JP3626073B2 - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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【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半導体が知られている。以下においては、これら結晶性を有する非単結晶珪素半導体を結晶性珪素ということとする。
【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一例として、インジウム、錫、アンチモン、ゲルマニウム、タリウム、鉛、ビスマス、亜鉛が挙げられる。これらはいずれも族あるいは周期が珪素と近く、珪素と容易に化合物を形成する金属材料である。また、共通しているのは比較的低融点の材料であることで、以後本明細書中ではこれらを称して「低融点金属」と略すことにする。また、これ以外の元素で実験の結果低温化の効果の有った材料としてはランタノイドが挙げられる。これらは水素吸蔵合金として使用されており、水素に対する反応が高いという共通点がある。そこでこれらを本明細書中では「触媒金属」と呼ぶことにする。また本発明者らの知見によれば、3族、4族、5族の元素の中で、上記物性を備えている材料であれば、原理的には、上記触媒金属として利用できる。即ち、3族元素である、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、ランタノイドが、4族元素である、C、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Hfが、5元素であるN、P、As、Sb、Bi、V、Nb、Taを用いうる。しかし好ましくは、前述のインジウム(In)、錫(Sn)、アンチモン(Sb)、ゲルマニウム(Ge)、タリウム(Tl)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)を用いることがその効果を顕著に得るためには有用である。また、亜鉛は2族の元素であるが、その融点の低さから上記低融点金属として利用できる。
【0012】
低融点金属材料として、代表的な錫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、即ち錫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、錫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、1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、錫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、低融点金属あるいは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、低融点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「低融点金属微量添加」及び「触媒金属微量添加」と呼ぶことにする。また非晶質珪素薄膜の成膜時に添加する方法でもよい。
【0014】
まず低融点金属について、その添加の方法について説明する。低融点金属の微量添加は、基板上に微量な低融点金属薄膜を成膜し、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融点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、基板上に微量な低融点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融点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、その上に微量な低融点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、珪素と低融点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。また、触媒金属についても全く同様の添加方法が可能である。
【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添加してもほぼ同様の効果が確認された。低融点金属の量としては、例えば錫については、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〜1×1019atoms/cmに抑えることが必要である。
【0016】
続いて、まず低融点金属微量添加を行った場合に推測される結晶化機構について説明を加える。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
前述と全く同様の測定を、低融点金属を添加したもの、ここでは例として錫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625.5℃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2.3eV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。
【0020】
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。この理由として、発明者らは以下の様な理由を考えている。
非晶質珪素の結晶化における律速過程について、一般的には珪素原子の自己拡散であると言われている。もしそれが事実であるならば、拡散速度をより高くしてやれば良いこととなる。しかしながら、非晶質珪素からの結晶化の場合には、水溶液等からの結晶の析出と異なり、非常に粘性の高い濃厚溶液からの結晶化と考えるべきであって、結晶部分とその周辺で密度の差が非常に小さく、原子は容易には移動することができない。この様な環境において原子に易動度を与えるためには次の3つの方法が考えられる。
1.非晶質膜の粘性を変化させて、より珪素原子が動きやすい環境にする。
2.欠陥あるいは空孔等を大量に導入し、珪素原子が動きやすい環境にする。
3.クーロン力等を作用させ、結晶化の駆動力を変化させる。
これら3つはそれぞれ独立したものではなく、添加する材料によってこれらの内の2つあるいは3つを同時に満たすものも有ると考えられる。
ここで、今回添加した低融点金属材料は、その殆どが上記1.については満たしているものと考えられる。また、3、5族材料については、電気的中性の原理を満たす為に、正あるいは負を帯びた空孔等を作ることが予想され、2を満たすことが予想される。また同様に3、5族は、それらに起因する準位の生成によりフェルミレベルをシフトさせ、非晶質中と結晶部分とでそのシフト量が異なった場合(一般的には、非晶質中のミッドギャップの準位の影響で異なるものと考えられる)、そのシフト量の違いに起因した駆動力が発生し、結晶化温度の低温化が可能となるものと考えられる。この機構を支持する結果として、3、5族を同時に添加した場合には低温化が起こりづらいことが挙げられる。
次に、触媒金属を添加した場合の結晶化機構について説明を加える。
この場合もDSCによる結晶成長の活性化エネルギーの測定を行った結果、約2.1eVと低下しており、やはり結晶化が促進されていることが判明した。この理由としては、以下の機構を考えている。
前述の通り、これらの「触媒金属」は水素との反応性が非常に高い。其故に、珪素と結合している水素と優先的に結合し、その結果ダングリングボンドを大量に生成することが予想される。この大量のダングリングボンドは、原子に易動度を与えるための前述の方法の2.を満たしていると考えられる。また珪素とランタノイドの電気陰性度の違いに起因して、電気的中性の原理を満たすべく空孔等が発生することも考えられ、そうでない場合にもダングリングボンドが電気的に強く帯電していることが必要である。その場合には前述の3.によって、フェルミレベルの移動に伴う駆動力が発生する可能性があるものと予想される。
【0021】
次いで、上記低融点金属あるいは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。両者ともほぼ同様の結晶形態を示したことから、これらはいずれも珪素原子の移動し易さに起因している結果と思われる。
添加した金属(低融点金属、触媒金属の両者とも)は結晶化温度以下でかなり広い領域に拡散する。このことは、SIMS(二次イオン質量分析)によって確認されている。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横方向の結晶成長領域を「横成長」領域と呼ぶことにする。
【0022】
次に、上記金属、例として低融点金属であるインジウムを使用した場合の、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。微量添加部分の電気特性は、導電率に関しては添加していない膜、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、錫の添加量を前述の様に1017atoms/cm〜1018atoms/cm程度とした場合には、インジウム(In)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。
【0023】
それに対し、横成長部分は、導電率が直接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。また、横方向成長した領域のInの濃度は、Inが直接添加された領域よりもその濃度が約1桁低かった。これは、Inの影響を受けずにさらに結晶性珪素膜を利用するためには有用なことである。
【0024】
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。
【0025】
