JP3976828B2 - 結晶性珪素膜の作製方法 - Google Patents

結晶性珪素膜の作製方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、結晶性を有する珪素膜または結晶性を有する珪素化合物膜（例えば、ＳｉＧｅ半導体）の作製方法に関する。本明細書で開示する発明は、例えば、薄膜トランジスタの作製に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴ等）が知られている。これは、基板上に薄膜半導体、特に珪素半導体膜を形成し、この薄膜半導体を用いて構成されるものである。ＴＦＴは、各種集積回路に利用されているが、特にアクティブマトリックス型の液晶表示装置の各画素の設けられたスイッチング素子、周辺回路部分に形成されるドライバー素子として注目されている。また、多層構造集積回路（立体ＩＣ）にも不可欠の技術として注目されている。
【０００３】
ＴＦＴに利用される珪素膜としては、非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的特性は半導体集積回路に用いられる単結晶半導体のものに比較するとはるかに低いという問題がある。このため、アクティブマトリクス回路のスイッチング素子のような限られた用途にしか用いられなかった。ＴＦＴの特性向上のためには、結晶性を有する珪素薄膜を利用すればよい。
【０００４】
単結晶珪素以外で、結晶性を有する珪素膜は、多結晶珪素、ポリシリコン、微結晶珪素等と称されている。このような結晶性を有する珪素膜を得るためには、まず非晶質珪素膜を形成し、しかる後に加熱（熱アニール）によって結晶化させればよい。この方法は、固体の状態を保ちつつ非晶質状態が結晶状態に変化するので、固相成長法と呼ばれる。
【０００５】
しかしながら、珪素の固相成長においては、加熱温度が６００℃以上、時間は１０時間以上が必要であり、基板として安価なガラス基板を用いることが困難であるという問題がある。例えばアクティブ型の液晶表示装置に用いられるコーニング７０５９ガラスはガラス歪点が５９３℃であり、基板の大面積化を考慮した場合、６００℃以上の熱アニールを長時間おこなうことには問題がある。
【０００６】
このような問題に対して、本発明者らの研究によれば、非晶質珪素膜の表面にニッケルやパラジウム等のある種の金属元素を微量に堆積させ、しかる後に加熱することで、５５０℃、４時間程度の処理時間で結晶化を行なえることが判明している。もちろん、６００℃、４時間のアニールであれば、より結晶性の優れた珪素膜が得られる。（特開平６−２４４１０３）
【０００７】
上記のような微量な元素（結晶化を助長する金属元素）を導入するには、スパッタリング法によって、金属元素もしくはその化合物の被膜を堆積する方法（特開平６−２４４１０４）、スピンコーティングのごとき手段によって金属元素もしくはその化合物の被膜を形成する方法（特開平７−１３０６５２）、金属元素を含有する気体を熱分解、プラズマ分解等の手段で分解して、被膜を形成する方法（特開平７−３３５５４８）等の方法があり、それぞれの特徴に応じて使い分ければよい。
【０００８】
また、金属元素の導入を特定の部分に選択的におこない、その後、加熱することにより、金属元素の導入された部分から周囲へ、結晶成長を広げること（ラテラル成長法もしくは横成長法）もできる。このような方法で得られた結晶珪素は、結晶化の方向性があるので、方向性に応じて極めて優れた特性を示す。
【０００９】
さらに、金属元素を用いた結晶化工程の後、レーザー光等の強光の照射により、さらに結晶性の改善をおこなうことも有効である（特開平７−３０７２８６）。また、上記の横成長法においては、それに続いて熱酸化をおこなうことも有効である（特開平７−６６４２５）。
【００１０】
このように金属元素を用いて結晶化をおこなうと、より低い温度で、より短時間で、より質のよい結晶性珪素膜が得られた。加熱処理の温度は、非晶質珪素膜の種類にも強く依存するが、４５０〜６５０℃が好ましく、特に、５５０〜６００が好ましかった。
【００１１】
しかしながら、この方法における最大の問題は、金属元素の除去であった。珪素膜中に導入された金属元素は電気特性・信頼性に悪影響を及ぼすことが無視できない。特に、金属元素を用いた結晶化の工程においては、その機構において、金属元素は主として導電性の珪化物として、被膜中に残存するため、欠陥の大きな原因となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一般に金属元素（特に、ニッケルやパラジウム、白金、銅、銀、金）は、結晶欠陥や燐等により捕獲できることが知られている。例えば、特開平８−３３０６０２には、珪素膜にゲイト電極をマスクとして燐イオンを注入し、その後、熱アニール（炉アニール）もしくは光アニール（レーザーアニール等）することにより、珪素膜に含まれる金属元素をソース、ドレイン領域に移動させた後、固定化（ゲッタリング）し、チャネル形成領域の金属元素の濃度を低減せしめる技術が開示されている。
【００１３】
