JP2009283819A - Semiconductor device producing method, semiconductor device, electrooptical device, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】三次元半導体装置における特性を向上させることができる製造方法および装置構成を提供する。
【解決手段】第1半導体膜(9)上にカーボンナノチューブを備えるプラグ電極(15)を形成する工程、形成されたプラグ電極(15)の周囲に層間絶縁膜(16,18)を形成する工程、層間絶縁膜の表面を平滑化してプラグ電極(15)の頂部を露出させる工程、層間絶縁膜およびプラグ電極の頂部上に非晶質の第2半導体膜を形成する工程、非晶質の第2半導体膜にエネルギーを供給して露出したプラグ電極(15)を触媒として機能させて非晶質の第2半導体膜を結晶化させ結晶化した第2半導体膜(23)とする工程を備える。
【選択図】図7A manufacturing method and device configuration capable of improving characteristics in a three-dimensional semiconductor device are provided.
A step of forming a plug electrode (15) including carbon nanotubes on a first semiconductor film (9), and a step of forming an interlayer insulating film (16, 18) around the formed plug electrode (15). Smoothing the surface of the interlayer insulating film to expose the top of the plug electrode (15); forming an amorphous second semiconductor film on the top of the interlayer insulating film and the plug electrode; (2) A step of supplying energy to the semiconductor film to cause the plug electrode (15) exposed to function as a catalyst to crystallize the amorphous second semiconductor film to obtain a crystallized second semiconductor film (23).
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、半導体膜が複数積層された半導体装置の製造方法および半導体装置等に係り、特に、下層の半導体膜と上層の半導体膜とを接続するプラグ電極にカーボンナノチューブを利用する発明に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a plurality of semiconductor films are stacked, a semiconductor device, and the like, and more particularly, to an invention that uses carbon nanotubes as plug electrodes that connect a lower semiconductor film and an upper semiconductor film. is there.
液晶装置や有機EL(Electro Luminescence)装置などの電気光学装置では、画素駆動用のトランジスタとして、又は、パネルを駆動するための駆動回路として薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)が用いられている。 In the electro-optical device such as a liquid crystal device or an organic EL (E lectro L uminescence) device, as a transistor for pixel driving, or a thin film transistor as a drive circuit for driving the panel (TFT: T hin F ilm T ransistor) is used It has been.
これらの装置は、低温プロセスによって製造することにより耐熱性の低い安価な基板が使用できるなどのメリットがあるため、低温プロセスを利用した薄膜トランジスタの製造方法が種々開発されている。 Since these devices have the merit that an inexpensive substrate having low heat resistance can be used by being manufactured by a low temperature process, various thin film transistor manufacturing methods using a low temperature process have been developed.
なかでも、本発明者らによる下記特許文献1に記載の技術は、半導体膜(半導体装置)が複数積層された立体的な構造の半導体装置(以下「三次元半導体装置」ともいう。)を低温プロセスにより形成する有効な方法である。当該発明によれば、低温プロセスを用いることによるメリットに加え、配線遅延を低減し、半導体装置のチップ面積を削減できる等の三次元半導体装置のメリットも享有することができていた。
しかしながら、本明細書の実施の形態において追って詳細に説明するように、低温プロセスにおいて欠かせない上層の半導体膜をレーザー照射にて結晶化する際、上層の半導体膜と下層の半導体膜とを接続するプラグ電極の金属が半導体膜中に拡散し、上層の半導体膜の結晶化を阻害し、トランジスタ特性を劣化させる可能性があった。また、プラグ電極と上層の半導体膜を構成するシリコンとの間に体積膨張を伴うシリサイドが形成され、その体積変化によってボイドなどが発生し、コンタクト抵抗が増加するといった問題も生じていた。 However, as will be described in detail later in the embodiment of the present specification, when the upper semiconductor film which is indispensable in the low temperature process is crystallized by laser irradiation, the upper semiconductor film and the lower semiconductor film are connected. As a result, the plug electrode metal diffuses into the semiconductor film, which hinders crystallization of the upper semiconductor film and may deteriorate transistor characteristics. In addition, silicide with volume expansion is formed between the plug electrode and the silicon constituting the upper semiconductor film, and a change in the volume causes voids and increases the contact resistance.
そこで、本発明は、三次元半導体装置における特性を向上させることができる製造方法および装置構成を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a manufacturing method and a device configuration that can improve the characteristics of a three-dimensional semiconductor device.
(1―1)上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、複数の半導体膜が積層された半導体装置の製造方法であって、第1半導体膜上にカーボンナノチューブを備えるプラグ電極を形成する工程と、形成されたプラグ電極の周囲に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜の表面を平滑化してプラグ電極の頂部を露出させる工程と、層間絶縁膜およびプラグ電極の頂部上に非晶質の第2半導体膜を形成する工程と、非晶質の第2半導体膜にエネルギーを供給して露出したプラグ電極を触媒として機能させて非晶質の第2半導体膜を結晶化させる工程と、を備えたことを特徴とする。 (1-1) In order to solve the above problems, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which a plurality of semiconductor films are stacked, and includes carbon nanotubes on the first semiconductor film. A step of forming a plug electrode, a step of forming an interlayer insulating film around the formed plug electrode, a step of smoothing the surface of the interlayer insulating film to expose the top of the plug electrode, and the interlayer insulating film and the plug electrode Forming an amorphous second semiconductor film on the top of the first semiconductor film, and supplying the energy to the amorphous second semiconductor film so that the exposed plug electrode functions as a catalyst to form an amorphous second semiconductor film And crystallization step.
かかる発明は、カーボンナノチューブに非晶質の半導体膜を接触させエネルギーを印加させると非晶質の半導体膜が結晶化するという発見に基づいて、本願発明者が想到したものである。半導体膜を結晶化させた後のカーボンナノチューブには構造が変化していないため、本発明において、カーボンナノチューブは、いわゆる触媒として機能していると考えられる。上記本発明によれば、半導体膜が複数積層された立体的な構造の三次元半導体装置を製造するにあたり、第1半導体膜にカーボンナノチューブによるプラグ電極が形成され、カーボンナノチューブで形成されたプラグ電極に接触して非晶質の第2半導体膜が形成されている。この状態で、非晶質の第2半導体膜にエネルギーを供給すれば、カーボンナノチューブが触媒として機能し、非晶質の第2半導体膜が結晶化され、トランジスタ等の機能性膜として機能させることが可能となる。 This invention has been conceived by the present inventor based on the discovery that when an amorphous semiconductor film is brought into contact with carbon nanotubes and energy is applied, the amorphous semiconductor film crystallizes. Since the structure of the carbon nanotube after crystallization of the semiconductor film is not changed, the carbon nanotube is considered to function as a so-called catalyst in the present invention. According to the present invention, in manufacturing a three-dimensional semiconductor device having a three-dimensional structure in which a plurality of semiconductor films are stacked, a plug electrode made of carbon nanotubes is formed on the first semiconductor film, and the plug electrode made of carbon nanotubes An amorphous second semiconductor film is formed in contact with. If energy is supplied to the amorphous second semiconductor film in this state, the carbon nanotubes function as a catalyst, and the amorphous second semiconductor film is crystallized to function as a functional film such as a transistor. Is possible.
本発明によれば、カーボンナノチューブが触媒として機能するだけなので、半導体膜中にカーボンナノチューブが拡散し、半導体膜の結晶化を阻害するといった問題を生じない。また、本発明によれば、カーボンナノチューブを利用することにより半導体膜の組成物との化合物を生じることがないので、半導体膜に体積変化を起こすことがなく、コンタクト抵抗の増加に伴う半導体膜の特性劣化という問題が生じない。 According to the present invention, since the carbon nanotube only functions as a catalyst, the problem that the carbon nanotube diffuses into the semiconductor film and inhibits crystallization of the semiconductor film does not occur. Further, according to the present invention, since the compound with the composition of the semiconductor film is not generated by using the carbon nanotube, the volume of the semiconductor film is not changed, and the semiconductor film is increased in accordance with the increase in contact resistance. The problem of characteristic deterioration does not occur.
