JPH1116835A - 多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法Info
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- JPH1116835A JPH1116835A JP16824197A JP16824197A JPH1116835A JP H1116835 A JPH1116835 A JP H1116835A JP 16824197 A JP16824197 A JP 16824197A JP 16824197 A JP16824197 A JP 16824197A JP H1116835 A JPH1116835 A JP H1116835A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 多結晶シリコン薄膜トランジスタは、単結晶
シリコン基板を用いたＭＯＳトランジスタに比べて性能
が低い。具体的にはキャリアの移動度が低く、しきい値
電圧が高いため、駆動回路は動作電圧が高くなり動作速
度は遅い。そこで、キャリアの移動度が高くなる多結晶
シリコン薄膜の製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 ガラス基板１上に形成されたアモルファ
スシリコン薄膜３上にイオンドーピングにより窒素イオ
ン４の照射を行い、その後レーザー照射による結晶化を
行うことをにより結晶粒の大粒径化を行う。そしてこの
結晶化された多結晶シリコン薄膜を用いて薄膜トランジ
スタを形成すると、移動度が向上する。
シリコン基板を用いたＭＯＳトランジスタに比べて性能
が低い。具体的にはキャリアの移動度が低く、しきい値
電圧が高いため、駆動回路は動作電圧が高くなり動作速
度は遅い。そこで、キャリアの移動度が高くなる多結晶
シリコン薄膜の製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 ガラス基板１上に形成されたアモルファ
スシリコン薄膜３上にイオンドーピングにより窒素イオ
ン４の照射を行い、その後レーザー照射による結晶化を
行うことをにより結晶粒の大粒径化を行う。そしてこの
結晶化された多結晶シリコン薄膜を用いて薄膜トランジ
スタを形成すると、移動度が向上する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶シリコン薄
膜及びそれを用いた薄膜トランジスタに関する。
膜及びそれを用いた薄膜トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、液晶表示装置は市場の拡大に伴っ
て、大型化、高精細化、高輝度化へと開発が進められて
いる。その中でも、特に画素スイッチ素子や駆動回路を
基板に組み込んだ、いわゆる一体型のアクティブマトリ
ックス液晶表示装置は、将来の液晶表示装置の主流と目
され、研究開発が進められている。上記の基板に形成さ
れる画素スイッチ素子や駆動回路は、多結晶シリコン薄
膜を用いた薄膜トランジスタで構成されている。
て、大型化、高精細化、高輝度化へと開発が進められて
いる。その中でも、特に画素スイッチ素子や駆動回路を
基板に組み込んだ、いわゆる一体型のアクティブマトリ
ックス液晶表示装置は、将来の液晶表示装置の主流と目
され、研究開発が進められている。上記の基板に形成さ
れる画素スイッチ素子や駆動回路は、多結晶シリコン薄
膜を用いた薄膜トランジスタで構成されている。
【０００３】この多結晶シリコン薄膜トランジスタは、
一般に単結晶シリコン基板を用いたＭＯＳトランジスタ
に比べて性能が低いと言われている。具体的にはキャリ
ア（電子、ホール）の移動度が低いため、しきい値電圧
が高くなってしまい、結果として、多結晶シリコン薄膜
トランジスタで構成された駆動回路は、動作電圧が高く
なり動作速度が遅くなってしまう。つまり、現状のまま
では多結晶シリコン薄膜トランジスタを用いた液晶表示
装置においては、液晶表示装置の大型化、高精細化への
対応が困難であることが予想される。
一般に単結晶シリコン基板を用いたＭＯＳトランジスタ
に比べて性能が低いと言われている。具体的にはキャリ
ア（電子、ホール）の移動度が低いため、しきい値電圧
が高くなってしまい、結果として、多結晶シリコン薄膜
トランジスタで構成された駆動回路は、動作電圧が高く
なり動作速度が遅くなってしまう。つまり、現状のまま
では多結晶シリコン薄膜トランジスタを用いた液晶表示
装置においては、液晶表示装置の大型化、高精細化への
対応が困難であることが予想される。
【０００４】なお、上記内容に関しては、雑誌「フラッ
トパネル・ディスプレイ１９９１」Ｐ．１１７〜Ｐ．１
２８（日経ＢＰ社刊：１９９０年１１月２６日）、「Ｓ
ＩＤ９３ ＤＩＧＥＳＴ」Ｐ．３８７〜Ｐ．３８８に詳
細に記載されている。
トパネル・ディスプレイ１９９１」Ｐ．１１７〜Ｐ．１
２８（日経ＢＰ社刊：１９９０年１１月２６日）、「Ｓ
ＩＤ９３ ＤＩＧＥＳＴ」Ｐ．３８７〜Ｐ．３８８に詳
