JP3431681B2 - 半導体回路の作製方法 - Google Patents

半導体回路の作製方法

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JP3431681B2
JP3431681B2 JP06798194A JP6798194A JP3431681B2 JP 3431681 B2 JP3431681 B2 JP 3431681B2 JP 06798194 A JP06798194 A JP 06798194A JP 6798194 A JP6798194 A JP 6798194A JP 3431681 B2 JP3431681 B2 JP 3431681B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜トランジスタ(T
FT)を複数個有する半導体回路およびその作製方法に
関するものである。本発明によって作製される薄膜トラ
ンジスタは、ガラス等の絶縁基板上、単結晶シリコン等
の半導体基板上、いずれにも形成される。特に本発明
は、モノリシック型アクティブマトリクス回路(液晶デ
ィスプレー等に使用される)のように、低速動作のマト
リクス回路と、それを駆動する高速動作の周辺回路を有
する半導体回路に関して効果的である。
【0002】
【従来の技術】最近、絶縁基板上に、薄膜状の活性層
(活性領域ともいう)を有する絶縁ゲイト型の半導体装
置の研究がなされている。特に、薄膜状の絶縁ゲイトト
ランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ(TFT)が熱
心に研究されている。これらは、透明な絶縁基板上に形
成され、マトリクス構造を有する液晶等の表示装置にお
いて、各画素の制御用に利用することや駆動回路に利用
することが目的であり、利用する半導体の材料・結晶状
態によって、アモルファスシリコンTFTや結晶性シリ
コンTFTというように区別されている。
【0003】一般にアモルファス状態の半導体の電界移
動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるTF
Tには利用できない。そこで、最近では、より高性能な
回路を作製するため結晶性シリコンTFTの研究・開発
が進められている。
【0004】結晶半導体は、アモルファス半導体よりも
電界移動度が大きく、したがって、高速動作が可能であ
る。結晶性シリコンでは、NMOSのTFTだけでな
く、PMOSのTFTも同様に得られるのでCMOS回
路を形成することが可能で、例えば、アクティブマトリ
クス方式の液晶表示装置においては、アクティブマトリ
クス部分のみならず、周辺回路(ドライバー等)をもC
MOSの結晶性TFTで構成する、いわゆるモノリシッ
ク構造を有するものが知られている。
【0005】図3には、液晶ディスプレーに用いられる
モノリシックアクティブマトリクス回路のブロック図を
示す。基板7上には周辺ドライバー回路として、列デコ
ーダー1、行デコーダー2が設けられ、また、マトリク
ス領域3にはトランジスタとキャパシタからなる画素回
路4が形成され、マトリクス領域と周辺回路とは、配線
5、6によって接続される。周辺回路に用いるTFTは
高速動作が、また、画素回路に用いるTFTは低リーク
電流が要求される。それらの特性は物理的に矛盾するも
のであるが、同一基板上に同時に形成することが求めら
れていた。
【0006】しかしながら、同一プロセスで作製したT
FTは全て同じ様な特性を示す。例えば、結晶シリコン
を得るにはレーザーによる結晶化(レーザーアニール)
という手段を使用することができるが、レーザー結晶化
によって結晶化したシリコンでは、マトリクス領域のT
FTも周辺駆動回路領域のTFTも同じ様な特性であ
る。そこで、マトリクス領域は熱結晶化を採用し、周辺
駆動回路領域はレーザーによる結晶化を採用するという
方法が考えられるが、熱結晶化には、600℃で24時
間以上も長時間のアニールをするか、1000℃以上の
高温でのアニールが必要であった。前者では、スループ
ットが低下し、後者では基板が石英に限定されてしま
う。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような困
難な課題に対して解答を与えんとするものであるが、そ