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、低融点金属あるいは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。
【0026】
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となるべき領域に低融点金属あるいは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の近傍に低融点金属あるいは触媒金属の微量添加を行い、そこから一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、非常に高いモビリティを有するTFTを作製することが可能である。また、図4に示すのは、触媒金属としてNiを用い結晶性珪素膜を得た例における、結晶化後のNi濃度をSIMSで調べた例である。図4を見ると、Niが添加された領域(Plasma treated)におけるNi濃度よりも、基板に平行な方向に結晶成長した部分(Lateral growth)におけるNi濃度の方が低いことがわかる。またa−SiはNiを何ら添加しない非晶質珪素膜のデータであり、バックグランドの値であると解釈される。本発明の場合も、この図4のデータと基本的に同じ傾向のデータが得られるものと考えられ、このことからも基板に平行な方向に結晶成長した領域を利用することは有用であると考えられる。
【0027】
3族の元素を利用して珪素膜の結晶化を行った場合、結晶化の後において膜中にこの3族元素が残留するので、P型の導電型を有した結晶性珪素膜を得ることができる。同様に5族の元素を利用して結晶化を行った場合、N型の導電型を有した結晶性珪素膜を得ることができる。これらの一導電型を有した結晶性珪素膜の導電率は、結晶化に際して導入される3族または5族の元素の添加量によって制御することができる。また、さらに一導電型を付与する不純物を添加して導電型と導電率を制御するのでもよい。
【0028】
また例えば、3族の元素であるInを100の領域に選択的に導入し、その後非晶質珪素膜104を形成し、さらに550度、4時間の加熱によって結晶化を行った場合、100の領域から矢印105で示すように基板に平行な方向に結晶成長が行われる。この際、Inは結晶成長とともに拡散するので、結晶化が行われた領域にはInが存在する。その濃度は、2×1017〜2×1019cm−3程度であるので、その領域は結晶化するとともに、P型化する。またInの導入量や結晶化に従って拡散した位置を選択することによって、P領域やP領域を得ることができる。そしてこの領域を利用してTFTを形成することで、チャネル形成領域がP型またはP型のTFTを得ることができる。同様に、上記のInの代わりに5族の元素であるSbを用いた場合、チャネル形成領域がN型またはN型のTFTを得ることができる。このように、チャネル形成領域の導電型をP型またはN型とすることは、TFTのVthを制御することができ有用である。
【0029】
本発明は、結晶化のための微量元素である前述の低融点金属あるいは触媒金属の微量添加を行い、そこから基板に平行な方向に1次元的な結晶成長を行わせ、その1次元的な結晶成長が行われた領域を利用して電子デバイスを構成することを特徴とする。特にこの領域の結晶性を有する薄膜珪素半導体を用いて絶縁ゲイト型電界効果トランジスタを形成する際に、そのチャネル形成領域において、キャリアが移動する方向と珪素膜の結晶成長方向とを概略揃えることによって、高移動度を有するTFTを得ることができる。また、この基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を利用して、ダイオード、トランジスタを集積化して形成することは有用である。さらにまた、同一基板上にキャパシタ、抵抗等を集積化することもできる。またこれらは、安価なガラス基板を利用して構成できるという別な特徴を有する。
【0030】
【作用】
薄膜珪素半導体を用いた半導体装置において、膜の平面方向に針状または柱状に結晶成長した結晶性珪素膜の結晶成長方向をキャリアの移動方向と概略揃えることにより、キャリアの移動を結晶粒界に沿った方向とすることができ、キャリアを高移動度で動かすことができる。
【0031】
【実施例】
以下の実施例においては、3族の元素であるInと5族の元素であるSb、さらには4族の元素であるSnを微量添加して珪素膜の結晶化を行う例を示すが、他の3族または5族、さらには4族元素、さらにはZnを利用する場合でも、以下の実施例と同様である。そしてこの際、これら微量元素の添加量は、結晶化した後の珪素膜中における濃度が、2×1017〜2×1019cm−3となるようにすればよい。
【0032】
〔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。
【0033】
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。
【0034】
上記マスク103を設けた後、蒸着法によって、厚さ5〜200Å、例えば20ÅのInの薄膜を100の領域に選択的に成膜する。なお、実際には、20Åの均一な厚さにIn膜を成膜することは困難であり、またその正確な厚さを計測することも困難であるが、蒸着源の減少分からその概略の厚さを概算することができる。この工程は、3族の元素であるInを微量に導入し、このInが導入された領域から後に形成する非晶質珪素膜を結晶化させるためである。
【0035】
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、Inの薄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。例えば図2の100で示す領域にInを導入した場合、矢印105で示すように1次元的に結晶成長が行われる。またこの結晶成長は、針状あるいは柱状に行われる。
【0036】
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。このランプ加熱によるアニールは、結晶性の改善、特に膜中の欠陥を大きく減少できるという効果がある。
【0037】
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In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Inの濃度を選択することができる。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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/cm2、例えば250mJ/cm2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In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。
【0043】
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。
【0044】
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))
【0045】
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。
【0046】
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、即ち結晶成長するのは矢印105で示す方向である。この方向は、ソース/ドレイン領域の概略の方向(ソース領域とドレイン領域を結んだ線方向)であり、この構成においては、TFTの動作時に、キャリアがソース/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概略沿って移動する。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。
【0047】
本実施例においては、In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In薄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Inの導入方法としては、プラズマ処理、Inのイオン注入、さらには結晶化させる珪素膜の成膜時にInを微量に添加する方法でもよい。
【0048】
〔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。
【0049】
また本実施例においては、結晶化のための微量元素としてInを用い、結晶化した珪素膜をP型とすることによって、形成されるNチャネル型TFTの特性を制御することを特徴とする。ここで、Inの代わりにSbを用いればチャネル形成領域をN型とすることができる。またその導電率は、これら微量元素の導入量、さらには導入された位置からの距離、さらには結晶化条件(拡散の度合いが変化する)によって定めることができる。
【0050】
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In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、蒸着法によりIn薄膜を成膜する。このIn膜は、厚さ5〜200Å、例えば20Åの厚さに形成する。このようにして、選択的に領域204に珪素膜を結晶化させるための微量元素Inが導入される。
【0051】
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時間行う。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。
【0052】
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、In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、In薄膜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、In薄膜が成膜されいていない領域(領域204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。即ち横方向成長が行われる。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。
