JP3859744B2 - Method for manufacturing semiconductor device and active matrix display device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device and active matrix display device Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、ガラス基板等の絶縁表面を有する基板上に形成される薄膜半導体の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、薄膜半導体を用いた半導体装置として、薄膜トランジスタが注目されている。特に液晶電気光学装置に薄膜トランジスタを搭載する構成が注目されている。これは液晶電気光学装置を構成するガラス基板上に薄膜半導体を成膜し、この薄膜半導体を用いて薄膜トランジスタを構成するものである。この場合、薄膜トランジスタは、液晶電気光学装置の各画素電極に配置され、画素電極に出入りする電荷を制御するスイッチング素子としての機能を有する。このような構成は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置と呼ばれ、非常に高品質な画像を表示することができる。
【0003】
薄膜トランジスタに使用される薄膜半導体としては、非晶質珪素薄膜が主に利用されている。しかし、非晶質珪素薄膜を利用したものでは、必要とする特性が得られないのが現状である。
【0004】
非晶質珪素膜の特性を高めるには、非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶性珪素膜とすることが有用である。結晶性珪素膜を得る方法としては、非晶質珪素膜をプラズマCVD法や減圧熱CVD法で形成した後、加熱処理を加える方法が知られている。
【0005】
一方で、アクティブマトリクス型の液晶電気光学装置に薄膜トランジスタを利用する場合、経済性の観点から基板としてガラス基板を利用する必要があるという問題がある。
【0006】
非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させるには、600℃以上の温度で数十時間以上の加熱処理を行わねばならない。一方でガラス基板は、600℃以上の加熱を数十時間以上加えると反り返ったり変形してしまう。このことは、ガラス基板が大面積化した場合に特に顕著になる。液晶電気光学装置は、数μmの間隔を有して張り合わせられたガラス基板間に液晶を挟んで保持する構成が必要とされるので、ガラス基板の変形は、表示ムラ等の原因となり好ましくない。
【0007】
この問題を回避するためには、基板として石英基板や高い温度の加熱処理に耐える特殊なガラス基板を利用すればよい。しかし、石英基板や高温に耐える特殊ばガラス基板は高価であり、生産コストの点から利用することは困難である。
【0008】
またレーザー光の照射によって、非晶質珪素膜を結晶化させる技術が知られている。レーザー光の照射を利用した場合は、局部的に非常に結晶性の良好な結晶性珪素膜を得ることができる半面、膜全体においてレーザー光の照射の効果の均一性がえられにくい。また得られた結晶性珪素膜においても工程毎にバラツキが多い(換言すれば再現性が低い)という問題がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書に開示する発明においては、良好な結晶性を有した結晶性珪素膜を得る方法を提供することを課題とする。特に基板としてガラス基板を利用した場合に結晶性の良好な結晶性珪素膜を得ることを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成する工程と、
該工程の前また後において、前記非晶質珪素膜の裏面または表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
前記非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射し、表皮効果による前記非晶質珪素膜の表面を選択的に加熱し結晶性珪素膜に変成する工程と、
を有することを特徴とする。
【0011】
上記構成において、絶縁表面を有する基板としては、代表的にはガラス基板を挙げることができる。本明細書で開示する発明は、加熱に弱いガラス基板を利用した場合に有用なものとなる。またガラス基板の他には、石英基板や絶縁膜が形成された半導体基板を利用することができる。
【0012】
非晶質珪素膜としては、プラズマCVD法または減圧熱CVD法で成膜されたものを用いることができる。特に減圧熱CVD法で成膜された珪素膜は、膜中の水素量が少なく、結晶化を行わすことが容易な膜となるので都合がよい。
【0013】
珪素の結晶化を助長する金属元素としては、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類の元素を利用することができる。
【0014】
上記金属元素の中で、特にNi(ニッケル)を利用することが有用である。Niは、実験的にその効果の再現性が極めて高く得られている。
【0015】
金属元素の導入を行うには、金属元素を含む溶液を塗布する方法を用いることが好ましい。非晶質珪素膜の裏面に当該金属元素を接して保持させるのであれば、非晶質珪素膜を成膜する前にその被形成面上に金属元素を接して保持させる。また、非晶質珪素膜の表面に金属元素を保持させるのであれば、非晶質珪素膜を成膜後に金属元素を接して保持させればよい。また、これら金属元素は、最終的に素膜中に1×1016〜1×1019原子cm-3の濃度で含まれるように工夫することが重要である。この金属元素の濃度は、SIMS(2次イオン分析方法)で得られる最小値として定義される。
【0016】
以下に金属元素を溶液を用いて導入する場合について説明する。例えば、金属元素としてNiを利用する場合は、ニッケル化合物である臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、ニッケルアセチルアセトネ−ト、4−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケル、2−エチルヘキサン酸ニッケルからから選ばれた少なくとも1種類を用いることができる。即ちこれらの溶液を非晶質珪素膜の被形成面上や非晶質珪素膜上に塗布することで、ニッケル元素の導入を行うことができる。
【0017】
また、Niを無極性溶媒である、ベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、エ−テル、トリクロロエチレン、フロンに含ませたものを用いてもよい。
【0018】
また金属元素としてFe(鉄)を用いる場合は、鉄塩として知られている材料、例えば臭化第1鉄(FeBr2 6H2 O)、臭化第2鉄(FeBr3 6H2 O)、酢酸第2鉄(Fe(C232)3xH2 O)、塩化第1鉄(FeCl2 4H2 O)、塩化第2鉄(FeCl3 6H2 O)、フッ化第2鉄(FeF3 3H2 O)、硝酸第2鉄(Fe(NO3)3 9H2 O)、リン酸第1鉄(Fe3 (PO4)2 8H2 O)、リン酸第2鉄(FePO4 2H2 O)から選ばれたものを用いることができる。
【0019】
また金属元素としてCo(コバルト)を用いる場合は、コバルト塩として知られている材料、例えば臭化コバルト(CoBr6H2 O)、酢酸コバルト(Co(C232)2 4H2 O)、塩化コバルト(CoCl2 6H2 O)、フッ化コバルト(CoF2 xH2 O)、硝酸コバルト(Co(No3)2 6H2 O)から選ばれたものを用いることができる。
【0020】
また金属元素としてRu(ルテニウム)を用いる場合は、ルテニウム塩として知られている材料、例えば塩化ルテニウム(RuCl32 O)を用いることができる。
【0021】
また金属元素してRh(ロジウム)を用いる場合は、ロジウム塩として知られている材料、例えば塩化ロジウム(RhCl3 3H2 O)を用いることができる。
【0022】
また金属元素としてPd(パラジウム)を用いる場合は、パラジウム塩として知られている材料、例えば塩化パラジウム(PdCl2 2H2 O)を用いることができる。
【0023】
また金属元素としてOs(オスニウム)を用いる場合は、オスニウム塩として知られている材料、例えば塩化オスニウム(OsCl3 )を用いることができる。
【0024】
また金属元素としてIr(イリジウム)を用いる場合は、イリジウム塩として知られている材料、例えば三塩化イリジウム(IrCl3 3H2 O)、四塩化イリジウム(IrCl4 )から選ばれた材料を用いることができる。
【0025】
また金属元素としてPt(白金)を用いる場合は、その化合物として白金塩として知られている材料、例えば塩化第二白金(PtCl4 5H2 O)を用いることができる。
【0026】
また金属元素としてCu(銅)を用いる場合は、酢酸第二銅(Cu(CH3 COO)2 )、塩化第二銅(CuCl2 2H2 O)、硝酸第二銅(Cu(NO3)2 3H2 O)から選ばれた材料を用いることができる。
【0027】
また金属元素として金を用いる場合は、三塩化金(AuCl3 xH2 O)、塩化金塩(AuHCl4 4H2 O)から選ばれた材料を用いることができる。
【0028】
このような溶液を用いた方法は、当該金属元素を非晶質珪素膜に接して分散させて保持させることができるので、均一な結晶化を行わすために非常に有用なものとなる。またその濃度を制御することが容易となるので有用である。
【0029】
マイクロ波としては、1〜10GHzの周波数のものを用いることが適当である。非晶質珪素膜にマイクロ波を照射することにより、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成できるのは、マイクロ波が珪素と水素との結合(Si−H結合)に吸収され、その結果非晶質珪素膜が加熱されるからである。またガラス基板を用いた場合、マイクロ波は表皮効果によって、非晶質珪素膜の表面に吸収されるので、ガラス基板を直接加熱することがないという特徴を有する。これは、加熱に弱いガラス基板を用いる場合に有用なこととなる。
【0030】
またガラス基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、非晶質珪素膜の表面側からマイクロ波を照射し加熱した場合、結晶成長が膜の表面から進行するので、一様な結晶成長を行わすことができる。
【0031】
図9に示すのは、ガラス基板901上に下地膜の酸化珪素膜902を成膜し、さらに非晶質珪素膜903をプラズマCVD法や減圧熱CVD法で成膜し、さらにヒータによる加熱によって非晶質珪素膜903を結晶化させる状態を示した概略図である。
【0032】
このような場合、熱容量の大きいガラス基板901側から熱電導があること、下地膜の酸化珪素膜902と非晶質珪素膜903との界面に結晶化に際しての核となる欠陥や応力が存在していること、等の原因により、結晶成長は矢印904で示されるように、基板側から進行する。この際、結晶成長の核となる部分は不均一に存在しているので、結晶成長も不均一なものとなってしまう。
【0033】
一方、図10に示すのは、ガラス基板901上に下地膜の酸化珪素膜902を成膜し、さらに非晶質珪素膜903をプラズマCVD法や減圧熱CVD法で成膜し、さらに906で示されるマイクロ波の照射によって非晶質珪素膜903を結晶化させる状態を示した概略図である。
【0034】
この場合、マイクロ波906が非晶質珪素膜903の表面に選択的に吸収されるので、加熱は非晶質珪素膜903の表面から選択的に行われることになる。そして、結晶成長も905で示されるように非晶質珪素膜の表面から進行することになる。この結晶化の工程は、図9に示す場合と異なり、下地や基板との界面の影響を受けることがないので、均一な結晶成長とすることができる。
【0035】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成する工程と、
該工程の前また後において、前記非晶質珪素膜の裏面または表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
高真空雰囲気中において、前記非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射し結晶性珪素膜に変成する工程と、
を有することを特徴とする。
【0036】
上記構成における高真空状態とは、でき得る限り高い真空度に保つ状態のことをいう。この状態は、使用する排気ポンプの性能やメンテナンス状態、さらには使用する真空チャンバーによって異なるものである。しかし、可能限り高い真空度にすることが重要となる。
【0037】
でき得る限り高い真空度にするのは、マイクロ波の照射によって、プラズマが発生しないようにするためである。プラズマが発生すると、プラズマ中のイオンや活性種によって膜がエッチングされ、また膜中に欠陥が形成されてしまうので、良質な結晶性珪素膜を得るためには都合が悪い。
【0038】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成する工程と、
該工程の前また後において、前記非晶質珪素膜の裏面または表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
プラズマを生成させない雰囲気中において、前記非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射し結晶性珪素膜に変成する工程と、
を有することを特徴とする。
【0039】
プラズマを生成させない雰囲気としては、でき得る限り高真空状態とする場合を挙げることができる。(最も完全な高真空でない限り、大電力の投入によってプラズマが生成される)
【0040】
また空気等はプラズマが生成されにくい雰囲気といえる。しかし、プラズマの生成されるされないというのは、投入されるマイクロ波の周波数や電力によって異なる問題である。よってここでは、プラズマが生成されない状態というのは、プラズマの発光が目視で確認できない状態である、という定義を採用することとする。