のためにプロセスが複雑化し、歩留り低下やコスト上昇
を招くことは望ましくない。本発明の主旨とするところ
は、高移動度が要求されるTFTと低リーク電流が要求
されるTFTという2種類のTFTを最小限のプロセス
の変更によって、量産性を維持しつつ、容易に作り分け
ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者の研究の結果、
実質的にアモルファス状態のシリコン被膜に微量の触媒
材料を添加することによって結晶化を促進させ、結晶化
温度を低下させ、結晶化時間を短縮できることが明らか
になった。触媒材料としては、ニッケル(Ni)、鉄
(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)の単体、も
しくはそれらの珪化物等の化合物が適している。具体的
には、これらの触媒元素を有する膜、粒子、クラスター
等をアモルファスシリコン膜の下、もしくは上に密着し
て形成し、あるいはイオン注入法等の方法によってアモ
ルファスシリコン膜中にこれらの触媒元素を導入し、そ
の後、これを適当な温度、典型的には580℃以下の温
度で熱アニールすることによって結晶化させることがで
きる。
【0009】さらに化学的気相成長法(CVD法)によ
ってアモルファスシリコン膜を形成する際には原料ガス
中に、また、スパッタリング等の物理的気相法でアモル
ファスシリコン膜を形成する際には、ターゲットや蒸着
源等の成膜材料中に、これらの触媒材料を添加しておい
てもよい。当然のことであるが、アニール温度が高いほ
ど結晶化時間は短いという関係がある。また、ニッケ
ル、鉄、コバルト、白金の濃度が大きいほど結晶化温度
が低く、結晶化時間が短いという関係がある。本発明人
の研究では、結晶化を進行させるには、これらのうちの
少なくとも1つの元素の濃度が1×1017cm-3以上、
好ましくは5×1018cm-3以上存在することが必要で
あることがわかった。
【0010】なお、上記触媒材料はいずれもシリコンに
とっては好ましくない材料であるので、できるだけその
濃度が低いことが望まれる。本発明人の研究では、これ
らの触媒材料の濃度は合計して1×1020cm-3を越え
ないことが望まれる。
【0011】さらに、注目すべき事柄は、このような触
媒材料の存在しない領域では全く結晶化を進行させるこ
となく、アモルファス状態を維持できることである。例
えば、通常、このような触媒材料を有しない、典型的に
はその濃度が1×1017cm-3以下、好ましくは1×1
16cm-3以下のアモルファスシリコンの結晶化は60
0℃以上の温度で開始されるが、580℃以下では全く
進行しない。ただし、300℃以上の雰囲気ではアモル
ファスシリコン中のダングリングボンドを中和するのに
必要な水素は離脱する。
【0012】本発明では、上記の触媒材料による結晶化
の特徴を生かして、アモルファスシリコン膜を形成し
て、一部を選択的に結晶化させて、アクティブマトリク
ス回路の画素回路に用いられるような低リーク電流が必
要とされるTFTに用い、他のアモルファス状態の部分
を新たにレーザーによって結晶化させて、これを周辺駆
動回路に用いられるような高速応答の可能なTFTとし
て用いることを特徴とする。この結果、低リーク電流と
高速動作という矛盾するトランジスタを有する回路を同
一基板上に同時に形成することができる。
【0013】本発明で肝要なことは、レーザー結晶化さ
れるべき領域には、触媒元素が混入してはならないとい
うことである。すなわち触媒元素が混入したアモルファ
スシリコンは結晶化するが、一度結晶化したシリコン膜
は、レーザー照射によっても、より優れた特性(例えば
より高い移動度)を示すシリコン膜とはならない。この
ことは逆に、触媒元素によって結晶化した領域はレーザ
ー照射によってもその特性を失われないという意味で重
要である。すなわち、必ずしもレーザー照射を選択的に
おこなう必要はない。
【0014】アモルファスシリコン膜の全面に触媒元素
を分布させる場合について考慮すれば、全く好ましくな
い結果しか得られないことがわかる。例えば、全面に触
媒元素を分布させて、最初に熱結晶化をおこない、次に
選択的にレーザー結晶化をおこなった場合には、レーザ
ー結晶化によってシリコン膜の改善ができないことは先
に述べた通りである。
【0015】この逆に、最初に選択的にレーザー結晶化
