1000μmの大きさに、エッチングによりパターニ
ングした。たとえば、100μm角にパターニングし、
基板上に多くの島状珪素膜104’を形成した。そし
て、0.5μm〜4μm、ここでは0.8μm〜1.4
μmにピークをもつ可視・近赤外光を30秒〜600秒
照射し、珪素膜104’の結晶化をさらに助長させた。
(図1(C)参照)
After this step, the silicon film 104 is
It was patterned by etching to a size of 1000 μm. For example, patterning into 100 μm square,
Many island-shaped silicon films 104 'were formed on the substrate. And 0.5 μm to 4 μm, here 0.8 μm to 1.4.
Visible / near infrared light having a peak at μm was irradiated for 30 seconds to 600 seconds to further promote crystallization of the silicon film 104 ′.
(See Fig. 1 (C))

【0021】図5(A)および(B)は本発明における
実施例1の温度設定例を示す。赤外線の光源としては、
ハロゲンランプを用いた。可視・近赤外光の強度は、モ
ニターの単結晶シリコンウェハー上の温度が800°C
〜1300°C、代表的には900°C〜1200°C
の間にあるように調整した。具体的には、シリコンウェ
ハーに埋め込んだ熱電対の温度をモニターして、これを
赤外線の光源にフィードバックさせた。本実施例におい
て、昇温・降温は、図5(A)もしくは(B)のように
行った。たとえば、昇温は、一定で速度で50°C/秒
〜200°C/秒、降温は自然冷却で20°C〜100
°Cであった。
FIGS. 5A and 5B show an example of temperature setting according to the first embodiment of the present invention. As an infrared light source,
A halogen lamp was used. The intensity of visible and near-infrared light is 800 ° C on a single crystal silicon wafer of the monitor.
~ 1300 ° C, typically 900 ° C ~ 1200 ° C
Adjusted to be between. Specifically, the temperature of the thermocouple embedded in the silicon wafer was monitored and fed back to the infrared light source. In this example, the temperature was raised and lowered as shown in FIG. 5 (A) or (B). For example, the temperature rise is constant at a speed of 50 ° C./sec to 200 ° C./sec.
° C.

【0022】図5(A)は一般的な温度サイクルで、昇
温時間a、保持時間b、降温時間cの3つの過程からな
る。しかし、この場合には試料は室温から1000°C
もの高温へ、さらに、高温状態から室温へと急激に加熱
・冷却されるので、珪素膜や基板に与える影響が大き
く、珪素膜の剥離の可能性も高い。
FIG. 5A shows a general temperature cycle, which comprises three steps of a temperature raising time a, a holding time b, and a temperature lowering time c. However, in this case, the sample is heated from room temperature to 1000 ° C.
Since the substrate is rapidly heated and cooled to a high temperature and further from a high temperature to room temperature, the influence on the silicon film and the substrate is large, and the possibility of peeling of the silicon film is high.

【0023】この問題を解決するためには、図5(B)
のように、保持に達する前に、プレヒート時間dやポス
トヒート時間fを設け、保持時間に達する前に200°
C〜500°Cの基板や膜に大きな影響を与えない温度
に保持しておくことが望ましい。
In order to solve this problem, FIG.
Before reaching the holding time, a pre-heating time d and a post-heating time f are provided.
It is desirable to maintain a temperature of C to 500 ° C. which does not greatly affect the substrate or the film.

【0024】なお、赤外光照射の際、その表面に保護膜
として酸化珪素または窒化珪素膜を形成しておくことが
好ましい。これは、珪素膜104の表面の状態を良くす
るためである。また、この珪素膜104の表面の状態を
良くするために、水素雰囲気中にて行った。水素雰囲気
に0.1〜10%のHCl、その他ハロゲン化水素やフ
ッ素や塩素、臭素の化合物を混入してもよい。
It is preferable that a silicon oxide or silicon nitride film be formed as a protective film on the surface during the irradiation with infrared light. This is to improve the state of the surface of the silicon film 104. Further, in order to improve the state of the surface of the silicon film 104, the etching was performed in a hydrogen atmosphere. 0.1% to 10% HCl, a compound of hydrogen halide, fluorine, chlorine, or bromine may be mixed in the hydrogen atmosphere.

【0025】この可視・近赤外光照射は、結晶化した珪
素膜を選択的に加熱することになるので、ガラス基板へ
の加熱を最小限に抑えることができる。そして、珪素膜
中の欠陥や不体結合手を減少させるのに非常に効果があ
る。また、この可視・近赤外光照射が加熱による結晶化
工程の後に行われることは重要である。事前に熱アニー
ルによる結晶化を行わずに、非晶質珪素膜に対し、いき
なり、赤外光照射を行った場合には良好な結晶は得られ
なかった。
This visible / near-infrared light irradiation selectively heats the crystallized silicon film, so that the heating of the glass substrate can be minimized. And it is very effective in reducing the defects and the dangling bonds in the silicon film. It is important that the visible / near-infrared light irradiation is performed after the crystallization step by heating. When the amorphous silicon film was immediately irradiated with infrared light without being previously crystallized by thermal annealing, good crystals could not be obtained.

