JP3727387B2 - Method for manufacturing crystalline silicon film, device, liquid crystal display device, thin film transistor, and electronic apparatus - Google Patents

Method for manufacturing crystalline silicon film, device, liquid crystal display device, thin film transistor, and electronic apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、ガラス基板等の絶縁表面を有する基板上に形成される結晶性を有する珪素半導体薄膜の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガラス基板上に形成された珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを構成する技術が注目されている。この薄膜トランジスタは、主にアクティブマトリクス型の液晶電気光学装置や、その他の薄膜集積回路に利用されている。液晶電気光学装置は一対のガラス基板間に液晶を封入して、液晶に電界を加えることによって、液晶の光学特性を変化させて、画像表示を行わせるものである。
【0003】
特に、薄膜トランジスタが用いられるアクティブマトリクス型の液晶表示装置は、各画素にスイッチとして薄膜トランジスタを配置して、画素電極に保持される電荷を制御することを特徴とする。アクティブマトリクス型の液晶表示装置は、微細な画像を高速で表示できるため、各種電子機器(例えば携帯型のワードプロセッサーや携帯型のコンピュータ)のディスプレーに利用されている。
アクティブマトリクス型の液晶表示装置に利用される薄膜トランジスタとしては、非晶質珪素薄膜(アモルファスシリコン薄膜)を利用したものが一般的である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは、
(1)特性が低く、より高品質な画像表示を行うことができない。
(2)画素に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺回路を構成することができない。
といった問題がある。
【0005】
上記の問題点(2)は、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタではPチャネル型の薄膜トランジスタが実用にならないので、CMOS回路が構成できないという問題と、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは高速動作ができず、また大電流を流すことができないので、周辺駆動回路を構成することができないという問題とに分けて考えることができる。
【0006】
これらの問題を解決する方法としては、結晶性珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する技術を挙げることができる。結晶性珪素薄膜を得る方法としては、非晶質珪素膜に対して加熱処理を加える方法と、非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射する方法とを挙げることができる。
【0007】
加熱処理により非晶質珪素膜を結晶化させる方法は、一般的に以下のような問題がある。普通、液晶電気光学装置に利用される薄膜トランジスタを構成しようとするには、透光性を有する基板上に形成することが要求される。透光性を有する基板としては、石英基板やガラス基板を挙げることができる。しかし、石英基板は高価であり、コストの削減が大きな技術的課題である液晶電気光学装置に利用することはできない。従って、一般的にはガラス基板が利用されることになるが、ガラス基板はその耐熱温度が低いという問題がある。
【0008】
一般に、液晶電気光学装置に利用されるガラス基板としてコーニング7059ガラス基板が利用されている。このガラス基板の歪点は593℃であり、この温度以上で加熱処理を加えると、基板の縮みや変形が顕著になってしまう。近年、液晶電気光学装置は大面積化される傾向にあり、基板の縮みや変形は極力抑えなければならない。
【0009】
一方、非晶質珪素膜を加熱により結晶化させるには、600℃以上の温度が必要とされることが実験的に判明しており、またその加熱時間も数十時間が必要なことが判明している。このような高温でしかも長時間の加熱は、大面積のガラス基板に対して到底行うことができない。
【0010】
また、レーザー光の照射によって、非晶質珪素膜を結晶化させる技術も知られている。しかし、大面積に渡ってレーザー光を一様に照射することや、一定の照射パワーを維持して照射することは現実問題として困難である。
【0011】
本明細書で開示する発明の目的は、極力低温の加熱による処理で非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成する半導体薄膜の作製方法を提供することにある。特に、高性能な特性を有する薄膜トランジスタを構成することができるような結晶性の半導体薄膜の作製方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解消するために、本発明に係る半導体薄膜の作製方法は、
非晶質珪素膜中に金属元素を導入する工程と、
前記非晶質珪素膜を結晶化させて結晶性珪素膜を得る工程と、
前記結晶性珪素膜上に前記金属元素を拡散させる膜を形成する工程と、
前記金属元素を拡散させる膜中に前記金属元素を拡散させる工程と、
前記金属元素を拡散させた膜を除去する工程と、
を有することを特徴とする。
【0013】
上記構成において、結晶化される非晶質珪素膜は、ガラス基板または絶縁膜が形成されたガラス基板上にプラズマCVD法や減圧熱CVD法で形成された膜を挙げることができる。
【0014】
また、金属元素としては、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類の元素を挙げることができる。これらの金属元素は珪素の結晶化を助長する触媒作用を有し、これら金属元素の中で特に効果があるのがニッケル(Ni)である。
【0015】
上記の金属元素の導入方法としては、非晶質珪素膜の表面にこれら金属の層または金属を含む層を形成する方法を挙げることができる。具体的には、CVD法やスパッタ法さらには蒸着法等によって、金属元素の層または金属元素を含む層を形成する方法や、金属元素を含んだ溶液を非晶質珪素膜上に塗布する方法を挙げることができる。
CVD法やスパッタ法さらには蒸着法等を用いた場合には、極薄い均一な膜を成膜することが困難であることから、金属元素が非晶質珪素膜上の不均一に存在することになってしまい、結晶成長の際に金属元素が偏在し易いという問題がある。
他方、溶液を用いる方法は、金属元素の濃度を容易に制御することができ、かつ、金属元素を均一に非晶質珪素膜の表面に接して保持させることができるので、非常に好ましい。
【0016】
珪素の結晶化を助長する金属元素が導入された非晶質珪素膜を結晶化させるには、450℃以上の温度で加熱を行えばよい。この加熱温度の上限は基板として用いられるガラス基板の耐熱温度で制限される。ガラス基板の場合には、この耐熱温度はガラスの歪点と考えることができる。加熱処理の1例としては、550℃程度の温度とすることが、ガラス基板の耐熱性や生産性の観点から見て適当である。
また基板として石英基板等の1000℃以上の温度にも耐えるような材料を用いた場合には、この加熱における加熱温度もその耐熱温度に従って高くすることができる。また、加熱温度が高い程、結晶性の優れた膜を得ることができる。
【0017】
上記の構成において、金属元素を拡散させるための膜には、一般的なCVD法で形成される非晶質珪素膜を挙げることができる。例えば加熱により結晶化された結晶性珪素膜の出発膜となった非晶質珪素膜と同じ成膜方法で得られる非晶質珪素膜を用いることができる。
しかしより好ましくは、欠陥密度が高く、当該金属元素をトラップし易い膜質とするとよい。これは、この珪素膜中に結晶性珪素膜中の金属元素をより拡散し易くすることができるからである。
欠陥密度の高い非晶質珪素膜を得るには、プラズマCVD法において水素を用いずにシランのみで成膜を行う、スパッタ法を用いる、プラズマCVD法において成膜温度を下げる、といった手段を採用することによって実現できる。
【0018】
この非晶質珪素膜はその膜厚を結晶性珪素膜の膜厚よりも厚くすることが効果的である。これは、非晶質珪素膜の膜厚が厚いほど、結晶性珪素膜に対する体積比を大きくすることができ、より多くの金属元素を非晶質珪素膜中に拡散させることができるからである。
【0019】
更に、金属元素を拡散させるための膜として、多結晶珪素膜、非晶質状態の非晶質状態のSiX Ge1-X 膜(0<x<1)を使用することもできる。多結晶珪素膜を得るには、減圧CVD法を採用すればよい。また、非晶質状態のSiX Ge1-X を得るには、原料ガスにシラン(SiH4 )とゲルマン(GeH4 )を使用して、プラズマCVD法により形成すればよい。
【0020】
結晶性珪素膜中に金属元素を拡散させる(吸い取らせる)工程は、加熱処理により行う。加熱に伴って、金属元素を拡散させる膜中に、結晶化珪素膜中の金属元素が拡散するために、結晶化珪素膜中の金属元素の濃度を低くすることがてきる。
【0021】
次に、金属元素を拡散させた膜を除去する。この際に、結晶化させる非晶質珪素膜上に、予め酸化膜を形成しておくと、エッチングストッパーとして機能させることができ、金属元素を拡散させた膜のみを選択的にエッチングすることができる。
【0022】
図1を用いて、本発明の構成を具体例に説明する。
珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケルを用いて結晶性珪素膜105をガラス基板101上に形成する。結晶化の方法は加熱処理を利用する。なお、ガラス基板101の表面には、下地膜として酸化珪素膜102が形成されている。(図1(B))
【0023】
次に図1(C)に示すように酸化膜106を形成し、さらに金属元素を拡散させる膜として非晶質珪素膜107を成膜して、加熱処理する。
この加熱処理は非晶質珪素膜が結晶化しない温度(一般的に450℃以下)で行う方法と、非晶質珪素膜が結晶化してしまう温度(一般的に450℃以上、好ましくは500℃以上)で行う方法とに分けることができる。
【0024】
結晶性珪素膜105上に設けられた非晶質珪素膜107の結晶化が起こらない温度で加熱処理をした場合には、加熱処理の温度は400〜450℃とし、その加熱時間は5分〜10時間程度とすればよい。これにより、非晶質珪素膜107中に徐々に結晶性珪素膜105中の金属元素が拡散して(吸い取られて)いく状態となる。従って、長い時間に渡って加熱処理を行うと、徐々にではあるが、結晶性珪素膜105中の金属元素の濃度を下げることができる。
そして、非晶質珪素膜107を酸化膜106をエッチングストッパーとして除去することにより、非晶質珪素膜107中の金属元素の濃度に比較して、結晶性珪素膜105中の金属元素の濃度を小さな結晶性珪素膜108を得ることができる。(図1(D)
【0025】
この作用は非晶質珪素膜107中に、金属元素と結合しやすい状態で珪素の原子が存在している(非晶質状態では不対結合手が多量に存在している)ためである。また、この作用は非晶質珪素膜107中の欠陥密度を人為的に多くした場合に、より顕著に得ることができる。
【0026】
他方、結晶性珪素膜105上に設けられた非晶質珪素膜107の結晶化が進行する温度で加熱処理をした場合には、非晶質珪素膜107が結晶化した時点で金属元素の拡散が見かけ状停止してしまう。また、結晶性珪素膜105中の金属元素濃度と、この金属元素を吸い取らせるための珪素膜107(加熱処理において結晶化してしまう)中の金属元素濃度との平均値が概略同一になった時点で、金属元素の拡散は見かけ上停止してしまう。
【0027】
しかしながら、結晶性珪素膜105中においては、金属元素が局部的に集中して偏在していることが判明しており、この現象を抑制するためには、本発明の方法は有効なものとなる。これは、結晶成長の先端部分に金属元素が集中して存在している現象を利用して、この結晶成長の先端部を後に除去される珪素膜中に追いやることにより、素子の作製に利用しようとする珪素膜中には、金属元素の集中した部分が存在しないようにする方法である。
【0028】
即ち、非晶質珪素膜107が結晶化する温度で加熱処理を行い、この膜を結晶化させる。この際、結晶成長は珪素膜107の酸化膜106に接した面からその露呈した表面へと進行する。また、結晶成長と同時に金属元素の集中した部分は珪素膜107中を移動していく。結果として、ニッケル元素が集中した部分が珪素膜105中から追いやられて、珪素膜107中(特にその表面)に存在することになる。そして、珪素膜107を酸化膜106をエッチングストッパーとして除去することにより、ニッケル元素が偏在する領域が無い結晶性珪素膜108を得ることができる。(図1(D)
【0029】
【作用】
結晶化を助長する金属の作用によって結晶化した結晶性珪素膜の表面に、非晶質珪素膜等の金属元素を拡散させるための膜を形成し、しかる後に加熱処理を行うことで、金属元素を拡散させるための膜中に金属元素を拡散させる。こうすることで、事実上、金属元素を拡散させるための膜によって結晶性珪素膜中の金属元素の吸い出しを行うことができるため、金属元素の濃度が低く、かつ結晶性の良好な結晶性珪素膜を得ることができる。
【0030】
また、図1に示す結晶性半導体薄膜の作製工程は全て550℃以下というガラス基板の耐え得る温度で行うことができるので、例えば液晶電気光学装置のように、ガラス基板上に形成される薄膜トランジスタの作製工程に極めて有用なものとなる。
【0031】
また金属元素を拡散させる膜を容易に除去するために、結晶性珪素膜上に酸化膜を形成しておくことは有効である。酸化膜は珪素膜のエッチングに用いられるエッチャント(例えばヒドラジンやClF3 )に対して選択性を有しているので、エッチングストッパーとして機能させることができる。
【0032】
また金属元素の作用によって結晶化された結晶性珪素膜(第1の珪素膜)の表面に非晶質珪素膜(第2の珪素膜)を形成し、しかる後に加熱処理を行いこの2層目の非晶質珪素膜を結晶化させることで、第1の珪素膜中において存在する金属元素の集中した部分を第2の珪素膜中に追いやることができ、第1の珪素膜中に金属元素が偏在することを抑制することができる。
【0033】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例は、ガラス基板上に非晶質珪素膜を形成し、しかる後に珪素の結晶化を助長する金属膜を非晶質珪素膜に導入し、しかる後に加熱により非晶質珪素膜を結晶化させ、さらに結晶化した珪素膜(結晶性珪素膜)上に酸化膜(酸化珪素膜)を介して非晶質珪素膜を形成し、再び加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜中に結晶性珪素膜中からニッケル元素を拡散させ(ニッケル元素を非晶質珪素膜に吸い出させる)、結果として結晶性珪素膜中におけるニッケル元素濃度を低下させる技術に関する。
【0034】
図1に本実施例に示す結晶性珪素膜の作製工程を示す。まず、コーニング7059ガラス基板101(歪点593℃)上に、下地膜として酸化珪素膜102を3000Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜102は、ガラス基板101から不純物やアルカリイオンが後に形成される半導体薄膜中に拡散することを防ぐためのものである。