した後に熱結晶化する工程を考えてみると、実はレーザ
ー結晶化するには、アモルファスシリコン膜から過剰な
水素を放出させるために350℃以上、好ましくは45
0℃以上に加熱することが求められるのであるが、この
程度の加熱によっても、触媒の作用によって微細な結晶
化が進行し、レーザー結晶化の効果を減じてしまうので
ある。このような理由から、触媒材料はレーザー結晶化
する領域には存在してはならない。
【0016】一方、本発明においては、最初の熱結晶化
の段階で、レーザー結晶化すべき領域の水素出しを行え
るため、工程が短縮できるというメリットがある。以下
に実施例を用いて、より詳細に本発明を説明する。
【0017】
【実施例】
〔実施例1〕図1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)10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
11を形成した。さらに、プラズマCVD法によって、
厚さ500〜1500Å、例えば1500Åの真性(I
型)のアモルファスシリコン膜12を堆積した。連続し
て、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)13を図に示す
ように選択的に形成した。(図1(A))
【0018】そして、これを還元雰囲気下、500℃で
4時間アニールして結晶化させた。この結果、珪化ニッ
ケル膜13の下方のアモルファスシリコン膜は結晶化し
て結晶シリコン膜12bとなった。一方、珪化ニッケル
膜の存在しなかった領域のシリコン膜はアモルファス状
態のまま(12a)であった。次に、アモルファス状態
のままの領域に選択的にレーザー光を照射して、その領
域の結晶化をおこなった。
【0019】レーザーとしてはKrFエキシマーレーザ
ー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いた
が、その他のレーザー、例えば、XeFエキシマーレー
ザー(波長353nm)、XeClエキシマーレーザー
(波長308nm)、ArFエキシマーレーザー(波長
193nm)等を用いてもよい。レーザーのエネルギー
密度は、200〜500mJ/cm2 、例えば350m
J/cm2 とし、1か所につき2〜10ショット、例え
ば2ショット照射した。レーザー照射時に、基板を20
0〜450℃、例えば400℃に加熱した。図3からも
明らかなように、レーザー結晶化すべき領域(周辺回路
領域)と熱結晶化で十分な領域(マトリクス領域)はか
なりの距離が存在するので、特にフォトリソグラフィー
工程は必要がなく、また、レーザー照射によって、先に
熱結晶化した領域が変質することもなかった。(図1
(B))
【0020】このようにして得られたシリコン膜をフォ
トリソグラフィー法によってパターニングし、島状シリ
コン領域14a(周辺駆動回路領域)および14b(マ
トリクス領域)を形成した。さらに、スパッタリング法
によって厚さ1000Åの酸化珪素膜15をゲイト絶縁
膜として堆積した。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2
00〜400℃、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以下とした。引き続いて、減圧CVD法に
よって、厚さ6000〜8000Å、例えば6000Å
のシリコン膜(0.1〜2%の燐を含む)を堆積した。
なお、この酸化珪素とシリコン膜の成膜工程は連続的に
おこなうことが望ましい。そして、シリコン膜をパター
ニングして、ゲイト電極16a、16b、16cを形成
した。(図1(C))
【0021】次に、プラズマドーピング法によって、シ
リコン領域にゲイト電極をマスクとして不純物(燐およ
びホウ素)を注入した。ドーピングガスとして、フォス
フィン(PH3 )およびジボラン(B2 6 )を用い、
前者の場合は、加速電圧を60〜90kV、例えば80
kV、後者の場合は、40〜80kV、例えば65kV
とした。ドース量は1×1015〜8×1015cm-2、例
えば、燐を2×1015cm-2、ホウ素を5×1015とし
た。この結果、N型の不純物領域17a、P型の不純物
領域17bおよび17cが形成された。(図1(D))
【0022】その後、レーザーアニールによって、不純
