JP3844640B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動作半導体膜を有する薄膜型の半導体装置及びその製造方法に関し、特に、動作半導体膜にソース/ドレインが形成され、チャネル領域上にゲート電極が形成されてなる薄膜トランジスタに適用して好適である。
【0002】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)は、極めて薄く微細な動作半導体膜に形成されるものであるため、近時の大面積化の要請を考慮して大画面の液晶パネル等への搭載が期待されている。
【0003】
TFTの動作半導体膜としては、アモルファスシリコン膜に比してキャリア移動度が高く熱的に安定なことから、多結晶シリコン膜の使用が検討されている。現在のところ、多結晶シリコン膜を用いた動作半導体膜の形成方法としては、以下に示す手法が利用されている。
【0004】
(1)アモルファスシリコン膜に600℃〜1100℃程度の熱処理を加えて結晶化し、多結晶シリコン膜を形成する方法が採用されている。この手法は、熱処理の初期段階に結晶の核を形成させ、これを成長させることにより結晶化を図る。
【0005】
(2)アモルファスシリコン膜をレーザのエネルギーを加えて熔融させ、冷却時に結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する。
【0006】
(3)600℃以上の温度において化学気相成長法、または物理蒸着法により直接多結晶シリコン膜を形成する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここでは、ガラス基板上に半導体薄膜を形成する方法を例に採り、従来の技術の問題点を論ずる。ガラスを利用するために、基板の温度は600℃以下に限定される。
【0008】
(1)に述べた結晶成長方法では、600℃という熱処理温度を必要とするが、この温度はガラスにとって高温度で熱処理することに相当し、ガラスに変形が生じる。また、成長した結晶内には積層欠陥や双晶を多量に含んでおり、結晶性の良い多結晶シリコン膜の形成は望めない。
【0009】
(3)に述べた結晶成長方法では、柱状結晶が形成され、結晶粒径も小さいために結晶性が十分ではなく、高い電子移動度を示す結晶を形成できない。
【0010】
(2)に述べたレーザアニールを利用する方法では、基板の温度を上昇させないことを考慮して使用できるレーザは、エキシマレーザに代表されるパルスレーザアニールに限定される。エキシマレーザを利用した場合には、溶融相を経由して結晶が成長されるため高品質な多結晶シリコン膜が得られる。しかし、高品質の多結晶シリコン膜が得られるエネルギー領域が非常に狭いという問題点がある。また、エキシマレーザを利用した場合には、表層のシリコン薄膜領域のみが溶融して高温度になるが、ガラス自身の温度は低い。そのためシリコン融液の冷却速度が大きくなる。
【0011】
そのため、過冷却状態での融液成長となり、多量の結晶核が形成され、結晶粒径が小さい。通常、300nm〜500nm程度の結晶粒径となる。結晶性が最も良いエキシマレーザを利用して多結晶シリコン薄膜を形成した場合、薄膜トランジスタの電子移動度は200cm2/Vs程度であり、単結晶シリコンの電子移動度600cm2/Vsと比較して遥かに小さい。この原因は、結晶粒径が小さく結晶粒界部分がキャリアの強い散乱体として作用するためである。
【0012】
このように従来では、動作半導体膜を多結晶シリコン膜から構成するも、結晶粒界による電子移動度の低下を抑えることができず、高品質の多結晶シリコン膜を確実に得ることが困難であるという深刻な問題がある。
【0013】
本発明の目的は、低温で形成する場合であっても、高い電子移動度を得ることができる半導体薄膜の形成方法並びにその半導体薄膜を用いた半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
記目的は、絶縁基板上に動作半導体膜が形成された薄膜型の半導体装置の製造方法であって、切り込み状にくびれたくびれ部が形成され、チャネル領域となる部位がその他の部位より幅狭に形成されるように、前記絶縁基板上に島状の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜を分離膜で覆い、前記分離膜を介して半導体膜の側面のみを囲うように保温膜を形成する工程と、前記半導体膜に対して上面からエネルギービームを照射して前記半導体膜を結晶化し、前記動作半導体膜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製造方法により達成される。
【0018】
また、上記の半導体装置の製造方法において、前記保温膜を前記半導体膜より厚く形成するようにしてもよい。
【0019】
また、上記目的は、絶縁基板上に動作半導体膜が形成された薄膜型の半導体装置の製造方法であって、切り込み状にくびれたくびれ部が形成され、チャネル領域となる部位がその他の部位より幅狭に形成されるように、前記絶縁基板上に島状の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜を分離膜で覆い、前記半導体膜の全面を前記分離膜を介して保温膜で覆う工程と、前記半導体膜に対して前記絶縁基板の下面からエネルギービームを照射して前記半導体膜を結晶化し、前記動作半導体膜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製造方法により達成される。
【0021】
上記の考察から、電子移動度の低下を引き起こす結晶粒界の発生を抑制することができれば、電子移動度は向上し、半導体素子の性能が向上する。このためには、動作半導体膜を粒径の大きい結晶粒から構成すればよく、単結晶半導体であることが究極の姿である。
【0022】
本発明の一態様では、動作半導体膜の少なくともチャネル領域を成長方向の制御された大粒径の結晶粒から構成する。これにより、電流方向と直交する結晶粒界の発生を抑止し、実質的に単結晶状態の半導体、即ち、電流方向に対して90°未満の傾きを有する粒界のみを含む結晶状態である準単結晶半導体からチャネル領域が構成されることになり、準単結晶状態であるために必然的に高移動度の半導体装置を実現できる。
【0023】
大粒径の結晶粒を形成するためには、何らかの方法により融液の冷却速度を小さくする必要がある。その一つの方法として、熱容量の大きい保温膜を形成し、その膜に接触させる形で、あるいは保温膜と非常に接近した位置に結晶化させる膜を位置させ、しかもシリコン島に温度分布が形成されるように存在させる。これにより冷却温度を小さく、しかも温度分布を制御させて、核形成位置、結晶成長の方向を制御することが可能となり、大粒径の結晶粒が形成される。本発明では、動作半導体膜の材料となる島状の半導体膜の側面に分離膜を介して熱容量が大きく熱浴として機能する保温膜を形成し、上面からエネルギービームを照射することにより、融液の冷却速度を小さくし、且つ半導体膜の温度分布を制御して、核形成位置および結晶成長方向を制御する。これにより結晶粒径が大きく、実質的に準単結晶状態の動作半導体膜を得ることができる。
【0024】
また、本発明の別の態様では、動作半導体膜の少なくともチャネル領域を、円形の結晶粒で、前記結晶粒の半径をLとすると250nm<Lであり、かつ、チャネル幅をWとすると、W<4Lである円形大粒径の結晶粒からなる多結晶状態に構成する。即ち、チャネル領域の幅は極めて狭く、幅方向ではほぼ1つの円形大粒径結晶粒により占められるため、チャネル領域が実質的に大粒径結晶状態として構成されることになり、高移動度の半導体装置を実現できる。
【0025】
本発明では、動作半導体膜の材料となる島状の半導体膜を覆うように分離膜を介して保温膜を形成し、下面からエネルギービームを照射することにより、融液の冷却速度を小さくし、直径数μm程度の円形大粒径結晶粒からなる多結晶状態の動作半導体膜を得ることができる。
【0026】
また、本発明では、シリコン層の幅の狭い領域から幅の広い領域に向かって、連続発振のレーザをスキャンすることにより結晶成長するため、横方向に成長した結晶を引き継ぐことができるとともに、結晶欠陥をシリコン層の外側に排除することができる。従って、本発明によれば、単結晶シリコンを有するシリコン薄膜を形成することができる。なお、シリコン層の幅は、必ずしも変化させる必要はなく、均一な幅であってもよい。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0028】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態では、半導体装置として薄膜トランジスタ(TFT)を例示し、その構成を製造方法とともに説明する。当該製造方法を述べるにあたって、先ず本発明の特徴であるTFTの動作半導体膜の構造及び形成方法について説明する。
【0029】
図1及び図2は、この動作半導体膜の形成方法を示す工程断面図である。
【0030】
先ず、図1(a)に示すように、ガラス基板1上に膜厚200nm程度にバッファ層となるシリコン酸化膜2を形成した後、半導体膜として膜厚80nm程度にアモルファスシリコン膜3をPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition、プラズマ化学気相堆積)法で形成する。アモルファスシリコン膜3の膜厚は、後述する保温膜の膜厚との関係から、30nm〜200nm程度とすることが好ましい。次に、水素出しのためにガラス基板1に450℃で2時間の熱処理を加える。
【0031】
続いて、図1(b)に示すように、アモルファスシリコン膜3を島状に加工する。本実施形態では、図中のチャネル領域に相当する断面部位における幅が次第に狭くなる構造となるようにフォトリソグラフィ及びドライエッチングによりパターニングする。このときオーバーエッチングを行なうようにする。
【0032】
続いて、図1(c)に示すように、アモルファスシリコン膜3の全面(側面及び上面)を覆うように、分離膜となるシリコン酸化膜4をPECVD法により膜厚30nm程度となるように形成する。
【0033】
続いて、図1(d)に示すように、PECVD法によりシリコン酸化膜4を介してアモルファスシリコン膜3を覆うようにアモルファスシリコン膜を膜厚300nm程度に形成し、ニッケル(Ni)を利用した金属誘起固相成長によりアモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜5に変化させる。固相成長を誘起する金属不純物にはNi以外のものを用いてもよい。このとき、固相成長温度を570℃、熱処理時間を8時間とする。この処理により、膜厚300nm程度のアモルファスシリコン膜は多結晶シリコン膜5に変化するが、分離膜であるシリコン酸化膜4に覆われたアモルファスシリコン膜3はシリコン酸化膜4がNiの拡散を防止するために、アモルファスシリコンの状態に保たれる。
【0034】
ここで、化学気相成長法又は物理蒸着法によりアモルファスシリコン膜3を覆うように当初から多結晶シリコン膜5を形成するようにしてもよい。
【0035】
また、保温膜は、必ずしも多結晶シリコンである必要はなく、アモルファスシリコンのままであってもよい。また、他の材料を用いて保温膜を構成してもよい。
【0036】
続いて、図2(a)に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing、化学的機械的研磨)法により、多結晶シリコン膜5を研磨して表面を平坦化する。このとき、シリコン酸化膜4がCMPのストッパーとして機能するため、シリコン酸化膜4上でCMPが停止して表面平坦化が実現される。
【0037】
続いて、図2(b)に示すように、アモルファスシリコン膜3をシリコン酸化膜4を介して多結晶シリコン膜5が保温膜として側面から囲む状態で、上面からエネルギービームとしてエキシマレーザを照射し、アモルファスシリコン膜3を結晶化させる。
【0038】
結晶化時におけるアモルファスシリコン膜3内の温度分布は図3のようになる。レーザ照射直後の時刻t1ではアモルファスシリコン膜3と保温膜(多結晶シリコン膜)5との温度差は僅少であるが、時刻t2、t3と進むにつれ、アモルファスシリコン膜3の温度低下率は保温膜5よりかなり大きくなる。これは、保温膜5の膜厚がアモルファスシリコン膜3より厚いため、熱容量が大きいことに起因する。従って、保温膜5はアモルファスシリコン膜3に比して冷却速度が遅く、熱浴の役割を果たす。そのため、アモルファスシリコン膜3においては、そのエッジ部位から内部へ向かう方向に温度勾配が形成され、具体的にはエッジ部位付近が高く、内部へ向かうほど低い温度分布となる。従って、図4に示すように、アモルファスシリコン膜3のエッジ部位では固化が遅れ、内部からエッジ部位ヘ向かう方法に結晶化が進行する。
【0039】
このとき、動作半導体膜となったときのチャネル領域に相当する部位では、図5に示すように、前記エッジ部位に沿った方向(長手方向)へ向かって固化が進み、成長方向の制御された大粒径の結晶粒が形成されるとともに、当該固化方向に沿って結晶粒界が形成される。即ち、若干の結晶粒界が電流方向に沿った方向のみに形成され、電流方向と直交する方向には結晶粒界は殆ど発生しないため、実質的に単結晶状態の半導体である準単結晶シリコンの動作半導体膜11が形成されることになる。
【0040】
ここで、図6に示すように、アモルファスシリコン膜3の温度分布を制御するために、アモルファスシリコン膜3の下部に位置するようにシリコン酸化膜2内に絶縁材料からなる熱吸収体13を埋設してもよい。これにより、アモルファスシリコン膜3の温度低下率が更に速くなり、大きな温度分布が形成されることになり、準単結晶化の確実性が担保される。
【0041】
続いて、図2(c)に示すように、ドライエッチングにより保温膜5を除去する。このとき、分離膜として機能するシリコン酸化膜4が動作半導体膜11と保温膜5との間に介在するために、シリコン酸化膜4で囲まれた動作半導体膜11はエッチングされない。しかる後、図2(d)に示すように、HFを用いたウェットエッチングによりシリコン酸化膜4を剥離除去することにより、動作半導体膜11を完成させる。
【0042】
(変形例)
ここで、良好な結晶成長を考慮し、パターニング形状の異なる種々の準単結晶シリコン膜について説明する。
【0043】
(変形例(その1))
先ず、変形例(その1)について述べる。サンプル作成方法は上述の手法とほぼ同様であるので省略する。
【0044】
ここでは、図7(a)及び図7(b)に示すように、中央部位、即ちチャネル領域となる部位において、幅が徐々に減少する形状となる島状にアモルファスシリコン膜3をパターニングする。なお、図7(b)は、図7(a)の円C内を拡大した図である。
【0045】
このとき、結晶成長のメカニズムは、図8に示すように、上述の手法で述べたアモルファスシリコン膜3の内部からエッジ部位へ向かうラテラル成長のメカニズムが形成される。図中のA点では、双方のエッジ部位へ向かってラテラル成長することが可能である。そのためにA点で一つの結晶核が形成され、ラテラル成長距離のほぼ2倍の領域で一つの単結晶粒が形成される。幅がさらに狭くなる領域では、エッジ部位に存在する保温膜5による保温効果が強くなるために、固化が遅れる。そのため、A点で形成された一つの単結晶粒が幅が狭い領域に伝搬して、一つの単結晶粒が幅が徐々に狭くなる部位に形成されてゆく。これは、図5に示した成長メカニズムと類似する。
【0046】
(変形例(その2))
次いで、変形例(その2)について述べる。サンプル作成方法は上述の手法とほぼ同様であるので省略する。
【0047】
ここでは、図9に示すように、チャネル領域となる部位で幅が徐々に減少するとともに、切り込み状にくびれたネッキング部12を有する形状となる島状にアモルファスシリコン膜3をパターニングする。なお、図9は、上述の円C内に対応している。
【0048】
このとき、結晶成長のメカニズムは、図10に示すように、ネッキング部12で一つの結晶粒が選択されるために、単結晶粒を形成することができる。幅が狭くなる領域にネッキング部12で形成された一つの単結晶粒が広がり伝搬形成される性質は、変形例(その1)のメカニズムと同様である。
【0049】
(変形例(その3))
次いで、変形例(その3)について述べる。サンプル作成方法は上述の手法とほぼ同様であるので省略する。
【0050】
ここでは、図11に示すように、ネッキング部12を設けたアモルファスシリコン膜3のもう一つの例を示す。ここでは、チャネル領域となる部位の幅の減少割合が変形例(その2)と比べて少なく、幅広となるようにパターニングされている。なお、図11は、上述の円C内に対応している。
【0051】
このとき、結晶成長のメカニズムは図12に示すようになり、ネッキング部12においてA点から一つの結晶核が形成されて伝搬形成することにより、準単結晶領域が大きく広がることになる。
