JP3539821B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非単結晶の結晶性シリコン膜を有する薄膜トランジスタ(TFT)等の絶縁ゲイト型半導体素子やその他の半導体装置の作製過程において、結晶性シリコン膜が含んでいる不純物( Ni 等)の該素子に対する悪影響を極力抑えるためのドーピング技術に関するものである。特に、本発明は、該結晶性シリコン膜が結晶化触媒元素( Ni 等)の助けを借りて形成されている場合に、特に有用である。
【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型のトランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ(TFT)が熱心に研究されている。薄膜トランジスタは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と言うように区別されている。しかしながら、結晶性シリコンとは言っても、単結晶ではない非単結晶のものである。したがって、これらは非単結晶シリコンTFTと総称される。
【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TFTには利用できない。また、アモルファスシリコンでは、P型の電界移動度は著しく小さいので、Pチャネル型のTFT(PMOSのTFT)を作製することができない。したがって、Nチャネル型TFT(NMOSのTFT)と組み合わせて、相補型のMOS回路(CMOS)を形成することができない。
【0004】
一方、結晶性半導体は、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ある。
【0005】
非単結晶の結晶性シリコン膜は、気相成長法によって得られたアモルファスシリコン膜を長時間適切な温度(通常は600℃以上)で熱アニールするか、レーザー等の強光を照射すること(光アニール)によって得ることができる。
【0006】
熱アニールによる方法に関しては、特開平6ー244104に記述されるように、ニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジュウム等の元素(以下、結晶化触媒元素、または、単に、触媒元素という)がアモルファスシリコンの結晶化を促進する効果を利用することにより、通常の場合よりも低温・短時間の熱アニールにより結晶性シリコン膜を得ることができる。
【0007】
同様な技術は、他に、特開平6ー318701、同6ー333951等に開示されている。なお、このような結晶化触媒元素を有するシリコン膜においては、その後にイオンドーピング法等の手段によってN型やP型の不純物イオンを照射・注入することによるソース・ドレイン等の不純物領域を形成した後の不純物元素の活性化も、従来に比較して低温の熱アニールによって行うことができることが明らかになっている。(特開平6ー267980、同6ー267989)
【0008】
このような目的には、結晶化触媒元素の濃度は1×1015〜1×1019原子/cm3 とすることが望ましい。この範囲に達しない低濃度では、結晶化が促進されず、また、この範囲を越える高濃度ではシリコン半導体特性に悪影響をもたらしてしまう。なお、この場合の触媒元素の濃度は、2次イオン質量分析法(SIMS)によって、分析された最大値として定義される。多くの場合、触媒元素は膜中において分布を示す。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記結晶化を助長する触媒元素を含む結晶性シリコンを用いて作製された半導体装置においては、電界移動度は大きいものの、OFF 電流の高い特性の悪いものが多く観察される。特に、同一基板上に多数の該半導体装置を形成した場合、OFF 電流が高いだけでなく、OFF 電流の値が該半導体装置間で大きくばらつくものが目立ってしまう。
【0010】
OFF 電流が高くなったり、上述のようなばらつきが生じる原因は、該結晶化を助長する触媒元素にあると考えられる。即ち、該結晶化を助長する触媒元素がジャンクションにかかっているのが主な原因ではないかと推測される。
【0011】
これらのような特性は、特に液晶ディスプレイの画素部分を構成するTFTには致命的な欠陥である。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを導入した結晶性シリコンを用いて作製された半導体装置のうち、ソース・ドレイン等の不純物領域を燐で形成したものは、OFF 電流が比較的低く(10pA程度もしくはそれ以下)、かつ上述のようなばらつきもほとんどみられなかった。この事実を踏まえ、燐の持つ特性をよく検討した結果、燐は不純物をゲッタリングする特性を備えていることが報告されていることを知るに至った。
【0013】
その報告によると、燐はニッケルに対して特に高いゲッタリングの機能を示す。その他、銅や鉄といった半導体装置に悪影響をもたらすと考えられている元素も、燐でゲッタリングすることが可能である。これらのことから、上述の半導体装置中で燐がニッケルのもつ特性を何らかの形で中和し、ニッケルのOFF 電流特性に対する悪影響を抑えていることが推測できる。
【0014】
本発明の第1は、結晶化を助長する触媒元素を導入した結晶性シリコン膜から成る活性層のソース・ドレイン領域に燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)もしくはイオン注入法により注入した後に、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、N型半導体装置を得ることを特徴とする。
【0015】
本発明の第2は、結晶化を助長する触媒元素を導入した結晶性シリコン膜から成る活性層のソース・ドレイン領域に燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)もしくはイオン注入法により、注入した後に、さらに燐によってN型化したシリコンにP型の不純物を燐と同様の方法で注入し、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、P型半導体装置を得ることを特徴とする。
【0016】
本発明の第3は、結晶化を助長する触媒元素を導入した結晶性シリコン膜から成る活性層のソース・ドレイン領域に燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)、もしくはイオン注入法により注入したのち、さらに燐によってN型化したシリコンの所望の部分にP型の不純物を燐と同様の方法で注入し、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、同一基板上に選択的にN型半導体装置とP型半導体装置とを得ることを特徴とする。
【0017】
本発明の第4は、結晶化を助長する触媒元素を導入した結晶性シリコン膜から成る活性層のLDD領域とソース・ドレイン領域とに燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)もしくはイオン注入法により、注入したのち、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、N型半導体装置を得ることを特徴とする。
【0018】
本発明の第5は、結晶化を助長する触媒元素を導入した結晶性シリコン膜から成る活性層のLDD領域に燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)もしくはイオン注入法により、注入したのち、さらにそのLDD領域とソース・ドレイン領域とにP型の不純物を燐と同様の方法で注入し、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、P型半導体装置を得ることを特徴とする。
【0019】
本発明の第6は、結晶化を助長する触媒元素を導入した結晶性シリコン膜から成る活性層のLDD領域とソース・ドレイン領域とに燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)もしくはイオン注入法により、注入したのち、さらに燐によってN型化したシリコンにP型の不純物を燐と同様の方法で注入し、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、P型半導体装置を得ることを特徴とする。
【0020】
本発明の第7は、結晶化を助長する触媒元素を導入した結晶性シリコン膜から成る活性層において、そのLDD領域とソース・ドレイン領域とに燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)もしくはイオン注入法により、注入したのち、さらに燐によってN型化したシリコンの所望の部分にP型の不純物を燐と同様の方法で注入し、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、同一基板上にN型半導体装置とP型半導体装置とを得ることを特徴とする。
【0021】
上記の本発明の第1乃至第7において、結晶化を助長する触媒元素にはニッケ、白金、コバルト、鉄、パラジウム等の金属元素を用いればよい。とくに、シリコンの結晶化を促進する効果が優れている。
【0022】
触媒元素の濃度は、1×1015〜1×1019原子/cm3 の範囲内とすることが好ましい。1×1015原子/cm3 よりも濃度が低い場合には、結晶化を助長する効果を得ることができない。また、1×1019原子/cm3 以上の高濃度ではシリコンに金属的性質が表れて、半導体特性が消滅してしまうためである。本明細書では、シリコン膜中の触媒元素の濃度は2次イオン質量分析法(SIMS)により分析、測定した値の最大値として定義される。
【0023】
【実施例】
〔実施例1〕本実施例では、結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを導入した結晶性シリコン膜に製作途中のトランジスタを形成し、そのソース・ドレイン領域に燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)により、注入したのち、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、高特性のN型半導体装置を得る方法を示す。以下、高特性の半導体装置とはOFF電流が10pA程度もしくはそれ以下で、素子間の特性のばらつきの小さいものを指す。図1に、本実施例の薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【0024】
まず、ガラス基板(本実施例ではコーニング7059を用いる)101上に厚さ2000Åの下地酸化珪素膜102と、そのさらに上に厚さ500Åのアモルファスシリコン膜103をプラズマCVD法により連続的に成膜する。そして、10ppmの酢酸ニッケル水溶液をシリコン表面に塗布し、スピンコート法により図示しない酢酸ニッケル層を形成する。酢酸ニッケル水溶液には界面活性剤を添加するとよりよい。(図1(A))
【0025】
そして、550℃で4時間の条件で熱アニールすることにより、アモルファスシリコン膜103を結晶化させて、結晶性シリコン膜104を得る。このとき、ニッケルが結晶の核の役割を果たし、アモルファスシリコン膜103の結晶化が促進される。
【0026】
550℃、4時間という低温(コーニング7059の歪み点温度以下)、短時間で処理できるのはニッケルの作用による。詳細については特開平6ー244104に記されている。
【0027】
触媒元素の濃度は、1×1015〜1×1019原子/cm3 の範囲内とすることが好ましい。本実施例記載のシリコン膜中の触媒元素の濃度は、膜中における最小値で1×1017〜5×1018原子/cm3 であり、この値は2次イオン質量分析法(SIMS)により分析、測定値の最大値で定義されたものである。
【0028】
このようにして得られた結晶性シリコン膜104の結晶性をさらに高めるために、大出力パルスレーザーであるエキシマレーザーを該膜に照射する。本実施例ではKrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅30nsec)を使用する。レーザーのエネルギー密度は100mJ/cm2 〜500mJ/cm2 の範囲で該結晶性シリコン膜104の結晶性ができるだけ高くなる値を選択し、照射を行なう。本実施例では、370mJ/cm2 でレーザー照射を行なう。照射対象の面積が、上記エキシマレーザーのビームサイズを越える場合、レーザービームを非照射物に対し相対的にずらしながら照射を行う。このとき、非照射物の1点に注目すると、2〜20ショットのレーザー光が照射されるようにする。また、レーザー照射時の基板温度は200℃とする。(図1(B))
【0029】
次に、結晶性シリコン膜104を島状にエッチングして、島状シリコン領域105を形成する。さらに、プラズマCVD法によって厚さ1200Åの酸化珪素膜106をゲイト絶縁膜として堆積した。プラズマCVDの原料ガスとしては、TEOSと酸素を用いた。成膜時の基板温度は250〜380℃、例えば、300℃とした。(図1(C))
【0030】
引き続いて、スパッタ法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åのアルミニウム膜(0. 1〜2%のシリコンを含む)を堆積して、エッチングして、ゲイト電極107を形成する。(図1(C))
【0031】
次に、イオンドーピング法によって、島状シリコン領域105にゲイト電極107をマスクとして燐イオンを注入する。ドーピングガスとして、水素で1〜10%に希釈されたフォスフィン(PH3 )を用いる。加速電圧は60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量は1×1013〜8×1015原子/cm3 : 例えば、2×1014原子/cm3 とする。この条件において、燐イオンは3×1019原子/cm3 の濃度で島状シリコン領域105に添加される。この結果、N型の不純物領域108(ソース)、109(ドレイン)が形成される。(図1(D))
【0032】
本発明人の経験によるとN型もしくはP型の導電性を付与する不純物のシリコン領域中の濃度は3×1019〜1×1021原子/cm3 の範囲に入っているとよい。イオンドーピング時の基板温度は室温とする。
【0033】
そして、ドーピングされた燐を活性化し、かつ燐にニッケルのゲッタリングを行わせるために、KrFエキシマレーザーを用いて光アニールを行なう。レーザーのエネルギー密度は100〜350mJ/cm3 、例えば、250mJ/cm3 とする。照射対象の面積が、上記エキシマレーザーのビームサイズを越える場合、レーザービームを非照射物に対し相対的にずらしながら照射を行う。このとき、非照射物の1点に注目すると、2〜20ショットのレーザー光が照射されるようにする。また、レーザー照射時の基板温度は200℃とする。その後、窒素雰囲気中で2時間、350℃の熱アニールを行う。本工程では、光アニールと熱アニールとの両方を行うが、どちらか片方だけ行ってもよい。(図1(E))
