JP4684246B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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本発明は結晶性を有する半導体を用いた半導体装置およびその作製方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a crystalline semiconductor and a manufacturing method thereof.
薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴという）が知られている。
このＴＦＴは、基板上に薄膜半導体（活性層）を形成し、この薄膜半導体を用いて構成されるものである。このＴＦＴは、各種集積回路に利用されているが、特に電気光学装置、特にアクティブマトリックス型の液晶表示装置の各画素の設けられたスイッチング素子、周辺回路部分に形成されるドライバー素子に用いられている。
A thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) using a thin film semiconductor is known.
This TFT is formed by forming a thin film semiconductor (active layer) on a substrate and using this thin film semiconductor. This TFT is used in various integrated circuits, and is used particularly in electro-optical devices, particularly in switching elements provided with respective pixels of active matrix liquid crystal display devices, and driver elements formed in peripheral circuit portions. Yes.
ＴＦＴに利用される薄膜半導体としては、非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的特性が低いという問題がある。ＴＦＴの特性向上を得るためには、結晶性を有する珪素薄膜を利用すればよい。結晶性を有する珪素膜は、多結晶珪素（ポリシリコン）、微結晶珪素（マイクロクリスタルシリコン）等と称されている。この結晶性を有する珪素膜を得るためには、まず非晶質珪素膜を形成し、しかる後に加熱によって結晶化さればよい。 As a thin film semiconductor used for a TFT, it is easy to use an amorphous silicon film, but there is a problem that its electrical characteristics are low. In order to obtain improved TFT characteristics, a silicon thin film having crystallinity may be used. The silicon film having crystallinity is called polycrystalline silicon (polysilicon), microcrystalline silicon (microcrystal silicon), or the like. In order to obtain this silicon film having crystallinity, an amorphous silicon film is first formed and then crystallized by heating.
しかしながら、加熱により得た結晶性珪素薄膜はその粒径が比較的小さく、またそのサイズも揃っておらず、それらが特性のバラツキの原因となっている。また、素子を形成したときの能力の目安となる移動度（モビリティ）に関しても、単結晶珪素に比較して大きく劣っており、それら特性の向上が求められている。 However, the crystalline silicon thin film obtained by heating has a relatively small particle size and is not uniform in size, which causes variations in characteristics. In addition, mobility (mobility), which is a measure of ability when forming an element, is greatly inferior to that of single crystal silicon, and improvement of these characteristics is demanded.
〔発明の背景〕 本発明者らの研究によれば、非晶質珪素膜の表面にニッケルやパラジウム、さらには鉛等の元素を微量に堆積させ、しかる後に加熱することで、４５０℃〜６５０℃例えば５５０℃程度の温度で、４時間程度の処理時間で結晶化を行なえることが判明している。また得られる結晶粒も、上記結晶化の温度および時間によって制御可能であり、このことは素子に必要とされる活性層を作製できることを意味する。 [Background of the Invention] According to the study by the present inventors, a small amount of elements such as nickel, palladium, and lead are deposited on the surface of an amorphous silicon film, and then heated to 450 ° C. to 650 ° C. It has been found that crystallization can be performed at a temperature of about 550 ° C., for example, for a processing time of about 4 hours. The obtained crystal grains can also be controlled by the crystallization temperature and time, which means that an active layer required for the device can be produced.
上記のような微量な元素（結晶化を助長する触媒元素）を導入するには、プラズマ処理や蒸着、さらにはイオン注入を利用すればよい。プラズマ処理とは、平行平板型あるいは陽光柱型のプラズマＣＶＤ装置において、電極として触媒元素を含んだ材料を用い、窒素または水素等の雰囲気でプラズマを生じさせることによって非晶質珪素膜に触媒元素の添加を行なう方法である。
しかしながら、上記のような元素が半導体中に多量に存在していることは、これら半導体を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり好ましいことではない。
In order to introduce such a trace amount of element (catalytic element that promotes crystallization), plasma treatment, vapor deposition, or ion implantation may be used. The plasma treatment is a parallel plate type or positive column type plasma CVD apparatus using a material containing a catalytic element as an electrode, and generating a plasma in an atmosphere of nitrogen or hydrogen to form a catalytic element on the amorphous silicon film. It is a method of adding.
However, the presence of a large amount of the elements as described above in the semiconductor is not preferable because it impedes the reliability and electrical stability of a device using these semiconductors.
即ち、上記のニッケル等の結晶化を助長する元素（本明細書では、結晶化を助長する元素を触媒元素という）は、非晶質珪素を結晶化させる際には必要であるが、結晶化した珪素中には極力含まれないようにすることが望ましい。この目的を達成するには、触媒元素として結晶性珪素中で不活性な傾向が強いものを選ぶと同時に、結晶化に必要な触媒元素の量を極力少なくし、最低限の量で結晶化を行なう必要がある。そしてそのためには、上記触媒元素の添加量を精密に制御して導入する必要がある。 That is, the above-mentioned element for promoting crystallization such as nickel (in this specification, the element for promoting crystallization is referred to as a catalyst element) is necessary for crystallizing amorphous silicon. It is desirable to prevent the silicon from being contained as much as possible. In order to achieve this purpose, a catalyst element that has a strong tendency to be inert in crystalline silicon is selected, and at the same time, the amount of catalyst element required for crystallization is minimized and crystallization is performed with a minimum amount. Need to do. For this purpose, it is necessary to precisely control the amount of the catalyst element added.
本発明人は、ニッケルを触媒元素とした場合において、非晶質珪素膜を成膜し、ニッケル添加をプラズマ処理法によっておこない、さらに加熱処理により結晶性珪素膜を作製し、その結晶化過程等を詳細に検討したところ、以下の事項が判明した。
（１）プラズマ処理によってニッケルを非晶質珪素膜上に導入した場合、熱処理をおこなう以前に既に、ニッケルは非晶質珪素膜中のかなりの深さの部分まで侵入している。
（２）結晶の初期核発生は、ニッケルを導入した表面から発生している。
（３）蒸着法でニッケルを非晶質珪素膜上に成膜した場合であっても、プラズマ処理を行なった場合と同様に結晶化が起こる。
The present inventor formed an amorphous silicon film when nickel was used as a catalyst element, added nickel by a plasma treatment method, and further produced a crystalline silicon film by heat treatment, and the crystallization process, etc. As a result of detailed examination, the following matters were found.
(1) When nickel is introduced onto the amorphous silicon film by plasma treatment, the nickel has already penetrated to a considerable depth in the amorphous silicon film before the heat treatment.
(2) The initial nucleation of the crystal is generated from the surface where nickel is introduced.
(3) Even when nickel is deposited on the amorphous silicon film by vapor deposition, crystallization occurs in the same manner as when plasma treatment is performed.
上記事項から、プラズマ処理によって導入されたニッケルが全て効果的に機能していないということが結論される。即ち、多量のニッケルが導入されても十分に機能していないニッケルが存在していると考えられる。このことから、ニッケルと珪素が接している点（面）が低温結晶化の際に機能していると考えられる。
そして、可能な限りニッケルが微細に原子状に分散していることが必要であることが結論される。即ち、「必要なのは非晶質珪素膜の表面近傍に低温結晶化が可能な範囲内で可能な限り低濃度のニッケルが原子状で分散して導入されればよい」ということが結論される。
From the above, it can be concluded that not all nickel introduced by plasma treatment is functioning effectively. That is, it is considered that there is nickel that does not function sufficiently even when a large amount of nickel is introduced. From this, it is considered that the point (plane) where nickel and silicon are in contact functions during low-temperature crystallization.
And it is concluded that it is necessary to disperse nickel as finely as possible. That is, it is concluded that “what is necessary is that nickel as low as possible should be introduced in the form of atoms dispersed in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film as long as low-temperature crystallization is possible”.
非晶質珪素膜の表面近傍のみに極微量のニッケルを導入する方法、言い換えるならば、非晶質珪素膜の表面近傍のみに結晶化を助長する触媒元素を極微量導入する方法としては、蒸着法を挙げることができる。しかし、蒸着法は制御性が悪く、触媒元素の導入量を厳密に制御することが困難であるという問題がある。
また、触媒元素の導入量は極力少ないことが必要とされるが、この場合、結晶性が不足するという問題が生じる。
As a method of introducing a very small amount of nickel only in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film, in other words, as a method of introducing a very small amount of the catalytic element that promotes crystallization only in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film, vapor deposition is used. The law can be mentioned. However, the vapor deposition method has a problem of poor controllability, and it is difficult to strictly control the amount of catalyst element introduced.
In addition, it is necessary that the amount of catalyst element introduced be as small as possible. In this case, however, there is a problem that crystallinity is insufficient.
本発明は、触媒元素を用いた熱処理による結晶性を有する薄膜珪素半導体の作製において、（１）触媒元素の量を制御して導入し、その量を最小限の量とする。
（２）生産性の高い方法とする。
（３）熱処理で得られる結晶性よりさらに高い結晶性を得る。
といった要求を満たすことを目的とする。
In the present invention, in the production of a thin film silicon semiconductor having crystallinity by heat treatment using a catalyst element, (1) the amount of the catalyst element is controlled and introduced to minimize the amount.
(2) Use a highly productive method.
(3) Crystallinity higher than that obtained by heat treatment is obtained.
The purpose is to satisfy such requirements.
