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JP4360798B2 - Semiconductor film and manufacturing method thereof, and semiconductor device, manufacturing method and semiconductor manufacturing apparatus - Google Patents

Semiconductor film and manufacturing method thereof, and semiconductor device, manufacturing method and semiconductor manufacturing apparatus Download PDF

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JP4360798B2
JP4360798B2 JP2002345807A JP2002345807A JP4360798B2 JP 4360798 B2 JP4360798 B2 JP 4360798B2 JP 2002345807 A JP2002345807 A JP 2002345807A JP 2002345807 A JP2002345807 A JP 2002345807A JP 4360798 B2 JP4360798 B2 JP 4360798B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)により構成される半導体装置及びその製造方法及び半導体製造装置に関し、さらに詳しく言えば、非晶質半導体層を結晶化した結晶質半導体層を活性領域とする半導体装置およびその製造方法に関する。特に、本発明は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機EL表示装置、密着型イメージセンサー、三次元ICなどに利用できる。
【0002】
【従来技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置や有機EL表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ICなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みがなされている。特に、同一基板上に画素部と駆動回路が設けられた液晶表示装置はパーソナルコンピュータ(PC)向けのモニターとしてだけでなく、一般家庭の中に進出し始めている。例えば、CRT(Cathode−ray Tube)のかわりにテレビジョンとして液晶ディスプレイが、また、娯楽として映画を観たりゲームをしたりするためのフロントプロジェクターが、一般家庭に導入されるようになり、液晶表示装置の市場規模はかなりの勢いで大きくなってきている。さらに、ガラス基板上にメモリ回路やクロック発生回路等のロジック回路を内蔵したシステムオンパネルの開発もさかんに進められている。
【0003】
高解像度な画像表示を行うために画素に書き込む情報量が増え、さらにその情報は短時間で書き込まれなければ、高精細な表示のための膨大な情報量を有する画像を動画表示したりすることは不可能である。そこで、駆動回路に用いられるTFTには、高速動作が求められている。高速動作を可能にするためには、高い電界効果移動度を得られる良質な結晶性を有する結晶質半導体層を用いてTFTを実現することが求められている。
【0004】
ガラス基板上に良好な結晶質半導体層を得る方法として、本発明者は、非晶質半導体層に結晶化を促進する作用を有する金属元素を添加した後、加熱処理を施すことにより、従来より低温・短時間の加熱処理で、結晶の配向性が揃った良好な半導体膜が得られる技術を開発している。
【0005】
しかし、触媒元素を用いて得られた結晶質ケイ素膜をそのまま半導体層として用いて作製されたTFTには、オフ電流が突発的に増加してしまうという問題がある。触媒元素が半導体膜中で不規則に偏析すること、特に結晶粒界においてこの偏析が顕著に確認され、この触媒元素の偏析が、電流の逃げ道(リークパス)となり、これが原因でオフ電流の突発的な増加を引き起こしているのではないかと考えられる。そこで、結晶質ケイ素膜の作製工程の後、触媒元素を半導体膜中から移動させて、半導体膜中の触媒元素濃度を低減させる必要がある。以後、この触媒元素を取り除く工程を「ゲッタリング工程」と称する。
【0006】
このゲッタリング工程・ゲッタリング方法に関しては、様々な工程・方法が提案されている。
【0007】
例えば、特許文献1では、触媒元素により結晶化されたケイ素に対して、その一部に非晶質化した領域を形成し、加熱処理を行うことで、非晶質化された領域の格子欠陥を利用して、そこに触媒元素を移動(ゲッタリング)させる技術を開示している。このときの非晶質領域(ゲッタリング領域)としては、半導体素子領域外に形成する方法と、TFTのソース/ドレイン領域を利用する方法とが開示されている。ソース/ドレイン領域をゲッタリング領域として用いた場合には、製造工程が簡略化できるが、非晶質領域のままではソース/ドレイン領域として機能しないためレーザー光などを用いて活性化する付加工程が必要となる。
【0008】
また、特許文献2では、リンのもつゲッタリング作用に注目し、触媒元素による結晶化されたケイ素により形成されたTFTの活性領域(半導体層)に対して、Nチャネル型TFTでは、ソース/ドレイン領域にリンをドーピングし、Pチャネル型TFTでは、ソース/ドレインにリンとそれ以上の濃度のホウ素とをドーピングし、加熱処理することでソース/ドレイン領域へと触媒元素をゲッタリングしている。
【0009】
特許文献3では、触媒元素により結晶化されたケイ素に対して、その一部にリンなど5族B元素を選択的に導入し、基板の歪点を超えない温度範囲で加熱処理を行うことで、5族Bの元素が導入された領域(ゲッタリング領域)に、触媒元素を移動(ゲッタリング)させる技術を開示している。5族B元素が導入された領域に触媒元素がゲッタリングされた結果、触媒元素の濃度が低下した領域(「低濃度領域」といこうもともある。)を使用して半導体素子(TFT)の活性領域を形成している。
【0010】
【特許文献1】
特開平8−213317公報
【特許文献2】
特開平8−330602公報
【特許文献3】
特開平10−270363公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記3つの特許文献に開示されている技術も含め、従来のゲッタリング工程における問題点としては、ゲッタリングのための工程付加によるプロセスの複雑化や製造装置の負荷増大による高コスト化等もあるが、最も大きな問題としては、これらの従来法ではゲッタリング効果が十分ではなく、TFTのチャネル領域における触媒元素の残留量をまだ十分には低減できていない点である。
【0012】
上記特許文献1から3に記載されているように、非晶質状態やリン等のゲッタリング元素(「触媒元素を引き寄せる作用を有する元素を「ゲッタリング元素」ということにする。)を導入したゲッタリング領域を形成し、そこにケイ素膜中の触媒元素を移動させる方法を用いると、触媒元素の量を一桁以上低減することが可能である。しかしながら、これらの特許文献の方法を用いTFTを作製したところ、ゲッタリング領域の形成方法の違いによりそれぞれ若干の効果の違いは見られるが、0.数%〜数%程度の確率でTFTオフ時のリーク電流が非常に大きい不良TFTが出現した。リファレンスとして作製した全くゲッタリングを行っていないTFTでは、リーク電流不良TFTの発生確率が10%〜20%程度であったから、これらの特許文献の方法ではゲッタリング効果が素子特性上からも確実に見られるが、それでも、まだ数%のリーク電流不良TFTが残る。すなわち、100万個のTFTを有するアクティブマトリクス基板においては、数万のTFTが不良TFTとなる。
【0013】
したがって、公知のゲッタリング技術では、得られたチャンピオンデータでも、まだ0.数%程度のTFT不良を覚悟せざるを得ない。このような状態で、液晶や有機EL表示用のアクティブマトリクス基板を作製した場合、一部の画素TFTではオフ動作時のリーク電流により輝点(点欠陥)が発生し、また、ドライバー(駆動回路)部においては、サンプリングTFT部でのリーク電流により、ライン欠陥が生じる。その結果、パネルの歩留まりを大きく低下させることになってしまっている。
【0014】
オフ動作時のリーク電流が大きい不良TFTを解析すると、やはりチャネル領域とドレイン領域との接合部に、触媒元素によるシリサイドが存在していることが確認されており、一次原因は触媒元素の偏析、二次原因はゲッタリングが未だ不十分であることが上げられる。よって、前記特許文献の技術では、十分に触媒元素をゲッタリングできておらず、高性能なTFTは一部確率的に作製できても、不良率が高く、また信頼性も悪く、量産に適用できる技術とは言えない。
【0015】
本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであり、その目的は、良質な結晶質半導体層を作製し、この結晶質半導体層を用いて良好な特性を有するTFT(半導体素子)を備える半導体装置を提供することにある。また、このような半導体装置を、製造工程を増やさずに低コストな製造工程にて実現する製造方法および半導体製造装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体膜は、絶縁性表面上に形成された半導体膜であって、結晶質を有し、前記半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含む少なくとも1つの領域を含み、且つ、ほぼ全体に亘って希ガス元素を含むことを特徴とする。
【0017】
前記少なくとも1つの領域の前記半導体膜は、前記触媒元素の半導体化合物を実質的に含まず、前記触媒元素は前記結晶質半導体層中に固溶していることが好ましい。
【0018】
ある実施形態において、前記半導体膜は実質的にシリコンから構成されており、前記触媒元素の前記半導体化合物はシリサイドである。
【0019】
前記少なくとも1つの領域の前記半導体膜における前記触媒元素の濃度は、1×1017atoms/cm3以下であることが好ましい。
【0020】
前記希ガス元素の濃度は5×1016〜5×1018atoms/cm3の範囲内にあることが好ましい。
【0021】
ある実施形態において、前記少なくとも1つの領域がほぼ全体に亘って形成されている。
【0022】
本発明の他の半導体膜は、絶縁性表面上に形成された半導体膜であって、結晶質半導体層からなり、前記半導体膜の結晶化を促進する触媒元素と、希ガス元素とを含む活性領域を有し、前記活性領域は、第1領域と、前記第1領域の両側に隣接して形成された一対の第2領域を含み、前記第1領域は、前記触媒元素の半導体化合物を実質的に含まず、前記触媒元素は前記結晶質半導体層中に固溶していることを特徴とする。
【0023】
ある実施形態において、前記半導体膜は実質的にシリコンから構成されており、前記触媒元素の前記半導体化合物はシリサイドである。
【0024】
前記第1領域の前記結晶質半導体層における前記触媒元素の濃度は、1×1017atoms/cm3以下であることが好ましい。
【0025】
前記一対の第2領域は前記第1領域よりも前記触媒元素の濃度が高いことが好ましい。
【0026】
前記一対の第2領域における前記触媒元素の濃度は、1×1018atoms/cm3以上1×1020atoms/cm3以下の範囲内にあることが好ましい。
【0027】
前記一対の第2領域の前記結晶質半導体層は、実質的に前記触媒元素の半導体化合物を含まず、前記触媒元素は前記結晶質半導体層中に固溶していることが好ましい。
【0028】
ある実施形態において、前記半導体膜は実質的にシリコンから構成されており、前記触媒元素の前記半導体化合物はシリサイドである。
【0029】
ある実施形態において、前記一対の第2領域はn型導電性を付与する周期表第5族Bに属する不純物元素を含む。
【0030】
ある実施形態において、前記活性領域は、前記第1領域、前記一対の第2領域、および、前記触媒元素を引き寄せる作用を有するゲッタリング領域を含む。
【0031】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記第1領域よりも前記触媒元素の濃度が高い。
【0032】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域における前記触媒元素の濃度は、1×1018atoms/cm3以上1×1020atoms/cm3以下の範囲内にある。
【0033】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記第1領域および前記一対の第2領域よりも前記触媒元素の濃度が高い。
【0034】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記第1領域および前記一対の第2領域よりも多くの非晶質成分を含む。
【0035】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域は、n型導電性を付与する周期表第5族Bに属する不純物元素と、p型導電性を付与する周期表第3族Bに属する不純物元素とを含む。
【0036】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域は、Ar、KrおよびXeからなる群から選択された少なくとも一種の希ガス元素を他の領域よりも高濃度で含む。
【0037】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域は、前記活性領域に含まれる前記希ガス元素よりも原子番号が大きな希ガス元素を含む。
【0038】
ある実施形態において、少なくとも前記第1領域の前記結晶質半導体層は、その結晶の面配向が主に〈111〉晶帯面で構成されている。
【0039】
ある実施形態において、前記面配向を主に構成する〈111〉晶帯面の内、(110)面および(211)面が50%以上を占める。
【0040】
ある実施形態において、前記少なくとも第1領域の前記結晶質半導体層が有する結晶粒の粒径は2μm以上10μm以下の範囲内にある。
【0041】
ある実施形態において、少なくとも前記第1領域の前記結晶質半導体層の平均表面粗さRaは、4nm以上9nm以下の範囲内にある。
【0042】
前記触媒元素は、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、FeおよびCuからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素であることが好ましい。
【0043】
本発明の半導体膜の製造方法は、(a)絶縁性表面上に希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する工程と、(b)前記非晶質半導体層に結晶化を促進する触媒元素を付与した後、第1の加熱処理を行うことにより、前記非晶質半導体層を結晶化し、結晶質半導体層を得る工程と、(c)前記結晶質半導体層中に残存する前記触媒元素の少なくとも一部を移動させることによって、前記結晶質半導体層に前記触媒元素の濃度が他の領域よりも低い低触媒濃度領域を形成する工程とを包含することを特徴とする。
【0044】
ある実施形態において、前記工程(b)は、前記触媒元素の半導体化合物を結晶核として結晶成長する過程を含み、前記工程(c)は、前記低触媒濃度領域において、前記触媒元素の前記半導体化合物を前記結晶質半導体層中に固溶させる工程を含む。
【0045】
ある実施形態において、前記工程(c)は、前記低触媒濃度領域において、前記触媒元素の前記半導体化合物を実質的に消滅させる工程を含む。
【0046】
ある実施形態において、前記結晶質半導体層は実質的にSiから構成され、前記触媒元素の前記半導体化合物はシリサイドである。
【0047】
ある実施形態において、前記工程(a)において、前記非晶質半導体層は、プラズマCVD法を用いて非晶質半導体層を堆積しながら、前記希ガス元素を該非晶質半導体層に導入することによって形成される。
【0048】
ある実施形態において、前記工程(a)において、前記非晶質半導体層は、非晶質半導体層を成膜した後、該非晶質半導体層に前記希ガス元素をイオンドーピングすることによって形成される。
【0049】
ある実施形態において、前記工程(a)におけるプラズマCVDプロセスは、CVD電極に第1電力を供給すると共に、前記絶縁性表面を有する基板に前記第1電力と異なる第2電力を供給する工程を包含する。
【0050】
ある実施形態において、前記第1電力および前記第2電力は、周波数が互いに異なるRF電力である。
【0051】
ある実施形態において、前記第2電力の周波数は、前記第1電力の周波数よりも低い。
【0052】
ある実施形態において、前記工程(c)は、前記触媒元素を引き寄せる作用を有するゲッタリング領域またはゲッタリング層を形成する工程と、この工程に後に第2の加熱処理を行うことにより、前記結晶質半導体膜に残存する触媒元素を前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層へ移動させる工程とを包含する。
【0053】
ある実施形態において、前記工程(c)の前に、前記結晶質半導体層を所望の形状にパターニングする工程をさらに包含する。所望の形状は、例えば、後に形成するTFTの活性領域(半導体層)に対応する形状である。
【0054】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層は、前記結晶質半導体膜の他の領域よりも多くの非晶質成分を含む。
【0055】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層は、n型導電性を付与する周期表第5族Bに属する不純物元素を含む。
【0056】
ある実施形態において、前記不純物元素は、P、AsおよびSbからなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む。
【0057】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層は、p型導電性を付与する周期表第3族Bに属する不純物元素を含む。
【0058】
ある実施形態において、前記不純物元素は、BおよびAlの少なくとも一方を含む。
【0059】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層は、Ar、KrおよびXeからなる群から選択された少なくとも一種の希ガス元素を、前記非晶質半導体層が含む前記希ガス元素の濃度よりも高濃度で含む。
【0060】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層は、前記非晶質半導体層が含む前記希ガス元素よりも原子番号が大きい少なくとも一種の希ガス元素を含む。
【0061】
ある実施形態において、前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層が含む前記不純物元素および/または前記少なくとも一種の希ガス元素はイオンドーピング法によって導入される。
【0062】
ある実施形態において、前記工程(c)の後で、前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層を除去する工程をさらに包含する。
【0063】
ある実施形態において、前記工程(b)は、前記非晶質半導体膜の一部の領域に選択的に前記触媒元素を付与した後、前記第1の加熱処理を行うことにより、前記触媒元素が選択的に付与された前記一部の領域からその周辺部へと横方向に結晶成長させる工程を包含する。
【0064】
ある実施形態において、前記工程(b)は、前記第1の加熱処理の後に、前記結晶質半導体膜にレーザー光を照射する工程を含む。
【0065】
前記触媒元素は、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、FeおよびCuからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素であることが好ましい。
【0066】
本発明の半導体装置の製造方法は、上記のいずれかにの半導体膜の製造方法によって製造された半導体膜を用意する工程と、前記半導体膜を活性領域に有する薄膜トランジスタを作製する工程とを包含することを特徴とする。
【0067】
ある実施形態において、前記活性領域は、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とを含み、前記薄膜トランジスタを作製する工程は、前記低触媒濃度領域に少なくとも前記チャネル領域を形成する工程を包含する。
【0068】
ある実施形態において、前記薄膜トランジスタを作製する工程は、前記低触媒濃度領域に、前記チャネル領域、前記ソース領域および前記ドレイン領域を形成する工程を包含する。
【0069】
ある実施形態において、前記活性領域は、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域と、LDD領域(低濃度不純物領域)とを含み、前記薄膜トランジスタを作製する工程は、前記低触媒濃度領域に少なくとも前記チャネル領域および前記LDD領域を形成する工程を包含する。
【0070】
ある実施形態において、前記薄膜トランジスタを作製する工程は、前記低触媒濃度領域に、前記チャネル領域、前記ソース領域、前記ドレイン領域、および前記LDD領域を形成する工程を包含する。
【0071】
本発明の半導体装置は、上記のいずれかの半導体膜を活性領域に有する薄膜トランジスタを備えることを特徴とする。
【0072】
ある実施形態において、前記活性領域は、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とを含み、少なくとも前記チャネル領域は前記第1領域に形成されている。
【0073】
ある実施形態において、前記チャネル領域、前記チャネル領域と前記ソース領域との接合領域、および前記チャネル領域と前記ドレイン領域との接合領域は、前記第1領域に形成されている。
【0074】
ある実施形態において、前記チャネル領域と前記ソース領域との前記接合領域および前記チャネル領域と前記ドレイン領域との前記接合領域は、それぞれの接合境界から2μm以下の範囲内にある。
【0075】
ある実施形態において、前記活性領域は、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域と、LDD領域(低濃度不純物領域)とを含み、少なくとも前記チャネル領域およびLDD領域は、前記第1領域に形成されている。
【0076】
ある実施形態において、前記活性領域は、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とを含み、前記チャネル領域は前記第1領域に形成されており、前記ソース領域および前記ドレイン領域は、前記一対の第2領域に形成されている。
【0077】
ある実施形態において、前記活性領域は、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域と、LDD領域(低濃度不純物領域)とを含み、前記チャネル領域およびLDD領域は前記第1領域に形成されており、前記ソール領域および前記ドレイン領域は、前記一対の第2領域に形成されている。
【0078】
ある実施形態において、前記半導体膜の前記チャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記チャネル領域に対向するように形成されたゲート電極とをさらに有し、前記ゲート電極は、W、Ta、TiおよびMoからなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む金属膜から形成されている。
【0079】
本発明の電子機器は、上記のいずれかの半導体装置を備えることを特徴とする。
【0080】
ある実施形態において、電子機器は、複数の画素で構成される表示部を有し、前記複数の画素に前記半導体装置を介して表示信号が供給される。
【0081】
本発明の半導体製造装置は、チャンバーと、前記チャンバー内に半導体材料ガスおよび希ガスを供給するためのガス導入ポートと、前記チャンバー内に設けられたプラズマを発生させるためのCVD電極と、前記チャンバー内に設けられ、基板を受容する基板ホルダーと、前記CVD電極に電力を供給する第1電源と、前記基板ホルダーに電力を供給する第2電源とを有し、前記チャンバーは接地されており、前記CVD電極および前記基板ホルダーは前記チャンバーと電気的に独立しており、且つ、前記CVD電極と前記基板ホルダーとに、互いに独立に電力が供給されることを特徴とする。
【0082】
ある実施形態において、前記第1電源および前記第2電源は、それぞれ、前記CVD電極と前記基板ホルダーとに互いに異なるRF電力を供給する。
【0083】
ある実施形態において、前記第1電源の電力容量は、前記第2電源の電力容量以上である。
【0084】
ある実施形態において、前記第1電源のRF周波数は、前記第2電源のRF周波数よりも高い。
【0085】
ある実施形態において、前記半導体製造装置は、前記チャンバーに直接または真空チャンバーを介して接続された更なるチャンバーを備える。
【0086】
ある実施形態において、前記更なるチャンバーは絶縁膜を堆積するために用いられる。
【0087】
【発明の実施の形態】
本発明者は、何故、上記特許文献1から3などの開示されているゲッタリング技術ではゲッタリングが不十分となり、完全に触媒元素を除去することができないのか、という根本的な疑問をもち、そのメカニズムと原因を詳細に検討した。その結果、ついにその原因をつきとめ、本発明に想到した。その原因解明プロセス、結果、及び本発明の実施形態を以下に説明する。
【0088】
触媒元素としてニッケルを用い、ゲッタリング領域にケイ素膜中の触媒元素を移動させる上記特許文献1から3のような方法を考える。ニッケルの移動は、ニッケルの拡散移動で考えられるが、単純にニッケルのケイ素膜中の拡散係数から考えると、その移動時間はほんの短時間の熱処理で済むことになる。しかし、実際には、高温で長時間のアニール工程が必要であり、拡散係数から算出した値とは全く合わない。これに対して、実際にニッケルは、全てがケイ素膜中に固溶した状態で存在しているのではなく、大部分は析出して存在していることから、これをモデルに取り入れ、ケイ素膜中でのニッケルの固溶度以下においてのみニッケルの拡散移動が行われるというモデルが考えられる。図17を参照しながらこのモデルを説明する。
【0089】
図17のように、局在したNiシリサイドが、シリサイド形態からまず固溶し、格子間Niとしてケイ素膜中を移動するモデルである。図17において、ライン171はNiのケイ素膜中の濃度を示すラインであり、ライン172はNiの固溶度を示すラインである。領域176はまだゲッタリングされていない領域で、固溶度172以上の濃度のNi173がNiシリサイドとして析出している。領域177は、ゲッタリングが行われた領域で、Ni濃度171が固溶度172以下となっている。領域178はゲッタリングサイト(ゲッタリング領域)で、そのゲッタリング能力を無限大とし、ゲッタリングサイトでのNi濃度を0と仮定している。すなわち、図17のように、ゲッタリングのための熱処理温度における固溶度172以下の濃度でNiの濃度勾配174が生じ、ゲッタリングサイト178へと175の方向にNiの拡散移動が行われ、Niシリサイドが消失していく。その結果、ゲッタリングサイトからのゲッタリング距離(領域177の幅)が順次延びていくものであり、現象として実際の実験結果とよく合っている。
【0090】
この理論を元にすると、ゲッタリング距離(領域177の幅)は以下の式で表され、時間tにしたがってゲッタリング距離Lが延びていくことになる。ここで、C0はケイ素膜中のNiの固溶度、Dはケイ素膜中のNiの拡散係数で、それぞれ温度Tの関数となる。C1は、ケイ素膜中の元のNi濃度である。
L=√(2C0・D・t/C1
【0091】
この式を解いた計算結果を図18に示す。図18では、ゲッタリングの熱処理を550℃として計算を行っている。曲線181は、前記計算式に基づいて計算した結果を示しており、ゲッタリングの熱処理時間にしたがってゲッタリング距離は延びていく。これに対して、点182は実験から得られたゲッタリング距離を同時にプロットしてある。実験は、Niシリサイドの残留をフッ化水素酸でエッチングし、そのエッチング穴が存在するかどうかでゲッタリング距離を確認した。ゲッタリング領域には、リンに加えボロンもドーピングすることで、そのゲッタリング能力を高めている。また、ゲッタリングの熱処理は勿論550℃で行っている。図18からわかるように、実験値182と理論値181は非常によく一致しており、Niのゲッタリング移動に関して、前記の理論的考察がほぼ正しいと考えられる。
【0092】
ところが、実際に色々な条件において、ゲッタリング距離を調べていると、理論値に合わない場合も多い。一つは、ゲッタリング領域の能力が不十分な場合で、ゲッタリング能力を無限大と仮定している前記理論値からの乖離が生じる。しかしながら、問題は十分なゲッタリング能力を有するゲッタリング領域を形成しても、ゲッタリング距離が理論値に比べ著しく短い場合があることである。これが、前記課題である従来の技術では十分に触媒元素をゲッタリングできず、部分的にTFTオフ時のリーク電流の異常を完全に抑えることができていない根本原因である。
【0093】
本発明者は、この原因を調査し、特に触媒元素の添加し結晶成長させる際の温度の違いで、大きな差が見られることを見つけた。その実験結果を図19に示す。ゲッタリングの熱処理は550℃、4Hとし、その時のゲッタリング距離を前記方法で調べたものである。横軸は、触媒元素を用い結晶化させるとき(第1の加熱処理)の熱処理温度を示す。このときの熱処理時間は4時間で一定としている。前記理論により計算したこのときのゲッタリング距離191は約20μmで、結晶化温度によらず一定値であるが、実際の実験値192は結晶化の熱処理温度に大きく依存し、結晶化時の加熱処理温度が上がると著しく低下する。
【0094】
これは、結晶成長後のNiシリサイドの偏析状態が、結晶時の加熱処理温度によって異なっていることが原因と考えられる。図20に、結晶化の加熱処理後、フッ化水素酸でNiシリサイドをエッチングし顕在化させたときの光学顕微鏡写真を示す。写真に見られる黒い点は、Niシリサイドがエッチングされ下地層に大きなダメージが加わることにより顕在化されたエッチピット(微細なあな)である。結晶化時のアニール温度が、550℃、575℃、600℃の場合を示しているが、このときの温度が高いほど、個々のNiシリサイドのエッチピットが大きくなっているような傾向が見られる。すなわち、結晶化時の熱処理温度が高いほど、全体的に個々のNiシリサイドの大きさが大きくなっていると考えられる。
【0095】
実際には、このように結晶成長後に局在しているNiシリサイド(触媒元素の半導体化合物)は、膜中において様々な大きさのものが分布している。特に大きなものもあれば、比較的小さなものもある。前述の結晶成長時の温度は、この全体的な大きさ(平均値)に影響している。従来の技術では550℃以下の温度で結晶化を行っても実際に0.数%程度のTFT不良が発生し十分な製造歩留まりが得られない。本発明は結晶化時の温度に言及するものではないが、上述の結晶化温度の実験は、前記従来の課題を解決するための大きなヒントを与えてくれた。
【0096】
すなわち、ゲッタリングが見かけ上、ほぼ完全に行われるような条件でも、未だNi起因のTFT不良が発生する原因は、膜中でばらついて存在しているNiシリサイドの大きさにある。このメカニズムを図21を参照しながら説明する。図21の円251に示すのが大きな塊のNiシリサイドを模式的に示し、円252は小さな塊のNiシリサイドを模式的に示している。ゲッタリング移動のメカニズムを図17を用いて説明したが、これは、局在したNiシリサイドがシリサイド形態からまず固溶し、格子間Niとしてケイ素膜中を移動するモデルである。すなわち、ゲッタリングのためには、まずNiシリサイドをケイ素膜格子間に固溶させなくてはならない。このモデルに基づいた前記式では、このときのNiシリサイドを固溶させるために必要な時間は初期のニッケル濃度だけで考えているが、実際には図21の矢印253に示すように二次元的な固溶が生じている。したがって、その固溶時間はシリサイドの大きさ(半径254)により異なり、その半径254が大きいほど固溶させるためにより長時間の熱処理が必要である。よって、実際のゲッタリングに必要な時間は、さらにシリサイドの半径254に依存した固溶時間に関する項が加算される必要がある。
【0097】
従来技術の根本的な原因としては、特に大きなNiシリサイドの塊が存在すると、その塊を固溶させるために長時間を費やし、ゲッタリングの熱処理時間内でその大きさは徐々に小さくはなるが、所定の熱処理時間が終了しても未だNiシリサイドとして残り、見かけ上ゲッタリングされていないことであることがわかった。結晶成長後のNiシリサイド(触媒元素化合物)の大きさは膜中でばらついて存在しており、特に半径が大きなシリサイドが従来法では十分にゲッタリングできずに残り、それが0.数%程度の確率で未だTFT不良を引き起こしている原因となっているのである。
【0098】
本発明者は、このような実験結果に基づき、ゲッタリング工程そのものではなく、その前の結晶化工程を改善することによって、十分なゲッタリング効果を得ることができるのでは無いかと考えた。すなわち、ゲッタリング工程前に、どれだけ触媒元素の半導体化合物(上記の例ではシリサイド)の析出物やその塊を小さく分散させられるかということに注目した。なぜなら、以上のモデルから考えると、半導体膜に析出している触媒元素の半導体化合物の塊を如何に小さくできるかが、後のゲッタリング工程でのゲッタリング効果に大きく影響するからである。結晶成長工程における触媒元素の半導体化合物の析出を小さく分散させ、個々の触媒元素の半導体化合物の塊の大きさをできる限り小さく抑えることによって、ゲッタリング効果を高めることができるはずであると考えた。
【0099】
しかしながら、触媒元素の半導体化合物の析出物が小さく分散された状態を実際に作り出すのは非常に難しい。図19に示したように、結晶化時の加熱処理温度を下げて、加熱時間を延ばすことによって、ゲッタリング効果を高めることができるが、スループットが低下するので、量産に適用することは難しい。そこで、本発明者は、種々の実験を試み、結晶化温度以外のプロセスパラメータで、前述の触媒元素の半導体化合物の析出物を小さく分散させ、個々の塊を小さくできる方法を見出した。その結果、触媒元素を従来よりも効率良くゲッタリングし、従来よりも触媒濃度の低い結晶質半導体層を製造することに成功した。この方法を用いて作製された結晶質半導体層を活性領域(少なくともチャネル領域)に有するTFTを備えるアクティブマトリクス基板を作製し、液晶表示パネルに適用したところ、触媒元素起因の不良は従来よりも一桁以上低下し、今までに無い高い歩留まりを達成できた。
【0100】
本発明の半導体膜の製造方法は、(a)絶縁性表面上に希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する工程と、(b)非晶質半導体層に結晶化を促進する触媒元素を付与した後、第1の加熱処理を行うことにより、非晶質半導体層を結晶化し、結晶質半導体層を得る工程と、(c)結晶質半導体層中に存在する触媒元素の残存する触媒元素の少なくとも一部を移動させることによって、結晶質半導体層に触媒元素の濃度が他の領域よりも低い低触媒領域を形成する工程(「ゲッタリング工程」ということもある。)とを包含する。工程(b)において、触媒元素は半導体化合物を形成し、この半導体化合物が結晶核となって半導体の結晶が成長する。本発明の半導体装置の製造方法は、上記の触媒元素の濃度が低減された結晶質半導体膜を用いて、TFTの少なくともチャネル領域を形成することを特徴とする。
【0101】
本発明の半導体膜の製造方法において、非晶質半導体層は希ガス元素を含んでいるので、触媒元素を付与することによって形成される触媒元素の半導体化合物の塊は、希ガス元素を含んでいない非晶質半導体層において形成される触媒元素の半導体化合物の塊よりも小さく、容易に半導体膜中に固溶し、ゲッタリング領域またはゲッタリング層に効率的に移動させることができる。その結果、残存する触媒元素の濃度が従来よりも低い結晶質半導体層を製造することができる。結晶質半導体層の触媒元素の濃度が低下された領域は、触媒元素の半導体化合物を実質的に含まず、ほほ全ての触媒元素が半導体層中に固溶した状態となり得る。
【0102】
工程(c)は、半導体膜の一部の領域に触媒元素を引き寄せる作用を有するゲッタリング領域を設け、半導体膜に含まれる触媒元素をゲッタリング領域に移動させることによって、ゲッタリング領域に隣接する領域の触媒元素の濃度を低下させる方法を採用しても良い。あるいは、工程(c)は、半導体膜上にゲッタリング層を設け、半導体膜に含まれる触媒元素をゲッタリング層に移動させることによって、ゲッタリング層に接触する領域の触媒元素の濃度を低下させる方法を採用しても良い。ゲッタリング領域およびゲッタリング層は、必要に応じて除去してもよい。例えば、半導体膜のほぼ全体にゲッタリング層を設け、触媒元素をゲッタリング層へ移動させた後、ゲッタリング層を除去すると、ほほ全ての領域に亘って触媒濃度が従来よりも低下された結晶質半導体層を得ることができる。すなわち、結晶質半導体層の一部を低触媒濃度領域とすることもできるし、結晶質半導体層のほぼ全面を低触媒濃度領域とすることもできる。
【0103】
上述の方法によって製造される本発明の半導体膜は、絶縁性表面上に形成された半導体膜であって、ほぼ全体に亘って希ガス元素を含み、その少なくとも一部に、結晶質を有し、且つ、半導体の結晶化を促進する触媒元素を含む少なくとも1つの領域を含む。上記少なくとも1つの領域における触媒濃度は従来よりも低く、従来の結晶質半導体層より優れた特性を有しており、これを活性領域(半導体層:少なくともチャネル領域)としてTFTを作製することによって、従来よりも特性の優れたTFTを得ることができる。
【0104】
本発明では、希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成し、これに触媒元素を添加して結晶化する。本発明者は、希ガス元素を含ませることによって、結晶化後の触媒元素の半導体化合物の析出物をより小さく分散させ、個々の塊を小さくできることを見出した。このようにして得られた結晶質半導体層に対してゲッタリング工程を行うことよって、これらの小さく分散した触媒元素の半導体化合物は容易に半導体膜中に固溶し、塊は消失する。すなわち、従来の結晶質半導体層に見られていた局所的な触媒元素の半導体化合物(例えば、NiSi2やNiSi、Ni2Si)の残留は、ほぼ皆無となる。その結果、本発明による結晶質半導体層(低触媒濃度領域)を少なくともチャネル領域に用いると、TFTにおけるオフ動作時のリーク電流不良も大きく改善することができる。本発明の結晶質半導体層(低触媒濃度領域)はチャネル領域およびチャネル領域とソース領域/ドレイン領域との接合部近傍を含む領域に用いることが好ましい。さらに、TFTの活性領域(チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域を含む)の全体を本発明の結晶質半導体層(低触媒濃度領域)を用いて形成しても良い。
【0105】
次に、図22を参照しながら本発明者が行った実験結果を説明する。
【0106】
図22は、触媒元素としてNiを用いた際のNi濃度と結晶核発生密度との関係を示すグラフである。ここでは半導体膜としてはケイ素膜を用いている。横軸は、Ni添加後に全反射蛍光X線分析(TRXRF)により測定されたケイ素膜表面上のNiの面密度で、Niの添加量を示している。縦軸は、Niが添加された非晶質ケイ素膜を加熱し結晶化させる際の核発生密度であり、1μm2当りの結晶核の発生数を表す。結晶核発生密度は、結晶化途中の状態(ここでは、550℃、10分)で加熱処理を止め、そのときに生成している結晶核を光学顕微鏡で観察し、一定の範囲内でその数を数えて算出した。図22において、ライン261は従来の希ガス元素が含まれていない非晶質ケイ素膜を用いた場合の結果を示し、ライン262は希ガス元素を含む非晶質ケイ素膜を用いた場合の結果を示している。希ガス元素としてはアルゴンを用い、ケイ素膜中の濃度は2.3×1017atoms/cm3である。
【0107】
図22からわかるように、Niの添加量を上げると、結晶核の発生密度は上昇する。これは、Niがケイ素膜と反応してNiシリサイドを形成し、それを核として結晶成長する訳であるから、Ni量が多いほど結晶核も増えるのは当然のことである。ここで注目すべき点は、同一のNi添加量で比較すると、Arが含まれる非晶質ケイ素膜の方が、希ガス元素を含まない非晶質ケイ素膜よりも格段に結晶核の発生密度が高く、その値は約3倍にもなっていることである。
【0108】
Niの添加量は少ないほど良いが、限界があり、結晶核の発生密度がライン263で示す値を下回ると結晶成長の不良が発生し始める。この結晶成長の不良というのは、結晶核の発生密度が低すぎるため、結晶核から成長した結晶粒が互いにぶつかり合って膜全体を結晶質領域とすることができなくなり、結晶領域(結晶粒)の間に非晶質領域が残存することを示している。このような状態では、半導体膜内におけける結晶性の程度のバラツキが大きく、到底半導体装置に使用できるものではない。
【0109】
ライン263で示した値(1×10-2個/μm2)以上の密度で結晶核を生成させるために必要なNi添加量の限界最小値は、希ガス元素を含まない非晶質ケイ素膜では、ライン261と263の交わった点で、約5.5×1012atoms/cm2であるのに対し、希ガス元素を含む非晶質ケイ素膜では、ライン262と262との交点で、1.8×1012atoms/cm2程度となる。すなわち、希ガス元素を含む非晶質ケイ素膜では、従来の希ガス元素を含まない場合に比べて、実に1/3にまで、触媒元素量を低減することが可能となる。
【0110】
このように、希ガス元素を導入することによって、所定の密度の結晶核を生成させるのに必要な触媒元素の添加量を大きく低減できるので、このことだけでも、最終的に結晶質半導体層に残存する触媒量を低減できるという利点が得られる。
【0111】
非晶質半導体膜に希ガス元素を導入することによって、上記利点に加えて、さらに、以下に説明する利点を得ることもできる。すなわち、非晶質半導体層を結晶化し得られた結晶質半導体層中に凝集し析出している触媒元素の半導体化合物の状態が、後のゲッタリング工程において移動されやすい(ゲッタリングされやすい)状態にあるということである。
【0112】
希ガス元素を導入することによって、希ガス元素を導入していない場合に比べ、同一の触媒元素添加量で核発生密度が3倍になるということは、個々の結晶核を形成するNi量が1/3の量になっているということである。個々の結晶核は、従来の1/3の量の触媒元素によって発生される結果、最終的に結晶粒境界に凝集析出する触媒元素の量も1/3となり、析出している触媒元素の半導体化合物の大きさも1/3となる。従って、結晶質半導体層に残存する触媒は、後のゲッタリング工程においてゲッタリングされ易い状態にあるわけである。
【0113】
結晶化工程後に半導体膜中に凝集析出している触媒元素の半導体化合物の配置分布や大きさに関しては、半導体膜をフッ化水素酸に晒すことで簡易的に確認できる。触媒元素の半導体化合物は、フッ化水素酸により選択的に除去されるため、結晶化させた半導体膜をフッ化水素酸に晒すことで、触媒元素の半導体化合物がエッチングされた微小穴(エッチピット)として顕在化され、そのエッチピットにより触媒元素の半導体化合物の分布及び大きさを確認できる。但し、このときのフッ化水素による処理時間が長いと、半導体膜下の層の絶縁体へのエッチングダメージが深刻となり、エッチピットが大きくなるので注意が必要である。
【0114】
図23に、フッ化水素酸で顕在化した後の結晶質半導体層の表面の走査型電子顕微鏡(SEM)画像写真を示す。図23(A)は、希ガス元素を含まない非晶質ケイ素膜にNiを添加し結晶化した結晶質ケイ素膜のもので、比較的大きなエッチピット、すなわちNiシリサイドの凝集が生じているのがわかる。これに対して、図23(B)は、希ガス元素としてArを含む非晶質ケイ素膜にNiを添加し結晶化した結晶質ケイ素膜のもので、図23(A)に比べて大きなエッチピット(Niシリサイドの凝集)は見られず、個々のNiシリサイドがより小さな塊で細かく分散していることがわかる。このSEM写真は一例であるが、本発明者はより広範囲の領域に亘って観測し、同様の結果を得ている。
【0115】
希ガス元素を含む非晶質半導体層に触媒元素を添加し結晶化させる際、希ガス元素がどのように作用し、このような状態を作り出しているかは、今のところよくわかっていないが、本発明者は次のようなモデルを考えている。
【0116】
非晶質ケイ素膜に添加された触媒元素は、結晶化時の加熱処理(典型的にはレーザービーム照射)において、初期の段階(昇温過程も含め)で非晶質半導体層中を拡散し、ある程度の集まり(クラスター)を形成して半導体化合物となり、結晶核を生成する。この加熱処理の初期段階で触媒元素がケイ素膜中を十分に拡散できれば、大きなクラスターを形成し、それぞれが大きな結晶核となり、その結果、核発生密度は低下する。逆に、触媒元素が十分に拡散できなければ、小さなクラスターしか形成できず、その代わりに小さな結晶核が多数形成され、核発生密度は上昇する。すなわち、非晶質半導体層中に含まれる希ガス元素は、この結晶化の加熱処理の初期の段階で、触媒元素の半導体膜中での拡散を阻害するように作用しているのではないかと考えられる。
【0117】
本発明の実施形態において、TFTの活性領域(少なくともチャネル領域)を構成する結晶質半導体層としては、ケイ素を主成分とする半導体膜が好ましい。本発明の実施形態の製造方法においては、絶縁性表面上に形成する希ガス元素を含む非晶質半導体層として非晶質ケイ素膜を用い、触媒元素の半導体化合物はシリサイド化合物であることが好ましい。勿論、ケイ素膜以外にもゲルマニウム膜やシリコン−ゲルマニウム膜等も利用可能であるが、直接遷移型のゲルマニウムよりも間接遷移型のケイ素膜の方が、TFTのオフ特性が優れており、また材料としても取り扱いが容易である。
【0118】
また、ゲッタリング工程では、析出している触媒元素の半導体化合物を結晶質半導体層中に一旦固溶させ、移動させる方法をとることで、半導体膜中において細かく分散し析出している小さな塊の触媒元素の半導体化合物を効率的に消滅させることができる。また、半導体膜中に希ガス元素を導入することによって、触媒元素の半導体化合物に加えて、結晶質半導体層中に固溶した状態で存在する触媒元素の濃度を低下させることができる。半導体膜中に固溶した状態で存在している触媒元素は、化合物状態の触媒元素に比べてTFT特性に対する影響は小さいが、TFT駆動時において化合物状態となり再析出する場合もあるため、固溶状態の触媒元素の濃度を低下させることが好ましく、半導体膜中の固溶度(溶解限界濃度)よりも一桁以上は低下させておくことが好ましい。
【0119】
本発明の好ましい実施形態による半導体装置の製造方法は、絶縁性表面上に希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する第1の工程と、非晶質半導体層にその結晶化を促進する触媒元素を添加する第2の工程と、第1の加熱処理を行うことにより非晶質半導体層を結晶化し結晶質半導体層とする第3の工程と、結晶質半導体層の一部に触媒元素を引き寄せる効果をもつゲッタリング元素を添加する第4の工程と、第2の加熱処理を行い結晶質半導体層に存在する触媒元素をゲッタリング元素が添加されたゲッタリング領域へと移動させる第5の工程と、ゲッタリング元素が添加された領域以外の領域の結晶質半導体層を用いてTFTの活性領域(半導体層)あるいは活性領域内のチャネル領域を形成する第6の工程とを包含する。
【0120】
あるいは、絶縁性表面上に希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する第1の工程と、非晶質半導体層にその結晶化を促進する触媒元素を添加する第2の工程と、第1の加熱処理を行い非晶質半導体層を結晶化し結晶質半導体層とする第3の工程と、結晶質半導体層の上に触媒元素を引き寄せる効果をもつゲッタリング層を形成する第4の工程と、第2の加熱処理を行い結晶質半導体層に存在する触媒元素を前記ゲッタリング層へと移動させる第5の工程と、結晶質半導体層を用いてTFTの活性層(少なくともチャネル領域)を形成する第6の工程とを包含する。
【0121】
これらの方法により得られた半導体装置は、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域(少なくともチャネル領域)としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域を含む活性領域(半導体層)と、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極とを含む。活性領域(少なくともチャネル領域)は、希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含む結晶質の半導体層である。少なくともチャネル領域を構成する結晶質半導体層は、実質的に全ての触媒元素が半導体膜中に固溶した状態で存在していることが好ましい。
【0122】
ここで、非晶質半導体層に触媒元素を添加する第2の工程は、触媒元素として、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、Fe、Cuから選ばれた一種または複数種の元素を用いることが望ましい。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果がある。それらの中でも、特にNiを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合しシリサイド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構造が、非晶質ケイ素膜の結晶化時に一種の鋳型のように作用し、非晶質ケイ素膜の結晶化を促す。Niは2つのSiとNiSi2を形成する。NiSi2は螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、NiSi2はその格子定数が5.406Å(0.5406nm)であり、結晶シリコンのダイヤモンド構造での格子定数5.430Å(0.5430nm)に非常に近い値をもつ。よって、NiSi2は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最適なものであり、本発明における触媒元素としては、特にNiを用いるのが最も望ましい。
【0123】
このような触媒元素を用いて本発明の半導体装置を作製した結果として、本発明の半導体装置では、活性領域には非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素として、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、Fe、Cuから選ばれた一種または複数種の元素が存在している。また、そのときの活性領域中の触媒元素濃度は、1×1014〜1×1017atoms/cm3程度の範囲内にまで低減されており、その結果としてゲッタリング領域あるいはゲッタリング層の触媒元素濃度が2〜4桁上昇している。
【0124】
また、本発明における他の製造方法は、絶縁性表面上に希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する第1の工程と、非晶質半導体層にその結晶化を促進する触媒元素を添加する第2の工程と、第1の加熱処理を行うことにより非晶質半導体層を結晶化し結晶質半導体層とする第3の工程と、(例えばエッチング法を用いて)結晶質半導体層をパターニングして後のTFTの活性領域(半導体層)を形成する第4の工程と、活性領域のソース領域およびドレイン領域に触媒元素を引き寄せる効果をもつゲッタリング元素を添加する第5の工程と、第2の加熱処理を行い活性領域中の触媒元素をチャネル領域からゲッタリング元素が添加されたソース領域およびドレイン領域へと移動させる第6の工程とを少なくとも有する。この方法の場合、上記の製造方法に比べて、活性領域のソース・ドレイン領域を利用してゲッタリングを行うため、ゲッタリング工程に対して、専用の余分な負荷工程を設ける必要が無く、プロセスの簡略化及び短縮化が行える。なぜなら、この方法では、第2の加熱処理を利用して、ゲッタリングとソース・ドレイン領域の活性化を同時に行うことができるからである。
【0125】
この方法により得られる半導体装置は、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、且つ、活性領域には希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域の少なくともチャネル領域においては、実質的に全ての触媒元素が半導体膜中に固溶していることが好ましい。このとき、触媒元素の濃度は、結晶質半導体層の固溶度よりも1桁以上低いことが更に好ましい。
【0126】
さらに他の実施形態の半導体装置は、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域には希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域の少なくともチャネル領域とソース領域およびドレイン領域との接合部近傍においては、実質的に全ての触媒元素が半導体膜中に固溶している状態で存在している。
【0127】
他の実施形態の半導体装置は、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域は、希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域のソース領域およびドレイン領域は、チャネル領域よりも触媒元素が高濃度で存在している。
【0128】
また、さらに他の実施形態の半導体装置は、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域は希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域のソース領域およびドレイン領域は、チャネル領域とソース領域およびドレイン領域との接合部近傍よりも触媒元素が高濃度で存在している。
【0129】
すなわち、ソース・ドレイン領域にゲッタリング元素を添加し、第2の加熱処理により活性領域中の触媒元素を後のチャネル領域からソース・ドレイン領域へと移動させる方法を用いた場合、得られる半導体装置では、その活性領域のソース領域およびドレイン領域には、触媒元素が1×1018〜1×1020atoms/cm3の濃度で存在している。これに対して、このときのチャネル領域中あるいはチャネル領域とソース領域およびドレイン領域との接合部近傍の触媒元素濃度は、1×1014〜1×1017atoms/cm3程度の範囲内にまで低減されている。ここで、活性領域のチャネル領域とソース領域およびドレイン領域との接合部近傍とは、チャネル領域とソース領域およびドレイン領域との接合境界よりそれぞれ2μmの範囲内の領域であることが好ましい。これは、接合部での電界集中の影響が、接合部より2μmの範囲内では生じているからである。
【0130】
また、さらに他の実施形態の半導体装置は、活性領域のソース領域およびドレイン領域には、n型を付与する周期表第5族Bに属する不純物元素が含まれている。あるいは、活性領域のソース領域およびドレイン領域には、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)から選ばれた一種または複数種類の希ガス元素が、活性領域内の他の領域よりも高濃度で含まれている。あるいは、活性領域のソース領域およびドレイン領域には、活性領域内に含まれる希ガス元素よりも、原子番号が大きい一種または複数種類の希ガス元素が含まれている。これは、周期表第5族Bに属する不純物元素やAr、Kr、Xe等の希ガス元素がゲッタリング元素として機能するからである。ゲッタリング元素として希ガス元素を用いる場合、本発明による半導体層は活性領域内のチャネル領域にも希ガス元素を含むため、チャネル領域からソース・ドレイン領域へと触媒元素を移動させるためには、チャネル領域に含まれる希ガス元素濃度よりもソース・ドレイン領域の希ガス元素濃度を高くしておくことが好ましい。また、希ガス元素をゲッタリング元素として用いた際のゲッタリング効率は原子番号(原子量)が大きいほど高いので、活性領域にもともと含まれている希ガス元素よりも、原子番号の大きい希ガス元素をゲッタリング元素としてソース・ドレイン領域に導入するのも効果的である。ゲッタリング元素についての詳細は後述する。
【0131】
また、本発明による他の実施形態の製造方法は、絶縁性表面上に希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する第1の工程と、非晶質半導体層にその結晶化を促進する触媒元素を添加する第2の工程と、第1の加熱処理を行うことにより前記非晶質半導体層を結晶化し結晶質半導体層とする第3の工程と、結晶質半導体層をパターニング(例えばエッチング)して後のTFTの活性領域(半導体層)を形成する第4の工程と、活性領域内のチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域以外の領域に、触媒元素を引き寄せる効果をもつゲッタリング元素を添加しゲッタリング領域を形成する第5の工程と、第2の加熱処理を行い、活性領域中の触媒元素をチャネル領域及びソース領域、ドレイン領域からゲッタリング領域へと移動させる第6の工程とを少なくとも有する。
【0132】
ここでさらに、第5の工程におけるゲッタリング領域の形成は、ゲッタリング領域がソース領域および/あるいはドレイン領域と隣接し、活性領域において電子または正孔が移動する領域以外で行われ、この工程後、ソース領域およびドレイン領域において各TFTを電気的に接続する配線を形成する工程を含み、配線形成工程は配線がソース領域およびドレイン領域の少なくとも一部の領域を含むようにして接続されるよう行われる。この方法でも、第2の加熱処理を利用して、ゲッタリングとソース・ドレイン領域の活性化を同時に行うことができ、ゲッタリング工程に対して、専用の余分な負荷工程を設ける必要が無く、プロセスの簡略化及び短縮化が行える。さらに、活性領域内にソース・ドレイン領域とは別に専用のゲッタリング領域を設けるため、ソース・ドレイン領域をそのままゲッタリング領域と兼用する前述の方法と比べて、ゲッタリング領域を最適化することができる。なぜなら、ソース・ドレイン領域をゲッタリング領域と兼用する前述の方法では、ソース・ドレイン領域としての機能(特に低抵抗)を保つ必要があり、これによる制約が大きいからである。但し、ゲッタリング領域の配置は、前述のように少なくとも活性領域においてキャリア(電子または正孔)の移動を妨げないように配置されることが好ましい。
【0133】
この製造方法により得られる半導体装置は、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域、ゲッタリング領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域には希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域の少なくともチャネル領域においては、実質的に全ての触媒元素が半導体膜中に固溶している状態で存在していることが好ましい。
