JPH0992716A - 非単結晶半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

非単結晶半導体装置及びその製造方法

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JPH0992716A
JPH0992716A JP24224995A JP24224995A JPH0992716A JP H0992716 A JPH0992716 A JP H0992716A JP 24224995 A JP24224995 A JP 24224995A JP 24224995 A JP24224995 A JP 24224995A JP H0992716 A JPH0992716 A JP H0992716A
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JP
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polysilicon
crystal semiconductor
source
film
conductive material
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JP24224995A
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Yasumasa Goto
康正 後藤
Mitsuo Nakajima
充雄 中島
Yasuto Kawahisa
慶人 川久
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、高い濃度の水素と不純物の注入され
たポリシリコンと導電性材料との間に良好な電気的接続
を得ることを目的とする。また、上記方法を多結晶薄膜
トランジスタに有効に適用できるトランジスタの構造を
提供することも目的とする。 【解決手段】絶縁基板上の多結晶シリコン薄膜に水素と
n型不純物あるいは水素とp型不純物を同時に注入して
得られた不純物ドープ多結晶シリコンにおいて、表面を
エッチング後、他の材料と電気的に接続させることを特
徴とした多結晶シリコン膜の電気的接続方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非単結晶半導体装
置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】結晶層を持ったシリコンいわゆる多結晶
シリコン(poly−Si)薄膜は、絶縁物上に形成で
きる半導体膜として、LSI,液晶表示装置に用いられ
ている。特に、液晶表示装置は、表示部の薄型化が可能
であり、事務機器やコンピュータ等の表示装置あるいは
特殊な表示装置への用途として要求が高まっている。ポ
リシリコンを用いた薄膜トランジスタ(TFT)をスイ
ッチング素子としてマトリックス状に配した液晶表示装
置(TFT−LCD)は、表示品位が高く、高精細、低
消費電力であるため注目されてきている。poly−S
iTFTは、画素スイッチング素子して用いるだけでな
く、周辺駆動回路にpoly−SiTFTを用いて、画
素TFTと駆動回路TFTを同一基板上に同時に形成す
る駆動回路一体型TFT−LCDの研究開発も盛んに行
われている。その中で、poly−Si薄膜は、TFT
の活性層あるいは、不純物を含有させて電極あるいは、
ソース・ドレイン領域に用いられている。
【0003】液晶表示装置のアレイはコストを低減させ
るために大型基板から複数の小型基板の多面取りをおこ
なっている。大型基板内に複数のアレイを同時に製造し
た後に分割することにより、1枚の大型基板から複数の
小型アレイ基板を得ることができる。そのためには、大
型基板対応の装置を用いたTFT形成工程が重要となっ
てくる。TFTを製造する上でソース・ドレイン形成に
は、大面積処理可能でかつ短いタクトタイムで不純物を
注入できるイオンドーピング法が注目されてきている。
この方法では、不純物の水素化合物を原料としプラズマ
で分解し、質量分離をおこなわず水素、および(pある
いはn型の)不純物を加速注入する。
【0004】ところで、上記イオンドーピング法でポリ
シリコン薄膜に高濃度の不純物を注入すると多結晶シリ
