JPH07249779A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
半導体装置の作製方法Info
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Abstract
珪素膜の結晶化をおこなう方法において、結晶性の良好
な珪素膜を得る方法を提供する。 【構成】 基板上に窒化アルミニウムのごとき熱伝導性
の良好な材料によって形成された被膜を選択的に設け、
さらに、珪素膜を形成する。この状態でレーザー光もし
くはそれと同等な強光を照射すると、珪素膜のうち、前
記窒化アルミニウム膜の近傍のものは、窒化アルミニウ
ムに熱を吸収されて、ただちに凝固するが、その他の部
分は凝固する速度が遅い。その結果、窒化アルミニウム
の部分から結晶化が進行する。レーザー照射時に基板の
温度を400℃以上とすると凝固速度が低下するため、
より良好な結晶性を示す珪素膜を得ることができる。ま
た、基板を薄くすることによっても同様な効果を得るこ
とができる。
Description
用いた半導体装置の作製方法に関する。
ランジスタ(以下TFT等)や薄膜ダイオード(TF
D)が知られている。このTFTやTFDは、絶縁基板
上に、もしくは半導体基板上に設けられた絶縁表面上に
薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて構成され
るものである。このTFTは、各種集積回路に利用され
ているが、特に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や、3次元集積回路に用
いられる素子として利用することが考えられている。
得る方法としては、600℃以上の温度で非晶質珪素膜
を加熱する方法が知られている。この方法では、非晶質
状態の珪素膜(非晶質珪素膜)を固相成長させて結晶性
珪素膜に変換するものである。その他に、レーザー光も
しくはそれと同等な強光を照射することによって珪素膜
を溶融させ、これが冷却されて凝固することを利用して
結晶性珪素膜を得る方法も知られている。
れる珪素膜は多結晶であり、粒界の存在によって、単結
晶のものに比較して特性が劣った。加えて、粒界の生成
する場所が制御できないために、得られるTFTの特性
のばらつきが非常に大きなものとなっている。
を鑑みてなされたものであり、結晶化の進行を制御し、
粒界の発生する場所を制御することによって、十分な結
晶性の珪素膜を得ることを目的とする。
ザー光もしくはそれと同等な強光(コヒーレント光もし
くは非コヒーレント光)、すなわち、急激に出力が変動
する光エネルギーを照射することによって、珪素膜を溶
融させ、光エネルギーが絶たれた後での、珪素膜の冷却
速度に空間的な差を持たせることによって、凝固を人為
的に制御することを特徴とする。すなわち、冷却速度の
大きな部分では、早い時期に珪素膜が凝固して結晶化す
るが、冷却速度の小さな部分では結晶化に至っていない
状態を作りだす。このような状態が存在すると、先に結
晶化した部分が核となって、結晶成長が冷却速度の大き
な領域から小さな領域に拡がることとなる。この結果、
得られる結晶性珪素は極めて良好な結晶性を有し、条件
によっては、10μm〜1mm四方の範囲で粒界の存在
しない実質的に単結晶の珪素膜を得ることができる。
を持たせるためには、窒化アルミニウム、ダイヤモン
ド、窒化ホウ素のごとき熱伝導度の高い材料の被膜を選
択的に形成すればよい。これらの材料は結晶状態であっ
ても、また、非晶質状態であってもよい。このような高
熱伝導被膜に対して、直接もしくは間接に、さらに、上
もしくは下に珪素膜を形成する。珪素膜の上にこれらの
高熱伝導被膜を形成した場合には、結晶化工程の終了し
た後、これを除去できるので、デバイスの構成上の自由
度が高まる。また、特に高熱伝導材料としてダイヤモン
ドを選択した場合には、酸素プラズマ処理等によって容
易に酸化除去できるので好ましい。
非晶質でも微結晶状態でも、多結晶状態でもよいが、レ
ーザー光等の吸収等を考慮して選定すればよい。ただ
し、レーザー光等の照射によって、珪素膜が完全に溶融
することがない場合には、結晶性の珪素膜の残りが核と
