JPH09148245A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device and its manufacturing method

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JPH09148245A
JPH09148245A JP29972095A JP29972095A JPH09148245A JP H09148245 A JPH09148245 A JP H09148245A JP 29972095 A JP29972095 A JP 29972095A JP 29972095 A JP29972095 A JP 29972095A JP H09148245 A JPH09148245 A JP H09148245A
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JP
Japan
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silicon film
film
semiconductor device
crystalline silicon
temperature
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Application number
JP29972095A
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Japanese (ja)
Inventor
Naoki Makita
直樹 牧田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having very high performance and high reliability. SOLUTION: In a semiconductor device in which films 2 being an active area are stacked on a substrate 1 having an insulation face, the films 2 being the active area are crystallized with the use of an amorphous silicon film as a base and composed of crystalline silicon films in substantially a monocrystal state that respective pillar crystals in crystal particles are coupled to each other. Since the films 2 being the active area are in the monocrystal state, a movement speed of carriers can be made faster, etc., and characteristics are enhanced.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁表面を有する
基板上に活性領域となる膜が積層されてなる半導体装置
およびその製造方法に関する。特に、本発明は、薄膜ト
ランジスタ(以下、TFTと略す)を含む半導体装置に
有効であり、例えばアクティブマトリクス型の液晶表示
装置、密着型イメージセンサー、三次元ICなどに利用
できる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device in which a film to be an active region is laminated on a substrate having an insulating surface, and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention is effective for a semiconductor device including a thin film transistor (hereinafter abbreviated as TFT), and can be used for, for example, an active matrix type liquid crystal display device, a contact image sensor, a three-dimensional IC and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、高解像度の液晶表示装置、高速で
高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ICなどへ
の実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶縁膜上に
高性能な半導体素子を形成する試みがなされている。こ
れらの装置に用いられる半導体素子では、薄膜状のケイ
素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のケイ素半
導体としては、非晶質ケイ素半導体(α−Si)からな
るものと、結晶性を有するケイ素半導体からなるものの
二つに大別される。
2. Description of the Related Art In recent years, in order to realize a high resolution liquid crystal display device, a high speed and high resolution contact type image sensor, a three-dimensional IC, etc., high performance has been achieved on an insulating substrate such as glass or an insulating film. Attempts have been made to form semiconductor devices. In the semiconductor element used in these devices, a thin film silicon semiconductor is generally used. The thin film silicon semiconductor is roughly classified into two types, that is, an amorphous silicon semiconductor (α-Si) and a crystalline silicon semiconductor.

【0003】前者の非晶質ケイ素半導体は、作製温度が
低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産
性に富むため、最も一般的に用いられているが、導電性
等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣る。
したがって、今後より高速特性を得るためには、結晶性
を有するケイ素半導体からなる半導体装置の作製方法の
確立が強く求められている。
The former amorphous silicon semiconductor is most commonly used because it has a low production temperature, can be produced relatively easily by a vapor phase method, and is highly mass producible. Are inferior in physical properties to a silicon semiconductor having crystallinity.
Therefore, in order to obtain higher speed characteristics in the future, it is strongly required to establish a method for manufacturing a semiconductor device made of a crystalline silicon semiconductor.

【0004】後者の結晶性を有するケイ素半導体は、多
結晶ケイ素、微結晶ケイ素、結晶成分を含む非晶質ケイ
素、結晶性と非晶質性の中間の状態を有するセミアモル
ファスケイ素等が知られている。
The latter crystalline silicon semiconductors are known to be polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon containing crystalline components, semi-amorphous silicon having an intermediate state between crystalline and amorphous. ing.

【0005】前記した結晶性を有するケイ素半導体の膜
を得る方法としては、下記の三つが知られている。
The following three methods are known as methods for obtaining the above-mentioned crystalline silicon semiconductor film.

【0006】(1)成膜時に結晶性を有する膜を直接成
膜する。
(1) A film having crystallinity is directly formed at the time of film formation.

【0007】(2)非晶質の半導体膜を成膜しておき、
レーザー光のエネルギーにより結晶性を有せしめる。
(2) An amorphous semiconductor film is formed in advance,
It has crystallinity due to the energy of laser light.

【0008】(3)非晶質の半導体膜を成膜しておき、
熱エネルギーを加えることにより結晶性を有せしめる。
(3) An amorphous semiconductor film is formed in advance,
It is made crystalline by applying heat energy.

【0009】しかしながら、(1)の方法では、成膜工
程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ
素を得るにはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な
半導体物性を有する膜を、絶縁表面を有する基板上に全
面にわたって均一に成膜することが技術上困難である。
However, in the method (1), crystallization progresses at the same time as the film forming step. Therefore, in order to obtain crystalline silicon having a large grain size, it is indispensable to increase the thickness of the silicon film. It is technically difficult to uniformly form the film having the above-mentioned structure over the entire surface of the substrate having the insulating surface.

【0010】また、(2)の方法では、現在最も一般的
に使用されているエキシマレーザーを例にとると、レー
ザー光の照射面積が小さくスループットが低いという問
題がまずあり、また基板全面を均一に処理するにはレー
ザーの安定性が充分ではなく、次世代の技術という感が
強い。
In the method (2), when the excimer laser most commonly used at present is taken as an example, there is a problem that the irradiation area of the laser beam is small and the throughput is low, and the entire surface of the substrate is uniform. The stability of the laser is not enough to process it, and there is a strong sense that it is a next-generation technology.

【0011】(3)の方法は、(1)、(2)の方法と
比較すると基板内の均一性、安定性においては有利であ
り、石英基板を用いた超小型高精彩液晶パネルなどに使
用されている。但し、この場合には600℃程度の温度
にて数十時間にわたる加熱処理を行うとともに、その後
さらに前記加熱処理よりも高温例えば1000℃にて数
十分〜数時間にわたる結晶性助長の熱処理を行ってい
る。すなわち、処理時間が長く、スループットが低いと
いう問題がある。
The method (3) is more advantageous than the methods (1) and (2) in terms of uniformity and stability in the substrate, and is used for an ultra-compact high definition liquid crystal panel using a quartz substrate. Has been done. However, in this case, heat treatment is performed at a temperature of about 600 ° C. for several tens of hours, and then heat treatment for promoting crystallinity is further performed at a temperature higher than the heat treatment, for example, at 1000 ° C. for several tens of minutes to several hours. ing. That is, there is a problem that the processing time is long and the throughput is low.

【0012】これらの方法に対して、特開平6−244
103号公報および特開平6−244104号公報で提
案されている。これらの方法は、上記(3)の方法を利
用して、前述の処理時間の問題点を解決するものであ
る。つまり、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元
素を利用しており、これにより加熱温度の低温化および
処理時間の短縮化を図っている。具体的には、非晶質ケ
イ素膜の表面にニッケルやパラジウム、さらには鉛等の
金属元素を微量に導入し、しかる後に加熱するものであ
る。これによれば、加熱温度550℃、処理時間4時間
程度で済む。
For these methods, Japanese Patent Laid-Open No. 6-244
No. 103 and Japanese Patent Laid-Open No. 6-244104. These methods solve the above-mentioned problem of processing time by utilizing the method (3). That is, a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous silicon film is used, and thereby the heating temperature is lowered and the processing time is shortened. Specifically, a trace amount of a metal element such as nickel, palladium, or lead is introduced onto the surface of the amorphous silicon film, and then heated. According to this, the heating temperature is 550 ° C. and the processing time is about 4 hours.

【0013】この低温結晶化のメカニズムは、まず金属
元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その
金属元素が触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急
激に進行することで理解される。そういった意味で以後
これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素
により結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜
は、その粒内が何本もの柱状結晶のネットワーク構造と
なっており、それぞれの柱状結晶内部は理想的な単結晶
状態となっている。ちなみに、通常の固相成長法で結晶
化した結晶性ケイ素膜は、一つの粒内が双晶構造になっ
ている。
The mechanism of this low-temperature crystallization is that crystal nuclei centering on a metal element occur at an early stage, and then the metal element acts as a catalyst to promote crystal growth and the crystallization rapidly progresses. To be understood. In that sense, these metal elements are hereinafter referred to as catalyst elements. The crystalline silicon film in which crystal growth is promoted by crystallization by these catalytic elements has a network structure of many columnar crystals within the grains, and each columnar crystal has an ideal single crystal state. Has become. By the way, in the crystalline silicon film crystallized by the usual solid phase growth method, one grain has a twin structure.

【0014】さらに特開平6−244104号公報で
は、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に触媒元素を導入し
加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態とし
て残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみ
を結晶化し、そして、さらに加熱時間を延長すること
で、その導入領域から横方向(基板と平行な方向)に結
晶成長を行わせている。この横方向結晶成長領域の内部
では、成長方向がほぼ一方向に揃った柱状結晶がひしめ
き合っており、触媒元素が直接導入されランダムに結晶
核の発生が起こった領域に比べて、結晶性がさらに良好
な領域となっている。よって、この横方向結晶成長領域
の結晶性ケイ素膜を半導体装置の活性領域に用いること
により、半導体装置の高性能化が行える。
Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-244104, a catalyst element is selectively introduced into a part of the amorphous silicon film and heated to leave the other part in the state of the amorphous silicon film. By selectively crystallizing only the region into which the catalytic element is introduced, and further extending the heating time, crystal growth is performed in the lateral direction (direction parallel to the substrate) from the introduced region. Inside this lateral crystal growth region, columnar crystals with the growth direction aligned in one direction are crowded together, and the crystallinity is further improved in comparison with the region where the catalytic elements are directly introduced and the generation of crystal nuclei occurs randomly. It is a good area. Therefore, by using the crystalline silicon film in the lateral crystal growth region for the active region of the semiconductor device, the performance of the semiconductor device can be improved.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した特
開平6−244103号公報および特開平6−2441
04号公報の技術は、主に結晶化温度の低温化のために
提案されたものであり、非常に有効なものである。しか
しながら、その結晶性、そしてそれを用いた際の半導体
素子特性は、未だ十分なものではない。
By the way, the above-mentioned JP-A-6-244103 and JP-A-6-2441.
The technique disclosed in Japanese Patent Publication No. 04 has been proposed mainly for lowering the crystallization temperature, and is very effective. However, its crystallinity and the characteristics of semiconductor devices when it is used are not yet sufficient.