(1−2)上記の製法により形成された本発明の半導体装置は、第1半導体膜と、第1半導体膜上に形成されたカーボンナノチューブにより形成されているプラグ電極と、電極の周囲に形成されている層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に形成され、プラグ電極に接続された第2半導体膜と、を含み、第2半導体膜がプラグ電極を触媒として機能させることにより結晶化されていることを特徴とする。
かかる発明の半導体装置では、第2半導体膜の結晶構造を分析すれば、第2半導体膜がプラグ電極を形成するカーボンナノチューブが触媒として機能することにより結晶化したものであることが確認できることになる。
(1-2) The semiconductor device of the present invention formed by the above manufacturing method is formed around the first semiconductor film, the plug electrode formed of the carbon nanotube formed on the first semiconductor film, and the periphery of the electrode. And a second semiconductor film formed on the interlayer insulating film and connected to the plug electrode, and the second semiconductor film is crystallized by causing the plug electrode to function as a catalyst. It is characterized by that.
In the semiconductor device of this invention, if the crystal structure of the second semiconductor film is analyzed, it can be confirmed that the second semiconductor film is crystallized by the function of the carbon nanotubes forming the plug electrode as a catalyst. .
具体的には、本発明は以下の態様を備えることが可能である。
(1−3)まず、本発明の半導体装置の製造方法において、第1半導体膜上にカーボンナノチューブを成長させる金属層を形成する工程と、金属層に高周波プラズマを印加して金属層に核を形成する工程と、金属層からカーボンナノチューブを成長させてプラグ電極を形成する工程と、を備えることは好ましい。
Specifically, the present invention can include the following aspects.
(1-3) First, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a metal layer for growing carbon nanotubes on the first semiconductor film, and a high-frequency plasma is applied to the metal layer to cause nuclei in the metal layer. It is preferable to include a step of forming and a step of growing a carbon nanotube from the metal layer to form a plug electrode.
かかる発明によれば、高周波プラズマを印加すると、そのエネルギーにより金属層に核が形成され、カーボンナノチューブを成長させる雰囲気に維持されることで、金属層の核にからカーボンナノチューブの構造体が成長し、導電性を備えるプラグ電極が形成される。 According to this invention, when high frequency plasma is applied, nuclei are formed in the metal layer by the energy, and the structure of carbon nanotubes grows from the nuclei of the metal layer by maintaining the atmosphere in which the carbon nanotubes are grown. A plug electrode having conductivity is formed.
(1−4)ここで、上記金属層は、ニッケル、コバルト、および鉄からなる群から選ばれる金属であることが好ましい。
かかる金属は、カーボンナノチューブを成長させることが可能な核を形成する金属として確認されている金属なのである。
(1-4) Here, the metal layer is preferably a metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, and iron.
Such a metal is a metal that has been identified as a metal that forms a nucleus capable of growing carbon nanotubes.
本発明は、好適には以下の工程・構成を備えることが可能である。
(2―1)まず、本発明の製造方法は、第1半導体膜上にプラグ電極を形成する工程の前に、透光性基板上に非晶質の第1半導体膜を形成する工程を備え、プラグ電極を形成する工程の後に、非晶質の第1半導体膜に透光性基板の裏面側からエネルギーを供給して当該第1半導体膜に接しているプラグ電極を触媒として機能させて非晶質の第1半導体膜を結晶化させる工程を備えることが可能である。
The present invention can preferably include the following steps and configurations.
(2-1) First, the manufacturing method of the present invention includes a step of forming an amorphous first semiconductor film on a translucent substrate before a step of forming a plug electrode on the first semiconductor film. After the step of forming the plug electrode, energy is supplied to the amorphous first semiconductor film from the back side of the light-transmitting substrate so that the plug electrode in contact with the first semiconductor film functions as a catalyst. A step of crystallizing the crystalline first semiconductor film can be provided.
かかる発明によれば、透光性基板を用いているので、非晶質の第1半導体膜を形成し、プラグ電極を形成した後、透光性基板の裏面からエネルギーを供給することにより、プラグ電極を触媒として機能させて非晶質の第1半導体膜を結晶化させることができる。よって、最下層の半導体膜であってもカーボンナノチューブを触媒として機能させて半導体膜を結晶化することが可能である。 According to this invention, since the translucent substrate is used, the plug is formed by supplying energy from the back surface of the translucent substrate after forming the amorphous first semiconductor film and forming the plug electrode. The amorphous first semiconductor film can be crystallized by using the electrode as a catalyst. Therefore, even in the lowermost semiconductor film, the semiconductor film can be crystallized by using the carbon nanotube as a catalyst.
(2−2)上記の製法により形成された本発明の半導体装置は、第1半導体膜がプラグ電極を触媒として機能させることにより結晶化されていることになる。
かかる発明によれば、第1半導体膜の結晶構造を分析すれば、第1半導体膜がプラグ電極を形成するカーボンナノチューブが触媒として機能することにより結晶化したものであることが確認できることになる。
(2−3)本発明によって形成された半導体装置では、カーボンナノチューブの触媒機能を利用して第1半導体膜を結晶化させた場合には、第1半導体膜の主たる結晶面方位と第2半導体膜の主たる結晶面方位とが同じとなる。
同じカーボンナノチューブで形成されたプラグ電極の触媒機能を利用して結晶化された半導体膜であるため、結晶構造である結晶面方位が同じになるのである。
(2-2) In the semiconductor device of the present invention formed by the above manufacturing method, the first semiconductor film is crystallized by using the plug electrode as a catalyst.
According to this invention, when the crystal structure of the first semiconductor film is analyzed, it can be confirmed that the first semiconductor film is crystallized by the function of the carbon nanotube forming the plug electrode as a catalyst.
(2-3) In the semiconductor device formed according to the present invention, when the first semiconductor film is crystallized using the catalytic function of the carbon nanotube, the main crystal plane orientation of the first semiconductor film and the second semiconductor The main crystal plane orientation of the film is the same.
Since the semiconductor film is crystallized by utilizing the catalytic function of the plug electrode formed of the same carbon nanotube, the crystal plane orientation which is the crystal structure becomes the same.
(1/2)ここで、上記第1および/または第2半導体膜を結晶化させるためのエネルギーは、レーザ光を照射することにより供給されることが好ましい。
かかる発明は、レーザ光を照射することによりカーボンナノチューブのプラグ電極が触媒として機能し、当該プラグ電極に接する半導体膜を結晶化させることができることが確認されていることによるものである。
(1/2) Here, the energy for crystallizing the first and / or second semiconductor film is preferably supplied by irradiating with laser light.
This invention is based on the fact that it has been confirmed that by irradiating laser light, the plug electrode of the carbon nanotube functions as a catalyst and the semiconductor film in contact with the plug electrode can be crystallized.
(3)本発明において、第2半導体膜を結晶化させる工程の後に、上記の半導体装置の製造方法を1以上繰り返して、プラグ電極に接続された3層以上の半導体膜を積層することが可能である。
上記半導体装置の製造方法を適用することにより第1半導体膜上に形成された第2半導体膜を結晶化させることが可能であるため、結晶化された第2半導体膜上にさらにプラグ電極を形成するというように当該半導体装置の製造方法を複数回繰り返せば、3層以上の半導体膜を形成可能なのである。
(3) In the present invention, after the step of crystallizing the second semiconductor film, it is possible to stack three or more semiconductor films connected to the plug electrode by repeating the above semiconductor device manufacturing method one or more times. It is.
Since the second semiconductor film formed on the first semiconductor film can be crystallized by applying the semiconductor device manufacturing method, a plug electrode is further formed on the crystallized second semiconductor film. As described above, if the semiconductor device manufacturing method is repeated a plurality of times, a semiconductor film having three or more layers can be formed.
(4)本発明において、各半導体膜を含む半導体装置を形成する工程を含むことができる。
各半導体膜に対し従来の技術を適用し、個別具体的に半導体装置を製造する趣旨である。いずれの半導体膜を半導体装置に形成するかは任意であり、第2半導体膜のみに半導体装置を形成しても、第1半導体膜のみに半導体装置を形成しても、また双方の半導体膜に半導体装置を形成してもよい。
(4) In this invention, the process of forming the semiconductor device containing each semiconductor film can be included.
The purpose is to apply a conventional technique to each semiconductor film and to individually manufacture a semiconductor device. Which semiconductor film is formed on the semiconductor device is arbitrary, whether the semiconductor device is formed only on the second semiconductor film, the semiconductor device is formed only on the first semiconductor film, or on both semiconductor films. A semiconductor device may be formed.