【0052】
上記の如く形成された動作半導体膜11を用いて、TFTを製造する。なお、ここでは、nチャネルTFTを製造する場合を例に説明する。図13〜図16は、本実施形態に係るTFTの製造方法を示す工程断面図である。
【0053】
先ず、図13(a)に示すように、ガラス基板21上にバッファとなるシリコン酸化膜22を介して上記の手法により形成された動作半導体膜11を用意する。ここでは、変形例(その1)により形成された動作半導体膜11を使用する。
【0054】
続いて、図13(b)に示すように、動作半導体膜11上に膜厚120nm程度にゲート酸化膜となるシリコン酸化膜23をPECVD法により形成する。このとき、他の手法、例えばLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition、減圧CVD)法又はスパッタリング法等を利用しても良い。
【0055】
続いて、図13(c)に示すように、膜厚300nm程度となるようにアルミニウム膜(又はアルミニウム合金膜)24をスパッタリング法により成膜形成する。
【0056】
続いて、図14(a)に示すように、アルミニウム膜24をフォトリソグラフィ及びそれに続くドライエッチングにより電極形状にパターニングし、ゲート電極24を形成する。このとき、図7(a)の円C内に示す部位、即ち準単結晶粒が大きく成長して単結晶化の著しい部位(チャネル領域)の上方にゲート電極24が位置するように加工する。
【0057】
続いて、図14(b)に示すように、パターニングされたゲート電極24をマスクとしてシリコン酸化膜23をパターニングし、ゲート電極形状に倣ったゲート酸化膜23を形成する。
【0058】
続いて、図14(c)に示すように、ゲート電極24をマスクとして動作半導体膜11のゲート電極24の両側部位にイオンドープする。具体的には、n型不純物、ここではリン(P)を加速エネルギー10keV、ドーズ量5×1015/cm2の条件でイオンドープし、ソース/ドレイン領域を形成する。
【0059】
続いて、図15(a)に示すように、ソース/ドレイン領域のリンを活性化するためにエキシマレーザ照射を行った後、図15(b)に示すように、全面を覆うように膜厚300nm程度にSiNを堆積し、層間絶縁膜25を形成する。
【0060】
続いて、図16(a)に示すように、ゲート電極24上、動作半導体膜11のソース/ドレイン領域上をそれぞれ露出させるコンタクトホール26を層間絶縁膜25に開口形成する。
【0061】
続いて、図16(b)に示すように、各コンタクトホール26を埋め込むようにアルミニウム等の金属膜27を形成した後、図16(c)に示すように、金属膜27をパターニングし、それぞれコンタクトホール26を通じてゲート電極24、動作半導体膜11のソース/ドレイン領域と導通する配線27を形成する。
【0062】
しかる後、全面を覆う保護膜の形成等を経て、n型TFTを完成させる。具体的に当該n型TFTを動作半導体膜11がチャネル長10μm程度、チャネル幅30μm程度となるように製造し、電子移動度を測定した結果、450cm2/Vsという高移動度が達成された。
【0063】
以上説明したように、本実施形態及びその諸変形例によれば、動作半導体膜11の少なくともチャネル領域を成長方向の制御された大粒径の結晶粒から構成することにより、電流方向と直交する結晶粒界の発生を抑止し、実質的に単結晶状態のシリコン、即ち準単結晶シリコンからチャネル領域が構成されることになり、準単結晶状態であるために必然的に高移動度の半導体装置を実現することが可能となる。
【0064】
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様にTFTの構造及び製造方法について例示するが、動作半導体膜の構造及び形成方法が異なる点で相違する。なお、第1実施形態と同様の構成部材等については同符号を記して説明を省略する。
【0065】
図17は、本実施形態によるn型TFTの主要構成を示す概略平面図である。
【0066】
このn型TFTは、その動作半導体膜31の少なくともチャネル領域が円形大粒径のディスク状結晶粒35からなる多結晶シリコン状態とされており、ソース/ドレイン領域33、34には周縁部位にディスク状結晶粒35が形成され、内部に微結晶シリコン36が形成されて構成されている。ここで、チャネル領域の幅は極めて狭く、幅方向ではほぼ1つのディスク状結晶粒35により占められるため、チャネル領域が実質的に数個の結晶粒として構成される。実際に形成された動作半導体膜31を走査電子顕微鏡で観察した様子を図18に示す。上述のディスク状結晶粒35及び微結晶シリコン36の構造が明示されている。このチャネル領域上にほぼ直交するように帯状のゲート電極32が設けられるため、高移動度のTFTが実現することになる。
【0067】
このような構成の動作半導体膜31を形成するには、先ず第1実施形態と同様に、図1(a)〜図1(d)の各工程を経て、歪み点が600℃〜700℃程度であり、可視光に対して透明なガラスからなる基板1上にシリコン酸化膜2を介して膜厚100nm程度のアモルファスシリコン膜41をパターン形成し、膜厚20nm程度の分離膜となるシリコン酸化膜4を介してアモルファスシリコン膜を膜厚300nm程度に形成する。その後、ニッケル(Ni)を利用した金属誘起固相成長(550℃、8時間)によりアモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜に変化させ、保温膜42を形成する。
【0068】
なお、保温膜42は、必ずしも多結晶シリコンである必要はなく、アモルファスシリコンのままであってもよい。また、他の材料を用いて保温膜42を構成してもよい。
【0069】
続いて、図19に示すように、保温膜42によりアモルファスシリコン膜41の表面(上面及び側面)が覆われた状態で、下面からエネルギービームとしてエキシマレーザを照射し、アモルファスシリコン膜41を結晶化させる。この照射により保温膜42に当該保温膜42が溶解されるエネルギーを加え、アモルファスシリコン膜41の温度をシリコン結晶の融点1410℃よりも高くする。保温膜42がアモルファスシリコン膜41に比して厚いため、熱容量が大きく、冷却速度が遅い。即ち、熱浴として作用することになる。これにより、アモルファスシリコン膜41の保温膜42に近接する領域では冷却速度が遅くなり、偶発的に形成された一つの結晶核が十分に成長することができる。その結果、図17のように、少なくともチャネル領域となる狭幅部位が円形大粒径のディスク状結晶粒35から構成され、ソース/ドレインとなる幅広部位が微結晶シリコン36をディスク状結晶粒35で囲むように構成されてなる多結晶状態に動作半導体膜31が形成される。ディスク状結晶粒35は、結晶粒の半径をLとすると250nm<Lであり、かつ、チャネル幅をWとすると、W<4Lである円形の結晶粒である。
【0070】
ここで、第1実施形態の図6と同様に、アモルファスシリコン膜41の温度分布を制御するために、アモルファスシリコン膜41の下部に位置するようにシリコン酸化膜2内に絶縁材料からなる熱吸収体を埋設してもよい。これにより、アモルファスシリコン膜41の温度低下率が更に速くなり、大きな温度分布が形成されることになり、円形大粒径結晶化の確実性が担保される。
【0071】
しかる後、シリコン酸化膜4をストッパーとしてRIEにより保護膜42を除去した後、HFを用いたウェットエッチングによりシリコン酸化膜4を除去する。
【0072】
このようにして得られた動作半導体膜31を用いて、第1実施形態と同様の製造工程によりTFTを構成した一例を図20に示す。
【0073】
このTFTを、第1実施形態の図16(c)に示すTFTと同様に、動作半導体膜11がチャネル長10μm程度、チャネル幅30μm程度となるように製造して、電子移動度を測定した結果、450cm2/Vsという高移動度が達成された。
【0074】
以上説明したように、本実施形態によれば、動作半導体膜31の少なくともチャネル領域を円形大粒径のディスク状結晶粒35から構成することにより、高移動度の半導体装置を実現することができる。
【0075】
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態によるシリコン薄膜の形成方法を図21乃至図31を用いて説明する。図21乃至図24は、本実施形態によるシリコン薄膜の形成方法を示す工程断面図である。図25は、シリコン層のパターニング形状を示す平面図である。
【0076】
まず、厚さ0.7mmのガラス基板110上に、PECVD法により、膜厚400nmのシリコン酸化膜より成るバッファ層112を形成する。
【0077】
次に、バッファ層112上に、PECVD法により、膜厚150nmのアモルファスシリコン層より成るシリコン層114を形成する。
【0078】
次に、450℃、2時間の熱処理を行い、これによりシリコン層114から水素を除去する(図21(a)参照)。
【0079】
次に、フォトリソグラフィ技術を用い、シリコン層114をパターニングする(図21(b)参照)。この際、シリコン層114を、図25に示すような平面形状にパターニングする。
【0080】
即ち、ソース/ドレインとなる領域115a、115bの間の領域115cにおいて、シリコン層114の幅を変化させる。具体的には、領域115cのシリコン層114のうち、紙面下側の領域117aではシリコン層114の幅を狭くし、中央の領域117bではシリコン層114の幅が徐々に広くなるようにし、紙面上側の領域117cではシリコン層114の幅が広くなるようにする。
【0081】
次に、HF系のエッチング液を用い、シリコン層114をマスクとしてバッファ層112の表面をエッチングし、バッファ層112に段差を形成する(図21(c)参照)。
【0082】
次に、全面に、PECVD法により、膜厚30nmのシリコン酸化膜より成る分離膜116を形成する(図22(a)参照)。分離膜116は、シリコン酸化膜に限定されるものではないが、シリコン層114より融点が高い材料を用いることが望ましい。シリコン層114を結晶化する際に分離膜116が溶解してしまうと、シリコン層114と保温層118a(図23(b)参照)とが一体になってしまうからである。また、分離膜116は、保温層118aをエッチングする際のエッチングストッパとして機能することが望ましい。
【0083】
次に、全面に、PECVD法により、膜厚250nmのアモルファスシリコン膜より成る保温層118を形成する。成膜条件は、例えば、SiH4ガスとH2ガスとの流量比を2:98とし、成膜室内の温度を例えば350℃とする。
【0084】
次に、全面に、スパッタ法により、膜厚3nmのNi膜より成る不純物層120を形成する(図22(b)参照)。
【0085】
次に、550℃、8時間の熱処理を行い、不純物層220のNiを保温層118中に固相拡散する。これにより、Niを用いたアモルファスシリコンの固相成長により、多結晶シリコン層より成る保温層118aが形成される(図23(a)参照)。
【0086】
この熱処理により、保温層118aは多結晶シリコンの状態になるが、分離膜116に覆われたシリコン層114は、分離膜116によりNiの拡散が防止されるため、アモルファスシリコンの状態に保たれる。
【0087】
図26は、保温層、分離膜及びシリコン層の結晶状態をラマン散乱分光法により測定したグラフである。図26の横軸はガラス基板面に対する相対的な位置を示しており、左側の縦軸はラマン振動数を示しており、右側の縦軸は半値幅を示している。なお、結晶状態の測定は、ガラス基板の裏面側から行った。
【0088】
図26に示すように、保温層118aでは半値幅は小さくなっており、シリコン層114では半値幅は大きくなっている。このことから、上記の熱処理により、保温層118aは多結晶シリコンの状態となり、シリコン層114はアモルファスシリコンの状態に維持されていることがわかる。
【0089】
次に、室温にて、ガラス基板110の下面側、即ちバッファ層112が形成されている面の側から、シリコン層114に、連続発振(Continuous Wave:CW)のレーザを照射し、シリコン層114を結晶化する(図23(a)参照)。
【0090】
本実施形態では、連続発振のレーザを用いるため、レーザがガラス基板110に吸収されると、ガラス基板110が高温となり、ひいてはガラス基板110の変形を招いてしまう。そこで、本実施形態では、ガラス基板110に対して透過率の高いレーザを用いることにより、ガラス基板110の変形を回避する。
【0091】
図27は、レーザの波長とガラス基板に対する透過率との関係を示すグラフである。横軸はレーザの波長を示しており、縦軸はガラス基板に対するレーザの透過率を示している。実施例1乃至実施例3は、それぞれ異なった材料から成るガラス基板を用いて測定したものである。
【0092】
図27から分かるように、実施例1乃至3のいずれのガラス基板を用いた場合であっても、レーザの波長が400nm以上であれば高い透過率が得られている。このことから、波長400nm以上のレーザを用いれば、レーザがガラス基板に吸収されにくく、ガラス基板が高温になるのを防止することができるため、ガラス基板の変形を回避することができると考えられる。なお、照射するレーザの波長は400nm以上に限定されるものではなく、用いられるガラス基板の材料の特性に応じて適切な波長とすればよい。
【0093】
かかる観点から、本実施形態では、例えば波長532nmのレーザを用いる。このような波長のレーザとしては、例えば、Nd:YAG系の半導体レーザの第2高調波を用いることができる。
【0094】
ここで、本実施形態によるシリコン層の結晶化のメカニズムについて図28を用いて説明する。図28は、シリコン層の結晶化のメカニズムを示す平面図である。
【0095】
本実施形態では、図28の紙面下側から紙面上側に向かってレーザをスキャンさせていく。図中の矢印は、レーザのスキャン方向を示している。
【0096】
領域115cのシリコン層114のうち、幅が狭くなっている領域117aのシリコン層114にレーザが照射されると、シリコン層114には図29に示すような温度勾配が形成される。図29は、レーザを照射した際のシリコン層の温度勾配を示す概念図である。
【0097】
図29に示すような温度勾配は、以下のようなメカニズムにより形成される。
【0098】
即ち、シリコン層114は分離膜116を介して保温層118aに覆われているため、レーザを照射すると、高温になって溶融するが、シリコン層114の上方の領域の保温層118aは、シリコン層114によりレーザの到達が遮られるため高温になりにくい。
【0099】
一方、シリコン層114の両側の保温層118aは、レーザが照射されるため、高温になる。しかも、保温層118aは、厚く形成されているため、熱容量が大きく、冷却速度も遅い。
【0100】
従って、シリコン層114の両側の保温層118aは、シリコン層114に対して熱浴として機能する一方、シリコン層114の上方の領域の保温層118aは、シリコン層114に対して冷却速度を速くするように機能する。このため、シリコン層114が冷却する過程では、シリコン層114の内部の温度は低くなる一方、シリコン層114のエッジ部分は高温に保たれる。
【0101】
このような温度勾配が形成されると、シリコン層114のエッジ部分よりシリコン層114の内部の方が温度が低いため、シリコン層114の内部から外部に向かって、結晶の成長が進行する。
【0102】
このような結晶成長は、領域117aにレーザをスキャンしている際に開始する場合もあるし、領域117bの近傍までレーザをスキャンした際に開始する場合もある。
【0103】
そして、シリコン層114の幅が徐々に広くなる領域117bに、レーザをスキャンしていくと、結晶は更に成長していき、結晶粒界はシリコン層114の外側に排除されていく。
【0104】
そして、更にレーザをスキャンしていくと、結晶が引き継がれていき、シリコン層114の幅が広くなっている領域では、単結晶シリコン114aが形成される。
【0105】
次に、図24に示すように、RIE(Reactive Ion Etching、反応性イオンエッチング)法により、分離膜116をエッチングストッパとして、保温層118aをエッチングする。
【0106】
次に、HF系のウエットエッチングにより、分離膜116をエッチングする。
【0107】
こうして、本実施形態によるシリコン薄膜が形成されることとなる。
【0108】
そして、このようにして形成されたシリコン薄膜は、薄膜トランジスタのチャネル層として用いることができる。
【0109】
図30は、本実施形態で形成されたシリコン薄膜とゲート電極との位置関係を示す平面図である。
【0110】
図30に示すように、単結晶シリコン114a上に、ゲート絶縁膜(図示せず)を介してゲート電極130を形成する。このように構成すれば、単結晶シリコン114aがチャネルとなるので、電子移動度の高い薄膜トランジスタを提供することが可能となる。
【0111】