【0016】本発明者が行った実験によると、触媒元素
により結晶化された結晶性ケイ素膜中の個々の結晶粒
は、全体として10度前後の角度分布をもっている。し
たがって、個々の柱状結晶の結晶性が良好でも、粒全体
としてはかなり高密度の結晶欠陥(転位)を含んでい
る。結晶粒径は30μm程度と大きいため、粒内の結晶
性でほぼ特性が決まってしまい、半導体装置の活性領域
でのチャネル内がおおよそ一つの結晶方位であるため、
比較的高い移動度が出るが、欠陥密度は高いため閾値電
圧や、リーク電流は下がりにくいということになる。
According to an experiment conducted by the present inventor, individual crystal grains in the crystalline silicon film crystallized by the catalytic element have an angular distribution of about 10 degrees as a whole. Therefore, even if the crystallinity of each columnar crystal is good, the whole grain contains crystal defects (dislocations) of a considerably high density. Since the crystal grain size is as large as about 30 μm, the characteristics are almost determined by the crystallinity in the grain, and the channel in the active region of the semiconductor device has approximately one crystal orientation.
Although relatively high mobility is obtained, it means that the threshold voltage and the leak current are hard to decrease because the defect density is high.

【0017】実際に触媒元素を使用して結晶化した結晶
性ケイ素膜を用い、TFTを製造した場合には、電界効
果移動度で60〜80cm2/Vs程度のものが得られ
ている。この値は、600℃にて固相結晶化された結晶
性ケイ素膜に比べ、1.2倍程度向上しているが、薄膜
集積回路への応用を考えると、最低でもNMOSタイプ
で150cm2/Vs以上の電界効果移動度が要求され
る。これに対して、触媒元素により結晶化された結晶性
ケイ素膜にさらにレーザー光などを照射し、その結晶性
を助長させるといった方法を採り上げている。しかし、
このような方法を採った場合、レーザーアニール技術自
体が均―性、安定性に乏しいため、逆に固相結晶化によ
る良好な均一性が損なわれる結果となることが多い。
When a TFT is manufactured using a crystalline silicon film that is actually crystallized using a catalytic element, a field effect mobility of about 60 to 80 cm 2 / Vs is obtained. This value is about 1.2 times higher than that of a crystalline silicon film that is solid-phase crystallized at 600 ° C. However, considering the application to a thin film integrated circuit, at least 150 cm 2 / m of the NMOS type. A field effect mobility of Vs or higher is required. On the other hand, a method is adopted in which the crystalline silicon film crystallized by the catalytic element is further irradiated with laser light or the like to promote its crystallinity. But,
When such a method is adopted, the laser annealing technique itself has poor uniformity and stability, and on the contrary, good uniformity due to solid-phase crystallization often results.

【0018】この他の問題点として、非晶質ケイ素膜の
結晶化に利用した触媒元素が膜中の結晶粒界に偏在残留
することに伴う弊害が指摘される。つまり、半導体装置
の活性領域(素子領域)を構成する結晶性ケイ素膜中に
触媒元素が多量に存在していると、半導体装置の電気的
安定性を阻害することになるなど、信頼性の低下を余儀
なくされる。
As another problem, it is pointed out that the catalyst element used for crystallization of the amorphous silicon film remains ununiformly distributed at the crystal grain boundaries in the film. That is, if a large amount of a catalytic element is present in the crystalline silicon film that constitutes the active region (element region) of the semiconductor device, the electrical stability of the semiconductor device will be impaired, and the reliability will decrease. Will be forced to.

【0019】特に、触媒元素としても非晶質ケイ素膜の
結晶化を効率よく作用させるニッケルやパラジウムなど
は、ケイ素中においてバンドギャップ中央付近に不純物
準位を形成するため、これらの元素の残存は、半導体装
置においてオフ領域でのリーク電流の増大、しきい値電
圧のシフト、経時劣化などの現象を引き起こす要因とな
る。
In particular, nickel, palladium, etc., which act efficiently as a catalyst element for crystallization of the amorphous silicon film, form an impurity level in the vicinity of the center of the band gap in silicon, so that these elements do not remain. In the semiconductor device, it causes a phenomenon such as an increase in leak current in an off region, a shift in threshold voltage, and deterioration over time.

【0020】したがって、上記のニッケル等の結晶化を
助長する触媒元素は、非晶質ケイ素を結晶化させる際に
は必要であるが、結晶化したケイ素中には極力含まれな
いようにすることが望ましいと言える。これを考慮し、
触媒元素の導入量を極力少なくし、最低限の量で結晶化
を行うことが望まれるが、結晶化に必要な触媒元素量は
導入量としての面密度が極微量(1013atoms/c
2程度)であり、このような極微量の触媒元素の導入
を管理することは、事実上不可能であるため、実際には
最低限の量よりもかなり多めに導入せざるを得ず、上記
問題点を解決できないのが現状である。
Therefore, the above-mentioned catalytic element for promoting crystallization of nickel or the like is necessary when crystallizing amorphous silicon, but it should be contained as little as possible in the crystallized silicon. Can be said to be desirable. Considering this,
It is desirable to minimize the amount of introduction of the catalyst element and perform crystallization with the minimum amount, but the amount of the catalyst element required for crystallization has an extremely small surface density (10 13 atoms / c).
m 2 ), and it is practically impossible to control the introduction of such a trace amount of a catalytic element, and therefore, in practice, there is no choice but to introduce a considerably larger amount than the minimum amount. At present, the above problems cannot be solved.

【0021】また、微量制御の性格上、触媒元素添加処
理法における触媒元素の添加量の基板内の均一性、基板
間の安定性(再現性)を確保することは困難でもある。
触媒元素添加量の不均一性が大きいと、局所的に触媒元
素量不足で結晶成長が起こらない領域や、触媒元素が半
導体素子に顕著に悪影響を及ぼすほど多量に入った領域
などが出現する。したがって、液晶表示装置のアクティ
ブマトリクス基板のように―つの基板上に数十万個のT
FTを均―性よく製造することは、上記の方法では非常
に困難であると言える。
In addition, it is difficult to secure the uniformity of the amount of the catalyst element added in the substrate and the stability (reproducibility) between the substrates in the catalytic element addition treatment method in view of the characteristics of the trace amount control.
When the nonuniformity of the amount of catalyst element added is large, a region where crystal growth does not occur locally due to insufficient amount of the catalyst element, a region where the catalyst element is contained in such a large amount as to significantly adversely affect the semiconductor element, and the like appear. Therefore, like an active matrix substrate of a liquid crystal display device-hundreds of thousands of Ts are formed on one substrate.
It can be said that it is very difficult to produce FT with good uniformity by the above method.

【0022】また、たとえ触媒元素の添加方法において
微量制御が再現性よく可能となったとしても、ある一定
量以上(結晶化を引き起こす濃度以上)の触媒元素が、
素子領域に必ず存在するため、半導体素子への悪影響を
完全に防ぐことは不可能であった。
Even if a small amount of control can be performed with good reproducibility in the method of adding a catalytic element, a certain amount of the catalytic element or more (the concentration causing crystallization or more)
Since it always exists in the element region, it is impossible to completely prevent adverse effects on the semiconductor element.

【0023】したがって、本発明は、非常に高性能で信
頼性の高い半導体装置の提供を目的としている。また、
本発明は、非常に高性能で信頼性の高い半導体装置を簡
便なプロセスにて作製できる製造方法の提供を目的とし
ている。
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having extremely high performance and high reliability. Also,
An object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of manufacturing a semiconductor device having extremely high performance and high reliability by a simple process.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
絶縁表面を有する基板上に活性領域となる膜が積層され
てなるもので、前記活性領域となる膜は、非晶質ケイ素
膜をベースとして結晶化されたもので、結晶粒内のそれ
ぞれの柱状結晶が互いに結合されたほぼ単結晶状態の結
晶性ケイ素膜からなる。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
A film to be an active region is laminated on a substrate having an insulating surface, and the film to be an active region is crystallized based on an amorphous silicon film, and each column in the crystal grain is It is composed of a crystalline silicon film in a substantially single crystal state in which crystals are bonded to each other.

【0025】なお、前述の結晶性ケイ素膜は、その結晶
成長方向をキャリアの移動方向に対してほぼ平行に設定
するのが好ましい、また、前述の結晶性ケイ素膜の結晶
粒の粒径を、5〜40μmに設定するのが好ましい。
In the above crystalline silicon film, the crystal growth direction is preferably set substantially parallel to the moving direction of carriers, and the grain size of the crystal grains of the crystalline silicon film is It is preferably set to 5 to 40 μm.

【0026】本発明の第1の半導体装置の製造方法は、
絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成する工
程と、該非晶質ケイ素膜にその結晶化を助長する触媒元
素を導入する工程と、該非晶質ケイ素膜を比較的低温で
加熱することにより結晶化させ、結晶性ケイ素膜を得る
工程と、該結晶性ケイ素膜を、前記加熱時の温度よりも
高い温度で加熱することにより、その結晶性を助長する
工程とを含む。
The first semiconductor device manufacturing method of the present invention is
Forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface; introducing a catalytic element that promotes crystallization into the amorphous silicon film; and heating the amorphous silicon film at a relatively low temperature And thereby crystallizing the crystalline silicon film to obtain a crystalline silicon film, and heating the crystalline silicon film at a temperature higher than the temperature at the time of heating to promote the crystallinity.

