JP2007234985A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:以下、「TFT」と略す。)を備えた半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a thin film transistor (hereinafter abbreviated as “TFT”).
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および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、様々な用途に用いられてきており、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液晶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。 In recent years, high-resolution liquid crystal display devices and organic EL display devices, high-speed, high-resolution contact image sensors, three-dimensional ICs, etc. have been developed on insulating substrates such as glass and 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 driving circuit are provided on the same substrate has been used not only as a monitor for a personal computer (PC) but also in various applications, and has entered the general household. I'm starting. For example, instead of CRT (Cathode-ray Tube), a liquid crystal display is introduced as a television, and a liquid crystal front projector for watching movies and playing games as an entertainment has been introduced into ordinary households. The market size of display devices is growing at a considerable rate. Furthermore, 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 is being promoted.
高解像度な画像表示を行おうとすると画素に書き込む情報量が増え、さらにその情報は短時間で書き込まれなければ、そのような膨大な情報量を有する高精細な画像を動画表示したりすることは不可能である。そのため、駆動回路に用いられるTFTは、より高速で動作することが求められている。高速動作を可能にするためには、高い電界効果移動度が得られる良好な結晶性を有する結晶質半導体膜を用いてTFTを形成することが求められている。 If you try to display a high-resolution image, the amount of information to be written to the pixels will increase, and if that information is not written in a short time, a high-definition image with such an enormous amount of information can be displayed as a moving image. Impossible. For this reason, the TFT used in the driver circuit is required to operate at a higher speed. In order to enable high-speed operation, it is required to form a TFT using a crystalline semiconductor film having good crystallinity that can provide high field effect mobility.
ガラス基板上に良質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(触媒元素)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。 As a method for obtaining a high-quality crystalline semiconductor film on a glass substrate, the present inventors add a metal element (catalyst element) having an action of promoting crystallization to an amorphous semiconductor film, and then perform heat treatment. As a result, we have developed a technology that can provide a good semiconductor film with uniform crystal orientation by low-temperature and short-time heat treatment.
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。結晶質ケイ素膜中では触媒元素が不規則に偏析しており、特に結晶粒界においてこのような偏析が顕著であることが確認されている。この偏析された触媒元素が、電流の逃げ道(リークパス)となり、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。 However, a TFT manufactured using a crystalline silicon film obtained by using a catalytic element as a semiconductor layer as it is has a problem that off-current suddenly increases. In the crystalline silicon film, the catalyst element segregates irregularly, and it has been confirmed that such segregation is particularly remarkable at the grain boundary. This segregated catalytic element is considered to be a current escape path (leakage path), causing a sudden increase in off-current. Therefore, it is necessary to reduce the concentration of the catalytic element in the semiconductor film by moving the catalytic element from the semiconductor film after the crystalline silicon film manufacturing process.
なお、本明細書では、半導体膜あるいは半導体膜のうちの所定の領域(チャネル領域や活性領域)から触媒元素を取り除くことを「ゲッタリング」と称する。また、TFTの「活性領域」は、島状半導体層のうちTFTの動作時に電子または正孔が移動する領域を指し、ソースおよびドレイン領域、チャネル領域、LDD領域などを含み、ゲッタリング機能を有する領域(「ゲッタリング領域」)は含まないものとする。 Note that in this specification, removing a catalytic element from a semiconductor film or a predetermined region (a channel region or an active region) of the semiconductor film is referred to as “gettering”. The “active region” of the TFT refers to a region of the island-like semiconductor layer where electrons or holes move during the operation of the TFT, and includes a source and drain region, a channel region, an LDD region, etc., and has a gettering function. The area (“gettering area”) is not included.
従来から一般的に用いられているゲッタリング方法によると、結晶質半導体膜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により、TFTの島状半導体層、あるいはTFTの活性領域やチャネル領域における触媒元素濃度を低減させる。このようなゲッタリング方法には、島状半導体層とゲッタリング領域との関係に着目すると、例えば以下のような2つの手法がある。 According to a conventionally used gettering method, a gettering region is formed in a crystalline semiconductor film, and a catalytic element is moved thereto, so that an island-like semiconductor layer of a TFT, an active region of a TFT, The catalyst element concentration in the channel region is reduced. Such gettering methods include the following two methods, for example, focusing on the relationship between the island-like semiconductor layer and the gettering region.
(A)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(チャネル領域など)のみをゲッタリングする。 (A) A gettering region is formed in the semiconductor layer, and the catalytic element is moved there, so that only a portion where the remaining of the catalytic element is particularly problematic in the semiconductor layer (such as a channel region) is gettered.
(B)結晶質半導体膜における島状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。 (B) A gettering region is formed in a region other than the region to be an island-shaped semiconductor layer in the crystalline semiconductor film, and the catalytic element is moved there.
上記(A)の手法では、例えば特許文献1〜4に提案されているように、結晶質ケイ素膜をパターニングして、それぞれがTFTとなる複数の島状半導体層を形成した後、島状半導体層の一部にゲッタリング領域を形成する。次いで、加熱処理を行うことにより、島状半導体層におけるチャネル領域あるいは活性領域となる領域に含まれる触媒元素をゲッタリング領域へ移動させる。 In the above method (A), for example, as proposed in Patent Documents 1 to 4, after the crystalline silicon film is patterned to form a plurality of island-like semiconductor layers each serving as a TFT, the island-like semiconductor is formed. A gettering region is formed in a part of the layer. Next, by performing heat treatment, the catalyst element contained in the channel region or the active region in the island-shaped semiconductor layer is moved to the gettering region.
このうち特許文献1に提案された手法では、ゲッタリング領域として、島状半導体層の一部を非晶質化することによって形成された非晶質領域を用いる。また、特許文献2〜4に提案された手法では、触媒元素を移動させる作用を有する周期表第5族Bに属する元素(「ゲッタリング元素」と称する、代表的には、リン、ヒ素等:n型を付与する不純物元素でもある)を利用している。具体的には、特許文献2には、島状半導体層のうちソースおよびドレイン領域となる領域に、上記ゲッタリング元素をドーピングすることによってゲッタリング領域を形成することが開示されている。さらに、本出願人による特許文献3および4に提案された方法によると、島状半導体層における活性領域となる領域以外の領域に、ゲッタリング元素をドーピングすることによってゲッタリング領域を形成し、島状半導体層の活性領域における触媒元素をゲッタリング領域に移動させている。 Among them, the technique proposed in Patent Document 1 uses an amorphous region formed by amorphizing a part of the island-like semiconductor layer as the gettering region. Further, in the methods proposed in Patent Documents 2 to 4, an element belonging to Periodic Table Group 5 B having an action of moving a catalyst element (referred to as a “gettering element”, typically phosphorus, arsenic, etc .: It is also an impurity element imparting n-type). Specifically, Patent Document 2 discloses that a gettering region is formed by doping the gettering element in a region to be a source and drain region of an island-shaped semiconductor layer. Furthermore, according to the method proposed in Patent Documents 3 and 4 by the present applicant, a gettering region is formed by doping a gettering element in a region other than a region to be an active region in the island-like semiconductor layer, The catalytic element in the active region of the semiconductor layer is moved to the gettering region.
