JP3626102B2 - Integrated circuit fabrication method - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶性を有する半導体を用いた半導体装置およびその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ(以下TFT等)が知られている。このTFTは、基板上に薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて構成されるものである。このTFTは、各種集積回路に利用されているが、特に電気光学装置特にアクティブマトリックス型の液晶表示装置の各画素の設けられたスイッチング素子、周辺回路部分に形成されるドライバー素子として注目されている。
【0003】
TFTに利用される薄膜半導体としては、非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的特性が低いという問題がある。TFTの特性向上を得るためには、結晶性を有するシリコン薄膜を利用するばよい。結晶性を有するシリコン膜は、多結晶シリコン、ポリシリコン、微結晶シリコン等と称されている。この結晶性を有するシリコン膜を得るためには、まず非晶質珪素膜を形成し、しかる後に加熱によって結晶化さればよい。
【0004】
しかしながら、現在行われている方法により加熱により結晶化した結晶性珪素薄膜は、その粒径が比較的小さく、またそのサイズも揃っておらず、それらが特性のバラツキの原因となっていた。また、素子を形成したときの能力の目安となるモビリティに関しても、単結晶珪素に比較して大きく劣っており、それら特性の向上が求められていた。
【0005】
〔発明の背景〕
本発明者らの研究によれば、非晶質珪素膜の表面にニッケルやパラジウム、さらには鉛等の元素を微量に堆積させ、しかる後に加熱することで、450℃〜650℃例えば550℃程度の温度で、4時間程度の処理時間で結晶化を行なえることが判明している。また得られる結晶粒も、上記結晶化の温度および時間によって制御可能であり、このことは素子に必要とされる活性層を作成することができることを意味する。
【0006】
上記のような微量な元素(結晶化を助長する触媒元素)を導入するには、プラズマ処理や蒸着、さらにはイオン注入を利用すればよい。プラズマ処理とは、平行平板型あるいは陽光柱型のプラズマCVD装置において、電極として触媒元素を含んだ材料を用い、窒素または水素等の雰囲気でプラズマを生じさせることによって非晶質珪素膜に触媒元素の添加を行なう方法である。
【0007】
しかしながら、上記のような元素が半導体中に多量に存在していることは、これら半導体を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり好ましいことではない。
【0008】
即ち、上記のニッケル等の結晶化を助長する元素(本明細書では、結晶化を助長する元素を触媒元素という)は、非晶質珪素を結晶化させる際には必要であるが、結晶化した珪素中には極力含まれないようにすることが望ましい。この目的を達成するには、触媒元素として結晶性珪素中で不活性な傾向が強いものを選ぶと同時に、結晶化に必要な触媒元素の量を極力少なくし、最低限の量で結晶化を行なう必要がある。そしてそのためには、上記触媒元素の添加量を精密に制御して導入する必要がある。
【0009】
また、ニッケルを触媒元素とした場合、非晶質珪素膜を成膜し、ニッケル添加をプラズマ処理法によって行ない結晶性珪素膜を作製し、その結晶化過程等を詳細に検討したところ以下の事項が判明した。
(1)プラズマ処理によってニッケルを非晶質珪素膜上に導入した場合、熱処理を行なう以前に既に、ニッケルは非晶質珪素膜中のかなりの深さの部分まで侵入している。
(2)結晶の初期核発生は、ニッケルを導入した表面から発生している。
(3)蒸着法でニッケルを非晶質珪素膜上に成膜した場合であっても、プラズマ処理を行なった場合と同様に結晶化が起こる。
【0010】
上記事項から、プラズマ処理によって導入されたニッケルが全て効果的に機能していないということが結論される。即ち、多量のニッケルが導入されても十分に機能していないニッケルが存在していると考えられる。このことから、ニッケルと珪素が接している点(面)が低温結晶化の際に機能していると考えられる。そして、可能な限りニッケルは微細に原子状に分散していることが必要であることが結論される。即ち、「必要なのは非晶質珪素膜の表面近傍に低温結晶化が可能な範囲内で可能な限り低濃度のニッケルが原子状で分散して導入されればよい」ということが結論される。
【0011】
非晶質珪素膜の表面近傍のみに極微量のニッケルを導入する方法、言い換えるならば、非晶質珪素膜の表面近傍のみ結晶化を助長する触媒元素を極微量導入する方法としては、蒸着法を挙げることができるが、蒸着法は制御性が悪く、触媒元素の導入量を厳密に制御することが困難であるという問題がある。
【0012】
また、触媒元素の導入量は極力少ないことが必要とされるが、この場合、結晶性が不足するという問題が生じる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、触媒元素を用いた熱処理による結晶性を有する薄膜珪素半導体の作製において、
(1)触媒元素の量を制御して導入し、その量を最小限の量とする。
(2)生産性の高い方法とする。
(3)熱処理で得られる結晶性よりさらに高い結晶性を得る。
といった要求を満たすことを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を満足するために以下の手段を用いて結晶性を有した珪素膜を得る。
非晶質珪素膜に接して該非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素単体または前記触媒元素を含む化合物を保持させ、前記非晶質珪素膜に前記触媒元素単体または前記触媒元素を含む化合物が接した状態において、450℃〜650℃、例えば550℃程度の比較的低温で加熱処理を施し、前記非晶質珪素膜を一部または全部を結晶化させる。そして更に前記結晶化温度よりも高い温度、例えば基板が石英の場合であれば1000℃程度の温度でアニールを行うことによりさらに結晶化を助長する。こうして極めて結晶性の良好な結晶性珪素膜を得る。
【0015】
結晶化を助長する触媒元素の導入方法としては、触媒元素を含む溶液を非晶質珪素膜表面に塗布することによる方法が有用である。
【0016】
特に本発明においては、非晶質珪素膜の表面に接して触媒元素が導入されることが特徴である。このことは、触媒元素の量を制御する上で極めて重要である。
【0017】
触媒元素が導入されるのは、非晶質珪素膜の上面であっても下面であってもよい。非晶質珪素膜の上面に触媒元素を導入するのであれば、非晶質珪素膜を形成した後に、触媒元素を含有した溶液を非晶質珪素膜上に塗布すればよいし、非晶質珪素膜の下面に触媒元素を導入するのであれば、非晶質珪素膜を形成する前に下地表面に触媒元素を含有した溶液を塗布し、下地表面に接して触媒元素を保持する状態とすればよい。
【0018】
また発明は、結晶化された結晶性珪素膜を用いて半導体装置のPN、PI、NIその他の電気的接合を少なくとも1つ有する活性領域を構成することを特徴とする。半導体装置としては、薄膜トランジスタ(TFT)、ダイオード、光センサを用いることができる。
【0019】
本発明の構成を採用することによって以下に示すような基本的な有意性を得ることができる。
(a)溶液中における触媒元素濃度は、予め厳密に制御し結晶性をより高めかつその元素の量をより少なくすることが可能である。
(b)溶液と非晶質珪素膜の表面とが接触していれば、触媒元素の非晶質珪素への導入量は、溶液中における触媒元素の濃度によって決まる。
(c)非晶質珪素膜の表面に吸着する触媒元素が主に結晶化に寄与することとなるので、必要最小限度の濃度で触媒元素を導入できる。
(d)高温プロセスを必要としないで、結晶性の良好な結晶性珪素膜を得ることができる。
【0020】
非晶質珪素膜上に結晶化を助長する元素を含有させた溶液を塗布する方法としては、溶液として水溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここで含有とは、化合物として含ませるという意味と、単に分散させることにより含ませるという意味との両方を含む。
【0021】
触媒元素を含む溶媒としては、極性溶媒である水、アルコール、酸、アンモニアから選ばれたものを用いることができる。
【0022】
触媒としてニッケルを用い、このニッケルを極性溶媒に含ませる場合、ニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては、代表的には臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、ニッケルアセチルアセトネ−ト、4−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケルから選ばれたものが用いられる。
【0023】
また触媒元素を含む溶媒として、無極性溶媒であるベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、エーテルから選ばれたものを用いることができる。
【0024】
この場合はニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては代表的には、ニッケルアセチルアセトネ−ト、2−エチルヘキサン酸ニッケルから選ばれたものを用いることができる。
【0025】
また触媒元素を含有させた溶液に界面活性剤を添加することも有用である。これは、被塗布面に対する密着性を高め吸着性を制御するためである。この界面活性剤は予め被塗布面上に塗布するのでもよい。
【0026】
触媒元素としてニッケル単体を用いる場合には、酸に溶かして溶液とする必要がある。
【0027】
以上述べたのは、触媒元素であるニッケルが完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散したエマルジョンの如き材料を用いてもよい。または酸化膜形成用の溶液を用いるのでもよい。このような溶液としては、東京応化工業株式会社のOCD(Ohka Diffusion Source)を用いることができる。このOCD溶液を用いれば、被形成面上に塗布し、200℃程度でベークすることで、簡単に酸化珪素膜を形成できる。また不純物を添加することも自由であるので、本発明に利用することができる。
【0028】
なおこれらのことは、触媒元素としてニッケル以外の材料を用いた場合であっても同様である。
【0029】
結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを用い、このニッケルを含有させる溶液溶媒として水の如き極性溶媒を用いた場合において、非晶質珪素膜にこれら溶液を直接塗布すると、溶液が弾かれてしまうことがある。この場合は、100Å以下の薄い酸化膜をまず形成し、その上に触媒元素を含有させた溶液を塗布することで、均一に溶液を塗布することができる。また、界面活性剤の如き材料を溶液中に添加する方法により濡れを改善する方法も有効である。
【0030】
また、溶液として2−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いることで、非晶質珪素膜表面に直接塗布することができる。この場合にはレジスト塗布の際に使用されている密着剤の如き材料を予め塗布することは有効である。しかし塗布量が多過ぎる場合には逆に非晶質珪素中への触媒元素の添加を妨害してしまうために注意が必要である。
【0031】
溶液に含ませる触媒元素の量は、その溶液の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量として溶液に対して200ppm〜1ppm、好ましくは50ppm〜1ppm(重量換算)とすることが望ましい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケル濃度や耐フッ酸性に鑑みて決められる値である。
【0032】
また、本発明は、結晶化の際の加熱温度を450℃〜650℃とする。このことは重要である。本発明においては前述の様に触媒元素と非晶質珪素薄膜と接している部分のみから結晶化を行わせることにより、粒径のそろった結晶性の高い結晶性珪素薄膜を得ることが前提となっており、其以外の部分から核発生あるいは結晶化が進行することは特性のばらつきに直結してしまい望ましいことではない。そして発明者らの実験によると、上記450℃〜650℃の範囲で短時間であれば、触媒元素と接していない部分の結晶化は無視することができ、本発明の構成が得られることが判明している。上記温度範囲よりも低温では、触媒元素を添加しても充分な結晶成長が行えず、また同様に上記温度範囲よりも高温では触媒に関係なく結晶成長が発生してしまうのである。
また、本発明は、結晶化処理の後に更に高温のアニールを行うことにより、結晶粒の界面の特性を更に良好にし結晶化された珪素膜の結晶性をさらに高くすることができる。また、この工程を加えることにより、条件によっては非晶質部分を全てなくしてしまうことが可能であ、このことは不安定な非晶質部分による経時劣化を防ぐ上で効果がある。
【0033】
そして前記高温アニールの際の雰囲気であるが、一般的に半導体の熱アニールは窒素等の不活性雰囲気中で行われることが多いが、本発明で使用している触媒を添加して低温で結晶化を行った結晶性珪素膜の場合には、酸素等の酸化性雰囲気中で高温アニールを行うことが特性を安定化させる上で非常に有効であることが見出された。この理由は現状でははっきりしないが、おそらくは非晶質珪素部分に多く存在している触媒元素と珪素との結合が、それぞれ酸素との結合に置き代わり安定化されるのではないかと推測される。このため、本発明における高温アニールの際の雰囲気を酸化性雰囲気にすると、より有効である。
また、酸化性雰囲気中でアニールを行うことにより、結晶性が改善されると共に表面に熱酸化によって生じる酸化珪素膜を作製することができる。この酸化珪素膜は非常に緻密であり、数百Å以上あれば十分にゲート絶縁膜として使用できるだけの信頼性を有していることが判明した。しかしながら、前記熱酸化膜は、結晶性珪素との界面における応力が大きく発生する為、その膜厚は可能な限り薄いことが望ましい。そのため、この様な応力による特性の劣化が問題となる場合には、酸化性雰囲気中で高温アニールを行い、結晶性を改善すると共に熱酸化膜を形成し、その後前記熱酸化膜をエッチングしてしまい、更に新たなゲート絶縁膜を形成する工程としても良い。
【0034】
この結晶性を改善するために行う高温アニールは、一般的な電気炉中でのアニール以外に、強光特に赤外光を照射する方法を採用してもよい。赤外光はガラスには吸収されにくく、珪素薄膜に吸収されやすいので、ガラス基板上に形成された珪素薄膜を選択的に加熱することができ有用である。この赤外光を用いる方法は、ラピッド・サーマス・アニール(RTA)またはラピッド・サーマル・プロセス(RTP)と呼ばれる。
【0035】
また、触媒元素を含んだ溶液を選択的に塗布することにより、結晶成長を選択的に行なうことができる。特にこの場合、溶液が塗布されなかった領域に向かって、溶液が塗布された領域から珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長を行なわすことができる。この珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長が行なわれた領域を本明細書中においては横方向に結晶成長した領域ということとする。
【0036】
またこの横方向に結晶成長が行なわれた領域は、触媒元素の濃度が低いことが確かめられている。半導体装置の活性層領域として、結晶性珪素膜を利用することは有用であるが、活性層領域中における不純物の濃度は一般に低い方が好ましい。従って、上記横方向に結晶成長が行なわれた領域を用いて半導体装置の活性層領域を形成することはデバイス作製上有用である。
【0037】
本発明においては、触媒元素としてニッケルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができるが、その他利用できる触媒元素の種類としては、好ましくはNi、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Pd、P、As、Sbを利用することができる。また、VIII族元素、IIIb、IVb、Vb元素から選ばれた一種または複数種類の元素を利用することもできる。