なって、本発明で意図したものとは別の結晶成長が生じ
る恐れがあるので注意が必要である。本発明でより効果
的に高い結晶性珪素膜を得るには、レーザー光等の照射
時に被膜を400℃以上の温度に加熱しておくと良い。
このような加熱は、レーザー照射後の冷却速度を全般的
に低下させるため、結晶成長の進行の上で都合がよい。
トシンクとしての機能も有するため、レーザー光等の照
射によって珪素膜に与えられた熱は、ただちに基板に吸
収されてしまう。基板が厚ければ熱容量も大きく、その
傾向が強い。逆に基板が薄く、かつ、基板の周囲が断熱
性の材料で囲まれた状態では熱の散逸が防止され、これ
もレーザー照射後の冷却速度を全般的に低下させるた
め、結晶成長の進行の上で好都合である。基板を全面的
に薄くすると機械的に問題がある場合には、必要な場所
のみを薄くしても同じ効果が得られる。例えば、TFT
を形成する領域のみに基板に孔を設ける、というような
方法である。上記の珪素膜を加熱する方法、および基板
を薄くする方法は組み合わせて用いるとより効果的であ
る。
膜を用いてTFTを作製する場合には、単結晶または実
質的に単結晶状態の部分がTFTのチャネル形成領域と
なるようにすればよい。実質的な単結晶状態とは、完全
な結晶状態ではなく、水素またはハロゲン元素を添加し
て結晶領域中に存在する不対結合手が中和される必要が
あるが、X線回折法、ラマン散乱分光法等の構造解析手
段によって、主たる結晶方位以外の結晶方位が1%以下
しか認められない状態(結晶方位が強く配向した状態)
を言う。このような単結晶もしくは実質的に単結晶状態
は、高熱伝導材料膜の形成された領域には得られないの
で、必然的にチャネル形成領域は、高熱伝導材料膜の形
成された領域以外の領域に設けられる。
いて、常に結晶核が所定の場所から発生し、結晶成長は
その部分から安定的に発生する。そのため、この結晶化
過程は極めて再現性の高いものである。そのため、レー
ザーのエネルギーの変動による結晶性の変動は十分に小
さく、したがって、得られる薄膜半導体デバイスの部ま
りは極めて高くなる。
基板上にTFTを作製するプロセスに関するものであ
る。本実施例においては、基板101としてコーニング
7059ガラスを用い、その厚さは1.1mmもしくは
30μmとした。次に、スパッタリング法、特に反応性
スパッタリング法によって、厚さ200〜5000Å、
好ましくは、300〜1000Åの窒化アルミニウム膜
を形成した。窒化アルミニウム膜における窒素とアルミ
ニウムの比率は0.8〜1.2が好ましかった。そし
て、得られた窒化アルミニウム膜を選択的にエッチング
して、窒化アルミニウム領域102、103を形成し
た。(図1(A))
500〜5000Å、好ましくは500〜3000Åの
酸化珪素膜104を形成した。熱伝導を良くするため
に、酸化珪素膜104は可能な限り薄い方が好ましかっ
た。そして、引き続き、非晶質珪素膜をプラズマCVD
法やLPCVD法によって100〜1000Å、好まし
くは400〜800Å、例えば、500Åの厚さに形成
した。ここでは、プラズマCVD法によって非晶質珪素
膜105を1000Åの厚さに成膜した。
ーザ(波長248nm、パルス幅30nsec)を照射
した。レーザー照射のエネルギー密度は200〜450
mJ/cm2 、ショット数は1か所に付き2〜5ショト
とした。また、基板温度は室温もしくは500℃とし
た。レーザーとしては、その他にXeClエキシマーレ
ーザー(波長308nm)やArFエキシマーレーザー
(波長193nm)のごとき紫外線レーザー、あるいは
ルビーレーザーのごとき可視光レーザー、Nd:YAG
レーザーのごとき赤外線レーザーであってもよい。しか
しながら、いずれの場合にもレーザーはパルス発振レー
ザーであることが要求される。
素膜の温度変化の概念図を図3に示す。本発明の意図と
しては当然のことではあるが、窒化アルミニウム上の方
が、他の領域(酸化珪素上)よりも温度の低下が急激で
ある。加えて、基板が室温に保たれた状態の方(Ts =
室温)が、熱の移動が大きく、基板が500℃に保たれ
た状態(Ts =500℃)よりも温度の低下が急激であ
った。図3に示した凝固点温度以上の状態の持続時間
は、上記の議論を反映して、窒化アルミニウム上の方が
酸化珪素上よりも短く、基板が室温に保たれている方
