JP2004327677A - Semiconductor film and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a crystalline semiconductor film having high reliability with sufficiently reduced content of catalytic elements. <P>SOLUTION: The method for manufacturing a semiconductor film comprises steps of preparing a first semiconductor film 104b containing the catalytic elements for accelerating crystallization of an amorphous semiconductor film 104, providing a second semiconductor film 107 to be in contact with an upper part of the first semiconductor film 104b, transferring the catalytic elements present in the first semiconductor film 104b to the second semiconductor film 107 by giving a first heat treatment to the first semiconductor film 104b, oxidizing the second semiconductor film 107, and removing an oxidized second semiconductor film 109. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor;以下、「TFT」と略すことがある)等に利用される半導体膜及びその製造方法に関し、さらにその半導体膜を用いて構成される半導体装置に関する。特に、本発明は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機EL表示装置、密着型イメージセンサー、三次元ICなどに利用できる。
【0002】
【従来技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置や有機EL表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ICなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みがなされている。特に、同一基板上に画素部と駆動回路が設けられた液晶表示装置はパーソナルコンピュータ(PC)向けのモニターとしてだけでなく、一般家庭の中に進出し始めている。例えば、CRT(Cathode−ray Tube)のかわりにテレビジョンとして液晶ディスプレイが、また、娯楽として映画を観たりゲームをしたりするためのフロントプロジェクターが、一般家庭に導入されるようになり、液晶表示装置の市場規模はかなりの勢いで大きくなってきている。さらに、ガラス基板上にメモリ回路やクロック発生回路等のロジック回路を内蔵したシステムオンパネルの開発もさかんに進められている。
【0003】
高解像度な画像表示を行うために画素に書き込む情報量が増えている。また、その情報は短時間で書き込まれなければ、高精細な表示のための膨大な情報量を有する画像を動画表示したりすることは不可能である。そこで、駆動回路に用いられるTFTには、高速動作が求められている。高速動作を可能にするためには、高い電界効果移動度を得られる良質な結晶性を有する結晶質半導体膜を用いてTFTを実現することが求められている。
【0004】
ガラス基板上に良好な結晶質半導体膜を得る方法として、本発明者らは、非晶質半導体膜に結晶化を促進する作用を有する金属元素を添加した後、加熱処理を施すことにより、従来より低温・短時間の加熱処理で、結晶の配向性が揃った良好な半導体膜が得られる技術を開発している。
【0005】
しかし、触媒元素を用いて得られた結晶質ケイ素膜をそのまま半導体層として用いて作製されたTFTには、オフ電流が突発的に増加してしまうという問題がある。触媒元素が半導体膜中で不規則に偏析すること、特に結晶粒界においてこの偏析が顕著に確認され、この触媒元素の偏析が、電流の逃げ道(リークパス)となり、これが原因でオフ電流の突発的な増加を引き起こしているのではないかと考えられる。そこで、結晶質ケイ素膜の作製工程の後、触媒元素を半導体膜中から移動させて、半導体膜中の触媒元素濃度を低減させる必要がある。以後、この触媒元素を取り除く工程をゲッタリング工程と称する。
【0006】
このゲッタリング工程・ゲッタリング方法に関しては、様々な工程・方法が提案されている。概略は、ゲッタリング機能を有するゲッタリング領域を形成し、そこに触媒元素を移動させることにより、半導体装置の活性領域(半導体層)における触媒元素濃度を低減させるものが主であるが、このときの半導体層とゲッタリング領域との関係において、以下の3つの手法に分けられる。
【0007】
▲1▼結晶質半導体膜中において、半導体層となる領域以外の領域にゲッタリング領域を形成し、そこに触媒元素を移動させる。
【0008】
▲2▼半導体層内にゲッタリング領域を形成し、そこに触媒元素を移動させることで、半導体層内で特に触媒元素の残留が問題となるところ(チャネル領域等)のみをゲッタリングする。
【0009】
▲3▼結晶質半導体膜の状態で、その上面にゲッタリング層を形成し、膜面に対して垂直方向に触媒元素を移動させる。
【0010】
これらの方法の中で、上記▲1▼の方法では、結晶質半導体膜において、半導体層以外の領域をゲッタリング領域として機能させるために、ゲッタリング効果を有する元素(ゲッタリング元素)の選択的な導入を行う必要がある。したがって、そのときのマスクを形成するためのフォトリソ工程や、ゲッタリング元素を導入するためのドーピング工程等が増え、製造コストの増大と製造歩留まりの低下をもたらす。また、半導体層以外の領域に触媒元素を移動させるため、触媒元素の移動に必要な距離(ゲッタリング距離)が延び、ゲッタリング移動のための加熱処理に長時間が必要となる。この場合、装置のタクトタイムが延び製造コストが上がるだけでなく、大型ガラス基板等では基板の熱的変形が対応できないレベルとなり、製造することさえ困難となる。
【0011】
また、上記▲2▼の方法では、例えばソース・ドレイン領域をゲッタリング領域として利用することで、ゲッタリングのための工程を追加する必要がなく、製造工程を簡略化することはできる点でメリットは大きい。しかしながら、このときのドーピング工程はソース・ドレイン領域としての条件とゲッタリングとを両立する必要があり、プロセス的なマージンが非常に小さくなる。また、ゲッタリングのための熱処理は半導体層形成後となるため、ガラス基板におけるシュリンクの問題が大きく、ゲッタリングに十分な加熱処理を行うことは難しい。したがって、この方法では、半導体層形成後のプロセスの自由度がゲッタリングのために大きく制限され、各工程の条件マージンが少ないものとなる。
【0012】
これらの方法に対して、前記▲3▼の方法では、結晶質半導体膜が基板全面に形成された状態(最初のフォトリソ工程前の段階)で、垂直方向にゲッタリングを行うものであるから、ゲッタリングのための付加工程は一部必要なものの、ゲッタリングの熱処理条件は、ガラス基板のシュリンクにかかわらず設定でき、十分な熱処理が可能である。また、必要なゲッタリング距離も、結晶質半導体膜の膜厚方向のみで済む。さらに、結晶質半導体膜の状態でゲッタリングを完了できることから、後の工程では、ゲッタリング工程を考えることなく自由度の高いプロセスを構築することができる。このような観点から、上記▲3▼の方法のメリットは大きい。
【0013】
この▲3▼の方法を利用したゲッタリング方法が、特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に記載されている。
【0014】
特許文献1では、SOI基板を用い、触媒元素により結晶化された単結晶ケイ素膜に対して、その表面を熱酸化することにより、酸化膜中へと触媒元素を移動させる方法を開示している。その後、熱酸化により形成された酸化膜を除去することにより、単結晶ケイ素膜のゲッタリングが完了する。特許文献1では、このときの酸化雰囲気としては、ハロゲン元素を含んだ雰囲気であり、その作用で触媒元素が気化し除去されると共に、熱酸化膜中に移動されゲッタリングされるとしている。
【0015】
また、特許文献2および特許文献3では、触媒元素により結晶化された半導体膜上にバリア層を形成し、さらにその上に第2の半導体膜とゲッタリング元素を含む第3の半導体膜(ゲッタリング層)を積層形成した後に、加熱処理を行うことにより、下層の半導体膜からバリア層を通して第2の半導体膜、そして第3の半導体膜へと触媒元素を移動させる方法を開示している。そして、第3の半導体膜/第2の半導体膜/バリア層を除去することで、触媒元素のゲッタリングを行っている。このとき、特許文献2では、ゲッタリング元素として希ガス元素を用い、第3の半導体膜には希ガス元素を含んでいる。また、特許文献3では、ゲッタリング元素として一導電型の不純物(リン等)を用い、第3の半導体膜には一導電型の不純物を含んでいる。これらの特許文献では、第2の半導体膜を設けているが、これは、第3の半導体層に含まれるゲッタリング元素が、触媒元素により結晶化された第1の半導体膜へ拡散するのを防止する目的で設けられ、場合によっては無くてもよい。
【0016】
【特許文献1】
特開平10−64817号公報
【特許文献2】
特開2002−246394号公報
【特許文献3】
特開2002−246395号公報
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1〜3に開示されているゲッタリング技術では、未だ十分とは言えず、何点かの課題を抱えている。
【0018】
まず、第1に、特許文献1では、ゲッタリング効果が十分でなく、触媒元素の残留量を十分には低減できていないという根本的な問題がある。本発明者らが、実際に確認を行ったところ、特許文献1に記載される方法では、ゲッタリング後の結晶質半導体膜中の触媒元素は、当初の1/3程度にしか低減できていない。
この理由は、酸化膜中の触媒元素(代表的にはニッケル)の拡散係数は、半導体膜中の拡散係数よりも3桁以上小さな値であるため、拡散移動して酸化膜中に取り込まれることはなく、主なゲッタリング作用は、酸化雰囲気時のハロゲン元素の作用により、NiClやNiFのような形態となって気化しているものと考えられる。このような反応系では、膜表面に対しては一定の効果はあるが、半導体膜全体に対して触媒元素濃度を低減するのは難しい。さらに、このような反応を十分に進めるためには、1000℃以上の高温が必要で、ガラス基板が使用できるようなプロセスではない。
【0019】
また、その他の問題点として、特許文献1の方法では、触媒元素により結晶化された半導体膜に対して直接的に熱酸化を行っているが、触媒元素により結晶化された半導体膜中には、触媒元素はシリサイド化合物(例えばNiSi)として局所的に存在している。シリサイド化合物は、半導体膜に対して酸化レートが早いため、その領域で局所的に酸化が進み、熱酸化膜を除去する段階で、半導体膜にピット(小穴)が生じるという問題がある。このピットの大きさは、大きいものでは数μm以上もあり、TFTの半導体層がこれによって断線するような場合も発生している。したがって、特許文献1の方法では、このように多くの課題があり、特に、安価で大型のガラス基板を用いるようなTFTプロセスで実施することは到底できないものであった。
【0020】
これに対して、特許文献2あるいは特許文献3を用いた場合、半導体膜中の触媒元素濃度は、ガラス基板が使用できるような温度域で、当初の1/1000以下にまで低減できることが確認できており、ゲッタリングの能力としては、非常に優れている。しかしながら、製造方法、歩留まり的な観点で多くの問題点を抱えていることがわかった。
【0021】
まず、第1にバリア層の膜質・膜厚・形成方法に関する問題点を説明する。バリア層は上層のゲッタリング膜のエッチングストッパーの目的で設けられるが、触媒元素は、このバリア層を通って上層のゲッタリング膜へと移動することになる。バリア層としては、極薄の酸化膜が用いられる。しかし、酸化膜における触媒元素の拡散は極めて遅いため、この酸化膜を緻密かつ厚くすると触媒元素が上層へと移動できなくなる。逆に、ポーラスで薄い膜を用いると、エッチングストッパーとして機能せず、上層のゲッタリング層のエッチング時に、下層の半導体膜までエッチングされてしまうことになる。この条件が非常に難しく、且つ不安定な状態を必要とするため、十分なプロセスマージンをもって制御できず、歩留まり的に大きな問題となる。また、最適な条件で設定できても、ゲッタリング移動のための熱処理条件は、最も拡散移動速度の遅いバリア層(酸化膜)によって決まり、ゲッタリング距離が半導体膜の厚さ分で済むにもかかわらず、長時間の熱処理が必要となる。
【0022】
また、第2の問題として、ゲッタリング層のピーリング(膜剥がれ)が非常に起こり易い点がある。下地のバリア層が膜としては中途半端な状態であるため、上層のゲッタリング層との密着性を高めるのが困難となる。ゲッタリング層においてピーリングによる微小穴があると、エッチング液がそこから下層の半導体膜をエッチングし、半導体膜にも小穴が生じるため、製造歩留まりを低下させる原因となる。ゲッタリング層におけるダストも同様の作用を与えるため、密着性は高いがダストの多いスパッタリング膜を用いるにも問題がある。
【0023】
第3の問題点としては、ゲッタリング層のエッチングにおけるエッチング残渣の問題である。ゲッタリング層とバリア層との間には、非常に高い選択比が要求されるため、エッチング液としては通常利用しない強アルカリ液を用いている。
この強アルカリによるケイ素膜のエッチングは不安定で、エッチング途中にわずかでも酸化成分が増えるとエッチング作用が停止したり、液の揺動によりエッチングレートが大きく異なることがわかっている。このような結果、ケイ素膜を主成分とするゲッタリング層では、エッチング残渣が非常に生じ易い。対策として、エッチング時間を延長すると、バリア層がダメージを受け、下層の半導体層もエッチングされることになり、単純に時間延長では解決できない。ゲッタリング層のエッチング残渣があると、その領域ではTFT半導体層のチャネル面がゲッタリング層で形成されることになり、到底正常な電気特性は望めない。
【0024】
よって、特許文献2あるいは特許文献3の技術を用いると、高性能なTFT素子は一部確率的に作製できても、製造プロセスマージンが極めて小さく、その結果不良率が高くなる。従って、これらの技術をTFT素子の量産に適用することは困難である。
【0025】
そこで、本発明は上記の問題を鑑み、触媒元素の含有量が十分に低減された、信頼性の高い結晶質半導体膜、およびそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。また、そのような半導体膜を、製造工程や製造コストを増やすことなく簡便に製造する方法を提供することを目的とする。
【0026】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体膜は、複数の結晶ドメインを有する半導体膜であって、前記複数の結晶ドメインは、結晶の〈111〉晶帯面が配向した領域で主に構成され、前記半導体膜の表面の高さは、前記複数の結晶ドメインのそれぞれによって異なることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【0027】
ある好ましい実施形態において、前記〈111〉晶帯面が配向した領域のうちの50%以上が、(110)面配向または(211)面配向した領域である。
【0028】
前記複数の結晶ドメインのドメイン径は、2μm以上10μm以下であることが好ましい。
【0029】
ある好ましい実施形態において、前記半導体膜の少なくとも一部には、非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素が含まれている。
【0030】
前記触媒元素は、化合物として析出せず、前記半導体膜に固溶した状態で存在していることが好ましい。
【0031】
好ましくは、前記触媒元素は、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)および金(Au)からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。
【0032】
前記触媒元素は、1×1014atoms/cm以上1×1017atoms/cm以下の濃度で前記半導体膜の少なくとも一部に含まれることが好ましい。
【0033】
前記半導体膜は、ケイ素(Si)を主成分として形成されていてもよい。
【0034】
ある好ましい実施形態において、前記触媒元素は、シリサイド化合物を形成することにより、非晶質半導体膜の結晶化を促進する。
【0035】
前記半導体膜の厚さは、25nm以上80nm以下であることが好ましい。
【0036】
本発明の半導体膜の製造方法は、(1)非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含み、かつ結晶質領域を有する第1半導体膜を用意する工程と、(2)前記第1半導体膜上に接する第2半導体膜を設ける工程と、(3)前記第1半導体膜に第1の加熱処理を施すことにより、前記第1半導体膜中に存在する前記触媒元素を、前記第2半導体膜へ移動させる工程と、(4)前記第2半導体膜を酸化する工程と、(5)前記酸化された第2半導体膜を除去する工程とを包含することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【0037】
ある好ましい実施形態において、前記工程(1)は、(1a)前記触媒元素を含有する非晶質半導体膜を用意する工程と、(1b)前記非晶質半導体膜に第2の加熱処理を施すことにより、前記第1半導体膜とする工程とを含む。
【0038】
好ましくは、前記工程(1)と前記工程(2)との間に、前記第1半導体膜の表面に形成された自然酸化膜を除去する工程をさらに含む。
【0039】
前記第2半導体膜は非晶質状態であることが好ましい。
【0040】
前記第2半導体膜は、前記触媒元素を引き寄せるゲッタリング元素を含有することが好ましい。
【0041】
前記ゲッタリング元素は、Ar、KrおよびXeからなる群から選ばれた少なくとも一種の希ガス元素を含んでもよい。
【0042】
前記ゲッタリング元素は、P、AsおよびSbからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を含んでもよい。
【0043】
前記ゲッタリング元素は、P、AsおよびSbからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素と、BおよびAlからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素とを含んでもよい。
【0044】
前記工程(3)は、前記第2半導体膜の非晶質状態を保ちながら前記第1の加熱処理を行う工程を含むことが好ましい。
【0045】
前記工程(4)は、前記第2半導体膜に対して、酸化性ガス雰囲気下にて第3の加熱処理を施す工程を含んでもよい。
【0046】
前記第3の加熱処理工程は、1気圧を超える高圧雰囲気下で行ってもよい。
【0047】
前記第3の加熱処理工程は、前記第2半導体膜の表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付ける高速熱アニール(RTA)を含んでもよい。
【0048】
前記第3の加熱処理工程の前記酸化性ガスとして、水蒸気を用いてもよい。
【0049】
ある好ましい実施形態において、前記第2半導体膜の厚さは、前記第1半導体膜の厚さの1/10以上2倍以下の範囲内である。
【0050】
ある好ましい実施形態において、前記工程(2)は、前記第1半導体膜の表面を水素を含むプラズマ雰囲気に曝す工程と、前記プラズマ雰囲気に曝された前記第1半導体膜を大気に曝すことなく、前記第1半導体膜上に前記第2半導体膜を形成する工程とを含む。
【0051】
ある好ましい実施形態において、前記工程(4)では、前記第2半導体膜に加えて、その下層の第1半導体膜の一部も酸化され、前記工程(5)では、前記酸化された前記第2半導体膜に加えて、酸化された前記第1半導体膜の前記一部も除去される。
【0052】
前記工程(4)において、第1半導体膜における半導体原子の不対結合手の量が低減されることが好ましい。
【0053】
前記工程(3)の前記第1の加熱処理工程と前記工程(4)の前記第3の加熱処理工程とを連続して行ってもよい。
【0054】
前記第1の加熱処理と前記第3の加熱処理とを同時に行ってもよい。
【0055】
前記工程(5)は、前記第2半導体膜を、フッ化水素を有する酸を用いて湿式方式のエッチングで除去する工程を含んでもよい。
【0056】
ある好ましい実施形態において、前記工程(1a)は、非晶質半導体膜を形成する工程と、前記非晶質半導体膜の表面に前記触媒元素を含む溶液を塗布することによって、前記触媒元素を含有する第1半導体膜を形成する工程とを含む。
【0057】
好ましくは、前記工程(1a)は、非晶質半導体膜の一部に選択的に前記触媒元素を添加することにより前記触媒元素を含有する非晶質半導体膜を得る工程を含み、前記工程(1b)は、前記触媒元素が選択的に添加された領域からその周辺部へと前記非晶質半導体膜を横方向に結晶成長させることにより、前記第1半導体膜を得る工程を含む。
【0058】
前記触媒元素として、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)および金(Au)からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を用いることが好ましい。
【0059】
前記工程(1b)と前記工程(2)との間に、前記第1半導体膜にレーザー光を照射する工程を行ってもよい。
【0060】
本発明の他の半導体膜は、上述した製造方法により作製される。
【0061】
本発明の半導体装置は、上述した半導体膜を活性領域として構成される。
【0062】
本発明の他の半導体装置は、上述した半導体膜を活性領域(半導体層)とした薄膜トランジスタ(TFT)を含む。
【0063】
本発明の電子機器は、上述した半導体装置を備える。
【0064】
本発明の他の電子機器は、複数の画素で構成される表示部を有し、前記複数の画素に上述した半導体装置を介して表示信号が供給される。
【0065】
【発明の実施の形態】
本実施形態では、非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含有する第1の非晶質半導体膜を用意する第1の工程と、第1の非晶質半導体膜に、第2の加熱処理を施し、結晶質を有する半導体膜とする第2の工程と、結晶質を有する半導体膜上に接するように、第2の半導体膜を設ける第3の工程と、第1の加熱処理を行い、結晶質を有する半導体膜中に存在する触媒元素を、第2の半導体膜へと移動させる第4の工程と、第2の半導体膜を酸化する第5の工程と、酸化された第2の半導体膜を除去する第6の工程とを少なくとも含んでいる。ここで、結晶質を有する半導体膜は、触媒元素濃度が低減され、後に半導体装置の半導体層(活性領域)等に利用できる。第2の半導体膜は前述のゲッタリング層として機能する。
【0066】
第2の工程と第3との工程の間に、結晶質を有する半導体膜表面の自然酸化膜を除去する工程を含むことが好ましい。
【0067】
すなわち、本実施形態では、従来法で問題となっていたバリア層を設けずに、結晶質を有する半導体膜上の自然酸化膜を除去し、それに接するように第2の半導体層を設ける。これにより、バリア層における課題が解決でき、ゲッタリング層(第2の半導体膜)への触媒元素の移動がスムーズに行われ、ゲッタリング能力が上がり、ゲッタリングのための熱処理時間が短縮化できる。且つ、上層の第2の半導体膜の成膜時においても下層との密着性が増し、ピーリングが発生しない条件マージンが格段に拡がる。そして、ゲッタリング層(第2の半導体膜)を酸化し除去することで、ムラの無い選択的なエッチングができ、前述の強アルカリによるエッチングを用いた場合に問題となるようなエッチング残渣の問題も生じない。
【0068】
また、ゲッタリング層に触媒元素を移動し、ゲッタリング層を酸化して除去する訳であるから、下層の結晶質半導体膜においては膜中の触媒元素濃度が十分に低減された後の酸化工程となり、特許文献1に見られるような酸化に伴う問題点(ゲッタリング能力の低さやシリサイドの局所酸化による小穴)も生じない。また、酸化工程は、ハロゲン元素による反応でなく、酸化のみを目的とするため、ガラス基板が使用可能な温度域で処理が可能である。
【0069】
本実施形態においては、ゲッタリング層として作用する第2の半導体膜は、非晶質状態であることが望ましい。そして、第4の工程において、第1の加熱処理は、第2の半導体膜の非晶質状態を保ちながら行われることが望ましい。
【0070】
また、第2の半導体膜は、触媒元素を引き寄せる効果をもつゲッタリング元素を含有することが好ましい。ゲッタリング元素は、例えばAr、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素である。あるいは、ゲッタリング元素は、P、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の周期表第5族Bに属する元素であってもよい。あるいは、ゲッタリング元素として、P、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の周期表第5族Bに属する元素と、B、Alから選ばれた一種または複数種類の周期表第3族Bに属する元素とを共に用いることもできる。
【0071】
ゲッタリングによる触媒元素の移動メカニズムは、ゲッタリング層における触媒元素の偏析係数を高め、その力を利用して下層の結晶質半導体膜から触媒元素を移動させる。触媒元素により結晶化された下層の結晶質半導体膜では、全てが半導体膜中に固溶した状態で存在しているのではなく、大部分は半導体化合物として析出して存在しており、結晶質半導体膜中で触媒元素の固溶度以下においてゲッタリング層へとニッケルの拡散移動が行われ、結晶質半導体膜中に析出していた触媒元素の半導体化合物が固溶し、消失していくことによりゲッタリングが行われる。
【0072】
このときのゲッタリング層における触媒元素の偏析係数を高めるメカニズムとして、触媒元素に対する固溶度を下層の半導体膜より上げて、そこへ触媒元素を移動させる作用(第1のゲッタリング作用)と、触媒元素をトラップするような欠陥あるいは局所的な偏析サイトを形成し、そこに触媒元素を移動させトラップさせる作用(第2のゲッタリング作用)とがある。前述のように、ゲッタリング層として作用する第2の半導体膜を非晶質状態とすることで、第2のゲッタリング作用の効果を引き出すことができる。そして、ゲッタリング移動のための第1の加熱処理を第2の半導体膜の非晶質状態を保ちながら行うことで、加熱処理の全期間にわたって、ゲッタリング層は高いゲッタリング能力を維持でき、結果として下層の結晶質半導体層の触媒元素濃度をより低減できる。この加熱処理の途中でゲッタリング層が結晶化してしまうと、その後のゲッタリング作用は小さくなり、一旦移動させた触媒元素が逆流することもある。
【0073】
また、ゲッタリング層である第2の半導体膜に、ゲッタリング効果をもつゲッタリング元素を含有させることで、第1あるいは第2のゲッタリング作用をより高められる。このときゲッタリング元素の種類や組合せにより、その作用は異なることがわかっている。
【0074】
ゲッタリング元素として、Ar、Kr、Xeから選ばれた一種または複数種類の希ガス元素を用いた場合、ゲッタリング層中にこれらの希ガス元素が存在する場所で大きな格子間歪みが生じ、欠陥・偏析サイトによる第2のゲッタリング作用が非常に強力に働く。このときにゲッタリング層に含まれる希ガス元素の濃度としては、1×1019atoms/cm以上3×1021atoms/cm以下の範囲内であれば、十分なゲッタリング効率が得られる。
【0075】
また、ゲッタリング元素として、P、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の周期表第5族Bに属する元素を用いた場合には、ゲッタリング層における触媒元素に対する固溶度が上がり、すなわち前述の第1のゲッタリング作用を利用してゲッタリングの移動が行われる。これらの元素の中でも特にその効果が高いのはリンである。このときのゲッタリング層に含まれるこれら不純物元素の濃度としては、1×1019atoms/cm以上1×1021atoms/cm以下の濃度の範囲内であれば、十分なゲッタリング効率が得られる。
【0076】
さらに、ゲッタリング元素として、P、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の周期表第5族Bに属する元素に加えて、B、Alから選ばれた一種または複数種類の周期表第3族Bに属する元素とを共に用いると、5族B元素だけでもゲッタリング能力を有するが、これに加えて3族B元素も導入した場合、より大きなゲッタリング効果が得られることがわかっている。ゲッタリング層に例えばリンだけでなく、ホウ素も含有させると、ゲッタリングメカニズムが変わり、リンのみの場合には、下層の結晶質半導体膜との触媒元素の固溶度の差を利用した拡散移動型ゲッタリング(前述の第1のゲッタリング作用)であるが、加えてホウ素を含ませることで、逆にゲッタリング層で触媒元素が析出し易くなり、欠陥あるいは偏析サイトへのゲッタリング(前述の第2のゲッタリング作用)が優勢になり、その効果は相乗的に高められる。このときのゲッタリング層に含まれる不純物元素の濃度としては、周期表第5族Bに属する元素は1×1019atoms/cm以上1×1021atoms/cm以下の濃度、周期表第3族Bに属する元素は1.5×1019atoms/cm以上3×1021atoms/cm以下の濃度の範囲であることが望ましく、この範囲内であれば、高いゲッタリング効率が得られる。
【0077】
また、本実施形態において、ゲッタリング層となる第2の半導体膜を設ける第3の工程は、下層の結晶質を有する半導体膜表面を水素を含むプラズマ雰囲気に曝し、その後、大気中に出すことなく、結晶質を有する半導体膜上に第2の半導体膜が形成されることが好ましい。下層の結晶質半導体膜の表面には、フッ化水素酸による処理後も、その滞留時間等の影響により若干の自然酸化膜が形成されている。このような状態でゲッタリング層を成膜すると、ゲッタリング層のピーリングの原因となり、また、ゲッタリング効率が低下する。よって、自然酸化膜を完全に取り除くためには、ゲッタリング層の成膜前に水素を含むプラズマ雰囲気に曝すことが有効であり、これにより自然酸化膜はエッチング除去される。また、プラズマプロセスであるため、その後大気中に出すことなく連続してゲッタリング層を成膜することができる。
【0078】
