JP4599734B2 - Method for forming polycrystalline semiconductor thin film and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for forming polycrystalline semiconductor thin film and method for manufacturing semiconductor device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体上に多結晶性シリコンなどの多結晶性半導体薄膜の形成方法及びその装置、その多結晶性半導体薄膜を基体上に有する半導体装置の製造方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)である例えばMOSTFT(Thin Film Transistor=薄膜絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)のソース、ドレイン及びチャンネル領域を多結晶シリコン膜で形成するに際し、プラズマCVD(CVD:Chemical Vapor Deposition=化学的気相成長法)や減圧CVD法等が用いられている。
【0003】
例えば特開平6−140325号によれば、プラズマCVD、スパッタリング法等により、ガラス基板上にアモルファスカーボン薄膜を形成し、プラズマ水素処理により、そのアモルファスカーボン薄膜の表面上に存在するカーボンクラスタを安定させ、かつその付近に存在するアモルファス構造のカーボンをわずかにエッチングする。その後に、プラズマCVD法にて水素含有アモルファスシリコン膜(a−Si:H膜)を2〜20μm堆積させる。最後に、ガラス基板の温度を室温から800℃まで8〜20秒間で昇温し、次いでハロゲンランプによる急速加熱を15〜500秒間行い、更に室温まで降温させる一連の工程を1サイクルとするアニ−リング処理を所定回数、例えば100回行い、a−Si:H膜から多結晶シリコン薄膜を形成する。これは、いわゆる高速ランプアニール法であり、カーボン超微粒子を核として多結晶シリコン膜を形成している。
【0004】
また、プラズマCVD法、減圧CVD法等により形成したアモルファス又は多結晶シリコンは、特開平7−131030号、特開平9−116156号、特公平7−118443号にみられるように、単に高温アニール又はエキシマレーザーアニール(ELA:Excimer Laser Anneal)処理することにより、多結晶シリコン膜のキャリア移動度の改善を図ってきたが、この方法では80〜120cm2/V・sec程度のキャリア移動度を得るのが限界であった。しかし、プラズマCVD法によるアモルファスシリコンのELAで得られた多結晶シリコンを用いるMOSTFTの電子移動度は、100cm2/V・sec前後であり、高精細化にも対応できるので、最近は駆動回路一体型の多結晶シリコンMOSTFTを用いたLCD(Liquid Crystal Display=液晶表示装置)が注目されている(特開平6−242433号参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した方法はいずれも、次に示す欠点を回避することができない。
【0006】
1)RFプラズマCVD法、又はRF/DC混合プラズマCVD法による原料ガスの熱分解反応のエネルギー不足で、アモルファスカーボン薄膜中のカーボン超微粒子(クラスタ)の形成が不安定となる。
2)RFプラズマ、又はRF/DC混合プラズマの水素処理は、その水素分子/原子/イオンのエネルギーが低く、アモルファス構造のカーボンのエッチング効果が低く、カーボンクラスタの形成が不安定となる。
3)高速ランプアニール法は、熱伝導率の高い基板を用いる場合には効果はあるが、熱伝導率の低いガラス基板等では室温までの冷却に時間がかかるので、生産性が悪い。
【0007】
また、エキシマレーザーを用いると、その出力の安定性や、生産性、大型化による装置価格の上昇、歩留/品質低下等の問題が山積しており、特に、1m×1mの大型ガラス基板になると、前記の問題が拡大して性能/品質向上とコストダウンが一層難しくなる。
【0008】
また、固相成長法による多結晶シリコンMOSTFTの製法では、600℃以上での十数時間のアニールと、約1000℃での熱酸化のゲートSiO2の形成が必要なために、半導体製造装置を採用せざるを得ない。このために、基板サイズは、ウエーハサイズ8〜12インチφが限界であり、また高耐熱性で高価な石英ガラスを採用しなければならず、コストダウンが難しく、EVFやデータ/AVプロジェクタに用途が限定されている。
【0009】
近時、ガラス基板のような絶縁性基板上に、多結晶シリコン膜、窒化シリコン膜等を低温で作製し得る優れた熱CVDである触媒CVD法が開発され(特公昭63−40314号、特公平8−250438号参照)、実用化の検討が推進されている。触媒CVD法においては、結晶化アニールなしで、30cm2/V・sec程度のキャリア移動度を得ているが、良質なMOSTFTデバイスを作製するにはまだ不十分である。そして、ガラス基板上に多結晶シリコン膜を形成すると、成膜条件次第では初期のアモルファスシリコンの遷移層(厚さ5〜10nm)が形成されやすいので、ボトムゲート型MOSTFTとした場合は所望のキャリア移動度は得にくい。一般に駆動回路一体型の多結晶シリコンMOSTFTを用いたLCDは、ボトムゲート型MOSTFTが歩留及び生産性の面で製造しやすいが、この問題がネックとなってくる。
【0010】
本発明の目的は、高結晶化率で高品質の多結晶性シリコン等の多結晶性半導体薄膜を容易かつ低コストに、しかも大面積に形成可能な方法と、この方法を実施する装置を提供することにある。
【0011】
本発明の他の目的は、こうした多結晶性半導体薄膜を構成部分として有するMOSTFT等の半導体装置の製造方法と、この方法を実施する装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、基体上に多結晶性半導体薄膜を形成するに際し、或いは基体上に多結晶性半導体薄膜を有する半導体装置を製造するに際し、
前記基体上にアモルファスカーボン又は微結晶カーボン又はこれらの混合物からなるカーボン薄膜を形成する工程と、
水素又は水素含有ガスを加熱された触媒体に接触させ、これによって生成した活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記カーボン薄膜に作用させてアニールを行い、ダイヤモンド構造のカーボン超微粒子を形成する工程と、
このカーボン超微粒子上に半導体材料薄膜を気相成長させる工程と
を経て前記多結晶性半導体薄膜を得る、多結晶性半導体薄膜の形成方法、又は半導体装置の製造方法に係るものである。
【0013】
また、本発明は、本発明の方法を実施する装置として、
アモルファスカーボン又は微結晶カーボン又はこれらの混合物からなるカーボン薄膜の形成手段と、
水素又は水素含有ガス供給手段と、
前記多結晶性半導体薄膜となる半導体材料薄膜の原料ガスの供給手段と、
触媒体と、
触媒体加熱手段と、
基体加熱手段と、
グロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界を印加する電界又は/及び磁界印加手段と
を有する、多結晶性半導体薄膜の形成装置、又は半導体装置の製造装置を提供するものである。
【0014】
本発明によれば、基体上に多結晶性半導体薄膜を形成するに際し、前記基体上に微結晶カーボン含有アモルファスカーボン(以後、アモルファスカーボンと称する。)又はアモルファスカーボン含有微結晶カーボン(以後、微結晶カーボンと称する。)又はこれらの混合物からなるカーボン薄膜を形成し、水素又は水素含有ガスを加熱された触媒体に接触させ、これによって生成した活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記カーボン薄膜に作用させてアニールを行い、ダイヤモンド構造のカーボン超微粒子を形成し、このカーボン超微粒子をシード(結晶成長核)に前記半導体材料薄膜を気相成長させているので、次の(1)〜(4)に示すような顕著な作用効果が得られる。
【0015】
(1)加熱された触媒体に水素又は水素含有ガスを接触させて生成した水素系活性種(高温の水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン等の水素系活性種)をグロー放電開始電圧以下(即ち、パッシェンの法則によるプラズマ発生電圧以下)の電界又は/及び磁界の作用下で作用させるアニール処理(以下、これをバイアス触媒AHA(Atomic Hydrogen Anneal)処理と称する。)により、前記カーボン薄膜に対し吹き付け等で作用させているので、高温の加熱触媒体の輻射熱による加熱も加わって、次の顕著な効果を示す。
【0016】
このバイアス触媒AHA処理は、10〜50Paの水素又は水素含有ガス圧下で、水素を高温の触媒体(融点未満の800〜2000℃、例えばタングステンでは1500〜2000℃)に接触させて、大量の高温の水素系活性種(水素系分子/水素系原子/活性化水素イオン等)を生成し、これを基板上に形成したアモルファスカーボン膜又は微結晶カーボン膜等に吹き付けると(但し、基板温度は特に200〜500℃)、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン等)が有する熱エネルギーに加えて上記電界による加速電界又は/及び磁界での十分な指向性運動エネルギーによりその膜等に移動して、その膜等の温度を局部的に上昇させ、アモルファスカーボン膜や微結晶カーボン膜等は、アモルファス成分がエッチング除去されると共に多結晶化して、アモルファスカーボン膜又は微結晶カーボン膜等の表面又は基板(例えばガラス基板)上に、ダイヤモンド構造を有するカーボン超微粒子(クラスタ)を確実に安定して点在させることができ、これを次の多結晶性シリコン等の結晶成長の核(シード)として有効に働かせることができる。この時、特にゲートチャンネル領域等には島状に点在し、電気抵抗が無視しうる程度に小さいことが必要である。
【0017】
(2)こうしてバイアス触媒AHA処理されて得られるダイヤモンド構造のカーボン超微粒子をシードとして、この上に半導体材料薄膜が多結晶化され易い状態で(多結晶性半導体薄膜として)成長し易くなり、特に次のバイアス触媒AHA処理及び気相成長により、上記多結晶性半導体薄膜上に気相成長されたシリコン膜等はこの多結晶性半導体薄膜をシードとして結晶化が促進されるので、目的とする高結晶化率、高品質の多結晶性半導体薄膜を得ることができる。即ち、バイアス触媒AHA処理により、例えば触媒CVDで成膜されたシリコン膜にアモルファス成分が存在していると、これがエッチング除去されて、その上に気相成長するシリコン膜は下地の多結晶性シリコン薄膜をシード(結晶成長核)にしてより多結晶性シリコン膜化し易く、更には、同様のバイアス触媒AHA処理と気相成長とを繰り返すと、大量の高温の水素系活性種等が有する熱エネルギーが加速電界又は/及び磁界による十分な指向性運動エネルギーによりその膜等に移動して、その膜等の温度を局部的に上昇させ、アモルファスシリコンや微結晶シリコンは多結晶化し、多結晶性シリコンは高結晶化して、高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン薄膜を形成することができる。この結果、トップゲート型のみならず、ボトムゲート型、デュアルゲート型MOSTFTでも、高いキャリア(電子/正孔)移動度の大粒径の多結晶性シリコン薄膜等が得られるために、この高性能の多結晶性シリコン等の半導体を使用した高速、高電流密度の半導体装置、電気光学装置、更には高効率の太陽電池等の製造が可能となる。
【0018】
(3)このバイアス触媒AHA処理は、プラズマの発生なしに行えるので、プラズマによるダメージがなく、またプラズマ処理に比べ、シンプルで安価な装置を実現できる。
【0019】
(4)基体温度を低温化しても上記活性種のエネルギーが大きいために、目的とするダイヤモンド構造のカーボン超微粒子が確実に安定して得られることから、基体温度を特に200〜400℃と低温化しても、多結晶性半導体薄膜がカーボン超微粒子をシードに効率良く成長し、従って大型で安価な低歪点の絶縁基板(ガラス基板、耐熱性樹脂基板等)を使用でき、この点でもコストダウンが可能となる。
【0020】
なお、本発明において、上記のバイアス触媒AHA処理で形成されるダイヤモンド構造のカーボン超微粒子は、粒径10nm以下で1〜100個/μm2の面積比率で点在していることが望ましい。また、上記の多結晶性半導体薄膜は、アモルファス成分が除去された或いは微量存在してよい大粒径(グレインサイズでは通常、数100nm以上)の多結晶をベースとしたものであり、微結晶も含有する構造からなる。なお、この多結晶性半導体薄膜となる上記の半導体材料薄膜は、多結晶以外にも、低級結晶性半導体薄膜であって、アモルファス成分を含有する微結晶をベースとした構造、いわゆる微結晶半導体薄膜、又は微結晶を含有するアモルファス(非晶質)をベースとした構造、いわゆるアモルファス半導体薄膜を含んでいても、これは、上記のカーボン超微粒子がシードとなって多結晶化されることになる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の方法及びその装置においては、前記カーボン薄膜を気相成長法(触媒CVD法、プラズマCVD法、減圧CVD法、常圧CVD法、光CVD法、高密度プラズマCVD法(ECRプラズマCVD等)、高密度触媒CVD法(高密度プラズマCVDと触媒CVDとを組み合せたもの)等:以下、同様)又は物理的成膜法(スパッタリング法等:以下、同様)によって、前記半導体材料薄膜を気相成長法によって形成するのがよい。この場合、望ましくは融点未満の温度(例えば1600〜1800℃)に加熱された前記触媒体に、前記原料ガス及び水素又は水素含有ガス(水素ガス+不活性ガス)の少なくとも一部を接触させて触媒的に分解させ、これによって生成したラジカル、イオン等の反応種を必要あればグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で加熱された前記基体上に堆積させて前記カーボン薄膜及び/又は前記半導体材料薄膜を触媒CVD(上記電界又は/及び磁界の作用下の場合はバイアス触媒CVD)により気相成長させるのがよい。また、この気相成長後に、前記原料ガスの供給を停止し、望ましくは、融点未満の温度に加熱された触媒体(これは前記触媒体と同一物であるのがよいが、別のものであってもよい。)に前記水素又は水素含有ガスの少なくとも一部を接触させ、これによって生成した高温の水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン等の水素系活性種を前記カーボン薄膜又は前記半導体材料薄膜に作用させてバイアス触媒AHA処理による前記アニールを行うのがよい。
【0022】
この場合、前記気相成長時の水素又は水素含有ガス供給量よりも前記アニール時の水素又は水素含有ガス供給量を多くする。例えば、気相成長時に用いる水素系キャリアガスは水素又は水素と不活性ガス(熱伝導性が良好であって反応性向上に寄与するアルゴン、ヘリウム、キセノン、クリプトン、ラドン等)との混合ガスであり、混合ガスの場合は水素含有比率は70〜80モル%以上とすることによって触媒体の酸化劣化を防止できる。また、バイアス触媒AHA処理時に用いる水素又は水素含有ガスは、気相成長時の水素系キャリアガスと同様であってよいが、例えばガス流量300〜1000SCCM(Standard cc per minute)、ガス圧10〜50Paと大きくし(触媒CVDのときのガス圧は0.1〜数Pa)、ガスによる熱伝導の増大と水素系活性種発生量の増大を図るのがよい。
【0023】
また、前記半導体材料薄膜の気相成長後に、水素又は水素含有ガスを加熱された触媒体に接触させ、これによって生成した高温の水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン等の水素系活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記半導体材料薄膜に作用させてアニールを行い、必要あれば、前記半導体材料薄膜と同様の半導体材料薄膜の気相成長と前記アニールとを繰り返すのが望ましい。このためには、前記原料ガス供給手段と前記水素又は水素含有ガス供給手段とを制御する制御手段を有するのがよい。
【0024】
即ち、バイアス触媒AHA処理されて得られる多結晶性半導体薄膜上に更に半導体材料薄膜を気相成長させる工程とアニール工程とを目的とする膜厚となるまで繰り返す、いわば2ステップ又はそれ以上のマルチバイアス触媒AHA処理により、この半導体材料薄膜は既にバイアス触媒AHA処理で多結晶化された下地膜上に、これをシードとして多結晶化され易い状態で成長し易くなり、目的とする高結晶化率、高品質の多結晶性半導体膜を所定の膜厚で得ることができる。即ち、触媒CVD又はバイアス触媒CVDとバイアス触媒AHA処理を繰り返すマルチバイアス触媒AHA処理により、例えば触媒CVDでカーボン超微粒子層上に成膜された多結晶性シリコンをバイアス触媒AHA処理でシード化し、この上に触媒CVD又はバイアス触媒CVDで半導体材料薄膜を気相成長させ、更にバイアス触媒AHA処理することにより、高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜等を形成することができる。
【0025】
具体的には、シリコン膜においては、大量の高温の水素系活性種などが有する熱エネルギーが上記電界による加速電界での十分な指向性運動エネルギーで移動して、その膜の温度を局部的に上昇させ、アモルファスシリコン等は多結晶化し、多結晶性シリコンは高結晶化して大粒径の多結晶性シリコン膜が形成され易くなると共に、この上に気相成長させるシリコン膜はより高結晶化され、キャリア移動度の向上が図れる。
【0026】
しかも、多結晶性シリコン膜上又は膜内又は粒界にシリコン酸化物が存在したとき、水素系活性種等がこれと反応してSiOを生成して蒸発するので、多結晶性シリコン膜上又は膜内のシリコン酸化物を減少/除去させることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。
【0027】
また、このバイアス触媒CVD処理の場合、触媒体の種類及び温度、電界又は/及び磁界の種類及び印加量、基板加熱温度、気相成膜条件、原料ガスの種類、添加するn又はp型不純物濃度等により、広範囲のn又はp型不純物濃度の多結晶性シリコン膜が容易に得られ、かつ、バイアス触媒AHA処理により大きな粒径の多結晶性シリコン膜を形成できるので、高キャリア移動度でVth(しきい値)調整が容易であり、低抵抗での高速動作が可能となる。
【0028】
なお、微結晶性シリコンをプラズマCVDで成膜し、これをバイアス触媒AHA処理する場合、プラズマCVDでの微結晶性シリコン膜中に10〜20%含有する水素をバイアス触媒AHA処理で減少/除去させ、大きな粒径の多結晶性シリコン膜を形成できるので、大きなキャリア移動度の多結晶性シリコン膜の形成が可能となる。更に、基板加熱温度、気相成膜条件、原料ガスの種類、バイアス触媒AHA処理条件、添加するn又はp型不純物濃度等により、広範囲のn又はp型不純物濃度の多結晶性シリコン膜が容易に得られるので、高キャリア移動度でVth調整が容易で低抵抗での高速動作が可能となる。
【0029】
また、スパッタリングで成膜後にバイアス触媒AHA処理する場合、シリコンターゲットの比抵抗(添加するn又はp型不純物濃度)、スパッタリング成膜条件、基板加熱温度、バイアス触媒AHA処理条件等により、広範囲のn又はp型不純物濃度の多結晶性シリコン膜が容易に得られるので、高キャリア移動度でVth調整が容易であり、低抵抗での高速動作が可能となる。
【0030】
CVDを上記バイアス電界又は/及び磁界の作用下でのバイアス触媒CVDで行うと(更には、バイアス触媒AHA処理とバイアス触媒CVDとを繰り返すと)、触媒体の触媒作用とその熱エネルギーに加えて上記電圧による加速電界又は/及び磁界を与えるため、運動エネルギーが大きくなって基体上に効率良く導けると共に、基体上での泳動及び生成過程の膜中での拡散が十分となる。従って、従来の触媒CVD法に比べて、触媒体で生成された反応種の運動エネルギーを電界又は/及び磁界で独立してコントロールできるため、上記触媒体により原料ガスが分解されて生成する反応種(堆積種又はその前駆体及びラジカルイオン)は、基体上での泳動及び生成過程の膜中での拡散が十分となるので、生成膜の基体との密着性向上、生成膜密度の向上、生成膜均一性又は平滑性の向上、ビアホールなどへの埋め込み性とステップカバレージの向上、基体温度の更なる低温化、生成膜のストレスコントロール等が可能となり、かつ反応ガスの利用効率が高く、生成速度を早め、コストダウンを図れる。
【0031】
触媒CVD、バイアス触媒CVD、触媒AHA処理、バイアス触媒AHA処理のいずれも、具体的には、前記触媒体を800〜2000℃の範囲であってその融点未満の温度に加熱し(例えば触媒体に通電してそれ自体の抵抗加熱によって加熱し)、この加熱された触媒体により前記原料ガス及び/又は前記水素又は水素含有ガス(キャリアガス)の少なくとも一部を触媒反応又は熱分解反応させて生成した前記反応種又は水素系活性種を、200〜800℃に加熱した基板上に薄膜として堆積させるか、或いはこの薄膜をアニールすることができる。このような触媒体温度や下記の触媒体材質は触媒CVD及びバイアス触媒CVD、触媒AHA及びバイアス触媒AHA処理のいずれも同様であってよい。
【0032】
ここで、触媒体の加熱温度が800℃未満であると、触媒反応又は熱分解反応が不十分となって反応種の堆積速度や水素系活性種の熱エネルギーが低下し易く、また2000℃を超えると触媒体の構成材料が堆積膜中に混入して膜の電気的特性を阻害し、膜質低下を生じ、また、触媒体の融点以上の加熱は、その形態安定性が失われるので、回避するのがよい。触媒体の加熱温度は、その構成材料の融点未満であって1100℃〜1800℃であるのが好ましい。
【0033】
触媒体は、タングステン、トリア含有タングステン、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、シリコン、アルミナ、金属を付着したセラミックス、及び炭化ケイ素からなる群より選ばれた少なくとも1種の材料によって形成することができる。
【0034】
そして、この触媒体及びこれを支持する支持体の純度を99.99wt%(4N)以上、好ましくは99.999wt%(5N)又はそれ以上とすることによって、形成される多結晶性半導体薄膜の重金属汚染を低減することができる。
【0035】
また、基板温度は、200〜800℃が好ましく、より好ましくは300〜400℃とすれば、効率的で高品質の成膜を行なえる。基板温度が高いと、安価なほうけい酸ガラス、アルミノけい酸ガラスが使用できなくなり、また熱の影響によって不純物のドーピング濃度分布が変化し易くなる。
【0036】
前記バイアス触媒AHA処理(又はバイアス触媒CVD)における前記電界として、グロー放電開始電圧以下の直流電圧(即ち、パッシェンの法則により決まるプラズマ発生電圧以下、例えば1kV以下、数10V以上)を印加し、前記水素系活性種等を前記基体の側へ指向させることが望ましい。
【0037】
そして、前記電界として、グロー放電開始電圧以下であって直流電圧(DC)に交流電圧(高周波電圧及び/又は低周波電圧)を重畳させた電圧(即ち、パッシェンの法則により決まるプラズマ発生電圧以下、例えば1kV以下、数10V以上)を印加すると、直流電圧に重畳させた交流電圧により微妙な電界変化での運動エネルギーを水素系活性種(又は反応種)等に与えることができるため、上記した作用効果に加えて、種々の形状の膜を効果的に十二分にアニールすることができ、或いは複雑な形状を有する基体表面(凹凸段差や高アスペクト比のビアホール等)にステップカバレージが良く、均一で密着性及び密度の高い膜を形成できる。これと同様の作用効果は、前記電界を形成する電圧(但し、その絶対値はグロー放電開始電圧以下である。)として、交流電圧(高周波電圧及び/又は低周波電圧)を印加するときにも得られる。なお、上記において交流電圧とは、高周波電圧のみ、又は低周波電圧のみ、又は低周波電圧に高周波電圧を重畳させた電圧を意味する。
【0038】
上記の場合、前記交流電圧を高周波電圧(RF)及び/又は低周波電圧(AC)としてよいが、高周波電圧の周波数を1〜100MHz、低周波電圧の周波数を1MHz未満とするのがよい。
【0039】
電界印加は、電極に直流の正電圧、サセプタ(基板)に直流の負(又はアース)電圧を印加する方法、又は、電極にアース電位、サセプタ(基板)に負電圧又は低周波(又は高周波)電圧を印加する方法のいずれでもよい。これは、装置構造、電源の種類、バイアス効果等に応じて決めればよい。
【0040】
そして、前記基体又は前記サセプタと前記電界印加用の電極との間に前記触媒体を設置することができる。この場合、前記水素又は水素含有ガス及び原料ガスを導出するガス供給口を前記電極に形成するのがよい。
【0041】
また、前記基体又は前記サセプタと前記ガス供給手段との間に前記触媒体と前記電界印加用の電極とを設置してよい。この電極は高耐熱性材料、例えば触媒体と同じか、またはそれ以上の融点をもつ材料で形成されるのが望ましい(以下、同様)。
【0042】
前記触媒体又は前記電界印加用の電極はコイル状、ワイヤー状、メッシュ状又は多孔板状に形成してよく、またガス流に沿って複数個又は複数枚配設してよい。これによってガス流を効果的に形成しつつ、触媒体とガスとの接触面積を増大させ、触媒反応を十分に生ぜしめることができる。ガス流に沿って複数個又は複数枚配設する場合は、互いに同じ材質又は互いに異なる材質の触媒体又は電極としてもよい。又、複数個又は複数枚配設した触媒体のそれぞれに互いに異なる電界、例えばDCとAC/DC、DCとRF/DC、AC/DCとRF/DCを印加して、独立してコントロールしてもよい。
【0043】
上記のバイアス触媒AHA処理は、以下の(1)〜(3)の方法で行うことができる。
(1)電界印加
グロー放電開始電圧以下の適当な電界の作用下で触媒AHA処理、いわゆる電界バイアス触媒AHA処理を行うと、水素ガス又は水素系ガス(水素+不活性ガス)を触媒体の触媒反応又は接触分解反応させて発生させた水素系活性種が、電界と相互作用して一定の方向に向き、指向性の運動エネルギーが付与されて基板上の微粒子層等に作用する。
【0044】
(2)磁界印加
適当な磁界の作用下で触媒AHA処理、いわゆる磁界バイアス触媒AHA処理を行うと、水素ガス又は水素系ガス(水素+不活性ガス)を触媒体の触媒反応又は接触分解反応させて発生させた水素系活性種が磁界と相互作用して一定の方向に向き、指向性の運動エネルギーが付与されて、基板上の微粒子層等に作用する。
【0045】
(3)電界と磁界印加
グロー放電開始電圧以下の適当な電界と、適当な磁界とを同時に印加して触媒AHA処理、いわゆる電界/磁界バイアス触媒AHA処理を行うと、水素ガス又は水素系ガス(水素+不活性ガス)を触媒体の触媒反応又は接触分解反応させて発生させた水素系活性種が電界と磁界の相互作用により更に一定の方向に向き、指向性の運動エネルギーが付与されて基板上の微粒子層等に作用する。
【0046】
以上のようなバイアス効果により、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)等によりカーボン薄膜や低級結晶性半導体薄膜中のアモルファス成分が効率良く選択的にエッチングされて、例えばアモルファスシリコン含有微結晶シリコンや微結晶シリコン含有アモルファスシリコンはアモルファス成分がエッチングされて多結晶化し、アモルファスシリコン及び微結晶シリコン含有多結晶シリコンは高結晶化して、多結晶性シリコン膜が効率良く形成される。
【0047】
また、上記のバイアス触媒CVD法は、以下の(1)〜(3)の方法で行うことができる。
(1)電界印加
グロー放電開始電圧以下の電界の作用下で触媒CVD、いわゆる電界バイアス触媒CVDを行うと、触媒体の触媒反応又は接触分解反応により発生させた堆積種、例えばシリコン原子の電子スピンが電界と相互作用して一定の方向に向き、この状態で基板上に堆積するシリコンの結晶方位が揃うことになる。
【0048】
(2)磁界印加
適当な磁界の作用下で触媒CVD、いわゆる磁界バイアス触媒CVDを行うと、触媒体の触媒反応又は接触分解反応により発生させた堆積種、例えばシリコン原子の電子スピンが磁界と相互作用して一定の方向に向き、この状態で基板上に堆積するシリコンの結晶方位が揃うことになる。
【0049】
(3)電界と磁界印加
グロー放電開始電圧以下の適当な電界と、適当な磁界とを同時に印加して触媒CVD、いわゆる電界/磁界バイアス触媒CVDを行うと、触媒体の触媒反応又は接触分解反応により発生させた堆積種、例えばシリコン原子の電子スピンが電界と磁界の相互作用により更に一定の方向に向き、この状態で基板上に堆積するシリコンの結晶方位が揃うことになる。
【0050】
以上のようなバイアス効果により、
(1)結晶化された膜の結晶方位がほぼ揃うために、粒界の持つ電子ポテンシャルバリアが低くなり、キャリア移動度が大きくなる。
(2)結晶粒が揃うことにより、多結晶性シリコン薄膜の表面の凹凸がなくなって薄膜表面が平坦化されるので、これに接して形成されるゲート絶縁膜等との間の界面状態が良好となり、キャリア移動度が改善され、耐圧が向上してTFT特性が改善される。
という効果が得られる。
【0051】
通常の熱CVD法で例えば多結晶性シリコン膜を形成する場合には、基板温度を約600〜900℃とする必要があるが、これを触媒CVD(又はバイアス触媒CVD)で成膜する場合には、プラズマや光励起を必要とせずに、上記のような低温での熱CVDが可能となるので有利である。そして、触媒CVD(又はバイアス触媒CVD)時の基板温度が上記したように低いため、基板、例えばガラス基板として、歪点が470〜670℃と低いほうけい酸ガラスやアルミノけい酸ガラス等のガラスを用いることができる。これは、安価で、薄板化が容易であり、大型化(1m×1m以上)が可能であり、また長尺ロール化されたガラス板を作製できる。例えば、長尺ロール化ガラス板上に、上記手法を用いて、薄膜を連続して又は非連続に作製することができる。
【0052】
本発明による触媒CVDによる気相成長に使用する原料ガスは、カーボン薄膜の場合は、メタン、エタン、プロパン等の炭化水素又はその誘導体が挙げられる。半導体材料薄膜の場合は、水素化ケイ素又はその誘導体、水素化ケイ素又はその誘導体と水素、ゲルマニウム又はスズを含有するガスとの混合物、水素化ケイ素又はその誘導体と周期表第III族又は第V族元素からなる不純物を含有するガスとの混合物、水素化ケイ素又はその誘導体と水素、ゲルマニウム又はスズを含有するガスと周期表第III族又は第V族元素からなる不純物を含有するガスとの混合物等が挙げられる。
【0053】
上記の如き原料ガスを使用することによって、アモルファス又は微結晶カーボン薄膜(粒径は10nm以下)を形成することができる。また、多結晶性半導体薄膜として、多結晶性シリコン膜、多結晶性ゲルマニウム膜又は多結晶性シリコンゲルマニウム膜を形成することができる。
【0054】
そして、半導体材料薄膜の成長時又は成長後に、錫、ゲルマニウム、鉛等のIV族元素の少なくとも1種を合計が適量(1016atoms/cc以上、例えば1018〜1020atoms/cc)含有させる(更にこの状態で触媒AHA処理による前記アニール工程を行う)と、多結晶性半導体薄膜の結晶粒界(グレインバウンダリ)に存在する不整を低減し、その膜ストレスを低減して高キャリア移動度、高品質の多結晶性半導体が得られ易くなる。これらのIV族元素は、シリコン膜中で電子又は正孔を発生させないので、TFT特性を損わず、ゲッタリングする必要がない。このIV族元素は、原料ガス中にガス成分として混合したり、或いはイオン注入又はイオンドーピングにより、半導体材料薄膜中に含有させることができる。また、本発明により形成した多結晶性半導体膜中の酸素、窒素、炭素濃度はそれぞれ1×1019atoms/cc以下、好ましくは5×1018atoms/cc以下がよく、水素濃度は0.01原子%以上が好ましい。又、ナトリウム(Na)濃度はSIMS最低濃度領域で1×1018atoms/cc以下が好ましい。
【0055】
なお、前記原料ガスを供給する前に、前記触媒体を水素系ガス雰囲気中で加熱処理することが望ましい。これは、原料ガスの供給前に触媒体を加熱すると、触媒体の構成材料が放出され、これが成膜された膜中に混入することがあるが、触媒体を水素系ガス雰囲気中で加熱することによってそのような混入を解消することができる。従って、成膜室内を水素系ガスで充たした状態で触媒体を加熱し、次いで水素系ガスをキャリアガスとして原料ガス(いわゆる反応ガス)を供給することがよい。
【0056】
前記バイアス触媒AHA処理は、前記多結晶性半導体薄膜中のアモルファス成分を水素系活性種等の作用により選択的にエッチング除去する作用があり、高結晶化率、大粒径(特にグレインサイズが数100nm以上)の多結晶をベースとする薄膜を形成し、かつ膜中のキャリア不純物を活性化する処理であるが、その際、触媒体温度は1600〜1800℃、基板−触媒体間の距離は20〜50mmとし、処理時間を短縮する等、処理効果向上のため、任意に変更してもよい。
【0057】
本発明の処理で得られた前記多結晶性半導体薄膜によって、MOSTFTのチャンネル、ソース及びドレイン領域、又は配線、抵抗、容量又は電子放出体等を形成することができる。この場合、前記チャンネル、ソース及びドレイン領域の形成後に、これらの領域に対し、このバイアス触媒AHA処理又は触媒AHA処理を施すと、膜中のn型又はp型不純物の活性化を行える。また、この触媒AHA処理(又はバイアス触媒AHA処理)により高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜化し、これに連続して触媒CVDによりゲート絶縁膜(SiO2、SiOxNy、SiO2/SiN等)を形成することができる。Sn、Ge、Pb等のIV族元素含有の低級結晶性半導体薄膜に、ゲートチャンネル、ソース及びドレイン領域の形成後に、バイアス触媒AHA処理して高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜化し、これに連続して触媒CVDによりゲート絶縁膜(SiO2、SiOxNy、SiO2/SiN等)を形成することもできる。
【0058】
また、多結晶性シリコン等の前記多結晶性半導体薄膜中への外部からの酸素侵入を低減するために、多結晶性シリコン膜等内においてゲート絶縁膜側から外部に向って結晶粒径を小さくして高密度化するか、或いはアモルファスシリコン等のアモルファス半導体膜又は微粒径層とアモルファスシリコン等のアモルファス半導体膜で前記多結晶性半導体薄膜を被覆するのがよい。この場合、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、微粒径層又はアモルファス半導体膜を除去し、大粒径層(前記多結晶性半導体薄膜)とコンタクトしたソース、ドレイン電極を形成することができる。
【0059】
本発明は、シリコン半導体装置、シリコン半導体集積回路装置、シリコン−ゲルマニウム半導体装置、シリコン−ゲルマニウム半導体集積回路装置、化合物半導体装置、化合物半導体集積回路装置、炭化ケイ素半導体装置、炭化ケイ素半導体集積回路装置、液晶表示装置、有機又は無機エレクトロルミネセンス(EL)表示装置、フィールドエミッションディスプレイ(FED)装置、発光ポリマー表示装置、発光ダイオード表示装置、CCDエリア/リニアセンサ装置、MOSセンサ装置、太陽電池装置用の薄膜を形成するのに好適である。
【0060】
この場合、内部回路及び周辺回路を有する半導体装置、固体撮像装置、電気光学装置等の製造に際し、これらの少なくとも一部を構成するMOSTFTのチャンネル、ソース及びドレイン領域を前記多結晶性半導体薄膜によって形成してよく、また周辺駆動回路一体型の構成とすることもできる。
【0061】
また、各色用の有機又は無機エレクトロルミネセンス層の下層にそれぞれ、前記MOSTFTのドレイン又はソースと接続された陰極又は陽極を有するEL素子構造とするのがよい。
【0062】
この場合、前記MOSTFT及びダイオード等の能動素子上も前記陰極が覆うようにすれば、陽極が上部にある構造では発光面積が増大すると共に、陰極の遮光作用で発光光が前記能動素子に入射してリーク電流を発生させることを防止できる。また、前記各色用の有機又は無機EL層の各層上及び各層間の全面に前記陰極又は陽極が被着されるようにすれば、全面が陰極又は陽極で覆われることにより、湿気に弱い有機EL層の劣化や電極の酸化を防止して、長寿命、高品質、高信頼性が可能となり、また陰極で覆われると放熱効果が高まるので、発熱による薄膜の構造変化(融解あるいは再結晶化)が低減し、長寿命、高品質、高信頼性が可能となり、更にこれにより、高精度、高品質のフルカラーの有機EL層を生産性良く形成できるので、コストダウンが可能となる。
【0063】
また、前記各色用の前記有機又は無機EL層間にクロム、二酸化クロム等のブラックマスク層を形成すると、各色間又は画素間での光漏れを防ぎ、コントラストが向上する。
【0064】
本発明をフィールドエミッションディスプレイ装置に適用するときは、そのエミッタ(電界放出カソード)を、前記多結晶性半導体薄膜を介して前記MOSTFTのドレインに接続すると共に前記多結晶性半導体薄膜上に成長されたn型多結晶性半導体膜又は多結晶性ダイヤモンド膜によって形成するのがよい。
【0065】
この場合、前記MOSTFT、ダイオード等の能動素子上にアース電位の金属系遮蔽膜(これは、前記FED装置のゲート引き出し電極と同一材料で同一工程により形成すると、工程簡略化等の点で有利である。)を形成すると、気密容器内にあるガスがエミッタから放出された電子により正イオン化されて絶縁層上にチャージアップし、この正電荷が絶縁層下にある能動素子に不要な反転層を形成したり、この反転層を介して余分な電流が流れるために生じるエミッタ電流の暴走を防止することができる。また、エミッタから放出された電子の衝突により蛍光体が発光する際、この光によりTFTのゲートチャンネル内に電子、正孔が発生してリーク電流が生じることも防止できる。
【0066】
次に、本発明を好ましい実施の形態について更に詳細に説明する。
【0067】
第1の実施の形態
図1〜図12について、本発明の第1の実施の形態を説明する。
【0068】
本実施の形態は、本発明をトップゲート型の多結晶性シリコンCMOS(Complementary MOS)TFTに適用したものである。
【0069】
<触媒CVD法、バイアス触媒AHA処理とその装置>
まず、本実施の形態に用いるバイアス触媒CVD法(又は触媒CVD法)及びバイアス触媒AHA処理について説明する。触媒CVD法においては、水素系キャリアガスとシランガス等の原料ガスとからなる反応ガスを加熱されたタングステン等の触媒体に接触させ、これによって生成したラジカルな堆積種又はその前駆体及び活性化水素イオン等の水素系活性種に高いエネルギーを与え(バイアス触媒CVD法では、グロー放電開始電圧以下の電界の作用で指向性の運動エネルギーを与え)、基板上にアモルファスシリコン含有微結晶シリコン等の低級結晶性半導体薄膜やアモルファス又は微結晶カーボン薄膜を気相成長させる。そして、この成膜後に原料ガスの供給を停止し、水素系キャリアガスのみを供給することによって、上記薄膜のバイアス触媒AHA処理を行う(必要に応じて、バイアス触媒AHA処理と触媒CVDとを繰り返す)。つまり、高温の水素分子、水素原子、活性化水素イオン等の水素系活性種によりアモルファス成分のシリコンを還元エッチングし、所定膜厚の高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン等の多結晶性半導体薄膜を得るか、或いはダイヤモンド構造のカーボン超微粒子を形成し、或いはこのカーボン超微粒子をシード(結晶成長核)にして多結晶性シリコン等を大粒径に成長させる。これらのバイアス触媒AHA処理と触媒CVDとを繰り返して、より大粒径で所定膜厚の多結晶性シリコン等の多結晶性半導体薄膜を得る。
【0070】
このバイアス触媒AHA処理、バイアス触媒CVDにおいては、基板と対向電極との間にグロー放電開始電圧以下の直流電圧(パッシェンの法則で決まる直流電圧、例えば、1kV以下の電圧)を印加し、前記水素系活性種、又は前記ラジカルな堆積種又はその前駆体及びラジカル水素イオンを基板の側へ指向させる。以下、本実施の形態によるAHA処理、CVD法をDCバイアス触媒AHA処理、DCバイアス触媒CVD法と称するが、交流バイアス(RF)又は交流と直流の重畳バイアス(RF/DC)による場合も同様である。
【0071】
このDCバイアス触媒AHA処理又はCVD法は、図5〜図7に示す如き装置を用いて実施される。
【0072】
この装置によれば、水素系キャリアガスと水素化ケイ素(例えばモノシラン)等の原料ガス40(及び必要に応じてB26やPH3などのドーピングガスも含む。)からなるガスは、供給導管41からシャワーヘッド42の供給口(図示せず)を通して成膜又はアニール用のチャンバ44へ導入される。チャンバ44の内部には、ガラス等の基板1を支持するためのサセプタ45と、耐熱性の良い(望ましくは触媒体46と同じか或いはそれ以上の融点を有する材質の)シャワーヘッド42と、例えばコイル状のタングステン等の触媒体46と、更には開閉可能なシャッター47とがそれぞれ配されている。なお、サセプタ45とチャンバ44との間には磁気シール52が施され、また、チャンバ44は前工程を行なう前室53に後続され、ターボ分子ポンプ等でバルブ55を介して排気される。
【0073】
そして、基板1はサセプタ45内のヒーター線51等の加熱手段で加熱され、また触媒体46は例えば抵抗線として融点以下(特に800〜2000℃、タングステンの場合は約1600〜1800℃)に加熱されて活性化される。触媒体46の両端子は直流又は交流の触媒体電源48に接続され、この電源からの通電により所定温度に加熱される。また、シャワーヘッド42は加速電極として、導管41を介して可変の直流電源(1kV以下、例えば500V)49の正極側に接続され、負極側のサセプタ45(従って、基板1)との間に1kV以下の直流バイアス電圧が印加されるようになっている。
【0074】
この方法を実施するには、図5の状態で、チャンバ44内の真空度を1.33×10-4〜1.33×10-6Paとし、例えば水素系キャリアガス100〜200SCCMを供給して、触媒体を所定温度に加熱して活性化した後に、炭化水素(例えばメタン)ガス10〜20SCCM又は水素化ケイ素(例えばモノシラン)ガス1〜20SCCM(及び必要に応じてB26や、PH3等のドーピングガスも適量含む。)からなる原料ガス40(ガス圧0.133〜13.3Pa、例えば1.33Pa)、又は水素系キャリアガスのみ(300〜1000SCCM、ガス圧10〜50Pa)を供給導管41からシャワーヘッド42の供給口43を通して導入する。ここで、水素系キャリアガスは、水素、水素+アルゴン、水素+ヘリウム、水素+ネオン、水素+キセノン、水素+クリプトン等の、水素に不活性ガスを適量混合させたガスであれば、いずれでもよい(以下、同様)。尚、原料ガスの種類によっては、必ずしも水素系キャリアガスは必要ではない。
【0075】
そして、図6のようにシャッター47を開ける。原料ガス40又は水素系キャリアガスの少なくとも一部は触媒体46と接触して触媒的に分解し、触媒分解反応または熱分解反応によって、高エネルギーをもつシリコン等のイオン、ラジカル等の反応種の集団(即ち、堆積種又はその前駆体及びラジカル水素イオン)、又は高温の水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン等の水素系活性種を形成し、こうして生成したイオン、ラジカル等の反応種50にグロー放電開始電圧(約1kV)以下、例えば500Vの直流電源49による直流電界を作用させて指向性運動エネルギーを与え、基板1の側へ指向させて、室温〜550℃(例えば200〜300℃)に保持された基板1上にアモルファスカーボン、低級結晶性シリコン等の所定の膜をDCバイアス触媒CVDで気相成長させる。或いは上記水素系活性種に指向性運動エネルギーを与え、室温〜550℃(例えば200〜300℃)に保持された基板1上の上記膜に作用させてDCバイアス触媒AHA処理を行う。なお、上記低級結晶性シリコン膜等は、バイアスを用いない触媒CVDで気相成長させてもよいが、この場合は、上記の直流電源49をオフとしておく。
【0076】
こうして、プラズマを発生することなく、反応種又は水素系活性種に対し、触媒体46の触媒作用とその熱エネルギーに直流電界による加速エネルギーを与えた指向性の運動エネルギーを与えるので、反応ガスを効率良く反応種に変えて、基板1上に均一に熱CVDで堆積することができる。この堆積種56は基板1上で泳動し、薄膜中で拡散するので、緻密でステップカバレージの良い平坦かつ均一な薄膜を形成できる。或いは、水素系キャリアガスから生成した水素系活性種をCVD膜に対し十分なエネルギーで効率良く作用させることができる。
【0077】
本実施の形態においてDCバイアス触媒CVDを適用すると、これは、従来の触媒CVDのコントロールファクタである基板温度、触媒体温度、ガス圧(反応ガス流量)、原料ガス種類等に比べ、独立した任意の直流電界で薄膜生成をコントロールすることを追加するのが特長である。このため、生成膜の基板との密着性をはじめ、生成膜密度、生成膜均一性又は平滑性、ビアホールなどへの生め込み性とステップカバレージを向上させ、基板温度を一層低温化し、生成膜のストレスコントロール等が可能となり、高品質膜(例えばバルクに近い物性のシリコン膜や金属膜)が得られる。しかも、触媒体46で生成された反応種を直流電界で独立してコントロールし、効率良く基板上に堆積できるので、反応ガスの利用効率が高く、生成速度を早め、生産性向上と反応ガス削減によるコストダウンを図れる。
【0078】
また、DCバイアス触媒AHA処理においても、上記と同様に独立した任意の直流電界でアニールをコントロールすることができ、基板温度の低温化、膜ストレスの減少等がガス利用効率の向上、処理速度の向上、コストダウンを実現しながら可能となる。
【0079】
また、基板温度を低温化しても堆積種又は活性種のエネルギーが大きいために、目的とする良質の膜が得られることから、基板温度を上記のように更に低温化でき、大型で安価な絶縁基板(ほうけい酸ガラス、アルミノけい酸ガラス等のガラス基板、ポリイミド等の耐熱性樹脂基板等)を使用でき、この点でもコストダウンが可能となる。しかも、上記した反応種の加速のための電極として、ガス供給用のシャワーヘッド42を兼用できるので、構造が簡略となる。
【0080】
また、勿論のことであるが、プラズマの発生がないので、プラズマによるダメージがなく、低ストレスの生成膜が得られると共に、プラズマCVD法等に比べ、はるかにシンプルで安価な装置が実現する。
【0081】
この場合、減圧下(例えば0.133〜1.33Pa)又は常圧下で操作を行なえるが、減圧タイプよりも常圧タイプの方がよりシンプルで安価な装置が実現する。そして、常圧タイプでも上記の電界を加えるので、密度、均一性、密着性のよい高品質膜が得られる。この場合も、減圧タイプよりも常圧タイプの方がスループットが大であり、生産性が高く、コストダウンが可能である。
【0082】
減圧タイプの場合は、直流電圧はガス圧(ガス流量)やガス種等によって左右されるが、いずれにしても、グロー放電開始電圧以下の任意の電圧に調整する必要がある。常圧タイプの場合は、放電はしないが、原料ガス及び反応種又は活性種の流れが膜厚及び膜質に悪影響を及ぼさないように、基板上に排ガス流が接しないように排気を調整することが望ましい。
【0083】
上記のDCバイアス触媒CVD(又は触媒CVD)又はDCバイアス触媒AHA処理において、触媒体46による副射熱のために、基板温度は上昇するが、上記のように、必要に応じて基板加熱用ヒーター51を設置してよい。また、触媒体46はコイル状(これ以外にメッシュ、ワイヤー、多孔板状もよい。)としているが、更にガス流方向に複数段(例えば2〜3段)として、ガスとの接触面積を増やすのがよい。なお、基板1をサセプタ45の下面においてシャワーヘッド42の上方に配しているので、チャンバ44内で生じたパーティクルが落下して基板1又はその上の膜に付着することがない。
【0084】
本実施の形態においては、触媒CVDに用いた装置をそのまま用い、触媒CVDによるアモルファスカーボン等のカーボン薄膜、低級結晶性半導体薄膜の気相成長後に、モノシラン等の原料ガスの供給を停止し、触媒CVD時よりも多い流量で水素系キャリアガスのみを成膜室44内に供給して、低級結晶性半導体薄膜に対してDCバイアス触媒AHA処理を行い、そのアモルファス成分のエッチング、より多結晶化のためのアニールを施し、かつ、この触媒CVDとDCバイアス触媒AHA処理とを所定回数繰り返して、目的とする膜厚の多結晶シリコン等の多結晶性半導体薄膜を形成する。
【0085】
このDCバイアス触媒AHA処理は、加熱された触媒により分解、生成した水素系活性種により前記アモルファス成分をエッチング除去してカーボン超微粒子を生成すると共に、半導体材料薄膜の場合は下地のカーボン超微粒子をシードとして多結晶化し易くして、高結晶化率、大粒径(特にグレインサイズが数100nm以上)の多結晶をベースとする薄膜を得、膜中のキャリア不純物を活性化する処理であるが、その際、触媒体温度1600〜1800℃、基板−触媒体間の距離20〜50mm、基板温度200〜800℃とし、処理時間10〜20分とし、また水素系キャリアガスは上記したと同様に水素又は水素と不活性ガス(アルゴン、ヘリウム、キセノン、クリプトン、ラドン等)との混合ガスであり、混合ガスの場合は水素含有比率は70〜80モル%以上とすることによって触媒体の酸化劣化を防止できる。また、触媒AHA処理時に用いる水素又は水素含有ガスは、気相成長時の水素系キャリアガスと同様であってよいが、ガス流量300〜1000SCCM、ガス圧10〜50Paと大きくし(触媒CVDのときは0.1〜数Pa)、ガスによる熱伝導の増大と水素系活性種発生量の増大を図るのがよい。