【0034】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜110を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成し、これにコンタクトホールを開孔する。そして、金属材料、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜を成膜し、パターニングして、TFTのソース、ドレインの電極・配線111、112を形成する。最後に、1気圧の水素雰囲気で200〜350℃の熱アニールを行う。(図1(F))
【0035】
〔実施例2〕本実施例では、結晶化の触媒元素としてニッケルを導入した結晶性シリコン膜を利用したトランジスタの製作工程において、そのソース・ドレイン領域に燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)により、注入し、さらにP型の不純物イオン(本実施例では硼素を含むイオン)を注入した後、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、高特性のP型半導体装置を得る方法を示す。
【0036】
本実施例は実施例1の工程にP型の不純物イオン(本実施例では硼素を含むイオン)をソース・ドレイン領域に注入する工程を加えればよい。この工程は図1(C)に示す燐イオンをドーピングした後に、又は燐イオンをドーピングする前に実施すればよい。以下、追加されるP型の不純物イオンのドーピング工程に関してのみ記述する。
【0037】
本実施例では、シリコン領域にゲイト電極をマスクとしてP型の不純物イオンとして硼素を注入する。ドーピングガスとして、水素で5%に希釈されたジボラン(B2H6)を用いる。加速電圧は60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量は1×1013〜8×1015原子/cm3 、例えば、4×1014原子/cm3 とする。
【0038】
なお、本工程によりソース・ドレイン領域に注入された硼素の該領域中の密度の最大値から、燐の該領域中のそれを引いた密度が3×1019〜1×1021原子/cm3 となるようにドーズ量を調節する。イオンドーピング時の基板温度は室温とする。この結果、P型の不純物領域108(ソース)、109(ドレイン)が形成される。
【0039】
本実施例では、P型のTFTを作製する際に、結晶性シリコン膜から成る活性層に、硼素のようなP型の導電性を付与する不純物のみでなく、ニッケル及び燐を添加するようにしたため、ニッケルの触媒作用により、低温・短時間で結晶性の優れたシリコン膜を得ることができると共に、燐により不要となったニッケルをゲッタリングすることができるため、電気的な特性が優れ、かつ素子ごとに特性のばらつきの少ないTFTを作製することができる。
【0040】
〔実施例3〕本実施例では、結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを導入した結晶性シリコン膜に製作途中のトランジスタを複数個形成し、そのソース・ドレイン領域に燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)により、注入し、さらにP型の不純物イオン(本実施例では硼素を含むイオン)を選択的に注入して、同一基板上に高特性のN型半導体装置とP型半導体装置と作り分ける方法を示す。
【0041】
図2は本実施のTFTの作製工程図であり、CMOS型のTFTの作製工程を示す。まず、図2(A)に示すように、ガラス基板(コーニング1737)201上に、モノシランと一酸化二窒素を原料とするプラズマCVD法によって、下地膜となる酸化珪素膜202を1000〜5000Å、例えば、2000Åの厚さに成膜する。さらに、モノシランを原料とするプラズマCVD法によって厚さ1000Åのアモルファスシリコン膜203を成膜する。
【0042】
次に、非晶質珪素膜203の表面に過酸化水素水によって図示しない酸化珪素膜をごく薄く形成する。次に、1〜30ppm、例えば、10ppmのニッケルを含有した酢酸塩溶液をスピンコート法により塗布して、乾燥して、ニッケルを含有する触媒層204を形成する。(図2(A))
【0043】
その後、窒素雰囲気で550℃、4時間のアニールを施すことにより、非晶質珪素膜203の結晶化をおこなった。この際には、ニッケルは非晶質珪素膜203から下地の酸化珪素膜202へ移動し、上から下へと結晶化が進行する。
【0044】
上記アニールによる結晶化工程の後、XeClレーザー(波長308nm)を照射して、結晶化されたシリコン膜の結晶性をさらに向上させる。
【0045】
次に、図2(B)に示すように、結晶化されたシリコン膜を島状にエッチングして、島状のシリコン領域205、206をそれぞれ形成する。その後、モノシランと一酸化二窒素を原料とするプラズマCVD法によって、厚さ1000Åの酸化珪素膜207をゲイト絶縁膜として成膜する。
【0046】
引き続いて、スパッタ法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば4000Åのアルミニウム膜(0.1〜2%のスカンジウムを含む)を成膜して、エッチングして、ゲイト電極208、209を形成した。
【0047】次に、図2(C)に示すように、イオンドーピング法によって、島状シリコン領域205、206それぞれにゲイト電極208、209をマスクとして、自己整合的に燐イオンをドーピングする。ドーピングガスとして、水素で1〜10%に希釈されたフォスフィン(PH3)を用いる。加速電圧は60〜90kVとし、ドーズ量は1×1013〜8×1015原子/cm3とすればよい。本実施例では、加速電圧を80kVとし、2×1014原子/cm3とする。この条件において、燐イオンが3×1019原子/cm3の濃度で島状シリコン領域205、206それぞれに添加されて、N型の不純物領域210〜213が形成される。
【0048】
次に、図2(D)に示すように、公知のフォトレジスト法により、N型のTFTとなる領域をレジストのマスク214で被覆する。この状態で、イオンドーピング法により、ゲイト電極209をマスクにして、島状シリコン領域206にP型の不純物イオンを添加する。本実施例では、硼素を添加する。ドーピングガスとして、水素で5%に希釈されたジボラン(B26 )を用いる。加速電圧は60〜90kVとし、ドーズ量は1×1013〜8×1015原子/cm3 とすればよい。本実施例では、加速電圧は80kVとし、ドーズ量を4×1014原子/cm3 とする。この結果、島状シリコン領域206において、N型の不純物領域212、213の導電型が反転して、P型の不純物領域215(ソース)、216(ドレイン)が形成される。他方、レジストのマスク214で被覆された不純物領域210、211の導電型はN型のまま保存される。
【0049】
なお、この工程において、ソース・ドレイン領域215、216中の硼素の密度の最大値から、燐の該領域中のそれを引いた密度が3×1019〜1×1021原子/cm3 となるようにドーズ量を調節する。また、イオンドーピング時の基板温度は室温とする。
【0050】
また、本実施例では、燐イオンを添加した後に、硼素を添加するようにしたが、先に、硼素を添加してから、燐イオンを添加するようにしてもよい。この場合は、先ず、図2(D)に示すように、N型TFTの領域をレジストのマスク214で被覆して、硼素イオンを添加する。そして、レジストのマスク214を除去した後に、燐イオンを添加すればよい。
【0051】
次に、レジストのマスク214を除去した後に、図2(E)に示すように、レーザーアニールにより、添加された不純物の活性化させると共に、ドーピング工程により損傷された島状シリコン領域205、206の結晶性を回復させる。本実施例では、N型の不純物領域210、211及びP型の不純物領域215、216に燐が3×1019原子/cm3 の濃度添加されているため、レーザーを照射することにより、燐によりニッケルがゲッタリングされる。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm)を用いる。ニッケルを効果的にゲッタリングするためには、レーザー光の照射条件はエネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とするとよい。また、一か所につき2〜20ショットのレーザー光が照射されるようにするとよい。レーザー光の照射時の基板温度は200℃する。
【0052】
レーザーアニールの後に、窒素雰囲気中で2時間、350℃の温度で熱アニールする。なお、本実施例では、レーザーアニール、熱アニール双方を行うようにしたが、レーザーアニール、熱アニールのいずれか一方を行うようにすればよい。
【0053】
続いて、図2(F)に示すように、厚さ6000Åの酸化珪素膜216を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成する。そして、層間絶縁物216にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、チタン膜とアルミニウム膜の積層膜によってN型TFT、P型TFTの電極・配線217〜221を形成する。最後に、350℃の水素雰囲気中で、2時間熱処理を行う。(図2(F))
【0054】
以上の工程を経て、N型TFT、P型TFTを相補的に組み合わせされたCMOS型のTFTが完成する。
【0055】
〔実施例4〕 本実施例では、結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを導入した結晶性シリコン膜を利用して、LDD構造の薄膜トランジスタを作製する場合において、ソース・ドレイン領域と、LDD領域とに燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)により、注入したのち、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、高特性のN型半導体装置を得る方法を示す。
【0056】
結晶性シリコン膜の形成までは、実施例1で示した方法で行う。その後、公知のLDD構造をもつ薄膜トランジスタを公知の方法にて形成する。ソース・ドレイン領域およびLDD領域の活性化は実施例1記載の方法に従う。図3にサイドウォールを有するLDD構造のTFTを示す。
【0057】
図3に示すように、ソース/ドレイン領域301とチャネル領域の間には、ソース/ドレイン領域よりも不純物濃度が低い低濃度不純物領域302が形成されている。とくに、ドレイン側の低濃度不純物領域302をLDD領域という。
【0058】
本実施例では、ソース/ドレイン領域301には、燐が1×1020〜1×1021原子/cm3 ほど注入されている。また、低濃度不純物領域302には、燐が4×1016〜7×1017原子/cm3 ほど注入されている。これらの値でドーピングを行うと、燐により不要となったニッケルを効果的にゲッタリングすることができるため、素子間で特性のばらつきが少なく、OFF電流の低いTFTを得ることができる。
【0059】
〔実施例5〕本実施例では、結晶化の触媒元素としてニッケルを導入した結晶性シリコン膜を使用して、LDD構造の薄膜トランジスタを作製する場合に、そのLDD領域に燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)により、注入したのち、さらにソース・ドレイン領域とLDD領域とにP型の不純物イオンを注入し、その後、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、高特性のP型半導体装置を得る方法を示す。
【0060】
工程は実施例4とほぼ同様である。異なる点は、LDD領域(215・216)には、燐と共に、燐の濃度を越える濃度で、3×1017〜3×1018原子/cm3 硼素が添加されて、LDD領域がN型からP型に反転している。なお、LDD領域中の硼素の濃度は3×1017〜3×1018原子/cm3 とする。また、ソース(312)・ドレイン(313)領域には、燐の代わりに、硼素が3×1019〜1×1021原子/cm3 ほど注入されて、N型の導電性を示す。
【0061】
LDD領域添加される燐の濃度はゾース/ドレイン領域に添加される燐の濃度よりも2〜4桁程度小さいため、LDD領域をN型からP型に反転させる際には、硼素のドーズ量をゾース/ドレイン領域の導電性を反転させるよりも小さくすることができる。なお、LDD領域をN型からP型に反転させるためには、LDD領域に注入された硼素の該領域中の密度の最大値から燐の該領域中のそれを引いた密度が3×1017〜3×1018原子/cm3 となるように調節する。
【0062】
本実施例では、P型のTFTを作製する際に、結晶性シリコン膜から成る活性層に、硼素のようなP型の導電性を付与する不純物のみでなく、ニッケル及び燐を添加するようにしたため、ニッケルの触媒作用により、低温・短時間で結晶性の優れたシリコン膜を得ることができると共に、燐により不要となったニッケルをゲッタリングすることができるため、電気的な特性が優れ、かつ素子ごとに特性のばらつきの少ないTFTを作製することができる。
【0063】
〔実施例6〕本実施例では、結晶化の触媒元素としてニッケルを導入した結晶性シリコン膜を使用してLDD構造の薄膜トランジスタを形成する際に、ソース・ドレイン領域とLDD領域とに燐を含むイオンを、公知のイオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)により、注入したのち、さらにソース・ドレイン領域とLDD領域とにP型の不純物イオンを注入し、その後、熱アニールもしくは光アニール(もしくはそれら両方)でシリコン膜の結晶性の改善と不純物の活性化を行うことによって、高特性のP型半導体装置を得る方法を示す。
【0064】
工程は実施例5とほぼ同様である。異なる点はソース(212)・ドレイン(213)領域に、燐を越える濃度で硼素が3×1019〜1×1021原子/cm3 ほど注入されている。また、LDD領域(215・216)にも、燐を越える濃度で硼素が3×1017〜4×1018原子/cm3 ほど注入されている。このため、ソース・ドレイン領域、LDD領域とがN型からP型に移行する。
【0065】
このためには、ソース・ドレイン領域に注入された硼素の該領域中の密度の最大値から燐の該領域中のそれを引いた密度が3×1019〜1×1021原子/cm3 となるように、また、LDD領域に注入された硼素の該領域中の密度の最大値から燐の該領域中のそれを引いた密度が3×1017〜3×1018原子/cm3 となるように、硼素のドーピング条件を決定する。
【0066】
本実施例では、P型のTFTを作製する際に、結晶性シリコン膜から成る活性層に、硼素のようなP型の導電性を付与する不純物のみでなく、ニッケル及び燐を添加するようにしたため、ニッケルの触媒作用により、低温・短時間で結晶性の優れたシリコン膜を得ることができると共に、燐によりニッケルをゲッタリングすることができるため、電気的な特性が優れ、かつ素子ごとに特性のばらつきの少ないTFTを作製することができる。
【0067】
〔実施例7〕本実施例では、N型薄膜トランジスタとP型薄膜トランジスタとを相補的に組み合わせたCMOS型薄膜トランジスタを形成する例を示す。図4に本実施例を示す。まず、上面に下地膜を形成したガラス基板(コ−ニング7059又は1737)401上に、プラズマCVD法により真性(I型)のアモルファスシリコン膜を500Åの厚さに成膜して、下地膜として酸化珪素膜402を例えば2000Åの厚さに成膜する。
【0068】