次に、本実施形態における第5の工程は、第2の半導体膜に対して、酸化性ガス雰囲気下にて第3の加熱処理を施すことにより行うことができる。このとき、酸化性ガス雰囲気下における第3の加熱処理は、1気圧を超える高圧雰囲気下で行われるとよい。あるいは、酸化性ガス雰囲気下における第3の加熱処理は、第2の半導体膜の表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付ける高速熱アニール(RTA)により行われてもよい。また、第3の加熱処理の酸化性ガスとして、水蒸気を用いることが好ましい。
【0079】
本実施形態では、ゲッタリング層である第2の半導体膜を酸化し除去することを目的としているため、少なくとも第2の半導体膜全体を酸化する必要がある。本実施形態における第2の半導体膜の厚さは、第1の非晶質半導体膜(結晶質を有する半導体膜)の厚さの1/10以上2倍以下の範囲内であることが望ましい。本実施形態における第1の非晶質半導体膜の厚さとしては、結晶成長の観点から25nm以上80nm以下の範囲であることが望ましく、これに対して、1/10以上であれば、ゲッタリング層において、本実施形態で必要とされるゲッタリング能力が確保できる。また、2倍以下であれば、酸化により除去する際の下層の結晶質半導体膜のエッチングダメージや不均一な膜減りを問題ない程度に抑えることができる。しかしながら、より最適には、第2の半導体膜の厚さは、第1の非晶質半導体膜の厚さの1/5以上かつ等倍以下で、実質10nm以上50nm以下である。
【0080】
すなわち、本実施形態では、このような範囲のある程度の膜厚を有する第2の半導体膜を酸化する必要があるため、酸化性ガス雰囲気下で加熱処理を行う、所謂熱酸化処理を行うのが望ましい。しかしながら、このとき、ガラス基板の耐熱性を考えると、従来法のように高温で処理する熱酸化方法を使用することはできない。
【0081】
本実施形態では、1気圧を超える高圧の酸化性ガス雰囲気下で熱酸化処理を行うことで、酸化性ガスの反応性を高め、より低温で短時間で熱酸化することができる。このときの酸化反応の速度は、圧力に比例して高まるため、より高く設定されることが望ましいが、製造装置面での安全性の問題もあり、5気圧以上15気圧以下の範囲内であることが望ましい。また、この場合の加熱処理条件として、温度が550℃以上600℃以下で、処理時間が約10分以上2時間以内であることが望ましい。
【0082】
また、本実施形態における他の熱酸化方法として、第2の半導体膜の表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付ける高速熱アニール(RTA)を用いることも有効である。この方法では、基板全体を瞬時に酸化反応性の高い高温域へと昇温し、高温に加熱された酸化性ガスを直接的にゲッタリング層表面に吹き付けることで短時間で必要な酸化処理が行える。その後、急速降温させることで、ガラス基板に大きな熱的な変形を生じさせることなく、処理が可能である。このときの熱処理条件として、温度が650℃以上800℃以下で、処理時間が約5分以上20分以内であることが望ましい。また、このときの昇温及び降温速度としては、共に100℃/分以上であることが望ましい。
【0083】
また、以上述べた本実施形態の2通りの熱酸化方法において、使用される酸化性ガスとしては、酸化反応性が高いことが求められ、このような理由から水蒸気が最も望ましい。他にも、オゾンガス等が使用可能である。
【0084】
本実施形態では、第2の半導体膜を酸化する第5の工程で、第2の半導体膜に加えて、その下層の結晶質を有する半導体膜の一部も酸化されてもよい。この場合、酸化された第2の半導体膜を除去する第6の工程では、酸化された第2の半導体膜に加えて、その酸化された結晶質を有する半導体膜の一部を除去することができる。すなわち、ゲッタリング層である第2の半導体膜のみでなく、下層の結晶質半導体膜にも酸化が一部進行してもよい。この場合、酸化された部分が除去されることで、ゲッタリング層のみでなく、下層の結晶質半導体膜の表面の近傍の層が除却され、膜厚が当初より薄くなる。
【0085】
ゲッタリング層と下層の結晶質半導体層では、共に同一の半導体成分であり、酸化速度の違いはほとんどない。前述のように、ゲッタリング層である第2の半導体膜を非晶質状態として保つことで、結晶質と非晶質との構造の違い(非晶質状態の方が酸化速度は大きい)を利用して、ある程度の酸化速度の差異を出すことができるため、このような状態とすることは有用ではある。しかしながら、ゲッタリング層が酸化不十分で完全に除去されることなく、結晶質半導体膜上に残った場合の方が大きな問題となるため、酸化処理は第2の半導体膜全体に加え、下層の結晶質半導体膜の上側一部まで進行させる方が、製造プロセスマージンの観点からは望ましい。
【0086】
本実施形態では、第2の半導体膜を酸化する第5の工程において、その下層の結晶質を有する半導体膜における半導体原子の不対結合手の量を低減することが可能である。すなわち、第2の半導体膜の酸化工程により、第2の半導体膜中で半導体原子が過剰となり、それが下層の結晶質半導体膜へ拡散し、不対結合手(ダングリングボンド)と結合することで、それをターミネートする訳である。このように、本実施形態では、結晶質半導体膜の結晶性を向上させる作用を、ゲッタリングと兼ねて行うことができる。
【0087】
また、本実施形態では、第1の加熱処理と、第2の半導体膜を酸化するための第3の加熱処理とは、連続して行われることが好ましい。このようにすることで、第2と第3の加熱処理は、実質一回の加熱処理となり、製造プロセスの短縮及び製造装置のタクトタイム向上のメリットだけでなく、工程を別々に行った場合に比べ、工程間に付着するダストを無くすことができ、製造歩留まりを向上できる。さらには、第1の加熱処理と、第2の半導体膜を酸化するための第3の加熱処理とは、同時に一つの加熱処理として行うことで、さらにトータルの熱処理時間が短縮することができ、プロセスの簡略化、製造装置のタクトタイム改善が図れる。
【0088】
本実施形態では、酸化された第2の半導体膜を除去する第6の工程は、フッ化水素を有する酸を用いた湿式方式のエッチングにて行うことができる。このような方法を用いることにより、酸化された半導体膜と下層の結晶質半導体膜との間で高いエッチング選択比が得られ、結晶質半導体膜のオーバーエッチングによる膜減りやそれによる膜厚バラツキを低減できる。また、下層の結晶質半導体膜表面は、半導体装置においてチャネル面を形成する重要な面となるが、湿式方式であればプラズマ等によるエッチングダメージを与えることなく、良好な状態を保てる。
【0089】
さて、本実施形態において、触媒元素を含有する第1の非晶質半導体膜を用意する第1の工程は、非晶質半導体膜を形成し、その上に触媒元素を含む溶液を塗布することによって行うことが好ましい。本実施形態において第1の非晶質半導体表面に添加される触媒元素の濃度は、1×1011atoms/cm以上1×1014atoms/cm以下であることが求められ、これは触媒原子単原子層の1/100以下の濃度となるため、極めて微量制御が求められる。これに対して、非晶質半導体膜に触媒元素を含む溶液を塗布することにより第1の非晶質半導体膜を用意すると、溶液中の触媒元素濃度の調整により、非晶質半導体膜表面に添加される触媒元素濃度を極微量で制御よくコントロールすることができる。
【0090】
また、本実施形態では、典型的には、触媒元素を含有する第1の非晶質半導体膜を用意する第1の工程は、非晶質半導体膜の一部に選択的に触媒元素を添加することで行い、非晶質半導体膜に第2の加熱処理を施す第2の工程では、触媒元素が選択的に添加された領域からその周辺部へと横方向に結晶成長させることにより、結晶質を有する半導体膜を得る。このようにすることで、横方向に結晶成長した領域では、結晶成長方向がほぼ一方向にそろった良好な結晶質半導体膜を得ることができ、TFTの電流駆動能力をより高めることが可能である。また、この横方向に結晶成長した領域では、触媒元素が直接添加された領域よりも結晶成長後における触媒元素の膜中濃度が1〜2桁低減できるため、後のゲッタリング工程の負荷を小さくすることができる。
【0091】
さらに、本実施形態においては、第2の工程の後、結晶質を有する半導体膜にレーザー光を照射する工程を行うとよい。本実施形態で得られる結晶質半導体膜にレーザー光を照射した場合、結晶質部分と非晶質と部分の融点の相違から結晶粒界部や微小な残留非晶質領域(未結晶化領域)が集中的に処理される。触媒元素を導入し結晶化した結晶質半導体膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるため、レーザー光の照射により結晶粒界部が処理されると基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶質半導体膜が得られ、結晶性が大きく改善される。この結果、TFTのオン特性は大きく向上し、電流駆動能力により優れた半導体装置が実現できる。
【0092】
ここで、本実施形態では、好適な触媒元素として、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)から選ばれた一種または複数種の元素を用いる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果がある。それらの中でも、特にNiを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合しシリサイド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構造が、非晶質ケイ素膜結晶化時に一種の鋳型のように作用し、非晶質ケイ素膜の結晶化を促す。Niは2つのSiとNiSiを形成する。NiSiは螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、NiSiはその格子定数が0.5406nm(5.406オングストローム)であり、結晶シリコンのダイヤモンド構造での格子定数0.5430nm(5.430オングストローム)に非常に近い値をもつ。よって、NiSiは、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最適なものであり、本実施形態における触媒元素としては、特にNiを用いるのが最も望ましい。
【0093】
さて、次に、本実施形態における半導体膜の特徴について述べる。このような製造方法を用いて本実施形態の半導体膜を作製した結果として、本実施形態の半導体膜では、複数の結晶ドメイン(ほぼ同一の結晶面方位領域)で構成された領域を有する半導体膜であって、その結晶ドメインの面配向は主に〈111〉晶帯面で構成され、その膜表面には各々の結晶ドメイン間において高低差(凹凸)が生じている。すなわち、半導体膜の表面の高さは、結晶ドメインのそれぞれによって異なっている。
【0094】
さらに、複数の結晶ドメインの面配向は、〈111〉晶帯面の中でも、特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の割合が占められている。加えて、結晶ドメインのドメイン径は、典型的には2μm以上10μm以下である。
【0095】
また、本実施形態の半導体膜では、半導体膜の膜中には、非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含んでいる。ここで、半導体膜の膜中に含まれる触媒元素は、典型的には、化合物として析出せず、固溶した状態で存在している。
【0096】
また、このときに本実施形態の半導体膜中に含まれている触媒元素は、好ましくはニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)および金(Au)からなる群から選ばれた一種または複数種の元素である。ここで、本実施形態の半導体膜中には、触媒元素が1×1014atoms/cm以上1×1017atoms/cm以下の濃度で存在していることが好ましい。
【0097】
また、本実施形態の半導体膜は、ケイ素(Si)を主成分とする材料から形成することができる。さらに、触媒元素の化合物は、シリサイドであってもよい。
【0098】
また、本実施形態の半導体膜の厚さは、25nm以上80nm以下の範囲内であることが好ましい。
【0099】
一般的に触媒元素を用いない結晶化では、半導体膜下地の絶縁体の影響(特に非晶質二酸化ケイ素の場合)あるいは半導体膜表面の影響で、結晶質半導体膜の面配向は、(100)あるいは(111)に向きやすい。これに対して、非晶質半導体膜に触媒元素を添加し結晶化させた場合の結晶化時の模式図を図7(A)に示す。図7(A)で、61は下地絶縁体、62は未結晶化領域の非晶質半導体膜、63は結晶質半導体膜、64は結晶成長のドライビングフォースとなっている触媒元素の半導体化合物である。図7(A)に示すように、触媒元素化合物64が結晶成長の最前線に存在し、隣接する非晶質領域62を紙面右方向に向かって次々と結晶化していくのであるが、このとき触媒元素化合物64は、〈111〉方向に向かって強く成長する性質がある。その結果、得られる結晶質半導体膜の面方位としては、図7(A)に示すように〈111〉晶帯面が現れる。
【0100】
また、このときの結晶構造は、触媒元素化合物を先端に位置した複数の柱状結晶により構成されており、個々の柱状結晶の断面形状は、ストレスフリーの状態で80nm角となる。すなわち、半導体膜の膜厚が80nm以下の場合には、膜厚方向には単層の柱状結晶で構成されるが、それ以上であると結晶が二層構造となり、結晶性が悪化する。よって、半導体膜の厚さとしては80nm以下であることが望ましい。逆に半導体膜の厚さが極端に薄い(25nm以下)場合には、結晶成長が起こり難くなることがわかっている。
【0101】
図7(B)には、〈111〉晶帯面を示す。図7(B)において、横軸は(−100)面からの傾斜角度で、縦軸は表面エネルギーを表す。グループ65は、〈111〉晶帯面となる結晶面である。(100)面と(111)面は〈111〉晶帯面ではないが、比較のために示してある。また、図7(C)には、結晶方位の標準三角形を示す。ここで、〈111〉晶帯面の分布は、破線のようになる。数字は代表的な極点の指数である。これらの〈111〉晶帯面の中でも、本実施形態で得られる結晶質半導体膜では、特に(110)面あるいは(211)面が優勢配向となり、これらの面が全体の50%以上を占めるときに優位性が得られる。これらの2つの結晶面は他の面に比べてホール移動度が非常に高く、Nチャネル型TFTに比べ性能の劣るPチャネル型TFTの性能を特に向上でき、半導体回路においてもバランスがとり易いというメリットがある。
【0102】
本実施形態により得られた結晶質半導体膜の面方位分布を図8に示す。図8はEBSP(後方散乱電子回折;Electron BackScattereddiffraction Pattern)測定による結果で、個々の微小領域に分けてその結晶方位を特定し、それをつなぎ合わせてマッピングしたものである。図8(A)に示すのは、本実施形態の結晶質半導体膜における面方位分布であり、図8(B)は、図8(A)のデータに基づいて、隣接する各マッピング点間の面方位の傾角が一定値以下(ここでは5°以下)のものを同色で塗り分け、個々の結晶ドメインの分布を浮かび上がらせたものである。また、図8(C)には、先ほど図8(C)で説明した結晶方位の標準三角形を示す。図8(C)からわかるように、本実施形態による結晶質半導体膜は、概ね〈111〉晶帯面に乗った面配向を示しており、特に(110)と(211)に強く配向しているのがわかる。また、本実施形態では、半導体膜に含まれる希ガス元素の作用で核発生密度が上がり、図8(B)に示される個々の結晶ドメイン(ほぼ同一の面方位領域)のサイズは、2μm以上10μm以下の範囲で分布する。
【0103】
ここで、本実施形態の半導体膜では、上層にゲッタリング層が存在し、それを酸化し除去することによりゲッタリングが成されて得られるものである。このとき、前述のように、上層のゲッタリング層のみを選択的に酸化し除去するのは困難であり、下層の結晶質半導体膜の表層側も一部酸化し、共に除去する方が製造プロセスマージンの観点からは好ましい。そのため、本実施形態の半導体膜においても、膜表面がある程度酸化され除去されていることが望ましい。このとき、結晶質の半導体膜では、酸化速度が面方位により異なるため、同一の面方域領域である結晶ドメイン間で酸化速度の違いが生じる。その結果、本実施形態の半導体膜では、その膜表面には各々の結晶ドメイン間において酸化量が異なる。そして、それが除去された後、各々の結晶ドメイン間で高低差(凹凸)が生じ、それが本実施形態の半導体膜の一つの特徴となる。このときのドメイン間の高低差は、結晶質半導体膜の表層をどれだけ酸化するか(どれだけ製造マージンをとるか)によって異なるが、1nm以上20nm以下の範囲であることが好ましい。
【0104】
また、本実施形態の半導体膜では、非晶質半導体膜に触媒元素を導入し結晶化させることにより得られるものであるため、ゲッタリングが行われても、半導体膜中の触媒元素濃度は完全にゼロにはならず、わずかながら残存した触媒元素が存在する。但し、半導体装置としての電気特性に悪影響を与えるのは、結晶成長の際に核となり、結晶成長を牽引した触媒元素半導体化合物である。これらの半導体化合物は局所的に偏析して存在しているが、ゲッタリングにより、結晶質半導体膜中に固溶させ移動させることで、本実施形態で得られる半導体膜においては、膜中に含まれる触媒元素は、化合物として析出せず、固溶した状態で存在している。このときの半導体膜中の触媒元素濃度は、1×1014atoms/cm以上1×1017atoms/cm以下であり、1×1017atoms/cm以下であれば、半導体装置の電気特性に悪影響を与えるような触媒元素の半導体化合物の析出を作らない。また、1×1014atoms/cmがゲッタリング処理により触媒元素濃度を低減できる下限となっている。
【0105】
以下、図1を参照しながら、本発明による半導体膜およびその作製方法の実施形態を説明する。
【0106】
(第1実施形態)
ここでは、ガラス基板上に本発明による半導体膜を作製する方法について説明する。本実施形態の半導体薄膜は、TFTの活性領域やPN接合ダイオード等に利用することができる。図1は、ここで説明する半導体薄膜の作製工程を示す断面図であり、(A)→(G)の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【0107】
図1(A)において、基板101には低アルカリガラス基板や石英基板を用いることができる。本実施形態では低アルカリガラス基板を用いた。この場合、ガラス歪み点よりも約10℃〜20℃低い温度であらかじめ熱処理しておいても良い。この基板101の半導体膜を形成する表面には、基板101からの不純物拡散を防ぐために、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜または酸化窒化ケイ素膜などの下地膜を形成する。本実施形態では、例えば、プラズマCVD法でSiH4、NH3、N2Oの材料ガスから作製される酸化窒化ケイ素膜を、下層の第1下地膜102として成膜し、その上に同様にプラズマCVD法によりSiH4、N2Oを材料ガスとして第2の下地膜103を積層形成した。このときの第1下地膜102の酸化窒化ケイ素膜の厚さは、25nm以上200nm以下(例えば100nm)とし、第2下地膜103の酸化窒化ケイ素膜の厚さは、25nm以上300nm以下(例えば100nm)とした。本実施形態では、2層の下地膜を使用したが、酸化ケイ素膜のみの単層構造でも利用できる。
【0108】
次にプラズマCVD法によって、厚さが25nm以上80nm以下(例えば50nm)の真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)104を成膜する。本実施形態では、マルチチャンバー型の平行平板式プラズマCVD装置を用い、第1下地膜102、第2下地膜103、そしてa−Si膜104の3層を大気中に出すことなく連続して成膜した。このようにすることで、膜界面における汚染やダストの付着を極力抑えることができる。勿論、下地膜102、103およびa−Si膜104の成膜には、前述のプラズマCVD法に限らず、熱CVD法やスパッタリング法等、その他の公知の方法を用いることもできる。また、半導体膜としては、取り扱いの容易さと半導体装置としての特性面から、ケイ素を主成分とする膜を用いるのが望ましいが、他にゲルマニウム膜等も用いることができる。また、a−Si膜104の厚さは、結晶成長の観点から25nm以上80nm以下の範囲であることが望ましい。
【0109】
続いて、a−Si膜104に触媒元素を添加し、加熱処理を行う。a−Si膜に対して、重量換算で例えば10ppmの触媒元素(本実施形態ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素含有層105を形成する。ここで使用可能な触媒元素は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、銅(Cu)、からなる群から選ばれた一種または複数種の元素が好適である。それ以外にも、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)等が利用できる。本工程に先立って、スピン塗布時のa−Si膜104表面の濡れ性向上のため、オゾン水等でa−Si104表面をわずかに酸化させてもよい。
【0110】
なお、本実施形態ではスピンコート法でニッケルを添加する方法を用いたが、蒸着法やスパッタ法などにより触媒元素でなる薄膜(本実施形態の場合はニッケル膜)をa−Si膜104上に形成する手段をとっても良い。この状態が図1(A)の状態に相当する。このようにして添加された図1(A)の状態におけるa−Si104表面上のニッケル濃度を全反射蛍光X線分析(TRXRF)法により測定すると、5×1012atoms/cm程度であった。このときのa−Si膜表面に添加されるニッケル濃度は、どのような添加方法を用いるにしろ、1×1011atoms/cm以上1×1014atoms/cm以下であることが望ましい。この濃度は、ニッケル単原子層の1/100以下の濃度であるため、添加されたニッケルは、a−Si膜上で離散的に存在し、実際には膜状態となっていない。
【0111】
そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて第2の加熱処理を行う。この加熱処理は、温度が530℃以上620℃以下で、加熱時間が30分以上8時間以下の条件下でアニール処理を行うことが好ましい。本実施形態では、一例として、580℃で1時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜表面に添加されたニッケル105がa−Si膜104中にまず拡散し、続いて、それらが凝集してシリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜104の結晶化が進行する。その結果、a−Si膜104は結晶化され、結晶質ケイ素膜104aとなる。なお、ここでは一般的な炉を用いて加熱処理を行ったが、ランプ等を熱源として用いるRTA(Rapid Thermal Annealing)装置や、基板を枚葉で炉内に挿入することによるRTA装置、高温に加熱された不活性ガスを基板表面に吹き付ける方式のRTA装置等を利用して加熱処理を行ってもよい。このようなRTA法を用いる場合には、650℃以上750℃以下の温度で30秒以上10分以下の加熱処理を行うことが好ましい。このようにして得られた結晶質ケイ素膜104aの結晶面配向をEBSP測定により調べると、主に〈111〉晶帯面で構成され、その中でも特に(110)面配向と(211)面配向とで全体の50%以上の領域が占められている。また、その結晶ドメイン(ほぼ同一の面方位領域)のドメイン径は、2μm以上10μm以下となっている。この状態が図1(B)に相当する。
【0112】
続いて、図1(C)に示すように、加熱処理により得られた結晶質ケイ素膜104aにレーザー光106を照射することで、この結晶質ケイ素膜104aをさらに再結晶化し、結晶性を向上させた結晶質ケイ素膜104bを形成する。このときのレーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm)やKrFエキシマレーザー(波長248nm)が適用できる。このときのレーザー光のビームサイズは、基板101表面で長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に順次走査を行うことで、基板全面の再結晶化を行う。
このとき、ビームの一部が重なるようにして走査することで、結晶質ケイ素膜104aの任意の一点において、複数回のレーザー照射が行われ、均一性の向上が図れる。このときのレーザー光のエネルギーは、低すぎると結晶性改善効果が小さく、高すぎると前工程で得られた結晶質ケイ素膜104aの結晶状態が消失してしまうため、適切な範囲に設定する必要がある。また、この時使用できるレーザーとしては、パルス発振型または連続発光型のKrFエキシマレーザー、XeClエキシマレーザー、YAGレーザーまたはYVO4レーザーを用いることができる。結晶化の条件は、実施者が適宜選択すればよい。
【0113】
本実施形態では、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用いた。レーザー光の照射条件は、窒素雰囲気として、エネルギー密度300mJ/cm以上500mJ/cm以下(例えば420mJ/cm)で照射した。また、ビームサイズは基板101表面で150mm×1mmの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、結晶質ケイ素膜104aの任意の一点において、計20回のレーザー照射が行われることになる。
【0114】
このようにして、固相結晶化により得られた結晶質ケイ素膜104aは、レーザー照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶質ケイ素膜104bとなる。尚、このレーザー照射工程後においても、レーザー照射前の結晶面配向及び結晶ドメイン状態はそのまま維持され、EBSP測定において大きな変化は見られない。
【0115】
次に、結晶質ケイ素膜104bをフッ化水素を含む酸で洗浄し、表面の自然酸化膜を除去した後、図1(D)に示すように、直接結晶質ケイ素膜104b上に接するようにゲッタリング層107を形成する。このとき、フッ化水素酸による洗浄後に、結晶質ケイ素膜104b表面に自然酸化膜が再形成されることがあるため、フッ化水素酸の洗浄後、速やかにゲッタリング層107を形成することが望ましい。結晶質ケイ素膜104b上にある程度以上の自然酸化膜が存在すると、ゲッタリング層107のピーリングの原因にもなり、またゲッタリング効率が低下する。
【0116】
ここで、ゲッタリング層107としては、非晶質状態であることが望ましく、またゲッタリング効果を有する元素を含有することが望ましい。本実施形態では、ゲッタリング層107として、代表的ないくつかの形成方法について述べる。第1に、ゲッタリング層107として、希ガス元素(本実施形態ではAr)を含有するa−Si膜を利用する場合には、スパッタリング法あるいはプラズマCVD法を用いることができる。スパッタリング法の場合、シリコンターゲットを用い、スパッタリングガスをArとすることで、ゲッタリングに必要な量のArを含有させることができる。プラズマCVD法では、SiHガスとArガスを材料とし、成膜温度および成膜圧力を共に下げる方向で、成膜されるa−Si膜中のAr濃度が増加する。よりAr濃度を上げるには、基板側にも別バイアスを印加するデュアルバイアスや二周波方式のプラズマCVD装置を用いると、容易にa−Si膜中にAr元素を含ませることができる。本実施形態では、一例として、一般的なプラズマCVD装置を用い、成膜温度を250℃、成膜圧力を20Pa程度とし、膜厚20nmのArを含有するa−Si膜を形成した。このときのa−Si膜中のAr濃度は、5×1019atoms/cm程度であった。また、Ar以外にも、Kr、Xeが同様に利用できる。また、ゲッタリング層に含まれるこれら希ガス元素の濃度としては、1×1019atoms/cm以上3×1021atoms/cm以下の範囲内であることが好ましい。
【0117】
第2に、ゲッタリング層107として、周期表第5族Bに属する元素(本実施形態ではP)を含有するa−Si膜を利用する場合には、プラズマCVD法を用い、シラン(SiH)とフォスフィン(PH)とを材料ガスとして成膜することで、容易にPを含んだa−Si膜が得られる。このときのa−Si膜中におけるPの含有量は、PHガスとSiHガスとの流量比によってコントロールできる。また、P以外に、As、Sbが利用でき、ゲッタリング層に含まれるこれら元素の濃度は、1×1019/cm以上1×1021/cm以下の範囲内であればよい。
【0118】
第3に、ゲッタリング層107として、前述の周期表第5族Bに属する元素(本実施形態ではP)に加え、周期表第3族Bに属する元素(本実施形態ではB)を共に含有するa−Si膜を用いることで、よりゲッタリング能力は高められる。この場合には、プラズマCVD法を用い、成膜材料ガスとして上記2種にジボラン(B)を加えればよい。そして、PHガスとSiHガス及びBガスとの流量比によって、同様にa−Si膜中におけるP及びBの含有量をコントロールできる。このとき、B以外に、Alが利用でき、ゲッタリング層に含まれるこれら元素の濃度は、1.5×1019/cm以上3×1021/cm以下の範囲内であればよい。
【0119】
ゲッタリング層107の成膜前には、水素を含む雰囲気で結晶質ケイ素膜104b表面にプラズマ処理を施し、その後連続して成膜することが望ましい。本実施形態のようにプラズマCVD装置でゲッタリング層を成膜する場合には、材料ガスを切り替えるだけで容易に水素プラズマ処理が行え、その後、大気中に曝すことなく連続してゲッタリング層の成膜が行える。
【0120】
また、ゲッタリング層107の膜厚は、結晶質ケイ素膜104bの膜厚の1/10から2倍の範囲内であることが望ましく、最適には1/5から等倍である。本実施形態では、結晶質ケイ素膜の膜厚を50nmとしているので、ゲッタリング層の厚さは5nm以上100nm以下であることが望ましく、特に10nm以上50nm以下であることが最適である。本実施形態では、ゲッタリング層107の厚さを20nmとした。
【0121】
そして、これを不活性雰囲気下にて第1の加熱処理を行なう。このときの加熱処理方法としては、一般的な炉アニールと高速熱アニール(RTA)を用いることができる。このとき、炉アニールの場合は、500℃以上600℃以下の温度で15分以上4時間以内、RTAの場合は本実施形態では、600℃以上750℃以下の温度で約30秒以上15分以内の加熱処理を行えばよい。本実施形態では、例えば窒素雰囲気にてRTA処理を施した。このときのRTAの条件としては、基板を400℃程度に余熱した状態から、50℃/分以上300℃/分以下の昇温速度で昇温し、例えば670℃の温度で3分の加熱処理を行った。本実施形態においては、抵抗性加熱炉を用いて炉内で温度勾配を持たせ、基板を炉内に挿入する速度をコントロールすることで、上記の温度プロファイルのRTA処理を実現した。このとき、基板は一枚ずつ処理し、処理中において、基板101表面に高温加熱された窒素ガスを均一に吹き付けることで、熱輻射のみでは得られない高速の昇温速度と昇温途中での基板面内の均熱性を得ている。
【0122】