が、基板が500℃に加熱されている状態よりも短い。
その結果、基板温度が室温のものでは、図1(B)に矢
印で示すような、窒化アルミニウム領域から周囲へ結晶
化は観測されなかった。一方、基板温度が500℃のも
のでは、10〜100μmの長さにわたって図1(B)
に矢印で示された結晶成長が観察された。
レーザービームの照射される領域が窒化アルミニウム領
域102、103で囲まれた領域を覆いきれない場合,
もしくは窒化アルミニウム膜102、103が離れてい
る場合(図6(A))には、珪素膜に与えられた熱エネ
ルギーは四方に伝導するが、窒化アルミニウム膜と通っ
て、レーザーの照射されなかった領域へ熱が拡散する速
度が大きいため、主としてレーザー照射領域に沿って、
窒化アルミニウム領域の方へ1次元的に移動する。
が、太い線は熱の流れが大きなことを示し、主として、
窒化アルミニウム領域に向かって流れる様子が図示され
ている。レーザー照射領域から他の方向にも熱が流れる
のであるが、その量は少ない。そして、このような熱の
流れを反映して、結晶化の方向は図に点線の矢印で示す
ように熱の主たる流れの逆向きになる。そして、レーザ
ー照射領域のほぼ中央に両方から成長した結晶が衝突
し、結晶化の歪みの蓄積される部分が生じる。(図6
(A))
領域全面にレーザーが照射された場合(図6(B))は
熱は2次元的に流れ、結果として熱の流れとは逆向き
に、窒化アルミニウムで囲まれた領域の中央部に向かっ
て結晶化が進行する。そして、この場合には中央部に結
晶の歪みが蓄積されることとなる。(図6(B)) いずれにせよ、このような結晶の歪みの大きな部分はT
FTのチャネル形成領域とするには適当でない。
た。図4には基板の厚さが1.1mmのものと30μm
のものでの珪素膜のレーザー照射直後の温度変化の概念
図を示す。レーザー照射は室温でおこない、基板は熱伝
導を避けるために、サセプター等を用いないで、両端の
みを固定して支えた。雰囲気は真空中とした。図4から
明らかなように同じ厚さの基板であっても、窒化アルミ
ニウム上の方が、他の領域(酸化珪素上)よりも温度の
低下が急激である。また、基板が薄い方(ts=30μ
m)が、基板が厚い方(ts =1.1mm)よりも温度
の低下が緩やかである。この結果、室温におけるレーザ
ー照射であっても、基板を30μmと薄くし、かつ、断
熱状態としてレーザー照射をおこなえば、図1(B)に
矢印で示すような、窒化アルミニウム領域から周囲へ結
晶化が、10〜1000μmの長さにわたって観察され
た。
して、断熱状態で上記のごとき薄い基板を400℃以上
の温度に加熱し、レーザー照射をおこなえば、より結晶
性の良好な珪素膜を得ることができた。このようにし
て、珪素膜の結晶化をおこなった。(図1(B)) 上記のレーザー照射後、珪素膜をパターニング・エッチ
ングして、島状珪素膜領域106を形成し、さらにゲイ
ト酸化膜として厚さ500〜2000Å、好ましくは7
00〜1500Åの酸化珪素膜107をプラズマCVD
法によって形成し、さらに、厚さ2000Å〜1μmの
多結晶珪素膜を減圧CVD(LPCVD)法によって形
成した。そして、これをパターニング・エッチングし、
ゲイト電極108(Nチャネル型TFT用)と109
(Pチャネル型TFT用)を形成した。多結晶珪素膜に
は導電性を高めるため、燐を1ppm〜5原子%ドーピ
ングした。(図1(C))
ーピング法ともいう)によって、各TFTの島状シリコ
ン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不
純物(燐およびホウ素)を注入した。ドーピングガスと
しては、燐のドーピングにはフォスフィン(PH3 )
を、ホウ素のドーピングにはジボラン(B2 H6 )用い
た。ドーズ量は、5×1014〜6×1015cm-2とし
た。ドーピングは、一方のドーピングの際には他方をマ
スクで覆って、交互におこなった。そして、KrFエキ
シマーレーザー(波長248nm、パルス幅30nse
c)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た。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110、P型不純物(ホウ素)領域11
