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JP4360826B2 - Semiconductor film and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP4360826B2
JP4360826B2 JP2003119621A JP2003119621A JP4360826B2 JP 4360826 B2 JP4360826 B2 JP 4360826B2 JP 2003119621 A JP2003119621 A JP 2003119621A JP 2003119621 A JP2003119621 A JP 2003119621A JP 4360826 B2 JP4360826 B2 JP 4360826B2
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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;以下、「TFT」と略すことがある)等に利用される半導体膜及びその製造方法に関し、さらにその半導体膜を用いて構成される半導体装置に関する。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ている。また、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膜を用いて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膜を得る方法として、本発明者らは、非晶質半導体膜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。概略は、ゲッタリング機能を有するゲッタリング領域を形成し、そこに触媒元素を移動させることにより、半導体装置の活性領域(半導体層)における触媒元素濃度を低減させるものが主であるが、このときの半導体層とゲッタリング領域との関係において、以下の3つの手法に分けられる。
【0007】
▲1▼結晶質半導体膜中において、半導体層となる領域以外の領域にゲッタリング領域を形成し、そこに触媒元素を移動させる。
【0008】
▲2▼半導体層内にゲッタリング領域を形成し、そこに触媒元素を移動させることで、半導体層内で特に触媒元素の残留が問題となるところ(チャネル領域等)のみをゲッタリングする。
【0009】
▲3▼結晶質半導体膜の状態で、その上面にゲッタリング層を形成し、膜面に対して垂直方向に触媒元素を移動させる。
【0010】
これらの方法の中で、上記▲1▼の方法では、結晶質半導体膜において、半導体層以外の領域をゲッタリング領域として機能させるために、ゲッタリング効果を有する元素(ゲッタリング元素)の選択的な導入を行う必要がある。したがって、そのときのマスクを形成するためのフォトリソ工程や、ゲッタリング元素を導入するためのドーピング工程等が増え、製造コストの増大と製造歩留まりの低下をもたらす。また、半導体層以外の領域に触媒元素を移動させるため、触媒元素の移動に必要な距離(ゲッタリング距離)が延び、ゲッタリング移動のための加熱処理に長時間が必要となる。この場合、装置のタクトタイムが延び製造コストが上がるだけでなく、大型ガラス基板等では基板の熱的変形が対応できないレベルとなり、製造することさえ困難となる。
【0011】
また、上記▲2▼の方法では、例えばソース・ドレイン領域をゲッタリング領域として利用することで、ゲッタリングのための工程を追加する必要がなく、製造工程を簡略化することはできる点でメリットは大きい。しかしながら、このときのドーピング工程はソース・ドレイン領域としての条件とゲッタリングとを両立する必要があり、プロセス的なマージンが非常に小さくなる。また、ゲッタリングのための熱処理は半導体層形成後となるため、ガラス基板におけるシュリンクの問題が大きく、ゲッタリングに十分な加熱処理を行うことは難しい。したがって、この方法では、半導体層形成後のプロセスの自由度がゲッタリングのために大きく制限され、各工程の条件マージンが少ないものとなる。
【0012】
これらの方法に対して、前記▲3▼の方法では、結晶質半導体膜が基板全面に形成された状態(最初のフォトリソ工程前の段階)で、垂直方向にゲッタリングを行うものであるから、ゲッタリングのための付加工程は一部必要なものの、ゲッタリングの熱処理条件は、ガラス基板のシュリンクにかかわらず設定でき、十分な熱処理が可能である。また、必要なゲッタリング距離も、結晶質半導体膜の膜厚方向のみで済む。さらに、結晶質半導体膜の状態でゲッタリングを完了できることから、後の工程では、ゲッタリング工程を考えることなく自由度の高いプロセスを構築することができる。このような観点から、上記▲3▼の方法のメリットは大きい。
【0013】
この▲3▼の方法を利用したゲッタリング方法が、特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に記載されている。
【0014】
特許文献1では、SOI基板を用い、触媒元素により結晶化された単結晶ケイ素膜に対して、その表面を熱酸化することにより、酸化膜中へと触媒元素を移動させる方法を開示している。その後、熱酸化により形成された酸化膜を除去することにより、単結晶ケイ素膜のゲッタリングが完了する。特許文献1では、このときの酸化雰囲気としては、ハロゲン元素を含んだ雰囲気であり、その作用で触媒元素が気化し除去されると共に、熱酸化膜中に移動されゲッタリングされるとしている。
【0015】
また、特許文献2および特許文献3では、触媒元素により結晶化された半導体膜上にバリア層を形成し、さらにその上に第2の半導体膜とゲッタリング元素を含む第3の半導体膜(ゲッタリング層)を積層形成した後に、加熱処理を行うことにより、下層の半導体膜からバリア層を通して第2の半導体膜、そして第3の半導体膜へと触媒元素を移動させる方法を開示している。そして、第3の半導体膜/第2の半導体膜/バリア層を除去することで、触媒元素のゲッタリングを行っている。このとき、特許文献2では、ゲッタリング元素として希ガス元素を用い、第3の半導体膜には希ガス元素を含んでいる。また、特許文献3では、ゲッタリング元素として一導電型の不純物(リン等)を用い、第3の半導体膜には一導電型の不純物を含んでいる。これらの特許文献では、第2の半導体膜を設けているが、これは、第3の半導体層に含まれるゲッタリング元素が、触媒元素により結晶化された第1の半導体膜へ拡散するのを防止する目的で設けられ、場合によっては無くてもよい。
【0016】
【特許文献1】
特開平10−64817号公報
【特許文献2】
特開2002−246394号公報
【特許文献3】
特開2002−246395号公報
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1〜3に開示されているゲッタリング技術では、未だ十分とは言えず、何点かの課題を抱えている。
【0018】
まず、第1に、特許文献1では、ゲッタリング効果が十分でなく、触媒元素の残留量を十分には低減できていないという根本的な問題がある。本発明者らが、実際に確認を行ったところ、特許文献1に記載される方法では、ゲッタリング後の結晶質半導体膜中の触媒元素は、当初の1/3程度にしか低減できていない。この理由は、酸化膜中の触媒元素(代表的にはニッケル)の拡散係数は、半導体膜中の拡散係数よりも3桁以上小さな値であるため、拡散移動して酸化膜中に取り込まれることはなく、主なゲッタリング作用は、酸化雰囲気時のハロゲン元素の作用により、NiCl2やNiF2のような形態となって気化しているものと考えられる。このような反応系では、膜表面に対しては一定の効果はあるが、半導体膜全体に対して触媒元素濃度を低減するのは難しい。さらに、このような反応を十分に進めるためには、1000℃以上の高温が必要で、ガラス基板が使用できるようなプロセスではない。
【0019】
また、その他の問題点として、特許文献1の方法では、触媒元素により結晶化された半導体膜に対して直接的に熱酸化を行っているが、触媒元素により結晶化された半導体膜中には、触媒元素はシリサイド化合物(例えばNiSi2)として局所的に存在している。シリサイド化合物は、半導体膜に対して酸化レートが早いため、その領域で局所的に酸化が進み、熱酸化膜を除去する段階で、半導体膜にピット(小穴)が生じるという問題がある。このピットの大きさは、大きいものでは数μm以上もあり、TFTの半導体層がこれによって断線するような場合も発生している。したがって、特許文献1の方法では、このように多くの課題があり、特に、安価で大型のガラス基板を用いるようなTFTプロセスで実施することは到底できないものであった。
【0020】
これに対して、特許文献2あるいは特許文献3を用いた場合、半導体膜中の触媒元素濃度は、ガラス基板が使用できるような温度域で、当初の1/1000以下にまで低減できることが確認できており、ゲッタリングの能力としては、非常に優れている。しかしながら、製造方法、歩留まり的な観点で多くの問題点を抱えていることがわかった。
【0021】
まず、第1にバリア層の膜質・膜厚・形成方法に関する問題点を説明する。バリア層は上層のゲッタリング膜のエッチングストッパーの目的で設けられるが、触媒元素は、このバリア層を通って上層のゲッタリング膜へと移動することになる。バリア層としては、極薄の酸化膜が用いられる。しかし、酸化膜における触媒元素の拡散は極めて遅いため、この酸化膜を緻密かつ厚くすると触媒元素が上層へと移動できなくなる。逆に、ポーラスで薄い膜を用いると、エッチングストッパーとして機能せず、上層のゲッタリング層のエッチング時に、下層の半導体膜までエッチングされてしまうことになる。この条件が非常に難しく、且つ不安定な状態を必要とするため、十分なプロセスマージンをもって制御できず、歩留まり的に大きな問題となる。また、最適な条件で設定できても、ゲッタリング移動のための熱処理条件は、最も拡散移動速度の遅いバリア層(酸化膜)によって決まり、ゲッタリング距離が半導体膜の厚さ分で済むにもかかわらず、長時間の熱処理が必要となる。
【0022】
また、第2の問題として、ゲッタリング層のピーリング(膜剥がれ)が非常に起こり易い点がある。下地のバリア層が膜としては中途半端な状態であるため、上層のゲッタリング層との密着性を高めるのが困難となる。ゲッタリング層においてピーリングによる微小穴があると、エッチング液がそこから下層の半導体膜をエッチングし、半導体膜にも小穴が生じるため、製造歩留まりを低下させる原因となる。ゲッタリング層におけるダストも同様の作用を与えるため、密着性は高いがダストの多いスパッタリング膜を用いるにも問題がある。
【0023】
第3の問題点としては、ゲッタリング層のエッチングにおけるエッチング残渣の問題である。ゲッタリング層とバリア層との間には、非常に高い選択比が要求されるため、エッチング液としては通常利用しない強アルカリ液を用いている。この強アルカリによるケイ素膜のエッチングは不安定で、エッチング途中にわずかでも酸化成分が増えるとエッチング作用が停止したり、液の揺動によりエッチングレートが大きく異なることがわかっている。このような結果、ケイ素膜を主成分とするゲッタリング層では、エッチング残渣が非常に生じ易い。対策として、エッチング時間を延長すると、バリア層がダメージを受け、下層の半導体層もエッチングされることになり、単純に時間延長では解決できない。ゲッタリング層のエッチング残渣があると、その領域ではTFT半導体層のチャネル面がゲッタリング層で形成されることになり、到底正常な電気特性は望めない。
【0024】
よって、特許文献2あるいは特許文献3の技術を用いると、高性能なTFT素子は一部確率的に作製できても、製造プロセスマージンが極めて小さく、その結果不良率が高くなる。従って、これらの技術をTFT素子の量産に適用することは困難である。
【0025】
そこで、本発明は上記の問題を鑑み、触媒元素の含有量が十分に低減された、信頼性の高い結晶質半導体膜、およびそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。また、そのような半導体膜を、製造工程や製造コストを増やすことなく簡便に製造する方法を提供することを目的とする。
【0026】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体膜は、複数の結晶ドメインを有する半導体膜であって、前記複数の結晶ドメインは、結晶の〈111〉晶帯面が配向した領域で主に構成され、前記半導体膜の表面の高さは、前記複数の結晶ドメインのそれぞれによって異なることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【0027】
ある好ましい実施形態において、前記〈111〉晶帯面が配向した領域のうちの50%以上が、(110)面配向または(211)面配向した領域である。
【0028】
前記複数の結晶ドメインのドメイン径は、2μm以上10μm以下であることが好ましい。
【0029】
ある好ましい実施形態において、前記半導体膜の少なくとも一部には、非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素が含まれている。
【0030】
前記触媒元素は、化合物として析出せず、前記半導体膜に固溶した状態で存在していることが好ましい。
【0031】
好ましくは、前記触媒元素は、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、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)および金(Au)からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。
【0032】
前記触媒元素は、1×1014atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下の濃度で前記半導体膜の少なくとも一部に含まれることが好ましい。
【0033】
前記半導体膜は、ケイ素(Si)を主成分として形成されていてもよい。
【0034】
ある好ましい実施形態において、前記触媒元素は、シリサイド化合物を形成することにより、非晶質半導体膜の結晶化を促進する。
【0035】
前記半導体膜の厚さは、25nm以上80nm以下であることが好ましい。
【0036】
本発明の半導体膜の製造方法は、(1)非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含み、かつ結晶質領域を有する第1半導体膜を用意する工程と、(2)前記第1半導体膜上に接する第2半導体膜を設ける工程と、(3)前記第1半導体膜に第1の加熱処理を施すことにより、前記第1半導体膜中に存在する前記触媒元素を、前記第2半導体膜へ移動させる工程と、(4)前記第2半導体膜を酸化する工程と、(5)前記酸化された第2半導体膜を除去する工程とを包含することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【0037】
ある好ましい実施形態において、前記工程(1)は、(1a)前記触媒元素を含有する非晶質半導体膜を用意する工程と、(1b)前記非晶質半導体膜に第2の加熱処理を施すことにより、前記第1半導体膜とする工程とを含む。
【0038】
好ましくは、前記工程(1)と前記工程(2)との間に、前記第1半導体膜の表面に形成された自然酸化膜を除去する工程をさらに含む。
【0039】
前記第2半導体膜は非晶質状態であることが好ましい。
【0040】
前記第2半導体膜は、前記触媒元素を引き寄せるゲッタリング元素を含有することが好ましい。
【0041】
前記ゲッタリング元素は、Ar、KrおよびXeからなる群から選ばれた少なくとも一種の希ガス元素を含んでもよい。
【0042】
前記ゲッタリング元素は、P、AsおよびSbからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を含んでもよい。
【0043】
前記ゲッタリング元素は、P、AsおよびSbからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素と、BおよびAlからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素とを含んでもよい。
【0044】
前記工程(3)は、前記第2半導体膜の非晶質状態を保ちながら前記第1の加熱処理を行う工程を含むことが好ましい。
【0045】
前記工程(4)は、前記第2半導体膜に対して、酸化性ガス雰囲気下にて第3の加熱処理を施す工程を含んでもよい。
【0046】
前記第3の加熱処理工程は、1気圧を超える高圧雰囲気下で行ってもよい。
【0047】
前記第3の加熱処理工程は、前記第2半導体膜の表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付ける高速熱アニール(RTA)を含んでもよい。
【0048】
前記第3の加熱処理工程の前記酸化性ガスとして、水蒸気を用いてもよい。
【0049】
ある好ましい実施形態において、前記第2半導体膜の厚さは、前記第1半導体膜の厚さの1/10以上2倍以下の範囲内である。
【0050】
ある好ましい実施形態において、前記工程(2)は、前記第1半導体膜の表面を水素を含むプラズマ雰囲気に曝す工程と、前記プラズマ雰囲気に曝された前記第1半導体膜を大気に曝すことなく、前記第1半導体膜上に前記第2半導体膜を形成する工程とを含む。
【0051】
ある好ましい実施形態において、前記工程(4)では、前記第2半導体膜に加えて、その下層の第1半導体膜の一部も酸化され、前記工程(5)では、前記酸化された前記第2半導体膜に加えて、酸化された前記第1半導体膜の前記一部も除去される。
【0052】
前記工程(4)において、第1半導体膜における半導体原子の不対結合手の量が低減されることが好ましい。
【0053】
前記工程(3)の前記第1の加熱処理工程と前記工程(4)の前記第3の加熱処理工程とを連続して行ってもよい。
【0054】
前記第1の加熱処理と前記第3の加熱処理とを同時に行ってもよい。
【0055】
前記工程(5)は、前記第2半導体膜を、フッ化水素を有する酸を用いて湿式方式のエッチングで除去する工程を含んでもよい。
【0056】
ある好ましい実施形態において、前記工程(1a)は、非晶質半導体膜を形成する工程と、前記非晶質半導体膜の表面に前記触媒元素を含む溶液を塗布することによって、前記触媒元素を含有する第1半導体膜を形成する工程とを含む。
【0057】
好ましくは、前記工程(1a)は、非晶質半導体膜の一部に選択的に前記触媒元素を添加することにより前記触媒元素を含有する非晶質半導体膜を得る工程を含み、前記工程(1b)は、前記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前記非晶質半導体膜を横方向に結晶成長させることにより、前記第1半導体膜を得る工程を含む。
【0058】
前記触媒元素として、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、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)および金(Au)からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を用いることが好ましい。
【0059】
前記工程(1b)と前記工程(2)との間に、前記第1半導体膜にレーザー光を照射する工程を行ってもよい。
【0060】
本発明の他の半導体膜は、上述した製造方法により作製される。
【0061】
本発明の半導体装置は、上述した半導体膜を活性領域として構成される。
【0062】
本発明の他の半導体装置は、上述した半導体膜を活性領域(半導体層)とした薄膜トランジスタ(TFT)を含む。
【0063】
本発明の電子機器は、上述した半導体装置を備える。
【0064】
本発明の他の電子機器は、複数の画素で構成される表示部を有し、前記複数の画素に上述した半導体装置を介して表示信号が供給される。
【0065】
【発明の実施の形態】
本実施形態では、非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含有する第1の非晶質半導体膜を用意する第1の工程と、第1の非晶質半導体膜に、第2の加熱処理を施し、結晶質を有する半導体膜とする第2の工程と、結晶質を有する半導体膜上に接するように、第2の半導体膜を設ける第3の工程と、第1の加熱処理を行い、結晶質を有する半導体膜中に存在する触媒元素を、第2の半導体膜へと移動させる第4の工程と、第2の半導体膜を酸化する第5の工程と、酸化された第2の半導体膜を除去する第6の工程とを少なくとも含んでいる。ここで、結晶質を有する半導体膜は、触媒元素濃度が低減され、後に半導体装置の半導体層(活性領域)等に利用できる。第2の半導体膜は前述のゲッタリング層として機能する。
【0066】
第2の工程と第3との工程の間に、結晶質を有する半導体膜表面の自然酸化膜を除去する工程を含むことが好ましい。
【0067】
すなわち、本実施形態では、従来法で問題となっていたバリア層を設けずに、結晶質を有する半導体膜上の自然酸化膜を除去し、それに接するように第2の半導体層を設ける。これにより、バリア層における課題が解決でき、ゲッタリング層(第2の半導体膜)への触媒元素の移動がスムーズに行われ、ゲッタリング能力が上がり、ゲッタリングのための熱処理時間が短縮化できる。且つ、上層の第2の半導体膜の成膜時においても下層との密着性が増し、ピーリングが発生しない条件マージンが格段に拡がる。そして、ゲッタリング層(第2の半導体膜)を酸化し除去することで、ムラの無い選択的なエッチングができ、前述の強アルカリによるエッチングを用いた場合に問題となるようなエッチング残渣の問題も生じない。
【0068】
また、ゲッタリング層に触媒元素を移動し、ゲッタリング層を酸化して除去する訳であるから、下層の結晶質半導体膜においては膜中の触媒元素濃度が十分に低減された後の酸化工程となり、特許文献1に見られるような酸化に伴う問題点(ゲッタリング能力の低さやシリサイドの局所酸化による小穴)も生じない。また、酸化工程は、ハロゲン元素による反応でなく、酸化のみを目的とするため、ガラス基板が使用可能な温度域で処理が可能である。
【0069】
本実施形態においては、ゲッタリング層として作用する第2の半導体膜は、非晶質状態であることが望ましい。そして、第4の工程において、第1の加熱処理は、第2の半導体膜の非晶質状態を保ちながら行われることが望ましい。
【0070】
また、第2の半導体膜は、触媒元素を引き寄せる効果をもつゲッタリング元素を含有することが好ましい。ゲッタリング元素は、例えばAr、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素である。あるいは、ゲッタリング元素は、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に属する元素であってもよい。あるいは、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用いることもできる。
【0071】
ゲッタリングによる触媒元素の移動メカニズムは、ゲッタリング層における触媒元素の偏析係数を高め、その力を利用して下層の結晶質半導体膜から触媒元素を移動させる。触媒元素により結晶化された下層の結晶質半導体膜では、全てが半導体膜中に固溶した状態で存在しているのではなく、大部分は半導体化合物として析出して存在しており、結晶質半導体膜中で触媒元素の固溶度以下においてゲッタリング層へとニッケルの拡散移動が行われ、結晶質半導体膜中に析出していた触媒元素の半導体化合物が固溶し、消失していくことによりゲッタリングが行われる。
【0072】
このときのゲッタリング層における触媒元素の偏析係数を高めるメカニズムとして、触媒元素に対する固溶度を下層の半導体膜より上げて、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。前述のように、ゲッタリング層として作用する第2の半導体膜を非晶質状態とすることで、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。そして、ゲッタリング移動のための第1の加熱処理を第2の半導体膜の非晶質状態を保ちながら行うことで、加熱処理の全期間にわたって、ゲッタリング層は高いゲッタリング能力を維持でき、結果として下層の結晶質半導体層の触媒元素濃度をより低減できる。この加熱処理の途中でゲッタリング層が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、一旦移動させた触媒元素が逆流することもある。
【0073】
また、ゲッタリング層である第2の半導体膜に、ゲッタリング効果をもつゲッタリング元素を含有させることで、第1あるいは第2のゲッタリング作用をより高められる。このときゲッタリング元素の種類や組合せにより、その作用は異なることがわかっている。
【0074】
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た場合、ゲッタリング層中にこれらの希ガス元素が存在する場所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層に含まれる希ガス元素の濃度としては、1×1019atoms/cm3以上3×1021atoms/cm3以下の範囲内であれば、十分なゲッタリング効率が得られる。
【0075】
また、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に属する元素を用いた場合には、ゲッタリング層における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。このときのゲッタリング層に含まれるこれら不純物元素の濃度としては、1×1019atoms/cm3以上1×1021atoms/cm3以下の濃度の範囲内であれば、十分なゲッタリング効率が得られる。
【0076】
さらに、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と、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。ゲッタリング層に例えばリンだけでなく、ホウ素も含有させると、ゲッタリングメカニズムが変わり、リンのみの場合には、下層の結晶質半導体膜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、逆にゲッタリング層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。このときのゲッタリング層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1×1019atoms/cm3以上1×1021atoms/cm3以下の濃度、周期表第3族Bに属する元素は1.5×1019atoms/cm3以上3×1021atoms/cm3以下の濃度の範囲であることが望ましく、この範囲内であれば、高いゲッタリング効率が得られる。
【0077】
また、本実施形態において、ゲッタリング層となる第2の半導体膜を設ける第3の工程は、下層の結晶質を有する半導体膜表面を水素を含むプラズマ雰囲気に曝し、その後、大気中に出すことなく、結晶質を有する半導体膜上に第2の半導体膜が形成されることが好ましい。下層の結晶質半導体膜の表面には、フッ化水素酸による処理後も、その滞留時間等の影響により若干の自然酸化膜が形成されている。このような状態でゲッタリング層を成膜すると、ゲッタリング層のピーリングの原因となり、また、ゲッタリング効率が低下する。よって、自然酸化膜を完全に取り除くためには、ゲッタリング層の成膜前に水素を含むプラズマ雰囲気に曝すことが有効であり、これにより自然酸化膜はエッチング除去される。また、プラズマプロセスであるため、その後大気中に出すことなく連続してゲッタリング層を成膜することができる。
【0078】
次に、本実施形態における第5の工程は、第2の半導体膜に対して、酸化性ガス雰囲気下にて第3の加熱処理を施すことにより行うことができる。このとき、酸化性ガス雰囲気下における第3の加熱処理は、1気圧を超える高圧雰囲気下で行われるとよい。あるいは、酸化性ガス雰囲気下における第3の加熱処理は、第2の半導体膜の表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付ける高速熱アニール(RTA)により行われてもよい。また、第3の加熱処理の酸化性ガスとして、水蒸気を用いることが好ましい。
【0079】
本実施形態では、ゲッタリング層である第2の半導体膜を酸化し除去することを目的としているため、少なくとも第2の半導体膜全体を酸化する必要がある。本実施形態における第2の半導体膜の厚さは、第1の非晶質半導体膜(結晶質を有する半導体膜)の厚さの1/10以上2倍以下の範囲内であることが望ましい。本実施形態における第1の非晶質半導体膜の厚さとしては、結晶成長の観点から25nm以上80nm以下の範囲であることが望ましく、これに対して、1/10以上であれば、ゲッタリング層において、本実施形態で必要とされるゲッタリング能力が確保できる。また、2倍以下であれば、酸化により除去する際の下層の結晶質半導体膜のエッチングダメージや不均一な膜減りを問題ない程度に抑えることができる。しかしながら、より最適には、第2の半導体膜の厚さは、第1の非晶質半導体膜の厚さの1/5以上かつ等倍以下で、実質10nm以上50nm以下である。
【0080】
すなわち、本実施形態では、このような範囲のある程度の膜厚を有する第2の半導体膜を酸化する必要があるため、酸化性ガス雰囲気下で加熱処理を行う、所謂熱酸化処理を行うのが望ましい。しかしながら、このとき、ガラス基板の耐熱性を考えると、従来法のように高温で処理する熱酸化方法を使用することはできない。
【0081】
本実施形態では、1気圧を超える高圧の酸化性ガス雰囲気下で熱酸化処理を行うことで、酸化性ガスの反応性を高め、より低温で短時間で熱酸化することができる。このときの酸化反応の速度は、圧力に比例して高まるため、より高く設定されることが望ましいが、製造装置面での安全性の問題もあり、5気圧以上15気圧以下の範囲内であることが望ましい。また、この場合の加熱処理条件として、温度が550℃以上600℃以下で、処理時間が約10分以上2時間以内であることが望ましい。
【0082】