【0086】
本発明に基づいて、バイアスの作用下での半導体薄膜の結晶化処理によれば、電界又は磁界、又はこれらの双方を印加し、この作用下で水素系活性種によるアニール(バイアス触媒AHA処理)又は堆積種の気相成長(バイアス触媒CVD)を行うので、結晶粒の結晶方位を揃えることができる。以下に、上記したDCバイアス触媒AHA処理及びDCバイアス触媒CVDも含めてまとめると、次のようになる。
【0087】
まず、図8は、上記した電界の作用下で触媒CVD、いわゆるバイアス触媒CVDを行う場合を示すが、基板1を収容した真空容器44の周囲に高周波電圧(又は直流電圧、或いはこれらの双方)を印加する電極200、201を設け、これによる電界を作用させる。
【0088】
この時に、バイアス触媒CVDの場合、触媒体46の触媒反応又は接触分解反応で発生させた堆積種のシリコン原子の電子スピンが電界と相互作用して一定の方向に向き、この状態から冷却により固化する際に、一定の方向性をもって結晶化し、シリコンの結晶方位が揃うことになる。こうして結晶化された膜は結晶方位がほぼ揃うため、粒界のもつ電子ポテンシャルバリアが低くなり、キャリア移動度が大きくなる。この際、結晶方位を一定方向に揃えることが重要であり、シリコン原子の外殻軌道の構造に応じて、得られた多結晶性シリコン薄膜7の垂直方向に結晶が揃う場合もあり或いは水平方向に結晶方位が揃う場合もある。結晶粒が一定の方向に揃うことにより、多結晶性シリコン薄膜の表面の凹凸もなくなり、薄膜の表面が平坦化されることになり、これに接して形成されるゲート絶縁膜等との間の界面状態が良好となり、キャリア移動度が向上する。
【0089】
図9は、電界に代えて、磁界を印加する場合であり、基板1を収容した真空容器44の周囲に永久磁石202及び203、又は電磁石204を設け、これによる磁界を作用させる。
【0090】
こうして、上記した電界の場合と同様に、磁界の作用で一定の方向に結晶粒が揃い、キャリア移動度が向上し、また表面の凹凸も減少する。
【0091】
図10は、上記の電界と共に磁界も同時に印加する例であるが、基板1を収容した真空容器44の周囲の永久磁石202、203(これは電磁石でもよい。)による磁界と同時に、高周波電圧(または直流電圧、或いはこれらの双方)49を印加する電極200、201による電界を同時に作用させる。
【0092】
この時に、シリコン原子の電子スピンが磁場と電場の相互作用で一定の方向に向き、この状態から冷却により固化する際に、磁界と電界の相乗作用により更に十分な方向性をもって結晶化することになる。従って、一定の方向に結晶粒が更に揃い易くなり、キャリア移動度が一層向上し、また表面の凹凸も一層減少する。
【0093】
図8〜図10に示したバイアス方式は、バイアス触媒AHA処理においても同様に適用され、電界又は/及び磁界の作用によって、微粒子層100Aやシリコン薄膜7に対して水素系活性種が効率的に十分なエネルギーで作用し、AHA処理効果が向上し、アモルファス成分を十二分にエッチングしてシリコンの結晶化を促進させることができる。
【0094】
図11は、上記の触媒CVD(DCバイアス触媒CVDも同様)とDCバイアスと触媒AHA処理における上記水素系キャリアガス及び原料ガスの導入時間及びタイミングを多結晶性シリコン薄膜形成の場合について示し、また図12は、流量計(MFC)や調整弁などを組み込んだガス導入系を示す。
【0095】
まず、成膜を行う前に、ゲートバルブを通してチャンバ(成膜室)44内に基板1を搬入し、サセプタ45に載置し、次いで、排気系を作動させてチャンバ44内を所定圧力まで排気するとともに、サセプタ45に内蔵されたヒーターを作動させて基板1を所定温度まで加熱する。
【0096】
そして、ガス導入系によって、まず水素系キャリアガス300〜1000SCCM、例えば500SCCMをチャンバ1内に導入する。導入された水素ガスの一部は、加熱触媒体46による接触分解反応により活性化水素イオン等の水素系活性種となり、基板表面に到達して、基板1の表面クリーニングを行う。その後に水素系キャリアガスを150SCCMにする。
【0097】
このように、チャンバ44内に水素系キャリアガスが供給されている状態で、ガス導入系を作動させ、原料ガス(メタン又はモノシラン15SCCM)をチャンバ44内に導入する。導入された原料ガスは、加熱触媒体46の熱触媒反応及び熱分解反応により堆積種が生成され、必要あれば上記バイアス電界の作用下で多結晶性シリコン薄膜等として基板表面に気相成長する。
【0098】
その後、原料ガスの導入を停止して、チャンバ44内から原料ガスを排出し、更に水素系キャリアガスのみを300〜1000SCCM、例えば500SCCMの流量で導入する、これによって、加熱触媒体による接触分解反応で生じた活性水素イオン等の水素系活性種が上記したバイアス電界の作用下で上記の薄膜に作用してそのアモルファス成分をエッチングし、アモルファス成分が除去された下地のカーボン超微粒子を得、またこれをシードとして結晶化が促進された多結晶性シリコンを得る。
【0099】
こうしてバイアス触媒AHA処理されたシリコン膜上に、再び上記の触媒CVDを施し、多結晶性シリコンをシードとしてその上に多結晶性シリコン薄膜を成長させ、更にバイアス触媒AHA処理、触媒CVDを繰り返して行うことにより、多結晶性シリコン薄膜の膜厚をコントロールしつつ最終的には目的とする膜厚で高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン薄膜を形成することができる。
【0100】
このように、上記のバイアス電界で加速された十分なエネルギーの水素系活性種のラジカル作用により、熱エネルギーが膜に移動して局部的に温度上昇させ、半導体薄膜は、アモルファス成分がエッチングされて結晶化が促進され、大粒径の多結晶性膜化し、高キャリア移動度、高品質の多結晶性半導体薄膜を得ることができ、しかも、多結晶性シリコン膜上又は膜内にシリコン酸化物が存在したときに、これと還元反応してSiO等を生成して蒸発させるので、その膜上又は膜内のシリコン酸化物を減少/除去させることができ、高キャリア移動度、高品質の多結晶性シリコン膜等を得ることができる。
【0101】
また、微結晶シリコン含有アモルファスシリコン、アモルファスシリコン含有微結晶シリコンなどは、下地のカーボン超微粒子をシードとして多結晶化し、多結晶性シリコンは高結晶化が促進され、大粒径の多結晶性シリコン膜化する。しかも、その膜に含有されるアモルファス構造のシリコンが活性水素イオン等で還元(エッチング)されるので、高結晶化率の多結晶性膜が形成される。
【0102】
そして、このバイアス触媒AHA処理時に、半導体薄膜中に存在するキャリア不純物は高温で活性化され、各領域において最適なキャリア不純物濃度を得ることができ、また、高温の水素分子、水素原子及び活性化水素イオンによるクリーニング(基板等への吸着ガス及び有機物残渣等の還元除去)が可能であり、触媒体も酸化劣化し難しくなり、更に水素化により、半導体膜中の例えばシリコンダングリングボンドをなくし、特性が向上する。
【0103】
こうしたバイアス触媒AHA処理によるアニールと半導体薄膜の触媒CVDによる気相成長とを目的とする膜厚となるまで繰り返すことにより、この半導体薄膜は既にバイアス触媒AHA処理で多結晶化された下地膜上に多結晶化され易い状態で成長し易くなり、目的とする高結晶化率、高品質の多結晶性半導体薄膜を所定の膜厚で得ることができる。即ち、触媒CVDとバイアス触媒AHA処理を繰り返すマルチバイアス触媒AHA処理により、例えば触媒CVDで成膜された微結晶シリコン含有アモルファスシリコン、アモルファスシリコン及び微結晶シリコン含有多結晶シリコン等をバイアス触媒AHA処理で多結晶性シリコン化し、多結晶性シリコンは高結晶化し、更にこの多結晶性シリコンをシードとした触媒CVDで多結晶性シリコン膜の気相成長、更にはバイアス触媒AHA処理を繰り返すので、高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜を形成することができる。
【0104】
なお、上記の触媒CVD及びバイアス触媒AHA処理はいずれも、プラズマの発生なしに行えるので、プラズマによるダメージがなく、低ストレスの生成膜が得られ、またプラズマCVD法に比べ、シンプルで安価な装置を実現できる。
【0105】
図13は、本実施の形態による上記のマルチバイアス触媒AHA処理(触媒CVDとバイアス触媒AHA処理の繰り返し)で得られた多結晶性シリコン薄膜のラマンスペクトルをその繰り返し回数等に応じて示すものである。この結果によれば、触媒CVDによる堆積(depo)時のガス流量をSiH4:H2=5:500SCCM、触媒温度=1800〜2000℃、基板温度=400℃とし、バイアス触媒AHA処理の条件を各種とし、繰り返し回数も変えたところ、この繰り返し回数を多くし、かつ処理時間を長くし、処理時のH2流量を増加させると、サンプル#1→#2→#3→#4の順に、アモルファス(非晶質)や微結晶が減少し、多結晶層が増加すること(即ち、大粒径化、高結晶化すること)が明らかである。尚、ここで、AHA1は成膜前の基板表面のクリーニング処理であり、本来のバイアス触媒AHA処理はAHA2〜4である。
【0106】
また、図14は、各サンプルについての結晶化率を多結晶性シリコン中の微結晶の有無について比較して示すものである。これによれば、結晶化率はサンプル#1→#2→#3→#4の順に高くなり、かつ下地が微結晶(Im)を含む方が高くなることが分かる。
【0107】
これらの結果は、本発明に基づく処理が高結晶化率、大粒径の多結晶性半導体薄膜の形成にとって非常に優れた方法であることを示すものである。
【0108】
なお、本実施の形態において、上記の触媒CVDでは、例えば0.4mmφタングステンワイヤーの触媒体及びこれを支持している例えば0.8mmφモリブデンワイヤーの支持体(図示せず)の純度が問題となるが、従来の純度:3N(99.9wt%)を4N(99.99wt%)以上、好ましくは5N(99.999wt%)又はそれ以上に純度を上げることにより、触媒CVDによる多結晶性シリコン膜中の鉄、ニッケル、クロム等の重金属汚染を低減できることが実証されている。図15(A)は純度3Nでの膜中の鉄、ニッケル、クロム等の重金属濃度を示すが、これを5Nに高めることによって図15(B)に示すように鉄、ニッケル、クロム等の重金属濃度を大幅に減らせることが判明した。これにより、TFT特性の向上が可能となる。
【0109】
<トップゲート型CMOSTFTの製造>
次に、本実施の形態によるバイアス触媒AHA処理を用いたトップゲート型CMOSTFTの製造例を示す。
【0110】
まず、図1の(1)に示す石英ガラス、結晶化ガラスなどの絶縁基板1の少なくともTFT形成領域に、プラズマCVD、触媒CVD、高密度プラズマCVD、高密度触媒CVD等の気相成長法により、保護用の窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜の積層膜からなる下地保護膜(図示せず)を下記の条件で形成する(以下、同様)。
【0111】
この場合、TFT形成のプロセス温度によってガラス材質を使い分ける。
200〜500℃の低温の場合:ほうけい酸、アルミノけい酸ガラス等のガラス基板(500×600×0.5〜1.1μm厚)、耐熱性樹脂基板を用いてもよい。
600〜1000℃の高温の場合:石英ガラス、結晶化ガラス等の耐熱性ガラス基板(6〜12インチφ、700〜800μm厚)を用いてもよい。保護膜用の窒化シリコン膜はガラス基板からのNaイオンストップのために形成するが、合成石英ガラスを用いる場合は不要である。
【0112】
また、触媒CVDを用いる場合、図5〜図7に示したと同様の装置が使用可能であるが、触媒体の酸化劣化防止のために、水素系キャリアガスを供給して触媒体を所定温度(約1600〜1800℃、例えば約1700℃)に加熱し、成膜後は触媒体を問題ない温度まで冷却して水素系キャリアガスをカットする必要がある。
【0113】
成膜条件としては、チャンバ内に水素系キャリアガス(水素、アルゴン+水素、ヘリウム+水素、ネオン+水素等)を常時流し、流量と圧力、サセプタ温度を下記の所定の値に制御する。
チャンバ内圧力:1〜15Pa程度、例えば10Pa
サセプタ温度:200〜300℃
水素系キャリアガス流量(混合ガスの場合、水素は70〜80モル%):50〜150SCCM
【0114】
また、窒化シリコン膜は、次の条件で50〜200nmの厚みに形成する。
水素(H2)をキャリアガスとし、原料ガスとしてモノシラン(SiH4)に アンモニア(NH3)を適量比率で混合して形成。
水素(H2)流量:50〜150SCCM、
SiH4流量:10〜20SCCM、NH3流量:50〜60SCCM
【0115】
また、酸化シリコン膜は、次の条件で50〜100nmの厚みに形成する。
水素(H2)をキャリアガス、原料ガスとしてモノシラン(SiH4)にHe 希釈O2を適量比率で混合して形成。
2流量:50〜150SCCM、SiH4流量:10〜20SCCM、He希
釈O2流量:1〜2SCCM
【0116】
次いで、図1の(1)に示すように、本発明に基づく触媒CVD法等により上記の保護膜上に、次の条件でアモルファスカーボン又は微結晶カーボン膜100Aを50〜100nmの厚みに形成する。
水素(H2)をキャリアガス、原料ガスとしてCH4を適量比率混合して形成 。
2流量;50〜100SCCM、CH4流量;10〜20SCCM
【0117】
次いで、図1の(2)に示すように、連続してバイアス触媒AHA処理により、上記のアモルファスカーボン又は微結晶カーボン膜100Aからアモルファス成分をエッチング除去し、ダイヤモンド構造のカーボン超微粒子層100Bを形成する。
【0118】
このバイアス触媒AHA処理は、バイアス触媒CVD法において原料ガスを供給しないで処理する方法であり、具体的には、水素系キャリアガスを供給して10〜50Paのガス圧とし、触媒体を所定温度(約1600〜1800℃、例えば約1700℃設定)に加熱し、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などを発生させて、これらをグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用による指向性運動エネルギーの付与下で、基板上に形成した例えばアモルファスカーボン又は微結晶カーボン膜100Aに吹き付ける。これにより大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などが有する高い熱エネルギーがそれらの膜に移動して、それらの膜温度を局部的に上昇させる。これにより、アモルファスカーボン又は微結晶カーボン膜100A上に存在するダイヤモンド構造のカーボン超微粒子(クラスタ)を安定させ、かつその付近に存在するアモルファス構造のカーボンをわずかにエッチングして、ダイヤモンド構造のカーボン超微粒子を形成し、多結晶性シリコン成長の核とする。この時に、TFT形成領域内で、ダイヤモンド構造を有するカーボン超微粒子(クラスタ)が点在し、それらの間の電気抵抗が無視し得る(電気的ショートしていない)ことが必要である。
【0119】
次いで、図1の(3)に示すように、連続して触媒CVD法(或いはバイアス触媒CVD)によって、例えば周期表IV族元素、例えば錫を1018〜1020atoms/ccドープした(これはCVD時又は成膜後のイオン注入によってドープしてよい。)多結晶性シリコン膜7をダイヤモンド構造のカーボン超微粒子層100Bをシードに50〜100nm厚、例えば50nm厚に気相成長させる。但し、この錫のドーピングは必ずしも必要ではない(以下、同様)。
【0120】
このとき、必要に応じて、モノシランにn型不純物(燐、ひ素、アンチモン)又はp型不純物(ボロン等)を適量添加、例えば1017〜1018atoms/cc含有させて、n型又はp型の多結晶性シリコンを形成してもよい。また、ダイヤモンド構造を有するカーボン超微粒子100B上に、アモルファスシリコン又は微結晶シリコン又は多結晶性シリコンを10〜30nm厚に成長させた後、バイアス触媒AHA処理し、アモルファスシリコン又は微結晶シリコン又は多結晶性シリコンを10〜30nm厚に成長させ、更にバイアス触媒AHA処理し、アモルファスシリコン又は微結晶シリコン又は多結晶性シリコン膜を10〜30nm厚に成長させ、更にバイアス触媒AHA処理してもよい。この方法によって、より大きい粒径の多結晶性シリコン膜を形成できる。
【0121】
この場合、図5〜図7に示した装置を用い、上記の触媒CVDにより下記の条件で例えば錫ドープの多結晶性シリコンを気相成長させ、しかる後に下記の条件でバイアス触媒AHA処理を行ってアニールし、多結晶性シリコンをより多結晶化及び高結晶化し、これらの触媒CVDとバイアス触媒AHA処理とを繰り返して50nm厚の多結晶性シリコン膜7を形成してよい。例えば、触媒CVDで10〜30nm厚の膜を成長させ、バイアス触媒AHA処理後、触媒CVDで10〜30nm厚の膜を成長させ、更にバイアス触媒AHA処理後に、触媒CVDで10〜30nm厚の膜を成長させて、最終的に目的とする膜厚の多結晶性シリコン膜を得る。尚、この時に触媒CVDに代えて、バイアス触媒CVDとしてもよい。
【0122】
触媒CVDによる多結晶性シリコンの成膜:
水素(H2)をキャリアガス、原料ガスとしてモノシラン(SiH4)、水素化錫(SnH4)を適量比率で混合して形成。H2流量:150SCCM、SiH4流量:15SCCM、SnH4流量:15SCCM。この時、原料ガスのシラン系ガス(シラン又はジシラン又はトリシラン等)に、n型のリン又はひ素又はアンチモン等を適量混入したり、又はp型のボロン等を適量混入することにより、任意のn又はp型不純物キャリア濃度の錫含有シリコン膜を形成してもよい。
n型化の場合:ホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)、スチビン(SbH3
p型化の場合:ジボラン(B26
【0123】
バイアス触媒AHA処理:
バイアス触媒AHA処理は、バイアス触媒CVDにおいて原料ガスを供給しない方法であり、具体的には、減圧下で、水素系キャリアガスをガス流量300〜1000SCCM、ガス圧10〜50Paで供給して触媒体を所定温度(約1600〜1800℃、例えば約1700℃)に加熱し、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などを発生させ、これらを基板上に形成した例えば多結晶性シリコン膜に吹き付ける。これにより、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などが有する熱エネルギーがそれらの膜に移動して、それらの膜温度を上昇させ、アモルファスシリコンや微結晶シリコンを含有するときにはこれらは多結晶化し、多結晶性シリコンは高結晶化して、大粒径の錫含有多結晶性シリコン膜化し、その結晶粒界に存在する不整及びストレスを低減し、高キャリア移動度及び高品質の多結晶性シリコン膜を形成することができる。
【0124】
上記のバイアス触媒AHA処理(又はバイアス触媒CVD)時のバイアス電界は、次のいずれかの電圧印加によって形成できる。
【0125】
1)直流電圧(例えば500V)
2)低周波電圧(例えば500VP-P/26kHz)
3)高周波電圧(例えば500VP-P/13.56MHz)
4)低周波電圧に高周波電圧を重複させた電圧(例えば500VP-P/26kHz+200VP-P/13.56MHz)
5)直流電圧に低周波電圧を重複させた電圧(例えば500V+200VP-P/26kHz)
6)直流電圧に高周波電圧を重複させた電圧(例えば500V+200VP-P/13.56MHz)
7)直流電圧に低周波電圧と高周波電圧を重複させた電圧(例えば500V+ 100VP-P/26kHz+100VP-P/13.56MHz)
【0126】
また、上記の水素系活性種は、多結晶性シリコン等の膜上又は膜内にシリコン酸化物が存在したときにこれと還元反応してSiO等を生成し、蒸発させるので、それらの膜上又は膜内のシリコン酸化物を減少/除去させることができ、高キャリア移動度及び高品質の多結晶性シリコン膜を形成できる。このバイアス触媒AHA処理(又は触媒AHA処理)を後述のゲートチャンネル/ソース/ドレイン形成後に行うと、大量の高温の水素系活性種が有する熱エネルギーがそれらの膜に移動して、それらの膜温度を上昇させ、結晶化促進と同時にゲートチャンネル/ソース/ドレインに注入されキャリア不純物(燐、ひ素、ボロンイオン等)が活性化される。
【0127】
なお、上記の各膜を同一のチャンバで形成する場合は、水素系キャリアガスを常時供給し、触媒体を所定温度に加熱してスタンバイをしておき、次のように処理してよい。
【0128】
モノシランにアンモニアを適当比率で混合して所定膜厚の窒化シリコン膜を形成し、前の原料ガスを十分に排出した後に、連続してモノシランとHe希釈O2を適当比率で混合して所定膜厚の酸化シリコン膜を形成し、前の原料ガス等を十分に排出した後に、連続してメタンを供給し、或いはモノシランとSnH4を適量比率で混合して、所定膜厚のアモルファス又は微結晶カーボン薄膜、又は所定膜厚の錫含有多結晶性シリコン膜を形成し、前の原料ガスを十分に排出した後に、連続して原料ガスをカットしてバイアス触媒AHA処理によりカーボン薄膜をダイヤモンド構造の超微粒子化し、或いは多結晶性シリコン膜をより結晶化させ、必要に応じて前の原料ガスを十分に排出した後に、連続してモノシランとHe希釈O2を適当比率で混合して所定膜厚の酸化シリコン膜を形成する。成膜後は原料ガスをカットし、触媒体を問題ない温度まで冷却して水素系キャリアガスをカットする。この時、絶縁膜形成時の原料ガスは傾斜減少又は傾斜増加させて、傾斜接合の絶縁膜としてもよい。
【0129】
或いは、それぞれ独立したチャンバで形成する場合は、各チャンバ内に水素系キャリアガスを常時供給し、触媒体を所定温度に加熱してスタンバイしておき、次のように処理してよい。Aチャンバに移し、モノシランにアンモニアを適量比率で混合して所定膜厚の窒化シリコン膜を形成する。次にBチャンバに移し、モノシランにHe希釈O2を適量比率で混合して酸化シリコン膜を形成する。次にCチャンバに移し、メタンを供給し、或いはモノシランとSnH4を適量比率で混合して、アモルファス又は微結晶カーボン薄膜、又は錫含有の多結晶性シリコン膜を形成し、連続して(或いは別のチャンバで)水素系キャリアガスによるバイアス触媒AHA処理により、カーボン薄膜をダイヤモンド構造の超微粒子化し、或いは多結晶性シリコン膜をより結晶化する。必要に応じて次にBチャンバに移し、モノシランにHe希釈O2を適量比率で混合して酸化シリコン膜を形成する。成膜後は原料ガスをカットし、触媒体を問題ない温度まで冷却して水素系キャリアガスをカットする。この時に、それぞれのチャンバ内に水素系キャリアガスとそれぞれの原料ガスを常時供給して、スタンバイの状態にしておいてもよい。
【0130】
そして次に、多結晶性シリコン膜7をソース、チャンネル及びドレイン領域とするMOSTFTの作製を行なう。
【0131】
即ち、図2の(4)に示すように、汎用フォトリソグラフィ及びエッチングにより多結晶性シリコン膜7をアイランド化した後、nMOSTFT用のチャンネル領域の不純物濃度制御によるしきい値(Vth)の最適化のために、pMOSTFT部をフォトレジスト9でマスクし、イオン注入又はイオンドーピングによりp型不純物イオン(例えばボロンイオン)10を例えば5×1011atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、1×1017atoms/ccのアクセプタ濃度に設定し、多結晶性シリコン膜7の導電型をp型化した多結晶性シリコン膜11とする。
【0132】
次いで、図2の(5)に示すように、pMOSTFT用のチャンネル領域の不純物濃度制御によるVthの最適化のために、今度はnMOSTFT部をフォトレジスト12でマスクし、イオン注入又はイオンドーピングによりn型不純物イオン(例えば燐イオン)13を例えば1×1012atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1017atoms/ccのドナー濃度に設定し、多結晶性シリコン膜7の導電型をn型化した多結晶性シリコン膜14とする。
【0133】
次いで、図3の(6)に示すように、必要あれば結晶化促進と膜中の不純物の活性化のために上記のバイアス触媒AHA処理を行なった後、触媒CVD又はバイアス触媒CVD等によりゲート絶縁膜の酸化シリコン膜50nm厚8を形成した後、ゲート電極材料としてのリンドープド多結晶シリコン膜15を例えば2〜20SCCMのPH3及び20SCCMのモノシランの供給下での上記と同様の触媒CVD法等によって厚さ例えば400nm厚に堆積させる。
【0134】
次いで、図3の(7)に示すように、フォトレジスト16を所定パターンに形成し、これをマスクにしてリンドープド多結晶シリコン膜15をゲート電極形状にパターニングし、更に、必要に応じてフォトレジスト16の除去後に図3の(8)に示すように、例えば触媒CVD等によりゲート電極用保護膜の酸化シリコン膜17を20〜30nm厚に形成する。
【0135】
次いで、図3の(9)に示すように、pMOSTFT部をフォトレジスト18でマスクし、イオン注入又はイオンドーピングによりn型不純物である例えば燐イオン19を例えば1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのドナー濃度に設定し、nMOSTFTのn+型ソース領域20及びドレイン領域21をそれぞれ形成する。
【0136】
次いで、図4の(10)に示すように、nMOSTFT部をフォトレジスト22でマスクし、イオン注入又はイオンドーピングによりp型不純物である例えばボロンイオン23を例えば1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのアクセプタ濃度に設定し、pMOSTFTのp+型ソース領域24及びドレイン領域25をそれぞれ形成する。
【0137】
こうしてゲート、ソース及びドレインを形成するが、これらは上記したプロセス以外の方法で形成することが可能である。
【0138】
即ち、図1の(3)の工程後に、多結晶性シリコン膜7をpMOSTFTとnMOSTFT領域にアイランド化し、pMOSTFT領域にイオン注入又はイオンドーピングでn型不純物、例えば燐イオンを1×1012atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1017atoms/ccのドナー濃度に設定し、nMOSTFT領域にp型不純物、例えばボロンイオンを5×1011atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、1×1017atoms/ccのアクセプタ濃度に設定し、各チャンネル領域の不純物濃度を制御し、Vthを最適化する。
【0139】
そして、次に、汎用フォトリソグラフィ技術により、フォトレジストマスクで各ソース/ドレイン領域を形成する。nMOSTFTの場合、イオン注入又はイオンドーピング法によりn型不純物、例えばひ素、燐イオンを1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのドナー濃度に設定し、pMOSTFTの場合、イオン注入又はイオンドーピング法によりp型不純物、例えばボロンイオンを1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのアクセプタ濃度に設定する。
【0140】
しかる後、必要あれば膜中の不純物の活性化のためにバイアス触媒AHA処理を行った後、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜を形成するが、必要に応じて連続して窒化シリコン膜と酸化シリコン膜を形成する。即ち、必要に応じて、バイアス触媒AHA処理後に連続してバイアス触媒CVD法により、水素系キャリアガスとモノシランにHe希釈O2を適量比率で混合して酸化シリコン膜8を20〜30nm厚に形成し、必要に応じて水素系キャリアガスとモノシランにNH3を適量比率で混合して窒化シリコン膜を10〜20nm厚に形成し、更に前記の条件で酸化シリコン膜を20〜30nm厚に形成する。この後は、上記と同様の汎用の触媒CVD法、フォトリソグラフィ技術によりゲート電極を形成する。
【0141】
ゲート、ソース及びドレイン形成後は、図4の(11)に示すように、全面に上記したと同様の触媒CVD又はバイアス触媒CVD法等によって、水素系キャリアガス150SCCMを共通として、1〜2SCCMのヘリウムガス希釈のO2、15〜20SCCMのモノシラン供給下で酸化シリコン膜26を例えば100〜200nm厚に、1〜20SCCMのPH3、1〜2SCCMのヘリウム希釈のO2、15〜20SCCMのモノシラン供給下でフォスフィンシリケートガラス(PSG)膜27を300〜400nm厚に形成し、50〜60SCCMのNH3、15〜20SCCMのモノシラン供給下で窒化シリコン膜28を例えば100〜200nm厚に形成し、積層絶縁膜を形成する。その後に、例えば約1000℃で20〜30秒のRTA(Rapid Thermal Anneal)処理でイオン活性化させ、各領域に設定したキャリア不純物濃度とする。
【0142】
次いで、図4の(12)に示すように、上記の絶縁膜の所定位置にコンタクト窓開けを行い、各コンタクトホールを含む全面に1%Si入りアルミニウム等の電極材料をスパッタ法等で1μmの厚みに堆積し、これをパターニングして、pMOSTFT及びnMOSTFTのそれぞれのソース又はドレイン電極29(S又はD)とゲート取出し電極又は配線30(G)を形成し、トップゲート型の各CMOSTFTを形成する。この後に、フォーミングガス中で400℃、1hの水素化及びシンター処理する。
【0143】
なお、上記のゲート電極の形成に代えて、全面にMo−Ta合金等の耐熱性金属のスパッタ膜400〜500nm厚を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、nMOSTFT及びpMOSTFTのゲート電極を形成してよい。
【0144】
なお、上記のアモルファス又は微結晶カーボン薄膜をスパッタリングで形成し、これをバイアス触媒AHA処理してトップゲート型多結晶シリコンCMOSTFTを製造する例について説明すると、まず、グラファイトターゲットを、アルゴンガス0.133〜1.33Paの真空中でスパッタリングして、ガラス基板等の絶縁性基板の少なくともTFT形成領域に10〜20nm厚のアモルファスカーボン膜を形成する。
【0145】
次いで、このアモルファスカーボン膜をバイアス触媒AHA処理して、ダイヤモンド構造を有するカーボン超微粒子を形成する。バイアス触媒AHA処理条件は上述したものに準ずる。
【0146】
次いで、ダイヤモンド構造を有するこのカーボン超微粒子上に、シリコンターゲットをアルゴンガス0.133〜1.33Paの真空中でスパッタリングして、絶縁性基板の少なくともTFT形成領域に30〜100nm厚、例えば50nm厚のアモルファスシリコン膜を形成する。
【0147】
次いで、これをバイアス触媒AHA処理して多結晶性シリコン膜化する。このバイアス触媒AHA処理条件は上述したものに準ずる。必要に応じて、例えばダイヤモンド構造を有するカーボン超微粒子上にアモルファスシリコンを10〜30nm厚に成膜し、バイアス触媒AHA処理後にアモルファスシリコンを10〜30nm厚に成膜し、更にバイアス触媒AHA処理を必要回数繰り返す、いわゆるマルチバイアス触媒AHA処理をしてもよい。この方が、より大きい粒径の多結晶性シリコン膜を形成できる。
【0148】
これ以降は、上述したプロセスと同様である。但し、多結晶性シリコン膜は、上述した触媒CVD法で成長させてもよい。
【0149】
なお、このスパッタリング膜を用いる方法は、後述のボトムゲート型、デュアルゲート型CMOSTFT等についても、同様に適用されてよい。
【0150】
上述したように、本実施の形態によれば、下記(a)〜(o)の優れた作用効果を得ることができる。
【0151】
(a)上記のバイアス触媒AHA処理は、10〜50Paの水素又は水素含有ガス圧下で、水素を高温触媒体(例えばタングステン、1500〜2000℃)に接触させて、高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などを形成し、絶縁性基板上に形成したアモルファスカーボン膜又は微結晶カーボン膜にグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用による指向性運動エネルギーの付与下で吹き付けると(基板温度200〜500℃)、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などが有する熱エネルギーがその膜等に移動して、その膜等の温度を局部的に上昇させ、高温の水素系活性種の作用によりアモルファス構造のカーボンがエッチングされてアモルファスカーボン膜や微結晶カーボン膜は結晶化して、アモルファスカーボン膜又は微結晶カーボン膜表面又はガラス基板上に、ダイヤモンド構造を有するカーボン超微粒子(クラスタ)が点在し、これが多結晶性シリコン成長の核として働く。
【0152】
(b)また、上記のバイアス触媒AHA処理において高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などを絶縁性基板上に形成したアモルファスシリコン又は多結晶性シリコン又は微結晶シリコンに吹き付けると(基板温度200〜500℃)、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などが有する熱エネルギーがその膜等に移動して、その膜等の温度を局部的に上昇させ、高温の水素系活性種の作用によりアモルファス構造のシリコンがエッチングされて、アモルファスシリコンや微結晶シリコンは多結晶化し、多結晶性シリコンは高結晶化して、大粒径多結晶性シリコン膜が形成され、キャリア移動度向上が図れる。
【0153】
(c)この時に、高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などを触媒体温度等のみならず、電界又は/及び磁界で独立してコントロールするので、効率良く処理でき、カーボン超微粒子を十分に形成し、大粒径多結晶性シリコン膜化が可能であり、高キャリア移動度、高品質の多結晶性シリコン薄膜を得ることができる。又、例えば30keV、1015atoms/cm2(SiF4使用)のシリコンイオンの注入後にバイアス触媒AHA処理すると、結晶核成長の促進により更に大粒径の多結晶性シリコン膜化が可能であり、さらなる高キャリア移動度化が可能となる。
【0154】
(d)基板上に形成したアモルファスシリコン又は多結晶性シリコン又は微結晶シリコンに大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などを吹き付けると、その膜上又は膜内又は粒界にシリコン酸化物が存在したとき、これと反応してSiOを形成し蒸発するので、アモルファスシリコン又は多結晶性シリコン又は微結晶シリコン膜上又は膜内のシリコン酸化物を減少/除去させることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。
【0155】
(e)このバイアス触媒AHA処理時に、半導体薄膜中に存在するキャリア不純物は高温により効率良く活性化され、各領域において最適なキャリア不純物濃度を得る。
【0156】
(f)また、活性化水素イオン等の水素系活性種によるクリーニング(基板等への吸着ガス及び有機物残渣等の還元除去)が可能であり、触媒体も酸化劣化し難くなる(なお、このような効果は、上記のシリコン薄膜を触媒CVDで形成する時も水素系キャリアガスを用いることから、同様に生じる)。
【0157】
(g)活性化水素イオン等の水素系活性種の水素化作用により、半導体膜中の例えばシリコンダングリングボンドをなくし、特性が向上する。
【0158】
(h)こうしてバイアス触媒AHA処理された多結晶性薄膜上に更に低級結晶性半導体薄膜を気相成長させる工程を目的とする膜厚となるまで繰り返すと、この半導体薄膜は既にバイアス触媒AHA処理で多結晶化された下地膜上に多結晶化され易い状態で成長し易くなり、目的とする高結晶化率、高品質の多結晶性半導体薄膜を所定の膜厚で得ることができ、また上記したと同様のクリーニング作用により酸素、金属等によるコンタミを低減させて更なる高性能化、高品質化が可能となる。即ち、触媒CVDとバイアス触媒AHA処理を繰り返すマルチバイアス触媒AHA処理により、例えば微結晶シリコン含有アモルファスシリコン膜、アモルファスシリコン及び微結晶シリコン含有多結晶シリコン膜をバイアス触媒AHA処理で多結晶性シリコン膜化した後、更にこの多結晶シリコンをシードとした触媒CVD又はバイアス触媒CVDで多結晶性シリコン膜の気相成長、更にはバイアス触媒AHA処理を繰り返す(繰り返し回数が1回で2ステップバイアス触媒AHA処理、2回又はそれ以上ではマルチバイアス触媒AHA処理と称する。)ので、高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜を形成することができる。この場合、上記の電界又は/及び磁界(バイアス)の作用下で処理するため、効率が向上し、バイアスを作用させない場合に比べて繰り返し処理の回数を減少させ、スループットを向上させることもできる。
【0159】
(i)触媒CVD又はバイアス触媒CVDによる成膜後にバイアス触媒AHA処理を行う場合、バイアス(電界又は/及び磁界)の種類及び処理条件、触媒体の種類及び温度、基板加熱温度、気相成膜条件、原料ガスの種類、添加するn又はp型不純物濃度、錫又は他のIV族元素の種類と含有量等により、広範囲のn又はp型不純物濃度の錫又は他のIV族元素(鉛、ゲルマニウム)含有多結晶性シリコン膜が容易に得られ、またバイアス触媒AHA処理により多結晶性シリコン膜の大粒径化、多結晶性シリコン粒界に存在する結晶不整を減少させて内部応力を減少させ、同時に各領域に添加したn又はp型不純物を活性化させるので、高いキャリア移動度でしきい値(Vth)調整が容易となり、低抵抗での高速動作が可能となる。
【0160】
(j)なお、プラズマCVDによる成膜後にバイアス触媒AHA処理を行う場合、プラズマCVDでのアモルファスシリコン膜中に10〜20%含有する水素をバイアス触媒AHA処理で減少/除去させ、大きな粒径の多結晶性シリコン膜を形成するので、大きなキャリア移動度の多結晶性シリコン膜の形成が可能となる。更に、基板加熱温度、気相成膜条件、原料ガスの種類、バイアス(電界又は/及び磁界)の種類及び処理条件、添加するn又はp型不純物濃度により、広範囲のn又はp型不純物濃度の多結晶性シリコン膜が容易に得られるので、高キャリア移動度でVth調整が容易で低抵抗での高速動作が可能となる。
【0161】
(k)スパッタリングによる成膜後にバイアス触媒AHA処理を行う場合、シリコンターゲットの比抵抗(添加するn又はp型不純物濃度)、スパッタリング成膜条件、基板加熱温度、バイアス(電界又は/及び磁界)の種類及び処理条件等により、広範囲のn又はp型不純物濃度の多結晶性シリコン膜が容易に得られるので、高キャリア移動度でVth調整が容易で低抵抗での高速動作が可能となる。
【0162】
(l)トップゲート型のみならず、ボトムゲート型、デュアルゲート型MOSTFTでも高い電子/正孔移動度の大粒径多結晶性シリコン薄膜が得られるために、この高性能の多結晶性シリコン半導体を使用した高速、高電流密度の半導体装置、電気光学装置、更に、高効率の太陽電池等の製造が可能となる。
【0163】
(m)上記バイアス触媒AHA処理及び触媒CVDは、プラズマの発生なしに行えるので、プラズマによるダメージがなく、またプラズマ処理に比べ、シンプルで安価な装置を実現できる。
【0164】
(n)基体温度を低温化しても上記活性種のエネルギーが大きいために、目的とするダイヤモンド構造のカーボン超微粒子が確実に安定して得られ、また多結晶性シリコンの成膜が可能となることから、基体温度を特に300〜400℃と低温化でき、従って大型で安価な低歪点の絶縁基板(ガラス基板、耐熱性樹脂基板等)を使用でき、この点でもコストダウンが可能となる。
【0165】
(o)ゲートチャンネル/ソース/ドレイン領域に添加されたn又はp型不純物の活性化に、条件によっては触媒CVD装置が兼用できるので、設備投資の削減、生産性向上でのコストダウンが可能となる。
【0166】
第2の実施の形態
<LCDの製造例1>
本実施の形態は、高温プロセスによる多結晶性シリコンMOSTFTを用いたLCD(液晶表示装置)に本発明を適用したものであり、以下にその製造例を示す(この製造例は、後述する有機ELやFED等の表示装置等にも同様に適用可能である)。
【0167】
まず、図16の(1)に示すように、画素部及び周辺回路部において、石英ガラス、結晶化ガラスなどの耐熱性絶縁基板61(歪点約800〜1100℃、厚さ50ミクロン〜数mm)の一主面に、上述した触媒CVD法等によって、保護膜(図示せず)の形成後に、この上にアモルファス又は微結晶カーボン薄膜100Aを形成する。
【0168】
次いで、図16の(2)に示すように、上述のバイアス触媒AHA処理により、カーボン薄膜100Aをダイヤモンド構造のカーボン超微粒子層100Bに変化させる。
【0169】
次いで、図16の(3)に示すように、上述した触媒CVD法等によって、カーボン超微粒子層100Bをシードに多結晶性シリコン膜67を例えば50nm厚に形成する。この多結晶性シリコン膜は、上述のマルチバイアス触媒AHA処理により形成してよい。
【0170】
次いで、図17の(4)に示すように、フォトレジストマスクを用いて多結晶性シリコン膜67をパターニング(アイランド化)し、トランジスタ、ダイオード等の能動素子、抵抗、容量、インダクタンス等の受動素子の活性層を形成する。
【0171】
次いで、トランジスタ活性層67のチャンネル領域の不純物濃度制御によるVthの最適化のために前記と同様のボロン又は燐等の所定の不純物のイオン注入を行なった後、図17の(5)に示すように、例えば上記と同様の触媒CVD法等によって多結晶性シリコン膜67の表面に厚さ例えば50nm厚のゲート絶縁膜用の酸化シリコン膜68を形成する。触媒CVD法等でゲート絶縁膜用の酸化シリコン膜68を形成する場合、基板温度及び触媒体温度は上記したものと同様であるが、酸素ガス流量は1〜2SCCM、モノシランガス流量は15〜20SCCM、水素系キャリアガスは150SCCMとしてよい。尚、チャンネル領域の不純物濃度制御する前又は後に、例えば、約1000℃、30分の高温熱酸化により、ゲート絶縁膜用の酸化シリコン膜68を形成してもよい。
【0172】
次いで、図17の(6)に示すように、ゲート電極及びゲートライン用材料として、例えばMo−Ta合金をスパッタリングで厚さ例えば400nm厚に堆積させるか、或いは、リンドープド多結晶シリコン膜を例えば水素系キャリアガス150SCCM、2〜20SCCMのPH3及び20SCCMのモノシランガスの供給下での上記と同様の触媒CVD法等によって厚さ例えば400nm厚に堆積させる。そして、汎用フォトリソグラフィー及びエッチング技術により、ゲート電極材料層をゲート電極75及びゲートラインの形状にパターニングする。尚、リンドープド多結晶性シリコン膜の場合は、触媒CVD等により、その表面に保護用酸化シリコン膜10〜20nm厚を形成してもよい。
【0173】
次いで、図18の(7)に示すように、pMOSTFT部をフォトレジスト78でマスクし、イオン注入又はイオンドーピング法によりn型不純物である例えばヒ素(又は燐)イオン79を例えば1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのドナー濃度に設定し、nMOSTFTのn+型ソース領域80及びドレイン領域81をそれぞれ形成する。
【0174】
次いで、図18の(8)に示すように、nMOSTFT部をフォトレジスト82でマスクし、イオン注入又はイオンドーピング法によりp型不純物である例えばボロンイオン83を例えば1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのアクセプタ濃度に設定し、pMOSTFTのp+型ソース領域84及びドレイン領域85をそれぞれ形成する。
【0175】
次いで、図18の(9)に示すように、全面に上記したと同様の触媒CVD法等によって、水素系キャリアガス150SCCMを共通として、1〜2SCCMのHe希釈O2、15〜20SCCMのモノシラン供給下で酸化シリコン膜を例えば100〜200nm厚に、更に、1〜20SCCMのPH3、1〜2SCCMのHe希釈O2、15〜20SCCMのモノシラン供給下でフォスフィンシリケートガラス(PSG)膜を300〜400nm厚に形成し、50〜60SCCMのNH3、15〜20SCCMのSiH4供給下で窒化シリコン膜を例えば100〜200nm厚に形成する。これらの絶縁膜の積層によって層間絶縁膜86を形成する。なお、このような層間絶縁膜は、上記とは別の通常の方法で形成してもよい。この後に、例えば900℃、5分間のN2中のアニール又は1000℃、20〜30秒のN2中のRTA処理によりイオン活性化し、各領域に設定したキャリア不純物濃度とする。
【0176】
次いで、図19の(10)に示すように、上記の絶縁膜86の所定位置にコンタクト窓開けを行い、各コンタクトホールを含む全面にアルミニウムなどの電極材料をスパッタ法等で1μmの厚みに堆積し、これをパターニングして、画素部のnMOSTFTのソース電極87及びデータライン、周辺回路部のpMOSTFT及びnMOSTFTのソース電極88、90とドレイン電極89、91及び配線をそれぞれ形成する。この後に、例えばフォーミングガス中、400℃、1hの水素化及びシンター処理する。
【0177】
次いで、表面上に酸化シリコン膜等の層間絶縁膜92をCVD法で形成した後、図19の(11)に示すように、画素部のnMOSTFTドレイン領域において層間絶縁膜92及び86にコンタクトホールを開け、例えばITO(Indium tin oxide:インジウム酸化物にスズをドープした透明電極材料)を真空蒸着法等で全面に堆積させ、パターニングしてnMOSTFTのドレイン領域81に接続された透明画素電極93を形成する。この後に、例えばフォーミングガス中、250℃、1h、アニールして、ITOとのオーミックコンタクトを改善し、ITOの透明度を向上させる。
【0178】
こうしてアクティブマトリクス基板(以後、TFT基板と称する。)を作製し、透過型のLCDを作製することができる。この透過型LCDは、図19(12)に示すように、画素電極93上に配向膜94、液晶95、配向膜96、透明電極97、対向基板98が積層された構造からなっている。
【0179】
なお、上記した工程は、反射型のLCDの製造にも同様に適用可能である。図24(A)には、この反射型のLCDの一例が示されているが、図中の101は粗面化された絶縁膜92上に被着された反射膜であり、MOSTFTのドレインと接続されている。
【0180】
このLCDの液晶セルを面面組立で作製する場合(2インチサイズ以上の中/大型液晶パネルに適している。)、まずTFT基板61と、全面ベタのITO(Indium Tin Oxide)電極97を設けた対向基板98の素子形成面に、ポリイミド配向膜94、96を形成する。このポリイミド配向膜はロールコート、スピンコート等により50〜100nm厚に形成し、180℃/2hで硬化キュアする。
【0181】
次いで、TFT基板61と対向基板98をラビング、又は光配向処理する。ラビングバフ材にはコットンやレーヨン等があるが、バフかす(ゴミ)やリタデーション等の面からはコットンの方が安定している。光配向は非接触の線型偏光紫外線照射による液晶分子の配向技術である。なお、配向には、ラビング以外にも、偏光又は非偏光を斜め入射させることによって高分子配向膜を形成することができる(このような高分子化合物は、例えばアゾベンゼンを有するポリメチルメタクリレート系高分子等がある)。
【0182】
次いで、洗浄後に、TFT基板61側にはコモン剤塗布、対向基板98側にはシール剤塗布する。ラビングバフかす除去のために、水、又はIPA(イソプロピルアルコール)洗浄する。コモン剤は導電性フィラーを含有したアクリル、又はエポキシアクリレート、又はエポキシ系接着剤であってよく、シール剤はアクリル、又はエポキシアクリレート、又はエポキシ系接着剤であってよい。加熱硬化、紫外線照射硬化、紫外線照射硬化+加熱硬化のいずれも使用できるが、重ね合せの精度と作業性からは紫外線照射硬化+加熱硬化タイプが良い。
【0183】
次いで、対向基板98側に所定のギャップを得るためのスペーサを散布し、TFT基板61と所定の位置で重ね合せる。対向基板98側のアライメントマークとTFT基板61側のアライメントマークとを精度よく合わせた後に、紫外線照射してシール剤を仮硬化させ、その後に一括して加熱硬化する。
【0184】
次いで、スクライブブレークして、TFT基板61と対向基板98を重ね合せた単個の液晶パネルを作成する。
【0185】
次いで、液晶95を両基板61−98間のギャップ内に注入し、注入口を紫外線接着剤で封止後に、IPA洗浄する。液晶の種類は何れでも良いが、例えばネマティック液晶を用いる高速応答のTN(ツイストネマティック)モードが一般的である。
【0186】
次いで、加熱急冷処理して、液晶95を配向させる。
【0187】
次いで、TFT基板61のパネル電極取り出し部にフレキシブル配線を異方性導電膜の熱圧着で接続し、更に対向基板98に偏光板を貼合わせる。
【0188】
また、液晶パネルの面単組立の場合(2インチサイズ以下の小型液晶パネルに適している。)、上記と同様、TFT基板61と対向基板98の素子形成面に、ポリイミド配向膜94、96を形成し、両基板をラビング、又は非接触の線型偏光紫外線光の配向処理する。
【0189】
