JP2004193593A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属元素を用いて得られる結晶質半導体膜から、工程数を増やさず、効果的に金属元素を除去する技術を提供する。
【解決手段】本発明は、絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成し、前記非晶質半導体膜に結晶化を促進する金属元素を添加した後加熱により結晶化し、前記結晶化した半導体膜に連続発振のレーザ光を照射し、前記レーザを照射した結晶性半導体膜の上部を除去することを特徴とする。本発明により、従来よりも簡易的で且つ数少ない工程で、結晶性を有する半導体膜で構成される薄膜トランジスタを作製することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶構造を有する半導体を用いた半導体装置の作製方法、より具体的には結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタ、薄膜ダイオード、電界放出素子等の作製方法に関する。

同一の基板上に、結晶性半導体膜を用いた半導体素子、代表的には、薄膜トランジスタ、薄膜ダイオード、電界放出素子等を用いて形成された駆動回路と画素部を有する半導体回路、電気光学装置、発光装置およびそれらを用いた電子機器が盛んに製造されてきている。半導体素子の活性層として半導体膜が用いられ、なかでも活性層に、結晶性珪素膜を用いることで高い電界効果移動度を実現してきた。

特に、薄膜トランジスタの電気特性を決める要素は、半導体膜の品質に依存している。特に電界効果移動度は、半導体膜の結晶性に依存しており、電界効果移動度は、薄膜トランジスタの応答特性や、薄膜トランジスタを回路に用いて作製した表示装置の表示能力に直接関わってくる。

現在、電気特性の高い薄膜トランジスタを形成するため、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜に対し、熱アニール法、レーザアニール法、又は熱アニール法とレーザアニール法の両方を行って、非晶質半導体膜の結晶性を向上させる技術、さらには結晶性半導体膜を形成する技術が広く研究されている。

しかし、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法で形成した非晶質半導体膜に熱アニール法やレーザニール法を用いて結晶性半導体膜を形成すると、その結晶方位は任意な方向に配向しやすく、結晶方位を制御することが困難である。このため、熱アニール法やレーザアニール法によって結晶化した結晶性半導体膜を薄膜トランジスタの活性層に用いることは、薄膜トランジスタの電気特性を制限する要因となっている。

非晶質半導体膜の結晶化方法の一つとして、特許文献１（特開平７−１８３５４０号公報）に記載されている方法が挙げられる。この結晶化方法を以下に簡単に説明する。はじめに、非晶質半導体膜に微量の金属元素、代表的には、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウム又は白金等を添加する。なお、前記金属元素の添加方法は、プラズマ処理、蒸着法、イオン注入法、スパッタリング法又は溶液塗布法を利用すればよい。その後、前記非晶質半導体膜を低温、例えば５５０度の窒素雰囲気中で加熱すると、金属元素と半導体膜の元素との化合物（代表的には、ニッケルシリサイド、鉄シリサイド、コバルトシリサイド、白金シリサイド、パラジウムシリサイド等）を核とする結晶化反応が起こり、結晶性半導体膜が形成される。

この方法により結晶化した半導体膜は、結晶方位の配向性を単一方向に高めるとともに、大粒径の結晶粒で構成される半導体膜を形成することが可能であることが確認されている。更には、結晶粒内の欠陥が少ないことも確認されている。このため、キャリアの移動方向を形成された結晶粒の延在する方向と揃うように配置すれば、キャリアが結晶粒界を横切る回数を極端に減らすことができる。よって、オン電流値（薄膜トランジスタがオン状態にある時に流れるドレイン電流値）、オフ電流値（薄膜トランジスタがオフ状態にある時に流れるドレイン電流値）、しきい値電圧、Ｓ値及び電界効果移動度のバラツキを低減することも可能となり、電気的特性が著しく向上する。なお、非晶質半導体膜の結晶化に適切な加熱温度や加熱時間等は、前記金属元素の添加量や非晶質半導体膜の状態による。

しかし、前記金属元素を非晶質半導体膜に添加するため、半導体膜中あるいは膜表面には該金属元素（半導体膜がシリコンの場合は、金属元素のシリサイド化合物、代表的には、ニッケルシリサイド、鉄シリサイド、コバルトシリサイド、白金シリサイド、パラジウムシリサイド等として存在する。）が残存してしまう。この残存した金属元素が、リーク電流のパスとなり薄膜トランジスタのオフ電流が増加し、薄膜トランジスタ素子間での電気特性のバラツキの原因となるなどの問題がある。このため、非晶質半導体膜を結晶化した後、半導体膜中の金属元素の除去、または金属元素の濃度を低減する工程（以下、ゲッタリング工程と示す）が必要である。

そこで、本出願人は、結晶性半導体膜中の金属元素を除去する方法を特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５にそれぞれ開示した。

特許文献２においては、非晶質半導体膜上に半導体の結晶性を促進させる金属元素を含む溶液を塗布し、加熱して結晶性半導体膜を形成した後、塩酸を含む溶液を用いてニッケルシリサイドをエッチングすることで、半導体膜中のニッケル(珪化ニッケル)を除去する工程が開示されている。