【0053】
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In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In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In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In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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
〔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直交する方向にソース/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直交しており、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。
【0059】
〔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。
【0060】
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。
【0061】
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In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。
【0062】
〔実施例5〕
本実施例は、図3に示す実施例2の作製工程において、In薄膜を下地膜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る例である。TFTの作製は、マスク203を設けずにIn薄膜を下地膜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。
【0063】
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。
【0064】
しかしながら、本実施例のようなTFTは、活性層中におけるInの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、In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することができる。
【0065】
〔実施例6〕
本実施例は、加熱による珪素膜の結晶化のための微量元素である3族または5族の元素の他に珪素イオンの注入により、さらに結晶化を促進させる例である。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で説明したのと同様である。
【0066】
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In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。
【0067】
ここでSiイオンを用いるのは、Siイオンが珪素に対して電気的に中性の不純物であるからである。またそのドーズ量は5×1014〜5×1016イオンcm−2とすればよい。
【0068】
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。
【0069】
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概略揃うように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。
【0070】
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、3族の元素であるIn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。
【0071】
〔実施例7〕
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3族または5族元素の微量添加により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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
〔実施例8〕
本実施例は、実施例7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5で示したTFTで構成する例である。
【0075】
実施例5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。
【0076】
なお本実施例において、周辺回路部分のTFTの移動度をさらに高めるのであれば、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。
【0077】
〔実施例9〕
本実施例は、実施例1または実施例2において、結晶化を促進させる微量元素として、4族元素であるSnを用いた例である。Snの他には、C、Ge、Pbを利用することができる。本実施例においても、実施例1や実施例2と同様にSnを蒸着により薄膜として導入するが、Snのイオンを非晶質珪素膜に注入し、直接Snを珪素膜中に導入するのでもよい。
【0078】
【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。
【0079】
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、この領域を利用して、高移動度を有する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】結晶性珪素膜中の金属元素濃度を示す。
【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. Semiconductors are known. Hereinafter, these non-single-crystal silicon semiconductors having crystallinity are referred to as crystalline silicon.
[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 indium, tin, antimony, germanium, thallium, lead, bismuth, and zinc. These are metal materials whose group or period is close to that of silicon and easily form a compound with silicon. In addition, since they have a material with a relatively low melting point, they are hereinafter referred to as “low melting point metal” in the present specification. In addition, lanthanoids are examples of materials that have the effect of lowering the temperature as a result of experiments with other elements. These are used as hydrogen storage alloys and have a common point that they have a high reaction to hydrogen. Therefore, these are referred to as “catalytic metals” in the present specification. Further, according to the knowledge of the present inventors, any material having the above physical properties among the elements of Groups 3, 4, and 5 can be used as the catalyst metal in principle. That is, the Group 3 elements B, Al, Ga, In, Tl, Sc, Y, and the lanthanoid are Group 4 elements C, Ge, Sn, Pb, Ti, Zr, and Hf are the 5 elements. N, P, As, Sb, Bi, V, Nb, and Ta can be used. However, it is preferable to use indium (In), tin (Sn), antimony (Sb), germanium (Ge), thallium (Tl), lead (Pb), bismuth (Bi), or zinc (Zn). It is useful for obtaining a remarkable effect. Zinc is a group 2 element, but can be used as the low melting point metal because of its low melting point.