【0134】
あるいは、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域、ゲッタリング領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域には希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域の少なくともチャネル領域とソース領域およびドレイン領域との接合部近傍においては、実質的に全ての触媒元素が半導体膜中に固溶している状態で存在する構成としてもよい。
【0135】
あるいは、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域、ゲッタリング領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域には希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域の少なくともチャネル領域とソース領域およびドレイン領域においては、実質的に全ての触媒元素が半導体膜中に固溶している状態で存在していることが好ましい。
【0136】
また、別の視点から、ゲッタリング領域との位置関係に注目して見ると、本発明のある実施形態の半導体装置は、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域、ゲッタリング領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域には希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域のゲッタリング領域は、チャネル領域よりも触媒元素が高濃度で存在している。
【0137】
あるいは、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域、ゲッタリング領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域には希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、活性領域のゲッタリング領域は、チャネル領域とソース領域およびドレイン領域との接合部近傍よりも触媒元素が高濃度で存在している。
【0138】
あるいは、絶縁性表面上に形成された結晶質半導体層を活性領域としたTFTで構成される半導体装置であって、TFTは、絶縁性表面上にチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域、ゲッタリング領域を含む活性領域(半導体層)、活性領域上のゲート絶縁膜およびゲート絶縁膜上のゲート電極を含み、活性領域には希ガス元素と非晶質半導体層の結晶化を促進する触媒元素とを含み、前記活性領域のゲッタリング領域は、チャネル領域とソース領域およびドレイン領域よりも触媒元素が高濃度で存在している。
【0139】
さらに、これらの半導体装置においては、活性領域におけるゲッタリング領域は、ソース領域および/あるいはドレイン領域と隣接し、活性領域において電子または正孔が移動する領域以外に形成されており、ソース領域およびドレイン領域において各TFTを電気的に接続する配線が、ソース領域およびドレイン領域の少なくとも一部の領域を含むようにして接続されている。
【0140】
すなわち、活性領域内にソース・ドレイン領域とは別に専用のゲッタリング領域が設けられ、その領域はTFT完成後も維持されている。これは、前記製造方法の結果として得られる構造というだけでなく、素子内に常にゲッタリング領域を設けておくこと自体が優位性をもつ。すなわち、素子内にゲッタリング領域を有しない場合は、TFTの駆動で少なからず熱が発生し、まれに、残留している固溶度以下の濃度の触媒元素から新たに半導体化合物の析出を生じる場合があるからである。この点で、半導体装置完成後も、活性領域内に強力なゲッタリング領域を有する構造とすることは、TFT駆動時にもゲッタリング能力を有し、このような析出を生じさせにくい。さらに、そのゲッタリング領域は、専用として最適化できるため、強力なゲッタリング能力を持たせることができる。その結果、TFTの信頼性をより高めることができる。但し、ゲッタリング領域は抵抗等の特性を無視してゲッタリングのために最適化するため、ゲッタリング領域の配置は、前述のように少なくとも活性領域においてキャリア(電子または正孔)の移動を妨げないように配置されることが望ましい。
【0141】
このように、ゲッタリング領域にゲッタリング元素を添加し、第2の加熱処理により活性領域中の触媒元素をゲッタリング領域へと移動させる方法を用いた場合、得られる半導体装置では、その活性領域のゲッタリング領域には、触媒元素が1×1018〜1×1020atoms/cm3の濃度で存在している。これに対して、このときのチャネル領域中、あるいはチャネル領域とソース・ドレイン領域との接合部近傍、あるいはチャネル領域とソース・ドレイン領域全域の触媒元素濃度は、1×1014〜1×1017atoms/cm3程度の範囲内にまで低減されている。
【0142】
また、活性領域のゲッタリング領域は、活性領域内の他の領域に比べて非晶質成分をより多く含むことが望ましい。この非晶質成分の含有度合いは、各領域に対して顕微レーザーラマン分光測定を行うことで判別でき、ゲッタリング領域は、活性領域内の他の領域に比べて、このラマン分光スペクトルにおける非晶質SiのTOフォノンピークPaと結晶SiのTOフォノンピークPcとの比Pa/Pcが大きいことが好ましい。
【0143】
ゲッタリング領域のメカニズムとしては、その領域での触媒元素に対する固溶度を他の領域より上げて、そこへ触媒元素を移動させる作用(第1のゲッタリング作用)と、触媒元素をトラップするような欠陥あるいは局所的な偏析サイトを形成し、そこに触媒元素を移動させトラップさせる作用(第2のゲッタリング作用)とがある。すなわち、前記活性領域のゲッタリング領域を、前記活性領域内の他の領域に比べて非晶質成分をより多く含むよう構成することで、前記第2のゲッタリング作用の効果を引き出すことができる。この状態は、TFT完成後も維持することがポイントで、非晶質状態となっているゲッタリング領域を工程途中で結晶化してしまうと、その後のゲッタリング作用は小さくなり、加熱処理で一旦移動させた触媒元素が、その後の工程で逆流することがある。また、製造工程内でこのような触媒元素の逆流がないようにしたとしても、TFTの駆動で少なからず熱が発生し、一旦ゲッタリング領域に移動させた触媒元素が、TFT駆動時にチャネル領域へと逆流し、信頼性において問題が生じる場合が見られる。したがって、TFTの活性領域においてゲッタリング領域を設ける場合には、その領域はTFT完成時においても非晶質状態として維持し、常にゲッタリング工程時と同レベルのゲッタリング能力を保つようにしておくことが望ましい。
【0144】
また、このような半導体装置構成及びその製造方法では、TFT活性領域中にソース領域およびドレイン領域とは別にゲッタリング領域を有し、そのゲッタリング領域はTFTのキャリア(電子または正孔)の移動を妨げないように、それらが移動する領域以外に形成されているため、ソース・ドレイン領域はゲッタリングに左右されず、分離した工程としてn型不純物やp型不純物の添加量を最適に設定することができる。すなわち、ゲッタリング領域を非晶質成分を含んだまま構成しても、それに伴う高抵抗の影響をTFTとしては全く受けない。その結果、プロセスマージンが拡がると共に、ドーピング装置のスループットを大きく向上することができ、さらにはソース・ドレイン部を低抵抗化でき、TFTのオン特性を向上できる。
【0145】
また、活性領域中のゲッタリング領域には、n型を付与する周期表第5族Bに属する不純物元素と、p型を付与する周期表第3族Bに属する不純物元素と、が含まれていることが好ましい。あるいは、活性領域のゲッタリング領域には、Ar、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素が、活性領域内の他の領域よりも高濃度で含まれていることが好ましい。あるいは、活性領域のゲッタリング領域には、活性領域内に含まれる希ガス元素よりも、原子番号が大きい一種または複数種類の希ガス元素が含まれていることが好ましい。これは、前述のように、周期表第5族Bに属する不純物元素やAr、Kr、Xe等の希ガス元素がゲッタリング元素としての機能を有するからであり、希ガス元素に関しては原子番号(原子量)が大きいほどそのゲッタリング効果が高いからである。
【0146】
また、以上述べた半導体装置構成の内、活性領域のソース・ドレイン領域にゲッタリング元素を添加し、その領域に触媒元素を熱的に移動させる方法と、活性領域中に専用のゲッタリング領域を形成し、その領域に触媒元素を熱的に移動させる方法では、ソース・ドレイン領域の活性化を兼ねて、ゲッタリングのための第2の加熱処理が行われる。すなわち、ゲート電極が形成された後に第2の加熱処理が行われるため、ゲート電極の材料としては、耐熱性の高い高融点金属であるW、Ta、Ti、Moから選ばれた元素、または前記元素の合金材料の一種または複数種から選別されることが望ましい。
【0147】
さて、本発明の半導体装置の活性領域に存在する希ガス元素、すなわち本発明の半導体膜の製造方法において、非晶質半導体層が含む希ガス元素は、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)から選ばれた一種または複数種類の元素であることが望ましい。これらの希ガス元素であれば、前述のような本発明の効果は特に高く、結晶化時の結晶核の発生密度を高め、触媒元素の添加量を大きく低減でき、さらに結晶化後に凝集し析出している触媒元素の半導体化合物を細かく分散させ、個々の塊の大きさを小さくでき、後のゲッタリング工程で非常にゲッタリングされ易い状態を形成することができる。
【0148】
また、本発明において、半導体装置の活性領域(少なくともチャネル領域)における希ガス元素の濃度としては、5×1016atoms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下の範囲内であることが望ましい。図24に示す本発明者が希ガス元素の濃度に対して行った実験データを参照しながら、希ガス元素の好ましい濃度範囲を説明する。ここでは、半導体膜としてケイ素膜を用い、触媒元素としてはニッケルを用い、希ガス元素としてはアルゴンを用いている。
【0149】
図24(A)は、ケイ素膜中のAr濃度と結晶化時の結晶核発生密度との関係を示している。なお、縦軸の結晶核発生密度については、図22と同じ方法で測定した。また、図24(B)は、ケイ素膜中のAr濃度と結晶化後に析出している触媒元素化合物(Niシリサイド)の大きさとの関係を示している。Niシリサイドの大きさに関しては、顕在化するためのフッ化水素酸処理を施し、図23に示すようなSEM観察を行い、エッチピットとして個々の大きさを計測した。図24(A)及び図24(B)において、左端のデータ点は、希ガス元素を含んでいないケイ素膜の結果をプロットしており、Ar濃度は測定下限以下であった。
【0150】
図24(A)から、ケイ素膜中にArを添加しても、その濃度が5×1016atoms/cm3(ライン271)よりも低いと核発生密度を高めるような作用が認められないことがわかる。Ar濃度が、5×1016atoms/cm3(ライン271)以上になると、核発生密度の顕著な増大が認められる。すなわち、非結晶ケイ素膜に導入する希ガス元素の濃度は5×1016atoms/cm3以上であることが好ましいことがわかる。
【0151】
図24(B)からわかるように、Niシリサイドの大きさは、同一条件でも小さなものから大きなものまで非常にばらついているが(図中のエラーバー)、ライン271の濃度を超えると、Niシリサイドの大きさが全体的に小さくなる傾向が現れ、特に大きな塊のNiシリサイドが見られなくなっていく。さらにAr濃度を上げると、図24(A)では核発生密度が高まり、図24(B)でもNiシリサイドの大きさは小さくなっていくが、ほぼ飽和した状態となっていき、極端にAr濃度を上げるメリットはない。それどころか、図24(A)及び図24(B)に示す濃度5×1018atoms/cm3(ライン272)を超え出すと、非晶質ケイ素膜中に含まれているArがその結晶状態に悪影響を与え出し、触媒元素を添加したことで得られる高品質な結晶性のメリットが損なわれ、かえって半導体層の移動度が低下することがあるので、活性領域に含まれる希ガス元素の濃度は、5×1016atoms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下の範囲内であることが好ましい。
【0152】
触媒元素を導入する前の非晶質半導体層に含まれる希ガス元素の濃度が大きくなると、逆に結晶成長に悪影響を与え、触媒元素による高品質な結晶質半導体層が実現できないことを述べたが、次に、本発明において活性領域を構成する結晶質半導体層の結晶状態・結晶性を説明する。
【0153】
本発明による結晶質半導体膜(活性領域、あるいは活性領域の少なくともチャネル領域の形成に用いられる)は、その結晶の面配向が主に〈111〉晶帯面で構成されている。さらに具体的には、結晶質半導体膜の面配向の割合は、〈111〉晶帯面の中でも、特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の領域が占められている。一般的に触媒元素を用いない結晶化では、半導体膜下地の絶縁体の影響(特に非晶質二酸化ケイ素の場合)の影響で、結晶質半導体膜の面配向は、(111)に向きやすい。これに対して、非晶質半導体膜に触媒元素を添加し結晶化させた場合に得られる結晶質半導体膜の面配向が主に〈111〉晶帯面で構成される様子を模式的に図25(A)に示す。図25(A)において、281は下地絶縁体、282は未結晶化領域の非晶質半導体層、283は結晶質半導体層、284は結晶成長のドライビングフォースとなっている触媒元素の半導体化合物である。
【0154】
図25(A)に示すように、触媒元素化合物284が結晶成長の最前線に存在し、隣接する非晶質領域282を紙面右方向に向かって次々と結晶化していくのであるが、このとき触媒元素化合物284は、〈111〉方向に向かって強く成長する性質がある。その結果、得られる結晶質半導体膜の面方位としては、図25(A)に示すように〈111〉晶帯面が現れる。
【0155】
図25(B)には、〈111〉晶帯面を示す。図25(B)において、横軸は(−100)面からの傾斜角度で、縦軸は表面エネルギーを表す。グループ285は、〈111〉晶帯面となる結晶面である。(100)面と(111)面は〈111〉晶帯面ではないが、比較のために示してある。
【0156】
また、図25(C)には、結晶方位の標準三角形を示す。ここで、〈111〉晶帯面の分布は、破線のようになる。数字は代表的な極点の指数である。これらの〈111〉晶帯面の中でも、本発明で得られる結晶質半導体膜では、特に(110)面あるいは(211)面が優勢配向となり、これらの面が全体の50%以上を占めるときに優位性が得られる。これらの2つの結晶面は他の面に比べてホール移動度が非常に高く、Nチャネル型TFTに比べ性能の劣るPチャネル型TFTの性能を特に向上でき、半導体回路においてもバランスがとり易いというメリットがある。
【0157】
前述のように非晶質半導体膜に含まれる希ガス元素濃度が高過ぎるとき、すなわち図24における上限ライン272を超えたときには、このような面配向が崩れ、その面配向は、図25(C)の標準三角形において破線で示す〈111〉晶帯面上の分布から111点の方向にずれ始める。すなわち、触媒元素を用いない場合のランダム配向の結晶状態に近づく傾向がある。
【0158】
本発明により得られた結晶質半導体膜の面方位分布の例を図26に示す。図26は後方散乱電子回折像(EBSP)の測定結果で、個々の微小領域に分けてその結晶方位を特定し、それをつなぎ合わせてマッピングしたものである。図26(A)に示すのは、本発明の結晶質半導体層における面方位分布であり、図26(B)は、図26(A)のデータに基づいて、隣接する各マッピング点間の面方位の傾角が一定値以下(ここでは5°以下)のものを同色で塗り分け、個々の結晶粒(結晶粒:ほぼ同一の面方位を有する領域)の分布を浮かび上がらせたものである。また、図26(C)には、図25(C)で説明した結晶方位の標準三角形を示す。
【0159】
図26(C)からわかるように、本発明による結晶質半導体層は、概ね〈111〉晶帯面に乗った面配向を示しており、特に(110)と(211)に強く配向しているのがわかる。また、本発明では、半導体膜に含まれる希ガス元素の作用で核発生密度が増大し、図26(B)に示される個々の結晶粒のサイズは、2μm〜10μmの範囲に分布している。したがって、本発明の半導体装置は、その活性領域、あるいは少なくともチャネル領域として、結晶粒の粒径が2μm〜10μmの範囲内にある結晶質半導体層を有している。なお、本発明による結晶質半導体層の結晶状態(すなわち、面配向および面配向の割合、結晶粒の粒径)は、EBSP測定により特徴付けられる。
【0160】
次に、本発明の半導体膜の製造方法における、希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する工程を説明する。
【0161】
本発明の製造方法においては、希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する工程は、プラズマCVD法を用い、成膜時に希ガス元素を導入することで行うことが最も好ましい。上記の方法に代えて、まず非晶質半導体層を成膜した後、該非晶質半導体膜に希ガス元素をイオンドーピングしてもよい。後者の方法は、希ガス元素の濃度制御性の点では優れるが、成膜装置以外に高価なドーピング装置が必要であり、また成膜とドーピングをそれぞれ別工程で行うため、生産性が悪く高コスト化するデメリットがある。また、上記の2つの方法以外には、希ガスをスパッタリングガスとし半導体ターゲットを用いてスパッタリング法により非晶質半導体層を成膜する方法があるが、この方法では、RFかパルスDCによる放電が必須であり、特に基板サイズが大きい場合には安定した放電を得るのは難しく、またスパッタリング特有のパーティクルが非常に多いという問題がある。
【0162】
これに対して、プラズマCVD法では、メートルサイズの大型ガラス基板に対する量産装置も一般に市販されており、クリーニングガスによるチャンバークリーニングも行えるので、パーティクル対策も良好である。しかしながら、化学的な反応による成膜のため、化学反応に不活性な希ガス元素は成膜ガスとして単純に導入しても、単なるキャリアガスとして作用するだけで成膜される半導体膜の膜中には含まれ難い。
【0163】
そこで、好ましい実施形態においては、基板の絶縁性表面上に希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する工程は、プラズマCVD法を用い、成膜時に希ガス元素をチャンバー(CVD反応室)内に導入し、プラズマを発生させるためのCVD電極に加えて、非晶質半導体層が形成される絶縁性表面を有する基板側(基板を受容する基板ホルダー)にも単独で別バイアスを印加するデュアルバイアスで行う。さらに、他の好ましい実施形態では、希ガス元素を含む非晶質半導体層を形成する工程は、プラズマCVD法を用い、成膜時に希ガス元素を導入し、CVD電極にRFバイアスを印加し、基板側にもCVD電極側のRFバイアスと異なる周波数のRFバイアスを印加する二周波方式で行う。
【0164】
本発明者は、このように、プラズマCVD工程において、半導体材料ガスと希ガス元素とを少なくともソースガスとして用い、CVD電極に加えて基板側にも単独で別バイアスを印加するデュアルバイアスで成膜を行うことによって、希ガス元素が多量に含まれた非晶質半導体層を成膜できることを見出した。
【0165】
このときのバイアスとしては、CVD電極にRFバイアスを印加し、基板側にも単独でRFバイアスを印加する方法が最も効果が高く、基板側にDCバイアスをかけた場合よりも、得られた非晶質半導体膜(例えば非晶質ケイ素膜)における希ガス元素の含有量がより高かった。但し、基板側にDC電圧をかけた場合でも、全く何のバイアスもかけない場合よりは勿論効果は見られた。また、このときのCVD電極に印加されるRFバイアスと基板(絶縁体)側に印加されるRFバイアスの周波数はそれぞれ異なり、CVD電極に印加されるRFバイアスの周波数よりも基板側に印加するRFバイアスの周波数の方が小さいことが望ましい。このような構成にすることにより、プラズマのマッチングが良く安定した放電が得られる。
【0166】
次に、本発明による上記製造方法を実行するために好適に用いられる半導体製造装置の構成を説明する。
【0167】
本発明による半導体製造装置は、希ガス元素を含む非晶質半導体層を成膜するためのプラズマCVD装置であって、プラズマCVD装置は、CVD反応室(チャンバー)内にCVD電極と非晶質半導体層を成膜する基板に接触する基板ホルダーと有し、さらに外部にパワー供給電源を有し、CVDチャンバーの電位は接地(アース)され、CVD電極側の電位及び非晶質半導体層を成膜する基板と接触する基板ホルダー側の電位はCVDチャンバーからそれぞれ独立しており、CVD電極に接続されるパワー供給電源と非晶質半導体層を成膜する基板と接触する基板ホルダーに接続されるパワー供給電源とは異なるものであり、CVDチャンバーには半導体成膜材料ガスと希ガスのガス導入ポートが少なくとも設けられている。さらには、CVD電極に接続されるパワー供給電源と非晶質半導体層を成膜する基板と接触する基板ホルダーに接続されるパワー供給電源は、それぞれRFパワー供給電源(RF発振源)であることが好ましい。
【0168】
また、ここで、CVD電極に接続されるパワー供給電源あるいはRFパワー供給電源は、非晶質半導体層を成膜する基板と接触する基板ホルダーに接続されるパワー供給電源あるいはRFパワー供給電源に比べ、電力容量が同等かそれ以上であることが好ましい。さらに、CVD電極に接続されるRFパワー供給電源のRF周波数は、非晶質半導体層を成膜する基板と接触する基板ホルダーに接続されるRFパワー供給電源のRF周波数に比べて大きいことが好ましい。
【0169】
本発明による半導体膜の製造に好適に用いられるプラズマCVD装置の構成を図15(A)および(B)を参照しながら説明する。図15(A)は公知のプラズマCVD装置の構成を模式的に示す図であり、図15(B)は本発明の実施形態で用いられるプラズマCVD装置の構成の一例を模式的に示している。
【0170】
図15(A)に示す通常のプラズマCVDにおいては、基板151はチャンバー153と同様グラウンドに接地され、同電位となっている。そして、CVD電極152にRFパワー154が供給され、成膜がなされる。これに対して図15(B)に示したCVD装置では、基板151の電位はCVDチャンバー153から独立しており、CVD電極152に供給されるRFパワー154とは、全く別のRF電源よりRFパワー155が供給される。CVDチャンバー153はグラウンドに接地されている。このような構成として希ガスを成膜ガスとして用いると、前述のように希ガス元素が膜中に含まれる非晶質半導体膜が容易に得られる。ここで、パワー供給電源としては、特に基板151側はDCでも効果は得られるが、希ガス元素の含有量を上げるためにはRFの方がより効果的である。また、CVD電極152に供給されるRFパワー154は、基板151側に供給されるRFパワー155より大きいほど、また、CVD電極152に供給されるRF周波数は、基板151側に供給されるRF周波数より高いほど、プラズマの安定性は高まるので、好ましい。
【0171】
本発明の半導体膜の製造方法に好適に用いられる他の半導体製造装置は、複数のCVDチャンバーが直接に、あるいは間に真空チャンバーを介して間接に、互いに接続された構成(いわゆるマルチチャンバー型構成)を有している。複数のCVDチャンバーの内の少なくとも1つのCVDチャンバーが、図15(B)を参照しながら前述した構成を有するデュアルバイアスあるいは二周波式のプラズマCVDチャンバーで構成されており、他のCVDチャンバーの少なくとも1つのCVDチャンバーが、絶縁膜(保護膜)を成膜するためのチャンバーとして構成されている。
【0172】
本発明によるこのような構成のマルチチャンバー型プラズマCVD装置のチャンバー構成を模式的に図16に示す。図16に示した本発明の実施形態による半導体製造装置は、カセットステーション161と、ロードロックチャンバー162および163と、4室のプラズマCVDチャンバー164〜167と、クラスターチャンバー168とを有している。
【0173】
まず、カセットステーション161に基板を収納したカセットがセットされる。基板は、ロボットによりロードロックチャンバー162および163に送られ、ここで真空引きされ、減圧状態となる。ロードロックチャンバーは1室でもよいが、図16のように2室構成とすることで、作業効率が向上する。4室のプラズマCVDチャンバー164〜167は、ロッドロックチャンバー162および163とクラスターチャンバー168で接続されており、これらの全てのチャンバーは減圧状態が保持されている。ロードロックチャンバー162および163内の雰囲気を減圧置換した後、基板は、クラスターチャンバー168内のロボットによって、各プラズマCVDチャンバー164〜167に送られる。なお、図16では、プラズマCVDチャンバーを4室としたが、1室を基板の予備加熱を行うためのプレヒートチャンバーとしてもよい。このような構成をとることで、基板上に異なる膜種を連続して成膜する際、基板を大気中に出すことなく、別のCVDチャンバーへと移送でき、真空(あるいは減圧雰囲気)中で連続して成膜が可能となる。このような装置を用いることで、本発明においては、希ガス元素を含む非晶質半導体と下層の絶縁膜を連続して形成できる。これらの界面は、TFTにおいてバックチャネルとなり、TFT特性や信頼性に大きく影響するため、清浄に保つことが望ましく、本発明の半導体製造装置では簡易にそれを実現することができる。
【0174】
以上述べたような本発明の半導体膜の製造方法の全般において、希ガス元素を含む非晶質半導体層に触媒元素を添加し、第1の加熱処理を行い非晶質半導体層を結晶化させる結晶化工程は、非晶質半導体層の一部に選択的に触媒元素を添加し、第1の加熱処理を行うことにより、触媒元素が選択的に添加された領域からその周辺部へと横方向に結晶成長させることにより行われることが好ましい。このようにすることで、横方向に結晶成長した領域では、結晶成長方向がほぼ一方向にそろった(典型的には〈111〉晶帯面が成長方向にそろった)良好な結晶質半導体層を得ることができ、TFTの電流駆動能力をより高めることが可能である。また、この横方向に結晶成長した領域では、触媒元素が直接添加された領域よりも結晶成長後における触媒元素の膜中濃度が1〜2桁低減できるため、後のゲッタリング工程の負荷を小さくすることができる。
【0175】
さらに、本発明のある好ましい実施形態においては、結晶化のための(第1の)加熱処理の後、結晶質半導体層にレーザー光を照射する工程を含む。結晶質半導体層にレーザー光を照射した場合、結晶質部分と非晶質と部分の融点の相違から結晶粒界部や微小な残留非晶質領域(未結晶化領域)が集中的に処理される。触媒元素を導入し結晶化した結晶質ケイ素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるため、レーザー光の照射により結晶粒界部が処理されると基板全面に亘って単結晶状態に近い良質の結晶質ケイ素膜が得られ、結晶性が大きく改善される。この結果、TFTのオン特性は大きく向上し、電流駆動能力により優れた半導体装置が実現できる。
【0176】
本発明による実施形態の結晶質半導体膜(低濃度領域)は、4nm以上9nm以下の範囲内の平均表面粗さRaを有することが好ましい。図23のSEM写真からもわかるが、結晶質半導体膜の表面に凹凸が生じている。これは、レーザー光を照射し、半導体膜を溶融固化し再結晶化したときに、その体積膨張率の違いから境界部に生じるもので、一般にリッジと呼ばれている。このときの平均表面粗さが4nm未満であればレーザーパワーが不十分なために、結晶性を十分に改善できていない可能性がある。また平均表面粗さRaが9nm超であれば、レーザーパワーが過剰なために、局所的に結晶性が悪化しばらつきが大きくなると共に信頼性(ゲート絶縁膜耐圧)への影響が懸念される。
【0177】
本発明のある実施形態の半導体膜の製造方法において、結晶質半導体層の一部に触媒元素を引き寄せる効果をもつゲッタリング元素を添加する第4の工程は、イオンドーピング法により行われ、ゲッタリング元素が添加された領域(ゲッタリング領域)は、他の領域に比べ非晶質化が進行している。すなわち、ゲッタリング領域を非晶質化させることで、触媒元素をトラップするような結晶欠陥あるいは局所的な偏析サイトを積極的に形成し、前述の第2のゲッタリング作用を利用することができる。この製造方法では、例えば、ゲッタリング領域は活性領域外に形成すれば、第2のゲッタリング工程後、ゲッタリング領域は活性領域には残らず、そこが非晶質化していても問題とはならない。
【0178】
また、活性領域のソース・ドレイン領域にゲッタリング元素を添加し、そこへ触媒元素を移動させる方法を採用すると、活性領域のソース領域及びドレイン領域にゲッタリング元素を添加する第5の工程は、イオンドーピング法により行われ、ゲッタリング元素が添加されたソースおよびドレイン領域は、チャネル領域に比べ非晶質化が進行する。この場合も、ソース・ドレイン領域の非晶質化を進行させることで、第2のゲッタリング作用を引き出すことができる。但し、ソース・ドレイン領域は、TFTとして機能するため、最終的には低抵抗化していなくてはならない。よって、一旦、非晶質化を進行させた後、ゲッタリグのための第2の加熱処理時間中に、結晶性をある程度回復させることが好ましい。
【0179】
また、活性領域内にソース・ドレイン領域とは別に専用のゲッタリング領域を形成する製造方法を採用すると、活性領域内のチャネル領域及びソース領域、ドレイン領域以外の領域にゲッタリング元素を添加しゲッタリング領域を形成する第5の工程は、イオンドーピング法により行われ、ゲッタリング元素が添加されたゲッタリング領域は、チャネル領域及びソース領域、ドレイン領域に比べ非晶質化が進行する。この場合も、ゲッタリング領域の非晶質化を進行させることで、第2のゲッタリング作用を引き出すことができる。この場合、ゲッタリング領域は、TFT完成後も非晶質状態で残っていてもよく、プロセスの自由度が高い。半導体装置としては、前述のように、むしろ、活性領域内にゲッタリング領域を有し、ゲッタリング領域が多くの非晶質成分を含んでいる方が好ましい。
【0180】
本発明の半導体膜の製造方法で用いるゲッタリング元素としては、まず第1に、P、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の周期表第5族Bに属する元素を用いることが好ましい。これらの周期表第5族Bに属する元素をケイ素膜に導入した場合には、その領域での触媒元素に対する固溶度が上がり、すなわち前述の第1のゲッタリング作用を利用してゲッタリングの移動が行われる。これらの元素の中でも特にその効果が高いのはリンである。また、これらの元素であれば、Nチャネル型TFTにおいては、ソース・ドレイン領域として、そのまま用いることができる。
【0181】
さらには、ゲッタリング元素として、P、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の周期表第5族Bに属する元素に加えて、B、Alから選ばれた一種または複数種類の周期表第3族Bに属する元素とを共に用いることがより望ましい。5族B元素だけでもゲッタリング能力を有するが、これに加えて3族B元素も導入した場合、より大きなゲッタリング効果が得られることがわかっている。ゲッタリング領域のケイ素膜に、リンだけでなく、ホウ素をドープすると、ゲッタリングメカニズムが変わる。リンのみの場合には、ノンドープの非ゲッタリング領域との触媒元素の固溶度の差を利用した拡散移動型ゲッタリング(前述の第1のゲッタリング作用)であるが、加えてホウ素を含ませることで、逆にゲッタリング領域で触媒元素が析出し易くなり、欠陥あるいは偏析サイトへのゲッタリング(前述の第2のゲッタリング作用)が優勢になり、その効果は相乗的に高められる。但し、N型を付与する元素に対してP型を付与する元素を重ねてドープするため、これらの元素が導入されたゲッタリング領域は高抵抗になり易く、ソース・ドレイン領域以外に専用のゲッタリング領域を設ける方法においてより効果的である。このときのゲッタリング領域に含まれる不純物元素の濃度としては、周期表第5族Bに属する元素は1×1019〜1×1021/cm3の濃度範囲にあることが好ましく、周期表第3族Bに属する元素は1.5×1019〜3×1021/cm3の濃度範囲にあることが好ましい。何れの場合も、この範囲内の濃度であれば、十分なゲッタリング効率が得られる。
【0182】
本発明の半導体膜の製造方法に用いられる他のゲッタリング元素として、Ar、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素を用いることもできる。ゲッタリング領域にこれらの希ガス元素が存在すると、そこで大きな格子間歪みが生じ、欠陥・偏析サイトによる第2のゲッタリング作用が非常に強力に働く。このときにゲッタリング領域に含まれる希ガス元素の濃度としては、1×1019〜3×1021atoms/cm3の範囲内であれば、十分なゲッタリング効率が得られる。
【0183】
さらに、本発明の半導体膜の製造方法において、このような希ガス元素をゲッタリング元素として用いる場合、非晶質半導体層に含まれている希ガス元素種よりも原子番号の大きい、一種または複数種類の希ガス元素を用いることが望ましい。希ガス元素をゲッタリング元素として用いた際のゲッタリング効率は原子番号(原子量)が大きいほど高い。本発明では、結晶性半導体膜(低濃度領域)のほぼ全体に希ガス元素を含むため、ゲッタリング領域へと触媒元素を移動させるためには、活性領域にもともと含まれている希ガス元素種よりも、原子番号の大きい希ガス元素種をゲッタリング元素として用いるのが効果的である。
【0184】
本発明のある好ましい実施形態の半導体膜の製造方法は、結晶質半導体層の上に触媒元素を引き寄せる効果をもつゲッタリング層を形成し、第2の加熱処理を行い、結晶質半導体層に残存する触媒元素をゲッタリング層へと移動させる工程を含む。この方法においては、第2の加熱処理を行い、結晶質半導体層に残存する触媒元素をゲッタリング層へと移動させる第5の工程(ゲッタリング工程)の後、ゲッタリング層を除去する工程をさらに包含しても良い。このようにすることで、他の方法と異なり、基板全面に触媒元素が集められた領域(ゲッタリング領域)の無い、ほぼ全面に亘って触媒濃度の低い結晶質半導体層が得られ、その後の工程の自由度や設計レイアウトの自由度が高められる。
【0185】
ここで、ゲッタリング層としては、P、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の周期表第5族Bに属する元素を含有する非晶質半導体層を用いることが望ましい。あるいは、ゲッタリング層として、P、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の周期表第5族Bに属する元素と、B、Alから選ばれた一種または複数種類の周期表第3族Bに属する元素とを共に含有する非晶質半導体層を用いることが望ましい。非晶質状態の半導体膜を用いる理由は、前述のように、結晶欠陥・偏析サイトを利用した第2のゲッタリング作用を引き出せるからである。また、元素種を含有させる理由は、前述のように、元素種がゲッタリング元素として機能するからである。
【0186】
また、上記以外に利用可能なゲッタリング層としては、Ar、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素を、結晶質半導体層に含まれている希ガス濃度よりも高濃度で含有する非晶質半導体層を用いることが望ましい。あるいは、ゲッタリング層として、結晶質半導体層に含まれている希ガス元素種よりも原子番号の大きい希ガス元素種を含有する非晶質半導体層を用いることが望ましい。希ガス元素を含む非晶質半導体層をゲッタリング層として利用する場合には、下層の結晶質半導体層に含まれる希ガス元素とのバランスが重要である。したがって、ゲッタリング層の条件としては、希ガス元素濃度が下層の結晶質半導体層に含まれる希ガス元素濃度よりも高い必要があり、またゲッタリング効率の高い原子番号が大きい希ガス元素をゲッタリング層に用いることが好ましい。
【0187】
(第1実施形態)
本発明における第1の実施の形態を図1(A)〜(H)を用いて説明する。ここでは、nチャネル型TFTガラス基板上に作製する方法について説明する。本実施形態のTFTはアクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機EL表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。図1は、ここで説明するnチャネル型TFTの作製工程を示す断面図であり、(A)→(H)の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【0188】
まず、図1(A)に示すように、ガラス基板101上に例えばプラズマCVD法によって厚さ300〜500nm程度の酸化ケイ素からなる下地膜103を形成する。この酸化ケイ素膜は、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。次に、厚さ20〜80nm程度、例えば40nmの真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)104を成膜する。
【0189】
a−Si膜104の成膜は、シラン系ガスと希ガスとを材料ガスとしてプラズマCVD法で行う。このとき、図15(B)に示すようなデュアルバイアスや二周波方式のプラズマCVD装置を用いると、容易にa−Si膜104中に希ガス元素を含ませることができる。また、図15(A)に示すような通常のプラズマCVD装置でも、基板加熱温度を低くし、成膜時のガス圧力を小さくし、シラン系ガス/希ガスのガス流量比を小さくするような方向で、成膜されるa−Si膜104中に含まれる希ガス元素濃度を、ある程度までは高めることができる。このようにして、膜中の希ガス元素濃度が、5×1016〜5×1018atoms/cm3となるa−Si膜104を得る。
【0190】
ここで利用できる希ガス元素種としては、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)がある。本実施形態では、SiH4ガスとArガスを材料ガスとして、図15(B)に示す二周波方式の平行平板プラズマCVD装置でa−Si膜104の成膜を行った。このときの基板加熱温度は350℃とし、ガス流量は、SiH4ガスが100sccm、Arガスが1000sccmとした。また、ガス圧力は0.7Torrとし、CVD電極に供給されるRF周波数を27.1MHz、RFパワーを100Wとし、基板側に供給されるRF周波数を1.6MHz、RFパワーを50Wとした。このようにして得られたa−Si膜104中のAr濃度は、約5×1017atoms/cm3程度であった。尚、希ガス元素を含むa−Si膜104の成膜方法、成膜条件については、上記方法、条件にとらわれず、実施者が適宜選択、設定すればよい。
【0191】
次に、a−Si膜104表面上にニッケル106の微量添加を行う。ここで使用可能な触媒元素は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、銅(Cu)、から選ばれた一種または複数種の元素が好適である。それ以外にも、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)等が利用できる。ニッケル106の微量添加は、ニッケルを溶かせた溶液をa−Si膜104上に保持し、スピナーにより溶液を基板101上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度は10ppmとなるようにした。この状態が図1(A)の状態に相当する。このとき、添加する触媒元素の量は極微量であり、a−Si膜104表面上の触媒元素濃度は、全反射蛍光X線分析(TRXRF)法により、管理される。本実施形態では、4×1012atoms/cm2程度であった。尚、本工程に先立って、スピン塗布時のa−Si膜104表面の濡れ性向上のため、オゾン水等でa−Si膜104表面をわずかに酸化させてもよい。
【0192】
そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第1の加熱処理を行う。このときのアニール条件としては、530〜600℃で30分〜8時間のアニール処理を行う。本実施形態では、一例として、550℃で4時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜104表面に添加されたニッケル105がa−Si膜104中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜104の結晶化が進行する。その結果、a−Si膜104は結晶化され、結晶質ケイ素膜104aとなる。なお、ここでは炉を用いた加熱処理により結晶化を行ったが、ランプ等を熱源として用いるRTA(Rapid Thermal Annealing)装置で結晶化を行ってもよい。
【0193】
このようにして得られた結晶質ケイ素膜104aの結晶面配向をEBSP測定により調べると、主に〈111〉晶帯面で構成され、その中でも特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の領域が占められている。また、その結晶粒(ほぼ同一の面方位領域)の粒径は、2〜10μmとなっている。
【0194】
続いて、図1(B)に示すように、加熱処理により得られた結晶質ケイ素膜104aにレーザー光107を照射することで、この結晶質ケイ素膜104aをさらに再結晶化し、結晶性を向上させた結晶質ケイ素膜104bを形成する。このときのレーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)やKrFエキシマレーザー(波長248nm)が適用できる。このときのレーザー光のビームサイズは、基板101表面で長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に順次走査を行うことで、基板全面の再結晶化を行う。このとき、ビームの一部が重なるようにして走査することで、結晶質ケイ素膜104aの任意の一点において、複数回のレーザー照射が行われ、均一性の向上が図れる。このときのレーザー光のエネルギーは、低すぎると結晶性改善効果が小さく、高すぎると前工程で得られた結晶質ケイ素膜104aの結晶状態がリセットされてしまうため、適切な範囲に設定する必要がある。このようにして、固相結晶化により得られた結晶質ケイ素膜104aは、レーザー照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶質ケイ素膜104bとなる。尚、このレーザー照射工程後においても、レーザー照射前の結晶面配向及び結晶粒状態はそのまま維持され、EBSP測定において大きな変化は見られない。但し、結晶質ケイ素膜104b表面にはリッジが発生しており、その平均表面粗さRaは4〜9nmとなっている。
【0195】
次に、図1(C)に示すように、結晶質ケイ素膜104b上にフォトレジストによるマスク108を形成する。このときのマスク108の配置としては、結晶質ケイ素膜104bの一部がマスク108により島状にマスクされた状態となっており、このマスクに覆われている領域の結晶質ケイ素膜が後のTFTの活性領域(半導体層)を構成するようになっている。
【0196】
次に、この状態で、図1(C)に示すように、基板101上方よりリン109を全面にイオンドーピングする。このときのリン109のドーピング条件としては、ドーピングガスとしてはフォスフィン(PH3)を用い、加速電圧を例えば5〜15kVとし、ドーズ量としては5×1015〜2×1016cm-2とした。この工程により、露呈している領域の結晶質ケイ素膜104bにリン109が注入され、リンドープされた領域110が形成される。この領域110は、前記イオンドーピング工程により幾分か結晶が破壊され、非晶質化した領域となっている。マスク108によって覆われている領域の結晶質ケイ素膜104bには、リン109はドーピングされず、勿論結晶状態も破壊されない。
【0197】
そして、フォトレジストによるマスク108をアッシング(酸素プラズマ処理)と剥離液により除去した後、不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第2の加熱処理を行う。本実施形態では、窒素雰囲気中にて500℃から600℃で30分から8時間、例えば550℃で4時間の熱処理を行った。この際、リンドープされ非晶質化した領域110がゲッタリング領域として作用し、ゲッタリング工程が行われる。領域110ではニッケルをトラップするような欠陥や偏析サイト等が形成されており、さらにリンドープによりニッケルに対するケイ素膜の固溶度が大きく上昇している。これらの力を利用して、図1(D)に示すように、マスク108に覆われていた領域の結晶質ケイ素膜中に残存しているニッケル106を、矢印113に示すような方向にゲッタリング領域110へと移動させる。このゲッタリング工程により、まず、結晶質ケイ素膜中に固溶して存在しているニッケルがゲッタリング領域110に移動する。その結果、ケイ素膜中のニッケル濃度が下がり、析出しているNiシリサイドが、ケイ素膜中に溶け出す。そして、それらも固溶状態となってゲッタリング領域110に移動していき、最終的にNiシリサイドは消失し、固溶状態のニッケルの濃度も低減される。その結果、マスク108に覆われていた領域の結晶質ケイ素膜104bにおけるニッケル濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ5×1015atoms/cm3程度にまで低減されており、ほぼ測定下限レベルであった。また、この領域で残留しているニッケルは、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。
【0198】
その後、結晶質ケイ素膜104bの不要な部分を除去して素子間分離を行う。この工程により、図1(E)に示すように、後にTFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶質ケイ素膜114が形成される。次に、上記の活性領域となる結晶質ケイ素膜114を覆うように厚さ20〜150nm、ここでは100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜115として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではTEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)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。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℃として形成してもよい。また、成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶質ケイ素膜\ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で500〜600℃で1〜4時間のアニールを行ってもよい。
【0199】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ400〜800nm、例えば600nmのアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極116を形成する。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117を形成する。この状態が図1(F)に相当する。ここで、本実施形態が液晶表示装置等の画素TFTとして適用される場合は、ゲート電極116は、平面的にはゲートバスラインを同時構成している。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い、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。得られた酸化物層117の厚さは300nmである。なお、この酸化物層117は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲー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。
【0200】
次に、図1(G)に示すように、イオンドーピング法によって、ゲート電極116とその周囲の酸化物層117をマスクとして活性領域にN型不純物(リン)122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60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1015〜8×1015cm-2、例えば2×1015cm-2とする。この工程により、不純物が注入された領域は後にTFTのソース/ドレイン領域130となり、ゲート電極116およびその周囲の酸化層117にマスクされ不純物が注入されない領域は、後にTFTのチャネル領域119となる。その後、基板上方よりレーザー光の照射によってアニールを行い、イオン注入したN型不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。この際、使用するレーザーとしてはXeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用い、エネルギー密度150〜400mJ/cm2、好ましくは200〜250mJ/cm2で照射を行った。このとき、チャネル領域119には、上層のゲート電極116がマスクとなってレーザー光を遮るため、レーザー光は照射されない。こうして形成されたN型不純物(リン)領域130のシート抵抗は、200〜500Ω/□であった。
【0201】
続いて、図1(H)に示すように、厚さ600nm程度の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜134として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、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法によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。また、SiH4とNH3を原料ガスとしてプラズマCVD法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、活性領域/ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、TFT特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【0202】
次に、層間絶縁膜134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二層膜によってTFTの電極・配線135を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。本TFT136を画素TFTとして用いる場合には、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極には、ITOなど透明導電膜からなる画素電極を設ける。この場合、他方の電極は、ソースバスラインを構成することになり、ソースバスラインを介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン116のゲート信号に基づいて画素電極に必要な電荷が書き込まれる。また、本TFTは薄膜集積回路などにも簡単に応用でき、その場合にはゲート電極116上にもコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。
【0203】
そして最後に、窒素雰囲気あるいは水素雰囲気で350℃、1時間のアニールを行い、図1(H)に示すTFT136を完成させる。さらに必要に応じて、TFT136を保護する目的で、TFT136上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0204】
以上の実施形態にしたがって作製したTFTは、電界効果移動度が300cm2/Vs程度、閾値電圧が1.5V程度と非常に高性能であるにもかかわらず、従来例で頻繁に見られたTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が全く無く、単位W当たり0.数pA以下と非常に低い値を安定して示した。この値は、触媒元素を用いずに作製した従来のTFTと比べても全く差が無いものであり、TFTの不良発生率は1/10000個以下であり、製造歩留まりを大きく向上することができた。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高かった。
【0205】
(第2実施形態)
本発明を用いた第2の実施の形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様に、ガラス基板上にNチャネル型TFTを作製する際の工程において、本発明を利用した場合についての説明を行う。
【0206】
以下において、図2(A)〜(H)に示すのが、本実施形態で説明するN型TFTの作製工程を示す断面図であり、(A)→(H)の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【0207】
図2(A)において、基板201には低アルカリガラス基板や石英基板を用いることができる。本実施形態では低アルカリガラス基板を用いた。この場合、ガラス歪み点よりも10〜20℃程度低い温度であらかじめ熱処理しておいても良い。この基板201のTFTを形成する表面には、基板201からの不純物拡散を防ぐために、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜または酸化窒化ケイ素膜などの下地膜を形成する。本実施形態では、例えば、プラズマCVD法でSiH、NH、NOの材料ガスから作製される酸化窒化ケイ素膜を、下層の第1下地膜202として成膜し、その上に同様にプラズマCVD法によりSiH、NOを材料ガスとして第2の下地膜203を積層形成した。このときの第1下地膜202の酸化窒化ケイ素膜の膜厚は、25〜200nm、例えば100nmとし、第2下地膜303の酸化窒化ケイ素膜の膜厚としては、25〜300nm、例えば100nmとした。次にプラズマCVD法によって、厚さ20〜80nm、例えば50nmの希ガス元素を含有する真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)204を成膜する。
【0208】
本実施形態では、図16に示すようなマルチチャンバー型の平行平板式プラズマCVD装置を用い、第1下地膜202、第2下地膜203、そしてa−Si膜204の3層を大気中に出すことなく連続して成膜した。このときのa−Si膜204の成膜は、第1実施形態と同様の方法を用いることができる。本実施形態では、一例として、希ガス元素としてArを用い、シラン系ガスとArガスとを材料ガスとして図15(A)に示すような通常のプラズマCVD法で成膜を行った。このときの基板加熱温度は250℃とし、ガス流量は、SiH4ガスが100sccm、Arガスが5000sccmとした。また、ガス圧力は0.5Torrとし、CVD電極に供給されるRF周波数を27.1MHz、RFパワーを100Wとし、基板側はアースされている。このようにして得られたa−Si膜204中のAr濃度は、約1×1017atoms/cm3程度であった。
【0209】
続いて、a−Si膜204に触媒元素を添加し、加熱処理を行う。a−Si膜に対して、重量換算で例えば10ppmの触媒元素(本実施形態ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素含有層206を形成する。なお、本実施形態ではスピンコート法でニッケルを添加する方法を用いたが、蒸着法やスパッタ法などにより触媒元素でなる薄膜(本実施形態の場合はニッケル膜)を非晶質シリコン膜204上に形成する手段をとっても良い。この状態が図2(A)の状態に相当する。このようにして添加された図2(A)の状態におけるa−Si204表面上のニッケル濃度を全反射蛍光X線分析(TRXRF)法により測定すると、4×1012atoms/cm2程度であった。
【0210】
そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第1の加熱処理を行う。この加熱処理は、550〜600℃で30分〜4時間のアニール処理を行うことが好ましい。本実施形態では、一例として580℃にて1時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜表面に添加されたニッケル206がa−Si膜204中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜204の結晶化が進行する。その結果、a−Si膜204は結晶化され、結晶質ケイ素膜204aとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜204aの結晶面配向は、主に〈111〉晶帯面で構成され、その中でも特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の領域が占められている。また、その結晶粒(ほぼ同一の面方位領域)の粒径は、2〜10μmとなっている。
【0211】
続いて、図2(B)に示すように、加熱処理により得られた結晶質ケイ素膜204aにレーザー光207を照射することで、この結晶質ケイ素膜204aをさらに再結晶化し、結晶性を向上させた結晶質ケイ素膜204bを形成する。このときのレーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用いた。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を200〜450℃、例えば400℃に加熱し、エネルギー密度250〜450mJ/cm2、例えば350mJ/cm2で照射した。また、本実施形態では、ビームサイズは基板201表面で150mm×1mmの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、結晶質ケイ素膜204aの任意の一点において、計20回のレーザー照射が行われることになる。このようにして、固相結晶化により得られた結晶質ケイ素膜204aは、レーザー照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶質ケイ素膜204bとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜204bの結晶面配向は、レーザー照射前の結晶質ケイ素膜204aの状態を維持しているが、その平均表面粗さRaは4〜9nmとなっている。