物を活性化させた。レーザーとしてはKrFエキシマー
レーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を
用いたが、その他のレーザー、例えば、XeFエキシマ
ーレーザー(波長353nm)、XeClエキシマーレ
ーザー(波長308nm)、ArFエキシマーレーザー
(波長193nm)等を用いてもよい。レーザーのエネ
ルギー密度は、200〜400mJ/cm2 、例えば2
50mJ/cm2 とし、1か所につき2〜10ショッ
ト、例えば2ショット照射した。レーザー照射時に、基
板を200〜450℃に加熱してもよい。こうして不純
物領域17a〜17cが活性化した。
【0023】続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜18
を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成し、
さらに、スパッタリング法によって厚さ500〜100
0Å、例えば800Åのインジウム錫酸化膜(ITO)
を形成し、これをパターニングして画素電極を19形成
した。次に層間絶縁物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
によって周辺駆動回路TFTの電極・配線20a、20
b、20c、マトリクス画素回路TFTの電極・配線2
0d、20eを形成した。最後に、1気圧の水素雰囲気
で350℃、30分のアニールをおこなった。以上の工
程によって半導体回路が完成した。(図1(E)) 得られたTFTの活性領域に含まれるニッケルの濃度を
2次イオン質量分析(SIMS)法によって測定したと
ころ、画素領域では1×1018〜5×1018cm-3、周
辺駆動領域では測定限界(1×1016cm-3)以下であ
った。
【0024】〔実施例2〕 図2に本実施例の作製工程
の断面図を示す。基板(コーニング7059)21上
に、スパッタリング法によって、厚さ2000Åの酸化
珪素膜22を形成した。次に、プラズマCVD法によっ
て、厚さ200〜1500Å、例えば500Åのアモル
ファスシリコン膜23を堆積した。そして、アモルファ
スシリコン膜23をフォトレジスト24でマスクして、
イオン注入法によって選択的にニッケルイオンを注入
し、ニッケルが1×1018〜2×1019cm-3、例え
ば、5×1018cm-3だけ含まれるような領域25を作
製した。この領域26の深さは200〜500Åとし、
加速エネルギーはそれに合わせて最適なものを選択し
た。(図2(A))
【0025】そして、還元雰囲気下、500℃で4時間
アニールしてアモルファスシリコン膜を結晶化させた。
この結晶化工程によって、ニッケルの注入された領域2
3bは結晶化した。一方、ニッケルが注入されなかった
領域23aはアモルファス状態のままであった。次に、
アモルファス状態のままの領域に選択的にレーザー光を
照射して、その領域の結晶化をおこなった。
【0026】レーザーとしてはKrFエキシマーレーザ
ー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用い
た。レーザーのエネルギー密度は、200〜500mJ
/cm2 、例えば350mJ/cm2 とし、1か所につ
き2〜10ショット、例えば2ショット照射した。レー
ザー照射時に、基板を200〜450℃、例えば400
℃に加熱した。(図2(B))
【0027】その後、このシリコン膜をパターニングし
て、島状シリコン領域26a(周辺駆動回路領域)およ
び26b(マトリクス画素回路領域)を形成した。さら
に、テトラ・エトキシ・シラン(Si(OC
2 5 4 、TEOS)と酸素を原料として、プラズマ
CVD法によってTFTのゲイト絶縁膜として、厚さ1
000Åの酸化珪素27を形成した。原料には、上記ガ
スに加えて、トリクロロエチレン(C2 HCl3 )を用
いた。成膜前にチャンバーに酸素を400SCCM流
し、基板温度300℃、全圧5Pa、RFパワー150
Wでプラズマを発生させ、この状態を10分保った。そ
の後、チャンバーに酸素300SCCM、TEOSを1
5SCCM、トリクロロエチレンを2SCCMを導入し
て、酸化珪素膜の成膜をおこなった。基板温度、RFパ
ワー、全圧は、それぞれ300℃、75W、5Paであ
った。成膜完了後、チャンバーに100Torrの水素
