JP3921162B2 - 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、薄膜状の絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ(薄膜トランジスタもしくはTFT)等の薄膜デバイスに用いられる結晶性半導体を得る方法に関するものである。
【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12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】
【発明が解決しようする課題】
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】
【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ば下にニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウム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結晶化温度よりも低い温度、もしくは基板のガラス転移点温度よりも低い温度でアニール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。
【0007】
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。
【0008】
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(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)がシリコンと結合しやすく、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、白金、鉄、コバルトでも認められた。
【0009】
本発明では、島状、ストライプ状、線状、ドット状のニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウム単体やそれらの珪化物、酢酸塩、硝酸塩等のニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウムの少なくとも1つを含有する膜、粒子、クラスター等を出発点として、ここからニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウムが上記の反応に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、ニッケル、鉄、コバルト、白金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。
【0010】
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等の半導体素子に利用するうえでは都合がよい。基板上に均一にニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウム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。
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1×1015原子/cm3以上5原子%以下であった。
【0011】
本発明ではニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウムを用いるが、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、過剰にシリコン膜中に含まれている場合には、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、積極的にニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウムを減らすには、結晶化工程の終了した後、塩化水素、各種塩化メタン(CH3Cl、CH2Cl2 、CHCl3)、各種塩化エタン(C25Cl、C24Cl2 、C23Cl3 、C22Cl4 、C2HCl5)あるいは各種塩化エチレン(C23Cl、C22Cl2、C2HCl3)等の塩素を含む雰囲気中で、400〜650℃で処理すればよい。特に、トリクロロエチレン(C2HCl3)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ニッケル、鉄、コバルト、白金の濃度は、1×1015cm-3〜1原子%、より好ましくは1×1016cm-3〜1×1019cm-3が好ましいとわかった。この範囲以下では結晶化が十分に進行せず、一方、この範囲を上回った場合には、特性、信頼性が劣化する。
【0012】
膜状のニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウムを形成するには各種物理的、化学的手法を用いることができる。例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法等の真空装置の必要な方法や、スピンコート法やディップ法(塗布法)、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スプレー熱分解法等の大気中でおこなえる方法である。
特にスピンコート法やディップ法はさしたる設備も不要でありながら、膜厚の均一性に優れ、なおかつ、微妙な濃度調整が可能な手段である。これらの手段に用いる溶液としては、ニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウムの酢酸塩や硝酸塩、あるいは各種のカルボン酸塩、その他の有機酸塩を水や各種アルコール(低級や高級)、石油類(飽和炭化水素あるいは不飽和炭化水素)等に溶解あるいは拡散せしめたものを用いればよい。
【0013】
しかしながら、この場合にはそれらの塩に含まれる酸素、炭素がシリコン膜中に拡散して半導体特性を劣化させることが懸念された。しかしながら、熱天秤法および示差熱分析法によって、研究を進めた結果、適当な材料においては450℃以下の温度において、酸化物あるいは単体にまで分解してしまい、その後、シリコン膜中にまで拡散することはほとんどないことが確認された。特に、酢酸塩や硝酸塩のように低次の物質を窒素雰囲気等の還元雰囲気下で加熱すると400℃以下で分解して、金属単体となった。同じく、酸素雰囲気で加熱すると、最初に酸化物が形成され、より高温で酸素が離脱して金属単体となることが観測された。
【0014】
本発明によって作製した結晶シリコン膜をTFT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、鉄、コバルト、白金、パラジウム等の濃度が高いので、半導体素子を設けることは好ましくない。特に、TFTのチャネル領域は設けるべきではない。
また、結晶化の開始される場所、すなわち、ニッケル、鉄、コバルト、白金、パラジウム等を有する物質が設けられた領域も、これらの元素の濃度が高いので半導体素子を形成する上では十分な注意が必要であり、また、これらの元素の含まれないシリコン膜と比較すると、一般にフッ酸系の溶液に対してエッチングされやすいので、コンタクトホール等を形成する場合には、コンタクト不良の原因となる。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、鉄、コバルト、白金、パラジウム等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。以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。
【0015】
【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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
次に、これを450〜650℃、例えば550℃で8時間窒素雰囲気中でアニールした。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。
【0021】
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。
【0022】
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エッチングすることが望まれる。なお、フッ酸、塩酸ともシリコン膜には影響を与えない。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。一方、ゲイト配線7は粒界4を横切ってもよい。
【0023】
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。
【0024】
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))
【0025】
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(B26)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))
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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))
【0029】
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(B26)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))
【0030】
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。
【0031】