上記(A)の方法によると、ソース・ドレイン領域を形成するためのドーピング工程を利用してゲッタリングを行うことが可能になるため、製造工程を簡略化できるというメリットがある。しかしながら、島状半導体層を形成した後にゲッタリングのための加熱処理を行うので、ガラス基板にシュリンクやソリが生じるおそれがある。これを避けようとすると、ゲッタリングのための加熱温度や加熱時間が制限されてしまう。 The method (A) has an advantage that the manufacturing process can be simplified because gettering can be performed by using a doping process for forming the source / drain regions. However, since heat treatment for gettering is performed after the island-shaped semiconductor layer is formed, shrinkage or warpage may occur in the glass substrate. If it is going to avoid this, the heating temperature and heating time for gettering will be restricted.
これに対し、上記(B)の手法では、例えば特許文献5に提案されているように、触媒元素を用いて結晶化された結晶質半導体膜を形成した後、結晶質半導体膜のパターニングを行う前に、結晶質半導体膜のうち島状半導体層となる領域のゲッタリングを行う。具体的には、結晶質ケイ素膜の一部に、リンなど5族B元素を選択的に導入することによってゲッタリング領域を形成する。次いで、加熱処理を行うことによって、結晶質半導体膜中の触媒元素をゲッタリング領域に移動させる。この後、結晶質半導体膜のパターニングを行い、ゲッタリング領域を除去するとともに、結晶質半導体膜におけるゲッタリング領域以外の領域(すなわち、触媒元素濃度が低減された領域)を用いて島状半導体層を形成する。 On the other hand, in the method (B) described above, as proposed in Patent Document 5, for example, a crystalline semiconductor film crystallized using a catalytic element is formed, and then the crystalline semiconductor film is patterned. First, gettering is performed on a region to be an island-shaped semiconductor layer in the crystalline semiconductor film. Specifically, a gettering region is formed by selectively introducing a group 5 B element such as phosphorus into a part of the crystalline silicon film. Next, by performing heat treatment, the catalytic element in the crystalline semiconductor film is moved to the gettering region. Thereafter, the crystalline semiconductor film is patterned to remove the gettering region and use the region other than the gettering region in the crystalline semiconductor film (that is, the region where the catalytic element concentration is reduced) to form the island-shaped semiconductor layer Form.
上記(B)の手法によると、島状半導体層を形成する前にゲッタリングのための加熱処理を行うので、ガラス基板のシュリンクやソリを避ける目的でゲッタリングのための加熱処理条件を制限する必要がなく、十分なゲッタリングを行うことが可能になる。 According to the above method (B), the heat treatment for gettering is performed before the island-shaped semiconductor layer is formed. Therefore, the heat treatment conditions for gettering are limited in order to avoid shrinkage or warping of the glass substrate. This is not necessary and sufficient gettering can be performed.
以下、図面を参照しながら、特許文献5に開示されたゲッタリング手法を用いてTFTを作製する方法の一例を説明する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing a TFT using the gettering technique disclosed in Patent Document 5 will be described with reference to the drawings.
まず、図5(a)に示すように、基板201におけるTFTを形成する表面に、下地膜(酸化ケイ素膜)202、および非晶質構造を有するケイ素膜(a−Si膜)203をこの順に形成した後、a−Si膜203の表面上に触媒元素(ニッケル)含有層204を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a base film (silicon oxide film) 202 and a silicon film (a-Si film) 203 having an amorphous structure are formed in this order on the surface of the
続いて、基板201に不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて加熱処理(第1の加熱処理)を行い、a−Si膜203を結晶化する。これにより、図5(b)に示すように、結晶質ケイ素膜205が得られる。
Subsequently, the
得られた結晶質ケイ素膜205にレーザー光を照射することにより、図5(c)に示すように、結晶質ケイ素膜205の結晶性をさらに向上させた結晶質ケイ素膜206を形成する。
By irradiating the obtained
次いで、結晶質ケイ素膜206のうちニッケルを低減しようとする領域(被ゲッタリング領域)210の上にレジスト層207を形成し、これをマスクとして用いて、結晶質ケイ素膜206に対してゲッタリング元素(リン)のドーピングを行う。これにより、図5(d)に示すように、結晶質ケイ素膜206のうちレジスト層207で覆われていない部分にリンがドープされて、ゲッタリング領域208、209となる。
Next, a
レジスト層207を除去した後、図5(e)に示すように、ゲッタリングのための加熱処理を行って、被ゲッタリング領域210に残存するニッケルをゲッタリング領域208、209に移動させる。これによって、被ゲッタリング領域210のニッケル濃度を低減できる。
After removing the
次いで、図5(f)に示すように、結晶質ケイ素膜206のパターニングを行い、ゲッタリング領域208、209を除去することによって、ニッケル濃度が低減された島状半導体層212を得る。
Next, as shown in FIG. 5F, the
この後、図示しないが、島状半導体層212の上にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成し、また、島状半導体層212にチャネル領域、ソースおよびドレイン領域を形成することにより、TFTを作製することができる。
しかしながら、特許文献5に開示された方法によると、結晶質ケイ素膜206における島状半導体層となる領域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、ドーピングマスク(レジスト層)207を形成するためのフォトリソ工程や、結晶質ケイ素膜206に対してゲッタリング元素(リン)を導入するためのドーピング工程などが付加される。よって、製造プロセスが複雑になり、製造コストも増加するという問題がある。
However, according to the method disclosed in Patent Document 5, the doping mask (resist layer) 207 is formed in order to cause a region other than the region to be the island-shaped semiconductor layer in the
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、薄膜トランジスタを備えた半導体装置において、製造プロセスを複雑化することなく、薄膜トランジスタの結晶質半導体層に含まれる触媒元素濃度を低減することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to reduce the concentration of a catalytic element contained in a crystalline semiconductor layer of a thin film transistor without complicating the manufacturing process in a semiconductor device including the thin film transistor. There is.
本発明の半導体装置の製造方法は、薄膜トランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、(a)結晶化を促進する触媒元素が少なくとも一部に添加された非晶質半導体膜を用意する工程と、(b)前記非晶質半導体膜に対して第1の加熱処理を行うことにより、前記非晶質半導体膜の少なくとも一部を結晶化し、結晶質領域を含む結晶質半導体膜を得る工程と、(c)前記結晶質領域上に、少なくともその一部を露出する反射防止層を形成する工程と、(d)前記結晶質半導体膜に対してレーザー照射を行うことにより、前記結晶質領域のうち露出された部分を再結晶化して再結晶化領域を形成するとともに、前記結晶質半導体膜のうち前記反射防止層で覆われた部分に非晶質半導体を含むゲッタリング領域を形成する工程と、(e)前記結晶質半導体膜に対して第2の加熱処理を行うことにより、前記再結晶化領域中の前記触媒元素の少なくとも一部を前記ゲッタリング領域に移動させる工程とを包含する。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device including a thin film transistor, and (a) a step of preparing an amorphous semiconductor film to which a catalytic element for promoting crystallization is added at least partially. And (b) performing a first heat treatment on the amorphous semiconductor film to crystallize at least a part of the amorphous semiconductor film to obtain a crystalline semiconductor film including a crystalline region. And (c) forming an antireflection layer that exposes at least a part of the crystalline region on the crystalline region, and (d) irradiating the crystalline semiconductor film with a laser to thereby form the crystalline region. Forming a recrystallized region by recrystallizing an exposed portion of the crystal, and forming a gettering region including an amorphous semiconductor in a portion of the crystalline semiconductor film covered with the antireflection layer And (e) By performing the second heat treatment with respect to the serial crystalline semiconductor film includes a step of moving at least a portion of the catalyst element in the recrystallized region to the gettering region.
