JP3910229B2 - Method for producing semiconductor thin film - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、ガラス基板等の絶縁表面を有する基板上に形成される結晶性を有する珪素半導体薄膜の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガラス基板上に形成された珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを構成する技術が注目されている。この薄膜トランジスタは、主にアクティブマトリクス型の液晶電気光学装置や、その他の薄膜集積回路に利用されている。液晶電気光学装置は一対のガラス基板間に液晶を封入して、液晶に電界を加えることによって、液晶の光学特性を変化させて、画像表示を行わせるものである。
【0003】
特に、薄膜トランジスタが用いられるアクティブマトリクス型の液晶表示装置は、各画素にスイッチとして薄膜トランジスタを配置して、画素電極に保持される電荷を制御することを特徴とする。アクティブマトリクス型の液晶表示装置は、微細な画像を高速で表示できるため、各種電子機器(例えば携帯型のワードプロセッサーや携帯型のコンピュータ)のディスプレーに利用されている。
【0004】
アクティブマトリクス型の液晶表示装置に利用される薄膜トランジスタとしては、非晶質珪素薄膜(アモルファスシリコン薄膜)を利用したものが一般的である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは、
(1)特性が低く、より高品質な画像表示を行うことができない。
(2)また、画素に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺回路を構成することができない。
といった問題がある。
【0006】
上記の問題点(2)は、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタではPチャネル型の薄膜トランジスタが実用にならないので、CMOS回路が構成できないという問題と、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは高速動作ができず、また大電流を流すことができないので、周辺駆動回路を構成することができないという問題とに分けて考えることができる。
【0007】
これらの問題を解決する方法としては、結晶性珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する技術を挙げることができる。結晶性珪素薄膜を得る方法としては、非晶質珪素膜に対して加熱処理を加える方法と、非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射する方法とを挙げることができる。
【0008】
加熱処理により非晶質珪素膜を結晶化させる方法は、一般的に以下のような問題がある。普通、液晶電気光学装置に利用される薄膜トランジスタを構成しようとするには、透光性を有する基板上に形成することが要求される。透光性を有する基板としては、石英基板やガラス基板を挙げることができる。しかし、石英基板は高価であり、コストの削減が大きな技術的課題である液晶電気光学装置に利用することはできない。従って、一般的にはガラス基板が利用されることになるが、ガラス基板はその耐熱温度が低いという問題がある。
【0009】
非晶質珪素膜を加熱により結晶化させるには、600℃以上の温度が必要とされることが実験的に判明しており、またその加熱時間も数十時間が必要なことが判明している。このような高温でしかも長時間の加熱は、大面積のガラス基板に対して到底行うことができない。
【0010】
また、レーザー光の照射によって、非晶質珪素膜を結晶化させる技術も知られている。しかし、大面積に渡ってレーザー光を一様に照射することや、一定の照射パワーを維持して照射することは現実問題として困難である。
【0011】
本明細書で開示する発明の目的は、上述の問題点を解消して、金属元素の触媒作用を利用して得られる結晶性珪素膜の特性を向上することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解消するために、本発明に係る半導体薄膜の作製方法は、
非晶質珪素膜中に金属元素を導入する工程と、
前記非晶質珪素膜を結晶化させて結晶性珪素膜を得る工程と、
前記結晶性珪素膜上に、保護膜を形成する工程と、
前記保護膜上に、不純物を含有する非晶質状態の珪素膜を形成する工程と、
前記不純物を含有する珪素膜中に前記金属元素を拡散させる工程と、
前記保護膜をエッチングストッパーにして、前記不純物を含有する珪素膜を除去する工程と、
を有することを特徴とする。
【0013】
上記構成において、結晶化される非晶質珪素膜は、ガラス基板または絶縁膜が形成されたガラス基板上にプラズマCVD法や減圧熱CVD法で形成された膜を挙げることができる。
【0014】
また、金属元素としては、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種、又は複数種類の元素を挙げることができる。これらの金属元素は珪素の結晶化を助長する触媒作用を有し、これら金属元素の中で特に効果があるのがニッケル(Ni)である。
【0015】
上記の金属元素の導入方法としては、非晶質珪素膜の表面にこれら金属の層、又は金属を含む層を形成する方法を挙げることができる。具体的には、CVD法やスパッタ法さらには蒸着法等によって、金属元素の層又は金属元素を含む層を形成する方法や、金属元素を含んだ溶液を非晶質珪素膜上に塗布する方法を挙げることができる。
【0016】
しかし、CVD法やスパッタ法さらには蒸着法等を用いた場合には、極薄い均一な膜を成膜することが困難であることから、金属元素が非晶質珪素膜上の不均一に存在することになってしまい、結晶成長の際に金属元素が偏在し易いという問題がある。他方、溶液を用いる方法は、金属元素の濃度を容易に制御することができ、かつ、金属元素を均一に非晶質珪素膜の表面に接して保持させることができるので、非常に好ましい。
【0017】
珪素の結晶化を助長する金属元素が導入された非晶質珪素膜を結晶化させるには、450℃以上の温度で加熱を行えばよい。この加熱温度の上限は基板として用いられるガラス基板の耐熱温度で制限される。ガラス基板の場合には、この耐熱温度はガラスの歪点と考えることができる。例えば、コーニング1737ガラス基板は歪点が667℃であるため、加熱温度を620℃程度とすることが、ガラス基板の耐熱性や生産性の観点から見て適当である。
【0018】
また基板として石英基板等の1000℃以上の温度にも耐えるような材料を用いた場合には、この加熱における加熱温度もその耐熱温度に従って高くすることができる。また、加熱温度が高い程、結晶性の優れた膜を得ることができる。
【0019】
上記の構成において、保護膜を形成する工程は、プラズマCVD等によって、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜を形成する工程を挙げられる。或いは、空気中で、UV光の照射や加熱等によって結晶性珪素膜の表面を酸化する工程が採用できる。
【0020】
この保護膜は、エッチングストッパーとして機能するもので、珪素膜に対してエッチングの際の選択性が得られる膜であればよい。また、保護膜の膜厚は数10Å〜100Å程度とすればよい。このような薄い膜とするのは、この保護膜を介して、結晶性珪素膜から金属元素が移動できるようにする必要があるからである。
【0021】
更に、上記の構成において、不純物を含有する非晶質状態の珪素膜は金属元素を拡散させるための膜として機能するものであり、一般的なCVD法で形成される非晶質珪素膜を挙げることができる。例えば加熱により結晶化された結晶性珪素膜の出発膜となった非晶質珪素膜と同じ成膜方法で得られる非晶質珪素膜を用いることができる。
【0022】
また、非晶質珪素膜に含有されている不純物は、酸素、炭素、窒素のから選ばれた少なくとも1種類以上の元素とする。例えば、非晶質珪素膜中において、不純物の濃度は、酸素であれば1×1019〜1×1021原子cm-3となるように、炭素又は窒素の濃度は1×1017〜1×1020原子cm-3とすれぱよい。
【0023】
この不純物を含有する珪素膜は非晶質という膜質(例えば、ダングリングボンドや欠陥等を多く有する)のため、それ自身にニッケルのような金属元素をゲッタリングする効果を有するが、本発明では、不純物を含有させることにより、非晶質珪素膜が金属元素をゲッタリングする要素をより多く有するようにする。このような要素として、不純物、Siと不純物との結合による欠陥や、珪素結合間の酸素等が挙げられる。
【0024】
前記不純物の濃度を、結晶性珪素膜中の金属元素の濃度よりも高くすることは、より多くの金属元素を珪素膜中に捕獲させるために効果的である。更に、非晶質の珪素膜はその膜厚を結晶性珪素膜の膜厚よりも厚くすることも効果的である。これは、珪素膜の膜厚が厚いほど、結晶性珪素膜に対する体積比を大きくすることができるためである。また、このように、非晶質状態の珪素膜中に酸素等の不純物を高濃度に含有させることは、加熱により珪素膜が結晶化する際に、欠陥を多く含ませることが可能で、その結果前記金属元素をこれらの欠陥の周辺にゲッタリングさせ得る。
【0025】
また、金属元素を拡散させるための膜として、上記のような不純物を含有する非晶質状態のSiX Ge1-X 膜(0<x<1)を使用することもできる。非晶質状態のSiX Ge1-X を得るには、例えば、原料ガスにシラン(SiH4 )とゲルマン(GeH4 )を使用して、プラズマCVD法により形成すればよい。
【0026】
上記の構成において、不純物を含有する珪素膜中に金属元素を拡散させる(吸い取らせる)工程は、加熱処理により行うことができる。加熱に伴って、不純物元素を含有する珪素膜中に金属元素が拡散される。こうすることで、事実上、珪素膜によって結晶性珪素膜中の金属元素の吸い出しを行うことができるため、金属元素の濃度が低く、かつ結晶性の良好な結晶性珪素膜を得ることができる。
【0027】
例えば、不純物を含有する珪素膜と結晶性珪素膜とがほぼ同一の膜厚であれば、結晶性珪素膜中の金属元素の濃度は加熱により、平均的には1/2以下とすることができる。
【0028】
なお、上記の加熱処理工程は、金属元素を結晶性珪素膜外部に拡散させることを目的とするため、加熱温度の下限は金属元素が拡散し得る温度で定義される。加熱温度が高いほど、結晶性珪素膜中の金属元素の濃度を減少する効果が高くなるため、可能な限り高温で加熱することが好ましい。従って、結晶性珪素膜が基板上に形成されることを考慮すると、加熱温度の上限は基板の歪点以下で定義される。
【0029】
なお、基板の歪点は加熱温度を設定する目安であり、加熱温度は基板の変形や、歪みが許容できる温度とする必要がある。例えば、RTPに代表されるように、短時間の高温熱処理であれば、基板の歪点以上の温度で加熱することもできる。更に、加熱処理の温度・時間は、処理対象となる膜のパターンや設計ルール等にも依存する。従って、上記の条件を満たした上で、550℃〜1050℃、数分〜10時間程度加熱処理を行えばよい。
【0030】
このように、加熱温度を可能な限り高くすると、結晶性珪素膜から拡散される金属元素の触媒作用のために、不純物を含有する珪素膜が結晶化してしまい、結晶性珪素膜に変成される場合もある。その場合も、前述の通り不純物を含有する珪素が結晶化しても、その内部に多数の欠陥が形成され、これらが選択的なゲッタリングシンクとして作用する。
【0031】
この結晶化過程は、金属元素が拡散するのに伴って進行するため、結晶性珪素膜表面から不純物を含有する珪素膜に向かって結晶成長が進行する。ニッケル等の金属元素は結晶成長の先端部に集中する傾向があるため、結晶成長が進行しても、結晶性珪素膜においてニッケル元素の濃度を減少することができると同時に、ニッケル元素が偏析している領域を消滅することができる。
【0032】
なお、本発明では、金属元素を拡散させるための珪素膜に不純物を含有させているために、加熱処理によって結晶性を呈するようになっても、保護膜を介して2つの珪素膜の膜質を異ならせることができる。
【0033】
保護膜上の珪素膜を除去するには、ウェットエッチング法、又はドライエッチング法を採用すればよい。この際に、保護膜がエッチングストッパーとして機能するために、金属元素を拡散させた保護膜上の珪素膜を容易に選択的にエッチングすることができる。
【0034】
即ち、本発明では、結晶性珪素膜上にエッチングストッパーとなる保護膜を形成することによって、金属元素を拡散させる工程において保護膜上の珪素膜が結晶化さているか、否かに拘らず、金属元素が高濃度に存在する保護上の珪素膜を確実に、かつ選択的に除去できるようにしている。
【0035】
従って、本発明では、金属元素を拡散させる工程における加熱温度は、不純物を含有する珪素膜が結晶化されるか、否かに拘らず、結晶性珪素膜におけるニッケル元素の濃度を所望の値に減少させることができる温度であればよい。
【0036】
更に、上記の構成において、金属元素を拡散させる加熱工程において、その雰囲気にハロゲン元素が含有されるようにすると、更に、ゲッタリングの効果が向上する。
【0037】
ハロゲン元素の導入方法として、HCl、HF、HBr、Cl2 、F2 、Br2 から選ばれた一種または複数種類のガスを用いることができる。一般にハロゲンの水素化物を用いることができる。
【0038】
