JPH10150203A - Manufacture of thin film semiconductor device - Google Patents

Manufacture of thin film semiconductor device

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Publication number
JPH10150203A
JPH10150203A JP32620996A JP32620996A JPH10150203A JP H10150203 A JPH10150203 A JP H10150203A JP 32620996 A JP32620996 A JP 32620996A JP 32620996 A JP32620996 A JP 32620996A JP H10150203 A JPH10150203 A JP H10150203A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
semiconductor thin
semiconductor
transistor
gas
Prior art date
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Pending
Application number
JP32620996A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masabumi Kunii
正文 国井
Yasuhiro Kanetani
康弘 金谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP32620996A priority Critical patent/JPH10150203A/en
Publication of JPH10150203A publication Critical patent/JPH10150203A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a semiconductor thin film to be doped with impurities low but uniform in concentration in a low-temperature process. SOLUTION: A chemical vapor deposition is carried out using a mixed material gas of semiconductor film forming gas and dopant gas, whereby a non-single crystal semiconductor thin film 2 is deposited on an insulating substrate 1 to serve as an active layer. Dopant contained in the semiconductor thin film 2 is activated by irradiation with an energy beam 3 so as to previously control a semiconductor transistor in threshold voltage. The semiconductor thin film 2 is processed into a transistor by integration. When B2 H6 diluted with hydrogen or helium and SiH4 are used as dopant gas and semiconductor film forming gas respectively, the mixing ratio of B2 H6 to SiH4 is set at 30ppm or less. When a non-single crystal silicon semiconductor thin film is turned polycrystalline at the same time with the activation of impurities, the energy beam 3 is optimized in energy density so as to make the crystal silicon semiconductor thin film have such a crystalline phase that a minimum crystal is 10nm or above in grain diameter and fine crystals below 10nm in grain diameter are not included.

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】本発明は薄膜トランジスタを
絶縁基板上に集積形成した薄膜半導体装置の製造方法に
関する。より詳しくは、低温プロセス(例えば、プロセ
ス最高温度が600℃以下)による薄膜半導体装置の製
造方法に関する。更に、詳しくは薄膜トランジスタの活
性層となる半導体薄膜の成膜技術及び不純物の低濃度ド
ーピング技術に関する。尚、かかる薄膜半導体装置は例
えばアクティブマトリクス型液晶ディスプレイの能動素
子基板(駆動基板)として用いられる。
The present invention relates to a method of manufacturing a thin film semiconductor device in which thin film transistors are formed on an insulating substrate. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a thin-film semiconductor device by a low-temperature process (for example, a process maximum temperature is 600 ° C. or less). More specifically, the present invention relates to a technique for forming a semiconductor thin film to be an active layer of a thin film transistor and a technique for doping impurities at a low concentration. Such a thin film semiconductor device is used, for example, as an active element substrate (drive substrate) of an active matrix type liquid crystal display.

【0002】[0002]

【従来の技術】アクティブマトリクス型液晶ディスプレ
イのスイッチング素子として薄膜トランジスタが広く用
いられている。特に、薄膜トランジスタの活性層となる
半導体薄膜には従来から多結晶シリコンが採用されてい
る。多結晶シリコン薄膜トランジスタ(poly−Si
TFT)は、スイッチング素子に用いられるばかりで
なく、回路素子としても利用でき、同一基板上にスイッ
チング素子と合わせて周辺駆動回路を内蔵できる。又、
poly−Si TFTは微細化が可能な為、画素構造
におけるスイッチング素子の占有面積を縮小でき画素の
高開口率化が達成できる。ところで、従来、poly−
Si TFTは製造工程上プロセス最高温度が1000
℃程度に達し、耐熱性に優れた石英ガラス等が絶縁基板
として用いられていた。製造プロセス上比較的低融点の
ガラス基板を使用することは困難であった。しかしなが
ら、液晶ディスプレイの低コスト化の為には低融点ガラ
ス板材料の使用が必要不可欠である。そこで、近年プロ
セス最高温度が600℃以下になる所謂低温プロセスの
開発が進められている。特に、低温プロセスは大型の液
晶ディスプレイを製造する時、コスト面から極めて有利
になる。液晶ディスプレイの大型化に伴ない、低温プロ
セスのpoly−Si TFTでは大面積の半導体薄膜
にスループット良く不純物を注入できるイオンドーピン
グ法が注目されている。このイオンドーピング法は不純
物気体をイオン化した後質量分離を行なうことなく電界
加速して大面積の半導体薄膜に一括して不純物イオンを
照射するものである。これに対し、イオンインプランテ
ーションは不純物イオンの質量分離を行なった後、イオ
ンビームにして半導体薄膜を照射するものである。
2. Description of the Related Art Thin film transistors are widely used as switching elements in active matrix type liquid crystal displays. In particular, polycrystalline silicon has been conventionally used as a semiconductor thin film serving as an active layer of a thin film transistor. Polycrystalline silicon thin film transistor (poly-Si
TFT) can be used not only as a switching element but also as a circuit element, and a peripheral driving circuit can be built in with the switching element on the same substrate. or,
Since the poly-Si TFT can be miniaturized, the area occupied by the switching element in the pixel structure can be reduced, and a high aperture ratio of the pixel can be achieved. By the way, conventionally, poly-
Si TFT has a maximum process temperature of 1000 due to the manufacturing process.
In this case, quartz glass or the like having a temperature of about ° C and having excellent heat resistance has been used as an insulating substrate. It has been difficult to use a glass substrate having a relatively low melting point due to the manufacturing process. However, in order to reduce the cost of the liquid crystal display, it is essential to use a low melting point glass plate material. Therefore, in recent years, the development of a so-called low-temperature process in which the maximum process temperature is 600 ° C. or lower has been promoted. In particular, the low-temperature process is extremely advantageous in terms of cost when manufacturing a large liquid crystal display. With the increase in the size of the liquid crystal display, attention has been paid to an ion doping method capable of injecting impurities into a large-area semiconductor thin film with high throughput in a poly-Si TFT processed at a low temperature. In this ion doping method, an impurity gas is ionized and then subjected to electric field acceleration without mass separation to irradiate a large area semiconductor thin film with impurity ions at once. In contrast, ion implantation involves irradiating a semiconductor thin film with an ion beam after mass separation of impurity ions.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】イオンドーピング法で
は1015〜1016/cm2 程度の高ドーズ量で不純物を短
時間に半導体薄膜中に打ち込むことができる。しかしな
がら、1014/cm2 以下で不純物のドーズ量を精度良く
制御することは原理上困難である。不純物の高ドーズは
例えば薄膜トランジスタのソース領域/ドレイン領域形
成に用いられる一方、低ドーズは例えば薄膜トランジス
タの閾電圧制御に用いられる。閾電圧調整の為、ドーパ
ントガスを希釈してイオンドーピングを行ないドーズ量
を低めに制御する試みが行なわれている。しかしなが
ら、この方法でもpoly−Si TFTの閾電圧制御
に必要な1012/cm2 程度のドーズ量を正確にコントロ
ールすることは困難であった。一方、従来のイオンイン
プランテーションでは低ドーズ量のコントロールは可能
であるものの、大面積の半導体薄膜に対して一括して不
純物を打ち込むことはできず、液晶ディスプレイの製造
に際してスループットが悪化するという課題があった。
According to the ion doping method, impurities can be implanted into a semiconductor thin film in a short time with a high dose of about 10 15 to 10 16 / cm 2 . However, it is difficult in principle to accurately control the dose of the impurity at 10 14 / cm 2 or less. A high dose of the impurity is used, for example, for forming the source region / drain region of the thin film transistor, while a low dose is used, for example, for controlling the threshold voltage of the thin film transistor. In order to adjust the threshold voltage, attempts have been made to dilute the dopant gas and perform ion doping to control the dose lower. However, even with this method, it has been difficult to accurately control a dose of about 10 12 / cm 2 necessary for controlling the threshold voltage of the poly-Si TFT. On the other hand, conventional ion implantation can control a low dose, but cannot implant impurities into a large-area semiconductor thin film at a time, and the throughput deteriorates when manufacturing a liquid crystal display. there were.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決する為、本発明は低温プロセスにおいて大面積
の半導体薄膜に低ドーズ量で精度良く不純物を導入して
薄膜トランジスタの閾電圧調整を可能にする薄膜半導体
装置の製造方法を提供することを目的とする。かかる目
的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち、本発明に
従って薄膜半導体装置は以下の工程により製造される。
先ず、成膜工程を行ない、半導体成膜ガスにドーパント
ガスを混合した原料気体を用いて化学気相成長させ、ト
ランジスタの活性層となるべき非単結晶性の半導体薄膜
を絶縁基板上に堆積する。次に照射工程を行ない、エネ
ルギービームを照射して半導体薄膜に含まれるドーパン
ト(不純物)を活性化し予めトランジスタの閾電圧を調
整しておく。最後に加工工程を行ない該半導体薄膜を加
工してトランジスタを集積形成する。特徴事項として、
前記成膜工程はドーパントガスとして水素又はヘリウム
で希釈したB26を用い、半導体成膜ガスとしてSi
4 を用いると共に、SiH4 に対するB26 の混合
比を30ppm 未満に設定している。好ましくは、前記照
射工程は、ドーパントの活性化と同時に該非単結晶性の
半導体薄膜を結晶化する。又、前記照射工程は、エネル
ギービームとしてエキシマレーザビームを用いる。本発
明の他の特徴事項として、前記照射工程は、ドーパント
の活性化と同時に該非単結晶性のシリコンからなる半導
体薄膜を多結晶化すると共に、最小結晶粒径が10nm以
上となり且つ粒径10nm以下の微結晶を含まない結晶相
にする。好ましくは、前記成膜工程はドーパントガスと
して水素又はヘリウムで希釈したPH3 又はB26
用い、半導体成膜ガスとしてSiH4 又はB26 を用
いる。又、好ましくは前記照射工程は、エネルギービー
ムとしてエキシマレーザビームを用いる。
In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention adjusts the threshold voltage of a thin film transistor by introducing impurities into a large-area semiconductor thin film at a low dose with high precision in a low-temperature process. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a thin film semiconductor device which enables the method. The following measures were taken to achieve this purpose. That is, according to the present invention, a thin film semiconductor device is manufactured by the following steps.
First, a film formation process is performed, and a non-single-crystal semiconductor thin film to be an active layer of a transistor is deposited on an insulating substrate by chemical vapor deposition using a source gas in which a dopant gas is mixed with a semiconductor film formation gas. . Next, an irradiation step is performed, and an energy beam is irradiated to activate a dopant (impurity) contained in the semiconductor thin film, and a threshold voltage of the transistor is adjusted in advance. Finally, a processing step is performed to process the semiconductor thin film to integrally form transistors. As a feature,
In the film forming step, B 2 H 6 diluted with hydrogen or helium is used as a dopant gas, and Si 2
With use of the H 4, it is set the mixing ratio of B 2 H 6 against the SiH 4 to less than 30 ppm. Preferably, in the irradiation step, the non-single-crystal semiconductor thin film is crystallized simultaneously with activation of the dopant. In the irradiation step, an excimer laser beam is used as an energy beam. As another characteristic feature of the present invention, the irradiating step polycrystallizes the semiconductor thin film made of the non-single-crystal silicon simultaneously with activation of the dopant, and has a minimum crystal grain size of 10 nm or more and a grain size of 10 nm or less. To a crystal phase not containing microcrystals. Preferably, in the film forming step, PH 3 or B 2 H 6 diluted with hydrogen or helium is used as a dopant gas, and SiH 4 or B 2 H 6 is used as a semiconductor film forming gas. Preferably, in the irradiation step, an excimer laser beam is used as an energy beam.