ある好ましい実施形態において、前記工程(c)は、前記結晶質領域上に、前記結晶質領域のうち島状半導体層を形成しようとする領域を露出する反射防止層を形成する工程である。 In a preferred embodiment, the step (c) is a step of forming an antireflection layer that exposes a region of the crystalline region where an island-like semiconductor layer is to be formed on the crystalline region.
前記反射防止層は酸化シリコンを含んでもよい。 The antireflection layer may include silicon oxide.
前記反射防止層は酸化シリコン層であり、前記酸化シリコン層の厚さは100nm以下であってもよい。 The antireflection layer may be a silicon oxide layer, and the thickness of the silicon oxide layer may be 100 nm or less.
ある好ましい実施形態において、前記工程(e)の後に(f)前記反射防止層および前記ゲッタリング領域を除去して、前記再結晶化領域の少なくとも一部を含む島状半導体層を形成する工程をさらに包含する。 In a preferred embodiment, after the step (e), (f) removing the antireflection layer and the gettering region to form an island-shaped semiconductor layer including at least a part of the recrystallized region. In addition.
ある好ましい実施形態において、前記工程(f)の後に(g)前記島状半導体層上に絶縁膜を形成する工程と、(h)前記島状半導体層の一部に、ゲッタリング能力を有するゲッタリング元素を添加することにより、他のゲッタリング領域を形成する工程と、(i)前記島状半導体層に対して第3の加熱処理を行うことにより、前記島状半導体層のうち前記他のゲッタリング領域以外の領域中の前記触媒元素の少なくとも一部を前記他のゲッタリング領域に移動させる工程とをさらに包含する。 In a preferred embodiment, after the step (f), (g) a step of forming an insulating film on the island-shaped semiconductor layer; and (h) a getter having a gettering capability in a part of the island-shaped semiconductor layer. A step of forming another gettering region by adding a ring element; and (i) performing a third heat treatment on the island-shaped semiconductor layer to thereby form the other island-shaped semiconductor layer. And a step of moving at least a part of the catalytic element in a region other than the gettering region to the other gettering region.
前記工程(h)は、前記島状半導体層のうち活性領域となる領域以外の領域に前記ゲッタリング元素を添加することにより、他のゲッタリング領域を形成する工程であってもよい。 The step (h) may be a step of forming another gettering region by adding the gettering element to a region other than a region to be an active region of the island-shaped semiconductor layer.
前記工程(g)と工程(h)の間に(g’)前記島状半導体層のうち活性領域となる領域以外の領域上に位置する前記ゲート絶縁膜を選択的に薄膜化または選択的に除去する工程をさらに含み、前記工程(h)は、前記島状半導体層上の前記ゲート絶縁膜が薄膜化または除去された領域にゲッタリング元素を添加することにより、他のゲッタリング領域を形成する工程であってもよい。 Between the step (g) and the step (h), (g ′) the gate insulating film located on a region other than the region which becomes the active region in the island-like semiconductor layer is selectively thinned or selectively The step (h) further includes a gettering region by adding a gettering element to a region where the gate insulating film on the island-like semiconductor layer is thinned or removed. It may be a process to do.
好ましくは、前記工程(i)の前に、前記島状半導体層のうちソースおよびドレイン領域を形成しようとする領域に対して不純物元素のドープを行う工程をさらに含み、前記第3の加熱処理により、前記島状半導体層にドープされた前記不純物元素の活性化を行う。 Preferably, before the step (i), the method further includes a step of doping an impurity element into a region of the island-shaped semiconductor layer in which a source and drain region is to be formed, and the third heat treatment Then, the impurity element doped in the island-like semiconductor layer is activated.
前記触媒元素は、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、Fe、Cuから選ばれた一種または複数種の元素を含んでもよい。 The catalyst element may include one or more elements selected from Ni, Co, Sn, Pb, Pd, Fe, and Cu.
本発明によると、従来よりも簡便なプロセスで、触媒元素を用いて形成された結晶質半導体層における触媒元素濃度を低減できる。従って、結晶質半導体層に残留する触媒元素に起因する不良を減少させることができ、高信頼性で高性能な薄膜トランジスタを備えた半導体装置を提供できる。 According to the present invention, the concentration of the catalytic element in the crystalline semiconductor layer formed using the catalytic element can be reduced by a simpler process than before. Accordingly, defects due to the catalytic element remaining in the crystalline semiconductor layer can be reduced, and a semiconductor device including a highly reliable and high performance thin film transistor can be provided.
本発明による半導体装置の製造方法では、レーザー照射により結晶質半導体膜を再結晶化させる工程を利用して、結晶質半導体膜にゲッタリング領域を形成する。従って、ゲッタリングを行うことによる製造工程数や製造コストの増加を抑制できる。本明細書における「半導体装置」は、半導体層を活性層として有する薄膜トランジスタを備えていればよく、薄膜トランジスタ、アクティブマトリクス基板、液晶表示装置などを含む。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a gettering region is formed in the crystalline semiconductor film by utilizing a step of recrystallizing the crystalline semiconductor film by laser irradiation. Therefore, it is possible to suppress an increase in the number of manufacturing steps and manufacturing costs due to gettering. The “semiconductor device” in this specification only needs to include a thin film transistor having a semiconductor layer as an active layer, and includes a thin film transistor, an active matrix substrate, a liquid crystal display device, and the like.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施形態を説明する。本実施形態では、触媒元素を用いて結晶化された結晶質ケイ素膜から、触媒元素濃度の低減された島状の結晶質ケイ素層(島状半導体層)を形成し、これを用いてTFTを作製する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, an island-like crystalline silicon layer (island-like semiconductor layer) having a reduced catalytic element concentration is formed from a crystalline silicon film crystallized using a catalytic element, and a TFT is formed using the island-like crystalline silicon layer (island-like semiconductor layer). Make it.
図1(a)〜(e)および図2(a)〜(d)は、本実施形態における島状半導体層の形成方法を説明するための工程断面図であり、図3(a)〜(d)は、それぞれ、図2(a)〜(d)に示す工程に対応する平面図である。なお、簡単のため、結晶質半導体膜から単一の島状半導体層を形成する工程を図示しているが、典型的には、結晶質半導体膜から複数の島状半導体層が形成される。 FIGS. 1A to 1E and FIGS. 2A to 2D are process cross-sectional views for explaining a method for forming an island-shaped semiconductor layer in the present embodiment, and FIGS. d) is a top view corresponding to the process shown to Fig.2 (a)-(d), respectively. Note that for the sake of simplicity, a process of forming a single island-shaped semiconductor layer from a crystalline semiconductor film is illustrated, but a plurality of island-shaped semiconductor layers are typically formed from a crystalline semiconductor film.
