JP3514891B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JP3514891B2 JP28449695A JP28449695A JP3514891B2 JP 3514891 B2 JP3514891 B2 JP 3514891B2 JP 28449695 A JP28449695 A JP 28449695A JP 28449695 A JP28449695 A JP 28449695A JP 3514891 B2 JP3514891 B2 JP 3514891B2
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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半導体回
路は、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、低いオフ電流とオフ電流
のバラツキの小さいことが要求されるマトリクス回路
と、それを駆動する高速動作とオン電流のバラツキの小
さいことが要求される周辺回路を有する半導体回路にお
いて効果を発揮する。
The present invention relates to a thin film transistor (T
The present invention relates to a semiconductor circuit having a plurality of FTs) and a manufacturing method thereof. The semiconductor circuit manufactured by the present invention is formed on either an insulating substrate such as glass or a semiconductor substrate such as single crystal silicon. In particular, the present invention relates to a matrix circuit such as a monolithic active matrix circuit (used for a liquid crystal display) which requires a low off current and a small variation in the off current, a high speed operation for driving the same and an on-state operation. The effect is exerted in a semiconductor circuit having a peripheral circuit that requires a small variation in current.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art Recently, research has been conducted on an insulating gate type semiconductor device having a thin film active layer (also called an active region) on an insulating substrate. In particular, thin-film insulating gate transistors, so-called thin film transistors (TFTs), have been eagerly studied. These are intended to be used for controlling each pixel in a display device such as a liquid crystal having a matrix structure, which is formed on a transparent insulating substrate, and for a driving circuit, and the semiconductor material to be used. -Amorphous silicon TFTs and crystalline silicon TFTs are distinguished by the crystalline state.

【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。結晶性のシリコン膜を得るには、ア
モルファスシリコンを600℃前後もしくはそれ以上の
高温で長時間熱アニールする方法、もしくは、レーザー
光等の強光を照射する方法(光アニール)が知られてい
る。
Generally, the electric field mobility of a semiconductor in an amorphous state is small, and therefore TF which requires high speed operation.
Not available for T. Therefore, recently, research and development of crystalline silicon TFTs have been advanced in order to manufacture higher performance circuits. In order to obtain a crystalline silicon film, a method in which amorphous silicon is thermally annealed at a high temperature of around 600 ° C. or higher for a long time, or a method in which intense light such as laser light is irradiated (optical annealing) is known. .

【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も同様に作製することができるの
で、CMOS回路を作製することが可能である。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CMOS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回路(モノリシ
ック型アクティブマトリクス回路)が知られている。
A crystalline semiconductor has a larger electric field mobility than an amorphous semiconductor, and therefore can operate at high speed. With crystalline silicon, not only an NMOS TFT but also a PMOS TFT can be manufactured in the same manner, so that a CMOS circuit can be manufactured. For example, in an active matrix type liquid crystal display device, a circuit having a so-called monolithic structure (monolithic active matrix circuit) in which not only an active matrix portion but also peripheral circuits (drivers and the like) are configured by CMOS crystalline TFTs is used. Are known.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】図1には、液晶ディス
プレーに用いられるモノリシック型アクティブマトリク
ス回路のブロック図を示す。周辺ドライバー回路とし
て、ソースドライバー(列ドライバー)、ゲイトドライ
バー(行ドライバー)が設けられ、また、アクティブマ
トリクス回路(画素)領域にはスイッチング用のトラン
ジスタとキャパシタからなる多くの画素回路が形成さ
れ、マトリクス回路の画素トランジスタと周辺ドライバ
ー回路とは、行数、列数と同じだけのソース線、ゲイト
線によって接続される。周辺回路に用いるTFT、特に
シフトレジスタ等の周辺論理回路は高速動作が要求さ
れ、そのため選択時の電流(オン電流)が大きく、か
つ、バラツキが小さいことが要求される。
FIG. 1 shows a block diagram of a monolithic active matrix circuit used in a liquid crystal display. As the peripheral driver circuit, a source driver (column driver) and a gate driver (row driver) are provided, and many pixel circuits including switching transistors and capacitors are formed in the active matrix circuit (pixel) region to form a matrix. The pixel transistors of the circuit and the peripheral driver circuit are connected by the same number of source lines and gate lines as the number of rows and columns. TFTs used in peripheral circuits, especially peripheral logic circuits such as shift registers, are required to operate at high speed, and therefore a large current (ON current) at the time of selection and a small variation are required.

【0006】一方、画素回路に用いるTFTはキャパシ
タに蓄積された電荷が長時間保持されるよう、非選択
時、すなわち、ゲイト電極に逆バイアス電圧が印加され
ているときのリーク電流(オフ電流ともいう)が十分に
低く、かつ、バラツキが小さいことが要求される。具体
的にはオフ電流は1pA以下、バラツキは1桁以内が要
求される。逆にオン電流はそれほど大きなものは必要で
ない。
On the other hand, the TFT used in the pixel circuit is in a non-selected state, that is, when a reverse bias voltage is applied to the gate electrode so that the electric charge accumulated in the capacitor is retained for a long time. Is sufficiently low and variation is required to be small. Specifically, the off current is required to be 1 pA or less, and the variation is required to be within one digit. On the contrary, the ON current does not need to be so large.

【0007】このように物理的に矛盾する特性を有する
TFTを同一基板上に同時に形成することが求められて
いた。即ち、高いオン電流と低いリーク電流、および、
それらのバラツキの小さいという特性がが全てのTFT
に求められるている。しかしながら、このようなことは
技術的に非常に難しいことは容易に察せられる。
Thus, it has been required to simultaneously form TFTs having physically contradictory characteristics on the same substrate. That is, high on-current and low leakage current, and
All TFTs have the characteristic that their variations are small.
Is sought after. However, it is easy to see that this is technically very difficult.

【0008】例えば、高いオン電流(すなわち、高い電
界効果移動度)を有するTFTを得るには、レーザーア
ニール法のような光アニール法によって、非晶質珪素膜
を結晶化させる方法が有効であることが知られている。
しかしながら、経験的には、高い電界効果移動度とオフ
電流のバラツキを小さくすることを同時に達成すること
は不可能であることが明らかになっている。
For example, in order to obtain a TFT having a high on-current (that is, a high field effect mobility), a method of crystallizing an amorphous silicon film by an optical annealing method such as a laser annealing method is effective. It is known.
However, it has been empirically revealed that it is impossible to simultaneously achieve high field effect mobility and small variation in off current.

【0009】また、熱アニール法によって非晶質珪素を
結晶化せしめる方法も知られている。この方法ではオフ
電流のバラツキを小さくすることが可能であるが、高い
電界効果移動度は望めなかった。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。
Also known is a method of crystallizing amorphous silicon by a thermal annealing method. This method can reduce the variation in off-current, but high field-effect mobility could not be expected. The present invention is intended to provide an answer to such a difficult task.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者は、ニッケル
(Ni)や白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銅(C
u)、銀(Ag)、鉄(Fe)等の元素単体やその化合
物を微量に非晶質珪素膜表面に実質的に密着させ、しか
る後に熱アニールもしくは光アニール(レーザーアニー
ルやラピッド・サーマル・アニール(RTA)等)の処
理を施せば、従来の熱アニールや光アニールよりも結晶
化が容易に進行して、結晶性も向上することを見出し
た。例えば、熱アニール法による場合には、従来よりも
結晶化に要する時間が短縮し、かつ、結晶化温度も低く
することができる。
The present inventor has found that nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd), copper (C
u), silver (Ag), iron (Fe), or other element simple substance or a compound thereof is substantially adhered to the surface of the amorphous silicon film in a trace amount, and thereafter, thermal annealing or optical annealing (laser annealing or rapid thermal. It has been found that crystallization can be more easily progressed and crystallinity can be improved by performing annealing (RTA) or the like than conventional thermal annealing or optical annealing. For example, when the thermal annealing method is used, the time required for crystallization can be shortened and the crystallization temperature can be lowered as compared with the conventional method.

【0011】これは、ニッケルや白金、パラジウム、
銅、銀、鉄が非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素
として機能するためであることが確かめられた。すなわ
ち、これらの触媒元素は、非晶質珪素の結晶化エネルギ
ーよりも低いエネルギーで、非晶質珪素と結晶性の珪化
物を形成する。次にこの珪化物の触媒元素がその先の非
晶質珪素に移動することによって、珪化物の触媒元素の
サイトに珪素が入ることにより、結晶性の珪素が形成さ
れる。即ち、触媒元素が非晶質珪素の中を移動するのに
伴って、珪素膜が結晶化されていく。
This is nickel, platinum, palladium,
It was confirmed that copper, silver and iron function as catalytic elements that promote crystallization of the amorphous silicon film. That is, these catalytic elements form crystalline silicide with amorphous silicon with energy lower than the crystallization energy of amorphous silicon. Next, the catalyst element of the silicide moves to the amorphous silicon ahead of it, and silicon enters the site of the catalyst element of the silicide to form crystalline silicon. That is, the silicon film is crystallized as the catalytic element moves in the amorphous silicon.