【0038】
また、触媒元素の導入方法は、水溶液やアルコール等の溶液を用いることに限定されるものではなく、触媒元素を含んだ物質を広く用いることができる。例えば、触媒元素を含んだ金属化合物や酸化物を用いることができる。
【0039】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例では、結晶化を助長する触媒元素を水溶液に含有させて、非晶質珪素膜上に塗布し、しかる後に加熱により結晶化させ、さらに高温のアニールにより結晶性を高める例である。
【0040】
図1を用いて、触媒元素(ここではニッケルを用いる)を導入するところまでを説明する。本実施例においては、基板として石英ガラスを用いる。またその大きさは100mm×100mmとする。
【0041】
まず、非晶質珪素膜をプラズマCVD法やLPCVD法によってアモルファス状のシリコン膜を100〜1500Å形成する。ここでは、プラズマCVD法によって非晶質珪素膜12を1000Åの厚さに成膜する。(図1(A))
【0042】
そして、汚れ及び自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理を行い、その後酸化膜13を10〜50Åに成膜する。汚れが無視できる場合には、酸化膜13の代わりに自然酸化膜をそのまま用いれば良い。
【0043】
なお、この酸化膜13は極薄のため正確な膜厚は不明であるが、20Å程度であると考えられる。ここでは酸素雰囲気中でのUV光の照射により酸化膜13を作成する。成膜条件は、酸素雰囲気中においてUVを5分間照射することにおって行なった。この酸化膜13の成膜方法としては、熱酸化法を用いるのでもよい。また過酸化水素による処理によるものでもよい。
【0044】
この酸化膜13は、後のニッケルを含んだ酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜の表面全体に酢酸塩溶液を行き渡らせるため、即ち濡れ性の改善の為のものである。例えば、非晶質珪素膜の表面に直接酢酸塩溶液を塗布した場合、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾いてしまうので、非晶質珪素膜の表面全体にニッケルを導入することができない。即ち、均一な結晶化を行うことができない。
【0045】
つぎに、酢酸塩溶液中にニッケルを添加した酢酸塩溶液を作る。ニッケルの濃度は25ppmとする。そしてこの酢酸塩溶液を非晶質珪素膜12上の酸化膜13の表面に2ml滴下し、この状態を5分間保持する。そしてスピナーを用いてスピンドライ(2000rpm、60秒)を行う。(図1(C)、(D))
【0046】
酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は、1ppm以上好ましくは10ppm以上であれば実用になる。また、溶液として2−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いる場合、酸化膜13は不要であり、直接非晶質珪素膜上に触媒元素を導入することができる。
【0047】
このニッケル溶液の塗布工程を、1回〜複数回行なうことにより、スピンドライ後の非晶質珪素膜12の表面に数Å〜数百Åの平均の膜厚を有するニッケルを含む層を形成することができる。この場合、この層のニッケルがその後の加熱工程において、非晶質珪素膜に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。なお、この層というのは、完全な膜になっているとは限らない。
【0048】
上記溶液の塗布の後、1分間その状態を保持させる。この保持させる時間によっても、最終的に珪素膜12中に含まれるニッケルの濃度を制御することができるが、最も大きな制御因子は溶液の濃度である。
【0049】
そして、加熱炉において、窒素雰囲気中において550度、4時間の加熱処理を行う。この結果、基板11上に形成された結晶性を有する珪素薄膜12を得ることができる。
【0050】
上記の加熱処理は450度以上の温度で行うことができるが、温度が低いと加熱時間を長くしなけらばならず、生産効率が低下する。また、あまり温度が高すぎても、ニッケルと接した部分以外から結晶成長が始まり、結果として大粒径の珪素粒からなる結晶性珪素膜を作成することができない。
【0051】
本実施例においては、非晶質珪素膜上に触媒元素を導入する方法を示したが、非晶質珪素膜下に触媒元素を導入する方法を採用してもよい。この場合は、非晶質珪素膜の成膜前に触媒元素を含有した溶液を用いて、下地膜上に触媒元素を導入すればよい。
【0052】
加熱処理に処理により結晶性を有する珪素膜12を得た後、汚れ及び自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理を行う。そして更に1000℃で30分〜2時間、ここでは100分間のアニールを酸素中で行い、結晶粒内部の結晶性を高め(この工程を行うことにより結晶内部の欠陥を減らす効果も期待できる)、界面の特性を改善すると共に、約1000Åの熱酸化膜を形成した。
その後酸化膜を除去しTEMによる観察を行った結果、得られた結晶性珪素膜は、異方性を有する大径の結晶粒からなり、粒の長辺は長いものでは10μm以上あり、その大きさも比較的揃っていることが判明した。
【0053】
〔実施例2〕
本実施例は、実施例1に示す作製方法において、1200Åの酸化珪素膜を選択的に設け、この酸化珪素膜をマスクとして選択的にニッケルを導入する例である。
【0054】
図2に本実施例における作製工程の概略を示す。まず、石英ガラス基板(10cm角)上にマスクとなる酸化珪素膜21を1000Å以上、ここでは1200Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜21の膜厚については、発明者等の実験によると500Åでも問題がないことを確認しており、膜質が緻密であれば更に薄くても良いと思われる。
【0055】
そして通常のフォトリソパターニング工程によって、必要とするパターンに酸化珪素膜21をパーニングする。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照射で薄い酸化珪素膜20を成膜する。この酸化珪素膜20の作製は、酸素雰囲気中でUV光を5分間照射することによって行なわれる。なおこの酸化珪素膜20の厚さは20〜50Å程度と考えられる(図2(A))。尚、この濡れ性を改善するための酸化珪素膜については、溶液とパターンのサイズが合致した場合には、マスクの酸化珪素膜の親水性のみによっても丁度よく添加される場合がある。しかしながらこの様な例は特殊であり、一般的には酸化珪素膜20を使用したほうが安全である。
【0056】
この状態において、実施例1と同様に100ppmのニッケルを含有した酢酸塩溶液を5ml滴下(10cm角基板の場合)する。またこの際、スピナーで50rpmで10秒のスピンコートを行い、基板表面全体に均一な水膜を形成させる。さらにこの状態で、5分間保持した後スピナーを用いて2000rpm、60秒のスピンドライを行う。なおこの保持は、スピナー上において0〜150rpmの回転をさせながら行なってもよい。(図2(B))
【0057】
そして550度(窒素雰囲気)、4時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜12の結晶化を行う。この際、ニッケルが導入された部分22の領域から23で示されるように、ニッケルが導入されなった領域へと横方向に結晶成長が行われる。図2(C)において、24がニッケルが直接導入され結晶化が行われた領域であり、25が横方向に結晶化が行われた領域である。なお25の領域は、概略〈111〉軸方向に結晶成長が行われていることが確認されている。
【0058】
この段階でTEM観察を行うと、得られた結晶性珪素膜は、ニッケルが添加された領域から周囲に向かって放射状に幅の揃った柱状結晶が成長しており、個々の結晶の隙間には非晶質部分が残存していることが判明した。
次に、上記加熱処理による結晶化工程の後、酸化珪素膜を剥し、酸素中で加熱温度を1000℃でアニールして珪素膜12の結晶性をさらに向上させる。この工程によって、横方向に結晶成長した領域25の結晶性を大きく高めることができる。
【0059】
この結晶性珪素膜をTEM観察すると、前述の柱状結晶の隙間の部分が結晶化し、しかも柱状結晶を核とした擬似的にエピタキシャルな成長が起こっていることが判明した。またその結果、結晶粒界は非常に判りづらく、あたかも巨大な結晶粒(〜数十μm以上)からなる様な結晶性珪素膜が得られた。
【0060】
本実施例において、溶液濃度、保持時間を変化させることにより、ニッケルが直接導入された領域におけるニッケルの濃度を1×1015atoms cm−3〜1×1019atoms cm−3の範囲で制御可能であり、同様に横成長領域の濃度をそれ以下に制御することが可能である。
【0061】
本実施例で示したような方法によって形成された結晶珪素膜は、耐フッ酸性が良好であるという特徴がある。本発明者らによる知見によれば、ニッケルをプラズマ処理で導入し、結晶化させた結晶性珪素膜は、耐フッ酸性が低い。
【0062】
例えば、結晶性珪素膜上にゲイト絶縁膜や層間絶縁膜として機能する酸化珪素膜を形成し、しかる後に電極の形成のために穴開け工程を経て、電極を形成をする作業が必要とされる場合がある。このような場合、酸化珪素膜をバッファフッ酸によって除去する工程が普通採用される。しかしながら、結晶性珪素膜の耐フッ酸性が低い場合、酸化珪素膜のみを取り除くことは困難であり、結晶性珪素膜をもエッチングしてしまうという問題がある。
【0063】
しかしながら、結晶性珪素膜が耐フッ酸性を有している場合、酸化珪素膜と結晶性珪素膜のエッチングレートの違い(選択比)を大きくとることができるので、酸化珪素膜のみを選択的の除去でき、作製工程上極めて有意なものとなる。
【0064】
以上述べたように、横方向に結晶が成長した領域は触媒元素の濃度が小さく、しかも結晶性が良好であるので、この領域を半導体装置の活性領域として用いることは有用である。例えば、薄膜トランジスタのチャネル形成領域として利用することは極めて有用である。
【0065】
〔実施例3〕
本実施例は、本発明の方法を利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、TFTを得る例である。本実施例のTFTは、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分に用いることができる。なお、TFTの応用範囲としては、液晶表示装置のみではなく、一般に言われる薄膜集積回路に利用できることはいうまでもない。
【0066】
図3に本実施例の作製工程の概要を示す。まずN0ガラス基板上に下地の窒化珪素膜(図示せず)を成膜し、その上に酸化珪素膜(図示せず)を2000Åの厚さに成膜する。この窒化珪素膜および酸化珪素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。
【0067】
そして、非晶質珪素膜を実施例1と同様な方法で500Åの厚さに成膜する。成膜方法としては、シランまたはジシランの如きポリシランを用いて、LPCVDによって成膜したものが素子の特性上望ましかった。そして、自然酸化膜を取り除くためのフッ酸処理の後、薄い酸化膜を20Å程度の厚さに酸素雰囲気でのUV光の照射によって成膜する。この薄い酸化膜の作製方法は、過水処理や熱酸化による方法でもよい。
【0068】
そして10ppmのニッケルを含有した酢酸塩溶液を塗布し、5分間保持し、スピナーを用いてスピンドライを行う。その後バッファフッ酸によって酸化珪素膜20と21を取り除き、550度、4時間の加熱によって、珪素膜を結晶化させる。(ここまでは実施例1に示した作製方法と同じ)
【0069】
上記加熱処理を行うことによって、非晶質成分と結晶成分とが混在した珪素膜を得られる。この結晶成分はその後の高温における結晶成長時の結晶核が存在している領域である。
その後800℃で酸素中で2時間のアニールを行い、全面を結晶化させると共に、珪素膜の結晶性を助長させる。この工程よって、結晶成分に存在している結晶核を核として結晶成長が行なわれる。
【0070】
次に、結晶化した珪素膜をパターニングして、島状の領域104を形成する。この島状の領域104はTFTの活性層を構成する。そして、厚さ200〜1500Å、ここでは1000Åの酸化珪素105を形成する。この酸化珪素膜はゲイト絶縁膜としても機能する。(図3(A))
【0071】
上記酸化珪素膜105の作製には注意が必要である。ここでは、TEOSを原料とし、酸素とともに基板温度150〜600℃、好ましくは300〜450℃で、RFプラズマCVD法で分解・堆積した。TEOSと酸素の圧力比は1:1〜1:3、また、圧力は0.05〜0.5torr、RFパワーは100〜250Wとした。あるいはTEOSを原料としてオゾンガスとともに減圧CVD法もしくは常圧CVD法によって、基板温度を350〜600℃、好ましくは400〜550℃として形成した。成膜後、酸素もしくはオゾンの雰囲気で400〜600℃で30〜60分アニールした。
【0072】
この状態で電気炉中での加熱処理、あるいはKrFエキシマーレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)あるいはそれと同等な強光を照射することで、シリコン領域104と酸化珪素膜105の界面の状態を改善することは有効である。特に、赤外光を用いたRTA(ラピットサーマルアニール)は、ガラス基板を加熱せずに、珪素のみを選択的に加熱することができるため、基板の温度をN0ガラスの軟化点以下としながらより高温でのアニールを行うことができ、珪素と酸化珪素膜との界面における界面準位を減少させることができるので、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置の作製においては有用である。
【0073】
その後、厚さ2000Å〜1μmのタンタル膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これをパターニングし、ゲイト電極106を形成する。次に白金を陰極、このタンタルのゲイト電極を陽極として、陽極酸化を行う。陽極酸化は、最初一定電流で220Vまで電圧を上げ、その状態で1時間保持して終了させる。本実施例では定電流状態では、電圧の上昇速度は2〜5V/分が適当である。このようにして、厚さ1500〜3500Å、例えば、2000Åの陽極酸化物109を形成する。(図3(B))
【0074】
その後、イオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)によって、各TFTの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物(燐)を注入した。ドーピングガスとしてはフォスフィン(PH)を用いた。ドーズ量は、1〜4×1015cm−2とする。
【0075】
さらに、図3(C)に示すようにKrFエキシマーレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を照射して、上記不純物領域の導入によって結晶性の劣化した部分の結晶性を改善させる。レーザーのエネルギー密度は150〜400mJ/cm、好ましくは200〜250mJ/cmである。こうして、N型不純物(燐)領域108、109を形成する。これらの領域のシート抵抗は200〜800Ω/□であった。
【0076】
この工程において、レーザー光を用いる代わりに、電気炉中での加熱処理を用いても良い。また、フラッシュランプを使用して短時間に1000〜1200℃(シリコンモニターの温度)まで上昇させ、試料を加熱する、いわゆるRTA(ラピッド・サーマル・アニール)(RTP、ラピット・サーマル・プロセスともいう)等のいわゆるレーザー光と同等の強光を用いてもよい。
【0077】
その後、全面に層間絶縁物110として、TEOSを原料として、これと酸素とのプラズマCVD法、もしくはオゾンとの減圧CVD法あるいは常圧CVD法によって酸化珪素膜を厚さ3000Å形成する。基板温度は250〜450℃、例えば、350℃とする。成膜後、表面の平坦性を得るため、この酸化珪素膜を機械的に研磨する。(図3(D))
【0078】
そして、層間絶縁物110をエッチングして、図1(E)に示すようにTFTのソース/ドレインにコンタクトホールを形成し、クロムもしくは窒化チタンの配線112、113を形成する。
