JP3582766B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳しくは、非晶質ケイ素膜を結晶化した結晶性ケイ素膜を活性領域とする半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置、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。これらの装置に用いられる半導体素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のケイ素半導体としては、非晶質ケイ素半導体(a−Si)からなるものと結晶性を有するケイ素半導体からなるものの2つに大別される。
【0003】
非晶質ケイ素半導体は、作製温度が低く気相法で比較的容易に作製することができ量産性に富むことから、最も一般的に用いられている。しかしながら、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣るため、今後より一層の高速特性を得るためには、結晶性を有するケイ素半導体からなる半導体装置の作製方法の確立が強く求められていた。尚、結晶性を有するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素、結晶成分を含む非晶質ケイ素、結晶性と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファスケイ素等が知られている。
【0004】
これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導体を得る従来の方法としては、以下の方法が知られている。
【0005】
(1)成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。
【0006】
(2)非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光のエネルギーにより結晶性を有せしめる。
【0007】
(3)非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有せしめる。
【0008】
しかしながら、(1)の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素を得るにはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜することが技術上困難である。
【0009】
また、(2)の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理され、高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、未だ十分な安定性のあるものが得られていない。従って、大面積基板の全面を均一に処理するのは困難であり、ハード面でのさらなる技術向上が望まれる。
【0010】
また、(3)の方法は、(1)及び(2)の方法と比較すると基板内の均一性、安定性においては有利であり、石英基板を用いた超小型高精細液晶パネルなどに使用されている。但し、この場合には600℃で30時間程の長時間にわたる加熱処理により結晶成長させた後、さらに高温、例えば1000℃程度にて数十分から数時間にわたって結晶性を向上させるための熱処理を行っている。即ち、処理時間が長く、スループットが低いという問題点があり、素子特性としてもTFT(薄膜トランジスタ)において電界効果移動度100cm/Vs程度の特性しか得られていない。
【0011】
これらの方法に対して、上記(3)の方法を改善し、高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法が特開平7−94757公報及び特開平9−148245公報で提案されている。これらの方法では、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を利用することで、加熱温度の低温化及び処理時間の短縮、そして結晶性の向上を図っている。
【0012】
具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパラジウム等の金属元素を微量に導入させ、しかる後に加熱を行うものである。この低温結晶化のメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急激に進行することで理解される。そういった意味で以後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素により結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、通常の固相成長法で結晶化した結晶性ケイ素膜の一つの粒内が双晶構造であるのに対して、その粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、それぞれの柱状結晶内部はほぼ理想的な単結晶状態となっている。
【0013】
さらに上記公報では、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に触媒元素を導入し加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみを結晶化し、そして、さらに加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長を行わせている。この横方向の結晶成長領域の内部では、成長方向がほぼ一方向に揃った柱状結晶がひしめき合っており、触媒元素が直接導入されランダムに結晶核の発生が起こった領域に比べて、結晶性がさらに良好な領域となっている。よって、この横方向の結晶成長領域の結晶性ケイ素膜を半導体装置の活性領域に用いることにより、半導体装置の高性能化を図ることができる。
【0014】
特開平7−94757公報では、このような高品質な結晶性ケイ素膜に対して、さらに塩化物気体又はフッ化物気体を含む雰囲気中において、レーザー光などの強光を照射して、さらにその結晶性を向上させ、高性能半導体素子を作製している。また、特開平9−148245公報では、上記高品質結晶性ケイ素膜に、結晶化アニール温度よりもさらに高温での第2の加熱処理を施し、その結晶性をさらに向上させた後、半導体素子領域として用いている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の触媒元素を用いたケイ素膜の結晶化方法は、結晶性ケイ素膜の膜質と不純物に関する問題が残されている。
【0016】
膜質に関しては、本発明者らが行った実験から、個々の柱状結晶の結晶性は良好であるが、全体としてはかなり高密度の結晶欠陥(転位)を含んでいることがわかっている。従って、半導体装置の活性領域がおおよそ一つの結晶方位で形成されるために、比較的高い移動度が得られる一方、欠陥密度が高いため閾値電圧やリーク電流は下がりにくい結果となる。
【0017】
実際に、触媒元素を使用して結晶化した結晶性ケイ素膜を用い、Nチャネル型TFTを作製した場合には、電界効果移動度で60cm/Vs〜80cm/Vs程度のものが得られている。しかしながら、この値は、従来の触媒元素を用いない固相成長によるケイ素膜に比べて2倍程度は向上しているが、薄膜集積回路などへの応用を考えると未だ十分な値でない。
【0018】
不純物に関しては、触媒元素そのものが問題となる。即ち、上記のような触媒元素は、非晶質ケイ素膜の結晶化には大きく貢献するが、その後、主に結晶粒界に偏在し結晶性ケイ素膜中に残留する。半導体装置の活性領域(半導体素子領域)を構成する結晶性ケイ素膜中にこれら触媒元素が多量に存在していることは、これら半導体を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり、もちろん好ましいことではない。
【0019】
特に、ニッケルやパラジウムなどの非晶質ケイ素膜の結晶化を促す触媒として効率よく作用する元素は、ケイ素中においてバンドギャップ中央付近に不純物準位を形成する。従って、これら触媒元素により結晶化したケイ素膜を用いTFTを作製すると、その影響として、主にTFTオフ動作時におけるリーク電流の増大、信頼性の低下などの現象が現れる。即ち、上記触媒元素は、そのTFT素子において、チャネル領域の結晶性を向上させるため、電界効果移動度、オン電流及びオン電流の立ち上がり係数(S係数)などの電流駆動能力は向上させるが、その代償として、オフ特性及び信頼性を悪化させるわけである。
【0020】
これらの問題点を解決する方法が、前記の特開平7−94757公報及び特開平9−148245公報において提案されている。
【0021】
特開平7−94757公報では、触媒元素を用いて結晶化された結晶性ケイ素膜に対して、レーザー光などの強光を照射することにより、その結晶性をさらに向上させて、上記膜質が十分でないという問題の解決を図っている。
【0022】
しかしながら、このような場合には、従来レーザーアニール技術が抱えている均一性、安定性の問題が加わることになる。即ち、固相結晶化のメリットである良好な膜質均一性が損なわれる結果となり、目的とする高性能な半導体装置を実現することはできない。
【0023】
触媒元素の問題については、塩化物気体又はフッ化物気体を含む雰囲気中でレーザー光照射を行い、触媒元素を塩化物化又はフッ化物化してゲッタリング除去するとしている。しかしながら、本発明者らが同様の方法により実際に実験した結果、このような瞬時のレーザーアニールにおいては、ほとんどゲッタリング効果は得られず、ケイ素膜中の触媒元素濃度を大きく低減することができないことが確認された。
【0024】
それに対して、特開平9−148245公報には、触媒元素を用いた結晶化アニールの後、さらに高い温度で加熱処理することによりその結晶性を向上させる方法が開示されている。本発明者らの実験からもこの方法により非常に高品質な結晶性ケイ素膜が得られることが確認されており、この方法により実際に電界効果移動度300cm/Vsを超える超高性能なTFT素子を作製している。また、第2の加熱処理をHClなどの酸化雰囲気下で行うことで、結晶性向上に加えてケイ素膜中の触媒元素を効率的にゲッタリング除去できる。従って、この方法は、高性能な薄膜半導体装置の製造方法として非常に有効である。
【0025】
しかしながら、この方法においてTFTの量産試作を行う上で新たな問題が発生した。新たな問題とは、ケイ素膜における微小な穴の発生である。実際には、図7の写真に示すように、ケイ素膜が無くなってしまっている部分に穴509が発生する。当初、本発明者らは、ケイ素膜中の触媒元素がゲッタリングされる限り、触媒元素が抜けたことによって、ケイ素膜に穴509が生じると予め予想し、穴509の位置の制御を試みたが、予想していない領域、即ち素子形成領域においても穴509の発生が見られた。
【0026】
ここで、上記の問題について図5を用いて詳しく説明する。図5(A)に触媒元素の選択添加による固相結晶成長後の概略平面図を、図5(B)に問題となる第2の加熱処理後の概略平面図を示す。
【0027】
図5(A)において、領域501、502で示されるのが触媒元素の導入領域である。この領域に選択導入された触媒元素は、領域501、502をまず結晶化し、その周辺部へと結晶成長を引き起こす。その結果、領域503、504の結晶成長が行われる。このとき、領域501、502では、導入された触媒元素によるランダムな核発生による結晶成長であるのに対し、領域503、504では、H3の方向に結晶成長が行われ、成長方向が疑一次元に揃っている。結晶成長が及んでいない領域505は非晶質ケイ素状態のまま残っている。
【0028】
触媒元素は、結晶成長のメカニズム上、結晶成長の先端、即ち結晶化領域と非晶質領域の境界に立って移動し、その先の非晶質ケイ素膜を次々に結晶化していく。従って、触媒元素が偏在する位置としては、結晶成長がぶつかりあった結晶粒界と、結晶成長の先端である。即ち、図5(A)において、ランダムに核発生が起こり、結晶粒がぶつかり合っている触媒元素の導入領域501、502内と、横方向の結晶成長領域(横成長領域)503と504との境界507、並びに横成長領域503及び504と非晶質領域505との境界508の3つの領域に触媒元素が偏在する。従って、半導体素子領域は、横成長領域503、504を用い、例えば領域510のような配置にて形成する。
【0029】
ところが、第2の加熱処理後には、図5(B)に示すように、膜全面においてほぼ均一な密度で微小な穴509の存在が見られた。即ち、半導体素子領域510として利用するべき横成長領域503、504内にもこのような穴509が発生しており、さらには、触媒元素による結晶成長が及んでいない領域505にも穴509が発生した。このような状態のまま半導体装置を作製すると、局部的には非常に高性能な半導体素子が実現できるが、穴509が素子領域に被った場合、その素子において不良が発生する。また、このような穴509は、後のエッチング工程などにおいて、下層へのダメージを生じさせ、全体として信頼性の低下を招くことになる。従って、この方法を用いた場合には、半導体装置製造工程における歩留まりが極めて悪く、液晶表示用アクティブマトリクス基板のように基板上に何十万個ものTFTを配置した半導体装置などへの適用は到底不可能である。
【0030】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、結晶性向上のための第2の加熱処理において触媒元素の再拡散を防止することができ、結晶性ケイ素膜において微小な穴が発生する等の問題を解消することが可能で、非常に高性能で高信頼性を有する半導体装置を歩留まりよく作製できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0031】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性基板の上に非晶質ケイ素薄膜を形成し、かつ、該非晶質ケイ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を選択的に導入する第1の工程と、540〜620℃の温度によって第1の加熱処理を行い、該非晶質ケイ素膜を該触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと、横方向に結晶成長を行わせる第2の工程と、該触媒元素が局在している特定のケイ素膜領域として、少なくとも、前記第1の工程で前記触媒元素が導入された領域と、前記第2の工程で前記結晶成長により形成された結晶成長境界部を、それらの部分に含まれる前記触媒元素及び該触媒元素のシリサイド化合物とともに、フッ化水素酸と硝酸との混合液を用いたエッチングによって除去する第3の工程と、ハロゲン化物を含む酸化雰囲気下にて、前記第1の加熱処理の温度よりも高い800〜1100℃の温度によって第2の加熱処理を行い、該第3の工程で残された結晶性ケイ素膜領域の結晶性を向上させるとともに触媒元素を取り除く第4の工程とを包含してなり、そのことにより上記目的が達成される。
【0033】
前記第3の工程において残すケイ素膜領域が、半導体素子領域である
【0035】
前記第1の工程における前記触媒元素を選択的に導入する工程は、前記非晶質ケイ素膜における前記触媒元素を導入しない領域に対応する位置にマスクを形成して行う
【0036】
前記第1の工程における前記触媒元素を選択的に導入する工程は、フォトレジストをマスクとして、スパッタリング法又は真空蒸着法で、前記非晶質ケイ素膜の表面に前記触媒元素を薄膜状に堆積した後に、該フォトレジストを剥離して、該マスク上の該触媒元素をリフトオフすることにより行う
【0037】
前記第1の工程における前記触媒元素を選択的に導入する工程は、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜をマスクとして、前記触媒元素を溶かし込んだ溶液を前記非晶質ケイ素膜の表面に塗布し乾燥させた後、プレアニール処理をして、該酸化ケイ素膜又は該窒化ケイ素膜のマスクを除去することにより行う
【0040】
前記第2の工程において、前記非晶質ケイ素膜を前記触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと結晶成長させる方向と、半導体装置におけるキャリアの移動方向とを略平行とする
【0041】
前記触媒元素として、Ni、Co、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Al及びSbの中の一種類又は複数種類の元素を用いる
【0042】
以下、本発明の主旨及び作用について説明する。
【0043】
上述の課題について、本発明者らは、実験により、上記の微小穴が生じる原因は、触媒元素が偏在し、その触媒元素が選択的に酸化され、エッチングされることにより生じていることを確認した。問題は、図5における横成長領域503、504及び非晶質領域505でも穴が生じる程多量の触媒元素が存在していることである。この主原因は、第2の加熱処理時における触媒元素の再拡散であることが確認された。
【0044】
即ち、図5(A)における結晶化アニール(第1の加熱処理)後においては、触媒元素導入領域501、502及び結晶成長境界507、508に触媒元素は偏在しているが、さらに結晶性を向上させるための第2の加熱処理時に触媒元素の再拡散が生じ、横成長領域503、504並びに触媒元素による成長が及んでいない領域505にも、触媒元素が同レベルに存在するようになる。その結果、素子形成を行うべき横成長領域503、504にも微小穴が発生する訳である。
【0045】
従って、本発明の主旨は、絶縁性基板の上に形成した非晶質ケイ素膜に、触媒元素を選択導入し、第1の加熱処理により触媒元素導入領域からその周辺領域へと横方向に結晶成長を行わせた後、ケイ素膜の結晶性を向上させる第2の加熱処理工程の前に、触媒元素が局在している特定のケイ素膜領域を除去する工程を行うことにある。即ち、第2の加熱処理による触媒元素の再拡散が行われる前に、言い換えれば触媒元素が偏在している間に、その触媒元素の偏在領域を除去してしまう訳である。これにより第2の加熱処理に生じた触媒元素の再拡散は、その主たる供給源が断たれることになり、上記問題の解決が図れ、目的とする高性能な半導体装置が高い歩留まりで得られる。
【0046】
即ち、本発明の半導体装置の製造方法では、少なくとも、第1の工程で絶縁性基板の上に非晶質ケイ素薄膜を形成し、かつ、この非晶質ケイ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を選択的に導入し、第2の工程で第1の加熱処理を行い、非晶質ケイ素膜を触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと、横方向に結晶成長を行わせ、第3の工程で触媒元素が局在している特定の領域のケイ素膜を除去し、第4の工程で第2の加熱処理を行い、第3の工程で残された結晶性ケイ素膜領域の結晶性を向上させるようにしている。
【0047】
ここで言う触媒元素が局在している領域のケイ素膜とは、その成長メカニズム上、結晶化アニール後に触媒元素の偏在が見られる触媒元素導入領域と、結晶成長境界部、即ち、結晶化領域と未結晶化領域との境界及び結晶成長がぶつかり合った境界とが主な領域であり、少なくともこれらの領域が除去されることが望ましい。即ち、図5のような導入パターンにて結晶成長を行わせた場合、触媒元素導入領域501、502、横方向の結晶成長がぶつかり合った境界507、横方向の結晶成長により結晶化された領域と非晶質領域との境界508の3点が少なくとも除去されていればよい。そして、その後に第2の加熱処理を行う訳である。
【0048】
特に、上記第3の工程において残すケイ素膜領域が、半導体素子領域(半導体装置の活性領域)となるようにパターニングすることが望ましい。このようにして触媒元素の局在領域を除去することで、工程短縮が行えるだけでなく、不必要な領域が全て除去される。このため、半導体素子領域への触媒元素の拡散量をさらに低減することができる。勿論、半導体素子領域は、図5における横成長領域503、504のみを用いて、例えば領域510で示す位置に形成される。
【0049】
