JP3630593B2 - Semiconductor device, method for manufacturing semiconductor device, and liquid crystal display device - Google Patents

Semiconductor device, method for manufacturing semiconductor device, and liquid crystal display device Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、半導体装置の作製方法及び液晶表示装置に関する。さらに言及すれば、本明細書で開示する発明は、結晶性を有する薄膜半導体を用い、かつ、ゲイト電極を有する半導体装置、例えば、薄膜トランジスタの作製方法に関する。この薄膜トランジスタの応用範囲としては、アクティブマトリクス型の液晶表示装置が知られており、前記半導体装置を利用した液晶表示装置も本発明に関する。
その液晶表示装置とは、マトリクス状に配置された数十万以上の画素のそれぞれにスイッチング素子として薄膜トランジスタを配置し、微細で高精細の表示をおこなうものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガラスや石英基板上に形成された薄膜半導体を用いたトランジスタ(薄膜トランジスタやTFTと称される)が注目されている。これは、ガラス基板や石英基板の表面に数百〜数千Åの厚さを有する薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いてトランジスタ(絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ)を形成する技術である。
【0003】
このような薄膜トランジスタは、非晶質珪素(アモルファスシリコン)薄膜を用いたものと結晶性珪素を用いたものが実用化されている。結晶性珪素を用いた薄膜トランジスタは特性が優れているため、将来性が期待されている。
現在、実用化されている結晶性珪素半導体を用いた薄膜トランジスタでは、結晶性珪素薄膜は非晶質珪素博膜を熱アニールする方法、もしくは、直接、結晶性珪素膜を気相成長法によって成膜する方法によって得られている。しかしながら、プロセスの低温化という点ではレーザー等の強光を照射することによって、非晶質珪素膜を結晶化せしめる光アニール法が有望とされている。(例えば、特開平4−37144)
【0004】
光アニールによって結晶性半導体薄膜を得る場合には大きく分けて2つの方法がある。第1の方法は半導体薄膜を形成する素子の形状にエッチングしてから光アニールする方法である。他の方法は平坦な膜を光アニールしたのち、形成する素子の形状にエッチングする方法である。一般に前者の方が後者よりも良好な特性(特に電界効果移動度)が得られることが知られていた。これは前者の方法では、光アニールの結果、膜が収縮し、パターンの中央部に応力が加わるためであると推定されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この場合にも問題は存在する。すなわち、初期特性は良いものの、長時間使用するにしたがって、急激に特性が悪化するという問題である。
【0006】
従来の方法によって特性の劣化が生じた原因を図3を用いて説明する。最初、図3(A)に示されるような長方形32の非晶質珪素の島状半導体領域31を形成したとする。これを光アニールすると結晶化によって膜が僅かだが収縮する(図の点線は光アニール前の島状半導体領域の大きさを示す)。また、この収縮過程において、島状領域領域の外周部に歪みが蓄積した領域33が形成される。このような領域33の結晶性はそれほど良好なものではない。(図3(B))
【0007】
このような島状領域を横断してゲイト電極34を形成した場合(図3(C))には、図3(D)にそのゲイト電極に沿った(a−b)断面を示すように、ゲイト電極34およびゲイト絶縁膜35の下に歪みの蓄積した領域33が存在することとなる。ゲイト電極に電圧を印加すると、領域33とゲイト絶縁膜35の界面特性が良好でないために電荷がトラップされるようになり、この電荷による寄生チャネル等によって劣化が発生する。(図3(D))
【0008】
本発明はこのような特性の劣化に鑑みてなされたものであり、劣化の少ない絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記作製方法で作製された半導体装置及び該半導体装置を利用した液晶表示装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1は以下のような工程を有する。
(1) 非晶質半導体膜を、その最も狭い部分の幅が100μm以下である第1の形状にエッチングし、島状半導体領域を形成する工程
(2) 前記半導体領域に光アニールを施して、結晶化せしめる、もしくは、結晶性を高める工程
(3) 前記半導体領域の端部(もしくは周辺部)のうち、少なくとも半導体装置のゲイト電極もしくはチャネルを形成する部分を端から10μm以上エッチングして、第2の形状の半導体領域を形成する工程
【0010】
また、本発明の第2は以下のような工程を有する。
(1) 非晶質半導体膜を、その最も狭い部分の幅が100μm以下である第1の形状にエッチングし、島状半導体領域を形成する工程
(2) 前記半導体領域に光アニールを施して、結晶化せしめる、もしくは、結晶性を高める工程
(3) 前記半導体領域の端部(もしくは周辺部)の一部もしくは全部をエッチングする工程
(4) 前記半導体領域を覆って、ゲイト絶縁膜を形成する工程
(5) 前記半導体領域の端部のうち、エッチングされた部分を横切ってゲイト電極を形成する工程
(6) 前記ゲイト電極をマスクとしてN型もしくはP型不純物を導入する、もしくは拡散する工程
【0011】
上記本発明の第1および第2において、第1の形状は長方形、正多角形、長円形(円を含む)のいずれか、より、一般的には、外周上のいかなる点においても凹でない形状であると好ましい。
【0012】
上記構成において、非晶質半導体膜は、ガラス基板や石英基板等の絶縁表面を有する基板上に形成される。非晶質珪素膜は、プラズマCVD法や減圧熱CVD法で形成される。また、光アニールには、KrFエキシマレーザー(波長248nm)やXeClエキシマレーザー(波長308nm)等の各種エキシマレーザーやNd:YAGレーザー(波長1064nm)やその第2高調波(波長532nm)、同第3高調波(波長355nm)等を用いればよい。本発明では、光源がパルス発振でも連続発振でもよい。また、特開平6−318701に開示されるがごとく、光アニールに際して、珪素の結晶化を助長する金属元素(例えば、Fe、Co、Ni、Pd、Pt等)を利用して、結晶化を促進せしめてもよい。
【0013】
また本明細書で開示する発明は、島状の半導体領域を単結晶または単結晶と見なせる領域で構成する場合に特に有効である。単結晶または単結晶と見なせる領域は、後に実施例で詳細に説明するように、非晶質珪素膜や結晶性を有する珪素膜に対して、線状にビーム加工されたレーザー光を走査しながら照射することによって得ることができる。
【0014】
単結晶または単結晶と見なせる領域は、下記の条件を満たしている領域として定義される。
・結晶粒界が実質的に存在していない。
・点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元素を1×1015〜1×10 原子cm−3の濃度で含んでいる。
・炭素および窒素の原子を1×1016〜5×1018原子cm−3の濃度で含んでいる。
・酸素の原子を1×1017〜5×1019原子cm−3の濃度で含んでいる。
なお、上記の元素の濃度は、SIMS(2次イオン分析方法)で計測された計測値の最小値として定義される。
【0015】
【実施形態】
本明細書で開示する発明においては、半導体装置の特性に大きな影響を及ぼすチャネルに隣接しないように、チャネル部分だけエッチングする。これはゲイト電極が横断する部分にこのような領域が残らないようにエッチングすることとも同様である。
【0016】
図1には本発明の基本構成を示す。まず、第1の形状として長辺a、短辺bの長方形12の島状非晶質半導体領域11を複数(図では4つ)形成する。本発明では、第1の形状の最も狭い部分の幅は100μm以下であることが必要である。それ以上では、光アニールの際の膜の収縮による特性向上の効果が認められないからである。したがって、bは100μm以下である。(図1(A))
【0017】
次に、光アニールをおこなう。その結果、島状半導体領域は結晶化すると同時に僅かだが収縮する(図の点線は光アニール前の島状半導体領域の大きさを示す)。新たな島状領域の周辺は14で示される。また、島状半導体領域の周辺部に収縮過程による歪みの蓄積した領域13ができる。(図1(B))
その後、島状半導体領域11の外周部をエッチングし、目的とする素子を形成するための半導体領域15を形成し(図1(C))、ゲイト絶縁膜(図示せず)、ゲイト電極16を形成する。(図1(D))
【0018】
歪みの蓄積した領域を全て除去する必要がないことを考えれば、図2のような方法も可能である。まず、長方形22の非晶質半導体領域21を形成し(図2(A))、これを光アニールすると、図1の場合と同様に領域は収縮し、周辺部には歪みの蓄積された領域23が形成される。(図2(B))
そして、ゲイト電極を形成する部分の周辺部を含む領域24をエッチングし(図2(C))、ゲイト絶縁膜(図示せず)、ゲイト電極26を形成する。ゲイト電極の下部のチャネル25には歪みの蓄積した領域が存在しないため、図1の場合と同様に劣化を低減できる。(図2(D))
【0019】
本発明においては、光アニールの際の非晶質半導体領域の形状(第1の形状)はできるだけ単純な形状が好ましい。例えば、長方形や正多角形、円、楕円を含む長円形等である。例えば、図4(A)のように中央部に凹部のある形状42を有する半導体領域41に光アニールをおこなうと、膜の収縮の際に、中央の凹部44は上と下に引っ張られるため、当該部分にクラック等が発生しやすい。(図4(B))
