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JP4618957B2 - Crystalline silicon film forming method, semiconductor device, and display device - Google Patents
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JP4618957B2 - Crystalline silicon film forming method, semiconductor device, and display device - Google Patents

Crystalline silicon film forming method, semiconductor device, and display device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体膜の形成方法及びその形成方法を用いて製造された半導体装置並びにディスプレイ装置に関し、特に、非単結晶絶縁膜上または非単結晶絶縁基板上に形成された非晶質または多結晶等の半導体膜にエネルギーを加えて、結晶欠陥の少ない、大略結晶方位の揃った結晶性半導体膜を得ることができる半導体膜の形成方法及びその形成方法を用いて形成された半導体膜、さらには、その半導体膜を用いた液晶ドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置、並びに、これらの半導体装置を用いたディスプレイ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、基板に形成された非単結晶絶縁膜上または非単結晶絶縁基板上に、非晶質または多結晶等の半導体膜を形成し、この半導体膜にエネルギーを加えることにより、この半導体膜を結晶化させる方法が知られている。この方法により結晶方位が揃った結晶性の半導体膜を形成する場合、非晶質等の半導体膜中に不規則な結晶核が発生することを抑制し、結晶方位が制御された結晶核を種結晶として結晶成長させることが重要である。
【0003】
特開昭58−85519号公報(以下、従来例1とする)には、図14に示すように、長方形状の絶縁性基板1上に、所定の形状にSi膜2をパターニングして熱エネルギーを付与する方法が開示されている。この従来例1では、絶縁性基板1における一方の側縁部を除く全面にわたってSi膜2が設けられている。Si膜2は、絶縁性基板1の側縁部以外に設けられた主領域2aと、絶縁性基板1の側縁部の中央部に設けられた挟小領域2bとを有しており、主領域2aは、狭小領域2bに連続する側縁部の幅寸法が狭小領域2bに接近するにつれて小さくなっている。この従来例1の方法では、Si膜2の狭小領域2bに形成された結晶核が種結晶となって、この種結晶から主領域2aに結晶領域が広がり、Si膜2の全体が単結晶化される。この場合、挟小領域2bに形成される種結晶として、狭小領域2bに自然発生した結晶核を用いる場合と、Siの単結晶片を狭小領域2b上に配置する場合とが提案されている。
【0004】
米国特許4,576,676号明細書(以下、従来例2とする)には、図15に示すように、基板10上に形成された多結晶シリコン膜11の薄膜化された領域に、レーザー等の加熱手段を走査する方向に対して直交する方向の長さが小さく形成されたくびれ部12を形成し、この薄膜化された多結晶シリコン膜11を一定方向に加熱して溶融することにより、結晶化する方法が提案されている。この従来例2では、溶融による結晶化方向に対して後ろ側となる領域に、結晶方位を選択する結晶方位フィルター13を設置すると共に、溶融結晶化の走査方向の途中で、溶融方向に対して直交する方向の長さ寸法が小さく形成されたくびれ部12を通過させることにより、単一の結晶粒のみが選択される。
【0005】
また、Appl.Phys.Lett.Vol.41,No.8,pp747〜749(以下、従来例3とする)には、図16に示すように、SiO2膜が堆積されたSi基板上に形成された薄膜状の多結晶シリコン膜21に対して、レーザー光照射等による溶融固化を実施する方向22に対して直交する方向が、一部において狭小になる狭小領域23をエッチングにより形成し、この薄膜化された多結晶Si膜21を一定方向に加熱して溶融することにより、結晶化する方法が提案されている。図16において、24は、エッチングにより多結晶シリコン膜が除去された領域を示している。この従来例3の方法においても、溶融後に結晶化させる工程の途中で、狭小領域23を通過させることにより、挟小領域23にて結晶方位が選択される。
【0006】
また、特開平7−231100号公報には、図17に示すように、ガラス基板31上に形成された非晶質シリコン膜32の表面上に、ニッケルを含むニッケル層を形成し、ニッケルによる結晶化促進作用を利用して結晶化を進行させる結晶化方法が提案されている(以下、従来例4とする)。この従来例4の方法では、非晶質シリコン膜32の表面には、濡れ性を改善するために、厚さ100Å程度の酸化珪素膜33が形成され、この酸化珪素膜33上に、結晶化を助長する触媒物質であるニッケルを含有する溶液膜34を塗布し、スピンドライし、非晶質シリコン膜32の表面にニッケルを含むニッケル層が形成される。続いて、450℃〜650℃、例えば、550℃のアニールを行うことにより非晶質シリコン膜32を結晶化させる。この方法では、結晶化温度よりも高い温度、例えば、1000℃のアニールを行うことにより、さらに、結晶化が助長されることが記載されており、この方法を用いることにより、大粒径の結晶性シリコン膜が得られる。
【0007】
また、従来例4では、非晶質シリコン膜32の全面にわたってニッケルを導入して、結晶化を助長させる方法であるが、上記の特開平7−231100号公報には、図18(a)示すように、非晶質シリコン膜32上に形成される酸化珪素膜35を触媒物質が導入されないマスク層として用い、触媒物質であるニッケルが選択的に導入される触媒物質導入領域36を形成し、この触媒物質導入領域36から結晶化を進行させる結晶化方法が提案されている(以下、従来例5とする)。この従来例5の方法では、ガラス基板31上に形成された非晶質シリコン膜32上に厚さ1200Åのマスク用酸化珪素膜35を形成した後、必要なパターンにエッチングする。エッチングされた非晶質シリコン膜32の表面には、濡れ性を改善するために、厚さ100Å程度の酸化珪素膜33が形成され、この酸化珪素膜33上に、結晶化を助長する触媒物質であるニッケルを含有する溶液膜34を塗布し、ガラス基板31の下方に設置されたスピナー37を用いてスピンドライし、非晶質シリコン膜32の触媒物質導入領域36にニッケルを含む層を形成する。続けて、450℃〜650℃、例えば、550℃のアニールを行うことにより非晶質シリコン膜32を結晶化させる。このアニールを行う間、非晶質シリコン膜32中における結晶成長は、図18(b)に示すように、ニッケルが導入された触媒物質導入領域36の非晶質シリコン膜32の領域32aからニッケルが導入されなかった領域32bに、横方向に進む。結晶成長が終了すると、酸化珪素膜35を除去し、結晶化温度よりも高い温度、例えば、1000℃のアニールを行うことにより、さらに結晶化が助長される。この従来例5の方法によっても、大粒径の結晶性シリコン膜が得られる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来例1の結晶化方法では、狭小領域2bに自然発生した結晶核を用いて結晶を成長させる場合には、狭小領域2bに発生した一つの結晶方位を有する結晶粒に基づいて、主領域2aにおける結晶成長が進行することになるが、狭小領域2bにて発生する結晶核の方位は、不規則であり、必ずしも、結晶成長し易い方位の結晶核が発生するとは限らない。したがって、狭小領域2bにて結晶成長し難い結晶核が発生した場合には、主領域2aにおいて、他の方位を有する結晶核が発生して、多結晶になるおそれがある。また、図14に示す形状のSi膜2のパターンを複数形成する場合には、複数の各狭小領域2bにて発生する結晶核の結晶方位が一致せず、それぞれの狭小領域2bに発生して結晶成長した主領域2aの結晶方位も一致しない。
【0009】
一方、Siの単結晶片を狭小領域2b上に配置して、この単結晶片に基づいて結晶を成長させる場合には、狭小領域2bに種結晶とする結晶片を貼り付けるために、貼り付ける結晶片と狭小領域2bにおけるSi膜2との貼り付け界面が原子レベルで清浄であることが必要であり、この清浄な界面を形成し、かつ保持することが非常に困難であるという問題がある。
【0010】
また、上記の従来例2及び3では、溶融化後の結晶化を進める際に、走査方向に対して直交する方向の寸法が小さい狭小領域12及び23を通過するときに、基板温度が過度に上昇する。このため、ガラス基板等の安価な基板を用いることができない。
【0011】
さらに、上記の従来例1〜3では、パターニングしたシリコン膜のエッジ部分の側面部分、底面における交差部分に連続的ではない角部が形成されていると、その部分で不規則な結晶方位を有する結晶核が発生し易いという問題もある。
【0012】
また、上記の従来例4では、結晶成長させるための結晶核が、非晶質シリコン膜32の全面にわたって不規則に起こるため、μmオーダーの結晶粒が得られるに過ぎず、結晶方位の揃った大きな結晶粒または単結晶領域を得ることは困難である。
【0013】
また、上記従来例5の方法では、ニッケルが導入された触媒物質導入領域36内で不規則に結晶核が発生し、その結晶核に基づいて、ガラス基板31の表面に対して横方向に結晶成長を進行させるため、従来例4の方法に比較すれば、より長い結晶粒または単結晶領域が得られる。しかし、この場合でも、μmオーダーの結晶成長方向に対する幅方向の寸法を有する結晶粒が得られるに過ぎず、さらに大きな結晶粒または単結晶領域を得ることは困難である。
【0014】
さらに、上記従来例4及び5の方法によって結晶化された半導体膜は、結晶欠陥が多く生じるという問題もある。
【0015】
このような結晶方位が揃っておらず、また、結晶欠陥を多数有する半導体膜を用いて液晶ドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置(トランジスタ)を作製した場合、キャリアの移動度が小さい、閾値電圧が大きい等の問題が発生し、さらに、液晶トライバー等に多数形成された各半導体装置(トランジスタ)のキャリアの移動度、閾値電圧のバラツキが大きくなるという問題もある。
【0016】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、結晶欠陥が少なく、かつ、大略結晶方位が揃った大粒径の結晶粒を有する結晶性半導体膜の形成方法及びその形成方法を用いて製造された半導体装置並びにディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の結晶性シリコン膜の形成方法は、基板上に形成された非晶質シリコン膜にエネルギーを加えて結晶成長させて結晶性シリコン膜とする結晶性シリコン膜の形成方法であって、前記基板上に非晶質シリコン膜を250〜350℃の温度範囲で成膜して、膜中の水素濃度が10〜20at%である非晶質シリコン膜を形成する工程と、次いで、該非晶質シリコン膜を、所定方向に沿った直線状であって、相互に間隔をあけて設けられた第一主領域及び第二主領域と、該第一主領域と該第二主領域との間に、両者を連結するように設けられ、幅方向の寸法が第一及び第二主領域よりも挟小になっている連結領域とを有するようにパターニングする工程と、前記第一主領域に、前記非晶質シリコン膜の結晶化を助長する触媒物質が選択的に導入される触媒物質導入領域を形成する工程と、前記触媒物質導入領域に、前記触媒物質としてニッケルを導入する工程と、該ニッケルが導入された前記非晶質シリコン膜にエネルギーを与えることによって、該非晶質シリコン膜を、前記基板の垂直方向の結晶方位が大略(111)に揃っており、且つ、前記基板の水平方向の結晶方位が大略揃った結晶性シリコンにする工程と、を包含することを特徴とする。
【0018】
前記パターニングする工程において、前記非晶質シリコン膜は、前記連結領域と前記第二主領域とが、滑らかに連続するようにパターニングされることが好ましい
【0019】
前記基板上に前記非晶質シリコン膜を形成する前に、該基板に、側面と底面とが滑らかに連続する溝部を、前記パターニングする工程においてパターニングされた前記非晶質シリコン膜の形状に対応するように形成する工程をさらに包含し、前記パターニングする工程において、前記溝部に埋め込まれた前記非晶質シリコン膜以外の前記基板上の非晶質シリコン膜が除去されることが好ましい
【0020】
前記溝部は、前記パターニングする工程においてパターニングされる前記非晶質シリコン膜の前記連結領域と前記第二主領域とが、滑らかに連続するように形成されていることが好ましい
【0021】
前記連結領域の幅方向の寸法は、0.2μm〜10μmの範囲になるように形成されることが好ましい
【0022】
前記連結領域の長さ方向の寸法は、0.5μm〜100μmの範囲になるように形成されることが好ましい
【0023】
本発明の半導体装置は、前記結晶性シリコン膜を有することを特徴とする
【0024】
本発明のディスプレイ装置は、前記半導体装置を備えていることを特徴とする
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【0035】
本発明は、非晶質シリコン膜の膜中水素濃度と結晶化後の結晶方位との間に相関関係があることに着目してなされたものである。
【0036】
すなわち、本願発明者らは、膜中の水素濃度がそれぞれ異なる複数種の非晶質シリコン膜を試料として形成し、それぞれの試料について、エネルギーを印加して結晶化し、得られる結晶性シリコン膜に含まれる結晶方位の種類及び含まれるそれぞれの結晶方位の占有面積率を調べた。本願発明者らは、その実験結果に基づいて、基板の垂直方向の結晶方位が、大略揃った結晶性シリコン膜を得る結晶性シリコン膜の形成方法を実現することができた。
【0037】
まず、非晶質シリコン膜の膜中水素濃度と結晶化後の結晶方位との間の相関関係について調べた実験結果について、詳細に説明する。
【0038】
図10は、各試料として作製される非晶質シリコン膜41を説明しており、図10(a)は、その断面図、図10(b)は、その平面図をそれぞれ示している。
【0039】
試料1として、膜中に含まれる水素濃度が高い非晶質シリコン膜を形成した。この試料1を作製するためには、始めに、ガラス基板40上に、成膜温度250℃で、SiH4ガスを用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、非晶質シリコン膜41を50nmの膜厚で形成した。このように形成した非晶質シリコン膜41の膜中水素濃度をFTIR(Fourier Trnsform Infrared Spectrometer)測定した結果、19%であった。
