JP2004006644A - Semiconductor device and its fabricating method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶構造を有する半導体膜を用いて形成される半導体装置及びその作製方法に係り、特に絶縁表面上に形成された結晶性半導体膜でチャネル形成領域を形成した電界効果型トランジスタを含む半導体装置及びその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガラス等による絶縁基板上に非晶質半導体膜を形成し、レーザー光の照射により結晶化させる技術が知られている。結晶構造を有する半導体膜(結晶性半導体膜)を用いて作製される薄膜トランジスタ(以下、TFTと記す)は、液晶表示装置に代表される平面型表示装置(フラットパネルディスプレイ)に応用されている。
【0003】
半導体製造プロセスにおけるレーザー光の応用は、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層や非晶質層を再結晶化する技術、絶縁表面上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術に展開されている。適用されるレーザー発振装置は、エキシマレーザーに代表される気体レーザーや、YAGレーザーに代表される固体レーザーが通常用いられている。
【0004】
レーザー光の照射による非晶質半導体膜の結晶化の一例は、レーザー光の走査速度をビームスポット径×5000/秒以上として高速走査により非晶質半導体膜を完全な溶融状態に至らしめることなく多結晶化するものや(例えば、特許文献1参照。)、レーザー処理装置を用いて光学系にて線状にビームを加工して照射する方法が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
【0005】
さらに、Nd:YVO4レーザーなど固体レーザー発振装置を用いて、その第2高調波であるレーザー光を非晶質半導体膜に照射して、従来に比べ結晶粒径の大きい結晶性半導体膜を形成し、TFTを作製する技術が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。
【0006】
【特許文献1】
特開昭62−104117号公報
【特許文献2】
特開平8−195357号公報
【特許文献3】
特開2001−144027号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、欠陥や結晶粒界又は結晶亜粒界が少なく、且つ、配向の揃った高品質の結晶性半導体膜を絶縁表面上に形成するためには、帯域溶融法などとして知られているように単結晶基板上の半導体膜を高温に加熱して溶融状態としてから再結晶化する方法が主流であった。
【0008】
公知のグラフォエピタキシー技術のように下地の段差を利用しているので、その段差に沿って結晶が成長し、形成された単結晶半導体膜の表面にその段差が残ることが問題であると考えられている。さらに、歪み点が比較的低いガラス基板上にグラフォエピタキィシーを用いて単結晶半導体膜を形成することは出来なかった。
【0009】
一方、平坦な表面上に形成された非晶質半導体膜にレーザー光を照射して結晶化させると結晶は多結晶となり、結晶粒界等の欠陥が任意に形成されて配向の揃った結晶を得ることはできなかった。
【0010】
結晶粒界には結晶欠陥が多数生成され、それがキャリアトラップとなって、電子又は正孔の移動度が低下する要因と考えられている。また、結晶化に伴って起こる半導体の体積収縮、下地との熱応力や格子不整合などによる欠陥、結晶粒界又は亜粒界の存在しない半導体膜を形成することは出来なかった。よって、張り合わせSOI(Silicon on Insulator)を省いては、絶縁表面上に形成され、結晶化又は再結晶化された結晶性半導体膜をもって、単結晶基板に形成されるMOSトランジスタと同等の品質を得ることはできなかった。
【0011】
いずれにしても、結晶化によって起こる半導体の体積収縮、下地との熱応力や格子不整合などによる欠陥、結晶粒界又は亜粒界の存在しない結晶性半導体膜を形成することは出来なかった。よって、張り合わせSOI(Silicon on Insulator)を省いては、絶縁表面上に形成され、結晶化又は再結晶化された結晶性半導体膜をもって、単結晶基板に形成されるMOSトランジスタと同等の品質を得ることはできなかった。
【0012】
例えば、ガラス基板上に半導体膜を形成してTFTを作り込む場合には、TFTは任意に形成される結晶粒界と無関係に配置され、TFTのチャネル形成領域の結晶性を厳密な意味で制御することができず、任意に介在する結晶粒界や結晶欠陥により特性が低下し、且つ個々の素子特性がばらつく要因となっていた。
【0013】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、絶縁表面上に少なくともチャネル形成領域において結晶粒界が可能な限り存在しない結晶性半導体膜を形成し、高速動作が可能で電流駆動能力が高く、且つ複数の素子間においてばらつきの小さい半導体素子又は半導体素子群により構成される半導体装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明は、絶縁表面を有する基板上に開口部が設けられた絶縁膜を形成し、絶縁膜上及び開口部にかけて非晶質半導体膜又は結晶粒界が任意に存在する多結晶構造の半導体膜を形成し、その開口部を充填する形態で結晶性半導体膜を形成するものである。すなわち、その後絶縁膜の開口部に溶融した半導体を流し込むように当該半導体膜を溶融して結晶化又は再結晶化させて結晶性半導体膜を形成する。そして、開口部以外の領域に延在する結晶性半導体膜を除去して該開口部の結晶性半導体膜を残存せしめ、該結晶性半導体膜の上面部に接するゲート絶縁膜とゲート電極を形成することを特徴とするものである。
【0015】
開口部は絶縁基板の表面を直接エッチング処理して形成しても良いし、酸化珪素、窒化珪素、又は酸窒化珪素膜等を用い、それをエッチング処理して開口部を形成しても良い。開口部はTFTのチャネル形成領域を含む島状の半導体膜の配置に合わせて形成し、少なくともチャネル形成領域に合致するように形成されていることが望ましい。また、開口部はチャネル長方向に延在して設けられている。開口部の幅(チャネル形成領域とする場合におけるチャネル幅方向)が0.01μm以上2μm以下、好ましくは0.1〜1μmで形成し、その深さは、0.01μm以上1μm以下、好ましくは0.05μm以上0.2μm以下で形成する。
【0016】
最初の段階において絶縁膜上及び開口部にかけて形成する半導体膜はプラズマCVD法、スパッタリング法、減圧CVD法で形成される非晶質半導体膜又は多結晶半導体膜、或いは、固相成長により形成された多結晶半導体膜などが適用される。尚、本発明でいう非晶質半導体膜とは、狭義の意味で完全な非晶質構造を有するものだけではなく、微細な結晶粒子が含まれた状態、又はいわゆる微結晶半導体膜、局所的に結晶構造を含む半導体膜を含む。代表的には非晶質シリコン膜が適用され、その他に非晶質シリコンゲルマニウム膜、非晶質シリコンカーバイト膜などを適用することもできる。また、多結晶半導体膜は、これら非晶質半導体膜を公知の方法で結晶化させたものである。
【0017】
結晶性半導体膜を溶融して結晶化させる手段としては、気体レーザー発振装置、固体レーザー発振装置を光源とするパルス発振又は連続発振レーザー光を適用する。照射するレーザー光は光学系にて線状に集光されたものであり、その強度分布が長手方向において均一な領域を有し、短手方向に分布を持っていても良く、光源として用いるレーザー発振装置は、矩形ビーム固体レーザー発振装置が適用され、特に好ましくは、スラブレーザー発振装置が適用される。或いは、Nd、Tm、Hoをドープしたロッドを用いた固体レーザー発振装置であり、特にYAG、YVO4、YLF、YAlO3などの結晶にNd、Tm、Hoをドープした結晶を使った固体レーザー発振装置にスラブ構造増幅器を組み合わせたものでも良い。スラブ材料としては、Nd:YAG、Nd:GGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)、Nd:GsGG(ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット)等の結晶が使用される。スラブレーザーでは、この板状のレーザー媒質の中を、全反射を繰り返しながらジグザグ光路で進む。
【0018】
また、それに準ずる強光を照射しても良い。例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、高圧水銀灯、メタルハライドランプ、エキシマランプから放射される光を反射鏡やレンズ等により集光したエネルギー密度の高い光であっても良い。
【0019】
線状に集光され長手方向に拡張されたレーザー光又は強光は結晶性半導体膜に照射し、且つレーザー光の照射位置と結晶性半導体膜が形成された基板とを相対的に動かして、レーザー光が一部又は全面を走査することにより結晶性半導体膜を溶融させ、その状態を経て結晶化又は再結晶化を行う。レーザー光の走査方向は、開口部の長手方向又はトランジスタのチャネル長方向に沿って行う。これによりレーザー光の走査方向に沿って結晶が成長し、結晶粒界又は結晶亜粒界がチャネル長方向と交差することを防ぐことができる。
【0020】
上記の如く作製される本発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に開口部が形成された絶縁膜が設けられ、基板上に形成された結晶性半導体膜は前記開口部を充填する領域を有し、当該充填領域にチャネル形成領域が備えられていることを特徴としている。また、絶縁表面上に形成され、一対の一導電型不純物領域の間に連接して、複数の結晶方位を有し、結晶粒界が形成されることなく、チャネル長方向と平行な方向に延在する複数の結晶粒が集合した結晶性半導体膜を有し、当該結晶質半導体膜はその厚さと同じ又は同程度の深さの開口部に埋設されていることを特徴としている。
【0021】
また他の構成は、絶縁表面を有する基板上にチャネル長方向に延在する開口部が形成された絶縁膜が設けられ、基板上に形成された結晶性半導体膜は前記開口部を充填する領域を有し、当該充填領域にチャネル形成領域が備えられていて、開口部は前記結晶性半導体膜と同じかそれ以上の深さを有していることを特徴としている。
【0022】
すなわち、絶縁表面上に形成され、一対の一導電型不純物領域の間に連接して複数の結晶方位を有し、結晶粒界が形成されることなくチャネル長方向と平行な方向に延在する複数の結晶粒が集合した結晶性半導体膜と、当該結晶性半導体膜と絶縁層を介して重畳する導電層によりチャネル形成領域が形成される構成を有し、当該結晶性半導体膜はチャネル幅方向が0.01μm〜2μm、好ましくは0.1〜1μmであり、厚さが0.01μm以上1μm、好ましくは0.05〜0.2μmであり、前記結晶質半導体膜はその厚さと同じ又は同程度開口部に埋設されていることを特徴としている。
【0023】
開口部の深さを半導体膜の厚さと同程度とすることにより、レーザー光又は強光の照射により溶融した半導体が表面張力により開口部(即ち凹部)に凝集して固化する。その結果、開口部(即ち凸部)にある半導体膜の厚さは薄くなり、そこに応力歪みを集中させることができる。また開口部の側面は結晶方位をある程度規定する効力を持つ。開口部の側面の角度は基板表面に対して5〜90度、好ましくは30〜90度で形成する。レーザー光をチャネル長方向と平行な方向に走査することにより、その方向に延在する開口部に沿って、特定の結晶方位を優先的に配向させることができる。
【0024】
半導体膜がレーザー光又は強光の照射により溶融した後、固化を開始するのは開口部の底面と側面とが交わる領域からであり、ここから結晶成長が始まる。例えば、図39に示すように絶縁膜(1)と絶縁膜(2)により段差形状が形成された系においてA〜D点における熱解析シミュレーションを行った結果、図40のような特性が得られている。熱の逃げる場所として▲1▼直下の絶縁膜(2)と側面に存在する絶縁膜(1)の両方があるため、B点が最も早く温度が下がることになる。以降、A点、C点、D点の順である。このシミュレーション結果は側壁の角度が45度の場合であるが、90度の場合にも定性的には同様な現象が考えられる。即ち、半導体膜を一旦溶融状態とし、表面張力により絶縁表面上に形成した開口部に凝集させ、開口部の底部と側壁の概略交点から結晶成長させることにより結晶化に伴い発生する歪みを開口部以外の領域に集中させることができる。即ち、開口部に充填されるように形成した結晶性半導体膜においては歪みから開放することができる。
【0025】
半導体膜を溶融状態として、表面張力により絶縁表面上に形成した開口部に凝集させ、開口部の底部と側面部の概略交点から結晶成長させることにより結晶化に伴い発生する歪みを開口部以外の領域に集中させることができる。即ち、開口部に充填されるように形成した結晶性半導体膜は歪みから開放することができる。そして、絶縁膜上に残存し、結晶粒界、結晶欠陥を含む結晶性半導体膜はエッチングにより除去してしまう。
【0026】
上記本発明によって、トランジスタ等の半導体素子、特にTFTのチャネル形成領域の場所を指定して、結晶粒界が存在しない結晶性半導体膜を形成することが可能となる。これにより不用意に介在する結晶粒界や結晶欠陥により特性がばらつく要因を無くすことができ、特性ばらつきの小さいTFT又はTFT素子群を形成することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【0028】
本発明は、絶縁表面を有する基板上に開口部が設けられた絶縁膜を形成し、絶縁膜上及び開口部にかけて非晶質半導体膜又は結晶粒界が任意に存在する多結晶構造の半導体膜を形成し、その開口部を充填する形態で結晶性半導体膜を形成するものである。まず、その態様について図27を用いて説明する。
【0029】
図27において示す斜視図は、基板101上に第1絶縁膜102と帯状にパターン形成された第2絶縁膜103〜105が形成された形態を示している。ここでは、第2絶縁膜による帯状のパターンが3本示されているが、勿論その数に限定されることはない。基板は市販の無アルカリガラス基板、石英基板、サファイア基板、単結晶又は多結晶半導体基板の表面を絶縁膜で被覆した基板、金属基板の表面を絶縁膜で被覆した基板を適用することができる。
【0030】
帯状に形成される第2絶縁膜の幅W1は0.1〜10μm(好ましくは0.5〜1μm)隣接する第2絶縁膜の間隔W2は0.1〜5μm(好ましくは0.5〜1μm)であり、第2絶縁膜の厚さdはその上に形成する非単結晶半導体膜の厚さと同程度かそれ以上の厚さをもって形成する。また、段差形状は規則的な周期パターンである必要はなく、TFTのチャネル形成領域を含む島状の半導体領域の配置及び形状に合わせて形成すれば良い。よって、第2絶縁膜の長さLも限定はなく、例えばTFTのチャネル形成領域を形成することができる程度の長さがあれば良い。
【0031】
第1絶縁膜は、窒化珪素又は窒酸化珪素を用いて形成する。また、第2絶縁膜は酸化珪素又は酸窒化珪素を用いて形成する。酸化珪素はオルトケイ酸テトラエチル(Tetraethyl Ortho Silicate:TEOS)とO2とを混合しプラズマCVD法で形成することができる。窒酸化珪素膜はSiH4、NH3、N2O又は、SiH4、N2Oを原料として用いプラズマCVD法で形成することができる。
【0032】