次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法によって、非晶質珪素膜103を600Åの厚さに成膜する。
そして、所定のニッケル濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜103上に滴下して、水膜104を形成する。そしてスピナー100を用いてスピンコートを行い、ニッケル元素が非晶質珪素膜103の表面に接して保持された状態とする。(図1(A))
【0035】
次に加熱処理を行い非晶質珪素膜103を結晶化させて、結晶性珪素膜105を得る。この加熱温度は450℃以上、好ましくは500℃以上の温度で行うことができる。ガラス基板101の耐熱性を考慮すれば、ガラス基板101の歪点以下の温度とすることが好ましい。なお500℃以下の温度でこの加熱処理を行った場合には、加熱処理に要する時間が数十時間以上となるので実用的ではない。(図1(B))
【0036】
この結晶性珪素膜105中におけるニッケル濃度は1×1016原子cm-3〜5×1019原子cm-3とする必要がある。このため、図1(A)の工程において、得られた結晶性珪素膜105中におけるニッケル濃度が上記範囲となるように、ニッケル酢酸塩溶液中のニッケル濃度を調整する必要がある。なお、ニッケル濃度はSIMS(2次イオン分析方法)を用いて計測した値の最小値として定義される。
【0037】
結晶性珪素膜105が得られたら、その表面に酸化珪素膜106を形成する。酸化珪素膜106の厚さは数十Å〜100Å程度とすればよい。このような薄い膜とするのは、この酸化珪素膜106を介して、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が移動できるようにする必要があるからである。ここでは、空気中で、UV光の照射によって極薄い酸化珪素膜106を形成する。この酸化珪素膜106は自然酸化膜程度の極薄い膜であっても、後の非晶質珪素膜(107で示される)のエッチングに際してエッチングストッパーとしての効果があることが判明している。
【0038】
ここでは、UV酸化法を用いて酸化珪素膜106を形成したが、熱酸化法を用いて形成してもよい。また、酸化珪素膜106は、後のエッチング工程におけるエッチングストッパーとして機能するもので、結晶性珪素膜105に対してエッチングの際の選択性が得られる膜であればよい。例えば酸化珪素膜106の代わりに極薄い窒化珪素膜を用いることもできる。
【0039】
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107を600Åの厚さに形成する。
【0040】
この状態でSIMS(2次イオン分析法)を用いて、ニッケル元素の膜厚方向の濃度分布を調べたものを図2に示す。図2に示されているのは、非晶質珪素膜107の表面から深さ方向におけるニッケル元素の分布を示すものである。図2を見れば分かるように、非晶質珪素膜107中におけるニッケル元素は測定限界以下(この場合は、1×1017原子cm-3が測定限界)であり、また結晶性珪素膜105中には最大で5×1018原子cm-3程度のニッケル元素が存在していることが分かる。
【0041】
そして加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜107中に結晶性珪素膜105中のニッケル元素を酸化膜106を介して拡散させる。この工程は、非晶質珪素膜107によって、結晶性珪素膜105中のニッケル元素を吸い出させる工程であると理解することもできる。(図1(C))
【0042】
加熱工程を非晶質珪素膜107が結晶化しない温度である400℃〜450℃の温度で行っている。本実施例では、450℃の温度で2時間の加熱処理を行う。加熱処理を行うと、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が非晶質珪素膜107に拡散し、結晶性珪素膜105中のニッケル元素の濃度を低くすることができる。
【0043】
一般的に非晶質珪素膜107の厚さを結晶性珪素膜105の厚さ以上のもとすれば、上記加熱処理を行うことにより、結晶性珪素膜105中のニッケル濃度を1/2以下とすることができる。
【0044】
図3に上記図1(C)に示す加熱処理工程を2時間行った状態における膜厚方向におけるニッケル元素の濃度の分布を示す。図3に示すデータは図2に示すデータと同じ測定法によるものである。
【0045】
図3を見れば明らかなように、ニッケルは非晶質珪素膜107中に拡散している。しかし、結晶性珪素膜105中に濃度の方がやや高いことが見てとれる。図3より、図1(C)に示す加熱工程において、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が非晶質珪素膜107中に吸い出されたことが理解される。
【0046】
図4に示すのは、図3に示すデータが得られてから、さらに450℃の温度で2時間の加熱処理を加えた状態(最終的に450℃の温度で4時間の加熱処理を加えた状態)における、ニッケルの濃度分布である。
図4と図3を比較すれば明らかなように、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が徐々に非晶質珪素膜107に吸い出されていく様子が見てとれる。これは、非晶質珪素膜107中には不対結合手が多量に存在しており、ニッケルが結合し易い珪素原子が多数存在しているためであると考えられる。さらに長時間の加熱処理を加えることにより、徐々にではあるが、さらに結晶性珪素膜105中のニッケル濃度を下げることができる。このような作用は、非晶質珪素膜107を結晶化してしまう場合には、見られない顕著な特徴である。
【0047】
そして、非晶質珪素膜107をエッチングによって除去する。ここでは非晶質珪素膜107のエッチャントとしてヒドラジン(N26 )を用いる。ヒドラジンをエッチャントとして用いた場合には、結晶性珪素膜105のエッチングレートに比較して、非晶質珪素膜107のほうがエッチングレートが速い。しかも本実施例においては、ヒドラジンではエッチングされない(そのエッチングレートは極めて低く、相対的に見た場合、エッチングされないと見なすことができる)酸化珪素膜106がエッチングストッパーとして、結晶性珪素膜105上に形成されている。従って、ニッケルを吸い出した非晶質珪素膜107のみを選択的に取り除くことができる。なお非晶質珪素膜107のエッチングには、ドライエッチングを用いてもよい。
【0048】
次に酸化珪素膜106をバッファフッ酸やフッ硝酸によって取り除き、図1(D)に示すようなニッケル元素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜108を得る。
この結晶性珪素膜108中のニッケル元素の濃度は、図4を見ても分かるように、例えば3×1018原子cm-3弱程度である。この値は、図2と比較すれば分かるように、図1(C)の加熱処理前に比較して、ニッケル元素の濃度を1/2(平均すれば1/2以下となる)にできたことを意味する。
【0049】
本実施例においては、結晶性珪素膜105の上に形成される非晶質珪素膜107の膜厚を結晶性珪素膜105と同じものとした。しかし、非晶質珪素膜107の膜厚をさらに厚くすることで、最終的に得られる結晶性珪素膜108中に含まれるニッケル元素の濃度をさらに低くすることができる。即ち、結晶性珪素膜105の体積に比較して、非晶質珪素膜107の体積をより大きくすることで、より多くのニッケル元素を非晶質珪素膜107に吸い出させることができる。
【0050】
本実施例の構成を採用することで、得られた結晶性珪素膜108中のニッケル濃度を5×1018原子cm-3以下とすることができる。
【0051】
〔実施例2〕
本実施例は、図1に示した実施例1の作製工程において、図1(C)に示す加熱処理工程を加熱温度を550℃とし、加熱時間を4時間とする条件で行うことを特徴とする。図1(C)に示す加熱処理工程を550℃、4時間の条件で行った場合、107で示される非晶質珪素膜は結晶性珪素膜105から拡散してくるニッケル元素の作用により結晶化してしまう。
【0052】
この際、結晶化が酸化膜106を介して、結晶性珪素膜105から非晶質珪素膜107に向かう方向で進行する。前述したように、珪素の結晶化を助長する金属元素は、結晶成長の先端部分に集中する傾向がある。従って、結晶化された珪素膜107(この段階では結晶性珪素膜に変成されている)の表面に、ニッケル元素の集中した領域が形成される。すると当然のことであるが、結晶性珪素膜105中のニッケル濃度は低減される。
【0053】
また、結晶性珪素膜105の表面に存在していたニッケル元素の偏在領域は、非晶質珪素膜107の結晶化が進行するのに従って、その結晶成長の先端部分と共に移動する。即ち、このニッケル元素の偏在領域は、結晶化の終了後において、珪素膜107(ここでは結晶化された状態を指す)中に存在することなる。従って、結晶性珪素膜105の表面に存在していたニッケル元素の偏在領域を消滅させることができる。
【0054】
このように非晶質珪素膜107を結晶化させてしまった場合、この結晶化した珪素膜を選択的に取り除くことができるかが懸念される。しかし、エッチングストッパーとして機能する酸化珪素膜106が形成されているので、選択的に107で示される珪素膜(この場合は結晶化されている)のみを取り除くことができる。即ち、ヒドラジンやClF3 ガスを用いたエッチングを行うと、珪素膜107のエッチング速度に比較して、106で示される酸膜のエッチング速度が極めて小さいので、エッチングを珪素膜107のエッチングが終了した時点で停止させることができる。
【0055】
本実施例に示すような構成を採用した場合、図1(B)に示す加熱工程と図1(C)に示す加熱工程とを同じ条件で行うことができる。
【0056】
〔実施例3〕
本実施例は、実施例1や実施例2で示す作製方法によって得られた結晶性珪素膜を用いて、薄膜トランジスタを作製する例を示す。図5に本実施例に示す薄膜トランジスタの作製工程を示す。
実施例1または実施例2に示した方法を用いて、下地膜502が形成されたガラス基板501上に結晶性珪素膜503を形成する。(図5(A))
【0057】
次に得られた結晶性珪素膜503をパターニングして、504で示されるような薄膜トランジスタの活性層を形成する。そしてプラズマCVD法または減圧熱CVD法で、ゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜505を1000Åの厚さに形成する。(図5(B))
【0058】
次に、スカンジウムを含有したアルミニウム膜を6000Åの厚さに成膜して、パターニングを施すことにより、506で示すゲイト電極を形成する。そして電解溶液中において、ゲイト電極506を陽極とした陽極酸化を行うことによって、酸化物層507を形成する。この酸化物層507の厚さは2000Åとする。この酸化物層507の厚さで、後の工程においてオフセットゲイト領域を形成することができる。
【0059】
さらに活性層504に対して不純物イオンの注入を行う。ここでは、不純物イオンとしてリンイオンを注入する。この工程で、508と511で示される領域にリンイオンが注入される。この508と511で示される領域がソース/ドレイン領域となる。また509の領域はオフセットゲイト領域となる。また510の領域はチャネル形成領域となる。
【0060】
不純物イオンの注入終了後、レーザー光を照射して、注入されたイオンの活性化とイオンの注入時において損傷を受けたソース/ドレイン領域508、511のアニールとを行う。(図5(C))
【0061】
次に層間絶縁膜として酸化珪素膜512を形成し、さらにコンタクトホールの形成を行い、ソース電極513とドレイン電極514の形成をアルミニウムを用いて行う。さらに最後に350℃の水素雰囲気中において加熱処理を行って、薄膜トランジスタを完成させる。(図5(D))
【0062】
〔実施例4〕
本実施例は、珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケルの導入を選択的に行うことにより、基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を得ると同時に、この結晶性珪素膜中のニッケル濃度を低下させる技術に関する。
【0063】
ガラス基板601上に、下地膜602として酸化珪素膜を3000Åの厚さにスパッタ法によって成膜する。次に非晶質珪素膜603を500Åの厚さにプラズマCVD法または減圧熱CVD法によって成膜する。
次に酸素雰囲気中においてUV光を照射し、非晶質珪素膜603の表面に極薄い酸化膜(図示せず)を形成する。この酸化膜は、後の溶液塗布工程で溶液の濡れ性を改善するためのものである。
そして、レジストを用いてマスク604を形成する。レジストマスク604によって露呈される領域605は、図6(A)の紙面に垂直な方向に長手方向を有するスリット状を有している。
次に所定の濃度でニッケルを含有したニッケル酢酸塩溶液を滴下し、水膜606を形成する。(図6(A))
【0064】
さらにスピナー600を用いてスピンコートを行い、非晶質珪素膜603上にの領域605において、図示しない酸化膜を介してニッケル元素が接して保持された状態とする。
【0065】
そしてレジストマスク604を取り除く。次に加熱処理を加えて、非晶質珪素膜603の結晶化を行う。ニッケル元素は605で示される領域において、非晶質珪素膜603に図示しない酸化膜を介して接して保持された状態から、図示しない酸化膜を通して非晶質珪素膜603中に拡散していく。ニッケル元素の拡散に伴って、非晶質珪素膜603は矢印607で示されるように基板に平行な方向に結晶成長が進行して、結晶性珪素膜608が形成される。
この結晶成長は柱状あるいは針状に進行する。本実施例の場合は、605で示される領域が図面の手前方向から奥手方向に長手方向を有するスリット状を有しているので、矢印607で示されるような結晶成長は、略1方向に沿って進行する。また結晶成長は数10μm〜100μm以上に渡って行わすことができる。(図6(B))
【0066】
結晶性珪素膜608を得た後に、酸化膜609を50Åの厚さに熱酸化法で成膜する。さらに、プラズマCVD法または減圧熱CVD法により、非晶質珪素膜610を1000Åの厚さに成膜する。(図6(C))
【0067】
そして450℃、2時間の加熱処理を行い、結晶性珪素膜608中のニッケル元素を酸化膜609を介して非晶質珪素膜610中に拡散させる。そして、非晶質珪素膜610をClF3 ガスでエッチングし、さらに酸化膜609をバッファフッ酸によって除去する。こうして、図6(D)に示すようなニッケル濃度が低下した結晶性珪素膜611を得ることができる。この結晶性珪素膜611は607で示されるような基板に平行な方向に結晶成長した領域を有し、かつ膜中におけるニッケル濃度が低いという特徴を有する。
【0068】
実験によれば、605で示される領域に導入されるニッケルの量がある程度多い方が、607で示す基板に平行な方向への結晶成長(横方向成長という)の距離を長くできることが判明している。しかしながら、ニッケル元素の導入量を多くすると、最終的に得られる結晶性珪素膜611中におけるニッケル濃度を高くする要因となるので、好ましくない。これは、膜中におけるニッケル濃度が高くなると(実験によれば5×1019原子cm-3以上となると)、珪素膜の半導体としての特性が損なわれたり、また作製される薄膜トランジスタの動作が不安定になったり、特性の劣化が激しくなったりする問題が顕在化してしまう。
【0069】
