JP3621331B2 - 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、ガラス等の絶縁基板上に設けられたTFT(薄膜トランジスタ)を有する半導体装置及びその作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ガラス等の絶縁基板上にTFTを有する半導体装置としては、これらのTFTを画素の駆動に用いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が知られている。
【0003】
これらの装置に用いられるTFTには、薄膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の珪素半導体としては、非晶質珪素半導体(a−Si)からなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの2つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半導体からなるTFTの作製方法の確立が強く求められていた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素等の非単結晶珪素膜が知られている。以下においては、結晶性を有する珪素半導体を結晶性珪素半導体、結晶性を有する珪素半導体膜を結晶性珪素膜ということとする。
【0004】
これら結晶性を有する薄膜状の珪素半導体を得る方法としては、
(1) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。
(2) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光のエネルギーにより結晶性を有せしめる。
(3) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有せしめる。
と言った方法が知られている。しかしながら、(1)の方法は良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜することが技術上困難であり、また成膜温度が600℃以上と高いので、安価なガラス基板が使用できないというコストの問題もあった。また、(2)の方法は、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、レーザー光の照射面積が小さいため、スループットが低いという問題がまずあり、また大面積基板の全面を均一に処理するにはレーザーの安定性が充分ではなく、次世代の技術という感が強い。(3)の方法は、(1)、(2)の方法と比較すると大面積に対応できるという利点はあるが、やはり加熱温度として600℃以上の高温にすることが必要であり、安価なガラス基板を用いることを考えると、さらに加熱温度を下げる必要がある。特に現在の液晶表示装置の場合には大画面化が進んでおり、その為ガラス基板も同様に大型の物を使用する必要がある。この様に大型のガラス基板を使用する場合には、半導体作製に必要不可欠な加熱工程における縮みや歪みといったものが、マスク合わせ等の精度を下げ、大きな問題点となっている。特に現在最も一般的に使用されている7059ガラスの場合には、歪み点が593℃であり、従来の加熱結晶化方法では大きな変形を起こしてしまう。また、温度の問題以外にも現在のプロセスでは結晶化に要する加熱時間が数十時間以上にも及ぶので、さらにその時間を短くすることも必要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を解決する手段を提供するものである。より具体的には非晶質珪素からなる薄膜を加熱により結晶化させる方法を用いた、結晶性を有する珪素半導体からなる薄膜の作製方法において、結晶化に必要な温度の低温化と時間の短縮を両立するプロセスを提供することをその目的とする。勿論、本発明で提供されるプロセスを用いて作製した結晶性を有する珪素半導体は、従来技術で作製されたものと同等以上の物性を有し、TFTの活性層領域にも使用可能なものであることは言うまでもないことである。
【0006】
〔発明の背景〕
本発明人らは、上記従来の技術の項で述べた、非晶質の珪素半導体膜をCVD法やスパッタ法で成膜し、該膜を加熱によって結晶化させる方法について、以下のような実験及び考察を行った。
【0007】
まず実験事実として、ガラス基板上に非晶質珪素膜を成膜し、この膜を加熱により結晶化させるメカニズムを調べると、結晶成長はガラス基板と非晶質珪素との界面から始まり、ある程度の膜厚以上では基板表面に対して垂直な柱状に進行することが認められた。
【0008】
上記現象は、ガラス基板と非晶質珪素膜との界面に、結晶成長の基となる結晶核(結晶成長の基となる種)が存在しており、その核から結晶が成長していくことに起因すると考察される。このような結晶核は、基板表面に微量に存在している不純物金属元素やガラス表面の結晶成分(結晶化ガラスと呼ばれるように、ガラス基板表面には酸化珪素の結晶成分が存在していると考えられる)であると考えられる。
【0009】
そこで、より積極的に結晶核を導入することによって結晶化温度の低温化が可能ではないかと考え、その効果を確認すべく、他の金属を微量に基板上に成膜し、その上に非晶質珪素からなる薄膜を成膜、その後加熱結晶化を行う実験を試みた。その結果、幾つかの金属を基板上に成膜した場合においては結晶化温度の低下が確認され、異物を結晶核とした結晶成長が起こっていることが予想された。そこで低温化が可能であった複数の不純物金属について更に詳しくそのメカニズムを調査した。
【0010】
結晶化は、初期の核生成と、その核からの結晶成長の2段階に分けて考えることができる。ここで、初期の核生成の速度は、一定温度において点状に微細な結晶が発生するまでの時間を測定することによって観測されるが、この時間は上記不純物金属を成膜した薄膜ではいずれの場合も短縮され、結晶核導入の結晶化温度低温化に対する効果が確認された。しかも予想外のことであるのだが、核生成後の結晶粒の成長を加熱時間を変化させて調べたところ、ある種の金属を成膜後、その上に成膜した非晶質珪素薄膜の結晶化においては、核生成後の結晶成長の速度までが飛躍的に増大することが観測された。このメカニズムについては後ほど詳しく述べることにする。
【0011】
いずれにしろ、上記2つの効果により、ある種の金属を微量に成膜した上に非晶質珪素からなる薄膜を成膜、その後加熱結晶化した場合には、従来考えられなかったような、580℃以下の温度で4 時間程度の時間で十分な結晶性が得られることが判明した。この様な効果を有する不純物金属の例として、鉄、コバルト、ニッケル、銅、パラジウム、銀、白金が挙げられる。これらはいずれも触媒材料として良く利用される金属であるので、今後本明細書中ではこれらを称して「低温結晶化用触媒金属」と略すことにする。これらの中で、最も効果が顕著であり、かつ扱いやすい材料としてニッケルが挙げられ、今後本明細書中ではニッケルを中心とした議論を行う事とする。
【0012】
ニッケルがどの程度の効果を有するのか一例を挙げると、なんら処理を行なわない、即ちニッケルの微量な薄膜を成膜していない基板上(コーニング7059)にプラズマCVD法で形成された非晶質珪素からなる薄膜を窒素雰囲気中での加熱によって、結晶化する場合、その加熱温度として600℃とした場合、加熱時間として10時間以上の時間を必要としたが、ニッケルの微量な薄膜を成膜した基板上の非晶質珪素からなる薄膜を用いた場合には、4時間程度の加熱において同様な結晶化状態を得るこができた。尚この際の結晶化の判断はラマン分光スペクトルを利用した。このことだけからも、ニッケルの効果が非常に大きいことが判るであろう。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記説明から判る様に、低温結晶化用触媒金属の微量な薄膜を成膜した上から、非晶質珪素からなる薄膜を成膜した場合、結晶化温度の低温化及び結晶化に要する時間の短縮が可能である。そこで、このプロセスをTFTの製造に用いることを前提に、さらに詳細な説明を加えていくことにする。尚、後ほど詳述するが、低温結晶化用触媒金属の薄膜は基板上のみならず非晶質珪素上に成膜しても同様の効果を有すること、及びイオン注入でも同様であったことから、今後本明細書ではこれら一連の処理を「低温結晶化用触媒金属微量添加」と呼ぶことにする。なお、上記低温結晶化用触媒金属としては、鉄、コバルト、ニッケル、銅、パラジウム、銀、白金から選ばれた少なくとも一つの元素を用いることが有用であるが、発明者らの知見によれば、上記材料と同等の効果を有する元素としては、8族元素であるRu、Rh、Os、Irを挙げることができる。
【0014】
まず低温結晶化用触媒金属添加の方法について説明する。低温結晶化用触媒金属の微量添加は、基板上に微量な低温結晶化用触媒金属薄膜を成膜し、その後非晶質珪素を成膜する方法でも、先に非晶質珪素を成膜し、その上から微量な低温結晶化用触媒金属薄膜を成膜する方法でも、両者同様に低温化の効果が有り、その成膜方法はスパッタ法でも、蒸着法でも可能で、成膜方法は問わないことが判明している。ただし、基板上に微量な低温結晶化用触媒金属薄膜を成膜する場合、7059ガラス基板の上から直接微量な低温結晶化用触媒金属薄膜を成膜するよりは、同基板上に酸化珪素の薄膜を成膜し、その上に微量な低温結晶化用触媒金属薄膜を成膜した場合の方が効果がより顕著である。この理由として考えられることとして、珪素と低温結晶化用触媒金属が直接接触していることが今回の低温結晶化には重要であり、7059ガラスの場合には珪素以外の成分がこの両者の接触あるいは反応を阻害するのではないかということが挙げられる。
【0015】
また、微量添加の方法としては、非晶質珪素の上または下に接して薄膜を形成する以外に、イオン注入によって低温結晶化用触媒金属を添加してもほぼ同様の効果が確認された。また、結晶化させんとする非晶質珪素膜または非単結晶珪素膜の成膜時に、不純物として添加してもよい。
【0016】
低温結晶化用触媒金属の量としては、例えばニッケルについては、1×1015atoms/cm以上の量の添加において低温化が確認されているが、1×1021atoms/cm以上の添加量においては、ラマン分光スペクトルのピークの形状が珪素単体の物とは明らかに異なることから、実際に使用可能であるのは1×1015atoms/cm〜5×1019atoms/cmの範囲であると思われる。また、半導体物性として、TFTの活性層に使用することを考えると、この量を1×1015atoms/cm〜2×1019atoms/cmに抑えることが必要である。
【0017】
続いて、低温結晶化用触媒金属としてニッケルを用いた場合に推測される結晶化機構について説明を加える。
【0018】
上述の通り、低温結晶化用触媒金属を添加しない場合には、基板界面等の結晶核からランダムに核が発生し、その核からの結晶成長も同様にランダムで、作製方法によっては(110)或いは(111)に比較的配向した結晶が得られることが報告されており、当然ながら薄膜全体に渡ってほぼ均一な結晶成長が観測される。
【0019】
まずこの機構を確認すべく、DSC(示差走査熱量計)による解析を行った。プラズマCVDで基板上に成膜した非晶質珪素薄膜を、基板についたまま試料容器に充填し、一定速度で昇温していった。すると、およそ700℃前後で明確な発熱ピークが観察され、結晶化が観測された。この温度は、昇温速度を変えると当然シフトするが、例えば10℃/minの速度で行った場合には700.9℃から結晶化が開始した。次に昇温速度を3種類変えたものを測定し、それらから小沢法によって初期核生成後の結晶成長の活性化エネルギーを求めた。すると、およそ3.04eVという値が得られた。また、反応速度式を理論曲線とのフィッティングから求めたところ、無秩序核生成とその成長モデルによって、最も良く説明されることが判明し、基板界面等の結晶核からランダムに核が発生し、その核からの結晶成長というモデルの妥当性が確認された。
【0020】
前述と全く同様の測定を、低温結晶化用触媒金属を添加したもの、ここでは例としてニッケルを微量添加したものについても行ってみた。すると、10℃/minの速度で昇温を行った場合には619.9℃から結晶化が開始し、それら一連の測定から求めた結晶成長の活性化エネルギーはおよそ1.87eVであって、結晶成長が容易となっていることが数値的にも明らかとなった。また、理論曲線とのフィッティングから求めた反応速度式は、一次元的界面律速のモデルに近く、結晶成長に一定方向の方向性を有することが示唆された。
【0021】
ここで、結晶化開始温度が低温化されることについては、前述の通り異物の効果として比較的容易に考えられるのであるが、結晶成長の活性化エネルギーまで下がった原因は何であろうか。この理由を調べるべく、多結晶珪素膜に珪素イオン注入することによって非晶質化することにより作製した非晶質珪素膜の再結晶化の活性化エネルギーの測定を前述の方法によって行った。その結果、結晶化開始温度は逆に高温側にシフトしたものの、結晶成長の活性化エネルギーは約2.3eVと低下することが判明した。ここで、イオン注入によって作製した非晶質珪素膜においては、膜中に殆ど水素を含んでいないということを考えると、結晶成長の容易さは、結晶部分と非晶質部分との界面における水素脱離の容易さが律速しているのではないかということが予想される。この仮説を支持する実験結果として、非晶質珪素膜のTG−DTA(示差熱─熱重量同時分析)の結果から、結晶化の開始は常に水素脱離が一段落した直後に起こっており、水素が結晶化を阻害している可能性は非常に高いものと予想される。
ここで今回添加した低温結晶化用触媒金属と水素との反応について調べてみると、これらはいずれも水素と反応して水素化物を作る際に、発熱反応を起こす物質である(パラジウムだけは文献によっては吸熱反応と示されている)ことが判明した。このことは、低温結晶化用触媒金属が水素と結合することによって安定化されることを示しており、これらから次のような機構により低温化が達成されていると考えられる。
非晶質珪素中に取り込まれた低温結晶化用触媒金属は、珪素と直接結合を作っている。ここに温度を加えると、濃度勾配を均質化するために低温結晶化用触媒金属の拡散が結晶化に先立って進行するが、その際に水素と結合しながら拡散し、その結果として珪素との結合が弱くなって結合が容易に切れやすくなり、膜中のダングリングボンド及び空孔が増加する。結晶化は珪素原子の移動を伴う必要があるが、ダングリングボンド及び空孔の増加はそれらを容易にすることが予想され、これらは結晶化の準備が低い温度において形成されることを意味する。その後、核発生が起こるが、この際の活性化エネルギーが低温結晶化用触媒金属の微量添加により低減される。このことは低温結晶化用触媒金属を添加することにより、より低温から結晶化が発生していることから自明であって、この理由としては低温結晶化用触媒金属単体の異物としての効果あるいは、低温結晶化用触媒金属と珪素からなる金属間化合物の効果の可能性もあると考えている。また、この核発生は低温結晶化用触媒金属の添加した領域全面についてほぼ同時に発生するため、結果として結晶成長は面のまま成長するような機構となり、この場合反応速度式は一次元的界面律速過程となって、DSCの結果と一致する。その後は結晶核からの結晶成長が進行するが、その際に水素が結晶部分と非晶質部分の界面に存在しないために律速過程が変化し、それに伴って結晶成長に必要な活性化エネルギーは大きく低下する。
上記機構を説明するためには、結晶化に先立った低温結晶化用触媒金属の拡散が必要不可欠であるが、これについては、結晶化が開始する手前までアニールを施した試料について、低温結晶化用触媒金属の濃度をSIMS(二次イオン質量分析法)によって測定したところ、低温結晶化用触媒金属を直接添加した領域からかなり遠方の添加していない領域にまで測定限界値以上の低温結晶化用触媒金属の存在が確認されていることから明らかであろうと考えられる。
【0022】
次いで、上記低温結晶化用触媒金属微量添加によって得られた結晶性珪素膜の結晶形態について説明を加える。
結晶化機構の説明の際にも触れたが、添加した金属は結晶化温度以下でかなり広い領域に拡散する。そしてその結果、これら拡散領域においても結晶化温度の低温化が達成されている。そして、この直接添加領域と、その拡散領域においては結晶形態がことなることが明らかとなった。即ち、直接添加領域は基板に垂直方向に結晶成長するのに対し、その周辺の拡散領域は結晶が基板に水平方向に成長する様が確認された。これらは、いずれも結晶の初期核生成の違いによるものであろうと推測している。即ち、直接添加部分は、それらの異物が結晶核になり、そこから柱状に結晶成長が起こるのに対し、周辺の拡散領域は、結晶核は前述の縦方向に成長した直接添加部分であって、そこから成長が始まるために必然的に横方向に成長が起こっているものと解釈されるからである。以下、本明細書において、このように低温結晶化用触媒金属の直接添加領域から周辺に伸びた基板に平行な横方向への結晶成長領域を「横成長」領域と呼ぶことにする。
【0023】
次に、上記低温結晶化用触媒金属としてニッケルを使用した場合の、ニッケル微量添加部分とその近傍の横成長部分についての電気特性を説明する。ニッケル微量添加部分の電気特性は、導電率に関してはほぼニッケルを添加していない膜、即ち600℃程度で数十時間結晶化を行ったものと同程度の値であり、また導電率の温度依存性から活性化エネルギーを求めたところ、ニッケルの添加量を前述の様に1017atoms/cm〜1018atoms/cm程度とした場合には、ニッケルの準位に起因すると思われる様な挙動は観測されなかった。即ち、この実験事実からは、上記の濃度であればTFTの活性層等として使用が可能であることが考察される。
【0024】
それに対し、横成長部分は、導電率がニッケル微量添加部分と比較して1桁以上高く、結晶性を有する珪素半導体としてはかなり高い値を有していた。このことは、電流のパス方向が結晶の横成長方向と合致したため、電極間で電子が通過する間に存在する粒界が少ないあるいは殆ど無かったことによるものと考えられ、透過電子線顕微鏡写真の結果と矛盾無く一致する。即ち、キャリアの移動が針状または柱状に成長した結晶の粒界に沿ったものとなるので、キャリアは移動しやすい状態が実現されている、と考えることができる。