【0005】本発明は表示装置の製造方法にも応用でき
る。この場合、表示装置は以下の工程により製造され
る。先ず成膜工程を行ない、半導体成膜ガスにドーパン
トガスを混合した原料気体を用いて化学気相成長を実施
し、トランジスタの活性層となるべき非単結晶性の半導
体薄膜を一方の絶縁基板上に堆積する。次に、照射工程
を行ない、エネルギービームを照射して半導体薄膜に含
まれるドーパントを活性化し予めトランジスタの閾電圧
を調整しておく。続いて第1加工工程を行ない、該半導
体薄膜を加工してトランジスタを集積形成する。更に第
2加工工程を行ない、該トランジスタに接続して画素電
極を集積形成する。最後に組立工程を行ない、予め対向
電極が形成された他方の絶縁基板を所定の間隙を介して
該一方の絶縁基板に接合し且つ該間隙に電気光学物質を
配置する。以上により、アクティブマトリクス型の表示
装置が完成する。特徴事項として、前記成膜工程はドー
パントガスとして水素又はヘリウムで希釈したB26
用い、半導体成膜ガスとしてSiH4 を用いると共に、
SiH4 に対するB26の混合比を30ppm 未満に設定
している。他の特徴事項として、前記照射工程はドーパ
ントの活性化と同時に該非単結晶性のシリコンからなる
半導体薄膜を多結晶化すると共に、最小結晶粒径が10
nm以上となり且つ粒径10nm以下の微結晶を含まない結
晶相にする。
The present invention can be applied to a method for manufacturing a display device. In this case, the display device is manufactured by the following steps. First, a film formation process is performed, and a chemical vapor deposition is performed using a source gas in which a dopant gas is mixed with a semiconductor film formation gas, and a non-single-crystal semiconductor thin film to be an active layer of a transistor is formed on one insulating substrate. Deposited on Next, an irradiation step is performed, and an energy beam is irradiated to activate a dopant contained in the semiconductor thin film, and a threshold voltage of the transistor is adjusted in advance. Subsequently, a first processing step is performed, and the semiconductor thin film is processed to integrally form transistors. Further, a second processing step is performed, and a pixel electrode is integrally formed by connecting to the transistor. Finally, an assembling process is performed, and the other insulating substrate on which the counter electrode is formed in advance is bonded to the one insulating substrate via a predetermined gap, and the electro-optical material is arranged in the gap. Thus, an active matrix display device is completed. As a characteristic feature, the film forming step uses B 2 H 6 diluted with hydrogen or helium as a dopant gas, and uses SiH 4 as a semiconductor film forming gas,
The mixing ratio of B 2 H 6 to SiH 4 is set to less than 30 ppm. As another characteristic feature, the irradiation step simultaneously activates the dopant, polycrystallizes the semiconductor thin film made of the non-single-crystal silicon, and has a minimum crystal grain size of 10 nm.
The crystal phase is not less than 10 nm and does not contain microcrystals having a particle size of 10 nm or less.