【0079】
従来、プラズマ処理を用いてニッケルを導入した結晶性珪素膜は、酸化珪素膜に比較してバッファフッ酸に対する選択性が低いので、上記コンタクトホールの形成工程において、エッチングされてしまうことが多かった。
【0080】
しかし、本実施例のように10ppmの低濃度で水溶液を用いてニッケルを導入した場合には、耐フッ酸性が高いので、上記コンタクトホールの形成が安定して再現性よく行なうことができる。
【0081】
最後に、水素中で300〜400℃で0.1〜2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が完成する。そして、同時に作製した多数のTFTをマトリクス状に配列せしめてアクティブマトリクス型液晶表示装置として完成する。このTFTは、ソース/ドレイン領域108/109とチャネル形成領域114を有している。また115がNIの電気的接合部分となる。
【0082】
本実施例の構成を採用した場合、活性層中に存在するニッケルの濃度は、3×1018cm−3程度あるいはそれ以下の、1×1015atoms cm−3〜3×1018atoms cm−3であると考えられる。
【0083】
本実施例で作製されたTFTは、移動度がNチャネルで200cm/Vs以上のものが得られている。またVthも小さく良好な特性を有していることが確認されている。さらに、移動度のバラツキも±10%以内であることが確認されている。このバラツキの少なさは、加熱処理により不完全な結晶化とレーザー光の照射による結晶性の助長とによる工程によるものと考えられる。レーザー光のみを利用した場合には、Nチャケル型で150cm/Vs以上のものを容易に得ることができるが、バラツキが大きく、本実施例のような均一性を得ることができない。
尚、本実施例においてはタンタルゲートを用いた実施例を示したが、これをN型あるいはP型のポリシリコンを用いたシリコンゲートとしても良いことは言うまでもない。また、アイランドのパターニングを施した後に高温アニールを行う構成としても良い。その場合には基板の縮みによるマスク合わせの困難が生じるため、基板としては石英を用いることが望ましい。
【0084】
〔実施例4〕
本実施例においては、実施例2に示すようにニッケルを選択的に導入し、その部分から横方向(基板に平行な方向)に結晶成長した領域を用いて電子デバイスを形成する例を示す。このような構成を採用した場合、デバイスの活性層領域におけるニッケル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすることができる。
【0085】
図4に本実施例の作製工程を示す。まず、石英基板201を洗浄し、TEOS(テトラ・エトキシ・シラン)と酸素を原料ガスとしてプラズマCVD法によって厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜202を形成する。尚、今回の実施例においては念のために下地を形成しているが、汚染等の問題が無視できる場合にはこの工程は無視できる。そして、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203を成膜する。次に連続的に厚さ500〜2000Å、例えば1000Åの酸化珪素膜205をプラズマCVD法によって成膜する。そして、酸化珪素膜205を選択的にエッチングして、非晶質珪素の露出した領域206を形成する。
【0086】
そして実施例2に示した方法により結晶化を助長する触媒元素であるニッケル元素を含んだ溶液(ここでは酢酸塩溶液)塗布する。酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は100ppmである。その他、詳細な工程順序や条件は実施例2で示したものと同一である。この工程は、実施例3または実施例4に示した方法によるものであってもよい。
【0087】
この後、窒素雰囲気下で500〜620℃、例えば550℃、4時間の加熱アニールを行い、珪素膜203の結晶化を行う。結晶化は、ニッケルと珪素膜が接触した領域206を出発点として、矢印で示されるように基板に対して平行な方向に結晶成長が進行する。図においては領域204はニッケルが直接導入されて結晶化した部分、領域203は横方向に結晶化した部分を示す。この203で示される横方向への結晶は、25μm程度である。またその結晶成長方向は概略〈111〉軸方向であることが確認されている。(図4(A))
【0088】
上記加熱処理による結晶化工程の後に、酸化珪素膜205を全面エッチングし、その後さらに1050℃で60分程度の高温アニールを酸素中で行い、結晶性を向上させた。この工程において、結晶性の向上と同時に1000Å程度の熱酸化膜が形成される。応力等が問題とならないときには、この熱酸化膜をゲート絶縁膜として使用しても良い。尚、今回は応力を考慮してこの熱酸化膜を用いない構成について以下に説明を続ける。
【0089】
次に、熱酸化膜を除去する。そして、珪素膜204をパターニング後、ドライエッチングして、島状の活性層領域208を形成する。この際、図4(A)で206で示された領域は、ニッケルが直接導入された領域であり、ニッケルが高濃度に存在する領域である。
【0090】
また、結晶成長の先端にも、やはりニッケルが高濃度に存在することが確認されている。これらの領域では、その中間の領域に比較してニッケルの濃度が高いことが判明している。したがって、本実施例においては、活性層208において、これらのニッケル濃度の高い領域がチャネル形成領域と重ならないようにした。
【0091】
その後、TEOSを用いたLPCVDによって、基板を800℃〜850℃に加熱した状態で高温CVD酸化膜を形成する。これがゲート絶縁膜として作用する酸化珪素膜209となる。酸化珪素膜の厚さは1000Åとする。
(図4(B))
【0092】
引き続いて、ゲート電極となるPまたはBをドープしたポリシリコン膜をLPCVD法により1000Å〜4000Åの厚さに成膜し、パターニングして、ゲイト電極210を形成する。(図2(C))
【0093】
次に、イオンドーピング法(プラズマドーピング法とも言う)によって、活性層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)にゲイト電極部、すなわちゲイト電極210とその周囲の酸化層211をマスクとして、自己整合的にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとする。ドーズ量は1×1015〜8×1015cm−2、例えば、4×1015cm−2とする。この結果、N型の不純物領域212と213を形成することができる。
【0094】
その後、窒素雰囲気中で600℃、12時間加熱を行い、不純物の活性化を行った。この活性化工程の後に、必要に応じて水素雰囲気中で400℃、1時間熱処理することは欠陥準位密度を低下させるのに有効であった。(図4(E))
【0095】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜214を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成する。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリイミド膜215を形成し、表面を平坦化する。
【0096】
そして、層間絶縁物214、215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217、218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を有するアクティブマトリクスの画素回路を完成する。(図4(F))
【0097】
本実施例で作製したTFTは高移動度を得ることができるので、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバー回路に利用することができる。
【0098】
〔実施例5〕
図5に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、石英基板501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502を形成する。次に、プラズマCVD法によって、厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの真性(I型)の非晶質珪素膜を成膜する。そして、実施例1で示した方法により非晶質珪素膜の表面に結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを導入する。そして窒素雰囲気(大気圧)、550℃、4時間アニールして結晶化させる。そして、珪素膜を10〜1000μm角の大きさにパターニングして、島状の珪素膜(TFTの活性層)503を形成する。(図5(A))
【0099】
その後、800〜1100℃、代表的には1000℃の酸素雰囲気中で2時間程度アニールを施すことにより、結晶性の向上と界面の特性を改善すると共に、熱酸化膜からなるゲート絶縁膜504を厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの厚さに形成する。
【0100】
注目すべきは、かかる酸化により、初期の珪素膜は、その表面が50Å以上減少し、結果として、珪素膜の最表面部分の汚染が、珪素−酸化珪素界面には及ばないようになることである。すなわち、清浄な珪素−酸化珪素界面が得られることである。酸化珪素膜の厚さは酸化される珪素膜の2倍であるので、1000Åの厚さの珪素膜を酸化して、厚さ1000Åの酸化珪素膜を得た場合には、残った珪素膜の厚さは500Åということになる。
【0101】
熱酸化によって酸化珪素膜504を形成したのち、基板を一酸化二窒素雰囲気(1気圧、100%)、600℃で2時間アニールする。(図5(B))
引き続いて、減圧CVD法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åの多結晶珪素(0.01〜0.2%の燐を含む)を成膜する。そして、珪素膜をパターニングして、ゲイト電極505を形成する。さらに、この珪素膜をマスクとして自己整合的に、イオンドーピング法(プラズマドーピング法とも言う)によって、活性層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとする。ドーズ量は1×1015〜8×1015cm−2、例えば、5×1015cm−2とする。この結果、N型の不純物領域506と507が形成される。
【0102】
その後、窒素中600℃で12時間加熱処理を施して、不純物の活性化を行った。尚、この活性化工程はレーザー光の照射によって行っても良い。(図5(C))
【0103】
また、同様にこの不純物の活性化工程は、近赤外光によるランプアニールによる方法でもよい。近赤外線は非晶質珪素よりも結晶化した珪素へは吸収されやすく、1000℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行うことができる。その反面、ガラス基板(遠赤外光はガラス基板に吸収されるが、可視・近赤外光(波長0.5〜4μm)は吸収されにくい)へは吸収されにくいので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむので、本実施例においては基板が石英を使用したため問題とはならないが、ガラス基板の縮みが問題となる工程においては最適な方法であるといえる。
【0104】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜508を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成する。この層間絶縁物としてはポリイミドを利用してもよい。さら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509、510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を完成する。(図5(D))
【0105】
〔実施例6〕
本実施例では、図6に示す如く1枚のガラス基板上にディスプレイから、CPU、メモリーまで搭載した集積回路を用いた電気光学システムについて示す。本実施例は、各集積回路を本発明を用いた結晶性珪素膜を用いたTFTで作製する例である。
【0106】
図6において、入力ポートとは、外部から入力された信号を読み取り、画像用信号に変換し、補正メモリーは、アクティブマトリクスパネルの特性に合わせて入力信号等を補正するためのパネルに固有のメモリーである。特に、この補正メモリーは、各画素固有の情報を不揮発性メモリーとして有し、個別に補正するためのものである。すなわち、電気光学装置の画素に点欠陥のある場合には、その点の周囲の画素にそれに合わせて補正した信号を送り、点欠陥をカバーし、欠陥を目立たなくする。または、画素が周囲の画素に比べて暗い場合には、その画素により大きな信号を送って、周囲の画素同じ明るさとなるようにするものである。
【0107】
CPUとメモリーは通常のコンピュータのものと同様で、特にメモリーは各画素に対応した画像メモリーをRAMとして持っている。また、画像情報に応じて、基板を裏面から照射するバックライトを変化させることもできる。
【0108】
本実施例に示す如く、同一基板上に結晶性珪素膜を用いたTFTで必要とする集積回路を形成することで、高度に集積化された液晶表示装置を得ることができる。
【0109】
【効果】
触媒元素を導入して比較的低温で大粒径の結晶性珪素膜を作製し、その後更に高温のアニールを行うことにより、非常に結晶性の高い珪素膜とする。そしてこの様な結晶性珪素膜を用いて、半導体装置を作製することで、生産性が高く、特性のよいデバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の工程を示す
【図2】実施例の工程を示す。
【図3】実施例の作製工程を示す。
【図4】実施例の作製工程を示す。
【図5】実施例の作製工程を示す。
【図6】実施例の構成を示す。
【符号の説明】
11・・・・ガラス基板
12・・・・非晶質珪素膜
13・・・・酸化珪素膜
14・・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜
15・・・・ズピナー
21・・・・マスク用酸化珪素膜
20・・・・酸化珪素膜
11・・・・ガラス基板
104・・・活性層
105・・・酸化珪素膜
106・・・ゲイト電極
109・・・酸化物層
108・・・ソース/ドレイン領域
109・・・ドレイン/ソース領域
110・・・層間絶縁膜(酸化珪素膜)
112・・・電極
113・・・電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device using a crystalline semiconductor and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
A thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) using a thin film semiconductor is known. This TFT is formed by forming a thin film semiconductor on a substrate and using this thin film semiconductor. This TFT is used in various integrated circuits, and is particularly attracting attention as a switching element provided with each pixel of an electro-optical device, particularly an active matrix liquid crystal display device, and a driver element formed in a peripheral circuit portion. .
[0003]