図27の形態であるように、開口部による凹凸形状を第1絶縁膜と第2絶縁膜により形成する場合には、エッチング加工における選択比を確保するために、第2絶縁膜のエッチング速度が相対的に早くなるように材料及び成膜条件を適宜調整することが望ましい。また、ナトリウムなどアルカリ金属イオンに対してブロッキング効果のあることが望ましい。そして、第2絶縁膜で形成される開口部の側壁の角度は5〜90度、好ましくは30〜90度の範囲で適宜設定すれば良い。
【0033】
図28で示すように、この第1絶縁膜102と第2絶縁膜103〜105から成る表面上および開口部を覆う非晶質半導体膜106を50〜200nmの厚さに形成する。非晶質半導体膜は、珪素、珪素とゲルマニウムの化合物又は合金、珪素と炭素の化合物又は合金を適用することができる。
【0034】
そして、この非晶質半導体膜106に連続発振レーザー光を照射して結晶化を行う。適用されるレーザー光は光学系にて線状に集光及び拡張されたものであり、その強度分布が長手方向において均一な領域を有し、短手方向に分布を持っていても良く、光源として用いるレーザー発振装置は、矩形ビーム固体レーザー発振装置が適用され、特に好ましくは、スラブレーザー発振装置が適用される。或いは、Nd、Tm、Hoをドープしたロッドを用いた固体レーザー発振装置であり、特にYAG、YVO4、YLF、YAlO3などの結晶にNd、Tm、Hoをドープした結晶を使った固体レーザー発振装置にスラブ構造増幅器を組み合わせたものでも良い。そして、線状の長手方向に対し交差する方向に走査する。この時、下地絶縁膜に形成される帯状のパターンの長手方向と平行な方向に走査することが最も望ましい。尚、ここでいう線状とは、短手方向の長さに対し、長手方向の長さの比が1対10以上のものをもって言う。
【0035】
スラブ材料としては、Nd:YAG、Nd:GGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)、Nd:GsGG(ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット)等の結晶が使用される。スラブレーザーでは、この板状のレーザー媒質の中を、全反射を繰り返しながらジグザグ光路で進む。
【0036】
また、連続発振レーザー光の波長は、非晶質半導体膜の光吸収係数を考慮して400〜700nmであることが望ましい。このような波長帯の光は、波長変換素子を用いて基本波の第2高調波、第3高調波を取り出すことで得られる。波長変換素子としてはADP(リン酸二水素化アンモニウム)、Ba2NaNb5O15(ニオブ酸バリウムナトリウム)、CdSe(セレンカドミウム)、KDP(リン酸二水素カリウム)、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、Se、Te、LBO、BBO、KB5などが適用される。特にLBOを用いることが望ましい。代表的な一例は、Nd:YVO4レーザー発振装置(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)を用いる。また、レーザーの発振モードはTEM00モードであるシングルモードを適用する。
【0037】
最も適した材料として選ばれる珪素の場合、吸収係数が103〜104cm−1である領域はほぼ可視光域にある。ガラスなど可視光透過率の高い基板と、珪素により30〜200nmの厚さをもって形成される非晶質半導体膜を結晶化する場合、波長400〜700nmの可視光域の光を照射することで、当該半導体領域を選択的に加熱して、下地絶縁膜にダメージを与えずに結晶化を行うことができる。具体的には、非晶質珪素膜に対し、波長532nmの光の侵入長は概略100nm〜1000nmであり、膜厚30nm〜200nmで形成される非晶質半導体膜106の内部まで十分達することができる。即ち、半導体膜の内側から加熱することが可能であり、レーザー光の照射領域における半導体膜のほぼ全体を均一に加熱することができる。
【0038】
レーザー光の照射により溶融した半導体は、表面張力が働いて開口部(凹部)に集まる。それにより固化した状態では、図29で示すように表面がほぼ平坦になる。さらに結晶の成長端や結晶粒界又は結晶亜粒界は第2絶縁膜上(凸部上)に形成される(図中ハッチングで示す領域110)。こうして結晶性半導体膜107が形成される。
【0039】
その後図30で示すように、結晶性半導体膜107をエッチングして島状の半導体領域108、109を形成する。この時、図29で示したように、成長端や結晶粒界又は結晶亜粒界が集中する領域110をエッチング除去することにより良質な半導体領域のみ残すことができる。そして、この島状の半導体領域108、109の、特に開口部(凹部)を充填する結晶性半導体を使ってチャネル形成領域が位置せしめるようにゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。このような各段階を経てTFTを完成させることができる。
【0040】
図2は本発明者による実験結果から得られた結晶化の知見を概念図として示すものである。図2(A)〜(E)は第1絶縁膜及び第2絶縁膜により形成される開口部(凹部)の深さ及び間隔と結晶成長の関係を模式的に説明している。
【0041】
尚、図2で示す長さに関する符号に関し、t01:第2絶縁膜上(凸部)の非晶質半導体膜の厚さ、t02:開口部(凹部)の非晶質半導体膜の厚さ、t11:第2絶縁膜上(凸部)の結晶性半導体膜の厚さ、t12:開口部(凹部)の結晶性半導体膜の厚さ、d:第2絶縁膜の厚さ(開口部の深さ)、W1:第2絶縁膜の幅、W2:開口部の幅である。また、201は第1絶縁膜、202は第2絶縁膜、203は第3絶縁膜である。
【0042】
図2(A)は、d<t02、W1、W2が1μmと同程度かそれより小さい場合であり、開口部の溝の深さが非晶質半導体膜204よりも小さい場合には、溶融結晶化の過程を経ても開口部が浅いので結晶性半導体膜205の表面が十分平坦化されることはない。即ち、結晶性半導体膜205の下地の凹凸形状が概略保存されたまま残ってしまう。
【0043】
図2(B)は、d≧t02、W1、W2が1μmと同程度かそれより小さい場合であり、開口部の溝の深さが非晶質半導体膜204とほぼ等しいかそれより大きい場合には、表面張力が働いて開口部(凹部)に集まる。それにより固化した状態では、図2(B)で示すように表面がほぼ平坦になる。この場合、t11<t12となり、第2絶縁膜202上の膜厚が薄い部分220に応力が集中しここに歪みが蓄積され、結晶粒界が形成されることになる。
【0044】
図2(C)は、d>>t02、W1、W2が1μmと同程度かそれより小さい場合であり、この場合は結晶性半導体膜205が開口部を充填するように形成され、第2絶縁膜202上には殆ど残存しないようにすることも可能である。
【0045】
図2(D)は、d≧t02、W1、W2が1μm同程度か若干大きい場合であり、開口部の幅が広がると結晶性半導体膜205が開口部を充填し、平坦化の効果はあるが、開口部の中央付近には結晶粒界や結晶亜粒界が発生する。また、第2絶縁膜上にも同様に応力が集中しここに歪みが蓄積され、結晶粒界が形成される。これは、間隔が広がることで応力緩和の効果が低減するためであると推定している。
【0046】
図2(E)は、d≧t02、W1、W2が1μmよりも大きい場合であり、図2(D)の状態がさらに顕在化してくる。
【0047】
図22で示す走査電子顕微鏡(SEM)写真はその一例を示し、170nmの段差を設け、1.8μmの凸部の幅と間隔を設けた下地絶縁膜上に150nmの非晶質珪素膜を形成して結晶化した結果を示している。結晶性半導体膜の表面は結晶粒界を顕在化させるためにセコ液でエッチングしてある。図21との比較において明らかなように、結晶粒界は、段差形状の凸部のもでなく、全体に広がっていることが分かる。従って、このような構造では、結晶粒界のない結晶性半導体膜を選択的に取り出すことはできない。
【0048】
以上、図2を用いて説明したように、半導体素子を形成する場合、特にTFTを形成する場合には、図2(B)の形態が最も適していると考えられる。また、ここでは結晶性半導体膜を形成する下地の凹凸形状は、第1絶縁膜と第2絶縁膜で形成する一例を示したが、ここで示す形態に限定されず同様な形状を有するものであれば代替することができる。例えば、石英基板の表面をエッチング処理して直接開口部を形成し、凹凸形状を設けても良い。
【0049】
図13は、結晶化に際し適用することのできるレーザー処理装置の構成の一例を示す。図13はレーザー発振装置401a、401b、シャッター402、高変換ミラー403〜406、シリンドリカルレンズ407、408、スリット409、載置台411、載置台411をX方向及びY方向に変位させる駆動手段412、413、当該駆動手段をコントロールする制御手段414、予め記憶されたプログラムに基づいてレーザー発振装置401や制御手段414に信号を送る情報処理手段415等から成っているレーザー処理装置の構成を正面図と側面図により示すものである。
【0050】
レーザー発振装置は矩形ビーム固体レーザー発振装置が適用され、特に好ましくは、スラブレーザー発振装置が適用される。或いは、YAG、YVO4、YLF、YAlO3などの結晶にNd、Tm、Hoをドープした結晶を使った固体レーザー発振装置にスラブ構造増幅器を組み合わせたものでも良い。スラブ材料としては、Nd:YAG、Nd:GGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)、Nd:GsGG(ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット)等の結晶が使用される。その他にも、連続発振可能な気体レーザー発振装置、固体レーザー発振装置を適用することもできる。連続発振固体レーザー発振装置としてはYAG、YVO4、YLF、YAlO3などの結晶にCr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti又はTmをドープした結晶を使ったレーザー発振装置を適用する。発振波長の基本波はドープする材料によっても異なるが、1μmから2μmの波長で発振する。5W以上のより高い出力を得る為には、ダイオード励起の固体レーザー発振装置をカスケード接続しても良い。
【0051】
このようなレーザー発振装置から出力される円形状又は矩形状のレーザー光は、シリンドリカルレンズ407、408により照射面の断面形状において線状に集光される。また、照射面での干渉を防ぐため、高変換ミラーを適宜調節して10〜80度の角度を持って斜め方向から入射する構成となっている。シリンドリカルレンズ407、408は合成石英製とすれば高い透過率が得られ、レンズの表面に施されるコーティングは、レーザー光の波長に対する透過率が99%以上を実現するために適用される。勿論、照射面の断面形状は線状に限定されず、矩形状、楕円形又は長円形など任意な形状としても構わない。いずれにしても短軸と長軸の比が、1対10〜1対100の範囲に含まれるものを指している。また、波長変換素子410は基本波に対する高調波を得るために備えられている。
【0052】
また、載置台411を駆動手段412、413により二軸方向に動かすことにより基板420のレーザー処理を可能としている。一方の方向への移動は基板420の一辺の長さよりも長い距離を1〜200cm/sec、好ましくは5〜75cm/secの等速度で連続的に移動させることが可能であり、他方へは線状ビームの長手方向と同程度の距離を不連続にステップ移動させることが可能となっている。レーザー発振装置401a、401bの発振と、載置台411は、マイクロプロセッサを搭載した情報処理手段415により同期して作動するようになっている。
【0053】
載置台411は図中で示すX方向に直線運動をすることにより、固定された光学系から照射されるレーザー光で基板全面の処理を可能としている。位置検出手段416は基板420がレーザー光の照射位置にあることを検出して、その信号を情報処理手段415に伝送し、情報処理手段415によりレーザー光の照射タイミングを同期させている。つまり、基板420がレーザー光の照射位置にない時は、シャッター402を閉め、レーザー光の照射を止めている。
【0054】
このような構成のレーザー照射装置により基板420に照射されるレーザー光は、図中に示すX方向又はY方向に相対移動させることにより半導体膜の所望の領域または全面を処理することができる。
【0055】
以上のように、非晶質半導体膜に連続発振レーザー光を照射する結晶化において、下地絶縁膜に段差形状を設けることにより、その部分に結晶化に伴う歪み又は応力を集中させることができ、活性層とする結晶性半導体にその歪み又は応力がかからないようにすることができる。歪み又は応力から開放された結晶性半導体膜にチャネル形成領域が配設されるようにTFTを形成することにより、高速で電流駆動能力を向上させることが可能となり、素子の信頼性を向上させることも可能となる。
【0056】
(実施形態1)
上記した本発明の態様について図1を用いて説明する。図1は本発明の結晶性半導体膜を形成する工程を説明する縦断面図である。
【0057】
図1(A)において、窒化珪素、窒素含有量が酸素含有量よりも大きな酸窒化珪素、窒化アルミニウム、又は酸窒化アルミニウムで形成される第1絶縁膜201は30〜300nmの厚さで形成する。その上に酸化珪素又は酸窒化珪素で10〜1000nm、好ましくは50〜200nmの厚さで所定の形状で開口部が形成された第2絶縁膜202を形成する。所定の形状とは矩形、円形、多角形、帯状、又は作製するTFTの島状の半導体膜(活性層)の形状に合致する形状としても良い。酸化珪素はオルトケイ酸テトラエチル(Tetraethyl Ortho Silicate:TEOS)とO2とを混合しプラズマCVD法で形成することができる。酸窒化珪素膜はSiH4、N2O又はSiH4、NH3、N2Oを原料として用いプラズマCVD法で形成することができる。
【0058】
第1絶縁膜201と第2絶縁膜の選択的な加工は、緩衝フッ酸を用いたエッチング、又はCHF3を用いたドライエッチングにより行う。いずれにしても、エッチング加工における選択比を確保するために、第2絶縁膜のエッチング速度が第1絶縁膜のそれより相対的に早くなるように材料及び成膜条件を適宜調整することが望ましい。そして、第2絶縁膜で形成される開口部の側面部の角度は5〜90度、好ましくは30〜90度の範囲で適宜設定すれば良い。
【0059】
基板として用いる部材は市販の無アルカリガラス基板、石英基板、サファイア基板、単結晶又は多結晶半導体基板の表面を絶縁膜で被覆した基板、金属基板の表面を絶縁膜で被覆した基板を適用することが可能である。
【0060】
エッチング後に残存する第2絶縁膜202の幅W1に限定はなく0.1〜10μm程度で形成する。また、第2絶縁膜202に形成する開口部の幅W2は0.01〜2μm(好ましくは0.1〜1μm)であり、第2絶縁膜の厚さdは0.01〜1μm(好ましくは0.05〜0.2μm)で形成する。また、開口部の長さ(紙面と垂直な方向)は特に限定されず、直線的又は曲部をもって形成されていても良く、例えばTFTのチャネル形成領域を形成することができる程度の長さがあれば良い。
【0061】