本実施形態で使用したRTA装置の構成を図9に示す。石英チューブ802の上方にヒーター803がゾーン別に設置されている。804は石英シャワープレートで、805が基板ステージとなる。基板ステージ805はピン支持で基板801を支えることで、基板からの熱のやりとりを無くし、基板801の熱容量のみで瞬時加熱が行えるように工夫してある。基板ステージ805は、支柱フランジ806に支えられており、それが矢印809のように上下することによって加熱が行われる。807は、チャンバーを密閉するためのOリングである。石英チューブ上部より窒素ガス808が導入され、シャワープレート804上の溜り部で拡散し加熱され、シャワープレートを通して均一に基板801表面に吹き付けられる。基板801の昇降速度は、基板ステージの上下(矢印809の)速度によりコントロールされる。
【0123】
この加熱処理により、ゲッタリング層107が下層の結晶質ケイ素膜104b中のニッケルを、図1(E)の矢印108に示すように上方向に向かって移動させる。このゲッタリング工程では、まず、結晶質ケイ素膜104b中に固溶しているニッケルがゲッタリング層107に移動することで、ケイ素膜中のニッケル濃度が下がり、膜中に析出しているNiシリサイドが、ケイ素膜中に溶けることで行われる。そして、これらも固溶状態でゲッタリング層107に移動していき、結晶質ケイ素104b中のNiシリサイドは消失し、固溶状態のニッケルの濃度も低減され、結晶質ケイ素膜104cが得られる。その結果、結晶質ケイ素膜204cのニッケル濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ5×1015atoms/cm程度にまで低減されており、ほぼ測定下限レベルであった。また、ここで結晶質ケイ素膜104c中に残留しているニッケルは、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。
【0124】
続いて、図1(F)に示すように、ゲッタリング層107を酸化性ガス雰囲気で加熱処理することにより酸化し、酸化ケイ素膜109とする。このときの酸化処理としては、1気圧を超える比較的高圧の酸化性ガス雰囲気下での加熱処理や、ゲッタリング層107表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付けるRTA処理を用いることができる。このときの酸化性ガスとしては、酸化反応性の高さと安全性の面から水蒸気が最適である。前者の方法では、炉内を5気圧から15気圧の範囲内に水蒸気で加圧し、550℃以上600℃以下で約10分以上2時間以内の加熱処理を行えばよい。また、後者の方法では、高温に加熱された水蒸気ガスを直接的にゲッタリング層表面に吹き付け、650℃以上800℃以下で約5分以上20分以内のRTA処理を行えばよい。このときの昇温及び降温速度としては、共に100℃/分以上であることが望ましい。
【0125】
本実施形態では、図9に示すRTA装置を用い、ゲッタリング層107の酸化を行った。導入ガス808を水蒸気とし、基板を400℃程度に余熱した状態から、100℃/分以上300℃/分以下の昇温速度で昇温し、例えば720℃の温度で10分の加熱処理を行った。これにより、膜厚20nmのゲッタリング層107は酸化され、酸化ケイ素膜109となる。このとき、下層の結晶質ケイ素膜104cもその表層が10nm程度酸化され、膜厚が40nmの結晶質ケイ素膜104dとなった。また、この工程中に、ゲッタリング層107及び結晶質ケイ素膜104cの表層一部の酸化により、過剰のケイ素原子が生じ、それが結晶質ケイ素膜104cへと拡散し、不対結合手(ダングリングボンド)と結合することで、それをターミネートする。その結果、得られる結晶質ケイ素膜104dは、欠陥密度が低減され、より結晶性の高いものとなる。また、結晶質ケイ素膜104dの表面には、結晶方位による酸化速度の違いから、結晶ドメイン間で凹凸が生じており、その高低差は、約2nm以上5nm以下であった。
【0126】
本実施形態では、先ほどの窒素雰囲気におけるゲッタリングのための加熱処理と水蒸気による酸化処理を図9に示す装置を用い、連続して行うことも可能であり、有効である。このときは、RTA処理中に窒素ガスから水蒸気ガスに連続的に切り替えることで、容易に連続処理できる。また、高圧雰囲気での酸化に対しても、同様に雰囲気ガスを切り替えることで、ゲッタリングの熱処理との連続処理は可能である。さらには、加熱条件を最適化することで、水蒸気雰囲気下の加熱処理にてゲッタリングと酸化とを同時に/連続して行うこともできる。
【0127】
そして、酸化ケイ素膜109を全面的にエッチング除去する。このときのエッチャントとしては、十分に下層の結晶質ケイ素膜104dとエッチング選択性のある1:100バッファードフッ酸(BHF)を用い、ウェットエッチングにより行った。
【0128】
以上の工程により、図1(G)に示すように、本発明による半導体膜(結晶質ケイ素膜)104dを得る。
【0129】
図2(A)は、上述した方法によって得られた半導体膜の模式的な平面図である。図2(A)に示すように、半導体膜は複数のドメイン10を有している。各ドメイン10はドメイン境界11で隣接するドメインと接している。
【0130】
図2(B)は、図2(A)の半導体膜のA−A’断面図である。図2(B)では、基板12の上に下地膜15および半導体膜16が順次積層されている。下地膜15は、ここでは、第1下地膜13と第2下地膜14(いずれも酸化窒化ケイ素膜)とから構成されている。図2(B)からわかるように、各ドメイン10は、それぞれ異なる表面の高さを有しているため、半導体膜16の表面はドメイン10の形状に対応した凹凸を有する。このようにドメイン毎に表面の高さが異なる理由は、前述したように結晶方位によって酸化速度が異なるためである。
【0131】
(第2実施形態)
次に、本発明における第2の実施の形態を説明する。本実施形態は、前述の第1実施形態で作製した半導体薄膜(結晶質ケイ素膜)を利用したnチャネル型TFTおよびそれをガラス基板上に作製する方法である。本実施形態のTFTはアクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機EL表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。図3は、ここで説明するnチャネル型TFTの作製工程を示す断面図であり、(A)→(E)の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【0132】
図3(A)は、第1実施形態で述べた方法と同様の方法によって、結晶質ケイ素膜204dを作製した状態を示しており、第1実施形態の図1(G)に相当する。すなわち、ガラス基板201上に第1下地膜202として酸化窒化ケイ素膜が形成され、その上に第2下地膜203として酸化ケイ素膜が形成されている。
そして、第1実施形態により作製された結晶質ケイ素膜204dが形成されている。
【0133】
これを、結晶質ケイ素膜204dの不要な部分を除去して素子間分離を行う。該工程により、図3(B)に示すように、後にTFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の半導体層210が形成される。
【0134】
次に、上記半導体層210を覆うように厚さが20〜150nm(ここでは100nm)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜211として成膜する。酸化ケイ素膜の形成は、ここではTEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともに150℃以上600℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下の基板温度で、RFプラズマCVD法を用いて行う。
あるいはTEOSを原料として、オゾンガスとともに減圧CVD法もしくは常圧CVD法によって、350℃以上600℃以下、好ましくは400℃以上550℃以下の基板温度で形成してもよい。また、成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶質ケイ素膜/ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で500〜600℃で1〜4時間のアニールを行ってもよい。
【0135】
引き続いて、ゲート絶縁膜211上に導電膜をスパッタ法またはCVD法などを用いて堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極212とする。導電膜としては、金属膜、高融点金属膜、低抵抗半導体膜など様々な材料が利用でき、半導体装置としての用途と、後工程での必要プロセス温度等によって選択すればよい。本実施形態では、スパッタリング法によって、厚さ400〜800nm、例えば500nmのアルミニウム(スカンジウム1%含有)を成膜し、パターニングしてゲート電極212を形成した。アルミニウム膜にはスカンジウムやチタン、シリコン等の元素を微量に混ぜることにより高温耐性が向上する。ここで、本実施形態におけるTFTが液晶表示装置等の画素TFTとして適用される場合は、ゲート電極212は、平面的にはゲートバスラインを同時構成している。
【0136】
そして、図3(C)に示すように、イオンドーピング法によって、ゲート電極212をマスクとして半導体層210に低濃度の不純物(リン)213を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1012〜1×1014cm−2、例えば8×1012cm−2とする。この工程により半導体層210において、ゲート電極212に覆われていない領域214には低濃度のリン213が注入され、ゲート電極212にマスクされリン213が注入されない領域は、後にTFTのチャネル領域215となる。
【0137】
続いて、図3(D)に示すように、ゲート電極212を一回り大きく覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク216を設ける。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク216をマスクとして半導体層210に不純物(リン)217を高濃度に注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1015〜8×1015cm−2、例えば2×1015cm−2とする。この工程により、高濃度に不純物(リン)217が注入された領域は、後にTFTのソース・ドレイン領域218となる。そして、半導体層210において、レジストマスク216に覆われ、高濃度のリン217がドーピングされなかった領域は、低濃度にリンが注入された領域として残り、LDD(Lightly Doped Drain)領域219を形成する。このように、LDD領域219を形成することで、チャネル領域とソース/ドレイン領域との接合部における電界集中を緩和でき、TFTオフ動作時のリーク電流を低減できると共に、ホットキャリアによる劣化を抑えることができTFTの信頼性を向上できる。
【0138】
なお、図3(C)における低濃度のリンのドーピングを行わずLDD領域219をノンドープ(イントリンシック)状態で残しても、所謂オフセットゲート構造となり、LDD構造と同様、TFTオフ動作時のリーク電流の低減と、ホットキャリア耐性の向上が図れる。但し、この場合には、オフセット部219の抵抗がより大きくなるので、TFTのオン電流値がLDD構造に比べて低下する。また、このようなLDD構造やオフセットゲート構造を形成する方法として、前述のようにレジストマスクを用いる方法以外に、アルミニウム電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層を形成し、その酸化物層の厚さ(幅)を利用して、上記構造を形成することもできる。また、ゲート電極上に絶縁膜等を成膜し、エッチバックすることで、ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成し、それを利用することもできる。また、本実施形態では、LDD領域219をゲート電極212の外側に形成したが、ゲート電極と一部オーバーラップするような構造(GOLD構造;Gate Overlaped LDD)で形成してもよい。このようにすると、特にホットキャリア劣化抑制に効果がある。
【0139】
そして、ドーピングのためのマスクとして用いたフォトレジスト216を除去した後、基板上方よりレーザー光照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。この際、使用するレーザーとしてはXeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用い、エネルギー密度200〜450mJ/cm、好ましくは250〜350mJ/cmで照射を行った。このとき、チャネル領域215には、上層のゲート電極212がマスクとなってレーザー光を遮るため、レーザー光は照射されない。こうして形成されたN型不純物(リン)領域218のシート抵抗は、200〜500Ω/□であり、低濃度にリンが注入されたLDD領域219のシート抵抗は、30〜50kΩ/□であった。
【0140】
なお、ここではレーザー照射により不純物の活性化を行ったが、ランプ等を熱源として用いるRTA装置や、基板を枚葉で炉内に挿入することによるRTA装置、高温に加熱された不活性ガスを基板表面に吹き付ける方式のRTA装置等を利用してもよい。このようなRTA法を用いる場合には、アルミニウムの耐熱性から600℃以上650℃以下の温度で約30秒以上2分以内の加熱条件で行うことが好ましい。
【0141】
続いて、図3(E)に示すように、厚さが約400nm以上1000nm以下の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜220として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、TEOSを原料として、これと酸素とのプラズマCVD法、もしくはオゾンとの減圧CVD法あるいは常圧CVD法によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。また、SiHとNHを原料ガスとしてプラズマCVD法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、活性領域/ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、TFT特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【0142】
次に、層間絶縁膜220にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってTFTの電極・配線221を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。本TFT222を画素TFTとして用いる場合には、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極には、ITOなど透明導電膜からなる画素電極を設ける。この場合、他方の電極は、ソースバスラインを構成することになり、ソースバスラインを介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン212のゲート信号に基づいて画素電極に必要な電荷が書き込まれる。また、本TFTは薄膜集積回路などにも簡単に応用でき、その場合にはゲート電極212上にもコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。
【0143】
そして最後に、窒素雰囲気あるいは水素雰囲気等で350℃、1時間のアニールを行い、図3(E)に示すTFT222を完成させる。さらに必要に応じて、TFT222を保護する目的で、TFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0144】
以上の実施形態にしたがって作製したTFTは、電界効果移動度が300cm/Vs程度、閾値電圧が1.5V程度と非常に高性能であるにもかかわらず、従来例で問題であったTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が抑制され、単位W当たり0.数pA以下と非常に低い値を安定して示した。この値は、触媒元素を用いずに作成した従来のTFTと比べても全く差が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができた。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高かった。
【0145】
さらに、本実施形態に基づいて作製されたTFTをデュアルゲート構造として液晶表示用アクティブマトリクス基板の画素TFTに適用したところ、従来法により作成したものに比べて表示むらが明らかに少なく、TFTリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。
【0146】
(第3実施形態)
本発明による第3の実施の形態について説明する。本実施形態は、前述の第1実施形態で作製した半導体薄膜(結晶質ケイ素膜)を利用したCMOS構造の回路およびそれをガラス基板上に作製する工程である。本実施形態のCMOS構造の回路は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回路を形成するnチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを相補型に構成したものである。
【0147】
図4は、本実施形態で説明するTFTの作製工程を示す断面図であり、図4(A)から(F)の順にしたがって工程が順次進行する。
【0148】
図4(A)は、第1実施形態で述べた方法にしたがって、結晶質ケイ素膜304dを作製した状態を示しており、第1実施形態の図1(G)に相当する。すなわち、ガラス基板301上に第1下地膜302として酸化窒化ケイ素膜が形成され、その上に第2下地膜303として酸化ケイ素膜が形成されている。そして、第1実施形態により作製された結晶質ケイ素膜304dが形成されている。
【0149】
次に、結晶質ケイ素膜304dの不要な部分を除去して素子間分離を行う。該工程により、図4(B)に示すように、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶質ケイ素膜(半導体層)310nと310pとが形成される。
【0150】
ここで、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTの半導体層の全面に、しきい値電圧を制御する目的で1×1016〜5×1017/cm3程度の濃度でp型を付与する不純物元素としてホウ素(B)を添加してもよい。ホウ素(B)の添加はイオンドープ法で実施しても良いし、非晶質シリコン膜を成膜するときに同時に添加しておくこともできる。
【0151】
次に、上記半導体層310n、310pを覆うように厚さ20〜150nm、ここでは100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜311として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではTEOSを原料とし、酸素とともに基板温度300〜450℃で、RFプラズマCVD法で分解・堆積した。ゲート絶縁膜311には、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0152】
引き続いて、導電膜を堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極312nと312pを形成する。本実施形態では、導電膜として、スパッタリング法によって高融点メタルを成膜した。このときの高融点メタルとしては、タンタル(Ta)あるいはタングステン(W)、モリブデン(Mo)チタン(Ti)から選ばれた元素、または上記元素を主成分とする合金か、上記元素を組み合わせた合金膜(代表的にはMo−W合金膜、Mo−Ta合金膜)で形成すれば良い。また、その他の代替材料として、タングステンシリサイド、チタンシリサイド、モリブデンシリサイドを適用しても良い。本実施形態では、タングステン(W)を用い、厚さが300〜600nm、例えば450nmとした。このとき、低抵抗化を図るために含有する不純物濃度を低減させると良く、酸素濃度を30ppm以下とすることで20μΩcm以下の比抵抗値を実現することができた。
【0153】
次に、図4(C)に示すように、イオンドーピング法によって、ゲート電極312nと312pをマスクとして半導体層に低濃度の不純物(リン)313を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1012〜1×1014cm−2、例えば2×1013cm−2とする。この工程により半導体層310nと310pにおいて、ゲート電極312nと312pに覆われていない領域は低濃度のリン313が注入された領域314n、314pとなり、ゲート電極312n、312pにマスクされ不純物313が注入されない領域は、後にnチャネル型TFTとpチャネル型TFTのチャネル領域315nと315pとなる。
【0154】
次いで、図4(D)に示すように、後のnチャネル型TFTにおいては、ゲート電極312nを一回り大きく覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク316nを設け、後のpチャネル型TFTにおいては、半導体層310p全体を覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク316pを設ける。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク316n、316pをマスクとして半導体層に不純物(リン)317を高濃度に注入する。このとき、ドーピングガスとしてフォスフィン(PH)を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を1×1015〜1×1016cm−2、例えば5×1015cm−2とする。この工程により、nチャネル型TFTの半導体層310nにおいては、高濃度に不純物(リン)317が注入された領域が、後にnチャネル型TFTのソース・ドレイン領域318となり、レジストマスク316nに覆われ、高濃度のリン317がドーピングされなかった領域は、低濃度にリンが注入された領域として残り、LDD(Lightly Doped Drain)領域319を形成する。また、後にpチャネル型TFTにおいては、その半導体層全域がマスク316pにより覆われているため、この工程で高濃度不純物(リン)317は注入されない。このときの領域318におけるn型不純物元素(リン)317の膜中濃度は1×1019〜1×1021/cmとなっている。また、nチャネル型TFTのLDD領域319におけるn型不純物元素(リン)313の膜中濃度は、1×1017〜1×1020/cmとなっており、このような範囲であるときにLDD領域として機能する。
【0155】
次に、レジストマスク316n、316pを除去した後、図4(E)に示すように、また新たに、nチャネル型TFTの半導体層310n全体を覆うようにフォトレジストによるドーピングマスク320を設ける。このとき、pチャネル型TFTの上方にはマスクは設けられず、TFT全体が露呈されている。この状態で、イオンドーピング法によって、レジストマスク320と後のpチャネル型TFTのゲート電極312pをマスクとして、半導体層にp型を付与する不純物(ホウ素)321を注入する。ドーピングガスとして、ジボラン(B)を用い、加速電圧を40kV〜80kV、例えば65kVとし、ドーズ量は1×1015〜1×1016cm−2、例えば7×1015cm−2とする。この工程により、pチャネル型TFTの半導体層において、ゲート電極312pから露呈している領域314pには、高濃度にホウ素321が注入され、先ほどの工程で注入された低濃度のリンを打ち消し(所謂カウンタードーピングにより)、N型からP型に極性を反転させる。その結果、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域322となり、ゲート電極312pにマスクされ不純物が注入されない領域は、後のpチャネル型TFTのチャネル領域315pとなる。該工程において、後のnチャネル型TFTの半導体層310nは、マスク320で全面覆われているため、ホウ素321は全くドーピングされない。
【0156】
n型不純物とp型不純物のドーピングに際しては、このようにドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングし、n型の高濃度不純物領域318とp型の不純物領域322とを作り分けることができる。なお、本実施形態において、半導体層にn型不純物元素から添加したが、工程順は本実施形態に限定されることはなく、実施者が適宜決定すればよい。
【0157】
次いで、レジストマスク320を除去した後、これを不活性雰囲気下にて加熱処理を行う。この加熱処理により、ソース・ドレイン領域及びLDD領域において、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。このとき、本実施形態では、ゲート電極材料として高融点金属(W)を用いているため、比較的高温での加熱処理が可能であり、条件マージンが拡がる。実際に本実施形態では、一般的な拡散炉を用い、窒素雰囲気下にて、500℃以上600℃以下の温度範囲で約30分以上8時間以内の加熱処理を行なった。他にも、ランプ等を熱源として用いるRTA装置や、基板を枚葉で炉内に挿入することによるRTA装置、高温に加熱された不活性ガスを基板表面に吹き付ける方式のRTA装置等を利用してもよい。このようなRTA法を用いる場合には、600℃以上700℃以下の温度で約30秒以上10分以内の加熱条件で行うことが好ましい。この結果、nチャネル型TFTのソース・ドレイン領域318のシート抵抗値は、500〜800Ω/□程度となり、LDD領域319のシート抵抗値は、30〜60kΩ/□となった。また、pチャネル型TFTのソース・ドレイン領域322のシート抵抗値は、1〜1.5kΩ/□程度であった。
【0158】
次いで、図4(F)に示すように、層間絶縁膜を形成する。窒化ケイ素膜、酸化ケイ素膜、または窒化酸化ケイ素膜を400〜1500nm(典型的には600〜1000nm)の厚さで形成する。本実施形態では、膜厚200nmの窒化ケイ素膜323と膜厚700nmの酸化ケイ素膜324とを積層形成し、2層構造とした。このときの成膜方法としては、プラズマCVD法を用い、窒化ケイ素膜はSiHとNHを原料ガスとして、酸化ケイ素膜はTEOSとOを原料として、連続形成した。もちろん、無機層間絶縁膜としては、これに限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造としてよい。
【0159】
さらに、300〜500℃で1〜数時間の熱処理を行い、半導体層を水素化する工程を行う。この工程は、半導体層/ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、TFT特性を劣化させる不対結合手(ダングリングボンド)を終端化し不活性化する工程である。本実施形態では、水素を約3%含む窒素雰囲気下で410℃、1時間の熱処理を行った。層間絶縁膜(特に窒化ケイ素膜323)に含まれる水素の量が十分である場合には、窒素雰囲気で熱処理を行っても効果が得られる。水素化の他の手段としては、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)を行ってもよい。
【0160】
次に、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってTFTの電極・配線325を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。そして最後に、350℃、1時間のアニールを行い、図4(F)に示すnチャネル型TFT326とpチャネル型TFT327とを完成させる。さらに必要に応じて、ゲート電極312nおよび312pの上にもコンタクトホールを設けて、配線325により必要な電極間を接続する。また、TFTを保護する目的で、それぞれのTFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0161】
以上の実施形態にしたがって作製したそれぞれのTFTの電界効果移動度はnチャネル型TFTで250〜300cm/Vs、pチャネル型TFTで120〜150cm/Vsと高く、閾値電圧はnチャネル型TFTで1V程度、pチャネル型TFTで−1.5V程度と非常に良好な特性を示す。しかも、従来例で問題となっていたTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が抑えられ、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られなかった。また、本実施形態で作製したnチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを相補的に構成したCMOS構造回路で、インバーターチェーンやリングオシレーター等の回路を形成した場合、従来のものと比べて非常に信頼性が高く、安定した回路特性を示した。
【0162】
(第4実施形態)
図5を参照しながら、本発明による第4の実施形態の半導体膜および半導体膜の作製方法について説明する。本実施形態では、第1の実施形態で説明した方法とは異なる方法で非晶質半導体膜の結晶化を行う。図5は、本実施形態での作製工程を示す断面図であり、(A)から(I)にしたがって作製工程が順次進行する。
【0163】
まず、第1実施形態と同様に、基板(本実施形態ではガラス基板)401上に、基板からの不純物拡散を防ぐために、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜または酸化窒化ケイ素膜などの下地膜を形成する。本実施形態では、窒化ケイ素膜を下層の第1下地膜402として成膜し、その上に酸化ケイ素膜を第2の下地膜403を積層形成した。このときの第1下地膜402の酸化窒化ケイ素膜の厚さは、例えば100nmとし、第2下地膜403の酸化窒化ケイ素膜の厚さとしては、例えば100nmとした。次に、25nm以上80nm以下の厚さでa−Si膜404を形成する。本実施形態では、プラズマCVD法を用い、厚さが50nmの非晶質ケイ素膜を形成した。この工程は下地絶縁膜と非晶質半導体膜を大気解放しないで連続的に形成しても構わない。
【0164】
次に、酸化ケイ素膜でなるマスク絶縁膜405を200nmの厚さに形成する。マスク絶縁膜は、図5(A)に示すように、半導体膜に触媒元素を添加するための開口部400を有している。
【0165】
次に、図5(B)に示すように、重量換算で100ppmの触媒元素(本実施形態ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素層406を形成する。この時、触媒元素406は、マスク絶縁膜405の開口部400において、選択的にa−Si膜404に接触して、触媒元素添加領域が形成される。