ハロゲン元素を含有する雰囲気中で加熱することにより、ハロゲンとニッケルが反応して、気化しやすい金属元素のハロゲン化物を形成するため、結晶性珪素膜からニッケルを除去する作用がより促進される。また、結晶性珪素膜においても、金属元素のハロゲン化物が形成されることによって、金属元素を電気的に不活性な状態にすることができる。ハロゲン元素を導入することにより、加熱処理においてハロゲン元素を導入しない場合と比較して、金属元素の濃度を最大で1/10以下とすることができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
図1を用いて、本発明の実施の形態を具体例に説明する。
珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケルを用いて結晶性珪素膜105をガラス基板101上に形成する。結晶化の方法は加熱処理を利用する。なお、ガラス基板101の表面には、下地膜として酸化珪素膜102が形成されている。(図1(B))
【0040】
次に図1(C)に示すように、結晶性珪素膜105の表面を酸化して酸化珪素膜106を形成し、更に金属元素を拡散させる膜として、例えば酸素を含有する非晶質珪素膜107を成膜する。
【0041】
図1(D)に示すように、加熱処理する。温度は550〜1050℃程度の温度とし、その加熱時間は5分〜10時間程度とすればよい。これにより、非晶質珪素膜107中に徐々に結晶性珪素膜105中の金属元素が拡散して、また非晶質珪素膜107は結晶化される。結晶化された珪素膜108が不純物として酸素を含有しているため、内部に欠陥が多量に形成され、これらの欠陥がゲッタリングシンクとして作用する。
【0042】
そして、図1(E)に示すように、酸化珪素膜106、非晶質珪素膜107を順次に除去することにより、非晶質珪素膜107中の金属元素の濃度に比較して、結晶性珪素膜105中の金属元素の濃度を小さな結晶性珪素膜108を得ることができる。
【0043】
この、図1に示す結晶性半導体薄膜の作製工程はガラス基板の耐え得る温度で行うことができるので、例えば液晶電気光学装置のように、ガラス基板上に形成される薄膜トランジスタの作製工程に極めて有用なものとなる。
【0044】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例は、ガラス基板上に非晶質珪素膜を形成し、しかる後に珪素の結晶化を助長する金属膜を非晶質珪素膜に導入し、しかる後に加熱により非晶質珪素膜を結晶化させ、さらに結晶化した珪素膜(結晶性珪素膜)上に、非晶質珪素膜を形成し、再び加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜中に結晶性珪素膜中からニッケル元素を拡散させ(ニッケル元素を非晶質珪素膜に吸い出させる)、結果として結晶性珪素膜中におけるニッケル元素濃度を低下させる技術に関する。
【0045】
図1に本実施例に示す結晶性珪素膜の作製工程を示す。まず、 図1(A)に示すように、コーニング1737ガラス基板101(歪点667℃)上に、下地膜102を形成する。この下地膜102は、ガラス基板101から不純物や、アルカリイオンが後に形成される半導体薄膜中に拡散することを防ぐためのものである。
【0046】
従って、この機能を最大限に得るためには、下地膜102としては窒化珪素膜が最適であるが、窒化珪素膜は応力の関係で、ガラス基板101から剥離するおそれがあるため、実用的ではない。また、酸化珪素膜を下地膜102として用いることができるが、酸化珪素膜は不純物に対するバリア効果が不十分である。これらのことから、本実施例では、下地膜102として、酸化窒化珪素膜を成膜する。下地膜102として酸化窒化珪素膜を成膜するには、プラズマCVD法を採用すればよい。原料ガスとして、シラン、O2 ガス、N2 Oガスを使用する。或いは、TEOSガス、N2 Oガスを使用する。
【0047】
また、下地膜102の硬度を可能な限り高くすることは重要である。これは、最終的に得られた薄膜トランジスタの耐久試験によると、下地膜102が硬いほど、即ち、エッチングレートが小さいほど、信頼性が優れていることが判明しており、このことは下地膜102の硬度が、ガラス基板101からの不純物の侵入の防止に寄与することを示唆している。
【0048】
次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法によって、非晶質珪素膜103を600Åの厚さに成膜する。この非晶質珪素膜103は後に結晶化されるものである。なお、減圧熱CVD法を採用するのは、得られる結晶性珪素膜の膜質が優れているためである。他の成膜方法として、プラズマCVD法を採用することもできる。なお、成膜時には、非晶質珪素膜103中に不純物が混入しないようにすることが重要になる。
【0049】
また、非晶質珪素膜103の膜厚は2000Å以下とすることが好ましい。膜厚が2000Å以上となると、珪素膜中の金属元素を除去することが困難になるからである。さらに、非晶質珪素膜103の膜厚の下限は成膜法に依存し、いかに薄い膜を形成することができるかによる。従って、膜厚の下限は一般に、100Å程度、実用的には200Å程度である。
【0050】
非晶質珪素膜107を成膜した後に、所定のニッケル濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜103上に滴下して、水膜104を形成する。そしてスピナーを用いてスピンコートを行い、ニッケル元素が非晶質珪素膜103の表面に接して保持された状態とする。(図1(A))
【0051】
なお、後の加熱工程における不純物の残留を考慮すると、酢酸ニッケル塩溶液を用いる代わりに硝酸ニッケルを用いることが好ましい。これは、酢酸ニッケル塩溶液は炭素を含んでおり、これが後の加熱工程において炭化して膜中に残留することが懸念されるからである。
【0052】
次に、図1(B)に示すように、450℃〜650℃温度で加熱処理を行い、非晶質珪素膜103を結晶化させて、結晶性珪素膜105を得る。本実施例では、620℃、4時間加熱処理する。この結晶成長は、非晶質珪素膜103の表面から下地膜102に向かって基板に略垂直な方向に、かつ無秩序に進行する。このような結晶成長を縦成長と称することにする。
【0053】
加熱処理温度の下限は、その効果および再現性から見て450℃以上とすることが好ましい。またその上限は、使用するガラス基板の歪点以下とすることが好ましい。ここでは、歪点が667℃のコーニング1737ガラス基板を用いているので、多少の余裕をみてその上限は650℃とする。
【0054】
例えば、基板として石英基板を用いれば、さらに900℃程度まで加熱温度を高くすることが可能である。この場合、より高い結晶性を有する結晶性珪素膜を得ることができる。またより短時間で結晶性珪素膜を得ることができる。
【0055】
また、結晶性珪素膜105中におけるニッケル濃度は1×1016原子cm-3〜5×1019原子cm-3とする必要がある。このため、得られた結晶性珪素膜105中におけるニッケル濃度が可能な限り上記範囲となるように、図1(A)の工程において、ニッケル酢酸塩溶液中のニッケル濃度を調整する必要がある。なお、ニッケル濃度はSIMS(2次イオン分析方法)を用いて計測した値の最小値として定義される。
【0056】
結晶性珪素膜105が得られたら、図1(C)に示すように、その表面に酸化珪素膜106を形成する。酸化珪素膜106の厚さは数10Å〜100Å程度とすればよい。このような薄い膜とするのは、この酸化珪素膜106を介して、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が移動できるようにする必要があるからである。ここでは、空気中で、UV光の照射によって極薄い酸化珪素膜106を形成する。この酸化珪素膜106は自然酸化膜程度の極薄い膜であっても、後の非晶質珪素膜(107で示される)のエッチングに際してエッチングストッパーとしての効果があることが判明している。
【0057】
ここでは、UV酸化法を用いて酸化珪素膜106を形成したが、熱酸化法を用いて形成してもよい。また、酸化珪素膜106は、後のエッチング工程におけるエッチングストッパーとして機能するもので、結晶性珪素膜105に対してエッチングの際の選択性が得られる膜であればよい。例えば酸化珪素膜106の代わりに極薄い窒化珪素膜や、酸化窒化珪素膜を用いることもできる。
【0058】
次に、プラズマCVD法又は減圧熱CVD法により、不純物として酸素を含有する非晶質珪素膜107を600Åの厚さに形成する。非晶質珪素膜107は非晶質という膜質のために有する欠陥等の他に、不純物として酸素を含有することによって、酸素、SiOX で示されるような酸化物による欠陥や、珪素結合間の酸素等を有するため、ニッケルをゲッタリングし易い膜質となっている。
【0059】
非晶質珪素膜107を成膜した状態でSIMSにより、ニッケル元素の濃度分布を測定した結果を図7に示す。図7に示すように、ニッケル元素の濃度は結晶性珪素膜105においては、最大で5×1018原子cm-3程度であり、非晶質珪素膜107においては、測定限界(1×1017原子cm-3)以下であった。
【0060】
本実施例では非晶質珪素膜107中により多くのニッケル元素を捕獲させるために、上記の結晶性珪素膜105中のニッケル元素の濃度を考慮して、非晶質珪素膜107中の酸素の濃度が1×1019〜1×1021原子cm-3となるようにする。
【0061】
非晶質珪素膜107を成膜した後に、図1(D)に示すように加熱処理を施す。この結果、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が酸化膜106を経て、非晶質珪素膜107中に拡散するため、結晶性珪素膜105中のニッケル元素の濃度を低くすることができる。
【0062】
この工程は、ニッケルを結晶性珪素膜105外部に拡散させることを目的とするため、加熱温度の下限はニッケルが拡散し得る温度で定義される。また、加熱温度が高いほど、上記のようなゲッタリングの効果を得ることができるため、可能な限り高温で加熱することが好ましい。従って、加熱温度の上限は基板の歪み点以下で定義される。実際の工程では、上記の条件を満たした上で、550℃〜1050℃で加熱処理を行えばよい。ため、本実施例では、ガラス基板の耐熱性を考慮して、620℃の温度で、2時間加熱処理する。
【0063】
本実施例では、加熱温度をできるだけ高くするようにしたため、上記の条件下では、結晶性珪素膜105から拡散されるニッケル元素の触媒作用のために、非晶質珪素膜107が結晶化してしまい、結晶性珪素膜108に変成してしまうが、結晶性珪素膜107は1019〜1021原子cm-3のように、酸素を高濃度に含有するため、その内部には酸素元素によって多くの欠陥が形成され、この欠陥がゲッタリングシンクとして作用することになる。なお、非晶質珪素膜107が結晶化しない温度で加熱した場合には、上述したような、不対結合、酸素、SiOX で示されるような酸化物による欠陥を有し、これらの要素がゲッタリングシンクとして作用することになる。
【0064】
次に、ニッケル元素を高濃度に含有する結晶性珪素膜108を除去する。この工程には、ウェットエッチング又はドライエッチングを採用することができる。本実施例では、非晶質珪素膜107を結晶化して、結晶性珪素膜108変成させてしまうが、結晶性珪素膜108を選択的に除去できるように、予め結晶性珪素膜105上に、エッチングストッパーとして機能する酸化膜106を形成している。
【0065】
更に、結晶性珪素膜108に1019〜1021原子cm-3のように、酸素を高濃度に含有するため、酸化珪素膜106を介して、結晶性珪素膜105と結晶性珪素膜108との膜質は異なっている。
【0066】
結晶性珪素膜108を除去する際には、エッチング液、エッチングガスとして、珪素膜と酸化膜とのエッチング選択比が高いものを使用する。例えば、エッチャント液としてヒドラジン(N2 H6 )を用いることにより、結晶性珪素膜108のみを除去することができる。なお、エッチングガスとしてはClF3 ガスを使用することができる。
【0067】
次に、酸化珪素膜106をバッファーフッ酸やフッ硝酸によって取り除き、図1(E)に示すようなニッケル元素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜109を得る。なお、ニッケルを拡散させるための非晶質珪素膜107の膜厚を厚くするほど、最終的に得られる結晶性珪素膜109中のニッケル元素の濃度をより減少することができる。即ち、結晶性珪素膜109の体積に比較して、非晶質珪素膜107の体積を大きくすることによって、より多量のニッケルを非晶質珪素膜107或いは結晶性珪素膜108へと拡散させることができる。
【0068】
本実施例では、結晶性珪素膜105と非晶質珪素膜107の膜厚が略同一であったが、この結晶性珪素膜109中のニッケル元素の濃度分布をSIMSにより計測した結果によると、その濃度の最大値は3×1018原子cm-3であった。即ち、結晶化後には、図7に示すように結晶性珪素膜105内には最大で5×1018原子cm-3程度のニッケルが存在しているが、結晶性珪素膜108中にニッケル元素を拡散させることよって、結晶性珪素膜105中のニッケル元素の平均の濃度を1/2以下とすることができる。
【0069】
なお、非晶質珪素膜107中に不純物として酸素が含有されるようにしたが、酸素の代わりに、炭素、或いは窒素を含有させても、同様の効果を得ることができる。非晶質珪素膜107において、例えば、炭素又は窒素の濃度は1×1017〜1×1020原子cm-3とすれぱよい。また、1種類の元素のみでなく、酸素、炭素、窒素のなかの複数の元素を含有するようにしてもよい。
【0070】
また、本実施例では、図1(D)に示すニッケルを拡散させる工程において、非晶質珪素膜107を結晶化してしまう温度で加熱するようにしたが、非晶質珪素膜107が結晶化されるか、否かに拘らず、結晶性珪素膜105におけるニッケル元素の濃度を所望の値に減少できる温度であればよい。
【0071】
〔実施例2〕