1を形成した。これらの領域のシート抵抗は200〜8
00Ω/□であった。
わりに、フラッシュランプを使用して短時間に1000
〜1200℃(シリコンモニターの温度)まで上昇さ
せ、試料を加熱する、いわゆるRTA(ラピッド・サー
マル・アニール)(RTP、ラピット・サーマル・プロ
セスともいう)等のいわゆるレーザー光と同等の強光を
用いてもよい。その後、全面に層間絶縁物112とし
て、プラズマCVD法によって酸化珪素膜を厚さ300
0〜8000Å形成した。基板温度は250〜450
℃、例えば、350℃とした。成膜はなるべく平坦な被
膜の得られる条件でおこない、より表面の平坦性を得る
ためには、この酸化珪素膜を機械的に研磨しても効果的
であった。
て、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113〜115
を形成した。最後に、水素中で300〜400℃で0.
1〜2時間アニールして、シリコンの水素化を完了し
た。水素化は、イオンドーピング法によって、加速した
水素イオンを注入することによっておこなってもよい。
このようにして、TFTが完成した。
Nチャネル型のもので典型的には、150〜750cm
2 /Vs、Pチャネル型のもので100〜450cm2
/Vsであった。またサブスレシュホールド特性値(S
値)は、0.05〜0.15桁/Vで、単結晶珪素のM
OSトランジスタのものと遜色なかった。本実施例では
TFTは絶縁基板上に形成されているため、実際に回路
を形成した場合には、基板との寄生容量がないため、従
来の半導体基板上のMOSトランジスタ回路以上の高速
動作が、より低消費電力で実現した。
を示す。基板としては厚さ1.1mmのコーニング70
59を用いた。まず、基板201にプラズマCVD法に
よって厚さ1000〜5000Å、例えば、2000Å
の酸化珪素の下地膜202を形成した。そして、プラズ
マCVD法によって、厚さ100〜1000Å、例えば
500Åの真性(I型)の非晶質珪素膜203を成膜し
た。次に連続的に厚さ500〜5000Å、例えば10
00Åの多結晶ダイヤモンド膜をプラズマCVD法によ
って成膜した。そして、この多結晶ダイヤモンド膜を選
択的にエッチングして、多結晶ダイヤモンド領域204
および205を形成した。
レーザー(波長248nm)を照射して、珪素膜203
の結晶化をおこなった。レーザー照射は真空中でおこな
い、エネルギー密度は200〜350mJ/cm2 、シ
ョット数は1か所に付き5ショトとした。また、基板温
度は500℃とした。この結果、図2(A)の矢印で示
すように珪素膜203の結晶化が進行した。(図2
(A))
ように、珪素膜203をパターニング・エッチングして
島状の珪素膜領域206、207を形成してからおこな
っても同じ効果が得られた。多結晶ダイヤモンド膜は用
いたレーザー光を十分に透過したが、いずれの場合でも
多結晶ダイヤモンド膜の下の領域の珪素膜は十分な結晶
化がおこなわれなかった。
よって多結晶ダイヤモンド膜204、205を酸化させ
た。多結晶ダイヤモンド膜の残査(主として無定形炭
素)は、硫酸過酸化水素水で洗浄することによって完全
に除去できた。そして、珪素膜203をパターニング・
エッチングして、島状珪素膜領域206、207を形成
した。島状領域のうち、213および214で示す領域
は先の多結晶ダイヤモンド膜の下の領域であり、珪素膜
の結晶性は極めて悪かったが、本実施例では、これらの
部分をTFTのチャネル形成領域以外として用いるの
で、何ら問題はない。
500〜2000Å、例えば、1200Åの酸化珪素膜
208を堆積し、引き続いて、スパッタリング法によっ
て、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åのア
ルミニウム(0.01〜0.2重量%のスカンジウムを
含む)を成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニ
ングして、ゲイト電極209(Nチャネル型TFT用)
および211(Pチャネル型TFT用)を形成した。
面を陽極酸化して、表面に酸化物層210、212を形