特許文献３では、非晶質半導体膜上に半導体の結晶性を促進させる金属元素を含む溶液を塗布し、加熱することで結晶性半導体膜を形成し、パルス発振のエキシマレーザを照射して結晶化を促進させた後、任意の形状に半導体膜をエッチングする工程が開示されている。

特許文献４においては、薄膜トランジスタのソース領域及びドレイン領域に燐を添加し、４５０〜７００度で加熱することにより、薄膜トランジスタのチャネル形成領域から半導体膜の結晶化促進の金属元素を除去する方法が開示されている。

さらに、特許文献５においては、結晶性半導体膜（本段落において、以下、半導体膜Ａと示す。）上に酸化珪素膜等で形成されたバリア層を介して、１×１０¹⁹〜１×１０²²／ｃｍ³のアルゴン等の希ガス元素を含む半導体膜（本段落において、以下、半導体膜Ｂと示す。）を形成し、加熱処理することにより、半導体膜Ａから半導体膜Ｂに結晶化促進の金属元素を移動させ、この後、半導体膜Ｂを除去することで、薄膜トランジスタの結晶性半導体膜（半導体膜Ａ）から金属元素を除去する方法が開示されている。
特開平７−１８３５４０号公報(第７〜８頁、第３図) 特許３１０７９４１号公報(第３〜５頁、第３図) 特開平７−１６１６３４号公報(第７〜８頁、第３図) 特開平１０−３３５６７２号公報(第４〜７頁、第１図、第２図) 特開２００２−３２４８０８号公報(第７〜１０頁、第１図、第２図)

しかしながら、特許文献２に開示されている金属元素のゲッタリング工程では、半導体膜中の金属化合物、代表的にはニッケルシリサイドのみを除去するため、別途表面の凹凸を平坦化する為の工程（レーザ照射等）が必要とされる。また、ここで除去することが可能なニッケルシリサイドは、半導体膜表面に析出しているもののみであり、半導体膜中にあるニッケルシリサイドを除去することができないという問題があった。

また、特許文献３では、非晶質半導体膜を加熱した後に、結晶化を促進するために照射するレーザの種類は、エキシマレーザ等のパルス発振のレーザである。パルス発振のレーザから射出されるレーザ光は、エネルギー密度が低いため、レーザ光の照射により溶融される半導体膜の領域は、半導体膜中の非晶質の部分及び表面である。このため、レーザ光を照射しても、半導体膜中の結晶性を有する領域は溶融されず、その領域における金属化合物、代表的には、ニッケルシリサイドが残存するという問題があった。

更に、特許文献４及び特許文献５に開示されている、金属元素のゲッタリング方法は、工程数が多いため、歩留まりの低下の原因となるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するための手段であり、金属元素を用いて得られる結晶質半導体膜から工程数を増やさず、効果的に金属元素を除去する方法を提供することを目的とする。

本発明は、絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成し、前記非晶質半導体膜に結晶化を促進する金属元素を添加した後加熱により結晶化し、前記結晶化した半導体膜に連続発振のレーザ光を照射し、前記レーザを照射した結晶性半導体膜の上部を除去することを特徴とする。
なお、前記レーザを照射した半導体膜の上部とは、金属元素が偏析した領域を含む半導体膜の一部である。
本発明は、絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成し、前記非晶質半導体膜に結晶化を促進する金属元素を添加した後加熱により結晶化し、前記結晶化した半導体膜に連続発振のレーザ光を照射し、前記レーザを照射した結晶性半導体膜の金属元素濃度がＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）の検出下限となるように、前記結晶性半導体膜の上部を除去することを特徴とする。
なお、前記ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）の検出限界濃度は、1×１０¹⁷/ｃｍ³である。
また、前記レーザ光を照射した半導体膜の上部を除去する方法には、ウエットエッチング、ドライエッチング、又はＣＭＰ法（Chemical Mechanical Polishing、化学的・機械的ポリッシング）による研磨などを用いる。
このときのレーザ光は、半導体膜に吸収される波長域、即ち波長１００〜６００nmである連続発振レーザー光を適用する。レーザー発振器としては、気体レーザー発振器、固体レーザー発振器が適用される。気体レーザ発振器としては、Ｈｅ−Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ等を使用したレーザ発振器、固体レーザー発振器としてはＹＡＧ、ＹＶＯ₄、ＹＬＦ、ＹＡｌＯ₃などの結晶にＣｒ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｔｉ又はＴｍをドープした結晶を使ったレーザー発振器、若しくはガラスレーザー、ルビーレーザー、アレキサンドライドレーザー、またはＴｉ：サファイアレーザーを適用する。なお、固体レーザ発振器においては、基本波の第２高調波〜第４高調波を適用するのが好ましい。
これらのレーザを用いる場合には、レーザ発振器から放射されたレーザビームを光学系で線状に集光し半導体膜に照射する方法を用いると、短時間で基板全体にレーザ光を照射することができるので効果的である。