また、本実施形態における他の熱酸化方法として、第2の半導体膜の表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付ける高速熱アニール(RTA)を用いることも有効である。この方法では、基板全体を瞬時に酸化反応性の高い高温域へと昇温し、高温に加熱された酸化性ガスを直接的にゲッタリング層表面に吹き付けることで短時間で必要な酸化処理が行える。その後、急速降温させることで、ガラス基板に大きな熱的な変形を生じさせることなく、処理が可能である。このときの熱処理条件として、温度が650℃以上800℃以下で、処理時間が約5分以上20分以内であることが望ましい。また、このときの昇温及び降温速度としては、共に100℃/分以上であることが望ましい。
【0083】
また、以上述べた本実施形態の2通りの熱酸化方法において、使用される酸化性ガスとしては、酸化反応性が高いことが求められ、このような理由から水蒸気が最も望ましい。他にも、オゾンガス等が使用可能である。
【0084】
本実施形態では、第2の半導体膜を酸化する第5の工程で、第2の半導体膜に加えて、その下層の結晶質を有する半導体膜の一部も酸化されてもよい。この場合、酸化された第2の半導体膜を除去する第6の工程では、酸化された第2の半導体膜に加えて、その酸化された結晶質を有する半導体膜の一部を除去することができる。すなわち、ゲッタリング層である第2の半導体膜のみでなく、下層の結晶質半導体膜にも酸化が一部進行してもよい。この場合、酸化された部分が除去されることで、ゲッタリング層のみでなく、下層の結晶質半導体膜の表面の近傍の層が除却され、膜厚が当初より薄くなる。
【0085】
ゲッタリング層と下層の結晶質半導体層では、共に同一の半導体成分であり、酸化速度の違いはほとんどない。前述のように、ゲッタリング層である第2の半導体膜を非晶質状態として保つことで、結晶質と非晶質との構造の違い(非晶質状態の方が酸化速度は大きい)を利用して、ある程度の酸化速度の差異を出すことができるため、このような状態とすることは有用ではある。しかしながら、ゲッタリング層が酸化不十分で完全に除去されることなく、結晶質半導体膜上に残った場合の方が大きな問題となるため、酸化処理は第2の半導体膜全体に加え、下層の結晶質半導体膜の上側一部まで進行させる方が、製造プロセスマージンの観点からは望ましい。
【0086】
本実施形態では、第2の半導体膜を酸化する第5の工程において、その下層の結晶質を有する半導体膜における半導体原子の不対結合手の量を低減することが可能である。すなわち、第2の半導体膜の酸化工程により、第2の半導体膜中で半導体原子が過剰となり、それが下層の結晶質半導体膜へ拡散し、不対結合手(ダングリングボンド)と結合することで、それをターミネートする訳である。このように、本実施形態では、結晶質半導体膜の結晶性を向上させる作用を、ゲッタリングと兼ねて行うことができる。
【0087】
また、本実施形態では、第1の加熱処理と、第2の半導体膜を酸化するための第3の加熱処理とは、連続して行われることが好ましい。このようにすることで、第2と第3の加熱処理は、実質一回の加熱処理となり、製造プロセスの短縮及び製造装置のタクトタイム向上のメリットだけでなく、工程を別々に行った場合に比べ、工程間に付着するダストを無くすことができ、製造歩留まりを向上できる。さらには、第1の加熱処理と、第2の半導体膜を酸化するための第3の加熱処理とは、同時に一つの加熱処理として行うことで、さらにトータルの熱処理時間が短縮することができ、プロセスの簡略化、製造装置のタクトタイム改善が図れる。
【0088】
本実施形態では、酸化された第2の半導体膜を除去する第6の工程は、フッ化水素を有する酸を用いた湿式方式のエッチングにて行うことができる。このような方法を用いることにより、酸化された半導体膜と下層の結晶質半導体膜との間で高いエッチング選択比が得られ、結晶質半導体膜のオーバーエッチングによる膜減りやそれによる膜厚バラツキを低減できる。また、下層の結晶質半導体膜表面は、半導体装置においてチャネル面を形成する重要な面となるが、湿式方式であればプラズマ等によるエッチングダメージを与えることなく、良好な状態を保てる。
【0089】
さて、本実施形態において、触媒元素を含有する第1の非晶質半導体膜を用意する第1の工程は、非晶質半導体膜を形成し、その上に触媒元素を含む溶液を塗布することによって行うことが好ましい。本実施形態において第1の非晶質半導体表面に添加される触媒元素の濃度は、1×1011atoms/cm2以上1×1014atoms/cm2以下であることが求められ、これは触媒原子単原子層の1/100以下の濃度となるため、極めて微量制御が求められる。これに対して、非晶質半導体膜に触媒元素を含む溶液を塗布することにより第1の非晶質半導体膜を用意すると、溶液中の触媒元素濃度の調整により、非晶質半導体膜表面に添加される触媒元素濃度を極微量で制御よくコントロールすることができる。
【0090】
また、本実施形態では、典型的には、触媒元素を含有する第1の非晶質半導体膜を用意する第1の工程は、非晶質半導体膜の一部に選択的に触媒元素を添加することで行い、非晶質半導体膜に第2の加熱処理を施す第2の工程では、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、結晶質を有する半導体膜を得る。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良好な結晶質半導体膜を得ることができ、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。
【0091】
さらに、本実施形態においては、第2の工程の後、結晶質を有する半導体膜にレーザー光を照射する工程を行うとよい。本実施形態で得られる結晶質半導体膜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半導体膜は、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わたって単結晶状態に近い良質の結晶質半導体膜が得られ、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。
【0092】
ここで、本実施形態では、好適な触媒元素として、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、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種の元素を用いる。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0.5406nm(5.406オングストローム)であり、結晶シリコンのダイヤモンド構造での格子定数0.5430nm(5.430オングストローム)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、本実施形態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。
【0093】
さて、次に、本実施形態における半導体膜の特徴について述べる。このような製造方法を用いて本実施形態の半導体膜を作製した結果として、本実施形態の半導体膜では、複数の結晶ドメイン(ほぼ同一の結晶面方位領域)で構成された領域を有する半導体膜であって、その結晶ドメインの面配向は主に〈111〉晶帯面で構成され、その膜表面には各々の結晶ドメイン間において高低差(凹凸)が生じている。すなわち、半導体膜の表面の高さは、結晶ドメインのそれぞれによって異なっている。
【0094】
さらに、複数の結晶ドメインの面配向は、〈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%以上の割合が占められている。加えて、結晶ドメインのドメイン径は、典型的には2μm以上10μm以下である。
【0095】
また、本実施形態の半導体膜では、半導体膜の膜中には、非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含んでいる。ここで、半導体膜の膜中に含まれる触媒元素は、典型的には、化合物として析出せず、固溶した状態で存在している。
【0096】
また、このときに本実施形態の半導体膜中に含まれている触媒元素は、好ましくはニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、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)および金(Au)からなる群から選ばれた一種または複数種の元素である。ここで、本実施形態の半導体膜中には、触媒元素が1×1014atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下の濃度で存在していることが好ましい。
【0097】
また、本実施形態の半導体膜は、ケイ素(Si)を主成分とする材料から形成することができる。さらに、触媒元素の化合物は、シリサイドであってもよい。
【0098】
また、本実施形態の半導体膜の厚さは、25nm以上80nm以下の範囲内であることが好ましい。
【0099】
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)あるいは半導体膜表面の影響で、結晶質半導体膜の面配向は、(100)あるいは(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の結晶化時の模式図を図7(A)に示す。図7(A)で、61は下地絶縁体、62は未結晶化領域の非晶質半導体膜、63は結晶質半導体膜、64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。図7(A)に示すように、触媒元素化合物64が結晶成長の最前線に存在し、隣接する非晶質領域62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64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7(A)に示すように〈111〉晶帯面が現れる。
【0100】
また、このときの結晶構造は、触媒元素化合物を先端に位置した複数の柱状結晶により構成されており、個々の柱状結晶の断面形状は、ストレスフリーの状態で80nm角となる。すなわち、半導体膜の膜厚が80nm以下の場合には、膜厚方向には単層の柱状結晶で構成されるが、それ以上であると結晶が二層構造となり、結晶性が悪化する。よって、半導体膜の厚さとしては80nm以下であることが望ましい。逆に半導体膜の厚さが極端に薄い(25nm以下)場合には、結晶成長が起こり難くなることがわかっている。
【0101】
図7(B)には、〈111〉晶帯面を示す。図7(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65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。また、図7(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、本実施形態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。
【0102】
本実施形態により得られた結晶質半導体膜の面方位分布を図8に示す。図8はEBSP(後方散乱電子回折;Electron BackScattereddiffraction Pattern)測定による結果で、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8(A)に示すのは、本実施形態の結晶質半導体膜における面方位分布であり、図8(B)は、図8(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、個々の結晶ドメインの分布を浮かび上がらせたものである。また、図8(C)には、先ほど図8(C)で説明した結晶方位の標準三角形を示す。図8(C)からわかるように、本実施形態による結晶質半導体膜は、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、本実施形態では、半導体膜に含まれる希ガス元素の作用で核発生密度が上がり、図8(B)に示される個々の結晶ドメイン(ほぼ同一の面方位領域)のサイズは、2μm以上10μm以下の範囲で分布する。
【0103】
ここで、本実施形態の半導体膜では、上層にゲッタリング層が存在し、それを酸化し除去することによりゲッタリングが成されて得られるものである。このとき、前述のように、上層のゲッタリング層のみを選択的に酸化し除去するのは困難であり、下層の結晶質半導体膜の表層側も一部酸化し、共に除去する方が製造プロセスマージンの観点からは好ましい。そのため、本実施形態の半導体膜においても、膜表面がある程度酸化され除去されていることが望ましい。このとき、結晶質の半導体膜では、酸化速度が面方位により異なるため、同一の面方域領域である結晶ドメイン間で酸化速度の違いが生じる。その結果、本実施形態の半導体膜では、その膜表面には各々の結晶ドメイン間において酸化量が異なる。そして、それが除去された後、各々の結晶ドメイン間で高低差(凹凸)が生じ、それが本実施形態の半導体膜の一つの特徴となる。このときのドメイン間の高低差は、結晶質半導体膜の表層をどれだけ酸化するか(どれだけ製造マージンをとるか)によって異なるが、1nm以上20nm以下の範囲であることが好ましい。
【0104】
また、本実施形態の半導体膜では、非晶質半導体膜に触媒元素を導入し結晶化させることにより得られるものであるため、ゲッタリングが行われても、半導体膜中の触媒元素濃度は完全にゼロにはならず、わずかながら残存した触媒元素が存在する。但し、半導体装置としての電気特性に悪影響を与えるのは、結晶成長の際に核となり、結晶成長を牽引した触媒元素半導体化合物である。これらの半導体化合物は局所的に偏析して存在しているが、ゲッタリングにより、結晶質半導体膜中に固溶させ移動させることで、本実施形態で得られる半導体膜においては、膜中に含まれる触媒元素は、化合物として析出せず、固溶した状態で存在している。このときの半導体膜中の触媒元素濃度は、1×1014atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下であり、1×1017atoms/cm3以下であれば、半導体装置の電気特性に悪影響を与えるような触媒元素の半導体化合物の析出を作らない。また、1×1014atoms/cm3がゲッタリング処理により触媒元素濃度を低減できる下限となっている。
【0105】
以下、図1を参照しながら、本発明による半導体膜およびその作製方法の実施形態を説明する。
【0106】
(第1実施形態)
ここでは、ガラス基板上に本発明による半導体膜を作製する方法について説明する。本実施形態の半導体薄膜は、TFTの活性領域やPN接合ダイオード等に利用することができる。図1は、ここで説明する半導体薄膜の作製工程を示す断面図であり、(A)→(G)の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【0107】
図1(A)において、基板101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約10℃〜20℃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101の半導体膜を形成する表面には、基板101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SiH4、NH3、N2O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102として成膜し、その上に同様にプラズマCVD法によりSiH4、N2Oを材料ガスとして第2の下地膜103を積層形成した。このときの第1下地膜102の酸化窒化ケイ素膜の厚さは、25nm以上200nm以下(例えば100nm)とし、第2下地膜103の酸化窒化ケイ素膜の厚さは、25nm以上300nm以下(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、酸化ケイ素膜のみの単層構造でも利用できる。
【0108】
次にプラズマCVD法によって、厚さが25nm以上80nm以下(例えば50nm)の真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)104を成膜する。本実施形態では、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102、第2下地膜103、そしてa−Si膜104の3層を大気中に出すことなく連続して成膜した。このようにすることで、膜界面における汚染やダストの付着を極力抑えることができる。勿論、下地膜102、103およびa−Si膜104の成膜には、前述のプラズマCVD法に限らず、熱CVD法やスパッタリング法等、その他の公知の方法を用いることもできる。また、半導体膜としては、取り扱いの容易さと半導体装置としての特性面から、ケイ素を主成分とする膜を用いるのが望ましいが、他にゲルマニウム膜等も用いることができる。また、a−Si膜104の厚さは、結晶成長の観点から25nm以上80nm以下の範囲であることが望ましい。
【0109】
続いて、a−Si膜104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105を形成する。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)、からなる群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。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−Si104表面をわずかに酸化させてもよい。
【0110】
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a−Si膜104上に形成する手段をとっても良い。この状態が図1(A)の状態に相当する。このようにして添加された図1(A)の状態におけるa−Si104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。このときのa−Si膜表面に添加されるニッケル濃度は、どのような添加方法を用いるにしろ、1×1011atoms/cm2以上1×1014atoms/cm2以下であることが望ましい。この濃度は、ニッケル単原子層の1/100以下の濃度であるため、添加されたニッケルは、a−Si膜上で離散的に存在し、実際には膜状態となっていない。
【0111】
そして、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。この加熱処理は、温度が530℃以上620℃以下で、加熱時間が30分以上8時間以下の条件下で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℃で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105がa−Si膜104中にまず拡散し、続いて、それらが凝集して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、ここでは一般的な炉を用いて加熱処理を行ったが、ランプ等を熱源として用いるRTA(Rapid Thermal Annealing)装置や、基板を枚葉で炉内に挿入することによるRTA装置、高温に加熱された不活性ガスを基板表面に吹き付ける方式のRTA装置等を利用して加熱処理を行ってもよい。このようなRTA法を用いる場合には、650℃以上750℃以下の温度で30秒以上10分以下の加熱処理を行うことが好ましい。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、その結晶ドメイン(ほぼ同一の面方位領域)のドメイン径は、2μm以上10μm以下となっている。この状態が図1(B)に相当する。
【0112】
続いて、図1(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104aにレーザー光106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)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の結晶状態が消失してしまうため、適切な範囲に設定する必要がある。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。
【0113】
本実施形態では、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、窒素雰囲気として、エネルギー密度300mJ/cm2以上500mJ/cm2以下(例えば420mJ/cm2)で照射した。また、ビームサイズは基板101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104a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。
【0114】
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ドメイン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。
【0115】
次に、結晶質ケイ素膜104bをフッ化水素を含む酸で洗浄し、表面の自然酸化膜を除去した後、図1(D)に示すように、直接結晶質ケイ素膜104b上に接するようにゲッタリング層107を形成する。このとき、フッ化水素酸による洗浄後に、結晶質ケイ素膜104b表面に自然酸化膜が再形成されることがあるため、フッ化水素酸の洗浄後、速やかにゲッタリング層107を形成することが望ましい。結晶質ケイ素膜104b上にある程度以上の自然酸化膜が存在すると、ゲッタリング層107のピーリングの原因にもなり、またゲッタリング効率が低下する。
【0116】
ここで、ゲッタリング層107としては、非晶質状態であることが望ましく、またゲッタリング効果を有する元素を含有することが望ましい。本実施形態では、ゲッタリング層107として、代表的ないくつかの形成方法について述べる。第1に、ゲッタリング層107として、希ガス元素(本実施形態ではAr)を含有するa−Si膜を利用する場合には、スパッタリング法あるいはプラズマCVD法を用いることができる。スパッタリング法の場合、シリコンターゲットを用い、スパッタリングガスをArとすることで、ゲッタリングに必要な量のArを含有させることができる。プラズマCVD法では、SiH4ガスとArガスを材料とし、成膜温度および成膜圧力を共に下げる方向で、成膜されるa−Si膜中のAr濃度が増加する。よりAr濃度を上げるには、基板側にも別バイアスを印加する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膜中にAr元素を含ませることができる。本実施形態では、一例として、一般的なプラズマCVD装置を用い、成膜温度を250℃、成膜圧力を20Pa程度とし、膜厚20nmのArを含有するa−Si膜を形成した。このときのa−Si膜中のAr濃度は、5×1019atoms/cm3程度であった。また、Ar以外にも、Kr、Xeが同様に利用できる。また、ゲッタリング層に含まれるこれら希ガス元素の濃度としては、1×1019atoms/cm3以上3×1021atoms/cm3以下の範囲内であることが好ましい。
【0117】
第2に、ゲッタリング層107として、周期表第5族Bに属する元素(本実施形態ではP)を含有するa−Si膜を利用する場合には、プラズマCVD法を用い、シラン(SiH4)とフォスフィン(PH3)とを材料ガスとして成膜することで、容易にPを含んだa−Si膜が得られる。このときのa−Si膜中におけるPの含有量は、PH3ガスとSiH4ガスとの流量比によってコントロールできる。また、P以外に、As、Sbが利用でき、ゲッタリング層に含まれるこれら元素の濃度は、1×1019/cm3以上1×1021/cm3以下の範囲内であればよい。
【0118】
第3に、ゲッタリング層107として、前述の周期表第5族Bに属する元素(本実施形態ではP)に加え、周期表第3族Bに属する元素(本実施形態ではB)を共に含有するa−Si膜を用いることで、よりゲッタリング能力は高められる。この場合には、プラズマCVD法を用い、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。そして、PH3ガスとSiH4ガス及びB26ガスとの流量比によって、同様にa−Si膜中におけるP及びBの含有量をコントロールできる。このとき、B以外に、Alが利用でき、ゲッタリング層に含まれるこれら元素の濃度は、1.5×1019/cm3以上3×1021/cm3以下の範囲内であればよい。
【0119】
ゲッタリング層107の成膜前には、水素を含む雰囲気で結晶質ケイ素膜104b表面にプラズマ処理を施し、その後連続して成膜することが望ましい。本実施形態のようにプラズマCVD装置でゲッタリング層を成膜する場合には、材料ガスを切り替えるだけで容易に水素プラズマ処理が行え、その後、大気中に曝すことなく連続してゲッタリング層の成膜が行える。
【0120】
また、ゲッタリング層107の膜厚は、結晶質ケイ素膜104bの膜厚の1/10から2倍の範囲内であることが望ましく、最適には1/5から等倍である。本実施形態では、結晶質ケイ素膜の膜厚を50nmとしているので、ゲッタリング層の厚さは5nm以上100nm以下であることが望ましく、特に10nm以上50nm以下であることが最適である。本実施形態では、ゲッタリング層107の厚さを20nmとした。
【0121】
そして、これを不活性雰囲気下にて第1の加熱処理を行なう。このときの加熱処理方法としては、一般的な炉アニールと高速熱アニール(RTA)を用いることができる。このとき、炉アニールの場合は、500℃以上600℃以下の温度で15分以上4時間以内、RTAの場合は本実施形態では、600℃以上750℃以下の温度で約30秒以上15分以内の加熱処理を行えばよい。本実施形態では、例えば窒素雰囲気にてRTA処理を施した。このときのRTAの条件としては、基板を400℃程度に余熱した状態から、50℃/分以上300℃/分以下の昇温速度で昇温し、例えば670℃の温度で3分の加熱処理を行った。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RTA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101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。
【0122】
本実施形態で使用したRTA装置の構成を図9に示す。石英チューブ802の上方にヒーター803がゾーン別に設置されている。804は石英シャワープレートで、805が基板ステージとなる。基板ステージ805はピン支持で基板801を支えることで、基板からの熱のやりとりを無くし、基板801の熱容量のみで瞬時加熱が行えるように工夫してある。基板ステージ805は、支柱フランジ806に支えられており、それが矢印809のように上下することによって加熱が行われる。807は、チャンバーを密閉するためのOリングである。石英チューブ上部より窒素ガス808が導入され、シャワープレート804上の溜り部で拡散し加熱され、シャワープレートを通して均一に基板801表面に吹き付けられる。基板801の昇降速度は、基板ステージの上下(矢印809の)速度によりコントロールされる。
【0123】
この加熱処理により、ゲッタリング層107が下層の結晶質ケイ素膜104b中のニッケルを、図1(E)の矢印108に示すように上方向に向かって移動させる。このゲッタリング工程では、まず、結晶質ケイ素膜104b中に固溶しているニッケルがゲッタリング層107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107に移動していき、結晶質ケイ素104b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、結晶質ケイ素膜104cが得られる。その結果、結晶質ケイ素膜204c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104c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。
【0124】
続いて、図1(F)に示すように、ゲッタリング層107を酸化性ガス雰囲気で加熱処理することにより酸化し、酸化ケイ素膜109とする。このときの酸化処理としては、1気圧を超える比較的高圧の酸化性ガス雰囲気下での加熱処理や、ゲッタリング層107表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付けるRTA処理を用いることができる。このときの酸化性ガスとしては、酸化反応性の高さと安全性の面から水蒸気が最適である。前者の方法では、炉内を5気圧から15気圧の範囲内に水蒸気で加圧し、550℃以上600℃以下で約10分以上2時間以内の加熱処理を行えばよい。また、後者の方法では、高温に加熱された水蒸気ガスを直接的にゲッタリング層表面に吹き付け、650℃以上800℃以下で約5分以上20分以内のRTA処理を行えばよい。このときの昇温及び降温速度としては、共に100℃/分以上であることが望ましい。
【0125】
本実施形態では、図9に示すRTA装置を用い、ゲッタリング層107の酸化を行った。導入ガス808を水蒸気とし、基板を400℃程度に余熱した状態から、100℃/分以上300℃/分以下の昇温速度で昇温し、例えば720℃の温度で10分の加熱処理を行った。これにより、膜厚20nmのゲッタリング層107は酸化され、酸化ケイ素膜109となる。このとき、下層の結晶質ケイ素膜104cもその表層が10nm程度酸化され、膜厚が40nmの結晶質ケイ素膜104dとなった。また、この工程中に、ゲッタリング層107及び結晶質ケイ素膜104cの表層一部の酸化により、過剰のケイ素原子が生じ、それが結晶質ケイ素膜104cへと拡散し、不対結合手(ダングリングボンド)と結合することで、それをターミネートする。その結果、得られる結晶質ケイ素膜104dは、欠陥密度が低減され、より結晶性の高いものとなる。また、結晶質ケイ素膜104dの表面には、結晶方位による酸化速度の違いから、結晶ドメイン間で凹凸が生じており、その高低差は、約2nm以上5nm以下であった。
