JP3981517B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しく言えば、非晶質ケイ素膜を結晶化した結晶性ケイ素膜を活性領域とする半導体装置の製造方法に関する。特に、本発明は、絶縁表面を有する基板上に設けられた薄膜トランジスタ(TFT)を用いた半導体装置の製造に有効であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置、密着型イメージセンサー、三次元ICなどの製造に利用できる。
【0002】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ICなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みがなされている。これらの装置に用いられる半導体素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のケイ素半導体としては、非晶質ケイ素半導体(a−Si)からなるものと結晶性を有するケイ素半導体からなるものの2つに大別される。
【0003】
非晶質ケイ素半導体は、作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性が優れているので、最も一般的に用いられているが、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣る。このため、今後、より高速特性を得るためには、結晶性を有するケイ素半導体からなる半導体装置の作製方法の確立が強く求められていた。尚、結晶性を有するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素等が知られている。
【0004】
これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導体を得る方法としては、
(1) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。
【0005】
(2) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光のエネルギーによって結晶性を有せしめる。
【0006】
(3) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることによって、結晶性を有せしめる。
【0007】
といった方法が知られている。
【0008】
しかしながら、上記(1)の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素を得るにはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜することが技術上困難である。
【0009】
また、上記(2)の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するので、小粒径ながら粒界が良好に処理され、高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、未だ十分な安定性のものが得られていない。したがって、大面積基板の全面を均一に処理するのは困難であり、ハード面でのさらなる技術向上が望まれる。
【0010】
一方、上記(3)の方法は、上記(1)、(2)の方法と比較すると、基板内の均一性および安定性においては有利であるが、600℃で30時間程の長時間にわたる加熱処理が必要であり、処理時間が長く、スループットが低いという問題点がある。また、この方法では、結晶構造が双晶構造となるので、一つの結晶粒は数μmと比較的大きいが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、上記(2)の方法に比べて結晶性は劣る。この結晶性を向上させる手段としては、さらに1000℃程度で酸素雰囲気にて加熱処理を施すような手法も用いられているが、この場合には安価なガラス基板が使用できるプロセスでは無く、それでも素子特性としてもTFTにおいて電界効果移動度100cm/Vs程度の低い特性しか得られていない。
【0011】
これらの方法に対して、上記(3)の方法を改善し、高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法が特開平10−223534公報および特開平10−229048公報で提案されている。これらの方法では、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を利用することで、加熱温度の低温化および処理時間の短縮と結晶性の向上を図っている。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパラジウム等の金属元素を微量に導入させ、しかる後に加熱を行うものである。
【0012】
この低温結晶化のメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急激に進行することで理解される。そういった意味で以後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素によって結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、通常の固相成長法(上記(3)の方法)で結晶化した結晶性ケイ素膜の一つの粒内が双晶構造であり、多数の結晶欠陥を有しているのに対して、その粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、それぞれの柱状結晶内部はほぼ理想的な単結晶状態となっている。
【0013】
さらに、上記公報では、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に触媒元素を導入して加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみを結晶化する。そして、さらに、加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長を行わせる方法も示している。この横方向結晶成長領域の内部では、成長方向がほぼ一方向に揃った柱状結晶がひしめき合っており、触媒元素が直接導入されてランダムに結晶核の発生が起こった領域に比べて、結晶性がさらに良好な領域となっている。よって、この横方向結晶成長領域の結晶性ケイ素膜を半導体装置の活性領域に用いることによって、半導体装置のより高性能化が行える。
【0014】
ここで、上記特開平10−223534公報および特開平10−229048公報では、触媒元素によって結晶化されたケイ素に対して、その一部にリンなど5族Bの元素を選択的に導入して、加熱処理を行うことで、5族Bの元素が導入された領域に、触媒元素を移動(ゲッタリング)させようとしている。さらに、これらの公報では、上記ゲッタリング工程の加熱処理を強光照射によって行っている。そして、この強光照射の際の光の加熱効率を高めるために、使用する強光に対して吸収効率の高い膜を、さらに積層している。このときの強光に対する吸収効率の高い膜を、特開平10−223534公報では、5族Bの元素を導入する際の導入マスクと兼用して選択的に設けている。一方、特開平10−229048公報では、上記強光吸収効率の高い膜を、5族Bの元素を導入後に新たに基板全面に対して設けている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
触媒元素を導入することによって非晶質ケイ素膜を結晶化する方法は、加熱温度の低温化や加熱時間の短縮化を図れ、さらに、結晶化後に得られるケイ素膜の結晶性が他の結晶化方法に比べて明らかに優れている。
【0016】
しかしながら、これらの金属類を主とする触媒元素が半導体中に多量に存在していることは、これら半導体を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり、決して好ましいことでない。
【0017】
すなわち、上記のニッケル等の結晶化を助長する触媒元素は、非晶質ケイ素を結晶化させる際には必要であるが、結晶化したケイ素中には極力含まれないようにすることが望ましい。この目的を達成するためには、第1に結晶化に必要な触媒元素の量を極力少なくし、最低限の量で結晶化を行う必要がある。しかしながら、触媒元素の導入量を少なくしていくと、成長状態が非常に不安定化する。このような状態で作成した結晶性ケイ素膜は、基板内での結晶性のばらつきが非常に大きくなり、半導体装置の活性領域を構成する膜としては、到底使用できない。
【0018】
そのため、上記公報のように、触媒元素を用いて結晶成長させた後、触媒元素を移動(ゲッタリング)させることによって、素子領域内の触媒元素を除去あるいは低減するような方法が第2の方法として考えられる。しかし、本発明者らが実際に特開平10−223534公報および特開平10−229048公報のような方法を用いて実験を行い、薄膜トランジスタ(TFT)素子を試作したところ、十分な効果が得られていないことがわかった。具体的には、ゲッタリングと称される工程の後にも、触媒元素はまだ多量に存在しており、TFT素子に明らかな悪影響を及ぼしていた。特に、ゲッタリング工程後、導入領域を除去して、さらに高温での熱処理を行うと、素子領域内に残存している触媒元素が再凝集してシリサイド状態となって現れる。これは、これらのゲッタリング方法ではまだ不十分であることの証明である。そして、これらの触媒元素がTFTの接合部に存在すると、リーク源となり、オフ動作時のリーク電流が非常に増大する。実際にTFTを試作すると、上記の特開平10−223534公報および特開平10−229048公報の方法では、3%程度の確率でオフ時のリーク電流が非常に大きい不良TFTが出現した。そして、その不良TFTにおける原因を解析すると、チャネル部とドレイン部との接合部に、触媒元素によるシリサイドが存在していることが確認された。
【0019】
以上述べたように、上記2つの公報の方法では、素子領域中の触媒元素量を十分に低減できない。その結果、高性能な半導体装置は一部確率的に作製できても、不良率が高く、また信頼性が非常に悪く、とても量産できるような技術ではなかった。
【0020】
そこで、この発明の目的は、これらの問題を解決することにある。つまり、この発明の目的は、触媒元素を用いて結晶化したケイ素膜を半導体装置の活性領域として利用し、結晶化後の素子領域内の触媒元素を十分に低減でき、高性能で高信頼性の半導体装置を量産化できる製造方法を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、触媒元素を用い結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜に注目し、それを現状の実験室レベルから何とか量産に耐え得るプロセスヘと進化させられないかと考え、日夜研究を重ねた。そして、上記問題点を解決する方法をついに見出した。
【0022】
この発明は、上述の問題点を全て解決し、上記の目的を満足する手段を提供するものであり、ガラスなどの絶縁表面を有する基板上に、均一性よく安定した特性を有する高性能かつ高信頼性の半導体装置を、良品率良く提供するものである。より具体的には、本発明は以下の特徴を有する。