【0012】また、この触媒元素を利用した非晶質珪素
膜の結晶化は以下の2通りの形態があることが確認され
ている。 (1)触媒元素が導入された領域において生じる結晶化
であり、特に結晶化の方向としては特定できないが、敢
えて表現すれば基板に垂直な方向に結晶成長が進行する
モード (2)触媒元素が導入された領域から触媒元素が導入さ
れなかった領域へと触媒元素が移動するにしたがって、
結晶成長領域が拡大し、基板に平行な方向に結晶成長が
進行するモード。
It has been confirmed that the crystallization of an amorphous silicon film using this catalytic element has the following two forms. (1) Crystallization that occurs in the region where the catalytic element is introduced, and although it is not possible to specify the crystallization direction in particular, if it is intentionally expressed, a mode in which the crystal growth proceeds in the direction perpendicular to the substrate (2) The catalytic element is As the catalytic element moves from the introduced region to the region where the catalytic element is not introduced,
A mode in which the crystal growth region expands and crystal growth proceeds in a direction parallel to the substrate.

【0013】特に(2)の結晶成長モードは、基板に平
行な方向に柱状の結晶が成長している形態がTEM(透
過型電子顕微鏡)を用いた観察によって確認されてい
る。以下においては、(1)の結晶成長モードを縦成
長、そのモードにより結晶化した領域を縦成長領域と称
し、(2)の結晶成長モードを横成長、そのモードによ
り結晶化した領域を横成長領域と称することとする。
In particular, in the crystal growth mode (2), the form in which columnar crystals grow in the direction parallel to the substrate is confirmed by observation using a TEM (transmission electron microscope). In the following, the crystal growth mode of (1) is referred to as vertical growth, the region crystallized by the mode is referred to as a vertical growth region, the crystal growth mode of (2) is lateral growth, and the region crystallized by the mode is lateral growth. It is called a region.

【0014】例えば、何らかの手段により非晶質珪素膜
に実質的に触媒元素もしくはそれを有する化合物等の薄
い被膜を形成し、熱アニールを施せば、初期においては
主として縦成長によって、被膜の形成された部分の珪素
が結晶化して、その後、横成長によってその周囲の領域
に結晶化領域が拡大する。このように熱アニールによっ
て結晶成長させた後に適切な光アニールをおこなうとよ
り結晶性を高めることができる。この場合の光アニール
の主たる効果は、電界効果移動度を高め、しきい値電圧
を低下させることである。
For example, if a thin film of a catalytic element or a compound having the same is formed on an amorphous silicon film by some means and thermal annealing is performed, the film is initially formed mainly by vertical growth. The crystallized portion of silicon is crystallized, and then the crystallized region is expanded to the peripheral region by lateral growth. Thus, crystallinity can be further enhanced by performing appropriate optical annealing after crystal growth by thermal annealing. The main effect of the photo-annealing in this case is to increase the field effect mobility and decrease the threshold voltage.

【0015】縦成長と横成長では結晶の配向性について
も差が認められる。一般的に縦成長では結晶の配向性は
それほど高くはなく、基板面に対して(111)面の配
向がやや多い程度である。これに対し、横成長では顕著
に配向することが観察される。例えば、珪素膜表面に酸
化珪素膜や窒化珪素膜で被覆して熱アニール法によって
結晶化させた場合には、(111)面が主として配向す
る。具体的には、X線回折法による(111)面の反射
強度の(111)面、(220)面、(311)面の反
射強度の和に対する比率は80%以上となる。これは上
記のように熱アニール法による結晶化の後に光アニール
を追加しておこなうことによって一層、顕著になり、上
記の面の反射強度の和に対する比率は90%以上とな
る。
A difference is observed in the crystal orientation between the vertical growth and the horizontal growth. Generally, in the vertical growth, the crystal orientation is not so high, and the orientation of the (111) plane is slightly larger than that of the substrate surface. On the other hand, it is observed that the orientation is remarkable in the lateral growth. For example, when the surface of a silicon film is covered with a silicon oxide film or a silicon nitride film and crystallized by a thermal annealing method, the (111) plane is mainly oriented. Specifically, the ratio of the reflection intensity of the (111) plane by the X-ray diffraction method to the sum of the reflection intensities of the (111) plane, the (220) plane, and the (311) plane is 80% or more. This becomes more remarkable by performing the optical annealing after the crystallization by the thermal annealing method as described above, and the ratio to the sum of the reflection intensities of the above surfaces becomes 90% or more.

【0016】一方、珪素膜表面を被覆しないで熱アニー
ル法により結晶化させた場合には(220)面の配向も
強くなり、(111)面と(220)面の反射強度が9
0%以上となる。
On the other hand, when the surface of the silicon film is not covered and crystallized by the thermal annealing method, the orientation of the (220) plane also becomes strong and the reflection intensity of the (111) plane and the (220) plane is 9
It becomes 0% or more.

【0017】横成長をおこなうには、触媒元素を選択的
に導入することが必要であり、これは通常は非晶質珪素
膜上に形成した酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素を主
成分とする材料の被膜にフォトリソグラフィー法によっ
て導入用の孔を形成し、スパッタ法、CVD法、スピン
コーティング法等の手段によって、触媒元素単体もしく
はその化合物の薄い被膜、クラスタ等を形成することに
よってなされるが、本発明人の研究の結果、7μm以下
の径では、結晶成長の不良が発生する確率が著しく高く
なることが明らかになった。
In order to carry out lateral growth, it is necessary to selectively introduce a catalytic element, which usually contains silicon oxide, silicon nitride or silicon oxynitride formed on an amorphous silicon film as a main component. A hole for introduction is formed in a film of a material to be formed by a photolithography method, and a thin film, a cluster or the like of a catalytic element simple substance or its compound is formed by means of a sputtering method, a CVD method, a spin coating method or the like. However, as a result of the study by the present inventor, it has been clarified that with a diameter of 7 μm or less, the probability of defective crystal growth is significantly increased.

【0018】このことは周辺論理回路のように集積度の
高い部分においては有利ではない。特に5μm以下のデ
ザインルールの場合には全く採用できない。一方、アク
ティブマトリクス回路においてはTFT間の距離が十分
であるので、横成長であっても何ら問題はない。
This is not advantageous in a highly integrated part such as a peripheral logic circuit. In particular, it cannot be used at all when the design rule is 5 μm or less. On the other hand, in the active matrix circuit, since the distance between the TFTs is sufficient, there is no problem even in the lateral growth.

【0019】しかしながら、周辺論理回路には横成長を
採用しなくてもよいことが明らかになった。本発明人の
検討結果、横成長、縦成長とも電界効果移動度にはさし
たる違いは認められないことが明らかになったが、熱ア
ニール後に光アニールをおこなうことによって、電界効
果移動度を2倍程度にまで向上できることが明らかにな
った。典型的な電界効果移動度は、熱アニールのみでは
50〜80cm2 /Vsであるが、例えば、これにレー
ザーアニールを追加すると、100〜200cm2 /V
sまで向上させることができた。いずれにしても周辺論
理回路のTFTに用いるには十分な値である。
However, it has become clear that lateral growth need not be adopted for the peripheral logic circuit. As a result of examination by the present inventor, it was revealed that there is no significant difference in field effect mobility between lateral growth and vertical growth. However, by performing optical annealing after thermal annealing, the field effect mobility is doubled. It became clear that it could be improved to a certain degree. A typical field effect mobility is 50 to 80 cm 2 / Vs only by thermal annealing, but for example, when laser annealing is added to this, 100 to 200 cm 2 / Vs.
It was possible to improve to s. In any case, the value is sufficient for use in the TFT of the peripheral logic circuit.

【0020】なお、上記の光アニールの際には、縦成長
領域と横成長領域で条件を変える必要はなく、したがっ
て、同一基板上であれば、いずれの部分でも実質的に同
じ条件(非意図的な条件変動を除き、同じ条件)で光ア
ニールをおこなうと、量産性の面で効果的である。縦成
長と横成長の顕著な違いは、オフ電流の大きさとバラツ
キに認められる。すなわち、横成長ではオフ電流が小さ
く、かつ、バラツキも小さいのに比較して、縦成長で
は、オフ電流もそのバラツキも大きい傾向がある。
It is not necessary to change the conditions for the vertical growth region and the lateral growth region during the above-mentioned photo-annealing. Therefore, if the same substrate is used, substantially the same conditions (unintentional It is effective in terms of mass productivity if the optical annealing is carried out under the same conditions (excluding changes in the general conditions). A significant difference between the vertical growth and the lateral growth is recognized in the magnitude and variation of the off current. That is, the off-current is small and the variation is small in the lateral growth, whereas the off-current and the variation are large in the vertical growth.