コンの表面が不純物と同時に注入される水素でエッチン
グされ、表面モホロジーが劣化するとう言う問題点があ
る。図1に100ppmフォスフィン/水素(PH3 /H2
ガスをもちいて、6.8×1015、6.8×1016ions
/cm-2 のドーズ量でSi中にリン(P)を注入した際の
リンの深さ方向の注入濃度依存性を示す。あわせて、P
のピーク位置を示してあるが、高濃度(6.8×1016
ions/cm-2 )注入ではピークが約15nm程度表面よ
りになっている。これは、リンと同時に注入された水素
によりSi表面がエッチングされたことによる。この
時、該Si表面モホロジーが悪いことは、言うまでもな
い。ポリシリコンにイオンドーピング法により高濃度ド
ーピングを行った後、例えばAlのような金属と接合さ
せるとコンタクト抵抗が大きく、あるいはAlが剥がれ
てしまい充分なオーミック接合がとれないという問題点
があった。
【0005】また、ポリシリコン上にシリコン酸化膜を
被着した状態で多量のイオンドーピングを行った場合に
おいても、問題が生じる。図2にこの様子を示す。例え
ば、膜厚50nmのポリシリコン膜1上に膜厚100n
mシリコン酸化膜2を被着した状態(図2(a))で、
水素希釈の5%B26 ガスを原料ガスとし、注入量を
3×1016 ions/cm2 以上でイオンドーピングした場
合、ポリシリコン膜1とシリコン酸化膜2の界面に変質
層3が発生する(図2(b))。この変質層3と導電性
材料との電気的な接合はコンタクト抵抗が高いという点
で悪いという問題があった。
【0006】ポリシリコン膜中に不純物を質量分離した
後に加速注入する方法、即ち、水素が不純物と一緒に加
速注入されない場合には上記2つ問題は存在しておら
ず、水素と不純物を同時注入する工程において初めて問
題となってきた。
【0007】従来は、上記問題を避けるために、イオン
ドーピングによる注入量の制限を行って不純物が注入さ
れたポリシリコンの抵抗は少々高くても、該ポリシリコ
ンと導伝性材料を電気的に接続させた時に(例えばオー
ミックコンタクトがとれる等の)良好なコンタクトを得
ることが重視されてきた。しかし、最近ポリシリコンT
FTは駆動回路等にも適用され始め高いドレイン電流が
必要とされてきておりソース・ドレイン領域の不純物注
入量を少なくした場合、ソース・ドレイン抵抗が高くT
FTのオン抵抗よりもソース・ドレイン抵抗が高くなり
オン電流が十分に得られないという問題が新たに生じて
いる。この問題を解決するためには、やはり高濃度注入
でソース・ドレイン抵抗を下げかつ、ポリシリコンで形
成されているソース・ドレインと電導性材料であるソー
ス・ドレイン電極の間に良好な電気的接続を得ることが
必要である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】高濃度の水素と不純物
をポリシリコンあるいはシリコン酸化膜などの薄膜を介
してポリシリコンに同時注入する場合、ポリシリコン表
面のモホロジーの劣化、あるいは酸化膜とポリシリコン
の界面に発生する変質層のために、直接導電材料とポリ
シリコンを接合させた場合コンタクト抵抗が高くオーミ
ックコンタクトが得られにくく、導電性材料とポリシリ
コンの密着性が悪く膜はがれ等も起こりやすい問題を生
じてしまう。図3にポリシリコンとAlの密着が悪い場
合(図3(a)と良い場合(図3(b))を示すが、ポ
リシリコン表面モホロジーが膜剥がれに大きく関係して
いることがわかる。
【0009】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
もので、高い濃度の水素及び不純物の注入された非単結
晶半導体と導電性材料との間に良好な電気的接続を得る
半導体装置を提供することを目的とする。また、この様
な良好な電気的接続関係を有する非単結晶半導体の製造
方法を提供することを別の目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1の非単結晶半導
体装置は、絶縁基板上に形成されるゲート電極と、ゲー
ト絶縁膜を介して前記ゲート電極と対抗配置され、水素
及びn型又はp型不純物を含む不純物注入非単結晶半導
体層に形成されるソース及びドレイン領域とを具備する
電解効果型の非単結晶半導体装置において、前記ソース