細に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタの性能が、単結晶シリコン基板を用いたＭＯ
Ｓトランジスタに比べて悪いのは、主に多結晶シリコン
薄膜の結晶粒界に存在する欠陥に起因すると考えられ
る。
ランジスタの性能が、単結晶シリコン基板を用いたＭＯ
Ｓトランジスタに比べて悪いのは、主に多結晶シリコン
薄膜の結晶粒界に存在する欠陥に起因すると考えられ
る。
【０００６】多結晶シリコン薄膜の結晶粒界に存在する
欠陥に、ゲートに電圧を印加することで集められたキャ
リア（電子、ホール）が捕獲されることで、半導体のエ
ネルギーバンドに障壁（バリア）が生じ、移動度が低下
するわけである。さらに捕獲されたキャリアは可動でき
ない電荷となるため、実効的なしきい値電圧が上昇して
しまう。
欠陥に、ゲートに電圧を印加することで集められたキャ
リア（電子、ホール）が捕獲されることで、半導体のエ
ネルギーバンドに障壁（バリア）が生じ、移動度が低下
するわけである。さらに捕獲されたキャリアは可動でき
ない電荷となるため、実効的なしきい値電圧が上昇して
しまう。
【０００７】以上のような問題点に対して、多結晶シリ
コン薄膜の結晶粒界に存在する欠陥を低減するための方
法としては、多結晶シリコン薄膜の結晶粒を大きくし、
結晶粒界を少なくし、さらに、多結晶シリコン薄膜の粒
界に存在し、欠陥となるダングリングボンドと水素、重
水素、窒素を結合させ、欠陥を減少させること（ターミ
ネート）が従来行われている。
コン薄膜の結晶粒界に存在する欠陥を低減するための方
法としては、多結晶シリコン薄膜の結晶粒を大きくし、
結晶粒界を少なくし、さらに、多結晶シリコン薄膜の粒
界に存在し、欠陥となるダングリングボンドと水素、重
水素、窒素を結合させ、欠陥を減少させること（ターミ
ネート）が従来行われている。
【０００８】上記の結晶粒を大きくする方法としては、
固相成長、あるいはレーザー照射による結晶成長、さら
には固相成長前の処理として、シリコン薄膜へのイオン
打ち込みで、よりアモルファス化させ、結晶核の発生確
率を減らし、結晶粒をより大きくする等のことが行われ
ている。しかしながら、固相成長は６００℃以上の高温
と数時間以上の時間が必要であるため、特性以前に生産
性に問題がある。また、レーザー照射による結晶成長は
生産性に問題はないものの、特性が不十分である。
固相成長、あるいはレーザー照射による結晶成長、さら
には固相成長前の処理として、シリコン薄膜へのイオン
打ち込みで、よりアモルファス化させ、結晶核の発生確
率を減らし、結晶粒をより大きくする等のことが行われ
ている。しかしながら、固相成長は６００℃以上の高温
と数時間以上の時間が必要であるため、特性以前に生産
性に問題がある。また、レーザー照射による結晶成長は
生産性に問題はないものの、特性が不十分である。
【０００９】また、上記のダングリングボンドのターミ
ネートという手法は、一種の化学結合であるため、水
素、重水素、窒素、フッ素をを励起した状態で行う方が
効率良く行えるが、その場合は、逆に励起したイオンに
よるシリコン薄膜へのダメージが起こってしまう。ま
た、ターミネートの安定性、すなわちシリコンとの結合
の安定性では、より重い窒素が安定であるが、逆にシリ
コンとの反応を起こさせるためにはより窒素の活性度を
高める必要があるが、その場合、前述のようなシリコン
薄膜のダメージが大きくなってしまう。
ネートという手法は、一種の化学結合であるため、水
素、重水素、窒素、フッ素をを励起した状態で行う方が
効率良く行えるが、その場合は、逆に励起したイオンに
よるシリコン薄膜へのダメージが起こってしまう。ま
た、ターミネートの安定性、すなわちシリコンとの結合
の安定性では、より重い窒素が安定であるが、逆にシリ
コンとの反応を起こさせるためにはより窒素の活性度を
高める必要があるが、その場合、前述のようなシリコン
薄膜のダメージが大きくなってしまう。
【００１０】そこで本発明は、上記課題を解決すべく、
生産性良く特性の優れた多結晶シリコン薄膜及びそれを
用いた薄膜トランジスタの製造方法を提供すること目的
とする。
生産性良く特性の優れた多結晶シリコン薄膜及びそれを
用いた薄膜トランジスタの製造方法を提供すること目的
とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、非晶質基板上に形成した非晶質あるいは微
結晶シリコン薄膜に、イオン照射を行い、その後レーザ
ー照射による結晶化を行う構成となっており、この構成
により、多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすること
ができる。またイオン照射の方法としてイオンドーピン
グ法を用いることで大面積基板に対して生産性良くイオ
ン照射が行える。レーザーとしては波長の短いエキシマ
レーザーを用いることで、レーザー光の吸収効率が良い
ため、より効率的な結晶化が可能である。
決するため、非晶質基板上に形成した非晶質あるいは微
結晶シリコン薄膜に、イオン照射を行い、その後レーザ
ー照射による結晶化を行う構成となっており、この構成