本発明は、上記目的を満足するために以下の手段を用いて結晶性を有した珪素膜を得ることを特徴とする。即ち本発明は、非晶質珪素膜に接して該非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素単体または前記触媒元素を含む化合物を保持させ、前記非晶質珪素膜に前記触媒元素単体または前記触媒元素を含む化合物が接した状態において、４５０℃〜６５０℃、例えば５５０℃程度の比較的低温で加熱処理を施し、前記非晶質珪素膜を一部または全部を結晶化させる。そしてさらに前記結晶化温度よりも高い温度、例えば基板が石英の場合であれば１０００℃程度の温度でアニールをおこなうことによりさらに結晶化を助長する。こうして極めて結晶性の良好な結晶性珪素膜を得る。 In order to satisfy the above object, the present invention is characterized in that a crystalline silicon film is obtained using the following means. That is, the present invention holds a catalytic element alone or a compound containing the catalytic element that contacts the amorphous silicon film and promotes crystallization of the amorphous silicon film, and the amorphous silicon film contains the catalytic element alone or In a state where the compound containing the catalytic element is in contact, heat treatment is performed at a relatively low temperature of about 450 ° C. to 650 ° C., for example, about 550 ° C. to crystallize part or all of the amorphous silicon film. Further, crystallization is further promoted by annealing at a temperature higher than the crystallization temperature, for example, a temperature of about 1000 ° C. when the substrate is quartz. Thus, a crystalline silicon film having extremely good crystallinity is obtained.
結晶化を助長する触媒元素の導入方法としては、触媒元素を含む溶液を非晶質珪素膜表面に塗布することによる方法が有用である。
特に本発明においては、非晶質珪素膜の表面に接して触媒元素が導入されることが特徴である。このことは、触媒元素の量を制御する上で極めて重要である。
触媒元素が導入されるのは、非晶質珪素膜の上面であっても下面であってもよい。非晶質珪素膜の上面に触媒元素を導入するのであれば、非晶質珪素膜を形成した後に、触媒元素を含有した溶液を非晶質珪素膜上に塗布すればよいし、非晶質珪素膜の下面に触媒元素を導入するのであれば、非晶質珪素膜を形成する前に下地表面に触媒元素を含有した溶液を塗布し、下地表面に接して触媒元素を保持させる状態とすればよい。
As a method for introducing the catalytic element that promotes crystallization, a method by applying a solution containing the catalytic element to the surface of the amorphous silicon film is useful.
In particular, the present invention is characterized in that the catalytic element is introduced in contact with the surface of the amorphous silicon film. This is extremely important in controlling the amount of catalytic element.
The catalyst element may be introduced on the upper surface or the lower surface of the amorphous silicon film. If the catalytic element is introduced into the upper surface of the amorphous silicon film, a solution containing the catalytic element may be applied on the amorphous silicon film after the amorphous silicon film is formed. If the catalyst element is introduced into the lower surface of the silicon film, a solution containing the catalyst element is applied to the base surface before forming the amorphous silicon film, and the catalyst element is held in contact with the base surface. That's fine.
また本発明は、結晶化された結晶性珪素膜を用いて半導体装置のＰＮ、ＰＩ、ＮＩその他の電気的接合を少なくとも１つ有する活性領域を構成することを特徴とする。半導体装置としては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、ダイオード、光センサを挙げることができる。 In addition, the present invention is characterized in that an active region having at least one PN, PI, NI, or other electrical junction of a semiconductor device is formed using a crystallized crystalline silicon film. As the semiconductor device, a thin film transistor (TFT), a diode, and an optical sensor can be given.
本発明の構成を採用することによって、以下に示すような基本的な有意性を得ることができる。
（ａ）溶液中における触媒元素濃度は、予め厳密に制御し結晶性をより高め、かつ、その元素の量をより少なくすることが可能である。
（ｂ）溶液と非晶質珪素膜の表面とが接触していれば、触媒元素の非晶質珪素への導入量は、溶液中における触媒元素の濃度によって決まる。
（ｃ）非晶質珪素膜の表面に吸着する触媒元素が主に結晶化に寄与することとなるので、必要最小限度の濃度で触媒元素を導入できる。
（ｄ）高温プロセスを必要としないで、結晶性の良好な結晶性珪素膜を得ることができる。
By adopting the configuration of the present invention, the following basic significance can be obtained.
(A) The catalyst element concentration in the solution can be strictly controlled in advance to increase the crystallinity and to reduce the amount of the element.
(B) If the solution and the surface of the amorphous silicon film are in contact with each other, the amount of the catalytic element introduced into the amorphous silicon is determined by the concentration of the catalytic element in the solution.
(C) Since the catalytic element adsorbed on the surface of the amorphous silicon film mainly contributes to crystallization, the catalytic element can be introduced at a necessary minimum concentration.
(D) A crystalline silicon film having good crystallinity can be obtained without requiring a high temperature process.
非晶質珪素膜上に結晶化を助長する元素を含有させた溶液を塗布する方法において、溶液として水溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここで含有とは、化合物として含ませるという意味と、単に分散させることにより含ませるという意味との両方を含む。
触媒元素を含む溶媒としては、極性溶媒である水、アルコール、酸、アンモニアから選ばれたものを用いることができる。
In a method of applying a solution containing an element that promotes crystallization on an amorphous silicon film, an aqueous solution, an organic solvent solution, or the like can be used as the solution. Here, the inclusion includes both the meaning of inclusion as a compound and the meaning of inclusion by simply dispersing.
As the solvent containing the catalyst element, a solvent selected from water, alcohol, acid and ammonia which are polar solvents can be used.
触媒としてニッケルを用い、このニッケルを極性溶媒に含ませる場合、ニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては、代表的には臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、ニッケルアセチルアセトネ−ト、４−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケルから選ばれたものが用いられる。 When nickel is used as a catalyst and this nickel is included in a polar solvent, nickel is introduced as a nickel compound. Typical nickel compounds include nickel bromide, nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel chloride, nickel iodide, nickel nitrate, nickel sulfate, nickel formate, nickel acetylacetonate, 4-cyclohexylbutyric acid. A material selected from nickel, nickel oxide and nickel hydroxide is used.
また、触媒元素を含む溶媒として、無極性溶媒であるベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、エーテルから選ばれたものを用いることができる。
この場合はニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては代表的には、ニッケルアセチルアセトネ−ト、２−エチルヘキサン酸ニッケルから選ばれたものを用いることができる。
As the solvent containing the catalyst element, a solvent selected from benzene, toluene, xylene, carbon tetrachloride, chloroform, and ether, which are nonpolar solvents, can be used.
In this case, nickel is introduced as a nickel compound. As this nickel compound, typically, one selected from nickel acetylacetonate and nickel 2-ethylhexanoate can be used.
また、触媒元素を含有させた溶液に界面活性剤を添加することも有用である。
これは、被塗布面に対する密着性を高め吸着性を制御するためである。この界面活性剤は予め被塗布面上に塗布するのでもよい。触媒元素としてニッケル単体を用いる場合には、酸に溶かして溶液とする必要がある。
It is also useful to add a surfactant to the solution containing the catalyst element.
This is for increasing the adhesion to the surface to be coated and controlling the adsorptivity. This surfactant may be applied on the surface to be coated in advance. When nickel simple substance is used as a catalyst element, it is necessary to dissolve in acid to form a solution.
以上述べたのは、触媒元素であるニッケルが完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散したエマルジョンの如き材料を用いてもよい。または酸化膜形成用の溶液を用いるのでもよい。このような溶液としては、東京応化工業株式会社のＯＣＤ(Ohka Diffusion Source）を用いることができる。このＯＣＤ溶液を用いれば、被形成面上に塗布し、２００℃程度でベークすることで、簡単に酸化珪素膜を形成できる。また不純物を添加することも容易であるので、本発明に利用することができる。
以上のことは、触媒元素としてニッケル以外の材料を用いた場合であっても同様である。
The above is an example using a solution in which nickel as a catalyst element is completely dissolved, but even if nickel is not completely dissolved, powder of nickel alone or a compound of nickel is uniformly distributed in the dispersion medium. Materials such as dispersed emulsions may be used. Alternatively, a solution for forming an oxide film may be used. As such a solution, Oka (Ohka Diffusion Source) manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. can be used. If this OCD solution is used, a silicon oxide film can be easily formed by coating on the surface to be formed and baking at about 200 ° C. Moreover, since it is easy to add an impurity, it can utilize for this invention.
The same applies to the case where a material other than nickel is used as the catalyst element.
結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを用い、このニッケルを含有させる溶液溶媒として水の如き極性溶媒を用いた場合において、非晶質珪素膜にこれら溶液を直接塗布すると、溶液が弾かれてしまうことがある。この場合は、１００Å以下の薄い酸化膜を形成し、その上に触媒元素を含有させた溶液を塗布することで、均一に溶液を塗布することができる。また、界面活性剤の如き材料を溶液中に添加する方法により濡れを改善する方法も有効である。 When nickel is used as a catalytic element for promoting crystallization, and a polar solvent such as water is used as a solution solvent containing nickel, the solution is repelled when directly applied to the amorphous silicon film. Sometimes. In this case, the solution can be uniformly applied by forming a thin oxide film of 100 mm or less and applying a solution containing a catalytic element thereon. Also effective is a method of improving wetting by adding a material such as a surfactant to the solution.
また、溶液として２−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いることで、非晶質珪素膜表面に直接塗布することができる。この場合にはレジスト塗布の際に使用されている密着剤のごとき材料を予め塗布することは有効である。しかし塗布量が多過ぎる場合には逆に非晶質珪素中への触媒元素の添加を妨害してしまうために注意が必要である。 Further, by using a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate as the solution, it can be directly applied to the surface of the amorphous silicon film. In this case, it is effective to previously apply a material such as an adhesive used in resist application. However, when the coating amount is too large, care must be taken because it interferes with the addition of the catalytic element into the amorphous silicon.
溶液に含ませる触媒元素の量は、その溶液の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量として溶液に対して２００ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、好ましくは５０ｐｐｍ〜１ｐｐｍ（重量換算）とすることが望ましい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケル濃度や耐フッ酸性に鑑みて決められる値である。 The amount of the catalytic element contained in the solution depends on the type of the solution, but as a general tendency, the nickel amount is preferably 200 ppm to 1 ppm, preferably 50 ppm to 1 ppm (weight conversion) as a nickel amount. . This is a value determined in view of the nickel concentration in the film and the hydrofluoric acid resistance after crystallization is completed.
