JP3338267B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
半導体装置の作製方法Info
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Description
成分とする半導体を作製する方法に関するものである。
特に、本発明は、薄膜トランジスタ等の半導体素子に使
用される結晶性珪素半導体の作製方法に関するものであ
る。
ンジスタ(以下、TFTと略記する。)が知られてい
る。TFTは、基板上に形成された薄膜半導体を用いて
構成されるものである。TFTは、各種集積回路に利用
されているが、特に液晶ディスプレー等の電気光学装
置、中でもアクティブマトリックス型の液晶表示装置の
各画素のスイッチング素子や周辺回路部分に形成される
ドライバー素子として利用されている。
非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的
特性が低いという問題がある。TFTの特性を向上する
ためには、結晶性を有する珪素薄膜を利用することが望
まれる。結晶性を有する珪素膜を得るためには、まず非
晶質珪素膜を形成し、しかる後に加熱によって結晶化す
ればよい。あるいは、レーザー光等の高いエネルギーを
有する電磁波を照射すればよい。
よる結晶化は、加熱温度が600℃以上の温度で、10
時間以上の時間をかけることが必要であり、基板として
ガラス基板を用いることが困難であるという問題があ
る。例えば、アクティブ型の液晶表示装置に一般的に用
いられているコーニング7059ガラスはガラス歪点が
593℃であり、基板の大面積化を考慮した場合には、
600℃以上の加熱には問題がある。さらに、このよう
にして得られた結晶性珪素膜は次に述べるレーザー光照
射によって得られたものと比較すると特性の劣るもので
あった。
4103、同6−244104、同6−244105、
同6−244205、同6−296023に示されるよ
うに、非晶質珪素を結晶化させることを促進する触媒的
な作用を有する元素を用いればよいことが明らかになっ
ている。すなわち、非晶質珪素膜にニッケルやパラジウ
ム、さらには鉛等の元素を微量に付着させ、しかる後に
加熱することで、600℃以下、典型的には、550
℃、4時間程度の処理時間で結晶化できることが明らか
になった。
より低温、短時間で得られた珪素膜は、触媒元素の残存
という問題を抱え、これを用いて得られたTFTの特性
も好ましいものではなかった。特に、TFTにおいて
は、ゲイトに逆バイアスの電圧(Nチャネル型TFTで
は負電圧、Pチャネル型TFTでは正電圧)を印加した
際に、ドレイン電流(オフ電流またはリーク電流とい
う)の絶対値が大きいこととと、その値が素子毎に大き
く分散することが最大の問題である。
装置の画素電極のスイッチングトランジスタに用いる場
合に、オフ電流が大きいことは大きな問題を生ずる。即
ち、画素電極に配置されている薄膜トランジスタのオフ
電流が大きいと、画素電極が所定の時間で電荷を保持す
ることができなくなり、このことが原因で、画面がちら
ついたり、表示が不鮮明になるという問題点が生ずる。
ものであり、本発明の目的は、珪素の結晶化を助長する
触媒元素を用いて珪素膜を結晶化する工程を採用して、
TFTのオフ電流を低減すると共に、素子毎のオフ電流
値のとそのバラツキを低減することが可能な結晶珪素半
導体膜の作製方法を提供することにある。特に、低温処
理を可能とし、かつ大量生産に好適な結晶珪素半導体の
作製方法を提供することにある。
めに、本発明は以下の工程を用いて、結晶珪性を有する
珪素膜を得る。まず、絶縁表面上に、各種気相成長(C
VD)法、例えば、プラズマCVD法や熱CVD法によ
って、酸化珪素膜を堆積する。ただし、そのときの成膜
温度は、450℃以下、好ましくは、300〜350℃
とする。例えば、テトラ・エトキシ・シラン(TEO
S)と酸素、あるいは、モノシラン(SiH4 )と一酸
化二窒素(N2 O)を用いたプラズマCVD法や、モノ
シランと酸素を用いた熱CVD法を用いて堆積すればよ
い。
晶質珪素膜を各種CVD法によって堆積する。例えば、
モノシランを原料としてプラズマCVD法によって非晶
質珪素膜を得る際には、成膜温度は295〜305℃が
好ましい。ただし、上記酸化珪素膜は、大気に触れるこ
となく、非晶質珪素膜が成膜される必要がある。すなわ
ち、酸化珪素膜と非晶質珪素膜の成膜は連続的におこな
われる。このためには、公知のマルチチャンバー方式の
成膜装置(クラスターツール)を用いることが望まれ
る。
膜の結晶化を助長する触媒元素単体、又は前記触媒元素
を含む化合物を層状、膜状、もしくはクラスター状に形
成する。以下ではこの触媒元素単体または前記触媒元素
を含む化合物の層を触媒層と称する。触媒層の形成方法
については後述する。
ッケルを用いた場合に、最も顕著な効果を得ることが明
らかにされている。その他利用できる触媒元素の種類と
しては、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Pd、
P、As、Sbを挙げることができる。
施し、前記非晶質珪素膜の一部または全部を結晶化させ