ここで、上記の半導体素子領域の形成工程も含め、触媒元素が局在している領域のケイ素膜を除去する工程において、対象となるケイ素膜と触媒元素とのエッチング性が重要となる。即ち、ケイ素膜が除去されても触媒元素がエッチングされずに残存していると、そこから基板表面を再拡散するため、本発明の効果が損なわれることになる。その他にも、下層へのダメージや、その上に形成されるバスラインなどの断線、半導体素子の信頼性の低下などを招く原因にもなる。さらに本発明者らが調べたところによると、多くの触媒元素はシリサイド化合物としてケイ素膜中に存在していることがわかっている。従って、本発明における上記触媒元素が局在している特定のケイ素膜領域を除去する第3の工程としては、このケイ素膜と同時に、上記触媒元素及び触媒元素のシリサイド化合物が除去されるようなエッチングにより行うことが最も望ましい。
【0050】
上記触媒元素が局在している領域のケイ素膜を除去する具体的な方法として、フッ化水素酸と硝酸の混合液を用いてエッチング除去することが望ましい。この除去工程では、前述のようにケイ素膜に加えて触媒元素又はそのシリサイド化合物も同時にエッチングされる必要がある。その目的において、フッ化水素酸と硝酸の混合液を用いてのエッチングが最適であり、ケイ素膜と共に触媒元素も同時にエッチングされ、除去領域において残渣の無い清浄な状態が得られる。
【0051】
微細加工が望まれる場合にはプラズマによるドライエッチングが有効であるが、ケイ素膜のエッチングに従来から用いられているCFガスなどのフロン系ガスと酸素系ガスとによるドライエッチングでは、ケイ素膜はエッチングされるがシリサイド化合物はエッチングされず、触媒元素によるシリサイド化合物が残渣として基板表面に残ってしまう。基板上に残ったこれらのシリサイド化合物が第2の加熱処理時に再拡散を起こしては、本発明の有効性が損なわれてしまう。
【0052】
従って、ドライエッチングにおいても、ケイ素膜に加えて触媒元素又はそのシリサイド化合物も同時にエッチングされることが必要があり、その目的において、塩素ガスやBCl、HClなどの塩素系ガスを用いたRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)法が非常に有効である。このようなRIE法を用いることで、除去領域において残渣の無い清浄な状態が得られ、微細加工が可能となる。
【0053】
さて、第2の加熱処理後に見られる微小穴の主原因は、前述のように第2の加熱処理時における触媒元素の再拡散である。しかし、本発明者らがさらに実験研究を繰り返した結果、前述の原因に加えて、触媒元素の導入処理によっても、半導体素子領域が設けられるケイ素膜の横方向成長領域(図5の503、504)や触媒元素による成長が及んでいない非晶質領域(図5の505)に触媒元素が存在するようになることが確認された。
【0054】
即ち、従来の触媒元素の導入法としては、図6(A)に示すように、主に酸化ケイ素膜603をマスク膜として、触媒元素604を基板全面に対して導入し、その後に結晶化のための第1の加熱処理を行っていた。ここで601が基板、602は非晶質ケイ素膜を示している。しかしながら、このような従来法では、第1の加熱処理の際、図6(B)に示すように、触媒元素が接する導入領域605が結晶化され、さらに横方向H4へと結晶成長が進む一方、マスクとなる酸化ケイ素膜603上に存在する触媒元素604が、H5の矢印で示すように酸化ケイ素膜603を拡散し、下層のケイ素膜602に達している。
【0055】
酸化ケイ素膜中での触媒元素の拡散係数は、ケイ素膜中に比べて非常に小さいため、横方向の結晶成長が行われた後に、触媒元素604が横成長領域602bの表面に達し、本来なら触媒元素が存在してはいけない領域に触媒元素が存在することになる。結晶成長が及んでいない非晶質領域602cにも、同様の理由により触媒元素が存在するようになる。この場合には、結晶化のための第1の加熱処理後に、すでに横成長領域602b及び成長が及んでいない非晶質領域602cに触媒元素が存在する訳であり、本発明の効果、有効性が大きく損なわれてしまうことになる。
【0056】
従って、本発明の効果を最大限に引き出すためには、非晶質ケイ素膜に触媒元素を選択的に導入する第1の工程を、酸化ケイ素膜や窒化ケイ素膜、フォトレジストなどのマスク膜により、触媒元素が導入されない部分の非晶質ケイ素膜を覆った後に行い、触媒元素の導入後、このマスク膜を除去した後に、第1の加熱処理を行って、上記非晶質ケイ素膜を上記触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと、横方向に結晶成長を行わせることが望ましい。この工程により、マスク上に存在する触媒元素は、結晶化のための第1の加熱処理前に除去され、マスク上から触媒元素が拡散してくるような現象は全くなくなる。また、二次的な効果として、第1の加熱処理の際、熱処理炉に入れる基板上の全体的な触媒元素量が大きく低減されるため、触媒元素による熱処理炉の汚染を低減することができる。
【0057】
具体的な非晶質ケイ素膜への触媒元素の選択導入工程としては、フォトレジストをマスクとして、スパッタリング法又は真空蒸着法で、上記非晶質ケイ素膜の表面に触媒元素を薄膜状に堆積し、フォトレジストマスクを剥離して、マスク上の触媒元素をリフトオフすることによって行い、その後、第1の加熱処理を行うことが望ましい。スパッタリング法又は真空蒸着法で非晶質ケイ素膜上に薄膜状に形成された触媒元素は、フォトレジストの剥離工程では除去されないので、この方法により、触媒元素の選択導入を完全なものとすることが可能となる。また、酸化ケイ素膜などのマスク膜を形成する必要が無くなり、工程の短縮を図ることが可能となる。
【0058】
また、その他の方法として、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜をマスクとして、触媒元素を溶かし込んだ溶液を基板表面に塗布し乾燥させ、その後、第1の加熱処理の前に、プレアニール処理を行った後、この酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜のマスクを除去してから、第1の加熱処理を行う方法も有効である。この方法では、触媒元素を溶かし込んだ溶液を用いるため、溶液中の触媒元素濃度をコントロールすることで、基板上における触媒元素導入量の極微量制御が可能となる。しかしながら、ケイ素膜上に塗布された触媒元素は、水洗のみでも除去されるほどケイ素膜との結合が弱く、どうしてもマスク膜の除去で同時に除去されてしまう。そこで、この方法では、溶液を基板表面に塗布し乾燥させた後に、プレアニール処理を施すことで、導入領域において触媒元素をケイ素膜中に拡散させるため、その後、マスク膜を除去しても導入領域の触媒元素は除去されない。
【0059】
しかし、このプレアニール処理には、ある程度の高温が必要であるため、簡便なフォトレジストマスクを用いることはできず、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜によるマスクが必要となる。また、プレアニール処理において、触媒元素が酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜中を拡散し、下層のケイ素膜に到達しては意味がないので、マスク膜の膜厚やプレアニール処理の条件は、触媒元素が下層のケイ素膜に到達しないように条件設定する必要がある。この方法により、上述の第2の加熱処理時に微小穴が発生する問題を解決できる上に、触媒元素の微量制御が可能となる。
【0060】
ここで、上記方法における触媒元素を溶かし込んだ溶液は、溶質として触媒元素の酢酸塩又は硝酸塩を用い、溶媒としてエタノールやイソプロピルアルコール(IPA)などのアルコール系を用いることが望ましい。このような溶液を用いることで基板全面において安定した結晶成長が得られるようになる。また、特に液晶などの大型基板において、優れた面内均一性が得られる。尚、用いる触媒元素の酢酸塩がアルコールに不溶な場合には、極少量の水により酢酸塩をまず溶かしてから、主溶媒のアルコールと混ぜ合わせればよい。
【0061】
さらに、上記触媒元素を溶かし込んだ溶液を基板表面に塗布し乾燥させる工程は、スピンコーターを用いたスピン塗布及びスピン乾燥により行うことが望ましい。この方法によれば、基板表面に均一に触媒元素を添加することができる。実際に本発明者らの実験では、320mm×400mmサイズのガラス基板上において、この方法により溶液の塗布及び乾燥を行った結果、触媒元素の表面濃度がほぼ±10%以内の分布に入っていることが確認された。
【0062】
また、第1の加熱処理の前に行うプレアニール処理としては、後のマスク膜の除去工程において、導入領域の触媒元素が除去されない必要がある。マスク膜として用いられる酸化ケイ素膜や窒化ケイ素膜の除去には、一般的に弗化水素酸を用いるが、大抵の触媒元素はこのエッチャントにより除去されてしまう。
【0063】
即ち、本発明における第1の加熱処理の前に行うプレアニール処理としては、触媒元素導入領域において、ケイ素膜中に触媒元素を十分に拡散させる必要があり、具体的には、非晶質ケイ素膜において触媒元素の選択導入領域の少なくとも一部は結晶成長させる必要がある。従って、第1の加熱処理の前に行うプレアニール処理は、上記条件を満たす加熱温度及び加熱時間で行うことが望ましい。そうすれば、マスク除去によって触媒元素が同時に除去されず、第1の加熱処理で十分な結晶成長が行われるようになる。
【0064】
さて、本発明は、第1の加熱処理の後、第2の加熱処理を行うことを特徴としているが、これらの加熱処理の処理温度としては、第1の加熱処理温度よりも第2の加熱処理温度の方が少なくとも高い温度である必要がある。即ち、第1の加熱処理では、非晶質ケイ素膜の結晶化を目的としており、第2の加熱処理では、第1の加熱処理にて結晶化されたケイ素膜の結晶性をさらに向上させるための、所謂結晶性の改善処理を行うものである。
【0065】
この目的において、第1の加熱処理は比較的低温で行う必要がある。なぜなら、高温で第1の加熱処理を行うと結晶化のスピードが速すぎるため、結晶核が基板全面においてランダムに発生し、また、結晶成長方向が様々に分岐するため、安定した結晶成長が望めない。そして、第2の加熱処理としては、第1の加熱処理で形成された結晶性ケイ素膜をさらに高品質化するために、少なくとも第1の加熱処理以上のエネルギーを与える必要があり、これにより、第1の加熱処理の結晶化工程で生じた結晶欠陥を大きく低減できる。
【0066】
具体的には、第1の加熱処理の温度は、540℃〜620℃の範囲内で行い、第2の加熱処理の温度は、800℃〜1100℃の範囲内で行うことが望ましい。第1の加熱処理をこのような温度範囲で行えば、触媒元素の導入領域以外に発生する触媒元素によらない自発的な結晶成長を抑えることができ、安定した結晶成長が得られる。また、第2の加熱処理を、上記温度範囲で行えば、結晶欠陥を効率良く低減できると共に、半導体素子領域を形成する横方向の結晶成長領域内における柱状結晶のそれぞれを再結合させ、非常に高品質な単結晶シリコンに匹敵する高結晶性ケイ素膜が得られる。
【0067】
加えて、上記の触媒元素溶液を基板表面に塗布することで、触媒元素添加を行う方法における第1の加熱処理の前に行うプレアニール処理は、温度500℃〜550℃の範囲内において、10分から30分間行うことが望ましい。このプレアニール処理により、非晶質ケイ素膜において触媒元素の選択導入領域の少なくとも一部を結晶成長させることができる。
【0068】
ここで、第2の加熱処理の雰囲気としては、ハロゲン化物を含む酸化雰囲気下にて行うことが望ましい。このような雰囲気にて第2の加熱処理をすることで、ハロゲン化物の不純物ゲッタリング作用により、結晶成長に使われた触媒元素の膜中濃度を大きく低減することができる。また、酸化作用により生じる過飽和Si原子をケイ素膜中へ供給して、より効率的に結晶欠陥、特にダングリングボンド(不対結合手)を消滅させることができる。
【0069】
さらには、この第2の加熱処理におけるハロゲン化物を含む酸化雰囲気として、特にHClガスを用いることが望ましい。HClガスを用いることで、触媒元素を塩化物化させ気化させることができ、効率的に触媒元素をケイ素膜中より取り除くことが可能となる。
【0070】
本発明において、より高移動度、高性能な半導体装置を実現するためには、触媒元素によるケイ素膜の結晶成長方向と、半導体装置におけるキャリアの移動方向とを略平行とすることが望ましい。これにより、キャリアの移動に際しトラップとなるような結晶粒界は、その移動方向には理論上は存在しないことになり、より高移動度を有する半導体装置が得られるようになる。実際には、横方向の結晶成長領域において、ある程度の柱状結晶の曲がりや分岐が生じてはいるが、このような構成にすることにより、キャリアの移動方向に対する結晶粒界などのトラップ量は、確実に激減する。
【0071】
本発明に利用できる触媒元素の種類としては、Ni、Co、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Al、Sbを利用することができる。これらから選ばれた一種類又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。
【0072】
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。この理由については、次のようなモデルが考えられる。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、非晶質ケイ素膜の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といったモデルである。Niは2つのSiとNiSiのシリサイドを形成する。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高のものであり、本発明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。
【0073】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【0074】
(実施形態1)
図1及び図2は、本発明方法によりNチャネル型TFT(N型TFT)を作製する工程を示す実施形態1を表す。以下に、その作製工程を図2の(A)→(F)の工程の進行順に説明する。
【0075】
まず、図2(A)に示すように、石英ガラス基板101表面を1%程度のフッ化水素酸にて洗浄した後、基板101上に、減圧CVD法又はプラズマCVD法によって、厚さ25nm〜100nm、例えば50nmの真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)102を成膜し、さらにその上に酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜103を堆積する。この絶縁性薄膜103は、後の触媒元素導入時のマスク膜となるものであり、本実施形態1においては、酸化ケイ素膜を用い、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにRFプラズマCVD法で分解し堆積した。マスク酸化ケイ素膜103の厚さは、50nm〜250nmであることが望ましく、これ以上薄いと触媒元素が下層まで拡散し、これ以上厚いと結晶成長が良好に行えない。そこで、本実施形態1では、この酸化ケイ素膜103の厚さを150nmとした。
【0076】
次に、この酸化ケイ素膜103をパターニングすることでマスクを形成する。ここで、マスク103のスルーホールを介して、スリット状にa−Si膜102が露呈される。即ち、図2(A)の状態を上面から見ると、図1に示すようにa−Si膜102が領域100でスルーホールによりスリット状に露呈しており、他の部分はマスクされている状態となっている。
【0077】
上記マスク103を設けた後、さらに図2(A)に示すように、a−Si膜102表面が露呈している領域100に、ニッケル104を溶かしたエタノール溶液が接するように基板101を保持する。本実施形態1では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、エタノール溶液中のニッケル濃度は10ppmとなるようにした。その後、スピナーにより水溶液を基板101上に均一に延ばし乾燥させることで、基板101上の酸化ケイ素膜103とa−Si膜102の表面にニッケル104を微量添加する。この工程により領域100で露呈している部分のa−Si膜102に選択的にニッケル104が導入されたことになる。そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて、処理温度500℃〜550℃の範囲内で処理時間10分〜30分のプレアニール処理を施す。本実施形態1では、530℃にて20分の熱処理を行った。
【0078】
このプレアニール処理において、図2(B)に示すように、領域100においては、a−Si膜表面に添加されたニッケル104を核として基板101に対して垂直方向にケイ素膜102の結晶化が起こり、結晶性ケイ素膜102aが形成される。また、頒域100以外の領域は、結晶成長が到達せず非晶質状態のままa−Si領域102cとして残る。このとき、マスク膜103上のニッケル104は、上記のアニール条件では、マスク膜103に阻まれ、下層のa−Si膜102に到達することはできない。
【0079】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜103をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層のケイ素膜102と十分に選択性のある1:10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。その後、再び基板101に対して、不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて540℃〜620℃の温度で数時問から数十時間の加熱処理(第1の加熱処理)を施す。本実施形態1では、一例として580℃にて11時間の処理を行った。
【0080】
この加熱処理において、先に結晶化した領域100(102a)の周辺領域から、図2(C)において、矢印H1で示すように、領域100から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長が行われ、横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜102bが形成される。それ以外の102の領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領域102cとして残る。この横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜102b中のニッケル濃度は8×1016atoms/cm程度であり、そのシード領域とも言える直接ニッケルを導入し結晶成長させた領域100における結晶性ケイ素膜102a中のニッケル濃度は1×1018atoms/cm程度であった。
【0081】
尚、上記結晶成長に際し、矢印H1で示される基板と平行な方向の結晶成長の距離は、130μm程度であった。この状態を基板上方より見ると、図1における触媒元素導入領域102a(100)と、横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜領域102bと非晶質ケイ素膜領域102cとの境界102dに、ニッケル104が局在している。
【0082】
次に、図2(D)に示すように不要な部分のケイ素膜102を除去して素子間分離を行う。このときのエッチングとしては、フッ化水素酸と硝酸を1:100に混合した所謂1:100フッ硝酸を用いたウェットエッチングにより行った。このエッチング処理により、ニッケル104が多量に存在する102aと102dの領域においても、ケイ素膜と共にニッケル104がエッチングされるため、エッチング残渣の無い奇麗な基板表面が得られる。即ち、このエッチング処理により、多量のニッケル104は既に基板外へと除去される訳である。そして、以上の工程で、後にTFTのソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域、即ち活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜102fが形成され、図2(D)の状態を得る。
