JP3796097B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は集積回路の作製方法に関する。具体的には、液晶表示装置やダイナミックRAM(DRAM)のように、マトリクス構造を有し、スイッチング素子としてMOS型もしくはMIS(金属−絶縁体−半導体)型電界効果型素子(以上を、MOS型素子と総称する)を有し、ダイナミックな動作をおこなうことを特徴とするマトリクス装置(電気光学表示装置、半導体メモリー装置を含む)、およびそのための駆動回路、あるいはイメージセンサーのような集積化された駆動回路を有する半導体回路に関する。特に本発明は、MOS型素子として絶縁表面上に形成された薄膜半導体トランジスタ等の薄膜半導体素子を使用する装置に関し、薄膜トランジスタの活性層が結晶性シリコンより形成された薄膜トランジスタを有する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、薄膜状の絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ(TFT)等の薄膜デバイスに用いられる結晶性シリコン半導体薄膜は、プラズマCVD法や熱CVD法で形成されたアモルファスシリコン膜を電気炉等の装置の中で600℃以上の温度で24時間以上の長時間にわたって結晶化させて作製された。特に十分な特性(高い電界効果移動度や高い信頼性)を得るためにはより長時間の熱処理が求められていた。
【0003】
しかしながら、このような従来の方法は多くの課題を抱えていた。1つはスループットが低く、したがって、コストが高くなることである。例えば、この結晶化工程に24時間の時間を要するものとすると、基板1枚当たりの処理時間を2分とすれば720枚の基板を同時に処理しなければならなかった。しかしながら、例えば、通常使用される管状炉では、1度に処理できる基板の枚数は50枚がせいぜいで、1つの装置(反応管)だけを使用した場合には1枚当たり30分も時間がかかってしまった。すなわち、1枚当たりの処理時間を2分とするには、反応管を15本も使用しなければならなかった。このことは投資規模が拡大することと、その投資の減価償却が大きく、製品のコストに跳ね返ることを意味していた。
【0004】
もう1つの問題は、熱処理の温度であった。通常、TFTの作製に用いられる基板は石英ガラスのような純粋な酸化珪素からなるものと、コーニング社7059番(以下、コーニング7059という)のような無アルカリのホウ珪酸ガラスに大別される。このうち、前者は、耐熱性が優れており、通常の半導体集積回路のウェファープロセスと同じ取扱いができるため、温度に関しては何ら問題がない。しかしながら、そのコストが高く、基板面積の増加と共に指数関数的に急激に増大する。したがって、現在のところ、比較的小面積のTFT集積回路にのみ使用されている。
【0005】
一方、無アルカリガラスは、石英に比べればコストは十分に低いが、耐熱性の点で問題があり、一般に歪み点が550〜650℃程度、特に入手しやすい材料では600℃以下であるので、600℃の熱処理では基板に不可逆的な収縮やソリという問題が生じた。特に基板が対角10インチを越えるような大きなものでは顕著であった。以上のような理由から、シリコン半導体膜の結晶化に関しては、550℃以下、4時間以内という熱処理条件がコスト削減に不可欠とされていた。本発明はこのような条件をクリアする半導体の作製方法および、そのような半導体を用いた半導体装置の作製方法を提供することを目的とする。
【0006】
最近、絶縁基板上に、薄膜状の活性層(活性領域ともいう)を有する絶縁ゲイト型の半導体装置の研究がなされている。特に、薄膜状の絶縁ゲイトトランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ(TFT)が熱心に研究されている。これらは、透明な絶縁基板上に形成され、マトリクス構造を有する液晶等の表示装置において、各画素の制御に利用すること、およびそのマトリクスの駆動に利用すること、あるいは同じく絶縁基板上に形成されたイメージセンサーの駆動回路に利用することが目的であり、利用する半導体の材料・結晶状態によって、アモルファスシリコンTFTや結晶性シリコン(多結晶シリコンともいう)TFTというように区別されている。
【0007】
最近では結晶性シリコンとアモルファスの中間的な状態を呈する材料も利用する研究がなされている。中間的な状態については議論がなされているが、本明細書では、何らかの熱的プロセス(例えば、450℃以上の温度での熱アニールやレーザー光等の強力なエネルギーを照射すること)によって何らかの結晶状態に達したものを全て結晶性シリコンと称することとする。
【0008】
また、単結晶シリコン集積回路においても、いわゆるSOI技術として結晶性シリコンTFTが用いられており、これは例えば高集積度SRAMにおいて、負荷トランジスタとして使用される。但し、この場合には、アモルファスシリコンTFTはほとんど使用されない。
【0009】
さらに、絶縁基板上の半導体回路では、基板と配線との容量結合がないため、非常な高速動作が可能であり、超高速マイクロプロセッサーや超高速メモリーとして利用する技術が提案されている。
【0010】
一般にアモルファス状態の半導体の電界移動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるTFTには利用できない。また、アモルファスシリコンでは、P型の電界移動度は著しく小さいので、Pチャネル型のTFT(PMOSのTFT)を作製することができず、したがって、Nチャネル型TFT(NMOSのTFT)と組み合わせて、相補型のMOS回路(CMOS)を形成することができない。
【0011】
しかしながら、アモルファス半導体によって形成したTFTはOFF電流が小さいという特徴を持つ。そこで、マトリクス規模の小さい液晶ディスプレーのアクティブマトリクスのトランジスタのように、それほどの高速動作が要求されず、一つの導電型だけで十分であり、かつ、電荷保持能力の高いTFTが必要とされる用途に利用されている。しかしながら、より高度な応用、例えば、大規模マトリクスの液晶ディスプレーにはアモルファスシリコンTFTを利用することは困難であった。また、当然のことながら、高速動作が要求されるディスプレーの周辺回路やイメージセンサーの駆動回路には利用できなかった。また、同じくマトリクス構成であるとはいえ、半導体メモリー装置に利用することも困難であった。
【0012】
一方、結晶性半導体は、アモルファス半導体よりも電界移動度が大きく、したがって、高速動作が可能である。例えば、レーザーアニールによって再結晶化させたシリコン膜を用いたTFTでは、電界移動度として300cm2 /Vsもの値が得られている。通常の単結晶シリコン基板上に形成されたMOSトランジスタの電界移動度が500cm2 /Vs程度であることからすると、極めて大きな値であり、単結晶シリコン上のMOS回路が基板と配線間の寄生容量によって、動作速度が制限されるのに対して、絶縁基板上であるのでそのような制約は何ら無く、著しい高速動作が期待されている。
【0013】
また、結晶性シリコンでは、NMOSのTFTだけでなく、PMOSのTFTも同様に得られるのでCMOS回路を形成することが可能で、例えば、アクティブマトリクス方式の液晶表示装置においては、アクティブマトリクス部分のみならず、周辺回路(ドライバー等)をもCMOSの結晶性シリコンTFTで構成する、いわゆるモノリシック構造を有するものが知られている。前述のSRAMに使用されるTFTもこの点に注目したものであり、PMOSをTFTで構成し、これを負荷トランジスタとしている。
【0014】
また、通常のアモルファスTFTにおいては、単結晶IC技術で使用されるようなセルフアラインプロセスによってソース/ドレイン領域を形成することは困難であり、ゲイト電極とソース/ドレイン領域の幾何学的な重なりによる寄生容量が問題となるのに対し、結晶性シリコンTFTはセルフアラインプロセスが採用できるため、寄生容量が著しく抑えられるという特徴を持つ。
【0015】
しかしながら、結晶性シリコンTFTはゲイトに電圧が印加されていないとき(非選択時)のリーク電流がアモルファスシリコンTFTに比べて大きく、液晶ディスプレーで使用するには、このリーク電流を補うための補助容量を設け、さらにTFTを2段直列にしてリーク電流を減じるという手段が講じられた。
【0016】
例えば、アモルファスシリコンTFTの高いOFF抵抗を利用し、なおかつ、同一基板上にモノリシックに高い移動度を有するポリシリコンTFTの周辺回路を形成しようとすれば、アモルファスシリコンを形成して、これに選択的にレーザーを照射して、周辺回路のみを結晶化せしめるという方法が提案されている。
【0017】
しかしながら、現在のところ、レーザー照射プロセスの信頼性の問題(例えば、照射エネルギーの面内均一性が悪い等)から歩留りが低く、結局のところ、マトリクスをアモルファスシリコンTFTで構成し、駆動回路は単結晶集積回路をTAB法等によって接続するという方法が採用されている。しかし、この方法では、接続の物理的な制約から画素ピッチが0.1mm以上必要であり、コストもかかった。
【0018】
本発明はこのような困難な課題に対して解答を与えんとするものであるが、そのためにプロセスが複雑化し、歩留り低下やコスト上昇を招くことは望ましくない。本発明の主旨とするところは、高移動度が要求されるTFTと低リーク電流が要求されるTFTという2種類のTFTを最小限のプロセスの変更によって、量産性を維持しつつ、容易に作り分けることにある。
【0019】
また、本発明では、CMOS回路において、NMOSとPMOSの移動度の違いを減らすことも解決すべき課題とする。NMOSとPMOSの移動度の差が小さくなることによって回路設計の自由度を増やすことができる。
【0020】
本発明の適用される半導体回路は普遍的なものではない。本発明は、特に液晶表示装置等の電界の効果によって光の透過性や反射性が変化する材料を利用し、対向する電極の間にこれらの材料をはさみ、対向電極の間に電界をかけて、画像表示をおこなうためのアクティブマトリクス回路や、DRAMのようなキャパシタに電荷を蓄積することによって記憶を保持するメモリー装置や、同じくMOSトランジスタのMOS構造部をキャパシタとして、あるいはその他のキャパシタによって、次段の回路を駆動するダイナミックシフトレジスタのようなダイナミック回路を有する回路、さらには、イメージセンサーの駆動回路のようなデジタル回路とアナログ的な信号出力を制御する回路とを有する回路等に適している。特に、ダイナミック回路とスタテッィク回路の混載された回路に適した発明である。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アモルファス状態、もしくは実質的にアモルファス状態と言えるような乱雑な結晶状態(例えば、結晶性のよい部分とアモルファスの部分が混在しているような状態)にあるシリコン膜の上もしくは下にニッケル、鉄、コバルト、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、銅、亜鉛、金、銀を含有する島状の膜やドット、粒子、クラスター、線等を形成し、これを通常のアモルファスシリコンの単なる熱処理による結晶化温度よりも低い温度で、また、より短時間のアニールをすることによって結晶性シリコン膜を得ることを特徴とする。このアニールは、水素または酸素または窒素雰囲気中で行うことができる。このアニールは、(1)A時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行いその後B時間水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(2)C時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行いその後D時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(3)E時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後F時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(4)G時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後H時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(5)I時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後J時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(6)K時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後L時間水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(7)M時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行いその後N時間水素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後P時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(8)Q時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行いその後R時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後S時間水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(9)T時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後U時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後V時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(10)W時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後X時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後Y時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(11)Z時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後A’時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後B’時間水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。または、(12)C’時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後D’時間水素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後E’時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。
前記アニールの後、結晶性シリコン膜をパターニングして、島状結晶性シリコン領域を形成し、この島状領域を用いてTFT、ダイオードまたは抵抗を形成することができる。
【0022】
従来のシリコン膜の結晶化に関しては、結晶性の島状の膜を核として、これを種結晶として固相エピタキシャル成長させる方法(例えば、特開平1−214110等)が提案されている。しかしながら、このような方法では、600℃以下の温度ではほとんど結晶成長が進行しなかった。シリコン系においては、一般にアモルファス状態から結晶状態に移行するには、アモルファス状態にある分子鎖を分断し、しかもその分断された分子が、再び他の分子と結合しないような状態としたうえで、何らかの結晶性の分子に合わせて、分子を結晶の一部に組み換えるという過程を経る。しかしながら、この過程のなかで、最初の分子鎖を分断して、他の分子と結合しない状態に保持するためのエネルギーが大きく、結晶化反応においてはここが障壁となっている。このエネルギーを与えるには、1000℃程度の温度で数分、もしくは600℃程度の温度では数10時間が必要であり、時間は温度(=エネルギー)に指数関数的に依存するので、600℃以下、例えば、550℃では、結晶化反応が進行することはほとんど観測できなかった。従来の固相エピタキシャル結晶化の考えも、この問題に対する解答を与えたものではなかった。
【0023】
本発明人は、従来の固相結晶化の考えとは全く別に、何らかの触媒作用によって、前記の過程の障壁エネルギーを低下させることを考えた。本発明人はニッケル(元素記号Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、金(Au)、銀(Ag)がシリコンと結合しやすい。
【0024】
例えば、ニッケルの場合、容易に珪化ニッケル(化学式NiSix 、0.4≦x≦2.5)となり、かつ、珪化ニッケルの格子定数がシリコン結晶のものに近いことに着目した。そこで、結晶シリコン−珪化ニッケル−アモルファスシリコンという3元系のエネルギー等をシミュレーションした結果、アモルファスシリコンは珪化ニッケルとの界面で容易に反応して、
アモルファスシリコン(シリコンA)+珪化ニッケル(シリコンB)
→珪化ニッケル(シリコンA)+結晶シリコン(シリコンB)
(シリコンA、Bはシリコンの位置を示す)
という反応が生じることが明らかになった。この反応のポテンシャル障壁は十分に低く、反応の温度も低い。この反応式は、ニッケルがアモルファスシリコンを結晶シリコンに造り変えながら進行してゆくことを示している。実際には、580℃以下で、反応が開始され、450℃でも反応が観測されることが明らかになった。当然のことであるが、温度が高いほど反応の進行する速度が速い。また、同様な効果は、上記に示した他の金属元素でも認められた。