【0166】
また、本実施形態ではスピンコート法でニッケルを添加する方法を用いたが、蒸着法やスパッタ法などにより触媒元素でなる薄膜(本実施形態の場合はニッケル膜)をa−Si膜上に形成する手段をとっても良い。
【0167】
次に、500℃以上650℃以下(好ましくは550℃以上600℃以下)の温度で6〜20時間(好ましくは8〜15時間)の加熱処理を行う。本実施形態では、570℃で14時間の加熱処理を行う。その結果、図5(C)に示すように、触媒元素添加領域400に結晶核が発生し、領域400のa−Si膜がまず結晶化され、結晶質ケイ素膜404aとなる。さらに結晶化領域404aを起点として概略基板と平行な方向(矢印407で示した方向)に結晶化が進行し、巨視的な結晶成長方向が揃った結晶質ケイ素膜404bが形成される。このとき、マスク405上に存在するニッケル406は、マスク膜405に阻まれ、下層のa−Si膜へは到達せず、領域400において導入されたニッケルのみによりa−Si膜404の結晶化が行われる。また、横方向への結晶成長が到達しない領域は非晶質領域404cとして残る。但し、レイアウトによっては、隣接した開口部より横方向に結晶成長した領域とぶつかり合って境界が生じる場合もあり、この場合は非晶質領域とはならない。
【0168】
マスクとして用いた酸化ケイ素膜405を除去した後、得られた結晶質ケイ素膜に、図5(D)で示すようにレーザー光を照射して、第1の実施形態と同様に、結晶性の改善を行ってもよい。これにより、横方向に結晶成長した領域404bの結晶質ケイ素膜は、より高品質化され、結晶質ケイ素膜404dとなる。
【0169】
次に、結晶質ケイ素膜404d表面の自然酸化膜を除去した後、図5(E)に示すように、ゲッタリング層409を形成する。ゲッタリング層の形成に関しては、第1実施形態と同様の方法を用いればよい。
【0170】
そして、これを不活性雰囲気下にて第1の加熱処理を行なう。このときの加熱処理方法としては、一般的な炉アニールまたは高速熱アニール(RTA)を用いることができる。本実施形態では、RTAを用いる。RTAを用いる場合、600℃以上750℃以下の温度で約30秒以上15分以内の加熱処理を行う。炉アニールを用いる場合は、500℃以上600℃以下の温度で約15分以上4時間以内の加熱処理を行うとよい。
【0171】
この加熱処理により、ゲッタリング層409が下層の結晶質ケイ素膜404d中のニッケルを、図5(F)の矢印410に示すように上方向に向かって移動させる。これにより、結晶質ケイ素膜404d中のNiシリサイドは消失し、固溶状態のニッケルの濃度も低減され、ゲッタリングが行われる。そして、ニッケル濃度が低減された結晶質ケイ素膜404eが得られる。
【0172】
続いて、図5(G)に示すように、ゲッタリング層409を酸化性ガス雰囲気で加熱処理することにより酸化し、酸化ケイ素膜411とする。このときの酸化処理としては、第1実施形態と同様に、酸化性ガスとして水蒸気を用い、1気圧を超える高圧の酸化性ガス雰囲気下での加熱処理や、ゲッタリング層409表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付けるRTA処理を用いればよい。この工程により、結晶質ケイ素膜404eは、欠陥密度が低減され、より結晶性の高い結晶性ケイ素膜404fとなる。また、結晶質ケイ素膜404fの表面には、結晶方位による酸化速度の違いから、結晶ドメイン間で凹凸が生じている。
【0173】
そして、図5(H)に示すように、酸化ケイ素膜411を全面的にエッチング除去し、目的とする高品質な結晶質ケイ素膜404fを得る。そして、図5(I)に示すように、この横方向に結晶成長した領域404fの結晶質ケイ素膜を所定の形状にエッチングして、後のTFTの半導体層412を形成する。
【0174】
このような本実施形態で示した結晶化方法を第1から第3の実施形態における結晶化工程に適応することで、より電流駆動能力の高い高性能なTFTを実現することができる。
【0175】
(第5実施形態)
本実施形態の半導体装置はアクティブマトリクス基板である。図6(A)および(B)は、本実施形態のアクティブマトリクス基板のブロック図を示す。
【0176】
図6(A)には、アナログ駆動を行うための回路構成が示されている。本実施形態は、ソース側駆動回路50、画素部51およびゲート側駆動回路52を有している半導体装置について示している。なお、本明細書中において、駆動回路とはソース側処理回路およびゲート側駆動回路を含めた総称を指している。
【0177】
ソース側駆動回路50は、シフトレジスタ50a、バッファ50b、サンプリング回路(トランスファゲート)50cを設けている。また、ゲート側駆動回路52は、シフトレジスタ52a、レベルシフタ52b、バッファ52cを設けている。また、必要であればサンプリング回路とシフトレジスタとの間にレベルシフタ回路を設けてもよい。
【0178】
また、本実施形態において、画素部51は複数の画素からなり、その複数の画素各々がTFT素子を含んでいる。
【0179】
なお、図示していないが、画素部51を挟んでゲート側駆動回路52の反対側にさらにゲート側駆動回路を設けても良い。
【0180】
また、図6(B)には、デジタル駆動を行うための回路構成が示されている。
本実施形態は、ソース側駆動回路53、画素部54およびゲート側駆動回路55を有している半導体装置について示している。デジタル駆動させる場合は、図6(B)に示すように、サンプリング回路の代わりにラッチ(A)53b、ラッチ(B)53cを設ければよい。ソース側駆動回路53は、シフトレジスタ53a、ラッチ(A)53b、ラッチ(B)53c、D/Aコンバータ53d、バッファ53eを設けている。また、ゲート側駆動回路55は、シフトレジスタ55a、レベルシフタ55b、バッファ55cを設けている。また、必要であればラッチ(B)53cとD/Aコンバータ53dとの間にレベルシフタ回路を設けてもよい。
【0181】
なお、上記構成は、前述の実施形態1〜4に示した製造工程に従って実現することができる。また、本実施形態では画素部と駆動回路の構成のみ示しているが、本発明の製造工程に従えば、メモリやマイクロプロセッサをも形成しうる。
【0182】
(第6実施形態)
本実施形態の半導体装置は、上述の実施形態で形成されたCMOS回路や画素部を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置、およびそのような液晶表示装置を表示部として有する電気器具全てである。
【0183】
その様な電気器具としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター(リア型またはフロント型)、ヘッドマウントディスプレイ(ゴーグル型ディスプレイ)、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。
【0184】
本実施形態では、触媒元素を用いた良好な結晶性を有する結晶質半導体膜を形成することができ、さらに十分に触媒元素をゲッタリングできるため、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとの特性を向上させ、信頼性の高い、安定した回路特性の、良好なCMOS駆動回路を実現することができる。また、オフ動作時のリーク電流が問題となる画素におけるスイッチングTFTや、アナログスイッチ部のサンプリング回路のTFT等でも、触媒元素の偏析によると考えられるリーク電流の発生を十分に抑制することができる。その結果、表示ムラのない良好な表示が可能になる。また表示ムラがない良好な表示であるため、光源を必要以上に使用する必要がなく無駄な消費電力を低減することができ、低消費電力化も可能な電気器具(携帯電話、携帯書籍、ディスプレイ)を実現することができる。
【0185】
以上の様に、本発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電気器具に適用することが可能である。また、本実施形態の電気器具は上記の実施形態を組み合わせて作製された表示装置を用いて実現することができる。
【0186】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0187】
例えば、本発明で対象となる半導体膜としては、前述した実施形態で示した純粋なケイ素膜以外に、ゲルマニウムとケイ素との混成膜(シリコン・ゲルマニウム膜)や純粋なゲルマニウム膜も利用できる。
【0188】
また、ニッケルを導入する方法としては、ニッケル塩を溶かせた溶液で非晶質ケイ素膜表面を塗布する方法を採用したが、非晶質ケイ素膜成膜前に下地膜表面にニッケルを導入し、非晶質ケイ素膜下層よりニッケルを拡散させ結晶成長を行わせる方法でもよい。また、ニッケルの導入方法としても、その他、様々な手法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶かせる溶媒としてSOG(スピンオングラス)材料を用い、SiO膜より拡散させる方法もある。また、スパッタリング法や蒸着法、メッキ法により薄膜形成する方法や、イオンドーピング法により直接導入する方法なども利用できる。
【0189】
なお、上述の実施形態では、基板の全面に形成した非晶質ケイ素膜の全体を結晶化させて結晶質半導体膜を作製しているが、本発明はこれに限定されず、基板の一部または複数の領域のそれぞれに、上述したような方法で結晶質半導体膜を作製してもよい。
【0190】
上述したように、本発明では、製造プロセスマージンが大きく、製造歩留まりが高く、且つゲッタリング効果の優れる安定したゲッタリング方法を用いる。そのため、触媒元素を用いて作製された良好な結晶性を有する結晶質半導体膜において、結晶質半導体膜自体にエッチング等のダメージを与えることなく、安定してその半導体膜に含まれる触媒元素濃度を大幅に低減することができる。そのような半導体膜を用いると、リーク電流の発生を抑制し、且つ信頼性を向上することができ、さらに、特性ばらつきも少ない安定した特性の高性能半導体装置(TFT、アクティブマトリクス基板、液晶表示装置、電気器具などを広く含む)が実現できる。また、そのような半導体装置の製造工程において良品率を大きく向上できると共に、製造コストを低減することができる。
【0191】
【発明の効果】
本発明によると、触媒元素の含有量が十分に低減された、信頼性の高い結晶質半導体膜を提供できる。また、そのような半導体膜を、製造工程や製造コストを増やすことなく簡便に製造する方法を提供できる。さらに、上記半導体膜を活性層として用いることにより、高性能半導体装置(TFT含む)が実現でき、また、集積度の高い高性能半導体装置を簡便に製造できる。
【0192】
特に、本発明を液晶表示装置(同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板)に適用すると、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチングTFTのスイッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するTFTに要求される高性能化・高集積化を同時に満足し、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が実現できるので有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)から(G)は、本発明の第1実施形態の半導体膜の作製方法を説明するための模式的な工程断面図である。
【図2】(A)および(B)は、本発明の第1実施形態の半導体膜の模式的な平面図および断面図である。
【図3】(A)から(E)は、本発明の第2実施形態の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための模式的な工程断面図である。
【図4】(A)から(F)は、本発明の第3実施形態のCMOS構造の回路の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図5】(A)から(I)は、本発明の第4実施形態の半導体膜の作成方法を説明するための模式的な断面図である。
【図6】(A)および(B)は、本発明の第5実施形態のアクティブマトリクス基板のブロック図である。
【図7】非晶質半導体膜に触媒元素を添加して結晶化させた場合における、(A)は結晶成長を示す図であり、(B)は〈111〉晶帯面を示す図であり、(C)は結晶方位の標準三角形を示す図である。
【図8】(A)及び(B)は触媒元素を利用することにより得られた結晶質半導体膜の面方位分布を示す図であり、(C)は結晶方位の標準三角形を示す図である。
【図9】本発明の実施形態で使用したRTA装置の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
10 ドメイン
11 ドメイン境界
12 基板
13、14 酸化窒化ケイ素膜
15 下地膜
16 半導体膜
101 基板
102、103 下地膜
104 非晶質ケイ素膜
104a、104b 結晶質ケイ素膜
107 ゲッタリング層(非晶質ケイ素膜)
108 触媒元素の移動方向
109 酸化されたゲッタリング層(酸化ケイ素膜)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor film used for a thin film transistor (hereinafter, sometimes abbreviated as “TFT”) and the like, and a method for manufacturing the same, and further relates to a semiconductor device using the semiconductor film. In particular, the present invention can be used for an active matrix type liquid crystal display device, organic EL display device, contact image sensor, three-dimensional IC, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, large-scale, high-resolution liquid crystal display devices and organic EL display devices, high-speed, high-resolution contact-type image sensors, and three-dimensional ICs have been developed on glass or other insulating substrates or insulating films. Attempts have been made to form high performance semiconductor devices. In particular, a liquid crystal display device in which a pixel portion and a driver circuit are provided over the same substrate has begun to enter not only a monitor for a personal computer (PC) but also into general households. For example, instead of a CRT (Cathode-Ray Tube), a liquid crystal display as a television, and a front projector for watching a movie or playing a game as entertainment are introduced into ordinary households. The market for equipment is growing at a considerable rate. Further, the development of a system-on-panel in which a logic circuit such as a memory circuit or a clock generation circuit is built on a glass substrate has been actively promoted.
[0003]
The amount of information to be written to pixels for displaying high-resolution images is increasing. If the information is not written in a short time, it is impossible to display a moving image of an image having a huge amount of information for high-definition display. Therefore, high-speed operation is required for the TFT used in the drive circuit. In order to enable high-speed operation, it is required to realize a TFT using a crystalline semiconductor film having good crystallinity and capable of obtaining high field-effect mobility.
[0004]
As a method for obtaining a good crystalline semiconductor film over a glass substrate, the present inventors have proposed a method in which a metal element having a function of accelerating crystallization is added to an amorphous semiconductor film and then heat treatment is performed. We are developing a technology to obtain a good semiconductor film with uniform crystal orientation by heat treatment at lower temperature and shorter time.
[0005]
However, a TFT manufactured using a crystalline silicon film obtained using a catalytic element as a semiconductor layer as it is has a problem that off-current is suddenly increased. Irregular segregation of the catalytic element in the semiconductor film, particularly this segregation is remarkably confirmed at the crystal grain boundaries. This segregation of the catalytic element becomes a current escape path (leakage path). It is thought that it is causing a significant increase. Therefore, after the step of forming the crystalline silicon film, it is necessary to move the catalyst element from within the semiconductor film to reduce the concentration of the catalyst element in the semiconductor film. Hereinafter, the step of removing the catalyst element is referred to as a gettering step.
[0006]
Various processes and methods have been proposed for the gettering process and gettering method. In general, a gettering region having a gettering function is formed, and a catalytic element is moved to the gettering region to reduce a catalytic element concentration in an active region (semiconductor layer) of a semiconductor device. The relationship between the semiconductor layer and the gettering region can be divided into the following three methods.
[0007]
{Circle around (1)} In the crystalline semiconductor film, a gettering region is formed in a region other than a region to be a semiconductor layer, and a catalytic element is moved there.
[0008]
{Circle around (2)} A gettering region is formed in the semiconductor layer, and the catalytic element is moved to the gettering region, so that only a portion (such as a channel region) where the remaining catalytic element is particularly problematic in the semiconductor layer is obtained.
[0009]
{Circle around (3)} In the state of the crystalline semiconductor film, a gettering layer is formed on the upper surface thereof, and the catalytic element is moved in a direction perpendicular to the film surface.
[0010]
Among these methods, in the above method (1), in order to allow a region other than the semiconductor layer to function as a gettering region in the crystalline semiconductor film, selective use of an element having a gettering effect (gettering element) is performed. It is necessary to perform a proper introduction. Therefore, a photolithography process for forming a mask at that time, a doping process for introducing a gettering element, and the like are increased, resulting in an increase in manufacturing cost and a reduction in manufacturing yield. Further, since the catalyst element is moved to a region other than the semiconductor layer, the distance required for the movement of the catalyst element (gettering distance) is increased, and a long time is required for the heat treatment for the gettering movement. In this case, not only the tact time of the apparatus is increased and the manufacturing cost is increased, but also a large glass substrate or the like is at a level where thermal deformation of the substrate cannot be dealt with, and it is even difficult to manufacture.
[0011]
Further, the method (2) is advantageous in that the use of the source / drain region as a gettering region eliminates the need for an additional step for gettering, thereby simplifying the manufacturing process. Is big. However, in the doping process at this time, it is necessary to satisfy both the conditions as the source / drain regions and the gettering, and the process margin becomes very small. Further, since heat treatment for gettering is performed after the formation of the semiconductor layer, the problem of shrinkage in the glass substrate is large, and it is difficult to perform heat treatment sufficient for gettering. Therefore, in this method, the degree of freedom of the process after the formation of the semiconductor layer is greatly limited due to gettering, and the condition margin of each step is small.
[0012]
In contrast to these methods, in the method (3), gettering is performed in the vertical direction in a state where the crystalline semiconductor film is formed on the entire surface of the substrate (a stage before the first photolithography step). Although some additional steps for gettering are required, the heat treatment conditions for gettering can be set regardless of the shrinkage of the glass substrate, and sufficient heat treatment is possible. Further, the required gettering distance is sufficient only in the thickness direction of the crystalline semiconductor film. Further, since gettering can be completed in the state of the crystalline semiconductor film, a process with a high degree of freedom can be constructed without considering a gettering step in a later step. From such a viewpoint, the advantage of the method (3) is great.
[0013]
Gettering methods using the method (3) are described in Patent Documents 1, 2 and 3.
[0014]
Patent Document 1 discloses a method of transferring a catalytic element into an oxide film by thermally oxidizing the surface of a single crystal silicon film crystallized with a catalytic element using an SOI substrate. . Thereafter, gettering of the single crystal silicon film is completed by removing the oxide film formed by thermal oxidation. According to Patent Document 1, the oxidizing atmosphere at this time is an atmosphere containing a halogen element, and the catalytic element is vaporized and removed by the action, and is moved into the thermal oxide film and gettered.