【0006】本発明によれば、予め半導体成膜ガスにド
ーパントガスを混合した原料気体を用いて化学気相成長
を行ない、半導体薄膜を絶縁基板上に堆積している。特
に、ドーパントガスとして水素又はヘリウムで希釈した
26 を用い、半導体成膜ガスとしてSiH4 を用い
た場合、SiH4 に対するB26 の混合比を30ppm
未満に調整している。このように、半導体成膜ガスに対
するドーパントガスの混合比率を調整することにより、
所望の低ドーズ量で半導体薄膜中にドーパント(不純
物)を含有させることができる。尚、このままではドー
パントは活性化されておらず、半導体薄膜中におけるキ
ャリアの伝導に寄与していない。そこで、成膜工程の後
エキシマレーザビーム等のエネルギービームを照射して
半導体薄膜に含まれるドーパントを活性化させる。特
に、ドーパントの活性化と同時に非単結晶性のシリコン
半導体薄膜を多結晶化する際、最小結晶粒径が10nm以
上となり且つ粒径10nm以下の微結晶を含まない結晶相
にしている。これにより、予め薄膜トランジスタの閾電
圧を調整できる。例えば、シリコン(Si)からなる半
導体薄膜中にp型の不純物(例えばボロンB)を導入す
ると、Nチャネル型の薄膜トランジスタではドーズ量に
応じてその閾電圧をエンハンス方向に調整できる。
According to the present invention, a semiconductor thin film is deposited on an insulating substrate by performing chemical vapor deposition using a source gas in which a dopant gas is mixed with a semiconductor film forming gas in advance. In particular, when B 2 H 6 diluted with hydrogen or helium is used as a dopant gas and SiH 4 is used as a semiconductor deposition gas, the mixing ratio of B 2 H 6 to SiH 4 is 30 ppm.
Adjusted to less than. Thus, by adjusting the mixing ratio of the dopant gas to the semiconductor film forming gas,
A dopant (impurity) can be contained in the semiconductor thin film at a desired low dose. In this state, the dopant is not activated and does not contribute to carrier conduction in the semiconductor thin film. Therefore, after the film formation process, an energy beam such as an excimer laser beam is irradiated to activate the dopant contained in the semiconductor thin film. In particular, when the non-single-crystal silicon semiconductor thin film is polycrystallized at the same time as the activation of the dopant, the crystal phase has a minimum crystal grain size of 10 nm or more and does not include microcrystals having a grain size of 10 nm or less. Thereby, the threshold voltage of the thin film transistor can be adjusted in advance. For example, when a p-type impurity (for example, boron B) is introduced into a semiconductor thin film made of silicon (Si), the threshold voltage of an n-channel thin film transistor can be adjusted in the enhancement direction according to the dose.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の好適
な実施形態を詳細に説明する。図1及び図2は本発明に
かかる薄膜半導体装置製造方法の第1実施形態を示す工
程図である。本実施形態ではNチャネル型の薄膜トラン
ジスタを絶縁基板上に集積形成して、アクティブマトリ
クス型表示装置の能動素子基板に用いる薄膜半導体装置
を作成している。尚、Pチャネル型の薄膜トランジスタ
を形成する場合も全く同様である。先ず、図1の工程
(a)で、半導体成膜ガスにドーパントガスを混合した
原料気体を用いて化学気相成長(CVD)を行ない、ト
ランジスタの活性層となるべき非単結晶性の半導体薄膜
2を絶縁基板1上に堆積する。本例では、プラズマCV
D、LPCVD等の方法で多結晶シリコンからなる半導
体薄膜2を約20〜100nmの膜厚で堆積している。本
例では膜厚を特に40nmに設定している。尚、必要に応
じ透明ガラス等からなる絶縁基板1の表面に、予めバッ
ファ層としてSiO2 膜、SiNx 膜等を約100〜2
00nmの厚みで成膜しておいても良い。CVDによる半
導体薄膜2の成膜時、原料気体として半導体成膜ガスと
ドーパントガスの混合物を用いている。半導体成膜ガス
はSiH4 の100%濃度ガスを用いる一方、ドーパン
トガスは水素希釈又はヘリウム希釈のB26 を用い
る。希釈濃度は10〜100ppm 程度に設定する。本例
では、SiH4 100%ガス30sccmとB2620ppm
水素希釈ガス1.0sccmを混合した原料気体を用い、プ
ラズマCVD法で基板温度150〜350℃にて半導体
薄膜2を成膜した。この場合、SiH4 に対するB26
の混合比は0.7ppm となる。一般に、本発明ではSi
4 に対するB26の混合比を30ppm 未満に設定す
る。得られた半導体薄膜2中には通常のイオン注入方式
でB+をドープした場合の1×1012/cm2 に相当する
ドーズ量が得られた。CVDによるドーピングの為、3
00×400mm2 程度の大面積に渡って成膜してもウェ
ハ面内におけるドーズ量のバラツキは殆どなかった。一
般に、ウェハ面内でドーズ量を±1%以内のバラツキに
抑えることは比較的容易である。成膜方法はプラズマC
VD法に限ることはなく、例えばLPCVD法でSi2
6ガスとB2620ppm 希釈ガスを用いれば、450
℃程度で分解して非晶質シリコンからなる半導体薄膜を
同様の低ドーズ量で得ることができる。本例では、Nチ
ャネル型の薄膜トランジスタの閾電圧(Vth)を予め
制御する為、p型のドーパントガスとしてB26 を用
いている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. 1 and 2 are process diagrams showing a first embodiment of a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention. In the present embodiment, an N-channel thin film transistor is integrated on an insulating substrate to form a thin film semiconductor device used as an active element substrate of an active matrix display device. Note that the same applies to the case of forming a P-channel thin film transistor. First, in step (a) of FIG. 1, chemical vapor deposition (CVD) is performed using a source gas in which a semiconductor film forming gas is mixed with a dopant gas, and a non-single-crystal semiconductor thin film to be an active layer of a transistor is formed. 2 is deposited on the insulating substrate 1. In this example, the plasma CV
D, a semiconductor thin film 2 made of polycrystalline silicon is deposited to a thickness of about 20 to 100 nm by a method such as LPCVD. In this example, the film thickness is set particularly to 40 nm. If necessary, an SiO 2 film, a SiN x film, or the like, as a buffer layer is formed on the surface of the insulating substrate 1 made of transparent glass or the like for about 100 to 2 times.
The film may be formed with a thickness of 00 nm. When the semiconductor thin film 2 is formed by CVD, a mixture of a semiconductor film forming gas and a dopant gas is used as a source gas. A semiconductor film forming gas uses a 100% concentration gas of SiH 4 , while a dopant gas uses hydrogen diluted or helium diluted B 2 H 6 . The dilution concentration is set to about 10 to 100 ppm. In this example, SiH 4 100% gas 30 sccm and B 2 H 6 20 ppm
A semiconductor thin film 2 was formed at a substrate temperature of 150 to 350 ° C. by a plasma CVD method using a source gas mixed with a hydrogen diluent gas of 1.0 sccm. In this case, B 2 H 6 with respect to SiH 4
Is 0.7 ppm. Generally, in the present invention, Si
The mixing ratio of B 2 H 6 to H 4 is set to less than 30 ppm. In the obtained semiconductor thin film 2, a dose amount equivalent to 1 × 10 12 / cm 2 when B + was doped by an ordinary ion implantation method was obtained. 3 for doping by CVD
Even if the film was formed over a large area of about 00 × 400 mm 2 , there was almost no variation in the dose amount in the wafer surface. Generally, it is relatively easy to suppress the dose within the wafer surface to within ± 1%. The deposition method is plasma C
Not limited to VD method, for example, Si 2 by LPCVD
Using H 6 gas and B 2 H 6 20 ppm diluent gas, 450
It is possible to obtain a semiconductor thin film made of amorphous silicon at a similar low dose by being decomposed at about ° C. In this example, in order to control the threshold voltage (Vth) of the N-channel thin film transistor in advance, B 2 H 6 is used as a p-type dopant gas.