【0025】
本発明では、島状、ストライプ状、線状、ドット状、膜状のニッケルを始めとする上記金属単体やそれらの珪化物など、Ni、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Au、Agの少なくとも1つを含有する膜、粒子、クラスター等を出発点として、ここからこれらの金属元素が上記の反応を伴って周囲に展開してゆくことによって、結晶シリコンの領域を拡げてゆく。なお、これらの金属元素を含有する材料としては、酸化物は好ましくない。これは、酸化物は安定な化合物で、上記反応を開始することができないからである。
【0026】
このように特定の場所から拡がった結晶シリコンは、従来の固相エピタキシャル成長とは異なるが、結晶性の連続性のよい、単結晶に近い構造を有するものであるので、TFT、ダイオード、抵抗等の半導体素子に利用するうえでは都合がよい。しかし、基板上に均一にニッケル等の結晶化を促進する上記金属を含む材料を設けた場合には、結晶化の出発点が無数に存在して、そのため結晶性の良好な膜を得ることは難しかった。
【0027】
また、この結晶化の出発材料としてのアモルファスシリコン膜は水素濃度が少ないほど良好な結果が得られた。ただし、結晶化の進行にしたがって、水素が放出されるので、得られたシリコン膜中の水素濃度は、出発材料のアモルファスシリコン膜の水素濃度とはそれほど明確な相関は見られなかった。本発明による結晶シリコン中の水素濃度は、典型的には0.01原子%以上5原子%以下であった。
【0028】
本発明ではNi、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Au、Agを用いるが、一般にこれらの材料は半導体材料としてのシリコンにとっては好ましくない。そこで、これを除去することが必要であるが、ニッケルに関しては、上記の反応の結果、結晶化の終端に達した珪化ニッケルはフッ酸もしくは塩酸またはこれらの希釈液に容易に溶解するので、これらの酸による処理によって基板からニッケルを減らすことができる。さらに、積極的にこれらの金属元素を減らすには、結晶化工程の終了した後、塩化水素、各種塩化メタン(CH3 Cl、CH2 Cl2 、CHCl3 )、各種塩化エタン(C2 H5 Cl、C2 H4 Cl2 、C2 H3 Cl3 、C2 H2 Cl4 、C2 HCl5 )あるいは各種塩化エチレン(C2 H3 Cl、C2 H2 Cl2 、C2 HCl3 )等の塩素を含む雰囲気中で、400〜600℃で処理すればよい。特に、トリクロロエチレン(C2 HCl3 )は使用しやすい材料である。本発明によるシリコン膜中のNi、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Au、Agの濃度は、典型的には0.005原子%以上1原子%以下であった。
【0029】
本発明によって作製した結晶シリコン膜をTFT、ダイオード、抵抗等の半導体素子に利用する上で、上記の説明から明らかなように、結晶化の終端(ここは、複数の出発点から開始された結晶化がぶつかる部分であるが)では、大きな粒界(結晶性の不連続な部分)が存在し、また、ニッケル等の結晶化を促進する金属元素の濃度が高いので、半導体素子を設けることは好ましくない。したがって、本発明を利用して半導体素子を形成するにあたっては、結晶化の出発点となるニッケル等の結晶化を促進する金属元素含有物被膜のパターンと半導体素子のパターンとを最適化しなければならない。
【0030】
本発明において、結晶化を促進する金属元素のパターニングには、大きく分けて2つの方法がある。第1の方法はアモルファスシリコン膜の成膜の前にこれらの金属膜等を選択的に形成する方法である。第2の方法は、アモルファスシリコン膜成膜後にこれらの金属膜等を選択的に形成する方法である。
【0031】
第1の方法においては、通常のフォトリソグラフィーの手段あるいはリフトオフの手段を用いればよい。第2の方法はやや複雑である。この場合、アモルファスシリコン膜に密着して結晶化促進の金属膜等を形成するとその成膜時に金属とアモルファスシリコンが一部反応して、珪化物が形成されてしまう。したがって、金属膜等を形成した後にパターニングをおこなう場合には、このような珪化物層も十分にエッチングすることが必要である。
【0032】
第2の方法において、リフトオフ的な手法は比較的容易である。この場合、マスク材としてフォトレジスト等の有機材料や酸化珪素、窒化珪素等の無機材料を用いればよい。マスク材料の選択にはプロセス温度を考慮しなければならない。また、マスク作用は材料によって異なるので、十分に注意しなければならない。特に各種CVD法によって形成される酸化珪素、窒化珪素等の膜はピンホールが多く、膜厚が十分でないと、意図しない部分から結晶化が進行することがある。一般的にはこれらのマスク材料を用いて、被膜を形成した後、パターニングを施して、選択的にアモルファスシリコンの表面を露出させる。そして、結晶化を促進する金属膜等を成膜する。
【0033】
本発明において、注意しなければならないことはシリコン膜中の金属元素の濃度である。量が少ないことに越したことはないが、それ以上に、常に量が一定に保たれることも重要である。すなわち、金属元素の量の変動が多ければ、製造現場でロットごとに結晶化の度合いに大きな変動が生じるからである。特に、金属元素の量が少ないことが要求されると、量の変動を小さくすることはますます困難となる。
【0034】
第1の方法においては、選択的に形成された金属膜等はアモルファスシリコン膜に覆われているので、後で、それを取り出して量を加減することはできない。特に、本発明で必要とされる金属元素の量から換算すると、金属膜等の厚さは数〜数10Åという小さなもので、再現性良く成膜することは難しい。
【0035】
第2の方法においても同様である。しかし、第2の方法においては結晶化を促進する金属膜等は表面に存在するので、第1の方法に比べればまだ、改善の余地はある。すなわち、十分に厚い金属膜を成膜し、アニールの前にアニール温度よりも低い温度で熱処理(プレアニール)をおこなうことによってアモルファスシリコン膜の一部と金属膜を反応させて珪化物を形成する。その後、反応しなかった金属膜をエッチングする。用いる金属の種類によるが、特にNi、Fe、Co、Ti、Crは金属膜と珪化物のエッチングレートが十分に大きいエッチャントがあるので、問題はない。
【0036】
この場合には、熱処理(プレアニール)の温度と時間によって、得られる珪化物層の厚さが決定される。金属膜の厚さはほとんど関係ない。このため、アモルファスシリコン膜中に導入される非常に微量な金属元素の量を制御することができる。
【0037】
また本発明は、結晶性シリコンTFTを450〜1000℃、好ましくは500〜800℃の温度によって酸素または水素または窒素を含む雰囲気中で結晶化せしめる際に、半導体表面が酸化珪素や窒化珪素等の被膜(カバー膜)によって覆われている場合と覆われていない場合で、結晶化の程度に違いがあることを利用する。前記雰囲気は酸素を含む雰囲気、水素を含む雰囲気、窒素を含む雰囲気、酸素と水素を含む雰囲気、酸素と窒素を含む雰囲気、水素と窒素を含む雰囲気、または、酸素と水素と窒素を含む雰囲気である。前記結晶化は、(1)A時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行いその後B時間水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(2)C時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行いその後D時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(3)E時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後F時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(4)G時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後H時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(5)I時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後J時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(6)K時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後L時間水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(7)M時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行いその後N時間水素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後P時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(8)Q時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行いその後R時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後S時間水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(9)T時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後U時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後V時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(10)W時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後X時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後Y時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(11)Z時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後A’時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後B’時間水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。または、(12)C’時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後D’時間水素を含む雰囲気中で加熱を行ないその後E’時間酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。特に、(4)G時間水素を含む雰囲気中で加熱を行いその後H時間窒素を含む雰囲気中で加熱を行なう。(5)I時間(例えば4時間)窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後J時間(例えば1時間)酸素を含む雰囲気中で加熱を行なう。または、(6)K時間(例えば4時間)窒素を含む雰囲気中で加熱を行いその後L時間(例えば1時間)水素を含む雰囲気中で加熱を行なう。のが好ましい。一般にカバー膜が存在する場合には、結晶性が良好で、当然の帰結として移動度の高いTFTが得られる。その代わり、一般的にはリーク電流が大きくなる。一方、カバー膜の無いものでは、結晶性は良くなく、温度によってはアモルファス状態となるので、移動度が低いが、リーク電流も低いという特徴を持つ。
【0038】
この特性は熱結晶化の際に、雰囲気中の水素または酸素または窒素が活性層中に侵入することの有無によって支配されているものと考えられる。この結晶化は例えば窒素中で結晶化を行いその後水素または酸素中で結晶化を行なってもよい。このように、異なった特性のTFTを同一プロセスで同一基板上に同時に形成でき、例えば、前者の高移動度TFTをマトリクスの駆動回路に、後者の低リーク電流のTFTをマトリクス部のTFTとして利用できる。
【0039】
あるいは、CMOS回路において、NMOS領域にはカバー膜を設けず、PMOS領域にはカバー膜を設けることによって、NMOSの移動度をPMOSの移動度に比べて、相対的に減らし、最適な条件では両者の差をほとんどなくすことができる。
【0040】
本発明において、熱結晶化の温度は重要なパラメータであり、この温度によって、TFTの結晶性は決定される。一般に、熱アニールの温度は、基板やその他の材料によって制約を受ける。基板材料の制約に関しては、シリコンや石英を基板として使用した場合には、最高1100℃の熱アニールまで可能である。しかし、典型的な無アルカリガラスであるコーニング社の7059ガラスの場合には、650℃以下の温度でのアニールが望ましい。ただし、前述の理由から、本発明では、基板以外に、各TFTにおいて必要とされる特性を考慮して設定されなければならない。一般に、アニール温度が高ければTFTの結晶成長が進み、移動度が高くなるとともに、リーク電流が増大する。したがって、本発明のごとき、同一基板上に異なる特性のTFTを得るには、アニールの温度は、450〜1000℃、好ましくは500〜800℃とすべきである。
【0041】
本発明の1つの例は、液晶等の電気光学装置のアクティブマトリクス回路の表示部分において、ポリシリコンTFTをスイッチングトランジスタとして用い、活性層の結晶化の際にアクティブマトリクス領域にはカバー膜を設けず、一方、周辺回路領域にはカバー膜を設けることによって、前者を低リーク電流TFT、後者を高移動度TFTとするものである。
【0042】
前記のような表示回路部(アクティブマトリクス)とその駆動回路(周辺回路)とを有する装置の概念図を図8(A)に示した。図には絶縁基板107上にデータドライバー101とゲイトドライバー102が構成され、また、中央部にTFTを有するアクティブマトリクス103が構成され、これらのドライバー部とアクティブマトリクスとがゲイト線105、データ線106によって接続された表示装置が示されている。アクティブマトリクス103はNMOSあるいはPMOSのTFT(図面ではPMOS)を有する画素セル104の集合体である。
【0043】
ドライバー部のCMOS回路に関しては、高移動度を得るために活性層における酸素や窒素、炭素等の不純物の濃度は1018cm-3以下、好ましくは1017cm-3以下とすることが望まれる。その結果、例えば、TFTのしきい値電圧は、NMOSでは0.5〜2V、PMOSでは−0.5〜−3V、さらに移動度は、NMOSでは30〜150cm2 /Vs、PMOSでは20〜100cm2 /Vsであった。
【0044】
一方、アクティブマトリクス部においては、リーク電流が、ドレイン電圧1Vで1pA程度の小さな素子を単独もしくは複数直列にして用いることによって、補助容量を小さくすることができ、さらには全く不必要とすることができた。
【0045】
本発明の2つめの例はDRAMのような半導体メモリーに関するものである。半導体メモリー装置は、単結晶ICでは既に速度の限界に達している。これ以上の高速動作をおこなわせるには、トランジスタの電流容量をより大きくすることが必要であるが、それは消費電流の一段の増加の原因になるばかりではなく、特にキャパシタに電荷を蓄えることによって記憶動作をおこなうDRAMに関しては、キャパシタの容量をこれ以上、拡大できない以上、駆動電圧を上げることによって対応するしか方法がない。
【0046】
単結晶ICが速度の限界に達したといわれるのは、一つには基板と配線の容量によって、大きな損失が生じているからである。もし、基板に絶縁物を使用すれば、消費電流をあげなくとも十分に高速な駆動が可能である。このような理由からSOI(絶縁物上の半導体)構造のICが提案されている。
【0047】
DRAMにおいても、1Tr/セル構造の場合には、先の液晶表示装置と回路構成がほとんど同じであり、それ以外の構造のDRAM(例えば、3Tr/セル構造)でも、活性層の結晶化の際に、記憶ビット部にはカバー膜を設けず、一方、その駆動回路は十分な高速動作を必要とされるので、前記の液晶表示装置と同様に、その領域にはカバー膜を設けることによって、前者を低リーク電流TFTとし、また、後者を高リーク電流TFTとするものである。
【0048】
このような半導体メモリー装置においても、基本的なブロック構成は図8(A)のものと同じである。例えば、DRAMにおいては、101がコラムデコーダー、102がローデコーダー、103が記憶素子部、104が単位記憶ビット、105がビット線、106がワード線、107が(絶縁)基板である。
【0049】
本発明の第3の応用例は、イメージセンサー等の駆動回路である。図8(B)には、イメージセンサーの1ビットの回路例を示したが、図中のフリップ・フロップ回路108およびバッファー回路109は、通常、CMOS回路によって構成され、走査線に印加される高速パルスに追随できるだけの高速の応答が要求される。一方、その信号出力段のTFT110は、フォトダイオードによってキャパシターに蓄積された電荷をシフトレジスタ部108、109からの信号によって、データ線に放出するダムの役目を負っている。
【0050】
このようなTFT110には、高速応答もさることながら、リーク電流の少ないことも要求される。したがって、このような回路において、回路108、109のTFTの領域にはカバー膜を設けて結晶化することによって高移動度TFTとし、一方のTFT110においては、その領域にはカバー膜を設けずに結晶化をおこなうことによって、低リーク電流TFTとするものである。