まず、図1(a)に示すように、基板101におけるTFTを形成する表面に、下地膜102、103および非晶質ケイ素(a−Si)膜104aをこの順で形成する。
First, as shown in FIG. 1A,
基板101は絶縁性表面を有していればよく、例えば低アルカリガラス基板や石英基板であってもよい。本実施形態では、基板101として低アルカリガラス基板を用いる。この場合、ガラス歪み点よりも10〜20℃程度低い温度で基板101をあらかじめ熱処理しておいても良い。下地膜102、103は基板101からの不純物拡散を防ぐために設けられ、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であってもよい。本実施形態では、下層の第1下地膜102として、例えばプラズマCVD法でSiH4、NH3、N2Oの材料ガスを用いて酸化窒化ケイ素膜を形成する。また、第2の下地膜103として、第1下地膜102の上に同様にプラズマCVD法によりTEOSおよび酸素を材料ガスとして用いて酸化ケイ素膜を形成する。このとき、第1下地膜(酸化窒化ケイ素膜)102の厚さは、好ましくは25〜400nm、例えば100nmである。また、第2下地膜(酸化ケイ素膜)103の厚さは、好ましくは25〜300nm、例えば100nmである。本実施形態では2層からなる下地膜を形成したが、下地膜は例えば酸化ケイ素膜の単層であってもよい。
The
a−Si膜104aは、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で形成できる。a−Si膜104aの厚さは、例えば20〜150nm、好ましくは30〜80nmである。本実施形態では、プラズマCVD法により、厚さが50nmのa−Si膜を形成する。
The
なお、マルチチャンバー型のプラズマCVD装置を用い、下地膜102、103とa−Si膜104aとを大気雰囲気に晒さないで連続形成することが好ましい。これにより、下地膜103とa−Si膜104aとの界面(TFTではバックチャネルとなる)の汚染を防ぐことが可能となり、作製するTFTの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減させることができる。
Note that it is preferable that the
続いて、図1(b)に示すように、a−Si膜104aの表面上に触媒元素105を添加する。本実施形態では、触媒元素105としてニッケルを用いる。また、ニッケルのa−Si膜104aへの添加は、ニッケルを溶かせた溶液をa−Si膜104aの上に保持した後、スピナーにより溶液を基板101の上に均一に延ばして乾燥させることにより行う。上記溶液の溶質として酢酸ニッケル、溶媒として水を用いることができる。また、上記溶液中のニッケル濃度は重量換算で例えば5ppmとなるように調整する。この工程によって添加される触媒元素の量は極微量である。a−Si膜104aの表面における触媒元素濃度は、全反射蛍光X線分析(TRXRF)法により管理され、例えば5×1012 atoms/cm2程度である。
Subsequently, as shown in FIG. 1B, a
触媒元素105は、ニッケル(Ni)以外に、鉄(Fe)、コバルト(Co)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)から選ばれた一種または複数種の元素であってもよい。これらの元素よりも触媒効果は小さいが、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)等も触媒元素105として機能する。また、触媒元素105をa−Si膜104aに添加する方法としては、触媒元素を含む溶液を塗布する方法以外に、プラズマドーピング法、蒸着法もしくはスパッタ法等の気相法なども利用することができる。触媒元素を含む溶液を塗布する方法によると、触媒元素の添加量を容易に制御でき、また極微量の触媒元素を容易に添加できるので有利である。
In addition to nickel (Ni), the
この後、基板101に不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて加熱処理(第1の加熱処理)を施す。この加熱処理として、550〜620℃で30分〜4時間の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590℃にて1時間の加熱処理を行う。この加熱処理によって、a−Si膜104aの表面に添加されたニッケル105がa−Si膜104aに拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜104aの結晶化が進行する。その結果、図1(c)に示すように、a−Si膜104aは結晶化され、結晶質ケイ素膜104pとなる。なお、ここでは炉を用いた加熱処理により結晶化を行ったが、ランプ等を熱源として用いるRTA(Rapid Thermal Annealing)装置で結晶化を行ってもよい。
Thereafter, the
なお、加熱処理に先立って、スピン塗布時のa−Si膜104aの表面の濡れ性を向上させるため、オゾン水等でa−Si膜104aの表面をわずかに酸化させておいてもよい。
Prior to the heat treatment, the surface of the
このようにして得られた結晶質ケイ素膜104aの結晶面配向は、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、2〜10μmとなっている。
The crystal plane orientation of the
続いて、図1(d)に示すように、結晶質ケイ素膜104pの上に、反射防止効果を有する膜107を形成した後、レジスト層109を形成する。本実施形態では、レジスト層109は、結晶質ケイ素膜104pのうち島状半導体層となる領域以外の領域を覆うように設けられる。なお、レジスト層109は、結晶質ケイ素膜104pにおける結晶質領域の少なくとも一部を露出するように設けられればよく、その平面形状は特に限定されない。膜107は、単層であっても積層構造を有していてもよい。本実施形態では、厚さが約100nm以下(例えば50nm)のSiO2膜(単層)を用いる。
Subsequently, as shown in FIG. 1D, after a
この後、図1(e)に示すように、レジスト層109をマスクとして、膜107に対するエッチングを行い、反射防止層108を得る。これにより、結晶質ケイ素膜104pのうち島状半導体層となる領域が露出する。
Thereafter, as shown in FIG. 1E, the
次いで、結晶質ケイ素膜104pにレーザー光を照射することによって、図2(a)および図3(a)に示すように、結晶質ケイ素膜104pよりも高い結晶性を有する再結晶化領域104rと、非晶質ケイ素を含むゲッタリング領域104gとを形成する。
Next, by irradiating the
上記工程をより詳しく説明する。固相結晶化によって得られた結晶質ケイ素膜104pのうち反射防止層108から露出した部分(すなわち、島状半導体層となる領域)では、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るので、より高品質な結晶性ケイ素膜からなる再結晶化領域104rが得られる。なお、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。一方、結晶質ケイ素膜104pのうち反射防止層108で覆われた領域では、反射防止層108の作用により、実効レーザー照射エネルギーが増大し、結晶質ケイ素膜104pの結晶性を低下させる。その結果、結晶質ケイ素膜104pよりも結晶性の低いゲッタリング部104gが得られる。得られたゲッタリング部104gは、少なくとも一部に非晶質領域を含んでいる。
The above process will be described in more detail. Of the
この工程では、レーザー光として、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用いるが、代わりにKrFエキシマレーザー(波長248nm)を適用してもよい。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により、基板全面を照射できる。このとき、ビームの一部が重なるようにして走査すると、結晶質ケイ素膜104pの任意の一点において、複数回のレーザー照射が行われるため、より均一にレーザー照射できる。
In this step, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 nsec) is used as the laser light, but a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) may be applied instead. The beam size of the laser light is formed to be a long shape on the surface of the
結晶質ケイ素膜104pのうち反射防止層108から露出した部分に照射されるレーザー光の照射エネルギーは、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104pの結晶状態がリセットされてしまうため、適切な範囲に設定する必要があり、例えば300〜400mJ/cm2である。また、結晶質ケイ素膜104pのうち反射防止層108で覆われた部分に照射される実効レーザー照射エネルギーは、結晶質ケイ素膜104pを非晶質化するために、例えば300mJ/cm2以上に制御される必要がある。この実効レーザー照射エネルギーは、レーザー光の波長、反射防止層108の材料や厚さなどによって制御することができる。
In the
続いて、図2(b)および図3(b)に示すように、第2の加熱処理を行うことにより、再結晶化領域104rにおける触媒元素をゲッタリング領域104gに移動させる。前述したように、ゲッタリング領域104gは非晶質領域を含んでいるため、加熱処理を行うことにより、非晶質領域に再結晶化領域104rに残存する触媒元素を移動させることができる。
Subsequently, as shown in FIGS. 2B and 3B, the second heat treatment is performed to move the catalytic element in the
非晶質領域に触媒元素を移動できる理由としては、非晶質領域における触媒元素の自由エネルギーは結晶質領域よりも低いために、触媒元素は非晶質領域へ拡散し易く、また、非晶質領域では、不対結合手や格子欠陥などが触媒元素をトラップする偏析サイトを形成するので、偏析サイトまで触媒元素を移動させてトラップするといったゲッタリング作用が得られるからである。 The reason why the catalytic element can move to the amorphous region is that the free energy of the catalytic element in the amorphous region is lower than that of the crystalline region, so that the catalytic element easily diffuses into the amorphous region, This is because, in the mass region, a dangling bond or a lattice defect forms a segregation site for trapping the catalyst element, so that a gettering action of moving and trapping the catalyst element to the segregation site can be obtained.