【0026】図4は本発明の実施例1によって得られた
結晶性珪素膜のラマン散乱分光結果を示す。”c−S
i”は、標準試料として測定した単結晶シリコンウェハ
ーのラマン散乱強度を示す。ここで、”1100°C、
180sec”と表示されているのは、赤外光照射の温
度が1100°Cで、180秒間照射したことを意味し
ている。図から明らかなように、赤外光照射によって、
ラマン強度が増加しているが、これは結晶の体積分率が
増加したことを示している。このように、結晶化の不十
分だった領域が赤外光照射によって結晶化したことが示
された。
FIG. 4 shows the results of Raman scattering spectroscopy of the crystalline silicon film obtained according to the first embodiment of the present invention. "C-S
“i” indicates the Raman scattering intensity of a single crystal silicon wafer measured as a standard sample, where “1100 ° C.,
“180 sec” means that the infrared light irradiation temperature was 1100 ° C. and the irradiation was performed for 180 seconds. As is clear from the figure, the infrared light irradiation
Raman intensity increases, indicating that the crystal volume fraction has increased. Thus, it was shown that the region where crystallization was insufficient was crystallized by irradiation with infrared light.

【0027】〔実施例2〕本実施例は、図1(A)〜
(E)に示されるガラス基板上に形成された結晶性珪素
膜を用いたPチャネル型薄膜トランジスタ(P薄膜トラ
ンジスタという)とNチャネル型薄膜トランジスタ(N
薄膜トランジスタという)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、イメージセンサや集積回路に
利用することができる。
[Embodiment 2] In this embodiment, FIGS.
A P-channel thin film transistor (referred to as a P thin film transistor) and an N-channel thin film transistor (N thin film transistor) using a crystalline silicon film formed on a glass substrate shown in FIG.
This is an example of forming a circuit in which a circuit is combined with a thin film transistor 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.

【0028】図1において、まず、基板(コーニング7
059)101上にスパッタリング法によって、厚さ2
000Åの酸化珪素の下地膜102を形成した。基板1
01は、下地膜102の成膜の前もしくは後に、歪み温
度よりも高い温度でアニールを行った後、0.1°C/
分〜1.0°C/分で歪み温度以下まで徐冷すると、そ
の後の温度上昇を伴う工程(本発明の赤外光照射を含
む)での基板101の収縮が少なく、マスク合わせが容
易になる。コーニング7059基板101では、620
°C〜660°Cで1時間〜4時間アニールした後、
0.1°C/分〜1.0°C/分、好ましくは、0.1
°C/分〜0.3°C/分で徐冷し、450°C〜59
0°Cまで温度が低下した段階で取り出すとよい。
In FIG. 1, first, a substrate (Corning 7
059) The thickness 2 was formed on 101 by sputtering.
An underlayer 102 of silicon oxide of 000 ° was formed. Substrate 1
01 is annealed at a temperature higher than the strain temperature before or after the formation of the base film 102, and then performed at 0.1 ° C. /
When the substrate is gradually cooled to a strain temperature or lower at a temperature of from 1.0 to 1.0 ° C./min, the shrinkage of the substrate 101 in a process involving a temperature rise (including the irradiation of infrared light of the present invention) is small, and mask alignment is easy. Become. For Corning 7059 substrate 101, 620
After annealing for 1 hour to 4 hours at ° C to 660 ° C,
0.1 ° C./min to 1.0 ° C./min, preferably 0.1
° C / min ~ 0.3 ° C / min.
It is good to take out at the stage when the temperature has dropped to 0 ° C.

【0029】さて、下地膜成膜後、窒化珪素膜等によっ
て形成されたマスク103を設けた。このマスク103
は、スリット状に下地膜102を露呈させる。すなわ
ち、図1(A)の状態を上面から見ると、スリット状に
下地膜102は露呈しており、他の部分は、マスクされ
ている状態となっている。上記マスク103を設けた
後、スパッタリング法によって、厚さ5〜200Å、た
とえば、20Åの珪化ニッケル膜(化学式NiSix
0.4≦x≦2.5、たとえば、x=2.0)を100
の領域に選択的に成膜した。この状態で、ニッケルが1
00の領域に選択的に導入されることになる。(図1
(A)参照)
After the formation of the base film, a mask 103 formed of a silicon nitride film or the like was provided. This mask 103
Exposes the base film 102 in a slit shape. That is, when the state of FIG. 1A is viewed from above, the base film 102 is exposed in a slit shape, and the other portions are masked. After providing the mask 103, by sputtering, the thickness 5~200A, for example, 20 Å of nickel silicide film (chemical formula NiSi x,
0.4 ≦ x ≦ 2.5, for example, x = 2.0) to 100
Was selectively formed in the region of. In this state, nickel is 1
00 will be selectively introduced. (Figure 1
(See (A))

【0030】次に、マスク103を取り除き、プラズマ
CVD法によって、厚さ300Å〜1500Å、たとえ
ば、500Åの真性(I型)の非晶質珪素膜104を成
膜した。そして、不活性雰囲気下(窒素もしくはアルゴ
ン、大気圧)、550°C、で4時間〜8時間アニール
して結晶化させた。この際、珪化ニッケル膜が選択的に
成膜された100の領域においては、基板101に対し
て垂直方向に結晶性珪素膜104の結晶化が進行した。
そして、領域100以外の領域では、矢印105で示す
ように、領域100から横方向(基板と平行な方向)に
結晶成長が進行した。(図1(B)参照)
Next, the mask 103 was removed, and an intrinsic (I-type) amorphous silicon film 104 having a thickness of 300 to 1500 °, for example, 500 ° was formed by a plasma CVD method. Then, it was annealed at 550 ° C. for 4 to 8 hours in an inert atmosphere (nitrogen or argon, atmospheric pressure) to crystallize. At this time, in the region 100 where the nickel silicide film was selectively formed, the crystallization of the crystalline silicon film 104 progressed in the direction perpendicular to the substrate 101.
Then, in regions other than the region 100, crystal growth proceeded from the region 100 in a lateral direction (a direction parallel to the substrate) as indicated by an arrow 105. (See FIG. 1 (B))

