JP4281103B2 - Device simulation method for polycrystalline semiconductor device, method for designing polycrystalline semiconductor device, and method for manufacturing polycrystalline semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体素子、特に、活性層に多結晶半導体を用いた多結晶薄膜トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
多結晶薄膜トランジスタは、活性層に多結晶半導体を用いた半導体素子であって、液晶ディスプレイやエレクトロルミネッセンスディスプレイに代表される軽量・薄型の表示装置やスキャナ等の装置を実現するためのデバイスとして広く用いられている。
【0003】
一般に、半導体素子の製造に先立ち、デバイスの構造や使用する材料の物性値等をパラメータとしてデバイス特性を予測したり、デバイス動作を解析したりするデバイスシミュレーションが行なわれ、その結果に基づいて最終的なデバイス構造や製造条件等が決定される。
【0004】
従って、多結晶薄膜トランジスタに対しても開発段階でのデバイス特性予測が高精度で可能となればデバイス構造最適化のための有用なツールと成り得ると期待されるものの、これまでは多結晶薄膜トランジスタに対する有効なデバイスシミュレーション方法が提案されておらず、その結果、所望のデバイス特性を有する多結晶薄膜トランジスタの構造や製造条件の決定が困難であるという問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の発明者が、従来のデバイスシミュレーション方法を多結晶薄膜トランジスタに適用する場合の問題点について詳細な検討を行った結果、多結晶薄膜トランジスタのデバイス構造等の決定には、多結晶半導体の活性層中に高密度で存在する結晶粒界でのキャリア散乱現象を考慮して結晶中でのキャリア輸送現象を正確に取り扱った上でデバイス構造等を決定することが極めて重要であるということが判明した。
【0006】
そこで、本発明の目的は、活性層中の結晶粒界におけるキャリアの散乱効果を正確に取り扱うデバイスシミュレーションに基づいて活性層中を流れるキャリア流密度を算出し、この値を基にデバイスパラメータを決定して設計された多結晶薄膜トランジスタを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション方法は、活性層に多結晶半導体を用いた、多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション方法において、結晶粒界におけるキャリアの散乱効果を考慮することを特徴とする。
【0008】
かかる構成とすることにより、結晶粒界のキャリア輸送メカニズムがトランジスタ特性に対して特に支配的であるレーザー結晶化多結晶シリコン薄膜トランジスタにおいて、最適化されたデバイス構造を有する半導体素子を得るためのシミュレーションが可能となる。
【0009】
好ましくは、上記結晶粒界におけるサーモアイオニックエミッション(Thermoionic Emission)効果を考慮することを特徴とする。
【0010】
好ましくは、上記結晶粒界を通過するキャリア電流密度Jが、以下の式で表されることを特徴とする。
【0011】
=(1−c/2)v(n-n)/4
(1−c/2)v/4=A/(qN)
:キャリア流密度
c:キャリア流が結晶粒界にトラップされる割合
v:電子平均熱速度
:結晶粒界の片側のキャリア密度
:結晶粒界の他側のキャリア密度
:実効Richardson定数
T:絶対温度
q:素電荷
:実効状態密度
好ましくは、上記多結晶半導体素子が、活性層に多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタである、多結晶シリコン薄膜トランジスタであることを特徴とする。
【0012】
好ましくは、上記多結晶半導体素子が、活性層に多結晶シリコンを用い、レーザー結晶化のプロセスにより多結晶シリコンの結晶化が行われる、レーザー結晶化多結晶シリコン薄膜トランジスタであることを特徴とする。
【0013】
また、本発明の半導体素子は、活性層に多結晶半導体を用いた半導体素子において結晶粒界での自由キャリアの散乱効果を考慮してキャリア流密度(Jt)を次式により算出し、これを基にデバイス特性を支配するパラメータを決定して設計される。
【0014】
t=(1−c/2)・v・(n1−n2)/4
c:キャリア流が結晶粒界にトラップされる割合
v:電子平均熱速度
1:結晶粒界の片側のキャリア密度
2:結晶粒界の他側のキャリア密度
好ましくは、上記半導体素子は活性層に多結晶シリコンを用いた多結晶シリコン薄膜トランジスタであり、より好ましくは、活性層の多結晶化をレーザー結晶化のプロセスにより行って作製された多結晶シリコン薄膜トランジスタである
かかる構成とすることにより、結晶粒界のキャリア輸送メカニズムがトランジスタ特性に対して特に支配的であるレーザー結晶化多結晶シリコン薄膜トランジスタにおいて、最適化されたデバイス構造を有する半導体素子が得られる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体素子について図面を参照しながら詳述する。
(結晶粒界でのキャリア流密度)
図4は、活性層に多結晶シリコンを用いて構成した多結晶シリコン薄膜トランジスタの構造を示す図である。
【0016】
図4に示す多結晶シリコン薄膜トランジスタは、先ず、基板16上に多結晶シリコン膜がCVD法で形成され、該多結晶シリコン膜上には熱酸化法により成長されたシリコン酸化膜によりゲート絶縁膜17が形成されている。そして、該ゲート酸化膜上にはゲート電極18が形成され、ゲート電極18下の多結晶シリコン膜をゲート領域として動作させる。更に、ゲート領域を左右から挟む多結晶シリコン膜領域は、各々、ソース領域14及びドレイン領域15として作用することで多結晶薄膜トランジスタとして動作する。図4において、基板16からゲート絶縁膜17に向けて多結晶シリコン膜中を斜めに貫通する直線は、多結晶シリコン膜を構成する相互に結晶方位の異なるシリコン結晶によって形成された結晶粒界13である。
【0017】
単結晶薄膜トランジスタと比較した場合の多結晶薄膜トランジスタの特徴は、トランジスタの活性層を形成する半導体膜が多結晶で構成されているために活性層中には相互に結晶方位が異なる結晶粒が存在し、その結果各結晶粒間には結晶粒界13が存在するということである。
【0018】
一般に、結晶粒界はキャリアの捕獲中心として作用し、結晶粒界近傍にはキャリアトラップが高密度で存在することが知られている。一旦キャリアが該トラップに捕獲されると、捕獲されたキャリアのもつ電荷分だけ局所的に電荷が蓄積された状態となりいわゆる「ポテンシャルバリア」が形成される(例えば、M.Kimura et al.:J.Appl.Phys.89(2001)596)。そして、キャリアの捕獲によって結晶粒界にポテンシャルバリアが形成されると、このポテンシャルバリアよりも低い熱励起エネルギを持った自由キャリアは結晶粒界を通過することができない。