【0025】
また、図1に示すように100の領域に選択的にニッケルを珪化ニッケル膜として導入し、しかる後に非晶質珪素膜104を公知のプラズマCVD法で形成し、さらに550度、4時間の加熱によって結晶化をさせた場合、ニッケルが導入された領域100では基板101に垂直な方向に結晶成長が起こり、同時に100以外の領域においては、矢印105で示すように基板101に平行な方向に横方向成長が行われる。そして、この結果結晶性珪素膜が得られる。この結晶性珪素膜中のニッケルの濃度をSIMSで測定したところ、以下のような知見が得られた。
【0026】
1.ニッケルの濃度分布は、膜の厚さ方向においてそれ程大きくない。
2.ニッケルが直接導入された領域(例えば、図1でいうと100の領域)におけるニッケル濃度は、ニッケル膜の成膜条件に大きく影響される。言い換えるならば、その領域におけるニッケル濃度の再現性はそれ程高くない。
3.基板に平行な方向に結晶成長した領域(ニッケルが直接導入されていない領域)においては、上記2のニッケルが直接導入された領域よりもその濃度が約1桁以上小さく、その濃度の再現性は高く得られる。
4.バックグラウンドのニッケル濃度は、1×1017cm−3程度であり、SIMSの測定限界とほぼ一致する。即ち、バックグラウンドのニッケル濃度は、SIMSの測定限界レベルである1×1017cm−3程度、またはそれ以下であるといえる。
【0027】
例えば、ニッケルが直接導入され、基板に垂直な方向に結晶成長した領域においては、約2×1018cm−3の濃度でニッケルが存在している場合、そのニッケルが導入された領域から約40μm離れた基板に平行な方向に結晶成長した領域、即ち横方向成長が行われた領域では、測定されるニッケル濃度は約2×1017と約1桁少ない。上記の例を図4を用いて説明する。図4に示すのは、プラズマ処理によってNiが添加された領域(Plasma treated)のNi濃度と、基板に平行な方向に結晶成長した領域(Lateral growth)のNi濃度と、グランドレベルであるa−SiのNi濃度である。図4からも分かるように、基板に平行な方向に結晶成長した領域(Lateral growth)のNi濃度は、Niが直接導入された領域よりもNi濃度が低い。従って、デバイスとして利用するには、この基板に平行な方向に結晶成長した領域を利用することが有用である。
【0028】
直接ニッケルが導入される領域での珪素膜中でのニッケル濃度を制御することは大変困難であり、この場合のニッケル濃度は、ニッケル膜(実際には珪化ニッケル膜)の成膜条件によって大きく変化する。これは、この領域(例えば図1の100の領域)でのニッケル濃度が、20Å程度という極めてシビアな膜厚(実際に測定することは困難であり、成膜レートから概算した値である)が要求される成膜条件に直接依存するためであると考えられる。周知のように、スパッタ法等の成膜方法で大面積に20Å程度の膜を均一性良く成膜することは不可能である。従って、その成膜の再現性の悪さが直接珪素膜中のニッケル濃度に反映するものと考えられる。また、このニッケル濃度のバラツキは、このニッケルが直接導入された領域を活性層として形成したTFTの特性にも直接影響する。即ち、ニッケルが直接導入された領域(例えば図1の100)を利用してTFTを作製すると、その特性のバラツキが大きく現れる。これも極薄膜のニッケル膜の成膜の再現性の悪さに起因するものと考えられる。
【0029】
一方、ニッケルが導入された領域から離れた領域、即ちニッケルが直接導入された領域から結晶が基板に平行な方向に横方向成長した領域のニッケル濃度は、概してニッケルが直接導入された領域よりもその濃度が小さく(前述のように40μm離れた場所で約1桁小さい)、さらにそのバラツキが小さくなる傾向が見られた。また、実験によれば、TFTとして満足のいく特性が得られる活性層中のニッケルの濃度は、SIMSの測定限界以下(1×1017cm−3以下)〜2×1019cm−3程度であることが分かっているが、基板に平行に結晶成長した領域においては、直接のニッケルの導入量(ニッケルが導入された領域、例えば領域100における珪素膜104中のニッケル濃度)に係わらず、上記所定のニッケル濃度が比較的安定して得られることが判明している。即ち、ニッケルが導入された領域から基板に平行に結晶成長した領域を利用してTFTを形成すると、極めて再現性良くTFTを得ることができる。
【0030】
さらにまた、上記ニッケル濃度の範囲内の領域を選ぶこと、あるいは所定の領域(但しニッケルが直接導入される100で示される領域は不可)のニッケル濃度を上記範囲内にすることも容易であることが確認されている。例えば、所定のニッケル濃度を有する領域を選ぶには、ニッケルが導入された領域からの距離を設定することでニッケルを所定の濃度とすることができる。但しこの場合、必要とする珪素膜の結晶性が得られることが条件となる。
【0031】
また、この基板に平行に結晶成長した領域におけるニッケル濃度を制御するには、結晶化の条件(主に加熱時間と加熱温度)を制御することによっても行え、その制御は、ニッケルが直接導入された領域におけるニッケル濃度を制御するのに比較して極めて容易である。
【0032】
以上のように、結晶化のための触媒元素が添加された領域から基板に平行に結晶成長した領域、即ち横方向成長領域を半導体装置に利用することは、
(1) 結晶の配向性を積極的に利用でき、高移動度を有するキャリアを利用できる。
(2) 結晶化のための触媒材料の濃度が低い領域を利用できる。
(3) 上記(2)の領域が再現性良く得られる。
(4) 結晶化のための触媒材料の濃度を容易に制御することができる。
という点で有用である。
【0033】
では最後に、上述の各種特性を踏まえた上でTFTに応用する方法について説明する。ここでTFTの応用分野としてはTFTを画素の駆動に用いるアクティブマトリックス型液晶表示装置を想定するものとする。
【0034】
前述の様に、最近の大画面のアクティブマトリックス型液晶表示装置においては、ガラス基板の縮みを抑えることが重要であるが、本発明の低温結晶化用触媒金属微量添加プロセスを用いることにより、ガラスの歪み点に比較して十分に低い温度で結晶化が可能であり、特に好適である。本発明を用いれば、従来非晶質珪素を用いていた部分を、低温結晶化用触媒金属を微量添加し、500〜550℃程度で4時間程度結晶化させることにより、結晶性を有する珪素に置き換えることが容易に可能である。勿論、デザインルール等をそれ相応に変更する必要はあるが、装置、プロセス共従来の物で十分に対応可能であり、そのメリットは大きいものと考えられる。
【0035】
しかも、今回の発明を用いれば、画素に用いるTFTと、周辺回路のドライバーを形成するTFTとを、それぞれ特性に応じた結晶形態を利用して作り分けることも可能であり、アクティブ型液晶表示装置への応用に特にメリットが多い。画素に用いるTFTは、それほどのモビリティは必要とされておらず、それよりはオフ電流が小さいことの方がメリットが大きい。そこで本発明を用いる場合には、画素に用いるTFTとなるべき領域に直接低温結晶化用触媒金属微量添加を行うことによって、結晶を縦方向に成長させ、その結果チャネル方向に粒界を多数形成してオフ電流を低下させることが可能である。それに対して、周辺回路のドライバーを形成するTFTは、今後ワークステーションへの応用等を考えた場合には、非常に高いモビリティが必要である。そこで本発明を応用する場合には、周辺回路のドライバーを形成するTFTの近傍に低温結晶化用触媒金属の微量添加を行い、そこから一方向(基板に平行な方向)に結晶を成長させ、その結晶成長方向をチャネルの電流のパス方向と揃えることにより、非常に高い移動度を有するTFTを作製することが可能である。
【0036】
また、画像情報や光信号を取扱うためのセンサーをガラス基板上に集積化した装置が知られている。例えば、集積化されたイメージセンサー等が知られている。このような装置において、可視光を検出するのであれば、分光感度の点から、非晶質珪素(a−Si)を用いることが好ましい。しかし、駆動回路部分には高速動作が要求されるスイッチング素子が必要とされるので、駆動回路部分の素子例えばTFTを非晶質珪素膜で構成するのは好ましくない。このような場合、上記の高移動度TFTを利用するのが有用である。例えば、センサー部分には、非晶質珪素膜を利用したフォトダイオードやフォトトランジスタを形成し、周辺回路部分は、本発明の結晶性珪素膜を利用してトランジスタを形成する。そしてこれらの回路を同一基板(例えばガラス基板)上に集積化されて作り分けられる構成とすることができる。
【0037】
即ち、本発明を利用するならば、所定の領域に結晶性珪素膜の領域と非晶質珪素膜の領域を作り分けることができ、しかも横方向に結晶成長した結晶性珪素膜の領域を利用することで、キャリアが高速で移動できるデバイスを形成することができる。上記のような有用性は、液晶表示装置やセンサー等に限らず、広く基板上に集積化された半導体装置に利用することができる。即ち、基板上に薄膜半導体を利用したトランジスタやダイオード、さらには抵抗やキャパシタを集積化した装置に利用することができる。
【0038】
〔作用〕
珪素を結晶化させるために導入される触媒作用を有する8族の元素を中心とした微量元素を導入した領域から、基板に対して平行な方向に針状あるいは柱状に結晶成長を行わせ、該結晶成長領域を用いてTFT等の活性層を構成することによって、微量元素が導入された領域よりもその濃度が少ない領域を活性層として利用することができ、前記微量元素の影響を受けないデバイスを得ることができる。
【0039】
また、デバイスの形成に際して、針状あるいは柱状に結晶成長した結晶性珪素膜の結晶成長方向に合わせてキャリアが流れるように設定することで、デバイスの特性を高めることができる。さらにこの領域は、前記微量元素の濃度が低く、またその濃度を容易に制御できるので、必要とする特性を有するデバイスを再現性良く得ることができる。
【0040】
【実施例】
以下の実施例においては、ニッケルを結晶化のための触媒として用いた例を示すが、他の8族の元素を用いる場合、さらにはニッケルと同様な効果を期待できるCuやAgを利用した場合でも、基本的に以下の実施例におけるニッケルの代わりに用いることができる。またその導入方法も、それらの元素またはその元素を含む薄膜を、非単結晶珪素膜の上面に成膜する方法、8族の元素をイオンドーピングまたはイオン注入によって非単結晶珪素膜中に添加する方法、非晶質珪素膜の成膜時に混入させる方法でよい。そしてこの時、その濃度が珪素膜中において、2×1019cm−3以下となるようにすればよい。
【0041】
〔実施例1〕
本実施例は、ガラス基板上に結晶性珪素膜を用いたPチャネル型TFT(PTFTという)とNチャネル型TFT(NTFTという)とを相補型に組み合わせた回路を形成する例である。本実施例の構成は、アクティブ型の液晶表示装置の画素電極のスイッチング素子や周辺ドライバー回路、さらにはイメージセンサやその他集積回路に利用することができる。
【0042】
図1に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、基板(コーニング7059)101上にスパッタリング法によって厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜102を形成する。つぎにメタルマスクまたは酸化珪素膜等によって形成されたマスク103を設ける。このマスク103は、スリット状に下地膜102を100で示す領域において露呈させる。即ち、図1(A)の状態を上面から見ると、スリット状に下地膜102は露呈しており、他ぼ部分はマスクされている状態となっている。
【0043】
上記マスク103を設けた後、スパッタリング法によって、厚さ5〜200Å、例えば20Åの珪化ニッケル膜(化学式NiSi、0.4≦x≦2.5、例えば、x=2.0)を100の領域に選択的に成膜する。この珪化ニッケル膜を成膜するのは、VIII族(8族)元素であるニッケルを結晶化のための触媒元素として用いるためである。
【0044】
つぎに、プラズマCVD法によって、厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの真性(I型)の非晶質珪素膜104を成膜する。そして、これを水素還元雰囲気下(好ましくは、水素の分圧が0.1〜1気圧),550℃、または不活性雰囲気化(大気圧),550℃、で4時間アニールして結晶化させる。この際、珪化ニッケル膜が選択的に成膜された100の領域においては、基板101に対して垂直方向に結晶性珪素膜104の結晶化が起こる。そして、領域100以外の領域では、矢印105で示すように、領域100から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長が行われる。
【0045】
そしてこの結晶化を助長させ、さらに緻密な結晶性珪素膜を得るために、上記加熱アニールの後にランプ加熱によるアニールを行う。このアニールは、1.2μmの赤外光を用いて行う。また、このアニールの時間は5分以内とする。赤外光は、珪素には効率良く吸収され、珪素の膜質改善には大きな効果を得ることができる。一方、ガラス基板には吸収されにくいので、珪素に対して選択的にエネルギーを与えるとともに、ガラス基板はあまり加熱しないという有意性が得られる。このランプ加熱によるアニールに用いられる光としては、タングステンハロゲンランプ光(波長0.5μm〜3.5μm)等を用いることができる。このランプ加熱によるアニールによって、緻密な結晶性珪素膜を得ることができる。また、上記ランプ加熱の代わりにレーザー光を用いたアニールを行うことも可能である。
【0046】
また、上記ランプ加熱によるアニールを行った結晶性珪素膜と、上記ランプ加熱を行わなかった場合の結晶性珪素膜とでNチャネル型TFTをそれぞれ形成し、その移動度を測定したところ、平均で約20%の向上が見られた。これは、上記ランプ加熱による結晶性の改善、特に膜中の欠陥を大きく減少できたことによるものと考えられる。
【0047】
上記工程の結果、非晶質珪素膜を結晶化させて、結晶性珪素膜104を得ることができる。その後、素子間分離を行い、TFTのソース/ドレイン領域、チャネル形成領域が形成される活性層の領域を確定する。本実施例においては、約40μm以上にわたって基板に平行な方向への結晶成長(横方向成長)が見られたので、それぞれの活性層の長さ(ソース/ドレイン方向の長さ)を40μmとした。この場合、チャネルの中心とニッケルが導入された位置との距離は約20μmとなるが、この距離を設定することで、活性層中(特にチャネル形成領域)でのニッケルの濃度を選択することができる。
【0048】
つぎに、スパッタリング法によって厚さ1000Åの酸化珪素膜106をゲイト絶縁膜として成膜する。スパッタリングには、ターゲットとして酸化珪素を用い、スパッタリング時の基板温度は200〜400℃、例えば350℃、スパッタリング雰囲気は酸素とアルゴンで、アルゴン/酸素=0〜0.5、例えば0.1以下とする。
【0049】
この工程の後、先程のランプ加熱によるアニールを再度行う。これは、酸化珪素膜より成るゲイト絶縁膜106と結晶性珪素膜104との界面特性を改善するためである。勿論、このランプ加熱のアニールによっても結晶性珪素膜104の結晶性はさらに改善される。周知のように、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタのゲイト絶縁膜とチャネル形成領域(図1においては、112と115がチャネル形成領域となる結晶性珪素膜部分である)との界面特性を改善すること、具体的には、その領域における欠陥や準位を極力低減させることは重要である。よって、このゲイト絶縁膜106の形成後に行われるランプ加熱によるアニールは大きな効果を得ることができる。また、ランプ加熱の代わりにレーザー光の照射によるアニールを行ってもよい。
【0050】
つぎに、スパッタリング法によって、厚さ6000〜8000Å、例えば6000Åのアルミニウム(0.1〜2%のシリコンを含む)を成膜する。そして、パターニングを行い、ゲイト電極107、109を形成する。さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層108、110を形成する。この陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で行った。得られた酸化物層108、110の厚さは2000Åであった。なお、この酸化物108と110とは、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。勿論このゲイト電極は、珪素を主成分とするもの、さらには珪素と金属とのシリサイドを有するもの、金属を主成分とするもの、珪素と金属との積層を有する構造であってもよい。
【0051】
次に、イオンドーピング法(イオン注入法)によって、活性層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)に一導電型を付与する不純物を添加する。このドーピング工程において、ゲイト電極107とその周囲の酸化層108、ゲイト電極109とその周囲の酸化層110をマスクとして不純物(燐およびホウ素)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)およびジボラン(B)を用い、前者の場合は、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、後者の場合は、40〜80kV、例えば65kVとする。ドース量は1×1015〜8×1015cm−2、例えば、燐を2×1015cm−2、ホウ素を5×1015とする。ドーピングに際しては、一方の領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングする。この結果、N型の不純物領域114と116、P型の不純物領域111と113が形成され、Pチャネル型TFT(PTFT)の領域とNチャネル型TFT(NTFT)との領域を形成することができる。