第2の加熱処理として、400℃以上800℃以下の温度で、数分〜数時間のアニールを行うことが好ましい。より好ましくは、550℃以上750℃以下の温度で0.5分以上10分以下のアニールを行う。この工程によって、再結晶化領域104rにおける触媒元素の濃度を、例えば1×1016atoms/cm3程度以下まで低減できる。
As the second heat treatment, it is preferable to perform annealing for several minutes to several hours at a temperature of 400 ° C. to 800 ° C. More preferably, annealing is performed at a temperature of 550 ° C. to 750 ° C. for 0.5 minutes to 10 minutes. By this step, the concentration of the catalytic element in the
なお、本実施形態では、ゲッタリング領域104gの上に反射防止層108を残した状態でゲッタリングを行っているが、レーザー照射工程の後、反射防止層108を除去してから同様のゲッタリングを行うこともできる。
In this embodiment, the gettering is performed with the
この後、図2(c)および図3(c)に示すように、再結晶化領域104rの上に、再結晶化領域104rの少なくとも一部を覆うレジスト層110を形成する。反射防止層108はレジスト層110から露出する。本実施形態におけるレジスト層110は、図示するように、再結晶化領域104rの平面形状に対応した平面形状を有する。また、レジスト層110は、ゲッタリング領域104gよりも厚いことが好ましく、その厚さは例えば0.5μm以上2μm以下である。
Thereafter, as shown in FIGS. 2C and 3C, a resist
続いて、レジスト層110をマスクとして、反射防止層108およびゲッタリング領域104gのエッチングを行う。本実施形態では、反射防止層108をエッチングするために使用するエッチャント(例えばBHF)と、ゲッタリング領域104gをエッチングするために使用するエッチャント(例えばCF4+O2)とは異なっている。従って、同一のマスク(レジスト層110)を用いて、反射防止層108に対するエッチング(第1のエッチング)を行った後、ゲッタリング領域104gに対するエッチング(第2のエッチング)を行う必要がある。なお、レジスト層110が再結晶化領域104rの一部を覆うように形成された場合には、再結晶化領域104rのうちレジスト層110で覆われていない部分も、上記第2のエッチングによりゲッタリング領域104gとともに除去される。
Subsequently, the
その後、レジスト層110を除去すると、図2(d)および図3(d)に示すように、再結晶化された結晶質半導体からなる島状半導体層112が得られる。
Thereafter, when the resist
このようにして得られた島状半導体層112を用いてTFTを作製する。島状半導体層112からTFTを作製する方法については、特に限定せず、公知の方法を用いることができる。
A TFT is manufactured using the island-shaped
上記方法によると、非晶質ケイ素領域を利用したゲッタリングにより、結晶質ケイ素膜104pのうちTFTの島状半導体層となる領域における触媒元素濃度を低減できる。また、図2(a)および図3(a)に示す工程において、結晶質ケイ素膜104pをレーザーで照射する際に、反射防止層108を利用することによって、結晶質ケイ素膜104pの位置に応じて実効レーザー照射エネルギーを制御できるので、結晶質ケイ素膜104pの再結晶化を行うとともに、ゲッタリング領域104gを形成することが可能になる。このように、レーザー照射による結晶質ケイ素膜104pの再結晶化工程を利用してゲッタリング領域104gを形成するので、例えば特許文献5に開示された方法(図5)のように、ゲッタリング領域を形成する工程(例えば図5(d)に示す工程)を別個に行う必要がなく、製造プロセスを従来よりも簡略化できる。
According to the above method, the concentration of the catalytic element in the region that becomes the island-like semiconductor layer of the TFT in the
(第2の実施形態)
以下、本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施形態を説明する。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the semiconductor device manufacturing method according to the present invention will be described below.