【0008】続いて、エネルギービーム3を照射して半
導体薄膜2に含まれるドーパントを活性化し、予めトラ
ンジスタの閾電圧を調整しておく。尚、エネルギービー
ム3として例えばエキシマレーザビームを用いることが
できる。又、この照射工程ではドーパントの活性化と同
時に非単結晶性の半導体薄膜2を結晶化している。例え
ば、LPCVD法で非晶質シリコンからなる半導体薄膜
2を成膜した場合、このままではドーパントは活性化さ
れていない。そこで、ドーパントの活性化と同時に非晶
質シリコンの結晶化を目的として、波長が150〜35
0nmのエキシマレーザビームを320〜400mJ/cm2
のエネルギー密度で照射し、非晶質シリコンを多結晶シ
リコンに転換する。このようにして結晶粒径が100〜
500nmのP型多結晶シリコンが得られる。エキシマレ
ーザパルスを照射することにより、非晶質シリコンは一
旦溶融した後結晶化し比較的大粒径の多結晶シリコンが
得られる。エキシマレーザビームは強力なパルス紫外光
である為、シリコン等からなる半導体薄膜2の表面層で
吸収され、その部分の温度を上昇させるが、絶縁基板1
まで加熱することはない。このようにして、低温プロセ
スにより高性能な半導体薄膜2を比較的低融点のガラス
材料等からなる絶縁基板1上に成膜できる。本発明で
は、特にエキシマレーザビームのエネルギー密度を32
0〜400mJ/cm2 の範囲で最適化しており、ドーパン
トの活性化と同時に非単結晶性のシリコン半導体薄膜を
多結晶化する際、最小結晶粒径が10nm以上となり且つ
粒径10nm以下の微結晶を含まない結晶相を形成する。
これにより、トランジスタの閾電圧を予め最適に調整す
ることが可能である。尚、本例ではレーザビームのエネ
ルギー密度を380mJ/cm2 に設定し、ライン状に整形
したレーザビームを基板に対して走査しながら繰り返し
部分的に重ねて照射した。ライン状に整形されたレーザ
ビームの形状は長手寸法が150mmであり、幅寸法が
0.5mmである。このレーザビームを幅方向に沿って部
分的に重ねながら照射するが、この際の重ね量(オーバ
ラップ量)は99%に設定した。
Then, the dopant contained in the semiconductor thin film 2 is activated by irradiating the energy beam 3 to adjust the threshold voltage of the transistor in advance. Note that, for example, an excimer laser beam can be used as the energy beam 3. In this irradiation step, the non-single-crystal semiconductor thin film 2 is crystallized simultaneously with activation of the dopant. For example, when the semiconductor thin film 2 made of amorphous silicon is formed by the LPCVD method, the dopant is not activated as it is. Therefore, for the purpose of crystallization of amorphous silicon simultaneously with activation of the dopant, the wavelength is set to 150 to 35.
0-nm excimer laser beam from 320 to 400 mJ / cm 2
Irradiation at an energy density of 1 to convert amorphous silicon to polycrystalline silicon. Thus, the crystal grain size is 100 ~
P-type polycrystalline silicon of 500 nm is obtained. By irradiating an excimer laser pulse, the amorphous silicon is melted once and then crystallized to obtain polycrystalline silicon having a relatively large grain size. Since the excimer laser beam is a strong pulsed ultraviolet light, it is absorbed by the surface layer of the semiconductor thin film 2 made of silicon or the like, and the temperature of that portion is increased.
Never heat up. In this manner, a high-performance semiconductor thin film 2 can be formed on the insulating substrate 1 made of a glass material having a relatively low melting point by a low-temperature process. In the present invention, in particular, the energy density of the excimer laser beam is set to 32.
It is optimized in the range of 0 to 400 mJ / cm 2 , and when the non-single-crystal silicon semiconductor thin film is polycrystallized at the same time as the activation of the dopant, the minimum crystal grain size is 10 nm or more and the fine grain size is 10 nm or less. Form a crystalline phase without crystals.
Thus, the threshold voltage of the transistor can be optimally adjusted in advance. In this example, the energy density of the laser beam was set to 380 mJ / cm 2 , and the laser beam shaped into a line was repeatedly overlapped and irradiated while scanning the substrate. The laser beam shaped into a line has a longitudinal dimension of 150 mm and a width dimension of 0.5 mm. The laser beam is irradiated while partially overlapping along the width direction, and the overlapping amount (overlap amount) at this time was set to 99%.

【0009】次に図1の工程(b)に進み、半導体薄膜
2をアイランド状にパタニングする。これにより、薄膜
トランジスタの素子領域が形成できる。続いてプラズマ
CVD法、LPCVD法、APCVD法等でSiO2
50〜200nm程度成膜する。これにより、半導体薄膜
2を被覆するゲート絶縁膜4が得られる。場合によって
はこのSiO2 の上にSiNx を連続成膜してゲート絶
縁膜4としても良い。
Next, proceeding to the step (b) of FIG. 1, the semiconductor thin film 2 is patterned in an island shape. Thereby, an element region of the thin film transistor can be formed. Then the plasma CVD method, LPCVD method, to 50~200nm about a SiO 2 film by APCVD method. Thus, a gate insulating film 4 covering the semiconductor thin film 2 is obtained. In some cases, the gate insulating film 4 may be formed by continuously forming SiN x on this SiO 2 .

【0010】工程(c)に進み、ゲート絶縁膜4の上に
ゲート電極5をパタニング形成する。例えば、Al,M
o,Ta,Ti,Cr等の金属膜、高濃度で不純物がド
ーピングされた多結晶シリコン膜、高濃度ドープ多結晶
シリコンと金属の積層膜、又は上述した材料の合金膜を
成膜し、所定の形状にパタニングしてゲート電極5に加
工する。
In step (c), a gate electrode 5 is formed on the gate insulating film 4 by patterning. For example, Al, M
A metal film such as o, Ta, Ti, Cr, etc., a polycrystalline silicon film doped with impurities at a high concentration, a laminated film of highly doped polycrystalline silicon and a metal, or an alloy film of the above-described materials is formed. And processed into the gate electrode 5.

【0011】工程(d)に移り、ゲート電極5の形成後
イオンドーピング6によりn型の不純物を高濃度で注入
し、ソース領域7及びドレイン領域8を半導体薄膜2中
に形成する。このイオンドーピングはゲート電極5をマ
スクとしてセルフアライメントにより行なわれる。これ
により、トップゲート型のNチャネル薄膜トランジスタ
が形成できる。更に、レーザアニール等でソース領域7
及びドレイン領域8を活性化させる。
In step (d), after forming the gate electrode 5, an n-type impurity is implanted at a high concentration by ion doping 6 to form a source region 7 and a drain region 8 in the semiconductor thin film 2. This ion doping is performed by self-alignment using the gate electrode 5 as a mask. Thereby, a top gate type N-channel thin film transistor can be formed. Further, the source region 7 is subjected to laser annealing or the like.
And the drain region 8 is activated.

【0012】図2の工程(e)に移り、APCVD法、
LPCVD法、プラズマCVD法等を用いてSiO2
約400〜600nmの厚みで成膜し、層間絶縁膜9とす
る。
The process proceeds to step (e) of FIG.
SiO 2 is formed to a thickness of about 400 to 600 nm by LPCVD, plasma CVD, or the like to form an interlayer insulating film 9.

【0013】最後に工程(f)で層間絶縁膜9にエッチ
ングでコンタクトホールを開口する。コンタクトホール
はソース領域7に連通している。続いてAlとSiの合
金を約600nmの厚みで成膜し、所定の形状にパタニン
グして配線電極10とする。図示するように、この配線
電極10はコンタクトホールを介して薄膜トランジスタ
のソース領域7に接続している。次いでSiO2 を約4
00nmの厚みで成膜し、パシベーション膜11とする。
このパシベーション膜11は薄膜トランジスタ及び配線
電極10を被覆している。この後、必要ならば基板加熱
を行ない、パシベーション膜11をキャップ膜として層
間絶縁膜9に含まれる水素原子を半導体薄膜2中に拡散
させて、所謂水素化処理を実施する。最後に、パシベー
ション膜11の表面にITO等からなる透明導電膜を成
膜し、所定の形状にパタニングして画素電極14に加工
する。この画素電極14は予めパシベーション膜11及
び層間絶縁膜9に開口したコンタクトホールを介して薄
膜トランジスタのドレイン領域8に接続する。以上の工
程により、薄膜半導体装置が完成する。尚、この薄膜半
導体装置を能動素子基板としてアクティブマトリクス型
の表示装置を組み立てる場合には、予め対向電極が形成
された別の絶縁基板を所定の間隙を介して絶縁基板1に
接合し、且つこの間隙に液晶等の電気光学物質を配置す
れば良い。
Finally, in a step (f), a contact hole is opened in the interlayer insulating film 9 by etching. The contact hole communicates with the source region 7. Subsequently, a film of an alloy of Al and Si is formed to a thickness of about 600 nm, and is patterned into a predetermined shape to form the wiring electrode 10. As shown, the wiring electrode 10 is connected to the source region 7 of the thin film transistor via a contact hole. Then add about 4 SiO 2
The passivation film 11 is formed with a thickness of 00 nm.
The passivation film 11 covers the thin film transistor and the wiring electrode 10. Thereafter, if necessary, the substrate is heated, hydrogen atoms contained in the interlayer insulating film 9 are diffused into the semiconductor thin film 2 using the passivation film 11 as a cap film, and a so-called hydrogenation process is performed. Finally, a transparent conductive film made of ITO or the like is formed on the surface of the passivation film 11, patterned into a predetermined shape, and processed into the pixel electrode 14. The pixel electrode 14 is connected to the drain region 8 of the thin film transistor via a contact hole opened in the passivation film 11 and the interlayer insulating film 9 in advance. Through the above steps, a thin film semiconductor device is completed. When assembling an active matrix display device using this thin film semiconductor device as an active element substrate, another insulating substrate on which a counter electrode is formed in advance is bonded to the insulating substrate 1 via a predetermined gap, and An electro-optical material such as a liquid crystal may be arranged in the gap.