【0021】本発明はこのような縦成長と横成長の特徴
を利用し、アクティブマトリクス回路には横成長によっ
て、周辺論理回路には縦成長によって結晶化をおこな
い、TFTを作製することを特徴とする。ここで、周辺
論理回路とはソースドライバー、ゲイトドライバーに含
まれる回路であるが、アナログスイッチ等の回路は縦成
長でも横成長でもよい。
The present invention utilizes such characteristics of vertical growth and horizontal growth, and is characterized in that the active matrix circuit is crystallized by horizontal growth and the peripheral logic circuit is crystallized by vertical growth to manufacture a TFT. To do. Here, the peripheral logic circuit is a circuit included in a source driver or a gate driver, but a circuit such as an analog switch may be vertically or horizontally grown.

【0022】本発明においては、横成長によって結晶化
した領域をアクティブマトリクス回路のTFTに用いる
ことを特徴とするが、その場合、TFTの配置に関し
て、いくつかのバリエーションがある。その1つを図4
に示す。図4において401は触媒元素が添加された部
分であり、すなわち、縦成長により結晶化した領域であ
る。そして、この部分を中心としてその周囲に横成長に
より結晶化した領域402が拡がる。
In the present invention, the region crystallized by lateral growth is used for the TFT of the active matrix circuit, but in that case, there are some variations in the arrangement of the TFT. Figure 1 shows one of them.
Shown in. In FIG. 4, 401 is a portion to which a catalytic element is added, that is, a region crystallized by vertical growth. Then, the crystallized region 402 expands laterally around this portion as a center.

【0023】この場合、触媒元素の添加領域401が長
方形であると図のように楕円形の横成長領域が形成され
る。その場合にはTFT1のようにゲイト電極404を
領域401と概略平行にし、ドレイン405からソース
403の方向、もしくはその逆方向から結晶成長するよ
うにする場合がある。また、図のTFT2のように、領
域401とゲイト電極407を概略垂直に配置し、ソー
ス406、ドレイン408ともほぼ同時に結晶成長する
ようにする場合がある。TFTの特性としては、いずれ
の方法でも大差無いことが確認されている。
In this case, if the catalyst element addition region 401 is rectangular, an elliptical lateral growth region is formed as shown in the figure. In that case, the gate electrode 404 may be made substantially parallel to the region 401 as in the TFT 1, and crystal growth may be performed in the direction from the drain 405 to the source 403 or in the opposite direction. In some cases, like the TFT 2 in the figure, the region 401 and the gate electrode 407 are arranged substantially vertically so that the source 406 and the drain 408 are almost simultaneously crystal-grown. It has been confirmed that there is no great difference in the characteristics of the TFT by either method.

【0024】さらに、アクティブマトリクス回路に関し
ては、ソース線もしくはゲイト線と概略平行に線状に触
媒元素を添加してもよい。図5にはゲイト線502、5
07と平行に触媒元素添加領域501、506を設けた
例を示す。図5(A)は図4のTFT2に対応するもの
で、TFT503〜505のゲイト電極に概略垂直に触
媒元素を添加する場合である。図5(B)は図4のTF
T1に対応するもので、TFT508〜510のゲイト
電極に概略平行に触媒元素を添加する場合である。ソー
ス線に概略平行に触媒元素添加領域を設ける場合も同様
である。
Further, in the active matrix circuit, the catalytic element may be linearly added in parallel with the source line or the gate line. In FIG. 5, gate lines 502, 5
An example in which catalyst element addition regions 501 and 506 are provided in parallel with 07 is shown. FIG. 5A corresponds to the TFT 2 of FIG. 4, and shows a case where the catalytic element is added substantially vertically to the gate electrodes of the TFTs 503 to 505. FIG. 5B shows the TF of FIG.
This corresponds to T1 and is the case where the catalytic element is added substantially parallel to the gate electrodes of the TFTs 508 to 510. The same applies when the catalyst element addition region is provided substantially parallel to the source line.

【0025】先に述べたように、横成長領域では、主と
して(111)面もしくは(220)面の配向性が顕著
であり、縦成長領域では、これらの配向性は低下する。
したがって、本発明においては、アクティブマトリクス
回路のTFT、抵抗、キャパシタ等の素子に用いられる
結晶性珪素半導体(横成長領域)は主として(111)
面もしくは(220)面に配向し、一方、周辺論理回路
に用いられる結晶性珪素半導体は、アクティブマトリク
ス回路に用いられる結晶性珪素半導体に比較して配向の
度合いが低いことが特徴である。
As mentioned above, the orientation of the (111) plane or the (220) plane is mainly remarkable in the lateral growth region, and the orientation is lowered in the vertical growth region.
Therefore, in the present invention, the crystalline silicon semiconductor (lateral growth region) used for elements such as TFTs, resistors and capacitors of the active matrix circuit is mainly (111).
The crystalline silicon semiconductor used for the peripheral logic circuit has a lower degree of orientation than the crystalline silicon semiconductor used for the active matrix circuit.

【0026】また、結晶化のための熱アニールを非晶質
珪素薄膜の結晶化温度以上の温度で行うと、レーザーア
ニールを併用した場合と同等の結晶性を得ることができ
る。非晶質珪素薄膜の結晶化温度は、成膜方法や成膜条
件によって異なるものであるが、概ね580℃〜620
℃である。即ち、この温度よりも高い温度(許容できる
なるべく高い温度が好ましい)で加熱処理を行うこと
で、高い結晶性を有する結晶性珪素膜を得ることができ
る。なお、この加熱処理温度の上限は、1100℃程度
とすることが好ましい。また、この高温での加熱処理を
用いる場合には、基板を石英基板か高温にも耐えるガラ
ス基板とする必要がある。
Further, if the thermal annealing for crystallization is performed at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the amorphous silicon thin film, the same crystallinity as when laser annealing is used together can be obtained. Although the crystallization temperature of the amorphous silicon thin film varies depending on the film forming method and the film forming conditions, it is generally 580 ° C. to 620 ° C.
℃. That is, by performing heat treatment at a temperature higher than this temperature (preferably as high as possible), a crystalline silicon film having high crystallinity can be obtained. The upper limit of this heat treatment temperature is preferably about 1100 ° C. Further, when the heat treatment at this high temperature is used, the substrate needs to be a quartz substrate or a glass substrate that can withstand high temperatures.

【0027】[0027]

【作用】本発明においては、集積度の高い周辺論理回路
の結晶性珪素半導体を得るために当該部分で触媒元素を
利用した縦成長による結晶成長をおこなう。この結果、
集積度の如何にかかわりなく、電界効果移動度の高いT
FTを得ることができる。一方、アクティブマトリクス
回路においては、触媒元素を利用した縦成長による結晶
成長をおこなう。この結果、オフ電流が小さく、かつ、
バラツキも小さいTFTを得ることができる。特にこの
加熱処理を非晶質珪素薄膜の結晶化温度以上の温度で行
うと、高い結晶性を得ることができる。
In the present invention, in order to obtain the crystalline silicon semiconductor of the peripheral logic circuit having a high degree of integration, the crystal growth is carried out by the vertical growth utilizing the catalytic element in this portion. As a result,
T with high field-effect mobility, regardless of integration
FT can be obtained. On the other hand, in the active matrix circuit, crystal growth is performed by vertical growth using a catalytic element. As a result, the off current is small, and
It is possible to obtain a TFT with a small variation. In particular, when this heat treatment is performed at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the amorphous silicon thin film, high crystallinity can be obtained.

【0028】[0028]

【実施例】【Example】

〔実施例1〕 本実施例は、同一ガラス基板上に同時に
液晶表示装置に使用するアクティブマトリクス回路(画
素回路)と周辺論理回路とを同時に作製する工程に関す
る。すなわち、アクティブマトリクス回路のTFTを構
成する結晶性珪素膜は、結晶化せしめる領域の近傍に結
晶化を助長する触媒元素を添加し、加熱処理することに
よって該元素が添加された領域から基板に平行な方向に
結晶成長させることによって得るものである。
[Embodiment 1] This embodiment relates to a process of simultaneously forming an active matrix circuit (pixel circuit) used in a liquid crystal display device and a peripheral logic circuit on the same glass substrate at the same time. That is, in the crystalline silicon film forming the TFT of the active matrix circuit, a catalytic element that promotes crystallization is added in the vicinity of the region to be crystallized, and heat treatment is performed to parallel the substrate from the region where the element is added. It is obtained by growing crystals in different directions.

【0029】また周辺論理回路のTFTを構成する結晶
性珪素膜は、該TFTを得る領域を含む領域に結晶化を
助長する触媒元素を添加し、加熱処理することによって
当該部分の全面を結晶化させることによって得るもので
ある。図2に周辺論理回路とアクティブマトリクス回路
のTFTの作製工程の概念的な断面図を示す。図におい
ては、左側に周辺論理回路を形成する領域(周辺回路領
域)を示し、右側には画素を形成する領域(画素領域)
を示す。図では周辺回路領域と画素領域が隣接している
ように示されているが、現実には図に示されているよう
に隣接していることはない。
Further, in the crystalline silicon film forming the TFT of the peripheral logic circuit, a catalytic element that promotes crystallization is added to a region including a region where the TFT is obtained, and the whole surface of the portion is crystallized by heat treatment. It is obtained by FIG. 2 shows a conceptual cross-sectional view of a manufacturing process of a TFT of a peripheral logic circuit and an active matrix circuit. In the figure, a region (peripheral circuit region) where peripheral logic circuits are formed is shown on the left side, and a region (pixel region) where pixels are formed on the right side.
Indicates. Although the peripheral circuit area and the pixel area are shown as being adjacent to each other in the figure, they are not actually adjacent to each other as shown in the figure.