【0019】
一方、このポテンシャルバリアよりも高い熱励起エネルギを持った自由キャリアの全てが自由に結晶粒界を通過できるわけではなく、かかる自由キャリアもいわゆる「Thermionic Emission」による散乱を受けることが知られている(例えば、S.M.Sze:Physics of Semiconductor Devices、2nd Edition(John Wiley&Sons、New York、1981))。
【0020】
このように、本質的に結晶粒界を高密度で含む多結晶半導体中の結晶粒界近傍での自由キャリアの輸送現象は、単に自由キャリアがもつ熱エネルギの統計的分布に基づいて解析することでは不充分であり、結晶粒界に存在するキャリアトラップとポテンシャルバリア、及びThermionic Emissionによるキャリア散乱現象を充分に考慮する必要がある。
【0021】
従って本発明の半導体素子の設計においては、従来のデバイス設計段階において無視されていた結晶粒界におけるキャリアの散乱効果を考慮してキャリア輸送現象を取り扱うこととしている。より具体的には、結晶粒界におけるThermionic Emission効果を考慮した取り扱いがなされている。
【0022】
この取り扱いを数式で表現すると、結晶粒界を通過するキャリア流密度(J)は、
=(1−c/2)・v・(n−n)/4
により与えられる。ここで、cはキャリア流が結晶粒界にトラップされる割合、vは電子の平均熱速度、n及びnは結晶粒界の片側及び他側のキャリア密度である。
【0023】
また、上記関係式を、実効Richardson定数A、及び実効状態密度Nを用いて、
(1−c/2)・v/4=A・T/(q・N
の関係式に基づいて、
=(n−n)・A・T/(q・N
と表現してもよい。ここで、Tは絶対温度、qは素電荷である。
【0024】
これらの式は基本的には半導体材料のバンド構造理論に基づくものであるが、最終的な結果は、キャリア流密度(J)が結晶粒界の両側のキャリア密度の差(n−n)に比例するという極めて簡単なものになっている。
【0025】
ここで、実効Richardson定数Aは結晶粒界の質に依存する定数で、結晶方位が揃っているときや隣接結晶粒が正常に接続しているときなどは大きく、その場合のキャリア流密度Jは大きな値をとる。一方、結晶方位が揃っていないときや結晶粒界に酸化膜が存在しているときなどは、実効Richardson定数Aは小さく、キャリア流密度Jは小さな値となる。なお、注意深く作製された良質の多結晶シリコンの実効Richardson定数Aは、110A/cm/Kであることが知られている。
【0026】
図1及び図2は、上記理論的考察に基づいたThermionic Emission効果を考慮した場合と該効果を考慮しない場合での、結晶粒界近傍のポテンシャル分布(図1)及び結晶粒界近傍の自由キャリア密度分布(図2)を比較した結果である。いずれの場合も、位置0nmに結晶粒界が存在するものとし結晶粒界からの相対距離を横軸にとってプロットしている。
【0027】
図1によれば、Thermionic Emission効果を考慮してシミュレーションを行った場合には結晶粒界からの相対的位置がマイナス側からプラス側にむけてポテンシャル値が減少する傾向を示しており、特に結晶粒界位置近傍で急激なポテンシャルドロップが起きている。
【0028】
これに対して、Thermionic Emission効果を考慮しない場合には、結晶粒界からの相対的位置がマイナス側からプラス側にポテンシャル値が減少する傾向を示すものの、結晶粒界位置においてポテンシャル値の極大値が現れる。このことは、結晶粒界位置にポテンシャルバリアが存在することを意味している。
【0029】
すなわち、キャリアの輸送現象においてThermionic Emission効果を考慮すると、Thermionic Emission効果に起因して生じる結晶粒界での抵抗がキャリア輸送に対して支配的になるため結晶粒界にポテンシャルドロップが生じてポテンシャルバリアが消滅するのに対して、Thermionic Emission効果を考慮しない場合には、結晶粒界に形成されたポテンシャルバリアに起因する結晶粒界での抵抗がキャリア輸送に対して支配的となるという定性的な差として現れる。
【0030】
この定性的な差異は、本質的に結晶粒界を高密度で含む多結晶半導体素子の設計において極めて重要な意味をもつ。
【0031】
また、上記ポテンシャル分布の差異を反映して、Thermionic Emission効果を考慮した場合と考慮しない場合とでは、自由キャリア密度分布のシミュレーション結果にも大きな違いを生じる。その結果を示したのが図2である。
【0032】
Thermionic Emission効果を考慮すると、結晶粒界を通過するキャリア流密度を発生させるために、結晶粒界の両側で自由キャリア密度分布が非対称になるとともに結晶粒界において急激な自由キャリア密度の落ち込みが観察される。一方、Thermionic Emission効果を考慮しない場合には、自由キャリア密度は結晶粒界を挟んで対称な分布を示すと供に、結晶粒界において緩やかな落ち込みを示す。また、かかる定性的な差異に加え結晶粒界近傍におけるキャリア流密度の値そのものにも大きな差異が認められる。
【0033】
このように、Thermionic Emission効果を考慮した場合と考慮しない場合とでは、ポテンシャル分布及び自由キャリア密度分布のシミュレーション結果に大きな違いを生じるのであり、Thermionic Emission効果を考慮することによりはじめて、結晶粒界を高密度で含む半導体素子中のキャリア輸送メカニズムを正しく表現することができ、高精度の多結晶半導体素子のデバイスシミュレーションが可能となるのである。
(本発明の半導体素子の設計手順)
次に、上述したデバイスシミュレーション方法により、設計すべき半導体素子のデバイスパラメータを最適化する手順を以下に説明する。
【0034】
図5は、本発明の半導体素子のデバイス特性をシミュレーションするためのデバイスシミュレータを示すブロック図である。
【0035】
デバイスシミュレータ31は、制御手段32と、入力手段33と、演算手段34と、出力手段35の各手段により構成され、制御手段32はデバイスシミュレータ31全体の制御を行なう手段である。
【0036】
また、入力手段33は、印加すべきゲート電圧等のシミュレーション条件を入力するためのシミュレーション条件入力手段36と、半導体素子の構造・形状や活性層として動作する多結晶のグレインサイズ等の結晶性のパラメータを入力するデバイス構造入力手段37から構成され、演算手段34は、上述した理論に基づいて活性層中を流れるキャリア流の密度を算出するためのキャリア流密度演算手段38と、その結果及び入力手段33により入力された種種の条件に基づいて所望するデバイス特性を算出するためのデバイス特性演算手段39により構成されている。
【0037】