【0023】
すなわち、この発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成し、上記非晶質ケイ素膜にその結晶化を促進する触媒元素を導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が導入された非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせる結晶成長工程と、
上記結晶成長させたケイ素膜の一部に、選択的に5族Bから選ばれた元素を導入する5族元素導入工程と、
高速熱アニール処理を行い、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させる触媒元素移動工程と、
上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域以外の領域のケイ素膜を用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する能動領域形成工程とを少なくとも有し、
上記5族元素導入工程では、5族Bから選ばれた元素が導入された領域のケイ素膜が非晶質化され、
上記触媒元素移動工程では、上記5族Bから選ばれた元素が導入され非晶質化された領域が少なくとも結晶化しないような予熱温度から、高速熱アニール処理を施す温度までの昇温期間中において、上記非晶質化された領域が完全に結晶化されないような昇温速度にて高速熱アニールが行われ、
上記高速熱アニールでは、炉内に熱勾配を持たせた抵抗性加熱炉に上記基板を一枚ずつ挿入し、この挿入の速度をコントロールすることで、昇降温速度を制御し、
上記触媒元素移動工程は、
600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、30℃/分を上回る昇温速度で昇温させることを特徴としている。
【0024】
この発明は、絶縁基板上に形成された非晶質ケイ素膜にその結晶化を促進する触媒元素を導入し、加熱処理によって結晶成長させた後、上記ケイ素膜の―部に、選択的に5族Bから選ばれた元素を導入し、高速熱アニール処理を行い、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させるものである。そして、その5族Bから選ばれた元素が導入された領域以外の領域のケイ素膜を用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する訳である。このようにすることで、従来法に比べて、半導体装置の能動領域における残留触媒元素量を大きく低減することが可能となる。
【0025】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成し、上記非晶質ケイ素膜の一部にその結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が選択的に導入された領域からその周辺領域へと、横方向(基板と平行)に上記非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせる結晶成長工程と、
上記結晶成長させたケイ素膜の一部に、選択的に5族Bから選ばれた元素を導入する5族元素導入工程と、
高速熱アニール処理を行い、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させる触媒元素移動工程と、
上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域外の、横方向に結晶成長したケイ素膜を用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する能動領域形成工程とを少なくとも有し、
上記5族元素導入工程では、5族Bから選ばれた元素が導入された領域のケイ素膜が非晶質化され、
上記触媒元素移動工程では、上記5族Bから選ばれた元素が導入され非晶質化された領域が少なくとも結晶化しないような予熱温度から、高速熱アニール処理を施す温度までの昇温期間中において、上記非晶質化された領域が完全に結晶化されないような昇温速度にて高速熱アニールが行われ、
上記高速熱アニールでは、炉内に熱勾配を持たせた抵抗性加熱炉に上記基板を一枚ずつ挿入し、この挿入の速度をコントロールすることで、昇降温速度を制御し、
上記触媒元素移動工程は、
600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、30℃/分を上回る昇温速度で昇温させる。
【0026】
この実施形態では、さらに、絶縁基板上に形成された非晶質ケイ素膜の一部分に、触媒元素を選択的に導入し、加熱することで、触媒元素が選択的に導入された領域からその周辺領域へと、横方向(基板と平行)に上記非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせる。さらに、結晶成長させたケイ素膜の一部に、選択的に5族Bから選ばれた元素を導入して、高速熱アニール処理を行い、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させる。この場合、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域外の、横方向に結晶成長したケイ素膜を用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成すると、より高い電流駆動能力をもつ高性能半導体装置が得られる。勿論、半導体装置の能動領域における残留触媒元素量も、従来法に比べて大きく低減できており、問題となるオフ動作時のリーク電流の異常も見られず、高い信頼性も同時に確保することができた。
【0027】
さて、この実施形態が上記特開平10−223534公報および特開平10−229048公報と異なるのは、上記公報では、強光を照射してケイ素膜を選択的に加熱するような熱処理のため、強光を熱吸収するためのマスク膜を用いているのに対して、本実施形態では、高速熱アニールによって、基板全体を均一にアニールする。そのため、上記公報のような余分なマスク膜は必要にはならない。この基板全体を均一に熱処理することがポイントで、例えば、上記特開平10−223534公報では、強光吸収マスクに覆われた領域が集中的にアニールされるが、5族B元素が導入された領域は、十分に温度が上がらない。このような場合、十分なゲッタリングが得られないことが判明している。よって、上記公報の発明者らは、引き続き、次の特開平10−229048公報のような発明を成している。この公報では、強光を熱吸収するための膜を基板全面に形成し、5族B元素が導入された領域も含めて、基板全体を均一にアニールしようとするものである。この方法の方がよりゲッタリング効果は高いが、強光を熱吸収するためのマスク膜の形成が全く余分な工程となってしまう。また、この方法だけでは、まだゲッタリング効果は十分ではなく、さらにプラスαが必要である。この理由については、次に述べる。
【0028】
また、この発明および上記実施形態の大きなポイントは、5族B元素導入後におけるその導入領域の状態と、その後の高速熱アニール処理におけるその昇温速度にある。すなわち、この実施形態では、結晶成長させたケイ素膜に選択的に5族Bから選ばれた元素を導入する工程において、5族Bから選ばれた元素が導入された領域のケイ素膜は非晶質化されることが重要である。
【0029】
さらには、引き続き行われる高速熱アニール処理において、5族Bの元素が導入され、非晶質化された領域が少なくとも結晶化しないような予熱温度から、高速熱アニール処理を施す温度までの昇温期間中において、上記非晶質化された領域が完全に結晶化されないような昇温速度にて行われることが非常に重要である。これによって、得られる触媒元素を5族B元素の導入領域へと移動させる(ゲッタリングする)効果は大きく異なる。5族B元素導入後における熱処理の温度を上げると、一般的にゲッタリング効果は向上する。これは、ケイ素膜中における触媒元素の拡散速度が向上し、固溶限は上がるためである。しかしながら、このときのゲッタリング効果は、650℃程度で頭打ちとなり、それ以上温度を上げても効果が得られないことがわかっている。この実験結果を、図8に示す。縦軸が、5族B元素を導入し熱処理を行う前後でのケイ素膜中における触媒元素の残存率である。横軸は熱処理の温度を示す。図8において、破線が、従来の方法でのデーターである。前述のように、650℃程度で低減効果は頭打ちしており、そのときの残存率は約0.2、すなわち、ケイ素膜の結晶化後に存在していた触媒元素の内、約2割の触媒元素が未だ残っており、これ以上温度を上げても除去できないでいた。
【0030】
本発明者らがこの理由を詳しく調べて行ったところ、この熱処理において、5族B元素の導入領域が結晶化されているかどうかが、このゲッタリング効率の面で大きなポイントになっていることがわかった。そして、5族B元素を導入した領域がその導入工程において非晶質化され、その非晶質状態を保持したまま、より高い温度に昇温し、熱処理を行うと、従来法での限界温度650℃以上において、今まで見られなかった、より高いゲッタリング効果が得られることがわかった。このときの本実施形態を用いた際のデーターを図8に実線で示している。特に、650℃以上の温度で、従来法とは明らかに差が見られ、触媒元素の残存率が大きく低下している。したがって、従来のゲッタリング効果を制限していた理由は、5族B元素が導入された領域が、ゲッタリングの熱処理の際に、再結晶化することにあると考えられる。しかしながら、このとき、5族B元素が導入された領域も同様に均一に高温に保持しないと、ゲッタリング効果は得られないため、その昇温過程において、どうしても結晶成長が起こってしまう。
【0031】
すなわち、従来法では、5族B元素が導入された領域が、昇温過程において結晶化されてしまった時点、その温度でゲッタリング効果が得られなくなってしまうため、このときの熱処理温度に対して効果の限界が生じていると考えられる。
【0032】
これに対して、この実施形態では、このときの熱処理として、高速熱アニール処理を用い、5族Bの元素が導入され非晶質化された領域が少なくとも結晶化しないような予熱温度から、高速熱アニール処理を施す温度までの昇温期間中において、上記非晶質化された領域が完全に結晶化されないような昇温速度にて行うことが、非常に重要なポイントとなる。このようにすることで、初めて、意図したアニール温度で、5族B元素が導入された領域を非晶質状態としてアニールを行うことができ、本来、このときの熱処理の温度が持っている高いゲッタリング効果を得ることができる。
【0033】
本実施形態によって、このようにして得られた結晶性ケイ素膜は、従来、触媒元素の残留を簡易的に確認する方法として用いている、フッ酸系のエッチャントによるライトエッチング処理を行い、残留している触媒元素を顕在化させる評価を行っても、従来見られていたエッチピットは全く見られない。また、よりシビアな評価としては、さらに高温での熱処理を行うと、素子領域内に残存している触媒元素が再凝集してシリサイド状態となって現れるが、このような評価を行っても、特開平10−223534公報および特開平10−229048公報の技術で見られたような触媒元素の再凝集は全く見られなかった。そして、実際に本実施形態を用いて薄膜トランジスタ(TFT)を作成したところ、上記公報および従来技術で同様にTFTを作成したときには3%以上の確率で見られたTFTオフ時のリーク電流の異常な増大現象が、本実施形態の方法では全く見られず正に0%であった。さらに、このTFTを用い作成した液晶表示装置では、従来法で頻発していた線状の表示むら(ドライバー部のサンプリングTFT起因)やオフ時のリーク電流による画素欠陥も全く無く、表示品位を大きく向上できた上に、良品率を飛躍的に高めることができた。