図1(B)で示すように、この第1絶縁膜201と第2絶縁膜202から成る表面上および開口部を覆う非晶質半導体膜204を0.2〜3μm(好ましくは0.5〜1.5μm)、即ち第2絶縁膜で形成される開口部の深さと同程度かそれ以上の厚さで形成することが望ましい。非晶質半導体膜は、珪素、珪素とゲルマニウムの化合物又は合金、珪素と炭素の化合物又は合金を適用することができる。非晶質半導体膜は図示するように、下地の絶縁膜上及び開口部にかけて形成され、下地の凹凸形状を反映して堆積する。また、第1絶縁膜及び第2絶縁膜の表面に付着した硼素などの化学汚染の影響を排除し、しかも窒化珪素と非晶質半導体膜が直接に接しないように、非晶質半導体膜の下層側に第3絶縁膜203として酸窒化珪素膜を同一の成膜装置内で大気に触れさせることなく連続的に成膜すると良い。
【0062】
そして、この非晶質半導体膜204を瞬間的に溶融させ結晶化させる。この結晶化はレーザー光又はランプ光源からの放射光を光学系にて半導体膜が溶融する程度のエネルギー密度に集光して照射する。この工程においては、特に連続発振レーザー発振装置を光源とするレーザー光を適用することが好ましい。適用されるレーザー光は光学系にて線状に集光及び長手方向に拡張されたものであり、その強度分布が長手方向において均一な領域を有し、短手方向に分布を持たせておくことが望ましい。
【0063】
レーザー発振装置は、矩形ビーム固体レーザー発振装置が適用され、特に好ましくは、スラブレーザー発振装置が適用される。スラブ材料としては、Nd:YAG、Nd:GGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)、Nd:GsGG(ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット)等の結晶が使用される。スラブレーザーでは、この板状のレーザー媒質の中を、全反射を繰り返しながらジグザグ光路で進む。或いは、Nd、Tm、Hoをドープしたロッドを用いた固体レーザー発振装置であり、特にYAG、YVO4、YLF、YAlO3などの結晶にNd、Tm、Hoをドープした結晶を使った固体レーザー発振装置にスラブ構造増幅器を組み合わせたものでも良い。そして、図中に矢印で示すように、線状の長手方向に対し交差する方向に走査する。尚、ここでいう線状とは、短手方向の長さに対し、長手方向の長さの比が1対10以上のものをもって言う。
【0064】
また、連続発振レーザー光の波長は、非晶質半導体膜の光吸収係数を考慮して400〜700nmであることが望ましい。このような波長帯の光は、波長変換素子を用いて基本波の第2高調波、第3高調波を取り出すことで得られる。波長変換素子としてはADP(リン酸二水素化アンモニウム)、Ba2NaNb5O15(ニオブ酸バリウムナトリウム)、CdSe(セレンカドミウム)、KDP(リン酸二水素カリウム)、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、Se、Te、LBO、BBO、KB5などが適用される。特にLBOを用いることが望ましい。代表的な一例は、Nd:YVO4レーザー発振装置(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)を用いる。また、レーザーの発振モードはTEM00モードであるシングルモードを適用する。
【0065】
最も適した材料として選ばれる珪素の場合、吸収係数が103〜104cm−1である領域はほぼ可視光域にある。ガラスなど可視光透過率の高い基板と、珪素により30〜200nmの厚さをもって形成される非晶質半導体膜を結晶化する場合、波長400〜700nmの可視光域の光を照射することで、当該半導体膜を選択的に加熱して、下地絶縁膜にダメージを与えずに結晶化を行うことができる。具体的には、非晶質珪素膜に対し、波長532nmの光の侵入長は概略100nm〜1000nmであり、膜厚30nm〜200nmで形成される非晶質半導体膜106の内部まで十分達することができる。即ち、半導体膜の内側から加熱することが可能であり、レーザー光の照射領域における半導体膜のほぼ全体を均一に加熱することができる。
【0066】
レーザー光の照射により瞬間的に溶融した半導体は、表面張力が働いて開口部(凹部)に集まる。それにより固化して形成される結晶性半導体膜205は、図1(C)で示すように表面がほぼ平坦になる。結晶の成長端や結晶粒界は第2絶縁膜上(凸部上)に形成される(図1(C)で示す領域220)。
【0067】
その後、好ましくは図1(D)に示すように500〜600℃の加熱処理を行い、結晶性半導体膜に蓄積された歪みを除去すると良い。この歪みは、結晶化によって起こる半導体の体積収縮、下地との熱応力や格子不整合などにより発生するものである。この加熱処理は、例えば、ガス加熱方式の瞬間熱アニール(RTA)法を用いて1〜10分の処理を行えば良い。尚、この工程は本発明において必須な要件ではなく、適宜選択して行えば良いものである。
【0068】
図1(E)で示すように、結晶性半導体膜205の表面をエッチングして開口部(凹部)に埋め込まれている結晶性半導体膜206を選択的に抽出する。これは、第2絶縁膜202上に残存し結晶粒界、結晶欠陥を含む結晶性半導体膜を除去し、開口部(凹部)にある良質な結晶のみを残すことを目的としている。結晶性半導体膜206は、複数の結晶方位を有し、結晶粒界が形成されていないという特徴を有している。
【0069】
特に開口部(凹部)を充填する結晶性半導体を使ってチャネル形成領域が位置せしめるようにゲート絶縁膜及びゲート電極を形成するとTFTを完成させることができる。この時、TFTのチャネル長方向と平行な方向に開口部を形成し、且つレーザー光をその方向に走査することにより、結晶成長をその方向に行うことができ、特定の結晶方位を優先的に結晶成長させることができる。その詳細は、図2で示すものと同様であり、W1、W2が1μmと同程度かそれより小さく、開口部の溝の深さが非晶質半導体膜203の厚さとほぼ等しいかそれより大きくなる形状が最も適している。
【0070】
図21で示す走査電子顕微鏡(SEM)写真はその一例を示し、石英基板上に酸化珪素で形成した第2絶縁膜により170nmの段差を設け、0.5μmの凸部の幅(W1)と間隔(W2)を設けた下地上に150nmの非晶質珪素膜を形成して、その後レーザー光を照射して結晶化した結果を示している。結晶性半導体膜の表面は結晶粒界を顕在化させるためにセコ液でエッチングしてある。セコ液は、HF:H2O=2:1に添加剤としてK2Cr2O7を用いて調合した薬液である。この写真から明らかなように、結晶粒界は段差形状の凸部に集中していることが分かる。
【0071】
図23は開口部(凹部)に形成される結晶性半導体膜の配向性を反射電子回折パターン(EBSP:Electron Back Scatter diffraction Pattern)により求めた結果を示している。EBSPは走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscopy)に専用の検出器を設け、電子ビームを結晶面に照射してその菊池線からの結晶方位同定をコンピューターで画像認識させることによって、そのミクロな結晶性を表面配向のみならず、結晶の全方向に関して測定するものである(以下、この手法を便宜上EBSP法と呼ぶ)。
【0072】
図23のデータは、開口部(凹部)においては線状に集光されたレーザー光の走査方向と平行な方向に結晶が成長していることを示している。成長の面方位は、特にチャネルが形成される表面近傍においては、<110>方位が優勢であるとみなすことができるが、その他に<100>方位の成長も存在している。
【0073】
以上のように、非晶質半導体膜に連続発振レーザー光を照射する結晶化において、半導体膜の下地側に開口部(又は、それに伴う凹凸形状)を設けることにより、当該開口部以外の領域に結晶化に伴う歪み又は応力を集中させることができ、結晶粒界など結晶性の悪い領域を選択的に形成することが可能となる。即ち、当該開口部に複数の結晶方位を有し、結晶粒界が形成されることなく、成長方向と平行な方向に延在する複数の結晶粒が集合した結晶性半導体膜を残存させることができる。このような結晶性半導体膜でチャネル形成領域が配設されるようにTFTを形成することにより、高速で電流駆動能力を向上させることが可能となり、素子の信頼性を向上させることも可能となる。
【0074】
(実施形態2)
本発明の結晶性半導体膜の形成において、実施の形態1で示すように非晶質半導体膜にレーザー光を照射して結晶化させても良いが、結晶化した後さらにレーザー光を照射して溶融させ、再結晶化しても良い。
【0075】
図3はその一例を示し、まず、実施の形態1と同様にして第1絶縁膜201、第2絶縁膜202、酸窒化珪素膜203、非晶質半導体膜204を形成する。非晶質半導体膜204には、珪素の結晶化温度を低温化させ配向性を向上させる等、結晶化を促進する触媒作用のある金属元素としてNiを添加する。Niの添加法に限定はなく、スピン塗布法、蒸着法、スパッタ法などを適用するこができる。スピン塗布法による場合には酢酸ニッケル塩が5〜10ppmの水溶液を塗布して金属元素含有層210を形成する。勿論、触媒元素はNiに限定されるものではなく、他の公知の材料を用いても良い。
【0076】
次いで、図3(B)で示すように550〜580℃、4〜8時間の加熱処理により非晶質半導体膜204を結晶化させて結晶性半導体膜211を形成する。この結晶性珪素膜511は棒状または針状の結晶が集合して成り、その各々の結晶は巨視的にはある特定の方向性をもって成長しているため、結晶性が揃っている。また、特定方位の配向率が高いという特徴がある。
【0077】
図3(C)で示すように、加熱処理により結晶化した結晶性半導体膜に対し、連続発振レーザー光又はそれと同等な強光を照射して溶融させ再結晶化する。こうして、表面がほぼ平坦化された結晶性半導体膜212を得ることができる。この結晶性半導体膜212も同様に結晶の成長端や結晶粒界は第2絶縁膜上(凸部上)に形成されている。また、結晶性半導体膜211において残存する非晶質領域もこの処理により結晶化させることができる。レーザー光を照射する対象として結晶性半導体膜を用いる利点は半導体膜の光吸収係数の変動率にあり、結晶化した半導体膜にレーザー光を照射して溶融させたとしても光吸収係数は殆ど変動しない。よって、レーザー照射条件のマージンを広くとることができる。
【0078】
その後、結晶性半導体膜212に残存する金属元素を取り除くゲッタリング処理を行うことが好ましい。結晶性半導体膜212に接して薄い酸化珪素等で形成されるバリア膜213を形成し、希ガス元素を1×1020/cm3以上の濃度で含有する非晶質珪素膜214をゲッタリングサイトとして形成する。加熱処理は500〜700℃にて行えば良い。この技術の詳細については、特願2001−019367号出願(又は特願2002−020801号出願)を参照されたい。また、このゲッタリング処理に伴う加熱処理は、結晶性半導体膜212の歪みを緩和するという効果も合わせ持っている。
【0079】
その後、図3(E)に示すように、非晶質珪素膜214、バリア膜213を除去し、実施の形態1と同様に、結晶性半導体膜212の表面をエッチングして開口部(凹部)に埋め込まれている結晶性半導体膜215を選択的に抽出する。こうして、複数の結晶方位を有し、結晶粒界が形成されていない結晶性半導体膜215を得ることができる。このような二段階の結晶化処理は、実施の形態1と比較して比較的歪みの少ない結晶性半導体膜を形成することを可能にする。
【0080】
(実施形態3)
次に、本実施の形態において開口部を有する下地絶縁膜上に結晶性珪素膜を形成し、その開口部に充填された充填領域にチャネル形成領域が配設されるTFTを作製する一形態を図4乃至図10を用いて説明する。尚、各図面において、(A)は上面図、(B)以降はそれに対応する各部位の縦断面図を示す。
【0081】
図4において、ガラス基板301上に30〜300nmの窒化珪素膜又は酸窒化アルミニウム膜でなる第1絶縁膜302を形成する。その上に酸化珪素膜又は酸窒化珪素膜を形成し、写真蝕刻により矩形状のパターンを有する第2絶縁膜303を形成する。酸化珪素膜はプラズマCVD法でTEOSとO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.6W/cm2で放電させ1000nmの厚さに堆積し、その後エッチングにより開口部304を形成する。この場合、開口部の深さは第2絶縁膜の厚さとほぼ同じ厚さで形成され0.01〜1μm、好ましくは0.05〜0.2μmを有している。
【0082】
そして図5で示すように第1絶縁膜302及び第2絶縁膜303上に酸化膜又は酸窒化珪素膜から成る第3絶縁膜305と非晶質半導体膜306を同一のプラズマCVD装置を用い大気に触れさせることなく連続的に成膜する。非晶質珪素膜605は珪素を主成分に含む半導体膜で形成し、プラズマCVD法でSiH4を原料気体として用い形成する。この段階では、図示するように開口部304の底面及び側面を被覆して平坦でない表面形状が形成される。
【0083】
そして、図6で示すように連続発振レーザー光を照射して結晶化させる。結晶化の条件は、連続発振モードのYVO4レーザー発振器を用い、その第2高調波(波長532nm)の出力2〜10Wを、光学系にて短手方向に対する長手方向の比が10以上である線状レーザー光に集光し、且つ長手方向に均一なエネルギー密度分布を有するように集光し、10〜200cm/secの速度で走査して結晶化させる。均一なエネルギー密度分布とは、完全に一定であるもの以外を排除することではなく、エネルギー密度分布において許容される範囲は±10%である。このようなレーザー光の照射は、図13で示す構成のレーザー処理装置を適用することができる。
【0084】
線状に集光されたレーザー光360の走査方向と開口部の配置との関係は図14に示されている。線状に集光されたレーザー光360の強度分布はその強度分布が長手方向において均一な領域を有していることが望ましい。これは加熱される半導体の温度が照射領域の温度を一定にすることが目的である。線状に集光されたレーザー光の長手方向(走査方向と交差する方向)に温度分布が生じると、結晶の成長方向をレーザー光の走査方向に限定することができなくなるためである。開口部304の配列は図示のように線状に集光されたレーザー光360の走査方向と合わせて配列させておくことで、結晶の成長方向と、全てのTFTのチャネル長方向とを合わせることができる。これによりTFTの素子間の特性ばらつきを小さくすることができる。
【0085】
この条件でレーザー光を照射することにより、非晶質半導体膜は瞬間的に溶融し結晶化させる。実質的には溶融帯が移動しながら結晶化が進行する。溶融した珪素は表面張力が働いて開口部(凹部)に凝集し固化する。これにより、図6に示すように開口部604を充填する形態で表面が平坦な結晶性半導体膜307が形成される。
【0086】
その後図7に示すように、少なくとも開口部304に結晶性半導体膜307が残存するようにエッチング処理を行いう。このエッチング処理により、第2絶縁膜303上にある結晶性半導体膜は除去され、開口部の形状に合わせて結晶性半導体膜から成る島状の半導体膜308が得られる。結晶性半導体膜はフッ素系のガスと酸素とをエッチングガスとして用いることにより下地の酸化膜と選択性をもってエッチングすることができる。例えば、エッチングガスとして、CF4とO2の混合ガスが適用される。この島状の半導体膜308は、実施の形態1で示したように、複数の結晶方位を有し、結晶粒界が形成されていないという特徴を有している。或いは、化学的機械研磨(CMP)により上面部をエッチングしても良い。島状の半導体膜308の厚さは0.01〜1μm、好ましくは0.05〜0.2μmである。
【0087】