【0083】
次に、図2(D)の状態で、第2の加熱処理を施し、島状の結晶性ケイ素膜102fの結晶性を向上させる。第2の加熱処理としては、ハロゲン化物を含む酸化雰囲気において、温度800℃〜1100℃で数十分から数時間の加熱処理を行う。本実施形態1では、HClと酸素の混合ガスを用い、HClの流量比を全ガス流量の3%に設定し、基板温度950℃で25分の加熱処理を行った。この工程により結晶性ケイ素膜102fの表面が均一に酸化され、結晶性ケイ素膜102fの厚さは35nm程度に減少する。また、結晶性ケイ素膜102fの結晶性が大幅に向上すると共に、膜中に残存していたニッケルが低減される。実際に、第2の加熱処理後のケイ素膜中のニッケル濃度は、5×1015atoms/cm以下にまで低減した。このときの島状の結晶性ケイ素膜102fにおいて、従来問題となっていた微小穴は全く発生していない。
【0084】
次に、結晶性ケイ素膜102fの表面酸化膜を1:10BHFでエッチング除去した後、図2(E)に示すように、上記の活性領域となる結晶性ケイ素膜102fを覆うように厚さ20nm〜150nm、ここでは100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜106として成膜する。この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150℃〜600℃の範囲内、好ましくは300℃〜450℃の範囲内で、RFプラズマCVD法で分解し堆積した。尚、TEOSを原料としてオゾンガスとともに減圧CVD法又は常圧CVD法によって、基板温度を350℃〜600℃の範囲内、好ましくは400℃〜550℃の範囲内として形成してもよい。成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性並びに結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜の界面特性を向上させるために、酸化性ガス雰囲気下で処理温度800℃〜1000℃の範囲内で、処理時間30分〜60分の範囲内のアニール処理を行った。
【0085】
次に、スパッタリング法によって、厚さ400nm〜800nmの範囲内、例えば600nmのアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極107を形成する。さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層108を形成する。この状態が図2(E)に相当する。陽極酸化は、酒石酸が1%〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で行い、最初一定電流で220Vまで電圧を上げ、その状態で1時間保持して終了させる。得られた酸化物層108の厚さは200nmである。尚、この酸化物層108は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲー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。
【0086】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極107とその周囲の酸化物層108をマスクとして活性領域に不純物(リン)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60kV〜90kVの範囲内、例えば80kV、ドーズ量を1×1015cm−2〜8×1015cm−2の範囲内、例えば2×1015cm−2とする。この工程により、不純物が注入された領域110及び111はそれぞれ後にTFTのソース領域及びドレイン領域となり、ゲート電極107及びその周囲の酸化層108にマスクされ不純物が注入されない領域109は、後にTFTのチャネル領域となる。この状態を基板上方より見ると、図1に示すように、TFTにおけるキャリアの移動方向はソース頒域110及びドレイン頒域111の頒域方向であり、図1紙面における横方向である。これに対して、チャネル部109を構成するケイ素膜の結晶成長方向はH1の方向であり、キャリアの移動方向に対してほぼ平行となるように配置されている。このように配置することで特に高移動度なTFTが実現できる。
【0087】
次に、図2(E)に示すように、レーザー光L1の照射によってアニール処理を行い、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150mJ/cm〜400mJ/cmの範囲内、好ましくは200mJ/cm〜250mJ/cmの範囲内で照射を行った。こうして形成されたN型不純物(リン)領域110、111のシート抵抗は、200Ω/□〜800Ω/□の範囲内であった。
【0088】
次に、厚さ600nm程度の酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜を層間絶縁膜113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、又はオゾンとの減圧CVD法若しくは常圧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、活性領域とゲート絶縁膜と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。
【0089】
次に、層間絶縁膜113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114、115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、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニール処理を行い、図2(F)に示すTFT117を完成させる。このアニール処理は、最後まで残ったケイ素膜中の結晶欠陥、特に不対結合手を水素でターミネートすることで消滅させる目的で行われる。
【0090】
このTFT117を、画素電極をスイッチングする素子として用いる場合には電極114又は115をITOなど透明導電膜からなる画素電極に接続し、もう一方の電極より信号を入力する。また、このTFT117を薄膜集積回路に用いる場合には、ゲート電極107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。また、必要に応じて、TFT117上に窒化ケイ素膜からなる保護膜を設ければよい。
【0091】
以上の実施形態1に従って作製したN型TFT117は、電界効果移動度が150cm/Vs〜250cm/Vs、閾値電圧が1V〜1.5Vと非常に高性能な電気特性を示した。また、従来発生していた活性領域における微小穴が全く無く、特に数十万という数の画素TFTを駆動する液晶表示用アクティブマトリクス基板では、上記原因による画素欠陥が解決でき、非常に高精細で高表示品位の液晶表示装置が得られる。また、ニッケルによる導入領域100下の基板101へのダメージがほとんどなく、その結果としてバスラインの断線不良も低減し、製造歩留まりが向上した。また、TFT特性においても、触媒元素が特に問題となるTFTオフ領域でのリーク電流は、従来の10pA〜15pAに比べ問題とならない2pA程度にまで低減できた。
【0092】
尚、このTFTはアクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論、同一基板上にCPUを構成する素子としても用いることができる。また、このTFTの応用範囲としては、液晶表示装置のみではなく、一般に言われる薄膜集積回路に利用できることは言うまでもない。
【0093】
(実施形態2)
図3及び図4は、本発明方法によりN型TFTとP型TFTを相補型に構成したCMOS構造の回路を石英ガラス基板上に作製する工程を示す実施形態2を表す。以下に、その作製工程を図4の(A)→(E)の工程の進行順に説明する。
【0094】
まず、図4(A)に示すように、石英ガラス基板201表面を1%程度のフッ化水素酸にて洗浄した後、基板201上に、減圧CVD法又はプラズマCVD法によって、厚さ25nm〜100nmの範囲内、例えば50nmの真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)202を成膜する。
【0095】
次に、a−Si膜202上に感光性樹脂(フォトレジスト)を塗布し、露光・現像してマスク203とする。フォトレジストマスク203のスルーホールにより、領域200においてスリット状にa−Si膜202が露呈される。即ち、図4(A)の状態を上面から見ると、図3に示すように領域200でa−Si膜202が露呈しており、他の部分はフォトレジストによりマスクされている状態となっている。
【0096】
上記マスク203を設けた後、図4(A)に示すように、基板201表面にニッケル204を薄膜蒸着する。本実施形態2では、蒸着ソースと基板間の距離を通常より大きくして、蒸着レートを低下させることで、ニッケルの薄膜204の厚さが1nm以下となるように制御した。このときの基板201上におけるニッケル204の面密度を実際に測定すると、2×1013atoms/cm程度であった。
【0097】
次に、図4(B)に示すように、フォトレジストマスク203を除去することで、マスク203上のニッケル薄膜204がリフトオフされ、領域200のa−Si膜202において、選択的にニッケル204の微量導入が行われたことになる。そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気下で、加熱温度540℃〜620℃の範囲内、例えば580℃で11時間アニール処理して結晶化させる。
【0098】
この際、領域200においては、a−Si膜202表面に添加されたニッケル204を核として基板201に対して垂直方向にケイ素膜202の結晶化が起こり、結晶性ケイ素膜202aが形成される。
【0099】
次に、領域200の周辺領域では、図4(B)において、矢印H2で示すように、領域200から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長が行われ、横方向結晶成長した結晶性ケイ素膜202bが形成される。それ以外の202の領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領域202cとして残る。この横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜202b中のニッケル濃度は1×1017atoms/cm程度であり、直接ニッケルを添加し結晶成長させた領域200の結晶性ケイ素膜202a中のニッケル濃度は2×1018atoms/cm程度であった。
【0100】
尚、上記結晶成長に際し、矢印H2で示される基板と平行な方向の結晶成長の距離は、130μm程度である。この状態を基板上方より見ると、図3における、触媒元素導入領域202a(200)と、横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜領域202bと非晶質ケイ素膜領域202cとの境界202dに、ニッケル204は局在している。
【0101】
次に、図4(C)に示すように、後にTFTの活性領域(半導体素子領域)202n、202Pとなる結晶性ケイ素膜を残し、それ以外の領域をエッチング除去して素子間分離を行う。このときのエッチングとしては、BClとClの混合ガスを用いたRFプラズマによるRIE法により行った。エッチング条件としては、BCl流量を15sccm、Cl流量を70sccmとし、圧力8mTorr程度の減圧下、1300WのRFパワーをかけて行った。
【0102】
このエッチング処理により、ニッケル204が多量に存在する202aと202dの領域においても、ケイ素膜と共にニッケル204がエッチングされるため、エッチング残渣の無い奇麗な基板表面が得られると共に、ウェットエッチングを用いる場合に比べてさらなる微細加工ができる。以上の工程で、後にTFTのソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域、即ち活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜202n,202pが形成され、図4(C)の状態を得る。
【0103】
次に、図4(C)の状態で、第2の加熱処理を施し、島状の結晶性ケイ素膜202n、202Pの結晶性を向上させる。第2の加熱処理としては、ハロゲン化物を含む酸化雰囲気において、温度800℃〜1100℃の範囲内で数十分から数時間の加熱処理を行う。本実施形態2では、HClと酸素の混合ガスを用い、HClの流量比を全ガス流量の3%に設定し、基板温度950℃にて25分の加熱処理を行った。
【0104】
この工程によりケイ素膜202n、202pの表面が均一に酸化され、結晶性ケイ素膜202n及び202pの厚さは35nm程度に減少する。また、結晶性ケイ素膜202n,202pの結晶性が大幅に向上すると共に、膜中に残存していたニッケルが低減される。実際に、第2の加熱処理後のケイ素膜中のニッケル濃度は、5×1015atoms/cm以下にまで低減した。このときの島状の結晶性ケイ素膜202n、202pにおいて、従来問題となっていた微小穴は全く発生していない。
【0105】
次に、島状の結晶性ケイ素膜202n、202pの表面酸化膜を1:10BHFでエッチング除去した後、上記の活性領域となる結晶性ケイ素膜202n及び202pを覆うように厚さ100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜206として成膜する。本実施形態2では、ゲート絶縁膜206の成膜方法としてTEOSを原料とし、酸素とともに基板温度350℃で、RFプラズマCVD法で分解し堆積した。
【0106】
次に、図4(D)に示すように、スパッタリング法によって厚さ400nm〜800nmの範囲内、例えば500nmのアルミニウム(0.1%〜2%のシリコンを含む)を成膜し、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極207n、207pを形成する。
【0107】
次に、イオンドーピング法によって、活性領域202n、202pにゲート電極207n、207pをマスクとして不純物(リン及びホウ素)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)及びジボラン(B)を用い、前者の場合は、加速電圧を60kV〜90kVの範囲内、例えば80kV、後者の場合は、40kV〜80kVの範囲内、例えば65kVとし、ドーズ量は1×1015cm−2〜8×1015cm−2の範囲内、例えばリンを2×1015cm−2、ホウ素を5×1015cm−2とする。
【0108】
この工程により、ゲート電極207n、207pにマスクされ不純物が注入されない領域は後にTFTのチャネル領域209n、209pとなる。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、それぞれの元素を選択的にドーピングを行う。この結果、N型の不純物領域210nと211n、P型の不純物領域210pと211pが形成され、図3に示すようにN型TFT217とP型TFT218とを形成することができる。
【0109】
次に、図4(D)に示すように、レーザー光L2の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。レーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用い、レーザー光の照射条件としては、エネルギー密度250mJ/cmで一か所につき10ショット照射した。
【0110】
次に、図4(E)に示すように、厚さ600nmの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜213としてプラズマCVD法によって形成し、これ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214、215及び216を形成する。そして最後に、1気圧の水素雰囲気下で350℃、1時間のアニール処理を行い、N型TFT217とP型TFT218によるCMOS回路を完成させる。
【0111】
以上の実施形態2に従って作製したCMOS構造回路において、それぞれのTFTの電界効果移動度は、N型TFTで200cm/Vs〜300cm/Vs、P型TFTで150cm/Vs〜200cm/Vsと高く、閾値電圧はN型TFTで0.5V〜1V、P型TFTで−2V〜−3Vと非常に良好な特性を示す。さらに、TFTオフ領域でのリーク電流もN型TFTで5pA、P型TFTで3pA程度と従来法に比べ低い値に抑えられている。また、問題となる活性領域での微小穴の発生は全くなく、製造歩留まりが大きく向上した。さらに、RIE法によるエッチングによりTFTサイズを従来法よりも小さく設定できるため、高集積化が可能となった。
【0112】
(その他の実施形態)
本発明は上述の2つ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。
【0113】
例えば、前述の2つの実施形態においては、ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面をニッケル塩を溶かせたエタノール溶液を塗布する方法、又は蒸着法によりニッケル薄膜を形成する方法により、選択的にニッケル微量添加を行い、結晶成長を行わす方法を採用した。しかし、非晶質ケイ素膜の成膜前に、下地膜表面に選択的にニッケルを導入し、非晶質ケイ素膜の下層よりニッケルを拡散させ結晶成長を行わせる方法としてもよい。即ち、結晶成長は非晶質ケイ素膜の上面側から行ってもよいし、下面側から行ってもよい。
【0114】
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、単純に水を用いてもよいし、SOG(スピンオングラス)材料を溶媒として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。
【0115】
さらに、結晶化を助長する不純物金属元素としては、ニッケル以外にコバルト、パラジウム、白金、銅、銀、金、インジウム、スズ、アルミニウム又はアンチモンを用いても同様の効果が得られる。
【0116】
また、第2の加熱処理は、HCl雰囲気で行ったが、結晶性向上の観点からは、ドライ酸素雰囲気や窒素雰囲気などでも効果がある。また、触媒元素が多量に含まれている領域のケイ素膜をエッチングする工程は、上記の2つの実施形態以外の方法でも勿論効果があり、特にケイ素膜と共にニッケルシリサイドが同時にエッチングできるような方法であれば問題ない。
【0117】
さらに、本発明の応用としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機系EL等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子や表示素子、三次元IC等が考えられる。本発明を用いることで、これらの素子の高速化、高解像度化等の高性能化が実現される。さらに本発明は、上述の実施形態で説明したMOS型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス全般に応用することができる。
【0118】
尚、前述の2つの実施形態においては、絶縁性基板として石英ガラスを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、絶縁表面を有する基板又は基板全体が絶縁性のものであれば何を用いてもよい。
【0119】
【発明の効果】