本発明人は、金属元素を添加して加熱して形成した結晶性半導体膜に、連続発振のレーザ光を照射することにより、結晶性半導体膜の表面付近に金属元素を偏析させることを見出した。図４に、本発明を適応した半導体膜の金属元素、具体的にはニッケル元素の濃度をＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）を用いて測定した結果を示す。
測定に用いた試料の構造は、以下のようにガラス基板上に各層を積層したものである。試料の構造を以下に示す。
試料構造「Glass//SiNO 50nm/SiON 100nm/poly Si 150nm/cap a-Si 50nm」（ガラス基板／酸化窒化珪素膜５０ｎｍ／窒化酸化珪素膜１００ｎｍ／結晶性珪素膜（活性層、図４におけるｐｏｌｙ−Ｓｉ領域）１５０ｎｍ／非晶質珪素膜（保護層、図４におけるｃａｐ ａ−Ｓｉ領域）５０ｎｍ）
なお、窒化酸化珪素および酸化窒化珪素膜は、公知の技術により成膜したものである。結晶性珪素膜は、公知の方法により形成した非晶質珪素膜上に、ニッケルを含む溶液（ニッケル濃度：１０ｐｐｍ）を塗布し、加熱することにより形成したものである。その後、保護層として、非晶質珪素膜を成膜する。

また、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）の測定において、トランジェント領域（一次照射イオンと試料表面からスパッタリングされる量が平衡に達するまでの領域）や試料の表面状態により、初期測定のプロファイルに不確かさを伴う。このため、保護層である非晶質半導体膜を設ける。

ここでは、１０ｐｐｍのニッケルを含む溶液を用いているが、１０ｐｐｍより多いニッケルを含む溶液を用いて半導体膜の結晶化を行うと、半導体膜にニッケルが偏析する領域が増加し、エッチング工程が長くなってしまうとともに、活性層にニッケル元素が残存してしまう可能性が高い。一方、１０ｐｐｍ未満のニッケル元素を含む溶液を用いて半導体膜の結晶化を行っても、半導体膜全体の結晶化が十分ではなく、結晶性の低い半導体膜が形成される。このため、本発明では、１０ｐｐｍのニッケルを含む溶液を用いる。

図４において、試料１（破線）は、活性層に従来の作製方法により形成した結晶性半導体膜を用いた試料、具体的には半導体膜に連続発振のレーザ光を照射せず、保護膜である非晶質珪素膜を成膜した試料のニッケル元素の濃度を示す。一方、試料２（実線）は、活性層に本発明により形成された結晶性珪素膜を用いた試料、具体的には半導体膜に連続発振のレーザ光を照射したのち、保護膜である非晶質珪素膜を成膜した試料のニッケル元素の濃度を表す。なお、レーザ照射条件は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄のレーザの第２高調波（５３２ｎｍ）を使用し、スキャン速度５０ｃｍ／ｓｅｃ、オーバーラップ率０％である。

保護層である非晶質珪素膜（図４のｃａｐ ａ−Ｓｉ領域）では、試料１および試料２のニッケル元素濃度は、ほぼ同じである。一方、結晶性珪素膜（図４のｐｏｌｙ−Ｓｉ領域）では、試料１のニッケル元素濃度が深さ方向に対して均一（およそ２×１０¹⁸／ｃｍ³）であるのに対し、試料２のニッケル元素濃度は、ｃａｐ ａ−Ｓｉ領域とｐｏｌｙ−Ｓｉ領域との界面から５０ｎｍの領域では、ニッケル元素が高く、５０〜１５０ｎｍの領域では、検出下限以下の濃度（１×１０¹⁷／ｃｍ³）であることが分かる。このことにより、非晶質半導体膜に金属元素を添加し、加熱して結晶性珪素膜を形成する際、加熱された半導体膜に連続発振のレーザ光を照射することにより、金属元素を半導体膜表面に偏析させることが可能であることが分かる。このため、少なくとも半導体膜の表面から５０ｎｍ、好ましくは、金属元素が偏析した領域５０ｎｍを含み、かつ半導体膜として必要な膜厚を残した領域を、公知の方法にて除去することにより、不純物である金属元素濃度が少なく、且つ結晶性のよい半導体膜を形成することができる。

この連続発振のレーザ光照射による偏析の理由として以下のことが考えられる。ここでは、半導体元素の代表としてシリコンを用いる。
固相中の金属元素の溶解度[Ｃ_M]_Sと、液相中の溶解度[Ｃ_M]_Lとの比、ｋ₀（平衡偏析係数）は、一定であり式１で表される。

ｋ₀＝[Ｃ_M]_S／[Ｃ_M]_L 式１

溶融したシリコン中の金属元素は、融液内を拡散し、シリコンの格子間位置を占める。高温では、格子間位置を占める金属元素は、平衡濃度に達するために、速やかにバルク内を拡散する。しかし、平衡偏析係数ｋ₀＜１の場合、熱処理後の冷却過程では、格子間位置を占める金属元素は、低温における溶解度を超えるので、金属元素は金属シリサイドとして固相中に析出する。この場合、金属元素の拡散速度以上の速度で半導体膜が固化するとき、固相に析出した金属シリサイド中の金属元素は、固液界面近傍に集結し、液相内部に向かって拡散する。つまり、固液界面の前面で金属元素の濃度が高くなる。結晶化は、半導体膜と下地膜の界面から結晶化が始まるため、最終的に融液として存在する半導体膜の上部、即ち表面付近に金属元素が偏析する。