る。この結晶化の過程においては、触媒層が非晶質珪素
膜の全面を覆っていない場合には、触媒層が覆っている
領域が結晶化するだけでなく、該領域から周辺に結晶化
が進行する。
た非晶質珪素膜の結晶化が進行するように、400℃以
上の温度で加熱すれはよい。一般的なガラス基板を使用
した場合には、加熱温度は400℃〜750℃とすれば
よい。しかしながら、ガラス基板の種類により耐熱温度
が異なるため、加熱温度の上限はガラスの歪み点と考え
ることができる。例えば、ガラス歪み点はコーニング7
059ガラスで593℃であり、コーニング1737ガ
ラスで667℃である。
ることが、ガラス基板の耐熱性や、生産性の点から、適
当である。
結晶性が良好になることが明らかになっている。従っ
て、生産性よりも、珪素膜の結晶性を最優先させる場合
には、基板が耐え得る温度で、可能な限り高温で加熱す
ればよい。この場合には、1000℃程度の温度に耐え
得る石英基板等をを使用することが好ましい。例えば、
石英基板を使用した場合には、800℃〜1000℃程
度の温度で加熱することができる。
れと同等な強光を照射することにより、さらに結晶化を
助長せしめてもよい。この工程を追加することによっ
て、先の工程において結晶化できなかった部分も、先の
工程において結晶化した部分を核として結晶化できる。
結晶化と根本的に異なる点は従来の方法が全く結晶の無
い状態から非晶質珪素膜が溶融したのち、結晶化するた
め、結晶性を決定する条件が非常に厳しくなっていた点
である。すなわち、結晶核の存在しない状態では、結晶
化においては冷却速度が結晶性を決定する大きな要因と
なるが、冷却速度はレーザー光のエネルギー密度や雰囲
気の温度によって大きく異なるため、必然的に最適なレ
ーザーエネルギー密度が狭くなる。もし、エネルギーが
高すぎると溶融状態からの冷却速度が大きすぎて非晶質
状態となってしまう。また、エネルギーが低すぎると膜
を全面的に溶融させることができず、非晶質の部分を残
してしまうこととなる。
容易で、冷却速度に対する依存性は小さい。また、膜の
大部分は結晶化しているので、レーザーのエネルギー密
度が低くとも、それなりの特性は保証される。こうして
極めて結晶性の良好な結晶珪素膜を安定して得ることが
できる。
ントな強光、特に赤外光を短時間照射する方法を採用し
てもよい。赤外光はガラスには吸収されにくく、珪素薄
膜に吸収されやすいので、ガラス基板上に形成された珪
素薄膜を選択的に加熱することができ、好ましい。この
ような赤外光を短時間だけ照射する方法は、ラピッド・
サーマス・アニール(RTA)またはラピッド・サーマ
ル・プロセス(RTP)と呼ばれる。
もしくはその化合物のスパッタリングのような真空装置
を用いるデポジション方法や、触媒元素を含む溶液を非
晶質珪素膜表面に塗布するような大気中でおこなえるデ
ポジション方法を用いればよい。特に、後者の方法は大
きな設備投資をおこなわなくとも、再現性よくデポジシ
ョンをおこなうことができる。以下では、後者の方法に
ついて詳細に説明する。
て水溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここ
で含有とは、化合物として含ませるという意味と、単に
分散させることにより含ませるという意味との両方を含
む。
ある水、アルコール、酸、アンモニアから選ばれたもの
を用いることができる。この場合には、溶液を珪素膜に
直接塗布すると溶液が弾かれてしまうので、薄い酸化膜
を表面に形成しておくと良い。酸化膜の形成方法として
は、熱酸化、過酸化水素、オゾン水等の酸化剤による酸
化、紫外線照射による酸化等を用いることができる。
有させた溶液に界面活性剤を添加することも有用であ
る。これは、被塗布面に対する密着性を高め吸着性を制
御するためである。この界面活性剤は予め被塗布面上に
塗布するのでもよい。界面活性剤としては、基本的に疎
水基として約10〜20個の炭素原子を含む炭化水素鎖
を有するものを用いることができる。
ム溶液及び水からなる混合液に、脂肪酸カルボン酸、脂
肪酸カルボン酸の塩、脂肪酸アミンおよび脂肪族アルコ
ールからなる界面活性剤の群から選ばれた少なくとも一
種類の材料が含有したものを用いることができる。
OOH(nは5〜11の整数を表す)で示されるものを
挙げることができる。また脂肪酸カルボン酸の塩として
は、Cn H2n+1COONH3 R(nは5〜11の整数を
表す。Rは水素原子または炭素数5〜10のアルキル基
を表す)で示される塩を挙げることができる。
H2m+1NH2 (mは7〜14の整数を表す)で示す化合
物を挙げることができる。脂肪酸アルコールとしては、
一般式Cn H2n+1OH(nは6〜12の整数を示す)で
示されるものを挙げることができる。
〔表1〕〜〔表3〕に示すものを用いることができる。
以下に示す界面活性剤は、少なからず当該金属元素が非
晶質珪素膜の表面に付着する際に分散させる作用を有す
る。
ルを極性溶媒に含ませる場合、ニッケルはニッケル化合
物として導入される。このニッケル化合物としては、代
表的には臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、
