JP4162727B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は結晶性を有する半導体を用いた半導体装置およびその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ(以下TFT等)が知られている。このTFTは、基板上に薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて構成されるものである。このTFTは、各種集積回路に利用されているが、特に電気光学装置特にアクティブマトリックス型の液晶表示装置の各画素の設けられたスイッチング素子、周辺回路部分に形成されるドライバー素子として注目されている。
【0003】
TFTに利用される薄膜半導体としては、非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的特性が低いという問題がある。TFTの特性向上を得るためには、結晶性を有するシリコン薄膜を利用するばよい。結晶性を有するシリコン膜は、多結晶シリコン、ポリシリコン、微結晶シリコン等と称されている。この結晶性を有するシリコン膜を得るためには、まず非晶質珪素膜を形成し、しかる後に加熱によって結晶化さればよい。
【0004】
しかしながら、加熱による結晶化は、加熱温度が600℃以上の温度で20時間以上の時間を掛けることが必要であり、基板としてガラス基板を用いることが困難であるという問題がある。例えばアクティブ型の液晶表示装置に用いられるコーニング7059ガラスはガラス歪点が593℃であり、基板の大面積化を考慮した場合、600℃以上の加熱には問題がある。即ち、一般に多用されているコーニング7059ガラス基板に対して600℃以上の温度で20時間以上の加熱処理を行うと、基板の縮みや撓みが顕著になってしまう。
【0005】
このような問題を解決するには、なるべく低い温度で加熱処理を施すことが必要とされる。また一方で生産性を高める目的で加熱処理工程の時間をできるだけ短縮することが要求される。
【0006】
また、非晶質珪素膜を加熱により結晶化させた場合、珪素膜の全体が結晶化してしまい、部分的に結晶化を行ったり、特定の領域の結晶性を制御したりすることができないという問題がある。
【0007】
この問題を解決するための方法として、非晶質珪素膜中に人為的に結晶核となる部分あるいは領域を形成し、しかる後に加熱処理を施すことにより、選択的に結晶化を行わす技術が、特開平2─140915号や特開平2─260524号に記載されている。この技術は、非晶質珪素膜中の所定の位置に結晶核を発生させようとするものである。
【0008】
例えば、特開平2─140915号公報には、非晶質珪素膜上にアルミニウムの層を形成し、この非晶質珪素とアルミニウムとが接触している部分に結晶核を生成させ、さらに加熱処理を施すことによりこの結晶核から結晶成長を行わす構成が記載されている。また特開平2─260524号公報には、非晶質珪素膜中にスズ(Sn)をイオン注入法で添加し、このスズイオンが添加された領域に結晶核を生成させる構成が記載されている。
【0009】
しかしAlやSnは置換型の金属元素であり、珪素と合金を形成してしまい珪素膜中に拡散侵入してない。そして、結晶化は珪素と合金を形成した部分が結晶核となって、その部分から結晶成長が行われていく形で進行する。このようにAlやSnを用いた場合には、AlやSnを導入した部分(即ちこれら元素と珪素との合金層)から結晶成長が行われることが特徴である。一般に結晶化は初期核の発生とその核からの結晶成長という2段階の過程を経て進行する。AlやSnという珪素に対して置換型の金属元素は、初期核の発生を発生させるのには有効であるが、その後の結晶成長にはほとんど効果がない。従って、AlやSnを用いた場合には、単に非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させる場合に比較して特にその温度を低く、またその時間を短くできる訳ではい。即ち、従来の単に加熱によって行う非晶質珪素膜の結晶化工程に比較して顕著な優位性を有するものではない。
【0010】
〔発明の背景〕
本発明者らの研究によれば、非晶質珪素膜の表面にニッケルやパラジウム等の珪素に対す侵入型となる元素を微量に堆積させ、しかる後に加熱することで、550℃、4時間程度の処理時間で結晶化を行なえることが判明している。この場合、初期核発生の過程のみならず、その後の結晶成長を容易たらしめることができ、従来の加熱のみによる方法に比較して、大きく加熱温度を低くすることができ、また加熱時間を短くすることができる。
【0011】
上記のような微量な元素(結晶化を助長する金属元素)を導入するには、プラズマ処理や蒸着、さらにはイオン注入を利用すればよい。プラズマ処理とは、平行平板型あるいは陽光柱型のプラズマCVD装置において、電極として金属元素を含んだ材料を用い、窒素または水素等の雰囲気でプラズマを生じさせることによって非晶質珪素膜に金属元素の添加を行なう方法である。
【0012】
上記の結晶化を助長する金属元素としては、侵入型の元素であるFe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag、Auを用いることができる。これら侵入型の元素は、加熱処理工程において、珪素膜中に拡散していく。そして、上記の侵入型の元素が、拡散していくのと同時に珪素の結晶化が進行していく。即ち、上記侵入型の金属は、拡散していった先々でもって触媒的な作用でもって非晶質珪素膜の結晶化を助長する。
【0013】
従って、結晶核から徐々に結晶化が進行する場合と異なる方法で結晶化を進行させることができる。例えば、非晶質珪素膜の特定の場所に上記金属元素を導入ししかる後に加熱処理を行うと、結晶化がこの金属元素が導入された領域から膜平面に平行な方向に向かって進行する。この長さ数十μm以上のもなる。また、非晶質珪素膜の全面に対して上記金属元素を導入すると、膜全体を一様に結晶化させることができる。勿論この場合、膜全体は多結晶あるいは微結晶構造を有しているのであるが、特定の場所に明確な粒界を有しているような構造ではない。従って、膜の任意の場所を利用して特性の揃ったデバイスを形成することができる。
【0014】
また上記侵入型の元素は、珪素膜中に速やかに拡散していってしまうので、その導入量(添加量)が重要となる。即ち、その導入量が少ないと、結晶化を助長する効果が小さく、良好な結晶性を得ることができない。またその導入量が多過ぎると、珪素の半導体特性が損なわれてしまう。
【0015】
従って、非晶質珪素膜への上記金属元素の最適導入量が存在することになる。例えば、上記結晶化を助長する金属元素としてNiを利用する場合、結晶化された珪素膜中における濃度が1×1015cm-3以上であれば、結晶化を助長する効果を得ることができ、また結晶化された珪素膜中における濃度が1×1019cm-3以下であれば、半導体特性が阻害されることがないことが判明している。ここでいう濃度とは、SIMS(2次イオン分析法)によって得られる最小値によって定義される。
また、上記に列挙したNi以外の金属元素についても、Niと同様の濃度範囲においてその効果を得ることができる。
【0016】
結晶化後の結晶性珪素膜中における上記のニッケル等の結晶化を助長する元素(本明細書では、結晶化を助長する元素を金属元素という)の濃度に最適な範囲にするためには、これら元素を非晶質珪素膜に導入する際にその量を制御する必要がある。
【0017】
ニッケルを金属元素とした場合において、非晶質珪素膜を成膜し、ニッケル添加をプラズマ処理法によって行ない結晶性珪素膜を作製し、その結晶化過程等を詳細に検討したところ以下の事項が判明した。
(1)ニッケルを直接導入した領域のニッケル濃度が高い。
(2)ニッケルを直接導入した領域から基板に平行な方向に結晶成長した領域の先端部分においてニッケル濃度が高い。
(3)フッ酸処理によって、ニッケル濃度が高い領域に無数の孔が開く。
【0018】
上記事項(3)の事項に関する光学顕微鏡写真を図10に示す。また図10を模式的に示した図面を図11に示す。図11は図10に対応したものである。図10の写真に示す左側の部分はニッケルが直接導入された部分(図11の801で示される領域に対応する)である。また中央の部分(図11の803で示される領域)は、先にニッケルが直接導入された領域から基板に平行な方向に結晶成長(図11の矢印802で示されるように)した領域である。また図10の右側の領域(図11の805の領域に対応)は、非晶質のまま残存している領域である。
【0019】
図10を見れば明らかなように、結晶成長が基板に平行に行われた領域(図11の803に対応)と非晶質な領域(図11の805に対応)との間に無数の孔が開いたような線状の領域が存在する。この領域は、完全に除去されて孔が開いた状態となっている。そしてこの領域(図11の804で示される)はニッケルが高い濃度で存在する結晶成長の先端部であることが判明している。また、図10に示す様子をさらに拡大した観察によって、図11の803で示される基板に平行な方向に結晶成長した領域においても無数の小さい孔が開いていることが確認されているい。
【0020】
本明細書で開示する発明は、上記実験事実に鑑みて行われたものである。即ち、金属元素の作用によって加熱によって結晶化された結晶性珪素膜に対してフッ酸(勿論バッファフッ酸でもよい)処理を行い、膜中に存在している金属元素の濃度の高い部分を除去し、膜中における金属元素の濃度の低い結晶性珪素膜を得るものである。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、金属元素を用いた600℃以下の熱処理による結晶性を有する薄膜珪素半導体の作製において、
(1)金属元素の量を制御して導入し、その量を最小限の量とする。
(2)生産性の高い方法とする。
(3)熱処理で得られる結晶性よりさらに高い結晶性を得る。
(4)結晶性珪素膜中における金属元素の濃度を極力少なくする。
といった要求の少なくとも一つを満足することを課題とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を満足するために以下の手段を用いて結晶性を有した珪素膜を得る。
非晶質珪素膜に接して該非晶質珪素膜の結晶化を助長する金属元素単体または前記金属元素を含む化合物を保持させ、前記非晶質珪素膜に前記金属元素単体または前記金属元素を含む化合物が接した状態において、加熱処理を施し、前記非晶質珪素膜を一部または全部を結晶化させる。そして、適当な濃度に希釈したフッ酸またはバッファフッ酸またはフッ酸を含んだエッチング溶液を用いてフッ酸処理(エッチング処理)を行うことにより、局在化(ニッケルは偏析して局所的に濃度が高くなっている)した金属元素(この金属元素は局所的に金属とシリサイドを形成していると考えられる)を取り除き、結果として膜中における金属元素の濃度を少なくする。そして、レーザー光または強光を照射することにより、前述のエッチング工程で生じた孔(局在化した金属と珪素とのシリサイドが除去されて無数の孔が生じる)を消滅させ、結晶性に優れた珪素膜を得る。またレーザー光の照射の後に加熱処理を加えることにより、膜中における欠陥密度を低下させる。上記フッ酸処理を行うための溶液は、珪化物をエッチングできるものであれば用いることができる。勿論珪素自体をエッチングしてしまうものは利用することができない。
【0023】
上記構成において、レーザー光または強光の照射を行わずに加熱による処理を施すのでもよい。またはレーザー光または強光の照射のみを行うのでもよい。しかし、レーザー光または強光の照射と加熱によるアニール工程とを併用することは、それらの相乗効果が得られ極めて有用である。即ち、特にレーザー光または強光を照射することによって、前のエッチング工程において形成された開孔部分(特に横成長領域(図11の803で示される領域)に形成された微小な開孔部分)を消滅させ、良好な結晶性を有する珪素膜を得ることができるという効果と、加熱処理を施すことによって、膜中における欠陥を減少させるできる効果とを得ることで、結晶性に優れ、膜中における欠陥が少ない結晶性珪素膜を得ることができる。
【0024】
結晶化を助長する金属元素の導入方法としては、金属元素を含む溶液を非晶質珪素膜表面に塗布することによる方法が有用である。この方法を用いると金属元素の量を制御することが容易となる。
【0025】
金属元素が導入されるのは、非晶質珪素膜の上面であっても下面であってもよい。非晶質珪素膜の上面に金属元素を導入するのであれば、非晶質珪素膜を形成した後に、金属元素を含有した溶液を非晶質珪素膜上に塗布すればよいし、非晶質珪素膜の下面に金属元素を導入するのであれば、非晶質珪素膜を形成する前に下地表面に金属元素を含有した溶液を塗布し、下地表面に接して金属元素を保持する状態とすればよい。
【0026】
また発明明細書で開示する発明を用いて形成された結晶性珪素膜を用いて半導体装置のPN、PI、NIその他の電気的接合を少なくとも1つ有する活性領域を構成することは有用である。半導体装置としては、薄膜トランジスタ(TFT)、ダイオード、光センサ、を挙げることができる。また本発明を利用して抵抗耐やキャパシタを形成することもできる。
【0027】
非晶質珪素膜上に結晶化を助長する元素を含有させた溶液を塗布する方法としては、溶液として水溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここで含有とは、化合物として含ませるという意味と、単に分散させることにより含ませるという意味との両方を含む。
【0028】
金属元素を含む溶媒としては、極性溶媒である水、アルコール、酸、アンモニアから選ばれたものを用いることができる。
【0029】
触媒としてニッケルを用い、このニッケルを極性溶媒に含ませる場合、ニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては、代表的には臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、ニッケルアセチルアセトネ−ト、4−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケルから選ばれたものが用いられる。
【0030】
また金属元素を含む溶媒として、無極性溶媒であるベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、エーテルから選ばれたものを用いることができる。
【0031】
この場合はニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては代表的には、ニッケルアセチルアセトネ−ト、2−エチルヘキサン酸ニッケルから選ばれたものを用いることができる。
【0032】
また金属元素を含有させた溶液に界面活性剤を添加することも有用である。これは、被塗布面に対する密着性を高め吸着性を制御するためである。この界面活性剤は予め被塗布面上に塗布するのでもよい。
【0033】
金属元素としてニッケル単体を用いる場合には、酸に溶かして溶液とする必要がある。
【0034】
以上述べたのは、金属元素であるニッケルが完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散したエマルジョンの如き材料を用いてもよい。または酸化膜形成用の溶液を用いるのでもよい。このような溶液としては、東京応化工業株式会社のOCD(Ohka Diffusion Source)を用いることができる。このOCD溶液を用いれば、被形成面上に塗布し、200℃程度でベークすることで、簡単に酸化珪素膜を形成できる。また不純物を添加することも自由であるので、本発明に利用することができる。この場合、酸化膜に金属元素を含有させ、この酸化膜を非晶質珪素膜に接して設け、金属元素を非晶質珪素膜中に拡散させるための加熱(350℃〜400℃)を行い、さらに酸化膜の除去を行った後、結晶化のために加熱処理を行えばよい。この結晶化のための加熱処理は、450℃〜600℃例えば550℃の温度で4時間程度行えばよい。
【0035】
また結晶化のための温度として、600℃(非晶質珪素膜の結晶化温度)〜1100℃の高温で行うことは高い結晶性を得るためには有用となる。この高温での加熱の温度は、出発膜である非晶質珪素膜の結晶化温度以上であることが重要となる。この非晶質珪素膜の結晶化温度は、非晶質珪素膜の成膜方法や成膜条件によって異なる。一般的には、580℃〜620℃程度となる。なお、この高温での加熱処理を行う場合には、耐熱性の高いガラス基板か石英基板を用いる必要がある。
【0036】
なおこれらのことは、金属元素としてニッケル以外の材料を用いた場合であっても同様である。
【0037】
結晶化を助長する金属元素としてニッケルを用い、このニッケルを含有させる溶液溶媒として水の如き極性溶媒を用いた場合において、非晶質珪素膜にこれら溶液を直接塗布すると、溶液が弾かれてしまうことがある。この場合は、100Å以下の薄い酸化膜をまず形成し、その上に金属元素を含有させた溶液を塗布することで、均一に溶液を塗布することができる。また、界面活性剤の如き材料を溶液中に添加する方法により濡れを改善する方法も有効である。
【0038】
また、溶液として2−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いることで、非晶質珪素膜表面に直接塗布することができる。この場合にはレジスト塗布の際に使用されている密着剤の如き材料を予め塗布することは有効である。しかし塗布量が多過ぎる場合には逆に非晶質珪素中への金属元素の添加を妨害してしまうために注意が必要である。
【0039】
溶液に含ませる金属元素の量は、その溶液の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量として溶液に対して200ppm〜1ppm、好ましくは50ppm〜1ppm(重量換算)とすることが望ましい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケル濃度や耐フッ酸性に鑑みて決められる値である。
【0040】
加熱処理の後に行なうレーザー光の照射を行なうことによって、加熱処理によって結晶化された珪素膜の結晶性をさらに高くすることができる。また、加熱処理によって部分的に結晶化を生じせしめた場合には、レーザー光の照射によってその部分からさらに結晶成長を行なわせ、より結晶性の高い状態を実現することができる。
【0041】
レーザー光としては、パルス発振方式のエキシマレーザー光を用いることができる。例えばKrFエキシマレーザー(波長248nm)、XeClエキシマレーザー(波長308nm)、XeFエキシマレーザー(波長351、353nm)、ArFエキシマレーザー(波長193nm)、XeFエキシマレーザー(波長483nm)等を用いることができる。またその励起方式も放電励起方式、X線励起方式、光励起方式、マイクロ波放電励起方式、電子ビーム励起方式等を用いることができる。
【0042】
またレーザー光の照射の代わりに、強光特に赤外光を照射する方法を採用してもよい。赤外光はガラスには吸収されにくく、珪素薄膜に吸収されやすいので、ガラス基板上に形成された珪素薄膜を選択的に加熱することができ有用である。この赤外光を用いる方法は、ラピッド・サーマス・アニール(RTA)またはラピッド・サーマル・プロセス(RTP)と呼ばれる。
【0043】
本明細書で開示する発明においては、上記レーザー光の照射による結晶化の助長に加えて、さらなる加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は、非晶質珪素膜を結晶化させる際の加熱処理条件と同じでよい。勿論全く同じでなくてもよく、400℃以上の温度で行えばよい。
【0044】
このレーザー光または強光の照射後に行われる加熱処理によって、結晶性珪素膜中の欠陥を低減することができる。図8に示すのは、試料条件の項目に記載されている条件で作製された結晶性珪素膜のスピン密度を電子スピン共鳴法(ESR)によって測定した結果である。図8の試料条件の項目に記載されているのは、窒素雰囲気中での加熱温度と加熱時間、さらにLCと記載されているのは、レーザー光の照射を示す。またNi無しと示された試料以外は、ニッケルを金属元素として結晶化を行ったものを示す。またg値というのは、スペクトルの位置を示す指標であり、g=2.0055が不対結合手に起因するスペクトルである。従って、図8に示すスピン密度は、膜中の不対結合手に対応したものと理解することができる。
【0045】
図8を見ると、試料4の場合が最もスピン密度は小さく、膜中の不対結合手が少ないことが分かる。このことは、膜中における欠陥や準位が最も少ないことを示すものといえる。例えば試料3と試料4とを比較した場合、スピン密度を約1桁さげれることが分かる。即ち、レーザー光の照射後に加熱処理を加えることで、結晶性珪素膜中の欠陥や準位を1桁以上少なくできることが分かる。
【0046】
また図8の試料2と試料3とを比較すると分かるように、レーザー光を照射してもスピン密度ほとんど変化しない。即ち、レーザー光の照射は、膜中の欠陥を減少させることに全く効果がないことが分かる。しかし、透過型電子顕微鏡写真による解析等によると、レーザー光の照射による結晶性の助長効果が極めて高いものがあることが判明している。従って、一旦加熱により結晶化された結晶性珪素膜の結晶性を助長させるには、レーザー光の照射が極めて有効であり、さらにその結晶性の助長された膜に対して再度加熱処理を施すことは、膜中の欠陥を減少させる上で極めて有効であることになる。こうして、結晶性に優れ、しかも膜中の欠陥密度の低い珪素膜を得ることができる。
【0047】
なお本発明において、金属元素を含んだ溶液を選択的に塗布することにより、結晶成長を選択的に行なうことができる。特にこの場合、溶液が塗布されなかった領域に向かって、溶液が塗布された領域から珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長を行なわすことができる。この珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長が行なわれた領域を本明細書中においては横方向に結晶成長した領域ということとする。
【0048】
またこの横方向に結晶成長が行なわれた領域は、金属元素の濃度が低いことが確かめられている。半導体装置の活性層領域として、結晶性珪素膜を利用することは有用であるが、活性層領域中における不純物の濃度は一般に低い方が好ましい。従って、上記横方向に結晶成長が行なわれた領域を用いて半導体装置の活性層領域を形成することはデバイス作製上有用である。
【0049】
本発明においては、金属元素としてニッケルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができるが、その他利用できる金属元素の種類としては、好ましくはFe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag、Auを用いることができる。
【0050】