図6は、デバイスシミュレータ31によりデバイスシミュレーションを実行する際の処理手順を示している。
【0038】
先ず、半導体素子のゲート電圧条件等のシミュレーションデータが、入力手段33のシミュレーション条件入力手段36により入力される(S46)。
【0039】
また、半導体素子の構造及び形状等のデバイス構造に関するデータは、デバイス構造入力手段37から入力される(S47)。ここで、デバイス構造データとは、例えば、ゲート酸化膜厚、ソース・ドレイン間隔、活性層の結晶性、コンタクト孔形状、配線形状、ドーパント濃度等であり、設計しようとするデバイスに応じて自由に設定し得るものである。なお、上記デバイス構造データは、デバイスシュミレータ31の利用者により直接入力されるものであっても良く、デバイスシミュレータ31とは別に設けられたプロセスシミュレータによって算出されたデータを入力されたものであっても良い。
【0040】
キャリア流密度演算手段38は、デバイス構造入力手段37から上記デバイス構造データを受け取り、上述した関係式に基づいてキャリア流密度を算出する。
【0041】
そして、デバイス特性演算手段39は、上記シミュレーションデータ及び算出されたキャリア流密度の値を受け取ってC−V特性等のデバイス特性を算出し(S49)、その結果が出力手段35により出力される。
【0042】
デバイスシミュレータ31の利用者は、上記出力されたデバイス特性と設計特性とを比較しながら図6に示した手順を繰り返すことにより、ゲート酸化膜厚、ソース・ドレイン間隔、活性層の結晶性、コンタクト孔形状、配線形状、ドーパント濃度等のデバイスパラメータを最適化して所望の特性が得られるデバイス構造を決定するのである。
(結晶粒界を考慮した多結晶薄膜トランジスタ)
次に、上述のデバイスシミュレーションにより決定されたデバイス構造を有する本発明の薄膜トランジスタの製造工程について図面を参照して説明する。
【0043】
図3は、本発明の多結晶薄膜トランジスタの製造工程を示す図である。なお、本実施例では、ガラス等の絶縁基板上に、トランジスタを作製する半導体層としてシリコン薄膜を成膜する場合を例に説明する。また、本実施例の多結晶シリコン薄膜トランジスタは、結晶粒界のキャリア輸送メカニズムがトランジスタ特性に対して特に支配的であるレーザー結晶化多結晶シリコン薄膜トランジスタである。
【0044】
先ず、絶縁基板1上に、シリコン原子供給源としてシラン系の反応性ガスを使用することとし、例えばジシラン(Si)ガスを用いた減圧CVD(LPCVD)法や、例えばモノシラン(SiH)ガスを用いたプラズマエンハンスメントCVD(PECVD)法により、アモルファス状のシリコン膜2を成膜する。ここで、シリコン膜2は、その膜厚が上述したデバイスシミュレーションにより最適なものとして予め算出された膜厚となるように成膜される。
【0045】
これに続き、成膜されたアモルファスシリコン膜2に、アモルファス状態のシリコン原子が結晶化するために必要なエネルギを外部から供給せしめて再結晶化させ多結晶シリコン膜2が形成される(図3(a))。ここで、多結晶のグレインサイズや結晶方位等の結晶性は、上述のデバイスシミュレーションにより、要求されるキャリア移動度等の諸特性が得られるように予め設定されている。また、再結晶化手法は、かかる結晶性を実現するために最適な手法及び条件が選択されることとなるが、例えば図3(a)のようにエキシマレーザ等を用いて光照射するレーザ結晶化法や熱処理炉中で熱処理を施して固相成長させたりする手法が選択される。
【0046】
このようにして形成された多結晶シリコン膜2は、フォトリソグラフィー技術を用いて所望のパターニングが施され、更に、後にゲート酸化膜として利用されることとなる誘電体膜3が形成される。この誘電体膜は、例えば熱CVD法により形成されたシリコン酸化膜(SiO)であり、基板全面に堆積される(図3(b))。
【0047】
次に、活性層への不純物ドーピングを行うが、精度の良いドーピングレベル制御が容易かつ正確に行えるイオン注入法を採用している。ドーピングされるべき元素の種類は、薄膜トランジスタの設計により定まるが、本実施例の場合には、n型の薄膜トランジスタの場合について示しており、シリコン結晶中でアクセプタとして作用するIII族不純物のボロン(B)が注入される(図3(b))。また、イオン注入されるべきドーピング量は、予めシミュレーションにより算出された値に設定される。
【0048】
上記活性層中へのドーピング工程に続いて、ゲート電極4を形成するための薄膜形成を行う。ゲート電極材料として選択された金属やポリシリコン等の薄膜をCVD法やスパッタリング法により基板全面に堆積させた後、フォトリソグラフィーにより所望のゲート電極形状となるようにパターニングが施される(図3(c))。
【0049】
更に、ソース領域5及びドレイン領域6の導電型をn型とするために、例えばリン(P)がイオン注入される(図3(c))。この工程において、既にパターニングされたゲート電極4がマスクとして利用され自己整合的にリン(P)が注入されることとなる。すなわち、ゲート電極直下の多結晶シリコン膜領域へのリン注入はなく、図3(b)の工程でボロンのイオン注入がされた状態が維持される。
【0050】
活性層領域へのボロン注入、及びソース領域5及びドレイン領域6へのリン注入がなされた後、これらのイオン注入により乱された結晶格子状態を回復させると共にボロンとリンをドーパントとして電気的に活性化するための処理が施される。
【0051】
上記ドーパントの活性化法としては種種の方法が知られているが、例えば基板を長時間高温に保持する熱活性化法を選択すれば、簡単な装置でドーパント活性化が実行できるから低コストで薄膜トランジスタの製造が行えるという利点がある。また、ドーパント活性化は上記の熱活性化法に限定されるものではなく、例えばレーザ活性化法によることとしても良い。なお、ドーパント活性化をレーザ活性化法により行う場合には、図3(a)に示したアモルファスシリコン薄膜の結晶化工程で使用するレーザと同一のレーザ光源を用いることとしても良く、これとは別の異なる波長のレーザ光源を設けて用いることとしても良い。
【0052】
上記ドーパント活性化に続いて、基板上に形成された個々のトランジスタを互いに電気的に絶縁するための層間絶縁膜7を形成し(図3(d))、更に、ソース領域5及びドレイン領域6の上に形成された誘電体膜3及び層間絶縁膜7をフォトリソグラフィ技術により除去してコンタクトホールを開穴した後、ソース電極8及びドレイン電極9用の薄膜を堆積した後、ソース電極8及びドレイン電極9としてパターニングする。このようにして、多結晶薄膜トランジスタが完成する(図3(d))。
【0053】
上記実施例では、活性層へのドーピング手法としてドーパントの質量分析を伴うイオン注入法を選択した例を示しているが、ドーピング手法はこれに限定されるものではない。すなわち、ドーパントの質量分析を伴うことなくドーピングを行う他のドーピング方法であっても良い。特に、質量分析を伴わないイオンドープ法を採用する場合には、イオンドーピングによる活性層、ゲート絶縁膜、基板絶縁膜、あるいはそれらの界面に存在する転位等の構造的欠陥や固定電荷等の電気的欠陥を低減させることが可能となる利点がある。一方、質量分析を伴うイオン注入法を採用する場合には、余分なイオン衝撃によって、活性層、ゲート絶縁膜、基板絶縁膜、あるいはそれらの界面に誘起される転位等の構造的欠陥や固定電荷等の電気的欠陥を抑制させることが可能となる。従って、所望する薄膜トランジスタの特性を得るために最適な手法を適宜選択すれば良い。