尚、図7は、この島状の半導体膜308の形状、即ち、第1絶縁膜及び第2絶縁膜により形成される開口部304の形状を限定的に示すものではなく、実施の形態1で述べた如く、所定のデザインルールに従う範囲内において、特に限定されるものではない。例えば、図7の島状の半導体膜の形状は、複数個の短冊状の結晶性半導体膜は一対の矩形の結晶性半導体膜と連接した形態を有しており、後述するように、複数個の短冊状の結晶性半導体膜にTFTのチャネル形成領域が配置される形態となっている。
【0088】
図8は、島状の半導体膜308の上面及び側面を覆いゲート絶縁膜として用いる第4絶縁膜310、ゲート電極として用いる導電膜311を形成する。第4絶縁膜310は、30〜200nmの酸化珪素膜又は酸窒化珪素膜を形成する。また、導電膜311はタングステン又はタングステンを含有する合金等で形成する。
【0089】
図9では、島状の半導体膜308に一導電型の不純物領域313を形成する段階を示している。この不純物領域313は、ゲート電極として用いる導電膜311をマスクとして、自己整合的に形成しても良いし、フォトレジスト等でマスキングして形成しても良い。不純物領域313はソース及びドレイン領域を形成し、必要に応じて低濃度ドレイン領域を適宜設けることもできる。
【0090】
この不純物領域313は、不純物イオンを電界で加速して半導体膜に注入するイオン注入法又はイオンドーピング法などが適用される。この場合において、注入するイオン種の質量分離の有無は本発明を適用する上で本質的な問題とはならない。
【0091】
そして、図10に示すように50〜100nm程度の水素を含有する窒化珪素膜又は酸窒化珪素膜による第5絶縁膜314を形成する。この状態で400〜450℃に熱処理をすることにより窒化珪素膜又は酸窒化珪素膜が含有する水素が放出され島状の半導体膜に対する水素化を行うことができる。酸化珪素膜等で形成する第6絶縁膜を形成し、ソース及びドレイン領域を形成する不純物領域313と接触する配線316を形成する。
【0092】
こうしてTFTを作製することができる。図4〜図10を用いて説明したTFTの構成は、複数のチャネル形成領域が並列に配設され、一対の不純物領域と連接して設けられたマルチチャネル型のTFTを示している。この構成において、並列に配設するチャネル形成領域の数に限定はなく、必要に応じて複数個配設すれば良い。このチャネル形成領域は、複数の結晶方位を有し、結晶粒界が形成されることなく、チャネル長方向と平行な方向に延在する複数の結晶粒が集合した結晶性半導体膜で形成されている。
【0093】
(実施形態4)
図11は低濃度ドレイン(LDD)構造を持ったnチャネル型マルチチャネルTFTと、pチャネル型マルチチャネルTFTとでCMOS構造の基本回路であるインバータ回路を構成する一例を示している。図11において、第2絶縁膜320、開口部321、島状の半導体膜322、323は実施の形態3と同様にして形成される。
【0094】
図11(A)は上面図を示し、島状の半導体膜322にはソース及びドレイン領域を形成する第1n型不純物領域333が形成され、島状の半導体膜323にはソース及びドレイン領域を形成する第1p型不純物領域334が形成され、その他にゲート電極を形成する導電層330、ソース及びドレイン配線337〜339が形成されている。島状の半導体膜323の厚さは0.01〜1μm、好ましくは0.05〜0.2μmである。
【0095】
図11(B)及び(C)はG−G’線及びH−H’線に対応した縦断面図を示し、nチャネル型のTFTには第1n型不純物領域333に隣接してLDD領域を形成する第2n型不純物領域が形成されている。ゲート電極330は二層構造であり、第1n型不純物領域322、第2n型不純物領域及び第1p型不純物領域は自己整合的に形成することができる。331はチャネル形成領域である。このようなゲート電極と不純物領域、及びその作製方法の詳細については、特開2002−14337号公報又は特願2001−011085号出願を参照されたい。
【0096】
その他、図11で示す第5絶縁膜314、第6絶縁膜315は実施の形態3と同じものが適用されるのでここでは説明を省略する。
【0097】
(実施形態5)
実施の形態3で示すマルチチャネルTFTにおいて、ゲート電極の構成が異なる一例を図12により示す。尚、ゲート電極及びLDD領域の構成以外は、実施の形態3と同じであり、共通の符号を用いて示し、詳細な説明は省略する。
【0098】
図12で示すTFTの構造はゲート電極を窒化チタン又は窒化タンタルなど窒化物金属350aとタングステン又はタングステン合金など高融点金属351bで形成する一例であり、ゲート電極350bの側面にスペーサ351を設けている。スペーサ351は酸化珪素などの絶縁体で形成しても良いし、導電性を持たせるためにn型の多結晶珪素で形成しても良く、異方性ドライエッチングにより形成する。LDD領域352はこのスペーサを形成する前に形成することにより、ゲート電極350bに対し自己整合的に形成することができる。スペーサを導電性材料で形成した場合には、LDD領域が実質的にゲート電極と重畳するゲート・オーバーラップLDD(Gate−Overlapped LDD)構造とすることができる。
【0099】
このようなスペーサを設けて自己整合的にLDD領域を形成する構造は、特にデザインルールを微細化する場合において有効である。また、ここでは単極性のTFT構造を示したが、実施の形態4と同様にCMOS構造を形成することもできる。
【0100】
(実施形態6)
本実施の形態は、開口部を有する下地絶縁膜上に結晶性珪素膜を形成し、その開口部に充填された充填領域にチャネル形成領域が配設されるTFTを作製する一例を示す。
【0101】
図31において、ガラス基板601上に100nmの窒酸化珪素膜でなる第1絶縁膜602を形成する。その上に酸化珪素膜を形成し、写真蝕刻により矩形状のパターンを有する第2絶縁膜603を形成する。酸化珪素膜はプラズマCVD法でTEOSとO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.6W/cm2で放電させ150nmの厚さに堆積し、その後エッチングにより開口部604a、604bを形成する。
【0102】
尚、図31において(A)は上面図、(B)はA−A’線に対応する縦断面図、(C)はB−B’線に対応する縦断面図を示す。以降、図32〜図36は同様の扱いとする。
【0103】
そして図32で示すように第1絶縁膜602及び第2絶縁膜603を覆う非晶質珪素膜605を150nmの厚さで形成する。非晶質珪素膜605はプラズマCVD法でSiH4を原料気体として用い形成する。
【0104】
そして、図33で示すように連続発振レーザー光を照射して結晶化させる。結晶化の条件は、連続発振モードのYVO4レーザー発振器を用い、その第2高調波(波長532nm)の出力5.5Wを長手方向に400μm、短手方向に50〜100μmに光学系にて長手方向に均一なエネルギー密度分布を有するように集光し、50cm/secの速度で走査して結晶化させる。均一なエネルギー密度分布とは、完全に一定であるもの以外を排除することではなく、エネルギー密度分布において許容される範囲は±5%である。このようなレーザー光の照射は、図13で示す構成のレーザー処理装置を適用することができる。光学系にて集光したレーザー光は、その強度分布が長手方向において均一な領域を有し、短手方向に分布を持っていても良い。結晶化はこの強度分布が長手方向において均一な領域で成されるようにし、これによりレーザー光の走査方向と平行な方向に結晶成長する効力を高めることができる。
【0105】
この条件でレーザー光を照射することにより、非晶質珪素膜は瞬間的に溶融し溶融帯が移動しながら結晶化が進行する。溶融した珪素は表面張力が働いて開口部(凹部)に凝集し固化する。これにより、開口部604a、604bを充填する形態で結晶性半導体膜606が形成される。
【0106】
その後図34に示すように、少なくとも開口部604a、604bに結晶性半導体膜が残存するようにマスクパターンを形成してエッチング処理を施し、チャネル形成領域を含む島状の半導体領域607、608を形成する。
【0107】
図35は、半導体領域607、608の上層側にゲート絶縁膜609、ゲート電極610、611が形成された状態を示している。ゲート絶縁膜は80nmの酸化珪素膜をプラズマCVD法で形成すれば良い。ゲート電極610、611はタングステン又はタングステンを含有する合金で形成する。このような構造とすることにより、開口部604a、604bを充填する島状の半導体領域にチャネル形成領域を設けることができる。
【0108】
以降、ソース及びドレイン領域、低濃度ドレイン領域等を適宜形成すればTFTを完成させることができる。
【0109】
(実施形態7)
実施の形態6と同様な工程で形成されるものであるが、図36で示すように、第2絶縁膜603に形成する開口部の形状を、細長い短冊状の領域とそれと連接する領域とで形成し、その開口部604cに合わせて結晶性珪素膜で成る島状の半導体領域620を形成し、ゲート絶縁膜621、ゲート電極622を形成することにより、シングルゲート・マルチチャネル型のTFTを形成することができる。
【0110】
(実施形態8)
実施例7において、第2絶縁膜を非晶質半導体膜の厚さよりも厚く形成し、例えば350nmで形成することで、図37に示すように、結晶性半導体膜で形成される島状の半導体領域620を開口部604dに完全に埋め込むことができる。そして、ゲート絶縁膜621及びゲート電極622を同様に形成すればシングルゲート・マルチチャネル型のTFTを形成することができる。
【0111】
(実施形態9)
図38はシングルゲート・マルチチャネル型のTFTの他の一例を示している。基板601上に第1絶縁膜602、第2絶縁膜603、島状の半導体領域630、ゲート絶縁膜631、ゲート電極632は実施例1乃至3と同様に形成するものである。図38において異なる部分は、第2絶縁膜603で形成される開口部604eの他に、島状の半導体領域630が形成された後において、チャネル形成領域が形成される当該半導体領域の周辺の第2絶縁膜を除去して第2の開口部625を形成している点にある。
【0112】
チャネル形成領域付近の形態を図38(D)に拡大図として示すが、島状の半導体領域630の側面及び上面に接してゲート絶縁膜631が形成され、それを覆う形でゲート電極632が形成されることになり、この場合チャネル形成領域は半導体領域630の上部634と側面部635の両方に形成されることになる。これにより空乏化領域を増やすことができ、TFTの電流駆動能力を向上させることができる。
【0113】
(実施形態10)
本発明は様々な半導体装置に適用できるものであり、実施の形態1乃至5に基づいて作製される表示パネルの形態を説明する。
【0114】
図15は基板900には画素部902、ゲート信号側駆動回路901a、901b、データ信号側駆動回路901c、入出力端子部908、配線又は配線群917が備えられている。シールパターン940はゲート信号側駆動回路901a、901b、データ信号側駆動回路901c及び当該駆動回路部と入力端子とを接続する配線又は配線群917と一部が重なっていても良い。このようにすると、表示パネルの額縁領域(画素部の周辺領域)の面積を縮小させることができる。外部入力端子部には、FPC936が固着されている。
【0115】
さらに、本発明のTFTを用いてマイクロプロセッサ、メモリ、又はメディアプロセッサ/DSP(Digital Signal Processor)等が形成されたチップが実装されていても良い。これらの機能回路は、画素部902、ゲート信号側駆動回路901a、901b、データ信号側駆動回路901cとは異なるデザインルールで形成されるものであり、具体的には1μm以下のデザインルールが適用される。実装の方法に限定はなくCOG方式等が適用されている。
【0116】
例えば、実施の形態3乃至5で示すTFTは画素部902のスイッチング素子として、さらにゲート信号側駆動回路901a、901b、データ信号側駆動回路901cを構成する能動素子として適用することができる。
【0117】
図19はは画素部902の一画素の構成を示す一例であり、TFT801〜803が備えられている。これらは、画素に備える発光素子や液晶素子を制御するそれぞれスイッチング用、リセット用、駆動用のTFTである。これらのTFTの作製工程は図16乃至図19により示されている。尚、工程の詳細は実施の形態3と同様であり詳細な説明は省略する。
【0118】
図16は第2絶縁膜503と、それに開口部504、505を形成した段階を示している。図17では、開口部504、505を形成した後、非晶質半導体膜506を堆積し、それに線状に集光されたレーザー光507を照射して結晶性半導体膜508を形成する段階を示している。
【0119】
図18は第2絶縁膜503上にある結晶性半導体膜をエッチングにより選択的に除去し、開口部を充填する形で結晶性半導体膜でなる島状の半導体膜509、510が形成された状態を示している。
【0120】
さらに、ゲート絶縁膜(図示せず)及びゲート電極(又はゲート配線)514〜516を形成する。開口部511〜513は島状の半導体膜509、510がゲート電極(又はゲート配線)514〜516と交差する位置に合わせて形成されるものである。これにより、実施の形態3と同様なゲート構造を得ることができる。その後、n型又はp型の不純物領域を形成し、絶縁膜を介して電源線819、その他各種配線820、821及び画素電極517を形成することにより、図19で示す画素構造を得ることができる。
【0121】
図20(A)は図19におけるA−A’線に対応する縦断面図を示している。さらに図20(B)に示すように画素電極517を用いて有機発光素子を形成することができる。
【0122】
図20(B)は発光素子33からの発光が基板側とは反対側に放射する形態(上方放射型)のを示している。配線520と接続する発光素子33の一方の電極である陰極を画素電極517で形成する。有機化合物層27は陰極側から電子注入輸送層、発光層、正孔注入輸送層の順で形成する。その上層側に形成される陽極29との間には薄い透光性の金属層28が設けられている。陽極29は酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)など透光性導電膜を抵抗加熱蒸着法で形成する。この金属層28は陽極29を形成するに当たり、有機化合物層27にダメージがおよび、素子特性が悪化するのを防いでいる。その後形成する保護膜24、パッシベーション膜25はを形成する。
【0123】
有機化合物層21を低分子有機化合物で形成する場合には、銅フタロシアニン(CuPc)と芳香族アミン系材料であるMTDATA及びα−NPDで形成される正孔注入輸送層、トリス−8−キノリノラトアルミニウム錯体(Alq3)で形成される電子注入層兼発光層を積層させて形成することができる。Alq3は一重項励起状態からの発光(蛍光)を可能としている。
【0124】
輝度を高めるには三重項励起状態からの発光(燐光)を利用することが好ましい。この場合には、有機化合物層21としてフタロシアニン系材料であるCuPcと芳香族アミン系材料であるα−NPDで形成される正孔注入輸送層上に、カルバゾール系のCBP+Ir(ppy)3を用いて発光層を形成し、さらにバソキュプロイン(BCP)を用いて正孔ブロック層、Alq3による電子注入輸送層を積層させた構造とすることもできる。
【0125】
上記二つの構造は低分子系有機化合物を用いた例であるが、高分子系有機化合物と低分子系有機化合物を組み合わせた有機発光素子を実現することもできる。例えば、有機化合物層21として陽極側から、高分子系有機化合物のポリチオフェン誘導体(PEDOT)により正孔注入輸送層、α−NPDによる正孔注入輸送層、CBP+Ir(ppy)3による発光層、BCPによる正孔ブロック層、Alq3による電子注入輸送層を積層させても良い。正孔注入層をPEDOTに変えることにより、正孔注入特性が改善され、発光効率を向上させることができる。