【0041】
【作用】
気相法で成膜された非晶質珪素膜に対して、高真空中においてマイクロ波の照射による加熱を行うことによって、非晶質珪素膜の結晶化を行うことができる。マイクロ波は、珪素と水素との結合に吸収され易く、本質的に水素を多量に含んだ非晶質珪素膜には選択的に吸収される。特に表皮効果によって、非晶質珪素膜の表面に選択的にマイクロ波は吸収される。そして、非晶質珪素膜はその表面から選択的に加熱されることなる。この加熱のエネルギーによって、膜中からの水素分子の離脱が促進され、珪素分子同士の結合の割合が増加していく。そして、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成することができる。また、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することで、この結晶化の工程の再現性を高くすることができる。また、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することで、高い結晶性を得ることができる。
【0042】
また、予め非晶質珪素膜に対して加熱処理を行い、膜中から水素を離脱させておくと、マイクロ波の照射による結晶化をより高い再現性でもって行うことができる。また、より高い結晶性を得ることができる。また、このマイクロ波の照射の後、さらに加熱やレーザー光の照射を行うことは、結晶性珪素膜を得る再現性(所定の膜質を得る安定性)を高める上で効果がある。
【0043】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例は、ガラス基板上に結晶性珪素膜を形成する構成に関する。まずガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を成膜する。この酸化珪素膜は、ガラス基板中からの不純物の拡散を防止するために機能する。また、ガラス基板と半導体膜との間で生じる応力の緩和を行うために機能する。この酸化珪素膜は、プラズマCVD法やスパッタ法によって3000Å程度の厚さに成膜すればよい。
【0044】
次に非晶質珪素膜を成膜する。非晶質珪素膜は、プラズマCVD法または減圧熱CVD法で成膜すればよい。非晶質珪素膜の厚さは、必要とする厚さとすればよいが、ここでは500Åとする。
【0045】
非晶質珪素膜を成膜したら、所定のニッケル濃度に濃度制御したニッケル酢酸円溶液をスピンコート法で塗布する。そして、2.45GHzのマイクロ波を照射し、非晶質珪素膜を加熱する。
【0046】
図1に非晶質珪素膜に対して、マイクロ波の照射を行うための装置の概要を示す。図1に示す装置は、発振器104で発生される2.45GHz のマイクロ波(出力5kW)を基板ホルダー106上に配置された非晶質珪素膜が成膜されたガラス基板107に照射し、ガラス基板107上の非晶質珪素膜を結晶化させる装置である。
【0047】
マイクロ波の照射による処理を行うには、まず真空チャンバー103内に基板107を配置する。基板107は、基板ホルダー106に配置される。基板ホルダー106は、調整棒108によって、前後させることができる。これは、チャンバー内に発生する定常波の状態によっては、基板の配置位置が重要になるからである。本実施例においては、マイクロ波の電界強度が最大となる領域に基板107を配置する。
【0048】
基板107を配置したら、チャンバーを閉鎖し、窒素ガスによって、内部をパージする。そして排気ポンプ105を用いて、高真空状態とする。排気ポンプは、ターボ分子ポンプ等の高真空排気するものを用いることが望ましい。また、ターボ分子ポンプの種類によっては、常圧で使用すると、破壊するものがあるので、その場合は、ロータリポンプを併用すればよい。
【0049】
ここでの高真空状態としては、マイクロ波によってプラズマが発生しない程度の真空度を有する状態とすることが必要である。
【0050】
排気ポンプ105によって、チャンバー103内を高真空状態としたら、マイクロ波発振器104より2.45GHzのマイクロ波を発振させる。マイクロ波は、導波管102を介して、チャンバー103内に供給される。そして、マイクロ波は基板107上の非晶質珪素膜に照射され、膜の結晶化が行われる。
【0051】
また、基板ホルダー106内には、ヒーターが内蔵されており、基板を所定の温度に加熱することができる。ここでは、基板を550℃の温度で加熱する。この温度は、ガラス基板を用いる場合、その歪点以下の温度のできるだけ高い温度を選択することが望ましい。一般的には、400℃〜ガラス基板の歪点以下の温度を選択すればよい。また基板としてガラス基板を利用しない場合は、その基板の耐熱性に鑑みて、この加熱温度の上限を決めればよい。
【0052】
なお、一般に加熱に際する温度測定は、ガラス基板の裏側で行われるので、ガラス基板上の珪素膜の温度を正確に測定することは困難である。その場合、ガラス基板の裏側における温度を加熱の温度として利用してもよい。
【0053】
非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射することによって、非晶質珪素膜の結晶化を行った後、基板を装置の外部に取り出し、結晶化の工程を終了させる。
【0054】
〔実施例2〕
本実施例は、マイクロ波の照射によって結晶化された珪素膜に対して、加熱をさらに行う構成に関する。ここで加熱をさらに行うのは、結晶化の工程のマージンを得るためである。即ち、より高い再現性でもって、結晶性珪素膜を得るためである。
【0055】
ここで行う加熱は、マイクロ波の照射による結晶化が終了した珪素膜に対して、400℃〜ガラス基板の歪点以下の温度で行うことが望ましい。一般的には、400℃〜600℃の温度で、1〜4時間程度の加熱処理を行えばよい。加熱の方法は、ヒータによる加熱や赤外線ランプの照射による方法を採用すればよい。
【0056】
加熱を行うと、膜中の欠陥を減少させることができる。また、膜の結晶性を向上させることができる。一般的には、工程間のバラツキがなく、一定の膜質を有する結晶性珪素膜を得ることができる。
【0057】
〔実施例3〕
本実施例は、マイクロ波の照射によって結晶化された珪素膜に対して、さらにレーザー光を照射することにより、結晶性の向上と、結晶化工程におけるマージンの向上を得る構成に関する。
【0058】
一般に非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射して、結晶性珪素膜を得る方法を採用した場合、前述したように、得られる結晶性珪素膜の膜質の均一性や工程結果のバラツキといった問題が生じる。
【0059】
しかし、本実施例に示すように、一端結晶化した珪素膜に対して、さらにレーザー光の照射を行う場合、結晶性を向上させる作用が得られ、また高い再現性でもってその作用を得ることができる。
【0060】
非晶質珪素膜にいきなりレーザー光を照射した場合は、非晶質状態から結晶状態への急激な相変化が生じてしまう。そして、この急激な相変化に起因して、得られる結晶状態の再現性が不安定になってしまう。
【0061】
しかし、マイクロ波の照射による加熱によって一端結晶化した珪素膜に対してレーザー光を照射した場合は、急激な相変化が起こらず、その効果を一定なものとすることができる。即ち、レーザー光の照射の効果の再現性を確保することができる。
【0062】
また、レーザー光の照射の際、被照射面を加熱することは効果がある。この加熱温度は、400℃〜600℃の温度で行うことが好ましい。これは、レーザー光の照射に際するエネルギーの衝撃を和らげ、明確な結晶粒界の形成や、膜表面の荒れを抑えることに効果がある。また膜中に欠陥が生じてしまうことを防ぐことができる。
【0063】
〔実施例4〕
本実施例は、マイクロ波の照射による非晶質珪素膜の結晶化の後に、さらにレーザー光の照射による結晶化の向上を行い、さらに加熱によるアニールを加える構成に関する。レーザー光の照射は、珪素膜中に残存した非晶質成分を結晶化させ、膜の結晶性を向上させる効果を有する。また、加熱によるアニールは、膜の欠陥を減少させる効果を有している。
【0064】
このような構成を採用すると、工程は増えるというデメリットはあるが、得られる結晶性珪素膜の膜質の再現性は非常に高いものとすることができる。
【0065】
また、加熱の後にレーザー光の照射を行い、さらに加熱を行う構成としてもよい。またさらに、レーザー光の照射と加熱とを交互に複数回繰り返して行うのでもよい。このようにすると、得られる結晶性珪素膜の結晶性の再現性や電気的性質の再現性を高くすることができる。しかし、工程数が増えるので、生産性が低下するという欠点がある。
【0066】
〔実施例5〕
本実施例は、本明細書に開示する発明を用いて作製された結晶性珪素膜を用いて、薄膜トランジスタを作製する例を示す。図2に本実施例で示す薄膜トランジスタの作製工程を示す。まず、ガラス基板201上にスパッタ法により、下地膜として機能する酸化珪素膜202を3000Åの厚さに成膜する。次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法により、非晶質珪素膜203を500Åの厚さに成膜する。(図2(A))
【0067】
そして非晶質珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる。ここでは、所定の濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液をスピナーを用いて塗布することによって、非晶質珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素が接して保持された状態とする。
【0068】
次に非晶質珪素膜に対してマイクロ波の照射を行う。ここでは、図1に示す装置を用いて、非晶質珪素膜203に対してマイクロ波の照射を行い、非晶質珪素膜203を結晶性珪素膜に変成する。この時、550℃の温度に被形成面を加熱する。またマイクロ波の照射は、高真空中で行う。
【0069】
なお、基板の位置は調整棒108(図1参照)を操作することによって調整し、基板の位置を電界強度が最大となる領域に調整する。
【0070】
マイクロ波の照射により、非晶質珪素膜203を結晶化させた後、レーザー光の照射を行い、その結晶性を向上させる。ここでは、KrFエキシマレーザーを用いる。このレーザー光は、幅は5mm、長さが20cmの線状のビームに成形されており、そのエネルギー密度は350mJ/cm2 とする。また、このレーザー光の照射工程において、被形成面を550℃に加熱する。
【0071】
こうして、非晶質珪素膜203を結晶性珪素膜に変成する。次に、パターニングを施すことにより、図2(B)に示すように薄膜トランジスタの活性層204を形成する。
【0072】
次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜205を1000Åの厚さにプラズマCVD法またはスパッタ法によって成膜する。さらにゲイト電極を構成するためのアルミニウムを主成分とする膜を6000Åの厚さに成膜する。成膜方法は、スパッタ法または電子ビーム蒸着法を用いればよい。そしてパターニングを施すことにより、ゲイト電極206を形成する。さらに電解溶液中においてゲイト電極206を陽極として陽極酸化を行うことにより、ゲイト電極の周囲に陽極酸化物層207を形成する。陽極酸化物層の厚さは2000Åとする。こうして、図2(B)に示す状態を得る。
【0073】
次にソース/ドレイン領域を形成するための不純物イオンをイオン注入法またはプラズマドーピング法によって加速注入する。この工程においては、ゲイト電極206とその周囲の陽極酸化物層207がマスクとなることによって、208と211の領域に不純物イオンが注入される。ここでは、Nチャネル型の薄膜トランジスタを作製するためにP(リン)のイオンを注入する。また、209の領域は、陽極酸化物層207がマスクとなることによって、不純物イオンが注入されない。また、210の領域には、ゲイト電極206がマスクとなることによって、これも不純物イオンが注入されない。
【0074】
不純物イオンの注入後、レーザー光の照射を行うことにより、注入された不純物イオンの活性化と不純物イオンが注入された領域のアニールとを行う。こうして、ソース領域208とドレイン領域211とが自己整合的に形成される。また、同時に209の領域はオフセットゲイト領域として、210の領域はチャネル形成領域として形成することができる。(図2(C))
【0075】
次に層間絶縁膜として酸化珪素膜212を6000Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜212はプラズマCVD法によって成膜を行う。次にコンタクトホールの形成を行い、ソース電極213とドレイン電極214との形成を行う。そして、さらに350℃の水素雰囲気中において1時間の加熱処理を施すことにより、図2(D)に示す薄膜トランジスタを完成させる。
【0076】
〔実施例6〕
本実施例の作製工程を図3に示す。本実施例が特徴とするのは、図2に示す薄膜トランジスタの作製工程において、非晶質珪素膜のパターニングを行った後にマイクロ波の照射による結晶化を行うことを特徴とする。即ち、活性層を構成するパターン(このパターンは非晶質でなる)を形成した後にマイクロの照射を行い、このパターンを結晶化させることを特徴とする。
【0077】
なお本実施例に示す構成において、特に断らないかぎり、作製条件等は実施例4の場合と同じである。
【0078】
まず図3(A)に示すように、ガラス基板201上に下地膜として酸化珪素膜202を成膜する。次に非晶質珪素膜(図示せず)を酸化珪素膜202上に成膜する。そしてパターニングを行うことにより、薄膜トランジスタの活性層となる領域204を形成する。ここでは、この活性層となる領域は、非晶質の状態である。(図3(A))
【0079】