炭酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、硝酸ニッ
ケル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、ニッケルアセチル
アセトネ−ト、4−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化
ニッケル、水酸化ニッケルから選ばれたものが用いられ
る。
る場合には、酸に溶かして溶液とする必要がある。
溶媒であるベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭
素、クロロホルム、エーテルから選ばれたものを用いる
こともできる。この場合はニッケルはニッケル化合物と
して導入される。このニッケル化合物としては代表的に
は、ニッケルアセチルアセトネ−ト、2−エチルヘキサ
ン酸ニッケルから選ばれたものを用いることができる。
が完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが
完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッ
ケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散した
エマルジョンの如き材料を用いてもよい。または酸化膜
形成用の溶液を用いるのでもよい。このような溶液とし
ては、東京応化工業株式会社のOCD(Ohka Diffusion
Source)を用いることができる。このOCD溶液を用い
れば、被形成面上に塗布し、200℃程度でベークする
ことで、簡単に酸化珪素膜を形成できる。また不純物を
添加することも自由であるので、本発明に利用すること
ができる。
ケル以外の材料を用いた場合であっても同様である。
の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量
として溶液に対して0.1ppm〜200ppm、好ま
しくは1ppm〜50ppm(重量換算)とすることが
望ましい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケ
ル濃度や耐薬品性(例えば、耐フッ酸性)に鑑みて決め
られる値である。
いて作製されたTFTのオフ電流が大きいことは、結晶
化に使用された触媒元素が結晶中に過剰に存在し、ま
た、オフ電流のバラツキは大きいことは、触媒元素が偏
析するためであることが明らかになっている。したがっ
て、結晶化工程の後に、触媒元素を珪素結晶から外部に
排除すればオフ電流も低減でき、また、触媒元素の濃度
が低くなれば偏析も避けられる。
在できないので、自然に排除されるものである。しかし
ながら、現実には珪素膜の上下に強力なブロッキング層
(障壁)が形成されて、その内部に閉じ込められるため
に、結晶粒界に偏析してしまう。
素膜を連続的に成膜することを特徴とする。すなわち、
下地の酸化珪素膜と非晶質珪素膜の間には、大気中の水
分や二酸化炭素等によって異層が形成されることがなく
なる。更に、本発明では、下地の酸化珪素膜も非晶質珪
素膜も450℃以下の低温で堆積されるため、酸化珪素
膜が非常に柔らかく、非晶質珪素から排除された触媒元
素が速やかに酸化珪素膜中に取り込まれることとなる。
グ作用の強力なものであると、触媒元素が当該膜に吸収
されることはほとんどない。また、酸化珪素膜であって
も、450℃を越える温度で処理した膜では、酸化珪素
が固くなり、触媒元素の吸収が妨げられる。
との界面は非常にあいまいな状態(化学量論的な組成に
よって構成された異種物質間の界面が認められない状
態)である。しかしながら、結晶化の進行とともに、こ
の界面は明瞭なる。触媒元素は結晶成長の先端に多く存
在し、結晶化の進行に伴って拡散するので、最終的に全
ての珪素膜が結晶化した状態においては、多くの触媒元
素が酸化珪素膜に吸収される。
かかった酸化珪素膜もアニール工程によって十分に固く
なり、酸化珪素膜に吸収された触媒元素が結晶珪素膜に
再び逆流することはほとんどない。更に、トラップ準位
等も十分に低減できる。したがって、その後の素子形成
において、信頼性に問題をもたらすことはない。
ーニング7059ガラス)101上に、厚さ1000〜
5000Å、例えば、2000Åの酸化珪素膜102を
下地膜として形成した。酸化珪素膜102の形成方法と
しては、TEOSと酸素を原料ガスとするプラズマCV
D法を用いた。成膜時の基板温度は250℃とした。T
EOSに対して、1〜50%、代表的には20%のトリ
クロロエチレン(TCE)を混入させた。TCEによっ
て、下地の酸化珪素膜102に塩素が導入され、珪素膜
に含まれていた触媒元素を吸いだす効果が増進した。
を原料とするプラズマCVD法によって100〜150
0Å、例えば、800Åの厚さに形成した。非晶質珪素
膜103の成膜温度は300℃とした。以上の酸化珪素
膜102と非晶質珪素膜103の成膜は2つの成膜チャ
ンバーを有するクラスターツールにおいて連続的におこ
ない、酸化珪素膜102の表面を大気に触れさせること
はなかった。
プラズマCVD法によって厚さ500〜3000Å、例
えば、1000Åに形成した。この酸化珪素膜104も