【0020】
これは、図4(C)に示す(矢印は収縮の方向を示す)ように、膜の収縮が最も広い部分を中心にして発生するためである。したがって、第1の形状としては、くびれのあるようなものではなく、全ての点で凸である、もしくは、いかなる点でも凹でない形状を用いるのがよい。
【0021】
そのような観点からは、例えば、第1の形状として図1のような長方形を採用するとしても、長辺aと短辺bの比率があまりに大きなものは好ましくない。本発明ではa/b≦10とすると良い。
【0022】
また、島状の半導体領域を単結晶と見なせる領域、または実質的に単結晶と見なせる領域として構成した場合、その結晶化の際に島状の半導体領域の周辺部において、やはり歪みが蓄積してしまう。
【0023】
この歪みは、やはり島状の半導体領域の周辺部に集中して存在するので、島状の半導体領域の周囲を除去することにより、この歪みの悪影響を抑制することができる。
【0024】
【実施例】
〔実施例1〕
図5を用いて本実施例を説明する。図5には2つの薄膜トランジスタの断面図が描かれているが、左側のものは、薄膜トランジスタをゲイト電極に垂直(図3のa−bに垂直)に切った断面であり、右側のものは、ゲイト電極に平行に(図3のa−bにそって)切った断面である。なお、上方より見た様子は図1を参考にするとよい。
【0025】
まず、ガラス基板501上に下地膜として酸化珪素膜502を3000Åの厚さにスパッタ法またはプラズマCVD法によって形成した。次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法により非晶質珪素膜503を500Åの厚さに成膜した。そして、非晶質珪素膜に燐をドーピングし、薄膜トランジスタのソース/ドレインとなるN型不純物領域504、505を形成した。(図5(A))
【0026】
次にこの非晶質珪素膜503をエッチングして、島状珪素領域506、507を形成した。(図5(B))
次に、KrFエキシマレーザー光を照射することにより、珪素膜の結晶化をおこなった。この際には、燐の導入された領域504、505も同時に結晶化・活性化される。レーザーのエネルギー密度は150〜500mJ/cm2 が好ましかった。また、レーザー照射工程を2回以上に分け、それぞれ異なったエネルギーのレーザー光を照射してもよかった。
【0027】
本実施例では、最初、エネルギー密度250mJ/cmのレーザー光を2〜10パルス照射し、次に、エネルギー密度400mJ/cmのレーザー光を2〜10パルス照射した。レーザー照射時の基板温度は200℃とした。レーザーの最適なエネルギー密度は、基板温度や非晶質珪素の膜質に依存する。
この結果、島状珪素領域506、507の端部に歪みの蓄積された領域508が形成された。(図5(C))
【0028】
次に、島状珪素領域の端部509をエッチングし、新たに、島状珪素領域510、511を形成した。この工程でエッチングされた部分は図の点線509で示される。(図5(D))
そして、プラズマCVD法によって、厚さ1200Åの酸化珪素膜512(ゲイト絶縁膜)を形成した。また、その上に、厚さ5000Åのアルミニウム膜(0.3%のスカンジウム(Sc)を含む)をスパッタ法によって堆積し、これをエッチングして、ゲイト電極513、514を形成した。(図5(E))
【0029】
次に、プラズマCVD法によって厚さ5000Åの酸化珪素膜515(層間絶縁物)を堆積し、これにコンタクトホールを開孔した。そして、スパッタ法によって、厚さ5000Åのアルミニウム膜を堆積し、これをエッチングして、ソース/ドレインの電極・配線516、517を形成した。(図5(F))
以上の工程によって、薄膜トランジスタが完成した。特性を安定させるため、コンタクトホール開孔工程以後に1気圧の水素雰囲気(250〜350℃)でアニールするとよかった。
【0030】
〔実施例2〕
図6を用いて本実施例を説明する。図5と同様、図6には2つの薄膜トランジスタの断面図が描かれており、左側のものは、薄膜トランジスタをゲイト電極に垂直に切った断面であり、右側のものは、ゲイト電極に平行に切った断面である。なお、上方より見た様子は図2を参考にするとよい。
【0031】
まず、ガラス基板601上に下地膜として酸化珪素膜602を3000Åの厚さにスパッタ法またはプラズマCVD法によって形成した。次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法により非晶質珪素膜603を500Åの厚さに成膜した。そして、その表面に1〜100ppmの酢酸ニッケル(もしくは酢酸コバルト)を含有する水溶液を塗布して、酢酸ニッケル(酢酸コバルト)層604を形成した。酢酸ニッケル(酢酸コバルト)層604は極めて薄いので膜状になっているとは限らない。(図6(A))
【0032】
次に、これを350〜450℃で2時間、窒素雰囲気中で熱アニールして、酢酸ニッケル(酢酸コバルト)を分解せしめると同時に、ニッケル(もしくはコバルト)を非晶質珪素膜603中に拡散させた。そして、非晶質珪素膜603をエッチングして、島状珪素領域605、606を形成した。(図6(B))
【0033】
次に、KrFエキシマレーザー光を照射することにより、光アニールによる珪素膜の結晶化をおこなった。本実施例では、最初、エネルギー密度200mJ/cmのレーザー光を2〜10パルス照射し、次に、エネルギー密度350mJ/cmのレーザー光を2〜10パルス照射した。レーザー照射時の基板温度は200℃とした。
【0034】
レーザーの最適なエネルギー密度は、基板温度や非晶質珪素の膜質に加え、添加されたニッケル(コバルト)の濃度にも依存する。本実施例では、2次イオン質量分析(SIMS)法による分析の結果、1×1018〜5×1018原子/cmの濃度のニッケル(コバルト)が含有されていることが確認された。
このように、結晶化を促進する触媒元素を用いて、光アニールをおこなう方法に関しては、特開平6−318701に開示されている。
この結果、島状珪素領域605、606の端部に歪みの蓄積された領域607が形成された。(図6(C))
【0035】
次に、島状珪素領域の端部607のうち、ゲイト電極が横断する部分のみをエッチングし、新たに、島状珪素領域を形成した。この工程でエッチングされた部分は図の点線608で示される。(図6(D))
そして、プラズマCVD法によって、厚さ1200Åの酸化珪素膜609(ゲイト絶縁膜)を形成した。また、その上に、厚さ5000Åの多結晶珪素膜(1%の燐を含む)を減圧CVD法によって堆積し、これをエッチングして、ゲイト電極610、611を形成した。(図6(E))
【0036】
次に、イオンドーピング法によって燐イオンを珪素膜に、ゲイト電極をマスクとして導入した。本実施例では、ドーピングガスとして水素で5%に希釈したフォスフィン(PH)を用いた。加速電圧は60〜110kVが好ましかった。ドーズ量は1×1014〜5×1015原子/cmとした。このようにして、N型の不純物領域(=ソース/ドレイン)612、613を形成した。
【0037】
ドーピング後は、450℃で4時間の熱アニールをおこなうことにより、不純物を活性化せしめることができた。これは、半導体領域中にニッケル(コバルト)が含有されているためである。(特開平6−267989を参照のこと)
活性化のための熱アニール工程の後、レーザー光等を照射して光アニールを施してもよい。
【0038】
上記の工程の後、1気圧の水素雰囲気(250〜350℃)でアニールすることにより、ゲイト絶縁膜と半導体領域の界面の不対結合手を中和させた。(図6(F))
次に、プラズマCVD法によって厚さ5000Åの酸化珪素膜616(層間絶縁物)を堆積し、これにコンタクトホールを開孔した。そして、スパッタ法によって、厚さ5000Åのアルミニウム膜を堆積し、これをエッチングして、ソース/ドレインの電極・配線614、615を形成した。(図6(G))
【0039】
〔実施例3〕
本実施例は、非晶質珪素膜に対して、珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、さらにレーザー光の照射を行うことにより、実質的に単結晶と見なせる領域を形成し、この実質的に単結晶と見なせる領域を用いて薄膜トランジスタの活性層を構成する場合の例を示す。
【0040】
図7に本実施例に示す薄膜トランジスタの一部の工程を示す。まずガラス基板701上に下地膜として酸化珪素膜702をプラズマCVD法またはスパッタ法により、3000Åの厚さに成膜した。次に非晶質珪素膜703を500Åの厚さにプラズマCVD法または減圧熱CVD法で成膜した。
【0041】
そして試料を基板ごとスピナー700の上に配置する。この状態で所定のニッケル濃度に調整されたニッケル酢酸塩溶液を塗布し、水膜704形成した。この状態が図7(A)に示されている。そして、スピナーを用いたスピンドライを行うことにより、不要なニッケル酢酸塩溶液を吹き飛ばし、微量のニッケル元素が非晶質珪素膜の表面に接して保持された状態とした。
【0042】
次にパターニングを行うことにより、薄膜トランジスタの活性層705を形成する。この状態においては、活性層705は非晶質珪素膜で構成されている。(図7(B))
【0043】
この状態でレーザー光を照射し、非晶質珪素膜でなる活性層705を結晶化させた。ここで用いるレーザー光は線状にビーム加工されたものある。レーザー光の照射は、活性層の一方の辺から対向する辺に向かって、線状レーザーが走査されながら照射されるよう行う。またレーザー光としては、パルス発振のエキシマレーザーを用いることが必要である。ここでは、KrFエキシマレーザー(波長248nm)を用いる。
【0044】
このレーザー光の照射は、基板を500℃の温度に加熱しながら行う。これは、レーザー光の照射に従う結晶構造の急激な変化を緩和するためである。この加熱温度は、450℃〜ガラス基板の歪み点以下の温度の範囲とすることが好ましい。