により、多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすること
ができる。またイオン照射の方法としてイオンドーピン
グ法を用いることで大面積基板に対して生産性良くイオ
ン照射が行える。レーザーとしては波長の短いエキシマ
レーザーを用いることで、レーザー光の吸収効率が良い
ため、より効率的な結晶化が可能である。
【００１２】また、結晶成長をより促進させるための照
射イオンとしては、その後膜中で悪影響を及ぼさないた
めには、化学的に不活性な不活性元素を用い、照射条件
としては膜中に残留させないことがより望ましい。ま
た、結晶成長をより促進させるためのイオン照射時に、
結晶粒界のダングリングボンドをターミネートするイオ
ンを同時に照射し、膜中に残留させることで、その後の
レーザーによる結晶化時に、ダングリングボンドのター
ミネートも同時に行えるという効果も有している。さら
にイオンの膜中への導入が結晶成長前であるために導入
によるダメージを考慮する必要はないという利点をも有
している。
射イオンとしては、その後膜中で悪影響を及ぼさないた
めには、化学的に不活性な不活性元素を用い、照射条件
としては膜中に残留させないことがより望ましい。ま
た、結晶成長をより促進させるためのイオン照射時に、
結晶粒界のダングリングボンドをターミネートするイオ
ンを同時に照射し、膜中に残留させることで、その後の
レーザーによる結晶化時に、ダングリングボンドのター
ミネートも同時に行えるという効果も有している。さら
にイオンの膜中への導入が結晶成長前であるために導入
によるダメージを考慮する必要はないという利点をも有
している。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
る多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法
について図面を参照しながら説明する。図１には、本発
明の実施の形態における多結晶シリコン薄膜の製造工程
を示す断面図である。
る多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法
について図面を参照しながら説明する。図１には、本発
明の実施の形態における多結晶シリコン薄膜の製造工程
を示す断面図である。
【００１４】まず図１（ａ）に示すように、ガラス基板
１上に絶縁膜膜２を数百ｎｍ形成する。そしてプラズマ
ＣＶＤ装置を用いてアモルファスシリコン膜（非晶質シ
リコン膜）３を１００ｎｍ程度形成する。その後イオン
ドーピング装置を用いてアモルファスシリコン膜３へ窒
素イオン４を照射する。イオンドーピングによりイオン
をアモルファスシリコンに注入すると、大面積に対して
効率よくイオン照射を行うことができる。この時、膜中
に窒素元素が濃度として１％程度残留するようにする。
このように、窒素など（その他には水素、重水素、フッ
素）をアモルファスシリコン膜中に残存させると、この
後に行うレーザーによる結晶化時に、ダングリングボン
ドのターミネートも同時に行える。
１上に絶縁膜膜２を数百ｎｍ形成する。そしてプラズマ
ＣＶＤ装置を用いてアモルファスシリコン膜（非晶質シ
リコン膜）３を１００ｎｍ程度形成する。その後イオン
ドーピング装置を用いてアモルファスシリコン膜３へ窒
素イオン４を照射する。イオンドーピングによりイオン
をアモルファスシリコンに注入すると、大面積に対して
効率よくイオン照射を行うことができる。この時、膜中
に窒素元素が濃度として１％程度残留するようにする。
このように、窒素など（その他には水素、重水素、フッ
素）をアモルファスシリコン膜中に残存させると、この
後に行うレーザーによる結晶化時に、ダングリングボン
ドのターミネートも同時に行える。
【００１５】次に図１（ｂ）に示すようにエキシマレー
ザー（波長３０８ｎｍ）を用いてアモルファスシリコン
膜３の結晶化を行う。その結果形成された多結晶シリコ
ン膜の結晶粒径は１μｍ程度となった。比較として窒素
のイオン注入を行わなかった場合のエキシマレーザー照
射を行った後の多結晶シリコン膜の粒径を測定したとこ
ろ、０．３μｍ程度であった。なお、本実施の形態で
は、照射イオンとして窒素を用いているが、不活性元素
例えばアルゴンあるいは、水素、重水素、フッ素の内の
いずれか、あるいはそれらの組み合わせを用いても同等
の効果が得られる。
ザー（波長３０８ｎｍ）を用いてアモルファスシリコン
膜３の結晶化を行う。その結果形成された多結晶シリコ
ン膜の結晶粒径は１μｍ程度となった。比較として窒素
のイオン注入を行わなかった場合のエキシマレーザー照
射を行った後の多結晶シリコン膜の粒径を測定したとこ
ろ、０．３μｍ程度であった。なお、本実施の形態で
は、照射イオンとして窒素を用いているが、不活性元素
例えばアルゴンあるいは、水素、重水素、フッ素の内の
いずれか、あるいはそれらの組み合わせを用いても同等
の効果が得られる。
【００１６】さらに上記の図１に示した方法で作製した
多結晶シリコン薄膜を用いて薄膜トランジスタを作製し
た。その断面図を図２に示す。
多結晶シリコン薄膜を用いて薄膜トランジスタを作製し
た。その断面図を図２に示す。