本実施例は、珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケルの導入を選択的に行うことにより、基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を得ると同時に、この結晶性珪素膜中のニッケル濃度を低下させる技術に関する。
【0072】
図2(A)に示すように、ガラス基板(コーニング1737)201上に、下地膜202として酸化窒化珪素膜を3000Åの厚さにスパッタ法によって成膜する。次に非晶質珪素膜203を500Åの厚さにプラズマCVD法または減圧熱CVD法によって成膜する。次に酸素雰囲気中においてUV光を照射し、非晶質珪素膜203の表面に極薄い酸化膜(図示せず)を形成する。この酸化膜は後の溶液塗布工程で溶液の濡れ性を改善するためのものである。
【0073】
そして、酸化珪素膜を1500Åの厚さに形成し、更に、紙面に垂直な方向に長手方向を有するスリット状の開孔部205を有するマスク204を形成する。開口部205の幅は20μm以上とするのが適当である。またその長手方向の長さは任意に決めればよい。
【0074】
次に所定の濃度でニッケルを含有したニッケル酢酸塩溶液を滴下し、水膜206を形成する。次にスピナーを用いてスピンコートを行い、開孔部205において露出された非晶質珪素膜203上に、図示しない酸化膜を介してニッケル元素が接して保持された状態とする。
【0075】
次に、図2(B)に示すように、4時間の加熱処理を加えて、非晶質珪素膜203の結晶化を行う。非晶質珪素膜203において、開孔部205で露出された領域から、ニッケル元素が図示しない酸化膜を通して非晶質珪素膜203中に拡散していく。ニッケル元素の拡散に伴って、非晶質珪素膜203において、矢印207で示されるように基板に平行な方向に結晶成長が進行して、結晶性珪素膜208が形成される。
【0076】
この結晶成長は柱状あるいは針状に進行する。本実施例では、結晶化の起点となる領域は、開孔部205によってスリット状とされているため、矢印207で示されるように、結晶成長は略1方向に沿って基板に平行に進行する。この基板に平行な結晶成長をここでは横成長、或いはラテラル成長と称する。この横成長は数10μm〜100μm以上に渡って行わすことができる。
【0077】
なお、非晶質珪素膜203において、開孔部205によって露出されている領域では、結晶成長は上記したような縦成長となっている。従って、結晶性珪素膜208には、横成長領域、縦成長領域、及び結晶化が進行しなかった非晶質領域が存在する。
【0078】
ニッケル等の触媒元素は結晶成長の先端部に集中する傾向があるため、結晶性珪素膜208において、横成長の終端部、即ち、横成長領域と非晶質領域との界面、縦成長領域にはニッケル元素の濃度が高くなっている。従って、横成長領域におけるニッケル元素の濃度は縦成長領域よりも低くなっており、更に、実施例1の縦成長された結晶性珪素膜105と比較しても、ニッケル元素の濃度は低くなっている。
【0079】
結晶性珪素膜208が得られたら、酸化珪素膜からなるマスク204を取り除いた後に、図2(C)に示すように、結晶性珪素膜208の表面に、酸化珪素膜209を数10Å〜100Å程度の厚さに、熱酸化法によって成膜する。或いは、UV酸化法によって酸化珪素膜209を形成してもよい。また、酸化珪素膜209は後のエッチング工程におけるエッチングストッパーとして機能するもので、珪素膜に対してエッチングの際の選択性が得られる膜であればよい。例えば酸化珪素膜209の代わりに極薄い窒化珪素膜や、酸化窒化珪素膜を用いることもできる。
【0080】
次に、プラズマCVD法又は減圧熱CVD法により、不純物として酸素を含有する非晶質珪素膜210を600Åの厚さに形成する。
【0081】
非晶質珪素膜210を成膜した後に、図2(D)に示すように加熱処理を施す。この工程はニッケル元素を結晶性珪素膜208外部に拡散させることを目的とするため、加熱温度の下限はニッケルが拡散し得る温度で定義される。他方、加熱温度の上限はかつ基板の歪み点以下で定義され、実際の工程では、上記の条件を満たした上で、550℃〜1050℃で加熱処理を行えばよい。加熱温度が高いほど、上記のようなゲッタリングが高くなるので、本実施例では、実施例1と同様に、ガラス基板の耐熱性を考慮して、620℃の温度で、2時間加熱処理する。
【0082】
加熱処理により、本実施例では、620℃で加熱したため、ニッケル元素が非晶質珪素膜210中に拡散するに伴って、非晶質珪素膜210は結晶化されて、結晶性珪素膜211に変成されるが、結晶性珪素膜211には1019〜1021原子cm-3のように酸素が高濃度に存在し、この酸素によって多数の欠陥が形成される。従って、これらの欠陥がケッタリングシンクとして作用するため、ニッケル元素が酸化珪素膜209を経て、非晶質珪素膜210中に拡散して、結晶性珪素膜208中のニッケル元素の濃度を低くすることができる。
【0083】
次に、ニッケル元素を高濃度に含有する結晶性珪素膜211を除去する。この工程には、ウェットエッチング又はドライエッチングを採用する。この際に、結晶性珪素膜208表面の酸化珪素膜209がエッチングストッパーとして機能するように、エッチングガスとして、珪素膜と酸化膜とのエッチング選択比が高いものを使用する。例えば、エッチャント液としてヒドラジン(N2 H6 )を用いることにより、結晶性珪素膜211のみを除去することができる。なお、エッチングガスとしてはClF3 ガスを使用することもできる。
【0084】
次に、結晶性珪素膜211を除去した後に、酸化珪素膜209をバッファーフッ酸やフッ硝酸によって取り除き、ニッケル元素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜を得る。この結晶性珪素膜を成形して、島状領域212を形成する。この島状領域212は横成長領域のみで構成されるようにし、ニッケルが高濃度に存在する横成長の終端部、縦成長領域や、電気的な特性の異なる非晶質領域が含まれないようにする。
【0085】
横成長領域は結晶化において、ニッケル元素の濃度が他の領域よりも相対的に低くなっているが、本実施例ではまた図2(D)に示すゲッタリング工程によって更にその濃度を低下するため、横成長領域のみからなる島状領域212のニッケル濃度は1017原子cm-3程度のオーダーにすることが可能になる。また、このような島状領域212を使用した薄膜トランジスタは、実施例1の縦成長された結晶性珪素膜109を使用した薄膜トランジスタと比較して、移動度がより高くなる。
【0086】
なお、図2(C)に示す工程において、非晶質珪素膜210中に不純物として酸素が含有されるようにしたが、酸素の代わりに、炭素、或いは窒素を含有させても、同様の効果を得ることができる。非晶質珪素膜210において、例えば、炭素又は窒素の濃度は1×1017〜1×1020原子cm-3とすれぱよい。また、1種類の元素のみでなく、酸素、炭素、窒素のなかの複数の元素を含有するようにしてもよい。
【0087】
また、本実施例では、図2(D)に示すニッケルを拡散させる工程において、非晶質珪素膜210を結晶化してしまう温度で加熱するようにしたが、非晶質珪素膜210が結晶化されるか、否かに拘らず、結晶性珪素膜208におけるニッケル元素の濃度を所望の値に減少させることができる温度であればよい。
【0088】
〔実施例3〕
本実施例は、実施例1や実施例2で示す作製方法によって得られた結晶性珪素膜を用いて、薄膜トランジスタを作製する例を示す。図3に本実施例に示す薄膜トランジスタの作製工程を示す。先ず、下地膜302が形成されたガラス基板301上に、実施例1または実施例2に示した方法を用いて、結晶性珪素膜303を形成する。(図3(A))
【0089】
次に得られた結晶性珪素膜303をパターニングして、304で示されるような薄膜トランジスタの活性層を形成する。実施例2においては島状領域212がこの活性層304に対応する。
【0090】
次に、そしてプラズマCVD法または減圧熱CVD法で、ゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜305を1000Åの厚さに形成する。(図3(B))
【0091】
次に、スカンジウムを含有したアルミニウム膜を6000Åの厚さに成膜して、パターニングを施すことにより、306で示すゲイト電極を形成する。そして電解溶液中において、ゲイト電極306を陽極とした陽極酸化を行うことによって、酸化物層307を形成する。この酸化物層307の厚さは2000Åとする。この酸化物層307の厚さで、後の工程においてオフセットゲイト領域を形成することができる。
【0092】
さらに活性層304に対して不純物イオンの注入を行う。ここでは、不純物イオンとしてリンイオンを注入する。この工程で、308と311で示される領域にリンイオンが注入される。この308と311で示される領域がソース/ドレイン領域となる。また309の領域はオフセットゲイト領域となる。また310の領域はチャネル形成領域となる。
【0093】
不純物イオンの注入終了後、レーザー光を照射して、注入されたイオンの活性化とイオンの注入時において損傷を受けたソース/ドレイン領域308、311のアニールとを行う。(図3(C))
【0094】
次に層間絶縁膜として酸化珪素膜312を形成し、さらにコンタクトホールの形成を行い、ソース電極313とドレイン電極314の形成をアルミニウムを用いて行う。さらに最後に350℃の水素雰囲気中において加熱処理を行って、薄膜トランジスタを完成させる。(図3(D))
〔実施例4〕
本実施例は、図1に示す実施例1の結晶性珪素膜の作製工程の後に、再び加熱処理を行うことを特徴とする。即ち、縦成長された結晶性珪素膜の特性を改善することを特徴とする。
【0095】
図1(C)に示す工程において加熱処理を施すと、徐々に結晶性珪素膜105中のニッケル(金属元素)が非晶質珪素膜107に吸い出されていく。この際、結晶性珪素膜105の表面付近のニッケル濃度が、結晶性珪素膜105の下層の酸化珪素膜102の界面付近のニッケル濃度と比較して高くなってしまう。これは、結晶性珪素膜105中のニッケルが非晶質珪素膜107の吸い出されていってしまう結果、結晶性珪素膜105の表面側にニッケル元素が偏析してしまっていることを意味している。
【0096】
このため、図1(D)に示すようなガラス基板101上に形成された結晶性珪素膜109を用いて薄膜トランジスタを作製した場合には、この結晶性珪素膜109の表面をキャリアが伝導することになる。キャリアが伝導する領域にニッケルが高濃度に存在していることは好ましくない。
【0097】
そこで、本実施例においては、図1(D)に示す状態を得た後、加熱処理を行い、ニッケルを結晶性珪素膜109中に再び拡散させる。ここで行う加熱処理はニッケルを拡散させることができればよいので、400℃以上の温度であればよい。またその上限は、ガラス基板101の耐熱性によって制限される。従って、ここで行う加熱の温度は、400℃以上であって、ガラス基板の歪点以下の温度であればよい。
【0098】
以下に本実施例の詳細を図4を用いて説明する。
図1に示すような作製工程を経て、図1(D)に示す状態を得る。この状態を図4(A)に示す。図4(A)には、ニッケルが偏析し、ニッケルが高濃度に含まれている層402(表面側)と、ニッケル濃度が402で示される層側よりも低濃度に含まれている層401が示されている。この層401と402とで、下地膜102を介してガラス基板101上に形成された結晶性珪素膜109(図1(D)参照)が構成されている。
【0099】
この図4(A)に示す状態で図4(B)に示すように加熱処理を施す。ここでは、500℃、2時間の加熱処理を施す。この結果、402で示される領域のニッケル元素は、より低濃度でニッケルが存在する401で示される領域に拡散する。こうして、この領域402はニッケルの偏析の無い状態とすることができる。そして、その表面におけるニッケル濃度を低くすることができた結晶性珪素膜403を得ることができる。(図4(C))
【0100】
〔実施例5〕
本実施例は、実施例4に示す構成において、結晶化工程において、加熱処理の代わりにレーザー光の照射を行った場合の例である。本実施例の工程を図5に示す。
【0101】
まず図1に示す工程を経て、402で示されるその表面にニッケル元素が高濃度に存在した結晶性珪素膜から成る層と、ニッケル元素が低濃度に存在する結晶性珪素膜から成る層401とを得る。(図5(A))
【0102】
次にレーザー光を照射することにより、ニッケル元素を層402から層401に拡散させる。(図5(B))
【0103】
これにより、膜中に均一にニッケルが拡散した状態を有する結晶性珪素膜500を得る。(図5(C))
【0104】
〔実施例6〕
本実施例は、ニッケル元素を拡散させる(ニッケル元素を吸い出させる)膜に、非晶質状態のSiX Ge1-X 膜(0<x<1)を使用するようにしたものである。図1に従って、本実施例に示す結晶性珪素膜の作製工程を説明する。
【0105】
図1(A)に示すように、コーニング1737ガラス基板101(歪点667℃)上に下地膜102として酸化窒化珪素膜を3000Åの厚さに成膜する。次に、プラズマCVD法または減圧熱CVD法によって、非晶質珪素膜103を600Åの厚さに成膜する。そして、所定のニッケル濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜103上に滴下して、スピナー100を用いてスピンコートを行い、水膜104を形成する。これにより、ニッケル元素が非晶質珪素膜103の表面に接して保持された状態となる。
【0106】
次に、図1(B)に示すように、加熱処理して、非晶質珪素膜103を結晶化させて、結晶性珪素膜105を形成する。ここでは、620℃、4時間加熱処理する。
【0107】