【0054】
更に、活性層へのドーピングはアモルファスシリコン層の多結晶化工程後に行う必要はなく、アモルファスシリコンの成膜と同時に行うこととしてもよい。例えばイオンドープ法によりドーピングを行う場合には、トランジスタの母材となるシリコン元素を含むガスとドーパント元素を含むガスを同時に使用してアモルファスシリコン膜を成膜することにより、ドーパントとなる不純物を含有したアモルファスシリコン膜が得られる。
【0055】
なお、活性層領域、ソース領域、及びドレイン領域への不純物ドーピング工程は、それらの層へのドーピングが実現される限りどのような製造工程順で設定されても良いことは言うまでもない。活性層領域はドーピングしなくとも良い。
【0056】
なお、本実施例では、活性層に多結晶シリコンを用いた多結晶シリコン薄膜トランジスタに対して本発明のデバイスシミュレーション方法を適用したが、活性層にGaAs等の他の多結晶を用いた多結晶半導体素子に対しても適用可能である。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、結晶粒界のキャリア輸送メカニズムがトランジスタ特性に対して特に支配的である多結晶シリコン薄膜トランジスタにおいて、最適化されたデバイス構造を有する半導体素子を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、多結晶シリコン薄膜トランジスタの構造を示す図である。
【図2】図2は、Thermionic Emission効果を考慮した場合と該効果を考慮しない場合の結晶粒界付近のポテンシャル分布を比較した図である。
【図3】図3は、Thermionic Emission効果を考慮した場合と該効果を考慮しない場合の結晶粒界付近の自由キャリア密度分布を比較した図である。
【図4】図4は、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を説明する図である。
【図5】図5は、本発明の半導体素子を製造するためのデバイスシミュレータのブロック図である。
【図6】図6は、本発明の半導体素子を製造するためのデバイスシミュレータの動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
13 結晶粒界
14 ソース領域
15 ドレイン領域
16 基板
17 ゲート絶縁膜
18 ゲート電極
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a polycrystalline thin film transistor using a polycrystalline semiconductor for an active layer.
[0002]
[Prior art]
Polycrystalline thin-film transistors are semiconductor elements that use a polycrystalline semiconductor as the active layer, and are widely used as devices for realizing lightweight and thin display devices such as liquid crystal displays and electroluminescent displays, and scanners. It has been.
[0003]
In general, prior to the manufacture of semiconductor elements, device simulation is performed to predict device characteristics and analyze device operation using parameters such as the device structure and the physical properties of the materials used. Device structure and manufacturing conditions are determined.
[0004]
Therefore, although it is expected that device characteristics can be predicted with high accuracy for polycrystalline thin film transistors, it can be a useful tool for device structure optimization. An effective device simulation method has not been proposed, and as a result, it has been difficult to determine the structure and manufacturing conditions of a polycrystalline thin film transistor having desired device characteristics.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The inventors of the present invention have studied in detail the problems in applying the conventional device simulation method to a polycrystalline thin film transistor. As a result, the device structure of the polycrystalline thin film transistor is determined by the active layer of the polycrystalline semiconductor. It was found that it is extremely important to determine the device structure etc. after accurately handling the carrier transport phenomenon in the crystal in consideration of the carrier scattering phenomenon in the crystal grain boundary existing at high density in the inside. .