【0034】
また、この発明および上記実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素移動工程は、600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、30℃/分を上回る昇温速度で昇温させる。
【0035】
また、他の実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素移動工程は、600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、100℃/分を上回る昇温速度で昇温させる。
【0036】
この発明および上記実施形態のように、5族Bの元素の導入領域に触媒元素を移動させるための高速熱アニール処理は、600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、少なくとも30℃/分を上回る昇温速度で昇温させることが望ましい。さらに好適には、100℃/分を上回る昇温速度で昇温させることがより望ましい。予熱温度が600℃以下であれば、5族Bの元素が導入され非晶質化された領域において、全く結晶成長は生じない。そして、このときの昇温速度が30℃/分以上であれば、その昇温過程において、5族B元素が導入された領域での結晶化は完全には終了せず、非晶質成分を残した状態で高速熱アニール処理に入ることができる。さらに、このときの昇温速度が100℃/分以上であれば、その昇温過程において、5族B元素が導入された領域では結晶化がほとんど生じず、ほぼ非晶質状態のままで高速熱アニール処理に入ることができる。本発明者らが行った、このときの昇温速度に関する実験データーを図7に示す。図7は、高速熱アニール温度を720℃として行った実験結果である。図7(A)は、高速熱アニール処理前後でのケイ素膜中の触媒元素の残存率を表している。測定は微小領域SIMS(二次イオン質量分析法)によって行った。図7(A)から、昇温速度は、ほぼ30℃/分を境にして、この値以上になると、触媒元素の残存率のさらなる低下が起こり出すことがわかる。すなわち、この値以下では、高速熱アニール処理の温度を上げても、その効果は見られず、30℃/分という昇温速度が、本実施形態の効果を得るためには最低減必要な昇温速度であることがわかる。触媒元素の残存率は、30℃/分から昇温速度が上がるにしたがって、さらに低下し、約100℃/分以上で飽和する。よって、昇温速度を100℃/分以上とすることで、高速熱アニール処理の温度における触媒元素のゲッタリング効果を最大限に引き出すことができる。そして、このメカニズムを解明するために行った実験結果が図7(B)である。図7(B)は、5族B元素導入領域における、この昇温過程での非晶質領域の割合を調べたものである。実験は、石英基板を用い、アニール温度が720℃に達した地点で急冷し、1μmφのスポットのラマン分光法によって結晶シリコンと非晶質シリコンのラマンピーク比を調べることによって行った。図7(B)からわかるように、触媒元素の低減率に対して同様の結果が得られ、昇温速度が30℃/分から非晶質のピークが現れ始め、昇温速度に伴ってそのピーク比が大きくなり、約100℃/分で飽和している。よって、その原因としては、5族B元素導入領域の結晶状態がポイントになっていることがはっきりとわかる。
【0037】
また、一実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素移動工程は、650〜800℃の範囲の平均温度で、1秒〜15分の持続時間の高速熱アニールプロセスによって行われる。
【0038】
この実施形態では、5族Bの元素が導入された領域に触媒元素を移動させる工程において、その高速熱アニール処理における処理中の平均温度は650〜800℃の範囲であり、1秒〜15分の時間、行われる。すなわち、図7においてわかるように、650℃以上において初めて、本実施形態による触媒元素濃度の大きな低減効果が現れ出す。図8のデーターでは、昇温速度を120℃/分として実験を行ったものである。図8に破線で示す従来法では、前述のように、650℃程度で低減効果は頭打ちしているが、本実施形態では、実線で示してあるように、この温度以上で、今まで見られなかった、より高いゲッタリング効果が得られる。しかしながら、このときのアニール温度は高ければ高いほど良いという訳ではなく、上限が存在する。すなわち、より高温になると、触媒元素のランダムな拡散が起こるようになり、5族元素の導入領域から外部へも触媒元素が動くようになる。この結果、触媒元素の濃度は逆に上がり出す。特に800℃以上になると急激に触媒元素の残存率が上昇し、また、このとき少しでも酸素が存在すると、触媒元素のシリサイドが選択的に酸化され、ケイ素膜に穴が空くようになってしまう。よって、上限はこの2点で制約され、800℃となっている。アニール時間は、上記範囲で十分な効果が見られる。
【0039】
また、他の実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素移動工程は、700〜750℃の範囲の平均温度で、1分〜10分の持続時間の高速熱アニールプロセスによって行われる。
【0040】
この実施形態では、さらに好適に、この際の高速熱アニール処理の平均処理温度として、700〜750℃の範囲であり、1分〜10分の持続時間で処理される。図8からわかるように、およそ700℃で触媒元素の低減効果はほぼ飽和し、それから約750℃にかけてさらに緩やかに低下するが、750℃で極値をとり、それ以上では逆に上がり出す。これは、前述の理由による。よって、700℃から750℃が、本実施形態における最適な温度範囲である。さらに、このときの処理時間としては、1分〜10分の範囲であれば、本実施形態における十分な触媒元素の低減効果が得られ、また、基板としてガラスを用いた場合の熱的損傷(反りやシュリンケージ)も最低減に抑えることができる。
【0041】
また、一実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素移動工程は、基板としてガラス基板を用いる場合には、この工程前後での上記ガラス基板のシュリンケージ(熱収縮率あるいは熱膨張率)が25ppm以下となるように、高速熱アニール温度からの降温速度を制御する。
【0042】
この実施形態では、5族B元素が導入された領域に触媒元素を移動させる工程において、高速熱アニール処煙を行う。その高速熱アニール処理は、上記温度範囲のような比較的高温で、均一に基板全体を加熱することによって、本実施形態の効果を得ている。ここで一つ問題が生じる。基板として石英基板のような耐熱基板を用いた際には関係ないが、通常のガラス基板では、この高速熱アニール工程において、基板自体の反りと、シュリンケージ(熱収縮率あるいは熱膨張率)が問題となる。本実施形態では、この際の高速熱アニール処理温度からの降温速度を制御することで、この問題を解決している。この実施形態では、基板としてガラス基板を用いる場合には、この工程前後での上記ガラス基板のシュリンケージ(熱収縮率あるいは熱膨張率)が25ppm以下となるように、高速熱アニール温度からの降温速度を制御する。このようなシュリンケージ値以下であれば、実際に基板の反りは発生せず、またフォトリソグラフィ工程でのマスクアライメントも対応可能である。
【0043】
また、一実施形態では、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記5族元素導入工程は、イオンドーピング法によって行われる。
【0044】
この実施形態では、5族Bから選ばれた元素を上記ケイ素膜に選択的に導入する工程としては、イオンドーピング法によって行われる。その他の方法でもある程度の効果は得られるが、イオンドーピング方を用いたときの効果が特に顕著である。この理由は、イオンドーピングによって、5族B元素の導入領域においてケイ素膜の結晶が強く破壊され、非晶質化することが原因と考えられる。本実施形態では、5族B元素の導入領域を非晶質化させることが一つのポイントであり、その非晶質化が強いほど、より効果的であるからである。触媒元素は、その結晶成長過程から考えても、結晶性ケイ素膜から非晶質ケイ素膜へと移動する傾向がある。すなわち、触媒元素は、非晶質ケイ素中の方がエネルギー的に存在し易いのだと考えられる。すなわち、イオンドーピングによって非晶質化した成分が、相乗効果をもたらし、5族B元素のゲッタリング効果をさらに高めていると考えられる。
【0045】
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素移動工程では、抵抗性加熱炉を用いて、高速熱アニール処理が行われる。
【0046】
この半導体装置の製造方法では、5族B元素が導入された領域に触媒元素を移動させるための高速熱アニール処理の具体的な手法として、抵抗性加熱炉を用いる。抵抗性加熱炉を用いる場合は、炉内に熱勾配を持たせ、基板の熱容量を小さくするために、基板を一枚ずつ炉内に挿入する。その際の挿入速度をコントロールすることで、昇温速度のコントロールを行えばよい。この場合には、基板全体をより均一に瞬時に加熱することが可能であり、その昇温速度および降温速度が精度良く制御可能となるので、本実施形態に適している。
【0047】
また、一実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記5族元素導入工程では、最終的に形成される半導体装置の能動(チャネル)領域上を少なくともマスクした状態で、上記能動(チャネル)領域を取り囲むように、上記能動領域の周辺部に5族Bから選ばれた元素を導入する。
【0048】
この実施形態は、ケイ素膜への5族B元素選択導入工程での導入パターンに関し、パターン形成された導入マスクを用い、最終的に形成される半導体装置の能動(チャネル)領域上を少なくともマスクした状態で、上記能動(チャネル)領域を取り囲むように、その周辺部に5族B元素を導入する。このとき、さらに、半導体装置の活性(素子)領域全体をマスクした状態で、活性領域を取り囲むように、その周辺部に5族B元素を導入すると、チャネル領域だけでなく、活性領域(チャネル+ソース・ドレイン領域)全体に、触媒元素がほとんど含まれない状態が得られる。このようにすることで、触媒元素による後の工程汚染を防ぐことができる。このように、チャネル領域、さらには活性領域を取り囲むように、5族B元素を導入すると、チャネルおよび活性領域中の触媒元素は、回りの全方向に向かって四方八方に外側に移動することができる。このため、活性領域内の触媒元素を非常に効率的に外部へ移動させることができ、優れたゲッタリング効果が得られる。
【0049】
