JP2000174289A - 半導体装置およびその作製方法 - Google Patents
半導体装置およびその作製方法Info
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Abstract
ための周辺論理回路を結晶性TFTにより同一基板上に
作製する。 【解決手段】 絶縁基板上に形成された半導体膜を含む
複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、
前記複数の薄膜トランジスタの少なくともひとつの前記
薄膜トランジスタは半導体膜は(111)面,(22
0)面と(311)面に配向を有し、(111)面の反
射強度の、(111)面、(220)面、(311)面
の反射強度の和に対する比率は90%以上であり、(1
11)面、(220)面、(311)面に配向を有する
前記半導体膜は前記絶縁基板に平行な方向に結晶成長し
ていることを特徴とする半導体装置である。
Description
FT)を複数個有する半導体回路およびその作製方法に
関するものである。本発明によって作製される半導体回
路は、ガラス等の絶縁基板上、単結晶シリコン等の半導
体基板上、いずれにも形成される。特に本発明は、モノ
リシック型アクティブマトリクス回路(液晶ディスプレ
ー等に使用される)のように、低いオフ電流とオフ電流
のバラツキの小さいことが要求されるマトリクス回路
と、それを駆動する高速動作とオン電流のバラツキの小
さいことが要求される周辺回路を有する半導体回路にお
いて効果を発揮する。
(活性領域ともいう)を有する絶縁ゲイト型の半導体装
置の研究がなされている。特に、薄膜状の絶縁ゲイトト
ランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ(TFT)が熱
心に研究されている。これらは、透明な絶縁基板上に形
成され、マトリクス構造を有する液晶等の表示装置にお
いて、各画素の制御用に利用することや、駆動回路に利
用することが目的であり、利用する半導体の材料・結晶
状態によって、アモルファスシリコンTFTや結晶性シ
リコンTFTというように区別されている。
動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるTF
Tには利用できない。そこで、最近では、より高性能な
回路を作製するため結晶性シリコンTFTの研究・開発
が進められている。結晶性のシリコン膜を得るには、ア
モルファスシリコンを600℃前後もしくはそれ以上の
高温で長時間熱アニールする方法、もしくは、レーザー
光等の強光を照射する方法(光アニール)が知られてい
る。
電界移動度が大きく、したがって、高速動作が可能であ
る。結晶性シリコンでは、NMOSのTFTだけでな
く、PMOSのTFTも同様に作製することができるの
で、CMOS回路を作製することが可能である。例え
ば、アクティブマトリクス方式の液晶表示装置において
は、アクティブマトリクス部分のみならず、周辺回路
(ドライバー等)をもCMOSの結晶性TFTで構成す
る、いわゆるモノリシック構造を有する回路(モノリシ
ック型アクティブマトリクス回路)が知られている。
プレーに用いられるモノリシック型アクティブマトリク
ス回路のブロック図を示す。周辺ドライバー回路とし
て、ソースドライバー(列ドライバー)、ゲイトドライ
バー(行ドライバー)が設けられ、また、アクティブマ
トリクス回路(画素)領域にはスイッチング用のトラン
ジスタとキャパシタからなる多くの画素回路が形成さ
れ、マトリクス回路の画素トランジスタと周辺ドライバ
ー回路とは、行数、列数と同じだけのソース線、ゲイト
線によって接続される。周辺回路に用いるTFT、特に
シフトレジスタ等の周辺論理回路は高速動作が要求さ
れ、そのため選択時の電流(オン電流)が大きく、か
つ、バラツキが小さいことが要求される。
タに蓄積された電荷が長時間保持されるよう、非選択
時、すなわち、ゲイト電極に逆バイアス電圧が印加され
ているときのリーク電流(オフ電流ともいう)が十分に
低く、かつ、バラツキが小さいことが要求される。具体
的にはオフ電流は1pA以下、バラツキは1桁以内が要
求される。逆にオン電流はそれほど大きなものは必要で
ない。
TFTを同一基板上に同時に形成することが求められて
いた。即ち、高いオン電流と低いリーク電流、および、
それらのバラツキの小さいという特性がが全てのTFT
に求められるている。しかしながら、このようなことは
技術的に非常に難しいことは容易に察せられる。
界効果移動度)を有するTFTを得るには、レーザーア
ニール法のような光アニール法によって、非晶質珪素膜
を結晶化させる方法が有効であることが知られている。
しかしながら、経験的には、高い電界効果移動度とオフ
電流のバラツキを小さくすることを同時に達成すること
は不可能であることが明らかになっている。
結晶化せしめる方法も知られている。この方法ではオフ
電流のバラツキを小さくすることが可能であるが、高い