成した。この陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエ
チレングリコール溶液中でおこなった。得られた酸化物
層210、212の厚さは約2000Åであった。な
お、この酸化物210、212は、後のイオンドーピン
グ工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さ
となるので、オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸
化工程で決めることができる。(図2(C))
ピング法とも言う)によって、島状珪素膜領域206、
207にゲイト電極部(すなわちゲイト電極209、2
11とその周囲の酸化層210、212を一体として表
現したもの)をマスクとして、自己整合的にN型不純物
(燐)およびP型不純物(ホウ素)を添加した。ドーズ
量は5×1014〜8×1015cm-2、例えば、燐を1×
1015cm-2、ホウ素を2×1015cm-2とした。この
結果、N型の不純物領域215とP型の不純物領域21
6が形成された。図からも明らかなように不純物領域と
ゲイト電極とは陽極酸化物210、212の厚さ程度離
れたオフセットゲイト状態となった。このようなオフセ
ットゲイト状態は、特にゲイト電極に逆電圧(Nチャネ
ルTFTの場合はマイナス)を印加した際のリーク電流
(オフ電流ともいう)を低減する上で有効であった。
ルをおこなった。レーザー光としては、KrFエキシマ
レーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を
用いた。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が2
00〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2
とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショッ
ト照射した。このレーザー光の照射時に基板を200〜
450℃程度に加熱することによって、効果を増大せし
めてもよい。この工程によって、結晶性の不十分な領域
213、214は十分な結晶性を有する領域となった。
実際、これらの領域はTFTのソースあるいはドレイン
として用いられた。(図2(D))
7を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成し
た。そして、層間絶縁物217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218〜220を
形成した。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、3
0分のアニールを行い、TFTを有するアクティブマト
リクスの画素回路を完成した。(図2(E))
い領域を設け、その領域にTFTを形成したものであ
る。図5に本実施例のTFTの断面の概略を示す。厚さ
1.1mmの基板501には部分的に、例えば、50×
200μmの大きさで厚さが50μmの領域502を設
けた。このような領域の上では断熱効果によって珪素膜
の冷却速度は小さく、図4に示したのと同じ効果が得ら
れた。
2に得られた。しかしながら、他の領域では基板が厚い
ため得られた結晶珪素膜の結晶性はそれほど良くなかっ
た。本実施例では、実施例1と同様に最初に基板上に窒
化アルミニウム膜を選択的に形成し、その後、下地の酸
化珪素膜と非晶質珪素膜を堆積した。そして、この状態
で、真空中においてKrFエキシマレーザ(波長248
nm、パルス幅30nsec)を照射した。レーザー照
射のエネルギー密度は200〜450mJ/cm2 とし
た。また、基板温度は室温とした。
るにも関わらず、他の実施例と同じような横方向への結
晶成長(すなわち、窒化アルミニウム領域から周囲への
結晶成長)が観察された。得られた結晶性珪素膜を用い
て作製されたTFTの典型的な特性は、移動度がNチャ
ネル型のもので250〜750cm2 /Vsであった。
成領域を実質的な単結晶珪素膜で構成したTFTを作製
することができた。その結果、TFTの特性は飛躍的に
向上した。本発明はTFTに限らず、その他の薄膜半導