図1(C)に示すように、結晶性珪素膜105が得られたら、その表面に酸化珪素膜106を形成する。酸化珪素膜106の厚さは数10Å〜100Å程度とすればよい。このような薄い膜とするのは、この酸化珪素膜106を介して、結晶性珪素膜105中のニッケル元素が移動できるようにする必要があるからである。ここでは、空気中で、UV光の照射によって極薄い酸化珪素膜106を形成する。この酸化珪素膜106は自然酸化膜程度の極薄い膜であっても、後の非晶質珪素膜(107で示される)のエッチングに際してエッチングストッパーとしての効果があることが判明している。
【0108】
酸化珪素膜106の形成方法は、UV酸化法又は熱酸化法を採用することもできる。また、酸化珪素膜106は、後のエッチング工程におけるエッチングストッパーとして機能するもので、結晶性珪素膜105に対してエッチングの際の選択性が得られる膜であればよい。例えば酸化珪素膜106の代わりに極薄い窒化珪素膜や、酸化窒化珪素膜を用いることもできる。
【0109】
次に、プラズマCVD法により非晶質状態のSiX Ge1-X 膜107を600Åの厚さに形成する。なお、非晶質状態のSiX Ge1-X 膜107において、酸素の濃度が、例えば1×1019〜1×1021原子cm-3となるようにする。SiX Ge1-X 膜107は非晶質という膜質のために有する欠陥等の他に、不純物として酸素を含有することによって、酸素、SiOX で示されるような酸化物による欠陥や、珪素結合間の酸素等を有するため、ニッケルをゲッタリングし易い膜質となっている。
【0110】
次に、図1(D)に示すように、加熱処理を施すことにより、非晶質状態のSiX Ge1-X 膜107中に、結晶性珪素膜105中のニッケル元素を酸化珪素膜106を介して拡散させる。
【0111】
この加熱温度の下限はニッケルが拡散しうる温度で定義され、上限は基板の歪み点で定義される。例えば、加熱処理は600〜1050℃の温度で行えばよい。本実施例ではガラス基板101として歪点667℃のコーニング1737を使用しているため加熱温度を620℃とし、加熱時間を4時間とする。加熱処理により、結晶性珪素膜105中のニッケル元素がSiX Ge1-X 膜107中に拡散し、結晶性珪素膜105中のニッケル元素の濃度を低くすることができる。
【0112】
また、この工程では、SiX Ge1-X 膜107が結晶化してしまう温度で加熱しているため、SiX Ge1-X 膜107は結晶性SiX Ge1-X 膜108に変成されている。しかしながら、結晶性SiX Ge1-X 膜108には高い濃度で酸素を含有しているため、この酸素によってその内部に多数の欠陥が形成されることになる。従って、これらの欠陥がゲッタリングシンクとして機能するため、結晶性珪素膜105におけるニッケル元素の濃度を低下させることができる。
【0113】
そして、図1(E)に示すように、SiX Ge1-X 膜108、酸化珪素膜109を順次にエッチングによって、除去する。SiX Ge1-X 膜108をエッチングするには、SiX Ge1-X 膜108と酸化珪素膜106とのエッチング選択比の高いエッチング溶液、エッチングガスを使用する。これにより、ニッケルを吸い出したSiX Ge1-X 膜108のみを選択的に取り除くことができる。
【0114】
上記のエッチング工程を経て、図1(E)に示すようなニッケル元素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜109を得る。例えば、結晶性珪素膜105とSiX Ge1-X 膜107の膜厚が同程度であれば、本実施例のゲッタリング工程を経ることにより、結晶性珪素膜109中のニッケル濃度を平均的には1/2以下にすることができる。
【0115】
〔実施例7〕
本実施例では、金属元素を結晶性珪素膜外部に拡散させる際に、ハロゲン雰囲気中で加熱処理するようにしたものである。本実施例を図6に従って説明する。
【0116】
図6(A)に示すように、コーニング1737ガラス基板601(歪点667℃)上に、下地膜602を形成する。この下地膜602は、ガラス基板601から不純物や、アルカリイオンが後に形成される半導体薄膜中に拡散することを防ぐためのものである。
【0117】
本実施例では、下地膜602として、酸化窒化珪素膜を成膜する。下地膜602として酸化窒化珪素膜を成膜するには、プラズマCVD法を採用すればよい。原料ガスとして、シラン、O2 ガス、N2 Oガスを使用する。或いは、TEOSガス、N2 Oガスを使用する。
【0118】
次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法によって、非晶質珪素膜603を600Åの厚さに成膜する。この非晶質珪素膜603は後に結晶化されるものである。なお、減圧熱CVD法を採用するのは、得られる結晶性珪素膜の膜質が優れているためである。他の成膜方法として、プラズマCVD法を採用することもできる。なお、成膜時には、非晶質珪素膜603中に不純物が混入しないようにすることが重要になる。
【0119】
そして、所定のニッケル濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜603上に滴下して、水膜604を形成する。そしてスピナー等を用いてスピンコートを行い、ニッケル元素が非晶質珪素膜603の表面に接して保持された状態とする。
【0120】
次に、図6(B)に示すように、還元雰囲気中で450℃〜650℃温度で加熱処理を行い、非晶質珪素膜603を結晶化させて、結晶性珪素膜605を得る。本実施例では、620℃、4時間加熱処理する。
【0121】
図6(C)に示すように、結晶性珪素膜605が得られたら、熱酸化法によって酸化珪素膜606を10Å〜100Åの厚さに形成し、次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法により、不純物として酸素を含有する非晶質珪素膜607を600Åの厚さに形成する。非晶質珪素膜607中の酸素の濃度は1×1019〜1×1021原子cm-3となるようにする。このため、非晶質珪素膜607にはニッケルをゲッタリングする要素として、非晶質という膜質のために有する欠陥等の他に、不純物として酸素を含有するために、酸素、SiOX で示されるような酸化物による欠陥や、珪素結合間の酸素等を有する。
【0122】
次に、結晶化のために初期の段階で意図的に混入させたニッケル元素を結晶性珪素膜605中から除去するために、ハロゲン元素を含んだ雰囲気中で加熱処理を行う。本実施例では酸素にHClを0.5%〜10%(体積%)、例えば5%含有させた雰囲気中で加熱処理を行う。
【0123】
また、この加熱処理工程は、ニッケルを結晶性珪素膜105外部に拡散させることを目的とするため、加熱温度の下限はニッケルが拡散し得る温度で定義される。また、加熱温度が高いほど、上記のようなゲッタリングの効果を得ることができるため、可能な限り高温で加熱することが好ましい。従って、加熱温度の上限は基板の歪み点以下で定義される。実際の工程では、上記の条件を満たした上で、550℃〜1050℃で加熱処理を行えばよい。本実施例では、ガラス基板の耐熱性を考慮して、620℃の温度で、2時間加熱処理する。
【0124】
加熱により、結晶性珪素膜605中から非晶質珪素膜607中にニッケルが拡散して、結晶珪素膜605からニッケルが除去される。また、上記の条件下では、結晶性珪素膜605から拡散されるニッケル元素の触媒作用のために、非晶質珪素膜607が結晶化してしまうが、不純物として酸素を含有してるため、欠陥を多数有する結晶性珪素膜608に変成されている。この欠陥がゲッタリングシンクとして作用して、結晶性珪素膜605からニッケル元素を除去することができる。
【0125】
更に、本実施例では、塩素(ハロゲン)含有する酸素雰囲気中で加熱処理をするため、塩素とニッケルが反応して、気化しやすい不純物金属(ニッケル)の塩化物を形成するので、結晶性珪素膜605からニッケルが除去する作用がより促進される。このため、実施例1のように、加熱処理において塩素を供給しない場合と比較して、ニッケル元素の濃度を最大で初期の1/10以下とすることができる。この効果は、他の金属元素を用いた場合でも同様に得られる。
【0126】
また、ニッケルを拡散させるための非晶質珪素膜607の膜厚を厚くするほど、結晶性珪素膜605中のニッケル元素の濃度をより減少することができる。即ち、結晶性珪素膜605の体積に比較して、非晶質珪素膜607の体積を大きくすることによって、より多量のニッケルが非晶質珪素膜607に拡散させることができるためである。
【0127】
本実施例では、ハロゲン元素としてClを選択し、またその導入方法としてHClを用いる例を示した。HCl以外のガスとしては、HF、HBr、Cl2 、F2 、Br2 から選ばれた一種または複数種類のものを用いることができる。また一般にハロゲンの水素化物を用いることができる。
【0128】
これらのガスは、雰囲気中での含有量(体積含有量)をHFであれば0.25〜5%、HBrであれば1〜15%、Cl2 であれば0.25〜5%、F2 であれば0.125〜2.5%、Br2 であれば0.5〜10%とすることが好ましい。上記の範囲以下の濃度とすると、有意な効果が得られるなくなる。また、上記の範囲以上の濃度とすると、ハロゲンのエッチング効果を顕著になってしまうためである。。
【0129】
次に、ニッケル元素を高濃度に含有する結晶性珪素膜608を除去する。この工程には、ウェットエッチング又はドライエッチングを採用することができる。本実施例では、結晶性珪素膜605上に結晶性珪素膜608を形成してしまうので、結晶性珪素膜608を選択的に除去できるように、予め結晶性珪素膜605上に、エッチングストッパーとして機能する酸化珪素膜606を形成している。
【0130】
従って、結晶性珪素膜608を除去する際には、エッチング液、エッチングガスとして、珪素膜と酸化膜とのエッチング選択比が高いものを使用ればよい。例えば、エッチャント液としてヒドラジン(N2 H6 )を用いることができ、ヒドラジンにより、結晶性珪素膜608のみを除去することができる。なお、エッチングガスとしてはClF3 ガスを使用することができる。
【0131】
次に、酸化珪素膜606をバッファーフッ酸やフッ硝酸によって取り除き、図6(E)に示すようなニッケル元素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜609を得る。
【0132】
なお、図6(D)に示す加熱処理をHClを含有させた酸素雰囲気中で行っているため、結晶性珪素膜608表面に熱酸化膜が形成される場合もあるため、この場合には、結晶性珪素膜608のエッチングの前に、バッファードフッ酸等によるウエットエッチングや、ドライエッチングにより、先ず結晶性珪素膜608表面の酸化膜を除去する。
【0133】
〔実施例8〕
実施例7では、結晶化のために意図的に混入させたニッケル元素を結晶性珪素膜から除去するために、ハロゲン元素を含んだ雰囲気中で加熱処理を行うに際して、雰囲気を酸素にHClを1〜10%、例えば5%含有させた雰囲気としたが、本実施例では、窒素にHClを1〜10%含有させた雰囲気とする。
【0134】
また、他の条件は実施例7と同様にすればよい。この結果、実施例1のように、加熱処理において塩素を供給しない場合と比較して、ニッケル元素の濃度を最大で初期の1/10以下とすることができる。この効果は、他の金属元素を用いた場合でも同様に得られる。
【0135】
本実施例では、ハロゲン元素としてClを選択し、またその導入方法としてHClを用いる例を示した。HCl以外のガスとしては、HF、HBr、Cl2 、F2 、Br2 から選ばれた一種または複数種類のものを用いることができる。また一般にハロゲンの水素化物を用いることもできる。
【0136】
〔実施例9〕
本実施例は、実施例7に示す結晶性珪素膜の作製方法において、基板として、石英基板を使用する。石英基板は1000程度の加熱温度に耐えうるため、本実施例では、図6(B)に示す、結晶化のための加熱処理において、950℃で4時間加熱する。これによって、実施例7の結晶性珪素膜605よりも結晶性に優れた結晶性珪素膜を得ることかできる。
【0137】
また、図6(D)に示すゲッタリングのための加熱処理において、酸素にHClを5%含有させた雰囲気中で950℃、2時間加熱する。他の工程は実施例7と同じ条件で行う。
【0138】
SIMSによる測定では結晶性珪素膜605におけるニッケル元素の濃度は、ゲッタリング工程を実施する前はそのオーダが1018原子cm-3程度であったが、本実施例ではハロゲン雰囲気中で、且つ高い温度で加熱してゲッタリングを実施したため、その濃度をSIMSの測定限界(1×1017原子cm-3)以下とすることができる。
【0139】
【発明の効果】
金属元素の作用によって、低温で結晶性珪素膜作製することができる。従って、ガラス基板上に結晶性珪素膜を形成することができる。
【0140】
また、金属元素の作用によって結晶化した珪素膜中の金属元素を不純物を含有する珪素膜中に拡散させることによって、結晶性珪素膜における金属元素の濃度を低くくすることができる。また、結晶性珪素膜上にエッチングストッパーとして機能する保護膜を形成するようにしたため、金属元素が拡散された珪素膜が結晶化されているか否かに拘らず、この珪素膜のみを選択的に除去することができる。このため、金属元素の濃度の低い結晶性珪素膜を得ることができる。
【0141】