次に、アモルファスシリコン膜403の表面をUV酸化法により、酸化して、図示しない酸化膜をごく薄く形成する。この酸化膜より、アモルファスシリコン膜403の表面特性が改善される。次に、スピンコート法により、1〜30ppm、例えば、10ppmのニッケルを含有した酢酸塩溶液を塗布して、乾燥して、酢酸ニッケル層404を形成する。なお、酢酸ニッケル層404は完全な層を成しているとは限らない。(図4(A))
【0069】
その後、窒素雰囲気で550℃、4時間の熱アニールを施して、アモルファスシリコン膜403を結晶化する。加熱処理により、酢酸ニッケル層404が分解されて、ニッケル元素が図示しない酸化膜を経て、アモルファスシリコン膜403の表面から下地の酸化珪素膜402へ拡散するに伴って、アモルファスシリコン膜403の結晶成長が進行する。結晶化工程の終了後、レーザー光を照射して、結晶化されたシリコン膜の結晶性をさらに向上さてもよい。
【0070】
なお、ニッケル等の金属元素が1×1019原子/cm 以上の高濃度で結晶化されたシリコン膜中に存在していると、シリコンに金属的性質が表れて、半導体特性が消滅してしまい、また、この濃度が1×1015原子/cm3 以下であると、結晶化の効果を得ることができない。このため結晶化されたシリコン膜中のニッケルの濃度は、1×1015〜1×1019原子/cm3 の範囲内とする必要がある。そのため、酢酸塩溶液中のニッケル濃度、酢酸塩溶液の塗布条件等を予め決定しておく。
【0071】
結晶化されたシリコン膜をエッチングして、図4(B)に示すように、島状シリコン領域405、406を形成する。島状シリコン領域405はN型TFTの活性層を構成し、他方島状シリコン領域406はP型TFTの活性層を構成する。
【0072】
さらに、プラズマCVD法により厚さ1500Åの酸化珪素膜407を堆積する。次に、スパッタ法によりアルミニウム膜を4000Åの厚さに堆積する。このアルミニウム膜はゲイト電極408、409を構成するものである。このアルミニウム膜には、予めスカンジウムを0.2wt含有させて、ヒロックやウィスカ−が発生するのを抑制する。
【0073】
次に、アルミニウム膜を電解液中で陽極酸化して、表面に図示しない緻密な陽極酸化膜を100Å程度の厚さに形成し、その緻密な陽極酸化膜上に、フォトレジストのマスク410を形成して、アルミニウム膜をパタ−ニングして、ゲイト電極408、409を形成する。
【0074】
図4(C)に示すように、フォトレジストのマスク410を着けたままで、ゲイト電極408、409を再度陽極酸化する。電解溶液には、クエン酸、シュウ酸、クロム酸又は硫酸を3〜20%含有した酸性溶液、例えば3%シュウ酸水溶液を使用する。この場合には、ゲイト電極408、409の表面にフォトレジストのマスク410と図示しない緻密な陽極酸化膜が存在するため、ゲイト電極408、409の側面のみに多孔質の陽極酸化物411、412が形成される。この多孔質の陽極酸化物411、412の成長距離で低濃度不純物領域(LDD領域)の長さを決定される。この成長距離は陽極酸化の処理時間で制御することができる。本実施例では、多孔質の陽極酸化物411、412を7000Åの長さに成長させる。
【0075】
フォトレジストのマスク410を除去した後に、再びゲイト電極411、412を陽極酸化して、緻密で強固な陽極酸化膜409、410を形成する。本実施例では、電解溶液として3%酒石酸のエチレングリコ−ル溶液を、アンモニア水でPH6.9に中和して使用する。(図4(D))
【0076】
次に、多孔質の陽極酸化物411、412、及び緻密な陽極酸化物413、414をマスクにして、酸化珪素膜407をエッチングして、ゲイト絶縁膜415、416をそれぞれする。エッチング方法はこれらの陽極酸化物411〜414をエッチングせず、酸化珪素膜407のみをエッチング可能であれば、ウェットエッチング法でも、ドライエッチング法のいずれを採用してもよい。本実施例では、ClF3 ガスを用いたドライエッチングによって、酸化珪素膜407をエッチングする。
【0077】
図4(E)に示すように、図示しない緻密な陽極酸化物、多孔質な陽極酸化物411、412を順次に除去する。図示しない緻密な陽極酸化物はバッファ−フッ酸で除去し、多孔質の陽極酸化物411、412は燐酸、酢酸及び硝酸を混合した混酸を用いて除去する。多孔質の陽極酸化物411、412は容易に除去できるため、緻密で強固な陽極酸化物413、414がエッチングされることはない。
【0078】
次に、ゲイト電極408、409をマスクにして、イオンド−ピング法により、島状シリコン405、406に不純物を注入する。本実施例では、まず燐を注入するために、ド−ピングガスに水素で1〜10%に希釈したフォスフィン(PH3)を用いる。また、ド−ピング時の基板温度は室温とする。この場合、ゲイト絶縁膜415、416が半透過なマスクとして機能するように、加速電圧、ドーズ量、ドーピング回数等のドーピング条件を適宜に設定する。
【0079】
ドーピングにより、島状シリコン領域405、406において、表面が露出されている領域は高濃度に燐イオンが注入されて、N型の高濃度不純物領域417〜420が形成される。これらN型の高濃度不純物領域417〜420はTFTのソース/ドレイン領域となる。また、ゲイト電極405、406の直下の領域は燐イオンが注入されないため、チャネル形成領域421、422が形成される。更に、ゲイト絶縁膜415、416のみに覆われている領域は、燐イオンがゲイト絶縁膜415、416に遮られるために、燐の注入量が小さく、N型の低濃度不純物領域423〜426が形成される。(図4(E))
【0080】
なお、上記のドーピング工程において、燐イオンの濃度が、N型の高濃度不純物領域417〜429において3×1019〜1×1021原子/cm3 となるように、更に、低濃度不純物領域423〜426において4×1016〜7×1017原子/cm3 となるように、ドーピング工程の条件を設定する。
【0081】
次に、図4(F)レジスト427で被覆して、パタ−ニングして、P型TFTとなる部分のレジストを除去する。続いて、P型の導電性を付与するための不純物として、硼素をイオンド−ピング法により注入する。ドーピングガスとして、水素で5%に希釈されたジボラン(B26 )を用いる。イオンドーピング時の基板温度は室温とする。この結果、島状シリコン領域406において、N型の高濃度不純物領域419、420、及びN型の低濃度不純物領域425、426はそれぞれ導電型が反転して、P型の高濃度不純物領域428(ソース)、429(ドレイン)、及びP型の低濃度不純物領域430、431となる。他方、レジスト427で被覆された高濃度不純物領域417(ソース)、418(ドレイン)、及び低濃度不純物領域423、424の導電型はN型のまま保存される。
【0082】
なお、 ソース・ドレイン領域となるP型の高濃度不純物領域428、429において、硼素の濃度が当該領域中の燐の濃度よりも3×1019〜1×1021原子/cm3 高く、P型の低濃度不純物領域430、431において、硼素の濃度が燐の濃度より3×1017〜4×1018原子/cm3 高くなるように、ドーピング工程の条件を決定する。
【0083】
次に、レジストのマスク214を除去した後に、図4(G)に示すように、レーザーアニールにより、添加された不純物の活性化させると共に、ドーピング工程により損傷された島状シリコン領域405、406の結晶性を回復させる。
【0084】
本実施例では、N型及びP型のソース/ドレイン417、418、428、429には燐が1×1020〜1×1021原子/cm3 の濃度で注入され、更に、N型及びP型の低濃度不純物領域423、424、430、432には燐が4×1016〜7×1017原子/cm3 濃度で注入されているため、レーザーを照射することにより、燐によりニッケルが効果的にゲッタリングされる。
【0085】
レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm)を用いた場合には、ニッケルを効果的にゲッタリングするためには、レーザー光の照射条件はエネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とするとよい。また、一か所につき2〜20ショットのレーザー光が照射されるようにするとよい。レーザー光の照射時の基板温度は200℃とする。
【0086】
レーザーアニールの後に、窒素雰囲気中で2時間、350℃の温度で熱アニールする。なお、本実施例では、レーザーアニール、熱アニール双方を行うようにしたが、レーザーアニール、熱アニールのいずれか一方を行うようにすればよい。
【0087】
図4(H)に示すように、厚さ1μmの酸化珪素膜を層間絶縁膜432としてプラズマCVD法により形成し、これにコンタクトホ−ルを形成する。そして、このコンタクトホ−ルに、金属材料、例えばチタンとアルミニウムの多層膜により、ソ−ス/ドレインの電極、配線433、434、435を形成する。最後に、350℃の水素雰囲気中において、2時間の加熱処理を行う。以上の工程を経て、CMOS薄膜トランジスタが完成される。(図4(H))
【0088】
また、本実施例では、燐イオンを添加した後に、硼素を添加するようにしたが、先に、硼素を添加してから、燐イオンを添加するようにしてもよい。この場合は、先ず、図2(D)に示すように、N型TFTの領域をレジスト427で被覆して、硼素イオンを添加する。そして、レジスト427を除去した後に、燐イオンを添加すればよい。
【0089】
【発明の効果】
本発明により、結晶化の触媒元素を導入した結晶性シリコン膜を用いても、OFF電流が低く、特性にばらつきの少ない薄膜TFTを作成することが可能となった。
【0090】
特に、結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを用いた場合、その効果は著しかった。この効果は、同一基板上に複数の同一機能を有する素子を形成する場合に特に有効である。というのは、OFF電流が素子間で大きくばらついた場合、素子間で特性の不均一が生じるからである。このような不均一は特にTFT液晶ディスプレイ装置中に形成される画素に対して有害なものである。よって、本発明は工業上有益な物であると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1、2の薄膜トランジスタの作製工程図である。
【図2】実施例3の薄膜トランジスタの作製工程図である。
【図3】実施例4の薄膜トランジスタの構成図である。
【図4】実施例7の薄膜トランジスタの作製工程図である。
【符号の説明】
101 ガラス基板
102 下地膜
103 非晶質珪素膜
105 活性層
106 ゲイト絶縁膜
107 ゲイト電極
108、212 ソース領域
109、213 ドレイン領域
110、217 層間絶縁膜
111、218 ソース電極
112、219 ドレイン電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing an insulated gate semiconductor element such as a thin film transistor (TFT) having a non-single-crystal crystalline silicon film and other semiconductor devices in the process of manufacturing an impurity (Ni or the like) contained in the crystalline silicon film. The present invention relates to a doping technique for minimizing an adverse effect on a device. In particular, the present invention is particularly useful when the crystalline silicon film is formed with the aid of a crystallization catalyst element (such as Ni).
[0002]
[Prior art]
In recent years, studies have been made on an insulated gate semiconductor device having a thin-film active layer (also referred to as an active region) on an insulating substrate. In particular, a thin film insulated gate transistor, a so-called thin film transistor (TFT), has been enthusiastically studied. Thin film transistors are classified into amorphous silicon TFTs and crystalline silicon TFTs according to the material and crystalline state of the semiconductor used. However, crystalline silicon is not single crystal but non-single crystal. Therefore, these are collectively referred to as non-single-crystal silicon TFTs.
[0003]
In general, the electric field mobility of a semiconductor in an amorphous state is small, and therefore, it cannot be used for a TFT requiring high-speed operation. Further, in the case of amorphous silicon, since the P-type electric field mobility is extremely small, a P-channel TFT (PMOS TFT) cannot be manufactured. Therefore, a complementary MOS circuit (CMOS) cannot be formed in combination with an N-channel TFT (NMOS TFT).
[0004]
On the other hand, a crystalline semiconductor has higher electric field mobility than an amorphous semiconductor, and thus can operate at high speed. In crystalline silicon, not only an NMOS TFT but also a PMOS TFT can be obtained in the same manner, so that a CMOS circuit can be formed.
[0005]
The non-single-crystal crystalline silicon film is obtained by thermally annealing an amorphous silicon film obtained by a vapor growth method at an appropriate temperature (usually 600 ° C. or higher) for a long time or irradiating a strong light such as a laser ( Light annealing).