【0027】本発明の第2の半導体装置の製造方法は、
絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成する工
程と、該非晶質ケイ素膜の局部にその結晶化を助長する
触媒元素を導入する工程と、該非晶質ケイ素膜を比較的
低温で加熱することにより、触媒元素が導入された領域
を結晶化させるとともに、この結晶化させた領域からさ
らにその周辺の領域へ基板表面とほぼ平行な方向に結晶
成長させる工程と、該結晶性ケイ素膜を、前記加熱時の
温度よりも高い温度で加熱することにより、その結晶性
を助長する工程とを含む。
According to a second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention,
A step of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, a step of introducing a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous silicon film locally, and the amorphous silicon film at a relatively low temperature. Heating to crystallize the region into which the catalytic element has been introduced, and crystallize the region from the crystallized region to the peripheral region in a direction substantially parallel to the substrate surface; and the crystalline silicon film. Is heated at a temperature higher than the temperature at the time of heating to promote its crystallinity.

【0028】なお、前述の比較的高温での加熱は、
2、H2O、HClなどの酸化雰囲気で行うのが好まし
い。また、前述の比較的低温での加熱は、温度520〜
600℃の範囲内で行うのが好ましい。さらに、前述の
比較的高温での加熱は、温度800〜1100℃の範囲
内で行うのが好ましい。また、前述の比較的高温での加
熱は、結晶性ケイ素膜中の触媒元素の濃度を、1×10
14atoms/cm3〜1×1017atoms/cm3
範囲内に管理するように行うのが好ましい。さらに、前
述の触媒元素は、Ni、Co、Pd、Pt、Cu、A
g、Au、In、Sn、Al、Sbの中の一種または複
数種類の元素とするのが好ましい。
The above-mentioned heating at a relatively high temperature is
It is preferably performed in an oxidizing atmosphere of O 2 , H 2 O, HCl or the like. In addition, the heating at the relatively low temperature described above is performed at a temperature of 520 to 520.
It is preferably carried out within the range of 600 ° C. Furthermore, the above-mentioned heating at a relatively high temperature is preferably performed within a temperature range of 800 to 1100 ° C. In addition, the heating at the relatively high temperature described above reduces the concentration of the catalytic element in the crystalline silicon film to 1 × 10 5.
It is preferable to carry out control so as to be controlled within the range of 14 atoms / cm 3 to 1 × 10 17 atoms / cm 3 . Further, the above-mentioned catalyst elements are Ni, Co, Pd, Pt, Cu and A.
It is preferable to use one or more kinds of elements among g, Au, In, Sn, Al and Sb.

【0029】要するに、本発明では、非晶質ケイ素膜
を、触媒元素を用いた比較的低温の熱処理と、比較的高
温の熱処理とを施すことにより、単結晶に匹敵するほど
の高品質な結晶性ケイ素膜に転化させる製造方法、およ
びその製造方法により得られる半導体装置を提供するも
のである。
In summary, according to the present invention, the amorphous silicon film is subjected to a heat treatment at a relatively low temperature using a catalytic element and a heat treatment at a relatively high temperature to obtain a crystal of high quality comparable to a single crystal. The present invention provides a manufacturing method for converting a crystalline silicon film, and a semiconductor device obtained by the manufacturing method.

【0030】ところで、触媒元素を用いない通常の固相
結晶化工程による結晶性ケイ素膜をさらに高温熱処理し
て高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法は既に実用化され
ているが、本発明による結晶性ケイ素膜はさらに高レベ
ルの結晶性を示す。つまり、通常の固相結晶化による結
晶性ケイ素膜は、その結晶粒内は多くの結晶欠陥をもつ
双晶構造であり、後の高温熱処理によって、ある程度の
粒内の欠陥は消え、高品質化されるのであるが、結晶粒
径は変化せず双晶構造として結晶構造は維持される。そ
れに対して、本発明の製造方法では、触媒元素の導入、
比較的低温での熱処理によって結晶粒内が柱状結晶のネ
ットワーク構造となる結晶性ケイ素膜が得られることに
なり、さらに、この結晶性ケイ素膜に比較的高温での熱
処理を施すと、それに存在する結晶欠陥が消滅するだけ
でなく、粒内のそれぞれの柱状結晶が結合し、一つの結
晶粒内がほぼ単結晶状態となる。また、通常の固相結晶
化によるケイ素膜の結晶粒径は5μm以下であるのに対
し、本発明による比較的低温での熱処理により得られた
結晶性ケイ素膜の結晶粒径は5〜40μmと非常に大き
くなる。したがって、比較的高温での熱処理を施すと、
本発明の場合、非常に良好な結晶性の、正に単結晶に匹
敵するレベルの結晶性ケイ素膜となる。
By the way, a method for obtaining a high-quality crystalline silicon film by further heat-treating a crystalline silicon film by a usual solid-phase crystallization process without using a catalytic element has been put into practical use, but according to the present invention. Crystalline silicon films exhibit even higher levels of crystallinity. In other words, a crystalline silicon film formed by normal solid-phase crystallization has a twin crystal structure with many crystal defects in its crystal grains, and the high temperature heat treatment performed later eliminates some intra-grain defects and improves the quality. However, the crystal grain size does not change and the crystal structure is maintained as a twin crystal structure. On the other hand, in the production method of the present invention, the introduction of the catalytic element,
By heat treatment at a relatively low temperature, a crystalline silicon film having a network structure of columnar crystals in the crystal grains can be obtained, and when this crystalline silicon film is subjected to a heat treatment at a relatively high temperature, it exists. Not only the crystal defects disappear, but also the columnar crystals in the grains are combined, and the inside of one crystal grain becomes almost a single crystal state. Further, the crystal grain size of the silicon film obtained by the usual solid phase crystallization is 5 μm or less, whereas the crystal grain size of the crystalline silicon film obtained by the heat treatment at a relatively low temperature according to the present invention is 5-40 μm. Grows very large. Therefore, when heat treatment at a relatively high temperature is applied,
In the case of the present invention, a crystalline silicon film having a very good crystallinity and a level comparable to that of a single crystal is obtained.

【0031】本発明の第2の製造方法によれば、得られ
る結晶性ケイ素膜の結晶性の向上はさらに顕著になる。
すなわち、触媒元素が導入された領域をシードとして個
々の柱状結晶を一方向に結晶成長させると、そこには結
晶粒は存在しなくなる。よって、この領域に比較的高温
での熱処理を施せば、広範囲にわたってほぼ単結晶状態
の領域が得られる。特に結晶性ケイ素膜を用いてTFT
を作成すれば、結晶成長方向をキャリアの移動方向に対
して概ね平行にすることで、さらに高移動度なTFTを
実現することができる。
According to the second manufacturing method of the present invention, the crystallinity of the crystalline silicon film obtained is more significantly improved.
That is, when individual columnar crystals are grown in one direction using the region into which the catalytic element is introduced as a seed, the crystal grains do not exist there. Therefore, by subjecting this region to heat treatment at a relatively high temperature, a region in a substantially single crystal state can be obtained over a wide range. TFT using crystalline silicon film
By making the crystal growth direction substantially parallel to the carrier movement direction, a TFT with higher mobility can be realized.

【0032】そして、比較的高温での熱処理時の雰囲気
として、O2やH2O、HClなどの酸化雰囲気にすれ
ば、アニール効果に加えて結晶性ケイ素膜表而の酸化作
用が生じ、結晶性ケイ素膜を薄膜化できるようになる
上、結晶性ケイ素膜中の触媒元素を表面酸化膜側へ引き
寄せることができる。このメカニズムは、結晶性ケイ素
/触媒元素/酸化ケイ素の3元系のエネルギーを考えた
場合に、それぞれの界面の化学ポテンシャルおよび自由
エネルギーの差が、触媒元素を表面酸化膜側に移動する
ように働かせることによると考えている。ゆえに、後
で、表面酸化膜を選択的に除去すれば、初期の状態に比
べ、触媒元素の膜中濃度が非常に低濃度化された高品質
な結晶性ケイ素膜が得られる。しかも、このように薄膜
化された結晶性ケイ素膜を、TFTの活性領域として利
用すれば、TFT特性として閾値電圧(VTH)の低減、
立ち上がり係数(S係数)の低下が図れる。
When the atmosphere during the heat treatment at a relatively high temperature is an oxidizing atmosphere of O 2 , H 2 O, HCl or the like, the oxidizing effect of the crystalline silicon film is generated in addition to the annealing effect, and the crystal is formed. The crystalline silicon film can be made thinner, and the catalytic element in the crystalline silicon film can be attracted to the surface oxide film side. This mechanism is such that when the energy of the ternary system of crystalline silicon / catalytic element / silicon oxide is considered, the difference in chemical potential and free energy at each interface causes the catalytic element to move to the surface oxide film side. I think it depends on working. Therefore, if the surface oxide film is selectively removed later, a high-quality crystalline silicon film having a much lower concentration of the catalytic element in the film than in the initial state can be obtained. In addition, when the thin crystalline silicon film is used as the active region of the TFT, the threshold voltage (V TH ) can be reduced as the TFT characteristic.
The rise coefficient (S coefficient) can be reduced.

【0033】仮に、前述の結晶性ケイ素膜中の触媒元素
濃度を、1×1014atoms/cm3〜1×1017
toms/cm3に管理すれば、従来の公報技術により
得られる結晶性ケイ素膜に比べ、約1桁以上も触媒元素
濃度を低減することができる。ちなみに、本発明者らが
調べた結果、この程度の触媒元素濃度では、半導体素子
へ及ぼす影響はほとんどなく、問題とはならないレベル
となる。
Assuming that the concentration of the catalytic element in the crystalline silicon film is 1 × 10 14 atoms / cm 3 to 1 × 10 17 a.
When controlled to toms / cm 3 , the concentration of the catalytic element can be reduced by about one digit or more as compared with the crystalline silicon film obtained by the conventional publication technique. By the way, as a result of the investigation by the present inventors, at such a concentration of the catalytic element, there is almost no effect on the semiconductor element, and the level is not a problem.