〔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℃、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結晶化させた。
【0032】
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。
【0033】
〔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が成長し、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。
【0034】
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。
【0035】
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B26)を用い、40〜80kVの加速電圧でドーピングすればよい。
【0036】
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。
【0037】
〔実施例4〕 本実施例は、実施例3の工程において、550℃、4時間の加熱による結晶化工程の後に、さらにレーザー光を照射し、結晶シリコン膜の結晶性をさらに向上させる構成に関する。
図7に本実施例のCMOS型のTFTの作製工程を示す。まず図7(A)に示すように、基板51上に下地酸化珪素膜52をスパッタ法により2000Åの厚さに堆積した。さらに厚さ1000〜1500Åのアモルファスシリコン膜53をプラズマCVD法で堆積した。そして、島状のニッケルもしくは珪化ニッケル被膜54を形成した。
【0038】
そして窒素雰囲気中において550℃、4時間のアニールを行なった。この工程によって、珪化シリコン領域55が成長し、結晶化が進行する。次に、このようにして得られた結晶シリコン膜を図7(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。
【0039】
さらにKrFエキシマレーザー光(波長248nm、パルス幅20nsec)71を照射した。照射条件は、250mJ/cm2で2ショトとした。照射パワーとしては、膜厚、基板温度、等の条件を考慮して200〜400mJ/cm2とすればよい。また、レーザー光としては、XeClレーザー(波長308nm)、ArFレーザー(波長193nm)等も用いることができる。
【0040】
また、レーザー光の照射と同等の効果を得ることのできる強光を照射するのでもよい。特に赤外光の照射によるRTA(ラピット・サーマル・アニール)は、シリコンに赤外光を選択的に吸収させることができるので、効果的なアニールを行なうことができる。なお、パターニング工程の前にレーザー光の照射を行なうのでもよい。
以上のようにして結晶性の良好なシリコン膜を得ることができる。このような処理を施した結果、熱アニールによって結晶化していたシリコン膜53はより結晶性の良好なシリコン膜となった。一方、結晶化していなかった領域(図示せず)においてもレーザー照射の結果、多結晶性の膜が得られ、膜の変質が観測されたが、結晶性は良くないことがラマン分光法によって明らかになった。また、透過型電子顕微鏡による観察では結晶化しないままレーザーが照射され、結晶化した膜は小さな結晶が無数に形成されているのに対し、本発明によって、結晶化した後、レーザー照射された膜53は結晶の方向のそろった比較的大きな結晶が観察された。
【0041】
その後、シリコンを主成分とするゲイト電極58A、58Bを形成した。そして図7(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を形成した。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B26)を用い、40〜80kVの加速電圧でドーピングすればよい。
【0042】
ドーピング終了後、レーザー光の照射によって、ソース、ドレインの活性化を行い、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。
本実施例で示したように、結晶化を助長する触媒元素を導入することにより、550℃、4時間程度の低温短時間の結晶化工程とレーザー光の照射によるアニール工程とを併用することにより、結晶性の良好の結晶シリコン膜を得ることができる。そしてこのような結晶シリコン膜を用いてTFTを作製することにより、高性能なTFTを得ることができる。
すなわち、実施例1によって得られたNチャネル型TFTでは、電界効果移動度(モビリティー)は、40〜60cm2/Vs(シリコンゲイト型、図3参照)、あるいは60〜120cm2/Vs(アルミゲイト型、図4参照)、しきい値電圧は3〜8Vであったが、本実施例で得られたNチャネル型TFTのモビリティーは150〜200cm2/Vs、しきい値電圧は0.5〜1.5Vであり、モビリティーが大幅に向上したことと、しきい値電圧のばらつきが減少したことが注目される。
【0043】
このような特性は従来は、アモルファスシリコン膜のレーザー結晶化によってのみ可能であったが、従来のレーザー結晶化では、得られるシリコン膜の特性のばらつきが大きく、また、結晶化には400℃以上の温度で、350mJ/cm2以上の高いレーザーエネルギーの照射が必要であり、量産性に問題があった。この点、本実施例では、基板温度、エネルギー密度ともそれより小さい値で十分であるため、量産性に関しては問題がなかった。さらに、ばらつきは従来の熱アニールによる固相成長結晶化法と同程度であるため、得られるTFTも特性の揃ったものであった。
【0044】
なお、本発明ではNiの濃度が低いとシリコン膜の結晶化が不十分であり、TFTの特性が良くなかった。しかしながら、本実施例では仮にシリコン膜の結晶性が不十分であっても、その後のレーザー照射によってそれを補うことができるので、Niの濃度が低くともTFTの特性が低下することはなかった。このため、デバイスの活性層領域におけるニッケル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすることができる。
【0045】
〔実施例5〕 本実施例は、アモルファスシリコンの結晶化を助長する触媒元素を溶液に含有させ、この溶液をアモルファスシリコン膜上に塗布することにより、触媒元素をアモルファスシリコン膜に導入する構成に関する。
さらに本実施例は、触媒元素を選択的に導入し、該導入領域より触媒元素が導入されなかった領域へと結晶成長を行なわすことにより、触媒元素の濃度が少ない結晶性シリコン膜を得る方法に関する。
【0046】
図8に本実施例の作製工程の概略を示す。また図8において、図2と同符号の部分は図2と同一の箇所を示す。
まず、ガラス基板(コーニング7059、10cm角)上に下地の酸化珪素膜1Bを2000Åの厚さにスパッタ法で形成し、さらにプラズマCVD法によりアモルファスシリコン膜1を1000Åの厚さに成膜した。
次にマスクとなる酸化珪素膜80を2000Åの厚さに成膜した。この酸化珪素膜80の膜厚については、発明者等の実験によると500Åでも問題がないことを確認しており、膜質が緻密であれば更に薄くても良いと思われる。
【0047】
そして通常のフォトリソパターニング工程によって、必要とするパターンに酸化珪素膜80をパーニングした。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照射で薄い酸化珪素膜82を露呈したアモルファスシリコン膜1の表面に成膜した。この酸化珪素膜82の作製は、酸素雰囲気中でUV光を5分間照射することによって行なわれる。なおこの酸化珪素膜82の厚さは20〜50Å程度と考えられる。(図8(A))
【0048】
この酸化珪素膜は、後の工程において塗布される溶液の濡れ性を良くするためのものである。この状態において、酢酸塩溶液中にニッケルを100ppm(重量換算)添加した酢酸塩溶液を5ml滴下(10cm角基板の場合)した。またこの際、スピナー84で50rpmで10秒のスピンコートを行い、基板表面全体に均一な水膜83を形成させた。さらにこの状態で5分間保持した後スピナー84を用いて2000rpm、60秒のスピンドライを行った。なおこの保持は、スピナー上において0〜150rpmの回転をさせながら行なってもよい。(図8(A))
【0049】
上記工程によって、85で示される領域にニッケルが導入されることになる。そして300〜500度の温度で加熱処理を行い、85で示す領域の表面に珪化ニッケルを生成させた。次にマスクである酸化珪素膜80を取り除き、550度(窒素雰囲気)、4時間の加熱処理を施すことにより、アモルファスシリコン膜80の結晶化を行った。この際、ニッケルが導入された領域85からニッケルが導入されなった領域へと横方向(基板に平行な方向)に結晶成長が行われる。勿論ニッケルが直接導入された領域においても結晶化が行なわれる。
【0050】
ここでは、熱処理を加えて85で示す領域の表面に珪化ニッケル膜を生成させ、その後に酸化珪素膜80を取り除いたが、酸化珪素膜80を取り除かずに、550度、4時間の加熱処理を行い、結晶化をさせる場合は、珪化ニッケル膜を生成させる工程を行わなくてよい。この場合は、結晶化工程の後に酸化珪素膜80を取り除けばよい。
【0051】
図8(B)に示すのは、結晶化が進行する中間状態を示す。これは、端のほうに導入された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状態を示す。さらに結晶化が進行すると、図8(C)に示すように2つのニッケルが導入された領域85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。
【0052】
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。そこで、フッ酸もしくは塩酸で、3Aの領域をエッチングした。エッチングした様子を図8(D)に示す。粒界のあった部分は溝4Aとなる。
【0053】
図8(C)において、領域86が領域85から横方向に結晶化が行われた領域である。この86で示される領域のニッケル濃度を図9に示す。図9に示すのは、SIMSで結晶化工程が終了した結晶シリコン膜の86で示される領域の深さ方向のニッケル濃度分布を計測したものである。またニッケルが直接導入された領域85におけるニッケルの濃度は図9に示す濃度分布よりさらに1桁以上高い値を示すことが確認されている。このようにして得られた結晶性シリコン膜を用いて、実施例1と同様な方法でTFTを作製した。