【0031】この工程の後に、珪素膜をパターニングし
て、薄膜トランジスタの島状の活性層104’を形成し
た。この際、チャネル形成領域となる部分に結晶成長の
先端部(すなわち、結晶珪素領域と非晶質珪素領域の境
界で、ニッケルの濃度が大きい)が存在しないようにす
ることが重要である。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。活性層104’の大きさは、薄膜トランジスタのチ
ャネル長とチャネル幅を考慮して決定される。小さなも
のでは、50μm×20μm、大きなものでは100μ
m×1000μmであった。
After this step, the silicon film was patterned to form an island-shaped active layer 104 'of the thin film transistor. At this time, it is important that a tip portion of crystal growth (that is, a nickel concentration is high at a boundary between the crystalline silicon region and the amorphous silicon region) does not exist in a portion to be a channel formation region. In this manner, carriers moving between the source and the drain are formed in the channel formation region.
The effect of the nickel element can be eliminated. The size of the active layer 104 'is determined in consideration of the channel length and channel width of the thin film transistor. 50 μm × 20 μm for small ones, 100 μm for large ones
m × 1000 μm.

【0032】このような活性層を基板上に多く形成し
た。そして、0.5μm〜4μm、本実施例では0.8
μm〜1.4μmにピークをもつ赤外光を30秒〜18
0秒照射し、活性層の結晶化をさらに助長させた。温度
は、800°C〜1300°C、代表的には900°C
〜1200°C、たとえば、1100°Cとした。活性
層の表面の状態を良くするために、照射は、水素雰囲気
中で行った。本工程は、活性層を選択的に加熱すること
になるので、ガラス基板への加熱を最小限に抑えること
ができる。そして、活性層中の欠陥や不体結合手を減少
させるのに非常に効果がある。(図1(C)参照)
Many such active layers were formed on the substrate. And 0.5 μm to 4 μm, in this embodiment 0.8 μm
30 seconds to 18 hours of infrared light having a peak at μm to 1.4 μm.
Irradiation for 0 seconds further promoted crystallization of the active layer. The temperature is between 800 ° C and 1300 ° C, typically 900 ° C
11200 ° C., for example, 1100 ° C. Irradiation was performed in a hydrogen atmosphere to improve the condition of the surface of the active layer. In this step, since the active layer is selectively heated, heating of the glass substrate can be minimized. And, it is very effective in reducing defects and unbound bonds in the active layer. (See Fig. 1 (C))

【0033】次に、プラズマCVD法によって厚さ10
00Åの酸化珪素膜106をゲイト絶縁膜として成膜し
た。CVDの原料ガスとしては、TEOS(テトラ・エ
トキシ・シラン、Si(OC2 5 4 )と酸素を用
い、成膜時の基板温度は、300°C〜550°C、た
とえば、400°Cとした。
Next, a thickness of 10
A silicon oxide film 106 having a thickness of 00 ° was formed as a gate insulating film. The CVD source gas, TEOS with oxygen (tetraethoxysilane, Si (OC 2 H 5) 4), the substrate temperature during film formation, 300 ° C~550 ° C, for example, 400 ° C And

【0034】このゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜106
の成膜後に、可視・近赤外光の照射による光アニールを
再度行なった。この光アニールによって、主に酸化珪素
膜106と珪素膜104との界面およびその近傍におけ
る準位を消滅させることができた。これは、ゲイト絶縁
膜とチャネル形成領域との界面特性が極めて重要である
絶縁ゲイト型電界効果半導体装置にとっては、極めて有
用である。
The silicon oxide film 106 serving as the gate insulating film
After the film formation, light annealing by irradiation with visible / near infrared light was performed again. By this optical annealing, the level mainly at the interface between the silicon oxide film 106 and the silicon film 104 and in the vicinity thereof could be eliminated. This is extremely useful for an insulating gate type field effect semiconductor device in which the interface characteristics between the gate insulating film and the channel formation region are extremely important.

【0035】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ6000Å〜8000Å、たとえば、6000Åの
アルミニウム(0.01%〜0.2%のスカンジウムを
含む)を成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニ
ングして、ゲイト電極107、109を形成した。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108、110を形成した。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108、110の厚さは
2000Åであった。なお、この酸化物108と110
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。
Subsequently, by a sputtering method,
Aluminum (including 0.01% to 0.2% scandium) having a thickness of 6000 to 8000, for example, 6000, was deposited. Then, the aluminum film was patterned to form gate electrodes 107 and 109. Further, the surface of the aluminum electrode was anodized to form oxide layers 108 and 110 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 108 and 110 was 2000 °. The oxides 108 and 110
In the subsequent ion doping process, 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 process.

【0036】次に、イオンドーピング法(プラズマドー
ピング法とも言う)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107とその周囲の酸化層108、ゲイト
電極109とその周囲の酸化層110をマスクとして、
自己整合的にP導電型もしくはN導電型を付与する不純
物を添加した。ドーピングガスとして、フォスフィン
(PH3 )およびジボラン(B26 )を用い、前者の
場合は、加速電圧を60kV〜90kV、たとえば、8
0kV、後者の場合は、40kV〜80kV、たとえ
ば、65kVとする。ドース量は1×1015cm-2〜8
×1015cm-2、たとえば、燐を2×1015cm-2、ホ
ウ素を5×1015cm-2とした。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した。この結果、
N型の不純物領域114と116、P型の不純物領域1
11と113が形成され、Pチャネル型薄膜トランジス
タ(P薄膜トランジスタ)の領域とNチャネル型薄膜ト
ランジスタ(N薄膜トランジスタ)との領域を形成する
ことができた。
Next, by an ion doping method (also referred to as a plasma doping method), a gate electrode portion, that is, a gate electrode 107, an oxide layer 108 surrounding the gate electrode 107, and a gate electrode are formed in an active layer region (constituting a source / drain and a channel). 109 and the surrounding oxide layer 110 as a mask,
Impurities for imparting P conductivity type or N conductivity type are added in a self-aligned manner. Phosphine (PH 3 ) and diborane (B 2 H 6 ) are used as the doping gas. In the former case, the acceleration voltage is 60 kV to 90 kV, for example, 8 kV.
0 kV, and in the latter case, 40 kV to 80 kV, for example, 65 kV. The dose amount is 1 × 10 15 cm -2 -8
× 10 15 cm -2 , for example, phosphorus was set to 2 × 10 15 cm -2 and boron was set to 5 × 10 15 cm -2 . When doping, by covering one area with photoresist,
Each element was selectively doped. As a result,
N-type impurity regions 114 and 116, P-type impurity region 1
11 and 113 were formed, and a region of a P-channel thin film transistor (P thin film transistor) and a region of an N-channel thin film transistor (N thin film transistor) could be formed.