【0051】
本発明において、カバー膜としては酸化珪素、窒化珪素、あるいは酸化窒化珪素(SiNx Oy )を使用できる。カバー膜は厚ければ厚いほどカバー能力がよいが、厚い膜を成膜するには時間がかかるので、厚さは量産性とカバー能力を考慮して決定されなければならない。カバー能力は膜質によって異なるが、典型的には酸化珪素膜で20nm以上、窒化珪素膜で10nm以上が必要である。量産性と信頼性を考慮すると、いずれも20〜200nmが適当である。
【0052】
【実施例】
〔実施例1〕 本実施例は、コーニング7059ガラス基板上の島状の複数のニッケル膜を形成し、これらを出発点としてアモルファスシリコン膜の結晶化をおこない、得られた結晶シリコン膜を用いてTFTを作製する方法について記述する。島状のニッケル膜を形成する方法には、それをアモルファスシリコン膜の上に設けるか、下に設けるかという点で2つの方法がある。図2(A−1)は下に設ける方法であり、図2(A−2)は上に設ける方法である。特に後者について注意しなければならないことは、アモルファスシリコン膜の全面にニッケルが形成された後にこれを選択的にエッチングするという工程となるので、ニッケルとアモルファスシリコンが少量ではあるが反応して、珪化ニッケルが形成されてしまう。これを残存させたままでは、本発明が目的とするような良好な結晶性のシリコン膜は得られないので、塩酸やフッ酸等で、この珪化ニッケルを十分に除去してしまうことが求められる。また、そのため、アモルファスシリコンは初期より薄くなる。
【0053】
一方、前者についてはそのような問題は生じないが、この場合もエッチングによって、島状部分2以外のニッケル膜は完全に除去されることが望まれる。さらに、残存ニッケルの影響を抑えるためには、基板を酸素プラズマやオゾン等によって処理して、島状領域以外のニッケルを酸化させてしまえばよい。
【0054】
いずれの場合も、基板(コーニング7059)1A上には、厚さ2000Åの下地酸化珪素膜1BをプラズマCVD法によって形成した。また、アモルファスシリコン膜1は厚さ200〜3000Å、好ましくは500〜1500Åとし、プラズマCVD法もしくは減圧CVD法によって作製した。アモルファスシリコン膜は350〜450℃で0.1〜2時間アニールすることによって水素出しをおこなって、膜中の水素濃度を5原子%以下にしておくと結晶化しやすかった。図2(A−1)の場合には、アモルファスシリコン膜1の形成の前にスパッタ法によってニッケル膜を厚さ50〜1000Å、好ましくは100〜500Å堆積し、これをパターニングして島状ニッケル領域2を形成した。
【0055】
一方、図2(A−2)の場合には、アモルファスシリコン膜1の形成の後にスパッタ法によってニッケル膜を厚さ50〜1000Å、好ましくは100〜500Å堆積し、これをパターニングして島状ニッケル領域2を形成した。この様子を上方から見た図面を図1(A)に示す。
【0056】
島状ニッケルは一辺2μmの正方形で、その間隔は、5〜50μm、例えば20μmとした。ニッケルの代わりに珪化ニッケルを用いても同様な効果が得られる。また、ニッケルの成膜時には基板を100〜500℃、好ましくは180〜250℃に加熱しておくと良好な結果が得られた。これは下地の酸化珪素膜とニッケル膜とも密着性が向上することと、酸化珪素とニッケルが反応して、珪化ニッケルが生成するためである。酸化珪素のかわりに窒化珪素、炭化珪素、珪素を用いても同様な効果が得られる。
【0057】
次に、これを450〜580℃、例えば550℃で8時間窒素雰囲気中でアニールした。このアニールは窒素と水素の混合雰囲気中でおこなってもよい。また、このアニールは、X1 時間水素雰囲気中で行ない、その後X2 時間窒素雰囲気中でおこなってもよい。図2(B)は、その中間状態で、図2(A)において、端のほうにあった島状ニッケル膜からニッケルが珪化ニッケル3Aとして中央部に進行し、また、ニッケルが通過した部分3は結晶シリコンとなっている。やがて、図2(C)に示すように2つの島状ニッケル膜から出発した結晶化がぶつかって、中間に珪化ニッケル3Aが残って、結晶化が終了する。
【0058】
図1(B)は、この状態の基板を上方から見た様子を示したもので、図2(C)の珪化ニッケル3Aとは、粒界4のことである。さらにアニールを続ければ、ニッケルは粒界4に沿って移動して、これらの島状ニッケル領域(この段階では原形を留めていることはないが)の中間領域5に集まる。
【0059】
以上の工程で結晶シリコンを得ることができるが、このときに生じる珪化ニッケル3Aからニッケルが半導体被膜中に拡散することは好ましくない。したがって、フッ酸もしくは塩酸でニッケルの集中している高濃度領域をエッチング除去することが望まれる。なお、フッ酸、塩酸によるエッチングでは、ニッケルおよび珪化ニッケルのエッチングレートは十分に大きいので、シリコン膜には影響を与えない。同時にニッケルの成長点があった領域をも合わせて除去した。エッチングした様子を図2(D)に示す。粒界のあった部分は溝4Aとなる。この溝を挟むようにTFTの半導体領域(活性層等)を形成することは好ましくない。TFTの配置に関しては、その例を図1(C)に示すが、半導体領域6は粒界4を横切らないように配置した。すなわち、ニッケルの左右により、被膜の厚さ方向ではなく、基板に平行な方向に横方向の結晶成長の領域にTFTを形成することである。すると、結晶の成長方向も一様に揃い、また、残存ニッケルも極めて少なくできる。結果として高いTFT特性を得ることができる。一方、ゲイト配線7は粒界4を横切ってもよい。
【0060】
以上の工程で得られた結晶シリコンを用いてTFTを作製する例を図3および図4に示す。図3(A)において、中央部のXは、図2の溝4Aのあった場所を意味する。図面に示すように、このXの部分にはTFTの半導体領域が横切らないように配置した。すなわち、図2に示した工程で得られた結晶シリコン膜3をパターニングして、島状半導体領域11a、11bを形成した。そして、RFプラズマCVD法、ECRプラズマCVD法、スパッタリング法等の方法によってゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜12を形成した。
【0061】
さらに、減圧CVD法によって、燐が1×1020〜5×1020cm-3ドープされた厚さ3000〜6000Åの多結晶シリコン膜を形成し、これをパターニングして、ゲイト電極13a、13bを形成した。(図3(A))
【0062】
次に、プラズマドーピング法によって不純物ドープをおこなった。ドーピングガスとしては、例えば、N型にはフォスフィン(PH3 )を、P型にはジボラン(B2 H6 )を用いた。図ではN型TFTを示す。加速電圧は、フォスフィンは80keV、ジボランは65keVとした。さらに550℃で4時間アニールすることによって、不純物の活性化をおこない、不純物領域14a〜14dを形成した。活性化にはレーザーアニールもしくはフラッシュランプアニールのような光エネルギーを使用する方法も用いることができる。(図3(B))
【0063】
最後に、通常のTFT作製と同様に層間絶縁物15として、厚さ5000Åの酸化珪素膜を堆積し、これにコンタクトホールを形成してソース領域、ドレイン領域に配線・電極16a〜16dを形成した。(図3(C))
以上の工程によってTFT(図ではNチャネル型)が作製された。得られたTFTの電界効果移動度はNチャネル型で40〜60cm2 /Vs、Pチャネル型で30〜50cm2 /Vsであった。
【0064】
図4には、アルミニウムゲイトのTFT作製をおこなった場合を示す。図4(A)において、中央部のXは、図2の溝4Aのあった場所を意味する。図面に示すように、このXの部分にはTFTの半導体領域が横切らないように配置した。すなわち、図2に示した工程で得られた結晶シリコン膜3をパターニングして、島状半導体領域21a、21bを形成した。そして、RFプラズマCVD法、ECRプラズマCVD法、スパッタリング法等の方法によってゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜22を形成した。プラズマCVD法を採用する場合には、原料ガスはTEOS(テトラ・エトキシ・シラン)と酸素を用いると好ましい結果が得られた。そして、1%のシリコンを含むアルミニウム膜(厚さ5000Å)をスパッタ法によって堆積し、これをパターニングしてゲイト配線・電極23a、23bを形成した。
【0065】
次に、基板を3%の酒石酸のエチレングリコール溶液に浸し、白金を陰極として、アルミニウム配線を陽極とし、これに電流を流して陽極酸化をおこなった。電流は最初は、2V/分で電圧が上昇するように印加し、220Vに達したところで電圧を一定とし、電流が10μA/m2 以下になったところで電流を停止した。この結果、厚さ2000Åの陽極酸化物24a、24bが形成された。(図4(A))
【0066】
次に、プラズマドーピング法によって不純物ドープをおこなった。ドーピングガスとしては、N型にはフォスフィン(PH3 )を、P型にはジボラン(B2 H6 )を用いた。図にはNチャネル型TFTを示す。加速電圧は、フォスフィンは80keV、ジボランは65keVとした。さらにこれをレーザーアニールすることによって、不純物の活性化をおこない、不純物領域25a〜25dを形成した。使用したレーザーは、KrFレーザー(波長248nm)で、250〜300mJ/cm2 のエネルギー密度のレーザー光を5ショット照射した。(図4(B))
【0067】
最後に、通常のTFT作製と同様に層間絶縁物26として、厚さ5000Åの酸化珪素膜を堆積し、これにコンタクトホールを形成してソース領域、ドレイン領域に配線・電極27a〜27dを形成した。(図4(C))
得られたTFTの電界効果移動度はNチャネル型で60〜120cm2 /Vs、Pチャネル型で50〜90cm2 /Vsであった。また、このTFTを用いて作製されたシフトレジスタではドレイン電圧17Vで6MHz、20Vで11MHzでの動作が確認された。
【0068】
〔実施例2〕 図5には、図4と同様にアルミニウムゲイトのTFT作製をおこなった場合を示す。ただし、ここではアモルファスシリコンを活性層として用いた。図5(A)に示すように、基板31上に下地酸化珪素膜32を堆積し、さらに厚さ2000〜3000Åのアモルファスシリコン膜33を堆積した。アモルファスシリコン膜には適当な量のP型もしくはN型不純物を混入させておいてもよい。そして、上記に示したように島状のニッケルもしくは珪化ニッケル被膜34A、34Bを形成し、この状態で550℃、8時間または600℃、4時間アニールすることによってアモルファスシリコン膜を横成長により結晶化させた。
【0069】
次に、このようにして得られた結晶シリコン膜を図5(B)に示すようにパターニングした。このとき、図の中央部(ニッケルもしくは珪化ニッケル被膜34A、34Bの中間部)のシリコン膜にはニッケルが多量に含まれているので、これを除くようにパターニングして、島状シリコン領域35A、35Bを形成した。さらに、その上に実質真性なアモルファスシリコン膜36を堆積した。
その後、図5(C)に示すようにゲイト絶縁膜37として窒化珪素、酸化珪素等の材料で被膜を形成し、ゲイト電極38をアルミニウムによって形成し、図4の場合と同様に陽極酸化をおこない、イオンドーピング法によって不純物を拡散させて不純物領域39A、39Bを形成する。さらに、層間絶縁物40を堆積し、コンタクトホールを形成し、金属電極41A、41Bをソース、ドレインに形成してTFTが完成する。このTFTでは活性層の厚さに比べて、ソース、ドレインの部分の半導体膜が厚く、また、抵抗率が小さいことが特徴で、この結果、ソース、ドレイン領域の抵抗が減少し、TFTの特性が向上する。また、コンタクトの形成も容易である。
【0070】
〔実施例3〕 図6には、CMOS型のTFT作製をおこなった場合を示す。図6(A)に示すように、基板51上に下地酸化珪素膜52を堆積し、さらに厚さ1000〜1500Åのアモルファスシリコン膜53を堆積した。そして、上記に示したように島状のニッケルもしくは珪化ニッケル被膜54を形成し、この状態で550℃でアニールする。この工程によって、珪化シリコン領域55が被膜の厚さ方向ではなく、平面方向に移動し、結晶化が進行する。4時間のアニールによって、図6(B)に示すように、アモルファスシリコン膜は結晶シリコンに変化する。また、結晶化の進行によって珪化シリコン59A、59Bは端に追いやられる。
【0071】
次に、このようにして得られた結晶シリコン膜を図6(B)に示すようにパターニングして島状シリコン領域56を形成した。このとき、島状領域の両端はニッケルの濃度が大きいことに注意すべきである。島状シリコン領域形成後、ゲイト絶縁膜57、ゲイト電極58A、58Bを形成した。
【0072】
その後、図5(C)に示すように、イオンドーピング法によって不純物を拡散させてN型の不純物領域60AとP型の不純物領域60Bを形成する。この際には、例えば、N型不純物として燐(ドーピングガスはフォスフィンPH3 )を用い、60〜110kVの加速電圧で全面にドーピングをおこない、次に、フォトレジストでNチャネル型TFTの領域を覆って、P型不純物、例えばホウ素(ドーピングガスはジボランB2 H6 )を用い、40〜80kVの加速電圧でドーピングすればよい。
【0073】
ドーピング終了後、図4の場合と同様にレーザー光の照射によって、ソース、ドレインの活性化をおこない、さらに、層間絶縁物61を堆積し、コンタクトホールを形成し、金属電極62A、62B、62Cをソース、ドレインに形成してTFTが完成する。
【0074】
〔実施例4〕 図7に本実施例を示す。本実施例は、ニッケル膜とアモルファスシリコン膜の一部を最初の熱処理(プレアニール)によって反応させて珪化物を得て、さらに未反応のニッケル膜を除去してから、アニールをおこなって、結晶化させる方法に関するものである。
【0075】
基板(コーニング7059番)701上に、下地の酸化珪素膜(厚さ2000Å)をスパッタ法によって形成した。そして、プラズマCVD法によって、厚さ300〜800Å、例えば500Åのシリコン膜703を成膜した。さらに、プラズマCVD法によって酸化珪素膜704を形成した。この酸化珪素膜704はマスク材となる。厚さは500〜2000Åが好ましかった。あまりに薄いとピンホールによって意図しない箇所から結晶化が進行し、また、厚すぎると成膜に時間がかかり、量産に適さない。ここでは1000Åとした。
【0076】
その後、公知のフォトリソグラフィー工程によって酸化珪素膜704をパターニングした。そして、スパッタ法によってニッケル膜(厚さ500Å)705を形成した。ニッケル膜の厚さは100Å以上が好ましかった。(図7(A))
そして、窒素雰囲気中で250〜450℃で10〜60分アニールした(プレアニール工程)。例えば、450℃で20分アニールした。この結果、アモルファスシリコン中に珪化ニッケル層706が形成された。この層の厚さは、プレアニールの温度と時間によって決定され、ニッケル膜705の厚さはほとんど関与しなかった。(図7(B))
【0077】
その後、ニッケル膜をエッチングした。エッチングには硝酸系もしくは塩酸系の溶液が適していた。これらのエッチャントでは、ニッケル膜のエッチング中には、珪化ニッケル層はほとんどエッチングされなかった。本実施例では硝酸に緩衝剤として酢酸を加えたエッチャントを用いた。比率は硝酸:酢酸:水=1:10:10とした。ニッケル膜を除去した後、550℃、4〜8時間アニールした(結晶化アニール工程)。
【0078】
結晶化アニール工程においてはいくつかの方法を試みた。第1の方法は、図7(C)のようにマスク材704を残したままおこなう方法である。結晶化は図7(C)の矢印のように進行する。第2は、マスク材を全て除去して、シリコン膜を露出させてアニールをおこなう方法である。第3は、図7(D)のようにマスク材を除去したのち、新たに酸化珪素や窒化珪素の被膜707を保護膜としてシリコン膜表面に形成したのちアニールをおこなう方法である。
【0079】
第1の方法は簡単な方法であるが、プレアニールの段階でマスク材704の表面がニッケルと反応しており、これがより高温の結晶化アニール工程で珪酸塩となり、エッチングがしづらくなる。すなわち、シリコン膜とマスク材704のエッチングレートがほぼ同じ程度になるため後のマスク材の除去の際に、シリコン膜の露出された部分も大きくエッチングされ、基板上に段差が生じる。
【0080】
第2の方法は極めて簡単であり、結晶化アニール工程前であれば、ニッケルとマスク材の反応が緩やかであるのでエッチングも容易である。しかし、結晶化アニールの際にシリコン表面が全面的に露出されているので、後にTFT等を作製した場合の特性が悪化した。
【0081】
第3の工程は確実に良質の結晶シリコン膜が得られるであるが、工程が増えて複雑であった。第3の方法の改良した第4の方法として、シリコン表面を露出した状態で炉に投入し、最初に500〜550℃で1時間程度、酸素気流中で加熱することによって表面に20〜60Åの薄い酸化珪素膜を形成し、そのまま、窒素気流に切り換えて結晶化アニール条件とする方法を検討した。この方法では、結晶化の初期段階に酸化膜が形成され、しかも、この酸化の段階では珪化ニッケル層のごく近傍が結晶化されているだけで、後にTFTに使用する領域(図の右の部分)では結晶化が起こっていなかった。このため、特に珪化ニッケル層706から遠い領域ではシリコン膜の表面が非常に平坦であった。特性は、第2の方法よりも向上し、ほぼ第3の方法と同じであった。
【0082】