(5)また本発明は、上記に記載の半導体装置の製造方法で製造された半導体装置、または、上記に記載の半導体装置を有する電気光学装置または電子機器でもある。 (5) The present invention is also a semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device described above, or an electro-optical device or an electronic apparatus having the semiconductor device described above.
以下、本発明の好適な実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings.
In addition, the same or related code | symbol is attached | subjected to what has the same function, and the repeated description is abbreviate | omitted.
(定義)
本明細書における幾つかの用語を以下のように定義する。
「半導体膜」:半導体元素を主成分として含む膜をいい、結晶した半導体のみならず、結晶前の非晶質半導体を含む概念である。「半導体」としては、以下の実施形態ではシリコン(Si)を例示するが、カーボンナノチューブの触媒機能により結晶化が可能な元素であれば、ゲルマニウム等他の半導体元素を用いてもよい。
(Definition)
Some terms in this specification are defined as follows.
“Semiconductor film”: refers to a film containing a semiconductor element as a main component and includes not only a crystallized semiconductor but also an amorphous semiconductor before crystallizing. As the “semiconductor”, silicon (Si) is exemplified in the following embodiments, but other semiconductor elements such as germanium may be used as long as they can be crystallized by the catalytic function of the carbon nanotube.
「カーボンナノチューブ」:炭素から形成される微細チューブをいう。通常、六角形や五角形、七角形の多角形網目構造を備えるが、その構造に限定はない。チューブの内部に有機分子等を含むことにより導電性を備えた複合体である場合を含む。金属的な性質を持つアームチェア(Armchair)型や、半導体的な性質を持つジグザグ型・らせん型がある。またシングルウォール(単層)型であるかマルチウォール(多層)型であるかを問わない。内部に所定の分子、例えば有機分子を含んだ場合も含む。 “Carbon nanotube”: A fine tube formed from carbon. Usually, a hexagonal, pentagonal, and heptagonal polygonal mesh structure is provided, but the structure is not limited. This includes the case of a composite having conductivity by including organic molecules or the like inside the tube. There are armchair type with metallic properties and zigzag type / spiral type with semiconductor properties. It does not matter whether it is a single wall (single layer) type or a multi wall (multilayer) type. The case where a predetermined molecule, for example, an organic molecule is contained inside is also included.
「プラグ電極」:下層の半導体膜と上層の半導体膜または金属層とを接続する柱状の電極という意味である。 “Plug electrode” means a columnar electrode that connects a lower semiconductor film and an upper semiconductor film or metal layer.
「平滑化」:絶縁膜の表面を滑らかにするための処理をいい、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法を適用して研磨する場合、エッチング等によりエッチバックする場合等を含む。 “Smoothing”: treatment for smoothing the surface of the insulating film, and includes polishing by applying a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, etching back, etc.
「エネルギー」:半導体膜を結晶化するために与えられるパワーであり、レーザ照射による他、熱や電磁波の供給により印加される場合を含む。 “Energy”: Power given to crystallize the semiconductor film, including the case where it is applied not only by laser irradiation but also by supply of heat or electromagnetic waves.
「金属層」:カーボンナノチューブを成長させることが確認されている金属元素であり、ニッケル、コバルト、または鉄がある。ただし、カーボンナノチューブを成長させることができる元素であれば金属に限らず本発明に適用可能である。 “Metal layer”: a metal element that has been confirmed to grow carbon nanotubes, and includes nickel, cobalt, or iron. However, any element that can grow carbon nanotubes is applicable to the present invention without being limited to metals.
「半導体装置」:半導体膜の所定の機能を実現するための素子をいい、薄膜トランジスタ(TFT)や薄膜ダイオードなどの薄膜を用いて構成された機能素子が例示できる。 “Semiconductor device”: refers to an element for realizing a predetermined function of a semiconductor film, and examples thereof include a functional element configured using a thin film such as a thin film transistor (TFT) or a thin film diode.
「触媒として機能」:自ら物理的・化学的に変化することなく他の組成物に物理的・化学的作用を生じさせる機能をいう。 “Function as a catalyst”: A function that causes a physical or chemical effect on another composition without being physically or chemically changed by itself.
「電気光学装置」:電気的作用によって発光するあるいは外部からの光の状態を変化させる電気光学素子を備えた装置一般をいい、自ら光を発するものと外部からの光の通過を制御するもの双方を含む。例えば、電気光学素子として、液晶素子、電気泳動素子、EL(エレクトロルミネッセンス)素子、電界の印加により発生した電子を発光板に当てて発光させる電子放出素子などが挙げられる。 “Electro-optical device”: A general device equipped with an electro-optical element that emits light by electrical action or changes the state of light from the outside. Both the device that emits light and the device that controls the passage of light from the outside. including. Examples of the electro-optical element include a liquid crystal element, an electrophoretic element, an EL (electroluminescence) element, and an electron-emitting element that emits light by applying electrons generated by applying an electric field to a light-emitting plate.
「電子機器」:複数の素子または回路の組み合わせにより一定の機能を奏する機器一般をいい、例えば電気光学装置やメモリを備えて構成される。ここで電子機器は、回路基板を一枚または複数備えることが可能である。その構成に特に限定が無いが、例えば、携帯電話、腕時計、パーソナルコンピュータ、ICカード、ビデオカメラ、ヘッドマウントディスプレイ、リア型またはフロント型のプロジェクター、さらに表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型TV、DSP装置、PDA、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ等が含まれる。 “Electronic device”: A general device that exhibits a certain function by a combination of a plurality of elements or circuits, and includes, for example, an electro-optical device and a memory. Here, the electronic device can include one or more circuit boards. The configuration is not particularly limited, but for example, a mobile phone, a wristwatch, a personal computer, an IC card, a video camera, a head mounted display, a rear type or a front type projector, a fax machine with a display function, a digital camera finder, a mobile phone Type TV, DSP device, PDA, electronic notebook, electric bulletin board, display for public notice, etc.
(原理説明)
カーボンナノチューブは、上記定義に記載したように、炭素原子が所定形状の網目構造を形成することにより得られる、例えば、直径0.4〜100nmの直径を有する微細な管である。本願発明者は、このカーボンナノチューブに非晶質の半導体膜を接触させておき、エネルギーを印加させことにより、非晶質の半導体膜を結晶化させることができるということを発見した。この結晶化ではカーボンナノチューブに物理的・化学的な変化を生じないため、カーボンナノチューブが触媒として機能しているといえる。
(Principle explanation)
As described in the above definition, the carbon nanotube is a fine tube having a diameter of 0.4 to 100 nm, for example, obtained by forming a network structure in which carbon atoms have a predetermined shape. The inventor of the present application discovered that an amorphous semiconductor film can be crystallized by bringing an amorphous semiconductor film into contact with the carbon nanotubes and applying energy. Since this crystallization does not cause a physical or chemical change in the carbon nanotube, it can be said that the carbon nanotube functions as a catalyst.
カーボンナノチューブが半導体膜を結晶化できる理由は、例えば次のように考えることが可能である。カーボンナノチューブを構成する炭素原子の多角形構造の格子定数が半導体膜の結晶における格子定数と若干異なっている場合、この格子定数の不整合から、カーボンナノチューブを核として結晶成長する半導体膜には強い引っ張り応力が発生することになる。このような引っ張り応力が生じていると、自由エネルギーの関係から半導体膜の結晶化に要するエネルギーが低くなる場合があり、そのような場合には、非晶質(固相または液相)の半導体膜の結晶化が容易に進行することが考えられるのである。 The reason why carbon nanotubes can crystallize a semiconductor film can be considered as follows, for example. When the lattice constant of the polygonal structure of carbon atoms constituting the carbon nanotube is slightly different from the lattice constant in the crystal of the semiconductor film, this lattice constant mismatch makes it strong against the semiconductor film that grows the crystal with the carbon nanotube as the nucleus. Tensile stress will be generated. When such a tensile stress is generated, the energy required for crystallization of the semiconductor film may be reduced due to the free energy, and in such a case, an amorphous (solid or liquid phase) semiconductor It is conceivable that the crystallization of the film proceeds easily.