【0014】次に図3を参照して、本発明にかかる薄膜
半導体装置製造方法の第2実施形態を説明する。本例で
はボトムゲート型の薄膜トランジスタを集積形成してい
る。基本的な製造工程は先の第1実施形態と同様であ
り、対応する部分には対応する参照番号を付して理解を
容易にしている。先ず工程(a)で、絶縁基板1上にゲ
ート電極5を形成する。具体的には、Al,Mo,T
a,Ti,Cr等の金属膜、不純物を高濃度でドープし
た多結晶シリコン膜、高濃度ドープ多結晶シリコンと金
属の積層膜、又はこれらの材料の合金膜を成膜し、所定
の形状にパタニングしてゲート電極5に加工する。次い
でAPCVD法、LPCVD法又はプラズマCVD法
で、SiNx 膜41及びSiO2 膜42を連続成膜し、
ゲート絶縁膜4とする。このゲート絶縁膜4の膜厚は1
0〜200nmに設定されている。この後、非晶質シリコ
ンからなる半導体薄膜2を第1実施形態と同様の方法に
より40nmの厚みで成膜する。更に、第1実施形態と同
様の方法により、エキシマレーザ等のエネルギービーム
3を照射する。このレーザアニールにより非晶質シリコ
ンが多結晶シリコンに転換されると共に、半導体薄膜2
中に予め含有されたドーパントが活性化される。尚、場
合によっては半導体成膜ガスとしてSiH4 の他にSi
26 の100%濃度ガスを用いることができる。又、
Nチャネル型の薄膜トランジスタの閾電圧(Vth)を
制御する為に、p型のドーパントガスとしてB26
用いるが、n型の不純物をドーピングする場合には例え
ばPH3 ガス等を用いれば良い。
Next, a second embodiment of the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG. In this example, a bottom-gate thin film transistor is integrated and formed. The basic manufacturing process is the same as that of the first embodiment, and corresponding parts are denoted by corresponding reference numerals to facilitate understanding. First, in a step (a), a gate electrode 5 is formed on the insulating substrate 1. Specifically, Al, Mo, T
Metal films such as a, Ti, Cr, etc., polycrystalline silicon films doped with impurities at a high concentration, laminated films of high concentration doped polycrystalline silicon and metal, or alloy films of these materials are formed into a predetermined shape. The gate electrode 5 is processed by patterning. Next, by APCVD, LPCVD or plasma CVD, a SiN x film 41 and a SiO 2 film 42 are continuously formed,
The gate insulating film 4 is used. The thickness of this gate insulating film 4 is 1
It is set to 0 to 200 nm. Thereafter, a semiconductor thin film 2 made of amorphous silicon is formed in a thickness of 40 nm by the same method as in the first embodiment. Further, an energy beam 3 such as an excimer laser is irradiated by the same method as in the first embodiment. This laser annealing converts the amorphous silicon to polycrystalline silicon, and the semiconductor thin film 2
The dopant contained therein is activated. In some cases, in addition to SiH 4 , Si
A 100% concentration gas of 2 H 6 can be used. or,
In order to control the threshold voltage (Vth) of an N-channel thin film transistor, B 2 H 6 is used as a p-type dopant gas. When doping an n-type impurity, for example, PH 3 gas or the like may be used. .

【0015】工程(b)に移りSiO2 膜を約100nm
の厚みで成膜した後、所定の形状にパタニングしてエッ
チングストッパ13に加工する。この場合、裏面露光技
術を用いてゲート電極5と整合するようにエッチングス
トッパ13をパタニングしている。イオンドーピング6
aにより不純物を低濃度で半導体薄膜2に注入し、エッ
チングストッパ13をマスクとしてセルフアライメント
により低濃度不純物領域を形成する。レーザアニール等
でこの低濃度不純物領域を活性化させる。
In step (b), the SiO 2 film is set to about 100 nm.
After forming a film with a thickness of 3 mm, the film is patterned into a predetermined shape and processed into an etching stopper 13. In this case, the etching stopper 13 is patterned so as to be aligned with the gate electrode 5 using the backside exposure technique. Ion doping 6
The impurity is injected into the semiconductor thin film 2 at a low concentration by a, and a low concentration impurity region is formed by self-alignment using the etching stopper 13 as a mask. This low-concentration impurity region is activated by laser annealing or the like.

【0016】工程(c)に移り、エッチングストッパ1
3を含む領域にフォトレジスト15をパタニングする。
このフォトレジスト15をマスクとしてイオンドーピン
グ6により不純物を高濃度で半導体薄膜2に注入し、ソ
ース領域7及びドレイン領域8を形成する。尚、フォト
レジスト15で被覆された部分には低濃度不純物領域
(LDD領域)7a及び8aが残される。これにより、
所謂LDD構造を有するボトムゲート型の薄膜トランジ
スタが得られる。この後、使用済みとなったフォトレジ
スト15を除去する。更に、レーザアニール等でこのソ
ース領域7及びドレイン領域8を活性化させる。又、こ
の段階で半導体薄膜2をエッチングし不要部分を基板1
から除去する。
In step (c), the etching stopper 1
The photoresist 15 is patterned in a region including the region 3.
Using the photoresist 15 as a mask, impurities are implanted at a high concentration into the semiconductor thin film 2 by ion doping 6 to form a source region 7 and a drain region 8. Note that low concentration impurity regions (LDD regions) 7a and 8a are left in portions covered with the photoresist 15. This allows
A bottom-gate thin film transistor having a so-called LDD structure is obtained. Thereafter, the used photoresist 15 is removed. Further, the source region 7 and the drain region 8 are activated by laser annealing or the like. At this stage, the semiconductor thin film 2 is etched to remove unnecessary portions from the substrate 1.
Remove from

【0017】最後に工程(d)でSiO2 を約600nm
の厚みで堆積し、層間絶縁膜9とする。更に、SiNx
を約400nmの厚みで成膜し、パシベーション膜11を
設ける。この後、層間絶縁膜9及びパシベーション膜1
1にコンタクトホールを開口し、ソース領域7及びドレ
イン領域8の一部を露出させる。次いでAlとSiの合
金又はMo等を約600nmの厚みで成膜し、所定の形状
にパタニングして配線電極10に加工する。続いて、ア
クリル樹脂等を塗布して平坦化膜16を設ける。この平
坦化膜16にコンタクトホールを開口した後、ITO等
の透明導電膜をスパッタリング等により堆積し所定の形
状にパタニングして画素電極14に加工する。尚、必要
ならば平坦化膜16の形成前に水素化処理を行ない、層
間絶縁膜9又はパシベーション膜11から水素原子を半
導体薄膜2に導入する。
Finally, in the step (d), SiO 2 is coated at about 600 nm.
To form an interlayer insulating film 9. Furthermore, SiN x
Is formed to a thickness of about 400 nm, and a passivation film 11 is provided. Thereafter, the interlayer insulating film 9 and the passivation film 1 are formed.
A contact hole is opened in 1 to expose a part of the source region 7 and a part of the drain region 8. Next, an alloy of Al and Si, Mo, or the like is formed to a thickness of about 600 nm, patterned into a predetermined shape, and processed into the wiring electrode 10. Subsequently, an acrylic resin or the like is applied to provide the flattening film 16. After opening a contact hole in the flattening film 16, a transparent conductive film such as ITO is deposited by sputtering or the like, patterned into a predetermined shape, and processed into the pixel electrode 14. If necessary, a hydrogenation process is performed before the formation of the flattening film 16, and hydrogen atoms are introduced into the semiconductor thin film 2 from the interlayer insulating film 9 or the passivation film 11.