【0052】
その後、レーザー光の照射によってアニール行う。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いたが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm、例えば250mJ/cmとし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射する。このレーザー光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することは有用である。このレーザアニール工程において、先に結晶化された領域にはニッケルが拡散しているので、このレーザー光の照射によって、再結晶化が容易に進行し、P型を付与する不純物がドープされた不純物領域111と113、さらにはNを付与する不純物がドープされた不純物領域114と116は、容易に活性化させることができる。
【0053】
またこのソース/ドレイン領域のアニール方法として、前述のランプ加熱によるアニール方法も有効である。このランプ加熱(例えば1.2μmの赤外光を用いる)は前述のように、珪素を選択的に加熱するので、ガラス基板の加熱を極力避けたい本実施例のような工程には有用である。
【0054】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜118を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成し、これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってTFTの電極・配線117、120、119を形成する。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニールを行い、TFTを相補型に構成した半導体回路を完成する。(図1(D))
【0055】
上記に示す回路は、PTFTとNTFTとを相補型に設けたCMOS構造であるが、上記工程において、2つのTFTを同時に作り、中央で切断することにより、独立したTFTを2つ同時に作製することも可能である。
【0056】
図2に、図1(D)を上面から見た概要を示す。図2における符号は図1の符号に対応する。図2に示すように結晶化の方向は矢印105で示す方向であり、ソース/ドレイン領域の方向(ソース領域とドレイン領域を結んだ線方向)に結晶成長が行われている。この構成のTFTの動作時において、キャリアはソース/ドレイン間を針状あるいは柱状に成長した結晶に沿って移動する。即ちキャリアは針状あるいは柱状の結晶の結晶粒界に沿って移動する。従って、キャリアが移動する際に受ける抵抗を低減することができ、高移動度を有するTFTを得ることができる。
【0057】
本実施例においては、ニッケルを導入する方法として、非晶質珪素膜104下の下地膜102上に選択的にニッケルを珪化ニッケル薄膜(極めて薄いので、膜として観察することは困難である)として形成し、この部分から結晶成長を行わす方法を採用したが、非晶質珪素膜104を形成後に、選択的に珪化ニッケル膜を成膜する方法でもよい。即ち、結晶成長は非晶質珪素膜の上面から行ってもよいし、下面から行ってもよい。またニッケルの導入方法としては、ニッケルを含む電極を用いてプラズマ処理を行い、微量なニッケルを付着させる方法を用いてもよい。また、予め非晶質珪素膜を成膜し、さらにイオンドーピング法やイオンインプラテーション(イオン注入法)を用いて、ニッケルイオンをこの非晶質珪素膜104中に選択的に注入する方法を採用してもよい。この場合は、ニッケル元素の濃度を制御することができるという特徴を有する。
【0058】
〔実施例2〕
本実施例は、アクティブ型の液晶表示装置において、Nチャネル型TFTをスイッチング素子として各画素に設けた例である。以下においては、一つの画素について説明するが、他に多数(一般には数十万)の画素が同様な構造で形成される。また、Nチャネル型ではなくPチャネル型でもよいことはいうまでもない。また、液晶表示装置の画素部分に設けるのではなく、周辺回路部分にも利用できる。また、イメージセンサや他の集積回路に利用することができる。即ち薄膜トランジタと利用するのであれば、特にその用途が限定されるものではない。
【0059】
本実施例の作製工程の概略を図3に示す。本実施例において、基板201としてはコーニング7059ガラス基板(厚さ1.1mm、300×400mm)を使用した。まず、下地膜203(酸化珪素)をスパッタリング法で2000Åの厚さに形成する。この後選択的にニッケルを導入するために、メタルマスクや酸化珪素膜、またはフォトレジスト等により、マスク203を形成する。そして、スパッタリング法により珪化ニッケル膜を成膜する。この珪化ニッケル膜は、スパッタリング法によって、厚さ5〜200Å、例えば20Åの厚さに形成する。この珪化ニッケル膜は、化学式NiSi、0.4≦x≦2.5、例えば、x=2.0で示される。このようにして、選択的に領域204に珪化ニッケル膜が形成される。
【0060】
この後、LPCVD法もしくはプラズマCVD法で非晶質珪素膜205を1000Åの厚さに形成し、400℃で1時間脱水素化を行った後、加熱アニールによって結晶化を行う。このアニール工程は、水素還元雰囲気下(好ましくは、水素の分圧が0.1〜1気圧)、550℃で4時間行った。またこの加熱アニール工程を窒素等の不活性雰囲気中で行ってもよい。
【0061】
このアニール工程において、非晶質珪素膜205下の一部の領域(204の領域)には、珪化ニッケル膜が形成されているので、この部分から結晶化が起こる。この結晶化の際、図3(B)の矢印で示すように、珪化ニッケルが成膜されている部分204では、基板201に垂直方向に珪素の結晶成長が進行する。また、同様に矢印で示されるように、珪化ニッケルが成膜されいていない領域(領域205以外の領域)においては、基板に対し、平行な方向に結晶成長が行われる。この後実施1と同様なランプ加熱によってアニールを行い、珪素膜の結晶性の改善(緻密化)を行う。
【0062】
こうして、結晶性珪素よりなる半導体膜205を得ることができる。次に、上記半導体膜205をパターニングして島状の半導体領域(TFTの活性層)を形成する。この際、チャンネル形成領域209が形成される部分とニッケルが導入される204との距離を設定することにより、チャネル形成領域209におけるニッケルの濃度を決めることができる。即ちその距離を長くすれば、チャネル形成領域209におけるニッケル濃度を小さくすることができ、その距離を短くすれば、チャネル形成領域におけるニッケル濃度を高くすることができる。勿論この場合、珪素膜205が結晶化している領域でなければならない。
【0063】
さらにテトラ・エトキシ・シラン(TEOS)を原料として、酸素雰囲気中のプラズマCVD法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜(厚さ700〜1200Å、典型的には1000Å)206を形成する。基板温度はガラスの縮みやソリを防止するために400℃以下、好ましくは200〜350℃とする。この後、実施例1と同様に赤外光の照射によるランプ加熱を1分〜5分行い、半導体膜205とゲイト絶縁膜206との界面特性を向上させる。
【0064】
次に、公知の珪素を主成分とした膜をCVD法で形成し、パターニングを行うことによって、ゲイト電極207を形成する。その後、N型の不純物として、リンをイオン注入でドーピングし、自己整合的にソース領域208、チャネル形成領域209、ドレイン領域210を形成する。そして、KrFレーザー光を照射することによって、イオン注入のために結晶性の劣化した珪素膜の結晶性を改善させる。このときにはレーザー光のエネルギー密度は250〜300mJ/cmとする。このレーザー照射によって、このTFTのソース/ドレインのシート抵抗は300〜800Ω/cmとなる。この工程も、レーザー光を用いる代わりに、赤外光のランプ加熱で行うことができる。
【0065】
その後、酸化珪素によって層間絶縁物211を形成し、さらに、画素電極212をITOによって形成する。そして、コンタクトホールを形成して、TFTのソース/ドレイン領域にクロム/アルミニウム多層膜で電極213、214を形成し、このうち一方の電極213はITO212にも接続するようにする。最後に、水素中で200〜300℃で2時間アニールして、シリコンの水素化を完了する。このようにして、TFTを完成する。この工程は、同時に他の多数の画素領域においても同時に行われる。
【0066】
本実施例で作製したTFTは、ソース領域、チャネル形成領域、ドレイン領域を構成する活性層として、キャリアの流れる方向に結晶成長させた結晶性珪素膜を用いているので、結晶粒界をキャリアが横切ることがなく、即ちキャリアが針状あるいは柱状の結晶の結晶粒界に沿って移動することになるから、キャリアの移動度の高いTFTを得ることができる。本実施例で作製したTFTはNチャネル型であり、その移動度は、90〜130(cm/Vs)であった。従来の600℃、48時間の熱アニールによる結晶化によって得られた結晶性珪素膜を用いたNチャネル型TFTの移動が、80〜100(cm/Vs)であったことと比較すると、これは大きな特性の向上である。
【0067】
また上記の工程と同様な作製方法によって、Pチャネル型TFTを作製し、その移動度を測定すると、80〜120(cm/Vs)であった。これも従来の600℃、48時間の熱アニールによる結晶化によって得られた結晶性珪素膜を用いたPチャネル型TFTの移動が、30〜60(cm/Vs)であったことに比較すると大きな特性の向上である。
【0068】
〔実施例3〕
本実施例は、実施例2に示すTFTにおいて、結晶の成長方向に対して垂直な方向にソース/ドレインを設けた例である。即ち、キャリアの移動する方向が結晶成長方向とは垂直になっており、針状あるいは柱状の結晶の結晶粒界を横切るようにしてキャリアが移動する構成とした例である。このような構成とすると、ソース/ドレイン間の抵抗を高くすることができる。これは、針状あるいは柱状に結晶成長した結晶の結晶粒界を横切るようにキャリアが移動しなければならないためである。本実施例の構成を実現するには、実施例2に示す構成において、単にTFTをどのような向きで設けるかを設定すればよい。
【0069】
〔実施例4〕
本実施例は、実施例2に示す構成において、TFTを設ける向き(ここではソース/ドレイン領域を結ぶ線で定義する。即ち、キャリアの流れる向きでTFTの方向を決めることとする)を結晶性珪素膜の基板表面に対する結晶成長方向と任意の角度で設定することにより、TFTの特性を選択することを要旨とする。
【0070】
前述のように、結晶の成長方向にキャリアを移動させる場合、キャリアは結晶粒界に沿って移動するので、その移動度を向上させることができる。一方、結晶の成長方向に対して垂直な方向にキャリアを移動させる場合には、キャリアが多数の粒界を横切らなければならないので、キャリアの移動度は低下する。
【0071】
そこで、この2つの状態の間を選択することによって、即ち結晶成長方向とキャリアの移動する方向との角度を0〜90°の範囲において設定することにより、キャリアの移動度を制御することができる。また別な見方をするならば、上記結晶成長方向とキャリアの移動する方向との角度を設定することにより、ソース/ドレイン領域間の抵抗を制御できることになる。勿論この構成は、実施例1に示す構成にも利用することができる。この場合、図2に示すスリット状のニッケル微量添加領域100が0〜90°の範囲で回転し、矢印105で示す結晶の成長方向と、ソース/ドレイン領域を結ぶ線との角度が0〜90°範囲で選択されることになる。そして、この角度が、0°に近い場合は移動度が大きく、ソース/ドレイン間の電気抵抗が小さい構成とすることができる。またこの角度が90°に近い場合、移動度が小さく、ソース/ドレイン間の抵抗、即ちチャネル形成領域の抵抗が大きい構成とすることができる。
【0072】
〔実施例5〕
本実施例は、実施例1または実施例2の非単結晶珪素半導体膜の結晶化の工程において、塩素が添加された酸化珪素膜を形成後に、ランプ加熱による結晶化を行う例である。実施例1または実施例2においては、まず非単結晶珪素膜を形成後に、550度、4時間の加熱によりこの珪素膜を結晶化させ、さらにランプ加熱によって結晶性の助長及び改善を行うものであった。本実施例はこの工程をさらに発展させたものであって、ランプ加熱の際に結晶化のための触媒元素をゲッタリングせんとするものである。
【0073】
本実施例においては、まず実施例1や実施例2で説明したように加熱によって結晶性珪素膜を作製する。この工程は、触媒元素(例えばニッケル)の作用によって550度、4時間程度の加熱アニールによって行われる。その後、塩素が添加された酸化珪素膜を1000Åの厚さに形成する。この後この酸化珪素膜を介してのランプ加熱を行う。ランプ加熱の条件は実施例1の場合と同様である。この時、先の加熱によって結晶化された結晶性珪素膜の結晶性が改善される、特に膜中の欠陥を大きく減少させることができる(膜の緻密化が進行する)とともに、酸化珪素膜中の塩素の働きによって、結晶化のための触媒元素のゲッタリングが行われる。こうして、触媒元素が固定化され、触媒元素がデバイスの動作に影響を与えることが低減された結晶性珪素膜を得ることができる。
【0074】
その後この塩素が添加された酸化珪素膜を取り除き、ゲイト絶縁膜用の酸化珪素膜を形成する。その後の工程は、実施例1や実施例2で説明したのと同様である。
【0075】
〔実施例6〕
本実施例は、図3に示す実施例2の作製工程において、珪化ニッケル膜を下地膜202上全面に形成することで、珪素膜全面において、基板に垂直な方向に結晶成長をさせた例である。TFTの作製は、マスク203を設けずに珪化ニッケル膜を下地膜202上全面に形成し、かかる後に実施例2で説明したように非晶質珪素膜205を形成し、さらに結晶化工程を経て、TFTを作製する。
【0076】
本実施例のTFTの概略の断面は、図3(D)に示すものと異なるものではないが、ソース/ドレイン領域208、210とチャネル形成領域209とが形成される活性層において、針状あるいは柱状の結晶の成長方向が、基板201に対して垂直に成されている。この為、ソース領域(208または210)とドレイン領域(210または208)との間を移動するキャリアは、針状あるいは柱状の結晶の結晶粒界を横切る形で移動することになる。従って、ソース/ドレイン間の抵抗が若干高いTFTとなる。このようなTFTは、移動度は100cm/Vs以下であるが、オフ電流が小さいので、電荷保持を行うことを目的とする液晶表示装置の画素用TFTに最適な形式となる。
【0077】
しかしながら、本実施例のようなTFTは、前述のように活性層中におけるニッケル濃度を制御することが困難であるので、歩留りや信頼性に問題がある。この問題は、ニッケルの導入量を制御できる方法(例えばイオン注入法)を利用することで改善できる。
【0078】
〔実施例7〕
本実施例は、加熱による結晶化のための触媒元素である8族の元素の他に4族の元素のイオン注入により、さらに結晶化を促進させた例である。本実施例の作製工程を図1を用いて説明する。また特に断らない限り個々の作製工程における作製条件や膜厚は、実施例1で説明のと同様である。
【0079】
まずガラス基板101上に下地膜(酸化珪素膜)を形成し、さらにマスク103を形成し、選択的に結晶化のための触媒元素である8族の元素(ここではニッケル)を薄膜として露呈した100の領域に形成する。つぎにマスク103を取り除き、非単結晶珪素膜ここでは非晶質珪素膜104をプラズマCVD法によって形成する。次に4族の元素である珪素をイオン注入法により、全面に打ち込む。この際投影飛程が珪素膜104と下地膜102との界面近傍の基板側になるようにする。イオン注入の加速電圧は60kVし、ドーズ量は2×1015cm−2とする。この結果、基板(下地膜も含む)と非晶質珪素膜104との界面近傍を中心に徹底的に非晶質化が行われ、結晶化核となるべき存在を極力無くすことができる。
【0080】
ここで4族の元素を用いるのは、珪素に対して電気的に中性の不純物であるからである。この4族の元素としては、C、Si、Ge、Sn、Pbを用いることができるが、特にSi、Ge、Snを用いることが好ましい。またそのドーズ量は5×1014〜5×1016イオンcm−2とすればよい。
【0081】
この後、非晶質珪素膜104を550度、4時間の加熱により結晶化させる。この際、100の領域から矢印105で示すような基板に平行な方向への結晶成長が起こる。この結晶成長は、針状あるいは柱状に行われる。この結晶成長の際、基板と非晶質珪素膜との界面を中心に結晶成長の核になる結晶成分(非晶質珪素膜といっても、程度も問題として結晶成分は存在する)が先の珪素イオンの注入によって排除されているので、100の領域から基板に平行な方向に行われる結晶成長が珪素膜104と下地膜102との界面から発生する結晶成長によって阻害されることなく、配向性の良好な、即ち結晶成長方向の揃った結晶成長を行わすことができる。
【0082】
後は実施例1で説明したように、PTFT及びNTFTを形成することで、相補型に形成されたTFT回路を完成する。本実施例のように、配向性の良好な結晶性珪素膜において、その結晶成長方向とキャリアの移動する方向とが揃うようにTFTを形成した場合、キャリアが結晶粒界に沿って移動するので、その移動の際に結晶粒界の影響を殆ど受けない構成とすることができる。即ち、高速動作を得ることができる。例えば、実施例1で示した工程により形成したNTFTの移動度は平均で90〜130cm/Vsであったものが、本実施例のように加熱による結晶化に先立ち、珪素イオンの打ち込みを行ったものは、150〜170cm/Vsのものを得ることができた。
【0083】
