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JP3859516B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP3859516B2
JP3859516B2 JP2002001485A JP2002001485A JP3859516B2 JP 3859516 B2 JP3859516 B2 JP 3859516B2 JP 2002001485 A JP2002001485 A JP 2002001485A JP 2002001485 A JP2002001485 A JP 2002001485A JP 3859516 B2 JP3859516 B2 JP 3859516B2
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amorphous silicon
manufacturing
film
semiconductor device
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  • Thin Film Transistor (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置の製造方法に関する。さらに詳しく言えば、非晶質シリコン膜を結晶化した結晶性シリコン膜を活性領域とする半導体装置の製造方法に関する。特に、この発明は、絶縁表面を有する基坂上に設けられた薄膜トランジスタ(TFT)を用いた半導体装置に有効であり、アクティブマトリックス型の液晶表示装置,密着型イメージセンサまたは三次元IC(集積回路)等に利用できる。
【0002】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置や、高速で高解像度の密着型イメージセンサや、三次元IC等の実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上に高性能な半導体素子を形成することが試みられている。通常、上述の装置に用いられる半導体素子には、薄膜状のシリコン半導体を用いるのが一般的である。なお、上記薄膜状のシリコン半導体としては、非晶質シリコン半導体(a−Si)からなるものと結晶性を有するシリコン膜からなるものとの2つに大別される。
【0003】
上記非晶質シリコン半導体は、作製温度が低いために気相法で比較的容易に作成することが可能であり、量産性に富むために最も一般的に用いられている。しかしながら、結晶性を有するシリコン半導体に比べて導電性等の物性が劣るために、今後、上記液晶表示装置,密着型イメージセンサまたは三次元ICのより高速な特性を実現するために、上記結晶性を有するシリコン半導体からなる薄膜状半導体装置の作製方法の確立が強く求められている。なお、結晶性を有するシリコン半導体としては、多結晶シリコンおよび微結晶シリコン等が知られている。
【0004】
上記結晶性を有する薄膜状のシリコン半導体を得る方法として、
(1) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する方法
(2) 非晶質半導体膜を成膜しておき、その非晶質半導体膜に強光を照射して、そのエネルギーによって結晶化する方法
(3) 非晶質半導体膜を成膜しておき、その非晶質半導体膜に熱エネルギーを加えることにより結晶化する方法
が知られている。
【0005】
しかしながら、上記(1)の方法においては、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性シリコンを得るには厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡って成膜することが技術的に困難である。また、成膜温度が600℃以上と高く、安価なガラス基板を使用できないというコスト上の問題がある。
【0006】
また、上記(2)の方法においては、溶融固化過程の結晶化現象を利用するために、小粒径ながら粒界が良好に処理されて、高品質な結晶性シリコンが得られる。しかしながら、現在最も一般的に利用されているエキシマーレーザを使用する場合を例に取ると、レーザ光の安定性が十分ではないので大面積基板の全面を均一に処理して均一な結晶性を有するシリコン膜を得ることが難しく、同一基坂上に均一な特性の複数の半導体素子を得ることが困難であるという問題がある。さらに、レーザ光の照射面積が小さくスループットが低いという問題がある。
【0007】
また、上記(3)の方法においては、上記(1),(2)の方法に比べると大面積に対応できるという利点はあるが、結晶化には600℃以上の高温で数十時間に亘る加熱処理が必要である。すなわち、安価なガラス基板の使用とスループットの向上には、加熱温度を下げて短時間で結晶化させるという相反する問題点を同時に解決しなければならない。さらに、(3)の方法においては、固相結晶化現象を利用するために、結晶粒は基板面に平行に広がり数μmの粒径を持つものさえ現れる。ところが、成長した結晶粒同士がぶつかり合って粒界が形成されるため、その粒界はキャリアに対するトラップ準位として働き、TFTの移動度を低下させる原因になる。
【0008】
上記(3)の方法を応用して、より低温かつ短時間の加熱処理で、高品質であって均一な結晶性を有するシリコン膜を作成する方法が、特開平6−333824号公報,特開平6−333825号公報および特開平8−330602号公報で提案されている。これらの公報においては、非晶質シリコン膜の表面にニッケル等の金属元素を徴量に導入し、然る後に加熱処理を行うことによって、600℃以下の低温でかつ数時間程度の処理時間で結晶化を行っている。
【0009】
上記結晶化のメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を促して、結晶化が急激に進行することで理解される。その意味で、今後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素によって結晶化が助長されて、結晶成長した結晶性シリコン膜は、通常の固相成長法によって結晶化したシリコン膜が双晶構造であるのに対して、何本もの柱状結晶で構成されており、夫々の柱状結晶内部は単結晶に近い状態になっている。
【0010】
上記結晶化を助長する触媒元素がシリコン膜中残存していると、正常なTFT特性が得られない。そこで、特開平6−333824号公報や特開平8−236471号公報に開示されているように、Pイオン等を用いたゲッタリングがなされている。触媒元素を含有するシリコン膜表面上にPSG(リンシリサイドガラス)膜を設け、これに含まれるリンにより触媒元素をゲッタリングする方法、触媒元素を含有するシリコン膜中にイオンドーピング法によりリンイオンを注入する方法、リンまたはボロンを有する膜を設け、そこに触媒元素をゲッタリングする方法等が提案されている。
【0011】
上記触媒元素によって結晶化を助長する方法により得られた結晶性シリコン膜を用いたTFTにおいて、オン電流とオフ電流(リーク電流)の比が大きく、耐圧が高いという性能が要求される。オフ電流の低減方法としてはデュアルゲート構造、ポリシリコンの薄膜化、LDD(Lightly Doped Drain)構造が考えられているがいずれも一長一短がある。デュアルゲート構造は2個以上のトランジスタを並列に接続し、ゲート電極を共通にする方法であり、トランジスタをオフしたときのドレイン領域電界を緩和することによってオフ電流を減少させる。しかし、限られたスペースに2個以上のトランジスタを形成することは、絵素の開口率の低下につながってしまい、望ましくない。