電界効果移動度は望めなかった。本発明はこのような困
難な課題に対して解答を与えんとするものである。
(Ni)や白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銅(C
u)、銀(Ag)、鉄(Fe)等の元素単体やその化合
物を微量に非晶質珪素膜表面に実質的に密着させ、しか
る後に熱アニールもしくは光アニール(レーザーアニー
ルやラピッド・サーマル・アニール(RTA)等)の処
理を施せば、従来の熱アニールや光アニールよりも結晶
化が容易に進行して、結晶性も向上することを見出し
た。例えば、熱アニール法による場合には、従来よりも
結晶化に要する時間が短縮し、かつ、結晶化温度も低く
することができる。
銅、銀、鉄が非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素
として機能するためであることが確かめられた。すなわ
ち、これらの触媒元素は、非晶質珪素の結晶化エネルギ
ーよりも低いエネルギーで、非晶質珪素と結晶性の珪化
物を形成する。次にこの珪化物の触媒元素がその先の非
晶質珪素に移動することによって、珪化物の触媒元素の
サイトに珪素が入ることにより、結晶性の珪素が形成さ
れる。即ち、触媒元素が非晶質珪素の中を移動するのに
伴って、珪素膜が結晶化されていく。
膜の結晶化は以下の2通りの形態があることが確認され
ている。 (1)触媒元素が導入された領域において生じる結晶化
であり、特に結晶化の方向としては特定できないが、敢
えて表現すれば基板に垂直な方向に結晶成長が進行する
モード (2)触媒元素が導入された領域から触媒元素が導入さ
れなかった領域へと触媒元素が移動するにしたがって、
結晶成長領域が拡大し、基板に平行な方向に結晶成長が
進行するモード。
行な方向に柱状の結晶が成長している形態がTEM(透
過型電子顕微鏡)を用いた観察によって確認されてい
る。以下においては、(1)の結晶成長モードを縦成
長、そのモードにより結晶化した領域を縦成長領域と称
し、(2)の結晶成長モードを横成長、そのモードによ
り結晶化した領域を横成長領域と称することとする。
に実質的に触媒元素もしくはそれを有する化合物等の薄
い被膜を形成し、熱アニールを施せば、初期においては
主として縦成長によって、被膜の形成された部分の珪素
が結晶化して、その後、横成長によってその周囲の領域
に結晶化領域が拡大する。このように熱アニールによっ
て結晶成長させた後に適切な光アニールをおこなうとよ
り結晶性を高めることができる。この場合の光アニール
の主たる効果は、電界効果移動度を高め、しきい値電圧
を低下させることである。
も差が認められる。一般的に縦成長では結晶の配向性は
それほど高くはなく、基板面に対して(111)面の配
向がやや多い程度である。これに対し、横成長では顕著
に配向することが観察される。例えば、珪素膜表面に酸
化珪素膜や窒化珪素膜で被覆して熱アニール法によって
結晶化させた場合には、(111)面が主として配向す
る。具体的には、X線回折法による(111)面の反射
強度の(111)面、(220)面、(311)面の反
射強度の和に対する比率は80%以上となる。これは上
記のように熱アニール法による結晶化の後に光アニール
を追加しておこなうことによって一層、顕著になり、上
記の面の反射強度の和に対する比率は90%以上とな
る。
ル法により結晶化させた場合には(220)面の配向も
強くなり、(111)面と(220)面の反射強度が9
0%以上となる。
に導入することが必要であり、これは通常は非晶質珪素
膜上に形成した酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素を主
成分とする材料の被膜にフォトリソグラフィー法によっ
て導入用の孔を形成し、スパッタ法、CVD法、スピン
コーティング法等の手段によって、触媒元素単体もしく
はその化合物の薄い被膜、クラスタ等を形成することに
よってなされるが、本発明人の研究の結果、7μm以下
の径では、結晶成長の不良が発生する確率が著しく高く
なることが明らかになった。
高い部分においては有利ではない。特に5μm以下のデ
ザインルールの場合には全く採用できない。一方、アク
ティブマトリクス回路においてはTFT間の距離が十分
であるので、横成長であっても何ら問題はない。
採用しなくてもよいことが明らかになった。本発明人の
検討結果、横成長、縦成長とも電界効果移動度にはさし
たる違いは認められないことが明らかになったが、熱ア
ニール後に光アニールをおこなうことによって、電界効
果移動度を2倍程度にまで向上できることが明らかにな
った。典型的な電界効果移動度は、熱アニールのみでは
50〜80cm2 /Vsであるが、例えば、これにレー
ザーアニールを追加すると、100〜200cm2 /V
sまで向上させることができた。いずれにしても周辺論
理回路のTFTに用いるには十分な値である。
領域と横成長領域で条件を変える必要はなく、したがっ