また、他の実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記5族元素導入工程では、半導体装置の素子領域(チャネルおよびソース・ドレイン領域)における不純物(ソース・ドレイン)領域に対して元素の導入が行われ、そのまま不純物(ソース・ドレイン)領域として使用する。
【0050】
この実施形態では、ケイ素膜へ5族B元素を選択導入する工程の際の導入方法として、特に専用の導入マスクを用いず、半導体装置の素子領域(チャネルおよびソース・ドレイン領域)における不純物(ソース・ドレイン)領域に対して5族B元素を導入する。そして、そのまま、不純物(ソース・ドレイン)領域として使用する。この場合には、専用の導入マスクを用いず、ゲッタリングのための5族B元素導入工程と不純物(ソース・ドレイン)領域の不純物導入工程とを兼ねる上に、その高速熱アニール工程において、不純物(ソース・ドレイン)領域の活性化も兼ね。これにより、工程を大巾に簡略化でき、その結果、生産性を最も高めることができる。
【0051】
また、一実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素導入工程と5族元素導入工程は、同一の導入マスクを用いて行われる。
【0052】
この実施形態では、非晶質ケイ素膜の一部に触媒元素を選択的に導入し横方向に結晶成長させる場合において、その際の触媒元素の選択導入工程を、パターン形成された導入マスクを用いて行い、その後の5族B元素の選択導入工程も同一の導入マスクを用いて行う。このようにすることで、それぞれの導入工程に対して、導入マスクを別々に作成する必要が無く、プロセスの簡略化が図れる。同時に、後の半導体装置のチャネル領域を構成するケイ素膜領域は、上記触媒元素と5族B元素との導入工程にわたって、常にマスク膜にカバーされている状態を保つことができ、露出することが無くなる。その結果、チャネル領域に対するプロセス起因の汚染を最低限に抑えることができる。そして、これら2点の作用によって、良品率の向上と低コスト化を達成できる。
【0053】
また、他の実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも一つの元素が用いられる。
【0054】
この実施形態では、触媒元素の種類として、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auを利用できる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果がある。それらの中でも、特に、Niを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。この理由については、次のようなモデルが考えられる。触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合してシリサイド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構造が、非晶質ケイ素膜結晶化時に一種の鋳型のように作用し、非晶質ケイ素膜の結晶化を促すといったモデルである。Niは2つのSiと、NiSiのシリサイドを形成する。NiSiは螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、NiSiはその格子定数が5.406Åであり、結晶シリコンのダイヤモンド構造での格子定数5.430Åに非常に近い値をもつ。よって、NiSiは、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、本実施形態における触媒元素としては、特にNiを用いるのが最も望ましい。
【0055】
また、一実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記5族Bから選ばれた元素として、P、N、As、Sb、Biから選ばれた少なくとも一つの元素が用いられる。
【0056】
この実施形態では、5族Bから選ばれた元素として、P、N、As、Sb、Biから選ばれた少なくとも一つの元素を用いる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、上記の触媒元素を効率的に移動させることができ、十分なゲッタリング効果が得られる。このゲッタリングのメカニズムに関しては、未だ詳しい知見は得られていないが、これらの元素の中でも、最も効果が高いのはPであることがわかっている。
【0057】
また、他の実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、最終的に得られる半導体装置の活性(素子)領域における触媒元素の濃度は、1×1016〜2×1017cm−3の範囲内である。
【0058】
この実施形態では、半導体装置の活性領域内に残留する触媒元素量をできる限り低減し、高性能で高信頼性、高安定性の半導体装置を実現することを目的としている。このためには、最終的に得られる半導体装置の能動(チャネル)領域における触媒元素の濃度が、1×1016〜2×1017cm−3の範囲内であれば良い。チャネル領域中の触媒元素濃度を2×1017cm−3以下にすることで、触媒元素が半導体素子特性に及ぼす電気的な悪影響は全く見られなくなる。そして、この発明を用いた結果、このような低濃度を実現することができる。また、触媒元素を用いて結晶化を行う限り、最低限1×1016cm−3の濃度の触媒元素はチャネル領域内に残り、これ以下に低減することは、現状考えられるどのような方法をもってしても不可能である。したがって、触媒元素によって結晶化を行った結果として、少なくとも1×1016cm−3以上の濃度の触媒元素がチャネル領域内に残存する。
【0059】
なお、この発明において、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜の結晶性をより向上させ、半導体装置の性能、特に、電流駆動能力をより向上させる方法として、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜に対して、さらに高温の酸化雰囲気中にて熱処理を行う工程や、レーザー光を照射する工程を追加することも有効である。
【0060】
前者の高温で酸化雰囲気中にて熱処理を行い、その結晶性をさらに向上させる方法では、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜に対して、さらに高温(800℃〜1100℃)で酸化処理を行う。すると、酸化作用によって生じる過飽和Si原子がケイ素膜中へ供給され、これらが、ケイ素膜中の結晶欠陥(特に不対結合手;ダングリングボンド)に入り込み、欠陥を消滅させることができる。これにより、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜中の欠陥密度は、大きく低減され、移動度が大幅に向上する。その結果、半導体装置の性能が飛躍的に向上する。
【0061】
また、後者のレーザー光を照射する工程においては、結晶性ケイ素膜にレーザーなどの強光を照射した場合、結晶性ケイ素膜と非晶質ケイ素膜との融点の相違から、結晶粒界部や微小な残留非晶質領域(未結晶化領域)が集中的に処理される。ここで、通常の固相成長法で形成した結晶性ケイ素膜では、結晶構造が双晶状態であるので、強光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥として残る。
【0062】
これに対して、触媒元素を導入し、結晶化した結晶性ケイ素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるから、強光の照射によって結晶粒界部が処理されると基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜が得られる。これは、結晶性の観点から、その有効性が非常に高い。また、元々結晶性を有するケイ素膜に対してレーザー照射を行うのであるから、非晶質ケイ素膜に直接レーザー照射し結晶化する方法とは異なり、レーザー照射のばらつきが大きく緩和され、均一性上の問題も生じなくなる。
【0063】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態に基いて詳細に説明する。
【0064】
〔第1の実施の形態〕
図1を参照して、この発明の半導体装置の製造方法の第1実施形態を説明する。この第1実施形態は、ガラス基板上にN型TFTを作製する際の工程に、本発明を採用した方法である。
【0065】
この第1実施形態で作製するTFTは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分はもちろん、薄膜集積回路を構成する素子としても利用できる。この実施形態では、それらの代表として、基板上に数十万から数百万のN型TFTを、特に均一に作製する必要がある液晶表示装置用アクティブマトリクス基板の画素駆動用TFTを例にとって説明を行う。
【0066】
図1の平面図に、この実施形態として説明するアクティブマトリクス基板上の画素TFTの作製工程の概要を示す。前述のように、実際には、上記アクティブマトリクス基板は、数十万個以上のTFTによって構成されるが、この実施形態では、3行×3列の9個のTFTに簡略化して説明する。
【0067】
図2は、図1における任意の一つのTFTを、A−A'線で切った断面を示し、順次、図2(A)→図2(B)→図2(C)→図2(D)→図2(E)→図2(F)→図2(G)の順にしたがって作製工程が進行する。
【0068】
まず、図2(A)に示すように、ガラス基板101上に、例えば、スパッタリング法によって、厚さ300〜500nm程度の酸化ケイ素からなる下地膜102を形成する。この酸化ケイ素膜102は、ガラス基板101からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。次に、プラズマCVD法あるいは減圧CVD法によって、厚さ20〜80nm,例えば、厚さ40nmの真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)103を成膜する。この実施形態では、平行平板式のプラズマCVD装置を用い、加熱温度を300℃とし、SiHガスとHガスを材料ガスに用いた。そして、RFパワーのパワー密度を10〜200mW/cm、例えば、80mW/cmとした。
【0069】
次に、a−Si膜103表面上にニッケル104を微量添加する。このニッケル104の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液を、a−Si膜103上に保持し、この溶液をスピナーによって基板101上に均一に延ばして乾燥させることによって行った。この第1実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としてはエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度は2ppmとなるようにした。この状態を。図2(A)に示す。このようにして添加された図2(A)の状態におけるa−Si膜103表面上のニッケル濃度を全反射蛍光X線分析(TRXRF)法によって測定すると、8×1012atoms/cm程度であった。
【0070】