【0012】
ポリシリコンの薄膜化は、非常に簡便な方法であり、薄膜化によりソース領域とドレイン領域との間の抵抗を高くすることによりオフ電流の低減を図っている。しかし、期待されるほどの低減効果は得られていない。LDD(Lightly Doped Drain) 構造は、例えば、ソース領域,ドレイン領域がn+層の場合、チャネル領域とソース領域との間およびチャネル領域とドレイン領域との間にn-層を設けている。これは、通常、ポリシリコン膜上にゲート電極を形成した後、ゲート電極をマスクとして低濃度イオンを注入してn-層を形成する。次に、ゲート電極の側壁にサイドウォール絶縁体を形成した後、再度イオン注入し、n+層を形成することで実現される。
【0013】
また、別の方法として、ゲート電極をマスクとして、斜め回転イオン注入によりn-層を形成した後、通常のイオン注入法にてn+層を形成する。この方法ではn-層が深くチャネル領域に入り込み、ゲート電極が大きく重なる構造となることから、ゲートオーバーラップLDD構造と呼ばれている。
【0014】
どちらの構造においても、ドレイン領域電界を緩和させて耐圧の向上を図ることによりオフ電流を減少させることができるが、ゲート電極に電圧を印加していったとき、ソース領域n-層の寄生抵抗により電流駆動能力が低下してしまう。一方、ゲートオーバーラップLDD構造においてはn-層がゲート電極の下に存在することにより、電流駆動能力を損なうことがない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記半導体装置では、イオン注入により、ソース領域,ドレイン領域(高濃度部分)とLDD領域(低濃度部分)とを形成する方法では、イオン注入条件の振れおよびゲート絶縁膜の膜厚分布の影響を受けて、LDD領域の抵抗が大きくばらついて制御が困難であるという問題がある。また、イオン注入が複数回必要であり、サイドウォール絶縁体の形成または斜め回転イオン注入など製造工程が複雑になるため、プロセス的にも効率が良くないという問題がある。
【0016】
そこで、この発明の目的は、ソース領域,ドレイン領域およびLDD領域の抵抗制御が正確でき、信頼性を向上できると共に、製造工程を簡素化して生産性を向上できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
上記目的を達成するため、この発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、上記非晶質シリコン膜にその非晶質シリコン膜の結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、上記結晶化を助長する触媒元素が導入された上記非晶質シリコン膜を加熱処理することによって、上記非晶質シリコン膜を結晶成長させて結晶性シリコン膜を形成する工程と、上記結晶性シリコン膜上に所定の間隔をあけて2つの島領域になるように導電型を有する非晶質シリコン膜を成膜する工程と、上記結晶性シリコン膜および上記導電型を有する非晶質シリコン膜を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁膜を形成した後、上記ゲート絶縁膜上に上記所定の間隔をあけて2つの島領域になるように成膜された上記導電型を有する非晶質シリコン膜の内側の一部が重なるようにゲート電極を形成する工程と、上記ゲート電極を形成した後、上記ゲート絶縁膜上および上記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、上記層間絶縁膜を形成した後、上記ゲート電極をマスクとしてエネルギービーム照射により上記導電型を有する非晶質シリコン膜の結晶化を行う工程と有することを特徴としている。
【0036】
上記半導体装置の製造方法によれば、上記結晶性を有するシリコン膜上に、予め不純物濃度(リン,ホウ素等)の決まった非晶質シリコン膜を成膜して、これを上記ゲート電極をマスクとしてエネルギービーム照射により結晶化して活性化することにより、ソース領域,ドレイン領域およびLDD領域(ソース側高抵抗領域,ドレイン側高抵抗領域)の抵抗の制御が容易にできる。上記非晶質シリコン膜のゲート電極と重なる部分であるLDD領域(ソース側高抵抗領域,ドレイン側高抵抗領域)は、エネルギービーム(例えばレーザまたはランプ)照射による活性化のとき、ゲート電極による遮蔽で活性化率を低減させることで、高抵抗領域が形成される。予め、不純物濃度(リンまたはホウ素)を決めて、エネルギービーム(例えばレーザまたはランプ)を一定のエネルギーで照射するので、ソース領域,ドレイン領域とLDD領域(ソース側高抵抗領域,ドレイン側高抵抗領域)の抵抗制御が容易にできる。また、結晶性を有するシリコン膜上に上記導電型を有する非晶質シリコン膜をCVD法等を用いて成膜することにより不純物濃度を容易に制御でき、その導電型を有する非晶質シリコン膜から形成されるソース領域,ドレイン領域およびLDD領域における不純物元素(リン,ホウ素等)の濃度プロファイルのピークを電流のパスが形成される上記結晶性シリコン膜上部側に選択的に持ってくることができる。また、ソース領域,ドレイン領域とLDD領域(ソース側高抵抗領域,ドレイン側高抵抗領域)を同時に形成できるのでプロセスの短縮化が可能となる。
【0037】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記導電型を有する非晶質シリコン膜が、シランガス,水素ガス,PH3ガスの混合ガスまたはシランガス,水素ガス,B26ガスの混合ガスを用いたプラズマCVD法により成膜されることを特徴としている。
【0038】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記導電型を有する非晶質シリコン膜をシランガス,水素ガス,PH3ガスまたはB26ガスを用いたプラズマCVD法により成膜するので、ガス量を調整することにより、イオン注入方法と比較して、精度良く不純物元素(リンまたはホウ素)をドーピングできる。
【0039】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記非晶質シリコン膜を結晶成長させて結晶性シリコン膜を形成する工程において、上記結晶化を助長する触媒元素が導入された上記非晶質シリコン膜を加熱処理により結晶化させた後、その結晶化されたシリコン膜を、炉による熱処理、ランプアニール、レーザ照射のうちのいずれか1つの方法またはそれらの組合わせにより完全に結晶化させることを特徴としている。
【0040】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、炉による熱処理、ランプアニール、レーザ照射のうちのいずれか1つの方法またはそれらの組合わせにより、触媒元素が導入された非晶質シリコン層を十分に結晶化させることが可能となる。熱処理またはランプ照射において、上記非晶質シリコン膜を完全に結晶化させず、その後のレーザにより完全結晶化させることが特に望ましい。すなわち、熱処理とレーザの組み合せ、または、ランプアニールとレーザの組み合せにより結晶化を行うことが特に望ましく、これにより、トランジスタ特性が飛躍的に向上する。