本実施例においてさらに結晶性の向上が得られ、移動度の高いTFTが得られたのは、8族の元素であるニッケルの導入領域からの基板に平行な方向への結晶成長において、この結晶成長を阻害する基板に垂直方向への結晶成長を助長する結晶成分が前もって徹底的に除去されていたので、基板に平行な方向への結晶成長が優先的に行われたためであると考えられる。特に基板に垂直な方向に柱状に結晶成長する際の結晶核が存在する珪素膜と基板との界面近傍を徹底的に非晶質化したことが有効であったと考えられる。
【0084】
〔実施例8〕
本実施例は、アクティブ型の液晶表示装置において、周辺ドライバー回路を8族元素であるニッケルの触媒作用によって結晶化させた実施例1または実施例2にその作製工程を示すTFTで構成し、画素部分に設けられるTFTを公知の非晶質珪素(アモルファスシリコン)を用いたTFTで構成する例である。
【0085】
公知のように、アクティブ型の液晶表示装置において、周辺ドライバー回路部分のTFTは、高移動度(100cm/Vs以上)を有し、多くのオン電流を流せるTFTが必要とされるが、画素部分に設けられるTFTは、電荷保持のために小さなオフ電流と光照射による誤動作を避けるために比較的小さな移動度(10cm/Vs程度)を有することを要求される。
【0086】
この要求は、周辺回路部分を実施例1や実施例2で説明したTFTで構成し、画素部分を公知の非晶質珪素膜を利用したTFT(a−SiTFT)で形成することで、ある程度満足される。しかし、非晶質珪素膜を利用したTFTは、その移動度は1cm/Vs以下であるので、その点で問題が残る。
【0087】
〔実施例9〕
本実施例は、実施例8をさらに発展させたもので、周辺回路部分のTFTは、実施例1や実施例2で示した100cm/Vs以上の高移動度を有するTFTで構成し、画素部分のTFTを実施例6で示したTFTで構成する例である。
【0088】
実施例6に示したTFTは、基板に垂直な方向に結晶成長を行わすことによって、キャリアの流れに対して、結晶粒界が垂直になるようにし、キャリアが多数の結晶粒界を横切るように構成したTFTである。このようなTFTは、キャリアの移動が結晶粒界によって阻害されるので、移動度は低下する。しかし、オフ電流は小さくなるので、電荷保持率を高めることができ、画素用のTFTとしては適する。しかし、実施例1や実施例2で示したようにニッケルを薄膜として導入した場合には、その再現性が悪く、また得られる移動度も100cm/Vs近くのものが得られてしまうので、画素用TFTとしてはオーバースペックとなる。
【0089】
そこで、本実施例においては、ニッケルの濃度を制御して導入することのできるイオン注入法を用いることのよって、上記問題を解決せんとするものである。まず、イオン注入法を用いることによって、膜中のニッケル濃度の再現性の問題は解決される。さらに、膜中のニッケル濃度を下げることで、結晶性を多少悪くさせ、その移動度を低下させることができる。勿論移動度を下げるには、チャネル領域やソース/ドレイン領域に酸素や窒素を人為的に導入する方法、ソース/ドレイン領域にドープされる導電型を付与する不純物のドープ量を減らし、またはその活性化工程を簡略化させることによってソース/ドレイン領域の抵抗を高める方法、チャネルをソース/ドレインとは弱い逆導電型にする方法、ソース/ドレインのコンタクトホールの位置を離す(即ち、ソース/ドレイン領域のシート抵抗を利用する)方法、等のソース/ドレイン間の抵抗を高める手段を用いてもよい。
【0090】
以上のように、本実施例は、珪素膜の結晶化を行うための触媒元素であるニッケルをイオン注入法によって非晶質珪素膜中に注入する方法を用い、しかもその際、画素部分には低濃度で全面にニッケルを注入し、さらに周辺回路部分にはそれより高濃度で注入し、さらに画素部分では基板に垂直な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を利用してTFTを形成し、周辺回路部分では、基板に平行に結晶成長した結晶性珪素膜を利用してTFTを形成したものである。そして、このような構成をとることによって、画素部分では移動度が10〜50cm/Vs程度でオフ電流の小さいTFTを、周辺回路部分では、移動度が100cm/Vs以上でオン電流を多く流せるTFTを得ることができる。
【0091】
また、さらに周辺回路部分のみを高移動度化させるのであれば、その領域に実施例7で示したような中性元素のイオン注入を併用すればよい。
【0092】
【発明の効果】
基板上に設けられ、しかも基板表面に平行な方向に結晶成長した結晶性を有する非単結晶珪素半導体膜をTFTに利用するに際して、TFT内を移動するキャリアの流れの方向を結晶成長が行われた方向と合わせることにより、キャリアの移動が針状または柱状に成長した結晶の結晶粒界に沿って(平行に)移動する構成とすることができ、高移動度を有するTFTを得ることができる。さらにこれらのTFTを600度以下の低温で形成することができるので、基板として安価なガラス基板を利用することができる。
【0093】
また、必要とする移動度を有するTFTを選択的に作り分けることができる。具体的には、
1.基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を用いて、結晶粒界に沿った方向にキャリアが移動するようにTFTを作製する。
2.基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を用いて、結晶粒界を横切ってキャリアが移動するようにTFTを作製する。
3.基板に垂直な方向に結晶成長した領域にTFTを作製する。
4.部分的に結晶化のための触媒元素を導入することで、選択的に結晶性珪素膜を形成し、その結晶性珪素膜を利用することで、特定の部分のTFTを高移動度TFTとする。
特に、結晶化のための触媒元素が導入された領域から離れた領域の結晶性珪素膜は、1次元的な配向性を有しているので、その1次元方向とキャリアの移動する方向とを概略合わせることによって、キャリアが高移動度を有する半導体装置を得ることができる。特に絶縁ヘイト型電界効果トランジスタのチャネル形成領域にこの構成を利用することで、高速応答を有するTFTを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の作製工程を示す。
【図2】実施例の概要を示す。
【図3】実施例の作製工程を示す。
【図4】金属元素の濃度を示す。
【符号の説明】
101 ガラス基板
102 下地膜(酸化珪素膜)
103 マスク
104 珪素膜
105 結晶化の方向
106 ゲイト絶縁膜
107 ゲイト電極
108 陽極酸化層
109 ゲイト電極
110 陽極酸化層
111 ソース/ドレイン領域
112 チャネル形成領域
113 ドレイン/ソース領域
114 ソース/ドレイン領域
115 チャネル形成領域
116 ドレイン/ソース領域
117 電極
118 層間絶縁物
120 電極
119 電極
201 ガラス基板
202 下地膜(酸化珪素膜)
203 マスク
204 ニッケル微量添加領域
205 珪素膜
206 ゲイト絶縁膜
207 ゲイト電極
208 ソース/ドレイン領域
209 チャネル形成領域
210 ドレイン/ソース領域
211 層間絶縁物
213 電極
214 電極
212 ITO(画素電極)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a TFT (thin film transistor) provided over an insulating substrate such as glass and a method for manufacturing the semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Known semiconductor devices having TFTs on an insulating substrate such as glass include active liquid crystal display devices and image sensors that use these TFTs to drive pixels.
[0003]
A thin film silicon semiconductor is generally used for TFTs used in these devices. Thin film silicon semiconductors are roughly classified into two types: those made of amorphous silicon semiconductor (a-Si) and those made of crystalline silicon semiconductor. Amorphous silicon semiconductors are most commonly used because they have a low production temperature, can be produced relatively easily by a vapor phase method, and are highly mass-productive. However, physical properties such as conductivity have crystallinity. Since it is inferior to a silicon semiconductor, the establishment of a method for manufacturing a TFT made of a crystalline silicon semiconductor has been strongly demanded in order to obtain higher speed characteristics in the future. Note that non-single crystalline silicon such as polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon containing a crystalline component, semi-amorphous silicon having an intermediate state between crystalline and amorphous is used as a crystalline silicon semiconductor. Membranes are known. Hereinafter, a crystalline silicon semiconductor is referred to as a crystalline silicon semiconductor, and a crystalline silicon semiconductor film is referred to as a crystalline silicon film.
[0004]
As a method of obtaining a thin film silicon semiconductor having these crystallinity,
(1) A film having crystallinity is directly formed at the time of film formation.
(2) An amorphous semiconductor film is formed and given crystallinity by the energy of laser light.
(3) An amorphous semiconductor film is formed and crystallized by applying heat energy.
Is known. However, the method (1) is technically difficult to uniformly form a film having good semiconductor properties over the entire surface of the substrate, and the film forming temperature is as high as 600 ° C. There was also a problem of cost that a glass substrate could not be used. In the method (2), the excimer laser, which is currently most commonly used, has the problem that the throughput is low because the irradiation area of the laser beam is small, and the entire surface of the large area substrate is also present. The laser is not stable enough to treat the material uniformly, and there is a strong sense of the next generation technology. The method (3) has an advantage that it can cope with a large area as compared with the methods (1) and (2), but it is also necessary to set the heating temperature to a high temperature of 600 ° C. or more, which is an inexpensive glass. Considering the use of a substrate, it is necessary to further lower the heating temperature. In particular, in the case of the current liquid crystal display device, the screen has been enlarged, and therefore it is necessary to use a large glass substrate as well. When such a large glass substrate is used, shrinkage and distortion in the heating process that is indispensable for semiconductor fabrication reduce the accuracy of mask alignment and the like, which is a serious problem. In particular, in the case of 7059 glass that is most commonly used at present, the strain point is 593 ° C., and the conventional heat crystallization method causes large deformation. In addition to the temperature problem, in the current process, the heating time required for crystallization is several tens of hours or more, and it is necessary to further shorten the time.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides means for solving the above problems. More specifically, in a method for producing a thin film made of a crystalline silicon semiconductor using a method of crystallizing a thin film made of amorphous silicon by heating, the temperature required for crystallization is lowered and the time is shortened. The purpose is to provide a process that balances the two. Of course, the silicon semiconductor having crystallinity produced by using the process provided by the present invention has physical properties equivalent to or better than those produced by the prior art and can be used in the active layer region of the TFT. It goes without saying that there are.
[0006]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The inventors have conducted the following experiment on the method of forming an amorphous silicon semiconductor film by the CVD method or the sputtering method and crystallizing the film by heating, as described in the section of the prior art. And discussed.