及びドレイン領域に形成され、前記ソース及びドレイン
領域の表面に形成される荒れた領域或いは変質層より深
い孔部と、この孔部に形成され前記ソース及びドレイン
領域にオーミック接続される電極配線とを具備すること
を特徴とする。
【0011】請求項2の非単結晶半導体装置の製造方法
は、絶縁基板上の非単結晶半導体薄膜に水素及びn型又
はp型不純物を注入して不純物ドープ非単結晶半導体層
を形成する半導体装置の製造方法において、前記非単結
晶半導体薄膜表面に形成された変質層をエッチング除去
する工程と、除去して得られた前記非単結晶半導体表面
と導電性材料をオーミック接続させる工程とを具備する
ことを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】ポリシリコン等の非単結晶半導体
に水素と不純物を同時に高濃度( 例えば3×1016 ion
s/cm2 ) 注入する工程の後に、例えばCDE処理等によ
り非単結晶半導体表面をエッチングした後に、導電材料
と接合する。本発明はエッチング工程を行うことで、ポ
リシリコン表面モホロジーが改善され導電性材料との密
着性が容易に向上し、電気的にも良好な接続を容易に得
ることができる。非単結晶半導体と導電材料の間に良好
な電気的接続を得るものである。
【0013】また、非単結晶半導体上にシリコン酸化膜
などの絶縁性の膜が被着した状態の場合は、水素と不純
物を同時に高濃度で注入した後、シリコン酸化膜をRI
E処理等で剥離後、ポリシリコンとシリコン酸化膜との
間に形成される変質層をCDE処理等によりエッチング
して導電材料と接合する。本発明は該変質層のエッチン
グ工程を行うことにより、ポリシリコンと該導電材料の
間に良好な電気的接続を得るものである。
【0014】以下、本発明の詳細を図示の実施例により
説明する。 (実施例1)本発明の水素と不純物が多量に同時注入さ
れたポリシリコン薄膜と電導性材料との電気的接続方法
を図4に沿って説明する。
【0015】PH3 ガスをプラズマにより分解し水素と
P(リン)を高濃度でポリシリコン1に加速注入する。
この際の注入条件は、3×1016 atm/cm 2 である(図
4(a))。
【0016】この注入工程時にポリシリコン1表面が水
素等によりエッチングされるため、ポリシリコン2の表
面モホロジーが悪くなる(図4(b))。この後、ポリ
シリコン2表面をエッチングすることによりポリシリコ
ン3の表面モホロジーを改善することができる。この
際、エッチングにはCDEを使用し、またエッチング条
件は、400w、1分であった。このとき、エッチング
されるのは、平均の結晶粒径が500μm〜800μ
m、特に300μm〜2μmの結晶粒径が大きい部分で
あることはいうまでもない(図4(c))。
【0017】このエッチング工程によりポリシリコン3
の表面モホロジーが向上し、ポリシリコン3上に導電材
料、例えばAl4を被着する(図4(d))。この時の
ポリシリコン3とAl4の接合状態は図3(b)に相当
する状態となっており、良好なオーミックコンタクトを
得ることができる。
【0018】この状態での抵抗値を測定したところ、3
MΩ/口であった。比較のために、エッチング工程を経
ないで形成したものは、300MΩ/口であった。ま
た、ポリシリコン3と導電材料密間の着性を向上させる
ことができる。
【0019】さらに、密着性の試験を行ったところ、本
実施例では、良好であり密着性が高かった。比較のため
に、エッチング工程を経ないで形成したものは、不良で
あった。
【0020】このような傾向は、水素を2×1018cm-3
〜8×1021cm-3の範囲で又、導電型を呈する不純物を
2×1019cm-3〜5×1021cm-3の範囲で共にドープし
た多結晶シリコンで同様の特性を得ることができる。
【0021】(実施例2)本発明の薄膜トランジスタの
構造について図5を用いて説明する。図5はpチャネル
のコプラナ型TFTの製造工程順の断面図である。
【0022】最初にガラス基板・石英基板等からなる透
光性絶縁基板11上にPE(プラズマ)CVD法等によ
りバッファ層となるSiOx膜2を100nm程度被着
する。さらにCVD法等によりa−Si:H膜を50n
m程度被着し、450℃で1時間炉アニールを行った
後、例えばXeClエキシマレーザアニールによりa−