本発明により得られる結晶性珪素膜を用いて、金属元素の悪影響のないデバイス、例えば薄膜トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例の結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図2】 実施例の結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図3】 実施例の薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図4】 実施例の結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図5】 実施例の結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図6】 実施例の結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図7】 実施例のニッケルの濃度分布を示す図。
【符号の説明】
101・・・・・・・・・ガラス基板
102・・・・・・・・・下地膜(酸化珪素膜)
103・・・・・・・・・非晶質珪素膜
104・・・・・・・・・水膜
105・・・・・・・・・結晶性珪素膜
106・・・・・・・・・酸化珪素膜
107・・・・・・・・・金属元素を拡散させる膜
108・・・・・・・・・結晶性珪素膜[0001]
[Industrial application fields]
The invention disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a crystalline silicon semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface such as a glass substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a technique for forming a thin film transistor using a silicon thin film formed on a glass substrate has attracted attention. This thin film transistor is mainly used in an active matrix type liquid crystal electro-optical device and other thin film integrated circuits. In the liquid crystal electro-optical device, liquid crystal is sealed between a pair of glass substrates, and an electric field is applied to the liquid crystal to change the optical characteristics of the liquid crystal and display an image.
[0003]
In particular, an active matrix liquid crystal display device using a thin film transistor is characterized in that a thin film transistor is provided as a switch in each pixel to control charges held in the pixel electrode. An active matrix liquid crystal display device can display a minute image at high speed, and is therefore used for a display of various electronic devices (for example, a portable word processor or a portable computer).
[0004]
As a thin film transistor used for an active matrix type liquid crystal display device, a thin film transistor using an amorphous silicon thin film (amorphous silicon thin film) is generally used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a thin film transistor using an amorphous silicon thin film,
(1) The characteristics are low, and higher quality image display cannot be performed.
(2) In addition, a peripheral circuit for driving the thin film transistor disposed in the pixel cannot be configured.
There is a problem.
[0006]
The above problem (2) is that a thin film transistor using an amorphous silicon thin film cannot be used in a P-channel type thin film transistor, so that a CMOS circuit cannot be constructed. This can be divided into the problem that the peripheral drive circuit cannot be configured because the operation cannot be performed and a large current cannot flow.
[0007]
As a method for solving these problems, a technique of forming a thin film transistor using a crystalline silicon thin film can be mentioned. Examples of a method for obtaining a crystalline silicon thin film include a method in which heat treatment is performed on an amorphous silicon film and a method in which laser light is irradiated on an amorphous silicon film.
[0008]
The method for crystallizing an amorphous silicon film by heat treatment generally has the following problems. Usually, in order to construct a thin film transistor used for a liquid crystal electro-optical device, it is required to form it on a light-transmitting substrate. Examples of the light-transmitting substrate include a quartz substrate and a glass substrate. However, the quartz substrate is expensive and cannot be used for a liquid crystal electro-optical device in which cost reduction is a major technical problem. Therefore, a glass substrate is generally used, but the glass substrate has a problem that its heat-resistant temperature is low.
[0009]
It has been experimentally found that a temperature of 600 ° C. or higher is required to crystallize the amorphous silicon film by heating, and it has been found that the heating time also requires several tens of hours. Yes. Such high-temperature and long-time heating cannot be performed on a large-area glass substrate.
[0010]
A technique for crystallizing an amorphous silicon film by laser light irradiation is also known. However, it is difficult as a real problem to irradiate laser light uniformly over a large area or to irradiate with maintaining a constant irradiation power.
[0011]
An object of the invention disclosed in this specification is to solve the above-described problems and improve the characteristics of a crystalline silicon film obtained by utilizing the catalytic action of a metal element.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to eliminate the above-described problems, a method for producing a semiconductor thin film according to the present invention includes:
Introducing a metal element into the amorphous silicon film;
Crystallization of the amorphous silicon film to obtain a crystalline silicon film;
Forming a protective film on the crystalline silicon film;
Forming an amorphous silicon film containing impurities on the protective film;
Diffusing the metal element in the silicon film containing the impurities;
Using the protective film as an etching stopper and removing the silicon film containing the impurities;
It is characterized by having.
[0013]
In the above structure, the amorphous silicon film to be crystallized includes a film formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method on a glass substrate or a glass substrate on which an insulating film is formed.
[0014]
In addition, examples of the metal element include one or more elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au. These metal elements have a catalytic action to promote crystallization of silicon, and nickel (Ni) is particularly effective among these metal elements.
[0015]
Examples of the method for introducing the metal element include a method of forming a layer of these metals or a layer containing a metal on the surface of the amorphous silicon film. Specifically, a method of forming a metal element layer or a layer containing a metal element by a CVD method, a sputtering method, or an evaporation method, or a method of applying a solution containing a metal element on an amorphous silicon film Can be mentioned.