【0041】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記非晶質シリコン膜を結晶成長させて結晶性シリコン膜を形成する工程において、上記触媒元素の導入後の加熱処理を540℃〜600℃の温度範囲内で行うことを特徴としている。
【0042】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記触媒元素の導入後に540℃〜600℃の温度範囲内で加熱処理を行うとき、上記非晶質シリコン膜が完全に結晶化してしまうことがない。したがって、結晶化促進のための触媒元素の導入後、加熱処理によって結晶化させるときに結晶化を不完全にしておき、レーザアニールにより完全結晶化させることにより、トランジスタ特性を良好にできる。
【0043】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記触媒元素として少なくともニッケルを用いることを特徴としている。
【0044】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、通常、上記触媒元素はシリサイド化することによって非晶質シリコン膜の結晶成長を助長する。例えば、上記触媒元素としてのニッケルのシリサイド化合物であるNiSi2の結晶構造は、種々の触媒元素のシリサイド化合物中で最も単結晶シリコンの結晶構造と類似しており、その格子定数も結晶シリコンの格子定数に非常に近い。したがって、上記NiSi2は非晶質シリコン膜の結晶化に最高の鋳型として作用し、上記非晶質シリコン膜の結晶化が大いに促進される。
【0045】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記導電型を有する非晶質シリコン膜を、ランプアニールまたはレーザ照射のいずれかの一方の方法またはその組合わせにより結晶化させると同時に上記結晶性シリコン膜に含まれる触媒元素をゲッタリングすることを特徴としている。
【0046】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、LDD領域としたい部分をゲート電極で遮蔽し、活性化率を下げて、高抵抗化することが可能となる。
【0047】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の半導体装置の製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0048】
図1,図2はこの発明の実施の一形態の半導体装置の製造方法を示す工程図である。この発明の半導体装置の製造方法を、ガラス基板上にN型TFTを作成する工程に適用したものである。この実施の形態におけるTFTは、アクティブマトリックス型のドライバ回路や画素部分は勿論のこと、薄膜集積回路を構成する素子としても利用可能である。なお、この実施の形態では、それらの代表として、基坂上に数十万から数百万のN型TFTを特に均一に作成する必要がある液晶表示装置用アクティブマトリックス基坂の画素用TFTについて説明する。
【0049】
図1(a)〜(e)および図2(a)〜(d)は、この発明におけるN型薄膜トランジスタの製造工程を工程順に示したものである。実際には数十万個以上のTFTで構成されるが、この実施の形態においては1個のTFTに簡略化して説明する。
【0050】
まず、図1(a)に示すように、ガラス基板等の絶縁性基板101上にプラズマCVD法によって厚さ200nmの酸化シリコンによる下地膜102を形成する。次に、プラズマCVD法によって、厚さ25〜80nm(例えば40nm)の真性非晶質シリコン膜を成膜する。その後、不要な部分の非晶質シリコン膜を除去して素子間分離を行い、後に薄膜トランジスタのソース領域,ドレイン領域およびチャネル領域となる素子形成領域である結晶性シリコン膜103を形成し、多数の島領域とする。アクティブマトリックス型液晶表示装置にこの発明を適用する場合、マトリックス状に島領域が配置されることになる。
【0051】
次に、スパッタリング法によって、結晶性シリコン膜103に表面濃度l×l013〜l×l015atoms/cm2(例えば、7×l013atoms/cm2とする)になるようにNiを添加する。そうした後、不活性雰囲気下で540℃〜620℃で数時間の加熱処理を施す。この実施の形態においては、窒素雰囲気下で580℃にて4時間の熱処理を行った。ただし、Niの添加方法はスパッタリング法に限定されず、Ni化合物から成る塗布液を用いて、塗布膜を形成する方法などを用いてもよい。
【0052】
続いて、レーザ照射によって結晶化を行う。レーザ光としては、波長248nm、パルス幅20nsecのKrFエキシマーレーザを用いるが、他のレーザであっても差し支えない。レーザ光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2(例えば250mJ/cm2)とし、一か所につき2〜10ショット(例えば2ショット)とする。このレーザ光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することは有用である。その後、レジスト膜104を設け、n型非晶質シリコン膜を形成するためのパターニングを行う。
【0053】
次に、レジストパターニング後、図1(b)に示すように、プラズマCVD法により、n型非晶質シリコン膜105,105を形成する。このときの条件は、基板温度170℃、パワー0.5W/cm2、圧力0.2torr、SiH4のガス流量100sccm 、H2のガス流量300sccm 、PH3のガス流量20sccmで行う。上記n型非晶質シリコン膜105,105の膜厚は30nmに設定した。そして、n型非晶質シリコン膜105,105を形成した後、図1(c)に示すように、レジスト膜104を除去する。
【0054】
その後、図1(d)に示すように、プラズマCVD法によって厚さ50nm〜250nm(例えば100nm)の酸化シリコン膜を成膜することによりゲート絶縁膜106を形成する。
【0055】
引き続いて、図1(e)に示すように、スパッタリング法によって、厚さ400〜800nm(例えば600nm)のアルミニウムを成膜した後、アルミニウム膜をパターニングして、n型非晶質シリコン膜105,105とオーバーラップするようにゲート電極107を形成する。このオーバーラップの幅は0.5〜2μmとする。この実施の形態では1.5μmとした。なお、上記ゲート電極107は、アルミニウムに限定されるものではなく、タングステン、タンタル、モリブデン、銀のうちのいずれか1種類の金属またはそれらの組合わせによる積層膜を使用してもよい。
【0056】
次に、図2(a)に示すように、エネルギービームとしてのレーザ光を照射することによって、ゲート電極107をマスクとしてn型非晶質シリコン膜105,105の結晶化および活性化を行う。このときのレーザ光としては、波長248nmでパルス幅20nsecのKrFエキシマーレーザを用いたが、他のレーザであっても差し支えない。レーザ光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2、例えば250mJ/cm2とし、一か所につき2〜10ショット(例えば2ショット)とする。また、レーザ以外に紫外線ランプを用いても良く、レーザとランプの組み合せでもよい。
【0057】