【0034】また、比較的低温での加熱を温度520〜
600℃の範囲内で行えば、結晶構造を乱さない結晶成
長を良好に行えるようになる。また、比較的高温での加
熱を温度800〜1100℃の範囲内で行えば、さらな
る結晶粒内の欠陥を消滅させて柱状結晶それぞれの結合
を良好に行えるようになる。
In addition, heating at a relatively low temperature is performed at a temperature of 520 to 520.
If the temperature is within the range of 600 ° C., the crystal growth without disturbing the crystal structure can be favorably performed. Further, if the heating at a relatively high temperature is performed within the temperature range of 800 to 1100 ° C., the defects in the crystal grains can be further eliminated, and the columnar crystals can be bonded well.

【0035】さらに、触媒元素としてNiを用いた場合
に最も顕著な効果を得ることができるが、Co、Pd、
Pt、cu、Ag、Au、In、Sn、Al、Sbの中
の一種または複数種類の元素であれば、同様の結晶化助
長の効果が得られる。
Further, the most remarkable effect can be obtained when Ni is used as the catalyst element, but Co, Pd,
The same crystallization-promoting effect can be obtained by using one or more elements selected from Pt, cu, Ag, Au, In, Sn, Al, and Sb.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図1ないし
図5に示す実施例に基づいて説明する。図1および図2
は本発明の一実施例にかかり、図1は、半導体装置を示
す縦断面図、図2は、同半導体装置の製造方法を示す工
程図である。ここでは、半導体装置としてMOS構造の
TFT(薄膜トランジスタ)を例に挙げる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the embodiments shown in FIGS. 1 and 2
1 is a longitudinal sectional view showing a semiconductor device, and FIG. 2 is a process drawing showing a method for manufacturing the same semiconductor device. Here, a MOS structure TFT (thin film transistor) is taken as an example of the semiconductor device.

【0037】図中、1は絶縁性の基板、2は活性領域
(ソース領域21、ドレイン領域22、チャネル領域2
3)が形成された島状の結晶性ケイ素膜、3はゲート絶
縁膜、4はゲート電極、5は酸化物層、6は層間絶縁
膜、7はソース電極、8はドレイン電極である。これら
の配置、構造は、周知のものである。
In the figure, 1 is an insulating substrate, 2 is an active region (source region 21, drain region 22, channel region 2).
3) is an island-shaped crystalline silicon film, 3 is a gate insulating film, 4 is a gate electrode, 5 is an oxide layer, 6 is an interlayer insulating film, 7 is a source electrode, and 8 is a drain electrode. The arrangement and structure of these are well known.

【0038】本実施例では、結晶性ケイ素膜2に特徴が
ある。つまり、この結晶性ケイ素膜2は、非晶質ケイ素
膜をベースとして結晶化されたもので、結晶粒内のそれ
ぞれの柱状結晶が互いに結合されたほぼ単結晶状態とさ
れている。また、結晶粒径も5〜40μmと非常に大き
く、しかも、結晶性ケイ素膜2における触媒元素の含有
濃度は、1×1014atoms/cm3〜1×1017
toms/cm3とかなり低いレベルに管理されてい
る。
The present embodiment is characterized by the crystalline silicon film 2. That is, the crystalline silicon film 2 is crystallized based on the amorphous silicon film and is in a substantially single crystal state in which the columnar crystals in the crystal grains are bonded to each other. The crystal grain size is also very large, 5 to 40 μm, and the concentration of the catalytic element contained in the crystalline silicon film 2 is 1 × 10 14 atoms / cm 3 to 1 × 10 17 a.
It is managed at a fairly low level of toms / cm 3 .

【0039】上述したようなTFTは、アクティブマト
リクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分は
勿論、同―基板上にCPUを構成する素子としても用い
ることができる。なお、TFTの応用範囲としては、液
晶表示装置のみではなく、一般に言われる薄膜集積回路
に利用できることは言うまでもない。
The TFT as described above can be used not only as a driver circuit or pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device but also as an element constituting a CPU on the same substrate. It goes without saying that TFTs can be applied not only to liquid crystal display devices but also to thin film integrated circuits that are generally called.

【0040】次に、図1に示す構造のTFTを製造する
方法について、図2を参照して説明する。簡単に言え
ば、絶縁性の基板上に非晶質ケイ素膜を形成し、この非
晶質ケイ素膜に結晶化助長用の触媒元素を導入し、非晶
質ケイ素膜を比較的低温で熱処理して結晶化し、この結
晶化したケイ素膜をさらに比較的高温で熱処理して結晶
化の度合いを深めるのである。なお、図2の(A)から
(F)へと進行する。
Next, a method of manufacturing the TFT having the structure shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. Briefly, an amorphous silicon film is formed on an insulating substrate, a catalytic element for promoting crystallization is introduced into this amorphous silicon film, and the amorphous silicon film is heat-treated at a relatively low temperature. Then, the crystallized silicon film is further heat treated at a relatively high temperature to deepen the degree of crystallization. The process proceeds from (A) to (F) in FIG.

【0041】(A) 石英ガラスからなる絶縁性の基
板1の表面を、1%程度の低濃度フッ酸により洗浄して
から、この基板1の表面に、減圧CVD法により、厚さ
30〜100nm、例えば50nmの真性(I型)の非
晶質ケイ素膜(α−Si膜)2aを形成する。この基
板1の非晶質ケイ素膜2aのみを、ニッケルを溶かした
水溶液に接触させる。前述の水溶液の溶質は、酢酸ニッ
ケルを用い、水溶液中のニッケル濃度を50ppmにし
ている。スピナーにより水溶液を基板1の非晶質ケイ
素膜2a上に均一に延ばし、乾燥させることにより、ニ
ッケル9を非晶質ケイ素膜2a表面に微量添加する。
(A) The surface of the insulative substrate 1 made of quartz glass is washed with a low concentration hydrofluoric acid of about 1%, and then the surface of the substrate 1 is reduced to a thickness of 30 to 100 nm by a low pressure CVD method. For example, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (α-Si film) 2a having a thickness of 50 nm is formed. Only the amorphous silicon film 2a of the substrate 1 is brought into contact with an aqueous solution containing nickel. Nickel acetate was used as the solute of the above-mentioned aqueous solution, and the nickel concentration in the aqueous solution was set to 50 ppm. A small amount of nickel 9 is added to the surface of the amorphous silicon film 2a by uniformly spreading the aqueous solution on the amorphous silicon film 2a of the substrate 1 with a spinner and drying it.

【0042】(B) 基板1を、水素還元雰囲気下また
は不活性雰囲気下、加熱温度520〜600℃で数時間
から十数時間、例えば550℃で4時間アニールする。
これにより、ニッケル9のニッケルが核となり、その下
層の非晶質ケイ素膜2aの全体に拡散して、非晶質ケイ
素膜2aの結晶化が厚み方向(基板に対して垂直方向)
で起こる。これにより、非晶質ケイ素膜2aが結晶性ケ
イ素膜2bへと変化する。このときの結晶性ケイ素膜2
b中のニッケル濃度は、2×1018atoms/cm3
程度であった。また、結晶性ケイ素膜2bの個々の結晶
粒は、100〜200nm幅の柱状結晶のネットワーク
構造となっていて、30〜40μm程度の粒径であっ
た。
(B) The substrate 1 is annealed in a hydrogen reducing atmosphere or an inert atmosphere at a heating temperature of 520 to 600 ° C. for several hours to several tens of hours, for example at 550 ° C. for 4 hours.
As a result, nickel of nickel 9 becomes nuclei and diffuses throughout the amorphous silicon film 2a thereunder, so that the crystallization of the amorphous silicon film 2a occurs in the thickness direction (direction perpendicular to the substrate).
Happens in. As a result, the amorphous silicon film 2a changes to the crystalline silicon film 2b. Crystalline silicon film 2 at this time
The nickel concentration in b is 2 × 10 18 atoms / cm 3
It was about. The individual crystal grains of the crystalline silicon film 2b had a columnar crystal network structure with a width of 100 to 200 nm and a grain size of about 30 to 40 μm.

【0043】(C) 酸素ガス雰囲気において、加熱温
度800〜1100℃、例えば1050℃で30分程度
アニールする。これにより、結晶性ケイ素膜2bの表面
が酸化されるので、表面酸化膜10が形成されて結晶性
ケイ素膜2bが膜厚30nm程度にと薄膜化されるとと
もに、結晶性ケイ素膜2bが、非常に高品質な結晶性ケ
イ素膜2cへと変化する。つまり、アニールによって、
結晶性ケイ素膜2bの結晶粒内では、欠陥が消滅すると
ともにそれぞれの柱状結晶が結合し、ほぼ単結晶状態に
変化する。また、結晶粒界部も良好に処理され、キャリ
アに対するトラップ準位、トラップ密度が低減される。
しかも、アニール前に結晶性ケイ素膜2b中(特に結晶
粒界部)に存在していたニッケルは、アニールによって
形成される表面酸化膜10の側ヘ引き寄せられることに
なるので、アニール後には、表面酸化膜10および、こ
の表面酸化膜10と高品質な結晶性ケイ素膜2cとの界
面にニッケルが局在することになる。
(C) Anneal in an oxygen gas atmosphere at a heating temperature of 800 to 1100 ° C., for example, 1050 ° C. for about 30 minutes. As a result, the surface of the crystalline silicon film 2b is oxidized, so that the surface oxide film 10 is formed and the crystalline silicon film 2b is thinned to a film thickness of about 30 nm. The crystalline silicon film 2c is changed to a high quality. In other words, by annealing,
In the crystal grains of the crystalline silicon film 2b, the defects disappear and the respective columnar crystals combine to change into a substantially single crystal state. Further, the crystal grain boundary portion is well processed, and the trap level and trap density for carriers are reduced.
Moreover, since nickel existing in the crystalline silicon film 2b (especially the crystal grain boundary portion) before the annealing is attracted to the side of the surface oxide film 10 formed by the annealing, the surface after the annealing is Nickel is localized at the oxide film 10 and the interface between the surface oxide film 10 and the high-quality crystalline silicon film 2c.