As a thin film semiconductor used for a TFT, it is easy to use an amorphous silicon film, but there is a problem that its electrical characteristics are low. In order to obtain improved TFT characteristics, a silicon thin film having crystallinity may be used. The crystalline silicon film is called polycrystalline silicon, polysilicon, microcrystalline silicon, or the like. In order to obtain this silicon film having crystallinity, an amorphous silicon film is first formed and then crystallized by heating.
[0004]
However, the crystalline silicon thin film crystallized by heating by a currently used method has a relatively small particle size and is not uniform in size, which causes variations in characteristics. In addition, mobility, which is a measure of ability when forming an element, is greatly inferior to that of single crystal silicon, and improvement of these characteristics has been demanded.
[0005]
BACKGROUND OF THE INVENTION
According to the study by the present inventors, a small amount of elements such as nickel, palladium, and lead are deposited on the surface of the amorphous silicon film, and then heated to 450 to 650 ° C., for example, about 550 ° C. It has been found that crystallization can be performed at a temperature of about 4 hours in a processing time of about 4 hours. The obtained crystal grains can also be controlled by the crystallization temperature and time, which means that an active layer required for the device can be formed.
[0006]
In order to introduce such a trace amount of element (catalytic element that promotes crystallization), plasma treatment, vapor deposition, or ion implantation may be used. The plasma treatment is a parallel plate type or positive column type plasma CVD apparatus using a material containing a catalytic element as an electrode, and generating a plasma in an atmosphere of nitrogen or hydrogen to form a catalytic element on the amorphous silicon film. It is a method of adding.
[0007]
However, the presence of a large amount of the elements as described above in the semiconductor is not preferable because it impedes the reliability and electrical stability of a device using these semiconductors.
[0008]
That is, the above-mentioned element for promoting crystallization such as nickel (in this specification, the element for promoting crystallization is referred to as a catalyst element) is necessary for crystallizing amorphous silicon. It is desirable to prevent the silicon from being contained as much as possible. In order to achieve this purpose, a catalyst element that has a strong tendency to be inert in crystalline silicon is selected, and at the same time, the amount of catalyst element required for crystallization is minimized and crystallization is performed with a minimum amount. Need to do. For this purpose, it is necessary to precisely control the amount of the catalyst element added.
[0009]
In addition, when nickel is used as a catalyst element, an amorphous silicon film is formed, a nickel treatment is performed by plasma treatment to produce a crystalline silicon film, and the crystallization process and the like are examined in detail. There was found.
(1) When nickel is introduced onto the amorphous silicon film by plasma treatment, the nickel has already penetrated to a considerable depth in the amorphous silicon film before the heat treatment.
(2) The initial nucleation of the crystal is generated from the surface where nickel is introduced.
(3) Even when nickel is deposited on the amorphous silicon film by vapor deposition, crystallization occurs in the same manner as when plasma treatment is performed.
[0010]
From the above, it can be concluded that not all nickel introduced by plasma treatment is functioning effectively. That is, it is considered that there is nickel that does not function sufficiently even when a large amount of nickel is introduced. From this, it is considered that the point (plane) where nickel and silicon are in contact functions during low-temperature crystallization. It is concluded that nickel must be dispersed as finely as possible in the atomic form. That is, it is concluded that “what is necessary is that nickel as low as possible should be introduced in the form of atoms dispersed in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film as long as low-temperature crystallization is possible”.
[0011]
As a method of introducing a very small amount of nickel only in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film, in other words, as a method of introducing a very small amount of the catalytic element that promotes crystallization only in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film, the vapor deposition However, the vapor deposition method has a problem of poor controllability, and it is difficult to strictly control the amount of catalyst element introduced.
[0012]
In addition, it is necessary that the amount of the catalyst element introduced be as small as possible.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In the production of a thin film silicon semiconductor having crystallinity by heat treatment using a catalytic element,
(1) A controlled amount of catalyst element is introduced to minimize the amount.
(2) Use a highly productive method.
(3) Crystallinity higher than that obtained by heat treatment is obtained.
The purpose is to satisfy such requirements.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to satisfy the above object, the present invention obtains a silicon film having crystallinity using the following means.
A catalyst element alone or a compound containing the catalyst element that promotes crystallization of the amorphous silicon film is held in contact with the amorphous silicon film, and the catalyst element alone or the catalyst element is contained in the amorphous silicon film. In a state where the compound is in contact, heat treatment is performed at a relatively low temperature of about 450 ° C. to 650 ° C., for example, about 550 ° C. to crystallize part or all of the amorphous silicon film. Further, crystallization is further promoted by annealing at a temperature higher than the crystallization temperature, for example, a temperature of about 1000 ° C. if the substrate is quartz. Thus, a crystalline silicon film having extremely good crystallinity is obtained.
[0015]
As a method for introducing the catalytic element that promotes crystallization, a method by applying a solution containing the catalytic element to the surface of the amorphous silicon film is useful.
[0016]
In particular, the present invention is characterized in that the catalytic element is introduced in contact with the surface of the amorphous silicon film. This is extremely important in controlling the amount of catalytic element.
[0017]
The catalyst element may be introduced on the upper surface or the lower surface of the amorphous silicon film. If the catalytic element is introduced into the upper surface of the amorphous silicon film, a solution containing the catalytic element may be applied on the amorphous silicon film after the amorphous silicon film is formed. If the catalyst element is introduced into the lower surface of the silicon film, a solution containing the catalyst element is applied to the base surface before forming the amorphous silicon film, and the catalyst element is held in contact with the base surface. That's fine.