本実施形態では、図1(a)〜(e)、図2(a)〜(d)および図3(a)〜(d)を参照しながら実施形態1で説明した方法と同様の方法で島状半導体層112を形成した後、島状半導体層112にゲッタリング領域を形成してさらにゲッタリングを行い、島状半導体層112におけるチャネル領域となる領域、あるいは活性領域となる領域から触媒元素をさらに低減する。
In the present embodiment, a method similar to the method described in the first embodiment with reference to FIGS. 1A to 1E, FIGS. 2A to 2D, and FIGS. 3A to 3D. After the island-
なお、本実施形態では、結晶質半導体膜をパターニングする前に行うゲッタリング(すなわち、図2(b)および図3(b)を参照しながら説明したようなゲッタリング)を「第1のゲッタリング」と称し、結晶質半導体膜をパターニングして得られた島状半導体層112にゲッタリング領域を形成して行う追加のゲッタリングを「第2のゲッタリング」と称する。
In this embodiment, gettering performed before patterning the crystalline semiconductor film (that is, gettering as described with reference to FIGS. 2B and 3B) is performed as “first gettering”. The additional gettering performed by forming a gettering region in the island-
本実施形態の方法によると、第1のゲッタリングによっても再結晶化領域104rから除去されなかった触媒元素が島状半導体層112における活性領域やチャネル領域となる領域に残存していても、第2のゲッタリングによって、残存した触媒元素を島状半導体層112に形成したゲッタリング領域に移動させることができる。このように、ゲッタリングを二段階で行うため、島状半導体層112における活性領域やチャネル領域における触媒元素濃度をさらに低減でき、触媒元素によるTFTの信頼性の低下をより効果的に抑制できる。
According to the method of the present embodiment, even if the catalyst element that has not been removed from the
本実施形態における第2のゲッタリング方法は特に限定されないが、島状半導体層112に対して不純物をドープする工程と、ドープされた不純物を活性化させる活性化アニール工程とを利用して第2のゲッタリングを行うと、製造工程数の増加を抑制できるので好ましい。
The second gettering method in the present embodiment is not particularly limited, but the second gettering method is performed using a step of doping the island-
第2のゲッタリングでは、例えば本出願人による特許文献3や本出願人による特許文献4に開示されているように、島状半導体層112のうちTFTの活性領域となる領域以外の領域にゲッタリング領域を形成し、活性領域となる領域中の触媒元素を低減させてもよい。特許文献3および4に開示された方法では、島状半導体層のうちゲッタリング領域となる領域上に設けたゲート絶縁膜を選択的に薄膜化あるいは除去した後、ゲッタリング元素を島状半導体層にドープすることによって、より簡便なプロセスでゲッタリング領域を形成する。また、ゲッタリング後もゲッタリング領域を除去する必要がないため、工程数を低減できるだけでなく、ゲッタリング後に残留する触媒元素がその後の熱処理工程等で再度シリサイド化することを防止できる。
In the second gettering, for example, as disclosed in Patent Document 3 by the present applicant and Patent Document 4 by the present applicant, gettering is performed in a region other than the region serving as the active region of the TFT in the island-shaped
あるいは、特許文献2に開示されているように、島状半導体層112のうちTFTのソースおよびドレイン領域となる領域にゲッタリング元素をドープしてゲッタリング領域を形成し、チャネル領域となる領域中の触媒元素を低減させてもよい。
Alternatively, as disclosed in Patent Document 2, a gettering element is formed by doping a region of the island-
以下、図4(a)〜(g)を参照しながら、島状半導体層112からnチャネル型TFTを作製する方法の一例を説明する。この例では、特許文献3および4に開示された方法のように、島状半導体層112のうち活性領域となる領域以外の領域にゲッタリング領域を形成し、第2のゲッタリングを行う。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing an n-channel TFT from the island-shaped
まず、図4(a)に示すように、島状半導体層112を覆うゲート絶縁膜120を形成する。島状半導体層112は、図1(a)〜(e)、図2(a)〜(d)および図3(a)〜(d)を参照しながら前述した方法と同様の方法で形成される。ゲート絶縁膜120は、酸化ケイ素膜(厚さ:20〜150nm)が好ましく、ここでは厚さが100nmの酸化ケイ素膜を用いた。ここでは、酸化ケイ素膜の形成は、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともに基板温度が150〜600℃、好ましくは300〜450℃で、RFプラズマCVD法で分解・堆積することにより行う。酸化ケイ素膜を形成後、ゲート絶縁膜120のバルク特性、および結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜120との界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下、500〜700℃で数分〜数時間のアニールを行ってもよい。また、ゲート絶縁膜120は、他のシリコンを含む絶縁膜の単層であっても良いし、積層構造を有していても良い。
First, as shown in FIG. 4A, a
次に、図4(b)に示すように、ゲート絶縁膜120の上にゲート電極(厚さ:例えば300〜500nm)122を形成する。ゲート電極122は、ゲート絶縁膜120の上に導電膜を形成し、この導電膜をエッチングすることによって得られる。導電膜の材料として、例えば、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)からなる群から選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金か、前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)を用いることができる。なお、ゲート電極122は、特許文献4に示すような積層構造を有していてもよく、例えば、導電性の窒化物金属膜からなる導電膜(A)と金属膜からなる導電膜(B)とを含む二層構造であってもよい。導電膜(B)の材料としては、窒化タンタル(TaN)、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)膜、窒化モリブデン(MoN)、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などを用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 4B, a gate electrode (thickness: for example, 300 to 500 nm) 122 is formed on the
次いで、図4(c)に示すように、ゲート電極122をマスクとして、イオンドーピング法によって、島状半導体層112にn型不純物(リン)124を高濃度に注入する。この工程により、島状半導体層112において、ゲート電極122に覆われていない領域126には高濃度のリン124が注入される。この工程で、ゲート電極122にマスクされリン124が注入されない領域128は、後にTFTのチャネル領域となる。
Next, as shown in FIG. 4C, an n-type impurity (phosphorus) 124 is implanted into the island-
図4(d)に示すように、ゲート電極122と領域126の一部とを覆うように、ゲート絶縁膜120上にレジストからなるマスク130を形成し、これを用いて、ゲート絶縁膜120のエッチングを行う。これにより、選択的にエッチングされたゲート絶縁膜120を形成する。このときのマスク130とゲート絶縁膜120により、半導体層112の一部(外縁部)が露出された状態となる。
As shown in FIG. 4D, a
次いで、基板101上方より希ガス元素(本実施形態ではAr)132を全面にイオンドーピングする。この工程により、図4(e)に示すように、TFT活性領域の露出している領域に希ガス元素(ゲッタリング元素)132が注入され、ゲッタリング領域134が形成される。マスク130とゲート絶縁膜120によって覆われている領域には、希ガス元素132はドーピングされず、後のTFTのソースおよびドレイン領域136となる。このときの希ガス元素としては、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ることができる。また、この工程により、ゲッタリング領域134はゲート絶縁膜が無い状態で強くドーピングされるため、結晶性が完全に破壊され、非晶質化される。
Next, a rare gas element (Ar in this embodiment) 132 is ion-doped from above the
次に、マスク130を除去した後、不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて熱処理を行う。この熱処理工程で、図4(f)に示すように、ソースおよびドレイン領域136の外側に形成されたゲッタリング領域134における、非晶質化により生じた結晶欠陥と高濃度にドープされた希ガス元素132とが、チャネル領域128およびソース・ドレイン領域136に存在しているニッケルを、チャネル領域128からソース・ドレイン領域136、そしてゲッタリング領域134へと、矢印のような方向へ移動させる(第2のゲッタリング)。
Next, after removing the
このようにして、第1のゲッタリング後も島状半導体層112の活性領域に残留している触媒元素をゲッタリングでき、触媒元素の偏析によるリーク電流の発生をさらに抑制することができる。また、TFTの活性領域において、ソース領域またはドレイン領域136とは別の領域にゲッタリング領域134を形成するため、非晶質化によりTFTのソース領域またはドレイン領域において抵抗が上がってしまうという問題を生じない。
In this manner, the catalytic element remaining in the active region of the island-
第2のゲッタリングでは、一般的な加熱炉を用いてもよいが、RTA(Rapid Thermal Annealing)の方がより望ましい。特に、基板表面に高温の不活性ガスを吹き付け、瞬時に昇降温を行う方式のものが適している。具体的な処理条件としては、保持温度550〜750℃の範囲で、保持時間30秒〜10分程度が適度な条件である。昇温速度および降温速度としては、共に100℃/分以上で行うことが好ましい。なお、このような加熱処理により、ソース・ドレイン領域136にドーピングされたn型不純物(リン)124の活性化も同時に行われ、ソース・ドレイン領域136のシート抵抗値は、1kΩ/□以下まで低抵抗化される。しかし、ゲッタリング領域134は、非晶質成分を維持した状態で残る。
In the second gettering, a general heating furnace may be used, but RTA (Rapid Thermal Annealing) is more preferable. In particular, a system in which high temperature inert gas is blown onto the substrate surface and the temperature is raised and lowered instantaneously is suitable. As specific processing conditions, a holding temperature of 550 to 750 ° C. and a holding time of about 30 seconds to 10 minutes are appropriate conditions. It is preferable that the temperature increase rate and the temperature decrease rate are both 100 ° C./min or more. By such heat treatment, the n-type impurity (phosphorus) 124 doped in the source /