【0030】また、画素領域のTFTは、図2では図4
のTFT1のように触媒元素添加領域とゲイト電極が概
略平行に配置された様子を示しているが、図4のTFT
2のように、触媒元素添加領域とゲイト電極が概略垂直
となるように配置してもよい。 以下に作製工程を示
す。
Further, the TFT in the pixel region is shown in FIG.
As in the case of the TFT 1 in FIG. 4, the catalytic element addition region and the gate electrode are arranged substantially parallel to each other.
As shown in FIG. 2, the catalytic element addition region and the gate electrode may be arranged so as to be substantially vertical. The manufacturing process is shown below.

【0031】まず、基板201(コーニング7059
番、もしくは他の硼珪酸ガラスでもよい)を洗浄し、T
EOS(テトラ・エトキシ・シラン)と酸素を原料ガス
にしてプラズマCVD法によって厚さ2000Åの酸化
珪素の下地膜202を形成する。
First, the substrate 201 (Corning 7059)
No. or other borosilicate glass)
A base film 202 of silicon oxide having a thickness of 2000 Å is formed by plasma CVD using EOS (tetra-ethoxy-silane) and oxygen as source gases.

【0032】そして、プラズマCVD法またはLPCV
D法によって、厚さ300〜1500Å、例えば、50
0Åの導電性不純物(燐、硼素等)のほとんど添加され
ていない非晶質珪素膜203を成膜する。次に連続的に
厚さ100〜2000Å、例えば、200Åの酸化珪素
膜204をプラズマCVD法によって成膜する。そし
て、この酸化珪素膜204を選択的にエッチングして、
非晶質珪素膜203の露出した領域を形成する。この工
程において、図の左側の周辺回路領域においては、酸化
珪素膜204が全面的に取り除かれて、非晶質珪素膜2
03の表面を露出せしめた。他方、図の右側の画素領域
においては、酸化珪素膜204が選択的に除去される。
Then, the plasma CVD method or LPCV is used.
According to the D method, a thickness of 300 to 1500Å, for example, 50
An amorphous silicon film 203 containing almost no conductive impurities (phosphorus, boron, etc.) of 0Å is formed. Next, a silicon oxide film 204 having a thickness of 100 to 2000Å, for example, 200Å, is continuously formed by the plasma CVD method. Then, the silicon oxide film 204 is selectively etched,
An exposed region of the amorphous silicon film 203 is formed. In this step, in the peripheral circuit region on the left side of the drawing, the silicon oxide film 204 is entirely removed, and the amorphous silicon film 2 is removed.
The surface of No. 03 was exposed. On the other hand, in the pixel region on the right side of the figure, the silicon oxide film 204 is selectively removed.

【0033】そして、上記工程により露出せしめた非晶
質珪素膜203の表面に極薄い酸化膜(厚さ数十Å)を
形成する。これは、後の溶液塗布工程において、非晶質
珪素膜203の表面で溶液がはじかれないようにするた
めである。この酸化膜の形成は、熱酸化法や酸素雰囲気
中での紫外光の照射、あるいは、過酸化水素水等の酸化
性の強い溶液で処理すればよい。
Then, an extremely thin oxide film (having a thickness of several tens of liters) is formed on the surface of the amorphous silicon film 203 exposed by the above process. This is to prevent the solution from being repelled on the surface of the amorphous silicon film 203 in the subsequent solution coating step. This oxide film may be formed by thermal oxidation, irradiation with ultraviolet light in an oxygen atmosphere, or treatment with a highly oxidizing solution such as hydrogen peroxide solution.

【0034】その後、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酢酸ニッケル溶液を塗布し、非晶
質珪素膜203の表面に酢酸ニッケルの極めて薄い膜2
05を形成する。この膜205は極めて薄く、したがっ
て、完全な膜状にはなっていない可能性もある。この工
程はスピンコーティング法、スピンドライ法を用いてお
こなった。酢酸溶液中におけるニッケルの濃度(重量換
算)は1〜100ppmが適当であった。本実施例では
10ppmとする。(図2(A))
After that, a nickel acetate solution containing nickel element which is a catalytic element for promoting crystallization is applied, and an extremely thin film of nickel acetate 2 is formed on the surface of the amorphous silicon film 203.
Form 05. This membrane 205 is extremely thin and therefore may not be a perfect membrane. This step was performed using a spin coating method and a spin dry method. The concentration of nickel in the acetic acid solution (in terms of weight) was appropriately 1 to 100 ppm. In this embodiment, it is 10 ppm. (Fig. 2 (A))

【0035】その後、400〜580℃、ここでは55
0℃で4時間の熱アニール処理をおこない、非晶質珪素
膜203を結晶化せしめた。この結果、周辺回路領域で
は、ほぼ全領域が縦成長して、結晶性珪素領域206に
変化する。また、画素領域では、ニッケルの添加された
領域を起点にして横成長して、結晶性珪素領域208に
変化し、ニッケルの添加された領域から遠い部分では非
晶質珪素領域207のまま残る。(図2(B))
After that, 400 to 580 ° C., 55 in this case
A thermal annealing process was performed at 0 ° C. for 4 hours to crystallize the amorphous silicon film 203. As a result, in the peripheral circuit region, almost the entire region grows vertically and changes into the crystalline silicon region 206. In addition, in the pixel region, lateral growth starts from the region to which nickel is added and changes to a crystalline silicon region 208, and the amorphous silicon region 207 remains as it is in the portion far from the region to which nickel is added. (Fig. 2 (B))

【0036】次に酸化珪素膜204を取り除き、結晶性
を改善するために全面にKrFエキシマレーザー光(波
長248nm)を照射する。レーザー光は1か所につき
2〜20ショット照射する。エネルギー密度は250〜
350mJ/cm2 が適当であったが、最適なエネルギ
ー密度はシリコン膜によって変化するので、事前に条件
だしをおこなって、最適なエネルギー密度を決定する。
レーザーの照射条件は基板全面において同じように設定
する。もちろん、レーザー照射の際にエネルギー密度の
時間的な変動(ゆらぎ)が生じ、また、非常にミクロな
観察では、場所によってレーザーの照射されたショット
数や累積照射エネルギーは変動するが、そのような変動
は当初から意図されたものではない。本実施例では、任
意の1cm2 における累積照射エネルギーの変動が10
%以内に収まるような条件でレーザー照射をおこなっ
た。
Next, the silicon oxide film 204 is removed, and the entire surface is irradiated with KrF excimer laser light (wavelength 248 nm) to improve the crystallinity. Laser light is applied to 2 to 20 shots at one place. Energy density is 250 ~
Although 350 mJ / cm 2 was suitable, since the optimum energy density changes depending on the silicon film, the optimum energy density is determined by preconditioning.
The laser irradiation conditions are set similarly on the entire surface of the substrate. Of course, there is a temporal fluctuation (fluctuation) in the energy density during laser irradiation, and in a very microscopic observation, the number of shots irradiated by the laser and the cumulative irradiation energy vary depending on the location. The change was not originally intended. In this embodiment, the fluctuation of the cumulative irradiation energy at an arbitrary 1 cm 2 is 10
Laser irradiation was performed under the condition that the ratio was within%.

【0037】レーザーとしては、他にXeClエキシマ
レーザー(波長308nm)やArFエキシマレーザー
(波長193nm)、XeFエキシマレーザー(波長3
53nm)等のエキシマレーザーや、その他のパルス発
振レーザーを用いてもよかった。また、この工程はラピ
ッド・サーマル・アニール(RTA)法を用いておこな
ってもよい。
Other lasers are XeCl excimer laser (wavelength 308 nm), ArF excimer laser (wavelength 193 nm), XeF excimer laser (wavelength 3).
An excimer laser (e.g., 53 nm) or other pulsed laser may be used. Further, this step may be performed by using a rapid thermal annealing (RTA) method.

【0038】このようにして結晶化された結晶珪素膜中
のニッケル濃度は、2次イオン質量分析法(SIMS)
によると、典型的には縦成長した結晶性領域206で
は、1×1018〜1×1019原子/cm3 、横成長した
結晶性領域208では1×1017〜5×1018原子/c
3 であった。
The nickel concentration in the crystalline silicon film crystallized in this way is determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
According to the above, typically 1 × 10 18 to 1 × 10 19 atoms / cm 3 in the vertically grown crystalline region 206 and 1 × 10 17 to 5 × 10 18 atoms / c in the laterally grown crystalline region 208.
It was m 3 .