特開平８−３３０６０２では、燐はソース、ドレインに注入され、その際、珪素膜は非晶質化し、結晶欠陥が増大するので、燐と結晶欠陥により、金属元素がゲッタリングできる。ここで、燐を注入する領域としては、ソース、ドレインに限らずに、少なくともチャネル形成領域を設ける部分以外であれば、いかなる場所においても可能であり、燐の注入された部分からの距離による程度の差はあれ金属元素が除去できることは当業者には自明である。
【００１４】
ゲッタリングをおこなうには、金属元素が、燐の注入された領域まで移動できるだけの十分な時間のアニールが必要である。したがって、その目的には熱アニールが好ましい。しかしながら、ゲッタリングに有効なアニール温度は（金属元素の種類にも依存するが）、一般に６００℃以上であり、かような温度の処理を長時間おこなうことは、基板の変形の可能性を高め、以後のフォトリソグラフィー工程でマスクズレを生じる要因となる。
【００１５】
したがって、光アニールが好ましいのであるが、特開平８−３３０６０２では、光アニールの光源については特に議論されておらず、実施例ではエキシマーレーザーが用いられる記述がある。しかしながら、エキシマレーザーのパルス幅は１００ｎｓｅｃ以下であり、かような短時間の光照射では、ゲッタリングが十分におこなえないことが実験的に判明している。
【００１６】
本明細書で開示する発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、光アニールの好適な条件を提示し、よって、触媒元素を除去するのに有効な方法を提供するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属元素を除去しようとする領域を光アニールにより、十分な時間十分な温度に加熱することを基本的な思想とする。十分な時間の加熱に関しては、公知のラピッド・サーマル・アニール（ＲＴＡ）法が好ましい。
【００１８】
ＲＴＡを利用した場合、温度にも依存するが、１秒から１０分の加熱により高いゲッタリング効率を得ることができる。しかも、この方法によれば、基板を直接、加熱することなく、特定の材料のみを加熱できる。
さらに、この加熱工程は、ゲッタリング作用だけでなく、結晶性の改善という効果も有する。
【００１９】
珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜は、多結晶状態となっている。ＲＴＡを行うと、粒界に存在する不対結合手の数が減少し、粒界が不活性化される。これは、デバイスを作製した場合における素子特性を向上させる上で有用なこととなる。
【００２０】
しかしながら、燐の注入された領域は、非晶質であり、また、燐が存在するため吸光性が高く、光アニール（レーザーアニール）により十分に加熱されるのに対し、肝心の触媒元素を除去する領域は、結晶性のため透光性が高いので十分に加熱されないという問題がある。
【００２１】
燐の注入された領域は非晶質であるので、結晶性である金属元素を除去すべき領域よりも吸光性が高い。よって、燐の注入された部分の温度が、金属元素を除去すべき領域の温度よりも高くなってしまう。この結果、前者から後者に移動する金属元素の量が、後者から前者へ移動する金属元素の量に比較して無視できず、ゲッタリングの効率が低下してしまう。
【００２２】
もちろん、前者は金属元素を捕獲する燐や欠陥が多量に存在するので、金属元素の多くはそれらに固定化されるが、それでも、上述のような状態では、いくらかのものは移動可能となってしまう。結論としては、金属元素を除去すべき領域の温度は、燐の注入された領域の温度と同程度でないと十分な効果がない。
【００２３】
本明細書で開示する発明では、珪素膜全面を吸光性の高い非晶質珪素膜で覆うことによりＲＴＡが行われる工程において、効果的にエネルギーを吸収させ、珪素膜全体を十分に高い温度にする。即ち、ゲッタリングがされるべき領域も燐がドーピングされた領域も均一に加熱した状態とする。このようにすることにより、燐がドーピングされた領域へと高い効率でもってニッケルを移動させることができる。即ち、ニッケルのゲッタリングを高い効率でもって行うことができる。特に、非晶質珪素膜には燐等の１５族の元素を含有せしめると、より吸光性が高くなり、さらに好ましい。また、特開平８−２１３３１６にも開示されているように、非晶質珪素膜自体にも、その欠陥によりゲッタリング能力があるので、その効果も重ねて得ることができる。
【００２４】
上記の思想を実現するために、本明細書で開示する発明は、
珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上に選択的にマスクを形成する工程と、
結晶性珪素膜のうち、該工程においてマスクされなかった領域に１５族の元素を加速注入する工程と、
前記マスクおよび結晶性珪素膜を覆って、非晶質珪素膜を形成する工程と、
強光を照射し、前記結晶性珪素膜を高温に加熱し、前記金属元素を前記マスクされた膜の領域から他部に移動させる（ＲＴＡ）工程と、
を有する。
【００２５】
また、本明細書で開示する他の発明は、
珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成する工程と、
前記マスクおよび結晶性珪素膜を覆って、非晶質珪素膜を形成する工程と、
１５族の元素を加速注入する工程と、
強光を照射し、前記珪素膜を高温に加熱し、前記金属元素を前記マスクされた膜の領域から他部に移動させる（ＲＴＡ）工程と、
を有する。
【００２６】
本明細書で開示する発明で重要なものは、非晶質珪素膜の厚さである。非晶質珪素膜の厚さとしては、１０００Å以上が好ましい。あまりに薄いと、吸光性が不十分である。さらに、ＲＴＡ工程において、光の照射が基板上方より行われるのであれば、あまりに厚いと熱の伝導が不十分であるので、５０００Å以下とするとよい。
【００２７】
同様に、非晶質珪素膜と結晶性珪素膜の間に設けるマスクもあまりに厚いと熱伝導が良くないので２０００Å以下とすることが好ましい。マスクと結晶性珪素膜の間には、密着性を向上させる目的で酸化珪素等の薄い（１０〜１００Å）膜を設けてもよい。
【００２８】
なお、マスクの材料は、結晶性珪素膜の下地と異なる材料とすることが好ましい。これは、ゲッタリングが終了した後、既に、燐の注入された部分の珪素膜は存在せず、マスクと下地が同じ材料であると、マスクをエッチングする際に下地もエッチングされるからである。
ＲＴＡの際の光の照射方向は、基板下方（裏面）からでもよい。
【００２９】
本発明においては、金属元素を除去すべき部分の珪素膜が６００〜１２００℃、好ましくは７００〜１０００℃となるようにする。ＲＴＡ法では、光を吸収する部分が集中的に加熱されるので、基板自身の温度は、上記よりもはるかに低いものとなる。従って、ＲＴＡによる基板への影響は無視できる。
【００３０】
金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素を利用することができる。特にＮｉを利用することが、再現性や効果の点で最も好ましい。
また、燐以外には、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等の１５族の元素を利用することができる。しかし、最も高い効果を得ることができるのはＰ（燐）を用いた場合である。特に結晶化を助長する金属元素として、ニッケルを利用した場合には、燐を利用することが最も好ましい。これは、ニッケルと燐との化合物が、Ｎｉ3 Ｐ、Ｎｉ5 Ｐ2 、Ｎｉ2 Ｐ、Ｎｉ3 Ｐ2 、Ｎｉ2 Ｐ3 、ＮｉＰ2 、ＮｉＰ3 で示されるように多様な状態で、しかも非常に安定な状態で存在するからである。即ち、ニッケルと燐とは、結合し易く、しかもその結合状態は非常に安定であるからである。
【００３１】
なお、ゲッタリングの際には、珪素膜中の粒界が、金属元素の移動の障害となる。一般に、固相成長直後の珪素膜においては、粒界に金属元素が、珪化物として析出し、結果的に粒界が成長するが、このような珪化物においては熱力学的に安定であるので（そもそも、粒界に金属元素が析出するのは、その方が熱力学的に安定なためである）、この部分から金属元素が移動しにくい。さらに、他の部分から移動してきた金属元素を捕獲して固定化するという問題を起こす。
【００３２】
これに対し、固相成長により結晶化した珪素膜にパルスレーザー光を照射してレーザーアニール処理をおこなうと、粒界に金属元素が析出する傾向は大幅に低下する。これは、（特にパルス幅１μｓｅｃ以下の）パルスレーザーアニールが熱力学的に安定化するのには余りにも短時間の処理であるため、粒界の成長も不十分である。すなわち、パルスレーザーアニール後の珪素膜においては、多くの金属元素は珪素膜に分散して存在している。そのため、これらの金属元素は非常に動きやすく、かつ、金属元素を捕獲する大きな粒界も少ないので、ゲッタリングが効率的におこなえる。
【００３３】
本発明においては、１５族の濃度は、金属元素の濃度より１桁以上高くすることが好ましい。好ましくは、５×１０19〜２×１０21原子／ｃｍ3 という高濃度となるようにする。また、１５族の注入の際に、同時に水素や酸素、窒素、炭素を１×１０19〜１×１０21原子／ｃｍ3 注入してもよい。これらの元素が多量に存在するとＲＴＡの際の結晶化を阻害するため、１５族の注入された部分の欠陥の量を維持できる。また、炭素、窒素、酸素の濃度が高いと珪素膜の透明度を高め、燐の注入された部分の吸光を低下させ、該部分の加熱を抑制できる。
【００３４】
非晶質珪素膜の成膜時に、予め１５族元素を添加してもよいが、その場合にも、その濃度は上記の範囲とすることが好ましい。
本発明においては、ゲッタリングは珪素膜のエッチングによるトランジスタの活性層の画定工程の前もしくは同時におこなわれる点に特徴を有する。
【００３５】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例では、ガラス基板上の結晶性を有する珪素膜を形成する例を示す。図１を用いて、金属元素（ここではニッケルを用いる）を導入し、結晶化した後、該金属元素をゲッタリングし、活性層を画定する工程までを説明する。
【００３６】