上記のクラスターツールによって、下地の酸化珪素膜1
02と同条件で成膜した。そして、酸化珪素膜104に
公知のフォトリソグラフィー法によってパターンを形成
し、これに開孔して、選択的に非晶質珪素膜103を露
出させた。
水中に放置することによって、極めて薄い酸化珪素膜
(図には示されていない)を非晶質珪素膜103の露出
された部分に10〜100Åの厚さに成膜した。この酸
化珪素膜は極薄のため正確な膜厚は不明である。このよ
うな酸化珪素膜の形成方法としては、他に酸素雰囲気中
でのUV光の照射による酸化反応を用いてもよい。この
場合の条件は、酸素雰囲気中においてUVを1〜15分
間照射すればよい。また、熱酸化法を用いてもよい。
酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜103の表面
全体に酢酸塩溶液をゆき渡らせるため、即ち濡れ性の改
善の為のものである。非晶質珪素膜103の表面に直接
酢酸塩溶液を塗布した場合には、非晶質珪素が酢酸塩溶
液を弾いてしまうので、非晶質珪素膜103の表面全体
にニッケルを導入することができず、均一な結晶化をお
こなうことができない。本工程によってこのような薄い
酸化珪素膜を形成する目的は、非晶質珪素膜103のこ
のような撥水性を緩和することである。
た酢酸塩溶液を調整した。ニッケルの濃度は100pp
mとした。そして、この酢酸塩溶液を全面に2ml滴下
し、この状態を5分間保持した。そしてスピナーを用い
てスピンドライ(2000rpm、60秒)をおこなっ
た。
態を保持させた。この保持させる時間によっても、最終
的に非晶質珪素膜103に含まれるニッケルの濃度を制
御することができるが、最も大きな制御因子は溶液の濃
度である。
数回行なうことにより、スピンドライ後の非晶質珪素膜
103の露出された表面に平均の膜厚が数Å〜数100
Åのニッケルを含む層(触媒層)105を形成すること
ができた。この場合、この触媒層105のニッケルがそ
の後の加熱工程において、非晶質珪素膜103中に拡散
し、結晶化を助長する触媒として作用する。なお、この
触媒層105は、完全な膜になっているとは限らない。
(図1(A))
おいて500〜580℃、1〜12時間の加熱処理をお
こなった。本実施例では、550℃、8時間とした。こ
の結果、酸化珪素膜104の開孔部から結晶化が進行
し、結晶化珪素領域106、107を得ることができ
た。その他の領域108、109は非晶質珪素の状態で
あった。(図1(B))
す。図から分かるように開孔部から楕円形に結晶化領域
が拡がった。(図2(A))
もに、結晶化された珪素膜をパターニングして、エッチ
ングすることにより、TFTの活性層となる島状の珪素
膜領域110および111を形成した。珪素膜のエッチ
ングは垂直方向に異方性を有するRIE法によっておこ
なった。
することによって、島状珪素膜領域110、111の表
面にごく薄い(〜100Å)の酸化珪素膜112を形成
した。
48nm、パルス幅30nsec)を窒素雰囲気中もし
くは大気中において200〜400mJ/cm2 、例え
ば、300mJ/cm2 のパワー密度で数ショト照射
し、島状珪素膜領域110、111の結晶性をさらに向
上させた。KrFエキシマーレーザー以外に、XeCl
レーザー(波長308nm)やArFレーザー(波長1
93nm)、XeFレーザー(波長353nm)等のエ
キシマレーザーを用いてもよかった。また、RTA法を
用いてもよかった。(図1(C))
ズマCVD法によって厚さ1000Åの酸化珪素膜11
3をゲイト絶縁膜として成膜した。スパッタリング法を
用いる場合には、ターゲットとして酸化珪素を用い、ス
パッタリング時の基板温度は200〜400℃、例えば
350℃、スパッタリング雰囲気は酸素とアルゴンで、
アルゴン/酸素=0〜0.5、例えば0.1以下とし
た。(図1(D))
3000〜8000Å、例えば6000Åの珪素膜
(0.1〜2%の燐を含む)を成膜した。なお、この酸
化珪素膜113と珪素膜の成膜工程は連続的に行うこと
が望ましい。そして、珪素膜をパターニングして、ゲイ
ト電極114〜116を形成した。この状態を上から見
た様子を図2(B)に示す。図の点線で示された楕円は
図2(A)の領域106、107に対応する。(図1
(E))
珪素領域110、111にゲイト電極114〜116を
マスクとして不純物(燐およびホウ素)を注入した。ド
ーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )およびジ
ボラン(B2 H6 )を用いた。前者の場合は、加速電圧
を60〜90kV、例えば80kVとし、後者の場合
は、40〜80kV、例えば65kVとした。ドーズ量
はそれぞれ1×1014〜8×1015cm-2とする。例え
ば、燐を1×1015cm-2、ホウ素を2×1015cm-2
とした。ドーピングに際しては、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、それぞれの不
純物を選択的にドーピングした。この結果、N型の不純
物領域118と119、P型の不純物領域117が形成
された。
こない、イオンを注入した不純物領域117〜119の