[0006]
Regarding the method by thermal annealing, as described in JP-A-6-244104, elements such as nickel, iron, cobalt, platinum and palladium (hereinafter referred to as crystallization catalyst elements or simply catalyst elements) are made of amorphous silicon. By utilizing the effect of accelerating the crystallization of the crystalline silicon film, a crystalline silicon film can be obtained by thermal annealing at a lower temperature and for a shorter time than usual.
[0007]
Other similar techniques are disclosed in JP-A-6-318701 and JP-A-6-333951. In the silicon film having such a crystallization catalyst element, impurity regions such as a source and a drain were formed by irradiating and implanting N-type or P-type impurity ions by means such as ion doping. It has been clarified that the activation of the impurity element can be performed by thermal annealing at a lower temperature than in the past. (JP-A-6-267980, JP-A-6-267789)
[0008]
For this purpose, the concentration of the crystallization catalyst element is 1 × 1015~ 1 × 1019Atom / cmThree It is desirable that If the concentration is lower than this range, crystallization is not promoted, and if the concentration is higher than this range, the characteristics of the silicon semiconductor are adversely affected. In this case, the concentration of the catalyst element is defined as a maximum value analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In many cases, the catalytic element shows a distribution in the film.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a semiconductor device manufactured using crystalline silicon containing a catalyst element that promotes the above-mentioned crystallization, many devices having high electric field mobility and high OFF current have poor characteristics. In particular, when a large number of the semiconductor devices are formed on the same substrate, not only the OFF current is high but also the value of the OFF current greatly varies among the semiconductor devices.
[0010]
It is considered that the cause of the increase in the OFF current and the above-mentioned variation are caused by the catalyst element which promotes the crystallization. That is, it is presumed that the main cause is that the catalytic element that promotes the crystallization is applied to the junction.
[0011]
Such characteristics are fatal defects particularly for TFTs constituting a pixel portion of a liquid crystal display.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Among semiconductor devices manufactured using crystalline silicon into which nickel has been introduced as a catalyst element for promoting crystallization, those having impurity regions such as source and drain formed of phosphorus have a relatively low OFF current (10 pA). (Or less) or less, and the above-mentioned variation was hardly observed. Based on this fact, the characteristics of phosphorus have been carefully studied, and as a result, it has been found that phosphorus has been reported to have the property of gettering impurities.
[0013]
According to the report, phosphorus shows a particularly high gettering function for nickel. In addition, elements that are considered to have an adverse effect on a semiconductor device, such as copper and iron, can be gettered by phosphorus. From these facts, it can be inferred that phosphorus neutralizes the characteristics of nickel in the above-described semiconductor device in some way and suppresses the adverse effect on the OFF current characteristics of nickel.
[0014]
A first aspect of the present invention is that a source-drain region of an active layer composed of a crystalline silicon film into which a catalytic element for promoting crystallization is introduced is doped with phosphorus-containing ions by a known ion doping method (also referred to as a plasma doping method). After the ion implantation, the N-type semiconductor device is obtained by improving the crystallinity of the silicon film and activating impurities by thermal annealing or optical annealing (or both).
[0015]
A second aspect of the present invention is that a source-drain region of an active layer composed of a crystalline silicon film into which a catalytic element for promoting crystallization is introduced is doped with phosphorus-containing ions by a known ion doping method (also referred to as a plasma doping method). After ion implantation, P-type impurities are further implanted into silicon which has been converted into N-type with phosphorus by the same method as phosphorus, and the crystallinity of the silicon film is improved by thermal annealing or optical annealing (or both). And activation of impurities to obtain a P-type semiconductor device.
[0016]
A third aspect of the present invention is a known ion doping method (also referred to as a plasma doping method) in which phosphorus-containing ions are added to source / drain regions of an active layer formed of a crystalline silicon film into which a catalytic element that promotes crystallization is introduced, Alternatively, after implantation by an ion implantation method, a P-type impurity is further implanted into a desired portion of silicon which has been converted into N-type with phosphorus by a method similar to that of phosphorus, and the silicon film is subjected to thermal annealing or optical annealing (or both). By improving crystallinity and activating impurities, an N-type semiconductor device and a P-type semiconductor device are selectively obtained on the same substrate.
[0017]
A fourth aspect of the present invention is that a phosphorus-containing ion is doped in the LDD region and the source / drain region of the active layer made of a crystalline silicon film into which a catalytic element for promoting crystallization is introduced by a known ion doping method (plasma doping method). Or by ion implantation, and then improving the crystallinity of the silicon film and activating impurities by thermal annealing or optical annealing (or both) to obtain an N-type semiconductor device. And
[0018]
A fifth aspect of the present invention is that a phosphorus-containing ion is introduced into an LDD region of an active layer made of a crystalline silicon film into which a catalytic element for promoting crystallization is introduced by a known ion doping method (also referred to as a plasma doping method) or ion implantation. After implantation, a P-type impurity is further implanted into the LDD region and the source / drain region in the same manner as phosphorus, and the crystallinity of the silicon film is improved by thermal annealing or optical annealing (or both). And activation of impurities to obtain a P-type semiconductor device.