て、同一基板上であれば、いずれの部分でも実質的に同
じ条件(非意図的な条件変動を除き、同じ条件)で光ア
ニールをおこなうと、量産性の面で効果的である。縦成
長と横成長の顕著な違いは、オフ電流の大きさとバラツ
キに認められる。すなわち、横成長ではオフ電流が小さ
く、かつ、バラツキも小さいのに比較して、縦成長で
は、オフ電流もそのバラツキも大きい傾向がある。
を利用し、アクティブマトリクス回路には横成長によっ
て、周辺論理回路には縦成長によって結晶化をおこな
い、TFTを作製することを特徴とする。ここで、周辺
論理回路とはソースドライバー、ゲイトドライバーに含
まれる回路であるが、アナログスイッチ等の回路は縦成
長でも横成長でもよい。
した領域をアクティブマトリクス回路のTFTに用いる
ことを特徴とするが、その場合、TFTの配置に関し
て、いくつかのバリエーションがある。その1つを図4
に示す。図4において401は触媒元素が添加された部
分であり、すなわち、縦成長により結晶化した領域であ
る。そして、この部分を中心としてその周囲に横成長に
より結晶化した領域402が拡がる。
方形であると図のように楕円形の横成長領域が形成され
る。その場合にはTFT1のようにゲイト電極404を
領域401と概略平行にし、ドレイン405からソース
403の方向、もしくはその逆方向から結晶成長するよ
うにする場合がある。また、図のTFT2のように、領
域401とゲイト電極407を概略垂直に配置し、ソー
ス406、ドレイン408ともほぼ同時に結晶成長する
ようにする場合がある。TFTの特性としては、いずれ
の方法でも大差無いことが確認されている。
ては、ソース線もしくはゲイト線と概略平行に線状に触
媒元素を添加してもよい。図5にはゲイト線502、5
07と平行に触媒元素添加領域501、506を設けた
例を示す。図5(A)は図4のTFT2に対応するもの
で、TFT503〜505のゲイト電極に概略垂直に触
媒元素を添加する場合である。図5(B)は図4のTF
T1に対応するもので、TFT508〜510のゲイト
電極に概略平行に触媒元素を添加する場合である。ソー
ス線に概略平行に触媒元素添加領域を設ける場合も同様
である。
して(111)面もしくは(220)面の配向性が顕著
であり、縦成長領域では、これらの配向性は低下する。
したがって、本発明においては、アクティブマトリクス
回路のTFT、抵抗、キャパシタ等の素子に用いられる
結晶性珪素半導体(横成長領域)は主として(111)
面もしくは(220)面に配向し、一方、周辺論理回路
に用いられる結晶性珪素半導体は、アクティブマトリク
ス回路に用いられる結晶性珪素半導体に比較して配向の
度合いが低いことが特徴である。
珪素薄膜の結晶化温度以上の温度で行うと、レーザーア
ニールを併用した場合と同等の結晶性を得ることができ
る。非晶質珪素薄膜の結晶化温度は、成膜方法や成膜条
件によって異なるものであるが、概ね580℃〜620
℃である。即ち、この温度よりも高い温度(許容できる
なるべく高い温度が好ましい)で加熱処理を行うこと
で、高い結晶性を有する結晶性珪素膜を得ることができ
る。なお、この加熱処理温度の上限は、1100℃程度
とすることが好ましい。また、この高温での加熱処理を
用いる場合には、基板を石英基板か高温にも耐えるガラ
ス基板とする必要がある。
の結晶性珪素半導体を得るために当該部分で触媒元素を
利用した縦成長による結晶成長をおこなう。この結果、
集積度の如何にかかわりなく、電界効果移動度の高いT
FTを得ることができる。一方、アクティブマトリクス
回路においては、触媒元素を利用した縦成長による結晶
成長をおこなう。この結果、オフ電流が小さく、かつ、
バラツキも小さいTFTを得ることができる。特にこの
加熱処理を非晶質珪素薄膜の結晶化温度以上の温度で行
うと、高い結晶性を得ることができる。
上に同時に液晶表示装置に使用するアクティブマトリク
ス回路(画素回路)と周辺論理回路とを同時に作製する
工程に関する。すなわち、アクティブマトリクス回路の
TFTを構成する結晶性珪素膜は、結晶化せしめる領域
の近傍に結晶化を助長する触媒元素を添加し、加熱処理
することによって該元素が添加された領域から基板に平
行な方向に結晶成長させることによって得るものであ
る。
性珪素膜は、該TFTを得る領域を含む領域に結晶化を
助長する触媒元素を添加し、加熱処理することによって
当該部分の全面を結晶化させることによって得るもので
ある。図2に周辺論理回路とアクティブマトリクス回路
のTFTの作製工程の概念的な断面図を示す。図におい
ては、左側に周辺論理回路を形成する領域(周辺回路領
域)を示し、右側には画素を形成する領域(画素領域)
を示す。図では周辺回路領域と画素領域が隣接している
ように示されているが、現実には図に示されているよう
に隣接していることはない。
のTFT1のように触媒元素添加領域とゲイト電極が概
略平行に配置された様子を示しているが、図4のTFT
2のように、触媒元素添加領域とゲイト電極が概略垂直