【0045】
非晶質珪素膜に対して線状のレーザー光が照射されると、レーザー光が照射された領域が瞬間的に溶融する。そして、この線状のレーザー光が走査されて照射されることで、結晶成長が徐々に進行していき、単結晶と見なせる領域を得ることができる。
【0046】
即ち、図7(C)に示すように非晶質珪素膜で構成された活性層の一方の端部から線状のレーザー光708が徐々に走査されながら照射されると、707で示されるような単結晶と見なせる領域がレーザー光の照射に伴って成長していき、最終的に活性層全体を単結晶と見なせる状態とすることができる。
【0047】
このようにして、単結晶と見なせる珪素薄膜で構成された活性層709が得られた。(図7(D))
【0048】
ここで示す単結晶と見なせる領域というのは、その領域中において、以下の条件を満たしていることが必要とである。
・結晶粒界が実質的に存在していない。
・点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元素を1×1015〜1×1020原子cm−3の濃度で含んでいる。
・炭素および窒素の原子を1×1016〜5×1018原子cm−3の濃度で含んでいる。
・酸素の原子を1×1017〜5×1019原子cm−3の濃度で含んでいる。
【0049】
また、本実施例で示すような珪素の結晶化を助長する金属元素を利用している場合には、その膜中に当該金属元素を1×1016〜5×1019cm−3の濃度で含んでいる必要がある。この濃度範囲の意味するところは、これ以上の濃度範囲では、金属としての特性が表れてしまい半導体としての特性が得られず、またこの濃度範囲以下では、そもそも珪素の結晶化を助長する作用を得ることができないということである。
【0050】
これらのことより分かるように、上記のレーザー光の照射によって得られる単結晶とみなせる珪素膜の領域は、単結晶ウエハーのような一般的な単結晶とは本質的に異なるものである。
【0051】
このレーザー光の照射による結晶化の際においても膜の収縮が発生し、その歪みは活性層の周辺部に行くほど蓄積する。即ち、図7(D)の710で示される部分に歪みが集中して蓄積してしまう。
【0052】
また、一般に活性層の厚さは、数百Å〜数千Å程度である。またその大きさは数μm角〜数百μm角である。即ち、非常に薄い薄膜状の形状を有している。このような薄い薄膜状の状態において、図7(C)に示すような結晶成長が進行すると、その周囲、即ち結晶成長の成長終点付近やそれ以上結晶成長が進行しない領域に歪みが集中して発生してしまう。
【0053】
このように主に2つの原因により、活性層の周囲に歪みが集中して存在することとなってしまう。活性層中にこのような歪みが集中している領域が存在することは、薄膜トランジスタの動作において悪影響を及ぼす原因ともなるもので、好ましいものではない。
【0054】
そこで、本実施例においても、活性層の周囲全周をエッチングする。こうして図7(E)に示すような実質的に単結晶と見なせる領域で構成され、また応力の影響が低減された活性層711を得ることができる。(図7(E))
【0055】
活性層を711を得た後、図8(A)に示すように、活性層711を覆ってゲイト絶縁膜712として酸化珪素膜を1000Åの厚さにプラズマCVD法で成膜した。さらにP(リン)を多量にドーピングした多結晶珪素膜を減圧熱CVD法で5000Åの厚さに成膜し、パターニングを施すことにより、ゲイト電極713を形成した。(図8(A))
【0056】
次にP(リン)イオンの注入をプラズマドーピング法またはイオン注入法により行い、自己整合的にソース領域714とドレイン領域716を形成した。そしてゲイト電極713がマスクとなることによって不純物イオンが注入されない領域715をチャネル形成領域として画定した。(図8(B))
【0057】
次に層間絶縁膜として酸化珪素膜717をTEOSガスを用いたプラズマCVD法で7000Åの厚さに成膜した。そしてコンタクトホールの形成後、チタンとアルミニウムの積層膜を用いて、ソース電極とドレイン電極の形成を行った。また図面では示されないが、ゲイト電極713へのコンタクト電極も同時に形成した。そして最後に350℃の水素雰囲気中において1時間の加熱処理を加えることにより、図8(C)に示すような薄膜トランジスタを完成させた。
【0058】
このようにして得られた薄膜トランジスタは、活性層が単結晶と見なせるような珪素膜で構成されているので、その電気的な特性もSOI技術等を利用して作製された単結晶珪素膜を用いた薄膜トランジスタに匹敵するものとすることができる。
【0059】
〔実施例4〕
本実施例は、実施例3に示した構成において、活性層を構成するべくパターニングされた非晶質珪素膜に対するレーザー光の照射の仕方を工夫し、より結晶化がし易いように工夫した例である。
【0060】
図9に示すのは、実施例3に示した工程における活性層に対するレーザー光の照射方法である。この場合、パターニングされた非晶質珪素膜901(後に活性層となるので活性層と呼ぶこととする)の一方の辺に平行に長手方向を有する線状のレーザー光を照射する。そして照射しつつ矢印の方向に走査することによって、活性層901を単結晶と見なせる領域に変成する。
【0061】
本実施例に示す方法においては、図10に示すように活性層901の角の部分から結晶成長が進行するように、線状のレーザー光900の走査方向を設定したことを特徴とする。図10で示すレーザー光の照射方法を採用した場合、図11に示すように狭い領域から徐々に広い領域へと結晶成長が進行していくことなるので、結晶成長がスムーズに進行し易い。そして、図9に示すような状態でレーザー光を照射した場合に比較して、より単結晶と見なせる領域を形成し易く、またその再現性も高いものとすることができる。
【0062】
【発明の効果】
本発明により、光アニールによって結晶化させた半導体膜を用いて作製された絶縁ゲイト型半導体装置の劣化を低減せしめることができた。実施例では珪素半導体を中心に説明したが、同様な効果は他の半導体(例えば、珪素ゲルマニウム合金半導体、硫化亜鉛半導体、炭化珪素半導体他)においても得られる。このように本発明は工業的に価値を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の作製工程の概念図(上方より見た図)を示す。
【図2】本発明の作製工程の概念図(上方より見た図)を示す。
【図3】従来法の作製工程例(上方より見た図と断面)を示す。
【図4】光アニール時に薄膜半導体に加わる力について示す。
【図5】実施例1の作製工程断面図を示す。
【図6】実施例2の作製工程断面図を示す。
【図7】実施例2の作製工程断面図を示す。
【図8】実施例2の作製工程断面図を示す。
【図9】活性層(島上の半導体領域)に対する線状のレーザー光の照射の状態を示す上面図。
【図10】活性層(島上の半導体領域)に対する線状のレーザー光の照射の状態を示す上面図。
【図11】活性層(島上の半導体領域)に対する線状のレーザー光の照射に従う結晶化の様子を示す。
【符号の説明】
11 島状半導体領域
12 光アニール前の島状半導体領域の外周
13 光アニールによって歪みの蓄積した領域
14 光アニール後の島状半導体領域の外周
15 半導体素子を構成するための半導体領域
16 ゲイト電極
21 島状半導体領域
22 光アニール前の島状半導体領域の外周
23 光アニールによって歪みの蓄積した領域
24 光アニール後にエッチングした領域
25 半導体素子のチャネル
26 ゲイト電極
31 島状半導体領域
32 光アニール前の島状半導体領域の外周
33 光アニールによって歪みの蓄積した領域
34 ゲイト電極
35 ゲイト絶縁膜
41 島状半導体領域
42 光アニール前の島状半導体領域の外周
43 光アニールによって歪みの蓄積した領域
501 ガラス基板
502 下地膜(酸化珪素)
503 非晶質珪素膜
504、505 N型不純物領域
506、507 島状半導体領域
508 歪みの蓄積された領域
509 エッチングした部分
510、511 島状半導体領域
512 ゲイト絶縁膜(酸化珪素)
513、514 ゲイト電極(アルミニウム)
515 層間絶縁膜(酸化珪素)
516、517 ソース/ドレイン電極・配線(アルミニウム)
601 ガラス基板
602 下地膜(酸化珪素)
603 非晶質珪素膜
604 酢酸ニッケル(もしくはコバルト)層
605、606 島状半導体領域
607 歪みの蓄積された領域
608 エッチングした部分
609 ゲイト絶縁膜(酸化珪素)
610、611 ゲイト電極(多結晶珪素)
612、613 ソース/ドレイン
614、615 ソース/ドレイン電極・配線(アルミニウム)
614 層間絶縁物(酸化珪素)
701 ガラス基板
702 下地膜(酸化珪素膜)
703 非晶質珪素膜
704 ニッケル酢酸塩溶液の水膜
705 活性層(島状の半導体領域)
707 結晶化された領域
708 レーザー光
709 結晶化された活性層
710 歪みの集中した領域
711 活性層(島状の半導体領域)
712 ゲイト絶縁膜(酸化珪素膜)
713 ゲイト電極
714 ソース領域
715 チャネル形成領域
716 ドレイン領域
717 層間絶縁膜(酸化珪素膜)
718 ソース電極
719 ドレイン電極
901 活性層(島状の半導体領域)
900 線状のレーザービーム