を導入し、350℃で35分の水素アニールをおこなっ
た。
【0028】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
ニウム膜(2%のシリコンを含む)を堆積した。アルミ
ニウムの代わりにタンタル、タングステン、チタン、モ
リブテンでもよい。なお、この酸化珪素27とアルミニ
ウム膜の成膜工程は連続的におこなうことが望ましい。
そして、アルミニウム膜をパターニングして、TFTの
ゲイト電極28a、28b、28cを形成した。さら
に、このアルミニウム配線の表面を陽極酸化して、表面
に酸化物層29a、29b、29cを形成した。陽極酸
化は、酒石酸の1〜5%エチレングリコール溶液中でお
こなった。得られた酸化物層の厚さは2000Åであっ
た。(図2(C))
【0029】次に、プラズマドーピング法によって、シ
リコン領域に不純物(燐)を注入した。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6
0〜90kV、例えば80kVとした。ドース量は1×
1015〜8×1015cm-2、例えば、2×1015cm-2
とした。このようにしてN型の不純物領域30aを形成
した。さらに、今度は左側のTFT(Nチャネル型TF
T)をフォトレジストでマスクして、再び、プラズマド
ーピング法で右側の周辺回路領域TFT(PチャネルT
FT)およびマトリクス領域TFTのシリコン領域に不
純物(ホウ素)を注入した。ドーピングガスとして、ジ
ボラン(B2 6 )を用い、加速電圧を50〜80k
V、例えば65kVとした。ドース量は1×1015〜8
×1015cm-2、例えば、先に注入された燐より多い5
×1015cm-2とした。このようにしてP型の不純物領
域30b、30cを形成した。
【0030】その後、レーザーアニール法によって不純
物の活性化をおこなった。レーザーとしてはKrFエキ
シマーレーザー(波長248nm、パルス幅20nse
c)を用いた。レーザーのエネルギー密度は、200〜
400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、
1か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射
した。(図2(D))
【0031】続いて、層間絶縁物として厚さ2000Å
の酸化珪素膜31をTEOSを原料とするプラズマCV
D法によって形成し、さらに、スパッタリング法によっ
て、厚さ500〜1000Å、例えば800Åのインジ
ウム錫酸化膜(ITO)を堆積した。そして、これをエ
ッチングして画素電極32を形成した。さらに、層間絶
縁物31に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周
辺ドライバー回路TFTのソース、ドレイン電極・配線
33a、33b、33cおよび画素回路TFTの電極・
配線33d、33eを形成した。以上の工程によって半
導体回路が完成した。(図2(E))
【0032】作製された半導体回路において、周辺ドラ
イバー回路領域のTFTの特性は従来のレーザー結晶化
によって作製されたものとは何ら劣るところはなかっ
た。例えば、本実施例によって作成したシフトレジスタ
は、ドレイン電圧15Vで11MHz、17Vで16M
Hzの動作を確認できた。また、信頼性の試験において
も従来のものとの差を見出せなかった。さらに、マトリ
クス領域のTFT(画素回路)の特性に関しては、リー
ク電流は10-13 A以下であった。
【0033】
【発明の効果】本発明によって、同一基板上に、高速動
作が可能な結晶性シリコンTFTと低リーク電流を特徴
とする結晶性シリコンTFTを形成することができた。
これをモノリシックアクティブマトリクス型の液晶ディ
スプレー等に応用した場合には、量産性の向上と特性の
改善が図られる。もちろん、本発明は液晶ディスプレー
のみに限定されるものではなく、その他のTFTを用い
て構成される半導体集積回路においても効果的に利用で
きる。
【0034】また、本発明は、例えば、500℃という
ような低温、かつ、4時間という短時間でシリコンの結
晶化をおこなうことによっても、スループットを向上さ
せることができる。加えて、従来、600℃以上のプロ
セスを採用した場合にはガラス基板の縮みやソリが歩留