【0212】
次に、結晶質ケイ素膜204b表面を薄膜酸化することで、エッチングストッパーとなる酸化ケイ素薄膜211を形成する。酸化ケイ素膜211の形成は、結晶質ケイ素膜204b表面にオゾン水を保持することで行った。このときのオゾン水中のオゾン濃度は、5mg/L以上であることが望ましく、本実施形態では8mg/Lとした。結晶性ケイ素膜204b表面におけるオゾン水の保持時間は、1分とした。より緻密な酸化ケイ素膜211を形成するには、オゾン水処理の前に、結晶質ケイ素膜204b表面の自然酸化膜を取っておくことが望ましい。このようにして形成された酸化ケイ素膜211の膜厚を分光エリプソで測定したところ、約30Å(約3nm)であった。
【0213】
次に、酸化膜211を覆うように、プラズマCVD法により、リンを含むa−Si膜212を形成する。このリンを含むa−Si膜は、ゲッタリング層をして機能する。このときのリンを含んだa−Si膜212の形成は、プラズマCVD法を用い、シラン(SiH4)とフォスフィン(PH3)を材料ガスとして行った。この際、a−Si膜212中のリンの濃度は、フォスフィンガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実施形態では、PH3/SiH4流量比を3/100として行った。このときのa−Si膜212膜中のリン濃度は1%程度であった。本実施形態では、ゲッタリング層に含まれるゲッタリング元素としてリンを用いたが、リンに加えてホウ素を含ませることで、よりゲッタリング能力は高められる。このときは、成膜材料ガスとして、上記2種にジボラン(B26)を加えればよい。また、リンの代わりに、Ar等の希ガス元素を成膜時に導入し、これらの希ガスが含まれる状態のa−Si膜としても高いゲッタリング効果が得られる。この場合は、ゲッタリング層212に含まれる希ガス元素の濃度を結晶質ケイ素膜204bに含まれる希ガス元素の濃度以上にする必要がある。この状態が図2(C)に相当する。
【0214】
そして、これを不活性雰囲気下にて第2の加熱処理を行う。本実施形態では、例えば窒素雰囲気にて高速熱アニール処理を施した。このときの高速熱アニールの条件としては、基板を400℃程度に余熱した状態から、50℃/分から300℃/分の昇温速度で昇温し、アニール温度および処理時間としては、600〜750℃の温度で30秒〜15分、より好ましくは650〜700℃の温度で1分〜10分であることが望ましい。本実施形態においては、抵抗性加熱炉を用いて炉内で温度勾配を持たせ、基板を炉内に挿入する速度をコントロールすることで、上記の温度プロファイルの高速熱アニール処理を実現した。このとき、基板は一枚ずつ処理し、処理中において、基板201表面に高温加熱された窒素ガスを均一に吹き付けることで、熱輻射のみでは得られない高速の昇温速度と昇温途中での基板面内の均熱性を得ている。
【0215】
該高速熱アニール処理により、リンを含むa−Si膜212が下層の結晶質ケイ素膜204b中のニッケル206を、図2(D)の矢印213に示すように上方向に向かって移動させる。このときニッケルは薄膜の酸化ケイ素膜211を通過して移動するが、本実施形態のような膜厚の酸化ケイ素膜では、その移動の妨げとはならない。リンによりa−Si膜212は、ニッケルの固溶度が大きく上昇しており、また欠陥等がニッケルに対する偏析トラップとなってゲッタリング作用を引き出すことで、ゲッタリング工程が行なわれる。このゲッタリング工程では、まず、結晶質ケイ素膜204b中に固溶しているニッケルがゲッタリング層212に移動することで、ケイ素膜中のニッケル濃度が下がり、膜中に析出しているNiシリサイドが、ケイ素膜中に溶けることで行われる。そして、これらも固溶状態でゲッタリング層212に移動していき、結晶質ケイ素204b中のNiシリサイドは消失し、固溶状態のニッケルの濃度も低減される。その結果、結晶質ケイ素膜204bのニッケル濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ5×1015atoms/cm3程度にまで低減されており、ほぼ測定下限レベルであった。また、ここで結晶質ケイ素膜204b中に残留しているニッケルは、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。
【0216】
次に、ゲッタリング層であるa−Si膜212を全面的にエッチング除去する。このときのエッチングとしては、下層の酸化ケイ素膜211がエッチングストッパーとして十分作用するように、酸化ケイ素膜と十分エッチング選択比のあるエッチャントが求められる。本実施形態では、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、ゲッタリング層のa−Si層212を除去した後、酸化ケイ素膜211をエッチング除去する。このときのエッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜204bと選択性のある1:100バッファードフッ酸(BHF)を用い、ウェットエッチングにより行った。
【0217】
その後、結晶質ケイ素膜204bの不要な部分を除去して素子間分離を行う。該工程により、図2(E)に示すように、後にTFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶質ケイ素膜214が形成される。続いて、これらの島状の結晶質ケイ素膜214を覆うゲート絶縁膜215を形成する。ゲート絶縁膜215としては、厚さ20〜150nmの酸化ケイ素膜が好ましく、ここでは100nmの酸化ケイ素膜をTEOSと酸素ガスを材料としてプラズマCVD法により形成した。成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜\ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で500〜600℃で1〜4時間のアニールを行った。
【0218】
続いて、ゲート絶縁膜215上に導電膜をスパッタ法またはCVD法などを用いて堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極216とする。本実施形態では、スパッタリング法によって、厚さ400〜800nm、例えば500nmのアルミニウム(スカンジウム1%含有)を成膜し、パターニングしてゲート電極216を形成する。アルミニウム膜にはスカンジウムやチタン、シリコン等の元素を微量に混ぜることにより高温耐性が向上する。
【0219】
次に、図2(F)に示すように、イオンドーピング法によって、ゲート電極216をマスクとして活性領域に低濃度の不純物(リン)218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60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1012〜1×1014cm-2、例えば8×1012cm-2とする。この工程により島状のケイ素膜214において、ゲート電極216に覆われていない領域220には低濃度のリン218が注入され、ゲート電極216にマスクされリン218が注入されない領域は、後にTFTのチャネル領域219となる。
【0220】
続いて、図2(G)に示すように、ゲート電極216を一回り大きく覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク221を設ける。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク221をマスクとして活性領域に不純物(リン)222を高濃度に注入する。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60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1015〜8×1015cm-2、例えば2×1015cm-2とする。この工程により、高濃度に不純物(リン)222が注入された領域は、後にTFTのソース/ドレイン領域230となる。そして、活性領域214において、レジストマスク221に覆われ、高濃度のリン222がドーピングされなかった領域は、低濃度にリンが注入された領域として残り、LDD(Lightly Doped Drain)領域223を形成する。このように、LDD領域223を形成することで、チャネル領域とソース/ドレイン領域との接合部における電界集中を緩和でき、TFTオフ動作時のリーク電流を低減できると共に、ホットキャリアによる劣化を抑えることができTFTの信頼性を向上できる。
【0221】
そして、ドーピングのためのマスクとして用いたフォトレジスト221を除去した後、基板上方よりレーザー光照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。この際、使用するレーザーとしてはXeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用い、エネルギー密度150〜400mJ/cm、好ましくは200〜250mJ/cmで照射を行った。こうして形成されたN型不純物(リン)領域230のシート抵抗は、200〜500Ω/□であり、低濃度にリンが注入されたLDD領域223のシート抵抗は、30〜50kΩ/□であった。
【0222】
続いて、図2(H)に示すように、厚さ400〜1000nm程度の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜234として形成し、これ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二層膜によってTFTの電極・配線235を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。本TFT236を画素TFTとして用いる場合には、もう一方のドレイン電極には、ITOなど透明導電膜からなる画素電極を設ける。そして最後に、窒素雰囲気あるいは水素雰囲気等で350℃、1時間のアニールを行い、図2(H)に示すTFT236を完成させる。さらに必要に応じて、TFT236を保護する目的で、TFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0223】
以上の実施形態にしたがって作製したTFTは、第1実施形態で作製したTFTと同様の非常に良好な電気特性を示した。そして、本実施形態に基づいて作製されたTFTをデュアルゲート構造として液晶表示用アクティブマトリクス基板の画素TFTに適用したところ、従来法により作製したものに比べて表示むらが明らかに少なく、TFTリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。
【0224】
(第3実施形態)
本発明を用いた第3の実施の形態について説明する。本実施形態では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回路を形成するnチャネル型TFTとpチャネル型TFTを相補型に構成したCMOS構造の回路をガラス基板上に作製する工程について、説明を行う。
【0225】
図3および図4は、本実施形態で説明するTFTの作製工程を示す断面図であり、図3(A)から(E)、図4(A)から(C)の順にしたがって工程が順次進行する。
【0226】
図3(A)において、基板301には低アルカリガラス基板を用いた。この場合、ガラス歪み点よりも10〜20℃程度低い温度であらかじめ熱処理しておいても良い。この基板301のTFTを形成する表面には、基板301からの不純物拡散を防ぐために、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜または酸化窒化ケイ素膜などの下地膜を形成する。本実施形態では、例えば、プラズマCVD法でSiH、NH、NOの材料ガスから作製される酸化窒化ケイ素膜を、下層の第1下地膜302として成膜し、その上に同様にプラズマCVD法によりSiH、NOを材料ガスとして第2の下地膜303を積層形成した。このときの第1下地膜302の酸化窒化ケイ素膜の膜厚は、25〜200nm、例えば50nmとし、第2下地膜303の酸化窒化ケイ素膜の膜厚としては、25〜300nm、例えば100nmとした。本実施形態では、2層の下地膜を使用したが、例えば酸化ケイ素膜の単層でも問題ない。
【0227】
次に、20〜150nm(好ましくは30〜80nm)の厚さで希ガス元素を含有し非晶質構造を有するケイ素膜(a−Si膜)304を、シラン系ガスと希ガスとを材料ガスとしてプラズマCVD法で形成する。本実施形態では、非晶質ケイ素膜を50nmの厚さに形成した。また、下地膜302、303と非晶質ケイ素膜304とは両者を連続形成しても良い。図16に示すようなマルチチャンバー型のプラズマCVD装置を使用することで、下地膜を形成した後、一旦大気雰囲気に晒さないことでその表面の汚染を防ぐことが可能となり、作製するTFTの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減させることができる。a−Si膜304の成膜は、希ガス元素としてArを用い、図15(B)に示すような二周波方式のプラズマCVD装置を用いて行った。このときの基板加熱温度は350℃とし、ガス流量は、SiH4ガスが100sccm、Arガスが3000sccmとした。また、ガス圧力は0.7Torrとし、CVD電極に供給されるRF周波数を27.1MHz、RFパワーを100Wとし、基板側に供給されるRF周波数を1.6MHz、RFパワーを80Wとした。a−Si膜中の希ガス元素濃度は、5×1016〜5×1018atoms/cm3であることが望ましく、本実施形態では、a−Si膜304中のAr濃度は、約1×1018atoms/cm3程度であった。また、本実施形態では希ガス元素としてアルゴン(Ar)を用いたが、それ以外にクリプトン(Kr)やキセノン(Xe)も利用できる。
【0228】
そして、a−Si膜304表面上に触媒元素(本実施形態ではニッケル)306の微量添加を行う。このニッケル306の微量添加は、ニッケルを溶かせた溶液をa−Si膜304上に保持し、スピナーにより溶液を基板301上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度は8ppmとなるようにした。この状態が図3(A)の状態に相当する。このようにして添加された図3(A)の状態におけるa−Si膜304表面上のニッケル濃度を全反射蛍光X線分析(TRXRF)法により測定すると、3×1012atoms/cm2程度であった。触媒元素をアモルファスシリコン膜に添加する方法としては、触媒元素を含有する溶液を塗布する方法以外に、プラズマドーピング法、蒸着法もしくはスパッタ法等の気相法なども利用することができる。溶液を用いる方法は、触媒元素の添加量の制御が容易であり、ごく微量な添加を行うのも容易である。
【0229】
そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第1の加熱処理を行う。このときの加熱処理としては520〜600℃で1〜8時間のアニール処理を行う。本実施形態では、一例として580℃にて1時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜表面に添加されたニッケル306がa−Si膜304中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜304の結晶化が進行する。その結果、図3(B)に示すように、a−Si膜304は結晶化され、結晶質ケイ素膜304aとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜304aの結晶面配向は、主に〈111〉晶帯面で構成され、その中でも特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の領域が占められている。また、その結晶粒(ほぼ同一の面方位領域)の粒径は、2〜10μmとなっている。
【0230】
次に、図3(C)に示すように、レーザー光307を照射することで、この結晶質ケイ素膜304aをさらに再結晶化し、その結晶性を向上させる。このときのレーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用いた。レーザー光の照射条件は、基板加熱はせず、エネルギー密度250〜500mJ/cm2、例えば400mJ/cm2で照射した。ビーム形状は、基板301表面で150mm×1mmの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、結晶質ケイ素膜304aの任意の一点において、計20回のレーザー照射が行われることになる。このようにして、固相結晶化により得られた結晶質ケイ素膜304aは、レーザー照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜304bとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜304bの結晶面配向は、レーザー照射前の結晶質ケイ素膜304aの状態を維持しているが、その平均表面粗さRaは4〜9nmとなっている。また、この時使用できるレーザーとしては、パルス発振型または連続発光型のKrFエキシマレーザー、XeClエキシマレーザー、YAGレーザーまたはYVO4レーザーを用いることができる。結晶化の条件は、実施者が適宜選択すればよい。
【0231】
その後、結晶質ケイ素膜304bの不要な部分を除去して素子間分離を行う。該工程により、図3(D)に示すように、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶質ケイ素膜314nと314pとが形成される。
【0232】
ここで、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTの活性領域の全面に、しきい値電圧を制御する目的で1×1016〜5×1017/cm3程度の濃度でp型を付与する不純物元素としてボロン(B)を添加してもよい。ボロン(B)の添加はイオンドープ法で実施しても良いし、非晶質シリコン膜を成膜するときに同時に添加しておくこともできる。
【0233】
次に、上記の活性領域となる結晶質ケイ素膜314n、314pを覆うように厚さ20〜150nm、ここでは100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜315として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではTEOSを原料とし、酸素とともに基板温度300〜450℃で、RFプラズマCVD法で分解・堆積した。ゲート絶縁膜315には、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0234】
引き続いて、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極316nと316pを形成する。このときの高融点メタルとしては、タンタル(Ta)あるいはタングステン(W)、モリブデン(Mo)チタン(Ti)から選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金か、前記元素を組み合わせた合金膜(代表的にはMo−W合金膜、Mo−Ta合金膜)で形成すれば良い。また、その他の代替材料として、タングステンシリサイド、チタンシリサイド、モリブデンシリサイドを適用しても良い。本実施形態では、タングステン(W)を用い、厚さが300〜600nm、例えば450nmとした。このとき、低抵抗化を図るために含有する不純物濃度を低減させると良く、酸素濃度を30ppm以下とすることで20μΩcm以下の比抵抗値を実現することができた。
【0235】
次に、図3(E)に示すように、イオンドーピング法によって、ゲート電極316nと316pをマスクとして活性領域にN型不純物(リン)322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60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1015〜1×1016cm-2、例えば6×1015cm-2とする。この工程により、後のNチャネル型TFTの活性領域314nと後のPチャネル型TFTの活性領域314pとにおいて、共にゲート電極316n、316pに覆われていない領域は、高濃度にリン322が注入された領域324となる。後のNチャネル型TFTの活性領域314nにおいては、この高濃度にリンが注入された領域324は、後のソース/ドレイン領域330となり、ゲート電極316nにマスクされリン322が注入されない領域は、後にチャネル領域319nとなる。この工程で、後のPチャネル型TFTの活性領域314pにも同様にリンを注入する理由は、この高濃度に注入されたリンをゲッタリング元素として利用し、後の第2の加熱処理工程でソース及びドレイン領域へとゲッタリングを行うためである。
【0236】
次に、図4(A)に示すように、後のnチャネル型TFTの活性領域314n全体を覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク325を設ける。この状態で、イオンドーピング法によって、レジストマスク325と後のpチャネル型TFTのゲート電極316pをマスクとして、pチャネル型TFTの活性領域314pにp型を付与する不純物(ホウ素)326を注入する。ドーピングガスとして、ジボラン(B26)を用い、加速電圧を40kV〜80kV、例えば65kVとし、ドーズ量は5×1015〜2×1016cm-2、例えば1×1016cm-2とする。この工程により、高濃度にホウ素326が注入された領域は、所謂カウンタードーピングにより、N型からP型に極性を反転させ、後にpチャネル型TFTのソース/ドレイン領域331となり、ゲート電極317pにマスクされ不純物が注入されない領域は、後のpチャネル型TFTのチャネル領域319pとなる。該工程において、後のnチャネル型TFTの活性領域314nは、マスク325で全面覆われているため、ホウ素326は全くドーピングされず、後のnチャネル型TFTのソース/ドレイン領域330を作り分けることができる。n型不純物とp型不純物のドーピングに際しては、このようにドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングを行い、n型の高濃度不純物領域330とp型の不純物領域331とが形成される。なお、本実施形態において、半導体層にn型不純物元素から添加したが、工程順は本実施形態に限定されることはなく、実施者が適宜決定すればよい。
【0237】
次いで、レジストマスク325を除去した後、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第2の熱処理を行う。本実施形態では、520〜600℃の範囲で30分から8時間程度の加熱処理を行った。この熱処理工程で、図4(B)に示すように、後のnチャネル型TFTの活性領域314n及びPチャネル型TFTの活性領域314pにおいて、ソース・ドレイン領域にドーピングされているリンが、その領域でのニッケルに対する固溶度を高め、チャネル領域に存在しているニッケルを、チャネル領域319n、319pからソース・ドレイン領域330、331へと、矢印313で示される方向に移動させることで、ゲッタリング工程が行なわれる。
【0238】
このゲッタリング工程では、まず、チャネル領域319n、319p中に固溶しているニッケルがソース・ドレイン領域330、331に移動することで、チャネル領域中のニッケル濃度が下がり、そこに析出しているNiシリサイドが、チャネル領域中に固溶することで行われる。そして、これらも固溶状態でソース・ドレイン領域330、331に移動していき、最終的に、チャネル領域中のNiシリサイドは消失し、固溶状態のニッケルの濃度も低減される。その結果、チャネル領域319n、319pのニッケル濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ5×1015atoms/cm3程度にまで低減されており、ほぼ測定下限レベルであった。また、ここでチャネル領域中に残留しているニッケルは、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。また、逆にソース・ドレイン領域にはニッケルが移動してくるため、ソース・ドレイン領域330、331におけるニッケル濃度は、1×1019/cm3以上となっている。
【0239】
また、この加熱処理工程で、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域330にドーピングされたn型不純物(リン)322と、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域331にドーピングされたp型不純物(ホウ素)326の活性化も同時に行われる。その結果、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域330のシート抵抗値は、400〜700Ω/□程度となり、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域331のシート抵抗値は、1〜1.5kΩ/□程度であった。
【0240】
次いで、図4(C)に示すように、無機層間絶縁膜を形成する。窒化ケイ素膜、酸化ケイ素膜、または窒化酸化ケイ素膜を400〜1500nm(代表的には600〜1000nm)の厚さで形成する。本実施形態では、膜厚200nmの窒化ケイ素膜333と膜厚700nmの酸化ケイ素膜334とを積層形成し、2層構造とした。このときの成膜方法としては、プラズマCVD法を用い、窒化ケイ素膜はSiH4とNH3を原料ガスとして、酸化ケイ素膜はTEOSとO2を原料として、連続形成した。もちろん、無機層間絶縁膜としては、これに限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造としてよい。
【0241】
さらに、300〜500℃で1〜数時間の熱処理を行い、半導体層を水素化する工程を行う。この工程は、活性領域/ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、TFT特性を劣化させる不対結合手(ダングリングボンド)を終端化し不活性化する工程である。本実施形態では、水素を約3%含む窒素雰囲気下で410℃、1時間の熱処理を行った。前記層間絶縁膜(特に窒化ケイ素膜333)に含まれる水素の量が十分である場合には、窒素雰囲気で熱処理を行っても効果が得られる。水素化の他の手段としては、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)を行ってもよい。
【0242】
次に、層間絶縁膜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二層膜によってTFTの電極・配線335を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。そして最後に、350℃、1時間のアニールを行い、図4(H)に示すnチャネル型TFT336とpチャネル型TFT337とを完成させる。さらに必要に応じて、ゲート電極316nおよび316pの上にもコンタクトホールを設けて、配線335により必要な電極間を接続する。また、TFTを保護する目的で、それぞれのTFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0243】
以上の実施形態にしたがって作製したそれぞれのTFTの電界効果移動度はnチャネル型TFTで250〜300cm2/Vs、pチャネル型TFTで120〜150cm2/Vsと高く、閾値電圧はN型TFTで1V程度、P型TFTで−1.5V程度と非常に良好な特性を示す。しかも、従来例で頻繁に見られたTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が全く無く、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られなかった。また、本実施形態で作製したnチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを相補的に構成したCMOS構造回路で、インバーターチェーンやリングオシレーター等の回路を形成した場合、従来のものと比べて非常に信頼性が高く、安定した回路特性を示した。
【0244】
(第4実施形態)
本発明を用いた第4の実施の形態について説明する。本実施形態でも、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTを相補型に構成したCMOS構造の回路をガラス基板上に作製する工程について、説明を行う。
【0245】
図5および図6は、本実施形態で説明するTFTの作製工程を示す断面図であり、図5(A)から(F)、図6(A)から(D)の順にしたがって工程が順次進行する。
【0246】
図5(A)において、低アルカリガラス基板401のTFTを形成する表面に、基板401からの不純物拡散を防ぐために、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜または酸化窒化ケイ素膜などの下地膜を形成する。本実施形態では、窒化ケイ素膜を下層の第1下地膜402として成膜し、その上に酸化ケイ素膜を第2の下地膜403を積層形成した。第1下地膜402の酸化窒化ケイ素膜の膜厚は、例えば100nmとし、第2下地膜403の酸化窒化ケイ素膜の膜厚としては、例えば100nmとして、共にプラズマCVD法で連続形成した。
【0247】
次に、20〜150nm(好ましくは30〜80nm)の厚さの非晶質構造を有するケイ素膜(a−Si膜)404を形成する。ここでa−Si膜404は、図15(A)に示すような一般的なプラズマCVD法によりシラン系ガスを材料ガスとして形成する。この段階では、まだa−Si膜404には希ガス元素は含まれていない。本実施形態では、このときのa−Si膜の厚さを50nmとした。また、下地膜402、403と非晶質ケイ素膜404とは両者を連続形成しても良い。
【0248】
そして、図5(A)に示すように、基板上方よりa−Si膜404に希ガス元素(本実施形態ではAr)405をイオンドーピングする。このときのアルゴン405のドーピング条件としては、ドーピングガスとして100%のArを用い、加速電圧を5〜15kVとし、ドーズ量としては1×1013〜1×1015cm-2、例えば1×1014cm-2とした。このときの希ガス元素としては、Ar、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素が利用できる。また、この工程において、a−Si膜中の希ガス元素の濃度は、5×1016〜5×1018atoms/cm3とすることが望ましく、本実施形態では、a−Si膜404中のAr濃度は、約1×1018atoms/cm3程度であった。
【0249】
引き続いて、a−Si膜404表面上に触媒元素(本実施形態ではニッケル)406の微量添加を行う。このニッケル406の微量添加は、ニッケルを溶かせた溶液をa−Si膜404上に保持し、スピナーにより溶液を基板401上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度は8ppmとなるようにした。この状態が図5(B)の状態に相当する。このようにして添加された図5(B)の状態におけるa−Si膜404表面上のニッケル濃度を全反射蛍光X線分析(TRXRF)法により測定すると、3×1012atoms/cm2程度であった。
【0250】
そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて加熱処理を行う。このときの加熱処理としては520〜600℃で1〜8時間のアニール処理を行う。本実施形態では、一例として550℃にて4時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜表面に添加されたニッケル406がa−Si膜404中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜404の結晶化が進行する。その結果、図5(C)に示すように、a−Si膜404は結晶化され、結晶質ケイ素膜404aとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜404aの結晶面配向は、主に〈111〉晶帯面で構成され、その中でも特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の領域が占められている。また、その結晶粒(ほぼ同一の面方位領域)の粒径は、2〜10μmとなっている。
【0251】
次に、図5(D)に示すように、レーザー光407を照射することで、この結晶質ケイ素膜404aをさらに再結晶化し、その結晶性を向上させる。このときのレーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用いた。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度を例えば400mJ/cm2とし、150mm×1mmの長尺形状となるように成型されたビームにて、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、結晶質ケイ素膜404aの任意の一点において、計20回のレーザー照射が行われることになる。このようにして、固相結晶化により得られた結晶質ケイ素膜404aは、レーザー照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶質ケイ素膜404bとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜404bの結晶面配向は、レーザー照射前の結晶質ケイ素膜404aの状態を維持しているが、その平均表面粗さRaは4〜9nmとなっている。
【0252】
その後、結晶質ケイ素膜404bの不要な部分を除去して素子間分離を行う。該工程により、図5(E)に示すように、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶質ケイ素膜414nと414pとが形成される。
【0253】
ここで、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTの活性領域の全面に、しきい値電圧を制御する目的で1×1016〜5×1017/cm程度の濃度でp型を付与する不純物元素としてボロン(B)を添加してもよい。ボロン(B)の添加はイオンドープ法で実施しても良いし、非晶質シリコン膜を成膜するときに同時に添加しておくこともできる。
【0254】
次に、上記の活性領域となる結晶質ケイ素膜414n、414pを覆うように厚さ20〜150nm、ここでは100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜414として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、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。
【0255】
引き続いて、図5(F)に示すように、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極416nと416pを形成する。本実施形態では、このときの高融点メタルとして、窒素が微量にドープされたタンタル(Ta)を用い、厚さが300〜600nm、例えば450nmとした。
【0256】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極416nと416pをマスクとして活性領域に低濃度の不純物(リン)418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60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1012〜1×1014cm-2、例えば2×1013cm-2とする。この工程により島状のケイ素膜414nと414pにおいて、ゲート電極416nと416pに覆われていない領域は低濃度のリン418が注入された領域420となり、ゲート電極416n、416pにマスクされ不純物418が注入されない領域は、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTのチャネル領域419nと419pとなる。この状態が図5(F)に相当する。
【0257】
次いで、図6(A)に示すように、後のnチャネル型TFTにおいては、ゲート電極416nを一回り大きく覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク421nを設け、後のpチャネル型TFTにおいては、活性領域414p全体を覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク421pを設ける。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク421n、421pをマスクとして活性領域に不純物(リン)422を高濃度に注入する。このとき、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、ドーズ量を2×1015〜1×1016cm-2、例えば5×1015cm-2とする。この工程により、後のnチャネル型TFTの活性領域414nにおいては、高濃度に不純物(リン)422が注入された領域は、後にnチャネル型TFTのソース/ドレイン領域430となり、レジストマスク421nに覆われ、高濃度のリン422がドーピングされなかった領域は、低濃度にリンが注入された領域として残り、LDD(Lightly Doped Drain)領域423を形成する。また、後にpチャネル型TFTにおいては、その活性領域全域がマスク421pにより覆われているため、この工程で高濃度不純物(リン)422は注入されない。このときの領域430におけるn型不純物元素(リン)422の膜中濃度は1×1019〜1×1021/cm3となっている。また、nチャネル型TFTのLDD領域423におけるn型不純物元素(リン)418の膜中濃度は、1×1017〜1×1020/cm3となっており、このような範囲であるときにLDD領域として機能する。
【0258】
次に、レジストマスク421n、421pを除去した後、図6(B)に示すように、また新たに、後のnチャネル型TFTの活性領域414n全体を覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク425を設ける。このとき、後のpチャネル型TFTの上方にはマスクは設けられず、TFT全体が露呈されている。この状態で、イオンドーピング法によって、レジストマスク425と後のpチャネル型TFTのゲート電極416pをマスクとして、活性領域にp型を付与する不純物(ホウ素)426を注入する。ドーピングガスとして、ジボラン(B26)を用い、加速電圧を40kV〜80kV、例えば65kVとし、ドーズ量は1×1015〜1×1016cm-2、例えば7×1016cm-2とする。さらに、続けて、イオンドーピング法によって、レジストマスク425と後のpチャネル型TFTのゲート電極416pをマスクとして、pチャネル型TFTの活性領域414pに希ガス元素(本実施形態ではAr)429を注入する。このときのアルゴン429のドーピング条件としては、ドーピングガスとしては100%のArを用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとし、ドーズ量としては1×1015〜1×1016cm-2、例えば1×1015cm-2とした。このときの希ガス元素としては、Ar、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素が利用できる。本実施形態では、これら2つのドーピングを別々に行ったが、ジボラン(B26)ガスと希ガス(Ar)との混合ガスをドーピングガスとして用い、一回のドーピング工程により、これら2種の元素(426と429)の注入を同時に行ってもよい。
【0259】
この工程により、後にpチャネル型TFTの活性領域414pにおいては、ゲート電極416p下部のチャネル領域419p以外に高濃度にホウ素426とアルゴン429とが注入される。注入されたホウ素426は、先の工程で低濃度に注入されているn型不純物のリン418を反転させp型となり、後のpチャネル型TFTのソース/ドレイン領域431が形成される。アルゴンは不活性元素であるので、半導体のキャリア分布には影響は与えない。ここで、pチャネル型TFTのソース/ドレイン領域431に希ガス元素を注入する理由は、希ガス元素をゲッタリング元素として利用し、後の第2の加熱処理工程でソース及びドレイン領域へとゲッタリングを行うためである。すなわち、nチャネル型TFTではソース/ドレイン領域430に注入されたリン422そのものがゲッタリング元素として機能するが、pチャネル型TFTにおいては、ホウ素426だけではゲッタリング元素として機能しないため、ホウ素の注入のみでソース/ドレイン領域を形成してもゲッタリングは行われない。したがって、本実施形態では、pチャネル型TFTにおいては、アルゴンをゲッタリング元素としてソース/ドレイン領域に導入し、ゲッタリング作用を生じさせている訳である。このときの領域431におけるp型不純物元素(ホウ素)426の膜中濃度は1.5×1019〜3×1021/cm3であり、希ガス元素(Ar)の濃度は、1×1019〜1×1021atoms/cm3となっている。
【0260】
n型不純物とp型不純物のドーピングに際しては、このようにドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングを行い、n型の高濃度不純物領域430とp型の不純物領域431とが形成され、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを形成することができる。なお、本実施形態において、半導体層にn型不純物元素から添加したが、工程順は本実施形態に限定されることはなく、実施者が適宜決定すればよい。
【0261】
次いで、レジストマスク425を除去した後、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第2の熱処理を行う。本実施形態では、550℃で4時間の加熱処理を行った。この熱処理工程で、後のnチャネル型TFTの活性領域414nにおいては、ソース・ドレイン領域430に高濃度にドーピングされているリンが、その領域でのニッケルに対する固溶度を高め、チャネル領域に存在しているニッケルを、チャネル領域419nからソース・ドレイン領域430へと、図6(C)に示す矢印413で示される方向に移動させる。また、後のpチャネル型TFTの活性領域414pにおいては、ソース・ドレイン領域431にドーピングされているアルゴンがニッケルに対する偏析サイトを形成しゲッタリング作用を生じさせ、チャネル領域に存在しているニッケルを、チャネル領域419pからソース・ドレイン領域431へと、矢印413で示される方向に移動させる。このようにして、nチャネル型TFT、pチャネル型TFT共にゲッタリング工程が行なわれる。
【0262】
このゲッタリング工程では、まず、チャネル領域419n、419p中に固溶しているニッケルがソース・ドレイン領域430、431に移動することで、チャネル領域中のニッケル濃度が下がり、そこに析出しているNiシリサイドが、チャネル領域中に固溶することで行われる。そして、これらも固溶状態でソース・ドレイン領域430、431に移動していき、最終的に、チャネル領域中のNiシリサイドは消失し、固溶状態のニッケルの濃度も低減される。その結果、チャネル領域419n、419pのニッケル濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ5×1015atoms/cm3程度にまで低減されており、ほぼ測定下限レベルであった。また、ここでチャネル領域中に残留しているニッケルは、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。また、逆にソース・ドレイン領域にはニッケルが移動してくるため、ソース・ドレイン領域430、431におけるニッケル濃度は、1×1019/cm3以上となっている。
【0263】
また、この加熱処理工程で、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域430とLDD領域423にドーピングされたn型不純物(リン)422と、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域431にドーピングされたp型不純物(ホウ素)426の活性化も同時に行われる。その結果、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域430のシート抵抗値は、400〜700Ω/□程度となり、LDD領域423のシート抵抗値は、30〜60kΩ/□であった。また、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域431のシート抵抗値は、1〜1.5kΩ/□程度であった。
【0264】
次いで、図6(D)に示すように、層間絶縁膜を形成する。窒化ケイ素膜、酸化ケイ素膜、または窒化酸化ケイ素膜を400〜1500nm(代表的には600〜1000nm)の厚さで形成する。本実施形態では、膜厚200nmの窒化ケイ素膜433と膜厚700nmの酸化ケイ素膜434とを積層形成し、2層構造とした。もちろん、無機層間絶縁膜としては、これに限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造としてよい。
【0265】
さらに、300〜500℃で1時間程度の熱処理を行う。これにより、前記層間絶縁膜(特に窒化ケイ素膜433)から、活性領域およびゲート絶縁膜の界面へ水素原子が供給され、TFT特性を劣化させる不対結合手(ダングリングボンド)を終端化し不活性化する。本実施形態では、窒素雰囲気下で410℃、1時間の熱処理を行った。
【0266】
次に、層間絶縁膜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二層膜によってTFTの電極・配線435を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。そして最後に、350℃、1時間のアニールを行い、図6(D)に示すnチャネル型TFT436とpチャネル型TFT437とを完成させる。さらに必要に応じて、ゲート電極416nおよび416pの上にもコンタクトホールを設けて、配線435により必要な電極間を接続する。また、TFTを保護する目的で、それぞれのTFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0267】
以上の実施形態にしたがって作製したそれぞれのTFTの電界効果移動度は、第3実施形態と同様の良好な特性を示す。
【0268】
さらに、本実施形態では、第1あるいは第2実施形態に比べ、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとにおいて、それぞれのソース・ドレイン領域形成工程を利用して、同時にゲッタリング領域を形成することができる。したがって、ゲッタリングのための付加工程(デポ工程、フォトリソ工程、ドーピング工程、アニール工程)が全くなくなる。その結果、製造工程を簡略化でき、半導体装置の製造コストを低減と良品率の向上が図れた。
【0269】
(第5実施形態)
本発明を用いた第5の実施の形態について説明する。本実施形態でも、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTを相補型に構成したCMOS構造の回路をガラス基板上に作製する工程について、説明を行う。
【0270】
図7および図8は、本実施形態で説明するTFTの作製工程を示す断面図であり、図7(A)から(E)、図8(A)から(D)の順にしたがって工程が順次進行する。
【0271】
図7(A)において、ガラス基板501のTFTを形成する表面に、基板501からの不純物拡散を防ぐために、酸化窒化ケイ素膜からなる下層の第1下地膜502と、酸化ケイ素膜からなる第2の下地膜503を積層形成した。このときの第1下地膜502の酸化窒化ケイ素膜の膜厚は、例えば50nmとし、第2下地膜503の酸化ケイ素膜の膜厚としては、例えば100nmとした。
【0272】
次に、30〜80nmの厚さの希ガス元素を含有する非晶質ケイ素膜(a−Si膜)504を形成する。本実施形態では、シラン系ガスと希ガスとを材料ガスとして、図15(B)に示すようなデュアルバイアス二周波方式のプラズマCVD法により厚さ50nmのa−Si膜を成膜した。希ガス元素としてArを用い、基板加熱温度は350℃とし、ガス流量は、SiH4ガスが100sccm、Arガスが1000sccmとした。また、ガス圧力は0.7Torrとし、CVD電極に供給されるRF周波数を27.1MHz、RFパワーを100Wとし、基板側に供給されるRF周波数を1.6MHz、RFパワーを50Wとした。a−Si膜504中の希ガス元素濃度は、5×1016〜5×1018atoms/cm3であることが望ましく、本実施形態では、約5×1017atoms/cm3程度であった。また、下地膜502、503とa−Si膜504とは共にプラズマCVD法で形成することが可能であるので、両者を連続形成しても良い。
【0273】
そして、a−Si膜504表面上に触媒元素(本実施形態ではニッケル)506の微量添加を行う。このニッケル506の微量添加は、ニッケルを溶かせた溶液をa−Si膜504上に保持し、スピナーにより溶液を基板501上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度は8ppmとなるようにした。この状態が図7(A)の状態に相当する。このようにして添加された図7(A)の状態におけるa−Si膜504表面上のニッケル濃度を全反射蛍光X線分析(TRXRF)法により測定すると、5×1012atoms/cm2程度であった。
【0274】
そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて加熱処理を行う。本実施形態では、一例として580℃にて1時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜表面に添加されたニッケル506がa−Si膜504中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜504の結晶化が進行する。その結果、図5(B)に示すように、a−Si膜504は結晶化され、結晶質ケイ素膜504aとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜504aの結晶面配向は、主に〈111〉晶帯面で構成され、その中でも特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の領域が占められている。また、その結晶粒(ほぼ同一の面方位領域)の粒径は、2〜10μmとなっている。
【0275】
次に、図7(C)に示すように、レーザー光507を照射することで、この結晶質ケイ素膜504aをさらに再結晶化し、その結晶性を向上させる。このようにして、固相結晶化により得られた結晶質ケイ素膜504aは、レーザー照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶質ケイ素膜504bとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜504bの結晶面配向は、レーザー照射前の結晶質ケイ素膜504aの状態を維持しているが、その平均表面粗さRaは4〜9nmとなっている。
【0276】
その後、結晶質ケイ素膜504bの不要な部分を除去して素子間分離を行う。該工程により、図7(D)に示すように、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶質ケイ素膜514nと514pとが形成される。
【0277】
ここで、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTの活性領域の全面に、しきい値電圧を制御する目的で1×1016〜5×1017/cm程度の濃度でp型を付与する不純物元素としてボロン(B)を添加してもよい。ボロン(B)の添加はイオンドープ法で実施しても良いし、非晶質シリコン膜を成膜するときに同時に添加しておくこともできる。
【0278】
次に、上記の活性領域となる結晶質ケイ素膜514n、514pを覆うように例えば厚さ100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜515として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではTEOSを原料とし、酸素とともにRFプラズマCVD法で分解・堆積した。
【0279】
引き続いて、図7(E)に示すように、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極516nと516pを形成する。本実施形態では、このときの高融点メタルとして、タングステン(W)を用い、例えば厚さを450nmとした。
【0280】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極516nと516pをマスクとして活性領域に低濃度の不純物(リン)518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80kV、ドーズ量を2×1013cm-2とした。この工程により島状のケイ素膜514nと514pにおいて、ゲート電極516nと516pに覆われていない領域は低濃度のリン518が注入された領域520となり、ゲート電極516n、516pにマスクされ不純物518が注入されない領域は、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTのチャネル領域519nと519pとなる。この状態が図7(E)に相当する。
【0281】
次いで、図8(A)に示すように、後のnチャネル型TFTにおいては、ゲート電極516nを一回り大きく覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク521nを設け、後のpチャネル型TFTにおいては、ゲート電極516pをさらに一回り大きく覆い、活性領域514pの外縁部を露出させるようにフォトレジストによるドーピングマスク521pを設ける。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク521n、521pをマスクとして活性領域に不純物(リン)522を高濃度に注入する。このとき、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、ドーズ量を2×1015〜1×1016cm-2、例えば5×1015cm-2とする。この工程により、後のnチャネル型TFTにおいては、高濃度に不純物(リン)522が注入された領域524の一部は、後にnチャネル型TFTのソース/ドレイン領域を構成する。そして、活性領域514nにおいて、レジストマスク521nに覆われ、高濃度のリン522がドーピングされなかった領域は、低濃度にリンが注入された領域として残り、LDD(Lightly Doped Drain)領域523を形成する。また、この工程により、後にpチャネル型TFTにおいては、高濃度に不純物(リン)522が注入された領域524は、後にpチャネル型TFTのゲッタリング領域を形成することになる。このときの領域524におけるn型不純物元素(リン)522の膜中濃度は1×1019〜1×1021/cm3となっている。また、nチャネル型TFTのLDD領域523におけるn型不純物元素(リン)518の膜中濃度は、1×1017〜1×1020/cm3となっており、このような範囲であるときにLDD領域として機能する。
【0282】
次に、レジストマスク521n、521pを除去した後、図8(B)に示すように、また新たに、後のnチャネル型TFTの活性領域514nにおいて、先ほど形成されたLDD領域523を一回り大きく覆い、活性領域514nの外縁部を露出させるようにフォトレジストによるドーピングマスク525を設ける。このとき、後のpチャネル型TFTの上方にはマスクは設けられず、TFT全体が露呈されている。この状態で、イオンドーピング法によって、レジストマスク525と後のpチャネル型TFTのゲート電極516pをマスクとして、活性領域にp型を付与する不純物(ホウ素)526を注入する。ドーピングガスとして、ジボラン(B26)を用い、加速電圧を40kV〜80kV、例えば65kVとし、ドーズ量は1×1015〜1×1016cm-2、例えば7×1016cm-2とする。この工程により、後にnチャネル型TFTにおいては、高濃度にホウ素526が注入された領域は、後にnチャネル型TFTのゲッタリング領域532nとして機能する。そして、後にpチャネル型TFTの活性領域514pにおいては、ゲート電極516p下部のチャネル領域519p以外に高濃度にホウ素526が注入され、先の工程で低濃度に注入されているn型不純物のリン518を反転させp型となり、後にpチャネル型TFTのソース/ドレイン領域531となる。また、高濃度のリン522が注入されている領域524には、さらに高濃度のホウ素526が注入され、pチャネル型TFTのゲッタリング領域532pが形成される。このときの領域531と領域532nおよび532pとにおけるp型不純物元素(ホウ素)526の膜中濃度は1.5×1019〜3×1021/cm3となっている。また、n型不純物元素(リン)に対して1〜2倍の濃度となっている。この工程により、nチャネル型TFTのゲッタリング領域532nとpチャネル型TFTのゲッタリング領域532pは、前工程でのリン522とこの工程でのホウ素526とが合わせてドーピングされた領域となっている。
【0283】
n型不純物とp型不純物のドーピングに際しては、このようにドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングを行い、n型の高濃度不純物領域530とp型の不純物領域531、そしてゲッタリング領域532n、532pとが形成され、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを形成することができる。なお、本実施形態において、半導体層にn型不純物元素から添加したが、工程順は本実施形態に限定されることはなく、実施者が適宜決定すればよい。
【0284】