[0012]
As an example of the effect of typical tin as a low melting point metal material, plasma CVD is performed on a substrate (Corning 7059) on which no treatment is performed, that is, a thin film of tin is not formed. When the thin film made of amorphous silicon formed by the method 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. In the case of using a thin film made of amorphous silicon on a substrate on which a small amount of tin thin film was formed, a similar crystallization state could be obtained by heating for about 1 hour. The determination of crystallization at this time utilized a Raman spectrum. From this alone, it can be seen that the effect of tin 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 low melting point metal or catalytic metal, 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 low melting point metal thin film has the same effect when it is formed not only on the substrate but also on the amorphous silicon, and it is the same in the ion implantation. In the specification, these series of treatments will be referred to as “low melting point metal trace addition” and “catalyst metal trace addition”. Further, a method of adding at the time of forming an amorphous silicon thin film may be used.
[0014]
First, a method for adding a low melting point metal will be described. The addition of a small amount of low melting point metal can be achieved by forming a small amount of low melting point metal thin film on the substrate and then forming amorphous silicon. The method of forming a low-melting-point metal thin film has the effect of lowering the temperature as in both cases, and it has been found that the film-forming method can be either a sputtering method or a vapor deposition method, and the film-forming method is not limited. However, when a small amount of a low melting point metal thin film is formed on the substrate, a silicon oxide thin film is formed on the substrate rather than directly on the 7059 glass substrate, The effect is more remarkable when a small amount of a low melting point metal thin film is formed thereon. As a possible reason for this, it is important for the low temperature crystallization that silicon and a low melting point metal are in direct contact, and in the case of 7059 glass, components other than silicon can contact or react with each other. It is mentioned that it may inhibit. Also, the same addition method can be used for the catalyst metal.
[0015]
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 even when adding by ion implantation. As the amount of the low melting point metal, for example, for tin, 1 × 10 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 ~ 1x10 19 atoms / cm 3 It is necessary to keep it at a minimum.
[0016]
Subsequently, the crystallization mechanism presumed when a small amount of low melting point metal is added will be described first.
[0017]
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.
[0018]
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.
[0019]
The same measurement as described above was performed on a sample added with a low melting point metal, here a sample added with a small amount of tin as an example. Then, when the temperature is raised at a rate of 10 ° C./min, crystallization starts from 625.5 ° C., and the activation energy of crystal growth obtained from these series of measurements is about 2.3 eV, It became numerically clear that crystal growth was easy.
[0020]
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? The inventors consider the following reasons as this reason.
The rate-limiting process in the crystallization of amorphous silicon is generally said to be self-diffusion of silicon atoms. If that is the case, a higher diffusion rate can be achieved. However, in the case of crystallization from amorphous silicon, unlike the precipitation of crystals from an aqueous solution or the like, it should be considered as crystallization from a highly viscous concentrated solution. The difference is very small and atoms cannot move easily. In order to give mobility to atoms in such an environment, the following three methods can be considered.
1. By changing the viscosity of the amorphous film, an environment in which silicon atoms can move more easily is created.
2. A large amount of defects or vacancies are introduced to create an environment in which silicon atoms can move easily.
3. Coulomb force or the like is applied to change the driving force for crystallization.
These three are not independent of each other, and it is considered that there are some which satisfy two or three of them at the same time depending on the material to be added.
Here, most of the low melting point metal materials added this time are as described in 1. above. Is considered to be satisfied. In addition, with respect to the Group 3 and 5 materials, it is expected that positive or negative vacancies will be formed in order to satisfy the principle of electrical neutrality, and that it is expected to satisfy 2. Similarly, in Groups 3 and 5, when the Fermi level is shifted by the generation of levels due to them, and the shift amount is different between the amorphous part and the crystalline part (generally, in the amorphous part It is considered that the driving force due to the difference in the shift amount is generated and the crystallization temperature can be lowered. As a result of supporting this mechanism, it is mentioned that it is difficult to lower the temperature when the groups 3 and 5 are added simultaneously.
Next, the crystallization mechanism when a catalyst metal is added will be described.
Also in this case, the activation energy of crystal growth by DSC was measured, and as a result, it was found to be about 2.1 eV, and it was found that crystallization was also promoted. The following mechanism is considered as the reason.
As described above, these “catalytic metals” are very reactive with hydrogen. Therefore, it is expected to bond preferentially with hydrogen bonded to silicon, and as a result, a large amount of dangling bonds are generated. This large amount of dangling bonds is the same as in 2. of the above-described method for imparting mobility to atoms. It is considered that Also, due to the difference in electronegativity between silicon and lanthanoids, vacancies may be generated to satisfy the principle of electrical neutrality. Otherwise, dangling bonds are electrically charged strongly. It is necessary to be. In that case, the above-mentioned 3. Therefore, it is expected that a driving force accompanying the movement of the Fermi level may be generated.