【0037】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行った。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200mJ/cm2 〜400
mJ/cm2 、たとえば、250mJ/cm2 とし、一
か所につき2ショット〜10ショット、たとえば、2シ
ョット照射した。このレーザー光の照射時に基板を20
0°C〜450°C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1(D)参照)
Thereafter, annealing was 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 mJ / cm 2 to 400 m.
mJ / cm 2, for example, and 250mJ / cm 2, 2 shot to 10 shots per one place, for example, was 2 shots. When irradiating this laser beam,
By heating to about 0 ° C. to 450 ° C., the effect may be increased. (See Fig. 1 (D))

【0038】また、この工程は、可視・近赤外光による
ランプアニールによる方法でもよい。可視・近赤外線は
結晶化した珪素、または燐またはホウ素が1019cm-3
〜1021cm-3添加された非晶質珪素へは吸収され易
く、1000°C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。燐またはホウ素が添加
されていると、その不純物散乱により、近赤外線でも十
分光が吸収される。このことは、肉眼による観察でも黒
色であることから十分に推測がつく。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。
This step may be performed by lamp annealing using visible / near infrared light. Visible and near-infrared light is crystallized silicon, or phosphorus or boron is 10 19 cm -3
It is easily absorbed by amorphous silicon to which 10 21 cm −3 is added, and effective annealing comparable to thermal annealing at 1000 ° C. or higher can be performed. When phosphorus or boron is added, light is sufficiently absorbed even in the near infrared due to the impurity scattering. This can be fully inferred from the fact that the color is black even when observed with the naked eye. On the other hand, it is hardly absorbed by the glass substrate, so the glass substrate does not need to be heated to a high temperature, and only a short processing time is required. It can be said that there is.

【0039】続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜11
8を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成し
た。この層間絶縁物としては、ポリイミドまたは酸化珪
素とポリイミドの2層膜を利用してもよい。さらに、コ
ンタクトホールを形成して、金属材料、たとえば、窒化
チタンとアルミニウムの多層膜によって薄膜トランジス
タの電極・配線117、120、119を形成した。最
後に、1気圧の水素雰囲気で350°C、30分のアニ
ールを行い、薄膜トランジスタを相補型に構成した半導
体回路を完成した。(図1(E)参照) 特に、本発明では、可視・近赤外光による光アニールの
工程で生じた不対結合手を、その後の工程で、水素雰囲
気において、250°C〜400°Cで加熱することに
よって中和することが重要である。
Subsequently, a silicon oxide film 11 having a thickness of 6000.degree.
8 was formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. As the interlayer insulator, a two-layer film of polyimide or silicon oxide and polyimide may be used. Further, contact holes were formed, and electrodes / wirings 117, 120, and 119 of the thin film transistor were formed using a metal material, for example, a multilayer film of titanium nitride and aluminum. Finally, annealing was performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere at 1 atm to complete a semiconductor circuit in which the thin film transistors were configured in a complementary manner. (See FIG. 1 (E).) In particular, in the present invention, the dangling bonds generated in the optical annealing process using visible / near infrared light are replaced in a subsequent process in a hydrogen atmosphere at 250 ° C. to 400 ° C. It is important to neutralize by heating at.

【0040】上記に示す回路は、P薄膜トランジスタと
N薄膜トランジスタ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つの薄膜トランジスタを
同時に作り、中央で切断することにより、独立した薄膜
トランジスタを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 a P thin film transistor and an N thin film transistor are provided in a complementary manner. In the above-described process, two thin film transistors are simultaneously formed and cut at the center to form two independent thin film transistors. It is also possible to manufacture them simultaneously.

【0041】本実施例においては、ニッケルを導入する
方法として、非晶質珪素膜104下の下地膜102上に
選択的にニッケルを薄膜(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10
4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。すなわち、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104
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細かく制御することができる
という特徴を有する。また、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 nickel, nickel is selectively thinned on the base film 102 under the amorphous silicon film 104 (it is difficult to observe nickel as a thin film). And the crystal growth is performed from this portion.
After the formation of 4, a method of selectively forming a nickel silicide film may be used. That is, crystal growth may be performed from the upper surface of the amorphous silicon film or from the lower surface. In addition, an amorphous silicon film is formed in advance, and further, nickel ions are added to the amorphous silicon film 104 by ion doping.
Alternatively, a method of selectively injecting the gas may be employed. This case has a feature that the concentration of the nickel element can be finely controlled. Further, a method using a plasma treatment or a CVD method may be used.

【0042】〔実施例3〕本実施例は、アクティブ型の
液晶表示装置において、Nチャネル型薄膜トランジスタ
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チャネル型薄膜トランジスタではなく、P
チャネル型薄膜トランジスタ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。すなわち、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 3] This embodiment is an example in which an N-channel thin film transistor is provided as a switching element in each pixel 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, instead of an N-channel type thin film transistor,
Needless to say, a channel thin film transistor may be used. 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.