また、金属元素の導入方法は、水溶液やアルコール等の溶液を用いることに限定されるものではなく、金属元素を含んだ物質を広く用いることができる。例えば、金属元素を含んだ金属化合物や酸化物を用いることができる。
【0051】
また本発明において、結晶化率を向上させるためにレーザー光または強光の照射工程と、膜中の欠陥の減少させるための加熱処理工程とを2回以上交互に繰り返して行ってもよい。またレーザー光を複数回に渡って照射することも効果がある。この場合、レーザー光の照射を行う毎に徐々にその照射エネルギー密度を大きくしていくとよい。すなわち、非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を導入する第1の工程と、加熱処理を行う第2の工程と、前記金属元素を取り除く第3の工程と、レーザー光または強光を照射する第4の工程と、を有し、前記第4の工程において、レーザー光または強光を複数回照射し、その照射エネルギー密度を段階的に大きくしていくとよい。例えば、レーザー光の照射を2回に分けて行う場合、1回目に弱いレーザー光を照射し、次に強いレーザー光を照射すればよい。こうすることで、残存した金属成分の影響を減少させることができる。また、上記構成において、レーザー光または強光は、酸素雰囲気中または空気中において照射されるようにしてもよい。
【0052】
また金属元素の作用により得られた結晶性珪素膜の表面を洗浄することにより表面に存在している金属元素や有機物等を除去することは有効である。特に、活性層を構成する島状の半導体領域を形成した後にこの洗浄を行うことは有効である。
【0053】
このような洗浄の方法としては、オゾン水等の酸化力の強い溶剤を用いた処理工程と、該工程の後に酸化物の除去効果の大きいエッチャント(FPMのようなフッ酸を含んだエッチャント)を用いたエッチングの工程とでなる工程が非常に有効である。
【0054】
この工程は、活性層の表面に存在している有機物や金属元素を酸化力の強い溶剤によって酸化物とし、この酸化物をさらにエッチング除去することにより、活性層の露呈した表面を清浄な状態とし、有機物や金属元素によるトラップ準位の発生を抑制することに大きな効果がある。この効果は実際に作製された薄膜トランジスタの特性において顕著なのとして見ることができる。
【0055】
【作用】
結晶化を助長する元素である侵入型の元素の作用により、非晶質珪素膜の結晶化を低温で短時間で行うことができる。具体的には、従来では不可能であった550℃、4時間程度の加熱処理を行うことによって、結晶性珪素膜を得ることができる。また珪素に対して侵入型の元素は、珪素膜中に拡散していきながら結晶化を助長するので、結晶核からの結晶成長と異なり、明確な結晶粒界のない結晶性珪素膜を得ることができる。
【0056】
さらにこの金属元素の作用により加熱によって結晶化された結晶性珪素膜に対して、フッ酸を用いた処理を行うことによって、局在化したニッケルシリサイド部分を取り除くことができる。即ち、局所的にニッケル濃度が高くなった領域(この領域にニッケルシリサイドが形成されている)を取り除くことができる。そして、膜中における金属元素の濃度を低くすることができる。そして、このフッ酸を用いた処理の後にレーザー光または強光を照射することによって、膜中に形成された微小な開孔を消滅させることができる。そして、さらに加熱処理を加えることによって、膜中の欠陥が少なく結晶性の高い珪素膜を得ることができる。
【0057】
上記フッ酸処理を行うことによって、膜中の金属元素の濃度を約1桁〜2桁小さくすることができる。例えば、金属元素の導入量が1×1015〜1×1019cm-3であっても、上記フッ酸処理を施すことにより、膜中における金属元素の濃度を1×1018cm-3以下とすることができる。またレーザー光の照射を行った後にさらに加熱処理を施すことにより、膜中の欠陥を減少させることができる。フッ酸処理を行うためのエッチャントとしては、一般的に利用されるバッファーフッ酸でもよいが、フッ酸と過水と水の混合物でなるFPMを用いるとさらに効果的である。なお、本明細書中における金属元素の濃度は、SIMS(2次イオン分析方法)で得られた濃度分布の最小値として定義される。
【0058】
また、酸化力の強い溶剤を用いて、結晶性珪素膜の表面の金属元素や有機物等の不純物を酸化させておき、これをフッ酸を含んだエッチャントによってエッチング除去することにより、結晶性珪素膜の表面におけるトラップ準位密度を下げることができる。そしてこのことにより、薄膜デバイスの特性を高めることができる。
【0059】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例では、結晶化を助長する金属元素を水溶液に含有させて、非晶質珪素膜上に塗布し、しかる後に加熱により結晶化させ、そしてバッファフッ酸による処理を行い結晶化した珪素膜中に局在化した金属成分を除去する。さらにレーザー光の照射を行うことにり、先に除去された金属成分部分の開孔部(欠陥部)を消滅させ、金属元素の含有濃度が少なく、また結晶性の優れた珪素膜を得るものである。
【0060】
図1を用いて、金属元素(ここではニッケルを用いる)を導入するところまでを説明する。本実施例においては、基板としてコーニング7059ガラスを用いる。またその大きさは100mm×100mmとする。
【0061】
まず、非晶質珪素膜をプラズマCVD法やLPCVD法によってアモルファス状のシリコン膜を100〜1500Å形成する。ここでは、プラズマCVD法によって非晶質珪素膜12を1000Åの厚さに成膜する。(図1(A))
【0062】
そして、汚れ及び自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理を行い、その後酸化膜13を10〜50Åに成膜する。汚れが無視できる場合には、酸化膜13の代わりに自然酸化膜をそのまま用いれば良い。
【0063】
なお、この酸化膜13は極薄のため正確な膜厚は不明であるが、20Å程度であると考えられる。ここでは酸素雰囲気中でのUV光の照射により酸化膜13を成膜する。成膜条件は、酸素雰囲気中においてUVを5分間照射することにおって行なった。この酸化膜13の成膜方法としては、熱酸化法を用いるのでもよい。また過酸化水素による処理によるものでもよい。
【0064】
この酸化膜13は、後のニッケルを含んだ酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜の表面全体に酢酸塩溶液を行き渡らせるため、即ち濡れ性の改善の為のものである。例えば、非晶質珪素膜の表面に直接酢酸塩溶液を塗布した場合、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾いてしまうので、非晶質珪素膜の表面全体にニッケルを導入することができない。即ち、均一な結晶化を行うことができない。
【0065】
つぎに、酢酸塩溶液中にニッケルを添加した酢酸塩溶液を作る。ニッケルの濃度は25ppmとする。そしてこの酢酸塩溶液を非晶質珪素膜12上の酸化膜13の表面に2ml滴下し、この状態を5分間保持する。そしてスピナーを用いてスピンドライ(2000rpm、60秒)を行う。(図1(C)、(D))
【0066】
酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は、1ppm以上好ましくは10ppm以上であれば実用になる。また、溶液として2−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いる場合、酸化膜13は不要であり、直接非晶質珪素膜上に金属元素を導入することができる。
【0067】
このニッケル溶液の塗布工程を、1回〜複数回行なうことにより、スピンドライ後の非晶質珪素膜12の表面に数Å〜数百Åの平均の膜厚を有するニッケルを含む層を形成することができる。この場合、この層のニッケルがその後の加熱工程において、非晶質珪素膜に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。なお、この層というのは、完全な膜になっているとは限らない。
【0068】
上記溶液の塗布の後、1分間その状態を保持させる。この保持させる時間によっても、最終的に珪素膜12中に含まれるニッケルの濃度を制御することができるが、最も大きな制御因子は溶液の濃度である。
【0069】
そして、加熱炉において、窒素雰囲気中において550度、4時間の加熱処理を行う。この結果、基板11上に形成された結晶性を有する珪素薄膜12を得ることができる。
【0070】
上記の加熱処理は450度以上の温度で行うことができるが、温度が低いと加熱時間を長くしなけらばならず、生産効率が低下する。また、550度以上とすると基板として用いるガラス基板の耐熱性の問題が表面化してしまう。
【0071】
本実施例においては、非晶質珪素膜上に金属元素を導入する方法を示したが、非晶質珪素膜下に金属元素を導入する方法を採用してもよい。この場合は、非晶質珪素膜の成膜前に金属元素を含有した溶液を用いて、下地膜上に金属元素を導入すればよい。
【0072】
ここでは、全面てニッケル元素を導入しているので、膜全体が基板に対して垂直な方向に結晶成長する。加熱処理に処理により結晶性を有する珪素膜12を得たら、1/100のバッファフッ酸を用いて処理を行う。この工程で、膜中に局在化するニッケル成分(ニッケルシリサイドとして存在する)が除去される。ここでニッケル成分を除去することによって、膜中におけるニッケル濃度を少なくすることができる。そして、KrFエキシマレーザ(波長248nm、パルス幅30nsec)を窒素雰囲気中において200〜350mJ/cm2 のパワー密度で数ショト照射する。このレーザー光の照射を行うことによって、先の工程で除去されたニッケル成分の部分(微細な開孔となっている)を消滅させることができる。
【0073】
この工程は、前述した赤外光の照射によってもよい。この工程において、エキシマレーザー光のパルス幅を大きくしてやることは有効である。これは、レーザー光の照射によって生じる珪素膜表面の溶融時間を長くし、微小部分での結晶成長を助長させることができるからである。
【0074】
このレーザー光の照射を行うことによって、珪素膜の結晶性をさらに高めることができると同時にバッファフッ酸を用いた処理工程において生じた微小な開孔を消滅させることができる。そして上記レーザー光の照射が終了した後、窒素雰囲気中において550度、4時間の加熱処理を行う。この加熱処理は、400℃以上の温度で行うことができる。このレーザー光の照射後の加熱処理を行うことによって、珪素膜中における欠陥を減少させることができる。こうして、膜中におけるニッケル濃度が少なく、結晶性に優れ、同時に欠陥の少ない結晶性珪素膜を得ることができる。
【0075】
〔実施例2〕
本実施例は、実施例1に示す作製方法において、1200Åの酸化珪素膜を選択的に設け、この酸化珪素膜をマスクとして選択的にニッケルを導入する例である。
【0076】
図2に本実施例における作製工程の概略を示す。まず、ガラス基板(コーニング7059、10cm角)上にマスクとなる酸化珪素膜21を1000Å以上、ここでは1200Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜21の膜厚については、発明者等の実験によると500Åでも問題がないことを確認しており、膜質が緻密であれば更に薄くても良いと思われる。
【0077】
そして通常のフォトリソパターニング工程によって、必要とするパターンに酸化珪素膜21をパーニングする。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照射で薄い酸化珪素膜20を成膜する。この酸化珪素膜20の作製は、酸素雰囲気中でUV光を5分間照射することによって行なわれる。なおこの酸化珪素膜20の厚さは20〜50Å程度と考えられる(図2(A))。尚、この濡れ性を改善するための酸化珪素膜については、溶液とパターンのサイズが合致した場合には、マスクの酸化珪素膜の親水性のみによっても丁度よく添加される場合がある。しかしながらこの様な例は特殊であり、一般的には酸化珪素膜20を使用したほうが安全である。
【0078】
この状態において、実施例1と同様に100ppmのニッケルを含有した酢酸塩溶液を5ml滴下(10cm角基板の場合)する。またこの際、スピナーで50rpmで10秒のスピンコートを行い、基板表面全体に均一な水膜を形成させる。さらにこの状態で、5分間保持した後スピナーを用いて2000rpm、60秒のスピンドライを行う。なおこの保持は、スピナー上において0〜150rpmの回転をさせながら行なってもよい。(図2(B))
【0079】
そして550度(窒素雰囲気)、4時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜12の結晶化を行う。この際、ニッケルが導入された部分22の領域から23で示されるように、ニッケルが導入されなった領域へと横方向に結晶成長が行われる。図2(C)において、24がニッケルが直接導入され結晶化が行われた領域であり、25が横方向に結晶化が行われた領域である。この25の領域は、概略〈111〉軸方向に結晶成長が行われていることが確認されている。またこの25で示される領域は、基板に平行な方向の柱状あるいは枝状に結晶成長が進行していることがTEM写真(透過型電子顕微鏡写真)によって確認されている。
【0080】
上記加熱処理による結晶化工程の後、1/100のバッファフッ酸を用いて局在化した結晶成分の除去を行う。ここでは、1/100のバッファフッ酸を用いたが、その濃度は適時定めればよい。またここで用いるエッチング溶液としては、フッ酸やフッ酸を含有した溶液を用いることができる。この溶液としては、珪素のシリサイドや酸化珪素をエッチングする溶液を用いることができる。
【0081】
次にXeClレーザー(波長308nm)を用いて珪素膜12の結晶性をさらに向上させる。この工程において行われるレーザー光の照射によって、先のエッチング工程において形成された開孔部分(局在化したニッケルシリサイドが取り除かれた結果形成される)を消滅させることができる。即ち、レーザー光の照射によって珪素膜の表面が溶融状態とし、この開孔を消滅させることができる。またこの工程において、先の加熱処理において、基板に平行な方向に柱状あるいは枝状に結晶成長した部分の柱と柱の間あるいは枝と枝の間の結晶化が進行する。即ち、その結晶化率を高めることができる。こうして、この工程によって、横方向に結晶成長した領域25の結晶性を大きく高めることができる。
【0082】
また上記レーザー光の照射工程において、基板またはレーザー光の被照射面を加熱することは有効である。加熱の温度は200℃〜450℃程度で行なうことが好ましい。
【0083】
レーザー光の照射が終了したら、550度(窒素雰囲気)、4時間の加熱処理を施し、膜中の欠陥をさらに低減させる。
【0084】
本実施例において、溶液濃度、保持時間を変化させることにより、ニッケルが直接導入された領域におけるニッケルの濃度を1×1015atoms cm-3〜1×1019atoms cm-3の範囲で制御可能であり、同様に横成長領域の濃度をそれ以下に制御することが可能である。
【0085】
本実施例で示したような方法によって形成された結晶珪素膜は、耐フッ酸性が良好であるという特徴がある。これは、一端フッ酸処理を行っていることを考えれ当然のことである。
【0086】
例えば、結晶性珪素膜上にゲイト絶縁膜や層間絶縁膜として機能する酸化珪素膜を形成し、しかる後に電極の形成のために穴開け工程を経て、電極を形成をする作業が必要とされる場合がある。このような場合、酸化珪素膜をバッファフッ酸によって除去する工程が普通採用される。しかしながら、結晶性珪素膜の耐フッ酸性が低い場合、酸化珪素膜のみを取り除くことは困難であり、結晶性珪素膜をもエッチングしてしまうという問題がある。
【0087】
しかしながら、結晶性珪素膜が耐フッ酸性を有している場合、酸化珪素膜と結晶性珪素膜のエンチッングレートの違い(選択比)を大きくとることができるので、酸化珪素膜のみを選択的の除去でき、作製工程上極めて有意なものとなる。
【0088】
以上述べたように、横方向に結晶が成長した領域は金属元素の濃度が小さく、しかも結晶性が良好であるので、この領域を半導体装置の活性領域として用いることは有用である。例えば、薄膜トランジスタのチャネル形成領域として利用することは極めて有用である。
【0089】
〔実施例3〕
本実施例は、本発明の方法を利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、TFTを得る例である。本実施例のTFTは、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分に用いることができる。なお、TFTの応用範囲としては、液晶表示装置のみではなく、一般に言われる薄膜集積回路に利用できることはいうまでもない。
【0090】
図3に本実施例の作製工程の概要を示す。まずガラス基板上に下地の酸化珪素膜(図示せず)を2000Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。
【0091】
そして、非晶質珪素膜を実施例1と同様な方法で500Åの厚さに成膜する。そして、自然酸化膜を取り除くためのフッ酸処理の後、薄い酸化膜を20Å程度の厚さに酸素雰囲気でのUV光の照射によって成膜する。この薄い酸化膜の作製方法は、過水処理や熱酸化による方法でもよい。
【0092】
そして10ppmのニッケルを含有した酢酸塩溶液を塗布し、5分間保持し、スピナーを用いてスピンドライを行う。その後バッファフッ酸によって酸化珪素膜20と21を取り除き、550度、4時間の加熱によって、珪素膜を結晶化させる。(ここまでは実施例1に示した作製方法と同じ)
【0093】
上記加熱処理を行うことによって、非晶質成分と結晶成分とが混在した珪素膜を得られる。この結晶成分には結晶核が存在している領域である。その後1/100のバッファフッ酸を用いてフッ酸処理を行う。さらにKrFエキシマレーザー光を200〜300mJで照射することにより、フッ酸処理によって生じた開孔の消滅と珪素膜の結晶性を助長を行う。このレーザー光の照射工程においては、基板を400℃程度に加熱する。この工程よって、結晶成分に存在している結晶核を核として結晶成長が行なわれる。
【0094】
次に、結晶化した珪素膜をパターニングして、島状の領域104を形成する。この島状の領域104はTFTの活性層を構成する。そして、厚さ200〜1500Å、ここでは1000Åの酸化珪素105を形成する。この酸化珪素膜はゲイト絶縁膜としても機能する。(図3(A))
【0095】
上記酸化珪素膜105の作製には注意が必要である。ここでは、TEOSを原料とし、酸素とともに基板温度150〜600℃、好ましくは300〜450℃で、RFプラズマCVD法で分解・堆積した。TEOSと酸素の圧力比は1:1〜1:3、また、圧力は0.05〜0.5torr、RFパワーは100〜250Wとした。あるいはTEOSを原料としてオゾンガスとともに減圧CVD法もしくは常圧CVD法によって、基板温度を350〜600℃、好ましくは400〜550℃として形成した。成膜後、酸素もしくはオゾンの雰囲気で400〜600℃で30〜60分アニールした。
【0096】
この状態でKrFエキシマーレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)あるいはそれと同等な強光を照射することで、シリコン領域104の結晶化を助長さえてもよい。特に、赤外光を用いたRTA(ラピットサーマルアニール)は、ガラス基板を加熱せずに、珪素のみを選択的に加熱することができ、しかも珪素と酸化珪素膜との界面における界面準位を減少させることができるので、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置の作製においては有用である。
【0097】
上記レーザー光の照射が終了した後、窒素雰囲気中において550℃、4時間の加熱処理を行う。
【0098】
その後、厚さ2000Å〜1μmのアルミニウム膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これをパターニングし、ゲイト電極106を形成する。アルミニウムにはスカンジウム(Sc)を0.15〜0.2重量%ドーピングしておいてもよい。次に基板をpH≒7、1〜3%の酒石酸のエチレングリコール溶液に浸し、白金を陰極、このアルミニウムのゲイト電極を陽極として、陽極酸化を行う。陽極酸化は、最初一定電流で220Vまで電圧を上げ、その状態で1時間保持して終了させる。本実施例では定電流状態では、電圧の上昇速度は2〜5V/分が適当である。このようにして、厚さ1500〜3500Å、例えば、2000Åの陽極酸化物109を形成する。(図3(B))
【0099】
その後、イオンドーピング法(プラズマドーピング法ともいう)によって、各TFTの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物(燐)を注入した。ドーピングガスとしてはフォスフィン(PH3 )を用いた。ドーズ量は、1〜4×1015cm-2とする。
【0100】
さらに、図3(C)に示すようにKrFエキシマーレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を照射して、上記不純物領域の導入によって結晶性の劣化した部分の結晶性を改善させる。レーザーのエネルギー密度は150〜400mJ/cm2 、好ましくは200〜250mJ/cm2 である。こうして、N型不純物(燐)領域108、109を形成する。これらの領域のシート抵抗は200〜800Ω/□であった。
【0101】
この工程において、レーザー光を用いる代わりに、フラッシュランプを使用して短時間に1000〜1200℃(シリコンモニターの温度)まで上昇させ、試料を加熱する、いわゆるRTA(ラピッド・サーマル・アニール)(RTP、ラピット・サーマル・プロセスともいう)等のいわゆるレーザー光と同等の強光を用いてもよい。
【0102】
その後、全面に層間絶縁物110として、TEOSを原料として、これと酸素とのプラズマCVD法、もしくはオゾンとの減圧CVD法あるいは常圧CVD法によって酸化珪素膜を厚さ3000Å形成する。基板温度は250〜450℃、例えば、350℃とする。成膜後、表面の平坦性を得るため、この酸化珪素膜を機械的に研磨する。(図3(D))
【0103】
そして、層間絶縁物110をエッチングして、図1(E)に示すようにTFTのソース/ドレインにコンタクトホールを形成し、クロムもしくは窒化チタンの配線112、113を形成する。
【0104】
従来、プラズマ処理を用いてニッケルを導入した結晶性珪素膜は、酸化珪素膜に比較してバッファフッ酸に対する選択性が低いので、上記コンタクトホールの形成工程において、エッチングされてしまうことが多かった。
【0105】
しかし、本実施例のように10ppmの低濃度で水溶液を用いてニッケルを導入した場合には、耐フッ酸性が高いので、上記コンタクトホールの形成が安定して再現性よく行なうことができる。
【0106】