これにより、図2(b)に示すように、レーザ光が照射される部分は、活性化率が高くなって低抵抗領域(ソース領域109a,ドレイン領域109b)となり、ゲート電極107で光が遮蔽される部分は、高抵抗領域であるLDD領域(ソース側高抵抗領域108a,ドレイン側高抵抗領域108b)となる。また、結晶性シリコン膜103中の触媒元素がn型シリコン領域(ソース領域109a,ドレイン領域109b)にゲッタリングされる。
【0058】
次に、図2(c)に示すように、プラズマCVD法によって厚さ600nmの窒化シリコン膜を成膜することにより層間絶縁膜110を形成する。続いて、400℃、20気圧以下の窒素雰囲気中で1時間加熱処理を行ない、結晶性シリコン膜103の水素化を行う。
【0059】
次に、図2(d)に示すように、ソース領域109a,ドレイン領域109b上の窒化シリコン膜110にコンタクトホールを夫々形成して、金属材料(例えば窒化チタンとアルミニウム)の多層膜によって薄膜トランジスタの金属配線111を形成する。さらに、この薄膜トランジスタを液晶表示装置等の画素スイッチング素子として用いる場合には、金属電極111の代わりにITO(Indium-Tin-Oxide:錫添加酸化インジウム)による画素電極(図示せず)を形成し、薄膜トランジスタを完成させる。
【0060】
上記実施の形態では、結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを添加したが、ニッケル,コバルト,パラジウム,白金,銅,銀,金,インジウム,錫,アルミニウムおよびアンチモンのうちの1種類または2種類以上の元素を組み合わせて用いてもよい。
【0061】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体装置の製造方法によれば、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性を有するシリコン膜に活性領域が構成され、ソース領域,ドレイン領域の部分をデポドープにより形成し、レジストワークとゲート形成方法および結晶化方法によりLDD領域を形成することによりLDD領域の抵抗制御が容易となり、オフ電流など信頼性が向上できる。また、ソース領域,ドレイン領域およびLDD領域を同時に形成することができ、製造工程を簡素化でき、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1はこの発明の実施の一形態の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図2】 図2は図1に続く工程断面図である。
【符号の説明】
101…絶縁性基板、
102…下地膜、
103…結晶性シリコン膜、
104…レジスト、
105…n型非晶質シリコン膜、
106…ゲート絶縁膜、
107…ゲート電極、
108a…ソース側高抵抗領域、
108b…ドレイン側高抵抗領域、
109a…ソース領域、
109b…ドレイン領域、
110…層間絶縁膜、
111…金属電極。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
This invention relates to a method of manufacturing a semiconductor equipment. More particularly, a method of manufacturing a semiconductor equipment which the crystalline silicon film amorphous silicon film is crystallized with the active region. In particular, the present invention is effective for a semiconductor device using a thin film transistor (TFT) provided on a base slope having an insulating surface, and is an active matrix liquid crystal display device, a contact image sensor, or a three-dimensional IC (integrated circuit). Can be used for etc.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-performance semiconductor elements have been formed on insulating substrates such as glass for the realization of large-sized, high-resolution liquid crystal display devices, high-speed, high-resolution contact image sensors, and three-dimensional ICs. Has been tried. Usually, a thin film silicon semiconductor is generally used for a semiconductor element used in the above-described apparatus. The thin-film silicon semiconductor is roughly classified into two types, that is, an amorphous silicon semiconductor (a-Si) and a crystalline silicon film.
[0003]
The amorphous silicon semiconductor can be produced relatively easily by a vapor phase method because of its low production temperature, and is most commonly used because of its high productivity. However, since the physical properties such as conductivity are inferior to silicon semiconductors having crystallinity, in order to realize the higher speed characteristics of the liquid crystal display device, the contact image sensor, or the three-dimensional IC in the future, Establishment of a method for manufacturing a thin-film semiconductor device made of a silicon semiconductor having a high demand is strongly demanded. Note that polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, and the like are known as crystalline silicon semiconductors.