次いで、TFT基板61と対向基板98をダイシング又はスクライブブレークで単個に分割し、水又はIPA洗浄する。TFT基板61にはコモン剤塗布、対向基板98にはスペーサ含有のシール剤塗布し、両基板を重ね合せる。これ以降のプロセスは上記に準ずる。
【0190】
上記したLCDにおいて、対向基板98はCF(カラーフィルタ)基板であって、カラーフィルタ層(図示せず)をITO電極97下に設けたものである。対向基板98側からの入射光は例えば反射膜93で効率良く反射されて対向基板98側から出射してよい。
【0191】
他方、TFT基板61として、TFT基板61にカラーフィルタを設けたオンチップカラーフィルタ(OCCF)構造のTFT基板とするときには、対向基板98にはITO電極がベタ付け(又はブラックマスク付きのITO電極がベタ付け)される。
【0192】
透過型LCDの場合、次のようにしてオンチップカラーフィルタ(OCCF)構造とオンチップブラック(OCB)構造を作製することができる。
【0193】
即ち、図19の(13)に示すように、フォスフィンシリケートガラス/酸化シリコンの絶縁膜86のドレイン部も窓開けしてドレイン電極用のアルミニウム埋込み層を形成した後、R、G、Bの各色を各セグメント毎に顔料分散したフォトレジスト99を所定厚さ(1〜1.5μm)で形成した後、汎用フォトリソグラフィ技術で所定位置(各画素部)のみを残すパターニングで各カラーフィルタ層99(R)、99(G)、99(B)を形成する(オンチップカラーフィルタ構造)。この際、ドレイン部の窓開けも行う。なお、不透明なセラミック基板や低透過率のガラス及び耐熱性樹脂基板は使用できない。
【0194】
次いで、表示用TFTのドレインに連通するコンタクトホールに、カラーフィルタ層上にかけてブラックマスク層となる遮光層100’を金属のパターニングで形成する。例えば、スパッタ法により、モリブデンを200〜250nm厚で成膜し、表示用MOSTFTを覆って遮光する所定の形状にパターニングする(オンチップブラック構造)。
【0195】
次いで、透明樹脂の平坦化膜92を形成し、更にこの平坦化膜に設けたスルーホールにITO透明電極93を遮光層100’に接続するように形成する。
【0196】
このように、表示アレイ部上に、カラーフィルタ99やブラックマスク100’を作り込むことにより、液晶表示パネルの開口率を改善し、またバックライトも含めたディスプレイモジュールの低消費電力化が実現する。
【0197】
図20は、上述のトップゲート型MOSTFTを組み込んで駆動回路一体型に構成したアクティブマトリクス液晶表示装置(LCD)の全体を概略的に示すものである。このアクティブマトリクスLCDは、主基板61(これはアクティブマトリクス基板を構成する。)と対向基板98とをスペーサ(図示せず)を介して貼り合わせたフラットパネル構造からなり、両基板61−98間に液晶(ここでは図示せず)が封入されている。主基板61の表面には、マトリクス状に配列した画素電極93と、この画素電極を駆動するスイッチング素子とからなる表示部、及びこの表示部に接続される周辺駆動回路部とが設けられている。
【0198】
表示部のスイッチング素子は、上記したnMOS又はpMOS又はCMOSでLDD構造のトップゲート型MOSTFTで構成される。また、周辺駆動回路部にも、回路要素として、上記したトップゲート型MOSTFTのCMOS又はnMOS又はpMOSTFT又はこれらの混在が形成されている。なお、一方の周辺駆動回路部はデータ信号を供給して各画素のTFTを水平ライン毎に駆動する水平駆動回路であり、また他方の周辺駆動回路部は各画素のTFTのゲートを走査ライン毎に駆動する垂直駆動回路であり、通常は表示部の両辺にそれぞれ設けられる。これらの駆動回路は、点順次アナログ方式、線順次デジタル方式のいずれも構成できる。
【0199】
図21に示すように、直交するゲートバスラインとデータバスラインの交差部に上記のMOSTFTが配置され、このMOSTFTを介して液晶容量(CLC)に画像情報を書き込み、次の情報がくるまで電荷を保持する。この場合、TFTのチャンネル抵抗だけで保持させるには十分ではないので、それを補うため液晶容量と並列に蓄積容量(補助容量)(CS)を付加し、リーク電流による液晶電圧の低下を補ってよい。こうしたLCD用MOSTFTでは、画素部(表示部)に使用するTFTの特性と周辺駆動回路に使用するTFTの特性とでは要求性能が異なり、特に画素部のTFTではオフ電流の制御、オン電流の確保が重要な問題となる。このため、表示部には、後述の如きLDD構造のTFTを設けることによって、ゲート−ドレイン間に電界がかかりにくい構造としてチャンネル領域にかかる実効的な電界を低減させ、オフ電流を低減し、特性の変化も小さくできる。しかし、プロセス的には複雑になり、素子サイズも大きくなり、かつオン電流が低下するなどの問題も発生するため、それぞれの使用目的に合わせた最適設計が必要である。
【0200】
なお、使用可能な液晶としては、TN液晶(アクティブマトリクス駆動のTNモード用に用いられるネマチック液晶)をはじめ、STN(スーパーツイステッドネマチック)、GH(ゲスト・ホスト)、PC(フェーズ・チェンジ)、FLC(強誘電性液晶)、AFLC(反強誘電性液晶)、PDLC(ポリマー分散型液晶)等の各種モード用の液晶を採用してよい。
【0201】
<LCDの製造例2>
次に、本実施の形態による低温プロセスの多結晶性シリコンMOSTFTを用いたLCD(液晶表示装置)の製造例を示す(この製造例は後述する有機ELやFEDの表示装置等にも同様に適用可能である)。
【0202】
この製造例では、上述の製造例1において、基板61としてアルミノけい酸ガラス、ホウケイ酸ガラス等を使用し、図16の(1)、(2)及び(3)の工程を同様に行う。即ち、基板61上に触媒CVDとバイアス触媒AHA処理により錫含有(又は非含有)の多結晶性シリコン膜67を形成してこれをアイランド化し、表示領域のnMOSTFT部と周辺駆動回路領域のnMOSTFT部及びpMOSTFT部を形成する。この場合、同時に、ダイオード、コンデンサ、インダクタンス、抵抗等の領域を形成する。
【0203】
次いで、図22の(1)に示すように(但し、ダイヤモンド構造の超微粒子層100Bは図示省略:以下、同様)、各MOSTFTゲートチャンネル領域のキャリア不純物濃度を制御してVthを最適化するために、表示領域のnMOSTFT部と周辺駆動回路領域のnMOSTFT部をフォトレジスト82でカバーし、周辺駆動回路領域のpMOSTFT部に、イオン注入又はイオンドーピング法により例えば燐、ひ素等のn型不純物79を1×1012atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1017atoms/ccのドナー濃度に設定し、更に図22の(2)に示すように、周辺駆動回路領域のpMOSTFT部をフォトレジスト82でカバーし、表示領域のnMOSTFT部と周辺駆動回路領域のnMOSTFT部に、イオン注入又はイオンドーピング法により例えばボロン等のp型不純物83を5×1011atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、1×1017atoms/ccのアクセプタ濃度を設定する。
【0204】
次いで、図22の(3)に示すように、表示領域のnMOSTFT部にn-型のLDD(Lightly Doped Drain)部を形成するために、汎用フォトリソグラフィ技術により、表示領域のnMOSTFTのゲート部と周辺駆動領域のpMOSTFT及びnMOSTFT全部をフォトレジスト82で覆い、露出した表示領域のnMOSTFTのソース/ドレイン領域に、イオン注入又はイオンドーピング法により例えば燐等のn型不純物79を1×1013atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1018atoms/ccのドナー濃度に設定して、n-型のLDD部を形成する。
【0205】
次いで、図23の(4)に示すように、表示領域のnMOSTFT部及び周辺駆動回路領域のnMOSTFT部の全部をフォトレジスト82でカバーし、周辺駆動回路領域のpMOSTFT部のゲート部をフォトレジスト82でカバーして露出したソース、ドレイン領域に、イオン注入又はイオンドーピング法により例えばボロン等のp型不純物83を1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのアクセプタ濃度に設定してp+型のソース部84、ドレイン部85を形成する。
【0206】
次いで、図23の(5)に示すように、周辺駆動回路領域のpMOSTFT部をフォトレジスト82でカバーし、表示領域のnMOSTFTのゲート及びLDD部と周辺駆動回路領域のnMOSTFT部のゲート部をフォトレジスト82でカバーし、露出した表示領域及び周辺駆動領域のnMOSTFTのソース、ドレイン領域に、イオン注入又はイオンドーピング法により例えば燐、ひ素等のn型不純物79を1×1015atoms/cm2のドーズ量でイオンドーピングし、2×1020atoms/ccのドナー濃度に設定し、n+型のソース部80、ドレイン部81を形成する。
【0207】
次いで、図23の(6)に示すように、プラズマCVD、TEOS系プラズマCVD、触媒CVD法等により、ゲート絶縁膜68として、酸化シリコン膜40〜50nm厚、窒化シリコン膜10〜20nm厚、酸化シリコン膜40〜50nm厚の積層膜を形成する。そして、ハロゲンランプ等でのRTA処理を例えば、約1000℃、10〜30秒行い、添加したn又はp型不純物を活性化することにより、設定した各々のキャリア不純物濃度を得る。
【0208】
この後に、全面に400〜500nm厚の1%Si入りアルミニウムスパッタ膜を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチングにより、全TFTのゲート電極75及びゲートラインを形成する。更にこの後に、プラズマCVD、触媒CVD法等により、酸化シリコン膜100〜200nm厚、フォスフィンシリケートガラス(PSG)膜200〜300nm厚、窒化シリコン膜100〜200nm厚の積層膜からなる絶縁膜86を形成する。
【0209】
次いで、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、周辺駆動回路の全TFT部のソース/ドレイン部及び表示用nMOSTFT部のソース部の窓開けを行う。窒化シリコン膜はCF4のプラズマエッチング、酸化シリコン膜及びリンシリケートガラス膜はフッ酸系エッチング液でエッチング処理する。
【0210】
次いで、図23の(7)に示すように、全面に400〜500nm厚の1%Si入りアルミニウムスパッタ膜を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、周辺駆動回路の全TFTのソース、ドレイン電極88、89、90、91を形成すると同時に、表示用nMOSTFTのソース電極87及びデータラインを形成する。
【0211】
次いで、図示は省略したが、プラズマCVD、触媒CVD法等により、酸化シリコン膜100〜200nm厚、フォスフィンシリケートガラス(PSG膜)200〜300nm厚、窒化シリコン膜100〜300nm厚を層間絶縁膜(上述の92)として全面に形成し、フォーミングガス中で約400℃、1時間、水素化及びシンター処理する。その後に、表示用nMOSTFTのドレイン部コンタクト用窓開けを行う。
【0212】
ここで、LCDが透過型の場合は、画素開口部の酸化シリコン膜、フォスフィンシリケートガラス膜及び窒化シリコン膜は除去し、また反射型の場合は、画素開口部等の酸化シリコン膜、フォスフィンシリケートガラス膜及び窒化シリコン膜は除去する必要はない(これは上述又は後述のLCDにおいても同様である)。
【0213】
透過型の場合、図19の(10)と同様に、全面に、スピンコート等で2〜3μm厚のアクリル系透明樹脂平坦化膜を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、表示用TFTのドレイン側の透明樹脂窓開けを形成した後、全面に130〜150nm厚のITOスパッタ膜を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、表示用nMOSTFTのドレイン部とコンタクトしたITO透明電極を形成する。更に熱処理(フォーミングガス中で200〜250℃、1時間)により、コンタクト抵抗の低減化とITO透明度向上を図る。
【0214】
反射型の場合は、全面に、スピンコート等で2〜3μm厚の感光性樹脂膜を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、少なくとも画素部に凹凸形状パターンを形成し、リフローさせて凹凸反射下部を形成する。同時に、表示用nMOSTFTのドレイン部の感光性樹脂窓開けを形成する。しかる後、全面に、300〜400nm厚の1%Si入りアルミニウムスパッタ膜を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、画素部以外のアルミニウム膜を除去し、表示用nMOSTFTのドレイン電極と接続した凹凸形状のアルミニウム反射部を形成する。その後に、フォーミングガス中で300℃、1時間シンター処理する。
【0215】
なお、上記において、nMOSTFTのソース、ドレインを形成した後に、バイアス触媒AHA処理すれば、多結晶性シリコン膜の膜温度を局部的に上昇させ、結晶化が更に促進され、高移動度及び高品質の多結晶性シリコン膜を形成する。同時に、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などが有する熱エネルギーが膜に移動して、膜温度を局部的に上昇させるので、ゲートチャンネル/ソース/ドレイン領域に注入された燐、ひ素、ボロンイオン等が活性化される。
【0216】
なお、プラズマCVD法によってアモルファスシリコン含有微結晶シリコン膜を形成した場合、膜中に10〜20%の水素が含有されるが、バイアス触媒AHA処理によって減少/除去することができて多結晶性シリコン膜化し、高移動度及び高品質の多結晶性シリコン膜を形成する。又、アモルファスシリコン含有微結晶シリコン等の膜上又は膜内にシリコン酸化物が存在するときに、これと還元反応してSiOを生成し、蒸発させるので、それらの膜上又は膜内のシリコン酸化物を減少/除去させることができ、高移動度及び高品質の多結晶性シリコン膜を形成できる。
【0217】
<ボトムゲート型又はデュアルゲート型MOSTFT>
MOSTFTを組み込んだ例えばLCDにおいて、上述のトップゲート型に代えて、ボトムゲート型、デュアルゲート型のMOSTFTからなる透過型LCDを製造した例を述べる(但し、反射型LCDも同様である)。
【0218】
図24(B)に示すように、表示部及び周辺部にはボトムゲート型のnMOSTFTが設けられ、或いは図24(C)に示すように、表示部及び周辺部にはデュアルゲート型のnMOSTFTがそれぞれ設けられている。これらのボトムゲート型、デュアルゲート型MOSTFTのうち、特にデュアルゲート型の場合には上下のゲート部によって駆動能力が向上し、高速スイッチングに適し、また上下のゲート部のいずれかを選択的に用いて場合に応じてトップゲート型又はボトムゲート型として動作させることもできる。
【0219】
図24(B)のボトムゲート型MOSTFTにおいて、図中の102はMo−Ta合金等のゲート電極であり、103は窒化シリコン膜及び104は酸化シリコン膜であってゲート絶縁膜を形成し、このゲート絶縁膜上にはトップゲート型MOSTFTと同様の多結晶性シリコン膜67を用いたチャンネル領域等が形成されている。また、図24(C)のデュアルゲート型MOSTFTにおいて、下部ゲート部はボトムゲート型MOSTFTと同様であるが、上部ゲート部は、ゲート絶縁膜106を酸化シリコン膜と窒化シリコン膜、必要に応じて更に酸化シリコン膜の積層膜で形成し、この上に上部ゲート電極75を設けている。
【0220】
<ボトムゲート型MOSTFTの製造>
まず、ガラス基板61上の全面に、Mo−Ta合金のスパッタ膜を300〜400nm厚に形成し、これを汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により20〜45度のテーパーエッチングし、少なくともTFT形成領域に、ボトムゲート電極102を形成すると同時に、ゲートラインを形成する。ガラス材質の使い分けは上述したトップゲート型に準ずる。
【0221】
次いで、プラズマCVD、TEOS系プラズマCVD、触媒CVD、減圧CVD等の気相成長法により、ゲート絶縁膜及び保護膜用の窒化シリコン膜103及び酸化シリコン膜104と、錫含有のアモルファスシリコン含有微結晶シリコン膜とを形成する。この膜は上述したと同様に更にバイアス触媒AHA処理を繰り返して多結晶性シリコン膜67を形成する。これらの気相成膜条件は上述したトップゲート型に準ずる。なお、ボトムゲート絶縁膜及び保護膜用の窒化シリコン膜はガラス基板からのNaイオンストッパ作用を期待して設けるものであるが、合成石英ガラスの場合は不要である。
【0222】
これ以降のプロセスは上述したものに準ずるが、すでに上記の工程でゲート電極を形成しているので、ここではゲート電極用多結晶シリコン膜形成、ゲート電極形成、ゲート多結晶シリコン酸化工程は不要である。
【0223】
そして次に、上述したと同様に、pMOSTFT、nMOSTFT領域をアイランド化し(但し、一方の領域のみを図示:以下、同様)、各チャンネル領域のキャリア不純物濃度を制御してVthを最適化するために、イオン注入又はイオンドーピング法によりn型又はp型不純物を適当量混入した後、更に、各MOSTFTのソース、ドレイン領域を形成するためにイオン注入又はイオンドーピング法によりn型又はp型不純物を適当量混入させる。この後に、不純物活性化のためにRTA処理(約1000℃、10〜30秒間)する。
【0224】
これ以降のプロセスは、上述したものに準ずる。
【0225】
<デュアルゲート型MOSTFTの製造>
上記のボトムゲート型と同様に、ボトムゲート電極102、ゲート絶縁膜103及び104、多結晶性シリコン膜67をそれぞれ形成する。但し、ボトムゲート絶縁膜及び保護膜用の窒化シリコン膜103はガラス基板からのNaイオンストッパ作用を期待して設けるものであるが、合成石英ガラスの場合は不要である。
【0226】
そして次に、上述したと同様に、pMOSTFT、nMOSTFT領域をアイランド化し、各チャンネル領域のキャリア不純物濃度を制御してVthを最適化するために、イオン注入又はイオンドーピング法によりn型又はp型不純物を適当量混入した後、更に、各MOSTFTのソース、ドレイン領域を形成するためにイオン注入又はイオンドーピング法によりn型又はp型不純物を適当量混入させる。
【0227】
次いで、トップゲート絶縁膜106用の酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜、必要に応じて更に酸化シリコン膜の積層膜を成膜する。気相成長条件は上述したトップゲート型に準ずる。この後に、不純物活性化のためにRTA処理(約1000℃、10〜30秒間)する。
【0228】
この後に、全面に400〜500nm厚の1%Si入りアルミニウムスパッタ膜を形成し、汎用フォトリグラフィ及びエッチング技術により、全TFTのトップゲート電極75及びゲートラインを形成する。この後に、プラズマCVD、触媒CVD法等により、酸化シリコン膜100〜200nm厚、フォスフィンシリケートガラス(PSG)膜200〜300nm厚からなる絶縁膜86を形成する。次に、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、周辺駆動回路の全MOSTFTのソース、ドレイン電極部、さらに表示部nMOSTFTのソース電極部の窓開けを行う。
【0229】
次いで、全面に400〜500nm厚の1%Si入りアルミニウムスパッタ膜を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、ソース及びドレインの各アルミニウム電極87、88及び89、ソースライン及び配線等を形成する。次いで、プラズマCVD、触媒CVD法等により、酸化シリコン膜100〜200nm厚、フォスフィンシリケートガラス(PSG膜)200〜300nm厚、窒化シリコン膜100〜300nm厚を層間絶縁膜92として全面に形成し、フォーミングガス中で約400℃、1時間、水素化及びシンター処理する。その後に、表示用nMOSTFTのドレイン部コンタクト用窓開けを行い、画素電極93を形成する。
【0230】
上述したように、本実施の形態によれば、上述の第1の実施の形態と同様に、触媒CVD又はバイアス触媒CVDとバイアス触媒AHA処理により、LCDの表示部及び周辺駆動回路部のMOSTFTのゲートチャンネル、ソース及びドレイン領域となる、高キャリア移動度でVth調整が容易であり、低抵抗での高速動作が可能な多結晶性シリコン膜を形成することができる。この多結晶性シリコン膜によるトップゲート、ボトムゲート又はデュアルゲート型MOSTFTを用いた液晶表示装置は、高いスイッチング特性と低リーク電流のLDD構造を有する表示部と、高い駆動能力のCMOS、又はnMOS、又はpMOS周辺駆動回路を一体化した構成が可能となり、高画質、高精細、狭額縁、高効率、安価な液晶パネルの実現が可能である。
【0231】
そして、低温(300〜400℃)で形成できるので、安価で、大型化が容易な低歪点ガラスを採用でき、コストダウンが可能となる。しかも、アレイ部上にカラーフィルタやブラックマスクを作り込むことにより、液晶表示パネルの開口率、輝度等を改善し、カラーフィルタ基板を不要とし、生産性改善等によるコストダウンが実現する。
【0232】
第3の実施の形態
本実施の形態は、本発明を有機又は無機のエレクトロルミネセンス(EL)表示装置、例えば有機EL表示装置に適用したものである。以下にその構造例と製造例を示す。
【0233】
<有機EL素子の構造例I>
図25(A)、(B)に示すように、この構造例Iによれば、ガラス等の基板111上に、本発明に基づいて上述した方法で形成された高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜によって、スイッチング用MOSTFT1と電流駆動用MOSTFT2のゲートチャンネル117、ソース領域120及びドレイン領域121が形成されている。そして、ゲート絶縁膜118上にゲート電極115、ソース及びドレイン領域上にソース電極127及びドレイン電極128、131が形成されている。MOSTFT1のドレインとMOSTFT2のゲートとはドレイン電極128を介して接続されていると共に、MOSTFT2のソース電極127との間に絶縁膜136を介してキャパシタCが形成され、かつ、MOSTFT2のドレイン電極131は有機EL素子の陰極138にまで延設されている。
【0234】
各MOSTFTは絶縁膜130で覆われ、この絶縁膜上には陰極を覆うように有機EL素子の例えば緑色有機発光層132(又は青色有機発光層133、更には図示しない赤色有機発光層)が形成され、この有機発光層を覆うように陽極(1層目)134が形成され、更に共通の陽極(2層目)135が全面に形成されている。なお、CMOSTFTからなる周辺駆動回路、映像信号処理回路、メモリー回路等の製法は、上述した液晶表示装置に準ずる(以下、同様)。
【0235】
この構造の有機EL表示部は、有機EL発光層が電流駆動用MOSTFT2のドレインに接続され、陰極(Li−Al、Mg−Agなど)138がガラス等の基板111の面に被着され、陽極(ITO膜など)134、135がその上部に設けられており、従って、上面発光136’となる。また、陰極がMOSTFT上を覆っている場合は発光面積が大きくなり、このときには陰極が遮光膜となり、発光光等がMOSTFTに入射しないのでリーク電流発生がなく、TFT特性の悪化がない。
【0236】
また、各画素部周辺に図25(C)のようにブラックマスク部(クロム、二酸化クロム等)140を形成すれば、光漏れ(クロストーク等)を防止し、コントラストの向上が図れる。
【0237】
なお、画素表示部に緑色、青色、赤色の3色発光層を使用する方法、色変換層を使用する方法、白色発光層にカラーフィルターを使用する方法のいずれでも、良好なフルカラーのEL表示装置が実現でき、また、各色発光材料である高分子化合物のスピンコーティング法、又は金属錯体の真空加熱蒸着法においても、長寿命、高精度、高品質、高信頼性のフルカラー有機EL部を生産性良く作成できるので、コストダウンが可能となる(以下、同様)。
【0238】
従来のこの種の有機ELは、アモルファスシリコンTFTを用いているので、Vthが変動しても電流値が変わり易く、画質に変動が起き易い。しかも、移動度が小さいため、高速応答でドライブできる電流にも限界があり、またpチャンネルの形成が困難であり、小規模なCMOS回路構成さえも困難である。そこで、比較的大面積化が容易であって高信頼性で移動度も高く、CMOS回路構成も可能な多結晶シリコンTFTを用いることが望ましいが、従来の多結晶シリコン膜は、1)アモルファスシリコン膜を300〜400℃のプラズマCVD法で成膜し、エキシマレーザーアニールして多結晶シリコン膜化する。2)アモルファスシリコン膜を430〜500℃のLPCVD法で成膜し、窒素ガス中で600℃/5〜20hrと850℃/0.5〜3hrで固相成長させて多結晶シリコン膜化する。
【0239】
しかし、1)は、高価なエキシマレーザー装置の採用、エキシマレーザーの不安定性起因のTFT特性むらと品質問題、生産性低下等によるコストアップとなる。2)は、600℃以上、15〜20hrsの長時間の熱処理のために、汎用ガラス基板を使用できず、石英ガラス採用となるので、コストアップとなる。また、フルカラー有機EL層では、その微細加工プロセスにおいて、電極の酸化や有機EL材料が酸素、水分にさらされたり、加熱で構造変化(溶解あるいは再結晶化)して劣化しやすいので、各色発光領域を高精度に形成するのが難しい。
【0240】
次に、本実施の形態による有機EL素子の製造プロセスを説明すると、まず、図26の(1)に示すように、上述した工程を経て多結晶性シリコン膜からなるソース領域120、チャンネル領域117及びドレイン領域121を形成した後、ゲート絶縁膜118を形成し、この上にMOSTFT1、2のゲート電極115をMo−Ta合金等のスパッタリング成膜とフォトリソグラフィ及びエッチング技術により形成し、またMOSTFT1のゲート電極に接続されるゲートラインをスパッタリング成膜とフォトリソグラフィ及びエッチング技術により(以下、同様)形成する。そして、オーバーコート膜(酸化シリコン等)137を触媒CVD等の気相成長法により(以下、同様)形成後、MOSTFT2のソース電極127及びアースラインを形成し、更にオーバーコート膜(酸化シリコン/窒化シリコン積層膜など)136を形成する。
【0241】
次いで、図26の(2)に示すように、MOSTFT1のソース/ドレイン部、MOSTFT2のゲート部の窓開けを行った後、図26の(3)に示すように、1%Si入りAlのスパッタリングと汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりMOSTFT1のドレイン電極とMOSTFT2のゲート電極を1%Si入りAl配線128で接続し、同時にMOSTFT1のソース電極と、この電極に接続される1%Si入りAlからなるソースラインを形成する。そして、オーバーコート膜(酸化シリコン/フォスフィンシリケートガラス/窒化シリコン積層膜など)130を形成し、MOSTFT2のドレイン部の窓開けを行い、MOSTFT2のドレイン部と接続した発光部の陰極138を形成する。
【0242】
次いで、図26の(4)に示すように、有機発光層132等及び陽極134、135を形成する。
【0243】
なお、上記において、緑色(G)発光有機EL層、青色(B)発光有機EL層、赤色(R)発光有機EL層はそれぞれ、100〜200nm厚に形成するが、これらの有機EL層は、低分子化合物の場合は真空加熱蒸着法で形成され、高分子化合物の場合はディッピングコーティング、スピンコーティングなどの塗布法やインクジェット法によりR、G、B発光ポリマーを配列する方法が用いられる。金属錯体の場合は、昇華可能な材料を真空加熱蒸着法で形成される。
【0244】
有機EL層には、単層型、二層型、三層型等があるが、ここでは低分子化合物の三層型の例を示す。
単層型;陽極/バイポーラー発光層/陰極、
二層型;陽極/ホール輸送層/電子輸送性発光層/陰極、又は陽極/ホール輸送性発光層/電子輸送層/陰極、
三層型;陽極/ホール輸送層/発光層/電子輸送層/陰極、又は陽極/ホール輸送性発光層/キャリアブロック層/電子輸送性発光層/陰極
【0245】
なお、図25(B)の素子において、有機発光層の代わりに公知の発光ポリマーを用いれば、パッシブマトリクス又はアクティブマトリクス駆動の発光ポリマー表示装置(LEPD)として構成することができる(以下、同様)。
【0246】
<有機EL素子の構造例II>
図27(A)、(B)に示すように、この構造例IIによれば、ガラス等の基板111上に、上記の構造例Iと同様に、本発明に基づいて上述した方法で形成された高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜によって、スイッチング用MOSTFT1と電流駆動用MOSTFT2のゲートチャンネル117、ソース領域120及びドレイン領域121が形成されている。そして、ゲート絶縁膜118上にゲート電極115、ソース及びドレイン領域上にソース電極127及びドレイン電極128、131が形成されている。MOSTFT1のドレインとMOSTFT2のゲートとはドレイン電極128を介して接続されていると共に、MOSTFT2のドレイン電極131との間に絶縁膜136を介してキャパシタCが形成され、かつ、MOSTFT2のソース電極127は有機EL素子の陽極144にまで延設されている。
【0247】
各MOSTFTは絶縁膜130で覆われ、この絶縁膜上には陽極を覆うように有機EL素子の例えば緑色有機発光層132(又は青色有機発光層133、更には図示しない赤色有機発光層)が形成され、この有機発光層を覆うように陰極(1層目)141が形成され、更に共通の陰極(2層目)142が全面に形成されている。
【0248】
この構造の有機EL表示部は、有機EL発光層が電流駆動用MOSTFT2のソースに接続され、ガラス等の基板111の面に被着された陽極144を覆うように有機EL発光層を形成し、その有機EL発光層を覆うように陰極141を形成し、全面に陰極142を形成しており、従って、下面発光136’となる。また、陰極が有機EL発光層間及びMOSTFT上を覆っている。即ち、全面に、例えば緑色発光有機EL層を真空加熱蒸着法等により形成した後に、緑色発光有機EL部をフォトリソグラフィ及びドライエッチングで形成し、連続して同様に、青色、赤色発光有機EL部を形成し、最後に全面に陰極(電子注入層)141をマグネシウム:銀合金又はアルミニウム:リチウム合金により形成する。この全面に更に形成した陰極(電子注入層)で密封するので、外部から有機EL層間に湿気が侵入することを特に全面被着の陰極142により防止して湿気に弱い有機EL層の劣化や電極の酸化を防止し、長寿命、高品質、高信頼性が可能となる(これは、図25の構造例Iでも陽極で全面被覆されているため、同様である)。また、陰極141及び142により放熱効果が高まるので、発熱による薄膜の構造変化(融解又は再結晶化)が低減し、長寿命、高品質、高信頼性が可能となる。しかも、これによって、高精度、高品質のフルカラーの有機EL層を生産性良く作成できるので、コストダウンが可能となる。
【0249】
また、各画素部周辺に図27(C)のようにブラックマスク部(クロム、二酸化クロム等)140を形成すれば、光漏れ(クロストーク等)を防止し、コントラストの向上が図れる。なお、このブラックマスク部140は、酸化シリコン膜143(これはゲート絶縁膜118と同時に同一材料で形成してよい。)によって覆われている。
【0250】
次に、この有機EL素子の製造プロセスを説明すると、まず、図28の(1)に示すように、上述した工程を経て多結晶性シリコン膜からなるソース領域120、チャンネル領域117及びドレイン領域121を形成した後、触媒CVD等の気相成長法によりゲート絶縁膜118を形成し、1%Si入りAlのスパッタリング成膜及び汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりこの上にMOSTFT1、2のゲート電極115を形成し、また1%Si入りAlのスパッタリング成膜及び汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりMOSTFT1のゲート電極に接続されるゲートラインを形成する。そして、触媒CVD等の気相成長法によりオーバーコート膜(酸化シリコン等)137を形成後、1%Si入りAlのスパッタリング成膜及び汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりMOSTFT2のドレイン電極131及びVddラインを形成し、更に触媒CVD等の気相成長法によりオーバーコート膜(酸化シリコン/窒化シリコン積層膜等)136を形成する。
【0251】
次いで、図28の(2)に示すように、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりMOSTFT1のソース/ドレイン部、MOSTFT2のゲート部の窓開けを行った後、図28の(3)に示すように、1%Si入りAlのスパッタリング成膜及び汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、MOSTFT1のドレインとMOSTFT2のゲートを1%Si入りAl配線128で接続し、同時にMOSTFT1のソースに接続される1%Si入りAlからなるソースラインを形成する。そして、オーバーコート膜(酸化シリコン/フォスフィンシリケートガラス/窒化シリコン積層膜など)130を形成し、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりMOSTFT2のソース部の窓開けを行い、ITO等のスパッタリング及び汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりMOSTFT2のソース部と接続した発光部の陽極144を形成する。
【0252】
次いで、図28の(4)に示すように、上記のように有機発光層132等及び陰極141、142を形成する。
【0253】
なお、以下に述べる有機ELの各層の構成材料や形成方法は図27の例に適用されるが、図25の例にも同様に適用されてよい。
【0254】
緑色発光有機EL層に低分子化合物を用いる場合は、ガラス基板上の陽極(ホール注入層)である電流駆動用MOSTFTのソース部とコンタクトしたITO透明電極上に、連続した真空加熱蒸着法により形成する。
1)ホール輸送層は、アミン系化合物(例えば、トリアリールアミン誘導体、アリールアミンオリゴマー、芳香族第三アミン等)等
2)発光層は、緑色発光材料であるトリス(8−ヒドロキシキシリノ)Al錯体(Alq)等
3)電子輸送層は、1,3,4−オキサジアゾール誘導体(OXD)、1,2,4−トリアゾール誘導体(TAZ)等
4)陰極である電子注入層は、4eV以下の仕事関数を有する材料で作られるのが好ましい。
例えば、10:1(原子比)のマグネシウム:銀合金の10〜30nm厚
アルミニウム:リチウム(濃度は0.5〜1%)合金の10〜30nm厚
ここで、銀は有機界面との接着性を増すためにマグネシウム中に1〜10原子%添加され、リチウムは安定化のためにアルミニウム中に濃度は0.5〜1%添加される。
【0255】
緑色画素部を形成するには、緑色画素部をフォトレジストでマスクし、CCl4ガスのプラズマエッチングにより陰極である電子注入層のアルミニウム:リチウム合金を除去し、連続して電子輸送層、発光層、ホール輸送層の低分子系化合物及びフォトレジストを酸素プラズマエッチングで除去し、緑色画素部を形成する。この時に、フォトレジストの下にはアルミニウム:リチウム合金があるので、フォトレジストがエッチングされても問題ない。又、この時に、電子輸送層、発光層、ホール輸送層の低分子系化合物層は、ホール注入層のITO透明電極よりも大きい面積とし、後工程で全面に形成する陰極の電子注入層(マグネシウム:銀合金)と電気的ショートしないようにする。
【0256】
次に、青色発光有機EL層を低分子化合物で形成する場合は、ガラス基板上の陽極(ホール注入層)である電流駆動用TFTのソース部とコンタクトしたITO透明電極上に、連続して真空加熱蒸着により形成する。
1)ホール輸送層は、アミン系化合物(例えば、トリアリールアミン誘導体、アリールアミンオリゴマー、芳香族第三アミン等)等
2)発光層は、青色発光材料であるDTVBiのようなジスチリル誘導体等
3)電子輸送層は、1,3,4−オキサジアゾール誘導体(TAZ)、1,2,4−トリアゾール誘導体(TAZ)等
4)陰極である電子注入層は、4eV以下の仕事関数を有する材料で作られるのが好ましい。
例えば、10:1(原子比)のマグネシウム:銀合金の10〜30nm厚
アルミニウム:リチウム(濃度は0.5〜1%)合金の10〜30nm厚
ここで、銀は有機界面との接着性を増すためにマグネシウム中に1〜10原子%添加され、リチウムは安定化のためにアルミニウム中に濃度は0.5〜1%添加される。
【0257】
青色画素部を形成するには、青色画素部をフォトレジストでマスクし、CCl4ガスのプラズマエッチングで陰極である電子注入層のアルミニウム:リチウム合金を除去し、連続して電子輸送層、発光層、ホール輸送層の低分子系化合物及びフォトレジストを酸素プラズマエッチングで除去し、青色画素部を形成する。この時に、フォトレジストの下にはアルミニウム:リチウム合金があるので、フォトレジストがエッチングされても問題ない。又、この時に、電子輸送層、発光層、ホール輸送層の低分子系化合物層は、ホール注入層のITO透明電極よりも大きい面積とし、後工程で全面に形成する陰極の電子注入層(マグネシウム:銀合金)と電気的ショートしないようにする。
【0258】
また、赤色発光有機EL層を低分子化合物で形成する場合は、ガラス基板上の陽極(ホール注入層)である電流駆動用TFTのソース部とコンタクトしたITO透明電極上に、連続して真空加熱蒸着により形成する。
1)ホール輸送層は、アミン系化合物(例えば、トリアリールアミン誘導体、アリールアミンオリゴマー、芳香族第三アミン等)等
2)発光層は、赤色発光材料であるEu(Eu(DBM)3(Phen))等
3)電子輸送層は、1,3,4−オキサジアゾール誘導体(OXD)、1,2,4−トリアゾール誘導体(TAZ)等
4)陰極である電子注入層は、4eV以下の仕事関数を有する材料で作られるのが好ましい。
例えば、10:1(原子比)のマグネシウム:銀合金の10〜30nm厚
アルミニウム:リチウム(濃度は0.5〜1%)合金の10〜30nm厚
銀は有機界面との接着性を増すためにマグネシウム中に1〜10原子%添加され、リチウムは安定化のためにアルミニウム中に濃度は0.5〜1%添加される。
【0259】
赤色画素部を形成するには、赤色画素部をフォトレジストでマスクし、CCl4ガスのプラズマエッチングで陰極である電子注入層のアルミニウム:リチウム合金を除去し、連続して電子輸送層、発光層、ホール輸送層の低分子系化合物及びフォトレジストを酸素プラズマエッチングで除去し、赤色画素部を形成する。この時に、フォトレジストの下にはアルミニウム:リチウム合金があるので、フォトレジストがエッチングされても問題ない。又、この時に、電子輸送層、発光層、ホール輸送層の低分子系化合物層は、ホール注入層のITO透明電極よりも大きい面積とし、後工程で全面に形成する陰極の電子注入層(マグネシウム:銀合金)と電気的ショートしないようにする。
【0260】
陰極である電子注入層は、4eV以下の仕事関数を有する材料で作られるのが好ましい。例えば、10:1(原子比)のマグネシウム:銀合金の10〜30nm厚、又はアルミニウム:リチウム(濃度は0.5〜1%)合金の10〜30nm厚とする。ここで、銀は有機界面との接着性を増すためにマグネシウム中に1〜10原子%添加され、リチウムは安定化のためにアルミニウム中に濃度は0.5〜1%添加される。なお、スパッタリングで成膜してもよい。
【0261】
第4の実施の形態
本実施の形態は、本発明を電界放出型(フィールドエミッション)ディスプレイ装置(FED:Field Emission Display)に適用したものである。以下にその構造例と製造例を示す。
【0262】
<FEDの構造例I>
図29(A)、(B)、(C)に示すように、この構造例Iによれば、ガラス等の基板111上に、本発明に基づいて上述した方法で形成された高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜によって、スイッチング用MOSTFT1と電流駆動用MOSTFT2のゲートチャンネル117、ソース領域120及びドレイン領域121が形成されている。そして、ゲート絶縁膜118上にゲート電極115、ソース及びドレイン領域上にソース電極127及びドレイン電極128が形成されている。MOSTFT1のドレインとMOSTFT2のゲートとはドレイン電極128を介して接続されていると共に、MOSTFT2のソース電極127との間に絶縁膜136を介してキャパシタCが形成され、かつ、MOSTFT2のドレイン領域121はそのままFED素子のFEC(電界放出カソード)にまで延設され、エミッタ領域152として機能している。
【0263】
各MOSTFTは絶縁膜130で覆われ、この絶縁膜上には、FECのゲート引き出し電極150と同一材料にて同一工程で接地用の金属遮蔽膜151が形成され、各MOSTFT上を覆っている。FECにおいては、多結晶性シリコン膜からなるエミッタ領域152上に電界放出エミッタとなるn型多結晶性シリコン膜153が形成され、更にm×n個の各エミッタに区画するための開口を有するように、絶縁膜118、137、136及び130がパターニングされ、この上面にはゲート引き出し電極150が被着されている。
【0264】
また、このFECに対向して、バックメタル155付きの蛍光体156をアノードとして形成したガラス基板等の基板157が設けられており、FECとの間は高真空に保持されている。
【0265】
この構造のFECにおいては、ゲート引き出し電極150の開口下には、本発明に基づいて形成された多結晶性シリコン膜152上に成長されたn型多結晶性シリコン膜153が露出し、これがそれぞれ電子154を放出する薄膜型のエミッタとして機能する。即ち、エミッタの下地となる多結晶性シリコン膜152は、大粒径(グレインサイズ数100nm以上)のグレインからなっているため、これをシードとしてその上にn型多結晶性シリコン膜153を触媒CVD等によって成長させると、この多結晶性シリコン膜153はさらに大きな粒径で成長し、表面が電子放出にとって有利な微細な凹凸158を生じるように形成されるのである。
【0266】
従って、エミッタが薄膜からなる面放出型であるために、その形成が容易であると共に、エミッタ性能も安定し、長寿命化が可能となる。
【0267】
また、すべての能動素子(これには周辺駆動回路及び画素表示部のMOSTFTとダイオードが含まれる。)の上部にアース電位の金属系遮蔽膜151(この金属系遮蔽膜は、ゲート引き出し電極150と同じ材料(Nb、Ti/Mo、金属シリサイド等)、同じ工程で形成すると工程上都合がよい。)が形成されているので、次の(1)、(2)の利点を得ることができる。
【0268】
(1)気密容器内にあるガスがエミッタ153から放出された電子により正イオン化されて絶縁層上にチャージアップし、この正電荷が絶縁層下にあるMOSTFTに不要な反転層を形成し、この反転層からなる不要な電流経路を介して余分な電流が流れるために、エミッタ電流の暴走が起きる。しかし、MOSTFT上の絶縁層に金属系遮蔽膜151を形成してアース電位に落としているので、チャージアップ防止が可能となり、エミッタ電流の暴走を防止できる。
【0269】
(2)エミッタ153から放出された電子の衝突により蛍光体156が発光するが、この光によりMOSTFTのゲートチャンネル内に電子、正孔が発生し、リーク電流となる。しかし、MOSTFT上の絶縁層に金属系遮蔽膜151が形成されているので、MOSTFTへの光入射が防止され、MOSTFTの動作不良は生じない。
【0270】
また、触媒CVD等により、少なくとも多結晶性シリコンMOSTFTのドレイン領域に連続してn型多結晶性シリコン膜の電子放出体(エミッタ)が形成されているので、その接合性が良好であり、高効率のエミッタ特性が可能となる。
【0271】
また、1つの画素表示部の電子放出体(エミッタ)領域を複数に分割し、それぞれにスイッチング素子のMOSTFTを接続すれば、たとえ1つのMOSTFTが故障しても、他のMOSTFTが動作するので、1つの画素表示部は必ず電子放出する構成となっており、高品質で歩留が高く、コストダウンできる。又、これらのMOSTFTにおいて、電気的オープン不良のMOSTFTは問題ないが、電気的ショートしたMOSTFTはレーザーリペアで分離できるので、高品質で歩留が高く、コストダウンできる。
【0272】
これに比べて、従来のFEDでは、シリコン単結晶基板を用いるために、基板コストが高く、ウエーハサイズ以上の大面積化が困難である。そして、カソード電極表面に減圧CVD等により導電性の多結晶シリコン膜を形成し、その表面にプラズマCVD等により結晶性ダイヤモンド膜を形成して電子放出体を構成することが提案されているが、減圧CVD時の成膜温度が630℃と高く、ガラス基板を採用できないので、コストダウンが難しい。そして、その減圧CVDによる多結晶シリコン膜は粒径が小さく、その上の結晶性ダイヤモンド膜も粒径が小さく、電子放出体の特性が良くない。更に、プラズマCVDのために、反応エネルギーが不足しているので、良い結晶性ダイヤモンド膜は得にくい。又、透明電極又はAl、Ti、Cr等の金属のカソード電極と導電性の多結晶シリコン膜の接合性が悪いので、良好な電子放出特性は得られない。
【0273】
次に、本実施の形態によるFEDの製造プロセスを説明すると、まず、図30の(1)に示すように、上述した工程を経て全面に多結晶性シリコン膜117を形成した後、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりMOSTFT1とMOSTFT2及びエミッタ領域にアイランド化し、プラズマCVD、触媒CVD法等により全面に保護用酸化シリコン膜159を形成する。
【0274】
次いで、MOSTFT1、2のゲートチャンネル不純物濃度の制御によるVthの最適化のために、イオン注入又はイオンドーピング法により全面にボロンイオン83を5×1011atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、1×1017atoms/ccのアクセプタ濃度に設定する。
【0275】
次いで、図30の(2)に示すように、フォトレジスト82をマスクにして、イオン注入又はイオンドーピング法によりMOSTFT1、2のソース/ドレイン部及びエミッタ領域に燐イオン79を1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのドナー濃度に設定し、ソース領域120、ドレイン領域121、エミッタ領域152をそれぞれ形成した後、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりエミッタ領域の保護用酸化シリコン膜を除去する。
【0276】
次いで、図30の(3)に示すように、触媒CVDによりエミッタ領域を形成する多結晶性シリコン膜152をシードに、モノシランとPH3等のドーパントを適量比率で混合し、表面に微細凹凸158を有し、ドーパントを例えば5×1020〜1×1021atoms/cc含有するn型多結晶性シリコン膜153を1〜5μm厚にエミッタ領域に形成し、同時に他の酸化シリコン膜159及びガラス基板111上にはn型アモルファスシリコン膜160を1〜5μm厚に形成する。
【0277】
次いで、図30の(4)に示すように、上述した触媒AHA処理時の活性化水素イオンにより、アモルファスシリコン膜160をエッチング除去し、酸化シリコン膜159のエッチング除去後に触媒CVD等によりゲート絶縁膜(酸化シリコン膜等)118を形成する。
【0278】
次いで、図31の(5)に示すように、スパッタリング法によるMo−Ta合金等の耐熱性金属によりMOSTFT1、2のゲート電極115、MOSTFT1のゲート電極に接続されるゲートラインを形成し、オーバーコート膜(酸化シリコン膜等)137を形成した後、MOSTFT2のソース部窓開け後にスパッタリング法によるMo−Ta合金等の耐熱性金属でMOSTFT2のソース電極127及びアースラインを形成する。更に、プラズマCVD、触媒CVD等によりオーバーコート膜(酸化シリコン/窒化シリコン積層膜など)136を形成し、RTA処理等の1000℃、10〜20秒のイオン活性化処理を行う。
【0279】
次いで、図31の(6)に示すように、MOSTFT1のソース/ドレイン部及びMOSTFT2のゲート部の窓開けを行い、MOSTFT1のドレインとMOSTFT2のゲートを1%Si入りAl配線128で接続し、同時にMOSTFT1のソース電極とそのソースに接続されるソースライン127を形成する。
【0280】
次いで、図31の(7)に示すように、オーバーコート膜(酸化シリコン/フォスフィンシリケートガラス/窒化シリコン積層膜など)130を形成した後、GNDラインの窓開けし、図31の(8)に示すように、ゲート引き出し電極150や金属遮蔽膜151をNb蒸着後のエッチングで形成し、更に電界放出カソード部を窓開けしてエミッタ153を露出させ、上述したバイアス触媒AHA処理の水素系活性種等でクリーニングする。
【0281】
<FEDの構造例II>