まず、厚さ１０００〜５０００Å、例えば、２０００Åの酸化珪素膜（図示せず）がスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成された基板１１上に、非晶質珪素膜１２をプラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法によって形成する。ここでは、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪素膜１２を５００Åの厚さに成膜した。そして、汚れ及び自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理をおこなった。
【００３７】
非晶質珪素膜以外には、珪素化合物の非晶質半導体膜、例えばＳｉx Ｇｅ1-x で示されるような化合物半導体を利用することもできる。
次にニッケルの超薄膜を形成した。本実施例では、スピンコーティング法による方法を採用した。詳細な条件は、特開平７−１３０６５２の実施例１に示してある。すなわち、厚さ１０〜５０Åの酸化珪素膜（図示せず）を酸素雰囲気中で紫外光（低圧水銀ランプ）を５分照射して得た。
【００３８】
そして、ニッケル濃度が１００ｐｐｍである酢酸ニッケル溶液２ｍｌを、基板上に滴下し、この状態を保持し、さらに、スピナーを用いてスピンドライ（２０００ｒｐｍ、６０秒）をおこなった。かくして、酢酸ニッケルの超薄膜１３が形成された。酢酸ニッケル薄膜は、極めて薄いので、連続的な膜でない可能性もあるが、結果には何ら問題はない。（図１（Ａ））
【００３９】
その後、固相成長（結晶化）の工程に移る。すなわち、基板を窒素雰囲気の５５０〜６００℃、例えば、６００℃に加熱するように設定し、この状態で放置した。酢酸ニッケルは３００℃程度で熱分解して、ニッケルとなり、さらに４５０℃以上で、触媒としての機能を呈し、非晶質珪素膜の結晶化が進行した。必要な時間、例えば４時間だけ放置して結晶化した珪素膜１４を得ることができた。（図１（Ｂ））
【００４０】
次に、フッ酸処理により先に形成した表面の酸化珪素膜を除去した。そして、珪素膜上に、窒化珪素膜（厚さ１０００Å）をプラズマＣＶＤ法により成膜した。なお、窒化珪素膜は組成によっては応力が非常に強いため、剥離しやすい。この問題を解決するためには、組成（特に水素の濃度）を変更するか、結晶性珪素膜１４と窒化珪素膜の間に、厚さ１０〜１００Åの酸化珪素膜を形成するとよい。
【００４１】
その後、窒化珪素膜をエッチングして、マスク１５を形成した。次に、このマスク１５を用いて、マスクで被覆されていない領域に燐イオンを注入した。この工程にはイオンドーピング法（プラズマドーピング法）を用いた。これは、低圧（１０-5Ｔｏｒｒ程度）の電離したドーピングガス（この場合は、水素で希釈したフォスフィン（ＰＨ3 ））に高い電圧を印加して加速するものである。
【００４２】
加速電圧は５〜２５ｋＶとし、ドーズ量は、１×１０13〜８×１０15原子／ｃｍ2 、例えば、１×１０15原子／ｃｍ2 とする。燐が珪素膜に均一に分布していると仮定すれば、その濃度は、約７×１０19原子／ｃｍ3 となる。かくして、燐の注入された領域１６が得られた。（図１（Ｃ））
【００４３】
次に、プラズマＣＶＤ法により、厚さ２０００Åの非晶質珪素膜１７を成膜した。本実施例では、意図的に不純物の添加されていない非晶質珪素膜を用いたが、原料ガス中にフォスフィン等を混入することにより、適量の燐を添加してもよい。（図１（Ｄ））
【００４４】
その後、ＲＴＡ法により結晶性珪素膜１４、非晶質珪素膜１７およびマスク１５を加熱した。本実施例では、最高温度を８００℃、その加熱時間を１分とした。光は基板上方より照射した。この工程によって、マスクの下方の珪素膜領域１８（該領域は真性である）に存在していた金属元素は、水平方向に移動し、燐の注入された領域１６にゲッタリングされる。（図１（Ｅ））
【００４５】
次に、非晶質珪素膜１７および結晶性珪素膜１４のうち、燐の注入された領域１６を除去した。このエッチングに際しては、窒化珪素のマスク１５がエッチングストッパーになるようにエッチング条件を選択する。この結果、結晶性珪素膜１４のうちマスクの下の部分１８は残存する。（図１（Ｆ））
【００４６】
最後に、マスク１５を除去し、さらに、マスクの下の部分の結晶性珪素膜１８の一部をエッチングしてトランジスタの活性層１９を形成した。マスク１５の除去に際しては、マスク（窒化珪素）と下地（酸化珪素）の材料が異なるので、マスクのみをエッチングするエッチング条件でおこなうことにより、下地には大してダメージが与えられない。
【００４７】
なお、活性層１９の画定の際には、燐の注入された領域１６から距離ｘだけ離れた部分までもエッチングした。これは、ＲＴＡ工程等における燐の拡散の影響が活性層に及ぶことを防止するためである。（図１（Ｇ））
上記の工程により、結晶化し、かつ、ニッケル濃度の低下した活性層１９を得た。
【００４８】
〔実施例２〕
本実施例は、実施例１に示す作製方法において、金属元素の被膜形成前に、窒化珪素膜のマスクを設け、この窒化珪素膜をマスクとして選択的にニッケルを導入し、固相成長をおこなうことによって、横方向の結晶化をおこない、さらに、燐の注入をおこなってニッケルを除去する例である。図２に本実施例における作製工程の概略を示す。