そして、これを不活性雰囲気下、例えば、窒素雰囲気にて加熱処理を行う。この加熱処理においては、昇温途中に、まず、a−Si膜103中の水素離脱処理を行い、その後さらに、高温で、a−Si膜103を結晶化した。具体的には、第1ステップの加熱処理として、450〜520℃で、1〜2時間のアニール処理を行い、第2ステップの加熱処理として、520〜570℃で2〜8時間のアニール処理を行う。この実施形態では、一例として、500℃にて1時間のアニール処理を行った後、550℃で4時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜103の表面に添加されたニッケル104がa−Si膜103中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核として、a−Si膜103の結晶化が進行する。その結果、図2(B)に示すように、a−Si膜103が結晶化されて、結晶性ケイ素膜103aとなる。
【0071】
次に、図2(C)に示すように、結晶性ケイ素膜103a上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、パターニングしてマスク106を形成する。マスク106の形成は、この実施形態においては、酸化ケイ素膜を用い、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにRFプラズマCVD法で分解・堆積した。マスクの厚さは、100nm〜400nmであることが望ましく、この実施形態では、この酸化ケイ素膜の厚さを150nmとした。このときの状態を基板上方より見ると、図1(A)に示すように、結晶性ケイ素膜の一部103aが、マスク106によって島状にマスクされた状態となっている。
【0072】
次に、この状態で、図2(C)に示すように、ガラス基板101の上方からリン108を全面にイオンドーピングする。このときのリン108のドーピング条件としては、加速電圧を5〜10kVとし、ドーズ量を5×1015〜1×1016cm−2とした。この工程によって、露呈している領域の結晶性ケイ素膜103aにリンが注入され、リンドープされた結晶性ケイ素領域103dが形成される。マスク106によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜103aには、リンはドーピングされない。このときの状態を、ガラス基板101の上方より見ると、図1(A)に示すような状態になっている。後に形成されるTFT活性(素子)領域は、この段階ではマスク106に完全に覆われた状態となっている。
【0073】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気下、例えば、窒素雰囲気にて高速熱アニール処理を施す。このときの高速熱アニール処理温度までの昇温速度としては、600℃以下の余熱温度から、少なくとも30℃/分以上、好ましくは100℃/分以上で、昇温させることが望ましい。
【0074】
また、このときのアニール温度および処理時間としては、650〜800℃の温度で1秒〜15分、より好ましくは700〜750℃の温度で1分〜10分であることが望ましい。また、この第1実施形態では、ガラス基板101を用いているので、この高速熱アニール処理温度から少なくとも600℃までの降温速度は、20℃/分以下であることが望ましい。
【0075】
この第1実施形態では、上記熱処理において、室温から、昇温速度100℃/分で、高速熱アニール処理温度700℃まで昇温させ、8分の処理を行った後、580℃まで15℃/分で降温させ、さらに580℃から100℃までは80℃/分で降温させた。このときの温度プロファイルを、図9(A)に示す。この第1実施形態においては、抵抗性加熱炉を用いて、炉内で温度勾配を持たせ、基板101を炉内に挿入する速度をコントロールすることで、上記の温度プロファイルの高速熱アニール処理を実現した。
【0076】
このとき、基板101は一枚ずつ処理し、炉内に挿入する際の熱容量をできる限り小さくすることがポイントである。このような温度勾配をもつ抵抗性加熱炉を用いる一つのメリットとして、特に、降温速度を制御よくコンロトールすることが可能であり、ガラス基板を使用する場合に対して、他のランプ照射法に比べてより適している。
【0077】
この高速熱アニール処理によって、領域103dにドーピングされたリンがその領域103dに存在するニッケルをまずトラップする。そして、図1(B)および図2(D)に示すように、さらにマスク106下の結晶性ケイ素膜103a中に存在しているニッケル104を矢印109に示すような外方向に、すなわち、周囲の領域103dの領域へと全方向に向かって引き出させる。その結果、マスク106下の結晶性ケイ素膜103a領域におけるニッケル濃度は大幅に低減する。このときの結晶性ケイ素膜103a中の実際のニッケル濃度を、二次イオン質量分析法(SIMS)によって測定したところ、5×1016atoms/cm程度にまで低減されていた。ちなみに、本発明のような高速熱アニール処理を用いない従来法の場合には、ニッケル濃度は、2×1017atoms/cm程度である。
【0078】
この工程前の結晶性ケイ素膜103aの膜中ニッケル濃度は、1×1018atoms/cm程度であり、この第1実施形態での高速熱アニール処理によって、約1/20まで、残留ニッケル濃度を低減できた。また、この第1実施形態において、上記高速熱アニール処理後のガラス基板101のシュリンケージは約20ppmであり、反りも問題なく、後の工程におけるフォトリソグラフィ工程でのマスクアライメントも問題なく行えた。
【0079】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜106をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層のケイ素膜103aに対して十分に選択性のある1:10バッファードフッ酸(BHF)を用い、ウェットエッチングを行った。
【0080】
その後、マスク106に覆われていた領域のケイ素膜103aを用い、その他の不要な部分のケイ素膜を除去して素子間分離を行う。すなわち、この工程によって、図1(C)に示すような配置で、少なくとも上記領域のケイ素膜103aを用いて、後に、TFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜110が形成され、図2(E)の状態が得られる。
【0081】
次に、図2(E)に示すように、レーザー光105を照射することで、活性領域の結晶性ケイ素膜110の結晶性を助長する。このときのレーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40n(ナノ)秒)を用いた。また、レーザー光の照射条件は、照射時に、基板101を200〜450℃、例えば、400℃に加熱し、エネルギー密度250〜450mJ/cm、例えば、350mJ/cmで照射した。また、ビームサイズは、基板101の表面で150mm×1mmの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、結晶性ケイ素膜110の任意の一点において、計20回のレーザー照射が行われることになる。
【0082】
次に、上記の活性領域となる結晶性ケイ素膜110を覆うように、厚さ20〜150nm、ここでは、100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜111として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここでは、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともに基板温度150〜600℃、好ましくは300〜450℃で、RFプラズマCVD法で分解・堆積した。もしくは、TEOSを原料として、オゾンガスとともに減圧CVD法もしくは常圧CVD法によって、基板温度を350〜600℃、好ましくは400〜550℃として形成してもよい。
【0083】
成膜後、ゲート絶縁膜111自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜/ゲート絶縁膜の界面特性を向上させるために、不活性ガス雰囲気下で500〜600℃で1〜4時間のアニールを行った。
【0084】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ400〜800nm、例えば600nmのアルミニウムを成膜する。そして、そのアルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極113を形成する。さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層114を形成する。この状態が図2(F)に相当する。ゲート電極113は、平面的にはゲートバスラインを同時構成しており、この状態を平面的に見ると図1(D)のような状態となっている。上記陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で行い、最初、一定電流で220Vまで電圧を上げ、その状態で1時間保持して終了させる。得られた酸化物層114の厚さは200nmである。なお、この酸化物層114は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
【0085】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極113とその周囲の酸化物層114をマスクとして、活性領域(結晶性ケイ素膜)110に不純物(リン)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)を用い、加速電圧を60〜90kV(例えば、80kV)とし、ドーズ量を1×1015〜8×1015cm−2(例えば、2×1015cm−2)とする。
【0086】
この工程によって、不純物が注入された領域116と117は、後にTFTのソース/ドレイン領域となり、ゲート電極113およびその周囲の酸化層114にマスクされ不純物が注入されない領域115は、後にTFTのチャネル領域となる。
【0087】
その後、図2(F)に示すように、レーザー光120の照射によって、アニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。この際、使用するレーザーとしては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40ナノ秒)を用い、エネルギー密度150〜400mJ/cm(好ましくは200〜250mJ/cm)で照射を行った。こうして形成されたN型不純物(リン)領域116、117のシート抵抗は、200〜800Ω/□であった。
【0088】