この状態において、所定の濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液をスピンコート法によって塗布する。そして、図1に示す装置を用いてマイクロ波の照射をパターニングされた非晶質状態の珪素パターンに対して行う。このような構成とした場合、数十μm角以下の小さな領域に対して、マイクロ波の照射による結晶化が行われるので、より結晶性の高いものとすることができる。
【0080】
こうして、図3(A)に示す状態を得たら、図2(B)以下に示すのと同様な工程に従って薄膜トランジスタを完成させる。即ち、図3(B)に示す工程は、図2(B)に示す工程と同じである。また、図3(C)に示す工程は、図2(C)に示す工程と同じである。また、図3(D)に示す工程は、図2(D)に示す工程と同じである。
【0081】
本実施例に示す構成を採用した場合、活性層の側面の結晶性を向上させることができる。活性層の側面の結晶性を向上させることができると、活性層の側面におけるトラップ準位の密度を低下させることができる。活性層の側面に高密度でトラップ準位が存在すると、トランジスタのOFF動作時に活性層の側面のトラップ準位を経由したキャリアの移動に起因するOFF電流が問題となる。従って、本実施例に示すように、活性層の側面の結晶性を向上させ、そこにおけるトラップ準位の密度を下げることで、OFF電流を低減させることができる。
【0082】
〔実施例7〕
本実施例は、非晶質珪素膜上にマスクを設けてマイクロ波の照射を行う構成に関する。本実施例において、マスクを設けるのは、選択的にマイクロ波を照射し、選択的に結晶化を行うためである。
【0083】
図4に示すのは、周辺駆動回路を内蔵したアクティブマトリクス型の液晶表示装置の概要でる。即ち、図4には、同一ガラス基板上に画素領域と画素領域に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺駆動回路とを集積化した構成が示されている。なお、図4には、1枚のガラス基板が示されているが、液晶セルを構成する場合には、対向するガラス基板を用意し、そのガラス基板と図4に示すガラス基板との間に液晶を保持させる構成となる。
【0084】
図4に示す構成においては、ガラス基板401上に数百×数百のマトリクス状に画素電極が配置された画素領域402、画素領域402に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺駆動回路403、404が配置されている。周辺駆動回路と画素領域とは、配線パターン405及び406によって接続されている。
【0085】
画素領域402を構成する画素の一つには、少なくとも一つの薄膜トランジスタが配置されている。また周辺駆動回路403、404は、シフトレジスタ回路、アナログバッファー回路等で構成されている。
【0086】
図4に示すような構成においては、画素領域402に配置される薄膜トランジスタと、周辺駆動回路403や404に配置される薄膜トランジスタとでは、必要とされる特性が異なる。
【0087】
画素領域402に配置される薄膜トランジスタは、大きな移動度は必要とされないが、低いOFF電流特性を有していることが必要とされる。なお、画素領域に配置される薄膜トランジスタを高い移動度を有する半導体膜で構成すると、光照射による誤動作や動作不良の原因となるので、必要以上に大きな移動度は不必要となる。
【0088】
一方で、周辺駆動回路403や404に配置される薄膜トランジスタは、高速動作をさせ、しかも大電流を流す必要性があることから、高い移動度を有したものが必要とされる。
【0089】
このように1枚のガラス基板上に特性の異なる薄膜トランジスタ群を作り分けることが必要とされる。
【0090】
本実施例では、1枚のガラス基板上に上記のような異なる特性を有する薄膜トランジスタを形成するために、非晶質珪素膜に対してマイクロ波を選択的に照射することによって、選択的に結晶性の異なる領域を形成する。以下に具体的な作製工程を示す。
【0091】
まずガラス基板401上に下地膜として図示しない酸化珪素膜を成膜する。そして、薄膜トランジスタの活性層を構成するための出発膜となる非晶質珪素膜を成膜する。ここで、図4の407と408の領域のみにマイクロ波が当たるように金属性のマスクを配置する。そして、図1に示す装置を用いて、2.45GHzのマイクロ波(出力5kW)を照射する。
【0092】
マスクを配置した状態でマイクロ波を照射すると、407と408の領域のみマイクロ波は照射される。そして、この領域のみが結晶化される。一方、この状態においては、他の領域は非晶質のままの状態として残存している。
【0093】
そして、マスクを外し、550℃の温度で2時間の加熱処理を施す。このような工程を経ることによって、周辺駆動回路404を構成する領域の珪素膜を結晶性珪素膜とし、同時に画素領域402の薄膜トランジスタを構成する珪素膜を非晶質珪素膜とすることができる。
【0094】
そして、周辺駆動回路を高い移動度を有する結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタで構成することができ、画素領域に配置される薄膜トランジスタを移動度は小さいが、OFF電流も小さい非晶質珪素膜を用いた薄膜トランジスタとすることができる。
【0095】
〔実施例8〕
本実施例は、マイクロ波を選択的に減衰させることにより、選択的に強さの異なるマイクロ波を非晶質珪素膜に照射し、選択的に結晶性を異ならせることを特徴とする。
【0096】
一般的に石英ガラスはマイクロ波をほとんど透過する。一方で非晶質珪素膜はマイクロ波を吸収する。従って、非晶質珪素膜の膜厚を適時選択することにより、マスクが設けられた領域においては、他の領域に比較して弱いパワーのマイクロ波を照射できることになる。
【0097】
ここでは、図4に示す基板に対して、画素領域402の領域において、弱いマイクロ波が照射されるようにする。即ち、この402の領域に相当する領域に、薄い(例えばその厚さを500Åとする)非晶質珪素膜を形成した石英ガラスを用意し、その石英ガラスをガラス基板401上に重ねる。そして、この状態でマイクロ波の照射を行う。
【0098】
図5に上記選択的に非晶質珪素膜を形成した石英ガラスをマイクロ波が透過する様子を模式的に示す。図5において、51が石英基板である。そして52が石英基板上に形成された非晶質珪素膜である。この図5に示すのは、マイクロ波を部分的に減衰させるマスクである。
【0099】
この石英基板をマイクロ波53が透過すると、非晶質珪素膜52において所定の割合でマイクロ波が吸収されるので、この領域を透過したマイクロ波55のエネルギーは、他の領域のマイクロ波54に比較して弱くすることができる。マイクロ波を減衰させる加減は、非晶質珪素膜52の膜厚を制御することで実現することができる。
【0100】
図4の402の領域に対応する領域に非晶質珪素膜を形成した石英ガラスで構成されたマスクを透過させてマイクロ波を照射することによって、画素領域402の領域に照射されるマイクロ波のパワーを他の領域に比較して弱くすることができる。従って、画素領域408の領域の結晶性を他の領域よりも低いものとすることができる。
【0101】
結晶性が悪いと、移動度が小さくなる。また、抵抗が高くなり、その分OFF電流の値も小さなものとなる。また、結晶性が高ければ、移動度の高い珪素膜を得ることができる。
【0102】
このようにして、画素領域402に配置される薄膜トランジスタを移動度は小さいが、OFF電流値の小さいものとして構成することができる。そして、周辺駆動回路403と404に配置される薄膜トランジスタを高移動度を有する薄膜トランジスタとすることができる。
【0103】
〔実施例9〕
図6に本実施例に示す装置を示す。図6に示す装置は、以下に示す工程を連続的に制御された雰囲気中で行うことを特徴とする。即ち、まず非晶質珪素膜が形成された基板(一般にガラス基板が利用される)に対して予備加熱を行う工程、その後にマイクロ波の照射による非晶質珪素膜の結晶化を行う工程、そしてさらに加熱のよる処理を行い、結晶性珪素膜を得る工程を連続的に制御された雰囲気(高真空状態も含まれる)で行うことを特徴とする。
【0104】
図6に示す装置は、基板を装置に出し入れするための基板の搬入搬出室501、基板上に形成された非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射する処理室502、基板上に形成された珪素膜を加熱するための加熱室503、基板を各室の間において搬送するための手段を有した基板搬送室505を備えている。
【0105】
図6におけるA−A’で切った断面が図7である。また図6におけるB−B’で切った断面が図8である。各室は気密性が保たれる構造となっており、必要に応じて高真空状態とすることのできる構造となっている。また各室は共通の室である基板搬送室505と506、507、508で示されるゲイトバルブを介して接続されている。ゲイトバルブは十分に気密性を保つことのできる構造となっている。
【0106】
次に各室について詳細に説明する。501で示されるのは、基板を装置に出し入れする基板の搬入搬出室である。この室には、図8に示されるように基板511がカセット510に多数枚収納された状態で装置の外部から扉514を介してカセット毎搬入される。また、処理が終了した後、基板はカセット510毎装置の外部に扉514から外部に搬出される。
【0107】
基板の搬入搬出室501には、不活性気体等のパージ用の気体の導入系512と不要な気体の排気や室内を減圧または高真空状態とするための排気ポンプ513を備えている。ここでいうパージ用の気体とは、室内を一端洗浄な気体で満たすことによって、室内を洗浄な状態とするために利用される。
【0108】
図6と図7の502で示されるのが基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、マイクロ波を照射するための処理室である。マイクロ波は、発振器516で発振され、導波管517を介して処理室502内に導入される。そして、このマイクロ波でもって、基板ステージ515上に配置した試料に対して結晶化処理が行われる。また、基板ステージ515の高さは調整することができる構造となっている。
【0109】
またこの処理室502には、図示しないガス導入系と排気ポンプ504を備えた排気系を有している。ガス導入系からはパージ用の不活性ガスやプラズマの立ちにくいガス(例えば空気)が供給される。
【0110】
図6及び図8に示す503で示される室は、珪素膜を加熱するための室(加熱室)である。珪素膜が形成された基板511は、多数枚が上下するステージ518上に収納される。ステージ518上に収納された基板は、加熱室503において、加熱用のヒータ521によって加熱される。
【0111】
また加熱室503においてもパージ用の不活性気体の導入系519と加熱室内を高真空状態とすることのできる排気ポンプ520を備えている。
【0112】
505で示されるのは、基板搬送室であり、ロボットアーム522によって基板511を搬送(移送)する機能を有した室である。この室にもパージ用の不活性気体の導入系523と室内を高真空にするための排気ポンプ524を備えている。また、ロボットアーム522の基板を保持する手の部分には、ヒータが内蔵されており、搬送する基板の温度が変化しないように工夫されている。
【0113】
実際の動作に当たっては、基板(試料)を搬送する際に、搬送室505内を高真空状態とすることが重要である。
【0114】
以下に図6〜8に示す装置の動作例を示す。まずカセット510には、処理すべきガラス基板511を多数収納する。そして高真空状態において、基板を1枚づつロボットアーム522で搬送し、加熱室503に搬入する。加熱室503では、550℃の温度で加熱が行われる。この加熱によって、膜中からの水素の離脱が促進され、結晶化のし易い状態とすることができる。加熱の雰囲気は高真空状態とすることが好ましい。また、高真空状態としないのであれば、不活性雰囲気とすることが好ましい。
【0115】
加熱室503内における加熱を所定時間(例えば1時間)行った後、基板をロボットアーム522によって取り出し、マイクロ波の照射が行われる室502に搬送する。この室502では、予め加熱処理が行われたガラス基板の上の非晶質珪素膜に対してマイクロ波の照射を行い、この膜を結晶化させる。なお、マイクロ波の照射は、高真空状態で行うことが好ましい。また高真空状態で行うことが困難な場合は、目視で発光が観察されない程度の状態になるように、マイクロ波の周波数や電力、さらには雰囲気を選択する必要がある。
【0116】
マイクロ波の照射による非晶質珪素膜の結晶化が終了したら、ロボットアームによって基板を加熱室503に搬送する。ここで、結晶化後の加熱処理が行われる。そして、所定の時間(例えば2時間)の処理が終了した後、基板を搬入搬出室501内のカセットに搬送する。こうして、一連の動作を終了させる。
【0117】
上記の動作例は、非晶質珪素膜に対する550℃、2時間の加熱、そしてマイクロ波の照射による結晶化、さらに結晶化された珪素膜に対する550℃、2時間の加熱アニールを制御された雰囲気(好ましくは高真空中)において行うものである。なお、基板の搬送に当たっては、そのつどゲイトバルブの開け閉めを行う。これは、加熱室503からの熱の影響や室502からのマイクロ波の影響が、他の室に及ぶことを防ぐためである。
【0118】
本実施例に示すような装置を用いると、連続的に処理を行うことができるので、生産性を高くすることができる。また、雰囲気を制御することで、高い再現性を得ることができる。
【0119】
【発明の効果】
非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射することにより、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成することができる。また、この技術にレーザー光の照射や加熱の工程を組み合わせることにより、高い再現性でもって結晶性珪素膜を得ることができる。
【0120】
また、マイクロ波の照射による非晶質珪素膜の結晶化は、珪素膜を選択的に加熱することができるので、基板としてガラス基板を利用した場合であっても、ガラス基板に熱ダメージを与えることなく、ガラス基板上に結晶性珪素膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 マイクロ波を照射する装置の概要を示す。