[0004]
As a method of obtaining a thin film silicon semiconductor having the above crystallinity,
(1) Method of directly forming a film having crystallinity during film formation
(2) A method of forming an amorphous semiconductor film, irradiating the amorphous semiconductor film with intense light, and crystallizing with the energy
(3) A method is known in which an amorphous semiconductor film is formed and crystallized by applying thermal energy to the amorphous semiconductor film.
[0005]
However, in the method (1), since crystallization proceeds simultaneously with the film forming step, it is indispensable to increase the film thickness in order to obtain crystalline silicon having a large particle size, and a film having good semiconductor physical properties is required. It is technically difficult to form a film over the entire surface of the substrate. In addition, the film formation temperature is as high as 600 ° C. or higher, and there is a problem in cost that an inexpensive glass substrate cannot be used.
[0006]
In the method (2), since the crystallization phenomenon in the melting and solidifying process is used, the grain boundary is satisfactorily processed with a small particle diameter, and high-quality crystalline silicon is obtained. However, taking the case of using an excimer laser that is currently most commonly used as an example, the stability of the laser beam is not sufficient, so that the entire surface of a large area substrate is uniformly processed to have uniform crystallinity. There is a problem that it is difficult to obtain a silicon film and it is difficult to obtain a plurality of semiconductor elements having uniform characteristics on the same base slope. Furthermore, there is a problem that the irradiation area of the laser beam is small and the throughput is low.
[0007]
In addition, the method (3) has an advantage that it can cope with a large area as compared with the methods (1) and (2), but the crystallization takes several tens of hours at a high temperature of 600 ° C. or higher. Heat treatment is required. That is, in order to use an inexpensive glass substrate and improve the throughput, it is necessary to simultaneously solve the conflicting problems of lowering the heating temperature and crystallizing in a short time. Further, in the method (3), in order to utilize the solid phase crystallization phenomenon, the crystal grains spread in parallel with the substrate surface and even have a grain size of several μm. However, since the grown crystal grains collide with each other to form a grain boundary, the grain boundary acts as a trap level for carriers and causes a decrease in TFT mobility.
[0008]
By applying the method (3) above, a method for producing a silicon film having high quality and uniform crystallinity by heat treatment at a lower temperature and in a shorter time is disclosed in JP-A-6-333824 and JP-A-Hei. 6-333825 and JP-A-8-330602. In these publications, a metallic element such as nickel is introduced into the surface of an amorphous silicon film, and then heat treatment is performed, so that the processing time is as low as 600 ° C. and several hours. Crystallization is performed.
[0009]
The mechanism of crystallization is understood by firstly generating crystal nuclei with a metal element as a nucleus, and then promoting the crystal growth by using the metal element as a catalyst to rapidly advance crystallization. In that sense, these metal elements will be called catalyst elements in the future. Crystallization is facilitated by these catalytic elements, and the crystalline silicon film that has grown is a columnar crystal, whereas the silicon film crystallized by the usual solid phase growth method has a twin structure. The inside of each columnar crystal is in a state close to a single crystal.
[0010]
If the catalyst element that promotes the crystallization remains in the silicon film, normal TFT characteristics cannot be obtained. Therefore, gettering using P ions or the like is performed as disclosed in JP-A-6-333824 and JP-A-8-236471. A PSG (phosphorus silicide glass) film is provided on the surface of the silicon film containing the catalytic element, a method of gettering the catalytic element with phosphorus contained therein, and phosphorus ions are implanted into the silicon film containing the catalytic element by an ion doping method And a method of providing a film having phosphorus or boron and gettering a catalytic element there has been proposed.
[0011]
In a TFT using a crystalline silicon film obtained by a method of promoting crystallization with the above catalyst element, the performance of a high ratio of on-current and off-current (leakage current) and high withstand voltage is required. As a method for reducing the off-current, a dual gate structure, a polysilicon thin film, and an LDD (Lightly Doped Drain) structure are considered, but all have advantages and disadvantages. The dual gate structure is a method in which two or more transistors are connected in parallel and the gate electrode is shared, and the off-current is reduced by relaxing the drain region electric field when the transistors are turned off. However, forming two or more transistors in a limited space leads to a decrease in the aperture ratio of the picture element, which is not desirable.
[0012]
Polysilicon thinning is a very simple method, and by reducing the thickness, the resistance between the source region and the drain region is increased to reduce the off-current. However, the expected reduction effect is not obtained. In the LDD (Lightly Doped Drain) structure, for example, when the source region and the drain region are n + layers, n − layers are provided between the channel region and the source region and between the channel region and the drain region. In general, after forming a gate electrode on a polysilicon film, low concentration ions are implanted using the gate electrode as a mask to form an n− layer. Next, a sidewall insulator is formed on the sidewall of the gate electrode, and then ion implantation is performed again to form an n + layer.
[0013]
As another method, after forming an n − layer by oblique rotation ion implantation using the gate electrode as a mask, an n + layer is formed by a normal ion implantation method. This method is called a gate overlap LDD structure because the n − layer deeply enters the channel region and the gate electrodes greatly overlap.
[0014]
In either structure, the off-current can be reduced by relaxing the drain region electric field and improving the breakdown voltage. However, when a voltage is applied to the gate electrode, the parasitic resistance of the source region n − layer is reduced. As a result, the current driving capability decreases. On the other hand, in the gate overlap LDD structure, since the n − layer exists under the gate electrode, the current driving capability is not impaired.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above semiconductor device, in the method of forming the source region, the drain region (high concentration portion) and the LDD region (low concentration portion) by ion implantation, fluctuations in ion implantation conditions and the film thickness distribution of the gate insulating film Due to the influence, there is a problem that the resistance of the LDD region varies widely and is difficult to control. In addition, ion implantation is required a plurality of times, and the manufacturing process such as formation of a sidewall insulator or oblique rotation ion implantation is complicated, so that there is a problem that the process is not efficient.