【0039】以上の工程が終了した後、珪素膜をドライ
エッチングして、島状の活性層領域209、210、2
11を形成する。ここで、活性層210には一部に非晶
質珪素領域207が含まれているが、その部分はTFT
のチャネル形成領域とはならないので、何ら問題はな
い。
After the above steps are completed, the silicon film is dry-etched to form island-shaped active layer regions 209, 210, 2
11 is formed. Here, the active layer 210 partially includes the amorphous silicon region 207, and that portion is the TFT.
Since it does not serve as the channel formation region of the above, there is no problem.

【0040】なお活性層211においては、ニッケルが
直接導入された領域(酢酸ニッケル塗布の際に酸化珪素
膜204で覆われていなかった領域)はTFTのチャネ
ル形成領域に重ならないように配置する。これは、ニッ
ケルが直接導入された領域(縦成長領域)では、ニッケ
ルが横成長領域よりも高濃度に存在することが確認され
ており、特にオフ電流が低く、かつ、そのバラツキが小
さいことを要求される画素領域のTFTでは、そのチャ
ネル形成領域の一部にも縦成長の領域が含まれているこ
とは好ましくないからである。(図2(C))
In the active layer 211, the region into which nickel is directly introduced (the region not covered with the silicon oxide film 204 at the time of applying nickel acetate) is arranged so as not to overlap the channel forming region of the TFT. This is because it is confirmed that nickel exists in a higher concentration in the region where nickel is directly introduced (vertical growth region) than in the lateral growth region, and in particular, the off-current is low and its variation is small. This is because it is not preferable that a part of the channel formation region of the TFT in the required pixel region includes a vertically grown region. (Fig. 2 (C))

【0041】その後、プラズマCVD法を用いて、ゲイ
ト絶縁膜として機能する酸化珪素膜303を1500Å
の厚さに形成する。プラズマCVD法の原料としては、
モノシラン(SiH4 )と一酸化二窒素(N2 O)を用
いる。本実施例では、モノシラン10SCCM、一酸化
二窒素100SCCMで反応室に導入し、基板温度43
0℃、反応圧力0.3Torr、投入電力(13.56
MHz)250Wとする。これらの条件は使用する反応
装置によって変動する。上記の条件で作製した酸化珪素
膜の成膜速度は約1000Å/分であり、フッ酸1、酢
酸50、フッ化アンモニウム50の混合溶液(20℃)
におけるエッチング速度は約1000Å/分である。
After that, the silicon oxide film 303 functioning as a gate insulating film is deposited to 1500 Å by plasma CVD.
To the thickness of. As a raw material of the plasma CVD method,
Monosilane (SiH 4 ) and dinitrogen monoxide (N 2 O) are used. In this example, 10 SCCM of monosilane and 100 SCCM of nitrous oxide were introduced into the reaction chamber, and the substrate temperature was 43.
0 ° C., reaction pressure 0.3 Torr, input power (13.56
MHz) 250 W. These conditions will vary depending on the reactor used. The deposition rate of the silicon oxide film produced under the above conditions is about 1000Å / min, and the mixed solution of hydrofluoric acid 1, acetic acid 50 and ammonium fluoride 50 (20 ° C)
The etching rate is about 1000Å / min.

【0042】引き続いて、減圧CVD法によって、厚さ
2000〜8000Å、例えば4000Åの多結晶珪素
膜(導電性を改善するため0.1〜2%の燐を含む)を
成膜し、これをエッチングしてゲイト電極213、21
4、215を形成する。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209
〜211にゲイト電極213〜215をマスクとして、
自己整合的にN導電型およびP導電型を付与する不純物
をドーピングする。ここでは、画素領域のTFTはPチ
ャネル型となるようにする。すなわち、図の活性層21
0と211にはP型不純物を、活性層209にはN型不
純物をドーピングする。このように導電型の異なる不純
物をドーピングするには、公知のCMOS技術を用いれ
ばよい。
Subsequently, a low pressure CVD method is used to form a polycrystalline silicon film having a thickness of 2000 to 8000 Å, for example 4000 Å (containing 0.1 to 2% phosphorus for improving conductivity), and etching this. Then the gate electrodes 213 and 21
4, 215 are formed. Next, the active layer 209 is formed by an ion doping method (also referred to as a plasma doping method).
~ 211 using the gate electrodes 213 to 215 as a mask,
Doping with impurities that impart N conductivity type and P conductivity type in a self-aligned manner. Here, the TFT in the pixel region is of a P-channel type. That is, the active layer 21 in the figure
0 and 211 are doped with P-type impurities, and the active layer 209 is doped with N-type impurities. In order to dope the impurities having different conductivity types as described above, known CMOS technology may be used.

【0043】本実施例では、ドーピングガスとして、N
型のドーピングにはフォスフィン(PH3 )、P型のド
ーピングにはジボラン(B26 )を用い、加速電圧は
前者の場合には60〜100kV、例えば90kV、後
者の場合には40〜80kV、例えば、70kVとす
る。ドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2
例えば、N型不純物は4×1014原子/cm2 、P型不
純物は1×1015原子/cm2 とする。この結果、N型
の不純物領域216とP型の不純物領域217、218
を形成することができる。
In this embodiment, N is used as the doping gas.
Phosphine (PH 3 ) is used for the p-type doping and diborane (B 2 H 6 ) is used for the p-type doping, and the acceleration voltage is 60 to 100 kV in the former case, for example, 90 kV, and 40 to 80 kV in the latter case. , For example, 70 kV. The dose amount is 1 × 10 14 to 8 × 10 15 atoms / cm 2 ,
For example, the N-type impurity is 4 × 10 14 atoms / cm 2 and the P-type impurity is 1 × 10 15 atoms / cm 2 . As a result, the N-type impurity region 216 and the P-type impurity regions 217 and 218 are formed.
Can be formed.

【0044】その後、400〜550℃で1〜12時
間、代表的には、450℃、2時間の熱アニールをおこ
ない、ドーピングされた不純物の活性化をおこなう。本
発明に共通のことであるが、非晶質珪素の結晶化を助長
する触媒元素が活性層に含まれていることからこのよう
な低温、短時間の熱アニールでも活性化に十分で、不純
物領域の抵抗を1kΩ/□程度もしくがそれ以下に下げ
ることができる。(図2(D))
Thereafter, thermal annealing is carried out at 400 to 550 ° C. for 1 to 12 hours, typically 450 ° C. for 2 hours to activate the doped impurities. As is common to the present invention, since the active layer contains a catalytic element that promotes crystallization of amorphous silicon, such low temperature and short time thermal annealing is sufficient for activation, The resistance of the region can be reduced to about 1 kΩ / □ or lower. (Fig. 2 (D))

【0045】続いて、厚さ500Åの窒化珪素膜(これ
は外部より水分や可動イオンがTFTに侵入するのを防
止するパッシベーション効果を有する)と厚さ4000
Åの酸化珪素膜の2層よりなる絶縁膜219を第1の層
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、チ
タンとアルミニウムの多層膜(本実施例では、チタン5
00Å、アルミニウム4000Åとした)によってTF
Tの電極・配線220〜223を形成する。(図2
(E))
Subsequently, a silicon nitride film having a thickness of 500Å (which has a passivation effect for preventing moisture and mobile ions from entering the TFT from the outside) and a thickness of 4000 are formed.
An insulating film 219 consisting of two layers of a silicon oxide film of Å is formed by a plasma CVD method as a first interlayer insulator, and a contact hole is formed in the insulating film 219, and a metal material such as a multilayer film of titanium and aluminum (main In the example, titanium 5
00 Å and 4000 Å of aluminum) by TF
T electrodes / wirings 220 to 223 are formed. (Fig. 2
(E))

【0046】その後、さらに、厚さ2000Åの酸化珪
素膜224をプラズマCVD法によって形成し、これを
第2の層間絶縁物とする。そして、その画素領域のTF
Tの画素電極を構成する方の不純物領域にコンタクトホ
ールを形成し、さらに、厚さ800ÅのITO(インデ
ィウム錫酸化物)膜をスパッタ法により形成し、これを
エッチングして画素電極225を形成する。(図2
(F)) こうしてアクティブマトリクス液晶表示装置のおける画
素領域と周辺回路領域とを同時に同一ガラス基板上に形
成することができる。
Then, a silicon oxide film 224 having a thickness of 2000Å is further formed by the plasma CVD method, and this is used as a second interlayer insulator. Then, the TF of the pixel area
A contact hole is formed in the impurity region which constitutes the pixel electrode of T, and further an ITO (indium tin oxide) film having a thickness of 800 Å is formed by the sputtering method, and this is etched to form the pixel electrode 225. To do. (Fig. 2
(F) In this way, the pixel region and the peripheral circuit region in the active matrix liquid crystal display device can be simultaneously formed on the same glass substrate.