となるように配置してもよい。 以下に作製工程を示
す。
番、もしくは他の硼珪酸ガラスでもよい)を洗浄し、T
EOS(テトラ・エトキシ・シラン)と酸素を原料ガス
にしてプラズマCVD法によって厚さ2000Åの酸化
珪素の下地膜202を形成する。
D法によって、厚さ300〜1500Å、例えば、50
0Åの導電性不純物(燐、硼素等)のほとんど添加され
ていない非晶質珪素膜203を成膜する。次に連続的に
厚さ100〜2000Å、例えば、200Åの酸化珪素
膜204をプラズマCVD法によって成膜する。そし
て、この酸化珪素膜204を選択的にエッチングして、
非晶質珪素膜203の露出した領域を形成する。この工
程において、図の左側の周辺回路領域においては、酸化
珪素膜204が全面的に取り除かれて、非晶質珪素膜2
03の表面を露出せしめた。他方、図の右側の画素領域
においては、酸化珪素膜204が選択的に除去される。
質珪素膜203の表面に極薄い酸化膜(厚さ数十Å)を
形成する。これは、後の溶液塗布工程において、非晶質
珪素膜203の表面で溶液がはじかれないようにするた
めである。この酸化膜の形成は、熱酸化法や酸素雰囲気
中での紫外光の照射、あるいは、過酸化水素水等の酸化
性の強い溶液で処理すればよい。
ニッケル元素を含んだ酢酸ニッケル溶液を塗布し、非晶
質珪素膜203の表面に酢酸ニッケルの極めて薄い膜2
05を形成する。この膜205は極めて薄く、したがっ
て、完全な膜状にはなっていない可能性もある。この工
程はスピンコーティング法、スピンドライ法を用いてお
こなった。酢酸溶液中におけるニッケルの濃度(重量換
算)は1〜100ppmが適当であった。本実施例では
10ppmとする。(図2(A))
0℃で4時間の熱アニール処理をおこない、非晶質珪素
膜203を結晶化せしめた。この結果、周辺回路領域で
は、ほぼ全領域が縦成長して、結晶性珪素領域206に
変化する。また、画素領域では、ニッケルの添加された
領域を起点にして横成長して、結晶性珪素領域208に
変化し、ニッケルの添加された領域から遠い部分では非
晶質珪素領域207のまま残る。(図2(B))
を改善するために全面にKrFエキシマレーザー光(波
長248nm)を照射する。レーザー光は1か所につき
2〜20ショット照射する。エネルギー密度は250〜
350mJ/cm2 が適当であったが、最適なエネルギ
ー密度はシリコン膜によって変化するので、事前に条件
だしをおこなって、最適なエネルギー密度を決定する。
レーザーの照射条件は基板全面において同じように設定
する。もちろん、レーザー照射の際にエネルギー密度の
時間的な変動(ゆらぎ)が生じ、また、非常にミクロな
観察では、場所によってレーザーの照射されたショット
数や累積照射エネルギーは変動するが、そのような変動
は当初から意図されたものではない。本実施例では、任
意の1cm2 における累積照射エネルギーの変動が10
%以内に収まるような条件でレーザー照射をおこなっ
た。
レーザー(波長308nm)やArFエキシマレーザー
(波長193nm)、XeFエキシマレーザー(波長3
53nm)等のエキシマレーザーや、その他のパルス発
振レーザーを用いてもよかった。また、この工程はラピ
ッド・サーマル・アニール(RTA)法を用いておこな
ってもよい。
のニッケル濃度は、2次イオン質量分析法(SIMS)
によると、典型的には縦成長した結晶性領域206で
は、1×1018〜1×1019原子/cm3 、横成長した
結晶性領域208では1×10 17〜5×1018原子/c
m3 であった。
エッチングして、島状の活性層領域209、210、2
11を形成する。ここで、活性層210には一部に非晶
質珪素領域207が含まれているが、その部分はTFT
のチャネル形成領域とはならないので、何ら問題はな
い。
直接導入された領域(酢酸ニッケル塗布の際に酸化珪素
膜204で覆われていなかった領域)はTFTのチャネ
ル形成領域に重ならないように配置する。これは、ニッ
ケルが直接導入された領域(縦成長領域)では、ニッケ
ルが横成長領域よりも高濃度に存在することが確認され
ており、特にオフ電流が低く、かつ、そのバラツキが小
さいことを要求される画素領域のTFTでは、そのチャ
ネル形成領域の一部にも縦成長の領域が含まれているこ
とは好ましくないからである。(図2(C))
ト絶縁膜として機能する酸化珪素膜303を1500Å
の厚さに形成する。プラズマCVD法の原料としては、
モノシラン(SiH4 )と一酸化二窒素(N2 O)を用
いる。本実施例では、モノシラン10SCCM、一酸化
二窒素100SCCMで反応室に導入し、基板温度43
0℃、反応圧力0.3Torr、投入電力(13.56
MHz)250Wとする。これらの条件は使用する反応
装置によって変動する。上記の条件で作製した酸化珪素
膜の成膜速度は約1000Å/分であり、フッ酸1、酢
酸50、フッ化アンモニウム50の混合溶液(20℃)
におけるエッチング速度は約1000Å/分である。
2000〜8000Å、例えば4000Åの多結晶珪素