Si:H膜を溶融再結晶化させpoly−Si膜3を形
成する。その後、フォトリソグラフィ等によりpoly
−Si膜13をパターニング、エッチングを行う(図5
(a))。
【0023】次に、CVD法によりゲート絶縁膜として
SiOx膜4を100nm被着する(図5(b))。続
いて、例えばMoTa膜を400nm被着し、フォトリ
ソグラフィ、エッチングによりゲート電極5を形成し、
ゲート電極5をマスクとしてゲート絶縁膜4をエッチン
グする(図5(c))。
【0024】次に、ゲート電極5をマスクとし自己整合
的にイオンドーピング法により水素とB(ボロン)を同
時注入することによりソース領域6aとドレイン領域6
bを形成する(図5(d))。この際、例えば加速電圧
は約40keV、ドーズ量は約3×1016cm-2とす
る。この時、イオンドーピングの原料ガスとしてB2
6 を希ガスで希釈したガスをもちいた。この他、導電方
を呈するための不純物としては、P、Asを使用するこ
とができる。この場合には、PH3 、AsH3 をガスと
して使用する。
【0025】この後レジスト等の剥離を行った後、AP
CVD法により層間絶縁膜7を400nm程度被着し、
600℃、3時間の炉アニールによりソース・ドレイン
の活性化を行う(図5(e))。
【0026】さらに、フォトリソグラフィを行い、層間
絶縁膜7、ゲート絶縁膜4をRIEによりエッチング
し、連続してCDE処理によりソース領域6a、ドレイ
ン領域6bの表面をエッチングすることによりコンタク
トホール(孔部)8を開孔する。エッチングには、CD
Eを使用し、その条件は、400Wで1分である(図5
(f))。
【0027】この時の孔部8の拡大部分を図6に示す
が、ポリシリコン膜膜厚tより、コンタクトホール直下
のソース・ドレイン膜厚dの間には、 0<d<t … …(1) なる関係をもつことを特徴としている。すなわち、t−
dがエッチングされたポリシリコンの膜厚である。t−
dは、15nm〜1nm望ましくは、5nm程度でよい
が、注入条件によりことなるが、(1)式が満たされて
いることが本発明の多結晶薄膜トランジスタの特徴であ
る。その理由は、発明者らの行った実験によると、上述
した変質層の厚みが1nm〜5nmであるため、この影
響を受けないようにするためには、t−dを5nmより
大きくする必要がある。また、あまりt−dを大きくす
ると、ソース・ドレインの実効的膜厚減少のたに抵抗値
が増加するために好ましくないからである。
【0028】この時、層間絶縁膜にSiOx、以外に、
SiNx、BPSG、BSG,PSGなどの材料を単体
或いは異なる材料を積層して用いても同様の効果を奏す
ることができる。即ち、表面モホロジーの悪いポリシリ
コン部分すなわち、コンタクトホール直下以外のソース
・ドレインと層間絶縁膜との密着性は問題がなくなる。
【0029】この後に、ソース・ドレイン電極(場合に
因っては配線としても使用される)として例えばAl膜
をスパッタリング法により成膜する。フォトリソグラフ
ィ等によりソース電極9a・ドレイン電極9bにパター
ニングして、pチャネルコプラナ型TFTが完成する。
(図5(g)) 本発明のTFTにおいては、ポリシリコンに高濃度の水
素とボロン(不純物濃度は、水素が2.5×1016cm-2
で、ボロンが1.6×1016cm-2)が注入されているの
で、ソース・ドレイン領域のシート抵抗が400Ω/□
程度でありながらも、ソース・ドレイン領域とソース・
ドレイン電極とのコンタクト抵抗がTFTのオン抵抗よ
り低くすることが容易にできるため、高移動度のTFT
を提供することができる。
【0030】このコプラナ型TFTをガラス基板の周辺
に駆動回路を構成するように形成し、さらに、ガラス基
板の中央部にはマトリックス状に形成されたITOの画
素電極が形成され、それぞれの画素電極にドレイン電極
が接続され電位を印加するスイッチングトランジスタと
して画素電極近房に上述のTFTを形成し、アレイ基板
を完成させる。この際、駆動回路からは、スイッチング
トランジスタのゲート電極に接続されたゲート線、及び
ソース電極に接続された信号線が複数延存し、ゲート線
と信号線はマトリックス状に複数配置されている。
【0031】このアレイ基板を液晶層を介して共通電極
を液晶層側に形成した対抗基板を平行に配置させ、大型