【0126】
本実施形態では、先ほどの窒素雰囲気におけるゲッタリングのための加熱処理と水蒸気による酸化処理を図9に示す装置を用い、連続して行うことも可能であり、有効である。このときは、RTA処理中に窒素ガスから水蒸気ガスに連続的に切り替えることで、容易に連続処理できる。また、高圧雰囲気での酸化に対しても、同様に雰囲気ガスを切り替えることで、ゲッタリングの熱処理との連続処理は可能である。さらには、加熱条件を最適化することで、水蒸気雰囲気下の加熱処理にてゲッタリングと酸化とを同時に/連続して行うこともできる。
【0127】
そして、酸化ケイ素膜109を全面的にエッチング除去する。このときのエッチャントとしては、十分に下層の結晶質ケイ素膜104dとエッチング選択性のある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。
【0128】
以上の工程により、図1(G)に示すように、本発明による半導体膜(結晶質ケイ素膜)104dを得る。
【0129】
図2(A)は、上述した方法によって得られた半導体膜の模式的な平面図である。図2(A)に示すように、半導体膜は複数のドメイン10を有している。各ドメイン10はドメイン境界11で隣接するドメインと接している。
【0130】
図2(B)は、図2(A)の半導体膜のA−A’断面図である。図2(B)では、基板12の上に下地膜15および半導体膜16が順次積層されている。下地膜15は、ここでは、第1下地膜13と第2下地膜14(いずれも酸化窒化ケイ素膜)とから構成されている。図2(B)からわかるように、各ドメイン10は、それぞれ異なる表面の高さを有しているため、半導体膜16の表面はドメイン10の形状に対応した凹凸を有する。このようにドメイン毎に表面の高さが異なる理由は、前述したように結晶方位によって酸化速度が異なるためである。
【0131】
(第2実施形態)
次に、本発明における第2の実施の形態を説明する。本実施形態は、前述の第1実施形態で作製した半導体薄膜(結晶質ケイ素膜)を利用したnチャネル型TFTおよびそれをガラス基板上に作製する方法である。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3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)→(E)の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【0132】
図3(A)は、第1実施形態で述べた方法と同様の方法によって、結晶質ケイ素膜204dを作製した状態を示しており、第1実施形態の図1(G)に相当する。すなわち、ガラス基板201上に第1下地膜202として酸化窒化ケイ素膜が形成され、その上に第2下地膜203として酸化ケイ素膜が形成されている。そして、第1実施形態により作製された結晶質ケイ素膜204dが形成されている。
【0133】
これを、結晶質ケイ素膜204d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(B)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)となる島状の半導体層210が形成される。
【0134】
次に、上記半導体層210を覆うように厚さが20〜150nm(ここでは100nm)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜211として成膜する。酸化ケイ素膜の形成は、ここではTEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともに150℃以上600℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下の基板温度で、RFプラズマCVD法を用いて行う。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、350℃以上600℃以下、好ましくは400℃以上550℃以下の基板温度で形成してもよい。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。
【0135】
引き続いて、ゲート絶縁膜211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212とする。導電膜としては、金属膜、高融点金属膜、低抵抗半導体膜など様々な材料が利用でき、半導体装置としての用途と、後工程での必要プロセス温度等によって選択すればよい。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212を形成した。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。ここで、本実施形態におけるTFT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212は、平面的にはゲートバスラインを同時構成している。
【0136】
そして、図3(C)に示すように、イオンドーピング法によって、ゲート電極212をマスクとして半導体層210に低濃度の不純物(リン)213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。この工程により半導体層210において、ゲート電極212に覆われていない領域214には低濃度のリン213が注入され、ゲート電極212にマスクされリン213が注入されない領域は、後にTFTのチャネル領域215となる。
【0137】
続いて、図3(D)に示すように、ゲート電極212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216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216をマスクとして半導体層210に不純物(リン)217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)217が注入された領域は、後にTFTのソース・ドレイン領域218となる。そして、半導体層210において、レジストマスク216に覆われ、高濃度のリン217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219を形成する。このように、LDD領域219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。
【0138】
なお、図3(C)における低濃度のリンのドーピングを行わずLDD領域219をノンドープ(イントリンシック)状態で残しても、所謂オフセットゲート構造となり、LDD構造と同様、TFTオフ動作時のリーク電流の低減と、ホットキャリア耐性の向上が図れる。但し、この場合には、オフセット部219の抵抗がより大きくなるので、TFTのオン電流値がLDD構造に比べて低下する。また、このようなLDD構造やオフセットゲート構造を形成する方法として、前述のようにレジストマスクを用いる方法以外に、アルミニウム電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層を形成し、その酸化物層の厚さ(幅)を利用して、上記構造を形成することもできる。また、ゲート電極上に絶縁膜等を成膜し、エッチバックすることで、ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成し、それを利用することもできる。また、本実施形態では、LDD領域219をゲート電極212の外側に形成したが、ゲート電極と一部オーバーラップするような構造(GOLD構造;Gate Overlaped LDD)で形成してもよい。このようにすると、特にホットキャリア劣化抑制に効果がある。
【0139】
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216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200〜450mJ/cm2、好ましくは250〜350mJ/cm2で照射を行った。このとき、チャネル領域215には、上層のゲート電極212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218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219のシート抵抗は、30〜50kΩ/□であった。
【0140】
なお、ここではレーザー照射により不純物の活性化を行ったが、ランプ等を熱源として用いるRTA装置や、基板を枚葉で炉内に挿入することによるRTA装置、高温に加熱された不活性ガスを基板表面に吹き付ける方式のRTA装置等を利用してもよい。このようなRTA法を用いる場合には、アルミニウムの耐熱性から600℃以上650℃以下の温度で約30秒以上2分以内の加熱条件で行うことが好ましい。
【0141】
続いて、図3(E)に示すように、厚さが約400nm以上1000nm以下の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜220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。
【0142】
次に、層間絶縁膜220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221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TFT222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212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212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。
【0143】
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3(E)に示すTFT222を完成させる。さらに必要に応じて、TFT222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。
【0144】
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、従来例で問題であったTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が抑制され、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成した従来のTFTと比べても全く差が無いものであり、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。
【0145】
さらに、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、従来法により作成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。
【0146】
(第3実施形態)
本発明による第3の実施の形態について説明する。本実施形態は、前述の第1実施形態で作製した半導体薄膜(結晶質ケイ素膜)を利用したCMOS構造の回路およびそれをガラス基板上に作製する工程である。本実施形態のCMOS構造の回路は、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とを相補型に構成したものである。
【0147】
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4(A)から(F)の順にしたがって工程が順次進行する。
【0148】
図4(A)は、第1実施形態で述べた方法にしたがって、結晶質ケイ素膜304dを作製した状態を示しており、第1実施形態の図1(G)に相当する。すなわち、ガラス基板301上に第1下地膜302として酸化窒化ケイ素膜が形成され、その上に第2下地膜303として酸化ケイ素膜が形成されている。そして、第1実施形態により作製された結晶質ケイ素膜304dが形成されている。
【0149】
次に、結晶質ケイ素膜304d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4(B)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(半導体層)310nと310pとが形成される。
【0150】
ここで、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTの半導体層の全面に、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ホウ素(B)を添加してもよい。ホウ素(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。
【0151】
次に、上記半導体層310n、310p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311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311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。
【0152】
引き続いて、導電膜を堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極312nと312pを形成する。本実施形態では、導電膜として、スパッタリング法によって高融点メタルを成膜した。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、または上記元素を主成分とする合金か、上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。
【0153】
次に、図4(C)に示すように、イオンドーピング法によって、ゲート電極312nと312pをマスクとして半導体層に低濃度の不純物(リン)313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。この工程により半導体層310nと310pにおいて、ゲート電極312nと312pに覆われていない領域は低濃度のリン313が注入された領域314n、314pとなり、ゲート電極312n、312pにマスクされ不純物313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315nと315pとなる。
【0154】
次いで、図4(D)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312n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316nを設け、後のpチャネル型TFTにおいては、半導体層310p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316p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316n、316pをマスクとして半導体層に不純物(リン)317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1×1015〜1×1016cm-2、例えば5×1015cm-2とする。この工程により、nチャネル型TFTの半導体層310nにおいては、高濃度に不純物(リン)317が注入された領域が、後にnチャネル型TFTのソース・ドレイン領域318となり、レジストマスク316nに覆われ、高濃度のリン317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319を形成する。また、後にpチャネル型TFTにおいては、その半導体層全域がマスク316pにより覆われているため、この工程で高濃度不純物(リン)317は注入されない。このときの領域318におけるn型不純物元素(リン)317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319におけるn型不純物元素(リン)313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。
【0155】
次に、レジストマスク316n、316pを除去した後、図4(E)に示すように、また新たに、nチャネル型TFTの半導体層310n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320を設ける。このとき、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320と後のpチャネル型TFTのゲート電極312pをマスクとして、半導体層にp型を付与する不純物(ホウ素)321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7×1015cm-2とする。この工程により、pチャネル型TFTの半導体層において、ゲート電極312pから露呈している領域314pには、高濃度にホウ素321が注入され、先ほどの工程で注入された低濃度のリンを打ち消し(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る。その結果、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域322となり、ゲート電極312p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315pとなる。該工程において、後のnチャネル型TFTの半導体層310nは、マスク320で全面覆われているため、ホウ素321は全くドーピングされない。
【0156】
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し、n型の高濃度不純物領域318とp型の不純物領域322とを作り分けることができる。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。
【0157】
次いで、レジストマスク320を除去した後、これを不活性雰囲気下にて加熱処理を行う。この加熱処理により、ソース・ドレイン領域及びLDD領域において、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。このとき、本実施形態では、ゲート電極材料として高融点金属(W)を用いているため、比較的高温での加熱処理が可能であり、条件マージンが拡がる。実際に本実施形態では、一般的な拡散炉を用い、窒素雰囲気下にて、500℃以上600℃以下の温度範囲で約30分以上8時間以内の加熱処理を行なった。他にも、ランプ等を熱源として用いるRTA装置や、基板を枚葉で炉内に挿入することによるRTA装置、高温に加熱された不活性ガスを基板表面に吹き付ける方式のRTA装置等を利用してもよい。このようなRTA法を用いる場合には、600℃以上700℃以下の温度で約30秒以上10分以内の加熱条件で行うことが好ましい。この結果、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域318のシート抵抗値は、500〜800Ω/□程度となり、LDD領域319のシート抵抗値は、30〜60kΩ/□となった。また、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域322のシート抵抗値は、1〜1.5kΩ/□程度であった。
【0158】
次いで、図4(F)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(典型的には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323と膜厚700nmの酸化ケイ素膜324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。
【0159】
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、半導体層/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。層間絶縁膜(特に窒化ケイ素膜323)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。
【0160】
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325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(F)に示すnチャネル型TFT326とpチャネル型TFT327とを完成させる。さらに必要に応じて、ゲート電極312nおよび312pの上にもコンタクトホールを設けて、配線325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。
【0161】
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チャネル型TFTで1V程度、pチャネル型TFTで−1.5V程度と非常に良好な特性を示す。しかも、従来例で問題となっていたTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が抑えられ、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。
【0162】
(第4実施形態)
図5を参照しながら、本発明による第4の実施形態の半導体膜および半導体膜の作製方法について説明する。本実施形態では、第1の実施形態で説明した方法とは異なる方法で非晶質半導体膜の結晶化を行う。図5は、本実施形態での作製工程を示す断面図であり、(A)から(I)にしたがって作製工程が順次進行する。
【0163】
まず、第1実施形態と同様に、基板(本実施形態ではガラス基板)401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。このときの第1下地膜402の酸化窒化ケイ素膜の厚さは、例えば100nmとし、第2下地膜403の酸化窒化ケイ素膜の厚さとしては、例えば100nmとした。次に、25nm以上80nm以下の厚さでa−Si膜404を形成する。本実施形態では、プラズマCVD法を用い、厚さが50nmの非晶質ケイ素膜を形成した。この工程は下地絶縁膜と非晶質半導体膜を大気解放しないで連続的に形成しても構わない。
【0164】
次に、酸化ケイ素膜でなるマスク絶縁膜405を200nmの厚さに形成する。マスク絶縁膜は、図5(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400を有している。
【0165】
次に、図5(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406を形成する。この時、触媒元素406は、マスク絶縁膜405の開口部400において、選択的にa−Si膜404に接触して、触媒元素添加領域が形成される。
【0166】
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。
【0167】
次に、500℃以上650℃以下(好ましくは550℃以上600℃以下)の温度で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5(C)に示すように、触媒元素添加領域400に結晶核が発生し、領域400のa−Si膜がまず結晶化され、結晶質ケイ素膜404aとなる。さらに結晶化領域404aを起点として概略基板と平行な方向(矢印407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404bが形成される。このとき、マスク405上に存在するニッケル406は、マスク膜405に阻まれ、下層のa−Si膜へは到達せず、領域400において導入されたニッケルのみによりa−Si膜404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404c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。
【0168】
マスクとして用いた酸化ケイ素膜405を除去した後、得られた結晶質ケイ素膜に、図5(D)で示すようにレーザー光を照射して、第1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404bの結晶質ケイ素膜は、より高品質化され、結晶質ケイ素膜404dとなる。
【0169】
次に、結晶質ケイ素膜404d表面の自然酸化膜を除去した後、図5(E)に示すように、ゲッタリング層409を形成する。ゲッタリング層の形成に関しては、第1実施形態と同様の方法を用いればよい。
【0170】
そして、これを不活性雰囲気下にて第1の加熱処理を行なう。このときの加熱処理方法としては、一般的な炉アニールまたは高速熱アニール(RTA)を用いることができる。本実施形態では、RTAを用いる。RTAを用いる場合、600℃以上750℃以下の温度で約30秒以上15分以内の加熱処理を行う。炉アニールを用いる場合は、500℃以上600℃以下の温度で約15分以上4時間以内の加熱処理を行うとよい。
【0171】
この加熱処理により、ゲッタリング層409が下層の結晶質ケイ素膜404d中のニッケルを、図5(F)の矢印410に示すように上方向に向かって移動させる。これにより、結晶質ケイ素膜404d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、ゲッタリングが行われる。そして、ニッケル濃度が低減された結晶質ケイ素膜404eが得られる。
【0172】
続いて、図5(G)に示すように、ゲッタリング層409を酸化性ガス雰囲気で加熱処理することにより酸化し、酸化ケイ素膜411とする。このときの酸化処理としては、第1実施形態と同様に、酸化性ガスとして水蒸気を用い、1気圧を超える高圧の酸化性ガス雰囲気下での加熱処理や、ゲッタリング層409表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付けるRTA処理を用いればよい。この工程により、結晶質ケイ素膜404eは、欠陥密度が低減され、より結晶性の高い結晶性ケイ素膜404fとなる。また、結晶質ケイ素膜404fの表面には、結晶方位による酸化速度の違いから、結晶ドメイン間で凹凸が生じている。
【0173】
そして、図5(H)に示すように、酸化ケイ素膜411を全面的にエッチング除去し、目的とする高品質な結晶質ケイ素膜404fを得る。そして、図5(I)に示すように、この横方向に結晶成長した領域404f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の半導体層412を形成する。
【0174】
このような本実施形態で示した結晶化方法を第1から第3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。
【0175】
(第5実施形態)
本実施形態の半導体装置はアクティブマトリクス基板である。図6(A)および(B)は、本実施形態のアクティブマトリクス基板のブロック図を示す。
【0176】
図6(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50、画素部51およびゲート側駆動回路52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。
【0177】
ソース側駆動回路50は、シフトレジスタ50a、バッファ50b、サンプリング回路(トランスファゲート)50cを設けている。また、ゲート側駆動回路52は、シフトレジスタ52a、レベルシフタ52b、バッファ52c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。
【0178】
また、本実施形態において、画素部51は複数の画素からなり、その複数の画素各々がTFT素子を含んでいる。
【0179】
なお、図示していないが、画素部51を挟んでゲート側駆動回路52の反対側にさらにゲート側駆動回路を設けても良い。
【0180】
また、図6(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53、画素部54およびゲート側駆動回路55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6(B)に示すように、サンプリング回路の代わりにラッチ(A)53b、ラッチ(B)53cを設ければよい。ソース側駆動回路53は、シフトレジスタ53a、ラッチ(A)53b、ラッチ(B)53c、D/Aコンバータ53d、バッファ53eを設けている。また、ゲート側駆動回路55は、シフトレジスタ55a、レベルシフタ55b、バッファ55cを設けている。また、必要であればラッチ(B)53cとD/Aコンバータ53dとの間にレベルシフタ回路を設けてもよい。
【0181】
なお、上記構成は、前述の実施形態1〜4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。
【0182】
(第6実施形態)
本実施形態の半導体装置は、上述の実施形態で形成されたCMOS回路や画素部を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置、およびそのような液晶表示装置を表示部として有する電気器具全てである。
【0183】
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。
【0184】
本実施形態では、触媒元素を用いた良好な結晶性を有する結晶質半導体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。
【0185】
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上記の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。
【0186】