以上の本発明によれば、絶縁性基板の上に形成した非晶質ケイ素膜に、触媒元素を選択導入し、第1の加熱処理により触媒元素導入領域からその周辺領域へと横方向に結晶成長を行わせた後、結晶性ケイ素膜領域の結晶性を向上させる第2の加熱処理工程の前に、触媒元素が局在している特定のケイ素膜領域を除去する工程を行うので、第2の加熱処理で従来生じていた触媒元素の再拡散を防止することができる。
【0120】
このため、上述した結晶性ケイ素膜において微小な穴が発生するといった問題等を解消することができ、非常に高性能な薄膜半導体素子を実現することができる。しかも、集積度の高い高性能半導体装置を、簡便な製造プロセスにて得ることができる。
【0121】
また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化を図ることができる。特に数十万というTFT素子を有する液晶表示装置においては、良品率を飛躍的に向上することができると共に、アクティブマトリクス基板に要求される画素スィッチングTFTのスイッチング特性の向上、並びに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することができる。
【0122】
従って、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を実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能化及び低コスト化を図ることができる。
【0123】
特に、第3の工程において残すケイ素膜領域を、少なくとも、第1の工程で触媒元素が導入された領域と、第2の工程で結晶成長により形成された結晶成長境界部とすると、触媒元素の主たる偏在領域を除去し、第2の加熱処理で生じていた触媒元素の再拡散を防止することができる。
【0124】
また、特に、第3の工程において残すケイ素膜領域を半導体素子領域とすると、工程短縮を行うことができるのに加えて、不必要な領域も全て除去することができるので、半導体素子領域への触媒元素の拡散量をさらに低減することができる。
【0125】
また、特に、前記第3の工程を、エッチングにより行い、このエッチングによって、該当するケイ素膜部分と、その部分に含まれる触媒元素及び触媒元素のシリサイド化合物を併せて除去すると、ケイ素膜を除去した際に触媒元素が残存して再拡散するといった問題を解消することができる。
【0126】
特に、このエッチングをフッ化水素酸と硝酸の混合液を用いて行うと、ケイ素膜と共に触媒元素も同時にエッチングすることができ、除去領域において残渣の無い清浄な表面状態を得ることができる。また、このエッチングを、塩素ガス又は塩素系ガスを用いたRIE法によりドライエッチングを行うと、除去領域において残渣の無い清浄な表面状態を得ることができ、微細加工をする上で有効である。
【0127】
また、特に、第1の工程における触媒元素を選択的に導入する工程を、非晶質ケイ素膜における触媒元素を導入しない領域に対応する位置にマスクを形成して行うと、マスク上に存在する触媒元素を、結晶化のための第1の加熱処理前に除去して、マスク上から触媒元素が拡散してくるような現象の発生を防止することができる。また、第1の加熱処理の際、熱処理炉に入れる基板上の全体的な触媒元素量を大きく低減できるため、触媒元素による熱処理炉の汚染を低減することができる。
【0128】
また、特に、第1の工程における触媒元素を選択的に導入する工程を、フォトレジストをマスクとして、スパッタリング法又は真空蒸着法で、非晶質ケイ素膜の表面に触媒元素を薄膜状に堆積した後に、このフォトレジストを剥離して、マスク上の触媒元素をリフトオフすることにより行うと、触媒元素の選択導入を完全なものとすることができる。また、酸化ケイ素膜などのマスク膜を形成する必要が無くなり、工程の短縮を図ることもできる。
【0129】
また、特に、第1の工程における触媒元素を選択的に導入する工程を、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜をマスクとして、触媒元素を溶かし込んだ溶液を非晶質ケイ素膜の表面に塗布し乾燥させた後、プレアニール処理をして、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜のマスクを除去することにより行うと、触媒元素を溶かし込んだ溶液中の触媒元素濃度をコントロールすることで、基板上における触媒元素導入量の極微量制御をすることができる。また、マスク除去によって触媒元素が同時に除去されるといった問題を解消することができる。
【0130】
特に、この溶液の溶質として触媒元素の酢酸塩又は硝酸塩を用い、溶液の溶媒としてアルコール系を用いると、基板全面において安定した結晶成長が得られ、液晶などの大型基板において、優れた面内均一性を得ることができる。また、この溶液を非晶質ケイ素膜の表面に塗布し乾燥する工程を、スピンコーターを用いたスピン塗布及びスピン乾燥で行うと、基板表面に均一に触媒元素を添加することができる。
【0131】
また、このプレアニール処理を、非晶質ケイ素膜において触媒元素が選択的に導入された領域の少なくとも一部を、結晶成長が行われる条件を満たす加熱状態、例えば処理温度500℃〜550℃の範囲内にて、処理時間10分〜30分の範囲内で行うと、所望の領域に限定して触媒元素を添加することができるので、非晶質ケイ素膜における触媒元素の選択導入領域をさらに限定して結晶成長させることができる。
【0132】
また、特に、第2の加熱処理の温度を、第1の加熱処理の温度よりも高くすると、第1の加熱処理では安定した結晶成長で結晶性ケイ素膜を形成することができ、第2の加熱処理では、第1の加熱処理の結晶化工程で生じた結晶欠陥を大きく低減することができ、第1の加熱処理で形成された結晶性ケイ素膜をさらに高品質化することができる。
【0133】
特に、この第1の加熱処理の温度を540℃〜620℃の範囲内とし、第2の加熱処理の温度を800℃〜1100℃の範囲内とすると、第1の加熱処理では、触媒元素の導入領域以外に発生する触媒元素によらない自発的な結晶成長を抑えることができ、安定した結晶成長が得られる。また、第2の加熱処理では、結晶欠陥を効率良く低減できると共に、半導体素子領域を形成する横方向の結晶成長領域内における柱状結晶のそれぞれを再結合させ、非常に高品質な単結晶シリコンに匹敵する高結晶性ケイ素膜を得ることができる。
【0134】
また、特に、第2の加熱処理を、ハロゲン化物を含む酸化雰囲気下にて行うと、ハロゲン化物の不純物ゲッタリング作用により、結晶成長に使われた触媒元素の膜中濃度を大きく低減することができる。また、酸化作用により生じる過飽和Si原子をケイ素膜中へ供給して、より効率的に結晶欠陥、特にダングリングボンド(不対結合手)を消滅させることができる。特に、ハロゲン化物としてHClガスを用いると、触媒元素を塩化物化させ気化させることができ、効率的に触媒元素をケイ素膜中より取り除くことができる。
【0135】
また、特に、第2の工程において、非晶質ケイ素膜を触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと結晶成長させる方向と、半導体装置におけるキャリアの移動方向とを略平行とすると、キャリアの移動に際しトラップとなるような結晶粒界は、その移動方向には理論上は存在しないことになり、より高移動度を有する半導体装置を得ることができる。
【0136】
また、特に、触媒元素として、Ni、Co、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Al及びSbの中の一種類又は複数種類の元素を用いると、微量で結晶化助長の効果を奏する。
【0137】
特に、この触媒元素として、少なくともNiを用いると、Niがケイ素膜と結合しシリサイドNiSiとなって結晶成長に作用するが、その結晶構造が、非晶質ケイ素膜の結晶化時に一種の鋳型のように作用するため、非晶質ケイ素膜の結晶化を促す一層の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の作製工程を示す平面図である。
【図2】本発明の実施形態1の作製工程を示す図1のA−A’断面における断面図である。
【図3】本発明の実施形態2の作製工程を示す平面図である。
【図4】本発明の実施形態2の作製工程を示す図3のB−B’断面における断面図である。
【図5】従来例において、第2の加熱処理での触媒元素の再拡散によりケイ素膜に微小な穴が発生する様子を表す図であって、(A)に触媒元素の選択添加による固相結晶成長後の平面図を、(B)に第2の加熱処理後の平面図を示す。
【図6】従来例において、第1の加熱処理での触媒元素の拡散の様子を表す図である。
【図7】従来例において、第2の加熱処理での触媒元素の再拡散によりケイ素膜表面に微小な穴が発生した状態を表す写真である。
【符号の説明】
101、201 石英ガラス基板
102、202 ケイ素膜
103、203 マスク膜
104、204 触媒元素
106、206 ゲート絶縁膜
107、207 ゲート電極
108 陽極酸化層
109、209 チャネル領域
110、210 ソース領域
111、211 ドレイン領域
113、213 層間絶縁膜
114、115、214、215、216 電極・配線
117、217 Nチャネル型TFT
218 Pチャネル型TFT
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device using a crystalline silicon film obtained by crystallizing an amorphous silicon film as an active region.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-performance semiconductor elements have been formed on insulating substrates such as glass and insulating films for the realization of large, high-resolution liquid crystal display devices, high-speed, high-resolution contact image sensors, and three-dimensional ICs. Attempts have been made to do so. In general, a thin film silicon semiconductor is used for a semiconductor element used in these apparatuses. Thin-film silicon semiconductors are broadly classified into two types: amorphous silicon semiconductors (a-Si) and crystalline silicon semiconductors.
[0003]
Amorphous silicon semiconductors are most commonly used because they have a low production temperature and can be relatively easily produced by a gas phase method and have high mass productivity. However, since physical properties such as conductivity are inferior to crystalline silicon semiconductors, in order to obtain even higher speed characteristics in the future, it is strongly required to establish a method for manufacturing a semiconductor device made of crystalline silicon semiconductor. Had been. In addition, as a silicon semiconductor having crystallinity, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon containing a crystalline component, semi-amorphous silicon having an intermediate state between crystalline and amorphous, and the like are known. .
[0004]
The following methods are known as conventional methods for obtaining a thin film silicon semiconductor having such crystallinity.
[0005]
(1) A film having crystallinity is directly formed at the time of film formation.
[0006]
(2) An amorphous semiconductor film is formed and crystallinity is imparted by the energy of laser light.
[0007]
(3) An amorphous semiconductor film is formed and crystallinity is imparted by applying thermal energy.
[0008]
However, in the method (1), crystallization proceeds at the same time as the film formation step. Therefore, it is indispensable to increase the thickness of the silicon film in order to obtain crystalline silicon having a large grain size, and to obtain a film having good semiconductor properties. It is technically difficult to form a film uniformly over the entire surface of the substrate.
[0009]
In the method (2), the crystallization phenomenon in the melt-solidification process is used, so that the grain boundaries are satisfactorily processed in spite of the small grain size, and a high-quality crystalline silicon film is obtained. Taking the excimer laser used as an example, one with sufficient stability has not yet been obtained. Therefore, it is difficult to uniformly process the entire surface of a large-area substrate, and further technical improvement in hardware is desired.
[0010]
In addition, the method (3) is advantageous in terms of uniformity and stability in the substrate as compared with the methods (1) and (2), and is used for an ultra-small high-definition liquid crystal panel using a quartz substrate. ing. However, in this case, after the crystal is grown by heat treatment at 600 ° C. for a long time of about 30 hours, heat treatment for improving the crystallinity at a higher temperature, for example, about 1000 ° C. for several tens minutes to several hours is performed. Is going. That is, there is a problem that the processing time is long and the throughput is low, and the TFT (thin film transistor) has a field effect mobility of 100 cm 2 / Vs only.
[0011]
In contrast to these methods, a method of improving the above method (3) to obtain a high-quality crystalline silicon film has been proposed in JP-A-7-94757 and JP-A-9-148245. In these methods, the use of a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous silicon film aims at lowering the heating temperature, shortening the treatment time, and improving the crystallinity.
[0012]
Specifically, a small amount of a metal element such as nickel or palladium is introduced into the surface of the amorphous silicon film, and then heating is performed. The mechanism of this low-temperature crystallization is understood from the fact that crystal nucleus generation with a metal element as a nucleus occurs at an early stage, and then the metal element serves as a catalyst to promote crystal growth, and crystallization proceeds rapidly. . In that sense, these metal elements are hereinafter referred to as catalyst elements. Crystalline silicon films grown by the promotion of crystallization by these catalytic elements have a twin structure in one grain of the crystalline silicon film crystallized by the ordinary solid phase growth method. The inside of the grain is composed of a number of columnar crystal networks, and the inside of each columnar crystal is in an almost ideal single crystal state.