次いで、レジストマスク525を除去した後、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第2の熱処理を行う。本実施形態では、550℃で4時間の加熱処理を行った。この熱処理工程で、後のnチャネル型TFTの活性領域514nにおいては、ソース・ドレイン領域の外側に形成されたゲッタリング領域532nに高濃度にドーピングされているリンとホウ素が、その領域でのニッケルに対する固溶度を高め、さらにニッケルに対する偏析サイトを形成し、またドーピング時に生じた結晶欠陥もニッケルの偏析サイトとして機能する。そして、チャネル領域519n、LDD領域523およびソース・ドレイン領域530に存在しているニッケルを、チャネル領域からLDD領域、さらにソース・ドレイン領域、そしてゲッタリング領域532nへと、図8(C)の矢印513で示される方向に移動させる。リンのみがドーピングされたソース/ドレイン領域530もゲッタリング効果を有するが、リンとホウ素がドーピングされたゲッタリング領域532nの能力が圧倒的に高いので、ゲッタリング領域532nにニッケルが集められる。また、後のpチャネル型TFTの活性領域514pにおいても、ソース・ドレイン領域の外側に形成されたゲッタリング領域532pに高濃度にドーピングされているリンおよびホウ素が同様の機能を果たし、チャネル領域519p、ソース・ドレイン領域531に存在しているニッケルを、チャネル領域からソース・ドレイン領域、そしてゲッタリング領域532pへと、同様に矢印513で示される方向に移動させる。以上の工程により、ゲッタリング工程が行なわれる。
【0285】
このゲッタリング工程では、まず、チャネル領域519n、519pやLDD領域523、ソース・ドレイン領域530、531に固溶しているニッケルがゲッタリング領域532n、532pに移動することで、これらの領域中のニッケル濃度が下がり、そこに析出していたNiシリサイドが、ケイ素膜中に溶け出すことで行われる。そして、これらも固溶状態でゲッタリング領域532n、532pに移動していき、Niシリサイドは消失し、固溶状態のニッケルの濃度も低減される。この加熱処理工程により、ゲッタリング領域532nおよび532pにはニッケルが移動してくるため、ゲッタリング領域532n、532pにおけるニッケル濃度は、1×1019/cm3以上となる。これに対して、TFT活性領域のチャネル領域や、チャネル領域とソース・ドレイン領域との接合部、またLDD領域との接合部においては、ニッケル濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ5×1015atoms/cm3程度であり、ほぼ測定下限レベルであった。また、ここでこれらの領域中に残留しているニッケルは、勿論シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。
【0286】
また、この加熱処理工程で、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域530とLDD領域523にドーピングされたn型不純物(リン)と、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域531にドーピングされたp型不純物(リン)の活性化も同時に行われる。その結果、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域530のシート抵抗値は、400〜700Ω/□程度となり、LDD領域523のシート抵抗値は、30〜60kΩ/□であった。また、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域531のシート抵抗値は、1〜1.5kΩ/□程度であった。
【0287】
次いで、図8(D)に示すように、層間絶縁膜を形成する。膜厚200nmの窒化ケイ素膜533と膜厚700nmの酸化ケイ素膜534とを積層形成し、2層構造とした。もちろん、無機層間絶縁膜としては、これに限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造としてよい。
【0288】
さらに、300〜500℃で1時間程度の熱処理を行う。これにより、前記層間絶縁膜(特に窒化ケイ素膜533)から、活性領域およびゲート絶縁膜の界面へ水素原子が供給され、TFT特性を劣化させる不対結合手(ダングリングボンド)を終端化し不活性化する。
【0289】
次に、層間絶縁膜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二層膜によってTFTの電極・配線535を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。そして最後に、350℃、1時間のアニールを行い、図8(I)に示すnチャネル型TFT536とpチャネル型TFT537とを完成させる。さらに必要に応じて、ゲート電極516nおよび516pの上にもコンタクトホールを設けて、配線535により必要な電極間を接続する。また、TFTを保護する目的で、それぞれのTFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0290】
以上の実施形態にしたがって作製したそれぞれのTFTの電界効果移動度は、第3実施形態及び第4実施形態と同様の良好な特性を示す。
【0291】
さらに、本実施形態でも、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとにおいて、それぞれのソース・ドレイン領域形成工程を利用して、同時にゲッタリング領域を形成することができる。したがって、ゲッタリングのための付加工程(フォトリソ工程、ドーピング工程、アニール工程)が全くなくなる。その結果、製造工程を簡略化でき、半導体装置の製造コストを低減と良品率の向上が図れた。
【0292】
(第6実施形態)
本発明の第6の実施の形態を図9および図10を用いて説明する。本実施形態でも、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTを同一基板上に作製する方法について説明する。
【0293】
ガラス基板601上に膜厚50nmの窒化ケイ素膜からなる第1下地絶縁膜602を形成し、続けて膜厚100nmの酸化ケイ素膜からなる第2下地絶縁膜603を形成する。さらに膜厚20〜100nm、例えば50nmのa−Si膜604を形成する。このときのa−Si膜604の成膜は、前述の第1〜第5の実施形態と同様の方法を用いることができる。本実施形態では、図15(A)に示すような通常のプラズマCVD法を用い、基板加熱温度は250℃とし、ガス流量は、SiH4ガスが100sccm、Arガスが5000sccmとし、ガス圧力は0.5Torrとし、CVD電極に供給されるRF周波数を27.1MHz、RFパワーを100Wとして、Arを含有するa−Si膜604を成膜した。このようにして得られたa−Si膜604中のAr濃度は、約1×1017atoms/cm3程度であった。
【0294】
続いて、a−Si膜604に触媒元素を添加し、加熱処理を行う。非晶質ケイ素膜に対して、重量換算で10ppmの触媒元素(本実施形態ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素含有層606を形成する。この状態が図9(A)に相当する。
【0295】
そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第1の加熱処理を行う。このときの加熱処理としては520〜600℃で1〜8時間のアニール処理を行う。本実施形態では、一例として550℃にて4時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜表面に添加されたニッケル606のシリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜604の結晶化が進行する。その結果、図9(B)に示すように、a−Si膜604は結晶化され、結晶質ケイ素膜604aとなる。このようにして得られた結晶質ケイ素膜604aの結晶面配向は、主に〈111〉晶帯面で構成され、その中でも特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の領域が占められている。また、その結晶粒(ほぼ同一の面方位領域)の粒径は、2〜10μmとなっている。
【0296】
続いて、図9(C)に示すように、加熱処理により得られた結晶質ケイ素膜604aにレーザー光を照射して、結晶性を向上させた結晶質ケイ素膜604bを形成する。このレーザー光照射により結晶質シリコン膜604bの結晶性は大幅に改善されている。本実施形態でも、レーザー光は、パルス発振型のXeClエキシマレーザー(波長308nm)を適用した。このようにして得られた結晶質ケイ素膜604bの結晶面配向は、レーザー照射前の結晶質ケイ素膜604aの状態を維持しているが、その平均表面粗さRaは4〜9nmとなっている。
【0297】
続いて、図9(D)に示すように、結晶質ケイ素膜を所定の形状にエッチングして、後のnチャネル型TFTの活性領域614nとpチャネル型TFTの活性領域614pとを形成する。
【0298】
次に、これらの活性領域614n、614pを覆うゲート絶縁膜615を形成する。続いて、ゲート絶縁膜615上に導電膜をスパッタ法またはCVD法などを用いて形成する。導電膜としては高融点金属のW、Ta、Ti、Moまたはその合金材料のいずれかを用いればよい。そして、図9(E)に示すように、導電膜をエッチングしてゲート電極616nと616pとを形成する。
【0299】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極616nと616pをマスクとして活性領域に低濃度のn型不純物(リン)618を注入する。本実施形態では、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80kV、ドーズ量を2×1013cm-2とした。この工程により島状のケイ素膜614nと614pにおいて、ゲート電極616nと616pに覆われていない領域は低濃度のリン618が注入された領域620となり、ゲート電極616n、616pにマスクされ不純物618が注入されない領域は、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTのチャネル領域619nと619pとなる。この状態が図9(E)に相当する。
【0300】
次いで、図9(F)に示すように、nチャネル型TFTの活性領域614nにおいてはゲート電極616nを一回り大きく覆うように、フォトレジストによるドーピングマスク621nを設け、またpチャネル型TFTの活性領域614pにおいてはその活性領域全体を覆うように、フォトレジストによるドーピングマスク621pを設ける。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク621n、621pをマスクとして活性領域に不純物(リン)622を高濃度に注入する。本実施形態では、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80kV、ドーズ量を5×1015cm-2とした。この工程により、後のnチャネル型TFTにおいては、高濃度(1×1019〜1×1021/cm3の濃度)にリン622が注入された領域624の一部は、後にnチャネル型TFTのソース/ドレイン領域となる。そして、活性領域614nにおいて、レジストマスク621nに覆われ、高濃度のリン622がドーピングされなかった領域は、低濃度にリンが注入された領域として残り、LDD(Lightly Doped Drain)領域623を形成する。後のpチャネル型TFTにおいては、その活性領域614pにリンの注入は全く行なわれない。
【0301】
次に、レジストマスク621n、621pを除去した後、図10(A)に示すように、後のnチャネル型TFTの活性領域614n全体を覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク625を設ける。このとき、後のpチャネル型TFTの活性領域614p上にはマスクは設けられず、TFT全体が露呈されている。この状態で、イオンドーピング法によって、レジストマスク625と後のpチャネル型TFTのゲート電極616pをマスクとして、活性領域にp型を付与する不純物(ホウ素)626を注入する。ドーピングガスとして、ジボラン(B26)を用い、加速電圧を65kVとし、ドーズ量は7×1016cm-2とした。この工程により、後にpチャネル型TFTの活性領域614pにおいては、ゲート電極616p下部のチャネル領域619p以外に高濃度にホウ素626が注入され、先の工程で低濃度に注入されているn型不純物のリン618を反転させp型不純物領域627となる。
【0302】
次いで、レジストマスク625を除去した後、図10(B)に示すように、また新たに、後のnチャネル型TFTのゲート電極616nと後のpチャネル型TFTのゲート電極616pを覆うように、レジストからなるマスク628n、628pを形成する。このときのマスク628n、628pにより、後のnチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの活性領域614n、614pの一部(外縁部)が露呈される。この状態で、基板上方より希ガス元素(本実施形態ではKr)629を全面にイオンドーピングする。この工程により、TFT活性領域の露呈している領域に希ガス元素629が注入され、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの活性領域614n、614pの外縁部にゲッタリング領域632n、632pが形成される。このときのクリプトン629のドーピング条件としては、ドーピングガスとしては100%のKrを用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとし、ドーズ量としては1×1015〜1×1016cm-2、例えば3×1015cm-2とした。マスク628n、628pによって覆われている領域には、希ガス元素はドーピングされない。このときの希ガス元素としては、Ar、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素が利用できるが、活性領域に元々含まれている希ガス元素(本実施形態ではAr)よりも、原子番号が大きい元素が好ましい。また、この工程において、ゲッタリング領域632n、632p中の希ガス元素の濃度は、1×1019〜3×1021atoms/cm3となるようにする。また、この工程により、ゲッタリング領域632n、632pの結晶性は破壊され、非晶質化される。
【0303】
そして、レジストマスク628n、628pを除去した後、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第2の加熱処理を行う。本実施形態では、RTA(Rapid Thermal Annealing)により行った。窒素雰囲気中にて、基板表面に高温の窒素ガスを吹き付け、瞬時に昇降温を行う方式のRTA装置を用いた。具体的な処理条件としては、保持温度550〜750℃の範囲で、保持時間30秒〜15分程度、より好ましくは保持温度600〜700℃の範囲で、保持時間1分〜10分程度である。本実施形態では、670℃で5分のRTA処理を行った。昇温速度および降温速度としては、共に100℃/分以上で行うことが好ましく、実施形態では、200℃/分程度とした。各TFTの活性領域において、ソース・ドレイン領域の外側に形成されたゲッタリング領域632n、632pに高濃度にドーピングされているクリプトン629とそのドーピング時に非晶質化されたことにより生じた結晶欠陥とが、ニッケルに対する偏析サイトを形成しゲッタリング作用を生じさせる。その結果、この熱処理工程で、図10(C)に示すように、後のnチャネル型TFTの活性領域614nにおいては、チャネル領域619n、LDD領域623およびソース・ドレイン領域630に存在しているニッケルを、チャネル領域からLDD領域、さらにソース・ドレイン領域、そしてゲッタリング領域632nへと、矢印613で示される方向に移動させる。また、後のpチャネル型TFTの活性領域614pにおいても、チャネル領域619p、ソース・ドレイン領域631に存在しているニッケルを、チャネル領域からソース・ドレイン領域、そしてゲッタリング領域632pへと、同様に矢印613で示される方向に移動させる。
【0304】
このゲッタリング工程では、まず、チャネル領域619n、619pやLDD領域623、ソース・ドレイン領域630、631に固溶しているニッケルがゲッタリング領域632n、632pに移動することで、これらの領域中のニッケル濃度が下がり、そこに析出しているNiシリサイドがケイ素膜中に固溶し出す。そして、これらも固溶状態でゲッタリング領域632n、632pに移動していき、最終的に、Niシリサイドは消失し、固溶状態のニッケルの濃度も低減される。この加熱処理工程により、ゲッタリング領域にはニッケルが移動してくるため、ゲッタリング領域632n、632pにおけるニッケル濃度は、1×1019/cm3以上となる。TFT活性領域のチャネル領域や、チャネル領域とソース・ドレイン領域との接合部、またLDD領域との接合部においては、ニッケル濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ5×1015atoms/cm3程度であり、ほぼ測定下限レベルであった。また、ここでこれらの領域中に残留しているニッケルは、勿論シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。
【0305】
また、この加熱処理工程で、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域630とLDD領域623にドーピングされたn型不純物(リン)と、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域631にドーピングされたp型不純物(ホウ素)の活性化も同時に行われる。その結果、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域630のシート抵抗値は、400〜700Ω/□程度となり、LDD領域623のシート抵抗値は、30〜60kΩ/□であった。また、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域631のシート抵抗値は、1〜1.5kΩ/□程度であった。本実施形態では、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの活性領域において、ソース領域またはドレイン領域とは別の領域にゲッタリング領域を形成するため、希ガス元素の導入に伴う非晶質化によりTFTのソース領域またはドレイン領域において抵抗が上がっても問題とならない。
【0306】
この工程後に、レーザーラマン分光法により、それぞれのTFTのチャネル領域とゲッタリング領域のラマン分光スペクトルにおける非晶質SiのTOフォノンピークPaと結晶SiのTOフォノンピークPcとの比Pa/Pcを測定すると、ゲッタリング領域の方がチャネル領域より大きくなっている。この測定は、本実施形態のように透光性のあるガラス基板などを用いる場合には、基板裏面側より行うことができる。また、この加熱処理工程後、これ以上の高温工程は行わないため、この状態はTFT完成後も維持される。
【0307】
次いで、図10(D)に示すように、層間絶縁膜を形成する。本実施形態では、膜厚200nmの窒化ケイ素膜633と膜厚700nmの酸化ケイ素膜634とを積層形成し、2層構造とした。
【0308】
さらに、300〜500℃で1時間程度の熱処理を行う。これにより、前記層間絶縁膜(特に窒化ケイ素膜633)から、活性領域およびゲート絶縁膜の界面へ水素原子が供給され、TFT特性を劣化させる不対結合手(ダングリングボンド)を終端化し不活性化する。
【0309】
次に、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成して、金属材料によってTFTの電極・配線635を形成し、図10(D)に示すnチャネル型TFT636とpチャネル型TFT637とを完成させる。さらに必要に応じて、ゲート電極616n、616pの上にもコンタクトホールを設けて、配線635により必要な電極間を接続する。
【0310】
以上の実施形態にしたがって作製したそれぞれのTFTの電界効果移動度は、第3〜第5実施形態と同様の良好な特性を示した。
【0311】
(第7実施形態)
本実施形態では、第1〜第6の実施形態とは異なる結晶化方法について説明する。説明には図11を用いる。図11は、本実施形態での作製工程を示す断面図であり、図11(A)から(E)にしたがって作製工程が順次進行する。
【0312】
まず、第1〜第6の実施形態と同様に、基板(本実施形態ではガラス基板)701上に、基板からの不純物拡散を防ぐために、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜または酸化窒化ケイ素膜などの下地膜を形成する。本実施形態では、窒化ケイ素膜を下層の第1下地膜702として成膜し、その上に酸化ケイ素膜を第2の下地膜703を積層形成した。このときの第1下地膜702の酸化窒化ケイ素膜の膜厚は、例えば100nmとし、第2下地膜703の酸化窒化ケイ素膜の膜厚としては、例えば100nmとした。次に、30〜80nmの厚さでa−Si膜704を、第1〜第6実施形態と同様の方法で形成する。本実施形態では、プラズマCVD法で非晶質ケイ素膜を50nmの厚さに形成した。この工程は下地絶縁膜と非晶質半導体層を大気解放しないで連続的に形成しても構わない。
【0313】
次に、酸化ケイ素膜でなるマスク絶縁膜705を200nmの厚さに形成する。マスク絶縁膜は、図11(A)に示すように、半導体膜に触媒元素を添加するための開口部700を有している。
【0314】
次に、図11(B)に示すように、重量換算で100ppmの触媒元素(本実施形態ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素層706を形成する。この時、触媒元素706は、マスク絶縁膜705の開口部700において、選択的にa−Si膜704に接触して、触媒元素添加領域が形成される。ここで使用可能な触媒元素は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)から選ばれた一種または複数の元素である。
【0315】
また、本実施形態ではスピンコート法でニッケルを添加する方法を用いたが、蒸着法やスパッタ法などにより触媒元素でなる薄膜(本実施形態の場合はニッケル膜)をa−Si膜上に形成する手段をとっても良い。
【0316】
次に、500〜650℃(好ましくは550〜600℃)で6〜20時間(好ましくは8〜15時間)の加熱処理を行う。本実施形態では、570℃で14時間の加熱処理を行う。その結果、図11(C)に示すように、触媒元素添加領域700に結晶核が発生し、領域700のa−Si膜がまず結晶化され、結晶質ケイ素膜704aとなる。さらに結晶化領域を起点として概略基板と平行な方向(矢印707で示した方向)に結晶化が進行し、巨視的な結晶成長方向が揃った結晶質ケイ素膜704bが形成される。このとき、マスク705上に存在するニッケル706は、マスク膜705に阻まれ、下層のa−Si膜へは到達せず、領域700において導入されたニッケルのみによりa−Si膜704の結晶化が行われる。また、横方向への結晶成長が到達しない領域は非晶質領域704cとして残る。但し、レイアウトによっては、隣接した開口部より横方向に結晶成長した領域とぶつかり合って境界が生じる場合もあり、この場合は非晶質領域とはならない。
【0317】
マスクとして用いた酸化ケイ素膜705を除去した後、得られた結晶質シリコン膜には、図11(D)で示すようにレーザー光を照射して、第1〜第5の実施形態と同様に、結晶性の改善を行ってもよい。これにより、横方向に結晶成長した領域704bの結晶質ケイ素膜は、より高品質化され、結晶質ケイ素膜704dとなる。
【0318】
続いて、横方向に結晶成長した領域704dの結晶質ケイ素膜を所定の形状にエッチングして、後のTFTの活性領域709を形成する。
【0319】
このような本実施形態で示した結晶化方法を第1〜第5の実施形態における結晶化工程に適応することで、より電流駆動能力の高い高性能なTFTを実現することができる。
【0320】
(第8実施形態)
本実施形態では、図12および図13を用いて、第5あるいは第6の実施形態で示した半導体膜の結晶化に用いた触媒元素を移動させるためのゲッタリング領域の活性領域中での配置例を示す。
【0321】
本実施形態を第5あるいは第6実施形態のTFT作製工程に適用することにより、nチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTの活性領域に様々な形状のゲッタリング領域を形成することが可能である。また、nチャネル型TFTの活性領域におけるゲッタリング領域とpチャネル型TFTの活性領域におけるゲッタリング領域との面積を概略等しくし、ゲッタリング領域からチャネル領域までの距離を概略等しくすることで、さらに、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとの触媒元素に対するゲッタリングの効率を揃えるという効果を向上させることができる。以下に、活性領域に形成されるゲッタリング領域の形状の例を示す。なお、nチャネル型TFTの活性領域におけるゲッタリング領域とpチャネル型TFTの活性領域におけるゲッタリング領域との面積を概略等しくするとは、それぞれのTFTにおいて、活性領域(チャネル領域)の幅をW、ゲッタリング領域の面積Sとしたとき、活性領域(チャネル領域)の幅Wおよびゲッタリング領域の面積Sの比S/Wがnチャネル型TFTおよびpチャネル型TFTにおいて概略等しくすることである。
【0322】
図12(A)は、ゲッタリング領域83a、84aが、ゲート電極85a下部の活性領域に形成されるチャネル領域から離れた位置(活性領域の外縁部)に、ゲート電極85aと平行方向を長辺とする長方形状で、当該長方形のコーナー部が活性領域のコーナー部に掛かる様に配置された例である。
【0323】
また、図12(B)は、ゲッタリング領域83b、84bがゲート電極85b下部の活性領域に形成されるチャネル領域から離れた位置(半活性領域の外縁部)に、ゲート電極85bと垂直方向を長辺とする長方形状で、当該長方形のコーナー部が活性領域のコーナー部に掛かる様に配置された例である。
【0324】
また、図12(C)は、ゲッタリング領域83c、84cがゲート電極85c下部の活性領域に形成されるチャネル領域から離れた位置に(活性領域の外縁部)、ゲート電極85cと平行方向を長辺とする長方形と垂直方向を長辺とする長方形を組み合わせてできた複雑な形状で、当該形状のコーナー部が活性領域のコーナー部に掛かる様に配置された例である。この場合は、図12(A)または図12(B)と比較して、ゲッタリング領域の面積を大きくすることができ、触媒元素に対するゲッタリング効率をより高められる。
【0325】
上記の何れの配置例に於いても、ゲッタリング領域は、ソース領域またはドレイン領域にそれぞれ形成されるコンタクト部(各TFTを電気的に接続する配線が活性領域と接続される部分を本明細書において、コンタクト部という)の間を流れる電流を妨げない位置に配置されている。即ち、図12(A)のゲッタリング領域83a、84aは、ソース領域81aに形成されているコンタクト部86aとドレイン領域82aに形成されているコンタクト部87aの間を流れる電流を妨げない位置に配置されている。
【0326】
また、図12(B)のゲッタリング領域83b、84bは、ソース領域81bに接続しているコンタクト部86bとドレイン領域82bに形成されているコンタクト部87bの間を流れる電流を妨げない位置に配置されている。
【0327】
また、図12(C)のゲッタリング領域83c、84cは、ソース領域81cに形成されているコンタクト部86cとドレイン領域82cに形成されているコンタクト部87cの間を流れる電流を妨げない位置に配置されている。
【0328】
また、図12(D)は、基本的に図12(C)と同じ配置例であるが、ゲッタリング領域83d、84dのゲッタリング効率拡大の為、ゲッタリング領域83d、84dの更なる面積拡大が図られ、ゲッタリング領域83dがコンタクト部86dの一部に掛かった例である。基本的に、ゲッタリング領域83d、84dがコンタクト部86d、87dの一部に掛かっても問題ないが、重なる面積が最大でもコンタクト部86d、87dの半分以下になる様に、留意する必要がある。従って、コンタクト部86d、87dとゲッタリング領域83d、84dとの間の設計距離は、各々の領域形成に対応するフォトリソグラフィ工程で使用する露光装置のアライメント精度を考慮して、好適な設計距離を決める必要がある。尚、ゲッタリング領域を設ける位置は、本実施形態の構成に限定されるものではなく、ソース領域とドレイン領域の間を流れる電流に影響を与えない(阻害しない)位置であれば任意の場所に設けても良い。
【0329】
また、図13(A)は、活性領域を複数のゲート電極85eが横切り、その下部に複数のチャネル領域が形成される。また、複数のゲート電極の間には、ソース領域81e(またはドレイン領域82e)、ゲッタリング領域88e、コンタクト部89eが形成されている。なお、活性領域の外縁部には図12(A)〜(D)と同様にゲッタリング領域83e、84eが形成され、その内側にソース領域81eまたはドレイン領域82eおよびコンタクト部86e、87eが形成されている。図13(A)に示した場合も、ゲッタリング領域83eがコンタクト部86eの一部に掛かっても構わないが、基本的に、重なる面積が最大でもコンタクト部86e、87eの半分以下になる様に、留意する必要がある。
【0330】
また、図13(B)も、活性領域を複数のゲート電極85fが横切り、その下部に複数のチャネル領域が形成される例である。図13(B)では、2つのTFTが活性領域を共有して直列に連結されており、その連結部においてコンタクト部を有しない、すなわち、連結部から電気信号を取り出す必要が無い場合の配置である。このような構成のTFTは、クロックトインバータやラッチ回路等の回路で実際に使用される。複数のゲート電極の間には、ソース領域81f(またはドレイン領域82f)、ゲッタリング領域88fが形成されている。なお、活性領域の外縁部には図12(A)〜(D)と同様にゲッタリング領域83f、84fが形成され、その内側にソース領域81fまたはドレイン領域82fおよびコンタクト部86f、87fが形成されている。連結部の領域において、ゲッタリング領域88fが、コンタクト部86fからコンタクト部87fへと流れる電流を少なくとも妨げない位置に配置されている。
【0331】
なお、TFTの活性領域の形状は、そのTFTに要求される電流量により異なる。図12及び図13のようにソース・ドレイン領域とチャネル領域の幅が同一であるずん胴形となっている場合と、ソース・ドレイン領域よりもチャネル領域の幅が狭められ、くさび形となっている場合とがあるが、どちらの場合も同様に本発明を適用できる。
【0332】
また、どのような形状のゲッタリング領域を適用しても、ゲッタリングのための加熱処理により、ゲッタリング領域には触媒元素が移動してくるため、触媒元素が、1×1019/cm3以上の濃度となる。
【0333】
本実施形態は、第5実施形態あるいは第6実施形態に組み合わせて適用することができる。
【0334】
(第9実施形態)
本発明を用いて作製された半導体装置におけるブロック図を図14に示す。なお、図14(A)には、アナログ駆動を行うための回路構成が示されている。本実施形態は、ソース側駆動回路90、画素部91およびゲート側駆動回路92を有している半導体装置について示している。なお、本明細書中において、駆動回路とはソース側処理回路およびゲート側駆動回路を含めた総称を指している。
【0335】
ソース側駆動回路90は、シフトレジスタ90a、バッファ90b、サンプリング回路(トランスファゲート)90cを設けている。また、ゲート側駆動回路92は、シフトレジスタ92a、レベルシフタ92b、バッファ92cを設けている。また、必要であればサンプリング回路とシフトレジスタとの間にレベルシフタ回路を設けてもよい。
【0336】
また、本実施形態において、画素部91は複数の画素からなり、その複数の画素各々がTFTを含んでいる。
【0337】
なお、図示していないが、画素部91を挟んでゲート側駆動回路92の反対側にさらにゲート側駆動回路を設けても良い。
【0338】
また、図14(B)には、デジタル駆動を行うための回路構成が示されている。本実施形態は、ソース側駆動回路93、画素部94およびゲート側駆動回路95を有している半導体装置について示している。デジタル駆動させる場合は、図14(B)に示すように、サンプリング回路の代わりにラッチ(A)93b、ラッチ(B)93cを設ければよい。ソース側駆動回路93は、シフトレジスタ93a、ラッチ(A)93b、ラッチ(B)93c、D/Aコンバータ93d、バッファ93eを設けている。また、ゲート側駆動回路95は、シフトレジスタ95a、レベルシフタ95b、バッファ95cを設けている。また、必要であればラッチ(B)93cとD/Aコンバータ93dとの間にレベルシフタ回路を設けてもよい。
【0339】
なお、上記構成は、前述の実施形態1〜8に示した製造工程に従って実現することができる。また、本実施形態では画素部と駆動回路の構成のみ示しているが、本発明の製造工程に従えば、メモリやマイクロプロセッサをも形成しうる。
【0340】
(第10実施形態)
本発明を実施して形成されたCMOS回路や画素部はアクティブマトリクス型液晶表示装置に用いることができる。即ち、それら液晶表示装置を表示部に組み込んだ電気器具全てに本発明を実施できる。
【0341】
その様な電気器具としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター(リア型またはフロント型)、ヘッドマウントディスプレイ(ゴーグル型ディスプレイ)、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。
【0342】
本発明を適用することにより、触媒元素を用いた良好な結晶性を有する結晶質ケイ素膜を形成することができ、さらに十分に触媒元素をゲッタリングできるため、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとの特性を向上させ、信頼性の高い、安定した回路特性の、良好なCMOS駆動回路を実現することができる。また、オフ動作時のリーク電流が問題となる画素におけるスイッチングTFTや、アナログスイッチ部のサンプリング回路のTFT等でも、触媒元素の偏析によると考えられるリーク電流の発生を十分に抑制することができる。その結果、表示ムラのない良好な表示が可能になる。また表示ムラがない良好な表示であるため、光源を必要以上に使用する必要がなく無駄な消費電力を低減することができ、低消費電力化も可能な電気器具(携帯電話、携帯書籍、ディスプレイ)を実現することができる。
【0343】
以上の様に、本発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電気器具に適用することが可能である。また、本実施形態の電気器具は実施形態、実施形態を組み合わせて作製された表示装置を用いて実現することができる。
【0344】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0345】
例えば、希ガス元素を含有する非晶質ケイ素膜を形成する方法としては、前述のプラズマCVD法や非晶質ケイ素膜に希ガス元素をイオンドーピング法以外に、スパッタリングガスとして希ガスを用いたスパッタリング法や、非晶質ケイ素膜に希ガス元素をプラズマドーピングする法も適用できる。また、本発明で対象となる半導体膜としては、上述の前記実施形態で示した純粋なケイ素膜以外に、ゲルマニウムとケイ素との混成膜(シリコン・ゲルマニウム膜)や純粋なゲルマニウム膜も利用できる。
【0346】
また、ニッケルを導入する方法としては、非晶質ケイ素膜表面をニッケル塩を溶かせた溶液を塗布する方法を採用したが、非晶質ケイ素膜成膜前に下地膜表面にニッケルを導入し、非晶質ケイ素膜下層よりニッケルを拡散させ結晶成長を行わせる方法でもよい。また、ニッケルの導入方法としても、その他、様々な手法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶かせる溶媒としてSOG(スピンオングラス)材料を用い、SiO2膜より拡散させる方法もある。また、スパッタリング法や蒸着法、メッキ法により薄膜形成する方法や、イオンドーピング法により直接導入する方法なども利用できる。
【0347】
また、上述の実施形態では、ゲッタリング工程でリンを用いたが、それ以外にヒ素、アンチモンを利用しても良い。また、ゲッタリングのための希ガス元素としてもアルゴンやクリプトン以外にキセノンでも大きな効果がある。
【0348】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、触媒元素を用いて作製された良好な結晶性を有する結晶質半導体層の素子領域、特にチャネル領域やチャネル領域とソース領域またはドレイン領域との接合部に残留する触媒元素を十分に低減することが可能になる。このような半導体膜を用いたTFTを用いれば、リーク電流の発生を抑制することができ、且つ信頼性も向上することができ、さらに、特性ばらつきも少ない安定した特性の高性能半導体素子が実現できる。さらには、ゲッタリングのための付加工程を低減することができ、製造工程の簡略化が図れる。その結果、また、その製造工程において良品率を大きく向上できると共に、半導体装置の製造コストを低減することができる。
【0349】
したがって、本発明を用いることにより、高性能半導体素子が実現でき、さらに、集積度の高い高性能半導体装置が、簡便な製造プロセスにて得られる。特に液晶表示装置においては、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチングTFTのスイッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するTFTに要求される高性能化・高集積化を同時に満足し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板において、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)から(H)は、本発明の実施形態1による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図2】(A)から(H)は、本発明の実施形態2による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図3】(A)から(E)は、本発明の実施形態3による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図4】(A)から(C)は、本発明の実施形態3による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である(図3の続き)。
【図5】(A)から(F)は、本発明の実施形態4による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図6】(A)から(D)は、本発明の実施形態4による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である(図5の続き)。
【図7】(A)から(E)は、本発明の実施形態5による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図8】(A)から(D)は、本発明の実施形態5による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である(図7の続き)。
【図9】(A)から(F)は、本発明の実施形態6による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図10】(A)から(D)は、本発明の実施形態6による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である(図9の続き)。
【図11】(A)から(E)は、本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造に用いられる他の結晶化方法を示す模式的な断面図である。
【図12】(A)から(D)は、本発明の実施形態8におけるゲッタリング領域の配置例を模式的示す図である。
【図13】(A)および(B)は、本発明の実施形態8におけるゲッタリング領域の他の配置例を模式的示す図である。
【図14】(A)および(B)は、本発明の実施形態8の半導体装置の構成を模式的に示す図である。
【図15】非晶質半導体膜の堆積に用いられるプラズマCVD装置を模式的に示す図であり、(A)は公知のCVD装置を示し、(B)は本発明の実施形態で好適に用いられるCVD装置を示す。
【図16】本発明の実施形態で好適に用いられる他のプラズマCVD装置を示す模式図である。
【図17】本発明の半導体膜の製造方法におけるゲッタリングのメカニズムを説明するための模式図である。
【図18】ゲッタリングアニール時間とゲッタリング可能距離との関係を示すグラフである。
【図19】結晶化時の加熱処理温度とゲッタリング可能距離との関係を示すグラフである。
【図20】結晶化の加熱処理後、フッ化水素酸でNiシリサイドをエッチングし顕在化させた結晶質ケイ素膜の光学顕微鏡写真である。
【図21】Niシリサイドが固溶するメカニズムを説明するための模式図である。
【図22】触媒元素としてNiを用い非晶質ケイ素膜を結晶化した際のNi濃度と結晶核発生密度との関係を示すグラフである。
【図23】Niを用いて結晶化したケイ素膜のNiシリサイドがエッチングされた後の状態を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真であり、(A)は希ガス元素を含まない非晶質ケイ素膜を結晶化したもの、(B)は希ガス元素としてArを含む非晶質ケイ素膜を結晶化したものをそれぞれ示している。
【図24】(A)は、ケイ素膜中のAr濃度と結晶化時の結晶核発生密度との関係を示すグラフであり、(B)はケイ素膜中のAr濃度と結晶化後に析出している触媒元素化合物(Niシリサイド)の大きさとの関係を示すグラフである。
【図25】(A)から(C)は、本発明によって得られる結晶質半導体膜における結晶配向の状態を説明するための図である。
【図26】(A)から(C)は、本発明によって得られる結晶質半導体膜における結晶配向の状態を示す図であり、後方散乱電子回折像(EBSP)の測定結果を画像処理した図である。
【符号の説明】
101 ガラス基板
103 下地膜
104 希土類元素を含む非晶質半導体膜(a−Si膜)
104a 結晶質半導体膜(結晶質ケイ素膜)
104b 高品質な結晶質半導体膜(結晶質ケイ素膜)
106 触媒元素(ニッケル)
107 レーザー光
108 マスク
109 ゲッタリング元素(リン)
110 ゲッタリング領域(リンがドープされた領域)
113 触媒元素の移動方向示す矢印
114 結晶質ケイ素膜
115 ゲート絶縁膜
116 ゲート電極
117 酸化物層
119 不純物が注入されない領域
122 N型不純物(リン)
130 不純物が注入された領域
134 層間絶縁膜
135 電極・配線
136 TFT(半導体素子)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a thin film transistor (TFT), a manufacturing method thereof, and a semiconductor manufacturing device, and more specifically, a crystalline semiconductor layer obtained by crystallizing an amorphous semiconductor layer as an active region. The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention can be used for active matrix liquid crystal display devices, organic EL display devices, contact image sensors, three-dimensional ICs, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-resolution liquid crystal display devices and organic EL display devices, high-speed, high-resolution contact image sensors, three-dimensional ICs, etc. have been developed on insulating substrates such as glass and insulating films. Attempts have been made to form high performance semiconductor devices. In particular, a liquid crystal display device in which a pixel portion and a drive circuit are provided on the same substrate has begun to enter into a general household as well as a monitor for a personal computer (PC). For example, instead of CRT (Cathode-ray Tube), a liquid crystal display is introduced as a television, and a front projector for watching movies and playing games as entertainment is introduced into ordinary households. The market for equipment is growing at a considerable rate. Furthermore, development of a system-on-panel in which a logic circuit such as a memory circuit or a clock generation circuit is built on a glass substrate is being promoted.
[0003]
The amount of information written to the pixels increases to display a high-resolution image, and if that information is not written in a short time, an image with a huge amount of information for high-definition display can be displayed as a moving image. Is impossible. Accordingly, high-speed operation is required for TFTs used in driving circuits. In order to enable high-speed operation, it is required to realize a TFT by using a crystalline semiconductor layer having good crystallinity that can obtain high field effect mobility.
[0004]
As a method for obtaining a good crystalline semiconductor layer on a glass substrate, the present inventor has conventionally added a metal element having an action of promoting crystallization to an amorphous semiconductor layer, and then heat-treated, so that We are developing a technology to obtain a good semiconductor film with uniform crystal orientation by low-temperature and short-time heat treatment.
[0005]
However, a TFT manufactured using a crystalline silicon film obtained by using a catalytic element as a semiconductor layer as it is has a problem that off-current suddenly increases. Catalytic element segregates irregularly in the semiconductor film, especially at the grain boundaries, and this segregation of the catalytic element becomes a current escape path (leakage path), which causes sudden off-current. It is thought that it is causing the increase. Therefore, it is necessary to reduce the concentration of the catalytic element in the semiconductor film by moving the catalytic element from the semiconductor film after the crystalline silicon film manufacturing process. Hereinafter, the process of removing the catalyst element is referred to as a “gettering process”.
[0006]
Various processes and methods have been proposed for the gettering process and gettering method.
[0007]
For example, in Patent Literature 1, lattice defects in an amorphous region are formed by forming an amorphous region in part of silicon crystallized with a catalytic element and performing heat treatment. A technique for moving (gettering) a catalyst element there is disclosed. As the amorphous region (gettering region) at this time, a method of forming outside the semiconductor element region and a method of using the source / drain region of the TFT are disclosed. When the source / drain region is used as the gettering region, the manufacturing process can be simplified. However, since the amorphous region does not function as the source / drain region, there is an additional step of activation using laser light or the like. Necessary.
[0008]
In Patent Document 2, attention is paid to the gettering action of phosphorus, and the active region (semiconductor layer) of a TFT formed of silicon crystallized by a catalytic element is compared with the source / drain of an N-channel TFT. Phosphorus is doped in the region, and in the P-channel TFT, the source / drain is doped with phosphorus and boron at a higher concentration, and the heat treatment is performed to getter the catalytic element into the source / drain region.
[0009]
In Patent Document 3, group 5 B elements such as phosphorus are selectively introduced into a portion of silicon crystallized by a catalytic element, and heat treatment is performed in a temperature range that does not exceed the strain point of the substrate. A technique for moving (gettering) a catalytic element to a region (gettering region) into which a Group 5 B element has been introduced is disclosed. As a result of the gettering of the catalytic element in the region into which the group 5 B element has been introduced, the region where the concentration of the catalytic element is reduced (also referred to as “low concentration region”) is used to form the semiconductor element (TFT). An active region is formed.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-8-213317
[Patent Document 2]
JP-A-8-330602
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-270363
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Problems in the conventional gettering process, including the techniques disclosed in the above three patent documents, include increased process cost due to the addition of a process for gettering and increased cost due to increased load on the manufacturing apparatus. However, the biggest problem is that these conventional methods do not have a sufficient gettering effect and the residual amount of the catalytic element in the channel region of the TFT has not been sufficiently reduced.
[0012]
As described in Patent Documents 1 to 3, a gettering element such as an amorphous state or phosphorus (an element having an action of attracting a catalyst element is referred to as a “gettering element”) is introduced. When a method of forming a gettering region and moving the catalyst element in the silicon film to the gettering region is used, the amount of the catalyst element can be reduced by one digit or more. However, when TFTs are manufactured using the methods of these patent documents, there are slight differences in the effects due to the difference in the method of forming the gettering region. A defective TFT having a very large leakage current when the TFT is turned off appears with a probability of several percent to several percent. In the TFT manufactured as a reference and not subjected to gettering at all, the probability of occurrence of a TFT with defective leakage current is about 10% to 20%. Therefore, the methods of these patent documents ensure the gettering effect from the viewpoint of device characteristics. As can be seen, there is still a few percent of TFTs with poor leakage current. That is, in an active matrix substrate having 1 million TFTs, tens of thousands of TFTs become defective TFTs.