体を用いたデバイスに応用でき、これらの特性を向上さ
せる上で有効なことは言うまでもない。また、実施例で
は絶縁基板上の薄膜半導体デバイス(ここではTFT)
についてのみ記述したが、単結晶半導体基板上に形成さ
れたTFTにおいても本発明が有効であることは言うま
でもない。
ては、このような安定的に結晶核となるものが存在しな
かったため、レーザーのエネルギーによって得られる珪
素膜の結晶性は大きく変動した。すなわち、エネルギー
が小さすぎると珪素膜の溶融が不十分で結晶成長が不十
分であるだけでなく、エネルギーが大きすぎても珪素膜
が完全に溶融してしまい、冷却過程においても結晶核が
存在せず、過冷却状態となって、非晶質化してしまっ
た。このため、最適なレーザーのエネルギーは、膜が十
分に溶融し、かつ、結晶核となる部分が残っているとい
う条件の満たされるごく狭い範囲であった。
照射した後の冷却過程においては、最初に結晶核の生じ
る場所(選択的に形成された高熱伝導材料被膜)が特定
されており、いかなる冷却過程においても結晶成長がそ
の核から進行した。このため、膜が十分に溶融し、か
つ、膜が蒸発しないという、極めて広いエネルギー範囲
であれば、安定して同じ程度の結晶性の珪素膜を得るこ
とができた。
半導体デバイスの特性が安定せず、量産性のないプロセ
スであったが、これは上記の如き、最適レーザーエネル
ギーが狭いためであった。本発明によって最適なレーザ
ーエネルギーの範囲は十分に拡がったため、得られる半
導体デバイスの特性も安定したものとなった。このた
め、レーザー結晶化は量産性の高い半導体プロセスとな
った。このように本発明は産業上有益な発明である。
を示す。
を示す。
化の向きについて示す。
Claims (9)
- 【請求項1】 絶縁表面上に熱伝導度の高い材料よりな
る被膜を選択的に形成する第1の工程と、 非晶質もしくは結晶性の珪素膜を形成する第2の工程
と、 パルス状のレーザー光もしくはそれと同等な強光を照射
することによって前記珪素膜を溶融せしめる第3の工程
と、 前記珪素膜を用いて薄膜半導体デバイスを形成する第4
の工程とを有することを特徴とする半導体装置の作製方
法。 - 【請求項2】 絶縁表面上に非晶質もしくは結晶性の珪
素膜を形成する第1の工程と、 前記珪素膜上に熱伝導度の高い材料よりなる被膜を選択
的に形成する第2の工程と、 パルス状のレーザー光もしくはそれと同等な強光を照射
することによって前記珪素膜を溶融せしめる第3の工程
と、 前記珪素膜を用いて薄膜半導体デバイスを形成する第4
の工程とを有することを特徴とする半導体装置の作製方
法。 - 【請求項3】 請求項1および2において薄膜半導体デ
バイスは薄膜トランジスタであることを特徴とする半導
体装置の作製方法。 - 【請求項4】 請求項3において第3の工程において残
されていた熱伝導度の高い被膜は薄膜トランジスタのチ
ャネル形成領域とは重ならないことを特徴とする半導体
装置の作製方法。 - 【請求項5】 請求項2において、第3の工程と、第4
の工程の間に、熱伝導度の高い被膜を全て除去する工程
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項6】 請求項1および2において薄膜半導体デ
バイスの設けられる部分の平均的な基板の厚さが他の部
分の厚さよりも小さいことを特徴とする半導体装置の作
製方法。 - 【請求項7】 請求項3において薄膜トランジスタのチ
ャネル形成領域は短結晶もしくは実質的に単結晶である
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項8】 請求項1および2において、第3の工程
は、珪素膜を400℃以上に加熱しておこなわれること
を特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項9】 請求項1および2において、熱伝導度の
高い材料は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモ
ンドのいずれかを含むことを特徴とする半導体装置の作
製方法。
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