例えば、半導体膜がシリコンである場合を例示すれば、シリコンのダイヤモンド型結晶の格子定数は、0.543nmである。一方、アームチェア型と呼ばれるカーボンナノチューブでは、炭素原子により構成される多角形の格子定数が0.2454nmである。このとき、アームチェア型のカーボンナノチューブにおける格子定数の2倍のピッチでシリコンがヘテロエピタキシーのように結晶成長するとすれば、約9.6%の格子不整合が存在すると考えられる。これだけの格子不整合が存在すると、結晶成長するシリコン結晶には強い引っ張り応力が導入されると考えられ、この引っ張り応力故に結晶化が促進されるのである。 For example, in the case where the semiconductor film is silicon, the lattice constant of a diamond-type crystal of silicon is 0.543 nm. On the other hand, a carbon nanotube called an armchair type has a polygonal lattice constant composed of carbon atoms of 0.2454 nm. At this time, if silicon is crystal-grown like heteroepitaxy at a pitch twice the lattice constant of the armchair carbon nanotube, it is considered that there is a lattice mismatch of about 9.6%. If there is such a lattice mismatch, it is considered that a strong tensile stress is introduced into the silicon crystal that grows, and this crystallization promotes crystallization.
なお、カーボンナノチューブは、構造体内部に有機分子が挿入されやすく、ナノチューブの内径に近い大きさを持った有機分子がいったん挿入されると非常に安定となる。有機分子が挿入されることによって、挿入された有機分子からナノチューブにキャリヤが供給され、電気伝導度を制御できることが報告されている。 Carbon nanotubes are easy to insert organic molecules into the structure, and become very stable once organic molecules having a size close to the inner diameter of the nanotubes are inserted. It has been reported that by inserting organic molecules, carriers are supplied from the inserted organic molecules to the nanotubes, and the electrical conductivity can be controlled.
以下、実施形態1では、第1半導体膜上にカーボンナノチューブによるプラグ電極を形成し、そのプラグ電極を触媒として機能させて非晶質の第2半導体膜を結晶化させる製造方法を例示する。また実施形態2では、透光性基板上に第1半導体膜を形成し、カーボンナノチューブを形成した後にそのカーボンナノチューブを触媒として機能させ、第1半導体膜を結晶化させる製造方法を例示する。
Hereinafter,
(実施形態1)
実施形態1は、第1半導体膜上に形成されたプラグ電極を触媒として機能させ、第2半導体膜を結晶化させる半導体装置の製造方法に関する。
図1〜図6は、本実施形態1の半導体装置の製造方法を説明する製造工程断面図である。本実施形態1に係る半導体装置の第1の製造方法は、大きく以下の工程を備える。
(Embodiment 1)
1 to 6 are manufacturing process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. The first method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment includes the following steps.
1)第1半導体膜9を備える第1半導体装置10を形成する工程(図1)、
2)第1半導体膜9上にカーボンナノチューブによるプラグ電極15を形成する工程(図2)、
3)形成されたプラグ電極15の周囲に層間絶縁膜16を形成する工程(図3(A))、
4)層間絶縁膜16の表面を平滑化してプラグ電極15の頂部を露出させる工程(図3(B))、
5)層間絶縁膜16およびプラグ電極15の頂部上に非晶質の第2半導体膜22を形成する工程(図3(C)〜図5)、
6)非晶質の第2半導体膜22にエネルギーを供給して露出したプラグ電極15を触媒として機能させて非晶質の第2半導体膜22を結晶化させる工程(図6)。
以下詳細に説明する。
1) a step of forming a
2) a step of forming a
3) Step of forming an
4) Smoothing the surface of the
5) A step of forming an amorphous
6) A step of crystallizing the amorphous
This will be described in detail below.
(第1半導体装置形成工程)
まず従来のリソグラフィ法等を適用して第1半導体装置を形成する。第1半導体装置としては、薄膜トランジスタ(TFT)を例示する。この半導体装置形成工程はオプショナルなものであり、下層側の第1半導体膜を利用した半導体装置を設ける必要がない場合には第1半導体膜の形成以降の工程は不要である。
図1(A)に示すように、所定の基板(ガラス基板、石英ガラス基板)1上に非晶質のシリコンを堆積させて非晶質シリコン膜を形成する。非晶質シリコン膜の膜厚は、任意である。その形成方法としては、各種CVD(化学気相成長、Chemical Vapor Deposition)法、スパッタ法、蒸着法が適用可能である。例えば、LPCVD( Low Pressure Chemical Vapor Deposition )法を用いて、545℃の基板温度においてシラン(SiH4)ガスを導入して50nm程度の非晶質シリコン膜を堆積することができる。
(First semiconductor device forming step)
First, the first semiconductor device is formed by applying a conventional lithography method or the like. An example of the first semiconductor device is a thin film transistor (TFT). This semiconductor device forming step is optional, and if it is not necessary to provide a semiconductor device using the first semiconductor film on the lower layer side, the steps after the formation of the first semiconductor film are unnecessary.
As shown in FIG. 1A, amorphous silicon is deposited on a predetermined substrate (glass substrate, quartz glass substrate) 1 to form an amorphous silicon film. The thickness of the amorphous silicon film is arbitrary. As the forming method, various CVD (chemical vapor deposition, C hemical V apor D eposition) method, a sputtering method, an evaporation method can be applied. For example, using the LPCVD (L ow P ressure C hemical V apor D eposition) process, silane at a substrate temperature of 545 ℃ (SiH 4) may be deposited amorphous silicon film of approximately 50nm by introducing gas .
オプショナルで、基板1と非晶質シリコン膜との間に下地絶縁膜を形成してもよい。この下地絶縁膜は、例えば、酸化シリコン膜よりなり、プラズマCVD法により形成することができる。
Optionally, a base insulating film may be formed between the
次いで、非晶質シリコン膜を他の素子と分離し一つの半導体装置のための島状の第1半導体膜3とする。例えば、非晶質シリコン膜上にフォトレジスト膜を形成し、露光・現像することにより島状にフォトレジスト膜を残存させる。次いで、残存するフォトレジスト膜をマスクにドライエッチングすることにより島状のシリコン膜を形成する。その後、残存するフォトレジスト膜をアッシングにより除去する。このフォトレジストの形成、露光・現像およびレジスト除去までの一連の工程を「パターニング」という。このような分離法をメサ分離法という。メサ分離法の他には、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法やトレンチ分離法などを適用することが可能である。
Next, the amorphous silicon film is separated from other elements to form island-like
次に図1(B)に示すように、第1半導体膜3上にゲート絶縁膜5を形成する。ゲート絶縁膜5の膜厚は任意である。ゲート絶縁膜5の形成方法は、熱酸化法、CVD法等の各種絶縁膜の形成方法を適用可能である。例えば、第1半導体膜3の表面を所定の条件下、例えば酸素およびクリプトンKrの混合ガス(ガス容量比、酸素O2:Kr=3:97)を用い、圧力1torr、電力3kW、基板温度400℃の条件下でプラズマ酸化することにより5nm程度の膜厚の酸化シリコンによるゲート絶縁膜5を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 1B, a
次に図1(C)に示すように、ゲート絶縁膜5上にゲート電極7を形成し、ゲート電極7をマスクとして不純物イオンを第1半導体膜3に注入(ドーピング)することにより、ソース・ドレイン領域9を形成する。ゲート電極7は、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)等を電極材料として用いた単層構造または複数層構造とすることができる。ゲート電極7の形成方法としては、蒸着法やスパッタリング法により金属膜を一様に形成し、その後にフォトリソグラフィ法を用いて金属膜をパターニングするというものである。次いで、不純物イオンの注入により、高濃度不純物領域であるソース・ドレイン領域9を形成する。ソース、ドレイン領域9の間の第1半導体膜3はチャネル領域となる。注入する不純物イオンは、nチャネル型TFTを形成する場合には、n型不純物(例えば、リンなど)を注入し、pチャネル型TFTを形成する場合には、p型不純物(例えば、ホウ素など)を注入する。なお、ソース、ドレイン領域を形成する不純物以外に、閾値調整用不純物などの不純物が注入されることがある。
Next, as shown in FIG. 1C, a
なお、ゲート電極にサイドウォールを形成してから不純物イオンを導入することで不純物濃度が異なる領域を半導体膜に形成することにより、LDD(Lightly Doped Drain)構造等の電流漏れ防止構造を有する半導体装置を形成してもよい。 Note that when the impurity concentration by introducing the impurity ions after forming the sidewall to the gate electrode to form a different region in the semiconductor film, the LDD (L ightly D oped D rain ) current leakage preventing structure such as a structure A semiconductor device having the same may be formed.