【００４９】
まず、厚さ１０００〜５０００Åの酸化珪素膜（図示せず）を形成したガラス基板２１上に、プラズマＣＶＤ法もしくは減圧ＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜２２を厚さ５００〜１０００Åに形成した。
【００５０】
さらに、マスク膜となる窒化珪素膜２３を１０００Å以上、ここでは１２００Åの厚さに、プラズマＣＶＤ法によって成膜した。この窒化珪素膜２３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いる。しかし、ピンホール等の存在によって、意図しない箇所にニッケルが導入されることを防ぐため、窒化珪素膜２３の厚さはここでは更に余裕を持たせた。なお、窒化珪素膜の応力緩和のために、その下に酸化珪素膜を設けてもよい。
【００５１】
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窒化珪素膜２３をエッチングし、ニッケル導入のための窓２４を形成した。（図２（Ａ））
このような加工をおこなった基板上に、実施例１と同様に、スピンコーティング法により、目的とする厚さの酢酸ニッケル超薄膜２５を堆積した。（図２（Ｂ））
【００５２】
引き続き、５５０℃（窒素雰囲気）、８時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜２２の結晶化をおこなった。この際、まず、酢酸ニッケル膜が非晶質珪素膜と密着した部分２６において、結晶化が始まった。
その後、結晶化はその周囲へ進行し、マスク膜２３で覆われた領域２７でも結晶化がおこなわれた。
【００５３】
本実施例のごとき、横方向の結晶化をおこなった場合には、大きくわけて３つの性質の異なる領域が得られる。第１はニッケル膜が非晶質珪素膜と密着していた領域で、図２（Ｃ）では２６で示される領域である。この領域は、熱アニール工程の最初の段階で結晶化する。この領域をタテ成長領域と称する。この領域では、比較的ニッケル濃度が高く、また、結晶化の方向のそろっておらず、その結果、珪素の結晶性がそれほど優れないため、フッ酸その他の酸に対するエッチングレートが比較的大きい。
【００５４】
第２は横方向の結晶化のおこなわれた領域で、図２（Ｃ）では２７で示される。この領域をヨコ成長領域と称する。この領域は結晶化の方向がそろっており、ニッケル濃度も比較的低く、デバイスに用いるには好ましい領域である。第３は横方向の結晶化の及ばなかった非晶質領域である。
【００５５】
次に、窒化珪素膜２３を、さらにエッチングして、マスク２８を形成した。窒化珪素のマスク２３をエッチングする際には、ウェットエッチングを採用した場合には、エッチャントによっては開孔部２４の珪素膜２６が激しくエッチングされる場合もある。
【００５６】
これは、該部分のニッケルの濃度が高いためである。このことは、珪素膜中から、積極的にニッケルを排除するという意味で好ましいが、下地膜や基板にも影響が及ぶという問題点もある。もし、後者がさして問題とならないのならば、積極的にニッケル（この場合、ニッケルは主として珪化ニッケルという形態で存在する）をエッチングする工程を採用してもよい。
【００５７】
次に、プラズマＣＶＤ法により、厚さ２０００Åの非晶質珪素膜２９を成膜した。本実施例では、非晶質珪素膜２９には、意図的に導電性を付与するような元素は添加しなかった。（図２（Ｄ））
【００５８】
次に、イオンドーピング法を用いて燐イオンを注入した。ドーピングガスは、水素で５％に希釈したフォスフィン（ＰＨ3 ）を用い、加速電圧は１０ｋＶとし、ドーズ量は８×１０14原子／ｃｍ2 とした。燐が珪素膜に均一に分布していると仮定すれば、その濃度は、約１×１０20原子／ｃｍ3 となる。かくして、非晶質珪素膜２９、および、マスク２８で覆われていない部分の結晶性珪素膜が燐の注入された領域３０となった。マスク下の結晶性珪素膜３１には燐は注入されない。（図２（Ｅ））
【００５９】
その後、ＲＴＡ法により結晶性珪素膜２７、非晶質珪素膜２９およびマスク２８を加熱した。ＲＴＡの装置としては図３（Ａ）にその断面が示されるものを用いた。これは、線状の主ランプ３および５が基板１の上下に設けられ、凹面鏡４、６により、基板１の上下を照射する構造を有する。基板は、この主ランプの間を図の矢印のように移動する。また、ＲＴＡ装置には、予備加熱（Ｐｒｅ−Ｈｅａｔ）のための複数の線状のランプ２が設けられている。（図３（Ａ））
【００６０】
基板は左から右に移動する間に、予備加熱ランプ２によって徐々に加熱され、温度が上昇する。その後、主ランプによって加熱されることにより、急激に温度が上昇する（Ｌａｍｐ−Ｈｅａｔ）。その後は、徐々に温度が降下する。予備加熱ランプは、主ランプに近づくに連れ温度が高くなるように、投入電力を調整してもよい。（図３（Ｂ））
【００６１】