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。
【0187】
例えば、本発明で対象となる半導体膜としては、前述した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。
【0188】
また、ニッケルを導入する方法としては、ニッケル塩を溶かせた溶液で非晶質ケイ素膜表面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。
【0189】
なお、上述の実施形態では、基板の全面に形成した非晶質ケイ素膜の全体を結晶化させて結晶質半導体膜を作製しているが、本発明はこれに限定されず、基板の一部または複数の領域のそれぞれに、上述したような方法で結晶質半導体膜を作製してもよい。
【0190】
上述したように、本発明では、製造プロセスマージンが大きく、製造歩留まりが高く、且つゲッタリング効果の優れる安定したゲッタリング方法を用いる。そのため、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膜において、結晶質半導体膜自体にエッチング等のダメージを与えることなく、安定してその半導体膜に含まれる触媒元素濃度を大幅に低減することができる。そのような半導体膜を用いると、リーク電流の発生を抑制し、且つ信頼性を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装置(TFT、アクティブマトリクス基板、液晶表示装置、電気器具などを広く含む)が実現できる。また、そのような半導体装置の製造工程において良品率を大きく向上できると共に、製造コストを低減することができる。
【0191】
【発明の効果】
本発明によると、触媒元素の含有量が十分に低減された、信頼性の高い結晶質半導体膜を提供できる。また、そのような半導体膜を、製造工程や製造コストを増やすことなく簡便に製造する方法を提供できる。さらに、上記半導体膜を活性層として用いることにより、高性能半導体装置(TFT含む)が実現でき、また、集積度の高い高性能半導体装置を簡便に製造できる。
【0192】
特に、本発明を液晶表示装置(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)に適用すると、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、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が実現できるので有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)から(G)は、本発明の第1実施形態の半導体膜の作製方法を説明するための模式的な工程断面図である。
【図2】(A)および(B)は、本発明の第1実施形態の半導体膜の模式的な平面図および断面図である。
【図3】(A)から(E)は、本発明の第2実施形態の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための模式的な工程断面図である。
【図4】(A)から(F)は、本発明の第3実施形態のCMOS構造の回路の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図5】(A)から(I)は、本発明の第4実施形態の半導体膜の作成方法を説明するための模式的な断面図である。
【図6】(A)および(B)は、本発明の第5実施形態のアクティブマトリクス基板のブロック図である。
【図7】非晶質半導体膜に触媒元素を添加して結晶化させた場合における、(A)は結晶成長を示す図であり、(B)は〈111〉晶帯面を示す図であり、(C)は結晶方位の標準三角形を示す図である。
【図8】(A)及び(B)は触媒元素を利用することにより得られた結晶質半導体膜の面方位分布を示す図であり、(C)は結晶方位の標準三角形を示す図である。
【図9】本発明の実施形態で使用したRTA装置の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
10 ドメイン
11 ドメイン境界
12 基板
13、14 酸化窒化ケイ素膜
15 下地膜
16 半導体膜
101 基板
102、103 下地膜
104 非晶質ケイ素膜
104a、104b 結晶質ケイ素膜
107 ゲッタリング層(非晶質ケイ素膜)
108 触媒元素の移動方向
109 酸化されたゲッタリング層(酸化ケイ素膜)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor film used for a thin film transistor (hereinafter sometimes abbreviated as “TFT”) and a manufacturing method thereof, and further to a semiconductor device configured using the semiconductor film. 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 pixels for high-resolution image display is increasing. If the information is not written in a short time, it is impossible to display an image having a huge amount of information for high-definition display as a moving image. 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 using a crystalline semiconductor film having good crystallinity that can obtain high field effect mobility.
[0004]
As a method for obtaining a good crystalline semiconductor film on a glass substrate, the present inventors have conventionally added a metal element having an action of promoting crystallization to an amorphous semiconductor film, followed by heat treatment. We are developing a technology to obtain a good semiconductor film with uniform crystal orientation by heat treatment at lower temperature and shorter time.
[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. The outline is that the concentration of the catalytic element in the active region (semiconductor layer) of the semiconductor device is mainly reduced by forming a gettering region having a gettering function and moving the catalytic element there. The relationship between the semiconductor layer and the gettering region can be divided into the following three methods.
[0007]
(1) In the crystalline semiconductor film, a gettering region is formed in a region other than a region to be a semiconductor layer, and a catalytic element is moved there.
[0008]
{Circle around (2)} A gettering region is formed in the semiconductor layer, and the catalyst element is moved to the gettering region to getter only a portion (channel region or the like) where the remaining catalyst element is particularly problematic in the semiconductor layer.
[0009]
(3) In the state of the crystalline semiconductor film, a gettering layer is formed on the upper surface thereof, and the catalytic element is moved in a direction perpendicular to the film surface.
[0010]
Among these methods, in the method (1), in order to cause a region other than the semiconductor layer to function as a gettering region in the crystalline semiconductor film, an element having a gettering effect (gettering element) is selectively used. Need to be introduced. Therefore, a photolithographic process for forming a mask at that time, a doping process for introducing a gettering element, and the like increase, resulting in an increase in manufacturing cost and a decrease in manufacturing yield. Further, since the catalytic element is moved to a region other than the semiconductor layer, a distance (gettering distance) necessary for moving the catalytic element is extended, and a long time is required for the heat treatment for the gettering movement. In this case, not only the tact time of the apparatus is extended and the manufacturing cost is increased, but also a large glass substrate or the like cannot cope with thermal deformation of the substrate, and it is difficult to manufacture.
[0011]
In the method (2), for example, by using the source / drain region as a gettering region, there is no need to add a step for gettering, and the manufacturing process can be simplified. Is big. However, the doping process at this time needs to satisfy both the conditions as the source / drain regions and the gettering, and the process margin becomes very small. Further, since the heat treatment for gettering is performed after the semiconductor layer is formed, there is a large problem of shrinkage in the glass substrate, and it is difficult to perform heat treatment sufficient for gettering. Therefore, in this method, the degree of freedom of the process after forming the semiconductor layer is greatly limited due to gettering, and the condition margin of each process is small.
[0012]
In contrast to these methods, in the method (3), gettering is performed in the vertical direction in a state where the crystalline semiconductor film is formed on the entire surface of the substrate (the stage before the first photolithography process). Although some additional steps for gettering are necessary, the heat treatment conditions for gettering can be set regardless of the shrinkage of the glass substrate, and sufficient heat treatment is possible. Further, the necessary gettering distance is sufficient only in the film thickness direction of the crystalline semiconductor film. Furthermore, since gettering can be completed in the state of the crystalline semiconductor film, a process with a high degree of freedom can be constructed in the subsequent process without considering the gettering process. From such a viewpoint, the advantage of the method (3) is great.
[0013]
A gettering method using the method (3) is described in Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3.
[0014]
Patent Document 1 discloses a method of moving a catalytic element into an oxide film by thermally oxidizing the surface of a single crystal silicon film crystallized with the catalytic element using an SOI substrate. . Thereafter, the oxide film formed by thermal oxidation is removed to complete gettering of the single crystal silicon film. In Patent Document 1, the oxidizing atmosphere at this time is an atmosphere containing a halogen element, and the catalytic element is vaporized and removed by its action, and it is moved and gettered into the thermal oxide film.
[0015]
In Patent Document 2 and Patent Document 3, a barrier layer is formed over a semiconductor film crystallized with a catalytic element, and a second semiconductor film and a third semiconductor film (getter) containing a gettering element are formed thereon. A method is disclosed in which a catalytic element is transferred from a lower semiconductor film through a barrier layer to a second semiconductor film and a third semiconductor film by performing a heat treatment after forming the ring layer). Then, the catalyst element is gettered by removing the third semiconductor film / second semiconductor film / barrier layer. At this time, in Patent Document 2, a rare gas element is used as the gettering element, and the third semiconductor film contains the rare gas element. In Patent Document 3, one conductivity type impurity (phosphorus or the like) is used as a gettering element, and the third semiconductor film contains one conductivity type impurity. In these patent documents, the second semiconductor film is provided. This is because the gettering element contained in the third semiconductor layer is diffused into the first semiconductor film crystallized by the catalytic element. It is provided for the purpose of preventing, and may be omitted in some cases.
[0016]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-64817
[Patent Document 2]
JP 2002-246394 A
[Patent Document 3]
JP 2002-246395 A
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, the gettering techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3 are still not sufficient and have some problems.
[0018]
First, Patent Document 1 has a fundamental problem that the gettering effect is not sufficient and the residual amount of the catalyst element cannot be sufficiently reduced. As a result of actual confirmation by the present inventors, in the method described in Patent Document 1, the catalytic element in the crystalline semiconductor film after gettering can be reduced only to about 1/3 of the initial value. . This is because the diffusion coefficient of the catalytic element (typically nickel) in the oxide film is 3 or more orders of magnitude smaller than the diffusion coefficient in the semiconductor film, so that it diffuses and moves into the oxide film. The main gettering action is due to the action of the halogen element in the oxidizing atmosphere. 2 And NiF 2 It is thought that it has vaporized as a form. In such a reaction system, there is a certain effect on the film surface, but it is difficult to reduce the catalyst element concentration over the entire semiconductor film. Furthermore, in order to sufficiently advance such a reaction, a high temperature of 1000 ° C. or higher is necessary, and this is not a process in which a glass substrate can be used.
[0019]
As another problem, in the method of Patent Document 1, thermal oxidation is directly performed on a semiconductor film crystallized by a catalytic element. However, in the semiconductor film crystallized by a catalytic element, The catalyst element is a silicide compound (for example, NiSi 2 ) As a local. Since the silicide compound has a higher oxidation rate with respect to the semiconductor film, there is a problem that oxidation proceeds locally in that region, and pits (small holes) are generated in the semiconductor film at the stage of removing the thermal oxide film. The size of the pit is as large as several μm or more, and there is a case where the semiconductor layer of the TFT is disconnected due to this. Therefore, the method of Patent Document 1 has many problems as described above, and in particular, it cannot be implemented by a TFT process that uses an inexpensive and large glass substrate.
[0020]
On the other hand, when Patent Document 2 or Patent Document 3 is used, it can be confirmed that the concentration of the catalytic element in the semiconductor film can be reduced to 1/1000 or less in the temperature range in which the glass substrate can be used. The gettering ability is very good. However, it has been found that there are many problems in terms of manufacturing method and yield.
[0021]
First, problems relating to the film quality, film thickness, and formation method of the barrier layer will be described. Although the barrier layer is provided for the purpose of an etching stopper for the upper gettering film, the catalytic element moves through the barrier layer to the upper gettering film. As the barrier layer, an extremely thin oxide film is used. However, since the diffusion of the catalytic element in the oxide film is extremely slow, if the oxide film is dense and thick, the catalytic element cannot move to the upper layer. Conversely, when a porous and thin film is used, it does not function as an etching stopper, and the lower semiconductor film is etched when the upper gettering layer is etched. Since this condition is extremely difficult and requires an unstable state, it cannot be controlled with a sufficient process margin, which is a big problem in yield. Even if the conditions can be set optimally, the heat treatment conditions for the gettering movement are determined by the barrier layer (oxide film) having the slowest diffusion movement speed, and the gettering distance may be the thickness of the semiconductor film. Regardless, a long heat treatment is required.
[0022]
The second problem is that the gettering layer peels very easily. Since the underlying barrier layer is halfway as a film, it is difficult to improve the adhesion with the upper gettering layer. If there are minute holes due to peeling in the gettering layer, the etching solution etches the underlying semiconductor film, and small holes are formed in the semiconductor film, which causes a reduction in manufacturing yield. Since dust in the gettering layer also has the same effect, there is a problem in using a sputtering film with high adhesion but a lot of dust.