【0040】
次いで、上記のように形成した非晶質シリコン膜41上に、SiO2膜42を100nmの膜厚に形成した後、RIE(Reactive Ion Etching)法を用いて、SiO2膜42の一部をエッチングにより除去し、触媒物質導入領域43を形成する。この触媒物質導入領域43は、図10(b)に示すように、10μmの幅方向寸法を有する線状とした。
【0041】
次に、スパッタリング法を用いて、触媒物質導入領域43にニッケル薄膜を形成する。このニッケル薄膜のニッケル表面原子濃度は、1×1013〜5×1013個/cm2とした。
【0042】
次に、電気炉を用いて550℃の加熱処理を4時間にわたって行った。この加熱処理により、触媒物質導入領域43に導入されたニッケルが、非晶質シリコン膜41中のシリコンと結合してニッケルシリサイドを形成し、このニッケルシリサイドが結晶核として、非晶質シリコン膜41の結晶化が促進される。ニッケルシリサイドは、非晶質シリコンを結晶化しながら、横方向に移動し、移動方向の後ろ側には、結晶性シリコン膜が形成される。
【0043】
次に、膜中に含まれる水素濃度が、上記試料1よりも低減された非晶質シリコン膜を試料2として形成した。
【0044】
この試料2は、ガラス基板40上に、成膜温度350℃で、SiH4ガスを用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、非晶質シリコン膜41を50nmの膜厚に形成した。他の工程は、上記試料1と同様の手順で作製した。
【0045】
次に、膜中に含まれる水素濃度が、上記試料2よりもさらに低減された非晶質シリコン膜を試料3として形成した。
【0046】
この試料3は、ガラス基板40上に、成膜温度450℃で、SiH4ガスを用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、非晶質シリコン膜41を50nmの膜厚に形成した。他の工程は、上記試料1と同様の手順で作製した。
【0047】
次に、上記のように作製された各試料1〜3の結晶性シリコン膜の結晶方位を、EBSP(Electron Backscatter Diffraction Pattern)法を用いて測定した。このEBSP法は、電子線を試料に照射し、試料によって散乱された電子線によって現れる菊地図によって結晶方位を判定する結晶方位の測定法である。
【0048】
このEBSP法を用いて測定された各試料1〜3の結晶方位面分布について、下記の表1に示す。この表においては、ガラス基板40の垂直方向の(111)、(110)各方位近傍の占有面積比率をそれぞれ表示している。また、図11には、この表1に示される結晶方位分布を、グラフによって示している。
【0049】
【表1】

Figure 0004618957
【0050】
表1及び図11のグラフをそれぞれ参照すると、試料1における優先配向結晶方位は(111)であり、その占有面積は、68%である。
【0051】
膜中水素濃度が試料1より低減された試料2では、優先配向結晶方位は、試料1と同じく(111)であるが、その占有面積は54%であり、試料1の占有面積よりも低下している。
【0052】
膜中水素濃度が試料2よりも低減された試料3では、優先配向結晶方位は、(111)ではなく、(110)となっており、その占有面積は47%となっている。
【0053】
図11を参照して明らかなように、膜中水素濃度が低減すると共に、(111)の結晶方位が、低減され、(110)の結晶方位が増加している。その原因としては、以下のように考えられる。
【0054】
触媒物質導入領域43に導入されたニッケルが、非晶質シリコン膜41中のシリコンと結合して形成されるニッケルシリサイドは、非晶質シリコン膜41を結晶化させながら横方向に移動し、移動方向の後ろ側には、結晶性のシリコン膜が形成される。このようにして形成される結晶性シリコン膜41の基板垂直方向の結晶方位は、(110)になることが、Hayzelden等によってJ.Appl.Phys.Vol.73,No.12,1993に報告されている。
【0055】
一方、ガラス基板40上に、成膜温度350℃で、SiH4ガスを用いたプラズマCVD法を行うことによって膜厚50nmに形成された非晶質シリコン膜41を、570℃の温度で、20時間にわたって加熱処理すると、非晶質シリコン膜41中に自然核が発生し、この自然核に基づいて結晶化が進行する。このように結晶化された試料について、X線解析測定法により結晶方位を測定したところ、(111)の結晶方位に基づく回折ピークのみが観察された。この結果は、自然核及びこの自然核に基づいて成長された結晶は、(111)面の結晶方位に優先的に配向することを示す。
【0056】
上記の試料1及び2では、非晶質シリコン膜41中に含まれる水素濃度が高いので、加熱処理により水素が抜けた後のダングリングボンドの歪みにより、自然核が発生し易くなっており、この自然核によって、形成される結晶性シリコンの結晶方位が、(111)に優先的に配向していると考えられる。この場合、試料1及び2におけるニッケルシリサイドは、結晶化速度を早めるのみの作用を有していると考えられる。
【0057】
これに対して、試料3では、非晶質シリコン膜41中に含まれる水素濃度が低くなっているために自然核の発生が少なく、ニッケルシリサイドを結晶核とする結晶化が支配的になっていると考えられる。その結果、ニッケルシリサイドの影響によって、形成される結晶性シリコンの結晶方位が、(110)に優先的に配向していると考えられる。
【0058】
上記に説明したように、試料1では、形成される結晶性シリコン膜は、(111)面の占有面積が高く、基板垂直方向の結晶方位は、大略(111)に揃えることができる。
【0059】
ただし、このように、膜中に含まれる水素濃度が高くなるようにして、基板垂直方向の結晶方位を大略(111)面に揃えても、基板の横方向(図10のX及びY方向)の結晶方位は揃わない。
【0060】
このため、基板の垂直方向の結晶方位を揃えると共に、基板の横方向にも結晶方位を揃える場合には、図10(c)のように、結晶の成長方向に対して、直交する方向の寸法が狭小になるようにくびれた連結部を有するように、非晶質シリコン膜をパターニングする。このようにすれば、結晶成長するそれぞれの結晶方位を有する複数の結晶粒のうち、連結部にて、単一の結晶粒が選択され、結晶成長方向に対して連結部の前方部では、選択された単一の結晶粒によって結晶成長された結晶粒界のない単結晶領域を形成することができる。
【0061】
この場合、結晶成長は、触媒物質によって促進されるため、連結部に過度の温度上昇を生じさせる程の高温熱処理を実施する必要がないので、耐熱性に優れていないガラス基板を用いても、結晶化を行うことができる。
【0062】
このようにして、基板垂直方向の結晶方位が、大略(111)に揃っていると共に、基板の横方向の結晶方位も、大略揃った結晶性のシリコン膜を形成することができる。
【0063】
以下、本発明の結晶性半導体膜の形成方法の具体的な形態について、図面に基づいて説明する。
【0064】
(実施の形態1)
図1(a)及び(b)は、それぞれ、本実施の形態1の結晶性半導体膜の形成方法を工程毎に説明する斜視図である。
【0065】
まず、プラズマCVD法によって、ガラス基板40上の全面にわたって、非晶質シリコン膜41を50nmの膜厚に均一に形成する。成膜に用いる材料ガスとして、SiH4を用い、基板温度は300℃とする。
【0066】
次に、ガラス基板40上に形成された非晶質シリコン膜41に対して、CF4ガスとO2ガスとを用いた反応性イオンエッチング(RIE)法によって、エッチングし、図1(a)に示すように、ガラス基板40の長手方向に対して直交する幅方向の寸法が一定になっている第一主領域41a及び第二主領域41cの間に、幅方向寸法が狭小になっている連結領域41bを有するようにパターニングする。連結領域41bは、幅方向の寸法が5μm、長手方向に沿った長手方向寸法が20μmとした。
【0067】
次に、SiH4ガスとO2ガスとを用いた常圧CVD法によって、非晶質シリコン膜41を成膜したガラス基板40の全面にわたって、SiO2膜42を100nmの膜厚に形成する。続いて、RIE法によって、SiO2膜42において、非晶質シリコン膜41の第一主領域41a上に該当する位置を、図1(b)に示すように、矩形状にエッチングして除去し、触媒物質が導入される触媒物質導入領域43とする。
【0068】
次に、スパッタリング法を用いて、全面にわたってニッケル(Ni)を蒸着する。本実施の形態1では、ニッケルの表面原子濃度は、1×1013〜5×1013個/cm2とした。
【0069】
次に、電気炉を用いて熱処理を実施する。この熱処理の条件は、例えば、550℃、4時間とする。この熱処理により、最初に触媒物質導入領域43に結晶核が発生し、この結晶核を種として結晶成長が進行する。
【0070】
本実施の形態1では、ガラス基板40上に形成された非晶質シリコン膜41が、300℃の温度条件で成膜され、膜中に含まれる水素濃度が高くなっているため、基板の垂直方向の結晶方位は、大略(111)に揃っている。
【0071】
また、この触媒物質導入領域43に発生した多数の結晶核は、横方向に結晶成長が進行する際に、連結領域41bにて、単一の結晶粒が選択される。
【0072】
したがって、第一主領域41aの触媒物質導入領域43にて発生した結晶核が、連結領域41bを経て、第二主領域41cに結晶成長が進行すると、第二主領域41cでは、ガラス基板40の垂直方向の結晶方位が、大略(111)に揃っており、且つ、ガラス基板40の横方向の結晶方位も大略揃った結晶性のシリコン膜に結晶化される。
【0073】
次に、ほぼ全面にわたって形成されたSiO2膜42をエッチングにより除去した後、レーザ照射による結晶化を行い、加熱により結晶化されたシリコン膜41をさらに完全に結晶化する。このレーザ照射に用いられるレーザのエネルギーは、350〜400mJ/cm2の範囲に設定される。
【0074】
このようにして形成された結晶性シリコン膜41の結晶方位をEBSP法により測定すると、第二主領域41cにおける結晶性シリコン膜の基板垂直方向の結晶方位は、大略(111)に揃っていた。
【0075】
連結領域41bを設置することによるガラス基板40の横方向の結晶方位の選択性を向上するためには、第一主領域41aにおいて、触媒物質導入領域43の端部から連結領域41bまでに、所定の間隔が形成される。図2は、この間隔aを説明するための平面図である。間隔aは、0.5〜50μmに設定される。間隔aが、0.5μmより小さい場合には、連結領域41bによる結晶方位の選択性が低くなる。
【0076】
(実施の形態2)
図3(a)及び(b)は、それぞれ、本実施の形態2の結晶性半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【0077】
本実施の形態2は、前述の実施の形態1の結晶性半導体膜の形成方法と概略同様の工程にて行われるが、連結領域41bから第二主領域41cにかけて、エッジ形状が生じないように滑らかに連続するように、非晶質シリコン膜41をパターニングしている点が、実施の形態1と異なっている。
【0078】
以下、具体的に説明する。
【0079】
まず、実施の形態1と同様にして、ガラス基板40上に非晶質シリコン膜41を50nmの膜厚に均一に形成する。
【0080】
次に、ガラス基板40上に形成された非晶質シリコン膜41に対して、CF4ガスとO2ガスとを用いたRIE法によって、エッチングし、図3(a)に示すように、ガラス基板40の長手方向に対して直交する幅方向の寸法が一定になっている第一主領域41a及び第二主領域41cの間に、幅方向寸法が狭小になっている連結領域41bを有するようにパターニングする。連結領域41bは、幅方向の寸法が5μm、長手方向に沿った長手方向寸法が20μmとした。本実施の形態2では、さらに、連結領域41bから第二主領域41cにかけて、連結領域41bの幅寸法が、滑らかな湾曲形状を形成しながら徐々に幅方向寸法が大きくなっていき、連結領域41bと第二主領域41cとの間でエッジ形状が生じないように非晶質シリコン膜41をパターニングしている。
【0081】
図4には、このようにパターニングされた非晶質シリコン膜41の平面図を示している。このような連結領域41bと第二主領域41cとの間に形成される滑らかな湾曲形状は、例えば、略円周の1/4の湾曲部を2つ連続してつなぎ合わせることにより形成される。
【0082】
次に、SiH4ガスとO2ガスとを用いた常圧CVD法によって、非晶質シリコン膜41を成膜したガラス基板の全面にわたって、SiO2膜42を100nmの膜厚に形成する。続いて、RIE法によって、非晶質シリコン膜41の第一主領域41a上に該当する位置のSiO2膜42を、図3(b)に示すように、矩形状にエッチングして、触媒物質が導入される触媒物質導入領域43とする。
【0083】
次に、スパッタリング法を用いて、全面にわたってニッケル(Ni)を蒸着する。本実施の形態2では、ニッケルの表面原子濃度は、1×1013〜5×1013個/cm2とした。
【0084】
次に、電気炉を使用して熱処理を実施する。この熱処理の条件は、550℃、4時間とする。この熱処理により、最初に触媒物質導入領域43に結晶核が発生し、この結晶核を種として結晶成長が進行する。
【0085】
本実施の形態2では、ガラス基板40上に形成された非晶質シリコン膜41が、300℃の温度条件で成膜され、膜中に含まれる水素濃度が高くなっているため、基板の垂直方向の結晶方位は、大略(111)に揃っている。
【0086】
また、この触媒物質導入領域43に発生した多数の結晶核は、横方向に結晶成長が進行するに際して、連結領域41bにて単一の結晶粒が選択される。
【0087】
したがって、第一主領域41aの触媒物質導入領域43にて発生した結晶核が、連結領域41bを経て、第二主領域41cに結晶成長が進行すると、第二主領域41cでは、基板の垂直方向の結晶方位が、大略(111)に揃っており、且つ、基板の横方向の結晶方位も大略揃った結晶性のシリコン膜に結晶化される。
【0088】
さらに、本実施の形態2では、連結領域41bから第二主領域41cにかけて、連結領域41bの幅寸法が、滑らかな湾曲形状を形成しながら徐々に幅方向寸法が大きくなっていき、連結領域41bと第二主領域41cとの間でエッジ形状が生じないように滑らかに連続しているので、エッジ形状が形成された部分で不規則な結晶核が発生することを抑制することができる。
【0089】