【0126】
いずれにしても、三重項励起状態かからの発光(燐光)は、一重項励起状態からの発光(蛍光)よりも発光効率が高く、同じ発光輝度を得るにも動作電圧(有機発光素子を発光させるに要する電圧)を低くすることが可能である。
【0127】
このように本発明を用いて有機発光素子を用いた表示パネルを作製することができる。また、ここでは例示しなかったが、液晶の電気光学特性を利用した表示パネルを作製することもできる。
【0128】
(実施の形態11)
本実施の形態では、図1に示した第2絶縁膜202を形成するにあたって、ガラス基板をエッチングストッパーとして用い、第2絶縁膜202上に第1絶縁膜201に相当する絶縁膜を形成する例を示す。
【0129】
図26(A)において、まずガラス基板701上に酸化珪素又は酸窒化珪素で10〜3000nm、好ましくは100〜2000nmの厚さで所定の形状で開口部が形成された第2絶縁膜702を形成する。詳細は、実施の形態1と同様である。開口部の形成は、ウェットエッチングでもドライエッチングでも良いが、本実施例では、CHF3ガスを用いたドライエッチングを用いる。この場合、ガス流量は30〜40sccm、反応圧力は2.7〜4.0kPa、印加電力は500W、基板温度は20℃とすれば良い。
【0130】
また、本実施の形態の場合、ガラス基板701としては、酸化珪素膜との選択比の高い材質(例えば、コーニング社製1737ガラス基板等)を用いることが好ましい。選択比が高ければ第2絶縁膜702の形成にあたって、ガラス基板701をそのままエッチングストッパーとして用いることが可能だからである。
【0131】
そして、第2絶縁膜702を形成したら、その上を窒化珪素、窒素含有量が酸素含有量よりも大きな酸窒化珪素またはこれらの積層でなる第1絶縁膜703で覆い、さらにその上に非晶質半導体膜704を形成して、図26(B)の状態を得る。これら第1絶縁膜703及び非晶質半導体膜704の詳細については、実施の形態1の記載を参照すれば良い。図26(B)以降の工程は、実施の形態1に従えば良いのでここでの説明は省略する。
【0132】
本実施の形態によれば、ガラス基板701と第2絶縁膜702との選択比を十分高く確保することが可能であるため、第2絶縁膜702の開口部を形成する際のプロセスマージンが向上する。また、第2絶縁膜702の下端部におけるえぐれ等の問題も起こることがない。さらに、第2絶縁膜702を設けない部分は、ガラス基板上に窒化珪素膜、窒素含有量が酸素含有量よりも大きな酸窒化珪素またはこれらの積層膜という構成となるため、窒化アルミニウム等の特殊な絶縁膜を用いる必要がない。
【0133】
尚、本実施の形態は、実施の形態1〜10のいずれの構成とも自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0134】
(実施の形態12)
本発明を用いて様々な装置を完成させることができる。その一例は、携帯情報端末(電子手帳、モバイルコンピュータ、携帯電話等)、ビデオカメラ、デジタルカメラ、パーソナルコンピュータ、テレビ受像器、携帯電話、投影型表示装置等が挙げられる。それらの一例を図24、図25に示す。
【0135】
図24(A)は本発明を適用してテレビ受像器を完成させる一例であり、筐体3001、支持台3002、表示部3003等により構成されている。本発明により作製されるTFTは表示部3003の他に、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSIなど様々な集積回路をガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりテレビ受像器を完成させることができる。
【0136】
図24(B)は本発明を適用してビデオカメラを完成させた一例であり、本体3011、表示部3012、音声入力部3013、操作スイッチ3014、バッテリー3015、受像部3016等により構成されている。本発明により作製されるTFTは表示部3012の他に、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSIなど様々な集積回路をガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりビデオカメラを完成させることができる。
【0137】
図24(C)は本発明を適用してノート型のパーソナルコンピュータを完成させた一例であり、本体3021、筐体3022、表示部3023、キーボード3024等により構成されている。本発明により作製されるTFTは表示部3023の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、暗号LSIなど様々な集積回路をガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりパーソナルコンピュータを完成させることができる。
【0138】
図24(D)は本発明を適用してPDA(Personal Digital Assistant)を完成させた一例であり、本体3031、スタイラス3032、表示部3033、操作ボタン3034、外部インターフェース3035等により構成されている。本発明により作製されるTFTは表示部3033の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、暗号LSIなど様々な集積回路をガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりPDAを完成させることができる。
【0139】
図24(E)は本発明を適用して音響再生装置を完成させた一例であり、具体的には車載用のオーディオ装置であり、本体3041、表示部3042、操作スイッチ3043、3044等により構成されている。本発明により作製されるTFTは表示部3042の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、増幅回路など様々な集積回路をガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりオーディオ装置を完成させることができる。
【0140】
図24(F)は本発明を適用してデジタルカメラを完成させた一例であり、本体3051、表示部(A)3052、接眼部3053、操作スイッチ3054、表示部(B)3055、バッテリー3056等により構成されている。本発明により作製されるTFTは表示部(A)3052および表示部(B)3055の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、暗号LSIなど様々な集積回路をガラス上に形成し組み込むことができ、本発明によりデジタルカメラを完成させることができる。
【0141】
図24(G)は本発明を適用して携帯電話を完成させた一例であり、本体3061、音声出力部3062、音声入力部3063、表示部3064、操作スイッチ3065、アンテナ3066等により構成されている。本発明により作製されるTFTは表示部3064の他、各種論理回路、高周波回路、メモリ、マイクロプロセッサ、メディアプロセッサ、グラフィクス用LSI、暗号LSI、携帯電話用LSIなど様々な集積回路をガラス上に形成し組み込むことができ、本発明により携帯電話を完成させることができる。
【0142】
図25(A)はフロント型プロジェクターであり、投射装置2601、スクリーン2602等を含む。図25(B)はリア型プロジェクターであり、本体2701、投射装置2702、ミラー2703、スクリーン2704等を含む。
【0143】
尚、図25(C)は、図25(A)及び図25(B)中における投射装置2601、2702の構造の一例を示した図である。投射装置2601、2702は、光源光学系2801、ミラー2802、2804〜2806、ダイクロイックミラー2803、プリズム2807、液晶表示装置2808、位相差板2809、投射光学系2810で構成される。投射光学系2810は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図25(C)中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0144】
また、図25(D)は、図25(C)中における光源光学系2801の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系2801は、リフレクター2811、光源2812、レンズアレイ2813、2814、偏光変換素子2815、集光レンズ2816で構成される。尚、図25(D)に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0145】
尚、ここで示す装置はごく一例であり、これらの用途に限定するものではない。
【0146】
【発明の効果】
以上説明したように、半導体膜を溶融状態として表面張力により絶縁表面上に形成した開口部に凝集させ、開口部の底部と側面部の概略交点から結晶成長させることにより結晶化に伴い発生する歪みを開口部以外の領域に集中させることができる。この開口部以外の領域にある結晶性半導体膜をエッチング除去することにより、結晶性の良い領域を選択的に取り出すことができる。
【0147】
さらに、トランジスタ等の半導体素子、特にTFTのチャネル形成領域の場所を指定して、結晶粒界が存在しない結晶性半導体膜を形成することができる。これにより不用意に介在する結晶粒界や結晶欠陥により特性がばらつく要因を無くすことができ、特性ばらつきの小さいTFT又はTFT素子群を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における結晶化方法を説明する図。
【図2】結晶化における開口部の形状と結晶性半導体膜の形態との関係の詳細を説明する縦断面図。
【図3】本発明における結晶化方法を説明する図。
【図4】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図5】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図6】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図7】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図8】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図9】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図10】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図11】本発明により作製されるTFTの構造を説明する上面図及び縦断面図。
【図12】本発明により作製されるTFTの構造を説明する上面図及び縦断面図。
【図13】本発明に適用するレーザー照射装置の一態様を示す配置図。
【図14】本発明における線状に集光されたレーザー光とその走査方向を説明する図。
【図15】本発明を用いて作製される半導体装置の外観図の一例。
【図16】図15で示す半導体装置の画素部の作製工程を説明する上面図。
【図17】図15で示す半導体装置の画素部の作製工程を説明する上面図。
【図18】図15で示す半導体装置の画素部の作製工程を説明する上面図。
【図19】図15で示す半導体装置の画素部の構造を説明する上面図。
【図20】図19に対応する画素部の構造を説明する縦断面図。
【図21】170nmの段差を設け、0.5μmの凸部の幅と間隔を設けた下地絶縁膜上に150nmの非晶質珪素膜を形成して結晶化したときの表面状態を表す走査電子顕微鏡(SEM)写真(セコエッチ後)。
【図22】170nmの段差を設け、1.8μmの凸部の幅と間隔を設けた下地絶縁膜上に150nmの非晶質珪素膜を形成して結晶化したときの表面状態を表す走査電子顕微鏡(SEM)写真(セコエッチ後)。
【図23】凹部に形成された結晶の配向を示すEBSPマッピングデータ。
【図24】半導体装置の一例を示す図。
【図25】プロジェクターの一例を示す図。
【図26】本発明における結晶化方法を説明する図。
【図27】本発明における結晶化方法を説明する斜視図。
【図28】本発明における結晶化方法を説明する斜視図。
【図29】本発明における結晶化方法を説明する斜視図。
【図30】本発明における結晶化方法を説明する斜視図。
【図31】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図32】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図33】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図34】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図35】本発明により作製されるTFTの作製工程を説明する上面図及び縦断面図。
【図36】本発明により作製されるTFTの一例を説明する上面図及び縦断面図。
【図37】本発明により作製されるTFTの一例を説明する上面図及び縦断面図。
【図38】本発明により作製されるTFTの一例を説明する上面図及び縦断面図。
【図39】熱解析のシミュレーションに用いた構造を示す断面図。
【図40】熱解析のシミュレーションの結果を示すグラフ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device formed using a semiconductor film having a crystal structure and a method for manufacturing the same, particularly including a field-effect transistor in which a channel formation region is formed using a crystalline semiconductor film formed over an insulating surface. The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
There is known a technique in which an amorphous semiconductor film is formed on an insulating substrate made of glass or the like and crystallized by irradiation with a laser beam. A thin film transistor (hereinafter, referred to as a TFT) manufactured using a semiconductor film having a crystal structure (a crystalline semiconductor film) is applied to a flat display device (flat panel display) represented by a liquid crystal display device.