【0054】
なお、このようにして得られた結晶性シリコン膜に実施例4のようにレーザーもしくはそれと同等な強光の照射によって、結晶性をさらに改善せしめることは有効である。実施例4においてはシリコン膜中のニッケル濃度が比較的高かったために、レーザー照射によって、シリコン膜中のニッケルが析出して0.1〜10μm程度の珪化ニッケルの粒がシリコン膜内に形成され、膜のモフォロジーが悪化した。しかしながら、本実施例では、実施例1および2よりもはるかにニッケルの濃度を低減せしめることが可能であるため、珪化ニッケルの析出はなく、レーザー照射によって膜が荒れることも防げた。
【0055】
図9に示されるニッケル濃度は、溶液中のニッケル濃度を制御することによって、制御することができる。本実施例においては、溶液中のニッケル濃度を100ppmとしたが、これを10ppmとしても結晶化が可能なことが判明している。この場合、図9で示される図8の領域86のニッケル濃度をさらに1桁下げることができる。しかしながら、溶液中のニッケル濃度を少なくすると、横方向への結晶成長距離が短くなるという問題がある。
【0056】
以上のようにして結晶化が行なわれた結晶シリコン膜はそのままTFTの活性層に利用することができる。特に86で示される領域を用いてTFTの活性層を形成することはその触媒元素濃度の低いことから極めて有用である。
本実施例においては、触媒元素を含ませた溶液として、酢酸塩溶液を用いたが、広く水溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここで触媒元素は化合物として含まれていなくても単に分散させることにより含ませるのでもよい。
【0057】
触媒元素を含ませる溶媒としては、極性溶媒である水、アルコール、酸、アンモニアから選ばれたものを用いることができる。
触媒としてニッケルを用い、このニッケルを極性溶媒に含ませる場合、ニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては、代表的には臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、ニッケルアセチルアセトネ−ト、4−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケルから選ばれたものが用いられる。
【0058】
また溶媒としては、無極性溶媒であるベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、エーテルから選ばれたものを用いることができる。
この場合はニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては代表的には、ニッケルアセチルアセトネ−ト、2−エチルヘキサン酸ニッケルから選ばれたものを用いることができる。
【0059】
また触媒元素を含有させた溶液に界面活性剤を添加することも有用である。これは、被塗布面に対する密着性を高め吸着性を制御するためである。この界面活性剤は予め被塗布面上に塗布するのでもよい。また触媒元素としてニッケル単体を用いる場合には、酸に溶かして溶液とする必要がある。
【0060】
以上述べたのは、触媒元素であるニッケルが完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散したエマルジョンの如き材料を用いてもよい。または酸化膜形成用の溶液を用いるのでもよい。このような溶液としては、東京応化工業株式会社のOCD(Ohka Diffusion Source)を用いることができる。このOCD溶液を用いれば、被形成面上に塗布し、200℃程度でベークすることで、簡単に酸化珪素膜を形成できる。また不純物を添加することも自由であるので、利用することができる。
【0061】
なおこれらのことは、触媒元素としてニッケル以外の材料を用いた場合であっても同様である。
また、溶液として2−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いることで、非晶質珪素膜表面に直接塗布することができる。この場合にはレジスト塗布の際に使用されている密着剤の如き材料を予め塗布することは有効である。しかし塗布量が多過ぎる場合には逆に非晶質珪素中への触媒元素の添加を妨害してしまうために注意が必要である。
【0062】
溶液に含ませる触媒元素の量は、その溶液の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量として溶液に対して200ppm〜1ppm、好ましくは50ppm〜1ppm(重量換算)とすることが望ましい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケル濃度や耐フッ酸性に鑑みて決められる値である。
なお本実施例においては、アモルファスシリコン膜の上表面に触媒元素を含有した溶液を塗布する例を示したが、アモルファスシリコン膜の成膜前に下地膜上に触媒元素を含有した溶液を塗布するのでもよい。
【0063】
〔実施例6〕 本実施例は、本発明を用いてTFTを作製する際の触媒元素の添加領域と結晶化領域、およびTFTの活性層(チャネル領域)、コンタクトホールの位置関係に関する。以下には、マクティブマトリクスの画素部分を例にして説明する。
図10に本実施例のTFTの作製工程を示す。まず図10(A)に示すように、基板91上に下地酸化珪素膜92をスパッタ法により2000Åの厚さに堆積した。さらに厚さ300〜1500Å、例えば、800Åのアモルファスシリコン膜93をプラズマCVD法で堆積した。そして、厚さ200〜2000Å、例えば、300Åの酸化珪素膜94を形成し、これに孔96a、96bを形成して、これをマスクとした。そして、スパッタ法もしくは実施例5のごときスピン塗布法によって、極めて薄いニッケル膜もしくはニッケル化合物膜95を全面に形成した。
【0064】
そして窒素雰囲気中において550℃、4時間のアニールを行なった。この工程によって、アモルファスシリコン膜は孔96a、96bの直下の部分97a、97bが珪化物となり、そこから結晶化が進行しシリコン領域98a、98bが成長した。その先端部分はニッケル濃度の高い領域99a、99bであった。(図10(B))
十分に結晶化が進行した状態では孔96aと96bから進行した結晶化がその中間で衝突し、この状態で結晶化が停止した。結晶化の衝突した部分にはニッケルの濃度の高い領域99aが残された。この状態で、さらに実施例4のようにエキシマレーザー等によって光アニールをおこなってもよい。(図10(C))
次に、このようにして得られた結晶シリコン膜を図10(D)に示すようにパターニングして島状シリコン領域100を形成した。シリコン領域100の中にはニッケル濃度の高い領域97aの一部と99cが残されている。さらに、プラズマCVD法によって厚さ700〜2000Å、例えば、1200Åの酸化珪素膜101を形成し、これをゲイト絶縁膜とした。(図10(D))
【0065】
その後、実施例1と同じ手段を用いて、アルミニウムによってゲイト電極102を形成した。ゲイト電極の周囲には厚さ1000〜5000Åの陽極酸化膜103を形成した。そして、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104、105を形成した。この際には、図にも示したように、ニッケル濃度の高い領域97a、99cがゲイト電極の直下の部分(チャネル領域)に位置しないよう、ゲイト電極の位置を決定しなければならない。(図10(E)
【0066】
ドーピング終了後、レーザー光の照射によって、ソース、ドレインの活性化を行い、さらに層間絶縁物106を堆積し、スパッタ法によって、厚さ500〜1500Å、例えば800Åの透明導電体被膜を形成し、これをパターニング・エッチングすることによって画素電極107を形成した。さらに、層間絶縁物106にコンタクトホールを形成し、金属電極108、109をTFTのソース、ドレインに形成してTFTが完成した。
コンタクトホールの形成の際には、コンタクトホールをニッケル濃度の高い領域97a、99cを避けて形成することが望ましい。このためには、コンタクトホールはニッケル添加のための孔96a、96bと極力重ならないように設計すればよい。このような設計をおこなうのは、ニッケルの濃度の高い領域ではフッ化水素系の溶液に対して、ニッケルを有しないシリコン膜に比較してエッチングされやすく、コンタクトホールの形成の際に、シリコン膜がオーバーエッチされてしまい、コンタクト不良を生じやすいからである。図では、左側のコンタクトはニッケル濃度の高い領域97aと一部、重なっているが、電極のうち、少なくとも一部は、ニッケルの添加された領域でない領域とコンタクトしていることが望ましい。
【0067】
【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。
【0068】
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。
【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】 実施例の工程の断面図を示す。(実施例5参照)
【図9】 結晶シリコン膜中のニッケル濃度を示す。(実施例5参照)
【図10】 実施例の工程の断面図を示す。(実施例6参照)
【符号の説明】
1 ・・・アモルファスシリコン
2 ・・・島状ニッケル膜
3 ・・・結晶シリコン
4 ・・・粒界
5 ・・・結晶化の進行していない領域
6 ・・・半導体領域
7 ・・・ゲイト配線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for obtaining a crystalline semiconductor used in a thin film device such as a thin film insulated gate field effect transistor (thin film transistor or TFT).