【0044】(D) 表面酸化膜10を選択エッチン
グにより除去する。これにより、露出した高品質な結晶
性ケイ素膜2c中のニッケル濃度は、3×1016ato
ms/cm3程度にまで低減された。結晶性ケイ素膜
2cを島状にパターニングすることにより、活性領域に
するための島状の結晶性ケイ素膜2を得る。
(D) The surface oxide film 10 is removed by selective etching. As a result, the nickel concentration in the exposed high-quality crystalline silicon film 2c is 3 × 10 16 ato.
It was reduced to about ms / cm 3 . By patterning the crystalline silicon film 2c in an island shape, an island-shaped crystalline silicon film 2 for forming an active region is obtained.

【0045】(E) 島状の結晶性ケイ素膜2を覆う
ように厚さ20〜150nm、例えば100nmの酸化
ケイ素膜からなるゲート絶縁膜3を形成する。この酸化
ケイ素膜は、例えばTEOS(Tetra Ethoxy Ortho
Silicate)を原料とし、酸素とともに基板温度150〜
600℃、好ましくは300〜400℃で、RFプラズ
マCVD法で分解・堆積して得ることができる。この
他、TEOSを原料としてオゾンガスとともに減圧CV
D法もしくは常圧CVD法によって、基板温度を350
〜600℃、好ましくは400〜550℃として形成す
ることができる。ゲート絶縁膜3のバルク特性および
結晶性ケイ素膜2とゲート絶縁膜3との界面での特性を
向上させるために、不活性ガス雰囲気において800〜
1000℃で30〜60分アニールを行う。スパッタ
リング法によって、厚さ400〜800nm、例えば6
00nmのアルミニウム膜を形成するとともに、このア
ルミニウム膜をパターニングすることにより、ゲート電
極4を形成する。このアルミニウム膜からなるゲート
電極4の表面を陽極酸化することにより、表面に酸化物
層5を形成する。なお、前述の陽極酸化は、酒石酸が1
〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で行い、最初
―定電流で220Vまで電圧を上げ、その状態で1時間
保持して終了させる。得られた酸化物層5の厚さは20
0nmである。また、酸化物層5は、後のイオンドーピ
ング処理において、オフセットゲート領域を形成する厚
さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極
酸化の処理で決めることができる。イオンドーピング
法によって、ゲート電極4とその周囲の酸化物層5をマ
スクとして、N型不純物例えばリンを注入する。このと
き、ドーピングガスとしてフォスフィン(PH3)を用
い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、ドー
ズ量を1×1015〜8×1015cm-2、例えば2×10
15cm-2とする。この工程により、結晶性ケイ素膜2に
おいて不純物が注入された領域21,22が後にソース
領域、ドレイン領域とされ、ゲート電極4およびその周
囲の酸化物層5にマスクされ不純物が注入されない領域
23が、後にチャネル領域とされる。レーザー光の照
射によってアニールを行うことにより、前記イオン注入
した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入
工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。こ
の際、使用するレーザーとしてはXeClエキシマレー
ザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用
い、エネルギー密度150〜400mJ/cm2、好ま
しくは200〜250mJ/cm2で、1カ所に付き4
ショット照射を行う。こうして形成したソース領域2
1、ドレイン領域22のシート抵抗は、200〜800
Ω/□であった。
(E) A gate insulating film 3 made of a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, for example 100 nm, is formed so as to cover the island-shaped crystalline silicon film 2. This silicon oxide film is, for example, TEOS (Tetra Ethoxy Ortho
Silicate) as the raw material, and the substrate temperature of 150-
It can be obtained by decomposing and depositing at 600 ° C., preferably 300 to 400 ° C., by an RF plasma CVD method. In addition to this, TEOS is used as a raw material together with ozone gas for decompression CV.
The substrate temperature is set to 350 by the D method or the atmospheric pressure CVD method.
~ 600 ° C, preferably 400 to 550 ° C. In order to improve the bulk characteristics of the gate insulating film 3 and the characteristics at the interface between the crystalline silicon film 2 and the gate insulating film 3, the value of 800 to 800 is set in an inert gas atmosphere.
Anneal at 1000 ° C. for 30 to 60 minutes. The thickness is 400 to 800 nm, for example, 6 by the sputtering method.
A gate electrode 4 is formed by forming a 00 nm aluminum film and patterning this aluminum film. The oxide layer 5 is formed on the surface by anodizing the surface of the gate electrode 4 made of this aluminum film. In addition, tartaric acid is 1
It is carried out in an ethylene glycol solution containing -5%, and the voltage is first raised to 220 V at a constant current, and the state is maintained for 1 hour to finish. The thickness of the obtained oxide layer 5 is 20.
0 nm. Further, since the oxide layer 5 has a thickness that forms the offset gate region in the subsequent ion doping process, the length of the offset gate region can be determined by the above-described anodic oxidation process. By the ion doping method, N-type impurities such as phosphorus are implanted using the gate electrode 4 and the oxide layer 5 around it as a mask. At this time, phosphine (PH 3 ) is used as the doping gas, the acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example 80 kV, and the dose amount is 1 × 10 15 to 8 × 10 15 cm −2 , for example, 2 × 10.
15 cm -2 . By this step, the regions 21 and 22 into which impurities are implanted in the crystalline silicon film 2 will later become the source region and the drain region, and the regions 23 into which the impurities are not implanted are masked by the gate electrode 4 and the oxide layer 5 around it. Later, it will be a channel region. By performing annealing by irradiation with laser light, the ion-implanted impurities are activated, and at the same time, the crystallinity of the portion where the crystallinity is deteriorated in the impurity introduction step is improved. At this time, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 nsec) is used as a laser, and has an energy density of 150 to 400 mJ / cm 2 , preferably 200 to 250 mJ / cm 2 , and 4 per spot.
Shot irradiation. Source region 2 thus formed
1. The sheet resistance of the drain region 22 is 200 to 800.
Ω / □.

【0046】(F) 厚さ600nm程度の酸化ケイ
素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜6として形成す
る。なお、層間絶縁膜6を酸化ケイ素膜とする場合、T
EOSを原料として、これと酸素とのプラズマCVD
法、もしくはオゾンとの減圧CVD法あるいは常圧CV
D法によって形成することができる。この場合だと、段
差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。一方、
層間絶縁膜6を窒化ケイ素膜とする場合、SiH4とN
3を原料ガスとしてプラズマCVD法によって形成す
ることができる。この場合、活性領域23とゲート絶縁
膜3の界面へ水素原子を供給することにより、TFT特
性を劣化させる不対結合手を低減することができる。
層間絶縁膜6にコンタクトホール61,62を形成して
から、金属材料、例えば、窒化チタン膜とアルミニウム
膜の二層膜によって電極7,8を形成する。なお、窒化
チタン膜は、アルミニウムがソース領域21、ドレイン
領域22に拡散するのを防止する目的のバリア膜として
設けられる。そして最後に、1気圧の水素雰囲気にお
いて、350℃で30分のアニールを行うことにより、
完成する。
(F) A silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 600 nm is formed as the interlayer insulating film 6. When the interlayer insulating film 6 is a silicon oxide film, T
Plasma CVD of EOS as raw material with oxygen
Method, reduced pressure CVD method with ozone, or normal pressure CV
It can be formed by the D method. In this case, a good interlayer insulating film having excellent step coverage can be obtained. on the other hand,
When the interlayer insulating film 6 is a silicon nitride film, SiH 4 and N
It can be formed by plasma CVD using H 3 as a source gas. In this case, by supplying hydrogen atoms to the interface between the active region 23 and the gate insulating film 3, it is possible to reduce dangling bonds that deteriorate the TFT characteristics.
After forming the contact holes 61 and 62 in the interlayer insulating film 6, the electrodes 7 and 8 are formed of a metal material, for example, a two-layer film of a titanium nitride film and an aluminum film. The titanium nitride film is provided as a barrier film for the purpose of preventing aluminum from diffusing into the source region 21 and the drain region 22. And finally, by annealing at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm,
Complete.

【0047】ところで、上記構造のTFTを、画素電極
のスイッチング素子として用いる場合には、電極7,8
をITOなどの透明導電膜からなる画素電極に接続し、
もう一方の電極より信号を入力する。また、上記構造の
TFTを薄膜集積回路に用いる場合には、ゲート電極4
上にもコンタクトホールを形成して、必要とする配線を
施せばよい。
By the way, when the TFT having the above structure is used as a switching element for a pixel electrode, the electrodes 7 and 8 are used.
Connected to a pixel electrode made of a transparent conductive film such as ITO,
Input a signal from the other electrode. When the TFT having the above structure is used in a thin film integrated circuit, the gate electrode 4
A contact hole may be formed thereover and a required wiring may be provided.

【0048】以上説明した製造方法に従って製造したN
チャネル型TFTは、電界効果移動度で200〜300
cm2/Vsと高く、閾値電圧0〜1Vという非常に良
好な特性を示し、TFTオフ領域でのリーク電流も数p
A程度とかなり低い値に抑えられている。しかも、繰り
返し測定に伴う経時変化はほとんどなく、安定してお
り、高い信頼性が得られる。
N produced by the production method described above
The channel type TFT has a field effect mobility of 200 to 300.
cm 2 / Vs, high threshold voltage of 0 to 1V, and very good leak current in the TFT off region of several p.
It is suppressed to a value as low as A. In addition, there is almost no change with time due to repeated measurement, and it is stable and highly reliable.

【0049】図3ないし図5は本発明の他の実施例にか
かり、図3は、半導体装置の縦断面図、図4は、同半導
体装置の製造方法を示す工程図、図5は、図4の(E)
工程での平面図である。
3 to 5 relate to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a semiconductor device, FIG. 4 is a process diagram showing a method of manufacturing the same semiconductor device, and FIG. 4 (E)
It is a top view in a process.

