JP3974229B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一部もしくは全部が非晶質成分からなる半導体材料、あるいは、実質的に真性な多結晶の半導体材料に対して結晶化助長触媒元素を添加しアニール等の処置を施すことにより該半導体材料の結晶性を向上せしめ、さらに該結晶化助長触媒元素を半導体デバイスに悪影響を及ばさぬような領域に効率よく移動させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子プロセスの低温化に関して盛んに研究が進められている。その大きな理由は、安価で加工性に富んだガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生じたからである。
【０００３】
半導体膜の基板として広く一般的に用いられているガラスの融点は６００度前後で、それ以上に基板の温度を上げることが出来ない。よって、６００℃前後以下の温度で半導体素子を作製しなければならない。
【０００４】
半導体プロセスにおいては、半導体材料に含まれる非晶質成分もしくは非晶質半導体材料を結晶化させることや、より結晶性を向上させることが必要とされることがある。
【０００５】
従来、このような目的のためには熱的なアニールが用いられていた。半導体材料として珪素を用いる場合には、６００℃から１１００℃の温度で０．１〜４８時間、もしくはそれ以上の時間のアニールをおこなうことによって、非晶質の結晶化、結晶性の向上等がなされてきた。このような熱アニールをガラス基板上の半導体膜に施そうとすると、そのガラス基板の歪み点の極近傍、すなわち６００度程度で結晶性を向上させねばならないので、膨大な時間を結晶化に要することとなる。６００度の温度はシリコンの結晶化に必要な最低の温度に近く、５００度以下になると、長時間アニールを続けても結晶化は起こらない。
【０００６】
したがって、プロセスの低温化の観点からは、従来の結晶化工程を見直すことが必要とされた。レーザー光照射技術は低温プロセスを可能とするものの１つである。なぜならば、レーザー光は１０００度前後の熱アニールに匹敵する高いエネルギーを半導体膜のみに限定して与えることができ、基板全体を高い温度にさらす必要がないからである。レーザー光の照射に関しては、エキシマーレーザーのごときパルス発振レーザーを用いて、大エネルギーレーザーパルスを半導体材料に照射し、半導体材料を瞬間的に溶融させ、凝固させることによって半導体材料を結晶化させる方法が主に取られている。このようなレーザーによる結晶化で得られる半導体膜の結晶性は比較的高いものとなった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザーにより結晶化された珪素膜をもとに作成されたTFTの特性は、レーザーの不安定性に起因するばらつきがみられ、さらなる検討を要した。
【０００８】
そこで本発明人は、プラズマＣＶＤ法で堆積したアモルファスSiに結晶化を助長する元素の１つであるニッケルを添加し、さらに熱アニールをすることで固層成長させる方法を考案した。本方法は、６００℃、４時間という低温短時間でアモルファスSiを多結晶Si膜に変えることを可能とした。
【０００９】
上記ニッケルを用いる方法によりレーザーを使用せずに、比較的短時間で多結晶Si膜をガラス基板上に形成することができるようになった。しかし、残念ながらその特性はレーザーにより得られる膜と比較して、満足のいくものではなかった。上記ニッケル添加をする方法で得られた膜は、膜内部の至る所でニッケルの集中が見られた。そのニッケルの集中部分がたまたまＴＦＴのチャネル領域や、高抵抗領域（例えば、オフセット領域と呼ばれる部分）にあると、その特性を著しくおとしめた。特にOFF電流が著しく高くなった。
【００１０】
そこで、本発明人はニッケル入りの膜から、ニッケルを除去する方法を検討した。あるいは、少なくとも、チャネル領域と高抵抗領域からはニッケルを除去する方法を検討した。そして、燐をニッケル入りの膜中、選択的に添加しアニールをする事により、ニッケルが燐に吸い寄せられて、燐の添加領域以外の領域から実質的に無くなってしまう現象に着目し、その条件の最適化を図った。不純物を吸い出して除去する技術を、一般にゲッタリングと呼ぶ。
【００１１】
上記方法は通常、燐を膜に添加後、６００℃程度の熱アニールを数時間から十数時間行い、ニッケルその他の不純物を燐に引き寄せ除去するものであった。６００度の温度のもとでは、リンは膜中でほとんど移動しないが、ニッケルは著しく移動する性質を本方法は利用している。
【００１２】
前記方法でも十分に効果的ではあったが、処理に時間がかかる。また、燐の添加領域の面積を大きくとる必要があり、回路の微細化に弊害が生じる等の問題点もあった。特に、回路の微細化に制限を与えてしまう前記ゲッタリング技術は技術の進歩に逆行するものであった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を改善するものである。本発明人は、上記熱アニールの前に、燐を活性化することにより、その処理時間を大幅に節約できることを発見した。
【００１４】
また、本方法により、燐の添加領域面積を非常に小さく取れることも判った。活性化の方法は、レーザーによるものと、RTA （赤外光の照射による短時間の加熱処理）によるものを実践し、どちらも効果的であった。
【００１５】
図１は、ニッケルで結晶化した珪素膜に燐をストライプ状に添加し、そのゲッタリング能力を加熱時間と燐の添加領域面積（図１中ストライプの幅Ｓμm で定義）と燐の無添加面積（図１中ストライプの幅Ｌμm で定義）とを変えて調べたものである。なお、図中△のマークで記載されているものは加熱処理前にレーザーにより燐を活性化したものである。
【００１６】
加熱温度は６００℃、燐のドーズ量は５×１０14 ions/cm2 とした。この結果はゲッタリングの完了に要する最少の燐の添加領域面積（図１中ストライプの幅Ｓμm で定義）を、燐の無添加面積（図１中ストライプの幅Ｌμｍで定義）と加熱時間を変えてグラフ化したものである。図１ａは、加熱時間４時間、図１ｂは、加熱時間８時間、図１ｃは、加熱時間１２時間である。
【００１７】
図１より、レーザーで燐を活性化をしてから加熱処理をしたものの方が明らかにゲッタリング能力が高いことがわかる。すなわち、明らかにレーザー処理をした膜の方が、処理時間が短くしかもリンのドーピング領域面積を小さくできることが判る。
【００１８】