W. Zulehner and D. Huber:"Czochralski-grown silicon, Crystals 8: Silicon, chemical Ething, pp. 1-143, Springer-Verlag(1982)"によると、シリコン中のニッケル元素の平衡偏析係数は、ｋ₀＝３×１０^-5である。また、なお、鉄、コバルトのｋ₀はそれぞれ、８×１０^-6、８×１０^-6である。シリコンが溶融してから固化するまでの時間は、μｓｅｃオーダーと短時間であるため、シリコン融液中の金属元素、代表的には、ニッケル元素、コバルト元素、鉄元素等は、最終的に融液として存在する半導体膜の上部、即ち表面付近に金属元素が偏析する。

ところで、連続発振のレーザ光は、連続的にレーザ光を射出するため、従来用いていたパルスレーザ光に比べ被照射面に照射されるレーザ光のエネルギー密度が高い。従来、パルスレーザ光を結晶性半導体膜に照射しても、部分的、代表的には、非晶質半導体膜の部分や表面部分しか溶融しない。このため、結晶性半導体膜中に含まれる金属元素は、拡散及び偏析できず、半導体膜全体に分散している。一方、連続発振のレーザ光を半導体膜に照射すると、半導体膜は結晶性半導体膜を含む広域において溶融する。このため、冷却による半導体膜の再度結晶化において、融液に含まれる金属元素は、上記の偏析の反応機構により再結晶した半導体膜中の上部に偏析する。さらに、連続発振のレーザ光の照射により半導体膜は溶融されているため、再結晶化した半導体膜は欠陥の少ない膜となる。

金属元素を用いて半導体膜を結晶化する工程に於いて、結晶性半導体膜に連続発振のレーザ光を照射することにより、従来よりも簡易的で且つ数少ない工程で、結晶性を有する半導体膜で構成される薄膜トランジスタを作製することが可能である。即ち、本発明を用いることにより結晶方位の配向性が単一方向に高められ、かつ大粒径の結晶粒で構成される半導体膜で構成される薄膜トランジスタを、歩留まり高く作製することができる。また、本発明を用いることで、結晶構造を有する半導体膜を用いた半導体装置の作製方法においても、同様に歩留まりの向上を実現することができる。

図１を用いて、非晶質半導体膜の全面に触媒作用のある金属元素を添加し、加熱して非晶質半導体膜を結晶化した後、連続発振のレーザ光を照射してゲッタリングを行う方法について説明する。

図１（Ａ）について説明する。基板１１はその材質に特段の限定はないが、好ましくはバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラス、あるいは石英などを用いるとよい。基板１１の表面には、下地膜１２として、無機絶縁膜を１０〜２００ｎｍの厚さで形成する。図１では下地膜を１層としているが、これは２層以上でも良い。好適な下地絶縁膜の一例には、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化珪素膜等が挙げられる。

次いで、下地絶縁膜上に半導体膜１３を形成する。半導体膜を、公知の手段（スパッタリング法、ＬＰＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等）により厚さは８０〜２００ｎｍ（好ましくは１００〜１５０ｎｍ）の厚さで成膜した後、ニッケル、鉄、コバルト、白金又はパラジウム等の金属元素を含む溶液１４を、半導体膜上に塗布する。なお、半導体膜に金属元素を添加する方法は、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法等の公知の手段を用いても良い。本発明では、非晶質半導体膜を熱結晶化した後、金属元素を含む領域を除去するので、活性層となる部分及び除去する層を考慮した膜厚の非晶質半導体膜を形成する。

次いで、金属元素を添加した半導体膜を４００〜６００度で１〜１２時間加熱し、結晶性半導体膜１５を形成する（図１（Ｂ））。

次いで、図１（Ｃ）に示すように、連続発振のレーザ光を結晶性半導体膜１５に照射して、結晶性半導体膜中の金属元素１６、例えば、ニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウム等を半導体膜表面に偏析させる。
この後、図１（Ｄ）に示すように、結晶性半導体膜の上部、即ち金属元素を含む半導体膜の領域を公知の方法で除去する。
その後、結晶性を有する半導体膜１７を、フォトリソグラフィ−技術を用いてパターン化し、所望の形状に形成した後、ゲート絶縁膜として第１の絶縁膜１９を形成する。第１の絶縁膜１９は公知の手段（プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法など）により、厚さを４０〜１５０ｎｍとして絶縁膜の単層または積層構造で形成する。