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, a method for manufacturing the semiconductor device, and a liquid crystal display device. If you mention further,The invention disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a semiconductor device, such as a thin film transistor, using a crystalline thin film semiconductor and having a gate electrode.thisAs an application range of thin film transistors, active matrix liquid crystal display devices are known.A liquid crystal display device using the semiconductor device also relates to the present invention.The
With its liquid crystal display deviceIn this case, a thin film transistor is arranged as a switching element in each of hundreds of thousands or more of pixels arranged in a matrix, and fine and high-definition display is performed.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a transistor (referred to as a thin film transistor or a TFT) using a thin film semiconductor formed over a glass or quartz substrate has attracted attention. This is a technique in which a thin film semiconductor having a thickness of several hundreds to several thousands Å is formed on the surface of a glass substrate or a quartz substrate, and a transistor (insulated gate type field effect transistor) is formed using the thin film semiconductor.
[0003]
As such a thin film transistor, those using an amorphous silicon (amorphous silicon) thin film and those using crystalline silicon have been put into practical use. Since a thin film transistor using crystalline silicon has excellent characteristics, the future is expected.
In thin film transistors using crystalline silicon semiconductors that are currently in practical use, the crystalline silicon thin film is formed by thermal annealing of an amorphous silicon film or by direct vapor deposition of a crystalline silicon film. Has been obtained by the method. However, from the viewpoint of lowering the temperature of the process, a light annealing method for crystallizing an amorphous silicon film by irradiating intense light such as a laser is considered promising. (For example, JP-A-4-37144)
[0004]
There are two main methods for obtaining a crystalline semiconductor thin film by light annealing. The first method is a method of photo-annealing after etching into the shape of an element for forming a semiconductor thin film. Another method is a method in which a flat film is optically annealed and then etched into the shape of an element to be formed. In general, it has been known that the former can provide better characteristics (particularly field effect mobility) than the latter. In the former method, it is presumed that the film contracts as a result of optical annealing and stress is applied to the central portion of the pattern.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are also problems in this case. That is, although the initial characteristics are good, the characteristics deteriorate rapidly with use for a long time.
[0006]
The cause of the deterioration of characteristics caused by the conventional method will be described with reference to FIG. First, it is assumed that an amorphous silicon island-shaped semiconductor region 31 of a rectangle 32 as shown in FIG. When this is light-annealed, the film is slightly shrunk due to crystallization (the dotted line in the figure indicates the size of the island-shaped semiconductor region before the light annealing). Further, in this contraction process, a region 33 in which strain is accumulated is formed on the outer periphery of the island region. The crystallinity of such a region 33 is not so good. (Fig. 3 (B))
[0007]
When the gate electrode 34 is formed across such an island region (FIG. 3C), as shown in FIG. 3D, (a-b) cross section along the gate electrode is shown. Under the gate electrode 34 and the gate insulating film 35, a region 33 in which strain is accumulated exists. When a voltage is applied to the gate electrode, charges are trapped because the interface characteristics between the region 33 and the gate insulating film 35 are not good, and deterioration is caused by a parasitic channel caused by the charges. (Fig. 3 (D))
[0008]
The present invention has been made in view of such characteristic deterioration, and an object thereof is to provide a method for manufacturing an insulated gate semiconductor device with little deterioration.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufactured by the manufacturing method and a liquid crystal display device using the semiconductor device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The first of the present invention includes the following steps.