最後に、水素中で300〜400℃で0.1〜2時間アニールして、シリコンの水素化を完了する。このようにして、TFTが完成する。そして、同時に作製した多数のTFTをマトリクス状に配列せしめてアクティブマトリクス型液晶表示装置として完成する。このTFTは、ソース/ドレイン領域108/109とチャネル形成領域114を有している。また115がNIの電気的接合部分となる。
【0107】
本実施例の構成を採用した場合、活性層中に存在するニッケルの濃度は、3×1018cm-3程度あるいはそれ以下の、1×1015atoms cm-3〜3×1018atoms cm-3であると考えられる。
【0108】
本実施例で作製されたTFTは、移動度がNチャネルで150cm2 /Vs以上のものが得られている。またVthも小さく良好な特性を有していることが確認されている。さらに、移動度のバラツキも±10%以内であることが確認されている。このバラツキの少なさは、加熱処理により不完全な結晶化とレーザー光の照射による結晶性の助長とによる工程によるものと考えられる。レーザー光のみを利用した場合には、Nチャネル型で150cm2 /Vs以上のものを容易に得ることができるが、バラツキが大きく、本実施例のような均一性を得ることができない。
【0109】
〔実施例4〕
本実施例においては、実施例2に示すようにニッケルを選択的に導入し、その部分から横方向(基板に平行な方向)に結晶成長した領域を用いて電子デバイスを形成する例を示す。このような構成を採用した場合、デバイスの活性層領域におけるニッケル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすることができる。
【0110】
図4に本実施例の作製工程を示す。まず、基板201を洗浄し、TEOS(テトラ・エトキシ・シラン)と酸素を原料ガスとしてプラズマCVD法によって厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜202を形成する。そして、プラズマCVD法によって、厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの真性(I型)の非晶質珪素膜203を成膜する。次に連続的に厚さ500〜2000Å、例えば1000Åの酸化珪素膜205をプラズマCVD法によって成膜する。そして、酸化珪素膜205を選択的にエッチングして、非晶質珪素の露出した領域206を形成する。
【0111】
そして実施例2に示した方法により結晶化を助長する金属元素であるニッケル元素を含んだ溶液(ここでは酢酸塩溶液)塗布する。酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は100ppmである。その他、詳細な工程順序や条件は実施例2で示したものと同一である。この工程は、実施例3または実施例4に示した方法によるものであってもよい。
【0112】
この後、窒素雰囲気下で500〜620℃、例えば550℃、4時間の加熱アニールを行い、珪素膜203の結晶化を行う。結晶化は、ニッケルと珪素膜が接触した領域206を出発点として、矢印で示されるように基板に対して平行な方向に結晶成長が進行する。図においては領域204はニッケルが直接導入されて結晶化した部分、領域203は横方向に結晶化した部分を示す。この203で示される横方向への結晶は、25μm程度である。またその結晶成長方向は概略〈111〉軸方向であることが確認されている。(図4(A))
【0113】
上記加熱処理による結晶化工程の後に1/100のバッファフッ酸を用いてフッ酸処理を行う。さらに赤外光の照射により、先のフッ酸処理において生じた開孔(局在化したニッケル成分(ニッケルシリサイド)が除去された部分)のアニルと珪素膜203の結晶性の助長を行う。この工程は、波長1.2μmの赤外光を照射することによって行なう。この工程によって、数分間で高温加熱処理したものと同等の効果を得ることができる。
【0114】
赤外線の光源としてはハロゲンランプを用いる。赤外光の強度は、モニターの単結晶シリコンウェハー上の温度が900〜1200℃の間にあるように調整する。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱電対の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィードバックさせる。本実施例では、昇温は、一定で速度は50〜200℃/秒、降温は自然冷却で20〜100℃とする。この赤外光照射は、珪素膜を選択的に加熱することになるので、ガラス基板への加熱を最小限に抑えることができる。
【0115】
さらに窒素雰囲気中において550℃、4時間の加熱処理を行い、膜中の欠陥を減少させる。次に、酸化珪素膜205を除去する。この際、領域206の表面に形成される酸化膜も同時に除去する。そして、珪素膜204をパターニング後、ドライエッチングして、島状の活性層領域208を形成する。この際、図4(A)で206で示された領域は、ニッケル成分が除去されたとはいえ、ニッケルが直接導入された領域であり、ニッケルが比較的高濃度に存在する領域である。また、結晶成長の先端にも、やはりニッケルが比較的高濃度に存在することが確認されている。これらの領域では、その中間の領域に比較してニッケルの濃度が高いことが判明している。したがって、本実施例においては、活性層208において、これらのニッケル濃度の高い領域がチャネル形成領域と重ならないようにした。こうすることで、ニッケル濃度が少なく、しかも結晶性が高い領域をデバイスの活性層として利用することができる。
【0116】
その後、100体積%の水蒸気を含む10気圧、500〜600℃の、代表的には550℃の雰囲気中において、1時間放置することによって、活性層(珪素膜)208の表面を酸化させ、酸化珪素膜209を形成する。酸化珪素膜の厚さは1000Åとする。熱酸化によって酸化珪素膜209を形成したのち、基板を、アンモニア雰囲気(1気圧、100%)、400℃に保持させる。そして、この状態で基板に対して、波長0.6〜4μm、例えば、0.8〜1.4μmにピークをもつ赤外光を30〜180秒照射し、酸化珪素膜209に対して窒化処理を施す。なおこの際、雰囲気に0.1〜10%のHClを混入してもよい。
(図4(B))
【0117】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åのアルミニウム(0.01〜0.2%のスカンジウムを含む)を成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電極210を形成する。(図2(C))
【0118】
さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層211を形成する。この陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で行う。得られる酸化物層211の厚さは2000Åである。なお、この酸化物211は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。(図4(D))
【0119】
次に、イオンドーピング法(プラズマドーピング法とも言う)によって、活性層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)にゲイト電極部、すなわちゲイト電極210とその周囲の酸化層211をマスクとして、自己整合的にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとする。ドーズ量は1×1015〜8×1015cm-2、例えば、4×1015cm-2とする。この結果、N型の不純物領域212と213を形成することができる。図からも明らかなように不純物領域とゲイト電極とは距離xだけ放れたオフセット状態となる。このようなオフセット状態は、特にゲイト電極に逆電圧(NチャネルTFTの場合はマイナス)を印加した際のリーク電流(オフ電流ともいう)を低減する上で有効である。特に、本実施例のようにアクティブマトリクスの画素を制御するTFTにおいては良好な画像を得るために画素電極に蓄積された電荷が逃げないようにリーク電流が低いことが望まれるので、オフセットを設けることは有効である。
【0120】
その後、レーザー光の照射によってアニールを行う。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いるが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。(図4(E))
【0121】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜214を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成する。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリイミド膜215を形成し、表面を平坦化する。
【0122】
そして、層間絶縁物214、215にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってTFTの電極・配線217、218を形成する。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニールを行い、TFTを有するアクティブマトリクスの画素回路を完成する。(図4(F))
【0123】
本実施例で作製したTFTは高移動度を得ることができるので、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバー回路に利用することができる。
【0124】
〔実施例5〕
図5に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、基板(コーニング7059)501上にスパッタリング法によって厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜502を形成する。基板は、下地膜の成膜の前もしくは後に、歪み温度よりも高い温度でアニールをおこなった後、0.1〜1.0℃/分で歪み温度以下まで徐冷すると、その後の温度上昇を伴う工程(本発明の熱酸化工程およびその後の熱アニール工程を含む)での基板の収縮が少なく、マスク合わせが用意となる。コーニング7059基板では、620〜660℃で1〜4時間アニールした後、0.03〜1.0℃/分、好ましくは、0.1〜0.3℃/分で徐冷し、400〜500℃まで温度が低下した段階で取り出すとよい。
【0125】
次に、プラズマCVD法によって、厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの真性(I型)の非晶質珪素膜を成膜する。そして、実施例1で示した方法により非晶質珪素膜の表面に結晶化を助長する金属元素としてニッケルを導入する。そして窒素雰囲気(大気圧)、550℃、4時間アニールして結晶化させる。そして1/50のバッファフッ酸を用いてフッ酸処理を行い、膜中に局在化したニッケル成分(ニッケルシリサイド)を除去する。さらにKrFエキシマレーザーを照射し、さらに結晶化を助長させる。さらに窒素雰囲気中において550℃、4時間の加熱処理を行う。そして、珪素膜を10〜1000μm角の大きさにパターニングして、島状の珪素膜(TFTの活性層)503を形成する。(図5(A))
【0126】
その後、70〜90%の水蒸気を含む1気圧、500〜750℃、代表的には600℃の酸素雰囲気を水素/酸素=1.5〜1.9の比率でパイロジェニック反応法を用いて形成する。かかる雰囲気中において、3〜5時間放置することによって、珪素膜表面を酸化させ、厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの酸化珪素膜504を形成する。注目すべきは、かかる酸化により、初期の珪素膜は、その表面が50Å以上減少し、結果として、珪素膜の最表面部分の汚染が、珪素−酸化珪素界面には及ばないようになることである。すなわち、清浄な珪素−酸化珪素界面が得られることである。酸化珪素膜の厚さは酸化される珪素膜の2倍であるので、1000Åの厚さの珪素膜を酸化して、厚さ1000Åの酸化珪素膜を得た場合には、残った珪素膜の厚さは500Åということになる。
【0127】
一般に酸化珪素膜(ゲイト絶縁膜)と活性層は薄ければ薄いほど移動度の向上、オフ電流の減少という良好な特性が得られる。一方、初期の非晶質珪素膜の結晶化はその膜厚が大きいほど結晶化させやすい。したがって、従来は、活性層の厚さに関して、特性とプロセスの面で矛盾が存在していた。本発明はこの矛盾を初めて解決したものであり、すなわち、結晶化前には非晶質珪素膜を厚く形成し、良好な結晶性珪素膜を得る。そして、次にはこの珪素膜を酸化することによって珪素膜を薄くし、TFTとしての特性を向上させるものである。さらに、この熱酸化においては、再結合中心の存在しやすい非晶質成分、結晶粒界が酸化されやすく、結果的に活性層中の再結合中心を減少させるという特徴も有する。このため製品の歩留りが高まる。
【0128】
熱酸化によって酸化珪素膜504を形成したのち、基板を一酸化二窒素雰囲気(1気圧、100%)、600℃で2時間アニールする。(図5(B))
引き続いて、減圧CVD法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åの多結晶珪素(0.01〜0.2%の燐を含む)を成膜する。そして、珪素膜をパターニングして、ゲイト電極505を形成する。さらに、この珪素膜をマスクとして自己整合的に、イオンドーピング法(プラズマドーピング法とも言う)によって、活性層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとする。ドーズ量は1×1015〜8×1015cm-2、例えば、5×1015cm-2とする。この結果、N型の不純物領域506と507が形成される。
【0129】
その後、レーザー光の照射によってアニール行う。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いたが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射する。このレーザー光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。(図6(C))
【0130】
また、この工程は、近赤外光によるランプアニールによる方法でもよい。近赤外線は非晶質珪素よりも結晶化した珪素へは吸収されやすく、1000℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行うことができる。その反面、ガラス基板(遠赤外光はガラス基板に吸収されるが、可視・近赤外光(波長0.5〜4μm)は吸収されにくい)へは吸収されにくいので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工程においては最適な方法であるといえる。
【0131】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜508を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成する。この層間絶縁物としてはポリイミドを利用してもよい。さらにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってTFTの電極・配線509、510を形成する。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニールを行い、TFTを完成する。(図6(D))
【0132】
上記に示す方法で得られたTFTの移動度は110〜150cm2 /Vs、S値は0.2〜0.5V/桁であった。また、同様な方法によってソース/ドレインにホウ素をドーピングしたPチャネル型TFTも作製したところ、移動度は90〜120cm2 /Vs、S値は0.4〜0.6V/桁であり、公知のPVD法やCVD法によってゲイト絶縁膜を形成した場合に比較して、移動度は2割以上高く、S値は20%以上も減少した。
また、信頼性の面からも、本実施例で作製されたTFTは1000℃の高温熱酸化によって作製されたTFTにひけをとらない良好な結果を示した。
【0133】
〔実施例6〕
図6に本実施例の作製工程の断面図を示す。本実施例で示すTFTは、アクティブマトリックス型の液晶表示装置の画素部分に配置されるTFTに関する。
【0134】
まず、基板(コーニング7059)51上に厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜52を形成する。さらにプラズマCVD法により非晶質珪素膜を200〜1500Å、ここでは800Åの真性(I型)の非晶質珪素膜を形成する。そして実施例1に示した方法により、金属元素であるニッケルを導入し、さらに550℃、4時間の加熱処理を窒素雰囲気中で行なうことにより、結晶性珪素膜に変成する。そして、1/70バッファフッ酸を用いてフッ酸処理を行い、膜中に局在化したニッケル成分を除去する。そしてKrFエキシマレーザー光を照射するこにより、この結晶性珪素膜の結晶性をさらに助長させる。さらに窒素雰囲気中において550℃、4時間の加熱処理を加える。
【0135】
このようにして得られた結晶性珪素膜は、特定に領域に明確な結晶粒界が存在しない結晶性珪素膜とすることができ、その表面の任意の場所にTFTの活性層を形成することができる。即ち、膜全体が一様に結晶化しているので、マトリクス状に薄膜トランジスタを形成した場合であっても、TFTの活性層を構成する結晶性珪素膜の物性を全体において一様にすることができ、結果として特性のバラツキの小さい多数のTFTを形成することができる。また膜中におけるニッケル成分を極めて少なくすることができるので、デバイスの安定性を高めることができる。
【0136】
そしてパターニングを行なうことにより、結晶性珪素で構成された島状領域53を形成する。そしてさらに島状領域を覆って、厚さ1000Åの酸化珪素膜54を形成する。以下においては、図6用いて一つのTFTを形成する例を示すが、実際には、マトリクス状に必要とする数のTFTが同時に形成される。
【0137】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åのアルミニウム膜(0.1〜0.3重量%のスカンジウムを含む)を堆積する。そして、アルミニウム膜の表面に厚さ100〜400Åの薄い陽極酸化物を形成する。そして、このように処理したアルミニウム膜上に、スピンコート法によって厚さ1μm程度のフォトレジストを形成する。そして、公知のフォトリソグラフィー法によって、ゲイト電極55を形成する。ここでゲイト電極上には、フォトレジストのマスク56が残存する。(図6(A))
【0138】
次に、基板を10%シュウ酸水溶液に浸漬し、5〜50V、例えば8Vの定電圧で10〜500分、例えば200分陽極酸化をおこなうことによって、厚さ約5000Åの多孔質の陽極酸化物57をゲイト電極の側面に形成する。ゲイト電極の上面にはマスク材56が存在していたので、陽極酸化はほとんど進行しない。(図6(B))
【0139】
次に、マスク材を除去して、ゲイト電極上面を露出させ、3%酒石酸のエチレングリコール溶液(アンモニアで中性にpH調整したもの)中に基板を浸漬し、これに電流を流して、1〜5V/分、例えば4V/分で電圧を100Vまで上昇させて、陽極酸化を行なう。この際には、ゲイト電極上面のみならず、ゲイト電極側面も陽極酸化されて、緻密な無孔質陽極酸化物58が厚さ1000Å形成される。この陽極酸化物の耐圧は50V以上である。(図6(C))
【0140】
次に、ドライエッチング法によって、酸化珪素膜54をエッチングする。このエッチングにおいては、陽極酸化物37および38はエッチングされず、酸化珪素膜のみがエッチングされる。また、陽極酸化物の下の酸化珪素膜はエッチングされずにゲイト絶縁膜59として残る。(図6(D))
【0141】
次に、燐酸、燐酸、酢酸、硝酸の混酸を用いて多孔質陽極酸化物57をエッチングし、無孔質陽極酸化物58を露出させる。そして、プラズマドーピング法によって、シリコン領域33にゲイト電極35および側面の多孔質陽極酸化物37をマスクとして不純物(燐)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を5〜30kV、例えば10kVとする。ドーズ量は1×1014〜8×1015cm-2、例えば、2×1015cm-2とする。
【0142】
このドーピング工程においては、ゲイト絶縁膜59で被覆されていない領域60には高濃度の燐が注入されるが、ゲイト絶縁膜59で表面の覆われた領域61においては、ゲイト絶縁膜が障害となって、ドーピング量は少なく、本実施例では、領域60の0.1〜5%の不純物しか注入されなない。この結果、N型の高濃度不純物領域60および低濃度不純物領域61が形成される。(図6(E))
【0143】
その後、上面からレーザー光を照射して、レーザーアニールをおこない、ドーピングされた不純物を活性化する。続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜62を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成する。そして、画素電極となるITO電極64を形成する。さらにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってTFTのソース領域、ドレイン領域の電極・配線63を形成する。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニールをおこなった。以上の工程によって薄膜トランジスタが完成する。(図6(F))
【0144】
本実施例では、いわゆる低濃度ドレイン(LDD)構造と同じ構造を得ることができる。LDD構造はホットキャリヤによる劣化を抑制するうえで有効であることが示されているが、本実施例で作製したTFTでも同じ効果が得られる。しかしながら、公知のLDDを得るプロセスに比較すると、本実施例では1回のドーピング工程によって、LDDが得られることに特徴がある。また、本実施例では多孔質陽極酸化物57によって画定されたゲイト絶縁膜59を利用することによって高濃度不純物領域60が画定されていることに特徴がある。すなわち、最終的には多孔質陽極酸化物57によって、間接的に不純物領域が画定されるのである。そして、本実施例で明らかなように、LDD領域の幅xは、実質的に多孔質陽極酸化物の幅によって決定される。
【0145】
本実施例の作製方法を用いて、より高度な集積化を実行することができる。そして、その際には、TFTの必要とされる特性に応じてオフセット領域あるいはLDD領域の幅xを変化させるとより都合がよい。特に、本実施例の構成を採用した場合、OFF電流の低減を実現することができるので、画素電極における電荷保持を目的としたTFTには最適なものとなる。
【0146】
〔実施例7〕