[0006]
Accordingly, the object of the present invention is to calculate the carrier flow density flowing in the active layer based on device simulation that accurately handles the scattering effect of carriers at the grain boundaries in the active layer, and to determine device parameters based on this value. A polycrystalline thin film transistor designed as described above is provided.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the device simulation method for a polycrystalline semiconductor device of the present invention takes into account the carrier scattering effect at the crystal grain boundary in the device simulation method for a polycrystalline semiconductor device using a polycrystalline semiconductor for the active layer. It is characterized by that.
[0008]
By adopting such a configuration, a simulation for obtaining a semiconductor element having an optimized device structure in a laser-crystallized polycrystalline silicon thin film transistor in which the carrier transport mechanism of the crystal grain boundary is particularly dominant with respect to the transistor characteristics can be performed. It becomes possible.
[0009]
Preferably, the thermoionic emission effect at the crystal grain boundary is taken into consideration.
[0010]
Preferably, the carrier current density J t passing through the grain boundaries, characterized by being represented by the following formula.
[0011]
J t = (1-c / 2) v (n 1 -n 2 ) / 4
(1-c / 2) v / 4 = A * T 2 / (qN e)
J t : Carrier flow density c: Rate at which the carrier flow is trapped at the grain boundary v: Electron average heat speed n 1 : Carrier density on one side of the crystal grain boundary n 2 : Carrier density on the other side of the crystal grain boundary A * : Effective Richardson constant T: Absolute temperature q: Elementary charge N e : Effective state density Preferably, the polycrystalline semiconductor element is a polycrystalline silicon thin film transistor in which polycrystalline silicon is used as an active layer. And
[0012]
Preferably, the polycrystalline semiconductor element is a laser-crystallized polycrystalline silicon thin film transistor in which polycrystalline silicon is used for an active layer and polycrystalline silicon is crystallized by a laser crystallization process.
[0013]
In the semiconductor device of the present invention, the carrier flow density (J t ) is calculated by the following equation in consideration of the free carrier scattering effect at the crystal grain boundary in the semiconductor device using a polycrystalline semiconductor as the active layer. The parameters governing the device characteristics are determined based on the design.
[0014]
J t = (1-c / 2) · v · (n 1 −n 2 ) / 4
c: Rate at which carrier flow is trapped at the grain boundary v: Electron average heat speed n 1 : Carrier density on one side of the grain boundary n 2 : Carrier density on the other side of the grain boundary Preferably, the semiconductor element is active A polycrystalline silicon thin film transistor using polycrystalline silicon as a layer, and more preferably a polycrystalline silicon thin film transistor manufactured by performing polycrystallization of an active layer by a laser crystallization process, In a laser crystallized polycrystalline silicon thin film transistor in which the carrier transport mechanism of the crystal grain boundary is particularly dominant with respect to the transistor characteristics, a semiconductor element having an optimized device structure can be obtained.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Carrier flow density at grain boundaries)
FIG. 4 is a diagram showing the structure of a polycrystalline silicon thin film transistor constructed using polycrystalline silicon for the active layer.
[0016]
In the polycrystalline silicon thin film transistor shown in FIG. 4, first, a polycrystalline silicon film is formed on a substrate 16 by a CVD method, and a gate insulating film 17 is formed on the polycrystalline silicon film by a silicon oxide film grown by a thermal oxidation method. Is formed. A gate electrode 18 is formed on the gate oxide film, and the polycrystalline silicon film under the gate electrode 18 is operated as a gate region. Further, the polycrystalline silicon film regions sandwiching the gate region from the left and right act as a source region 14 and a drain region 15 to operate as a polycrystalline thin film transistor. In FIG. 4, a straight line penetrating the polycrystalline silicon film obliquely from the substrate 16 toward the gate insulating film 17 is a grain boundary 13 formed by silicon crystals having different crystal orientations constituting the polycrystalline silicon film. It is.
[0017]
The characteristics of the polycrystalline thin film transistor compared to the single crystal thin film transistor are that the semiconductor film that forms the active layer of the transistor is composed of polycrystals, and therefore there are crystal grains with different crystal orientations in the active layer. As a result, there is a crystal grain boundary 13 between the crystal grains.
[0018]
In general, it is known that a crystal grain boundary acts as a carrier trapping center, and carrier traps exist at a high density in the vicinity of the crystal grain boundary. Once carriers are trapped in the trap, charges are locally accumulated by the amount of charges of the trapped carriers and a so-called “potential barrier” is formed (for example, M. Kimura et al .: J Appl.Phys.89 (2001) 596). When a potential barrier is formed at the crystal grain boundary by trapping carriers, free carriers having thermal excitation energy lower than that of the potential barrier cannot pass through the crystal grain boundary.
[0019]
On the other hand, not all free carriers having thermal excitation energy higher than this potential barrier can freely pass through the grain boundary, and it is known that such free carriers are also scattered by so-called “Thermic Emission”. (For example, S. M. Sze: Physics of Semiconductor Devices, 2nd Edition (John Wiley & Sons, New York, 1981)).
[0020]
In this way, the transport phenomenon of free carriers in the vicinity of grain boundaries in a polycrystalline semiconductor that essentially contains grain boundaries at a high density should be analyzed simply based on the statistical distribution of thermal energy of free carriers. However, it is not sufficient, and it is necessary to sufficiently consider the carrier trap and potential barrier existing in the crystal grain boundary, and the carrier scattering phenomenon due to thermionic emission.
[0021]
Therefore, in the design of the semiconductor device of the present invention, the carrier transport phenomenon is handled in consideration of the carrier scattering effect at the crystal grain boundary, which has been ignored in the conventional device design stage. More specifically, handling is performed in consideration of the Thermic Emission effect at the grain boundaries.
[0022]
When this handling is expressed by a mathematical expression, the carrier flow density (J t ) passing through the grain boundary is
J t = (1-c / 2) · v · (n 1 −n 2 ) / 4
Given by. Here, c is the rate at which the carrier flow is trapped at the crystal grain boundary, v is the average heat velocity of electrons, and n 1 and n 2 are the carrier densities on one side and the other side of the crystal grain boundary.