本実施例では、最高温度を７００℃、その加熱時間を１０分とした。光は基板上方および下方の２方向より照射される。この工程によって、マスクの下方の珪素膜領域３１に存在していたニッケルは、燐の注入された領域３０にゲッタリングされる。（図２（Ｆ））
【００６２】
次に、非晶質珪素膜２９を含む燐の注入された部分３０、およびマスク２８を除去し、さらに、マスク下の結晶性珪素膜３１の一部をエッチングしてトランジスタの活性層３２を形成した。（図２（Ｇ））
上記の工程により、結晶化し、かつ、ニッケル濃度の低下した活性層３２を得た。
【００６３】
〔実施例３〕
本実施例は、実施例２で示したようなヨコ成長をおこなう際に金属元素を選択的に導入するマスクと、金属元素のゲッタリングのための燐を注入するマスクを同じものとすることにより、作製工程の簡略化を図るものである。図４に本実施例における作製工程の概略を示す。
【００６４】
まず、厚さ１０００〜５０００Åの酸化珪素膜（図示せず）を形成したガラス基板（コーニング７０５９、１０ｃｍ角）４１上に、プラズマＣＶＤ法もしくは減圧ＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜４２を厚さ５００〜１０００Åに形成した。
【００６５】
さらに、マスク膜となる窒化珪素膜４３を１０００Å以上、ここでは１２００Åの厚さに、プラズマＣＶＤ法によって成膜した。そして公知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窒化珪素膜４３をエッチングし、ニッケル導入のための窓４４を形成した。窓４４は後の工程で燐の注入にも用いられる。（図４（Ａ））
【００６６】
このような加工をおこなった基板上に、実施例１と同様に、スピンコーティング法により、目的とする厚さの酢酸ニッケル超薄膜４５を堆積し、５５０℃（窒素雰囲気）、８時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜４２を結晶化させ、結晶性珪素膜４６を得た。
【００６７】
次に、この窓４４を通して、イオンドーピング法を用いて燐イオンを注入した。ドーピング条件は実施例２と同じとした。かくして、燐の注入された領域４７が得られた。この領域は、タテ成長領域とほぼ一致する。（図４（Ｂ））
【００６８】
さらに、プラズマＣＶＤ法により、燐がドーピングされた厚さ２０００Åの非晶質珪素膜４８を堆積した。（図４（Ｃ））
その後、他の実施例と同様に、ＲＴＡ処理をおこなうことによりニッケルのゲッタリングをおこない、結晶化し、かつ、ニッケル濃度の低下した珪素膜を得た。
【００６９】
〔実施例４〕
図５には、本発明によって作製した結晶性珪素膜を用いて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する工程の概要を示す。本実施例では、金属元素を除去すべき領域を画定するマスクを用いて、結晶性珪素膜をエッチングしたのち、燐のドーピングされた非晶質珪素膜を、結晶性珪素膜の側面に密着するように形成し、これを用いてゲッタリングをおこなうものである。
【００７０】
実施例２で説明した工程によって、図２（Ｃ）に示される状態まで処理をおこなう。この状態を図５（Ａ）に示すが、番号は図２と同じものを示す。すなわち、マスク２８、その下のヨコ成長領域の結晶性珪素膜２７である。また、タテ成長領域の結晶性珪素膜２６にはニッケルが選択的に導入された部分２４が存在する。（図５（Ａ））
【００７１】
次に、珪素膜をエッチングする。その際には異方性ドライエッチングを採用することにより、マスク２８に沿って、垂直にエッチング端面を形成する。かくして、マスク下の結晶性珪素膜３１が画定される。（図５（Ｂ））
【００７２】
その後、プラズマＣＶＤ法によって厚さ２０００〜５０００Å、ここでは３０００Åの非晶質珪素膜３３を堆積した。そして、イオンドーピング法により、非晶質珪素膜３３に燐を注入した。燐の濃度は１×１０20〜５×１０21原子／ｃｍ3 となるようにするとよい。（図５（Ｃ））
【００７３】
その後、他の実施例と同様に非晶質珪素膜３３をエッチングしたが、その際には、等方性のエッチングをおこなった。この結果、珪素膜３１の側面の一部もその際にエッチングされ、活性層３２が画定した。（図５（Ｄ））
最後に、マスク２８をエッチングして、活性層３２を得た。
【００７４】
次に、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１０００〜１５００Å（例えば、１２００Å）の酸化珪素膜３４を堆積した。この酸化珪素膜はゲイト絶縁膜として機能する。次に、厚さ２０００Å〜１μｍの燐のドープされた多結晶珪素膜を減圧ＣＶＤ法によって形成して、これをパターニングし、ゲイト電極３５を形成した。ゲイト電極の材料としては、各種シリサイド材料やアルミニウムを利用することもできる。（図５（Ｅ））
【００７５】
その後、イオンドーピング法によって、ＴＦＴの島状シリコン膜中に、ゲイト電極３６をマスクとして自己整合的に不純物（燐）を注入した。ドーピングガスとしてはフォスフィン（ＰＨ3 ）を用いた。ゲイト絶縁膜を通してドーピングする必要から、加速電圧は５０〜８０ｋＶとした。また、ドーズ量は、１×１０13〜４×１０14原子／ｃｍ2 、例えば、５×１０13原子／ｃｍ2 とした。こうして、ソース３６、ドレイン３７を形成した。該領域の燐の濃度は１×１０19原子／ｃｍ3 と推定される。（図５（Ｆ））