活性化をおこなった。この結果、P型を付与する不純物
(ホウ素)がドープされた不純物領域117とN型を付
与する不純物(燐)がドープされた不純物領域118と
119が活性化された。(図1(E))
0を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成し
て、層間絶縁物120にコンタクトホール(コンタクト
ホールの開孔位置は図2(C)に示す)を形成する。次
に、金属材料、例えば、アルミニウム膜を成膜して、パ
ターニングして、コンタクトホールにTFTの電極・配
線121〜125を形成した。最後に、1気圧の水素雰
囲気で350℃、30分のアニールをおこなった。水素
アニールの代わりに、図1(C)もしくは(D)の工程
で水素イオンを10〜100keVに加速して、活性層
中に注入した後に、アニールしてもよい。(図1
(F))
形成することができた。本実施例ではTFTの基本特性
を測定するための必要最小限の回路であるが、例えば、
図1の左側の島状領域110に形成されたNチャネル型
TFTとPチャネル型TFTとの相補型回路として、主
としてロジック回路に用い、右側の島状領域111に形
成されたTFTをアクティブマトリクス回路のスイッチ
ングトランジスタとして用いれば、アクティブマトリク
ス回路とそれを駆動するための論理回路を同じ基板上に
有する集積回路(いわゆるモノリシック型アクティブマ
トリクス回路)も構成できる。
製工程の概略を示す。まず、ガラス基板(コーニング1
737)201上に、モノシランと一酸化二窒素を原料
とするプラズマCVD法によって、下地膜となる酸化珪
素膜202を1000〜5000Å、例えば、2000
Åの厚さに成膜した。成膜温度は350℃とした。さら
に、モノシランを原料とするプラズマCVD法によって
厚さ1000Åの非晶質珪素膜203を堆積した。成膜
温度は250℃とした。酸化珪素膜202と非晶質珪素
膜203は、2つの成膜チャンバーを有するクラスター
ツールを用いて、連続的に成膜した。
水素水によってごく薄い酸化珪素膜を形成し、実施例1
と同様に1〜30ppm、例えば、10ppmのニッケ
ルを含有した酢酸塩溶液を5ml滴下(10cm角基板
の場合)し、スピナーで50rpmで10秒のスピンコ
ートをおこない、基板表面全体に均一な水膜を形成し
た。さらにこの状態で、5分間保持した後、スピナーを
用いて2000rpm、60秒のスピンドライをおこな
った。なおこの保持は、スピナー上において0〜150
rpmの回転をさせながらおこなってもよかった。以上
のようにしてニッケルを含有する触媒層204を形成し
た。(図3(A))
アニールを施すことにより、非晶質珪素膜203の結晶
化をおこなった。この際には、ニッケルは非晶質珪素膜
203から下地の酸化珪素膜202へ移動し、上から下
へと結晶化が進行した。このようにして、結晶珪素膜2
05を得たが、これには数μm程度の大きさの非晶質部
分が観察された。(図3(B))
Clレーザー(波長308nm)を照射し、珪素膜20
5の結晶性をさらに向上させた。このレーザー光の照射
工程においては、基板201またはレーザー光の被照射
面を加熱すると、より均一性を高め、必要なレーザーエ
ネルギー密度を低減せしめることができた。この際の加
熱温度は200℃〜450℃程度が好ましかった。この
工程によって、上記珪素膜中の非晶質成分をも完全に結
晶化させることができ、結晶性を高めることができた。
このようにして、結晶珪素膜206を得た。(図3
(C))
ニール(RTA)処理によっておこなってもよかった。
具体的には、0.6〜4μm、ここでは0.8〜1.4
μmにピークをもつ赤外光を30〜180秒照射した。
雰囲気に0.1〜10%のHClを混入してもよかっ
た。
いた。赤外光の強度は、モニターの単結晶シリコンウェ
ハー上の温度が900〜1200℃の間にあるように調
整した。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱
電対の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィ
ードバックさせた。本実施例では、昇温は、一定で速度
は50〜200℃/秒、降温は自然冷却で20〜100
℃/秒であった。赤外線照射は基板を室温に保持した状
態からおこなってもよいが、より効果を高めるには、予
め基板を200〜450℃、例えば400℃に加熱した
状態でおこなってもよい。
て、島状の珪素膜領域207および208を形成した。
結晶珪素膜206のエッチングは垂直方向に異方性を有
するRIE法によっておこなった。
とするプラズマCVD法によって厚さ1000Åの酸化
珪素膜209をゲイト絶縁膜として成膜した。成膜時の
基板温度は200〜400℃、例えば350℃とし、さ
らに、この工程の後、窒素または一酸化二窒素中で55
0〜650℃で熱アニールしてもよい。(図3(D))
000〜8000Å、例えば4000Åのアルミニウム
膜(0.1〜2%のスカンジウムを含む)を成膜した。
そして、アルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極
210〜212を形成した。さらに、ゲイト電極210