[0018]
Further, the invention is characterized in that an active region having at least one electrical junction such as PN, PI, NI or the like of a semiconductor device is formed by using a crystallized crystalline silicon film. As the semiconductor device, a thin film transistor (TFT), a diode, or an optical sensor can be used.
[0019]
By adopting the configuration of the present invention, the following basic significance can be obtained.
(A) The concentration of the catalytic element in the solution can be strictly controlled in advance to increase the crystallinity and reduce the amount of the element.
(B) If the solution and the surface of the amorphous silicon film are in contact with each other, the amount of the catalytic element introduced into the amorphous silicon is determined by the concentration of the catalytic element in the solution.
(C) Since the catalytic element adsorbed on the surface of the amorphous silicon film mainly contributes to crystallization, the catalytic element can be introduced at a necessary minimum concentration.
(D) A crystalline silicon film having good crystallinity can be obtained without requiring a high temperature process.
[0020]
As a method of applying a solution containing an element that promotes crystallization on the amorphous silicon film, an aqueous solution, an organic solvent solution, or the like can be used as the solution. Here, the inclusion includes both the meaning of inclusion as a compound and the meaning of inclusion by simply dispersing.
[0021]
As the solvent containing the catalyst element, a solvent selected from water, alcohol, acid and ammonia which are polar solvents can be used.
[0022]
When nickel is used as a catalyst and this nickel is included in a polar solvent, nickel is introduced as a nickel compound. The nickel compounds typically include nickel bromide, nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel chloride, nickel iodide, nickel nitrate, nickel sulfate, nickel formate, nickel acetylacetonate, 4-cyclohexylbutyric acid. A material selected from nickel, nickel oxide and nickel hydroxide is used.
[0023]
As the solvent containing the catalyst element, a nonpolar solvent selected from benzene, toluene, xylene, carbon tetrachloride, chloroform, and ether can be used.
[0024]
In this case, nickel is introduced as a nickel compound. As this nickel compound, typically, one selected from nickel acetylacetonate and nickel 2-ethylhexanoate can be used.
[0025]
It is also useful to add a surfactant to the solution containing the catalyst element. This is for increasing the adhesion to the surface to be coated and controlling the adsorptivity. This surfactant may be applied on the surface to be coated in advance.
[0026]
When nickel simple substance is used as a catalyst element, it is necessary to dissolve in acid to form a solution.
[0027]
The above is an example of using a solution in which nickel as a catalytic element is completely dissolved. Even if nickel is not completely dissolved, powder of nickel alone or a compound of nickel is uniformly distributed in the dispersion medium. Materials such as dispersed emulsions may be used. Alternatively, a solution for forming an oxide film may be used. As such a solution, OCD (Ohka Diffusion Source) of Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. can be used. If this OCD solution is used, a silicon oxide film can be easily formed by coating on the surface to be formed and baking at about 200 ° C. Moreover, since it is also free to add an impurity, it can utilize for this invention.
[0028]
These are the same even when a material other than nickel is used as the catalyst element.
[0029]
When nickel is used as a catalytic element for promoting crystallization, and a polar solvent such as water is used as a solution solvent containing nickel, the solution is repelled when directly applied to the amorphous silicon film. Sometimes. In this case, a thin oxide film having a thickness of 100 mm or less is first formed, and a solution containing a catalytic element is applied thereon, whereby the solution can be uniformly applied. Also effective is a method of improving wetting by adding a material such as a surfactant to the solution.
[0030]
Further, by using a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate as the solution, it can be directly applied to the surface of the amorphous silicon film. In this case, it is effective to apply in advance a material such as an adhesive used in resist application. However, when the coating amount is too large, care must be taken because it interferes with the addition of the catalytic element into the amorphous silicon.
[0031]
The amount of the catalytic element contained in the solution depends on the type of the solution, but as a general tendency, the nickel amount is preferably 200 ppm to 1 ppm, preferably 50 ppm to 1 ppm (weight conversion) as the amount of nickel. . This is a value determined in view of the nickel concentration in the film and the hydrofluoric acid resistance after crystallization is completed.
[0032]
Moreover , this invention sets the heating temperature in the case of crystallization to 450 to 650 degreeC . This is important. In the present invention, as described above, it is premised that a crystalline silicon thin film having a uniform grain size and high crystallinity is obtained by performing crystallization only from a portion in contact with the catalytic element and the amorphous silicon thin film. Therefore, it is not desirable that nucleation or crystallization proceeds from other parts because it directly leads to variation in characteristics. According to the experiments by the inventors, crystallization of the portion not in contact with the catalytic element can be ignored for a short time in the range of 450 ° C. to 650 ° C., and the configuration of the present invention can be obtained. It turns out. If the catalyst element is added at a temperature lower than the above temperature range, sufficient crystal growth cannot be performed. Similarly, at a temperature higher than the above temperature range, crystal growth occurs regardless of the catalyst.
Further, the present invention is the further row Ukoto hot annealing after the crystallization treatment, the crystallinity of the crystal grains of the characteristics of the interface to the better crystallized silicon film can be further increased. Further, by adding this step, depending on the conditions Ri can der that would eliminate any amorphous portion, this is effective in preventing deterioration over time due to unstable amorphous portion.
[0033]
In general, the thermal annealing of a semiconductor is often performed in an inert atmosphere such as nitrogen. However, the catalyst used in the present invention is added and crystallized at a low temperature. In the case of a crystallized silicon film, it has been found that high temperature annealing in an oxidizing atmosphere such as oxygen is very effective in stabilizing the characteristics. The reason for this is not clear at present, but it is presumed that the bonds between the catalytic element and silicon, which are presumably present in the amorphous silicon portion, may be replaced by the bonds with oxygen and stabilized. For this reason, it is more effective if the atmosphere during the high-temperature annealing in the present invention is an oxidizing atmosphere.
In addition, by performing annealing in an oxidizing atmosphere, crystallinity is improved and a silicon oxide film generated by thermal oxidation on the surface can be manufactured. This silicon oxide film is very dense, and it has been found that if it is several hundreds or more, it has sufficient reliability to be used as a gate insulating film. However, since the thermal oxide film generates a large stress at the interface with crystalline silicon, it is desirable that the film thickness be as thin as possible. Therefore, when degradation of characteristics due to such stress becomes a problem, high-temperature annealing is performed in an oxidizing atmosphere to improve crystallinity and form a thermal oxide film, and then etch the thermal oxide film. In addition, a new gate insulating film may be formed.
[0034]
The high-temperature annealing performed to improve the crystallinity may employ a method of irradiating strong light, particularly infrared light, in addition to annealing in a general electric furnace. Infrared light is not easily absorbed by glass and is easily absorbed by a silicon thin film, which makes it possible to selectively heat a silicon thin film formed on a glass substrate. This method using infrared light is called rapid therma annealing (RTA) or rapid thermal process (RTP).
[0035]
Moreover, crystal growth can be selectively performed by selectively applying a solution containing a catalytic element. Particularly in this case, crystal growth can be performed in a direction substantially parallel to the surface of the silicon film from the region where the solution is applied toward the region where the solution is not applied. In this specification, a region where crystal growth is performed in a direction substantially parallel to the surface of the silicon film is referred to as a laterally crystallized region.
[0036]
Further, it has been confirmed that the concentration of the catalytic element is low in the region where the crystal growth is performed in the lateral direction. Although it is useful to use a crystalline silicon film as the active layer region of the semiconductor device, it is generally preferable that the impurity concentration in the active layer region is low. Therefore, it is useful for device fabrication to form the active layer region of the semiconductor device using the region where the crystal is grown in the lateral direction.
[0037]
In the present invention, the most prominent effect can be obtained when nickel is used as the catalyst element, but the other usable catalyst elements are preferably Ni, Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn. , Pd, P, As, and Sb can be used. One or more kinds of elements selected from Group VIII elements, IIIb, IVb, and Vb elements can also be used.
[0038]
The method for introducing the catalyst element is not limited to using a solution such as an aqueous solution or alcohol, and a substance containing the catalyst element can be widely used. For example, a metal compound or oxide containing a catalyst element can be used.
[0039]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, a catalyst element that promotes crystallization is contained in an aqueous solution, applied onto an amorphous silicon film, and then crystallized by heating, and crystallinity is enhanced by high-temperature annealing.
[0040]
The steps up to the introduction of the catalyst element (here, nickel is used) will be described with reference to FIG. In this embodiment, quartz glass is used as the substrate. Moreover, the magnitude | size shall be 100 mm x 100 mm.
[0041]
First, an amorphous silicon film is formed in a thickness of 100 to 1500 nm by plasma CVD or LPCVD. Here, the amorphous silicon film 12 is formed to a thickness of 1000 mm by plasma CVD. (Fig. 1 (A))
[0042]
Then, hydrofluoric acid treatment is performed to remove the dirt and the natural oxide film, and then the oxide film 13 is formed to a thickness of 10 to 50 mm. If the contamination can be ignored, the natural oxide film may be used as it is instead of the oxide film 13.
[0043]
Since the oxide film 13 is extremely thin, the exact film thickness is unknown, but is considered to be about 20 mm. Here, the oxide film 13 is formed by irradiation with UV light in an oxygen atmosphere. The film formation was performed by irradiating with UV in an oxygen atmosphere for 5 minutes. As a method for forming the oxide film 13, a thermal oxidation method may be used. Further, treatment with hydrogen peroxide may be used.
[0044]
This oxide film 13 is for spreading the acetate solution over the entire surface of the amorphous silicon film, that is, for improving the wettability in the subsequent step of applying an acetate solution containing nickel. For example, when an acetate solution is directly applied to the surface of the amorphous silicon film, the amorphous silicon repels the acetate solution, so that nickel cannot be introduced to the entire surface of the amorphous silicon film. That is, uniform crystallization cannot be performed.
[0045]
Next, an acetate solution is prepared by adding nickel to the acetate solution. The nickel concentration is 25 ppm. Then, 2 ml of this acetate solution is dropped on the surface of the oxide film 13 on the amorphous silicon film 12, and this state is maintained for 5 minutes. Then, spin drying (2000 rpm, 60 seconds) is performed using a spinner. (Fig. 1 (C), (D))
[0046]
When the concentration of nickel in the acetic acid solution is 1 ppm or more, preferably 10 ppm or more, it becomes practical. Further, when a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate is used as the solution, the oxide film 13 is unnecessary, and the catalytic element can be directly introduced onto the amorphous silicon film.
[0047]
By performing this nickel solution coating process once to a plurality of times, a layer containing nickel having an average film thickness of several to several hundreds of mm is formed on the surface of the amorphous silicon film 12 after spin drying. be able to. In this case, nickel in this layer diffuses into the amorphous silicon film in the subsequent heating step, and acts as a catalyst for promoting crystallization. Note that this layer is not necessarily a complete film.
[0048]
After application of the solution, the state is maintained for 1 minute. The concentration of nickel contained in the silicon film 12 can be finally controlled by this holding time, but the greatest control factor is the concentration of the solution.
[0049]
In a heating furnace, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. As a result, the crystalline silicon thin film 12 formed on the substrate 11 can be obtained.
[0050]
The above heat treatment can be performed at a temperature of 450 ° C. or higher. However, if the temperature is low, the heating time must be lengthened and the production efficiency is lowered. Even if the temperature is too high, crystal growth starts from a portion other than the portion in contact with nickel, and as a result, a crystalline silicon film composed of large-sized silicon grains cannot be formed.