図32(A)、(B)、(C)に示すように、この構造例IIによれば、ガラス等の基板111上に、上記の構造例Iと同様に、本発明に基づいて上述した方法で形成された高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜によって、スイッチング用MOSTFT1と電流駆動用MOSTFT2のゲートチャンネル117、ソース領域120及びドレイン領域121が形成されている。そして、ゲート絶縁膜118上にゲート電極115、ソース及びドレイン領域上にソース電極127及びドレイン電極128が形成されている。MOSTFT1のドレインとMOSTFT2のゲートとはドレイン電極128を介して接続されていると共に、MOSTFT2のソース電極127との間に絶縁膜136を介してキャパシタCが形成され、かつ、MOSTFT2のドレイン領域121はそのままFED素子のFEC(電界放出カソード)にまで延設され、エミッタ領域152として機能している。
【0282】
各MOSTFTは絶縁膜130で覆われ、この絶縁膜上には、FECのゲート引き出し電極150と同一材料にて同一工程で接地用の金属遮蔽膜151が形成され、各MOSTFT上を覆っている。FECにおいては、多結晶シリコン膜からなるエミッタ領域152上に電界放出エミッタとなるn型多結晶ダイヤモンド膜163が形成され、更にm×n個の各エミッタに区画するための開口を有するように、絶縁膜118、137、136及び130がパターニングされ、この上面にはゲート引き出し電極150が被着されている。
【0283】
また、このFECに対向して、バックメタル155付きの蛍光体156をアノードとして形成したガラス基板等の基板157が設けられており、FECとの間は高真空に保持されている。
【0284】
この構造のFECは、ゲート引き出し電極150の開口下には、本発明に基づいて形成された多結晶性シリコン膜152上に成長されたn型多結晶ダイヤモンド膜163が露出し、これがそれぞれ電子154を放出する薄膜型のエミッタとして機能する。即ち、エミッタの下地となる多結晶性シリコン膜152は、大粒径(グレインサイズ数100nm以上)のグレインからなっているため、これをシードとしてその上にn型多結晶性ダイヤモンド膜163を触媒CVD等によって成長させると、この多結晶性ダイヤモンド膜163はやはり大粒径で成長し、表面が電子放出にとって有利な微細な凹凸168を生じるように形成されるのである。
【0285】
従って、エミッタが薄膜からなる面放出型であるために、その形成が容易であると共に、エミッタ性能も安定し、長寿命化が可能となる。
【0286】
また、すべての能動素子(これには周辺駆動回路及び画素表示部のMOSTFTとダイオードが含まれる。)の上部にアース電位の金属系遮蔽膜151(この金属系遮蔽膜は、ゲート引き出し電極150と同じ材料(Nb、Ti/Mo、金属シリサイド等)、同じ工程で形成すると工程上都合がよい。)が形成されているので、上述したと同様に、MOSTFT上の絶縁層に金属系遮蔽膜151を形成してアース電位に落とし、チャージアップ防止が可能となり、エミッタ電流の暴走を防止でき、また、MOSTFT上の絶縁層に金属系遮蔽膜151が形成されているので、MOSTFTへの光入射が防止され、MOSTFTの動作不良は生じない。
【0287】
次に、このFEDの製造プロセスを説明すると、まず、図33の(1)に示すように、上述した工程を経て全面に多結晶性シリコン膜117を形成した後、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりMOSTFT1とMOSTFT2及びエミッタ領域にアイランド化し、プラズマCVD、触媒CVD法等により全面に保護用酸化シリコン膜159を形成する。
【0288】
次いで、MOSTFT1、2のゲートチャンネル不純物濃度の制御によるVthの最適化のために、イオン注入又はイオンドーピング法により全面にボロンイオン83を5×1011atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、1×1017atoms/ccのアクセプタ濃度に設定する。
【0289】
次いで、図33の(2)に示すように、フォトレジスト82をマスクにして、イオン注入又はイオンドーピング法によりMOSTFT1、2のソース/ドレイン部及びエミッタ領域に燐イオン79を1×1015atoms/cm2のドーズ量でドーピングし、2×1020atoms/ccのドナー濃度に設定し、ソース領域120、ドレイン領域121、エミッタ領域152をそれぞれ形成した後、汎用フォトリソグラフィ及びエッチング技術によりエミッタ領域の保護用酸化シリコン膜を除去する。
【0290】
次いで、図33の(3)に示すように、触媒CVDによりエミッタ領域を形成する多結晶性シリコン膜152をシードに、モノシランとメタン(CH4)及びドーパントを適量比率混合し、表面に微細凹凸168を有するn型多結晶性ダイヤモンド膜163をエミッタ領域に形成し、同時に他の酸化シリコン膜159及びガラス基板111上にはn型アモルファスダイヤモンド膜170を形成する。
【0291】
次いで、図33の(4)に示すように、上述した触媒AHA処理時の活性化水素イオンにより、アモルファスダイヤモンド膜170をエッチング除去し、酸化シリコン膜159のエッチング除去後に触媒CVD等によりゲート絶縁膜(酸化シリコン膜等)118を形成する。
【0292】
次いで、図34の(5)に示すように、スパッタリング法によるMo−Ta合金等の耐熱性金属によりMOSTFT1、2のゲート電極115、MOSTFT1のゲート電極に接続されるゲートラインを形成し、オーバーコート膜(酸化シリコン膜等)137を形成した後、MOSTFT2のソース部窓開け後にスパッタリング法によるMo−Ta合金等の耐熱性金属でMOSTFT2のソース電極127及びアースラインを形成する。更に、プラズマCVD、触媒CVD等によりオーバーコート膜(酸化シリコン/窒化シリコン積層膜など)136を形成し、RTA等の1000℃、10〜20秒のイオン活性化処理を行う。
【0293】
次いで、図34の(6)に示すように、MOSTFT1のソース/ドレイン部及びMOSTFT2のゲート部の窓開けを行い、MOSTFT1のドレインとMOSTFT2のゲートを1%Si入りAl配線128で接続し、同時にMOSTFT1のソース電極とそのソースに接続されるソースライン127を形成する。
【0294】
次いで、図34の(7)に示すように、オーバーコート膜(酸化シリコン/フォスフィンシリケートガラス/窒化シリコン積層膜など)130を形成した後、GNDラインの窓開けし、図34の(8)に示すように、ゲート引き出し電極150や金属遮蔽膜151をNb蒸着後のエッチングで形成し、更に電界放出カソード部を窓開けしてエミッタ163を露出させ、上述したバイアス触媒AHA処理の水素系活性種でクリーニングする。
【0295】
なお、上記において、多結晶性ダイヤモンド膜163を成膜する際、使用する原料ガスとしての炭素含有化合物は、例えば
1)メタン、エタン、プロパン、ブタン等のパラフィン系炭化水素
2)アセチレン、アリレン系のアセチレン系炭化水素
3)エチレン、プロピレン、ブチレン等のオレフィン系炭化水素
4)ブタジエン等のジオレフィン系炭化水素
5)シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン等の脂環式炭化水素
6)シクロブタジエン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタリン等の芳香族炭化水素
7)アセトン、ジエチルケトン、ベンゾフェノン等のケトン類
8)メタノール、エタノール等のアルコール類
9)トリメチルアミン、トリエチルアミン等のアミン類
10)グラファイト、石炭、コークス等の炭素原子のみからなる物質
であってよく、これらは、1種を単独で用いることもできるし、2種以上を併用することもできる。
【0296】
また、使用可能な不活性ガスは、例えばアルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、ラドンである。ドーパントとしては、例えばホウ素、リチウム、窒素、リン、硫黄、塩素、ひ素、セレン、ベリリウム等を含む化合物又は単体が使用可能であり、そのドーピング量は1020atoms/cc以上であってよい。
【0297】
第5の実施の形態
本実施の形態は、本発明を光電変換装置としての太陽電池に適用したものである。以下にその製造例を示す。
【0298】
まず、図35の(1)に示すように、ステンレス等の金属基板111上に、上述した触媒CVD法等によって、保護膜(図示せず)の形成後に、この上にアモルファス又は微結晶カーボン薄膜100Aを形成する。
【0299】
次いで、図35の(2)に示すように、上述したバイアス触媒AHA処理によって、カーボン薄膜100Aをダイヤモンド構造のカーボン超微粒子層100Bに変化させる。
【0300】
次いで、図35の(3)に示すように、上述した触媒CVD又はバイアス触媒CVD法等によって、カーボン超微粒子層100Bをシードにn型多結晶性シリコン膜7を形成する。この多結晶性シリコン膜7は、上述のマルチ触媒AHA処理により形成してよく、高結晶化率、大粒径の錫又は他のIV族元素(Ge、Pb)の単独又は混合物含有のn型多結晶性シリコン膜として100〜200nm厚に形成する。この多結晶性シリコン膜7には、リン等のn型不純物をPH3等としてモノシランと共に供給して例えば1×1017〜1×1018atoms/cc含有させる。
【0301】
次いで、図36の(4)に示すように、多結晶性シリコン膜7上に、これをシードにして触媒CVD等により錫又は他のIV族元素(Ge、Pb)の単独又は混合物含有のi型多結晶性シリコン膜180、錫又は他のIV族元素(Ge、Pb)の単独又は混合物含有のp型多結晶性シリコン膜181等を成長させ、光電変換層を形成する。
【0302】
例えば、触媒CVDにより、モノシランに水素化錫(SnH4)を適量比率で混合してi型の大粒径の錫含有多結晶性シリコン膜180を2〜5μm厚に成長させ、この上に、モノシランにp型不純物ボロン(B26など)と水素化錫(SnH4)を適量比率混合して、例えば1×1017〜1×1018atoms/cc含有させたp型の大粒径の錫含有多結晶性シリコン膜181を100〜200nm厚に形成する。この時にそれぞれの膜中に錫又は他のIV族元素(Ge、Pb)の単独又は混合物、例えば錫を1×1016atoms/cc以上、好ましくは1×1018〜1×1020atoms/cc含有させることにより、結晶粒界に存在する結晶不整及び応力を低減させるので、キャリア移動度向上を図ることができる(これは、n型又はp型多結晶性シリコン膜7、181を形成する場合も同様である)。
【0303】
また、上述したマルチバイアス触媒AHA処理を行ってよい。例えば、触媒CVD又はバイアス触媒CVDでn型又はp型の錫含有多結晶性シリコン膜を20〜50nm厚に成長させた後、バイアス触媒AHA処理を行い、触媒CVD又はバイアス触媒CVDでn型又はp型の錫含有多結晶性シリコン膜を20〜50nm厚に成長させ、バイアス触媒AHA処理後、更に触媒CVD又はバイアス触媒CVDでn型又はp型の錫含有多結晶性シリコン膜を20〜50nmに成長させた後、バイアス触媒AHA処理を行うように、各処理を必要回数繰り返す方法で成膜してもよい(これはi型多結晶性シリコン膜180の場合も同様である)。この方法によって、より大きい粒径の錫含有多結晶性シリコン膜を形成できる。また、成膜途中で原料ガス供給量を増加して、高速成膜としてもよい。この後に、RTA処理(約1000℃、10〜30秒間)で各層内のイオン活性化する。
【0304】
次いで、図36の(5)に示すように、上記の方法で形成したn−i−p接合の大粒径の錫含有多結晶性シリコン膜の全面に、透明電極182を形成する。例えば、汎用スパッタリング技術により、無反射コート用のITO(Indium Tin Oxide)又はIZO(Indium Zinc Oxide)等の透明電極182を100〜150nm厚に形成する。そして、この上に、汎用スパッタリング技術により、メタルマスクを用いて、所定領域に銀等のくし型電極183を100〜150nm厚に形成する。
【0305】
なお、上記の膜は錫又は他のIV族元素を含有していなくてもよいが、この場合も上記と同様に製造することができる。また、上記のn−i−p接合構造以外にも、p−i−n接合、n−p接合、p−n接合構造も同様に作製することができる。
【0306】
本実施の形態による太陽電池は、本発明に基づく大粒径の多結晶性シリコン膜によって、高キャリア移動度で変換効率の大きい光電変換薄膜を形成でき、良好な表面テクスチャ構造と裏面テクスチャ構造が形成されるので、光封じ込め効果が高く、変換効率の大きい光電変換薄膜を形成できる。これはまた、太陽電池に限らず、電子写真用の感光体ドラム等の薄膜光電変換装置にも有利に利用することができる。
【0307】
これに比べて、従来のこの種の光電変換装置では、RFプラズマCVD、VHFプラズマCVD等によりアモルファスカーボン薄膜を形成し、プラズマ水素処理でカーボン超微粒子を形成してこれを多結晶シリコン結晶成長の核として大粒径多結晶シリコン膜を形成しており、n型多結晶シリコン層とi型多結晶シリコン活性層及びp型多結晶シリコン層を連続成膜し、その全面にITO膜を積層し、最後にくし型電極を形成して、2μm厚程度の薄膜多結晶性シリコン太陽電池を得ている。
【0308】
ところが、この従来法では、次のような欠点を回避できない。
1)RFプラズマCVD、VHFプラズマCVD法等による低温形成の結晶質シリコン系薄膜は、そのエネルギーが低いので、原料ガスの化学的分解反応やプラズマ水素処理が不十分になりやすく、結晶粒径が小さいので、移動度が小さく、しかも粒界の多さやピンホール等のために局部的な電気的ショート又はリークによる過剰電流が発生しやすく、光電変換層として必要な数μmの膜厚に堆積させたときに膜の内部応力や歪が大きくなって、最悪の場合には膜が剥離してしまうという問題がある。これによって、光電変換層の製造歩留や信頼性を著しく低下させ、それを含む光電変換装置の実用化を目指す上で大きな支障となる。
2)RFプラズマCVD、VHFプラズマCVDはエネルギーが低いので、原料ガスの利用効率が5〜10%と低い。このために、生産性が低く、コストダウンしにくい。
【0309】
以上に述べた本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々変形が可能である。
【0310】
例えば、上述した触媒CVD法とバイアス触媒AHA処理の繰り返し回数や各条件は種々変更してよく、用いる基板等の材質も上述したものに限定されることはない。
【0311】
また、本発明は、表示部等の内部回路や周辺駆動回路及び映像信号処理回路及びメモリー回路等のMOSTFTに好適なものであるが、それ以外にもダイオードなどの素子の能動領域や、抵抗、キャパシタンス(容量)、配線、インダクタンス等の受動領域を本発明による多結晶性シリコン膜で形成することも可能である。
【0312】
【発明の作用効果】
本発明は上述したように、基体上に多結晶性半導体薄膜を形成するに際し、前記基体上にアモルファスカーボン又は微結晶カーボン又はこれらの混合物からなるカーボン薄膜を形成し、水素又は水素含有ガスを加熱された触媒体に接触させ、これによって生成した水素系活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記カーボン薄膜に作用させて水素系活性種の作用によりアモルファス構造のカーボンをエッチングして、ダイヤモンド構造のカーボン超微粒子を形成し、このカーボン超微粒子をシード(結晶成長核)に前記半導体材料薄膜を気相成長させているので、次の(1)〜(4)に示すような顕著な作用効果が得られる。
【0313】
(1)加熱された触媒体に水素又は水素含有ガスを接触させて生成した活性種(高温の水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン等の水素系活性種)を任意の電界又は/及び磁界によるバイアス触媒AHA処理により、前記カーボン薄膜に対し吹き付け等で作用させているので、高温の加熱触媒体の輻射熱による加熱も加わって、次の顕著な効果を示す。
【0314】
このバイアス触媒AHA処理は、10〜50Paの水素又は水素含有ガス圧下で、水素を高温の触媒体(融点未満の800〜2000℃、例えばタングステンでは1500〜2000℃)に接触させて、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などを生成し、これを基板上に形成したアモルファスカーボン膜又は微結晶カーボン膜等に吹き付けると(但し、基板温度は特に200〜500℃)、大量の高温の水素系活性種(水素系分子、水素系原子、活性化水素イオン)などが有する熱エネルギーに加えて上記電界又は/及び磁界による加速電界又は/及び磁界での十分な指向性運動エネルギーによりその膜等に移動して、その膜等の温度を局部的に上昇させ、アモルファスカーボン膜や微結晶カーボン膜等は、水素系活性種の作用によりアモルファス成分がエッチング除去されると共に結晶化して、アモルファスカーボン膜又は微結晶カーボン膜等の表面又は基板(例えばガラス基板)上に、ダイヤモンド構造を有するカーボン超微粒子(クラスタ)を確実に安定して点在させることができ、これを次の多結晶性シリコン等の成長の結晶成長核(シード)として有効に働かせることができる。この時、特にゲートチャンネル領域等には島状に点在し、電気抵抗が無視しうる程度に小さいことが必要である。
【0315】
(2)こうしてバイアス触媒AHA処理されて得られるダイヤモンド構造のカーボン超微粒子をシードとして、この上に半導体材料薄膜が多結晶化され易い状態で(多結晶性半導体薄膜として)成長し易くなり、特に次のバイアス触媒AHA処理及び気相成長により、上記多結晶性半導体薄膜上に気相成長されたシリコン膜等はこの多結晶性半導体薄膜をシードとして結晶化が促進されるので、目的とする高結晶化率、高品質の多結晶性半導体薄膜を得ることができる。即ち、バイアス触媒AHA処理により、例えば触媒CVDで成膜されたシリコン膜にアモルファス成分が存在していると、これが水素系活性種の作用によりエッチング除去されて、その上に気相成長するシリコン膜は下地のダイヤモンド構造のカーボン超微粒子をシード(核)にしてより多結晶性シリコン膜化し易く、更には、同様のバイアス触媒AHA処理と気相成長とを繰り返すと、大量の高温の水素系活性種などが有する熱エネルギーが加速電界又は/及び磁界による十分な指向性運動エネルギーによりその膜等に移動して、その膜等の温度を局部的に上昇させ、アモルファスシリコンや微結晶シリコンは多結晶化し、多結晶性シリコンは高結晶化して、高結晶化率、大粒径の多結晶性シリコン膜を形成することができる。この結果、トップゲート型のみならず、ボトムゲート型、デュアルゲート型MOSTFTでも、高いキャリア(電子/正孔)移動度の大粒径の多結晶性シリコン薄膜等が得られるために、この高性能の多結晶性シリコン等の半導体を使用した高速、高電流密度の半導体装置、電気光学装置、更には高効率の太陽電池等の製造が可能となる。
【0316】
(3)このバイアス触媒AHA処理は、プラズマの発生なしに行えるので、プラズマによるダメージがなく、またプラズマ処理に比べ、シンプルで安価な装置を実現できる。
【0317】
(4)基体温度を低温化しても上記活性種のエネルギーが大きいために、目的とするダイヤモンド構造のカーボン超微粒子が確実に安定して得られることから、基体温度を特に300〜400℃と低温化しても、多結晶性半導体薄膜がカーボン超微粒子をシードに効率良く成長し、従って大型で安価な低歪点の絶縁基板(ガラス基板、耐熱性樹脂基板等)を使用でき、この点でもコストダウンが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態によるMOSTFTの製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図2】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図3】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図4】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図5】同、製造に用いる触媒CVD及びバイアス触媒AHA処理用の装置の一状態での概略断面図である。
【図6】同、この装置の他の状態での概略断面図である。
【図7】同、この装置をより詳細に示す概略断面図である。
【図8】同、バイアス方式による装置の概略断面図である。
【図9】同、バイアス方式による他の装置の概略断面図である。
【図10】同、バイアス方式による他の装置の概略断面図である。
【図11】同、この装置を用いた処理時のガス流量のタイミングチャートである。
【図12】同、この装置のガス供給系の概略図である。
【図13】同、処理により得られた半導体膜のラマンスペクトルを比較して示すグラフである。
【図14】同、半導体薄膜の結晶化率を比較して示すグラフである。
【図15】同、触媒体及びこの支持体の純度による膜中の重金属濃度を比較して示すグラフである。
【図16】本発明の第2の実施の形態によるLCDの製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図17】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図18】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図19】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図20】同、LCDの全体の概略レイアウトを示す斜視図である。
【図21】同、LCDの等価回路図である。
【図22】同、LCDの他の製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図23】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図24】同、LCDのMOSTFTを各種示す断面図である。
【図25】本発明の第3の実施の形態による有機EL表示装置の要部の等価回路図(A)、同要部の拡大断面図(B)及び同画素周辺部の断面図(C)である。
【図26】同、有機EL表示装置の製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図27】同、他の有機EL表示装置の要部の等価回路図(A)、同要部の拡大断面図(B)及び同画素周辺部の断面図(C)である。
【図28】同、有機EL表示装置の製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図29】本発明の第4の実施の形態によるFEDの要部の等価回路図(A)、同要部の拡大断面図(B)及び同要部の概略平面図(C)である。
【図30】同、FEDの製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図31】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図32】同、他のFEDの要部の等価回路図(A)、同要部の拡大断面図(B)及び同要部の平面図(C)である。
【図33】同、FEDの製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図34】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図35】本発明の第5の実施の形態による太陽電池の製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【図36】同、製造プロセスを工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
1、61、98、111、157…基板、7、67…多結晶性シリコン膜、
14、67、117…チャンネル、
15、75、102、105、115…ゲート電極、
8、68、103、104、106、118…ゲート絶縁膜、
20、21、80、81、120、121…n+型ソース又はドレイン領域、
24、25、84、85…p+型ソース又はドレイン領域、
27、28、86、92、130、136、137…絶縁膜、
29、30、87、88、89、90、91、93、97、127、128、131…電極、40…原料ガス、42…シャワーヘッド、44…成膜室、
45…サセプタ、46…触媒体、47…シャッター、48…触媒体電源、
49…バイアス電源、94、96…配向膜、95…液晶、
99…カラーフィルタ層、100A…アモルファス又は微結晶カーボン薄膜、
100B…ダイヤモンド構造のカーボン超微粒子層、
100’、140…ブラックマスク層、132、133…有機発光層、
134、135、144…陽極、138、141、142、171…陰極、
150…ゲート引き出し電極(ゲートライン)、151…遮蔽膜、
152…エミッタ、153…n型多結晶性シリコン膜、155…バックメタル、156…蛍光体、158、168…微細凹凸、
163…n型多結晶性ダイヤモンド膜、180…i型多結晶性シリコン膜、
181…p型多結晶性シリコン膜、182…透明電極、183…くし型電極、
200、201…電極、202、203…磁極(永久磁石)、204…電磁石
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for forming a polycrystalline semiconductor thin film such as polycrystalline silicon on a substrate, and a method and apparatus for manufacturing a semiconductor device having the polycrystalline semiconductor thin film on a substrate.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a source, drain, and channel region of a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) such as a MOS TFT (Thin Film Transistor = Thin Film Insulated Gate Field Effect Transistor) is formed of a polycrystalline silicon film, plasma CVD ( CVD: Chemical Vapor Deposition = Chemical Vapor Deposition) and low pressure CVD are used.
[0003]
For example, according to JP-A-6-140325, an amorphous carbon thin film is formed on a glass substrate by plasma CVD, sputtering, or the like, and carbon clusters existing on the surface of the amorphous carbon thin film are stabilized by plasma hydrogen treatment. Further, the amorphous carbon existing in the vicinity thereof is slightly etched. After that, a hydrogen-containing amorphous silicon film (a-Si: H film) is deposited by 2 to 20 μm by plasma CVD. Finally, the temperature of the glass substrate is raised from room temperature to 800 ° C. for 8 to 20 seconds, then rapidly heated with a halogen lamp for 15 to 500 seconds, and further lowered to room temperature for one cycle. A ring process is performed a predetermined number of times, for example, 100 times to form a polycrystalline silicon thin film from the a-Si: H film. This is a so-called high-speed lamp annealing method, in which a polycrystalline silicon film is formed with carbon ultrafine particles as nuclei.
[0004]
In addition, amorphous or polycrystalline silicon formed by plasma CVD, low pressure CVD or the like is simply subjected to high-temperature annealing or as shown in JP-A-7-131030, JP-A-9-116156, and JP-B-7-118443. Although the excimer laser annealing (ELA) treatment has improved the carrier mobility of the polycrystalline silicon film, this method uses 80 to 120 cm.2It was the limit to obtain carrier mobility of about / V · sec. However, the electron mobility of MOSTFT using polycrystalline silicon obtained by amorphous silicon ELA by plasma CVD is 100 cm.2/ V · sec, which can cope with high definition, recently, LCD (Liquid Crystal Display) using a polycrystalline silicon MOSTFT integrated with a driving circuit has been attracting attention (Japanese Patent Laid-Open No. 6). -24433)).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, none of the above methods can avoid the following drawbacks.
[0006]
1) The formation of ultrafine carbon particles (clusters) in the amorphous carbon thin film becomes unstable due to insufficient energy of the thermal decomposition reaction of the source gas by the RF plasma CVD method or the RF / DC mixed plasma CVD method.
2) Hydrogen treatment of RF plasma or RF / DC mixed plasma has low energy of hydrogen molecules / atoms / ions, low etching effect of carbon having an amorphous structure, and carbon cluster formation becomes unstable.
3) The high-speed lamp annealing method is effective when a substrate having a high thermal conductivity is used, but a glass substrate having a low thermal conductivity or the like takes a long time to cool to room temperature, so that the productivity is poor.
[0007]
In addition, when using an excimer laser, there are many problems such as stability of output, productivity, increase in device price due to increase in size, and decrease in yield / quality. Especially in a large glass substrate of 1 m × 1 m. As a result, the above-mentioned problems are enlarged, and it becomes more difficult to improve performance / quality and reduce costs.
[0008]
In addition, in the method of manufacturing a polycrystalline silicon MOSTFT by solid phase growth, a gate SiO that is annealed at 600 ° C. or more for 10 hours and thermally oxidized at about 1000 ° C.2Therefore, it is necessary to employ a semiconductor manufacturing apparatus. For this reason, the substrate size is limited to a wafer size of 8 to 12 inches φ, and high-heat-resistant and expensive quartz glass has to be adopted, which makes it difficult to reduce costs and is used for EVF and data / AV projectors. Is limited.
[0009]
Recently, a catalytic CVD method, which is excellent thermal CVD capable of producing a polycrystalline silicon film, a silicon nitride film, etc. on an insulating substrate such as a glass substrate at a low temperature has been developed (Japanese Patent Publication No. 63-40314, Japanese Patent Publication No. 63-40314). No. 8-250438), and the practical application is being promoted. In the catalytic CVD method, 30 cm without crystallization annealing.2Although carrier mobility of about / V · sec is obtained, it is still insufficient for producing a high-quality MOSTFT device. When a polycrystalline silicon film is formed on a glass substrate, an initial amorphous silicon transition layer (thickness of 5 to 10 nm) is likely to be formed depending on the film forming conditions. Mobility is difficult to obtain. In general, an LCD using a drive circuit integrated type polycrystalline silicon MOSTFT is easy to manufacture with a bottom gate type MOSTFT in terms of yield and productivity, but this problem becomes a bottleneck.
[0010]
An object of the present invention is to provide a method capable of forming a polycrystalline semiconductor thin film such as polycrystalline silicon having a high crystallization rate and high quality easily and at a low cost and in a large area, and an apparatus for carrying out this method. There is to do.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device such as a MOSTFT having such a polycrystalline semiconductor thin film as a constituent part, and an apparatus for carrying out this method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention provides a method for forming a polycrystalline semiconductor thin film on a substrate or a semiconductor device having a polycrystalline semiconductor thin film on a substrate.
Forming a carbon thin film comprising amorphous carbon or microcrystalline carbon or a mixture thereof on the substrate;
Hydrogen or a hydrogen-containing gas is brought into contact with the heated catalyst body, and the activated species produced thereby are allowed to act on the carbon thin film under the action of an electric field or / and a magnetic field lower than the glow discharge starting voltage, to thereby anneal the diamond structure. Forming a carbon ultrafine particle of
Vapor phase growth of a semiconductor material thin film on the carbon ultrafine particles;
This relates to a method for forming a polycrystalline semiconductor thin film, or a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the polycrystalline semiconductor thin film is obtained through the steps.
[0013]
The present invention also provides an apparatus for carrying out the method of the present invention.
Means for forming a carbon thin film comprising amorphous carbon or microcrystalline carbon or a mixture thereof;
Hydrogen or hydrogen-containing gas supply means;
A source gas supply means for a semiconductor material thin film to be the polycrystalline semiconductor thin film;
A catalyst body;
Catalyst body heating means;
A substrate heating means;
An electric field or / and magnetic field applying means for applying an electric field or / and a magnetic field below the glow discharge starting voltage;
An apparatus for forming a polycrystalline semiconductor thin film or an apparatus for manufacturing a semiconductor device is provided.
[0014]
According to the present invention, when forming a polycrystalline semiconductor thin film on a substrate, microcrystalline carbon-containing amorphous carbon (hereinafter referred to as amorphous carbon) or amorphous carbon-containing microcrystalline carbon (hereinafter referred to as microcrystalline carbon) is formed on the substrate. A carbon thin film made of carbon or a mixture thereof, and hydrogen or a hydrogen-containing gas is brought into contact with the heated catalyst body, and the generated active species are subjected to an electric field or / and a magnetic field below the glow discharge start voltage. Since the carbon thin film is annealed by acting on the carbon thin film under the action of the above, the semiconductor material thin film is vapor-phase grown using the carbon ultra fine particles as seeds (crystal growth nuclei). The remarkable effects as shown in the following (1) to (4) can be obtained.
[0015]
(1) Glow discharge starts for hydrogen-based active species (hydrogen-based active species such as high-temperature hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, and activated hydrogen ions) generated by bringing hydrogen or a hydrogen-containing gas into contact with the heated catalyst body By the annealing process (hereinafter referred to as a bias catalyst AHA (Atomic Hydrogen Anneal) process) that is performed under the action of an electric field or / and magnetic field that is lower than the voltage (that is, lower than the plasma generation voltage according to Paschen's law). Since it is made to act on the thin film by spraying or the like, the following remarkable effect is exhibited with the addition of heating by the radiant heat of the high-temperature heating catalyst body.
[0016]
In this bias catalyst AHA treatment, hydrogen is brought into contact with a high-temperature catalyst body (800 to 2000 ° C. below the melting point, for example, 1500 to 2000 ° C. for tungsten) under a hydrogen or hydrogen-containing gas pressure of 10 to 50 Pa, thereby producing a large amount of high temperature. Of hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules / hydrogen-based atoms / activated hydrogen ions, etc.) and sprayed onto the amorphous carbon film or microcrystalline carbon film formed on the substrate (however, the substrate temperature is 200-500 ° C), sufficient directivity in the acceleration electric field and / or magnetic field by the electric field in addition to the thermal energy possessed by a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions, etc.) It moves to the film etc. by sexual kinetic energy and locally raises the temperature of the film etc., and amorphous carbon film and microcrystalline carbon film etc. are amorphous The portion is removed by etching and polycrystallized, and the carbon ultrafine particles (clusters) having a diamond structure are reliably and stably spotted on the surface of an amorphous carbon film or a microcrystalline carbon film or a substrate (for example, a glass substrate). This can be effectively used as a seed for crystal growth of the next polycrystalline silicon or the like. At this time, in particular, the gate channel region and the like are scattered in islands, and the electrical resistance needs to be small enough to be ignored.