[0023]
A third problem is an etching residue problem in the etching of the gettering layer. Since a very high selection ratio is required between the gettering layer and the barrier layer, a strong alkaline solution that is not normally used is used as the etching solution. It has been found that the etching of the silicon film with this strong alkali is unstable, and the etching action stops when the oxidizing component increases even during the etching, or the etching rate varies greatly depending on the oscillation of the liquid. As a result, etching residues are very likely to occur in the gettering layer mainly composed of a silicon film. As a countermeasure, if the etching time is extended, the barrier layer is damaged and the underlying semiconductor layer is also etched, which cannot be solved simply by extending the etching time. If there is an etching residue of the gettering layer, the channel surface of the TFT semiconductor layer is formed by the gettering layer in that region, and normal electrical characteristics cannot be expected.
[0024]
Therefore, when the technique of Patent Document 2 or Patent Document 3 is used, even if a high-performance TFT element can be partially probabilistically manufactured, the manufacturing process margin is extremely small, resulting in a high defect rate. Therefore, it is difficult to apply these techniques to mass production of TFT elements.
[0025]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a highly reliable crystalline semiconductor film in which the content of the catalytic element is sufficiently reduced, and a semiconductor device using the crystalline semiconductor film. Moreover, it aims at providing the method of manufacturing such a semiconductor film simply, without increasing a manufacturing process or manufacturing cost.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor film of the present invention is a semiconductor film having a plurality of crystal domains, and the plurality of crystal domains is mainly composed of a region in which a <111> crystal zone plane of the crystal is oriented, and is formed on the surface of the semiconductor film. The height is different depending on each of the plurality of crystal domains, whereby the above object is achieved.
[0027]
In a preferred embodiment, 50% or more of the region in which the <111> crystal plane is oriented is a (110) or (211) oriented region.
[0028]
The domain diameter of the plurality of crystal domains is preferably 2 μm or more and 10 μm or less.
[0029]
In a preferred embodiment, at least a part of the semiconductor film contains a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film.
[0030]
It is preferable that the catalyst element does not precipitate as a compound but exists in a state of solid solution in the semiconductor film.
[0031]
Preferably, the catalyst element is nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium ( Os), iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and at least one element selected from the group consisting of gold (Au).
[0032]
The catalyst element is 1 × 10 14 atoms / cm Three 1 × 10 or more 17 atoms / cm Three It is preferable to be contained in at least a part of the semiconductor film at the following concentration.
[0033]
The semiconductor film may be formed using silicon (Si) as a main component.
[0034]
In a preferred embodiment, the catalyst element promotes crystallization of the amorphous semiconductor film by forming a silicide compound.
[0035]
The thickness of the semiconductor film is preferably 25 nm or more and 80 nm or less.
[0036]
The method for producing a semiconductor film of the present invention includes (1) preparing a first semiconductor film containing a catalytic element that promotes crystallization of an amorphous semiconductor film and having a crystalline region, and (2) the first A step of providing a second semiconductor film in contact with the first semiconductor film; and (3) performing a first heat treatment on the first semiconductor film, thereby causing the catalytic element present in the first semiconductor film to be converted into the first semiconductor film. 2) moving to the semiconductor film; (4) oxidizing the second semiconductor film; and (5) removing the oxidized second semiconductor film. The above objective is achieved.
[0037]
In a preferred embodiment, the step (1) includes: (1a) preparing an amorphous semiconductor film containing the catalytic element; and (1b) performing a second heat treatment on the amorphous semiconductor film. And a step of forming the first semiconductor film.
[0038]
Preferably, the method further includes a step of removing a natural oxide film formed on the surface of the first semiconductor film between the step (1) and the step (2).
[0039]
The second semiconductor film is preferably in an amorphous state.
[0040]
The second semiconductor film preferably contains a gettering element that attracts the catalyst element.
[0041]
The gettering element may include at least one rare gas element selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe.
[0042]
The gettering element may include at least one element selected from the group consisting of P, As, and Sb.
[0043]
The gettering element may include at least one element selected from the group consisting of P, As and Sb, and at least one element selected from the group consisting of B and Al.
[0044]
The step (3) preferably includes a step of performing the first heat treatment while maintaining the amorphous state of the second semiconductor film.
[0045]
The step (4) may include a step of performing a third heat treatment on the second semiconductor film in an oxidizing gas atmosphere.
[0046]
The third heat treatment step may be performed in a high-pressure atmosphere exceeding 1 atm.
[0047]
The third heat treatment step may include rapid thermal annealing (RTA) in which a heated oxidizing gas is sprayed on the surface of the second semiconductor film.
[0048]
Water vapor may be used as the oxidizing gas in the third heat treatment step.
[0049]
In a preferred embodiment, the thickness of the second semiconductor film is in the range of 1/10 to 2 times the thickness of the first semiconductor film.
[0050]
In a preferred embodiment, the step (2) includes exposing the surface of the first semiconductor film to a plasma atmosphere containing hydrogen, and exposing the first semiconductor film exposed to the plasma atmosphere to the atmosphere. Forming the second semiconductor film on the first semiconductor film.
[0051]
In a preferred embodiment, in the step (4), in addition to the second semiconductor film, a part of the first semiconductor film thereunder is also oxidized, and in the step (5), the oxidized second In addition to the semiconductor film, the oxidized part of the first semiconductor film is also removed.
[0052]
In the step (4), it is preferable that the amount of dangling bonds of semiconductor atoms in the first semiconductor film is reduced.
[0053]
The first heat treatment step in the step (3) and the third heat treatment step in the step (4) may be performed continuously.
[0054]
The first heat treatment and the third heat treatment may be performed simultaneously.
[0055]
The step (5) may include a step of removing the second semiconductor film by wet etching using an acid having hydrogen fluoride.
[0056]
In a preferred embodiment, the step (1a) includes the step of forming an amorphous semiconductor film, and the step of containing the catalytic element by applying a solution containing the catalytic element to the surface of the amorphous semiconductor film. Forming a first semiconductor film.
[0057]
Preferably, the step (1a) includes a step of obtaining the amorphous semiconductor film containing the catalytic element by selectively adding the catalytic element to a part of the amorphous semiconductor film, 1b) includes a step of obtaining the first semiconductor film by laterally crystallizing the amorphous semiconductor film from a region where the catalytic element is selectively added to a peripheral portion thereof.
[0058]
As the catalytic element, nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), It is preferable to use at least one element selected from the group consisting of iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au).
[0059]
A step of irradiating the first semiconductor film with laser light may be performed between the step (1b) and the step (2).
[0060]
Another semiconductor film of the present invention is manufactured by the manufacturing method described above.
[0061]
The semiconductor device of the present invention is configured with the above-described semiconductor film as an active region.
[0062]
Another semiconductor device of the present invention includes a thin film transistor (TFT) having the above-described semiconductor film as an active region (semiconductor layer).
[0063]
The electronic device of the present invention includes the semiconductor device described above.
[0064]
Another electronic device of the present invention includes a display portion including a plurality of pixels, and a display signal is supplied to the plurality of pixels through the above-described semiconductor device.
[0065]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present embodiment, a first step of preparing a first amorphous semiconductor film containing a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film, and a second step in the first amorphous semiconductor film A second step of forming a crystalline semiconductor film, a third step of providing a second semiconductor film so as to be in contact with the crystalline semiconductor film, and a first heat treatment And a fourth step of moving the catalytic element present in the crystalline semiconductor film to the second semiconductor film, a fifth step of oxidizing the second semiconductor film, and an oxidized first And a sixth step of removing the second semiconductor film. Here, the crystalline semiconductor film has a reduced catalytic element concentration and can be used later for a semiconductor layer (active region) of a semiconductor device or the like. The second semiconductor film functions as the aforementioned gettering layer.
[0066]
It is preferable to include a step of removing a natural oxide film on the surface of the crystalline semiconductor film between the second step and the third step.
[0067]
That is, in this embodiment, the natural oxide film on the crystalline semiconductor film is removed without providing the barrier layer that has been a problem in the conventional method, and the second semiconductor layer is provided so as to be in contact therewith. Thereby, the problem in the barrier layer can be solved, the catalyst element can be smoothly transferred to the gettering layer (second semiconductor film), the gettering ability can be improved, and the heat treatment time for gettering can be shortened. . In addition, even when the upper second semiconductor film is formed, the adhesion with the lower layer is increased, and the condition margin where no peeling occurs is greatly expanded. Then, by oxidizing and removing the gettering layer (second semiconductor film), selective etching without unevenness can be performed, and there is a problem of etching residue that becomes a problem when etching with the above-mentioned strong alkali is used. Does not occur.
[0068]
In addition, since the catalytic element is moved to the gettering layer and the gettering layer is oxidized and removed, in the lower crystalline semiconductor film, the oxidation process after the concentration of the catalytic element in the film is sufficiently reduced Thus, the problems associated with oxidation as seen in Patent Document 1 (low gettering ability and small holes due to local oxidation of silicide) do not occur. Further, since the oxidation step is aimed not only at the reaction with the halogen element but also at the oxidation, it can be processed in a temperature range where the glass substrate can be used.
[0069]
In the present embodiment, it is desirable that the second semiconductor film acting as a gettering layer is in an amorphous state. In the fourth step, the first heat treatment is preferably performed while maintaining the amorphous state of the second semiconductor film.
[0070]
The second semiconductor film preferably contains a gettering element having an effect of attracting the catalyst element. The gettering element is, for example, one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe. Alternatively, the gettering element may be one or more kinds of elements belonging to Group B of the periodic table selected from P, As, and Sb. Alternatively, as the gettering element, one or more kinds of periodic table group B selected from P, As, Sb and one or more kinds of periodic table group B selected from B, Al. An element belonging to can also be used together.
[0071]
The movement mechanism of the catalytic element by gettering increases the segregation coefficient of the catalytic element in the gettering layer, and moves the catalytic element from the underlying crystalline semiconductor film using the force. In the lower crystalline semiconductor film crystallized by the catalytic element, not all is present in a solid solution state in the semiconductor film, but most of the crystalline semiconductor film is precipitated as a semiconductor compound and is crystalline. The diffusion of nickel into the gettering layer is performed in the semiconductor film below the solid solubility of the catalytic element, and the semiconductor compound of the catalytic element deposited in the crystalline semiconductor film dissolves and disappears. Gettering is performed.
[0072]
As a mechanism for increasing the segregation coefficient of the catalyst element in the gettering layer at this time, an action of increasing the solid solubility in the catalyst element from the lower semiconductor film and moving the catalyst element there (first gettering action), There is an action (second gettering action) in which a defect or a local segregation site that traps the catalytic element is formed, and the catalytic element is moved and trapped there. As described above, the second gettering effect can be obtained by setting the second semiconductor film acting as a gettering layer to an amorphous state. Then, by performing the first heat treatment for the gettering movement while maintaining the amorphous state of the second semiconductor film, the gettering layer can maintain high gettering capability over the entire period of the heat treatment, As a result, the concentration of the catalytic element in the lower crystalline semiconductor layer can be further reduced. If the gettering layer is crystallized during the heat treatment, the subsequent gettering action is reduced, and the catalyst element once moved may flow backward.
[0073]
Further, the first or second gettering action can be further enhanced by adding a gettering element having a gettering effect to the second semiconductor film which is a gettering layer. At this time, it is known that the action varies depending on the type and combination of gettering elements.
[0074]
When one or more kinds of rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe are used as gettering elements, large interstitial distortion occurs in the place where these rare gas elements are present in the gettering layer, and defects are generated. -The second gettering action by the segregation site works very strongly. At this time, the concentration of the rare gas element contained in the gettering layer is 1 × 10 19 atoms / cm Three 3 × 10 or more twenty one atoms / cm Three If it is within the following range, sufficient gettering efficiency can be obtained.
[0075]
Further, when one or more kinds of elements belonging to Group B of the periodic table selected from P, As, and Sb are used as the gettering element, the solid solubility of the gettering layer with respect to the catalyst element increases. That is, the gettering movement is performed using the first gettering action. Among these elements, phosphorus is particularly effective. The concentration of these impurity elements contained in the gettering layer at this time is 1 × 10 19 atoms / cm Three 1 × 10 or more twenty one atoms / cm Three If the concentration is within the following range, sufficient gettering efficiency can be obtained.
[0076]
Further, 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 When used together with an element belonging to Group B, it has been found that only Group 5 B element has gettering ability, but in addition to this, when Group 3 B element is also introduced, a larger gettering effect can be obtained. . If the gettering layer contains, for example, boron as well as phosphorus, the gettering mechanism changes, and in the case of only phosphorus, diffusion transfer using the difference in solid solubility of the catalytic element with the underlying crystalline semiconductor film Type gettering (the above-mentioned first gettering action), but by adding boron, the catalytic element easily precipitates in the gettering layer, and gettering to defects or segregation sites (described above) The second gettering action) becomes dominant and the effect is synergistically enhanced. The concentration of the impurity element contained in the gettering layer at this time is 1 × 10 for elements belonging to Group B of the periodic table. 19 atoms / cm Three 1 × 10 or more twenty one atoms / cm Three The following concentrations and elements belonging to Group B of the periodic table are 1.5 × 10 5 19 atoms / cm Three 3 × 10 or more twenty one atoms / cm Three The following concentration range is desirable, and within this range, high gettering efficiency can be obtained.
[0077]
In the present embodiment, in the third step of providing the second semiconductor film serving as a gettering layer, the surface of the semiconductor film having a lower crystalline layer is exposed to a plasma atmosphere containing hydrogen, and then released into the atmosphere. It is preferable that the second semiconductor film be formed over the crystalline semiconductor film. On the surface of the lower crystalline semiconductor film, a slight natural oxide film is formed even after treatment with hydrofluoric acid due to the influence of the residence time and the like. If the gettering layer is formed in such a state, it causes peeling of the gettering layer, and the gettering efficiency is lowered. Therefore, in order to completely remove the natural oxide film, it is effective to expose it to a plasma atmosphere containing hydrogen before forming the gettering layer, whereby the natural oxide film is removed by etching. Moreover, since it is a plasma process, a gettering layer can be continuously formed without taking it out into air | atmosphere after that.
[0078]
Next, the fifth step in the present embodiment can be performed by performing a third heat treatment on the second semiconductor film in an oxidizing gas atmosphere. At this time, the third heat treatment in an oxidizing gas atmosphere is preferably performed in a high-pressure atmosphere exceeding 1 atm. Alternatively, the third heat treatment in an oxidizing gas atmosphere may be performed by rapid thermal annealing (RTA) in which a heated oxidizing gas is blown onto the surface of the second semiconductor film. Further, it is preferable to use water vapor as the oxidizing gas in the third heat treatment.
[0079]
In the present embodiment, the purpose is to oxidize and remove the second semiconductor film that is the gettering layer, so that at least the entire second semiconductor film needs to be oxidized. The thickness of the second semiconductor film in this embodiment is preferably in the range of 1/10 to 2 times the thickness of the first amorphous semiconductor film (crystalline semiconductor film). The thickness of the first amorphous semiconductor film in the present embodiment is preferably in the range of 25 nm to 80 nm from the viewpoint of crystal growth. On the other hand, if the thickness is 1/10 or more, gettering is performed. In the layer, the gettering capability required in this embodiment can be ensured. If it is twice or less, the etching damage and non-uniform film loss of the underlying crystalline semiconductor film during removal by oxidation can be suppressed to a level that causes no problem. However, more optimally, the thickness of the second semiconductor film is not less than 1/5 and not more than 1 times the thickness of the first amorphous semiconductor film, and is substantially not less than 10 nm and not more than 50 nm.
[0080]
That is, in the present embodiment, since the second semiconductor film having a certain film thickness in such a range needs to be oxidized, a so-called thermal oxidation process in which a heat treatment is performed in an oxidizing gas atmosphere is performed. desirable. However, considering the heat resistance of the glass substrate at this time, it is not possible to use a thermal oxidation method in which processing is performed at a high temperature as in the conventional method.
[0081]
In this embodiment, by performing thermal oxidation treatment in a high-pressure oxidizing gas atmosphere exceeding 1 atm, the reactivity of the oxidizing gas can be increased and thermal oxidation can be performed at a lower temperature in a shorter time. Since the speed of the oxidation reaction at this time increases in proportion to the pressure, it is desirable to set it higher. However, there is a safety problem in terms of the manufacturing apparatus, and it is in the range of 5 to 15 atmospheres. It is desirable. Further, as heat treatment conditions in this case, it is desirable that the temperature is 550 ° C. or more and 600 ° C. or less and the treatment time is about 10 minutes or more and 2 hours or less.
[0082]
As another thermal oxidation method in this embodiment, it is also effective to use rapid thermal annealing (RTA) in which a heated oxidizing gas is blown onto the surface of the second semiconductor film. In this method, the entire substrate is instantly heated to a high temperature region where oxidation reactivity is high, and the oxidizing gas heated to a high temperature is blown directly onto the surface of the gettering layer to perform necessary oxidation treatment in a short time. Yes. Thereafter, the temperature can be rapidly lowered to allow processing without causing large thermal deformation of the glass substrate. As heat treatment conditions at this time, it is desirable that the temperature is 650 ° C. or higher and 800 ° C. or lower and the treatment time is about 5 minutes or longer and 20 minutes or shorter. Further, it is desirable that both the temperature increase rate and the temperature decrease rate at this time be 100 ° C./min or more.
[0083]
In the two thermal oxidation methods of the present embodiment described above, the oxidizing gas used is required to have high oxidation reactivity, and for this reason, water vapor is most desirable. In addition, ozone gas or the like can be used.
[0084]
In the present embodiment, in the fifth step of oxidizing the second semiconductor film, in addition to the second semiconductor film, a part of the semiconductor film having a crystalline layer thereunder may be oxidized. In this case, in the sixth step of removing the oxidized second semiconductor film, in addition to the oxidized second semiconductor film, a part of the oxidized crystalline semiconductor film may be removed. it can. That is, the oxidation may partially progress not only in the second semiconductor film that is the gettering layer but also in the underlying crystalline semiconductor film. In this case, by removing the oxidized portion, not only the gettering layer but also the layer in the vicinity of the surface of the lower crystalline semiconductor film is removed, and the film thickness becomes thinner than the original.
[0085]
The gettering layer and the underlying crystalline semiconductor layer are both the same semiconductor component, and there is almost no difference in oxidation rate. As described above, by maintaining the second semiconductor film, which is a gettering layer, in an amorphous state, the difference in structure between crystalline and amorphous (the oxidation rate is higher in the amorphous state). Since it is possible to make a difference in oxidation rate to some extent by using this, such a state is useful. However, since the gettering layer is insufficiently oxidized and is not completely removed and remains on the crystalline semiconductor film, the oxidation process becomes a problem in addition to the entire second semiconductor film. From the viewpoint of the manufacturing process margin, it is desirable to advance the crystal semiconductor film to a part above the crystalline semiconductor film.
[0086]
In the present embodiment, in the fifth step of oxidizing the second semiconductor film, it is possible to reduce the amount of dangling bonds of the semiconductor atoms in the semiconductor film having the underlying crystal. That is, the oxidation process of the second semiconductor film causes an excess of semiconductor atoms in the second semiconductor film, which diffuses into the underlying crystalline semiconductor film and bonds with dangling bonds (dangling bonds). And that's why it is terminated. Thus, in this embodiment, the effect | action which improves the crystallinity of a crystalline semiconductor film can be performed combining with gettering.