り低下の原因として問題となっていたが、本発明を利用
することによってそのような問題点は一気に解消され
た。
【0035】さらに、このことは、大面積の基板を一度
に処理できることを意味するものである。すなわち、大
面積基板を処理することによって、1枚の基板から多く
の半導体回路(マトリクス回路等)を切りだすことによ
って単価を大幅に低下させることができる。このように
本発明は工業上有益な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1の作製工程断面図を示す。
【図2】 実施例2の作製工程断面図を示す。
【図3】 モノリシック型アクティブマトリクス回路
の構成例を示す。
【符号の説明】
10・・・基板 11・・・下地絶縁膜(酸化珪素) 12・・・アモルファスシリコン膜 13・・・珪化ニッケル膜 14・・・島状シリコン領域 15・・・ゲイト絶縁膜(酸化珪素) 16・・・ゲイト電極(燐ドープされたシリコン) 17・・・ソース、ドレイン領域 18・・・層間絶縁物 19・・・画素電極(ITO) 20・・・金属配線・電極(窒化チタン/アルミニウ
ム)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−40278(JP,A) 特開 平5−34723(JP,A) 特開 昭63−56912(JP,A) 特開 平2−222546(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/20 G02F 1/1368

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アモルファスシリコン膜上にマスクを形成
    して前記アモルファスシリコン膜を選択的に露呈させ、
    シリコン膜の結晶化を促進させる触媒元素を前記選択的
    に露呈させたアモルファスシリコン膜に添加し、 前記触媒元素を添加した領域の前記アモルファスシリコ
    ン膜を熱結晶化し、 前記マスクを除去し、前記触媒元素が添加されていない
    前記アモルファスシリコン膜にレーザー光を照射して結
    晶化し、前記熱結晶化されたシリコン膜及び 前記結晶化されたシ
    リコン膜にそれぞれ薄膜トランジスタを形成し、 前記熱結晶化されたシリコン膜には、前記触媒元素が1
    ×1017cm-3〜1×1020cm-3含まれていることを
    特徴とする半導体回路の作製方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記触媒元素は、ニッ
    ケル、鉄、コバルトまたは白金であることを特徴とする
    半導体回路の作製方法。
  3. 【請求項3】アモルファスシリコン膜上に選択的に触媒
    元素であるニッケル、鉄、コバルトまたは白金のうち、
    いずれか1つの珪化物である金属シリサイド膜を形成
    し、 前記アモルファスシリコン膜であって、前記金属シリサ
    イド膜下のアモルファスシリコン膜を熱結晶化し、 前記アモルファスシリコン膜であって、前記金属シリサ
    イド膜が形成されていない領域のアモルファスシリコン
    膜にレーザー光を照射して結晶化し、前記熱結晶化されたシリコン膜及び 前記結晶化されたシ
    リコン膜にそれぞれ薄膜トランジスタを形成し、 前記熱結晶化されたシリコン膜には、前記触媒元素が1
    ×1017cm-3〜1×1020cm-3含まれていることを
    特徴とする半導体回路の作製方法。
  4. 【請求項4】アモルファスシリコン膜上に選択的にNi
    Six膜(0.4≦x≦2.5)を形成し、 前記アモルファスシリコン膜であって、前記NiSix
    膜下のアモルファスシリコン膜を熱結晶化し、 前記アモルファスシリコン膜であって、前記NiSix
    膜が形成されていない領域のアモルファスシリコン膜に
    レーザー光を照射して結晶化し、前記熱結晶化されたシリコン膜及び 前記結晶化されたシ
    リコン膜にそれぞれ薄膜トランジスタを形成し、 前記熱結晶化されたシリコン膜には、前記Niが1×1
    17 cm -3 〜1×10 20 cm -3 含まれている ことを特徴
    とする半導体回路の作製方法。
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