なお、本実施形態で形成されたシリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法は、第4実施形態で詳細に説明することとする。
【0112】
(評価結果)
次に、上記のようにして形成されたシリコン薄膜の結晶状態について図31を用いて説明する。図31は、本実施形態により形成されたシリコン薄膜の結晶状態を示す顕微鏡写真である。なお、この顕微鏡写真は、SEM(Scanning Electron Microscopy、走査型電子顕微鏡)法により観察したものである。また、欠陥を明瞭化させるためにセコエッチングが行われている。
【0113】
図31に示すように、幅が狭くなっている領域から幅が広くなっている領域に向かって、結晶が大きく成長しており、単結晶になっている。
【0114】
このように、本実施形態によれば、シリコン層の幅の狭い領域から幅の広い領域に向かって、連続発振のレーザをスキャンすることにより結晶成長するため、結晶を引き継ぐことができるとともに、結晶粒界をシリコン層の外側に排除することができる。従って、本実施形態によれば、単結晶シリコンを有するシリコン薄膜を形成することができる。
【0115】
(変形例(その1))
次に、本実施形態の変形例(その1)によるシリコン薄膜の形成方法を図32を用いて説明する。図32は、本変形例によるシリコン薄膜の形成方法を示す平面図である。
【0116】
本変形例によるシリコン薄膜の形成方法は、保温層118aを全面に形成することなく、保温層118aが、少なくとも領域115cを覆うように形成されていることに主な特徴がある。
【0117】
連続発振のレーザを照射する場合には、短パルスレーザを照射する場合に比べて、保温層118aに大きな熱量が蓄積される。
【0118】
このため、保温層118aが全面に形成されている場合には、ガラス基板110が長時間に亘って高温に保持され、ガラス基板110が変形してしまう虞がある。
【0119】
そこで、本変形例では、保温層118aを全面に形成することなく、少なくとも領域115cを覆うように保温層118aを形成している。
【0120】
なお、本変形例のように少なくとも領域115cを覆うように保温層118aを形成されていれば、領域115cのシリコン層114を高温にして溶融することができ、上記と同様に結晶成長することができるので、特段の問題はない。
【0121】
次に、本変形例により形成されたシリコン薄膜の結晶状態について図33を用いて説明する。図33は、本変形例により形成されたシリコン薄膜の結晶状態を示す顕微鏡写真である。
【0122】
本変形例により形成されたシリコン薄膜の場合も、図31に示す第1実施形態により形成されたシリコン薄膜と同様に、幅が狭くなっている領域から幅が広くなっている領域に向かって、結晶が大きく成長しており、単結晶になっている。
【0123】
このように、少なくとも領域115cを覆うように保温層118aを形成した場合であっても、単結晶シリコン114aを形成することができる。
【0124】
従って、本変形例によれば、ガラス基板の変形を防止することができ、ひいては良質な液晶表示装置を提供することができる。
【0125】
(変形例(その2))
次に、本実施形態の変形例(その2)によるシリコン薄膜の形成方法を図34を用いて説明する。図34は、本変形例によるシリコン薄膜の形成方法を示す概念図である。
【0126】
本変形例によるシリコン薄膜の形成方法は、シリコン層114の幅が徐々に広くなる領域117bに、切り込み状にくびれたネッキング部119が形成されていることに主な特徴がある。
【0127】
本変形例では、ネッキング部119によりシリコン層114の幅が部分的に狭くなっているため、結晶粒界121がブロックされる。
【0128】
このため、ネッキング部119より紙面上側の領域に、単結晶シリコン114aを確実に形成することができる。
【0129】
このように、本変形例によれば、ネッキング部を形成することにより結晶粒界をブロックすることができるので、より確実に単結晶シリコン114aを形成することができる。
【0130】
そして、このようにして形成された単結晶シリコン114aを、チャネルに用いれば、電子移動度の高い薄膜トランジスタを提供することができる。
【0131】
(変形例(その3))
次に、本実施形態の変形例(その3)によるシリコン薄膜の形成方法を図35を用いて説明する。図35は、本変形例によるシリコン薄膜の形成方法を示す概念図である。
【0132】
本変形例によるシリコン薄膜の形成方法は、領域115cの中央部からソース/ドレインとなる領域115aに達する領域で、シリコン層114の幅が徐々に広くなるように形成されていることに主な特徴がある。
【0133】
図25に示す第3実施形態によるシリコン薄膜の形成方法では、シリコン層114の幅が徐々に広くなる領域117bは、領域115cの中央部のみであったが、本変形例では、領域115cの中央部から領域115aに達する広い範囲でシリコン層114の幅が徐々に広くなっている。
【0134】
このようにシリコン層114をパターニングした場合であっても、単結晶シリコン114aを形成することが可能である。
【0135】
なお、ネッキング部119を更に形成するようにしてもよい。
【0136】
(変形例(その4))
次に、本実施形態の変形例(その4)によるシリコン薄膜の形成方法を図36を用いて説明する。図36は、本変形例によるシリコン薄膜の形成方法を示す概念図である。
【0137】
本変形例によるシリコン薄膜の形成方法は、領域115aから領域115bに達する領域115cで、シリコン層114の幅が徐々に広くなるように形成されていることに主な特徴がある。
【0138】
図25に示す第3実施形態によるシリコン薄膜の形成方法では、シリコン層114の幅が徐々に広くなる領域117bは、領域115cの中央部のみであったが、本変形例では、領域115bから領域115aに達する広い範囲でシリコン層114の幅が徐々に広くなっている。
【0139】
このようにシリコン層114をパターニングした場合であっても、単結晶シリコン114aを形成することが可能である。
【0140】
(変形例(その5))
次に、本実施形態の変形例(その5)によるシリコン薄膜の形成方法を図37を用いて説明する。図37は、本変形例によるシリコン薄膜の形成方法を示す概念図である。
【0141】
本変形例によるシリコン薄膜の形成方法は、領域115cにおけるシリコン層114の幅をほぼ均一に形成し、領域115cの一部にネッキング部119が形成されていることに主な特徴がある。
【0142】
本変形例では領域115cのシリコン層114にネッキング部119が形成されているため、領域115cの幅をほぼ均一に形成した場合であっても、ネッキング部119の紙面上方の領域において単結晶シリコン114aが形成される。即ち、図中の矢印の方向にレーザをスキャンしていくと、ネッキング部119において結晶粒界がブロックされ、更にレーザをスキャンしていくと、ネッキング部119の紙面上方の領域において、単結晶シリコン114aが形成される。
【0143】
このように本変形例によれば、領域115cの幅をほぼ均一に形成した場合であっても、ネッキング部119を形成することにより、単結晶シリコン114aを形成することが可能となる。
【0144】
そして、このようにして形成された単結晶シリコン114aを、チャネルに用いれば、電子移動度の高い薄膜トランジスタを提供することができる。
【0145】
図38は、本実施形態で形成されたシリコン薄膜とゲート電極との位置関係を示す平面図である。
【0146】
図38に示すように、単結晶シリコン114a上に、ゲート絶縁膜(図示せず)を介してゲート電極130を形成する。単結晶シリコン114aがチャネルとなるので、電子移動度の高い薄膜トランジスタを提供することが可能となる。
【0147】
なお、レーザを紙面下側に向かってスキャンする場合には、ネッキング部119の紙面下方に単結晶シリコン114aが形成されるので、ゲート電極130はネッキング部119の紙面下方に形成すればよい。
【0148】
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を図39乃至図42を用いて説明する。図39乃至図42は、本実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図である。図1乃至図38に示す第1乃至第3実施形態の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【0149】
本実施形態による薄膜トランジスタの製造方法は、第3実施形態により形成されたシリコン薄膜をチャネル層に用いることに主な特徴がある。なお、ここでは、n形の薄膜トランジスタを製造する場合を例に説明する。
【0150】
まず、第3実施形態により形成されたシリコン薄膜を、所望の形状にパターニングする(図39(a)参照)。例えば、チャネル長を2μmとし、チャネル幅を2μmとする。図39(a)の半導体層124の紙面右側の部分は図25の領域115aに対応しており、半導体層124の紙面左側の部分は図25の領域115bに対応している。また、図39(a)の半導体層124の中央の部分は図25の領域115cに対応している。
【0151】
次に、全面に、PECVD法により、膜厚120nmのシリコン酸化膜より成るゲート酸化膜126を形成する。なお、ゲート酸化膜126は、LPCVD法、スパッタ法等を用いて形成してもよい(図36(b)参照)。
【0152】
次に、全面に、スパッタ法により、膜厚300nmのアルミニウム層128を形成する(図36(c)参照)。
【0153】
次に、フォトリソグラフィ技術を用い、アルミニウム層128をゲート電極130の形状にパターニングする(図37(a)参照)。ゲート電極130は、第3実施形態で形成されたシリコン薄膜のうち、単結晶シリコン114a上に形成する。これにより、単結晶シリコン114aをチャネルに用いることができるので、電子移動度の高い薄膜トランジスタを提供することが可能となる。
【0154】
次に、ゲート電極130に自己整合でゲート酸化膜126をエッチングする(図37(b)参照)。
【0155】
次に、ゲート電極130に自己整合で、半導体層124に不純物イオンを注入する。不純物としては、例えばリンを用いることができる。
【0156】
次に、ガラス基板110上からエキシマレーザを照射し、半導体層124に導入された不純物を活性化する。こうしてゲート電極130に自己整合でソース/ドレイン拡散層132を形成する(図38(a)参照)。
【0157】
次に、全面に、膜厚300nmのSiN膜より成る層間絶縁膜134を形成する(図38(b)参照)。
【0158】
次に、層間絶縁膜134に、ソース/ドレイン拡散層132、ゲート電極130に達するコンタクトホール136をそれぞれ形成する(図39(a)参照)。
【0159】
次に、全面に、膜厚100nmのTi膜、膜厚200nmのAl膜、膜厚100nmのTi膜が積層されて成る導電層を形成する。
【0160】
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて導電層をパターニングし、これにより導電層より成るゲート電極138a及びソース/ドレイン電極138bを形成する(図39(b)参照)。
【0161】
こうして、本実施形態による薄膜トランジスタが製造されることとなる。
【0162】
(評価結果)
次に、上記のようにして製造された薄膜トランジスタの電子移動度を測定した。
【0163】
この結果、電子移動度は350cm2/Vsと高い値を得ることができた。
【0164】
このように、本実施形態によれば、単結晶シリコンをチャネルに用いることができるので、電子移動度の高い薄膜トランジスタを提供することができる。
【0165】
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【0166】
例えば、上記の各実施形態で説明した半導体装置は、TFTを備えた周辺回路一体型の液晶ディスプレイ(LCD、Liquid Crystal Display)やシステムオンパネル、システムオンガラス、更にはSOI(Silicon On Insulator)素子として適用することが可能である。
【0167】
また、第3実施形態では、シリコン層114としてアモルファスシリコンを用いたが、アモルファスシリコンに限定されるものではなく、例えば多結晶シリコンを用いてもよい。
【0168】
また、第3実施形態では、不純物層120にNiを用いたが、Niに限定されるものではなく、Ni以外の金属不純物を用いてもよい。
【0169】
また、第3実施形態では、Niを用いたアモルファスシリコンの固相成長により、多結晶シリコンより成る保温層118aを形成したが、かかる固相成長に限定されるものではなく、気相成長により多結晶シリコンよりなる保温層を形成してもよい。また、保温層118aは、多結晶シリコンに限定されるものではなく、アモルファスシリコンを用いてもよい。また、他の材料を用いて保温層118aを構成してもよい。
【0170】
また、第3実施形態では、ガラス基板の下側からレーザを照射したが、ガラス基板の上側からレーザを照射してもよい。この場合には、シリコン層114の上方の保温層118aをCMP法等により除去すればよい。また、シリコン層114の上方の保温層118aを除去しなくてもよい。
【0171】
また、第3実施形態では、分離膜としてシリコン酸化膜を用いたが、分離膜はシリコン酸化膜に限定されるものではなく、例えばシリコン窒化膜等を用いてもよい。
【0172】
また、第3実施形態では、チャネル領域の幅を変化させたが、必ずしもチャネル領域の幅を変化させる必要はなく、例えば、チャネル幅が均一であってもよい。
【0173】
また、第3実施形態では、ネッキング部を形成したが、必ずしもネッキング部を形成しなくてもよい。
【0174】
[付記]
(付記1) 絶縁基板上に動作半導体膜が形成された薄膜型の半導体装置であって、前記動作半導体膜の少なくともチャネル領域が、電流方向に対して90°未満の傾きを有する粒界のみを含む結晶状態である準単結晶状態になっていることを特徴とする半導体装置。
【0175】
(付記2) 絶縁基板上に動作半導体膜が形成された薄膜型の半導体装置であって、前記動作半導体膜の少なくともチャネル領域が、円形の結晶粒で、前記結晶粒の半径をLとすると250nm<Lであり、かつ、チャネル幅をWとすると、W<4Lである円形大粒径の結晶粒からなる多結晶状態になっていることを特徴とする半導体装置。
【0176】
(付記3) 付記1又は2記載の半導体装置において、前記動作半導体膜は、前記チャネル領域がその他の部位より幅狭に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【0177】
(付記4) 付記1乃至3のいずれかに記載の半導体装置において、前記動作半導体膜は、ソース/ドレイン領域に、微粒径の結晶粒、及び、円形の結晶粒で、前記結晶粒の半径をLとすると250nm<Lであり、かつ、チャネル幅をWとすると、W<4Lである円形大粒径の結晶粒からなる部位を有することを特徴とする半導体装置。
【0178】
(付記5) 付記1乃至4のいずれかに記載の半導体装置において、前記チャネル領域には、幅狭のくびれ部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【0179】
(付記6) 幅狭部位を有する形状に加工された半導体薄膜であって、少なくとも前記幅狭部位が、電流方向に対して90°未満の傾きを有する粒界のみを含む結晶状態である準単結晶状態になっていることを特徴とする半導体薄膜。
【0180】
(付記7) 絶縁基板上に動作半導体膜が形成された薄膜型の半導体装置の製造方法であって、前記絶縁基板上に島状の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜を分離膜で覆い、前記半導体膜の側面を前記分離膜を介して保温膜で囲む工程と、前記半導体膜に対して上面からエネルギービームを照射して前記半導体膜を結晶化し、前記動作半導体膜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製造方法。
【0181】
(付記8) 付記7記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体膜の下部に熱吸収体を設け、前記エネルギービームの照射を行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0182】
(付記9) 付記7記載の半導体装置の製造方法において、前記保温膜を前記半導体膜より厚く形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0183】