[0003]
The application of laser light in the semiconductor manufacturing process is a technique for recrystallizing a damaged layer or an amorphous layer formed on a semiconductor substrate or a semiconductor film, and a technique for crystallizing an amorphous semiconductor film formed on an insulating surface. Has been expanded to. As a laser oscillation device to be applied, a gas laser typified by an excimer laser or a solid laser typified by a YAG laser is usually used.
[0004]
One example of crystallization of an amorphous semiconductor film by irradiation with laser light is to set the scanning speed of laser light to a beam spot diameter × 5000 / sec or more without bringing the amorphous semiconductor film into a completely molten state by high-speed scanning. There are known a method of polycrystallization (for example, see Patent Document 1) and a method of processing and irradiating a linear beam with an optical system using a laser processing apparatus (for example, see Patent Document 2). ).
[0005]
Further, Nd: YVO 4 A solid-state laser oscillator such as a laser is used to irradiate the amorphous semiconductor film with laser light that is the second harmonic thereof to form a crystalline semiconductor film having a larger crystal grain size as compared with the conventional one, thereby manufacturing a TFT. A technique is disclosed (for example, refer to Patent Document 3).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-62-104117
[Patent Document 2]
JP-A-8-195357
[Patent Document 3]
JP 2001-144027 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to form a high-quality crystalline semiconductor film with a small number of defects, crystal grain boundaries or crystal sub-grain boundaries, and a uniform orientation on an insulating surface, as is known as a zone melting method or the like. The mainstream method has been to recrystallize a semiconductor film on a single crystal substrate by heating the semiconductor film to a high temperature to obtain a molten state.
[0008]
Since the step of the base is used as in the known graphoepitaxy technique, it is considered that the problem is that crystals grow along the step and the step remains on the surface of the formed single crystal semiconductor film. Have been. Furthermore, a single crystal semiconductor film cannot be formed on a glass substrate having a relatively low strain point by using graphoepitaxy.
[0009]
On the other hand, when an amorphous semiconductor film formed on a flat surface is crystallized by irradiating a laser beam with a laser beam, the crystal becomes polycrystalline, and defects such as crystal grain boundaries are formed arbitrarily and crystals with uniform alignment are formed. I couldn't get it.
[0010]
It is considered that a large number of crystal defects are generated at the crystal grain boundaries and serve as carrier traps, which cause a decrease in the mobility of electrons or holes. Further, a semiconductor film free from defects such as volume shrinkage of a semiconductor caused by crystallization, thermal stress with a base, lattice mismatch, and the like, and a crystal grain boundary or a sub-grain boundary cannot be formed. Therefore, except for the bonded SOI (Silicon on Insulator), the same quality as a MOS transistor formed on a single crystal substrate can be obtained with a crystalline semiconductor film formed on an insulating surface and crystallized or recrystallized. I couldn't do that.
[0011]
In any case, it was impossible to form a crystalline semiconductor film having no volume shrinkage of the semiconductor caused by crystallization, defects due to thermal stress or lattice mismatch with the base, and no grain boundaries or sub-grain boundaries. Therefore, except for the bonded SOI (Silicon on Insulator), the same quality as a MOS transistor formed on a single crystal substrate can be obtained with a crystalline semiconductor film formed on an insulating surface and crystallized or recrystallized. I couldn't do that.
[0012]
For example, when a TFT is formed by forming a semiconductor film on a glass substrate, the TFT is arranged independently of an arbitrarily formed crystal grain boundary, and the crystallinity of a channel forming region of the TFT is strictly controlled. However, the characteristics are degraded due to arbitrarily interposed crystal grain boundaries and crystal defects, and individual element characteristics are varied.
[0013]
The present invention has been made in view of the above problems, and forms a crystalline semiconductor film in which a crystal grain boundary does not exist as much as possible in at least a channel formation region on an insulating surface, enables high-speed operation, and has a high current driving capability. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device including a semiconductor element or a semiconductor element group having small variations among a plurality of elements.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention forms an insulating film provided with an opening over a substrate having an insulating surface, and an amorphous semiconductor film or a crystal grain boundary is arbitrarily formed over the insulating film and the opening. An existing semiconductor film having a polycrystalline structure is formed, and a crystalline semiconductor film is formed so as to fill an opening thereof. That is, the semiconductor film is melted and then crystallized or recrystallized so that the melted semiconductor flows into the opening of the insulating film to form a crystalline semiconductor film. Then, the crystalline semiconductor film extending to a region other than the opening is removed to leave the crystalline semiconductor film in the opening, and a gate insulating film and a gate electrode in contact with the upper surface of the crystalline semiconductor film are formed. It is characterized by the following.
[0015]
The opening may be formed by directly etching the surface of the insulating substrate, or may be formed by using a silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride film, or the like and etching the film. The opening is preferably formed in accordance with the arrangement of the island-shaped semiconductor film including the channel forming region of the TFT, and is preferably formed so as to match at least the channel forming region. The opening extends in the channel length direction. The width of the opening (channel width direction in the case of forming a channel formation region) is 0.01 μm or more and 2 μm or less, preferably 0.1 to 1 μm, and the depth is 0.01 μm or more and 1 μm or less, preferably 0 μm or less. It is formed in a thickness of not less than 0.05 μm and not more than 0.2 μm.
[0016]
In the first stage, a semiconductor film formed over the insulating film and over the opening is formed by an amorphous semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film formed by a plasma CVD method, a sputtering method, a low-pressure CVD method, or a solid phase growth. A polycrystalline semiconductor film or the like is used. Note that the term “amorphous semiconductor film” in the present invention means not only a film having a completely amorphous structure in a narrow sense, but also a state containing fine crystal grains, or a so-called microcrystalline semiconductor film, Includes a semiconductor film having a crystal structure. Typically, an amorphous silicon film is applied. In addition, an amorphous silicon germanium film, an amorphous silicon carbide film, or the like can be used. The polycrystalline semiconductor film is obtained by crystallizing these amorphous semiconductor films by a known method.
[0017]
As a means for melting and crystallizing the crystalline semiconductor film, a pulsed or continuous wave laser beam using a gas laser oscillator or a solid laser oscillator as a light source is used. The laser light to be irradiated is linearly condensed by an optical system, and its intensity distribution has a uniform region in the longitudinal direction and may have a distribution in the lateral direction. As the oscillation device, a rectangular beam solid laser oscillation device is applied, and particularly preferably, a slab laser oscillation device is applied. Alternatively, it is a solid-state laser oscillation device using a rod doped with Nd, Tm, and Ho, and in particular, YAG, YVO 4 , YLF, YAlO 3 A solid-state laser oscillation device using a crystal in which Nd, Tm, and Ho are doped into a crystal such as the above may be combined with a slab structure amplifier. As the slab material, crystals such as Nd: YAG, Nd: GGG (gadolinium / gallium / garnet), and Nd: GsGG (gadolinium / scandium / gallium / garnet) are used. In the slab laser, the laser beam travels in a zigzag optical path in this plate-shaped laser medium while repeating total reflection.
[0018]
Further, strong light corresponding thereto may be applied. For example, the light emitted from a halogen lamp, a xenon lamp, a high-pressure mercury lamp, a metal halide lamp, or an excimer lamp may be a light having a high energy density collected by a reflecting mirror or a lens.
[0019]
The laser light or intense light that is condensed linearly and extended in the longitudinal direction irradiates the crystalline semiconductor film, and relatively moves the irradiation position of the laser light and the substrate on which the crystalline semiconductor film is formed, The crystalline semiconductor film is melted by scanning a part or the entire surface of the crystalline semiconductor film with the laser light, and crystallization or recrystallization is performed through the state. The scanning direction of the laser light is along the longitudinal direction of the opening or the channel length direction of the transistor. Thereby, the crystal grows along the scanning direction of the laser light, and it is possible to prevent the crystal grain boundary or the crystal sub-grain boundary from intersecting with the channel length direction.
[0020]
The semiconductor device of the present invention manufactured as described above is provided with an insulating film having an opening formed on a substrate having an insulating surface, and a crystalline semiconductor film formed on the substrate is a region filling the opening. And the filling region is provided with a channel forming region. In addition, it is formed on the insulating surface, is connected between the pair of one conductivity type impurity regions, has a plurality of crystal orientations, and extends in a direction parallel to the channel length direction without forming crystal grain boundaries. A crystalline semiconductor film in which a plurality of existing crystal grains are aggregated, and the crystalline semiconductor film is embedded in an opening having a depth equal to or substantially equal to the thickness of the crystalline semiconductor film.
[0021]
In another structure, an insulating film provided with an opening extending in a channel length direction is provided over a substrate having an insulating surface, and a crystalline semiconductor film formed over the substrate has a region filling the opening. And a channel formation region is provided in the filling region, and the opening has a depth equal to or greater than that of the crystalline semiconductor film.
[0022]
That is, it is formed on the insulating surface, has a plurality of crystal orientations connected to a pair of one conductivity type impurity regions, and extends in a direction parallel to the channel length direction without forming a crystal grain boundary. A channel formation region is formed by a crystalline semiconductor film in which a plurality of crystal grains are aggregated and a conductive layer overlapping with the crystalline semiconductor film with an insulating layer interposed therebetween, and the crystalline semiconductor film is formed in a channel width direction. Is 0.01 μm to 2 μm, preferably 0.1 to 1 μm, and the thickness is 0.01 μm or more and 1 μm, preferably 0.05 to 0.2 μm, and the crystalline semiconductor film has the same or the same thickness. It is characterized by being buried in the opening.
[0023]
When the depth of the opening is substantially equal to the thickness of the semiconductor film, the semiconductor melted by irradiation with laser light or strong light is aggregated and solidified in the opening (that is, the concave portion) by surface tension. As a result, the thickness of the semiconductor film in the opening (ie, the projection) becomes thin, and stress strain can be concentrated there. The side surfaces of the opening have the effect of defining the crystal orientation to some extent. The angle of the side surface of the opening is 5 to 90 degrees with respect to the substrate surface, preferably 30 to 90 degrees. By scanning the laser light in a direction parallel to the channel length direction, a specific crystal orientation can be preferentially oriented along an opening extending in the direction.
[0024]
After the semiconductor film is melted by irradiation with laser light or strong light, solidification starts from a region where the bottom surface and the side surface of the opening intersect, from which crystal growth starts. For example, as a result of performing a thermal analysis simulation at points A to D in a system in which a stepped shape is formed by the insulating film (1) and the insulating film (2) as shown in FIG. 39, characteristics as shown in FIG. 40 are obtained. ing. Since there is both the insulating film (2) immediately below {circle around (1)} and the insulating film (1) existing on the side surface as a place where heat escapes, the temperature decreases at point B most quickly. Hereinafter, point A, point C, and point D are in that order. This simulation result is for the case where the angle of the side wall is 45 degrees, but the same phenomenon can be qualitatively observed when the angle is 90 degrees. That is, the semiconductor film is once brought into a molten state, aggregated in an opening formed on an insulating surface by surface tension, and crystal is grown from a substantially intersection of a bottom and a side wall of the opening, thereby causing distortion generated by crystallization to occur in the opening. Can be concentrated in other areas. That is, the crystalline semiconductor film formed so as to fill the opening can be free from distortion.
[0025]
The semiconductor film is brought into a molten state, aggregated in an opening formed on the insulating surface by surface tension, and crystal is grown from a general intersection of the bottom and the side of the opening, thereby distorting a strain caused by crystallization in other than the opening. You can concentrate on the area. That is, the crystalline semiconductor film formed so as to fill the opening can be released from distortion. Then, the crystalline semiconductor film which remains on the insulating film and includes crystal grain boundaries and crystal defects is removed by etching.
[0026]
According to the present invention, it is possible to form a crystalline semiconductor film having no crystal grain boundary by specifying the location of a channel formation region of a semiconductor element such as a transistor, particularly a TFT. As a result, it is possible to eliminate a factor in which the characteristics vary due to crystal grain boundaries or crystal defects that are inadvertently interposed, and it is possible to form a TFT or a TFT element group with small characteristic variations.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that the form and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below.
[0028]
The present invention provides an insulating film in which an opening is provided over a substrate having an insulating surface, and an amorphous semiconductor film or a semiconductor film having a polycrystalline structure in which a crystal grain boundary exists arbitrarily over the insulating film and the opening. Is formed, and a crystalline semiconductor film is formed by filling the opening. First, the mode will be described with reference to FIG.
[0029]
The perspective view shown in FIG. 27 shows a mode in which a first
[0030]
The width W1 of the band-shaped second insulating film is 0.1 to 10 μm (preferably 0.5 to 1 μm), and the interval W2 between adjacent second insulating films is 0.1 to 5 μm (preferably 0.5 to 1 μm). ), And the thickness d of the second insulating film is formed to be equal to or greater than the thickness of the non-single-crystal semiconductor film formed thereon. The step shape does not need to be a regular periodic pattern, and may be formed according to the arrangement and shape of the island-shaped semiconductor region including the channel formation region of the TFT. Therefore, the length L of the second insulating film is not limited, and may be any length that can form a channel formation region of a TFT, for example.
[0031]
The first insulating film is formed using silicon nitride or silicon oxynitride. Further, the second insulating film is formed using silicon oxide or silicon oxynitride. Silicon oxide is composed of tetraethyl orthosilicate (TEOS) and O 2 Can be mixed and formed by a plasma CVD method. Silicon oxynitride film is SiH 4 , NH 3 , N 2 O or SiH 4 , N 2 It can be formed by a plasma CVD method using O as a raw material.
[0032]
In the case where the unevenness due to the opening is formed by the first insulating film and the second insulating film as in the form of FIG. 27, the etching rate of the second insulating film is reduced in order to secure a selectivity in the etching process. It is desirable to appropriately adjust the material and the film forming conditions so as to be relatively fast. Further, it is desirable to have a blocking effect on alkali metal ions such as sodium. The angle of the side wall of the opening formed by the second insulating film may be appropriately set in the range of 5 to 90 degrees, preferably 30 to 90 degrees.