[0051]
In this embodiment, the method of introducing the catalytic element onto the amorphous silicon film is shown, but a method of introducing the catalytic element under the amorphous silicon film may be adopted. In this case, the catalyst element may be introduced onto the base film using a solution containing the catalyst element before the formation of the amorphous silicon film.
[0052]
After obtaining the crystalline silicon film 12 by heat treatment, hydrofluoric acid treatment is performed to remove dirt and natural oxide film. Further, annealing is performed in oxygen for 30 minutes to 2 hours at 1000 ° C. in this case, and the crystallinity inside the crystal grains is improved (the effect of reducing defects inside the crystal can be expected by performing this step), While improving the interface characteristics, a thermal oxide film of about 1000 mm was formed.
Thereafter, the oxide film was removed, and observation by TEM was performed. As a result, the obtained crystalline silicon film was composed of large-diameter crystal grains having anisotropy, and the long side of the grains had a long side of 10 μm or more. It turned out to be relatively well aligned.
[0053]
[Example 2]
This embodiment is an example in which a 1200 珪 素 silicon oxide film is selectively provided in the manufacturing method shown in Embodiment 1, and nickel is selectively introduced using the silicon oxide film as a mask.
[0054]
FIG. 2 shows an outline of a manufacturing process in this example. First, a silicon oxide film 21 serving as a mask is formed on a quartz glass substrate (10 cm square) to a thickness of 1000 mm or more, here 1200 mm. Regarding the film thickness of the silicon oxide film 21, it has been confirmed by the inventors' experiments that there is no problem even at 500 mm, and it may be thinner if the film quality is dense.
[0055]
Then, the silicon oxide film 21 is panned into a required pattern by a normal photolithography patterning process. Then, a thin silicon oxide film 20 is formed by irradiation with ultraviolet rays in an oxygen atmosphere. The silicon oxide film 20 is produced by irradiating UV light for 5 minutes in an oxygen atmosphere. The thickness of the silicon oxide film 20 is considered to be about 20 to 50 mm (FIG. 2A). Note that the silicon oxide film for improving the wettability may be added just well depending on the hydrophilicity of the silicon oxide film of the mask when the size of the solution and the pattern match. However, such an example is special, and it is generally safer to use the silicon oxide film 20.
[0056]
In this state, 5 ml of an acetate solution containing 100 ppm of nickel was dropped as in Example 1 (in the case of a 10 cm square substrate). At this time, spin coating is performed with a spinner at 50 rpm for 10 seconds to form a uniform water film on the entire substrate surface. Furthermore, after maintaining for 5 minutes in this state, spin drying is performed at 2000 rpm for 60 seconds using a spinner. In addition, you may perform this holding | maintenance, rotating 0-150 rpm on a spinner. (Fig. 2 (B))
[0057]
Then, the amorphous silicon film 12 is crystallized by performing heat treatment at 550 degrees (nitrogen atmosphere) for 4 hours. At this time, crystal growth is performed in the lateral direction from the region of the portion 22 where nickel is introduced to the region where nickel is not introduced, as indicated by 23. In FIG. 2C, 24 is a region where nickel is directly introduced and crystallization is performed, and 25 is a region where crystallization is performed in the lateral direction. In addition, it has been confirmed that in the 25 region, crystal growth is performed substantially in the <111> axis direction.
[0058]
When TEM observation is performed at this stage, columnar crystals with radially uniform widths grow from the region where nickel is added to the periphery of the obtained crystalline silicon film, and there are gaps between the individual crystals. It was found that an amorphous part remained.
Next, after the crystallization step by the heat treatment, the silicon oxide film is peeled off and the heating temperature is 1000 ° C. in oxygen to further improve the crystallinity of the silicon film 12. By this step, the crystallinity of the region 25 where the crystal has grown in the lateral direction can be greatly increased.
[0059]
When this crystalline silicon film was observed with a TEM, it was found that the gap portion of the columnar crystal was crystallized and that pseudo-epitaxial growth occurred with the columnar crystal as a nucleus. As a result, the crystal grain boundary was very difficult to understand, and a crystalline silicon film consisting of huge crystal grains (up to several tens of μm or more) was obtained.
[0060]
In this example, the concentration of nickel in the region where nickel was directly introduced can be controlled in the range of 1 × 10 15 atoms cm −3 to 1 × 10 19 atoms cm −3 by changing the solution concentration and holding time. Similarly, the concentration of the lateral growth region can be controlled to be lower than that.
[0061]
The crystalline silicon film formed by the method as shown in this embodiment is characterized by good hydrofluoric acid resistance. According to the knowledge of the present inventors, the crystalline silicon film obtained by introducing nickel by plasma treatment and crystallizing has low hydrofluoric acid resistance.
[0062]
For example, it is necessary to form a silicon oxide film functioning as a gate insulating film or an interlayer insulating film on a crystalline silicon film, and then form an electrode through a drilling process for forming the electrode. There is a case. In such a case, a process of removing the silicon oxide film with buffer hydrofluoric acid is usually employed. However, when the hydrofluoric acid resistance of the crystalline silicon film is low, it is difficult to remove only the silicon oxide film, and there is a problem that the crystalline silicon film is also etched.
[0063]
However, when the crystalline silicon film has hydrofluoric acid resistance, the difference in etching rate (selection ratio) between the silicon oxide film and the crystalline silicon film can be increased, so that only the silicon oxide film is selectively used. It can be removed and is extremely significant in the manufacturing process.
[0064]
As described above, the region where the crystal grows in the lateral direction has a low concentration of the catalytic element and good crystallinity. Therefore, it is useful to use this region as the active region of the semiconductor device. For example, it is extremely useful to use as a channel formation region of a thin film transistor.
[0065]
Example 3
In this embodiment, a TFT is obtained using a crystalline silicon film manufactured by using the method of the present invention. The TFT of this embodiment can be used for a driver circuit or a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device. Needless to say, the application range of the TFT is not limited to the liquid crystal display device but can be used for a generally-known thin film integrated circuit.
[0066]
FIG. 3 shows an outline of the manufacturing process of this example. First, a base silicon nitride film (not shown) is formed on a N0 glass substrate, and a silicon oxide film (not shown) is formed thereon to a thickness of 2000 mm. The silicon nitride film and the silicon oxide film are provided to prevent diffusion of impurities from the glass substrate.
[0067]
Then, an amorphous silicon film is formed to a thickness of 500 mm by the same method as in the first embodiment. As a film forming method, a film formed by LPCVD using polysilane such as silane or disilane was desired in view of device characteristics. Then, after hydrofluoric acid treatment for removing the natural oxide film, a thin oxide film is formed to a thickness of about 20 mm by irradiation with UV light in an oxygen atmosphere. The thin oxide film may be produced by a method using overwater treatment or thermal oxidation.
[0068]
Then, an acetate solution containing 10 ppm of nickel is applied, held for 5 minutes, and spin dried using a spinner. Thereafter, the silicon oxide films 20 and 21 are removed with buffered hydrofluoric acid, and the silicon film is crystallized by heating at 550 ° C. for 4 hours. (The process up to this point is the same as the manufacturing method shown in Example 1)
[0069]
By performing the heat treatment, a silicon film in which an amorphous component and a crystal component are mixed can be obtained. This crystal component is a region where crystal nuclei during subsequent crystal growth at high temperatures exist.
Thereafter, annealing is performed in oxygen at 800 ° C. for 2 hours to crystallize the entire surface and promote crystallinity of the silicon film. By this step, crystal growth is performed using a crystal nucleus present in the crystal component as a nucleus.
[0070]
Next, the crystallized silicon film is patterned to form island-like regions 104. This island-shaped region 104 constitutes the active layer of the TFT. Then, silicon oxide 105 having a thickness of 200 to 1500 mm, here 1000 mm is formed. This silicon oxide film also functions as a gate insulating film. (Fig. 3 (A))
[0071]
Care must be taken in the production of the silicon oxide film 105. Here, TEOS was used as a raw material, and decomposed and deposited by RF plasma CVD with oxygen at a substrate temperature of 150 to 600 ° C., preferably 300 to 450 ° C. The pressure ratio between TEOS and oxygen was 1: 1 to 1: 3, the pressure was 0.05 to 0.5 torr, and the RF power was 100 to 250 W. Alternatively, the substrate temperature was set to 350 to 600 ° C., preferably 400 to 550 ° C. using TEOS as a raw material together with ozone gas by low pressure CVD or normal pressure CVD. After film formation, annealing was performed at 400 to 600 ° C. for 30 to 60 minutes in an oxygen or ozone atmosphere.
[0072]
In this state, the interface state between the silicon region 104 and the silicon oxide film 105 is improved by heat treatment in an electric furnace, or irradiation with KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) or strong light equivalent thereto. It is effective. In particular, since RTA (rapid thermal annealing) using infrared light can selectively heat only silicon without heating the glass substrate, the temperature of the substrate is kept below the softening point of N0 glass. Since annealing at a high temperature can be performed and the interface state at the interface between the silicon and the silicon oxide film can be reduced, it is useful in manufacturing an insulated gate field effect semiconductor device.
[0073]
Thereafter, a tantalum film having a thickness of 2000 μm to 1 μm is formed by electron beam evaporation, and this is patterned to form the gate electrode 106. Next, anodic oxidation is performed using platinum as a cathode and the tantalum gate electrode as an anode. The anodization is terminated by first increasing the voltage to 220 V at a constant current and holding it in that state for 1 hour. In this embodiment, 2 to 5 V / min is appropriate for the voltage increase rate in the constant current state. In this manner, the anodic oxide 109 having a thickness of 1500 to 3500 mm, for example, 2000 mm is formed. (Fig. 3 (B))
[0074]
Thereafter, an impurity (phosphorus) was implanted into the island-like silicon film of each TFT by the ion doping method (also called plasma doping method) using the gate electrode portion as a mask. Phosphine (PH 3 ) was used as the doping gas. The dose amount is 1 to 4 × 10 15 cm −2 .
[0075]
Further, as shown in FIG. 3C, irradiation with a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) is performed to improve the crystallinity of the portion where the crystallinity has deteriorated due to the introduction of the impurity region. The energy density of the laser is 150 to 400 mJ / cm 2 , preferably 200 to 250 mJ / cm 2 . Thus, N-type impurity (phosphorus) regions 108 and 109 are formed. The sheet resistance in these regions was 200 to 800 Ω / □.
[0076]
In this step, heat treatment in an electric furnace may be used instead of using laser light. In addition, a flash lamp is used to raise the temperature to 1000-1200 ° C. (silicon monitor temperature) in a short time to heat the sample, so-called RTA (rapid thermal annealing) (also called RTP, rapid thermal process). For example, intense light equivalent to so-called laser light such as may be used.
[0077]
Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 3000 mm is formed on the entire surface as an interlayer insulator 110 by using TEOS as a raw material and a plasma CVD method using this and oxygen, a low pressure CVD method using ozone, or an atmospheric pressure CVD method. The substrate temperature is 250 to 450 ° C., for example, 350 ° C. After film formation, this silicon oxide film is mechanically polished to obtain surface flatness. (Fig. 3 (D))
[0078]
Then, the interlayer insulator 110 is etched to form contact holes in the source / drain of the TFT as shown in FIG. 1E, and wirings 112 and 113 of chromium or titanium nitride are formed.
[0079]
Conventionally, a crystalline silicon film into which nickel has been introduced using plasma treatment has a low selectivity to buffer hydrofluoric acid compared to a silicon oxide film, and thus is often etched in the contact hole forming step. .