[0013]
Further, in the above publication, the catalyst element is selectively introduced into a part of the amorphous silicon film and heated, so that the catalyst element is selectively introduced while leaving the other part in the state of the amorphous silicon film. By crystallizing only the formed region and further extending the heating time, crystal growth is performed in a lateral direction (a direction parallel to the substrate) from the introduction region. Inside this lateral crystal growth region, columnar crystals whose growth directions are almost aligned in one direction are tied together, and the crystallinity is lower than that of the region where the catalytic element is directly introduced and crystal nuclei occur randomly. This is a better area. Therefore, by using the crystalline silicon film in the lateral crystal growth region for the active region of the semiconductor device, the performance of the semiconductor device can be improved.
[0014]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-94757 discloses that such a high-quality crystalline silicon film is further irradiated with strong light such as laser light in an atmosphere containing a chloride gas or a fluoride gas, and the crystal is further irradiated with the crystal light. High performance semiconductor devices have been manufactured with improved performance. In Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-148245, a high-temperature crystalline silicon film is subjected to a second heat treatment at a temperature higher than a crystallization annealing temperature to further improve its crystallinity. Used as
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method of crystallizing a silicon film using a catalytic element has problems with respect to the film quality and impurities of the crystalline silicon film.
[0016]
Regarding the film quality, experiments performed by the present inventors have revealed that each columnar crystal has good crystallinity, but contains crystal defects (dislocations) having a considerably high density as a whole. Therefore, since the active region of the semiconductor device is formed with approximately one crystal orientation, a relatively high mobility can be obtained. On the other hand, since the defect density is high, the threshold voltage and the leak current are hardly reduced.
[0017]
Actually, when a crystalline silicon film crystallized using a catalytic element is used to fabricate an N-channel TFT, the field-effect mobility is 60 cm. 2 / Vs ~ 80cm 2 / Vs. However, this value is about twice as large as that of a conventional silicon film formed by solid phase growth without using a catalytic element, but is still not a sufficient value in consideration of application to a thin film integrated circuit and the like.
[0018]
Regarding impurities, the catalytic element itself becomes a problem. That is, the catalyst element as described above greatly contributes to the crystallization of the amorphous silicon film, but thereafter is mainly localized at the crystal grain boundaries and remains in the crystalline silicon film. The presence of a large amount of these catalytic elements in the crystalline silicon film constituting the active region (semiconductor element region) of a semiconductor device impairs the reliability and electrical stability of the device using these semiconductors. And, of course, not preferred.
[0019]
In particular, an element such as nickel or palladium that efficiently acts as a catalyst for promoting crystallization of an amorphous silicon film forms an impurity level near the center of a band gap in silicon. Therefore, when a TFT is manufactured using a silicon film crystallized with these catalyst elements, phenomena such as an increase in leak current and a decrease in reliability mainly during a TFT-off operation appear as the effects. That is, in order to improve the crystallinity of the channel region in the TFT element, the catalytic element improves the current drive capability such as the field effect mobility, the on-current, and the on-current rise coefficient (S coefficient). As a price, the off characteristic and the reliability are deteriorated.
[0020]
A method for solving these problems has been proposed in the above-mentioned JP-A-7-94757 and JP-A-9-148245.
[0021]
JP-A-7-94757 discloses that a crystalline silicon film crystallized using a catalytic element is irradiated with strong light such as a laser beam to further improve its crystallinity and to improve the film quality. It is trying to solve the problem that is not.
[0022]
However, in such a case, the problems of uniformity and stability conventionally associated with the laser annealing technique are added. That is, good film quality uniformity, which is a merit of solid-phase crystallization, is impaired, and the intended high-performance semiconductor device cannot be realized.
[0023]
Regarding the problem of the catalytic element, it is stated that laser light irradiation is performed in an atmosphere containing a chloride gas or a fluoride gas to chlorinate or fluoridate the catalyst element to remove gettering. However, as a result of actual experiments by the present inventors using the same method, almost no gettering effect is obtained in such instantaneous laser annealing, and the concentration of the catalytic element in the silicon film cannot be significantly reduced. It was confirmed that.
[0024]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-148245 discloses a method of improving the crystallinity by performing a heat treatment at a higher temperature after crystallization annealing using a catalytic element. From the experiments of the present inventors, it has been confirmed that a very high quality crystalline silicon film can be obtained by this method. 2 Ultra-high performance TFT elements exceeding / Vs are manufactured. In addition, by performing the second heat treatment in an oxidizing atmosphere such as HCl, the gettering and removal of the catalyst element in the silicon film can be efficiently performed in addition to the improvement in crystallinity. Therefore, this method is very effective as a method for manufacturing a high performance thin film semiconductor device.
[0025]
However, in this method, a new problem has arisen in mass-producing TFTs. A new problem is the generation of microscopic holes in the silicon film. Actually, as shown in the photograph of FIG. 7, a hole 509 is generated in a portion where the silicon film has been lost. Initially, the present inventors previously predicted that a hole 509 would be formed in the silicon film due to the removal of the catalyst element as long as the catalyst element in the silicon film was gettered, and tried to control the position of the hole 509. However, the occurrence of holes 509 was observed also in an unexpected region, that is, an element formation region.
[0026]
Here, the above problem will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5A is a schematic plan view after solid phase crystal growth by selective addition of a catalyst element, and FIG. 5B is a schematic plan view after a problematic second heat treatment.
[0027]
In FIG. 5A, regions 501 and 502 are regions where a catalytic element is introduced. The catalytic element selectively introduced into this region first crystallizes the regions 501 and 502, and causes crystal growth in the peripheral portion. As a result, crystal growth of the regions 503 and 504 is performed. At this time, in regions 501 and 502, crystal growth is caused by random nucleation by the introduced catalytic element, whereas in regions 503 and 504, crystal growth is performed in the direction of H3, and the growth direction is pseudo one-dimensional. It is aligned. The region 505 which has not reached the crystal growth remains in the amorphous silicon state.
[0028]
Due to the crystal growth mechanism, the catalytic element moves at the tip of the crystal growth, that is, at the boundary between the crystallized region and the amorphous region, and successively crystallizes the amorphous silicon film beyond that. Therefore, the position where the catalyst element is unevenly distributed is the crystal grain boundary where the crystal growth has collided and the tip of the crystal growth. That is, in FIG. 5A, the nucleation occurs randomly, and the inside of the catalyst element introduction regions 501 and 502 where the crystal grains collide with the lateral crystal growth regions (lateral growth regions) 503 and 504. The catalyst element is unevenly distributed in the boundary 507 and in three regions 508 between the lateral growth regions 503 and 504 and the amorphous region 505. Therefore, the semiconductor element region is formed using the lateral growth regions 503 and 504, for example, in an arrangement like the region 510.
[0029]
However, after the second heat treatment, as shown in FIG. 5B, fine holes 509 with a substantially uniform density were found over the entire surface of the film. That is, such a hole 509 is also generated in the lateral growth regions 503 and 504 to be used as the semiconductor element region 510, and a hole 509 is also generated in the region 505 where the crystal growth by the catalytic element has not reached. did. When a semiconductor device is manufactured in such a state, a very high-performance semiconductor element can be locally realized. However, when the hole 509 covers an element region, a defect occurs in the element. In addition, such a hole 509 causes damage to a lower layer in a later etching process or the like, and causes a reduction in reliability as a whole. Therefore, when this method is used, the yield in the semiconductor device manufacturing process is extremely low, and application to a semiconductor device in which hundreds of thousands of TFTs are arranged on a substrate, such as an active matrix substrate for a liquid crystal display, is almost impossible. Impossible.
[0030]
The present invention solves such problems of the prior art, and can prevent re-diffusion of a catalyst element in the second heat treatment for improving crystallinity, and generate fine holes in the crystalline silicon film. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of solving a problem such as the problem of manufacturing a semiconductor device having very high performance and high reliability with high yield.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
Of the present invention The method for manufacturing a semiconductor device includes a first step of forming an amorphous silicon thin film on an insulating substrate, and selectively introducing a catalyst element that promotes crystallization to the amorphous silicon film; A first heat treatment at a temperature of 540 to 620 ° C., and a crystal growth of the amorphous silicon film in a lateral direction from a region where the catalytic element is introduced to a peripheral region thereof. A specific silicon film region where the catalyst element is localized, at least a region where the catalyst element is introduced in the first step, and a crystal growth formed by the crystal growth in the second step. Border By etching using a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid together with the catalyst element and a silicide compound of the catalyst element contained in those portions. A third step of removing, and a second heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere containing a halide at a temperature of 800 to 1100 ° C. higher than the temperature of the first heat treatment. A fourth step of improving the crystallinity of the remaining crystalline silicon film region and removing the catalytic element, thereby achieving the above object.
[0033]
Said The silicon film region left in the third step is a semiconductor device region Is .
[0035]
Said The step of selectively introducing the catalyst element in the first step includes forming a mask at a position corresponding to a region where the catalyst element is not introduced in the amorphous silicon film. Do .
[0036]
Said The step of selectively introducing the catalyst element in the first step includes, after depositing the catalyst element in a thin film on the surface of the amorphous silicon film by a sputtering method or a vacuum evaporation method using a photoresist as a mask. By stripping off the photoresist and lifting off the catalytic element on the mask Do .
[0037]
Said In the step of selectively introducing the catalyst element in the first step, using a silicon oxide film or a silicon nitride film as a mask, a solution in which the catalyst element is dissolved is applied to the surface of the amorphous silicon film and dried. After that, by performing a pre-annealing process, by removing the mask of the silicon oxide film or the silicon nitride film Do .
[0040]
Said In the second step, the direction in which the amorphous silicon film is crystal-grown from the region where the catalytic element is introduced to the peripheral region is substantially parallel to the direction of carrier movement in the semiconductor device. Do .
[0041]
Said As a catalyst element, one or more elements among Ni, Co, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn, Al and Sb Use .
[0042]
Hereinafter, the gist and operation of the present invention will be described.
[0043]
With respect to the above-mentioned problem, the present inventors have experimentally confirmed that the cause of the above-mentioned minute holes is caused by the uneven distribution of the catalytic element, and the catalytic element is selectively oxidized and etched. did. The problem is that in the lateral growth regions 503 and 504 and the amorphous region 505 in FIG. It was confirmed that the main cause was re-diffusion of the catalytic element during the second heat treatment.
[0044]
That is, after the crystallization annealing (first heat treatment) in FIG. 5A, the catalyst elements are unevenly distributed in the catalyst element introduction regions 501 and 502 and the crystal growth boundaries 507 and 508, but the crystallinity is further improved. At the time of the second heat treatment for improvement, the catalyst element is re-diffused, so that the catalyst element is present at the same level in the lateral growth regions 503 and 504 and the region 505 which has not been grown by the catalyst element. As a result, micro holes are also generated in the lateral growth regions 503 and 504 where the element is to be formed.
[0045]
Therefore, the gist of the present invention is to selectively introduce a catalyst element into an amorphous silicon film formed on an insulating substrate and to crystallize in a lateral direction from a catalyst element introduction region to a peripheral region by a first heat treatment. After the growth, and before the second heat treatment step for improving the crystallinity of the silicon film, a step of removing a specific silicon film region where the catalytic element is localized is performed. That is, before the catalyst element is re-diffused by the second heat treatment, in other words, while the catalyst element is unevenly distributed, the unevenly distributed region of the catalyst element is removed. As a result, the main source of the re-diffusion of the catalyst element generated in the second heat treatment is cut off, so that the above-described problem can be solved, and the intended high-performance semiconductor device can be obtained at a high yield. .
[0046]
That is, in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, at least the first step forms an amorphous silicon thin film on an insulating substrate and promotes the crystallization of the amorphous silicon film. A catalyst element is selectively introduced, a first heat treatment is performed in a second step, and an amorphous silicon film is grown laterally from a region where the catalyst element is introduced to a peripheral region thereof. Removing the silicon film in a specific region where the catalytic element is localized in the third step, performing the second heat treatment in the fourth step, and removing the crystalline silicon film region left in the third step. The crystallinity is improved.
[0047]
The silicon film in the region where the catalyst element is localized here means a catalyst element introduction region where the catalyst element is unevenly distributed after crystallization annealing, and a crystal growth boundary portion, that is, a crystallization region due to its growth mechanism. The main region is a boundary between the crystallized region and the uncrystallized region and a boundary where crystal growth has collided, and it is desirable that at least these regions be removed. That is, when the crystal growth is performed with the introduction pattern as shown in FIG. 5, the catalyst element introduction regions 501 and 502, the boundary 507 where the lateral crystal growths collide, the region crystallized by the lateral crystal growth. It suffices that at least three points of the boundary 508 between the first region and the amorphous region have been removed. Then, the second heat treatment is performed thereafter.
[0048]
In particular, it is desirable to perform patterning so that the silicon film region left in the third step becomes a semiconductor element region (active region of a semiconductor device). By removing the localized region of the catalyst element in this manner, not only can the process be shortened, but also all unnecessary regions are removed. For this reason, the diffusion amount of the catalyst element into the semiconductor element region can be further reduced. Of course, the semiconductor element region is formed at a position indicated by, for example, a region 510 using only the lateral growth regions 503 and 504 in FIG.
[0049]
Here, in the step of removing the silicon film in the region where the catalytic element is localized, including the step of forming the semiconductor element region, the etching property between the target silicon film and the catalytic element is important. That is, if the catalyst element remains without being etched even after the silicon film is removed, the substrate surface is re-diffused from there, and the effect of the present invention is impaired. In addition, it may cause damage to a lower layer, disconnection of a bus line or the like formed thereon, and decrease in reliability of a semiconductor element. Further, the present inventors have found that many catalytic elements are present in the silicon film as silicide compounds. Therefore, in the third step of removing the specific silicon film region where the catalyst element is localized in the present invention, at the same time as the silicon film, the catalyst element and the silicide compound of the catalyst element are removed. Most preferably, it is performed by etching.
[0050]
As a specific method of removing the silicon film in the region where the catalyst element is localized, it is desirable to perform etching removal using a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid. In this removal step, as described above, in addition to the silicon film, the catalytic element or its silicide compound must be etched at the same time. For that purpose, etching using a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid is optimal, and the catalyst element is etched simultaneously with the silicon film, so that a clean state with no residue in the removal region is obtained.
[0051]
When fine processing is desired, dry etching by plasma is effective. However, CF which has been conventionally used for etching a silicon film is used. 4 In dry etching using a Freon-based gas such as a gas and an oxygen-based gas, the silicon film is etched but the silicide compound is not etched, and the silicide compound due to the catalytic element remains on the substrate surface as a residue. If these silicide compounds remaining on the substrate cause re-diffusion during the second heat treatment, the effectiveness of the present invention is impaired.
[0052]
Therefore, in dry etching, it is necessary to simultaneously etch the catalyst element or its silicide compound in addition to the silicon film. 3 RIE (reactive ion etching) using a chlorine-based gas such as HCl or HCl is very effective. By using such an RIE method, a clean state with no residue in the removal region can be obtained, and fine processing can be performed.