[0015]
In Patent Documents 2 and 3, a barrier layer is formed on a semiconductor film crystallized by a catalyst element, and a second semiconductor film and a third semiconductor film containing a gettering element (a gettering element) are further formed thereon. A method is disclosed in which a catalyst element is transferred from a lower semiconductor film through a barrier layer to a second semiconductor film and then to a third semiconductor film by performing heat treatment after forming a stacked layer. Then, gettering of the catalytic element is performed by removing the third semiconductor film / second semiconductor film / barrier layer. At this time, in Patent Document 2, a rare gas element is used as a gettering element, and the third semiconductor film contains a rare gas element. In Patent Document 3, one conductivity type impurity (such as phosphorus) is used as a gettering element, and the third semiconductor film contains one conductivity type impurity. In these patent documents, the second semiconductor film is provided, which prevents the gettering element contained in the third semiconductor layer from diffusing into the first semiconductor film crystallized by the catalyst element. It is provided for the purpose of prevention, and may not be provided in some cases.
[0016]
[Patent Document 1]
JP-A-10-64817
[Patent Document 2]
JP-A-2002-246394
[Patent Document 3]
JP-A-2002-246395
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, the gettering techniques disclosed in Patent Literatures 1 to 3 are not yet satisfactory, and have some problems.
[0018]
First, Patent Document 1 has a fundamental problem that the gettering effect is not sufficient and the residual amount of the catalyst element cannot be sufficiently reduced. The present inventors have actually confirmed that the catalyst element in the crystalline semiconductor film after gettering can be reduced to only about 1/3 of the initial amount by the method described in Patent Document 1. .
The reason is that the diffusion coefficient of the catalytic element (typically nickel) in the oxide film is at least three orders of magnitude smaller than the diffusion coefficient in the semiconductor film. However, the main gettering action is NiCl 2 And NiF 2 It is considered that it is vaporized in the form as shown below. Such a reaction system has a certain effect on the film surface, but it is difficult to reduce the catalyst element concentration in the entire semiconductor film. Further, in order to sufficiently promote such a reaction, a high temperature of 1000 ° C. or more is required, and this is not a process that can use a glass substrate.
[0019]
Further, as another problem, in the method of Patent Document 1, the semiconductor film crystallized by the catalytic element is directly thermally oxidized. , The catalyst element is a silicide compound (eg, NiSi 2 ) Exists locally. Since the silicide compound has a higher oxidation rate with respect to the semiconductor film, oxidation is locally advanced in that region, and there is a problem that pits (small holes) are generated in the semiconductor film at the stage of removing the thermal oxide film. The size of the pit is as large as several μm or more, and the semiconductor layer of the TFT may be disconnected due to this. Therefore, the method of Patent Document 1 has many problems as described above, and in particular, it cannot be implemented at all by a TFT process using a cheap and large glass substrate.
[0020]
On the other hand, when Patent Document 2 or Patent Document 3 is used, it can be confirmed that the concentration of the catalyst element in the semiconductor film can be reduced to 1/1000 or less in the temperature range where the glass substrate can be used. It has a very good gettering ability. However, it was found that there were many problems from the viewpoint of the manufacturing method and the yield.
[0021]
First, problems concerning the film quality, film thickness, and formation method of the barrier layer will be described. The barrier layer is provided for the purpose of an etching stopper of the upper gettering film, and the catalyst element moves to the upper gettering film through the barrier layer. As the barrier layer, an extremely thin oxide film is used. However, since the diffusion of the catalytic element in the oxide film is extremely slow, if the oxide film is dense and thick, the catalytic element cannot move to the upper layer. Conversely, when a porous and thin film is used, it does not function as an etching stopper, and the lower semiconductor film is etched when the upper gettering layer is etched. Since this condition is extremely difficult and requires an unstable state, it cannot be controlled with a sufficient process margin, which causes a large problem in yield. Even if the optimal conditions can be set, the heat treatment conditions for the gettering movement are determined by the barrier layer (oxide film) having the slowest diffusion movement speed, and the gettering distance can be set to the thickness of the semiconductor film. Regardless, a long heat treatment is required.
[0022]
Further, as a second problem, peeling (film peeling) of the gettering layer is very likely to occur. Since the underlying barrier layer is in a half-finished state as a film, it is difficult to enhance the adhesion to the upper gettering layer. If there is a minute hole due to peeling in the gettering layer, the etchant etches the underlying semiconductor film therefrom, and a small hole is also formed in the semiconductor film, which causes a reduction in manufacturing yield. Since dust in the gettering layer also exerts a similar effect, there is a problem in using a sputtered film having high adhesion but a large amount of dust.
[0023]
A third problem is a problem of an etching residue in the etching of the gettering layer. Since a very high selectivity is required between the gettering layer and the barrier layer, a strong alkali solution that is not usually used is used as an etchant.
It is known that the etching of the silicon film by the strong alkali is unstable, and the etching action stops when the oxidizing component increases even a little during the etching, and that the etching rate is largely changed by the fluctuation of the liquid. As a result, in the gettering layer containing a silicon film as a main component, an etching residue is very easily generated. As a countermeasure, if the etching time is extended, the barrier layer is damaged, and the underlying semiconductor layer is also etched, which cannot be solved simply by extending the time. If there is an etching residue of the gettering layer, the channel surface of the TFT semiconductor layer will be formed by the gettering layer in that region, and normal electrical characteristics cannot be expected at all.
[0024]
Therefore, when the technology of Patent Document 2 or Patent Document 3 is used, a high-performance TFT element can be partially produced stochastically, but the manufacturing process margin is extremely small, and as a result, the defect rate increases. Therefore, it is difficult to apply these techniques to mass production of TFT elements.
[0025]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a highly reliable crystalline semiconductor film in which the content of a catalytic element is sufficiently reduced, and a semiconductor device using the same. Another object of the present invention is to provide a method for easily manufacturing such a semiconductor film without increasing a manufacturing process or manufacturing cost.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor film of the present invention is a semiconductor film having a plurality of crystal domains, wherein the plurality of crystal domains are mainly constituted by a region in which a <111> crystal zone plane of a crystal is oriented, and a surface of the semiconductor film is formed. The height is different for each of the plurality of crystal domains, thereby achieving the above object.
[0027]
In a preferred embodiment, 50% or more of the regions where the <111> crystal zone plane is oriented are (110) plane-oriented or (211) plane-oriented regions.
[0028]
It is preferable that the domain diameter of the plurality of crystal domains is 2 μm or more and 10 μm or less.
[0029]
In a preferred embodiment, at least a part of the semiconductor film contains a catalyst element for promoting crystallization of the amorphous semiconductor film.
[0030]
It is preferable that the catalyst element does not precipitate as a compound but exists as a solid solution in the semiconductor film.
[0031]
Preferably, the catalyst element is nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium ( Os), iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au).
[0032]
The catalyst element is 1 × 10 14 atoms / cm 3 More than 1 × 10 17 atoms / cm 3 Preferably, it is contained in at least a part of the semiconductor film at the following concentration.
[0033]
The semiconductor film may be formed with silicon (Si) as a main component.
[0034]
In one preferred embodiment, the catalyst element promotes crystallization of the amorphous semiconductor film by forming a silicide compound.
[0035]
The thickness of the semiconductor film is preferably 25 nm or more and 80 nm or less.
[0036]
The method of manufacturing a semiconductor film according to the present invention includes: (1) a step of preparing a first semiconductor film including a catalytic element for promoting crystallization of an amorphous semiconductor film and having a crystalline region; Providing a second semiconductor film in contact with the first semiconductor film; and (3) performing a first heat treatment on the first semiconductor film to remove the catalyst element present in the first semiconductor film from the first semiconductor film. (2) a step of transferring to the second semiconductor film; (4) a step of oxidizing the second semiconductor film; and (5) a step of removing the oxidized second semiconductor film. The above object is achieved.
[0037]
In a preferred embodiment, the step (1) includes (1a) a step of preparing an amorphous semiconductor film containing the catalyst element, and (1b) performing a second heat treatment on the amorphous semiconductor film. Thereby forming the first semiconductor film.
[0038]
Preferably, between the step (1) and the step (2), a step of removing a natural oxide film formed on a surface of the first semiconductor film is further included.
[0039]
The second semiconductor film is preferably in an amorphous state.
[0040]
It is preferable that the second semiconductor film contains a gettering element that attracts the catalyst element.
[0041]
The gettering element may include at least one rare gas element selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe.
[0042]
The gettering element may include at least one element selected from the group consisting of P, As, and Sb.
[0043]
The gettering element may include at least one element selected from the group consisting of P, As, and Sb, and at least one element selected from the group consisting of B and Al.
[0044]
The step (3) preferably includes a step of performing the first heat treatment while maintaining the amorphous state of the second semiconductor film.
[0045]
The step (4) may include a step of performing a third heat treatment on the second semiconductor film in an oxidizing gas atmosphere.
[0046]
The third heat treatment step may be performed in a high-pressure atmosphere exceeding 1 atm.
[0047]
The third heat treatment step may include a rapid thermal annealing (RTA) for blowing a heated oxidizing gas onto the surface of the second semiconductor film.
[0048]
Water vapor may be used as the oxidizing gas in the third heat treatment step.
[0049]
In a preferred embodiment, the thickness of the second semiconductor film is in a range from 1/10 to 2 times the thickness of the first semiconductor film.
[0050]
In a preferred embodiment, the step (2) includes exposing a surface of the first semiconductor film to a plasma atmosphere containing hydrogen, and exposing the first semiconductor film exposed to the plasma atmosphere to the atmosphere. Forming the second semiconductor film on the first semiconductor film.
[0051]
In a preferred embodiment, in the step (4), in addition to the second semiconductor film, a part of a lower first semiconductor film is also oxidized, and in the step (5), the oxidized second semiconductor film is formed. In addition to the semiconductor film, the oxidized part of the first semiconductor film is also removed.
[0052]
In the step (4), the amount of dangling bonds of semiconductor atoms in the first semiconductor film is preferably reduced.
[0053]
The first heat treatment step of the step (3) and the third heat treatment step of the step (4) may be continuously performed.
[0054]
The first heat treatment and the third heat treatment may be performed simultaneously.
[0055]
The step (5) may include a step of removing the second semiconductor film by wet etching using an acid containing hydrogen fluoride.
[0056]
In a preferred embodiment, the step (1a) includes the step of forming an amorphous semiconductor film, and the step of applying the solution containing the catalyst element to the surface of the amorphous semiconductor film to thereby contain the catalyst element. Forming a first semiconductor film to be formed.
[0057]
Preferably, the step (1a) includes a step of obtaining the amorphous semiconductor film containing the catalyst element by selectively adding the catalyst element to a part of the amorphous semiconductor film. 1b) includes a step of obtaining the first semiconductor film by growing the amorphous semiconductor film in a lateral direction from a region where the catalytic element is selectively added to a peripheral portion thereof.
[0058]
Nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), It is preferable to use at least one element selected from the group consisting of iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au).
[0059]
A step of irradiating the first semiconductor film with a laser beam may be performed between the step (1b) and the step (2).
[0060]
Another semiconductor film of the present invention is manufactured by the above-described manufacturing method.
[0061]
The semiconductor device of the present invention is configured using the above-described semiconductor film as an active region.
[0062]
Another semiconductor device of the present invention includes a thin film transistor (TFT) using the above-described semiconductor film as an active region (semiconductor layer).
[0063]
An electronic device according to the present invention includes the above-described semiconductor device.
[0064]
Another electronic device of the present invention includes a display portion including a plurality of pixels, and a display signal is supplied to the plurality of pixels via the above-described semiconductor device.
[0065]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present embodiment, a first step of preparing a first amorphous semiconductor film containing a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film, A second heat treatment to form a crystalline semiconductor film; a third step of providing a second semiconductor film so as to be in contact with the crystalline semiconductor film; and a first heat treatment. Performing a fourth step of moving a catalyst element present in the crystalline semiconductor film to the second semiconductor film, a fifth step of oxidizing the second semiconductor film, and a step of oxidizing the second semiconductor film. And a sixth step of removing the second semiconductor film. Here, the crystalline semiconductor film has a reduced catalytic element concentration and can be used later as a semiconductor layer (active region) of a semiconductor device. The second semiconductor film functions as the gettering layer described above.
[0066]
It is preferable to include a step of removing a natural oxide film on the surface of the crystalline semiconductor film between the second step and the third step.
[0067]
That is, in this embodiment, the natural oxide film on the crystalline semiconductor film is removed and the second semiconductor layer is provided so as to be in contact with the crystalline semiconductor film without providing the barrier layer which has been a problem in the conventional method. Thus, the problem in the barrier layer can be solved, the catalyst element can be smoothly moved to the gettering layer (the second semiconductor film), the gettering ability can be increased, and the heat treatment time for gettering can be shortened. . In addition, even when the second semiconductor film as the upper layer is formed, the adhesion to the lower layer is increased, and the condition margin in which peeling does not occur is significantly increased. Then, by oxidizing and removing the gettering layer (second semiconductor film), selective etching without unevenness can be performed, and a problem of an etching residue which becomes a problem when the above-described etching with a strong alkali is used. Does not occur.
[0068]
In addition, since the catalyst element is transferred to the gettering layer and the gettering layer is oxidized and removed, the oxidation step after the catalyst element concentration in the lower crystalline semiconductor film is sufficiently reduced is performed. Thus, there is no problem associated with oxidation (low gettering ability or small holes due to local oxidation of silicide) as described in Patent Document 1. In addition, since the oxidation step is intended only for the oxidation, not for the reaction by the halogen element, the treatment can be performed in a temperature range where the glass substrate can be used.
[0069]
In this embodiment, the second semiconductor film serving as the gettering layer is preferably in an amorphous state. Then, in the fourth step, the first heat treatment is preferably performed while maintaining the amorphous state of the second semiconductor film.
[0070]
Further, the second semiconductor film preferably contains a gettering element having an effect of attracting a catalytic element. The gettering element is, for example, one or more rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe. Alternatively, the gettering element may be one or more elements belonging to Group 5 B of the periodic table selected from P, As, and Sb. Alternatively, as the gettering element, one or more kinds of elements belonging to Group 5B of the periodic table selected from P, As, and Sb, and one or more kinds of elements belonging to Group 3B of the periodic table selected from B and Al Can be used together.
[0071]
The mechanism of the movement of the catalyst element by gettering is to increase the segregation coefficient of the catalyst element in the gettering layer and to use the force to move the catalyst element from the lower crystalline semiconductor film. In the lower crystalline semiconductor film crystallized by the catalytic element, not all exist in a solid solution state in the semiconductor film, but most of the crystalline semiconductor film is precipitated as a semiconductor compound. The diffusion and transfer of nickel to the gettering layer below the solid solubility of the catalytic element in the semiconductor film, causing the semiconductor compound of the catalytic element deposited in the crystalline semiconductor film to form a solid solution and disappear. Gettering is performed.
[0072]
As a mechanism for increasing the segregation coefficient of the catalyst element in the gettering layer at this time, an action of increasing the solid solubility for the catalyst element from that of the lower semiconductor film and moving the catalyst element there (first gettering action); There is a function (second gettering function) of forming a defect or a local segregation site that traps the catalyst element and moving and trapping the catalyst element there. As described above, the effect of the second gettering action can be obtained by setting the second semiconductor film serving as the gettering layer in an amorphous state. By performing the first heat treatment for gettering movement while maintaining the amorphous state of the second semiconductor film, the gettering layer can maintain high gettering ability over the entire period of the heat treatment. As a result, the concentration of the catalytic element in the lower crystalline semiconductor layer can be further reduced. If the gettering layer is crystallized during this heat treatment, the gettering action thereafter becomes small, and the catalyst element once moved may flow back.
[0073]
In addition, the first or second gettering action can be further enhanced by including a gettering element having a gettering effect in the second semiconductor film which is a gettering layer. At this time, it is known that the action differs depending on the type and combination of the gettering elements.
[0074]
When one or more rare gas elements selected from Ar, Kr, and Xe are used as the gettering elements, a large interstitial distortion occurs in a place where these rare gas elements are present in the gettering layer, resulting in a defect. -The second gettering action by the segregation site works very strongly. At this time, the concentration of the rare gas element contained in the gettering layer is 1 × 10 19 atoms / cm 3 3 × 10 or more 21 atoms / cm 3 Within the following range, sufficient gettering efficiency can be obtained.
[0075]
When one or more elements belonging to Group V of the periodic table B selected from P, As, and Sb are used as the gettering elements, the solid solubility of the gettering layer with respect to the catalytic element increases, That is, the gettering is moved using the above-described first gettering action. Among these elements, phosphorus is particularly effective. At this time, the concentration of these impurity elements contained in the gettering layer is 1 × 10 19 atoms / cm 3 More than 1 × 10 21 atoms / cm 3 When the concentration is within the following range, a sufficient gettering efficiency can be obtained.
[0076]
Further, in addition to one or more kinds of elements belonging to Group 5 of the Periodic Table B selected from P, As, and Sb as the gettering elements, one or more kinds of Periodic Table 3 selected from B and Al are added. It is known that when the element belonging to Group B is used together, only the element belonging to Group V has a gettering ability. However, when the element belonging to Group B is also introduced, a larger gettering effect can be obtained. . If the gettering layer contains, for example, not only phosphorus but also boron, the gettering mechanism changes, and in the case of only phosphorus, diffusion transfer utilizing the difference in solid solubility of the catalytic element with the underlying crystalline semiconductor film. Although the gettering is the type gettering (the first gettering action described above), the inclusion of boron additionally makes it easier for the catalyst element to be precipitated in the gettering layer, and the gettering to defects or segregation sites (described above). Of the second gettering effect) becomes dominant, and the effect is synergistically enhanced. At this time, the concentration of the impurity element contained in the gettering layer is 1 × 10 5 19 atoms / cm 3 More than 1 × 10 21 atoms / cm 3 The following concentration, the element belonging to Group 3 B of the periodic table is 1.5 × 10 19 atoms / cm 3 3 × 10 or more 21 atoms / cm 3 It is desirable that the concentration be within the following range, and within this range, high gettering efficiency can be obtained.
[0077]
In the present embodiment, in the third step of providing the second semiconductor film to be a gettering layer, the surface of the lower crystalline semiconductor film is exposed to a plasma atmosphere containing hydrogen and then exposed to the atmosphere. Preferably, the second semiconductor film is formed over the crystalline semiconductor film. Even after the treatment with hydrofluoric acid, a slight natural oxide film is formed on the surface of the lower crystalline semiconductor film due to the residence time and the like. If the gettering layer is formed in such a state, it causes peeling of the gettering layer and lowers the gettering efficiency. Therefore, in order to completely remove the natural oxide film, it is effective to expose the gettering layer to a plasma atmosphere containing hydrogen before forming the gettering layer, whereby the natural oxide film is removed by etching. In addition, since the process is a plasma process, the gettering layer can be continuously formed without being exposed to the air.
[0078]
Next, the fifth step in this embodiment can be performed by performing a third heat treatment on the second semiconductor film in an oxidizing gas atmosphere. At this time, the third heat treatment in an oxidizing gas atmosphere is preferably performed in a high-pressure atmosphere exceeding 1 atm. Alternatively, the third heat treatment in an oxidizing gas atmosphere may be performed by rapid thermal annealing (RTA) in which a heated oxidizing gas is blown onto the surface of the second semiconductor film. Further, it is preferable to use steam as the oxidizing gas in the third heat treatment.
[0079]
In the present embodiment, since the purpose is to oxidize and remove the second semiconductor film that is the gettering layer, it is necessary to oxidize at least the entire second semiconductor film. The thickness of the second semiconductor film in this embodiment is preferably in the range of 1/10 to 2 times the thickness of the first amorphous semiconductor film (crystalline semiconductor film). The thickness of the first amorphous semiconductor film in the present embodiment is desirably in the range of 25 nm or more and 80 nm or less from the viewpoint of crystal growth. In the layer, the gettering ability required in the present embodiment can be secured. If it is twice or less, it is possible to suppress the etching damage and the non-uniform film reduction of the lower crystalline semiconductor film at the time of removal by oxidation to the extent that there is no problem. However, more preferably, the thickness of the second semiconductor film is 1/5 or more and equal to or less than 1 times the thickness of the first amorphous semiconductor film, and is substantially 10 nm or more and 50 nm or less.
[0080]
That is, in the present embodiment, it is necessary to oxidize the second semiconductor film having a certain thickness in such a range. desirable. However, at this time, in consideration of the heat resistance of the glass substrate, it is not possible to use a thermal oxidation method of performing treatment at a high temperature as in the conventional method.
[0081]
In this embodiment, by performing the thermal oxidation treatment in a high-pressure oxidizing gas atmosphere exceeding 1 atm, the reactivity of the oxidizing gas can be increased, and the thermal oxidation can be performed at a lower temperature in a shorter time. The rate of the oxidation reaction at this time increases in proportion to the pressure, and therefore it is desirable to set the rate higher. However, there is a safety problem in the production apparatus, and the oxidation reaction rate is in the range of 5 to 15 atm. It is desirable. Further, as the heat treatment conditions in this case, it is desirable that the temperature is 550 ° C. or more and 600 ° C. or less and the treatment time is about 10 minutes or more and 2 hours or less.
[0082]
Further, as another thermal oxidation method in this embodiment, it is also effective to use rapid thermal annealing (RTA) in which a heated oxidizing gas is blown onto the surface of the second semiconductor film. In this method, the temperature of the entire substrate is instantaneously raised to a high temperature region having high oxidation reactivity, and an oxidizing gas heated to a high temperature is directly blown onto the surface of the gettering layer, thereby performing a necessary oxidation process in a short time. I can do it. After that, the temperature can be rapidly lowered, so that the processing can be performed without causing significant thermal deformation of the glass substrate. The heat treatment conditions at this time are preferably a temperature of 650 ° C. or more and 800 ° C. or less, and a treatment time of about 5 minutes or more and 20 minutes or less. In this case, it is preferable that the rate of temperature rise and the rate of temperature fall are both 100 ° C./min or more.
[0083]
In the two thermal oxidation methods of the present embodiment described above, the oxidizing gas used is required to have high oxidation reactivity, and for this reason, steam is most desirable. Besides, ozone gas or the like can be used.
[0084]
In the present embodiment, in the fifth step of oxidizing the second semiconductor film, in addition to the second semiconductor film, a part of the underlying semiconductor film having crystallinity may be oxidized. In this case, in the sixth step of removing the oxidized second semiconductor film, in addition to the oxidized second semiconductor film, a part of the oxidized crystalline semiconductor film may be removed. it can. That is, oxidation may partially progress not only in the second semiconductor film serving as the gettering layer but also in the lower crystalline semiconductor film. In this case, by removing the oxidized portion, not only the gettering layer but also the layer near the surface of the lower crystalline semiconductor film is removed, and the film thickness becomes smaller than the initial thickness.
[0085]
The gettering layer and the lower crystalline semiconductor layer both have the same semiconductor component, and there is almost no difference in oxidation rate. As described above, by keeping the second semiconductor film, which is the gettering layer, in an amorphous state, the difference in structure between crystalline and amorphous (the oxidation rate is higher in the amorphous state). Such a state is useful because a certain degree of difference in the oxidation rate can be obtained by utilizing this. However, it is more important that the gettering layer remains on the crystalline semiconductor film without being completely removed due to insufficient oxidation. Therefore, the oxidation treatment is performed on the entire second semiconductor film and on the lower layer. It is desirable to proceed to the upper part of the crystalline semiconductor film from the viewpoint of a manufacturing process margin.
[0086]
In the present embodiment, in the fifth step of oxidizing the second semiconductor film, it is possible to reduce the amount of dangling bonds of the semiconductor atoms in the underlying semiconductor film having crystalline properties. That is, in the step of oxidizing the second semiconductor film, excess semiconductor atoms in the second semiconductor film are diffused into the underlying crystalline semiconductor film and combined with dangling bonds. That's why it is terminated. As described above, in the present embodiment, the function of improving the crystallinity of the crystalline semiconductor film can be performed together with gettering.
[0087]
In this embodiment, the first heat treatment and the third heat treatment for oxidizing the second semiconductor film are preferably performed continuously. By doing so, the second and third heat treatments become substantially one heat treatment, which is advantageous not only in shortening the manufacturing process and improving the tact time of the manufacturing apparatus, but also when performing the steps separately. In comparison, dust adhering between steps can be eliminated, and the production yield can be improved. Furthermore, by performing the first heat treatment and the third heat treatment for oxidizing the second semiconductor film as one heat treatment at the same time, the total heat treatment time can be further reduced. The process can be simplified and the takt time of the manufacturing apparatus can be improved.