しかし、本実施例に示すように、結晶化の終了後にニッケル元素を除去することで、横方向への結晶成長距離を長くするという要請と、得られた結晶性珪素膜611中におけるニッケル濃度(金属元素の濃度)を極力低くしたいという要請とを両立させることができる。
【0070】
〔実施例5〕
本実施例は、実施例4において得られた結晶性珪素膜を用いて薄膜トタンジスタを構成する例を示す。図7に本実施例の作製工程を示す。
図6に示す工程に従って、結晶性珪素膜を得る。この結晶性珪素膜は基板に平行な方向に結晶成長した領域を有している。
【0071】
図7(A)に示すように、結晶性珪素膜をパターニングして薄膜トランジスタの活性層703となる領域を形成する。図7(A)において、701はガラス基板であり、702は下地膜の酸化珪素膜である。
【0072】
ここで、活性層703内に図6(B)で示す結晶成長における結晶成長の始点(ニッケルが導入された領域)と結晶成長の終点とが存在しないようにすることが重要である。これは、結晶成長の始点と結晶成長の終点とには、ニッケルが高濃度に含まれているからである。
【0073】
さらにゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜704を1000Åの厚さにプラズマCVD法により成膜する。(図7(A))
【0074】
次にアルミニウムを主成分とする膜を形成し、さらにパターニングを施すことにより、ゲイト電極705を形成する。ゲイト電極705を陽極にして、電解溶液中で陽極酸化して、酸化物層706を形成する。酸化物層706の厚さで後の不純物イオンの注入工程において、オフセットゲイト領域を形成することができる。(図7(B))
【0075】
不純物イオンとしてリンイオンを注入する。この工程でソース領域707とドレイン領域710とが形成される。更に、オフセットゲイト領域708とチャネル形成領域709とが形成される。不純物イオンの注入終了後、レーザー光または強光を照射することにより、ソース/ドレイン領域707、710を活性化する。
【0076】
そして、層間絶縁膜となる酸化珪素膜711をプラズマCVD法によって、6000Åの厚さに成膜する。酸化珪素膜711にコンタクトホールを形成した後に、ソース電極712とドレイン電極713の形成を行う。こうして薄膜トランジスタが完成される。(図7(C))
【0077】
〔実施例6〕
本実施例は、図1に示す実施例1の結晶性珪素膜の作製工程の後に、再び加熱処理を行うことを特徴とする。
図1(C)に示す工程において加熱処理を施すと、図4に示すように徐々に結晶性珪素膜105中のニッケル(金属元素)が非晶質珪素膜107に吸い出されていく。この際、図4に示すように結晶性珪素膜105の表面付近のニッケル濃度が、結晶性珪素膜105の下層の酸化珪素膜102の界面付近のニッケル濃度と比較して高くなってしまう。これは、結晶性珪素膜105中のニッケルが非晶質珪素膜107の吸い出されていってしまう結果、結晶性珪素膜105の表面側にニッケル元素が偏析してしまっていることを意味している。
【0078】
このため、図1(D)に示すようなガラス基板101上に形成された結晶性珪素膜108を用いて薄膜トランジスタを作製した場合には、この結晶性珪素膜108の表面をキャリアが伝導することになる。キャリアが伝導する領域にニッケルが高濃度に存在していることは好ましくない。
【0079】
そこで、本実施例においては、図1(D)に示す状態を得た後、加熱処理を行い、ニッケルを結晶性珪素膜108中に再び拡散させる。ここで行う加熱処理はニッケルを拡散させることができればよいので、400℃以上の温度であればよい。またその上限は、ガラス基板101の耐熱性によって制限される。従って、ここで行う加熱の温度は、400℃以上であって、ガラス基板の歪点以下の温度であればよい。
【0080】
以下に本実施例の詳細を図8を用いて説明する。
図1に示すような作製工程を経て、図1(D)に示す状態を得る。この状態を図8(A)に示す。図8(A)には、ニッケルが偏析し、ニッケルが高濃度に含まれている層802(表面側)と、ニッケル濃度が802で示される層側よりも低濃度に含まれている層801が示されている。この層801と802とで、下地膜102を介してガラス基板101上に形成された結晶性珪素膜108(図1(D)参照)が構成されている。
【0081】
この図8(A)に示す状態で図8(B)に示すように加熱処理を施す。ここでは、500℃、2時間の加熱処理を施す。この結果、802で示される領域のニッケル元素は、より低濃度でニッケルが存在する801で示される領域に拡散する。こうして、この領域802はニッケルの偏析の無い状態とすることができる。そして、その表面におけるニッケル濃度を低くすることができた結晶性珪素膜803を得ることができる。(図8(C))
【0082】
〔実施例7〕
本実施例は、実施例7に示す構成において、結晶化工程において、加熱処理の代わりにレーザー光の照射を行った場合の例である。本実施例の工程を図9に示す。
まず図1に示す工程を経て、802で示されるその表面にニッケル元素が高濃度に存在した結晶性珪素膜から成る層と、ニッケル元素が低濃度に存在する結晶性珪素膜から成る層801とを得る。(図9(A))
【0083】
次にレーザー光を照射することにより、ニッケル元素を層802から層801に拡散させる。(図9(B))
【0084】
これにより、膜中に均一にニッケルが拡散した状態を有する結晶性珪素膜901を得る。(図9(C))
【0085】
〔実施例8〕
本実施例は、実施例1に示す工程において、図1(C)に示す非晶質珪素膜107を人為的に欠陥密度の高い状態として成膜することを特徴とする。
実施例1に示す工程においては、図2に示すように、結晶性珪素膜105中には平均で3×1018原子cm-3程度のニッケル元素が含まれている。そこで、本実施例ににおいては、ニッケル元素を除去するのための非晶質珪素膜107中の欠陥密度を少なくとも上記ニッケル元素の濃度以上として、その除去能力を高めることを特徴とする。
【0086】
非晶質珪素膜107中の欠陥密度はスピン密度を計測することにより、見積もることができる。また、欠陥を人為的に形成するにはスパッタ法、低温でのプラズマCVD法、あるいは不対結合を中和するための水素を用いないで、シランやジシランのみよるプラズマCVD法や減圧熱CVD法を用いればよい。
【0087】
非晶質珪素膜107の欠陥密度を高くすると、ニッケル元素の除去能力をより大きくすることができ、図3や図4に示すような効果をより大きなものとすることができる。
【0088】
〔実施例9〕
本実施例は、ニッケル元素を拡散させる(ニッケル元素を吸い出させる)膜に、多結晶珪素膜を使用するようにしたものである。
【0089】
図1に本実施例に示す結晶性珪素膜の作製工程を示す。まず、コーニング7059ガラス基板101(歪点593℃)上に下地膜として酸化珪素膜102を3000Åの厚さに成膜する。
次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法によって、非晶質珪素膜103を600Åの厚さに成膜する。そして、所定のニッケル濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜103上に滴下して、スピナー100を用いてスピンコートを行い、水膜104を形成する。これにより、ニッケル元素が非晶質珪素膜103の表面に接して保持された状態となる。(図1(A))
【0090】
次に加熱処理を行い非晶質珪素膜103を結晶化させ、結晶性珪素膜105を得る。ここでは、加熱温度を550℃とし、加熱時間を4時間とする(図1(B))
【0091】
結晶性珪素膜105が得られたら、その表面に酸化珪素膜106を数十Å〜100Å程度の厚さに、空気中で、UV光の照射によって形成する。
次に減圧熱CVD法により、多結晶珪素膜107を600Åの厚さに形成する。この多結晶珪素膜107は半導体の活性層に必要な程度の膜質にする必要はなく、欠陥密度が高い膜とする。また、この欠陥密度は結晶性珪素膜105の欠陥密度よりも高いほうが好ましい。
【0092】
次に、加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜107中に結晶性珪素膜105中のニッケル元素を酸化膜106を介して拡散させる。(図1(C))
【0093】
この際に、加熱温度の下限はニッケルが拡散し得る温度で定義され、400℃以上である、また、上限はガラス基板101の歪み温度で定義される。この加熱処理により、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が多結晶珪素膜107に拡散し、結晶性珪素膜105中のニッケル元素の濃度を低くすることができる。
【0094】
一般的に多結晶珪素膜107の厚さを結晶性珪素膜105の厚さ以上のもとすれば、上記加熱処理を行うことにより、結晶性珪素膜105中のニッケル濃度を1/2以下とすることができる。
【0095】
そして、非晶質珪素膜107をエッチングによって除去する。ヒドラジン(N26 )又はClF3 ガスを使用すればよい。これに対して、酸化珪素のエッチングレートは極めて低くいため、酸化珪素膜106がエッチングストッパーとして機能するので、ニッケルを吸い出した多結晶珪素膜107のみを選択的に取り除くことができる。
次に酸化珪素膜106をバッファフッ酸やフッ硝酸によって取り除き、ニッケル元素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜108を得る。(図1(D))
【0096】
〔実施例10〕
本実施例は、ニッケル元素を拡散させる(ニッケル元素を吸い出させる)膜に、非晶質状態のSiX Ge1-X 膜(0<x<1)を使用するようにしたものである。図1に本実施例に示す結晶性珪素膜の作製工程を示す。
【0097】
コーニング7059ガラス基板101(歪点593℃)上に下地膜として酸化珪素膜102を3000Åの厚さに成膜する。
次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法によって、非晶質珪素膜103を600Åの厚さに成膜する。そして、所定のニッケル濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜103上に滴下して、スピナー100を用いてスピンコートを行い、水膜104を形成する。これにより、ニッケル元素が非晶質珪素膜103の表面に接して保持された状態となる。(図1(A))
【0098】
次に加熱処理して、非晶質珪素膜103を結晶化させて、結晶性珪素膜105を形成する。ここでは、加熱温度を550℃とし、加熱時間を4時間とする(図1(B))
【0099】
結晶性珪素膜105が得られたら、その表面に酸化珪素膜106を数十Å〜100Å程度の厚さに、空気中で、UV光の照射によって形成する。
次に原料ガスにシラン(SiH4 )とゲルマン(GeH4 )を使用して、プラズマCVD法により非晶質状態のSiX Ge1-X 膜107を600Åの厚さに形成する。非晶質状態のSiX Ge1-X 膜107を欠陥密度が高い膜とするには、成膜時の基板温度を低温にしたり、原料ガスを水素で希釈しないようにすればよい。
【0100】
次に、加熱処理を施すことにより、非晶質状態のSiX Ge1-X 膜107中に、結晶性珪素膜105中のニッケル元素を酸化膜106を介して拡散させる。(図1(C))
【0101】
この加熱温度の下限はニッケルが拡散しうる温度で定義され、400℃以上である。また、上限はガラス基板101の歪み温度で定義される。加熱処理により、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が非晶質状態のSiX Ge1-X 膜107中に拡散し、結晶性珪素膜105中のニッケル元素の濃度を低くすることができる。
【0102】
そして、SiX Ge1-X 膜107をエッチングによって除去する。この際に、SiX Ge1-X 膜107と酸化珪素膜106とのエッチング選択比の高いエッチング溶液、エッチングガスを使用して、酸化珪素膜106がエッチングストッパーとして機能させるよようにする。これにより、ニッケルを吸い出したSiX Ge1-X 膜107のみを選択的に取り除くことができる。
【0103】
次に酸化珪素膜106をバッファフッ酸やフッ硝酸によって取り除き、図1(D)に示すようなニッケル元素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜108を得る。
【0104】
【発明の効果】
金属元素の作用によって、550℃程度以下という従来に比較して低温で結晶性珪素膜作製することができる。従って、ガラス基板上に結晶性珪素膜を形成することができる。
【0105】
また、金属元素の作用によって結晶化した珪素膜中の金属元素を非晶質珪素膜中に拡散させることによって、金属元素の濃度の低い結晶性珪素膜を得ることができる。従って、結晶性珪素膜を用いて、金属元素の悪影響のないデバイス、例えば薄膜トランジスタを得ることができる。
【0106】
また、金属元素の作用によって結晶化した珪素膜中の金属元素が偏在した部分を除去するようにしたため、金属元素が偏在した部分のない結晶性珪素膜を得ることができる。この結果、金属元素の影響のない半導体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図2】 ニッケル元素の濃度分布を示す図。
【図3】 ニッケル元素の濃度分布を示す図。
【図4】 ニッケル元素の濃度分布を示す図。
【図5】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図6】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図7】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図8】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図9】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【符号の説明】
100、600・・・・・・・・・スピナー
101、501、601、701・ガラス基板
102、502、602、702・下地膜(酸化珪素膜)
103、603・・・・・・・・・非晶質珪素膜
104、602・・・・・・・・・水膜
105、608・・・・・・・・・結晶性珪素膜
106、609・・・・・・・・・酸化膜
107、610・・・・・・・・・金属元素を拡散させる膜
108、611・・・・・・・・・結晶性珪素膜
[0001]
[Industrial application fields]
The invention disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a crystalline silicon semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface such as a glass substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a technique for forming a thin film transistor using a silicon thin film formed on a glass substrate has attracted attention. This thin film transistor is mainly used in an active matrix type liquid crystal electro-optical device and other thin film integrated circuits. In the liquid crystal electro-optical device, liquid crystal is sealed between a pair of glass substrates, and an electric field is applied to the liquid crystal to change the optical characteristics of the liquid crystal and display an image.