[0016]
It is an object of the present invention, the resistance control of the source region, drain region and LDD region can be accurately, it is possible to improve reliability, and simplify the manufacturing process to provide a method of manufacturing a semiconductor equipment which can improve the productivity There is.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, and a crystal of the amorphous silicon film on the amorphous silicon film. A step of introducing a catalyst element that promotes crystallization, and a heat treatment of the amorphous silicon film into which the catalyst element that promotes crystallization is introduced, whereby the amorphous silicon film is crystal-grown and crystallized. A step of forming a silicon film, a step of forming an amorphous silicon film having a conductivity type so as to form two island regions at a predetermined interval on the crystalline silicon film, and the crystalline silicon film And a step of forming a gate insulating film covering the amorphous silicon film having the conductivity type, and after forming the gate insulating film, two island regions are formed on the gate insulating film at a predetermined interval. like A step of forming a gate electrode so that a part of the inner side of the amorphous silicon film having the conductive type overlaps, and after forming the gate electrode, an interlayer is formed on the gate insulating film and on the gate electrode. A step of forming an insulating film; and a step of crystallizing the amorphous silicon film having the above conductivity type by energy beam irradiation using the gate electrode as a mask after forming the interlayer insulating film. .
[0036]
According to the method for manufacturing a semiconductor device, an amorphous silicon film having a predetermined impurity concentration (phosphorus, boron, etc.) is formed on the crystalline silicon film, and the gate electrode is used as a mask. By crystallization and activation by energy beam irradiation, the resistance of the source region, the drain region, and the LDD region (source side high resistance region, drain side high resistance region) can be easily controlled. The LDD region (source side high resistance region, drain side high resistance region) that overlaps the gate electrode of the amorphous silicon film is shielded by the gate electrode when activated by irradiation with an energy beam (for example, a laser or a lamp). By reducing the activation rate, a high resistance region is formed. Since an impurity concentration (phosphorus or boron) is determined in advance and an energy beam (for example, laser or lamp) is irradiated with a constant energy, the source region, drain region and LDD region (source side high resistance region, drain side high resistance region) ) Resistance control can be easily performed. Further, the amorphous silicon film having the conductivity type can be easily controlled by forming an amorphous silicon film having the above conductivity type on the silicon film having crystallinity by using a CVD method or the like, and the amorphous silicon film having the conductivity type. The peak of the concentration profile of impurity elements (phosphorus, boron, etc.) in the source region, drain region and LDD region formed from the substrate is selectively brought to the upper side of the crystalline silicon film where the current path is formed. it can. Further, since the source region, the drain region and the LDD region (source side high resistance region, drain side high resistance region) can be formed at the same time, the process can be shortened.
[0037]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device, the amorphous silicon film having the above-described conductivity type is a mixed gas of silane gas, hydrogen gas, PH 3 gas, or a mixed gas of silane gas, hydrogen gas, B 2 H 6 gas. It is characterized by being formed by a plasma CVD method using
[0038]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the above embodiment, the amorphous silicon film having the above conductivity type is formed by plasma CVD using silane gas, hydrogen gas, PH 3 gas, or B 2 H 6 gas. By adjusting the gas amount, the impurity element (phosphorus or boron) can be doped with higher accuracy than the ion implantation method.
[0039]
Also, in one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device, the amorphous silicon film in which the catalyst element for promoting crystallization is introduced is formed in the step of forming the crystalline silicon film by crystal growth of the amorphous silicon film. After the silicon film is crystallized by heat treatment, the crystallized silicon film is completely crystallized by any one of heat treatment in a furnace, lamp annealing, laser irradiation, or a combination thereof. It is characterized by.
[0040]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the above embodiment, the amorphous silicon layer into which the catalytic element is introduced is sufficiently obtained by any one method among heat treatment using a furnace, lamp annealing, and laser irradiation, or a combination thereof. It is possible to crystallize. In the heat treatment or lamp irradiation, it is particularly desirable that the amorphous silicon film is not completely crystallized but is completely crystallized by a subsequent laser. In other words, it is particularly desirable to perform crystallization by a combination of heat treatment and laser, or a combination of lamp annealing and laser, which dramatically improves transistor characteristics.
[0041]
In one embodiment of the method of manufacturing a semiconductor device, in the step of growing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film, the heat treatment after the introduction of the catalytic element is performed at 540 ° C. to 600 ° C. It is characterized by being performed within the temperature range.
[0042]
According to the method for manufacturing the semiconductor device of the above embodiment, when the heat treatment is performed within the temperature range of 540 ° C. to 600 ° C. after the introduction of the catalytic element, the amorphous silicon film may be completely crystallized. Absent. Accordingly, after introducing the catalyst element for promoting crystallization, the crystallization is incomplete when crystallization is performed by heat treatment, and the transistor characteristics are improved by complete crystallization by laser annealing.
[0043]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device, at least nickel is used as the catalyst element.
[0044]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the above embodiment, the catalyst element usually promotes crystal growth of the amorphous silicon film by silicidation. For example, the crystal structure of NiSi 2 which is a silicide compound of nickel as the catalyst element is most similar to the crystal structure of single crystal silicon among the silicide compounds of various catalyst elements, and its lattice constant is also the lattice of crystal silicon. Very close to a constant. Therefore, the NiSi 2 acts as the best template for crystallization of the amorphous silicon film, and the crystallization of the amorphous silicon film is greatly promoted.