続いて、図2(G)に示すように、厚さ600nm程度の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜121として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、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法によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜121が得られる。また、SiHとNHを原料ガスとしてプラズマCVD法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、活性領域/ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、TFT特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【0089】
次に、層間絶縁膜121にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってTFTのソース電極配線(ソースバスライン)122を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。図1(E)、図2(G)に示すTFT125は、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極には、ITOなど透明導電膜からなる画素電極123を設ける。すなわち、図1(E)において、ソースバスライン122を介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン(ゲート電極)113のゲート信号に基づいて画素電極123に必要な電荷が書き込まれる。そして最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、1時間のアニールを行い、図1(E),図2(G)に示す画素TFT125を完成させる。さらに、必要に応じて、画素TFT125を保護する目的で、画素TFT125上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0090】
この第1実施形態にしたがって作製したTFT125は、電界効果移動度が150cm/Vs程度、閾値電圧が2V程度と非常に高性能であるにもかかわらず、従来例で頻繁に見られたTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が全く無く、単位W当たり1pA以下と非常に低い値を安定して示した。この値は、触媒元素を用いずに作成した従来のTFTと比べても全く差が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができた。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高い。そして、この第1実施形態に基づいて作製された液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、従来法によって作成したものに比べて表示むらが明らかに少なく、TFTリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。なお、この第1実施形態によるTFT製造工程は、アクティブマトリクス基板の画素電極を対象にして説明を行ったが、この製造工程で作製されるTFTは、薄膜集積回路などにも簡単に応用できる。その場合には、ゲート電極113上にもコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。
【0091】
〔第2の実施の形態〕
次に、この発明の半導体装置の製造方法の第2実施形態を説明する。この第2実施形態では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回路を形成するN型TFTとP型TFTを相補型に構成したCMOS構造の回路をガラス基板上に作製する工程について、説明を行う。
【0092】
図3(A)〜(G)に、この第2実施形態で説明するTFTの作製工程を順に示す。図3(A)〜(G)は、上記作製工程の断面を順に示している。
【0093】
まず、図3(A)に示すように、ガラス基板201上に、例えばスパッタリング法によって、厚さ300〜500nm程度の酸化ケイ素からなる下地膜202を形成する。この酸化ケイ素膜202は、ガラス基板201からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。次に、プラズマCVD法によって、厚さ20〜80nm、例えば40nmの真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)203を成膜する。この第2実施形態では、平行平板式のプラズマCVD装置を用い、加熱温度を300℃とし、SiHガスとHガスを材料ガスに用いた。そして、RFパワーのパワー密度を10〜200mW/cm、例えば80mW/cmとした。
【0094】
次に、a−Si膜203表面上に、ニッケル204の微量添加を行う。このニッケル204の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液を、a−Si膜203上に保持し、スピナーによって溶液をガラス基板201上に均一に延ばし、乾燥させることによって行った。この第2実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としてはエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度は1ppmとした。このようにして添加されたa−Si膜203の表面上のニッケル濃度を全反射蛍光X線分析(TRXRF)法によって測定すると、5×1012atoms/cm程度であった。そして、このa−Si膜203に対し、不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて加熱処理を行う。このときの加熱処理としては、520〜570℃で2〜8時間のアニール処理を行うことが望ましく、この第2実施形態では、一例として、550℃で4時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜203の表面に添加されたニッケル204のシリサイド化が起こり、それを核としてa−Si膜203の結晶化が進行する。しかし、上記ニッケルの添加量では、a−Si膜203を全て結晶化するためには、触媒元素の量が不十分であり、一部微小な(数μm程度の)非晶質領域が残存し、結晶成長が停止する。また、アニール処理において、570℃以下の温度では、ケイ素膜自体の結晶成長が起こらないので、結晶成長が及ばない未結晶化領域はa−Siのまま残る。その結果、この第2実施形態による550℃,4時間の加熱処理の後に得られるケイ素膜203は、結晶化領域の中に微小な非晶質領域が混在した状態となっている。
【0095】
次に、図3(B)に示すように、レーザー光205を照射することで、ケイ素膜203をさらに結晶化させ、結晶性ケイ素膜203aを得る。このときのレーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40ナノ秒)を用いた。レーザー光の照射条件は、照射時に、基板201を200〜450℃、例えば400℃に加熱し、エネルギー密度200〜450mJ/cm、例えば350mJ/cmで照射した。ビームサイズは、基板201表面で150mm×1mmの長尺形状となるように成形されており、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、ケイ素膜203の任意の一点において、計20回のレーザー照射が行われることになる。このレーザー照射によって、ケイ素膜203中に残存している非晶質領域が優先的に溶融し、結晶化領域の良好な結晶成分のみを反映して膜全体が結晶化される。
【0096】
その後、図3(C)に示すように、全面的に結晶化された結晶性ケイ素膜203aを用いて、後にTFTの活性領域(素子領域)210n、210pとなる領域を残し、それ以外の領域をエッチング除去して素子間分離を行う。
【0097】
次に、上記の活性領域となる結晶性ケイ素膜210n、210pを覆うように、厚さ20〜150nm、ここでは100nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜211として成膜する。ここでは、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともに基板温度150〜600℃、好ましくは300〜450℃で、RFプラズマCVD法で分解・堆積して、酸化ケイ素膜を形成した。
【0098】
引き続いて、図3(D)に示すように、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極213n、213pとする。このときの高融点メタルとしては、タンタル(Ta)あるいはタングステン(W)が望ましい。この第2実施形態では、窒素が微量に添加されたTaを用い、厚さが300〜600nm、例えば450nmとした。
【0099】
次に、この状態で、図3(D)に示すように、イオンドーピング法によって、活性領域210n、210pに、ゲート電極213n、213pをマスクとして、リン208を注入する。このときのドーピングは、ゲート絶縁膜211越しに行う、いわゆるスルードーピングを適用した。ドーピングガスとしてフォスフィン(PH)を用い、ドーピング条件としては、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとし、ドーズ量を2×1015〜8×1015cm−2、例えば5×1015cm−2とした。このイオンドーピング工程によって、ゲート電極213n、213pにマスクされ、リンが注入されない領域は、後にTFTのチャネル領域215n、215pとなる。また、このイオンドーピング工程によって、Nチャネル型TFTにおけるN型の不純物領域216nと217nが形成される。しかし、Pチャネル型TFTにおいては、そのソース・ドレイン領域216p'、217p'は、この段階では、リンがドーピングされた結果、N型の不純物領域となっている。
【0100】
次に、フォトリソグラフィ工程によって、図3(E)に示すように、N型TFT上に、フォトレジストによって、選択ドーピングのためのマスク218を形成する。そして、この状態で、イオンドーピング法によって、P型TFTにおいてのみ選択的に、活性領域210pにゲート電極213pをマスクとしてホウ素219を注入する。このとき、ドーピングガスとして、ジボラン(B2H6)を用い、40kV〜80kV、例えば65kVの加速電圧で、1×1016〜5×1016cm−2、例えば2×1016cm−2の高ドーズ量にて、ドーピングを行った。この工程において、後のP型TFTのチャネル領域215pは、ゲート電極213pにマスクされ、ホウ素は注入されない。
【0101】
ゲート絶縁膜211越しにホウ素219がドーピングされたソース・ドレイン領域216p'、217p'は、この結果、先にドーピングされたN型不純物であるリンをキャンセルし、過剰なホウ素によって反転して、P型の不純物領域216pと217pが形成される。これは、いわゆるカウンタードーピングである。このようして、Nチャネル型TFTとPチャネル型TFTとをそれぞれ形成することができる。
【0102】