【００１７】ガラス基板１絶縁膜２を形成した後、所定
形状の多結晶シリコン薄膜５を上記の図１に示した方法
により形成する。そして多結晶シリコン薄膜５上ににゲ
ート絶縁膜膜６、所定形状のゲート金属膜７を３００ｎ
ｍ程度、層間絶縁膜８を数百ｎｍ順次形成する。その
後、所定領域にコンタクトホールを開口し、所定形状の
金属配線９を形成する。このようにして作製した薄膜ト
ランジスタの移動度を測定したところ、２００ｃｍ2／
ｖｓ程度であった。比較として窒素のイオン注入を行わ
なかった場合のエキシマレーザーを照射した後の移動度
を測定したところ、３０ｃｍ2／ｖｓ程度であった。ま
た、上記の比較例に対して、更にレーザー照射後、水素
雰囲気中熱処理を行った場合の移動度を測定すると、８
０ｃｍ2／ｖｓ程度であった。
形状の多結晶シリコン薄膜５を上記の図１に示した方法
により形成する。そして多結晶シリコン薄膜５上ににゲ
ート絶縁膜膜６、所定形状のゲート金属膜７を３００ｎ
ｍ程度、層間絶縁膜８を数百ｎｍ順次形成する。その
後、所定領域にコンタクトホールを開口し、所定形状の
金属配線９を形成する。このようにして作製した薄膜ト
ランジスタの移動度を測定したところ、２００ｃｍ2／
ｖｓ程度であった。比較として窒素のイオン注入を行わ
なかった場合のエキシマレーザーを照射した後の移動度
を測定したところ、３０ｃｍ2／ｖｓ程度であった。ま
た、上記の比較例に対して、更にレーザー照射後、水素
雰囲気中熱処理を行った場合の移動度を測定すると、８
０ｃｍ2／ｖｓ程度であった。
【００１８】上記のように、窒素のイオン注入を行った
後エキシマレーザーにより多結晶化を行うと、結晶粒径
が従来よりも増大して、これらを多結晶シリコン薄膜を
用いたＴＦＴに応用すると、移動度が著しく高くなっ
た。エキシマレーザーの照射後に水素雰囲気中熱処理を
行うと、確かに移動度は向上したが、窒素イオン照射を
行ったＴＦＴの半分程度であり、窒素イオンの照射の効
果が大きいことがわかる。
後エキシマレーザーにより多結晶化を行うと、結晶粒径
が従来よりも増大して、これらを多結晶シリコン薄膜を
用いたＴＦＴに応用すると、移動度が著しく高くなっ
た。エキシマレーザーの照射後に水素雰囲気中熱処理を
行うと、確かに移動度は向上したが、窒素イオン照射を
行ったＴＦＴの半分程度であり、窒素イオンの照射の効
果が大きいことがわかる。
【００１９】また、窒素のシリコン中での偏析係数は１
０ー7以下と非常に小さいため、シリコン薄膜中に導入し
た窒素は結晶粒内に残留し悪影響を及ぼすことなく、粒
界に析出し、有効にダングリングボンドをターミネート
することがわかった。
０ー7以下と非常に小さいため、シリコン薄膜中に導入し
た窒素は結晶粒内に残留し悪影響を及ぼすことなく、粒
界に析出し、有効にダングリングボンドをターミネート
することがわかった。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、非晶質シリコン薄膜に
対して、窒素等の粒子をイオン照射した後にレーザー照
射により結晶化を行うことにより、結晶粒径が大きくな
り、欠陥の発生が少なくなるため、移動度の高い高性能
な多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタを得ること
ができる。
対して、窒素等の粒子をイオン照射した後にレーザー照
射により結晶化を行うことにより、結晶粒径が大きくな
り、欠陥の発生が少なくなるため、移動度の高い高性能
な多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタを得ること
ができる。
【図１】本発明の実施の形態における多結晶シリコン薄
膜の製造工程断面図
膜の製造工程断面図
【図２】本発明の実施の形態における薄膜トランジスタ
の断面図
の断面図
１ ガラス基板 ２ 絶縁膜 ３ アモルファスシリコン膜 ４ 窒素Ｎイオン ５ 多結晶シリコン膜 ６ ゲート絶縁膜 ７ ゲート金属膜 ８ 層間絶縁膜 ９ 配線金属
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 29/78 ６２７Ｇ
Claims (5)
- 【請求項１】非晶質基板に対してイオン照射を行った
後、レーザー照射により結晶化を行うことを特徴とする
多結晶シリコン薄膜の製造方法。 - 【請求項２】イオン照射をイオンドーピング法により行
うことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄
膜の製造方法。 - 【請求項３】イオン照射されるイオンが不活性元素、水
素、重水素、窒素、フッ素のイオンの内のいずれか、あ
るいはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求
項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。 - 【請求項４】イオン照射されるイオンが水素、重水素、
窒素、フッ素のイオンであり、この一部をシリコン薄膜
中に残存させることを特徴とする請求項１に記載の多結