[0003]
In particular, an active matrix liquid crystal display device using a thin film transistor is characterized in that a thin film transistor is provided as a switch in each pixel to control charges held in the pixel electrode. An active matrix liquid crystal display device can display a minute image at high speed, and is therefore used for a display of various electronic devices (for example, a portable word processor or a portable computer).
As a thin film transistor used for an active matrix type liquid crystal display device, a thin film transistor using an amorphous silicon thin film (amorphous silicon thin film) is generally used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a thin film transistor using an amorphous silicon thin film,
(1) The characteristics are low, and higher quality image display cannot be performed.
(2) A peripheral circuit for driving a thin film transistor arranged in a pixel cannot be configured.
There is a problem.
[0005]
The above problem (2) is that a thin film transistor using an amorphous silicon thin film cannot make a P-channel type thin film transistor practical, so that a CMOS circuit cannot be constructed, and a thin film transistor using an amorphous silicon thin film has a high speed. This can be divided into the problem that the peripheral drive circuit cannot be configured because the operation cannot be performed and a large current cannot flow.
[0006]
As a method for solving these problems, a technique of forming a thin film transistor using a crystalline silicon thin film can be mentioned. Examples of a method for obtaining a crystalline silicon thin film include a method in which heat treatment is performed on an amorphous silicon film and a method in which laser light is irradiated on an amorphous silicon film.
[0007]
The method for crystallizing an amorphous silicon film by heat treatment generally has the following problems. Usually, in order to construct a thin film transistor used for a liquid crystal electro-optical device, it is required to form it on a light-transmitting substrate. Examples of the light-transmitting substrate include a quartz substrate and a glass substrate. However, the quartz substrate is expensive and cannot be used for a liquid crystal electro-optical device in which cost reduction is a major technical problem. Therefore, a glass substrate is generally used, but the glass substrate has a problem that its heat-resistant temperature is low.
[0008]
In general, a Corning 7059 glass substrate is used as a glass substrate used in a liquid crystal electro-optical device. The strain point of this glass substrate is 593 ° C., and when heat treatment is applied at a temperature higher than this temperature, the substrate shrinks or deforms significantly. In recent years, liquid crystal electro-optical devices tend to have a large area, and shrinkage and deformation of the substrate must be suppressed as much as possible.
[0009]
On the other hand, it has been experimentally found that a temperature of 600 ° C. or higher is required to crystallize the amorphous silicon film by heating, and it has been found that the heating time also requires several tens of hours. are doing. Such high-temperature and long-time heating cannot be performed on a large-area glass substrate.
[0010]
A technique for crystallizing an amorphous silicon film by laser light irradiation is also known. However, it is difficult as a real problem to irradiate laser light uniformly over a large area or to irradiate with maintaining a constant irradiation power.
[0011]
An object of the invention disclosed in this specification is to provide a method for manufacturing a semiconductor thin film in which an amorphous silicon film is transformed into a crystalline silicon film by a treatment by heating at a low temperature as much as possible. In particular, it is an object to provide a method for manufacturing a crystalline semiconductor thin film capable of forming a thin film transistor having high performance characteristics.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to eliminate the above-described problems, a method for producing a semiconductor thin film according to the present invention includes:
Introducing a metal element into the amorphous silicon film;
Crystallization of the amorphous silicon film to obtain a crystalline silicon film;
Forming a film for diffusing the metal element on the crystalline silicon film;
Diffusing the metal element in a film for diffusing the metal element;
Removing the film in which the metal element is diffused;
It is characterized by having.
[0013]
In the above structure, the amorphous silicon film to be crystallized includes a film formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method on a glass substrate or a glass substrate on which an insulating film is formed.
[0014]
Examples of the metal element include one or more elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au. These metal elements have a catalytic action to promote crystallization of silicon, and nickel (Ni) is particularly effective among these metal elements.
[0015]
Examples of the method for introducing the metal element include a method of forming a layer of these metals or a layer containing a metal on the surface of the amorphous silicon film. Specifically, a method of forming a layer of a metal element or a layer containing a metal element by a CVD method, a sputtering method, or a vapor deposition method, or a method of applying a solution containing a metal element on an amorphous silicon film Can be mentioned.
When CVD, sputtering, or vapor deposition is used, it is difficult to form a very thin uniform film, so metal elements are present non-uniformly on the amorphous silicon film. As a result, there is a problem that metal elements tend to be unevenly distributed during crystal growth.
On the other hand, a method using a solution is very preferable because the concentration of the metal element can be easily controlled and the metal element can be uniformly held in contact with the surface of the amorphous silicon film.
[0016]
In order to crystallize an amorphous silicon film into which a metal element for promoting crystallization of silicon is introduced, heating may be performed at a temperature of 450 ° C. or higher. The upper limit of this heating temperature is limited by the heat resistant temperature of the glass substrate used as the substrate. In the case of a glass substrate, this heat-resistant temperature can be considered as a strain point of glass. As an example of the heat treatment, a temperature of about 550 ° C. is appropriate from the viewpoint of heat resistance and productivity of the glass substrate.