[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. It was produced by crystallization at a temperature of 600 ° C. or more for a long time of 12 hours or more. In particular, in order to obtain sufficient characteristics (high field effect mobility and high reliability), a longer heat treatment has been required.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
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]
[Means for Solving the Problems]
The present invention can be applied to a silicon film in an amorphous state or a messy crystalline state that can be said to be a substantially amorphous state (for example, a state in which a portion having good crystallinity and an amorphous portion are mixed). An island-like film or dots, particles, clusters, lines, etc. containing nickel, iron, cobalt, platinum, and palladium are formed underneath, and this is formed at a temperature lower than the normal crystallization temperature of amorphous silicon, or glass of the substrate. A crystalline silicon film is obtained by annealing at a temperature lower than the transition point temperature.
[0007]
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 does not bind 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.
[0008]
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 inventor of the present invention easily combines nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), and palladium (Pd) with silicon. 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 platinum, iron, and cobalt.
[0009]
In the present invention, at least one of nickel, iron, cobalt, platinum, palladium such as island-like, stripe-like, linear, dot-like nickel, iron, cobalt, platinum, palladium alone or their silicide, acetate, nitrate, etc. Starting from films, particles, clusters, etc. containing two, nickel, iron, cobalt, platinum, and palladium expand from this to the surroundings with the above reaction, thereby expanding the crystalline silicon region . Note that oxides are not preferable as materials containing nickel, iron, cobalt, and platinum. This is because an oxide is a stable compound and cannot start the above reaction.
[0010]
Crystalline silicon spread from a specific location is different from conventional solid-phase epitaxial growth, but has a crystallinity-continuous structure close to a single crystal, so it can be used for semiconductor devices such as TFTs. This is convenient. In the case where a material containing nickel, iron, cobalt, platinum, and palladium is uniformly provided on the substrate, there are innumerable starting points for crystallization, and therefore it is difficult to obtain a film with good crystallinity.
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 invention is typically 1 × 10 15 Atom / cm Three It was 5 atomic percent or less.
[0011]
Although nickel, iron, cobalt, platinum, and palladium are used in the present invention, these materials are not preferable for silicon as a semiconductor material. Therefore, when it is excessively contained in the silicon film, it is necessary to remove it. However, with regard to nickel, nickel silicide that has reached the end of crystallization as a result of the above reaction is either hydrofluoric acid or Since it dissolves easily in hydrochloric acid, nickel can be reduced from the substrate by treatment with these acids.
Furthermore, in order to actively reduce nickel, iron, cobalt, platinum, and palladium, hydrogen chloride, various methane chlorides (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 concentration of nickel, iron, cobalt and platinum in the silicon film according to the present invention is 1 × 10 15 cm -3 ˜1 atomic%, more preferably 1 × 10 16 cm -3 ~ 1x10 19 cm -3 Was found to be preferable. Below this range, crystallization does not proceed sufficiently. On the other hand, when it exceeds this range, characteristics and reliability deteriorate.
[0012]
Various physical and chemical methods can be used to form film-like nickel, iron, cobalt, platinum, and palladium. For example, it can be performed in the atmosphere such as a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method and other necessary methods of a vacuum apparatus, a spin coating method, a dip method (coating method), a doctor blade method, a screen printing method, a spray pyrolysis method, etc. Is the method.
In particular, the spin coating method and the dip method do not require any special equipment, but are excellent in film thickness uniformity and capable of fine density adjustment. The solutions used in these means include nickel, iron, cobalt, platinum, palladium acetates and nitrates, various carboxylates, and other organic acid salts such as water, various alcohols (lower and higher grades), petroleum ( What is dissolved or diffused in a saturated hydrocarbon or unsaturated hydrocarbon) may be used.
[0013]
However, in this case, there is a concern that oxygen and carbon contained in these salts diffuse into the silicon film and deteriorate semiconductor characteristics. However, as a result of research conducted by thermobalance and differential thermal analysis, suitable materials decompose into oxides or simple substances at a temperature of 450 ° C. or lower, and then diffuse into the silicon film. It was confirmed that there was almost nothing. In particular, when a low-order substance such as acetate or nitrate was heated in a reducing atmosphere such as a nitrogen atmosphere, it decomposed at 400 ° C. or lower to form a single metal. Similarly, when heated in an oxygen atmosphere, it was observed that an oxide was first formed, and oxygen was released at a higher temperature to form a single metal.
[0014]
When the crystalline silicon film produced according to the present invention is used for a semiconductor element such as a TFT, as is apparent from the above description, the crystallization end point (this is a portion where crystallization started from a plurality of starting points hits. However, since there are large grain boundaries (discontinuous portions of crystallinity) and the concentration of nickel, iron, cobalt, platinum, palladium, etc. is high, it is not preferable to provide a semiconductor element. In particular, the channel region of the TFT should not be provided.
In addition, the location where crystallization is started, that is, the region where a substance having nickel, iron, cobalt, platinum, palladium, or the like is provided has a high concentration of these elements. Compared with silicon films that do not contain these elements, it is generally easier to etch with hydrofluoric acid solutions, which may cause contact failure when forming contact holes and the like. . Therefore, in forming a semiconductor element using the present invention, it is necessary to optimize the pattern of the coating film containing nickel, iron, cobalt, platinum, palladium, etc. and the pattern of the semiconductor element, which are the starting points for crystallization. . The following examples illustrate the invention in more detail.
[0015]
【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 this is selectively etched. 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.
[0016]
On the other hand, such a problem does not occur with the former, but in this case as well, it is desirable that the nickel film other than the island-like portions be completely removed by etching. Furthermore, in order to suppress the influence of residual nickel, the substrate may be treated with oxygen plasma, ozone, or the like to oxidize nickel other than the island regions.