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, phosphorus-containing ions are doped in the LDD region and the source / drain region of the active layer made of a crystalline silicon film into which a catalytic element for promoting crystallization is introduced by a known ion doping method (plasma doping method). Or an ion implantation method, and then implant a P-type impurity into the N-type silicon with phosphorus in the same manner as phosphorus, and thermally or optically anneal (or both) the silicon film. A P-type semiconductor device is obtained by improving crystallinity and activating impurities.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention, in an active layer made of a crystalline silicon film into which a catalytic element for promoting crystallization is introduced, ions containing phosphorus in the LDD region and the source / drain regions are formed by a known ion doping method (plasma). After doping by ion implantation, P-type impurities are further implanted into a desired portion of silicon which has been converted into N-type with phosphorus by a method similar to that for phosphorus, and then thermal annealing or optical annealing (or the like) is performed. In both cases, the N-type semiconductor device and the P-type semiconductor device are obtained on the same substrate by improving the crystallinity of the silicon film and activating impurities.
[0021]
In the first to seventh aspects of the present invention, a metal element such as nickel, platinum, cobalt, iron, or palladium may be used as a catalyst element for promoting crystallization. In particular, the effect of promoting crystallization of silicon is excellent.
[0022]
The concentration of the catalyst element is 1 × 1015~ 1 × 1019Atom / cmThree Is preferably within the range. 1 × 1015Atom / cmThree If the concentration is lower than the above, the effect of promoting crystallization cannot be obtained. Also, 1 × 1019Atom / cmThree This is because at such a high concentration, silicon has metallic properties and the semiconductor properties disappear. In this specification, the concentration of a catalytic element in a silicon film is defined as the maximum value of values analyzed and measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
[0023]
【Example】
[Embodiment 1] In this embodiment, a transistor during fabrication is formed on a crystalline silicon film into which nickel has been introduced as a catalyst element for promoting crystallization, and ions containing phosphorus are formed in the source / drain regions by known ions. After implantation by a doping method (also referred to as a plasma doping method), the crystallinity of the silicon film is improved and the impurities are activated by thermal annealing or optical annealing (or both), thereby providing a high-performance N-type semiconductor device. Here is how to get Hereinafter, a high-performance semiconductor device refers to a device having an OFF current of about 10 pA or less and a small variation in characteristics between elements. FIG. 1 shows a manufacturing process of the thin film transistor of this embodiment.
[0024]
First, a 2000-mm-thick base silicon oxide film 102 is formed on a glass substrate (Corning 7059 is used in this embodiment) 101, and a 500-mm-thick amorphous silicon film 103 is continuously formed thereon by a plasma CVD method. I do. Then, a 10 ppm aqueous solution of nickel acetate is applied to the silicon surface, and a nickel acetate layer (not shown) is formed by spin coating. It is better to add a surfactant to the aqueous nickel acetate solution. (Fig. 1 (A))
[0025]
Then, the amorphous silicon film 103 is crystallized by thermal annealing at 550 ° C. for 4 hours to obtain a crystalline silicon film 104. At this time, nickel plays a role of a crystal nucleus, and crystallization of the amorphous silicon film 103 is promoted.
[0026]
The processing at a low temperature of 550 ° C. for 4 hours (below the strain point temperature of Corning 7059) and in a short time is due to the action of nickel. Details are described in JP-A-6-244104.
[0027]
The concentration of the catalyst element is 1 × 1015~ 1 × 1019Atom / cmThree Is preferably within the range. The concentration of the catalytic element in the silicon film described in this embodiment is 1 × 1017~ 5 × 1018Atom / cmThree This value is defined by the maximum value of the analysis and measurement values by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
[0028]
In order to further enhance the crystallinity of the crystalline silicon film 104 obtained as described above, the film is irradiated with an excimer laser which is a high-power pulse laser. In this embodiment, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 30 nsec) is used. Laser energy density is 100mJ / cmTwo   ~ 500mJ / cmTwo Is selected so that the crystallinity of the crystalline silicon film 104 is as high as possible, and irradiation is performed. In this embodiment, 370 mJ / cmTwo Laser irradiation. When the area of the irradiation object exceeds the beam size of the excimer laser, the irradiation is performed while the laser beam is relatively shifted with respect to the non-irradiation object. At this time, focusing on one point of the non-irradiated object, the laser light of 2 to 20 shots is irradiated. The substrate temperature during laser irradiation is set to 200 ° C. (FIG. 1 (B))
[0029]
Next, the crystalline silicon film 104 is etched into an island shape to form an island-shaped silicon region 105. Further, a silicon oxide film 106 having a thickness of 1200 ° was deposited as a gate insulating film by a plasma CVD method. TEOS and oxygen were used as source gases for plasma CVD. The substrate temperature during film formation was 250 to 380 ° C, for example, 300 ° C. (Fig. 1 (C))
[0030]
Subsequently, a gate electrode 107 is formed by depositing and etching an aluminum film (containing 0.1 to 2% of silicon) having a thickness of 3000 to 8000, for example, 6000, by a sputtering method. (Fig. 1 (C))
[0031]
Next, phosphorus ions are implanted into the island-shaped silicon region 105 using the gate electrode 107 as a mask by an ion doping method. Phosphine (PH) diluted to 1 to 10% with hydrogen is used as a doping gas.Three ) Is used. The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 1013~ 8 × 1015Atom / cmThree :For example, 2 × 1014Atom / cmThree And Under these conditions, phosphorus ions are 3 × 1019Atom / cmThree Is added to the island-shaped silicon region 105 at a concentration of As a result, N-type impurity regions 108 (source) and 109 (drain) are formed. (Fig. 1 (D))
[0032]
According to the inventor's experience, the concentration of the impurity imparting N-type or P-type conductivity in the silicon region is 3 × 1019~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree It is good to be in the range. The substrate temperature during ion doping is room temperature.
[0033]
Then, optical annealing is performed using a KrF excimer laser to activate the doped phosphorus and cause the phosphorus to getter nickel. Laser energy density is 100-350mJ / cmThree For example, 250 mJ / cmThree And When the area of the irradiation object exceeds the beam size of the excimer laser, the irradiation is performed while the laser beam is relatively shifted with respect to the non-irradiation object. At this time, focusing on one point of the non-irradiated object, the laser light of 2 to 20 shots is irradiated. The substrate temperature during laser irradiation is set to 200 ° C. Thereafter, thermal annealing is performed at 350 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. In this step, both the optical annealing and the thermal annealing are performed, but only one of them may be performed. (FIG. 1 (E))
[0034]
Subsequently, a silicon oxide film 110 having a thickness of 6000 ° is formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method, and a contact hole is formed in the silicon oxide film 110. Then, a metal material, for example, a multilayer film of titanium and aluminum is formed and patterned to form the source / drain electrodes / wirings 111 and 112 of the TFT. Finally, thermal annealing at 200 to 350 ° C. is performed in a hydrogen atmosphere at 1 atm. (FIG. 1 (F))
[0035]
[Embodiment 2] In this embodiment, in a process of manufacturing a transistor using a crystalline silicon film into which nickel has been introduced as a crystallization catalyst element, ions containing phosphorus in the source / drain regions are formed by a known ion doping method. (Also referred to as a plasma doping method), and then implanted with P-type impurity ions (in the present embodiment, ions containing boron). A method for obtaining a high-performance P-type semiconductor device by improving and activating impurities will be described.
[0036]
In this embodiment, a step of implanting P-type impurity ions (in this embodiment, ions containing boron) into the source / drain regions may be added to the steps of the first embodiment. This step may be performed after doping with phosphorus ions shown in FIG. 1C or before doping with phosphorus ions. Hereinafter, only the doping process of the added P-type impurity ions will be described.
[0037]
In this embodiment, boron is implanted into the silicon region as a P-type impurity ion using the gate electrode as a mask. Diborane (B2H6) diluted to 5% with hydrogen is used as a doping gas. The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 1013~ 8 × 1015Atom / cmThree , For example, 4 × 1014Atom / cmThree And
[0038]
Note that the density obtained by subtracting the density of phosphorus in the region from the maximum value of the density of boron implanted in the source / drain regions in the region by this step is 3 × 1019~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree The dose is adjusted so that The substrate temperature during ion doping is room temperature. As a result, P-type impurity regions 108 (source) and 109 (drain) are formed.
[0039]
In this embodiment, when a P-type TFT is manufactured, nickel and phosphorus are added to an active layer made of a crystalline silicon film, in addition to an impurity such as boron that imparts P-type conductivity. Therefore, by the catalytic action of nickel, a silicon film having excellent crystallinity can be obtained at a low temperature and in a short time, and nickel which is no longer necessary due to phosphorus can be gettered. In addition, a TFT with less variation in characteristics for each element can be manufactured.
[0040]
[Embodiment 3] In this embodiment, a plurality of transistors during fabrication are formed in a crystalline silicon film into which nickel has been introduced as a catalyst element for promoting crystallization, and ions containing phosphorus are known in source / drain regions. Is implanted by an ion doping method (also referred to as a plasma doping method), and P-type impurity ions (in the present embodiment, ions containing boron) are selectively implanted to form a high-performance N-type semiconductor on the same substrate. A method for separately producing the device and the P-type semiconductor device will be described.
[0041]
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the TFT of this embodiment, and shows a manufacturing process of a CMOS type TFT. First, as shown in FIG. 2A, a silicon oxide film 202 serving as a base film is formed on a glass substrate (Corning 1737) 201 by a plasma CVD method using monosilane and dinitrogen monoxide as raw materials at 1000 to 5000 °. For example, a film is formed to a thickness of 2000 mm. Further, an amorphous silicon film 203 having a thickness of 1000 ° is formed by a plasma CVD method using monosilane as a raw material.
[0042]
Next, a very thin silicon oxide film (not shown) is formed on the surface of the amorphous silicon film 203 using a hydrogen peroxide solution. Next, an acetate solution containing 1 to 30 ppm, for example, 10 ppm of nickel is applied by a spin coating method and dried to form a catalyst layer 204 containing nickel. (Fig. 2 (A))
[0043]
Thereafter, the amorphous silicon film 203 was crystallized by annealing at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. At this time, nickel moves from the amorphous silicon film 203 to the underlying silicon oxide film 202, and crystallization proceeds from top to bottom.
[0044]
After the crystallization step by annealing, XeCl laser (wavelength 308 nm) is irradiated to further improve the crystallinity of the crystallized silicon film.
[0045]
Next, as shown in FIG. 2B, the crystallized silicon film is etched into islands to form island-shaped silicon regions 205 and 206, respectively. After that, a silicon oxide film 207 having a thickness of 1000 ° is formed as a gate insulating film by a plasma CVD method using monosilane and dinitrogen monoxide as raw materials.