When a material that can withstand a temperature of 1000 ° C. or higher, such as a quartz substrate, is used as the substrate, the heating temperature in this heating can be increased according to the heat resistant temperature. In addition, the higher the heating temperature, the more excellent the crystallinity can be obtained.
[0017]
In the above structure, examples of the film for diffusing the metal element include an amorphous silicon film formed by a general CVD method. For example, an amorphous silicon film obtained by the same film formation method as an amorphous silicon film that is a starting film of a crystalline silicon film crystallized by heating can be used.
However, more preferably, the film quality is high so that the defect density is high and the metal element can be easily trapped. This is because the metal element in the crystalline silicon film can be more easily diffused into the silicon film.
In order to obtain an amorphous silicon film having a high defect density, means such as forming a film only with silane without using hydrogen in the plasma CVD method, using a sputtering method, and lowering the film forming temperature in the plasma CVD method are adopted. It can be realized by doing.
[0018]
It is effective to make the amorphous silicon film thicker than the crystalline silicon film. This is because the thicker the amorphous silicon film, the larger the volume ratio with respect to the crystalline silicon film, and the more metal elements can be diffused into the amorphous silicon film. .
[0019]
Further, as a film for diffusing the metal element, a polycrystalline silicon film, an amorphous Si film X Ge 1-X A membrane (0 <x <1) can also be used. In order to obtain a polycrystalline silicon film, a low pressure CVD method may be employed. In addition, amorphous Si X Ge 1-X In order to obtain silane (SiH Four ) And germane (GeH) Four ) And may be formed by a plasma CVD method.
[0020]
The step of diffusing (absorbing) the metal element into the crystalline silicon film is performed by heat treatment. With heating, the metal element in the crystallized silicon film diffuses into the film that diffuses the metal element, so that the concentration of the metal element in the crystallized silicon film can be lowered.
[0021]
Next, the film in which the metal element is diffused is removed. At this time, if an oxide film is formed in advance on the amorphous silicon film to be crystallized, it can function as an etching stopper, and only the film in which the metal element is diffused can be selectively etched. it can.
[0022]
The configuration of the present invention will be described as a specific example with reference to FIG.
A crystalline silicon film 105 is formed on the glass substrate 101 using nickel which is a metal element that promotes crystallization of silicon. The crystallization method uses heat treatment. Note that a silicon oxide film 102 is formed on the surface of the glass substrate 101 as a base film. (Fig. 1 (B))
[0023]
Next, as shown in FIG. 1C, an oxide film 106 is formed, and an amorphous silicon film 107 is formed as a film for diffusing a metal element, and heat treatment is performed.
This heat treatment is performed at a temperature at which the amorphous silicon film does not crystallize (generally 450 ° C. or lower) and at a temperature at which the amorphous silicon film crystallizes (generally 450 ° C. or higher, preferably 500 ° C. The method can be divided into the above.
[0024]
When heat treatment is performed at a temperature at which crystallization of the amorphous silicon film 107 provided on the crystalline silicon film 105 does not occur, the temperature of the heat treatment is set to 400 to 450 ° C., and the heating time is 5 minutes to What is necessary is just about 10 hours. As a result, the metal element in the crystalline silicon film 105 is gradually diffused (absorbed) into the amorphous silicon film 107. Therefore, when the heat treatment is performed for a long time, the concentration of the metal element in the crystalline silicon film 105 can be gradually reduced.
Then, by removing the amorphous silicon film 107 using the oxide film 106 as an etching stopper, the concentration of the metal element in the crystalline silicon film 105 is compared with the concentration of the metal element in the amorphous silicon film 107. A small crystalline silicon film 108 can be obtained. (Fig. 1 (D)
[0025]
This effect is due to the presence of silicon atoms in the amorphous silicon film 107 in a state of being easily bonded to the metal element (a large amount of unpaired bonds are present in the amorphous state). Further, this effect can be obtained more remarkably when the defect density in the amorphous silicon film 107 is artificially increased.
[0026]
On the other hand, when heat treatment is performed at a temperature at which crystallization of the amorphous silicon film 107 provided on the crystalline silicon film 105 proceeds, diffusion of the metal element occurs when the amorphous silicon film 107 is crystallized. Seems to stop. In addition, when the metal element concentration in the crystalline silicon film 105 and the average value of the metal element concentration in the silicon film 107 (which is crystallized in the heat treatment) for absorbing the metal element are approximately the same. Thus, the diffusion of the metal element apparently stops.
[0027]
However, in the crystalline silicon film 105, it has been found that metal elements are locally concentrated and unevenly distributed. In order to suppress this phenomenon, the method of the present invention is effective. . This is to utilize the phenomenon in which metal elements are concentrated at the tip of crystal growth, and drive the tip of this crystal growth into a silicon film to be removed later, so that it can be used for device fabrication. In the silicon film, a portion in which metal elements are concentrated does not exist.
[0028]
That is, heat treatment is performed at a temperature at which the amorphous silicon film 107 is crystallized, and this film is crystallized. At this time, crystal growth proceeds from the surface of the silicon film 107 in contact with the oxide film 106 to the exposed surface. At the same time as the crystal growth, the portion where the metal element is concentrated moves in the silicon film 107. As a result, the portion where the nickel element is concentrated is driven out of the silicon film 105 and exists in the silicon film 107 (particularly the surface thereof). Then, by removing the silicon film 107 using the oxide film 106 as an etching stopper, a crystalline silicon film 108 without a region in which nickel elements are unevenly distributed can be obtained. (Fig. 1 (D)
[0029]
[Action]
By forming a film for diffusing a metal element such as an amorphous silicon film on the surface of the crystalline silicon film crystallized by the action of a metal that promotes crystallization, and then performing a heat treatment, the metal element The metal element is diffused in the film for diffusing the metal. By doing this, the metal element in the crystalline silicon film can be effectively sucked out by the film for diffusing the metal element, so that the crystalline silicon having a low concentration of the metal element and good crystallinity. A membrane can be obtained.
[0030]
1 can be performed at a temperature that can be withstood by the glass substrate at 550 ° C. or lower, so that, for example, a thin film transistor formed on the glass substrate, such as a liquid crystal electro-optical device, This is extremely useful for the manufacturing process.
[0031]
In order to easily remove the film that diffuses the metal element, it is effective to form an oxide film on the crystalline silicon film. The oxide film is an etchant used for etching a silicon film (for example, hydrazine or ClF). Three ), It can function as an etching stopper.
[0032]
Further, an amorphous silicon film (second silicon film) is formed on the surface of the crystalline silicon film (first silicon film) crystallized by the action of the metal element, and then heat treatment is performed to form the second layer. By crystallizing the amorphous silicon film, the concentrated portion of the metal element existing in the first silicon film can be driven into the second silicon film, and the metal element is contained in the first silicon film. Can be prevented from being unevenly distributed.
[0033]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, an amorphous silicon film is formed on a glass substrate, a metal film for promoting crystallization of silicon is introduced into the amorphous silicon film, and the amorphous silicon film is then crystallized by heating. Then, an amorphous silicon film is formed on the crystallized silicon film (crystalline silicon film) via an oxide film (silicon oxide film), and subjected to heat treatment again. The present invention relates to a technique for diffusing nickel element from a crystalline silicon film (discharging nickel element into an amorphous silicon film) and, as a result, reducing the nickel element concentration in the crystalline silicon film.
[0034]
FIG. 1 shows a manufacturing process of a crystalline silicon film shown in this embodiment. First, a silicon oxide film 102 is formed as a base film on a Corning 7059 glass substrate 101 (strain point 593 ° C.) to a thickness of 3000 mm. This silicon oxide film 102 is for preventing impurities and alkali ions from diffusing from the glass substrate 101 into a semiconductor thin film to be formed later.
Next, an amorphous silicon film 103 is formed to a thickness of 600 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD.
Then, a nickel acetate solution adjusted to a predetermined nickel concentration is dropped on the amorphous silicon film 103 to form a water film 104. Then, spin coating is performed using the spinner 100 so that the nickel element is held in contact with the surface of the amorphous silicon film 103. (Fig. 1 (A))
[0035]
Next, heat treatment is performed to crystallize the amorphous silicon film 103 to obtain a crystalline silicon film 105. The heating temperature can be 450 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher. Considering the heat resistance of the glass substrate 101, it is preferable to set the temperature below the strain point of the glass substrate 101. Note that when this heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or less, the time required for the heat treatment is several tens of hours or more, which is not practical. (Fig. 1 (B))
[0036]
The nickel concentration in the crystalline silicon film 105 is 1 × 10. 16 Atom cm -3 ~ 5x10 19 Atom cm -3 It is necessary to. Therefore, in the step of FIG. 1A, it is necessary to adjust the nickel concentration in the nickel acetate solution so that the nickel concentration in the obtained crystalline silicon film 105 falls within the above range. The nickel concentration is defined as the minimum value measured using SIMS (secondary ion analysis method).
[0037]
When the crystalline silicon film 105 is obtained, a silicon oxide film 106 is formed on the surface thereof. The thickness of the silicon oxide film 106 may be approximately several tens to 100 mm. The reason why such a thin film is used is that the nickel element in the crystalline silicon film 105 needs to be movable through the silicon oxide film 106. Here, an extremely thin silicon oxide film 106 is formed in the air by irradiation with UV light. Even if the silicon oxide film 106 is a very thin film of a natural oxide film, it has been found that the silicon oxide film 106 has an effect as an etching stopper when the subsequent amorphous silicon film (shown by 107) is etched.
[0038]
Here, the silicon oxide film 106 is formed using a UV oxidation method, but may be formed using a thermal oxidation method. In addition, the silicon oxide film 106 functions as an etching stopper in a later etching process, and may be any film that can obtain selectivity in etching with respect to the crystalline silicon film 105. For example, an extremely thin silicon nitride film can be used instead of the silicon oxide film 106.
[0039]
Next, an amorphous silicon film 107 is formed to a thickness of 600 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD.
[0040]
FIG. 2 shows the concentration distribution in the film thickness direction of the nickel element using SIMS (secondary ion analysis) in this state. FIG. 2 shows the distribution of nickel elements in the depth direction from the surface of the amorphous silicon film 107. As can be seen from FIG. 2, the nickel element in the amorphous silicon film 107 is below the measurement limit (in this case, 1 × 10 17 Atom cm -3 Is a measurement limit), and the crystalline silicon film 105 has a maximum of 5 × 10 5. 18 Atom cm -3 It can be seen that a certain amount of nickel element is present.
[0041]
Then, heat treatment is performed to diffuse the nickel element in the crystalline silicon film 105 through the oxide film 106 in the amorphous silicon film 107. It can be understood that this step is a step of sucking out nickel element in the crystalline silicon film 105 by the amorphous silicon film 107. (Figure 1 (C))
[0042]
The heating process is performed at a temperature of 400 ° C. to 450 ° C., which is a temperature at which the amorphous silicon film 107 does not crystallize. In this embodiment, heat treatment is performed at a temperature of 450 ° C. for 2 hours. When heat treatment is performed, nickel element in the crystalline silicon film 105 diffuses into the amorphous silicon film 107, and the concentration of nickel element in the crystalline silicon film 105 can be lowered.
[0043]
In general, if the thickness of the amorphous silicon film 107 is set to be equal to or greater than the thickness of the crystalline silicon film 105, the nickel concentration in the crystalline silicon film 105 is reduced to 1/2 or less by performing the heat treatment. It can be.
[0044]
FIG. 3 shows the concentration distribution of the nickel element in the film thickness direction when the heat treatment step shown in FIG. 1C is performed for 2 hours. The data shown in FIG. 3 is based on the same measurement method as the data shown in FIG.