[0033]
As shown in FIG. 28, an
[0034]
Then, the
[0035]
As the slab material, crystals such as Nd: YAG, Nd: GGG (gadolinium / gallium / garnet), and Nd: GsGG (gadolinium / scandium / gallium / garnet) are used. In the slab laser, the laser beam travels in a zigzag optical path in this plate-shaped laser medium while repeating total reflection.
[0036]
The wavelength of the continuous wave laser light is preferably 400 to 700 nm in consideration of the light absorption coefficient of the amorphous semiconductor film. Light in such a wavelength band is obtained by extracting the second harmonic and the third harmonic of the fundamental wave using a wavelength conversion element. ADP (ammonium dihydrogen phosphate), Ba 2 NaNb 5 O Fifteen (Sodium barium niobate), CdSe (selenium cadmium), KDP (potassium dihydrogen phosphate), LiNbO 3 (Lithium niobate), Se, Te, LBO, BBO, KB5 and the like are applied. It is particularly desirable to use LBO. A typical example is Nd: YVO 4 A second harmonic (532 nm) of a laser oscillation device (fundamental wave 1064 nm) is used. The laser oscillation mode is TEM 00 Apply the single mode that is the mode.
[0037]
For silicon, which is chosen as the most suitable material, the absorption coefficient is 10 3 -10 4 cm -1 Is substantially in the visible light range. When crystallizing a substrate having a high visible light transmittance such as glass and an amorphous semiconductor film formed of silicon with a thickness of 30 to 200 nm, irradiation with light in a visible light region having a wavelength of 400 to 700 nm is performed. By selectively heating the semiconductor region, crystallization can be performed without damaging the base insulating film. Specifically, the penetration length of light having a wavelength of 532 nm is approximately 100 nm to 1000 nm with respect to the amorphous silicon film, and sufficiently reaches the inside of the
[0038]
The semiconductor melted by the irradiation of the laser beam is gathered in the opening (recess) due to the surface tension. In the solidified state, the surface becomes substantially flat as shown in FIG. Further, a crystal growth end, a crystal grain boundary, or a crystal sub-grain boundary is formed on the second insulating film (on the convex portion) (a
[0039]
Thereafter, as shown in FIG. 30, the
[0040]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the knowledge of crystallization obtained from the experimental results by the present inventors. FIGS. 2A to 2E schematically illustrate the relationship between the depth and spacing of openings (recesses) formed by the first insulating film and the second insulating film and the crystal growth.
[0041]
Note that, with respect to the reference numerals related to the length shown in FIG. 2, t01: the thickness of the amorphous semiconductor film on the second insulating film (convex portion), t02: the thickness of the amorphous semiconductor film on the opening portion (concave portion), t11: thickness of the crystalline semiconductor film on the second insulating film (convex portion), t12: thickness of the crystalline semiconductor film on the opening portion (concave portion), d: thickness of the second insulating film (depth of the opening portion) W), W1: width of the second insulating film, W2: width of the opening.
[0042]
FIG. 2A shows a case where d <t02, W1 and W2 are equal to or smaller than 1 μm, and when the depth of the groove of the opening is smaller than the
[0043]
FIG. 2B shows a case where d ≧ t02 and W1 and W2 are equal to or smaller than 1 μm, and when the depth of the groove of the opening is substantially equal to or larger than that of the
[0044]
FIG. 2C shows a case where d >> t02, W1, and W2 are equal to or smaller than 1 μm. In this case, the
[0045]
FIG. 2D shows a case where d ≧ t02 and W1 and W2 are approximately the same or slightly larger than 1 μm. When the width of the opening is widened, the
[0046]
FIG. 2E shows a case where d ≧ t02 and W1 and W2 are larger than 1 μm, and the state of FIG. 2D becomes more apparent.
[0047]
A scanning electron microscope (SEM) photograph shown in FIG. 22 shows one example, in which a 150 nm step is provided, and a 150 nm amorphous silicon film is formed on a base insulating film provided with a 1.8 μm convex width and interval. Shows the result of crystallization. The surface of the crystalline semiconductor film is etched with a Seco solution in order to make crystal grain boundaries visible. As is clear from the comparison with FIG. 21, the crystal grain boundary is not a step-shaped protrusion but spreads over the whole. Therefore, with such a structure, a crystalline semiconductor film without a crystal grain boundary cannot be selectively extracted.
[0048]
As described above with reference to FIG. 2, when forming a semiconductor element, particularly when forming a TFT, the form of FIG. 2B is considered to be most suitable. In addition, here, the unevenness of the base for forming the crystalline semiconductor film is described as an example in which the base is formed of the first insulating film and the second insulating film; however, the present invention is not limited to this embodiment and has a similar shape. If there is, it can be replaced. For example, an opening may be directly formed by etching the surface of a quartz substrate to form an uneven shape.
[0049]
FIG. 13 illustrates an example of a configuration of a laser processing apparatus that can be used for crystallization. FIG. 13 shows
[0050]
As the laser oscillation device, a rectangular beam solid laser oscillation device is applied, and particularly preferably, a slab laser oscillation device is applied. Or YAG, YVO 4 , YLF, YAlO 3 A solid-state laser oscillation device using a crystal in which Nd, Tm, and Ho are doped into a crystal such as the above may be combined with a slab structure amplifier. As the slab material, crystals such as Nd: YAG, Nd: GGG (gadolinium / gallium / garnet), and Nd: GsGG (gadolinium / scandium / gallium / garnet) are used. In addition, a gas laser oscillation device and a solid laser oscillation device capable of continuous oscillation can be applied. YAG, YVO as continuous wave solid-state laser oscillators 4 , YLF, YAlO 3 A laser oscillation device using a crystal in which Cr, Nd, Er, Ho, Ce, Co, Ti, or Tm is doped into such a crystal is applied. The fundamental wave of the oscillation wavelength varies depending on the material to be doped, but oscillates at a wavelength of 1 μm to 2 μm. In order to obtain a higher output of 5 W or more, a diode-pumped solid-state laser oscillator may be cascaded.
[0051]
The circular or rectangular laser light output from such a laser oscillation device is condensed linearly by the
[0052]
In addition, laser processing of the
[0053]
The mounting table 411 makes a linear motion in the X direction shown in the drawing, thereby enabling the entire surface of the substrate to be processed by laser light emitted from a fixed optical system. The position detecting means 416 detects that the
[0054]
The laser light applied to the
[0055]
As described above, in the crystallization of irradiating a continuous wave laser beam to an amorphous semiconductor film, by providing a stepped shape in the base insulating film, it is possible to concentrate strain or stress due to crystallization in that portion, The strain or the stress can be prevented from being applied to the crystalline semiconductor used as the active layer. By forming a TFT such that a channel formation region is provided in a crystalline semiconductor film which is released from distortion or stress, current driving capability can be improved at high speed, and device reliability can be improved. Is also possible.
[0056]
(Embodiment 1)
The above embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a longitudinal sectional view for explaining a step of forming a crystalline semiconductor film of the present invention.
[0057]
In FIG. 1A, a first
[0058]
The first
[0059]
As a member used as a substrate, a commercially available alkali-free glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a substrate in which the surface of a single crystal or polycrystalline semiconductor substrate is covered with an insulating film, or a substrate in which the surface of a metal substrate is covered with an insulating film, must be used. Is possible.
[0060]
There is no limitation on the width W1 of the second
[0061]
As shown in FIG. 1B, the
[0062]
Then, the
[0063]
As the laser oscillation device, a rectangular beam solid laser oscillation device is applied, and particularly preferably, a slab laser oscillation device is applied. As the slab material, crystals such as Nd: YAG, Nd: GGG (gadolinium / gallium / garnet), and Nd: GsGG (gadolinium / scandium / gallium / garnet) are used. In the slab laser, the laser beam travels in a zigzag optical path in this plate-shaped laser medium while repeating total reflection. Alternatively, it is a solid-state laser oscillation device using a rod doped with Nd, Tm, and Ho, and in particular, YAG, YVO 4 , YLF, YAlO 3 A solid-state laser oscillation device using a crystal in which Nd, Tm, and Ho are doped into a crystal such as the above may be combined with a slab structure amplifier. Then, as shown by an arrow in the drawing, scanning is performed in a direction intersecting the linear longitudinal direction. Here, the term “linear” means that the ratio of the length in the longitudinal direction to the length in the lateral direction is 1:10 or more.
[0064]
The wavelength of the continuous wave laser light is preferably 400 to 700 nm in consideration of the light absorption coefficient of the amorphous semiconductor film. Light in such a wavelength band is obtained by extracting the second harmonic and the third harmonic of the fundamental wave using a wavelength conversion element. ADP (ammonium dihydrogen phosphate), Ba 2 NaNb 5 O Fifteen (Sodium barium niobate), CdSe (selenium cadmium), KDP (potassium dihydrogen phosphate), LiNbO 3 (Lithium niobate), Se, Te, LBO, BBO, KB5 and the like are applied. It is particularly desirable to use LBO. A typical example is Nd: YVO 4 A second harmonic (532 nm) of a laser oscillation device (fundamental wave 1064 nm) is used. The laser oscillation mode is TEM 00 Apply the single mode that is the mode.
[0065]
For silicon, which is chosen as the most suitable material, the absorption coefficient is 10 3 -10 4 cm -1 Is substantially in the visible light range. When crystallizing a substrate having a high visible light transmittance such as glass and an amorphous semiconductor film formed with silicon to have a thickness of 30 to 200 nm, irradiation with light in a visible light region having a wavelength of 400 to 700 nm is performed. By selectively heating the semiconductor film, crystallization can be performed without damaging the base insulating film. Specifically, the penetration length of light having a wavelength of 532 nm is approximately 100 nm to 1000 nm with respect to the amorphous silicon film, and sufficiently reaches the inside of the
[0066]
Semiconductors that are instantaneously melted by the irradiation of laser light are gathered in openings (concave portions) due to surface tension. Thus, the
[0067]
After that, heat treatment is preferably performed at 500 to 600 ° C. as shown in FIG. 1D to remove strain accumulated in the crystalline semiconductor film. This distortion is caused by volume shrinkage of the semiconductor caused by crystallization, thermal stress with the base, lattice mismatch, and the like. This heat treatment may be performed for 1 to 10 minutes using, for example, a gas heating type instantaneous thermal annealing (RTA) method. This step is not an essential requirement in the present invention, and may be appropriately selected and performed.
[0068]
As shown in FIG. 1E, the surface of the
[0069]
In particular, a TFT can be completed by forming a gate insulating film and a gate electrode so that a channel formation region is positioned by using a crystalline semiconductor filling an opening (recess). At this time, by forming an opening in a direction parallel to the channel length direction of the TFT and scanning laser light in that direction, crystal growth can be performed in that direction, and a specific crystal orientation can be preferentially given. Crystals can be grown. The details are the same as those shown in FIG. 2. W1 and W2 are about the same as or smaller than 1 μm, and the depth of the opening groove is substantially equal to or larger than the thickness of the
[0070]
A scanning electron microscope (SEM) photograph shown in FIG. 21 shows an example thereof, in which a step of 170 nm is provided by a second insulating film formed of silicon oxide on a quartz substrate, and the width (W1) and the interval of the protrusion of 0.5 μm are provided. The results show that an amorphous silicon film of 150 nm is formed on the base provided with (W2) and then crystallized by irradiating laser light. The surface of the crystalline semiconductor film is etched with a Seco solution in order to make crystal grain boundaries visible. Seco solution is HF: H 2 O = 2: 1 K as additive 2 Cr 2 O 7 It is a drug solution prepared using As is clear from this photograph, it can be seen that the crystal grain boundaries are concentrated on the step-shaped protrusions.
[0071]
FIG. 23 shows the result of obtaining the orientation of a crystalline semiconductor film formed in an opening (concave portion) by a backscattered electron diffraction pattern (EBSP: Electron Back Scatter diffraction Pattern). The EBSP is provided with a dedicated detector in a scanning electron microscope (SEM), irradiates the crystal surface with an electron beam, and allows the computer to recognize the crystal orientation from the Kikuchi line using a computer to recognize the microscopic image. The crystallinity is measured not only in the surface orientation but also in all directions of the crystal (hereinafter, this method is referred to as EBSP method for convenience).
[0072]
The data in FIG. 23 shows that the crystal grows in the opening (recess) in a direction parallel to the scanning direction of the laser light condensed linearly. Regarding the plane orientation of the growth, especially in the vicinity of the surface where the channel is formed, it can be considered that the <110> orientation is predominant, but there is also the <100> orientation.
[0073]
As described above, in the crystallization of irradiating a continuous wave laser beam to an amorphous semiconductor film, an opening (or a concavo-convex shape accompanying the opening) is provided on the base side of the semiconductor film, so that a region other than the opening is formed. Strain or stress due to crystallization can be concentrated, and a region with poor crystallinity such as a crystal grain boundary can be selectively formed. That is, it is possible to leave a crystalline semiconductor film in which a plurality of crystal grains having a plurality of crystal orientations in the opening and having a plurality of crystal grains extending in a direction parallel to the growth direction are formed without forming a crystal grain boundary. it can. By forming a TFT such that a channel formation region is provided with such a crystalline semiconductor film, it is possible to improve current driving capability at high speed and to improve the reliability of an element. .
[0074]
(Embodiment 2)
In the formation of the crystalline semiconductor film of the present invention, the amorphous semiconductor film may be irradiated with laser light to be crystallized as described in
[0075]
FIG. 3 shows an example thereof. First, a first
[0076]
Next, as shown in FIG. 3B, the
[0077]
As shown in FIG. 3C, the crystalline semiconductor film crystallized by the heat treatment is irradiated with a continuous wave laser beam or an intense light equivalent thereto to be melted and recrystallized. Thus, the
[0078]
After that, a gettering treatment for removing a metal element remaining in the
[0079]
After that, as shown in FIG. 3E, the
[0080]
(Embodiment 3)
Next, an embodiment of manufacturing a TFT in which a crystalline silicon film is formed over a base insulating film having an opening in this embodiment, and a channel formation region is provided in a filling region filling the opening. This will be described with reference to FIGS. In each of the drawings, (A) is a top view, and (B) and subsequent drawings are longitudinal sectional views of corresponding portions.