(付記10) 絶縁基板上に動作半導体膜が形成された薄膜型の半導体装置の製造方法であって、前記絶縁基板上に島状の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜を分離膜で覆い、前記半導体膜の全面を前記分離膜を介して保温膜で覆う工程と、前記半導体膜に対して前記絶縁基板の下面からエネルギービームを照射して前記半導体膜を結晶化し、前記動作半導体膜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製造方法。
【0184】
(付記11) 付記7乃至10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、エネルギービーム照射前の前記半導体膜は、アモルファスシリコン又は多結晶シリコンからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0185】
(付記12) 付記7乃至11のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記保温膜は、半導体材料、金属材料、絶縁材料又はこれらの混合物或いは化合物からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0186】
(付記13) 付記7乃至12のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、エキシマレーザを光源として、前記エネルギービームの照射を行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0187】
(付記14) 付記7乃至13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記動作半導体膜の前記チャネル領域をその他の部位より幅狭に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0188】
(付記15) 付記7乃至14のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記チャネル領域に幅狭のくびれ部を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0189】
(付記16) 絶縁基板上に島状の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜を分離膜で覆い、前記半導体膜の側面を前記分離膜を介して保温膜で囲む工程と、前記半導体膜に対して上面からエネルギービームを照射して前記半導体膜を結晶化し、前記動作半導体膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【0190】
(付記17) 絶縁基板上に島状の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜を分離膜で覆い、前記半導体膜の全面を前記分離膜を介して保温膜で覆う工程と、前記半導体膜に対して前記絶縁基板の下面からエネルギービームを照射して前記半導体膜を結晶化し、前記動作半導体膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【0191】
(付記18) 絶縁基板上にシリコン層を形成する工程と、前記シリコン層の少なくとも側面に保温層を形成する工程と、前記シリコン層に連続発振するエネルギービームを照射し、前記シリコン層を結晶化する工程とを有することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
【0192】
(付記19) 付記18記載のシリコン薄膜の形成方法において、前記絶縁基板は、前記エネルギービームを透過する基板であり、前記シリコン層を結晶化する工程では、波長400nm以上のエネルギービームを照射することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
【0193】
(付記20) 付記19記載のシリコン薄膜の形成方法において、前記保温層を形成する工程では、前記シリコン層の上面にも前記保温層を形成し、前記シリコン層を結晶化する工程では、前記絶縁基板の裏側から前記エネルギービームを照射することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
【0194】
(付記21) 付記18乃至20のいずれかに記載のシリコン薄膜の形成方法において、前記保温層を形成する工程では、前記シリコン層の一部の領域の近傍に選択的に前記保温層を形成することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
【0195】
(付記22) 付記18乃至21のいずれかに記載のシリコン薄膜の形成方法において、前記シリコン層を形成する工程では、前記シリコン層の一部の領域で幅が変化するように前記シリコン層を形成することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
【0196】
(付記23) 付記18乃至22のいずれかに記載のシリコン薄膜の形成方法において、前記シリコン層を形成する工程では、前記シリコン層の一部に切り込みを形成することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
【0197】
(付記24) 付記22又は23記載のシリコン薄膜の形成方法において、前記シリコン層を結晶化する工程では、前記シリコン層の幅が狭くなっている部分から前記シリコン層の幅が広くなっている部分に向かう方向に、前記エネルギービームを走査することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
【0198】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、結晶粒界の影響が無視し得るほど小さい半導体薄膜から動作半導体膜を形成し、極めて高い電子移動度とされた薄膜型の半導体装置を実現することが可能となる。
【0199】
また、本発明によれば、シリコン層の幅の狭い領域から幅の広い領域に向かって、連続発振のレーザをスキャンすることにより結晶成長するため、横方向に成長した結晶を引き継ぐことができるとともに、結晶欠陥をシリコン層の外側に排除することができる。従って、本発明によれば、単結晶シリコンを有するシリコン薄膜を形成することができ、このシリコン薄膜を用いて電子移動度の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による動作半導体膜の形成方法を示す工程断面図(その1)である。
【図2】本発明の第1実施形態による動作半導体膜の形成方法を示す工程断面図(その2)である。
【図3】結晶化時におけるアモルファスシリコン膜内の温度分布特性を示す模式図である。
【図4】アモルファスシリコン膜において、内部からエッジ部位ヘ向かう方法に結晶化が進行する様子を示す模式図である。
【図5】アモルファスシリコン膜の幅が次第に狭くなるようなチャネル領域となる部位において、結晶粒界の発生方向を示す概略平面図である。
【図6】分離用のシリコン酸化膜内に絶縁材料からなる熱吸収体が埋設された例を示す概略断面図である。
【図7】本発明の第1実施形態の変形例(その1)によるアモルファスシリコン膜を示す概略平面図である。
【図8】本発明の第1実施形態の変形例(その1)による結晶成長のメカニズムを示す概略平面図である。
【図9】本発明の第1実施形態の変形例(その2)によるアモルファスシリコン膜を示す概略平面図である。
【図10】本発明の第1実施形態の変形例(その2)による結晶成長のメカニズムを示す概略平面図である。
【図11】本発明の第1実施形態の変形例(その3)によるアモルファスシリコン膜を示す概略平面図である。
【図12】本発明の第1実施形態の変形例(その3)による結晶成長のメカニズムを示す概略平面図である。
【図13】本発明の第1実施形態によるTFTの製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図14】本発明の第1実施形態によるTFTの製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図15】本発明の第1実施形態によるTFTの製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図16】本発明の第1実施形態によるTFTの製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図17】本発明の第2実施形態によるn型TFTの主要構成を示す概略平面図である。
【図18】動作半導体膜の結晶構造を観察した様子を示す顕微鏡写真である。
【図19】アモルファスシリコン膜を結晶化させる工程を示す概略断面図である。
【図20】本発明の第2実施形態によるTFTの主要構成を示す概略断面図である。
【図21】本発明の第3実施形態によるシリコン薄膜の形成方法を示す工程断面図(その1)である。
【図22】本発明の第3実施形態によるシリコン薄膜の形成方法を示す工程断面図(その2)である。
【図23】本発明の第3実施形態によるシリコン薄膜の形成方法を示す工程断面図(その3)である。
【図24】本発明の第3実施形態によるシリコン薄膜の形成方法を示す工程断面図(その4)である。
【図25】シリコン層のパターニング形状を示す平面図(その1)である。
【図26】保温層、分離膜及びシリコン層の結晶状態をラマン散乱分光法により測定したグラフである。
【図27】レーザの波長とガラス基板に対する透過率との関係を示すグラフである。
【図28】シリコン層の結晶化のメカニズムを示す平面図である。
【図29】レーザを照射した際のシリコン層の温度勾配を示す概念図である。
【図30】本発明の第1実施形態により形成されたシリコン薄膜とゲート電極との位置関係を示す平面図である。
【図31】本発明の第3実施形態により形成されたシリコン薄膜の結晶状態を示す顕微鏡写真である。
【図32】本発明の第3実施形態の変形例(その1)によるシリコン薄膜の形成方法を示す平面図である。
【図33】本発明の第3実施形態の変形例(その1)により形成されたシリコン薄膜の結晶状態を示す顕微鏡写真である。
【図34】本発明の第3実施形態の変形例(その2)によるシリコン薄膜の形成方法を示す概念図である。
【図35】本発明の第3実施形態の変形例(その3)によるシリコン薄膜の形成方法を示す概念図である。
【図36】本発明の第3実施形態の変形例(その4)によるシリコン薄膜の形成方法を示す概念図である。
【図37】本発明の第3実施形態の変形例(その5)によるシリコン薄膜の形成方法を示す概念図である。
【図38】本発明の第3実施形態の変形例(その5)により形成されたシリコン薄膜とゲート電極との位置関係を示す平面図である。
【図39】本発明の第4実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図40】本発明の第4実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図41】本発明の第4実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図42】本発明の第4実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【符号の説明】
1…ガラス基板
2…バッファとなるシリコン酸化膜
3…アモルファスシリコン膜
4…分離膜となるシリコン酸化膜
5…保温膜
11…動作半導体膜
12…ネッキング部
13…熱吸収体
21…ガラス基板
22…バッファとなるシリコン酸化膜
23…ゲート酸化膜(シリコン酸化膜)
24…ゲート電極(アルミニウム膜)
25…層間絶縁膜
26…コンタクトホール
27…配線(金属膜)
31…動作半導体膜
32…ゲート電極(アルミニウム膜)
33…ソース領域
34…ドレイン領域
35…円形大粒径のディスク状結晶粒
36…微結晶シリコン
41…アモルファスシリコン膜
42…保温膜
110…ガラス基板
112…バッファ層
114…シリコン層
114a…単結晶シリコン
115a、115b、115c…領域
116…分離膜
117a…幅が狭くなっている領域
117b…幅が徐々に広くなっている領域
117c…幅が広くなっている領域
118…保温層
118a…保温層
119…ネッキング部
120…不純物層
121…結晶粒界
124…半導体層
126…ゲート酸化膜
128…アルミニウム層
130…ゲート電極
132…ソース/ドレイン拡散層
134…層間絶縁膜
136…コンタクトホール
138a…ゲート電極
138b…ソース/ドレイン電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film semiconductor device having an operating semiconductor film and a method for manufacturing the same, and is particularly suitable for a thin film transistor in which a source / drain is formed in an operating semiconductor film and a gate electrode is formed on a channel region. It is.
[0002]
[Prior art]
Thin film transistors (TFTs) are formed on extremely thin and fine semiconductor films, so they are expected to be mounted on large-screen liquid crystal panels in consideration of recent demands for large areas. ing.
[0003]
As an operating semiconductor film of a TFT, the use of a polycrystalline silicon film has been studied because it has a higher carrier mobility and is thermally stable than an amorphous silicon film. At present, the following method is used as a method of forming an operating semiconductor film using a polycrystalline silicon film.
[0004]
(1) A method is employed in which a heat treatment at about 600 ° C. to 1100 ° C. is applied to an amorphous silicon film for crystallization to form a polycrystalline silicon film. In this method, crystallization is achieved by forming crystal nuclei in the initial stage of heat treatment and growing them.
[0005]
(2) The amorphous silicon film is melted by applying laser energy and crystallized at the time of cooling to form a polycrystalline silicon film.
[0006]
(3) A polycrystalline silicon film is directly formed at a temperature of 600 ° C. or higher by chemical vapor deposition or physical vapor deposition.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Here, the method of forming a semiconductor thin film on a glass substrate is taken as an example, and the problems of conventional techniques are discussed. In order to use glass, the temperature of the substrate is limited to 600 ° C. or less.