(1) A step of etching an amorphous semiconductor film into a first shape having a width of the narrowest portion of 100 μm or less to form an island-shaped semiconductor region
(2) A step of crystallizing the semiconductor region by crystallizing or improving crystallinity
(3) A step of forming a second shape semiconductor region by etching at least a portion forming the gate electrode or channel of the semiconductor device at least 10 μm from the end of the end portion (or peripheral portion) of the semiconductor region.
[0010]
The second aspect of the present invention includes the following steps.
(1) A step of etching an amorphous semiconductor film into a first shape having a width of the narrowest portion of 100 μm or less to form an island-shaped semiconductor region
(2) A step of crystallizing the semiconductor region by crystallizing or improving crystallinity
(3) A step of etching part or all of the end portion (or peripheral portion) of the semiconductor region
(4) A step of forming a gate insulating film so as to cover the semiconductor region
(5) A step of forming a gate electrode across the etched portion of the end portion of the semiconductor region.
(6) Introducing or diffusing N-type or P-type impurities using the gate electrode as a mask
[0011]
In the first and second aspects of the present invention, the first shape is any one of a rectangle, a regular polygon, and an oval (including a circle), and more generally a shape that is not concave at any point on the outer periphery. Is preferable.
[0012]
In the above structure, the amorphous semiconductor film is formed over a substrate having an insulating surface such as a glass substrate or a quartz substrate. The amorphous silicon film is formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method. In the optical annealing, various excimer lasers such as KrF excimer laser (wavelength 248 nm) and XeCl excimer laser (wavelength 308 nm), Nd: YAG laser (wavelength 1064 nm), the second harmonic (wavelength 532 nm), third A harmonic (wavelength 355 nm) or the like may be used. In the present invention, the light source may be pulsed oscillation or continuous oscillation. Further, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-318701, crystallization is promoted by utilizing a metal element (for example, Fe, Co, Ni, Pd, Pt, etc.) that promotes crystallization of silicon during optical annealing. You may squeeze it.
[0013]
The invention disclosed in this specification is particularly effective when an island-shaped semiconductor region is formed using a region that can be regarded as a single crystal or a single crystal. The region that can be regarded as a single crystal or a single crystal is obtained by scanning an amorphous silicon film or a crystalline silicon film with a laser beam that has been linearly processed, as will be described in detail later in the embodiments. It can be obtained by irradiation.
[0014]
A region that can be regarded as a single crystal or a single crystal is defined as a region that satisfies the following conditions.
-Grain boundaries are not substantially present.
・ 1 × 10 hydrogen or halogen element to neutralize point defects15~ 1x102 0Atom cm-3Contains at a concentration of
-1 x 10 carbon and nitrogen atoms16~ 5x1018Atom cm-3Contains at a concentration of
・ 1 × 10 oxygen atoms17~ 5x1019Atom cm-3Contains at a concentration of
The concentration of the element is defined as the minimum value of the measured value measured by SIMS (secondary ion analysis method).
[0015]
Embodiment
In the invention disclosed in this specification, only the channel portion is etched so as not to be adjacent to the channel that greatly affects the characteristics of the semiconductor device. This is the same as etching so that such a region does not remain in a portion where the gate electrode crosses.
[0016]
FIG. 1 shows the basic configuration of the present invention. First, a plurality (four in the figure) of island-shaped amorphous semiconductor regions 11 having a rectangle 12 having a long side a and a short side b are formed as a first shape. In the present invention, the width of the narrowest portion of the first shape needs to be 100 μm or less. Above that, the effect of improving the characteristics due to the shrinkage of the film during the optical annealing is not recognized. Therefore, b is 100 μm or less. (Fig. 1 (A))
[0017]
Next, light annealing is performed. As a result, the island-shaped semiconductor region shrinks at the same time as it crystallizes (the dotted line in the figure indicates the size of the island-shaped semiconductor region before the light annealing). The periphery of the new island area is indicated at 14. In addition, a region 13 in which strain is accumulated due to the contraction process is formed around the island-shaped semiconductor region. (Fig. 1 (B))
Thereafter, the outer peripheral portion of the island-shaped semiconductor region 11 is etched to form a semiconductor region 15 for forming a target element (FIG. 1C), a gate insulating film (not shown), and a gate electrode 16 are formed. Form. (Figure 1 (D))
[0018]
In consideration of the fact that it is not necessary to remove all the accumulated regions of distortion, the method shown in FIG. 2 is also possible. First, an amorphous semiconductor region 21 having a rectangular shape 22 is formed (FIG. 2A), and when this is photo-annealed, the region contracts as in FIG. 1, and strain is accumulated in the peripheral portion. 23 is formed. (Fig. 2 (B))
Then, the region 24 including the periphery of the portion where the gate electrode is to be formed is etched (FIG. 2C), and a gate insulating film (not shown) and the gate electrode 26 are formed. Since there is no strain accumulation region in the channel 25 below the gate electrode, degradation can be reduced as in the case of FIG. (Fig. 2 (D))
[0019]
In the present invention, the shape of the amorphous semiconductor region (first shape) during the light annealing is preferably as simple as possible. For example, a rectangle, a regular polygon, a circle, an ellipse including an ellipse, or the like. For example, as shown in FIG. 4A, when light annealing is performed on a semiconductor region 41 having a shape 42 with a recess at the center, the recess 44 at the center is pulled up and down when the film shrinks. Cracks are likely to occur. (Fig. 4 (B))
[0020]
This is because, as shown in FIG. 4C (the arrow indicates the direction of contraction), the contraction of the film occurs around the widest portion. Therefore, as the first shape, it is preferable to use a shape that is not constricted and is convex at all points or not concave at any point.
[0021]
From such a viewpoint, for example, even if a rectangle as shown in FIG. 1 is adopted as the first shape, it is not preferable that the ratio of the long side a and the short side b is too large. In the present invention, a / b ≦ 10 is preferable.
[0022]
In addition, when the island-shaped semiconductor region is configured as a region that can be regarded as a single crystal, or a region that can be regarded as a substantially single crystal, strain is also accumulated in the periphery of the island-shaped semiconductor region during the crystallization. End up.
[0023]
Since this distortion is concentrated in the periphery of the island-shaped semiconductor region, the adverse effect of the distortion can be suppressed by removing the periphery of the island-shaped semiconductor region.
[0024]
【Example】
[Example 1]
The present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a cross-sectional view of two thin film transistors. The left one is a cross section obtained by cutting the thin film transistor perpendicular to the gate electrode (perpendicular to ab in FIG. 3), and the right one is FIG. 5 is a cross-section taken along the gate electrode (along ab in FIG. 3). The state seen from above may be referred to FIG.
[0025]
First, a silicon oxide film 502 was formed as a base film on a glass substrate 501 to a thickness of 3000 mm by sputtering or plasma CVD. Next, an amorphous silicon film 503 having a thickness of 500 mm was formed by plasma CVD or low pressure thermal CVD. Then, the amorphous silicon film was doped with phosphorus to form N-type impurity regions 504 and 505 to be the source / drain of the thin film transistor. (Fig. 5 (A))
[0026]
Next, this amorphous silicon film 503 was etched to form island-like silicon regions 506 and 507. (Fig. 5 (B))
Next, the silicon film was crystallized by irradiation with KrF excimer laser light. At this time, the phosphorus-introduced regions 504 and 505 are simultaneously crystallized and activated. The energy density of the laser was preferably 150 to 500 mJ / cm2. Further, the laser irradiation process may be divided into two or more times, and laser beams with different energies may be irradiated.