[0081]
In FIG. 4, a first
[0082]
Then, as shown in FIG. 5, a third
[0083]
Then, as shown in FIG. 6, continuous oscillation laser light is irradiated to crystallize. Crystallization conditions are YVO in continuous oscillation mode. 4 Using a laser oscillator, the output of the second harmonic (wavelength: 532 nm) of 2 to 10 W is condensed by an optical system into a linear laser beam having a ratio of the longitudinal direction to the transverse direction of 10 or more, and the longitudinal direction. Light is condensed so as to have a uniform energy density distribution, and is crystallized by scanning at a speed of 10 to 200 cm / sec. Uniform energy density distribution does not exclude anything that is completely constant, and the allowable range of energy density distribution is ± 10%. For such laser light irradiation, a laser processing apparatus having a configuration shown in FIG. 13 can be applied.
[0084]
FIG. 14 shows the relationship between the scanning direction of the
[0085]
By irradiating a laser beam under these conditions, the amorphous semiconductor film is instantaneously melted and crystallized. The crystallization proceeds while the melting zone moves substantially. The molten silicon is aggregated and solidified in the openings (concave portions) due to the surface tension. As a result, a
[0086]
Thereafter, as shown in FIG. 7, an etching process is performed so that the
[0087]
FIG. 7 does not limit the shape of the island-shaped
[0088]
In FIG. 8, a fourth
[0089]
FIG. 9 illustrates a step of forming one-conductivity-
[0090]
For the
[0091]
Then, as shown in FIG. 10, a fifth
[0092]
Thus, a TFT can be manufactured. The configuration of the TFT described with reference to FIGS. 4 to 10 shows a multi-channel TFT in which a plurality of channel formation regions are provided in parallel and provided in connection with a pair of impurity regions. In this configuration, the number of channel forming regions arranged in parallel is not limited, and a plurality of channel forming regions may be arranged as needed. The channel formation region has a plurality of crystal orientations, and is formed of a crystalline semiconductor film in which a plurality of crystal grains extending in a direction parallel to a channel length direction are aggregated without forming a crystal grain boundary. I have.
[0093]
(Embodiment 4)
FIG. 11 shows an example in which an n-channel type multi-channel TFT having a low concentration drain (LDD) structure and a p-channel type multi-channel TFT constitute an inverter circuit which is a basic circuit having a CMOS structure. 11, the second insulating film 320, the
[0094]
FIG. 11A is a top view, in which a first n-
[0095]
FIGS. 11B and 11C are longitudinal sectional views corresponding to the GG ′ line and the HH ′ line. In the n-channel TFT, an LDD region is provided adjacent to the first n-
[0096]
In addition, the fifth insulating
[0097]
(Embodiment 5)
An example in which the structure of the gate electrode is different in the multi-channel TFT described in
[0098]
The structure of the TFT shown in FIG. 12 is an example in which a gate electrode is formed of a nitride metal 350a such as titanium nitride or tantalum nitride and a high melting point metal 351b such as tungsten or a tungsten alloy, and a
[0099]
Such a structure in which the LDD region is formed in a self-aligned manner by providing the spacer is effective particularly when the design rule is miniaturized. Although a unipolar TFT structure is shown here, a CMOS structure can be formed as in the fourth embodiment.
[0100]
(Embodiment 6)
This embodiment mode describes an example of manufacturing a TFT in which a crystalline silicon film is formed over a base insulating film having an opening and a channel formation region is provided in a filling region filling the opening.
[0101]
In FIG. 31, a first
[0102]
In FIG. 31, (A) is a top view, (B) is a longitudinal sectional view corresponding to line AA ', and (C) is a longitudinal sectional view corresponding to line BB'. Hereinafter, FIGS. 32 to 36 are treated similarly.
[0103]
Then, as shown in FIG. 32, an
[0104]
Then, as shown in FIG. 33, a continuous wave laser beam is irradiated to crystallize. Crystallization conditions are YVO in continuous oscillation mode. 4 Using a laser oscillator, the output of 5.5 W of the second harmonic (wavelength: 532 nm) was collected to 400 μm in the longitudinal direction and 50 to 100 μm in the lateral direction so that the optical system had a uniform energy density distribution in the longitudinal direction. Light is applied for scanning at a speed of 50 cm / sec for crystallization. Uniform energy density distribution does not exclude anything that is completely constant, and the allowable range of energy density distribution is ± 5%. For such laser light irradiation, a laser processing apparatus having a configuration shown in FIG. 13 can be applied. The laser light condensed by the optical system may have a region where the intensity distribution is uniform in the longitudinal direction and may have a distribution in the lateral direction. The crystallization allows this intensity distribution to be formed in a uniform region in the longitudinal direction, thereby increasing the effectiveness of crystal growth in a direction parallel to the scanning direction of the laser beam.
[0105]
By irradiating a laser beam under these conditions, the amorphous silicon film is instantaneously melted and the crystallization proceeds while the molten zone moves. The molten silicon is aggregated and solidified in the openings (concave portions) due to the surface tension. Thus, the crystalline semiconductor film 606 is formed so as to fill the
[0106]
Thereafter, as shown in FIG. 34, a mask pattern is formed so that the crystalline semiconductor film remains in at least the
[0107]
FIG. 35 shows a state where a gate insulating film 609 and
[0108]
Thereafter, a TFT can be completed by appropriately forming source and drain regions, a low-concentration drain region, and the like.
[0109]
(Embodiment 7)
Although it is formed in the same process as in the sixth embodiment, as shown in FIG. 36, the shape of the opening formed in the second
[0110]
(Embodiment 8)
In the seventh embodiment, the second insulating film is formed to be thicker than the thickness of the amorphous semiconductor film, for example, to have a thickness of 350 nm, so that an island-shaped semiconductor formed of a crystalline semiconductor film as shown in FIG. The
[0111]
(Embodiment 9)
FIG. 38 shows another example of a single-gate multi-channel TFT. A first insulating
[0112]
FIG. 38D shows an enlarged view of the vicinity of the channel formation region. A
[0113]
(Embodiment 10)
The present invention can be applied to various semiconductor devices, and a mode of a display panel manufactured based on
[0114]
In FIG. 15, a substrate 900 is provided with a
[0115]
Further, a chip on which a microprocessor, a memory, a media processor / DSP (Digital Signal Processor), or the like is formed using the TFT of the present invention may be mounted. These functional circuits are formed with design rules different from those of the
[0116]
For example, the TFT described in any of
[0117]
FIG. 19 illustrates an example of a configuration of one pixel of the
[0118]
FIG. 16 shows a stage where the second
[0119]
FIG. 18 shows a state where the crystalline semiconductor film over the second
[0120]
Further, a gate insulating film (not shown) and gate electrodes (or gate wirings) 514 to 516 are formed. The openings 511 to 513 are formed at positions where the island-shaped
[0121]
FIG. 20A is a longitudinal sectional view corresponding to the line AA ′ in FIG. Further, as shown in FIG. 20B, an organic light-emitting element can be formed using the
[0122]
FIG. 20B illustrates a mode in which light emitted from the
[0123]
When the
[0124]
In order to increase the luminance, it is preferable to use light emission (phosphorescence) from a triplet excited state. In this case, a carbazole-based CBP + Ir (ppy) is formed on the hole injection / transport layer formed of CuPc, which is a phthalocyanine-based material, and α-NPD, which is an aromatic amine-based material, as the
[0125]
Although the above two structures are examples using a low molecular weight organic compound, an organic light emitting device in which a high molecular weight organic compound and a low molecular weight organic compound are combined can also be realized. For example, as the
[0126]
In any case, light emission (phosphorescence) from the triplet excited state has higher luminous efficiency than light emission (fluorescence) from the singlet excited state, and an operating voltage (light emission from the organic light emitting element) is required to obtain the same light emission luminance. (The voltage required to perform this) can be reduced.
[0127]
As described above, a display panel using an organic light-emitting element can be manufactured by using the present invention. Although not illustrated here, a display panel using the electro-optical characteristics of liquid crystal can also be manufactured.
[0128]
(Embodiment 11)
In this embodiment, an example in which a glass substrate is used as an etching stopper in forming the second
[0129]
In FIG. 26A, first, a second
[0130]
In this embodiment, as the
[0131]
Then, after the second
[0132]
According to the present embodiment, it is possible to ensure a sufficiently high selectivity between the
[0133]
Note that this embodiment can be implemented by freely combining with any of the structures of
[0134]
(Embodiment 12)
Various devices can be completed using the present invention. One example is a portable information terminal (electronic notebook, mobile computer, mobile phone, etc.), video camera, digital camera, personal computer, television receiver, mobile phone, projection display device, and the like. Examples of these are shown in FIGS.
[0135]
FIG. 24A illustrates an example in which a television receiver is completed by applying the present invention, which includes a housing 3001, a support base 3002, a display portion 3003, and the like. In the TFT manufactured by the present invention, in addition to the display portion 3003, various integrated circuits such as various logic circuits, high-frequency circuits, memories, microprocessors, media processors, and graphics LSIs can be formed and incorporated on glass. According to the invention, a television receiver can be completed.
[0136]
FIG. 24B is an example in which a video camera is completed by applying the present invention, and includes a main body 3011, a
[0137]
FIG. 24C illustrates an example in which a notebook personal computer is completed by applying the present invention, which includes a main body 3021, a housing 3022, a
[0138]
FIG. 24D shows an example in which a PDA (Personal Digital Assistant) is completed by applying the present invention, and includes a
[0139]
FIG. 24E illustrates an example in which a sound reproduction device is completed by applying the present invention, specifically, an audio device for a vehicle, which includes a main body 3041, a
[0140]
FIG. 24F illustrates an example in which a digital camera is completed by applying the present invention. A
[0141]
FIG. 24G illustrates an example in which a mobile phone is completed by applying the present invention, which includes a main body 3061, an audio output portion 3062, an
[0142]
FIG. 25A illustrates a front type projector, which includes a
[0143]
Note that FIG. 25C is a diagram showing an example of the structure of the
[0144]
FIG. 25D illustrates an example of the structure of the light source
[0145]
It should be noted that the device shown here is merely an example, and the present invention is not limited to these applications.
[0146]
【The invention's effect】
As described above, the strain caused by crystallization by causing the semiconductor film to be in a molten state, agglomerating into the opening formed on the insulating surface by surface tension, and causing the crystal to grow from the approximate intersection of the bottom and the side of the opening. Can be concentrated in a region other than the opening. By etching away the crystalline semiconductor film in a region other than the opening, a region having good crystallinity can be selectively extracted.
[0147]
Further, by specifying the location of a channel formation region of a semiconductor element such as a transistor, particularly a TFT, a crystalline semiconductor film having no crystal grain boundary can be formed. As a result, it is possible to eliminate a factor in which the characteristics vary due to crystal grain boundaries or crystal defects that are inadvertently interposed, and it is possible to form a TFT or a TFT element group with small characteristic variations.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a crystallization method according to the present invention.
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view illustrating details of the relationship between the shape of an opening and the form of a crystalline semiconductor film in crystallization.
FIG. 3 is a diagram illustrating a crystallization method according to the present invention.
4A and 4B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
5A and 5B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
6A and 6B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
7A and 7B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
8A and 8B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
9A and 9B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
10A and 10B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
11A and 11B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a structure of a TFT manufactured according to the present invention.
12A and 12B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a structure of a TFT manufactured according to the present invention.
FIG. 13 is a layout view showing one embodiment of a laser irradiation apparatus applied to the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating laser light condensed linearly and a scanning direction thereof according to the present invention.
FIG. 15 is an example of an external view of a semiconductor device manufactured using the present invention.
16 is a top view illustrating a manufacturing process of a pixel portion of the semiconductor device illustrated in FIGS.
FIG. 17 is a top view illustrating a manufacturing process of a pixel portion of the semiconductor device illustrated in FIGS.
18 is a top view illustrating a manufacturing process of a pixel portion of the semiconductor device illustrated in FIGS.
FIG. 19 is a top view illustrating a structure of a pixel portion of the semiconductor device illustrated in FIG.
20 is a longitudinal sectional view illustrating the structure of a pixel portion corresponding to FIG.
FIG. 21 shows a scanning electron beam representing a surface state when a 150 nm amorphous silicon film is formed and crystallized on a base insulating film provided with a step of 170 nm and a width and an interval of a convex portion of 0.5 μm. Microscope (SEM) photograph (after Secoetch).
FIG. 22 is a scanning electron showing a surface state when a 150 nm amorphous silicon film is formed and crystallized on a base insulating film provided with a step of 170 nm and a width and an interval of a protrusion of 1.8 μm. Microscope (SEM) photograph (after Secoetch).
FIG. 23 is EBSP mapping data showing the orientation of a crystal formed in a concave portion.
FIG 24 illustrates an example of a semiconductor device.
FIG. 25 illustrates an example of a projector.
FIG. 26 is a diagram illustrating a crystallization method according to the present invention.
FIG. 27 is a perspective view illustrating a crystallization method according to the present invention.
FIG. 28 is a perspective view illustrating a crystallization method according to the present invention.
FIG. 29 is a perspective view illustrating a crystallization method according to the present invention.
FIG. 30 is a perspective view illustrating a crystallization method according to the present invention.
31A and 31B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
32A and 32B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
33A and 33B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
34A and 34B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
35A and 35B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a TFT manufactured according to the present invention.
36A and 36B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating an example of a TFT manufactured according to the present invention.
37A and 37B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating an example of a TFT manufactured according to the present invention.
38A and 38B are a top view and a vertical cross-sectional view illustrating an example of a TFT manufactured according to the present invention.
FIG. 39 is a cross-sectional view showing a structure used for a simulation of thermal analysis.
FIG. 40 is a graph showing a result of a thermal analysis simulation.
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