【図2】 薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【図3】 薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【図4】 アクティブマトリクス型の液晶表示装置を構成する基板の構成を示
す。
【図5】 マイクロ波を部分的に減衰させるマスクの構成を示す。
【図6】 マイクロ波の照射を行う装置の概要を示す。
【図7】 マイクロ波の照射を行う装置の概要を示す。
【図8】 マイクロ波の照射を行う装置の概要を示す。
【図9】 マイクロ波の照射による結晶化の様子を示す。
【図10】マイクロ波の照射による結晶化の様子を示す。
【符号の説明】
101 ガス供給系
102 導波管
103 チャンバー
104 マイクロ波発生器
105 排気ポンプ
106 基板ホルダー
107 基板(試料)
108 基板移動用の操作棒
201 ガラス基板
202 下地膜(酸化珪素膜)
203 非晶質珪素膜
204 活性層
205 ゲイト絶縁膜(酸化珪素膜)
206 ゲイト電極
207 陽極酸化膜
208 ソース領域
209 オフセットゲイト領域
210 チャネル形成領域
211 ドレイン領域
212 層間絶縁膜
213 ソース電極
214 ドレイン電極
401 ガラス基板
402 画素領域
403、404 周辺駆動回路
405、406 接続配線
51 石英基板
52 非晶質珪素膜
53 マイクロ波
501 基板の搬入搬出室
502 マイクロ波を照射する処理室
503 加熱室
504 排気ポンプ
505 基板搬送室
506、507 ゲイトバルブ
508 ゲイトバルブ
510 カセット
511 基板
512 気体の導入系
513 排気ポンプ
514 扉
515 基板ステージ
516 マイクロ波の発振器
517 導波管
518 ステージ
519 気体の導入系
520 排気ポンプ
521 ヒータ
522 ロボットアーム
523 気体のの導入系
524 排気ポンプ
[0001]
[Industrial application fields]
The invention disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a thin film semiconductor formed over a substrate having an insulating surface such as a glass substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, thin film transistors have attracted attention as semiconductor devices using thin film semiconductors. In particular, a configuration in which a thin film transistor is mounted on a liquid crystal electro-optical device has attracted attention. In this method, a thin film semiconductor is formed on a glass substrate constituting a liquid crystal electro-optical device, and a thin film transistor is formed using the thin film semiconductor. In this case, the thin film transistor is disposed on each pixel electrode of the liquid crystal electro-optical device, and has a function as a switching element that controls electric charges entering and exiting the pixel electrode. Such a structure is called an active matrix type liquid crystal display device and can display a very high quality image.
[0003]
As a thin film semiconductor used for the thin film transistor, an amorphous silicon thin film is mainly used. However, in the present situation, the required characteristics cannot be obtained with an amorphous silicon thin film.
[0004]
In order to improve the characteristics of the amorphous silicon film, it is useful to crystallize the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film. As a method for obtaining a crystalline silicon film, a method is known in which an amorphous silicon film is formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method and then subjected to heat treatment.
[0005]
On the other hand, when a thin film transistor is used in an active matrix type liquid crystal electro-optical device, there is a problem in that it is necessary to use a glass substrate as a substrate from the viewpoint of economy.
[0006]
In order to crystallize the amorphous silicon film by heating, heat treatment must be performed at a temperature of 600 ° C. or more for several tens of hours or more. On the other hand, a glass substrate warps or deforms when heating at 600 ° C. or more is applied for several tens of hours or more. This becomes particularly remarkable when the glass substrate has a large area. Since the liquid crystal electro-optical device needs to have a configuration in which a liquid crystal is sandwiched and held between glass substrates laminated with an interval of several μm, deformation of the glass substrate causes display unevenness and the like, which is not preferable.
[0007]
In order to avoid this problem, a quartz substrate or a special glass substrate that can withstand high-temperature heat treatment may be used as the substrate. However, quartz substrates and special glass substrates that can withstand high temperatures are expensive and difficult to use in terms of production costs.
[0008]
A technique for crystallizing an amorphous silicon film by laser light irradiation is also known. When laser light irradiation is used, a crystalline silicon film having very good local crystallinity can be obtained. On the other hand, the uniformity of the effect of laser light irradiation is difficult to obtain over the entire film. Further, the obtained crystalline silicon film also has a problem that there are many variations in each process (in other words, reproducibility is low).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the invention disclosed in this specification is to provide a method for obtaining a crystalline silicon film having good crystallinity. In particular, when a glass substrate is used as a substrate, it is an object to obtain a crystalline silicon film having good crystallinity.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
One of the inventions disclosed in this specification is:
Forming an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
Before or after the step, contacting and holding a metal element that promotes crystallization of silicon on the back surface or the surface of the amorphous silicon film;
Irradiating the amorphous silicon film with microwaves, selectively heating the surface of the amorphous silicon film due to the skin effect and transforming it to a crystalline silicon film;
It is characterized by having.
[0011]
In the above structure, a glass substrate can be typically given as a substrate having an insulating surface. The invention disclosed in this specification is useful when a glass substrate that is vulnerable to heating is used. In addition to the glass substrate, a quartz substrate or a semiconductor substrate on which an insulating film is formed can be used.
[0012]
As the amorphous silicon film, a film formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method can be used. In particular, a silicon film formed by a low pressure thermal CVD method is convenient because the amount of hydrogen in the film is small and the film can be easily crystallized.
[0013]
As the metal element that promotes crystallization of silicon, one or more kinds of elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au can be used.
[0014]
Among the metal elements, it is particularly useful to use Ni (nickel). Ni has been experimentally obtained with extremely high reproducibility of its effects.