[0007]
First, as an experimental fact, when an amorphous silicon film is formed on a glass substrate and the mechanism for crystallizing this film by heating is investigated, crystal growth starts from the interface between the glass substrate and amorphous silicon, Above the film thickness, it was recognized that the film progressed in a columnar shape perpendicular to the substrate surface.
[0008]
In the above phenomenon, there is a crystal nucleus (a seed that becomes the basis of crystal growth) at the interface between the glass substrate and the amorphous silicon film, and the crystal grows from the nucleus. It is considered to be caused by Such crystal nuclei include impurity metal elements that are present in minute amounts on the substrate surface and crystal components on the glass surface (as called crystallized glass, the crystal component of silicon oxide exists on the glass substrate surface) Is considered).
[0009]
Therefore, we thought that it would be possible to lower the crystallization temperature by more aggressively introducing crystal nuclei, and in order to confirm the effect, a small amount of other metal was deposited on the substrate and non-coated on it. An experiment was conducted in which a thin film made of crystalline silicon was formed and then heated for crystallization. As a result, when several metals were formed on the substrate, a decrease in the crystallization temperature was confirmed, and it was predicted that crystal growth occurred using foreign substances as crystal nuclei. Therefore, the mechanism of the impurity metals that could be reduced in temperature was investigated in more detail.
[0010]
Crystallization can be considered in two stages: initial nucleation and crystal growth from the nuclei. Here, the initial nucleation rate is observed by measuring the time until fine crystals are generated at a constant temperature at a constant temperature. In some cases, the effect of introducing crystal nuclei on lowering the crystallization temperature was confirmed. Moreover, unexpectedly, when the growth of crystal grains after nucleation was examined by changing the heating time, a certain kind of metal was deposited, and then the amorphous silicon thin film deposited thereon was formed. In crystallization, it was observed that the rate of crystal growth after nucleation increased dramatically. This mechanism will be described in detail later.
[0011]
In any case, due to the above two effects, when a thin film made of amorphous silicon is formed on a small amount of a certain kind of metal, and then heated and crystallized, it has not been considered in the past. It has been found that sufficient crystallinity can be obtained in about 4 hours at a temperature of 580 ° C. or lower. Examples of impurity metals having such effects include iron, cobalt, nickel, copper, palladium, silver, and platinum. Since these are metals that are often used as catalyst materials, they will be hereinafter referred to as “catalyst metals for low-temperature crystallization” in the present specification. Among these, nickel is mentioned as a material that is most effective and easy to handle, and in the present specification, discussion will be focused on nickel.
[0012]
As an example of the effect of nickel, amorphous silicon formed by plasma CVD on a substrate (Corning 7059) on which no treatment is performed, that is, a nickel thin film is not formed. When a thin film made of the material is crystallized by heating in a nitrogen atmosphere, if the heating temperature is 600 ° C., a heating time of 10 hours or more is required. When a thin film made of amorphous silicon on the substrate was used, a similar crystallization state could be obtained by heating for about 4 hours. The determination of crystallization at this time utilized a Raman spectrum. From this alone, it can be seen that the effect of nickel is very large.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
As can be seen from the above description, when a thin film of amorphous silicon is formed after forming a thin film of catalytic metal for low-temperature crystallization, the time required for lowering the crystallization temperature and for crystallization is reduced. Shortening is possible. Therefore, a more detailed description will be added on the assumption that this process is used for manufacturing TFTs. As will be described in detail later, the thin film of the catalyst metal for low-temperature crystallization has the same effect even when it is formed on amorphous silicon as well as on the substrate, and it is the same in ion implantation. Hereinafter, in the present specification, this series of treatments will be referred to as “low-temperature crystallization catalyst metal addition”. As the catalyst metal for low-temperature crystallization, it is useful to use at least one element selected from iron, cobalt, nickel, copper, palladium, silver, and platinum. Examples of elements having effects equivalent to those of the above materials include Group 8 elements such as Ru, Rh, Os, and Ir.
[0014]
First, a method for adding a catalyst metal for low-temperature crystallization will be described. The addition of a trace amount of the catalyst metal for low-temperature crystallization can be performed by forming a thin film of the catalyst metal for low-temperature crystallization on the substrate and then depositing amorphous silicon. In addition, the method of forming a small amount of the catalyst metal thin film for low-temperature crystallization from the above has the effect of lowering the temperature in the same way, and the film-forming method can be either sputtering or vapor deposition. It turns out not. However, when a small amount of low-temperature crystallization catalyst metal thin film is formed on the substrate, silicon oxide is not formed on the substrate rather than directly on the 7059 glass substrate. The effect is more remarkable when a thin film is formed and a small amount of a low-temperature catalytic metal thin film for crystallization is formed thereon. As a possible reason for this, it is important for the low temperature crystallization that silicon and the catalytic metal for low temperature crystallization are in direct contact. In the case of 7059 glass, components other than silicon are in contact with each other. Or the reaction may be inhibited.
[0015]
Further, as a method of adding a small amount, in addition to forming a thin film in contact with or under amorphous silicon, almost the same effect was confirmed by adding a catalyst metal for low-temperature crystallization by ion implantation. Further, it may be added as an impurity when forming an amorphous silicon film or a non-single-crystal silicon film to be crystallized.
[0016]
The amount of catalyst metal for low temperature crystallization is, for example, 1 × 10 5 for nickel. 15 atoms / cm 3 Although low temperature has been confirmed in the addition of the above amount, 1 × 10 21 atoms / cm 3 At the above addition amount, the peak shape of the Raman spectrum is clearly different from that of silicon alone, so that the actual usable amount is 1 × 10. 15 atoms / cm 3 ~ 5x10 19 atoms / cm 3 Seems to be in the range. Further, considering that it is used for the active layer of TFT as a semiconductor physical property, this amount is 1 × 10 5. 15 atoms / cm 3 ~ 2x10 19 atoms / cm 3 It is necessary to keep it at a minimum.
[0017]
Subsequently, the crystallization mechanism presumed when nickel is used as the catalyst metal for low temperature crystallization will be described.
[0018]
As described above, when the low-temperature crystallization catalyst metal is not added, nuclei are randomly generated from crystal nuclei such as the substrate interface, and crystal growth from the nuclei is also random, depending on the production method (110). Alternatively, it has been reported that a relatively oriented crystal is obtained at (111), and of course, almost uniform crystal growth is observed over the entire thin film.
[0019]
First, in order to confirm this mechanism, analysis by DSC (differential scanning calorimeter) was performed. The amorphous silicon thin film formed on the substrate by plasma CVD was filled in the sample container while attached to the substrate, and the temperature was raised at a constant rate. Then, a clear exothermic peak was observed around 700 ° C., and crystallization was observed. This temperature naturally shifts when the rate of temperature increase is changed, but crystallization started from 700.9 ° C., for example, when performed at a rate of 10 ° C./min. Next, three types of temperature rising rates were measured and the activation energy for crystal growth after initial nucleation was determined from them by the Ozawa method. As a result, a value of about 3.04 eV was obtained. In addition, when the reaction rate equation was obtained by fitting with the theoretical curve, it was found that it was best explained by disordered nucleation and its growth model, and nuclei were randomly generated from crystal nuclei such as the substrate interface. The validity of the model of crystal growth from the nucleus was confirmed.
[0020]
The same measurement as described above was carried out for a sample to which a low-temperature crystallization catalyst metal was added, in which a small amount of nickel was added as an example. Then, when the temperature is raised at a rate of 10 ° C./min, crystallization starts from 619.9 ° C., and the activation energy of crystal growth obtained from these series of measurements is about 1.87 eV, It became numerically clear that crystal growth was easy. In addition, the reaction rate equation obtained from the fitting with the theoretical curve is close to the one-dimensional interface-controlled model, suggesting that the crystal growth has a certain directionality.
[0021]
Here, the lowering of the crystallization start temperature can be considered relatively easily as a foreign matter effect as described above, but what is the cause of the decrease in activation energy for crystal growth? In order to investigate this reason, the activation energy for recrystallization of the amorphous silicon film produced by making it amorphous by implanting silicon ions into the polycrystalline silicon film was measured by the method described above. As a result, it was found that the activation energy for crystal growth decreased to about 2.3 eV although the crystallization start temperature was shifted to the high temperature side. Here, in the amorphous silicon film produced by ion implantation, considering that the film contains almost no hydrogen, the ease of crystal growth depends on the hydrogen at the interface between the crystal part and the amorphous part. It is expected that the ease of detachment is rate-limiting. As an experimental result that supports this hypothesis, from the result of TG-DTA (differential heat-thermogravimetric analysis) of an amorphous silicon film, the start of crystallization always occurs immediately after hydrogen desorption is completed. It is expected that the possibility of hindering crystallization is very high.
Here, when examining the reaction between hydrogen and the catalyst metal for low-temperature crystallization added this time, these are substances that cause an exothermic reaction when reacting with hydrogen to form a hydride (Palladium is the only literature). Depending on the endothermic reaction). This indicates that the low-temperature crystallization catalyst metal is stabilized by bonding with hydrogen, and it is considered that the low-temperature is achieved by the following mechanism.
The catalyst metal for low-temperature crystallization incorporated into amorphous silicon forms a direct bond with silicon. When temperature is added here, diffusion of the catalyst metal for low-temperature crystallization proceeds prior to crystallization in order to homogenize the concentration gradient. The bond becomes weak and the bond is easily broken, and dangling bonds and vacancies in the film increase. Crystallization needs to be accompanied by movement of silicon atoms, but increased dangling bonds and vacancies are expected to facilitate them, which means that crystallization preparations are formed at lower temperatures. . Thereafter, nucleation occurs, and the activation energy at this time is reduced by adding a small amount of the catalyst metal for low-temperature crystallization. This is obvious from the fact that crystallization occurs at a lower temperature by adding a low-temperature crystallization catalyst metal, and this is because of the effect of the low-temperature crystallization catalyst metal alone as a foreign substance, or It is considered that there is a possibility of an effect of an intermetallic compound composed of a catalyst metal for low temperature crystallization and silicon. In addition, this nucleation occurs almost simultaneously over the entire region where the catalyst metal for low-temperature crystallization is added. As a result, the crystal growth grows as a plane. In this case, the reaction rate equation is a one-dimensional interface rate-determining method. The process is consistent with the DSC results. After that, crystal growth from the crystal nucleus proceeds, but at that time, hydrogen does not exist at the interface between the crystal part and the amorphous part, so the rate-determining process changes, and accordingly the activation energy required for crystal growth is Decrease significantly.
In order to explain the above mechanism, diffusion of the catalyst metal for low-temperature crystallization prior to crystallization is indispensable. For this, low-temperature crystallization is performed on samples annealed before crystallization starts. The concentration of the catalytic metal for the catalyst was measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry), and it was found that the low temperature crystallization was higher than the measurement limit value from the region where the catalytic metal for low temperature crystallization was directly added to the region where it was not added far away It is thought that it will be clear from the presence of the catalyst metal for use.
[0022]
Next, the crystal form of the crystalline silicon film obtained by adding a small amount of the catalyst metal for low-temperature crystallization will be described.
As mentioned in the explanation of the crystallization mechanism, the added metal diffuses in a considerably wide region below the crystallization temperature. As a result, the crystallization temperature is lowered in these diffusion regions. And it became clear that a crystal form differs in this direct addition area | region and its diffusion area | region. That is, it was confirmed that the directly added region grew in the vertical direction to the substrate, while the peripheral diffusion region grew in the horizontal direction on the substrate. It is speculated that these are all due to the difference in initial nucleation of crystals. That is, in the directly added portion, these foreign substances become crystal nuclei and crystal growth occurs from there to the columnar shape, whereas in the peripheral diffusion region, the crystal nuclei are directly added portions grown in the above-described vertical direction. This is because it is construed that the growth is inevitably happening laterally in order to start growing from there. Hereinafter, in this specification, the crystal growth region in the lateral direction parallel to the substrate extending from the direct addition region of the low-temperature crystallization catalyst metal to the periphery will be referred to as a “lateral growth” region.
[0023]
Next, the electrical characteristics of the nickel slight addition portion and the laterally grown portion in the vicinity when nickel is used as the catalyst metal for low temperature crystallization will be described. The electrical characteristics of the nickel-added portion are almost the same as those of the film to which the nickel is not added, that is, the crystallization at about 600 ° C. for several tens of hours, and the temperature dependence of the conductivity. When the activation energy was determined from the properties, the amount of nickel added was 10 as described above. 17 atoms / cm 3 -10 18 atoms / cm 3 In the case of the degree, the behavior that seems to be attributed to the level of nickel was not observed. That is, from this experimental fact, it is considered that the above-mentioned concentration can be used as an active layer of a TFT.
[0024]
On the other hand, the laterally grown portion has a conductivity higher by one digit or more than that of the portion with a small amount of nickel added, and has a considerably high value as a silicon semiconductor having crystallinity. This is thought to be due to the fact that the path direction of the current coincides with the lateral growth direction of the crystal, so that there are few or almost no grain boundaries existing while electrons pass between the electrodes. Consistent with the results. That is, since the movement of the carrier is along the grain boundary of the crystal grown in the shape of a needle or a column, it can be considered that the carrier is easily moved.
[0025]
Further, as shown in FIG. 1, nickel is selectively introduced into a region 100 as a nickel silicide film, and thereafter an amorphous silicon film 104 is formed by a known plasma CVD method, and further heated at 550 ° C. for 4 hours. In the region 100 into which nickel has been introduced, crystal growth occurs in a direction perpendicular to the substrate 101, and at the same time, in regions other than 100, the region is laterally parallel to the substrate 101 as indicated by an arrow 105. Directional growth takes place. As a result, a crystalline silicon film is obtained. When the nickel concentration in the crystalline silicon film was measured by SIMS, the following knowledge was obtained.
[0026]
1. The concentration distribution of nickel is not so large in the thickness direction of the film.
2. The nickel concentration in a region where nickel is directly introduced (for example, 100 region in FIG. 1) is greatly influenced by the deposition conditions of the nickel film. In other words, the reproducibility of the nickel concentration in that region is not so high.
3. In the region where the crystal is grown in a direction parallel to the substrate (region where nickel is not directly introduced), the concentration is about one order of magnitude smaller than the region where nickel is directly introduced, and the reproducibility of the concentration is Highly obtained.
4). Background nickel concentration is 1 x 10 17 cm -3 This is almost the same as the SIMS measurement limit. That is, the background nickel concentration is 1 × 10 which is the SIMS measurement limit level. 17 cm -3 It can be said that it is about or below.
[0027]
For example, in a region where nickel is directly introduced and crystal is grown in a direction perpendicular to the substrate, about 2 × 10 18 cm -3 In the region where the crystal is grown in the direction parallel to the substrate about 40 μm away from the region where the nickel is introduced, that is, the region where the lateral growth is performed, the nickel concentration to be measured Is about 2 × 10 17 And about one digit less. The above example will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows a Ni concentration in a region to which Ni has been added by plasma treatment (plasma treated), a Ni concentration in a region in which crystal growth has occurred in a direction parallel to the substrate (lateral growth), and a− which is a ground level. This is the Ni concentration of Si. As can be seen from FIG. 4, the Ni concentration in the region (Lateral growth) in which the crystal grows in the direction parallel to the substrate is lower than that in the region where Ni is directly introduced. Therefore, for use as a device, it is useful to use a region in which crystals are grown in a direction parallel to the substrate.