【0018】図4は、SiH4 に対するB26 の混合
比と、薄膜トランジスタの閾電圧Vthとの関係を示す
グラフである。尚、このグラフの測定に用いた薄膜トラ
ンジスタは第2実施形態で説明した工程により製造され
たものである。即ち、薄膜トランジスタを構成する多結
晶シリコンの膜厚は40nmである。このグラフの横軸は
SiH4 の流量に対するB26 の流量の比をとってあ
り、縦軸はVthの値を示す。グラフ中、白丸印はNチ
ャネル型薄膜トランジスタの測定値であり、黒三角印は
Pチャネル型の薄膜トランジスタの測定値である。図4
から明らかなように、B26/SiH4 の混合比が0.
7ppm の場合、Nチャネル型薄膜トランジスタ及びPチ
ャネル型薄膜トランジスタ共に、閾電圧Vthが+0.
8V程度シフトする。又、B26/SiH4の混合比が
3.0ppmでは、Vthが+3.0Vほどシフトする。
これに対し、B26 /SiH4 の混合比が30ppm で
は、Nチャネル型薄膜トランジスタでVthが+6.0
Vシフトしている。Pチャネル型薄膜トランジスタでは
Vthが大きくデプレション側にシフトし、トランジス
タがオフしなくなる。従って、B26/SiH4 の混合
比(濃度)は30ppm未満に制御する必要があり、好ま
しくは0.5〜5.0ppm の範囲が適当である。尚、前
述したように、この時のレーザビームの照射エネルギー
密度は380mJ/cm2 に設定してある。又、ライン状に
整形されたレーザビームの寸法は150×0.5mm2
あり、レーザビームのオーバラップ量は99%である。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the mixing ratio of B 2 H 6 to SiH 4 and the threshold voltage Vth of the thin film transistor. The thin film transistor used for the measurement of this graph was manufactured by the process described in the second embodiment. That is, the thickness of the polycrystalline silicon constituting the thin film transistor is 40 nm. The horizontal axis of this graph indicates the ratio of the flow rate of B 2 H 6 to the flow rate of SiH 4 , and the vertical axis indicates the value of Vth. In the graph, white circles indicate measured values of the N-channel thin film transistor, and black triangles indicate measured values of the P-channel thin film transistor. FIG.
As is clear from FIG. 5 , the mixing ratio of B 2 H 6 / SiH 4 is 0.1.
In the case of 7 ppm, the threshold voltage Vth is +0.
It shifts about 8V. When the mixture ratio of B 2 H 6 / SiH 4 is 3.0 ppm, Vth shifts by about +3.0 V.
On the other hand, when the mixing ratio of B 2 H 6 / SiH 4 is 30 ppm, the Vth of the N-channel thin film transistor is +6.0.
V shift. In a P-channel type thin film transistor, Vth is largely shifted to the depletion side, and the transistor does not turn off. Therefore, it is necessary to control the mixing ratio (concentration) of B 2 H 6 / SiH 4 to less than 30 ppm, preferably in the range of 0.5 to 5.0 ppm. As described above, the irradiation energy density of the laser beam at this time is set to 380 mJ / cm 2 . The size of the laser beam shaped into a line is 150 × 0.5 mm 2 , and the overlap amount of the laser beam is 99%.

【0019】又、Vthの変化量ΔVthは、結晶化と
同時に行なうドーパントのレーザ活性化エネルギーにも
依存する。図5は、B26 /SiH4 =0.7ppm の
場合におけるΔVthのレーザエネルギー依存性を示
す。レーザエネルギーの密度が320mJ/cm2 以下では
Vthシフトは殆ど起らない。特に、220mJ/cm2
下ではΔVth=0であり、Vthシフトは全く起らな
い。これに対し、レーザエネルギー密度が320mJ/cm
2 を超えるとΔVthは急激に増大し、380〜400
mJ/cm2 の範囲で最大値0.8Vに達する。しかしなが
ら、レーザビームのエネルギー密度が400mJ/cm2
超えると再びΔVthは減少に転ずる。
The amount of change ΔVth of Vth also depends on the laser activation energy of the dopant performed simultaneously with the crystallization. FIG. 5 shows the dependence of ΔVth on the laser energy when B 2 H 6 / SiH 4 = 0.7 ppm. When the laser energy density is 320 mJ / cm 2 or less, the Vth shift hardly occurs. In particular, at 220 mJ / cm 2 or less, ΔVth = 0, and no Vth shift occurs. On the other hand, the laser energy density is 320 mJ / cm
When it exceeds 2 , ΔVth rapidly increases, and reaches 380 to 400.
The maximum value reaches 0.8 V in the range of mJ / cm 2 . However, when the energy density of the laser beam exceeds 400 mJ / cm 2 , ΔVth starts to decrease again.

【0020】このΔVthの振舞は以下のように説明で
きる。レーザエネルギー密度が220mJ/cm2 以下では
非晶質シリコンが結晶化して多結晶シリコンになるエネ
ルギーに達していないのでドーパントは活性化せず、従
ってVthシフトは起らない。又、レーザエネルギー密
度が320mJ/cm2 以下では、多結晶シリコンは微結晶
相を呈し且つ最大粒径が10nm未満の為、Vth調整用
のドーパントが結晶粒界に偏析する。或いは、キャリア
が結晶粒界の欠陥準位にトラップされ伝導には寄与しな
い。従って、この場合もVthシフトは殆ど起らない。
レーザエネルギー密度が320mJ/cm2 を超えると結晶
粒径が急激に増大し最小粒径が10nm以上となるので、
これにつれてVthドーパントの活性化率が上昇し、Δ
Vthは増大する。レーザエネルギー密度が380〜4
00mJ/cm2 で結晶粒径が最大で200〜800nmに達
し、これに伴ないΔVthも最大となる。レーザエネル
ギー密度が400mJ/cm2 を超えると多結晶シリコンに
一部粒径が10nm以下の微結晶領域が現われる為、Vt
hドーパントの活性化率は低下しΔVthも減少する。
以上説明したように、ΔVthの値は多結晶シリコンの
結晶粒径に密接に依存し、少くともVth制御を可能に
する為には最小結晶粒径が10nm以上となり、且つ粒径
10nm以下の微結晶を含まない結晶相を呈するようなレ
ーザエネルギー密度で結晶化させることが必要となる。
尚、ここでのレーザエネルギー密度の値は多結晶シリコ
ンの膜厚が40nmの時であり、多結晶シリコンの膜厚に
よりレーザエネルギー密度の最適範囲が変化することは
勿論である。又、ここで云う最小結晶粒径とは、透過型
電子顕微鏡で観察した、10×10μm2 の視野内に含
まれる最小結晶粒の面積の平方根で定義されている。
The behavior of ΔVth can be explained as follows. If the laser energy density is 220 mJ / cm 2 or less, the dopant is not activated because the energy of the amorphous silicon has not reached the crystallization of polycrystalline silicon, so that the Vth shift does not occur. When the laser energy density is 320 mJ / cm 2 or less, the polycrystalline silicon exhibits a microcrystalline phase and the maximum grain size is less than 10 nm, so that the Vth adjusting dopant segregates at the crystal grain boundaries. Alternatively, carriers are trapped in defect levels at the crystal grain boundaries and do not contribute to conduction. Therefore, also in this case, the Vth shift hardly occurs.
When the laser energy density exceeds 320 mJ / cm 2 , the crystal grain size sharply increases and the minimum grain size becomes 10 nm or more.
With this, the activation rate of the Vth dopant increases, and Δ
Vth increases. Laser energy density of 380-4
At 00 mJ / cm 2 , the crystal grain size reaches a maximum of 200 to 800 nm, and the ΔVth also increases accordingly. If the laser energy density exceeds 400 mJ / cm 2 , a microcrystalline region with a grain size of 10 nm or less appears in polycrystalline silicon,
The activation rate of the h dopant decreases, and ΔVth also decreases.
As described above, the value of ΔVth is closely dependent on the crystal grain size of the polycrystalline silicon, and at least the minimum crystal grain size is 10 nm or more and at least 10 nm or less in order to enable Vth control. It is necessary to crystallize at a laser energy density that exhibits a crystal phase containing no crystals.
Note that the value of the laser energy density here is when the thickness of the polycrystalline silicon is 40 nm, and it goes without saying that the optimum range of the laser energy density changes depending on the thickness of the polycrystalline silicon. Further, the minimum crystal grain size referred to here is defined as the square root of the area of the minimum crystal grain included in a 10 × 10 μm 2 field of view observed with a transmission electron microscope.