図7には、1枚のガラス基板上にディスプレーから、CPU、メモリーまで搭載した集積回路を用いた電気光学システムののブロック図を示す。ここで、入力ポートとは、外部から入力された信号を読み取り、画像用信号に変換し、補正メモリーは、アクティブマトリクスパネルの特性に合わせて入力信号等を補正するためのパネルに固有のメモリーである。特に、この補正メモリーは、各画素固有の情報を不揮発性メモリーとして融資、個別に補正するためのものである。すなわち、電気光学装置の画素に点欠陥のある場合には、その点の周囲の画素にそれに合わせて補正した信号を送り、点欠陥をカバーし、欠陥を目立たなくする。または、画素が周囲の画素に比べて暗い場合には、その画素により大きな信号を送って、周囲の画素同じ明るさとなるようにするものである。
【0147】
CPUとメモリーは通常のコンピュータのものと同様で、特にメモリーは各画素に対応した画像メモリーをRAMとして持っている。また、画像情報に応じて、基板を裏面から照射するバックライトを変化させることもできる。
【0148】
そして、これらの回路のそれぞれに適したオフセット領域あるいはLDD領域の幅を得るために、3〜10系統の配線を形成し、個々に陽極酸化条件を変えられるようにすればよい。典型的には、アクティブマトリクス回路においては、チャネル長が10μmで、LDD領域の幅は0.4〜1μm、例えば、0.6μm。ドライバーにおいては、Nチャネル型TFTで、チャネル長8μm、チャネル幅200μmとし、LDD領域の幅は0.2〜0.3μm、例えば、0.25μm。同じくPチャネル型TFTにおいては、チャネル長5μm、チャネル幅500μmとし、LDD領域の幅は0〜0.2μm、例えば、0.1μm。デコーダーにおいては、Nチャネル型TFTで、チャネル長8μm、チャネル幅10μmとし、LDD領域の幅は0.3〜0.4μm、例えば、0.35μm。同じくPチャネル型TFTにおいては、チャネル長5μm、チャネル幅10μmとし、LDD領域の幅は0〜0.2μm、例えば、0.1μmとすればよい。さらに、図6における、CPU、入力ポート、補正メモリー、メモリーのNTFT、PTFTは高周波動作、低消費電力用のデコーダーと同様にLDD領域の幅を最適化すればよい。かくして、電気光学装置74を絶縁表面を有する同一基板上に形成することができた。
【0149】
本発明においては、高抵抗領域の幅を2〜4種類、またはそれ以上に用途によって可変することを特徴としている。また、この領域はチャネル形成領域と全く同じ材料、同じ導電型であるという必要はない。すなわち、NTFTでは、微量にN型不純物を、また、PTFTでは微量にP型不純物を添加し、また、選択的に炭素、酸素、窒素等を添加して高抵抗領域を形成することもホットキャリヤによる劣化と信頼性、周波数特性、オフ電流とのトレードオフを解消する上で有効である。
【0150】
また、画素電極に設けられたTFTを駆動するドライバー回路のTFTとしては、図3〜図5に示したTFTを用いることが望ましい。
【0151】
〔実施例8〕
本実施例は、概略以下の作製工程によって形成されることを特徴とする。
(1)非晶質珪素膜をニッケル元素を用いた加熱処理により結晶化させる。
(2)上記工程で結晶化された珪素膜に対して1/100バッファフッ酸を用いてフッ酸処理を行うことにより、珪素膜中に局在化したニッケル成分(ニッケルシリサイド)を除去する。
(3)レーザー光の照射を行うことにより(1)の工程において結晶化された珪素膜の結晶性を助長させる。
(4)ゲイト電極を形成し、このゲイト電極をマスクとして、不純物イオン注入を行い、ソース/ドレイン領域を形成する。
(5)加熱処理を行い、ソース/ドレイン領域の再結晶化と注入された不純物の活性化を行う。
以上のように、本実施例においては、加熱処理−ニッケル除去−レーザー光照射−加熱処理を行うことを特徴とする。ここで、第1の加熱処理は非晶質珪素膜の結晶化の為であり、レーザー光照射は非晶質珪素膜の結晶化を助長させるためのものであり、第2の加熱処理はソース/ドレイン領域の再結晶化と該領域に注入された不純物の活性化、さらにチャネル形成領域中における欠陥の除去を行う為のものである。
【0152】
以下に図9に示す薄膜トランジスタの作製工程を示す。まずガラス基板901上に下地の酸化珪素膜902を2000Åの厚さにスパッタ法によって形成する。次に非晶質珪素膜をプラズマCVD法または減圧熱CVD法によって1000Åの厚さに形成する。そして、ニッケル酢酸塩を用いて非晶質珪素膜の表面にニッケル元素を導入する。そして加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶性珪素膜903を得る。ここでは、550度、4時間の加熱処理を行うことにより結晶性珪素膜を得る。
【0153】
上記加熱処理の終了後、1/100バッファフッ酸を用いてフッ酸処理を行い膜中に局在化(偏析)したニッケル成分を除去する。次にXeClエキシマレーザー(波長308nm)、XeFエキシマレーザーを300mJ/cm2 の照射強度で照射し、結晶性珪素膜903の結晶性を助長させる。(図9(A))
【0154】
次に結晶性珪素膜903に対してパターニングを施すことにより、薄膜トランジスタの活性層を形成する。そしてゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜を1000Åの厚さにプラズマCVD法で形成する。ゲイト絶縁膜の形成後、アルミニウムを主成分とする膜を5000Åの厚さに形成し、パターニングを施すことにより、ゲイト電極905を形成する。そして、ゲイト電極905を陽極として電解溶液中において陽極酸化を行うことによって、ゲイト電極905の周囲に酸化物層906を形成する。ここではこの酸化物層905の厚さは2000Åとする。
【0155】
次にゲイト電極905とゲイト電極905周囲の酸化物層906をマスクとして不純物イオンの注入を行い、自己整合的にソース領域907とドレイン領域911、チャネル形成領域909、オフセットゲイト領域908、910を形成する。ここではNチャネル型の薄膜トランジスタを得るために不純物イオンとしてリンのイオンを用いる。なおこの際、ソース/ドレイン領域はイオンの衝撃によって非晶質化される。(図9(B))
【0156】
次に(C)に示す工程において、500度、2時間の加熱処理を施すことにより、ソース領域907とドレイン領域911の再結晶化と注入されたリンイオンの活性化とを行う。この工程においては、結晶性を有しているオフセットゲイト領域908と非晶質化しているソース領域907との界面から矢印912で示すような結晶成長が進行する。この結晶成長は、オフセットゲイト領域908を核として進行する。また同様に結晶性を有しているオフセットゲイト領域910と非晶質化しているドレイン領域911との界面から矢印912で示すような結晶成長が進行する。この結晶成長は、ソース/ドレイン領域に注入されているリンイオンの作用により、500度またはそれ以下の温度において容易に進行する。また、オフセットゲイト領域から連続した結晶構造を得ることができるので、格子不整合に起因する欠陥の集中を防ぐことができる。
【0157】
この(C)の工程で行われる加熱処理工程は、300度以上の温度で行えばよい。本実施例のような場合は、ゲイト電極にアルミニウムを用いており、またガラス基板の耐熱性の問題もあるので、300〜600度の温度において行えばよい。
【0158】
またこの(C)で示す加熱処理工程において、加熱処理工程の前または後にレーザー光または強光の照射によるアニールを組み合わせることは有効である。
【0159】
次に層間絶縁膜を6000Åの厚さにプラズマCVD法で形成し、さらにソース電極914とドレイン電極915を形成する。そして350度の水素雰囲気中において加熱処理を施すことにより、水素化を行い(D)に示す薄膜トランジスタを完成させる。
【0160】
本実施例においては、オフセットゲイト領域908と910を形成する構成を示したが、オフセットゲイト領域を形成しない場合には、(C)の加熱工程において、結晶性を有しているチャネル形成領域からソース/ドレイン領域へと結晶化が進行することになる。
【0161】
〔実施例9〕
本実施例は、ニッケルを用いて結晶化させた結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタの活性層を形成し、その活性層に対して各種の洗浄またはエッチング(金属元素や各種不純物の除去のための洗浄またはエッチングを)を行った場合のその効果について主に示す。
【0162】
本実施例における比較は、上記活性層に対する洗浄またはエッチング工程の条件の違いを得られた薄膜トランジスタの各種特性によって見たものである。図12に上記洗浄またはエッチング工程の条件の違いを示す。薄膜トランジスタの作製工程において異なるのは、図12に示す活性層に対する洗浄またはエッチング工程の条件のみである。
【0163】
図12に示す条件において、番号1の条件は1/50のBHF(バッファーフッ酸)を用いて活性層の表面を洗浄(エッチング処理)する条件である。番号2はFPM(過水とフッ酸との混合液を水で希釈したもの)によって、活性層の表面を洗浄する条件である。番号3は活性層に対してFPMによる洗浄を行った後にオゾン水による洗浄を行う条件である。番号4は活性層に対してオゾン水による洗浄を行った後にFPMによる洗浄を行う条件である。
【0164】
番号5は硫酸過水とアンモニア過水と塩酸過水と1/100フッ酸との混合液によって、活性層の表面を洗浄する条件である。番号6は活性層に対して硫酸過水による洗浄を行った後ににさらにFPMによる洗浄を行う条件である。番号7は活性層に対してオゾン水による洗浄を行った後にさらに界面活性剤入りのBHFによる洗浄を行う条件である。
【0165】
図12に示すような各条件の洗浄工程の後は、ゲイト絶縁膜を形成する。そしてさらにゲイト電極の形成、ソース/ドレイン領域の形成、層間絶縁膜の形成、ソース/ドレイン電極の形成を行い薄膜トランジスタを完成させる。
【0166】
図13に得られた薄膜トランジスタのVth(しきい値)のデータを示す。図の横軸の基板番号は図12の実験番号に対応する。図13から明らかなように、2乃至7の実験条件による薄膜トランジスタは、Nチャネル型のVthがプラス2〜3Vのノーマリーオフ(ゲイト電極に加える電圧が0V以上の状態でトランジスタがOFFの状態)の特性を有している。
【0167】
またPチャネル型のVthは─1〜─2Vのノーマリーオフの特性を有している。このような特性は、実際に薄膜トランジスタを利用する場合に好ましいものである。しかし、条件1の場合は、Pチャネル型とNチャネル型のVth特性に違いがあり好ましい特性とはいえない。
【0168】
図14にVthの値のバラツキの度合いを示す標準偏差を示す。この図より、条件1及び条件4及ぶ条件7の場合に最もバラツキのないVth特性が得られていることが分かる。このことは、これらの条件を採用した場合に最もVth特性のそろった薄膜トランジスタを得ることができるということを意味している。
【0169】
しかし、図13に示されるように条件1の特性は好ましいものではい。従って、Vthの特性とその値のバラツキに関して総合的に見るならば、条件4及び条件7の場合が好ましいものとなる。
【0170】
図15に各条件に対応するOFF電流特性を示す。図15に示すのは、Nチャネル型の場合でVD =14V、VG =−4.5Vの場合のOFF電流の値を示すのである。またPチャネルの場合は、VD =14V、VG =4.5Vの場合のOFF電流の値を示すものである。
【0171】
図15を見れば分かるように条件4及び条件7の場合にNチャネル型およびPチャネル型の両方において最も低いOFF電流値が得られる。
【0172】
また図16に図15に示すOFF電流値の標準偏差を示す。図15を見れば明らかなように条件4の場合に最もバラツキの少ないOFF電流特性を得ることができる。
【0173】
以上示したデータから以下の結論を得ることができる。
「総合的に見て、オゾン水による洗浄を行い、ついでフッ酸を含んだエッチャントによる洗浄(エッチング)を行うことで、特性が良好でしかも特性にバラツキのない薄膜トランジスタを得ることができる。」
【0174】
このような処理を行うことで有意な効果が得られるのは以下の理由によるものと考えられる。
【0175】
理想的な状態においては、活性層の表面における珪素原子の結合手は水素原子によって終端される必要がある。しかし、実際にはその多くが有機物等の不純物によって実質的に終端されている。
【0176】
このような状態はトラップ準位を高密度で生成してしまうことにつながる。
また、結晶化に寄与した金属元素が活性層の表面において露呈した状態にあると、そこにはトラップ準位が形成されてしまう。
【0177】
さらにまた、薄膜トランジスタの活性層をパターニングによって形成する際に活性層の表面に不対結合手が形成されてしまう。特にプラズマを用いたドライエッチングを利用した場合には、プラズマダメージによってこの傾向が顕在化してしまう。
【0178】
いずれにしてもこのような状態は高い密度でのトラップ準位の形成を招いてしまう。
【0179】
このようなトラップ準位はVthのシフトやそのバラツキ、さらにはOFF電流値の増大やそのバラツキの要因となる。即ち、トラップ準位を経由したキャリアの移動に起因してVthのシフトやOFF電流値の増大が生じてしまう。また、このトラップ準位を経由したキャリアの移動は不安定なものであるので、上記VthのシフトやOFF電流値にはバラツキが生じてしまう。
【0180】
このような状態において、図12の条件4や条件7に示すような処理を活性層の表面に対して行うと、活性層の表面に存在している有機物等の不純物と金属元素とを除去することができる。
【0181】
即ち、まず酸化力の強いオゾン水による処理によって有機物や金属元素を酸化物とし、さらにフッ酸を含んだエッチャント溶液を用いたエッチングによってこの酸化物を除去することで、活性層の表面に存在するトラップ準位を減少させることができる。
【0182】
ここで重要なことは、最初に除去せんとする有機物や金属元素を酸化物とするために、酸化力の強いオゾン水による処理を行うことである。そしてその後にこの酸化物を除去することである。
【0183】
【効果】
非晶質珪素膜を金属元素を導入することのよって低温で短時間で結晶化させ、さらにフッ酸処理を行うことによって局在化した金属成分を取り除き、さらにレーザー光または強光を照射し、その後加熱処理を加えた結晶性珪素膜を用いて、半導体装置を作製することで、生産性が高く、特性のよいデバイスを得ることができる。
特に、膜中の金属元素濃度の低い結晶性珪素膜を従来よりも低温度で得ることができ、この結晶性珪素膜を用いることで、特性のバラツキの少ない安定性の高い薄膜トランジスタを得ることができる。
また本明細書で開示する発明を利用することによって得られた結晶性珪素膜を用いて各種半導体装置を作製することは有用である。
【0184】
また、結晶性珪素膜に対してまず酸化力の強い溶剤で洗浄を行い、さらに酸化物を除去する機能を有する溶剤で洗浄を行うことで、結晶性珪素膜の表面に存在する金属元素や有機物を除去することができ、得られる半導体デバイスの特性を向上させることができる。また得られる半導体デバイスの特性の安定性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例の工程を示す図。
【図2】 実施例の工程を示す図。
【図3】 実施例の作製工程を示す図。
【図4】 実施例の作製工程を示す図。
【図5】 実施例の作製工程を示す図。
【図6】 実施例の作製工程を示す図。
【図7】 実施例の構成を示す図。
【図8】 ESR測定の結果を示す図。
【図9】 実施例の作製工程を示す図。
【図10】フッ酸処理された結晶性珪素膜の薄膜の状態を示す写真。
【図11】図10の写真を模式的に示した図。
【図12】活性層に対する洗浄の条件を示す図。
【図13】実験条件の違いによるVthの平均値を示す図。
【図14】実験条件の違いによるVthの標準偏差を示す図。
【図15】実験条件の違いによるOFF電流値の平均値を示す図。
【図16】実験条件の違いによるOFF電流値の標準偏差を示す図。
【符号の説明】
11・・・・ガラス基板
12・・・・非晶質珪素膜
13・・・・酸化珪素膜
14・・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜
15・・・・ズピナー
21・・・・マスク用酸化珪素膜
20・・・・酸化珪素膜
11・・・・ガラス基板
104・・・活性層
105・・・酸化珪素膜
106・・・ゲイト電極
109・・・酸化物層
108・・・ソース/ドレイン領域
109・・・ドレイン/ソース領域
110・・・層間絶縁膜(酸化珪素膜)
112・・・電極
113・・・電極[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor device using a crystalline semiconductor and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
A thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) using a thin film semiconductor is known. This TFT is formed by forming a thin film semiconductor on a substrate and using this thin film semiconductor. This TFT is used in various integrated circuits, and is particularly attracting attention as a switching element provided with each pixel of an electro-optical device, particularly an active matrix liquid crystal display device, and a driver element formed in a peripheral circuit portion. .
[0003]
As a thin film semiconductor used for a TFT, it is easy to use an amorphous silicon film, but there is a problem that its electrical characteristics are low. In order to obtain improved TFT characteristics, a silicon thin film having crystallinity may be used. The crystalline silicon film is called polycrystalline silicon, polysilicon, microcrystalline silicon, or the like. In order to obtain this silicon film having crystallinity, an amorphous silicon film is first formed and then crystallized by heating.
[0004]
However, crystallization by heating requires a heating temperature of 600 ° C. or more and takes 20 hours or more, and there is a problem that it is difficult to use a glass substrate as a substrate. For example, Corning 7059 glass used for an active type liquid crystal display device has a glass strain point of 593 ° C., and there is a problem with heating at 600 ° C. or higher in consideration of an increase in area of the substrate. That is, when a commonly used Corning 7059 glass substrate is subjected to a heat treatment at a temperature of 600 ° C. or higher for 20 hours or longer, the substrate shrinks or bends significantly.
[0005]
In order to solve such a problem, it is necessary to perform heat treatment at as low a temperature as possible. On the other hand, it is required to shorten the time of the heat treatment process as much as possible for the purpose of increasing productivity.
[0006]
Further, when the amorphous silicon film is crystallized by heating, the entire silicon film is crystallized, and it is impossible to partially crystallize or control the crystallinity of a specific region. There's a problem.
[0007]
As a method for solving this problem, there is a technique of selectively performing crystallization by artificially forming a portion or region that becomes a crystal nucleus in an amorphous silicon film and then performing a heat treatment. JP-A-2-140915 and JP-A-2-260524. This technique is intended to generate crystal nuclei at predetermined positions in an amorphous silicon film.