そして、選択ドーピングのためのマスクとして用いたフォトレジストマスク218を除去した後、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて高速熱アニール処理を施す。このときの高速熱アニール処理温度までの昇温速度としては、600℃以下の余熱温度から、少なくとも30℃/分以上、好ましくは100℃/分以上の昇温速度であることが望ましい。
【0103】
また、このときのアニール温度および処理時間としては、650〜800℃の温度で1秒〜15分、より好ましくは700〜750℃の温度で1分〜10分であることが望ましい。また、この第2実施形態では、ガラス基板を用いているので、この高速熱アニール処理温度から少なくとも600℃までの降温速度は20℃/分以下であることが望ましい。この第2実施形態では、第1実施形態と同様に、図9(A)に示すような温度プロファイルによって高速熱アニール処理を行った。具体的には、室温から、昇温速度100℃/分で高速熱アニール処理温度700℃まで昇温し、8分の熱処理を行った後、580℃まで15℃/分で降温し、さらに580℃から100℃まで80℃/分で降温した。この第2実施形態においては、抵抗性加熱炉を用いて炉内で温度勾配を持たせ、基板を炉内に挿入する速度をコントロールすることで、上記の温度プロファイルの高速熱アニール処理を実現した。このとき、基板は一枚ずつ処理し、炉内に挿入する際の熱容量をできる限り小さくすることがポイントである。このような温度勾配をもつ抵抗性加熱炉を用いる一つのメリットとして、特に降温速度を制御よくコンロトールすることが可能であり、他のランプ照射法に比べ、ガラス基板の使用に対してより適している。
【0104】
この高速熱アニール処理によって、TFT活性領域中において、ソース・ドレイン領域216n、217n、216p、217pにドーピングされているリンがその領域に存在するニッケルをまずトラップする。そして、図3(F)に示すように、チャネル領域215n、215p中に存在しているニッケルを矢印209に示すような方向に、すなわち隣接するソース・ドレイン領域216n、217n、216p、217pへと移動させる。その結果、チャネル領域215n、215p中のニッケル濃度は大幅に低減する。このときのチャネル領域215n、215p中のニッケル濃度を、二次イオン質量分析法(SIMS)によって測定したところ、3×1016atoms/cm程度にまで低減されていた。また、この第2実施形態において、上記高速熱アニール処理後のガラス基板201のシュリンケージは約20ppmであり、反りも問題なく、後の工程におけるフォトリソグラフィ工程でのマスクアライメントも問題なく行えた。また、この高速熱アニール処理によって、ソース・ドレイン領域216n、217n、216p、217pの活性化も同時に行われる。この工程によって得られたN型不純物領域216n、217nのシート抵抗値は、0.5〜1kΩ/□であり、P型不純物領域216p、217pのシート抵抗値は、2〜3kΩ/□であった。さらには、ゲート絶縁膜211の焼成処理も同時に行われ、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜/ゲート絶縁膜の界面特性の向上が図れる。
【0105】
続いて、図3(G)に示すように、厚さ900nmの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜221としてプラズマCVD法によって形成し、これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってTFTの電極配線224を形成する。そして最後に、1気圧の水素雰囲気下で350℃,1時間のアニールを行い、Nチャネル型TFT226とPチャネル型TFT227とを完成させる。さらに必要に応じて、TFT226,227のゲート電極213上にもコンタクトホールを設け、配線224を施せばよい。また、これらのTFTを保護する目的で、TFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0106】
以上の第2実施形態にしたがって作製したCMOS構造回路において、それぞれのTFTの電界効果移動度は、N型TFTで200〜250cm/Vs、P型TFTで100〜130cm/Vsと高く、閾値電圧はN型TFTで1.5V程度、P型TFTで−2V程度と非常に良好な特性を示す。しかも、従来例で頻繁に見られたTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が全く無く、リーク電流値自体も単位W当たり1pA以下と非常に低い値を安定して示した。この値は、触媒元素を用いずに作製した従来のTFTと比べても全く差が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上させることができた。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高く、安定した回路特性を示した。
【0107】
〔第3の実施の形態〕
次に、この発明の半導体装置の製造方法の第3実施形態を説明する。この第3実施形態は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回路を形成するN型TFTとP型TFTを相補型に構成したCMOS構造の回路を石英基板上に作製する工程である。
【0108】
図4は、この第3実施形態で作製するTFTの作製工程の概要を示す平面図である。図5、図6は、図4のB−B'線で切った断面図であり、順次、図5(A)→図5(B)→図5(C)→図5(D)→図6(E)→図6(F)→図6(G)→図6(H)の順にしたがって工程が進行する。
【0109】
まず、石英ガラス基板301の表面を低濃度のフッ化水素酸で洗浄した後、石英ガラス基板301上に、減圧CVD法によって、厚さ40〜100nm(例えば、55nm)の真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)303を成膜する。
【0110】
次に、a−Si膜303上に、酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、パターニングしてマスク306を形成する。この第3実施形態では、マスク306を酸化ケイ素膜とし、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにRFプラズマCVD法で分解、堆積して形成した。このマスク306の厚さは、100nm〜400nmであることが望ましく、この第3実施形態では、この酸化ケイ素膜の厚さを150nmとした。マスク306のスルーホールによって、領域300において、a−Si膜303がスリット状に露呈される。すなわち、図5(A)の状態を上面から見ると、図4のように領域300で、a−Si膜303が露呈しており、他の部分は酸化ケイ素膜306によってマスクされている状態となっている。このときのライン状領域300のライン幅は、2〜15μmであることが望ましく、この第3実施形態では10μmとした。
【0111】
上記マスク306を設けた後、この上からニッケル304の微量添加を行う。このニッケル304の微量添加は、純ニッケル(99.9%以上)のターゲットを用い、DCスパッタリングによって行った。具体的には、DCパワーが50W程度という極低パワーにて、基板搬送速度を2000mm/分にまで高めて、スパッタリング処理を行った。スパッタリングガスとしては、アルゴンを用いて、純ニッケルターゲットに対して、スパッタリング時のガス圧力を10Pa以上に上げることで、ニッケルの極低濃度スパッタリングが可能となる。このようにしてスパッタリングされたニッケル304は、図5(A)では、薄膜のように表示してはいるが、実際には単原子層程度かそれ以下の状態で、とても膜と呼べる状態ではない。具体的にDCパワー60W、アルゴンガス圧18Paの条件でスパッタリングを行ったところ、基板表面上(マスク306と領域300で露呈しているa−Si膜303)のニッケル濃度は6×1013atoms/cm程度(TRXRF測定値)であった。
【0112】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気下(例えば、窒素雰囲気下)で、加熱温度530〜600℃(例えば、580℃)で、11時間アニールして結晶化させる。この際、領域300においては、a−Si膜303表面に存在する微量のニッケル304を核として、a−Si膜303の結晶化が起こり、結晶性ケイ素膜303aがまず形成される。そして、引き続いて、領域300の周辺領域では、図4、図5(B)において、矢印307で示すように、領域300から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長が行われ、マスク306下で、横方向結晶成長した結晶性ケイ素膜303bが形成される。それ以外の領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領域として残る訳であるが、実際には、ライン状の導入領域が隣接しており、その領域からの別の横方向結晶成長が進行し、それぞれの横方向結晶成長領域がぶつかり合って結晶成長が終了する。その横方向結晶成長の成長境界部が303cである。このとき、マスク306上に存在するニッケル304は、マスク膜306に阻まれ、下層のa−Si膜303へは到達せず、領域300において導入されたニッケル304のみによってa−Si膜303の結晶化が行われる。この横方向結晶成長した結晶性ケイ素膜303b中のニッケル濃度は、5×1017〜1×1018atoms/cm程度であり、直接、ニッケルを添加して結晶成長した結晶性ケイ素膜303a中のニッケル濃度は、1×1019atoms/cm程度であった。
【0113】
なお、上記結晶成長に際し、矢印307で示される基板と平行な方向の結晶成長の距離は、周囲が全て非晶質領域で横方向の結晶成長のぶつかり合いが生じない場合には、130μm程度になる。
【0114】
次に、この状態で、図5(C)に示すように、ニッケルの選択導入に使用したマスク306をそのまま用いて、リン308を基板301上方より全面にイオンドーピングする。このときのリン308のドーピング条件としては、加速電圧を5〜10kVとし、ドーズ量を5×1015〜1×1016cmとした。この工程によって、露呈している領域の結晶性ケイ素膜303aにリンが注入され、リンドープされた結晶性ケイ素領域303dが形成される。マスク306によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜303bには、リン308はドーピングされない。
【0115】
そして、この結晶性ケイ素膜303bに、不活性雰囲気下(例えば、窒素雰囲気)にて、高速熱アニール処理を施す。このときの高速熱アニール処理温度までの昇温速度としては、600℃以下の余熱温度から、少なくとも30℃/分以上(好ましくは、100℃/分以上)であることが望ましい。また、このときのアニール温度および処理時間としては、650〜800℃の温度で1秒〜15分(より好ましくは、700〜750℃の温度で1分〜10分)であることが望ましい。
【0116】