[0015]
In order to introduce the metal element, it is preferable to use a method of applying a solution containing the metal element. If the metal element is held in contact with the back surface of the amorphous silicon film, the metal element is held in contact with the surface to be formed before the amorphous silicon film is formed. If the metal element is held on the surface of the amorphous silicon film, the metal element may be held in contact with the amorphous silicon film after the film formation. Further, these metal elements are finally contained in the raw film at 1 × 10 16 ~ 1x10 19 Atom cm -3 It is important to devise it so that it is contained at a concentration of. The concentration of this metal element is defined as the minimum value obtained by SIMS (secondary ion analysis method).
[0016]
The case where a metal element is introduced using a solution will be described below. For example, when Ni is used as a metal element, nickel compounds such as nickel bromide, nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel chloride, nickel iodide, nickel nitrate, nickel sulfate, nickel formate, nickel acetylacetonate And at least one selected from nickel 4-cyclohexylbutyrate, nickel oxide, nickel hydroxide, and nickel 2-ethylhexanoate. That is, nickel element can be introduced by applying these solutions on the surface where the amorphous silicon film is formed or on the amorphous silicon film.
[0017]
Moreover, you may use what contained Ni in the nonpolar solvent which is benzene, toluene, xylene, carbon tetrachloride, chloroform, ether, trichloroethylene, and Freon.
[0018]
When Fe (iron) is used as the metal element, a material known as an iron salt, such as ferrous bromide (FeBr) 2 6H 2 O), ferric bromide (FeBr) Three 6H 2 O), ferric acetate (Fe (C 2 H Three O 2 ) Three xH 2 O), ferrous chloride (FeCl 2 4H 2 O), ferric chloride (FeCl Three 6H 2 O), ferric fluoride (FeF) Three 3H 2 O), ferric nitrate (Fe (NO Three ) Three 9H 2 O), ferrous phosphate (Fe Three (PO Four ) 2 8H 2 O), ferric phosphate (FePO Four 2H 2 Those selected from O) can be used.
[0019]
When Co (cobalt) is used as the metal element, a material known as a cobalt salt, such as cobalt bromide (CoBr6H) 2 O), cobalt acetate (Co (C 2 H Three O 2 ) 2 4H 2 O), cobalt chloride (CoCl 2 6H 2 O), cobalt fluoride (CoF) 2 xH 2 O), cobalt nitrate (Co (No Three ) 2 6H 2 Those selected from O) can be used.
[0020]
When Ru (ruthenium) is used as the metal element, a material known as a ruthenium salt, such as ruthenium chloride (RuCl), is used. Three H 2 O) can be used.
[0021]
When Rh (rhodium) is used as a metal element, a material known as a rhodium salt, such as rhodium chloride (RhCl), is used. Three 3H 2 O) can be used.
[0022]
When Pd (palladium) is used as the metal element, a material known as a palladium salt, such as palladium chloride (PdCl 2 2H 2 O) can be used.
[0023]
When Os (osnium) is used as the metal element, a material known as an osnium salt, for example, osmium chloride (OsCl) Three ) Can be used.
[0024]
When Ir (iridium) is used as the metal element, a material known as an iridium salt, such as iridium trichloride (IrCl Three 3H 2 O), iridium tetrachloride (IrCl Four ) Can be used.
[0025]
When Pt (platinum) is used as the metal element, a material known as a platinum salt as the compound, for example, platinous chloride (PtCl) is used. Four 5H 2 O) can be used.
[0026]
When Cu (copper) is used as the metal element, cupric acetate (Cu (CH Three COO) 2 ), Cupric chloride (CuCl 2 2H 2 O), cupric nitrate (Cu (NO Three ) 2 3H 2 Materials selected from O) can be used.
[0027]
When gold is used as the metal element, gold trichloride (AuCl Three xH 2 O), gold chloride (AuHCl) Four 4H 2 Materials selected from O) can be used.
[0028]
A method using such a solution is very useful for uniform crystallization because the metal element can be dispersed and held in contact with the amorphous silicon film. Further, it is useful because the concentration can be easily controlled.
[0029]
It is appropriate to use a microwave having a frequency of 1 to 10 GHz. By irradiating the amorphous silicon film with microwaves, the amorphous silicon film can be transformed into a crystalline silicon film because the microwave is absorbed by the bond between silicon and hydrogen (Si-H bond) As a result, the amorphous silicon film is heated. Further, when a glass substrate is used, the microwave is absorbed by the surface of the amorphous silicon film due to the skin effect, so that the glass substrate is not directly heated. This is useful when using a glass substrate that is vulnerable to heating.
[0030]
In addition, when an amorphous silicon film formed on a glass substrate is heated by irradiation with microwaves from the surface side of the amorphous silicon film, crystal growth proceeds from the surface of the film. Growth can be done.
[0031]
FIG. 9 shows that a silicon oxide film 902 as a base film is formed on a glass substrate 901, and further an amorphous silicon film 903 is formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method, and further heated by a heater. It is the schematic which showed the state which crystallizes the amorphous silicon film 903.
[0032]
In such a case, there is thermal conduction from the side of the glass substrate 901 having a large heat capacity, and there are defects and stress that become nuclei during crystallization at the interface between the silicon oxide film 902 and the amorphous silicon film 903 as the base film. For example, crystal growth proceeds from the substrate side as indicated by an arrow 904. At this time, since the portion that becomes the nucleus of crystal growth exists non-uniformly, the crystal growth also becomes non-uniform.
[0033]
On the other hand, FIG. 10 shows that a silicon oxide film 902 as a base film is formed on a glass substrate 901, and further an amorphous silicon film 903 is formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method. It is the schematic which showed the state which crystallizes the amorphous silicon film 903 by irradiation of the shown microwave.
[0034]
In this case, since the microwave 906 is selectively absorbed by the surface of the amorphous silicon film 903, the heating is selectively performed from the surface of the amorphous silicon film 903. Crystal growth also proceeds from the surface of the amorphous silicon film as indicated by 905. Unlike the case shown in FIG. 9, this crystallization step is not affected by the interface with the base or the substrate, and therefore uniform crystal growth can be achieved.
[0035]
Other aspects of the invention are:
Forming an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
Before or after the step, contacting and holding a metal element that promotes crystallization of silicon on the back surface or the surface of the amorphous silicon film;
Transforming the amorphous silicon film into a crystalline silicon film by irradiating the amorphous silicon film with microwaves in a high vacuum atmosphere;
It is characterized by having.
[0036]
The high vacuum state in the above configuration means a state in which the degree of vacuum is kept as high as possible. This state differs depending on the performance and maintenance state of the exhaust pump to be used and the vacuum chamber to be used. However, it is important to make the degree of vacuum as high as possible.
[0037]
The reason why the degree of vacuum is as high as possible is to prevent generation of plasma by microwave irradiation. When plasma is generated, the film is etched by ions and active species in the plasma, and defects are formed in the film, which is inconvenient for obtaining a good quality crystalline silicon film.
[0038]
Other aspects of the invention are:
Forming an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
Before or after the step, contacting and holding a metal element that promotes crystallization of silicon on the back surface or the surface of the amorphous silicon film;
Transforming the amorphous silicon film to a crystalline silicon film by irradiating the amorphous silicon film with microwaves in an atmosphere that does not generate plasma;
It is characterized by having.
[0039]
As an atmosphere in which plasma is not generated, a high vacuum state can be used as much as possible. (Plasma is generated by applying high power unless it is the most complete high vacuum)
[0040]
Air or the like can be said to be an atmosphere in which plasma is hardly generated. However, the fact that plasma is not generated is a problem that varies depending on the frequency and power of the input microwave. Therefore, here, the definition that the state in which plasma is not generated is a state in which light emission of plasma cannot be visually confirmed is adopted.
[0041]
[Action]
The amorphous silicon film formed by a vapor phase method can be crystallized by heating in high vacuum by microwave irradiation. Microwaves are easily absorbed by the bond between silicon and hydrogen, and are selectively absorbed by an amorphous silicon film essentially containing a large amount of hydrogen. In particular, microwaves are selectively absorbed on the surface of the amorphous silicon film by the skin effect. The amorphous silicon film is selectively heated from the surface. The energy of this heating promotes the detachment of hydrogen molecules from the film, and the rate of bonding between silicon molecules increases. Then, the amorphous silicon film can be transformed into a crystalline silicon film. In addition, by using a metal element that promotes crystallization of silicon, reproducibility of the crystallization process can be increased. In addition, high crystallinity can be obtained by using a metal element that promotes crystallization of silicon.
[0042]
In addition, when heat treatment is performed on the amorphous silicon film in advance to release hydrogen from the film, crystallization by microwave irradiation can be performed with higher reproducibility. Moreover, higher crystallinity can be obtained. Further, after the microwave irradiation, further heating or laser light irradiation is effective in improving reproducibility of obtaining a crystalline silicon film (stability for obtaining a predetermined film quality).
[0043]
【Example】
[Example 1]
This embodiment relates to a structure in which a crystalline silicon film is formed on a glass substrate. First, a silicon oxide film is formed as a base film on a glass substrate. This silicon oxide film functions to prevent diffusion of impurities from the glass substrate. It also functions to relieve stress generated between the glass substrate and the semiconductor film. This silicon oxide film may be formed to a thickness of about 3000 mm by plasma CVD or sputtering.
[0044]
Next, an amorphous silicon film is formed. The amorphous silicon film may be formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method. The thickness of the amorphous silicon film may be a required thickness, but is 500 mm here.
[0045]
When the amorphous silicon film is formed, a nickel acetate solution whose concentration is controlled to a predetermined nickel concentration is applied by spin coating. Then, 2.45 GHz microwave is irradiated to heat the amorphous silicon film.
[0046]
FIG. 1 shows an outline of an apparatus for performing microwave irradiation on an amorphous silicon film. The apparatus shown in FIG. 1 irradiates a glass substrate 107 formed with an amorphous silicon film disposed on a substrate holder 106 with a 2.45 GHz microwave (output 5 kW) generated by an oscillator 104. This is a device for crystallizing an amorphous silicon film on 107.
[0047]
In order to perform processing by microwave irradiation, the substrate 107 is first placed in the vacuum chamber 103. The substrate 107 is disposed on the substrate holder 106. The substrate holder 106 can be moved back and forth by the adjustment rod 108. This is because the position of the substrate is important depending on the state of the standing wave generated in the chamber. In this embodiment, the substrate 107 is arranged in a region where the microwave electric field strength is maximum.
[0048]
After the substrate 107 is disposed, the chamber is closed and the inside is purged with nitrogen gas. Then, a high vacuum state is set using the exhaust pump 105. As the exhaust pump, it is desirable to use a high-vacuum pump such as a turbo molecular pump. In addition, depending on the type of turbo molecular pump, there are those that can be destroyed when used at normal pressure. In that case, a rotary pump may be used in combination.
[0049]
As the high vacuum state here, it is necessary to have a degree of vacuum that does not generate plasma by microwaves.