[0008]
The crystal growth method described in (1) requires a heat treatment temperature of 600 ° C., which corresponds to a heat treatment at a high temperature for the glass, and the glass is deformed. In addition, since the grown crystal contains a large amount of stacking faults and twins, it cannot be expected to form a polycrystalline silicon film with good crystallinity.
[0009]
In the crystal growth method described in (3), columnar crystals are formed and the crystal grain size is small, so that the crystallinity is not sufficient and crystals exhibiting high electron mobility cannot be formed.
[0010]
In the method using laser annealing described in (2), the laser that can be used in consideration of not increasing the temperature of the substrate is limited to pulse laser annealing represented by excimer laser. When an excimer laser is used, since a crystal is grown via a melt phase, a high-quality polycrystalline silicon film can be obtained. However, there is a problem that the energy region in which a high-quality polycrystalline silicon film can be obtained is very narrow. In addition, when an excimer laser is used, only the surface silicon thin film region melts to a high temperature, but the temperature of the glass itself is low. Therefore, the cooling rate of the silicon melt is increased.
[0011]
Therefore, melt growth occurs in a supercooled state, a large amount of crystal nuclei are formed, and the crystal grain size is small. Usually, the crystal grain size is about 300 nm to 500 nm. When a polycrystalline silicon thin film is formed using an excimer laser having the best crystallinity, the electron mobility of the thin film transistor is 200 cm.2/ Vs, and the electron mobility of single crystal silicon is 600 cm.2It is much smaller than / Vs. This is because the crystal grain size is small and the crystal grain boundary part acts as a strong carrier scatterer.
[0012]
As described above, conventionally, the operating semiconductor film is composed of a polycrystalline silicon film, but the decrease in electron mobility due to grain boundaries cannot be suppressed, and it is difficult to reliably obtain a high-quality polycrystalline silicon film. There is a serious problem that there is.
[0013]
An object of the present invention is to provide a method for forming a semiconductor thin film capable of obtaining high electron mobility even when it is formed at a low temperature, a semiconductor device using the semiconductor thin film, and a method for manufacturing the same.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  UpThe purpose is to manufacture a thin film semiconductor device in which an operating semiconductor film is formed on an insulating substrate, in which a constricted constricted portion is formed, and a portion that becomes a channel region is narrower than other portions. A step of forming an island-shaped semiconductor film on the insulating substrate, and covering the semiconductor film with a separation film and forming a heat insulating film so as to surround only the side surface of the semiconductor film with the separation film interposed therebetween. And forming the operating semiconductor film by irradiating the semiconductor film with an energy beam from the upper surface to crystallize the semiconductor film. The
[0018]
In the method for manufacturing a semiconductor device, the heat insulating film may be formed thicker than the semiconductor film.
[0019]
  The above object is also a method of manufacturing a thin film semiconductor device in which an operating semiconductor film is formed on an insulating substrate,A constricted portion that is constricted in a cut shape is formed, and a part that becomes a channel region is formed narrower than other parts,Forming an island-shaped semiconductor film on the insulating substrate; covering the semiconductor film with a separation film; and covering the entire surface of the semiconductor film with a heat insulating film through the separation film; And a step of crystallizing the semiconductor film by irradiating an energy beam from the lower surface of the insulating substrate to form the operating semiconductor film.
[0021]
From the above consideration, if the generation of crystal grain boundaries that cause a decrease in electron mobility can be suppressed, the electron mobility is improved, and the performance of the semiconductor element is improved. For this purpose, the operating semiconductor film may be composed of crystal grains having a large grain size, and the ultimate form is a single crystal semiconductor.
[0022]
In one embodiment of the present invention, at least a channel region of the operating semiconductor film is formed using crystal grains having a large grain size in which the growth direction is controlled. As a result, the generation of crystal grain boundaries perpendicular to the current direction is suppressed, and a semiconductor that is substantially in a single crystal state, that is, a crystal state that includes only a grain boundary having an inclination of less than 90 ° with respect to the current direction. A channel region is formed from a single crystal semiconductor, and since it is in a quasi-single crystal state, a semiconductor device with high mobility can be realized.
[0023]
In order to form crystal grains having a large grain size, it is necessary to reduce the cooling rate of the melt by some method. As one of the methods, a heat insulating film having a large heat capacity is formed, and a film to be crystallized is placed in contact with the film or in a position very close to the heat insulating film, and a temperature distribution is formed on the silicon island. To exist. This makes it possible to control the nucleation position and the direction of crystal growth by lowering the cooling temperature and controlling the temperature distribution, and crystal grains having a large grain size are formed. In the present invention, a heat insulating film having a large heat capacity and functioning as a heat bath is formed on the side surface of an island-shaped semiconductor film, which is a material of an operating semiconductor film, via a separation film, The cooling rate is reduced and the temperature distribution of the semiconductor film is controlled to control the nucleation position and the crystal growth direction. As a result, an operating semiconductor film having a large crystal grain size and a substantially quasi-single crystal state can be obtained.
[0024]
In another aspect of the present invention, if at least the channel region of the operating semiconductor film is a circular crystal grain, the radius of the crystal grain is L, 250 nm <L, and the channel width is W, W A polycrystal state composed of circular crystal grains having a diameter of <4L is formed. That is, the width of the channel region is extremely narrow and is occupied by almost one circular large grain crystal grain in the width direction. Therefore, the channel region is substantially configured as a large grain crystal state, and has a high mobility. A semiconductor device can be realized.
[0025]
In the present invention, a heat insulating film is formed through the separation film so as to cover the island-shaped semiconductor film that is the material of the operating semiconductor film, and the energy beam is irradiated from the lower surface, thereby reducing the cooling rate of the melt. It is possible to obtain an operating semiconductor film in a polycrystalline state made of circular large grain crystals having a diameter of about several μm.
[0026]
In the present invention, since the crystal grows by scanning a continuous wave laser from the narrow region of the silicon layer toward the wide region, the laterally grown crystal can be taken over and the crystal Defects can be eliminated outside the silicon layer. Therefore, according to the present invention, a silicon thin film having single crystal silicon can be formed. Note that the width of the silicon layer is not necessarily changed, and may be a uniform width.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0028]
[First Embodiment]
In the first embodiment of the present invention, a thin film transistor (TFT) is exemplified as a semiconductor device, and the configuration thereof will be described together with a manufacturing method. In describing the manufacturing method, first, the structure and the forming method of the operating semiconductor film of the TFT, which is a feature of the present invention, will be described.
[0029]
FIG. 1 and FIG. 2 are process cross-sectional views showing a method for forming this operating semiconductor film.
[0030]
First, as shown in FIG. 1A, after a silicon oxide film 2 serving as a buffer layer is formed on a glass substrate 1 to a thickness of about 200 nm, an amorphous silicon film 3 is formed as a semiconductor film to a thickness of about 80 nm by PECVD ( It is formed by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition. The film thickness of the amorphous silicon film 3 is preferably about 30 nm to 200 nm from the relationship with the film thickness of a heat retaining film described later. Next, heat treatment is performed on the glass substrate 1 at 450 ° C. for 2 hours for hydrogen extraction.
[0031]
Subsequently, as shown in FIG. 1B, the amorphous silicon film 3 is processed into an island shape. In the present embodiment, patterning is performed by photolithography and dry etching so that the width at the cross-sectional portion corresponding to the channel region in the drawing becomes gradually narrower. At this time, over-etching is performed.
[0032]
Subsequently, as shown in FIG. 1C, a silicon oxide film 4 serving as an isolation film is formed by PECVD so as to have a film thickness of about 30 nm so as to cover the entire surface (side surface and upper surface) of the amorphous silicon film 3. To do.
[0033]
Subsequently, as shown in FIG. 1D, an amorphous silicon film is formed to a thickness of about 300 nm so as to cover the amorphous silicon film 3 via the silicon oxide film 4 by PECVD, and nickel (Ni) is used. The amorphous silicon film is changed to the polycrystalline silicon film 5 by metal induced solid phase growth. A metal impurity that induces solid phase growth may be other than Ni. At this time, the solid phase growth temperature is 570 ° C., and the heat treatment time is 8 hours. By this treatment, the amorphous silicon film having a film thickness of about 300 nm is changed to the polycrystalline silicon film 5, but the amorphous silicon film 3 covered with the silicon oxide film 4 as the separation film prevents the silicon oxide film 4 from diffusing Ni. In order to do so, it is kept in an amorphous silicon state.
[0034]
Here, the polycrystalline silicon film 5 may be formed from the beginning so as to cover the amorphous silicon film 3 by chemical vapor deposition or physical vapor deposition.
[0035]
Further, the heat insulating film is not necessarily made of polycrystalline silicon, and may be amorphous silicon. Moreover, you may comprise a heat retention film | membrane using another material.
[0036]
Subsequently, as shown in FIG. 2A, the polycrystalline silicon film 5 is polished and planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. At this time, since the silicon oxide film 4 functions as a CMP stopper, the CMP is stopped on the silicon oxide film 4 and surface planarization is realized.
[0037]
Subsequently, as shown in FIG. 2B, an excimer laser is irradiated as an energy beam from the upper surface with the polycrystalline silicon film 5 surrounding the amorphous silicon film 3 as a heat insulating film through the silicon oxide film 4 from the side surface. Then, the amorphous silicon film 3 is crystallized.
[0038]
The temperature distribution in the amorphous silicon film 3 during crystallization is as shown in FIG. Time t immediately after laser irradiation1The temperature difference between the amorphous silicon film 3 and the heat insulating film (polycrystalline silicon film) 5 is very small, but the time t2, TThreeAs the temperature proceeds, the temperature drop rate of the amorphous silicon film 3 becomes considerably larger than that of the heat retaining film 5. This is because the heat capacity is large because the heat insulating film 5 is thicker than the amorphous silicon film 3. Therefore, the heat insulating film 5 has a slower cooling rate than the amorphous silicon film 3 and serves as a heat bath. For this reason, in the amorphous silicon film 3, a temperature gradient is formed in the direction from the edge part to the inside, specifically, the vicinity of the edge part is high, and the temperature distribution becomes low as it goes to the inside. Therefore, as shown in FIG. 4, solidification is delayed at the edge portion of the amorphous silicon film 3, and crystallization proceeds in a method from the inside toward the edge portion.
[0039]
At this time, in the portion corresponding to the channel region when the active semiconductor film is formed, as shown in FIG. 5, solidification progresses in the direction (longitudinal direction) along the edge portion, and the growth direction is controlled. Crystal grains having large grain sizes are formed, and crystal grain boundaries are formed along the solidification direction. That is, a few crystal grain boundaries are formed only in the direction along the current direction, and almost no crystal grain boundaries are generated in the direction perpendicular to the current direction. Therefore, quasi-single crystal silicon which is a substantially single crystal semiconductor. The operation semiconductor film 11 is formed.
[0040]
Here, as shown in FIG. 6, in order to control the temperature distribution of the amorphous silicon film 3, a heat absorber 13 made of an insulating material is embedded in the silicon oxide film 2 so as to be positioned below the amorphous silicon film 3. May be. As a result, the temperature drop rate of the amorphous silicon film 3 is further increased, a large temperature distribution is formed, and the certainty of quasi-single crystallization is ensured.
[0041]
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the heat insulating film 5 is removed by dry etching. At this time, since the silicon oxide film 4 functioning as an isolation film is interposed between the operating semiconductor film 11 and the heat insulating film 5, the operating semiconductor film 11 surrounded by the silicon oxide film 4 is not etched. Thereafter, as shown in FIG. 2D, the silicon oxide film 4 is peeled and removed by wet etching using HF, thereby completing the operation semiconductor film 11.
[0042]
(Modification)
Here, various quasi-single crystal silicon films having different patterning shapes will be described in consideration of good crystal growth.
[0043]
(Modification (Part 1))
First, a modification example (No. 1) will be described. Since the sample preparation method is almost the same as the above-described method, a description thereof will be omitted.
[0044]
Here, as shown in FIGS. 7A and 7B, the amorphous silicon film 3 is patterned into an island shape having a shape in which the width gradually decreases at the central portion, that is, the portion that becomes the channel region. FIG. 7B is an enlarged view of the inside of the circle C in FIG.
[0045]
At this time, as shown in FIG. 8, the crystal growth mechanism is a lateral growth mechanism from the inside of the amorphous silicon film 3 described above to the edge portion. At point A in the figure, it is possible to perform lateral growth toward both edge portions. Therefore, one crystal nucleus is formed at the point A, and one single crystal grain is formed in a region approximately twice the lateral growth distance. In the region where the width is further narrowed, the heat retaining effect by the heat retaining film 5 present at the edge portion becomes stronger, so that the solidification is delayed. For this reason, one single crystal grain formed at point A propagates to a narrow region, and one single crystal grain is formed at a site where the width gradually decreases. This is similar to the growth mechanism shown in FIG.
[0046]
(Modification (Part 2))
Next, a modified example (No. 2) will be described. Since the sample preparation method is almost the same as the above-described method, a description thereof will be omitted.
[0047]
Here, as shown in FIG. 9, the amorphous silicon film 3 is patterned into an island shape that has a shape that has a necking portion 12 that is narrowed in a cut shape while the width gradually decreases at a portion that becomes a channel region. Note that FIG. 9 corresponds to the circle C described above.
[0048]
At this time, as the crystal growth mechanism, as shown in FIG. 10, since one crystal grain is selected by the necking portion 12, a single crystal grain can be formed. The property that one single crystal grain formed by the necking portion 12 spreads and forms in a region where the width becomes narrow is the same as the mechanism of the modification (part 1).
[0049]
(Modification (Part 3))
Next, a modification (No. 3) will be described. Since the sample preparation method is almost the same as the above-described method, a description thereof will be omitted.
[0050]
Here, as shown in FIG. 11, another example of the amorphous silicon film 3 provided with the necking portion 12 is shown. Here, the reduction ratio of the width of the portion to be the channel region is smaller than that of the modification (No. 2), and the patterning is performed so as to be wide. Note that FIG. 11 corresponds to the circle C described above.