オプショナルで、ソース・ドレイン領域9上にシリサイド膜6を形成する。例えば、第1半導体膜3上にスパッタリング法によりニッケル(Ni)膜を堆積し、熱処理を施すことにより、ニッケル膜とシリコンである第1半導体膜3との接触部にニッケルシリサイドを形成する。このシリサイド膜6は、コンタクト抵抗の低減のために形成する。未反応のNi膜は除去することが好ましい。
以上の工程により、薄膜トランジスタである第1半導体装置10が形成される。
Optionally, a
Through the above steps, the
(プラグ電極形成工程)
次いで第1半導体膜上にプラグ電極15を形成する。
まず、図2(A)に示すように、ソース・ドレイン領域9、およびゲート電極7に対してプラグ電極を配置すべき位置に金属層11を形成する。
(Plug electrode formation process)
Next, the
First, as shown in FIG. 2A, a
金属層11は、カーボンナノチューブを成長させる触媒層であり、金属材料としてはニッケルを例示する。金属層11の厚みは、カーボンナノチューブ形成の核となりうる程度の厚みがあれば十分である。金属層11の形成方法は、金属の成膜方法を種々適用可能である。例えば、基板温度200℃でアルゴンガス100%、圧力15mtorrという条件において、電力1kWでのスパッタリング法を適用して約8nmまでニッケルを成膜する。
The
金属層の形成後、パターニングをしてカーボンナノチューブの形成領域の層をパターン化する。すなわち、ソース・ドレイン領域9上のシリサイド膜6およびゲート電極7上のプラグ電極設置位置に金属層11のパターンを形成する。但し、総ての電極をカーボンナノチューブで形成する必要はなく、例えば、ソース・ドレイン電極の片方または双方のみをカーボンナノチューブ製のプラグ電極とし、ゲートについては通常の金属材料によるプラグ電極としてもよい。具体的には、カーボンナノチューブの成長に必要な直径、例えば1μmの大きさにパターニングしてプラグ電極のコンタクト領域となる金属層11を形成する。パターニングのためのエッチング液としては、例えば、硝酸(65%):硫酸(98%):酢酸:水が、5:5:2:28の比率の混酸を室温下で用いることができる。
After the formation of the metal layer, patterning is performed to pattern the layer in the carbon nanotube formation region. That is, the pattern of the
次いで図2(B)に示すように、高周波プラズマを印加して金属層11に核を形成する。高周波プラズマはカーボンナノチューブの成長に適する所定条件下で印加する。例えば、高周波プラズマCVD装置を用いて、基板温度400℃、アンモニア雰囲気下、圧力0.64torr、印加電力90Wの条件下で、所定時間高周波プラズマ13を印加する。この処理により金属層11がナノメータサイズの島状の核を有するように変換される。
Next, as shown in FIG. 2B, high-frequency plasma is applied to form nuclei in the
なお、シリサイド膜6の表面に直接的にカーボンナノチューブを形成可能なニッケルシリサイドの核が形成されている場合には、当該工程は不要である。また金属層に高周波プラズマを印加しなくてもカーボンナノチューブを成長可能である場合には高周波プラズマ印加は不要である。
If nickel silicide nuclei capable of forming carbon nanotubes directly on the surface of the
次いで図2(C)に示すように、所定の雰囲気下でカーボンナノチューブを成長させてプラグ電極15を形成する。カーボンナノチューブは、炭素原子を含むガス(例えばメタン)を用いたCVD法にて成長可能なことが知られている。例えば、PECVD(Plasma-enhanced Physical Vapor Deposition)装置に所定濃度のメタンおよび水素ガス(例えばメタン10sccm、水素100sccm)を導入し、圧力0.9torr、印加電力50Wの条件下で20分間維持することにより、一定の高さにまでカーボンナノチューブを成長させることが可能である。このときの雰囲気温度は、400℃程度とする。成長条件および成長時間は、必要とするプラグ電極15の長さによって決定することが可能である。成長の過程で、カーボンナノチューブ内に有機分子を挿入させるようにしてもよい。その他、レーザ蒸発法を適用してカーボンナノチューブを形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 2C, carbon nanotubes are grown in a predetermined atmosphere to form
(層間絶縁膜形成工程)
本実施形態では、以下説明するように、3つのプラグ電極15のうちゲート電極7とドレイン領域9とに接続しているプラグ電極15を配線17に接続し、ソース領域9に接続しているプラグ電極15を上層の第2半導体膜に接続するものとして説明する。但し、他のゲート電極やドレイン電極についてのプラグ電極を上層の第2半導体膜に接続してもよい。上下層の半導体装置相互の配線構造により任意の電極接続構造を選択すればよい。
(Interlayer insulation film formation process)
In this embodiment, as will be described below, the
まず図3(A)に示すように、プラグ電極15の周囲に層間絶縁膜16を形成する。層間絶縁膜16の厚みは、上記プラグ電極15の高さに依存するが、上下の半導体膜間の絶縁が十分に果たせる程度の厚みであって、かつ、平滑化の時間が多くなりすぎない程度の厚みの範囲とする。層間絶縁膜16の形成方法としては、通常の絶縁膜形成方法を適用可能である。例えば、TEOS (tetraethoxysilane)を用いて所定条件にてプラグ電極15が総て隠れる程度の厚みに層間絶縁膜を形成する。
First, as shown in FIG. 3A, an
次いで図3(B)に示すように、層間絶縁膜16の表面を所定の方法で平滑化する。平滑化の方法は種々考えられるが、例えばCMP法等の研磨法、エッチング法が考えられる。例えば、CMP法を適用する場合、CMP装置の制御パラメーターとして、研磨荷重、定盤の回転速度、ヘッドの回転速度、スラリーの選択・供給方法、コンディショニングの条件・頻度などを適正に設定し、層間絶縁膜の表面を平滑化する。プラグ電極15の表面が露出する程度に研磨すれば十分である。好ましくは、確実にカーボンナノチューブの表面を出すために、酸素等によるアッシング法を適用し、カーボンナノチューブの残渣を取り除くようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 3B, the surface of the
次いで図3(C)に示すように、露出したプラグ電極15に接触するように配線17を形成する。配線17は、通常の金属配線形成方法が適用可能である。例えば、アルミニウム等の金属層を形成した後、配線パターンに基づきフォトリソグラフィ法によりパターニングして、ゲート電極7およびドレイン領域9と接続しているプラグ電極15についての配線17を形成する。
Next, as shown in FIG. 3C, a
そして図4(A)に示すように、ソース領域9と接続しているプラグ電極15については、さらにカーボンナノチューブを再度成長させる。成長条件は上記したとおりである。
Then, as shown in FIG. 4A, carbon nanotubes are grown again for the
次いで図4(B)に示すように、ソース領域9と接続しているプラグ電極15の周囲に層間絶縁膜18を形成する。層間絶縁膜18の形成は、下層の層間絶縁膜16と同様である。すなわち、TEOSを用いて所定条件にてプラグ電極15が総て隠れる程度の厚みに層間絶縁膜18を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, an
(平滑化工程)
次いで図5(A)に示すように、層間絶縁膜18の表面を平滑化してプラグ電極15の頂部を露出させる。平滑化の方法としては研磨法、エッチング法等、種々考えられる。例えば、CMP法を適用することにより、プラグ電極15の頂部が見えるまで研磨する。CMP法の詳細については上述のとおりである。アッシング法を適用可能である点も上述のとおりである。
(Smoothing process)
Next, as shown in FIG. 5A, the surface of the
(第2半導体膜形成工程)
次いで図5(B)に示すように、平滑化した層間絶縁膜18および露出したプラグ電極15の頂部上に非晶質の第2半導体膜22を形成する。悲壮質の第2半導体膜22の厚みについては、薄膜トランジスタの機能膜として機能することが可能な厚みに形成する。非晶質の第2半導体膜22の形成方法としては、各種CVD法、スパッタ法、蒸着法が適用可能である。例えば、LPCVD( Low Pressure Chemical Vapor Deposition )法を用いる場合、425℃の基板温度においてSi2H6ガスを30sccmの濃度で導入する条件下で、250nm程度の非晶質のシリコン膜を堆積することが可能である。
(Second semiconductor film forming step)
Next, as shown in FIG. 5B, an amorphous
(第2半導体膜結晶化工程)
次いで図6(A)に示すように、非晶質の第2半導体膜22にエネルギーを供給してプラグ電極15を触媒として機能させ第2半導体膜を結晶化させる。印加するエネルギー源としては加熱、光照射等、種々の方法が考えられるが、特定領域の半導体膜を結晶化させるためには、レーザ光を照射することが好ましい。印加するレーザ光の強度は半導体膜の結晶化に必要な程度とする。例えば、波長308nmのエキシマレーザを用いる場合、1.5J/cm2の強度で照射する。
(Second semiconductor film crystallization process)
Next, as shown in FIG. 6A, energy is supplied to the amorphous
このレーザ光の照射により、図6(B)に示すように、プラグ電極15の頂部の炭素原子構造を核として非晶質の半導体膜に結晶が成長していき、例えば5μm以上のグレインサイズの単結晶を有する結晶化した第2半導体膜23を形成可能である。
By this laser light irradiation, as shown in FIG. 6B, a crystal grows in an amorphous semiconductor film with the carbon atom structure at the top of the
(第2半導体装置形成工程)
次に図7に示すように、第2半導体膜23を機能層として利用した第2半導体装置20を形成する。第2半導体装置としては、薄膜トランジスタ(TFT)を例示する。第2半導体装置形成工程はオプショナルな工程であり、半導体装置を形成する必要がない場合には不要な工程である。
(Second semiconductor device forming step)
Next, as shown in FIG. 7, a