図5には、本実施の形態2とは異なり、連結領域41bと第二主領域41cとが、滑らかに連続せず、エッジ形状を有するように非晶質シリコン膜41がパターニングされた場合を示す平面図である。このように、連結領域41bと第二主領域41cとの間で、エッジ形状が生じている場合には、連結領域41bにて、単一の結晶方位を有する結晶粒101が選択されても、エッジ部で発生した不規則な核、具体的には、(112)面、(114)面、(123)面、(334)面、(345)面等の非(111)面方位を持った結晶核が発生して、第二主領域41cにおいて、非(111)面方位を有する結晶粒102と、連結領域41bにて選択された(111)面方位を有する結晶粒101とが結晶成長して、各結晶粒間に、結晶粒界103が発生する。このため、図5に示すように、非晶質シリコン膜41をパターニングすると、結晶方位が大略揃った結晶性のシリコン膜を得ることができなくなる。
【0090】
次に、ほぼ全面にわたって形成されたSiO2膜42をエッチングにより除去した後、レーザ照射による結晶化を行い、加熱により結晶化されたシリコン膜をさらに完全に結晶化する。
(実施の形態3)
図6(a)〜(c)は、それぞれ、本実施の形態3の結晶性半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【0091】
本実施の形態3は、前述の実施の形態1の結晶性半導体膜の形成方法と概略同様の工程によって行われるが、結晶化される非晶質シリコン膜が、基板上に形成された溝部に埋め込まれた状態に形成され、非晶質シリコン膜の第一及び第二主領域及び連結領域のそれぞれの側面部と底面部とが滑らかに連続する形状を有している点が、実施の形態1と異なっている。
【0092】
以下、具体的に説明する。
【0093】
まず、CF4ガスを用いたRIE法と緩衝フッ酸による湿式エッチングとを組み合わせて行うことにより、ガラス基板40の表面上に、溝部44を形成する。この溝部44は、図6(a)に示すように、ガラス基板40の長手方向に対して直交する幅方向の寸法が一定になっている第一主領域44a及び第二主領域44cの間に、幅方向寸法が狭小になっている連結領域44bを有するようにパターニングされて形成される。
【0094】
図7には、溝部44が形成されたガラス基板40の長手方向に直交する方向の断面図を示している。このように形成された溝部44は、側面部と底面部をが滑らかに連続する湾曲形状に形成される。この溝部44の湾曲形状は、例えば、溝部44の側面部を略円周の1/4となるように形成される。
【0095】
次に、実施の形態1と同様にして、非晶質シリコン膜41を50nmの膜厚に均一に形成する。
【0096】
次に、ガラス基板40上に形成された非晶質シリコン膜41に対して、CF4ガスとO2ガスとを用いたRIE法によってエッチングし、図6(b)に示すように、溝部44に埋め込まれた状態になっている非晶質シリコン膜41以外の部分の非晶質シリコン膜を除去する。
【0097】
次に、SiH4ガスとO2ガスとを用いた常圧CVD法によって、非晶質シリコン膜41が、ガラス基板40の表面上に形成された溝部44に埋め込まれているガラス基板40の全面にわたって、SiO2膜42を100nmの膜厚に形成する。続いて、RIE法によって、非晶質シリコン膜41の第一主領域41aに該当する位置のSiO2膜42を、図6(c)に示すように、矩形状にエッチングして除去し、触媒物質が導入される触媒物質導入領域43とする。
【0098】
次に、スパッタリング法を用いて、全面にわたってニッケル(Ni)を蒸着する。本実施の形態3では、ニッケルの表面原子濃度は、1×1013〜5×1013個/cm2とした。
【0099】
次に、電気炉を用いて熱処理を実施する。この熱処理の条件は、例えば、550℃、4時間とする。この熱処理により、最初に触媒物質導入領域43に結晶核が発生し、この結晶核を種として結晶成長が進行する。
【0100】
本実施の形態3では、ガラス基板40上の溝部44に埋め込まれた非晶質シリコン膜41が、300℃の温度条件で成膜され、膜中に含まれる水素濃度が高くなっているため、基板の垂直方向の結晶方位は、大略(111)に揃っている。
【0101】
また、この触媒物質導入領域43に発生した多数の結晶核は、横方向に結晶成長が進行する際に、連結領域41bにて、単一の結晶粒が選択される。
【0102】
したがって、第一主領域41aの触媒物質導入領域43にて発生した結晶核が、連結領域41bを経て、第二主領域41cに結晶成長が進行すると、第二主領域41cでは、ガラス基板40の垂直方向の結晶方位が、大略(111)に揃っており、且つ、ガラス基板40の横方向の結晶方位も大略揃った結晶性のシリコン膜に結晶化される。
【0103】
さらに、本実施の形態3では、非晶質シリコン膜41が、ガラス基板40上に形成された溝部44に埋め込まれるように形成されており、第一主領域41a及び連結領域41b及び第二主領域41cの各領域にわたって、その側面部と底面部とが滑らかに連続する湾曲形状に形成されているので、非晶質シリコン膜41の側面及び底面との連続部でエッジ形状が形成されない。したがって、エッジ形状が形成された部分で不規則な結晶核、具体的には、(112)面、(114)面、(123)面、(334)面、(345)面等各種面方位を持った結晶核が発生することを抑制することができる。
【0104】
次に、ほぼ全面にわたって形成されたSiO2膜42をエッチングにより除去した後、レーザ照射による結晶化を行い、加熱により結晶化されたシリコン膜をさらに完全に結晶化する。
(実施の形態4)
図8(a)〜(c)は、それぞれ、本実施の形態4の結晶性半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【0105】
本実施の形態4は、前述の実施の形態1の結晶性半導体膜の形成方法と概略同様の工程によって行われるが、結晶化される非晶質シリコン膜が、基板上に形成された溝部に埋め込まれた状態に形成され、非晶質シリコン膜の第一及び第二主領域及び連結領域のそれぞれの側面部と底面部とが滑らかに連続する形状を有している。また、連結領域から第二主領域にかけて、エッジ形状が生じないように滑らかに連続するように、溝部が形成されている。すなわち、本実施の形態4は、前述の実施の形態2と実施の形態3とを組み合わせた非晶質シリコン膜の形状を有するようにしたものである。
【0106】
以下、具体的に説明する。
【0107】
まず、CF4ガスを用いたRIE法と緩衝フッ酸による湿式エッチングを組み合わせて行うことにより、ガラス基板40の表面上に、溝部44を形成する。この溝部44は、図8(a)に示すように、ガラス基板40の長手方向に対して直交する幅方向の寸法が一定になっている第一主領域44a及び第二主領域44cの間に、幅方向寸法が狭小になっている連結領域44bを有するようにパターニングされて形成されている。連結領域44bは、幅方向の寸法が5μm、長手方向に沿った長手方向寸法が20μmとした。このように形成された溝部44は、側面部と底面部とが滑らかに連続する湾曲形状に形成され、側面部と底面部との境界部分でエッジ形状が生じない形状になっている。本実施の形態4では、さらに、連結領域44bから第二主領域44cにかけて、連結領域44bの幅寸法が、滑らかな湾曲形状を形成しながら徐々に幅方向寸法が大きくなっていき、連結領域44bと第二主領域44cとの間でエッジ形状が生じないように滑らかに連続するようにパターニングされている。
【0108】
次に、実施の形態1と同様にして、非晶質シリコン膜41を50nmの膜厚に均一に形成する。
【0109】
次に、ガラス基板40に形成された非晶質シリコン膜41に対して、CF4ガスとO2ガスとを用いたRIE法によってエッチングし、図8(b)に示すように、溝部44に埋め込まれた状態になっている非晶質シリコン膜41以外の部分の非晶質シリコン膜を除去する。
【0110】
次に、SiH4ガスとO2ガスとを用いた常圧CVD法によって、非晶質シリコン膜41が、ガラス基板40の表面上に形成された溝部44に埋め込まれているガラス基板40の全面にわたって、SiO2膜42を100nmの膜厚に形成する。続いて、RIE法によって、非晶質シリコン膜41の第一主領域41aに該当する位置のSiO2膜42を、図8(c)に示すように、矩形状にエッチングして除去し、触媒物質が導入される触媒物質導入領域43とする。
【0111】
次に、スパッタリング法を用いて、全面にわたってニッケル(Ni)を蒸着する。本実施の形態4では、ニッケルの表面原子濃度は、1×1013〜5×1013個/cm2とした。
【0112】
次に、電気炉を用いて熱処理を実施する。この熱処理の条件は、例えば550℃、4時間とする。この熱処理により、最初に触媒物質導入領域43に結晶核が発生し、この結晶核を種として結晶成長が進行する。
【0113】
本実施の形態4では、ガラス基板40上の溝部44に埋め込まれた非晶質シリコン膜41が、300℃の温度条件で成膜され、膜中に含まれる水素濃度が高くなっているため、ガラス基板40の垂直方向の結晶方位は、大略(111)に揃っている。
【0114】
また、この触媒物質導入領域43に発生した多数の結晶核は、横方向に結晶成長が進行する際に、連結領域41bにて、単一の結晶粒が選択される。
【0115】
したがって、第一主領域41aの触媒物質導入領域43にて発生した結晶核が、連結領域41bを経て、第二主領域41cに結晶成長が進行すると、第二主領域41cでは、ガラス基板40の垂直方向の結晶方位が、大略(111)に揃っており、且つ、ガラス基板40の横方向の結晶方位も大略揃った結晶性のシリコン膜に結晶化される。
【0116】
さらに、本実施の形態4では、非晶質シリコン膜41が、ガラス基板40上に形成された溝部44に埋め込まれるように形成されており、第一主領域41a及び連結領域41b及び第二主領域41cの各領域にわたって、その側面部と底面部とが滑らかに連続する湾曲形状に形成されているので、非晶質シリコン膜41の側面及び底面との連続部でエッジ形状が形成されない。また、連結領域41bから第二主領域41cにかけて、連結領域41bの幅寸法が、滑らかな湾曲形状を形成しながら徐々に幅方向寸法が大きくなっていき、連結領域41bと第二主領域41cとの間でエッジ形状が生じないように、滑らかに連続している。
【0117】
したがって、本実施の形態4では、エッジ形状が形成された部分で不規則な結晶核、具体的には、(112)面、(114)面、(123)面、(334)面、(345)面等の各種面方位を持った結晶核が発生することを抑制することができる。
【0118】
次に、ほぼ全面にわたって形成されたSiO2膜42をエッチングにより除去した後、レーザ照射による結晶化を行い、加熱により結晶化されたシリコン膜をさらに完全に結晶化する。
【0119】
また、本実施の形態4では、ガラス基板40の表面上に形成された溝部44が、連結領域44bから第二主領域44cにかけて、連結領域44bの幅寸法が、滑らかな湾曲形状を形成しながら徐々に幅方向寸法が大きくなっていき、連結領域44bと第二主領域44cとの間でエッジ形状が生じないように滑らかに連続するように形成されているが、このような滑らかな湾曲形状は、図9に示すように、第一主流域44aから連結領域44bにかけた部分にも形成してもよい。このようにすれば、さらに、エッジ形状が低減されて、不規則な結晶核の発生を抑制することができる。
(実施の形態5)
図12は、本実施の形態5の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【0120】
本実施の形態5では、上述した実施の形態1〜4のいずれかにおいて説明した結晶性半導体膜によって薄膜トランジスタ等の半導体装置を製造する方法について説明する。本実施の形態5の製造方法により製造された半導体装置は、液晶ドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等に用いることが可能である。
【0121】
以下、具体的に図12を参照しながら説明する。
【0122】
まず、ガラス基板51上に、上述した実施の形態1〜4のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法により、結晶性のシリコン膜を50nmの膜厚に形成し、続けて、この結晶性シリコン膜をCF4ガスとO2ガスとを用いたRIE法によって、所定形状にパターニングし、島状の結晶性シリコン膜52を形成する。その後、この結晶性シリコン膜52が形成された基板面の全体にわたって、TEOS(テトラエトキシシラン)ガスとO3ガスとを用いたプラズマCVD法によって、ゲートSiO2膜53を形成する。
【0123】
次に、スパッタリング法によって、ゲートSiO2膜53が形成されたガラス基板51の全面にわたって、WSi2層を成膜した後、CF4ガスとO2ガスとを用いたRIE法によって、結晶性シリコン膜52上の略中央部分にのみWSi2層が残るようなパターニングとなるようなエッチングを行い、WSi2多結晶ゲート電極54を形成する。
【0124】
次に、薄膜トランジスタのソース・ドレイン領域を形成するために結晶性シリコン膜52上に不純物を導入する。本実施の形態5の場合、上記のWSi2多結晶ゲート電極54が不純物を導入する際のマスクとなっており、WSi2多結晶ゲート電極54が設けられた部分以外の結晶性シリコン膜52に不純物が導入される。n型のトランジスタを形成する場合には、導入される不純物は、リン(P)であり、p型のトランジスタを形成する場合には、導入される不純物はホウ素(B)となる。
【0125】
次に、TEOSガスとO3ガスとを用いたプラズマCVD法によって、ガラス基板51の全面にわたって、SiO2膜55を形成した後、CF4ガスとCHF3ガスとを用いたRIE法によって、ソース・ドレイン領域とされる結晶性シリコン膜52上にコンタクトホール56を形成する。
【0126】
次に、スパッタリング法を用いて基板面の全面にAlを積層した後、BCl3ガスとCl2ガスとを用いたRIE法によって、SiO2膜55に形成されたコンタクトホール56を介して結晶性のシリコン膜52に導通するAl配線57とする。
【0127】
次に、SiH4ガスとNH3ガスまたはN2ガスとを用いたプラズマCVD法によって、基板面の全体にわたって、SiN保護膜58を形成し、最後にSiN保護膜58の一部をCF4ガスとCHF3ガスとを用いたエッチングによって、Al配線57の一方側の部分に導通可能なようにスルーホール59を形成して、半導体トランジスタ、抵抗、キャパシタ等の半導体装置が完成される。
(実施の形態6)
図13は、本実施の形態6の半導体装置を用いたディスプレイ装置の製造方法を示す断面図である。
【0128】
本実施の形態6では、上記の実施の形態5と同様の方法で作製した半導体装置を用いて液晶ディスプレイ装置等のディスプレイ装置を製造する方法を説明する。
【0129】
以下、本実施の形態6について、図13(a)及び(b)を参照して説明する。
【0130】
まず、上記の実施の形態5の製造方法によりガラス基板等の絶縁基板51上に半導体装置を製造する。なお、この絶縁基板51上に形成される半導体装置の各構成については、実施の形態5と同一の符号を付し、詳しい説明は省略する。