[0050]
When the inside of the chamber 103 is brought into a high vacuum state by the exhaust pump 105, a microwave of 2.45 GHz is oscillated from the microwave oscillator 104. The microwave is supplied into the chamber 103 via the waveguide 102. Then, the microwave is irradiated to the amorphous silicon film on the substrate 107, and the film is crystallized.
[0051]
A heater is built in the substrate holder 106, and the substrate can be heated to a predetermined temperature. Here, the substrate is heated at a temperature of 550 ° C. When using a glass substrate, it is desirable to select a temperature as high as possible below the strain point. In general, a temperature from 400 ° C. to a temperature below the strain point of the glass substrate may be selected. When a glass substrate is not used as the substrate, the upper limit of the heating temperature may be determined in view of the heat resistance of the substrate.
[0052]
In general, since temperature measurement during heating is performed on the back side of the glass substrate, it is difficult to accurately measure the temperature of the silicon film on the glass substrate. In that case, the temperature on the back side of the glass substrate may be used as the heating temperature.
[0053]
After the amorphous silicon film is crystallized by irradiating the amorphous silicon film with microwaves, the substrate is taken out of the apparatus and the crystallization process is completed.
[0054]
[Example 2]
This embodiment relates to a configuration in which heating is further performed on a silicon film crystallized by microwave irradiation. The reason for further heating is to obtain a margin for the crystallization process. That is, to obtain a crystalline silicon film with higher reproducibility.
[0055]
The heating performed here is preferably performed at a temperature of 400 ° C. to a strain point of the glass substrate or lower with respect to the silicon film that has been crystallized by the microwave irradiation. In general, the heat treatment may be performed at a temperature of 400 ° C. to 600 ° C. for about 1 to 4 hours. As a heating method, a method using heating with a heater or irradiation with an infrared lamp may be adopted.
[0056]
When heating is performed, defects in the film can be reduced. In addition, the crystallinity of the film can be improved. In general, there is no variation between steps, and a crystalline silicon film having a certain film quality can be obtained.
[0057]
Example 3
This embodiment relates to a configuration in which a silicon film crystallized by microwave irradiation is further irradiated with a laser beam to improve crystallinity and a margin in a crystallization process.
[0058]
In general, when a method of obtaining a crystalline silicon film by irradiating an amorphous silicon film with laser light, as described above, the uniformity of the quality of the obtained crystalline silicon film and variations in process results Problems arise.
[0059]
However, as shown in this example, when further irradiating a laser beam to a silicon film crystallized once, an effect of improving crystallinity is obtained, and the effect is obtained with high reproducibility. Can do.
[0060]
When the amorphous silicon film is suddenly irradiated with laser light, a sudden phase change from the amorphous state to the crystalline state occurs. And due to this sudden phase change, the reproducibility of the obtained crystal state becomes unstable.
[0061]
However, when a laser beam is irradiated onto a silicon film that has been crystallized once by heating by microwave irradiation, a rapid phase change does not occur, and the effect can be made constant. That is, reproducibility of the effect of laser light irradiation can be ensured.
[0062]
In addition, it is effective to heat the surface to be irradiated at the time of laser light irradiation. This heating temperature is preferably performed at a temperature of 400 ° C to 600 ° C. This has the effect of reducing the impact of energy upon laser light irradiation and suppressing the formation of a clear crystal grain boundary and the roughness of the film surface. Moreover, it can prevent that a defect arises in a film | membrane.
[0063]
Example 4
The present embodiment relates to a configuration in which after crystallization of an amorphous silicon film by microwave irradiation, crystallization is further improved by laser light irradiation, and annealing by heating is further performed. Irradiation with laser light has the effect of crystallizing the amorphous component remaining in the silicon film and improving the crystallinity of the film. Also, annealing by heating has the effect of reducing film defects.
[0064]
Employing such a configuration has a demerit that the number of processes increases, but the reproducibility of the quality of the obtained crystalline silicon film can be very high.
[0065]
Alternatively, a configuration may be adopted in which laser light irradiation is performed after heating, and further heating is performed. Furthermore, laser light irradiation and heating may be alternately repeated a plurality of times. By doing so, the reproducibility of the crystallinity and the electrical property of the obtained crystalline silicon film can be enhanced. However, since the number of processes increases, there is a disadvantage that productivity is lowered.
[0066]
Example 5
This embodiment shows an example in which a thin film transistor is manufactured using a crystalline silicon film manufactured using the invention disclosed in this specification. FIG. 2 shows a manufacturing process of the thin film transistor shown in this embodiment. First, a silicon oxide film 202 functioning as a base film is formed on the glass substrate 201 by sputtering to a thickness of 3000 mm. Next, an amorphous silicon film 203 is formed to a thickness of 500 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. (Fig. 2 (A))
[0067]
A metal element that promotes crystallization of silicon is held in contact with the amorphous silicon film. Here, a nickel acetate solution adjusted to a predetermined concentration is applied using a spinner so that a metal element that promotes crystallization of silicon is held in contact with the amorphous silicon film.
[0068]
Next, microwave irradiation is performed on the amorphous silicon film. Here, the amorphous silicon film 203 is irradiated with microwaves using the apparatus shown in FIG. 1 to transform the amorphous silicon film 203 into a crystalline silicon film. At this time, the surface to be formed is heated to a temperature of 550 ° C. Microwave irradiation is performed in a high vacuum.
[0069]
Note that the position of the substrate is adjusted by operating the adjustment rod 108 (see FIG. 1), and the position of the substrate is adjusted to a region where the electric field intensity is maximum.
[0070]
After the amorphous silicon film 203 is crystallized by microwave irradiation, laser light irradiation is performed to improve its crystallinity. Here, a KrF excimer laser is used. This laser beam is formed into a linear beam having a width of 5 mm and a length of 20 cm, and its energy density is 350 mJ / cm. 2 And In the laser light irradiation step, the surface to be formed is heated to 550 ° C.
[0071]
Thus, the amorphous silicon film 203 is transformed into a crystalline silicon film. Next, by patterning, an active layer 204 of the thin film transistor is formed as shown in FIG.
[0072]
Next, a silicon oxide film 205 functioning as a gate insulating film is formed to a thickness of 1000 mm by plasma CVD or sputtering. Further, a film mainly composed of aluminum for constituting the gate electrode is formed to a thickness of 6000 mm. As a film formation method, a sputtering method or an electron beam evaporation method may be used. Then, the gate electrode 206 is formed by patterning. Further, anodic oxidation is performed in the electrolytic solution using the gate electrode 206 as an anode, thereby forming an anodic oxide layer 207 around the gate electrode. The thickness of the anodic oxide layer is 2000 mm. In this way, the state shown in FIG.
[0073]
Next, impurity ions for forming source / drain regions are accelerated and implanted by ion implantation or plasma doping. In this step, impurity ions are implanted into the regions 208 and 211 by using the gate electrode 206 and the surrounding anodic oxide layer 207 as a mask. Here, P (phosphorus) ions are implanted in order to manufacture an N-channel thin film transistor. In the region 209, impurity ions are not implanted by using the anodic oxide layer 207 as a mask. Further, since the gate electrode 206 serves as a mask in the region 210, impurity ions are not implanted.
[0074]
After the impurity ions are implanted, laser light irradiation is performed to activate the implanted impurity ions and anneal the region into which the impurity ions are implanted. Thus, the source region 208 and the drain region 211 are formed in a self-aligning manner. At the same time, the region 209 can be formed as an offset gate region, and the region 210 can be formed as a channel formation region. (Fig. 2 (C))
[0075]
Next, a silicon oxide film 212 having a thickness of 6000 mm is formed as an interlayer insulating film. This silicon oxide film 212 is formed by plasma CVD. Next, contact holes are formed, and a source electrode 213 and a drain electrode 214 are formed. Then, heat treatment is further performed in a hydrogen atmosphere at 350 ° C. for 1 hour, whereby the thin film transistor illustrated in FIG. 2D is completed.
[0076]
Example 6
The manufacturing process of this example is shown in FIG. This embodiment is characterized in that, in the manufacturing process of the thin film transistor shown in FIG. 2, crystallization is performed by microwave irradiation after patterning the amorphous silicon film. That is, after forming a pattern constituting the active layer (this pattern is amorphous), micro irradiation is performed to crystallize this pattern.
[0077]
Note that in the structure shown in this example, the manufacturing conditions and the like are the same as in Example 4 unless otherwise specified.
[0078]
First, as shown in FIG. 3A, a silicon oxide film 202 is formed as a base film over a glass substrate 201. Next, an amorphous silicon film (not shown) is formed on the silicon oxide film 202. Then, by patterning, a region 204 to be an active layer of the thin film transistor is formed. Here, the region to be the active layer is in an amorphous state. (Fig. 3 (A))
[0079]
In this state, a nickel acetate solution adjusted to a predetermined concentration is applied by spin coating. Then, using the apparatus shown in FIG. 1, microwave irradiation is performed on the patterned amorphous silicon pattern. In such a configuration, crystallization is performed on a small region of several tens of μm square or less by microwave irradiation, so that the crystallinity can be further increased.
[0080]
Thus, when the state shown in FIG. 3A is obtained, a thin film transistor is completed according to the same steps as those shown in FIG. That is, the process illustrated in FIG. 3B is the same as the process illustrated in FIG. Further, the step shown in FIG. 3C is the same as the step shown in FIG. Further, the process illustrated in FIG. 3D is the same as the process illustrated in FIG.
[0081]
When the structure shown in this embodiment is adopted, the crystallinity of the side surface of the active layer can be improved. If the crystallinity of the side surface of the active layer can be improved, the density of trap levels on the side surface of the active layer can be reduced. When trap levels exist at a high density on the side surface of the active layer, an OFF current caused by carrier movement via the trap level on the side surface of the active layer becomes a problem when the transistor is turned off. Therefore, as shown in this embodiment, the OFF current can be reduced by improving the crystallinity of the side surface of the active layer and lowering the density of trap levels there.
[0082]
Example 7
This embodiment relates to a structure in which a mask is provided over an amorphous silicon film and microwave irradiation is performed. In this embodiment, the mask is provided in order to selectively irradiate microwaves and selectively perform crystallization.
[0083]
FIG. 4 shows an outline of an active matrix type liquid crystal display device incorporating a peripheral drive circuit. That is, FIG. 4 shows a configuration in which a pixel region and a peripheral driver circuit for driving a thin film transistor arranged in the pixel region are integrated on the same glass substrate. FIG. 4 shows a single glass substrate. When a liquid crystal cell is formed, an opposing glass substrate is prepared, and the glass substrate and the glass substrate shown in FIG. The liquid crystal is held.
[0084]
In the configuration shown in FIG. 4, a pixel region 402 in which pixel electrodes are arranged in a matrix of several hundreds × several hundreds on a glass substrate 401, a peripheral drive circuit 403 for driving thin film transistors arranged in the pixel region 402, 404 is arranged. The peripheral drive circuit and the pixel region are connected by wiring patterns 405 and 406.