[0080]
However, when nickel is introduced using an aqueous solution at a low concentration of 10 ppm as in this embodiment, the resistance to hydrofluoric acid is high, so that the formation of the contact hole can be performed stably and with good reproducibility.
[0081]
Finally, annealing in hydrogen at 300-400 ° C. for 0.1-2 hours completes the hydrogenation of silicon. In this way, the TFT is completed. A large number of TFTs manufactured at the same time are arranged in a matrix to complete an active matrix liquid crystal display device. This TFT has source / drain regions 108/109 and a channel formation region 114. Reference numeral 115 denotes an NI electrical junction.
[0082]
When the configuration of this example is adopted, the concentration of nickel present in the active layer is about 3 × 10 18 cm −3 or less, 1 × 10 15 atoms cm −3 to 3 × 10 18 atoms cm −. 3 is considered.
[0083]
The TFT manufactured in this example has an N-channel mobility of 200 cm 2 / Vs or higher. It has also been confirmed that Vth is small and has good characteristics. Furthermore, it has been confirmed that the variation in mobility is within ± 10%. This small variation is considered to be due to a process of incomplete crystallization by heat treatment and promotion of crystallinity by irradiation with laser light. When only the laser beam is used, it is possible to easily obtain an N chuckel type of 150 cm 2 / Vs or more, but the variation is large and the uniformity as in this embodiment cannot be obtained.
In this embodiment, an example using a tantalum gate is shown, but it goes without saying that this may be a silicon gate using N-type or P-type polysilicon. Alternatively, high-temperature annealing may be performed after island patterning. In that case, it is difficult to align the mask due to shrinkage of the substrate, so it is desirable to use quartz as the substrate.
[0084]
Example 4
In this embodiment, as shown in Embodiment 2, nickel is selectively introduced, and an example is shown in which an electronic device is formed using a region in which crystal growth has occurred in the lateral direction (direction parallel to the substrate). When such a configuration is adopted, the nickel concentration in the active layer region of the device can be further reduced, and a very preferable configuration can be obtained from the viewpoint of electrical stability and reliability of the device.
[0085]
FIG. 4 shows a manufacturing process of this example. First, the quartz substrate 201 is cleaned, and a silicon oxide base film 202 having a thickness of 2000 mm is formed by plasma CVD using TEOS (tetraethoxysilane) and oxygen as source gases. In the present embodiment, the base is formed just in case, but this step can be ignored if problems such as contamination can be ignored. Then, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film 203 having a thickness of 500 to 1500 mm, for example, 1000 mm is formed by plasma CVD. Next, a silicon oxide film 205 having a thickness of 500 to 2000 mm, for example, 1000 mm is continuously formed by plasma CVD. Then, the silicon oxide film 205 is selectively etched to form an exposed region 206 of amorphous silicon.
[0086]
Then, a solution (in this case, an acetate solution) containing nickel element as a catalytic element for promoting crystallization is applied by the method shown in Example 2. The concentration of nickel in the acetic acid solution is 100 ppm. In addition, the detailed process sequence and conditions are the same as those shown in the second embodiment. This step may be performed by the method shown in Example 3 or Example 4.
[0087]
Thereafter, heat annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 500 to 620 ° C., for example, 550 ° C. for 4 hours to crystallize the silicon film 203. In crystallization, crystal growth proceeds in a direction parallel to the substrate as indicated by an arrow starting from a region 206 where nickel and a silicon film are in contact with each other. In the figure, a region 204 indicates a portion crystallized by direct introduction of nickel, and a region 203 indicates a portion crystallized in the lateral direction. The crystal in the horizontal direction indicated by 203 is about 25 μm. Further, it has been confirmed that the crystal growth direction is approximately the <111> axis direction. (Fig. 4 (A))
[0088]
After the crystallization step by the heat treatment, the entire surface of the silicon oxide film 205 was etched, and then high-temperature annealing at 1050 ° C. for about 60 minutes was performed in oxygen to improve crystallinity. In this step, a thermal oxide film of about 1000 mm is formed simultaneously with the improvement of crystallinity. When the stress or the like is not a problem, this thermal oxide film may be used as the gate insulating film. In this case, in consideration of the stress, the following description will be continued with respect to a configuration in which this thermal oxide film is not used.
[0089]
Next, the thermal oxide film is removed. Then, after patterning the silicon film 204, the island-shaped active layer region 208 is formed by dry etching. At this time, a region indicated by 206 in FIG. 4A is a region where nickel is directly introduced, and is a region where nickel is present at a high concentration.
[0090]
It has also been confirmed that nickel is also present at a high concentration at the tip of crystal growth. In these regions, it has been found that the nickel concentration is higher than in the middle region. Therefore, in this example, in the active layer 208, these high nickel concentration regions were not overlapped with the channel formation region.
[0091]
Thereafter, a high temperature CVD oxide film is formed by LPCVD using TEOS while the substrate is heated to 800 ° C. to 850 ° C. This becomes a silicon oxide film 209 that functions as a gate insulating film. The thickness of the silicon oxide film is 1000 mm.
(Fig. 4 (B))
[0092]
Subsequently, a polysilicon film doped with P or B serving as a gate electrode is formed to a thickness of 1000 to 4000 by LPCVD and patterned to form the gate electrode 210. (Fig. 2 (C))
[0093]
Next, by an ion doping method (also called plasma doping method), self-alignment is performed in the active layer region (which constitutes the source / drain and channel) using the gate electrode portion, that is, the gate electrode 210 and the surrounding oxide layer 211 as a mask. In particular, an impurity imparting N conductivity type (here, phosphorus) is added. As the doping gas, phosphine (PH 3 ) is used, and the acceleration voltage is set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose amount is 1 × 10 15 to 8 × 10 15 cm −2 , for example, 4 × 10 15 cm −2 . As a result, N-type impurity regions 212 and 213 can be formed.
[0094]
Thereafter, heating was performed at 600 ° C. for 12 hours in a nitrogen atmosphere to activate the impurities. After this activation step, heat treatment in a hydrogen atmosphere at 400 ° C. for 1 hour as necessary was effective in reducing the defect level density. (Fig. 4 (E))
[0095]
Subsequently, a silicon oxide film 214 having a thickness of 6000 mm is formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Further, a transparent polyimide film 215 is formed by spin coating to flatten the surface.
[0096]
Then, contact holes are formed in the interlayer insulators 214 and 215, and TFT electrodes and wirings 217 and 218 are formed of a multilayer film of a metal material, for example, titanium nitride and aluminum. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete an active matrix pixel circuit having TFTs. (Fig. 4 (F))
[0097]
Since the TFT manufactured in this embodiment can obtain high mobility, it can be used for a driver circuit of an active matrix liquid crystal display device.
[0098]
Example 5
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this example. First, a silicon oxide base film 502 having a thickness of 2000 mm is formed on a quartz substrate 501 by sputtering. Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film having a thickness of 500 to 1500 mm, for example, 1000 mm is formed by plasma CVD. Then, nickel is introduced into the surface of the amorphous silicon film as a catalyst element for promoting crystallization by the method shown in the first embodiment. Then, it is crystallized by annealing in a nitrogen atmosphere (atmospheric pressure), 550 ° C. for 4 hours. Then, the silicon film is patterned to a size of 10 to 1000 μm square to form an island-like silicon film (TFT active layer) 503. (Fig. 5 (A))
[0099]
Thereafter, annealing is performed in an oxygen atmosphere at 800 to 1100 ° C., typically 1000 ° C. for about 2 hours, thereby improving crystallinity and interface characteristics, and forming a gate insulating film 504 made of a thermal oxide film. A thickness of 500 to 1500 mm, for example, 1000 mm is formed.
[0100]
It should be noted that due to such oxidation, the surface of the initial silicon film is reduced by 50 mm or more, and as a result, the contamination of the outermost surface portion of the silicon film does not reach the silicon-silicon oxide interface. is there. That is, a clean silicon-silicon oxide interface is obtained. Since the thickness of the silicon oxide film is twice that of the silicon film to be oxidized, a silicon oxide film having a thickness of 1000 mm is oxidized to obtain a silicon oxide film having a thickness of 1000 mm. The thickness will be 500 mm.
[0101]
After the silicon oxide film 504 is formed by thermal oxidation, the substrate is annealed at 600 ° C. for 2 hours in a dinitrogen monoxide atmosphere (1 atm, 100%). (Fig. 5 (B))
Subsequently, polycrystalline silicon (containing 0.01 to 0.2% phosphorus) having a thickness of 3000 to 8000 mm, for example, 6000 mm is formed by low pressure CVD. Then, the gate electrode 505 is formed by patterning the silicon film. Further, an impurity (in this case, phosphorus) is given to the active layer region (which constitutes a source / drain and a channel) by an ion doping method (also called a plasma doping method) in a self-aligning manner using this silicon film as a mask. ) Is added. As the doping gas, phosphine (PH 3 ) is used, and the acceleration voltage is set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose amount is 1 × 10 15 to 8 × 10 15 cm −2 , for example, 5 × 10 15 cm −2 . As a result, N-type impurity regions 506 and 507 are formed.
[0102]
Thereafter, heat treatment was performed in nitrogen at 600 ° C. for 12 hours to activate the impurities. This activation step may be performed by laser light irradiation. (Fig. 5 (C))
[0103]
Similarly, the impurity activation step may be a method of lamp annealing using near infrared light. Near-infrared rays are more easily absorbed by crystallized silicon than amorphous silicon, and effective annealing comparable to thermal annealing at 1000 ° C. or higher can be performed. On the other hand, the glass substrate (far infrared light is absorbed by the glass substrate, but visible / near infrared light (wavelength 0.5 to 4 μm) is hardly absorbed) is hardly absorbed. Since heating is not necessary and only a short time is required, in this embodiment, there is no problem because the substrate uses quartz, but it can be said that it is an optimum method in a process where shrinkage of the glass substrate is a problem. .
[0104]
Subsequently, a silicon oxide film 508 having a thickness of 6000 mm is formed by plasma CVD as an interlayer insulator. Polyimide may be used as the interlayer insulator. Further, contact holes are formed, and TFT electrodes and wirings 509 and 510 are formed of a metal material, for example, a multilayer film of titanium nitride and aluminum. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete the TFT. (Fig. 5 (D))
[0105]
Example 6
In this embodiment, as shown in FIG. 6, an electro-optical system using an integrated circuit in which a display, a CPU, and a memory are mounted on a single glass substrate will be described. This embodiment is an example in which each integrated circuit is manufactured using a TFT using a crystalline silicon film according to the present invention.
[0106]
In FIG. 6, an input port reads a signal input from the outside and converts it into an image signal, and a correction memory is a memory unique to the panel for correcting the input signal in accordance with the characteristics of the active matrix panel. It is. In particular, this correction memory has information specific to each pixel as a non-volatile memory, and is used for individual correction. That is, if a pixel of the electro-optical device has a point defect, a signal corrected accordingly is sent to the pixels around the point to cover the point defect and make the defect inconspicuous. Alternatively, when a pixel is darker than surrounding pixels, a larger signal is sent to the pixel so that the surrounding pixels have the same brightness.
[0107]
The CPU and the memory are the same as those of an ordinary computer. In particular, the memory has an image memory corresponding to each pixel as a RAM. Moreover, the backlight which irradiates a board | substrate from a back surface can also be changed according to image information.