[0046]
Subsequently, an aluminum film (containing 0.1 to 2% of scandium) having a thickness of 3000 to 8000 °, for example, 4000 ° was formed by a sputtering method and etched to form gate electrodes 208 and 209.
Next, as shown in FIG. 2 (C), phosphorus ions are doped in a self-aligned manner into the island-shaped silicon regions 205 and 206 by using the gate electrodes 208 and 209 as masks. Phosphine (PH) diluted to 1 to 10% with hydrogen is used as a doping gas.Three) Is used. The acceleration voltage is 60 to 90 kV, and the dose is 1 × 1013~ 8 × 1015Atom / cmThreeAnd it is sufficient. In this embodiment, the acceleration voltage is set to 80 kV and 2 × 1014Atom / cmThreeAnd Under these conditions, 3 × 1019Atom / cmThreeIs added to each of the island-shaped silicon regions 205 and 206 to form N-type impurity regions 210 to 213.
[0048]
Next, as shown in FIG. 2D, a region to be an N-type TFT is covered with a resist mask 214 by a known photoresist method. In this state, P-type impurity ions are added to the island-shaped silicon region 206 by ion doping using the gate electrode 209 as a mask. In this embodiment, boron is added. As a doping gas, diborane (B) diluted to 5% with hydrogenTwo H6 ) Is used. The acceleration voltage is 60 to 90 kV, and the dose is 1 × 1013~ 8 × 1015Atom / cmThree And it is sufficient. In this embodiment, the acceleration voltage is 80 kV and the dose is 4 × 1014Atom / cmThree And As a result, in the island-shaped silicon region 206, the conductivity types of the N-type impurity regions 212 and 213 are inverted, and P-type impurity regions 215 (source) and 216 (drain) are formed. On the other hand, the conductivity types of the impurity regions 210 and 211 covered with the resist mask 214 are stored as N-type.
[0049]
In this step, the density obtained by subtracting the concentration of phosphorus in the source / drain regions 215 and 216 from the maximum value of boron in the region is 3 × 10 5.19~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree The dose is adjusted so that The substrate temperature during ion doping is room temperature.
[0050]
Further, in this embodiment, boron is added after adding phosphorus ions. However, phosphorus ions may be added after adding boron first. In this case, first, as shown in FIG. 2D, the region of the N-type TFT is covered with a resist mask 214, and boron ions are added. Then, after removing the resist mask 214, phosphorus ions may be added.
[0051]
Next, after removing the resist mask 214, as shown in FIG. 2E, the added impurities are activated by laser annealing, and the island-shaped silicon regions 205 and 206 damaged by the doping process are activated. Restores crystallinity. In this embodiment, the N type impurity regions 210 and 211 and the P type impurity regions 215 and 216 contain 3 × 10 3 phosphorus.19Atom / cmThree , Nickel is gettered by phosphorus by laser irradiation. As a laser beam, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is used. In order to effectively getter nickel, the irradiation condition of the laser beam is such that the energy density is 200 to 400 mJ / cm.Two , For example, 250 mJ / cmTwo It is good to Further, it is preferable that the laser light of 2 to 20 shots is irradiated per one place. The substrate temperature at the time of laser light irradiation is 200 ° C.
[0052]
After the laser annealing, thermal annealing is performed at 350 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. In this embodiment, both the laser annealing and the thermal annealing are performed, but either one of the laser annealing and the thermal annealing may be performed.
[0053]
Subsequently, as shown in FIG. 2F, a silicon oxide film 216 having a thickness of 6000 ° is formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Then, a contact hole is formed in the interlayer insulator 216, and electrodes and wirings 217 to 221 of an N-type TFT and a P-type TFT are formed using a metal material, for example, a laminated film of a titanium film and an aluminum film. Finally, heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere at 350 ° C. for 2 hours. (FIG. 2 (F))
[0054]
Through the above steps, a CMOS TFT in which an N-type TFT and a P-type TFT are complementarily combined is completed.
[0055]
Embodiment 4 In this embodiment, when a thin film transistor having an LDD structure is manufactured using a crystalline silicon film into which nickel is introduced as a catalyst element for promoting crystallization, a source / drain region, an LDD region, Then, ions containing phosphorus are implanted by a known ion doping method (also referred to as a plasma doping method), and then thermal anneal and / or optical anneal (or both) are performed to improve the crystallinity of the silicon film and activate the impurities. In this manner, a method for obtaining an N-type semiconductor device having high characteristics will be described.
[0056]
The steps up to the formation of the crystalline silicon film are performed by the method described in the first embodiment. Thereafter, a thin film transistor having a known LDD structure is formed by a known method. The activation of the source / drain region and the LDD region follows the method described in the first embodiment. FIG. 3 shows a TFT having an LDD structure having sidewalls.
[0057]
As shown in FIG. 3, a low-concentration impurity region 302 having a lower impurity concentration than the source / drain region is formed between the source / drain region 301 and the channel region. In particular, the low concentration impurity region 302 on the drain side is called an LDD region.
[0058]
In this embodiment, the source / drain region 301 contains 1 × 1020~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree It is injected so much. In the low concentration impurity region 302, 4 × 1016~ 7 × 1017Atom / cmThree It is injected so much. When doping is performed at these values, unnecessary nickel due to phosphorus can be effectively gettered, so that a TFT having a small variation in characteristics between elements and a low OFF current can be obtained.
[0059]
[Embodiment 5] In this embodiment, when a thin film transistor having an LDD structure is manufactured using a crystalline silicon film into which nickel has been introduced as a crystallization catalyst element, ions containing phosphorus are known in the LDD region. Is implanted by an ion doping method (also referred to as a plasma doping method), P-type impurity ions are further implanted into the source / drain region and the LDD region, and then silicon is subjected to thermal annealing or optical annealing (or both). A method for obtaining a high-performance P-type semiconductor device by improving crystallinity of a film and activating impurities will be described.
[0060]
The steps are almost the same as in Example 4. The difference is that the LDD regions (215 and 216) have a concentration of 3 × 1017~ 3 × 1018Atom / cmThree With the addition of boron, the LDD region is inverted from N-type to P-type. The concentration of boron in the LDD region is 3 × 1017~ 3 × 1018Atom / cmThree And In the source (312) / drain (313) region, boron is replaced by 3 × 10 3 instead of phosphorus.19~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree Implanted to show N-type conductivity.
[0061]
Since the concentration of phosphorus added to the LDD region is about two to four orders of magnitude lower than the concentration of phosphorus added to the zose / drain region, when inverting the LDD region from N-type to P-type, the dose of boron is reduced. The conductivity of the source / drain region can be made smaller than when the conductivity is inverted. In order to invert the LDD region from N-type to P-type, the density obtained by subtracting that of phosphorus in the region from the maximum value of the density of boron in the LDD region in the region is 3 × 10 3.17~ 3 × 1018Atom / cmThree Adjust so that
[0062]
In this embodiment, when a P-type TFT is manufactured, nickel and phosphorus are added to an active layer made of a crystalline silicon film, in addition to an impurity such as boron that imparts P-type conductivity. Therefore, by the catalytic action of nickel, a silicon film having excellent crystallinity can be obtained at a low temperature and in a short time, and nickel which is no longer necessary due to phosphorus can be gettered. In addition, a TFT with less variation in characteristics for each element can be manufactured.
[0063]
[Embodiment 6] In this embodiment, when a thin film transistor having an LDD structure is formed using a crystalline silicon film into which nickel is introduced as a crystallization catalyst element, phosphorus is contained in a source / drain region and an LDD region. Ions are implanted by a known ion doping method (also referred to as a plasma doping method), and then P-type impurity ions are further implanted into the source / drain region and the LDD region. In both cases, a method for obtaining a high-performance P-type semiconductor device by improving the crystallinity of a silicon film and activating impurities will be described.
[0064]
The steps are almost the same as in the fifth embodiment. The difference is that in the source (212) / drain (213) regions, boron is contained in a concentration exceeding 3 × 1019~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree It is injected so much. Also, in the LDD regions (215 and 216), boron is contained in a concentration exceeding 3 × 10 3 at a concentration exceeding phosphorus.17~ 4 × 1018Atom / cmThree It is injected so much. Therefore, the source / drain region and the LDD region shift from N type to P type.
[0065]
For this purpose, the density obtained by subtracting the maximum density of boron in the source / drain region in the region from the maximum value of the density of boron in the region is 3 × 10 4.19~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree And the maximum density of boron implanted in the LDD region minus the density of phosphorus in the region is 3 × 1017~ 3 × 1018Atom / cmThree The boron doping condition is determined so that
[0066]
In this embodiment, when a P-type TFT is manufactured, nickel and phosphorus are added to an active layer made of a crystalline silicon film, in addition to an impurity such as boron that imparts P-type conductivity. Therefore, a silicon film having excellent crystallinity can be obtained at a low temperature and in a short time by the catalytic action of nickel, and nickel can be gettered by phosphorus, so that electrical characteristics are excellent and each element has A TFT with less variation in characteristics can be manufactured.
[0067]
[Embodiment 7] In this embodiment, an example in which a CMOS thin film transistor in which an N type thin film transistor and a P type thin film transistor are complementarily combined is formed. FIG. 4 shows this embodiment. First, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film is formed to a thickness of 500 ° by a plasma CVD method on a glass substrate (corning 7059 or 1737) 401 on which an underlayer is formed on the upper surface. A silicon oxide film 402 is formed to a thickness of, for example, 2000 °.
[0068]
Next, the surface of the amorphous silicon film 403 is oxidized by a UV oxidation method to form an extremely thin oxide film (not shown). With this oxide film, the surface characteristics of the amorphous silicon film 403 are improved. Next, an acetate solution containing 1 to 30 ppm, for example, 10 ppm of nickel is applied by a spin coating method and dried to form a nickel acetate layer 404. Note that the nickel acetate layer 404 does not always form a complete layer. (FIG. 4A)
[0069]
After that, thermal annealing is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to crystallize the amorphous silicon film 403. By the heat treatment, the nickel acetate layer 404 is decomposed, and as the nickel element diffuses from the surface of the amorphous silicon film 403 to the underlying silicon oxide film 402 through the oxide film (not shown), the crystal growth of the amorphous silicon film 403 occurs. Progresses. After the crystallization step, laser light may be irradiated to further improve the crystallinity of the crystallized silicon film.
[0070]
The metal element such as nickel is 1 × 1019When present in a crystallized silicon film at a high concentration of at least atoms / cm 2, metallic properties appear in silicon and semiconductor characteristics disappear, and the concentration of 1 × 1015Atom / cmThree If it is less than the above, the crystallization effect cannot be obtained. Therefore, the concentration of nickel in the crystallized silicon film is 1 × 1015~ 1 × 1019Atom / cmThree Must be within the range. Therefore, the nickel concentration in the acetate solution, the application conditions of the acetate solution, and the like are determined in advance.