[0051]
At this time, the crystal growth mechanism is as shown in FIG. 12, and one crystal nucleus is formed and propagated from the point A in the necking portion 12, so that the quasi-single crystal region is greatly expanded.
[0052]
A TFT is manufactured using the operating semiconductor film 11 formed as described above. Here, a case where an n-channel TFT is manufactured will be described as an example. 13 to 16 are process cross-sectional views illustrating the TFT manufacturing method according to this embodiment.
[0053]
First, as shown in FIG. 13A, an operating semiconductor film 11 formed by the above-described method is prepared on a glass substrate 21 via a silicon oxide film 22 serving as a buffer. Here, the operating semiconductor film 11 formed according to the modification (part 1) is used.
[0054]
Subsequently, as shown in FIG. 13B, a silicon oxide film 23 serving as a gate oxide film is formed on the operating semiconductor film 11 to a thickness of about 120 nm by PECVD. At this time, other methods such as LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) or sputtering may be used.
[0055]
Subsequently, as shown in FIG. 13C, an aluminum film (or aluminum alloy film) 24 is formed by sputtering to have a film thickness of about 300 nm.
[0056]
Subsequently, as shown in FIG. 14A, the aluminum film 24 is patterned into an electrode shape by photolithography and subsequent dry etching to form a gate electrode 24. At this time, processing is performed so that the gate electrode 24 is positioned above the portion shown in the circle C in FIG. 7A, that is, the quasi-single crystal grain grows greatly and the portion (channel region) where single crystallization is remarkable.
[0057]
Subsequently, as shown in FIG. 14B, the silicon oxide film 23 is patterned using the patterned gate electrode 24 as a mask to form a gate oxide film 23 following the shape of the gate electrode.
[0058]
Subsequently, as shown in FIG. 14C, ion doping is performed on both sides of the gate electrode 24 of the operating semiconductor film 11 using the gate electrode 24 as a mask. Specifically, an n-type impurity, here phosphorus (P), is accelerated energy 10 keV, dose amount 5 × 10.15/ Cm2Source / drain regions are formed by ion doping under the following conditions.
[0059]
Subsequently, as shown in FIG. 15A, after excimer laser irradiation is performed to activate phosphorus in the source / drain regions, the film thickness is formed so as to cover the entire surface as shown in FIG. SiN is deposited to a thickness of about 300 nm, and an interlayer insulating film 25 is formed.
[0060]
Subsequently, as shown in FIG. 16A, contact holes 26 that expose the gate electrode 24 and the source / drain regions of the operating semiconductor film 11 are formed in the interlayer insulating film 25.
[0061]
Subsequently, as shown in FIG. 16B, after forming a metal film 27 such as aluminum so as to bury each contact hole 26, the metal film 27 is patterned as shown in FIG. A wiring 27 is formed to be electrically connected to the gate electrode 24 and the source / drain region of the operating semiconductor film 11 through the contact hole 26.
[0062]
Thereafter, an n-type TFT is completed through formation of a protective film covering the entire surface. Specifically, the n-type TFT is manufactured so that the operating semiconductor film 11 has a channel length of about 10 μm and a channel width of about 30 μm, and the electron mobility is measured.2A high mobility of / Vs was achieved.
[0063]
As described above, according to the present embodiment and various modifications thereof, at least the channel region of the operating semiconductor film 11 is composed of crystal grains having a large grain size in which the growth direction is controlled, so that it is orthogonal to the current direction. The generation of crystal grain boundaries is suppressed, and the channel region is composed of substantially single-crystal silicon, that is, quasi-single-crystal silicon. An apparatus can be realized.
[0064]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the structure and manufacturing method of the TFT are exemplified as in the first embodiment, but the structure and the forming method of the operating semiconductor film are different. In addition, about the structural member etc. similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is described and description is abbreviate | omitted.
[0065]
FIG. 17 is a schematic plan view showing the main configuration of the n-type TFT according to the present embodiment.
[0066]
  This n-type TFT is in a polycrystalline silicon state in which at least the channel region of the operating semiconductor film 31 is made of disk-shaped crystal grains 35 having a large circular particle diameter, and the source / drain regions 33 and 34 have a disk at the peripheral portion. The crystal grains 35 are formed, and the microcrystalline silicon 36 is formed inside. Here, the width of the channel region is extremely narrow and is occupied by almost one disk-like crystal grain 35 in the width direction, so that the channel region is substantially configured as several crystal grains. FIG. 18 shows a state in which the actually formed semiconductor film 31 is observed with a scanning electron microscope. AboveDiThe structures of the squirrel crystal grains 35 and the microcrystalline silicon 36 are clearly shown. Since the strip-shaped gate electrode 32 is provided on the channel region so as to be substantially orthogonal to each other, a high mobility TFT is realized.
[0067]
In order to form the operation semiconductor film 31 having such a configuration, first, similarly to the first embodiment, the strain point is about 600 ° C. to 700 ° C. through the respective steps of FIG. 1A to FIG. A silicon oxide film that forms a pattern of an amorphous silicon film 41 having a film thickness of about 100 nm on a substrate 1 made of glass transparent to visible light through a silicon oxide film 2 to form a separation film having a film thickness of about 20 nm. 4, an amorphous silicon film is formed to a thickness of about 300 nm. Thereafter, the amorphous silicon film is changed to a polycrystalline silicon film by metal-induced solid phase growth (550 ° C., 8 hours) using nickel (Ni), and the heat retaining film 42 is formed.
[0068]
The heat insulating film 42 is not necessarily made of polycrystalline silicon, and may be amorphous silicon. Moreover, you may comprise the heat insulation film | membrane 42 using another material.
[0069]
Subsequently, as shown in FIG. 19, with the heat insulating film 42 covering the surface (upper surface and side surface) of the amorphous silicon film 41, the excimer laser is irradiated as an energy beam from the lower surface to crystallize the amorphous silicon film 41. Let By this irradiation, energy for dissolving the heat insulating film 42 is added to the heat insulating film 42 so that the temperature of the amorphous silicon film 41 is higher than the melting point 1410 ° C. of silicon crystal. Since the heat insulating film 42 is thicker than the amorphous silicon film 41, the heat capacity is large and the cooling rate is slow. That is, it acts as a heat bath. As a result, in the region of the amorphous silicon film 41 close to the heat retaining film 42, the cooling rate is slow, and one crystal nucleus formed accidentally can sufficiently grow. As a result, as shown in FIG. 17, at least a narrow portion serving as a channel region is constituted by disk-shaped crystal grains 35 having a large circular particle diameter, and a wide portion serving as a source / drain is composed of microcrystalline silicon 36 and disk-shaped crystal grains 35. The operation semiconductor film 31 is formed in a polycrystalline state formed so as to be surrounded by The disk-shaped crystal grains 35 are circular crystal grains where 250 nm <L where L is the radius of the crystal grains and W <4L where W is the channel width.
[0070]
Here, as in FIG. 6 of the first embodiment, in order to control the temperature distribution of the amorphous silicon film 41, heat absorption made of an insulating material in the silicon oxide film 2 so as to be positioned below the amorphous silicon film 41. The body may be buried. As a result, the temperature drop rate of the amorphous silicon film 41 is further increased, a large temperature distribution is formed, and the certainty of crystallization with a large circular particle diameter is ensured.
[0071]
Thereafter, after the protective film 42 is removed by RIE using the silicon oxide film 4 as a stopper, the silicon oxide film 4 is removed by wet etching using HF.
[0072]
FIG. 20 shows an example in which a TFT is formed by the same manufacturing process as that of the first embodiment using the operation semiconductor film 31 thus obtained.
[0073]
Similar to the TFT shown in FIG. 16C of the first embodiment, the TFT is manufactured so that the operating semiconductor film 11 has a channel length of about 10 μm and a channel width of about 30 μm, and the electron mobility is measured. 450cm2A high mobility of / Vs was achieved.
[0074]
As described above, according to the present embodiment, a semiconductor device with high mobility can be realized by configuring at least the channel region of the operating semiconductor film 31 from the disk-shaped crystal grains 35 having a large circular particle diameter. .
[0075]
[Third Embodiment]
A method for forming a silicon thin film according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 21 to 24 are process cross-sectional views illustrating the method for forming the silicon thin film according to the present embodiment. FIG. 25 is a plan view showing the patterning shape of the silicon layer.
[0076]
First, a buffer layer 112 made of a silicon oxide film having a thickness of 400 nm is formed on a glass substrate 110 having a thickness of 0.7 mm by PECVD.
[0077]
Next, a silicon layer 114 made of an amorphous silicon layer having a thickness of 150 nm is formed on the buffer layer 112 by PECVD.
[0078]
Next, heat treatment is performed at 450 ° C. for 2 hours, thereby removing hydrogen from the silicon layer 114 (see FIG. 21A).
[0079]
Next, the silicon layer 114 is patterned by using a photolithography technique (see FIG. 21B). At this time, the silicon layer 114 is patterned into a planar shape as shown in FIG.
[0080]
That is, the width of the silicon layer 114 is changed in the region 115c between the regions 115a and 115b to be the source / drain. Specifically, in the silicon layer 114 in the region 115c, the width of the silicon layer 114 is narrowed in the region 117a on the lower side of the drawing, and the width of the silicon layer 114 is gradually increased in the central region 117b. In the region 117c, the width of the silicon layer 114 is increased.
[0081]
Next, the surface of the buffer layer 112 is etched using an HF-based etchant using the silicon layer 114 as a mask to form a step in the buffer layer 112 (see FIG. 21C).
[0082]
Next, a separation film 116 made of a silicon oxide film having a thickness of 30 nm is formed on the entire surface by PECVD (see FIG. 22A). The separation film 116 is not limited to a silicon oxide film, but it is desirable to use a material having a melting point higher than that of the silicon layer 114. This is because if the separation film 116 is dissolved when the silicon layer 114 is crystallized, the silicon layer 114 and the heat insulating layer 118a (see FIG. 23B) are integrated. Further, the separation film 116 desirably functions as an etching stopper when the heat insulating layer 118a is etched.
[0083]
Next, a heat insulating layer 118 made of an amorphous silicon film having a thickness of 250 nm is formed on the entire surface by PECVD. The film formation conditions are, for example, SiHFourGas and H2The flow rate ratio to the gas is set to 2:98, and the temperature in the deposition chamber is set to 350 ° C., for example.
[0084]
Next, an impurity layer 120 made of a 3 nm-thickness Ni film is formed on the entire surface by sputtering (see FIG. 22B).
[0085]
Next, heat treatment is performed at 550 ° C. for 8 hours, and Ni in the impurity layer 220 is solid-phase diffused into the heat insulating layer 118. Thus, a heat insulating layer 118a made of a polycrystalline silicon layer is formed by solid phase growth of amorphous silicon using Ni (see FIG. 23A).
[0086]
By this heat treatment, the heat insulating layer 118a is in a polycrystalline silicon state, but the silicon layer 114 covered with the separation film 116 is kept in an amorphous silicon state because the separation film 116 prevents the diffusion of Ni. .
[0087]
FIG. 26 is a graph obtained by measuring the crystal states of the heat insulating layer, the separation film, and the silicon layer by Raman scattering spectroscopy. The horizontal axis in FIG. 26 indicates the relative position with respect to the glass substrate surface, the left vertical axis indicates the Raman frequency, and the right vertical axis indicates the half width. The crystal state was measured from the back side of the glass substrate.
[0088]
As shown in FIG. 26, the half-value width is small in the heat retaining layer 118a, and the half-value width is large in the silicon layer 114. From this, it can be seen that the heat treatment layer 118a is in a polycrystalline silicon state and the silicon layer 114 is maintained in an amorphous silicon state by the heat treatment.
[0089]
Next, at room temperature, the silicon layer 114 is irradiated with a continuous wave (CW) laser from the lower surface side of the glass substrate 110, that is, the surface on which the buffer layer 112 is formed, to thereby form the silicon layer 114. Is crystallized (see FIG. 23A).
[0090]
In the present embodiment, since a continuous wave laser is used, when the laser is absorbed by the glass substrate 110, the glass substrate 110 becomes high temperature, and as a result, the glass substrate 110 is deformed. Therefore, in this embodiment, the glass substrate 110 is prevented from being deformed by using a laser having a high transmittance with respect to the glass substrate 110.
[0091]
FIG. 27 is a graph showing the relationship between the laser wavelength and the transmittance with respect to the glass substrate. The horizontal axis indicates the wavelength of the laser, and the vertical axis indicates the laser transmittance with respect to the glass substrate. Examples 1 to 3 are measured using glass substrates made of different materials.
[0092]
As can be seen from FIG. 27, even when any one of the glass substrates of Examples 1 to 3 is used, a high transmittance is obtained as long as the laser wavelength is 400 nm or more. From this, it is considered that if a laser having a wavelength of 400 nm or more is used, the glass is difficult to be absorbed by the glass substrate and the glass substrate can be prevented from becoming high temperature, so that deformation of the glass substrate can be avoided. . Note that the wavelength of the laser to be irradiated is not limited to 400 nm or more, and may be an appropriate wavelength according to the characteristics of the material of the glass substrate used.
[0093]
From this viewpoint, in this embodiment, for example, a laser having a wavelength of 532 nm is used. As the laser having such a wavelength, for example, the second harmonic of an Nd: YAG semiconductor laser can be used.
[0094]
Here, the mechanism of crystallization of the silicon layer according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. FIG. 28 is a plan view showing the crystallization mechanism of the silicon layer.
[0095]
In this embodiment, the laser is scanned from the lower side in FIG. 28 toward the upper side in the drawing. The arrows in the figure indicate the laser scanning direction.
[0096]
When the silicon layer 114 in the region 117a having a narrow width among the silicon layer 114 in the region 115c is irradiated with laser, a temperature gradient as shown in FIG. 29 is formed in the silicon layer 114. FIG. 29 is a conceptual diagram showing the temperature gradient of the silicon layer when irradiated with a laser.
[0097]
The temperature gradient as shown in FIG. 29 is formed by the following mechanism.
[0098]
That is, since the silicon layer 114 is covered with the heat insulating layer 118a via the separation film 116, when the laser is irradiated, the silicon layer 114 is heated to a high temperature and melts. Since the laser beam is blocked by 114, it is difficult to reach a high temperature.