図２はニッケルがゲッタリングされる様子を視覚的にとらえたものである。ニッケルが珪素膜中にあると、その部分はＦＰＭと呼ばれる溶液によりエッチングされやすく、極短時間で孔があく性質がある。その性質を利用し、ニッケルがゲッタリングされてゆく様子を写真に撮った。
【００１９】
図中無数の黒い点がニッケルがあった部分である。図２（Ａ）がゲッタリング前の状態であり、図２（Ｂ）がゲッタリング後の状態である。
【００２０】
これらの写真から、ニッケルがある領域から無くなってゆく様子が良く判る。ゲッタリングが完了した領域の金属元素の濃度は５×１０16 ATOMS/cm3以下であった。
【００２１】
以下において、リンを活性化するとなぜ、ゲッタリングの効率が上がるかを考察する。加熱時、リンは半導体膜中を粒界に沿って移動するので、移動に多くエネルギーを要する。一方で、ニッケルは原子間の隙間を移動するので比較的容易に移動できる。このとき、リンが不活性の状態であると比較的容易に粒界に到達し、若干移動してしまうが、リンが活性化された状態であるとその結合を切って粒界に沿って移動をするには１０００℃以上の熱が必要である。リンを活性化させるエネルギーで粒界が硬くなり、リンの経路が一部で遮断されるからである。よって、リンを固定する上で活性化は有効な手段であると言える。
【００２２】
また、リンが活性化していればその電気的な力でゲッタリングの能力が高くなる。そして一方で、ニッケルは、リンを活性化させる際のエネルギーを受けてニッケルシリサイドとして膜中に拡散するので、よりゲッタリングされやすい状態となる。
【００２３】
上記考察から、１０００℃以上の温度でゲッタリングを行うのは不適当であることが予想できる。ゲッタリングに適当な温度は最大９５０℃位であった。
【００２４】
また、ニッケル単体を用いた場合ほどの効果は得られないが、他の結晶化助長触媒元素として、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類のものが利用することができる。また、これらの元素群にNiを加え、他の金属と併用するのでもよい。
【００２５】
また、これらもニッケル単体を用いた場合ほどの効果は得られないが、他の結晶化助長触媒元素として、Ge、Pb、Inから選ばれた一種または複数種類のものが利用することができる。
【００２６】
これらGe、Pb、Inの元素群は、上記のNi、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auの元素群と比較し膜中の拡散速度が同一温度で１／１００程度と遅く、よって比較的高温でゲッタリングしなければならない。
【００２７】
上記に列挙した結晶化助長触媒元素をゲッタリングできる元素として、燐の他に、N、As、Sb、Bi等の１５族元素が知られている。本明細書中では、これらの元素を燐も含めゲッタリング用元素と呼ぶこととする。これらの元素を燐の代わりもしくは、併用して用いてもよい。あるいは複数の元素を混合して用いても良い。しかしながら、燐を用いるのが最も効果的であった。
【００２８】
燐などはｎ型のドーパントとして使用できるためこの燐を、ニッケルを含む活性層をもつＴＦＴのソースドレイン領域に導入後、該ソースドレイン領域をレーザー等により活性化した後に６００℃程度の熱アニールを加えると燐がニッケルを該ＴＦＴのチャネル領域や高抵抗領域から吸い出す現象、すなわちゲッタリングが起きる。これにより、ニッケル等の不純物をＴＦＴのチャネル領域や高抵抗領域から除去することができた。ニッケルがソースドレイン領域にある分にはＴＦＴの特性にほとんど影響しない。
【００２９】
本方法ではＮチャネルのＴＦＴしか作製できないが、燐に等のＰ型のドーパントを加えることでＰチャネルのＴＦＴも作製できる。このような場合も燐のゲッタリング能力は変わらない。上記のような方法で作製されたＴＦＴのN-I、P-I 、接合の空乏層にはNi-Sixが実質的に無かった。
【００３０】
本発明は、当初、低温プロセス用に考案されたものであったが、６００℃よりも高い温度プロセス、例えば８５０℃以上の温度を加えることが可能な石英基板上に形成される半導体素子に対し、同様のプロセスを行っても、効果的がある。その効果は、Niによってより高い結晶性をもつ膜が得られた膜中のNiを比較的短時間で除去するものである。また、ゲッタリング用の元素を添加する面積を従来よりも減らすことができる。
【００３１】
以上のことから、本発明を要約すると、半導体膜中でゲッタリング用の元素を充分に活性化させてから後に、先の活性化に要した温度よりも低い温度で該半導体膜を加熱することにより、該半導体膜中の不純物を効率よくゲッタリングする技術といえる。
【００３２】
本発明の第一は、絶縁表面を有する基板上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成する第１の工程と、前記非晶質半導体膜に対して、該非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を導入する第２の工程と、加熱処理により前記非晶質半導体膜を結晶化させる第３の工程と、前記第３の工程で得られた半導体膜に対して、前記触媒元素をゲッタリングすることができる元素を選択的に導入する第４の工程と、前記ゲッタリング用の元素を活性化させる第５の工程と、第４の工程でゲッタリング用の元素を導入した領域に前記触媒元素を加熱処理によりゲッタリングさせる第６の工程と、を少なくとも含み、前記第３、第６の工程は前記基板の温度が該基板の歪み点温度を越えないように行われることを特徴とする。
【００３３】
本発明の第一記載の活性化にはレーザーの使用が適当であった。
本発明の第一記載の活性化にはRTA の使用が適当であった。
RTA は、強光の照射により、被照射領域を加熱しアニールを行う手段である。強光としては、一般に赤外光が利用される。
【００３４】
上記、本発明の第一記載の結晶化を助長する触媒元素として、Ni 、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類のものが利用できた。
【００３５】
本発明の第一記載の結晶化を助長する触媒元素として、Ge、Pb、Inから選ばれた一種または複数種類のものが利用できた。
【００３６】
上記に列挙した結晶化助長触媒元素をゲッタリングできる元素として、燐の他に、N、As、Sb、Bi等の１５族元素が知られており、何れの元素も本発明に記載の効果を示した。
【００３７】
本発明の第二は、絶縁表面を有する基板上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成する第１の工程と、前記非晶質半導体膜に対して、該非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素であるニッケルを導入する第２の工程と、