このようにして結晶シリコン膜を得た。その後、シリコン膜703をパターニングした。かくして、ニッケルの高濃度の値の部分(成長元のある領域)、および成長点(図の矢印の先端の斜線部)を除去して、ニッケルの低濃度領域のみを残存させた。かくして、TFTの活性層に用いる島状のシリコン領域708を形成した。そして、これを覆って、厚さ1200Åの酸化珪素のゲイト絶縁膜709をプラズマCVD法によって形成した。さらに、燐ドープシリコン膜(厚さ6000Å)によってゲイト電極710と第1層の配線711を形成し、ゲイト電極710をマスクとして自己整合的に不純物を活性層708に注入し、ソース/ドレイン領域712を形成した。この後、可視・近赤外の強光を照射し、さらに結晶性を高めることは有効である。さらに、酸化珪素膜(厚さ6000Å)をプラズマCVD法によって形成し、層間絶縁物713とした。最後に、この層間絶縁物にコンタクトホールを形成し、アルミニウム膜(厚さ6000Å)によって第2層配線714、ソース/ドレイン電極・配線715を形成した。以上の工程によって、TFTが完成された。(図7(E))
【0083】
〔実施例5〕 図9に本実施例を示す。本実施例は、TFT型液晶電気光学表示装置の周辺回路およびアクティブマトリクス領域にポリシリコンTFTを形成したものである。
【0084】
まず、石英基板等の耐熱性のあるガラス基板120上に、スパッタ法によって下地酸化膜121を厚さ20〜200nm堆積した。さらに、その上にモノシランもしくはジシランを原料とするプラズマCVD法もしくは減圧CVD法によって、アモルファスシリコン膜を厚さ30〜50nm堆積した。このときには、アモルファスシリコン膜中の酸素および窒素の濃度は1018cm-2以下、好ましくは1017cm-2以下とする。この目的には減圧CVD法が適している。本実施例では、酸素濃度は1017cm-2以下とした。このアモルファスシリコン膜の上に再びスパッタ法によってカバー膜としての酸化珪素膜(厚さ100〜150nm)もしくは窒化珪素膜(30〜100nm)を形成し、これをパターニングして、周辺回路領域にのみカバー膜122を残置せしめた。そして、酸素もしくは水素が20〜100体積%含まれるアルゴンもしくは窒素雰囲気(600℃)中に4〜100時間放置して結晶化せしめた。この結果、周辺回路領域のシリコン膜123Aは結晶性が良好であり、画素領域のシリコン膜123Bは結晶性が良くなかった。この様子を図9(A)に示す。
【0085】
その後、図9(B)に示すように、シリコン膜を島状にパターニングして、周辺回路TFT領域124Aと画素TFT領域124Bを形成した。そして、スパッタ法等の手段によってゲイト酸化膜125を形成した。スパッタ法の代わりに、TEOS(テトラ・エトキシ・シラン)等を使用して、プラズマCVD法によって成膜してもよい。TEOSを使用した成膜には、成膜時あるいは成膜後に650℃以上の温度で0.5〜3時間アニールすることが望ましい。
【0086】
その後、厚さ200nm〜2μmのN型シリコン膜をLPCVD法によって形成して、これをパターニングし、各島状領域にゲイト電極126A〜126Cを形成した。N型シリコン膜の代わりに、タンタル、クロム、チタン、タングステン、モリブテン等の比較的耐熱性の良好な金属材料を使用してもよい。
【0087】
その後、イオンドーピング法によって、各TFTの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物を注入した。この際には、最初に全面にフォスフィン(PH3 )をドーピングガスとして燐を注入し、その後、図の島状領域124Aの右側およびマトリクス領域をフォトレジストで覆って、ジボラン(B2 H6 )をドーピングガスとして、島状領域124Aの左側に硼素を注入した。ドーズ量は、燐は2〜8×1015cm-2、硼素は4〜10×1015cm-2とし、硼素のドーズ量が燐を上回るように設定した。このようにして、P型領域127AとN型領域127B、127Cを形成した。
【0088】
さらに、550〜750℃で2〜24時間アニールすることによって、活性化をおこなった。本実施例では、600℃で24時間熱アニールをおこなった。このアニール工程によって、イオンの注入された領域を活性化せしめることができた。
【0089】
この工程はレーザーアニールによって実施することも可能である。特にレーザーアニールをおこなった場合には基板に対する熱的なダメージが小さいので、コーニング7059等の通常の無アルカリガラスを使用することも可能である。また、その際にはゲイト電極材料としてアルミニウム等の耐熱性の良くない材料も使用できる。以上の工程によって、P型の領域127A、およびN型の領域127B、127Cが形成された。これらの領域のシート抵抗は200〜800Ω/□であった。
【0090】
その後、図9(C)に示すように、全面に層間絶縁物128として、スパッタ法によって酸化珪素膜を厚さ300〜1000nm形成した。これは、プラズマCVD法による酸化珪素膜であってもよい。特に、TEOSを原料とするプラズマCVD法ではステップカバレージの良好な酸化珪素膜が得られる。
【0091】
その後、画素電極129として、スパッタ法によってITO膜を形成し、これをパターニングした。そして、TFTのソース/ドレイン(不純物領域)にコンタクトホールを形成し、クロムもしくは窒化チタンの配線130A〜130Eを形成した。図9(C)には左側のNTFTとPTFTでインバータ回路が形成されていることが示されている。配線130A〜130Eは、シート抵抗を下げるためクロムあるいは窒化チタンを下地とするアルミニウムとの多層配線であってもよい。最後に、水素中で200〜350℃で0.5〜2時間アニールして、シリコン活性層のダングリングボンドを減らした。以上の工程によって周辺回路とアクティブマトリクス回路を一体化して形成できた。本実施例では、典型的な移動度は、周辺回路部のNMOSで80cm2 /Vs、PMOSで50cm2 /Vs、画素TFT(NMOS)で5〜30cm2 /Vsであった。
【0092】
〔実施例6〕 図10に本実施例を示す。本実施例は、CMOS回路において本発明を利用して、NMOSとPMOSの移動度の差を減少させたものである。まず、コーニング7059基板131上に、スパッタ法によって下地酸化膜132を厚さ20〜200nm堆積した。さらに、その上にモノシランもしくはジシランを原料とするプラズマCVD法もしくは減圧CVD法によって、アモルファスシリコン膜を厚さ50〜250nm堆積した。このときには、アモルファスシリコン膜中の酸素および窒素の濃度は1018cm-2以下、好ましくは1017cm-2以下とする。この目的には減圧CVD法が適している。本実施例では、酸素濃度は1017cm-2以下とした。
【0093】
そして、PMOSの領域にのみカバー膜133(酸化珪素膜、厚さ50〜150nm)を設けた。そして、酸素もしくは水素を50%以上含むアルゴンもしくは窒素の雰囲気下で600℃で4〜100時間アニールをおこなって、結晶化させた。この結果、カバー膜の下の領域134Aは結晶性が良かったが、カバー膜の無い領域134Bの結晶性はあまり良くなかった。この様子を図10(A)に示す。
【0094】
その後、これらのSi膜を島状にパターニングし、図10(B)のように、PMOS領域135AとNMOS領域135Bを形成した。さらに、これらの島状領域を覆って、スパッタ法によって酸化珪素膜(厚さ50〜150nm)を形成し、これをゲイト絶縁膜136とした。その後、厚さ200nm〜2μmのアルミニウム膜をスパッタ法によって形成して、これをパターニングし、さらにこれに電解溶液中で通電して、膜の上面および側面に陽極酸化膜を形成させた。以上の工程によって各島状領域にゲイト電極部137A、137Bを形成した。
【0095】
その後、イオンドーピング法によって、各TFTの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物を注入した。この際には、最初に全面にフォスフィン(PH3 )をドーピングガスとして燐を注入し、その後、図の島状領域135Bのみをフォトレジストで覆って、ジボラン(B2 H6 )をドーピングガスとして、島状領域135Aに硼素を注入した。ドーズ量は、燐は2〜8×1015cm-2、硼素は4〜10×1015cm-2とし、硼素のドーズ量が燐を上回るように設定した。
【0096】
ドーピング工程によって、シリコン膜の結晶性が破壊されるが、そのシート抵抗は1kΩ/□程度とすることも可能であった。しかし、この程度のシート抵抗では大きすぎる場合には、さらに、600℃で2〜24時間アニールすることによって、より、シート抵抗を低下させることが可能である。また、レーザー光の如き強光を照射することによっても同様の効果が得られる。
【0097】
以上の工程によって、P型の領域138A、およびN型の領域138Bが形成された。これらの領域のシート抵抗は200〜800Ω/□であった。その後、全面に層間絶縁物139として、スパッタ法によって酸化珪素膜を厚さ300〜1000nm形成した。これは、プラズマCVD法による酸化珪素膜であってもよい。特に、TEOSを原料とするプラズマCVD法ではステップカバレージの良好な酸化珪素膜が得られる。
【0098】
その後、TFTのソース/ドレイン(不純物領域)にコンタクトホールを形成し、アルミ配線140A〜140Dを形成した。最後に、水素中で250〜350℃で2時間アニールして、シリコン膜のダングリングボンドを減らした。以上の工程によって得られたTFTの典型的な移動度はPMOS、NMOSとも60cm2 /Vsであった。また、本実施例の工程を利用してシフトレジスタを作製したところ、ドレイン電圧20Vで10MHz以上の動作を確認できた。
【0099】
実施例6においては、PMOSのみをカバー膜で覆い、NMOSをカバー膜で覆わずに水素、酸素または窒素雰囲気中で加熱結晶化を行った。これとは逆に、NMOSのみをカバー膜で覆い、PMOSをカバー膜で覆わずに水素、酸素または窒素雰囲気中で加熱結晶化を行ってもよい。これによってより高速動作可能なNMOSとより低リーク電流のPMOSを得ることができる。
【0100】
〔実施例7〕 図11に本実施例を示す。本実施例は、トランジスタとシリコン抵抗を組み合わせた回路に関するものである。不純物のドープされたシリコンはトランジスタの保護回路として用いることができる。まず、コーニング7059基板140上に、スパッタ法によって下地酸化膜141を厚さ20〜200nm堆積した。さらに、その上にモノシランもしくはジシランを原料とするプラズマCVD法もしくは減圧CVD法によって、アモルファスシリコン膜142を厚さ100〜250nm堆積した。このときには、アモルファスシリコン膜中の酸素および窒素の濃度は1018cm-2以下、好ましくは1017cm-2以下とする。
【0101】
さらに酸化珪素の保護膜143(厚さ20〜200nm)を堆積して、アルゴンもしくは窒素の雰囲気下で600℃で4〜100時間アニールをおこなって、結晶化させた。この様子を図11(A)に示す。
【0102】
その後、これらのSi膜を島状にパターニングし、図11(B)のように、トランジスタ領域144Aと抵抗領域144Bを形成した。さらに、これらの島状領域を覆って、スパッタ法によって酸化珪素膜(厚さ50〜150nm)を形成し、これをゲイト絶縁膜145とした。その後、厚さ200nm〜2μmのアルミニウム膜をスパッタ法によって形成して、これをパターニングし、さらにこれに電解溶液中で通電して、膜の上面および側面に陽極酸化膜を形成させた。以上の工程によって各島状領域にゲイト電極部146を形成した。
【0103】
その後、イオンドーピング法によって、各TFTの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物、例えば燐を注入した。ドーズ量は、燐は2〜8×1015cm-2とした。
【0104】
上記のドーピング工程によって、不純物領域147Aと147Bが形成された。この2つの不純物領域は同じだけの不純物が注入されているので、このまま熱アニールすると同じ抵抗率を示す。しかしながら、例えば、前者では常に低抵抗が求められるのに対し、後者では高抵抗が求められることもある。そこで、図11(C)に示すようにカバー膜148(酸化珪素膜、厚さ50〜150nm)をトランジスタ領域にのみ形成する。そして、酸素もしくは水素を50体積%以上含むアルゴンもしくは窒素雰囲気において、550〜650℃で4〜20時間アニールした。酸素や水素の代わりにフォスフィン(PH3 )を用いてもよい。ただし、この場合にはアニールの温度が高すぎるとフォスフィンが熱分解して半導体中に拡散し、かえって抵抗率を低下させるので、アニール温度は800℃以下とすることが望まれる。また、抵抗の不純物領域がP型である場合にはジボラン(B2 H6 )を使用してもよい。
【0105】
以上の工程によって、トランジスタの不純物領域147Aのシート抵抗は200〜800Ω/□であったが、抵抗の不純物領域147Bは2k〜100kΩ/□であった。その後、全面に層間絶縁物149として、スパッタ法によって酸化珪素膜を厚さ300〜1000nm形成した。これは、プラズマCVD法による酸化珪素膜であってもよい。特に、TEOSを原料とするプラズマCVD法ではステップカバレージの良好な酸化珪素膜が得られる。
【0106】
その後、TFTのソース/ドレイン(不純物領域)にコンタクトホールを形成し、アルミ配線150A〜150Cを形成した。最後に、水素中で250〜350℃で0.5〜2時間アニールして、シリコン膜のダングリングボンドを減らした。以上の工程によって、同じ厚さで同じだけの不純物の注入された領域のシート抵抗を異なるものとすることができた。
【0107】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明はアモルファスシリコン結晶化の低温化、短時間化を促進するという意味で画期的なものであり、また、そのための設備、装置、手法は極めて一般的で、かつ量産性に優れたものであるので、産業にもたらす利益は図りしえないものである。実施例ではニッケルを中心に説明をおこなったが、同様な工程は、その他の結晶化促進金属元素、すなわち、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Au、Agのいずれにも適用できるものである。
【0108】
例えば、従来の固相成長法においては、少なくとも24時間のアニールが必要とされたために、1枚当たりの基板処理時間を2分とすれば、アニール炉は15本も必要とされたのであるが、本発明によって、4時間以内に短縮することができたので、アニール炉の数を1/6以下に削減することができる。このことによる生産性の向上、設備投資額の削減は、基板処理コストの低下につながり、ひいてはTFT価格の低下とそれによる新規需要の喚起につながるものである。このように本発明は工業上、有益であり、特許されるにふさわしいものである。
また、本発明は、従来の結晶性シリコンTFTの作製プロセスにおいて、TFTの活性層の結晶化の条件をカバー膜の有無という最小の変更によって、課題を解決するものである。
【0109】
本発明によって、特にダイナミックな回路およびそのような回路を有する装置の信頼性と性能を高めることができた。従来、特に液晶表示装置のアクティブマトリクスのような目的に対しては結晶性シリコンTFTはON/OFF比が低く、実用化にはさまざまな困難があったが、本発明によってそのような問題はほぼ解決されたと思われる。実施例では示さなかったが、単結晶半導体集積回路の立体化の手段として用いられるTFTにおいても本発明を実施することによって効果を挙げられることは明白であろう。
【0110】
例えば、周辺論理回路を単結晶半導体上の半導体回路で構成し、その上に層間絶縁物を介してTFTを設け、これによってメモリー素子部を構成することもできる。この場合には、メモリー素子部を本発明のTFTを使用したDRAM回路とし、その駆動回路は単結晶半導体回路にCMOS化されて構成されている。しかも、このような回路をマイクロプロセッサーに利用した場合には、メモリー部を2階に上げることになるので、面積を節約することができる。このように本発明は産業上、極めて有益な発明であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例の工程の上面図を示す。(結晶化とTFTの配置)
【図2】 実施例の工程の断面図を示す。(選択的に結晶化する工程)
【図3】 実施例の工程の断面図を示す。(実施例1参照)
【図4】 実施例の工程の断面図を示す。(実施例1参照)
【図5】 実施例の工程の断面図を示す。(実施例2参照)
【図6】 実施例の工程の断面図を示す。(実施例3参照)
【図7】 実施例の工程の断面図を示す。(実施例4参照)
【図8】 (A)本発明をアクティブマトリクス装置に応用した場合のブロック図を示す。(B)本発明をイメージセンサーの駆動回路に応用した場合の回路例を示す。
【図9】 実施例の工程を示す。
【図10】 実施例の工程を示す。
【図11】 実施例の工程を示す。