[0013]
Therefore, with the known gettering technique, the obtained champion data is still 0. I have to prepare for TFT defects of a few percent. When an active matrix substrate for liquid crystal or organic EL display is manufactured in such a state, a bright spot (point defect) is generated due to a leakage current during off-operation in some pixel TFTs, and a driver (driving circuit) In the portion), a line defect occurs due to a leakage current in the sampling TFT portion. As a result, the yield of the panel is greatly reduced.
[0014]
Analyzing a defective TFT with a large leakage current during the off operation, it is confirmed that silicide due to the catalytic element exists at the junction between the channel region and the drain region, and the primary cause is segregation of the catalytic element, The secondary cause is that gettering is still insufficient. Therefore, the technology of the above-mentioned patent document does not sufficiently getter the catalytic element, and even if a high-performance TFT can be partially probabilistically manufactured, the defect rate is high and the reliability is low, so that it can be applied to mass production. It's not a technology that can be done.
[0015]
The present invention has been made in view of the above-mentioned various points, and an object of the present invention is to manufacture a high-quality crystalline semiconductor layer and to provide a semiconductor device having a TFT (semiconductor element) having good characteristics using the crystalline semiconductor layer. To provide an apparatus. It is another object of the present invention to provide a manufacturing method and a semiconductor manufacturing apparatus that can realize such a semiconductor device in a low-cost manufacturing process without increasing the manufacturing process.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor film of the present invention is a semiconductor film formed on an insulating surface, has a crystalline structure, includes at least one region containing a catalytic element that promotes crystallization of the semiconductor film, and is substantially It is characterized by containing a rare gas element throughout.
[0017]
It is preferable that the semiconductor film in the at least one region does not substantially contain the semiconductor compound of the catalytic element, and the catalytic element is dissolved in the crystalline semiconductor layer.
[0018]
In one embodiment, the semiconductor film is substantially composed of silicon, and the semiconductor compound of the catalytic element is silicide.
[0019]
The concentration of the catalytic element in the semiconductor film in the at least one region is 1 × 10 17 atoms / cm Three The following is preferable.
[0020]
The concentration of the rare gas element is 5 × 10 16 ~ 5x10 18 atoms / cm Three It is preferable to be within the range.
[0021]
In one embodiment, the at least one region is formed substantially entirely.
[0022]
Another semiconductor film of the present invention is a semiconductor film formed on an insulating surface, which is composed of a crystalline semiconductor layer and includes an active element containing a catalytic element that promotes crystallization of the semiconductor film and a rare gas element. The active region includes a first region and a pair of second regions formed adjacent to both sides of the first region, wherein the first region substantially includes the semiconductor compound of the catalytic element. The catalytic element is solidly dissolved in the crystalline semiconductor layer.
[0023]
In one embodiment, the semiconductor film is substantially composed of silicon, and the semiconductor compound of the catalytic element is silicide.
[0024]
The concentration of the catalytic element in the crystalline semiconductor layer in the first region is 1 × 10 17 atoms / cm Three The following is preferable.
[0025]
The pair of second regions preferably has a higher concentration of the catalytic element than the first region.
[0026]
The concentration of the catalytic element in the pair of second regions is 1 × 10 18 atoms / cm Three 1 × 10 or more 20 atoms / cm Three It is preferable to be within the following range.
[0027]
It is preferable that the crystalline semiconductor layers in the pair of second regions substantially do not contain the semiconductor compound of the catalytic element, and the catalytic element is dissolved in the crystalline semiconductor layer.
[0028]
In one embodiment, the semiconductor film is substantially composed of silicon, and the semiconductor compound of the catalytic element is silicide.
[0029]
In one embodiment, the pair of second regions includes an impurity element belonging to Group B of the periodic table that imparts n-type conductivity.
[0030]
In one embodiment, the active region includes the first region, the pair of second regions, and a gettering region having an action of attracting the catalytic element.
[0031]
In one embodiment, the gettering region has a higher concentration of the catalytic element than the first region.
[0032]
In one embodiment, the concentration of the catalytic element in the gettering region is 1 × 10 18 atoms / cm Three 1 × 10 or more 20 atoms / cm Three Within the following range.
[0033]
In one embodiment, the concentration of the catalytic element is higher in the gettering region than in the first region and the pair of second regions.
[0034]
In one embodiment, the gettering region includes more amorphous components than the first region and the pair of second regions.
[0035]
In one embodiment, the gettering region includes an impurity element belonging to Group B of the periodic table that imparts n-type conductivity and an impurity element belonging to Group B of the periodic table that imparts p-type conductivity. .
[0036]
In one embodiment, the gettering region contains at least one kind of rare gas element selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe at a higher concentration than other regions.
[0037]
In one embodiment, the gettering region contains a rare gas element having an atomic number larger than that of the rare gas element contained in the active region.
[0038]
In one embodiment, at least the crystalline semiconductor layer of the first region is mainly composed of a <111> crystal zone plane.
[0039]
In one embodiment, the (110) plane and the (211) plane occupy 50% or more of the <111> crystal zone plane mainly constituting the plane orientation.
[0040]
In one embodiment, the crystal grain size of the crystalline semiconductor layer in the at least first region is in the range of 2 μm to 10 μm.
[0041]
In one embodiment, an average surface roughness Ra of the crystalline semiconductor layer in at least the first region is in a range of 4 nm to 9 nm.
[0042]
The catalyst element is preferably at least one metal element selected from the group consisting of Ni, Co, Sn, Pb, Pd, Fe, and Cu.
[0043]
The method for producing a semiconductor film of the present invention comprises (a) a step of forming an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element on an insulating surface, and (b) a catalyst for promoting crystallization in the amorphous semiconductor layer. A step of crystallizing the amorphous semiconductor layer by applying a first heat treatment after applying the element to obtain a crystalline semiconductor layer; and (c) the catalytic element remaining in the crystalline semiconductor layer. Forming a low catalyst concentration region in which the concentration of the catalytic element is lower than other regions in the crystalline semiconductor layer by moving at least a part of the crystalline semiconductor layer.
[0044]
In one embodiment, the step (b) includes a process of crystal growth using the semiconductor compound of the catalytic element as a crystal nucleus, and the step (c) includes the semiconductor compound of the catalytic element in the low catalyst concentration region. In the crystalline semiconductor layer.
[0045]
In one embodiment, the step (c) includes a step of substantially eliminating the semiconductor compound of the catalytic element in the low catalyst concentration region.
[0046]
In one embodiment, the crystalline semiconductor layer is substantially composed of Si, and the semiconductor compound of the catalytic element is silicide.
[0047]
In one embodiment, in the step (a), the amorphous semiconductor layer introduces the rare gas element into the amorphous semiconductor layer while depositing the amorphous semiconductor layer using a plasma CVD method. Formed by.
[0048]
In one embodiment, in the step (a), the amorphous semiconductor layer is formed by forming an amorphous semiconductor layer and then ion-doping the rare gas element into the amorphous semiconductor layer. .
[0049]
In one embodiment, the plasma CVD process in the step (a) includes supplying a first power to the CVD electrode and supplying a second power different from the first power to the substrate having the insulating surface. To do.
[0050]
In one embodiment, the first power and the second power are RF powers having different frequencies.
[0051]
In one embodiment, the frequency of the second power is lower than the frequency of the first power.
[0052]
In one embodiment, the step (c) includes a step of forming a gettering region or a gettering layer having an action of attracting the catalyst element, and a second heat treatment is performed later on the step, whereby the crystalline material is obtained. And a step of moving the catalytic element remaining in the semiconductor film to the gettering region or the gettering layer.
[0053]
In one embodiment, the method further includes a step of patterning the crystalline semiconductor layer into a desired shape before the step (c). The desired shape is, for example, a shape corresponding to an active region (semiconductor layer) of a TFT to be formed later.
[0054]
In one embodiment, the gettering region or the gettering layer contains more amorphous components than other regions of the crystalline semiconductor film.
[0055]
In one embodiment, the gettering region or the gettering layer includes an impurity element belonging to Group B of the periodic table that imparts n-type conductivity.
[0056]
In one embodiment, the impurity element includes at least one element selected from the group consisting of P, As, and Sb.
[0057]
In one embodiment, the gettering region or the gettering layer includes an impurity element belonging to Group B of the periodic table that imparts p-type conductivity.
[0058]
In one embodiment, the impurity element includes at least one of B and Al.
[0059]
In one embodiment, the gettering region or the gettering layer has a concentration of the rare gas element in which the amorphous semiconductor layer contains at least one rare gas element selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe. Higher concentration.
[0060]
In one embodiment, the gettering region or the gettering layer includes at least one rare gas element having an atomic number larger than that of the rare gas element included in the amorphous semiconductor layer.
[0061]
In one embodiment, the impurity element and / or the at least one rare gas element included in the gettering region or the gettering layer is introduced by an ion doping method.
[0062]
In one embodiment, the method further includes the step of removing the gettering region or the gettering layer after the step (c).
[0063]
In one embodiment, in the step (b), after the catalytic element is selectively applied to a partial region of the amorphous semiconductor film, the first heat treatment is performed, whereby the catalytic element is Including a step of crystal growth in the lateral direction from the selectively applied partial region to the periphery thereof.
[0064]
In one embodiment, the step (b) includes a step of irradiating the crystalline semiconductor film with laser light after the first heat treatment.
[0065]
The catalyst element is preferably at least one metal element selected from the group consisting of Ni, Co, Sn, Pb, Pd, Fe, and Cu.
[0066]
A method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of preparing a semiconductor film manufactured by any one of the above-described methods for manufacturing a semiconductor film, and a step of manufacturing a thin film transistor having the semiconductor film in an active region. It is characterized by that.
[0067]
In one embodiment, the active region includes a channel region, a source region, and a drain region, and the step of manufacturing the thin film transistor includes a step of forming at least the channel region in the low catalyst concentration region.
[0068]
In one embodiment, the step of manufacturing the thin film transistor includes a step of forming the channel region, the source region, and the drain region in the low catalyst concentration region.
[0069]
In one embodiment, the active region includes a channel region, a source region, a drain region, and an LDD region (low concentration impurity region), and the step of manufacturing the thin film transistor includes at least the low catalyst concentration region in the low catalyst concentration region. Forming a channel region and the LDD region.
[0070]
In one embodiment, the step of manufacturing the thin film transistor includes a step of forming the channel region, the source region, the drain region, and the LDD region in the low catalyst concentration region.
[0071]
A semiconductor device of the present invention includes a thin film transistor having any one of the above semiconductor films in an active region.
[0072]
In one embodiment, the active region includes a channel region, a source region, and a drain region, and at least the channel region is formed in the first region.
[0073]
In one embodiment, the channel region, the junction region between the channel region and the source region, and the junction region between the channel region and the drain region are formed in the first region.
[0074]
In one embodiment, the junction region between the channel region and the source region and the junction region between the channel region and the drain region are within a range of 2 μm or less from each junction boundary.
[0075]
In one embodiment, the active region includes a channel region, a source region, a drain region, and an LDD region (low concentration impurity region), and at least the channel region and the LDD region are formed in the first region. ing.
[0076]
In one embodiment, the active region includes a channel region, a source region, and a drain region, the channel region is formed in the first region, and the source region and the drain region are the pair of pairs. It is formed in the second region.
[0077]
In one embodiment, the active region includes a channel region, a source region, a drain region, and an LDD region (low concentration impurity region), and the channel region and the LDD region are formed in the first region. The sole region and the drain region are formed in the pair of second regions.
[0078]
In one embodiment, the semiconductor device further comprises a gate insulating film formed on the channel region of the semiconductor film, and a gate electrode formed to face the channel region with the gate insulating film interposed therebetween, The electrode is formed of a metal film containing at least one element selected from the group consisting of W, Ta, Ti, and Mo.
[0079]
An electronic apparatus according to the present invention includes any one of the semiconductor devices described above.
[0080]
In one embodiment, an electronic apparatus includes a display unit including a plurality of pixels, and a display signal is supplied to the plurality of pixels via the semiconductor device.
[0081]
The semiconductor manufacturing apparatus of the present invention includes a chamber, a gas introduction port for supplying a semiconductor material gas and a rare gas into the chamber, a CVD electrode for generating plasma provided in the chamber, and the chamber A substrate holder for receiving a substrate; a first power source for supplying power to the CVD electrode; and a second power source for supplying power to the substrate holder, wherein the chamber is grounded, The CVD electrode and the substrate holder are electrically independent of the chamber, and power is supplied to the CVD electrode and the substrate holder independently of each other.
[0082]
In one embodiment, the first power source and the second power source respectively supply different RF powers to the CVD electrode and the substrate holder.
[0083]
In one embodiment, the power capacity of the first power source is greater than or equal to the power capacity of the second power source.
[0084]
In one embodiment, the RF frequency of the first power source is higher than the RF frequency of the second power source.
[0085]
In one embodiment, the semiconductor manufacturing apparatus includes a further chamber connected to the chamber directly or via a vacuum chamber.
[0086]
In one embodiment, the additional chamber is used to deposit an insulating film.
[0087]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventor has a fundamental question as to why the gettering techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3 and the like are insufficient for gettering, and the catalyst element cannot be completely removed. The mechanism and cause were examined in detail. As a result, the cause was finally found and the present invention was conceived. The cause elucidation process, results, and embodiments of the present invention will be described below.
[0088]
Consider a method as described in Patent Documents 1 to 3 above, in which nickel is used as the catalyst element and the catalyst element in the silicon film is moved to the gettering region. The movement of nickel can be considered by the diffusion movement of nickel, but simply considering the diffusion coefficient of nickel in the silicon film, the movement time is only a short heat treatment. However, in practice, a long annealing process is required at a high temperature, which does not match the value calculated from the diffusion coefficient. On the other hand, since nickel is not present in the form of a solid solution in the silicon film, most of the nickel is precipitated, so this is incorporated into the model, and the silicon film A model is considered in which nickel diffusion and migration occurs only below the solid solubility of nickel. This model will be described with reference to FIG.
[0089]
As shown in FIG. 17, the localized Ni silicide is first dissolved from the silicide form and moves in the silicon film as interstitial Ni. In FIG. 17, line 171 is a line indicating the concentration of Ni in the silicon film, and line 172 is a line indicating the solid solubility of Ni. The region 176 is a region that has not been gettered yet, and Ni 173 having a concentration of a solid solubility of 172 or higher is deposited as Ni silicide. The region 177 is a region where gettering has been performed, and the Ni concentration 171 has a solid solubility of 172 or less. A region 178 is a gettering site (gettering region), and its gettering capability is assumed to be infinite, and the Ni concentration at the gettering site is assumed to be zero. That is, as shown in FIG. 17, a Ni concentration gradient 174 is generated at a concentration equal to or lower than the solid solubility 172 at the heat treatment temperature for gettering, and Ni is diffused and moved in the direction of 175 toward the gettering site 178. Ni silicide disappears. As a result, the gettering distance from the gettering site (the width of the region 177) increases sequentially, and this phenomenon is in good agreement with the actual experimental results.
[0090]
Based on this theory, the gettering distance (the width of the region 177) is expressed by the following equation, and the gettering distance L increases with time t. Where C 0 Is the solid solubility of Ni in the silicon film, D is the diffusion coefficient of Ni in the silicon film, and is a function of temperature T, respectively. C 1 Is the original Ni concentration in the silicon film.
L = √ (2C 0 ・ Dt / C 1 )
[0091]
The calculation result obtained by solving this equation is shown in FIG. In FIG. 18, the calculation is performed with the heat treatment for gettering being 550 ° C. A curve 181 shows the result of calculation based on the calculation formula, and the gettering distance increases with the heat treatment time of gettering. In contrast, the point 182 plots the gettering distance obtained from the experiment at the same time. In the experiment, the remaining Ni silicide was etched with hydrofluoric acid, and the gettering distance was confirmed based on whether or not the etching hole was present. In the gettering region, boron is doped in addition to phosphorus to enhance the gettering ability. The heat treatment for gettering is of course performed at 550 ° C. As can be seen from FIG. 18, the experimental value 182 and the theoretical value 181 agree very well, and it is considered that the above theoretical consideration is almost correct with respect to the gettering movement of Ni.
[0092]
However, when the gettering distance is actually examined under various conditions, it often does not match the theoretical value. One is a case where the ability of the gettering region is insufficient, and a deviation from the theoretical value assuming that the gettering ability is infinite occurs. However, the problem is that even if a gettering region having sufficient gettering capability is formed, the gettering distance may be significantly shorter than the theoretical value. This is the root cause that the conventional technology, which is the above-mentioned problem, cannot sufficiently getter the catalyst element, and the leakage current abnormality when the TFT is turned off cannot be partially suppressed.
[0093]
The present inventor investigated the cause of this, and found that a large difference was observed particularly in the difference in temperature at the time of crystal growth by adding a catalyst element. The experimental results are shown in FIG. The gettering heat treatment was performed at 550 ° C. and 4 H, and the gettering distance at that time was examined by the above method. The horizontal axis represents the heat treatment temperature when crystallization is performed using a catalyst element (first heat treatment). The heat treatment time at this time is fixed at 4 hours. The gettering distance 191 calculated by the above theory is about 20 μm and is a constant value regardless of the crystallization temperature, but the actual experimental value 192 greatly depends on the heat treatment temperature of the crystallization, and the heating during the crystallization. When the processing temperature rises, it decreases significantly.
[0094]
This is presumably because the segregation state of Ni silicide after crystal growth differs depending on the heat treatment temperature during crystallization. FIG. 20 shows an optical micrograph of Ni silicide etched with hydrofluoric acid after the heat treatment for crystallization. The black dots seen in the photograph are etch pits (fine holes) that are made obvious by etching the Ni silicide and causing great damage to the underlying layer. Although the annealing temperatures during crystallization are 550 ° C., 575 ° C., and 600 ° C., the higher the temperature, the larger the etch pits of individual Ni silicides. . That is, it is considered that the size of each individual Ni silicide increases as the heat treatment temperature during crystallization increases.
[0095]
Actually, Ni silicides (catalytic element semiconductor compounds) localized after crystal growth are distributed in various sizes in the film. Some are particularly large, others are relatively small. The temperature during the crystal growth described above affects the overall size (average value). In the conventional technique, even if crystallization is performed at a temperature of 550 ° C. or less, the A TFT defect of about several percent occurs and a sufficient production yield cannot be obtained. Although the present invention does not refer to the temperature at the time of crystallization, the above-described experiment on the crystallization temperature has provided a great hint for solving the above-mentioned conventional problems.
[0096]
That is, even under conditions where the gettering is apparently performed almost completely, the cause of the TFT defect caused by Ni is due to the size of the Ni silicide that exists in the film. This mechanism will be described with reference to FIG. A circle 251 in FIG. 21 schematically shows a large lump of Ni silicide, and a circle 252 schematically shows a small lump of Ni silicide. The mechanism of the gettering movement has been described with reference to FIG. 17, which is a model in which localized Ni silicide first dissolves from the silicide form and moves in the silicon film as interstitial Ni. That is, for gettering, Ni silicide must first be dissolved between silicon film lattices. In the above formula based on this model, the time required to dissolve the Ni silicide at this time is considered only by the initial nickel concentration, but in reality it is two-dimensional as shown by the arrow 253 in FIG. A solid solution occurs. Therefore, the solid solution time varies depending on the size of the silicide (radius 254), and the longer the radius 254, the longer the heat treatment is required for solid solution. Therefore, a term relating to the solid solution time depending on the radius 254 of the silicide needs to be added to the time required for actual gettering.
[0097]
The root cause of the prior art is that when a large Ni silicide lump exists, it takes a long time to dissolve the lump, and the size gradually decreases within the heat treatment time of gettering. It was found that even after the predetermined heat treatment time, Ni silicide still remains and is not apparently gettered. The size of Ni silicide (catalyst element compound) after crystal growth varies in the film, and particularly silicide having a large radius is not sufficiently gettered by the conventional method and remains at 0. This is still the cause of TFT defects with a probability of several percent.
[0098]
Based on the experimental results, the present inventor has thought that a sufficient gettering effect can be obtained by improving not the gettering process itself but the previous crystallization process. That is, the inventors focused attention on how much precipitates of the semiconductor compound of the catalytic element (silicide in the above example) and their lump can be dispersed small before the gettering step. This is because, from the above model, how small the catalyst compound semiconductor compound precipitates deposited on the semiconductor film can greatly affect the gettering effect in the subsequent gettering step. We thought that the gettering effect should be enhanced by dispersing the precipitation of the catalytic compound semiconductor compound in the crystal growth process as small as possible and keeping the size of the individual catalytic element semiconductor compounds as small as possible. .
[0099]
However, it is very difficult to actually create a state in which the deposits of the semiconductor compound of the catalytic element are small and dispersed. As shown in FIG. 19, the heat treatment temperature at the time of crystallization is lowered and the heating time is extended, so that the gettering effect can be enhanced. However, since the throughput is lowered, it is difficult to apply to mass production. Therefore, the present inventor has tried various experiments and found a method in which the precipitates of the semiconductor compound of the catalytic element described above can be dispersed small by using process parameters other than the crystallization temperature, thereby reducing the size of each lump. As a result, the catalyst element was gettered more efficiently than in the past, and a crystalline semiconductor layer having a lower catalyst concentration than in the past was successfully produced. When an active matrix substrate including a TFT having a crystalline semiconductor layer manufactured using this method in an active region (at least a channel region) is manufactured and applied to a liquid crystal display panel, a defect caused by a catalytic element is one more than conventional. It has fallen by more than an order of magnitude and has achieved an unprecedented high yield.
[0100]
The method for producing a semiconductor film of the present invention includes (a) a step of forming an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element on an insulating surface, and (b) a catalytic element that promotes crystallization in the amorphous semiconductor layer. And a first heat treatment to crystallize the amorphous semiconductor layer to obtain a crystalline semiconductor layer, and (c) a catalyst in which the catalyst element existing in the crystalline semiconductor layer remains. And a step of forming a low catalyst region in which the concentration of the catalytic element is lower in the crystalline semiconductor layer than other regions by moving at least a part of the element (sometimes referred to as a “gettering step”). . In the step (b), the catalytic element forms a semiconductor compound, and the semiconductor compound serves as a crystal nucleus to grow a semiconductor crystal. A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that at least a channel region of a TFT is formed using the crystalline semiconductor film in which the concentration of the catalytic element is reduced.
[0101]
In the semiconductor film manufacturing method of the present invention, since the amorphous semiconductor layer contains a rare gas element, the lump of the semiconductor compound of the catalyst element formed by applying the catalyst element contains the rare gas element. It is smaller than the lump of the catalyst element semiconductor compound formed in the amorphous semiconductor layer, and can be easily dissolved in the semiconductor film and efficiently transferred to the gettering region or gettering layer. As a result, it is possible to manufacture a crystalline semiconductor layer in which the concentration of the remaining catalytic element is lower than that in the past. The region where the concentration of the catalytic element in the crystalline semiconductor layer is reduced does not substantially contain the semiconductor compound of the catalytic element, and almost all of the catalytic element can be in a solid solution state in the semiconductor layer.
[0102]
In the step (c), a gettering region having an action of attracting a catalytic element is provided in a partial region of the semiconductor film, and the catalytic element contained in the semiconductor film is moved to the gettering region, thereby adjacent to the gettering region. A method of reducing the concentration of the catalytic element in the region may be adopted. Alternatively, in the step (c), a gettering layer is provided on the semiconductor film, and the catalytic element contained in the semiconductor film is moved to the gettering layer, thereby reducing the concentration of the catalytic element in a region in contact with the gettering layer. A method may be adopted. The gettering region and the gettering layer may be removed as necessary. For example, if a gettering layer is provided over almost the entire semiconductor film, the catalyst element is moved to the gettering layer, and then the gettering layer is removed, the crystal in which the catalyst concentration is reduced over the entire region is lower than in the past. A quality semiconductor layer can be obtained. That is, a part of the crystalline semiconductor layer can be a low catalyst concentration region, or almost the entire surface of the crystalline semiconductor layer can be a low catalyst concentration region.
[0103]
The semiconductor film of the present invention manufactured by the above-described method is a semiconductor film formed on an insulating surface, and contains a rare gas element almost entirely, and at least a part thereof has crystallinity. And at least one region containing a catalytic element that promotes crystallization of the semiconductor. The catalyst concentration in the at least one region is lower than that of the prior art and has characteristics superior to those of the conventional crystalline semiconductor layer. By using this as an active region (semiconductor layer: at least a channel region), a TFT is produced. A TFT with better characteristics than before can be obtained.
[0104]
In the present invention, an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element is formed, and a catalyst element is added to this to crystallize. The present inventor has found that by containing a rare gas element, the precipitates of the semiconductor compound of the catalytic element after crystallization can be further dispersed and individual chunks can be made smaller. By performing the gettering step on the crystalline semiconductor layer thus obtained, these small dispersed semiconductor compounds of the catalytic element are easily dissolved in the semiconductor film and the lump disappears. That is, a local catalytic element semiconductor compound (eg, NiSi) found in a conventional crystalline semiconductor layer. 2 NiSi, Ni 2 There is virtually no residual Si). As a result, when the crystalline semiconductor layer (low catalyst concentration region) according to the present invention is used at least in the channel region, the leakage current failure during the off operation of the TFT can be greatly improved. The crystalline semiconductor layer (low catalyst concentration region) of the present invention is preferably used in a channel region and a region including the vicinity of the junction between the channel region and the source region / drain region. Further, the entire active region (including the channel region, the source region, and the drain region) of the TFT may be formed using the crystalline semiconductor layer (low catalyst concentration region) of the present invention.
[0105]
Next, the results of experiments conducted by the inventor will be described with reference to FIG.
[0106]
FIG. 22 is a graph showing the relationship between the Ni concentration and the crystal nucleus generation density when Ni is used as the catalyst element. Here, a silicon film is used as the semiconductor film. The horizontal axis represents the Ni addition amount on the surface density of Ni on the silicon film surface measured by total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) after Ni addition. The vertical axis represents the nucleation density when heating and crystallizing the amorphous silicon film to which Ni has been added. 2 This represents the number of crystal nuclei generated per hit. The crystal nucleus generation density is determined by stopping the heat treatment in the middle of crystallization (here, 550 ° C., 10 minutes) and observing the crystal nuclei generated at that time with an optical microscope. Was calculated. In FIG. 22, a line 261 shows a result when a conventional amorphous silicon film containing no rare gas element is used, and a line 262 shows a result when an amorphous silicon film containing a rare gas element is used. Is shown. Argon is used as the rare gas element, and the concentration in the silicon film is 2.3 × 10. 17 atoms / cm Three It is.
[0107]
As can be seen from FIG. 22, when the amount of Ni added is increased, the generation density of crystal nuclei increases. This is because Ni reacts with the silicon film to form Ni silicide and grows the crystal using it as a nucleus. Therefore, the larger the amount of Ni, the more the crystal nucleus increases. What should be noted here is that when compared with the same Ni addition amount, the generation density of crystal nuclei is significantly higher in the amorphous silicon film containing Ar than in the amorphous silicon film containing no rare gas element. The value is high, and the value is about 3 times.
[0108]
The smaller the amount of Ni added, the better. However, there is a limit, and when the generation density of crystal nuclei falls below the value indicated by the line 263, defective crystal growth begins to occur. This crystal growth defect is because the generation density of crystal nuclei is too low, and crystal grains grown from the crystal nuclei collide with each other, making it impossible to make the entire film a crystalline region. It shows that an amorphous region remains between the two. In such a state, there is a large variation in the degree of crystallinity in the semiconductor film, and it cannot be used for a semiconductor device.
[0109]
The value indicated by line 263 (1 × 10 -2 Piece / μm 2 ) For the amorphous silicon film not containing a rare gas element, the limit minimum value of Ni addition necessary for generating crystal nuclei at the above density is about 5.5 at the point where the lines 261 and 263 intersect. × 10 12 atoms / cm 2 On the other hand, in the case of an amorphous silicon film containing a rare gas element, 1.8 × 10 6 at the intersection of the lines 262 and 262. 12 atoms / cm 2 It will be about. That is, in the amorphous silicon film containing a rare gas element, the amount of the catalytic element can be reduced to 1/3 as compared with the case where the conventional rare gas element is not contained.
[0110]
In this way, by introducing the rare gas element, the amount of the catalytic element required to generate crystal nuclei with a predetermined density can be greatly reduced. There is an advantage that the amount of the remaining catalyst can be reduced.
[0111]
By introducing a rare gas element into the amorphous semiconductor film, in addition to the above advantages, the following advantages can be obtained. That is, the state of the semiconductor compound of the catalytic element aggregated and precipitated in the crystalline semiconductor layer obtained by crystallizing the amorphous semiconductor layer is easily moved (easily gettered) in the subsequent gettering step. That is.
[0112]
By introducing the rare gas element, the nucleation density is tripled with the same amount of addition of the catalytic element as compared to the case where the rare gas element is not introduced. This means that the amount of Ni forming each crystal nucleus is small. It means that the amount is 1/3. The individual crystal nuclei are generated by the conventional 1/3 amount of the catalytic element. As a result, the amount of the catalytic element that finally agglomerates and precipitates at the crystal grain boundary is also reduced to 1/3. The size of the compound is also 1/3. Therefore, the catalyst remaining in the crystalline semiconductor layer is easily gettered in a later gettering step.
[0113]
The arrangement distribution and the size of the semiconductor compound of the catalytic element that is agglomerated and precipitated in the semiconductor film after the crystallization step can be easily confirmed by exposing the semiconductor film to hydrofluoric acid. Since the semiconductor compound of the catalytic element is selectively removed by hydrofluoric acid, by exposing the crystallized semiconductor film to hydrofluoric acid, minute holes (etch pits) in which the semiconductor compound of the catalytic element is etched And the distribution and size of the semiconductor compound of the catalytic element can be confirmed by the etch pit. However, if the treatment time with hydrogen fluoride at this time is long, the etching damage to the insulator of the layer under the semiconductor film becomes serious and the etch pit becomes large.
[0114]
FIG. 23 shows a scanning electron microscope (SEM) image photograph of the surface of the crystalline semiconductor layer after revealing with hydrofluoric acid. FIG. 23A shows a crystalline silicon film obtained by adding Ni to an amorphous silicon film that does not contain a rare gas element and crystallizing, and relatively large etch pits, that is, Ni silicide aggregation occurs. I understand. On the other hand, FIG. 23B shows a crystalline silicon film obtained by adding Ni to an amorphous silicon film containing Ar as a rare gas element and crystallizing it. Compared with FIG. No pit (aggregation of Ni silicide) is observed, and it can be seen that the individual Ni silicides are finely dispersed in smaller lumps. This SEM photograph is an example, but the present inventor observed over a wider area and obtained the same result.
[0115]
Although it is not well understood at the present time how the rare gas element acts and creates such a state when adding a catalytic element to the amorphous semiconductor layer containing the rare gas element and crystallizing it, The inventor considers the following model.
[0116]
The catalytic element added to the amorphous silicon film diffuses in the amorphous semiconductor layer in the initial stage (including the temperature rising process) in the heat treatment during crystallization (typically laser beam irradiation). A certain amount of clusters (clusters) are formed to become a semiconductor compound, and crystal nuclei are generated. If the catalytic element can sufficiently diffuse in the silicon film at the initial stage of the heat treatment, large clusters are formed, and each becomes large crystal nuclei. As a result, the nucleation density decreases. On the other hand, if the catalyst element cannot be sufficiently diffused, only small clusters can be formed. Instead, many small crystal nuclei are formed and the nucleation density is increased. That is, the rare gas element contained in the amorphous semiconductor layer may act to inhibit the diffusion of the catalytic element in the semiconductor film at the initial stage of the heat treatment for crystallization. Conceivable.
[0117]
In the embodiment of the present invention, the crystalline semiconductor layer constituting the active region (at least the channel region) of the TFT is preferably a semiconductor film mainly composed of silicon. In the manufacturing method of the embodiment of the present invention, it is preferable that an amorphous silicon film is used as the amorphous semiconductor layer containing a rare gas element formed on the insulating surface, and the semiconductor compound of the catalytic element is a silicide compound. . Of course, in addition to the silicon film, a germanium film, a silicon-germanium film, or the like can be used. However, the indirect transition type silicon film has better TFT off characteristics than the direct transition type germanium, and the material. It is easy to handle.
[0118]
Further, in the gettering step, by taking a method in which the deposited semiconductor compound of the catalytic element is once dissolved in the crystalline semiconductor layer and moved, a small lump that is finely dispersed and precipitated in the semiconductor film is obtained. The semiconductor compound of the catalytic element can be efficiently eliminated. Further, by introducing a rare gas element into the semiconductor film, the concentration of the catalytic element existing in a solid solution state in the crystalline semiconductor layer can be reduced in addition to the semiconductor compound of the catalytic element. The catalytic element present in a solid state in the semiconductor film has a smaller effect on the TFT characteristics than the catalytic element in the compound state, but it may become a compound state and reprecipitate when the TFT is driven. It is preferable to reduce the concentration of the catalyst element in the state, and it is preferable to reduce it by an order of magnitude or more than the solid solubility (solubility limit concentration) in the semiconductor film.
[0119]
A method of manufacturing a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention includes a first step of forming an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element on an insulating surface, and promoting crystallization of the amorphous semiconductor layer. A second step of adding a catalytic element; a third step of crystallizing the amorphous semiconductor layer by performing a first heat treatment to form a crystalline semiconductor layer; and a catalytic element in part of the crystalline semiconductor layer And a fourth step of adding a gettering element having an effect of attracting the element and a second heat treatment to move the catalyst element present in the crystalline semiconductor layer to the gettering region to which the gettering element is added. And a sixth step of forming a TFT active region (semiconductor layer) or a channel region in the active region using a crystalline semiconductor layer in a region other than the region to which the gettering element is added.
[0120]
Alternatively, a first step of forming an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element on the insulating surface, a second step of adding a catalyst element that promotes crystallization to the amorphous semiconductor layer, A third step of crystallizing the amorphous semiconductor layer to form a crystalline semiconductor layer by performing the heat treatment of 1, and a fourth step of forming a gettering layer having an effect of attracting the catalytic element on the crystalline semiconductor layer A fifth step of performing a second heat treatment to move the catalytic element present in the crystalline semiconductor layer to the gettering layer, and using the crystalline semiconductor layer to form an active layer (at least a channel region) of the TFT. And a sixth step of forming.
[0121]
A semiconductor device obtained by these methods is a semiconductor device including a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region (at least a channel region), and the TFT has an insulating surface. An active region (semiconductor layer) including a channel region, a source region, and a drain region, a gate insulating film on the active region, and a gate electrode on the gate insulating film are included. The active region (at least the channel region) is a crystalline semiconductor layer containing a rare gas element and a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor layer. It is preferable that at least the crystalline semiconductor layer constituting the channel region is present in a state in which substantially all of the catalytic element is dissolved in the semiconductor film.
[0122]
Here, in the second step of adding the catalyst element to the amorphous semiconductor layer, one or more elements selected from Ni, Co, Sn, Pb, Pd, Fe, and Cu are used as the catalyst element. Is desirable. One or more kinds of elements selected from these have an effect of promoting crystallization in a very small amount. Among them, the most remarkable effect can be obtained particularly when Ni is used. The catalytic element does not act alone, but acts on crystal growth by bonding to the silicon film and silicidation. The crystal structure at that time acts as a kind of template when the amorphous silicon film is crystallized, and promotes crystallization of the amorphous silicon film. Ni is two Si and NiSi 2 Form. NiSi 2 Shows a meteorite-type crystal structure, which is very similar to the diamond structure of single crystal silicon. Moreover, NiSi 2 Has a lattice constant of 5.406 Å (0.5406 nm), which is very close to the lattice constant of 5.430 Å (0.5430 nm) in the diamond structure of crystalline silicon. Therefore, NiSi 2 Is optimal as a template for crystallizing an amorphous silicon film, and it is most desirable to use Ni as the catalyst element in the present invention.
[0123]
As a result of manufacturing the semiconductor device of the present invention using such a catalytic element, in the semiconductor device of the present invention, Ni, Co, Sn are used as catalytic elements for promoting crystallization of the amorphous semiconductor layer in the active region. One or more elements selected from Pb, Pd, Fe, and Cu are present. In addition, the concentration of the catalytic element in the active region at that time is 1 × 10 14 ~ 1x10 17 atoms / cm Three As a result, the catalyst element concentration in the gettering region or the gettering layer is increased by 2 to 4 orders of magnitude.
[0124]
Another manufacturing method in the present invention includes a first step of forming an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element on an insulating surface, and a catalyst element for promoting crystallization of the amorphous semiconductor layer. A second step of adding, a third step of crystallizing the amorphous semiconductor layer by performing a first heat treatment to form a crystalline semiconductor layer, and a crystalline semiconductor layer (for example, using an etching method) A fourth step of forming an active region (semiconductor layer) of the TFT after patterning; a fifth step of adding a gettering element having an effect of attracting the catalytic element to the source region and the drain region of the active region; And a sixth step of performing a second heat treatment to move the catalyst element in the active region from the channel region to the source region and the drain region to which the gettering element is added. In the case of this method, since gettering is performed using the source / drain regions of the active region as compared with the above manufacturing method, there is no need to provide a dedicated extra load step for the gettering step. Can be simplified and shortened. This is because, in this method, gettering and activation of the source / drain regions can be simultaneously performed using the second heat treatment.
[0125]
A semiconductor device obtained by this method is a semiconductor device including a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT has a channel region and a source region on the insulating surface. And an active region (semiconductor layer) including a drain region, a gate insulating film on the active region and a gate electrode on the gate insulating film, and the active region promotes crystallization of a rare gas element and an amorphous semiconductor layer It is preferable that substantially all of the catalytic element is dissolved in the semiconductor film at least in the channel region of the active region. At this time, it is more preferable that the concentration of the catalytic element is lower by one digit or more than the solid solubility of the crystalline semiconductor layer.
[0126]
A semiconductor device according to another embodiment is a semiconductor device including a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT includes a channel region and a source on the insulating surface. An active region (semiconductor layer) including a region and a drain region; a gate insulating film on the active region; and a gate electrode on the gate insulating film. The active region promotes crystallization of a rare gas element and an amorphous semiconductor layer. In the active region, at least in the vicinity of the junction between the channel region and the source and drain regions, substantially all of the catalytic element exists in a solid solution state in the semiconductor film.
[0127]
A semiconductor device according to another embodiment is a semiconductor device including a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT includes a channel region and a source region on the insulating surface. And an active region (semiconductor layer) including a drain region, a gate insulating film on the active region, and a gate electrode on the gate insulating film, and the active region is a catalyst that promotes crystallization of a rare gas element and an amorphous semiconductor layer In the source region and the drain region of the active region, the catalytic element is present at a higher concentration than the channel region.
[0128]
Still another embodiment of the semiconductor device is a semiconductor device including a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT has a channel region on the insulating surface. , Including an active region (semiconductor layer) including a source region and a drain region, a gate insulating film on the active region and a gate electrode on the gate insulating film, and the active region promotes crystallization of a rare gas element and an amorphous semiconductor layer In the active region, the source region and the drain region are present in a higher concentration than the vicinity of the junction between the channel region, the source region, and the drain region.
[0129]
That is, a semiconductor device obtained by using a method in which a gettering element is added to the source / drain region and the catalyst element in the active region is moved from the subsequent channel region to the source / drain region by the second heat treatment. Then, in the source region and the drain region of the active region, the catalyst element is 1 × 10 18 ~ 1x10 20 atoms / cm Three Is present at a concentration of On the other hand, the catalyst element concentration in the channel region at this time or in the vicinity of the junction between the channel region and the source region and the drain region is 1 × 10 14 ~ 1x10 17 atoms / cm Three It is reduced to the extent of the degree. Here, the vicinity of the junction between the channel region of the active region and the source and drain regions is preferably a region within a range of 2 μm from the junction boundary between the channel region and the source and drain regions. This is because the effect of electric field concentration at the junction occurs within a range of 2 μm from the junction.
[0130]
In still another embodiment of the semiconductor device, the source region and drain region of the active region contain an impurity element belonging to Group B of the periodic table that imparts n-type conductivity. Alternatively, one or more kinds of rare gas elements selected from argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe) are contained in the source region and the drain region of the active region more than other regions in the active region. Contained in high concentration. Alternatively, the source region and the drain region of the active region contain one or more kinds of rare gas elements having an atomic number larger than that of the rare gas element contained in the active region. This is because impurity elements belonging to Group B of the periodic table and rare gas elements such as Ar, Kr, and Xe function as gettering elements. When a rare gas element is used as the gettering element, the semiconductor layer according to the present invention also contains a rare gas element in the channel region in the active region. Therefore, in order to move the catalyst element from the channel region to the source / drain region, It is preferable that the concentration of the rare gas element in the source / drain region be higher than the concentration of the rare gas element contained in the channel region. In addition, since the gettering efficiency when using a rare gas element as a gettering element is higher as the atomic number (atomic weight) is larger, the rare gas element having a larger atomic number than the rare gas element originally contained in the active region. It is also effective to introduce as a gettering element into the source / drain region. Details of the gettering element will be described later.
[0131]
In another embodiment of the manufacturing method according to the present invention, a first step of forming an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element on an insulating surface and crystallization of the amorphous semiconductor layer are promoted. A second step of adding a catalytic element, a third step of crystallizing the amorphous semiconductor layer by performing a first heat treatment to form a crystalline semiconductor layer, and patterning (for example, etching) the crystalline semiconductor layer ) To form a TFT active region (semiconductor layer) later, and a gettering element having an effect of attracting the catalytic element to the region other than the channel region, source region and drain region in the active region. A sixth step of adding and forming a gettering region and a second heat treatment to move the catalytic element in the active region from the channel region, the source region, and the drain region to the gettering region Having at least the door.
[0132]
Further, the formation of the gettering region in the fifth step is performed in a region other than the region where the gettering region is adjacent to the source region and / or the drain region and electrons or holes move in the active region. And a step of forming a wiring for electrically connecting the TFTs in the source region and the drain region. The wiring formation step is performed so that the wiring includes at least a part of the source region and the drain region. Even in this method, the second heat treatment can be used to simultaneously perform gettering and activation of the source / drain regions, and there is no need to provide a dedicated extra load step for the gettering step. The process can be simplified and shortened. Furthermore, since a dedicated gettering region is provided separately from the source / drain region in the active region, the gettering region can be optimized as compared with the above-described method in which the source / drain region is also used as the gettering region. it can. This is because in the above-described method in which the source / drain regions are also used as gettering regions, it is necessary to maintain the function (particularly low resistance) as the source / drain regions, and there are significant restrictions due to this. However, the gettering region is preferably arranged so as not to hinder the movement of carriers (electrons or holes) in at least the active region as described above.
[0133]
A semiconductor device obtained by this manufacturing method is a semiconductor device including a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT includes a channel region and a source on the insulating surface. An active region (semiconductor layer) including a region and a drain region, a gettering region, a gate insulating film on the active region and a gate electrode on the gate insulating film, and the active region includes a crystal of a rare gas element and an amorphous semiconductor layer It is preferable that substantially all of the catalytic elements are present in a solid solution in the semiconductor film at least in the channel region of the active region.
[0134]
Alternatively, the semiconductor device includes a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT includes a channel region, a source region and a drain region, and a gettering region on the insulating surface. Including an active region (semiconductor layer), a gate insulating film on the active region, and a gate electrode on the gate insulating film. The active region includes a rare gas element and a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor layer. In addition, at least in the vicinity of the junction between the channel region and the source region and drain region of the active region, substantially all of the catalytic element may exist in a solid solution state in the semiconductor film.
[0135]
Alternatively, the semiconductor device includes a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT includes a channel region, a source region and a drain region, and a gettering region on the insulating surface. Including an active region (semiconductor layer), a gate insulating film on the active region, and a gate electrode on the gate insulating film. The active region includes a rare gas element and a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor layer. In addition, it is preferable that at least the channel region, the source region, and the drain region of the active region are present in a state where substantially all the catalytic elements are in solid solution in the semiconductor film.
[0136]
From another viewpoint, focusing on the positional relationship with the gettering region, the semiconductor device according to an embodiment of the present invention is a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region. The TFT includes a channel region, a source region and a drain region, an active region (semiconductor layer) including a gettering region on an insulating surface, and a gate insulating film and a gate insulating film on the active region. The active region includes a rare gas element and a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor layer. The active region gettering region has a higher concentration of the catalytic element than the channel region. Existing.
[0137]
Alternatively, the semiconductor device includes a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT includes a channel region, a source region and a drain region, and a gettering region on the insulating surface. Including an active region (semiconductor layer), a gate insulating film on the active region, and a gate electrode on the gate insulating film. The active region includes a rare gas element and a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor layer. In addition, in the gettering region of the active region, the catalytic element is present at a higher concentration than the vicinity of the junction between the channel region and the source and drain regions.
[0138]
Alternatively, the semiconductor device includes a TFT having a crystalline semiconductor layer formed on an insulating surface as an active region, and the TFT includes a channel region, a source region and a drain region, and a gettering region on the insulating surface. Including an active region (semiconductor layer), a gate insulating film on the active region, and a gate electrode on the gate insulating film. The active region includes a rare gas element and a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor layer. The gettering region of the active region includes a higher concentration of the catalytic element than the channel region, the source region, and the drain region.
[0139]
Further, in these semiconductor devices, the gettering region in the active region is adjacent to the source region and / or the drain region, and is formed in a region other than the region where electrons or holes move in the active region. A wiring for electrically connecting the TFTs in the region is connected so as to include at least a part of the source region and the drain region.