[0021]
Next, the crystal form of the crystalline silicon film obtained by adding a small amount of the low melting point metal or catalytic metal will be described. Since both showed almost the same crystal form, it seems that both of these results are due to the ease of movement of silicon atoms.
The added metal (both the low melting point metal and the catalyst metal) diffuses in a considerably wide area below the crystallization temperature. This has been confirmed by SIMS (secondary ion mass spectrometry). 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 lateral crystal growth region 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.
[0022]
Next, the electrical characteristics of the portion added with a small amount and the laterally grown portion in the vicinity thereof when using the above metal, for example, indium which is a low melting point metal will be described. The electrical characteristics of the portion with a small amount of addition are the same values as those of the film with no conductivity added, that is, the value obtained by crystallization at about 600 ° C. for several tens of hours, and activated due to the temperature dependence of the conductivity. When the energy was determined, the amount of tin 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 indium (In) 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.
[0023]
On the other hand, the laterally grown portion has a conductivity that is higher by one digit or more than the directly added portion, 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. Further, the concentration of In in the laterally grown region was about an order of magnitude lower than that in the region where In was directly added. This is useful for using a crystalline silicon film without being affected by In.
[0024]
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.
[0025]
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 used conventionally is added to a silicon having crystallinity by adding a small amount of a low melting point metal or a catalytic metal and crystallizing 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.
[0026]
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 a low melting point metal or a catalytic metal is added to a region to be a TFT used for a pixel to grow a crystal in the vertical direction, and as a result, a large number of grain boundaries are formed 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 a low melting point metal or a catalytic metal is added in the vicinity of the TFT forming the driver of the peripheral circuit, and a crystal is grown in one direction therefrom, and the crystal growth direction is adjusted to the channel. By aligning with the current path direction, a TFT having very high mobility can be manufactured. FIG. 4 shows an example in which the Ni concentration after crystallization was examined by SIMS in an example in which a crystalline silicon film was obtained using Ni as the catalyst metal. Referring to FIG. 4, it can be seen that the Ni concentration in the portion (Lateral growth) in which the crystal grows in the direction parallel to the substrate is lower than the Ni concentration in the region to which Ni has been added (Plasma treated). Further, a-Si is data of an amorphous silicon film to which no Ni is added, and is interpreted as a background value. In the case of the present invention as well, it is considered that data having basically the same tendency as the data of FIG. 4 can be obtained. From this, it is useful to use the region where the crystal is grown in the direction parallel to the substrate. Conceivable.
[0027]
When a silicon film is crystallized using a Group 3 element, the Group 3 element remains in the film after crystallization, so that a crystalline silicon film having a P-type conductivity is obtained. Can do. Similarly, when crystallization is performed using a Group 5 element, a crystalline silicon film having an N-type conductivity can be obtained. The conductivity of these crystalline silicon films having one conductivity type can be controlled by the amount of Group 3 or Group 5 element introduced during crystallization. Further, an impurity imparting one conductivity type may be added to control the conductivity type and conductivity.
[0028]
Further, for example, in the case where In, which is a group 3 element, is selectively introduced into a region of 100, and then an amorphous silicon film 104 is formed and further crystallized by heating at 550 ° C. for 4 hours, Crystal growth is performed in a direction parallel to the substrate as indicated by an arrow 105 from the region. At this time, since In diffuses with crystal growth, In exists in the region where crystallization has been performed. Its concentration is 2 × 10 17 ~ 2x10 19 cm -3 Therefore, the region crystallizes and becomes P-type. In addition, by selecting the diffused position according to the amount of In introduced or crystallization, P + Area or P An area can be obtained. By using this region to form a TFT, the channel formation region becomes P + Mold or P A type TFT can be obtained. Similarly, when Sb which is a Group 5 element is used in place of In, the channel formation region is N + Type or N A type TFT can be obtained. Thus, the conductivity type of the channel formation region is P Type or N The type is the TFT V th Can be useful.
[0029]
In the present invention, a small amount of the aforementioned low-melting point metal or catalytic metal, which is a trace element for crystallization, is added, and then one-dimensional crystal growth is performed in a direction parallel to the substrate. An electronic device is configured using a region where crystal growth has been performed. In particular, when an insulated gate field effect transistor is formed using a thin-film silicon semiconductor having crystallinity in this region, the direction in which carriers move and the crystal growth direction of the silicon film are roughly aligned in the channel formation region. A TFT having high mobility can be obtained. It is also useful to integrate and form diodes and transistors using a crystalline silicon film that has grown in a direction parallel to the substrate. Furthermore, capacitors, resistors, and the like can be integrated on the same substrate. Moreover, these have another feature that they can be configured using an inexpensive glass substrate.
[0030]
[Action]
In a semiconductor device using a thin-film silicon semiconductor, the movement of carriers becomes a grain boundary by roughly aligning the crystal growth direction of the crystalline silicon film grown in the shape of needles or columns in the plane direction of the film with the movement direction of carriers. The direction can be along, and the carrier can be moved with high mobility.
[0031]
【Example】
In the following examples, an example in which a silicon film is crystallized by adding a small amount of Group 3 element In, Group 5 element Sb, and Group 4 element Sn will be described. Even when using Group 3 or Group 5, or Group 4 elements, or Zn, the same as in the following examples. At this time, the addition amount of these trace elements is such that the concentration in the silicon film after crystallization is 2 × 10 17 ~ 2x10 19 cm -3 What should be done.