[0045]
As apparent from FIG. 3, nickel is diffused in the amorphous silicon film 107. However, it can be seen that the concentration in the crystalline silicon film 105 is slightly higher. 3 that the nickel element in the crystalline silicon film 105 is sucked into the amorphous silicon film 107 in the heating step shown in FIG.
[0046]
FIG. 4 shows that after the data shown in FIG. 3 was obtained, the heat treatment was further performed at a temperature of 450 ° C. for 2 hours (the heat treatment was finally applied at a temperature of 450 ° C. for 4 hours). In the state), the nickel concentration distribution.
As apparent from a comparison between FIG. 4 and FIG. 3, it can be seen that the nickel element in the crystalline silicon film 105 is gradually sucked into the amorphous silicon film 107. This is presumably because a large amount of dangling bonds are present in the amorphous silicon film 107, and there are a large number of silicon atoms that are easily bonded to nickel. Further, by applying a long-time heat treatment, the nickel concentration in the crystalline silicon film 105 can be further lowered gradually. Such an action is a remarkable feature that cannot be seen when the amorphous silicon film 107 is crystallized.
[0047]
Then, the amorphous silicon film 107 is removed by etching. Here, as an etchant of the amorphous silicon film 107, hydrazine (N 2 H 6 ) Is used. When hydrazine is used as an etchant, the amorphous silicon film 107 has a higher etching rate than the etching rate of the crystalline silicon film 105. In addition, in this embodiment, the silicon oxide film 106 that is not etched with hydrazine (its etching rate is extremely low and can be regarded as not etched when viewed relatively) is used as an etching stopper on the crystalline silicon film 105. Is formed. Therefore, it is possible to selectively remove only the amorphous silicon film 107 that has sucked out nickel. Note that dry etching may be used for etching the amorphous silicon film 107.
[0048]
Next, the silicon oxide film 106 is removed with buffered hydrofluoric acid or hydrofluoric acid to obtain a crystalline silicon film 108 in which the nickel element concentration can be lowered as shown in FIG.
As can be seen from FIG. 4, the concentration of the nickel element in the crystalline silicon film 108 is, for example, 3 × 10. 18 Atom cm -3 It is weak. As can be seen from a comparison with FIG. 2, the concentration of the nickel element can be reduced to 1/2 (averaged to be 1/2 or less) as compared with that before the heat treatment in FIG. Means that.
[0049]
In this embodiment, the amorphous silicon film 107 formed on the crystalline silicon film 105 has the same thickness as that of the crystalline silicon film 105. However, by further increasing the thickness of the amorphous silicon film 107, the concentration of nickel element contained in the finally obtained crystalline silicon film 108 can be further reduced. That is, by making the volume of the amorphous silicon film 107 larger than the volume of the crystalline silicon film 105, more nickel element can be sucked into the amorphous silicon film 107.
[0050]
By adopting the configuration of this embodiment, the nickel concentration in the obtained crystalline silicon film 108 is set to 5 × 10 5. 18 Atom cm -3 It can be as follows.
[0051]
[Example 2]
This embodiment is characterized in that, in the manufacturing process of Embodiment 1 shown in FIG. 1, the heat treatment step shown in FIG. 1C is performed under the condition that the heating temperature is 550 ° C. and the heating time is 4 hours. To do. When the heat treatment step shown in FIG. 1C is performed at 550 ° C. for 4 hours, the amorphous silicon film 107 is crystallized by the action of nickel element diffusing from the crystalline silicon film 105. End up.
[0052]
At this time, crystallization proceeds in a direction from the crystalline silicon film 105 toward the amorphous silicon film 107 through the oxide film 106. As described above, the metal element that promotes the crystallization of silicon tends to concentrate at the tip of crystal growth. Therefore, a region where nickel elements are concentrated is formed on the surface of the crystallized silicon film 107 (which has been transformed into a crystalline silicon film at this stage). As a matter of course, the nickel concentration in the crystalline silicon film 105 is reduced.
[0053]
Further, the unevenly distributed region of nickel element existing on the surface of the crystalline silicon film 105 moves with the tip portion of the crystal growth as the crystallization of the amorphous silicon film 107 proceeds. In other words, this unevenly distributed region of nickel element exists in the silicon film 107 (referred to here as a crystallized state) after the crystallization is completed. Therefore, the unevenly distributed region of nickel element existing on the surface of the crystalline silicon film 105 can be eliminated.
[0054]
When the amorphous silicon film 107 is crystallized in this way, there is a concern whether the crystallized silicon film can be selectively removed. However, since the silicon oxide film 106 functioning as an etching stopper is formed, only the silicon film 107 (crystallized in this case) can be selectively removed. That is, hydrazine and ClF Three When etching using a gas is performed, the etching rate of the acid film indicated by 106 is extremely small compared to the etching rate of the silicon film 107, so that the etching can be stopped when the etching of the silicon film 107 is completed. it can.
[0055]
When the structure shown in this embodiment is employed, the heating step shown in FIG. 1B and the heating step shown in FIG. 1C can be performed under the same conditions.
[0056]
Example 3
This embodiment shows an example in which a thin film transistor is manufactured using a crystalline silicon film obtained by the manufacturing method described in Embodiment 1 or Embodiment 2. FIG. 5 illustrates a manufacturing process of the thin film transistor described in this embodiment.
A crystalline silicon film 503 is formed over the glass substrate 501 over which the base film 502 is formed, using the method described in Example 1 or Example 2. (Fig. 5 (A))
[0057]
Next, the obtained crystalline silicon film 503 is patterned to form an active layer of a thin film transistor as indicated by 504. Then, a silicon oxide film 505 functioning as a gate insulating film is formed to a thickness of 1000 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. (Fig. 5 (B))
[0058]
Next, an aluminum film containing scandium is formed to a thickness of 6000 mm and patterned to form a gate electrode 506. Then, an oxide layer 507 is formed in the electrolytic solution by performing anodization using the gate electrode 506 as an anode. The oxide layer 507 has a thickness of 2000 mm. With the thickness of the oxide layer 507, an offset gate region can be formed in a later step.
[0059]
Further, impurity ions are implanted into the active layer 504. Here, phosphorus ions are implanted as impurity ions. In this step, phosphorus ions are implanted in the regions indicated by 508 and 511. The regions indicated by 508 and 511 serve as source / drain regions. An area 509 is an offset gate area. The region 510 is a channel formation region.
[0060]
After the impurity ion implantation is completed, laser light is irradiated to activate the implanted ions and anneal the damaged source / drain regions 508 and 511 at the time of ion implantation. (Fig. 5 (C))
[0061]
Next, a silicon oxide film 512 is formed as an interlayer insulating film, contact holes are further formed, and a source electrode 513 and a drain electrode 514 are formed using aluminum. Finally, heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere at 350 ° C. to complete the thin film transistor. (Fig. 5 (D))
[0062]
Example 4
In this embodiment, nickel, which is a metal element that promotes crystallization of silicon, is selectively introduced to obtain a crystalline silicon film that grows in a direction parallel to the substrate, and at the same time, this crystalline silicon film The present invention relates to a technique for reducing the nickel concentration in the inside.
[0063]
A silicon oxide film having a thickness of 3000 mm is formed as a base film 602 on the glass substrate 601 by a sputtering method. Next, an amorphous silicon film 603 is formed to a thickness of 500 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD.
Next, UV light is irradiated in an oxygen atmosphere to form an extremely thin oxide film (not shown) on the surface of the amorphous silicon film 603. This oxide film is for improving the wettability of the solution in a later solution coating step.
Then, a mask 604 is formed using a resist. A region 605 exposed by the resist mask 604 has a slit shape having a longitudinal direction in a direction perpendicular to the paper surface of FIG.
Next, a nickel acetate solution containing nickel at a predetermined concentration is dropped to form a water film 606. (Fig. 6 (A))
[0064]
Further, spin coating is performed using the spinner 600 so that the nickel element is held in contact with the region 605 on the amorphous silicon film 603 through an oxide film (not shown).
[0065]
Then, the resist mask 604 is removed. Next, heat treatment is performed to crystallize the amorphous silicon film 603. The nickel element diffuses into the amorphous silicon film 603 through the oxide film (not shown) from the state held in contact with the amorphous silicon film 603 via the oxide film (not shown) in the region indicated by 605. As the nickel element diffuses, the amorphous silicon film 603 undergoes crystal growth in a direction parallel to the substrate as indicated by an arrow 607, and a crystalline silicon film 608 is formed.
This crystal growth proceeds in a columnar or needle shape. In the case of the present embodiment, the region indicated by 605 has a slit shape having a longitudinal direction from the front side to the back side of the drawing, so that the crystal growth as indicated by the arrow 607 is substantially along one direction. And proceed. Crystal growth can be performed over several tens of micrometers to 100 micrometers or more. (Fig. 6 (B))
[0066]
After obtaining the crystalline silicon film 608, an oxide film 609 is formed to a thickness of 50 mm by a thermal oxidation method. Further, an amorphous silicon film 610 is formed to a thickness of 1000 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. (Fig. 6 (C))
[0067]
Then, heat treatment is performed at 450 ° C. for 2 hours to diffuse the nickel element in the crystalline silicon film 608 into the amorphous silicon film 610 through the oxide film 609. Then, the amorphous silicon film 610 is made ClF. Three Etching with a gas, and the oxide film 609 is removed with buffered hydrofluoric acid. In this manner, a crystalline silicon film 611 with a lowered nickel concentration as shown in FIG. 6D can be obtained. The crystalline silicon film 611 has a feature in which a crystal growth region is formed in a direction parallel to the substrate as indicated by reference numeral 607 and the nickel concentration in the film is low.
[0068]
According to experiments, it has been found that a certain amount of nickel introduced into the region indicated by 605 can increase the distance of crystal growth in a direction parallel to the substrate indicated by 607 (referred to as lateral growth). Yes. However, an increase in the amount of nickel element introduced is not preferable because it causes the nickel concentration in the finally obtained crystalline silicon film 611 to increase. This is because when the nickel concentration in the film increases (according to experiments, 5 × 10 19 Atom cm -3 If it becomes above, the characteristic as a semiconductor of a silicon film will be impaired, the operation | movement of the thin-film transistor produced will become unstable, or the characteristic deterioration will become serious.
[0069]
However, as shown in the present embodiment, the nickel element is removed after the crystallization is completed to increase the lateral crystal growth distance, and the nickel concentration in the obtained crystalline silicon film 611 ( It is possible to satisfy both demands for reducing the concentration of metal elements) as much as possible.
[0070]
Example 5
In this example, a thin film transistor is configured using the crystalline silicon film obtained in Example 4. FIG. 7 shows a manufacturing process of this example.
A crystalline silicon film is obtained according to the process shown in FIG. This crystalline silicon film has a region where the crystal has grown in a direction parallel to the substrate.
[0071]
As shown in FIG. 7A, the crystalline silicon film is patterned to form a region to be an active layer 703 of the thin film transistor. In FIG. 7A, reference numeral 701 denotes a glass substrate, and reference numeral 702 denotes a silicon oxide film as a base film.
[0072]
Here, it is important that there is no crystal growth start point (region where nickel is introduced) and crystal growth end point in the crystal growth shown in FIG. 6B in the active layer 703. This is because nickel is contained in a high concentration at the start point of crystal growth and the end point of crystal growth.