第2半導体装置20の具体的な製法については、従来の半導体装置の製造方法を種々適用可能である。例えば、第2半導体膜23上にゲート絶縁膜26、ゲート電極27を形成し、ゲート電極27をマスクとして第2半導体膜23に不純物イオンを導入し、ソース・ドレイン領域29とする。ゲート電極27の下層がチャネル領域となる。必要に応じてソース・ドレイン領域29上にニッケル層を形成し熱処理を施すことにより、ソース・ドレイン領域29上にシリサイド膜を形成する。以上により、第2半導体装置20が形成される。
As a specific manufacturing method of the
さらに上記第1半導体装置10について施した製造方法と同様にして、層間絶縁膜30を形成し、第2半導体装置20のソース・ドレイン領域29およびゲート電極27の電極形成位置にコンタクトホール31を形成してから金属層を成膜してからパターニングする。この処理によって、第2半導体装置20のソース・ドレイン領域29およびゲート電極27に接続する配線32が形成される。必要に応じて、層間絶縁膜30および配線32上に保護層33を形成する。
以上の処理により、三次元半導体装置100が製造される。
Further, in the same manner as the manufacturing method applied to the
The three-
以上、実施形態1によれば以下の利点を有する。
1)本実施形態1によれば、カーボンナノチューブを触媒として機能するので、単なるアニール処理をする場合に比べて第2半導体膜の結晶化を大幅に促進することが可能である。
As described above, the first embodiment has the following advantages.
1) According to the first embodiment, since the carbon nanotube functions as a catalyst, it is possible to greatly promote the crystallization of the second semiconductor film as compared with the case of performing simple annealing.
2)本実施形態1によれば、プラグ電極を構成するカーボンナノチューブが半導体膜中の原子(シリコン)と反応を生じにくいため、半導体化合物(シリサイド)が形成されることがなく、その結果、ボイド等を生じることによる体積変化を生じたりすることがない。このため、半導体膜の特性劣化を抑制可能であり、また、プラグ電極と半導体膜とのコンタクト抵抗が増加することを抑制可能である。 2) According to the first embodiment, since the carbon nanotubes constituting the plug electrode do not easily react with atoms (silicon) in the semiconductor film, a semiconductor compound (silicide) is not formed. No change in volume due to the occurrence of the above. For this reason, characteristic deterioration of the semiconductor film can be suppressed, and an increase in contact resistance between the plug electrode and the semiconductor film can be suppressed.
3)本実施形態1によれば、プラグ電極を形成するカーボンナノチューブは比較的低い温度、すなわち400℃程度の低温域で成長可能であるため、プラグ電極形成過程で下層の半導体膜に熱的な悪影響を与える可能性が無く、三次元半導体装置の上下層の接続電極として適している。 3) According to the first embodiment, the carbon nanotube forming the plug electrode can be grown at a relatively low temperature, that is, a low temperature range of about 400 ° C., so that the semiconductor film in the lower layer is thermally grown in the process of forming the plug electrode. There is no possibility of adverse effects, and it is suitable as connection electrodes for the upper and lower layers of the three-dimensional semiconductor device.
4)本実施形態1によれば、プラグ電極を形成するカーボンナノチューブは金属材料に比べても非常に高い融点を有するため、プロセス中の熱によって物理的に安定であり、半導体膜中に電極構成材料が拡散して結晶化を阻害することを防止可能である。 4) According to the first embodiment, the carbon nanotube forming the plug electrode has a very high melting point as compared with the metal material, and is therefore physically stable by heat during the process, and the electrode structure in the semiconductor film It is possible to prevent the material from diffusing and inhibiting crystallization.
5)本実施形態1によれば、プラグ電極を形成するカーボンナノチューブは金属材料に比べても非常に高い熱伝導率を有するので、層間絶縁膜や半導体膜に囲まれており蓄熱しやすい三次元半導体装置の内部から放熱させるヒートシンクとして機能させることも可能である。 5) According to the first embodiment, the carbon nanotube forming the plug electrode has a very high thermal conductivity as compared with the metal material, so that it is surrounded by the interlayer insulating film or the semiconductor film, and is easy to store heat. It is also possible to function as a heat sink that dissipates heat from the inside of the semiconductor device.
6)本実施形態1によれば、プラグ電極を形成するカーボンナノチューブは金属材料と比べても非常に低い電気伝導度を有するので、プラグ電極を流れる電流による発熱量が些少であり、熱が籠もりやすい三次元半導体装置の内部での熱の発生自体を抑制することが可能である。 6) According to the first embodiment, the carbon nanotube forming the plug electrode has a very low electrical conductivity compared to the metal material, so that the amount of heat generated by the current flowing through the plug electrode is insignificant and the heat is reduced. It is possible to suppress the generation of heat itself inside the three-dimensional semiconductor device that is easy to measure.
7)本実施形態1によれば、金属層11に高周波プラズマを印加して核を形成してからCVD法によりカーボンナノチューブを成長させるので、容易に、かつ、短時間に、所望の高さのプラグ電極15を形成することが可能である。
7) According to the first embodiment, since carbon nanotubes are grown by the CVD method after applying high frequency plasma to the
(実施形態2)
実施形態2は、下層側の第1半導体膜についてもカーボンナノチューブを触媒として機能させて結晶化する半導体装置の製造方法に関する。
(Embodiment 2)
The second embodiment relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a first semiconductor film on the lower layer side is also crystallized by using carbon nanotubes as a catalyst.
本実施形態2における層構造および製造工程の詳細については、前記実施形態1と同様であるため、同様の工程・構造については同一の符号を付することとし、その説明を省略する。 Since the details of the layer structure and the manufacturing process in the second embodiment are the same as those in the first embodiment, the same steps and structures are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図8及び図9は、本実施形態1の半導体装置の製造方法を説明する製造工程断面図である。本実施形態2に係る半導体装置の第2の製造方法は、大きく以下の工程を備える。 8 and 9 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. The second method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment includes the following steps.
1)透光性基板1a上に非晶質の第1半導体膜2を形成する工程(図8(A))、
2)非晶質の第1半導体膜2上にプラグ電極15を形成する工程(図8(B)(C))、
3)ゲート絶縁膜4を形成する工程(図8(D))、
4)透光性基板1aの裏面側からエネルギーを供給して非晶質の第1半導体膜2を結晶化させる工程(図8(E)、図9(A))、
5)第1半導体装置形成工程(図9(C))。
以下詳細に説明する。
1) a step of forming an amorphous
2) a step of forming the
3) Step of forming the gate insulating film 4 (FIG. 8D),
4) Step of crystallizing the amorphous
5) First semiconductor device formation step (FIG. 9C).
This will be described in detail below.