膜(導電性を改善するため0.1〜2%の燐を含む)を
成膜し、これをエッチングしてゲイト電極213、21
4、215を形成する。次に、イオンドーピング法(プ
ラズマドーピング法とも言う)によって、活性層209
〜211にゲイト電極213〜215をマスクとして、
自己整合的にN導電型およびP導電型を付与する不純物
をドーピングする。ここでは、画素領域のTFTはPチ
ャネル型となるようにする。すなわち、図の活性層21
0と211にはP型不純物を、活性層209にはN型不
純物をドーピングする。このように導電型の異なる不純
物をドーピングするには、公知のCMOS技術を用いれ
ばよい。
型のドーピングにはフォスフィン(PH3 )、P型のド
ーピングにはジボラン(B2 H6 )を用い、加速電圧は
前者の場合には60〜100kV、例えば90kV、後
者の場合には40〜80kV、例えば、70kVとす
る。ドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2 、
例えば、N型不純物は4×1014原子/cm2 、P型不
純物は1×1015原子/cm2 とする。この結果、N型
の不純物領域216とP型の不純物領域217、218
を形成することができる。
間、代表的には、450℃、2時間の熱アニールをおこ
ない、ドーピングされた不純物の活性化をおこなう。本
発明に共通のことであるが、非晶質珪素の結晶化を助長
する触媒元素が活性層に含まれていることからこのよう
な低温、短時間の熱アニールでも活性化に十分で、不純
物領域の抵抗を1kΩ/□程度もしくがそれ以下に下げ
ることができる。(図2(D))
は外部より水分や可動イオンがTFTに侵入するのを防
止するパッシベーション効果を有する)と厚さ4000
Åの酸化珪素膜の2層よりなる絶縁膜219を第1の層
間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成し、これ
にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、チ
タンとアルミニウムの多層膜(本実施例では、チタン5
00Å、アルミニウム4000Åとした)によってTF
Tの電極・配線220〜223を形成する。(図2
(E))
素膜224をプラズマCVD法によって形成し、これを
第2の層間絶縁物とする。そして、その画素領域のTF
Tの画素電極を構成する方の不純物領域にコンタクトホ
ールを形成し、さらに、厚さ800ÅのITO(インデ
ィウム錫酸化物)膜をスパッタ法により形成し、これを
エッチングして画素電極225を形成する。(図2
(F)) こうしてアクティブマトリクス液晶表示装置のおける画
素領域と周辺回路領域とを同時に同一ガラス基板上に形
成することができる。
の断面図を示す。図の左側が論理回路領域、右側が画素
領域を示す。実際の回路では論理回路はNチャネル型T
FTとPチャネル型TFTからなるCMOS回路である
が、図では簡略化のために論理回路のTFTもNチャネ
ル型のみを示す。画素領域のTFTにはNチャネル型T
FTを用いた。本実施例ではTFTとしては、ソース/
ドレイン以外に低濃度の不純物領域をそれらに隣接して
設けた構造のものを採用したが、Nチャネル型TFTと
Pチャネル型TFTの差は、ソース/ドレインおよび低
濃度不純物領域のドーピング不純物の種類と濃度が異な
る他は同じであった。
上にスパッタリング法によって厚さ2000Åの酸化珪
素の下地膜302を形成する。さらに、プラズマCVD
法によって、厚さ300〜1000Å、例えば500Å
の真性(I型)の非晶質珪素膜302を堆積する。さら
に、厚さ200Åの酸化珪素膜303をスパッタ法によ
って形成し、実施例1と同様にこれをエッチングして、
触媒元素(ニッケル)の導入領域を形成し、スピンコー
ティング法によって、図示しない酢酸ニッケルの薄膜を
形成する。
中、550℃、4時間熱アニールして、結晶化させて、
縦成長領域304、横成長領域306を形成する。領域
305は非晶質のまま残った。そして、レーザー光を照
射して結晶性を向上させた。本実施例では、KrFエキ
シマレーザーを用いた。そのエネルギー密度は、250
〜350mJ/cm2が適当であった。レーザー照射
後、レーザーアニールによる歪みを緩和する目的で、再
び、550℃、1時間の熱アニールをおこなった。(図
3(A))
チングして、島状活性層領域307(論理回路用TFT
に用いる)と同じく308(画素用TFTに用いる)を
形成する。さらに、モノシラン(SiH4 )と酸素(O
2 )を原料とする熱CVD法によって、厚さ1200Å
の酸化珪素膜309を堆積する。さらに、成膜後、1気
圧400〜500℃の一酸化二窒素(N2 O)雰囲気で
1〜12時間の熱アニールをおこなった。
厚さ2000〜8000Å、例えば4000Åのアルミ
ニウム膜を堆積する。フォトレジストとの密着性を良く
するため、この表面に極めて薄い(50〜200Å)陽
極酸化膜(図示せず)を形成する。そして、フォトレジ