【0050】この実施例では、アクティブマトリクス型
の液晶表示装置の周辺駆動回路や一般の薄膜集積回路を
形成するNチャネル型TFTとPチャネル型TFTを相
補型に構成したCMOS構造の回路を示している。図
中、20はNチャネル型TFT、30はPチャネル型T
FT、1は絶縁性の基板、2nはNチャネル型TFT2
0の活性領域(ソース領域21n、ドレイン領域22
n、チャネル領域23n)が形成された島状の結晶性ケ
イ素膜、2pはPチャネル型TFT30の活性領域(ソ
ース領域21p、ドレイン領域22p、チャネル領域2
3p)が形成された島状の結晶性ケイ素膜、3はゲート
絶縁膜、4nはNチャネル型TFT20のゲート電極、
4pはPチャネル型TFT30のゲート電極、6は層間
絶縁膜、7nはNチャネル型TFT20のソース電極、
7pはPチャネル型TFT30のソース電極、8nはN
チャネル型TFT20のドレイン電極、8pはPチャネ
ル型TFT30のドレイン電極である。
In this embodiment, a CMOS structure circuit in which an N-channel TFT and a P-channel TFT which form a peripheral drive circuit of an active matrix type liquid crystal display device and a general thin film integrated circuit are formed in a complementary type is shown. There is. In the figure, 20 is an N-channel type TFT, 30 is a P-channel type T
FT, 1 is an insulating substrate, 2n is an N-channel TFT 2
0 active region (source region 21n, drain region 22
n, the channel region 23n) is formed on the island-shaped crystalline silicon film, 2p is an active region (source region 21p, drain region 22p, channel region 2) of the P-channel TFT 30.
3p) formed island-shaped crystalline silicon film, 3 is a gate insulating film, 4n is a gate electrode of the N-channel TFT 20,
4p is a gate electrode of the P-channel TFT 30, 6 is an interlayer insulating film, 7n is a source electrode of the N-channel TFT 20,
7p is the source electrode of the P-channel TFT 30, and 8n is N
The drain electrode of the channel TFT 20 and the drain electrode 8p of the P channel TFT 30.

【0051】この実施例でも、結晶性ケイ素膜2n,2
pが、非晶質ケイ素膜をベースとして結晶化されたもの
で、結晶粒内のそれぞれの柱状結晶が互いに結合された
ほぼ単結晶状態とされていることは上記実施例のものと
代わらない。しかし、この実施例の結晶性ケイ素膜2
n,2pは、その結晶成長方向がキャリアの移動方向に
対してほぼ平行に設定されていることが上記実施例のも
のと相違する。
Also in this embodiment, the crystalline silicon films 2n, 2
The fact that p is crystallized with the amorphous silicon film as a base and is in a substantially single crystal state in which the respective columnar crystals in the crystal grains are bonded to each other is the same as in the above-mentioned embodiment. However, the crystalline silicon film 2 of this example is
The n and 2p are different from those of the above-mentioned embodiment in that the crystal growth direction is set substantially parallel to the carrier movement direction.

【0052】次に、図3に示す構造のCMOS構造の回
路を製造する方法について、図4および図5を参照して
説明する。図4中の(A)から(F)へと進行する。
Next, a method of manufacturing a circuit having a CMOS structure having the structure shown in FIG. 3 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. The process proceeds from (A) to (F) in FIG.

【0053】(A) 石英ガラスからなる絶縁性の基
板1の表面を、1%程度の低濃度フッ酸により洗浄して
から、この基板1の表面に、減圧CVD法あるいはプラ
ズマCVD法によって、厚さ25〜100nm、例えば
80nmの真性(I型)の非晶質ケイ素膜(α−Si
膜)2aを形成する。非晶質ケイ素膜2a上に感光性
樹脂(フォトレジスト)を塗布して、これを露光・現像
することによりマスク11とする。なお、図4に示すよ
うに、マスク11のスリット状のスルーホール111か
ら、非晶質ケイ素膜2aの表面が露呈される。基板1
の表面にニッケル膜9aを蒸着する。この蒸着では、蒸
着ソースと基板との間の距離を通常より大きくして、蒸
着レートを低下させることで、ニッケル膜9aの厚さが
1〜2nm程度となるように制御する。このときの基板
1上におけるニッケル9aの面密度を実際に測定する
と、4×1013atoms/cm2程度であった。
(A) The surface of the insulating substrate 1 made of quartz glass is washed with low-concentration hydrofluoric acid of about 1%, and then the surface of the substrate 1 is thickened by a low pressure CVD method or a plasma CVD method. 25-100 nm, for example 80 nm, intrinsic (I-type) amorphous silicon film (α-Si
Film) 2a is formed. A mask 11 is formed by applying a photosensitive resin (photoresist) on the amorphous silicon film 2a and exposing and developing the photosensitive resin. As shown in FIG. 4, the surface of the amorphous silicon film 2a is exposed through the slit-shaped through holes 111 of the mask 11. Substrate 1
A nickel film 9a is deposited on the surface of the. In this vapor deposition, the distance between the vapor deposition source and the substrate is made larger than usual and the vapor deposition rate is lowered, so that the thickness of the nickel film 9a is controlled to be about 1 to 2 nm. When the areal density of the nickel 9a on the substrate 1 at this time was actually measured, it was about 4 × 10 13 atoms / cm 2 .

【0054】(B) ニッケル膜9aの下層であるマ
スク11を除去することで、マスク11上のニッケル膜
9aをリフトオフする。これにより、スルーホール11
1に対応していた領域の非晶質ケイ素膜2aに対して、
選択的にニッケルが微量に添加されたことになる。こ
れを不活性雰囲気において、例えば加熱温度550℃で
16時間アニールする。これにより、非晶質ケイ素膜2
aにおいてニッケルが添加された領域から、ニッケルを
核として膜厚方向(基板1に対して垂直方向)に非晶質
ケイ素膜2aの結晶化が進行するとともに、矢印Xで示
すように、横方向(基板1と平行な方向)に結晶化が進
行し、結晶性ケイ素膜2bとなる。この横方向へ進行す
る距離は、例えば80μm程度であり、それよりも遠く
(図中の両端側)の領域については、非晶質ケイ素膜2
aのまま残る。なお、結晶性ケイ素膜2b中のニッケル
濃度は1×1017atoms/cm3程度であった。
(B) By removing the mask 11 which is the lower layer of the nickel film 9a, the nickel film 9a on the mask 11 is lifted off. As a result, the through hole 11
For the amorphous silicon film 2a in the region corresponding to 1,
This means that a small amount of nickel was selectively added. This is annealed in an inert atmosphere at a heating temperature of 550 ° C. for 16 hours, for example. Thereby, the amorphous silicon film 2
Crystallization of the amorphous silicon film 2a progresses in the film thickness direction (direction perpendicular to the substrate 1) from the region to which nickel is added in a in the direction of the horizontal direction as indicated by arrow X. Crystallization proceeds in the direction (parallel to the substrate 1) to form the crystalline silicon film 2b. The distance that travels in the lateral direction is, for example, about 80 μm, and the amorphous silicon film 2 is formed in regions farther than that (both ends in the figure).
It remains as a. The nickel concentration in the crystalline silicon film 2b was about 1 × 10 17 atoms / cm 3 .

【0055】(C) 酸素ガス雰囲気において、加熱温
度800〜1100℃、例えば1050℃で1時間程度
アニールする。これにより、結晶性ケイ素膜2bの表面
が酸化されるので、表面酸化膜10aが形成されて結晶
性ケイ素膜2bが膜厚30nm程度にと薄膜化されると
ともに、結晶性ケイ素膜2bが、非常に高品質な結晶性
ケイ素膜2cへと変化する。つまり、アニールによっ
て、結晶性ケイ素膜2bの結晶粒内では、欠陥が消滅す
るとともにそれぞれの柱状結晶が結合し、ほぼ単結晶状
態に変化する。また、結晶粒界部も良好に処理され、キ
ャリアに対するトラップ準位、トラップ密度が低減され
る。なお、上記(B)においてニッケルにより結晶化さ
れなかった領域の非晶質ケイ素膜2aは、上記のような
高品質化は望めないまでも、一応は結晶化する。しか
も、アニール前に結晶性ケイ素膜2b中(特に結晶粒界
部)に存在していたニッケルは、アニールによって形成
される表面酸化膜10aの側ヘ引き寄せられることにな
るので、アニール後には、表面酸化膜10aおよび、こ
の表面酸化膜10aと高品質な結晶性ケイ素膜2cとの
界面にニッケルが局在することになる。
(C) Annealing is performed in an oxygen gas atmosphere at a heating temperature of 800 to 1100 ° C., for example, 1050 ° C. for about 1 hour. As a result, the surface of the crystalline silicon film 2b is oxidized, so that the surface oxide film 10a is formed and the crystalline silicon film 2b is thinned to a film thickness of about 30 nm. The crystalline silicon film 2c is changed to a high quality. That is, by annealing, defects are eliminated and the respective columnar crystals are combined with each other in the crystal grains of the crystalline silicon film 2b, and the state is changed to a substantially single crystal state. Further, the crystal grain boundary portion is well processed, and the trap level and trap density for carriers are reduced. It should be noted that the amorphous silicon film 2a in the region which was not crystallized by nickel in the above (B) is crystallized for the time being, even if the above-mentioned high quality cannot be expected. Moreover, since nickel existing in the crystalline silicon film 2b (especially the crystal grain boundary portion) before the annealing is attracted to the side of the surface oxide film 10a formed by the annealing, the surface after the annealing is Nickel is localized at the oxide film 10a and the interface between the surface oxide film 10a and the high-quality crystalline silicon film 2c.

【0056】(D) 表面酸化膜10aを選択エッチ
ングにより除去する。これにより露出した結晶性ケイ素
膜2b,2cのうち、高品質な結晶性ケイ素膜2c中の
ニッケル濃度は、5×1015atoms/cm3程度に
まで低減された。高品質な結晶性ケイ素膜2cをパタ
ーニングすることにより、活性領域にするための島状の
結晶性ケイ素膜2n、2pを得る。
(D) The surface oxide film 10a is removed by selective etching. As a result, the nickel concentration in the high-quality crystalline silicon film 2c of the exposed crystalline silicon films 2b and 2c was reduced to about 5 × 10 15 atoms / cm 3 . By patterning the high-quality crystalline silicon film 2c, island-shaped crystalline silicon films 2n and 2p for forming active regions are obtained.