[0108]
As shown in this embodiment, a highly integrated liquid crystal display device can be obtained by forming an integrated circuit necessary for a TFT using a crystalline silicon film on the same substrate.
[0109]
【effect】
A catalytic element is introduced to produce a crystalline silicon film having a large grain size at a relatively low temperature, and then annealed at a higher temperature to obtain a silicon film with very high crystallinity. By manufacturing a semiconductor device using such a crystalline silicon film, a device with high productivity and good characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the steps of an embodiment. FIG. 2 shows the steps of an embodiment.
FIG. 3 shows a manufacturing process of the example.
FIG. 4 shows a manufacturing process of the example.
FIG. 5 shows a manufacturing process of the example.
FIG. 6 shows a configuration of an example.
[Explanation of symbols]
11... Glass substrate 12... Amorphous silicon film 13... Silicon oxide film 14... Nickel-containing acetic acid solution film 15. Silicon oxide film 20... Silicon oxide film 11... Glass substrate 104... Active layer 105... Silicon oxide film 106. Drain region 109 ... Drain / source region 110 ... Interlayer insulating film (silicon oxide film)
112 ... Electrode 113 ... Electrode

Claims (20)

珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜表面に酸化膜を形成し、
前記非晶質半導体膜に非晶質珪素の結晶化を助長する元素を添加するために、前記酸化膜表面に前記非晶質珪素の結晶化を助長する元素を含有する溶液を塗布し、
炉を用いて、前記非晶質半導体膜を450℃〜650℃で熱処理して結晶化させ、結晶性半導体膜を形成し、
前記熱処理により形成された結晶性半導体膜をRTAにより加熱し、
ソース領域およびドレイン領域を形成するために、前記RTAされた結晶性半導体膜に不純物をドーピングし、
前記結晶性半導体膜にドーピングされた不純物を活性化することを特徴とする集積回路の作製方法。
Forming an amorphous semiconductor film containing silicon;
Forming an oxide film on the surface of the amorphous semiconductor film;
In order to add an element for promoting crystallization of amorphous silicon to the amorphous semiconductor film, a solution containing an element for promoting crystallization of amorphous silicon is applied to the surface of the oxide film ,
Using a furnace, the amorphous semiconductor film is crystallized by heat treatment at 450 ° C. to 650 ° C. to form a crystalline semiconductor film,
The crystalline semiconductor film formed by the heat treatment is heated by RTA,
In order to form the source region and the drain region, the RTA crystalline semiconductor film is doped with impurities,
A method for manufacturing an integrated circuit, wherein impurities doped in the crystalline semiconductor film are activated.
珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜上に開口を有する絶縁膜を形成し、
前記開口において、前記非晶質半導体膜表面に酸化膜を形成し、
前記非晶質半導体膜に非晶質珪素の結晶化を助長する元素を添加するために、前記開口を有する絶縁膜を残した状態で、前記酸化膜表面に前記非晶質珪素の結晶化を助長する元素を含有する溶液を塗布し、
炉を用いて、前記非晶質半導体膜を450℃〜650℃の熱処理して結晶化させ、結晶性半導体膜を形成し、
前記熱処理により形成された結晶性半導体膜をRTAにより加熱し、
ソース領域およびドレイン領域を形成するために、前記RTAされた結晶性半導体膜に不純物をドーピングし、
前記結晶性半導体膜にドーピングされた不純物を活性化することを特徴とする集積回路の作製方法。
Forming an amorphous semiconductor film containing silicon;
Forming an insulating film having an opening on the amorphous semiconductor film;
In the opening, an oxide film is formed on the surface of the amorphous semiconductor film,
In order to add an element for promoting crystallization of amorphous silicon to the amorphous semiconductor film, the amorphous silicon is crystallized on the surface of the oxide film while leaving the insulating film having the opening. Apply a solution containing the elements to promote ,
Using a furnace, the amorphous semiconductor film is crystallized by heat treatment at 450 ° C. to 650 ° C. to form a crystalline semiconductor film,
The crystalline semiconductor film formed by the heat treatment is heated by RTA,
In order to form the source region and the drain region, the RTA crystalline semiconductor film is doped with impurities,
A method for manufacturing an integrated circuit, wherein impurities doped in the crystalline semiconductor film are activated.
請求項1または2において、前記RTAの雰囲気は、酸化性雰囲気であることを特徴とする集積回路の作製方法。 3. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein the atmosphere of the RTA is an oxidizing atmosphere. 請求項において、前記RTAによる加熱で前記結晶性半導体膜に酸化膜を形成し、酸化膜をゲイト絶縁膜に用いることを特徴とする集積回路の作製方法。According to claim 3, wherein forming the oxide film on the crystalline semiconductor film by heating with RTA, a method for manufacturing an integrated circuit, which comprises using the oxide film on the gate insulating film. 珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜表面に酸化膜を形成し、
前記非晶質半導体膜に非晶質珪素の結晶化を助長する元素を添加するために、前記酸化膜表面に前記非晶質珪素の結晶化を助長する元素を含有する溶液を塗布し、
炉を用いて、前記非晶質半導体膜を450℃〜650℃で熱処理し、
前記熱処理された半導体膜を第1のRTAにより加熱し、
ソース領域及びドレイン領域を形成するために、前記第1のRTAされた半導体膜に、不純物をドーピングし、
第2のRTAにより、前記半導体膜にドーピングされた不純物を活性化することを特徴とする集積回路の作製方法。
Forming an amorphous semiconductor film containing silicon;
Forming an oxide film on the surface of the amorphous semiconductor film;
In order to add an element for promoting crystallization of amorphous silicon to the amorphous semiconductor film, a solution containing an element for promoting crystallization of amorphous silicon is applied to the surface of the oxide film ,
Using a furnace, the amorphous semiconductor film is heat-treated at 450 ° C. to 650 ° C.,
The heat-treated semiconductor film is heated by a first RTA,
In order to form a source region and a drain region, the first RTA semiconductor film is doped with impurities,
A method for manufacturing an integrated circuit, wherein the impurity doped in the semiconductor film is activated by a second RTA.
珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜上に開口を有する絶縁膜を形成し、
前記開口において、前記非晶質半導体膜表面に酸化膜を形成し、
前記非晶質半導体膜に非晶質珪素の結晶化を助長する元素を添加するために、前記開口を有する絶縁膜を残した状態で、前記酸化膜表面に前記非晶質珪素の結晶化を助長する元素を含有する溶液を塗布し、
炉を用いて前記非晶質半導体膜を450℃〜650℃の熱処理し、
前記熱処理された半導体膜を第1のRTAにより加熱し、
ソース領域及びドレイン領域を形成するために、前記第1のRTAされた半導体膜に、不純物をドーピングし、
第2のRTAにより、前記半導体膜にドーピングされた不純物を活性化することを特徴とする集積回路の作製方法。
Forming an amorphous semiconductor film containing silicon;
Forming an insulating film having an opening on the amorphous semiconductor film;
In the opening, an oxide film is formed on the surface of the amorphous semiconductor film,
In order to add an element for promoting crystallization of amorphous silicon to the amorphous semiconductor film, the amorphous silicon is crystallized on the surface of the oxide film while leaving the insulating film having the opening. Apply a solution containing the elements to promote ,
The amorphous semiconductor film is heat-treated at 450 ° C. to 650 ° C. using a furnace,
The heat-treated semiconductor film is heated by a first RTA,
In order to form a source region and a drain region, the first RTA semiconductor film is doped with impurities,
A method for manufacturing an integrated circuit, wherein the impurity doped in the semiconductor film is activated by a second RTA.
請求項5または6において、前記第1のRTAの雰囲気は、酸化性雰囲気であることを特徴とする集積回路の作製方法。7. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 5 , wherein the atmosphere of the first RTA is an oxidizing atmosphere. 請求項において、前記第1のRTAにより、前記半導体膜に酸化膜を形成し、該酸化膜をゲイト絶縁膜に用いることを特徴とする集積回路の作製方法。8. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 7 , wherein an oxide film is formed on the semiconductor film by the first RTA, and the oxide film is used as a gate insulating film. 請求項1乃至8のいずれか1項において、酸素雰囲気中でUV光を照射することにより、前記非晶質半導体膜表面に酸化膜を形成することを特徴とする集積回路の作製方法。9. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein an oxide film is formed on the surface of the amorphous semiconductor film by irradiating UV light in an oxygen atmosphere. 請求項1乃至8のいずれか1項において、熱酸化法により、前記非晶質半導体膜表面に酸化膜を形成することを特徴とする集積回路の作製方法。9. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein an oxide film is formed on a surface of the amorphous semiconductor film by a thermal oxidation method. 請求項1乃至8のいずれか1項において、過酸化水素による処理により、前記非晶質半導体膜表面に酸化膜を形成することを特徴とする集積回路の作製方法。9. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein an oxide film is formed on a surface of the amorphous semiconductor film by treatment with hydrogen peroxide. 請求項1乃至11のいずれか1項において、前記非晶質半導体膜表面に酸化膜を10nm以下の厚さに形成することを特徴とする集積回路の作製方法。12. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein an oxide film is formed to a thickness of 10 nm or less on the surface of the amorphous semiconductor film. 請求項1乃至12のいずれか1項において、前記結晶化を助長する元素として、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Snから選ばれた1種類または複数種類の元素を用いることを特徴とする集積回路の作製方法。13. The element according to claim 1, wherein one or more elements selected from Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, In, and Sn are used as the element that promotes crystallization. An integrated circuit manufacturing method characterized by the above. 請求項1乃至13のいずれか1項において、前記珪素を含む非晶質半導体膜を50nm〜150nmの厚さに形成することを特徴とする集積回路の作製方法。14. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein the amorphous semiconductor film containing silicon is formed to a thickness of 50 nm to 150 nm. 請求項1乃至14のいずれか1項において、前記珪素を含む非晶質半導体膜をプラズマCVD法により形成することを特徴とする集積回路の作製方法。The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein the amorphous semiconductor film containing silicon is formed by a plasma CVD method. 請求項1乃至14のいずれか1項において、前記珪素を含む非晶質半導体膜を減圧CVD法により形成することを特徴とする集積回路の作製方法。15. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein the amorphous semiconductor film containing silicon is formed by a low pressure CVD method. 請求項1乃至16のいずれか1項において、前記集積回路として、アクティブマトリクス回路を作製することを特徴とする集積回路の作製方法。The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein an active matrix circuit is manufactured as the integrated circuit. 請求項1乃至16のいずれか1項において、前記集積回路として、アクティブマトリクス回路及びドライバー回路を同一基板上に作製することを特徴とする集積回路の作製方法。17. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein an active matrix circuit and a driver circuit are manufactured over the same substrate as the integrated circuit. 請求項1乃至16のいずれか1項において、前記集積回路として、CPU、不揮発性メモリー、RAMの少なくとも1つを作製することを特徴とする集積回路の作製方法。17. The method for manufacturing an integrated circuit according to claim 1, wherein at least one of a CPU, a nonvolatile memory, and a RAM is manufactured as the integrated circuit. 請求項1乃至16のいずれか1項において、前記集積回路として、アクティブマトリク ス回路及びドライバー回路と共に、CPU、不揮発性メモリー、RAMの少なくとも1つを同一基板上に作製することを特徴とする集積回路の作製方法。In any one of claims 1 to 16, as the integrated circuit, the active matrix scan circuit and a driver circuit, CPU, volatile memory, integrated, characterized in that to produce at least one on the same substrate of the RAM A method for manufacturing a circuit.
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