[0023]
Further, the above relational expression, using the effective Richardson constant A *, and the effective density of states N e,
(1-c / 2) · v / 4 = A * · T 2 / (q · N e )
Based on the relation of
J t = (n 1 -n 2 ) · A * · T 2 / (q · N e)
It may be expressed as Here, T is an absolute temperature and q is an elementary charge.
[0024]
These formulas are basically based on the band structure theory of the semiconductor material, but the final result is that the carrier flow density (J t ) is the difference between the carrier densities on both sides of the grain boundary (n 1 −n It is very simple to be proportional to 2 ).
[0025]
Here, the effective Richardson constant A * is a constant depending on the quality of the crystal grain boundary, and is large when the crystal orientation is aligned or when adjacent crystal grains are normally connected. In this case, the carrier flow density J t takes a large value. On the other hand, when the crystal orientation is not aligned or when an oxide film is present at the crystal grain boundary, the effective Richardson constant A * is small, and the carrier flow density Jt is small. It is known that the effective Richardson constant A * of high-quality polycrystalline silicon produced carefully is 110 A / cm 2 / K 2 .
[0026]
FIG. 1 and FIG. 2 show the potential distribution in the vicinity of the grain boundary (FIG. 1) and the free carriers in the vicinity of the grain boundary when the Thermic Emission effect based on the above theoretical consideration is taken into consideration and when the effect is not taken into account. It is the result of having compared density distribution (FIG. 2). In either case, it is assumed that a crystal grain boundary exists at the position of 0 nm, and the relative distance from the crystal grain boundary is plotted on the horizontal axis.
[0027]
According to FIG. 1, when the simulation is performed in consideration of the Thermic Emission effect, the potential value tends to decrease as the relative position from the grain boundary moves from the minus side to the plus side. A sudden potential drop occurs near the grain boundary position.
[0028]
On the other hand, when the Thermic Emission effect is not taken into consideration, the relative value from the grain boundary tends to decrease in potential value from the minus side to the plus side, but the maximum value of the potential value at the grain boundary position. Appears. This means that a potential barrier exists at the grain boundary position.
[0029]
That is, when the Thermic Emission effect is taken into account in the carrier transport phenomenon, the resistance at the crystal grain boundary caused by the Thermic Emission effect becomes dominant with respect to the carrier transport. However, if the Thermic Emission effect is not taken into account, the resistance at the crystal grain boundary due to the potential barrier formed at the crystal grain boundary becomes dominant for carrier transport. Appears as a difference.
[0030]
This qualitative difference has an extremely important meaning in the design of a polycrystalline semiconductor device that essentially includes a high density of grain boundaries.
[0031]
Also, reflecting the difference in the potential distribution, there is a great difference in the simulation result of the free carrier density distribution when the thermal emission effect is taken into consideration and when it is not taken into consideration. The result is shown in FIG.
[0032]
Considering the Thermic Emission effect, in order to generate a carrier flow density that passes through the grain boundary, the free carrier density distribution becomes asymmetric on both sides of the grain boundary, and a sudden drop in free carrier density is observed at the grain boundary. Is done. On the other hand, when the Thermic Emission effect is not taken into consideration, the free carrier density shows a symmetric distribution across the crystal grain boundary and also shows a gradual drop in the crystal grain boundary. In addition to the qualitative difference, a large difference is also observed in the value of the carrier flow density in the vicinity of the grain boundary.
[0033]
Thus, there is a big difference in the simulation results of the potential distribution and the free carrier density distribution between the case where the thermal emission effect is taken into consideration and the case where the thermoelectric emission effect is not taken into account. It is possible to correctly express the carrier transport mechanism in a semiconductor element including high density, and to perform highly accurate device simulation of a polycrystalline semiconductor element.
(Design procedure of semiconductor device of the present invention)
Next, a procedure for optimizing device parameters of a semiconductor element to be designed by the above-described device simulation method will be described below.
[0034]
FIG. 5 is a block diagram showing a device simulator for simulating device characteristics of the semiconductor device of the present invention.
[0035]
The device simulator 31 includes a control unit 32, an input unit 33, a calculation unit 34, and an output unit 35. The control unit 32 controls the entire device simulator 31.
[0036]
The input means 33 includes a simulation condition input means 36 for inputting simulation conditions such as a gate voltage to be applied, and a crystallinity such as a structure and shape of a semiconductor element and a polycrystalline grain size operating as an active layer. The device structure input means 37 for inputting parameters, and the calculation means 34, the carrier flow density calculation means 38 for calculating the density of the carrier flow flowing in the active layer based on the above-described theory, and the result and input. A device characteristic calculation means 39 for calculating a desired device characteristic based on various conditions inputted by the means 33 is constituted.
[0037]
FIG. 6 shows a processing procedure when a device simulation is executed by the device simulator 31.
[0038]
First, simulation data such as a gate voltage condition of a semiconductor element is input by the simulation condition input unit 36 of the input unit 33 (S46).
[0039]
Further, data on the device structure such as the structure and shape of the semiconductor element is input from the device structure input means 37 (S47). Here, the device structure data includes, for example, gate oxide film thickness, source / drain spacing, crystallinity of the active layer, contact hole shape, wiring shape, dopant concentration, etc., and can be freely selected according to the device to be designed. It can be set. The device structure data may be input directly by a user of the device simulator 31 or input data calculated by a process simulator provided separately from the device simulator 31. Also good.
[0040]
The carrier flow density calculation means 38 receives the device structure data from the device structure input means 37 and calculates the carrier flow density based on the relational expression described above.
[0041]
The device characteristic calculation means 39 receives the simulation data and the calculated carrier flow density value, calculates device characteristics such as CV characteristics (S49), and the result is output by the output means 35.
[0042]
The user of the device simulator 31 repeats the procedure shown in FIG. 6 while comparing the output device characteristics with the design characteristics, so that the gate oxide film thickness, the source-drain spacing, the crystallinity of the active layer, the contact By optimizing device parameters such as hole shape, wiring shape, and dopant concentration, a device structure capable of obtaining desired characteristics is determined.