ストを塗布し、公知のフォトリソグラフィー法によっ
て、フォトレジストのマスク310、311を形成し、
アルミニウム膜をエッチングしてゲイト電極312、3
13を形成する。アルミニウムには加熱や後の陽極酸化
工程における結晶の異常成長(ヒロック)の発生を抑制
するために0.1〜0.5重量%のスカンジウム(S
c)あるいはイットリウム(Y)を混入させた。ゲイト
電極312、313上にはエッチングのマスクに用いた
フォトレジストのマスク310、311をそのまま残す
る。(図3(B))
313に電流を通じて陽極酸化し、厚さ1〜5μm、例
えば、厚さ2μmの陽極酸化物314、315を形成す
る。電解液には、3〜20%のクエン酸もしくはショウ
酸、燐酸、クロム酸、硫酸等の酸性水溶液を用いて、1
0〜30Vの一定電流をする。本実施例では、pH=
0.9〜1.0のシュウ酸溶液(30℃)中で電圧を1
0Vとし陽極酸化する。陽極酸化物の厚さは陽極酸化時
間によって制御する。
4、315は多孔質のものであった。この陽極酸化工程
においては、ゲイト電極312、313とフォトレジス
トのマスク310、311の間に存在する薄い陽極酸化
膜によって、フォトレジストのマスク310、311か
らの電流がリークすることを抑制することができ、ゲイ
ト電極312、313の側面のみに陽極酸化を進行させ
ることができる。(図3(C))
11を剥離し、再び電解溶液中において、ゲイト電極3
12、313に電流を印加する。今回は、3〜10%の
酒石液、硼酸、硝酸の少なくとも1つが含まれたpH=
6.9〜7.1のエチレングルコールアンモニア溶液を
用いる。溶液の温度は10℃前後の室温より低い方が良
好な酸化膜が得られる。このため、ゲイト電極312、
313の上面および側面に陽極酸化物316、317が
形成される。陽極酸化物316、317の厚さは印加電
圧にほぼ比例し、印加電圧が150Vで2000Åの陽
極酸化物316、317が形成される。陽極酸化物31
6、317は緻密で硬く、その後の加熱工程においてゲ
イト電極312、313を保護する上で効果的であっ
た。(図3(D))
珪素膜309をエッチングする。このエッチングにおい
ては多孔質陽極酸化物314、315はエッチングされ
ないので、その下の酸化珪素膜はエッチングされずにゲ
イト絶縁膜318、319として残すことができる。
(図3(E))
て、多孔質の陽極酸化物314、315をエッチングす
る。このエッチングでは陽極酸化物314、315のみ
がエッチングされ、エッチングレートは約600Å/分
であった。その下のゲイト絶縁膜318、319はその
まま残存する。
層領域307、308にゲイト電極312、313やゲ
イト絶縁膜318、319をマスクにして、不純物
(燐)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィ
ン(PH3 )を用い、2段階のドーピングをおこなう。
第1段目は加速電圧を80kV、ドーズ量は5×1012
原子/cm2 とする。このドーピングでは、燐イオンは
ゲイト絶縁膜318、319を透過して、その下の領域
にも注入される。この際のドーズ量は小さいので、低濃
度不純物領域322、323が形成される。
は5×1014原子/cm2 とする。このドーピングで
は、燐イオンはゲイト絶縁膜318、319を透過でき
ず、主として活性層の珪素が露出した部分に注入され
る。この際のドーズ量は大きいので、高濃度不純物領域
(ソース/ドレイン)320、321が形成される。実
施の回路においてはP型不純物も同様にドーピングされ
る。
て、不純物の活性化をおこなう。本実施例ではレーザー
として、KrFエキシマレーザー(波長248nm)を
用いる。レーザーのエネルギー密度は200〜300m
J/cm2 が適当である。レーザーアニールの代わりに
実施例1のような熱アニールによる活性化をおこなって
もよい。また、レーザーアニール後に熱アニールをおこ
なってもよい。(図3(F))
窒化珪素膜と厚さ4000Åの酸化珪素膜の2層の絶縁
膜から第1の層間絶縁物324をプラズマCVD法によ
って堆積し、これにコンタクトホールを形成する。そし
て、チタンとアルミニウムの多層膜によってソース電極
・配線を形成する。続いて、プラズマCVD法によって
厚さ2000Åの酸化珪素膜(第2の層間絶縁物)32
5を堆積し、画素TFTにコンタクトホールを形成し、
透明導電膜の画素電極326をここに接続する。以上の
工程によってモノリシック型アクティブマトリクス回路
が作製された。(図3(G))
は実施例2に示す構成において、基板として特にコーニ
ング1737ガラス基板を用いる例である。コーニング
1737ガラス基板は、歪点が667℃であるので、こ
の温度以下の温度での加熱処理に耐えることができる。
成膜された非晶質珪素膜の結晶化温度は約590℃であ
る。本実施例では650℃の温度で4時間の加熱処理を
行うことにより、結晶性珪素膜を得ることを特徴とす
る。
の温度で加熱処理を行った場合、導入されたニッケル元