続いて、ゲート絶縁膜１９上に導電性を有する膜、例えば金属元素からなる膜を成膜し、これをフォトリソグラフィ−技術を用いてパターン化してゲート電極２０を形成する。ここでは、導電膜を単層構造としているが、２層以上積層させてもよい。また、導電膜の材料としては、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕから選ばれた金属元素、またはそれらを主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成してもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした結晶質珪素膜に代表される半導体膜を用いてもよい。
次に、ゲート電極２０及びゲート絶縁膜１９の表面を覆うように第２の絶縁膜２１を形成する。第２の絶縁膜２１は、公知の手段（プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法など）により、厚さを４０〜１５０ｎｍとして絶縁膜の単層または積層構造で形成する（図１（Ｆ））。

次に、公知の方法により半導体膜１８に不純物を添加しソース領域およびドレイン領域を形成する。その後、第２の層間絶縁膜を形成し、ソース領域およびドレイン領域に達するコンタクトホールを形成し、ソース領域ドレイン領域に達する配線を形成する。（図示しない。）

以上の工程により、金属元素を用いて半導体膜を結晶化する際、簡易且つ短時間な方法で、半導体膜の結晶化および金属元素のゲッタリングを行うことができる。このことにより、結晶方位の配向性を単一方向に高められ、かつ大粒径の結晶粒で構成される半導体膜を、歩留まり高く形成することができる。

本実施例では、本発明を用いた薄膜トランジスタの作製方法について図２および図３を用いて説明する。

まず、はじめに図２（Ａ）について説明する。基板１０１上に、公知の技術を用いて酸化珪素膜、窒化珪素膜または酸化窒化珪素膜などの絶縁膜からなる下地膜１０２を形成する。下地膜は、単層としてもよいし、２層以上の積層構造としても良い。本実施例では、２層の下地膜を形成し、第１の下地膜１０２ｂには、プラズマＣＶＤ法により１０〜１００ｎｍの窒化酸化珪素膜を、第２の下地膜１０２ａには、プラズマＣＶＤ法により５０〜１５０ｎｍの酸化窒化珪素膜を成膜する。
なお、本実施例では基板にバリウムホウケイ酸ガラスを用いる。

次いで、下地膜１０２ａ、１０２ｂ上に半導体膜１０４を形成する。半導体膜１０４は、非晶質半導体膜を公知の手段（スパッタリング法、ＬＰＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等）により、８０〜２００ｎｍ（好ましくは１００〜１５０ｎｍ）の厚さで形成する。半導体膜の材料に限定はないが、好ましくは珪素または珪素ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）合金などで形成すると良い。本実施例では、１５０ｎｍの非晶質珪素膜を形成する。

次に、公知の技術を用いて半導体膜の結晶性を促進する金属元素、例えばニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウム等を半導体膜１０４に添加したのち、半導体膜１０４を公知の結晶化処理（レーザ結晶化法、熱結晶化法）により、結晶化する。本実施例では、スピンコートにより酢酸ニッケル溶液１０５（重量換算濃度１０ｐｐｍ）を膜上全面に塗布し、温度５５０度の窒素雰囲気中に１２時間曝して結晶性半導体膜１０６を形成する。

次に、図２（Ｂ）について説明する。結晶性半導体膜１０６に連続発振のレーザ光を照射して、結晶性半導体膜１０６を溶融した後、冷却することにより、結晶性半導体膜１０６中に含まれる金属元素、本実施例においてはニッケル元素を、半導体膜１０６上部に偏析させる。
なお、連続発振が可能なレーザには、半導体膜に吸収される波長域、即ち波長１００〜６００nmである連続発振レーザー光を適用する。レーザー発振器としては、気体レーザー発振器、固体レーザー発振器が適用される。気体レーザ発振器としては、Ｈｅ−Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ等を使用したレーザ発振器、固体レーザー発振器としてはＹＡＧ、ＹＶＯ₄、ＹＬＦ、ＹＡｌＯ₃などの結晶にＣｒ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｔｉ又はＴｍをドープした結晶を使ったレーザー発振器、若しくはガラスレーザー発振器、ルビーレーザー発振器、アレキサンドライドレーザー発振器、またはＴｉ：サファイアレーザー発振器を適用する。なお、固体レーザ発振器においては、基本波の第２高調波〜第４高調波を適用するのが好ましい。
これらのレーザを用いる場合には、レーザ発振器から放射されたレーザビームを光学系で線状に集光し半導体膜に照射する方法を用いると、短時間で基板全体にレーザ光を照射することができるので効果的である。

続いて、図２（Ｃ）について説明する。結晶性半導体膜から１０６から、金属元素が偏析する領域をウエットエッチング法により、除去して半導体膜１０７を形成する。エッチャントには、ヒドラジン、エチレンジアミン、ピロカテコール水溶液（ＥＰＷ）、水酸化カリウムまたはテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド溶液（ＴＭＡＨ）等を用いることができる。本実施例では、５０度のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド溶液（ＴＭＡＨ）に５００秒浸漬して、珪素膜の上部（表面）から深さ方向へ５０ｎｍ、即ち金属元素を有する結晶性半導体膜の領域をエッチングする。この工程により、活性領域となりうる結晶性半導体膜１０６から金属元素を除去または半導体特性に影響しない程度にまで低減することができる。このようにして作製した活性領域を有する薄膜トランジスタは、リーク電流のパスとなる金属元素の濃度が低減されているため、高い電界効果移動度を得つつオフ電流値を抑制した良好な特性を有するものになる。
次に、図２（Ｄ）について説明する。フォトリソグラフィーの技術を用いマスク（図示しない）を形成した後、公知のエッチング方法により、不要な部分を除去して、所望の形状の半導体膜１０８ａ、１０８ｂを形成する。なお、半導体膜１０８ａ、１０８ｂを形成した後、薄膜トランジスタのしきい値を制御するために微量な不純物元素（ボロンまたはリン）のドーピングを行ってもよい。（図示しない）。