【符号の説明】[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing an integrated circuit. Specifically, it has a matrix structure, such as a liquid crystal display device or dynamic RAM (DRAM), and a MOS type or MIS (metal-insulator-semiconductor) type field effect element (the above is a MOS type) as a switching element. A matrix device (including an electro-optical display device and a semiconductor memory device), and a driving circuit therefor, or an integrated image sensor The present invention relates to a semiconductor circuit having a driver circuit. In particular, the present invention relates to an apparatus using a thin film semiconductor element such as a thin film semiconductor transistor formed on an insulating surface as a MOS type element, and to an apparatus having a thin film transistor in which an active layer of the thin film transistor is formed of crystalline silicon.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a crystalline silicon semiconductor thin film used for a thin film device such as a thin film insulated gate field effect transistor (TFT) is an amorphous silicon film formed by a plasma CVD method or a thermal CVD method in an apparatus such as an electric furnace. And crystallization at a temperature of 600 ° C. or higher for a long time of 24 hours or longer. In particular, in order to obtain sufficient characteristics (high field effect mobility and high reliability), a longer heat treatment has been required.
[0003]
However, such conventional methods have many problems. One is low throughput and therefore high cost. For example, if this crystallization process requires 24 hours, 720 substrates had to be processed at the same time if the processing time per substrate was 2 minutes. However, for example, in a normally used tubular furnace, the number of substrates that can be processed at one time is 50 at most, and when only one apparatus (reaction tube) is used, it takes 30 minutes per sheet. I have. That is, 15 reaction tubes had to be used in order to reduce the processing time per sheet to 2 minutes. This meant that the scale of the investment increased and that the depreciation of the investment was large and rebounded to the cost of the product.
[0004]
Another problem was the temperature of the heat treatment. In general, a substrate used for manufacturing a TFT is roughly classified into a substrate made of pure silicon oxide such as quartz glass and an alkali-free borosilicate glass such as Corning No. 7059 (hereinafter referred to as Corning 7059). Among these, the former has excellent heat resistance and can be handled in the same way as a normal wafer process of a semiconductor integrated circuit, and therefore has no problem with respect to temperature. However, its cost is high and increases exponentially with an increase in substrate area. Therefore, at present, it is used only for TFT integrated circuits having a relatively small area.
[0005]
On the other hand, the alkali-free glass has a sufficiently low cost compared to quartz, but has a problem in terms of heat resistance, and generally has a strain point of about 550 to 650 ° C., and particularly easily available material is 600 ° C. or less. The heat treatment at 600 ° C. caused problems such as irreversible shrinkage and warping of the substrate. This was particularly noticeable when the substrate was larger than 10 inches diagonal. For the reasons described above, heat treatment conditions of 550 ° C. or less and within 4 hours have been indispensable for cost reduction for crystallization of a silicon semiconductor film. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor that satisfies such conditions, and a method for manufacturing a semiconductor device using such a semiconductor.
[0006]
Recently, research has been conducted on an insulating gate type semiconductor device having a thin-film active layer (also referred to as an active region) on an insulating substrate. In particular, thin-film insulated gate transistors, so-called thin film transistors (TFTs), have been eagerly studied. These are formed on a transparent insulating substrate and used for controlling each pixel and driving the matrix in a display device such as a liquid crystal having a matrix structure, or are also formed on an insulating substrate. It is intended to be used for a drive circuit of an image sensor, and is distinguished as an amorphous silicon TFT or a crystalline silicon (also referred to as polycrystalline silicon) TFT depending on the material and crystal state of a semiconductor to be used.
[0007]
Recently, research has also been conducted on the use of a material that exhibits an intermediate state between crystalline silicon and amorphous. Although the intermediate state has been discussed, in this specification, any crystal can be obtained by some thermal process (for example, thermal annealing at a temperature of 450 ° C. or higher or irradiation with strong energy such as laser light). Everything that has reached the state is called crystalline silicon.
[0008]
Also in a single crystal silicon integrated circuit, a crystalline silicon TFT is used as a so-called SOI technology, and this is used as a load transistor in, for example, a highly integrated SRAM. However, in this case, the amorphous silicon TFT is hardly used.
[0009]
Furthermore, since a semiconductor circuit on an insulating substrate has no capacitive coupling between the substrate and the wiring, it can operate at a very high speed, and a technique for use as an ultra-high-speed microprocessor or an ultra-high-speed memory has been proposed.
[0010]
In general, the electric field mobility of an amorphous semiconductor is small, and therefore it cannot be used for a TFT that requires high-speed operation. In addition, since the P-type field mobility is extremely small in amorphous silicon, a P-channel TFT (PMOS TFT) cannot be manufactured. Therefore, in combination with an N-channel TFT (NMOS TFT), A complementary MOS circuit (CMOS) cannot be formed.
[0011]
However, a TFT formed of an amorphous semiconductor has a feature that the OFF current is small. Therefore, as in the active matrix transistor of a liquid crystal display with a small matrix scale, a high-speed operation is not required, a single conductivity type is sufficient, and a TFT having a high charge retention capability is required. Has been used. However, it has been difficult to use amorphous silicon TFTs for more advanced applications such as large-matrix liquid crystal displays. Of course, it cannot be used for a peripheral circuit of a display or a drive circuit of an image sensor, which requires high speed operation. In addition, although it has a matrix configuration, it is difficult to use it for a semiconductor memory device.
[0012]
On the other hand, a crystalline semiconductor has a higher electric field mobility than an amorphous semiconductor, and thus can operate at high speed. For example, in a TFT using a silicon film recrystallized by laser annealing, the electric field mobility is 300 cm. 2 A value of / Vs is obtained. The electric field mobility of a MOS transistor formed on a normal single crystal silicon substrate is 500 cm. 2 / Vs is an extremely large value, and the MOS circuit on the single crystal silicon is limited to the operation speed due to the parasitic capacitance between the substrate and the wiring. There are no such restrictions, and remarkable high-speed operation is expected.
[0013]
In addition, in the case of crystalline silicon, not only an NMOS TFT but also a PMOS TFT can be obtained in the same manner, so that a CMOS circuit can be formed. For example, in an active matrix liquid crystal display device, only an active matrix portion can be formed. In addition, those having a so-called monolithic structure in which peripheral circuits (drivers and the like) are also constituted by CMOS crystalline silicon TFTs are known. The TFT used in the above-described SRAM is also paying attention to this point, and the PMOS is constituted by a TFT, which is used as a load transistor.
[0014]
In addition, in a normal amorphous TFT, it is difficult to form a source / drain region by a self-alignment process such as that used in single crystal IC technology, which is due to a geometrical overlap between the gate electrode and the source / drain region. While the parasitic capacitance becomes a problem, the crystalline silicon TFT has a feature that the parasitic capacitance can be remarkably suppressed because a self-alignment process can be adopted.