[0053]
By the way, the main cause of the fine holes observed after the second heat treatment is the re-diffusion of the catalyst element during the second heat treatment as described above. However, as a result of repeating the experimental research by the present inventors, in addition to the above-mentioned causes, the lateral growth regions (503, 504 in FIG. 5) of the silicon film in which the semiconductor element region is provided can also be obtained by the introduction treatment of the catalytic element. ) And an amorphous region (505 in FIG. 5) which has not been grown by the catalyst element.
[0054]
That is, as a conventional method for introducing a catalytic element, as shown in FIG. 6A, a catalytic element 604 is mainly introduced using the silicon oxide film 603 as a mask film over the entire surface of the substrate, and then the crystallization is performed. For the first heat treatment. Here, reference numeral 601 denotes a substrate, and 602 denotes an amorphous silicon film. However, in such a conventional method, at the time of the first heat treatment, as shown in FIG. 6B, the introduction region 605 in contact with the catalyst element is crystallized, and the crystal growth further proceeds in the lateral direction H4. The catalytic element 604 existing on the silicon oxide film 603 serving as a mask diffuses through the silicon oxide film 603 as indicated by an arrow H5, and reaches the lower silicon film 602.
[0055]
Since the diffusion coefficient of the catalyst element in the silicon oxide film is much smaller than that in the silicon film, the catalyst element 604 reaches the surface of the lateral growth region 602b after crystal growth in the lateral direction. The catalyst element will be present in a region where the catalyst element must not be present. The catalyst element is also present in the amorphous region 602c where the crystal growth has not been reached for the same reason. In this case, after the first heat treatment for crystallization, the catalytic element is present in the laterally grown region 602b and the amorphous region 602c which has not been grown. Will be greatly impaired.
[0056]
Therefore, in order to maximize the effects of the present invention, the first step of selectively introducing a catalytic element into the amorphous silicon film is performed by using a mask film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a photoresist. The first heat treatment is performed after covering the portion of the amorphous silicon film where the catalytic element is not introduced, removing the mask film after introducing the catalytic element, and subjecting the amorphous silicon film to the above-described process. It is desirable to cause crystal growth in the lateral direction from the region where the catalytic element is introduced to the peripheral region. By this step, the catalytic element present on the mask is removed before the first heat treatment for crystallization, and the phenomenon that the catalytic element diffuses from the mask is completely eliminated. Further, as a secondary effect, at the time of the first heat treatment, the overall amount of the catalyst element on the substrate to be put into the heat treatment furnace is significantly reduced, so that contamination of the heat treatment furnace due to the catalyst element can be reduced. .
[0057]
As a specific step of selectively introducing a catalytic element into the amorphous silicon film, using a photoresist as a mask, a sputtering method or a vacuum deposition method is used to deposit the catalytic element in a thin film on the surface of the amorphous silicon film. It is preferable to remove the photoresist mask, lift off the catalyst element on the mask, and then perform the first heat treatment. Since the catalyst element formed in a thin film on the amorphous silicon film by the sputtering method or the vacuum evaporation method is not removed in the photoresist stripping step, the selective introduction of the catalyst element by this method should be completed. Becomes possible. In addition, there is no need to form a mask film such as a silicon oxide film, and the number of steps can be reduced.
[0058]
Further, as another method, using a silicon oxide film or a silicon nitride film as a mask, a solution in which a catalytic element was dissolved was applied to the substrate surface and dried, and thereafter, a pre-annealing treatment was performed before the first heat treatment. After that, a method of performing the first heat treatment after removing the mask of the silicon oxide film or the silicon nitride film is also effective. In this method, since a solution in which a catalytic element is dissolved is used, by controlling the concentration of the catalytic element in the solution, it becomes possible to control a very small amount of the catalytic element introduced on the substrate. However, the catalytic element applied on the silicon film has such a weak bond with the silicon film that it can be removed only by washing with water, and the catalyst element is necessarily removed simultaneously by removing the mask film. Therefore, in this method, the catalyst element is diffused into the silicon film in the introduction region by applying a solution to the substrate surface and drying it, and then performing a pre-annealing process. Are not removed.
[0059]
However, since this pre-annealing requires a certain high temperature, a simple photoresist mask cannot be used, and a mask made of a silicon oxide film or a silicon nitride film is required. In addition, in the pre-annealing treatment, it is meaningless that the catalyst element diffuses in the silicon oxide film or the silicon nitride film and reaches the lower silicon film. It is necessary to set conditions so as not to reach the lower silicon film. According to this method, the problem of generation of micro holes during the above-described second heat treatment can be solved, and a trace amount of the catalyst element can be controlled.
[0060]
Here, in the solution in which the catalyst element is dissolved in the above method, it is desirable to use an acetate or nitrate of the catalyst element as a solute and use an alcohol system such as ethanol or isopropyl alcohol (IPA) as a solvent. By using such a solution, stable crystal growth can be obtained over the entire surface of the substrate. In particular, excellent in-plane uniformity can be obtained for a large substrate such as a liquid crystal substrate. When the acetate of the catalyst element used is insoluble in alcohol, the acetate may be first dissolved with a very small amount of water and then mixed with the alcohol as the main solvent.
[0061]
Further, the step of applying a solution in which the above-mentioned catalyst element is dissolved on the substrate surface and drying the solution is preferably performed by spin coating and spin drying using a spin coater. According to this method, the catalyst element can be uniformly added to the substrate surface. In fact, in the experiments of the present inventors, as a result of applying and drying a solution on a glass substrate having a size of 320 mm × 400 mm by this method, the surface concentration of the catalytic element is in a distribution within approximately ± 10%. It was confirmed that.
[0062]
Further, as the pre-annealing performed before the first heat treatment, it is necessary that the catalyst element in the introduction region is not removed in a subsequent mask film removing step. Hydrofluoric acid is generally used to remove a silicon oxide film or a silicon nitride film used as a mask film, but most of the catalytic elements are removed by this etchant.
[0063]
That is, in the pre-annealing treatment performed before the first heat treatment in the present invention, it is necessary to sufficiently diffuse the catalyst element into the silicon film in the catalyst element introduction region. Specifically, the amorphous silicon film In this case, it is necessary to grow at least a part of the selective introduction region of the catalyst element. Therefore, it is preferable that the pre-annealing performed before the first heat treatment be performed at a heating temperature and a heating time that satisfy the above conditions. Then, the catalyst element is not simultaneously removed by removing the mask, and sufficient crystal growth is performed by the first heat treatment.
[0064]
Now, the present invention is characterized in that the second heat treatment is performed after the first heat treatment. However, the treatment temperature of these heat treatments is higher than the first heat treatment temperature by the second heat treatment temperature. The processing temperature must be at least higher. That is, the first heat treatment aims at crystallization of the amorphous silicon film, and the second heat treatment aims at further improving the crystallinity of the silicon film crystallized by the first heat treatment. The so-called crystallinity improving process is performed.
[0065]
For this purpose, the first heat treatment needs to be performed at a relatively low temperature. This is because, when the first heat treatment is performed at a high temperature, the crystallization speed is too high, so that crystal nuclei are randomly generated over the entire surface of the substrate, and the crystal growth direction branches in various ways, so that stable crystal growth can be expected. Absent. As the second heat treatment, it is necessary to apply at least the energy of the first heat treatment or more in order to further improve the quality of the crystalline silicon film formed in the first heat treatment. Crystal defects generated in the crystallization step of the first heat treatment can be significantly reduced.
[0066]
Specifically, the first heat treatment is preferably performed at a temperature in the range of 540 ° C to 620 ° C, and the second heat treatment is preferably performed in a range of 800 ° C to 1100 ° C. If the first heat treatment is performed in such a temperature range, spontaneous crystal growth that does not depend on the catalyst element generated outside the region where the catalyst element is introduced can be suppressed, and stable crystal growth can be obtained. In addition, when the second heat treatment is performed in the above temperature range, crystal defects can be efficiently reduced, and each of the columnar crystals in the lateral crystal growth region forming the semiconductor element region is recombined. A highly crystalline silicon film comparable to high quality single crystal silicon is obtained.
[0067]
In addition, the pre-annealing performed before the first heat treatment in the method of adding a catalyst element by applying the above catalyst element solution to the substrate surface is performed at a temperature in the range of 500 ° C. to 550 ° C. for 10 minutes. It is desirable to carry out for 30 minutes. By this pre-annealing treatment, at least a part of the selective introduction region of the catalyst element in the amorphous silicon film can be crystal-grown.
[0068]
Here, it is preferable that the second heat treatment be performed in an oxidizing atmosphere containing a halide. By performing the second heat treatment in such an atmosphere, the concentration of the catalyst element used for crystal growth in the film can be significantly reduced by the impurity gettering action of the halide. Further, by supplying supersaturated Si atoms generated by the oxidizing action into the silicon film, crystal defects, in particular, dangling bonds (unpaired bonds) can be eliminated more efficiently.
[0069]
Further, as the oxidizing atmosphere containing a halide in the second heat treatment, it is particularly preferable to use HCl gas. By using HCl gas, the catalytic element can be converted into chloride and vaporized, and the catalytic element can be efficiently removed from the silicon film.
[0070]
In the present invention, in order to realize a semiconductor device with higher mobility and higher performance, it is desirable that the crystal growth direction of the silicon film by the catalytic element and the carrier movement direction in the semiconductor device be substantially parallel. As a result, a crystal grain boundary that becomes a trap when carriers move is theoretically not present in the moving direction, and a semiconductor device having higher mobility can be obtained. Actually, in the lateral crystal growth region, a certain amount of bending or branching of the columnar crystal occurs, but by adopting such a configuration, the trap amount such as a crystal grain boundary in the carrier moving direction is reduced. Will definitely drop.
[0071]
Ni, Co, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn, Al, and Sb can be used as the types of catalyst elements that can be used in the present invention. One or a plurality of elements selected from these elements have an effect of promoting crystallization in a small amount.
[0072]
Among them, the most remarkable effect can be obtained particularly when Ni is used. The following model can be considered for this reason. The catalyst element does not act alone, but acts on crystal growth by bonding to the silicon film to form silicide. The model is such that the crystal structure at that time acts like 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 Is formed. 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, which is very close to the lattice constant of 0.5430 nm in the diamond structure of crystalline silicon. Therefore, NiSi 2 Is the best as a template for crystallizing an amorphous silicon film, and it is most preferable to use Ni as the catalyst element in the present invention.
[0073]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0074]
(Embodiment 1)
FIG. 1 and FIG. 2 show a first embodiment showing a step of manufacturing an N-channel TFT (N-type TFT) by the method of the present invention. Hereinafter, the manufacturing process will be described in the order of progress of the steps (A) to (F) in FIG.
[0075]
First, as shown in FIG. 2A, the surface of a quartz glass substrate 101 is washed with about 1% hydrofluoric acid, and then a thickness of 25 nm or less is formed on the substrate 101 by a low pressure CVD method or a plasma CVD method. An intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 102 having a thickness of 100 nm, for example, 50 nm is formed, and an insulating thin film 103 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is further deposited thereon. The insulating thin film 103 serves as a mask film when a catalytic element is introduced later. In the first embodiment, a silicon oxide film is used, TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) is used as a raw material, and RF plasma is used together with oxygen. Decomposed and deposited by the CVD method. The thickness of the mask silicon oxide film 103 is desirably 50 nm to 250 nm. If the thickness is smaller than this, the catalytic element diffuses to the lower layer. If the thickness is larger than this, crystal growth cannot be performed well. Therefore, in the first embodiment, the thickness of the silicon oxide film 103 is set to 150 nm.
[0076]
Next, a mask is formed by patterning the silicon oxide film 103. Here, the a-Si film 102 is exposed in a slit shape through the through hole of the mask 103. That is, when the state of FIG. 2A is viewed from above, as shown in FIG. 1, the a-Si film 102 is exposed in a slit shape in a region 100 by a through hole, and the other portions are masked. It has become.
[0077]
After the mask 103 is provided, as shown in FIG. 2A, the substrate 101 is held so that the ethanol solution in which the nickel 104 is dissolved is in contact with the region 100 where the surface of the a-Si film 102 is exposed. . In the first embodiment, nickel acetate was used as the solute, and the nickel concentration in the ethanol solution was adjusted to 10 ppm. After that, an aqueous solution is uniformly spread on the substrate 101 by a spinner and dried to add a small amount of nickel 104 to the surfaces of the silicon oxide film 103 and the a-Si film 102 on the substrate 101. By this step, nickel 104 is selectively introduced into the portion of the a-Si film 102 exposed in the region 100. Then, this is subjected to a pre-annealing treatment in an inert atmosphere, for example, a nitrogen atmosphere at a treatment temperature of 500 ° C. to 550 ° C. for a treatment time of 10 minutes to 30 minutes. In the first embodiment, the heat treatment was performed at 530 ° C. for 20 minutes.
[0078]
In this pre-annealing process, as shown in FIG. 2B, in the region 100, crystallization of the silicon film 102 occurs in the direction perpendicular to the substrate 101 with the nickel 104 added to the surface of the a-Si film as a nucleus. Then, a crystalline silicon film 102a is formed. Further, the region other than the distribution region 100 does not reach the crystal growth and remains as an a-Si region 102c in an amorphous state. At this time, the nickel 104 on the mask film 103 is blocked by the mask film 103 under the above annealing conditions, and cannot reach the underlying a-Si film 102.
[0079]
Next, the silicon oxide film 103 used as a mask is removed by etching. The etching was performed by wet etching using 1:10 buffered hydrofluoric acid (BHF) having sufficient selectivity with the lower silicon film 102 as an etchant. After that, the substrate 101 is again subjected to heat treatment (first heat treatment) at a temperature of 540 ° C. to 620 ° C. for several hours to several tens of hours in an inert atmosphere, for example, a nitrogen atmosphere. In the first embodiment, as an example, the treatment was performed at 580 ° C. for 11 hours.
[0080]
In this heat treatment, crystal growth from the peripheral region of the previously crystallized region 100 (102a) in the lateral direction (direction parallel to the substrate) from the region 100 as shown by an arrow H1 in FIG. This is performed to form a crystalline silicon film 102b that has grown laterally. The other region 102 remains as an amorphous silicon film region 102c. The nickel concentration in the laterally grown crystalline silicon film 102b is 8 × 10 16 atoms / cm 3 The nickel concentration in the crystalline silicon film 102a in the region 100 in which nickel is directly introduced and crystal growth is performed is 1 × 10 5 18 atoms / cm 3 It was about.
[0081]
In the above crystal growth, the distance of crystal growth in the direction parallel to the substrate indicated by arrow H1 was about 130 μm. When this state is viewed from above the substrate, the nickel 104 is formed at the boundary 102d between the catalytic element introduction region 102a (100) in FIG. 1 and the crystalline silicon film region 102b and the amorphous silicon film region 102c which have grown in the lateral direction. Is localized.