(Polycrystalline thin film transistor considering grain boundaries)
Next, a manufacturing process of the thin film transistor of the present invention having the device structure determined by the above device simulation will be described with reference to the drawings.
[0043]
FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of the polycrystalline thin film transistor of the present invention. Note that in this embodiment, a case where a silicon thin film is formed as a semiconductor layer for manufacturing a transistor over an insulating substrate such as glass will be described as an example. The polycrystalline silicon thin film transistor of this example is a laser crystallized polycrystalline silicon thin film transistor in which the carrier transport mechanism of the crystal grain boundary is particularly dominant with respect to the transistor characteristics.
[0044]
First, a silane-based reactive gas is used on the insulating substrate 1 as a silicon atom supply source. For example, a low pressure CVD (LPCVD) method using a disilane (Si 2 H 6 ) gas, or a monosilane (SiH 4 ), for example. ) An amorphous silicon film 2 is formed by plasma enhancement CVD (PECVD) using gas. Here, the silicon film 2 is formed so that the film thickness is a film thickness calculated in advance as an optimum film thickness by the above-described device simulation.
[0045]
Following this, the amorphous silicon film 2 is recrystallized by supplying energy necessary for crystallizing amorphous silicon atoms from the outside to form the polycrystalline silicon film 2 (FIG. 3). (A)). Here, the crystallinity such as the grain size and crystal orientation of the polycrystal is preset so that various characteristics such as required carrier mobility can be obtained by the above-described device simulation. In addition, as for the recrystallization technique, an optimum technique and conditions are selected in order to realize such crystallinity. For example, as shown in FIG. 3A, a laser crystal irradiated with light using an excimer laser or the like. A method of performing solid phase growth by performing heat treatment in a chemical conversion method or a heat treatment furnace is selected.
[0046]
The polycrystalline silicon film 2 thus formed is subjected to desired patterning using a photolithography technique, and further a dielectric film 3 to be used later as a gate oxide film is formed. This dielectric film is, for example, a silicon oxide film (SiO x ) formed by a thermal CVD method, and is deposited on the entire surface of the substrate (FIG. 3B).
[0047]
Next, impurity doping is performed on the active layer, and an ion implantation method is employed in which precise doping level control can be performed easily and accurately. The type of element to be doped is determined by the design of the thin film transistor. In this embodiment, the case of an n-type thin film transistor is shown. Group III impurity boron (B ) Is injected (FIG. 3B). The doping amount to be ion-implanted is set to a value calculated in advance by simulation.
[0048]
Subsequent to the doping step into the active layer, a thin film for forming the gate electrode 4 is formed. A thin film such as a metal or polysilicon selected as a gate electrode material is deposited on the entire surface of the substrate by a CVD method or a sputtering method, and then patterned to have a desired gate electrode shape by photolithography (FIG. 3 ( c)).
[0049]
Furthermore, in order to make the conductivity type of the source region 5 and the drain region 6 n + type, for example, phosphorus (P) is ion-implanted (FIG. 3C). In this step, phosphorus (P) is implanted in a self-aligning manner using the already patterned gate electrode 4 as a mask. That is, there is no phosphorus implantation into the polycrystalline silicon film region directly under the gate electrode, and the state in which boron ions are implanted in the step of FIG. 3B is maintained.
[0050]
After boron implantation into the active layer region and phosphorus implantation into the source region 5 and drain region 6, the crystal lattice state disturbed by these ion implantations is recovered and electrically activated using boron and phosphorus as dopants. The process for making it into is performed.
[0051]
Various methods are known as the dopant activation method. For example, if a thermal activation method for keeping the substrate at a high temperature for a long time is selected, the dopant activation can be performed with a simple apparatus at a low cost. There is an advantage that a thin film transistor can be manufactured. The dopant activation is not limited to the above-described thermal activation method, and may be performed by, for example, a laser activation method. When the dopant activation is performed by the laser activation method, the same laser light source as that used in the crystallization process of the amorphous silicon thin film shown in FIG. 3A may be used. It is good also as providing and using the laser light source of another different wavelength.
[0052]
Subsequent to the dopant activation, an interlayer insulating film 7 is formed to electrically insulate the individual transistors formed on the substrate from each other (FIG. 3D). Further, the source region 5 and the drain region 6 are formed. The dielectric film 3 and the interlayer insulating film 7 formed thereon are removed by a photolithography technique to form contact holes, and then a thin film for the source electrode 8 and the drain electrode 9 is deposited, and then the source electrode 8 and The drain electrode 9 is patterned. In this way, a polycrystalline thin film transistor is completed (FIG. 3D).
[0053]
In the above embodiment, an example in which an ion implantation method involving mass spectrometry of a dopant is selected as a doping method for the active layer is shown, but the doping method is not limited to this. That is, other doping methods that perform doping without mass analysis of dopants may be used. In particular, when an ion doping method without mass spectrometry is employed, structural defects such as dislocations existing in the active layer, gate insulating film, substrate insulating film, or their interface due to ion doping, and electric charges such as fixed charges There is an advantage that it is possible to reduce the mechanical defects. On the other hand, when ion implantation with mass spectrometry is adopted, structural defects such as dislocations and fixed charges induced in the active layer, gate insulating film, substrate insulating film, or their interfaces due to excessive ion bombardment or fixed charges It is possible to suppress electrical defects such as these. Therefore, an optimal method may be selected as appropriate in order to obtain desired thin film transistor characteristics.
[0054]
Further, the doping to the active layer is not necessarily performed after the polycrystallizing process of the amorphous silicon layer, and may be performed simultaneously with the film formation of the amorphous silicon. For example, when doping is performed by ion doping, an amorphous silicon film is formed by simultaneously using a gas containing a silicon element and a gas containing a dopant element as a base material of a transistor, thereby containing impurities as a dopant. An amorphous silicon film is obtained.
[0055]
Needless to say, the impurity doping process to the active layer region, the source region, and the drain region may be set in any order of manufacturing steps as long as the doping to these layers is realized. The active layer region may not be doped.