続いて、図4(g)に示すように、酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜142として形成し、コンタクトホールを形成して、金属材料によってTFTの電極・配線144を形成する。この後、1気圧の窒素雰囲気あるいは水素混合雰囲気で350℃、1時間のアニールを行い、薄膜トランジスタ150を得る。さらに必要に応じて、薄膜トランジスタ150を保護する目的で、薄膜トランジスタ150の上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 4G, a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed as an
上記方法において、第2のゲッタリングを行う際に、ゲッタリング元素としてリンを用いているが、代わりにヒ素、アンチモンを利用しても良い。また、上記方法では、ゲート絶縁膜120の一部を選択的に除去しているが、代わりにゲート絶縁膜120の一部を選択的に薄膜化し、これを利用してゲッタリング領域134を形成してもよい。さらに、必要に応じて、島状半導体層112におけるチャネル領域128とソース・ドレイン領域136との間に、LDD領域を形成してもよい。
In the above method, phosphorus is used as the gettering element when performing the second gettering, but arsenic or antimony may be used instead. Further, in the above method, a part of the
本実施形態によると、第1および第2のゲッタリングによって、TFTの活性領域における触媒元素濃度をより効率的に低減できる。従って、ゲッタリングを一度しか行わない方法に比べて、ゲッタリング不足によるオフ電流の増大を抑制できるので、TFT特性や信頼性をより高めることができる。また、製造工程における不良率を改善できる。 According to this embodiment, the catalyst element concentration in the active region of the TFT can be more efficiently reduced by the first and second gettering. Therefore, compared to a method in which gettering is performed only once, an increase in off-current due to insufficient gettering can be suppressed, so that TFT characteristics and reliability can be further improved. Moreover, the defect rate in a manufacturing process can be improved.
さらに、本実施形態では、第2のゲッタリングは、既に触媒元素濃度の低減された島状半導体層112に対して行う。そのため、第2のゲッタリング時の加熱処理条件を緩和することが可能になるので、加熱処理に起因するTFT特性の低下を抑制できる。また、図4を参照して上述した方法のように、TFT完成後も第2のゲッタリングのためのゲッタリング領域134を除去しない場合には、ゲッタリング領域134における触媒元素濃度を低減できるので有利である。
Further, in the present embodiment, the second gettering is performed on the island-shaped
なお、本実施形態における第2のゲッタリング方法として、特許文献2に開示されているように、島状半導体層112のうちTFTのソース・ドレイン領域となる領域にゲッタリング元素をドープしてゲッタリング領域を形成する方法を用いてもよい。この場合であっても、第2のゲッタリングを既に触媒元素濃度の低減された島状半導体層112に対して行うため、ソース・ドレイン領域となる領域にドープするゲッタリング元素の量を低減することが可能になる。従って、カウンタードープなどに起因するソース・ドレイン領域における電気抵抗の増大を抑制できる。
As a second gettering method according to the present embodiment, as disclosed in Patent Document 2, a gettering element is doped into a region to be a source / drain region of a TFT in the island-
上記実施形態1および2で使用する触媒元素として、Ni、Co、Sn、Pb、Pd、Fe、Cuから選ばれた一種または複数種の元素を用いることができる。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、微量で結晶化を助長する効果を発揮する。 As the catalyst element used in Embodiments 1 and 2, one or more elements selected from Ni, Co, Sn, Pb, Pd, Fe, and Cu can be used. One or more elements selected from these exhibit the effect of promoting crystallization in a trace amount.
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。このとき、シリサイドの結晶構造が、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。触媒元素としてNiを用いると、Niは2つのSiとNiSi2のシリサイドを形成する。NiSi2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、NiSi2はその格子定数が5.406Åであり、結晶シリコンのダイヤモンド構造における格子定数5.430Åに非常に近い値をもつ。従って、NiSi2は非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型として最適である。よって、上記に例示した元素の中でも、特にNiを用いると、最も顕著な結晶化を助長する効果を得ることができる。 The catalytic element does not act alone, but acts on crystal growth by bonding to the silicon film and silicidation. At this time, the crystal structure of the silicide acts as a kind of template during crystallization of the amorphous silicon film, and promotes crystallization of the amorphous silicon film. When Ni is used as the catalyst element, Ni forms a silicide of two Si and NiSi 2 . NiSi 2 exhibits a meteorite-type crystal structure, which is very similar to the diamond structure of single crystal silicon. Moreover, NiSi 2 has a lattice constant of 5.406 、, which is very close to the lattice constant of 5.430 に お け る in the diamond structure of crystalline silicon. Therefore, NiSi 2 is optimal as a template for crystallizing an amorphous silicon film. Therefore, among the elements exemplified above, when Ni is used in particular, the effect of promoting the most remarkable crystallization can be obtained.
上記実施形態1および2の方法によって得られた半導体装置では、TFTにおける少なくともチャネル領域は、その結晶の面配向が主に〈111〉晶帯面で構成されている結晶質半導体膜から形成されることが好ましい。より好ましくは、半導体層の少なくともチャネル領域は、その結晶の面配向が主に〈111〉晶帯面で構成されており、その面配向の割合は、〈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%以上の領域が占められている結晶質半導体膜から形成される。 In the semiconductor device obtained by the method of Embodiments 1 and 2, at least the channel region in the TFT is formed from a crystalline semiconductor film whose crystal plane orientation is mainly composed of <111> crystal zone planes. It is preferable. More preferably, at least the channel region of the semiconductor layer has a crystal plane orientation mainly composed of <111> crystal zone planes, and the plane orientation ratio is particularly ( It is formed from a crystalline semiconductor film in which 50% or more of the entire region is occupied by (110) plane orientation and (211) plane orientation.
上記実施形態1および2の方法は、TFTを備えた半導体装置、例えばCMOS回路、アクティブマトリクス基板、液晶表示装置や有機EL表示装置などの各種表示装置、およびそのような表示装置を表示部として有する電気器具に広く適用できる。アクティブマトリクス型液晶表示装置に適用する場合には、触媒元素の低減された島状半導体層112を用いて、画素スイッチング用のTFTのみでなく、周辺駆動回路部を構成するTFTも形成できるので有利である。
The methods of the first and second embodiments include a semiconductor device provided with a TFT, for example, a CMOS circuit, an active matrix substrate, various display devices such as a liquid crystal display device and an organic EL display device, and such a display device as a display unit. Widely applicable to appliances. When applied to an active matrix liquid crystal display device, it is advantageous that not only a pixel switching TFT but also a TFT constituting a peripheral driver circuit portion can be formed using the island-shaped
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。例えば、本発明における半導体膜としては、前述の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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, in addition to the pure silicon film shown in the above embodiment, a mixed film of germanium and silicon (silicon / germanium film) or a pure germanium film can be used as the semiconductor film in the present invention.