[0016]
However, when CVD, sputtering, or vapor deposition is used, it is difficult to form a very thin uniform film, so the metal element is unevenly present on the amorphous silicon film. As a result, there is a problem that metal elements tend to be unevenly distributed during crystal growth. On the other hand, a method using a solution is very preferable because the concentration of the metal element can be easily controlled and the metal element can be uniformly held in contact with the surface of the amorphous silicon film.
[0017]
In order to crystallize an amorphous silicon film into which a metal element for promoting crystallization of silicon is introduced, heating may be performed at a temperature of 450 ° C. or higher. The upper limit of this heating temperature is limited by the heat resistant temperature of the glass substrate used as the substrate. In the case of a glass substrate, this heat-resistant temperature can be considered as a strain point of glass. For example, since the Corning 1737 glass substrate has a strain point of 667 ° C., a heating temperature of about 620 ° C. is appropriate from the viewpoint of the heat resistance and productivity of the glass substrate.
[0018]
When a material that can withstand a temperature of 1000 ° C. or higher, such as a quartz substrate, is used as the substrate, the heating temperature in this heating can be increased according to the heat resistant temperature. In addition, the higher the heating temperature, the more excellent the crystallinity can be obtained.
[0019]
In the above structure, the step of forming the protective film includes a step of forming a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film by plasma CVD or the like. Alternatively, a process of oxidizing the surface of the crystalline silicon film in the air by UV light irradiation or heating can be employed.
[0020]
This protective film functions as an etching stopper, and may be a film that can obtain selectivity in etching with respect to the silicon film. Further, the thickness of the protective film may be several tens to 100 inches. The reason why such a thin film is used is that it is necessary to allow the metal element to move from the crystalline silicon film through the protective film.
[0021]
Further, in the above structure, the amorphous silicon film containing impurities functions as a film for diffusing the metal element, and examples thereof include an amorphous silicon film formed by a general CVD method. be able to. For example, an amorphous silicon film obtained by the same film formation method as an amorphous silicon film that is a starting film of a crystalline silicon film crystallized by heating can be used.
[0022]
The impurity contained in the amorphous silicon film is at least one element selected from oxygen, carbon, and nitrogen. For example, in the amorphous silicon film, if the impurity concentration is oxygen, 1 × 10 19 ~ 1x10 twenty one Atom cm -3 The concentration of carbon or nitrogen is 1 × 10 17 ~ 1x10 20 Atom cm -3 It ’s good.
[0023]
This silicon film containing impurities has an effect of gettering a metal element such as nickel because of its amorphous film quality (for example, having many dangling bonds and defects). By adding impurities, the amorphous silicon film has more elements for gettering the metal element. Examples of such elements include impurities, defects due to bonding between Si and impurities, oxygen between silicon bonds, and the like.
[0024]
Making the concentration of the impurity higher than the concentration of the metal element in the crystalline silicon film is effective for trapping more metal elements in the silicon film. Furthermore, it is also effective to make the amorphous silicon film thicker than the crystalline silicon film. This is because the volume ratio with respect to the crystalline silicon film can be increased as the thickness of the silicon film increases. In addition, when an impurity such as oxygen is contained in the amorphous silicon film at a high concentration in this way, it is possible to include many defects when the silicon film is crystallized by heating. As a result, the metal element can be gettered around these defects.
[0025]
Further, as a film for diffusing a metal element, amorphous Si containing impurities as described above X Ge 1-X A membrane (0 <x <1) can also be used. Amorphous Si X Ge 1-X For example, silane (SiH Four ) And germane (GeH) Four ) And the plasma CVD method may be used.
[0026]
In the above structure, the step of diffusing (absorbing) the metal element into the silicon film containing impurities can be performed by heat treatment. Along with the heating, the metal element is diffused in the silicon film containing the impurity element. In this way, since the metal element in the crystalline silicon film can be effectively sucked out by the silicon film, a crystalline silicon film having a low metal element concentration and good crystallinity can be obtained. .
[0027]
For example, if the silicon film containing impurities and the crystalline silicon film have substantially the same film thickness, the concentration of the metal element in the crystalline silicon film may be reduced to 1/2 or less on average by heating. it can.
[0028]
Note that the above heat treatment step aims at diffusing the metal element to the outside of the crystalline silicon film, and thus the lower limit of the heating temperature is defined as the temperature at which the metal element can diffuse. The higher the heating temperature, the higher the effect of reducing the concentration of the metal element in the crystalline silicon film. Therefore, it is preferable to heat at the highest possible temperature. Therefore, considering that the crystalline silicon film is formed on the substrate, the upper limit of the heating temperature is defined below the strain point of the substrate.
[0029]
The strain point of the substrate is a guideline for setting the heating temperature, and the heating temperature needs to be a temperature at which the deformation and strain of the substrate can be tolerated. For example, as represented by RTP, heating can be performed at a temperature equal to or higher than the strain point of the substrate if the heat treatment is performed for a short time. Furthermore, the temperature and time of the heat treatment also depend on the pattern of the film to be treated, the design rule, and the like. Therefore, after satisfying the above conditions, heat treatment may be performed at 550 ° C. to 1050 ° C. for several minutes to 10 hours.
[0030]
Thus, when the heating temperature is increased as much as possible, the silicon film containing impurities is crystallized due to the catalytic action of the metal element diffused from the crystalline silicon film, and is transformed into the crystalline silicon film. In some cases. In this case as well, even if silicon containing impurities is crystallized as described above, a large number of defects are formed therein, and these act as selective gettering sinks.
[0031]
Since this crystallization process proceeds as the metal element diffuses, crystal growth proceeds from the surface of the crystalline silicon film toward the silicon film containing impurities. Since metal elements such as nickel tend to concentrate at the tip of crystal growth, the concentration of nickel element in the crystalline silicon film can be reduced at the same time as crystal growth proceeds, and at the same time, nickel element segregates. You can erase the area.
[0032]
In the present invention, since impurities are contained in the silicon film for diffusing the metal element, the film quality of the two silicon films can be improved through the protective film even if the crystallinity is exhibited by the heat treatment. Can be different.
[0033]
In order to remove the silicon film on the protective film, a wet etching method or a dry etching method may be employed. At this time, since the protective film functions as an etching stopper, the silicon film on the protective film in which the metal element is diffused can be easily and selectively etched.
[0034]
That is, in the present invention, a metal film is formed regardless of whether the silicon film on the protective film is crystallized in the step of diffusing the metal element by forming a protective film serving as an etching stopper on the crystalline silicon film. It is possible to reliably and selectively remove the protective silicon film having a high concentration of elements.
[0035]
Therefore, in the present invention, the heating temperature in the step of diffusing the metal element is such that the concentration of the nickel element in the crystalline silicon film is set to a desired value regardless of whether or not the silicon film containing impurities is crystallized. Any temperature that can be decreased is acceptable.
[0036]
Further, in the above structure, if the atmosphere contains a halogen element in the heating step for diffusing the metal element, the effect of gettering is further improved.
[0037]
As a method for introducing a halogen element, HCl, HF, HBr, Cl 2 , F 2 , Br 2 One or more kinds of gases selected from the above can be used. In general, a hydride of halogen can be used.
[0038]
By heating in an atmosphere containing a halogen element, the halide and nickel react with each other to form a vaporized metal element halide, and thus the action of removing nickel from the crystalline silicon film is further promoted. Also in the crystalline silicon film, the metal element can be brought into an electrically inactive state by forming a halide of the metal element. By introducing a halogen element, the concentration of the metal element can be reduced to 1/10 or less in comparison with the case where no halogen element is introduced in the heat treatment.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The embodiment of the present invention will be described using a specific example with reference to FIG.
A
[0040]
Next, as shown in FIG. 1C, the surface of the
[0041]
Heat treatment is performed as shown in FIG. The temperature may be about 550 to 1050 ° C., and the heating time may be about 5 minutes to 10 hours. As a result, the metal element in the
[0042]
Then, as shown in FIG. 1E, the
[0043]
The crystalline semiconductor thin film manufacturing process shown in FIG. 1 can be carried out at a temperature that can be withstood by the glass substrate. Therefore, it is extremely useful for the manufacturing process of a thin film transistor formed on a glass substrate, such as a liquid crystal electro-optic device It will be something.
[0044]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, an amorphous silicon film is formed on a glass substrate, a metal film for promoting crystallization of silicon is introduced into the amorphous silicon film, and the amorphous silicon film is then crystallized by heating. Then, an amorphous silicon film is formed on the crystallized silicon film (crystalline silicon film) and subjected to heat treatment again, so that the nickel element from the crystalline silicon film is formed in the amorphous silicon film. Is diffused (the nickel element is sucked into the amorphous silicon film), and as a result, the nickel element concentration in the crystalline silicon film is reduced.
[0045]
FIG. 1 shows a manufacturing process of a crystalline silicon film shown in this embodiment. First, as shown in FIG. 1A, a
[0046]
Therefore, in order to obtain this function to the maximum, a silicon nitride film is optimal as the
[0047]
In addition, it is important to make the hardness of the
[0048]
Next, an amorphous silicon film 103 is formed to a thickness of 600 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. This amorphous silicon film 103 is crystallized later. The reason why the low pressure thermal CVD method is employed is that the quality of the obtained crystalline silicon film is excellent. As another film forming method, a plasma CVD method may be employed. Note that it is important that impurities are not mixed in the amorphous silicon film 103 during film formation.
[0049]
The film thickness of the amorphous silicon film 103 is preferably 2000 mm or less. This is because it becomes difficult to remove the metal element in the silicon film when the film thickness is 2000 mm or more. Furthermore, the lower limit of the film thickness of the amorphous silicon film 103 depends on the film formation method and depends on how thin the film can be formed. Therefore, the lower limit of the film thickness is generally about 100 mm, and practically about 200 mm.
[0050]
After the amorphous silicon film 107 is formed, a nickel acetate solution adjusted to a predetermined nickel concentration is dropped on the amorphous silicon film 103 to form a
[0051]
In view of residual impurities in the subsequent heating step, nickel nitrate is preferably used instead of the nickel acetate salt solution. This is because the nickel acetate salt solution contains carbon, which is feared to carbonize and remain in the film in the subsequent heating step.
[0052]
Next, as shown in FIG. 1B, heat treatment is performed at a temperature of 450 ° C. to 650 ° C., and the amorphous silicon film 103 is crystallized to obtain a
[0053]
The lower limit of the heat treatment temperature is preferably 450 ° C. or higher in view of the effect and reproducibility. Moreover, it is preferable that the upper limit shall be below the strain point of the glass substrate to be used. Here, since a Corning 1737 glass substrate having a strain point of 667 ° C. is used, the upper limit is set to 650 ° C. with some allowance.
[0054]
For example, if a quartz substrate is used as the substrate, the heating temperature can be further increased to about 900 ° C. In this case, a crystalline silicon film having higher crystallinity can be obtained. In addition, a crystalline silicon film can be obtained in a shorter time.
[0055]
The nickel concentration in the
[0056]
When the
[0057]
Here, the
[0058]
Next, an amorphous silicon film 107 containing oxygen as an impurity is formed to a thickness of 600 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. The amorphous silicon film 107 contains oxygen as an impurity in addition to defects and the like due to the film quality of being amorphous, so that oxygen, SiO X Therefore, it has a film quality that makes it easy to getter nickel.