次いで、厚さ２０〜１５０ｎｍのゲート絶縁膜１０９を公知の技術を用いて成膜する。本実施例では、原料ガスの流量をＳｉＨ₄／Ｎ₂Ｏ＝４／８００（ｓｃｃｍ）、成膜温度を４００度として、プラズマＣＶＤ法により膜厚１１５ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成する。もちろん、ゲート絶縁膜は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の絶縁膜（酸化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化珪素膜等）を用いても良い。

次に、公知の成膜方法により、導電膜を成膜する。本実施例では、膜厚３０ｎｍの窒化タンタル膜からなる第１の導電膜１１０ａと、膜厚３７０ｎｍのタングステン膜からなる第２の導電膜１１０ｂを積層する。窒化タンタル膜およびタングステン膜は、スパッタリング法で形成する。

なお、本実施例では、第１の導電膜１１０ａを窒化タンタル膜、第２の導電膜１１０ｂをタングステン膜としたが、特に限定されず、いずれもタンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ）から選ばれた元素、またはこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成してもよい。また、銀―銅―パラジウム合金（ＡｇＰｄＣｕ合金）を用いてもよい。

次に、図３（Ａ）について説明する。フォトリソグラフィーの技術を用いマスク（図示しない）を形成した後、公知のエッチング方法（ＲＩＥ法、ＥＣＲ法等）により、第１の導電膜１１０ａおよび第２の導電膜１１０ｂの不要な部分を除去して、ゲート電極１１１ａ、１１１ｂを形成する。

次に、図３（Ｂ）について説明する。ゲート電極１１１ａ、１１１ｂをマスクとして、公知の技術（イオンドープ法、イオン注入法等）により半導体膜（図３（Ａ）の１１２ａ、１１２ｂ）に不純物元素を導入し、ソース領域およびドレイン領域１１３ａ、１１３ｂを形成する。イオンドープ法の条件を、ドーズ量１×１０¹³〜５×１０¹⁴/cm²とし、加速電圧を３０〜１２０ｋｅＶとして上記工程を行う。
本実施例では、ｎ型不純物をドーピングする際には、不純物のドーズ量を２×１０¹³／ｃｍ²とし、加速電圧を９０ｋｅＶとして行う。なお、ｎ型を付与する不純物元素として１５族に属する元素、典型的にはリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を用いる。本実施例では、リン（Ｐ）を含む化合物を不純物として用いる。
また、ｐ型不純物をドーピングする際には、不純物のドーズ量を３×１０¹³／ｃｍ²とし、加速電圧を６０ｋｅＶとして行う。なお、ｐ型を付与する不純物元素には、１３族に属する元素、典型的にはボロン（Ｂ）を用いることができる。

次いで、熱処理を行って、半導体膜の結晶性の回復、およびそれぞれの半導体膜に導入された不純物元素の活性化を行う。熱処理の方法としては、ファーネスアニール炉を用いる熱アニール法、レーザアニール法、またはラピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）を適用することができる。本実施例では、熱アニール法を用い、窒素雰囲気中で５５０度とし、４時間加熱する。

次に、図３（Ｃ）について説明する。第１の層間絶縁膜１１４及び第２の層間絶縁膜１１５を形成したのち、絶縁膜表面を化学的及び機械的に研磨する処理（代表的にはＣＭＰ技術）等により平坦化してもよい。また、第１の層間絶縁膜１１４は、単層または積層構造として用いても良い。本実施例では、第１の層間絶縁膜としてプラズマＣＶＤ法により膜厚５０ｎｍの窒化珪素膜１１４を形成し、同様の方法で第２の層間絶縁膜として、膜厚４００ｎｍの酸化珪素膜１１５を形成する。なお、第２の層間絶縁膜には、無機絶縁膜材料または有機絶縁物材料からなる膜を形成することができる。

なお、第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する前に、熱処理（３００〜５５０度で１〜１２時間の熱処理）を行い水素化を行ってもよい。この工程は第１の層間絶縁膜１１４に含まれる水素により半導体膜のダングリングボンドを終端する工程である。なお、水素化の他の手段として、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）や、３〜１００％の水素を含む雰囲気中にて３００〜４５０度で１〜１２時間の熱処理を行っても良い。本実施例では、窒素雰囲気中で４１０度、１時間の加熱を行う。