[0008]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2-140915, an aluminum layer is formed on an amorphous silicon film, crystal nuclei are generated at the portion where the amorphous silicon and aluminum are in contact, and a heat treatment is performed. A configuration is described in which crystal growth is performed from this crystal nucleus by applying. Japanese Patent Laid-Open No. 2-260524 describes a configuration in which tin (Sn) is added to an amorphous silicon film by an ion implantation method, and crystal nuclei are generated in a region where the tin ions are added.
[0009]
However, Al and Sn are substitutional metal elements that form an alloy with silicon and diffuse into the silicon film.IntrusionNot done. Crystallization proceeds in such a manner that a portion where silicon and an alloy are formed becomes a crystal nucleus, and crystal growth is performed from that portion. As described above, when Al or Sn is used, crystal growth is performed from a portion into which Al or Sn is introduced (that is, an alloy layer of these elements and silicon). In general, crystallization proceeds through a two-step process of generating an initial nucleus and growing a crystal from the nucleus. Substitution-type metal elements such as Al and Sn are effective for generating initial nuclei, but have little effect on subsequent crystal growth. Therefore, when Al or Sn is used, it is not possible to lower the temperature and shorten the time particularly when compared with the case where the amorphous silicon film is simply crystallized by heating. That is, it does not have a significant advantage over the conventional crystallization process of an amorphous silicon film simply performed by heating.
[0010]
BACKGROUND OF THE INVENTION
According to the study by the present inventors, a trace amount of an interstitial element with respect to silicon, such as nickel and palladium, is deposited on the surface of the amorphous silicon film, and then heated to about 550 ° C. for about 4 hours. It has been found that crystallization can be carried out in a treatment time of In this case, not only the process of initial nucleation but also subsequent crystal growth can be facilitated, and the heating temperature can be greatly lowered and the heating time can be shortened as compared with the conventional method using only heating. can do.
[0011]
In order to introduce such a small amount of element (a metal element that promotes crystallization), plasma treatment, vapor deposition, or ion implantation may be used. Plasma treatment is a parallel plate type or positive column type plasma CVD apparatus using a material containing a metal element as an electrode and generating a plasma in an atmosphere of nitrogen or hydrogen to form a metal element on the amorphous silicon film. It is a method of adding.
[0012]
As a metal element for promoting the above crystallization,IntrusionTypes of elements such as Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, Ag, and Au can be used. theseIntrusionThe element of the type diffuses into the silicon film in the heat treatment process. And aboveIntrusionAs the type elements diffuse, the crystallization of silicon proceeds. That is, the aboveIntrusionThe metal of the type promotes the crystallization of the amorphous silicon film by the catalytic action that has been diffused.
[0013]
Therefore, crystallization can be advanced by a method different from the case where crystallization gradually proceeds from the crystal nucleus. For example, when heat treatment is performed after the metal element is introduced into a specific place of the amorphous silicon film, crystallization proceeds in a direction parallel to the film plane from the region where the metal element is introduced. This length is several tens of μm or more. Further, when the metal element is introduced into the entire surface of the amorphous silicon film, the entire film can be uniformly crystallized. Of course, in this case, the entire film has a polycrystalline or microcrystalline structure, but it does not have a structure having a clear grain boundary at a specific location. Therefore, it is possible to form a device with uniform characteristics by utilizing an arbitrary location of the film.
[0014]
Also aboveIntrusionSince the element of the type diffuses quickly into the silicon film, the introduction amount (addition amount) is important. That is, if the amount introduced is small, the effect of promoting crystallization is small and good crystallinity cannot be obtained. Moreover, when there are too many the introduction amounts, the semiconductor characteristic of silicon will be impaired.
[0015]
Therefore, there exists an optimum amount of the metal element introduced into the amorphous silicon film. For example, when Ni is used as the metal element for promoting the crystallization, the concentration in the crystallized silicon film is 1 × 1015cm-3If it is above, the effect which promotes crystallization can be acquired, and the density | concentration in the crystallized silicon film is 1x10.19cm-3It has been found that the semiconductor properties are not hindered if: The concentration here is defined by the minimum value obtained by SIMS (secondary ion analysis).
Moreover, the effect can be acquired also about metal elements other than Ni enumerated above in the same concentration range as Ni.
[0016]
In order to make the concentration of the element that promotes crystallization, such as nickel, in the crystalline silicon film after crystallization (in this specification, the element that promotes crystallization is referred to as a metal element) optimal range, When these elements are introduced into the amorphous silicon film, the amount thereof needs to be controlled.
[0017]
When nickel was used as the metal element, an amorphous silicon film was formed, and nickel was added by plasma treatment to produce a crystalline silicon film. The crystallization process was examined in detail. found.
(1) The nickel concentration in the region where nickel is directly introduced is high.
(2) The nickel concentration is high at the tip of the region where the crystal is grown in the direction parallel to the substrate from the region where nickel is directly introduced.
(3) By the hydrofluoric acid treatment, countless holes are opened in a region where the nickel concentration is high.
[0018]
The optical microscope photograph regarding the matter of said matter (3) is shown in FIG. FIG. 11 schematically shows FIG. FIG. 11 corresponds to FIG. The left portion shown in the photograph of FIG. 10 is a portion where nickel is directly introduced (corresponding to the region indicated by 801 in FIG. 11). The central portion (region indicated by 803 in FIG. 11) is a region in which crystal growth (as indicated by an arrow 802 in FIG. 11) is performed in a direction parallel to the substrate from a region where nickel has been directly introduced. . Further, the region on the right side of FIG. 10 (corresponding to the
[0019]
As is apparent from FIG. 10, innumerable holes are formed between a region where crystal growth is performed parallel to the substrate (corresponding to 803 in FIG. 11) and an amorphous region (corresponding to 805 in FIG. 11). There is a linear area that opens. This region is completely removed and the hole is opened. This region (indicated by 804 in FIG. 11) has been found to be the tip of crystal growth where nickel is present at a high concentration. Further, by further observing the state shown in FIG. 10, it has been confirmed that innumerable small holes are opened even in a region where the crystal is grown in a direction parallel to the substrate indicated by reference numeral 803 in FIG. 11.
[0020]
The invention disclosed in this specification has been made in view of the above experimental facts. In other words, hydrofluoric acid (of course, buffer hydrofluoric acid) may be applied to the crystalline silicon film that has been crystallized by heating due to the action of the metal element, and the high concentration of the metal element present in the film is removed. Thus, a crystalline silicon film having a low concentration of metal element in the film is obtained.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a thin film silicon semiconductor having crystallinity by heat treatment at 600 ° C. or lower using a metal element.
(1) The amount of metal element is controlled and introduced, and the amount is minimized.
(2) Use a highly productive method.
(3) Crystallinity higher than that obtained by heat treatment is obtained.
(4) The concentration of the metal element in the crystalline silicon film is reduced as much as possible.
The problem is to satisfy at least one of the above requirements.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to satisfy the above object, the present invention obtains a silicon film having crystallinity using the following means.
A single metal element or a compound containing the metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film is held in contact with the amorphous silicon film, and the amorphous silicon film contains the single metal element or the metal element. In the state where the compound is in contact, heat treatment is performed to crystallize part or all of the amorphous silicon film. Then, by performing hydrofluoric acid treatment (etching treatment) using an etching solution containing hydrofluoric acid or buffer hydrofluoric acid or hydrofluoric acid diluted to an appropriate concentration, localization (nickel segregates and concentration locally) Is removed) (this metal element is considered to form a silicide with the metal locally), and as a result, the concentration of the metal element in the film is reduced. Then, by irradiating with laser light or strong light, the holes generated in the above-described etching process (the localized metal and silicon silicide is removed to form innumerable holes) are eliminated, and the crystallinity is excellent. A silicon film is obtained. Moreover, the defect density in a film | membrane is reduced by adding heat processing after irradiation of a laser beam. The solution for performing the hydrofluoric acid treatment can be used as long as it can etch silicide. Of course, what etches silicon itself cannot be used.