【0043】図2(A)ないし(E)は本発明の実施例
3の薄膜トランジスタの作製工程を示す。図2に示す本
実施例において、基板201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202(酸化珪素)をプ
ラズマCVD法で2000Åの厚さに形成した。CVD
の原料ガスとしてはTEOSと酸素を用いた。この後、
選択的にニッケルを導入するために、窒化珪素膜によ
り、マスク203を形成した。そして、スパッタリング
法によりニッケル膜を成膜した。このニッケル膜は、ス
パッタリング法によって、厚さ5Å〜200Å、たとえ
ば、20Åの厚さに形成した。このようにして、選択的
に領域204にニッケル膜が形成された。(図2(A)
参照)
FIGS. 2A to 2E show steps of manufacturing a thin film transistor according to a third embodiment of the present invention. In the present embodiment shown in FIG.
59 glass substrate (1.1 mm thick, 300 × 400 m
m) was used. First, a base film 202 (silicon oxide) was formed to a thickness of 2000 ° by a plasma CVD method. CVD
TEOS and oxygen were used as raw material gases for the above. After this,
In order to selectively introduce nickel, a mask 203 was formed using a silicon nitride film. Then, a nickel film was formed by a sputtering method. This nickel film was formed to a thickness of 5 ° to 200 °, for example, 20 ° by a sputtering method. Thus, the nickel film was selectively formed in the region 204. (FIG. 2 (A)
reference)

【0044】この後、LPCVD法もしくはプラズマC
VD法で非晶質珪素膜205を1000Åの厚さに形成
した。そして、450°C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った。このアニー
ル工程は、窒素雰囲気下、550°Cで8時間行った。
このアニール工程において、非晶質珪素膜205下の2
04の領域には、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った。この結晶化の際、図2
(B)の矢印で示すように、ニッケルが成膜されている
領域204では、基板201に垂直方向に珪素の結晶成
長が進行した。また、矢印で示されるように、ニッケル
が成膜されいていない領域(領域205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進行し
た。(図2(B)参照)
Thereafter, LPCVD or plasma C
An amorphous silicon film 205 was formed to a thickness of 1000 ° by the VD method. Then, after performing dehydrogenation at 450 ° C. for 1 hour, crystallization was performed by heat annealing. This annealing step was performed at 550 ° C. for 8 hours in a nitrogen atmosphere.
In this annealing step, 2
Since a nickel film was formed in the region 04, crystallization occurred from this portion. During this crystallization, FIG.
As shown by the arrow (B), crystal growth of silicon proceeded in the direction perpendicular to the substrate 201 in the region 204 where nickel was formed. In addition, as indicated by arrows, in regions where nickel was not deposited (regions other than region 205), crystal growth proceeded in a direction parallel to the substrate. (See FIG. 2 (B))

【0045】この熱アニール工程の後、結晶化した珪素
膜をパターニングして薄膜トランジスタの島状活性層2
05’のみを残存させ、その他を除去した。この際、結
晶成長した結晶の先端部が活性層、なかでもチャネル形
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2(B)の珪素膜205のうち、少なくとも
結晶化の先端部とニッケルが導入された204の部分を
エッチングで除去し、結晶性珪素膜205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
ことが好ましい。これは、ニッケルが結晶成長先端部お
よび導入部に集中して存在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薄膜トランジスタの特性に
悪影響を及ぼすことを防ぐためである。そして、島状活
性層205’に可視・近赤外光を照射し、光アニールし
た。温度は1100°C、時間は30秒とした。(図2
(C)参照)
After this thermal annealing step, the crystallized silicon film is patterned to form the island-like active layer 2 of the thin film transistor.
Only 05 ′ remained, and the others were removed. At this time, it is important that the tip of the grown crystal does not exist in the active layer, especially in the channel formation region. Specifically, in the silicon film 205 of FIG. 2B, at least the tip of crystallization and the portion of 204 into which nickel has been introduced are removed by etching, and the crystalline silicon film 205 is removed in a direction parallel to the substrate. It is preferable to use the intermediate portion where the crystal has grown as an active layer. This is to prevent the nickel concentrated at the front end portion from adversely affecting the characteristics of the thin film transistor in view of the fact that nickel is concentrated at the front end portion and the introduction portion of the crystal growth. Then, the island-shaped active layer 205 'was irradiated with visible / near-infrared light and light-annealed. The temperature was 1100 ° C. and the time was 30 seconds. (Figure 2
(See (C))

【0046】さらに、テトラ・エトキシ・シラン(TE
OS)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70nm〜1
20nm、典型的には120nm)206を形成した。
基板温度は、350°Cとした。次に、公知の多結晶珪
素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207を形成した。多
結晶珪素には、導電性を向上させるために不純物として
燐を0.1%〜5%導入した。
Further, tetraethoxysilane (TE)
OS) as a raw material, a gate insulating film of silicon oxide (thickness: 70 nm to 1 nm) is formed by a plasma CVD method in an oxygen atmosphere.
(20 nm, typically 120 nm) 206 was formed.
The substrate temperature was 350 ° C. Next, a gate electrode 207 was formed by forming a known film mainly containing polycrystalline silicon by a CVD method and performing patterning. Phosphorus was introduced into polycrystalline silicon as an impurity in an amount of 0.1% to 5% in order to improve conductivity.