加熱処理により前記非晶質半導体膜を結晶化させる第３の工程と、
前記第３の工程で得られた半導体膜に対して、前記触媒元素をゲッタリングすることができる元素である燐を選択的に導入する第４の工程と、
前記ゲッタリング用の元素である燐を活性化させる第５の工程と、
第４の工程でゲッタリング用の元素である燐を導入した領域に前記触媒元素であるニッケルを加熱処理によりゲッタリングさせる第６の工程と、
を少なくとも含み、
前記第３、第６の工程は前記基板の温度が該基板の歪み点温度を越えないように行われることを特徴とする。
【００３８】
本発明の第二記載の活性化にはレーザーの使用が適当であった。
本発明の第二記載の活性化にはRTA の使用が適当であった。
本発明の第二記載の第５の工程において、燐が活性化している領域のシート抵抗が１０ＫΩ／□以下であると効果的であった。
本発明の第二記載の第５の工程において、燐が活性化している領域のシート抵抗が３ ＫΩ／□以下であるとより効果的であった。
【００３９】
本発明の第二記載の第４の工程において、燐の添加領域面積の、ニッケルをゲッタリングする領域面積に対する割合が0.05以上0.6 以下の範囲でも非常に効果的であった。
【００４０】
本発明の第二記載の第４の工程において、燐の添加領域面積の、ニッケルをゲッタリングする領域面積に対する割合が0.1 以上0.5 以下の範囲でも効果的であった。
【００４１】
本発明の第二記載の第４の工程において、燐の添加量は、１×１０13〜１×１０16IONS／ｃｍ2 の範囲にあると効果的であった。
【００４２】
本発明の第二記載の第４の工程において、燐の添加量は、１×１０14〜３×１０15IONS／ｃｍ2 の範囲にあるとより効果的であった。
【００４３】
本発明の第二記載の第３、６の工程において、熱アニールの温度は４００℃〜８５０℃であると効果的であった。
本発明の第二記載の第３、６の工程において、熱アニールの温度は５００℃〜７５０℃であるとより効果的であった。
【００４４】
本発明の第二記載の第６の工程において、熱アニールの時間は１分〜２０時間であると効果的であった。本発明の第二記載の第６の工程において、熱アニールの時間は３０分〜３時間であるとより効果的であった。
【００４５】
本発明の第一、または、第二の第４の工程において、ゲッタリング用の元素は、素子が形成される領域に添加されないと本発明は効果的であった。
本発明の第一、または、第二の第４の工程において、ゲッタリング用の元素は、素子のチャネル領域と高抵抗領域（オフセット領域）との両領域に添加されないと本発明は効果的であった。
【００４６】
本発明の他の構成は、ソースドレイン部分にニッケルが添加されており、かつ、N-I、P-I、接合の空乏層にNi-Sixが実質的に無いことを特徴とする半導体装
置である。
【００４７】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例では、非結晶性半導体被膜に結晶化助長触媒元素を添加し、アニール等の手段により該結晶性被膜に所望の結晶性を持たした後、不要となった該結晶化助長触媒元素を該半導体被膜の素子形成領域外に除去する技術を示す。
【００４８】
以下に、結晶化助長触媒元素に Ni を、非結晶性半導体被膜に珪素を用い、ガラス基板上に結晶性を有する珪素膜を形成する例を示す。結晶化助長触媒元素は結晶性珪素膜形成後もしくは形成中に珪素膜の素子形成領域外に大部分除去される。
【００４９】
まず、12.5ｃｍ角のガラス基板４０１（例えばコーニング１７３７ガラス基板）を用意する。そしてこのガラス基板４０１上に、ＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により、酸化珪素膜４０２を２０００Åの厚さに形成する。勿論この厚さは、必要とする厚さとすればよい。この酸化珪素膜４０２は、ガラス基板側から不純物が半導体膜に拡散したりするのを防止する下地膜として機能する。
【００５０】
次にプラズマＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜４０３（アモルファスシリコン膜）の成膜を行う。ここでは、プラズマＣＶＤ法を用いるが、減圧熱ＣＶＤ法を用いるのでもよい。なお、非晶質珪素膜の厚さは、５５０Åとする。勿論この厚さは、必要とする厚さとすればよい。次にUV光を非晶質珪素膜の表面に照射することにより薄い酸化膜を形成する。さらに液相Ｎｉ酢酸塩をスピンコート法により非晶質珪素膜の表面に塗布する。前記酸化膜はNi酢酸塩４０４が膜表面に均質に塗布されるために付けられている。Ｎｉ元素は、非晶質珪素膜が結晶化する際に結晶化を助長する元素として機能する。（図４（Ａ））
【００５１】
次に窒素雰囲気中において、４５０℃の温度で１時間保持することにより、非晶質珪素膜中の水素を離脱させる。これは、非晶質珪素膜中に不対結合手を意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのしきい値エネルギーを下げるためである。そして窒素雰囲気中において、６００℃、４〜８時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜を結晶化させる。この結晶化の際の温度を６００℃とすることができたのは、ニッケル元素の作用によるものである。上記加熱処理中、Ni 元素は珪素膜中を移動しながら、該珪素膜の結晶化を促進する。こうして、６００度以下の温度で、ガラス基板上に多結晶珪素膜４０５を得ることができる。さらに、結晶性を上げるためにレーザーで多結晶半導体膜をアニールしてもよい。（図４（B））
【００５２】
上記方法はニッケルを半導体膜上の全面に塗布したが、マスク等を用いて、ニッケルを半導体膜に選択的に添加し、結晶成長させてもよい。この場合、結晶は主に横方向に成長してゆく。
【００５３】
次に、膜中のニッケルを除去する工程を行う。まず、酸化膜でなるマスク４０６を１０００Åの厚さで形成する。本マスクはリンのドーピングを選択的に行うために配置される。この状態でリンのピングを行う。すると、多結晶珪素膜の上記マスクで覆われていない部分４０７のみにリンがドーピングされる。このとき、ドーピングの加速電圧と、酸化膜で成るマスクの厚さを最適化し、リンがマスク４０６を実質的に突き抜けないようにする。上記マスクは必ずしも酸化膜でなくてよいが、酸化膜は活性層に直接触れても汚染の原因にならないので都合がよい。
【００５４】