[0015]
However, the crystalline silicon TFT has a larger leakage current when no voltage is applied to the gate (when it is not selected) than the amorphous silicon TFT, and in order to use it in a liquid crystal display, an auxiliary capacitor for compensating this leakage current. In addition, measures were taken to reduce leakage current by further arranging two TFTs in series.
[0016]
For example, if an amorphous silicon TFT is used to form a peripheral circuit of a polysilicon TFT having high mobility monolithically on the same substrate, amorphous silicon is formed and selective. A method has been proposed in which only a peripheral circuit is crystallized by irradiating a laser beam on the substrate.
[0017]
However, at present, the yield is low due to the reliability problem of the laser irradiation process (for example, the in-plane uniformity of the irradiation energy is poor). After all, the matrix is composed of amorphous silicon TFTs, and the drive circuit is simple. A method of connecting crystal integrated circuits by a TAB method or the like is employed. However, this method requires a pixel pitch of 0.1 mm or more due to physical limitations of connection, and is expensive.
[0018]
Although the present invention is intended to provide an answer to such a difficult problem, it is undesirable for the process to be complicated, resulting in a decrease in yield and an increase in cost. The gist of the present invention is that two types of TFTs, a TFT requiring high mobility and a TFT requiring low leakage current, can be easily manufactured by maintaining minimum productivity by changing the minimum process. There is to divide.
[0019]
Another object of the present invention is to reduce the difference in mobility between NMOS and PMOS in a CMOS circuit. By reducing the difference in mobility between NMOS and PMOS, the degree of freedom in circuit design can be increased.
[0020]
The semiconductor circuit to which the present invention is applied is not universal. In particular, the present invention utilizes materials whose light transmission and reflection properties change due to the effect of an electric field, such as a liquid crystal display device, and sandwiches these materials between opposing electrodes, and applies an electric field between the opposing electrodes. Next, an active matrix circuit for displaying an image, a memory device such as a DRAM that retains memory by accumulating charges in a capacitor, and a MOS structure of a MOS transistor as a capacitor or another capacitor Suitable for a circuit having a dynamic circuit such as a dynamic shift register for driving a stage circuit, and a circuit having a digital circuit such as an image sensor driving circuit and a circuit for controlling an analog signal output. . In particular, the invention is suitable for a circuit in which a dynamic circuit and a static circuit are mixedly mounted.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
The present invention can be applied above or below a silicon film in an amorphous state or a messy crystalline state that can be said to be substantially amorphous (for example, a state in which a portion having good crystallinity and an amorphous portion are mixed). Insular films and dots, particles, clusters containing nickel, iron, cobalt, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, copper, zinc, gold, silver, A crystalline silicon film is obtained by forming a line or the like, and annealing the wire at a temperature lower than the crystallization temperature by a simple heat treatment of ordinary amorphous silicon, and for a shorter time. This annealing can be performed in a hydrogen, oxygen or nitrogen atmosphere. In this annealing, (1) heating is performed in an atmosphere containing oxygen for A time, and then heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for B time. (2) Heating is performed in an atmosphere containing oxygen for C hours, and then heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for D hours. (3) Heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for E hours, and then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for F hours. (4) Heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for G time, and then heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for H time. (5) Heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for I hours, and then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for J hours. (6) Heat in an atmosphere containing nitrogen for K hours, and then heat in an atmosphere containing hydrogen for L hours. (7) Heat in an atmosphere containing oxygen for M hours, then heat in an atmosphere containing hydrogen for N hours, and then heat in an atmosphere containing nitrogen for P hours. (8) Heating is performed in an atmosphere containing oxygen for Q hours, followed by heating in an atmosphere containing nitrogen for R hours, and then heating in an atmosphere containing hydrogen for S hours. (9) Heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for T time, then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for U time, and then heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for V time. (10) Heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for W hours, followed by heating in an atmosphere containing nitrogen for X hours, and then heating in an atmosphere containing oxygen for Y hours. (11) Heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for Z time, followed by heating in an atmosphere containing oxygen for A ′ time, and then heating in an atmosphere containing hydrogen for B ′ time. Alternatively, (12) heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for C ′ time, and then heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for D ′ time, and then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for E ′ time.
After the annealing, the crystalline silicon film is patterned to form island-shaped crystalline silicon regions, and TFTs, diodes, or resistors can be formed using the island-shaped regions.
[0022]
As for the conventional crystallization of a silicon film, a method (for example, JP-A-1-214110) has been proposed in which a crystalline island-shaped film is used as a nucleus and this is used as a seed crystal for solid phase epitaxial growth. However, in such a method, crystal growth hardly progressed at a temperature of 600 ° C. or lower. In the silicon system, in general, in order to shift from the amorphous state to the crystalline state, the molecular chain in the amorphous state is broken, and the broken molecule is not bonded to other molecules again. It goes through a process of recombining the molecule into a part of the crystal to match some crystalline molecule. However, in this process, the energy for breaking the first molecular chain and maintaining it in a state not bonded to other molecules is large, and this is a barrier in the crystallization reaction. In order to give this energy, it takes several minutes at a temperature of about 1000 ° C., or several tens of hours at a temperature of about 600 ° C., and the time depends exponentially on the temperature (= energy). For example, at 550 ° C., it was hardly observed that the crystallization reaction proceeds. The conventional idea of solid phase epitaxial crystallization also did not give an answer to this problem.
[0023]
The present inventor has considered that the barrier energy of the above-described process is reduced by some kind of catalytic action, completely independent of the conventional idea of solid-phase crystallization. The present inventor is nickel (element symbol Ni), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt). , Scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), copper (Cu), zinc (Zn), gold (Au), silver (Ag) are bonded to silicon. Cheap.
[0024]
For example, in the case of nickel, nickel silicide (chemical formula NiSi x 0.4 ≦ x ≦ 2.5), and the lattice constant of nickel silicide is close to that of silicon crystal. Therefore, as a result of simulating ternary energy such as crystalline silicon-nickel silicide-amorphous silicon, amorphous silicon reacts easily at the interface with nickel silicide,
Amorphous silicon (silicon A) + nickel silicide (silicon B)
→ Nickel silicide (silicon A) + crystalline silicon (silicon B)
(Silicon A and B indicate the position of silicon)
It became clear that this reaction occurred. The potential barrier for this reaction is sufficiently low and the reaction temperature is low. This reaction equation shows that nickel progresses while transforming amorphous silicon into crystalline silicon. In practice, it was found that the reaction started at 580 ° C. or lower, and that the reaction was observed even at 450 ° C. As a matter of course, the higher the temperature, the faster the reaction proceeds. Similar effects were also observed with the other metal elements shown above.
[0025]
In the present invention, Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, etc., such as islands, stripes, lines, dots, and films, such as nickel, and their silicides are used. Starting from films, particles, clusters, etc. containing at least one of Pt, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, Ag, these metal elements are accompanied by the above reaction. Expanding the area of crystalline silicon by expanding to the surroundings. Note that oxides are not preferable as materials containing these metal elements. This is because an oxide is a stable compound and cannot start the above reaction.
[0026]
Crystalline silicon spread from a specific location in this way is different from conventional solid phase epitaxial growth, but has a structure similar to a single crystal with good continuity of crystallinity, so that TFT, diode, resistance, etc. This is convenient for use in semiconductor devices. However, when a material containing the above metal that promotes crystallization of nickel or the like uniformly is provided on the substrate, there are innumerable starting points for crystallization, and thus obtaining a film with good crystallinity was difficult.
[0027]
In addition, the amorphous silicon film as a starting material for the crystallization gave better results as the hydrogen concentration was lower. However, since hydrogen is released as the crystallization progresses, the hydrogen concentration in the obtained silicon film is not so clearly correlated with the hydrogen concentration in the amorphous silicon film as the starting material. The hydrogen concentration in the crystalline silicon according to the present invention was typically 0.01 atomic% or more and 5 atomic% or less.
[0028]
In the present invention, Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, and Ag are used. Generally, these materials are used as semiconductor materials. This is not preferable for silicon. Therefore, it is necessary to remove this, but regarding nickel, nickel silicide that has reached the end of crystallization as a result of the above reaction is easily dissolved in hydrofluoric acid or hydrochloric acid or a diluted solution thereof. Nickel can be reduced from the substrate by treatment with acid. Furthermore, to actively reduce these metal elements, hydrogen chloride, various chloromethanes (CH Three Cl, CH 2 Cl 2 , CHCl Three ), Various ethane chlorides (C 2 H Five Cl, C 2 H Four Cl 2 , C 2 H Three Cl Three , C 2 H 2 Cl Four , C 2 HCl Five ) Or various ethylene chloride (C 2 H Three Cl, C 2 H 2 Cl 2 , C 2 HCl Three ) And the like in an atmosphere containing chlorine. In particular, trichlorethylene (C 2 HCl Three ) Is an easy-to-use material. The concentrations of Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Au, Ag in the silicon film according to the present invention are typically It was 0.005 atomic% or more and 1 atomic% or less.
[0029]
When the crystalline silicon film produced according to the present invention is used for a semiconductor element such as a TFT, a diode, or a resistor, as is apparent from the above description, the termination of crystallization (this is a crystal started from a plurality of starting points). There is a large grain boundary (discontinuous part of crystallinity) and the concentration of metal elements that promote crystallization, such as nickel, is high. It is not preferable. Therefore, in forming a semiconductor element using the present invention, the pattern of the metal element-containing film that promotes crystallization of nickel or the like, which is the starting point of crystallization, and the pattern of the semiconductor element must be optimized. .
[0030]
In the present invention, there are roughly two methods for patterning a metal element that promotes crystallization. The first method is a method of selectively forming these metal films and the like before forming an amorphous silicon film. The second method is a method of selectively forming these metal films and the like after the amorphous silicon film is formed.
[0031]
In the first method, ordinary photolithography means or lift-off means may be used. The second method is somewhat complicated. In this case, if a metal film for promoting crystallization is formed in close contact with the amorphous silicon film, the metal and amorphous silicon partially react during the film formation to form silicide. Therefore, when patterning is performed after forming a metal film or the like, it is necessary to sufficiently etch such a silicide layer.
[0032]
In the second method, the lift-off method is relatively easy. In this case, an organic material such as a photoresist or an inorganic material such as silicon oxide or silicon nitride may be used as the mask material. The process temperature must be taken into account when selecting the mask material. In addition, since the masking action varies depending on the material, sufficient care must be taken. In particular, a film of silicon oxide, silicon nitride, or the like formed by various CVD methods has many pinholes, and if the film thickness is not sufficient, crystallization may proceed from an unintended portion. In general, after forming a film using these mask materials, patterning is performed to selectively expose the surface of amorphous silicon. Then, a metal film or the like that promotes crystallization is formed.
[0033]
In the present invention, what should be noted is the concentration of the metal element in the silicon film. There is no excuse for the small amount, but more than that, it is important that the amount is always kept constant. That is, if the amount of metal element varies greatly, the degree of crystallization varies greatly from lot to lot at the production site. In particular, when the amount of the metal element is required to be small, it becomes increasingly difficult to reduce the variation in the amount.
[0034]
In the first method, since the selectively formed metal film or the like is covered with the amorphous silicon film, it cannot be taken out later to increase or decrease the amount. In particular, when converted from the amount of metal element required in the present invention, the thickness of the metal film or the like is as small as several to several tens of inches, and it is difficult to form a film with good reproducibility.
[0035]
The same applies to the second method. However, in the second method, a metal film or the like that promotes crystallization is present on the surface, so there is still room for improvement as compared with the first method. That is, a sufficiently thick metal film is formed, and a heat treatment (pre-annealing) is performed at a temperature lower than the annealing temperature before annealing, thereby reacting a part of the amorphous silicon film with the metal film to form a silicide. Thereafter, the metal film that has not reacted is etched. Depending on the type of metal used, Ni, Fe, Co, Ti, and Cr are not problematic because there are etchants with sufficiently high etching rates for the metal film and silicide.
[0036]
In this case, the thickness of the silicide layer to be obtained is determined by the temperature and time of the heat treatment (pre-annealing). The thickness of the metal film is almost irrelevant. For this reason, the amount of a very small amount of metal element introduced into the amorphous silicon film can be controlled.
[0037]
Further, according to the present invention, when the crystalline silicon TFT is crystallized in an atmosphere containing oxygen, hydrogen or nitrogen at a temperature of 450 to 1000 ° C., preferably 500 to 800 ° C., the surface of the semiconductor is made of silicon oxide, silicon nitride or the like. The fact that there is a difference in the degree of crystallization between the case where it is covered and the case where it is not covered by a film (cover film) is used. The atmosphere is an atmosphere containing oxygen, an atmosphere containing hydrogen, an atmosphere containing nitrogen, an atmosphere containing oxygen and hydrogen, an atmosphere containing oxygen and nitrogen, an atmosphere containing hydrogen and nitrogen, or an atmosphere containing oxygen, hydrogen, and nitrogen. is there. In the crystallization, (1) heating is performed in an atmosphere containing oxygen for A time, and then heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for B time. (2) Heating is performed in an atmosphere containing oxygen for C hours, and then heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for D hours. (3) Heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for E hours, and then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for F hours. (4) Heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for G time, and then heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for H time. (5) Heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for I hours, and then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for J hours. (6) Heat in an atmosphere containing nitrogen for K hours, and then heat in an atmosphere containing hydrogen for L hours. (7) Heat in an atmosphere containing oxygen for M hours, then heat in an atmosphere containing hydrogen for N hours, and then heat in an atmosphere containing nitrogen for P hours. (8) Heating is performed in an atmosphere containing oxygen for Q hours, followed by heating in an atmosphere containing nitrogen for R hours, and then heating in an atmosphere containing hydrogen for S hours. (9) Heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for T time, then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for U time, and then heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for V time. (10) Heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for W hours, followed by heating in an atmosphere containing nitrogen for X hours, and then heating in an atmosphere containing oxygen for Y hours. (11) Heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for Z time, followed by heating in an atmosphere containing oxygen for A ′ time, and then heating in an atmosphere containing hydrogen for B ′ time. Alternatively, (12) heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for C ′ time, and then heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for D ′ time, and then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for E ′ time. In particular, (4) heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for G time, and then heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for H time. (5) Heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for I time (for example, 4 hours), and then heating is performed in an atmosphere containing oxygen for J time (for example, 1 hour). Alternatively, (6) heating is performed in an atmosphere containing nitrogen for K hours (eg, 4 hours), and then heating is performed in an atmosphere containing hydrogen for L hours (eg, 1 hour). Is preferred. In general, when a cover film is present, the crystallinity is good, and as a natural consequence, a TFT with high mobility can be obtained. Instead, the leakage current generally increases. On the other hand, in the case where there is no cover film, the crystallinity is not good and the amorphous state is obtained depending on the temperature, so that the mobility is low but the leakage current is also low.