[0059]
FIG. 7 shows the result of measuring the concentration distribution of nickel element by SIMS in a state where the amorphous silicon film 107 is formed. As shown in FIG. 7, the concentration of nickel element is 5 × 10 5 at the maximum in the
[0060]
In this embodiment, in order to capture more nickel element in the amorphous silicon film 107, the concentration of oxygen in the amorphous silicon film 107 is considered in consideration of the concentration of nickel element in the
[0061]
After the amorphous silicon film 107 is formed, heat treatment is performed as shown in FIG. As a result, the nickel element in the
[0062]
Since this step aims at diffusing nickel outside the
[0063]
In this embodiment, since the heating temperature is made as high as possible, the amorphous silicon film 107 is crystallized under the above conditions due to the catalytic action of nickel element diffused from the
[0064]
Next, the
[0065]
Further, 10% of the
[0066]
When the
[0067]
Next, the
[0068]
In this embodiment, the
[0069]
Although the amorphous silicon film 107 contains oxygen as an impurity, the same effect can be obtained by containing carbon or nitrogen instead of oxygen. In the amorphous silicon film 107, for example, the concentration of carbon or nitrogen is 1 × 10. 17 ~ 1x10 20 Atom cm -3 It ’s good. Moreover, you may make it contain not only one type of element but several elements in oxygen, carbon, and nitrogen.
[0070]
In this embodiment, in the step of diffusing nickel shown in FIG. 1D, the amorphous silicon film 107 is heated at a temperature at which it crystallizes. However, the amorphous silicon film 107 is crystallized. Regardless of whether or not the temperature is such that the concentration of nickel element in the
[0071]
[Example 2]
In this embodiment, nickel, which is a metal element that promotes crystallization of silicon, is selectively introduced to obtain a crystalline silicon film that grows in a direction parallel to the substrate, and at the same time, this crystalline silicon film The present invention relates to a technique for reducing the nickel concentration in the inside.
[0072]
As shown in FIG. 2A, a silicon oxynitride film is formed as a
[0073]
Then, a silicon oxide film is formed to a thickness of 1500 mm, and a
[0074]
Next, a nickel acetate solution containing nickel at a predetermined concentration is dropped to form a
[0075]
Next, as shown in FIG. 2B, the
[0076]
This crystal growth proceeds in a columnar or needle shape. In this embodiment, since the region that is the starting point of crystallization is slit-shaped by the
[0077]
In the
[0078]
Since catalytic elements such as nickel tend to concentrate at the tip of crystal growth, in the
[0079]
When the
[0080]
Next, an
[0081]
After the
[0082]
In this embodiment, since the heat treatment is performed at 620 ° C., as the nickel element diffuses into the
[0083]
Next, the
[0084]
Next, after removing the
[0085]
In the lateral growth region, the concentration of nickel element is relatively lower than that in other regions in crystallization, but in this embodiment, the concentration is further lowered by the gettering step shown in FIG. The nickel concentration of the island-
[0086]
In the step shown in FIG. 2C, oxygen is contained in the
[0087]
In this embodiment, in the step of diffusing nickel shown in FIG. 2D, the
[0088]
Example 3
This embodiment shows an example in which a thin film transistor is manufactured using a crystalline silicon film obtained by the manufacturing method described in
[0089]
Next, the obtained crystalline silicon film 303 is patterned to form an active layer of a thin film transistor as indicated by 304. In the second embodiment, the
[0090]
Next, a
[0091]
Next, an aluminum film containing scandium is formed to a thickness of 6000 mm and patterned to form a gate electrode indicated by 306. Then, an
[0092]
Further, impurity ions are implanted into the active layer 304. Here, phosphorus ions are implanted as impurity ions. In this step, phosphorus ions are implanted in the regions indicated by 308 and 311. The regions indicated by 308 and 311 are the source / drain regions. An area 309 is an offset gate area. The
[0093]
After the impurity ion implantation is completed, laser light is irradiated to activate the implanted ions and anneal the source / drain regions 308 and 311 damaged during the ion implantation. (Figure 3 (C))
[0094]
Next, a
Example 4
This embodiment is characterized in that heat treatment is performed again after the crystalline silicon film manufacturing process of
[0095]
When heat treatment is performed in the step shown in FIG. 1C, nickel (metal element) in the
[0096]
Therefore, when a thin film transistor is manufactured using the crystalline silicon film 109 formed over the
[0097]
Therefore, in this embodiment, after obtaining the state shown in FIG. 1D, heat treatment is performed to diffuse nickel into the crystalline silicon film 109 again. The heat treatment performed here may be a temperature of 400 ° C. or higher because nickel can be diffused. The upper limit is limited by the heat resistance of the
[0098]
Details of this embodiment will be described below with reference to FIG.
The state shown in FIG. 1D is obtained through the manufacturing process as shown in FIG. This state is shown in FIG. FIG. 4A shows a layer 402 (surface side) in which nickel is segregated and nickel is contained at a high concentration, and a
[0099]
In the state shown in FIG. 4A, heat treatment is performed as shown in FIG. Here, heat treatment is performed at 500 ° C. for 2 hours. As a result, the nickel element in the region indicated by 402 diffuses into the region indicated by 401 where nickel is present at a lower concentration. Thus, this
[0100]
Example 5
This example is an example in the case where the structure shown in Example 4 is irradiated with laser light instead of heat treatment in the crystallization step. The steps of this example are shown in FIG.
[0101]
First, after the process shown in FIG. 1, a layer made of a crystalline silicon film having a high concentration of nickel element on its surface, indicated by 402, and a
[0102]
Next, nickel element is diffused from the
[0103]
Thereby, a crystalline silicon film 500 having a state where nickel is uniformly diffused in the film is obtained. (Fig. 5 (C))
[0104]
Example 6
In this example, the amorphous Si film is formed on the film in which nickel element is diffused (nickel element is sucked out). X Ge 1-X A film (0 <x <1) is used. A manufacturing process of the crystalline silicon film shown in this embodiment will be described with reference to FIG.
[0105]
As shown in FIG. 1A, a silicon oxynitride film is formed as a
[0106]
Next, as shown in FIG. 1B, heat treatment is performed to crystallize the amorphous silicon film 103 to form a
[0107]
As shown in FIG. 1C, when the
[0108]
As a method for forming the
[0109]
Next, Si in an amorphous state is formed by plasma CVD. X Ge 1-X A film 107 is formed to a thickness of 600 mm. Note that amorphous Si X Ge 1-X In the film 107, the concentration of oxygen is, for example, 1 × 10. 19 ~ 1x10 twenty one Atom cm -3 To be. Si X Ge 1-X The film 107 contains oxygen as an impurity in addition to defects and the like due to the film quality of being amorphous, so that oxygen, SiO, X Therefore, it has a film quality that makes it easy to getter nickel.
[0110]
Next, as shown in FIG. 1D, by performing heat treatment, Si in an amorphous state is obtained. X Ge 1-X The nickel element in the
[0111]
The lower limit of this heating temperature is defined by the temperature at which nickel can diffuse, and the upper limit is defined by the strain point of the substrate. For example, the heat treatment may be performed at a temperature of 600 to 1050 ° C. In this embodiment, Corning 1737 having a strain point of 667 ° C. is used as the
[0112]
In this process, Si X Ge 1-X Since heating is performed at a temperature at which the film 107 crystallizes, Si X Ge 1-X Film 107 is crystalline Si X Ge 1-X The
[0113]
Then, as shown in FIG. X Ge 1-X The
[0114]
Through the above etching process, a crystalline silicon film 109 in which the nickel element content concentration can be lowered as shown in FIG. For example, the
[0115]
Example 7
In this embodiment, when the metal element is diffused outside the crystalline silicon film, heat treatment is performed in a halogen atmosphere. This embodiment will be described with reference to FIG.
[0116]
As shown in FIG. 6A, a
[0117]
In this embodiment, a silicon oxynitride film is formed as the
[0118]
Next, an amorphous silicon film 603 is formed to a thickness of 600 mm by plasma CVD or low pressure thermal CVD. This amorphous silicon film 603 is crystallized later. The reason why the low pressure thermal CVD method is employed is that the quality of the obtained crystalline silicon film is excellent. As another film forming method, a plasma CVD method may be employed. Note that it is important that impurities are not mixed in the amorphous silicon film 603 during film formation.
[0119]
Then, a nickel acetate solution adjusted to a predetermined nickel concentration is dropped on the amorphous silicon film 603 to form a
[0120]
Next, as shown in FIG. 6B, heat treatment is performed at a temperature of 450 ° C. to 650 ° C. in a reducing atmosphere to crystallize the amorphous silicon film 603 to obtain a
[0121]
As shown in FIG. 6C, after the
[0122]
Next, in order to remove the nickel element intentionally mixed in the initial stage for crystallization from the
[0123]
In addition, since this heat treatment step aims at diffusing nickel to the outside of the
[0124]
By heating, nickel diffuses from the
[0125]
Further, in this embodiment, since heat treatment is performed in an oxygen atmosphere containing chlorine (halogen), chlorine and nickel react to form a chloride of impurity metal (nickel) that is easily vaporized. The action of removing nickel from the
[0126]
Further, as the thickness of the amorphous silicon film 607 for diffusing nickel is increased, the concentration of nickel element in the
[0127]
In this embodiment, Cl is selected as the halogen element, and HCl is used as the introduction method. As gases other than HCl, HF, HBr, Cl 2 , F 2 , Br 2 One or a plurality of types selected from can be used. In general, a hydride of halogen can be used.
[0128]
These gases are 0.25-5% if the content (volume content) in the atmosphere is HF, 1-15% if HBr, Cl 2 0.25 to 5%, F 2 If 0.125-2.5%, Br 2 If it is, it is preferable to set it as 0.5 to 10%. If the concentration is within the above range, a significant effect cannot be obtained. Further, if the concentration is higher than the above range, the halogen etching effect becomes remarkable. .
[0129]
Next, the crystalline silicon film 608 containing nickel element at a high concentration is removed. In this step, wet etching or dry etching can be employed. In this embodiment, since the crystalline silicon film 608 is formed on the
[0130]
Therefore, when the crystalline silicon film 608 is removed, an etching solution or etching gas having a high etching selectivity between the silicon film and the oxide film may be used. For example, hydrazine (N 2 H 6 And only the crystalline silicon film 608 can be removed with hydrazine. As an etching gas, ClF Three Gas can be used.
[0131]
Next, the
[0132]
Note that since the heat treatment shown in FIG. 6D is performed in an oxygen atmosphere containing HCl, a thermal oxide film may be formed on the surface of the crystalline silicon film 608. In this case, Before the etching of the crystalline silicon film 608, the oxide film on the surface of the crystalline silicon film 608 is first removed by wet etching using buffered hydrofluoric acid or the like, or dry etching.
[0133]
Example 8
In Example 7, in order to remove nickel element intentionally mixed for crystallization from the crystalline silicon film, when performing heat treatment in an atmosphere containing a halogen element, the atmosphere is oxygen and HCl is 1 In this embodiment, an atmosphere containing 1 to 10% HCl in nitrogen is used.
[0134]
Other conditions may be the same as in the seventh embodiment. As a result, compared to the case where chlorine is not supplied in the heat treatment as in Example 1, the nickel element concentration can be reduced to 1/10 or less of the initial maximum. This effect can be similarly obtained even when other metal elements are used.