【００７６】
その後、全面に層間絶縁物３８として、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ３０００〜８０００Å形成した。基板温度は２５０〜４５０℃、例えば、３５０℃とした。成膜後、表面の平坦性を得るため、この酸化珪素膜を機械的に研磨したり、エッチバック方式による平坦化をおこなってもよい。
【００７７】
そして、層間絶縁物３８をエッチングして、ＴＦＴのソース／ドレインにコンタクトホールを形成し、アルミニウムの配線・電極３９、４０を形成した。
最後に、水素中で３００〜４００℃で０．１〜２時間アニールして、シリコンの水素化を完了する。このようにして、ＴＦＴが完成した。（図５（Ｇ））
ここでは、トップゲイト型のＴＦＴを作製する例を示したが、ボトムゲイト型のＴＦＴを作製する際に本明細書で開示する発明を利用することもできる。
【００７８】
【発明の効果】
非晶質珪素膜の結晶化を促進する金属元素を用いて、これを結晶化せしめた珪素膜より、効率的に、金属元素を除去することができた。その結果、結晶性珪素膜を用いた信頼性の高い電子デバイスを多量に提供できる。このように本発明は産業上有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の工程を示す図。
【図２】 実施例２の工程を示す図。
【図３】 実施例２で用いたＲＴＡ装置の概要・特性を示す図。
【図４】 実施例３の工程を示す図。
【図５】 実施例４のＴＦＴ作製工程を示す図。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・予備加熱ランプ
３・・・・主ランプ（下側）
４・・・・凹面鏡（下側）
５・・・・主ランプ（上側）
６・・・・凹面鏡（上側）
１１・・・・ガラス基板
１２・・・・非晶質珪素膜
１３・・・・酢酸ニッケル膜
１４・・・・結晶性珪素膜
１５・・・・マスク（窒化珪素）
１６・・・・燐の注入された領域
１７・・・・非晶質珪素膜
１８・・・・マスク下の珪素膜（真性）
１９・・・・活性層
２１・・・・ガラス基板
２２・・・・非晶質珪素膜
２３・・・・窒化珪素膜
２４・・・・ニッケルを導入するための開孔部
２５・・・・酢酸ニッケル膜
２６・・・・結晶性珪素膜（タテ成長領域）
２７・・・・結晶性珪素膜（ヨコ成長領域）
２８・・・・燐を注入するためのマスク
２９・・・・非晶質珪素膜
３０・・・・燐の注入された領域
３１・・・・マスク下の珪素膜（真性）
３２・・・・活性層
３３・・・・非晶質珪素膜
３４・・・・ゲイト絶縁膜（酸化珪素）
３５・・・・ゲイト電極（珪素）
３６・・・・ソース
３７・・・・ドレイン
３８・・・・層間絶縁物
３９・・・・ソース電極・配線
４０・・・・ドレイン電極・配線
４１・・・・ガラス基板
４２・・・・非晶質珪素膜
４３・・・・窒化珪素膜
４４・・・・ニッケルおよび燐を導入するための開孔部
４５・・・・酢酸ニッケル膜
４６・・・・結晶性珪素膜
４７・・・・燐の注入された領域
４８・・・・非晶質珪素膜

Claims (15)

  1. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上に選択的にマスクを形成し、
    該結晶性珪素膜のうち、マスクされなかった領域に燐を加速注入し、
    前記マスクおよび結晶性珪素膜を覆って、非晶質珪素膜を形成し、
    前記結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  2. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上に選択的にマスクを形成し、
    該結晶性珪素膜のうち、マスクされなかった領域に燐を加速注入し、
    前記マスクおよび結晶性珪素膜を覆って、非晶質珪素膜を形成し、
    前記結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させ、
    前記非晶質珪素膜を除去し、
    前記マスクを除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  3. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成し、
    前記マスクおよび結晶性珪素膜を覆って、非晶質珪素膜を形成し、
    前記非晶質珪素膜および前記マスクで覆われていない領域の結晶性珪素膜に燐を加速注入し、
    前記結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  4. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成し、
    前記マスクおよび結晶性珪素膜を覆って、非晶質珪素膜を形成し、