【0047】〔実施例2〕 図3に本実施例の作製工程
の断面図を示す。図の左側が論理回路領域、右側が画素
領域を示す。実際の回路では論理回路はNチャネル型T
FTとPチャネル型TFTからなるCMOS回路である
が、図では簡略化のために論理回路のTFTもNチャネ
ル型のみを示す。画素領域のTFTにはNチャネル型T
FTを用いた。本実施例ではTFTとしては、ソース/
ドレイン以外に低濃度の不純物領域をそれらに隣接して
設けた構造のものを採用したが、Nチャネル型TFTと
Pチャネル型TFTの差は、ソース/ドレインおよび低
濃度不純物領域のドーピング不純物の種類と濃度が異な
る他は同じであった。
[Embodiment 2] FIG. 3 shows a cross-sectional view of a manufacturing process of this embodiment. The left side of the figure shows the logic circuit area, and the right side shows the pixel area. In the actual circuit, the logic circuit is an N-channel type T
Although it is a CMOS circuit composed of FT and P-channel type TFTs, the TFT of the logic circuit is shown only for N-channel type for simplification in the figure. N-channel type T for the TFT in the pixel area
FT was used. In this embodiment, the TFT is the source /
A structure having a low-concentration impurity region other than the drain provided adjacent to them was adopted. However, the difference between the N-channel TFT and the P-channel TFT is the type of doping impurity in the source / drain and the low-concentration impurity region. Was the same except that the concentration was different.

【0048】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。さらに、プラズマCVD
法によって、厚さ300〜1000Å、例えば500Å
の真性(I型)の非晶質珪素膜302を堆積する。さら
に、厚さ200Åの酸化珪素膜303をスパッタ法によ
って形成し、実施例1と同様にこれをエッチングして、
触媒元素(ニッケル)の導入領域を形成し、スピンコー
ティング法によって、図示しない酢酸ニッケルの薄膜を
形成する。
First, the substrate (Corning 7059) 301
An underlying film 302 of silicon oxide having a thickness of 2000 Å is formed thereon by a sputtering method. Furthermore, plasma CVD
Depending on the method, the thickness is 300-1000Å, for example 500Å
Intrinsic (I-type) amorphous silicon film 302 is deposited. Further, a silicon oxide film 303 having a thickness of 200Å is formed by a sputtering method, and this is etched in the same manner as in Example 1,
An introduction region of the catalytic element (nickel) is formed, and a thin film of nickel acetate (not shown) is formed by spin coating.

【0049】そして、非晶質珪素膜302を窒素雰囲気
中、550℃、4時間熱アニールして、結晶化させて、
縦成長領域304、横成長領域306を形成する。領域
305は非晶質のまま残った。そして、レーザー光を照
射して結晶性を向上させた。本実施例では、KrFエキ
シマレーザーを用いた。そのエネルギー密度は、250
〜350mJ/cm2が適当であった。レーザー照射
後、レーザーアニールによる歪みを緩和する目的で、再
び、550℃、1時間の熱アニールをおこなった。(図
3(A))
Then, the amorphous silicon film 302 is thermally annealed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to be crystallized,
A vertical growth region 304 and a horizontal growth region 306 are formed. Region 305 remained amorphous. Then, laser light was irradiated to improve the crystallinity. In this example, a KrF excimer laser was used. Its energy density is 250
˜350 mJ / cm 2 was suitable. After laser irradiation, thermal annealing was performed again at 550 ° C. for 1 hour for the purpose of relaxing the distortion caused by laser annealing. (Fig. 3 (A))

【0050】このようにして結晶化させた珪素膜をエッ
チングして、島状活性層領域307(論理回路用TFT
に用いる)と同じく308(画素用TFTに用いる)を
形成する。さらに、モノシラン(SiH4 )と酸素(O
2 )を原料とする熱CVD法によって、厚さ1200Å
の酸化珪素膜309を堆積する。さらに、成膜後、1気
圧400〜500℃の一酸化二窒素(N2 O)雰囲気で
1〜12時間の熱アニールをおこなった。
The silicon film crystallized in this manner is etched to form island-shaped active layer regions 307 (logic circuit TFTs).
308 (used for pixel TFT) is formed similarly to (used for. In addition, monosilane (SiH 4 ) and oxygen (O
The thickness of 1200Å by the thermal CVD method using 2 ) as a raw material.
A silicon oxide film 309 is deposited. Further, after the film formation, thermal annealing was performed for 1 to 12 hours in an atmosphere of dinitrogen monoxide (N 2 O) at 400 to 500 ° C.

【0051】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ2000〜8000Å、例えば4000Åのアルミ
ニウム膜を堆積する。フォトレジストとの密着性を良く
するため、この表面に極めて薄い(50〜200Å)陽
極酸化膜(図示せず)を形成する。そして、フォトレジ
ストを塗布し、公知のフォトリソグラフィー法によっ
て、フォトレジストのマスク310、311を形成し、
アルミニウム膜をエッチングしてゲイト電極312、3
13を形成する。アルミニウムには加熱や後の陽極酸化
工程における結晶の異常成長(ヒロック)の発生を抑制
するために0.1〜0.5重量%のスカンジウム(S
c)あるいはイットリウム(Y)を混入させた。ゲイト
電極312、313上にはエッチングのマスクに用いた
フォトレジストのマスク310、311をそのまま残す
る。(図3(B))
Subsequently, by the sputtering method,
An aluminum film having a thickness of 2000 to 8000Å, for example 4000Å, is deposited. An extremely thin (50 to 200Å) anodic oxide film (not shown) is formed on this surface in order to improve the adhesion to the photoresist. Then, a photoresist is applied, and photoresist masks 310 and 311 are formed by a known photolithography method,
The aluminum film is etched to form gate electrodes 312 and 3
13 is formed. Aluminum has 0.1 to 0.5 wt% scandium (S) in order to suppress the occurrence of abnormal crystal growth (hillock) in the heating or the subsequent anodic oxidation process.
c) or yttrium (Y) was mixed. Photoresist masks 310 and 311 used as etching masks are left on the gate electrodes 312 and 313 as they are. (Fig. 3 (B))

【0052】さらに、電解液中で、ゲイト電極312、
313に電流を通じて陽極酸化し、厚さ1〜5μm、例
えば、厚さ2μmの陽極酸化物314、315を形成す
る。電解液には、3〜20%のクエン酸もしくはショウ
酸、燐酸、クロム酸、硫酸等の酸性水溶液を用いて、1
0〜30Vの一定電流をする。本実施例では、pH=
0.9〜1.0のシュウ酸溶液(30℃)中で電圧を1
0Vとし陽極酸化する。陽極酸化物の厚さは陽極酸化時
間によって制御する。
Further, in the electrolytic solution, the gate electrode 312,
313 is anodized by applying an electric current to form anodic oxides 314 and 315 having a thickness of 1 to 5 μm, for example, 2 μm. As the electrolytic solution, an acidic aqueous solution of 3 to 20% citric acid or oxalic acid, phosphoric acid, chromic acid, sulfuric acid, or the like is used.
A constant current of 0 to 30 V is applied. In this example, pH =
Voltage is 1 in 0.9-1.0 oxalic acid solution (30 ° C)
It is set to 0 V and anodized. The thickness of the anodic oxide is controlled by the anodic oxidation time.

【0053】このようにして得られた陽極酸化物31
4、315は多孔質のものであった。この陽極酸化工程
においては、ゲイト電極312、313とフォトレジス
トのマスク310、311の間に存在する薄い陽極酸化
膜によって、フォトレジストのマスク310、311か
らの電流がリークすることを抑制することができ、ゲイ
ト電極312、313の側面のみに陽極酸化を進行させ
ることができる。(図3(C))
The anodic oxide 31 thus obtained
4,315 were porous. In this anodic oxidation step, the thin anodic oxide film existing between the gate electrodes 312 and 313 and the photoresist masks 310 and 311 can prevent the current from leaking from the photoresist masks 310 and 311. Therefore, the anodic oxidation can be advanced only on the side surfaces of the gate electrodes 312 and 313. (Fig. 3 (C))

【0054】次に、フォトレジストのマスク310、3
11を剥離し、再び電解溶液中において、ゲイト電極3
12、313に電流を印加する。今回は、3〜10%の
酒石液、硼酸、硝酸の少なくとも1つが含まれたpH=
6.9〜7.1のエチレングルコールアンモニア溶液を
用いる。溶液の温度は10℃前後の室温より低い方が良
好な酸化膜が得られる。このため、ゲイト電極312、
313の上面および側面に陽極酸化物316、317が
形成される。陽極酸化物316、317の厚さは印加電
圧にほぼ比例し、印加電圧が150Vで2000Åの陽
極酸化物316、317が形成される。陽極酸化物31
6、317は緻密で硬く、その後の加熱工程においてゲ
イト電極312、313を保護する上で効果的であっ
た。(図3(D))
Next, photoresist masks 310, 3
11 was peeled off, and the gate electrode 3 was again placed in the electrolytic solution.
A current is applied to 12, 313. This time, pH = 3-10% containing at least one of tartar solution, boric acid, and nitric acid.
An ethylene glycol ammonia solution of 6.9 to 7.1 is used. When the temperature of the solution is lower than room temperature around 10 ° C., a good oxide film can be obtained. Therefore, the gate electrode 312,
Anodic oxides 316 and 317 are formed on the top and side surfaces of 313. The thickness of the anodic oxides 316 and 317 is almost proportional to the applied voltage, and when the applied voltage is 150 V, the anodic oxides 316 and 317 of 2000 Å are formed. Anodic oxide 31
6 and 317 were dense and hard, and were effective in protecting the gate electrodes 312 and 313 in the subsequent heating step. (Fig. 3 (D))