[0027]
In this example, initially, the energy density is 250 mJ / cm.22 to 10 pulses of laser light, and then an energy density of 400 mJ / cm2Were irradiated with 2 to 10 pulses. The substrate temperature during laser irradiation was 200 ° C. The optimum energy density of the laser depends on the substrate temperature and the amorphous silicon film quality.
As a result, a region 508 in which strain is accumulated is formed at the ends of the island-like silicon regions 506 and 507. (Fig. 5 (C))
[0028]
Next, the end portions 509 of the island-like silicon regions were etched to newly form island-like silicon regions 510 and 511. A portion etched in this step is indicated by a dotted line 509 in the figure. (Fig. 5 (D))
A silicon oxide film 512 (gate insulating film) having a thickness of 1200 mm was formed by plasma CVD. Further, an aluminum film (including 0.3% scandium (Sc)) having a thickness of 5000 mm was deposited thereon by sputtering, and this was etched to form gate electrodes 513 and 514. (Fig. 5 (E))
[0029]
Next, a silicon oxide film 515 (interlayer insulator) having a thickness of 5000 mm was deposited by a plasma CVD method, and a contact hole was opened therein. Then, an aluminum film having a thickness of 5000 mm was deposited by sputtering, and this was etched to form source / drain electrodes / wirings 516 and 517. (Fig. 5 (F))
Through the above process, a thin film transistor was completed. In order to stabilize the characteristics, it is preferable to anneal in a hydrogen atmosphere (250 to 350 ° C.) at 1 atm after the contact hole opening step.
[0030]
[Example 2]
The present embodiment will be described with reference to FIG. Like FIG. 5, FIG. 6 shows a cross-sectional view of two thin film transistors. The left one is a cross section of the thin film transistor cut perpendicularly to the gate electrode, and the right one is cut parallel to the gate electrode. It is a cross section. Note that the state seen from above may be referred to FIG.
[0031]
First, a silicon oxide film 602 was formed as a base film on a glass substrate 601 to a thickness of 3000 mm by sputtering or plasma CVD. Next, an amorphous silicon film 603 was formed to a thickness of 500 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. And the aqueous solution containing 1-100 ppm nickel acetate (or cobalt acetate) was apply | coated to the surface, and the nickel acetate (cobalt acetate) layer 604 was formed. Since the nickel acetate (cobalt acetate) layer 604 is extremely thin, it is not necessarily a film. (Fig. 6 (A))
[0032]
Next, this is thermally annealed at 350 to 450 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to decompose nickel acetate (cobalt acetate), and at the same time, nickel (or cobalt) is diffused into the amorphous silicon film 603. It was. Then, the amorphous silicon film 603 was etched to form island silicon regions 605 and 606. (Fig. 6 (B))
[0033]
Next, the silicon film was crystallized by light annealing by irradiating KrF excimer laser light. In this example, initially, the energy density is 200 mJ / cm.22 to 10 pulses of laser light, and then an energy density of 350 mJ / cm2Were irradiated with 2 to 10 pulses. The substrate temperature during laser irradiation was 200 ° C.
[0034]
The optimum energy density of the laser depends on the concentration of the added nickel (cobalt) in addition to the substrate temperature and the amorphous silicon film quality. In this example, as a result of analysis by secondary ion mass spectrometry (SIMS) method, 1 × 1018~ 5x1018Atom / cm3It was confirmed that nickel (cobalt) having a concentration of 5 was contained.
As described above, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-318701 discloses a method of performing light annealing using a catalyst element that promotes crystallization.
As a result, a region 607 in which strain was accumulated was formed at the ends of the island-like silicon regions 605 and 606. (Fig. 6 (C))
[0035]
Next, of the end portion 607 of the island-like silicon region, only the portion where the gate electrode crosses was etched to newly form an island-like silicon region. A portion etched in this step is indicated by a dotted line 608 in the figure. (Fig. 6 (D))
Then, a silicon oxide film 609 (gate insulating film) having a thickness of 1200 mm was formed by plasma CVD. Further, a polycrystalline silicon film (containing 1% phosphorus) having a thickness of 5000 mm was deposited thereon by low pressure CVD, and this was etched to form gate electrodes 610 and 611. (Fig. 6 (E))
[0036]
Next, phosphorus ions were introduced into the silicon film by ion doping using the gate electrode as a mask. In this example, phosphine (PH) diluted to 5% with hydrogen as a doping gas.3) Was used. The acceleration voltage was preferably 60 to 110 kV. The dose is 1 × 1014~ 5x1015Atom / cm2It was. In this manner, N-type impurity regions (= source / drain) 612 and 613 were formed.
[0037]
After doping, the impurity could be activated by performing thermal annealing at 450 ° C. for 4 hours. This is because nickel (cobalt) is contained in the semiconductor region. (See JP-A-6-267989)
After the thermal annealing step for activation, light annealing may be performed by irradiating laser light or the like.
[0038]
After the above step, the dangling bonds at the interface between the gate insulating film and the semiconductor region were neutralized by annealing in a hydrogen atmosphere (250 to 350 ° C.) at 1 atm. (Fig. 6 (F))
Next, a silicon oxide film 616 (interlayer insulator) having a thickness of 5000 mm was deposited by a plasma CVD method, and a contact hole was opened therein. Then, an aluminum film having a thickness of 5000 mm was deposited by sputtering, and this was etched to form source / drain electrodes / wirings 614 and 615. (Fig. 6 (G))
[0039]
Example 3
In this embodiment, a metal element that promotes crystallization of silicon is introduced into an amorphous silicon film, and laser irradiation is performed to form a region that can be regarded as a substantially single crystal. An example in which an active layer of a thin film transistor is formed using a region that can be regarded as a single crystal is shown.
[0040]
FIG. 7 shows some steps of the thin film transistor described in this embodiment. First, a silicon oxide film 702 was formed as a base film on a glass substrate 701 to a thickness of 3000 mm by a plasma CVD method or a sputtering method. Next, an amorphous silicon film 703 was formed to a thickness of 500 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD.
[0041]
Then, the sample is placed on the spinner 700 together with the substrate. In this state, a nickel acetate solution adjusted to a predetermined nickel concentration was applied to form a water film 704. This state is shown in FIG. Then, by performing spin drying using a spinner, unnecessary nickel acetate solution was blown off, and a small amount of nickel element was held in contact with the surface of the amorphous silicon film.
[0042]
Next, an active layer 705 of the thin film transistor is formed by patterning. In this state, the active layer 705 is composed of an amorphous silicon film. (Fig. 7 (B))
[0043]
In this state, laser light was irradiated to crystallize the active layer 705 made of an amorphous silicon film. The laser beam used here is linearly beam processed. The laser light is irradiated so that the linear laser is scanned from one side of the active layer toward the opposite side. As the laser light, it is necessary to use a pulsed excimer laser. Here, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is used.
[0044]
This laser light irradiation is performed while heating the substrate to a temperature of 500.degree. This is to alleviate a sudden change in the crystal structure following the laser light irradiation. The heating temperature is preferably in the range of 450 ° C. to a temperature below the strain point of the glass substrate.
[0045]
When a linear laser beam is irradiated on the amorphous silicon film, the region irradiated with the laser beam is instantaneously melted. Then, by scanning and irradiating the linear laser light, crystal growth proceeds gradually, and a region that can be regarded as a single crystal can be obtained.