[0073]
Further, a silicon oxide film 704 functioning as a gate insulating film is formed to a thickness of 1000 mm by plasma CVD. (Fig. 7 (A))
[0074]
Next, a gate electrode 705 is formed by forming a film containing aluminum as a main component and further performing patterning. Using the gate electrode 705 as an anode, the oxide layer 706 is formed by anodizing in an electrolytic solution. In the later step of implanting impurity ions with the thickness of the oxide layer 706, an offset gate region can be formed. (Fig. 7 (B))
[0075]
Phosphorus ions are implanted as impurity ions. In this step, a source region 707 and a drain region 710 are formed. Further, an offset gate region 708 and a channel formation region 709 are formed. After the implantation of impurity ions, the source / drain regions 707 and 710 are activated by irradiating laser light or strong light.
[0076]
Then, a silicon oxide film 711 serving as an interlayer insulating film is formed to a thickness of 6000 mm by plasma CVD. After forming contact holes in the silicon oxide film 711, a source electrode 712 and a drain electrode 713 are formed. Thus, the thin film transistor is completed. (Fig. 7 (C))
[0077]
Example 6
This embodiment is characterized in that heat treatment is performed again after the crystalline silicon film manufacturing process of Embodiment 1 shown in FIG.
When heat treatment is performed in the step shown in FIG. 1C, nickel (metal element) in the crystalline silicon film 105 is gradually sucked into the amorphous silicon film 107 as shown in FIG. At this time, as shown in FIG. 4, the nickel concentration near the surface of the crystalline silicon film 105 becomes higher than the nickel concentration near the interface of the silicon oxide film 102 under the crystalline silicon film 105. This means that nickel in the crystalline silicon film 105 is segregated on the surface side of the crystalline silicon film 105 as a result of the nickel in the amorphous silicon film 107 being sucked out. ing.
[0078]
Therefore, in the case where a thin film transistor is manufactured using the crystalline silicon film 108 formed on the glass substrate 101 as shown in FIG. 1D, carriers are conducted on the surface of the crystalline silicon film 108. become. It is not preferable that nickel is present in a high concentration in a region where carriers are conducted.
[0079]
Therefore, in this embodiment, after obtaining the state shown in FIG. 1D, heat treatment is performed, and nickel is diffused again into the crystalline silicon film 108. The heat treatment performed here may be a temperature of 400 ° C. or higher because nickel can be diffused. The upper limit is limited by the heat resistance of the glass substrate 101. Therefore, the temperature of the heating performed here may be 400 ° C. or more and not more than the strain point of the glass substrate.
[0080]
Details of this embodiment will be described below with reference to FIG.
The state shown in FIG. 1D is obtained through the manufacturing process as shown in FIG. This state is shown in FIG. FIG. 8A shows a layer 802 (surface side) in which nickel is segregated and nickel is contained in a high concentration, and a layer 801 in which nickel concentration is contained at a lower concentration than the layer side indicated by 802. It is shown. The layers 801 and 802 constitute a crystalline silicon film 108 (see FIG. 1D) formed over the glass substrate 101 with the base film 102 interposed therebetween.
[0081]
In the state shown in FIG. 8A, heat treatment is performed as shown in FIG. Here, heat treatment is performed at 500 ° C. for 2 hours. As a result, the nickel element in the region indicated by 802 diffuses into the region indicated by 801 where nickel is present at a lower concentration. Thus, this region 802 can be made free of nickel segregation. Then, a crystalline silicon film 803 in which the nickel concentration on the surface can be reduced can be obtained. (Fig. 8 (C))
[0082]
Example 7
This example is an example in the case where the structure shown in Example 7 is irradiated with laser light instead of heat treatment in the crystallization step. The steps of this example are shown in FIG.
First, after the process shown in FIG. 1, a layer 802 made of a crystalline silicon film having a high concentration of nickel element on its surface, and a layer 801 made of a crystalline silicon film having a low concentration of nickel element, are shown. Get. (Fig. 9 (A))
[0083]
Next, nickel element is diffused from the layer 802 to the layer 801 by irradiation with laser light. (Fig. 9 (B))
[0084]
Thus, a crystalline silicon film 901 having a state where nickel is uniformly diffused in the film is obtained. (Figure 9 (C))
[0085]
Example 8
This embodiment is characterized in that, in the step shown in Embodiment 1, the amorphous silicon film 107 shown in FIG. 1C is artificially formed with a high defect density.
In the process shown in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the crystalline silicon film 105 has an average of 3 × 10 5. 18 Atom cm -3 About nickel element is included. In view of this, the present embodiment is characterized in that the defect density in the amorphous silicon film 107 for removing nickel element is at least equal to or higher than the concentration of nickel element, and its removal capability is enhanced.
[0086]
The defect density in the amorphous silicon film 107 can be estimated by measuring the spin density. In addition, to form defects artificially, sputtering, low-temperature plasma CVD, or hydrogen for neutralizing unpaired bonds is not used, but plasma CVD or vacuum thermal CVD using only silane or disilane. May be used.
[0087]
When the defect density of the amorphous silicon film 107 is increased, the nickel element removal capability can be increased, and the effects shown in FIGS. 3 and 4 can be further increased.
[0088]
Example 9
In this embodiment, a polycrystalline silicon film is used as a film for diffusing nickel element (sucking out nickel element).
[0089]
FIG. 1 shows a manufacturing process of a crystalline silicon film shown in this embodiment. First, a silicon oxide film 102 is formed to a thickness of 3000 mm as a base film on a Corning 7059 glass substrate 101 (strain point 593 ° C.).
Next, an amorphous silicon film 103 is formed to a thickness of 600 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. Then, a nickel acetate solution adjusted to a predetermined nickel concentration is dropped on the amorphous silicon film 103 and spin coating is performed using the spinner 100 to form the water film 104. As a result, the nickel element is held in contact with the surface of the amorphous silicon film 103. (Fig. 1 (A))
[0090]
Next, heat treatment is performed to crystallize the amorphous silicon film 103 to obtain a crystalline silicon film 105. Here, the heating temperature is 550 ° C., and the heating time is 4 hours (FIG. 1B).
[0091]
When the crystalline silicon film 105 is obtained, a silicon oxide film 106 is formed on the surface thereof to a thickness of about several tens to 100 mm by irradiation with UV light in the air.
Next, a polycrystalline silicon film 107 is formed to a thickness of 600 mm by low pressure thermal CVD. The polycrystalline silicon film 107 does not have to have a film quality required for the active layer of the semiconductor, and is a film having a high defect density. The defect density is preferably higher than the defect density of the crystalline silicon film 105.
[0092]
Next, by performing heat treatment, the nickel element in the crystalline silicon film 105 is diffused through the oxide film 106 in the amorphous silicon film 107. (Figure 1 (C))
[0093]
At this time, the lower limit of the heating temperature is defined as a temperature at which nickel can diffuse, and is 400 ° C. or higher. The upper limit is defined as the strain temperature of the glass substrate 101. By this heat treatment, the nickel element in the crystalline silicon film 105 diffuses into the polycrystalline silicon film 107, and the concentration of nickel element in the crystalline silicon film 105 can be lowered.
[0094]
In general, if the thickness of the polycrystalline silicon film 107 is set to be equal to or greater than the thickness of the crystalline silicon film 105, the nickel concentration in the crystalline silicon film 105 is reduced to ½ or less by performing the heat treatment. can do.
[0095]
Then, the amorphous silicon film 107 is removed by etching. Hydrazine (N 2 H 6 Or ClF Three Gas may be used. On the other hand, since the etching rate of silicon oxide is extremely low, the silicon oxide film 106 functions as an etching stopper, so that only the polycrystalline silicon film 107 that has sucked out nickel can be selectively removed.
Next, the silicon oxide film 106 is removed with buffered hydrofluoric acid or hydrofluoric acid to obtain a crystalline silicon film 108 in which the nickel element concentration can be lowered. (Figure 1 (D))
[0096]
Example 10
In this example, the amorphous Si film is formed on the film in which nickel element is diffused (nickel element is sucked out). X Ge 1-X A film (0 <x <1) is used. FIG. 1 shows a manufacturing process of a crystalline silicon film shown in this embodiment.
[0097]
A silicon oxide film 102 is formed as a base film on a Corning 7059 glass substrate 101 (strain point 593 ° C.) to a thickness of 3000 mm.
Next, an amorphous silicon film 103 is formed to a thickness of 600 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. Then, a nickel acetate solution adjusted to a predetermined nickel concentration is dropped on the amorphous silicon film 103 and spin coating is performed using the spinner 100 to form the water film 104. As a result, the nickel element is held in contact with the surface of the amorphous silicon film 103. (Fig. 1 (A))
[0098]
Next, heat treatment is performed to crystallize the amorphous silicon film 103 to form a crystalline silicon film 105. Here, the heating temperature is 550 ° C., and the heating time is 4 hours (FIG. 1B).
[0099]
When the crystalline silicon film 105 is obtained, a silicon oxide film 106 is formed on the surface thereof to a thickness of about several tens to 100 mm by irradiation with UV light in the air.
Next, silane (SiH Four ) And germane (GeH) Four Si) in an amorphous state by plasma CVD method X Ge 1-X A film 107 is formed to a thickness of 600 mm. Amorphous Si X Ge 1-X In order to make the film 107 a film having a high defect density, the substrate temperature at the time of film formation may be lowered or the source gas may not be diluted with hydrogen.
[0100]
Next, by performing heat treatment, amorphous Si X Ge 1-X The nickel element in the crystalline silicon film 105 is diffused into the film 107 through the oxide film 106. (Figure 1 (C))
[0101]
The lower limit of the heating temperature is defined as the temperature at which nickel can diffuse, and is 400 ° C. or higher. The upper limit is defined by the strain temperature of the glass substrate 101. By the heat treatment, the nickel element in the crystalline silicon film 105 is in an amorphous state. X Ge 1-X The concentration of nickel element in the crystalline silicon film 105 can be lowered by diffusing into the film 107.
[0102]
And Si X Ge 1-X The film 107 is removed by etching. At this time, Si X Ge 1-X An etching solution and an etching gas having a high etching selectivity between the film 107 and the silicon oxide film 106 are used so that the silicon oxide film 106 functions as an etching stopper. As a result, Si that sucked out nickel X Ge 1-X Only the film 107 can be selectively removed.
[0103]
Next, the silicon oxide film 106 is removed with buffered hydrofluoric acid or hydrofluoric acid to obtain a crystalline silicon film 108 in which the nickel element concentration can be lowered as shown in FIG.
[0104]
【The invention's effect】
By the action of the metal element, a crystalline silicon film can be formed at a lower temperature than the conventional case of about 550 ° C. or lower. Therefore, a crystalline silicon film can be formed on the glass substrate.
[0105]
Further, by diffusing the metal element in the silicon film crystallized by the action of the metal element into the amorphous silicon film, a crystalline silicon film having a low concentration of the metal element can be obtained. Therefore, using the crystalline silicon film, a device free from the adverse effects of metal elements, such as a thin film transistor, can be obtained.
[0106]
Further, since the portion where the metal element is unevenly distributed in the silicon film crystallized by the action of the metal element is removed, a crystalline silicon film without the portion where the metal element is unevenly distributed can be obtained. As a result, a semiconductor element free from the influence of metal elements can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are diagrams illustrating a manufacturing process of a crystalline silicon film. FIGS.
FIG. 2 is a diagram showing a concentration distribution of nickel element.
FIG. 3 is a diagram showing a concentration distribution of nickel element.
FIG. 4 is a diagram showing a concentration distribution of nickel element.
FIGS. 5A and 5B illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. FIGS.
6A and 6B are diagrams illustrating a manufacturing process of a crystalline silicon film.
FIGS. 7A to 7C illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. FIGS.
FIGS. 8A to 8C are diagrams illustrating a manufacturing process of a crystalline silicon film. FIGS.
FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating a manufacturing process of a crystalline silicon film. FIGS.