[0045]
Also, in one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device, the amorphous silicon film having the above-described conductivity type is crystallized by one of lamp annealing or laser irradiation or a combination thereof, and at the same time, the crystallinity It is characterized in that the catalytic element contained in the silicon film is gettered.
[0046]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the above-described embodiment, it is possible to increase the resistance by shielding the portion desired to be the LDD region with the gate electrode, lowering the activation rate.
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
It will be described in detail below by semiconductor equipment manufacturing method illustrated embodiment of the present invention.
[0048]
1 and 2 are process diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. The semiconductor device manufacturing method of the present invention is applied to a process of forming an N-type TFT on a glass substrate. The TFT in this embodiment can be used as an element constituting a thin film integrated circuit as well as an active matrix driver circuit and a pixel portion. In this embodiment, a pixel TFT of an active matrix base slope for a liquid crystal display device in which hundreds of thousands to millions of N-type TFTs need to be particularly uniformly formed on the base slope will be described as representatives thereof. To do.
[0049]
1 (a) to 1 (e) and FIGS. 2 (a) to 2 (d) show the manufacturing process of the N-type thin film transistor according to the present invention in the order of steps. Actually, it is composed of several hundreds of thousands or more TFTs, but in this embodiment, the description is simplified to one TFT.
[0050]
First, as shown in FIG. 1A, a base film 102 made of silicon oxide having a thickness of 200 nm is formed on an insulating substrate 101 such as a glass substrate by a plasma CVD method. Next, an intrinsic amorphous silicon film having a thickness of 25 to 80 nm (for example, 40 nm) is formed by plasma CVD. Thereafter, unnecessary portions of the amorphous silicon film are removed and element isolation is performed, and a crystalline silicon film 103 which is an element formation region which later becomes a source region, a drain region, and a channel region of a thin film transistor is formed. The island area. When the present invention is applied to an active matrix liquid crystal display device, island regions are arranged in a matrix.
[0051]
Next, Ni is added to the crystalline silicon film 103 by sputtering so that the surface concentration becomes l × 10 13 to l × 10 15 atoms / cm 2 (for example, 7 × 10 13 atoms / cm 2 ). . After that, heat treatment is performed at 540 ° C. to 620 ° C. for several hours under an inert atmosphere. In this embodiment, heat treatment was performed at 580 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. However, the method of adding Ni is not limited to the sputtering method, and a method of forming a coating film using a coating solution made of a Ni compound may be used.
[0052]
Subsequently, crystallization is performed by laser irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm and a pulse width of 20 nsec is used, but other lasers may be used. The laser light irradiation conditions are an energy density of 200 to 400 mJ / cm 2 (for example, 250 mJ / cm 2 ) and 2 to 10 shots (for example, 2 shots) at one place. It is useful to heat the substrate to about 200 to 450 ° C. during the laser light irradiation. Thereafter, a resist film 104 is provided and patterning is performed to form an n-type amorphous silicon film.
[0053]
Next, after resist patterning, n-type amorphous silicon films 105 and 105 are formed by plasma CVD as shown in FIG. The conditions at this time are a substrate temperature of 170 ° C., a power of 0.5 W / cm 2 , a pressure of 0.2 torr, a SiH 4 gas flow rate of 100 sccm, a H 2 gas flow rate of 300 sccm, and a PH 3 gas flow rate of 20 sccm. The film thickness of the n-type amorphous silicon films 105 and 105 was set to 30 nm. Then, after the n-type amorphous silicon films 105 and 105 are formed, the resist film 104 is removed as shown in FIG.
[0054]
Thereafter, as shown in FIG. 1D, a gate insulating film 106 is formed by forming a silicon oxide film having a thickness of 50 nm to 250 nm (for example, 100 nm) by plasma CVD.
[0055]
Subsequently, as shown in FIG. 1 (e), an aluminum film having a thickness of 400 to 800 nm (for example, 600 nm) is formed by sputtering, and then the aluminum film is patterned to form an n-type amorphous silicon film 105, A gate electrode 107 is formed so as to overlap with 105. The width of this overlap is 0.5 to 2 μm. In this embodiment, the thickness is 1.5 μm. Note that the gate electrode 107 is not limited to aluminum, and a laminated film made of any one of tungsten, tantalum, molybdenum, and silver or a combination thereof may be used.
[0056]
Next, as shown in FIG. 2A, the n-type amorphous silicon films 105 and 105 are crystallized and activated using the gate electrode 107 as a mask by irradiating a laser beam as an energy beam. As the laser light at this time, a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm and a pulse width of 20 nsec is used, but other lasers may be used. The laser light irradiation conditions are an energy density of 200 to 400 mJ / cm 2 , for example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10 shots (for example, 2 shots) per place. In addition to the laser, an ultraviolet lamp may be used, or a combination of a laser and a lamp may be used.
[0057]
As a result, as shown in FIG. 2B, the portion irradiated with the laser light has a high activation rate and becomes a low resistance region (source region 109a, drain region 109b), and the light is blocked by the gate electrode 107. The portion to be formed becomes an LDD region (source side high resistance region 108a, drain side high resistance region 108b) which is a high resistance region. Further, the catalytic element in the crystalline silicon film 103 is gettered to the n-type silicon region (source region 109a, drain region 109b).
[0058]
Next, as shown in FIG. 2C, an interlayer insulating film 110 is formed by forming a silicon nitride film having a thickness of 600 nm by plasma CVD. Subsequently, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. and 20 atm or less for 1 hour to hydrogenate the crystalline silicon film 103.