リンのドーズ量は、１×１０14から１×１０15ions／ｃｍ2 程度がよかった。本実施例では、５×１０14ions／ｃｍ2 のドーズをイオンドーピング装置を用いて、素子領域外に導入した。
【００５５】
なお、イオンドープの際の加速電圧は１０kVとした。１０KV の加速電圧であれば、１０００Åの酸化膜マスクを燐はほとんど全く通過することができない。その後、マスクを取り除き、活性層膜中のリンの活性化を行うためにレーザー照射を行った。
【００５６】
レーザー照射には大出力の得られるエキシマレーザーを使用した。エキシマレーザーには線状に加工されたビームをもつものを使い、加工速度をあげた。具体的には、0.5 ｍｍ幅、１２ｃｍ長のレーザービームをKrF エキシマレーザーと所定のレンズ群で形成し、線状ビームの幅方向にそのビームを基板に対して相対的に走査させることにより、基板全面にレーザー照射を行った。
【００５７】
その他の種類のエキシマレーザー、例えば、XeClエキシマレーザーを用いても効果は同様であった。また、線状に加工されていないレーザービームを使用しても効果は同様であった。このようにして活性化されたリンのシート抵抗は２ＫΩ／□程度であった。
【００５８】
その後、６００℃の窒素雰囲気にて１〜１２時間熱アニールし、ニッケル元素のゲッタリングを行った。６００度の温度のもとでは、リン原子は膜中をほとんど動かないが、ニッケル原子は数１００μｍ程度またはそれ以上の距離を移動することができる。このことからリンがニッケルのゲッタリングに最も適した元素の１つであることが理解できる。上記レーザー照射の効果は図１に示した通りである。
【００５９】
次に、上記多結晶珪素膜をパターニングする。このとき、リンがドープされた領域すなわちニッケルがゲッタリングされた領域が残らないようにする。このようにして、ニッケル元素をほとんど含まない多結晶珪素膜４０８が得られた。得られた珪素膜のパターンが後にＴＦＴの活性層となる。
【００６０】
本実施例で形成された活性層を利用し、実施例３で示す構造（図５（Ｅ）参照。）のＴＦＴを作製したところ図３a に示す特性をもつものが得られた。一方同様な構造でゲッタリング工程を省いたものの特性を図３ｂに示した。両者を比較すると明らかにゲッタリングを行なったものの特性が良いことが判る。特にOFF 電流の特性が顕著に改善されている。
【００６１】
〔実施例２〕
実施例１で示したゲッタリングの能力を改善するレーザー照射の工程を、ＲＴＡで置き換えたものを本実施例で示す。
【００６２】
ＲＴＡは、RAPID THERMAL ANNEALING の略語である。ＲＴＡでは、ハロゲンランプに代表される赤外光を主に発するものを光源とし、基板表面につけられた膜のみを短時間で加熱することを可能とする。
【００６３】
しかしながら、レーザーほどその加熱時間を短くすることができない、波長領域が主に赤外領域である（エキシマレーザー光は紫外光である）等の原因で、基板もやや加熱される。
【００６４】
よって、レーザーと比較すると高いエネルギーを膜に与えることは難しいが、エネルギーはレーザーよりも安定しているので、より均質なアニールができる。また、ＲＴＡは本実施例で必要とするエネルギーを充分、活性層に与える能力を持っている。
【００６５】
本実施例で使用するＲＴＡはハロゲンランプを有したものである。本実施例で使用するＲＴＡは線状に加工されたビーム状の光線を有しており、加工効率を上げている。加工法法は線状レーザーを使用する方法とほぼ同様である。しかしながら、レーザーと違い加工時間がややかかるので基板が急激な温度変化に耐えられず割れることがある。よって、処理前に基板温度を上げておく必要がある。
【００６６】
本実施例では、基板の温度をあらかじめ３５０度にまで加熱しておき、それからハロゲンランプをレーザーと同様な方法で、基板に対し走査させながら照射した。
【００６７】
ハロゲンランプはアークランプに置き換えても効果は同様であった。また、ＲＴＡの光線は必ずしも線状に加工される必要はない。実施例１で示した作成法でレーザー照射の工程のみをＲＴＡ工程に置き換え、得た膜のシート抵抗は５ｋΩ／□であった。後は、実施例１と同様の手順で工程を踏めばよい。本実施例で示した方法で作成されたは実施例１で得たものとほぼ同等の特性を備えていた。
【００６８】
〔実施例３〕
本実施例では、非結晶性半導体被膜に結晶化助長触媒元素を添加し、アニール等の手段により該結晶性被膜に所望の結晶性を持たした後、不要となった該結晶化助長触媒元素を素子特性にほとんど影響しない部分に集中させる技術を示す。
【００６９】
本実施例では、実施例１の作製工程で、ニッケルを除去する前の工程まで進んだ多結晶珪素膜４０５を利用して、ＴＦＴを作製する。この多結晶珪素膜中には比較的高濃度（１０18ATOMS/ｃｍ3 程度以上）でニッケルが分布している。
【００７０】
この多結晶珪素膜４０５をパターニングすることで、ＴＦＴの活性層パターン５０１を形成する。この活性層パターン５０１には、チャネル形成領域５０２、高抵抗領域５０３が形成される。活性層を形成後、ゲイト絶縁膜５０４として酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ法により１００nmの厚さに成膜する。
【００７１】
次にチタン膜をスパッタ法により４００ nm の厚さに成膜する。そして、このチタン膜をパターニングすることにより、ゲイト電極５０５を得る。さらに、陽極酸化法により、チタン膜パターンの露呈した表面に陽極酸化膜５０６を２００nmの厚さで形成する。
【００７２】
この陽極酸化膜５０６はゲイト電極５０５の表面を電気的及び物理的に保護する機能を有している。また、後の工程において、チャネル領域５０２に隣接してオフセット領域と称される高抵抗領域５０３を形成するために機能する。
【００７３】
次に、ゲイト電極５０５、及び、その周囲の陽極酸化膜５０６をマスクとして燐のドーピングを行う。この燐は、ソース、ドレイン領域を決定する為のドーパントとしての役割と、ニッケル元素をゲッタリングする役割の両方をになう。
【００７４】
燐のドーピングを行うことで、ソース、ドレイン領域が自己整合的に形成される。リンのドーズ量は本実施例では、５×１０14ions／ｃｍ2 のドーズをイオンドーピング装置を用いて導入した。
【００７５】
次にレーザーにより、燐を活性化させる。これにより、燐のゲッタリング能力を上げることができる。燐はニッケルだけでなく、他の不純物もゲッタリングする。レーザーは実施例１で示した方法で照射した。
【００７６】