【0047】その後、N型の不純物として、燐をイオン
ドーピング法で注入し、自己整合的にソース領域20
8、チャネル形成領域209、ドレイン領域210を形
成した。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
晶性を改善させた。このときにはレーザー光のエネルギ
ー密度は250〜300mJ/cm2 とした。このレー
ザー照射によって、この薄膜トランジスタのソース/ド
レインのシート抵抗は、300Ω/cm2 〜800Ω/
cm2 となった。また、この工程は、可視・近赤外光の
ランプアニールによって行ってもよい。(図2(D)参
照)
Thereafter, phosphorus is implanted as an N-type impurity by ion doping, and the source region 20 is self-aligned.
8, a channel formation region 209 and a drain region 210 were formed. By irradiating a KrF laser beam, the crystallinity of the silicon film having deteriorated crystallinity due to ion implantation was improved. At this time, the energy density of the laser beam was set to 250 to 300 mJ / cm 2 . By this laser irradiation, the sheet resistance of the source / drain of the thin film transistor becomes 300 Ω / cm 2 to 800 Ω /
cm 2 . This step may be performed by lamp annealing of visible / near infrared light. (See FIG. 2 (D))

【0048】その後、酸化珪素またはポリイミドによっ
て層間絶縁物211を形成し、さらに、画素電極212
をITOによって形成した。そして、コンタクトホール
を形成して、薄膜トランジスタのソース/ドレイン領域
にクロム/アルミニウム多層膜で電極213、214を
形成し、このうち一方の電極214は、ITO212に
も接続するようにした。最後に、水素中で200〜40
0°Cで2時間アニールして、水素化を行った。このよ
うにして、薄膜トランジスタを完成した。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。
また、より耐湿性を向上させるために、全面に窒化珪素
等でパッシベーション膜を形成してもよい。(図2
(E)参照)
Thereafter, an interlayer insulator 211 is formed of silicon oxide or polyimide, and further, a pixel electrode 212 is formed.
Was formed by ITO. Then, a contact hole was formed, and electrodes 213 and 214 were formed of a chromium / aluminum multilayer film in source / drain regions of the thin film transistor. One of the electrodes 214 was also connected to the ITO 212. Finally, 200 to 40 in hydrogen
Annealing was performed at 0 ° C. for 2 hours to perform hydrogenation. Thus, a thin film transistor was completed. This step is
At the same time, the same process is performed in many other pixel regions.
In order to further improve the moisture resistance, a passivation film may be formed on the entire surface using silicon nitride or the like. (Figure 2
(See (E))

【0049】本実施例で作製した薄膜トランジスタは、
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、すなわち、キャリアが針状の結晶
の結晶粒界に沿って移動することになるから、キャリア
の移動度の高い薄膜トランジスタを得ることができる。
本実施例で作製した薄膜トランジスタは、Nチャネル型
であり、その移動度は、90(cm2 /Vs)〜130
(cm2 /Vs)であった。従来の600°C、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珪素
膜を用いたNチャネル型薄膜トランジスタに移動が、5
0(cm2 /Vs)〜70(cm2 /Vs)であったこ
とと比較すると、これは大きな特性の向上である。さら
に、550°Cのアニールによる結晶化の工程の後に、
可視・近赤外光の照射によるアニールを行わないと、概
して移動度が低く、オンオフ比も低いものしか得られな
かった。このことから、強光照射による結晶化助長工程
は薄膜トランジスタの信頼性向上の上で有益であること
がわかった。
The thin film transistor manufactured in this embodiment is
As the active layer constituting the source region, the channel formation region, and the drain region, a crystalline silicon film grown in the direction in which carriers flow is used, so that the carriers do not cross the crystal grain boundaries. Since the crystal moves along the crystal grain boundary of the needle-like crystal, a thin film transistor with high carrier mobility can be obtained.
The thin film transistor manufactured in this embodiment is of an N-channel type and has a mobility of 90 (cm 2 / Vs) to 130 (cm 2 / Vs).
(Cm 2 / Vs). The conventional N-channel type thin film transistor using a crystalline silicon film obtained by crystallization by thermal annealing at 600 ° C. for 48 hours was moved to 5
This is a significant improvement in characteristics as compared with 0 (cm 2 / Vs) to 70 (cm 2 / Vs). Further, after the step of crystallization by annealing at 550 ° C.,
Without annealing by irradiation of visible / near-infrared light, generally only low mobility and low on / off ratio were obtained. From this, it was found that the step of promoting crystallization by intense light irradiation is useful for improving the reliability of the thin film transistor.

【0050】〔実施例4〕図3(A)ないし(E)は本
発明の実施例4の薄膜トランジスタの作製工程を示す。
図3を用いて、本実施例を説明する。まず、ガラス基板
301上に下地膜302を形成し、さらに、プラズマC
VD法によって厚さ300Å〜800Åの非晶質珪素膜
304を成膜した。そして、厚さ1000Åの酸化珪素
のマスク303を用いて300で示される領域にニッケ
ル膜を実施例1と同様にして成膜した。次に、550°
C、8時間の加熱アニールを行い、珪素膜304の結晶
化を行った。この際、矢印305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した。(図3
(A)参照)
[Embodiment 4] FIGS. 3A to 3E show steps of manufacturing a thin film transistor according to Embodiment 4 of the present invention.
This embodiment will be described with reference to FIG. First, a base film 302 is formed on a glass substrate 301, and a plasma C
An amorphous silicon film 304 having a thickness of 300 to 800 ° was formed by the VD method. Then, a nickel film was formed in a region indicated by reference numeral 300 in the same manner as in Example 1 by using a silicon oxide mask 303 having a thickness of 1000 °. Next, 550 °
C, heat annealing was performed for 8 hours to crystallize the silicon film 304. At this time, as indicated by an arrow 305, crystal growth proceeded in a direction parallel to the substrate. (FIG. 3
(See (A))