[0088]
In this embodiment, the sixth step of removing the oxidized second semiconductor film can be performed by wet etching using an acid containing hydrogen fluoride. By using such a method, a high etching selectivity can be obtained between the oxidized semiconductor film and the underlying crystalline semiconductor film, and a reduction in the thickness of the crystalline semiconductor film due to over-etching and a variation in the thickness due to the over-etching can be prevented. Can be reduced. In addition, the surface of the lower crystalline semiconductor film is an important surface for forming a channel surface in the semiconductor device. However, in a wet method, a favorable state can be maintained without etching damage caused by plasma or the like.
[0089]
In the present embodiment, the first step of preparing a first amorphous semiconductor film containing a catalyst element is to form an amorphous semiconductor film and apply a solution containing the catalyst element thereon. It is preferable to perform this. In this embodiment, the concentration of the catalytic element added to the first amorphous semiconductor surface is 1 × 10 11 atoms / cm 2 More than 1 × 10 14 atoms / cm 2 Or less, which is 1/100 or less the concentration of the catalyst atom monoatomic layer. On the other hand, when the first amorphous semiconductor film is prepared by applying a solution containing a catalyst element to the amorphous semiconductor film, the surface of the amorphous semiconductor film is adjusted by adjusting the concentration of the catalyst element in the solution. It is possible to control the concentration of the added catalyst element with a very small amount in a controlled manner.
[0090]
In the present embodiment, typically, the first step of preparing a first amorphous semiconductor film containing a catalyst element includes selectively adding a catalyst element to a part of the amorphous semiconductor film. In the second step of subjecting the amorphous semiconductor film to the second heat treatment, the crystal is grown laterally from the region where the catalytic element is selectively added to the periphery thereof, whereby the crystal is formed. A semiconductor film having quality is obtained. By doing so, in the region where the crystal has grown in the lateral direction, it is possible to obtain a good crystalline semiconductor film in which the crystal growth directions are substantially aligned in one direction, and it is possible to further enhance the current driving capability of the TFT. is there. Further, in the region where the crystal is grown in the lateral direction, the concentration of the catalyst element in the film after the crystal growth can be reduced by one to two orders of magnitude compared to the region where the catalyst element is directly added, so that the load of the gettering step is reduced. can do.
[0091]
Furthermore, in this embodiment, after the second step, a step of irradiating the semiconductor film having a crystalline property with laser light may be performed. When the crystalline semiconductor film obtained in this embodiment is irradiated with a laser beam, a difference in melting point between the crystalline portion and the amorphous portion causes a grain boundary portion or a minute residual amorphous region (uncrystallized region). Is intensively processed. The crystalline semiconductor film crystallized by introducing a catalytic element is formed of columnar crystals, and the inside thereof is in a single crystal state. Therefore, when the crystal grain boundary portion is processed by laser light irradiation, the single crystal is formed over the entire surface of the substrate. A high-quality crystalline semiconductor film close to a crystalline state is obtained, and the crystallinity is greatly improved. As a result, the ON characteristics of the TFT are greatly improved, and a semiconductor device having better current driving capability can be realized.
[0092]
Here, in the present embodiment, nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium are preferable catalyst elements. One or more elements selected from (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au) are used. One or a plurality of elements selected from these elements have an effect of promoting crystallization in a trace amount. Among them, the most remarkable effect can be obtained particularly when Ni is used. The catalyst element does not act alone, but acts on crystal growth by bonding to the silicon film to form silicide. The crystal structure at that time acts as a kind of template when the amorphous silicon film is crystallized, and promotes the crystallization of the amorphous silicon film. Ni is two Si and NiSi 2 To form NiSi 2 Shows a fluorite type crystal structure, which is very similar to the diamond structure of single crystal silicon. Moreover, NiSi 2 Has a lattice constant of 0.5406 nm (5.406 angstroms), which is very close to the lattice constant of 0.5430 nm (5.430 angstroms) in the diamond structure of crystalline silicon. Therefore, NiSi 2 Is optimal as a template for crystallizing an amorphous silicon film, and it is most desirable to use Ni as the catalyst element in the present embodiment.
[0093]
Next, features of the semiconductor film according to the present embodiment will be described. As a result of manufacturing the semiconductor film of the present embodiment using such a manufacturing method, the semiconductor film of the present embodiment has a semiconductor film having a region composed of a plurality of crystal domains (substantially the same crystal plane orientation region). The plane orientation of the crystal domains is mainly constituted by the <111> crystal zone plane, and a height difference (irregularity) occurs between the crystal domains on the film surface. That is, the height of the surface of the semiconductor film differs depending on each of the crystal domains.
[0094]
Further, among the <111> crystal zone planes, the (110) plane orientation and the (211) plane orientation occupy 50% or more of the entire crystal domain plane orientation. In addition, the domain diameter of the crystal domain is typically 2 μm or more and 10 μm or less.
[0095]
Further, in the semiconductor film of this embodiment, a catalyst element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film is included in the semiconductor film. Here, the catalyst element contained in the semiconductor film typically does not precipitate as a compound but exists in a solid solution state.
[0096]
At this time, the catalyst element contained in the semiconductor film of this embodiment is preferably nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium ( One or more elements selected from the group consisting of Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au) It is. Here, in the semiconductor film of this embodiment, the catalyst element contains 1 × 10 14 atoms / cm 3 More than 1 × 10 17 atoms / cm 3 It is preferably present at the following concentrations:
[0097]
Further, the semiconductor film of the present embodiment can be formed from a material containing silicon (Si) as a main component. Further, the compound of the catalyst element may be silicide.
[0098]
Further, the thickness of the semiconductor film of the present embodiment is preferably in the range of 25 nm to 80 nm.
[0099]
Generally, in crystallization without using a catalytic element, the plane orientation of a crystalline semiconductor film is (100) due to the influence of an insulator under a semiconductor film (especially in the case of amorphous silicon dioxide) or the influence of the semiconductor film surface. Or it is easy to turn to (111). On the other hand, FIG. 7A shows a schematic diagram of crystallization in the case where a catalyst element is added to an amorphous semiconductor film and crystallized. In FIG. 7A, 61 is a base insulator, 62 is an amorphous semiconductor film in an uncrystallized region, 63 is a crystalline semiconductor film, and 64 is a semiconductor compound of a catalytic element serving as a driving force for crystal growth. is there. As shown in FIG. 7A, the catalytic element compound 64 exists at the forefront of crystal growth, and the adjacent amorphous regions 62 are successively crystallized rightward on the paper. The catalyst element compound 64 has a property of growing strongly in the <111> direction. As a result, as the plane orientation of the obtained crystalline semiconductor film, a <111> crystal plane appears as shown in FIG.
[0100]
Further, the crystal structure at this time is composed of a plurality of columnar crystals positioned at the tip of the catalyst element compound, and the cross-sectional shape of each columnar crystal is 80 nm square in a stress-free state. That is, when the thickness of the semiconductor film is 80 nm or less, the semiconductor film is formed of a single-layer columnar crystal in the thickness direction. However, when the thickness is more than 80 nm, the crystal has a two-layer structure, and the crystallinity deteriorates. Therefore, the thickness of the semiconductor film is desirably 80 nm or less. Conversely, it has been found that when the thickness of the semiconductor film is extremely thin (25 nm or less), crystal growth hardly occurs.
[0101]
FIG. 7B shows a <111> crystal zone plane. In FIG. 7B, the horizontal axis represents the inclination angle from the (-100) plane, and the vertical axis represents the surface energy. Group 65 is a crystal plane to be a <111> crystal zone plane. The (100) plane and the (111) plane are not <111> zone planes, but are shown for comparison. FIG. 7C shows a standard triangle of the crystal orientation. Here, the distribution of the <111> crystal zone plane is as shown by a broken line. The numbers are representative pole indices. Among these <111> crystal zone planes, in the crystalline semiconductor film obtained in the present embodiment, especially the (110) plane or the (211) plane has a dominant orientation, and when these planes occupy 50% or more of the whole. The advantage is obtained. These two crystal planes have extremely high hole mobility as compared with the other planes, so that the performance of a P-channel TFT, which is inferior to that of an N-channel TFT, can be particularly improved, and a balance can be easily achieved in a semiconductor circuit. There are benefits.
[0102]
FIG. 8 shows the plane orientation distribution of the crystalline semiconductor film obtained according to the present embodiment. FIG. 8 shows the results of EBSP (Electron Backscattered Diffraction Pattern) measurement, in which crystal orientations are specified for individual micro regions, and the crystal orientations are connected and mapped. FIG. 8A shows the plane orientation distribution in the crystalline semiconductor film of the present embodiment. FIG. 8B shows the distribution between the adjacent mapping points based on the data shown in FIG. Those in which the inclination of the plane orientation is equal to or smaller than a predetermined value (here, equal to or smaller than 5 °) are painted in the same color to highlight the distribution of individual crystal domains. FIG. 8C shows the standard triangle of the crystal orientation described earlier with reference to FIG. 8C. As can be seen from FIG. 8C, the crystalline semiconductor film according to the present embodiment generally has a plane orientation on the <111> zone plane, and is particularly strongly oriented to (110) and (211). You can see that In this embodiment, the nucleation density is increased by the action of the rare gas element contained in the semiconductor film, and the size of each crystal domain (substantially the same plane orientation region) shown in FIG. 8B is 2 μm or more. It is distributed in a range of 10 μm or less.
[0103]
Here, in the semiconductor film of the present embodiment, a gettering layer exists as an upper layer, and gettering is performed by oxidizing and removing the gettering layer. At this time, as described above, it is difficult to selectively oxidize and remove only the upper gettering layer, and the surface layer of the lower crystalline semiconductor film is also partially oxidized and removed together. It is preferable from the viewpoint of margin. Therefore, it is desirable that the film surface is also oxidized and removed to some extent in the semiconductor film of the present embodiment. At this time, in the crystalline semiconductor film, since the oxidation rate differs depending on the plane orientation, a difference occurs in the oxidation rate between the crystal domains which are the same plane region. As a result, in the semiconductor film of the present embodiment, the oxidation amount differs between the crystal domains on the film surface. Then, after being removed, a height difference (irregularity) occurs between the respective crystal domains, which is one feature of the semiconductor film of the present embodiment. The height difference between the domains at this time depends on how much the surface layer of the crystalline semiconductor film is oxidized (how much a manufacturing margin is taken), but is preferably in the range of 1 nm to 20 nm.
[0104]
In addition, since the semiconductor film of the present embodiment is obtained by introducing a catalyst element into an amorphous semiconductor film and crystallizing the same, even if gettering is performed, the concentration of the catalyst element in the semiconductor film is completely maintained. However, there is a small amount of the remaining catalytic element. However, it is the catalytic element semiconductor compound that acts as a nucleus during crystal growth and drives the crystal growth that adversely affects the electrical characteristics of the semiconductor device. These semiconductor compounds exist locally segregated. However, in the semiconductor film obtained in the present embodiment, the semiconductor compounds are obtained by solid solution in the crystalline semiconductor film and moved by gettering. The catalyst element is not precipitated as a compound but exists in a solid solution state. At this time, the concentration of the catalyst element in the semiconductor film is 1 × 10 14 atoms / cm 3 More than 1 × 10 17 atoms / cm 3 Less than, 1 × 10 17 atoms / cm 3 If it is below, the semiconductor compound of the catalytic element which does not adversely affect the electrical characteristics of the semiconductor device is not deposited. Also, 1 × 10 14 atoms / cm 3 Is the lower limit at which the catalyst element concentration can be reduced by the gettering treatment.
[0105]
Hereinafter, an embodiment of a semiconductor film and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0106]
(1st Embodiment)
Here, a method for manufacturing a semiconductor film according to the present invention on a glass substrate will be described. The semiconductor thin film of the present embodiment can be used for an active region of a TFT, a PN junction diode, and the like. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor thin film described here, and the manufacturing process sequentially proceeds in the order of (A) → (G).
[0107]
In FIG. 1A, a low alkali glass substrate or a quartz substrate can be used as a substrate 101. In this embodiment, a low alkali glass substrate is used. In this case, heat treatment may be performed in advance at a temperature about 10 ° C. to 20 ° C. lower than the glass strain point. A base film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed on a surface of the substrate 101 on which a semiconductor film is formed in order to prevent impurity diffusion from the substrate 101. In the present embodiment, for example, a silicon oxynitride film formed from a material gas of SiH4, NH3, and N2O by a plasma CVD method is formed as the lower first base film 102, and a plasma CVD method is similarly formed thereon. A second underlayer 103 was formed using SiH4 and N2O as material gases. At this time, the thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 102 is from 25 nm to 200 nm (for example, 100 nm), and the thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 103 is from 25 nm to 300 nm (for example, 100 nm). ). In the present embodiment, a two-layer base film is used. However, a single-layer structure composed of only a silicon oxide film can be used.
[0108]
Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 104 having a thickness of 25 nm to 80 nm (eg, 50 nm) is formed by a plasma CVD method. In the present embodiment, a multi-chamber parallel plate type plasma CVD apparatus is used to continuously form three layers of a first base film 102, a second base film 103, and an a-Si film 104 without exposing them to the atmosphere. Filmed. By doing so, contamination and adhesion of dust at the film interface can be suppressed as much as possible. Of course, the formation of the base films 102 and 103 and the a-Si film 104 is not limited to the above-described plasma CVD method, and other known methods such as a thermal CVD method and a sputtering method can also be used. As the semiconductor film, it is preferable to use a film containing silicon as a main component in terms of ease of handling and characteristics as a semiconductor device. Alternatively, a germanium film or the like can be used. Further, the thickness of the a-Si film 104 is preferably in the range of 25 nm to 80 nm from the viewpoint of crystal growth.
[0109]
Subsequently, a catalytic element is added to the a-Si film 104 and heat treatment is performed. An aqueous solution (aqueous nickel acetate solution) containing, for example, 10 ppm by weight of a catalytic element (nickel in this embodiment) is applied to the a-Si film by spin coating to form a catalytic element-containing layer 105. The catalyst element usable here is selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), palladium (Pd), iron (Fe), and copper (Cu). One or more elements are preferred. Besides, ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au) and the like can be used. Prior to this step, the surface of the a-Si film 104 may be slightly oxidized with ozone water or the like to improve the wettability of the surface of the a-Si film 104 during spin coating.
[0110]
In the present embodiment, a method of adding nickel by a spin coating method is used. However, a thin film made of a catalytic element (a nickel film in the case of the present embodiment) is formed on the a-Si film 104 by an evaporation method, a sputtering method, or the like. Means for forming may be used. This state corresponds to the state shown in FIG. The nickel concentration on the surface of the a-Si 104 thus added in the state of FIG. 1A was measured by a total reflection X-ray fluorescence (TRXRF) method. 12 atoms / cm 2 It was about. At this time, the concentration of nickel added to the a-Si film surface was 1 × 10 11 atoms / cm 2 More than 1 × 10 14 atoms / cm 2 It is desirable that: Since this concentration is 1/100 or less of the nickel atomic layer, the added nickel is discretely present on the a-Si film, and is not actually in a film state.
[0111]
Then, this is subjected to a second heat treatment in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. This heat treatment is preferably performed at a temperature of 530 ° C. to 620 ° C. and a heating time of 30 minutes to 8 hours. In the present embodiment, as an example, the heat treatment is performed at 580 ° C. for one hour. In this heat treatment, the nickel 105 added to the surface of the a-Si film first diffuses into the a-Si film 104, and subsequently, they are aggregated and silicidation occurs. Crystallization proceeds. As a result, the a-Si film 104 is crystallized to become a crystalline silicon film 104a. Here, the heat treatment was performed using a general furnace. However, an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus using a lamp or the like as a heat source, an RTA apparatus by inserting a substrate into the furnace in a single wafer, or a high temperature. The heat treatment may be performed using an RTA apparatus or the like in which a heated inert gas is blown onto the substrate surface. When such an RTA method is used, it is preferable to perform heat treatment at a temperature of 650 ° C. or more and 750 ° C. or less for 30 seconds or more and 10 minutes or less. When the crystal plane orientation of the crystalline silicon film 104a thus obtained is examined by EBSP measurement, it is mainly composed of the <111> zone plane, and among them, the (110) plane orientation and the (211) plane orientation are particularly preferable. Occupies more than 50% of the total area. The domain diameter of the crystal domain (substantially the same plane orientation region) is 2 μm or more and 10 μm or less. This state corresponds to FIG.
[0112]
Subsequently, as shown in FIG. 1C, the crystalline silicon film 104a obtained by the heat treatment is irradiated with a laser beam 106, whereby the crystalline silicon film 104a is further recrystallized to improve crystallinity. The formed crystalline silicon film 104b is formed. As the laser beam at this time, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm) or a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) can be used. The beam size of the laser beam at this time is molded so as to have a long shape on the surface of the substrate 101, and the entire surface of the substrate is recrystallized by sequentially performing scanning in a direction perpendicular to the long direction. .
At this time, by scanning so that a part of the beam overlaps, laser irradiation is performed a plurality of times at any one point of the crystalline silicon film 104a, and the uniformity can be improved. If the energy of the laser beam at this time is too low, the effect of improving the crystallinity is small, and if it is too high, the crystalline state of the crystalline silicon film 104a obtained in the previous step disappears. There is. In addition, as a laser that can be used at this time, a pulse oscillation type or continuous emission type KrF excimer laser, XeCl excimer laser, YAG laser, or YVO4 laser can be used. The crystallization conditions may be appropriately selected by the practitioner.
[0113]
In this embodiment, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 nsec) is used. The irradiation conditions of the laser beam are as follows: nitrogen atmosphere, energy density 300 mJ / cm 2 More than 500mJ / cm 2 The following (for example, 420 mJ / cm 2 ). The beam size was formed to be a long shape of 150 mm × 1 mm on the surface of the substrate 101, and scanning was sequentially performed in a direction perpendicular to the long direction with a step width of 0.05 mm. That is, laser irradiation is performed a total of 20 times at any one point of the crystalline silicon film 104a.
[0114]
In this manner, the crystalline silicon film 104a obtained by solid-phase crystallization is reduced in crystal defects by a melt-solidification process by laser irradiation, and becomes a higher-quality crystalline silicon film 104b. Note that, even after the laser irradiation step, the crystal plane orientation and the crystal domain state before the laser irradiation are maintained as they are, and no significant change is observed in the EBSP measurement.
[0115]
Next, the crystalline silicon film 104b is washed with an acid containing hydrogen fluoride to remove a natural oxide film on the surface. Then, as shown in FIG. 1D, the crystalline silicon film 104b is directly in contact with the crystalline silicon film 104b. The gettering layer 107 is formed. At this time, since a natural oxide film may be re-formed on the surface of the crystalline silicon film 104b after the cleaning with hydrofluoric acid, the gettering layer 107 can be formed immediately after the cleaning with hydrofluoric acid. desirable. If a natural oxide film of a certain degree or more is present on the crystalline silicon film 104b, it may cause peeling of the gettering layer 107 and lower the gettering efficiency.
[0116]
Here, the gettering layer 107 is desirably in an amorphous state, and desirably contains an element having a gettering effect. In this embodiment, some typical methods for forming the gettering layer 107 will be described. First, when an a-Si film containing a rare gas element (Ar in this embodiment) is used as the gettering layer 107, a sputtering method or a plasma CVD method can be used. In the case of the sputtering method, an amount of Ar necessary for gettering can be contained by using a silicon target and using a sputtering gas of Ar. In plasma CVD, SiH 4 The gas and the Ar gas are used as materials, and the Ar concentration in the a-Si film to be formed increases in a direction in which both the film forming temperature and the film forming pressure are reduced. To further increase the Ar concentration, an a-Si film can easily contain an Ar element by using a dual-bias or dual-frequency plasma CVD apparatus that applies another bias to the substrate side. In the present embodiment, as an example, an a-Si film containing Ar having a thickness of 20 nm is formed using a general plasma CVD apparatus at a deposition temperature of 250 ° C. and a deposition pressure of about 20 Pa. At this time, the Ar concentration in the a-Si film was 5 × 10 19 atoms / cm 3 It was about. Further, other than Ar, Kr and Xe can be similarly used. The concentration of the rare gas element contained in the gettering layer is 1 × 10 19 atoms / cm 3 3 × 10 or more 21 atoms / cm 3 It is preferable to be within the following range.
[0117]
Secondly, when an a-Si film containing an element belonging to Group 5B of the periodic table (P in the present embodiment) is used as the gettering layer 107, silane (SiH 4 ) And phosphine (PH 3 ) Is formed as a material gas, whereby an a-Si film containing P can be easily obtained. At this time, the content of P in the a-Si film is PH 3 Gas and SiH 4 It can be controlled by the flow ratio with gas. In addition to P, As and Sb can be used, and the concentration of these elements contained in the gettering layer is 1 × 10 19 / Cm 3 More than 1 × 10 21 / Cm 3 It may be within the following range.
[0118]
Third, as the gettering layer 107, in addition to the element belonging to Group 5B of the periodic table (P in the present embodiment), an element belonging to Group B in the periodic table (B in the present embodiment) is contained. By using the a-Si film, the gettering ability can be further enhanced. In this case, the two types of diborane (B 2 H 6 ) Can be added. And PH 3 Gas and SiH 4 Gas and B 2 H 6 The content of P and B in the a-Si film can be similarly controlled by the flow ratio with the gas. At this time, in addition to B, Al can be used, and the concentration of these elements contained in the gettering layer is 1.5 × 10 19 / Cm 3 3 × 10 or more 21 / Cm 3 It may be within the following range.
[0119]
Before the formation of the gettering layer 107, it is desirable to perform a plasma treatment on the surface of the crystalline silicon film 104b in an atmosphere containing hydrogen, and then to form the film continuously. When a gettering layer is formed by a plasma CVD apparatus as in the present embodiment, hydrogen plasma processing can be easily performed only by switching the material gas, and thereafter, the gettering layer is continuously formed without being exposed to the air. Film formation can be performed.
[0120]
The thickness of the gettering layer 107 is desirably in the range of 1/10 to 2 times the thickness of the crystalline silicon film 104b, and optimally 1/5 to 1 times. In the present embodiment, since the thickness of the crystalline silicon film is set to 50 nm, the thickness of the gettering layer is desirably 5 nm or more and 100 nm or less, and most preferably 10 nm or more and 50 nm or less. In the present embodiment, the thickness of the gettering layer 107 is set to 20 nm.
[0121]
Then, this is subjected to a first heat treatment under an inert atmosphere. As a heat treatment method at this time, general furnace annealing and rapid thermal annealing (RTA) can be used. At this time, in the case of furnace annealing, at a temperature of 500 ° C. or more and 600 ° C. or less, 15 minutes or more and 4 hours or less, and in the case of RTA, at a temperature of 600 ° C. or more and 750 ° C. or less, about 30 seconds or more and 15 minutes or less. May be performed. In the present embodiment, for example, the RTA process is performed in a nitrogen atmosphere. The condition of the RTA at this time is as follows: from a state where the substrate is preheated to about 400 ° C., the temperature is raised at a rate of 50 ° C./min to 300 ° C./min. Was done. In the present embodiment, the RTA processing of the above temperature profile is realized by providing a temperature gradient in the furnace using a resistive heating furnace and controlling the speed at which the substrate is inserted into the furnace. At this time, the substrates are processed one by one, and during the processing, a high-temperature heated nitrogen gas is uniformly sprayed on the surface of the substrate 101, so that a high-speed heating rate that cannot be obtained only by heat radiation and a high- The uniformity in the substrate surface is obtained.
[0122]
FIG. 9 shows the configuration of the RTA apparatus used in this embodiment. A heater 803 is provided for each zone above the quartz tube 802. 804 is a quartz shower plate, and 805 is a substrate stage. The substrate stage 805 supports the substrate 801 by pin support, so that heat exchange from the substrate is eliminated and instantaneous heating can be performed only by the heat capacity of the substrate 801. The substrate stage 805 is supported by a support flange 806, and is heated by moving up and down as indicated by an arrow 809. Reference numeral 807 denotes an O-ring for sealing the chamber. Nitrogen gas 808 is introduced from the upper part of the quartz tube, diffuses and heats in the reservoir on the shower plate 804, and is uniformly sprayed on the surface of the substrate 801 through the shower plate. The lifting speed of the substrate 801 is controlled by the vertical speed (indicated by an arrow 809) of the substrate stage.