レーザービームのエネルギー密度は、２００ｍＪ／ｃｍ2 程度とした。なお、本工程における適当なエネルギー密度は、レーザーの種類や照射の方法、半導体膜の状態により異なるので、それに合わせて調整する。レーザーの照射により、ソースドレイン領域のシート抵抗は１ＫΩ／□まで下がった。
【００７７】
レーザー照射後、ニッケルその他の不純物を、チャネル領域５０２と高抵抗領域５０３から除去するために加熱処理を行う。この加熱処理は、窒素雰囲気で行われ、温度は６４０℃、該温度維持時間は１時間とした。この処理中燐元素はほとんど動かないが、ニッケルは燐に引き寄せられ著しく膜中を移動した。その結果、ソース、ドレイン領域にニッケル元素が集中した。これらのニッケル元素は活性層中でNiP、NiP2、Ni2P、・・・といった結合状態で存在する。前記結合状態は非常に安定であり、しかも、Niがソース、ドレイン領域にある限り、ＴＦＴの動作にほとんど影響しないことが判っている。
【００７８】
次に、層間絶縁膜として、窒化珪素膜５０７をプラズマCVD法によって１５０nmの厚さに成膜し、更にアクリル樹脂膜５０８を成膜する。アクリル樹脂膜５０８の膜厚は、最少の部分で７００nmとなるようにする。ここで樹脂膜を用いるのは、表面を平坦化する為である。
【００７９】
アクリル以外には、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、エポキシ等の材料を用いることができる。この樹脂膜は多層膜として構成しても良い。
【００８０】
次に、コンタクトホールの形成を行い、ソース電極５０９、ドレイン電極５１０を形成する。こうして、Ｎチャネル型ＴＦＴが完成する。本ＴＦＴのチャネル領域と高抵抗領域にはニッケル元素が実質的に存在しない。（ニッケル元素の濃度は５×１０16 ATOMS/cm3以下。）
【００８１】
また、ソース／ドレイン領域にはニッケル元素が実質的に存在している。本実施例では燐をソース／ドレイン領域に導入したのでＮチャネル型ＴＦＴが作製されたが、Ｐチャネル型を作製するのであれば、燐に加えてボロンをドーピングすればよい。
【００８２】
チャネル領域とそれに隣接する高抵抗領域に、不純物が実質的に存在していると、ＴＦＴの動作に大きな悪影響を与えることが判っている。具体的には、特性不良、特性のバラツキ、信頼性の低下、といった諸問題を引き起こす。本実施例はこの問題を解決するものである。特にOFF 電流の特性が顕著に改善される。
【００８３】
〔実施例４〕
実施例３で示したゲッタリングの能力を改善するレーザー照射の工程を、ＲＴＡで置き換えたものを本実施例で示す。ＲＴＡは本実施例で必要とするエネルギーを充分、活性層に与える能力を持っている。本実施例で用いるＲＴＡは実施例２で示したものと同様のものである。
【００８４】
実施例３で示した作成法でレーザー照射の工程のみをＲＴＡ工程に置き換え、得た膜のシート抵抗は５ＫΩ／□であった。後は、実施例３と同様の手順で工程を踏めばよい。本実施例で示した方法で作成されたは実施例３で得たものとほぼ同等の特性を備えていた。
【００８５】
〔実施例５〕
本実施例は、逆スタガー型のＮチャネル型ＴＦＴを作製する場合の例を示す。図６に本実施例の作製工程を示す。まず、ガラス基板６０１上にゲイト電極パターン６０２を形成する。
【００８６】
ゲイト電極６０２はチタン膜を成膜し、その膜をパターニングすることにより得る。次に、ゲイト絶縁膜６０３として酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ法でもって成膜する。さらに減圧熱ＣＶＤ法により、非晶質珪素膜６０４を成膜する。
【００８７】
その後、UV光を照射することにより、非晶質珪素膜の表面に薄い酸化膜を形成する。さらに液相Ｎｉ酢酸塩をスピンコート法により非晶質珪素膜の表面に塗布する。前記酸化膜はNi酢酸塩６０５が膜表面に均質に塗布されるために付けられている。Ｎｉ元素は、非晶質珪素膜が結晶化する際に結晶化を助長する元素として機能する。
【００８８】
次に窒素雰囲気中において、４５０℃の温度で１時間保持することにより、非晶質珪素膜中の水素を離脱させる。これは、非晶質珪素膜中に不対結合手を意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのしきい値エネルギーを下げるためである。
【００８９】
そして窒素雰囲気中において、６００℃、４〜８時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜６０４を結晶化させる。この結晶化の際の温度を６００℃とすることができたのは、ニッケル元素の作用によるものである。
【００９０】
上記加熱処理中、Ni元素は珪素膜中を移動しながら、該珪素膜の結晶化を促進する。こうして、６００度以下の温度で、ガラス基板上に多結晶珪素膜を得ることができる。
【００９１】
次に、図６（Ｂ）に示すように、酸化珪素膜でなるマスク６０９を形成する。ここでは、基板の裏面側からの露光技術を用いて図６（Ｂ）で示す酸化珪素膜パターンを形成する。
【００９２】
次いで、燐のドーピングをイオンドーピング法（またはイオン注入法）を用いて行い、前記酸化膜が乗っている以外の領域に燐を注入する。この際、イオンがドーピングされない部分はチャネル領域６０７となる。その他の燐がドーピングされた領域はソース、ドレイン領域６０６、６０８となる。
【００９３】
この状態でレーザーを照射し、ソース、ドレイン領域を活性化する。あるいはＲＴＡにより、活性化する。照射の方法は、先の実施例１、２で示した通りである。このときのソース、ドレイン領域６０６、６０８のシート抵抗はレーザー照射したもので５ＫΩ／□以下、この実施例では２ＫΩ／□、ＲＴＡ処理済みのもので１０ＫΩ／□以下、この実施例では５ＫΩ／□であった。好ましくは３ＫΩ／□以下が良い。
【００９４】
次に、窒素雰囲気中で、６２０℃、１時間の加熱処理を行うことにより、ニッケル元素が燐に引き寄せられる。燐は６２０℃の環境下ではほとんど動かないので、この処理により、燐とニッケルが実質的に存在しない領域（チャネル領域６０７）と、燐とニッケルが共存する領域（ソースドレイン領域６０６、６０８）とを珪素膜中に選択的に形成できる。（図６（Ｃ）参照。）
【００９５】
燐は、そのままＮチャネルのＴＦＴのドーパントとして機能する。本工程ではニッケルがソース、ドレイン領域６０６、６０８に残ってはいるが、素子の特性にはほとんど影響しないことが判っている。ソースドレイン領域にニッケルが偏析して該領域の抵抗を下げることは都合がよい。
【００９６】