また結晶化の際の加熱温度を４５０℃〜６５０℃とすることは重要である。本発明においては前述の様に触媒元素と非晶質珪素薄膜と接している部分のみから結晶化を行わせることにより、粒径のそろった結晶性の高い結晶性珪素薄膜を得ることが前提となっており、それ以外の部分から核発生あるいは結晶化が進行することは特性のばらつきに直結するので、望ましいことではない。発明者らの実験によると、上記４５０℃〜６５０℃の範囲で短時間であれば、触媒元素と接していない部分の結晶化は無視することができ、本発明の構成が得られることが判明している。上記温度範囲よりも低温では、触媒元素を添加しても充分な結晶成長がおこなえず、また、同様に上記温度範囲よりも高温では触媒に関係なく結晶成長が発生してしまう。 In addition, it is important that the heating temperature at the time of crystallization is 450 ° C. to 650 ° C. In the present invention, as described above, it is premised that a crystalline silicon thin film having a uniform grain size and high crystallinity is obtained by performing crystallization only from a portion in contact with the catalytic element and the amorphous silicon thin film. Therefore, it is not desirable that nucleation or crystallization proceeds from other parts because it directly leads to variation in characteristics. According to the experiments by the inventors, it has been found that the crystallization of the portion not in contact with the catalytic element can be ignored and the configuration of the present invention can be obtained for a short time in the range of 450 ° C. to 650 ° C. is doing. When the temperature is lower than the above temperature range, sufficient crystal growth cannot be performed even if a catalyst element is added. Similarly, when the temperature is higher than the above temperature range, crystal growth occurs regardless of the catalyst.
同様に、結晶化処理の後に、さらに高温のアニールをおこない、結晶粒の界面の特性をさらに良好にし、珪素膜の結晶性をさらに高くすることができる。この工程を有しないと、粒界における障壁が高く、代表的にはモビリティが高くならないなどの弊害が生じる。信頼性についても、粒界に存在する微量な非晶質成分と結合している触媒元素の影響により、安定した素子を形成することは困難である。 Similarly, after the crystallization treatment, annealing at a higher temperature can be performed to further improve the characteristics of the crystal grain interface and further improve the crystallinity of the silicon film. Without this step, the barriers at the grain boundaries are high, and there are problems such as the mobility not typically becoming high. In terms of reliability, it is difficult to form a stable element due to the influence of a catalytic element combined with a small amount of an amorphous component present at a grain boundary.
また、本発明のこの構成をさらに進め、触媒元素の量を極端に減らし、最初の加熱による結晶化を核発生直後で終了し、その後高温アニールによって結晶成長をおこなうことも可能である。この場合には、核発生プロセスと結晶成長プロセスを分けておこない、しかもそれぞれに適した温度でおこなうことが可能である。 Further, this configuration of the present invention can be further advanced, the amount of the catalytic element can be extremely reduced, the initial crystallization by heating can be terminated immediately after the generation of nuclei, and then crystal growth can be performed by high-temperature annealing. In this case, the nucleation process and the crystal growth process can be performed separately, and at a temperature suitable for each.
結晶性を改善するためにおこなう高温アニールは、一般的な電気炉中でのアニール（熱アニール）以外に、強光特に赤外光を照射する方法を採用してもよい。
赤外光はガラスには吸収されにくく、珪素薄膜に吸収されやすいので、ガラス基板上に形成された珪素薄膜を選択的に加熱することができる。赤外光を用いるアニール方法は、ラピッド・サーマル・アニール（ＲＴＡ）またはラピッド・サーマル・プロセス（ＲＴＰ）と呼ばれる。
The high temperature annealing performed to improve the crystallinity may employ a method of irradiating strong light, particularly infrared light, in addition to annealing in an ordinary electric furnace (thermal annealing).
Infrared light is not easily absorbed by glass and is easily absorbed by a silicon thin film, so that the silicon thin film formed on the glass substrate can be selectively heated. An annealing method using infrared light is called rapid thermal annealing (RTA) or rapid thermal process (RTP).
また、触媒元素を含んだ溶液を選択的に塗布することにより、結晶成長を選択的におこなうことができる。特にこの場合、溶液が塗布されなかった領域に向かって、溶液が塗布された領域から珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長させることができる。このように珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長がおこなわれた領域を本明細書中においては横方向に結晶成長した領域と称する。 Moreover, crystal growth can be selectively performed by selectively applying a solution containing a catalytic element. Particularly in this case, the crystal can be grown in a direction substantially parallel to the surface of the silicon film from the region where the solution is applied toward the region where the solution is not applied. In this specification, a region in which crystal growth is performed in a direction substantially parallel to the surface of the silicon film is referred to as a laterally crystallized region in this specification.
横方向に結晶成長した領域は、触媒元素の濃度が低いことが確かめられている。半導体装置の活性層領域として、結晶性珪素膜を利用することが有利であるが、特に、活性層領域中における不純物の濃度は一般に低い方が好ましい。したがって、上記横方向に結晶成長した領域を用いて半導体装置の活性層領域を形成することはデバイス作製上、極めて有利である。 It has been confirmed that the concentration of the catalytic element is low in the region where the crystal has grown in the lateral direction. Although it is advantageous to use a crystalline silicon film as the active layer region of the semiconductor device, it is generally preferable that the impurity concentration in the active layer region is generally low. Therefore, it is extremely advantageous in terms of device fabrication to form an active layer region of a semiconductor device using the region where the crystal is grown in the lateral direction.
本発明においては、触媒元素としてニッケルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができるが、その他の利用できる触媒元素の種類としては、好ましくはＰｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂが挙げられる。また、VIII族元素、IIIb、IVｂ、Vb元素から選ばれた一種または複数種類の元素を利用することもできる。 In the present invention, the most prominent effect can be obtained when nickel is used as the catalyst element, but the other usable catalyst elements are preferably Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn, Pd, P, As, Sb are mentioned. One or more kinds of elements selected from group VIII elements, IIIb, IVb, and Vb elements can also be used.
また、触媒元素の導入方法は、水溶液やアルコール等の溶液を用いることに限定されるものではなく、触媒元素を含んだ物質を広く用いることができる。例えば、触媒元素を含んだ金属化合物や酸化物を用いることができる。 The method for introducing the catalyst element is not limited to using a solution such as an aqueous solution or alcohol, and a substance containing the catalyst element can be widely used. For example, a metal compound or oxide containing a catalyst element can be used.
触媒元素を導入して比較的低温で大粒径の結晶性珪素膜を作製し、その後更に高温でのアニールを加えることにより、非常に結晶性の高い珪素膜とすることができる。そしてこの様な結晶性珪素膜を用いて、半導体装置を作製することで、生産性が高く、特性のよいデバイスを得ることができる。 By introducing a catalytic element to produce a crystalline silicon film having a large grain size at a relatively low temperature, and then annealing at a higher temperature, a silicon film having a very high crystallinity can be obtained. By manufacturing a semiconductor device using such a crystalline silicon film, a device with high productivity and good characteristics can be obtained.
本実施例では、結晶化を助長する触媒元素を水溶液に含有させて、非晶質珪素膜上に塗布し、しかる後に加熱により結晶化させ、さらに高温の熱アニール処理により結晶性を高める例である。
図１を用いて、触媒元素（ここではニッケルを用いる）を導入するところまでを説明する。本実施例においては、基板１１として石英ガラスを用いる。またその大きさは１００ｍｍ×１００ｍｍとする。
In this example, a catalyst element for promoting crystallization is contained in an aqueous solution, applied onto an amorphous silicon film, then crystallized by heating, and further crystallinity is enhanced by high-temperature thermal annealing treatment. is there.
The steps up to the introduction of the catalyst element (here, nickel is used) will be described with reference to FIG. In this embodiment, quartz glass is used as the
まず、非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法によって非晶質状の珪素膜を１００〜１５００Å形成する。ここでは、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪素膜１２を１０００Åの厚さに成膜する。（図１（Ａ））
そして、汚れ及び自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理を行い、その後、酸化膜１３を１０〜５０Åに成膜する。汚れが無視できる場合には、酸化膜１３の代わりに自然酸化膜をそのまま用いれば良い。
First, an amorphous silicon film is formed in a thickness of 100 to 1500 nm by plasma CVD or LPCVD. Here, the
Then, hydrofluoric acid treatment is performed to remove the dirt and the natural oxide film, and then the
なお、この酸化膜１３は極薄のため正確な膜厚は不明であるが、２０Å程度であると推定される。本実施例では、酸素雰囲気中でのＵＶ光の照射により酸化膜１３を作製する。成膜条件は、酸素雰囲気中においてＵＶを５分間照射することによっておこなった。酸化膜１３の成膜方法としては、熱酸化法を用いるのでもよい。また過酸化水素による処理によるものでもよい。
Since the
酸化膜１３は、後のニッケルを含んだ酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜の表面全体に酢酸塩溶液をゆき渡らせるためのものである。すなわち、濡れ性の改善のためのものである。通常の非晶質珪素膜の表面に直接、酢酸塩溶液を塗布した場合、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾いてしまうので、非晶質珪素膜の表面全体にニッケルを導入することができない。即ち、均一な結晶化をおこなうことができない。
The
つぎに、酢酸塩溶液中にニッケルを添加した酢酸塩溶液を作る。ニッケルの濃度は２５ｐｐｍとする。そしてこの酢酸塩溶液を非晶質珪素膜１２上の酸化膜１３の表面に２ｍｌ滴下し、酢酸塩溶液水膜１４を形成し、この状態を５分間保持する。そしてスピナー１５を用いてスピンドライ（２０００ｒｐｍ、６０秒）をおこなう。（図１（Ｃ）、（Ｄ））
Next, an acetate solution is prepared by adding nickel to the acetate solution. The nickel concentration is 25 ppm. Then, 2 ml of this acetate solution is dropped on the surface of the
酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は、１ｐｐｍ以上好ましくは１０ｐｐｍ以上であれば実用になる。また、溶液として２−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液のごとき無極性溶媒を用いる場合、酸化膜１３は不要であり、直接非晶質珪素膜上に触媒元素を導入することができる。
When the concentration of nickel in the acetic acid solution is 1 ppm or more, preferably 10 ppm or more, it becomes practical. Further, when a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate is used as the solution, the
このニッケル溶液の塗布工程を、１回〜複数回行なうことにより、スピンドライ後の非晶質珪素膜１２の表面に数Å〜数百Åの平均の膜厚を有するニッケルを含む層を形成することができる。この場合、この層のニッケルがその後の加熱工程において、非晶質珪素膜に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。なお、この層というのは、完全な膜になっているとは限らない。
By performing this nickel solution coating process once to a plurality of times, a layer containing nickel having an average film thickness of several to several hundreds of mm is formed on the surface of the
上記溶液の塗布の後、１分間その状態を保持させる。この保持させる時間によっても、最終的に珪素膜１２中に含まれるニッケルの濃度を制御することができるが、最も大きな制御因子は溶液の濃度である。
そして、加熱炉において、窒素雰囲気中において５５０℃、４時間の加熱処理をおこなう。この結果、基板１１上に形成された結晶性を有する珪素薄膜１２を得ることができる。
After application of the solution, the state is maintained for 1 minute. The concentration of nickel contained in the
In a heating furnace, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. As a result, the crystalline silicon
上記の加熱処理は４５０℃以上の温度でおこなうことができるが、温度が低いと加熱時間を長くしなけらばならず、生産効率が低下する。また、あまり温度が高すぎても、ニッケルと接した部分以外から結晶成長が始まり、結果として大粒径の珪素粒からなる結晶性珪素膜を作製することができない。
本実施例においては、非晶質珪素膜上に触媒元素を導入する方法を示したが、非晶質珪素膜下に触媒元素を導入する方法を採用してもよい。この場合は、非晶質珪素膜の成膜前に触媒元素を含有した溶液を用いて、下地膜上に触媒元素を導入すればよい。
The above heat treatment can be performed at a temperature of 450 ° C. or higher, but if the temperature is low, the heating time must be lengthened and the production efficiency is lowered. Even if the temperature is too high, crystal growth starts from a portion other than the portion in contact with nickel, and as a result, a crystalline silicon film composed of large-sized silicon grains cannot be produced.