[0038]
This characteristic is considered to be governed by the presence or absence of hydrogen, oxygen, or nitrogen in the atmosphere during the thermal crystallization. This crystallization may be performed, for example, by crystallization in nitrogen and then in hydrogen or oxygen. In this way, TFTs having different characteristics can be simultaneously formed on the same substrate in the same process. For example, the former high mobility TFT is used as a matrix drive circuit, and the latter low leakage current TFT is used as a matrix portion TFT. it can.
[0039]
Alternatively, in a CMOS circuit, by not providing a cover film in the NMOS region and by providing a cover film in the PMOS region, the mobility of the NMOS is relatively reduced compared to the mobility of the PMOS. It is possible to almost eliminate the difference.
[0040]
In the present invention, the temperature of thermal crystallization is an important parameter, and the crystallinity of the TFT is determined by this temperature. In general, the temperature of thermal annealing is limited by the substrate and other materials. Regarding the restriction of the substrate material, when silicon or quartz is used as the substrate, thermal annealing at a maximum of 1100 ° C. is possible. However, in the case of Corning 7059 glass, which is a typical alkali-free glass, annealing at a temperature of 650 ° C. or lower is desirable. However, for the reasons described above, in the present invention, in addition to the substrate, the characteristics required for each TFT must be set in consideration. In general, if the annealing temperature is high, TFT crystal growth proceeds, the mobility increases, and the leakage current increases. Therefore, in order to obtain TFTs having different characteristics on the same substrate as in the present invention, the annealing temperature should be 450 to 1000 ° C., preferably 500 to 800 ° C.
[0041]
One example of the present invention uses a polysilicon TFT as a switching transistor in a display portion of an active matrix circuit of an electro-optical device such as a liquid crystal, and does not provide a cover film in the active matrix region when the active layer is crystallized. On the other hand, by providing a cover film in the peripheral circuit region, the former is a low leakage current TFT and the latter is a high mobility TFT.
[0042]
FIG. 8A shows a conceptual diagram of a device having the display circuit portion (active matrix) and its driving circuit (peripheral circuit) as described above. In the figure, a
[0043]
For the CMOS circuit in the driver section, the concentration of impurities such as oxygen, nitrogen, and carbon in the active layer is 10 in order to obtain high mobility. 18 cm -3 Or less, preferably 10 17 cm -3 The following is desired. As a result, for example, the threshold voltage of the TFT is 0.5 to 2 V for NMOS, -0.5 to -3 V for PMOS, and the mobility is 30 to 150 cm for NMOS. 2 / Vs, 20-100cm for PMOS 2 / Vs.
[0044]
On the other hand, in the active matrix portion, the auxiliary capacitance can be reduced by using a single element having a leakage current of about 1 pA at a drain voltage of 1 V, or a plurality of elements in series, and further, it is not necessary at all. did it.
[0045]
The second example of the present invention relates to a semiconductor memory such as a DRAM. Semiconductor memory devices have already reached speed limits in single crystal ICs. In order to operate at higher speeds, it is necessary to increase the current capacity of the transistor, which not only causes a further increase in current consumption, but also stores memory by storing electric charge in the capacitor. As for the DRAM that performs the operation, there is no other way but to cope with it by increasing the drive voltage because the capacitance of the capacitor cannot be increased any more.
[0046]
The single crystal IC is said to have reached the speed limit because, in part, a large loss is caused by the capacitance of the substrate and the wiring. If an insulator is used for the substrate, it can be driven at a sufficiently high speed without increasing current consumption. For these reasons, an IC having an SOI (semiconductor on insulator) structure has been proposed.
[0047]
Also in the case of DRAM, in the case of the 1Tr / cell structure, the circuit configuration is almost the same as that of the previous liquid crystal display device, and in other DRAMs (for example, 3Tr / cell structure), the active layer is crystallized. In addition, the storage bit portion is not provided with a cover film, and on the other hand, since the drive circuit is required to operate at a sufficiently high speed, as in the liquid crystal display device, by providing a cover film in the region, The former is a low leakage current TFT, and the latter is a high leakage current TFT.
[0048]
Also in such a semiconductor memory device, the basic block configuration is the same as that of FIG. For example, in a DRAM, 101 is a column decoder, 102 is a row decoder, 103 is a storage element section, 104 is a unit storage bit, 105 is a bit line, 106 is a word line, and 107 is an (insulating) substrate.
[0049]
A third application example of the present invention is a drive circuit such as an image sensor. FIG. 8B shows an example of a 1-bit circuit of the image sensor, but the flip-
[0050]
Such a
[0051]
In the present invention, as the cover film, silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride (SiN x O y ) Can be used. The thicker the cover film, the better the covering ability. However, since it takes time to form a thick film, the thickness must be determined in consideration of mass productivity and covering ability. Although the cover ability varies depending on the film quality, typically, the silicon oxide film needs to be 20 nm or more, and the silicon nitride film needs 10 nm or more. In consideration of mass productivity and reliability, 20 to 200 nm is appropriate for both.
[0052]
【Example】
[Example 1] In this example, a plurality of island-shaped nickel films on a Corning 7059 glass substrate are formed, and an amorphous silicon film is crystallized using these as starting points, and the obtained crystalline silicon film is used. A method for manufacturing a TFT will be described. There are two methods for forming an island-shaped nickel film in that it is provided on an amorphous silicon film or below. FIG. 2A-1 shows a method provided below, and FIG. 2A-2 shows a method provided above. In particular, it is necessary to pay attention to the latter, since nickel is formed on the entire surface of the amorphous silicon film and then selectively etched, so that nickel and amorphous silicon react with each other in a small amount. Nickel is formed. If this is left as it is, a good crystalline silicon film as intended by the present invention cannot be obtained. Therefore, it is required to sufficiently remove this nickel silicide with hydrochloric acid, hydrofluoric acid or the like. . For this reason, the amorphous silicon becomes thinner than the initial stage.
[0053]
On the other hand, such a problem does not occur in the former, but in this case as well, it is desirable that the nickel film other than the island-
[0054]
In either case, an underlying
[0055]
On the other hand, in the case of FIG. 2 (A-2), after the
[0056]
The island-like nickel was a square with a side of 2 μm, and the interval was 5 to 50 μm, for example 20 μm. A similar effect can be obtained by using nickel silicide instead of nickel. In addition, when the nickel film was formed, good results were obtained by heating the substrate to 100 to 500 ° C., preferably 180 to 250 ° C. This is because the adhesion between the underlying silicon oxide film and the nickel film is improved, and the silicon oxide and nickel react to produce nickel silicide. Similar effects can be obtained by using silicon nitride, silicon carbide, or silicon instead of silicon oxide.
[0057]
Next, this was annealed in a nitrogen atmosphere at 450 to 580 ° C., for example, 550 ° C. for 8 hours. This annealing may be performed in a mixed atmosphere of nitrogen and hydrogen. In addition, this annealing is performed by X 1 Perform in a hydrogen atmosphere for hours, then X 2 You may carry out in nitrogen atmosphere for the time. FIG. 2B shows an intermediate state in which nickel proceeds from the island-like nickel film at the end in FIG. 2A to the central portion as
[0058]
FIG. 1B shows a state in which the substrate in this state is viewed from above, and the
[0059]
Crystalline silicon can be obtained by the above steps, but it is not preferable that nickel is diffused into the semiconductor film from the
[0060]
An example of manufacturing a TFT using crystalline silicon obtained through the above steps is shown in FIGS. In FIG. 3A, X in the center means the place where the
[0061]
Further, phosphorus is 1 × 10 5 by low pressure CVD. 20 ~ 5x10 20 cm -3 A doped polycrystalline silicon film having a thickness of 3000 to 6000 mm was formed and patterned to form
[0062]
Next, impurity doping was performed by a plasma doping method. As a doping gas, for example, phosphine (PH Three ), Diborane (B 2 H 6 ) Was used. In the figure, an N-type TFT is shown. The acceleration voltage was 80 keV for phosphine and 65 keV for diborane. Further, annealing was performed at 550 ° C. for 4 hours to activate the impurities and
[0063]
Finally, a silicon oxide film having a thickness of 5000 mm is deposited as an
A TFT (N-channel type in the figure) was manufactured through the above steps. The field effect mobility of the obtained TFT is 40-60 cm in the N channel type. 2 / Vs, P channel type, 30-50cm 2 / Vs.
[0064]
FIG. 4 shows a case where an aluminum gate TFT is manufactured. In FIG. 4A, X in the center means the place where the
[0065]
Next, the substrate was immersed in an ethylene glycol solution of 3% tartaric acid, and platinum was used as a cathode, an aluminum wiring was used as an anode, and an electric current was passed through this to perform anodization. At first, the current is applied so that the voltage increases at 2 V / min. When the voltage reaches 220 V, the voltage is constant, and the current is 10 μA / m. 2 The current was stopped when: As a result,
[0066]
Next, impurity doping was performed by a plasma doping method. As a doping gas, N-type phosphine (PH Three ), Diborane (B 2 H 6 ) Was used. The figure shows an N-channel TFT. The acceleration voltage was 80 keV for phosphine and 65 keV for diborane. Furthermore, this was laser-annealed to activate the impurities and
[0067]
Finally, a silicon oxide film having a thickness of 5000 mm is deposited as an
The field effect mobility of the obtained TFT is N-channel type and 60 to 120 cm. 2 / Vs, P-channel type, 50-90cm 2 / Vs. In addition, it was confirmed that a shift register manufactured using this TFT operates at 6 MHz at a drain voltage of 17 V and at 11 MHz at 20 V.
[0068]
Example 2 FIG. 5 shows a case where an aluminum gate TFT is manufactured as in FIG. Here, however, amorphous silicon was used as the active layer. As shown in FIG. 5A, a base
[0069]
Next, the crystalline silicon film thus obtained was patterned as shown in FIG. At this time, since the silicon film in the central part (intermediate part of the nickel or
Thereafter, as shown in FIG. 5C, a film is formed of a material such as silicon nitride or silicon oxide as the
[0070]
Example 3 FIG. 6 shows a case where a CMOS type TFT is manufactured. As shown in FIG. 6A, a base
[0071]
Next, the crystalline silicon film thus obtained was patterned as shown in FIG. 6B to form island-
[0072]
Thereafter, as shown in FIG. 5C, impurities are diffused by ion doping to form an N-
[0073]
After the doping is completed, the source and drain are activated by laser light irradiation as in the case of FIG. 4, and further, the
[0074]
Example 4 FIG. 7 shows this example. In this example, a part of the nickel film and the amorphous silicon film are reacted by an initial heat treatment (pre-annealing) to obtain a silicide, and after further removing the unreacted nickel film, annealing is performed for crystallization. It is about the method to make it.
[0075]
A base silicon oxide film (thickness: 2000 mm) was formed on a substrate (Corning 7059) 701 by sputtering. Then, a
[0076]
Thereafter, the
And it annealed for 10 to 60 minutes at 250-450 degreeC in nitrogen atmosphere (pre-annealing process). For example, annealing was performed at 450 ° C. for 20 minutes. As a result, a
[0077]
Thereafter, the nickel film was etched. A nitric acid or hydrochloric acid solution was suitable for etching. In these etchants, the nickel silicide layer was hardly etched during the etching of the nickel film. In this example, an etchant obtained by adding acetic acid as a buffer to nitric acid was used. The ratio was nitric acid: acetic acid: water = 1: 10: 10. After removing the nickel film, annealing was performed at 550 ° C. for 4 to 8 hours (crystallization annealing step).
[0078]
Several methods were tried in the crystallization annealing process. The first method is a method in which the
[0079]
The first method is a simple method, but the surface of the
[0080]
The second method is very simple, and before the crystallization annealing step, the reaction between nickel and the mask material is gentle, so that etching is easy. However, since the silicon surface is completely exposed during the crystallization annealing, the characteristics when a TFT or the like is manufactured later deteriorated.