[0017]
(2) The diamond-structured carbon ultrafine particles obtained by the bias catalyst AHA treatment are used as seeds, and the semiconductor material thin film is easily grown on the polycrystalline material (as a polycrystalline semiconductor thin film). By the subsequent bias catalyst AHA treatment and vapor phase growth, crystallization of the silicon film or the like grown on the polycrystalline semiconductor thin film is promoted by using the polycrystalline semiconductor thin film as a seed. A polycrystalline semiconductor thin film having a high crystallization rate and high quality can be obtained. That is, if there is an amorphous component in the silicon film formed by catalytic CVD, for example, by the bias catalyst AHA treatment, this is removed by etching, and the silicon film that is grown in the vapor phase is removed from the underlying polycrystalline silicon. A thin film is used as a seed (crystal growth nucleus) to make a polycrystalline silicon film more easily. Furthermore, if the same bias catalyst AHA treatment and vapor phase growth are repeated, a large amount of high-temperature hydrogen-based active species has thermal energy. Moves to the film or the like by sufficient directional kinetic energy due to the acceleration electric field or / and the magnetic field, and locally raises the temperature of the film or the like, and amorphous silicon or microcrystalline silicon is polycrystallized. Can be highly crystallized to form a polycrystalline silicon thin film having a high crystallization rate and a large grain size. As a result, not only the top gate type, but also the bottom gate type and dual gate type MOS TFT can obtain a large grain polycrystalline silicon thin film with high carrier (electron / hole) mobility. High-speed, high current density semiconductor devices, electro-optical devices, and high-efficiency solar cells using semiconductors such as polycrystalline silicon can be manufactured.
[0018]
(3) Since this bias catalyst AHA treatment can be performed without generating plasma, there is no damage caused by plasma, and a simpler and cheaper apparatus can be realized as compared with plasma treatment.
[0019]
(4) Since the energy of the active species is large even when the substrate temperature is lowered, carbon ultrafine particles having a target diamond structure can be obtained stably and reliably, and the substrate temperature is particularly low at 200 to 400 ° C. Even if it is changed, the polycrystalline semiconductor thin film grows efficiently using carbon ultrafine particles as a seed, so that large and inexpensive low-strain-point insulating substrates (glass substrates, heat-resistant resin substrates, etc.) can be used. Down is possible.
[0020]
In the present invention, diamond-structured carbon ultrafine particles formed by the above-described bias catalyst AHA treatment have a particle diameter of 10 nm or less and 1 to 100 / μm.2It is desirable that the area ratio is scattered. The polycrystalline semiconductor thin film is based on a polycrystal having a large particle size (generally several hundred nm or more in grain size) from which an amorphous component has been removed or may be present in a very small amount. Consists of a containing structure. The above-mentioned semiconductor material thin film which becomes the polycrystalline semiconductor thin film is a low crystalline semiconductor thin film other than polycrystal, and has a structure based on a microcrystal containing an amorphous component, a so-called microcrystalline semiconductor thin film. Or a structure based on an amorphous (amorphous) containing microcrystals, that is, a so-called amorphous semiconductor thin film, this is polycrystallized by using the above-mentioned carbon ultrafine particles as seeds. .
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method and apparatus of the present invention, the carbon thin film is grown by vapor phase growth method (catalytic CVD method, plasma CVD method, low pressure CVD method, atmospheric pressure CVD method, photo CVD method, high density plasma CVD method (ECR plasma CVD or the like). ), High-density catalytic CVD method (a combination of high-density plasma CVD and catalytic CVD), etc .: hereinafter the same) or physical film-forming methods (sputtering method, etc .: hereinafter the same) It is good to form by a phase growth method. In this case, at least a part of the raw material gas and hydrogen or a hydrogen-containing gas (hydrogen gas + inert gas) is preferably brought into contact with the catalyst body heated to a temperature lower than the melting point (for example, 1600 to 1800 ° C.). If necessary, reactive species such as radicals and ions generated by catalytic decomposition are deposited on the heated substrate under the action of an electric field or / and magnetic field below the glow discharge starting voltage, and the carbon thin film and It is preferable that the semiconductor material thin film is vapor-phase grown by catalytic CVD (bias catalytic CVD in the case of the electric field or / and magnetic field). Further, after the vapor phase growth, the supply of the raw material gas is stopped, and desirably, a catalyst body heated to a temperature lower than the melting point (this may be the same as the catalyst body, but it is different. And at least a part of the hydrogen or hydrogen-containing gas may be contacted, and the hydrogen-based active species such as high-temperature hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, and activated hydrogen ions generated thereby The annealing may be performed by applying a bias catalyst AHA treatment to the semiconductor material thin film.
[0022]
In this case, the supply amount of hydrogen or hydrogen-containing gas at the time of annealing is made larger than the supply amount of hydrogen or hydrogen-containing gas at the time of vapor phase growth. For example, the hydrogen-based carrier gas used in vapor phase growth is hydrogen or a mixed gas of hydrogen and an inert gas (argon, helium, xenon, krypton, radon, etc., which has good thermal conductivity and contributes to improved reactivity). In the case of a mixed gas, the hydrogen content ratio is 70 to 80 mol% or more, whereby oxidation deterioration of the catalyst body can be prevented. The hydrogen or hydrogen-containing gas used during the treatment of the bias catalyst AHA may be the same as the hydrogen-based carrier gas used during vapor phase growth. For example, the gas flow rate is 300 to 1000 SCCM (Standard cc per minute), and the gas pressure is 10 to 50 Pa. (Gas pressure during catalytic CVD is 0.1 to several Pa), and it is preferable to increase the heat conduction by gas and increase the amount of hydrogen-based active species generated.
[0023]
In addition, after vapor growth of the semiconductor material thin film, hydrogen or a hydrogen-containing gas is brought into contact with a heated catalyst body, and hydrogen-based activity such as high-temperature hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, and activated hydrogen ions generated thereby. Annealing is performed by applying seeds to the semiconductor material thin film under the action of an electric field or / and a magnetic field below the glow discharge starting voltage, and if necessary, vapor phase growth of the semiconductor material thin film similar to the semiconductor material thin film and the annealing It is desirable to repeat. For this purpose, it is preferable to have a control means for controlling the source gas supply means and the hydrogen or hydrogen-containing gas supply means.
[0024]
That is, the process of vapor-phase-growing a semiconductor material thin film on the polycrystalline semiconductor thin film obtained by the bias catalyst AHA treatment and the annealing process are repeated until the desired film thickness is obtained, so to speak, a multi-step of two steps or more. By the bias catalyst AHA treatment, the semiconductor material thin film is easily grown on the base film already polycrystallized by the bias catalyst AHA treatment, using this as a seed, and is easily crystallized, and has a desired high crystallization rate. A high-quality polycrystalline semiconductor film can be obtained with a predetermined film thickness. That is, by using a multi-bias catalyst AHA process that repeats a catalytic CVD or a bias catalyst CVD and a bias catalyst AHA process, for example, polycrystalline silicon formed on a carbon ultrafine particle layer by catalytic CVD is seeded by a bias catalyst AHA process. A polycrystalline silicon film having a high crystallization rate and a large grain size can be formed by vapor-phase-growing a semiconductor material thin film on the surface by catalytic CVD or bias catalytic CVD and further performing a bias catalyst AHA treatment.
[0025]
Specifically, in a silicon film, the thermal energy of a large amount of high-temperature hydrogen-based active species moves with sufficient directional kinetic energy in the accelerating electric field generated by the electric field, and the temperature of the film is localized. As a result, the amorphous silicon and the like are polycrystallized, and the polycrystalline silicon is highly crystallized, so that a polycrystalline silicon film having a large grain size is easily formed. Thus, the carrier mobility can be improved.
[0026]
In addition, when silicon oxide is present on the polycrystalline silicon film or in the film or at the grain boundary, the hydrogen-based active species react with this to generate SiO and evaporate, so that on the polycrystalline silicon film or Silicon oxide in the film can be reduced / removed, and carrier mobility can be improved.
[0027]
Further, in the case of this bias catalytic CVD process, the type and temperature of the catalyst body, the type and amount of electric field or / and magnetic field applied, the substrate heating temperature, the vapor deposition conditions, the type of source gas, the n-type or p-type impurities to be added A polycrystalline silicon film having a wide range of n-type or p-type impurity concentration can be easily obtained depending on the concentration and the like, and a polycrystalline silicon film having a large grain size can be formed by the bias catalyst AHA treatment. Vth(Threshold) adjustment is easy, and high-speed operation with low resistance is possible.
[0028]
When microcrystalline silicon is formed by plasma CVD and this is subjected to bias catalyst AHA treatment, hydrogen contained in the microcrystalline silicon film by plasma CVD is reduced / removed by bias catalyst AHA treatment. Therefore, a polycrystalline silicon film having a large particle size can be formed, and thus a polycrystalline silicon film having a large carrier mobility can be formed. Furthermore, a polycrystalline silicon film having a wide range of n or p-type impurity concentration can be easily obtained depending on the substrate heating temperature, vapor phase deposition conditions, source gas type, bias catalyst AHA treatment conditions, added n or p-type impurity concentration, etc. Therefore, V with high carrier mobilitythAdjustment is easy and high-speed operation with low resistance is possible.
[0029]
In addition, when the bias catalyst AHA treatment is performed after film formation by sputtering, a wide range of n depends on the specific resistance of the silicon target (concentration of added n or p-type impurities), sputtering film formation conditions, substrate heating temperature, bias catalyst AHA treatment conditions, and the like. Alternatively, since a polycrystalline silicon film having a p-type impurity concentration can be easily obtained, V can be obtained with high carrier mobility.thAdjustment is easy and high-speed operation with low resistance is possible.
[0030]
When CVD is performed by bias catalytic CVD under the action of the bias electric field and / or magnetic field (and further when the bias catalyst AHA treatment and bias catalytic CVD are repeated), in addition to the catalytic action of the catalyst body and its thermal energy, Since an accelerating electric field or / and magnetic field is applied by the voltage, kinetic energy is increased and can be efficiently guided onto the substrate, and migration in the substrate and diffusion in the film during the generation process are sufficient. Therefore, compared with the conventional catalytic CVD method, the kinetic energy of the reactive species generated in the catalyst body can be controlled independently by an electric field or / and a magnetic field, so the reactive species generated by decomposition of the raw material gas by the catalytic body. (Deposition species or precursors thereof and radical ions) are sufficiently diffused in the film during migration and generation processes on the substrate, so that the adhesion of the generated film to the substrate is improved, the density of the generated film is increased, and the generation is performed. Improves film uniformity or smoothness, improves embedding in via holes and step coverage, further lowers the substrate temperature, controls the stress of the generated film, and provides high reaction gas utilization efficiency and production speed Speed up and reduce costs.
[0031]
Specifically, in any of catalytic CVD, bias catalytic CVD, catalytic AHA treatment, and bias catalytic AHA treatment, the catalyst body is heated to a temperature in the range of 800 to 2000 ° C. and lower than its melting point (for example, Energized and heated by its own resistance heating), and the heated catalyst body generates at least a part of the source gas and / or the hydrogen or hydrogen-containing gas (carrier gas) by catalytic reaction or pyrolysis reaction The reactive species or hydrogen-based active species can be deposited as a thin film on a substrate heated to 200 to 800 ° C., or the thin film can be annealed. Such catalyst body temperature and the following catalyst body material may be the same for the catalyst CVD, the bias catalyst CVD, the catalyst AHA, and the bias catalyst AHA treatment.
[0032]
Here, when the heating temperature of the catalyst body is less than 800 ° C., the catalytic reaction or thermal decomposition reaction becomes insufficient, and the deposition rate of the reactive species and the thermal energy of the hydrogen-based active species tend to decrease, and 2000 ° C. is reduced. If exceeded, the constituent material of the catalyst body will be mixed into the deposited film, impairing the electrical characteristics of the film, resulting in deterioration of the film quality, and heating beyond the melting point of the catalyst body will be lost because its morphological stability is lost. It is good to do. The heating temperature of the catalyst body is preferably below 1100 ° C. to 1800 ° C. below the melting point of its constituent materials.
[0033]
The catalyst body can be formed of at least one material selected from the group consisting of tungsten, tria-containing tungsten, molybdenum, platinum, palladium, vanadium, silicon, alumina, ceramics with metal attached, and silicon carbide.
[0034]
The purity of the polycrystalline semiconductor thin film formed by setting the purity of the catalyst body and the support body supporting the catalyst body to 99.99 wt% (4N) or more, preferably 99.999 wt% (5N) or more. Heavy metal contamination can be reduced.
[0035]
In addition, the substrate temperature is preferably 200 to 800 ° C., more preferably 300 to 400 ° C., whereby efficient and high quality film formation can be performed. When the substrate temperature is high, inexpensive borosilicate glass and aluminosilicate glass cannot be used, and the impurity doping concentration distribution is likely to change due to the influence of heat.
[0036]
As the electric field in the bias catalyst AHA treatment (or bias catalyst CVD), a direct current voltage lower than the glow discharge start voltage (that is, a plasma generation voltage or less determined by Paschen's law, for example, 1 kV or less, several tens of volts or more) is applied, It is desirable to direct hydrogen-based active species or the like toward the substrate.
[0037]
And, as the electric field, a voltage obtained by superimposing an alternating voltage (a high frequency voltage and / or a low frequency voltage) on a direct current voltage (DC) that is equal to or lower than a glow discharge start voltage (that is, a plasma generation voltage or lower determined by Paschen's law, For example, when applying 1 kV or less and several tens of volts or more), the kinetic energy due to a subtle electric field change can be given to the hydrogen-based active species (or reactive species) by the AC voltage superimposed on the DC voltage. In addition to the effect, films with various shapes can be annealed effectively enough, or the substrate surface with complex shapes (such as uneven steps and high aspect ratio via holes) has good step coverage and is uniform A film with high adhesion and density can be formed. The same effect as this is also obtained when an AC voltage (a high frequency voltage and / or a low frequency voltage) is applied as the voltage for forming the electric field (however, the absolute value is equal to or lower than the glow discharge start voltage). can get. In the above, the AC voltage means only a high frequency voltage, only a low frequency voltage, or a voltage obtained by superimposing a high frequency voltage on a low frequency voltage.
[0038]
In the above case, the AC voltage may be a high frequency voltage (RF) and / or a low frequency voltage (AC), but the frequency of the high frequency voltage is preferably 1 to 100 MHz and the frequency of the low frequency voltage is preferably less than 1 MHz.
[0039]
The electric field is applied by applying a positive DC voltage to the electrode and applying a negative DC voltage (or ground) to the susceptor (substrate), or a ground potential to the electrode, or a negative voltage or low frequency (or high frequency) to the susceptor (substrate). Any method of applying a voltage may be used. This may be determined according to the device structure, the type of power supply, the bias effect, and the like.
[0040]
And the said catalyst body can be installed between the said base | substrate or the said susceptor, and the said electrode for electric field application. In this case, a gas supply port for leading out the hydrogen or the hydrogen-containing gas and the raw material gas is preferably formed in the electrode.
[0041]
The catalyst body and the electrode for applying an electric field may be installed between the base body or the susceptor and the gas supply means. The electrode is preferably formed of a high heat-resistant material, for example, a material having the same or higher melting point as the catalyst body (hereinafter the same).
[0042]
The catalyst body or the electrode for applying an electric field may be formed in a coil shape, a wire shape, a mesh shape, or a porous plate shape, and a plurality or a plurality of electrodes may be arranged along the gas flow. As a result, the gas flow can be effectively formed, the contact area between the catalyst body and the gas can be increased, and the catalytic reaction can be sufficiently caused. In the case where a plurality or a plurality of plates are arranged along the gas flow, they may be catalyst bodies or electrodes made of the same material or different materials. Also, different electric fields such as DC and AC / DC, DC and RF / DC, AC / DC and RF / DC are applied to each of the catalyst bodies arranged in plural or plural, and controlled independently. Also good.
[0043]
The bias catalyst AHA treatment can be performed by the following methods (1) to (3).
(1) Electric field application
When catalytic AHA treatment, so-called electric field bias catalyst AHA treatment, is performed under the action of an appropriate electric field below the glow discharge starting voltage, hydrogen gas or hydrogen-based gas (hydrogen + inert gas) is subjected to catalytic reaction or catalytic decomposition reaction of the catalyst body. The generated hydrogen-based active species interacts with the electric field and is directed in a certain direction, and is given directional kinetic energy to act on the fine particle layer on the substrate.
[0044]
(2) Magnetic field application
When catalytic AHA treatment, so-called magnetic field biased catalyst AHA treatment, is performed under the action of an appropriate magnetic field, hydrogen gas or hydrogen-based gas (hydrogen + inert gas) is generated by catalytic reaction or catalytic cracking reaction of the catalyst body. The system active species interacts with the magnetic field and is directed in a certain direction, imparting directional kinetic energy, and acts on the fine particle layer on the substrate.
[0045]
(3) Electric field and magnetic field application
When an appropriate electric field equal to or lower than the glow discharge starting voltage and an appropriate magnetic field are simultaneously applied to perform catalyst AHA treatment, so-called electric field / magnetic field bias catalyst AHA treatment, hydrogen gas or hydrogen-based gas (hydrogen + inert gas) is generated. Hydrogen-based active species generated by catalytic reaction or catalytic cracking reaction of the catalyst body are directed in a certain direction by the interaction of electric and magnetic fields, and direct kinetic energy is applied to act on the fine particle layer on the substrate. To do.
[0046]
Due to the bias effect as described above, amorphous components in carbon thin films and lower crystalline semiconductor thin films can be selectively and efficiently selected by a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions). Etched, for example, amorphous silicon-containing microcrystalline silicon or microcrystalline silicon-containing amorphous silicon is polycrystallized by etching an amorphous component, and amorphous silicon and microcrystalline silicon-containing polycrystalline silicon are highly crystallized to form a polycrystalline silicon film. Is formed efficiently.
[0047]
Moreover, said bias catalyst CVD method can be performed by the following methods (1) to (3).
(1) Electric field application
When catalytic CVD, or so-called field-biased catalytic CVD, is performed under the action of an electric field lower than the glow discharge starting voltage, the deposition species generated by the catalytic reaction or catalytic decomposition reaction of the catalytic body, for example, the electron spin of silicon atoms interact with the electric field. In this state, the crystal orientations of silicon deposited on the substrate are aligned.
[0048]
(2) Magnetic field application
When catalytic CVD under the action of an appropriate magnetic field, so-called magnetic field bias catalytic CVD, deposition species generated by catalytic reaction or catalytic decomposition reaction of the catalytic body, for example, the electron spin of silicon atoms interacts with the magnetic field and becomes constant. The crystal orientation of silicon deposited on the substrate in this state is aligned.
[0049]
(3) Electric field and magnetic field application
When an appropriate electric field below the glow discharge starting voltage and an appropriate magnetic field are simultaneously applied to perform catalytic CVD, so-called electric field / magnetic field bias catalytic CVD, the deposited species generated by catalytic reaction or catalytic decomposition reaction of the catalyst body, For example, the electron spin of silicon atoms is further directed in a certain direction due to the interaction between the electric field and the magnetic field, and the crystal orientation of silicon deposited on the substrate is aligned in this state.
[0050]
Due to the bias effect as described above,
(1) Since the crystal orientations of the crystallized film are almost aligned, the electron potential barrier of the grain boundary is lowered, and the carrier mobility is increased.
(2) By aligning the crystal grains, the surface of the polycrystalline silicon thin film is eliminated and the surface of the thin film is flattened, so the interface state with the gate insulating film, etc. formed in contact with the surface is good. Thus, carrier mobility is improved, breakdown voltage is improved, and TFT characteristics are improved.
The effect is obtained.
[0051]
For example, when a polycrystalline silicon film is formed by a normal thermal CVD method, the substrate temperature needs to be about 600 to 900 ° C. When this is formed by catalytic CVD (or bias catalytic CVD), Is advantageous because it enables thermal CVD at low temperatures as described above without requiring plasma or photoexcitation. Since the substrate temperature at the time of catalytic CVD (or bias catalytic CVD) is low as described above, a glass such as borosilicate glass or aluminosilicate glass having a low strain point of 470 to 670 ° C. as a substrate, for example, a glass substrate. Can be used. This is inexpensive, can be easily reduced in thickness, can be increased in size (1 m × 1 m or more), and a long rolled glass plate can be produced. For example, a thin film can be produced continuously or discontinuously on a long rolled glass plate using the above method.
[0052]
In the case of a carbon thin film, the raw material gas used for vapor phase growth by catalytic CVD according to the present invention includes hydrocarbons such as methane, ethane, and propane or derivatives thereof. In the case of a semiconductor material thin film, silicon hydride or a derivative thereof, a mixture of silicon hydride or a derivative thereof and a gas containing hydrogen, germanium or tin, silicon hydride or a derivative thereof and a periodic table group III or group V Mixtures of gases containing impurities consisting of elements, mixtures of silicon hydride or derivatives thereof with gases containing hydrogen, germanium or tin, and gases containing impurities consisting of Group III or V elements of the periodic table, etc. Is mentioned.
[0053]
By using the raw material gas as described above, an amorphous or microcrystalline carbon thin film (particle diameter is 10 nm or less) can be formed. In addition, as the polycrystalline semiconductor thin film, a polycrystalline silicon film, a polycrystalline germanium film, or a polycrystalline silicon germanium film can be formed.
[0054]
And, at the time of or after the growth of the semiconductor material thin film, the total amount of at least one group IV element such as tin, germanium, lead, etc. is appropriate (1016atoms / cc or more, for example, 1018-1020atoms / cc) (further, the annealing step by the catalyst AHA treatment is performed in this state), the irregularities existing in the grain boundaries of the polycrystalline semiconductor thin film are reduced, and the film stress is reduced. Therefore, it becomes easy to obtain a polycrystalline semiconductor with high carrier mobility and high quality. Since these group IV elements do not generate electrons or holes in the silicon film, TFT characteristics are not impaired and gettering is not necessary. This group IV element can be mixed in the source gas as a gas component, or can be contained in the semiconductor material thin film by ion implantation or ion doping. Further, the oxygen, nitrogen and carbon concentrations in the polycrystalline semiconductor film formed according to the present invention are 1 × 10 3 respectively.19atoms / cc or less, preferably 5 × 1018atoms / cc or less is preferable, and the hydrogen concentration is preferably 0.01 atomic% or more. The sodium (Na) concentration is 1 × 10 in the SIMS lowest concentration region.18atoms / cc or less is preferred.
[0055]
In addition, it is desirable to heat-treat the catalyst body in a hydrogen-based gas atmosphere before supplying the source gas. This is because, if the catalyst body is heated before the supply of the source gas, the constituent material of the catalyst body is released and may be mixed into the film formed, but the catalyst body is heated in a hydrogen-based gas atmosphere. This can eliminate such contamination. Therefore, it is preferable to heat the catalyst body in a state where the film formation chamber is filled with the hydrogen-based gas, and then supply a source gas (so-called reaction gas) using the hydrogen-based gas as a carrier gas.
[0056]
The bias catalyst AHA treatment has an action of selectively removing an amorphous component in the polycrystalline semiconductor thin film by the action of a hydrogen-based active species or the like, and has a high crystallization rate, a large particle size (particularly a grain size of several times). (100 nm or more) is a treatment for forming a polycrystalline thin film and activating carrier impurities in the film. At this time, the catalyst body temperature is 1600 to 1800 ° C., and the distance between the substrate and the catalyst body is It may be arbitrarily changed in order to improve the processing effect such as shortening the processing time by 20 to 50 mm.
[0057]
With the polycrystalline semiconductor thin film obtained by the treatment of the present invention, the channel, source and drain regions of MOSTFT, wiring, resistance, capacitance, electron emitter, or the like can be formed. In this case, after the channel, source and drain regions are formed, if these regions are subjected to the bias catalyst AHA treatment or the catalyst AHA treatment, the n-type or p-type impurities in the film can be activated. Further, this catalyst AHA treatment (or bias catalyst AHA treatment) turns into a polycrystalline silicon film having a high crystallization rate and a large grain size, and a gate insulating film (SiO2) is subsequently formed by catalytic CVD.2, SiOxNy, SiO2/ SiN, etc.) can be formed. A polycrystalline silicon film having a high crystallization rate and a large grain size by forming a gate channel, a source and a drain region on a lower crystalline semiconductor thin film containing a group IV element such as Sn, Ge, Pb, etc., and then performing a bias catalyst AHA treatment In succession, the gate insulating film (SiO2) is formed by catalytic CVD.2, SiOxNy, SiO2/ SiN etc.) can also be formed.
[0058]
In addition, in order to reduce oxygen penetration from the outside into the polycrystalline semiconductor thin film such as polycrystalline silicon, the crystal grain size is reduced from the gate insulating film side to the outside in the polycrystalline silicon film. The polycrystalline semiconductor thin film is preferably covered with an amorphous semiconductor film such as amorphous silicon or a fine grain layer and an amorphous semiconductor film such as amorphous silicon. In this case, by using general-purpose photolithography and etching techniques, the fine particle size layer or the amorphous semiconductor film can be removed, and the source and drain electrodes in contact with the large particle size layer (the polycrystalline semiconductor thin film) can be formed.
[0059]
The present invention relates to a silicon semiconductor device, a silicon semiconductor integrated circuit device, a silicon-germanium semiconductor device, a silicon-germanium semiconductor integrated circuit device, a compound semiconductor device, a compound semiconductor integrated circuit device, a silicon carbide semiconductor device, a silicon carbide semiconductor integrated circuit device, Liquid crystal display device, organic or inorganic electroluminescence (EL) display device, field emission display (FED) device, light emitting polymer display device, light emitting diode display device, CCD area / linear sensor device, MOS sensor device, solar cell device It is suitable for forming a thin film.
[0060]
In this case, when manufacturing a semiconductor device having an internal circuit and a peripheral circuit, a solid-state imaging device, an electro-optical device, etc., the channel, source and drain regions of the MOSTFT constituting at least a part thereof are formed by the polycrystalline semiconductor thin film. In addition, it may be a peripheral drive circuit integrated type configuration.
[0061]
Moreover, it is good to set it as the EL element structure which has the cathode or anode connected to the drain or source of the said MOSTFT in the lower layer of the organic or inorganic electroluminescent layer for each color, respectively.
[0062]
In this case, if the cathode is also covered on the active elements such as the MOSTFT and the diode, the light emitting area is increased in the structure having the anode on the upper side, and the emitted light is incident on the active element due to the light shielding action of the cathode. Therefore, it is possible to prevent a leak current from being generated. Further, if the cathode or anode is deposited on the entire surface of each organic or inorganic EL layer for each color and between the respective layers, the entire surface is covered with the cathode or anode, so that the organic EL is weak against moisture. Prevents layer degradation and electrode oxidation, enabling long life, high quality, and high reliability. Covering with a cathode increases the heat dissipation effect, so the structure of the thin film changes due to heat generation (melting or recrystallization). As a result, a long life, high quality, and high reliability can be achieved. In addition, a high-precision, high-quality full-color organic EL layer can be formed with high productivity, so that the cost can be reduced.
[0063]
Further, when a black mask layer of chromium, chromium dioxide or the like is formed between the organic or inorganic EL layers for each color, light leakage between each color or between pixels is prevented, and the contrast is improved.
[0064]
When the present invention is applied to a field emission display device, the emitter (field emission cathode) is connected to the drain of the MOSTFT through the polycrystalline semiconductor thin film and grown on the polycrystalline semiconductor thin film. The n-type polycrystalline semiconductor film or the polycrystalline diamond film is preferably used.
[0065]
In this case, a metal-based shielding film having a ground potential on the active element such as the MOSTFT or the diode (this is advantageous in terms of simplification of the process and the like when formed in the same process with the same material as the gate extraction electrode of the FED device). In other words, the gas in the hermetic container is positively ionized by electrons emitted from the emitter and is charged up on the insulating layer, and this positive charge forms an unnecessary inversion layer on the active element under the insulating layer. It is possible to prevent the emitter current from running away due to the formation or excessive current flowing through this inversion layer. Further, when the phosphor emits light due to collision of electrons emitted from the emitter, it is possible to prevent leakage current from being generated due to the generation of electrons and holes in the gate channel of the TFT due to this light.
[0066]
Next, the present invention will be described in more detail with respect to preferred embodiments.
[0067]
First embodiment
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0068]
In this embodiment, the present invention is applied to a top gate type polycrystalline silicon CMOS (Complementary MOS) TFT.
[0069]
<Catalytic CVD method, bias catalyst AHA treatment and apparatus>
First, the bias catalyst CVD method (or catalyst CVD method) and the bias catalyst AHA treatment used in the present embodiment will be described. In the catalytic CVD method, a reaction gas composed of a hydrogen-based carrier gas and a source gas such as silane gas is brought into contact with a heated catalyst body such as tungsten, and the radical deposition species generated thereby or its precursor and activated hydrogen are contacted. High energy is applied to hydrogen-based active species such as ions (in the case of bias catalytic CVD, direct kinetic energy is applied by the action of an electric field lower than the glow discharge starting voltage), and amorphous silicon-containing microcrystalline silicon, etc. Crystalline semiconductor thin films and amorphous or microcrystalline carbon thin films are vapor-phase grown. Then, after the film formation, the supply of the source gas is stopped and only the hydrogen-based carrier gas is supplied to perform the bias catalyst AHA treatment of the thin film (the bias catalyst AHA treatment and the catalytic CVD are repeated as necessary). ). In other words, amorphous component silicon is reductively etched by hydrogen-based active species such as high-temperature hydrogen molecules, hydrogen atoms, and activated hydrogen ions, and a high crystallization ratio of a predetermined film thickness, a large grain size of polycrystalline silicon, etc. A crystalline semiconductor thin film is obtained, or diamond-structured carbon ultrafine particles are formed, or polycrystalline silicon or the like is grown to a large particle size using these carbon ultrafine particles as seeds (crystal growth nuclei). By repeating these bias catalyst AHA treatment and catalytic CVD, a polycrystalline semiconductor thin film such as polycrystalline silicon having a larger particle diameter and a predetermined film thickness is obtained.
[0070]
In the bias catalyst AHA treatment and the bias catalyst CVD, a DC voltage not higher than a glow discharge start voltage (a DC voltage determined by Paschen's law, for example, a voltage not higher than 1 kV) is applied between the substrate and the counter electrode, and the hydrogen System active species, or the radical deposition species or precursors thereof, and radical hydrogen ions are directed toward the substrate. Hereinafter, the AHA process and the CVD method according to the present embodiment are referred to as a DC bias catalyst AHA process and a DC bias catalyst CVD method, but the same applies to the case of AC bias (RF) or AC / DC superimposed bias (RF / DC). is there.
[0071]
This DC bias catalyst AHA treatment or CVD method is carried out using an apparatus as shown in FIGS.
[0072]
According to this apparatus, a hydrogen-based carrier gas and a source gas 40 such as silicon hydride (for example, monosilane) (and B B if necessary)2H6And PHThreeIncluding a doping gas such as ) Is introduced from a supply conduit 41 into a chamber 44 for film formation or annealing through a supply port (not shown) of a shower head 42. Inside the chamber 44 are a susceptor 45 for supporting the substrate 1 such as glass, a shower head 42 with good heat resistance (desirably having a melting point equal to or higher than that of the catalyst body 46), and, for example, A catalyst body 46 such as coiled tungsten and a shutter 47 that can be opened and closed are arranged. A magnetic seal 52 is provided between the susceptor 45 and the chamber 44. The chamber 44 is followed by a front chamber 53 that performs a pre-process, and is exhausted through a valve 55 by a turbo molecular pump or the like.
[0073]
The substrate 1 is heated by heating means such as the heater wire 51 in the susceptor 45, and the catalyst body 46 is heated to a melting point or lower (particularly 800 to 2000 ° C., in the case of tungsten, about 1600 to 1800 ° C.) as a resistance wire, for example. And activated. Both terminals of the catalyst body 46 are connected to a DC or AC catalyst body power supply 48 and heated to a predetermined temperature by energization from the power supply. Further, the shower head 42 is connected to the positive side of a variable DC power source (1 kV or less, for example, 500 V) 49 via the conduit 41 as an accelerating electrode, and 1 kV between the negative side susceptor 45 (accordingly, the substrate 1). The following DC bias voltage is applied.
[0074]
In order to carry out this method, the degree of vacuum in the chamber 44 is 1.33 × 10 6 in the state of FIG.-Four~ 1.33 × 10-6For example, hydrogen-based carrier gas 100 to 200 SCCM is supplied and the catalyst body is heated to a predetermined temperature and activated, and then hydrocarbon (for example, methane) gas 10 to 20 SCCM or silicon hydride (for example, monosilane) gas 1 ~ 20 SCCM (and B if necessary2H6And PHThreeAn appropriate amount of a doping gas such as is also included. ) Or a hydrogen-based carrier gas only (300 to 1000 SCCM, gas pressure 10 to 50 Pa) is supplied from the supply conduit 41 to the shower head 42. It is introduced through the mouth 43. Here, the hydrogen-based carrier gas is any gas in which an appropriate amount of an inert gas is mixed with hydrogen, such as hydrogen, hydrogen + argon, hydrogen + helium, hydrogen + neon, hydrogen + xenon, hydrogen + krypton, etc. Good (hereinafter the same). In addition, depending on the kind of source gas, hydrogen carrier gas is not necessarily required.
[0075]
Then, the shutter 47 is opened as shown in FIG. At least a part of the raw material gas 40 or the hydrogen-based carrier gas is catalytically decomposed in contact with the catalyst body 46, and high-energy ions such as silicon and radicals such as radicals are generated by catalytic decomposition reaction or thermal decomposition reaction. Formation of a group (ie, deposited species or precursor thereof and radical hydrogen ions), or hydrogen-based active species such as high-temperature hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions, and reactions of ions, radicals, and the like thus generated A direct electric field is applied to the seed 50 by a direct current power source 49 of a glow discharge starting voltage (about 1 kV) or less, for example, 500 V, to give directional kinetic energy and direct toward the substrate 1, and the room temperature to 550 ° C. (for example, 200 to A predetermined film of amorphous carbon, lower crystalline silicon or the like is vapor-phase grown on the substrate 1 held at 300 ° C. by DC bias catalytic CVD. Alternatively, directional kinetic energy is imparted to the hydrogen-based active species, and the DC bias catalyst AHA treatment is performed by acting on the film on the substrate 1 held at room temperature to 550 ° C. (for example, 200 to 300 ° C.). The lower crystalline silicon film or the like may be vapor-phase grown by catalytic CVD without using a bias. In this case, the DC power supply 49 is turned off.
[0076]
In this way, directing kinetic energy obtained by applying acceleration energy by a direct current electric field to the catalytic action of the catalyst body 46 and its thermal energy is given to the reactive species or hydrogen-based active species without generating plasma. It can be efficiently converted into reactive species and deposited uniformly on the substrate 1 by thermal CVD. Since the deposited species 56 migrate on the substrate 1 and diffuse in the thin film, it is possible to form a flat and uniform thin film with high density and good step coverage. Alternatively, the hydrogen-based active species generated from the hydrogen-based carrier gas can be efficiently applied to the CVD film with sufficient energy.
[0077]
When DC bias catalytic CVD is applied in the present embodiment, this is independent of the control factors of conventional catalytic CVD, such as substrate temperature, catalyst body temperature, gas pressure (reaction gas flow rate), source gas type, etc. The feature is to add control of thin film formation with a direct current electric field. For this reason, the adhesion of the produced film to the substrate, the produced film density, the produced film uniformity or smoothness, the penetration into the via hole and the step coverage are improved, the substrate temperature is further lowered, and the produced film is Stress control and the like are possible, and a high quality film (for example, a silicon film or a metal film having physical properties close to a bulk) can be obtained. In addition, the reactive species generated by the catalyst body 46 can be independently controlled by a direct current electric field and can be efficiently deposited on the substrate, so that the use efficiency of the reaction gas is high, the production speed is increased, the productivity is improved, and the reaction gas is reduced. Can reduce costs.
[0078]
Also, in the DC bias catalyst AHA treatment, annealing can be controlled by an arbitrary DC electric field independent as described above, and lowering of the substrate temperature, reduction of film stress, etc. improve gas utilization efficiency, and increase the treatment speed. This is possible while improving and reducing costs.
[0079]
In addition, since the energy of the deposited species or active species is large even when the substrate temperature is lowered, the desired high-quality film can be obtained. Therefore, the substrate temperature can be further lowered as described above, and a large and inexpensive insulation can be obtained. A substrate (a glass substrate such as borosilicate glass or aluminosilicate glass, or a heat-resistant resin substrate such as polyimide) can be used. In this respect, the cost can be reduced. In addition, since the gas supply shower head 42 can also be used as an electrode for accelerating the reactive species described above, the structure is simplified.
[0080]
Needless to say, since no plasma is generated, there is no damage caused by plasma, and a low-stress production film can be obtained, and a much simpler and cheaper apparatus is realized as compared with the plasma CVD method or the like.
[0081]
In this case, the operation can be performed under reduced pressure (for example, 0.133 to 1.33 Pa) or under normal pressure, but the normal pressure type is simpler and less expensive than the reduced pressure type. And even if it is a normal pressure type, since said electric field is applied, a high quality film | membrane with good density, uniformity, and adhesiveness is obtained. Also in this case, the normal pressure type has a higher throughput than the reduced pressure type, so that the productivity is high and the cost can be reduced.
[0082]
In the case of the decompression type, the DC voltage depends on the gas pressure (gas flow rate), the gas type, and the like, but in any case, it is necessary to adjust the voltage to an arbitrary voltage equal to or lower than the glow discharge start voltage. In the case of the normal pressure type, no discharge is performed, but the exhaust gas is adjusted so that the exhaust gas flow does not contact the substrate so that the flow of the source gas and the reactive species or active species does not adversely affect the film thickness and film quality. Is desirable.
[0083]
In the above-described DC bias catalytic CVD (or catalytic CVD) or DC bias catalytic AHA treatment, the substrate temperature rises due to the secondary heat generated by the catalyst body 46. As described above, the heater for heating the substrate is used as necessary. 51 may be installed. Moreover, although the catalyst body 46 is coiled (other than this, a mesh, a wire, and a porous plate shape may also be sufficient), it further increases the contact area with gas by making it into multiple steps (for example, 2 to 3 steps) in the gas flow direction. It is good. In addition, since the substrate 1 is disposed above the shower head 42 on the lower surface of the susceptor 45, particles generated in the chamber 44 do not fall and adhere to the substrate 1 or a film thereon.
[0084]
In this embodiment, the apparatus used for catalytic CVD is used as it is, and after the vapor deposition of the carbon thin film such as amorphous carbon or the lower crystalline semiconductor thin film by catalytic CVD, the supply of the source gas such as monosilane is stopped, and the catalyst Only the hydrogen-based carrier gas is supplied into the film forming chamber 44 at a flow rate higher than that at the time of CVD, and a DC bias catalyst AHA treatment is performed on the lower crystalline semiconductor thin film, and the amorphous component is etched and more polycrystallized. In addition, the catalyst CVD and the DC bias catalyst AHA treatment are repeated a predetermined number of times to form a polycrystalline semiconductor thin film such as polycrystalline silicon having a desired film thickness.
[0085]
In this DC bias catalyst AHA treatment, the amorphous component is removed by etching with the hydrogen-based active species decomposed and generated by the heated catalyst to produce ultrafine carbon particles. In the case of a semiconductor material thin film, the underlying ultrafine carbon particles are removed. Although it is easy to polycrystallize as a seed, a thin film based on a polycrystal having a high crystallization rate and a large grain size (especially a grain size of several hundred nm or more) is obtained, and carrier impurities in the film are activated. In this case, the catalyst body temperature is 1600 to 1800 ° C., the distance between the substrate and the catalyst body is 20 to 50 mm, the substrate temperature is 200 to 800 ° C., the treatment time is 10 to 20 minutes, and the hydrogen-based carrier gas is the same as described above. Hydrogen or a mixed gas of hydrogen and an inert gas (argon, helium, xenon, krypton, radon, etc.). Ratio can prevent the oxidation of the catalyst by 70 to 80 mol% or more. The hydrogen or hydrogen-containing gas used during the catalyst AHA treatment may be the same as the hydrogen-based carrier gas during vapor phase growth, but the gas flow rate is increased to 300 to 1000 SCCM and the gas pressure is set to 10 to 50 Pa (for catalytic CVD). 0.1 to several Pa), it is preferable to increase the heat conduction by gas and increase the amount of hydrogen-based active species generated.
[0086]
According to the present invention, according to the crystallization process of a semiconductor thin film under the action of a bias, an electric field or a magnetic field or both of them is applied, and under this action, annealing with a hydrogen-based active species (bias catalyst AHA process) is performed. Alternatively, since the vapor deposition of the deposited species (bias catalytic CVD) is performed, the crystal orientation of the crystal grains can be made uniform. The following is a summary of the DC bias catalyst AHA treatment and the DC bias catalyst CVD described above.
[0087]
First, FIG. 8 shows a case where catalytic CVD, so-called bias catalytic CVD, is performed under the action of the above-described electric field. A high-frequency voltage (or DC voltage, or both) is provided around the vacuum vessel 44 containing the substrate 1. Electrodes 200 and 201 are provided to apply an electric field.
[0088]
At this time, in the case of bias catalytic CVD, the electron spin of the silicon atoms of the deposited species generated by the catalytic reaction or catalytic decomposition reaction of the catalyst body 46 interacts with the electric field and is directed in a certain direction, and solidifies by cooling from this state. In this case, the silicon crystallizes with a certain direction and the crystal orientation of silicon is aligned. Since the crystallized film has almost the same crystal orientation, the electron potential barrier of the grain boundary is lowered and the carrier mobility is increased. At this time, it is important to align the crystal orientation in a certain direction. Depending on the structure of the outer shell orbit of silicon atoms, the crystal may be aligned in the vertical direction of the obtained polycrystalline silicon thin film 7 or in the horizontal direction. Sometimes the crystal orientation is aligned. By aligning the crystal grains in a certain direction, there is no unevenness on the surface of the polycrystalline silicon thin film, and the surface of the thin film is flattened. Between the gate insulating film and the like formed in contact therewith The interface state is improved and the carrier mobility is improved.
[0089]
FIG. 9 shows a case where a magnetic field is applied instead of an electric field. Permanent magnets 202 and 203 or an electromagnet 204 are provided around the vacuum vessel 44 in which the substrate 1 is accommodated, and a magnetic field is applied thereto.
[0090]
Thus, as in the case of the electric field described above, crystal grains are aligned in a certain direction by the action of a magnetic field, carrier mobility is improved, and surface irregularities are also reduced.
[0091]
FIG. 10 shows an example in which a magnetic field is simultaneously applied together with the above-described electric field, but at the same time as the magnetic field generated by the permanent magnets 202 and 203 (which may be an electromagnet) around the vacuum vessel 44 containing the substrate 1, a high-frequency voltage ( Alternatively, an electric field generated by the electrodes 200 and 201 to which the voltage 49 is applied is applied simultaneously.
[0092]
At this time, the electron spin of silicon atoms is directed in a certain direction due to the interaction between the magnetic field and the electric field, and when solidified by cooling from this state, crystallization with a further sufficient directionality is caused by the synergistic action of the magnetic field and the electric field. Become. Accordingly, crystal grains are more easily aligned in a certain direction, carrier mobility is further improved, and surface irregularities are further reduced.
[0093]
The bias method shown in FIGS. 8 to 10 is similarly applied to the bias catalyst AHA treatment, and the hydrogen-based active species are efficiently applied to the fine particle layer 100A and the silicon thin film 7 by the action of the electric field or / and the magnetic field. Acting with sufficient energy, the AHA treatment effect is improved, and the amorphous component can be sufficiently etched to promote crystallization of silicon.
[0094]
FIG. 11 shows the introduction time and timing of the hydrogen-based carrier gas and source gas in the above-described catalytic CVD (same for DC bias catalytic CVD), DC bias and catalytic AHA treatment in the case of forming a polycrystalline silicon thin film. FIG. 12 shows a gas introduction system incorporating a flow meter (MFC), a regulating valve, and the like.