[0028]
It is very difficult to control the nickel concentration in the silicon film in the region where nickel is directly introduced, and the nickel concentration in this case varies greatly depending on the deposition conditions of the nickel film (actually nickel silicide film) To do. This is because the nickel concentration in this region (for example, the region of 100 in FIG. 1) is about 20%, which is a very severe film thickness (it is difficult to actually measure and is a value estimated from the film formation rate). This is considered to be because it directly depends on the required film forming conditions. As is well known, it is impossible to form a film with a thickness of about 20 mm with a high uniformity by a film forming method such as sputtering. Therefore, it is considered that the poor reproducibility of the film formation directly reflects the nickel concentration in the silicon film. In addition, the variation in the nickel concentration directly affects the characteristics of a TFT in which the region where nickel is directly introduced is formed as an active layer. That is, when a TFT is manufactured using a region into which nickel is directly introduced (for example, 100 in FIG. 1), variations in characteristics appear greatly. This is also considered to be caused by the poor reproducibility of the ultra-thin nickel film.
[0029]
On the other hand, the nickel concentration in the region away from the region where nickel is introduced, that is, the region where the crystal is laterally grown in the direction parallel to the substrate from the region where nickel is directly introduced is generally higher than the region where nickel is directly introduced. There was a tendency that the concentration was small (about one order of magnitude at a location 40 μm away as described above) and the variation was further reduced. Further, according to experiments, the concentration of nickel in the active layer that provides satisfactory characteristics as a TFT is below the SIMS measurement limit (1 × 10 17 cm -3 Below) ~ 2 × 10 19 cm -3 Although it is known that in the region where the crystal is grown parallel to the substrate, the amount of direct nickel introduced (the region where nickel is introduced, for example, the nickel concentration in the silicon film 104 in the region 100) is used. It has been found that the predetermined nickel concentration can be obtained relatively stably. That is, when a TFT is formed using a region in which crystal is grown parallel to the substrate from a region where nickel is introduced, the TFT can be obtained with extremely high reproducibility.
[0030]
Furthermore, it is easy to select a region within the above nickel concentration range, or to make the nickel concentration within a predetermined region (but not a region indicated by 100 where nickel is directly introduced) within the above range. Has been confirmed. For example, in order to select a region having a predetermined nickel concentration, the nickel can be set to a predetermined concentration by setting a distance from the region where nickel is introduced. However, in this case, it is necessary to obtain the required crystallinity of the silicon film.
[0031]
In addition, to control the nickel concentration in the region of crystal growth parallel to the substrate, it can also be controlled by controlling the crystallization conditions (mainly heating time and heating temperature). This is much easier than controlling the nickel concentration in the region.
[0032]
As described above, the use of a region in which a crystal is grown in parallel to the substrate from a region to which a catalytic element for crystallization is added, that is, a laterally grown region, is used for a semiconductor device.
(1) The crystal orientation can be positively used, and a carrier having high mobility can be used.
(2) A region where the concentration of the catalyst material for crystallization is low can be used.
(3) The region (2) can be obtained with good reproducibility.
(4) The concentration of the catalyst material for crystallization can be easily controlled.
It is useful in that respect.
[0033]
Finally, a method applied to the TFT will be described based on the various characteristics described above. Here, as an application field of the TFT, an active matrix liquid crystal display device using the TFT for driving the pixel is assumed.
[0034]
As described above, in the recent large-screen active matrix liquid crystal display devices, it is important to suppress the shrinkage of the glass substrate. However, by using the catalytic metal trace addition process for low-temperature crystallization according to the present invention, This is particularly preferable because crystallization can be performed at a temperature sufficiently lower than the strain point. According to the present invention, a portion where amorphous silicon has been conventionally used is added with a small amount of a low-temperature crystallization catalyst metal and crystallized at about 500 to 550 ° C. for about 4 hours. It can be easily replaced. Of course, it is necessary to change the design rules and the like accordingly, but it is considered that the apparatus and the process can be sufficiently handled by conventional ones, and the merit is great.
[0035]
In addition, if the present invention is used, the TFT used for the pixel and the TFT for forming the driver of the peripheral circuit can be separately formed using crystal forms corresponding to the characteristics, and the active liquid crystal display device There are many merits especially in application to. A TFT used for a pixel does not require much mobility, and a smaller off-current has a greater merit than that. Therefore, when using the present invention, a small amount of catalyst metal for low-temperature crystallization is directly added to a region to be a TFT used for a pixel to grow a crystal in the vertical direction, thereby forming a large number of grain boundaries in the channel direction. Thus, the off-state current can be reduced. On the other hand, the TFT that forms the driver of the peripheral circuit needs very high mobility when considering application to a workstation in the future. Therefore, when applying the present invention, a small amount of catalyst metal for low-temperature crystallization is added in the vicinity of the TFT forming the driver of the peripheral circuit, and from there, a crystal is grown in one direction (direction parallel to the substrate), By aligning the crystal growth direction with the channel current path direction, a TFT having very high mobility can be manufactured.
[0036]
There is also known an apparatus in which sensors for handling image information and optical signals are integrated on a glass substrate. For example, an integrated image sensor is known. In such an apparatus, if visible light is detected, it is preferable to use amorphous silicon (a-Si) from the viewpoint of spectral sensitivity. However, since a switching element that requires high-speed operation is required for the drive circuit portion, it is not preferable that the element of the drive circuit portion, for example, the TFT is made of an amorphous silicon film. In such a case, it is useful to use the high mobility TFT described above. For example, a photodiode or phototransistor using an amorphous silicon film is formed in the sensor portion, and a transistor is formed in the peripheral circuit portion using the crystalline silicon film of the present invention. Then, these circuits can be integrated on the same substrate (for example, a glass substrate) to make a different structure.
[0037]
That is, if the present invention is used, a crystalline silicon film region and an amorphous silicon film region can be separately formed in a predetermined region, and the crystalline silicon film region that has grown in the lateral direction is used. Thus, a device in which carriers can move at high speed can be formed. The usefulness as described above can be used not only for liquid crystal display devices and sensors, but also for semiconductor devices that are widely integrated on a substrate. That is, it can be used for a device in which a transistor or a diode using a thin film semiconductor on a substrate, and further a resistor and a capacitor are integrated.
[0038]
[Action]
Crystal growth is performed in a needle-like or columnar shape in a direction parallel to the substrate from a region into which trace elements centering on a group 8 element having a catalytic action introduced to crystallize silicon are introduced. By forming an active layer such as a TFT using a crystal growth region, a region having a lower concentration than the region into which a trace element is introduced can be used as an active layer, and the device is not affected by the trace element. Can be obtained.
[0039]
Further, when the device is formed, the characteristics of the device can be enhanced by setting the carriers to flow in accordance with the crystal growth direction of the crystalline silicon film crystal-grown in a needle shape or a column shape. Further, in this region, the concentration of the trace element is low and the concentration can be easily controlled, so that a device having necessary characteristics can be obtained with good reproducibility.
[0040]
【Example】
In the following examples, nickel is used as a catalyst for crystallization. However, when other group 8 elements are used, Cu or Ag that can be expected to have the same effect as nickel is used. However, it can basically be used instead of nickel in the following examples. In addition, the introduction method is a method of forming those elements or a thin film containing the elements on the top surface of the non-single-crystal silicon film, and adding an element of group 8 into the non-single-crystal silicon film by ion doping or ion implantation. Or a method of mixing at the time of forming an amorphous silicon film. At this time, the concentration is 2 × 10 2 in the silicon film. 19 cm -3 What is necessary is as follows.
[0041]
[Example 1]
In this embodiment, a circuit in which a P-channel TFT (PTFT) using a crystalline silicon film and an N-channel TFT (NTFT) are combined on a glass substrate in a complementary manner is formed. The configuration of this embodiment can be used for pixel electrode switching elements, peripheral driver circuits, image sensors, and other integrated circuits in active liquid crystal display devices.
[0042]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a manufacturing process of this embodiment. First, a silicon oxide base film 102 having a thickness of 2000 mm is formed on a substrate (Corning 7059) 101 by sputtering. Next, a mask 103 formed of a metal mask or a silicon oxide film is provided. The mask 103 exposes the base film 102 in a slit shape in a region indicated by 100. That is, when the state of FIG. 1A is viewed from above, the base film 102 is exposed in a slit shape, and the other portions are masked.
[0043]
After the mask 103 is provided, a nickel silicide film (chemical formula NiSi) having a thickness of 5 to 200 mm, for example, 20 mm, is formed by sputtering. x , 0.4 ≦ x ≦ 2.5, for example, x = 2.0) is selectively formed in 100 regions. The nickel silicide film is formed because nickel, which is a group VIII (group 8) element, is used as a catalyst element for crystallization.
[0044]
Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film 104 having a thickness of 500 to 1500 mm, for example, 1000 mm is formed by plasma CVD. Then, this is crystallized by annealing for 4 hours at 550 ° C. or in an inert atmosphere (atmospheric pressure) at 550 ° C. in a hydrogen reducing atmosphere (preferably the partial pressure of hydrogen is 0.1 to 1 atm). . At this time, the crystallization of the crystalline silicon film 104 occurs in a direction perpendicular to the substrate 101 in 100 regions where the nickel silicide film is selectively formed. In regions other than the region 100, crystal growth is performed from the region 100 in the lateral direction (direction parallel to the substrate) as indicated by an arrow 105.
[0045]
In order to promote this crystallization and to obtain a denser crystalline silicon film, annealing by lamp heating is performed after the above heat annealing. This annealing is performed using 1.2 μm infrared light. Also, the annealing time is within 5 minutes. Infrared light is efficiently absorbed by silicon, and a great effect can be obtained in improving the film quality of silicon. On the other hand, since it is difficult to be absorbed by the glass substrate, it is possible to obtain the significance that energy is selectively given to silicon and the glass substrate is not heated so much. As light used for annealing by this lamp heating, tungsten halogen lamp light (wavelength: 0.5 μm to 3.5 μm) or the like can be used. A dense crystalline silicon film can be obtained by annealing by this lamp heating. It is also possible to perform annealing using laser light instead of the lamp heating.
[0046]
In addition, when the crystalline silicon film annealed by the lamp heating and the crystalline silicon film without the lamp heating were respectively formed, N-channel TFTs were formed, and the mobility was measured. An improvement of about 20% was observed. This is considered to be due to the crystallinity improvement by the lamp heating, particularly the fact that defects in the film can be greatly reduced.
[0047]
As a result of the above step, the crystalline silicon film 104 can be obtained by crystallizing the amorphous silicon film. Thereafter, element isolation is performed to determine the active layer region in which the source / drain region and the channel formation region of the TFT are formed. In this example, since crystal growth (lateral growth) in a direction parallel to the substrate was observed over about 40 μm or more, the length of each active layer (length in the source / drain direction) was set to 40 μm. . In this case, the distance between the center of the channel and the position where nickel is introduced is about 20 μm. By setting this distance, the concentration of nickel in the active layer (especially the channel formation region) can be selected. it can.
[0048]
Next, a silicon oxide film 106 having a thickness of 1000 mm is formed as a gate insulating film by a sputtering method. For sputtering, silicon oxide is used as a target, the substrate temperature during sputtering is 200 to 400 ° C., for example 350 ° C., the sputtering atmosphere is oxygen and argon, and argon / oxygen = 0 to 0.5, for example 0.1 or less. To do.
[0049]
After this step, the previous annealing by lamp heating is performed again. This is to improve the interface characteristics between the gate insulating film 106 made of a silicon oxide film and the crystalline silicon film 104. Of course, the crystallinity of the crystalline silicon film 104 is further improved by this lamp heating annealing. As is well known, the interface characteristics between the gate insulating film of the insulated gate field effect transistor and the channel formation region (in FIG. 1, 112 and 115 are the crystalline silicon film portions that become the channel formation region) are improved. Specifically, it is important to reduce defects and levels in the region as much as possible. Therefore, annealing by lamp heating performed after the formation of the gate insulating film 106 can obtain a great effect. Further, annealing by laser beam irradiation may be performed instead of lamp heating.
[0050]
Next, aluminum (containing 0.1 to 2% silicon) having a thickness of 6000 to 8000 mm, for example, 6000 mm is formed by sputtering. Then, patterning is performed to form gate electrodes 107 and 109. Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form oxide layers 108 and 110 on the surface. This anodization was performed in an ethylene glycol solution containing 1 to 5% tartaric acid. The thickness of the obtained oxide layers 108 and 110 was 2000 mm. Note that the oxides 108 and 110 have a thickness for forming an offset gate region in a subsequent ion doping step, and therefore the length of the offset gate region can be determined in the anodic oxidation step. Of course, this gate electrode may have a structure having silicon as a main component, further having a silicide of silicon and metal, one having a metal as a main component, and a stack of silicon and metal.
[0051]
Next, an impurity imparting one conductivity type is added to the active layer region (which constitutes a source / drain and a channel) by ion doping (ion implantation). In this doping step, impurities (phosphorus and boron) are implanted using the gate electrode 107 and its surrounding oxide layer 108 and the gate electrode 109 and its surrounding oxide layer 110 as masks. As doping gas, phosphine (PH 3 ) And diborane (B 2 H 6 In the former case, the acceleration voltage is set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and in the latter case, 40 to 80 kV, for example, 65 kV. The dose amount is 1 × 10 15 ~ 8x10 15 cm -2 For example, 2 × 10 phosphorus 15 cm -2 Boron 5 × 10 15 And In doping, each region is selectively doped by covering one region with a photoresist. As a result, N-type impurity regions 114 and 116 and P-type impurity regions 111 and 113 are formed, and a P-channel TFT (PTFT) region and an N-channel TFT (NTFT) region can be formed. .
[0052]
Thereafter, annealing is performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) was used, but other lasers may be used. The laser light irradiation condition is an energy density of 200 to 400 mJ / cm. 2 For example, 250 mJ / cm 2 Then, 2 to 10 shots, for example, 2 shots are irradiated at one place. It is useful to heat the substrate to about 200 to 450 ° C. during the laser light irradiation. In this laser annealing step, since nickel has diffused in the previously crystallized region, recrystallization easily proceeds by this laser light irradiation, and an impurity doped with an impurity imparting P-type The regions 111 and 113 and the impurity regions 114 and 116 doped with an impurity imparting N can be easily activated.
[0053]
Further, as the annealing method for the source / drain regions, the annealing method by lamp heating described above is also effective. This lamp heating (for example, using 1.2 μm of infrared light) selectively heats silicon as described above, and thus is useful for processes such as this example in which it is desired to avoid heating the glass substrate as much as possible. .