[0081]
In the third step, a high-quality crystalline silicon film can be obtained with certainty, but the number of steps is complicated and complicated. As a fourth method improved from the third method, the surface of silicon is exposed to a furnace, and first heated at 500 to 550 ° C. for about 1 hour in an oxygen stream to reach a surface of 20 to 60 mm. A method of forming a thin silicon oxide film and switching to a nitrogen stream as it is to obtain crystallization annealing conditions was studied. In this method, an oxide film is formed at the initial stage of crystallization, and only the very vicinity of the nickel silicide layer is crystallized at this oxidation stage. ) Did not cause crystallization. For this reason, the surface of the silicon film was very flat especially in a region far from the
[0082]
A crystalline silicon film was thus obtained. Thereafter, the
[0083]
[0084]
First, a
[0085]
Thereafter, as shown in FIG. 9B, the silicon film was patterned into an island shape to form a peripheral
[0086]
Thereafter, an N-type silicon film having a thickness of 200 nm to 2 μm was formed by LPCVD and patterned to form
[0087]
Thereafter, by ion doping, impurities were implanted into the island-like silicon film of each TFT in a self-aligned manner using the gate electrode portion as a mask. At this time, the phosphine (PH Three ) Is doped as a doping gas, and then the right side of the island-
[0088]
Furthermore, activation was performed by annealing at 550 to 750 ° C. for 2 to 24 hours. In this example, thermal annealing was performed at 600 ° C. for 24 hours. By this annealing step, the ion implanted region could be activated.
[0089]
This step can also be performed by laser annealing. In particular, when laser annealing is performed, thermal damage to the substrate is small, so that it is possible to use a normal alkali-free glass such as Corning 7059. In this case, a material having poor heat resistance such as aluminum can be used as the gate electrode material. Through the above steps, a P-type region 127A and N-
[0090]
After that, as shown in FIG. 9C, a silicon oxide film having a thickness of 300 to 1000 nm was formed as an
[0091]
Thereafter, as the
[0092]
[Embodiment 6] FIG. 10 shows this embodiment. This embodiment uses the present invention in a CMOS circuit to reduce the difference in mobility between NMOS and PMOS. First, a
[0093]
A cover film 133 (silicon oxide film, thickness 50 to 150 nm) was provided only in the PMOS region. Then, annealing was performed at 600 ° C. for 4 to 100 hours in an atmosphere of argon or nitrogen containing 50% or more of oxygen or hydrogen for crystallization. As a result, the
[0094]
Thereafter, these Si films were patterned into island shapes to form a
[0095]
Thereafter, by ion doping, impurities were implanted into the island-like silicon film of each TFT in a self-aligned manner using the gate electrode portion as a mask. At this time, the phosphine (PH Three ) As a doping gas, and then only the island-shaped
[0096]
Although the crystallinity of the silicon film is destroyed by the doping process, the sheet resistance can be about 1 kΩ / □. However, if this level of sheet resistance is too large, the sheet resistance can be further reduced by annealing at 600 ° C. for 2 to 24 hours. The same effect can be obtained by irradiating intense light such as laser light.
[0097]
Through the above steps, a P-
[0098]
Thereafter, contact holes were formed in the source / drain (impurity region) of the TFT, and
[0099]
In Example 6, only the PMOS was covered with the cover film, and the NMOS was not covered with the cover film, and heat crystallization was performed in a hydrogen, oxygen or nitrogen atmosphere. On the contrary, only the NMOS may be covered with a cover film, and heat crystallization may be performed in a hydrogen, oxygen or nitrogen atmosphere without covering the PMOS with a cover film. As a result, an NMOS capable of operating at a higher speed and a PMOS having a lower leakage current can be obtained.
[0100]
Example 7 FIG. 11 shows this example. The present embodiment relates to a circuit combining a transistor and a silicon resistor. Impurity-doped silicon can be used as a transistor protection circuit. First, a
[0101]
Further, a protective film 143 (thickness 20 to 200 nm) made of silicon oxide was deposited and annealed at 600 ° C. for 4 to 100 hours in an atmosphere of argon or nitrogen to be crystallized. This is shown in FIG.
[0102]
After that, these Si films were patterned in an island shape to form a
[0103]
Thereafter, an impurity such as phosphorus was implanted into the island-like silicon film of each TFT in a self-aligned manner using the gate electrode portion as a mask by ion doping. Dose amount is 2-8x10 for phosphorus 15 cm -2 It was.
[0104]
[0105]
Through the above steps, the sheet resistance of the
[0106]
Thereafter, contact holes were formed in the source / drain (impurity region) of the TFT, and
[0107]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is epoch-making in the sense of promoting the low temperature and short time of crystallization of amorphous silicon, and the equipment, apparatus, and technique for that purpose are very general, And because it is excellent in mass productivity, the benefits to the industry are immense. In the examples, description has been made centering on nickel. However, the same process can be applied to other crystallization promoting metal elements, that is, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Sc, Ti, V, It can be applied to any of Cr, Mn, Cu, Zn, Au, and Ag.
[0108]
For example, in the conventional solid phase growth method, since annealing for at least 24 hours is required, if the substrate processing time per one is 2 minutes, 15 annealing furnaces are required. According to the present invention, the number of annealing furnaces can be reduced to 1/6 or less because it can be shortened within 4 hours. The improvement in productivity and the reduction in capital investment due to this result in a decrease in substrate processing cost, and in turn, a decrease in TFT price and arousing new demand. Thus, the present invention is industrially beneficial and is worthy of being patented.
In addition, the present invention solves the problem in the conventional process for manufacturing a crystalline silicon TFT by minimizing the crystallization condition of the active layer of the TFT, with or without a cover film.
[0109]
The invention has made it possible to increase the reliability and performance of particularly dynamic circuits and devices having such circuits. Conventionally, crystalline silicon TFTs have a low ON / OFF ratio for various purposes such as an active matrix of a liquid crystal display device, and there have been various difficulties in practical use. It seems that it was solved. Although not shown in the embodiments, it will be apparent that the present invention can be effectively applied to a TFT used as a means for three-dimensionalization of a single crystal semiconductor integrated circuit.
[0110]
For example, the peripheral logic circuit may be formed of a semiconductor circuit over a single crystal semiconductor, and a TFT may be provided thereon via an interlayer insulator, thereby forming a memory element portion. In this case, the memory element portion is a DRAM circuit using the TFT of the present invention, and its drive circuit is configured as a single crystal semiconductor circuit in CMOS. In addition, when such a circuit is used for a microprocessor, the memory section is raised to the second floor, so that the area can be saved. Thus, the present invention is considered to be an extremely useful invention in industry.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a top view of steps of an embodiment. (Crystallization and TFT arrangement)
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the steps of the example. (Selective crystallization process)
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the steps of the example. (See Example 1)
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the steps of the example. (See Example 1)
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the steps of the example. (See Example 2)
FIG. 6 shows a cross-sectional view of the steps of the example. (See Example 3)
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the steps of the example. (See Example 4)
FIG. 8A is a block diagram when the present invention is applied to an active matrix device. (B) A circuit example when the present invention is applied to a drive circuit of an image sensor is shown.
FIG. 9 shows a process of the example.
FIG. 10 shows a process of the example.
FIG. 11 shows a process of the example.
[Explanation of symbols]
Claims (9)
前記非単結晶半導体膜上に結晶化を促進する金属元素を有する領域を選択的に形成し、
前記結晶化を促進する金属元素によって金属珪化物を形成し、加熱処理を行うことにより、前記金属珪化物が前記非単結晶半導体膜中を前記基板の表面に平行な方向に移動することによって前記非単結晶半導体膜を結晶化させ、結晶性半導体膜を形成した後、
移動後の前記金属珪化物を除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。Forming a non-single-crystal semiconductor film containing silicon on the substrate;
Selectively forming a region having a metal element that promotes crystallization on the non-single-crystal semiconductor film;
By forming a metal silicide with a metal element that promotes crystallization and performing a heat treatment, the metal silicide moves in the non-single-crystal semiconductor film in a direction parallel to the surface of the substrate. After crystallizing the non-single crystal semiconductor film and forming the crystalline semiconductor film,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal silicide after the movement is removed.
前記非単結晶半導体膜上に結晶化を促進する金属元素を有する領域を選択的に形成し、
前記結晶化を促進する金属元素によって金属珪化物を形成し、加熱処理を行うことにより、前記金属珪化物が前記非単結晶半導体膜中を前記基板の表面に平行な方向に移動することによって前記非単結晶半導体膜を結晶化させ、結晶性半導体膜を形成した後、
移動後の前記金属珪化物、及び前記結晶化を促進する金属元素を有する領域の下の前記結晶性半導体膜を除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。Forming a non-single-crystal semiconductor film containing silicon on the substrate;
Selectively forming a region having a metal element that promotes crystallization on the non-single-crystal semiconductor film;
By forming a metal silicide with a metal element that promotes crystallization and performing a heat treatment, the metal silicide moves in the non-single-crystal semiconductor film in a direction parallel to the surface of the substrate. After crystallizing the non-single crystal semiconductor film and forming the crystalline semiconductor film,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: removing the metal silicide after movement and the crystalline semiconductor film under a region having a metal element that promotes crystallization.
前記非単結晶半導体膜上に結晶化を促進する金属元素を有する領域を選択的に形成し、
前記結晶化を促進する金属元素によって金属珪化物を形成し、加熱処理を行うことにより、前記金属珪化物が前記非単結晶半導体膜中を前記基板の表面に平行な方向に移動することによって前記非単結晶半導体膜を結晶化させ、結晶性半導体膜を形成した後、
移動後の前記金属珪化物、及び前記結晶化を促進する金属元素を有する領域の下の前記結晶性半導体膜を除去し、
前記結晶性半導体膜上にゲイト絶縁膜を形成し、
イオンドーピング法により前記結晶性半導体膜の選択された部分に不純物を導入することを特徴とする半導体装置の作製方法。Forming a non-single-crystal semiconductor film containing silicon on the substrate;
Selectively forming a region having a metal element that promotes crystallization on the non-single-crystal semiconductor film;
By forming a metal silicide with a metal element that promotes crystallization and performing a heat treatment, the metal silicide moves in the non-single-crystal semiconductor film in a direction parallel to the surface of the substrate. After crystallizing the non-single crystal semiconductor film and forming the crystalline semiconductor film,
Removing the crystalline semiconductor film under the metal silicide after movement and the region having a metal element that promotes crystallization;
Forming a gate insulating film on the crystalline semiconductor film;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein an impurity is introduced into a selected portion of the crystalline semiconductor film by an ion doping method.
前記結晶化を促進する金属元素を有する領域上及び前記基板上に、シリコンを含む非単結晶半導体膜を形成し、
前記結晶化を促進する金属元素によって金属珪化物を形成し、加熱処理を行うことにより、前記金属珪化物が前記非単結晶半導体膜中を前記基板の表面に平行な方向に移動することによって前記非単結晶半導体膜を結晶化させ結晶性半導体膜を形成した後、
移動後の前記金属珪化物を除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。Selectively forming a region having a metal element that promotes crystallization on the substrate;
Forming a non-single-crystal semiconductor film containing silicon on the region having the metal element that promotes crystallization and on the substrate;
By forming a metal silicide with a metal element that promotes crystallization and performing a heat treatment, the metal silicide moves in the non-single-crystal semiconductor film in a direction parallel to the surface of the substrate. After crystallizing the non-single crystal semiconductor film to form a crystalline semiconductor film,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal silicide after the movement is removed.
前記結晶化を促進する金属元素を有する領域上及び前記基板上に、シリコンを含む非単結晶半導体膜を形成し、
前記結晶化を促進する金属元素によって金属珪化物を形成し、加熱処理を行うことにより、前記金属珪化物が前記非単結晶半導体膜中を前記基板の表面に平行な方向に移動することによって前記非単結晶半導体膜を結晶化させ結晶性半導体膜を形成した後、
移動後の前記金属珪化物、及び前記結晶化を促進する金属元素を有する領域上の前記結晶性半導体膜を除去することを特徴とする半導体装置の作製方法。Selectively forming a region having a metal element that promotes crystallization on the substrate;
Forming a non-single-crystal semiconductor film containing silicon on the region having the metal element that promotes crystallization and on the substrate;
By forming a metal silicide with a metal element that promotes crystallization and performing a heat treatment, the metal silicide moves in the non-single-crystal semiconductor film in a direction parallel to the surface of the substrate. After crystallizing the non-single crystal semiconductor film to form a crystalline semiconductor film,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising removing the metal silicide after movement and the crystalline semiconductor film over a region having a metal element that promotes crystallization.
前記結晶化を促進する金属元素を有する領域上及び前記基板上に、シリコンを含む非単結晶半導体膜を形成し、
前記結晶化を促進する金属元素によって金属珪化物を形成し、加熱処理を行うことにより、前記金属珪化物が前記非単結晶半導体膜中を前記基板の表面に平行な方向に移動することによって前記非単結晶半導体膜を結晶化させ結晶性半導体膜を形成した後、
移動後の前記金属珪化物、及び前記結晶化を促進する金属元素を有する領域上の前記結晶性半導体膜を除去し、
前記結晶性半導体膜上にゲイト絶縁膜を形成し、
イオンドーピング法により前記結晶性半導体膜の選択された部分に不純物を導入することを特徴とする半導体装置の作製方法。Selectively forming a region having a metal element that promotes crystallization on the substrate;
Forming a non-single-crystal semiconductor film containing silicon on the region having the metal element that promotes crystallization and on the substrate;
By forming a metal silicide with a metal element that promotes crystallization and performing a heat treatment, the metal silicide moves in the non-single-crystal semiconductor film in a direction parallel to the surface of the substrate. After crystallizing the non-single crystal semiconductor film to form a crystalline semiconductor film,
Removing the metal silicide after movement, and the crystalline semiconductor film on the region having a metal element that promotes crystallization;
Forming a gate insulating film on the crystalline semiconductor film;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein an impurity is introduced into a selected portion of the crystalline semiconductor film by an ion doping method.
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