[0095]
First, before film formation, the substrate 1 is loaded into the chamber (film formation chamber) 44 through the gate valve, placed on the susceptor 45, and then the exhaust system is activated to exhaust the chamber 44 to a predetermined pressure. At the same time, the heater built in the susceptor 45 is operated to heat the substrate 1 to a predetermined temperature.
[0096]
Then, first, hydrogen-based carrier gas 300 to 1000 SCCM, for example, 500 SCCM is introduced into the chamber 1 by the gas introduction system. A part of the introduced hydrogen gas becomes hydrogen-based active species such as activated hydrogen ions by the catalytic decomposition reaction by the heating catalyst 46, reaches the substrate surface, and cleans the surface of the substrate 1. Thereafter, the hydrogen carrier gas is set to 150 SCCM.
[0097]
In this way, the gas introduction system is operated in a state where the hydrogen-based carrier gas is supplied into the chamber 44, and the source gas (methane or monosilane 15 SCCM) is introduced into the chamber 44. The introduced source gas generates a deposited species by the thermal catalytic reaction and thermal decomposition reaction of the heating catalyst 46, and if necessary, vapor-phase grows on the substrate surface as a polycrystalline silicon thin film or the like under the action of the bias electric field. .
[0098]
Thereafter, the introduction of the source gas is stopped, the source gas is discharged from the chamber 44, and only the hydrogen-based carrier gas is introduced at a flow rate of 300 to 1000 SCCM, for example, 500 SCCM. Hydrogen-based active species such as active hydrogen ions generated in the above acts on the thin film under the action of the bias electric field described above to etch the amorphous component, and obtain the carbon ultrafine particles of the base from which the amorphous component has been removed, Using this as a seed, polycrystalline silicon whose crystallization is promoted is obtained.
[0099]
The above-mentioned catalytic CVD is again performed on the silicon film subjected to the bias catalyst AHA treatment, and a polycrystalline silicon thin film is grown thereon using the polycrystalline silicon as a seed. Further, the bias catalyst AHA treatment and the catalytic CVD are repeated. By doing so, it is possible to finally form a polycrystalline silicon thin film having a high crystallization ratio and a large grain size with a target film thickness while controlling the film thickness of the polycrystalline silicon thin film.
[0100]
Thus, the radical action of the hydrogen-based active species with sufficient energy accelerated by the bias electric field described above causes thermal energy to move to the film and raise the temperature locally, and the semiconductor thin film is etched with amorphous components. Crystallization is promoted, a polycrystalline film having a large particle size is obtained, and a polycrystalline semiconductor thin film with high carrier mobility and high quality can be obtained. Moreover, a silicon oxide is formed on or in the polycrystalline silicon film. As a result, the silicon oxide is reduced and removed, and silicon oxide on or in the film can be reduced / removed, with high carrier mobility and high quality. A crystalline silicon film or the like can be obtained.
[0101]
In addition, microcrystalline silicon-containing amorphous silicon, amorphous silicon-containing microcrystalline silicon, etc. are polycrystallized using the carbon ultrafine particles of the base as seeds. Polycrystalline silicon is promoted to be highly crystallized and has a large grain size. Turn into a film. Moreover, since the amorphous silicon contained in the film is reduced (etched) by active hydrogen ions or the like, a polycrystalline film having a high crystallization rate is formed.
[0102]
During the bias catalyst AHA treatment, carrier impurities present in the semiconductor thin film are activated at high temperatures, and an optimum carrier impurity concentration can be obtained in each region. Also, high-temperature hydrogen molecules, hydrogen atoms, and activation can be obtained. Cleaning with hydrogen ions (reduction and removal of adsorbed gas and organic residue etc. on the substrate, etc.) is possible, the catalyst body also becomes difficult to oxidatively deteriorate, and further, for example, silicon dangling bonds in the semiconductor film are eliminated by hydrogenation, Improved characteristics.
[0103]
By repeating the annealing by the bias catalyst AHA treatment and the vapor phase growth by catalytic CVD of the semiconductor thin film until a desired film thickness is obtained, the semiconductor thin film is formed on the base film already polycrystallized by the bias catalyst AHA treatment. It becomes easy to grow in a state where it is easily polycrystallized, and an intended high crystallization rate and high quality polycrystalline semiconductor thin film can be obtained with a predetermined film thickness. That is, by the multi-bias catalyst AHA process in which the catalytic CVD and the bias catalyst AHA process are repeated, for example, microcrystalline silicon-containing amorphous silicon, amorphous silicon, microcrystalline silicon-containing polycrystalline silicon, etc. formed by catalytic CVD are subjected to the bias catalyst AHA process. Polycrystalline silicon is converted into highly crystalline polycrystalline silicon, and further, vapor phase growth of the polycrystalline silicon film is repeated by catalytic CVD using the polycrystalline silicon as a seed, and further, the bias catalytic AHA treatment is repeated. A polycrystalline silicon film having a high conversion rate and a large grain size can be formed.
[0104]
In addition, since both the above-described catalytic CVD and bias catalyst AHA treatment can be performed without generating plasma, a plasma is not damaged and a low-stress production film can be obtained. Compared with the plasma CVD method, the apparatus is simple and inexpensive. Can be realized.
[0105]
FIG. 13 shows the Raman spectrum of the polycrystalline silicon thin film obtained by the multi-bias catalyst AHA treatment (repetition of the catalytic CVD and the bias catalyst AHA treatment) according to the present embodiment in accordance with the number of repetitions. is there. According to this result, the gas flow rate at the time of deposition by catalytic CVD is SiH.Four: H2= 5: 500 SCCM, catalyst temperature = 1800-2000 ° C., substrate temperature = 400 ° C., various conditions for bias catalyst AHA treatment, and the number of repetitions was changed, the number of repetitions was increased and the processing time was lengthened. , H during processing2When the flow rate is increased, the amorphous (amorphous) and microcrystals decrease and the polycrystalline layer increases in the order of sample # 1 → # 2 → # 3 → # 4 (that is, increase in grain size, increase in grain size). It is clear that it crystallizes). Here, AHA1 is a cleaning process of the substrate surface before film formation, and the original bias catalyst AHA process is AHA2-4.
[0106]
FIG. 14 shows the crystallization rate of each sample in comparison with the presence or absence of microcrystals in polycrystalline silicon. According to this, it can be seen that the crystallization ratio increases in the order of samples # 1 → # 2 → # 3 → # 4, and the base contains fine crystals (Im).
[0107]
These results indicate that the treatment according to the present invention is a very excellent method for forming a polycrystalline semiconductor thin film having a high crystallization ratio and a large grain size.
[0108]
In the present embodiment, in the above-described catalytic CVD, the purity of, for example, a catalyst body of 0.4 mmφ tungsten wire and a support body (not shown) of, for example, 0.8 mmφ molybdenum wire supporting the same becomes a problem. However, the conventional purity: 3N (99.9 wt%) is increased to 4N (99.99 wt%) or more, preferably 5N (99.999 wt%) or more, so that a polycrystalline silicon film by catalytic CVD is used. It has been demonstrated that heavy metal contamination such as iron, nickel, and chromium can be reduced. FIG. 15A shows the concentration of heavy metals such as iron, nickel and chromium in the film with a purity of 3N. By increasing this to 5N, heavy metals such as iron, nickel and chromium are shown in FIG. 15B. It has been found that the concentration can be greatly reduced. As a result, the TFT characteristics can be improved.
[0109]
<Manufacture of top gate type CMOS TFT>
Next, a manufacturing example of a top gate type CMOS TFT using the bias catalyst AHA treatment according to the present embodiment will be shown.
[0110]
First, at least the TFT formation region of the insulating substrate 1 such as quartz glass or crystallized glass shown in FIG. 1A is formed by vapor phase growth method such as plasma CVD, catalytic CVD, high density plasma CVD, high density catalytic CVD. Then, a base protective film (not shown) made of a laminated film of a protective silicon nitride film and a silicon oxide film is formed under the following conditions (the same applies hereinafter).
[0111]
In this case, different glass materials are used depending on the process temperature of TFT formation.
In the case of a low temperature of 200 to 500 ° C .: A glass substrate (500 × 600 × 0.5 to 1.1 μm thickness) such as borosilicate or aluminosilicate glass, or a heat resistant resin substrate may be used.
In the case of a high temperature of 600 to 1000 ° C .: A heat-resistant glass substrate (6 to 12 inches φ, 700 to 800 μm thickness) such as quartz glass or crystallized glass may be used. The protective silicon nitride film is formed to stop Na ions from the glass substrate, but is unnecessary when synthetic quartz glass is used.
[0112]
In the case of using catalytic CVD, an apparatus similar to that shown in FIGS. 5 to 7 can be used. However, in order to prevent oxidative degradation of the catalyst body, a hydrogen-based carrier gas is supplied to bring the catalyst body to a predetermined temperature ( It is necessary to cut the hydrogen-based carrier gas by heating to about 1600 to 1800 ° C. (for example, about 1700 ° C.) and cooling the catalyst body to a temperature at which there is no problem after film formation.
[0113]
As film formation conditions, a hydrogen-based carrier gas (hydrogen, argon + hydrogen, helium + hydrogen, neon + hydrogen, etc.) is constantly flowed into the chamber, and the flow rate, pressure, and susceptor temperature are controlled to the following predetermined values.
Pressure inside the chamber: about 1 to 15 Pa, for example 10 Pa
Susceptor temperature: 200-300 ° C
Hydrogen carrier gas flow rate (in the case of mixed gas, hydrogen is 70 to 80 mol%): 50 to 150 SCCM
[0114]
The silicon nitride film is formed to a thickness of 50 to 200 nm under the following conditions.
Hydrogen (H2) As carrier gas and monosilane (SiH) as source gasFour) To ammonia (NHThree) Are mixed at an appropriate ratio.
Hydrogen (H2) Flow rate: 50-150 SCCM,
SiHFourFlow rate: 10-20 SCCM, NHThreeFlow rate: 50-60 SCCM
[0115]
The silicon oxide film is formed to a thickness of 50 to 100 nm under the following conditions.
Hydrogen (H2) As a carrier gas and source gas, monosilane (SiH)Four) To He dilution O2Formed by mixing at an appropriate ratio.
H2Flow rate: 50-150 SCCM, SiHFourFlow rate: 10-20 SCCM, He rare
Buddha O2Flow rate: 1-2 SCCM
[0116]
Next, as shown in FIG. 1A, an amorphous carbon or microcrystalline carbon film 100A is formed to a thickness of 50 to 100 nm on the above protective film by the catalytic CVD method or the like according to the present invention under the following conditions. .
Hydrogen (H2) As carrier gas and source gasFourThe proper amount ratio is mixed to form.
H2Flow rate: 50-100 SCCM, CHFourFlow rate: 10-20 SCCM
[0117]
Next, as shown in FIG. 1 (2), the amorphous component is removed from the amorphous carbon or microcrystalline carbon film 100A by a continuous bias catalyst AHA process to form a carbon ultrafine particle layer 100B having a diamond structure. To do.
[0118]
This bias catalyst AHA treatment is a method in which the source gas is not supplied in the bias catalyst CVD method. Specifically, the hydrogen carrier gas is supplied to a gas pressure of 10 to 50 Pa, and the catalyst body is set to a predetermined temperature. (Approx. 1600-1800 ° C., for example, about 1700 ° C.) to generate a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions), and start glow discharge For example, amorphous carbon or microcrystalline carbon film 100A formed on the substrate is sprayed under application of directional kinetic energy by the action of an electric field or / and a magnetic field below voltage. As a result, high thermal energy possessed by a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) is transferred to these films, and the film temperatures are locally increased. This stabilizes the diamond-structured carbon ultrafine particles (clusters) present on the amorphous carbon or microcrystalline carbon film 100A, and slightly etches the amorphous-structured carbon present in the vicinity thereof, so that the diamond-structured carbon Fine particles are formed and used as the nucleus of polycrystalline silicon growth. At this time, it is necessary that carbon ultrafine particles (clusters) having a diamond structure are interspersed in the TFT formation region, and the electric resistance between them is negligible (not electrically short-circuited).
[0119]
Next, as shown in FIG. 1 (3), for example, a group IV element of the periodic table, eg, tin is added by a catalytic CVD method (or bias catalytic CVD).18-1020Atoms / cc doped (this may be doped by CVD or ion implantation after film formation) The polycrystalline silicon film 7 is 50-100 nm thick, for example, 50 nm thick, with the diamond structure carbon ultrafine particle layer 100B as a seed. Vapor phase growth. However, this tin doping is not necessarily required (hereinafter the same).
[0120]
At this time, if necessary, an appropriate amount of n-type impurities (phosphorus, arsenic, antimony) or p-type impurities (boron, etc.) is added to monosilane, for example, 1017-1018N-type or p-type polycrystalline silicon may be formed by containing atoms / cc. Further, after growing amorphous silicon, microcrystalline silicon, or polycrystalline silicon to a thickness of 10 to 30 nm on the ultrafine carbon particle 100B having a diamond structure, a bias catalyst AHA treatment is performed to form amorphous silicon, microcrystalline silicon, or polycrystalline. The crystalline silicon may be grown to a thickness of 10 to 30 nm and further subjected to a bias catalyst AHA treatment, and an amorphous silicon, microcrystalline silicon, or polycrystalline silicon film may be grown to a thickness of 10 to 30 nm and further subjected to a bias catalyst AHA treatment. By this method, a polycrystalline silicon film having a larger grain size can be formed.
[0121]
In this case, the apparatus shown in FIGS. 5 to 7 is used to vapor-phase, for example, tin-doped polycrystalline silicon by the above-described catalytic CVD under the following conditions, and thereafter, the bias catalyst AHA treatment is performed under the following conditions. Then, the polycrystalline silicon may be further polycrystallized and highly crystallized, and the catalytic CVD and the bias catalyst AHA treatment may be repeated to form the polycrystalline silicon film 7 having a thickness of 50 nm. For example, a film having a thickness of 10 to 30 nm is grown by catalytic CVD, a film having a thickness of 10 to 30 nm is grown by catalytic CVD after the treatment with bias catalyst AHA, and a film having a thickness of 10 to 30 nm is formed by catalytic CVD after the treatment with bias catalyst AHA. Is finally obtained to obtain a polycrystalline silicon film having a target film thickness. At this time, instead of catalytic CVD, bias catalytic CVD may be used.
[0122]
Polycrystalline silicon deposition by catalytic CVD:
Hydrogen (H2) As a carrier gas and source gas, monosilane (SiH)Four), Tin hydride (SnHFour) Are mixed at an appropriate ratio. H2Flow rate: 150 SCCM, SiHFourFlow rate: 15 SCCM, SnHFourFlow rate: 15 SCCM. At this time, an appropriate amount of n-type phosphorus, arsenic, antimony, or the like is mixed into the silane-based gas (such as silane, disilane, or trisilane), or an appropriate amount of p-type boron is mixed. Alternatively, a tin-containing silicon film having a p-type impurity carrier concentration may be formed.
n-type: Phosphine (PHThree), Arsine (AsHThree), Stibine (SbHThree)
For p-type: diborane (B2H6)
[0123]
Bias catalyst AHA treatment:
The bias catalyst AHA treatment is a method in which source gas is not supplied in bias catalyst CVD. Specifically, a hydrogen carrier gas is supplied at a gas flow rate of 300 to 1000 SCCM and a gas pressure of 10 to 50 Pa under reduced pressure. Is heated to a predetermined temperature (about 1600 to 1800 ° C., for example, about 1700 ° C.) to generate a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) and the like on the substrate. For example, sprayed onto a polycrystalline silicon film. As a result, thermal energy possessed by a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) moves to these films, raising their film temperature, When microcrystalline silicon is contained, these are polycrystallized, and the polycrystalline silicon is highly crystallized to form a tin-containing polycrystalline silicon film having a large grain size, thereby reducing irregularities and stress existing in the crystal grain boundary, A polycrystalline silicon film with high carrier mobility and high quality can be formed.
[0124]
The bias electric field during the above-described bias catalyst AHA treatment (or bias catalyst CVD) can be formed by applying one of the following voltages.
[0125]
1) DC voltage (eg 500V)
2) Low frequency voltage (eg 500V)PP/ 26kHz)
3) High frequency voltage (eg 500V)PP/13.56MHz)
4) A voltage (for example, 500 V) in which a high frequency voltage is overlapped with a low frequency voltagePP/ 26kHz + 200VPP/13.56MHz)
5) A voltage obtained by overlapping a low frequency voltage with a DC voltage (eg, 500V + 200V)PP/ 26kHz)
6) A voltage obtained by overlapping a high-frequency voltage with a DC voltage (for example, 500V + 200V)PP/13.56MHz)
7) A voltage obtained by overlapping a low-frequency voltage and a high-frequency voltage with a DC voltage (for example, 500V + 100V)PP/ 26kHz + 100VPP/13.56MHz)
[0126]
In addition, the above-mentioned hydrogen-based active species, when silicon oxide is present on the film of polycrystalline silicon or the like, when it is present, reacts with this to generate SiO and the like and evaporates, so Alternatively, silicon oxide in the film can be reduced / removed, and a polycrystalline silicon film with high carrier mobility and high quality can be formed. When this bias catalyst AHA treatment (or catalyst AHA treatment) is performed after the formation of the gate channel / source / drain described later, the thermal energy of a large amount of high-temperature hydrogen-based active species is transferred to these films, and the film temperatures are increased. As the crystallization is promoted, carrier impurities (phosphorus, arsenic, boron ions, etc.) are activated by being implanted into the gate channel / source / drain.
[0127]
In the case where the above films are formed in the same chamber, the hydrogen-based carrier gas is always supplied, the catalyst body is heated to a predetermined temperature and is put on standby, and the following processing may be performed.
[0128]
After monosilane is mixed with ammonia at an appropriate ratio to form a silicon nitride film having a predetermined thickness, the previous source gas is sufficiently discharged, and then monosilane and He diluted O are continuously added.2Are mixed at an appropriate ratio to form a silicon oxide film having a predetermined thickness, and after sufficiently discharging the raw material gas etc., methane is continuously supplied, or monosilane and SnHFourAre mixed at an appropriate ratio to form an amorphous or microcrystalline carbon thin film having a predetermined film thickness or a tin-containing polycrystalline silicon film having a predetermined film thickness, and after sufficiently discharging the previous raw material gas, the raw material is continuously supplied. After cutting the gas and making the carbon thin film into ultrafine particles with diamond structure by bias catalyst AHA treatment, or crystallizing the polycrystalline silicon film more, if necessary, exhausting the previous raw material gas continuously, continuously Monosilane and He dilution O2Are mixed at an appropriate ratio to form a silicon oxide film having a predetermined thickness. After film formation, the raw material gas is cut, the catalyst body is cooled to a temperature at which there is no problem, and the hydrogen-based carrier gas is cut. At this time, the source gas at the time of forming the insulating film may be decreased or increased in inclination to form an insulating film for inclined bonding.
[0129]
Alternatively, when each chamber is formed independently, a hydrogen-based carrier gas is constantly supplied into each chamber, the catalyst body is heated to a predetermined temperature and is put on standby, and processing may be performed as follows. Transfer to the A chamber and mix monosilane with ammonia in an appropriate ratio to form a silicon nitride film having a predetermined thickness. Then move to chamber B and dilute O with monosilane.2Are mixed at an appropriate ratio to form a silicon oxide film. Next, move to C chamber and supply methane, or monosilane and SnHFourAre mixed in an appropriate ratio to form an amorphous or microcrystalline carbon thin film or a tin-containing polycrystalline silicon film, and continuously (or in another chamber) by a bias catalyst AHA treatment with a hydrogen-based carrier gas, The thin film is made into ultrafine particles having a diamond structure, or the polycrystalline silicon film is further crystallized. If necessary then move to chamber B and dilute monosilane with He2Are mixed at an appropriate ratio to form a silicon oxide film. After film formation, the raw material gas is cut, the catalyst body is cooled to a temperature at which there is no problem, and the hydrogen-based carrier gas is cut. At this time, the hydrogen-based carrier gas and the respective source gases may be constantly supplied into the respective chambers to be in a standby state.
[0130]
Next, a MOSTFT using the polycrystalline silicon film 7 as a source, channel and drain region is manufactured.
[0131]
That is, as shown in FIG. 2 (4), after the polycrystalline silicon film 7 is made into an island by general-purpose photolithography and etching, the threshold value (V) is controlled by controlling the impurity concentration in the channel region for the nMOS TFT.th) Is masked with a photoresist 9, and p-type impurity ions (for example, boron ions) 10 are, for example, 5 × 10 5 by ion implantation or ion doping.11atoms / cm2Doping with a dose of 1 × 1017An acceptor concentration of atoms / cc is set, and a polycrystalline silicon film 11 is obtained in which the conductivity type of the polycrystalline silicon film 7 is changed to p-type.
[0132]
Next, as shown in FIG. 2 (5), V by the impurity concentration control of the channel region for the pMOS TFT.thThis time, the nMOS TFT portion is masked with a photoresist 12, and n-type impurity ions (for example, phosphorus ions) 13 are, for example, 1 × 10 6 by ion implantation or ion doping.12atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1017A donor concentration of atoms / cc is set, and a polycrystalline silicon film 14 in which the conductivity type of the polycrystalline silicon film 7 is changed to n-type is obtained.
[0133]
Next, as shown in (6) of FIG. 3, after performing the above-described bias catalyst AHA treatment for crystallization promotion and activation of impurities in the film, if necessary, the gate is formed by catalyst CVD or bias catalyst CVD. After forming a silicon oxide film 50 nm thickness 8 as an insulating film, a phosphorus-doped polycrystalline silicon film 15 as a gate electrode material is formed with a PH of 2-20 SCCM, for example.ThreeAnd a thickness of 400 nm, for example, by the same catalytic CVD method as described above under the supply of 20 SCCM monosilane.
[0134]
Next, as shown in (7) of FIG. 3, a photoresist 16 is formed in a predetermined pattern, and using this as a mask, the phosphorus-doped polycrystalline silicon film 15 is patterned into a gate electrode shape, and further, if necessary, a photoresist is formed. After removing 16, as shown in FIG. 3 (8), a silicon oxide film 17 as a gate electrode protective film is formed to a thickness of 20 to 30 nm by, for example, catalytic CVD or the like.
[0135]
Next, as shown in (9) of FIG. 3, the pMOS TFT portion is masked with a photoresist 18, and, for example, phosphorus ions 19 which are n-type impurities are ion-implanted or ion-doped, for example, 1 × 10.15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020The donor concentration is set to atoms / cc, and nMOSTFT n+A type source region 20 and a drain region 21 are formed.
[0136]
Next, as shown in (10) of FIG. 4, the nMOS TFT portion is masked with a photoresist 22, and, for example, boron ions 23 that are p-type impurities are ion-implanted or ion-doped, for example, 1 × 10.15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020The acceptor concentration is set to atoms / cc and the pMOSTFT p+A type source region 24 and a drain region 25 are formed.
[0137]
Thus, a gate, a source, and a drain are formed, but these can be formed by a method other than the above-described process.
[0138]
That is, after the step (3) in FIG. 1, the polycrystalline silicon film 7 is islanded in the pMOSTFT and nMOSTFT regions, and n-type impurities such as phosphorous ions, for example, phosphorus ions are implanted into the pMOSTFT region by ion implantation or ion doping.12atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1017The donor concentration is set to atoms / cc, and a p-type impurity such as boron ion is 5 × 10 5 in the nMOS TFT region.11atoms / cm2Doping with a dose of 1 × 1017The acceptor concentration of atoms / cc is set, the impurity concentration of each channel region is controlled, and VthTo optimize.
[0139]
Then, each source / drain region is formed with a photoresist mask by a general-purpose photolithography technique. In the case of an nMOS TFT, an n-type impurity such as arsenic or phosphorus ion is introduced by 1 × 10 5 by ion implantation or ion doping.15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020The donor concentration is set to atoms / cc, and in the case of a pMOS TFT, a p-type impurity such as boron ion is 1 × 10 1 by ion implantation or ion doping.15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020The acceptor concentration is set to atoms / cc.
[0140]
Thereafter, if necessary, after performing the bias catalyst AHA treatment for activating the impurities in the film, a silicon oxide film is formed as a gate insulating film. If necessary, a silicon nitride film and a silicon oxide film are continuously formed. A film is formed. That is, if necessary, the hydrogen-based carrier gas and monosilane are diluted with He diluted O by the bias catalyst CVD method continuously after the bias catalyst AHA treatment.2Are mixed at an appropriate ratio to form a silicon oxide film 8 having a thickness of 20 to 30 nm, and if necessary, NH is added to hydrogen carrier gas and monosilane.ThreeAre mixed at an appropriate ratio to form a silicon nitride film having a thickness of 10 to 20 nm, and further a silicon oxide film is formed to have a thickness of 20 to 30 nm under the above conditions. Thereafter, a gate electrode is formed by the same general-purpose catalytic CVD method and photolithography technique as described above.
[0141]
After forming the gate, source and drain, as shown in FIG. 4 (11), the hydrogen carrier gas 150 SCCM is commonly used on the entire surface by the same catalytic CVD or bias catalytic CVD method as described above. Helium gas dilution O2The silicon oxide film 26 is formed to a thickness of, for example, 100 to 200 nm under a monosilane supply of 15 to 20 SCCM, and a PH of 1 to 20 SCCM.Three, 1-2 SCCM helium diluted O2A phosphine silicate glass (PSG) film 27 is formed to a thickness of 300 to 400 nm under a monosilane supply of 15 to 20 SCCM, and NH of 50 to 60 SCCM is formed.ThreeUnder the supply of 15-20 SCCM monosilane, the silicon nitride film 28 is formed to a thickness of, for example, 100-200 nm to form a laminated insulating film. Thereafter, ion activation is performed by, for example, RTA (Rapid Thermal Anneal) treatment at about 1000 ° C. for 20 to 30 seconds to obtain carrier impurity concentrations set in each region.
[0142]
Next, as shown in FIG. 4 (12), a contact window is opened at a predetermined position of the insulating film, and an electrode material such as aluminum containing 1% Si is formed on the entire surface including each contact hole by a sputtering method or the like. It is deposited to a thickness and patterned to form the source or drain electrode 29 (S or D) and the gate extraction electrode or wiring 30 (G) of each of the pMOS TFT and nMOS TFT, thereby forming each top gate type CMOS TFT. . This is followed by hydrogenation and sintering in a forming gas at 400 ° C. for 1 h.
[0143]
Instead of forming the gate electrode described above, a sputtered film of heat-resistant metal such as Mo-Ta alloy is formed on the entire surface with a thickness of 400 to 500 nm, and gate electrodes of nMOS TFT and pMOS TFT are formed by general-purpose photolithography and etching techniques. You can do it.
[0144]
An example in which the above-described amorphous or microcrystalline carbon thin film is formed by sputtering and this is treated with a bias catalyst AHA to produce a top gate type polycrystalline silicon CMOS TFT will be described. First, a graphite target is treated with argon gas 0.133. Sputtering is performed in a vacuum of ˜1.33 Pa to form an amorphous carbon film having a thickness of 10 to 20 nm in at least a TFT formation region of an insulating substrate such as a glass substrate.
[0145]
Next, this amorphous carbon film is treated with a bias catalyst AHA to form ultrafine carbon particles having a diamond structure. Bias catalyst AHA treatment conditions are the same as described above.
[0146]
Next, a silicon target is sputtered on the carbon ultrafine particles having a diamond structure in a vacuum of argon gas of 0.133 to 1.33 Pa, so that at least a TFT formation region of the insulating substrate has a thickness of 30 to 100 nm, for example, 50 nm. An amorphous silicon film is formed.
[0147]
Next, this is treated with a bias catalyst AHA to form a polycrystalline silicon film. The conditions for treating the bias catalyst AHA are the same as those described above. If necessary, for example, an amorphous silicon film having a thickness of 10 to 30 nm is formed on carbon ultrafine particles having a diamond structure, an amorphous silicon film having a thickness of 10 to 30 nm is formed after the bias catalyst AHA treatment, and the bias catalyst AHA treatment is further performed. A so-called multi-bias catalyst AHA treatment may be performed as many times as necessary. This can form a polycrystalline silicon film having a larger grain size.
[0148]
Subsequent processes are the same as those described above. However, the polycrystalline silicon film may be grown by the catalytic CVD method described above.
[0149]
Note that the method using the sputtering film may be similarly applied to a bottom gate type, dual gate type CMOS TFT and the like which will be described later.
[0150]
As described above, according to the present embodiment, the following excellent effects (a) to (o) can be obtained.
[0151]
(A) The above-described bias catalyst AHA treatment is carried out by bringing hydrogen into contact with a high-temperature catalyst body (for example, tungsten, 1500 to 2000 ° C.) under a hydrogen or hydrogen-containing gas pressure of 10 to 50 Pa to produce a high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen System molecules, hydrogen atoms, activated hydrogen ions), etc., and direct motion by the action of an electric field or / and magnetic field below the glow discharge starting voltage on an amorphous carbon film or microcrystalline carbon film formed on an insulating substrate When sprayed under the application of energy (substrate temperature 200 to 500 ° C.), the thermal energy of a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) is transferred to the film. Then, the temperature of the film is locally increased, and amorphous carbon is etched by the action of high-temperature hydrogen-based active species. The microcrystalline carbon film is crystallized, and the surface of the amorphous carbon film, the microcrystalline carbon film, or the glass substrate is interspersed with carbon ultrafine particles (clusters) having a diamond structure, which serve as the nucleus of polycrystalline silicon growth. .
[0152]
(B) Further, in the above-described bias catalyst AHA treatment, amorphous silicon, polycrystalline silicon, or fine particles in which high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) are formed on an insulating substrate. When sprayed on crystalline silicon (substrate temperature 200-500 ° C.), the thermal energy of a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) moves to the film, etc. The temperature of the film is increased locally, the amorphous silicon is etched by the action of the high-temperature active hydrogen species, the amorphous silicon and microcrystalline silicon are polycrystallized, and the polycrystalline silicon is highly crystallized. A large grain polycrystalline silicon film is formed, and carrier mobility can be improved.
[0153]
(C) At this time, high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) and the like are independently controlled not only by the catalyst temperature, but also by an electric field or / and a magnetic field. It can be processed well, sufficiently forms ultrafine carbon particles, can be formed into a polycrystalline silicon film having a large particle size, and a polycrystalline silicon thin film with high carrier mobility and high quality can be obtained. For example, 30 keV, 1015atoms / cm2(SiFFourIf the bias catalyst AHA treatment is performed after the implantation of silicon ions, the polycrystalline silicon film having a larger particle size can be formed by promoting the growth of crystal nuclei, and the carrier mobility can be further increased.
[0154]
(D) When a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) is sprayed on amorphous silicon, polycrystalline silicon, or microcrystalline silicon formed on the substrate, Or when silicon oxide is present in the film or at the grain boundary, it reacts with it to form and evaporate SiO, reducing the silicon oxide on or in the amorphous silicon, polycrystalline silicon, or microcrystalline silicon film / Can be removed, and carrier mobility can be improved.
[0155]
(E) At the time of this bias catalyst AHA treatment, carrier impurities present in the semiconductor thin film are efficiently activated by a high temperature, and an optimum carrier impurity concentration is obtained in each region.
[0156]
(F) In addition, cleaning with hydrogen-based active species such as activated hydrogen ions (reduction and removal of adsorbed gas and organic substance residue on the substrate and the like) is possible, and the catalyst body is also less likely to be oxidized and deteriorated (such as this The same effect occurs in the same manner because the hydrogen-based carrier gas is used when the above-described silicon thin film is formed by catalytic CVD.
[0157]
(G) Due to the hydrogenation action of hydrogen-based active species such as activated hydrogen ions, for example, silicon dangling bonds in the semiconductor film are eliminated, and the characteristics are improved.
[0158]
(H) When the process of vapor-phase growth of a lower crystalline semiconductor thin film on the polycrystalline thin film treated with the bias catalyst AHA is repeated until the target film thickness is reached, the semiconductor thin film is already subjected to the bias catalyst AHA treatment. It becomes easy to grow on a polycrystallized base film in a state where it is easily polycrystallized, and a desired high crystallization rate and high-quality polycrystalline semiconductor thin film can be obtained with a predetermined film thickness. By the same cleaning action as described above, contamination by oxygen, metal, etc. can be reduced and further performance and quality can be improved. That is, a multi-bias catalyst AHA process in which catalytic CVD and a bias catalyst AHA process are repeated, for example, a microcrystalline silicon-containing amorphous silicon film, an amorphous silicon, and a microcrystalline silicon-containing polycrystalline silicon film are converted into a polycrystalline silicon film by a bias catalyst AHA process. After that, the vapor phase growth of the polycrystalline silicon film is further performed by catalytic CVD or bias catalytic CVD using the polycrystalline silicon as a seed, and further, the bias catalyst AHA treatment is repeated (two-step bias catalyst AHA treatment with one repetition). This is referred to as a multi-bias catalyst AHA treatment twice or more times), so that a polycrystalline silicon film having a high crystallization rate and a large grain size can be formed. In this case, since the processing is performed under the action of the electric field and / or magnetic field (bias), the efficiency is improved, and the number of repeated processes can be reduced and the throughput can be improved as compared with the case where no bias is applied.
[0159]
(I) When the bias catalyst AHA treatment is performed after film formation by catalytic CVD or bias catalyst CVD, the type and processing conditions of the bias (electric field or / and magnetic field), the type and temperature of the catalyst body, the substrate heating temperature, and the vapor phase film formation Depending on conditions, source gas type, added n or p type impurity concentration, type or content of tin or other group IV element, etc., tin or other group IV element having a wide range of n or p type impurity concentration (lead, Germanium-containing polycrystalline silicon film can be easily obtained, and bias catalyst AHA treatment increases the grain size of the polycrystalline silicon film, reduces crystal irregularities existing in the polycrystalline silicon grain boundary, and reduces internal stress. At the same time, the n-type or p-type impurity added to each region is activated, so that the threshold value (Vth) Adjustment is easy and high speed operation with low resistance is possible.
[0160]
(J) When the bias catalyst AHA treatment is performed after the film formation by plasma CVD, hydrogen contained in the amorphous silicon film by the plasma CVD is reduced / removed by the bias catalyst AHA treatment, and a large particle size is obtained. Since the polycrystalline silicon film is formed, it is possible to form a polycrystalline silicon film having a large carrier mobility. Furthermore, a wide range of n or p-type impurity concentrations can be obtained depending on the substrate heating temperature, vapor phase deposition conditions, source gas type, bias (electric field or / and magnetic field) type and processing conditions, and n or p-type impurity concentration to be added. Since a polycrystalline silicon film can be easily obtained, V can be obtained with high carrier mobility.thAdjustment is easy and high-speed operation with low resistance is possible.
[0161]
(K) When the bias catalyst AHA treatment is performed after film formation by sputtering, the specific resistance of the silicon target (concentration of added n or p-type impurities), sputtering film formation conditions, substrate heating temperature, bias (electric field or / and magnetic field) A polycrystalline silicon film with a wide range of n-type or p-type impurity concentration can be easily obtained depending on the type and processing conditions, etc.thAdjustment is easy and high-speed operation with low resistance is possible.
[0162]
(L) Since a large grain polycrystalline silicon thin film having high electron / hole mobility can be obtained not only in a top gate type but also in a bottom gate type and dual gate type MOS TFT, this high performance polycrystalline silicon semiconductor is obtained. High-speed, high current density semiconductor devices, electro-optical devices, and high-efficiency solar cells can be manufactured.
[0163]
(M) Since the bias catalyst AHA treatment and the catalytic CVD can be performed without generating plasma, there is no damage caused by plasma, and a simple and inexpensive apparatus can be realized as compared with the plasma treatment.
[0164]
(N) Since the energy of the active species is large even when the substrate temperature is lowered, carbon ultrafine particles having a target diamond structure can be reliably obtained stably, and a polycrystalline silicon film can be formed. Therefore, the substrate temperature can be lowered to 300 to 400 ° C. in particular, so that a large and inexpensive low strain point insulating substrate (glass substrate, heat-resistant resin substrate, etc.) can be used. .
[0165]
(O) A catalytic CVD apparatus can also be used for activation of n-type or p-type impurities added to the gate channel / source / drain region depending on conditions, so that the capital investment can be reduced and the cost can be reduced by improving the productivity. Become.
[0166]
Second embodiment
<LCD production example 1>
In the present embodiment, the present invention is applied to an LCD (liquid crystal display device) using a polycrystalline silicon MOS TFT by a high temperature process, and a manufacturing example thereof will be shown below (this manufacturing example is an organic EL described later). It can be similarly applied to display devices such as FED and FED).
[0167]
First, as shown in (1) of FIG. 16, in the pixel portion and the peripheral circuit portion, a heat-resistant insulating substrate 61 such as quartz glass or crystallized glass (strain point is about 800 to 1100 ° C., thickness is 50 microns to several mm). ) After forming a protective film (not shown) on one main surface by the above-described catalytic CVD method or the like, an amorphous or microcrystalline carbon thin film 100A is formed thereon.
[0168]
Next, as shown in (2) of FIG. 16, the carbon thin film 100A is changed to a carbon ultrafine particle layer 100B having a diamond structure by the above-described bias catalyst AHA treatment.
[0169]
Next, as shown in (3) of FIG. 16, a polycrystalline silicon film 67 is formed to a thickness of, for example, 50 nm using the carbon ultrafine particle layer 100B as a seed by the above-described catalytic CVD method or the like. This polycrystalline silicon film may be formed by the above-described multi-bias catalyst AHA treatment.
[0170]
Next, as shown in FIG. 17 (4), the polycrystalline silicon film 67 is patterned (islanded) using a photoresist mask, and active elements such as transistors and diodes, and passive elements such as resistors, capacitors, and inductances. The active layer is formed.
[0171]
Next, V is controlled by controlling the impurity concentration in the channel region of the transistor active layer 67.thAfter the ion implantation of a predetermined impurity such as boron or phosphorus as described above for the optimization of the above, as shown in FIG. 17 (5), for example, the polycrystalline structure is formed by the catalytic CVD method similar to the above. A silicon oxide film 68 for a gate insulating film having a thickness of, for example, 50 nm is formed on the surface of the silicon film 67. When the silicon oxide film 68 for the gate insulating film is formed by a catalytic CVD method or the like, the substrate temperature and the catalyst body temperature are the same as those described above, but the oxygen gas flow rate is 1 to 2 SCCM, the monosilane gas flow rate is 15 to 20 SCCM, The hydrogen-based carrier gas may be 150 SCCM. Note that the silicon oxide film 68 for the gate insulating film may be formed by, for example, high-temperature thermal oxidation at about 1000 ° C. for 30 minutes before or after controlling the impurity concentration in the channel region.
[0172]
Next, as shown in FIG. 17 (6), as a material for the gate electrode and the gate line, for example, a Mo—Ta alloy is deposited by sputtering to a thickness of, for example, 400 nm, or a phosphorus-doped polycrystalline silicon film is formed of, for example, hydrogen. System carrier gas 150 SCCM, PH of 2-20 SCCMThreeAnd a thickness of, for example, 400 nm by a catalytic CVD method similar to the above under the supply of 20 SCCM monosilane gas. Then, the gate electrode material layer is patterned into the shape of the gate electrode 75 and the gate line by general-purpose photolithography and etching techniques. In the case of a phosphorus-doped polycrystalline silicon film, a protective silicon oxide film having a thickness of 10 to 20 nm may be formed on the surface by catalytic CVD or the like.
[0173]
Next, as shown in FIG. 18 (7), the pMOS TFT portion is masked with a photoresist 78, and, for example, arsenic (or phosphorus) ions 79, which are n-type impurities, are ionized by ion implantation or ion doping, for example, 1 × 10.15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020The donor concentration is set to atoms / cc, and nMOSTFT n+A type source region 80 and a drain region 81 are formed.
[0174]
Next, as shown in FIG. 18 (8), the nMOS TFT portion is masked with a photoresist 82, and, for example, boron ions 83 which are p-type impurities are ionized by ion implantation or ion doping, for example, 1 × 10.15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020The acceptor concentration is set to atoms / cc and the pMOSTFT p+A type source region 84 and a drain region 85 are formed.
[0175]
Next, as shown in FIG. 18 (9), a hydrogen-based carrier gas of 150 SCCM is commonly used on the entire surface by the same catalytic CVD method as described above.2Under a monosilane supply of 15 to 20 SCCM, the silicon oxide film has a thickness of, for example, 100 to 200 nm, and further has a PH of 1 to 20 SCCM.Three1-2 SCCM He dilution O2A phosphine silicate glass (PSG) film having a thickness of 300 to 400 nm is formed under a monosilane supply of 15 to 20 SCCM, and NH of 50 to 60 SCCM is formed.Three15-20 SCCM SiHFourUnder the supply, a silicon nitride film is formed to a thickness of 100 to 200 nm, for example. An interlayer insulating film 86 is formed by stacking these insulating films. In addition, you may form such an interlayer insulation film by the normal method different from the above. After this, for example, N at 900 ° C. for 5 minutes2Annealing at 1000 ° C or N for 20-30 seconds2The ions are activated by the RTA treatment in the region, and the carrier impurity concentration set in each region is obtained.
[0176]
Next, as shown in (10) of FIG. 19, a contact window is opened at a predetermined position of the insulating film 86, and an electrode material such as aluminum is deposited on the entire surface including the contact holes to a thickness of 1 μm by sputtering or the like. Then, this is patterned to form source electrodes 87 and data lines of nMOS TFTs in the pixel portion, source electrodes 88 and 90 and drain electrodes 89 and 91 and wirings of pMOS TFTs and nMOS TFTs in the peripheral circuit portion, respectively. After this, for example, hydrogenation and sintering are performed in forming gas at 400 ° C. for 1 h.
[0177]
Next, after an interlayer insulating film 92 such as a silicon oxide film is formed on the surface by CVD, contact holes are formed in the interlayer insulating films 92 and 86 in the nMOS TFT drain region of the pixel portion as shown in FIG. Open, for example, ITO (Indium tin oxide: transparent electrode material doped with tin in indium oxide) is deposited on the entire surface by vacuum evaporation or the like, and patterned to form a transparent pixel electrode 93 connected to the drain region 81 of the nMOS TFT To do. Thereafter, annealing is performed in a forming gas at 250 ° C. for 1 hour, for example, to improve ohmic contact with ITO and to improve transparency of ITO.
[0178]
Thus, an active matrix substrate (hereinafter referred to as a TFT substrate) can be manufactured, and a transmissive LCD can be manufactured. As shown in FIG. 19 (12), this transmissive LCD has a structure in which an alignment film 94, a liquid crystal 95, an alignment film 96, a transparent electrode 97, and a counter substrate 98 are stacked on a pixel electrode 93.
[0179]
Note that the above-described steps can be similarly applied to the production of a reflective LCD. FIG. 24A shows an example of the reflective LCD. In FIG. 24A, reference numeral 101 in the figure denotes a reflective film deposited on the roughened insulating film 92. It is connected.
[0180]
When the liquid crystal cell of this LCD is manufactured by surface assembly (suitable for medium / large liquid crystal panels of 2 inches or more), first a TFT substrate 61 and a solid ITO (Indium Tin Oxide) electrode 97 are provided. Polyimide alignment films 94 and 96 are formed on the element forming surface of the counter substrate 98. This polyimide alignment film is formed to a thickness of 50 to 100 nm by roll coating, spin coating or the like, and cured and cured at 180 ° C./2 h.
[0181]
Next, the TFT substrate 61 and the counter substrate 98 are rubbed or photo-aligned. The rubbing buff material includes cotton and rayon, but cotton is more stable in terms of buffing (dust) and retardation. Photo-alignment is a technique for aligning liquid crystal molecules by non-contact linearly polarized ultraviolet irradiation. For alignment, in addition to rubbing, a polymer alignment film can be formed by obliquely entering polarized light or non-polarized light (such a polymer compound is, for example, a polymethyl methacrylate polymer having azobenzene). Etc.).