[0054]
Subsequently, a silicon oxide film 118 having a thickness of 6000 mm is formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method, a contact hole is formed in the silicon oxide film 118, and a TFT electrode / wiring is formed by a metal material, for example, a multilayer film of titanium nitride and aluminum. 117, 120, and 119 are formed. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete a semiconductor circuit in which TFTs are configured in a complementary manner. (Figure 1 (D))
[0055]
The circuit shown above has a CMOS structure in which PTFT and NTFT are provided in a complementary manner. However, in the above process, two TFTs are formed at the same time, and two independent TFTs are manufactured simultaneously by cutting at the center. Is also possible.
[0056]
FIG. 2 shows an outline of FIG. 1D viewed from above. The reference numerals in FIG. 2 correspond to the reference numerals in FIG. As shown in FIG. 2, the direction of crystallization is a direction indicated by an arrow 105, and crystal growth is performed in the direction of the source / drain region (the direction of the line connecting the source region and the drain region). During the operation of the TFT having this configuration, carriers move between the source / drain along a crystal grown in a needle shape or a column shape. That is, the carrier moves along the crystal grain boundary of the needle-like or columnar crystal. Therefore, the resistance received when the carrier moves can be reduced, and a TFT having high mobility can be obtained.
[0057]
In this embodiment, as a method of introducing nickel, nickel is selectively formed on the underlying film 102 under the amorphous silicon film 104 as a nickel silicide thin film (it is very thin and difficult to observe as a film). Although a method of forming and crystal growth from this portion is adopted, a method of selectively forming a nickel silicide film after forming the amorphous silicon film 104 may be used. That is, crystal growth may be performed from the upper surface of the amorphous silicon film or from the lower surface. In addition, as a method for introducing nickel, a method of performing a plasma treatment using an electrode containing nickel and attaching a minute amount of nickel may be used. Also, an amorphous silicon film is formed in advance, and nickel ions are selectively implanted into the amorphous silicon film 104 by ion doping or ion implantation (ion implantation). May be. In this case, the concentration of the nickel element can be controlled.
[0058]
[Example 2]
This embodiment is an example in which an N-channel TFT is provided as a switching element in each pixel in an active liquid crystal display device. In the following, one pixel will be described, but many other (generally several hundred thousand) pixels are formed with the same structure. Needless to say, the P-channel type may be used instead of the N-channel type. Further, it can be used not only in the pixel portion of the liquid crystal display device but also in the peripheral circuit portion. It can also be used for image sensors and other integrated circuits. That is, as long as it is used with a thin film transistor, its application is not particularly limited.
[0059]
An outline of the manufacturing process of this example is shown in FIG. In this example, a Corning 7059 glass substrate (thickness 1.1 mm, 300 × 400 mm) was used as the substrate 201. First, a base film 203 (silicon oxide) is formed to a thickness of 2000 mm by a sputtering method. Thereafter, in order to selectively introduce nickel, a mask 203 is formed using a metal mask, a silicon oxide film, a photoresist, or the like. Then, a nickel silicide film is formed by sputtering. This nickel silicide film is formed to a thickness of 5 to 200 mm, for example, 20 mm, by sputtering. This nickel silicide film has the chemical formula NiSi x 0.4 ≦ x ≦ 2.5, for example, x = 2.0. In this way, a nickel silicide film is selectively formed in the region 204.
[0060]
Thereafter, an amorphous silicon film 205 is formed to a thickness of 1000 mm by LPCVD or plasma CVD, dehydrogenated at 400 ° C. for 1 hour, and then crystallized by heat annealing. This annealing step was performed at 550 ° C. for 4 hours in a hydrogen reducing atmosphere (preferably, the hydrogen partial pressure was 0.1 to 1 atm). Further, this heat annealing step may be performed in an inert atmosphere such as nitrogen.
[0061]
In this annealing step, since a nickel silicide film is formed in a partial region (region 204) under the amorphous silicon film 205, crystallization occurs from this portion. During this crystallization, as shown by an arrow in FIG. 3B, silicon crystal growth proceeds in a direction perpendicular to the substrate 201 in the portion 204 where the nickel silicide film is formed. Similarly, as indicated by an arrow, in a region where nickel silicide is not formed (region other than the region 205), crystal growth is performed in a direction parallel to the substrate. Thereafter, annealing is performed by lamp heating similar to that in the first embodiment to improve the crystallinity (densification) of the silicon film.
[0062]
Thus, the semiconductor film 205 made of crystalline silicon can be obtained. Next, the semiconductor film 205 is patterned to form island-shaped semiconductor regions (TFT active layers). At this time, the concentration of nickel in the channel formation region 209 can be determined by setting a distance between a portion where the channel formation region 209 is formed and 204 into which nickel is introduced. That is, if the distance is increased, the nickel concentration in the channel formation region 209 can be decreased, and if the distance is decreased, the nickel concentration in the channel formation region can be increased. Of course, in this case, the region must be a region where the silicon film 205 is crystallized.
[0063]
Further, a gate insulating film (thickness 700 to 1200 mm, typically 1000 mm) 206 of silicon oxide is formed by plasma CVD in an oxygen atmosphere using tetraethoxysilane (TEOS) as a raw material. The substrate temperature is set to 400 ° C. or lower, preferably 200 to 350 ° C., in order to prevent the glass from shrinking or warping. Thereafter, lamp heating by infrared light irradiation is performed for 1 to 5 minutes in the same manner as in Example 1 to improve the interface characteristics between the semiconductor film 205 and the gate insulating film 206.
[0064]
Next, a gate electrode 207 is formed by forming a known silicon-based film by a CVD method and performing patterning. Thereafter, phosphorus is doped as an N-type impurity by ion implantation, and a source region 208, a channel formation region 209, and a drain region 210 are formed in a self-aligned manner. Then, irradiation with KrF laser light improves the crystallinity of the silicon film whose crystallinity has deteriorated due to ion implantation. At this time, the energy density of the laser beam is 250 to 300 mJ / cm. 2 And By this laser irradiation, the sheet resistance of the source / drain of this TFT is 300 to 800 Ω / cm. 2 It becomes. This step can also be performed by infrared lamp heating instead of using laser light.
[0065]
Thereafter, an interlayer insulator 211 is formed with silicon oxide, and further, the pixel electrode 212 is formed with ITO. Then, a contact hole is formed, and electrodes 213 and 214 are formed of a chromium / aluminum multilayer film in the source / drain region of the TFT, and one of the electrodes 213 is also connected to the ITO 212. Finally, annealing is performed in hydrogen at 200 to 300 ° C. for 2 hours to complete the hydrogenation of silicon. In this way, the TFT is completed. This process is simultaneously performed in many other pixel regions.
[0066]
In the TFT manufactured in this embodiment, a crystalline silicon film grown in the carrier flow direction is used as an active layer constituting a source region, a channel formation region, and a drain region. Since the carriers do not cross, that is, the carriers move along the crystal grain boundaries of the needle-like or columnar crystals, a TFT having high carrier mobility can be obtained. The TFT manufactured in this example is an N-channel type, and its mobility is 90 to 130 (cm 2 / Vs). The movement of an N-channel TFT using a crystalline silicon film obtained by conventional crystallization by thermal annealing at 600 ° C. for 48 hours is 80-100 (cm 2 / Vs), this is a significant improvement in characteristics.
[0067]
Further, when a P-channel TFT is manufactured by the same manufacturing method as in the above step and the mobility is measured, 80 to 120 (cm 2 / Vs). Again, the movement of the P-channel TFT using the crystalline silicon film obtained by crystallization by conventional thermal annealing at 600 ° C. for 48 hours is 30 to 60 (cm 2 / Vs), which is a significant improvement in characteristics.
[0068]
Example 3
This embodiment is an example in which the source / drain is provided in the direction perpendicular to the crystal growth direction in the TFT shown in the second embodiment. That is, in this example, the carrier moves in a direction perpendicular to the crystal growth direction, and the carrier moves so as to cross the crystal grain boundary of the needle-like or columnar crystal. With such a configuration, the resistance between the source / drain can be increased. This is because the carriers must move so as to cross the crystal grain boundaries of the crystals that have grown into needles or columns. In order to realize the configuration of this embodiment, it is only necessary to set the direction in which the TFT is provided in the configuration shown in Embodiment 2.
[0069]
Example 4
In this embodiment, in the structure shown in Embodiment 2, the direction in which the TFT is provided (defined here by a line connecting the source / drain regions. That is, the direction of the TFT is determined by the direction in which carriers flow) is crystalline. The gist is to select the TFT characteristics by setting the crystal growth direction with respect to the substrate surface of the silicon film at an arbitrary angle.
[0070]
As described above, when carriers are moved in the crystal growth direction, the carriers move along the crystal grain boundaries, so that the mobility can be improved. On the other hand, when carriers are moved in a direction perpendicular to the crystal growth direction, the carriers must cross a large number of grain boundaries, so that the carrier mobility decreases.
[0071]
Therefore, by selecting between these two states, that is, by setting the angle between the crystal growth direction and the carrier movement direction in the range of 0 to 90 °, the carrier mobility can be controlled. . From another viewpoint, the resistance between the source / drain regions can be controlled by setting the angle between the crystal growth direction and the carrier moving direction. Of course, this configuration can also be used for the configuration shown in the first embodiment. In this case, the slit-like nickel slight addition region 100 shown in FIG. 2 rotates in the range of 0 to 90 °, and the angle between the crystal growth direction indicated by the arrow 105 and the line connecting the source / drain regions is 0 to 90. It will be selected in the range. When this angle is close to 0 °, the mobility can be increased and the electrical resistance between the source / drain can be reduced. When this angle is close to 90 °, the mobility is small and the resistance between the source and drain, that is, the resistance of the channel formation region can be large.
[0072]
Example 5
In this example, in the crystallization process of the non-single-crystal silicon semiconductor film of Example 1 or Example 2, after forming a silicon oxide film to which chlorine is added, crystallization is performed by lamp heating. In Example 1 or Example 2, a non-single crystal silicon film is first formed, and then the silicon film is crystallized by heating at 550 ° C. for 4 hours, and further, crystallinity is promoted and improved by lamp heating. there were. This embodiment is a further development of this process, and uses a gettering catalyst element for crystallization during lamp heating.
[0073]
In this embodiment, first, as described in Embodiments 1 and 2, a crystalline silicon film is formed by heating. This step is performed by heating annealing at about 550 degrees for about 4 hours by the action of a catalytic element (for example, nickel). Thereafter, a silicon oxide film to which chlorine is added is formed to a thickness of 1000 mm. Thereafter, lamp heating is performed through the silicon oxide film. The lamp heating conditions are the same as in the first embodiment. At this time, the crystallinity of the crystalline silicon film crystallized by the previous heating is improved. , Especially the defects in the film can be greatly reduced As the film becomes more dense, gettering of the catalytic element for crystallization is performed by the action of chlorine in the silicon oxide film. Thus, a crystalline silicon film can be obtained in which the catalytic element is fixed and the catalytic element has a reduced influence on the operation of the device.
[0074]
Thereafter, the silicon oxide film added with chlorine is removed to form a silicon oxide film for a gate insulating film. Subsequent processes are the same as those described in the first and second embodiments.
[0075]
Example 6
This example is an example in which, in the manufacturing process of Example 2 shown in FIG. 3, a nickel silicide film is formed on the entire surface of the base film 202 so that crystal growth is performed in a direction perpendicular to the substrate on the entire surface of the silicon film. is there. In manufacturing the TFT, a nickel silicide film is formed on the entire surface of the base film 202 without providing the mask 203, and thereafter, an amorphous silicon film 205 is formed as described in the second embodiment, followed by a crystallization process. A TFT is manufactured.
[0076]
The schematic cross section of the TFT of this embodiment is not different from that shown in FIG. 3D, but in the active layer in which the source / drain regions 208 and 210 and the channel formation region 209 are formed, needle-like or The growth direction of the columnar crystals is perpendicular to the substrate 201. For this reason, the carriers moving between the source region (208 or 210) and the drain region (210 or 208) move across the crystal grain boundary of the needle-like or columnar crystal. Therefore, the TFT has a slightly high resistance between the source and the drain. Such a TFT has a mobility of 100 cm. 2 Although it is equal to or less than / Vs, since the off-state current is small, it is an optimal format for a pixel TFT of a liquid crystal display device intended to hold charges.
[0077]
However, the TFT as in this embodiment has a problem in yield and reliability because it is difficult to control the nickel concentration in the active layer as described above. This problem can be improved by using a method that can control the amount of nickel introduced (for example, ion implantation).
[0078]
Example 7
In this example, crystallization is further promoted by ion implantation of a group 4 element in addition to a group 8 element which is a catalyst element for crystallization by heating. A manufacturing process of this example will be described with reference to FIGS. Unless otherwise specified, the manufacturing conditions and film thickness in the individual manufacturing steps are the same as those described in Example 1.
[0079]
First, a base film (silicon oxide film) is formed on the glass substrate 101, and further a mask 103 is formed, and a group 8 element (here, nickel) which is a catalyst element for crystallization is selectively exposed as a thin film. 100 regions are formed. Next, the mask 103 is removed, and a non-single crystal silicon film, here an amorphous silicon film 104, is formed by plasma CVD. Next, silicon which is a group 4 element is implanted into the entire surface by ion implantation. At this time, the projected range is set on the substrate side in the vicinity of the interface between the silicon film 104 and the base film 102. The ion implantation acceleration voltage is 60 kV and the dose is 2 × 10. 15 cm -2 And As a result, the amorphization is thoroughly performed mainly in the vicinity of the interface between the substrate (including the base film) and the amorphous silicon film 104, and the existence of crystallization nuclei can be eliminated as much as possible.
[0080]
The reason why the Group 4 element is used is that it is an impurity that is electrically neutral with respect to silicon. As this Group 4 element, C, Si, Ge, Sn, and Pb can be used, but Si, Ge, and Sn are particularly preferable. The dose is 5 × 10. 14 ~ 5x10 16 Ion cm -2 And it is sufficient.
[0081]
Thereafter, the amorphous silicon film 104 is crystallized by heating at 550 ° C. for 4 hours. At this time, crystal growth occurs in the direction parallel to the substrate as indicated by the arrow 105 from the region 100. This crystal growth is performed in a needle shape or a column shape. During the crystal growth, the crystal component that becomes the nucleus of crystal growth centering on the interface between the substrate and the amorphous silicon film (the crystal component exists as a matter of degree even if it is an amorphous silicon film). Therefore, the crystal growth performed in the direction parallel to the substrate from the region 100 is not hindered by the crystal growth generated from the interface between the silicon film 104 and the base film 102, and thus the orientation is not affected. It is possible to perform crystal growth with good properties, that is, with a uniform crystal growth direction.
[0082]
Thereafter, as described in the first embodiment, PTFT and NTFT are formed to complete a complementary TFT circuit. As in this example, in a crystalline silicon film with good orientation, when a TFT is formed so that the crystal growth direction and the carrier movement direction are aligned, the carrier moves along the crystal grain boundary. , The structure can hardly be affected by the grain boundary during the movement. That is, high speed operation can be obtained. For example, the mobility of NTFT formed by the process shown in Example 1 is 90 to 130 cm on average. 2 / Vs was obtained by implanting silicon ions prior to crystallization by heating as in this example, 150 to 170 cm. 2 / Vs can be obtained.