[0082]
Next, as shown in FIG. 2D, unnecessary portions of the silicon film 102 are removed to perform element isolation. The etching at this time was performed by wet etching using so-called 1: 100 hydrofluoric-nitric acid in which hydrofluoric acid and nitric acid were mixed at a ratio of 1: 100. By this etching process, the nickel 104 is etched together with the silicon film even in the regions 102a and 102d where a large amount of nickel 104 is present, so that a clean substrate surface with no etching residue can be obtained. That is, a large amount of nickel 104 has already been removed outside the substrate by this etching process. Then, through the above steps, an island-shaped crystalline silicon film 102f to be a source region, a drain region, and a channel region of the TFT later, that is, an active region is formed, and the state of FIG. 2D is obtained.
[0083]
Next, in the state of FIG. 2D, a second heat treatment is performed to improve the crystallinity of the island-shaped crystalline silicon film 102f. As the second heat treatment, heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. to 1100 ° C. for several tens minutes to several hours in an oxidizing atmosphere containing a halide. In the first embodiment, a mixed gas of HCl and oxygen is used, the flow ratio of HCl is set to 3% of the total gas flow, and the heat treatment is performed at a substrate temperature of 950 ° C. for 25 minutes. By this step, the surface of the crystalline silicon film 102f is uniformly oxidized, and the thickness of the crystalline silicon film 102f is reduced to about 35 nm. In addition, the crystallinity of the crystalline silicon film 102f is significantly improved, and nickel remaining in the film is reduced. Actually, the nickel concentration in the silicon film after the second heat treatment is 5 × 10 Fifteen atoms / cm 3 Reduced to below. At this time, in the island-shaped crystalline silicon film 102f, no fine holes, which have conventionally been a problem, are not generated.
[0084]
Next, after the surface oxide film of the crystalline silicon film 102f is removed by etching with 1:10 BHF, as shown in FIG. 2E, a thickness of 20 nm is formed so as to cover the crystalline silicon film 102f serving as the active region. A silicon oxide film with a thickness of 150 nm, here 100 nm, is formed as the gate insulating film 106. For the formation of this silicon oxide film, TEOS was used as a raw material here, and it was decomposed and deposited by RF plasma CVD at a substrate temperature of 150 ° C. to 600 ° C., preferably 300 ° C. to 450 ° C. together with oxygen. . The substrate may be formed by using TEOS as a raw material together with ozone gas by a low pressure CVD method or a normal pressure CVD method so that the substrate temperature is in the range of 350 ° C. to 600 ° C., preferably 400 ° C. to 550 ° C. After film formation, 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, the processing time is set within a range of 800 ° C. to 1000 ° C. in an oxidizing gas atmosphere. Annealing treatment was performed within a range of minutes to 60 minutes.
[0085]
Next, an aluminum film having a thickness of 400 nm to 800 nm, for example, 600 nm is formed by a sputtering method. Then, the gate electrode 107 is formed by patterning the aluminum film. Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form an oxide layer 108 on the surface. This state corresponds to FIG. The anodization is performed in an ethylene glycol solution containing tartaric acid at 1% to 5%, and the voltage is first increased to 220 V at a constant current, and the state is maintained for 1 hour to complete the process. The thickness of the obtained oxide layer 108 is 200 nm. Note that since the oxide layer 108 has a thickness for forming an offset gate region in a later ion doping process, the length of the offset gate region can be determined in the anodic oxidation process.
[0086]
Next, impurities (phosphorus) are implanted into the active region by ion doping using the gate electrode 107 and the oxide layer 108 around the gate electrode 107 as a mask. Phosphine (PH) as doping gas 3 ), The acceleration voltage is in the range of 60 kV to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 10 Fifteen cm -2 ~ 8 × 10 Fifteen cm -2 , For example, 2 × 10 Fifteen cm -2 And By this step, the regions 110 and 111 into which the impurities are implanted later become the source and drain regions of the TFT, respectively. Area. When this state is viewed from above the substrate, as shown in FIG. 1, the moving direction of the carriers in the TFT is the distribution direction of the source distribution 110 and the drain distribution 111, and is the horizontal direction on the paper of FIG. On the other hand, the crystal growth direction of the silicon film forming the channel portion 109 is the direction of H1, and is arranged so as to be substantially parallel to the moving direction of the carrier. With such an arrangement, a TFT having a particularly high mobility can be realized.
[0087]
Next, as shown in FIG. 2E, an annealing process is performed by irradiation with a laser beam L1 to activate the ion-implanted impurities and, at the same time, to crystallize a portion where crystallinity is deteriorated in the above-described impurity introducing step. Improve sex. At this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) was used as the laser to be used, and the energy density was 150 mJ / cm. 2 ~ 400mJ / cm 2 Within the range, preferably 200 mJ / cm 2 ~ 250mJ / cm 2 Irradiation was performed within the range. The sheet resistance of the N-type impurity (phosphorus) regions 110 and 111 thus formed was in the range of 200Ω / □ to 800Ω / □.
[0088]
Next, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 600 nm is formed as the interlayer insulating film 113. When a silicon oxide film is used, if TEOS is used as a raw material and formed by a plasma CVD method with oxygen or a reduced pressure CVD method or a normal pressure CVD method with ozone, a good interlayer insulation with excellent step coverage can be obtained. A film is obtained. In addition, SiH 4 And NH 3 Using a silicon nitride film formed by a plasma CVD method using hydrogen as a source gas supplies hydrogen atoms to the interface between the active region and the gate insulating film, and has the effect of reducing dangling bonds that degrade TFT characteristics. .
[0089]
Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 113, and electrodes / wirings 114 and 115 of the TFT are 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 30 minutes in a hydrogen atmosphere at 1 atm to complete the TFT 117 shown in FIG. This annealing treatment is performed for the purpose of terminating crystal defects in the silicon film remaining until the end, in particular, dangling bonds by terminating them with hydrogen.
[0090]
When the TFT 117 is used as an element for switching a pixel electrode, the electrode 114 or 115 is connected to a pixel electrode made of a transparent conductive film such as ITO, and a signal is input from the other electrode. When the TFT 117 is used for a thin film integrated circuit, a contact hole may be formed also on the gate electrode 107 and a necessary wiring may be provided. Further, a protective film made of a silicon nitride film may be provided on the TFT 117 as needed.
[0091]
The N-type TFT 117 manufactured according to the first embodiment has a field-effect mobility of 150 cm. 2 / Vs ~ 250cm 2 / Vs, and a threshold voltage of 1 V to 1.5 V, showing very high-performance electrical characteristics. In addition, there is no microhole in the active region, which has conventionally occurred, and especially in an active matrix substrate for liquid crystal display for driving hundreds of thousands of pixel TFTs, pixel defects due to the above-mentioned causes can be solved, and very high definition can be achieved. A liquid crystal display device with high display quality can be obtained. Further, the substrate 101 under the introduction region 100 was hardly damaged by nickel, and as a result, the disconnection failure of the bus line was reduced, and the manufacturing yield was improved. Also, in the TFT characteristics, the leakage current in the TFT off region where the catalytic element is particularly problematic could be reduced to about 2 pA which is not a problem as compared with the conventional 10 pA to 15 pA.
[0092]
This TFT can be used not only as a driver circuit and a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device but also as an element constituting a CPU on the same substrate. It goes without saying that the TFT can be applied not only to a liquid crystal display device but also to a thin film integrated circuit which is generally called.
[0093]
(Embodiment 2)
FIGS. 3 and 4 show a second embodiment of the present invention, which shows a step of manufacturing a circuit having a CMOS structure in which an N-type TFT and a P-type TFT are configured in a complementary manner on a quartz glass substrate. Hereinafter, the manufacturing steps will be described in the order of progress of the steps (A) to (E) in FIG.
[0094]
First, as shown in FIG. 4A, the surface of a quartz glass substrate 201 is washed with about 1% hydrofluoric acid, and then a thickness of 25 nm or less is formed on the substrate 201 by a low pressure CVD method or a plasma CVD method. An intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 202 having a thickness of 100 nm, for example, 50 nm is formed.
[0095]
Next, a photosensitive resin (photoresist) is applied on the a-Si film 202, and is exposed and developed to form a mask 203. The a-Si film 202 is exposed in a slit shape in the region 200 by the through hole of the photoresist mask 203. That is, when the state of FIG. 4A is viewed from above, the a-Si film 202 is exposed in the region 200 as shown in FIG. 3, and the other parts are masked by the photoresist. I have.
[0096]
After providing the mask 203, a thin film of nickel 204 is deposited on the surface of the substrate 201 as shown in FIG. In the second embodiment, the thickness of the nickel thin film 204 is controlled to be 1 nm or less by increasing the distance between the deposition source and the substrate and lowering the deposition rate. At this time, the surface density of nickel 204 on substrate 201 was actually measured to be 2 × 10 Thirteen atoms / cm 2 It was about.
[0097]
Next, as shown in FIG. 4B, by removing the photoresist mask 203, the nickel thin film 204 on the mask 203 is lifted off, and the nickel 204 is selectively removed in the a-Si film 202 in the region 200. This means that a very small amount was introduced. Then, this is annealed in an inert atmosphere, for example, a nitrogen atmosphere at a heating temperature of 540 ° C. to 620 ° C., for example, 580 ° C. for 11 hours to be crystallized.
[0098]
At this time, in the region 200, the silicon film 202 is crystallized in a direction perpendicular to the substrate 201 with the nickel 204 added to the surface of the a-Si film 202 as a nucleus, and a crystalline silicon film 202a is formed.
[0099]
Next, in the peripheral region of the region 200, as shown by an arrow H2 in FIG. 4B, crystal growth is performed in a lateral direction (a direction parallel to the substrate) from the region 200, and A silicon film 202b is formed. The other region 202 remains as it is as the amorphous silicon film region 202c. The nickel concentration in the laterally grown crystalline silicon film 202b is 1 × 10 17 atoms / cm 3 And the nickel concentration in the crystalline silicon film 202a in the region 200 in which crystal growth is performed by directly adding nickel is 2 × 10 18 atoms / cm 3 It was about.
[0100]
In the above crystal growth, the distance of crystal growth in a direction parallel to the substrate indicated by arrow H2 is about 130 μm. When this state is viewed from above the substrate, as shown in FIG. 3, nickel is present at the boundary 202d between the catalytic element introduction region 202a (200) and the crystalline silicon film region 202b and the amorphous silicon film region 202c that have grown in the lateral direction. 204 is localized.
[0101]
Next, as shown in FIG. 4 (C), the crystalline silicon film which will later become the active regions (semiconductor device regions) 202n and 202P of the TFT is left, and the other regions are removed by etching to perform device isolation. As the etching at this time, BCl 3 And Cl 2 Was performed by the RIE method using RF plasma using a mixed gas of The etching conditions are BCl 3 Flow rate 15 sccm, Cl 2 The flow rate was set to 70 sccm, and RF pressure of 1300 W was applied under reduced pressure of about 8 mTorr.
[0102]
By this etching process, even in the regions 202a and 202d where a large amount of nickel 204 is present, the nickel 204 is etched together with the silicon film, so that a clean substrate surface with no etching residue can be obtained, and when wet etching is used. Further fine processing can be performed. Through the above steps, island-shaped crystalline silicon films 202n and 202p to be the source region, the drain region, and the channel region of the TFT later, that is, the active regions are formed, and the state of FIG. 4C is obtained.
[0103]
Next, a second heat treatment is performed in the state of FIG. 4C to improve the crystallinity of the island-shaped crystalline silicon films 202n and 202P. As the second heat treatment, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere containing a halide at a temperature of 800 ° C. to 1100 ° C. for several tens minutes to several hours. In the second embodiment, a mixed gas of HCl and oxygen is used, the flow ratio of HCl is set to 3% of the total gas flow, and the heat treatment is performed at a substrate temperature of 950 ° C. for 25 minutes.
[0104]
By this step, the surfaces of the silicon films 202n and 202p are uniformly oxidized, and the thickness of the crystalline silicon films 202n and 202p is reduced to about 35 nm. Further, the crystallinity of the crystalline silicon films 202n and 202p is greatly improved, and nickel remaining in the films is reduced. Actually, the nickel concentration in the silicon film after the second heat treatment is 5 × 10 Fifteen atoms / cm 3 Reduced to below. At this time, in the island-shaped crystalline silicon films 202n and 202p, no fine holes, which had been a problem in the past, were generated.
[0105]
Next, after the surface oxide films of the island-shaped crystalline silicon films 202n and 202p are removed by etching with 1:10 BHF, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm is formed so as to cover the crystalline silicon films 202n and 202p serving as the active regions. The film is formed as the gate insulating film 206. In the second embodiment, as a method for forming the gate insulating film 206, TEOS is used as a raw material, and is decomposed and deposited by RF plasma CVD at a substrate temperature of 350 ° C. together with oxygen.
[0106]
Next, as shown in FIG. 4D, aluminum (including 0.1% to 2% of silicon) having a thickness of 400 nm to 800 nm, for example, 500 nm is formed by a sputtering method. By patterning, gate electrodes 207n and 207p are formed.
[0107]
Next, impurities (phosphorus and boron) are implanted into the active regions 202n and 202p using the gate electrodes 207n and 207p as masks by ion doping. Phosphine (PH) as doping gas 3 ) And diborane (B 2 H 6 In the former case, the acceleration voltage is set in the range of 60 kV to 90 kV, for example, 80 kV, and in the latter case, the acceleration voltage is set in the range of 40 kV to 80 kV, for example, 65 kV, and the dose is 1 × 10 Fifteen cm -2 ~ 8 × 10 Fifteen cm -2 For example, phosphorus is 2 × 10 Fifteen cm -2 , Boron 5 × 10 Fifteen cm -2 And
[0108]
By this step, the regions which are masked by the gate electrodes 207n and 207p and into which the impurities are not implanted become channel regions 209n and 209p of the TFT later. At the time of doping, each element is selectively doped by covering a region not requiring doping with a photoresist. As a result, N-type impurity regions 210n and 211n and P-type impurity regions 210p and 211p are formed, so that an N-type TFT 217 and a P-type TFT 218 can be formed as shown in FIG.
[0109]
Next, as shown in FIG. 4D, annealing is performed by irradiation with a laser beam L2 to activate the ion-implanted impurities. As a laser beam, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) was used, and the laser beam was irradiated under an energy density of 250 mJ / cm. 2 Irradiated 10 shots per location.
[0110]
Next, as shown in FIG. 4E, a silicon oxide film having a thickness of 600 nm is formed as an interlayer insulating film 213 by a plasma CVD method, a contact hole is formed in the silicon oxide film, and a metal material such as titanium nitride is formed. The electrodes / wirings 214, 215 and 216 of the TFT are formed by a two-layer film of aluminum. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for one hour in a hydrogen atmosphere at 1 atm to complete a CMOS circuit using the N-type TFT 217 and the P-type TFT 218.
[0111]
In the CMOS structure circuit manufactured according to the second embodiment, the field-effect mobility of each TFT is 200 cm for an N-type TFT. 2 / Vs ~ 300cm 2 / Vs, 150cm with P-type TFT 2 / Vs ~ 200cm 2 / Vs, and the threshold voltage of the N-type TFT is 0.5V to 1V, and the threshold voltage of the P-type TFT is -2V to -3V, which is very good. Further, the leakage current in the TFT off region is suppressed to 5 pA for the N-type TFT and about 3 pA for the P-type TFT, which are lower than those of the conventional method. In addition, there was no generation of micro holes in the active region, which was a problem, and the production yield was greatly improved. Further, since the TFT size can be set smaller than that of the conventional method by etching by the RIE method, high integration is possible.