その後、層間絶縁膜６０９、６１０を成膜し、更にコンタクトホールを形成して、ソース電極６１１、及びドレイン電極６１２を形成する。こうしてボトムゲート型のＴＦＴが完成する。本実施例では燐をソースドレイン領域に導入したのでＮチャネル型ＴＦＴが作製されたが、Ｐチャネル型を作製するのであれば、燐に加えてボロンをドーピングすればよい。
【００９７】
〔実施例６〕
本実施例は、逆スタガー型のＴＦＴを作製する場合の例を示す。図７に本実施例の作製工程の一部を示す。ガラス基板上に多結晶珪素膜７００を形成する工程までは、実施例５と同様の工程を踏む。（図７（Ａ））
【００９８】
まず、図７に示すように、酸化珪素膜でなるマスク７０１を形成する。本工程のマスクは素子領域全面が覆えるように形成する。
【００９９】
次いで、燐のドーピングをイオンドーピング法（またはイオン注入法）を用いて行い、前記酸化膜が乗っている以外の領域に燐を注入する。この際、イオンがドーピングされない部分は素子として主に利用される。その他の燐がドーピングされた領域７０２は後の工程で除去される。
【０１００】
この状態でレーザーを照射し、燐を多結晶珪素膜中で活性化する。あるいはＲＴＡにより活性化する。照射の方法は、先の実施例１、２で示した通りである。このときの活性化された領域のシート抵抗はレーザー照射したもので２ＫΩ／□、ＲＴＡ処理済みのもので５ＫΩ／□であった。（図７（Ｂ））
【０１０１】
次に、窒素雰囲気中で、６００℃、４時間の加熱処理を行うことにより、ニッケル元素が燐に引き寄せられる。燐は６００℃の環境下ではほとんど動かないので、この処理により、燐とニッケルが実質的に存在しない領域と、燐とニッケルが共存する領域とを珪素膜中に選択的に形成できる。（図７（Ｃ））
【０１０２】
次にマスクを利用して、露呈した珪素膜を除去する。これで、膜中からほとんどニッケルは除去され、実質的に存在しなくなる。さらに、マスクを除去し、再度新たにマスクを配置して、残存した珪素膜をパターニングする。この珪素膜のパターンは、後にＴＦＴの活性層となる。この活性層の膜中には、実質的にニッケルが存在しない。
【０１０３】
その後、図７（Ｄ）に示すように酸化珪素膜からなる、マスク６０９を形成する。ここでは、基板の裏面側からの露光技術を用いて前記マスクを形成する。これをマスクとし、ソース領域７０３、ドレイン領域７０４となる部分にドーパントを注入する。この構造は図６（Ｂ）で示した構造と同様である。このあとは、図６に示した方法でＴＦＴを作製する。
【０１０４】
即ち、その後、層間絶縁膜を成膜し、更にコンタクトホールを形成して、ソース電極、及びドレイン電極を形成する。こうしてボトムゲート型のＴＦＴが完成する。
【０１０５】
〔実施例７〕
本実施例は、ＴＦＴを利用して集積回路を構成した場合の例を示す。集積回路としては、ＣＰＵ回路、メモリー回路等を挙げることができる。図８にＴＦＴを利用した集積回路の概要を示す。
【０１０６】
〔実施例８〕
本実施例は、本明細書中で示した作製方法により得たＴＦＴを用いた半導体装置の例を示す。
【０１０７】
図９（Ａ）に示すのは、携帯型の情報処理端末である。この情報処理端末は、本体２００１にアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイまたはアクティブマトリクス型のＥＬディスプレイを備え、さらに外部から情報を取り込むためのカメラ部２００２を備えている。
【０１０８】
カメラ部２００２には、受像部２００３と操作スイッチ２００４が配置されている。
【０１０９】
情報処理端末は、今後益々その携帯性を向上させるために薄く、また軽くなるもと考えられている。
【０１１０】
このような構成においては、アクティブマトリクス型のディスプレイ２００５が形成された基板上周辺駆動回路や演算回路や記憶回路がＴＦＴでもって集積化されることが好ましい。
【０１１１】
図９（Ｂ）に示すのは、ヘッドマウントディスプレイである。この装置は、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイやＥＬディスプレイ２１０２を本体２１０１に備えている。また、本体２１０１は、バンド２１０３で頭に装着できるようになっている。
【０１１２】
図９（Ｃ）に示すのは、カーナビゲーション装置である。この装置は、本体２２０１に液晶表示装置２２０２と操作スイッチ２２０３を備え、アンテナ２２０４で受診した信号によって、地理情報等を表示する機能を有している。
【０１１３】
図９（Ｄ）に示すのは、携帯電話である。この装置は、本体２３０１にアクティブマトリクス型の液晶表示装置２３０４、操作スイッチ２３０５、音声入力部２３０３、音声出力部２３０２、アンテナ２３０６を備えている。
【０１１４】
また、最近は、（Ａ）に示す携帯型情報処理端末と（Ｄ）に示す携帯電話とを組み合わせたような構成も商品化されている。このような構成においてもアクティブマトリクス型のディスプレイとその他の回路を同一基板上にＴＦＴでもって集積化する構成が有用となる。
【０１１５】
図９（Ｅ）に示すのは、携帯型のビデオカメラである。これは、本体２４０１に受像部２４０６、音声入力部２４０３、操作スイッチ２４０４、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ２４０２、バッテリー２４０５を備えている。
【０１１６】
図９（Ｆ）に示すのは、プロジェクシン型の液晶表示装置である。この構成は、本体２５０１に光源２５０２、アクティブマトリクス型の液晶表示装置２５０３、光学系２５０４を備え、装置の外部に配置されたスクリーン２５０５に画像を表示する機能を有している。
【０１１７】
ここでは、液晶表示装置としては、透過型ものもでも反射型のものでも利用することができる。
【０１１８】
また、（Ａ）〜（Ｅ）に示す装置では、液晶表示装置の代わりにＥＬ素子を利用したアクティブマトリクス型のディスプレイを用いることもできる。
【０１１９】
本明細書で開示する発明を利用したＴＦＴは、多数のＴＦＴを作製した場合の特性のばらつきを抑制することができるので、本実施例で示すようなＴＦＴ回路を必要とする構成には適したものとなる。
【０１２０】
【発明の効果】
本発明の半導体材料の結晶化技術によって、結晶性に優れかつ重金属等の不純物の含有率の少ない半導体材料を作製することが可能となった。本発明の半導体材料はすべての半導体デバイスの基として利用できるが、中でも半導体デバイスとしてＴＦＴ液晶パネルを取り上げる場合、周辺駆動回路の高速動作を可能とし、素子間の特性のばらつきが少なくなった。この効果はＴＦＴ液晶ディスプレイ装置の画面の動きの高速化と、点欠陥線欠陥等をもった不良基板の発生率の減少である。このように本発明は工業上、有益なものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ゲッタリング工程の、熱アニール前のレーザー処理の有無による効果の違いを示すグラフ。