[0087]
In the present embodiment, it is preferable that the first heat treatment and the third heat treatment for oxidizing the second semiconductor film are continuously performed. By doing in this way, the second and third heat treatments are substantially one-time heat treatments, not only in the merit of shortening the manufacturing process and improving the tact time of the manufacturing apparatus, but also when the steps are performed separately. In comparison, dust adhering between the processes can be eliminated, and the manufacturing yield can be improved. Furthermore, the first heat treatment and the third heat treatment for oxidizing the second semiconductor film can be performed simultaneously as one heat treatment, so that the total heat treatment time can be further reduced. Simplify the process and improve the tact time of the manufacturing equipment.
[0088]
In this embodiment, the sixth step of removing the oxidized second semiconductor film can be performed by wet etching using an acid having hydrogen fluoride. By using such a method, a high etching selection ratio can be obtained between the oxidized semiconductor film and the underlying crystalline semiconductor film, and the film loss due to overetching of the crystalline semiconductor film and the film thickness variation caused thereby can be reduced. Can be reduced. In addition, the surface of the lower crystalline semiconductor film is an important surface for forming a channel surface in the semiconductor device. However, if the wet method is used, a good state can be maintained without causing etching damage by plasma or the like.
[0089]
In the present embodiment, the first step of preparing the first amorphous semiconductor film containing the catalytic element is to form the amorphous semiconductor film and apply a solution containing the catalytic element thereon. It is preferable to carry out by. In this embodiment, the concentration of the catalytic element added to the first amorphous semiconductor surface is 1 × 10. 11 atoms / cm 2 1 × 10 or more 14 atoms / cm 2 Since this is a concentration that is 1/100 or less of the monoatomic layer of catalyst atoms, a very small amount of control is required. In contrast, when a first amorphous semiconductor film is prepared by applying a solution containing a catalytic element to the amorphous semiconductor film, the surface of the amorphous semiconductor film is adjusted by adjusting the concentration of the catalytic element in the solution. The concentration of the catalyst element added can be controlled with a very small amount with good control.
[0090]
In this embodiment, typically, in the first step of preparing the first amorphous semiconductor film containing the catalytic element, the catalytic element is selectively added to a part of the amorphous semiconductor film. In the second step in which the second heat treatment is performed on the amorphous semiconductor film, the crystal is grown in the lateral direction from the region where the catalytic element is selectively added to the periphery thereof. A semiconductor film having quality is obtained. In this way, in the region where the crystal is grown in the lateral direction, a good crystalline semiconductor film in which the crystal growth direction is almost uniform can be obtained, and the current drive capability of the TFT can be further enhanced. is there. 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.
[0091]
Further, in the present embodiment, after the second step, a step of irradiating the crystalline semiconductor film with laser light may be performed. When the crystalline semiconductor film obtained in this embodiment is irradiated with laser light, a crystal grain boundary part or a minute residual amorphous region (uncrystallized region) due to a difference in melting point between the crystalline part and the amorphous part. Are processed intensively. A crystalline semiconductor film crystallized by introducing a catalytic element is formed of columnar crystals, and the inside thereof is in a single crystal state. A high-quality crystalline semiconductor film close to the crystalline state is obtained, and the 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.
[0092]
Here, in this embodiment, nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium as suitable catalyst elements. One or more elements selected from (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au) are used. 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 during crystallization of the amorphous silicon film, 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 0.5406 nm (5.406 angstroms), which is very close to the lattice constant of 0.5430 nm (5.430 angstroms) 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 this embodiment.
[0093]
Next, the characteristics of the semiconductor film in this embodiment will be described. As a result of manufacturing the semiconductor film of this embodiment using such a manufacturing method, the semiconductor film of this embodiment has a semiconductor film having a region composed of a plurality of crystal domains (substantially the same crystal plane orientation region). In this case, the plane orientation of the crystal domains is mainly constituted by <111> crystal zone planes, and height differences (unevenness) occur between the crystal domains on the film surface. That is, the height of the surface of the semiconductor film differs depending on each crystal domain.
[0094]
Further, the plane orientation of the plurality of crystal domains accounts for 50% or more of the total of (110) plane orientation and (211) plane orientation among the <111> crystal zone planes. In addition, the domain diameter of the crystal domain is typically 2 μm or more and 10 μm or less.
[0095]
In the semiconductor film of this embodiment, the semiconductor film contains a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film. Here, the catalyst element contained in the semiconductor film typically does not precipitate as a compound but exists in a solid solution state.
[0096]
At this time, the catalyst element contained in the semiconductor film of this embodiment is preferably nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium ( One or more elements selected from the group consisting of Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu) and gold (Au) It is. Here, in the semiconductor film of this embodiment, the catalyst element is 1 × 10 6. 14 atoms / cm Three 1 × 10 or more 17 atoms / cm Three It is preferably present at the following concentrations.
[0097]
In addition, the semiconductor film of this embodiment can be formed from a material containing silicon (Si) as a main component. Further, the catalyst element compound may be silicide.
[0098]
In addition, the thickness of the semiconductor film of the present embodiment is preferably in the range of 25 nm or more and 80 nm or less.
[0099]
In general, in crystallization without using a catalytic element, the plane orientation of the crystalline semiconductor film is (100) due to the influence of the insulator underlying the semiconductor film (particularly in the case of amorphous silicon dioxide) or the influence of the semiconductor film surface. Or it is easy to turn to (111). On the other hand, FIG. 7A shows a schematic diagram at the time of crystallization when a catalyst element is added to the amorphous semiconductor film to be crystallized. In FIG. 7A, 61 is a base insulator, 62 is an amorphous semiconductor film in an uncrystallized region, 63 is a crystalline semiconductor film, and 64 is a semiconductor compound of a catalytic element serving as a driving force for crystal growth. is there. As shown in FIG. 7A, the catalyst element compound 64 is present at the forefront of crystal growth, and the adjacent amorphous regions 62 are crystallized one after another toward the right side of the drawing. The catalytic element compound 64 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.
[0100]
Further, the crystal structure at this time is composed of a plurality of columnar crystals with the catalytic element compound positioned at the tip, and the cross-sectional shape of each columnar crystal is 80 nm square in a stress-free state. That is, when the film thickness of the semiconductor film is 80 nm or less, it is composed of a single-layer columnar crystal in the film thickness direction, but when it is more than that, the crystal has a two-layer structure and the crystallinity is deteriorated. Therefore, the thickness of the semiconductor film is desirably 80 nm or less. Conversely, it has been found that when the thickness of the semiconductor film is extremely thin (25 nm or less), crystal growth hardly occurs.
[0101]
FIG. 7B shows the <111> crystal zone plane. In FIG. 7B, the horizontal axis represents the inclination angle from the (-100) plane, and the vertical axis represents the surface energy. The group 65 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. FIG. 7C 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 in this embodiment, the (110) plane or (211) plane is predominantly oriented, and these planes occupy 50% or more of the entire plane. An advantage can be 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.
[0102]
FIG. 8 shows the plane orientation distribution of the crystalline semiconductor film obtained by this embodiment. FIG. 8 shows the result of EBSP (Electron Back Scattered Diffraction Pattern) measurement, in which the crystal orientation is specified for each minute region, and these are connected and mapped. FIG. 8A shows a plane orientation distribution in the crystalline semiconductor film of the present embodiment. FIG. 8B shows the relationship between adjacent mapping points based on the data in FIG. Those with a plane orientation tilt angle of a certain value or less (here, 5 ° or less) are painted with the same color to highlight the distribution of individual crystal domains. FIG. 8C shows a standard triangle having the crystal orientation described above with reference to FIG. As can be seen from FIG. 8 (C), the crystalline semiconductor film according to the present embodiment generally exhibits a plane orientation on the <111> crystal zone plane, and is particularly strongly oriented in (110) and (211). I can see that In this embodiment, the nucleation density is increased by the action of the rare gas element contained in the semiconductor film, and the size of each crystal domain (substantially the same plane orientation region) shown in FIG. 8B is 2 μm or more. It is distributed in the range of 10 μm or less.
[0103]
Here, in the semiconductor film of the present embodiment, a gettering layer is present in the upper layer, and gettering is performed by oxidizing and removing it. At this time, as described above, it is difficult to selectively oxidize and remove only the upper gettering layer, and the surface layer side of the lower crystalline semiconductor film is also partially oxidized and removed together. It is preferable from the viewpoint of margin. Therefore, also in the semiconductor film of this embodiment, it is desirable that the film surface is oxidized and removed to some extent. At this time, in the crystalline semiconductor film, since the oxidation rate varies depending on the plane orientation, a difference in oxidation rate occurs between crystal domains in the same plane region. As a result, in the semiconductor film of this embodiment, the amount of oxidation differs between crystal domains on the film surface. Then, after it is removed, a difference in level (unevenness) occurs between each crystal domain, which is one of the characteristics of the semiconductor film of this embodiment. The height difference between the domains at this time varies depending on how much the surface layer of the crystalline semiconductor film is oxidized (how much manufacturing margin is taken), but is preferably in the range of 1 nm to 20 nm.
[0104]
In addition, since the semiconductor film of this embodiment is obtained by introducing and crystallizing a catalytic element into an amorphous semiconductor film, the concentration of the catalytic element in the semiconductor film is completely obtained even if gettering is performed. However, there is a slight remaining catalyst element. However, it is the catalytic element semiconductor compound that has a negative effect on the electrical characteristics of the semiconductor device and that has become a nucleus during crystal growth and has driven crystal growth. Although these semiconductor compounds are segregated locally, the semiconductor film obtained in this embodiment is contained in the film by being dissolved and moved in the crystalline semiconductor film by gettering. The catalytic element does not precipitate as a compound but exists in a solid solution state. The concentration of the catalytic element in the semiconductor film at this time is 1 × 10 14 atoms / cm Three 1 × 10 or more 17 atoms / cm Three 1 × 10 17 atoms / cm Three The following does not cause the deposition of the semiconductor compound of the catalytic element that adversely affects the electrical characteristics of the semiconductor device. 1 × 10 14 atoms / cm Three However, this is the lower limit at which the catalyst element concentration can be reduced by the gettering process.
[0105]
Hereinafter, embodiments of a semiconductor film and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0106]
(First embodiment)
Here, a method for manufacturing a semiconductor film according to the present invention over a glass substrate will be described. The semiconductor thin film of this embodiment can be used for an active region of a TFT, a PN junction diode, or the like. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor thin film described here, and the manufacturing process sequentially proceeds in the order of (A) → (G).
[0107]
In FIG. 1A, a low alkali glass substrate or a quartz substrate can be used for the substrate 101. 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 ° C. 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 101 on which the semiconductor film is formed in order to prevent impurity diffusion from the substrate 101. In the present embodiment, for example, a silicon oxynitride film produced from a material gas of SiH 4, NH 3, and N 2 O by plasma CVD is formed as a lower first base film 102, and similarly, plasma CVD is used thereon. A second base film 103 was stacked using SiH4 and N2O as material gases. At this time, the thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 102 is 25 nm to 200 nm (for example, 100 nm), and the thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 103 is 25 nm to 300 nm (for example, 100 nm). ). In this embodiment, a two-layer base film is used, but a single-layer structure including only a silicon oxide film can also be used.
[0108]
Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 104 having a thickness of 25 nm to 80 nm (for example, 50 nm) is formed by plasma CVD. In this embodiment, a multi-chamber parallel plate type plasma CVD apparatus is used, and the first base film 102, the second base film 103, and the a-Si film 104 are continuously formed without being exposed to the atmosphere. Filmed. By doing in this way, contamination and dust adhesion at the film interface can be suppressed as much as possible. Of course, the formation of the base films 102 and 103 and the a-Si film 104 is not limited to the above-described plasma CVD method, and other known methods such as a thermal CVD method and a sputtering method can also be used. In addition, as a semiconductor film, it is desirable to use a film containing silicon as a main component from the viewpoint of easy handling and characteristics as a semiconductor device, but a germanium film or the like can also be used. The thickness of the a-Si film 104 is preferably in the range of 25 nm to 80 nm from the viewpoint of crystal growth.
[0109]
Subsequently, a catalytic element is added to the a-Si film 104 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 105. The catalyst element usable here is selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), palladium (Pd), iron (Fe), and copper (Cu). One or more elements are preferred. In addition, ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), and the like can be used. Prior to this step, the surface of the a-Si 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.
[0110]
In this embodiment, a method of adding nickel by a spin coating method is used. However, a thin film made of a catalytic element (in this embodiment, a nickel film) is deposited on the a-Si film 104 by vapor deposition or sputtering. You may 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 104 added in the state shown in FIG. 1A is measured by the total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method, 5 × 10 5 is obtained. 12 atoms / cm 2 It was about. At this time, the concentration of nickel added to the surface of the a-Si film is 1 × 10 10 whatever the addition method is used. 11 atoms / cm 2 1 × 10 or more 14 atoms / cm 2 The following is desirable. Since this concentration is 1/100 or less of the nickel monoatomic layer, the added nickel is discretely present on the a-Si film and is not actually in a film state.
[0111]
Then, the second heat treatment is performed in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. In this heat treatment, it is preferable to perform the annealing treatment under conditions where the temperature is 530 ° C. or higher and 620 ° C. or lower and the heating time is 30 minutes or longer and 8 hours or shorter. In this embodiment, as an example, heat treatment was performed at 580 ° C. for 1 hour. In this heat treatment, the nickel 105 added to the surface of the a-Si film is first diffused into the a-Si film 104, and then agglomerates to cause silicidation, which is used as a nucleus for the a-Si film 104. The crystallization proceeds. As a result, the a-Si film 104 is crystallized to become a crystalline silicon film 104a. Here, the heat treatment is performed using a general furnace, but an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus using a lamp or the like as a heat source, an RTA apparatus by inserting a substrate into the furnace in a single wafer, The heat treatment may be performed using an RTA apparatus or the like that blows a heated inert gas onto the substrate surface. When such an RTA method is used, it is preferable to perform heat treatment at a temperature of 650 ° C. to 750 ° C. for 30 seconds to 10 minutes. 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. Moreover, the domain diameter of the crystal domain (substantially the same plane orientation region) is 2 μm or more and 10 μm or less. This state corresponds to FIG.
[0112]
Subsequently, as shown in FIG. 1C, the crystalline silicon film 104a obtained by the heat treatment is irradiated with a laser beam 106, 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) 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 improving effect is small, and if it is too high, the crystalline state of the crystalline silicon film 104a obtained in the previous step is lost, so it is necessary to set it within an appropriate range. There is. 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.
[0113]
In this embodiment, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 nsec) was used. The laser light irradiation conditions are a nitrogen atmosphere and an energy density of 300 mJ / cm. 2 500 mJ / cm 2 The following (for example, 420 mJ / cm 2 ). Further, the beam size was formed to be a long shape of 150 mm × 1 mm on the surface of the substrate 101, 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 times of laser irradiation are performed at an arbitrary point of the crystalline silicon film 104a.
[0114]
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 domain state before laser irradiation are maintained as they are, and no significant change is observed in the EBSP measurement.
[0115]
Next, after washing the crystalline silicon film 104b with an acid containing hydrogen fluoride and removing the natural oxide film on the surface, the crystalline silicon film 104b is directly in contact with the crystalline silicon film 104b as shown in FIG. A gettering layer 107 is formed. At this time, since the natural oxide film may be re-formed on the surface of the crystalline silicon film 104b after the cleaning with hydrofluoric acid, the gettering layer 107 can be formed promptly after the cleaning with hydrofluoric acid. desirable. If a natural oxide film of a certain degree or more exists on the crystalline silicon film 104b, it causes peeling of the gettering layer 107 and the gettering efficiency is lowered.
[0116]
Here, the gettering layer 107 is preferably in an amorphous state and preferably contains an element having a gettering effect. In this embodiment, several typical methods for forming the gettering layer 107 will be described. First, when an a-Si film containing a rare gas element (Ar in this embodiment) is used as the gettering layer 107, a sputtering method or a plasma CVD method can be used. In the case of the sputtering method, an amount of Ar necessary for gettering can be contained by using a silicon target and setting the sputtering gas to Ar. In plasma CVD, SiH Four Using gas and Ar gas as materials, the Ar concentration in the a-Si film to be formed increases in the direction of decreasing both the film formation temperature and the film formation pressure. In order to further increase the Ar concentration, Ar elements can be easily included in the a-Si film by using a dual bias or dual frequency plasma CVD apparatus in which another bias is also applied to the substrate side. In this embodiment, as an example, a general plasma CVD apparatus is used, a film formation temperature is set to 250 ° C., a film formation pressure is set to about 20 Pa, and an a-Si film containing Ar with a thickness of 20 nm is formed. The Ar concentration in the a-Si film at this time is 5 × 10 19 atoms / cm Three It was about. In addition to Ar, Kr and Xe can be used similarly. The concentration of these rare gas elements contained in the gettering layer is 1 × 10 19 atoms / cm Three 3 × 10 or more twenty one atoms / cm Three It is preferable to be within the following range.
[0117]
Second, when an a-Si film containing an element belonging to Group B of the periodic table (P in this embodiment) is used as the gettering layer 107, a plasma CVD method is used, and silane (SiH Four ) And phosphine (PH Three ) As a material gas, an a-Si film containing P can be easily obtained. At this time, the content of P in the a-Si film is PH. Three Gas and SiH Four It can be controlled by the flow rate ratio with gas. In addition to P, As and Sb can be used, and the concentration of these elements contained in the gettering layer is 1 × 10 19 / Cm Three 1 × 10 or more twenty one / Cm Three It may be within the following range.
[0118]
Third, the gettering layer 107 contains both elements belonging to Group B of the periodic table (P in the present embodiment) and elements belonging to Group B of the periodic table (B in the present embodiment). By using the a-Si film to be obtained, the gettering capability is further enhanced. In this case, plasma CVD is used, and diborane (B 2 H 6 ). And PH Three Gas and SiH Four Gas and B 2 H 6 Similarly, the contents of P and B in the a-Si film can be controlled by the flow ratio with the gas. At this time, in addition to B, Al can be used, and the concentration of these elements contained in the gettering layer is 1.5 × 10 5. 19 / Cm Three 3 × 10 or more twenty one / Cm Three It may be within the following range.
[0119]
Before the gettering layer 107 is formed, it is desirable that the surface of the crystalline silicon film 104b be subjected to plasma treatment in an atmosphere containing hydrogen and then continuously formed. When a gettering layer is formed by a plasma CVD apparatus as in this embodiment, hydrogen plasma treatment can be easily performed by simply switching the material gas, and then the gettering layer is continuously exposed without being exposed to the atmosphere. A film can be formed.
[0120]
Further, the film thickness of the gettering layer 107 is desirably in the range of 1/10 to 2 times the film thickness of the crystalline silicon film 104b, and optimally 1/5 to 1 times. In this embodiment, since the film thickness of the crystalline silicon film is 50 nm, the thickness of the gettering layer is preferably 5 nm or more and 100 nm or less, and particularly preferably 10 nm or more and 50 nm or less. In the present embodiment, the thickness of the gettering layer 107 is 20 nm.