[0140]
That is, a dedicated gettering region is provided in the active region separately from the source / drain regions, and this region is maintained even after the TFT is completed. This is not only the structure obtained as a result of the manufacturing method, but it is advantageous to always provide a gettering region in the device. In other words, when there is no gettering region in the element, a considerable amount of heat is generated by driving the TFT, and in rare cases, a new semiconductor compound is precipitated from the remaining catalyst element at a concentration lower than the solid solubility. Because there are cases. In this respect, a structure having a strong gettering region in the active region even after the completion of the semiconductor device has a gettering capability even when driving the TFT, and such precipitation is unlikely to occur. Furthermore, since the gettering region can be optimized as a dedicated area, a strong gettering capability can be provided. As a result, the reliability of the TFT can be further increased. However, since the gettering region is optimized for gettering ignoring characteristics such as resistance, the arrangement of the gettering region prevents the movement of carriers (electrons or holes) at least in the active region as described above. It is desirable to arrange so that there is no.
[0141]
As described above, when the method of adding a gettering element to the gettering region and moving the catalytic element in the active region to the gettering region by the second heat treatment, the obtained semiconductor device has the active region. In the gettering region, the catalyst element is 1 × 10 18 ~ 1x10 20 atoms / cm Three Is present at a concentration of On the other hand, the catalyst element concentration in the channel region at this time, in the vicinity of the junction between the channel region and the source / drain region, or in the entire channel region and the source / drain region is 1 × 10 14 ~ 1x10 17 atoms / cm Three It is reduced to the extent of the degree.
[0142]
In addition, it is desirable that the gettering region of the active region contains more amorphous components than other regions in the active region. The content of the amorphous component can be determined by performing microscopic laser Raman spectroscopy measurement on each region, and the gettering region is amorphous in the Raman spectrum compared to other regions in the active region. The ratio Pa / Pc between the TO phonon peak Pa of the crystalline Si and the TO phonon peak Pc of the crystalline Si is preferably large.
[0143]
As the mechanism of the gettering region, the solid solubility of the catalyst element in that region is increased from the other regions, the catalyst element is moved there (first gettering effect), and the catalyst element is trapped. There is an action (second gettering action) in which a defect or a local segregation site is formed and the catalytic element is moved and trapped there. That is, the gettering region of the active region is configured to contain more amorphous components than the other regions in the active region, whereby the effect of the second gettering action can be brought out. . It is important to maintain this state even after the TFT is completed. If the gettering region in an amorphous state is crystallized in the middle of the process, the subsequent gettering action is reduced, and it is temporarily moved by heat treatment. In some cases, the catalyst element thus caused flows backward in the subsequent process. Even if such a backflow of the catalytic element is prevented in the manufacturing process, a considerable amount of heat is generated by driving the TFT, and the catalytic element once moved to the gettering region moves to the channel region when driving the TFT. In some cases, problems occur in reliability. Therefore, when a gettering region is provided in the active region of the TFT, the region is maintained in an amorphous state even when the TFT is completed, and always has the same level of gettering capability as in the gettering step. It is desirable.
[0144]
Further, in such a semiconductor device configuration and manufacturing method thereof, the TFT active region has a gettering region in addition to the source region and the drain region, and the gettering region moves TFT carriers (electrons or holes). The source / drain regions are not affected by gettering, and the amount of addition of n-type impurities and p-type impurities is optimally set as a separate process. be able to. That is, even if the gettering region is configured to contain an amorphous component, the TFT is not affected at all by the high resistance. As a result, the process margin is widened, the throughput of the doping apparatus can be greatly improved, the resistance of the source / drain can be reduced, and the on-characteristics of the TFT can be improved.
[0145]
The gettering region in the active region includes an impurity element belonging to Group B of the periodic table that imparts n-type and an impurity element belonging to Group B of the periodic table that imparts p-type. Preferably it is. Alternatively, the gettering region of the active region preferably contains one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe at a higher concentration than other regions in the active region. Alternatively, the gettering region of the active region preferably contains one or more kinds of rare gas elements having an atomic number larger than that of the rare gas element contained in the active region. This is because, as described above, an impurity element belonging to Group B of the periodic table or a rare gas element such as Ar, Kr, or Xe has a function as a gettering element. This is because the larger the (atomic weight), the higher the gettering effect.
[0146]
In addition, in the semiconductor device configuration described above, a gettering element is added to the source / drain region of the active region, and the catalytic element is thermally moved to the region, and a dedicated gettering region is provided in the active region. In the method of forming and thermally moving the catalyst element to the region, the second heat treatment for gettering is performed while also activating the source / drain regions. That is, since the second heat treatment is performed after the gate electrode is formed, the material of the gate electrode is an element selected from W, Ta, Ti, and Mo, which is a high-melting metal having high heat resistance, It is desirable to select from one or more elemental alloy materials.
[0147]
Now, in the manufacturing method of a semiconductor film of the present invention, that is, the rare gas element contained in the amorphous semiconductor layer in the active region of the semiconductor device of the present invention includes argon (Ar), krypton (Kr), It is desirable that the element is one or more elements selected from xenon (Xe). With these rare gas elements, the effects of the present invention as described above are particularly high, the generation density of crystal nuclei during crystallization can be increased, the amount of addition of catalyst elements can be greatly reduced, and further agglomerated and precipitated after crystallization. It is possible to finely disperse the semiconductor compound of the catalytic element being used, to reduce the size of each lump, and to form a state that is easily gettered in a later gettering step.
[0148]
In the present invention, the concentration of the rare gas element in the active region (at least the channel region) of the semiconductor device is 5 × 10 5. 16 atoms / cm Three 5 × 10 or more 18 atoms / cm Three It is desirable to be within the following range. A preferable concentration range of the rare gas element will be described with reference to experimental data performed by the present inventor on the concentration of the rare gas element shown in FIG. Here, a silicon film is used as the semiconductor film, nickel is used as the catalyst element, and argon is used as the rare gas element.
[0149]
FIG. 24A shows the relationship between the Ar concentration in the silicon film and the crystal nucleus generation density during crystallization. The crystal nucleus generation density on the vertical axis was measured by the same method as in FIG. FIG. 24B shows the relationship between the Ar concentration in the silicon film and the size of the catalytic element compound (Ni silicide) deposited after crystallization. With respect to the size of Ni silicide, hydrofluoric acid treatment for revealing was performed, SEM observation as shown in FIG. 23 was performed, and individual sizes were measured as etch pits. In FIG. 24A and FIG. 24B, the data point at the left end plots the result of the silicon film containing no rare gas element, and the Ar concentration was below the lower limit of measurement.
[0150]
From FIG. 24A, even when Ar is added to the silicon film, the concentration is 5 × 10 5. 16 atoms / cm Three When it is lower than (line 271), it can be seen that no effect of increasing the nucleation density is observed. Ar concentration is 5 × 10 16 atoms / cm Three Above (line 271), a significant increase in nucleation density is observed. That is, the concentration of the rare gas element introduced into the amorphous silicon film is 5 × 10. 16 atoms / cm Three It turns out that it is preferable above.
[0151]
As can be seen from FIG. 24B, the size of Ni silicide varies greatly from small to large even under the same conditions (error bar in the figure), but when the concentration of the line 271 is exceeded, Ni silicide As a result, there is a tendency that the overall size of Ni is reduced, and particularly large lumps of Ni silicide cannot be seen. When the Ar concentration is further increased, the nucleus generation density is increased in FIG. 24A, and the size of Ni silicide is reduced in FIG. 24B, but it is almost saturated. There is no merit to raise. On the contrary, the concentration 5 × 10 shown in FIG. 24 (A) and FIG. 24 (B). 18 atoms / cm Three When exceeding (line 272), Ar contained in the amorphous silicon film has an adverse effect on the crystalline state, and the merit of high quality crystallinity obtained by adding the catalytic element is impaired. However, since the mobility of the semiconductor layer may decrease, the concentration of the rare gas element contained in the active region is 5 × 10 5. 16 atoms / cm Three 5 × 10 or more 18 atoms / cm Three It is preferable to be within the following range.
[0152]
He stated that if the concentration of the rare gas element contained in the amorphous semiconductor layer before the introduction of the catalytic element increases, it adversely affects the crystal growth and a high-quality crystalline semiconductor layer based on the catalytic element cannot be realized. Next, the crystal state and crystallinity of the crystalline semiconductor layer constituting the active region in the present invention will be described.
[0153]
The crystalline semiconductor film (used for forming the active region or at least the channel region of the active region) according to the present invention has a crystal plane orientation mainly composed of <111> crystal zone planes. More specifically, the ratio of the plane orientation of the crystalline semiconductor film occupies a region of 50% or more of the (110) plane orientation and (211) plane orientation in the <111> crystal zone plane. ing. In general, in crystallization without using a catalytic element, the plane orientation of the crystalline semiconductor film tends to be (111) due to the influence of the insulator underlying the semiconductor film (particularly in the case of amorphous silicon dioxide). On the other hand, a schematic diagram showing how the plane orientation of a crystalline semiconductor film obtained when a catalytic element is added to an amorphous semiconductor film and crystallized is mainly composed of <111> crystal zone planes. 25 (A). In FIG. 25A, 281 is a base insulator, 282 is an amorphous semiconductor layer in an uncrystallized region, 283 is a crystalline semiconductor layer, and 284 is a semiconductor compound of a catalytic element serving as a driving force for crystal growth. is there.
[0154]
As shown in FIG. 25A, the catalytic element compound 284 is present at the forefront of crystal growth, and the adjacent amorphous regions 282 are crystallized one after another toward the right side of the drawing. The catalytic element compound 284 has a property of growing strongly in the <111> direction. As a result, as the plane orientation of the obtained crystalline semiconductor film, a <111> crystal zone plane appears as shown in FIG.
[0155]
FIG. 25B shows a <111> crystal zone plane. In FIG. 25B, the horizontal axis represents the inclination angle from the (-100) plane, and the vertical axis represents the surface energy. The group 285 is a crystal plane that becomes a <111> crystal zone plane. The (100) plane and the (111) plane are not <111> crystal zone planes, but are shown for comparison.
[0156]
FIG. 25C shows a standard triangle of crystal orientation. Here, the distribution of the <111> crystal zone plane is as shown by a broken line. The numbers are typical pole indices. Among these <111> crystal zone planes, in the crystalline semiconductor film obtained by the present invention, the (110) plane or (211) plane is predominantly oriented, and these planes occupy 50% or more of the entire plane. Superiority is obtained. These two crystal planes have a very high hole mobility compared to the other planes, can improve the performance of P-channel TFTs that are inferior to N-channel TFTs, and are easily balanced in semiconductor circuits. There are benefits.
[0157]
As described above, when the concentration of the rare gas element contained in the amorphous semiconductor film is too high, that is, when the upper limit line 272 in FIG. 24 is exceeded, such plane orientation collapses, and the plane orientation is shown in FIG. ) Begins to deviate in the direction of 111 points from the distribution on the <111> crystal zone plane indicated by a broken line in the standard triangle. That is, there is a tendency to approach a crystalline state of random orientation when no catalyst element is used.
[0158]
An example of the plane orientation distribution of the crystalline semiconductor film obtained by the present invention is shown in FIG. FIG. 26 shows the measurement result of the backscattered electron diffraction image (EBSP). The crystal orientation is divided into individual minute regions, which are connected and mapped. FIG. 26A shows a plane orientation distribution in the crystalline semiconductor layer of the present invention. FIG. 26B shows a plane between adjacent mapping points based on the data in FIG. Those having an azimuth inclination of a certain value or less (here, 5 ° or less) are painted with the same color, and the distribution of individual crystal grains (crystal grains: regions having substantially the same plane orientation) is highlighted. FIG. 26C shows the standard triangle of the crystal orientation described with reference to FIG.
[0159]
As can be seen from FIG. 26 (C), the crystalline semiconductor layer according to the present invention generally exhibits a plane orientation on the <111> crystal zone, and is particularly strongly oriented in (110) and (211). I understand. In the present invention, the nucleation density is increased by the action of the rare gas element contained in the semiconductor film, and the size of each crystal grain shown in FIG. 26B is distributed in the range of 2 μm to 10 μm. . Therefore, the semiconductor device of the present invention has a crystalline semiconductor layer having a crystal grain size in the range of 2 μm to 10 μm as its active region or at least a channel region. The crystalline state of the crystalline semiconductor layer according to the present invention (that is, the plane orientation and the ratio of plane orientation, the grain size of crystal grains) is characterized by EBSP measurement.
[0160]
Next, a process of forming an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element in the method for manufacturing a semiconductor film of the present invention will be described.
[0161]
In the manufacturing method of the present invention, the step of forming the amorphous semiconductor layer containing a rare gas element is most preferably performed by introducing a rare gas element during film formation using a plasma CVD method. Instead of the above method, an amorphous semiconductor layer may be formed first, and then the amorphous semiconductor film may be ion-doped with a rare gas element. The latter method is excellent in terms of controllability of the rare gas element concentration, but requires an expensive doping apparatus in addition to the film forming apparatus, and the film formation and doping are performed in separate processes. There is a demerit of cost. In addition to the above two methods, there is a method in which a rare gas is used as a sputtering gas and an amorphous semiconductor layer is formed by sputtering using a semiconductor target. In this method, discharge by RF or pulse DC is performed. This is indispensable. In particular, when the substrate size is large, it is difficult to obtain a stable discharge, and there are problems that the number of particles specific to sputtering is very large.
[0162]
On the other hand, in the plasma CVD method, mass production apparatuses for large sized glass substrates are generally on the market, and chamber cleaning with a cleaning gas can be performed, so that particle countermeasures are good. However, since the film is formed by a chemical reaction, a rare gas element that is inert to the chemical reaction is simply introduced as a film forming gas, but only acts as a carrier gas in the semiconductor film. It is hard to be included.
[0163]
Therefore, in a preferred embodiment, the step of forming the amorphous semiconductor layer containing a rare gas element on the insulating surface of the substrate uses a plasma CVD method, and the rare gas element is placed in a chamber (CVD reaction chamber) during film formation. In addition to the CVD electrode that is introduced into the substrate and generates plasma, a separate bias is also applied to the substrate side (substrate holder that receives the substrate) having an insulating surface on which an amorphous semiconductor layer is formed. Perform with dual bias. Furthermore, in another preferred embodiment, the step of forming the amorphous semiconductor layer containing a rare gas element uses a plasma CVD method, introduces a rare gas element during film formation, applies an RF bias to the CVD electrode, A two-frequency method is also applied in which an RF bias having a frequency different from that of the CVD electrode is applied to the substrate side.
[0164]
In this way, the present inventor uses a semiconductor material gas and a rare gas element as at least a source gas in a plasma CVD process, and forms a film with a dual bias that separately applies a separate bias to the substrate side in addition to the CVD electrode. It was found that an amorphous semiconductor layer containing a large amount of a rare gas element can be formed by performing the above.
[0165]
As the bias at this time, the method of applying the RF bias to the CVD electrode and applying the RF bias alone to the substrate side is the most effective, and the obtained non-biased value is higher than the case of applying the DC bias to the substrate side. The content of rare gas elements in the crystalline semiconductor film (for example, amorphous silicon film) was higher. However, even when a DC voltage was applied to the substrate side, the effect was of course seen as compared with the case where no bias was applied. Further, the frequency of the RF bias applied to the CVD electrode and the frequency of the RF bias applied to the substrate (insulator) side are different from each other, and the RF bias applied to the substrate side is higher than the frequency of the RF bias applied to the CVD electrode. It is desirable that the bias frequency is smaller. With such a configuration, a stable discharge with good plasma matching can be obtained.
[0166]
Next, the configuration of a semiconductor manufacturing apparatus suitably used for executing the manufacturing method according to the present invention will be described.
[0167]
A semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention is a plasma CVD apparatus for forming an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element, and the plasma CVD apparatus includes a CVD electrode and an amorphous film in a CVD reaction chamber (chamber). It has a substrate holder in contact with the substrate on which the semiconductor layer is formed, and further has a power supply power source. The potential of the CVD chamber is grounded, and the potential on the CVD electrode side and the amorphous semiconductor layer are formed. The potential on the side of the substrate holder in contact with the substrate to be filmed is independent from the CVD chamber, and is connected to the power supply power source connected to the CVD electrode and the substrate holder in contact with the substrate on which the amorphous semiconductor layer is formed. It is different from the power supply power source, and the CVD chamber is provided with at least gas introduction ports for semiconductor film forming material gas and rare gas. Furthermore, the power supply power source connected to the CVD electrode and the power supply power source connected to the substrate holder in contact with the substrate on which the amorphous semiconductor layer is formed are each an RF power supply power source (RF oscillation source). Is preferred.
[0168]
Here, the power supply power source or the RF power supply power source connected to the CVD electrode is compared with the power supply power source or the RF power supply power source connected to the substrate holder in contact with the substrate on which the amorphous semiconductor layer is formed. The power capacity is preferably equal or higher. Furthermore, the RF frequency of the RF power supply power source connected to the CVD electrode is preferably larger than the RF frequency of the RF power supply power source connected to the substrate holder in contact with the substrate on which the amorphous semiconductor layer is formed. .
[0169]
A structure of a plasma CVD apparatus suitably used for manufacturing a semiconductor film according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 15A is a diagram schematically showing the configuration of a known plasma CVD apparatus, and FIG. 15B schematically shows an example of the configuration of the plasma CVD apparatus used in the embodiment of the present invention. .
[0170]
In the normal plasma CVD shown in FIG. 15A, the substrate 151 is grounded and has the same potential as the chamber 153. Then, RF power 154 is supplied to the CVD electrode 152 to form a film. On the other hand, in the CVD apparatus shown in FIG. 15B, the potential of the substrate 151 is independent from the CVD chamber 153, and the RF power 154 supplied to the CVD electrode 152 is different from the RF power supplied from the RF power 154. Power 155 is supplied. The CVD chamber 153 is grounded. When a rare gas is used as a deposition gas in such a configuration, an amorphous semiconductor film in which a rare gas element is contained in the film as described above can be easily obtained. Here, as the power supply power source, the effect can be obtained even with DC especially on the substrate 151 side, but RF is more effective for increasing the content of the rare gas element. Further, the RF power 154 supplied to the CVD electrode 152 is larger than the RF power 155 supplied to the substrate 151 side, and the RF frequency supplied to the CVD electrode 152 is the RF frequency supplied to the substrate 151 side. A higher value is preferable because the stability of the plasma increases.
[0171]
Another semiconductor manufacturing apparatus suitably used in the semiconductor film manufacturing method of the present invention has a configuration in which a plurality of CVD chambers are connected to each other directly or indirectly via a vacuum chamber (so-called multi-chamber configuration). )have. At least one of the plurality of CVD chambers is configured by a dual-bias or dual-frequency plasma CVD chamber having the configuration described above with reference to FIG. 15B, and at least one of the other CVD chambers. One CVD chamber is configured as a chamber for forming an insulating film (protective film).
[0172]
FIG. 16 schematically shows the chamber configuration of the multi-chamber plasma CVD apparatus having such a configuration according to the present invention. The semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 16 includes a cassette station 161, load lock chambers 162 and 163, four plasma CVD chambers 164 to 167, and a cluster chamber 168.
[0173]
First, a cassette containing substrates is set in the cassette station 161. The substrate is sent to the load lock chambers 162 and 163 by the robot, where it is evacuated to a reduced pressure state. Although the load lock chamber may be one, the work efficiency is improved by adopting the two-room configuration as shown in FIG. The four plasma CVD chambers 164 to 167 are connected to the rod lock chambers 162 and 163 by a cluster chamber 168, and all these chambers are kept in a reduced pressure state. After the atmosphere in the load lock chambers 162 and 163 is replaced under reduced pressure, the substrate is sent to each plasma CVD chamber 164 to 167 by the robot in the cluster chamber 168. In FIG. 16, four plasma CVD chambers are provided, but one may be a preheat chamber for preheating the substrate. By adopting such a configuration, when different film types are successively formed on the substrate, the substrate can be transferred to another CVD chamber without being exposed to the atmosphere, and in a vacuum (or reduced pressure atmosphere). Continuous film formation is possible. By using such an apparatus, in the present invention, an amorphous semiconductor containing a rare gas element and a lower insulating film can be continuously formed. These interfaces serve as back channels in the TFT and greatly affect the TFT characteristics and reliability. Therefore, it is desirable to keep them clean, and the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention can easily realize this.
[0174]
In the entire semiconductor film manufacturing method of the present invention as described above, a catalytic element is added to an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element, and the first heat treatment is performed to crystallize the amorphous semiconductor layer. In the crystallization step, the catalytic element is selectively added to a part of the amorphous semiconductor layer, and the first heat treatment is performed, so that the region where the catalytic element is selectively added is laterally transferred to the periphery thereof. It is preferable to carry out crystal growth in the direction. By doing this, in the region where the crystal is grown in the lateral direction, the crystal growth direction is almost uniform (typically, the <111> crystal zone plane is aligned in the growth direction). Thus, the current driving capability of the TFT can be further increased. Also, in this laterally grown region, the concentration of the catalytic element in the film after crystal growth can be reduced by 1 to 2 orders of magnitude compared to the region where the catalytic element is directly added, so the load on the subsequent gettering process is reduced. can do.
[0175]
Furthermore, in a preferable embodiment of the present invention, after the (first) heat treatment for crystallization, a step of irradiating the crystalline semiconductor layer with laser light is included. When laser light is irradiated to the crystalline semiconductor layer, the crystal grain boundary part and minute residual amorphous region (uncrystallized region) are processed intensively due to the difference in melting point between the crystalline part and the amorphous part. The The crystalline silicon film crystallized by introducing the catalytic element is formed of columnar crystals and the inside thereof is in a single crystal state. Therefore, when the crystal grain boundary is treated by laser light irradiation, the entire surface of the substrate is covered. Thus, a high-quality crystalline silicon film close to a single crystal state is obtained, and crystallinity is greatly improved. As a result, the on-characteristics of the TFT are greatly improved, and a semiconductor device superior in current drive capability can be realized.
[0176]
The crystalline semiconductor film (low concentration region) of the embodiment according to the present invention preferably has an average surface roughness Ra within a range of 4 nm to 9 nm. As can be seen from the SEM photograph of FIG. 23, the surface of the crystalline semiconductor film is uneven. This occurs at the boundary due to the difference in volume expansion coefficient when the semiconductor film is melted, solidified and recrystallized by irradiating laser light, and is generally called a ridge. If the average surface roughness at this time is less than 4 nm, the laser power may be insufficient, and the crystallinity may not be sufficiently improved. On the other hand, if the average surface roughness Ra is more than 9 nm, the laser power is excessive, so that the crystallinity is locally deteriorated and the variation becomes large, and the influence on the reliability (gate insulating film breakdown voltage) is concerned.
[0177]
In the method of manufacturing a semiconductor film according to an embodiment of the present invention, the fourth step of adding a gettering element having an effect of attracting a catalytic element to a part of a crystalline semiconductor layer is performed by an ion doping method. The region to which the element is added (gettering region) is more amorphous than the other regions. That is, by making the gettering region amorphous, crystal defects or local segregation sites that trap the catalytic element can be actively formed, and the second gettering action described above can be used. . In this manufacturing method, for example, if the gettering region is formed outside the active region, the gettering region does not remain in the active region after the second gettering step, and even if the gettering region is made amorphous, there is a problem. Don't be.
[0178]
Further, when a method of adding a gettering element to the source / drain region of the active region and moving the catalyst element thereto is adopted, the fifth step of adding the gettering element to the source region and the drain region of the active region includes: The source and drain regions, which are formed by an ion doping method and to which a gettering element is added, are more amorphous than the channel region. Also in this case, the second gettering action can be brought out by making the source / drain regions amorphous. However, since the source / drain regions function as TFTs, the resistance must finally be reduced. Therefore, it is preferable to recover the crystallinity to some extent during the second heat treatment time for gettering after the amorphization is once advanced.
[0179]
In addition, when a manufacturing method in which a dedicated gettering region is formed in the active region separately from the source / drain regions, a gettering element is added to the channel region in the active region and the regions other than the source region and the drain region. The fifth step of forming the ring region is performed by an ion doping method, and the gettering region to which the gettering element is added is more amorphous than the channel region, the source region, and the drain region. Also in this case, the second gettering action can be brought out by making the gettering region amorphous. In this case, the gettering region may remain in an amorphous state after the TFT is completed, and the degree of freedom of the process is high. As described above, it is preferable that the semiconductor device has a gettering region in the active region, and the gettering region contains many amorphous components.
[0180]
As the gettering element used in the method for producing a semiconductor film of the present invention, first, it is preferable to use one or more kinds of elements belonging to Group B of the periodic table selected from P, As, and Sb. When these elements belonging to Group 5B of the periodic table are introduced into the silicon film, the solid solubility of the catalytic element in that region increases, that is, the gettering effect is obtained by utilizing the first gettering action described above. A move is made. Among these elements, phosphorus is particularly effective. In addition, these elements can be used as they are as source / drain regions in an N-channel TFT.
[0181]
Furthermore, in addition to one or more types of periodic table group 5 B selected from P, As, and Sb as gettering elements, one or more types of periodic table selected from B and Al. It is more desirable to use together with an element belonging to Group 3 B. Only the Group 5 B element has a gettering ability, but it has been found that a larger gettering effect can be obtained when a Group 3 B element is also introduced. When the silicon film in the gettering region is doped with boron as well as phosphorus, the gettering mechanism changes. In the case of only phosphorus, diffusion transfer type gettering (the first gettering action described above) using the difference in solid solubility of the catalytic element from the non-doped non-gettering region, but also contains boron. On the contrary, the catalytic element is likely to precipitate in the gettering region, gettering to the defect or segregation site (the above-mentioned second gettering action) becomes dominant, and the effect is synergistically enhanced. However, since an element for imparting P-type is superimposed on an element for imparting N-type, gettering regions into which these elements are introduced are likely to have high resistance, and exclusive getters other than the source / drain regions are provided. It is more effective in the method of providing the ring region. The concentration of the impurity element contained in the gettering region at this time is 1 × 10 for elements belonging to Group B of the periodic table. 19 ~ 1x10 twenty one / Cm Three The element belonging to Group 3 B of the periodic table is preferably 1.5 × 10 5. 19 ~ 3x10 twenty one / Cm Three It is preferable that it exists in the density range. In any case, if the concentration is within this range, sufficient gettering efficiency can be obtained.
[0182]
As another gettering element used in the method for producing a semiconductor film of the present invention, one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe can be used. When these rare gas elements are present in the gettering region, large interstitial distortion occurs there, and the second gettering action due to defects / segregation sites is very powerful. At this time, the concentration of the rare gas element contained in the gettering region is 1 × 10 19 ~ 3x10 twenty one atoms / cm Three If it is within the range, sufficient gettering efficiency can be obtained.
[0183]
Furthermore, in the method for manufacturing a semiconductor film of the present invention, when such a rare gas element is used as a gettering element, one or more having a larger atomic number than the rare gas element species contained in the amorphous semiconductor layer It is desirable to use a kind of rare gas element. The gettering efficiency when a rare gas element is used as a gettering element is higher as the atomic number (atomic weight) is larger. In the present invention, almost all of the crystalline semiconductor film (low concentration region) contains a rare gas element. Therefore, in order to move the catalytic element to the gettering region, the rare gas element species originally contained in the active region is used. It is more effective to use a rare gas element species having a larger atomic number as a gettering element.
[0184]
According to a preferred embodiment of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor film includes forming a gettering layer having an effect of attracting a catalytic element on a crystalline semiconductor layer, performing a second heat treatment, and remaining on the crystalline semiconductor layer. A step of moving the catalytic element to be moved to the gettering layer. In this method, the second heat treatment is performed, and after the fifth step (gettering step) of moving the catalytic element remaining in the crystalline semiconductor layer to the gettering layer, the step of removing the gettering layer is performed. Further, it may be included. In this way, unlike other methods, a crystalline semiconductor layer having a low catalyst concentration over almost the entire surface without a region (gettering region) where the catalytic elements are collected on the entire surface of the substrate is obtained. The degree of freedom of process and design layout can be increased.
[0185]
Here, as the gettering layer, it is desirable to use an amorphous semiconductor layer containing one or more kinds of elements belonging to Group B of the periodic table selected from P, As, and Sb. Alternatively, as the gettering layer, one or more kinds of periodic table group 5 B elements selected from P, As, and Sb, and one or more kinds of periodic table group 3 B selected from B and Al are used. It is desirable to use an amorphous semiconductor layer containing both elements belonging to the above. The reason for using the amorphous semiconductor film is that, as described above, the second gettering action utilizing the crystal defects / segregation sites can be brought out. The reason for including the element species is that the element species functions as a gettering element as described above.
[0186]
In addition to the above gettering layers that can be used, one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe are used at a higher concentration than the rare gas concentration contained in the crystalline semiconductor layer. It is desirable to use an amorphous semiconductor layer contained therein. Alternatively, it is desirable to use an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element species having an atomic number larger than that of the rare gas element species contained in the crystalline semiconductor layer as the gettering layer. When an amorphous semiconductor layer containing a rare gas element is used as a gettering layer, balance with the rare gas element contained in the lower crystalline semiconductor layer is important. Therefore, the condition of the gettering layer is that the rare gas element concentration needs to be higher than the rare gas element concentration contained in the lower crystalline semiconductor layer, and the gettering efficiency is high. It is preferable to use it for the ring layer.
[0187]
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a method for manufacturing over an n-channel TFT glass substrate will be described. The TFT of this embodiment can be used as an element constituting a thin film integrated circuit as well as a driver circuit and a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device or an organic EL display device. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an n-channel TFT described here, and the manufacturing process sequentially proceeds in the order of (A) → (H).
[0188]
First, as shown in FIG. 1A, a base film 103 made of silicon oxide having a thickness of about 300 to 500 nm is formed on a glass substrate 101 by, for example, a plasma CVD method. This silicon oxide film is provided to prevent diffusion of impurities from the glass substrate. Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 104 having a thickness of about 20 to 80 nm, for example, 40 nm is formed.
[0189]
The a-Si film 104 is formed by a plasma CVD method using a silane-based gas and a rare gas as material gases. At this time, a rare gas element can be easily included in the a-Si film 104 by using a dual-bias or dual-frequency plasma CVD apparatus as shown in FIG. Further, even in a normal plasma CVD apparatus as shown in FIG. 15A, the substrate heating temperature is lowered, the gas pressure at the time of film formation is reduced, and the gas flow ratio of silane gas / rare gas is reduced. In the direction, the concentration of the rare gas element contained in the a-Si film 104 to be formed can be increased to some extent. In this way, the rare gas element concentration in the film is 5 × 10 5. 16 ~ 5x10 18 atoms / cm Three An a-Si film 104 is obtained.
[0190]
Examples of rare gas element species that can be used here include argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe). In this embodiment, SiH Four The a-Si film 104 was formed using a dual-frequency parallel plate plasma CVD apparatus shown in FIG. The substrate heating temperature at this time is 350 ° C., and the gas flow rate is SiH. Four The gas was 100 sccm and the Ar gas was 1000 sccm. The gas pressure was 0.7 Torr, the RF frequency supplied to the CVD electrode was 27.1 MHz, the RF power was 100 W, the RF frequency supplied to the substrate side was 1.6 MHz, and the RF power was 50 W. The Ar concentration in the a-Si film 104 thus obtained is about 5 × 10 17 atoms / cm Three It was about. Note that the method for forming the a-Si film 104 containing a rare gas element and the film formation conditions may be appropriately selected and set by the practitioner regardless of the above methods and conditions.
[0191]
Next, a small amount of nickel 106 is added on the surface of the a-Si film 104. The catalyst element that can be used here is a kind selected from nickel (Ni), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), palladium (Pd), iron (Fe), copper (Cu), or Multiple elements are preferred. In addition, ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), and the like can be used. The addition of a small amount of nickel 106 was performed by holding a solution in which nickel was dissolved on the a-Si film 104, and uniformly extending the solution onto the substrate 101 with a spinner and drying it. In this embodiment, nickel acetate is used as the solute, water is used as the solvent, and the nickel concentration in the solution is 10 ppm. This state corresponds to the state shown in FIG. At this time, the amount of the catalyst element to be added is extremely small, and the concentration of the catalyst element on the surface of the a-Si film 104 is managed by the total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method. In this embodiment, 4 × 10 12 atoms / cm 2 It was about. Prior to this step, the surface of the a-Si film 104 may be slightly oxidized with ozone water or the like in order to improve the wettability of the surface of the a-Si film 104 during spin coating.
[0192]
Then, the first heat treatment is performed in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. As annealing conditions at this time, annealing treatment is performed at 530 to 600 ° C. for 30 minutes to 8 hours. In this embodiment, as an example, heat treatment was performed at 550 ° C. for 4 hours. In this heat treatment, nickel 105 added to the surface of the a-Si film 104 is diffused into the a-Si film 104 and silicidation occurs, and crystallization of the a-Si film 104 proceeds using this as a nucleus. As a result, the a-Si film 104 is crystallized to become a crystalline silicon film 104a. Note that although crystallization is performed here by heat treatment using a furnace, crystallization may be performed by an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus using a lamp or the like as a heat source.
[0193]
When the crystal plane orientation of the crystalline silicon film 104a thus obtained is examined by EBSP measurement, it is mainly composed of <111> crystal zone planes, and among these, (110) plane orientation and (211) plane orientation are particularly important. In this, more than 50% of the total area is occupied. The grain size of the crystal grains (substantially the same plane orientation region) is 2 to 10 μm.
[0194]
Subsequently, as shown in FIG. 1B, the crystalline silicon film 104a obtained by the heat treatment is irradiated with a laser beam 107, whereby the crystalline silicon film 104a is further recrystallized to improve crystallinity. The formed crystalline silicon film 104b is formed. As the laser light at this time, an XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 nsec) or a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) can be applied. The beam size of the laser light at this time is shaped to be a long shape on the surface of the substrate 101, and the entire surface of the substrate is recrystallized by sequentially scanning in the direction perpendicular to the long direction. . At this time, scanning is performed so that parts of the beams overlap each other, so that laser irradiation is performed a plurality of times at any one point of the crystalline silicon film 104a, thereby improving uniformity. If the energy of the laser beam at this time is too low, the crystallinity improvement effect is small, and if it is too high, the crystalline state of the crystalline silicon film 104a obtained in the previous step is reset, so it is necessary to set it within an appropriate range. There is. In this way, the crystalline silicon film 104a obtained by solid-phase crystallization is reduced in crystal defects by a melting and solidifying process by laser irradiation, and becomes a higher quality crystalline silicon film 104b. Even after this laser irradiation step, the crystal plane orientation and crystal grain state before laser irradiation are maintained as they are, and no significant change is observed in the EBSP measurement. However, ridges are generated on the surface of the crystalline silicon film 104b, and the average surface roughness Ra is 4 to 9 nm.
[0195]
Next, as shown in FIG. 1C, a photoresist mask 108 is formed over the crystalline silicon film 104b. As for the arrangement of the mask 108 at this time, a part of the crystalline silicon film 104b is masked in an island shape by the mask 108, and the crystalline silicon film in the region covered by this mask is formed later. An active region (semiconductor layer) of the TFT is configured.
[0196]
Next, in this state, as shown in FIG. 1C, phosphorus 109 is ion-doped from above the substrate 101 over the entire surface. As a doping condition of phosphorus 109 at this time, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 5 to 15 kV, for example, and the dose is 5 × 10 5 15 ~ 2x10 16 cm -2 It was. By this step, phosphorus 109 is implanted into the exposed crystalline silicon film 104b, and a phosphorus-doped region 110 is formed. This region 110 is a region where the crystal is somewhat broken by the ion doping process and becomes amorphous. The crystalline silicon film 104b in the region covered with the mask 108 is not doped with phosphorus 109 and, of course, the crystalline state is not destroyed.
[0197]
Then, after the mask 108 made of photoresist is removed by ashing (oxygen plasma treatment) and a stripping solution, second heat treatment is performed in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. In this embodiment, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 500 ° C. to 600 ° C. for 30 minutes to 8 hours, for example, at 550 ° C. for 4 hours. At this time, the phosphorus-doped amorphous region 110 serves as a gettering region, and a gettering process is performed. In the region 110, defects trapping nickel, segregation sites, and the like are formed, and the solid solubility of the silicon film with respect to nickel is greatly increased by phosphorus doping. Utilizing these forces, as shown in FIG. 1D, the nickel 106 remaining in the crystalline silicon film in the region covered by the mask 108 is gettered in the direction indicated by the arrow 113. Move to ring area 110. By this gettering step, first, nickel present in a solid solution in the crystalline silicon film moves to the gettering region 110. As a result, the nickel concentration in the silicon film is lowered, and the deposited Ni silicide is dissolved into the silicon film. Then, they also enter a solid solution state and move to the gettering region 110. Finally, Ni silicide disappears, and the concentration of nickel in the solid solution state is also reduced. As a result, the nickel concentration in the crystalline silicon film 104b in the region covered with the mask 108 was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). 15 atoms / cm Three It was reduced to the extent that it was almost the lower limit of measurement. Further, the nickel remaining in this region is not in a silicide state but exists in a solid solution state as interstitial nickel.
[0198]
Thereafter, unnecessary portions of the crystalline silicon film 104b are removed, and element isolation is performed. By this step, as shown in FIG. 1E, an island-like crystalline silicon film 114 that will later become an active region (source / drain region, channel region) of the TFT is formed. Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, here 100 nm, is formed as the gate insulating film 115 so as to cover the crystalline silicon film 114 serving as the active region. In the formation of the silicon oxide film, TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) was used as a raw material here, and it was decomposed and deposited by RF plasma CVD at a substrate temperature of 150 to 600 ° C., preferably 300 to 450 ° C. together with oxygen. Alternatively, the substrate temperature may be 350 to 600 ° C., preferably 400 to 550 ° C. by TEOS as a raw material together with ozone gas by a low pressure CVD method or a normal pressure CVD method. After film formation, annealing is performed at 500 to 600 ° C. for 1 to 4 hours in an inert gas atmosphere in order to improve the bulk characteristics of the gate insulating film itself and the interface characteristics of the crystalline silicon film / gate insulating film. May be.
[0199]
Subsequently, an aluminum film having a thickness of 400 to 800 nm, for example, 600 nm is formed by sputtering. Then, the aluminum film is patterned to form the gate electrode 116. Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form an oxide layer 117 on the surface. This state corresponds to FIG. Here, when the present embodiment is applied as a pixel TFT of a liquid crystal display device or the like, the gate electrode 116 simultaneously constitutes a gate bus line in a plan view. The anodic oxidation is performed in an ethylene glycol solution containing 1 to 5% tartaric acid, and the voltage is first increased to 220 V at a constant current, and the state is maintained for 1 hour to complete the process. The thickness of the obtained oxide layer 117 is 300 nm. Note that since the oxide layer 117 has a thickness for forming an offset gate region in a subsequent ion doping step, the length of the offset gate region can be determined in the anodic oxidation step.
[0200]
Next, as shown in FIG. 1G, an N-type impurity (phosphorus) 122 is implanted into the active region by ion doping using the gate electrode 116 and the surrounding oxide layer 117 as a mask. As doping gas, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 1 × 10 15 ~ 8x10 15 cm -2 For example 2 × 10 15 cm -2 And Through this step, the region into which the impurity is implanted later becomes the source / drain region 130 of the TFT, and the region not masked by the gate electrode 116 and its surrounding oxide layer 117 becomes the channel region 119 of the TFT later. Thereafter, annealing is performed by laser beam irradiation from above the substrate to activate the ion-implanted N-type impurity, and at the same time, the crystallinity of the portion where the crystallinity has deteriorated in the impurity introduction step is improved. At this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) is used as the laser to be used, and the energy density is 150 to 400 mJ / cm. 2 , Preferably 200 to 250 mJ / cm 2 Irradiation was performed. At this time, the channel region 119 is not irradiated with laser light because the upper gate electrode 116 serves as a mask to block the laser light. The sheet resistance of the N-type impurity (phosphorus) region 130 thus formed was 200 to 500 Ω / □.
[0201]
Subsequently, as shown in FIG. 1H, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 600 nm is formed as an interlayer insulating film 134. When a silicon oxide film is used, it is possible to form TEOS as a raw material by using a plasma CVD method with oxygen, a low pressure CVD method with ozone, or an atmospheric pressure CVD method, and a good interlayer insulation with excellent step coverage. A membrane is obtained. SiH Four And NH Three If a silicon nitride film formed by a plasma CVD method is used as a source gas, hydrogen atoms are supplied to the interface between the active region and the gate insulating film, and there is an effect of reducing dangling bonds that degrade TFT characteristics.
[0202]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 134, and a TFT electrode / wiring 135 is formed from a metal film, for example, a two-layer film of titanium nitride and aluminum. The titanium nitride film is provided as a barrier film for the purpose of preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. When this TFT 136 is used as a pixel TFT, it is an element for switching the pixel electrode, and therefore, the other drain electrode is provided with a pixel electrode made of a transparent conductive film such as ITO. In this case, the other electrode constitutes a source bus line, a video signal is supplied through the source bus line, and a necessary charge is written to the pixel electrode based on the gate signal of the gate bus line 116. Further, the TFT can be easily applied to a thin film integrated circuit or the like. In that case, a contact hole may be formed on the gate electrode 116 and necessary wiring may be provided.
[0203]
Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere or a hydrogen atmosphere to complete the TFT 136 shown in FIG. Further, if necessary, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on the TFT 136 for the purpose of protecting the TFT 136.
[0204]
The TFT manufactured according to the above embodiment has a field effect mobility of 300 cm. 2 / Vs and a threshold voltage of about 1.5 V, despite the extremely high performance, there is no abnormal increase in leakage current frequently observed in the TFT off operation, which is frequently observed in the conventional example, and 0 per unit W. . A very low value of several pA or less was stably shown. This value is completely different from that of a conventional TFT manufactured without using a catalytic element, and the defect occurrence rate of TFT is 1 / 10,000 or less, which can greatly improve the manufacturing yield. It was. In addition, even when repeated measurements and durability tests with bias and temperature stress were performed, the characteristics were hardly deteriorated and the reliability was very high compared to the conventional one.
[0205]
(Second Embodiment)
A second embodiment using the present invention will be described. In the present embodiment, as in the first embodiment, a case where the present invention is used in a process for manufacturing an N-channel TFT on a glass substrate will be described.
[0206]
2A to 2H are cross-sectional views showing a manufacturing process of the N-type TFT described in this embodiment, and the manufacturing processes are sequentially performed in the order of (A) → (H). proceed.
[0207]
In FIG. 2A, a low alkali glass substrate or a quartz substrate can be used for the substrate 201. In this embodiment, a low alkali glass substrate is used. In this case, heat treatment may be performed in advance at a temperature lower by about 10 to 20 ° C. than the glass strain point. A base film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed on the surface of the substrate 201 on which the TFT is formed in order to prevent impurity diffusion from the substrate 201. In this embodiment, for example, SiH is formed by plasma CVD. 4 , NH 3 , N 2 A silicon oxynitride film produced from a material gas of O is formed as a lower first base film 202, and SiH is similarly formed thereon by plasma CVD. 4 , N 2 A second base film 203 was stacked using O as a material gas. At this time, the film thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 202 is 25 to 200 nm, for example, 100 nm, and the film thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 303 is 25 to 300 nm, for example, 100 nm. . Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 204 containing a rare gas element having a thickness of 20 to 80 nm, for example, 50 nm is formed by plasma CVD.
[0208]
In the present embodiment, a multi-chamber parallel plate type plasma CVD apparatus as shown in FIG. 16 is used, and three layers of the first base film 202, the second base film 203, and the a-Si film 204 are exposed to the atmosphere. The film was continuously formed without any problems. At this time, the a-Si film 204 can be formed using the same method as in the first embodiment. In this embodiment, as an example, film formation was performed by a normal plasma CVD method as shown in FIG. 15A using Ar as a rare gas element and silane-based gas and Ar gas as material gases. The substrate heating temperature at this time is 250 ° C., and the gas flow rate is SiH. Four The gas was 100 sccm and Ar gas was 5000 sccm. The gas pressure is 0.5 Torr, the RF frequency supplied to the CVD electrode is 27.1 MHz, the RF power is 100 W, and the substrate side is grounded. The Ar concentration in the a-Si film 204 thus obtained is about 1 × 10 6. 17 atoms / cm Three It was about.
[0209]
Subsequently, a catalytic element is added to the a-Si film 204 and heat treatment is performed. An aqueous solution (nickel acetate aqueous solution) containing, for example, 10 ppm catalyst element (in this embodiment, nickel) in terms of weight is applied to the a-Si film by a spin coating method to form the catalyst element-containing layer 206. In this embodiment, nickel is added by spin coating, but a thin film made of a catalytic element (in this embodiment, nickel film) is deposited on the amorphous silicon film 204 by vapor deposition or sputtering. It is also possible to take the means to form This state corresponds to the state shown in FIG. When the nickel concentration on the surface of the a-Si 204 added in the state shown in FIG. 2A is measured by the total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method, 4 × 10 4 is obtained. 12 atoms / cm 2 It was about.
[0210]
Then, the first heat treatment is performed in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. This heat treatment is preferably performed at 550 to 600 ° C. for 30 minutes to 4 hours. In this embodiment, the heat processing for 1 hour were performed at 580 degreeC as an example. In this heat treatment, nickel 206 added to the surface of the a-Si film diffuses into the a-Si film 204 and silicidation occurs, and crystallization of the a-Si film 204 proceeds using this as a nucleus. As a result, the a-Si film 204 is crystallized to become a crystalline silicon film 204a. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 204a thus obtained is mainly composed of the <111> crystal zone plane, and among them, (110) plane orientation and (211) plane orientation are 50% of the whole. These areas are occupied. The grain size of the crystal grains (substantially the same plane orientation region) is 2 to 10 μm.