[0017]
In either case, an underlying silicon oxide film 1B having a thickness of 2000 mm was formed on the substrate (Corning 7059) 1A by plasma CVD. The amorphous silicon film 1 has a thickness of 200 to 3000 mm, preferably 500 to 1500 mm, and was formed by plasma CVD or low pressure CVD. The amorphous silicon film was easy to be crystallized when hydrogen was extracted by annealing at 350 to 450 ° C. for 0.1 to 2 hours and the hydrogen concentration in the film was kept at 5 atomic% or less. In the case of FIG. 2A-1, a nickel film is deposited to a thickness of 50 to 1000 mm, preferably 100 to 500 mm, by sputtering before the amorphous silicon film 1 is formed, and is patterned to form island-shaped nickel regions. 2 was formed.
[0018]
On the other hand, in the case of FIG. 2 (A-2), after the amorphous silicon film 1 is formed, a nickel film is deposited by sputtering to a thickness of 50 to 1000 mm, preferably 100 to 500 mm, and this is patterned to form island-shaped nickel. Region 2 was formed. FIG. 1A shows a drawing of this state as viewed from above.
[0019]
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.
[0020]
Next, this was annealed in a nitrogen atmosphere at 450 to 650 ° C., for example, 550 ° C. for 8 hours. 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 nickel silicide 3A, and the portion 3 through which nickel has passed. Is crystalline silicon. Eventually, as shown in FIG. 2C, crystallization starting from two island-like nickel films collides, leaving nickel silicide 3A in the middle, and crystallization is completed.
[0021]
FIG. 1B shows a state in which the substrate in this state is viewed from above, and the nickel silicide 3 </ b> A in FIG. 2C is a grain boundary 4. If the annealing is further continued, the nickel moves along the grain boundaries 4 and collects in an intermediate region 5 of these island-like nickel regions (although the original shape is not retained at this stage).
[0022]
Crystalline silicon can be obtained by the above steps, but it is not preferable that nickel is diffused into the semiconductor film from the nickel silicide 3A generated at this time. Therefore, it is desirable to etch with hydrofluoric acid or hydrochloric acid. Note that neither hydrofluoric acid nor hydrochloric acid affects the silicon film. The state after etching is shown in FIG. The portion where the grain boundary exists is the groove 4A. It is not preferable to form a semiconductor region (active layer or the like) of the TFT so as to sandwich this groove. An example of the TFT arrangement is shown in FIG. 1C. The semiconductor region 6 is arranged so as not to cross the grain boundary 4. On the other hand, the gate wiring 7 may cross the grain boundary 4.
[0023]
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 groove 4A in FIG. 2 was present. As shown in the drawing, the portion X is arranged so that the semiconductor region of the TFT does not cross. That is, the crystalline silicon film 3 obtained in the step shown in FIG. 2 was patterned to form island-like semiconductor regions 11a and 11b. Then, a silicon oxide film 12 functioning as a gate insulating film was formed by a method such as an RF plasma CVD method, an ECR plasma CVD method, or a sputtering method.
[0024]
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 gate electrodes 13a and 13b. (Fig. 3 (A))
[0025]
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 form the impurity regions 14a to 14d. A method using light energy such as laser annealing or flash lamp annealing can also be used for activation. (Fig. 3 (B))
[0026]
Finally, a silicon oxide film having a thickness of 5000 mm is deposited as an interlayer insulator 15 in the same manner as in the normal TFT fabrication, and contact holes are formed in the silicon oxide film to form wiring / electrodes 16a to 16d in the source region and the drain region. . (Figure 3 (C))
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.
[0027]
FIG. 4 shows a case where an aluminum gate TFT is manufactured. In FIG. 4A, X in the center means the place where the groove 4A in FIG. 2 was present. As shown in the drawing, the portion X is arranged so that the semiconductor region of the TFT does not cross. That is, the crystalline silicon film 3 obtained in the step shown in FIG. 2 was patterned to form island-like semiconductor regions 21a and 21b. Then, a silicon oxide film 22 functioning as a gate insulating film was formed by a method such as an RF plasma CVD method, an ECR plasma CVD method, or a sputtering method. When the plasma CVD method is employed, TEOS (tetra-ethoxy silane) and oxygen are preferably used as the source gas. Then, an aluminum film (thickness 5000 mm) containing 1% silicon was deposited by sputtering, and this was patterned to form gate wiring / electrodes 23a and 23b.
[0028]
Next, the substrate was immersed in an ethylene glycol solution of 3% tartaric acid, and platinum was used as a cathode, and an aluminum wiring was used as an anode. The current is first 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, anodic oxides 24a and 24b having a thickness of 2000 mm were formed. (Fig. 4 (A))
[0029]
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 form impurity regions 25a to 25d. The laser used was a KrF laser (wavelength 248 nm), 250 to 300 mJ / cm. 2 A laser beam having an energy density of 5 shots was irradiated. (Fig. 4 (B))
[0030]
Finally, a silicon oxide film having a thickness of 5000 mm is deposited as an interlayer insulator 26 in the same manner as in the normal TFT fabrication, and contact holes are formed in the silicon oxide film to form wiring / electrodes 27a to 27d in the source region and the drain region. . (Fig. 4 (C))
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 the shift register manufactured using this TFT operates at 6 MHz at a drain voltage of 17 V and at 11 MHz at 20 V.
[0031]
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 silicon oxide film 32 was deposited on a substrate 31, and an amorphous silicon film 33 having a thickness of 2000 to 3000 mm was further deposited. An appropriate amount of P-type or N-type impurities may be mixed in the amorphous silicon film. Then, as shown above, island-like nickel or nickel silicide coatings 34A and 34B were formed, and in this state, the amorphous silicon film was crystallized by annealing at 550 ° C. for 4 hours.
[0032]
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 nickel silicide coatings 34A, 34B) contains a large amount of nickel, patterning is performed so as to remove the silicon film 35A, 35B was formed. Further, a substantially intrinsic amorphous silicon film 36 was deposited thereon.
Thereafter, as shown in FIG. 5C, a film is formed of a material such as silicon nitride or silicon oxide as the gate insulating film 37, the gate electrode 38 is formed of aluminum, and anodic oxidation is performed as in FIG. Impurity regions 39A and 39B are formed by diffusing impurities by ion doping. Further, an interlayer insulator 40 is deposited, contact holes are formed, and metal electrodes 41A and 41B are formed on the source and drain to complete the TFT. This TFT is characterized in that the semiconductor film in the source and drain portions is thicker and the resistivity is lower than the thickness of the active layer. As a result, the resistance in the source and drain regions is reduced, and the TFT characteristics are reduced. Will improve. Further, the contact can be easily formed.