[0023]
In the above structure, the treatment by heating may be performed without irradiating laser light or strong light. Alternatively, only laser light or strong light irradiation may be performed. However, the combined use of laser light or intense light irradiation and an annealing step by heating is extremely useful because of their synergistic effect. That is, in particular, by irradiating a laser beam or strong light, the aperture portion formed in the previous etching step (particularly the minute aperture portion formed in the lateral growth region (region indicated by 803 in FIG. 11)). The crystallinity is excellent by obtaining the effect that a silicon film having good crystallinity can be obtained and the effect that the defects in the film can be reduced by performing heat treatment. A crystalline silicon film with few defects can be obtained.
[0024]
As a method for introducing a metal element that promotes crystallization, a method by applying a solution containing the metal element to the surface of the amorphous silicon film is useful. Use of this method makes it easy to control the amount of the metal element.
[0025]
The metal element may be introduced on the upper surface or the lower surface of the amorphous silicon film. If a metal element is introduced into the upper surface of the amorphous silicon film, a solution containing the metal element may be applied on the amorphous silicon film after the amorphous silicon film is formed. If a metal element is introduced into the lower surface of the silicon film, a solution containing the metal element is applied to the base surface before forming the amorphous silicon film, and the metal element is held in contact with the base surface. That's fine.
[0026]
It is also useful to form an active region having at least one PN, PI, NI, or other electrical junction of a semiconductor device using a crystalline silicon film formed by using the invention disclosed in the specification of the invention. Examples of the semiconductor device include a thin film transistor (TFT), a diode, and an optical sensor. Moreover, resistance tolerance and a capacitor can also be formed using this invention.
[0027]
As a method of applying a solution containing an element that promotes crystallization on the amorphous silicon film, an aqueous solution, an organic solvent solution, or the like can be used as the solution. Here, the inclusion includes both the meaning of inclusion as a compound and the meaning of inclusion by simply dispersing.
[0028]
As the solvent containing a metal element, a polar solvent selected from water, alcohol, acid, and ammonia can be used.
[0029]
When nickel is used as a catalyst and this nickel is included in a polar solvent, nickel is introduced as a nickel compound. The nickel compounds typically include nickel bromide, nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel chloride, nickel iodide, nickel nitrate, nickel sulfate, nickel formate, nickel acetylacetonate, 4-cyclohexylbutyric acid. A material selected from nickel, nickel oxide and nickel hydroxide is used.
[0030]
As the solvent containing a metal element, a nonpolar solvent selected from benzene, toluene, xylene, carbon tetrachloride, chloroform, and ether can be used.
[0031]
In this case, nickel is introduced as a nickel compound. As this nickel compound, typically, one selected from nickel acetylacetonate and nickel 2-ethylhexanoate can be used.
[0032]
It is also useful to add a surfactant to a solution containing a metal element. This is for increasing the adhesion to the surface to be coated and controlling the adsorptivity. This surfactant may be applied on the surface to be coated in advance.
[0033]
When nickel alone is used as the metal element, it needs to be dissolved in an acid to form a solution.
[0034]
The above is an example using a solution in which nickel, which is a metal element, is completely dissolved, but even if nickel is not completely dissolved, powder of nickel alone or a compound of nickel is uniformly distributed in the dispersion medium. Materials such as dispersed emulsions may be used. Alternatively, a solution for forming an oxide film may be used. As such a solution, Oka (Ohka Diffusion Source) manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. can be used. If this OCD solution is used, a silicon oxide film can be easily formed by coating on the surface to be formed and baking at about 200 ° C. Moreover, since it is also free to add an impurity, it can utilize for this invention. In this case, a metal element is contained in the oxide film, the oxide film is provided in contact with the amorphous silicon film, and heating (350 ° C. to 400 ° C.) is performed to diffuse the metal element into the amorphous silicon film. Further, after the oxide film is further removed, heat treatment may be performed for crystallization. The heat treatment for crystallization may be performed at a temperature of 450 ° C. to 600 ° C., for example, 550 ° C. for about 4 hours.
[0035]
In order to obtain high crystallinity, it is useful to perform the crystallization at a high temperature of 600 ° C. (crystallization temperature of the amorphous silicon film) to 1100 ° C. It is important that the heating temperature at this high temperature is equal to or higher than the crystallization temperature of the amorphous silicon film that is the starting film. The crystallization temperature of this amorphous silicon film varies depending on the film forming method and film forming conditions of the amorphous silicon film. Generally, it is about 580 to 620 ° C. Note that in the case of performing the heat treatment at this high temperature, it is necessary to use a glass substrate or a quartz substrate with high heat resistance.
[0036]
These are the same even when a material other than nickel is used as the metal element.
[0037]
When nickel is used as a metal element for promoting crystallization and a polar solvent such as water is used as a solution solvent containing the nickel, the solution is repelled when directly applied to the amorphous silicon film. Sometimes. In this case, a thin oxide film having a thickness of 100 mm or less is first formed, and a solution containing a metal element is applied thereon, whereby the solution can be applied uniformly. Also effective is a method of improving wetting by adding a material such as a surfactant to the solution.
[0038]
Further, by using a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate as the solution, it can be directly applied to the surface of the amorphous silicon film. In this case, it is effective to apply in advance a material such as an adhesive used in resist application. However, when the coating amount is too large, attention should be paid because it interferes with the addition of the metal element into the amorphous silicon.
[0039]
The amount of the metal element contained in the solution depends on the type of the solution, but as a general tendency, it is desirable that the nickel amount is 200 ppm to 1 ppm, preferably 50 ppm to 1 ppm (weight conversion) with respect to the solution. . This is a value determined in view of the nickel concentration in the film and the hydrofluoric acid resistance after crystallization is completed.
[0040]
By performing laser light irradiation performed after the heat treatment, the crystallinity of the silicon film crystallized by the heat treatment can be further increased. Further, in the case where crystallization is caused partially by heat treatment, further crystal growth can be performed from the portion by irradiation with laser light, and a higher crystallinity state can be realized.
[0041]
As the laser beam, a pulsed excimer laser beam can be used. For example, KrF excimer laser (wavelength 248 nm), XeCl excimer laser (wavelength 308 nm), XeF excimer laser (wavelength 351, 353 nm), ArF excimer laser (wavelength 193 nm), XeF excimer laser (wavelength 483 nm), or the like can be used. As the excitation method, a discharge excitation method, an X-ray excitation method, a light excitation method, a microwave discharge excitation method, an electron beam excitation method, or the like can be used.
[0042]
Further, instead of laser light irradiation, a method of irradiating strong light, particularly infrared light may be employed. Infrared light is not easily absorbed by glass and is easily absorbed by a silicon thin film, which makes it possible to selectively heat a silicon thin film formed on a glass substrate. This method using infrared light is called rapid therma annealing (RTA) or rapid thermal process (RTP).
[0043]
In the invention disclosed in this specification, in addition to the promotion of crystallization by the laser light irradiation, further heat treatment may be performed. This heat treatment may be the same as the heat treatment conditions for crystallizing the amorphous silicon film. Of course, it does not need to be exactly the same, and may be performed at a temperature of 400 ° C. or higher.
[0044]
Defects in the crystalline silicon film can be reduced by heat treatment performed after irradiation with the laser light or strong light. FIG. 8 shows the result of measuring the spin density of the crystalline silicon film manufactured under the conditions described in the item of sample conditions by an electron spin resonance method (ESR). What is described in the item of sample conditions in FIG. 8 is heating temperature and heating time in a nitrogen atmosphere, and further LC is laser beam irradiation. In addition, samples other than the samples indicated as having no Ni are those obtained by crystallization using nickel as a metal element. The g value is an index indicating the position of the spectrum, and g = 2.0055 is a spectrum caused by an unpaired bond. Therefore, it can be understood that the spin density shown in FIG. 8 corresponds to the dangling bonds in the film.
[0045]
As can be seen from FIG. 8, the
[0046]
Further, as can be seen from a comparison between the
[0047]
In the present invention, crystal growth can be selectively performed by selectively applying a solution containing a metal element. Particularly in this case, crystal growth can be performed in a direction substantially parallel to the surface of the silicon film from the region where the solution is applied toward the region where the solution is not applied. In this specification, a region where crystal growth is performed in a direction substantially parallel to the surface of the silicon film is referred to as a laterally crystallized region.
[0048]
In addition, it has been confirmed that the concentration of the metal element is low in the region where the crystal is grown in the lateral direction. Although it is useful to use a crystalline silicon film as the active layer region of the semiconductor device, it is generally preferable that the impurity concentration in the active layer region is low. Therefore, it is useful for device fabrication to form the active layer region of the semiconductor device using the region where the crystal is grown in the lateral direction.
[0049]
In the present invention, the most prominent effect can be obtained when nickel is used as the metal element, but the other usable metal elements are preferably Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os. Ir, Pt, Cu, Ag, and Au can be used.
[0050]
Further, the method for introducing a metal element is not limited to using a solution such as an aqueous solution or alcohol, and a substance containing a metal element can be widely used. For example, a metal compound or oxide containing a metal element can be used.
[0051]
In the present invention, in order to improve the crystallization rate, the laser beam or intense light irradiation step and the heat treatment step for reducing defects in the film may be alternately repeated twice or more. It is also effective to irradiate the laser beam multiple times. In this case, it is preferable to gradually increase the irradiation energy density every time the laser beam is irradiated.That is, a first step of introducing a metal element that promotes crystallization into the amorphous silicon film, a second step of performing heat treatment, a third step of removing the metal element, and laser light or strong light In the fourth step, laser light or strong light may be irradiated a plurality of times, and the irradiation energy density may be increased stepwise.For example, when laser light irradiation is performed twice, weak laser light may be irradiated for the first time and then strong laser light may be irradiated. By doing so, the influence of the remaining metal component can be reduced.In the above configuration, the laser beam or the strong light may be irradiated in an oxygen atmosphere or air.
[0052]
It is also effective to remove the metal elements and organic substances present on the surface by washing the surface of the crystalline silicon film obtained by the action of the metal element. In particular, it is effective to perform this cleaning after forming an island-shaped semiconductor region constituting the active layer.
[0053]
As such a cleaning method, a treatment process using a solvent having a strong oxidizing power such as ozone water, and an etchant (an etchant containing hydrofluoric acid such as FPM) having a large oxide removal effect after the process is used. The process consisting of the etching process used is very effective.
[0054]
In this process, organic substances and metal elements present on the surface of the active layer are converted into oxides by a solvent having a strong oxidizing power, and the oxide is further etched away to clean the exposed surface of the active layer. It has a great effect on suppressing the generation of trap levels due to organic substances and metal elements. This effect can be seen as remarkable in the characteristics of the actually manufactured thin film transistor.
[0055]
[Action]
The amorphous silicon film can be crystallized at a low temperature in a short time by the action of an interstitial element which is an element for promoting crystallization. Specifically, a crystalline silicon film can be obtained by performing a heat treatment at 550 ° C. for about 4 hours, which has been impossible in the past. Also, interstitial elements with respect to silicon promote crystallization while diffusing into the silicon film, so that a crystalline silicon film without a clear grain boundary is obtained unlike crystal growth from a crystal nucleus. Can do.
[0056]
Further, the localized nickel silicide portion can be removed by performing a treatment using hydrofluoric acid on the crystalline silicon film crystallized by heating by the action of the metal element. That is, a region where the nickel concentration is locally increased (nickel silicide is formed in this region) can be removed. And the density | concentration of the metal element in a film | membrane can be made low. Then, by irradiating laser light or strong light after the treatment using hydrofluoric acid, minute holes formed in the film can be eliminated. Further, by applying heat treatment, a silicon film with few defects in the film and high crystallinity can be obtained.
[0057]
By performing the hydrofluoric acid treatment, the concentration of the metal element in the film can be reduced by about 1 to 2 digits. For example, the introduction amount of the metal element is 1 × 1015~ 1x1019cm-3Even so, by performing the hydrofluoric acid treatment, the concentration of the metal element in the film is 1 × 1018cm-3It can be as follows. In addition, defects in the film can be reduced by further heat treatment after the laser light irradiation. As an etchant for performing hydrofluoric acid treatment, generally used buffer hydrofluoric acid may be used, but it is more effective to use FPM made of a mixture of hydrofluoric acid, superwater and water. Note that the concentration of the metal element in this specification is defined as the minimum value of the concentration distribution obtained by SIMS (secondary ion analysis method).
[0058]
Further, the crystalline silicon film is obtained by oxidizing impurities such as metal elements and organic substances on the surface of the crystalline silicon film using a solvent having a strong oxidizing power, and etching and removing this with an etchant containing hydrofluoric acid. The trap level density at the surface of the substrate can be lowered. And thereby, the characteristic of a thin film device can be improved.
[0059]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, a metal element that promotes crystallization is contained in an aqueous solution, applied onto an amorphous silicon film, then crystallized by heating, and treated with buffered hydrofluoric acid to crystallize the silicon film. The metal component localized inside is removed. Furthermore, by irradiating with laser light, the pores (defects) of the previously removed metal component part are eliminated, and a silicon film having a low content of metal element and excellent crystallinity is obtained. It is.
[0060]
The steps up to the introduction of a metal element (here, nickel is used) will be described with reference to FIG. In this embodiment, Corning 7059 glass is used as the substrate. Moreover, the magnitude | size shall be 100 mm x 100 mm.
[0061]
First, an amorphous silicon film is formed in a thickness of 100 to 1500 nm by plasma CVD or LPCVD. Here, the amorphous silicon film 12 is formed to a thickness of 1000 mm by plasma CVD. (Fig. 1 (A))
[0062]
Then, hydrofluoric acid treatment is performed to remove the dirt and the natural oxide film, and then the oxide film 13 is formed to a thickness of 10 to 50 mm. If the contamination can be ignored, the natural oxide film may be used as it is instead of the oxide film 13.
[0063]
Since the oxide film 13 is extremely thin, the exact film thickness is unknown, but is considered to be about 20 mm. Here, the oxide film 13 is formed by irradiation with UV light in an oxygen atmosphere. The film formation was performed by irradiating with UV in an oxygen atmosphere for 5 minutes. As a method for forming the oxide film 13, a thermal oxidation method may be used. Further, treatment with hydrogen peroxide may be used.
[0064]
This oxide film 13 is for spreading the acetate solution over the entire surface of the amorphous silicon film, that is, for improving the wettability in the subsequent step of applying an acetate solution containing nickel. For example, when an acetate solution is directly applied to the surface of the amorphous silicon film, the amorphous silicon repels the acetate solution, so that nickel cannot be introduced to the entire surface of the amorphous silicon film. That is, uniform crystallization cannot be performed.
[0065]
Next, an acetate solution is prepared by adding nickel to the acetate solution. The nickel concentration is 25 ppm. Then, 2 ml of this acetate solution is dropped on the surface of the oxide film 13 on the amorphous silicon film 12, and this state is maintained for 5 minutes. Then, spin drying (2000 rpm, 60 seconds) is performed using a spinner. (Fig. 1 (C), (D))
[0066]
When the concentration of nickel in the acetic acid solution is 1 ppm or more, preferably 10 ppm or more, it becomes practical. When a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate is used as the solution, the oxide film 13 is not necessary, and a metal element can be directly introduced onto the amorphous silicon film.
[0067]
By performing this nickel solution coating process once to a plurality of times, a layer containing nickel having an average film thickness of several to several hundreds of mm is formed on the surface of the amorphous silicon film 12 after spin drying. be able to. In this case, nickel in this layer diffuses into the amorphous silicon film in the subsequent heating step, and acts as a catalyst for promoting crystallization. Note that this layer is not necessarily a complete film.
[0068]
After application of the solution, the state is maintained for 1 minute. The concentration of nickel contained in the silicon film 12 can be finally controlled by this holding time, but the greatest control factor is the concentration of the solution.
[0069]
In a heating furnace, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. As a result, the crystalline silicon thin film 12 formed on the
[0070]
The above heat treatment can be performed at a temperature of 450 ° C. or higher. However, if the temperature is low, the heating time must be lengthened and the production efficiency is lowered. On the other hand, if it is 550 ° or more, the problem of heat resistance of the glass substrate used as the substrate will surface.
[0071]
In this embodiment, the method of introducing the metal element onto the amorphous silicon film is shown, but the method of introducing the metal element under the amorphous silicon film may be adopted. In this case, the metal element may be introduced onto the base film using a solution containing the metal element before forming the amorphous silicon film.
[0072]
Here, since nickel element is introduced over the entire surface, the entire film grows in a direction perpendicular to the substrate. When the silicon film 12 having crystallinity is obtained by heat treatment, the heat treatment is performed using 1/100 buffer hydrofluoric acid. In this step, the nickel component localized in the film (existing as nickel silicide) is removed. Here, by removing the nickel component, the nickel concentration in the film can be reduced. Then, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 30 nsec) is 200 to 350 mJ / cm in a nitrogen atmosphere.2 Irradiate several shots at a power density of. By irradiating this laser light, the nickel component portion (which is a fine hole) removed in the previous step can be eliminated.