【図２】ゲッタリングが行われた珪素膜の表面を写した写真。
【図３】ゲッタリングの有無による素子特性の違いを表すグラフ。
【図４】結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図５】薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図６】薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図７】結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図８】ＴＦＴを利用した集積回路を示す図。
【図９】ＴＦＴを利用した各種装置の例を示す図。
【符号の説明】
４０１ ガラス基板
４０２ 酸化珪素膜
４０３ 非晶質珪素膜
４０４ 表面に接して保持されたニッケル元素
４０５ 結晶性珪素膜
４０６ マスク酸化珪素膜
４０７ リンがドーピングされた領域
４０８ ニッケル元素がゲッタリングされた結晶性珪素膜のパターン
５０１ ニッケル元素がゲッタリングされていない結晶性珪素膜のパターン
５０２ チャネル領域
５０３ 高抵抗領域
５０４ ゲート絶縁膜
５０５ ゲート電極
５０６ 陽極酸化膜
５０７ 窒化珪素膜
５０８ アクリル樹脂膜
５０９ ソース電極
５１０ ドレイン電極
６０１ ガラス基板
６０２ ゲイト電極
６０３ ゲイト絶縁膜
６０４ 非晶質珪素膜
６０５ 表面に接して保持されたニッケル元素
６０６ ソース領域
６０７ チャネル領域
６０８ ドレイン領域
６０９ マスク酸化珪素膜
６１０ 層間絶縁膜
６１１ ソース電極
６１２ ドレイン電極
７００ 結晶性珪素膜
７０１ マスク酸化珪素膜
７０２ リンがドーピングされた領域
７０３ ソース領域
７０４ ドレイン領域

Claims (14)

  1. 絶縁表面を有する基板上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
    前記非晶質半導体膜に前記非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を導入し、
    第一の加熱処理を行い、前記触媒元素を導入した非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
    前記結晶性半導体膜に燐を選択的に導入し、
    前記結晶性半導体膜にレーザー光を照射して前記燐を活性化し、
    第二の加熱処理を行い、前記燐を選択的に導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングし、
    少なくとも前記燐を選択的に導入した領域を除去して活性層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  2. 絶縁表面を有する基板上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
    前記非晶質半導体膜に前記非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を導入し、
    第一の加熱処理を行い、前記触媒元素を導入した非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
    前記結晶性半導体膜に燐を選択的に導入し、
    前記結晶性半導体膜に赤外光を照射して前記燐を活性化し、
    第二の加熱処理を行い、前記燐を選択的に導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングし、
    少なくとも前記燐を選択的に導入した領域を除去して活性層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  3. 絶縁表面を有する基板上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
    前記非晶質半導体膜に前記非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を導入し、
    第一の加熱処理を行い、前記触媒元素を導入した非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
    前記結晶性半導体膜に燐を選択的に導入し、
    前記結晶性半導体膜にレーザー光を照射して前記燐を活性化し、
    第二の加熱処理を行い、前記燐を選択的に導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングし、
    少なくとも前記燐を選択的に導入した領域を除去して活性層を形成し、
    前記活性層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し、
    前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成し、
    前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成してソース電極又はドレイン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。
  4. 絶縁表面を有する基板上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
    前記非晶質半導体膜に前記非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を導入し、
    第一の加熱処理を行い、前記触媒元素を導入した非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
    前記結晶性半導体膜に燐を選択的に導入し、
    前記結晶性半導体膜に赤外光を照射して前記燐を活性化し、
    第二の加熱処理を行い、前記燐を選択的に導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングし、
    少なくとも前記燐を選択的に導入した領域を除去して活性層を形成し、
    前記活性層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し、