素の作用によって高い結晶性を有した結晶性珪素膜を得
ることができる。
る金属元素を利用しているため、優れた結晶性有する珪
素膜を得ることができる。更に、この触媒元素の作用に
より、周辺論理回路領域の珪素膜と、アクティブマトリ
クス回路領域の珪素膜とを異なる結晶成長させるように
したため、周辺論理回路に好適な薄膜トランジスタと、
アクティブマトリクス回路に好適な薄膜トランジスタと
を同一基板に、同一のプロセスにより作製することが可
能になる。
の概要を示す。
領域の配置例を示す。
素添加領域の配置例を示す。
Claims (20)
- 【請求項1】絶縁基板上に形成された半導体膜を含む複
数の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、 前記複数の薄膜トランジスタの少なくともひとつの前記
薄膜トランジスタは半導体膜は(111)面,(22
0)面と(311)面に配向を有し、 (111)面の反射強度の、(111)面、(220)
面、(311)面の反射強度の和に対する比率は90%
以上であり、 (111)面、(220)面、(311)面に配向を有
する前記半導体膜は前記絶縁基板に平行な方向に結晶成
長していることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】絶縁基板上に形成された半導体膜を含む複
数の薄膜トランジスタを有する半導体装置おいて、 前記半導体膜の一領域において、(111)面の反射強
度の(111)面、(220)面と(311)面の反射
強度の和に対する比率は80%より大きく、前記半導体
膜の他の領域では80%より小さく、 前記半導体膜の一領域は前記絶縁基板に平行な方向に結
晶成長していることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項3】基板上の第1の方向に配列した複数の薄膜
トランジスタを有するアクティブマトリクス回路におい
て、 前記複数の薄膜トランジスタは 結晶性珪素を含む半導体膜を有し、 ソース、ドレイン及びチャネル形成領域は前記半導体膜
に形成され、 前記チャネル形成領域に接するゲート絶縁膜と前記ゲー
ト絶縁膜に接するゲート電極とを有し、 前記薄膜トランジスタの半導体膜は基板と平行な第2の
方向に成長した結晶を有し、 前記結晶は(111)面、(220)面と(311)面
に配向を有し、 (111)面の反射強度の(111)面、(220)
面、(311)面の反射強度の和に対する比率は90%
より大きいことを特徴とするアクティブマトリクス電気
光学装置。 - 【請求項4】基板上を第1の方向に延在しているゲート
線と、 前記基板上を第1の方向に配列した複数の薄膜トランジ
スタを用いたアクティブマトリクス回路を有するアクテ
ィブマトリクス電気光学装置において、 前記複数の薄膜トランジスタは 結晶性珪素を含む半導体膜を有し、 ソース、ドレイン及びチャネル形成領域は前記半導体膜
に形成され、 前記チャネル形成領域に接するゲート絶縁膜と前記ゲー
ト絶縁膜に接するゲート電極とを有し、 前記ゲート電極はゲート線に接続されており、 前記薄膜トランジスタの半導体膜は基板と平行である第
2の方向に成長した結晶を有し、 前記結晶は(111)面、(220)面と(311)面
に配向を有し、 (111)面の反射強度の(111)面、(220)面
と(311)面の反射強度の和に対する比率は90%よ
り大きいことを特徴とするアクティブマトリクス電気光
学装置。 - 【請求項5】基板上を第1の方向に延在しているゲート
線と、 前記基板上を第1の方向に配列された複数の薄膜トラン
ジスタを用いたアクティブマトリクス回路を有するアク
ティブマトリクス電気光学装置において、 前記複数の薄膜トランジスタは、 結晶性珪素を含む半導体膜を有し、 ソース、ドレイン及びチャネル形成領域は前記半導体膜
に形成され、 前記チャネル形成領域に接するゲート絶縁膜と該ゲート
絶縁膜に接するゲート電極を有し、 前記ゲート電極はゲート線に接続されており、 前記薄膜トランジスタの半導体膜は基板と平行である第
2の方向に成長した結晶を有し、 第1と第2の方向は互いに平行であることを特徴とする
アクティブマトリクス電気光学装置。 - 【請求項6】基板上を第1の方向に延在しているソース
線と、 前記基板上を第1の方向に配列した複数の薄膜トランジ
スタを含むアクティブマトリクス回路を有するアクティ
ブマトリクス電気光学装置において、 前記複数の薄膜トランジスタは、 結晶性珪素を含む半導体膜を有し、 ソース、ドレイン及びチャネル形成領域は半導体膜に形
成され、 前記ソース及び前記ドレインのいずれかは前記ソース線
に接続されていて、 前記チャネル形成領域に接するゲート絶縁膜と前記ゲー
ト絶縁膜に接するゲート電極を有し、 前記薄膜トランジスタの半導体膜は基板と平行である第
2の方向に成長した結晶を有し、 前記結晶は(111)面、(220)面と(311)面
に配向を有し、 (111)面の反射強度の(111)面、(220)面