[0033]
Example 3 FIG. 6 shows a case where a CMOS type TFT is manufactured. As shown in FIG. 6A, a base silicon oxide film 52 was deposited on a substrate 51, and an amorphous silicon film 53 having a thickness of 1000 to 1500 mm was further deposited. Then, an island-like nickel or nickel silicide coating 54 is formed as described above, and annealing is performed at 550 ° C. in this state. By this step, the silicon silicide region 55 grows and crystallization proceeds. By annealing for 4 hours, the amorphous silicon film is changed to crystalline silicon as shown in FIG. Further, the silicon silicide 59A and 59B are driven to the end by the progress of crystallization.
[0034]
Next, the crystalline silicon film thus obtained was patterned as shown in FIG. 6B to form island-like silicon regions 56. At this time, it should be noted that the nickel concentration is high at both ends of the island region. After forming the island-like silicon region, a gate insulating film 57 and gate electrodes 58A and 58B were formed.
[0035]
Thereafter, as shown in FIG. 5C, impurities are diffused by ion doping to form an N-type impurity region 60A and a P-type impurity region 60B. In this case, for example, phosphorus as an N-type impurity (doping gas is phosphine PH). Three Then, the entire surface is doped with an acceleration voltage of 60 to 110 kV, and then the region of the N-channel TFT is covered with a photoresist to form a P-type impurity such as boron (the doping gas is diborane B). 2 H 6 ) And doping at an acceleration voltage of 40 to 80 kV.
[0036]
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 interlayer insulator 61 is deposited, contact holes are formed, and the metal electrodes 62A, 62B, and 62C are formed. A TFT is completed by forming the source and drain.
[0037]
[Embodiment 4] The present embodiment relates to a configuration in which the crystallinity of the crystalline silicon film is further improved by irradiating laser light after the crystallization step by heating at 550 ° C. for 4 hours in the step of Embodiment 3. .
FIG. 7 shows a manufacturing process of the CMOS type TFT of this embodiment. First, as shown in FIG. 7A, a base silicon oxide film 52 was deposited on a substrate 51 to a thickness of 2000 mm by a sputtering method. Further, an amorphous silicon film 53 having a thickness of 1000 to 1500 mm was deposited by a plasma CVD method. Then, an island-like nickel or nickel silicide coating 54 was formed.
[0038]
Then, annealing was performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. By this step, the silicon silicide region 55 grows and crystallization proceeds. Next, the crystalline silicon film thus obtained was patterned as shown in FIG. 7B to form island-like silicon regions 56.
[0039]
Further, KrF excimer laser light (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) 71 was irradiated. Irradiation conditions are 250 mJ / cm 2 2 shots. The irradiation power is 200 to 400 mJ / cm in consideration of conditions such as film thickness and substrate temperature. 2 And it is sufficient. As the laser light, an XeCl laser (wavelength 308 nm), an ArF laser (wavelength 193 nm), or the like can also be used.
[0040]
Moreover, you may irradiate the strong light which can acquire the effect equivalent to the irradiation of a laser beam. In particular, RTA (rapid thermal annealing) by irradiation with infrared light can selectively absorb infrared light into silicon, so that effective annealing can be performed. Note that laser light irradiation may be performed before the patterning step.
As described above, a silicon film with good crystallinity can be obtained. As a result of such treatment, the silicon film 53 crystallized by thermal annealing became a silicon film with better crystallinity. On the other hand, even in a non-crystallized region (not shown), a polycrystalline film was obtained as a result of laser irradiation, and alteration of the film was observed, but it was revealed by Raman spectroscopy that the crystallinity was not good. Became. In addition, in the observation with a transmission electron microscope, the laser is irradiated without being crystallized, and the crystallized film has an infinite number of small crystals, whereas the film irradiated with laser after crystallization according to the present invention. In 53, relatively large crystals with the same crystal orientation were observed.
[0041]
Thereafter, gate electrodes 58A and 58B mainly composed of silicon were formed. Then, as shown in FIG. 7C, impurities are diffused by ion doping to form an N-type impurity region 60A and a P-type impurity region 60B. In this case, for example, phosphorus as an N-type impurity (doping gas is phosphine PH). Three Then, the entire surface is doped with an acceleration voltage of 60 to 110 kV, and then the region of the N-channel TFT is covered with a photoresist to form a P-type impurity such as boron (the doping gas is diborane B). 2 H 6 ) And doping at an acceleration voltage of 40 to 80 kV.
[0042]
After the doping, the source and drain are activated by laser light irradiation, and further, an interlayer insulator 61 is deposited, contact holes are formed, and metal electrodes 62A, 62B, and 62C are formed on the source and drain to form a TFT. Is completed.
As shown in this example, by introducing a catalyst element that promotes crystallization, by combining a crystallization process at a low temperature of about 550 ° C. for 4 hours and an annealing process by laser light irradiation in combination. A crystalline silicon film with good crystallinity can be obtained. A high-performance TFT can be obtained by manufacturing a TFT using such a crystalline silicon film.
That is, in the N-channel TFT obtained in Example 1, the field effect mobility (mobility) is 40 to 60 cm. 2 / Vs (silicon gate type, see FIG. 3) or 60-120 cm 2 / Vs (aluminum gate type, see FIG. 4), the threshold voltage was 3 to 8 V, but the mobility of the N-channel TFT obtained in this example was 150 to 200 cm. 2 / Vs and the threshold voltage are 0.5 to 1.5 V, and it is noted that the mobility is greatly improved and the variation in the threshold voltage is reduced.
[0043]
Conventionally, such characteristics were possible only by laser crystallization of an amorphous silicon film. However, conventional laser crystallization has a large variation in characteristics of the obtained silicon film. 350 mJ / cm at the temperature of 2 Irradiation with the above high laser energy was necessary, and there was a problem in mass productivity. In this respect, in this example, the substrate temperature and the energy density are sufficient to be smaller than that, so there was no problem with respect to mass productivity. Furthermore, since the variation is similar to that of the conventional solid phase growth crystallization method by thermal annealing, the obtained TFT has uniform characteristics.
[0044]
In the present invention, when the Ni concentration is low, the crystallization of the silicon film is insufficient, and the TFT characteristics are not good. However, in this embodiment, even if the crystallinity of the silicon film is insufficient, it can be compensated for by subsequent laser irradiation. Therefore, even if the Ni concentration is low, the TFT characteristics do not deteriorate. For this reason, the nickel concentration in the active layer region of the device can be further reduced, and a highly preferable configuration can be obtained from the viewpoint of electrical stability and reliability of the device.
[0045]
[Embodiment 5] This embodiment relates to a configuration in which a catalytic element that promotes crystallization of amorphous silicon is contained in a solution, and the catalyst element is introduced into the amorphous silicon film by coating the solution on the amorphous silicon film. .