In this embodiment, the method of introducing the catalytic element onto the amorphous silicon film is shown, but a method of introducing the catalytic element under the amorphous silicon film may be adopted. In this case, the catalyst element may be introduced onto the base film using a solution containing the catalyst element before the formation of the amorphous silicon film.
加熱処理により結晶性を有する珪素膜１２を得た後、汚れ及び自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理を行う。そして更に１０００℃で３０分〜２時間、ここでは１００分間のアニールを窒素中でおこない、結晶粒内部の結晶性を高め（この工程を行うことにより結晶内部の欠陥を減らす効果も期待できる）、界面の特性を改善する。なお、この工程を酸素中でおこなうことにより、結晶性向上とともに約１０００Åの熱酸化膜を形成しても良い。
その後、酸化膜を除去し、ＴＥＭによる観察をおこなった結果、得られた結晶性珪素膜は、異方性を有する大径の結晶粒からなる多結晶状態を呈し、その結晶粒の長辺は長いものでは１０μｍ以上あり、その大きさも比較的揃っていることが判明した。
After obtaining the
Thereafter, the oxide film was removed, and observation by TEM was performed. As a result, the obtained crystalline silicon film exhibited a polycrystalline state composed of large-diameter crystal grains having anisotropy, and the long sides of the crystal grains were It was found that the long ones were 10 μm or more, and the sizes were relatively uniform.
本実施例は、実施例１に示す作製方法において、１２００Åの酸化珪素膜を選択的に設け、この酸化珪素膜をマスクとして選択的にニッケルを導入する例である。図２に本実施例における作製工程の概略を示す。まず、石英ガラス基板（１０ｃｍ角）１１上に非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法またはＬＰＣＶＤ（減圧熱ＣＶＤ法）で１０００Åの厚さに成膜する。
次に、マスクとなる酸化珪素膜２１を１０００Å以上、ここでは１２００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜２１の膜厚については、発明者等の実験によると５００Åでも問題がないことを確認しており、膜質が緻密であれば更に薄くても良い。
This embodiment is an example in which a 1200 珪 素 silicon oxide film is selectively provided in the manufacturing method shown in
Next, a
そして、通常のフォトリソ工程によって、必要とするパターンに酸化珪素膜２１をエッチングする。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照射で薄い酸化珪素膜２０を成膜する。酸化珪素膜２０の作製は、酸素雰囲気中でＵＶ光を５分間照射することによっておこなわれる。なお、酸化珪素膜２０の厚さは２０〜５０Å程度と考えられる（図２（Ａ））。
酸化珪素膜２０は濡れ性を改善するためのものであるが、溶液とパターンのサイズが合致した場合には、マスクの酸化珪素膜の親水性のみによっても丁度よく添加される場合がある。しかしながらこの様な場合は特殊であり、一般的には酸化珪素膜２０を使用したほうが安全である。
Then, the
The
この状態において、実施例１と同様に１００ｐｐｍのニッケルを含有した酢酸塩溶液を５ｍｌ滴下（１０ｃｍ角基板の場合）する。また、この際、スピナー１５を用いて５０ｒｐｍで１０秒のスピンコートをおこない、基板表面全体に均一な水膜１４を形成させる。さらに、この状態で、５分間保持した後、スピナー１５を用いて２０００ｒｐｍ、６０秒のスピンドライをおこなう。なお、この保持は、スピナー上において０〜１５０ｒｐｍの回転をさせながらおこなってもよい。（図２（Ｂ））
In this state, 5 ml of an acetate solution containing 100 ppm of nickel was dropped as in Example 1 (in the case of a 10 cm square substrate). At this time, spin coating is performed at 50 rpm for 10 seconds using the
そして、５５０℃（窒素雰囲気）、４時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜１２の結晶化をおこなう。この際、ニッケルが導入された部分２２の領域から２３で示されるように、ニッケルが導入されなった領域２５へと横方向に結晶成長がおこなわれる。図２（Ｃ）において、２４がニッケルが直接導入され結晶化がおこなわれた領域であり、２５が横方向に結晶化がおこなわれた領域である。なお２５の領域においては、概略〈１１１〉軸方向に結晶成長がおこなわれていることが確認されている。
Then, the
この段階でＴＥＭ観察をおこなうと、得られた結晶性珪素膜は、ニッケルが添加された領域から周囲に向かって放射状に幅の揃った柱状結晶が成長しており、個々の結晶の隙間には非晶質部分が残存していることが判明した。
次に、上記加熱処理による結晶化工程の後、酸化珪素膜を除去し、窒素中で加熱温度を１０００℃でアニールして珪素膜１２の結晶性をさらに向上させる。この工程によって、横方向に結晶成長した領域２５の結晶性を大きく高めることができる。
When TEM observation is performed at this stage, columnar crystals with radially uniform widths grow from the region where nickel is added toward the periphery in the obtained crystalline silicon film, and there are gaps between the individual crystals. It was found that an amorphous part remained.
Next, after the crystallization step by the heat treatment, the silicon oxide film is removed, and the heating temperature is 1000 ° C. in nitrogen to further improve the crystallinity of the
この結晶性珪素膜をＴＥＭ観察すると、前述の柱状結晶の隙間の部分が結晶化し、しかも、柱状結晶を核とした擬似的にエピタキシャルな成長が起こっていることが判明した。また、その結果、結晶粒界は非常に判別しづらくなり、あたかも巨大な結晶粒（〜数十μｍ以上）のように見える結晶性珪素膜が得られた。 When this crystalline silicon film was observed with a TEM, it was found that the gaps between the columnar crystals were crystallized and that pseudo-epitaxial growth with the columnar crystals as the nucleus occurred. As a result, the crystal grain boundary became very difficult to distinguish, and a crystalline silicon film that looked like huge crystal grains (up to several tens of μm or more) was obtained.
本実施例において、溶液濃度、保持時間を変化させることにより、ニッケルが直接導入された領域におけるニッケルの濃度を１×１０15ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3の範囲で制御可能であり、同様に横成長領域の濃度をそれ以下に制御することが可能である。この膜中におけるニッケル濃度は、膜厚方向にＵ字型の分布を有して存在するが、上記の濃度はこのＵ字型の分布の底の部分（最小値）を示すものである。 In this embodiment, the concentration of nickel in the region where nickel is directly introduced can be controlled in the range of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 by changing the solution concentration and the holding time. Similarly, the concentration of the lateral growth region can be controlled to be lower than that. The nickel concentration in this film exists with a U-shaped distribution in the film thickness direction, and the above concentration indicates the bottom portion (minimum value) of this U-shaped distribution.
本実施例で示したような方法によって形成された結晶珪素膜は、耐フッ酸性が良好であるという特徴がある。本発明者らによる知見によれば、ニッケルをプラズマ処理で導入し、結晶化させた結晶性珪素膜は、耐フッ酸性が低い。
例えば、ＴＦＴ作製においては、結晶性珪素膜上にゲイト絶縁膜や層間絶縁膜として機能する酸化珪素膜を形成し、それに電極の形成のために穴開け工程を経て、電極を形成をする作業が必要とされる。このような場合、酸化珪素膜を緩衝フッ酸によって除去する工程が通常採用される。しかしながら、結晶性珪素膜の耐フッ酸性が低い場合、酸化珪素膜のみを選択的に除去することは困難であり、結晶性珪素膜をも同時にエッチングしてしまうという問題がある。
The crystalline silicon film formed by the method as shown in this embodiment is characterized by good hydrofluoric acid resistance. According to the knowledge of the present inventors, the crystalline silicon film obtained by introducing nickel by plasma treatment and crystallizing has low hydrofluoric acid resistance.
For example, in TFT fabrication, a silicon oxide film that functions as a gate insulating film or an interlayer insulating film is formed on a crystalline silicon film, and an electrode is formed through a drilling process for forming an electrode. Needed. In such a case, a process of removing the silicon oxide film with buffered hydrofluoric acid is usually employed. However, when the hydrofluoric acid resistance of the crystalline silicon film is low, it is difficult to selectively remove only the silicon oxide film, and there is a problem that the crystalline silicon film is also etched at the same time.