液晶表示装置(例えば、12インチのOA用大型ディス
プレー)を完成させる。
【0032】このように形成された大型液晶表示装置
は、高駆動能力であるために階調を広く取ることがで
き、また、高い駆動電流であるためにコントラストを向
上することができる。
【0033】なお、本実施例では、コプラナ型TFTに
ついて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない範囲にお
いて、逆スタガ型TFT等、他のTFTに変形して実施
することができる。
【0034】(実施例3)本実施例のnチャネルのコプ
ラナ型薄膜トランジスタの製造工程順の断面図について
図7を用いて説明する。
【0035】最初にガラス基板・石英基板等からなる透
光性絶縁基板11上にCVD法等によりバッファ層とな
るSiOx膜2を100nm程度被着する。さらにCV
D法等によりa−Si:H膜を50nm程度被着し、4
50℃で1時間炉アニールを行った後、例えばXeCl
エキシマレーザアニールによりa−Si:H膜を溶融再
結晶化させpoly−Si膜3を形成する。その後、フ
ォトリソグラフィ等によりpoly−Si膜13をパタ
ーニング、エッチングを行う(図7(a))。
【0036】次に、AP(常圧)CVD法によりゲート
絶縁膜としてSiOx膜4を100nm被着し、600
℃、5時間のアニールを行う(図7(b))。続いて、
例えばMoW膜を350nm被着し、フォトリソグラフ
ィ、エッチングによりゲート電極5を形成する(図7
(c))。
【0037】次に、ゲート電極をマスクとし自己整合的
にイオンドーピング法により水素とP(リン)を同時注
入することによりソース領域6aとドレイン領域6bを
形成するが、この際ソース6a・ドレイン6bとゲート
酸化膜界面に変質層35が出現する。この変質層35は
上述してきたように導電材料との密着性・電気的接続が
悪い(図7(d))。例えば加速電圧は約80keV、
ドーズ量は約3×1016cm-2とする。イオンドーピン
グの原料ガスとしてPH3 を希ガスで希釈したガスをも
ちいることは、言うまでもない。
【0038】この後レジスト等の剥離を行った後、AP
CVD法により層間絶縁膜7を400nm程度被着し、
XeClエキシマレーザアニールによりソース・ドレイ
ンの活性化を行う(図7(e))。
【0039】さらに、フォトリソグラフィを行い、層間
絶縁膜7、ゲート絶縁膜4をRIEによりエッチング
し、連続してCDE処理により変質層35、ソース領域
6a、ドレイン領域6の表面をエッチングすることによ
りコンタクトホールを開孔する(図7(f))。
【0040】この時のコンタクトホール部分の拡大部分
を図8に示すが、ポリシリコン膜厚tより、コンタクト
ホール直下のソース・ドレイン膜厚dの間には、0<d
<tなる関係は勿論、変質層35を完全に除去すること
を特徴としている。図8には変質層とさらにソース6a
・ドレイン6bをもエッチングする構造で記載してある
が、変質層が存在する場合は必ずしもソース6a・ドレ
イン6bをエッチングする必要はなく変質層35のみを
完全に除去できればよい。ここで形成される変質層と
は、Sixyz、Sixyzといったものであ
る。
【0041】この後に、ソース・ドレイン電極として例
えばAl膜をスパッタリング法により成膜する。フォト
リソグラフィ等によりソース電極9a・ドレイン電極9
bにパターニングして、pチャネルコプラナ型TFTが
完成する(図7(g))。
【0042】本実施例のTFTにおいても、実施例2と
同様の効果を奏することができる。本実施例のTFTに
おいては、ポリシリコンに高濃度の水素とリンが注入さ
れているので、ソース・ドレイン領域シート抵抗が35
0Ω/□程度でありながらも、ソース・ドレイン領域と
ソース・ドレイン電極との間に存在する変質層を除去し
たことによりコンタクト抵抗がTFTのオン抵抗より低
くすることが容易にできるため、高移動度のTFTを提
供することができる。
【0043】上記実施例においては、ポリシリコン膜に
接触させる金属は、Al以外に、MoTa、MoN、M
oW、Cr、Mo、Cu等でも良い。このような材料を
使用しても、上述の実施例と全く同様に只材料をを変え
るだけで同様に実施することができる。但し、MoTa
を使用した場合には、Alでは後プロセスの温度が40