【0051】次に、珪素膜304をパターニングして、
島状の活性層領域306および307を形成した。この
際、図3(A)で300で示された領域が、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、実施例2および3で示したように
結晶成長の終点にも、やはりニッケルが高濃度に存在す
る。これらの領域は、その間の結晶化している領域に比
較してニッケルの濃度が1桁近く高いことが判明してい
る。したがって、本実施例において、アクティ素子、た
とえば、薄膜トランジスタを形成するための領域である
活性層領域306、307は、これらのニッケル濃度の
高い領域を避けてパターニングした。そして、ニッケル
の高濃度領域を意図的に除去した。活性層のエッチング
は、垂直方向に異方性を有するRIE法によって行っ
た。本実施例の活性層中でのニッケル濃度は、1×10
17〜1×1019cm-3程度であった。(図3(B)参
照)
Next, the silicon film 304 is patterned
Island-shaped active layer regions 306 and 307 were formed. At this time, a region indicated by 300 in FIG. 3A is a region where nickel is directly introduced, and is a region where nickel is present at a high concentration. Also, as shown in Examples 2 and 3, nickel also exists at a high concentration at the end point of crystal growth. It has been found that these regions have a nickel concentration that is nearly an order of magnitude higher than the crystallized regions between them. Therefore, in the present embodiment, the active layer regions 306 and 307, which are regions for forming an active element, for example, a thin film transistor, are patterned so as to avoid these regions having a high nickel concentration. Then, the high concentration region of nickel was intentionally removed. The etching of the active layer was performed by the RIE method having anisotropy in the vertical direction. The nickel concentration in the active layer of this embodiment is 1 × 10
It was about 17 to 1 × 10 19 cm −3 . (See FIG. 3B)

【0052】本実施例では、活性層306と307とを
利用して相補型に構成された薄膜トランジスタ回路を得
る。すなわち、本実施例の回路は、P薄膜トランジスタ
とN薄膜トランジスタが分断されている点で、実施例2
の図1(D)に示す構成と異なる。すなわち、図1
(D)に示す構造において、2つの薄膜トランジスタの
活性層が連続してつながっており、その中間領域におい
て、ニッケル濃度が高いが、本実施例では、どの部分を
取ってみても、ニッケル濃度は、低いという特色を有す
る。このため動作の安定性を高めることができる。
In the present embodiment, a complementary thin film transistor circuit is obtained by utilizing the active layers 306 and 307. That is, the circuit according to the second embodiment is different from the circuit according to the second embodiment in that the P thin film transistor and the N thin film transistor are separated.
Is different from the structure shown in FIG. That is, FIG.
In the structure shown in (D), the active layers of the two thin film transistors are continuously connected, and the nickel concentration is high in the intermediate region. In this embodiment, however, regardless of which part is taken, the nickel concentration is It has the characteristic of being low. Therefore, operation stability can be improved.

【0053】次いで、厚さ200Å〜3000Åの厚さ
の酸化珪素または窒化珪素膜308をプラズマCVD法
によって形成した。そして、実施例2と同様に可視・近
赤外光のランプアニールを行った。条件は、実施例3と
同じとした。本実施例では、可視・近赤外光照射の際
に、酸化珪素または窒化珪素の保護膜が活性層の表面に
形成されており、このため、赤外光照射の際の表面の荒
れや汚染を防止することができた。(図3(C)参照)
Next, a silicon oxide or silicon nitride film 308 having a thickness of 200 to 3000 mm was formed by a plasma CVD method. Then, lamp annealing of visible / near infrared light was performed in the same manner as in Example 2. The conditions were the same as in Example 3. In the present embodiment, a protective film of silicon oxide or silicon nitride is formed on the surface of the active layer during irradiation of visible / near infrared light, so that the surface is roughened or contaminated during irradiation of infrared light. Could be prevented. (See FIG. 3 (C))

【0054】可視・近赤外光照射後、保護膜308を除
去した。その後、実施例2と同様にゲイト絶縁膜30
9、ゲイト電極310、311を形成(図3(D)参
照)し、層間絶縁物312を形成して、これにコンタク
トホールを形成し、メタル配線313、314、315
を形成した。(図3(E)参照) このようにして、相補型薄膜トランジスタ回路を形成し
た。本実施例では、可視・近赤外光照射の際に活性層の
表面に保護膜が形成されており、表面の荒れや汚染が防
止される。このため、本実施例の薄膜トランジスタの特
性(電界移動度やしきい値電圧)および信頼性は、極め
て良好であった。
After the irradiation with visible / near infrared light, the protective film 308 was removed. Thereafter, the gate insulating film 30 is formed in the same manner as in the second embodiment.
9. Gate electrodes 310 and 311 are formed (see FIG. 3D), an interlayer insulator 312 is formed, contact holes are formed therein, and metal wirings 313, 314 and 315 are formed.
Was formed. (See FIG. 3E.) Thus, a complementary thin film transistor circuit was formed. In the present embodiment, a protective film is formed on the surface of the active layer upon irradiation with visible / near infrared light, so that surface roughness and contamination are prevented. Therefore, the characteristics (electric field mobility and threshold voltage) and reliability of the thin film transistor of this example were extremely good.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明によれば、加熱アニールによって
結晶化が行われた結晶性珪素膜に対して、可視・近赤外
光照射の光アニールを追加して行うことにより、結晶性
をさらに助長せしめると同時に、膜質を緻密化させるこ
とができ、良好な結晶性を有した珪素膜を得ることがで
きた。本発明によれば、珪素膜上に絶縁膜を形成した
後、赤外光の照射によってアニールを行うことによっ
て、界面準位を減らすことができ、また、これらの工程
の後、水素化アニールを水素雰囲気中、200°C〜4
50°Cでの処理により、不対結合手を除去・中和でき
た。本発明によれば、特に、絶縁ゲイト型半導体装置の
形成に極めて効果がある。
According to the present invention, the crystalline silicon film crystallized by heat annealing is additionally subjected to light annealing of visible / near infrared light irradiation, thereby further improving the crystallinity. At the same time, the film quality could be densified, and a silicon film having good crystallinity could be obtained. According to the present invention, after an insulating film is formed on a silicon film, annealing is performed by irradiating infrared light, whereby interface levels can be reduced. After these steps, hydrogenation annealing is performed. 200 ° C ~ 4 in hydrogen atmosphere
By the treatment at 50 ° C, dangling bonds could be removed and neutralized. According to the present invention, it is extremely effective particularly for forming an insulating gate type semiconductor device.