【0131】
次に、SiN保護膜58が形成された基板面の全体にわたってITO膜を形成し、続けてHClとFeCl3ガスとを用いてエッチングを行いパターニングして、SiN保護膜58に形成されたスルーホール59を介して半導体装置のAl配線57に導通する画素電極60を形成する。
【0132】
次に、SiH4ガスとNH3ガスまたはN2ガスとを用いたプラズマCVD法によって、基板面の全面にわたってSiN膜61を形成する。さらに、このSiN膜61上に、配向膜となるポリイミド膜62をオフセット印刷法を用いて形成し、ラビング処理を行う。
【0133】
一方、図13(b)に示すように、別のガラス基板71上に、R(赤)、G(緑)、B(青)の各感光性樹脂膜を付したフィルムを熱圧着により転写を行った後、フォトリソグラフィ工程によるパターニングを行い、さらに、R、G、Bの各感光性樹脂が転写された部分間に、遮光性を有するブラックマトリクス部を形成して、カラーフィルター72を作製する。
【0134】
このカラーフィルター72上には、スパッタリング法によってITO膜を基板の全面にわたって形成し、対向電極73とする。さらに、この対向電極73上に、配向膜であるポリイミド膜74をオフセット印刷法によって形成して、ラビング処理を行う。
【0135】
以上のように形成された図13(b)に示すカラーフィルター72等が形成されたガラス基板71と、図13(a)に示す薄膜トランジスタ等の半導体装置が形成されたガラス基板51とを、ラビング処理を施した面が互いに対向するように配置して、シール樹脂によって貼り合せる。この際、2枚のガラス基板間のスペースが一定になるように、ガラス基板51及び71間に真球状のシリカを散布する。そして、両基板間に表示媒体となる液晶を注入した後、両ガラス基板51及び71の両外側にそれぞれ偏光板等を貼り付け、さらに、その周辺にドライバーIC等を実装して液晶ディスプレイが完成される。
【0136】
次に、本発明の適用範囲について説明する。
【0137】
図9には、ガラス基板40に形成される溝部44の形状が示されていると共に、非晶質シリコン膜41の連結領域41bの長さ方向の寸法L及び幅方向の寸法Wが示されている。
【0138】
上記の実施の形態1〜4の半導体膜の形成方法において、非晶質シリコン膜41の連結領域41bの寸法は、連結領域41bの上面の幅Wは、0.2μm〜10μmの範囲に形成すれば、結晶粒を選択する効果が確実になる。また、連結領域41bの上面の長さLは、0.5μm〜100μmの範囲に形成すれば、結晶粒を選択する効果が確実になる。
【0139】
連結領域41の上面の幅方向の寸法Wが0.2μmより小さい場合、または、連結領域41の上面の長さLが100μmより大きい場合には、触媒物質導入領域43にて発生した結晶核が、連結領域41bを通過して、連結領域41bに対して結晶成長の前方側の第二主領域41cまで結晶方位を引き継いで成長しなくなる。逆に、連結領域41bの上面の幅方向の寸法が10μmより大きい場合、または、連結領域41bの上面の長さが0.5μmより小さい場合には、触媒物質導入領域43にて発生した複数の結晶粒が、連結領域41bにて単一の結晶粒に選択されず、複数の結晶粒が連結領域41bを通過して、連結領域41bに対して結晶成長の前方側にある第二主領域41cに複数の結晶粒が成長し、結晶方位が揃った大きな結晶粒からなる結晶性半導体膜を形成することができなくなる。
【0140】
上記の実施の形態1〜4の半導体膜の形成方法では、300℃の成膜温度として、プラズマCVD法により、非晶質シリコン膜41を成膜し、膜中の水素濃度を10〜20at%としたが、この非晶質シリコン膜41は、イオン注入法により形成してもよい。また、膜中の水素濃度が10〜20at%とするために、成膜温度は、250〜350℃の範囲に設定することが好適である。
【0141】
また、上記の実施の形態1〜4の結晶性半導体膜の形成方法では、製造される半導体膜の具体例として、シリコン膜を形成する方法を示しているが、本発明の結晶性半導体膜の形成方法は、シリコン膜に限られず、SiGe膜等を成膜する場合にも適用することができる。
【0142】
また、上記実施の形態1〜4では、半導体膜を形成する基板として、ガラス基板を用いているが、石英基板、SiウエハにSiO2膜、SiN膜を形成したものを用いてもよい。
【0143】
また、上記実施の形態1〜4では、触媒物質導入領域43に導入されるニッケルの表面濃度は、1×1013〜5×1013個/cm2としたが、この濃度は、1×1011〜1×1016個/cm2の範囲であればよい。また、ニッケルは、スパッタリング法を用いた蒸着により触媒物質導入領域43に導入されているが、真空蒸着法等の他の蒸着法によって導入してもよく、また、蒸着法以外に、ニッケルを含む溶液を塗布する方法、イオン注入法、CVD法等の他の方法を用いてもよい。
【0144】
また、上記実施の形態1〜4では、結晶化を促進する触媒物質として、ニッケルを用いたが、Fe、Co、Cu、Ge、Pd、Au等の金属、または、これらの金属を含む化合物、さらには、これらの金属及び金属を含む化合物を組み合わせたものを用いることができる。
【0145】
【発明の効果】
本発明の半導体膜の形成方法は、基板上に形成された半導体膜に、該半導体膜を溶融するエネルギーを与え、溶融後の結晶化により結晶成長させて結晶性半導体膜とする半導体膜の形成方法であって、該基板上に、膜中の水素濃度が10〜20at%である半導体膜を形成する工程と、半導体膜の結晶化を助長する触媒物質を導入する工程と、該触媒物質が導入された半導体膜にエネルギーを与える工程と、を包含することを特徴としている。
【0146】
このように、膜中の水素濃度が10〜20at%である半導体膜に触媒物質を導入した後、エネルギーを与えることにより結晶成長させると、(111)近傍に配向比率が高い結晶性半導体膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)及び(b)は、それぞれ、実施の形態1の結晶性半導体膜の形成方法を工程毎に説明する斜視図である。
【図2】触媒物質導入領域の端部から連結領域までの間隔aを説明する平面図である。
【図3】(a)及び(b)は、それぞれ、実施の形態2の結晶性半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図4】連結領域から第二領域が滑らかに連続するようにパターニングされた非晶質シリコン膜を示す平面図である。
【図5】連結領域と第二主領域とが、滑らかに連続せず、エッジ形状を有するようにパターニングされた非晶質シリコン膜を示す平面図である。
【図6】(a)〜(c)は、それぞれ、実施の形態3の結晶性半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図7】溝部が形成されたガラス基板の長手方向に直交する方向の断面図を示している。
【図8】(a)〜(c)は、それぞれ、実施の形態4の結晶性半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図9】実施の形態4の結晶性半導体膜の形成方法において、基板に形成される溝部の他の例を示す斜視図である。
【図10】試料として作製される非晶質シリコン膜を説明しており、(a)は、その断面図、(b)は、その平面図、(c)は、連結部を形成した場合の平面図をそれぞれ示している。
【図11】表1に示される結晶方位分布を示すグラフである。
【図12】実施の形態5の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図13】(a)及び(b)は、それぞれ、実施の形態6の半導体装置を用いたディスプレイ装置の製造方法を示す断面図である。
【図14】従来例1の半導体膜の形成方法を説明する平面図である。
【図15】従来例2の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図16】従来例3の半導体膜の形成方法を説明する平面図である。
【図17】従来例4の半導体膜の形成方法を説明する断面図である。
【図18】(a)及び(b)は、それぞれ、従来例5の半導体膜の形成方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
40ガラス基板
41 非晶質シリコン膜
42 SiO2
43 触媒物質導入領域
44 溝部
51 ガラス基板
52 結晶性シリコン膜
53 ゲートSiO2
54 WSi2多結晶ゲート電極
55 SiO2
56 コンタクトホール
57 Al配線
58 SiN保護膜
59 スルーホール
60 画素電極
61 SiN膜
62 ポリイミド膜
71 ガラス基板
72 カラーフィルター
73 対向電極
74 ポリイミド膜
101 結晶粒
102 結晶粒
103 結晶粒界[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a semiconductor film and a semiconductor device and a display device manufactured by using the method, and particularly relates to an amorphous or multi-layer formed on a non-single crystal insulating film or a non-single crystal insulating substrate. A method of forming a semiconductor film capable of obtaining a crystalline semiconductor film having almost uniform crystal orientation by applying energy to a semiconductor film such as a crystal, and a semiconductor film formed using the method, and Relates to a semiconductor device such as a liquid crystal driver, a semiconductor memory, and a semiconductor logic circuit using the semiconductor film, and a display device using these semiconductor devices.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an amorphous or polycrystalline semiconductor film is formed on a non-single-crystal insulating film or a non-single-crystal insulating substrate formed on a substrate, and energy is applied to the semiconductor film to thereby form the semiconductor film. There is known a method for crystallizing. When a crystalline semiconductor film with a uniform crystal orientation is formed by this method, the generation of irregular crystal nuclei in an amorphous semiconductor film is suppressed, and the crystal nuclei with controlled crystal orientation are used as seeds. It is important to grow crystals as crystals.
[0003]
In Japanese Patent Laid-Open No. 58-85519 (hereinafter referred to as Conventional Example 1), as shown in FIG. 14, a Si film 2 is patterned into a predetermined shape on a rectangular insulating substrate 1 to obtain thermal energy. Is disclosed. In Conventional Example 1, the Si film 2 is provided over the entire surface of the insulating substrate 1 except for one side edge. The Si film 2 has a main region 2a provided at a portion other than the side edge portion of the insulating substrate 1, and a narrow region 2b provided at the center portion of the side edge portion of the insulating substrate 1, In the region 2a, the width dimension of the side edge continuous to the narrow region 2b becomes smaller as the narrow region 2b approaches. In the conventional method 1, the crystal nucleus formed in the narrow region 2b of the Si film 2 becomes a seed crystal, the crystal region extends from the seed crystal to the main region 2a, and the entire Si film 2 is monocrystallized. Is done. In this case, as a seed crystal formed in the narrow region 2b, a case where a crystal nucleus naturally generated in the narrow region 2b is used and a case where a single crystal piece of Si is arranged on the narrow region 2b are proposed.