0℃となるが、MoTaでは600℃で行うという別の
効果を奏することができる。また、MoNを使用した場
合には、後工程を500℃迄挙げることができる別の効
果を奏することができる。
【0044】上述した実施例では、非単結晶半導体をポ
リシリコンの場合に付いて説明したが、ポリシリコン以
外の非単結晶例えばアモルファス状態のシリコンに多結
晶の粒が混入しているようなマイクロクリスタルシリコ
ン等でも実施例と同様の条件で同様の効果を期待するこ
とができる。さらに、半導体は、シリコンだけでなく、
Ge、C、SiGe、SiC等でも実施例と同様の効果
を期待することができる。
【0045】なお、本説明では、コプラナ型TFTにつ
いて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない範囲におい
て、さまざまなTFTに変形して実施することができ
る。また、本発明の多結晶シリコン膜の電気的接続方法
は、注入不純物が水素とn型不純物または、水素とp型
不純物のどちらの場合においても適用することが出来る
のは言うまでもない。
【0046】
【発明の効果】上記構成により、非単結晶半導体層と導
電材料との良好な電気的接続が得られる。また、非単結
晶半導体層と導電性材料との密着性を向上させることが
できる。それにより歩留まりの向上が可能となる。ま
た、この様な良好な電気的接続関係を有する非単結晶半
導体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられる不純物注入方法による不純
物プロファイル
【図2】変質層の発生部分
【図3】ポリシリコン表面モホロジーと導電材料との密
着性
【図4】本発明のポリシリコン薄膜と電導性材料との接
合の断面図
【図5】本発明のポリシリコン薄膜トランジスタの断面
図(製造工程)
【図6】本発明のポリシリコン薄膜トランジスタの拡大
図(コンタクトホール部)
【図7】本発明のポリシリコン薄膜トランジスタの断面
図(製造工程)
【図8】本発明のポリシリコン薄膜トランジスタの拡大
図(コンタクトホール部)
【符号の説明】
1 ポリシリコン 2 SiOx 3 変質層 4 ゲート絶縁膜 5 ゲート電極 6 ソース・ドレイン領域 7 絶縁膜 8 孔部 11 基板 13 ポリシリコン層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁基板上に形成されるゲート電極と、ゲ
    ート絶縁膜を介して前記ゲート電極と対抗配置され、水
    素及びn型又はp型不純物を含む不純物注入非単結晶半
    導体層に形成されるソース及びドレイン領域とを具備す
    る電解効果型の非単結晶半導体装置において、前記ソー
    ス及びドレイン領域に形成され、前記ソース及びドレイ
    ン領域の表面に形成される荒れた領域或いは変質層より
    深い孔部と、この孔部に形成され前記ソース及びドレイ
    ン領域にオーミック接続される電極配線とを具備するこ
    とを特徴とする非単結晶半導体装置。
  2. 【請求項2】絶縁基板上の非単結晶半導体薄膜に水素及
    びn型又はp型不純物を注入して不純物ドープ非単結晶
    半導体層を形成する半導体装置の製造方法において、前
    記非単結晶半導体薄膜表面に形成された変質層をエッチ
    ング除去する工程と、除去して得られた前記非単結晶半
    導体表面と導電性材料をオーミック接続させる工程とを
    具備することを特徴とする非単結晶半導体装置の製造方
    法。
JP24224995A 1995-09-14 1995-09-21 非単結晶半導体装置及びその製造方法 Pending JPH0992716A (ja)

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US08/710,110 US5763904A (en) 1995-09-14 1996-09-12 Non-single crystal semiconductor apparatus thin film transistor and liquid crystal display apparatus
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