そして、ソース領域及びドレイン領域１１３ａ、１１３ｂに達するコンタクトホールを形成し、ソース領域及びドレイン領域１１３ａ、１１３ｂとそれぞれ電気的に接続する配線１１６〜１１９を形成する。

このようにして、半導体膜に達するコンタクトホールを形成し、配線１１６〜１１９を形成する。なお、これらの配線は、膜厚１００ｎｍのチタン膜、膜厚３５０ｎｍの合金膜（代表的には、アルミニウムとシリコンとの合金膜）及び膜厚１００ｎｍのチタン膜との積層膜をエッチングして形成する。なお、配線の材料としては、Ｔｉ、ＡｌとＳｉとの合金に限らず、他の低抵抗材料を用いても良い。

本実施例では、実施例１で述べた作製方法により形成する薄膜トランジスタにおいて、金属元素が半導体膜の上部に偏析した領域を除去する工程において、別の工程を示す。

実施例１に従い、結晶性半導体膜に連続発振のレーザ光を照射して、半導体膜の上部に金属元素、代表的にはニッケル元素を偏析させる。こののち、半導体膜の表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing、化学的・機械的ポリッシング）により研磨して、半導体膜の金属元素を含む領域を除く。本実施例では、スラリーに酸化珪素を含む研磨液を用いて、半導体膜の表面の研磨を行う。この際の研磨条件は、半導体膜の膜質および膜厚に合わせて、適宜設定すればよい。該研磨工程により、薄膜トランジスタの表面を平坦化すると共に、活性層を含む半導体膜の金属元素を除去することが可能である。すなわち、この工程を用いて作製した薄膜トランジスタは、リーク電流のパスとなる金属元素の濃度が低減されているため、高い電界効果移動度を有しつつオフ電流値を抑制した良好な特性を有するものになる。

本実施例では、実施例２と同様に、実施例１で述べた作製方法により形成する薄膜トランジスタにおいて、金属元素が半導体膜の上部に偏析した領域を除去する工程において、別の工程を示す。

実施例１に従い、結晶性半導体膜に連続発振のレーザ光を照射して、半導体膜の上部に金属元素、代表的にはニッケル元素を偏析させる。こののち、ドライエッチング法により、半導体膜の金属元素を含む領域を除く。ドライエッチング条件は、半導体膜の膜質および膜厚によって適宜設定すればよい。本実施例では、エッチング条件をＣＦ₄／Ｏ₂＝５０／４５（ｓｃｃｍ）として、半導体膜の上部５０ｎｍをエッチングする。
このことにより、活性層を含む半導体膜の金属元素を除去し、残存する金属元素の濃度を低減することが可能である。すなわち、この工程を用いて作製した薄膜トランジスタは、リーク電流のパスとなる金属元素の濃度が低減されているため、高い電界効果移動度を得つつオフ電流値を抑制した良好な特性を有するものになる。

実施例１から実施例３においては、薄膜トランジスタの作製工程に本発明を適応した例を示したが、これに限られるものではない。本発明は、薄膜ダイオード、電界放出素子等、半導体膜を用いた半導体素子に適応することができる。

本発明を適用して、様々な電子装置（電気光学装置、発光装置、半導体回路等）を作製することができる。即ち、それら電子装置を組み込んだ様々な電子機器に本発明を適用できる。

その様な電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター、ヘッドマウントディスプレイ（ゴーグル型ディスプレイ）、カーナビゲーション、カーステレオ、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。それらの例を図５、図６及び図７に示す。

図５（Ａ）はパーソナルコンピュータであり、本体３００１、画像入力部３００２、表示部３００３、キーボード３００４等を含む。本発明を適用することにより、歩留まり高く高精細な表示が可能である低消費電力のパーソナルコンピュータを作製することが出来る。

図５（Ｂ）はビデオカメラであり、本体３１０１、表示部３１０２、音声入力部３１０３、操作スイッチ３１０４、バッテリー３１０５、受像部３１０６等を含む。本発明を適用することで、歩留まり高く高精細な表示が可能なビデオカメラを作製することが出来る。

図５（Ｃ）はモバイルコンピュータ（モービルコンピュータ）であり、本体３２０１、カメラ部３２０２、受像部３２０３、操作スイッチ３２０４、表示部３２０５等を含む。本発明を適応することで、歩留まり高く高精細な表示が可能である低消費電力のモバイルコンピュータ（モービルコンピュータ）を作製することが出来る。

図５（Ｄ）はゴーグル型ディスプレイであり、本体３３０１、表示部３３０２、アーム部３３０３等を含む。本発明を適用することで、歩留まり高く高精細な表示が可能なゴーグル型ディスプレイを作製することが出来る。

図５（Ｅ）はプログラムを記録した記録媒体（以下、記録媒体と呼ぶ）を用いるプレーヤーであり、本体３４０１、表示部３４０２、スピーカ部３４０３、記録媒体３４０４、操作スイッチ３４０５等を含む。なお、このプレーヤーは記録媒体としてＤＶＤ（Ｄｉｇｔｉａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ＣＤ等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。本発明を適用することで、歩留まり高く高精細な表示が可能なプレーヤーを作製することが出来る。