[0004]
In U.S. Pat. No. 4,576,676 (hereinafter referred to as Conventional Example 2), a laser is applied to a thinned region of a polycrystalline silicon film 11 formed on a substrate 10 as shown in FIG. By forming a constricted portion 12 having a small length in a direction perpendicular to the scanning direction of the heating means, etc., and heating the thinned polycrystalline silicon film 11 in a certain direction to melt it. A method of crystallization has been proposed. In Conventional Example 2, a crystal orientation filter 13 for selecting a crystal orientation is installed in a region on the rear side with respect to the crystallization direction by melting, and in the middle of the scanning direction of melt crystallization, Only a single crystal grain is selected by passing through the constricted portion 12 formed with a small length in the orthogonal direction.
[0005]
Appl. Phys. Lett. Vol. 41, no. 8, pp 747-749 (hereinafter referred to as Conventional Example 3), as shown in FIG.2The direction perpendicular to the direction 22 in which the melt solidification is performed by laser light irradiation or the like is narrowed in part with respect to the thin-film polycrystalline silicon film 21 formed on the Si substrate on which the film is deposited. A method has been proposed in which the narrow region 23 is formed by etching, and the thinned polycrystalline Si film 21 is melted by heating in a certain direction. In FIG. 16, reference numeral 24 denotes a region where the polycrystalline silicon film has been removed by etching. Also in the method of Conventional Example 3, the crystal orientation is selected in the narrow region 23 by passing through the narrow region 23 during the crystallization process after melting.
[0006]
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 7-231100, a nickel layer containing nickel is formed on the surface of an amorphous silicon film 32 formed on a glass substrate 31 as shown in FIG. There has been proposed a crystallization method in which crystallization is advanced using a crystallization promoting action (hereinafter referred to as Conventional Example 4). In the method of Conventional Example 4, a silicon oxide film 33 having a thickness of about 100 mm is formed on the surface of the amorphous silicon film 32 in order to improve wettability. A solution film 34 containing nickel which is a catalyst material for promoting the coating is applied and spin-dried to form a nickel layer containing nickel on the surface of the amorphous silicon film 32. Subsequently, the amorphous silicon film 32 is crystallized by annealing at 450 ° C. to 650 ° C., for example, 550 ° C. In this method, it is described that crystallization is further promoted by annealing at a temperature higher than the crystallization temperature, for example, 1000 ° C. By using this method, a crystal having a large grain size is described. Can be obtained.
[0007]
In the conventional example 4, nickel is introduced over the entire surface of the amorphous silicon film 32 to promote crystallization. However, the above Japanese Patent Laid-Open No. 7-231100 discloses FIG. 18 (a). Thus, using the silicon oxide film 35 formed on the amorphous silicon film 32 as a mask layer into which no catalyst material is introduced, a catalyst material introduction region 36 into which nickel as the catalyst material is selectively introduced is formed, A crystallization method has been proposed in which crystallization proceeds from the catalyst substance introduction region 36 (hereinafter referred to as Conventional Example 5). In the method of Conventional Example 5, a mask silicon oxide film 35 having a thickness of 1200 mm is formed on an amorphous silicon film 32 formed on a glass substrate 31, and then etched into a necessary pattern. In order to improve wettability, a silicon oxide film 33 having a thickness of about 100 mm is formed on the surface of the etched amorphous silicon film 32, and a catalytic substance that promotes crystallization is formed on the silicon oxide film 33. A solution film 34 containing nickel is applied and spin-dried using a spinner 37 placed below the glass substrate 31 to form a layer containing nickel in the catalytic material introduction region 36 of the amorphous silicon film 32. To do. Subsequently, the amorphous silicon film 32 is crystallized by annealing at 450 ° C. to 650 ° C., for example, 550 ° C. During this annealing, crystal growth in the amorphous silicon film 32 is caused by nickel from the region 32a of the amorphous silicon film 32 in the catalyst material introduction region 36 into which nickel is introduced, as shown in FIG. Proceed in the horizontal direction to the region 32b where no is introduced. When the crystal growth is completed, the silicon oxide film 35 is removed, and annealing at a temperature higher than the crystallization temperature, for example, 1000 ° C., is further promoted. A crystalline silicon film having a large grain size can also be obtained by the method of Conventional Example 5.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the crystallization method of Conventional Example 1 described above, when a crystal is grown using a crystal nucleus that is naturally generated in the narrow region 2b, it is based on crystal grains having one crystal orientation generated in the narrow region 2b. The crystal growth in the main region 2a proceeds, but the orientation of crystal nuclei generated in the narrow region 2b is irregular, and crystal nuclei with an orientation that facilitates crystal growth are not necessarily generated. Therefore, when crystal nuclei that are difficult to grow in the narrow region 2b are generated, crystal nuclei having other orientations may be generated in the main region 2a to become polycrystalline. Further, when a plurality of patterns of the Si film 2 having the shape shown in FIG. 14 are formed, the crystal orientations of crystal nuclei generated in each of the plurality of narrow regions 2b do not coincide with each other and are generated in the respective narrow regions 2b. The crystal orientation of the main region 2a where the crystal has grown does not match.
[0009]
On the other hand, when a single crystal piece of Si is arranged on the narrow region 2b and a crystal is grown based on this single crystal piece, it is pasted to paste a crystal piece as a seed crystal on the narrow region 2b. There is a problem that the bonding interface between the crystal piece and the Si film 2 in the narrow region 2b needs to be clean at the atomic level, and it is very difficult to form and maintain this clean interface. .
[0010]
In the conventional examples 2 and 3, the substrate temperature is excessively excessive when passing through the narrow regions 12 and 23 having small dimensions in the direction orthogonal to the scanning direction when the crystallization after melting is advanced. To rise. For this reason, an inexpensive substrate such as a glass substrate cannot be used.
[0011]
Furthermore, in the above-described conventional examples 1 to 3, when a corner portion that is not continuous is formed at the side portion of the edge portion of the patterned silicon film and the intersection portion at the bottom surface, the portion has an irregular crystal orientation. There is also a problem that crystal nuclei are easily generated.
[0012]
Further, in the above-described conventional example 4, the crystal nuclei for crystal growth occur irregularly over the entire surface of the amorphous silicon film 32, so that only crystal grains on the order of μm are obtained and the crystal orientation is aligned. It is difficult to obtain large crystal grains or single crystal regions.
[0013]
Further, in the method of Conventional Example 5, crystal nuclei are irregularly generated in the catalytic material introduction region 36 into which nickel has been introduced, and based on the crystal nuclei, crystals are transverse to the surface of the glass substrate 31. In order to advance the growth, longer crystal grains or single crystal regions can be obtained as compared with the method of Conventional Example 4. However, even in this case, crystal grains having dimensions in the width direction with respect to the crystal growth direction on the order of μm are obtained, and it is difficult to obtain larger crystal grains or single crystal regions.
[0014]
Furthermore, the semiconductor film crystallized by the methods of Conventional Examples 4 and 5 has a problem that many crystal defects are generated.
[0015]
When a semiconductor device (transistor) such as a liquid crystal driver, a semiconductor memory, or a semiconductor logic circuit is manufactured using a semiconductor film that does not have the same crystal orientation and has many crystal defects, the carrier mobility is low. Further, there is a problem that the threshold voltage is large, and further, there is a problem that variations in carrier mobility and threshold voltage of each semiconductor device (transistor) formed in a large number of liquid crystal tribars and the like become large.
[0016]
The present invention has been made to solve the above problems, and provides a method for forming a crystalline semiconductor film having large crystal grains with few crystal defects and substantially uniform crystal orientation, and a method for forming the same. An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a display device manufactured using the same.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, a method for forming a crystalline silicon film of the present invention includes:A method for forming a crystalline silicon film by applying energy to an amorphous silicon film formed on a substrate to cause crystal growth to form a crystalline silicon film, wherein the amorphous silicon film is formed on the substrate by 250 to 350. Forming an amorphous silicon film having a hydrogen concentration in the film of 10 to 20 at%, and then forming the amorphous silicon film in a straight line along a predetermined direction. The first main region and the second main region that are spaced apart from each other, and the first main region and the second main region are provided so as to connect both, and the width direction And a catalyst for promoting crystallization of the amorphous silicon film in the first main region, and a step of patterning so as to have a connecting region that is smaller than the first and second main regions. Forming a catalytic material introduction region into which a material is selectively introduced A step of introducing nickel as the catalyst material into the catalyst material introduction region, and applying energy to the amorphous silicon film into which the nickel has been introduced, thereby causing the amorphous silicon film to be perpendicular to the substrate. And crystalline silicon having substantially the same crystal orientation (111) and the horizontal crystal orientation of the substrate being substantially uniform.
[0018]
  In the patterning step, the amorphous silicon film is preferably patterned so that the connection region and the second main region are smoothly continuous..
[0019]
  Before forming the amorphous silicon film on the substrate, a groove portion having a smoothly continuous side surface and bottom surface is formed on the substrate corresponding to the shape of the amorphous silicon film patterned in the patterning step. In the patterning step, it is preferable that the amorphous silicon film on the substrate other than the amorphous silicon film buried in the groove is removed..
[0020]
  The groove is preferably formed so that the connection region and the second main region of the amorphous silicon film patterned in the patterning step are smoothly continuous..
[0021]
  It is preferable that the dimension in the width direction of the connection region is formed in a range of 0.2 μm to 10 μm..
[0022]
  It is preferable that the length in the length direction of the connection region is formed in a range of 0.5 μm to 100 μm..
[0023]
  A semiconductor device according to the present invention includes the crystalline silicon film..
[0024]
  A display device according to the present invention includes the semiconductor device..
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0035]
The present invention has been made paying attention to the fact that there is a correlation between the hydrogen concentration in the amorphous silicon film and the crystal orientation after crystallization.
[0036]
That is, the inventors of the present invention formed a plurality of types of amorphous silicon films having different hydrogen concentrations in the film as samples, applied energy to each sample, crystallized, and obtained crystalline silicon films The types of included crystal orientations and the occupied area ratio of each included crystal orientation were examined. Based on the experimental results, the inventors of the present application have realized a crystalline silicon film forming method for obtaining a crystalline silicon film in which the crystal orientations in the vertical direction of the substrate are substantially uniform.
[0037]
First, the experimental results of examining the correlation between the hydrogen concentration in the amorphous silicon film and the crystal orientation after crystallization will be described in detail.
[0038]
10A and 10B illustrate the amorphous silicon film 41 manufactured as each sample. FIG. 10A shows a cross-sectional view thereof, and FIG. 10B shows a plan view thereof.
[0039]
As Sample 1, an amorphous silicon film having a high concentration of hydrogen contained in the film was formed. In order to manufacture this sample 1, first, SiH on a glass substrate 40 at a film forming temperature of 250 ° C.FourAn amorphous silicon film 41 was formed to a thickness of 50 nm by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using a gas. The hydrogen concentration in the amorphous silicon film 41 thus formed was 19% as a result of FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer) measurement.
[0040]
Next, SiO 2 is formed on the amorphous silicon film 41 formed as described above.2After the film 42 is formed to a thickness of 100 nm, the SiO 2 film is formed using the RIE (Reactive Ion Etching) method.2A part of the film 42 is removed by etching to form a catalyst material introduction region 43. As shown in FIG. 10B, the catalyst material introduction region 43 was formed in a linear shape having a width direction dimension of 10 μm.
[0041]
Next, a nickel thin film is formed in the catalyst material introduction region 43 by sputtering. The nickel surface atomic concentration of this nickel thin film is 1 × 1013~ 5x1013Piece / cm2It was.
[0042]
Next, heat treatment at 550 ° C. was performed for 4 hours using an electric furnace. By this heat treatment, nickel introduced into the catalyst material introduction region 43 is combined with silicon in the amorphous silicon film 41 to form nickel silicide, and the nickel silicide serves as a crystal nucleus to form the amorphous silicon film 41. Crystallization is promoted. Nickel silicide moves in the lateral direction while crystallizing amorphous silicon, and a crystalline silicon film is formed on the rear side in the movement direction.
[0043]
Next, an amorphous silicon film in which the concentration of hydrogen contained in the film was lower than that of Sample 1 was formed as Sample 2.
[0044]
This sample 2 is formed on a glass substrate 40 at a film forming temperature of 350 ° C. with SiH.FourAn amorphous silicon film 41 was formed to a thickness of 50 nm by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using a gas. Other steps were prepared in the same procedure as Sample 1 above.
[0045]
Next, an amorphous silicon film in which the concentration of hydrogen contained in the film was further reduced as compared with Sample 2 was formed as Sample 3.
[0046]
This sample 3 is formed on a glass substrate 40 at a film formation temperature of 450 ° C. and SiH.FourAn amorphous silicon film 41 was formed to a thickness of 50 nm by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using a gas. Other steps were prepared in the same procedure as Sample 1 above.
[0047]
Next, the crystal orientations of the crystalline silicon films of Samples 1 to 3 manufactured as described above were measured using an EBSP (Electron Backscatter Diffraction Pattern) method. This EBSP method is a crystal orientation measurement method in which a sample is irradiated with an electron beam and the crystal orientation is determined by a chrysanthemum map that appears by the electron beam scattered by the sample.
[0048]
Table 1 below shows the crystal orientation plane distribution of Samples 1 to 3 measured using this EBSP method. In this table, the occupied area ratios in the vicinity of the (111) and (110) orientations in the vertical direction of the glass substrate 40 are respectively displayed. Further, in FIG. 11, the crystal orientation distribution shown in Table 1 is shown by a graph.