【0055】その後、ドライエッチング法によって酸化
珪素膜309をエッチングする。このエッチングにおい
ては多孔質陽極酸化物314、315はエッチングされ
ないので、その下の酸化珪素膜はエッチングされずにゲ
イト絶縁膜318、319として残すことができる。
(図3(E))
After that, the silicon oxide film 309 is etched by the dry etching method. Since the porous anodic oxides 314 and 315 are not etched in this etching, the underlying silicon oxide film can be left as the gate insulating films 318 and 319 without being etched.
(Fig. 3 (E))

【0056】その後、燐酸、酢酸、硝酸の混酸を用い
て、多孔質の陽極酸化物314、315をエッチングす
る。このエッチングでは陽極酸化物314、315のみ
がエッチングされ、エッチングレートは約600Å/分
であった。その下のゲイト絶縁膜318、319はその
まま残存する。
After that, the porous anodic oxides 314 and 315 are etched using a mixed acid of phosphoric acid, acetic acid and nitric acid. In this etching, only the anodic oxides 314 and 315 were etched, and the etching rate was about 600Å / min. The gate insulating films 318 and 319 thereunder remain as they are.

【0057】次に、イオンドーピング法によって、活性
層領域307、308にゲイト電極312、313やゲ
イト絶縁膜318、319をマスクにして、不純物
(燐)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィ
ン(PH3 )を用い、2段階のドーピングをおこなう。
第1段目は加速電圧を80kV、ドーズ量は5×1012
原子/cm2 とする。このドーピングでは、燐イオンは
ゲイト絶縁膜318、319を透過して、その下の領域
にも注入される。この際のドーズ量は小さいので、低濃
度不純物領域322、323が形成される。
Next, impurities (phosphorus) are implanted into the active layer regions 307 and 308 by ion doping using the gate electrodes 312 and 313 and the gate insulating films 318 and 319 as masks. Phosphine (PH 3 ) is used as a doping gas, and two-step doping is performed.
The first stage has an acceleration voltage of 80 kV and a dose of 5 × 10 12.
Atom / cm 2 . In this doping, phosphorus ions pass through the gate insulating films 318 and 319 and are also implanted into the region below. Since the dose amount at this time is small, the low concentration impurity regions 322 and 323 are formed.

【0058】第2段目は加速電圧を30kV、ドーズ量
は5×1014原子/cm2 とする。このドーピングで
は、燐イオンはゲイト絶縁膜318、319を透過でき
ず、主として活性層の珪素が露出した部分に注入され
る。この際のドーズ量は大きいので、高濃度不純物領域
(ソース/ドレイン)320、321が形成される。実
施の回路においてはP型不純物も同様にドーピングされ
る。
The second stage has an acceleration voltage of 30 kV and a dose of 5 × 10 14 atoms / cm 2 . In this doping, phosphorus ions cannot pass through the gate insulating films 318 and 319, and are mainly implanted into the exposed silicon portion of the active layer. Since the dose amount at this time is large, high-concentration impurity regions (source / drain) 320 and 321 are formed. P-type impurities are similarly doped in the embodiment circuit.

【0059】ドーピング後、レーザーアニールによっ
て、不純物の活性化をおこなう。本実施例ではレーザー
として、KrFエキシマレーザー(波長248nm)を
用いる。レーザーのエネルギー密度は200〜300m
J/cm2 が適当である。レーザーアニールの代わりに
実施例1のような熱アニールによる活性化をおこなって
もよい。また、レーザーアニール後に熱アニールをおこ
なってもよい。(図3(F))
After doping, the impurities are activated by laser annealing. In this embodiment, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is used as the laser. Laser energy density is 200-300m
J / cm 2 is suitable. Instead of laser annealing, activation may be performed by thermal annealing as in the first embodiment. Further, thermal annealing may be performed after laser annealing. (Fig. 3 (F))

【0060】続いて、層間絶縁物として厚さ500Åの
窒化珪素膜と厚さ4000Åの酸化珪素膜の2層の絶縁
膜から第1の層間絶縁物324をプラズマCVD法によ
って堆積し、これにコンタクトホールを形成する。そし
て、チタンとアルミニウムの多層膜によってソース電極
・配線を形成する。続いて、プラズマCVD法によって
厚さ2000Åの酸化珪素膜(第2の層間絶縁物)32
5を堆積し、画素TFTにコンタクトホールを形成し、
透明導電膜の画素電極326をここに接続する。以上の
工程によってモノリシック型アクティブマトリクス回路
が作製された。(図3(G))
Subsequently, a first interlayer insulating film 324 is deposited by a plasma CVD method from a two-layer insulating film including a silicon nitride film having a thickness of 500 Å and a silicon oxide film having a thickness of 4000 Å as an interlayer insulating film, and a contact is made to this. Form a hole. Then, the source electrode / wiring is formed by a multilayer film of titanium and aluminum. Then, a silicon oxide film (second interlayer insulator) 32 having a thickness of 2000 Å is formed by plasma CVD method.
5 is deposited, a contact hole is formed in the pixel TFT,
The pixel electrode 326 of the transparent conductive film is connected here. Through the above steps, a monolithic active matrix circuit was manufactured. (Fig. 3 (G))

【0061】〔実施例3〕 本実施例は、実施例1また
は実施例2に示す構成において、基板として特にコーニ
ング1737ガラス基板を用いる例である。コーニング
1737ガラス基板は、歪点が667℃であるので、こ
の温度以下の温度での加熱処理に耐えることができる。
[Embodiment 3] This embodiment is an example in which a Corning 1737 glass substrate is used as a substrate in the structure shown in Embodiment 1 or Embodiment 2. Since the Corning 1737 glass substrate has a strain point of 667 ° C., it can withstand heat treatment at a temperature lower than this temperature.

【0062】実験によれば、プラズマCVD法によって
成膜された非晶質珪素膜の結晶化温度は約590℃であ
る。本実施例では650℃の温度で4時間の加熱処理を
行うことにより、結晶性珪素膜を得ることを特徴とす
る。
According to experiments, the crystallization temperature of the amorphous silicon film formed by the plasma CVD method is about 590 ° C. This embodiment is characterized in that a crystalline silicon film is obtained by performing heat treatment at a temperature of 650 ° C. for 4 hours.

【0063】このような非晶質珪素膜の結晶化温度以上
の温度で加熱処理を行った場合、導入されたニッケル元
素の作用によって高い結晶性を有した結晶性珪素膜を得
ることができる。
When the heat treatment is performed at a temperature above the crystallization temperature of such an amorphous silicon film, a crystalline silicon film having high crystallinity can be obtained by the action of the introduced nickel element.

【0064】[0064]

【発明の効果】本発明において、珪素の結晶化を助長す
る金属元素を利用しているため、優れた結晶性有する珪
素膜を得ることができる。更に、この触媒元素の作用に
より、周辺論理回路領域の珪素膜と、アクティブマトリ
クス回路領域の珪素膜とを異なる結晶成長させるように
したため、周辺論理回路に好適な薄膜トランジスタと、
アクティブマトリクス回路に好適な薄膜トランジスタと
を同一基板に、同一のプロセスにより作製することが可
能になる。
In the present invention, since a metal element that promotes crystallization of silicon is used, a silicon film having excellent crystallinity can be obtained. Further, since the silicon film in the peripheral logic circuit region and the silicon film in the active matrix circuit region are caused to have different crystal growth by the action of this catalytic element, a thin film transistor suitable for the peripheral logic circuit,
A thin film transistor suitable for an active matrix circuit can be manufactured over the same substrate by the same process.

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

【図1】 モノリシック型のアクティブマトリクス回路
の概要を示す。
FIG. 1 shows an outline of a monolithic active matrix circuit.

【図2】 実施例1のTFTの作製工程を示す。FIG. 2 shows a manufacturing process of the TFT of Example 1.

【図3】 実施例2のTFTの作製工程を示す。FIG. 3 shows a manufacturing process of a TFT of Example 2.

【図4】 アクティブマトリクス回路のTFTと横成長
領域の配置例を示す。
FIG. 4 shows an arrangement example of a TFT and a lateral growth region of an active matrix circuit.