しかしながら、結晶性珪素膜が耐フッ酸性を有している場合、酸化珪素膜と結晶性珪素膜のエッチングレートの違い（選択比）を大きくとることができるので、酸化珪素膜のみを選択的の除去でき、作製工程上極めて有利である。
以上述べたように、横方向に結晶成長した領域は触媒元素の濃度が小さく、しかも結晶性が良好であるので、この領域を半導体装置の活性領域として用いることは有利である。例えば、ＴＦＴのチャネル形成領域として利用することは極めて有用である。
However, when the crystalline silicon film has hydrofluoric acid resistance, the difference in etching rate (selection ratio) between the silicon oxide film and the crystalline silicon film can be increased, so that only the silicon oxide film is selectively used. It can be removed and is extremely advantageous in the manufacturing process.
As described above, the region where the crystal is grown in the lateral direction has a small concentration of the catalytic element and has good crystallinity, and therefore it is advantageous to use this region as the active region of the semiconductor device. For example, it is extremely useful to use it as a channel formation region of a TFT.
本実施例は、本発明の方法を利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、ＴＦＴを作製する例である。本実施例のＴＦＴは、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分に用いることができる。なおこのようなＴＦＴは、液晶表示装置のみではなく、一般に言われる薄膜集積回路に利用できることはいうまでもない。 In this example, a TFT is manufactured using a crystalline silicon film manufactured by using the method of the present invention. The TFT of this embodiment can be used for a driver circuit or a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device. It goes without saying that such a TFT can be used not only in a liquid crystal display device but also in a generally called thin film integrated circuit.
図３に本実施例の作製工程の概要を示す。まずＮ０ガラス基板１１上に下地の窒化珪素膜（図示せず）を成膜し、その上に酸化珪素膜（図示せず）を２０００Åの厚さに成膜する。この窒化珪素膜および酸化珪素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。
FIG. 3 shows an outline of the manufacturing process of this example. First, a base silicon nitride film (not shown) is formed on the
そして、非晶質珪素膜１０４を実施例１と同様な方法で５００Åの厚さに成膜する。成膜手段としては、シランあるいはジシランの如きポリシランを用いてＬＰＣＶＤで成膜した非晶質珪素を用いることが素子の特性上有効であった。そして、自然酸化膜を取り除くためのフッ酸処理の後、薄い酸化膜を２０Å程度の厚さに酸素雰囲気でのＵＶ光の照射によって成膜する。この薄い酸化膜の作製方法は、過水処理や熱酸化による方法でもよい。
Then, an
そして１０ｐｐｍのニッケルを含有した酢酸塩溶液を塗布し、５分間保持し、スピナーを用いてスピンドライをおこなう。その後、緩衝フッ酸によって酸化珪素膜を取り除き、５５０℃、４時間の加熱によって、珪素膜を結晶化させる。
上記加熱処理をおこなうことによって、非晶質成分と結晶成分とが混在した珪素膜を得られる。この結晶成分はその後の高温における結晶成長時の結晶核が存在している領域である。
Then, an acetate solution containing 10 ppm of nickel is applied, held for 5 minutes, and spin dried using a spinner. Thereafter, the silicon oxide film is removed with buffered hydrofluoric acid, and the silicon film is crystallized by heating at 550 ° C. for 4 hours.
By performing the heat treatment, a silicon film in which an amorphous component and a crystal component are mixed can be obtained. This crystal component is a region where crystal nuclei during subsequent crystal growth at high temperatures exist.
その後、８００℃で窒素中で２時間のアニールをおこない、全面を結晶化させると共に、珪素膜の結晶性を助長させる。この工程よって、結晶成分に存在している結晶核を核として結晶成長がおこなわれる。
次に、結晶化した珪素膜をパターニングして、島状の領域１０４を形成する。
島状の領域１０４はＴＦＴの活性層を構成する。そして、厚さ２００〜１５００Å、ここでは１０００Åの酸化珪素１０５を形成する。この酸化珪素膜はゲイト絶縁膜として機能する。（図３（Ａ））
Thereafter, annealing is performed in nitrogen at 800 ° C. for 2 hours to crystallize the entire surface and promote crystallinity of the silicon film. By this step, crystal growth is performed using a crystal nucleus present in the crystal component as a nucleus.
Next, the crystallized silicon film is patterned to form island-
The island-shaped
この状態で電気炉中での加熱処理、あるいはＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）あるいはそれと同等な強光を照射することで、シリコン活性層領域１０４と酸化珪素膜１０５の界面の状態を改善してもよい。特に、赤外光を用いたＲＴＡ（ラピットサーマルアニール）は、ガラス基板を加熱せずに、珪素のみを選択的に加熱することができるため、基板の温度をＮ０ガラスの軟化点以下としながらより高温でのアニールと同等なアニールをおこなうことができ、珪素と酸化珪素膜との界面における界面準位を減少させることができる。
In this state, irradiation with an electric furnace, or irradiation with KrF excimer laser (wavelength 248 nm,
その後、厚さ２０００Å〜１μｍのタンタル膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これをパターニングし、ゲイト電極１０６を形成する。次に白金を陰極、このタンタルのゲイト電極を陽極として、陽極酸化を行う。陽極酸化は、最初一定電流で８０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させる。本実施例では定電流状態では、電圧の上昇速度は２〜５Ｖ／分が適当である。このようにして、厚さ１５００〜３５００Å、例えば、２０００Åの陽極酸化物１０９を形成する。（図３（Ｂ））
Thereafter, a tantalum film having a thickness of 2000 μm to 1 μm is formed by electron beam evaporation, and this is patterned to form the
その後、イオンドーピング法（プラズマドーピング法ともいう）によって、各ＴＦＴの島状珪素領域に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物（燐）を注入する。ドーピングガスとしてはフォスフィン（ＰＨ3 ）を用いた。ドーズ量は、１〜４×１０15ｃｍ-2とする。 Thereafter, an impurity (phosphorus) is implanted in an island-like silicon region of each TFT in a self-aligning manner using the gate electrode portion as a mask by ion doping (also called plasma doping). Phosphine (PH 3 ) was used as a doping gas. The dose is 1 to 4 × 10 15 cm −2 .
さらに、図３（Ｃ）に示すようにＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、上記不純物領域の導入によって結晶性の劣化した部分の結晶性を改善させる。レーザーのエネルギー密度は１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2 、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2 である。こうして、Ｎ型不純物（燐）領域１０８、１０９を形成する。これらの領域のシート抵抗は２００〜８００Ω／□であった。
Further, as shown in FIG. 3C, irradiation with a KrF excimer laser (wavelength 248 nm,
上記工程において、レーザー光を用いる代わりに、電気炉中での加熱処理を用いても良い。また、フラッシュランプを使用して短時間に１０００〜１２００℃（珪素モニターの温度）まで上昇させ、試料を加熱する、いわゆるＲＴＡ（ラピッド・サーマル・アニール；ＲＴＰ、ラピット・サーマル・プロセスともいう）
等のいわゆるレーザー光と同等の強光を用いてもよい。
In the above step, heat treatment in an electric furnace may be used instead of using laser light. Also, the temperature is raised to 1000-1200 ° C. (silicon monitor temperature) in a short time using a flash lamp, and the sample is heated, so-called RTA (rapid thermal annealing; also called RTP, rapid thermal process)
For example, intense light equivalent to so-called laser light such as may be used.
その後、全面に層間絶縁物１１０として、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ３０００Å形成する。基板温度は２５０〜４５０℃、例えば、３５０℃とする。成膜後、表面の平坦性を得るため、この酸化珪素膜を機械的に研磨する。（図３（Ｄ））
Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 3000 mm is formed on the entire surface as an
そして、層間絶縁物１１０をエッチングして、図１（Ｅ）に示すようにＴＦＴのソース／ドレインにコンタクトホールを形成し、クロムもしくは窒化チタンの配線１１２、１１３を形成する。
従来、プラズマ処理を用いてニッケルを導入した結晶性珪素膜は、酸化珪素膜に比較して緩衝フッ酸に対する選択性が低いので、上記コンタクトホールの形成工程において、エッチングされてしまうことが多かった。
Then, the
Conventionally, a crystalline silicon film into which nickel has been introduced using plasma treatment has a low selectivity to buffered hydrofluoric acid compared to a silicon oxide film, and thus has been often etched in the contact hole forming step. .
しかし、本実施例のように１０ｐｐｍの低濃度で水溶液を用いてニッケルを導入した場合には、耐フッ酸性が高いので、上記コンタクトホールの形成が安定して再現性よく行なうことができる。
最後に、水素中で３００〜４００℃で０．１〜２時間アニールして、活性層の水素化を完了する。このようにして、ＴＦＴが完成する。そして、同時に作製した多数のＴＦＴをマトリクス状に配列せしめてアクティブマトリクス型液晶表示装置として完成する。このＴＦＴは、ソース／ドレイン領域１０８／１０９とチャネル形成領域１１４を有している。また１１５がＮＩの電気的接合部分となる。
However, when nickel is introduced using an aqueous solution at a low concentration of 10 ppm as in this embodiment, the resistance to hydrofluoric acid is high, so that the formation of the contact hole can be performed stably and with good reproducibility.