[0123]
By this heat treatment, the gettering layer 107 moves nickel in the lower crystalline silicon film 104b upward as indicated by an arrow 108 in FIG. In this gettering step, first, the nickel dissolved in the crystalline silicon film 104b moves to the gettering layer 107, so that the nickel concentration in the silicon film decreases, and the Ni silicide deposited in the film is removed. Is dissolved in the silicon film. These also move to the gettering layer 107 in a solid solution state, the Ni silicide in the crystalline silicon 104b disappears, the concentration of nickel in the solid solution is reduced, and the crystalline silicon film 104c is obtained. As a result, the nickel concentration of the crystalline silicon film 204c was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) to be 5 × 10 Fifteen atoms / cm 3 To about the lower limit of measurement. The nickel remaining in the crystalline silicon film 104c is not in a silicide state but in a solid solution state as interstitial nickel.
[0124]
Subsequently, as shown in FIG. 1F, the gettering layer 107 is oxidized by heat treatment in an oxidizing gas atmosphere to form a silicon oxide film 109. As the oxidation treatment at this time, a heat treatment in a relatively high-pressure oxidizing gas atmosphere exceeding 1 atm, or an RTA treatment in which a heated oxidizing gas is blown onto the surface of the gettering layer 107 can be used. As the oxidizing gas at this time, steam is optimal from the viewpoint of high oxidation reactivity and safety. In the former method, the inside of the furnace may be pressurized with steam in a range of 5 to 15 atm, and heat treatment may be performed at 550 to 600 ° C for about 10 minutes to 2 hours. In the latter method, a steam gas heated to a high temperature may be directly blown onto the surface of the gettering layer to perform RTA treatment at 650 ° C. or more and 800 ° C. or less for about 5 minutes to 20 minutes. At this time, it is desirable that the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease are both 100 ° C./min or more.
[0125]
In the present embodiment, the gettering layer 107 is oxidized using the RTA apparatus shown in FIG. The temperature of the substrate is increased from 100 ° C./min to 300 ° C./min from the state where the substrate is preheated to about 400 ° C. using steam as the introduced gas 808, and a heat treatment is performed at a temperature of 720 ° C. for 10 minutes, for example. Was. As a result, the gettering layer 107 having a thickness of 20 nm is oxidized to form a silicon oxide film 109. At this time, the surface of the lower crystalline silicon film 104c was also oxidized by about 10 nm to form a crystalline silicon film 104d having a thickness of 40 nm. In addition, during this process, oxidation of the surface layer of the gettering layer 107 and the crystalline silicon film 104c causes excessive silicon atoms, which diffuse into the crystalline silicon film 104c and cause dangling bonds (dangling bonds). Ring bond) to terminate it. As a result, the resulting crystalline silicon film 104d has a reduced defect density and higher crystallinity. Further, on the surface of the crystalline silicon film 104d, irregularities were generated between the crystal domains due to the difference in the oxidation rate depending on the crystal orientation, and the height difference was about 2 nm or more and 5 nm or less.
[0126]
In the present embodiment, the heat treatment for gettering and the oxidation treatment with water vapor in the nitrogen atmosphere can be performed continuously using the apparatus shown in FIG. 9, which is effective. In this case, continuous processing can be easily performed by continuously switching from nitrogen gas to steam gas during RTA processing. Also, in the case of oxidation in a high-pressure atmosphere, continuous treatment with gettering heat treatment can be performed by similarly switching the atmosphere gas. Furthermore, by optimizing the heating conditions, gettering and oxidation can be performed simultaneously / continuously by heat treatment in a steam atmosphere.
[0127]
Then, the silicon oxide film 109 is entirely removed by etching. As an etchant at this time, wet etching was performed using a sufficiently lower crystalline silicon film 104d and 1: 100 buffered hydrofluoric acid (BHF) having etching selectivity.
[0128]
Through the above steps, a semiconductor film (crystalline silicon film) 104d according to the present invention is obtained as shown in FIG.
[0129]
FIG. 2A is a schematic plan view of a semiconductor film obtained by the above-described method. As shown in FIG. 2A, the semiconductor film has a plurality of domains 10. Each domain 10 is in contact with an adjacent domain at a domain boundary 11.
[0130]
FIG. 2B is a cross-sectional view of the semiconductor film taken along line AA ′ of FIG. In FIG. 2B, a base film 15 and a semiconductor film 16 are sequentially stacked on a substrate 12. The base film 15 is composed of a first base film 13 and a second base film 14 (both are silicon oxynitride films). As can be seen from FIG. 2B, since each domain 10 has a different surface height, the surface of the semiconductor film 16 has irregularities corresponding to the shape of the domain 10. The reason why the surface height differs for each domain is that the oxidation rate varies depending on the crystal orientation as described above.
[0131]
(2nd Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is an n-channel TFT using the semiconductor thin film (crystalline silicon film) manufactured in the first embodiment and a method of manufacturing the same on a glass substrate. The TFT of the present embodiment can be used not only as a driver circuit and a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device or an organic EL display device, but also as an element constituting a thin film integrated circuit. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the n-channel TFT described here. The manufacturing process sequentially proceeds in the order of (A) → (E).
[0132]
FIG. 3A shows a state in which a crystalline silicon film 204d is formed by a method similar to the method described in the first embodiment, and corresponds to FIG. 1G in the first embodiment. That is, a silicon oxynitride film is formed as a first base film 202 on a glass substrate 201, and a silicon oxide film is formed as a second base film 203 thereon.
Then, a crystalline silicon film 204d manufactured according to the first embodiment is formed.
[0133]
Then, unnecessary portions of the crystalline silicon film 204d are removed to perform element isolation. By this step, as shown in FIG. 3B, an island-shaped semiconductor layer 210 to be an active region (source / drain region, channel region) of the TFT later is formed.
[0134]
Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm (here, 100 nm) is formed as the gate insulating film 211 so as to cover the semiconductor layer 210. Here, the silicon oxide film is formed by using an RF plasma CVD method at a substrate temperature of 150 ° C. to 600 ° C., preferably 300 ° C. to 450 ° C., together with oxygen, using TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) as a raw material. .
Alternatively, the substrate may be formed at a substrate temperature of 350 ° C. or more and 600 ° C. or less, preferably 400 ° C. or more and 550 ° C. or less using TEOS as a raw material by a low pressure CVD method or a normal pressure CVD method together with ozone gas. After the film formation, annealing is performed at 500 to 600 ° C. for 1 to 4 hours in an inert gas atmosphere in order to improve the bulk characteristics of the gate insulating film itself and the interface characteristics between the crystalline silicon film and the gate insulating film. You may.
[0135]
Subsequently, a conductive film is deposited on the gate insulating film 211 by a sputtering method, a CVD method, or the like, and this is patterned to form a gate electrode 212. Various materials such as a metal film, a high-melting-point metal film, and a low-resistance semiconductor film can be used as the conductive film, and may be selected depending on the use as a semiconductor device, a required process temperature in a later step, and the like. In this embodiment, a gate electrode 212 is formed by forming a film of aluminum (containing 1% of scandium) to a thickness of 400 to 800 nm, for example, 500 nm by sputtering, and patterning the film. The high temperature resistance is improved by mixing trace elements such as scandium, titanium, and silicon in the aluminum film. Here, when the TFT according to the present embodiment is applied as a pixel TFT of a liquid crystal display device or the like, the gate electrode 212 simultaneously constitutes a gate bus line in plan view.
[0136]
Then, as shown in FIG. 3C, a low-concentration impurity (phosphorus) 213 is implanted into the semiconductor layer 210 using the gate electrode 212 as a mask by an ion doping method. Phosphine (PH) as doping gas 3 ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 10 12 ~ 1 × 10 14 cm -2 , For example, 8 × 10 12 cm -2 And By this step, in the semiconductor layer 210, a low-concentration phosphorus 213 is implanted into a region 214 which is not covered with the gate electrode 212, and a region which is masked by the gate electrode 212 and is not implanted with phosphorus 213 is later formed with a channel region 215 of the TFT. Become.
[0137]
Subsequently, as shown in FIG. 3D, a doping mask 216 made of a photoresist is provided so as to cover the gate electrode 212 slightly larger. After that, an impurity (phosphorus) 217 is implanted into the semiconductor layer 210 at a high concentration using the resist mask 216 as a mask by an ion doping method. Phosphine (PH) as doping gas 3 ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 10 Fifteen ~ 8 × 10 Fifteen cm -2 , For example, 2 × 10 Fifteen cm -2 And By this step, a region into which the impurity (phosphorus) 217 is implanted at a high concentration becomes a source / drain region 218 of the TFT later. In the semiconductor layer 210, a region covered with the resist mask 216 and not doped with high-concentration phosphorus 217 remains as a low-concentration phosphorus-implanted region to form an LDD (Lightly Doped Drain) region 219. . By forming the LDD region 219 in this manner, the electric field concentration at the junction between the channel region and the source / drain region can be reduced, the leak current at the time of TFT off operation can be reduced, and deterioration due to hot carriers can be suppressed. And the reliability of the TFT can be improved.
[0138]
Note that, even if the LDD region 219 is left in a non-doped (intrinsic) state without doping with low-concentration phosphorus in FIG. 3C, a so-called offset gate structure is formed. And improvement of hot carrier resistance can be achieved. However, in this case, since the resistance of the offset portion 219 becomes larger, the on-current value of the TFT is lower than that of the LDD structure. As a method for forming such an LDD structure or an offset gate structure, in addition to the method using a resist mask as described above, the surface of an aluminum electrode is anodized to form an oxide layer on the surface, and the oxidation is performed. The above structure can be formed using the thickness (width) of the material layer. Alternatively, an insulating film or the like is formed over the gate electrode and etched back to form a sidewall on a side wall of the gate electrode, which can be used. In the present embodiment, the LDD region 219 is formed outside the gate electrode 212, but may be formed to have a structure that partially overlaps the gate electrode (GOLD structure; Gate Overlapped LDD). This is particularly effective in suppressing hot carrier deterioration.
[0139]
Then, after removing the photoresist 216 used as a mask for doping, annealing is performed by irradiating a laser beam from above the substrate to activate the ion-implanted impurities and, at the same time, to improve the crystallinity in the impurity introduction step. Improve the crystallinity of the deteriorated part. At this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) was used as a laser, and the energy density was 200 to 450 mJ / cm. 2 , Preferably 250 to 350 mJ / cm 2 Irradiation was performed. At this time, the channel region 215 is not irradiated with laser light because the upper gate electrode 212 serves as a mask to block laser light. The sheet resistance of the N-type impurity (phosphorus) region 218 thus formed was 200 to 500 Ω / □, and the sheet resistance of the LDD region 219 in which phosphorus was implanted at a low concentration was 30 to 50 kΩ / □.
[0140]
Here, the impurity was activated by laser irradiation. However, an RTA apparatus using a lamp or the like as a heat source, an RTA apparatus by inserting a substrate into a furnace with a single wafer, an inert gas heated to a high temperature, An RTA apparatus or the like that sprays on the substrate surface may be used. When such an RTA method is used, it is preferable to perform the heating at a temperature of 600 ° C. or more and 650 ° C. or less for about 30 seconds or more and 2 minutes or less from the heat resistance of aluminum.
[0141]
Subsequently, as shown in FIG. 3E, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 400 nm to 1000 nm is formed as the interlayer insulating film 220. When a silicon oxide film is used, if TEOS is used as a raw material and formed by a plasma CVD method with oxygen, a reduced pressure CVD method with ozone, or a normal pressure CVD method, a good interlayer insulation with excellent step coverage can be obtained. A film is obtained. In addition, SiH 4 And NH 3 If a silicon nitride film formed by a plasma CVD method is used as a source gas, hydrogen atoms are supplied to the interface between the active region and the gate insulating film, and there is an effect of reducing dangling bonds that deteriorate TFT characteristics.
[0142]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 220, and an electrode / wiring 221 of the TFT is formed using a metal material, for example, a two-layer film of titanium nitride and aluminum. The titanium nitride film is provided as a barrier film for preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. When the present TFT 222 is used as a pixel TFT, since it is an element for switching the pixel electrode, the other drain electrode is provided with a pixel electrode made of a transparent conductive film such as ITO. In this case, the other electrode forms a source bus line, a video signal is supplied via the source bus line, and necessary charges are written to the pixel electrodes based on the gate signal of the gate bus line 212. Further, the present TFT can be easily applied to a thin film integrated circuit or the like. In that case, a contact hole may be formed also on the gate electrode 212 and a necessary wiring may be provided.
[0143]
Finally, annealing is performed at 350 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere, a hydrogen atmosphere, or the like to complete the TFT 222 shown in FIG. If necessary, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on the TFT for the purpose of protecting the TFT 222.
[0144]
The TFT manufactured according to the above embodiment has a field effect mobility of 300 cm. 2 Despite the extremely high performance of about / Vs and the threshold voltage of about 1.5 V, the abnormal increase of the leak current at the time of the TFT off operation, which is a problem in the conventional example, is suppressed. A very low value of several pA or less was stably shown. This value is not much different from that of a conventional TFT formed without using a catalytic element, and the production yield was greatly improved. In addition, even after repeated measurements and durability tests with bias and temperature stress, little deterioration in characteristics was observed, and the reliability was much higher than that of the conventional one.
[0145]
Further, when the TFT manufactured according to the present embodiment is applied to a pixel TFT of an active matrix substrate for liquid crystal display as a dual gate structure, display unevenness is clearly less than that manufactured by a conventional method, and TFT leakage is caused. A pixel defect was extremely small, and a high display quality liquid crystal panel having a high contrast ratio was obtained.
[0146]
(Third embodiment)
A third embodiment according to the present invention will be described. The present embodiment is a circuit having a CMOS structure using the semiconductor thin film (crystalline silicon film) manufactured in the above-described first embodiment and a step of manufacturing the circuit on a glass substrate. The circuit having the CMOS structure according to the present embodiment is configured such that an n-channel TFT and a p-channel TFT forming a peripheral driving circuit of an active matrix type liquid crystal display device or a general thin film integrated circuit are formed in a complementary manner. .
[0147]
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the TFT described in the present embodiment, and the process proceeds sequentially according to the order of FIGS.
[0148]
FIG. 4A shows a state in which the crystalline silicon film 304d is formed according to the method described in the first embodiment, and corresponds to FIG. 1G in the first embodiment. That is, a silicon oxynitride film is formed as a first base film 302 on a glass substrate 301, and a silicon oxide film is formed as a second base film 303 thereon. Then, a crystalline silicon film 304d manufactured according to the first embodiment is formed.
[0149]
Next, unnecessary portions of the crystalline silicon film 304d are removed to perform element isolation. By this step, as shown in FIG. 4B, an island-shaped crystalline silicon film (semiconductor layer) 310n which will later become active regions (source / drain regions, channel regions) of the n-channel TFT and the p-channel TFT And 310p are formed.
[0150]
Here, as an impurity element for imparting p-type at a concentration of about 1 × 1016 to 5 × 1017 / cm3 for the purpose of controlling the threshold voltage, boron is deposited on the entire surface of the semiconductor layers of the n-channel TFT and the p-channel TFT. (B) may be added. Boron (B) may be added by an ion doping method, or may be added simultaneously with the formation of the amorphous silicon film.
[0151]
Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, here 100 nm, is formed as the gate insulating film 311 so as to cover the semiconductor layers 310 n and 310 p. In this case, the silicon oxide film was formed using TEOS as a raw material and decomposed and deposited by RF plasma CVD at a substrate temperature of 300 to 450 ° C. together with oxygen. As the gate insulating film 311, another insulating film containing silicon may be used as a single layer or a stacked structure.
[0152]
Subsequently, a conductive film is deposited and patterned to form gate electrodes 312n and 312p. In this embodiment, a high melting point metal is formed as a conductive film by a sputtering method. As the high melting point metal at this time, an element selected from tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), titanium (Ti), an alloy containing the above elements as a main component, or an alloy combining the above elements A film (typically, a Mo-W alloy film or a Mo-Ta alloy film) may be used. Further, as another alternative material, tungsten silicide, titanium silicide, or molybdenum silicide may be used. In the present embodiment, tungsten (W) is used and the thickness is 300 to 600 nm, for example, 450 nm. At this time, it is preferable to reduce the concentration of impurities contained in order to reduce the resistance. By setting the oxygen concentration to 30 ppm or less, a specific resistance value of 20 μΩcm or less could be realized.
[0153]
Next, as shown in FIG. 4C, low-concentration impurities (phosphorus) 313 are implanted into the semiconductor layer by ion doping using the gate electrodes 312n and 312p as a mask. Phosphine (PH) as doping gas 3 ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 10 12 ~ 1 × 10 14 cm -2 , For example, 2 × 10 Thirteen cm -2 And In this step, regions of the semiconductor layers 310n and 310p that are not covered with the gate electrodes 312n and 312p become regions 314n and 314p into which low-concentration phosphorus 313 has been implanted. The regions later become channel regions 315n and 315p of the n-channel TFT and the p-channel TFT.
[0154]
Next, as shown in FIG. 4D, in the later n-channel TFT, a doping mask 316n made of a photoresist is provided so as to cover the gate electrode 312n a little larger, and in the later p-channel TFT, a semiconductor is used. A photoresist doping mask 316p is provided so as to cover the entire layer 310p. After that, an impurity (phosphorus) 317 is implanted into the semiconductor layer at a high concentration by the ion doping method using the resist masks 316n and 316p as a mask. At this time, phosphine (PH) is used as a doping gas. 3 ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 10 Fifteen ~ 1 × 10 16 cm -2 , For example, 5 × 10 Fifteen cm -2 And By this step, in the semiconductor layer 310n of the n-channel TFT, the region into which the impurity (phosphorus) 317 is implanted at a high concentration later becomes the source / drain region 318 of the n-channel TFT and is covered with the resist mask 316n. The region where the high concentration phosphorus 317 is not doped remains as a region where low concentration phosphorus is implanted to form an LDD (Lightly Doped Drain) region 319. Further, in the p-channel TFT later, since the entire region of the semiconductor layer is covered with the mask 316p, the high concentration impurity (phosphorus) 317 is not implanted in this step. At this time, the concentration of n-type impurity element (phosphorus) 317 in region 318 in the film is 1 × 10 19 ~ 1 × 10 21 / Cm 3 It has become. The concentration of the n-type impurity element (phosphorus) 313 in the LDD region 319 of the n-channel TFT in the film is 1 × 10 17 ~ 1 × 10 20 / Cm 3 And functions as an LDD region in such a range.
[0155]
Next, after removing the resist masks 316n and 316p, as shown in FIG. 4E, a doping mask 320 of a photoresist is newly provided so as to entirely cover the semiconductor layer 310n of the n-channel TFT. At this time, no mask is provided above the p-channel TFT, and the entire TFT is exposed. In this state, an impurity (boron) 321 for imparting p-type is implanted into the semiconductor layer by ion doping using the resist mask 320 and the gate electrode 312p of the p-channel TFT to be used as a mask. As a doping gas, diborane (B 2 H 6 ), The acceleration voltage is 40 kV to 80 kV, for example, 65 kV, and the dose is 1 × 10 Fifteen ~ 1 × 10 16 cm -2 , For example, 7 × 10 Fifteen cm -2 And By this step, in the semiconductor layer of the p-channel type TFT, high-concentration boron 321 is implanted into a region 314p exposed from the gate electrode 312p, and the low-concentration phosphorus implanted in the previous step is canceled out (so-called. The polarity is reversed from N-type to P-type (by counter doping). As a result, the source / drain region 322 of the p-channel TFT is formed, and the region which is masked by the gate electrode 312p and into which impurities are not implanted becomes the channel region 315p of the p-channel TFT. In this step, the semiconductor layer 310n of the subsequent n-channel TFT is entirely covered with the mask 320, so that the boron 321 is not doped at all.
[0156]
At the time of doping with the n-type impurity and the p-type impurity, each element is selectively doped by covering the region not requiring doping with a photoresist in this manner, so that the n-type high-concentration impurity region 318 and the p-type impurity are doped. The impurity region 322 and the impurity region 322 can be separately formed. In this embodiment, the n-type impurity element is added to the semiconductor layer. However, the order of the steps is not limited to this embodiment, and may be appropriately determined by an operator.
[0157]
Next, after the resist mask 320 is removed, this is subjected to a heat treatment in an inert atmosphere. This heat treatment activates the ion-implanted impurity in the source / drain region and the LDD region, and at the same time, improves the crystallinity of the portion where the crystallinity has deteriorated in the impurity introducing step. At this time, in this embodiment, since a high melting point metal (W) is used as the gate electrode material, heat treatment at a relatively high temperature is possible, and the condition margin is widened. Actually, in the present embodiment, a general diffusion furnace is used to perform a heat treatment in a nitrogen atmosphere at a temperature range of 500 ° C. to 600 ° C. for about 30 minutes to 8 hours. In addition, an RTA apparatus using a lamp or the like as a heat source, an RTA apparatus in which a substrate is inserted into a furnace by a single wafer, and an RTA apparatus in which an inert gas heated to a high temperature is blown onto the substrate surface are used. You may. When such an RTA method is used, it is preferable to perform the heating at a temperature of 600 ° C. to 700 ° C. for about 30 seconds to 10 minutes. As a result, the sheet resistance of the source / drain region 318 of the n-channel type TFT was about 500 to 800 Ω / □, and the sheet resistance of the LDD region 319 was 30 to 60 kΩ / □. The sheet resistance of the source / drain region 322 of the p-channel TFT was about 1 to 1.5 kΩ / □.
[0158]
Next, an interlayer insulating film is formed as shown in FIG. A silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon nitride oxide film is formed with a thickness of 400 to 1500 nm (typically, 600 to 1000 nm). In this embodiment, a 200-nm-thick silicon nitride film 323 and a 700-nm-thick silicon oxide film 324 are stacked to form a two-layer structure. As a film forming method at this time, a plasma CVD method is used, and the silicon nitride film is formed of SiH 4 And NH 3 Is used as a source gas, the silicon oxide film is made of TEOS and O 2 Was used as a raw material to form a continuous film. Of course, the inorganic interlayer insulating film is not limited to this, and another insulating film containing silicon may have a single-layer or stacked structure.
[0159]
Further, a heat treatment is performed at 300 to 500 ° C. for one to several hours to hydrogenate the semiconductor layer. In this step, hydrogen atoms are supplied to the interface between the semiconductor layer and the gate insulating film to terminate and inactivate dangling bonds that degrade TFT characteristics. In this embodiment, heat treatment was performed at 410 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere containing about 3% of hydrogen. When the amount of hydrogen contained in the interlayer insulating film (particularly, the silicon nitride film 323) is sufficient, the effect can be obtained even by performing the heat treatment in a nitrogen atmosphere. As another means of hydrogenation, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) may be performed.
[0160]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film, and an electrode / wiring 325 of the TFT is formed using a metal material, for example, a two-layer film of titanium nitride and aluminum. The titanium nitride film is provided as a barrier film for preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for one hour to complete the n-channel TFT 326 and the p-channel TFT 327 shown in FIG. Further, if necessary, contact holes are provided also on the gate electrodes 312n and 312p, and necessary electrodes are connected by the wiring 325. For the purpose of protecting the TFTs, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on each TFT.
[0161]
The field-effect mobility of each TFT manufactured according to the above embodiment is 250 to 300 cm for an n-channel TFT. 2 / Vs, 120-150cm with p-channel TFT 2 / Vs, and the threshold voltage is about 1 V for an n-channel TFT, and about -1.5 V for a p-channel TFT, showing very good characteristics. In addition, the abnormal increase of the leak current at the time of the TFT off operation, which was a problem in the conventional example, was suppressed, and almost no characteristic deterioration was observed even after repeated measurement or durability test by bias or temperature stress. Further, when a circuit such as an inverter chain or a ring oscillator is formed by a CMOS structure circuit in which an n-channel TFT and a p-channel TFT manufactured in the present embodiment are configured in a complementary manner, it is very much compared with the conventional one. High reliability and stable circuit characteristics.
[0162]
(Fourth embodiment)
A semiconductor film and a method for manufacturing the semiconductor film according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the amorphous semiconductor film is crystallized by a method different from the method described in the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process in the present embodiment, and the manufacturing process sequentially proceeds according to (A) to (I).