【0021】図6を参照して、第1実施形態又は第2実
施形態により製造された薄膜半導体装置を能動素子基板
として組み立てたアクティブマトリクス型液晶表示装置
の一例を説明する。図示するように、本表示装置は能動
素子基板101と対向基板102と両者の間に保持され
た電気光学物質103とを備えたパネル構造を有する。
電気光学物質103としては液晶材料等が広く用いられ
ている。能動素子基板101には画素アレイ部104と
駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直
駆動回路105と水平駆動回路106とに分かれてい
る。又、能動素子基板101の周辺部上端には外部接続
用の端子部107が形成されている。端子部107は配
線108を介して垂直駆動回路105及び水平駆動回路
106に接続している。画素アレイ部104には行状の
ゲート配線109と列状の信号配線110が形成されて
いる。両配線の交差部には画素電極111とこれを駆動
する薄膜トランジスタ112が形成されている。薄膜ト
ランジスタ112のゲート電極は対応するゲート配線1
09に接続され、ドレイン領域は対応する画素電極11
1に接続され、ソース領域は対応する信号配線110に
接続している。ゲート配線109は垂直駆動回路105
に接続する一方、信号配線110は水平駆動回路106
に接続している。画素電極111をスイッチング駆動す
る薄膜トランジスタ112及び垂直駆動回路105と水
平駆動回路106に含まれる薄膜トランジスタは、本発
明に従って作成されたものである。即ち、半導体成膜ガ
スにドーパントを混合した原料気体を用いて化学気相成
長を行ない、薄膜トランジスタの活性層となるべき非単
結晶性の半導体薄膜を先ず絶縁基板(能動素子基板10
1)上に堆積しておく。エネルギービームを照射して半
導体薄膜に含まれるドーパントを活性化し予め薄膜トラ
ンジスタの閾電圧を調整しておく。最後に、半導体薄膜
を加工して薄膜トランジスタを集積形成する。
Referring to FIG. 6, an example of an active matrix type liquid crystal display device in which the thin film semiconductor device manufactured according to the first embodiment or the second embodiment is assembled as an active element substrate will be described. As shown in the drawing, the display device has a panel structure including an active element substrate 101, a counter substrate 102, and an electro-optical material 103 held therebetween.
As the electro-optical material 103, a liquid crystal material or the like is widely used. On the active element substrate 101, a pixel array section 104 and a drive circuit section are integrally formed. The drive circuit section is divided into a vertical drive circuit 105 and a horizontal drive circuit 106. A terminal 107 for external connection is formed at the upper end of the peripheral portion of the active element substrate 101. The terminal portion 107 is connected to a vertical drive circuit 105 and a horizontal drive circuit 106 via a wiring 108. A row-shaped gate wiring 109 and a column-shaped signal wiring 110 are formed in the pixel array unit 104. A pixel electrode 111 and a thin film transistor 112 for driving the pixel electrode 111 are formed at the intersection of the two wires. The gate electrode of the thin film transistor 112 corresponds to the gate line 1
09 and the drain region is connected to the corresponding pixel electrode 11.
1 and the source region is connected to the corresponding signal wiring 110. The gate wiring 109 is connected to the vertical drive circuit 105
While the signal wiring 110 is connected to the horizontal drive circuit 106.
Connected to The thin film transistor 112 for switching and driving the pixel electrode 111 and the thin film transistors included in the vertical drive circuit 105 and the horizontal drive circuit 106 are formed according to the present invention. That is, chemical vapor deposition is performed using a source gas in which a dopant is mixed with a semiconductor film-forming gas, and a non-single-crystal semiconductor thin film to be an active layer of a thin film transistor is first placed on an insulating substrate (active element substrate 10).
1) Deposit on top. The dopant contained in the semiconductor thin film is activated by irradiating an energy beam to adjust the threshold voltage of the thin film transistor in advance. Finally, the semiconductor thin film is processed to form a thin film transistor.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体成膜ガスにドーパントガスを低濃度で混合した原
料気体を用いて化学気相成長を行ない、トランジスタの
活性層となるべき非単結晶性の半導体薄膜を絶縁基板上
に堆積する。更に、エネルギービームを照射して半導体
薄膜に含まれるドーパントを活性化し予めトランジスタ
の閾電圧を調整する。これにより、低温プロセスで閾電
圧制御を行なう為の低濃度不純物注入(ライトドーピン
グ)を容易に行なうことができる。しかも大面積に渡っ
て均一性良く不純物をライトドーピングできる為、大画
面の液晶表示装置の一面取り、あるいは小型、中型の液
晶表示装置の多面取り等にも適用可能となり、その効果
は絶大なものがある。特に、ドーパントガスとしてB2
6 を用い半導体成膜ガスとしてSiH4 を用いた時、
SiH4 に対するB26 の混合比を30ppm 未満に設
定することで、閾電圧制御を精密に行なうことが可能で
ある。又、ドーパントの活性化と同時に非単結晶性のシ
リコン半導体薄膜を多結晶化する際、レーザエネルギー
密度を最適化することで最小結晶粒径が10nm以上とな
り且つ粒径10nm以下の微結晶を含まない結晶相にし、
高精度の閾電圧制御を可能にしている。
As described above, according to the present invention,
Chemical vapor deposition is performed using a source gas obtained by mixing a semiconductor film formation gas with a dopant gas at a low concentration, and a non-single-crystal semiconductor thin film to be an active layer of a transistor is deposited on an insulating substrate. Further, the dopant contained in the semiconductor thin film is activated by irradiation with an energy beam to adjust the threshold voltage of the transistor in advance. This makes it possible to easily perform low-concentration impurity implantation (light doping) for controlling the threshold voltage in a low-temperature process. In addition, since impurities can be lightly doped over a large area with good uniformity, it can be applied to single-paneling of large-screen liquid crystal display devices or multi-paneling of small and medium-sized liquid crystal display devices, and the effect is enormous. There is. In particular, B 2 as a dopant gas
When H 6 is used and SiH 4 is used as a semiconductor film forming gas,
By setting the mixing ratio of B 2 H 6 to SiH 4 to less than 30 ppm, it is possible to precisely control the threshold voltage. In addition, when polycrystallizing a non-single-crystal silicon semiconductor thin film at the same time as activation of the dopant, the minimum crystal grain size becomes 10 nm or more by optimizing the laser energy density. No crystal phase and
This enables highly accurate threshold voltage control.

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

【図1】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の第1
実施形態を示す工程図である。
FIG. 1 shows a first example of a method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention.
It is a process drawing showing an embodiment.

【図2】同じく第1実施形態の工程図である。FIG. 2 is a process chart of the first embodiment.

【図3】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の第2
実施形態を示す工程図である。
FIG. 3 shows a second example of the method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention.
It is a process drawing showing an embodiment.

【図4】SiH4 に対するB26 の混合比と薄膜トラ
ンジスタの閾電圧Vthとの関係を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a mixing ratio of B 2 H 6 to SiH 4 and a threshold voltage Vth of the thin film transistor.

【図5】レーザエネルギー密度と閾電圧シフト量との関
係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a laser energy density and a threshold voltage shift amount.

【図6】本発明に従って製造されたアクティブマトリク
ス型表示装置の一例を示す模式的な斜視図である。
FIG. 6 is a schematic perspective view showing an example of an active matrix display device manufactured according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…絶縁基板、2…半導体薄膜、3…エネルギービー
ム、4…ゲート絶縁膜、5…ゲート電極、6…イオンド
ーピング、7…ソース領域、8…ドレイン領域、9…層
間絶縁膜、10…配線電極、11…パシベーション膜、
13…エッチングストッパ、14…画素電極
REFERENCE SIGNS LIST 1 insulating substrate 2 semiconductor thin film 3 energy beam 4 gate insulating film 5 gate electrode 6 ion doping 7 source region 8 drain region 9 interlayer insulating film 10 wiring Electrode, 11 ... passivation film,
13: etching stopper, 14: pixel electrode