Finally, annealing is performed in hydrogen at 300 to 400 ° C. for 0.1 to 2 hours to complete hydrogenation of the active layer. In this way, the TFT is completed. A large number of TFTs manufactured at the same time are arranged in a matrix to complete an active matrix liquid crystal display device. This TFT has source /
本実施例の構成を採用した場合、活性層中に存在するニッケルの濃度は、３×１０18ｃｍ-3程度、あるいは、それ以下の、１×１０16ｃｍ-3〜３×１０18ｃｍ-3であると考えられる。
本実施例で作製されたＴＦＴは、移動度がＮチャネルで２００ｃｍ2 ／Ｖｓ以上のものが得られている。また、しきい値電圧（Ｖth）も小さく良好な特性を有していることが確認されている。さらに、移動度のバラツキも±１０％以内であることが確認されている。このバラツキの少なさは、加熱処理により不完全な結晶化と後工程の高温（本実施例では８００℃）熱処理による結晶性の助長とによる工程によるものと考えられる。６５０℃以下の熱処理による結晶化工程のみを利用した場合には、Ｎチャケル型で１５０ｃｍ2 ／Ｖｓ以上のものを容易に得ることができるが、バラツキが大きく、本実施例のような均一性を得ることができない。
When the configuration of this example is adopted, the concentration of nickel present in the active layer is about 3 × 10 18 cm −3 or less, 1 × 10 16
The TFT manufactured in this example has an N-channel mobility of 200 cm 2 / Vs or higher. It has also been confirmed that the threshold voltage (V th ) is small and has good characteristics. Furthermore, it has been confirmed that the variation in mobility is within ± 10%. This small variation is considered to be due to incomplete crystallization by heat treatment and the promotion of crystallinity by high-temperature heat treatment (800 ° C. in this embodiment) in the subsequent step. When only the crystallization process by heat treatment at 650 ° C. or less is used, an N-chucker type with 150 cm 2 / Vs or more can be easily obtained, but the variation is large and the uniformity as in this embodiment is achieved. Can't get.
本実施例においてはタンタルゲイトを用いた実施例を示したが、これをＮ型あるいはＰ型の多結晶珪素を用いた珪素ゲイトとしても良いことは言うまでもない。また、アイランドのエッチングを施した後に高温熱アニールをおこなう構成としても良い。その場合には基板の縮みによるマスク合わせの困難が生じるため、基板としては石英を用いることが望ましい。 In this embodiment, an example using tantalum gate is shown, but it goes without saying that this may be a silicon gate using N-type or P-type polycrystalline silicon. Alternatively, a configuration in which high-temperature thermal annealing is performed after etching of the island may be employed. In that case, it is difficult to align the mask due to shrinkage of the substrate, so it is desirable to use quartz as the substrate.
本実施例においては、実施例２に示すようにニッケルを選択的に導入し、その部分から横方向（基板に平行な方向）に結晶成長した領域を用いて電子デバイスを形成する例を示す。このような構成を採用した場合、デバイスの活性層領域におけるニッケル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすることができる。
In this embodiment, as shown in
図４に本実施例の作製工程を示す。まず、石英基板２０１を洗浄し、ＴＥＯＳと酸素を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜２０２を形成する。なお、汚染等の問題が無視できる場合にはこの工程は無視できる。そして、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜２０３を成膜する。次に連続的に厚さ５００〜２０００Å、例えば１０００Åの酸化珪素膜２０５をプラズマＣＶＤ法によって成膜する。そして、酸化珪素膜２０５を選択的にエッチングして、非晶質珪素の露出した領域２０６を形成する。
FIG. 4 shows a manufacturing process of this example. First, the
次に、実施例２に示した方法により結晶化を助長する触媒元素であるニッケル元素を含んだ溶液（ここでは酢酸塩溶液）塗布する。酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は１００ｐｐｍである。その他、詳細な工程順序や条件は実施例２で示したものと同一である。 Next, a solution (here, an acetate solution) containing nickel element as a catalytic element for promoting crystallization is applied by the method shown in Example 2. The concentration of nickel in the acetic acid solution is 100 ppm. In addition, the detailed process sequence and conditions are the same as those shown in the second embodiment.
この後、窒素雰囲気下で５００〜６２０℃、例えば５５０℃、４時間の加熱アニールをおこない、珪素膜２０３を結晶化する。結晶化は、ニッケルと珪素膜が接触した領域２０６を出発点として、矢印で示されるように基板に対して平行な方向に進行する。図においては領域２０４はニッケルが直接導入されて結晶化した部分、領域２０３は横方向に結晶化した部分を示す。この２０３で示される横方向への結晶は、２５μｍ程度である。またその結晶成長方向は概略〈１１１〉軸方向であることが確認されている。（図４（Ａ））
Thereafter, heat annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 500 to 620 ° C., for example, 550 ° C. for 4 hours to crystallize the
上記加熱処理による結晶化工程の後に、酸化珪素膜２０５を全面的にエッチングし、その後、さらに１０５０℃で６０分程度の高温熱アニールを酸素中でおこない、結晶性を向上させる。この工程において、結晶性の向上と同時に１０００Å程度の熱酸化膜が形成される。応力等が問題とならないときには、この熱酸化膜をゲイト絶縁膜として使用しても良い。本実施例では応力を考慮して、ゲイト絶縁膜に熱酸化膜を用いることを避けた。
After the crystallization step by the heat treatment, the
次に、熱酸化膜を除去する。そして、珪素膜２０４をドライエッチングして、島状の活性層領域２０８を形成する。この際、図４（Ａ）で２０６で示された領域は、ニッケルが直接導入された領域であり、ニッケルが高濃度に存在する領域である。また、結晶成長の先端にも、やはりニッケルが高濃度に存在することが確認されている。これらの領域では、その中間の領域に比較してニッケルの濃度が高いことが判明している。したがって、本実施例においては、活性層２０８において、これらのニッケル濃度の高い領域がチャネル形成領域と重ならないように回路を設計した。
Next, the thermal oxide film is removed. Then, the
その後、ＴＥＯＳを用いたＬＰＣＶＤによって、基板を８００℃〜８５０℃に加熱した状態で高温ＣＶＤ酸化膜を形成する。これがゲイト絶縁膜として作用する酸化珪素膜２０９となる。この酸化珪素膜２０９の厚さは１０００Åとする。
（図４（Ｂ））
引き続いて、ゲイト電極となるＰまたはＢをドープした多結晶珪素膜をＬＰＣＶＤ法により１０００Å〜４０００Åの厚さに成膜し、パターニングして、ゲイト電極２１０を形成する。（図４（Ｃ））
Thereafter, a high temperature CVD oxide film is formed by LPCVD using TEOS while the substrate is heated to 800 ° C. to 850 ° C. This becomes a
(Fig. 4 (B))
Subsequently, a polycrystalline silicon film doped with P or B to be a gate electrode is formed to a thickness of 1000 to 4000 by LPCVD, and patterned to form the
次に、イオンドーピング法（プラズマドーピング法とも言う）によって、活性層領域（ソース／ドレイン、チャネルを構成する）にゲイト電極２１０をマスクとして、自己整合的にＮ導電型を付与する不純物（ここでは燐）を添加する。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ3 ）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶとする。ドーズ量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば、４×１０15ｃｍ-2とする。この結果、Ｎ型の不純物領域２１２と２１３を形成することができる。
Next, by an ion doping method (also referred to as a plasma doping method), an impurity (here, an N conductivity type is given in a self-aligned manner using the
その後、窒素雰囲気中で６００℃、１２時間加熱を行い、不純物の活性化をおこなった。この活性化工程の後に、必要に応じて水素雰囲気中で４００℃、１時間熱処理することは欠陥準位密度を低下させるのに有効であった。
続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜２１４を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成する。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリイミド膜２１５を形成し、表面を平坦化する。
Thereafter, heating was performed in a nitrogen atmosphere at 600 ° C. for 12 hours to activate the impurities. After this activation step, heat treatment in a hydrogen atmosphere at 400 ° C. for 1 hour as necessary was effective in reducing the defect level density.
Subsequently, a
そして、層間絶縁物２１４、２１５にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴの電極・配線２１７、２１８を形成する。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールをおこない、ＴＦＴを有するアクティブマトリックス回路を完成させる。（図４（Ｆ））
本実施例で作製したＴＦＴは高移動度を得ることができるので、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバー回路に利用することができる。
Then, contact holes are formed in the
Since the TFT manufactured in this embodiment can obtain high mobility, it can be used for a driver circuit of an active matrix liquid crystal display device.
図５に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、石英基板５０１上にスパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜５０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法またはＬＰＣＶＤ法によって、厚さ５００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜を成膜する。そして、実施例１で示した方法により非晶質珪素膜の表面に結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを導入する。そして窒素雰囲気（大気圧）、５５０℃、４時間熱アニールして結晶化させる。そして、珪素膜を１０〜１０００μｍ角の大きさにエッチングして、島状の珪素膜（ＴＦＴの活性層）５０３を形成する。（図５（Ａ））
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this example. First, a silicon
その後、８００〜１１００℃、代表的には１０００℃の酸素雰囲気中で２時間程度アニールを施すことにより、結晶性の向上と界面の特性を改善すると共に、熱酸化膜からなるゲート絶縁膜５０４を厚さ５００〜１５００Å、例えば１０００Åの厚さに形成する。注目すべきは、かかる酸化により、初期の珪素膜は、その表面が５０Å以上減少し、結果として、珪素膜の最表面部分の汚染が、珪素−酸化珪素界面には及ばないようになることである。すなわち、清浄な珪素−酸化珪素界面が得られることである。酸化珪素膜の厚さは酸化される珪素膜の２倍であるので、１０００Åの厚さの珪素膜を酸化して、厚さ１０００Åの酸化珪素膜を得た場合には、残った珪素膜の厚さは５００Åということになる。
Thereafter, annealing is performed in an oxygen atmosphere at 800 to 1100 ° C., typically 1000 ° C. for about 2 hours, thereby improving crystallinity and interface characteristics, and forming a
熱酸化によって酸化珪素膜５０４を形成したのち、一酸化二窒素雰囲気（１気圧、１００％）、６００℃で２時間アニールする。（図５（Ｂ））
引き続いて、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åの多結晶珪素（０．０１〜０．２％の燐を含む）を成膜する。そして、珪素膜をエッチングして、ゲイト電極５０５を形成する。
さらに、この珪素膜をマスクとして自己整合的に、イオンドーピング法（プラズマドーピング法とも言う）によって、活性層領域（ソース／ドレイン、チャネルを構成する）にＮ導電型を付与する不純物（ここでは燐）を添加する。
After the
Subsequently, polycrystalline silicon (containing 0.01 to 0.2% phosphorus) having a thickness of 3000 to 8000 mm, for example, 6000 mm is formed by low pressure CVD. Then, the
Further, an impurity (in this case, phosphorus) is given to the active layer region (which constitutes a source / drain and a channel) by an ion doping method (also called a plasma doping method) in a self-aligning manner using this silicon film as a mask. ) Is added.
ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ3 ）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶとする。ドーズ量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば、５×１０15ｃｍ-2とする。この結果、Ｎ型の不純物領域５０６と５０７が形成される。その後、窒素中６００℃で１２時間熱アニール処理を施して、不純物の活性化をおこなう。活性化工程はレーザー光の照射によっても良い。（図５（Ｃ））
As the doping gas, phosphine (PH 3 ) is used, and the acceleration voltage is set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose is 1 × 10 15 to 8 × 10 15 cm −2 , for example, 5 × 10 15 cm −2 . As a result, N-
また、同様にこの不純物の活性化工程は、近赤外光によるランプアニールによる方法でもよい。近赤外線は非晶質珪素よりも結晶化した珪素へは吸収されやすく、１０００℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールをおこなうことができる。その反面、ガラス基板へは吸収されにくい（遠赤外光はガラス基板に吸収されるが、可視・近赤外光（波長０．５〜４μｍ）は吸収されにくい）ので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工程においては最適な方法であるといえる。 Similarly, the impurity activation step may be a method of lamp annealing using near infrared light. Near-infrared rays are more easily absorbed by crystallized silicon than amorphous silicon, and effective annealing comparable to thermal annealing at 1000 ° C. or higher can be performed. On the other hand, it is difficult to be absorbed by the glass substrate (far infrared light is absorbed by the glass substrate, but visible / near infrared light (wavelength 0.5 to 4 μm) is difficult to be absorbed). Since it is not heated and only a short time is required, it can be said that it is an optimal method in a process where shrinkage of the glass substrate is a problem.
続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜５０８を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成する。この層間絶縁物としてはポリイミドを利用してもよい。
さらにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴの電極・配線５０９、５１０を形成する。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールをおこない、ＴＦＴを完成する。（図５（Ｄ））
Subsequently, a
Further, contact holes are formed, and TFT electrodes and
上記に示す方法で得られたＴＦＴの移動度は１１０〜１５０ｃｍ2 ／Ｖｓ、Ｓ値は０．２〜０．５Ｖ／桁であった。また、同様な方法によってソース／ドレインにホウ素をドーピングしたＰチャネル型ＴＦＴも作製したところ、移動度は９０〜１２０ｃｍ2 ／Ｖｓ、Ｓ値は０．４〜０．６Ｖ／桁であり、公知のＰＶＤ法やＣＶＤ法によってゲイト絶縁膜を形成した場合に比較して、移動度は２割以上高く、Ｓ値は２０％以上も減少した。 The mobility of the TFT obtained by the method described above was 110 to 150 cm 2 / Vs, and the S value was 0.2 to 0.5 V / digit. Further, when a P-channel TFT in which boron is doped in the source / drain by a similar method is also produced, the mobility is 90 to 120 cm 2 / Vs, the S value is 0.4 to 0.6 V / digit, Compared with the case where the gate insulating film is formed by the PVD method or the CVD method, the mobility is 20% or higher and the S value is reduced by 20% or more.
本実施例では、図６に示す如く１枚のガラス基板上にディスプレーから、ＣＰＵ、メモリーまで搭載した集積回路を用いた電気光学システムについて示す。本実施例は、各集積回路を本発明を用いた結晶性珪素膜を用いたＴＦＴで作製する例である。 In this embodiment, as shown in FIG. 6, an electro-optical system using an integrated circuit including a display, a CPU, and a memory mounted on a single glass substrate will be described. This embodiment is an example in which each integrated circuit is manufactured using a TFT using a crystalline silicon film according to the present invention.
図６において、入力ポートとは、外部から入力された信号を読み取り、画像用信号に変換し、補正メモリーは、アクティブマトリクスパネルの特性に合わせて入力信号等を補正するためのパネルに固有のメモリーである。特に、この補正メモリーは、各画素固有の情報を不揮発性メモリーとして有し、個別に補正するためのものである。すなわち、電気光学装置の画素に点欠陥のある場合には、その点の周囲の画素にそれに合わせて補正した信号を送り、点欠陥をカバーし、欠陥をにより大きな信号を送って、周囲の画素同じ明るさとなるようにするものである。 In FIG. 6, an input port reads a signal input from the outside and converts it into an image signal, and a correction memory is a memory unique to the panel for correcting the input signal in accordance with the characteristics of the active matrix panel. It is. In particular, this correction memory has information specific to each pixel as a non-volatile memory, and is used for individual correction. That is, when a pixel of an electro-optical device has a point defect, a signal corrected accordingly is sent to the surrounding pixels of the point, the point defect is covered, and a larger signal is sent to the surrounding pixels. It is intended to have the same brightness.
ＣＰＵとメモリーは通常のコンピュータのものと同様で、特にメモリーは各画素に対応した画像メモリーをＲＡＭとして持っている。また、画像情報に応じて、基板を裏面から照射するバックライトを変化させることもできる。
本実施例に示す如く、同一基板上に結晶性珪素膜を用いたＴＦＴで必要とする集積回路を形成することで、高度に集積化された液晶表示装置を得ることができる。
The CPU and the memory are the same as those of an ordinary computer. In particular, the memory has an image memory corresponding to each pixel as a RAM. Moreover, the backlight which irradiates a board | substrate from a back surface can also be changed according to image information.
As shown in this embodiment, a highly integrated liquid crystal display device can be obtained by forming an integrated circuit necessary for a TFT using a crystalline silicon film on the same substrate.
本実施例を図７〜図１１を用いて説明する。図７は本実施例でＴＦＴを作製する工程断面図を示す。石英基板７０１を７０℃過酸化水素水とアンモニアの混合溶液（過水アンモニア）によって洗浄したのち、スパッタ法によって厚さ２０００Åの酸化珪素膜７０２を堆積した。さらに、プラズマＣＶＤ法によって厚さ５００Åの非晶質珪素膜を堆積した。成膜時の基板温度は１６０℃とした。
This embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a process cross-sectional view for manufacturing a TFT in this embodiment. After the
そして、基板を７０℃の過水アンモニア溶液に５分浸すことにより、非晶質珪素膜の表面にごく薄い酸化珪素膜を形成した。そして、珪素膜表面に実施例１および２と同様に酢酸ニッケル溶液をスピンコーティング法によって塗布した。酢酸ニッケルの濃度は１０ｐｐｍとした。
その後、熱アニール処理をおこなって、非晶質珪素膜を結晶化せしめた。熱アニール処理は、最初に４５０℃、１時間の主として水素出しを目的とする工程とその後の、５５０℃、２時間の結晶化を目的とする工程の２段階に分けておこなった。このようにして、結晶性珪素膜７０３を得た。
Then, a very thin silicon oxide film was formed on the surface of the amorphous silicon film by immersing the substrate in a perhydro ammonia solution at 70 ° C. for 5 minutes. Then, a nickel acetate solution was applied to the surface of the silicon film by a spin coating method as in Examples 1 and 2. The concentration of nickel acetate was 10 ppm.
Thereafter, thermal annealing treatment was performed to crystallize the amorphous silicon film. The thermal annealing treatment was first carried out in two stages: 450 ° C. for 1 hour, mainly for the purpose of dehydrogenating, and 550 ° C. for 2 hours for the purpose of crystallization. In this way, a
さらに、珪素膜表面の酸化珪素膜を酢酸とフッ酸とフッ化アンモニウムが５０：１：５０の比率で混合されたエッチャントで除去し、この状態でＫｒＦエキシマーレーザー光を照射して、さらに結晶性を改善した。（図７（Ａ））
そして、５５０℃で１時間の熱酸化をおこなって珪素膜表面に薄い酸化珪素の保護膜（図示せず）を形成し、珪素膜をドライエッチングして、島状の活性層領域７０４（ＮチャネルＴＦＴ用）、７０５（ＰチャネルＴＦＴ用）を形成した。
（図７（Ｂ））
Further, the silicon oxide film on the surface of the silicon film is removed with an etchant in which acetic acid, hydrofluoric acid and ammonium fluoride are mixed at a ratio of 50: 1: 50, and in this state, irradiation with KrF excimer laser light is performed to further improve the crystallinity. Improved. (Fig. 7 (A))
Then, thermal oxidation is performed at 550 ° C. for 1 hour to form a thin silicon oxide protective film (not shown) on the surface of the silicon film, and the silicon film is dry-etched to form an island-shaped active layer region 704 (N channel). TFT) and 705 (P channel TFT) were formed.
(Fig. 7 (B))
次に、イオンドーピング法によって、燐および硼素を選択的に活性層に注入し、Ｎチャネル型ＴＦＴのソース７０６、ドレイン７０７、Ｐチャネル型ＴＦＴのソース７０８、ドレイン７０９を形成した。燐のドーズ量は５×１０14ｃｍ-2、加速電圧は１０ｋＶ、硼素のドーズ量は１×１０15ｃｍ-2、加速電圧は１０ｋＶとした。そして、酸化珪素の保護膜を除去した。（図７（Ｃ））
Next, phosphorus and boron were selectively implanted into the active layer by ion doping to form an N-
再び、５５０℃で１時間の熱酸化をおこなって活性層領域の表面に薄い酸化珪素膜を形成した後、ＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法によって、厚さ１２００Åの酸化珪素膜７１０を堆積した。そして、８００℃、３０分の熱アニール処理をおこなった。この際、本実施例では２種類の熱アニール処理をおこなった。すなわち、第１は窒素雰囲気での熱アニール（試料Ａ）で、第２は一酸化二窒素雰囲気での熱アニール（試料Ｂ）である。
Again, thermal oxidation was performed at 550 ° C. for 1 hour to form a thin silicon oxide film on the surface of the active layer region, and then a
次に、スパッタ法によって厚さ４０００Åのアルミニウム膜を堆積した。アルミニウムには０．１８重量％のスカンジウム（Ｓｃ）を含有せしめた。そして、アルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極７１１（ＮチャネルＴＦＴ用）、７１２（ＰチャネルＴＦＴ用）を形成した。この際、ゲイト電極とソース／ドレインとの位置関係を様々に形成した。すなわち、ドレインとゲイト電極との間の距離をｘ［μｍ］、ソースとゲイト電極との間の距離をｙ［μｍ］とし、ｘ＝＋４、＋２、＋１、０、−２、ｙ＝＋４、＋２、＋１、０、−２とした。ここで、負号はソース／ドレインとゲイト電極が重なっている状態と意味する。 Next, an aluminum film having a thickness of 4000 mm was deposited by sputtering. Aluminum contained 0.18% by weight of scandium (Sc). Then, the aluminum film was etched to form gate electrodes 711 (for N-channel TFT) and 712 (for P-channel TFT). At this time, various positional relationships between the gate electrode and the source / drain were formed. That is, the distance between the drain and the gate electrode is x [μm], the distance between the source and the gate electrode is y [μm], and x = + 4, +2, +1, 0, −2, y = + 4, +2, +1, 0, -2. Here, the negative sign means that the source / drain and the gate electrode overlap each other.