[0071]
The crystallized silicon film is etched to form island-shaped silicon regions 405 and 406 as shown in FIG. The island-shaped silicon region 405 forms the active layer of the N-type TFT, while the island-shaped silicon region 406 forms the active layer of the P-type TFT.
[0072]
Further, a 1500-nm-thick silicon oxide film 407 is deposited by a plasma CVD method. Next, an aluminum film is deposited to a thickness of 4000 ° by sputtering. This aluminum film constitutes the gate electrodes 408 and 409. The aluminum film contains 0.2 wt% of scandium in advance to suppress generation of hillocks and whiskers.
[0073]
Next, the aluminum film is anodized in an electrolytic solution to form a dense anodic oxide film (not shown) on the surface to a thickness of about 100 °, and a photoresist mask 410 is formed on the dense anodic oxide film. Then, gate electrodes 408 and 409 are formed by patterning the aluminum film.
[0074]
As shown in FIG. 4C, the gate electrodes 408 and 409 are anodized again with the photoresist mask 410 attached. As the electrolytic solution, an acidic solution containing 3 to 20% of citric acid, oxalic acid, chromic acid or sulfuric acid, for example, a 3% oxalic acid aqueous solution is used. In this case, since a photoresist mask 410 and a dense anodic oxide film (not shown) are present on the surfaces of the gate electrodes 408 and 409, porous anodic oxides 411 and 412 are formed only on the side surfaces of the gate electrodes 408 and 409. It is formed. The length of the low concentration impurity region (LDD region) is determined by the growth distance of the porous anodic oxides 411 and 412. This growth distance can be controlled by the anodic oxidation treatment time. In this embodiment, porous anodic oxides 411 and 412 are grown to a length of 7000 °.
[0075]
After removing the photoresist mask 410, the gate electrodes 411 and 412 are anodized again to form dense and strong anodic oxide films 409 and 410. In this embodiment, a 3% tartaric acid ethylene glycol solution is neutralized to pH 6.9 with aqueous ammonia and used as an electrolytic solution. (FIG. 4 (D))
[0076]
Next, using the porous anodic oxides 411 and 412 and the dense anodic oxides 413 and 414 as masks, the silicon oxide film 407 is etched to form gate insulating films 415 and 416, respectively. As an etching method, any of a wet etching method and a dry etching method may be employed as long as only the silicon oxide film 407 can be etched without etching the anodic oxides 411 to 414. In this embodiment, ClFThree The silicon oxide film 407 is etched by dry etching using a gas.
[0077]
As shown in FIG. 4E, a dense anodic oxide (not shown) and porous anodic oxides 411 and 412 are sequentially removed. The dense anodic oxide (not shown) is removed with buffered hydrofluoric acid, and the porous anodic oxides 411 and 412 are removed with a mixed acid of phosphoric acid, acetic acid and nitric acid. Since the porous anodic oxides 411 and 412 can be easily removed, the dense and strong anodic oxides 413 and 414 are not etched.
[0078]
Next, impurities are implanted into the island-shaped silicon 405 and 406 by ion doping using the gate electrodes 408 and 409 as a mask. In this embodiment, phosphine (PH3) diluted to 1 to 10% with hydrogen is used as a doping gas to implant phosphorus. The substrate temperature during doping is room temperature. In this case, doping conditions such as an acceleration voltage, a dose amount, and the number of times of doping are appropriately set so that the gate insulating films 415 and 416 function as a translucent mask.
[0079]
By doping, in the island-shaped silicon regions 405 and 406, the regions whose surfaces are exposed are implanted with high-concentration phosphorus ions to form N-type high-concentration impurity regions 417 to 420. These N-type high-concentration impurity regions 417 to 420 become source / drain regions of the TFT. In addition, since the regions immediately below the gate electrodes 405 and 406 are not implanted with phosphorus ions, channel formation regions 421 and 422 are formed. Further, in a region covered only by the gate insulating films 415 and 416, since the phosphorus ions are blocked by the gate insulating films 415 and 416, a small amount of phosphorus is implanted, and the N-type low-concentration impurity regions 423 to 426 are removed. It is formed. (FIG. 4E)
[0080]
Note that in the above doping step, the concentration of phosphorus ions is 3 × 10 4 in the N-type high-concentration impurity regions 417 to 429.19~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree In the low concentration impurity regions 423 to 426, 4 × 1016~ 7 × 1017Atom / cmThree The conditions of the doping step are set so that
[0081]
Next, as shown in FIG. 4 (F), the resist is covered with a resist 427, and patterning is performed to remove a portion of the resist which will become a P-type TFT. Subsequently, boron is implanted by an ion doping method as an impurity for imparting P-type conductivity. As a doping gas, diborane (B) diluted to 5% with hydrogenTwo H6 ) Is used. The substrate temperature during ion doping is room temperature. As a result, in the island-shaped silicon region 406, the conductivity types of the N-type high-concentration impurity regions 419 and 420 and the N-type low-concentration impurity regions 425 and 426 are respectively inverted, and the P-type high-concentration impurity regions 428 ( Source), 429 (drain), and P-type low-concentration impurity regions 430, 431. On the other hand, the conductivity types of the high-concentration impurity regions 417 (source) and 418 (drain) and the low-concentration impurity regions 423 and 424 covered with the resist 427 are kept as N-type.
[0082]
In the P-type high-concentration impurity regions 428 and 429 serving as source / drain regions, the concentration of boron is 3 × 10 higher than the concentration of phosphorus in the regions.19~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree In the high P-type low concentration impurity regions 430 and 431, the boron concentration is 3 × 1017~ 4 × 1018Atom / cmThree The conditions of the doping step are determined so as to be higher.
[0083]
Next, after removing the resist mask 214, as shown in FIG. 4G, the added impurities are activated by laser annealing, and the island-like silicon regions 405 and 406 damaged by the doping process are activated. Restores crystallinity.
[0084]
In this embodiment, the N / P type source / drain 417, 418, 428, 429 contains 1 × 10 phosphorus.20~ 1 × 10twenty oneAtom / cmThree And the N-type and P-type low-concentration impurity regions 423, 424, 430, and 432 further contain 4 × 1016~ 7 × 1017Atom / cmThree Since it is injected at a concentration, nickel is effectively gettered by phosphorus by irradiating a laser.
[0085]
When a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm) is used as the laser beam, the laser beam is irradiated under the condition that the energy density is 200 to 400 mJ / cm in order to effectively getter nickel.Two , For example, 250 mJ / cmTwo It is good to Further, it is preferable that the laser light of 2 to 20 shots is irradiated per one place. The substrate temperature at the time of laser light irradiation is 200 ° C.
[0086]
After the laser annealing, thermal annealing is performed at 350 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. In this embodiment, both the laser annealing and the thermal annealing are performed, but either one of the laser annealing and the thermal annealing may be performed.
[0087]
As shown in FIG. 4H, a silicon oxide film having a thickness of 1 μm is formed as an interlayer insulating film 432 by a plasma CVD method, and a contact hole is formed thereon. Then, source / drain electrodes and wirings 433, 434, and 435 are formed on the contact hole using a metal material, for example, a multilayer film of titanium and aluminum. Finally, heat treatment is performed for 2 hours in a hydrogen atmosphere at 350 ° C. Through the above steps, a CMOS thin film transistor is completed. (FIG. 4 (H))
[0088]
Further, in this embodiment, boron is added after adding phosphorus ions. However, phosphorus ions may be added after adding boron first. In this case, first, as shown in FIG. 2D, the region of the N-type TFT is covered with a resist 427, and boron ions are added. Then, after removing the resist 427, phosphorus ions may be added.
[0089]
【The invention's effect】
According to the present invention, even when a crystalline silicon film into which a crystallization catalyst element is introduced, a thin-film TFT having a low OFF current and small variations in characteristics can be manufactured.
[0090]
In particular, when nickel was used as a catalyst element for promoting crystallization, the effect was remarkable. This effect is particularly effective when a plurality of elements having the same function are formed on the same substrate. This is because if the OFF current varies greatly between the elements, the characteristics will be non-uniform between the elements. Such non-uniformities are particularly detrimental to pixels formed in TFT liquid crystal display devices. Therefore, the present invention is considered to be industrially useful.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a thin film transistor of Examples 1 and 2.
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the thin film transistor of Example 3.
FIG. 3 is a configuration diagram of a thin film transistor according to a fourth embodiment.
FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the thin film transistor of Example 7.
[Explanation of symbols]
101 glass substrate
102 Underlayer
103 amorphous silicon film
105 Active layer
106 Gate insulating film
107 Gate electrode
108, 212 source area
109, 213 drain region
110, 217 interlayer insulating film
111, 218 source electrode
112, 219 Drain electrode

Claims (6)

シリコンの結晶化を助長する触媒元素が導入された結晶性シリコン膜を島状にエッチングして島状シリコンを形成し、
前記島状シリコン上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成し、
前記ゲイト電極をマスクとして前記島状シリコンに燐を添加することによって前記島状シリコンに、ソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域を形成すると共に、前記低濃度不純物領域に隣接して燐が添加されないチャネル形成領域を形成し、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域には前記燐が1×10 20 〜1×10 21 原子/cm 3 含まれるように添加され、前記低濃度不純物領域には前記燐が4×10 16 〜7×10 17 原子/cm 3 含まれるように添加され、
前記シリコンの結晶化を助長する前記触媒元素を前記島状シリコンに添加された前記燐にゲッタリングさせることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Etching the crystalline silicon film, into which a catalytic element promoting silicon crystallization is introduced, into islands to form island silicon,
Forming a gate insulating film on the island-shaped silicon;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
By adding phosphorus to the island-shaped silicon using the gate electrode as a mask , a source region, a drain region, and a low-concentration impurity region are formed in the island-shaped silicon, and phosphorus is adjacent to the low-concentration impurity region. Forming a channel forming region not added ,
The source region and the drain region are doped so that the phosphorus is contained at 1 × 10 20 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 , and the low concentration impurity region is doped with the phosphorus at 4 × 10 16 to 7 × 10 7 atoms / cm 3. Is added so as to contain 17 atoms / cm 3 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the catalyst element that promotes crystallization of silicon is gettered to the phosphorus added to the island-shaped silicon.