Further, in this embodiment, a method for obtaining a crystalline silicon film having a low concentration of the catalytic element by selectively introducing the catalytic element and performing crystal growth from the introduction region to a region where the catalytic element has not been introduced. About.
[0046]
FIG. 8 shows an outline of a manufacturing process of this example. In FIG. 8, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same portions as those in FIG.
First, an underlying silicon oxide film 1B was formed to a thickness of 2000 mm on a glass substrate (Corning 7059, 10 cm square) by sputtering, and an amorphous silicon film 1 was further formed to a thickness of 1000 mm by plasma CVD.
Next, a silicon oxide film 80 serving as a mask was formed to a thickness of 2000 mm. Regarding the thickness of the silicon oxide film 80, it has been confirmed by the inventors' experiments that there is no problem even if it is 500 mm, and it may be thinner if the film quality is dense.
[0047]
Then, the silicon oxide film 80 was panned into a required pattern by a normal photolithography patterning process. Then, a thin silicon oxide film 82 was formed on the surface of the amorphous silicon film 1 exposed by ultraviolet irradiation in an oxygen atmosphere. The silicon oxide film 82 is produced by irradiating UV light for 5 minutes in an oxygen atmosphere. The thickness of the silicon oxide film 82 is considered to be about 20 to 50 mm. (Fig. 8 (A))
[0048]
This silicon oxide film is for improving the wettability of the solution applied in a later step. In this state, 5 ml of an acetate solution obtained by adding 100 ppm (weight conversion) of nickel to the acetate solution was dropped (in the case of a 10 cm square substrate). At this time, spin coating was performed with a spinner 84 at 50 rpm for 10 seconds to form a uniform water film 83 on the entire substrate surface. Furthermore, after maintaining for 5 minutes in this state, spin drying was performed using a spinner 84 at 2000 rpm for 60 seconds. In addition, you may perform this holding | maintenance, rotating 0-150 rpm on a spinner. (Fig. 8 (A))
[0049]
Through the above process, nickel is introduced into the region indicated by 85. Then, heat treatment was performed at a temperature of 300 to 500 degrees to generate nickel silicide on the surface of the region indicated by 85. Next, the silicon oxide film 80 as a mask was removed, and the amorphous silicon film 80 was crystallized by performing a heat treatment at 550 ° C. (nitrogen atmosphere) for 4 hours. At this time, crystal growth is performed in the lateral direction (direction parallel to the substrate) from the region 85 where nickel is introduced to the region where nickel is not introduced. Of course, crystallization is also performed in a region where nickel is directly introduced.
[0050]
Here, heat treatment is performed to form a nickel silicide film on the surface of the region indicated by 85, and then the silicon oxide film 80 is removed. However, without removing the silicon oxide film 80, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours. In the case of performing crystallization, it is not necessary to perform a step of forming a nickel silicide film. In this case, the silicon oxide film 80 may be removed after the crystallization process.
[0051]
FIG. 8B shows an intermediate state in which crystallization proceeds. This shows a state in which the nickel introduced toward the end proceeds to the central portion as nickel silicide 3A, and the portion 3 through which nickel has passed is crystalline silicon. When the crystallization further proceeds, as shown in FIG. 8C, the crystallization starting from the region 85 in which two nickels are introduced collides with each other, and the nickel silicide 3A remains in the middle to complete the crystallization.
[0052]
Crystalline silicon can be obtained by the above steps, but it is not preferable that nickel is diffused into the semiconductor film from the nickel silicide 3A generated at this time. Therefore, the 3A region was etched with hydrofluoric acid or hydrochloric acid. The state after etching is shown in FIG. The portion where the grain boundary exists is the groove 4A.
[0053]
In FIG. 8C, a region 86 is a region that has been crystallized laterally from the region 85. The nickel concentration in the region indicated by 86 is shown in FIG. FIG. 9 shows the measurement of the nickel concentration distribution in the depth direction in the region indicated by 86 of the crystalline silicon film that has been crystallized by SIMS. Further, it has been confirmed that the nickel concentration in the region 85 into which nickel is directly introduced shows a value higher by one digit or more than the concentration distribution shown in FIG. A TFT was fabricated in the same manner as in Example 1 using the crystalline silicon film thus obtained.
[0054]
It is effective to further improve the crystallinity by irradiating the crystalline silicon film thus obtained with a laser or intense light equivalent to that as in the fourth embodiment. In Example 4, since the nickel concentration in the silicon film was relatively high, nickel in the silicon film was precipitated by laser irradiation, and nickel silicide grains of about 0.1 to 10 μm were formed in the silicon film. Membrane morphology deteriorated. However, in this example, since the nickel concentration can be reduced much more than in Examples 1 and 2, there was no precipitation of nickel silicide, and the film was prevented from being roughened by laser irradiation.
[0055]
The nickel concentration shown in FIG. 9 can be controlled by controlling the nickel concentration in the solution. In this example, the nickel concentration in the solution was set to 100 ppm, but it has been found that crystallization is possible even if this is 10 ppm. In this case, the nickel concentration in the region 86 of FIG. 8 shown in FIG. 9 can be further lowered by one digit. However, when the nickel concentration in the solution is reduced, there is a problem that the crystal growth distance in the lateral direction is shortened.
[0056]
The crystalline silicon film crystallized as described above can be used as it is for the active layer of the TFT. In particular, it is extremely useful to form an active layer of a TFT using a region indicated by 86 because the concentration of the catalytic element is low.
In this embodiment, the acetate solution is used as the solution containing the catalyst element, but an aqueous solution, an organic solvent solution, or the like can be widely used. Here, even if the catalyst element is not contained as a compound, it may be contained simply by dispersing it.
[0057]
As the solvent containing the catalyst element, a solvent selected from polar solvents such as water, alcohol, acid and ammonia can be used.
When nickel is used as a catalyst and this nickel is included in a polar solvent, nickel is introduced as a nickel compound. Typical nickel compounds include nickel bromide, nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel chloride, nickel iodide, nickel nitrate, nickel sulfate, nickel formate, nickel acetylacetonate, 4-cyclohexylbutyric acid. A material selected from nickel, nickel oxide and nickel hydroxide is used.
[0058]
As the solvent, a nonpolar solvent selected from benzene, toluene, xylene, carbon tetrachloride, chloroform, and ether can be used.
In this case, nickel is introduced as a nickel compound. As this nickel compound, typically, one selected from nickel acetylacetonate and nickel 2-ethylhexanoate can be used.
[0059]
It is also useful to add a surfactant to the solution containing the catalyst element. This is for increasing the adhesion to the surface to be coated and controlling the adsorptivity. This surfactant may be applied on the surface to be coated in advance. When nickel alone is used as a catalyst element, it needs to be dissolved in an acid to form a solution.