[0135]
In this embodiment, Cl is selected as the halogen element, and HCl is used as the introduction method. As gases other than HCl, HF, HBr, Cl 2 , F 2 , Br 2 One or a plurality of types selected from can be used. In general, a hydride of halogen can also be used.
[0136]
Example 9
In this example, a quartz substrate is used as the substrate in the method for manufacturing a crystalline silicon film shown in Example 7. Since the quartz substrate can withstand a heating temperature of about 1000, in this embodiment, heating is performed at 950 ° C. for 4 hours in the heat treatment for crystallization shown in FIG. 6B. As a result, a crystalline silicon film having better crystallinity than the
[0137]
6D, heat treatment is performed at 950 ° C. for 2 hours in an atmosphere containing 5% HCl in oxygen. Other steps are performed under the same conditions as in Example 7.
[0138]
In the measurement by SIMS, the concentration of nickel element in the
[0139]
【The invention's effect】
A crystalline silicon film can be formed at a low temperature by the action of the metal element. Therefore, a crystalline silicon film can be formed on the glass substrate.
[0140]
Further, by diffusing the metal element in the silicon film crystallized by the action of the metal element into the silicon film containing impurities, the concentration of the metal element in the crystalline silicon film can be lowered. Further, since a protective film functioning as an etching stopper is formed on the crystalline silicon film, only this silicon film is selectively used regardless of whether the silicon film in which the metal element is diffused is crystallized. Can be removed. For this reason, a crystalline silicon film having a low concentration of the metal element can be obtained.
[0141]
By using the crystalline silicon film obtained by the present invention, a device free from the adverse effects of metal elements, for example, a thin film transistor can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a manufacturing process of a crystalline silicon film of an example.
FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of a crystalline silicon film of an example.
FIGS. 3A to 3C illustrate a manufacturing process of a thin film transistor of an example. FIGS.
FIG. 4 is a view showing a manufacturing process of a crystalline silicon film of an example.
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of a crystalline silicon film of an example.
6A and 6B are diagrams showing a manufacturing process of a crystalline silicon film of an example.
FIG. 7 is a graph showing a nickel concentration distribution of an example.
[Explanation of symbols]
101 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Glass substrate
102 ..... Base film (silicon oxide film)
103... Amorphous silicon film
104 ... Water film
105... Crystalline silicon film
106 ..... Silicon oxide film
107... Film for diffusing metal elements
108... Crystalline silicon film
Claims (13)
前記非晶質珪素膜中に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
前記非晶質珪素膜を結晶化させて結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜上に、保護膜を形成し、
前記保護膜上に、酸素を1×1019〜1×1021原子cm−3の濃度で含有する非晶質状態の珪素膜を形成し、
前記基板の歪点以下の温度で加熱して、前記酸素を含有する珪素膜中に前記金属元素を拡散させ、
前記保護膜をエッチングストッパーにして、前記酸素を含有する珪素膜を除去することを特徴とする半導体薄膜の作製方法。Forming an amorphous silicon film on the substrate;
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film;
Crystallizing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Forming a protective film on the crystalline silicon film;
An amorphous silicon film containing oxygen at a concentration of 1 × 10 19 to 1 × 10 21 atoms cm −3 is formed on the protective film;
Heating at a temperature below the strain point of the substrate to diffuse the metal element in the silicon film containing oxygen,
A method for producing a semiconductor thin film, wherein the silicon film containing oxygen is removed using the protective film as an etching stopper.
前記非晶質珪素膜中に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
前記非晶質珪素膜を結晶化させて結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜上に、保護膜を形成し、
前記保護膜上に、炭素又は窒素を1×1017〜1×1020原子cm−3の濃度で含有する非晶質状態の珪素膜を形成し、
前記基板の歪点以下の温度で加熱して、前記炭素又は窒素を含有する珪素膜中に前記金属元素を拡散させ、
前記保護膜をエッチングストッパーにして、前記炭素又は窒素を含有する珪素膜を除去することを特徴とする半導体薄膜の作製方法。Forming an amorphous silicon film on the substrate;
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film;
Crystallizing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Forming a protective film on the crystalline silicon film;
An amorphous silicon film containing carbon or nitrogen at a concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 20 atoms cm −3 is formed on the protective film;
Heating at a temperature below the strain point of the substrate to diffuse the metal element in the silicon film containing carbon or nitrogen,
A method for producing a semiconductor thin film, wherein the silicon film containing carbon or nitrogen is removed using the protective film as an etching stopper.
前記非晶質珪素膜中に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
前記非晶質珪素膜を結晶化させて結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜上に、保護膜を形成し、
前記保護膜上に、酸素を1×1019〜1×1021原子cm−3の濃度で含有する非晶質状態の珪素膜を形成し、
ハロゲン元素を含有する雰囲気において前記基板の歪点以下の温度で加熱して、前記酸素を含有する珪素膜中に前記金属元素を拡散させ、
前記保護膜をエッチングストッパーにして、前記酸素を含有する珪素膜を除去することを特徴とする半導体薄膜の作製方法。Forming an amorphous silicon film on the substrate;
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film;
Crystallizing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Forming a protective film on the crystalline silicon film;
An amorphous silicon film containing oxygen at a concentration of 1 × 10 19 to 1 × 10 21 atoms cm −3 is formed on the protective film;
Heating at a temperature below the strain point of the substrate in an atmosphere containing a halogen element to diffuse the metal element in the silicon film containing oxygen,
A method for producing a semiconductor thin film, wherein the silicon film containing oxygen is removed using the protective film as an etching stopper.
前記非晶質珪素膜中に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
前記非晶質珪素膜を結晶化させて結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜上に、保護膜を形成し、
前記保護膜上に、炭素又は窒素を1×1017〜1×1020原子cm−3の濃度で含有する非晶質状態の珪素膜を形成し、
ハロゲン元素を含有する雰囲気において前記基板の歪点以下の温度で加熱して、前記炭素又は窒素を含有する珪素膜中に前記金属元素を拡散させ、
前記保護膜をエッチングストッパーにして、前記炭素又は窒素を含有する珪素膜を除去することを特徴とする半導体薄膜の作製方法。Forming an amorphous silicon film on the substrate;
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film;
Crystallizing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Forming a protective film on the crystalline silicon film;
An amorphous silicon film containing carbon or nitrogen at a concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 20 atoms cm −3 is formed on the protective film;
Heating at a temperature below the strain point of the substrate in an atmosphere containing a halogen element to diffuse the metal element into the silicon film containing carbon or nitrogen;
A method for producing a semiconductor thin film, wherein the silicon film containing carbon or nitrogen is removed using the protective film as an etching stopper.
前記非晶質珪素膜中に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
前記非晶質珪素膜を結晶化させて結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜上に、保護膜を形成し、
前記保護膜上に、酸素を1×1019〜1×1021原子cm−3の濃度で含有する非晶質状態のSixGe1−x膜(0<x<1)を形成し、
前記基板の歪点以下の温度で加熱して、前記酸素を含有するSixGe1−x膜中に前記金属元素を拡散させ、
前記保護膜をエッチングストッパーにして、前記酸素を含有するSixGe1−x膜を除去することを特徴とする半導体薄膜の作製方法。Forming an amorphous silicon film on the substrate;
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film;
Crystallizing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Forming a protective film on the crystalline silicon film;
An amorphous Si x Ge 1-x film (0 <x <1) containing oxygen at a concentration of 1 × 10 19 to 1 × 10 21 atoms cm −3 is formed on the protective film;
Heating at a temperature below the strain point of the substrate to diffuse the metal element in the oxygen-containing Si x Ge 1-x film;
A method for producing a semiconductor thin film, wherein the Si x Ge 1-x film containing oxygen is removed using the protective film as an etching stopper.
前記非晶質珪素膜中に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
前記非晶質珪素膜を結晶化させて結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜上に、保護膜を形成し、
前記保護膜上に、炭素又は窒素を1×1017〜1×1020原子cm−3の濃度で含有する非晶質状態のSixGe1−x膜(0<x<1)を形成し、
前記基板の歪点以下の温度で加熱して、前記炭素又は窒素を含有するSixGe1−x膜中に前記金属元素を拡散させ、
前記保護膜をエッチングストッパーにして、前記炭素又は窒素を含有するSixGe1−x膜を除去することを特徴とする半導体薄膜の作製方法。Forming an amorphous silicon film on the substrate;
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film;
Crystallizing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Forming a protective film on the crystalline silicon film;
An amorphous Si x Ge 1-x film (0 <x <1) containing carbon or nitrogen at a concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 20 atoms cm −3 is formed on the protective film. ,
Heating at a temperature below the strain point of the substrate to diffuse the metal element into the Si x Ge 1-x film containing carbon or nitrogen;
A method for producing a semiconductor thin film, wherein the Si x Ge 1-x film containing carbon or nitrogen is removed using the protective film as an etching stopper.
前記金属元素として、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種、又は複数種類の元素が用いられることを特徴とする半導体薄膜の作製方法。In any one of Claims 1 thru | or 6,
One or more kinds of elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au are used as the metal element. .
前記保護膜は、酸化珪素膜、窒化珪素膜又は酸化窒化珪素膜であることを特徴とする半導体薄膜の作製方法。In any one of Claims 1 thru | or 7,
The method for manufacturing a semiconductor thin film, wherein the protective film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film.
前記保護膜は、前記結晶性珪素膜の表面を酸化することによって形成されることを特徴とする半導体薄膜の作製方法。In any one of Claims 1 thru | or 7,
The method of manufacturing a semiconductor thin film, wherein the protective film is formed by oxidizing the surface of the crystalline silicon film.
前記結晶性珪素膜上に形成された非晶質状態の珪素膜の膜厚は、前記結晶性珪素膜の膜厚以上であることを特徴とする半導体薄膜の作製方法。In any one of Claims 1 thru | or 4,
A method for manufacturing a semiconductor thin film, wherein a film thickness of an amorphous silicon film formed on the crystalline silicon film is equal to or greater than a film thickness of the crystalline silicon film.
前記結晶性珪素膜上に形成された非晶質状態のSixGe1−x膜の膜厚は、前記結晶性珪素膜の膜厚以上であることを特徴とする半導体薄膜の作製方法。In claim 5 or claim 6,
A method of manufacturing a semiconductor thin film, wherein the amorphous Si x Ge 1-x film formed on the crystalline silicon film has a thickness equal to or greater than the thickness of the crystalline silicon film.
前記ハロゲン元素が含有される雰囲気は、HCl、HF、HBr、Cl2、F2、Br2から選ばれた一種または複数種類のガスが添加された酸素雰囲気であることを特徴とする半導体薄膜の作製方法。In claim 3 or claim 4,
The atmosphere containing the halogen element is an oxygen atmosphere to which one or plural kinds of gases selected from HCl, HF, HBr, Cl 2 , F 2 , and Br 2 are added. Manufacturing method.
前記ハロゲン元素が含有される雰囲気は、HCl、HF、HBr、Cl2、F2、Br2から選ばれた一種または複数種類のガスが添加された窒素雰囲気であることを特徴とする半導体薄膜の作製方法。In claim 3 or claim 4,
The atmosphere containing the halogen element is a nitrogen atmosphere to which one or plural kinds of gases selected from HCl, HF, HBr, Cl 2 , F 2 and Br 2 are added. Manufacturing method.
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