[0046]
That is, as shown in FIG. 7C, when a linear laser beam 708 is irradiated while gradually scanning from one end of an active layer formed of an amorphous silicon film as shown in FIG. A region that can be regarded as a single crystal grows with the irradiation of the laser beam, and finally, the entire active layer can be regarded as a single crystal.
[0047]
In this way, an active layer 709 composed of a silicon thin film that can be regarded as a single crystal was obtained. (Fig. 7 (D))
[0048]
The region that can be regarded as a single crystal shown here needs to satisfy the following conditions in the region.
-Grain boundaries are not substantially present.
・ 1 × 10 hydrogen or halogen element to neutralize point defects15~ 1x1020Atom cm-3Contains at a concentration of
-1 x 10 carbon and nitrogen atoms16~ 5x1018Atom cm-3Contains at a concentration of
・ 1 × 10 oxygen atoms17~ 5x1019Atom cm-3Contains at a concentration of
[0049]
Further, in the case where a metal element that promotes crystallization of silicon as shown in this embodiment is used, the metal element is contained in the film at 1 × 10 5.16~ 5x1019cm-3Must be included at a concentration of The meaning of this concentration range is that if the concentration range is higher than this, the characteristics as a metal appear, and the characteristics as a semiconductor cannot be obtained. It is not possible to get.
[0050]
As can be seen from the above, the region of the silicon film that can be regarded as a single crystal obtained by irradiation with the laser beam is essentially different from a general single crystal such as a single crystal wafer.
[0051]
Even during crystallization by this laser light irradiation, film shrinkage occurs, and the distortion accumulates toward the periphery of the active layer. That is, distortion concentrates and accumulates in a portion indicated by 710 in FIG.
[0052]
In general, the thickness of the active layer is about several hundred to several thousand. The size is several μm square to several hundred μm square. That is, it has a very thin film shape. In such a thin thin film state, when crystal growth as shown in FIG. 7C proceeds, strain concentrates on the periphery thereof, that is, near the growth end point of crystal growth or in a region where crystal growth does not proceed further. Will occur.
[0053]
As described above, the strain is concentrated around the active layer mainly due to two causes. The presence of such a region in which strain is concentrated in the active layer causes an adverse effect on the operation of the thin film transistor and is not preferable.
[0054]
Therefore, also in this embodiment, the entire periphery of the active layer is etched. In this way, an active layer 711 which is formed of a region substantially regarded as a single crystal as shown in FIG. 7E and in which the influence of stress is reduced can be obtained. (Fig. 7 (E))
[0055]
After obtaining the active layer 711, as shown in FIG. 8A, a silicon oxide film having a thickness of 1000 mm was formed as a gate insulating film 712 so as to cover the active layer 711 by a plasma CVD method. Further, a polycrystalline silicon film doped with a large amount of P (phosphorus) was formed into a thickness of 5000 mm by low pressure thermal CVD, and patterned to form a gate electrode 713. (Fig. 8 (A))
[0056]
Next, P (phosphorus) ions were implanted by plasma doping or ion implantation to form a source region 714 and a drain region 716 in a self-aligning manner. A region 715 in which impurity ions are not implanted is defined as a channel formation region by using the gate electrode 713 as a mask. (Fig. 8 (B))
[0057]
Next, a silicon oxide film 717 was formed as an interlayer insulating film to a thickness of 7000 mm by plasma CVD using TEOS gas. Then, after forming the contact hole, a source electrode and a drain electrode were formed using a laminated film of titanium and aluminum. Although not shown in the drawing, a contact electrode to the gate electrode 713 was also formed at the same time. Finally, a heat treatment for 1 hour was performed in a hydrogen atmosphere at 350 ° C. to complete the thin film transistor as shown in FIG.
[0058]
The thin film transistor thus obtained is composed of a silicon film whose active layer can be regarded as a single crystal. Therefore, the electrical characteristics of the thin film transistor are those using a single crystal silicon film manufactured using SOI technology or the like. It can be comparable to a thin film transistor.
[0059]
Example 4
This example is an example in which, in the configuration shown in Example 3, the method of irradiating the amorphous silicon film patterned to form the active layer is devised so as to facilitate crystallization. It is.
[0060]
FIG. 9 shows a laser beam irradiation method for the active layer in the process shown in the third embodiment. In this case, linear laser light having a longitudinal direction parallel to one side of the patterned amorphous silicon film 901 (hereinafter referred to as an active layer because it becomes an active layer) is irradiated. By scanning in the direction of the arrow while irradiating, the active layer 901 is transformed into a region that can be regarded as a single crystal.
[0061]
The method shown in this embodiment is characterized in that the scanning direction of the linear laser beam 900 is set so that crystal growth proceeds from the corner portion of the active layer 901 as shown in FIG. When the laser light irradiation method shown in FIG. 10 is adopted, crystal growth proceeds gradually from a narrow region to a wide region as shown in FIG. 11, and thus crystal growth is likely to proceed smoothly. Compared with the case where laser light is irradiated in the state shown in FIG. 9, it is easier to form a region that can be regarded as a single crystal, and the reproducibility thereof can be improved.
[0062]
【The invention's effect】
According to the present invention, deterioration of an insulating gate type semiconductor device manufactured using a semiconductor film crystallized by optical annealing can be reduced. In the embodiment, the description has focused on the silicon semiconductor, but the same effect can be obtained in other semiconductors (for example, silicon germanium alloy semiconductor, zinc sulfide semiconductor, silicon carbide semiconductor, etc.). Thus, the present invention has industrial value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram (viewed from above) of a manufacturing process of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram (viewed from above) of a manufacturing process of the present invention.
FIG. 3 shows an example of a manufacturing process of a conventional method (a view and a cross section viewed from above).
FIG. 4 shows the force applied to a thin film semiconductor during optical annealing.
5 is a cross-sectional view of a manufacturing process of Example 1. FIG.
6 shows a cross-sectional view of a manufacturing process of Example 2. FIG.
7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of Example 2. FIG.
8 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of Example 2. FIG.
FIG. 9 is a top view showing a state of irradiation with a linear laser beam on an active layer (semiconductor region on an island).
FIG. 10 is a top view showing a state of irradiation with a linear laser beam on an active layer (semiconductor region on an island).
FIG. 11 shows a state of crystallization according to irradiation of a linear laser beam on an active layer (semiconductor region on an island).