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

【図1】(A)ないし(E)は本発明の実施例1および
実施例2の薄膜トランジスタの作製工程を示す。
FIGS. 1A to 1E show steps of manufacturing a thin film transistor of Example 1 and Example 2 of the present invention.

【図2】(A)ないし(E)は本発明の実施例3の薄膜
トランジスタの作製工程を示す。
FIGS. 2A to 2E show steps of manufacturing a thin film transistor according to a third embodiment of the present invention.

【図3】(A)ないし(E)は本発明の実施例4の薄膜
トランジスタの作製工程を示す。
FIGS. 3A to 3E show steps of manufacturing a thin film transistor according to Example 4 of the present invention.

【図4】本発明の実施例1によって得られた結晶性珪素
膜のラマン散乱分光結果を示す。
FIG. 4 shows the results of Raman scattering spectroscopy of the crystalline silicon film obtained according to Example 1 of the present invention.

【図5】(A)および(B)は本発明における実施例1
の温度設定例を示す。
5 (A) and (B) show Example 1 of the present invention.
3 shows an example of temperature setting.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 ガラス基板 102 下地膜(酸化珪素膜) 103 マスク 104 珪素膜 104’ 島状珪素膜(活性層) 105 結晶化の方向 106 ゲイト絶縁膜(酸化珪素膜) 107 ゲイト電極(アルミニウム) 108 陽極酸化層(酸化アルミニウム) 109 ゲイト電極 110 陽極酸化層 111 ソース(ドレイン)領域 112 チャネル形成領域 113 ドレイン(ソース)領域 114 ソース(ドレイン)領域 115 チャネル形成領域 116 ドレイン(ソース)領域 117 電極 118 層間絶縁物 119 電極 120 電極 Reference Signs List 101 glass substrate 102 base film (silicon oxide film) 103 mask 104 silicon film 104 'island-like silicon film (active layer) 105 direction of crystallization 106 gate insulating film (silicon oxide film) 107 gate electrode (aluminum) 108 anodized layer (Aluminum oxide) 109 Gate electrode 110 Anodized layer 111 Source (drain) region 112 Channel formation region 113 Drain (source) region 114 Source (drain) region 115 Channel formation region 116 Drain (source) region 117 Electrode 118 Interlayer insulator 119 Electrode 120 electrode

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−95921(JP,A) 特開 平2−275622(JP,A) 特開 平1−196116(JP,A) 特開 昭62−298150(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/20 Continuation of the front page (56) References JP-A-3-95921 (JP, A) JP-A-2-275622 (JP, A) JP-A-1-196116 (JP, A) JP-A-62-298150 (JP) , A) (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 21/20

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に非単結晶珪素膜を形成する工程
と、 前記非単結晶珪素膜に選択的に結晶化を助長させる金属
元素を含有させる工程と、 前記非単結晶珪素膜を加熱アニールする工程と、 前記非単結晶珪素膜をフッ素、塩素、または臭素の化合
物を含む水素雰囲気中、またはハロゲン化水素を含む水
素雰囲気中で光アニールする工程と、を有する半導体装
置の作製方法。
A step of forming a non-single-crystal silicon film on a substrate; a step of causing the non-single-crystal silicon film to contain a metal element for selectively promoting crystallization; and heating the non-single-crystal silicon film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: annealing; and optically annealing the non-single-crystal silicon film in a hydrogen atmosphere containing a compound of fluorine, chlorine, or bromine, or in a hydrogen atmosphere containing hydrogen halide.
【請求項2】 基板上に非単結晶珪素膜を形成する工程
と、 前記非単結晶珪素膜に選択的に結晶化を助長させる金属
元素を含有させる工程と、 前記非単結晶珪素膜を加熱アニールする工程と、 前記工程の後に、少なくとも前記非単結晶珪素膜の前記
金属元素を含有された部分と結晶化の先端部分とを除去
する工程と、 前記非単結晶珪素膜をフッ素、塩素、または臭素の化合
物を含む水素雰囲気中、またはハロゲン化水素を含む水
素雰囲気中で光アニールする工程と、を有する半導体装
置の作製方法。
2. A step of forming a non-single-crystal silicon film on a substrate; a step of causing the non-single-crystal silicon film to contain a metal element that selectively promotes crystallization; and heating the non-single-crystal silicon film. Annealing, after the step, a step of removing at least a portion of the non-single-crystal silicon film containing the metal element and a crystallization tip, fluorine, chlorine, A photoannealing step in a hydrogen atmosphere containing a bromine compound or in a hydrogen atmosphere containing hydrogen halide.
【請求項3】 請求項1ないし請求項2において、結晶
化を助長させる金属元素は、ニッケルであることを特徴
とする半導体装置の作製方法。
3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal element which promotes crystallization is nickel.
【請求項4】 請求項1ないし請求項2において、前記
光アニール工程に用いる光の波長は、可視光から近赤外
光に最大ピークを持つことを特徴とする半導体装置の作
製方法。
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a wavelength of light used in the light annealing step has a maximum peak from visible light to near infrared light.
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