[0182]
Next, after cleaning, a common agent is applied to the TFT substrate 61 side, and a sealing agent is applied to the counter substrate 98 side. Wash with water or IPA (isopropyl alcohol) to remove rubbing buff. The common agent may be an acrylic containing a conductive filler, or an epoxy acrylate, or an epoxy adhesive, and the sealant may be an acrylic, an epoxy acrylate, or an epoxy adhesive. Any of heat curing, ultraviolet radiation curing, ultraviolet radiation curing + heat curing can be used, but the ultraviolet radiation curing + heat curing type is preferable in terms of overlay accuracy and workability.
[0183]
Next, spacers for obtaining a predetermined gap are scattered on the counter substrate 98 side and overlapped with the TFT substrate 61 at a predetermined position. After aligning the alignment mark on the counter substrate 98 side and the alignment mark on the TFT substrate 61 side with high precision, the sealant is temporarily cured by irradiating with ultraviolet rays, and then heated and cured all at once.
[0184]
Next, a scribe break is made to produce a single liquid crystal panel in which the TFT substrate 61 and the counter substrate 98 are overlapped.
[0185]
Next, liquid crystal 95 is injected into the gap between the two substrates 61-98, and the injection port is sealed with an ultraviolet adhesive and then IPA cleaned. Any type of liquid crystal may be used, but for example, a fast response TN (twisted nematic) mode using nematic liquid crystal is common.
[0186]
Next, the liquid crystal 95 is aligned by heating and quenching.
[0187]
Next, a flexible wiring is connected to the panel electrode extraction portion of the TFT substrate 61 by thermocompression bonding of an anisotropic conductive film, and a polarizing plate is further bonded to the counter substrate 98.
[0188]
In the case of a single surface assembly of a liquid crystal panel (suitable for a small liquid crystal panel of 2 inches or less), polyimide alignment films 94 and 96 are formed on the element formation surfaces of the TFT substrate 61 and the counter substrate 98 as described above. Then, both substrates are rubbed or non-contact linearly polarized ultraviolet light is aligned.
[0189]
Next, the TFT substrate 61 and the counter substrate 98 are divided into single pieces by dicing or scribe break, and washed with water or IPA. A common agent is applied to the TFT substrate 61, a sealant containing a spacer is applied to the counter substrate 98, and the two substrates are overlapped. The subsequent processes follow the above.
[0190]
In the LCD described above, the counter substrate 98 is a CF (color filter) substrate, and a color filter layer (not shown) is provided under the ITO electrode 97. Incident light from the counter substrate 98 side may be efficiently reflected by, for example, the reflective film 93 and emitted from the counter substrate 98 side.
[0191]
On the other hand, when the TFT substrate 61 is a TFT substrate having an on-chip color filter (OCCF) structure in which a color filter is provided on the TFT substrate 61, the counter substrate 98 has a solid ITO electrode (or an ITO electrode with a black mask). It is solid).
[0192]
In the case of a transmissive LCD, an on-chip color filter (OCCF) structure and an on-chip black (OCB) structure can be manufactured as follows.
[0193]
That is, as shown in FIG. 19 (13), the drain portion of the phosphine silicate glass / silicon oxide insulating film 86 is also opened to form an aluminum buried layer for the drain electrode. Each color filter layer 99 is patterned by forming a photoresist 99 in which each color is pigment-dispersed in each segment with a predetermined thickness (1 to 1.5 μm) and then leaving only a predetermined position (each pixel portion) by general-purpose photolithography technology. (R), 99 (G), and 99 (B) are formed (on-chip color filter structure). At this time, the window of the drain part is also opened. Note that an opaque ceramic substrate, low-transmittance glass, and a heat-resistant resin substrate cannot be used.
[0194]
Next, a light shielding layer 100 'serving as a black mask layer is formed by metal patterning over the color filter layer in a contact hole communicating with the drain of the display TFT. For example, molybdenum is formed to a thickness of 200 to 250 nm by sputtering, and is patterned into a predetermined shape that covers the display MOS TFT and shields it from light (on-chip black structure).
[0195]
Next, a planarizing film 92 of transparent resin is formed, and further, an ITO transparent electrode 93 is formed in a through hole provided in the planarizing film so as to be connected to the light shielding layer 100 ′.
[0196]
As described above, the color filter 99 and the black mask 100 ′ are formed on the display array portion, thereby improving the aperture ratio of the liquid crystal display panel and realizing low power consumption of the display module including the backlight. .
[0197]
FIG. 20 schematically shows the entire active matrix liquid crystal display device (LCD) in which the above-mentioned top gate type MOSTFT is incorporated to form a drive circuit integrated type. This active matrix LCD has a flat panel structure in which a main substrate 61 (which constitutes an active matrix substrate) and a counter substrate 98 are bonded together via a spacer (not shown). Liquid crystal (not shown here) is enclosed in the. On the surface of the main substrate 61, there are provided a display unit composed of pixel electrodes 93 arranged in a matrix, switching elements for driving the pixel electrodes, and a peripheral drive circuit unit connected to the display unit. .
[0198]
The switching element of the display unit is composed of the above-mentioned nMOS, pMOS, or CMOS, and a top gate type MOSTFT having an LDD structure. Also, in the peripheral drive circuit section, the above-mentioned top gate MOSTFT CMOS, nMOS, pMOSTFT, or a mixture thereof is formed as a circuit element. One peripheral driving circuit unit is a horizontal driving circuit that supplies a data signal to drive the TFT of each pixel for each horizontal line, and the other peripheral driving circuit unit sets the gate of the TFT of each pixel for each scanning line. The vertical driving circuit is normally provided on both sides of the display portion. These drive circuits can be configured in either a dot sequential analog system or a line sequential digital system.
[0199]
As shown in FIG. 21, the MOSTFT is arranged at the intersection of the orthogonal gate bus line and the data bus line, and the liquid crystal capacitance (CLCThe image information is written in () and the electric charge is held until the next information comes. In this case, since it is not sufficient to hold only the channel resistance of the TFT, a storage capacitor (auxiliary capacitor) (CS) May be added to compensate for the decrease in the liquid crystal voltage due to the leakage current. Such LCD MOSTFTs have different performance requirements depending on the characteristics of TFTs used in the pixel portion (display portion) and TFTs used in the peripheral drive circuit. In particular, TFTs in the pixel portion control off current and ensure on current. Is an important issue. For this reason, the display portion is provided with a TFT having an LDD structure as will be described later, thereby reducing the effective electric field applied to the channel region as a structure in which an electric field is unlikely to be applied between the gate and the drain, thereby reducing the off-current. The change of can be made small. However, the process is complicated, the element size is increased, and problems such as a decrease in on-current occur. Therefore, an optimum design for each purpose of use is required.
[0200]
Available liquid crystals include TN liquid crystal (nematic liquid crystal used for active matrix drive TN mode), STN (super twisted nematic), GH (guest / host), PC (phase change), FLC. Liquid crystals for various modes such as (ferroelectric liquid crystal), AFLC (antiferroelectric liquid crystal), and PDLC (polymer dispersion type liquid crystal) may be employed.
[0201]
<LCD production example 2>
Next, an example of manufacturing an LCD (Liquid Crystal Display) using a low-temperature process polycrystalline silicon MOSTFT according to the present embodiment will be shown (this example is applied to an organic EL or FED display device to be described later). Is possible).
[0202]
In this manufacturing example, aluminosilicate glass, borosilicate glass, or the like is used as the substrate 61 in the manufacturing example 1 described above, and the steps (1), (2), and (3) in FIG. That is, a tin-containing (or non-containing) polycrystalline silicon film 67 is formed on the substrate 61 by catalytic CVD and bias catalyst AHA treatment to form an island, and an nMOS TFT portion in the display region and an nMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region are formed. And a pMOS TFT portion. In this case, regions such as a diode, a capacitor, an inductance, and a resistance are formed at the same time.
[0203]
Next, as shown in (1) of FIG. 22 (however, the ultrafine particle layer 100B having a diamond structure is not shown: the same applies hereinafter), the carrier impurity concentration in each MOSTFT gate channel region is controlled to control VthFor example, the nMOS TFT portion in the display region and the nMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region are covered with a photoresist 82, and the pMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region is made of, for example, phosphorus or arsenic by ion implantation or ion doping. 1 × 10 of n-type impurity 7912atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1017The donor concentration is set to atoms / cc, and as shown in FIG. 22 (2), the pMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region is covered with a photoresist 82, and the nMOS TFT portion in the display region and the nMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region. Next, 5 × 10 5 of p-type impurity 83 such as boron is formed by ion implantation or ion doping.11atoms / cm2Doping with a dose of 1 × 1017An acceptor concentration of atoms / cc is set.
[0204]
Next, as shown in (3) of FIG.-In order to form an LDD (Lightly Doped Drain) portion of the mold, the gate portion of the nMOS TFT in the display region and the pMOS TFT and nMOS TFT in the peripheral drive region are all covered with a photoresist 82 by a general-purpose photolithography technique, and the nMOS TFT in the exposed display region An n-type impurity 79 such as phosphorus, for example, is implanted into the source / drain regions of 1 × 10 10 by ion implantation or ion doping.13atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1018Set the donor concentration to atoms / cc and n-The LDD part of the mold is formed.
[0205]
Next, as shown in FIG. 23 (4), the entire nMOS TFT portion in the display region and the nMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region are covered with the photoresist 82, and the gate portion of the pMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region is covered with the photoresist 82. A p-type impurity 83 such as boron, for example, by ion implantation or ion doping is applied to the exposed source and drain regions covered with15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020Set acceptor concentration at atoms / cc and set p+A mold source portion 84 and drain portion 85 are formed.
[0206]
Next, as shown in FIG. 23 (5), the pMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region is covered with a photoresist 82, and the gate and LDD portion of the display region and the gate portion of the nMOS TFT portion in the peripheral drive circuit region are exposed to photo. An n-type impurity 79 such as phosphorus or arsenic, for example, by ion implantation or ion doping is applied to the source and drain regions of the nMOS TFT in the exposed display region and the peripheral drive region by covering the resist 82 with 1 × 10 × 10.15atoms / cm2Ion doping with a dose of 2 × 1020set to donors concentration of atoms / cc, n+A mold source 80 and drain 81 are formed.
[0207]
Next, as shown in FIG. 23 (6), the gate insulating film 68 is formed as a silicon oxide film 40 to 50 nm thick, a silicon nitride film 10 to 20 nm thick, oxidized by plasma CVD, TEOS plasma CVD, catalytic CVD, or the like. A laminated film having a silicon film thickness of 40 to 50 nm is formed. Then, RTA treatment with a halogen lamp or the like is performed, for example, at about 1000 ° C. for 10 to 30 seconds, and the added n or p-type impurities are activated to obtain each set carrier impurity concentration.
[0208]
Thereafter, an aluminum sputtered film containing 1% Si having a thickness of 400 to 500 nm is formed on the entire surface, and gate electrodes 75 and gate lines of all TFTs are formed by general-purpose photolithography and etching. Thereafter, an insulating film 86 made of a laminated film having a silicon oxide film thickness of 100 to 200 nm, a phosphine silicate glass (PSG) film of 200 to 300 nm, and a silicon nitride film of 100 to 200 nm is formed by plasma CVD, catalytic CVD, or the like. Form.
[0209]
Next, the windows of the source / drain portions of all TFT portions of the peripheral drive circuit and the source portion of the display nMOS TFT portion are opened by general-purpose photolithography and etching techniques. Silicon nitride film is CFFourThe plasma etching, the silicon oxide film, and the phosphorous silicate glass film are etched with a hydrofluoric acid-based etchant.
[0210]
Next, as shown in (7) of FIG. 23, an aluminum sputtered film containing 1% Si having a thickness of 400 to 500 nm is formed on the entire surface, and source and drain electrodes of all TFTs of the peripheral drive circuit are formed by general-purpose photolithography and etching techniques. At the same time as forming 88, 89, 90, 91, the source electrode 87 and the data line of the display nMOS TFT are formed.
[0211]
Next, although not shown in the figure, an interlayer insulating film (silicon oxide film 100 to 200 nm thick, phosphine silicate glass (PSG film) 200 to 300 nm thick, silicon nitride film 100 to 300 nm thick is formed by plasma CVD, catalytic CVD, or the like. The above-mentioned 92) is formed on the entire surface, and hydrogenated and sintered in a forming gas at about 400 ° C. for 1 hour. Thereafter, a window for drain contact of the display nMOS TFT is opened.
[0212]
Here, when the LCD is a transmission type, the silicon oxide film, phosphine silicate glass film, and silicon nitride film in the pixel opening are removed, and when the LCD is a reflection type, the silicon oxide film such as the pixel opening and the phosphine are removed. It is not necessary to remove the silicate glass film and the silicon nitride film (the same applies to the LCD described above or later).
[0213]
In the case of the transmission type, an acrylic transparent resin flattening film having a thickness of 2 to 3 μm is formed on the entire surface by spin coating or the like, as in (10) of FIG. After forming the transparent resin window on the drain side, an ITO sputtered film having a thickness of 130 to 150 nm is formed on the entire surface, and an ITO transparent electrode in contact with the drain portion of the display nMOS TFT is formed by general-purpose photolithography and etching techniques. Further, the contact resistance is reduced and the ITO transparency is improved by heat treatment (200 to 250 ° C., 1 hour in forming gas).
[0214]
In the case of the reflective type, a photosensitive resin film having a thickness of 2 to 3 μm is formed on the entire surface by spin coating, etc., and a concavo-convex pattern is formed at least on the pixel portion by general-purpose photolithography and etching technology, and reflow is performed to reflect the concavo-convex Form the bottom. At the same time, a photosensitive resin window opening in the drain portion of the display nMOS TFT is formed. Thereafter, an aluminum sputtered film containing 1% Si having a thickness of 300 to 400 nm is formed on the entire surface, the aluminum film other than the pixel portion is removed by general-purpose photolithography and etching techniques, and the unevenness connected to the drain electrode of the display nMOS TFT. A shaped aluminum reflecting portion is formed. Thereafter, sintering is performed in a forming gas at 300 ° C. for 1 hour.
[0215]
In the above, if the bias catalyst AHA treatment is performed after forming the source and drain of the nMOS TFT, the film temperature of the polycrystalline silicon film is locally increased, and crystallization is further promoted, and high mobility and high quality are achieved. A polycrystalline silicon film is formed. At the same time, the thermal energy of a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) moves to the film and locally increases the film temperature, so that the gate channel / source / Phosphorus, arsenic, boron ions, etc. implanted in the drain region are activated.
[0216]
When the amorphous silicon-containing microcrystalline silicon film is formed by the plasma CVD method, 10 to 20% hydrogen is contained in the film, but it can be reduced / removed by the bias catalyst AHA treatment, so that polycrystalline silicon A polycrystalline silicon film with high mobility and high quality is formed. In addition, when silicon oxide is present on or in the film of amorphous silicon-containing microcrystalline silicon or the like, a reduction reaction with this generates SiO and evaporates, so that silicon oxide on or in the film is oxidized. Objects can be reduced / removed, and a high mobility and high quality polycrystalline silicon film can be formed.
[0217]
<Bottom gate type or dual gate type MOSTFT>
An example of manufacturing a transmissive LCD including a bottom gate type and a dual gate type MOS TFT instead of the above-described top gate type in an LCD incorporating a MOS TFT will be described (however, the same applies to a reflective LCD).
[0218]
As shown in FIG. 24B, bottom-gate nMOS TFTs are provided in the display portion and the peripheral portion, or as shown in FIG. 24C, dual-gate nMOS TFTs are provided in the display portion and the peripheral portion. Each is provided. Among these bottom gate type and dual gate type MOSTFTs, especially in the case of the dual gate type, the driving capability is improved by the upper and lower gate portions, suitable for high-speed switching, and either of the upper and lower gate portions is selectively used. Depending on the case, it can be operated as a top gate type or a bottom gate type.
[0219]
In the bottom gate type MOSTFT of FIG. 24B, reference numeral 102 in the figure denotes a gate electrode such as a Mo—Ta alloy, 103 denotes a silicon nitride film, and 104 denotes a silicon oxide film, which forms a gate insulating film. On the gate insulating film, a channel region or the like using a polycrystalline silicon film 67 similar to the top gate type MOS TFT is formed. In the dual gate MOSTFT of FIG. 24C, the lower gate portion is the same as the bottom gate type MOSTFT, but the upper gate portion includes a gate insulating film 106 made of a silicon oxide film and a silicon nitride film, and if necessary. Further, it is formed of a laminated film of a silicon oxide film, and an upper gate electrode 75 is provided thereon.
[0220]
<Manufacture of bottom gate type MOSTFT>
First, a sputtered film of Mo-Ta alloy is formed on the entire surface of the glass substrate 61 to a thickness of 300 to 400 nm, and this is taper-etched by 20 to 45 degrees by general-purpose photolithography and etching techniques, at least in the TFT formation region. At the same time as the bottom gate electrode 102 is formed, a gate line is formed. Glass materials are used according to the top gate type described above.
[0221]
Next, a silicon nitride film 103 and a silicon oxide film 104 for a gate insulating film and a protective film, and a tin-containing amorphous silicon-containing microcrystal are formed by vapor phase growth methods such as plasma CVD, TEOS plasma CVD, catalytic CVD, and low-pressure CVD. A silicon film is formed. As described above, this film is further subjected to the bias catalyst AHA treatment to form a polycrystalline silicon film 67. These vapor deposition conditions conform to the top gate type described above. The bottom gate insulating film and the silicon nitride film for the protective film are provided in anticipation of a Na ion stopper action from the glass substrate, but are not necessary in the case of synthetic quartz glass.
[0222]
The subsequent processes are the same as those described above, but since the gate electrode has already been formed in the above steps, the steps of forming the polysilicon film for the gate electrode, forming the gate electrode, and oxidizing the gate polysilicon are unnecessary. is there.
[0223]
Then, as described above, the pMOSTFT and nMOSTFT regions are islanded (however, only one region is shown: the same applies hereinafter), and the carrier impurity concentration in each channel region is controlled to VthIn order to optimize the n-type or p-type impurity by ion implantation or ion doping, an n-type or p-type impurity is formed by ion implantation or ion doping to form the source and drain regions of each MOS TFT. Alternatively, an appropriate amount of p-type impurity is mixed. Thereafter, RTA treatment (about 1000 ° C., 10 to 30 seconds) is performed for impurity activation.
[0224]
The subsequent processes are the same as those described above.
[0225]
<Manufacture of dual gate type MOS TFT>
Similarly to the bottom gate type, a bottom gate electrode 102, gate insulating films 103 and 104, and a polycrystalline silicon film 67 are formed. However, the silicon nitride film 103 for the bottom gate insulating film and the protective film is provided in anticipation of the Na ion stopper action from the glass substrate, but is unnecessary in the case of synthetic quartz glass.
[0226]
Then, as described above, the pMOSTFT and nMOSTFT regions are islanded, and the carrier impurity concentration in each channel region is controlled to VthIn order to optimize the n-type or p-type impurity by ion implantation or ion doping, an n-type or p-type impurity is formed by ion implantation or ion doping to form the source and drain regions of each MOS TFT. Alternatively, an appropriate amount of p-type impurity is mixed.
[0227]
Next, a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film for the top gate insulating film 106 and, if necessary, a silicon oxide film are formed. Vapor phase growth conditions conform to the top gate type described above. Thereafter, RTA treatment (about 1000 ° C., 10 to 30 seconds) is performed for impurity activation.
[0228]
Thereafter, an aluminum sputtered film containing 1% Si having a thickness of 400 to 500 nm is formed on the entire surface, and top gate electrodes 75 and gate lines of all TFTs are formed by general-purpose photolithography and etching techniques. Thereafter, an insulating film 86 having a silicon oxide film thickness of 100 to 200 nm and a phosphine silicate glass (PSG) film thickness of 200 to 300 nm is formed by plasma CVD, catalytic CVD, or the like. Next, the windows of the source and drain electrode portions of all the MOSTFTs in the peripheral drive circuit and the source electrode portion of the display nMOSTFT are opened by general-purpose photolithography and etching techniques.
[0229]
Next, an aluminum sputtered film containing 1% Si having a thickness of 400 to 500 nm is formed on the entire surface, and source and drain aluminum electrodes 87, 88 and 89, source lines, wirings, and the like are formed by general-purpose photolithography and etching techniques. Next, a silicon oxide film 100 to 200 nm thick, a phosphine silicate glass (PSG film) 200 to 300 nm thick, and a silicon nitride film 100 to 300 nm thick are formed as an interlayer insulating film 92 on the entire surface by plasma CVD, catalytic CVD, or the like. Hydrogenate and sinter in forming gas at about 400 ° C. for 1 hour. Thereafter, a drain contact window for the display nMOS TFT is opened to form a pixel electrode 93.
[0230]
As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment described above, by the catalytic CVD or the bias catalytic CVD and the bias catalytic AHA treatment, the MOS TFTs of the LCD display section and the peripheral driving circuit section are processed. V with high carrier mobility, which becomes the gate channel, source and drain regionsthA polycrystalline silicon film that can be easily adjusted and can operate at high speed with low resistance can be formed. A liquid crystal display device using a top gate, bottom gate or dual gate type MOS TFT with this polycrystalline silicon film has a display portion having an LDD structure with high switching characteristics and low leakage current, and a CMOS or nMOS with high driving capability. Alternatively, a configuration in which pMOS peripheral drive circuits are integrated is possible, and a liquid crystal panel with high image quality, high definition, narrow frame, high efficiency, and low cost can be realized.
[0231]
And since it can form at low temperature (300-400 degreeC), it can employ | adopt the low strain point glass which is cheap and easy to enlarge, and a cost reduction is attained. In addition, by forming a color filter or a black mask on the array portion, the aperture ratio, luminance, etc. of the liquid crystal display panel are improved, a color filter substrate is not required, and cost reduction is realized by improving productivity.
[0232]
Third embodiment
In the present embodiment, the present invention is applied to an organic or inorganic electroluminescence (EL) display device, for example, an organic EL display device. The structural examples and production examples are shown below.
[0233]
<Structural example I of organic EL element>
As shown in FIGS. 25 (A) and 25 (B), according to this structural example I, a high crystallization rate and a large particle size formed on the substrate 111 such as glass by the method described above based on the present invention. The polycrystalline silicon film forms the gate channel 117, the source region 120, and the drain region 121 of the switching MOSTFT 1 and the current driving MOSTFT 2. A gate electrode 115 is formed on the gate insulating film 118, and a source electrode 127 and drain electrodes 128 and 131 are formed on the source and drain regions. The drain of MOSTFT 1 and the gate of MOSTFT 2 are connected via a drain electrode 128, a capacitor C is formed between the source electrode 127 of MOSTFT 2 via an insulating film 136, and the drain electrode 131 of MOSTFT 2 is It extends to the cathode 138 of the organic EL element.
[0234]
Each MOSTFT is covered with an insulating film 130, and on this insulating film, for example, a green organic light emitting layer 132 (or a blue organic light emitting layer 133 or a red organic light emitting layer not shown) of an organic EL element is formed so as to cover the cathode. An anode (first layer) 134 is formed so as to cover the organic light emitting layer, and a common anode (second layer) 135 is further formed on the entire surface. In addition, the manufacturing method of the peripheral drive circuit, the video signal processing circuit, the memory circuit, and the like made of CMOS TFT is in accordance with the above-described liquid crystal display device (the same applies hereinafter).
[0235]
In the organic EL display unit having this structure, the organic EL light emitting layer is connected to the drain of the current driving MOS TFT 2, the cathode (Li—Al, Mg—Ag, etc.) 138 is deposited on the surface of the substrate 111 such as glass, and the anode (ITO film etc.) 134, 135 are provided on the upper part thereof, and therefore, the top emission 136 ′ is obtained. Further, when the cathode covers the MOSTFT, the light emission area becomes large. At this time, the cathode serves as a light shielding film, and light emission or the like does not enter the MOSTFT so that no leak current is generated and the TFT characteristics are not deteriorated.
[0236]
Further, if a black mask portion (chromium, chromium dioxide, etc.) 140 is formed around each pixel portion as shown in FIG. 25C, light leakage (crosstalk, etc.) can be prevented and contrast can be improved.
[0237]
In addition, a good full-color EL display device can be obtained by any of a method using a three-color light emitting layer of green, blue, and red for a pixel display portion, a method using a color conversion layer, and a method using a color filter for a white light emitting layer. In addition, it is possible to produce a long-life, high-accuracy, high-quality, high-reliability full-color organic EL unit in the spin coating method of polymer compounds, which are light emitting materials for each color, or the vacuum heating deposition method of metal complexes. Since it can be created well, the cost can be reduced (hereinafter the same).
[0238]
This type of conventional organic EL uses amorphous silicon TFTs, so VthEven if fluctuates, the current value is likely to change, and the image quality is likely to fluctuate. Moreover, since the mobility is small, there is a limit to the current that can be driven with a high-speed response, it is difficult to form a p-channel, and even a small-scale CMOS circuit configuration is difficult. Therefore, it is desirable to use a polycrystalline silicon TFT that is relatively easy to increase in area, has high reliability, has high mobility, and can be configured as a CMOS circuit. Conventional polycrystalline silicon films are: 1) amorphous silicon A film is formed by plasma CVD at 300 to 400 ° C., and excimer laser annealing is performed to form a polycrystalline silicon film. 2) An amorphous silicon film is formed by LPCVD at 430 to 500 ° C., and is solid phase grown in nitrogen gas at 600 ° C./5 to 20 hr and 850 ° C./0.5 to 3 hr to form a polycrystalline silicon film.
[0239]
However, 1) increases the cost due to the use of an expensive excimer laser device, uneven TFT characteristics due to the instability of the excimer laser, quality problems, and productivity reduction. In 2), since a general-purpose glass substrate cannot be used for a long-time heat treatment at 600 ° C. or more and 15 to 20 hours, quartz glass is used, which increases costs. Also, in the full-color organic EL layer, in the microfabrication process, the electrode is oxidized and the organic EL material is easily deteriorated by exposure to oxygen and moisture, or structural change (dissolution or recrystallization) by heating. It is difficult to form the region with high accuracy.
[0240]
Next, the manufacturing process of the organic EL element according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 26 (1), the source region 120 and the channel region 117 made of a polycrystalline silicon film through the above-described steps. After forming the gate region 115 and the drain region 121, the gate insulating film 118 is formed. On the gate insulating film 118, the gate electrode 115 of the MOS TFTs 1 and 2 is formed by sputtering film formation of Mo-Ta alloy or the like and photolithography and etching techniques. A gate line connected to the gate electrode is formed by sputtering film formation, photolithography, and etching techniques (hereinafter the same). Then, after an overcoat film (silicon oxide or the like) 137 is formed by a vapor phase growth method such as catalytic CVD (hereinafter the same), a source electrode 127 and a ground line of the MOSTFT 2 are formed, and further an overcoat film (silicon oxide / nitridation) (Silicon laminated film etc.) 136 is formed.
[0241]
Next, as shown in (2) of FIG. 26, after opening the source / drain portion of MOSTFT1 and the gate portion of MOSTFT2, sputtering of Al containing 1% Si as shown in (3) of FIG. The drain electrode of MOSTFT1 and the gate electrode of MOSTFT2 are connected by Al wiring 128 containing 1% Si by general photolithography and etching techniques, and at the same time, the source electrode of MOSTFT1 and the source made of Al containing 1% Si connected to this electrode Form a line. Then, an overcoat film (silicon oxide / phosphine silicate glass / silicon nitride laminated film, etc.) 130 is formed, the window of the drain part of the MOSTFT 2 is opened, and the cathode 138 of the light emitting part connected to the drain part of the MOSTFT 2 is formed. .
[0242]
Next, as shown in FIG. 26 (4), the organic light emitting layer 132 and the like and the anodes 134 and 135 are formed.
[0243]
In the above, the green (G) light-emitting organic EL layer, the blue (B) light-emitting organic EL layer, and the red (R) light-emitting organic EL layer are each formed to a thickness of 100 to 200 nm. In the case of a low molecular compound, it is formed by a vacuum heating vapor deposition method. In the case of a high molecular compound, a method of arranging R, G, B light emitting polymers by a coating method such as dipping coating or spin coating or an ink jet method is used. In the case of a metal complex, a sublimable material is formed by a vacuum heating vapor deposition method.
[0244]
Examples of the organic EL layer include a single-layer type, a two-layer type, and a three-layer type. Here, an example of a three-layer type of a low-molecular compound is shown.
Single layer type; anode / bipolar light emitting layer / cathode,
Two-layer type; anode / hole transport layer / electron transport light-emitting layer / cathode, or anode / hole transport light-emitting layer / electron transport layer / cathode,
Three layer type; anode / hole transport layer / light emitting layer / electron transport layer / cathode, or anode / hole transport light emitting layer / carrier block layer / electron transport light emitting layer / cathode
[0245]
Note that in the element of FIG. 25B, when a known light emitting polymer is used instead of the organic light emitting layer, a light emitting polymer display device (LEPD) driven by a passive matrix or an active matrix can be configured (hereinafter the same). .
[0246]
<Structural example II of organic EL element>
As shown in FIGS. 27 (A) and 27 (B), according to this Structural Example II, it is formed on the substrate 111 made of glass or the like by the method described above based on the present invention as in the above Structural Example I. The gate channel 117, the source region 120, and the drain region 121 of the switching MOSTFT 1 and the current driving MOSTFT 2 are formed of a polycrystalline silicon film having a high crystallization rate and a large grain size. A gate electrode 115 is formed on the gate insulating film 118, and a source electrode 127 and drain electrodes 128 and 131 are formed on the source and drain regions. The drain of the MOSTFT 1 and the gate of the MOSTFT 2 are connected via a drain electrode 128, a capacitor C is formed between the drain electrode 131 of the MOSTFT 2 via an insulating film 136, and the source electrode 127 of the MOSTFT 2 is It extends to the anode 144 of the organic EL element.
[0247]
Each MOSTFT is covered with an insulating film 130, and on this insulating film, for example, a green organic light emitting layer 132 (or a blue organic light emitting layer 133 or a red organic light emitting layer (not shown)) of an organic EL element is formed so as to cover the anode. A cathode (first layer) 141 is formed so as to cover the organic light emitting layer, and a common cathode (second layer) 142 is further formed on the entire surface.
[0248]
In the organic EL display unit having this structure, the organic EL light emitting layer is connected to the source of the current driving MOS TFT 2 and the organic EL light emitting layer is formed so as to cover the anode 144 deposited on the surface of the substrate 111 such as glass. The cathode 141 is formed so as to cover the organic EL light emitting layer, and the cathode 142 is formed on the entire surface. Therefore, the bottom emission 136 ′ is obtained. A cathode covers the organic EL light emitting layer and the MOS TFT. That is, after a green light emitting organic EL layer is formed on the entire surface by, for example, vacuum heating vapor deposition or the like, a green light emitting organic EL part is formed by photolithography and dry etching. Finally, a cathode (electron injection layer) 141 is formed on the entire surface with magnesium: silver alloy or aluminum: lithium alloy. Since the cathode (electron injection layer) formed on the entire surface is sealed, moisture can be prevented from entering the organic EL layer from the outside, particularly by the cathode 142 deposited on the entire surface. Thus, a long life, high quality, and high reliability are possible (this is the same in the structural example I in FIG. 25 because the entire surface is covered with the anode). Moreover, since the heat radiation effect is enhanced by the cathodes 141 and 142, the structural change (melting or recrystallization) of the thin film due to heat generation is reduced, and a long life, high quality, and high reliability are possible. In addition, this makes it possible to produce a high-precision, high-quality full-color organic EL layer with high productivity, thereby reducing costs.
[0249]
Further, if a black mask portion (chromium, chromium dioxide, etc.) 140 is formed around each pixel portion as shown in FIG. 27C, light leakage (crosstalk, etc.) can be prevented and contrast can be improved. The black mask portion 140 is covered with a silicon oxide film 143 (which may be formed of the same material as the gate insulating film 118).
[0250]
Next, the manufacturing process of this organic EL element will be described. First, as shown in FIG. 28 (1), the source region 120, the channel region 117, and the drain region 121 made of a polycrystalline silicon film through the above-described steps. Then, a gate insulating film 118 is formed by a vapor deposition method such as catalytic CVD, and the gate electrodes 115 of the MOS TFTs 1 and 2 are formed thereon by sputtering film formation of Al containing 1% Si and general-purpose photolithography and etching techniques. Further, a gate line connected to the gate electrode of the MOS TFT 1 is formed by sputtering film formation of Al containing 1% Si and general-purpose photolithography and etching techniques. Then, after an overcoat film (silicon oxide or the like) 137 is formed by a vapor phase growth method such as catalytic CVD, the drain electrode 131 and V of the MOSTFT 2 are formed by sputtering film formation of Al containing 1% Si and general-purpose photolithography and etching techniques.ddA line is formed, and an overcoat film (silicon oxide / silicon nitride laminated film or the like) 136 is formed by a vapor phase growth method such as catalytic CVD.
[0251]
Next, as shown in (2) of FIG. 28, after opening windows of the source / drain portion of MOSTFT1 and the gate portion of MOSTFT2 by general-purpose photolithography and etching techniques, as shown in (3) of FIG. With 1% Si-containing Al sputtering film formation and general-purpose photolithography and etching techniques, the drain of MOSTFT 1 and the gate of MOSTFT 2 are connected by Al wiring 128 containing 1% Si, and at the same time, Al containing 1% Si is connected to the source of MOSTFT 1. A source line is formed. Then, an overcoat film (silicon oxide / phosphine silicate glass / silicon nitride laminated film, etc.) 130 is formed, a window of the source portion of the MOSTFT 2 is opened by general-purpose photolithography and etching techniques, sputtering of ITO and general-purpose photolithography Then, the anode 144 of the light emitting part connected to the source part of the MOSTFT 2 is formed by an etching technique.
[0252]
Next, as shown in FIG. 28 (4), the organic light emitting layer 132 and the cathodes 141 and 142 are formed as described above.
[0253]
In addition, although the constituent material and formation method of each layer of organic EL described below are applied to the example of FIG. 27, they may be similarly applied to the example of FIG.
[0254]
When a low molecular weight compound is used for the green light-emitting organic EL layer, it is formed by continuous vacuum heating vapor deposition on the ITO transparent electrode that is in contact with the source part of the MOST TFT for current drive, which is the anode (hole injection layer) on the glass substrate. To do.
1) The hole transport layer is an amine compound (for example, a triarylamine derivative, an arylamine oligomer, an aromatic tertiary amine, etc.), etc.
2) The light emitting layer is a green light emitting material such as tris (8-hydroxyxylino) Al complex (Alq)
3) The electron transport layer includes 1,3,4-oxadiazole derivative (OXD), 1,2,4-triazole derivative (TAZ), etc.
4) The electron injection layer as the cathode is preferably made of a material having a work function of 4 eV or less.
For example, 10-30 nm thickness of 10: 1 (atomic ratio) magnesium: silver alloy
Aluminum: 10-30 nm thickness of lithium (concentration 0.5-1%) alloy
Here, silver is added in an amount of 1 to 10 atomic% in magnesium in order to increase adhesion to the organic interface, and lithium is added in an amount of 0.5 to 1% in aluminum for stabilization.
[0255]
In order to form the green pixel portion, the green pixel portion is masked with a photoresist, and CCl is formed.FourThe cathode: electron injection layer, aluminum: lithium alloy, is removed by plasma etching of the gas, and the low molecular weight compounds and photoresist in the electron transport layer, light-emitting layer, hole transport layer, and photoresist are successively removed by oxygen plasma etching. A pixel portion is formed. At this time, since there is an aluminum: lithium alloy under the photoresist, there is no problem even if the photoresist is etched. At this time, the electron transport layer, the light emitting layer, and the low molecular weight compound layer of the hole transport layer have a larger area than the ITO transparent electrode of the hole injection layer, and the cathode electron injection layer (magnesium) formed on the entire surface in the subsequent process. : Silver alloy).
[0256]
Next, when the blue light-emitting organic EL layer is formed of a low molecular compound, a vacuum is continuously formed on the ITO transparent electrode in contact with the source part of the current driving TFT which is an anode (hole injection layer) on the glass substrate. It is formed by heat evaporation.
1) The hole transport layer is an amine compound (for example, a triarylamine derivative, an arylamine oligomer, an aromatic tertiary amine, etc.), etc.
2) The light emitting layer is a distyryl derivative such as DTVBi which is a blue light emitting material.
3) The electron transport layer is composed of 1,3,4-oxadiazole derivative (TAZ), 1,2,4-triazole derivative (TAZ), etc.
4) The electron injection layer as the cathode is preferably made of a material having a work function of 4 eV or less.
For example, 10-30 nm thickness of 10: 1 (atomic ratio) magnesium: silver alloy
Aluminum: 10-30 nm thickness of lithium (concentration 0.5-1%) alloy
Here, silver is added in an amount of 1 to 10 atomic% in magnesium in order to increase adhesion to the organic interface, and lithium is added in an amount of 0.5 to 1% in aluminum for stabilization.
[0257]
To form the blue pixel portion, the blue pixel portion is masked with a photoresist, and CClFourGas plasma etching removes the aluminum: lithium alloy in the electron injection layer, which is the cathode, and continuously removes low molecular weight compounds and photoresists in the electron transport layer, light-emitting layer, and hole transport layer by oxygen plasma etching. A pixel portion is formed. At this time, since there is an aluminum: lithium alloy under the photoresist, there is no problem even if the photoresist is etched. At this time, the electron transport layer, the light emitting layer, and the low molecular weight compound layer of the hole transport layer have a larger area than the ITO transparent electrode of the hole injection layer, and the cathode electron injection layer (magnesium) formed on the entire surface in the subsequent process. : Silver alloy).
[0258]
When the red light-emitting organic EL layer is formed of a low-molecular compound, vacuum heating is continuously performed on the ITO transparent electrode that is in contact with the source part of the current driving TFT which is the anode (hole injection layer) on the glass substrate. It is formed by vapor deposition.
1) The hole transport layer is an amine compound (for example, a triarylamine derivative, an arylamine oligomer, an aromatic tertiary amine, etc.), etc.
2) The light emitting layer is made of Eu (Eu (DBM)) which is a red light emitting material.Three(Phen)) etc.
3) The electron transport layer includes 1,3,4-oxadiazole derivative (OXD), 1,2,4-triazole derivative (TAZ), etc.
4) The electron injection layer as the cathode is preferably made of a material having a work function of 4 eV or less.
For example, 10-30 nm thickness of 10: 1 (atomic ratio) magnesium: silver alloy
Aluminum: 10-30 nm thickness of lithium (concentration 0.5-1%) alloy
Silver is added in an amount of 1 to 10 atomic% in magnesium to increase adhesion to the organic interface, and lithium is added in an amount of 0.5 to 1% in aluminum for stabilization.
[0259]
To form the red pixel portion, the red pixel portion is masked with a photoresist, and CClFourGas plasma etching removes the aluminum: lithium alloy in the electron injection layer, which is the cathode, and continuously removes low molecular weight compounds and photoresist in the electron transport layer, light emitting layer, and hole transport layer by oxygen plasma etching, and red A pixel portion is formed. At this time, since there is an aluminum: lithium alloy under the photoresist, there is no problem even if the photoresist is etched. At this time, the electron transport layer, the light emitting layer, and the low molecular weight compound layer of the hole transport layer have a larger area than the ITO transparent electrode of the hole injection layer, and the cathode electron injection layer (magnesium) formed on the entire surface in the subsequent process. : Silver alloy).
[0260]
The electron injection layer as the cathode is preferably made of a material having a work function of 4 eV or less. For example, the thickness is 10 to 30 nm of a 10: 1 (atomic ratio) magnesium: silver alloy, or 10 to 30 nm of an aluminum: lithium (concentration is 0.5 to 1%) alloy. Here, silver is added in an amount of 1 to 10 atomic% in magnesium in order to increase adhesion to the organic interface, and lithium is added in an amount of 0.5 to 1% in aluminum for stabilization. Note that the film may be formed by sputtering.
[0261]
Fourth embodiment
In the present embodiment, the present invention is applied to a field emission display (FED). The structural examples and production examples are shown below.
[0262]
<Structure example I of FED>
As shown in FIGS. 29A, 29B, and 29C, according to this structural example I, the high crystallization rate formed on the substrate 111 such as glass by the method described above based on the present invention. The gate channel 117, the source region 120, and the drain region 121 of the switching MOSTFT 1 and the current driving MOSTFT 2 are formed by the polycrystalline silicon film having a large grain size. A gate electrode 115 is formed on the gate insulating film 118, and a source electrode 127 and a drain electrode 128 are formed on the source and drain regions. The drain of the MOSTFT 1 and the gate of the MOSTFT 2 are connected via a drain electrode 128, a capacitor C is formed between the source electrode 127 of the MOSTFT 2 via an insulating film 136, and the drain region 121 of the MOSTFT 2 is It extends as it is to the FEC (field emission cathode) of the FED element, and functions as the emitter region 152.
[0263]
Each MOSTFT is covered with an insulating film 130. On this insulating film, a metal shielding film 151 for grounding is formed in the same process with the same material as that of the FEC gate lead electrode 150 to cover each MOSTFT. In FEC, an n-type polycrystalline silicon film 153 to be a field emission emitter is formed on an emitter region 152 made of a polycrystalline silicon film, and has openings for partitioning into m × n emitters. Further, the insulating films 118, 137, 136 and 130 are patterned, and a gate extraction electrode 150 is deposited on the upper surface.
[0264]
Further, a substrate 157 such as a glass substrate formed with a phosphor 156 with a back metal 155 as an anode is provided opposite to the FEC, and a high vacuum is maintained between the FEC and the FEC.
[0265]
In the FEC having this structure, the n-type polycrystalline silicon film 153 grown on the polycrystalline silicon film 152 formed in accordance with the present invention is exposed under the opening of the gate lead electrode 150, which is respectively It functions as a thin film type emitter that emits electrons 154. That is, since the polycrystalline silicon film 152 serving as the base of the emitter is composed of grains having a large grain size (grain size of several hundred nm or more), the n-type polycrystalline silicon film 153 is used as a catalyst on the polycrystalline silicon film 153 as a catalyst. When grown by CVD or the like, the polycrystalline silicon film 153 grows with a larger grain size and is formed so that the surface has fine irregularities 158 that are advantageous for electron emission.
[0266]
Therefore, since the emitter is a surface emission type made of a thin film, its formation is easy, the emitter performance is stable, and the life can be extended.
[0267]
Further, a metal-based shielding film 151 having a ground potential is formed on the upper part of all active elements (this includes the MOSTFT and the diode of the peripheral drive circuit and the pixel display portion). Since the same material (Nb, Ti / Mo, metal silicide, etc.) is formed in the same process, it is convenient in terms of the process. Therefore, the following advantages (1) and (2) can be obtained.
[0268]
(1) The gas in the hermetic container is positively ionized by electrons emitted from the emitter 153 and is charged on the insulating layer, and this positive charge forms an unnecessary inversion layer in the MOSTFT under the insulating layer. Since an excess current flows through an unnecessary current path made of an inversion layer, the emitter current runs away. However, since the metal-based shielding film 151 is formed on the insulating layer on the MOSTFT and dropped to the ground potential, it is possible to prevent charge-up and to prevent runaway of the emitter current.
[0269]
(2) The phosphor 156 emits light due to the collision of electrons emitted from the emitter 153. This light generates electrons and holes in the gate channel of the MOSTFT, resulting in a leakage current. However, since the metal-based shielding film 151 is formed on the insulating layer on the MOSTFT, light incidence to the MOSTFT is prevented and the MOSTFT does not malfunction.