[Explanation of symbols]
100, 600 ... Spinner
101, 501, 601, 701 ・ Glass substrate
102, 502, 602, 702. Base film (silicon oxide film)
103, 603... Amorphous silicon film
104, 602 ... Water film
105, 608... Crystalline silicon film
106,609 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Oxide film
107, 610... Diffusion film for metal element
108, 611... Crystalline silicon film

Claims (21)

ガラス基板上の第1の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
前記第1の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜上に第2の非晶質珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜および前記第2の非晶質珪素膜を加熱して、前記金属元素を前記第2の非晶質珪素膜中に移動させ、
前記酸化珪素膜をエッチングストッパーとして前記第2の非晶質珪素膜を除去し、
前記酸化珪素膜を除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
Introducing a metal element for promoting crystallization of silicon into the first amorphous silicon film on the glass substrate;
Heating the first amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Forming a silicon oxide film on the crystalline silicon film;
Forming a second amorphous silicon film on the silicon oxide film;
Heating the crystalline silicon film and the second amorphous silicon film to move the metal element into the second amorphous silicon film;
Removing the second amorphous silicon film using the silicon oxide film as an etching stopper ;
A method for producing a crystalline silicon film, wherein the silicon oxide film is removed .
ガラス基板上の第1の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、Introducing a metal element for promoting crystallization of silicon into the first amorphous silicon film on the glass substrate;
前記第1の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、Heating the first amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
前記結晶性珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、Forming a silicon oxide film on the crystalline silicon film;
前記酸化珪素膜上に第2の非晶質珪素膜を形成し、Forming a second amorphous silicon film on the silicon oxide film;
前記結晶性珪素膜および前記第2の非晶質珪素膜を450℃以上で加熱して、前記金属元素を前記第2の非晶質珪素膜中に移動させ、  Heating the crystalline silicon film and the second amorphous silicon film at 450 ° C. or more to move the metal element into the second amorphous silicon film;
前記酸化珪素膜をエッチングストッパーとして前記第2の非晶質珪素膜を除去し、Removing the second amorphous silicon film using the silicon oxide film as an etching stopper;
前記酸化珪素膜を除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。A method for producing a crystalline silicon film, wherein the silicon oxide film is removed.
ガラス基板上の第1の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、Introducing a metal element for promoting crystallization of silicon into the first amorphous silicon film on the glass substrate;
前記第1の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、Heating the first amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
前記結晶性珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、Forming a silicon oxide film on the crystalline silicon film;
前記酸化珪素膜上に第2の非晶質珪素膜を形成し、Forming a second amorphous silicon film on the silicon oxide film;
前記結晶性珪素膜および前記第2の非晶質珪素膜を450℃以上、前記ガラス基板の歪み点を上限とする温度で加熱して、前記金属元素を前記第2の非晶質珪素膜中に移動させ、The crystalline silicon film and the second amorphous silicon film are heated at a temperature not lower than 450 ° C. and the upper limit of the strain point of the glass substrate, so that the metal element is contained in the second amorphous silicon film. Move to
前記酸化珪素膜をエッチングストッパーとして前記第2の非晶質珪素膜を除去し、Removing the second amorphous silicon film using the silicon oxide film as an etching stopper;
前記酸化珪素膜を除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。A method for producing a crystalline silicon film, wherein the silicon oxide film is removed.
ガラス基板上の第1の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、Introducing a metal element for promoting crystallization of silicon into the first amorphous silicon film on the glass substrate;
前記第1の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、Heating the first amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
前記結晶性珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、Forming a silicon oxide film on the crystalline silicon film;
前記酸化珪素膜上に第2の非晶質珪素膜を形成し、Forming a second amorphous silicon film on the silicon oxide film;
前記結晶性珪素膜および前記第2の非晶質珪素膜を加熱して、前記金属元素を前記第2の非晶質珪素膜中に移動させて前記結晶性珪素膜中の前記金属元素の濃度を5×10The crystalline silicon film and the second amorphous silicon film are heated to move the metal element into the second amorphous silicon film, so that the concentration of the metal element in the crystalline silicon film is increased. 5 × 10 1818 cmcm −3-3 以下にし、Below
前記酸化珪素膜をエッチングストッパーとして前記第2の非晶質珪素膜を除去し、Removing the second amorphous silicon film using the silicon oxide film as an etching stopper;
前記酸化珪素膜を除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。A method for producing a crystalline silicon film, wherein the silicon oxide film is removed.
ガラス基板上の第1の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、Introducing a metal element for promoting crystallization of silicon into the first amorphous silicon film on the glass substrate;
前記第1の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、Heating the first amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
前記結晶性珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、Forming a silicon oxide film on the crystalline silicon film;
前記酸化珪素膜上に第2の非晶質珪素膜を形成し、Forming a second amorphous silicon film on the silicon oxide film;
前記結晶性珪素膜および前記第2の非晶質珪素膜を450℃以上で加熱して、前記金属元素を前記第2の非晶質珪素膜中に移動させて前記結晶性珪素膜中の前記金属元素の濃度を5×10The crystalline silicon film and the second amorphous silicon film are heated at 450 ° C. or higher to move the metal element into the second amorphous silicon film, and Concentration of metal element is 5 × 10 1818 cmcm −3-3 以下にし、Below
前記酸化珪素膜をエッチングストッパーとして前記第2の非晶質珪素膜を除去し、Removing the second amorphous silicon film using the silicon oxide film as an etching stopper;
前記酸化珪素膜を除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。A method for producing a crystalline silicon film, wherein the silicon oxide film is removed.
ガラス基板上の第1の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、Introducing a metal element for promoting crystallization of silicon into the first amorphous silicon film on the glass substrate;
前記第1の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、Heating the first amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
前記結晶性珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、Forming a silicon oxide film on the crystalline silicon film;
前記酸化珪素膜上に第2の非晶質珪素膜を形成し、Forming a second amorphous silicon film on the silicon oxide film;
前記結晶性珪素膜および前記第2の非晶質珪素膜を450℃以上、前記ガラス基板の歪み点を上限とする温度で加熱して、前記金属元素を前記第2の非晶質珪素膜中に移動させて前記結晶性珪素膜中の前記金属元素の濃度を5×10The crystalline silicon film and the second amorphous silicon film are heated at a temperature not lower than 450 ° C. and the upper limit of the strain point of the glass substrate, so that the metal element is contained in the second amorphous silicon film. And the concentration of the metal element in the crystalline silicon film is 5 × 10 1818 cmcm −3-3 以下にし、Below
前記酸化珪素膜をエッチングストッパーとして前記第2の非晶質珪素膜を除去し、Removing the second amorphous silicon film using the silicon oxide film as an etching stopper;
前記酸化珪素膜を除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。A method for producing a crystalline silicon film, wherein the silicon oxide film is removed.
請求項1乃至6のいずれか一において、前記第2の非晶質珪素膜は、シランのみで成膜することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。7. The method for manufacturing a crystalline silicon film according to claim 1, wherein the second amorphous silicon film is formed using only silane. 請求項1乃至6のいずれか一において、前記第1の非晶質珪素膜及び前記第2の非晶質珪素膜はそれぞれI型の非晶質珪素膜であることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。7. The crystalline silicon according to claim 1, wherein each of the first amorphous silicon film and the second amorphous silicon film is an I-type amorphous silicon film. A method for producing a film. 請求項1乃至のいずれか一において、前記第2の非晶質珪素膜は、プラズマCVD法、熱CVD法又はスパッタ法を用いて形成されることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。In any one of claims 1 to 6, wherein the second amorphous silicon film, a method for manufacturing a crystalline silicon film, which is formed by using a plasma CVD method, a thermal CVD method or a sputtering method . 請求項1乃至6のいずれか一において、前記結晶性珪素膜上の前記酸化珪素膜は前記結晶性珪素膜を酸化して形成することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。7. The method for manufacturing a crystalline silicon film according to claim 1, wherein the silicon oxide film on the crystalline silicon film is formed by oxidizing the crystalline silicon film. 請求項1乃至のいずれか一において、前記珪素の結晶化を助長する金属元素は、Fe、Co、Ni、Pd、Ir、Pt、CuもしくはAuであることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。In any one of claims 1 to 6, a metal element for promoting crystallization of the silicon, Fe, Co, Ni, Pd , Ir, Pt, of the crystalline silicon film, which is a Cu or Au Manufacturing method. 請求項1乃至のいずれか一において、前記第2の非晶質珪素膜の膜厚は、前記第1の非晶質珪素膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。In any one of claims 1 to 6, wherein the thickness of the second amorphous silicon film, the crystalline silicon film, wherein a greater thickness than the first amorphous silicon film Manufacturing method. 請求項1乃至のいずれか一において、前記第2の非晶質珪素膜の欠陥密度は、前記珪素の結晶化を助長する金属元素の濃度よりも高いことを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。In any one of claims 1 to 6, the defect density of the second amorphous silicon film, the crystalline silicon film being higher than the concentration of the metal element for promoting crystallization of the silicon Manufacturing method. 請求項1乃至のいずれか一において、前記結晶性珪素膜および前記第2の非晶質珪素膜の加熱後、前記第2の非晶質珪素膜中の前記珪素の結晶化を助長する金属元素の濃度は、前記結晶性珪素膜中の前記珪素の結晶化を助長する金属元素の濃度よりも高くなることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。In any one of claims 1 to 6, after the heating of the crystalline silicon film and the second amorphous silicon film, a metal for promoting crystallization of the silicon in the second amorphous silicon film The method for producing a crystalline silicon film, wherein the concentration of the element is higher than the concentration of a metal element that promotes crystallization of the silicon in the crystalline silicon film. 請求項1乃至のいずれか一において、前記第2の非晶質珪素膜の代わりに非晶質のSiGe1−X(0<X<1)を用いることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。In any one of claims 1 to 6, crystalline silicon, which comprises using an amorphous Si X Ge 1-X (0 <X <1) in place of the second amorphous silicon film A method for producing a film. 請求項1乃至6のいずれか一に記載の作製方法によって形成された結晶性珪素膜上にゲート絶縁膜を形成し、Forming a gate insulating film on the crystalline silicon film formed by the manufacturing method according to claim 1;
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、Forming a gate electrode on the gate insulating film;
前記ゲート電極をマスクとして不純物イオンを注入してソース領域及びドレイン領域を形成し、Impurity ions are implanted using the gate electrode as a mask to form a source region and a drain region,
前記注入された不純物イオンの活性化を行い、Activating the implanted impurity ions;
前記ソース領域及びドレイン領域上にソース電極及びドレイン電極を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。A method for manufacturing a thin film transistor, comprising forming a source electrode and a drain electrode over the source region and the drain region.
請求項1乃至15のいずれか一に記載の作製方法によって形成された結晶性珪素膜を用いることを特徴とするデバイス。Claims 1 to devices, which comprises using a crystalline silicon film formed by the manufacturing method according to any one of 15. 請求項17に記載のデバイスを用いたことを特徴とする液晶表示装置。A liquid crystal display device using the device according to claim 17 . 請求項1乃至15のいずれか一に記載の作製方法によって形成された結晶性珪素膜を用いることを特徴とする薄膜トランジスタ。Claims 1 to TFT, which comprises using a crystalline silicon film formed by the manufacturing method according to any one of 15. 請求項19に記載の薄膜トランジスタを用いたことを特徴とする液晶表示装置。20. A liquid crystal display device using the thin film transistor according to claim 19 . 請求項18または20に記載の液晶表示装置を用いたことを特徴とする電子機器。An electronic apparatus using the liquid crystal display device according to claim 18 or 20 .
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