[0099]
On the other hand, the heat retaining layer 118a on both sides of the silicon layer 114 is heated to a high temperature because it is irradiated with laser. Moreover, since the heat retaining layer 118a is formed thick, it has a large heat capacity and a low cooling rate.
[0100]
Accordingly, the heat insulating layer 118a on both sides of the silicon layer 114 functions as a heat bath for the silicon layer 114, while the heat insulating layer 118a in the region above the silicon layer 114 increases the cooling rate with respect to the silicon layer 114. To function. For this reason, in the process of cooling the silicon layer 114, the temperature inside the silicon layer 114 is lowered, while the edge portion of the silicon layer 114 is kept at a high temperature.
[0101]
When such a temperature gradient is formed, the temperature of the inside of the silicon layer 114 is lower than that of the edge portion of the silicon layer 114, so that crystal growth proceeds from the inside of the silicon layer 114 to the outside.
[0102]
Such crystal growth may start when the region 117a is scanned with a laser, or may start when the laser is scanned to the vicinity of the region 117b.
[0103]
When the laser is scanned into the region 117b where the width of the silicon layer 114 gradually increases, the crystal grows further, and the crystal grain boundary is excluded outside the silicon layer 114.
[0104]
As the laser is further scanned, the crystal is taken over and the single crystal silicon 114a is formed in the region where the width of the silicon layer 114 is widened.
[0105]
Next, as shown in FIG. 24, the heat retaining layer 118a is etched by RIE (Reactive Ion Etching) using the separation film 116 as an etching stopper.
[0106]
Next, the separation film 116 is etched by HF wet etching.
[0107]
Thus, the silicon thin film according to the present embodiment is formed.
[0108]
The silicon thin film thus formed can be used as a channel layer of a thin film transistor.
[0109]
FIG. 30 is a plan view showing the positional relationship between the silicon thin film formed in this embodiment and the gate electrode.
[0110]
As shown in FIG. 30, a gate electrode 130 is formed on the single crystal silicon 114a through a gate insulating film (not shown). With this structure, since the single crystal silicon 114a serves as a channel, a thin film transistor with high electron mobility can be provided.
[0111]
Note that a method of manufacturing a thin film transistor using the silicon thin film formed in the present embodiment will be described in detail in the fourth embodiment.
[0112]
(Evaluation results)
Next, the crystal state of the silicon thin film formed as described above will be described with reference to FIG. FIG. 31 is a photomicrograph showing the crystal state of the silicon thin film formed according to this embodiment. This micrograph was observed by SEM (Scanning Electron Microscopy) method. Moreover, in order to clarify the defect, secco etching is performed.
[0113]
As shown in FIG. 31, the crystal grows greatly from the narrowed region toward the widened region, forming a single crystal.
[0114]
As described above, according to the present embodiment, since the crystal grows by scanning the continuous wave laser from the narrow region of the silicon layer toward the wide region, the crystal can be taken over and the crystal Grain boundaries can be excluded outside the silicon layer. Therefore, according to this embodiment, a silicon thin film having single crystal silicon can be formed.
[0115]
(Modification (Part 1))
Next, a method for forming a silicon thin film according to a modification (No. 1) of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 32 is a plan view showing a method for forming a silicon thin film according to this modification.
[0116]
The silicon thin film forming method according to this modification is mainly characterized in that the heat insulating layer 118a is formed so as to cover at least the region 115c without forming the heat insulating layer 118a on the entire surface.
[0117]
When the continuous wave laser is irradiated, a larger amount of heat is accumulated in the heat insulating layer 118a than when the short pulse laser is irradiated.
[0118]
For this reason, when the heat insulating layer 118a is formed on the entire surface, the glass substrate 110 may be held at a high temperature for a long time, and the glass substrate 110 may be deformed.
[0119]
Therefore, in this modification, the heat insulating layer 118a is formed so as to cover at least the region 115c without forming the heat insulating layer 118a on the entire surface.
[0120]
If the heat insulating layer 118a is formed so as to cover at least the region 115c as in this modification, the silicon layer 114 in the region 115c can be melted at a high temperature, and crystal growth can be performed in the same manner as described above. There is no particular problem because it is possible.
[0121]
Next, the crystal state of the silicon thin film formed according to this modification will be described with reference to FIG. FIG. 33 is a photomicrograph showing the crystalline state of the silicon thin film formed according to this modification.
[0122]
Also in the case of the silicon thin film formed by this modification, as with the silicon thin film formed by the first embodiment shown in FIG. 31, from the region where the width is narrowed toward the region where the width is wide, The crystal grows large and becomes a single crystal.
[0123]
In this manner, even when the heat insulating layer 118a is formed so as to cover at least the region 115c, the single crystal silicon 114a can be formed.
[0124]
Therefore, according to this modification, it is possible to prevent the glass substrate from being deformed, and to provide a high-quality liquid crystal display device.
[0125]
(Modification (Part 2))
Next, a method for forming a silicon thin film according to a modification (No. 2) of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 34 is a conceptual diagram showing a method for forming a silicon thin film according to this modification.
[0126]
The main feature of the method for forming a silicon thin film according to this modification is that a necking portion 119 constricted in a cut shape is formed in a region 117b where the width of the silicon layer 114 gradually increases.
[0127]
In the present modification, since the width of the silicon layer 114 is partially narrowed by the necking portion 119, the crystal grain boundary 121 is blocked.
[0128]
For this reason, the single crystal silicon 114a can be reliably formed in the region above the paper surface from the necking portion 119.
[0129]
Thus, according to the present modification, the crystal grain boundary can be blocked by forming the necking portion, so that the single crystal silicon 114a can be formed more reliably.
[0130]
If the single crystal silicon 114a thus formed is used for a channel, a thin film transistor with high electron mobility can be provided.
[0131]
(Modification (Part 3))
Next, a method for forming a silicon thin film according to a modification (No. 3) of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 35 is a conceptual diagram showing a method for forming a silicon thin film according to this modification.
[0132]
The main feature of the silicon thin film forming method according to this modification is that the silicon layer 114 is formed so that the width of the silicon layer 114 gradually increases in the region reaching the source / drain region 115a from the center of the region 115c. There is.
[0133]
In the method for forming a silicon thin film according to the third embodiment shown in FIG. 25, the region 117b in which the width of the silicon layer 114 gradually increases is only the central portion of the region 115c. The width of the silicon layer 114 is gradually increased in a wide range from the portion to the region 115a.
[0134]
Even when the silicon layer 114 is patterned in this manner, the single crystal silicon 114a can be formed.
[0135]
A necking portion 119 may be further formed.
[0136]
(Modification (Part 4))
Next, a method for forming a silicon thin film according to a modification (No. 4) of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 36 is a conceptual diagram showing a method for forming a silicon thin film according to this modification.
[0137]
The main feature of the method for forming a silicon thin film according to this modification is that the width of the silicon layer 114 is gradually increased in the region 115c extending from the region 115a to the region 115b.
[0138]
In the method for forming a silicon thin film according to the third embodiment shown in FIG. 25, the region 117b in which the width of the silicon layer 114 gradually increases is only the central portion of the region 115c. The width of the silicon layer 114 is gradually increased in a wide range reaching 115a.
[0139]
Even when the silicon layer 114 is patterned in this manner, the single crystal silicon 114a can be formed.
[0140]
(Modification (Part 5))
Next, a method for forming a silicon thin film according to a modification (No. 5) of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 37 is a conceptual diagram showing a method for forming a silicon thin film according to this modification.
[0141]
The method for forming a silicon thin film according to this modification is mainly characterized in that the width of the silicon layer 114 in the region 115c is substantially uniform and the necking portion 119 is formed in a part of the region 115c.
[0142]
In this modification, since the necking portion 119 is formed in the silicon layer 114 in the region 115c, the single crystal silicon 114a is formed in the region above the paper surface of the necking portion 119 even when the width of the region 115c is substantially uniform. Is formed. That is, when the laser is scanned in the direction of the arrow in the figure, the crystal grain boundary is blocked in the necking portion 119, and when the laser is further scanned, single crystal silicon is formed in the region above the paper surface of the necking portion 119. 114a is formed.
[0143]
As described above, according to the present modification, even when the width of the region 115c is formed to be substantially uniform, the single crystal silicon 114a can be formed by forming the necking portion 119.
[0144]
If the single crystal silicon 114a thus formed is used for a channel, a thin film transistor with high electron mobility can be provided.
[0145]
FIG. 38 is a plan view showing the positional relationship between the silicon thin film formed in this embodiment and the gate electrode.
[0146]
As shown in FIG. 38, a gate electrode 130 is formed on the single crystal silicon 114a through a gate insulating film (not shown). Since the single crystal silicon 114a serves as a channel, a thin film transistor with high electron mobility can be provided.
[0147]
Note that when the laser is scanned downward on the paper surface, the single crystal silicon 114 a is formed below the paper surface of the necking portion 119, so the gate electrode 130 may be formed below the paper surface of the necking portion 119.
[0148]
[Fourth Embodiment]
A method of manufacturing a thin film transistor according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 39 to 42 are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the thin film transistor according to the present embodiment. The same components as those of the first to third embodiments shown in FIGS. 1 to 38 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0149]
The thin film transistor manufacturing method according to the present embodiment is mainly characterized in that the silicon thin film formed according to the third embodiment is used for the channel layer. Here, a case where an n-type thin film transistor is manufactured will be described as an example.
[0150]
First, the silicon thin film formed according to the third embodiment is patterned into a desired shape (see FIG. 39A). For example, the channel length is 2 μm and the channel width is 2 μm. 39A corresponds to the region 115a in FIG. 25, and the left portion of the semiconductor layer 124 corresponds to the region 115b in FIG. Further, the central portion of the semiconductor layer 124 in FIG. 39A corresponds to the region 115c in FIG.
[0151]
Next, a gate oxide film 126 made of a 120 nm-thickness silicon oxide film is formed on the entire surface by PECVD. Note that the gate oxide film 126 may be formed by LPCVD, sputtering, or the like (see FIG. 36B).
[0152]
Next, an aluminum layer 128 having a thickness of 300 nm is formed on the entire surface by sputtering (see FIG. 36C).
[0153]
Next, the aluminum layer 128 is patterned into the shape of the gate electrode 130 by using a photolithography technique (see FIG. 37A). The gate electrode 130 is formed on the single crystal silicon 114a among the silicon thin films formed in the third embodiment. Accordingly, since the single crystal silicon 114a can be used for the channel, a thin film transistor with high electron mobility can be provided.
[0154]
Next, the gate oxide film 126 is etched by self-alignment with the gate electrode 130 (see FIG. 37B).
[0155]
Next, impurity ions are implanted into the semiconductor layer 124 in a self-aligned manner with the gate electrode 130. As the impurity, for example, phosphorus can be used.
[0156]
Next, excimer laser is irradiated from above the glass substrate 110 to activate the impurities introduced into the semiconductor layer 124. Thus, the source / drain diffusion layer 132 is formed in self-alignment with the gate electrode 130 (see FIG. 38A).
[0157]
Next, an interlayer insulating film 134 made of a 300 nm-thickness SiN film is formed on the entire surface (see FIG. 38B).
[0158]
Next, contact holes 136 reaching the source / drain diffusion layers 132 and the gate electrode 130 are formed in the interlayer insulating film 134 (see FIG. 39A).
[0159]
Next, a conductive layer formed by laminating a 100 nm thick Ti film, a 200 nm thick Al film, and a 100 nm thick Ti film is formed on the entire surface.
[0160]
Next, the conductive layer is patterned using a photolithography technique, thereby forming a gate electrode 138a and a source / drain electrode 138b made of the conductive layer (see FIG. 39B).
[0161]
Thus, the thin film transistor according to the present embodiment is manufactured.
[0162]
(Evaluation results)
Next, the electron mobility of the thin film transistor manufactured as described above was measured.
[0163]
As a result, the electron mobility is 350 cm.2A high value of / Vs could be obtained.
[0164]
Thus, according to this embodiment, since single crystal silicon can be used for a channel, a thin film transistor with high electron mobility can be provided.
[0165]
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
[0166]
For example, the semiconductor device described in each of the above embodiments includes a peripheral circuit integrated liquid crystal display (LCD), system on panel, system on glass, and SOI (Silicon On Insulator) element including TFTs. It is possible to apply as
[0167]
In the third embodiment, amorphous silicon is used as the silicon layer 114, but is not limited to amorphous silicon. For example, polycrystalline silicon may be used.
[0168]
In the third embodiment, Ni is used for the impurity layer 120, but is not limited to Ni, and metal impurities other than Ni may be used.
[0169]
In the third embodiment, the heat insulating layer 118a made of polycrystalline silicon is formed by solid-phase growth of amorphous silicon using Ni. However, the present invention is not limited to such solid-phase growth, and many layers are formed by vapor-phase growth. A heat insulating layer made of crystalline silicon may be formed. The heat insulating layer 118a is not limited to polycrystalline silicon, and amorphous silicon may be used. Moreover, you may comprise the heat retention layer 118a using another material.
[0170]
In the third embodiment, the laser is irradiated from the lower side of the glass substrate, but the laser may be irradiated from the upper side of the glass substrate. In this case, the heat insulating layer 118a above the silicon layer 114 may be removed by a CMP method or the like. Further, the heat insulating layer 118a above the silicon layer 114 may not be removed.
[0171]
In the third embodiment, the silicon oxide film is used as the separation film. However, the separation film is not limited to the silicon oxide film, and for example, a silicon nitride film or the like may be used.
[0172]
In the third embodiment, the width of the channel region is changed. However, it is not always necessary to change the width of the channel region. For example, the channel width may be uniform.
[0173]
In the third embodiment, the necking portion is formed. However, the necking portion is not necessarily formed.
[0174]
[Appendix]
(Appendix 1) A thin film semiconductor device in which an operating semiconductor film is formed on an insulating substrate, wherein at least a channel region of the operating semiconductor film has only a grain boundary having an inclination of less than 90 ° with respect to a current direction. A semiconductor device which is in a quasi-single crystal state which is a crystalline state including.