図５（Ｆ）はデジタルカメラであり、本体３５０１、表示部３５０２、接眼部３５０３、操作スイッチ３５０４、受像部（図示しない）等を含む。本発明を適用することで、歩留まり高く高精細な表示が可能である低消費電力のデジタルカメラを作製することが出来る。

図６（Ａ）はフロント型プロジェクターであり、投射装置３６０１、スクリーン３６０２等を含む。本発明を適用することで、歩留まり高く高輝度フロント型プロジェクターを作製することが出来る。

図６（Ｂ）はリア型プロジェクターであり、本体３７０１、投射装置３７０２、ミラー３７０３、スクリーン３７０４等を含む。本発明を適用することで、歩留まり高く高輝度リア型プロジェクターを作製することが出来る。

なお、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）中における投射装置３６０１、３７０２の構造の一例を示した図である。投射装置３６０１、３７０２は、光源光学系３８０１、ミラー３８０２、３８０４〜３８０６、ダイクロイックミラー３８０３、プリズム３８０７、液晶表示装置３８０８、位相差板３８０９、投射光学系３８１０で構成される。投射光学系３８１０は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図６（Ｃ）中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、ＩＲフィルム等の光学系を設けてもよい。

また、図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）中における光源光学系３８０１の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系３８０１は、リフレクター３８１１、光源３８１２、レンズアレイ３８１３、３８１４、偏光変換素子３８１５、集光レンズ３８１６で構成される。なお、図６（Ｄ）に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、ＩＲフィルム等の光学系を設けてもよい。

ただし、図６に示したプロジェクターにおいては、透過型の電気光学装置を用いた場合を示しており、反射型の電気光学装置及び発光装置での適用例は図示していない。

図７（Ａ）は携帯電話であり、本体３９０１、音声出力部３９０２、音声入力部３９０３、表示部３９０４、操作スイッチ３９０５、アンテナ３９０６等を含む。本発明を適用することで、歩留まり高く高精細な表示が可能である低消費電力の携帯電話を作製することが出来る。

図７（Ｂ）は携帯書籍（電子書籍）であり、本体４００１、表示部４００２、４００３、記憶媒体４００４、操作スイッチ４００５、アンテナ４００６等を含む。本発明を適用することすることで、歩留まり高く高精細な表示が可能である低消費電力の携帯書籍を作製することが出来る。

図７（Ｃ）はディスプレイであり、本体４１０１、支持台４１０２、表示部４１０３等を含む。本発明を適用したディスプレイは、特に大画面化した場合において有利であり、対角１０インチ以上（特に３０インチ以上）のディスプレイには有利である。

以上の様に、本発明の適用範囲は極めて広く、さまざま分野の電子機器に適用することが可能である。また、本実施例の電子機器は実施例１〜４のどのような組み合わせからなる構成を用いても実現することができる。

本発明の概念の一例を示す図。 薄膜トランジスタの作製工程を示す断面図。 薄膜トランジスタの作製工程を示す断面図。 半導体膜中のニッケルの濃度を示す図。 電子機器の例を示す図。 電子機器の例を示す図。 電子機器の例を示す図。

Claims (10)

1. 絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成し、前記非晶質半導体膜に結晶化を促進する金属元素を添加した後加熱により結晶化し、前記結晶化した半導体膜に連続発振のレーザ光を照射し、前記レーザを照射した結晶性半導体膜の上部を除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。
2. 請求項１において、前記連続発振のレーザ光を照射した結晶性半導体膜の上部は、金属元素を含む半導体膜の領域であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
3. 絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成し、前記非晶質半導体膜に結晶化を促進する金属元素を添加した後加熱により結晶化し、前記結晶化した半導体膜に連続発振のレーザ光を照射し、前記レーザを照射した結晶性半導体膜の金属元素濃度がＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）の検出下限となるように、前記連続発振のレーザ光を照射した結晶性半導体膜を除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。
4. 請求項３において、前記ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）の検出限界濃度は、1×１０¹⁷/ｃｍ³であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記連続発振のレーザ光を照射した結晶性半導体膜の上部を、ウエットエッチング法により除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記連続発振のレーザ光を照射した結晶性半導体膜の上部を、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing、化学的・機械的ポリッシング）法により除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。
7. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記連続発振のレーザ光を照射した結晶性半導体膜の上部を、ドライエッチング法により除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、前記連続発振のレーザ光は、連続発振のＮｄ:ＹＡＧレーザ、Ｎｄ:ＹＶＯ₄レーザ、Ｎｄ:ＹＬＦレーザ、Ｎｄ:ＹＡｌＯ₃レーザ、ガラスレーザー、ルビーレーザー、アレキサンドライドレーザー、またはＴｉ：サファイアレーザーから発振されたものであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
9. 請求項８において、前記レーザ光は、第２高調波又は第３高調波であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
10. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、前記連続発振のレーザ光は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ，ＡｒレーザーまたはＫｒレーザーから発振されたものであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
    
    
    

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