[0032]
[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.
[0033]
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.
[0034]
After the mask 103 is provided, an In thin film having a thickness of 5 to 200 mm, for example, 20 mm, is selectively formed on 100 regions by vapor deposition. Actually, it is difficult to form an In film with a uniform thickness of 20 mm, and it is also difficult to measure the exact thickness. It can be estimated. This step is for introducing a small amount of In, which is a Group 3 element, and crystallizing an amorphous silicon film to be formed later from the region where In is introduced.
[0035]
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 the direction perpendicular to the substrate 101 in the region 100 where the In thin 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. For example, when In is introduced into the region indicated by 100 in FIG. 2, crystal growth is performed one-dimensionally as indicated by an arrow 105. The crystal growth is performed in a needle shape or a column shape.
[0036]
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. This annealing by lamp heating has the effect of improving the crystallinity, in particular, greatly reducing defects in the film.
[0037]
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 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 center of the channel In The distance from the position where the is introduced is about 20 μm. By setting this distance, the concentration of In in the active layer (especially the channel formation region) can be selected.
[0038]
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.
[0039]
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.
[0040]
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.
[0041]
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. .
[0042]
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 process, the previously crystallized region In As a result of this diffusion, recrystallization proceeds easily by this laser light irradiation, and impurity regions 111 and 113 doped with an impurity imparting P-type, and further an impurity imparting N are doped. Impurity regions 114 and 116 can be easily activated.
[0043]
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. .
[0044]
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))
[0045]
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.
[0046]
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, that is, the direction of crystal growth is the direction indicated by the arrow 105. This direction is a rough direction of the source / drain region (a line direction connecting the source region and the drain region). In this configuration, carriers grow between the source / drain in a needle shape or a column shape during the operation of the TFT. Move along the crystal. That is, the carrier moves substantially along the 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.
[0047]
In this embodiment, as a method for introducing In, a thin film is selectively formed on the base film 102 under the amorphous silicon film 104 (it is difficult to observe as a film because it is extremely thin). Although the method of crystal growth from a part is adopted, a method of selectively forming an In thin 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. As a method for introducing In, a method of adding a small amount of In at the time of plasma treatment, In ion implantation, or formation of a silicon film to be crystallized may be used.
[0048]
[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.
[0049]
In this embodiment, In is used as a trace element for crystallization, and a crystallized silicon film is made of P. The characteristics of the N-channel TFT to be formed are controlled by using the mold. Here, if Sb is used instead of In, the channel formation region is defined as N. Can be a mold. The conductivity can be determined by the amount of these trace elements introduced, the distance from the introduced position, and the crystallization conditions (the degree of diffusion varies).
[0050]
An outline of the manufacturing process of this example is shown in FIG. In this example, a 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 In, a mask 203 is formed using a metal mask, a silicon oxide film, a photoresist, or the like. Then, an In thin film is formed by vapor deposition. This In film is formed to a thickness of 5 to 200 mm, for example, 20 mm. In this manner, the trace element In for selectively crystallizing the silicon film into the region 204 is introduced.
[0051]
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 is performed at 550 ° C. for 4 hours in a hydrogen reducing atmosphere (preferably, the hydrogen partial pressure is 0.1 to 1 atm). Further, this heat annealing step may be performed in an inert atmosphere such as nitrogen.
[0052]
In this annealing step, since an In 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 In thin film is formed. Similarly, as indicated by an arrow, a region where no In thin film is formed (region 204 In other regions), crystal growth is performed in a direction parallel to the substrate. That is, lateral growth is performed. Thereafter, annealing is performed by lamp heating similar to that in the first embodiment to improve the crystallinity (densification) of the silicon film.
[0053]
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 In in the channel formation region 209 can be determined by setting the distance between the portion where the channel formation region 209 is formed and 204 into which In is introduced. That is, if the distance is increased, the In concentration in the channel formation region 209 can be decreased, and if the distance is decreased, the In 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.
[0054]
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.
[0055]
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.
[0056]
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.
[0057]
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.
[0058]
Example 3
This example is different from the TFT shown in Example 2 in the crystal growth direction. Orthogonal This is an example in which a source / drain is provided in the direction. That is, the direction in which the carrier moves is the crystal growth direction. Orthogonally In this example, 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.
[0059]
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.
[0060]
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.
[0061]
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 In trace 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.
[0062]
Example 5
This example is an example in which, in the manufacturing process of Example 2 shown in FIG. 3, an In thin film is formed on the entire surface of the base film 202, whereby crystal growth is performed in the direction perpendicular to the substrate on the entire surface of the silicon film. In manufacturing the TFT, an In thin 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 step. A TFT is produced.
[0063]
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.
[0064]
However, the TFT as in this embodiment has a problem in yield and reliability because it is difficult to control the concentration of In in the active layer. This problem can be improved by using a method (for example, ion implantation method) that can control the amount of In introduced.