[0175]
(Supplementary Note 2) A thin film semiconductor device in which an operating semiconductor film is formed on an insulating substrate, wherein at least a channel region of the operating semiconductor film is a circular crystal grain, and the radius of the crystal grain is 250 nm. A semiconductor device characterized by being in a polycrystalline state composed of crystal grains having a large circular grain size with W <4L where <L and the channel width is W.
[0176]
(Supplementary note 3) The semiconductor device according to Supplementary note 1 or 2, wherein the channel region of the operation semiconductor film is formed narrower than other portions.
[0177]
(Supplementary Note 4) In the semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 1 to 3, the operating semiconductor film includes fine crystal grains and circular crystal grains in a source / drain region, and a radius of the crystal grains. A semiconductor device having a portion made of a crystal grain having a large circular grain size where W is less than L and 250 nm <L and W is less than 4 L where W is a channel width.
[0178]
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein a narrow neck portion is formed in the channel region.
[0179]
(Additional remark 6) It is a semiconductor thin film processed into the shape which has a narrow part, Comprising: At least the said narrow part is a quasi-single state which contains only the grain boundary which has an inclination below 90 degrees with respect to an electric current direction. A semiconductor thin film characterized by being in a crystalline state.
[0180]
(Supplementary Note 7) A method of manufacturing a thin film semiconductor device in which an operating semiconductor film is formed on an insulating substrate, the step of forming an island-shaped semiconductor film on the insulating substrate, and the semiconductor film as a separation film A step of covering and surrounding a side surface of the semiconductor film with a heat insulating film through the isolation film; and a step of irradiating the semiconductor film with an energy beam from the upper surface to crystallize the semiconductor film to form the operating semiconductor film A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0181]
(Additional remark 8) The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 7 WHEREIN: A heat absorber is provided in the lower part of the said semiconductor film, and irradiation of the said energy beam is performed.
[0182]
(Additional remark 9) The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 7 WHEREIN: The said heat retention film | membrane is formed thicker than the said semiconductor film.
[0183]
(Additional remark 10) It is a manufacturing method of the thin film type semiconductor device by which the operation | movement semiconductor film was formed on the insulated substrate, Comprising: The process of forming an island-like semiconductor film on the said insulated substrate, and the said semiconductor film by isolation | separation film A step of covering and covering the entire surface of the semiconductor film with a heat insulating film through the isolation film; and irradiating the semiconductor film with an energy beam from the lower surface of the insulating substrate to crystallize the semiconductor film, Forming a semiconductor device. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0184]
(Additional remark 11) The manufacturing method of the semiconductor device in any one of additional remark 7 thru | or 10 WHEREIN: The said semiconductor film before energy beam irradiation consists of amorphous silicon or polycrystalline silicon.
[0185]
(Supplementary Note 12) In the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 7 to 11, the heat insulating film is made of a semiconductor material, a metal material, an insulating material, a mixture or a compound thereof, Production method.
[0186]
(Additional remark 13) The manufacturing method of the semiconductor device in any one of additional remark 7 thru | or 12 WHEREIN: Irradiating the said energy beam using an excimer laser as a light source.
[0187]
(Additional remark 14) The manufacturing method of the semiconductor device in any one of Additional remark 7 thru | or 13 WHEREIN: The said channel area | region of the said operation | movement semiconductor film is formed more narrowly than another site | part.
[0188]
(Additional remark 15) The manufacturing method of the semiconductor device in any one of Additional remarks 7 thru | or 14 WHEREIN: A narrow constriction part is formed in the said channel area | region.
[0189]
(Supplementary Note 16) A step of forming an island-shaped semiconductor film on an insulating substrate, a step of covering the semiconductor film with a separation film, and surrounding a side surface of the semiconductor film with a heat insulating film through the separation film, and the semiconductor film And irradiating an energy beam from above to crystallize the semiconductor film to form the operating semiconductor film.
[0190]
(Supplementary Note 17) Forming an island-shaped semiconductor film on an insulating substrate, covering the semiconductor film with a separation film, covering the entire surface of the semiconductor film with a heat insulating film via the separation film, and the semiconductor film Irradiating an energy beam from the lower surface of the insulating substrate to crystallize the semiconductor film to form the operating semiconductor film.
[0191]
(Supplementary Note 18) A step of forming a silicon layer on an insulating substrate, a step of forming a heat insulating layer on at least a side surface of the silicon layer, and irradiating the silicon layer with an energy beam that continuously oscillates to crystallize the silicon layer A process for forming a silicon thin film.
[0192]
(Supplementary note 19) In the method for forming a silicon thin film according to supplementary note 18, the insulating substrate is a substrate that transmits the energy beam, and in the step of crystallizing the silicon layer, an energy beam having a wavelength of 400 nm or more is irradiated. A method for forming a silicon thin film.
[0193]
(Supplementary note 20) In the method for forming a silicon thin film according to supplementary note 19, in the step of forming the thermal insulation layer, the insulation layer is formed in the step of forming the thermal insulation layer on the upper surface of the silicon layer and crystallizing the silicon layer. A method for forming a silicon thin film, comprising irradiating the energy beam from the back side of a substrate.
[0194]
(Supplementary note 21) In the method for forming a silicon thin film according to any one of supplementary notes 18 to 20, in the step of forming the thermal insulation layer, the thermal insulation layer is selectively formed in the vicinity of a partial region of the silicon layer. A method for forming a silicon thin film.
[0195]
(Supplementary note 22) In the method for forming a silicon thin film according to any one of supplementary notes 18 to 21, in the step of forming the silicon layer, the silicon layer is formed so that a width varies in a partial region of the silicon layer. A method for forming a silicon thin film, comprising:
[0196]
(Supplementary note 23) In the method for forming a silicon thin film according to any one of supplementary notes 18 to 22, in the step of forming the silicon layer, a notch is formed in a part of the silicon layer. Method.
[0197]
(Supplementary Note 24) In the method for forming a silicon thin film according to supplementary note 22 or 23, in the step of crystallizing the silicon layer, a portion where the width of the silicon layer is widened from a portion where the width of the silicon layer is narrowed A method for forming a silicon thin film, wherein the energy beam is scanned in a direction toward the surface.
[0198]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a thin film type semiconductor device having an extremely high electron mobility by forming an operating semiconductor film from a semiconductor thin film whose influence of crystal grain boundaries is negligible. It becomes.
[0199]
In addition, according to the present invention, since a crystal is grown by scanning a continuous wave laser from a narrow region of the silicon layer toward a wide region, the crystal grown in the lateral direction can be taken over. Crystal defects can be eliminated outside the silicon layer. Therefore, according to the present invention, a silicon thin film having single crystal silicon can be formed, and a semiconductor device having high electron mobility can be provided using the silicon thin film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating a method for forming an operating semiconductor film according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for forming the operating semiconductor film according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a schematic diagram showing temperature distribution characteristics in an amorphous silicon film during crystallization.
FIG. 4 is a schematic diagram showing how crystallization proceeds in a method from an inside toward an edge portion in an amorphous silicon film.
FIG. 5 is a schematic plan view showing a generation direction of a crystal grain boundary in a portion that becomes a channel region where the width of an amorphous silicon film is gradually narrowed.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example in which a heat absorber made of an insulating material is embedded in a silicon oxide film for separation.
FIG. 7 is a schematic plan view showing an amorphous silicon film according to a modification (Part 1) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic plan view showing the mechanism of crystal growth according to a modification (Part 1) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view showing an amorphous silicon film according to a modification (No. 2) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic plan view showing the mechanism of crystal growth according to a modification (Part 2) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic plan view showing an amorphous silicon film according to a modification (Part 3) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic plan view showing the mechanism of crystal growth according to a modification (Part 3) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the manufacturing method of the TFT according to the first embodiment of the invention;
FIG. 14 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the manufacturing method of the TFT according to the first embodiment of the invention;
FIG. 15 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the manufacturing method of the TFT according to the first embodiment of the invention;
FIG. 16 is a process cross-sectional view (No. 4) illustrating the method for manufacturing the TFT according to the first embodiment of the invention;
FIG. 17 is a schematic plan view showing the main configuration of an n-type TFT according to a second embodiment of the invention.
FIG. 18 is a photomicrograph showing the observation of the crystal structure of an operating semiconductor film.
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing a step of crystallizing an amorphous silicon film.
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing the main configuration of a TFT according to a second embodiment of the invention.
FIG. 21 is a process sectional view (No. 1) showing the method for forming the silicon thin film according to the third embodiment of the invention;
FIG. 22 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for forming the silicon thin film according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 23 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for forming the silicon thin film according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 24 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for forming the silicon thin film according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 25 is a plan view (part 1) showing a patterning shape of a silicon layer;
FIG. 26 is a graph obtained by measuring crystal states of a heat insulating layer, a separation film, and a silicon layer by Raman scattering spectroscopy.
FIG. 27 is a graph showing the relationship between the wavelength of a laser and the transmittance with respect to a glass substrate.
FIG. 28 is a plan view showing a crystallization mechanism of a silicon layer.
FIG. 29 is a conceptual diagram showing a temperature gradient of a silicon layer when laser irradiation is performed.
FIG. 30 is a plan view showing the positional relationship between the silicon thin film and the gate electrode formed according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a photomicrograph showing the crystalline state of a silicon thin film formed according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a plan view showing a method for forming a silicon thin film according to a first modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 33 is a photomicrograph showing the crystalline state of a silicon thin film formed by a modification (Part 1) of the third embodiment of the present invention.
FIG. 34 is a conceptual diagram showing a method for forming a silicon thin film according to a modification (Part 2) of the third embodiment of the present invention.
FIG. 35 is a conceptual diagram showing a method for forming a silicon thin film according to a modification (Part 3) of the third embodiment of the present invention.
FIG. 36 is a conceptual diagram showing a method for forming a silicon thin film according to a modification (No. 4) of the third embodiment of the present invention.
FIG. 37 is a conceptual diagram showing a method for forming a silicon thin film according to a modification (No. 5) of the third embodiment of the present invention.
FIG. 38 is a plan view showing a positional relationship between a silicon thin film formed by a modification (No. 5) of the third embodiment of the present invention and a gate electrode.
FIG. 39 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the thin film transistor according to the fourth embodiment of the invention;
FIG. 40 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the thin film transistor according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 41 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the thin film transistor according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 42 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the thin film transistor according to the fourth embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
1 ... Glass substrate
2 ... Silicon oxide film used as buffer
3. Amorphous silicon film
4 ... Silicon oxide film used as separation film
5 ... Thermal insulation film
11 ... Working semiconductor film
12 ... Necking club
13 ... heat absorber
21 ... Glass substrate
22 ... Silicon oxide film serving as a buffer
23 ... Gate oxide film (silicon oxide film)
24 ... Gate electrode (aluminum film)
25. Interlayer insulating film
26 ... Contact hole
27. Wiring (metal film)
31. Working semiconductor film
32 ... Gate electrode (aluminum film)
33 ... Source region
34 ... Drain region
35 ... Disk-like crystal grains with a large circular grain size
36 ... Microcrystalline silicon
41 ... Amorphous silicon film
42. Thermal insulation film
110 ... Glass substrate
112 ... Buffer layer
114 ... silicon layer
114a ... single crystal silicon
115a, 115b, 115c ... area
116 ... separation membrane
117a: Area where width is narrowed
117b: Area where width is gradually increased
117c: Widened area
118 ... Thermal insulation layer
118a ... thermal insulation layer
119 ... Necking part
120 ... Impurity layer
121 ... Grain boundary
124: Semiconductor layer
126 ... Gate oxide film
128 ... Aluminum layer
130 ... Gate electrode
132: Source / drain diffusion layer
134. Interlayer insulating film
136 ... contact hole
138a ... Gate electrode
138b ... Source / drain electrode

Claims (4)

絶縁基板上に動作半導体膜が形成された薄膜型の半導体装置の製造方法であって、
切り込み状にくびれたくびれ部が形成され、チャネル領域となる部位がその他の部位より幅狭に形成されるように、前記絶縁基板上に島状の半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜を分離膜で覆い、前記分離膜を介して半導体膜の側面のみを囲うように保温膜を形成する工程と、
前記半導体膜に対して上面からエネルギービームを照射して前記半導体膜を結晶化し、前記動作半導体膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a thin film semiconductor device in which an operating semiconductor film is formed on an insulating substrate,
Forming an island-shaped semiconductor film on the insulating substrate such that a constricted portion narrowed in a cut shape is formed, and a portion to be a channel region is formed to be narrower than other portions;
Covering the semiconductor film with a separation film, and forming a heat insulating film so as to surround only the side surface of the semiconductor film through the separation film;
Irradiating the semiconductor film with an energy beam from above to crystallize the semiconductor film to form the operating semiconductor film.
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
前記保温膜を前記半導体膜より厚く形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the heat insulating film is formed thicker than the semiconductor film.
絶縁基板上に動作半導体膜が形成された薄膜型の半導体装置の製造方法であって、
切り込み状にくびれたくびれ部が形成され、チャネル領域となる部位がその他の部位より幅狭に形成されるように、前記絶縁基板上に島状の半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜を分離膜で覆い、前記半導体膜の全面を前記分離膜を介して保温膜で覆う工程と、
前記半導体膜に対して前記絶縁基板の下面からエネルギービームを照射して前記半導体膜を結晶化し、前記動作半導体膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a thin film semiconductor device in which an operating semiconductor film is formed on an insulating substrate,
Forming an island-shaped semiconductor film on the insulating substrate such that a constricted portion narrowed in a cut shape is formed, and a portion to be a channel region is formed to be narrower than other portions;
Covering the semiconductor film with a separation film, and covering the entire surface of the semiconductor film with a heat insulating film through the separation film;
Irradiating the semiconductor film with an energy beam from the lower surface of the insulating substrate to crystallize the semiconductor film to form the operating semiconductor film.
請求項又は記載の半導体装置の製造方法において、
エキシマレーザを光源として、前記エネルギービームの照射を行なう
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device of Claim 1 or 3 ,
Irradiating the energy beam using an excimer laser as a light source. A method for manufacturing a semiconductor device.
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