[0083]
In this example, the crystallinity was further improved, and a TFT having a high mobility was obtained in the crystal growth in the direction parallel to the substrate from the introduction region of nickel which is a group 8 element. It is considered that the crystal growth in the direction parallel to the substrate was preferentially performed because the crystal component that promotes the crystal growth in the vertical direction to the substrate that hinders the growth was thoroughly removed in advance. In particular, it is considered effective to thoroughly amorphize the vicinity of the interface between the silicon film and the substrate where crystal nuclei exist when the crystal is grown in a columnar shape in a direction perpendicular to the substrate.
[0084]
Example 8
In this example, in an active liquid crystal display device, a peripheral driver circuit is crystallized by the catalytic action of nickel which is a group 8 element, and the TFT is shown as a manufacturing process in Example 1 or Example 2, and a pixel is formed. This is an example in which the TFT provided in the portion is constituted by a TFT using known amorphous silicon (amorphous silicon).
[0085]
As is well known, in an active liquid crystal display device, a TFT in a peripheral driver circuit portion has a high mobility (100 cm). 2 / Vs) and a large amount of on-current TFT is required, but the TFT provided in the pixel portion is relatively small in order to avoid a malfunction due to a small off-current and light irradiation for charge retention. Mobility (10cm 2 / Vs).
[0086]
This requirement is satisfied to some extent by forming the peripheral circuit portion with the TFT described in the first and second embodiments and forming the pixel portion with a TFT (a-Si TFT) using a known amorphous silicon film. Is done. However, a TFT using an amorphous silicon film has a mobility of 1 cm. 2 Since it is / Vs or less, a problem remains in that respect.
[0087]
Example 9
This example is a further development of Example 8, and the peripheral circuit TFT is 100 cm as shown in Example 1 or Example 2. 2 This is an example in which a TFT having a high mobility of / Vs or higher is used, and a TFT in a pixel portion is formed using the TFT shown in the sixth embodiment.
[0088]
In the TFT shown in Example 6, crystal growth is performed in a direction perpendicular to the substrate so that the crystal grain boundaries are perpendicular to the carrier flow so that the carriers cross many crystal grain boundaries. This is a TFT configured as follows. In such a TFT, since the carrier movement is hindered by the crystal grain boundary, the mobility is lowered. However, since the off-state current becomes small, the charge retention rate can be increased, which is suitable as a pixel TFT. However, when nickel is introduced as a thin film as shown in Example 1 and Example 2, its reproducibility is poor and the resulting mobility is 100 cm. 2 Since a voltage near / Vs is obtained, the pixel TFT is over-spec.
[0089]
Therefore, in this embodiment, the above problem is solved by using an ion implantation method that can be introduced while controlling the concentration of nickel. First, the problem of reproducibility of nickel concentration in the film is solved by using the ion implantation method. Furthermore, by lowering the nickel concentration in the film, the crystallinity can be made somewhat worse and the mobility can be lowered. Of course, in order to lower the mobility, the method of artificially introducing oxygen or nitrogen into the channel region or the source / drain region, the doping amount of the impurity imparting the conductivity type doped in the source / drain region, or the activity thereof is reduced. A method of increasing the resistance of the source / drain region by simplifying the formation process, a method of making the channel a reverse conductivity type weaker than that of the source / drain, and separating the contact hole of the source / drain (ie, the source / drain region) A method for increasing the resistance between the source and the drain, such as a method using a sheet resistance of the above, may be used.
[0090]
As described above, this embodiment uses a method of injecting nickel, which is a catalytic element for crystallizing a silicon film, into the amorphous silicon film by an ion implantation method. Injecting nickel into the entire surface at a low concentration, further injecting it into the peripheral circuit portion at a higher concentration, and further forming a TFT in the pixel portion using a crystalline silicon film grown in a direction perpendicular to the substrate, In the peripheral circuit portion, a TFT is formed using a crystalline silicon film crystal-grown parallel to the substrate. By adopting such a configuration, the mobility is 10 to 50 cm in the pixel portion. 2 TFT with low off-current at about / Vs has a mobility of 100 cm in the peripheral circuit part. 2 A TFT capable of flowing a large amount of on-current at / Vs or higher can be obtained.
[0091]
Further, if only the peripheral circuit portion is to be increased in mobility, the neutral element ion implantation as shown in the embodiment 7 may be used in that region together.
[0092]
【The invention's effect】
When a non-single crystal silicon semiconductor film having crystallinity that is provided on a substrate and grown in a direction parallel to the substrate surface is used for a TFT, the crystal growth is performed in the direction of the flow of carriers moving in the TFT. By combining with the above direction, the carrier can move along (in parallel) the crystal grain boundary of the crystal grown in a needle shape or column shape, and a TFT having high mobility can be obtained. . Furthermore, since these TFTs can be formed at a low temperature of 600 ° C. or less, an inexpensive glass substrate can be used as the substrate.
[0093]
In addition, TFTs having the required mobility can be selectively made. In particular,
1. Using a crystalline silicon film grown in a direction parallel to the substrate, a TFT is manufactured so that carriers move in a direction along the crystal grain boundary.
2. Using a crystalline silicon film crystal-grown in a direction parallel to the substrate, a TFT is manufactured so that carriers move across the crystal grain boundary.
3. A TFT is formed in a region where the crystal has grown in a direction perpendicular to the substrate.
4). By selectively introducing a catalytic element for crystallization, a crystalline silicon film is selectively formed, and by using the crystalline silicon film, a TFT in a specific portion is made a high mobility TFT. .
In particular, since the crystalline silicon film in a region away from the region where the catalytic element for crystallization is introduced has a one-dimensional orientation, the one-dimensional direction and the direction in which carriers move are determined. By roughly matching, a semiconductor device in which carriers have high mobility can be obtained. In particular, a TFT having a high-speed response can be obtained by using this configuration in the channel formation region of an insulated hate type field effect transistor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a manufacturing process of an example.
FIG. 2 shows an outline of an embodiment.
FIG. 3 shows a manufacturing process of the example.
FIG. 4 shows the concentration of a metal element.
[Explanation of symbols]
101 glass substrate
102 Base film (silicon oxide film)
103 mask
104 Silicon film
105 Direction of crystallization
106 Gate insulation film
107 Gate electrode
108 Anodized layer
109 Gate electrode
110 Anodized layer
111 Source / drain regions
112 channel formation region
113 Drain / source region
114 Source / drain region
115 channel formation region
116 Drain / source region
117 electrode
118 Interlayer insulator
120 electrodes
119 electrode
201 glass substrate
202 Base film (silicon oxide film)
203 Mask
204 Nickel trace addition region
205 Silicon film
206 Gate insulation film
207 Gate electrode
208 Source / drain region
209 channel formation region
210 Drain / source region
211 Interlayer insulator
213 electrode
214 electrodes
212 ITO (pixel electrode)

Claims (10)

絶縁表面上に非単結晶珪素膜を形成し、
前記非単結晶珪素膜に選択的に珪素の結晶化を促進する触媒元素を添加し、
前記非単結晶珪素膜と前記絶縁表面との界面近傍に4族の元素をイオン注入法により添加して前記界面近傍を非晶質化し、
前記非単結晶珪素膜及び前記結晶化を促進する触媒元素を加熱して、前記非単結晶珪素膜を前記絶縁表面に平行な方向に結晶化し、
前記結晶化した非単結晶珪素膜に接して塩素が添加された酸化珪素膜を形成し、
前記結晶化した非単結晶珪素膜及び前記酸化珪素膜をランプにより加熱して前記結晶化した非単結晶珪素膜中の欠陥を減少させると共に、前記結晶化した非単結晶珪素膜中の前記結晶化を促進する触媒元素をゲッタリングし、
前記ゲッタリング後に前記酸化珪素膜を除去する半導体装置の作製方法であって、
前記4族の元素としてC、Si、Ge、Sn又はPbを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a non-single crystalline silicon film on the insulating surface;
A catalytic element for selectively promoting crystallization of silicon is added to the non-single-crystal silicon film;
A group 4 element is added by ion implantation in the vicinity of the interface between the non-single-crystal silicon film and the insulating surface to make the vicinity of the interface amorphous.
Heating the non-single crystal silicon film and the catalyst element that promotes crystallization to crystallize the non-single crystal silicon film in a direction parallel to the insulating surface;
Forming a silicon oxide film to which chlorine is added in contact with the crystallized non-single-crystal silicon film;
The crystallized non-single crystal silicon film and the silicon oxide film are heated by a lamp to reduce defects in the crystallized non-single crystal silicon film and the crystal in the crystallized non-single crystal silicon film Gettering catalyst elements that promote
A method for manufacturing a semiconductor device in which the silicon oxide film is removed after the gettering,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein C, Si, Ge, Sn, or Pb is used as the Group 4 element.
絶縁表面上に非単結晶珪素膜を形成し、Forming a non-single crystalline silicon film on the insulating surface;
前記非単結晶珪素膜に選択的に珪素の結晶化を促進する触媒元素を添加し、A catalytic element that selectively promotes crystallization of silicon is added to the non-single-crystal silicon film;
前記非単結晶珪素膜と前記絶縁表面との界面近傍に4族の元素をイオン注入法により添加して前記界面近傍を非晶質化し、A group 4 element is added by ion implantation in the vicinity of the interface between the non-single-crystal silicon film and the insulating surface to make the vicinity of the interface amorphous.
前記非単結晶珪素膜及び前記結晶化を促進する触媒元素を加熱して、前記非単結晶珪素膜を前記絶縁表面に平行な方向に結晶化し、Heating the non-single-crystal silicon film and the catalyst element that promotes crystallization to crystallize the non-single-crystal silicon film in a direction parallel to the insulating surface;
前記結晶化した非単結晶珪素膜に接して塩素が添加された酸化珪素膜を形成し、Forming a silicon oxide film to which chlorine is added in contact with the crystallized non-single-crystal silicon film;
前記結晶化した非単結晶珪素膜及び前記酸化珪素膜をランプにより加熱して前記結晶化した非単結晶珪素膜中の欠陥を減少させると共に、前記結晶化した非単結晶珪素膜中の前記結晶化を促進する触媒元素をゲッタリングし、The crystallized non-single crystal silicon film and the silicon oxide film are heated by a lamp to reduce defects in the crystallized non-single crystal silicon film and the crystal in the crystallized non-single crystal silicon film Gettering catalyst elements that promote
前記ゲッタリング後に前記酸化珪素膜を除去した後、前記結晶化した非単結晶珪素膜上にゲート絶縁膜として酸化珪素膜を形成する半導体装置の作製方法であって、A method of manufacturing a semiconductor device, wherein after removing the silicon oxide film after the gettering, a silicon oxide film is formed as a gate insulating film on the crystallized non-single crystal silicon film,
前記4族の元素としてC、Si、Ge、Sn又はPbを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, wherein C, Si, Ge, Sn, or Pb is used as the Group 4 element.
絶縁表面上に非単結晶珪素膜を形成し、
前記非単結晶珪素膜に選択的に珪素の結晶化を促進する触媒元素を添加し、
前記非単結晶珪素膜と前記絶縁表面との界面近傍に4族の元素をイオン注入法により添加して前記界面近傍を非晶質化し、
前記非単結晶珪素膜及び前記結晶化を促進する触媒元素を加熱して、前記非単結晶珪素膜を前記絶縁表面に平行な方向に結晶化し、
前記結晶化した非単結晶珪素膜に接して塩素が添加された酸化珪素膜を形成し、
前記結晶化した非単結晶珪素膜及び前記酸化珪素膜をランプにより加熱して、前記結晶化した非単結晶珪素膜中の欠陥を減少させると共に、前記結晶化した非単結晶珪素膜中の前記結晶化を促進する触媒元素をゲッタリングし、
前記ゲッタリング後に前記酸化珪素膜を除去し、
前記結晶化した非単結晶珪素膜を島状にパターニングし、
前記結晶化した非単結晶珪素膜に選択的に一導電型を付与する不純物を添加し、
前記結晶化した非単結晶珪素膜を赤外光またはレーザーによりアニールする半導体装置の作製方法であって、
前記4族の元素としてC、Si、Ge、Sn又はPbを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a non-single crystalline silicon film on the insulating surface;
A catalytic element for selectively promoting crystallization of silicon is added to the non-single-crystal silicon film;
A group 4 element is added by ion implantation in the vicinity of the interface between the non-single-crystal silicon film and the insulating surface to make the vicinity of the interface amorphous.
Heating the non-single crystal silicon film and the catalyst element that promotes crystallization to crystallize the non-single crystal silicon film in a direction parallel to the insulating surface;
Forming a silicon oxide film to which chlorine is added in contact with the crystallized non-single-crystal silicon film;
The crystallized non-single crystal silicon film and the silicon oxide film are heated by a lamp to reduce defects in the crystallized non-single crystal silicon film, and in the crystallized non-single crystal silicon film, Gettering catalytic elements to promote crystallization,
The silicon oxide film is removed after the gettering,
Patterning the crystallized non-single crystal silicon film into islands;
An impurity that selectively imparts one conductivity type to the crystallized non-single-crystal silicon film,
A method for manufacturing a semiconductor device in which the crystallized non-single crystal silicon film is annealed by infrared light or laser light ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein C, Si, Ge, Sn, or Pb is used as the Group 4 element.
請求項3において、前記パターニングする際に、前記絶縁表面に平行な方向に結晶化した領域を含むようにパターニングすることを特徴とする半導体装置の作製方法。4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3 , wherein the patterning is performed so as to include a region crystallized in a direction parallel to the insulating surface. 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、前記ランプとして赤外光を発するランプを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein a lamp that emits infrared light is used as the lamp. 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、前記ランプとしてタングステンハロゲンランプを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein a tungsten halogen lamp is used as the lamp. 請求項1乃至請求項6のいずれか一において、前記ランプとして波長が0.5μm〜3.5μmの光を発するランプを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。7. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein a lamp that emits light having a wavelength of 0.5 to 3.5 [mu] m is used as the lamp. 請求項1乃至請求項7のいずれか一において、前記ランプによる加熱時間を5分以下にすることを特徴とする半導体装置の作製方法。8. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the heating time by the lamp is 5 minutes or less. 請求項1乃至請求項8のいずれか一において、前記4族の元素のドーズ量は5×1014〜5×1016イオンcm-2であることを特徴とする半導体装置の作製方法。9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein a dose amount of the group 4 element is 5 × 10 14 to 5 × 10 16 ions cm −2 . 請求項1乃至請求項9のいずれか一において、前記結晶化を促進する触媒元素としてFe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu又はAgを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。10. The catalyst element according to claim 1 , wherein Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, or Ag is used as the catalyst element that promotes crystallization. A method for manufacturing a semiconductor device.
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