    前記非晶質珪素膜および前記マスクで覆われていない領域の結晶性珪素膜に燐を加速注入し、
    前記結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させ、
    前記非晶質珪素膜を除去し、
    前記マスクを除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  5. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成し、
    前記マスクおよび結晶性珪素膜を覆って、燐を含んだ非晶質珪素膜を形成し、
    前記結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  6. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成し、
    前記マスクおよび結晶性珪素膜を覆って、燐を含んだ非晶質珪素膜を形成し、
    前記結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させ、
    前記非晶質珪素膜を除去し、
    前記マスクを除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  7. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成し、
    前記マスクを用いて前記結晶性珪素膜を島状の結晶性珪素膜にし、
    前記マスクおよび島状の結晶性珪素膜を覆って、非晶質珪素膜を形成し、
    前記非晶質珪素膜に燐を加速注入し、
    前記島状の結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  8. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成し、
    前記マスクを用いて前記結晶性珪素膜を島状の結晶性珪素膜にし、
    前記マスクおよび島状の結晶性珪素膜を覆って、非晶質珪素膜を形成し、
    前記非晶質珪素膜に燐を加速注入し、
    前記島状の結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させ、
    前記非晶質珪素膜を除去し、
    前記マスクを除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  9. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成し、
    前記マスクを用いて前記結晶性珪素膜を島状の結晶性珪素膜にし、
    前記マスクおよび島状の結晶性珪素膜を覆って、燐を含んだ非晶質珪素膜を形成し、
    前記島状の結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  10. 珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜上にマスクを形成し、
    前記マスクを用いて前記結晶性珪素膜を島状の結晶性珪素膜にし、
    前記マスクおよび島状の結晶性珪素膜を覆って、燐を含んだ非晶質珪素膜を形成し、
    前記島状の結晶性珪素膜をＲＴＡ法により加熱し、前記金属元素を前記マスクされた領域から他部に移動させ、
    前記非晶質珪素膜を除去し、
    前記マスクを除去することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、前記金属元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素であることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  12. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、前記金属元素は、Ｎｉであることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一項において、前記マスクは窒化珪素を主成分とすることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか一項において、前記ＲＴＡ法を行う際の光の照射は、基板側から行われることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
  15. 請求項１乃至請求項１４のいずれか一項において、前記結晶性珪素膜は、前記ＲＴＡ法を行う前にパルス幅１μｓｅｃ以下のパルスレーザーによりアニール処理されることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
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