[0073]
This step may be performed by the infrared light irradiation described above. In this step, it is effective to increase the pulse width of the excimer laser light. This is because the melting time on the surface of the silicon film generated by the laser light irradiation can be lengthened and the crystal growth in a minute portion can be promoted.
[0074]
By performing this laser light irradiation, the crystallinity of the silicon film can be further improved, and at the same time, minute openings generated in the treatment process using buffer hydrofluoric acid can be eliminated. After the laser light irradiation is completed, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. This heat treatment can be performed at a temperature of 400 ° C. or higher. By performing the heat treatment after the laser light irradiation, defects in the silicon film can be reduced. Thus, a crystalline silicon film having a low nickel concentration in the film, excellent crystallinity, and at the same time having few defects can be obtained.
[0075]
[Example 2]
This embodiment is an example in which a 1200 珪 素 silicon oxide film is selectively provided in the manufacturing method shown in
[0076]
FIG. 2 shows an outline of a manufacturing process in this example. First, a silicon oxide film 21 serving as a mask is formed on a glass substrate (
[0077]
Then, the silicon oxide film 21 is panned into a required pattern by a normal photolithography patterning process. Then, a thin
[0078]
In this state, 5 ml of an acetate solution containing 100 ppm of nickel was dropped as in Example 1 (in the case of a 10 cm square substrate). At this time, spin coating is performed with a spinner at 50 rpm for 10 seconds to form a uniform water film on the entire substrate surface. Furthermore, after maintaining for 5 minutes in this state, spin drying is performed at 2000 rpm for 60 seconds using a spinner. In addition, you may perform this holding | maintenance, rotating 0-150 rpm on a spinner. (Fig. 2 (B))
[0079]
Then, the amorphous silicon film 12 is crystallized by performing heat treatment at 550 degrees (nitrogen atmosphere) for 4 hours. At this time, crystal growth is performed in the lateral direction from the region of the portion 22 where nickel is introduced to the region where nickel is not introduced, as indicated by 23. In FIG. 2C, 24 is a region where nickel is directly introduced and crystallization is performed, and 25 is a region where crystallization is performed in the lateral direction. In these 25 regions, it has been confirmed that crystal growth is performed substantially in the <111> axis direction. In addition, it is confirmed by a TEM photograph (transmission electron micrograph) that the region indicated by 25 is progressing in the form of a column or a branch in a direction parallel to the substrate.
[0080]
After the crystallization step by the heat treatment, the localized crystal component is removed using 1/100 buffer hydrofluoric acid. Here, 1/100 buffer hydrofluoric acid was used, but the concentration may be determined as appropriate. As an etching solution used here, hydrofluoric acid or a solution containing hydrofluoric acid can be used. As this solution, a solution for etching silicon silicide or silicon oxide can be used.
[0081]
Next, the crystallinity of the silicon film 12 is further improved using a XeCl laser (wavelength 308 nm). By the laser irradiation performed in this step, the hole portion (formed as a result of removing localized nickel silicide) formed in the previous etching step can be eliminated. That is, the surface of the silicon film is brought into a molten state by irradiation with laser light, and this opening can be eliminated. In this step, in the previous heat treatment, crystallization progresses between columns or columns or between branches and branches in a portion where the crystal has grown in a columnar shape or a branch shape in a direction parallel to the substrate. That is, the crystallization rate can be increased. Thus, by this step, the crystallinity of the
[0082]
In the laser light irradiation step, it is effective to heat the substrate or the surface to be irradiated with the laser light. The heating temperature is preferably about 200 ° C to 450 ° C.
[0083]
When the laser light irradiation is completed, a heat treatment is performed at 550 ° C. (nitrogen atmosphere) for 4 hours to further reduce defects in the film.
[0084]
In this example, the concentration of nickel in the region where nickel was directly introduced was changed to 1 × 10 6 by changing the solution concentration and the holding time.15atoms cm-3~ 1x1019atoms cm-3In the same manner, the concentration of the lateral growth region can be controlled to be lower than that.
[0085]
The crystalline silicon film formed by the method as shown in this embodiment is characterized by good hydrofluoric acid resistance. This is a matter of course considering that the hydrofluoric acid treatment is performed once.
[0086]
For example, it is necessary to form a silicon oxide film functioning as a gate insulating film or an interlayer insulating film on a crystalline silicon film, and then form an electrode through a drilling process for forming the electrode. There is a case. In such a case, a process of removing the silicon oxide film with buffer hydrofluoric acid is usually employed. However, when the hydrofluoric acid resistance of the crystalline silicon film is low, it is difficult to remove only the silicon oxide film, and there is a problem that the crystalline silicon film is also etched.
[0087]
However, when the crystalline silicon film is resistant to hydrofluoric acid, the difference (selection ratio) between the etching rates of the silicon oxide film and the crystalline silicon film can be increased, so only the silicon oxide film is selected. This is extremely significant in the manufacturing process.
[0088]
As described above, the region in which the crystal grows in the lateral direction has a low concentration of metal element and good crystallinity, so that it is useful to use this region as the active region of the semiconductor device. For example, it is extremely useful to use as a channel formation region of a thin film transistor.
[0089]
Example 3
In this embodiment, a TFT is obtained using a crystalline silicon film manufactured by using the method of the present invention. The TFT of this embodiment can be used for a driver circuit or a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device. Needless to say, the application range of the TFT is not limited to the liquid crystal display device but can be used for a generally-known thin film integrated circuit.
[0090]
FIG. 3 shows an outline of the manufacturing process of this example. First, a base silicon oxide film (not shown) is formed to a thickness of 2000 mm on a glass substrate. This silicon oxide film is provided to prevent diffusion of impurities from the glass substrate.
[0091]
Then, an amorphous silicon film is formed to a thickness of 500 mm by the same method as in the first embodiment. Then, after hydrofluoric acid treatment for removing the natural oxide film, a thin oxide film is formed to a thickness of about 20 mm by irradiation with UV light in an oxygen atmosphere. The thin oxide film may be produced by a method using overwater treatment or thermal oxidation.
[0092]
Then, an acetate solution containing 10 ppm of nickel is applied, held for 5 minutes, and spin dried using a spinner. Thereafter, the
[0093]
By performing the heat treatment, a silicon film in which an amorphous component and a crystal component are mixed can be obtained. This crystal component is a region where crystal nuclei exist. Thereafter, hydrofluoric acid treatment is performed using 1/100 buffer hydrofluoric acid. Further, irradiation of KrF excimer laser light at 200 to 300 mJ promotes the disappearance of the holes generated by the hydrofluoric acid treatment and the crystallinity of the silicon film. In this laser light irradiation step, the substrate is heated to about 400 ° C. By this step, crystal growth is performed using a crystal nucleus present in the crystal component as a nucleus.
[0094]
Next, the crystallized silicon film is patterned to form island-
[0095]
Care must be taken in the production of the
[0096]
In this state, crystallization of the
[0097]
After completion of the laser light irradiation, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere.
[0098]
Thereafter, an aluminum film having a thickness of 2000 μm to 1 μm is formed by electron beam evaporation, and this is patterned to form the
[0099]
Thereafter, an impurity (phosphorus) was implanted into the island-like silicon film of each TFT by the ion doping method (also called plasma doping method) using the gate electrode portion as a mask. As a doping gas, phosphine (PHThree ) Was used. Dose amount is 1-4 × 1015cm-2And
[0100]
Further, as shown in FIG. 3C, irradiation with a KrF excimer laser (wavelength 248 nm,
[0101]
In this process, instead of using laser light, a flash lamp is used to raise the temperature to 1000 to 1200 ° C. (silicon monitor temperature) in a short time and heat the sample, so-called RTA (rapid thermal annealing) (RTP) Or a strong light equivalent to a so-called laser beam such as a rapid thermal process).
[0102]
Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 3000 mm is formed on the entire surface as an
[0103]
Then, the
[0104]
Conventionally, a crystalline silicon film into which nickel has been introduced using plasma treatment has a low selectivity to buffer hydrofluoric acid compared to a silicon oxide film, and thus is often etched in the contact hole forming step. .
[0105]
However, when nickel is introduced using an aqueous solution at a low concentration of 10 ppm as in this embodiment, the resistance to hydrofluoric acid is high, so that the formation of the contact hole can be performed stably and with good reproducibility.
[0106]
Finally, annealing in hydrogen at 300-400 ° C. for 0.1-2 hours completes the hydrogenation of silicon. In this way, the TFT is completed. A large number of TFTs manufactured at the same time are arranged in a matrix to complete an active matrix liquid crystal display device. This TFT has source /
[0107]
When the configuration of this example is adopted, the concentration of nickel present in the active layer is 3 × 1018cm-31x10 to a degree or less15atoms cm-3~ 3x1018atoms cm-3It is thought that.
[0108]
The TFT manufactured in this example has a mobility of 150 cm with an N channel.2 / Vs or more is obtained. VthHave been confirmed to have small and good characteristics. Furthermore, it has been confirmed that the variation in mobility is within ± 10%. This small variation is considered to be due to a process of incomplete crystallization by heat treatment and promotion of crystallinity by irradiation with laser light. If only laser light is used, the N channel type is 150 cm.2 / Vs or more can be easily obtained, but the variation is large and the uniformity as in this embodiment cannot be obtained.
[0109]
Example 4
In this embodiment, as shown in
[0110]
FIG. 4 shows a manufacturing process of this example. First, the
[0111]
Then, a solution (here, an acetate solution) containing nickel element, which is a metal element that promotes crystallization, is applied by the method shown in Example 2. The concentration of nickel in the acetic acid solution is 100 ppm. In addition, the detailed process sequence and conditions are the same as those shown in the second embodiment. This step may be performed by the method shown in Example 3 or Example 4.
[0112]
Thereafter, heat annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 500 to 620 ° C., for example, 550 ° C. for 4 hours to crystallize the
[0113]
After the crystallization step by the heat treatment, hydrofluoric acid treatment is performed using 1/100 buffer hydrofluoric acid. Further, by irradiation with infrared light, the crystallinity of the anil and the
[0114]
A halogen lamp is used as the infrared light source. The intensity of the infrared light is adjusted so that the temperature on the single crystal silicon wafer of the monitor is between 900-1200 ° C. Specifically, the temperature of the thermocouple embedded in the silicon wafer is monitored, and this is fed back to the infrared light source. In this embodiment, the temperature rise is constant, the speed is 50 to 200 ° C./second, and the temperature drop is natural cooling to 20 to 100 ° C. Since this infrared light irradiation selectively heats the silicon film, heating of the glass substrate can be minimized.
[0115]
Further, a heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to reduce defects in the film. Next, the
[0116]
Then, the surface of the active layer (silicon film) 208 is oxidized by leaving it in an atmosphere of 10 atm and 500 to 600 ° C., typically 550 ° C. containing 100% by volume of water vapor, to oxidize the surface of the active layer (silicon film) 208. A
(Fig. 4 (B))
[0117]
Subsequently, an aluminum film (including 0.01 to 0.2% scandium) having a thickness of 3000 to 8000 mm, for example, 6000 mm is formed by a sputtering method. Then, the
[0118]
Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form an
[0119]
Next, by an ion doping method (also called plasma doping method), self-alignment is performed in the active layer region (which constitutes the source / drain and channel) using the gate electrode portion, that is, the
[0120]
Thereafter, annealing is performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm,
[0121]
Subsequently, a
[0122]
Then, contact holes are formed in the
[0123]
Since the TFT manufactured in this embodiment can obtain high mobility, it can be used for a driver circuit of an active matrix liquid crystal display device.
[0124]
Example 5
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this example. First, a silicon
[0125]
Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film having a thickness of 500 to 1500 mm, for example, 1000 mm is formed by plasma CVD. Then, nickel is introduced as a metal element for promoting crystallization into the surface of the amorphous silicon film by the method shown in the first embodiment. Then, it is crystallized by annealing in a nitrogen atmosphere (atmospheric pressure), 550 ° C. for 4 hours. Then, hydrofluoric acid treatment is performed using 1/50 buffer hydrofluoric acid to remove nickel components (nickel silicide) localized in the film. Furthermore, KrF excimer laser is irradiated to further promote crystallization. Further, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. Then, the silicon film is patterned to a size of 10 to 1000 μm square to form an island-like silicon film (TFT active layer) 503. (Fig. 5 (A))
[0126]
Thereafter, an atmosphere of oxygen containing 70 to 90% of water vapor, 1 atmosphere, 500 to 750 ° C., typically 600 ° C. is formed using a pyrogenic reaction method at a ratio of hydrogen / oxygen = 1.5 to 1.9. To do. By leaving it in this atmosphere for 3 to 5 hours, the surface of the silicon film is oxidized to form a
[0127]
In general, the thinner the silicon oxide film (gate insulating film) and the active layer, the better the characteristics of improving mobility and reducing off-current. On the other hand, the initial amorphous silicon film is easily crystallized as the film thickness increases. Therefore, conventionally, there has been a contradiction in terms of characteristics and process regarding the thickness of the active layer. The present invention solves this contradiction for the first time, that is, a thick amorphous silicon film is formed before crystallization to obtain a good crystalline silicon film. Next, by oxidizing the silicon film, the silicon film is thinned to improve the characteristics as a TFT. Further, this thermal oxidation has a feature that the amorphous component and the crystal grain boundary in which recombination centers are likely to exist are easily oxidized, and as a result, the number of recombination centers in the active layer is reduced. This increases the product yield.
[0128]
After the
Subsequently, polycrystalline silicon (containing 0.01 to 0.2% phosphorus) having a thickness of 3000 to 8000 mm, for example, 6000 mm is formed by low pressure CVD. Then, the
[0129]
Thereafter, annealing is performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm,
[0130]
Further, this step may be a method by lamp annealing using near infrared light. Near-infrared rays are more easily absorbed by crystallized silicon than amorphous silicon, and effective annealing comparable to thermal annealing at 1000 ° C. or higher can be performed. On the other hand, the glass substrate (far infrared light is absorbed by the glass substrate, but visible / near infrared light (wavelength 0.5 to 4 μm) is hardly absorbed) is hardly absorbed. Since it is not heated and only a short time is required, it can be said that it is an optimal method in a process where shrinkage of the glass substrate is a problem.
[0131]
Subsequently, a
[0132]
The mobility of the TFT obtained by the method shown above is 110 to 150 cm.2 / Vs and S value were 0.2 to 0.5 V / digit. Further, when a P-channel TFT in which boron is doped in the source / drain by a similar method was also produced, the mobility was 90 to 120 cm.2 / Vs and S value are 0.4 to 0.6 V / digit, and the mobility is 20% or more higher than when a gate insulating film is formed by a known PVD method or CVD method, and the S value is 20 More than%.
Also, from the viewpoint of reliability, the TFT manufactured in this example showed a good result that is not inferior to a TFT manufactured by high-temperature thermal oxidation at 1000 ° C.
[0133]
Example 6
FIG. 6 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this example. The TFT shown in this embodiment relates to a TFT arranged in a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device.
[0134]
First, a silicon
[0135]
The crystalline silicon film thus obtained can be a crystalline silicon film having no specific crystal grain boundary in a specific region, and an active layer of a TFT is formed at an arbitrary location on the surface thereof. Can do. That is, since the entire film is crystallized uniformly, even if thin film transistors are formed in a matrix, the physical properties of the crystalline silicon film constituting the active layer of the TFT can be made uniform throughout. As a result, a large number of TFTs with small variations in characteristics can be formed. Moreover, since the nickel component in the film can be extremely reduced, the stability of the device can be enhanced.
[0136]
Then, patterning is performed to form
[0137]
Subsequently, an aluminum film (containing 0.1 to 0.3% by weight of scandium) having a thickness of 3000 to 8000 mm, for example, 6000 mm is deposited by sputtering. Then, a thin anodic oxide having a thickness of 100 to 400 mm is formed on the surface of the aluminum film. Then, a photoresist having a thickness of about 1 μm is formed on the aluminum film thus treated by spin coating. Then, the
[0138]
Next, the substrate is immersed in a 10% oxalic acid aqueous solution and anodized at a constant voltage of 5 to 50 V, for example, 8 V, for 10 to 500 minutes, for example, 200 minutes, so that a porous anodic oxide having a thickness of about 5000 mm is obtained. 57 is formed on the side surface of the gate electrode. Since the
[0139]
Next, the mask material is removed, the top surface of the gate electrode is exposed, the substrate is immersed in an ethylene glycol solution of 3% tartaric acid (pH adjusted to neutral with ammonia), and an electric current is passed through the substrate. Anodization is performed by increasing the voltage to 100 V at ˜5 V / min, for example, 4 V / min. At this time, not only the top surface of the gate electrode but also the side surface of the gate electrode is anodized to form a dense nonporous
[0140]
Next, the
[0141]
Next, the porous
[0142]
In this doping step, high-concentration phosphorus is implanted into the
[0143]
Thereafter, laser light is irradiated from the upper surface, laser annealing is performed, and the doped impurities are activated. Subsequently, a
[0144]
In this embodiment, the same structure as a so-called low concentration drain (LDD) structure can be obtained. Although the LDD structure has been shown to be effective in suppressing deterioration due to hot carriers, the same effect can be obtained with the TFT fabricated in this example. However, compared to a process for obtaining a known LDD, this embodiment is characterized in that LDD can be obtained by a single doping step. Further, the present embodiment is characterized in that the high
[0145]
Higher degree of integration can be performed by using the manufacturing method of this embodiment. In this case, it is more convenient to change the width x of the offset region or the LDD region in accordance with the required characteristics of the TFT. In particular, when the configuration of this embodiment is employed, a reduction in the OFF current can be realized, which is optimal for a TFT intended for charge retention in the pixel electrode.