[0060]
The above is an example using a solution in which nickel as a catalyst element is completely dissolved, but even if nickel is not completely dissolved, powder of nickel alone or a compound of nickel is uniformly distributed in the dispersion medium. Materials such as dispersed emulsions may be used. Alternatively, a solution for forming an oxide film may be used. As such a solution, Oka (Ohka Diffusion Source) manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. can be used. If this OCD solution is used, a silicon oxide film can be easily formed by coating on the surface to be formed and baking at about 200 ° C. Further, since impurities can be freely added, they can be utilized.
[0061]
These are the same even when a material other than nickel is used as the catalyst element.
Further, by using a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate as the solution, it can be directly applied to the surface of the amorphous silicon film. In this case, it is effective to apply in advance a material such as an adhesive used in resist application. However, when the coating amount is too large, care must be taken because it interferes with the addition of the catalytic element into the amorphous silicon.
[0062]
The amount of the catalytic element contained in the solution depends on the type of the solution, but as a general tendency, the nickel amount is preferably 200 ppm to 1 ppm, preferably 50 ppm to 1 ppm (weight conversion) as a nickel amount. . This is a value determined in view of the nickel concentration in the film and the hydrofluoric acid resistance after crystallization is completed.
In this embodiment, an example in which a solution containing a catalytic element is applied on the upper surface of the amorphous silicon film is shown. However, a solution containing a catalytic element is applied on the base film before the amorphous silicon film is formed. It's okay.
[0063]
[Embodiment 6] This embodiment relates to a positional relationship between a catalytic element addition region and a crystallization region, an active layer (channel region), and a contact hole when a TFT is manufactured using the present invention. Hereinafter, the pixel portion of the maximum matrix will be described as an example.
FIG. 10 shows a manufacturing process of the TFT of this example. First, as shown in FIG. 10A, a base silicon oxide film 92 was deposited on a substrate 91 to a thickness of 2000 mm by sputtering. Further, an amorphous silicon film 93 having a thickness of 300 to 1500 mm, for example, 800 mm was deposited by plasma CVD. Then, a silicon oxide film 94 having a thickness of 200 to 2000 mm, for example, 300 mm, was formed, and holes 96a and 96b were formed in the silicon oxide film 94, which was used as a mask. Then, an extremely thin nickel film or nickel compound film 95 was formed on the entire surface by sputtering or spin coating as in Example 5.
[0064]
Then, annealing was performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. Through this process, the portions 97a and 97b immediately below the holes 96a and 96b of the amorphous silicon film became silicide, and crystallization progressed from there to grow silicon regions 98a and 98b. The tip portions were regions 99a and 99b having a high nickel concentration. (Fig. 10 (B))
In a state where the crystallization has progressed sufficiently, the crystallization proceeding from the holes 96a and 96b collided in the middle, and the crystallization stopped in this state. A region 99a having a high nickel concentration was left in the portion where the crystallization collided. In this state, optical annealing may be further performed by an excimer laser or the like as in the fourth embodiment. (Fig. 10 (C))
Next, the island-like silicon region 100 was formed by patterning the crystalline silicon film thus obtained as shown in FIG. In the silicon region 100, a part of the region 97a having a high nickel concentration and 99c are left. Further, a silicon oxide film 101 having a thickness of 700 to 2000 mm, for example, 1200 mm, was formed by plasma CVD, and this was used as a gate insulating film. (Figure 10 (D))
[0065]
Thereafter, the gate electrode 102 was formed of aluminum using the same means as in Example 1. An anodized film 103 having a thickness of 1000 to 5000 mm was formed around the gate electrode. Then, N-type impurity regions 104 and 105 were formed by diffusing impurities by an ion doping method. At this time, as shown in the figure, the position of the gate electrode must be determined so that the regions 97a and 99c with high nickel concentration are not located in the portion (channel region) immediately below the gate electrode. (Fig. 10 (E)
[0066]
After the doping is completed, the source and drain are activated by laser light irradiation, an interlayer insulator 106 is deposited, and a transparent conductor film having a thickness of 500 to 1500 mm, for example, 800 mm is formed by sputtering, The pixel electrode 107 was formed by patterning and etching. Further, contact holes were formed in the interlayer insulator 106, and metal electrodes 108 and 109 were formed in the source and drain of the TFT to complete the TFT.
When forming the contact hole, it is desirable to form the contact hole avoiding the regions 97a and 99c having high nickel concentration. For this purpose, the contact hole may be designed so as not to overlap with the holes 96a and 96b for adding nickel as much as possible. Such a design is performed because in a region where nickel concentration is high, a hydrogen fluoride-based solution is more easily etched than a silicon film having no nickel, and a silicon film is formed when a contact hole is formed. This is because overetching is likely to cause contact failure. In the drawing, the contact on the left side partially overlaps the region 97a having a high nickel concentration, but it is desirable that at least a part of the electrode is in contact with a region that is not a region to which nickel is added.
[0067]
【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.
[0068]
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.
[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. 8 shows a cross-sectional view of the steps of the example. (See Example 5)
FIG. 9 shows the nickel concentration in the crystalline silicon film. (See Example 5)
FIG. 10 shows a cross-sectional view of the steps of the example. (See Example 6)
[Explanation of symbols]
1 ... Amorphous silicon
2 ... Island-like nickel film
3 ... Crystalline silicon
4 ... Grain boundary
5 ... Area where crystallization is not progressing
6 ... Semiconductor region
7 ・ ・ ・ Gate wiring

Claims (2)

絶縁表面上にアモルファスシリコン膜を形成し、
前記アモルファスシリコン膜を加熱することによって、前記アモルファスシリコン膜中の水素濃度を5原子%以下とし、
前記アモルファスシリコン膜の一部にニッケルを設け、
加熱することにより前記アモルファスシリコン膜を珪化ニッケルが形成された結晶性シリコン膜とした後
前記珪化ニッケルをフッ酸又は塩酸で除去
前記珪化ニッケルが除去された結晶性シリコン膜をパターニングし、島状シリコン領域を形成し、
前記島状シリコン領域上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
An amorphous silicon film is formed on the insulating surface,
By heating the amorphous silicon film, the hydrogen concentration in the amorphous silicon film is set to 5 atomic% or less,
Provided nickel on part of the amorphous silicon film,
After said amorphous silicon film to the crystalline silicon film nickel silicide is formed by heating,
The nickel silicide is removed by hydrofluoric acid or hydrochloric acid,
Patterning the crystalline silicon film from which the nickel silicide has been removed to form island-like silicon regions;
Forming a gate insulating film on the island-like silicon region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate electrode over the gate insulating film.
請求項において、
前記アモルファスシリコン膜を結晶性シリコン膜とした後、塩素を含む雰囲気中で処理することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 1 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the amorphous silicon film is made into a crystalline silicon film and then processed in an atmosphere containing chlorine.
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