【図5】 アクティブマトリクス回路のTFTと触媒元
素添加領域の配置例を示す。
FIG. 5 shows an arrangement example of a TFT and a catalytic element addition region of an active matrix circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

201・・・ガラス基板 202・・・下地膜(酸化珪素膜) 203・・・珪素膜 204・・・酸化珪素膜 205・・・酢酸ニッケル膜 206・・・縦成長領域 207・・・非晶質領域 208・・・横成長領域 209〜211・・・島状珪素領域(活性層) 212・・・ゲイト絶縁膜 213〜215・・・ゲイト電極 216・・・N型不純物領域 217、218・・・P型不純物領域 219・・・第1の層間絶縁物 220〜223・・・配線・電極 224・・・第2の層間絶縁物 225・・・画素電極 201 ... Glass substrate 202 ... Base film (silicon oxide film) 203 ... Silicon film 204 ... Silicon oxide film 205 ... Nickel acetate film 206 ... Vertical growth area 207 ... Amorphous region 208 ... Lateral growth area 209 to 211 ... Island-shaped silicon region (active layer) 212 ... Gate insulating film 213-215 ... Gate electrode 216 ... N-type impurity region 217, 218 ... P-type impurity region 219 ... First interlayer insulator 220-223 ... Wiring / electrodes 224 ... Second interlayer insulator 225 ... Pixel electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/20 G02F 1/1368 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/20 G02F 1/1368

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】絶縁表面を有する基板上に形成された、結
晶性の珪素半導体を用いた薄膜トランジスタを有する、
アクティブマトリクス回路と前記アクティブマトリクス
回路を駆動するための周辺論理回路と、を有する半導体
装置において、 前記アクティブマトリクス回路の薄膜トランジスタの結
晶性珪素半導体は、非晶質珪素の結晶化を助長する触媒
元素が非晶質珪素を結晶化させる領域の近傍に添加され
て結晶化されており、 前記周辺論理回路の薄膜トランジスタの結晶性珪素半導
体は、非晶質珪素に前記触媒元素を添加されて全面に結
晶化されてなることを特徴とする半導体装置。
1. A thin film transistor using a crystalline silicon semiconductor, which is formed on a substrate having an insulating surface.
In a semiconductor device having an active matrix circuit and a peripheral logic circuit for driving the active matrix circuit, a crystalline silicon semiconductor of a thin film transistor of the active matrix circuit is a catalyst that promotes crystallization of amorphous silicon. An element is added and crystallized in the vicinity of a region for crystallizing amorphous silicon, and the crystalline silicon semiconductor of the thin film transistor of the peripheral logic circuit is formed by adding the catalyst element to amorphous silicon. A semiconductor device characterized by being crystallized over the entire surface.
【請求項2】前記触媒元素が、Ni、Pd、Pt、C
u、Ag、Feから選ばれた一種または複数種の元素で
あることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
2. The catalyst element is Ni, Pd, Pt, C
The semiconductor device according to claim 1, which is one or more elements selected from u, Ag, and Fe.
【請求項3】絶縁表面を有する基板上に形成された、結
晶性の珪素半導体を用いた薄膜トランジスタを有する、
アクティブマトリクス回路と前記アクティブマトリクス
回路を駆動するための周辺論理回路と、を有する半導体
装置において、 前記アクティブマトリクス回路に用いられた結晶性珪素
半導体は非晶質珪素の結晶化を助長する触媒元素が非晶
質珪素を結晶化させる領域の近傍に添加されて結晶化さ
れ、 前記周辺論理回路に用いられた結晶性珪素半導体は非晶
質珪素の結晶化を助長する触媒元素が前記薄膜トランジ
スタを得る領域を含む領域に添加されて結晶化され、 前記アクティブマトリクス回路に用いられる結晶性珪素
半導体は主として(111)面もしくは(220)面に
配向し、 前記周辺論理回路に用いられる結晶性珪素半導体は前記
アクティブマトリクス回路に用いられる結晶性珪素半導
体に比較して配向の度合いが低いことを特徴とする半導
体装置。
3. A thin film transistor using a crystalline silicon semiconductor formed on a substrate having an insulating surface.
In a semiconductor device having an active matrix circuit and a peripheral logic circuit for driving the active matrix circuit, the crystalline silicon semiconductor used in the active matrix circuit has a catalytic element that promotes crystallization of amorphous silicon. The crystalline silicon semiconductor added to the vicinity of the region for crystallizing the amorphous silicon and crystallized, and the crystalline silicon semiconductor used for the peripheral logic circuit is a region where the catalytic element for promoting the crystallization of the amorphous silicon is the region for obtaining the thin film transistor. The crystalline silicon semiconductor used for the active matrix circuit is mainly oriented in the (111) plane or the (220) plane, and the crystalline silicon semiconductor used for the peripheral logic circuit is Characterized by a lower degree of orientation than crystalline silicon semiconductors used in active matrix circuits Semiconductor device.
【請求項4】前記周辺論理回路がシフトレジスタである
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載
の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the peripheral logic circuit is a shift register.
【請求項5】絶縁表面を有する基板上に形成された結晶
性の珪素半導体を用いた薄膜トランジスタを有するアク
ティブマトリクス回路と前記アクティブマトリクス回路
を駆動するための周辺論理回路とを有する半導体装置の
作製方法において、 絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を設ける第1の
工程と、 前記非晶質珪素膜上の少なくとも前記周辺論理回路を形
成する部分の全面と前記アクティブマトリクス回路を形
成する部分の一部を露出させたマスクを設ける第2の工
程と、 前記マスクを用いて、非晶質珪素の結晶化を助長する触
媒元素を選択的に添加する第3の工程と、 熱アニール法または光アニール法によって、前記非晶質
珪素膜を結晶化して非晶質珪素を含む結晶性珪素膜を形
する第4の工程と 前記結晶性珪素膜をドライエッチングして、前記周辺論
理回路の薄膜トランジスタ及び前記アクティブマトリク
ス回路の薄膜トランジスタに用いられるチャネル形成領
域を含む活性層を形成する第5の工程とを有し、 前記周辺論理回路の薄膜トランジスタに用いられる活性
層はチャネル形成領域が前記非晶質珪素を含まないよう
に形成され、前記アクティブマトリクス回路の薄膜トラ
ンジスタに用いられる活性層は前記触媒元素が選択的に
添加された領域とチャネル形成領域とが重ならないよう
に形成される ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
5. A method for manufacturing a semiconductor device having an active matrix circuit having a thin film transistor using a crystalline silicon semiconductor formed over a substrate having an insulating surface and a peripheral logic circuit for driving the active matrix circuit. in forms a first step of providing an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, the entire surface and the active matrix circuit of a portion forming at least the peripheral logic circuit on the amorphous silicon film A second step of providing a mask exposing a part of the portion; a third step of selectively adding a catalytic element that promotes crystallization of amorphous silicon by using the mask; and a thermal annealing method. Alternatively, by the optical annealing method, the amorphous
Crystallize the silicon film to form a crystalline silicon film containing amorphous silicon.
A fourth step of forming, the crystalline silicon film is dry-etched, the peripheral Theory
Thin film transistor for processing circuit and active matrix
Channel formation area used for thin film transistor
A fifth step of forming an active layer including a region, and an active layer used in a thin film transistor of the peripheral logic circuit.
The layer is such that the channel forming region does not include the amorphous silicon.
Formed on the thin film transistor of the active matrix circuit.
In the active layer used in the transistor, the catalytic element is selectively
Make sure that the added region and the channel formation region do not overlap
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項6】前記第3の工程において、アクティブマト
リクス回路を形成する部分においては、前記元素がソー
ス線もしくはゲイト線に概略平行な線状に添加されるこ
とを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の作製方
法。
6. The method according to claim 5, wherein in the third step, the element is added in a line substantially parallel to a source line or a gate line in a portion forming an active matrix circuit. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項7】前記第2の工程において用いられるマスク
が、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素を主成分とする
材料によってフォトリソグラフィー法を用いて形成され
ることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の作製
方法。
7. The mask used in the second step is formed by photolithography using a material containing silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride as a main component. A method for manufacturing the semiconductor device described.
【請求項8】前記第4の工程において、熱アニール法に
よる結晶化工程の後に光アニール法によって前記珪素膜
を結晶化せしめることを特徴とする請求項5に記載の半
導体装置の作製方法。
8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein in the fourth step, the silicon film is crystallized by an optical annealing method after the crystallization step by the thermal annealing method.
【請求項9】前記第4の工程において、光アニールが基
板上のいずれの部分においても実質的に同一条件で行わ
れることを特徴とする請求項5または請求項8に記載の
半導体装置の作製方法。
9. The manufacturing of a semiconductor device according to claim 5, wherein in the fourth step, the photo-annealing is performed under substantially the same conditions on any part of the substrate. Method.
【請求項10】前記熱アニール法が、非晶質薄膜の結晶
化温度以上の温度であって、1100℃以下の温度での
加熱によって行われることを特徴とする請求項5に記載
の半導体装置の作製方法。
10. The semiconductor device according to claim 5, wherein the thermal annealing method is performed by heating at a temperature not lower than the crystallization temperature of the amorphous thin film and not higher than 1100 ° C. Of manufacturing.
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