と(311)面の反射強度の和に対する比率は90%よ
り大きいことを特徴とするアクティブマトリクス電気光
学装置。 - 【請求項7】基板上を第1の方向に延在しているソース
線と、 前記基板上を第1の方向に配列された複数の薄膜トラン
ジスタを含むアクティブマトリクス回路を有するアクテ
ィブマトリクス電気光学装置において、 前記複数の薄膜トランジスタは、 結晶性珪素を含む半導体膜を有し、 ソース、ドレイン及びチャネル形成領域は前記半導体膜
に形成され、 前記ソースと前記ドレインのいずれかは前記ソース線に
接続していて、 前記チャネル形成領域に接するゲート絶縁膜と該ゲート
絶縁膜に接するゲート電極を有し、 前記薄膜トランジスタの半導体膜は基板と平行な第2の
方向に成長した結晶を有し、 前記第1と第2の方向は互いに平行であることを特徴と
するアクティブマトリクス電気光学装置。 - 【請求項8】絶縁基板上に形成された半導体膜を含む複
数の薄膜トランジスタと、 少なくともひとつの前記複数の薄膜トランジスタの半導
体膜は(111)面に配向を有し、 (111)面の反射強度の(111)面、(220)面
と(311)面に配向の反射強度の和に対する比率は9
0%より大きく、 前記半導体膜は前記絶縁基板と平行な方向に結晶成長す
ることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項9】絶縁基板上に形成された半導体膜を含む薄
膜トランジスタを有する半導体装置において、 前記薄膜トランジスタの半導体膜は(111)面に配向
を有し、 (111)面の反射強度の(111)面、(220)面
と(311)面の反射強度の和に対する比率は90%よ
り大きいことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項10】絶縁基板上に形成された半導体膜を含む
複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、 少なくともひとつの前記複数の薄膜トランジスタの半導
体膜は(220)面に配向を有し、 (220)面の反射強度の(111)面、(220)面
と(311)面の反射強度の和に対する比率は90%よ
り大きく、 前記半導体膜は前記絶縁基板に対して平行な方向に結晶
成長することを特徴とする半導体装置。 - 【請求項11】絶縁基板上に形成された半導体膜を含む
複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、 少なくともひとつの前記複数の薄膜トランジスタの半導
体膜は(220)面に配向を有し、 (220)面の反射強度の(111)面、(220)面
と(311)面の反射強度の和に対する比率は90%よ
り大きいことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項12】請求項1、2、8、9、10、11のい
ずれか一項において、 前記半導体膜は金属元素を含むことを特徴とする半導体
装置。 - 【請求項13】請求項3乃至7のいずれか一項におい
て、 前記半導体膜は金属元素を含むことを特徴とするアクテ
ィブマトリクス電気光学装置。 - 【請求項14】請求項12または13において、 前記金属元素はNi、Pt、Pd、Cu、Ag及びFe
のいずれか一つであることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項15】請求項1、2、8、9、10、11のい
ずれか一項において、 前記半導体膜は珪素を含むことを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項16】請求項1、2、8、9、10、11のい
ずれか一項において、 前記半導体膜は結晶化を助長する元素を含むことを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項17】請求項3乃至7のいずれか一項におい
て、 前記半導体膜は結晶化を助長する元素を含むことを特徴
とするアクティブマトリクス電気光学装置。 - 【請求項18】請求項16又は17において、 前記結晶化を助長する元素はNi、Pt、Pd、Cu、
Ag及びFeのいずれか一つであることを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項19】請求項1、2、8、9、10、11のい
ずれか一項において、 前記半導体膜は結晶化を助長する金属元素又は金属元素
の化合物を含むことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項20】請求項3乃至7のいずれか一項におい
て、 前記半導体膜は結晶化を助長する金属元素又は金属元素
の化合物を含むことを特徴とするアクティブマトリクス
電気光学装置。
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