[0211]
Subsequently, as shown in FIG. 2B, the crystalline silicon film 204a obtained by the heat treatment is irradiated with a laser beam 207, whereby the crystalline silicon film 204a is further recrystallized to improve crystallinity. The formed crystalline silicon film 204b is formed. As the laser light at this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) was used. The laser light irradiation condition is that the substrate is heated to 200 to 450 ° C., for example, 400 ° C. during irradiation, and the energy density is 250 to 450 mJ / cm. 2 For example, 350 mJ / cm 2 Irradiated with. In this embodiment, the beam size is formed to be a long shape of 150 mm × 1 mm on the surface of the substrate 201, and scanning is performed sequentially with a step width of 0.05 mm in the direction perpendicular to the long direction. It was. That is, a total of 20 laser irradiations are performed at an arbitrary point of the crystalline silicon film 204a. In this way, the crystalline silicon film 204a obtained by solid-phase crystallization is reduced in crystal defects by a melting and solidifying process by laser irradiation, and becomes a higher quality crystalline silicon film 204b. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 204b obtained in this way maintains the state of the crystalline silicon film 204a before laser irradiation, but its average surface roughness Ra is 4 to 9 nm. .
[0212]
Next, the surface of the crystalline silicon film 204b is thin-film oxidized to form a silicon oxide thin film 211 serving as an etching stopper. The silicon oxide film 211 was formed by holding ozone water on the surface of the crystalline silicon film 204b. At this time, the ozone concentration in the ozone water is desirably 5 mg / L or more, and in the present embodiment, the ozone concentration is 8 mg / L. The retention time of ozone water on the surface of the crystalline silicon film 204b was 1 minute. In order to form a denser silicon oxide film 211, it is desirable to remove a natural oxide film on the surface of the crystalline silicon film 204b before the ozone water treatment. The thickness of the silicon oxide film 211 formed in this way was measured with a spectroscopic ellipso, and was about 30 mm (about 3 nm).
[0213]
Next, an a-Si film 212 containing phosphorus is formed by plasma CVD so as to cover the oxide film 211. The a-Si film containing phosphorus functions as a gettering layer. At this time, the formation of the a-Si film 212 containing phosphorus is performed using a plasma CVD method using silane (SiH Four ) And phosphine (PH Three ) As a material gas. At this time, the concentration of phosphorus in the a-Si film 212 can be arbitrarily changed by the flow rate ratio of the phosphine gas. In this embodiment, PH Three / SiH Four The flow rate ratio was 3/100. At this time, the phosphorus concentration in the a-Si film 212 was about 1%. In the present embodiment, phosphorus is used as the gettering element contained in the gettering layer, but the gettering ability can be further enhanced by adding boron in addition to phosphorus. At this time, diborane (B 2 H 6 ). In addition, a high gettering effect can be obtained by introducing a rare gas element such as Ar at the time of film formation in place of phosphorus and forming an a-Si film containing these rare gases. In this case, the concentration of the rare gas element contained in the gettering layer 212 needs to be equal to or higher than the concentration of the rare gas element contained in the crystalline silicon film 204b. This state corresponds to FIG.
[0214]
Then, the second heat treatment is performed in an inert atmosphere. In this embodiment, for example, rapid thermal annealing is performed in a nitrogen atmosphere. As conditions for the rapid thermal annealing at this time, the substrate is preheated to about 400 ° C. and then heated at a rate of temperature increase from 50 ° C./min to 300 ° C./min. The annealing temperature and processing time are 600 to 750. It is desirable that it is 30 seconds to 15 minutes at a temperature of ° C, more preferably 1 minute to 10 minutes at a temperature of 650 to 700 ° C. In the present embodiment, a high-speed thermal annealing process with the above temperature profile is realized by using a resistive heating furnace to provide a temperature gradient in the furnace and controlling the speed at which the substrate is inserted into the furnace. At this time, the substrates are processed one by one, and during the treatment, nitrogen gas heated at a high temperature is uniformly blown onto the surface of the substrate 201, so that a high temperature increase rate that cannot be obtained only by thermal radiation and a temperature increase in the middle The thermal uniformity within the substrate surface is obtained.
[0215]
By the rapid thermal annealing treatment, the nickel 206 in the crystalline silicon film 204b under the a-Si film 212 containing phosphorus is moved upward as indicated by an arrow 213 in FIG. At this time, nickel moves through the thin silicon oxide film 211, but the movement of the silicon oxide film having the thickness as in the present embodiment is not hindered. The solid solubility of nickel in the a-Si film 212 is greatly increased by phosphorus, and a gettering process is performed by causing defects and the like as segregation traps for nickel to bring out the gettering action. In this gettering step, first, nickel dissolved in the crystalline silicon film 204b moves to the gettering layer 212, so that the nickel concentration in the silicon film decreases, and Ni silicide precipitated in the film. Is performed by dissolving in the silicon film. These also move to the gettering layer 212 in a solid solution state, Ni silicide in the crystalline silicon 204b disappears, and the concentration of nickel in the solid solution state is also reduced. As a result, the nickel concentration of the crystalline silicon film 204b was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) and found to be 5 × 10. 15 atoms / cm Three It was reduced to the extent that it was almost the lower limit of measurement. Here, the nickel remaining in the crystalline silicon film 204b is not in a silicide state but exists in a solid solution state as interstitial nickel.
[0216]
Next, the a-Si film 212 which is a gettering layer is removed by etching over the entire surface. As the etching at this time, an etchant having a sufficient etching selectivity with respect to the silicon oxide film is required so that the lower silicon oxide film 211 sufficiently functions as an etching stopper. In this embodiment, a strong alkali solution such as a developer is used. Then, after removing the gettering layer a-Si layer 212, the silicon oxide film 211 is removed by etching. As an etchant at this time, 1: 100 buffered hydrofluoric acid (BHF) having sufficient selectivity with respect to the underlying silicon film 204b was used and wet etching was performed.
[0217]
Thereafter, unnecessary portions of the crystalline silicon film 204b are removed, and element isolation is performed. By this step, as shown in FIG. 2E, an island-like crystalline silicon film 214 that later becomes an active region (source / drain region, channel region) of the TFT is formed. Subsequently, a gate insulating film 215 that covers these island-like crystalline silicon films 214 is formed. As the gate insulating film 215, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm is preferable. Here, a 100 nm silicon oxide film is formed by a plasma CVD method using TEOS and oxygen gas as materials. After the film formation, in order to improve the bulk characteristics of the gate insulating film itself and the interface characteristics of the crystalline silicon film / gate insulating film, annealing was performed at 500 to 600 ° C. for 1 to 4 hours in an inert gas atmosphere.
[0218]
Subsequently, a conductive film is deposited on the gate insulating film 215 using a sputtering method, a CVD method, or the like, and this is patterned to form a gate electrode 216. In this embodiment, an aluminum film (containing 1% scandium) having a thickness of 400 to 800 nm, for example, 500 nm is formed by sputtering and patterned to form the gate electrode 216. High temperature resistance is improved by mixing trace amounts of elements such as scandium, titanium, and silicon into the aluminum film.
[0219]
Next, as shown in FIG. 2F, a low concentration impurity (phosphorus) 218 is implanted into the active region by ion doping using the gate electrode 216 as a mask. As doping gas, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 1 × 10 12 ~ 1x10 14 cm -2 For example 8 × 10 12 cm -2 And In this process, in the island-like silicon film 214, a low concentration phosphorus 218 is implanted into a region 220 not covered with the gate electrode 216, and a region where the gate electrode 216 is masked and phosphorous 218 is not implanted is a TFT channel. Region 219 is formed.
[0220]
Subsequently, as shown in FIG. 2G, a doping mask 221 made of a photoresist is provided so as to cover the gate electrode 216 one size. Thereafter, an impurity (phosphorus) 222 is implanted at a high concentration into the active region by ion doping using the resist mask 221 as a mask. As doping gas, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 1 × 10 15 ~ 8x10 15 cm -2 For example 2 × 10 15 cm -2 And By this step, the region where the impurity (phosphorus) 222 is implanted at a high concentration later becomes the source / drain region 230 of the TFT. In the active region 214, the region covered with the resist mask 221 and not doped with the high concentration phosphorus 222 remains as a region where phosphorus is implanted at a low concentration, thereby forming an LDD (Lightly Doped Drain) region 223. . Thus, by forming the LDD region 223, electric field concentration at the junction between the channel region and the source / drain region can be alleviated, leakage current at the time of TFT off operation can be reduced, and deterioration due to hot carriers can be suppressed. And the reliability of the TFT can be improved.
[0221]
Then, after removing the photoresist 221 used as a mask for doping, annealing is performed by laser light irradiation from above the substrate to activate the ion-implanted impurities, and at the same time, the crystallinity is improved in the impurity introduction step. Improve the crystallinity of the deteriorated part. At this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) is used as the laser to be used, and the energy density is 150 to 400 mJ / cm. 2 , Preferably 200 to 250 mJ / cm 2 Irradiation was performed. The sheet resistance of the N-type impurity (phosphorus) region 230 thus formed was 200 to 500 Ω / □, and the sheet resistance of the LDD region 223 into which phosphorus was implanted at a low concentration was 30 to 50 kΩ / □.
[0222]
Subsequently, as shown in FIG. 2H, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 400 to 1000 nm is formed as an interlayer insulating film 234, a contact hole is formed in this, and a metal material, for example, A TFT electrode / wiring 235 is formed of a two-layer film of titanium nitride and aluminum. The titanium nitride film is provided as a barrier film for the purpose of preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. When the TFT 236 is used as a pixel TFT, the other drain electrode is provided with a pixel electrode made of a transparent conductive film such as ITO. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere or a hydrogen atmosphere to complete the TFT 236 shown in FIG. Furthermore, if necessary, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on the TFT for the purpose of protecting the TFT 236.
[0223]
The TFT fabricated according to the above embodiment showed very good electrical characteristics similar to the TFT fabricated in the first embodiment. When the TFT manufactured according to the present embodiment is applied to the pixel TFT of the active matrix substrate for liquid crystal display as a dual gate structure, the display unevenness is clearly smaller than that manufactured by the conventional method, and due to TFT leakage. A liquid crystal panel with high display quality and a high contrast ratio with very few pixel defects was obtained.
[0224]
(Third embodiment)
A third embodiment using the present invention will be described. In the present embodiment, a peripheral drive circuit of an active matrix liquid crystal display device and a circuit having a CMOS structure in which an n-channel TFT and a p-channel TFT forming a general thin film integrated circuit are complementary are formed on a glass substrate. The manufacturing process will be described.
[0225]
3 and 4 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the TFT described in this embodiment, and the process proceeds in order from FIG. 3 (A) to (E) and FIG. 4 (A) to (C). To do.
[0226]
In FIG. 3A, a low alkali glass substrate is used as the substrate 301. In this case, heat treatment may be performed in advance at a temperature lower by about 10 to 20 ° C. than the glass strain point. A base film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed on the surface of the substrate 301 on which the TFT is formed in order to prevent impurity diffusion from the substrate 301. In this embodiment, for example, SiH is formed by plasma CVD. 4 , NH 3 , N 2 A silicon oxynitride film formed from a material gas of O is formed as a lower first base film 302, and SiH is similarly formed thereon by plasma CVD. 4 , N 2 A second base film 303 was stacked using O as a material gas. At this time, the film thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 302 is 25 to 200 nm, for example, 50 nm, and the film thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 303 is 25 to 300 nm, for example, 100 nm. . In this embodiment, a two-layer base film is used. However, for example, a single layer of a silicon oxide film is not a problem.
[0227]
Next, a silicon film (a-Si film) 304 containing a rare gas element and having an amorphous structure with a thickness of 20 to 150 nm (preferably 30 to 80 nm) is used, and a silane-based gas and a rare gas are used as material gases. As a plasma CVD method. In this embodiment, the amorphous silicon film is formed to a thickness of 50 nm. Further, the base films 302 and 303 and the amorphous silicon film 304 may be formed continuously. By using a multi-chamber plasma CVD apparatus as shown in FIG. 16, it is possible to prevent contamination of the surface by forming the underlying film and then not exposing it to the air atmosphere. Variations and fluctuations in threshold voltage can be reduced. The a-Si film 304 was formed using Ar as a rare gas element and using a dual-frequency plasma CVD apparatus as shown in FIG. The substrate heating temperature at this time is 350 ° C., and the gas flow rate is SiH. Four The gas was 100 sccm and Ar gas was 3000 sccm. The gas pressure was 0.7 Torr, the RF frequency supplied to the CVD electrode was 27.1 MHz, the RF power was 100 W, the RF frequency supplied to the substrate side was 1.6 MHz, and the RF power was 80 W. The rare gas element concentration in the a-Si film is 5 × 10 16 ~ 5x10 18 atoms / cm Three In this embodiment, the Ar concentration in the a-Si film 304 is about 1 × 10 10. 18 atoms / cm Three It was about. In this embodiment, argon (Ar) is used as a rare gas element, but krypton (Kr) and xenon (Xe) can also be used.
[0228]
Then, a small amount of catalytic element (nickel in this embodiment) 306 is added on the surface of the a-Si film 304. This small amount of nickel 306 was added by holding a solution in which nickel was dissolved on the a-Si film 304, and uniformly extending the solution onto the substrate 301 by a spinner and drying it. In this embodiment, nickel acetate is used as the solute, water is used as the solvent, and the nickel concentration in the solution is 8 ppm. This state corresponds to the state shown in FIG. When the nickel concentration on the surface of the a-Si film 304 in the state of FIG. 3A added in this way is measured by a total reflection X-ray fluorescence (TRXRF) method, 3 × 10 12 atoms / cm 2 It was about. As a method for adding the catalytic element to the amorphous silicon film, a gas phase method such as a plasma doping method, a vapor deposition method, or a sputtering method can be used in addition to a method of applying a solution containing the catalytic element. In the method using a solution, the addition amount of the catalyst element can be easily controlled, and a very small amount can be easily added.
[0229]
Then, the first heat treatment is performed in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. As the heat treatment at this time, annealing treatment is performed at 520 to 600 ° C. for 1 to 8 hours. In this embodiment, the heat processing for 1 hour were performed at 580 degreeC as an example. In this heat treatment, nickel 306 added to the surface of the a-Si film diffuses into the a-Si film 304 and silicidation occurs, and crystallization of the a-Si film 304 proceeds using this as a nucleus. As a result, as shown in FIG. 3B, the a-Si film 304 is crystallized into a crystalline silicon film 304a. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 304a thus obtained is mainly constituted by <111> crystal zone planes, and among them, (110) plane orientation and (211) plane orientation are 50% of the total. These areas are occupied. The grain size of the crystal grains (substantially the same plane orientation region) is 2 to 10 μm.
[0230]
Next, as shown in FIG. 3C, the crystalline silicon film 304a is further recrystallized by irradiating a laser beam 307 to improve its crystallinity. As the laser light at this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) was used. The irradiation condition of the laser beam is that the substrate is not heated and the energy density is 250 to 500 mJ / cm. 2 For example, 400 mJ / cm 2 Irradiated with. The beam shape was formed to be a long shape of 150 mm × 1 mm on the surface of the substrate 301, and scanning was sequentially performed with a step width of 0.05 mm in a direction perpendicular to the long direction. That is, a total of 20 laser irradiations are performed at an arbitrary point on the crystalline silicon film 304a. In this way, the crystalline silicon film 304a obtained by solid-phase crystallization is reduced in crystal defects by a melting and solidifying process by laser irradiation, and becomes a higher quality crystalline silicon film 304b. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 304b thus obtained maintains the state of the crystalline silicon film 304a before laser irradiation, but the average surface roughness Ra is 4 to 9 nm. . As a laser that can be used at this time, a pulse oscillation type or continuous emission type KrF excimer laser, XeCl excimer laser, YAG laser, or YVO 4 laser can be used. The practitioner may select the crystallization conditions as appropriate.
[0231]
Thereafter, unnecessary portions of the crystalline silicon film 304b are removed, and element isolation is performed. By this step, as shown in FIG. 3D, island-like crystalline silicon films 314n and 314p, which later become active regions (source / drain regions, channel regions) of the n-channel TFT and the p-channel TFT, are formed. It is formed.
[0232]
Here, boron as an impurity element imparting p-type at a concentration of about 1 × 10 16 to 5 × 10 17 / cm 3 for the purpose of controlling the threshold voltage over the entire active region of the n-channel TFT and the p-channel TFT. (B) may be added. Boron (B) may be added by an ion doping method, or may be added simultaneously with the formation of an amorphous silicon film.
[0233]
Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, here 100 nm, is formed as a gate insulating film 315 so as to cover the crystalline silicon films 314n and 314p serving as the active regions. In the formation of the silicon oxide film, here, TEOS was used as a raw material, and it was decomposed and deposited by RF plasma CVD with oxygen at a substrate temperature of 300 to 450 ° C. As the gate insulating film 315, another insulating film containing silicon may be used as a single layer or a stacked structure.
[0234]
Subsequently, a refractory metal is deposited by a sputtering method and patterned to form gate electrodes 316n and 316p. The refractory metal at this time is an element selected from tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo) titanium (Ti), an alloy containing the element as a main component, or an alloy combining the elements. A film (typically, a Mo—W alloy film or a Mo—Ta alloy film) may be used. Further, tungsten silicide, titanium silicide, or molybdenum silicide may be applied as another alternative material. In this embodiment, tungsten (W) is used and the thickness is set to 300 to 600 nm, for example, 450 nm. At this time, it is preferable to reduce the concentration of impurities contained in order to reduce the resistance, and by setting the oxygen concentration to 30 ppm or less, a specific resistance value of 20 μΩcm or less could be realized.
[0235]
Next, as shown in FIG. 3E, an N-type impurity (phosphorus) 322 is implanted into the active region by ion doping using the gate electrodes 316n and 316p as a mask. As doping gas, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 1 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 6 × 10 15 cm -2 And By this process, in the active region 314n of the subsequent N-channel TFT and the active region 314p of the subsequent P-channel TFT, phosphorus 322 is implanted at a high concentration in the regions not covered by the gate electrodes 316n and 316p. Region 324. In the active region 314n of the later N-channel TFT, the region 324 into which phosphorus is implanted at this high concentration becomes the later source / drain region 330, and the region where the gate electrode 316n is masked and phosphorous 322 is not implanted is later. A channel region 319n is formed. In this process, the reason why phosphorus is also implanted into the active region 314p of the P channel TFT later is that phosphorus implanted at a high concentration is used as a gettering element, and the second heat treatment process is performed later. This is because gettering is performed to the source and drain regions.
[0236]
Next, as shown in FIG. 4A, a doping mask 325 made of a photoresist is provided so as to cover the entire active region 314n of the subsequent n-channel TFT. In this state, an impurity (boron) 326 imparting p-type is implanted into the active region 314p of the p-channel TFT by ion doping using the resist mask 325 and the gate electrode 316p of the p-channel TFT as a mask. As a doping gas, diborane (B 2 H 6 ), The acceleration voltage is 40 kV to 80 kV, for example, 65 kV, and the dose is 5 × 10 15 ~ 2x10 16 cm -2 For example, 1 × 10 16 cm -2 And By this process, the region where boron 326 is implanted at a high concentration is inverted in polarity from N-type to P-type by so-called counter-doping, and later becomes a source / drain region 331 of a p-channel TFT, and a mask is formed on the gate electrode 317p. The region into which impurities are not implanted becomes a channel region 319p of a later p-channel TFT. In this process, since the active region 314n of the later n-channel TFT is entirely covered with the mask 325, the boron 326 is not doped at all, and the source / drain regions 330 of the later n-channel TFT are formed separately. Can do. When doping the n-type impurity and the p-type impurity, the regions that do not need to be doped are covered with a photoresist so that each element is selectively doped, and the n-type high-concentration impurity region 330 and the p-type impurity are doped. Impurity regions 331 are formed. In this embodiment, an n-type impurity element is added to the semiconductor layer. However, the order of steps is not limited to this embodiment, and the practitioner may determine as appropriate.
[0237]
Next, after removing the resist mask 325, a second heat treatment is performed on the resist mask 325 in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. In the present embodiment, the heat treatment is performed in the range of 520 to 600 ° C. for about 30 minutes to 8 hours. In this heat treatment step, as shown in FIG. 4B, in the active region 314n of the later n-channel TFT and the active region 314p of the P-channel TFT, phosphorus doped in the source / drain regions By increasing the solid solubility with respect to nickel and moving the nickel existing in the channel region from the channel regions 319n and 319p to the source / drain regions 330 and 331 in the direction indicated by the arrow 313, gettering is performed. A process is performed.
[0238]
In this gettering step, first, nickel dissolved in the channel regions 319n and 319p moves to the source / drain regions 330 and 331, so that the nickel concentration in the channel region is lowered and deposited there. Ni silicide is performed by dissolving in the channel region. These also move to the source / drain regions 330 and 331 in a solid solution state. Finally, Ni silicide in the channel region disappears, and the concentration of nickel in the solid solution state is also reduced. As a result, the nickel concentration in the channel regions 319n and 319p was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) and found to be 5 × 10. 15 atoms / cm Three It was reduced to the extent that it was almost the lower limit of measurement. Here, the nickel remaining in the channel region is not in a silicide state but exists in a solid solution state as interstitial nickel. Conversely, since nickel moves to the source / drain regions, the nickel concentration in the source / drain regions 330 and 331 is 1 × 10 5. 19 / Cm Three That's it.
[0239]
In this heat treatment step, n-type impurity (phosphorus) 322 doped in the source / drain region 330 of the n-channel TFT and p-type impurity (boron) doped in the source / drain region 331 of the p-channel TFT. ) Activation of 326 is also performed at the same time. As a result, the sheet resistance value of the source / drain region 330 of the n-channel TFT is about 400 to 700 Ω / □, and the sheet resistance value of the source / drain region 331 of the p-channel TFT is 1 to 1.5 kΩ / □. It was about.
[0240]
Next, as shown in FIG. 4C, an inorganic interlayer insulating film is formed. A silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon nitride oxide film is formed to a thickness of 400 to 1500 nm (typically 600 to 1000 nm). In this embodiment, a silicon nitride film 333 having a thickness of 200 nm and a silicon oxide film 334 having a thickness of 700 nm are stacked to form a two-layer structure. As a film formation method at this time, a plasma CVD method is used, and a silicon nitride film is formed of SiH. Four And NH Three As a source gas, the silicon oxide film is TEOS and O 2 Was continuously formed as a raw material. Of course, the inorganic interlayer insulating film is not limited to this, and another insulating film containing silicon may have a single layer or a laminated structure.
[0241]
Further, a process of hydrogenating the semiconductor layer is performed by performing heat treatment at 300 to 500 ° C. for 1 to several hours. In this step, hydrogen atoms are supplied to the active region / gate insulating film interface to terminate and inactivate dangling bonds that degrade TFT characteristics. In this embodiment, heat treatment was performed at 410 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere containing about 3% hydrogen. If the amount of hydrogen contained in the interlayer insulating film (particularly the silicon nitride film 333) is sufficient, the effect can be obtained even if heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere. As another means of hydrogenation, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) may be performed.
[0242]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film, and a TFT electrode / wiring 335 is formed of a two-layer film of a metal material, for example, titanium nitride and aluminum. The titanium nitride film is provided as a barrier film for the purpose of preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour, and the n-channel TFT 336 and the p-channel TFT 337 shown in FIG. 4H are completed. Further, if necessary, a contact hole is also provided on the gate electrodes 316n and 316p, and necessary electrodes are connected by a wiring 335. For the purpose of protecting the TFT, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on each TFT.
[0243]
The field effect mobility of each TFT manufactured according to the above embodiment is 250 to 300 cm for an n-channel TFT. 2 / Vs, 120-150cm for p-channel TFT 2 / Vs is high, and the threshold voltage is about 1V for the N-type TFT and about -1.5V for the P-type TFT, and exhibits very good characteristics. In addition, there was no abnormal increase in leakage current frequently observed in the TFT off operation, which was frequently observed in the conventional example, and even when repeated measurements and durability tests due to bias and temperature stress were performed, there was almost no deterioration in characteristics. In addition, when a circuit such as an inverter chain or a ring oscillator is formed by a CMOS structure circuit in which the n-channel TFT and the p-channel TFT manufactured in this embodiment are complementarily formed, it is much more difficult than the conventional one. High reliability and stable circuit characteristics.
[0244]
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment using the present invention will be described. Also in this embodiment, a process for manufacturing a circuit having a CMOS structure in which an n-channel TFT and a p-channel TFT are complementary to each other on a glass substrate will be described.
[0245]
FIG. 5 and FIG. 6 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the TFT described in this embodiment, and the process proceeds in order from FIG. 5 (A) to (F) and FIG. 6 (A) to (D). To do.
[0246]
In FIG. 5A, a base film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed on the surface of the low alkali glass substrate 401 on which the TFT is formed in order to prevent impurity diffusion from the substrate 401. In this embodiment, a silicon nitride film is formed as a lower first base film 402, and a silicon oxide film is stacked on the second base film 403. The film thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 402 was set to 100 nm, for example, and the film thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 403 was set to 100 nm, for example, and both were continuously formed by plasma CVD.
[0247]
Next, a silicon film (a-Si film) 404 having an amorphous structure with a thickness of 20 to 150 nm (preferably 30 to 80 nm) is formed. Here, the a-Si film 404 is formed using a silane-based gas as a material gas by a general plasma CVD method as shown in FIG. At this stage, the a-Si film 404 does not yet contain a rare gas element. In the present embodiment, the thickness of the a-Si film at this time is 50 nm. Further, the base films 402 and 403 and the amorphous silicon film 404 may be formed continuously.
[0248]
Then, as shown in FIG. 5A, the a-Si film 404 is ion-doped with a rare gas element (Ar in this embodiment) 405 from above the substrate. The doping conditions for argon 405 at this time are as follows: 100% Ar is used as a doping gas, the acceleration voltage is 5 to 15 kV, and the dose is 1 × 10. 13 ~ 1x10 15 cm -2 For example, 1 × 10 14 cm -2 It was. As the rare gas element at this time, one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe can be used. In this step, the concentration of the rare gas element in the a-Si film is 5 × 10 5. 16 ~ 5x10 18 atoms / cm Three In this embodiment, the Ar concentration in the a-Si film 404 is about 1 × 10 6. 18 atoms / cm Three It was about.
[0249]
Subsequently, a small amount of a catalyst element (nickel in this embodiment) 406 is added on the surface of the a-Si film 404. This small amount of nickel 406 was added by holding a solution in which nickel was dissolved on the a-Si film 404, and uniformly extending the solution onto the substrate 401 by a spinner and drying. In this embodiment, nickel acetate is used as the solute, water is used as the solvent, and the nickel concentration in the solution is 8 ppm. This state corresponds to the state shown in FIG. When the nickel concentration on the surface of the a-Si film 404 added in this manner in the state of FIG. 5B is measured by a total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method, 3 × 10 12 atoms / cm 2 It was about.
[0250]
And this is heat-processed in inert atmosphere, for example, nitrogen atmosphere. As the heat treatment at this time, annealing treatment is performed at 520 to 600 ° C. for 1 to 8 hours. In this embodiment, as an example, the heat treatment was performed at 550 ° C. for 4 hours. In this heat treatment, nickel 406 added to the surface of the a-Si film is diffused into the a-Si film 404 and silicidation occurs, and crystallization of the a-Si film 404 proceeds using this as a nucleus. As a result, as shown in FIG. 5C, the a-Si film 404 is crystallized into a crystalline silicon film 404a. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 404a thus obtained is mainly composed of the <111> crystal zone plane, and among them, (110) plane orientation and (211) plane orientation are 50% of the whole. These areas are occupied. The grain size of the crystal grains (substantially the same plane orientation region) is 2 to 10 μm.
[0251]
Next, as shown in FIG. 5D, the crystalline silicon film 404a is further recrystallized by irradiation with a laser beam 407 to improve the crystallinity thereof. As the laser light at this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) was used. The laser light irradiation condition is, for example, an energy density of 400 mJ / cm. 2 The beam was shaped so as to have a long shape of 150 mm × 1 mm, and scanning was sequentially performed at a step width of 0.05 mm in the direction perpendicular to the long direction. That is, a total of 20 laser irradiations are performed at an arbitrary point of the crystalline silicon film 404a. Thus, the crystalline silicon film 404a obtained by solid-phase crystallization is reduced in crystal defects by a melting and solidifying process by laser irradiation, and becomes a higher quality crystalline silicon film 404b. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 404b thus obtained maintains the state of the crystalline silicon film 404a before laser irradiation, but the average surface roughness Ra is 4 to 9 nm. .
[0252]
Thereafter, unnecessary portions of the crystalline silicon film 404b are removed, and element isolation is performed. By this step, as shown in FIG. 5E, island-like crystalline silicon films 414n and 414p, which later become active regions (source / drain regions, channel regions) of the n-channel TFT and the p-channel TFT, are formed. It is formed.
[0253]
Here, for the purpose of controlling the threshold voltage over the entire active region of the n-channel TFT and the p-channel TFT, 1 × 10 16 ~ 5x10 17 / Cm 3 Boron (B) may be added as an impurity element imparting p-type at a moderate concentration. Boron (B) may be added by an ion doping method, or may be added simultaneously with the formation of an amorphous silicon film.
[0254]
Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, here 100 nm, is formed as a gate insulating film 414 so as to cover the crystalline silicon films 414n and 414p serving as the active regions. In the formation of the silicon oxide film, TEOS was used as a raw material here, and it was decomposed and deposited by RF plasma CVD at a substrate temperature of 150 to 600 ° C., preferably 300 to 450 ° C. together with oxygen.
[0255]
Subsequently, as shown in FIG. 5F, a refractory metal is deposited by a sputtering method and patterned to form gate electrodes 416n and 416p. In this embodiment, tantalum (Ta) doped with a slight amount of nitrogen is used as the refractory metal at this time, and the thickness is set to 300 to 600 nm, for example, 450 nm.
[0256]
Next, a low concentration impurity (phosphorus) 418 is implanted into the active region by ion doping using the gate electrodes 416n and 416p as a mask. As doping gas, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 1 × 10 12 ~ 1x10 14 cm -2 For example 2 × 10 13 cm -2 And By this process, in the island-shaped silicon films 414n and 414p, the region not covered with the gate electrodes 416n and 416p becomes the region 420 into which low-concentration phosphorus 418 is implanted, and the impurity 418 is masked by the gate electrodes 416n and 416p. The regions that are not formed later become channel regions 419n and 419p of the n-channel TFT and the p-channel TFT. This state corresponds to FIG.
[0257]
Next, as shown in FIG. 6A, in the later n-channel TFT, a photoresist doping mask 421n is provided so as to cover the gate electrode 416n so as to be slightly larger, and in the later p-channel TFT, the active A doping mask 421p made of a photoresist is provided so as to cover the entire region 414p. Thereafter, an impurity (phosphorus) 422 is implanted into the active region at a high concentration by ion doping using the resist masks 421n and 421p as a mask. At this time, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 2 × 10. 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 5 × 10 15 cm -2 And By this process, in the active region 414n of the later n-channel TFT, the region into which the impurity (phosphorus) 422 has been implanted at a high concentration later becomes the source / drain region 430 of the n-channel TFT and covers the resist mask 421n. In other words, the region that is not doped with the high concentration phosphorus 422 remains as a region where phosphorus is implanted at a low concentration, and forms an LDD (Lightly Doped Drain) region 423. Further, in the p-channel TFT later, since the entire active region is covered with the mask 421p, the high concentration impurity (phosphorus) 422 is not implanted in this step. The n-type impurity element (phosphorus) 422 concentration in the region 430 at this time is 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one / Cm Three It has become. Further, the n-type impurity element (phosphorus) 418 concentration in the LDD region 423 of the n-channel TFT is 1 × 10 17 ~ 1x10 20 / Cm Three In such a range, it functions as an LDD region.
[0258]
Next, after removing the resist masks 421n and 421p, as shown in FIG. 6B, a photoresist doping mask 425 is newly provided so as to cover the entire active region 414n of the later n-channel TFT. . At this time, no mask is provided above the subsequent p-channel TFT, and the entire TFT is exposed. In this state, an impurity (boron) 426 imparting p-type conductivity is implanted into the active region by ion doping using the resist mask 425 and the gate electrode 416p of the p-channel TFT later as a mask. As a doping gas, diborane (B 2 H 6 ), The acceleration voltage is 40 kV to 80 kV, for example, 65 kV, and the dose is 1 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 7 × 10 16 cm -2 And Further, a rare gas element (Ar in this embodiment) 429 is implanted into the active region 414p of the p-channel TFT by ion doping using the resist mask 425 and the gate electrode 416p of the subsequent p-channel TFT as a mask. To do. The doping conditions of argon 429 at this time are as follows: 100% Ar is used as the doping gas, the acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example, 1 × 10 15 cm -2 It was. As the rare gas element at this time, one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe can be used. In this embodiment, these two dopings were performed separately, but diborane (B 2 H 6 ) A gas mixture of a rare gas (Ar) and a rare gas (Ar) may be used as a doping gas, and these two elements (426 and 429) may be implanted simultaneously by a single doping step.
[0259]
Through this step, boron 426 and argon 429 are implanted at a high concentration later in the active region 414p of the p-channel TFT in addition to the channel region 419p below the gate electrode 416p. The implanted boron 426 becomes a p-type by inverting the n-type impurity phosphorus 418 implanted at a low concentration in the previous step, and a source / drain region 431 of the later p-channel TFT is formed. Since argon is an inert element, the carrier distribution of the semiconductor is not affected. Here, the reason for injecting the rare gas element into the source / drain region 431 of the p-channel TFT is that the rare gas element is used as a gettering element, and the gettering element is subsequently obtained in the second heat treatment step. This is to perform the ring. That is, in the n-channel TFT, phosphorus 422 itself implanted into the source / drain region 430 functions as a gettering element. However, in a p-channel TFT, boron 426 alone does not function as a gettering element. Even if the source / drain region is formed only by this, gettering is not performed. Therefore, in the present embodiment, in the p-channel TFT, argon is introduced into the source / drain region as a gettering element to cause a gettering action. At this time, the concentration in the film of the p-type impurity element (boron) 426 in the region 431 is 1.5 × 10 5. 19 ~ 3x10 twenty one / Cm Three The concentration of the rare gas element (Ar) is 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three It has become.
[0260]
When doping the n-type impurity and the p-type impurity, the regions which do not need to be doped are covered with a photoresist so that each element is selectively doped, and the n-type high concentration impurity region 430 and the p-type impurity are doped. Thus, an n-channel TFT and a p-channel TFT can be formed. In this embodiment, an n-type impurity element is added to the semiconductor layer. However, the order of steps is not limited to this embodiment, and the practitioner may determine as appropriate.
[0261]
Next, after removing the resist mask 425, a second heat treatment is performed on the resist mask 425 in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. In this embodiment, the heat treatment was performed at 550 ° C. for 4 hours. In this heat treatment step, in the active region 414n of the later n-channel TFT, phosphorus doped at a high concentration in the source / drain region 430 increases the solid solubility with respect to nickel in the region and exists in the channel region. The nickel being moved is moved from the channel region 419n to the source / drain region 430 in the direction indicated by the arrow 413 in FIG. In the active region 414p of the later p-channel TFT, argon doped in the source / drain region 431 forms a segregation site with respect to nickel to cause a gettering action, and the nickel existing in the channel region is removed. Then, the channel region 419p is moved from the channel region 419p to the source / drain region 431 in the direction indicated by the arrow 413. In this way, the gettering process is performed for both the n-channel TFT and the p-channel TFT.
[0262]
In this gettering step, first, nickel dissolved in the channel regions 419n and 419p moves to the source / drain regions 430 and 431, so that the nickel concentration in the channel region is lowered and deposited there. Ni silicide is performed by dissolving in the channel region. These also move to the source / drain regions 430 and 431 in a solid solution state. Finally, Ni silicide in the channel region disappears, and the concentration of nickel in the solid solution state is also reduced. As a result, the nickel concentration in the channel regions 419n and 419p was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) and found to be 5 × 10. 15 atoms / cm Three It was reduced to the extent that it was almost the lower limit of measurement. Here, the nickel remaining in the channel region is not in a silicide state but exists in a solid solution state as interstitial nickel. Conversely, since nickel moves to the source / drain regions, the nickel concentration in the source / drain regions 430 and 431 is 1 × 10 5. 19 / Cm Three That's it.
[0263]
In this heat treatment step, the n-type impurity (phosphorus) 422 doped in the source / drain region 430 and the LDD region 423 of the n-channel TFT and the p-type doped in the source / drain region 431 of the p-channel TFT. The activation of the type impurity (boron) 426 is also performed at the same time. As a result, the sheet resistance value of the source / drain region 430 of the n-channel TFT was about 400 to 700 Ω / □, and the sheet resistance value of the LDD region 423 was 30 to 60 kΩ / □. The sheet resistance value of the source / drain region 431 of the p-channel TFT was about 1 to 1.5 kΩ / □.
[0264]
Next, as illustrated in FIG. 6D, an interlayer insulating film is formed. A silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon nitride oxide film is formed to a thickness of 400 to 1500 nm (typically 600 to 1000 nm). In this embodiment, a 200-nm-thick silicon nitride film 433 and a 700-nm-thick silicon oxide film 434 are stacked to form a two-layer structure. Of course, the inorganic interlayer insulating film is not limited to this, and another insulating film containing silicon may have a single layer or a laminated structure.
[0265]
Further, heat treatment is performed at 300 to 500 ° C. for about 1 hour. As a result, hydrogen atoms are supplied from the interlayer insulating film (especially the silicon nitride film 433) to the interface between the active region and the gate insulating film, terminating dangling bonds (dangling bonds) that deteriorate TFT characteristics and inactive. Turn into. In this embodiment, heat treatment was performed at 410 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere.
[0266]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film, and a TFT electrode / wiring 435 is formed of a two-layer film of a metal material, for example, titanium nitride and aluminum. The titanium nitride film is provided as a barrier film for the purpose of preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour to complete the n-channel TFT 436 and the p-channel TFT 437 shown in FIG. 6D. Further, if necessary, contact holes are also provided on the gate electrodes 416n and 416p, and necessary electrodes are connected by the wiring 435. For the purpose of protecting the TFT, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on each TFT.
[0267]
The field effect mobility of each TFT manufactured according to the above embodiment shows good characteristics similar to those of the third embodiment.
[0268]
Furthermore, in this embodiment, a gettering region is simultaneously formed in the n-channel TFT and the p-channel TFT by using the respective source / drain region forming steps as compared with the first or second embodiment. Can do. Accordingly, there are no additional steps for gettering (deposition step, photolithography step, doping step, annealing step). As a result, the manufacturing process can be simplified, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced, and the yield rate can be improved.
[0269]
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment using the present invention will be described. Also in this embodiment, a process for manufacturing a circuit having a CMOS structure in which an n-channel TFT and a p-channel TFT are complementary to each other on a glass substrate will be described.
[0270]
7 and 8 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the TFT described in this embodiment, and the process proceeds sequentially in the order of FIGS. 7A to 7E and FIGS. 8A to 8D. To do.
[0271]
In FIG. 7A, in order to prevent impurity diffusion from the substrate 501 on the surface of the glass substrate 501 on which the TFT is formed, a lower first base film 502 made of a silicon oxynitride film and a second base film made of a silicon oxide film. A base film 503 was laminated. At this time, the film thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 502 is, for example, 50 nm, and the film thickness of the silicon oxide film of the second base film 503 is, for example, 100 nm.
[0272]
Next, an amorphous silicon film (a-Si film) 504 containing a rare gas element having a thickness of 30 to 80 nm is formed. In this embodiment, an a-Si film having a thickness of 50 nm is formed by a dual bias dual frequency plasma CVD method as shown in FIG. 15B using silane-based gas and rare gas as material gases. Ar is used as a rare gas element, the substrate heating temperature is 350 ° C., and the gas flow rate is SiH. Four The gas was 100 sccm and the Ar gas was 1000 sccm. The gas pressure was 0.7 Torr, the RF frequency supplied to the CVD electrode was 27.1 MHz, the RF power was 100 W, the RF frequency supplied to the substrate side was 1.6 MHz, and the RF power was 50 W. The rare gas element concentration in the a-Si film 504 is 5 × 10. 16 ~ 5x10 18 atoms / cm Three In this embodiment, about 5 × 10 17 atoms / cm Three It was about. In addition, since both the base films 502 and 503 and the a-Si film 504 can be formed by a plasma CVD method, both may be continuously formed.
[0273]
Then, a small amount of catalyst element (nickel in this embodiment) 506 is added on the surface of the a-Si film 504. This small amount of nickel 506 was added by holding a solution in which nickel was dissolved on the a-Si film 504, and uniformly extending the solution onto the substrate 501 by a spinner and drying it. In this embodiment, nickel acetate is used as the solute, water is used as the solvent, and the nickel concentration in the solution is 8 ppm. This state corresponds to the state shown in FIG. When the nickel concentration on the surface of the a-Si film 504 thus added in the state of FIG. 7A is measured by a total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method, 5 × 10 5 is obtained. 12 atoms / cm 2 It was about.
[0274]
And this is heat-processed in inert atmosphere, for example, nitrogen atmosphere. In this embodiment, the heat processing for 1 hour were performed at 580 degreeC as an example. In this heat treatment, nickel 506 added to the surface of the a-Si film diffuses into the a-Si film 504 and silicidation occurs, and crystallization of the a-Si film 504 proceeds using this as a nucleus. As a result, as shown in FIG. 5B, the a-Si film 504 is crystallized into a crystalline silicon film 504a. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 504a thus obtained is mainly composed of the <111> crystal zone plane, and among them, the (110) plane orientation and the (211) plane orientation are 50% of the whole. These areas are occupied. The grain size of the crystal grains (substantially the same plane orientation region) is 2 to 10 μm.
[0275]
Next, as shown in FIG. 7C, the crystalline silicon film 504a is further recrystallized by irradiating a laser beam 507 to improve its crystallinity. In this way, the crystalline silicon film 504a obtained by solid-phase crystallization is reduced in crystal defects by a melting and solidifying process by laser irradiation, and becomes a higher quality crystalline silicon film 504b. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 504b thus obtained maintains the state of the crystalline silicon film 504a before laser irradiation, but the average surface roughness Ra is 4 to 9 nm. .
[0276]
Thereafter, unnecessary portions of the crystalline silicon film 504b are removed, and element isolation is performed. By this step, as shown in FIG. 7D, island-like crystalline silicon films 514n and 514p, which later become active regions (source / drain regions, channel regions) of the n-channel TFT and the p-channel TFT, are formed. It is formed.
[0277]
Here, for the purpose of controlling the threshold voltage over the entire active region of the n-channel TFT and the p-channel TFT, 1 × 10 16 ~ 5x10 17 / Cm 3 Boron (B) may be added as an impurity element imparting p-type at a moderate concentration. Boron (B) may be added by an ion doping method, or may be added simultaneously with the formation of an amorphous silicon film.
[0278]
Next, a silicon oxide film having a thickness of, for example, 100 nm is formed as a gate insulating film 515 so as to cover the crystalline silicon films 514n and 514p serving as the active regions. In the formation of the silicon oxide film, TEOS was used as a raw material here, and it was decomposed and deposited together with oxygen by an RF plasma CVD method.
[0279]
Subsequently, as shown in FIG. 7E, a refractory metal is deposited by sputtering and patterned to form gate electrodes 516n and 516p. In the present embodiment, tungsten (W) is used as the refractory metal at this time, and the thickness is, for example, 450 nm.
[0280]
Next, a low concentration impurity (phosphorus) 518 is implanted into the active region by ion doping using the gate electrodes 516n and 516p as a mask. As doping gas, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 80 kV, and the dose is 2 × 10 13 cm -2 It was. In this process, in the island-shaped silicon films 514n and 514p, the region not covered with the gate electrodes 516n and 516p becomes a region 520 into which low-concentration phosphorus 518 is implanted, and is masked by the gate electrodes 516n and 516p and the impurity 518 is implanted The regions that are not formed later become channel regions 519n and 519p of the n-channel TFT and the p-channel TFT. This state corresponds to FIG.
[0281]
Next, as shown in FIG. 8A, in the later n-channel TFT, a photoresist doping mask 521n is provided so as to cover the gate electrode 516n so as to be slightly larger, and in the later p-channel TFT, the gate A doping mask 521p made of a photoresist is provided so as to cover the electrode 516p further and expose the outer edge of the active region 514p. Thereafter, an impurity (phosphorus) 522 is implanted at a high concentration into the active region by ion doping using the resist masks 521n and 521p as a mask. At this time, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 2 × 10. 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 5 × 10 15 cm -2 And Through this process, in the later n-channel TFT, part of the region 524 into which the impurity (phosphorus) 522 is implanted at a high concentration later constitutes the source / drain region of the n-channel TFT. Then, in the active region 514n, a region covered with the resist mask 521n and not doped with high-concentration phosphorus 522 remains as a region into which low-concentration phosphorus is implanted, thereby forming an LDD (Lightly Doped Drain) region 523. . In addition, by this step, in a p-channel TFT later, a region 524 into which an impurity (phosphorus) 522 is implanted at a high concentration later forms a gettering region of the p-channel TFT. The n-type impurity element (phosphorus) 522 concentration in the region 524 at this time is 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one / Cm Three It has become. The n-type impurity element (phosphorus) 518 concentration in the LDD region 523 of the n-channel TFT is 1 × 10 17 ~ 1x10 20 / Cm Three In such a range, it functions as an LDD region.