[0163]
First, as in the first embodiment, a base film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is formed on a substrate (a glass substrate in this embodiment) 401 in order to prevent impurity diffusion from the substrate. I do. In the present embodiment, the silicon nitride film is formed as the lower first base film 402, and the silicon oxide film is stacked thereon with the second base film 403. At this time, the thickness of the silicon oxynitride film of the first base film 402 was, for example, 100 nm, and the thickness of the silicon oxynitride film of the second base film 403 was, for example, 100 nm. Next, the a-Si film 404 is formed with a thickness of 25 nm or more and 80 nm or less. In this embodiment, an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is formed by using the plasma CVD method. In this step, the base insulating film and the amorphous semiconductor film may be formed continuously without opening to the atmosphere.
[0164]
Next, a mask insulating film 405 made of a silicon oxide film is formed to a thickness of 200 nm. As shown in FIG. 5A, the mask insulating film has an opening 400 for adding a catalytic element to the semiconductor film.
[0165]
Next, as shown in FIG. 5B, an aqueous solution (aqueous nickel acetate solution) containing 100 ppm by weight of a catalytic element (nickel in this embodiment) is applied by spin coating to form a catalytic element layer 406. I do. At this time, the catalytic element 406 selectively contacts the a-Si film 404 in the opening 400 of the mask insulating film 405 to form a catalytic element added region.
[0166]
In this embodiment, a method of adding nickel by spin coating is used, but a thin film (a nickel film in the case of this embodiment) made of a catalytic element is formed on the a-Si film by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. Means may be taken.
[0167]
Next, heat treatment is performed at a temperature of 500 to 650 ° C. (preferably 550 to 600 ° C.) for 6 to 20 hours (preferably 8 to 15 hours). In this embodiment, the heat treatment is performed at 570 ° C. for 14 hours. As a result, as shown in FIG. 5C, a crystal nucleus is generated in the catalytic element addition region 400, and the a-Si film in the region 400 is first crystallized to form a crystalline silicon film 404a. Further, crystallization proceeds from the crystallization region 404a in a direction substantially parallel to the substrate (the direction indicated by the arrow 407), and a crystalline silicon film 404b having a uniform macroscopic crystal growth direction is formed. At this time, nickel 406 existing on mask 405 is blocked by mask film 405 and does not reach the underlying a-Si film, and crystallization of a-Si film 404 is caused only by nickel introduced in region 400. Done. Further, a region where the crystal growth in the lateral direction does not reach remains as an amorphous region 404c. However, depending on the layout, there may be a case where a boundary occurs by colliding with a region where the crystal has grown laterally from an adjacent opening, and in this case, the region does not become an amorphous region.
[0168]
After removing the silicon oxide film 405 used as a mask, the obtained crystalline silicon film is irradiated with a laser beam as shown in FIG. Improvements may be made. As a result, the crystalline silicon film in the region 404b where the crystal has grown in the lateral direction has a higher quality, and becomes a crystalline silicon film 404d.
[0169]
Next, after removing the natural oxide film on the surface of the crystalline silicon film 404d, a gettering layer 409 is formed as shown in FIG. Regarding the formation of the gettering layer, the same method as in the first embodiment may be used.
[0170]
Then, this is subjected to a first heat treatment under an inert atmosphere. As a heat treatment method at this time, general furnace annealing or rapid thermal annealing (RTA) can be used. In this embodiment, RTA is used. When RTA is used, heat treatment is performed at a temperature of 600 ° C. or more and 750 ° C. or less for about 30 seconds to 15 minutes. In the case of using furnace annealing, a heat treatment at a temperature of 500 ° C. or more and 600 ° C. or less for about 15 minutes to 4 hours may be performed.
[0171]
By this heat treatment, the gettering layer 409 moves nickel in the lower crystalline silicon film 404d upward as indicated by an arrow 410 in FIG. As a result, Ni silicide in the crystalline silicon film 404d disappears, the concentration of nickel in a solid solution state is reduced, and gettering is performed. Then, a crystalline silicon film 404e with a reduced nickel concentration is obtained.
[0172]
Subsequently, as shown in FIG. 5G, the gettering layer 409 is oxidized by heat treatment in an oxidizing gas atmosphere to form a silicon oxide film 411. At this time, as in the first embodiment, as in the first embodiment, steam is used as an oxidizing gas, heat treatment is performed in a high-pressure oxidizing gas atmosphere exceeding 1 atm, or the surface of the gettering layer 409 is heated. RTA treatment for blowing an oxidizing gas may be used. Through this step, the crystalline silicon film 404e has a reduced defect density and becomes a crystalline silicon film 404f having higher crystallinity. The surface of the crystalline silicon film 404f has irregularities between crystal domains due to a difference in oxidation rate depending on the crystal orientation.
[0173]
Then, as shown in FIG. 5H, the silicon oxide film 411 is entirely removed by etching to obtain a desired high-quality crystalline silicon film 404f. Then, as shown in FIG. 5I, the crystalline silicon film in the laterally grown region 404f is etched into a predetermined shape to form a semiconductor layer 412 of a later TFT.
[0174]
By adapting the crystallization method described in this embodiment to the crystallization steps in the first to third embodiments, a high-performance TFT having higher current driving capability can be realized.
[0175]
(Fifth embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment is an active matrix substrate. FIGS. 6A and 6B are block diagrams of the active matrix substrate of the present embodiment.
[0176]
FIG. 6A shows a circuit configuration for performing analog driving. This embodiment shows a semiconductor device having a source side driving circuit 50, a pixel portion 51, and a gate side driving circuit 52. Note that in this specification, a drive circuit is a general term including a source-side processing circuit and a gate-side drive circuit.
[0177]
The source-side drive circuit 50 includes a shift register 50a, a buffer 50b, and a sampling circuit (transfer gate) 50c. The gate-side drive circuit 52 includes a shift register 52a, a level shifter 52b, and a buffer 52c. If necessary, a level shifter circuit may be provided between the sampling circuit and the shift register.
[0178]
In the present embodiment, the pixel unit 51 includes a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels includes a TFT element.
[0179]
Although not shown, a gate-side drive circuit may be further provided on the side opposite to the gate-side drive circuit 52 with the pixel portion 51 interposed therebetween.
[0180]
FIG. 6B shows a circuit configuration for performing digital driving.
This embodiment shows a semiconductor device having a source side driving circuit 53, a pixel portion 54, and a gate side driving circuit 55. In the case of digital driving, a latch (A) 53b and a latch (B) 53c may be provided instead of the sampling circuit as shown in FIG. The source-side drive circuit 53 includes a shift register 53a, a latch (A) 53b, a latch (B) 53c, a D / A converter 53d, and a buffer 53e. The gate-side drive circuit 55 includes a shift register 55a, a level shifter 55b, and a buffer 55c. If necessary, a level shifter circuit may be provided between the latch (B) 53c and the D / A converter 53d.
[0181]
The above configuration can be realized according to the manufacturing steps described in the first to fourth embodiments. In this embodiment, only the configuration of the pixel portion and the driving circuit is shown. However, according to the manufacturing process of the present invention, a memory or a microprocessor can be formed.
[0182]
(Sixth embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment is an active matrix type liquid crystal display device using the CMOS circuit or the pixel portion formed in the above embodiment, and all electric appliances having such a liquid crystal display device as a display portion.
[0183]
Examples of such appliances include video cameras, digital cameras, projectors (rear or front type), head mounted displays (goggle type displays), personal computers, personal digital assistants (mobile computers, mobile phones, electronic books, etc.), etc. Is mentioned.
[0184]
In this embodiment, a crystalline semiconductor film having good crystallinity using a catalyst element can be formed, and the catalyst element can be gettered more sufficiently. Therefore, the characteristics of the n-channel TFT and the p-channel TFT can be improved. And a good CMOS drive circuit with high reliability and stable circuit characteristics can be realized. Further, even in a switching TFT in a pixel in which a leak current at the time of an off operation becomes a problem, a TFT of a sampling circuit in an analog switch portion, and the like, generation of a leak current considered to be caused by segregation of a catalytic element can be sufficiently suppressed. As a result, good display without display unevenness becomes possible. In addition, since the display is good and has no display unevenness, it is not necessary to use a light source more than necessary, so that unnecessary power consumption can be reduced and electric appliances (cell phones, portable books, displays, etc.) that can reduce power consumption can be obtained. ) Can be realized.
[0185]
As described above, the applicable range of the present invention is extremely wide, and the present invention can be applied to electric appliances in all fields. Further, the electric appliance of the present embodiment can be realized by using a display device manufactured by combining the above embodiments.
[0186]
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
[0187]
For example, in addition to the pure silicon film described in the above-described embodiment, a mixed film of germanium and silicon (silicon-germanium film) or a pure germanium film can be used as the semiconductor film to be used in the present invention.
[0188]
Further, as a method of introducing nickel, a method of applying the surface of the amorphous silicon film with a solution in which a nickel salt was dissolved was adopted. A method in which nickel is diffused from the lower layer of the amorphous silicon film to perform crystal growth may be used. Various other methods can be used as a method for introducing nickel. For example, an SOG (spin-on-glass) material is used as a solvent for dissolving a nickel salt, 2 There is also a method of diffusing from a film. Further, a method of forming a thin film by a sputtering method, a vapor deposition method, a plating method, a method of directly introducing a thin film by an ion doping method, or the like can be used.
[0189]
In the above-described embodiment, the crystalline semiconductor film is manufactured by crystallizing the entire amorphous silicon film formed over the entire surface of the substrate. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, a crystalline semiconductor film may be formed in each of a plurality of regions by the method described above.
[0190]
As described above, in the present invention, a stable gettering method that has a large manufacturing process margin, a high manufacturing yield, and an excellent gettering effect is used. Therefore, in a crystalline semiconductor film having good crystallinity manufactured using a catalytic element, the concentration of the catalytic element contained in the crystalline semiconductor film can be stably reduced without damaging the crystalline semiconductor film itself by etching or the like. It can be greatly reduced. When such a semiconductor film is used, generation of a leak current can be suppressed, reliability can be improved, and a high-performance semiconductor device (TFT, active matrix substrate, liquid crystal display, Devices, appliances, etc.). Further, in the manufacturing process of such a semiconductor device, the yield can be greatly improved, and the manufacturing cost can be reduced.
[0191]
【The invention's effect】
According to the present invention, a highly reliable crystalline semiconductor film in which the content of a catalytic element is sufficiently reduced can be provided. In addition, it is possible to provide a method for easily manufacturing such a semiconductor film without increasing a manufacturing process or manufacturing cost. Further, by using the semiconductor film as an active layer, a high-performance semiconductor device (including a TFT) can be realized, and a high-performance semiconductor device with a high degree of integration can be easily manufactured.
[0192]
In particular, when the present invention is applied to a liquid crystal display device (a driver monolithic type active matrix substrate forming an active matrix portion and a peripheral drive circuit portion on the same substrate), the switching characteristics of the pixel switching TFT required for the active matrix substrate are improved. This is advantageous because it simultaneously satisfies the high performance and high integration required for the TFTs constituting the peripheral drive circuit section, and can realize a compact, high performance and low cost module.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1G are schematic process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor film according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are a schematic plan view and a cross-sectional view of a semiconductor film according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3E are schematic process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a thin film transistor according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 4A to 4F are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a circuit having a CMOS structure according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 5A to 5I are schematic cross-sectional views illustrating a method for forming a semiconductor film according to a fourth embodiment of the present invention.
FIGS. 6A and 6B are block diagrams of an active matrix substrate according to a fifth embodiment of the present invention.
7A is a diagram showing crystal growth and FIG. 7B is a diagram showing a <111> crystal zone plane in a case where an amorphous semiconductor film is crystallized by adding a catalytic element. (C) is a diagram showing a standard triangle of the crystal orientation.
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing a plane orientation distribution of a crystalline semiconductor film obtained by using a catalytic element, and FIG. 8C is a diagram showing a standard triangle of crystal orientation. .
FIG. 9 is a diagram schematically showing a configuration of an RTA apparatus used in an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 domains
11 Domain boundaries
12 Substrate
13,14 silicon oxynitride film
15 Underlayer
16 Semiconductor film
101 substrate
102, 103 Underlayer
104 amorphous silicon film
104a, 104b crystalline silicon film
107 Gettering layer (amorphous silicon film)
108 Movement direction of catalytic element
109 Oxidized gettering layer (silicon oxide film)

Claims (39)

複数の結晶ドメインを有する半導体膜であって、前記複数の結晶ドメインは、結晶の〈111〉晶帯面が配向した領域で主に構成され、前記半導体膜の表面の高さは、前記複数の結晶ドメインのそれぞれによって異なる、半導体膜。A semiconductor film having a plurality of crystal domains, wherein the plurality of crystal domains are mainly formed of a region in which a <111> crystal zone plane of a crystal is oriented, and a height of a surface of the semiconductor film is the plurality of crystal domains. A semiconductor film that differs depending on each of the crystal domains. 前記〈111〉晶帯面が配向した領域のうちの50%以上が、(110)面配向または(211)面配向した領域である、請求項1に記載の半導体膜。2. The semiconductor film according to claim 1, wherein 50% or more of the region in which the <111> crystal plane is oriented is a region with a (110) plane orientation or a (211) plane orientation. 前記複数の結晶ドメインのドメイン径は、2μm以上10μm以下である、請求項1または2に記載の半導体膜。The semiconductor film according to claim 1, wherein a domain diameter of the plurality of crystal domains is 2 μm or more and 10 μm or less. 前記半導体膜の少なくとも一部には、非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素が含まれている、請求項1から3のいずれかに記載の半導体膜。4. The semiconductor film according to claim 1, wherein at least a part of the semiconductor film contains a catalyst element that promotes crystallization of the amorphous semiconductor film. 前記触媒元素は、化合物として析出せず、前記半導体膜に固溶した状態で存在している、請求項4に記載の半導体膜。5. The semiconductor film according to claim 4, wherein the catalyst element does not precipitate as a compound but exists as a solid solution in the semiconductor film. 6. 前記触媒元素は、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)および金(Au)からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である、請求項4または5に記載の半導体膜。The catalyst element includes nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), The semiconductor film according to claim 4, wherein the semiconductor film is at least one element selected from the group consisting of iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au). 前記触媒元素は、1×1014atoms/cm以上1×1017atoms/cm以下の濃度で前記半導体膜の少なくとも一部に含まれる、請求項4から6のいずれかに記載の半導体膜。The semiconductor film according to claim 4, wherein the catalyst element is contained in at least a part of the semiconductor film at a concentration of 1 × 10 14 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. . ケイ素(Si)を主成分として形成された、請求項1から7のいずれかに記載の半導体膜。The semiconductor film according to claim 1, wherein the semiconductor film is formed with silicon (Si) as a main component. 前記触媒元素は、シリサイド化合物を形成することにより、非晶質半導体膜の結晶化を促進する、請求項5から8のいずれかに記載の半導体膜。9. The semiconductor film according to claim 5, wherein the catalyst element promotes crystallization of the amorphous semiconductor film by forming a silicide compound. 前記半導体膜の厚さは、25nm以上80nm以下である、請求項1から9のいずれかに記載の半導体膜。10. The semiconductor film according to claim 1, wherein the thickness of the semiconductor film is 25 nm or more and 80 nm or less. (1)非晶質半導体膜の結晶化を促進する触媒元素を含み、かつ結晶質領域を有する第1半導体膜を用意する工程と、
(2)前記第1半導体膜上に接する第2半導体膜を設ける工程と、
(3)前記第1半導体膜に第1の加熱処理を施すことにより、前記第1半導体膜中に存在する前記触媒元素を、前記第2半導体膜へ移動させる工程と、
(4)前記第2半導体膜を酸化する工程と、
(5)前記酸化された第2半導体膜を除去する工程とを包含する、半導体膜の製造方法。
(1) preparing a first semiconductor film containing a catalytic element that promotes crystallization of an amorphous semiconductor film and having a crystalline region;
(2) providing a second semiconductor film in contact with the first semiconductor film;
(3) performing a first heat treatment on the first semiconductor film to move the catalyst element present in the first semiconductor film to the second semiconductor film;
(4) oxidizing the second semiconductor film;
(5) a method of manufacturing a semiconductor film, comprising: removing the oxidized second semiconductor film.
前記工程(1)は、
(1a)前記触媒元素を含有する非晶質半導体膜を用意する工程と、
(1b)前記非晶質半導体膜に第2の加熱処理を施すことにより、前記第1半導体膜とする工程とを含む、請求項11に記載の半導体膜の製造方法。
In the step (1),
(1a) a step of preparing an amorphous semiconductor film containing the catalyst element;
(1b) performing a second heat treatment on the amorphous semiconductor film to form the first semiconductor film.
前記工程(1)と前記工程(2)との間に、前記第1半導体膜の表面に形成された自然酸化膜を除去する工程をさらに含む、請求項11または12に記載の半導体膜の製造方法。13. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 11, further comprising a step of removing a native oxide film formed on a surface of the first semiconductor film between the step (1) and the step (2). Method. 前記第2半導体膜は非晶質状態である、請求項11から13のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。14. The method according to claim 11, wherein the second semiconductor film is in an amorphous state. 前記第2半導体膜は、前記触媒元素を引き寄せるゲッタリング元素を含有する、請求項11から14のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 11, wherein the second semiconductor film contains a gettering element that attracts the catalyst element. 前記ゲッタリング元素は、Ar、KrおよびXeからなる群から選ばれた少なくとも一種の希ガス元素を含む、請求項15に記載の半導体膜の製造方法。The method according to claim 15, wherein the gettering element includes at least one rare gas element selected from the group consisting of Ar, Kr, and Xe. 前記ゲッタリング元素は、P、AsおよびSbからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を含む、請求項15に記載の半導体膜の製造方法。The method according to claim 15, wherein the gettering element includes at least one element selected from the group consisting of P, As, and Sb. 前記ゲッタリング元素は、P、AsおよびSbからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素と、BおよびAlからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素とを含む、請求項15から17のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。18. The gettering element according to claim 15, wherein the gettering element includes at least one element selected from the group consisting of P, As, and Sb, and at least one element selected from the group consisting of B and Al. 3. The method for manufacturing a semiconductor film according to item 1. 前記工程(3)は、前記第2半導体膜の非晶質状態を保ちながら前記第1の加熱処理を行う工程を含む、請求項11から18のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。19. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 11, wherein the step (3) includes a step of performing the first heat treatment while maintaining the amorphous state of the second semiconductor film. 前記工程(4)は、前記第2半導体膜に対して、酸化性ガス雰囲気下にて第3の加熱処理を施す工程を含む、請求項11から19のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。20. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 11, wherein the step (4) includes a step of performing a third heat treatment on the second semiconductor film in an oxidizing gas atmosphere. . 前記第3の加熱処理工程は、1気圧を超える高圧雰囲気下で行われる、請求項20に記載の半導体膜の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor film according to claim 20, wherein the third heat treatment step is performed under a high-pressure atmosphere exceeding 1 atm. 前記第3の加熱処理工程は、前記第2半導体膜の表面に、加熱された酸化性ガスを吹き付ける高速熱アニールを含む、請求項20に記載の半導体膜の製造方法。21. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 20, wherein the third heat treatment step includes a high-speed thermal anneal for blowing a heated oxidizing gas onto a surface of the second semiconductor film. 前記第3の加熱処理工程の前記酸化性ガスとして、水蒸気を用いる、請求項20から請求項22のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。23. The method for manufacturing a semiconductor film according to claim 20, wherein steam is used as the oxidizing gas in the third heat treatment step. 前記第2半導体膜の厚さは、前記第1半導体膜の厚さの1/10以上2倍以下の範囲内である、請求項11から23のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。24. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 11, wherein the thickness of the second semiconductor film is in the range of 1/10 to 2 times the thickness of the first semiconductor film. 前記工程(2)は、
前記第1半導体膜の表面を水素を含むプラズマ雰囲気に曝す工程と、
前記プラズマ雰囲気に曝された前記第1半導体膜を大気に曝すことなく、前記第1半導体膜上に前記第2半導体膜を形成する工程とを含む、請求項11から24のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。
The step (2) includes:
Exposing the surface of the first semiconductor film to a plasma atmosphere containing hydrogen;
25. The method according to claim 11, further comprising: forming the second semiconductor film on the first semiconductor film without exposing the first semiconductor film exposed to the plasma atmosphere to the air. A method for manufacturing a semiconductor film.
前記工程(4)では、前記第2半導体膜に加えて、その下層の第1半導体膜の一部も酸化され、
前記工程(5)では、前記酸化された前記第2半導体膜に加えて、酸化された前記第1半導体膜の前記一部も除去される、請求項11から25のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。
In the step (4), in addition to the second semiconductor film, a part of the underlying first semiconductor film is also oxidized,
26. The semiconductor film according to claim 11, wherein, in the step (5), the part of the oxidized first semiconductor film is removed in addition to the oxidized second semiconductor film. Manufacturing method.
前記工程(4)において、第1半導体膜における半導体原子の不対結合手の量が低減される、請求項11から26のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。27. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 11, wherein in the step (4), the amount of dangling bonds of semiconductor atoms in the first semiconductor film is reduced. 前記工程(3)の前記第1の加熱処理工程と前記工程(4)の前記第3の加熱処理工程とを連続して行う、請求項20から27のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。28. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 20, wherein the first heat treatment step of the step (3) and the third heat treatment step of the step (4) are continuously performed. . 前記第1の加熱処理と前記第3の加熱処理とを同時に行う、請求項20から請求項27のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。28. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 20, wherein the first heat treatment and the third heat treatment are performed simultaneously. 前記工程(5)は、前記第2半導体膜を、フッ化水素を有する酸を用いて湿式方式のエッチングで除去する工程を含む、請求項11から29のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。30. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 11, wherein the step (5) includes a step of removing the second semiconductor film by wet etching using an acid having hydrogen fluoride. . 前記工程(1a)は、
非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記非晶質半導体膜の表面に前記触媒元素を含む溶液を塗布することによって、前記触媒元素を含有する第1半導体膜を形成する工程とを含む、請求項12から請求項29のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。
The step (1a) comprises:
Forming an amorphous semiconductor film;
30. A step of forming a first semiconductor film containing the catalyst element by applying a solution containing the catalyst element on the surface of the amorphous semiconductor film. A method for manufacturing a semiconductor film as described above.
前記工程(1a)は、非晶質半導体膜の一部に選択的に前記触媒元素を添加することにより前記触媒元素を含有する非晶質半導体膜を得る工程を含み、前記工程(1b)は、前記触媒元素が選択的に添加された領域からその周辺部へと前記非晶質半導体膜を横方向に結晶成長させることにより、前記第1半導体膜を得る工程を含む、請求項12から31のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。The step (1a) includes a step of selectively adding the catalyst element to a part of the amorphous semiconductor film to obtain an amorphous semiconductor film containing the catalyst element, and the step (1b) includes: 32. The step of obtaining the first semiconductor film by laterally crystal-growing the amorphous semiconductor film from a region where the catalytic element is selectively added to a peripheral portion thereof. The method for manufacturing a semiconductor film according to any one of the above. 前記触媒元素として、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)および金(Au)からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を用いる、請求項11から32のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。Nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), tin (Sn), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), 33. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 11, wherein at least one element selected from the group consisting of iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), and gold (Au) is used. 前記工程(1b)と前記工程(2)との間に、前記第1半導体膜にレーザー光を照射する工程を行う、請求項12から33のいずれかに記載の半導体膜の製造方法。34. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 12, wherein a step of irradiating the first semiconductor film with laser light is performed between the step (1b) and the step (2). 請求項11から34のいずれかに記載の製造方法により作製された半導体膜。A semiconductor film manufactured by the manufacturing method according to claim 11. 請求項1から10あるいは請求項35のいずれかに記載の半導体膜を活性領域として構成される半導体装置。A semiconductor device comprising the semiconductor film according to claim 1 as an active region. 請求項1から請求項10あるいは請求項35のいずれかに記載の半導体膜を活性領域とした薄膜トランジスタを含む半導体装置。36. A semiconductor device comprising a thin film transistor having the semiconductor film according to claim 1 as an active region. 請求項36または37に記載の半導体装置を備える電子機器。An electronic apparatus comprising the semiconductor device according to claim 36. 複数の画素で構成される表示部を有し、前記複数の画素に請求項36または37に記載の半導体装置を介して表示信号が供給される電子機器。An electronic device, comprising: a display unit including a plurality of pixels, wherein a display signal is supplied to the plurality of pixels via the semiconductor device according to claim 36.
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