[0065]
Example 6
In this embodiment, crystallization is further promoted by implantation of silicon ions in addition to elements of Group 3 or Group 5 which are trace elements for crystallization of a silicon film 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 each manufacturing process are the same as those described in Example 1.
[0066]
First, a base film (silicon oxide film) is formed on the glass substrate 101, and further a mask 103 is formed, and selectively formed as a thin film of In, which is a catalytic element for crystallization, as a thin film. 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.
[0067]
The reason why Si ions are used here is that Si ions are electrically neutral impurities with respect to silicon. The dose is 5 × 10. 14 ~ 5x10 16 Ion cm -2 And it is sufficient.
[0068]
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.
[0069]
Thereafter, as described in the first embodiment, PTFT and NTFT are formed to complete a complementary TFT circuit. When a TFT is formed in a crystalline silicon film having good orientation as in this embodiment so that the crystal growth direction and the carrier movement direction are substantially aligned, the carrier moves along the crystal grain boundary. Therefore, it is possible to adopt a configuration that is hardly affected by the grain boundary during the movement. That is, high speed operation can be obtained.
[0070]
In this example, the crystallinity was further improved, and a TFT with high mobility was obtained in the crystal growth in the direction parallel to the substrate from the introduction region of the group 3 element In. 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.
[0071]
Example 7
In this example, in an active liquid crystal display device, a peripheral driver circuit is crystallized by adding a small amount of a Group 3 or Group 5 element, and the TFT is shown as a manufacturing process in Example 1 or Example 2. This is an example in which the TFT provided in the portion is constituted by a TFT using known amorphous silicon (amorphous silicon).
[0072]
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).
[0073]
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.
[0074]
Example 8
This embodiment is a further development of the embodiment 7, and the TFT in the peripheral circuit portion is 100 cm as shown in the embodiments 1 and 2. 2 This is an example in which a TFT having a high mobility of / Vs or more is formed, and a TFT in a pixel portion is formed by the TFT shown in the fifth embodiment.
[0075]
In the TFT shown in Example 5, 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.
[0076]
In this embodiment, if the mobility of the TFT in the peripheral circuit portion is further increased, neutral element ion implantation as shown in Embodiment 7 may be used in the region.
[0077]
Example 9
This example is an example in which Sn, which is a group 4 element, is used as the trace element for promoting crystallization in Example 1 or Example 2. In addition to Sn, C, Ge, and Pb can be used. In this embodiment, Sn is introduced as a thin film by vapor deposition as in the first and second embodiments. However, Sn ions may be implanted into the amorphous silicon film and Sn may be introduced directly into the silicon film. Good.
[0078]
【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.
[0079]
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 partially introducing an element for crystallization, a crystalline silicon film is selectively formed, and by using the crystalline silicon film, a specific portion of the TFT is made a high mobility TFT.
In particular, since the crystalline silicon film in a region away from the region where the element for crystallization is introduced has a one-dimensional orientation, a TFT having a high mobility is utilized using this region. Can be obtained.
[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 a metal element concentration in a crystalline silicon film.
[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 (9)

絶縁表面上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の一部をスリット状に露呈させるマスクを前記非晶質珪素膜上に形成し、
Ge、Sn、C、Pb、In、SbまたはZnから選択された1種または複数種の元素を前記一部に導入し、
前記非晶質珪素膜を加熱により前記一部より結晶化して結晶性珪素膜とし、
前記結晶性珪素膜をパターニングして複数の島状の半導体領域を形成
前記パターニングは、前記島状の半導体領域が、該島状の半導体領域に流れる電流の方向と平行な方向に結晶成長した結晶粒からなるように行われることを特徴とする半導体装置作製方法。
Forming an amorphous silicon film on the insulating surface;
Forming a mask on the amorphous silicon film to expose a part of the amorphous silicon film in a slit shape;
Introducing one or more elements selected from Ge, Sn, C, Pb, In, Sb or Zn into the part ;
The amorphous silicon film is crystallized from the part by heating to form a crystalline silicon film,
Patterning the crystalline silicon film to form a plurality of island-shaped semiconductor region,
The patterning, the island-shaped semiconductor region, the semiconductor device manufacturing method characterized in that takes place as comprising a crystal grain that is grown and in a direction parallel to the direction of the current flowing through the island-shaped semiconductor region.
絶縁表面上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の一部をスリット状に露呈させるマスクを前記非晶質珪素膜上に形成し、
Ge、Sn、C、Pb、In、SbまたはZnから選択された1種または複数種の元素を前記一部に導入し、
前記非晶質珪素膜を加熱により前記一部より結晶化して結晶性珪素膜とし、
前記結晶性珪素膜に対しレーザー光を照射し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして複数の島状の半導体領域を形成
前記パターニングは、前記島状の半導体領域が、該島状の半導体領域に流れる電流の方向と平行な方向に結晶成長した結晶粒からなるように行われることを特徴とする半導体装置作製方法。
Forming an amorphous silicon film on the insulating surface;
Forming a mask on the amorphous silicon film to expose a part of the amorphous silicon film in a slit shape;
Introducing one or more elements selected from Ge, Sn, C, Pb, In, Sb or Zn into the part ;
The amorphous silicon film is crystallized from the part by heating to form a crystalline silicon film,
Irradiating the crystalline silicon film with laser light,
Patterning the crystalline silicon film to form a plurality of island-shaped semiconductor region,
The patterning, the island-shaped semiconductor region, the semiconductor device manufacturing method characterized in that takes place as comprising a crystal grain that is grown and in a direction parallel to the direction of the current flowing through the island-shaped semiconductor region.