[0059]
Next, as shown in FIG. 2D, contact holes are formed in the silicon nitride film 110 on the source region 109a and the drain region 109b, respectively, and a thin film transistor is formed by a multilayer film of metal materials (eg, titanium nitride and aluminum). Metal wiring 111 is formed. Further, when this thin film transistor is used as a pixel switching element of a liquid crystal display device or the like, a pixel electrode (not shown) made of ITO (Indium-Tin-Oxide) is formed instead of the metal electrode 111, A thin film transistor is completed.
[0060]
In the above embodiment, nickel is added as a catalyst element for promoting crystallization, but one or more of nickel, cobalt, palladium, platinum, copper, silver, gold, indium, tin, aluminum and antimony are used. These elements may be used in combination.
[0061]
【The invention's effect】
As apparent from the above, according to the manufacturing method of the semiconductor equipment of the present invention, the active region is formed in the silicon film having a crystallinity which is formed over a substrate having an insulating surface, part of the source region, the drain region Is formed by deposition, and the LDD region is formed by a resist work, a gate formation method, and a crystallization method, whereby resistance control of the LDD region is facilitated and reliability such as off-current can be improved. Further, the source region, the drain region, and the LDD region can be formed at the same time, the manufacturing process can be simplified, and the productivity can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 1;
[Explanation of symbols]
101: Insulating substrate,
102: base film,
103 ... a crystalline silicon film,
104 ... resist,
105 ... n-type amorphous silicon film,
106: gate insulating film,
107 ... Gate electrode,
108a ... high resistance region on the source side,
108b ... Drain side high resistance region,
109a ... source region,
109b ... drain region,
110 ... interlayer insulating film,
111: Metal electrode.

Claims (6)

絶縁表面を有する基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、
上記非晶質シリコン膜にその非晶質シリコン膜の結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、
上記結晶化を助長する触媒元素が導入された上記非晶質シリコン膜を加熱処理することによって、上記非晶質シリコン膜を結晶成長させて結晶性シリコン膜を形成する工程と、
上記結晶性シリコン膜上に所定の間隔をあけて2つの島領域になるように導電型を有する非晶質シリコン膜を成膜する工程と、
上記結晶性シリコン膜および上記導電型を有する非晶質シリコン膜を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、
上記ゲート絶縁膜を形成した後、上記ゲート絶縁膜上に上記所定の間隔をあけて2つの島領域になるように成膜された上記導電型を有する非晶質シリコン膜の内側の一部が重なるようにゲート電極を形成する工程と、
上記ゲート電極を形成した後、上記ゲート絶縁膜上および上記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
上記層間絶縁膜を形成した後、上記ゲート電極をマスクとしてエネルギービーム照射により上記導電型を有する非晶質シリコン膜の結晶化を行う工程と有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
Introducing a catalyst element that promotes crystallization of the amorphous silicon film into the amorphous silicon film;
Heat-treating the amorphous silicon film into which the catalyst element for promoting crystallization is introduced, thereby crystal-growing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Forming an amorphous silicon film having a conductivity type on the crystalline silicon film so as to form two island regions at a predetermined interval;
Forming a gate insulating film covering the crystalline silicon film and the amorphous silicon film having the conductivity type;
After the gate insulating film is formed, a part of the inside of the amorphous silicon film having the conductivity type formed on the gate insulating film so as to be two island regions with a predetermined interval is formed. Forming a gate electrode so as to overlap;
Forming an interlayer insulating film on the gate insulating film and on the gate electrode after forming the gate electrode;
And a step of crystallizing the amorphous silicon film having the above conductivity type by energy beam irradiation using the gate electrode as a mask after forming the interlayer insulating film.
請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
上記導電型を有する非晶質シリコン膜が、シランガス,水素ガス,PH3ガスの混合ガスまたはシランガス,水素ガス,B26ガスの混合ガスを用いたプラズマCVD法により成膜されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 ,
The amorphous silicon film having the above conductivity type is formed by a plasma CVD method using a mixed gas of silane gas, hydrogen gas, PH 3 gas or a mixed gas of silane gas, hydrogen gas, B 2 H 6 gas. A method of manufacturing a semiconductor device.
請求項またはに記載の半導体装置の製造方法において、
上記非晶質シリコン膜を結晶成長させて結晶性シリコン膜を形成する工程において、上記結晶化を助長する触媒元素が導入された上記非晶質シリコン膜を加熱処理により結晶化させた後、その結晶化されたシリコン膜を、炉による熱処理、ランプアニール、レーザ照射のうちのいずれか1つの方法またはそれらの組合わせにより完全に結晶化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
In the step of forming the crystalline silicon film by crystal growth of the amorphous silicon film, the amorphous silicon film into which the catalytic element for promoting crystallization is introduced is crystallized by heat treatment, A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a crystallized silicon film is completely crystallized by any one method of heat treatment using a furnace, lamp annealing, laser irradiation, or a combination thereof.
請求項乃至のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記非晶質シリコン膜を結晶成長させて結晶性シリコン膜を形成する工程において、上記触媒元素の導入後の加熱処理を540℃〜600℃の温度範囲内で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 ,
In the step of forming a crystalline silicon film by crystal growth of the amorphous silicon film, the heat treatment after the introduction of the catalytic element is performed within a temperature range of 540 ° C. to 600 ° C. Production method.
請求項乃至のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素として少なくともニッケルを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein at least nickel is used as the catalyst element.
請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
上記導電型を有する非晶質シリコン膜を、ランプアニールまたはレーザ照射のいずれかの一方の方法またはその組合わせにより結晶化させると同時に上記結晶性シリコン膜に含まれる触媒元素をゲッタリングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 ,
Crystallizing the amorphous silicon film having the conductivity type by one of lamp annealing or laser irradiation or a combination thereof, and simultaneously gettering the catalytic element contained in the crystalline silicon film; A method of manufacturing a semiconductor device.
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