[0121]
Then, this is subjected to a first heat treatment in an inert atmosphere. As a heat treatment method at this time, general furnace annealing and rapid thermal annealing (RTA) can be used. At this time, in the case of furnace annealing, the temperature is 500 ° C. or more and 600 ° C. or less and is 15 minutes or more and 4 hours or less. In the case of RTA, in this embodiment, the temperature is 600 ° C. or more and 750 ° C. or less and is about 30 seconds or more and 15 minutes or less. The heat treatment may be performed. In this embodiment, for example, the RTA process is performed in a nitrogen atmosphere. As RTA conditions at this time, the substrate is preheated to about 400 ° C., and then heated at a rate of temperature increase of 50 ° C./min to 300 ° C./min. Went. In the present embodiment, the RTA treatment of the above temperature profile is realized by providing a temperature gradient in the furnace using a resistance heating 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 process, nitrogen gas heated at a high temperature is uniformly sprayed on the surface of the substrate 101, so that a high temperature increase rate and temperature increase that cannot be obtained only by thermal radiation are performed. The thermal uniformity within the substrate surface is obtained.
[0122]
FIG. 9 shows the configuration of the RTA apparatus used in this embodiment. A heater 803 is installed for each zone above the quartz tube 802. Reference numeral 804 denotes a quartz shower plate, and 805 denotes a substrate stage. The substrate stage 805 supports the substrate 801 with pin support so that heat exchange from the substrate is eliminated and instantaneous heating can be performed only with the heat capacity of the substrate 801. The substrate stage 805 is supported by a column flange 806 and is heated by moving it up and down as indicated by an arrow 809. Reference numeral 807 denotes an O-ring for sealing the chamber. Nitrogen gas 808 is introduced from the upper part of the quartz tube, is diffused and heated in a reservoir on the shower plate 804, and is uniformly sprayed on the surface of the substrate 801 through the shower plate. The raising / lowering speed of the substrate 801 is controlled by the vertical speed of the substrate stage (indicated by an arrow 809).
[0123]
By this heat treatment, the nickel in the crystalline silicon film 104b under the gettering layer 107 is moved upward as indicated by an arrow 108 in FIG. In this gettering step, first, nickel dissolved in the crystalline silicon film 104b moves to the gettering layer 107, so that the nickel concentration in the silicon film is lowered and Ni silicide precipitated in the film. Is performed by dissolving in the silicon film. These also move to the gettering layer 107 in a solid solution state, Ni silicide in the crystalline silicon 104b disappears, the concentration of nickel in the solid solution state is reduced, and the crystalline silicon film 104c is obtained. As a result, the nickel concentration of the crystalline silicon film 204c 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 104c is not in a silicide state but exists in a solid solution state as interstitial nickel.
[0124]
Subsequently, as shown in FIG. 1F, the gettering layer 107 is oxidized by heat treatment in an oxidizing gas atmosphere to form a silicon oxide film 109. As the oxidation treatment at this time, heat treatment in a relatively high-pressure oxidizing gas atmosphere exceeding 1 atm, or RTA treatment in which heated oxidizing gas is sprayed on the surface of the gettering layer 107 can be used. As the oxidizing gas at this time, water vapor is optimal from the viewpoint of high oxidation reactivity and safety. In the former method, the inside of the furnace may be pressurized with water vapor in a range of 5 to 15 atmospheres, and heat treatment may be performed at 550 ° C. to 600 ° C. for about 10 minutes to 2 hours. In the latter method, water vapor gas heated to a high temperature may be directly sprayed on the surface of the gettering layer, and RTA treatment may be performed at 650 ° C. to 800 ° C. for about 5 minutes to 20 minutes. It is desirable that both the temperature increase rate and the temperature decrease rate at this time be 100 ° C./min or more.
[0125]
In this embodiment, the gettering layer 107 is oxidized using the RTA apparatus shown in FIG. From the state where the introduced gas 808 is water vapor and the substrate is preheated to about 400 ° C., the temperature is raised at a rate of 100 ° C./min to 300 ° C./min, for example, heat treatment is performed at a temperature of 720 ° C. for 10 minutes. It was. As a result, the gettering layer 107 having a thickness of 20 nm is oxidized and becomes a silicon oxide film 109. At this time, the surface layer of the lower crystalline silicon film 104c was oxidized by about 10 nm, so that a crystalline silicon film 104d having a thickness of 40 nm was obtained. Further, during this step, oxidation of part of the surface layer of the gettering layer 107 and the crystalline silicon film 104c generates excess silicon atoms, which diffuse into the crystalline silicon film 104c and cause dangling bonds (dangs). It is terminated by bonding with a ring bond. As a result, the obtained crystalline silicon film 104d has a reduced defect density and higher crystallinity. Further, the surface of the crystalline silicon film 104d has unevenness between crystal domains due to the difference in oxidation rate depending on the crystal orientation, and the difference in height is about 2 nm or more and 5 nm or less.
[0126]
In the present embodiment, the heat treatment for gettering in the nitrogen atmosphere and the oxidation treatment with water vapor can be performed continuously using the apparatus shown in FIG. 9, which is effective. At this time, continuous processing can be easily performed by continuously switching from nitrogen gas to water vapor gas during RTA processing. Also, for oxidation in a high-pressure atmosphere, continuous treatment with gettering heat treatment is possible by switching the atmosphere gas in the same manner. Furthermore, by optimizing the heating conditions, gettering and oxidation can be performed simultaneously / continuously by heat treatment in a steam atmosphere.
[0127]
Then, the silicon oxide film 109 is entirely removed by etching. As an etchant at this time, a sufficiently low-layer crystalline silicon film 104d and 1: 100 buffered hydrofluoric acid (BHF) having etching selectivity were used and wet etching was performed.
[0128]
Through the above steps, a semiconductor film (crystalline silicon film) 104d according to the present invention is obtained as shown in FIG.
[0129]
FIG. 2A is a schematic plan view of a semiconductor film obtained by the method described above. As shown in FIG. 2A, the semiconductor film has a plurality of domains 10. Each domain 10 is in contact with an adjacent domain at a domain boundary 11.
[0130]
FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the semiconductor film in FIG. In FIG. 2B, a base film 15 and a semiconductor film 16 are sequentially stacked over the substrate 12. Here, the base film 15 includes a first base film 13 and a second base film 14 (both are silicon oxynitride films). As can be seen from FIG. 2B, each domain 10 has a different surface height, and thus the surface of the semiconductor film 16 has irregularities corresponding to the shape of the domain 10. The reason why the surface height differs for each domain is that the oxidation rate differs depending on the crystal orientation as described above.
[0131]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is an n-channel TFT using the semiconductor thin film (crystalline silicon film) produced in the first embodiment described above and a method for producing it on a glass substrate. 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. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the n-channel TFT described here, and the manufacturing process sequentially proceeds in the order of (A) → (E).
[0132]
FIG. 3A shows a state in which the crystalline silicon film 204d is manufactured by a method similar to the method described in the first embodiment, and corresponds to FIG. 1G of the first embodiment. That is, a silicon oxynitride film is formed as the first base film 202 on the glass substrate 201, and a silicon oxide film is formed as the second base film 203 thereon. A crystalline silicon film 204d produced according to the first embodiment is formed.
[0133]
Then, unnecessary portions of the crystalline silicon film 204d are removed to perform element isolation. By this step, as shown in FIG. 3B, an island-shaped semiconductor layer 210 that will later become an active region (source / drain region, channel region) of the TFT is formed.
[0134]
Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm (here, 100 nm) is formed as the gate insulating film 211 so as to cover the semiconductor layer 210. Here, the silicon oxide film is formed using TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) as a raw material and using an RF plasma CVD method at a substrate temperature of 150 ° C. to 600 ° C., preferably 300 ° C. to 450 ° C. together with oxygen. . Alternatively, TEOS as a raw material may be formed at a substrate temperature of 350 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher and 550 ° C. or lower by low pressure CVD or atmospheric pressure CVD together with ozone gas. 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.
[0135]
Subsequently, a conductive film is deposited on the gate insulating film 211 using a sputtering method, a CVD method, or the like, and this is patterned to form a gate electrode 212. As the conductive film, various materials such as a metal film, a refractory metal film, a low-resistance semiconductor film, and the like can be used. 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 212. High temperature resistance is improved by mixing trace amounts of elements such as scandium, titanium, and silicon into the aluminum film. Here, when the TFT in this embodiment is applied as a pixel TFT of a liquid crystal display device or the like, the gate electrode 212 forms a gate bus line at the same time in a plan view.
[0136]
Then, as shown in FIG. 3C, a low-concentration impurity (phosphorus) 213 is implanted into the semiconductor layer 210 by an ion doping method using the gate electrode 212 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 Through this process, in the semiconductor layer 210, a low concentration phosphorus 213 is implanted into a region 214 that is not covered with the gate electrode 212, and a region that is masked by the gate electrode 212 and is not implanted with phosphorus 213 later becomes a channel region 215 of the TFT. Become.
[0137]
Subsequently, as shown in FIG. 3D, a doping mask 216 made of a photoresist is provided so as to largely cover the gate electrode 212. Thereafter, an impurity (phosphorus) 217 is implanted into the semiconductor layer 210 at a high concentration by ion doping using the resist mask 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 15 ~ 8x10 15 cm -2 For example 2 × 10 15 cm -2 And By this step, the region where the impurity (phosphorus) 217 is implanted at a high concentration later becomes the source / drain region 218 of the TFT. In the semiconductor layer 210, a region covered with the resist mask 216 and not doped with high-concentration phosphorus 217 remains as a region into which low-concentration phosphorus is implanted, thereby forming an LDD (Lightly Doped Drain) region 219. . In this manner, by forming the LDD region 219, 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.
[0138]
Note that even if the LDD region 219 is left in a non-doped (intrinsic) state without doping with low concentration of phosphorus in FIG. 3C, a so-called offset gate structure is formed, and the leakage current during the TFT off operation is the same as in the LDD structure. Can be reduced and hot carrier resistance can be improved. However, in this case, since the resistance of the offset portion 219 becomes larger, the on-current value of the TFT is lower than that of the LDD structure. As a method for forming such an LDD structure or offset gate structure, in addition to the method using a resist mask as described above, the surface of the aluminum electrode is anodized to form an oxide layer on the surface, and the oxidation is performed. The above structure can also be formed by utilizing the thickness (width) of the physical layer. In addition, an insulating film or the like is formed on the gate electrode and etched back, whereby a sidewall can be formed on the side wall of the gate electrode and used. In this embodiment, the LDD region 219 is formed outside the gate electrode 212. However, the LDD region 219 may be formed so as to partially overlap the gate electrode (GOLD structure; Gate Overlapped LDD). This is particularly effective for suppressing hot carrier deterioration.
[0139]
Then, after removing the photoresist 216 used as a mask for doping, annealing is performed by laser beam irradiation from above the substrate to activate the ion-implanted impurity, 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 200 to 450 mJ / cm. 2 , Preferably 250 to 350 mJ / cm 2 Irradiation was performed. At this time, the channel region 215 is not irradiated with laser light because the upper gate electrode 212 serves as a mask to block the laser light. The sheet resistance of the N-type impurity (phosphorus) region 218 formed in this manner was 200 to 500 Ω / □, and the sheet resistance of the LDD region 219 into which phosphorus was implanted at a low concentration was 30 to 50 kΩ / □.
[0140]
Here, the activation of impurities is performed by laser irradiation, but an RTA apparatus using a lamp or the like as a heat source, an RTA apparatus by inserting a substrate into a furnace in a single wafer, an inert gas heated to a high temperature, An RTA apparatus that sprays on the substrate surface may be used. When such an RTA method is used, it is preferable to carry out the heating at a temperature of 600 ° C. to 650 ° C. for about 30 seconds to 2 minutes because of the heat resistance of aluminum.
[0141]
Subsequently, as shown in FIG. 3E, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 400 nm to 1000 nm is formed as the interlayer insulating film 220. 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.
[0142]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 220, and a TFT electrode / wiring 221 is formed of a metal material, 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 222 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 via the source bus line, and a necessary charge is written to the pixel electrode based on the gate signal of the gate bus line 212. 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 212 and necessary wiring may be provided.
[0143]
Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere or a hydrogen atmosphere to complete the TFT 222 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 222.
[0144]
The TFT manufactured according to the above embodiment has a field effect mobility of 300 cm. 2 / Vs and the threshold voltage of about 1.5 V, despite the extremely high performance, the abnormal increase in leakage current during TFT OFF operation, which was a problem in the conventional example, is suppressed, and the threshold voltage is about 0.1 V 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 prepared without using a catalyst element, and the production yield can be greatly improved. 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.
[0145]
Further, 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 obviously 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.
[0146]
(Third embodiment)
A third embodiment according to the present invention will be described. This embodiment is a circuit having a CMOS structure using the semiconductor thin film (crystalline silicon film) produced in the first embodiment and a process for producing the circuit on a glass substrate. The circuit of the CMOS structure of the present embodiment is configured by complementing a peripheral driving circuit of an active matrix type liquid crystal display device and an n-channel TFT and a p-channel TFT forming a general thin film integrated circuit. .
[0147]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a TFT described in this embodiment, and the process proceeds in order from FIG. 4A to FIG. 4F.
[0148]
FIG. 4A shows a state in which the crystalline silicon film 304d is manufactured according to the method described in the first embodiment, and corresponds to FIG. 1G of the first embodiment. That is, a silicon oxynitride film is formed as the first base film 302 on the glass substrate 301, and a silicon oxide film is formed as the second base film 303 thereon. A crystalline silicon film 304d produced according to the first embodiment is formed.
[0149]
Next, an unnecessary portion of the crystalline silicon film 304d is removed, and element isolation is performed. By this step, as shown in FIG. 4B, an island-like crystalline silicon film (semiconductor layer) 310n that will later become an active region (source / drain region, channel region) of an n-channel TFT and a p-channel TFT. And 310p are formed.
[0150]
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 surface of the semiconductor layer 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 at the same time when an amorphous silicon film is formed.
[0151]
Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, here 100 nm, is formed as a gate insulating film 311 so as to cover the semiconductor layers 310n and 310p. 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 311, another insulating film containing silicon may be used as a single layer or a stacked structure.
[0152]
Subsequently, a conductive film is deposited and patterned to form gate electrodes 312n and 312p. In the present embodiment, a refractory metal film is formed by a sputtering method as the conductive film. The refractory metal at this time is an element selected from tantalum (Ta) or tungsten (W), molybdenum (Mo) titanium (Ti), an alloy containing the above elements as a main component, or an alloy combining the above 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.
[0153]
Next, as shown in FIG. 4C, a low concentration impurity (phosphorus) 313 is implanted into the semiconductor layer by the ion doping method using the gate electrodes 312n and 312p 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 step, in the semiconductor layers 310n and 310p, regions not covered with the gate electrodes 312n and 312p become regions 314n and 314p into which low-concentration phosphorus 313 has been implanted, and are masked by the gate electrodes 312n and 312p, and impurities 313 are not implanted. The regions will later become channel regions 315n and 315p of n-channel TFTs and p-channel TFTs.
[0154]
Next, as shown in FIG. 4D, in the later n-channel TFT, a doping mask 316n made of photoresist is provided so as to cover the gate electrode 312n so as to be slightly larger, and in the later p-channel TFT, the semiconductor A photoresist doping mask 316p is provided so as to cover the entire layer 310p. Thereafter, an impurity (phosphorus) 317 is implanted at a high concentration into the semiconductor layer by ion doping using the resist masks 316n and 316p 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 1 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 For example 5 × 10 15 cm -2 And By this process, in the n-channel TFT semiconductor layer 310n, the region into which the impurity (phosphorus) 317 is implanted at a high concentration later becomes the source / drain region 318 of the n-channel TFT and is covered with the resist mask 316n. The region where the high concentration phosphorus 317 is not doped remains as a region where phosphorus is implanted at a low concentration, thereby forming an LDD (Lightly Doped Drain) region 319. In the p-channel TFT later, since the entire semiconductor layer is covered with the mask 316p, the high concentration impurity (phosphorus) 317 is not implanted in this step. At this time, the concentration of the n-type impurity element (phosphorus) 317 in the film in the region 318 is 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one / Cm Three It has become. The n-type impurity element (phosphorus) 313 concentration in the LDD region 319 of the n-channel TFT is 1 × 10 17 ~ 1x10 20 / Cm Three In such a range, it functions as an LDD region.
[0155]
Next, after removing the resist masks 316n and 316p, as shown in FIG. 4E, a photoresist doping mask 320 is newly provided so as to cover the entire semiconductor layer 310n of the n-channel TFT. At this time, no mask is provided above the p-channel TFT, and the entire TFT is exposed. In this state, an impurity (boron) 321 imparting p-type conductivity is implanted into the semiconductor layer by ion doping using the resist mask 320 and the gate electrode 312p 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 15 cm -2 And Through this process, boron 321 is implanted at a high concentration into the region 314p exposed from the gate electrode 312p in the semiconductor layer of the p-channel TFT, and the low-concentration phosphorus implanted in the previous process is canceled (so-called The polarity is reversed from N-type to P-type by counter-doping. As a result, the source / drain region 322 of the p-channel TFT, and the region masked by the gate electrode 312p and not doped with impurities becomes the channel region 315p of the later p-channel TFT. In this process, since the semiconductor layer 310n of the later n-channel TFT is covered with the mask 320, the boron 321 is not doped at all.
[0156]
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 318 and the p-type impurity are doped. The impurity region 322 can be formed separately. 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.
[0157]
Next, after removing the resist mask 320, the resist mask 320 is subjected to heat treatment in an inert atmosphere. This heat treatment activates the ion-implanted impurity in the source / drain region and the LDD region, and at the same time improves the crystallinity of the portion where the crystallinity has deteriorated in the impurity introduction step. At this time, in this embodiment, since the refractory metal (W) is used as the gate electrode material, heat treatment at a relatively high temperature is possible, and the condition margin is expanded. Actually, in this embodiment, a general diffusion furnace was used, and the heat treatment was performed in a temperature range of 500 ° C. to 600 ° C. for about 30 minutes to 8 hours in a nitrogen atmosphere. In addition, an RTA apparatus that uses a lamp or the like as a heat source, an RTA apparatus that inserts a substrate into a furnace in a single wafer, an RTA apparatus that blows an inert gas heated to a high temperature onto the substrate surface, etc. are used. May be. When such an RTA method is used, it is preferably performed at a temperature of 600 ° C. or higher and 700 ° C. or lower under heating conditions of about 30 seconds or longer and within 10 minutes. As a result, the sheet resistance value of the source / drain region 318 of the n-channel TFT was about 500 to 800 Ω / □, and the sheet resistance value of the LDD region 319 was 30 to 60 kΩ / □. Further, the sheet resistance value of the source / drain region 322 of the p-channel TFT was about 1 to 1.5 kΩ / □.
[0158]
Next, as illustrated in FIG. 4F, 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 silicon nitride film 323 having a thickness of 200 nm and a silicon oxide film 324 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.
[0159]
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 semiconductor layer / gate insulating film interface to terminate and deactivate dangling bonds (dangling bonds) that degrade the 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 323) is sufficient, the effect can be obtained even if the heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere. As another means of hydrogenation, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) may be performed.