さらに、酒石酸のアンモニア溶液（ｐＨ＝６．９〜７．１）で陽極酸化をおこなうことにより、ゲイト電極表面に厚さ約２０００Åの陽極酸化物（酸化アルミニウム）被膜７１３、７１４を形成した。陽極酸化については、特開平５−２６７６６７に記述されている方法を用いた。陽極酸化工程の後、ゲイト配線を分断した。（図７（Ｄ））
Furthermore, anodic oxide (aluminum oxide)
そして、層間絶縁物７１５をプラズマＣＶＤ法によって堆積した。層間絶縁物は厚さ５００Åの窒化珪素膜（下層膜）と、厚さ５０００Åの酸化珪素膜（上層膜）の２層構造とした。成膜時の基板温度は３５０℃とした。そして、層間絶縁物にコンタクトホールを開孔し、厚さ５００Åのチタン膜と厚さ８０００Åのアルミニウム膜（２％の珪素を含有する）の２層構造の金属膜をスパッタ法によって堆積した。
Then, an
その後、金属膜をドライエッチングして、Ｎチャネル型ＴＦＴのソース電極７１６、ドレイン電極７１７、Ｐチャネル型ＴＦＴのソース電極７１８、ドレイン電極７１９を形成した。最後に、水素雰囲気において３５０℃、１時間の熱アニール処理をおこなった。以上によってＴＦＴを形成した。（図７（Ｅ））
さらに、外部より水分・可動イオン等が進入することを防止するために窒化珪素膜によってパッシベーション膜を形成してもよい。
Thereafter, the metal film was dry-etched to form a
Further, a passivation film may be formed of a silicon nitride film in order to prevent moisture, mobile ions, etc. from entering from the outside.
本実施例では、実施例３〜５とは異なり、ソース／ドレインを形成したのちに、高温（本実施例では８００℃）の熱アニール処理をおこなう。この工程では、活性層の珪素の結晶性を向上させるだけでなくソース／ドレインの活性化やゲイト絶縁膜の界面特性改善も同時におこなうことができる。 In this embodiment, unlike the third to fifth embodiments, after forming the source / drain, thermal annealing is performed at a high temperature (800 ° C. in this embodiment). In this step, not only the crystallinity of the silicon of the active layer can be improved, but also the activation of the source / drain and the improvement of the interface characteristics of the gate insulating film can be performed simultaneously.
本実施例では、上記の熱アニール処理の際の雰囲気を窒素（試料Ａ）、一酸化二窒素（試料Ｂ）として、２種類の試料を作製したが、概して、試料Ｂの方が特性がよかった。例えば、Ｎチャネル型ＴＦＴのＳ値に関しては、試料Ａでは０．１６〜０．２３Ｖ／桁であったのに、試料Ｂでは０．１４〜０．１９Ｖ／桁であった。このことは、一酸化二窒素によるゲイト絶縁膜の界面特性が改善されていることを示す。しかしながら、Ｐチャネル型ＴＦＴに関しては、大した差異は認められなかった。 In this example, two types of samples were prepared with nitrogen (sample A) and dinitrogen monoxide (sample B) as the atmosphere at the time of the above-described thermal annealing treatment. However, the characteristics of sample B were generally better. . For example, the S value of the N-channel TFT was 0.16 to 0.23 V / digit for sample A, but 0.14 to 0.19 V / digit for sample B. This indicates that the interface characteristics of the gate insulating film by dinitrogen monoxide are improved. However, no significant difference was observed for the P-channel TFT.
ゲイト電極／ソース／ドレインのオフセット長とＴＦＴ特性の関係を図８〜図１１に示す。図８は初期の電界効果移動度、図９は測定を１０回繰り返したのちの電界効果移動度の変動率（負号は電界効果移動度の増加を意味する）、図１０は初期のしきい値電圧、図１１は初期のオフ電流を示し、いずれも（Ａ）はＰチャネル型ＴＦＴ、（Ｂ）はＮチャネル型ＴＦＴを示す。 The relationship between the gate electrode / source / drain offset length and TFT characteristics is shown in FIGS. FIG. 8 shows the initial field effect mobility, FIG. 9 shows the variation rate of the field effect mobility after the measurement is repeated 10 times (a negative sign means an increase in the field effect mobility), and FIG. 10 shows the initial threshold. The value voltage, FIG. 11 shows the initial off-state current, and both (A) shows a P-channel TFT and (B) shows an N-channel TFT.
電界効果移動度の変動率（図９）に関しては、電界効果移動度が１０未満の素子については有為な評価ができないので、評価していない。以上の結果から、ゲイトとソース／ドレインが離れ過ぎている素子では良好な特性が得られず、ややゲイト電極とソース／ドレインが重なった素子において、好ましい特性が得られたことが分かる。（図８〜図１１） The variation rate of the field effect mobility (FIG. 9) is not evaluated because a significant evaluation cannot be performed for an element having a field effect mobility of less than 10. From the above results, it can be seen that good characteristics cannot be obtained in an element in which the gate and the source / drain are too far apart, and favorable characteristics are obtained in an element in which the gate electrode and the source / drain are slightly overlapped. (FIGS. 8 to 11)
１１・・・・ガラス基板
１２・・・・非晶質珪素膜
１３・・・・酸化珪素膜
１４・・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜
１５・・・・ズピナー
２１・・・・マスク用酸化珪素膜
２０・・・・酸化珪素膜
１１・・・・ガラス基板
１０４・・・活性層
１０５・・・酸化珪素膜
１０６・・・ゲイト電極
１０９・・・酸化物層
１０８・・・ソース／ドレイン領域
１０９・・・ドレイン／ソース領域
１１０・・・層間絶縁膜（酸化珪素膜）
１１２・・・電極
１１３・・・電極
DESCRIPTION OF
112 ...
Claims (4)
結晶化を助長する元素を含む溶液を塗布して、前記非晶質珪素膜の表面上に前記結晶化を助長する元素を導入し、
前記結晶化を助長する元素が導入された非晶質珪素膜を熱処理により結晶化して、非晶質成分が残存した結晶性珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の結晶化の熱処理よりも高温の熱処理により前記結晶性珪素膜の表面を酸化して、酸化膜を形成し、かつ、前記結晶性珪素膜の結晶性を助長し、
前記酸化膜を除去し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして、チャネル形成領域が設けられる半導体領域を形成し、
前記結晶化を助長する元素として、Ｎｉ、Ｐｄ、またはＰｔを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。 Forming an amorphous silicon film;
Applying a solution containing an element that promotes crystallization, introducing the element that promotes crystallization onto the surface of the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film introduced with the element for promoting crystallization is crystallized by heat treatment to form a crystalline silicon film in which an amorphous component remains,
The surface of the crystalline silicon film is oxidized by a heat treatment at a temperature higher than the heat treatment for crystallization of the amorphous silicon film to form an oxide film, and the crystallinity of the crystalline silicon film is promoted.
Removing the oxide film;
Patterning the crystalline silicon film to form a semiconductor region provided with a channel formation region ;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein Ni, Pd, or Pt is used as the element that promotes crystallization .
結晶化を助長する元素を含む溶液を塗布して、前記非晶質珪素膜の表面上の一部に前記結晶化を助長する元素を導入し、
前記結晶化を助長する元素が導入された部分から、前記非晶質珪素膜を熱処理により結晶化して、非晶質成分が残存した結晶性珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の結晶化の熱処理よりも高温の熱処理により前記結晶性珪素膜の表面を酸化して、酸化膜を形成し、かつ、前記結晶性珪素膜の結晶性を助長し、
前記酸化膜を除去し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして、チャネル形成領域が設けられる半導体領域を形成し、
前記結晶化を助長する元素として、Ｎｉ、Ｐｄ、またはＰｔを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。 Forming an amorphous silicon film;
By applying a solution containing an element which promotes crystallization, an element which promotes the crystallization on a part of the surface of the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film is crystallized by heat treatment from the portion where the element for promoting crystallization is introduced, to form a crystalline silicon film in which an amorphous component remains,
The surface of the crystalline silicon film is oxidized by a heat treatment at a temperature higher than the heat treatment for crystallization of the amorphous silicon film to form an oxide film, and the crystallinity of the crystalline silicon film is promoted.
Removing the oxide film;
Patterning the crystalline silicon film to form a semiconductor region provided with a channel formation region ;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein Ni, Pd, or Pt is used as the element that promotes crystallization .
前記非晶質珪素膜の結晶化は、４５０℃〜６５０℃の熱処理により行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。 In claim 1 or claim 2 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the amorphous silicon film is crystallized by heat treatment at 450 ° C. to 650 ° C.
前記酸化膜は、８００℃〜１１００℃の熱処理により形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 3 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the oxide film is formed by heat treatment at 800 ° C. to 1100 ° C.
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