ニッケルが導入された結晶性シリコン膜を島状にエッチングして島状シリコンを形成し、
前記島状シリコン上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成し、
前記ゲイト電極をマスクとして前記島状シリコンに燐を添加することによって前記島状シリコンに、ソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域を形成すると共に、前記低濃度不純物領域に隣接して燐が添加されないチャネル形成領域を形成し、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域には前記燐が1×10 20 〜1×10 21 原子/cm 3 含まれるように添加され、前記低濃度不純物領域には前記燐が4×10 16 〜7×10 17 原子/cm 3 含まれるように添加され、
前記ニッケルを前記島状シリコンに添加された前記燐にゲッタリングさせることを特徴とする半導体装置の作製方法。
The crystalline silicon film into which nickel has been introduced is etched into islands to form island-like silicon,
Forming a gate insulating film on the island-shaped silicon;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
By adding phosphorus to the island-shaped silicon using the gate electrode as a mask , a source region, a drain region, and a low-concentration impurity region are formed in the island-shaped silicon, and phosphorus is adjacent to the low-concentration impurity region. Forming a channel forming region not added ,
The source region and the drain region are doped so that the phosphorus is contained at 1 × 10 20 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 , and the low concentration impurity region is doped with the phosphorus at 4 × 10 16 to 7 × 10 7 atoms / cm 3. Is added so as to contain 17 atoms / cm 3 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nickel is gettered to the phosphorus added to the island-shaped silicon.
アモルファスシリコン膜上に酢酸ニッケル層を形成した後、熱アニールすることにより前記アモルファスシリコン膜を結晶化させてニッケルが導入された結晶性シリコン膜を形成し、
前記ニッケルが導入された結晶性シリコン膜を島状にエッチングして島状シリコンを形成し、
前記島状シリコン上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成し、
前記ゲイト電極をマスクとして前記島状シリコンに燐を添加することによって前記島状シリコンに、ソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域を形成すると共に、前記低濃度不純物領域に隣接して燐が添加されないチャネル形成領域を形成し、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域には前記燐が1×10 20 〜1×10 21 原子/cm 3 含まれるように添加され、前記低濃度不純物領域には前記燐が4×10 16 〜7×10 17 原子/cm 3 含まれるように添加され、
前記ニッケルを前記島状シリコンに添加された前記燐にゲッタリングさせること特徴とする半導体装置の作製方法。
After forming a nickel acetate layer on the amorphous silicon film, the amorphous silicon film is crystallized by thermal annealing to form a crystalline silicon film into which nickel has been introduced,
The crystalline silicon film in which the nickel is introduced is etched into an island shape to form an island silicon,
Forming a gate insulating film on the island-shaped silicon;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
By adding phosphorus to the island-shaped silicon using the gate electrode as a mask , a source region, a drain region, and a low-concentration impurity region are formed in the island-shaped silicon, and phosphorus is adjacent to the low-concentration impurity region. Forming a channel forming region not added ,
The source region and the drain region are doped so that the phosphorus is contained at 1 × 10 20 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 , and the low concentration impurity region is doped with the phosphorus at 4 × 10 16 to 7 × 10 7 atoms / cm 3. Is added so as to contain 17 atoms / cm 3 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nickel is gettered to the phosphorus added to the island-shaped silicon.
シリコンの結晶化を助長する触媒元素が導入された結晶性シリコン膜を島状にエッチングして第1の島状シリコン及び第2の島状シリコンを形成し、
前記第1の島状シリコン及び第2の島状シリコン上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上であって、前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコン上にそれぞれ第1のゲイト電極及び第2のゲイト電極を形成し、
前記第1のゲイト電極及び前記第2のゲイト電極をマスクとして前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンに燐を添加することによって前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれに、ソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域を形成すると共に、前記低濃度不純物領域に隣接して燐が添加されないチャネル形成領域を形成し、
前記第1のゲイト電極及び前記第1の島状シリコンをレジストマスクで被覆した状態で、前記第2のゲイト電極をマスクとして前記第2の島状シリコンのソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域に硼素を添加し、
前記レジストマスクを除去し、
前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれのソース領域及びドレイン領域には前記燐が1×10 20 〜1×10 21 原子/cm 3 含まれるように添加され、前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれの前記低濃度不純物領域には前記燐が4×10 16 〜7×10 17 原子/cm 3 含まれるように添加され、
前記シリコンの結晶化を助長する触媒元素を前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンに添加された前記燐にゲッタリングさせることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Etching a crystalline silicon film into which a catalytic element for promoting crystallization of silicon is introduced into an island shape to form a first island silicon and a second island silicon;
Forming a gate insulating film on the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon;
Forming a first gate electrode and a second gate electrode on the gate insulating film and on the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon, respectively;
The first island-like silicon and the second island-like silicon are doped by adding phosphorus to the first island-like silicon and the second island-like silicon using the first gate electrode and the second gate electrode as a mask . Forming a source region, a drain region, and a low-concentration impurity region in each of the island-shaped silicon, and forming a channel formation region adjacent to the low-concentration impurity region to which phosphorus is not added ;
With the first gate electrode and the first island-shaped silicon covered with a resist mask, the source region, the drain region, and the low-concentration impurity of the second island-shaped silicon are formed using the second gate electrode as a mask. Adding boron to the area ,
Removing the resist mask,
The source region and the drain region of each of the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon are doped with the phosphorus so as to contain 1 × 10 20 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 , Is added to the low-concentration impurity regions of each of the island-shaped silicon and the second island-shaped silicon so that the phosphorus is contained at 4 × 10 16 to 7 × 10 17 atoms / cm 3 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a catalytic element for promoting crystallization of silicon is gettered to the phosphorus added to the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon.
ニッケルが導入された結晶性シリコン膜を島状にエッチングして第1の島状シリコン及び第2の島状シリコンを形成し、
前記第1の島状シリコン及び第2の島状シリコン上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上であって、前記第1の島状シリコン上及び第2の島状シリコン上にそれぞれ第1のゲイト電極及び第2のゲイト電極を形成し、
前記第1のゲイト電極及び前記第2のゲイト電極をマスクとして前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンに燐を添加することによって前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれに、ソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域を形成すると共に、前記低濃度不純物領域に隣接して燐が添加されないチャネル形成領域を形成し、
前記第1のゲイト電極及び前記第1の島状シリコンをレジストマスクで被覆した状態で、前記第2のゲイト電極をマスクとして前記第2の島状シリコンのソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域に硼素を添加し、
前記レジストマスクを除去し、
前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれのソース領域及びドレイン領域には前記燐が1×10 20 〜1×10 21 原子/cm 3 含まれるように添加され、前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれの前記低濃度不純物領域には前記燐が4×10 16 〜7×10 17 原子/cm 3 含まれるように添加され、
前記ニッケルを前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンに添加された前記燐にゲッタリングさせること特徴とする半導体装置の作製方法。
Etching the crystalline silicon film into which nickel has been introduced into an island shape to form a first island silicon and a second island silicon;
Forming a gate insulating film on the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon;
Forming a first gate electrode and a second gate electrode on the gate insulating film and on the first island-like silicon and the second island-like silicon, respectively;
The first island-like silicon and the second island-like silicon are doped by adding phosphorus to the first island-like silicon and the second island-like silicon using the first gate electrode and the second gate electrode as a mask . Forming a source region, a drain region, and a low-concentration impurity region in each of the island-shaped silicon, and forming a channel formation region adjacent to the low-concentration impurity region to which phosphorus is not added ;
With the first gate electrode and the first island-shaped silicon covered with a resist mask, the source region, the drain region, and the low-concentration impurity of the second island-shaped silicon are formed using the second gate electrode as a mask. Adding boron to the area ,
Removing the resist mask,
The source region and the drain region of each of the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon are doped with the phosphorus so as to contain 1 × 10 20 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 , Is added to the low-concentration impurity regions of each of the island-shaped silicon and the second island-shaped silicon so that the phosphorus is contained at 4 × 10 16 to 7 × 10 17 atoms / cm 3 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nickel is gettered by the phosphorus added to the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon.
アモルファスシリコン膜上にニッケルを含有する層を形成した後、熱アニールすることにより前記アモルファスシリコン膜を結晶化させてニッケルが導入された結晶性シリコン膜を形成し、
前記ニッケルが導入された結晶性シリコン膜を島状にエッチングして第1の島状シリコン及び第2の島状シリコンを形成し、
前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコン上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上であって、前記第1の島状シリコン上及び前記第2の島状シリコン上にそれぞれ第1のゲイト電極及び第2のゲイト電極を形成し、
前記第1のゲイト電極及び前記第2のゲイト電極をマスクとして前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンに燐を添加することによって前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれに、ソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域を形成すると共に、前記低濃度不純物領域に隣接して燐が添加されないチャネル形成領域を形成し、
前記第1のゲイト電極及び前記第1の島状シリコンをレジストマスクで被覆した状態で、前記第2のゲイト電極をマスクとして前記第2の島状シリコンのソース領域、ドレイン領域、及び低濃度不純物領域に硼素を添加し、
前記レジストマスクを除去し、
前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれのソース領域及びドレイン領域には前記燐が1×10 20 〜1×10 21 原子/cm 3 含まれるように添加され、前記 第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンそれぞれの前記低濃度不純物領域には前記燐が4×10 16 〜7×10 17 原子/cm 3 含まれるように添加され、
前記ニッケルを前記第1の島状シリコン及び前記第2の島状シリコンに添加された前記燐にゲッタリングさせること特徴とする半導体装置の作製方法。
After forming a layer containing nickel on the amorphous silicon film, the amorphous silicon film is crystallized by thermal annealing to form a crystalline silicon film in which nickel is introduced,
Etching the crystalline silicon film introduced with nickel into islands to form first island-like silicon and second island-like silicon;
Forming a gate insulating film on the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon;
Forming a first gate electrode and a second gate electrode on the gate insulating film and on the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon, respectively;
The first island-like silicon and the second island-like silicon are doped by adding phosphorus to the first island-like silicon and the second island-like silicon using the first gate electrode and the second gate electrode as a mask . Forming a source region, a drain region, and a low-concentration impurity region in each of the island-shaped silicon, and forming a channel formation region adjacent to the low-concentration impurity region to which phosphorus is not added ;
With the first gate electrode and the first island-shaped silicon covered with a resist mask, the source region, the drain region, and the low-concentration impurity of the second island-shaped silicon are formed using the second gate electrode as a mask. Adding boron to the area ,
Removing the resist mask,
Wherein the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon respective source and drain regions are added such that the phosphorus contained 1 × 10 20 ~1 × 10 21 atoms / cm 3, the first Is added to the low-concentration impurity regions of each of the island-shaped silicon and the second island-shaped silicon so that the phosphorus is contained at 4 × 10 16 to 7 × 10 17 atoms / cm 3 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nickel is gettered by the phosphorus added to the first island-shaped silicon and the second island-shaped silicon.
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