    前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成し、
    前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成してソース電極又はドレイン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。
  5. 絶縁表面を有する基板上にゲート電極を形成し、
    前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
    前記非晶質半導体膜に触媒元素を導入し、
    第一の加熱処理を行い、前記触媒元素を導入した非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
    前記結晶性半導体膜に燐を選択的に導入し、
    前記結晶性半導体膜にレーザー光を照射して前記燐を活性化し、
    第二の加熱処理を行い、前記燐を選択的に導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングし、
    少なくとも前記燐を選択的に導入した領域を除去して活性層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  6. 絶縁表面を有する基板上にゲート電極を形成し、
    前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
    前記非晶質半導体膜に触媒元素を導入し、
    第一の加熱処理を行い、前記触媒元素を導入した非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
    前記結晶性半導体膜に燐を選択的に導入し、
    前記結晶性半導体膜に赤外光を照射して前記燐を活性化し、
    第二の加熱処理を行い、前記燐を選択的に導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングし、
    少なくとも前記燐を選択的に導入した領域を除去して活性層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  7. 絶縁表面を有する基板上にゲート電極を形成し、
    前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
    前記非晶質半導体膜に触媒元素を導入し、
    第一の加熱処理を行い、前記触媒元素を導入した非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
    前記結晶性半導体膜に燐を選択的に導入し、
    前記結晶性半導体膜にレーザー光を照射して前記燐を活性化し、
    第二の加熱処理を行い、前記燐を選択的に導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングし、
    少なくとも前記燐を選択的に導入した領域を除去して活性層を形成し、
    前記活性層上に層間絶縁膜を形成し、
    前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成してソース電極又はドレイン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。
  8. 絶縁表面を有する基板上にゲート電極を形成し、
    前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上に珪素を含む非晶質半導体膜を形成し、
    前記非晶質半導体膜に触媒元素を導入し、
    第一の加熱処理を行い、前記触媒元素を導入した非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
    前記結晶性半導体膜に燐を選択的に導入し、
    前記結晶性半導体膜に赤外光を照射して前記燐を活性化し、
    第二の加熱処理を行い、前記燐を選択的に導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングし、
    少なくとも前記燐を選択的に導入した領域を除去して活性層を形成し、
    前記活性層上に層間絶縁膜を形成し、
    前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成してソース電極又はドレイン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。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項において、
    前記結晶化を助長する触媒元素として、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類のものを使用することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一項において、
    前記第一の加熱処理又は前記第二の加熱処理における処理温度は５００℃乃至８５０℃であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一項において、
    前記第二の加熱処理における処理時間は１分乃至２０時間であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  12. 請求項１乃至１０のいずれか一項において、
    前記第二の加熱処理における処理時間は３０分乃至３時間であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  13. 請求項１乃至１２のいずれか一項において、
    前記半導体装置として、液晶ディスプレイ又はＥＬディスプレイを作製することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  14. 請求項１乃至１２のいずれか一項において、
    前記半導体装置として、携帯型の情報処理端末、ヘッドマウントディスプレイ、カーナビゲーション装置、携帯電話又はビデオカメラのいずれかを作製することを特徴とする半導体装置の作製方法。
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