[Explanation of symbols]
11 Island-like semiconductor region
12 Outer periphery of island-shaped semiconductor region before optical annealing
13 Strain accumulated region by light annealing
14 Outer periphery of island-shaped semiconductor region after photo annealing
15 Semiconductor region for constituting a semiconductor element
16 Gate electrode
21 Island-like semiconductor region
22 Outer periphery of island-shaped semiconductor region before optical annealing
23 Strain accumulated by light annealing
24 Region etched after light annealing
25 Channels of semiconductor devices
26 Gate electrode
31 Island-like semiconductor region
32 Outer periphery of island-shaped semiconductor region before optical annealing
33 Strain accumulated region by light annealing
34 Gate electrode
35 Gate insulation film
41 Island-like semiconductor region
42 Outer periphery of island-shaped semiconductor region before light annealing
43 Strain accumulated region by light annealing
501 glass substrate
502 Base film (silicon oxide)
503 Amorphous silicon film
504, 505 N-type impurity region
506, 507 island-like semiconductor region
508 Distorted region
509 Etched part
510,511 island-like semiconductor region
512 Gate insulating film (silicon oxide)
513, 514 Gate electrode (aluminum)
515 Interlayer insulating film (silicon oxide)
516, 517 Source / drain electrode / wiring (aluminum)
601 Glass substrate
602 Base film (silicon oxide)
603 Amorphous silicon film
604 nickel acetate (or cobalt) layer
605, 606 Island-like semiconductor region
607 Distorted region
608 Etched part
609 Gate insulating film (silicon oxide)
610, 611 Gate electrode (polycrystalline silicon)
612, 613 Source / drain
614, 615 Source / drain electrode and wiring (aluminum)
614 Interlayer insulator (silicon oxide)
701 Glass substrate
702 Base film (silicon oxide film)
703 Amorphous silicon film
704 Water film of nickel acetate solution
705 Active layer (island-like semiconductor region)
707 Crystallized region
708 Laser light
709 Crystallized active layer
710 Distorted area
711 Active layer (island-like semiconductor region)
712 Gate insulating film (silicon oxide film)
713 Gate electrode
714 Source region
715 channel formation region
716 drain region
717 Interlayer insulating film (silicon oxide film)
718 Source electrode
719 Drain electrode
901 Active layer (island-like semiconductor region)
900 Linear laser beam

Claims (12)

非晶質半導体膜に燐をドーピングしてソース領域及びドレイン領域となるN型不純物領域を形成する工程と、
前記N型不純物領域が形成された非晶質半導体膜をエッチングして、最も狭い部分の幅が100μm以下である第1の島状半導体領域を形成する工程と、
前記第1の島状半導体領域にレーザー光を照射して結晶化すると共に、前記N型不純物領域を活性化する工程と、
前記第1の島状半導体領域を結晶化した際に該第1の島状半導体領域内に生成される歪領域をエッチングして第2の島状半導体領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
A step of doping an amorphous semiconductor film with phosphorus to form an N-type impurity region to be a source region and a drain region;
Etching the amorphous semiconductor film in which the N-type impurity region is formed to form a first island-shaped semiconductor region having a narrowest portion having a width of 100 μm or less;
Irradiating the first island-shaped semiconductor region with laser light to crystallize, and activating the N-type impurity region;
Etching a strain region generated in the first island-shaped semiconductor region when the first island-shaped semiconductor region is crystallized to form a second island-shaped semiconductor region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
非晶質半導体膜に燐をドーピングしてソース領域及びドレイン領域となるN型不純物領域を形成する工程と、
前記N型不純物領域が形成された非晶質半導体膜をエッチングして、最も狭い部分の幅が100μm以下である第1の島状半導体領域を形成する工程と、
前記第1の島状半導体領域にレーザー光を照射して結晶化すると共に、前記N型不純物領域を活性化する工程と、
前記第1の島状半導体領域を結晶化した際に該第1の島状半導体領域内に生成される歪領域のうち、ゲイト電極が横断する部分を選択的にエッチングして、第2の島状半導体領域を形成する工程と、
前記第2の島状半導体領域上にゲイト絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲイト絶縁膜上において、前記第2の島状半導体領域における前記エッチングされた部分を横切ってゲイト電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
A step of doping an amorphous semiconductor film with phosphorus to form an N-type impurity region to be a source region and a drain region;
Etching the amorphous semiconductor film in which the N-type impurity region is formed to form a first island-shaped semiconductor region having a narrowest portion having a width of 100 μm or less;
Irradiating the first island-shaped semiconductor region with laser light to crystallize, and activating the N-type impurity region;
A portion of the strained region generated in the first island-shaped semiconductor region when the first island-shaped semiconductor region is crystallized is selectively etched to cross the gate electrode, whereby the second island Forming a semiconductor region;
Forming a gate insulating film on the second island-shaped semiconductor region;
Forming a gate electrode on the gate insulating film across the etched portion of the second island-shaped semiconductor region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の島状半導体領域の膜面の形状が、長方形、正多角形、長円形のいずれかであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の作製方法。 3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the shape of the film surface of the first island-shaped semiconductor region is any one of a rectangle, a regular polygon, and an oval. 非晶質半導体膜に燐をドーピングしてソース領域及びドレイン領域となるN型不純物領域を形成する工程と、
前記N型不純物領域が形成された非晶質半導体膜をエッチングして、短辺が100μm以下で、かつ長辺aと短辺bとの比率がa/b≦10である長方形の第1の島状半導体領域を形成する工程と、
前記第1の島状半導体領域にレーザー光を照射して結晶化すると共に、前記N型不純物領域を活性化する工程と、
前記第1の島状半導体領域を結晶化した際に該第1の島状半導体領域内に生成される歪領域をエッチングして第2の島状半導体領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
A step of doping an amorphous semiconductor film with phosphorus to form an N-type impurity region to be a source region and a drain region;
The amorphous semiconductor film in which the N-type impurity region is formed is etched to form a rectangular first having a short side of 100 μm or less and a ratio of the long side a to the short side b of a / b ≦ 10. Forming an island-like semiconductor region;
Irradiating the first island-shaped semiconductor region with laser light to crystallize, and activating the N-type impurity region;
Etching a strain region generated in the first island-shaped semiconductor region when the first island-shaped semiconductor region is crystallized to form a second island-shaped semiconductor region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
非晶質半導体膜に燐をドーピングしてソース領域及びドレイン領域となるN型不純物領域を形成する工程と、
前記N型不純物領域が形成された非晶質半導体膜をエッチングして、短辺が100μm以下で、かつ長辺aと短辺bとの比率がa/b≦10である長方形の第1の島状半導体領域を形成する工程と、
前記第1の島状半導体領域にレーザー光を照射して結晶化すると共に、前記N型不純物領域を活性化する工程と、
前記第1の島状半導体領域を結晶化した際に該第1の島状半導体領域内に生成される歪領域のうち、ゲイト電極が横断する部分を選択的にエッチングして、第2の島状半導体領域を形成する工程と、
前記第2の島状半導体領域上にゲイト絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲイト絶縁膜上において、前記第2の島状半導体領域における前記エッチングされた部分を横切ってゲイト電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
A step of doping an amorphous semiconductor film with phosphorus to form an N-type impurity region to be a source region and a drain region;
The amorphous semiconductor film in which the N-type impurity region is formed is etched to form a rectangular first having a short side of 100 μm or less and a ratio of the long side a to the short side b of a / b ≦ 10. Forming an island-like semiconductor region;
Irradiating the first island-shaped semiconductor region with laser light to crystallize, and activating the N-type impurity region;
A portion of the strained region generated in the first island-shaped semiconductor region when the first island-shaped semiconductor region is crystallized is selectively etched to cross the gate electrode, whereby the second island Forming a semiconductor region;
Forming a gate insulating film on the second island-shaped semiconductor region;
Forming a gate electrode on the gate insulating film across the etched portion of the second island-shaped semiconductor region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記レーザー光を照射する工程は、2回以上の照射工程に分けられ、かつそれぞれ異なるエネルギー密度で行われることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1に記載の半導体装置の作製方法。Step is divided into two or more irradiation steps, and a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that takes place in different energy densities respectively irradiating the laser beam . 前記レーザー光は、YAGレーザーの第2高調波であることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1に記載の半導体装置の作製方法。The laser beam is a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a second harmonic wave of YAG laser. 前記レーザー光は、YAGレーザーの第3高調波であることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1に記載の半導体装置の作製方法。The laser beam is a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a third harmonic of a YAG laser. 前記レーザー光は、連続発振のレーザー光であることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1に記載の半導体装置の作製方法。The laser beam is a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a continuous wave laser light. 前記レーザー光は、線状にビーム加工されたレーザー光であることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1に記載の半導体装置の作製方法。The laser beam is a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the linear a beam processed laser light. 請求項1ないし10のいずれか1に記載の方法で作製されたことを特徴とする半導体装置。Wherein a produced by the method according to any one of claims 1 to 10. 請求項11に記載の半導体装置を用いたことを特徴とする液晶表示装置。A liquid crystal display device comprising the semiconductor device according to claim 11 .
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