(非晶質の第1半導体膜形成工程)
まず図8(A)に示すように、透光性基板1a上に非晶質の第1半導体膜2を形成する。透光性基板1aとしては、半導体プロセスの熱に対する耐性・ハンドリングに対する機械的耐性があり、かつ、透過する光の減衰率がなるべく少ない基板であることが望ましい。例えば、ガラス基板、石英ガラス基板を利用可能である。透光性基板1aの厚みは、耐熱性・耐久性の他に、光減衰率も考慮して決定する。
(Amorphous first semiconductor film forming step)
First, as shown in FIG. 8A, an amorphous
透光性基板1a上に非晶質のシリコンを堆積させる。非晶質シリコン膜の膜厚は、任意である。その形成方法としては、各種CVD法、スパッタ法、蒸着法が適用可能である。例えば、LPCVD法を用いて、545℃の基板温度においてシラン(SiH4)ガスを導入して50nm程度の非晶質シリコン膜を堆積することができる。
Amorphous silicon is deposited on the
オプショナルで、基板1と非晶質シリコン膜との間に下地絶縁膜を形成してもよい。この下地絶縁膜は、例えば、酸化シリコン膜よりなり、プラズマCVD法により形成することができる。
Optionally, a base insulating film may be formed between the
次いで、非晶質シリコン膜を他の素子と分離する。例えば、フォトリソグラフィ法を適用して、非晶質シリコン膜をパターニングして島状の非晶質の第1半導体膜2を残存させる。LOCOS法やトレンチ分離法などを適用してもよい。
Next, the amorphous silicon film is separated from other elements. For example, by applying a photolithography method, the amorphous silicon film is patterned to leave the island-shaped amorphous
(プラグ電極形成工程)
次に図8(B)に示すように、非晶質の第1半導体膜上に金属層11を島状に形成する。金属層の材料、厚み、形成方法は、上記実施形態1と同様である。オプショナルで、上述したように高周波プラズマを引加し、金属層11に核を形成してもよい。また、第1半導体膜2上にシリサイド膜を形成してもよい。
(Plug electrode formation process)
Next, as shown in FIG. 8B, the
次に図8(C)に示すように、所定の雰囲気下でカーボンナノチューブを成長させてプラグ電極15を形成する。カーボンナノチューブの形成方法は、上記実施形態1と同様である。
Next, as shown in FIG. 8C, carbon nanotubes are grown in a predetermined atmosphere to form
(ゲート絶縁膜形成工程)
次いで図8(D)に示すように、カーボンナノチューブが若干成長した段階でゲート絶縁膜4を形成する。ゲート絶縁膜の形成方法は、上記実施形態1と同様である。
(Gate insulation film formation process)
Next, as shown in FIG. 8D, the
なお、第1半導体膜を用いて半導体装置を形成しない場合には、当該工程を実施する必要はないが、プラグ電極15を保護するために層間絶縁膜を形成してから、後述するレーザ照射をすることが好ましい。
In the case where the semiconductor device is not formed using the first semiconductor film, it is not necessary to perform this process, but after forming an interlayer insulating film to protect the
(第1半導体膜結晶化工程)
次いで図8(E)に示すように、透光性基板1aの裏面側からエネルギーを供給して第1半導体膜2に接しているプラグ電極15を触媒として機能させて非晶質の第1半導体膜2を結晶化させる。印加するエネルギー源としては加熱、光照射等、種々の方法が考えられるが、特定領域の半導体膜を結晶化させるためには、レーザ光8を照射することが好ましい。印加するレーザ光の強度は半導体膜の結晶化に必要な程度とする。例えば、波長308nmのエキシマレーザを用いる場合、1.5J/cm2の強度で照射する。当該工程により、非晶質の第1半導体膜2に接触しているプラグ電極15を核として第1半導体膜2の結晶化が促進され、例えば5μm以上のグレインサイズの単結晶を有する結晶化した第1半導体膜3を形成可能である(図9(A))。
(First semiconductor film crystallization process)
Next, as shown in FIG. 8E, energy is supplied from the back surface side of the
(第1半導体装置形成工程)
本実施形態では、第1半導体膜の結晶化工程においてカーボンナノチューブで形成されたプラグ電極15を保護するために、以下の工程では二段階のプラグ電極成長を実施している。すなわち、第1半導体膜の結晶化に必要な程度までプラグ電極15を成長させてから(図8(C))、一旦ゲート絶縁膜4を形成してプラグ電極15を保護し(図8(D))、第1半導体膜の結晶化を行なった後(図8(E)、図9(A))、再びプラグ電極を成長させる。そのため、第1半導体装置形成工程の他に、ゲート絶縁膜の平滑化工程およびカーボンナノチューブで形成されるプラグ電極再形成工程を有している。但し、カーボンナノチューブの保護が不要な場合には、ゲート絶縁膜の平滑化工程(図9(C))およびプラグ電極再形成工程(図9(D))は不要である。
(First semiconductor device forming step)
In this embodiment, in order to protect the
まず図9(B)に示すように、ゲート絶縁膜4上にゲート電極7を形成し、ゲート電極7をマスクとして第1半導体膜3に不純物イオンを導入し、ソース・ドレイン領域9とする。ゲート電極7の下層がチャネル領域となる。必要に応じてソース・ドレイン領域9上にニッケル層を形成し熱処理を施すことにより、ソース・ドレイン領域9上にシリサイド膜を形成する。以上により、第1半導体装置10が形成される。
First, as shown in FIG. 9B, a
次いで図9(C)に示すように、ゲート絶縁膜4の表面を平滑化してプラグ電極15の頂部を露出させる。平滑化の方法としては研磨法、エッチング法等、種々考えられる。例えば、CMP法を適用することにより、プラグ電極15の頂部が見えるまで研磨する。CMP法の詳細については上述のとおりである。アッシング法を適用可能である点も上述のとおりである。
Next, as shown in FIG. 9C, the surface of the
次いで図9(D)に示すように、露出したプラグ電極15をさらに成長させる。プラグ電極15を必要な高さまで成長させた後は、上記実施形態1と同様に、層間絶縁膜形成工程、平滑化工程、第2半導体膜形成工程、第2半導体膜結晶化工程等を実施して、第2半導体装置を形成すればよい。
Next, as shown in FIG. 9D, the exposed
以上、本実施形態2によれば、透光性基板の裏面側からレーザ光を照射するので、カーボンナノチューブで形成されたプラグ電極15を触媒として機能させて下層の第1半導体膜2の結晶化を促進することが可能である。
As described above, according to the second embodiment, the laser light is irradiated from the back side of the translucent substrate, so that the
本実施形態2によれば、下層の第1半導体膜2も上層の第2半導体膜23と同じくカーボンナノチューブの触媒機能を利用して結晶化させるので、第1半導体膜の主たる結晶面方位と第2半導体膜の主たる結晶面方位とを同じにすることが可能である。よって、半導体膜の特性を上下層で揃えることが可能となる。この工程を繰り返すことにより、均一な特性を有する半導体装置を備えた三次元半導体装置を提供することが可能である。
According to the second embodiment, the lower
(実施形態3)
本発明の実施形態3は、上記実施形態の製造方法で製造された三次元半導体装置を備える電気光学装置および電子機器に関する。
(Embodiment 3)
図10に、電気光学装置を用いた電子機器の例を示す。図10(A)は携帯電話への適用例であり、図10(B)は、ビデオカメラへの適用例である。また、図10(C)は、テレビジョンへ(TV)の適用例であり、図10(D)は、ロールアップ式テレビジョンへの適用例である。 FIG. 10 illustrates an example of an electronic device using an electro-optical device. FIG. 10A shows an application example to a mobile phone, and FIG. 10B shows an application example to a video camera. FIG. 10C illustrates an example of application to a television (TV), and FIG. 10D illustrates an example of application to a roll-up television.
上記実施形態の製造方法で製造された三次元半導体装置は、例えば、電気光学装置(表示部)に用いられる。以下に電気光学装置を備えた電子機器を例示する。 The three-dimensional semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the above embodiment is used for, for example, an electro-optical device (display unit). Examples of electronic devices including the electro-optical device will be described below.
図10(A)に示すように、携帯電話530には、アンテナ部531、音声出力部532、音声入力部533、操作部534および電気光学装置(表示部)500を備えている。この電子機器に本発明の半導体装置を組み込むことができる。 As shown in FIG. 10A, the cellular phone 530 includes an antenna portion 531, an audio output portion 532, an audio input portion 533, an operation portion 534, and an electro-optical device (display portion) 500. The semiconductor device of the present invention can be incorporated in this electronic apparatus.