非晶質ケイ素膜104aに触媒元素(ニッケル)105を導入する方法として、非晶質ケイ素膜104aの表面にニッケル塩を溶かせた溶液を塗布する方法を採用したが、非晶質ケイ素膜104aを成膜する前に下地膜表面にニッケル105を導入し、非晶質ケイ素膜104aの下層よりニッケル105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105の導入方法として、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、SiO2膜より拡散させる方法もある。さらに、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。
As a method for introducing the catalytic element (nickel) 105 into the
また、非晶質ケイ素膜104aの一部のみに触媒元素を選択的に添加して触媒元素添加領域を形成し、第1の加熱処理において、触媒元素添加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って非晶質ケイ素膜104aの結晶化を進行させてもよい。これにより、結晶成長方向がほぼ一方向にそろった良好な結晶質ケイ素膜を得ることができるので、TFTの電流駆動能力を高めることが可能である。
Further, a catalytic element is selectively added to only a part of the
本発明によると、触媒元素を利用して結晶化された結晶質半導体膜を用いて半導体装置を製造する方法において、従来よりも簡便なプロセスで、触媒元素濃度が低減された結晶質半導体層を形成できる。そのため、電気特性および信頼性に優れた半導体装置が得られる。 According to the present invention, in a method of manufacturing a semiconductor device using a crystalline semiconductor film crystallized using a catalytic element, a crystalline semiconductor layer with a reduced concentration of the catalytic element is formed by a simpler process than before. Can be formed. Therefore, a semiconductor device having excellent electrical characteristics and reliability can be obtained.
さらに、上記結晶質半導体層を形成した後に追加のゲッタリングを行うと、ゲッタリング効率をさらに向上させることができ、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、ゲッタリング効率の向上により特性のばらつきが抑制されるので、製造工程における不良を大幅に減少させることが可能になる。 Furthermore, when additional gettering is performed after the crystalline semiconductor layer is formed, gettering efficiency can be further improved and the reliability of the semiconductor device can be improved. In addition, since the variation in characteristics is suppressed by improving the gettering efficiency, it is possible to greatly reduce defects in the manufacturing process.
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などを製造する方法に適用できる。特に、高精細な中小型表示パネルに好適に用いられる。 The present invention can be applied to a method of manufacturing an active matrix liquid crystal display device, an organic EL display device, a contact image sensor, a three-dimensional IC, and the like. In particular, it is suitably used for high-definition small and medium display panels.
101 基板
102、103 下地膜
104a 非晶質半導体膜
104p 結晶質半導体膜
104r 再結晶化領域
104g ゲッタリング領域
105 触媒元素
108 反射防止層
109、110 レジスト層
112 島状半導体層
120 ゲート絶縁膜
122 ゲート電極
124 不純物(リン)
128 チャネル領域
130 マスク
132 ゲッタリング元素
134 ゲッタリング領域
136 ソース領域およびドレイン領域
142 層間絶縁膜
144 電極・配線
150 薄膜トランジスタ
DESCRIPTION OF
128
Claims (10)
(a)結晶化を促進する触媒元素が少なくとも一部に添加された非晶質半導体膜を用意する工程と、
(b)前記非晶質半導体膜に対して第1の加熱処理を行うことにより、前記非晶質半導体膜の少なくとも一部を結晶化し、結晶質領域を含む結晶質半導体膜を得る工程と、
(c)前記結晶質領域上に、少なくともその一部を露出する反射防止層を形成する工程と、
(d)前記結晶質半導体膜に対してレーザー照射を行うことにより、前記結晶質領域のうち露出された部分を再結晶化して再結晶化領域を形成するとともに、前記結晶質半導体膜のうち前記反射防止層で覆われた部分に非晶質半導体を含むゲッタリング領域を形成する工程と、
(e)前記結晶質半導体膜に対して第2の加熱処理を行うことにより、前記再結晶化領域中の前記触媒元素の少なくとも一部を前記ゲッタリング領域に移動させる工程と
を包含する半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including a thin film transistor,
(A) preparing an amorphous semiconductor film to which a catalytic element for promoting crystallization is added at least partially;
(B) performing a first heat treatment on the amorphous semiconductor film to crystallize at least a part of the amorphous semiconductor film to obtain a crystalline semiconductor film including a crystalline region;
(C) forming an antireflection layer exposing at least a part of the crystalline region;
(D) performing laser irradiation on the crystalline semiconductor film to recrystallize an exposed portion of the crystalline region to form a recrystallized region; Forming a gettering region containing an amorphous semiconductor in a portion covered with an antireflection layer;
(E) performing a second heat treatment on the crystalline semiconductor film to move at least a part of the catalytic element in the recrystallization region to the gettering region. Manufacturing method.
(f)前記反射防止層および前記ゲッタリング領域を除去して、前記再結晶化領域の少なくとも一部を含む島状半導体層を形成する工程
をさらに包含する請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 2. The method further comprises: (f) after the step (e), (f) removing the antireflection layer and the gettering region to form an island-shaped semiconductor layer including at least a part of the recrystallized region. 5. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of items 1 to 4.
(g)前記島状半導体層上に絶縁膜を形成する工程と、
(h)前記島状半導体層の一部に、ゲッタリング能力を有するゲッタリング元素を添加することにより、他のゲッタリング領域を形成する工程と、
(i)前記島状半導体層に対して第3の加熱処理を行うことにより、前記島状半導体層のうち前記他のゲッタリング領域以外の領域中の前記触媒元素の少なくとも一部を前記他のゲッタリング領域に移動させる工程と
をさらに包含する請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 After the step (f) (g) forming an insulating film on the island-like semiconductor layer;
(H) forming another gettering region by adding a gettering element having gettering capability to a part of the island-shaped semiconductor layer;
(I) By performing a third heat treatment on the island-shaped semiconductor layer, at least a part of the catalytic element in a region other than the other gettering region in the island-shaped semiconductor layer The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising a step of moving to the gettering region.
(g’)前記島状半導体層のうち活性領域となる領域以外の領域上に位置する前記ゲート絶縁膜を選択的に薄膜化または選択的に除去する工程
をさらに含み、
前記工程(h)は、前記島状半導体層上の前記ゲート絶縁膜が薄膜化または除去された領域にゲッタリング元素を添加することにより、他のゲッタリング領域を形成する工程である請求項7に記載の半導体装置の製造方法。 Between the step (g) and the step (h) (g ′) The gate insulating film located on a region other than the region which becomes the active region in the island-shaped semiconductor layer is selectively thinned or selectively Further comprising removing,
The step (h) is a step of forming another gettering region by adding a gettering element to a region where the gate insulating film on the island-like semiconductor layer is thinned or removed. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3.
前記第3の加熱処理により、前記島状半導体層にドープされた前記不純物元素の活性化を行う請求項6から8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 Before the step (i), the method further includes a step of doping an impurity element into a region of the island-shaped semiconductor layer where the source and drain regions are to be formed,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the impurity element doped in the island-shaped semiconductor layer is activated by the third heat treatment.
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