[0146]
Example 7
FIG. 7 shows a block diagram of an electro-optical system using an integrated circuit in which a display, a CPU, and a memory are mounted on a single glass substrate. Here, the input port reads an externally input signal and converts it into an image signal, and the correction memory is a memory specific to the panel for correcting the input signal etc. in accordance with the characteristics of the active matrix panel. is there. In particular, this correction memory is used for financing and individually correcting information unique to each pixel as a nonvolatile memory. That is, if a pixel of the electro-optical device has a point defect, a signal corrected accordingly is sent to the pixels around the point to cover the point defect and make the defect inconspicuous. Alternatively, when a pixel is darker than surrounding pixels, a larger signal is sent to the pixel so that the surrounding pixels have the same brightness.
[0147]
The CPU and the memory are the same as those of an ordinary computer. In particular, the memory has an image memory corresponding to each pixel as a RAM. Moreover, the backlight which irradiates a board | substrate from a back surface can also be changed according to image information.
[0148]
Then, in order to obtain the width of the offset region or the LDD region suitable for each of these circuits, 3 to 10 lines of wiring may be formed so that the anodization conditions can be individually changed. Typically, in an active matrix circuit, the channel length is 10 μm, and the width of the LDD region is 0.4 to 1 μm, for example, 0.6 μm. In the driver, the channel length is 8 μm, the channel width is 200 μm, and the width of the LDD region is 0.2 to 0.3 μm, for example, 0.25 μm. Similarly, in the P-channel TFT, the channel length is 5 μm, the channel width is 500 μm, and the width of the LDD region is 0 to 0.2 μm, for example, 0.1 μm. In the decoder, an N-channel TFT having a channel length of 8 μm and a channel width of 10 μm and a width of the LDD region of 0.3 to 0.4 μm, for example, 0.35 μm. Similarly, in a P-channel TFT, the channel length is 5 μm, the channel width is 10 μm, and the width of the LDD region is 0 to 0.2 μm, for example, 0.1 μm. Furthermore, the width of the LDD region may be optimized for the CPU, input port, correction memory, memory NTFT and PTFT in FIG. 6 as with the high frequency operation and low power consumption decoder. Thus, the electro-
[0149]
The present invention is characterized in that the width of the high resistance region can be varied to 2 to 4 types or more depending on the application. Further, this region does not have to be the same material and the same conductivity type as the channel formation region. That is, it is also possible to form a high resistance region by adding a small amount of N-type impurity in NTFT, a small amount of P-type impurity in PTFT, and selectively adding carbon, oxygen, nitrogen, or the like. This is effective in eliminating the trade-off between deterioration and reliability, frequency characteristics, and off current.
[0150]
In addition, as the TFT of the driver circuit that drives the TFT provided on the pixel electrode, it is desirable to use the TFT shown in FIGS.
[0151]
Example 8
This embodiment is characterized by being formed by the following manufacturing steps.
(1) The amorphous silicon film is crystallized by heat treatment using nickel element.
(2) The silicon film crystallized in the above step is subjected to hydrofluoric acid treatment using 1/100 buffer hydrofluoric acid to remove nickel components (nickel silicide) localized in the silicon film.
(3) The crystallinity of the silicon film crystallized in the step (1) is promoted by performing laser light irradiation.
(4) A gate electrode is formed, and impurity ions are implanted using the gate electrode as a mask to form source / drain regions.
(5) Heat treatment is performed to recrystallize the source / drain regions and activate the implanted impurities.
As described above, this embodiment is characterized in that heat treatment-nickel removal-laser light irradiation-heat treatment is performed. Here, the first heat treatment is for crystallization of the amorphous silicon film, the laser light irradiation is for promoting crystallization of the amorphous silicon film, and the second heat treatment is for the source. / For recrystallization of the drain region, activation of impurities implanted in the region, and removal of defects in the channel formation region.
[0152]
A manufacturing process of the thin film transistor illustrated in FIG. 9 is described below. First, a base
[0153]
After completion of the heat treatment, the nickel component localized (segregated) in the film is removed by hydrofluoric acid treatment using 1/100 buffer hydrofluoric acid. Next, XeCl excimer laser (wavelength 308 nm), XeF excimer laser 300 mJ / cm2 The crystallinity of the crystalline silicon film 903 is promoted. (Fig. 9 (A))
[0154]
Next, the crystalline silicon film 903 is patterned to form an active layer of the thin film transistor. Then, a silicon oxide film serving as a gate insulating film is formed to a thickness of 1000 mm by plasma CVD. After the gate insulating film is formed, a film containing aluminum as a main component is formed to a thickness of 5000 mm and patterned to form the
[0155]
Next, impurity ions are implanted using the
[0156]
Next, in the step shown in FIG. 5C, the
[0157]
What is necessary is just to perform the heat processing process performed at the process of this (C) at the temperature of 300 degreeC or more. In the case of this embodiment, aluminum is used for the gate electrode, and there is a problem of heat resistance of the glass substrate. Therefore, it may be performed at a temperature of 300 to 600 degrees.
[0158]
In the heat treatment step shown in (C), it is effective to combine annealing by irradiation with laser light or strong light before or after the heat treatment step.
[0159]
Next, an interlayer insulating film is formed to a thickness of 6000 mm by plasma CVD, and a source electrode 914 and a drain electrode 915 are further formed. Then, heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere at 350 degrees to perform hydrogenation, thereby completing the thin film transistor shown in FIG.
[0160]
In the present embodiment, the structure in which the offset gate regions 908 and 910 are formed is shown. However, when the offset gate region is not formed, in the heating step (C), the channel forming region having crystallinity Crystallization proceeds to the source / drain regions.
[0161]
Example 9
In this embodiment, an active layer of a thin film transistor is formed using a crystalline silicon film crystallized using nickel, and various cleaning or etching (for removing metal elements and various impurities) is performed on the active layer. The effect of cleaning or etching is mainly described.
[0162]
The comparison in this example is based on various characteristics of the thin film transistor from which the difference in the conditions of the cleaning or etching process for the active layer was obtained. FIG. 12 shows the difference in conditions of the cleaning or etching process. The difference in the manufacturing process of the thin film transistor is only the conditions of the cleaning or etching process for the active layer shown in FIG.
[0163]
In the conditions shown in FIG. 12, the condition No. 1 is a condition for cleaning (etching) the surface of the active layer using 1/50 BHF (buffer hydrofluoric acid). No. 2 is a condition for cleaning the surface of the active layer with FPM (a mixture of hydrogen peroxide and hydrofluoric acid diluted with water). No. 3 is a condition for performing cleaning with ozone water after cleaning the active layer with FPM. No. 4 is a condition for cleaning the active layer with ozone water after cleaning with ozone water.
[0164]
No. 5 is a condition for cleaning the surface of the active layer with a mixed solution of sulfuric acid / hydrogen peroxide / hydrochloric acid / hydrochloric acid and 1/100 hydrofluoric acid. No. 6 is a condition in which the active layer is further washed with FPM after being washed with sulfuric acid / hydrogen peroxide. No. 7 is a condition for cleaning the active layer with ozone water and further cleaning with BHF containing a surfactant.
[0165]
After the cleaning step under each condition as shown in FIG. 12, a gate insulating film is formed. Further, gate electrodes are formed, source / drain regions are formed, interlayer insulating films are formed, and source / drain electrodes are formed to complete the thin film transistor.
[0166]
V of the thin film transistor obtained in FIG.th(Threshold) data is shown. The substrate number on the horizontal axis in the figure corresponds to the experiment number in FIG. As is apparent from FIG. 13, the thin film transistor under the
[0167]
P channel type VthHas a normally-off characteristic of -1 to -2V. Such characteristics are preferable when a thin film transistor is actually used. However, in the case of
[0168]
In FIG.thThe standard deviation indicating the degree of variation in the value of is shown. From this figure, in the case of
[0169]
However, as shown in FIG. 13, the characteristics of
[0170]
FIG. 15 shows OFF current characteristics corresponding to each condition. FIG. 15 shows the case of N channel type and VD= 14V, VGIt shows the value of OFF current when = 4.5V. For the P channel, VD= 14V, VGThe value of OFF current in the case of = 4.5V is shown.
[0171]
As can be seen from FIG. 15, in the case of
[0172]
FIG. 16 shows the standard deviation of the OFF current value shown in FIG. As is apparent from FIG. 15, the OFF current characteristic with the least variation can be obtained in the case of
[0173]
The following conclusions can be obtained from the data shown above.
“Overall, by performing cleaning with ozone water and then cleaning (etching) with an etchant containing hydrofluoric acid, a thin film transistor having good characteristics and no variation in characteristics can be obtained.”
[0174]
It is considered that a significant effect can be obtained by performing such processing for the following reason.
[0175]
In an ideal state, a silicon atom bond on the surface of the active layer needs to be terminated by a hydrogen atom. However, most of them are actually terminated by impurities such as organic substances.
[0176]
Such a state leads to generation of trap levels at a high density.
Further, when the metal element contributing to crystallization is exposed on the surface of the active layer, a trap level is formed there.
[0177]
Furthermore, when the active layer of the thin film transistor is formed by patterning, a dangling bond is formed on the surface of the active layer. In particular, when dry etching using plasma is used, this tendency becomes obvious due to plasma damage.
[0178]
In any case, this state leads to the formation of trap levels at a high density.
[0179]
Such trap levels are VthShift and variations thereof, and further causes an increase in OFF current value and variations thereof. That is, V due to carrier movement through the trap level.thShift and OFF current value increase. Further, since the movement of carriers via this trap level is unstable, the above VthThe shift and the OFF current value vary.
[0180]
In such a state, when the treatment as shown in
[0181]
That is, first, an organic substance or a metal element is converted into an oxide by treatment with ozone water having a strong oxidizing power, and further, this oxide is removed by etching using an etchant solution containing hydrofluoric acid, thereby existing on the surface of the active layer. The trap level can be reduced.
[0182]
What is important here is that treatment with ozone water having strong oxidizing power is performed in order to convert the organic substance or metal element to be removed first into an oxide. Then, this oxide is removed.
[0183]
【effect】
The amorphous silicon film is crystallized in a short time at a low temperature by introducing a metal element, and further, a localized metal component is removed by performing a hydrofluoric acid treatment, and further irradiated with laser light or strong light, By manufacturing a semiconductor device using a crystalline silicon film to which heat treatment is performed thereafter, a device with high productivity and good characteristics can be obtained.
In particular, a crystalline silicon film having a low metal element concentration in the film can be obtained at a lower temperature than in the past, and by using this crystalline silicon film, a highly stable thin film transistor with little variation in characteristics can be obtained. it can.
In addition, it is useful to manufacture various semiconductor devices using a crystalline silicon film obtained by utilizing the invention disclosed in this specification.
[0184]
In addition, the crystalline silicon film is first washed with a solvent having a strong oxidizing power, and further washed with a solvent having a function of removing oxides, so that a metal element or an organic substance existing on the surface of the crystalline silicon film is obtained. And the characteristics of the obtained semiconductor device can be improved. Further, stability of characteristics of the obtained semiconductor device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a process of an example.
FIG. 2 is a diagram showing a process of an example.
FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of the example.
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of an example.
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of an example.
FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of an example.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an example.
FIG. 8 is a diagram showing the results of ESR measurement.
FIG. 9 shows a manufacturing process of the example.
FIG. 10 is a photograph showing a state of a thin film of a crystalline silicon film treated with hydrofluoric acid.
11 is a diagram schematically showing the photograph of FIG.
FIG. 12 is a diagram showing cleaning conditions for an active layer.
FIG. 13 shows V due to the difference in experimental conditions.thThe figure which shows the average value.
FIG. 14 shows V depending on experimental conditions.thThe figure which shows standard deviation of.
FIG. 15 is a diagram showing an average value of OFF current values depending on experimental conditions.
FIG. 16 is a diagram showing a standard deviation of an OFF current value due to a difference in experimental conditions.
[Explanation of symbols]
11 .... Glass substrate
12. Amorphous silicon film
13... Silicon oxide film
14... Acetic acid solution film containing nickel
15 ... Spinner
21... Silicon oxide film for mask
20... Silicon oxide film
11 .... Glass substrate
104 ... Active layer
105 ... Silicon oxide film
106 ... Gate electrode
109 ... Oxide layer
108 ... Source / drain region
109 ... Drain / source region
110... Interlayer insulating film (silicon oxide film)
112 ... Electrodes
113 ... Electrode
Claims (11)
前記金属元素を導入した非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜とし、
フッ酸を含んだエッチング溶液を用いて前記結晶性珪素膜をエッチングすることにより、該結晶性珪素膜中の前記金属元素と珪素とのシリサイドを除去した後、前記結晶性珪素膜に対してレーザー光または強光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。Introducing into the amorphous silicon film a metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film introduced with the metal element is heated to form a crystalline silicon film,
By etching the crystalline silicon film by using an etching solution containing hydrofluoric acid, after removal of the silicide of the metal element and silicon of the crystalline silicon film, with respect to the crystalline silicon film A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by irradiating laser light or strong light.
前記金属元素を導入した非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜とし、
フッ酸を含んだエッチング溶液を用いて前記結晶性珪素膜をエッチングすることにより、該結晶性珪素膜中の前記金属元素と珪素とのシリサイドを除去した後、前記結晶性珪素膜に対してレーザー光または強光を照射し、
前記レーザー光または前記強光が照射された結晶性珪素膜を加熱することを特徴とする半導体装置の作製方法。Introducing into the amorphous silicon film a metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film introduced with the metal element is heated to form a crystalline silicon film,
By etching the crystalline silicon film using an etching solution containing hydrofluoric acid, the silicide of the metal element and silicon in the crystalline silicon film is removed, and then the crystalline silicon film is applied to the crystalline silicon film. Irradiate with laser light or strong light,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: heating a crystalline silicon film irradiated with the laser light or the strong light.
前記金属元素を導入した前記非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜とし、
フッ酸を含んだエッチング溶液を用いて前記結晶性珪素膜をエッチングすることにより、該結晶性珪素膜中の前記金属元素と珪素とのシリサイドを除去した後、前記結晶性珪素膜にレーザー光を複数回照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。Introducing into the amorphous silicon film a metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film introduced with the metal element is heated to form a crystalline silicon film,
By etching the crystalline silicon film by using an etching solution containing hydrofluoric acid, after removal of the silicide of the metal element and silicon of the crystalline silicon film, a laser beam to the crystalline silicon film A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor device is irradiated a plurality of times.
前記金属元素を導入した前記非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜とし、
フッ酸を含んだエッチング溶液を用いて前記結晶性珪素膜をエッチングすることにより、該結晶性珪素膜中の前記金属元素と珪素とのシリサイドを除去した後、前記結晶性珪素膜にレーザー光または強光を複数回照射し、その照射エネルギー密度を段階的に大きくしていくことを特徴とする半導体装置の作製方法。Introducing into the amorphous silicon film a metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film introduced with the metal element is heated to form a crystalline silicon film,
By etching the crystalline silicon film by using an etching solution containing hydrofluoric acid, after removal of the silicide of the metal element and silicon of the crystalline silicon film, a laser beam to the crystalline silicon film Alternatively, a method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that intense light is irradiated a plurality of times and the irradiation energy density is increased stepwise.
前記金属元素を導入した前記非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜とし、
フッ酸を含んだエッチング溶液を用いて前記結晶性珪素膜をエッチングすることにより、該結晶性珪素膜中の前記金属元素と珪素とのシリサイドを除去した後、前記結晶性珪素膜にレーザー光または強光を照射する工程と、前記結晶性珪素膜中の欠陥を減少させるための加熱処理工程とを、2回以上交互に繰り返すことを特徴とする半導体装置の作製方法。Introducing into the amorphous silicon film a metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film introduced with the metal element is heated to form a crystalline silicon film,
By etching the crystalline silicon film by using an etching solution containing hydrofluoric acid, after removal of the silicide of the metal element and silicon of the crystalline silicon film, a laser beam to the crystalline silicon film Alternatively, a method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that the step of irradiating intense light and the heat treatment step for reducing defects in the crystalline silicon film are alternately repeated twice or more.
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