[0049]
[Table 1]
Figure 0004618957
[0050]
Referring to Table 1 and the graph of FIG. 11 respectively, the preferentially oriented crystal orientation in Sample 1 is (111), and its occupation area is 68%.
[0051]
In sample 2 in which the hydrogen concentration in the film is reduced from that of sample 1, the preferentially oriented crystal orientation is (111) as in sample 1, but its occupied area is 54%, which is lower than the occupied area of sample 1. ing.
[0052]
In the sample 3 in which the hydrogen concentration in the film is lower than that in the sample 2, the preferentially oriented crystal orientation is not (111) but (110), and the occupied area is 47%.
[0053]
As is clear with reference to FIG. 11, the hydrogen concentration in the film is reduced, the crystal orientation of (111) is reduced, and the crystal orientation of (110) is increased. The cause is considered as follows.
[0054]
Nickel silicide formed by combining nickel introduced into the catalyst substance introduction region 43 with silicon in the amorphous silicon film 41 moves in the lateral direction while crystallizing the amorphous silicon film 41 and moves. A crystalline silicon film is formed on the rear side in the direction. The crystal orientation of the crystalline silicon film 41 formed in this way is (110) in the vertical direction of the substrate, according to J. Hayzelden et al. Appl. Phys. Vol. 73, no. 12, 1993.
[0055]
On the other hand, on the glass substrate 40, at a film forming temperature of 350 ° C., SiHFourWhen an amorphous silicon film 41 formed to a thickness of 50 nm by performing a plasma CVD method using a gas is heated at a temperature of 570 ° C. for 20 hours, natural nuclei are formed in the amorphous silicon film 41. And the crystallization proceeds based on the natural nucleus. When the crystal orientation of the crystallized sample was measured by the X-ray analysis measurement method, only the diffraction peak based on the crystal orientation of (111) was observed. This result shows that the natural nucleus and the crystal grown based on the natural nucleus are preferentially oriented in the crystal orientation of the (111) plane.
[0056]
In the above samples 1 and 2, since the hydrogen concentration contained in the amorphous silicon film 41 is high, natural nuclei are likely to be generated due to the distortion of dangling bonds after the hydrogen escapes by heat treatment. It is considered that the crystal orientation of the formed crystalline silicon is preferentially oriented to (111) by this natural nucleus. In this case, the nickel silicide in the samples 1 and 2 is considered to have an effect of only increasing the crystallization speed.
[0057]
On the other hand, in sample 3, since the concentration of hydrogen contained in the amorphous silicon film 41 is low, the generation of natural nuclei is small, and crystallization with nickel silicide as crystal nuclei becomes dominant. It is thought that there is. As a result, it is considered that the crystal orientation of the formed crystalline silicon is preferentially oriented to (110) due to the influence of nickel silicide.
[0058]
As described above, in Sample 1, the crystalline silicon film to be formed has a high (111) plane occupation area, and the crystal orientation in the substrate vertical direction can be approximately aligned with (111).
[0059]
However, even when the concentration of hydrogen contained in the film is increased and the crystal orientation in the vertical direction of the substrate is substantially aligned with the (111) plane, the lateral direction of the substrate (X and Y directions in FIG. 10). The crystal orientation is not aligned.
[0060]
For this reason, when aligning the crystal orientation in the vertical direction of the substrate and aligning the crystal orientation in the lateral direction of the substrate, as shown in FIG. 10C, the dimension in the direction orthogonal to the crystal growth direction is used. The amorphous silicon film is patterned so as to have a constricted connecting portion so that the width is narrow. In this way, a single crystal grain is selected at the connecting portion among a plurality of crystal grains having respective crystal orientations for crystal growth, and selected at the front portion of the connecting portion with respect to the crystal growth direction. A single crystal region having no crystal grain boundary can be formed by growing the single crystal grain.
[0061]
In this case, since crystal growth is promoted by the catalyst material, it is not necessary to perform high-temperature heat treatment that causes an excessive temperature rise in the connecting portion, so even if a glass substrate that is not excellent in heat resistance is used, Crystallization can be performed.
[0062]
In this way, it is possible to form a crystalline silicon film in which the crystal orientation in the vertical direction of the substrate is substantially aligned with (111) and the crystal orientation in the lateral direction of the substrate is also approximately aligned.
[0063]
Hereinafter, specific modes of the method for forming a crystalline semiconductor film of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0064]
(Embodiment 1)
FIGS. 1A and 1B are perspective views illustrating the method for forming a crystalline semiconductor film according to the first embodiment for each step.
[0065]
First, an amorphous silicon film 41 is uniformly formed to a thickness of 50 nm over the entire surface of the glass substrate 40 by plasma CVD. As a material gas used for film formation, SiHFourThe substrate temperature is 300 ° C.
[0066]
Next, for the amorphous silicon film 41 formed on the glass substrate 40, CFFourGas and O2Etching is performed by a reactive ion etching (RIE) method using a gas, and the dimension in the width direction perpendicular to the longitudinal direction of the glass substrate 40 is constant as shown in FIG. Patterning is performed so as to have a connecting region 41b having a narrow dimension in the width direction between the first main region 41a and the second main region 41c. The connecting region 41b has a width dimension of 5 μm and a longitudinal dimension along the longitudinal direction of 20 μm.
[0067]
Next, SiHFourGas and O2SiO 2 over the entire surface of the glass substrate 40 on which the amorphous silicon film 41 is formed by atmospheric pressure CVD using a gas.2The film 42 is formed to a thickness of 100 nm. Subsequently, SiO is performed by RIE.2In the film 42, the corresponding position on the first main region 41a of the amorphous silicon film 41 is removed by etching into a rectangular shape as shown in FIG. Let it be an introduction area 43.
[0068]
Next, nickel (Ni) is deposited over the entire surface by sputtering. In the first embodiment, the surface atomic concentration of nickel is 1 × 1013~ 5x1013Piece / cm2It was.
[0069]
Next, heat treatment is performed using an electric furnace. The conditions for this heat treatment are, for example, 550 ° C. and 4 hours. By this heat treatment, crystal nuclei are first generated in the catalyst substance introduction region 43, and crystal growth proceeds using the crystal nuclei as seeds.
[0070]
In the first embodiment, the amorphous silicon film 41 formed on the glass substrate 40 is formed under a temperature condition of 300 ° C., and the concentration of hydrogen contained in the film is high. The crystal orientations of the directions are approximately (111).
[0071]
A large number of crystal nuclei generated in the catalyst substance introduction region 43 are selected as a single crystal grain in the connection region 41b when crystal growth proceeds in the lateral direction.
[0072]
Therefore, when the crystal nuclei generated in the catalyst material introduction region 43 of the first main region 41a progress through the connection region 41b to the second main region 41c, in the second main region 41c, the glass nuclei 40 It is crystallized into a crystalline silicon film in which the crystal orientation in the vertical direction is substantially aligned (111) and the crystal orientation in the lateral direction of the glass substrate 40 is also approximately aligned.
[0073]
Next, SiO formed over almost the entire surface2After the film 42 is removed by etching, crystallization by laser irradiation is performed, and the silicon film 41 crystallized by heating is further completely crystallized. The energy of the laser used for this laser irradiation is 350 to 400 mJ / cm.2Is set in the range.
[0074]
When the crystal orientation of the crystalline silicon film 41 formed in this way was measured by the EBSP method, the crystal orientation in the substrate vertical direction of the crystalline silicon film in the second main region 41c was substantially aligned with (111).
[0075]
In order to improve the selectivity of the crystal orientation in the lateral direction of the glass substrate 40 by installing the connection region 41b, a predetermined distance from the end of the catalyst material introduction region 43 to the connection region 41b in the first main region 41a. Is formed. FIG. 2 is a plan view for explaining the distance a. The interval a is set to 0.5 to 50 μm. When the distance a is smaller than 0.5 μm, the crystal orientation selectivity by the connection region 41b is lowered.
[0076]
(Embodiment 2)
FIGS. 3A and 3B are perspective views illustrating a method for forming a crystalline semiconductor film according to the second embodiment.
[0077]
The second embodiment is performed in substantially the same process as the method for forming the crystalline semiconductor film of the first embodiment, but an edge shape is not generated from the connection region 41b to the second main region 41c. The point that the amorphous silicon film 41 is patterned so as to be smoothly continuous is different from the first embodiment.
[0078]
This will be specifically described below.
[0079]
First, in the same manner as in the first embodiment, an amorphous silicon film 41 is uniformly formed to a thickness of 50 nm on the glass substrate 40.
[0080]
Next, for the amorphous silicon film 41 formed on the glass substrate 40, CFFourGas and O2Etching is performed by RIE using gas, and as shown in FIG. 3A, the first main region 41a and the first main region 41a having a constant dimension in the width direction perpendicular to the longitudinal direction of the glass substrate 40 Patterning is performed so as to have a connecting region 41b having a narrow dimension in the width direction between the two main regions 41c. The connecting region 41b has a width dimension of 5 μm and a longitudinal dimension along the longitudinal direction of 20 μm. In the second embodiment, the width dimension of the connection region 41b gradually increases from the connection region 41b to the second main region 41c while forming a smooth curved shape. The amorphous silicon film 41 is patterned so that an edge shape does not occur between the first main region 41c and the second main region 41c.
[0081]
FIG. 4 shows a plan view of the amorphous silicon film 41 thus patterned. Such a smooth curved shape formed between the connection region 41b and the second main region 41c is formed, for example, by continuously joining two ¼ curved portions of a substantially circumference. .
[0082]
Next, SiHFourGas and O2SiO 2 over the entire surface of the glass substrate on which the amorphous silicon film 41 is formed by atmospheric pressure CVD using a gas.2The film 42 is formed to a thickness of 100 nm. Subsequently, the SiO layer at the corresponding position on the first main region 41a of the amorphous silicon film 41 is formed by RIE.2As shown in FIG. 3B, the film 42 is etched into a rectangular shape to form a catalyst material introduction region 43 into which the catalyst material is introduced.
[0083]
Next, nickel (Ni) is deposited over the entire surface by sputtering. In the second embodiment, the surface atomic concentration of nickel is 1 × 1013~ 5x1013Piece / cm2It was.
[0084]
Next, heat treatment is performed using an electric furnace. The conditions for this heat treatment are 550 ° C. and 4 hours. By this heat treatment, crystal nuclei are first generated in the catalyst substance introduction region 43, and crystal growth proceeds using the crystal nuclei as seeds.
[0085]
In the second embodiment, the amorphous silicon film 41 formed on the glass substrate 40 is formed under a temperature condition of 300 ° C., and the concentration of hydrogen contained in the film is high. The crystal orientations of the directions are approximately (111).
[0086]
A large number of crystal nuclei generated in the catalyst substance introduction region 43 are selected as a single crystal grain in the connection region 41b when crystal growth proceeds in the lateral direction.
[0087]
Accordingly, when crystal growth of the crystal nucleus generated in the catalytic material introduction region 43 of the first main region 41a progresses to the second main region 41c via the connection region 41b, in the second main region 41c, the vertical direction of the substrate Is crystallized into a crystalline silicon film having substantially the same crystal orientation (111) and also having a crystal orientation in the lateral direction of the substrate.
[0088]
Furthermore, in the second embodiment, the width dimension of the connection region 41b gradually increases from the connection region 41b to the second main region 41c while forming a smooth curved shape. And the second main region 41c are smoothly continuous so as not to generate an edge shape, so that it is possible to suppress the generation of irregular crystal nuclei in the portion where the edge shape is formed.
[0089]
FIG. 5 shows a case where the amorphous silicon film 41 is patterned so that the connection region 41b and the second main region 41c are not smoothly continuous and have an edge shape, unlike the second embodiment. FIG. Thus, when an edge shape is generated between the connection region 41b and the second main region 41c, even if the crystal grain 101 having a single crystal orientation is selected in the connection region 41b, Irregular nuclei generated at the edge, specifically, non- (111) plane orientations such as (112) plane, (114) plane, (123) plane, (334) plane, (345) plane, etc. Crystal nuclei are generated, and in the second main region 41c, crystal grains 102 having a non- (111) plane orientation and crystal grains 101 having a (111) plane orientation selected in the coupling region 41b grow. Thus, a crystal grain boundary 103 is generated between the crystal grains. For this reason, as shown in FIG. 5, when the amorphous silicon film 41 is patterned, it becomes impossible to obtain a crystalline silicon film having substantially uniform crystal orientation.
[0090]
Next, SiO formed over almost the entire surface2After the film 42 is removed by etching, crystallization is performed by laser irradiation, and the silicon film crystallized by heating is further completely crystallized.
(Embodiment 3)
6A to 6C are perspective views illustrating a method for forming a crystalline semiconductor film according to the third embodiment.
[0091]
The third embodiment is performed by substantially the same process as the method for forming the crystalline semiconductor film of the first embodiment described above, but the amorphous silicon film to be crystallized is formed in the groove formed on the substrate. The embodiment is that the first and second main regions and the connection region of the amorphous silicon film are formed in an embedded state, and have side surfaces and bottom surfaces that are smoothly continuous. 1 and different.