【0057】(E) 島状の結晶性ケイ素膜2n、2
pを覆うように厚さ100nmの酸化ケイ素膜からなる
ゲート絶縁膜3を形成する。この酸化ケイ素膜は、例え
ばSiH4ガスとN2Oガス原料とし、基板温度800℃
で、減圧CVD法で分解・堆積して得ることができる。
スパッタリング法によって、厚さ400〜800n
m、例えば500nmのアルミニウム膜(0.1〜2%
のシリコンを含む)を形成するとともに、このアルミニ
ウム膜をパターニングすることにより、ゲート電極4
n、4pを形成する。
(E) Island-like crystalline silicon film 2n, 2
A gate insulating film 3 made of a silicon oxide film having a thickness of 100 nm is formed so as to cover p. The silicon oxide film is made of, for example, SiH 4 gas and N 2 O gas as raw materials, and the substrate temperature is 800 ° C.
Then, it can be obtained by decomposing and depositing by the low pressure CVD method.
Thickness 400-800n by sputtering method
m, eg 500 nm aluminum film (0.1-2%
Of the gate electrode 4 is formed by patterning the aluminum film.
n, 4p are formed.

【0058】(F) イオンドーピング法によって、
ゲート電極4n,4pをマスクとして、島状の結晶性ケ
イ素膜2n,2pにN型不純物例えばリン、P型不純物
例えばホウ素を順次選択的に注入する。なお、ドーピン
グに際しては、ドーピングが不要な領域をフォトレジス
トで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドー
ピングする。このとき、ドーピングガスとしてフォスフ
ィン(PH3)や、ジボラン(B26)を用い、前者の
場合は、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、
後者の場合は、40〜80kV、例えば65kVとし、
ドーズ量は1×1015〜8×1015cm-2、例えばリン
を2×1015cm-2、ホウ素を5×1015cm-2とす
る。これにより、結晶性ケイ素膜2n,2pにおいて不
純物が注入された領域21n,21p,22n,22p
が後にソース領域、ドレイン領域とされ、ゲート電極4
n,4pにマスクされ不純物が注入されない領域23
n,23pが、後にチャネル領域とされる。この状態を
上方より見ると、図4に示すように、活性領域23n,
23pにおいて、結晶化進行方向Xがキャリアの移動方
向(ソース→ドレイン方向)に対してほぼ平行となるよ
うに配置されており、このため、移動度を有するTFT
が得られる。レーザー光の照射によってアニールを行
うことにより、前記イオン注入した不純物の活性化を行
うと同時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した
部分の結晶性を改善させる。この際、使用するレーザー
としてはXeClエキシマレーザー(波長308nm、
パルス幅40nsec)を用い、エネルギー密度150
〜400mJ/cm2、例えば250mJ/cm2で、1
カ所に付き4ショット照射を行う。厚さ600nmの
酸化ケイ素膜を層間絶縁膜6として形成する。この酸化
ケイ素膜からなる層間絶縁膜6はTEOSを原料とした
プラズマCVD法によって形成することができる。層
間絶縁膜6にコンタクトホール61n,62n,61
p,62pを形成してから、金属材料、例えば、窒化チ
タン膜とアルミニウム膜の二層膜によって電極7n,8
n,7p,8pを形成する。そして最後に、1気圧の
水素雰囲気において、350℃、30分のアニールを行
うことにより、完成する。
(F) By the ion doping method,
Using the gate electrodes 4n and 4p as a mask, N-type impurities such as phosphorus and P-type impurities such as boron are sequentially and selectively implanted into the island-shaped crystalline silicon films 2n and 2p. In addition, at the time of doping, each element is selectively doped by covering a region where doping is unnecessary with a photoresist. At this time, phosphine (PH 3 ) or diborane (B 2 H 6 ) is used as a doping gas. In the former case, the acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example 80 kV,
In the latter case, 40 to 80 kV, for example 65 kV,
The dose amount is 1 × 10 15 to 8 × 10 15 cm −2 , for example, phosphorus is 2 × 10 15 cm −2 and boron is 5 × 10 15 cm −2 . As a result, the regions 21n, 21p, 22n, 22p in which the impurities are implanted in the crystalline silicon films 2n, 2p.
Will later become the source region and the drain region, and the gate electrode 4
Region 23 masked with n and 4p and not implanted with impurities
The n and 23p will be the channel regions later. When this state is viewed from above, as shown in FIG. 4, the active regions 23n,
In 23p, the crystallization progressing direction X is arranged so as to be substantially parallel to the carrier moving direction (source → drain direction), and therefore the TFT having mobility is arranged.
Is obtained. By performing annealing by irradiation with laser light, the ion-implanted impurities are activated, and at the same time, the crystallinity of the portion where the crystallinity is deteriorated in the impurity introduction step is improved. At this time, the laser used is a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm,
Pulse width 40 nsec) and energy density 150
~ 400 mJ / cm 2 , for example 250 mJ / cm 2 , 1
Irradiate 4 shots at each location. A 600-nm-thick silicon oxide film is formed as the interlayer insulating film 6. The interlayer insulating film 6 made of this silicon oxide film can be formed by a plasma CVD method using TEOS as a raw material. Contact holes 61n, 62n, 61 are formed in the interlayer insulating film 6.
After forming p and 62p, the electrodes 7n and 8 are made of a metal material, for example, a two-layer film of a titanium nitride film and an aluminum film.
n, 7p, 8p are formed. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete the process.

【0059】ところで、上記構造のTFTを、画素電極
のスイッチング素子として用いる場合には、電極7n,
8n,7p,8pをITOなどの透明導電膜からなる画
素電極に接続し、もう一方の電極より信号を入力する。
また、上記構造のTFTを薄膜集積回路に用いる場合に
は、ゲート電極4n,4p上にもコンタクトホールを形
成して、必要とする配線を施せばよい。
By the way, when the TFT having the above structure is used as a switching element of a pixel electrode, the electrodes 7n,
8n, 7p, and 8p are connected to a pixel electrode made of a transparent conductive film such as ITO, and a signal is input from the other electrode.
When the TFT having the above structure is used in a thin film integrated circuit, contact holes may be formed also on the gate electrodes 4n and 4p and necessary wirings may be provided.

【0060】以上説明した製造方法に従って製造したC
MOS構造回路のTFTにおいて、電界効果移動度は、
Nチャネル型TFTの場合で230〜350cm2/V
s、Pチャネル型TFTの場合で120〜200cm2
/Vsと高く、閾値電圧は、Nチャネル型TFTの場合
で0〜1V、Pチャネル型TFTの場合で−2〜−3V
と非常に良好な特性を示す。また、TFTオフ領域での
リーク電流値もNチャネル型TFT、Pチャネル型TF
T共に数DA程度と従来法に比べ低い値に抑えられてい
る。しかも、繰り返し測定に伴う特性劣化もほとんどな
く、安定しており、高い信頼性が得られる。
C manufactured by the manufacturing method described above
In a TFT having a MOS structure circuit, the field effect mobility is
230-350 cm 2 / V in case of N-channel type TFT
s, 120-200 cm 2 for P-channel TFT
/ Vs, the threshold voltage is 0 to 1V in the case of the N-channel type TFT, and -2 to -3V in the case of the P-channel type TFT.
And shows very good characteristics. Further, the leak current value in the TFT off region is also N-channel TFT, P-channel TF.
Both T are about several DA, which are suppressed to values lower than those of the conventional method. In addition, there is almost no deterioration in characteristics due to repeated measurement, and it is stable and highly reliable.

【0061】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
るものではなく、本発明の技術思想に基づき種々な応用
や変形が考えられる。
The present invention is not limited to the above embodiments, and various applications and modifications are conceivable based on the technical idea of the present invention.

【0062】(1) 上述した二つの実施例の製造方法
では、第1の結晶化にあたって、非晶質ケイ素膜の表面
にニッケル塩を溶かせた水溶液を塗布したり、あるい
は、蒸着法によりニッケル膜を形成してから、非晶質ケ
イ素膜にニッケルを微量添加し、結晶成長を行わせるよ
うにしている。しかし、絶縁性の基板に非晶質ケイ素膜
を形成する前に、該基板の表面にニッケル導入用膜を設
け、非晶質ケイ素膜の下側からニッケルを拡散させて結
晶成長を行わせるようにすることもできる。要するに、
結晶化は、非晶質ケイ素膜の上面側から行ってもよい
し、下面側から行ってもよい。また、ニッケルの導入方
法としても、その他、様々な手法を用いることができ
る。例えば、ニッケル塩を溶かせる溶媒として、SOG
(スピンオングラス)材料を用いSiO2膜より拡散さ
せる方法も有効であるし、スパッタリング法やメッキ法
により薄膜形成する方法や、イオンドーピング法により
直接導入する方法なども利用できる。
(1) In the manufacturing methods of the above-described two embodiments, in the first crystallization, an aqueous solution in which a nickel salt is dissolved is applied to the surface of the amorphous silicon film, or the nickel film is formed by vapor deposition. After the formation, a small amount of nickel is added to the amorphous silicon film to allow crystal growth. However, before forming the amorphous silicon film on the insulating substrate, a film for introducing nickel is provided on the surface of the substrate so that nickel is diffused from the lower side of the amorphous silicon film to perform crystal growth. You can also in short,
Crystallization may be performed from the upper surface side or the lower surface side of the amorphous silicon film. Also, as the method of introducing nickel, various other methods can be used. For example, as a solvent for dissolving nickel salt, SOG
A method of using a (spin-on-glass) material to diffuse from a SiO 2 film is also effective, and a method of forming a thin film by a sputtering method or a plating method, a method of directly introducing it by an ion doping method, or the like can be used.