〜212に電解溶液中で通電することによって陽極酸化
をおこない、ゲイト電極210〜212の上面および側
面に1000〜3000Å、ここでは2000Åの酸化
アルミニウム膜を形成した。
たエチレングリコール溶液中で行った。なお、この酸化
アルミニウム層は、後のイオンドーピング工程におい
て、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、
オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決め
ることができる。(特開平5−114724、同5−2
67667、同6−291315参照)
層領域にゲイト電極部(すなわちゲイト電極210〜2
12とその周囲の酸化層)をマスクとして、自己整合的
にPもしくはN導電型を付与する不純物を添加した。ド
ーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )およびジ
ボラン(B2 H6 )を用い、前者の場合は、加速電圧を
80kV、ドーズ量を5×1014cm-2、後者の場合
は、加速電圧を65kV、ドーズ量を1×1015cm-2
とした。ドーピングに際しては、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
ドーピングした。この結果、N型の不純物領域214と
215、P型の不純物領域213が形成された。
ルをおこない、イオン注入した不純物の活性化をおこな
った。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー
(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いた
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、
例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10
ショット、例えば2ショットとした。このレーザー光の
照射時に基板を200〜450℃程度に加熱すると抵抗
の均一性が向上した。このようにして不純物領域213
〜215が活性化された。レーザーアニールの代わりに
RTA法によって不純物の活性化をおこなってもよかっ
た。(図3(E))
6を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成し
た。そして、層間絶縁物216にコンタクトホールを形
成して、金属材料、例えば、クロム膜によってTFTの
電極・配線217〜221を形成した。(図3(F))
基板301上にモノシランと酸素を原料とする熱CVD
法によって、厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜302
を形成した。成膜温度は420℃とした。さらに、プラ
ズマCVD法によって厚さ500Åの非晶質珪素膜30
3を成膜した。下地酸化珪素膜302と非晶質珪素膜3
03の成膜には、2つの成膜チャンバーを有するマルチ
チャンバー成膜装置を用い、連続的におこなった。
0Åの酢酸ニッケル層304をスピンコーティング法で
形成した。ただし、本実施例においては、酢酸ニッケル
水溶液に、界面活性剤(高級アルコール系ノニオン活性
剤)を1体積%添加した。そのため、実施例とは異な
り、非晶質珪素膜303の表面に酸化珪素膜を形成する
必要はなかった。(図4(A))
アニールをおこない、非晶質珪素膜303の結晶化をお
こなった。結晶化は、ニッケルと非晶質珪素膜303が
接触した領域を出発点として、実施例2と同様に縦方向
に進行した。このようにして、結晶珪素膜305を得
た。本実施例では、界面活性剤の効果によって、実施例
2よりも非晶質領域の残りは少なかった。アニールが終
了した後、KrFエキシマーレーザーの照射によって、
さらに珪素膜305の結晶性を改善せしめた。(図4
(B))
て、島状の活性層領域306および307を形成した。
結晶珪素膜305のエッチングは垂直方向に異方性を有
するRIE法によっておこなった。その後、10%の水
蒸気を含む1気圧、650〜850℃、代表的には75
0℃の酸素雰囲気中において、3〜5時間放置すること
によって、活性層領域306、307の表面を厚さ20
0〜800Å、代表的には500Å酸化させ、酸化珪素
膜308、309を形成した。この酸化珪素膜308、
309の形成にはパイロジェニック酸化法(水素:酸素
=1.8〜1.0:1(体積比))が膜厚制御性の面で
有効であった。その時、得られた酸化珪素膜308、3
09の厚さは、400〜1600Å、本実施例では10
00Åだった。酸化珪素膜308、309を形成した
後、1気圧の一酸化二窒素雰囲気で800℃で1時間ア
ニールをおこなうことによって、酸化珪素膜308、3
09中の水素を除去した。(図4(C))
000〜8000Å、例えば5000Åのアルミニウム
膜(0.1〜2%のスカンジウムを含む)を成膜した。
そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電
極310〜312を形成し、さらに、実施例2と同様に
ゲイト電極310〜312に電解溶液中で通電すること