[0092]
This will be specifically described below.
[0093]
First, CFFourThe groove portion 44 is formed on the surface of the glass substrate 40 by performing a combination of RIE using gas and wet etching using buffered hydrofluoric acid. As shown in FIG. 6A, the groove 44 is formed between the first main region 44a and the second main region 44c in which the dimension in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the glass substrate 40 is constant. , And patterned so as to have a connecting region 44b having a narrow dimension in the width direction.
[0094]
FIG. 7 shows a cross-sectional view in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the glass substrate 40 in which the groove 44 is formed. The groove portion 44 thus formed is formed in a curved shape in which the side surface portion and the bottom surface portion are smoothly continuous. The curved shape of the groove 44 is formed, for example, so that the side surface of the groove 44 is approximately ¼ of the circumference.
[0095]
Next, in the same manner as in the first embodiment, an amorphous silicon film 41 is uniformly formed to a thickness of 50 nm.
[0096]
Next, for the amorphous silicon film 41 formed on the glass substrate 40, CFFourGas and O2Etching is performed by RIE using a gas, and the amorphous silicon film other than the amorphous silicon film 41 embedded in the groove 44 is removed as shown in FIG. 6B. .
[0097]
Next, SiHFourGas and O2The amorphous silicon film 41 is formed over the entire surface of the glass substrate 40 embedded in the groove 44 formed on the surface of the glass substrate 40 by an atmospheric pressure CVD method using gas.2The film 42 is formed to a thickness of 100 nm. Subsequently, the SiO layer at a position corresponding to the first main region 41a of the amorphous silicon film 41 is formed by RIE.2As shown in FIG. 6C, the film 42 is removed by etching into a rectangular shape to form a catalyst material introduction region 43 into which the catalyst material is introduced.
[0098]
Next, nickel (Ni) is deposited over the entire surface by sputtering. In Embodiment 3, the surface atomic concentration of nickel is 1 × 1013~ 5x1013Piece / cm2It was.
[0099]
Next, heat treatment is performed using an electric furnace. The conditions for this heat treatment are, for example, 550 ° C. and 4 hours. By this heat treatment, crystal nuclei are first generated in the catalyst substance introduction region 43, and crystal growth proceeds using the crystal nuclei as seeds.
[0100]
In Embodiment 3, since the amorphous silicon film 41 embedded in the groove 44 on the glass substrate 40 is formed at a temperature condition of 300 ° C., the hydrogen concentration contained in the film is high. The vertical crystal orientation of the substrate is approximately (111).
[0101]
A large number of crystal nuclei generated in the catalyst substance introduction region 43 are selected as a single crystal grain in the connection region 41b when crystal growth proceeds in the lateral direction.
[0102]
Therefore, when the crystal nuclei generated in the catalyst material introduction region 43 of the first main region 41a progress through the connection region 41b to the second main region 41c, in the second main region 41c, the glass nuclei 40 It is crystallized into a crystalline silicon film in which the crystal orientation in the vertical direction is substantially aligned (111) and the crystal orientation in the lateral direction of the glass substrate 40 is also approximately aligned.
[0103]
Further, in the third embodiment, the amorphous silicon film 41 is formed so as to be embedded in the groove 44 formed on the glass substrate 40, and the first main region 41a, the connecting region 41b, and the second main region are formed. Since the side surface portion and the bottom surface portion are formed in a curved shape that smoothly continues across each region of the region 41c, the edge shape is not formed at the continuous portion between the side surface and the bottom surface of the amorphous silicon film 41. Therefore, irregular crystal nuclei in the portion where the edge shape is formed, specifically, various surface orientations such as (112) plane, (114) plane, (123) plane, (334) plane, (345) plane, etc. It is possible to suppress the generation of possessed crystal nuclei.
[0104]
Next, SiO formed over almost the entire surface2After the film 42 is removed by etching, crystallization is performed by laser irradiation, and the silicon film crystallized by heating is further completely crystallized.
(Embodiment 4)
FIGS. 8A to 8C are perspective views illustrating a method for forming a crystalline semiconductor film according to the fourth embodiment.
[0105]
The fourth embodiment is performed by substantially the same process as the method for forming the crystalline semiconductor film of the first embodiment, but the amorphous silicon film to be crystallized is formed in the groove formed on the substrate. Each of the first and second main regions and the connection region of the amorphous silicon film is formed in an embedded state and has a shape in which the side surface and the bottom surface of the amorphous silicon film are smoothly continuous. Moreover, the groove part is formed so that it may continue smoothly from a connection area | region to a 2nd main area | region so that edge shape may not arise. That is, the fourth embodiment has a shape of an amorphous silicon film in which the second embodiment and the third embodiment are combined.
[0106]
This will be specifically described below.
[0107]
First, CFFourThe groove portion 44 is formed on the surface of the glass substrate 40 by performing a combination of RIE using gas and wet etching using buffered hydrofluoric acid. As shown in FIG. 8A, the groove 44 is formed between the first main region 44a and the second main region 44c in which the dimension in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the glass substrate 40 is constant. , The pattern is formed so as to have a connection region 44b having a narrow dimension in the width direction. The connecting region 44b has a width dimension of 5 μm and a longitudinal dimension along the longitudinal direction of 20 μm. The groove portion 44 formed in this way is formed in a curved shape in which the side surface portion and the bottom surface portion are smoothly continuous, and has a shape in which an edge shape does not occur at the boundary portion between the side surface portion and the bottom surface portion. In the fourth embodiment, the width dimension of the connection area 44b gradually increases from the connection area 44b to the second main area 44c while forming a smooth curved shape. And the second main region 44c are patterned so as to be smoothly continuous so as not to cause an edge shape.
[0108]
Next, in the same manner as in the first embodiment, an amorphous silicon film 41 is uniformly formed to a thickness of 50 nm.
[0109]
Next, for the amorphous silicon film 41 formed on the glass substrate 40, CFFourGas and O2Etching is performed by RIE using a gas, and the amorphous silicon film other than the amorphous silicon film 41 embedded in the groove 44 is removed as shown in FIG. .
[0110]
Next, SiHFourGas and O2The amorphous silicon film 41 is formed over the entire surface of the glass substrate 40 embedded in the groove 44 formed on the surface of the glass substrate 40 by an atmospheric pressure CVD method using gas.2The film 42 is formed to a thickness of 100 nm. Subsequently, the SiO layer at a position corresponding to the first main region 41a of the amorphous silicon film 41 is formed by RIE.2As shown in FIG. 8C, the film 42 is removed by etching into a rectangular shape to form a catalyst material introduction region 43 into which the catalyst material is introduced.
[0111]
Next, nickel (Ni) is deposited over the entire surface by sputtering. In the fourth embodiment, the surface atomic concentration of nickel is 1 × 1013~ 5x1013Piece / cm2It was.
[0112]
Next, heat treatment is performed using an electric furnace. The conditions for this heat treatment are, for example, 550 ° C. and 4 hours. By this heat treatment, crystal nuclei are first generated in the catalyst substance introduction region 43, and crystal growth proceeds using the crystal nuclei as seeds.
[0113]
In the fourth embodiment, the amorphous silicon film 41 embedded in the groove 44 on the glass substrate 40 is formed under a temperature condition of 300 ° C., and the hydrogen concentration contained in the film is high. The crystal orientation in the vertical direction of the glass substrate 40 is substantially aligned with (111).
[0114]
A large number of crystal nuclei generated in the catalyst substance introduction region 43 are selected as a single crystal grain in the connection region 41b when crystal growth proceeds in the lateral direction.
[0115]
Therefore, when the crystal nuclei generated in the catalyst material introduction region 43 of the first main region 41a progress through the connection region 41b to the second main region 41c, in the second main region 41c, the glass nuclei 40 It is crystallized into a crystalline silicon film in which the crystal orientation in the vertical direction is substantially aligned (111) and the crystal orientation in the lateral direction of the glass substrate 40 is also approximately aligned.
[0116]
Furthermore, in the fourth embodiment, the amorphous silicon film 41 is formed so as to be embedded in the groove 44 formed on the glass substrate 40, and the first main region 41a, the connection region 41b, and the second main region are formed. Since the side surface portion and the bottom surface portion are formed in a curved shape that is smoothly continuous over each region of the region 41c, the edge shape is not formed at the continuous portion between the side surface and the bottom surface of the amorphous silicon film 41. In addition, the width dimension of the connection region 41b gradually increases from the connection region 41b to the second main region 41c while forming a smooth curved shape, and the connection region 41b and the second main region 41c It is smoothly continuous so that no edge shape occurs between the two.
[0117]
Therefore, in the fourth embodiment, irregular crystal nuclei, specifically, (112) plane, (114) plane, (123) plane, (334) plane, (345) are formed in the portion where the edge shape is formed. ) Generation of crystal nuclei having various plane orientations such as planes can be suppressed.
[0118]
Next, SiO formed over almost the entire surface2After the film 42 is removed by etching, crystallization is performed by laser irradiation, and the silicon film crystallized by heating is further completely crystallized.
[0119]
In the fourth embodiment, the groove portion 44 formed on the surface of the glass substrate 40 extends from the connection region 44b to the second main region 44c while the width dimension of the connection region 44b forms a smooth curved shape. The dimension in the width direction gradually increases, and is formed so as to be smoothly continuous so as not to cause an edge shape between the connection region 44b and the second main region 44c. As shown in FIG. 9, it may be formed in a portion extending from the first main flow area 44a to the connection area 44b. In this way, the edge shape is further reduced, and the generation of irregular crystal nuclei can be suppressed.
(Embodiment 5)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device of the fifth embodiment.
[0120]
In the fifth embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device such as a thin film transistor using the crystalline semiconductor film described in any of the first to fourth embodiments will be described. The semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the fifth embodiment can be used for a liquid crystal driver, a semiconductor memory, a semiconductor logic circuit, and the like.
[0121]
Hereinafter, a specific description will be given with reference to FIG.
[0122]
First, a crystalline silicon film is formed to a thickness of 50 nm on the glass substrate 51 by the method for forming a crystalline semiconductor film according to any of the first to fourth embodiments described above. CF film with CFFourGas and O2An island-like crystalline silicon film 52 is formed by patterning into a predetermined shape by an RIE method using gas. Thereafter, TEOS (tetraethoxysilane) gas and O 2 are formed over the entire substrate surface on which the crystalline silicon film 52 is formed.ThreeThe gate SiO is formed by plasma CVD using a gas.2A film 53 is formed.
[0123]
Next, a gate SiO is formed by sputtering.2Over the entire surface of the glass substrate 51 on which the film 53 is formed, WSi2After depositing the layer, CFFourGas and O2By the RIE method using a gas, only WSi on the crystalline silicon film 52 is WSi.2Etching that results in patterning that leaves a layer, WSi2A polycrystalline gate electrode 54 is formed.
[0124]
Next, impurities are introduced onto the crystalline silicon film 52 in order to form source / drain regions of the thin film transistor. In the case of the fifth embodiment, the above WSi2The polycrystalline gate electrode 54 serves as a mask when introducing impurities, and WSi2Impurities are introduced into the crystalline silicon film 52 other than the portion where the polycrystalline gate electrode 54 is provided. In the case of forming an n-type transistor, the introduced impurity is phosphorus (P), and in the case of forming a p-type transistor, the introduced impurity is boron (B).
[0125]
Next, TEOS gas and OThreeSiO 2 over the entire surface of the glass substrate 51 by a plasma CVD method using a gas.2After forming the film 55, CFFourGas and CHFThreeA contact hole 56 is formed on the crystalline silicon film 52 serving as a source / drain region by an RIE method using a gas.
[0126]
Next, after depositing Al on the entire surface of the substrate by sputtering, BClThreeGas and Cl2SiO2 by RIE method using gas2An Al wiring 57 is formed which is electrically connected to the crystalline silicon film 52 through a contact hole 56 formed in the film 55.
[0127]
Next, SiHFourGas and NHThreeGas or N2A SiN protective film 58 is formed over the entire surface of the substrate by plasma CVD using a gas, and finally a part of the SiN protective film 58 is CFFourGas and CHFThreeThrough holes 59 are formed so as to be conductive to one side portion of the Al wiring 57 by etching using a gas, and a semiconductor device such as a semiconductor transistor, a resistor, or a capacitor is completed.
(Embodiment 6)
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a display device using the semiconductor device of the sixth embodiment.
[0128]
In the sixth embodiment, a method for manufacturing a display device such as a liquid crystal display device using a semiconductor device manufactured by the same method as in the fifth embodiment will be described.
[0129]
Hereinafter, the sixth embodiment will be described with reference to FIGS. 13 (a) and 13 (b).
[0130]
First, a semiconductor device is manufactured on an insulating substrate 51 such as a glass substrate by the manufacturing method of the fifth embodiment. The components of the semiconductor device formed on the insulating substrate 51 are denoted by the same reference numerals as those in the fifth embodiment, and detailed description thereof is omitted.
[0131]
Next, an ITO film is formed over the entire surface of the substrate on which the SiN protective film 58 is formed, followed by HCl and FeCl.ThreeEtching is performed using gas and patterning is performed to form a pixel electrode 60 that is electrically connected to the Al wiring 57 of the semiconductor device through the through hole 59 formed in the SiN protective film 58.