[0085]
At least one thin film transistor is disposed in one of the pixels constituting the pixel region 402. The peripheral drive circuits 403 and 404 are constituted by a shift register circuit, an analog buffer circuit, or the like.
[0086]
In the configuration as shown in FIG. 4, required characteristics are different between the thin film transistors arranged in the pixel region 402 and the thin film transistors arranged in the peripheral driver circuits 403 and 404.
[0087]
The thin film transistor disposed in the pixel region 402 is not required to have high mobility, but is required to have low OFF current characteristics. Note that if a thin film transistor disposed in the pixel region is formed using a semiconductor film having high mobility, it may cause malfunction or malfunction due to light irradiation, and thus mobility greater than necessary is unnecessary.
[0088]
On the other hand, the thin film transistors arranged in the peripheral driver circuits 403 and 404 are required to operate at high speed and to pass a large current, and therefore have high mobility.
[0089]
As described above, it is necessary to separately form thin film transistor groups having different characteristics on one glass substrate.
[0090]
In this embodiment, in order to form a thin film transistor having different characteristics as described above on a single glass substrate, the amorphous silicon film is selectively irradiated with microwaves, thereby selectively crystallizing. Regions with different properties are formed. A specific manufacturing process is shown below.
[0091]
First, a silicon oxide film (not shown) is formed on the glass substrate 401 as a base film. Then, an amorphous silicon film serving as a starting film for forming the active layer of the thin film transistor is formed. Here, a metallic mask is arranged so that the microwave hits only the regions 407 and 408 in FIG. Then, a 2.45 GHz microwave (output 5 kW) is irradiated using the apparatus shown in FIG.
[0092]
When the microwave is irradiated in a state where the mask is arranged, the microwave is irradiated only in the regions 407 and 408. Only this region is crystallized. On the other hand, in this state, other regions remain in an amorphous state.
[0093]
Then, the mask is removed and heat treatment is performed at a temperature of 550 ° C. for 2 hours. Through these steps, the silicon film in the region constituting the peripheral driver circuit 404 can be a crystalline silicon film, and at the same time, the silicon film constituting the thin film transistor in the pixel region 402 can be an amorphous silicon film.
[0094]
The peripheral driver circuit can be formed using a thin film transistor using a crystalline silicon film having high mobility. The thin film transistor disposed in the pixel region is formed of an amorphous silicon film having low mobility but low OFF current. The thin film transistor used can be obtained.
[0095]
Example 8
The present embodiment is characterized in that the amorphous silicon film is selectively irradiated with microwaves having different intensities by selectively attenuating the microwaves to selectively vary the crystallinity.
[0096]
In general, quartz glass transmits almost all microwaves. On the other hand, the amorphous silicon film absorbs microwaves. Therefore, by selecting the film thickness of the amorphous silicon film as appropriate, it is possible to irradiate microwaves with weaker power in the region provided with the mask than in other regions.
[0097]
Here, the substrate shown in FIG. 4 is irradiated with weak microwaves in the region of the pixel region 402. That is, quartz glass having a thin amorphous silicon film (for example, having a thickness of 500 mm) is prepared in a region corresponding to the region 402, and the quartz glass is overlaid on the glass substrate 401. In this state, microwave irradiation is performed.
[0098]
FIG. 5 schematically shows a state in which microwaves pass through the quartz glass on which the amorphous silicon film is selectively formed. In FIG. 5, 51 is a quartz substrate. Reference numeral 52 denotes an amorphous silicon film formed on a quartz substrate. FIG. 5 shows a mask that partially attenuates the microwave.
[0099]
When the microwave 53 is transmitted through the quartz substrate, the microwave is absorbed at a predetermined rate in the amorphous silicon film 52. Therefore, the energy of the microwave 55 transmitted through this region is transferred to the microwave 54 in another region. It can be weakened in comparison. Adjustment of the attenuation of the microwave can be realized by controlling the film thickness of the amorphous silicon film 52.
[0100]
The region of the pixel region 402 is irradiated with microwaves through a mask made of quartz glass in which an amorphous silicon film is formed in a region corresponding to the region 402 in FIG. Power can be weakened compared to other areas. Accordingly, the crystallinity of the pixel region 408 can be lower than that of other regions.
[0101]
If the crystallinity is poor, the mobility becomes small. In addition, the resistance is increased, and the value of the OFF current is reduced accordingly. If the crystallinity is high, a silicon film with high mobility can be obtained.
[0102]
In this manner, the thin film transistor disposed in the pixel region 402 can be configured with a small mobility but a small OFF current value. The thin film transistors disposed in the peripheral driver circuits 403 and 404 can be thin film transistors having high mobility.
[0103]
Example 9
FIG. 6 shows an apparatus shown in this embodiment. The apparatus shown in FIG. 6 is characterized in that the following steps are performed in a continuously controlled atmosphere. That is, first, a step of preheating a substrate on which an amorphous silicon film is formed (a glass substrate is generally used), and then a step of crystallizing the amorphous silicon film by microwave irradiation, Further, the heat treatment is further performed, and the step of obtaining the crystalline silicon film is performed in a continuously controlled atmosphere (including a high vacuum state).
[0104]
The apparatus shown in FIG. 6 is formed on a substrate, a substrate loading / unloading chamber 501 for loading / unloading the substrate into / from the apparatus, a processing chamber 502 for irradiating the amorphous silicon film formed on the substrate with microwaves, and the substrate. A heating chamber 503 for heating the silicon film, and a substrate transfer chamber 505 having means for transferring the substrate between the chambers.
[0105]
FIG. 7 is a cross section taken along line AA ′ in FIG. Further, FIG. 8 shows a cross section taken along line BB ′ in FIG. Each chamber has a structure in which airtightness is maintained, and can have a high vacuum state as necessary. The chambers are connected to each other through gate valves indicated by substrate transfer chambers 505 and 506, 507, and 508, which are common chambers. The gate valve has a structure that can maintain sufficient airtightness.
[0106]
Next, each room will be described in detail. Reference numeral 501 denotes a substrate loading / unloading chamber for loading / unloading the substrate into / from the apparatus. As shown in FIG. 8, the cassette 511 is loaded into the chamber from the outside of the apparatus through the door 514 in a state where a large number of substrates 511 are stored in the cassette 510. Further, after the processing is completed, the substrate is carried out from the door 514 to the outside of the apparatus for each cassette 510.
[0107]
The substrate loading / unloading chamber 501 is provided with a purge gas introduction system 512 such as an inert gas, an unnecessary gas exhaust, and an exhaust pump 513 for reducing the pressure in the chamber to a high vacuum state. The purge gas here is used to clean the room by filling the room with a clean gas at one end.
[0108]
Reference numeral 502 in FIGS. 6 and 7 denotes a processing chamber for irradiating the amorphous silicon film formed on the substrate with microwaves. The microwave is oscillated by an oscillator 516 and introduced into the processing chamber 502 through a waveguide 517. Then, a crystallization process is performed on the sample placed on the substrate stage 515 with this microwave. In addition, the height of the substrate stage 515 can be adjusted.
[0109]
Further, the processing chamber 502 has an exhaust system including a gas introduction system (not shown) and an exhaust pump 504. From the gas introduction system, an inert gas for purging or a gas (for example, air) that is difficult to generate plasma is supplied.
[0110]
A chamber indicated by 503 in FIGS. 6 and 8 is a chamber (heating chamber) for heating the silicon film. A substrate 511 on which a silicon film is formed is stored on a stage 518 in which a large number of substrates are moved up and down. The substrate stored on the stage 518 is heated by the heater 521 in the heating chamber 503.
[0111]
The heating chamber 503 is also provided with an inert gas introduction system 519 for purging and an exhaust pump 520 that can bring the heating chamber into a high vacuum state.
[0112]
A substrate transfer chamber 505 is a chamber having a function of transferring (transferring) the substrate 511 by the robot arm 522. This chamber is also provided with an inert gas introduction system 523 for purging and an exhaust pump 524 for creating a high vacuum in the chamber. In addition, a heater is built in a part of the hand that holds the substrate of the robot arm 522 so that the temperature of the substrate to be transferred does not change.
[0113]
In actual operation, it is important that the inside of the transfer chamber 505 be in a high vacuum state when the substrate (sample) is transferred.
[0114]
Examples of the operation of the apparatus shown in FIGS. First, a large number of glass substrates 511 to be processed are stored in the cassette 510. In a high vacuum state, the substrates are transferred one by one by the robot arm 522 and carried into the heating chamber 503. In the heating chamber 503, heating is performed at a temperature of 550 ° C. By this heating, the detachment of hydrogen from the film is promoted, and it is possible to make it easy to crystallize. The heating atmosphere is preferably a high vacuum state. Further, if not in a high vacuum state, an inert atmosphere is preferable.
[0115]
After heating in the heating chamber 503 for a predetermined time (for example, 1 hour), the substrate is taken out by the robot arm 522 and transferred to the chamber 502 where microwave irradiation is performed. In this chamber 502, the amorphous silicon film on the glass substrate that has been subjected to the heat treatment is irradiated with microwaves to crystallize the film. Note that microwave irradiation is preferably performed in a high vacuum state. When it is difficult to perform in a high vacuum state, it is necessary to select the frequency and power of the microwave and the atmosphere so that the light emission is not visually observed.
[0116]
When crystallization of the amorphous silicon film by microwave irradiation is completed, the substrate is transferred to the heating chamber 503 by the robot arm. Here, heat treatment after crystallization is performed. Then, after the processing for a predetermined time (for example, 2 hours) is completed, the substrate is transferred to the cassette in the loading / unloading chamber 501. In this way, a series of operation | movement is complete | finished.
[0117]
In the above operation example, the amorphous silicon film is heated at 550 ° C. for 2 hours, and is crystallized by microwave irradiation, and further the annealing at 550 ° C. for 2 hours is controlled on the crystallized silicon film. (Preferably in high vacuum). Note that the gate valve is opened and closed each time the substrate is transported. This is to prevent the influence of heat from the heating chamber 503 and the influence of microwaves from the chamber 502 from reaching other chambers.
[0118]
When an apparatus as shown in this embodiment is used, processing can be performed continuously, so that productivity can be increased. Moreover, high reproducibility can be obtained by controlling the atmosphere.
[0119]
【The invention's effect】
By irradiating the amorphous silicon film with microwaves, the amorphous silicon film can be transformed into a crystalline silicon film. Further, by combining this technique with laser light irradiation and heating steps, a crystalline silicon film can be obtained with high reproducibility.