によって陽極酸化をおこない、ゲイト電極310〜31
2の上面および側面に1000〜3000Åの厚さの、
ここでは2000Åの厚さの酸化アルミニウム膜を形成
した。
層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)にゲ
イト電極部、すなわちゲイト電極310〜312とその
周囲の酸化層をマスクとして、自己整合的にPもしくは
N導電型を付与する不純物を添加した。ドーピングガス
として、フォスフィン(PH3 )およびジボラン(B2
H6 )を用い、前者の場合は、加速電圧を80kV、ド
ーズ量は5×1014cm-2、後者の場合は、加速電圧を
65kV、ドーズ量を1×1015cm-2とした。この結
果、N型の不純物領域314と315、P型の不純物領
域313が形成された。
ルを行い、イオン注入した不純物の活性化をおこなっ
た。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波
長248nm、パルス幅20nsec)を用いた。
法によって形成した。この酸化珪素被膜316はゲイト
電極側面への被覆性が優れていることが重要である。酸
化珪素被膜316の厚さは0.5〜1μm、例えば0.
7μmとした。(図4(D))
をドライエッチング法等の手段によって異方性エッチン
グした。すなわち、垂直方向のみを選択的にエッチング
した。この結果、ソース/ドレインとなるべき不純物領
域313〜315の表面は露出され、それぞれのゲイト
電極310〜312(周囲の陽極酸化物層を含む)の側
面に概略三角形状の絶縁物317、318、319が残
った。
の寸法、特にその幅は、先に成膜された酸化珪素被膜3
16の厚さと、エッチング条件と、ゲイト電極(周囲の
陽極酸化物層を含む)の高さとによって決定される。な
お、得られる絶縁物317〜319の形状は、三角形状
に限定されるものではなく、酸化珪素被膜316のステ
ップカバレージや膜厚によってその形状が変化する。例
えば、膜厚が小さな場合は、方形状となる。
20をスパッタ法によって形成した。チタン以外にも、
モリブテン、タングステン、白金、パラジウム等でもよ
い。(図4(E))
くは400〜500℃でアニールすることによって、チ
タン膜320とソース/ドレインとなるべき不純物領域
313〜315の珪素とを反応させ、ソース/ドレイン
領域にシリサイド層を321、322、323を形成し
た。
(主として絶縁物317〜319、もしくは陽極酸化物
上に堆積したもの)を過酸化水素水とアンモニアの水溶
液でエッチングして、除去した。そして、全面に層間絶
縁物324として、熱CVD法によって酸化珪素膜を厚
さ6000Å形成した。層間絶縁物324にTFTのソ
ース/ドレインにコンタクトホールを形成した。更に、
チタンとアルミニウムの積層膜を堆積し、これをエッチ
ングして、コンタクトホールに配線・電極325〜32
9を形成した。チタンとアルミニウムの厚さはそれぞ
れ、800Å、5000Åとした。最後に、1気圧の水
素雰囲気で350℃、30分のアニールをおこない、T
FT回路を完成させた。(図4(F))
安定して珪素膜を得ることができた。本発明によって得
られた結晶性の珪素膜は実施例に示したようにTFTを
作製するのに極めて適している。このように本発明は産
業上、極めて有益である。
Claims (14)
- 【請求項1】絶縁表面上に酸化珪素膜を第1の温度で形
成する工程と、 前記酸化珪素膜上に異層を形成しないように、前記酸化
珪素膜表面に非晶質珪素膜を連続的に第2の温度で形成
する工程と、 前記非晶質珪素膜に接触させて前記非晶質珪素膜の結晶
化を助長させる触媒元素を導入した後、前記酸化珪素膜
及び前記非晶質半導体膜を第3の温度で加熱する工程と
を有し、 前記第1の温度は軟質な膜質を呈する酸化珪素膜を形成
する温度であり、前記第3の温度は、前記非晶質半導体
膜内の前記触媒元素を前記軟質な膜質を呈する酸化珪素
膜に吸収させると共に前記軟質な膜質を呈する酸化珪素
膜を硬質化する温度であることを特徴とする半導体装置
の作製方法。 - 【請求項2】絶縁表面上に酸化珪素膜を第1の温度で形
成する工程と、 前記酸化珪素膜上に異層を形成しないように、前記酸化
珪素膜表面に非晶質珪素膜を連続的に第2の温度で形成
する工程と、 前記非晶質珪素膜に接触させて前記非晶質珪素膜の結晶
化を助長させる触媒元素を導入した後、前記酸化珪素膜
及び前記非晶質半導体膜を第3の温度で加熱する工程と
を有し、 前記第1の温度は熱拡散した前記触媒元素を吸収できる
程度の軟質な膜質を呈する酸化珪素を形成する温度であ
り、前記第3の温度は前記非晶質珪素膜を結晶化すると
共に前記熱拡散した触媒元素を前記軟質な膜質を呈する
酸化珪素膜で吸収しながら前記軟質な膜質を呈する酸化
珪素膜を硬質化する温度であることを特徴とする半導体
装置の作製方法。 - 【請求項3】絶縁表面上に軟質な膜質を呈する酸化珪素
膜を第1の温度で形成する工程と、 前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜上に異層を形成しな
いように、前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜表面に非