[0270]
In addition, since the electron emitter (emitter) of the n-type polycrystalline silicon film is formed continuously at least in the drain region of the polycrystalline silicon MOS TFT by catalytic CVD or the like, its bonding property is good and high Efficient emitter characteristics are possible.
[0271]
In addition, if the electron emitter (emitter) region of one pixel display part is divided into a plurality of parts and the MOSTFT of the switching element is connected to each of them, even if one MOSTFT fails, the other MOSTFT operates. One pixel display unit is always configured to emit electrons, so that the quality is high, the yield is high, and the cost can be reduced. Further, in these MOSTFTs, there is no problem with MOSTFTs with poor electrical openness, but since MOSTFTs that are electrically short-circuited can be separated by laser repair, high quality, high yield, and cost reduction can be achieved.
[0272]
In contrast, in the conventional FED, since a silicon single crystal substrate is used, the substrate cost is high, and it is difficult to increase the area larger than the wafer size. And, it has been proposed to form an electron emitter by forming a conductive polycrystalline silicon film on the cathode electrode surface by low pressure CVD or the like and forming a crystalline diamond film on the surface by plasma CVD or the like. The film formation temperature during the low pressure CVD is as high as 630 ° C., and a glass substrate cannot be adopted, so that it is difficult to reduce the cost. The polycrystalline silicon film formed by the low pressure CVD has a small particle size, and the crystalline diamond film thereon also has a small particle size, and the characteristics of the electron emitter are not good. Furthermore, since the reaction energy is insufficient due to plasma CVD, it is difficult to obtain a good crystalline diamond film. Further, since the bonding property between the transparent electrode or the cathode electrode made of metal such as Al, Ti, and Cr and the conductive polycrystalline silicon film is poor, good electron emission characteristics cannot be obtained.
[0273]
Next, the manufacturing process of the FED according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 30 (1), after the polycrystalline silicon film 117 is formed on the entire surface through the above-described steps, general-purpose photolithography is performed. Then, MOSTFT1, MOSTFT2, and the emitter region are formed into islands by an etching technique, and a protective silicon oxide film 159 is formed on the entire surface by plasma CVD, catalytic CVD, or the like.
[0274]
Next, V V is controlled by controlling the gate channel impurity concentration of the MOS TFTs 1 and 2.thIn order to optimize this, boron ions 83 are 5 × 10 5 on the entire surface by ion implantation or ion doping.11atoms / cm2Doping with a dose of 1 × 1017The acceptor concentration is set to atoms / cc.
[0275]
Next, as shown in (2) of FIG. 30, phosphorus ions 79 are introduced into the source / drain and emitter regions of the MOS TFTs 1 and 2 by 1 × 10 6 by ion implantation or ion doping using the photoresist 82 as a mask.15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020After setting the donor concentration to atoms / cc and forming the source region 120, the drain region 121, and the emitter region 152, the protective silicon oxide film in the emitter region is removed by general-purpose photolithography and etching techniques.
[0276]
Next, as shown in (3) of FIG. 30, monosilane and PH are formed using the polycrystalline silicon film 152 that forms the emitter region by catalytic CVD as a seed.ThreeEtc. are mixed at an appropriate ratio, and the surface has fine irregularities 158, and the dopant is, for example, 5 × 1020~ 1x10twenty oneAn n-type polycrystalline silicon film 153 containing atoms / cc is formed in the emitter region to a thickness of 1 to 5 μm. At the same time, an n-type amorphous silicon film 160 is formed on the other silicon oxide film 159 and the glass substrate 111 to a thickness of 1 to 5 μm. To form.
[0277]
Next, as shown in FIG. 30 (4), the amorphous silicon film 160 is etched away by the activated hydrogen ions during the catalyst AHA treatment described above, and after the silicon oxide film 159 is removed by etching, the gate insulating film is formed by catalytic CVD or the like. (Silicon oxide film or the like) 118 is formed.
[0278]
Next, as shown in FIG. 31 (5), gate lines connected to the gate electrodes 115 of the MOSTFT 1 and 2 and the gate electrode of the MOSTFT 1 are formed from a heat-resistant metal such as a Mo—Ta alloy by sputtering, and the overcoat is formed. After the film (silicon oxide film or the like) 137 is formed, the source electrode 127 of the MOSTFT 2 and the ground line are formed of a heat-resistant metal such as a Mo—Ta alloy by sputtering after opening the source window of the MOSTFT 2. Further, an overcoat film (silicon oxide / silicon nitride laminated film or the like) 136 is formed by plasma CVD, catalytic CVD, or the like, and ion activation treatment is performed at 1000 ° C. for 10 to 20 seconds such as RTA treatment.
[0279]
Next, as shown in FIG. 31 (6), the source / drain portion of the MOSTFT1 and the gate portion of the MOSTFT2 are opened, and the drain of the MOSTFT1 and the gate of the MOSTFT2 are connected by an Al wiring 128 containing 1% Si. A source electrode of the MOSTFT 1 and a source line 127 connected to the source are formed.
[0280]
Next, as shown in (7) of FIG. 31, after forming an overcoat film (silicon oxide / phosphine silicate glass / silicon nitride laminated film, etc.) 130, a window of the GND line is opened, and (8) of FIG. As shown in FIG. 5, the gate lead electrode 150 and the metal shielding film 151 are formed by etching after Nb deposition, and the field emission cathode portion is opened to expose the emitter 153, and the hydrogen-based activity of the bias catalyst AHA treatment described above. Clean with seeds.
[0281]
<FED Structure Example II>
As shown in FIGS. 32 (A), (B), and (C), according to the structure example II, on the substrate 111 such as glass, as described in the structure example I, the above-described structure is based on the present invention. The gate channel 117, the source region 120, and the drain region 121 of the switching MOSTFT 1 and the current driving MOSTFT 2 are formed by a polycrystalline silicon film having a high crystallization rate and a large grain size formed by the method. A gate electrode 115 is formed on the gate insulating film 118, and a source electrode 127 and a drain electrode 128 are formed on the source and drain regions. The drain of the MOSTFT 1 and the gate of the MOSTFT 2 are connected via a drain electrode 128, a capacitor C is formed between the source electrode 127 of the MOSTFT 2 via an insulating film 136, and the drain region 121 of the MOSTFT 2 is It extends as it is to the FEC (field emission cathode) of the FED element, and functions as the emitter region 152.
[0282]
Each MOSTFT is covered with an insulating film 130. On this insulating film, a metal shielding film 151 for grounding is formed in the same process with the same material as that of the FEC gate lead electrode 150 to cover each MOSTFT. In FEC, an n-type polycrystalline diamond film 163 to be a field emission emitter is formed on an emitter region 152 made of a polycrystalline silicon film, and further has openings for partitioning into m × n emitters. Insulating films 118, 137, 136 and 130 are patterned, and a gate lead electrode 150 is deposited on the upper surface.
[0283]
Further, a substrate 157 such as a glass substrate formed with a phosphor 156 with a back metal 155 as an anode is provided opposite to the FEC, and a high vacuum is maintained between the FEC and the FEC.
[0284]
In the FEC having this structure, an n-type polycrystalline diamond film 163 grown on the polycrystalline silicon film 152 formed in accordance with the present invention is exposed under the opening of the gate extraction electrode 150, and each of them is an electron 154. It functions as a thin film type emitter that emits. That is, since the polycrystalline silicon film 152 serving as the base of the emitter is composed of grains having a large grain size (grain size of several hundred nm or more), the n-type polycrystalline diamond film 163 is used as a catalyst on this as a seed. When grown by CVD or the like, the polycrystalline diamond film 163 also grows with a large grain size, and is formed so that the surface has fine irregularities 168 that are advantageous for electron emission.
[0285]
Therefore, since the emitter is a surface emission type made of a thin film, its formation is easy, the emitter performance is stable, and the life can be extended.
[0286]
Further, a metal-based shielding film 151 having a ground potential is formed on the upper part of all active elements (this includes the MOSTFT and the diode of the peripheral drive circuit and the pixel display portion). Since the same material (Nb, Ti / Mo, metal silicide, etc.) is formed in the same process, it is convenient in terms of process.) As described above, the metal-based shielding film 151 is formed on the insulating layer on the MOSTFT as described above. Can be reduced to the ground potential to prevent charge-up, emitter current runaway can be prevented, and since the metal-based shielding film 151 is formed on the insulating layer on the MOSTFT, light incident on the MOSTFT can be prevented. This prevents the malfunction of the MOSTFT.
[0287]
Next, the manufacturing process of the FED will be described. First, as shown in FIG. 33 (1), after the polycrystalline silicon film 117 is formed on the entire surface through the above-described steps, the general photolithography and etching techniques are used. An island is formed in the MOSTFT1, MOSTFT2, and the emitter region, and a protective silicon oxide film 159 is formed on the entire surface by plasma CVD, catalytic CVD, or the like.
[0288]
Next, V V is controlled by controlling the gate channel impurity concentration of the MOS TFTs 1 and 2.thIn order to optimize this, boron ions 83 are 5 × 10 5 on the entire surface by ion implantation or ion doping.11atoms / cm2Doping with a dose of 1 × 1017The acceptor concentration is set to atoms / cc.
[0289]
Next, as shown in (2) of FIG. 33, phosphorus ions 79 are introduced into the source / drain portions and the emitter regions of the MOS TFTs 1 and 2 by 1 × 10 × 10 by ion implantation or ion doping using the photoresist 82 as a mask.15atoms / cm2Doping with a dose of 2 × 1020After setting the donor concentration to atoms / cc and forming the source region 120, the drain region 121, and the emitter region 152, the protective silicon oxide film in the emitter region is removed by general-purpose photolithography and etching techniques.
[0290]
Next, as shown in (3) of FIG. 33, monosilane and methane (CH) are seeded using the polycrystalline silicon film 152 that forms the emitter region by catalytic CVD.Four) And a dopant in an appropriate ratio, and an n-type polycrystalline diamond film 163 having fine irregularities 168 on the surface is formed in the emitter region. At the same time, an n-type amorphous diamond film is formed on the other silicon oxide film 159 and the glass substrate 111. 170 is formed.
[0291]
Next, as shown in FIG. 33 (4), the amorphous diamond film 170 is etched away by the activated hydrogen ions at the time of the catalyst AHA treatment described above, and after the silicon oxide film 159 is removed by etching, the gate insulating film is formed by catalytic CVD or the like. (Silicon oxide film or the like) 118 is formed.
[0292]
Next, as shown in FIG. 34 (5), gate lines connected to the gate electrodes 115 of the MOSTFT 1 and 2 and the gate electrode of the MOSTFT 1 are formed by a heat-resistant metal such as a Mo—Ta alloy by sputtering, and an overcoat is formed. After the film (silicon oxide film or the like) 137 is formed, the source electrode 127 of the MOSTFT 2 and the ground line are formed of a heat-resistant metal such as a Mo—Ta alloy by sputtering after opening the source window of the MOSTFT 2. Further, an overcoat film (silicon oxide / silicon nitride laminated film or the like) 136 is formed by plasma CVD, catalytic CVD, or the like, and ion activation treatment is performed at 1000 ° C. for 10 to 20 seconds such as RTA.
[0293]
Next, as shown in FIG. 34 (6), the source / drain portion of the MOSTFT 1 and the gate portion of the MOSTFT 2 are opened, and the drain of the MOSTFT 1 and the gate of the MOSTFT 2 are connected by an Al wiring 128 containing 1% Si. A source electrode of the MOSTFT 1 and a source line 127 connected to the source are formed.
[0294]
Next, as shown in (7) of FIG. 34, after forming an overcoat film (silicon oxide / phosphine silicate glass / silicon nitride laminated film, etc.) 130, a GND line window is opened, and (8) of FIG. As shown in FIG. 5, the gate lead electrode 150 and the metal shielding film 151 are formed by etching after Nb deposition, and further, the field emission cathode portion is opened to expose the emitter 163, and the hydrogen-based activity of the bias catalyst AHA treatment described above. Clean with seeds.
[0295]
In the above, when forming the polycrystalline diamond film 163, the carbon-containing compound as the source gas used is, for example,
1) Paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane, propane and butane
2) Acetylene and arylene acetylene hydrocarbons
3) Olefin hydrocarbons such as ethylene, propylene, butylene
4) Diolefin hydrocarbons such as butadiene
5) Cyclopropane, cyclobutane, cyclopentane, cyclohexane and other alicyclic hydrocarbons
6) Aromatic hydrocarbons such as cyclobutadiene, benzene, toluene, xylene, naphthalene
7) Ketones such as acetone, diethyl ketone, and benzophenone
8) Alcohols such as methanol and ethanol
9) Amines such as trimethylamine and triethylamine
10) Substances consisting only of carbon atoms, such as graphite, coal, coke, etc.
These may be used alone or in combination of two or more.
[0296]
Further, usable inert gases are, for example, argon, helium, neon, krypton, xenon, and radon. As the dopant, for example, a compound containing boron, lithium, nitrogen, phosphorus, sulfur, chlorine, arsenic, selenium, beryllium, or the like can be used, and the doping amount is 1020atoms / cc or more.
[0297]
Fifth embodiment
In this embodiment, the present invention is applied to a solar cell as a photoelectric conversion device. The production example is shown below.
[0298]
First, as shown in (1) of FIG. 35, after a protective film (not shown) is formed on a metal substrate 111 such as stainless steel by the above-described catalytic CVD method or the like, an amorphous or microcrystalline carbon thin film is formed thereon. 100A is formed.
[0299]
Next, as shown in FIG. 35 (2), the carbon thin film 100A is changed to a diamond ultrafine carbon particle layer 100B by the above-described bias catalyst AHA treatment.
[0300]
Next, as shown in (3) of FIG. 35, the n-type polycrystalline silicon film 7 is formed using the carbon ultrafine particle layer 100B as a seed by the above-described catalytic CVD or bias catalytic CVD method. This polycrystalline silicon film 7 may be formed by the above-described multi-catalyst AHA treatment, and has a high crystallization rate, a large grain size of tin or other group IV element (Ge, Pb) alone or in a mixture containing n-type. A polycrystalline silicon film is formed to a thickness of 100 to 200 nm. The polycrystalline silicon film 7 is doped with n-type impurities such as phosphorus.ThreeFor example, 1 × 1017~ 1x1018atoms / cc.
[0301]
Next, as shown in FIG. 36 (4), on the polycrystalline silicon film 7, i or a mixture containing tin or other group IV elements (Ge, Pb) alone or in mixture by catalytic CVD or the like is used as a seed. A type polycrystalline silicon film 180, a p-type polycrystalline silicon film 181 containing tin or another group IV element (Ge, Pb) alone or in a mixture, and the like are grown to form a photoelectric conversion layer.
[0302]
For example, by catalytic CVD, tin hydride (SnHFour) Are mixed at an appropriate ratio to grow an i-type large grain tin-containing polycrystalline silicon film 180 to a thickness of 2 to 5 μm. On top of this, p-type impurity boron (B2H6Etc.) and tin hydride (SnH)Four) In an appropriate ratio, for example, 1 × 1017~ 1x1018A p-type large-grain-size tin-containing polycrystalline silicon film 181 containing atoms / cc is formed to a thickness of 100 to 200 nm. At this time, tin or another group IV element (Ge, Pb) alone or a mixture such as tin, for example, 1 × 10 6 is contained in each film.16atoms / cc or more, preferably 1 × 1018~ 1x1020By containing atoms / cc, crystal irregularities and stress existing in the crystal grain boundaries are reduced, so that carrier mobility can be improved (this is because the n-type or p-type polycrystalline silicon films 7 and 181 are formed). The same applies when forming).
[0303]
Further, the above-described multi-bias catalyst AHA treatment may be performed. For example, after an n-type or p-type tin-containing polycrystalline silicon film is grown to a thickness of 20 to 50 nm by catalytic CVD or bias catalytic CVD, a bias catalyst AHA treatment is performed, and n-type or A p-type tin-containing polycrystalline silicon film is grown to a thickness of 20 to 50 nm, and after the bias catalyst AHA treatment, an n-type or p-type tin-containing polycrystalline silicon film is further 20 to 50 nm by catalytic CVD or bias catalyst CVD. Then, each process may be repeated by the necessary number of times so that the bias catalyst AHA process is performed (this is also the case with the i-type polycrystalline silicon film 180). By this method, a tin-containing polycrystalline silicon film having a larger particle size can be formed. Alternatively, the amount of source gas supply may be increased during film formation to achieve high-speed film formation. After this, RTA treatment (about 1000 ° C., 10 to 30 seconds) activates ions in each layer.
[0304]
Next, as shown in FIG. 36 (5), a transparent electrode 182 is formed on the entire surface of the tin-containing polycrystalline silicon film having a large particle size of the nip junction formed by the above method. For example, a transparent electrode 182 such as ITO (Indium Tin Oxide) or IZO (Indium Zinc Oxide) for antireflection coating is formed to a thickness of 100 to 150 nm by a general-purpose sputtering technique. Then, a comb-shaped electrode 183 made of silver or the like is formed to a thickness of 100 to 150 nm in a predetermined region by a general sputtering technique using a metal mask.
[0305]
The above film may not contain tin or other group IV elements, but in this case, it can be produced in the same manner as described above. In addition to the above-described nip junction structure, a pi-n junction, an pn junction, and a pn junction structure can be similarly manufactured.
[0306]
The solar cell according to the present embodiment can form a photoelectric conversion thin film with high carrier mobility and high conversion efficiency with a large grain polycrystalline silicon film based on the present invention, and has a good surface texture structure and back surface texture structure. Since it is formed, a photoelectric conversion thin film having a high light containment effect and a high conversion efficiency can be formed. This is not limited to the solar battery, and can be advantageously used for a thin film photoelectric conversion device such as a photosensitive drum for electrophotography.
[0307]
In contrast, in this type of conventional photoelectric conversion device, an amorphous carbon thin film is formed by RF plasma CVD, VHF plasma CVD, etc., and ultrafine carbon particles are formed by plasma hydrogen treatment, which is used to grow polycrystalline silicon crystals. A large grain polycrystalline silicon film is formed as a nucleus, and an n-type polycrystalline silicon layer, an i-type polycrystalline silicon active layer, and a p-type polycrystalline silicon layer are continuously formed, and an ITO film is laminated on the entire surface. Finally, a comb electrode is formed to obtain a thin-film polycrystalline silicon solar cell having a thickness of about 2 μm.
[0308]
However, this conventional method cannot avoid the following drawbacks.
1) A crystalline silicon thin film formed at a low temperature by RF plasma CVD, VHF plasma CVD or the like has low energy, so that chemical decomposition reaction of raw material gas or plasma hydrogen treatment tends to be insufficient, and the crystal grain size is small. Because it is small, mobility is low, and excessive current due to local electrical shorts or leaks is likely to occur due to the large number of grain boundaries and pinholes, and it is deposited in the film thickness of several μm required as a photoelectric conversion layer. In such a case, the internal stress or strain of the film increases, and in the worst case, the film peels off. As a result, the production yield and reliability of the photoelectric conversion layer are remarkably lowered, which is a major obstacle to aiming at practical use of a photoelectric conversion device including the photoelectric conversion layer.
2) Since RF plasma CVD and VHF plasma CVD have low energy, the utilization efficiency of the source gas is as low as 5 to 10%. For this reason, productivity is low and it is difficult to reduce costs.
[0309]
The embodiment of the present invention described above can be variously modified based on the technical idea of the present invention.
[0310]
For example, the number of repetitions of the above-described catalytic CVD method and bias catalyst AHA treatment and various conditions may be variously changed, and the material of the substrate used is not limited to the above.
[0311]
Further, the present invention is suitable for an internal circuit such as a display unit, a peripheral driving circuit, a video signal processing circuit, a memory circuit, and other MOSTFTs, but besides that, an active region of a device such as a diode, a resistor, It is also possible to form passive regions such as capacitance (capacitance), wiring, and inductance with the polycrystalline silicon film according to the present invention.
[0312]
[Effects of the invention]
In the present invention, as described above, when forming a polycrystalline semiconductor thin film on a substrate, a carbon thin film made of amorphous carbon, microcrystalline carbon, or a mixture thereof is formed on the substrate, and hydrogen or a hydrogen-containing gas is heated. The hydrogen-based active species produced by contacting with the formed catalyst body is allowed to act on the carbon thin film under the action of an electric field or / and magnetic field below the glow discharge starting voltage, and the amorphous-structured carbon is produced by the action of the hydrogen-based active species. Are etched to form diamond ultrafine carbon particles, and the semiconductor material thin film is vapor-grown using the ultrafine carbon particles as seeds (crystal growth nuclei). The following (1) to (4) The remarkable effect as shown is obtained.
[0313]
(1) Activated species generated by bringing hydrogen or a hydrogen-containing gas into contact with the heated catalyst body (hydrogen-based active species such as high-temperature hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, and activated hydrogen ions) can be subjected to any electric field or / In addition, since the carbon thin film is caused to act by spraying or the like by the bias catalyst AHA treatment by the magnetic field, the following remarkable effect is shown by adding the heating by the radiant heat of the high temperature heating catalyst body.
[0314]
In this bias catalyst AHA treatment, hydrogen is brought into contact with a high temperature catalyst body (800 to 2000 ° C. below melting point, for example, 1500 to 2000 ° C. for tungsten) under a hydrogen or hydrogen-containing gas pressure of 10 to 50 Pa, and a large amount of high temperature Of hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions) and the like are sprayed onto an amorphous carbon film or microcrystalline carbon film formed on the substrate (however, the substrate temperature is 200-500 ° C), in addition to the thermal energy possessed by a large amount of high-temperature hydrogen-based active species (hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, activated hydrogen ions), etc. It moves to the film etc. with sufficient directional kinetic energy of the film and locally raises the temperature of the film etc., and the amorphous carbon film and the microcrystalline carbon film The ultrafine carbon particles having a diamond structure on the surface or substrate (for example, a glass substrate) such as an amorphous carbon film or a microcrystalline carbon film are crystallized as the amorphous component is etched away by the action of the hydrogen-based active species. Cluster) can be reliably and stably scattered, and this can be effectively used as a crystal growth nucleus (seed) for the subsequent growth of polycrystalline silicon or the like. At this time, in particular, the gate channel region and the like are scattered in islands, and the electrical resistance needs to be small enough to be ignored.
[0315]
(2) The diamond-structured carbon ultrafine particles obtained by the bias catalyst AHA treatment are used as seeds, and the semiconductor material thin film is easily grown on the polycrystalline material (as a polycrystalline semiconductor thin film). By the subsequent bias catalyst AHA treatment and vapor phase growth, crystallization of the silicon film or the like grown on the polycrystalline semiconductor thin film is promoted by using the polycrystalline semiconductor thin film as a seed. A polycrystalline semiconductor thin film having a high crystallization rate and high quality can be obtained. That is, if a silicon film formed by catalytic CVD, for example, contains an amorphous component by bias catalyst AHA treatment, this is etched away by the action of hydrogen-based active species, and a silicon film that is vapor-phase grown thereon. Is easy to form a polycrystalline silicon film by using the diamond ultrafine particles with the diamond structure as the seed (nucleus). Furthermore, if the same bias catalyst AHA treatment and vapor phase growth are repeated, a large amount of high-temperature hydrogen-based activity can be obtained. The thermal energy of the seeds moves to the film etc. by sufficient directional kinetic energy due to the acceleration electric field and / or magnetic field, and the temperature of the film etc. increases locally. Amorphous silicon and microcrystalline silicon are polycrystalline Thus, the polycrystalline silicon can be highly crystallized to form a polycrystalline silicon film having a high crystallization rate and a large grain size. As a result, not only the top gate type, but also the bottom gate type and dual gate type MOS TFT can obtain a large grain polycrystalline silicon thin film with high carrier (electron / hole) mobility. High-speed, high current density semiconductor devices, electro-optical devices, and high-efficiency solar cells using semiconductors such as polycrystalline silicon can be manufactured.
[0316]
(3) Since this bias catalyst AHA treatment can be performed without generating plasma, there is no damage caused by plasma, and a simpler and cheaper apparatus can be realized as compared with plasma treatment.
[0317]
(4) Since the energy of the active species is large even if the substrate temperature is lowered, the target diamond structure carbon ultrafine particles can be obtained stably and reliably, and the substrate temperature is as low as 300 to 400 ° C. in particular. Even if it is changed, the polycrystalline semiconductor thin film grows efficiently using carbon ultrafine particles as a seed, so that large and inexpensive low-strain-point insulating substrates (glass substrates, heat-resistant resin substrates, etc.) can be used. Down is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a MOS TFT according to a first embodiment of the present invention in the order of steps.
FIG. 2 is a sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view in one state of the apparatus for catalytic CVD and bias catalyst AHA treatment used in the production.
FIG. 6 is a schematic sectional view of the device in another state.
FIG. 7 is a schematic sectional view showing the apparatus in more detail.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an apparatus using a bias method.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of another apparatus using a bias method.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of another apparatus using a bias method.
FIG. 11 is a timing chart of the gas flow rate during processing using this apparatus.
FIG. 12 is a schematic view of a gas supply system of the apparatus.
FIG. 13 is a graph showing a comparison of Raman spectra of semiconductor films obtained by the processing.
FIG. 14 is a graph showing comparison of crystallization rates of semiconductor thin films.
FIG. 15 is a graph showing a comparison of the concentration of heavy metals in the membrane according to the purity of the catalyst body and the support body.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the LCD according to the second embodiment of the present invention in the order of steps.
FIG. 17 is a sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 18 is a sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 19 is a sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 20 is a perspective view showing a schematic layout of the entire LCD.
FIG. 21 is an equivalent circuit diagram of the LCD.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing another manufacturing process of the LCD in the order of steps.
FIG. 23 is a sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 24 is a cross-sectional view showing various types of MOS TFTs of the LCD.
FIG. 25 is an equivalent circuit diagram (A) of a main part of an organic EL display device according to a third embodiment of the present invention, an enlarged cross-sectional view (B) of the main part, and a cross-sectional view of the peripheral part of the pixel (C). It is.
FIG. 26 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the organic EL display device in the order of steps.
FIG. 27 is an equivalent circuit diagram (A) of a main part of another organic EL display device, an enlarged cross-sectional view (B) of the main part, and a cross-sectional view (C) of the periphery of the pixel.
FIG. 28 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the organic EL display device in the order of steps.
FIG. 29 is an equivalent circuit diagram (A) of an essential part of an FED according to a fourth embodiment of the present invention, an enlarged sectional view (B) of the essential part, and a schematic plan view (C) of the essential part.
FIG. 30 is a cross-sectional view showing the FED manufacturing process in the order of steps.
FIG. 31 is a sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 32 is an equivalent circuit diagram (A) of an essential part of another FED, an enlarged cross-sectional view (B) of the essential part, and a plan view (C) of the essential part.
FIG. 33 is a cross-sectional view showing the FED manufacturing process in the order of steps.
FIG. 34 is a sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
FIG. 35 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the solar cell according to the fifth embodiment of the present invention in the order of steps.
FIG. 36 is a sectional view showing the manufacturing process in the order of steps.
[Explanation of symbols]
1, 61, 98, 111, 157 ... substrate, 7, 67 ... polycrystalline silicon film,
14, 67, 117 ... channels,
15, 75, 102, 105, 115 ... gate electrodes,
8, 68, 103, 104, 106, 118 ... gate insulating film,
20, 21, 80, 81, 120, 121 ... n+Type source or drain region,
24, 25, 84, 85 ... p+Type source or drain region,
27, 28, 86, 92, 130, 136, 137 ... insulating film,
29, 30, 87, 88, 89, 90, 91, 93, 97, 127, 128, 131 ... electrodes, 40 ... source gas, 42 ... shower head, 44 ... film formation chamber,
45 ... susceptor, 46 ... catalyst, 47 ... shutter, 48 ... catalyst power supply,
49 ... Bias power supply, 94, 96 ... Alignment film, 95 ... Liquid crystal,
99: Color filter layer, 100A: Amorphous or microcrystalline carbon thin film,
100B ... Diamond ultrafine carbon particle layer,
100 ', 140 ... black mask layer, 132, 133 ... organic light emitting layer,
134, 135, 144 ... anode, 138, 141, 142, 171 ... cathode,
150 ... Gate lead electrode (gate line), 151 ... Shielding film,
152 ... emitter, 153 ... n-type polycrystalline silicon film, 155 ... back metal, 156 ... phosphor, 158, 168 ... fine unevenness,
163 ... n-type polycrystalline diamond film, 180 ... i-type polycrystalline silicon film,
181 ... p-type polycrystalline silicon film, 182 ... transparent electrode, 183 ... comb electrode,
200, 201 ... Electrode, 202, 203 ... Magnetic pole (permanent magnet), 204 ... Electromagnet

Claims (29)

基体上に多結晶性半導体薄膜を形成するに際し、
前記基体上にアモルファスカーボン又は微結晶カーボン又はこれらの混合物からなる カーボン薄膜を形成する工程と、
水素又は水素含有ガスを加熱された触媒体に接触させ、これによって生成した水素系 活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記カーボン薄膜に 作用させてアニールを行い、ダイヤモンド構造のカーボン超微粒子を形成する工程と、
このカーボン超微粒子上に半導体材料薄膜を気相成長させる工程と
を経て前記多結晶性半導体薄膜を得る、多結晶性半導体薄膜の形成方法。
When forming a polycrystalline semiconductor thin film on a substrate,
Forming a carbon thin film comprising amorphous carbon or microcrystalline carbon or a mixture thereof on the substrate;
Hydrogen or a hydrogen-containing gas is brought into contact with the heated catalyst body, and the hydrogen-based active species generated thereby are annealed by acting on the carbon thin film under the action of an electric field or / and a magnetic field below the glow discharge starting voltage, Forming a diamond-structured carbon ultrafine particle;
A method for forming a polycrystalline semiconductor thin film, wherein the polycrystalline semiconductor thin film is obtained through vapor phase growth of a semiconductor material thin film on the carbon ultrafine particles.
基体上に多結晶性半導体薄膜を有する半導体装置を製造するに際し、
前記基体上にアモルファスカーボン又は微結晶カーボン又はこれらの混合物からなる カーボン薄膜を形成する工程と、
水素又は水素含有ガスを加熱された触媒体に接触させ、これによって生成した水素系 活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記カーボン薄膜に 作用させてアニールを行い、ダイヤモンド構造のカーボン超微粒子を形成する工程と、
このカーボン超微粒子上に半導体材料薄膜を気相成長させる工程と
を経て前記多結晶性半導体薄膜を得る、半導体装置の製造方法。
When manufacturing a semiconductor device having a polycrystalline semiconductor thin film on a substrate,
Forming a carbon thin film comprising amorphous carbon or microcrystalline carbon or a mixture thereof on the substrate;
Hydrogen or a hydrogen-containing gas is brought into contact with the heated catalyst body, and the hydrogen-based active species generated thereby are annealed by acting on the carbon thin film under the action of an electric field or / and a magnetic field below the glow discharge starting voltage, Forming a diamond-structured carbon ultrafine particle;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the polycrystalline semiconductor thin film is obtained through a vapor phase growth process of a semiconductor material thin film on the carbon ultrafine particles.
前記カーボン薄膜を気相成長法又は物理的成膜法によって、前記半導体材料薄膜を気相成長法によって形成する、請求項1又は2に記載した方法。  The method according to claim 1, wherein the carbon thin film is formed by a vapor deposition method or a physical film formation method, and the semiconductor material thin film is formed by a vapor deposition method. 原料ガス及び水素又は水素含有ガスの少なくとも一部を加熱された触媒体に接触させて触媒的に分解させ、これによって生成したラジカル、イオンからなる反応種を基体上に堆積させて、前記カーボン薄膜及び/又は前記半導体材料薄膜を気相成長させる、請求項1又は2に記載した方法。The carbon thin film is prepared by contacting at least a part of the source gas and hydrogen or a hydrogen-containing gas with a heated catalyst body for catalytic decomposition, and depositing reactive species composed of radicals and ions generated thereby on the substrate. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the thin film of semiconductor material is vapor-phase grown. 前記反応種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記基体上に堆積させる、請求項4に記載した方法。The method according to claim 4, wherein the reactive species is deposited on the substrate under the action of an electric field or / and a magnetic field below a glow discharge starting voltage. 前記半導体材料薄膜の気相成長後に、水素又は水素含有ガスを加熱された触媒体に接触させ、これによって生成した高温の水素系分子、水素系原子、活性化水素イオンからなる水素系活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記半導体材料薄膜に作用させてアニールを行、請求項4に記載した方法。After vapor phase growth of the semiconductor material thin film, hydrogen or a hydrogen-containing gas is brought into contact with a heated catalyst body, and a hydrogen-based active species composed of high-temperature hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, and activated hydrogen ions generated thereby. glow discharge starting voltage below the field and / or by acting on the semiconductor material thin film under the action of a magnetic field cormorants line annealing method according to claim 4. 前記半導体材料薄膜と同様の半導体材料薄膜の気相成長と前記アニールとを繰り返す、請求項6に記載した方法。The method according to claim 6, wherein vapor phase growth of the semiconductor material thin film similar to the semiconductor material thin film and the annealing are repeated. 加熱された前記触媒体に前記水素又は水素含有ガスの少なくとも一部を接触させ、これによって生成した高温の水素系分子、水素系原子、活性化水素イオンからなる水素系活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記カーボン薄膜又は前記半導体材料薄膜に作用させてアニールを行う、請求項1又は2に記載した方法。The heated the catalyst is contacted with at least a portion of said hydrogen or hydrogen-containing gas, thereby resulting hot hydrogen-based molecules, hydrogen-based atom, hydrogen-based active species glow discharge starting voltage consisting of activated hydrogen ions The method according to claim 1, wherein annealing is performed by acting on the carbon thin film or the semiconductor material thin film under the action of the following electric field and / or magnetic field. 加熱された前記触媒体に、原料ガス及び水素系キャリアガスの少なくとも一部を接触させて触媒的に分解させ、これによって生成したラジカル、イオンからなる反応種を加熱された前記基体上に堆積させて前記カーボン薄膜又は前記半導体材料薄膜を気相成長させた後、前記原料ガスの供給を停止し、加熱された触媒体に前記水素系キャリアガスの少なくとも一部を接触させ、これによって生成した高温の水素系分子、水素系原子、活性化水素イオンからなる水素系活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記カーボン薄膜又は前記半導体材料薄膜に作用させてアニールを行う、請求項1、2、6又はに記載した方法。The heated said catalyst body, the raw material gas and contacting at least a portion of the hydrogen-based carrier gas catalytically to decompose, radicals generated thereby, is deposited on the substrate the reactive species is heated made of an ion After the vapor deposition of the carbon thin film or the semiconductor material thin film, the supply of the source gas is stopped, and at least a part of the hydrogen-based carrier gas is brought into contact with the heated catalyst body, thereby generating a high temperature Annealing is performed by applying a hydrogen-based active species composed of hydrogen-based molecules, hydrogen-based atoms, and activated hydrogen ions to the carbon thin film or the semiconductor material thin film under the action of an electric field or / and a magnetic field below the glow discharge starting voltage. The method according to claim 1, 2 , 6 or 7 . 前記反応種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で前記の加熱された基体上に堆積させる、請求項9に記載した方法。The method of claim 9, wherein the reactive species is deposited on the heated substrate under the action of an electric field or / and a magnetic field below a glow discharge onset voltage. 前記気相成長時の水素又は水素含有ガス供給量よりも前記アニール時の水素又は水素含有ガス供給量を多くする、請求項に記載した方法。The method according to claim 9 , wherein a supply amount of hydrogen or a hydrogen-containing gas at the time of annealing is made larger than a supply amount of hydrogen or a hydrogen-containing gas at the time of vapor phase growth. タングステン、トリア含有タングステン、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、シリコン、アルミナ、金属を付着したセラミックス、及び炭化ケイ素からなる群より選ばれた少なくとも1種の材料によって、前記触媒体を形成する、請求項1又は2に記載した方法。  The catalyst body is formed of at least one material selected from the group consisting of tungsten, tria-containing tungsten, molybdenum, platinum, palladium, vanadium, silicon, alumina, metal-attached ceramics, and silicon carbide. The method described in 1 or 2. 前記触媒体及びこれを支持する支持体の純度を99.99wt%以上とする、請求項1又は2に記載した方法。  The method according to claim 1 or 2, wherein the purity of the catalyst body and the support body supporting the catalyst body is 99.99 wt% or more. 前記多結晶性半導体薄膜が多結晶性シリコン膜、多結晶性ゲルマニウム膜又は多結晶性シリコンゲルマニウム膜からなり、かつ、前記水素又は水素含有ガスが水素又は水素と不活性なガスとの混合ガスからなる、請求項1又は2に記載した方法。  The polycrystalline semiconductor thin film is a polycrystalline silicon film, a polycrystalline germanium film or a polycrystalline silicon germanium film, and the hydrogen or hydrogen-containing gas is hydrogen or a mixed gas of hydrogen and an inert gas. The method according to claim 1 or 2. 前記半導体薄膜にIV族元素の少なくとも1種を含有させる、請求項14に記載した方法。The method according to claim 14 , wherein the semiconductor thin film contains at least one group IV element. 前記グロー放電開始電圧以下の電圧として、直流電圧、交流電圧、又は直流電圧に交流電圧を重畳させた電圧を印加する、請求項1又は2に記載した方法。  The method according to claim 1 or 2, wherein a voltage equal to or lower than the glow discharge start voltage is applied as a DC voltage, an AC voltage, or a voltage obtained by superimposing an AC voltage on a DC voltage. 前記交流電圧としての高周波電圧の周波数を1〜100MHz、前記交流電圧としての低周波電圧の周波数を1MHz未満とする、請求項16に記載した方法。The method according to claim 16 , wherein the frequency of the high-frequency voltage as the AC voltage is 1 to 100 MHz, and the frequency of the low-frequency voltage as the AC voltage is less than 1 MHz. 前記多結晶性半導体薄膜によって、薄膜絶縁ゲート型電界効果トランジスタのチャンネル、ソース及びドレイン領域、又は配線、抵抗、容量又は電子放出体を形成する、請求項1又は2に記載した方法。  The method according to claim 1, wherein the polycrystalline semiconductor thin film forms a channel, a source and a drain region, or a wiring, a resistor, a capacitor, or an electron emitter of a thin film insulated gate field effect transistor. 前記チャンネル、ソース及びドレイン領域の形成後に、これらの領域に対し、水素又は水素含有ガスを加熱された触媒体に接触させることによって生成した水素系活性種をグロー放電開始電圧以下の電界又は/及び磁界の作用下で作用させる、請求項18に記載した方法。After the channel, source and drain regions are formed, the hydrogen-based active species generated by bringing hydrogen or a hydrogen-containing gas into contact with the heated catalyst body with respect to these regions is subjected to an electric field lower than the glow discharge start voltage or / and The method according to claim 18 , wherein the method is performed under the action of a magnetic field. 前記多結晶性半導体薄膜内においてゲート絶縁膜側から外部に向って結晶粒径を小さくして高密度化するか、或いはアモルファス半導体薄膜又は微粒径層及びアモルファス半導体薄膜で前記多結晶性半導体薄膜を被覆する、請求項1又は2に記載した方法。  In the polycrystalline semiconductor thin film, the crystal grain size is reduced from the gate insulating film side to the outside to increase the density, or the amorphous semiconductor thin film or the fine grain size layer and the amorphous semiconductor thin film are used to form the polycrystalline semiconductor thin film. The method according to claim 1 or 2, wherein the coating is applied. 前記微粒径層及びアモルファス半導体薄膜又は前記アモルファス半導体薄膜を除去し、大粒径層としての前記多結晶性半導体薄膜とコンタクトしたソース、ドレイン電極を形成する、請求項20に記載した方法。21. The method according to claim 20 , wherein the fine particle layer and the amorphous semiconductor thin film or the amorphous semiconductor thin film are removed to form source and drain electrodes in contact with the polycrystalline semiconductor thin film as a large particle layer. シリコン半導体装置、シリコン半導体集積回路装置、シリコン−ゲルマニウム半導体装置、シリコン−ゲルマニウム半導体集積回路装置、化合物半導体装置、化合物半導体集積回路装置、炭化ケイ素半導体装置、炭化ケイ素半導体集積回路装置、液晶表示装置、有機又は無機エレクトロルミネセンス表示装置、フィールドエミッションディスプレイ(FED)装置、発光ポリマー表示装置、発光ダイオード表示装置、CCDエリア/リニアセンサ装置、MOSセンサ装置、太陽電池装置用の薄膜を製造する、請求項1又は2に記載した方法。  Silicon semiconductor device, silicon semiconductor integrated circuit device, silicon-germanium semiconductor device, silicon-germanium semiconductor integrated circuit device, compound semiconductor device, compound semiconductor integrated circuit device, silicon carbide semiconductor device, silicon carbide semiconductor integrated circuit device, liquid crystal display device, Manufacturing thin films for organic or inorganic electroluminescence display devices, field emission display (FED) devices, light emitting polymer display devices, light emitting diode display devices, CCD area / linear sensor devices, MOS sensor devices, solar cell devices. The method described in 1 or 2. 内部回路及び周辺回路を有する半導体装置、固体撮像装置、電気光学装置の製造に際し、これらの少なくとも一部を構成する薄膜絶縁ゲート型電界効果トランジスタのチャンネル、ソース及びドレイン領域を前記多結晶性半導体薄膜によって形成する、請求項22に記載した方法。When manufacturing a semiconductor device, a solid-state imaging device, and an electro-optical device having an internal circuit and a peripheral circuit, the polycrystalline semiconductor thin film has a channel, a source, and a drain region of a thin film insulated gate field effect transistor constituting at least a part thereof. The method according to claim 22 , formed by: 各色用の有機又は無機エレクトロルミネセンス層の下層にそれぞれ、前記薄膜絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレイン又はソースと接続された陰極又は陽極を有する、請求項23に記載した方法。The method according to claim 23 , wherein a cathode or an anode connected to a drain or a source of the thin-film insulated gate field effect transistor is provided below the organic or inorganic electroluminescent layer for each color. 前記薄膜絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む能動素子上も前記陰極が覆い、或いは前記各色用の有機又は無機エレクトロルミネセンス層の各層上及び各層間の全面に前記陰極又は陽極が被着されている装置を製造する、請求項24に記載した方法。The cathode is also covered on the active element including the thin-film insulated gate field effect transistor, or the cathode or anode is deposited on each layer of the organic or inorganic electroluminescent layer for each color and on the entire surface of each layer. The method of claim 24 , wherein the device is manufactured. 前記各色用の有機又は無機エレクトロルミネセンス層間にブラックマスク層を形成する、請求項24に記載した方法。25. The method of claim 24 , wherein a black mask layer is formed between the organic or inorganic electroluminescent layers for each color. フィールドエミッションディスプレイ装置のエミッタを、前記多結晶性半導体薄膜を介して前記薄膜絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインに接続すると共に前記多結晶性半導体薄膜上に成長されたn型多結晶性半導体膜又は多結晶性ダイヤモンド膜によって形成する、請求項23に記載した方法。An emitter of a field emission display device is connected to the drain of the thin-film insulated gate field effect transistor through the polycrystalline semiconductor thin film, and an n-type polycrystalline semiconductor film grown on the polycrystalline semiconductor thin film or 24. The method of claim 23 , wherein the method is formed by a polycrystalline diamond film. 前記薄膜絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む能動素子上にアース電位の金属系遮蔽膜を形成する、請求項27に記載した方法。28. The method according to claim 27 , wherein a metal-based shielding film having a ground potential is formed on an active element including the thin-film insulated gate field effect transistor. 前記金属系遮蔽膜を前記フィールドエミッションディスプレイ装置のゲート引き出し電極と同一材料で同一工程により形成する、請求項28に記載した方法。29. The method according to claim 28 , wherein the metal-based shielding film is formed of the same material and in the same process as the gate extraction electrode of the field emission display device.
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