絶縁表面上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の一部をスリット状に露呈させるマスクを前記非晶質珪素膜上に形成し、
Ge、Sn、C、Pb、In、SbまたはZnから選択された1種または複数種の元素を前記一部に導入し、
前記非晶質珪素膜を加熱により前記一部より結晶化して結晶性珪素膜とし、
前記結晶性珪素膜をパターニングして、前記絶縁表面に対し平行な方向に結晶成長が行われた前記結晶性珪素膜からなる複数の第一および第二の島状の半導体領域を形成
前記パターニングは、前記第一の島状の半導体領域が、該第一の島状の半導体領域に流れる電流の方向と平行な方向に結晶成長した結晶粒からなるように行われ、前記第二の島状の半導体領域が、該第二の島状の半導体領域に流れる電流の方向と直交する方向に結晶成長した結晶粒からなるように行われることを特徴とする半導体装置作製方法。
Forming an amorphous silicon film on the insulating surface;
Forming a mask on the amorphous silicon film to expose a part of the amorphous silicon film in a slit shape;
Introducing one or more elements selected from Ge, Sn, C, Pb, In, Sb or Zn into the part ;
The amorphous silicon film is crystallized from the part by heating to form a crystalline silicon film,
Wherein patterning the crystalline silicon film, the insulating surface to form a plurality of first and second island-shaped semiconductor region consisting of the crystalline silicon film crystal growth is performed in a direction parallel,
The patterning, the first island-shaped semiconductor region, the performed such that a crystal grown crystal grains in a direction parallel to the direction of current flowing through the first island-shaped semiconductor region, the second island-shaped semiconductor region, the semiconductor device manufacturing method characterized in that takes place as comprising a crystal grain that is grown in the direction perpendicular to the direction of current flowing through the second island-shaped semiconductor region.
絶縁表面上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の一部をスリット状に露呈させるマスクを前記非晶質珪素膜上に形成し、
Ge、Sn、C、Pb、In、SbまたはZnから選択された1種または複数種の元素を前記一部に導入し、
前記非晶質珪素膜を加熱により前記一部より結晶化して結晶性珪素膜とし、
前記結晶性珪素膜に対しレーザー光を照射し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして、前記絶縁表面に対し平行な方向に結晶成長が行われた前記結晶性珪素膜からなる複数の第一および第二の島状の半導体領域を形成
前記パターニングは、前記第一の島状の半導体領域が、該第一の島状の半導体領域に流れる電流の方向と平行な方向に結晶成長した結晶粒からなるように行われ、前記第二の島状の半導体領域が、該第二の島状の半導体領域に流れる電流の方向と直交する方向に結晶成長した結晶粒からなるように行われることを特徴とする半導体装置作製方法。
Forming an amorphous silicon film on the insulating surface;
Forming a mask on the amorphous silicon film to expose a part of the amorphous silicon film in a slit shape;
Introducing one or more elements selected from Ge, Sn, C, Pb, In, Sb or Zn into the part ;
The amorphous silicon film is crystallized from the part by heating to form a crystalline silicon film,
Irradiating the crystalline silicon film with laser light,
Wherein patterning the crystalline silicon film, the insulating surface to form a plurality of first and second island-shaped semiconductor region consisting of the crystalline silicon film crystal growth is performed in a direction parallel,
The patterning, the first island-shaped semiconductor region, the performed such that a crystal grown crystal grains in a direction parallel to the direction of current flowing through the first island-shaped semiconductor region, the second island-shaped semiconductor region, the semiconductor device manufacturing method characterized in that takes place as comprising a crystal grain that is grown in the direction perpendicular to the direction of current flowing through the second island-shaped semiconductor region.
前記半導体装置は、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のTFTであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置作製方法。3. The semiconductor device manufacturing method according to claim 1, wherein the semiconductor device is a TFT of a peripheral driver circuit in an active liquid crystal display device. 前記第一の島状の半導体領域は、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のTFTに用いられることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の半導体装置作製方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the first island-shaped semiconductor region is used for a TFT of a peripheral driver circuit in an active liquid crystal display device. 前記第二の島状の半導体領域は、アクティブ型の液晶表示装置において画素のTFTに用いられることを特徴とする請求項3、請求項4または請求項6に記載の半導体装置作製方法。7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the second island-shaped semiconductor region is used for a TFT of a pixel in an active liquid crystal display device. 前記島状の半導体領域中の前記元素の濃度が2×1017から2×1019atoms/cm3の範囲であることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一に記載の半導体装置作製方法。8. The semiconductor according to claim 1, wherein a concentration of the element in the island-shaped semiconductor region is in a range of 2 × 10 17 to 2 × 10 19 atoms / cm 3. Device manufacturing method. 前記結晶粒は柱状または針状であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一に記載の半導体装置作製方法。9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the crystal grains are columnar or needle-shaped.
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