[0160]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film, and a TFT electrode / wiring 325 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 326 and the p-channel TFT 327 shown in FIG. Further, if necessary, contact holes are provided also on the gate electrodes 312n and 312p, and necessary electrodes are connected by the wiring 325. 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.
[0161]
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 1 V for an n-channel TFT and about −1.5 V for a p-channel TFT, and exhibits very good characteristics. In addition, the abnormal increase in leakage current during TFT off operation, which was a problem in the conventional example, was suppressed, and even when repeated measurements and durability tests with 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.
[0162]
(Fourth embodiment)
With reference to FIG. 5, a semiconductor film and a method for manufacturing the semiconductor film according to the fourth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the amorphous semiconductor film is crystallized by a method different from the method described in the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process in the present embodiment, and the manufacturing process sequentially proceeds according to (A) to (I).
[0163]
First, as in the first embodiment, a base film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed on a substrate (a glass substrate in this embodiment) 401 in order to prevent impurity diffusion from the substrate. To do. 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. At this time, the thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 402 is, for example, 100 nm, and the thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 403 is, for example, 100 nm. Next, an a-Si film 404 is formed with a thickness of 25 nm to 80 nm. In this embodiment, an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is formed using a plasma CVD method. In this step, the base insulating film and the amorphous semiconductor film may be formed continuously without being released to the atmosphere.
[0164]
Next, a mask insulating film 405 made of a silicon oxide film is formed to a thickness of 200 nm. As shown in FIG. 5A, the mask insulating film has an opening 400 for adding a catalytic element to the semiconductor film.
[0165]
Next, as shown in FIG. 5B, 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 406. To do. At this time, the catalytic element 406 selectively contacts the a-Si film 404 in the opening 400 of the mask insulating film 405 to form a catalytic element addition region.
[0166]
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.
[0167]
Next, heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. to 650 ° C. (preferably 550 ° C. 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. 5C, crystal nuclei are generated in the catalytic element addition region 400, and the a-Si film in the region 400 is first crystallized to become a crystalline silicon film 404a. Furthermore, crystallization proceeds in a direction parallel to the substrate (direction indicated by an arrow 407) starting from the crystallization region 404a, and a crystalline silicon film 404b having a uniform macroscopic crystal growth direction is formed. At this time, the nickel 406 existing on the mask 405 is blocked by the mask film 405 and does not reach the underlying a-Si film, and the a-Si film 404 is crystallized only by the nickel introduced in the region 400. Done. A region where the lateral crystal growth does not reach remains as an amorphous region 404c. 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.
[0168]
After removing the silicon oxide film 405 used as a mask, the obtained crystalline silicon film is irradiated with laser light as shown in FIG. Improvements may be made. As a result, the crystalline silicon film in the region 404b in which the crystal is grown in the lateral direction is further improved in quality and becomes a crystalline silicon film 404d.
[0169]
Next, after removing the natural oxide film on the surface of the crystalline silicon film 404d, a gettering layer 409 is formed as shown in FIG. For the formation of the gettering layer, the same method as that in the first embodiment may be used.
[0170]
Then, this is subjected to a first heat treatment in an inert atmosphere. As a heat treatment method at this time, general furnace annealing or rapid thermal annealing (RTA) can be used. In this embodiment, RTA is used. When RTA is used, heat treatment is performed at a temperature of 600 ° C. to 750 ° C. for about 30 seconds to 15 minutes. When furnace annealing is used, heat treatment is preferably performed at a temperature of 500 ° C. to 600 ° C. for about 15 minutes to 4 hours.
[0171]
By this heat treatment, nickel in the crystalline silicon film 404d under the gettering layer 409 is moved upward as indicated by an arrow 410 in FIG. As a result, Ni silicide in the crystalline silicon film 404d disappears, the concentration of nickel in a solid solution state is reduced, and gettering is performed. Thus, a crystalline silicon film 404e having a reduced nickel concentration is obtained.
[0172]
Subsequently, as shown in FIG. 5G, the gettering layer 409 is oxidized by heat treatment in an oxidizing gas atmosphere to form a silicon oxide film 411. As the oxidation treatment at this time, as in the first embodiment, water vapor is used as the oxidizing gas, and the surface of the gettering layer 409 is heated by heat treatment in a high-pressure oxidizing gas atmosphere exceeding 1 atm. RTA treatment in which an oxidizing gas is blown may be used. By this step, the crystalline silicon film 404e becomes a crystalline silicon film 404f with higher defectivity and reduced defect density. Further, the surface of the crystalline silicon film 404f has irregularities between crystal domains due to the difference in oxidation rate depending on the crystal orientation.
[0173]
Then, as shown in FIG. 5H, the silicon oxide film 411 is entirely removed by etching to obtain a target high-quality crystalline silicon film 404f. Then, as shown in FIG. 5I, the crystalline silicon film in the laterally grown region 404f is etched into a predetermined shape to form a semiconductor layer 412 of the later TFT.
[0174]
By applying the crystallization method shown in this embodiment to the crystallization process in the first to third embodiments, a high-performance TFT with higher current driving capability can be realized.
[0175]
(Fifth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is an active matrix substrate. 6A and 6B are block diagrams of the active matrix substrate of this embodiment.
[0176]
FIG. 6A shows a circuit configuration for performing analog driving. This embodiment shows a semiconductor device having a source side driver circuit 50, a pixel portion 51, and a gate side driver circuit 52. 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.
[0177]
The source side driving circuit 50 includes a shift register 50a, a buffer 50b, and a sampling circuit (transfer gate) 50c. Further, the gate side driving circuit 52 is provided with a shift register 52a, a level shifter 52b, and a buffer 52c. Further, if necessary, a level shifter circuit may be provided between the sampling circuit and the shift register.
[0178]
In the present embodiment, the pixel unit 51 includes a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels includes a TFT element.
[0179]
Although not shown, a gate side driver circuit may be further provided on the opposite side of the gate side driver circuit 52 with the pixel portion 51 interposed therebetween.
[0180]
FIG. 6B shows a circuit configuration for performing digital driving. This embodiment shows a semiconductor device having a source side driver circuit 53, a pixel portion 54, and a gate side driver circuit 55. In the case of digital driving, as shown in FIG. 6B, a latch (A) 53b and a latch (B) 53c may be provided instead of the sampling circuit. The source side driving circuit 53 includes a shift register 53a, a latch (A) 53b, a latch (B) 53c, a D / A converter 53d, and a buffer 53e. The gate side driving circuit 55 includes a shift register 55a, a level shifter 55b, and a buffer 55c. If necessary, a level shifter circuit may be provided between the latch (B) 53c and the D / A converter 53d.
[0181]
In addition, the said structure is realizable according to the manufacturing process shown to above-mentioned Embodiment 1-4. 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.
[0182]
(Sixth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is an active matrix type liquid crystal display device using the CMOS circuit or the pixel portion formed in the above-described embodiment and all electric appliances having such a liquid crystal display device as a display portion.
[0183]
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.
[0184]
In this embodiment, a crystalline semiconductor film having good crystallinity using a catalytic element can be formed, and further, the catalytic element can be sufficiently gettered. 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.
[0185]
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 a display device manufactured by combining the above embodiments.
[0186]
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.
[0187]
For example, 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 be used as the semiconductor film targeted by the present invention.
[0188]
In addition, as a method of introducing nickel, a method of applying the surface of the amorphous silicon film with a solution in which a nickel salt is dissolved was adopted, but nickel was introduced to the surface of the base film before forming the amorphous silicon 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.
[0189]
In the above-described embodiment, the entire amorphous silicon film formed on the entire surface of the substrate is crystallized to produce the crystalline semiconductor film. However, the present invention is not limited to this, and a part of the substrate is formed. Alternatively, a crystalline semiconductor film may be formed in each of the plurality of regions by the method described above.
[0190]
As described above, the present invention uses a stable gettering method that has a large manufacturing process margin, a high manufacturing yield, and an excellent gettering effect. Therefore, in a crystalline semiconductor film having good crystallinity manufactured using a catalytic element, the concentration of the catalytic element contained in the semiconductor film can be stably increased without damaging the crystalline semiconductor film itself such as etching. It can be greatly reduced. When such a semiconductor film is used, the generation of leakage current can be suppressed and the reliability can be improved, and further, the high performance semiconductor device (TFT, active matrix substrate, liquid crystal display) having stable characteristics with little characteristic variation. Including a wide range of devices and appliances). In addition, the yield rate can be greatly improved and the manufacturing cost can be reduced in the manufacturing process of such a semiconductor device.
[0191]
【The invention's effect】
According to the present invention, a highly reliable crystalline semiconductor film in which the content of a catalytic element is sufficiently reduced can be provided. Further, it is possible to provide a method for easily manufacturing such a semiconductor film without increasing manufacturing steps and manufacturing costs. Furthermore, by using the semiconductor film as an active layer, a high-performance semiconductor device (including TFT) can be realized, and a high-performance semiconductor device with a high degree of integration can be easily manufactured.
[0192]
In particular, when the present invention is applied to a liquid crystal display device (a driver monolithic active matrix substrate having an active matrix portion and a peripheral drive circuit portion on the same substrate), the switching characteristics of the pixel switching TFT required for the active matrix substrate are improved. It is advantageous because it simultaneously satisfies the high performance and high integration required for TFTs constituting the peripheral drive circuit section, and can realize a compact, high performance and low cost module.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1G are schematic process cross-sectional views for explaining a semiconductor film manufacturing method according to a first embodiment of the present invention. FIGS.
2A and 2B are a schematic plan view and a cross-sectional view, respectively, of a semiconductor film according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3E are schematic process cross-sectional views for explaining a thin film transistor manufacturing method according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
4A to 4F are process cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a circuit having a CMOS structure according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 5A to 5I are schematic cross-sectional views for explaining a semiconductor film formation method according to a fourth embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 6A and 6B are block diagrams of an active matrix substrate according to a fifth embodiment of the present invention.
7A is a view showing crystal growth and FIG. 7B is a view showing a <111> crystal zone plane when a catalyst element is added to an amorphous semiconductor film for crystallization. FIG. (C) is a diagram showing a standard triangle of crystal orientation.
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing a plane orientation distribution of a crystalline semiconductor film obtained by using a catalytic element, and FIG. 8C is a diagram showing a standard triangle of crystal orientation. .
FIG. 9 is a diagram schematically showing a configuration of an RTA apparatus used in an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 domains
11 Domain boundaries
12 Substrate
13, 14 Silicon oxynitride film
15 Underlayer
16 Semiconductor film
101 substrate
102, 103 Underlayer
104 Amorphous silicon film
104a, 104b crystalline silicon film
107 Gettering layer (amorphous silicon film)
108 Movement direction of catalytic element
109 Oxidized gettering layer (silicon oxide film)

Claims (21)

(1)非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含有する非晶質ケイ素膜を用意する工程と、
(1b)前記非晶質ケイ素膜に第2の加熱処理を施すことにより、前記非晶質ケイ素膜を結晶化させて、結晶質領域を有する第1半導体膜を得る工程と、
(2)前記第1半導体膜上に接する第2半導体膜を設ける工程と、
(3)前記第1半導体膜に第1の加熱処理を施すことにより、前記第1半導体膜中に存在する前記触媒元素を、前記第2半導体膜へ移動させる工程と、
(4)前記第2半導体膜を酸化する工程と、
(5)前記酸化された第2半導体膜を除去する工程と
を包含し、
前記第2半導体膜は非晶質ケイ素膜であり、前記触媒元素はニッケルである、半導体膜の製造方法。
(1 a ) preparing an amorphous silicon film containing a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film ;
(1b) subjecting the amorphous silicon film to a second heat treatment to crystallize the amorphous silicon film to obtain a first semiconductor film having a crystalline region;
(2) providing a second semiconductor film in contact with the first semiconductor film;
(3) transferring the catalyst element present in the first semiconductor film to the second semiconductor film by performing a first heat treatment on the first semiconductor film;
(4) oxidizing the second semiconductor film;
(5) removing the oxidized second semiconductor film ,
The method for producing a semiconductor film, wherein the second semiconductor film is an amorphous silicon film and the catalytic element is nickel .
前記工程(1)と前記工程(2)との間に、前記第1半導体膜の表面に形成された自然酸化膜を除去する工程をさらに含む、請求項に記載の半導体膜の製造方法。Between the step (1 b) and the step (2), further comprising the step of removing the natural oxide film formed on the surface of the first semiconductor film, a method of manufacturing a semiconductor film according to claim 1 . 前記第2半導体膜は、前記触媒元素を引き寄せるゲッタリング元素を含有し、前記ゲッタリング元素は、Ar、KrおよびXeからなる群から選ばれた少なくとも一種の希ガス元素を含む、請求項1または2に記載の半導体膜の製造方法。 Said second semiconductor layer contains a gettering element of attracting the catalyst element, the gettering element, Ar, comprises at least one rare gas selected from a group consisting of Kr and Xe, claim 1 or 2. A method for producing a semiconductor film according to 2 . 前記第2半導体膜は、前記触媒元素を引き寄せるゲッタリング元素を含有し、前記ゲッタリング元素は、P、AsおよびSbからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を含む、請求項1または2に記載の半導体膜の製造方法。 Said second semiconductor layer contains a gettering element of attracting the catalyst element, the gettering element, P, comprising at least one element selected from the group consisting of As and Sb, to claim 1 or 2 The manufacturing method of the semiconductor film of description. 前記第2半導体膜は、前記触媒元素を引き寄せるゲッタリング元素を含有し、前記ゲッタリング元素は、P、AsおよびSbからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素と、BおよびAlからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素とを含む、請求項1または2に記載の半導体膜の製造方法。 The second semiconductor film contains a gettering element that attracts the catalyst element, and the gettering element includes at least one element selected from the group consisting of P, As, and Sb, and a group consisting of B and Al. and at least one element selected method of manufacturing a semiconductor film according to claim 1 or 2. 前記工程(3)は、前記第2半導体膜の非晶質状態を保ちながら前記第1の加熱処理を行う工程を含む、請求項からのいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The step (3), the said maintaining the amorphous state of the second semiconductor film includes a first heat treatment is performed to process, the method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 5. 前記工程(4)は、前記第2半導体膜に対して、酸化性ガス雰囲気下にて第3の加熱処理を施す工程を含む、請求項からのいずれかに記載の半導体膜の製造方法。Said step (4), said the second semiconductor film includes a step of performing a third heat treatment under an oxidizing gas atmosphere, a method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 6 . 前記第3の加熱処理工程は、1気圧を超える高圧雰囲気下で行われる、請求項に記載の半導体膜の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor film according to claim 7 , wherein the third heat treatment step is performed in a high-pressure atmosphere exceeding 1 atm. 前記第3の加熱処理工程は、前記第2半導体膜の表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付ける高速熱アニールを含む、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 7 , wherein the third heat treatment step includes rapid thermal annealing in which a heated oxidizing gas is sprayed on a surface of the second semiconductor film. 前記第3の加熱処理工程の前記酸化性ガスとして、水蒸気を用いる、請求項ら9のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。Wherein as said oxidizing gas third heat treatment step, using steam, a method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 7 through 9. 前記第2半導体膜の厚さは、前記第1半導体膜の厚さの1/10以上2倍以下の範囲内である、請求項から10のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The thickness of the second semiconductor layer, the first is in the thickness range of 1/10 or more than twice of the semiconductor film, the method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 10. 前記工程(2)は、
前記第1半導体膜の表面を水素を含むプラズマ雰囲気に曝す工程と、
前記プラズマ雰囲気に曝された前記第1半導体膜を大気に曝すことなく、前記第1半導体膜上に前記第2半導体膜を形成する工程と
を含む、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 step (2)
Exposing the surface of the first semiconductor film to a plasma atmosphere containing hydrogen;
Without exposing the first semiconductor layer exposed to the plasma atmosphere to the atmosphere, and forming the second semiconductor film over the first semiconductor film, according to any of claims 1 to 11 A method for manufacturing a semiconductor film.
前記工程(4)では、前記第2半導体膜に加えて、その下層の第1半導体膜の一部も酸化され、
前記工程(5)では、前記酸化された前記第2半導体膜に加えて、酸化された前記第1半導体膜の前記一部も除去される、請求項から12のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。
In the step (4), in addition to the second semiconductor film, a part of the lower first semiconductor film is oxidized,
In the step (5), in addition to the second semiconductor layer, wherein the oxidized, said portion of said first semiconductor film which is oxidized is also removed, the semiconductor film according to any one of claims 1 to 12 Manufacturing method.
前記工程(4)において、前記第1半導体膜における半導体原子の不対結合手の量が低減される、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 (4), wherein the amount of dangling bonds of the semiconductor atoms in the first semiconductor film is reduced, the manufacturing method of a semiconductor film according to any one of claims 1 to 13. 前記工程(3)の前記第1の加熱処理工程と前記工程(4)の前記第3の加熱処理工程とを連続して行う、請求項から14のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。Performed continuously and the third heat treatment step of the first heat treatment step as the step of the step (3) (4) The method of manufacturing a semiconductor film according to any of claims 7 14, . 前記第1の加熱処理と前記第3の加熱処理とを同時に行う、請求項ら14のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。Wherein the first heat treatment is performed third heat treatment at the same time, a method of manufacturing a semiconductor film according to claim 7 or al 14. 前記工程(5)は、前記第2半導体膜を、フッ化水素を有する酸を用いて湿式方式のエッチングで除去する工程を含む、請求項から16のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。Wherein step (5), the second semiconductor film includes a step of removing by etching a wet method using an acid having a hydrogen fluoride, a method of manufacturing a semiconductor film according to any of claims 1 to 16 . 前記工程(1a)は、
非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記非晶質半導体膜の表面に前記触媒元素を含む溶液を塗布することによって、前記触媒元素を含有する第1半導体膜を形成する工程と
を含む、請求項ら17のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。
The step (1a)
Forming an amorphous semiconductor film;
By applying a solution containing the catalyst element on the surface of the amorphous semiconductor film, and forming a first semiconductor film containing the catalyst element, according to claim 1 or al 17 Manufacturing method of the semiconductor film.
前記工程(1a)は、非晶質半導体膜の一部に選択的に前記触媒元素を添加することにより前記触媒元素を含有する非晶質半導体膜を得る工程を含み、前記工程(1b)は、前記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前記非晶質半導体膜を横方向に結晶成長させることにより、前記第1半導体膜を得る工程を含む、請求項から18のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The step (1a) includes a step of obtaining the amorphous semiconductor film containing the catalytic element by selectively adding the catalytic element to a part of the amorphous semiconductor film, and the step (1b) includes the by catalytic element wherein the crystal growth of the amorphous semiconductor film in the transverse direction from selectively added area to the periphery thereof, comprising the step of obtaining the first semiconductor film, claims 1 18 The manufacturing method of the semiconductor film in any one of. 前記工程(1b)と前記工程(2)との間に、前記第1半導体膜にレーザー光を照射する工程を行う、請求項から19のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。Between the step (1b) and the step (2), a step of irradiating a laser beam to the first semiconductor film, a method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 19. 請求項から20のいずれかに記載の製造方法により作製された半導体膜。Semiconductor film manufactured by the manufacturing method according to any of claims 1 20.
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