晶シリコン薄膜の製造方法。 - 【請求項５】多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジ
スタの製造方法であって、前記多結晶シリコン薄膜を、
非晶質基板に対してイオン照射を行った後、レーザー照
射により結晶化を行うことにより形成することを特徴と
する薄膜トランジスタの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16824197A JPH1116835A (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | 多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16824197A JPH1116835A (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | 多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1116835A true JPH1116835A (ja) | 1999-01-22 |
Family
ID=15864386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16824197A Pending JPH1116835A (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | 多結晶シリコン薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1116835A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100669735B1 (ko) | 2004-10-15 | 2007-01-16 | 삼성에스디아이 주식회사 | 박막 트랜지스터의 제조 방법 및 그 방법에 따라 제조된박막 트랜지스터를 구비한 평판 표시 장치 |
| US8822997B2 (en) * | 2007-09-21 | 2014-09-02 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Electrophoretic display device and method for manufacturing thereof |
| US8921858B2 (en) * | 2007-06-29 | 2014-12-30 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Light-emitting device |
| US9176353B2 (en) | 2007-06-29 | 2015-11-03 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Liquid crystal display device |
| WO2019102548A1 (ja) * | 2017-11-22 | 2019-05-31 | 堺ディスプレイプロダクト株式会社 | レーザアニール方法、レーザアニール装置およびアクティブマトリクス基板の製造方法 |
-
1997
- 1997-06-25 JP JP16824197A patent/JPH1116835A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100669735B1 (ko) | 2004-10-15 | 2007-01-16 | 삼성에스디아이 주식회사 | 박막 트랜지스터의 제조 방법 및 그 방법에 따라 제조된박막 트랜지스터를 구비한 평판 표시 장치 |
| US8921858B2 (en) * | 2007-06-29 | 2014-12-30 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Light-emitting device |
| US9176353B2 (en) | 2007-06-29 | 2015-11-03 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Liquid crystal display device |
| US8822997B2 (en) * | 2007-09-21 | 2014-09-02 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Electrophoretic display device and method for manufacturing thereof |
| WO2019102548A1 (ja) * | 2017-11-22 | 2019-05-31 | 堺ディスプレイプロダクト株式会社 | レーザアニール方法、レーザアニール装置およびアクティブマトリクス基板の製造方法 |
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