【0063】(2) 結晶化を助長する触媒元素として
は、ニッケル(Ni)以外に、コバルト(Co)、パラ
ジウム(Pd)、白金(Pt)、銅(Cu)、銀(A
g)、金(Au)、インジウム(In)、スズ(S
n)、アルミニウム(Al)、アンチモン(Sb)を用
いることができる。
(2) As catalyst elements for promoting crystallization, in addition to nickel (Ni), cobalt (Co), palladium (Pd), platinum (Pt), copper (Cu), silver (A)
g), gold (Au), indium (In), tin (S
n), aluminum (Al), and antimony (Sb) can be used.

【0064】(3) 第2の結晶化において、アニール
時の雰囲気としては、上述した二つの実施例の製造方法
で示した酸素雰囲気以外に、スチーム(H2O)や塩化
水素(HCl)ガスの雰囲気としてもよい。特に、スチ
ーム雰囲気とする場合には、酸素の場合に比べて非常に
速い酸化レートが得られ、スループット向上に対してよ
り有利である。また、塩化水素ガス雰囲気とする場合で
は、ニッケルなど触媒元素のゲッタリング効果が大き
く、酸素雰囲気時に比べ濃度低減において有効であり、
TFT特性向上においてより有利である。
(3) In the second crystallization, as the atmosphere during annealing, in addition to the oxygen atmosphere shown in the manufacturing method of the above-mentioned two embodiments, steam (H 2 O) or hydrogen chloride (HCl) gas is used. The atmosphere may be good. In particular, when a steam atmosphere is used, a very high oxidation rate can be obtained as compared with the case of oxygen, which is more advantageous for improving the throughput. Further, when the hydrogen chloride gas atmosphere is used, the gettering effect of catalytic elements such as nickel is large, and it is effective in reducing the concentration as compared with the oxygen atmosphere,
It is more advantageous in improving TFT characteristics.

【0065】(4) 本発明は、上述の実施例で説明し
たMOS型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素子
材としたバイポーラトランジスタや静電誘導トランジス
タをはじめとして幅広く半導体プロセス全般に応用する
ことかできる。
(4) The present invention is not limited to the MOS type transistors described in the above embodiments, but can be applied to a wide variety of semiconductor processes including bipolar transistors and static induction transistors using crystalline semiconductors as element materials. You can

【0066】(5) 本発明の応用としては、液晶表示
用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着
型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッ
ド、有機系EL(エレクトロルミネセンス)等を発光素
子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子や表示素
子、三次元IC等が考えられる。これらの素子に本発明
を用いれば、これらの素子の高速、高解像度化などの高
性能化が実現される。
(5) As an application of the present invention, in addition to the active matrix type substrate for liquid crystal display, for example, a contact type image sensor, a thermal head with a built-in driver, an organic EL (electroluminescence), etc. are used as light emitting elements. The optical writing element, the display element, the three-dimensional IC and the like having a built-in driver can be considered. If the present invention is applied to these elements, high performance such as high speed and high resolution of these elements can be realized.

【0067】[0067]

【発明の効果】本発明では、絶縁基板上にほぼ単結晶に
匹敵する結晶性ケイ素膜からなる活性領域を形成して半
導体装置を構成できるので、非常に高性能で信頼性の高
い半導体装置を実現することができる。
According to the present invention, since a semiconductor device can be formed by forming an active region made of a crystalline silicon film that is almost equivalent to a single crystal on an insulating substrate, a semiconductor device with extremely high performance and high reliability can be obtained. Can be realized.

【0068】特に、半導体装置を液晶表示装置とする場
合においては、アクティブマトリクス基板に要求される
画素スイッチングTFTのスイッチング特性の向上、周
辺駆動回路部を構成するTFTに要求される高性能化・
高集積化を同時に満足し、同―基板上にアクティブマト
リクス部と周辺駆動回路部とを構成するフルドライバモ
ノリシック型のアクティブマトリクス基板を実現でき、
モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が図
れる。
In particular, when the semiconductor device is used as a liquid crystal display device, the switching characteristics of the pixel switching TFT required for the active matrix substrate are improved, and the high performance required for the TFT constituting the peripheral drive circuit section is improved.
It is possible to realize a full-driver monolithic type active matrix substrate that simultaneously satisfies high integration and that forms an active matrix portion and a peripheral drive circuit portion on the same substrate.
The module can be made compact, high performance, and low cost.

【0069】また、本発明の製造方法では、触媒元素を
用いて2段階に分けて熱処理するという簡単なものであ
るから、前述の高性能で信頼性の高い半導体装置を容易
に製造することが可能となる。
Further, in the manufacturing method of the present invention, since the heat treatment is divided into two steps by using the catalytic element, it is easy to manufacture the above-mentioned high performance and highly reliable semiconductor device. It will be possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例の半導体装置の構造を示す縦
断面図
FIG. 1 is a vertical sectional view showing the structure of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】同半導体装置の製造方法の工程図FIG. 2 is a process drawing of the method for manufacturing the same semiconductor device.

【図3】本発明の他の実施例の半導体装置の構造を示す
縦断面図
FIG. 3 is a vertical cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.

【図4】同半導体装置の製造方法の工程図FIG. 4 is a process diagram of the method for manufacturing the same semiconductor device.

【図5】図4の(E)工程での平面図FIG. 5 is a plan view in the step (E) of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 結晶性ケイ素膜 21 ソース領域 22 ドレイン領域 23 活性領域 3 ゲート絶縁膜 4 ゲート電極 5 酸化物層 6 層間絶縁膜 7 ソース電極 8 ドレイン電極 1 substrate 2 crystalline silicon film 21 source region 22 drain region 23 active region 3 gate insulating film 4 gate electrode 5 oxide layer 6 interlayer insulating film 7 source electrode 8 drain electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/336 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H01L 21/336

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁表面を有する基板上に活性領域とな
る膜が積層されてなる半導体装置であって、 前記活性領域となる膜は、非晶質ケイ素膜をベースとし
て結晶化されたもので、結晶粒内のそれぞれの柱状結晶
が互いに結合されたほぼ単結晶状態の結晶性ケイ素膜か
らなる、ことを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device comprising a substrate having an insulating surface and a film serving as an active region laminated on the substrate, wherein the film serving as the active region is crystallized based on an amorphous silicon film. A semiconductor device comprising a crystalline silicon film in a substantially single crystal state in which columnar crystals in crystal grains are bonded to each other.
【請求項2】 前記結晶性ケイ素膜は、その結晶成長方
向がキャリアの移動方向に対してほぼ平行に設定されて
いる、請求項1に記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the crystal growth direction of the crystalline silicon film is set substantially parallel to the carrier movement direction.
【請求項3】 前記結晶性ケイ素膜の結晶粒の粒径が、
5〜40μmである、請求項1に記載の半導体装置。
3. The grain size of crystal grains of the crystalline silicon film is:
The semiconductor device according to claim 1, having a thickness of 5 to 40 μm.
【請求項4】 絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素
膜を形成する工程と、 該非晶質ケイ素膜にその結晶化を助長する触媒元素を導
入する工程と、 該非晶質ケイ素膜を比較的低温で加熱することにより結
晶化させ、結晶性ケイ素膜を得る工程と、 該結晶性ケイ素膜を、前記加熱時の温度よりも高い温度
で加熱することにより、その結晶性を助長する工程と、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. A comparison between the step of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, the step of introducing a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous silicon film, and the step of introducing the amorphous silicon film. A step of crystallizing by heating at an extremely low temperature to obtain a crystalline silicon film, and a step of promoting the crystallinity by heating the crystalline silicon film at a temperature higher than the heating temperature. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項5】 絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素
膜を形成する工程と、 該非晶質ケイ素膜の局部にその結晶化を助長する触媒元
素を導入する工程と、 該非晶質ケイ素膜を比較的低温で加熱することにより、
触媒元素が導入された領域を結晶化させるとともに、こ
の結晶化させた領域からさらにその周辺の領域へ基板表
面とほぼ平行な方向に結晶成長させる工程と、 該結晶性ケイ素膜を、前記加熱時の温度よりも高い温度
で加熱することにより、その結晶性を助長する工程と、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. A step of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, a step of locally introducing a catalytic element for promoting crystallization thereof into the amorphous silicon film, and the amorphous silicon film. By heating at a relatively low temperature,
Crystallizing the region into which the catalytic element has been introduced, and growing the crystal from the crystallized region to the peripheral region in a direction substantially parallel to the surface of the substrate; And a step of promoting the crystallinity thereof by heating at a temperature higher than the temperature of 1.
【請求項6】 前記比較的高温での加熱は、O2、H
2O、HClなどの酸化雰囲気で行うものである、請求
項4または5に記載の半導体装置の製造方法。
6. The heating at the relatively high temperature is performed by using O 2 , H
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the method is performed in an oxidizing atmosphere of 2 O, HCl or the like.
【請求項7】 前記比較的低温での加熱は、温度520
〜600℃の範囲内で行うものである、請求項4または
5に記載の半導体装置の製造方法。
7. The heating at the relatively low temperature is performed at a temperature of 520.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4 or 5, wherein the method is performed within a range of to 600 ° C.
【請求項8】 前記比較的高温での加熱は、温度800
〜1100℃の範囲内で行うものである、請求項4また
は5に記載の半導体装置の製造方法。
8. The heating at the relatively high temperature is performed at a temperature of 800.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4 or 5, wherein the method is performed within a temperature range of 1100C.
【請求項9】 前記比較的高温での加熱は、結晶性ケイ
素膜中の触媒元素の濃度を、1×1014atoms/c
3〜1×1017atoms/cm3の範囲内に管理する
ように行うものである、請求項4または5に記載の半導
体装置の製造方法。
9. The heating at a relatively high temperature reduces the concentration of the catalytic element in the crystalline silicon film to 1 × 10 14 atoms / c.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the method is performed so as to be controlled within a range of m 3 to 1 × 10 17 atoms / cm 3 .
【請求項10】 前記触媒元素は、Ni、Co、Pd、
Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Al、Sbの中
の一種または複数種類の元素とされる、請求項4または
5に記載の半導体装置の製造方法。
10. The catalyst element is Ni, Co, Pd,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the element is one or a plurality of elements selected from Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn, Al, and Sb.
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