[0112]
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described two embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
[0113]
For example, in the above two embodiments, as a method for introducing nickel, a method of applying an ethanol solution in which a nickel salt is dissolved on the surface of an amorphous silicon film or a method of forming a nickel thin film by a vapor deposition method is selected. A method in which a trace amount of nickel is added and crystal growth is performed is employed. However, before the amorphous silicon film is formed, nickel may be selectively introduced into the surface of the base film, and nickel may be diffused from the lower layer of the amorphous silicon film to perform crystal growth. That is, crystal growth may be performed from the upper surface side or the lower surface side of the amorphous silicon film.
[0114]
Various other methods can be used as a method for introducing nickel. For example, water may be used simply as a solvent for dissolving a nickel salt, or SiOG may be used as a solvent using an SOG (spin-on-glass) material as a solvent. 2 There is also a method of diffusing from a film. Further, a method of forming a thin film by a sputtering method or a plating method, a method of directly introducing a thin film by an ion doping method, and the like can also be used.
[0115]
Further, the same effect can be obtained by using cobalt, palladium, platinum, copper, silver, gold, indium, tin, aluminum or antimony other than nickel as the impurity metal element that promotes crystallization.
[0116]
Although the second heat treatment is performed in an HCl atmosphere, the second heat treatment is effective in a dry oxygen atmosphere, a nitrogen atmosphere, or the like from the viewpoint of improving crystallinity. In addition, the step of etching the silicon film in the region containing a large amount of the catalytic element is of course effective even by a method other than the above-described two embodiments. In particular, the method is such that nickel silicide can be etched simultaneously with the silicon film. If there is no problem.
[0117]
Further, as an application of the present invention, in addition to an active matrix type substrate for a liquid crystal display, for example, a contact type image sensor, a thermal head with a built-in driver, an optical writing device with a built-in driver using an organic EL or the like as a light emitting element , A display element, a three-dimensional IC, and the like. By using the present invention, high performance such as high speed and high resolution of these elements is realized. Further, the present invention is not limited to the MOS transistor described in the above embodiment, and can be widely applied to all semiconductor processes including a bipolar transistor using a crystalline semiconductor as an element material and an electrostatic induction transistor.
[0118]
In the above two embodiments, quartz glass is used as the insulating substrate. However, the present invention is not limited to this. If the substrate having an insulating surface or the entire substrate is insulating, Any may be used.
[0119]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, a catalyst element is selectively introduced into an amorphous silicon film formed on an insulating substrate, and the first heat treatment laterally crystallizes from the catalyst element introduction region to the peripheral region. After the growth, prior to the second heat treatment step for improving the crystallinity of the crystalline silicon film region, a step of removing the specific silicon film region where the catalytic element is localized is performed. It is possible to prevent re-diffusion of the catalytic element which has occurred conventionally by the heat treatment of No. 2.
[0120]
For this reason, it is possible to solve the above-described problem such as generation of minute holes in the crystalline silicon film, and to realize a very high performance thin film semiconductor device. Moreover, a high-performance semiconductor device with a high degree of integration can be obtained by a simple manufacturing process.
[0121]
Further, the non-defective product rate can be greatly improved in the manufacturing process, and the cost of the product can be reduced. In particular, in a liquid crystal display device having several hundred thousand TFT elements, it is possible to dramatically improve the non-defective product rate, to improve the switching characteristics of the pixel switching TFT required for the active matrix substrate, and to use a peripheral drive circuit unit. High performance and high integration required for the constituent TFTs can be satisfied at the same time.
[0122]
Therefore, it is possible to realize a driver monolithic active matrix substrate that forms an active matrix portion and a peripheral drive circuit portion on the same substrate, and it is possible to reduce the size, performance, and cost of the module.
[0123]
In particular, The silicon film region left in the third step is at least a region where the catalyst element is introduced in the first step and a crystal growth boundary formed by crystal growth in the second step. Then In addition, the main uneven distribution region of the catalyst element can be removed, and the re-diffusion of the catalyst element generated in the second heat treatment can be prevented.
[0124]
Also, In particular, The silicon film region left in the third step is defined as a semiconductor device region. Then In addition to shortening the process, all unnecessary regions can also be removed, so that the amount of diffusion of the catalytic element into the semiconductor element region can be further reduced.
[0125]
Also, In particular, The third step is performed by etching, and the silicon film portion, the catalytic element and the silicide compound of the catalytic element contained in the silicon film portion are removed together by the etching. Then In addition, the problem that the catalyst element remains and re-diffuses when the silicon film is removed can be solved.
[0126]
In particular, when this etching is performed using a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid, the catalyst element can be simultaneously etched together with the silicon film, and a clean surface state without residue in the removal region can be obtained. When dry etching is performed by RIE using a chlorine gas or a chlorine-based gas, a clean surface state with no residue in a removed region can be obtained, which is effective for fine processing.
[0127]
Also, In particular, The step of selectively introducing the catalyst element in the first step is performed by forming a mask at a position corresponding to a region where the catalyst element is not introduced in the amorphous silicon film. When you do By removing the catalytic element present on the mask before the first heat treatment for crystallization, it is possible to prevent a phenomenon in which the catalytic element is diffused from the mask. In addition, at the time of the first heat treatment, the total amount of catalyst elements on the substrate to be put into the heat treatment furnace can be significantly reduced, so that contamination of the heat treatment furnace due to the catalyst elements can be reduced.
[0128]
Also, In particular, The step of selectively introducing the catalyst element in the first step is performed by depositing the catalyst element in a thin film on the surface of the amorphous silicon film by a sputtering method or a vacuum evaporation method using a photoresist as a mask. By removing the resist and lifting off the catalytic element on the mask When you do In addition, the selective introduction of the catalyst element can be completed. Further, it is not necessary to form a mask film such as a silicon oxide film, so that the process can be shortened.
[0129]
Also, In particular, In the step of selectively introducing the catalyst element in the first step, using a silicon oxide film or a silicon nitride film as a mask, a solution in which the catalyst element is dissolved is applied to the surface of the amorphous silicon film and dried. By pre-annealing and removing the silicon oxide or silicon nitride film mask When you do By controlling the concentration of the catalytic element in the solution in which the catalytic element is dissolved, it is possible to control the amount of the catalytic element introduced on the substrate to a very small amount. Further, the problem that the catalyst element is removed simultaneously by removing the mask can be solved.
[0130]
In particular, when an acetate or nitrate of a catalytic element is used as a solute of this solution, and an alcohol is used as a solvent of the solution, stable crystal growth can be obtained over the entire substrate, and excellent in-plane uniformity can be obtained on a large substrate such as a liquid crystal. Sex can be obtained. Further, when the step of applying and drying the solution on the surface of the amorphous silicon film is performed by spin coating and spin drying using a spin coater, the catalytic element can be uniformly added to the substrate surface.
[0131]
In addition, in this pre-annealing process, at least a part of the region where the catalytic element is selectively introduced in the amorphous silicon film is heated in a heating state satisfying a condition for crystal growth, for example, in a processing temperature range of 500 ° C. to 550 ° C. If the treatment time is within the range of 10 to 30 minutes, the catalytic element can be added only to the desired region, so that the selective introduction region of the catalytic element in the amorphous silicon film is further limited. To grow crystals.
[0132]
Also, In particular, The temperature of the second heat treatment is higher than the temperature of the first heat treatment. Then In the first heat treatment, a crystalline silicon film can be formed by stable crystal growth, and in the second heat treatment, crystal defects generated in the crystallization step of the first heat treatment can be significantly reduced. Thus, the quality of the crystalline silicon film formed by the first heat treatment can be further improved.
[0133]
In particular, when the temperature of the first heat treatment is in the range of 540 ° C. to 620 ° C. and the temperature of the second heat treatment is in the range of 800 ° C. to 1100 ° C., in the first heat treatment, Spontaneous crystal growth irrespective of the catalytic element generated outside the introduction region can be suppressed, and stable crystal growth can be obtained. In addition, in the second heat treatment, crystal defects can be efficiently reduced, and each of the columnar crystals in the lateral crystal growth region forming the semiconductor element region is recombined into very high quality single crystal silicon. A comparable highly crystalline silicon film can be obtained.
[0134]
Also, In particular, The second heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere containing a halide. When you do In addition, the impurity gettering effect of the halide can greatly reduce the concentration of the catalyst element used for crystal growth in the film. Further, by supplying supersaturated Si atoms generated by the oxidizing action into the silicon film, crystal defects, in particular, dangling bonds (unpaired bonds) can be eliminated more efficiently. In particular, when HCl gas is used as a halide, the catalyst element can be chlorided and vaporized, and the catalyst element can be efficiently removed from the silicon film.
[0135]
Also, In particular, In the second step, the direction in which the amorphous silicon film is crystal-grown from the region where the catalytic element is introduced to the peripheral region is substantially parallel to the direction in which carriers move in the semiconductor device. Then In theory, there is no crystal grain boundary serving as a trap when carriers move in the moving direction, so that a semiconductor device having higher mobility can be obtained.
[0136]
Also, In particular, As a catalyst element, one or more elements among Ni, Co, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn, Al and Sb When used The effect of promoting crystallization is obtained with a small amount.
[0137]
In particular, when at least Ni is used as this catalyst element, Ni bonds to the silicon film and silicide NiSi 2 As a result, the crystal structure acts as a kind of template when the amorphous silicon film is crystallized, so that it has a further effect of promoting the crystallization of the amorphous silicon film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view illustrating a manufacturing process according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1 showing the manufacturing process of Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a plan view illustrating a manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 3 illustrating the manufacturing process of Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a state in which minute holes are generated in a silicon film due to re-diffusion of a catalyst element in a second heat treatment in a conventional example. A plan view after the crystal growth is shown, and a plan view after the second heat treatment is shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a state of diffusion of a catalytic element in a first heat treatment in a conventional example.
FIG. 7 is a photograph showing a state in which minute holes are generated on the surface of a silicon film due to re-diffusion of a catalytic element in a second heat treatment in a conventional example.
[Explanation of symbols]
101, 201 quartz glass substrate
102,202 Silicon film
103, 203 mask film
104, 204 catalytic element
106, 206 Gate insulating film
107, 207 Gate electrode
108 Anodized layer
109, 209 channel area
110, 210 source area
111, 211 drain region
113, 213 interlayer insulating film
114, 115, 214, 215, 216 Electrode and wiring
117,217 N-channel TFT
218 P-channel TFT

Claims (7)

絶縁性基板の上に非晶質ケイ素薄膜を形成し、かつ、該非晶質ケイ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を選択的に導入する第1の工程と、
540〜620℃の温度によって第1の加熱処理を行い、該非晶質ケイ素膜を該触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと、横方向に結晶成長を行わせる第2の工程と、
該触媒元素が局在している特定のケイ素膜領域として、少なくとも、前記第1の工程で前記触媒元素が導入された領域と、前記第2の工程で前記結晶成長により形成された結晶成長境界部を、それらの部分に含まれる前記触媒元素及び該触媒元素のシリサイド化合物とともに、フッ化水素酸と硝酸との混合液を用いたエッチングによって除去する第3の工程と、
ハロゲン化物を含む酸化雰囲気下にて、前記第1の加熱処理の温度よりも高い800〜1100℃の温度によって第2の加熱処理を行い、該第3の工程で残された結晶性ケイ素膜領域の結晶性を向上させるとともに触媒元素を取り除く第4の工程とを包含する半導体装置の製造方法。
A first step of forming an amorphous silicon thin film on an insulating substrate, and selectively introducing a catalyst element that promotes crystallization of the amorphous silicon film into the amorphous silicon film;
A second step of performing a first heat treatment at a temperature of 540 to 620 ° C. to cause the amorphous silicon film to grow in a lateral direction from the region where the catalytic element is introduced to a peripheral region thereof;
As the specific silicon film region where the catalyst element is localized, at least a region where the catalyst element is introduced in the first step and a crystal growth boundary formed by the crystal growth in the second step. A third step of removing the portion together with the catalyst element and the silicide compound of the catalyst element contained in those portions by etching using a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid ;
In an oxidizing atmosphere containing a halide, a second heat treatment is performed at a temperature of 800 to 1100 ° C. higher than the temperature of the first heat treatment, and the crystalline silicon film region left in the third step And a fourth step of removing the catalytic element while improving the crystallinity of the semiconductor device.
前記第3の工程において残すケイ素膜領域が、半導体素子領域である請求項1記載の半導体装置の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the silicon film region left in the third step is a semiconductor element region. 前記第1の工程における前記触媒元素を選択的に導入する工程は、前記非晶質ケイ素膜における前記触媒元素を導入しない領域に対応する位置にマスクを形成して行う請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 3. The method according to claim 1 , wherein the step of selectively introducing the catalyst element in the first step is performed by forming a mask at a position corresponding to a region where the catalyst element is not introduced in the amorphous silicon film. 13. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 5. 前記第1の工程における前記触媒元素を選択的に導入する工程は、フォトレジストをマスクとして、スパッタリング法又は真空蒸着法で、前記非晶質ケイ素膜の表面に前記触媒元素を薄膜状に堆積した後に、該フォトレジストを剥離して、該マスク上の該触媒元素をリフトオフすることにより行う請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。In the step of selectively introducing the catalyst element in the first step, the catalyst element is deposited in a thin film on the surface of the amorphous silicon film by a sputtering method or a vacuum evaporation method using a photoresist as a mask. 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the photoresist is peeled off and the catalyst element on the mask is lifted off. 前記第1の工程における前記触媒元素を選択的に導入する工程は、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜をマスクとして、前記触媒元素を溶かし込んだ溶液を前記非晶質ケイ素膜の表面に塗布し乾燥させた後、プレアニール処理をして、該酸化ケイ素膜又は該窒化ケイ素膜のマスクを除去することにより行う請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。The step of selectively introducing the catalyst element in the first step includes, using a silicon oxide film or a silicon nitride film as a mask, applying a solution in which the catalyst element is dissolved on the surface of the amorphous silicon film and drying the solution. 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the method is performed by performing a pre-annealing process after removing the mask to remove a mask of the silicon oxide film or the silicon nitride film. 4. 前記第2の工程において、
前記非晶質ケイ素膜を前記触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと結晶成長させる方向と、半導体装置におけるキャリアの移動方向とを略平行とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
In the second step,
Any one of claims 1 to 5 for the amorphous silicon film from the catalytic element is introduced region and its surrounding region and the direction of crystal growth, and substantially parallel to the moving direction of carriers in a semiconductor device 13. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 5.
前記触媒元素として、Ni、Co、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Al及びSbの中の一種類又は複数種類の元素を用いる請求項1〜請求項6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。7. The catalyst element according to claim 1 , wherein one or more of Ni, Co, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn, Al and Sb are used. Manufacturing method of a semiconductor device.
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