[0056]
In this example, the device simulation method of the present invention was applied to a polycrystalline silicon thin film transistor using polycrystalline silicon as an active layer. However, a polycrystalline semiconductor using other polycrystal such as GaAs as an active layer. It can also be applied to elements.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor element having an optimized device structure in a polycrystalline silicon thin film transistor in which the carrier transport mechanism of the grain boundary is particularly dominant to the transistor characteristics. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a polycrystalline silicon thin film transistor.
FIG. 2 is a diagram comparing the potential distribution in the vicinity of a grain boundary when the Thermic Emission effect is taken into consideration and when the effect is not taken into account.
FIG. 3 is a diagram comparing the free carrier density distribution in the vicinity of a crystal grain boundary when the Thermic Emission effect is considered and when the effect is not considered.
FIG. 4 is a diagram illustrating a manufacturing process of a polycrystalline silicon thin film transistor.
FIG. 5 is a block diagram of a device simulator for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation of a device simulator for manufacturing the semiconductor device of the present invention.
[Explanation of symbols]
13 Grain boundary 14 Source region 15 Drain region 16 Substrate 17 Gate insulating film 18 Gate electrode

Claims (5)

活性層に多結晶半導体を用いた多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション方法であって、
結晶粒界を通過するキャリア流密度を、以下の式で算出することを特徴とする、多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション方法。
t=(1−c/2)v(n1-n2)/4
(1−c/2)v/4=A*2/(qNe)
t:キャリア流密度
c:キャリア流が結晶粒界にトラップされる割合
v:電子平均熱速度
1:結晶粒界の片側のキャリア密度
2:結晶粒界の他側のキャリア密度
*:実効Richardson定数
T:絶対温度
q:素電荷
e:実効状態密度
A device simulation method of a polycrystalline semiconductor element using a polycrystalline semiconductor in an active layer ,
A device simulation method for a polycrystalline semiconductor device, characterized in that a carrier flow density passing through a crystal grain boundary is calculated by the following equation.
J t = (1−c / 2) v (n 1 −n 2 ) / 4
(1-c / 2) v / 4 = A * T 2 / (qN e)
J t : Carrier flow density c: Rate at which the carrier flow is trapped at the crystal grain boundary v: Electron average heat speed n 1 : Carrier density on one side of the crystal grain boundary n 2 : Carrier density A on the other side of the crystal grain boundary A * : Effective Richardson constant T: Absolute temperature q: Elementary charge N e : Effective state density
請求項1記載の多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション方法において、前記多結晶半導体素子が、活性層に多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタであることを特徴とする、多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション方法。2. A device simulation method for a polycrystalline semiconductor device according to claim 1, wherein the polycrystalline semiconductor device is a thin film transistor using polycrystalline silicon as an active layer. 請求項1記載の多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション方法において、前記多結晶半導体素子が、活性層にレーザー結晶化のプロセスにより形成した多結晶シリコンを用いレーザー結晶化多結晶シリコン薄膜トランジスタであることを特徴とする、多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション方法。2. The device simulation method for a polycrystalline semiconductor device according to claim 1, wherein the polycrystalline semiconductor device is a laser crystallized polycrystalline silicon thin film transistor using polycrystalline silicon formed in an active layer by a laser crystallization process. A device simulation method for a polycrystalline semiconductor device, characterized by 活性層に多結晶半導体を用いた多結晶半導体素子の設計方法であって、
結晶粒界を通過するキャリア流密度を、以下の式を用いて算出する多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション工程を有することを特徴とする多結晶半導体素子の設計方法。
t=(1−c/2)v(n1-n2)/4
(1−c/2)v/4=A*2/(qNe)
t:キャリア流密度
c:キャリア流が結晶粒界にトラップされる割合
v:電子平均熱速度
1:結晶粒界の片側のキャリア密度
2:結晶粒界の他側のキャリア密度
*:実効Richardson定数
T:絶対温度
q:素電荷
e:実効状態密度
A method for designing a polycrystalline semiconductor device using a polycrystalline semiconductor in an active layer,
Design method of the polycrystalline semiconductor element characterized in that the carrier flow density passing through the grain boundary, having a device simulation step of the polycrystalline semiconductor element is calculated using the following equation.
J t = (1−c / 2) v (n 1 −n 2 ) / 4
(1-c / 2) v / 4 = A * T 2 / (qN e)
J t : Carrier flow density c: Rate at which the carrier flow is trapped at the crystal grain boundary v: Electron average heat speed n 1 : Carrier density on one side of the crystal grain boundary n 2 : Carrier density A on the other side of the crystal grain boundary A * : Effective Richardson constant T: Absolute temperature q: Elementary charge N e : Effective state density
活性層に多結晶半導体を用いた多結晶半導体素子の製造方法であって、
結晶粒界を通過するキャリア流密度を、以下の式を用いて算出する多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション工程を有することを特徴とする多結晶半導体素子の製造方法。
t=(1−c/2)v(n1-n2)/4
(1−c/2)v/4=A*2/(qNe)
t:キャリア流密度
c:キャリア流が結晶粒界にトラップされる割合
v:電子平均熱速度
1:結晶粒界の片側のキャリア密度
2:結晶粒界の他側のキャリア密度
*:実効Richardson定数
T:絶対温度
q:素電荷
e:実効状態密度
A method of manufacturing a polycrystalline semiconductor device using a polycrystalline semiconductor in an active layer,
Method for manufacturing a polycrystalline semiconductor device, characterized in that the carrier flow density passing through the grain boundary, having a device simulation step of the polycrystalline semiconductor element is calculated using the following equation.
J t = (1−c / 2) v (n 1 −n 2 ) / 4
(1-c / 2) v / 4 = A * T 2 / (qN e)
J t : Carrier flow density c: Rate at which the carrier flow is trapped at the crystal grain boundary v: Electron average heat speed n 1 : Carrier density on one side of the crystal grain boundary n 2 : Carrier density A on the other side of the crystal grain boundary A * : Effective Richardson constant T: Absolute temperature q: Elementary charge N e : Effective state density
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