図10(B)に示すように、ビデオカメラ540には、受像部541、操作部542、音声入力部543および電気光学装置(表示部)500を備えている。この電子機器に本発明の半導体装置を組み込むことができる。 As shown in FIG. 10B, the video camera 540 includes an image receiving unit 541, an operation unit 542, an audio input unit 543, and an electro-optical device (display unit) 500. The semiconductor device of the present invention can be incorporated in this electronic apparatus.
図10(C)に示すように、テレビジョン550は、電気光学装置(表示部)500を備えている。この電子機器に本発明の半導体装置を組み込むことができる。
なお、パーソナルコンピュータ等に用いられるモニタ装置(電気光学装置)にも本発明の半導体装置を組み込むことができる。
As shown in FIG. 10C, the television 550 includes an electro-optical device (display unit) 500. The semiconductor device of the present invention can be incorporated in this electronic apparatus.
Note that the semiconductor device of the present invention can also be incorporated in a monitor device (electro-optical device) used in a personal computer or the like.
図10(D)に示すように、ロールアップ式テレビジョン560は、電気光学装置(表示部)500を備えている。この電子機器に本発明の半導体装置を組み込むことができる。 As shown in FIG. 10D, the roll-up television 560 includes an electro-optical device (display unit) 500. The semiconductor device of the present invention can be incorporated in this electronic apparatus.
なお、電気光学装置を有する電子機器としては、上記の他、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型TV、電子手帳、電光掲示板、宣伝広告用ディスプレイなどがある。 In addition to the above, the electronic apparatus having the electro-optical device includes a fax machine with a display function, a digital camera finder, a portable TV, an electronic notebook, an electric bulletin board, a display for advertisements, and the like.
(変形例)
本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。すなわち、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified and applied. That is, the examples and application examples described through the above embodiment can be used in appropriate combination according to the application, or can be used with modifications or improvements, and the present invention is limited to the description of the above embodiment. Is not to be done. It is apparent from the description of the scope of claims that the embodiments added with such combinations or changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
例えば、上記実施形態では、第1半導体膜についても第2半導体膜についても半導体装置(薄膜トランジスタ)を形成する場合を例示したが、これに限定されない。下層の半導体装置と上層の半導体装置とを異なる種類(例えば薄膜トランジスタとダイオード等)としてもよい。 For example, in the above embodiment, the semiconductor device (thin film transistor) is formed for both the first semiconductor film and the second semiconductor film. However, the present invention is not limited to this. The lower semiconductor device and the upper semiconductor device may be of different types (for example, a thin film transistor and a diode).
また、第1半導体膜および第2半導体膜の一方にだけ半導体装置を形成してもよい。例えば、上層の第2半導体膜にのみ半導体装置を形成する場合には、下層の第1半導体膜を、カーボンナノチューブで形成されたプラグ電極の成長土台、電極、ヒートシンクとして機能させることが可能である。 A semiconductor device may be formed only on one of the first semiconductor film and the second semiconductor film. For example, when a semiconductor device is formed only on the upper second semiconductor film, the lower first semiconductor film can function as a growth base, an electrode, and a heat sink of a plug electrode formed of carbon nanotubes. .
さらに、上記実施形態において、第2半導体膜結晶化工程または第2半導体装置形成工程の後に、上記の半導体装置の製造方法を繰り返すことによって、3層以上の半導体膜を備える三次元半導体装置を提供することが可能である。具体的には、結晶化された第2半導体膜23上にさらにプラグ電極15を形成するというように当該半導体装置の製造方法を複数回繰り返すことが可能である。
Furthermore, in the above-described embodiment, a three-dimensional semiconductor device including three or more layers of semiconductor films is provided by repeating the semiconductor device manufacturing method after the second semiconductor film crystallization step or the second semiconductor device formation step. Is possible. Specifically, the method for manufacturing the semiconductor device can be repeated a plurality of times such that a
1…基板、1a…透光性基板、2…非晶質第1半導体膜、3…結晶化第1半導体膜、4…ゲート絶縁膜、5…ゲート絶縁膜、6…シリサイド膜、7…ゲート電極、9…ソース・ドレイン領域、10…第1半導体装置、11…金属層、15…プラグ電極、16…層間絶縁膜、17…配線、18…層間絶縁膜、20…第2半導体装置、22…非晶質第2半導体膜、23…結晶化第2半導体膜、26…ゲート絶縁膜、27…ゲート電極、29…ソース・ドレイン領域、30…層間絶縁膜、32…配線、33…保護層、530…携帯電話、531…アンテナ部、532…音声出力部、533…音声入力部、534…操作部、540…ビデオカメラ、541…受像部、542…操作部、543…音声入力部、550…テレビジョン、560…ロールアップ式テレビジョン
DESCRIPTION OF
Claims (13)
第1半導体膜上にカーボンナノチューブを備えるプラグ電極を形成する工程と、
形成された該プラグ電極の周囲に層間絶縁膜を形成する工程と、
該層間絶縁膜の表面を平滑化して該プラグ電極の頂部を露出させる工程と、
該層間絶縁膜および該プラグ電極の頂部上に非晶質の第2半導体膜を形成する工程と、
該非晶質の第2半導体膜にエネルギーを供給して露出した該プラグ電極を触媒として機能させて該非晶質の第2半導体膜を結晶化させる工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a plurality of semiconductor films are stacked,
Forming a plug electrode comprising carbon nanotubes on the first semiconductor film;
Forming an interlayer insulating film around the formed plug electrode;
Smoothing the surface of the interlayer insulating film to expose the top of the plug electrode; and
Forming an amorphous second semiconductor film on top of the interlayer insulating film and the plug electrode;
Supplying the energy to the amorphous second semiconductor film to cause the plug electrode exposed to function as a catalyst to crystallize the amorphous second semiconductor film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
該金属層に高周波プラズマを印加して該金属層に核を形成する工程と、
該金属層から該カーボンナノチューブを成長させて前記プラグ電極を形成する工程と、
を備える請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a metal layer for growing the carbon nanotubes on the first semiconductor film;
Applying high frequency plasma to the metal layer to form nuclei in the metal layer;
Growing the carbon nanotubes from the metal layer to form the plug electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 The metal layer is a metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, and iron.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
透光性基板上に非晶質の前記第1半導体膜を形成する工程を備え、
前記プラグ電極を形成する工程の後に、
該非晶質の第1半導体膜に該透光性基板の裏面側からエネルギーを供給して当該第1半導体膜に接している前記プラグ電極を触媒として機能させて該非晶質の第1半導体膜を結晶化させる工程を備える、
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Before the step of forming a plug electrode on the first semiconductor film,
Forming an amorphous first semiconductor film on a translucent substrate;
After the step of forming the plug electrode,
Energy is supplied to the amorphous first semiconductor film from the back side of the translucent substrate so that the plug electrode in contact with the first semiconductor film functions as a catalyst, and the amorphous first semiconductor film is formed. Comprising the step of crystallizing,
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 The main crystal plane orientation of the first semiconductor film is the same as the main crystal plane orientation of the second semiconductor film;
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4.
請求項1または4に記載の半導体装置の製造方法。 The energy is supplied by irradiating a laser beam.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
半導体装置の製造方法。 After the step of crystallizing the second semiconductor film, the semiconductor device manufacturing method according to claim 1 is repeated one or more times to stack three or more semiconductor films connected to the plug electrode.
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a semiconductor device including each of the semiconductor films,
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
該第1半導体膜上に形成されたカーボンナノチューブにより形成されているプラグ電極と、
該電極の周囲に形成されている層間絶縁膜と、
該層間絶縁膜上に形成され、該プラグ電極に接続された第2半導体膜と、を含み、
該第2半導体膜が該プラグ電極を触媒として機能させることにより結晶化されていることを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor film;
A plug electrode formed of carbon nanotubes formed on the first semiconductor film;
An interlayer insulating film formed around the electrode;
A second semiconductor film formed on the interlayer insulating film and connected to the plug electrode,
The semiconductor device, wherein the second semiconductor film is crystallized by using the plug electrode as a catalyst.
請求項9に記載の半導体装置。 The first semiconductor film is crystallized by using the plug electrode as a catalyst;
The semiconductor device according to claim 9.
請求項10に記載の半導体装置。 The main crystal plane orientation of the first semiconductor film is the same as the main crystal plane orientation of the second semiconductor film;
The semiconductor device according to claim 10.
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