[0282]
Next, after removing the resist masks 521n and 521p, as shown in FIG. 8B, the LDD region 523 formed earlier in the active region 514n of the later n-channel TFT is newly enlarged. A photoresist doping mask 525 is provided so as to cover the outer edge of the active region 514n. At this time, no mask is provided above the subsequent p-channel TFT, and the entire TFT is exposed. In this state, an impurity (boron) 526 imparting p-type conductivity is implanted into the active region by ion doping using the resist mask 525 and the gate electrode 516p of the subsequent p-channel TFT as a mask. As a doping gas, diborane (B 2 H 6 ), The acceleration voltage is 40 kV to 80 kV, for example, 65 kV, and the dose is 1 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 7 × 10 16 cm -2 And By this step, in the n-channel TFT later, a region where boron 526 is implanted at a high concentration later functions as a gettering region 532n of the n-channel TFT. In the active region 514p of the p-channel TFT later, boron 526 is implanted at a high concentration in addition to the channel region 519p below the gate electrode 516p, and phosphorus 518 of n-type impurity implanted at a low concentration in the previous step. Is inverted to become a p-type, and later becomes a source / drain region 531 of a p-channel TFT. Further, a higher concentration boron 526 is implanted into the region 524 where the high concentration phosphorus 522 is implanted, and a gettering region 532p of the p-channel TFT is formed. At this time, the concentration of the p-type impurity element (boron) 526 in the region 531 and the regions 532n and 532p is 1.5 × 10 19 ~ 3x10 twenty one / Cm Three It has become. The concentration is 1 to 2 times that of the n-type impurity element (phosphorus). By this step, the gettering region 532n of the n-channel TFT and the gettering region 532p of the p-channel TFT are regions in which phosphorus 522 in the previous step and boron 526 in this step are doped together. .
[0283]
When doping the n-type impurity and the p-type impurity, the regions that do not need to be doped are covered with a photoresist so that each element is selectively doped, and the n-type high-concentration impurity region 530 and the p-type impurity are doped. The impurity region 531 and the gettering regions 532n and 532p are formed, and an n-channel TFT and a p-channel TFT can be formed. In this embodiment, an n-type impurity element is added to the semiconductor layer. However, the order of steps is not limited to this embodiment, and the practitioner may determine as appropriate.
[0284]
Next, after removing the resist mask 525, a second heat treatment is performed on the resist mask 525 in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. In this embodiment, the heat treatment was performed at 550 ° C. for 4 hours. In this heat treatment step, in the active region 514n of the n-channel TFT later, phosphorus and boron doped in a high concentration in the gettering region 532n formed outside the source / drain region are treated with nickel in the region. In addition, the segregation sites for nickel are formed, and the crystal defects generated during doping also function as the segregation sites for nickel. Then, the nickel existing in the channel region 519n, the LDD region 523, and the source / drain region 530 is transferred from the channel region to the LDD region, further to the source / drain region, and the gettering region 532n in FIG. It is moved in the direction indicated by 513. The source / drain region 530 doped only with phosphorus also has a gettering effect. However, since the ability of the gettering region 532n doped with phosphorus and boron is overwhelmingly high, nickel is collected in the gettering region 532n. Further, in the active region 514p of the later p-channel TFT, phosphorus and boron doped in high concentration in the gettering region 532p formed outside the source / drain regions perform the same function, and the channel region 519p. Similarly, nickel existing in the source / drain region 531 is moved from the channel region to the source / drain region and then to the gettering region 532p in the direction indicated by the arrow 513. The gettering step is performed by the above steps.
[0285]
In this gettering step, first, nickel dissolved in the channel regions 519n and 519p, the LDD region 523, and the source / drain regions 530 and 531 moves to the gettering regions 532n and 532p. The nickel concentration is lowered, and Ni silicide deposited there is dissolved in the silicon film. These also move to the gettering regions 532n and 532p in a solid solution state, Ni silicide disappears, and the concentration of nickel in the solid solution state is also reduced. By this heat treatment process, nickel moves to the gettering regions 532n and 532p, so that the nickel concentration in the gettering regions 532n and 532p is 1 × 10. 19 / Cm Three That's it. On the other hand, the nickel concentration is measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) in the channel region of the TFT active region, the junction between the channel region and the source / drain region, or the junction between the LDD region. 5 × 10 15 atoms / cm Three It was about the lower limit of measurement. In addition, the nickel remaining in these regions is not in a silicide state, but is present in a solid solution state as interstitial nickel.
[0286]
In this heat treatment step, n-type impurities (phosphorus) doped in the source / drain regions 530 and LDD regions 523 of the n-channel TFT and p-type doped in the source / drain regions 531 of the p-channel TFT. Impurity (phosphorus) activation is also performed at the same time. As a result, the sheet resistance value of the source / drain region 530 of the n-channel TFT was about 400 to 700 Ω / □, and the sheet resistance value of the LDD region 523 was 30 to 60 kΩ / □. The sheet resistance value of the source / drain region 531 of the p-channel TFT was about 1 to 1.5 kΩ / □.
[0287]
Next, as illustrated in FIG. 8D, an interlayer insulating film is formed. A 200-nm-thick silicon nitride film 533 and a 700-nm-thick silicon oxide film 534 are stacked to form a two-layer structure. Of course, the inorganic interlayer insulating film is not limited to this, and another insulating film containing silicon may have a single layer or a laminated structure.
[0288]
Further, heat treatment is performed at 300 to 500 ° C. for about 1 hour. As a result, hydrogen atoms are supplied from the interlayer insulating film (especially the silicon nitride film 533) to the interface between the active region and the gate insulating film, terminating dangling bonds (dangling bonds) that deteriorate TFT characteristics and inactive. Turn into.
[0289]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film, and a TFT electrode / wiring 535 is formed from a metal film, for example, a two-layer film of titanium nitride and aluminum. The titanium nitride film is provided as a barrier film for the purpose of preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour to complete the n-channel TFT 536 and the p-channel TFT 537 shown in FIG. Further, if necessary, contact holes are provided also on the gate electrodes 516n and 516p, and necessary electrodes are connected by the wiring 535. For the purpose of protecting the TFT, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on each TFT.
[0290]
The field effect mobility of each TFT manufactured according to the above embodiment shows good characteristics similar to those of the third embodiment and the fourth embodiment.
[0291]
Furthermore, also in this embodiment, gettering regions can be simultaneously formed in the n-channel TFT and the p-channel TFT using the respective source / drain region forming steps. Accordingly, there are no additional steps (gettering step, doping step, annealing step) for gettering. As a result, the manufacturing process can be simplified, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced, and the yield rate can be improved.
[0292]
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Also in this embodiment, a method for manufacturing an n-channel TFT and a p-channel TFT on the same substrate will be described.
[0293]
A first base insulating film 602 made of a silicon nitride film with a thickness of 50 nm is formed on the glass substrate 601, and then a second base insulating film 603 made of a silicon oxide film with a thickness of 100 nm is formed. Further, an a-Si film 604 having a thickness of 20 to 100 nm, for example, 50 nm is formed. At this time, the a-Si film 604 can be formed by the same method as in the first to fifth embodiments. In this embodiment, a normal plasma CVD method as shown in FIG. 15A is used, the substrate heating temperature is 250 ° C., and the gas flow rate is SiH. Four An a-Si film 604 containing Ar was formed with a gas of 100 sccm, an Ar gas of 5000 sccm, a gas pressure of 0.5 Torr, an RF frequency supplied to the CVD electrode of 27.1 MHz, and an RF power of 100 W. . The Ar concentration in the a-Si film 604 thus obtained is about 1 × 10 6. 17 atoms / cm Three It was about.
[0294]
Subsequently, a catalytic element is added to the a-Si film 604 and heat treatment is performed. An aqueous solution (nickel acetate aqueous solution) containing a catalytic element (nickel in this embodiment) of 10 ppm in terms of weight is applied to the amorphous silicon film by a spin coating method to form the catalytic element-containing layer 606. This state corresponds to FIG.
[0295]
Then, the first heat treatment is performed in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. As the heat treatment at this time, annealing treatment is performed at 520 to 600 ° C. for 1 to 8 hours. In this embodiment, as an example, the heat treatment was performed at 550 ° C. for 4 hours. In this heat treatment, silicidation of nickel 606 added to the surface of the a-Si film occurs, and crystallization of the a-Si film 604 proceeds using this as a nucleus. As a result, as shown in FIG. 9B, the a-Si film 604 is crystallized into a crystalline silicon film 604a. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 604a thus obtained is mainly composed of the <111> crystal zone plane, and among them, (110) plane orientation and (211) plane orientation are 50% of the whole. These areas are occupied. The grain size of the crystal grains (substantially the same plane orientation region) is 2 to 10 μm.
[0296]
Subsequently, as shown in FIG. 9C, the crystalline silicon film 604a obtained by the heat treatment is irradiated with laser light to form a crystalline silicon film 604b with improved crystallinity. The crystallinity of the crystalline silicon film 604b is greatly improved by this laser light irradiation. Also in this embodiment, a pulse oscillation type XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm) is applied as the laser light. The crystal plane orientation of the crystalline silicon film 604b thus obtained maintains the state of the crystalline silicon film 604a before laser irradiation, but the average surface roughness Ra is 4 to 9 nm. .
[0297]
Subsequently, as shown in FIG. 9D, the crystalline silicon film is etched into a predetermined shape to form an active region 614n of the later n-channel TFT and an active region 614p of the p-channel TFT.
[0298]
Next, a gate insulating film 615 covering these active regions 614n and 614p is formed. Subsequently, a conductive film is formed over the gate insulating film 615 by a sputtering method, a CVD method, or the like. As the conductive film, any one of refractory metals W, Ta, Ti, Mo, or an alloy material thereof may be used. Then, as shown in FIG. 9E, the conductive film is etched to form gate electrodes 616n and 616p.
[0299]
Next, a low concentration n-type impurity (phosphorus) 618 is implanted into the active region by ion doping using the gate electrodes 616n and 616p as a mask. In this embodiment, phosphine (PH Three ), The acceleration voltage is 80 kV, and the dose is 2 × 10 13 cm -2 It was. In this process, in the island-like silicon films 614n and 614p, the region not covered with the gate electrodes 616n and 616p becomes the region 620 into which low-concentration phosphorus 618 is implanted, and the gate electrodes 616n and 616p are masked and the impurity 618 is implanted. The regions that are not formed later become channel regions 619n and 619p of the n-channel TFT and the p-channel TFT. This state corresponds to FIG.
[0300]
Next, as shown in FIG. 9F, in the active region 614n of the n-channel TFT, a photoresist doping mask 621n is provided so as to largely cover the gate electrode 616n, and the active region of the p-channel TFT is provided. In 614p, a photoresist doping mask 621p is provided so as to cover the entire active region. Thereafter, an impurity (phosphorus) 622 is implanted at a high concentration into the active region by ion doping using the resist masks 621n and 621p as a mask. In this embodiment, phosphine (PH Three ), Acceleration voltage is 80 kV, dose amount is 5 × 10 15 cm -2 It was. By this step, in the later n-channel TFT, a high concentration (1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one / Cm Three A portion of the region 624 in which phosphorus 622 is implanted at a concentration of the n-channel TFT later becomes a source / drain region. In the active region 614n, a region that is covered with the resist mask 621n and is not doped with high-concentration phosphorus 622 remains as a region into which low-concentration phosphorus is implanted, thereby forming an LDD (Lightly Doped Drain) region 623. . In the later p-channel TFT, no phosphorus is implanted into the active region 614p.
[0301]
Next, after removing the resist masks 621n and 621p, as shown in FIG. 10A, a doping mask 625 made of photoresist is provided so as to cover the entire active region 614n of the subsequent n-channel TFT. At this time, no mask is provided on the active region 614p of the subsequent p-channel TFT, and the entire TFT is exposed. In this state, an impurity (boron) 626 imparting p-type conductivity is implanted into the active region by ion doping using the resist mask 625 and the gate electrode 616p of the subsequent p-channel TFT as a mask. As a doping gas, diborane (B 2 H 6 ), The acceleration voltage is 65 kV, and the dose is 7 × 10 16 cm -2 It was. Through this step, boron 626 is implanted at a high concentration in the active region 614p of the p-channel TFT later than the channel region 619p below the gate electrode 616p, and the n-type impurity implanted at a low concentration in the previous step. The phosphorus 618 is inverted to become a p-type impurity region 627.
[0302]
Next, after removing the resist mask 625, as shown in FIG. 10B, a new n-channel TFT gate electrode 616n and a later p-channel TFT gate electrode 616p are newly covered. Masks 628n and 628p made of resist are formed. The masks 628n and 628p at this time expose part (outer edge portions) of the active regions 614n and 614p of the later n-channel TFT and p-channel TFT. In this state, a rare gas element (Kr in this embodiment) 629 is ion-doped from above the substrate. By this step, the rare gas element 629 is implanted into the exposed region of the TFT active region, and gettering regions 632n and 632p are formed at the outer edges of the active regions 614n and 614p of the n-channel TFT and the p-channel TFT. The The doping condition of krypton 629 at this time is 100% Kr as the doping gas, the acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 3 × 10 15 cm -2 It was. A region covered with the masks 628n and 628p is not doped with a rare gas element. As the rare gas element at this time, one or a plurality of kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe can be used, but the rare gas element originally contained in the active region (Ar in this embodiment) is used. However, an element having a large atomic number is preferable. In this step, the concentration of the rare gas element in the gettering regions 632n and 632p is 1 × 10 19 ~ 3x10 twenty one atoms / cm Three To be. Further, by this step, the crystallinity of the gettering regions 632n and 632p is destroyed and made amorphous.
[0303]
Then, after removing the resist masks 628n and 628p, a second heat treatment is performed in an inert atmosphere, for example, a nitrogen atmosphere. In the present embodiment, RTA (Rapid Thermal Annealing) is used. An RTA apparatus of a type in which high-temperature nitrogen gas was blown onto the substrate surface in a nitrogen atmosphere to instantaneously raise and lower the temperature was used. Specific treatment conditions include a holding temperature in the range of 550 to 750 ° C., a holding time of about 30 seconds to 15 minutes, and more preferably a holding temperature in the range of 600 to 700 ° C. and a holding time of about 1 minute to 10 minutes. . In this embodiment, the RTA treatment was performed at 670 ° C. for 5 minutes. It is preferable that the temperature increase rate and the temperature decrease rate are both 100 ° C./min or more. In the embodiment, the rate is about 200 ° C./min. In the active region of each TFT, gettering regions 632n and 632p formed outside the source / drain regions are highly doped with krypton 629 and crystal defects caused by amorphization at the time of doping However, it forms a segregation site for nickel and causes a gettering action. As a result, in this heat treatment step, as shown in FIG. 10C, nickel existing in the channel region 619n, the LDD region 623, and the source / drain region 630 in the active region 614n of the later n-channel TFT. Are moved from the channel region to the LDD region, further to the source / drain region and the gettering region 632n in the direction indicated by the arrow 613. Similarly, in the active region 614p of the later p-channel TFT, nickel existing in the channel region 619p and the source / drain region 631 is similarly transferred from the channel region to the source / drain region and the gettering region 632p. Move in the direction indicated by arrow 613.
[0304]
In this gettering step, first, nickel dissolved in the channel regions 619n and 619p, the LDD region 623, and the source / drain regions 630 and 631 moves to the gettering regions 632n and 632p. The nickel concentration decreases, and Ni silicide deposited there begins to dissolve in the silicon film. These also move to the gettering regions 632n and 632p in a solid solution state. Finally, Ni silicide disappears and the concentration of nickel in the solid solution state is also reduced. Since nickel moves to the gettering region by this heat treatment step, the nickel concentration in the gettering regions 632n and 632p is 1 × 10. 19 / Cm Three That's it. In the channel region of the TFT active region, the junction between the channel region and the source / drain region, or the junction between the LDD region, the nickel concentration was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) and found to be 5 × 10. 15 atoms / cm Three It was about the lower limit of measurement. In addition, the nickel remaining in these regions is not in a silicide state, but is present in a solid solution state as interstitial nickel.
[0305]
In this heat treatment step, n-type impurity (phosphorus) doped in the source / drain region 630 and LDD region 623 of the n-channel TFT and p-type doped in the source / drain region 631 of the p-channel TFT. Impurity (boron) activation is also performed at the same time. As a result, the sheet resistance value of the source / drain region 630 of the n-channel TFT was about 400 to 700 Ω / □, and the sheet resistance value of the LDD region 623 was 30 to 60 kΩ / □. The sheet resistance value of the source / drain region 631 of the p-channel TFT was about 1 to 1.5 kΩ / □. In this embodiment, in the active region of the n-channel TFT and the p-channel TFT, a gettering region is formed in a region different from the source region or the drain region. There is no problem even if the resistance increases in the source region or drain region of the TFT.
[0306]
After this step, the ratio Pa / Pc between the amorphous Si TO phonon peak Pa and the crystalline Si TO phonon peak Pc in the Raman spectrum of each TFT channel region and gettering region is measured by laser Raman spectroscopy. Then, the gettering region is larger than the channel region. This measurement can be performed from the back side of the substrate when a transparent glass substrate or the like is used as in this embodiment. Further, after this heat treatment step, no further high temperature step is performed, so this state is maintained even after the TFT is completed.
[0307]
Next, as illustrated in FIG. 10D, an interlayer insulating film is formed. In this embodiment, a silicon nitride film 633 having a thickness of 200 nm and a silicon oxide film 634 having a thickness of 700 nm are stacked to form a two-layer structure.
[0308]
Further, heat treatment is performed at 300 to 500 ° C. for about 1 hour. As a result, hydrogen atoms are supplied from the interlayer insulating film (particularly the silicon nitride film 633) to the interface between the active region and the gate insulating film, terminating dangling bonds (dangling bonds) that deteriorate TFT characteristics and inactive. Turn into.
[0309]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film, and a TFT electrode / wiring 635 is formed from a metal material, whereby an n-channel TFT 636 and a p-channel TFT 637 shown in FIG. 10D are completed. Further, if necessary, a contact hole is also provided on the gate electrodes 616n and 616p, and necessary electrodes are connected by a wiring 635.
[0310]
The field effect mobility of each TFT fabricated according to the above embodiment showed good characteristics similar to those of the third to fifth embodiments.
[0311]
(Seventh embodiment)
In the present embodiment, a crystallization method different from those in the first to sixth embodiments will be described. FIG. 11 is used for the description. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a manufacturing process in the present embodiment, and the manufacturing process sequentially proceeds according to FIGS.
[0312]
First, as in the first to sixth embodiments, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or the like is formed on a substrate (in this embodiment, a glass substrate) 701 in order to prevent impurity diffusion from the substrate. A base film is formed. In the present embodiment, a silicon nitride film is formed as a lower first base film 702, and a silicon oxide film is stacked on the second base film 703. At this time, the film thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 702 is, for example, 100 nm, and the film thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 703 is, for example, 100 nm. Next, an a-Si film 704 having a thickness of 30 to 80 nm is formed by the same method as in the first to sixth embodiments. In this embodiment, the amorphous silicon film is formed to a thickness of 50 nm by plasma CVD. In this step, the base insulating film and the amorphous semiconductor layer may be formed continuously without being released to the atmosphere.
[0313]
Next, a mask insulating film 705 made of a silicon oxide film is formed to a thickness of 200 nm. As shown in FIG. 11A, the mask insulating film has an opening 700 for adding a catalytic element to the semiconductor film.
[0314]
Next, as shown in FIG. 11B, an aqueous solution (nickel acetate aqueous solution) containing 100 ppm of the catalytic element (nickel in this embodiment) in terms of weight is applied by a spin coating method to form the catalytic element layer 706. To do. At this time, the catalytic element 706 selectively contacts the a-Si film 704 in the opening 700 of the mask insulating film 705 to form a catalytic element addition region. The catalyst elements that can be used here are iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum. One or more elements selected from (Pt), copper (Cu), and gold (Au).
[0315]
In this embodiment, nickel is added by spin coating, but a thin film made of a catalytic element (in this embodiment, nickel film) is formed on the a-Si film by vapor deposition or sputtering. You may take the means to do.
[0316]
Next, heat treatment is performed at 500 to 650 ° C. (preferably 550 to 600 ° C.) for 6 to 20 hours (preferably 8 to 15 hours). In this embodiment, a heat treatment is performed at 570 ° C. for 14 hours. As a result, as shown in FIG. 11C, crystal nuclei are generated in the catalytic element addition region 700, and the a-Si film in the region 700 is first crystallized to become a crystalline silicon film 704a. Furthermore, crystallization proceeds in a direction parallel to the substrate (direction indicated by an arrow 707) starting from the crystallization region, and a crystalline silicon film 704b having a uniform macroscopic crystal growth direction is formed. At this time, the nickel 706 existing on the mask 705 is blocked by the mask film 705 and does not reach the underlying a-Si film, and the a-Si film 704 is crystallized only by the nickel introduced in the region 700. Done. A region where the lateral crystal growth does not reach remains as an amorphous region 704c. However, depending on the layout, a boundary may be generated by colliding with a crystal growth region in the lateral direction from an adjacent opening, and in this case, it is not an amorphous region.
[0317]
After removing the silicon oxide film 705 used as a mask, the obtained crystalline silicon film is irradiated with a laser beam as shown in FIG. 11D, similarly to the first to fifth embodiments. The crystallinity may be improved. As a result, the crystalline silicon film in the region 704b in which the crystal is grown in the lateral direction is further improved in quality and becomes a crystalline silicon film 704d.
[0318]
Subsequently, the crystalline silicon film in the laterally grown region 704d is etched into a predetermined shape to form an active region 709 of the subsequent TFT.
[0319]
By applying the crystallization method shown in this embodiment to the crystallization process in the first to fifth embodiments, a high-performance TFT with higher current driving capability can be realized.
[0320]
(Eighth embodiment)
In this embodiment, the gettering region in the active region for moving the catalyst element used for crystallization of the semiconductor film shown in the fifth or sixth embodiment is shown in FIG. 12 and FIG. An example is shown.
[0321]
By applying this embodiment to the TFT manufacturing process of the fifth or sixth embodiment, various shapes of gettering regions can be formed in the active regions of the n-channel TFT and the p-channel TFT. Further, the areas of the gettering region in the active region of the n-channel TFT and the gettering region in the active region of the p-channel TFT are made approximately equal, and the distance from the gettering region to the channel region is made approximately equal. In addition, it is possible to improve the effect that the gettering efficiency for the catalytic elements of the n-channel TFT and the p-channel TFT is made uniform. Examples of the shape of the gettering region formed in the active region are shown below. Note that to make the area of the gettering region in the active region of the n-channel TFT and the gettering region in the active region of the p-channel TFT approximately equal to each other, the width of the active region (channel region) in each TFT is W, When the area S of the gettering region is defined, the ratio S / W of the width W of the active region (channel region) and the area S of the gettering region is approximately equal in the n-channel TFT and the p-channel TFT.
[0322]
FIG. 12A shows that the gettering regions 83a and 84a are long in the direction parallel to the gate electrode 85a at a position (outer edge portion of the active region) away from the channel region formed in the active region below the gate electrode 85a. In this example, the corners of the rectangle are arranged so as to hang over the corners of the active region.
[0323]
In FIG. 12B, the gettering regions 83b and 84b are perpendicular to the gate electrode 85b at a position away from the channel region formed in the active region below the gate electrode 85b (outer edge portion of the semi-active region). This is an example in which a rectangular shape having a long side is arranged such that the corner portion of the rectangle is hooked on the corner portion of the active region.
[0324]
FIG. 12C shows that the gettering regions 83c and 84c are separated from the channel region formed in the active region below the gate electrode 85c (outer edge portion of the active region) and extend in a direction parallel to the gate electrode 85c. This is an example of a complicated shape formed by combining a rectangle having a side and a rectangle having a long side in the vertical direction, and the corner portion of the shape is placed on the corner portion of the active region. In this case, compared with FIG. 12A or FIG. 12B, the area of the gettering region can be increased, and the gettering efficiency for the catalytic element can be further increased.
[0325]
In any of the above arrangement examples, the gettering region is a contact portion formed in each of the source region and the drain region (the portion where the wiring electrically connecting each TFT is connected to the active region is described in this specification. In this case, the current flowing between the contact portions is not disturbed. That is, the gettering regions 83a and 84a in FIG. 12A are arranged at positions that do not hinder the current flowing between the contact portion 86a formed in the source region 81a and the contact portion 87a formed in the drain region 82a. Has been.
[0326]
Further, the gettering regions 83b and 84b in FIG. 12B are arranged at positions that do not hinder the current flowing between the contact portion 86b connected to the source region 81b and the contact portion 87b formed in the drain region 82b. Has been.
[0327]
Further, the gettering regions 83c and 84c in FIG. 12C are arranged at positions that do not hinder the current flowing between the contact portion 86c formed in the source region 81c and the contact portion 87c formed in the drain region 82c. Has been.
[0328]
FIG. 12D is basically the same arrangement example as FIG. 12C. However, in order to increase the gettering efficiency of the gettering regions 83d and 84d, the area of the gettering regions 83d and 84d is further expanded. In this example, the gettering region 83d is applied to a part of the contact portion 86d. Basically, there is no problem even if the gettering regions 83d and 84d cover a part of the contact portions 86d and 87d, but care must be taken so that the overlapping area is at most half of the contact portions 86d and 87d. . Accordingly, the design distance between the contact portions 86d and 87d and the gettering regions 83d and 84d is set to a suitable design distance in consideration of the alignment accuracy of the exposure apparatus used in the photolithography process corresponding to each region formation. It is necessary to decide. Note that the position where the gettering region is provided is not limited to the configuration of the present embodiment, and may be any location as long as it does not affect (does not disturb) the current flowing between the source region and the drain region. It may be provided.
[0329]
In FIG. 13A, the active region is crossed by a plurality of gate electrodes 85e, and a plurality of channel regions are formed below the active region. A source region 81e (or drain region 82e), a gettering region 88e, and a contact portion 89e are formed between the plurality of gate electrodes. As in FIGS. 12A to 12D, gettering regions 83e and 84e are formed at the outer edge portion of the active region, and a source region 81e or drain region 82e and contact portions 86e and 87e are formed inside thereof. ing. Also in the case shown in FIG. 13A, the gettering region 83e may cover a part of the contact portion 86e, but basically, the overlapping area is at most less than half of the contact portions 86e and 87e. It is necessary to pay attention to this.
[0330]
FIG. 13B is also an example in which a plurality of gate electrodes 85f cross the active region and a plurality of channel regions are formed therebelow. In FIG. 13B, two TFTs are connected in series while sharing an active region, and there is no contact portion at the connection portion, that is, an arrangement in which there is no need to take out an electric signal from the connection portion. is there. The TFT having such a configuration is actually used in a circuit such as a clocked inverter or a latch circuit. A source region 81f (or drain region 82f) and a gettering region 88f are formed between the plurality of gate electrodes. In addition, gettering regions 83f and 84f are formed in the outer edge portion of the active region as in FIGS. 12A to 12D, and a source region 81f or drain region 82f and contact portions 86f and 87f are formed inside thereof. ing. In the region of the connecting portion, the gettering region 88f is arranged at a position that does not hinder at least the current flowing from the contact portion 86f to the contact portion 87f.
[0331]
Note that the shape of the active region of the TFT varies depending on the amount of current required for the TFT. As shown in FIGS. 12 and 13, the width of the channel region is narrower than that of the source / drain region, and the wedge shape is obtained when the source / drain region and the channel region have the same width. In either case, the present invention can be similarly applied.
[0332]
Further, no matter which shape of the gettering region is applied, the catalytic element moves to the gettering region by heat treatment for gettering, so that the catalytic element is 1 × 10 6. 19 / Cm Three It becomes the above density.
[0333]
This embodiment can be applied in combination with the fifth embodiment or the sixth embodiment.
[0334]
(Ninth embodiment)
A block diagram of a semiconductor device manufactured using the present invention is shown in FIG. FIG. 14A shows a circuit configuration for performing analog driving. This embodiment shows a semiconductor device having a source side driver circuit 90, a pixel portion 91, and a gate side driver circuit 92. Note that in this specification, a drive circuit refers to a generic name including a source side processing circuit and a gate side drive circuit.
[0335]
The source side driver circuit 90 includes a shift register 90a, a buffer 90b, and a sampling circuit (transfer gate) 90c. The gate side driving circuit 92 includes a shift register 92a, a level shifter 92b, and a buffer 92c. Further, if necessary, a level shifter circuit may be provided between the sampling circuit and the shift register.
[0336]
In the present embodiment, the pixel unit 91 includes a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels includes a TFT.
[0337]
Although not shown, a gate side drive circuit may be further provided on the opposite side of the gate side drive circuit 92 with the pixel portion 91 interposed therebetween.
[0338]
FIG. 14B shows a circuit configuration for performing digital driving. This embodiment shows a semiconductor device having a source side driver circuit 93, a pixel portion 94, and a gate side driver circuit 95. In the case of digital driving, a latch (A) 93b and a latch (B) 93c may be provided instead of the sampling circuit as shown in FIG. The source side driving circuit 93 includes a shift register 93a, a latch (A) 93b, a latch (B) 93c, a D / A converter 93d, and a buffer 93e. The gate side driving circuit 95 includes a shift register 95a, a level shifter 95b, and a buffer 95c. If necessary, a level shifter circuit may be provided between the latch (B) 93c and the D / A converter 93d.
[0339]
In addition, the said structure is realizable according to the manufacturing process shown to above-mentioned Embodiment 1-8. In this embodiment, only the configuration of the pixel portion and the drive circuit is shown. However, according to the manufacturing process of the present invention, a memory and a microprocessor can be formed.
[0340]
(10th Embodiment)
A CMOS circuit and a pixel portion formed by implementing the present invention can be used for an active matrix liquid crystal display device. That is, the present invention can be implemented in all electric appliances in which these liquid crystal display devices are incorporated in a display portion.
[0341]
Such electric appliances include video cameras, digital cameras, projectors (rear type or front type), head mounted displays (goggles type displays), personal computers, personal digital assistants (mobile computers, mobile phones, electronic books, etc.), etc. Is mentioned.
[0342]
By applying the present invention, a crystalline silicon film having good crystallinity using a catalytic element can be formed, and the catalytic element can be sufficiently gettered. Therefore, an n-channel TFT and a p-channel TFT Thus, it is possible to realize a good CMOS driving circuit with high reliability and stable circuit characteristics. In addition, even in a switching TFT in a pixel in which a leakage current during an off operation is a problem, a TFT in a sampling circuit of an analog switch portion, etc., the generation of a leakage current considered to be due to segregation of a catalytic element can be sufficiently suppressed. As a result, a good display without display unevenness is possible. In addition, since it is a good display with no display unevenness, it is not necessary to use a light source more than necessary, and wasteful power consumption can be reduced, and electric appliances that can reduce power consumption (cell phones, portable books, displays) ) Can be realized.
[0343]
As described above, the scope of application of the present invention is extremely wide and can be applied to electric appliances in various fields. In addition, the electric appliance of the present embodiment can be realized using the display device manufactured by combining the embodiments and the embodiments.
[0344]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible.
[0345]
For example, as a method for forming an amorphous silicon film containing a rare gas element, a rare gas was used as a sputtering gas in addition to the above-described plasma CVD method or the ion doping method using a rare gas element for an amorphous silicon film. A sputtering method or a method of plasma doping a rare gas element into an amorphous silicon film can also be applied. In addition to the pure silicon film shown in the above-described embodiment, a mixed film of germanium and silicon (silicon / germanium film) or a pure germanium film can also be used as the semiconductor film targeted by the present invention.
[0346]
Moreover, as a method of introducing nickel, a method of applying a solution in which a nickel salt was dissolved on the surface of the amorphous silicon film was adopted, but before the amorphous silicon film was formed, nickel was introduced to the surface of the base film, Alternatively, nickel may be diffused from the lower layer of the amorphous silicon film to cause crystal growth. In addition, various other methods can be used for introducing nickel. For example, SOG (spin on glass) material is used as a solvent for dissolving nickel salt, and SiO 2 2 There is also a method of diffusing from the film. Further, a method of forming a thin film by a sputtering method, a vapor deposition method, a plating method, a method of directly introducing by an ion doping method, or the like can also be used.
[0347]
In the above embodiment, phosphorus is used in the gettering step, but arsenic and antimony may also be used. Further, xenon has a great effect as a rare gas element for gettering in addition to argon and krypton.
[0348]
【The invention's effect】
By using the present invention, a catalytic element remaining in a device region of a crystalline semiconductor layer having a good crystallinity produced using a catalytic element, particularly a channel region or a junction between a channel region and a source region or a drain region. Can be sufficiently reduced. By using such a TFT using a semiconductor film, the generation of leakage current can be suppressed, the reliability can be improved, and a high-performance semiconductor element having stable characteristics with little characteristic variation can be realized. it can. Furthermore, an additional process for gettering can be reduced, and the manufacturing process can be simplified. As a result, the yield rate can be greatly improved in the manufacturing process, and the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.
[0349]
Therefore, by using the present invention, a high-performance semiconductor element can be realized, and a high-performance semiconductor device with a high degree of integration can be obtained by a simple manufacturing process. Particularly in liquid crystal display devices, the switching characteristics of the pixel switching TFT required for the active matrix substrate and the high performance and high integration required for the TFT constituting the peripheral drive circuit section are simultaneously satisfied. In addition, in a driver monolithic type active matrix substrate that constitutes an active matrix portion and a peripheral drive circuit portion, the module can be made compact, high performance, and low cost.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1H are schematic cross-sectional views illustrating manufacturing steps of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. FIGS.
FIGS. 2A to 2H are schematic cross-sectional views illustrating manufacturing steps of a semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention. FIGS.
FIGS. 3A to 3E are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention. FIGS.
FIGS. 4A to 4C are schematic cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention (continuation of FIG. 3).
FIGS. 5A to 5F are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of a semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention. FIGS.
6A to 6D are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of a semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention (continuation of FIG. 5).
FIGS. 7A to 7E are schematic cross-sectional views illustrating manufacturing steps of a semiconductor device according to Embodiment 5 of the present invention. FIGS.
8A to 8D are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention (continuation of FIG. 7).
FIGS. 9A to 9F are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of a semiconductor device according to Embodiment 6 of the present invention. FIGS.
FIGS. 10A to 10D are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor device according to Embodiment 6 of the present invention (continuation of FIG. 9).
FIGS. 11A to 11E are schematic cross-sectional views showing another crystallization method used for manufacturing a crystalline semiconductor film according to an embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 12A to 12D are diagrams schematically showing an example of arrangement of gettering regions in an eighth embodiment of the present invention.
FIGS. 13A and 13B are diagrams schematically showing another arrangement example of gettering regions in the eighth embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 14A and 14B are views schematically showing a configuration of a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIGS. 15A and 15B are diagrams schematically showing a plasma CVD apparatus used for depositing an amorphous semiconductor film, in which FIG. 15A shows a known CVD apparatus, and FIG. 15B is suitably used in an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 16 is a schematic view showing another plasma CVD apparatus suitably used in the embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic view for explaining a gettering mechanism in the method of manufacturing a semiconductor film of the present invention.
FIG. 18 is a graph showing the relationship between gettering annealing time and getterable distance.
FIG. 19 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature during crystallization and the getterable distance.
FIG. 20 is an optical micrograph of a crystalline silicon film that is made visible by etching Ni silicide with hydrofluoric acid after heat treatment for crystallization.
FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the mechanism of Ni silicide solid-solution.
FIG. 22 is a graph showing the relationship between Ni concentration and crystal nucleus generation density when an amorphous silicon film is crystallized using Ni as a catalyst element.
FIG. 23 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a state after Ni silicide of a silicon film crystallized using Ni is etched, (A) is amorphous silicon containing no rare gas element; 1B shows a crystallized film, and FIG. 1B shows a crystallized amorphous silicon film containing Ar as a rare gas element.
FIG. 24A is a graph showing the relationship between the Ar concentration in a silicon film and the crystal nucleus generation density during crystallization, and FIG. 24B shows the Ar concentration in the silicon film and precipitated after crystallization. It is a graph which shows the relationship with the magnitude | size of the catalyst element compound (Ni silicide) which is.
FIGS. 25A to 25C are diagrams for explaining a state of crystal orientation in a crystalline semiconductor film obtained by the present invention. FIGS.
FIGS. 26A to 26C are diagrams showing the state of crystal orientation in the crystalline semiconductor film obtained by the present invention, and are images obtained by performing image processing on the measurement result of the backscattered electron diffraction image (EBSP). FIGS. is there.
[Explanation of symbols]
101 glass substrate
103 Underlayer
104 Amorphous semiconductor film containing rare earth elements (a-Si film)
104a Crystalline semiconductor film (crystalline silicon film)
104b High quality crystalline semiconductor film (crystalline silicon film)
106 Catalytic element (nickel)
107 Laser light
108 mask
109 Gettering element (phosphorus)
110 gettering region (region doped with phosphorus)
113 Arrow indicating catalyst element movement direction
114 crystalline silicon film
115 Gate insulating film
116 Gate electrode
117 oxide layer
119 Region where impurities are not implanted
122 N-type impurity (phosphorus)
130 Impurity implanted region
134 Interlayer insulation film
135 Electrode / Wiring
136 TFT (semiconductor element)

Claims (20)

(a)絶縁性表面上に希ガス元素を5×10 16 atoms/cm 3 以上5×10 18 atoms/cm 3 以下の濃度で含む非晶質ケイ素層を形成する工程と、
(b)前記非晶質ケイ素層に結晶化を促進する触媒元素を1.8×10 12 cm -2 以上9.0×10 12 cm -2 以下の濃度で付与した後、第1の加熱処理を行うことにより、前記非晶質ケイ素層を結晶化し、結晶質半導体層を得る工程と、
(c)前記結晶質半導体層中に残存する前記触媒元素の少なくとも一部を移動させることによって、前記結晶質半導体層に前記触媒元素の濃度が他の領域よりも低い低触媒濃度領域を形成する工程と、
を包含し、前記希ガス元素はアルゴンであり、前記触媒元素はニッケルであり、
前記工程(a)において、前記非晶質ケイ素層は、プラズマCVD法を用いて非晶質ケイ素層を堆積しながら、前記希ガス元素を該非晶質ケイ素層に導入するプラズマCVD工程を含み、
前記プラズマCVD工程は、CVD電極に第1電力を供給するとともに、前記絶縁性表面を有する基板に前記第1電力と異なる第2電力を供給する工程を含む、半導体膜の製造方法。
(A) forming an amorphous silicon layer containing a rare gas element at a concentration of 5 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less on the insulating surface;
(B) A catalyst element for promoting crystallization is applied to the amorphous silicon layer at a concentration of 1.8 × 10 12 cm −2 or more and 9.0 × 10 12 cm −2 or less, and then a first heat treatment is performed. To crystallize the amorphous silicon layer to obtain a crystalline semiconductor layer,
(C) By moving at least a part of the catalyst element remaining in the crystalline semiconductor layer, a low catalyst concentration region in which the concentration of the catalyst element is lower than other regions is formed in the crystalline semiconductor layer. Process,
The noble gas element is argon, the catalyst element is nickel,
In the step (a), the amorphous silicon layer includes a plasma CVD step of introducing the rare gas element into the amorphous silicon layer while depositing the amorphous silicon layer using a plasma CVD method.
The plasma CVD step includes a step of supplying a first power to the CVD electrode and a second power different from the first power to the substrate having the insulating surface .
前記工程(b)は、前記触媒元素の半導体化合物を結晶核として結晶成長する過程を含み、前記半導体化合物はニッケルシリサイドであり、
前記工程(c)は、前記低触媒濃度領域において、前記触媒元素の前記半導体化合物を前記結晶質半導体層中に固溶させる工程を含む、請求項に記載の半導体膜の製造方法。
The step (b) includes a process of crystal growth using a semiconductor compound of the catalytic element as a crystal nucleus, and the semiconductor compound is nickel silicide,
2. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 1 , wherein the step (c) includes a step of dissolving the semiconductor compound of the catalytic element in the crystalline semiconductor layer in the low catalyst concentration region.
前記第1電力および前記第2電力は、周波数が互いに異なるRF電力である、請求項1または2に記載の半導体膜の製造方法。It said first power and said second power frequency is different RF power from each other, the method of manufacturing a semiconductor film according to claim 1 or 2. 前記第2電力の周波数は、前記第1電力の周波数よりも低い、請求項3に記載の半導体膜の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 3 , wherein a frequency of the second power is lower than a frequency of the first power. 前記工程(c)は、前記触媒元素を引き寄せる作用を有するゲッタリング領域またはゲッタリング層を形成する工程と、この工程に後に第2の加熱処理を行うことにより、前記結晶質半導体膜に残存する触媒元素を前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層へ移動させる工程とを包含する、請求項からのいずれかに記載の半導体膜の製造方法。In the step (c), a gettering region or a gettering layer having an action of attracting the catalyst element is formed, and a second heat treatment is performed after this step, so that it remains in the crystalline semiconductor film. comprising a step of moving the catalyst element to the gettering region or the gettering layer, a method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 4. 前記工程(c)の前に、前記結晶質半導体層を所望の形状にパターニングする工程をさらに包含する、請求項に記載の半導体膜の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 5 , further comprising a step of patterning the crystalline semiconductor layer into a desired shape before the step (c). 前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層は、前記結晶質半導体膜の他の領域よりも多くの非晶質成分を含む、請求項またはに記載の半導体膜の製造方法。The gettering region or the gettering layer, comprising said more than other regions of the amorphous component of the crystalline semiconductor film, a method of manufacturing a semiconductor film according to claim 5 or 6. 前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層は、n型導電性を付与する周期表第5族Bに属する不純物元素を含む、請求項からのいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The gettering region or the gettering layer contains an impurity element belonging to periodic table group V B which imparts n-type conductivity, a method of manufacturing a semiconductor film according to any of claims 5-7. 前記不純物元素は、P、AsおよびSbからなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む、請求項に記載の半導体膜の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 8 , wherein the impurity element includes at least one element selected from the group consisting of P, As, and Sb. 前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層は、p型導電性を付与する周期表第3族Bに属する不純物元素を含む、請求項からのいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The gettering region or the gettering layer contains an impurity element belonging to periodic table group III B which imparts p-type conductivity, a method of manufacturing a semiconductor film according to any of claims 5 to 9. 前記不純物元素は、BおよびAlの少なくとも一方を含む、請求項10に記載の半導体膜の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 10 , wherein the impurity element includes at least one of B and Al. 前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層が含む前記不純物元素は、イオンドーピング法によって導入される、請求項から11のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The gettering region or the impurity elemental that the gettering layer contains is introduced by an ion doping method, a method of manufacturing a semiconductor film according to any of claims 8 to 11. 前記工程(c)の後で、前記ゲッタリング領域または前記ゲッタリング層を除去する工程をさらに包含する請求項から12のいずれかに記載半導体膜の製造方法。Wherein in after step (c), a method of manufacturing a semiconductor film according to any one of the gettering region or the further encompasses claims 5-12 removing the gettering layer. 前記工程(b)は、前記非晶質ケイ素膜の一部の領域に選択的に前記触媒元素を付与した後、前記第1の加熱処理を行うことにより、前記触媒元素が選択的に付与された前記一部の領域からその周辺部へと横方向に結晶成長させる工程を包含する、請求項から13のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。In the step (b), after the catalytic element is selectively applied to a partial region of the amorphous silicon film, the catalytic element is selectively applied by performing the first heat treatment. and comprising the step of crystal growth and its periphery in the lateral direction from the partial region, a method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 13. 前記工程(b)は、前記第1の加熱処理の後に、前記結晶質半導体膜にレーザー光を照射する工程を含む、請求項から14のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The step (b), after the first heat treatment, comprising the step of irradiating the laser light to the crystalline semiconductor film, a method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 14. 請求項から15のいずれかに記載半導体膜の製造方法によって製造された半導体膜を用意する工程と、
前記半導体膜を活性領域に有する薄膜トランジスタを作製する工程と、
を包含する半導体装置の製造方法。
Preparing a semiconductor film manufactured by the manufacturing method of a semiconductor film according to any of claims 1 to 15,
Producing a thin film transistor having the semiconductor film in an active region;
A method for manufacturing a semiconductor device including:
前記活性領域は、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とを含み、
前記薄膜トランジスタを作製する工程は、前記低触媒濃度領域に少なくとも前記チャネル領域を形成する工程を包含する、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
The active region includes a channel region, a source region, and a drain region,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 16 , wherein the step of manufacturing the thin film transistor includes a step of forming at least the channel region in the low catalyst concentration region.
前記薄膜トランジスタを作製する工程は、前記低触媒濃度領域に、前記チャネル領域、前記ソース領域および前記ドレイン領域を形成する工程を包含する、請求項17に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17 , wherein the step of manufacturing the thin film transistor includes a step of forming the channel region, the source region, and the drain region in the low catalyst concentration region. 前記活性領域は、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域と、LDD領域とを含み、
前記薄膜トランジスタを作製する工程は、前記低触媒濃度領域に少なくとも前記チャネル領域と前記LDD領域とを形成する工程を包含する、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
The active region includes a channel region, a source region, a drain region, and an LDD region,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16 , wherein the step of manufacturing the thin film transistor includes a step of forming at least the channel region and the LDD region in the low catalyst concentration region.
前記薄膜トランジスタを作製する工程は、前記低触媒濃度領域に、前記チャネル領域、前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記LDD領域を形成する工程を包含する、請求項19に記載の半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 19 , wherein the step of manufacturing the thin film transistor includes a step of forming the channel region, the source region, the drain region, and the LDD region in the low catalyst concentration region.
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US7791172B2 (en) * 2007-03-19 2010-09-07 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Nonvolatile semiconductor memory device
CN108649073A (en) * 2018-06-22 2018-10-12 重庆平伟实业股份有限公司 Power semiconductor
US20210074653A1 (en) * 2019-09-09 2021-03-11 Thin Film Electronics Asa Barriers for Flexible Substrates and Methods of Making the Same
CN117438297B (en) * 2023-12-18 2024-02-27 合肥晶合集成电路股份有限公司 Semiconductor device and preparation method thereof

Cited By (2)

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