晶質珪素膜を連続的に第2の温度で形成する工程と、 前記非晶質珪素膜に接触させて前記非晶質珪素膜の結晶
化を助長させる触媒元素を導入した後、前記軟質な膜質
を呈する酸化珪素膜及び前記非晶質半導体膜を第3の温
度で加熱して前記非晶質半導体膜内の前記触媒元素を前
記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜に吸収させると共に前
記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜を硬質化する工程とを
有し、 前記第1の温度は450度以下であり、前記第3の温度
は400度から750度であることを特徴とする半導体
装置の作製方法。 - 【請求項4】絶縁表面上に軟質な膜質を呈する酸化珪素
膜を第1の温度で形成する工程と、 前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜上に異層を形成しな
いように、前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜表面に非
晶質珪素膜を連続的に第2の温度で形成する工程と、 前記非晶質珪素膜に接触させて前記非晶質珪素膜の結晶
化を助長させる触媒元素を導入した後、前記軟質な膜質
を呈する酸化珪素膜及び前記非晶質半導体膜を第3の温
度で加熱して前記非晶質半導体膜内の前記触媒元素を前
記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜に吸収させると共に前
記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜を硬質化する工程とを
有し、 前記第1の温度及び前記第2の温度は450度以下であ
り、前記第3の温度は400度から750度であること
を特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項5】絶縁表面上に軟質な膜質を呈する酸化珪素
膜を第1の温度で形成する工程と、 前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜上に異層を形成しな
いように、前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜表面に非
晶質珪素膜を連続的に第2の温度で形成する工程と、 前記非晶質珪素膜に接触させて前記非晶質珪素膜の結晶
化を助長させる触媒元素を導入した後、前記軟質な膜質
を呈する酸化珪素膜及び前記非晶質半導体膜を第3の温
度で加熱する工程とを有し、 前記第1の温度は450度以下であり、前記第3の温度
は前記非晶質半導体膜内の前記触媒元素を前記軟質な膜
質を呈する酸化珪素膜に吸収させると共に、前記非晶質
半導体膜と前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜を結晶化
する温度であることを特徴とする半導体装置の作製方
法。 - 【請求項6】請求項1乃至5のいずれか一項において、
前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜に塩素を添加するこ
とを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項7】請求項6において、前記塩素を添加した酸
化珪素膜は少なくともテトラ・テトキシ・シランとトリ
クロロエチレンを用いて形成することを特徴とする半導
体装置の作製方法。 - 【請求項8】請求項1乃至7のいずれか一項において、
前記軟質な膜質を呈する酸化珪素膜をプラズマCVD法
によって形成することを特徴とする半導体装置の作製方
法。 - 【請求項9】請求項1乃至8のいずれか一項において、
前記非晶質珪素膜の結晶化を助長させる触媒元素は、N
i、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、P、
As、Sbの少なくとも一つであることを特徴とする半
導体装置の作製方法。 - 【請求項10】請求項1乃至9のいずれか一項におい
て、前記非晶質珪素膜の結晶化を助長させる触媒元素を
含む極性溶媒を、前記非晶質珪素膜表面に塗布すること
を特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項11】請求項10において、前記極性溶媒に界
面活性剤を添加することを特徴とする半導体装置の作製
方法。 - 【請求項12】請求項1乃至11のいずれか一項におい
て、前記第3の温度で加熱する工程の後、レーザー光を
照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項13】請求項1乃至11のいずれか一項におい
て、前記第3の温度で加熱する工程の後、非コヒーレン
トな光を短時間照射することを特徴とする半導体装置の
作製方法。 - 【請求項14】請求項13において、前記非コヒーレン
トな光は赤外光であることを特徴とする半導体装置の作
製方法。
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