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体成膜ガスにドーパントガスを混合
した原料気体を用いて化学気相成長を行ない、トランジ
スタの活性層となるべき非単結晶性の半導体薄膜を絶縁
基板上に堆積する成膜工程と、 エネルギービームを照射して半導体薄膜に含まれるドー
パントを活性化し予めトランジスタの閾電圧を調整して
おく照射工程と、 該半導体薄膜を加工してトランジスタを集積形成する加
工工程とを行なう薄膜半導体装置の製造方法であって、 前記成膜工程は、ドーパントガスとして水素又はヘリウ
ムで希釈したB26を用い、半導体成膜ガスとしてSi
4を用いると共に、SiH4に対するB26の混合比を
30ppm未満に設定したことを特徴とする薄膜半導体装
置の製造方法。
1. A film forming method in which a non-single-crystal semiconductor thin film to be an active layer of a transistor is deposited on an insulating substrate by performing chemical vapor deposition using a source gas in which a dopant gas is mixed with a semiconductor film forming gas. A step of irradiating an energy beam to activate a dopant contained in the semiconductor thin film to adjust a threshold voltage of the transistor in advance, and a processing step of processing the semiconductor thin film to integrally form a transistor A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the film forming step uses B 2 H 6 diluted with hydrogen or helium as a dopant gas, and uses Si 2 as a semiconductor film forming gas.
A method for manufacturing a thin film semiconductor device, comprising using H 4 and setting a mixing ratio of B 2 H 6 to SiH 4 to less than 30 ppm.
【請求項2】 前記照射工程は、ドーパントの活性化と
同時に該非単結晶性の半導体薄膜を結晶化することを特
徴とする請求項1記載の薄膜半導体装置の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein in the irradiating step, the non-single-crystal semiconductor thin film is crystallized simultaneously with activation of the dopant.
【請求項3】 前記照射工程は、エネルギービームとし
てエキシマレーザビームを用いることを特徴とする請求
項1記載の薄膜半導体装置の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein said irradiating step uses an excimer laser beam as an energy beam.
【請求項4】 半導体成膜ガスにドーパントガスを混合
した原料気体を用いて化学気相成長を行ない、トランジ
スタの活性層となるべき非単結晶性の半導体薄膜を一方
の絶縁基板上に堆積する成膜工程と、 エネルギービームを照射して半導体薄膜に含まれるドー
パントを活性化し予めトランジスタの閾電圧を調整して
おく照射工程と、 該半導体薄膜を加工してトランジスタを集積形成する第
1加工工程と、 該トランジスタに接続して画素電極を集積形成する第2
加工工程と、 予め対向電極が形成された他方の絶縁基板を所定の間隙
を介して該一方の絶縁基板に接合し且つ該間隙に電気光
学物質を配置する組立工程とを行なう表示装置の製造方
法であって、 前記成膜工程は、ドーパントガスとして水素又はヘリウ
ムで希釈したB26を用い、半導体成膜ガスとしてS
iH4 を用いると共に、SiH4 に対するB26 の混
合比を30ppm 未満に設定することを特徴とする表示装
置の製造方法。
4. A non-single-crystal semiconductor thin film to be an active layer of a transistor is deposited on one insulating substrate by performing chemical vapor deposition using a source gas in which a dopant gas is mixed with a semiconductor deposition gas. A film forming step, an irradiation step of irradiating an energy beam to activate a dopant contained in the semiconductor thin film to adjust a threshold voltage of the transistor in advance, and a first processing step of processing the semiconductor thin film to form a transistor integratedly And a second step of integrally forming a pixel electrode by connecting to the transistor.
A method of manufacturing a display device, comprising: a processing step; and an assembling step of joining the other insulating substrate, on which a counter electrode is formed in advance, to the one insulating substrate via a predetermined gap, and disposing an electro-optical material in the gap. In the film forming step, B 2 H 6 diluted with hydrogen or helium is used as a dopant gas, and S 2 is used as a semiconductor film forming gas.
A method of manufacturing a display device, comprising using iH 4 and setting a mixing ratio of B 2 H 6 to SiH 4 to less than 30 ppm.
【請求項5】 半導体成膜ガスにドーパントガスを混合
した原料気体を用いて化学気相成長を行ない、トランジ
スタの活性層となるべき非単結晶性のシリコンからなる
半導体薄膜を絶縁基板上に堆積する成膜工程と、 エネルギービームを照射して半導体薄膜に含まれるドー
パントを活性化し予めトランジスタの閾電圧を調整して
おく照射工程と、 該半導体薄膜を加工してトランジスタを集積形成する加
工工程とを行なう薄膜半導体装置の製造方法であって、 前記照射工程は、ドーパントの活性化と同時に該非単結
晶性のシリコンからなる半導体薄膜を多結晶化すると共
に、最小結晶粒径が10nm以上となり且つ粒径10nm以
下の微結晶を含まない結晶相にすることを特徴とする薄
膜半導体装置の製造方法。
5. A semiconductor thin film made of non-single-crystal silicon to be an active layer of a transistor is deposited on an insulating substrate by performing a chemical vapor deposition using a source gas in which a dopant gas is mixed with a semiconductor film forming gas. A film forming step of irradiating an energy beam to activate a dopant contained in the semiconductor thin film to adjust the threshold voltage of the transistor in advance; and a processing step of processing the semiconductor thin film to form an integrated transistor. Performing the irradiating step, while simultaneously activating the dopant, polycrystallizing the semiconductor thin film made of the non-single-crystal silicon, and having a minimum crystal grain size of 10 nm or more and a grain size. A method for manufacturing a thin-film semiconductor device, characterized in that the crystal phase does not include microcrystals having a diameter of 10 nm or less.
【請求項6】 前記成膜工程は、ドーパントガスとして
水素又はヘリウムで希釈したPH3 又はB26 を用
い、半導体成膜ガスとしてSiH4 又はSi26 を用
いることを特徴とする請求項5記載の薄膜半導体装置の
製造方法。
6. The film forming step uses PH 3 or B 2 H 6 diluted with hydrogen or helium as a dopant gas, and uses SiH 4 or Si 2 H 6 as a semiconductor film forming gas. Item 6. The method for manufacturing a thin film semiconductor device according to Item 5.
【請求項7】 前記照射工程は、エネルギービームとし
てエキシマレーザビームを用いることを特徴とする請求
項5記載の薄膜半導体装置の製造方法。
7. The method according to claim 5, wherein the irradiating step uses an excimer laser beam as an energy beam.
【請求項8】 半導体成膜ガスにドーパントガスを混合
した原料気体を用いて化学気相成長を行ない、トランジ
スタの活性層となるべき非単結晶性のシリコンからなる
半導体薄膜を一方の絶縁基板上に堆積する成膜工程と、 エネルギービームを照射して半導体薄膜に含まれるドー
パントを活性化し予めトランジスタの閾電圧を調整して
おく照射工程と、 該半導体薄膜を加工してトランジスタを集積形成する第
1加工工程と、 該トランジスタに接続して画素電極を集積形成する第2
加工工程と、 予め対向電極が形成された他方の絶縁基板を所定の間隙
を介して該一方の絶縁基板に接合し且つ該間隙に電気光
学物質を配置する組立工程とを行なう表示装置の製造方
法であって、 前記照射工程は、ドーパントの活性化と同時に該非単結
晶性のシリコンからなる半導体薄膜を多結晶化すると共
に、最小結晶粒径が10nm以上となり且つ粒径10nm以
下の微結晶を含まない結晶相にすることを特徴とする表
示装置の製造方法。
8. A semiconductor thin film made of non-single-crystal silicon to be an active layer of a transistor is formed by chemical vapor deposition using a source gas in which a dopant gas is mixed with a semiconductor film-forming gas. A step of irradiating an energy beam to activate a dopant contained in the semiconductor thin film to adjust a threshold voltage of the transistor in advance; and a step of processing the semiconductor thin film to form an integrated transistor. One processing step, and a second step of integrally forming a pixel electrode by connecting to the transistor.
A method of manufacturing a display device, comprising: a processing step; and an assembling step of joining the other insulating substrate, on which a counter electrode is formed in advance, to the one insulating substrate via a predetermined gap, and disposing an electro-optical material in the gap. In the irradiation step, the semiconductor thin film made of non-single-crystal silicon is polycrystallized at the same time as the activation of the dopant, and includes a microcrystal having a minimum crystal grain size of 10 nm or more and a grain size of 10 nm or less. A method for manufacturing a display device, comprising:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001320056A (en) * 2000-05-10 2001-11-16 Sony Corp Manufacturing method for thin-film transistor and thin- film semiconductor device
JP2006148086A (en) * 2004-10-20 2006-06-08 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiation method, laser irradiation apparatus, and manufacturing method of semiconductor device

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