[0120]
In addition, the crystallization of the amorphous silicon film by microwave irradiation can selectively heat the silicon film, so that the glass substrate is thermally damaged even when the glass substrate is used as the substrate. A crystalline silicon film can be obtained on the glass substrate without any problem.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an outline of an apparatus for irradiating microwaves.
FIG. 2 illustrates a manufacturing process of a thin film transistor.
FIG. 3 illustrates a manufacturing process of a thin film transistor.
FIG. 4 shows a structure of a substrate constituting an active matrix liquid crystal display device.
The
FIG. 5 shows the configuration of a mask that partially attenuates microwaves.
FIG. 6 shows an outline of an apparatus that performs microwave irradiation.
FIG. 7 shows an outline of an apparatus for performing microwave irradiation.
FIG. 8 shows an outline of an apparatus that performs microwave irradiation.
FIG. 9 shows crystallization by microwave irradiation.
FIG. 10 shows a state of crystallization by microwave irradiation.
[Explanation of symbols]
101 Gas supply system
102 Waveguide
103 chamber
104 Microwave generator
105 Exhaust pump
106 Substrate holder
107 Substrate (sample)
108 Operation rod for moving board
201 glass substrate
202 Base film (silicon oxide film)
203 Amorphous silicon film
204 Active layer
205 Gate insulating film (silicon oxide film)
206 Gate electrode
207 Anodized film
208 Source area
209 Offset gate area
210 Channel formation region
211 Drain region
212 Interlayer insulation film
213 source electrode
214 Drain electrode
401 glass substrate
402 pixel region
403, 404 Peripheral drive circuit
405, 406 Connection wiring
51 Quartz substrate
52 Amorphous silicon film
53 microwave
501 Board loading / unloading chamber
502 Processing chamber for microwave irradiation
503 Heating chamber
504 Exhaust pump
505 Substrate transfer chamber
506, 507 Gate valve
508 Gate valve
510 cassette
511 substrate
512 Gas introduction system
513 Exhaust pump
514 door
515 Substrate stage
516 Microwave Oscillator
517 Waveguide
518 stage
519 Gas introduction system
520 Exhaust pump
521 Heater
522 Robot arm
523 Gas introduction system
524 Exhaust pump

Claims (23)

絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成
前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させ、
部分的にマイクロ波を減衰させるマスクを前記基板上に配置した状態で、前記非晶質珪素膜にマイクロ波を照射して結晶化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
The amorphous silicon film is held in contact with a metal element that promotes crystallization of silicon ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein a mask for attenuating partially microwaves in a state arranged on the substrate, is crystallized by being irradiated with microwaves to the amorphous silicon film.
絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成
前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入
部分的にマイクロ波を減衰させるマスクを前記基板上に配置した状態で、前記非晶質珪素膜にマイクロ波を照射して結晶化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
Introducing a metal element which promotes crystallization of silicon in the amorphous silicon film,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein a mask for attenuating partially microwaves in a state arranged on the substrate, is crystallized by being irradiated with microwaves to the amorphous silicon film.
請求項1または請求項2において、In claim 1 or claim 2,
前記部分的にマイクロ波を減衰させるマスクとして、石英ガラス上に非晶質珪素膜を形成したものを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a mask in which an amorphous silicon film is formed over quartz glass is used as the mask for partially attenuating microwaves.
請求項3において、In claim 3,
前記石英ガラス上の非晶質珪素膜の膜厚を制御することにより前記マイクロ波の減衰を加減することを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the attenuation of the microwave is adjusted by controlling the thickness of an amorphous silicon film on the quartz glass.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、In any one of Claims 1 thru | or 4,
真空雰囲気中において前記マイクロ波を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the microwave irradiation is performed in a vacuum atmosphere.
請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記マイクロ波として1GHz〜10GHzの周波数を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 5 ,
A method for manufacturing a semiconductor device , wherein a frequency of 1 GHz to 10 GHz is used as the microwave.
請求項1乃至請求項6のいずれか一において、
前記基板としてガラス基板を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 6 ,
A method for manufacturing a semiconductor device , wherein a glass substrate is used as the substrate.
請求項1乃至請求項7のいずれか一において、
前記マイクロ波の照射の前に前記非晶質珪素膜中の水素離脱させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 7,
The method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that makes detaching the hydrogen of the amorphous silicon film prior to irradiation of the microwaves.
請求項1乃至請求項8のいずれか一において、
前記マイクロ波の照射の後に、前記珪素膜を加熱することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 8,
The method for manufacturing a semiconductor device characterized by heating after the irradiation of the microwave, the prior Ki珪 Motomaku.
請求項1乃至請求項8のいずれか一において、
前記マイクロ波の照射の後に、前記珪素膜にレーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 8,
Manufacturing method of the after microwave irradiation, a semiconductor device, which comprises irradiating a laser beam before Ki珪 Motomaku.
請求項1乃至請求項10のいずれか一において、
前記珪素の結晶化を助長する金属元素として、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一または複数の元素を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 10,
One or more elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au are used as the metal element for promoting crystallization of silicon. Device fabrication method.
絶縁表面を有する基板上に画素領域と、前記画素領域に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺駆動回路とを有するアクティブマトリクス型表示装置の作製方法であA method for manufacturing an active matrix display device having a pixel region on a substrate having an insulating surface and a peripheral driver circuit for driving a thin film transistor disposed in the pixel region. り、The
前記基板上に非晶質珪素膜を形成し、Forming an amorphous silicon film on the substrate;
前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させ、The amorphous silicon film is held in contact with a metal element that promotes crystallization of silicon,
前記画素領域が形成される領域においてマイクロ波を減衰させるマスクを前記基板上に配置した状態で、前記非晶質珪素膜にマイクロ波を照射して結晶化させ、In a state where a mask for attenuating microwaves is disposed on the substrate in a region where the pixel region is formed, the amorphous silicon film is irradiated with microwaves to be crystallized,
前記珪素膜のうち前記画素領域が形成される領域を用いて前記画素領域に配置される薄膜トランジスタを形成し、前記画素領域が形成される領域以外の領域を用いて前記周辺駆動回路に配置される薄膜トランジスタを形成することを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A thin film transistor disposed in the pixel region is formed using the region where the pixel region is formed in the silicon film, and is disposed in the peripheral driving circuit using a region other than the region where the pixel region is formed. A method for manufacturing an active matrix display device, comprising forming a thin film transistor.
絶縁表面を有する基板上に画素領域と、前記画素領域に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺駆動回路とを有するアクティブマトリクス型表示装置の作製方法であり、A method for manufacturing an active matrix display device having a pixel region on a substrate having an insulating surface and a peripheral driver circuit for driving a thin film transistor disposed in the pixel region,
前記基板上に非晶質珪素膜を形成し、Forming an amorphous silicon film on the substrate;
前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film;
前記画素領域が形成される領域においてマイクロ波を減衰させるマスクを前記基板上に配置した状態で、前記非晶質珪素膜にマイクロ波を照射して結晶化させ、In a state where a mask for attenuating microwaves is disposed on the substrate in a region where the pixel region is formed, the amorphous silicon film is irradiated with microwaves to be crystallized,
前記珪素膜のうち前記画素領域が形成される領域を用いて前記画素領域に配置される薄膜トランジスタを形成し、前記画素領域が形成される領域以外の領域を用いて前記周辺駆動回路に配置される薄膜トランジスタを形成することを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A thin film transistor disposed in the pixel region is formed using the region where the pixel region is formed in the silicon film, and is disposed in the peripheral driving circuit using a region other than the region where the pixel region is formed. A method for manufacturing an active matrix display device, comprising forming a thin film transistor.
請求項12または請求項13において、In claim 12 or claim 13,
前記画素領域が形成される領域においてマイクロ波を減衰させるマスクを前記基板上に配置した状態で、前記非晶質珪素膜にマイクロ波を照射することにより、前記珪素膜のうち前記画素領域が形成される領域以外の結晶性を前記画素領域が形成される領域の結晶性より高くすることを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。In the region where the pixel region is formed, the pixel region is formed in the silicon film by irradiating the amorphous silicon film with microwaves in a state where a mask for attenuating microwaves is disposed on the substrate. A method for manufacturing an active matrix display device, wherein crystallinity other than a region to be formed is higher than crystallinity of a region in which the pixel region is formed.
請求項12乃至請求項14のいずれか一において、In any one of Claims 12-14,
前記画素領域が形成される領域においてマイクロ波を減衰させるマスクとして、石英ガラス上に非晶質珪素膜を形成したものを用いることを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A method for manufacturing an active matrix display device, wherein a mask in which an amorphous silicon film is formed over quartz glass is used as a mask for attenuating microwaves in a region where the pixel region is formed.
請求項15において、In claim 15,
前記石英ガラス上の非晶質珪素膜の膜厚を制御することにより前記マイクロ波の減衰を加減することを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A method for manufacturing an active matrix display device, wherein the attenuation of the microwave is adjusted by controlling the thickness of an amorphous silicon film on the quartz glass.
請求項12乃至請求項16のいずれか一において、In any one of Claims 12-16,
真空雰囲気中において前記マイクロ波を照射することを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A method for manufacturing an active matrix display device, wherein the microwave irradiation is performed in a vacuum atmosphere.
請求項12乃至請求項17のいずれか一において、In any one of Claims 12 thru | or 17,
前記マイクロ波として1GHz〜10GHzの周波数を用いることを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A method for manufacturing an active matrix display device, wherein a frequency of 1 GHz to 10 GHz is used as the microwave.
請求項12乃至請求項18のいずれか一において、In any one of Claims 12-18,
前記基板としてガラス基板を用いることを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A method for manufacturing an active matrix display device, wherein a glass substrate is used as the substrate.
請求項12乃至請求項19のいずれか一において、In any one of Claims 12 to 19,
前記マイクロ波の照射の前に前記非晶質珪素膜中の水素を離脱させることを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A method for manufacturing an active matrix display device, wherein hydrogen in the amorphous silicon film is released before the microwave irradiation.
請求項12乃至請求項20のいずれか一において、In any one of Claims 12 to 20,
前記マイクロ波の照射の後に、前記珪素膜を加熱することを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A method for manufacturing an active matrix display device, wherein the silicon film is heated after the microwave irradiation.
請求項12乃至請求項21のいずれか一において、In any one of Claims 12 to 21,
前記マイクロ波の照射の後に、前記珪素膜にレーザー光を照射することを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。A method for manufacturing an active matrix display device, wherein the silicon film is irradiated with laser light after the microwave irradiation.
請求項12乃至請求項22のいずれか一において、In any one of Claims 12 to 22,
前記珪素の結晶化を助長する金属元素として、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一または複数の元素を用いることを特徴とするアクティブマトリクス型表示装置の作製方法。One or more elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au are used as the metal element for promoting the crystallization of silicon. A method for manufacturing a matrix display device.
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