[0132]
Next, SiHFourGas and NHThreeGas or N2A SiN film 61 is formed over the entire surface of the substrate by plasma CVD using a gas. Further, a polyimide film 62 serving as an alignment film is formed on the SiN film 61 by using an offset printing method, and a rubbing process is performed.
[0133]
On the other hand, as shown in FIG. 13B, a film with R (red), G (green), and B (blue) photosensitive resin films on another glass substrate 71 is transferred by thermocompression bonding. Then, patterning is performed by a photolithography process. Further, a black matrix portion having a light shielding property is formed between portions where the photosensitive resins of R, G, and B are transferred, and the color filter 72 is manufactured. .
[0134]
On the color filter 72, an ITO film is formed over the entire surface of the substrate by a sputtering method to form a counter electrode 73. Further, a polyimide film 74 as an alignment film is formed on the counter electrode 73 by an offset printing method, and a rubbing process is performed.
[0135]
The glass substrate 71 on which the color filter 72 and the like shown in FIG. 13B formed as described above and the glass substrate 51 on which a semiconductor device such as a thin film transistor shown in FIG. 13A is formed are rubbed. It arrange | positions so that the surface which performed the process may mutually oppose, and it bonds together by sealing resin. At this time, spherical silica is dispersed between the glass substrates 51 and 71 so that the space between the two glass substrates is constant. Then, after injecting liquid crystal as a display medium between both substrates, a polarizing plate or the like is attached to both outer sides of both glass substrates 51 and 71, and a driver IC or the like is mounted on the periphery to complete a liquid crystal display. Is done.
[0136]
Next, the scope of application of the present invention will be described.
[0137]
FIG. 9 shows the shape of the groove 44 formed in the glass substrate 40, and shows the dimension L in the length direction and the dimension W in the width direction of the connection region 41 b of the amorphous silicon film 41. Yes.
[0138]
In the method of forming a semiconductor film according to the first to fourth embodiments, the dimension of the connection region 41b of the amorphous silicon film 41 is such that the width W of the upper surface of the connection region 41b is in the range of 0.2 μm to 10 μm. Thus, the effect of selecting crystal grains is ensured. Moreover, if the length L of the upper surface of the connection region 41b is formed in the range of 0.5 μm to 100 μm, the effect of selecting crystal grains is ensured.
[0139]
When the dimension W in the width direction of the upper surface of the connection region 41 is smaller than 0.2 μm, or when the length L of the upper surface of the connection region 41 is larger than 100 μm, the crystal nuclei generated in the catalyst material introduction region 43 are The crystal orientation does not pass through the connection region 41b to the second main region 41c on the front side of the crystal growth with respect to the connection region 41b. On the contrary, when the dimension in the width direction of the upper surface of the connection region 41b is larger than 10 μm, or when the length of the upper surface of the connection region 41b is smaller than 0.5 μm, a plurality of occurrences in the catalyst material introduction region 43 are caused. The crystal grains are not selected as a single crystal grain in the connection region 41b, and a plurality of crystal grains pass through the connection region 41b, and the second main region 41c on the front side of the crystal growth with respect to the connection region 41b. Thus, a plurality of crystal grains grow, and a crystalline semiconductor film composed of large crystal grains with uniform crystal orientation cannot be formed.
[0140]
In the semiconductor film forming methods of the first to fourth embodiments, the amorphous silicon film 41 is formed by plasma CVD at a film formation temperature of 300 ° C., and the hydrogen concentration in the film is 10 to 20 at%. However, the amorphous silicon film 41 may be formed by an ion implantation method. Further, in order to set the hydrogen concentration in the film to 10 to 20 at%, it is preferable to set the film forming temperature in the range of 250 to 350 ° C.
[0141]
Further, in the method for forming a crystalline semiconductor film of the first to fourth embodiments, a method for forming a silicon film is shown as a specific example of a semiconductor film to be manufactured. The formation method is not limited to the silicon film, and can also be applied when a SiGe film or the like is formed.
[0142]
In the first to fourth embodiments, a glass substrate is used as a substrate on which a semiconductor film is formed.2A film or a SiN film may be used.
[0143]
Moreover, in the said Embodiment 1-4, the surface concentration of nickel introduce | transduced into the catalyst substance introduction area | region 43 is 1 * 10.13~ 5x1013Piece / cm2The concentration was 1 × 1011~ 1x1016Piece / cm2It may be in the range. Nickel is introduced into the catalyst material introduction region 43 by vapor deposition using a sputtering method, but may be introduced by other vapor deposition methods such as vacuum vapor deposition, and includes nickel in addition to the vapor deposition method. Other methods such as a method of applying a solution, an ion implantation method, and a CVD method may be used.
[0144]
In the first to fourth embodiments, nickel is used as a catalyst material for promoting crystallization. However, a metal such as Fe, Co, Cu, Ge, Pd, or Au, or a compound containing these metals, Furthermore, what combined these metals and the compound containing a metal can be used.
[0145]
【The invention's effect】
According to the method for forming a semiconductor film of the present invention, a semiconductor film formed on a substrate is given energy for melting the semiconductor film, and crystal growth is performed by crystallization after melting to form a semiconductor film to be a crystalline semiconductor film. A method of forming a semiconductor film having a hydrogen concentration in the film of 10 to 20 at% on the substrate; a step of introducing a catalytic material that promotes crystallization of the semiconductor film; and And a step of applying energy to the introduced semiconductor film.
[0146]
Thus, after introducing a catalytic substance into a semiconductor film having a hydrogen concentration of 10 to 20 at% in the film and then growing the crystal by applying energy, a crystalline semiconductor film having a high orientation ratio is formed in the vicinity of (111). Obtainable.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are perspective views illustrating a method for forming a crystalline semiconductor film according to a first embodiment for each step. FIGS.
FIG. 2 is a plan view for explaining a distance a from an end portion of a catalyst substance introduction region to a connection region.
FIGS. 3A and 3B are perspective views illustrating a method for forming a crystalline semiconductor film according to a second embodiment, respectively.
FIG. 4 is a plan view showing an amorphous silicon film patterned so that a second region smoothly continues from a connection region.
FIG. 5 is a plan view showing an amorphous silicon film patterned so that a connection region and a second main region are not smoothly continuous but have an edge shape.
6A to 6C are perspective views illustrating a method for forming a crystalline semiconductor film according to a third embodiment, respectively.
FIG. 7 shows a cross-sectional view in a direction perpendicular to the longitudinal direction of a glass substrate on which a groove is formed.
8A to 8C are perspective views illustrating a method for forming a crystalline semiconductor film according to a fourth embodiment, respectively.
9 is a perspective view showing another example of a groove formed in a substrate in the method for forming a crystalline semiconductor film of Embodiment 4. FIG.
10A and 10B illustrate an amorphous silicon film manufactured as a sample, where FIG. 10A is a cross-sectional view thereof, FIG. 10B is a plan view thereof, and FIG. 10C is a case where a connecting portion is formed. Plan views are respectively shown.
11 is a graph showing the crystal orientation distribution shown in Table 1. FIG.
12 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device of Embodiment 5. FIG.
13A and 13B are cross-sectional views showing a method for manufacturing a display device using the semiconductor device of the sixth embodiment, respectively.
14 is a plan view illustrating a method for forming a semiconductor film according to Conventional Example 1. FIG.
FIG. 15 is a perspective view illustrating a method for forming a semiconductor film according to Conventional Example 2;
FIG. 16 is a plan view illustrating a method for forming a semiconductor film according to Conventional Example 3;
17 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a semiconductor film of Conventional Example 4. FIG.
18A and 18B are cross-sectional views illustrating a method for forming a semiconductor film of Conventional Example 5, respectively.
[Explanation of symbols]
40 glass substrate
41 Amorphous silicon film
42 SiO2film
43 Catalyst Material Introduction Area
44 Groove
51 glass substrate
52 Crystalline silicon film
53 Gate SiO2film
54 WSi2Polycrystalline gate electrode
55 SiO2film
56 contact hole
57 Al wiring
58 SiN protective film
59 Through hole
60 pixel electrodes
61 SiN film
62 Polyimide film
71 glass substrate
72 Color filter
73 Counter electrode
74 Polyimide film
101 crystal grains
102 crystal grains
103 Grain boundary

Claims (8)

基板上に形成された非晶質シリコン膜にエネルギーを加えて結晶成長させて結晶性シリコン膜とする結晶性シリコン膜の形成方法であって、
前記基板上に非晶質シリコン膜を250〜350℃の温度範囲で成膜して、膜中の水素濃度が10〜20at%である非晶質シリコン膜を形成する工程と、
次いで、該非晶質シリコン膜を、所定方向に沿った直線状であって、相互に間隔をあけて設けられた第一主領域及び第二主領域と、該第一主領域と該第二主領域との間に、両者を連結するように設けられ、幅方向の寸法が第一及び第二主領域よりも挟小になっている連結領域とを有するようにパターニングする工程と、
前記第一主領域に、前記非晶質シリコン膜の結晶化を助長する触媒物質が選択的に導入される触媒物質導入領域を形成する工程と、
前記触媒物質導入領域に、前記触媒物質としてニッケルを導入する工程と、
該ニッケルが導入された前記非晶質シリコン膜にエネルギーを与えることによって、該非晶質シリコン膜を、前記基板の垂直方向の結晶方位が大略(111)に揃っており、且つ、前記基板の水平方向の結晶方位が大略揃った結晶性シリコンにする工程と、
を包含することを特徴とする結晶性シリコン膜の形成方法。
A method for forming a crystalline silicon film by applying energy to an amorphous silicon film formed on a substrate and growing the crystal to form a crystalline silicon film,
Forming an amorphous silicon film on the substrate in a temperature range of 250 to 350 ° C. to form an amorphous silicon film having a hydrogen concentration of 10 to 20 at% in the film;
Next, the amorphous silicon film is formed in a linear shape along a predetermined direction, the first main region and the second main region provided at a distance from each other, and the first main region and the second main region. A step of patterning so as to have a connecting region that is provided so as to connect both of the regions and whose width dimension is smaller than that of the first and second main regions;
Forming a catalytic material introduction region into which the catalytic material for promoting crystallization of the amorphous silicon film is selectively introduced in the first main region;
Introducing nickel as the catalyst material into the catalyst material introduction region;
By applying energy to the amorphous silicon film into which the nickel has been introduced, the crystal orientation of the amorphous silicon film in the vertical direction of the substrate is substantially aligned (111) , and the horizontal direction of the substrate is A step of forming crystalline silicon having substantially uniform crystal orientation in the direction ;
A method for forming a crystalline silicon film, comprising:
前記パターニングする工程において、前記非晶質シリコン膜は、前記連結領域と前記第二主領域とが、滑らかに連続するようにパターニングされる、請求項1に記載の結晶性シリコン膜の形成方法。  2. The method of forming a crystalline silicon film according to claim 1, wherein in the patterning step, the amorphous silicon film is patterned so that the connection region and the second main region are smoothly continuous. 前記基板上に前記非晶質シリコン膜を形成する前に、該基板に、側面と底面とが滑らかに連続する溝部を、前記パターニングする工程においてパターニングされた前記非晶質シリコン膜の形状に対応するように形成する工程をさらに包含し、
前記パターニングする工程において、前記溝部に埋め込まれた前記非晶質シリコン膜以外の前記基板上の非晶質シリコン膜が除去される、請求項1に記載の結晶性シリコン膜の形成方法。
Before forming the amorphous silicon film on the substrate, a groove portion having a smoothly continuous side surface and bottom surface is formed on the substrate corresponding to the shape of the amorphous silicon film patterned in the patterning step. Further comprising the step of forming
The method for forming a crystalline silicon film according to claim 1, wherein in the patterning step, the amorphous silicon film on the substrate other than the amorphous silicon film buried in the groove is removed.
前記溝部は、前記パターニングする工程においてパターニングされる前記非晶質シリコン膜の前記連結領域と前記第二主領域とが、滑らかに連続するように形成されている、請求項3に記載の結晶性シリコン膜の形成方法。  4. The crystallinity according to claim 3, wherein the groove is formed such that the connection region and the second main region of the amorphous silicon film patterned in the patterning step are smoothly continuous. 5. A method for forming a silicon film. 前記連結領域の幅方向の寸法は、0.2μm〜10μmの範囲になるように形成される、請求項1に記載の結晶性シリコン膜の形成方法。  2. The method for forming a crystalline silicon film according to claim 1, wherein a dimension in a width direction of the connection region is formed to be in a range of 0.2 μm to 10 μm. 前記連結領域の長さ方向の寸法は、0.5μm〜100μmの範囲になるように形成される、請求項1に記載の結晶性シリコン膜の形成方法。  2. The method for forming a crystalline silicon film according to claim 1, wherein a dimension in a length direction of the connection region is formed to be in a range of 0.5 μm to 100 μm. 請求項1〜6のいずれかに記載の結晶性シリコン膜を有する半導体装置。  A semiconductor device comprising the crystalline silicon film according to claim 1. 請求項7に記載の半導体装置を備えたディスプレイ装置。  A display device comprising the semiconductor device according to claim 7.
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