この第3実施形態では、耐熱性に優れる石英基板301を用いているので、前述の第1および第2実施形態のように、降温速度を特に気にする必要は無い。この第3実施形態における高速熱アニール処理の温度プロファイルの一例を、図9(B)に示す。具体的に、室温より昇温速度150℃/分で高速熱アニール処理温度730℃まで昇温して、5分間の熱処理を行った後、100℃まで150℃/分で降温した。この第3実施形態においては、抵抗性加熱炉を用いて炉内で温度勾配を持たせ、基板301を炉内に挿入する速度をコントロールすることで、上記の温度プロファイルによる高速熱アニール処理を実現した。
【0117】
この高速熱アニール処理によって、ケイ素膜303中において、領域303dにドーピングされているリンがその領域に存在するニッケルをまずトラップする。そして、図4および図5(D)に示すように、横方向に結晶成長した領域303b中に存在しているニッケルを矢印309に示すような方向に、すなわち結晶成長の方向とは全く逆方向に、領域303dへと移動させる。その結果、横方向結晶成長領域303b中のニッケル濃度は大幅に低減する。このときの横方向結晶成長領域303b中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(SIMS)によって測定したところ、3×1016atoms/cm程度にまで低減されていた。
【0118】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜306をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層のケイ素膜303に対して十分に選択性のある1:10バッファードフッ酸(BHF)を用い、ウェットエッチングによってエッチング除去を行った。
【0119】
その後、図6(E)に示すように、後にTFTの活性領域(素子領域)310n、310pとなる横方向に結晶成長させたケイ素膜303bを残し、それ以外の領域をエッチング除去して素子間分離を行う。このときのニッケルおよびリンの導入領域300と活性領域310n、310pとの位置関係は、平面的には図4に示すような状態となる。
【0120】
次に、図6(F)に示すように、上記の活性領域となる結晶性ケイ素膜310nおよび310pを覆うように、厚さ60nmの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜311として成膜する。この第3実施形態では、ゲート絶縁膜311の成膜方法として、SiHガスとNOガスを原料として850℃の温度において減圧CVD法を採用した。このゲート絶縁膜311は、いわゆる、HTO膜(High Temperature Oxide)である。
【0121】
次に、このような状態で、ケイ素膜からなる活性領域310n、310pに対して、酸化雰囲気中での熱処理を行う。この酸化雰囲気は、酸素や水蒸気、HClなどの酸化雰囲気であり、この第3実施形態では、1気圧の酸素雰囲気中にて、熱処理を行った。この熱処理の温度は、850〜1100℃が好ましく、この第3実施形態では、950℃で熱処理を行った。このような条件下、2時間30分のアニールを行うことで、ゲート絶縁膜311中を酸素が拡散移動し、下層の活性領域310n、310pの表面が酸化される。上記条件での酸化処理を行うことで、島状ケイ素膜からなる活性領域310n、310pの表面に、約50nmの酸化膜312n、312pが形成される。その結果、ケイ素膜からなる活性領域310n、310pの膜厚は、初期の55nmから30nmに減少する。また、TFTのゲート絶縁膜は、CVDによって形成された酸化膜311とケイ素膜からなる活性領域310n、310pの熱酸化によって形成された酸化膜312との二層で構成され、トータル膜厚は110nmになる。また、チャネル界面は、ケイ素膜からなる活性領域310n、310pとこのケイ素膜の酸化による酸化膜312n、312pとで構成され、良好な界面特性が得られる。さらに、この酸化工程によって、島状ケイ素膜からなる活性領域310n、310pの膜中不対結合(ダングリングボンド)が大幅に低減され、その結晶性が大きく改善される。その結果、30nmに薄膜化された高品質結晶性ケイ素膜からなる活性領域310n'、310p'が生成される。
【0122】
引き続いて、図6(G)に示すように、スパッタリング法によって厚さ400〜800nm(例えば、500nmのアルミニウム(0.1〜2%のシリコンを含む))を成膜し、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極313n、313pを形成する。
【0123】
次に、イオンドーピング法によって、活性領域310n'、310p'に、ゲート電極313n、313pをマスクとして、不純物(リンおよびホウ素)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH)およびジボラン(B)を用い、前者の場合は、加速電庄を60〜90kV(例えば、80kV)、後者の場合は、40kV〜80kV(例えば、65kV)とし、ドーズ量は1×1015〜8×1015cm−2(例えば、リンを2×1015cm−2,ホウ素を5×1015cm−2)とする。このイオンドーピング工程で、ゲート電極313n、313pにマスクされ、不純物が注入されない領域は、後にTFTのチャネル領域315n、315pとなる。
【0124】
上記イオンドーピングに際しては、ドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングする。この結果、N型の不純物領域316nと317n、P型の不純物領域316pと317pが形成され、図4に示すように、Nチャネル型TFT326とPチャネル型TFT327とを形成できる。
【0125】
その後、図6(G)に示すように、レーザー320の照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行う。レーザー光としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40ナノ秒)を用い、レーザー光の照射条件としては、エネルギー密度250mJ/cmで、一か所につき20ショット照射した。
【0126】
続いて、図6(H)に示すように、厚さ900nmの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜321としてプラズマCVD法によって形成し、これにコンタクトホールを形成して、金属材料(例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜)によって、TFTの電極配線324を形成する。そして最後に、1気圧の水素雰囲気下で350℃、1時間のアニールを行い、Nチャネル型TFT326とPチャネル型TFT327とを完成させる。
【0127】
さらに必要に応じて、ゲート電極313n(p)の上にもコンタクトホールを設けて、配線324によって必要な電極間を接続する。また、TFT326、327を保護する目的で、TFT上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【0128】
以上の第3実施形態にしたがって作製したCMOS構造回路において、それぞれのTFTの電界効果移動度は、N型TFTで250〜300cm/Vs、P型TFTで120〜150cm/Vsと高く、閾値電圧はN型TFTで1V程度、P型TFTで−1.5V程度と非常に良好な特性を示す。しかも、従来例で頻繁に見られたTFTオフ動作時のリーク電流の異常な増大が全く無く、リーク電流値自体も単位W当たり1pA以下と非常に低い値を安定して示した。この値は、触媒元素を用いずに作成した従来のTFTと比べても全く差が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができた。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高く、安定した回路特性を示した。
【0129】
以上、本発明に基づく第1〜第3の3例の実施形態を、具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0130】
また、上記実施形態では、ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面をニッケル塩を溶かしたエタノール溶液を塗布する方法、あるいはスパッタリング法によってニッケル薄膜を形成する方法によって、ニッケルの微量添加を行い、結晶成長を行わせる方法を採用した。これに対して、非晶質ケイ素膜成膜前に、下地膜表面にニッケルを導入し、非晶質ケイ素膜下層からニッケルを拡散させて結晶成長させる方法を採用してもよい。すなわち、結晶成長は、非晶質ケイ素膜の上面側から行ってもよいし、下面側から行ってもよい。また、ニッケルの導入方法としても、その他、様々な手法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶かす溶媒として、単純に水を用いてもよいし、SOG(スピンオングラス)材料を溶媒としてSiO膜から拡散させる方法もある。また、蒸着法やメッキ法によって薄膜形成する方法や、イオンドーピング法によって直接、ニッケルを導入する方法なども利用できる。さらに、結晶化を助長する不純物金属元素としては、ニッケル以外にコバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いても同様の効果が得られる。
【0131】
また、上記実施形態では、ニッケルをゲッタリングするための5族B元素としてリンを用いたが、リン以外に窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスを利用しても良い。5族B元素を導入するパターンとしては、上記3つの実施形態以外のパターンでも、TFTチャネル領域内にリンがドーピングされた領域が含まれない限り、特に問題なく採用できる。
【0132】
また、第1および第2実施形態では、ニッケルによって結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに助長する手段として、パルスレーザーであるエキシマレーザー照射による加熱法を用いたが、それ以外のレーザー(例えば連続発振Arレーザーなど)でも同様の処理が可能である。
【0133】
さらに、本発明の応用としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機系EL等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子や表示素子、三次元IC等が考えられる。本発明を用いることで、これらの素子の高速、高解像度化等の高性能化が実現される。さらに本発明は、上述の実施形態で説明したMOS型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス全般に応用することができる。
【0134】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体装置の製造方法は、絶縁基板上に形成された非晶質ケイ素膜にその結晶化を促進する触媒元素を導入し、加熱処理によって結晶成長させた後、上記ケイ素膜の―部に、選択的に5族Bから選ばれた元素を導入し、高速熱アニール処理を行い、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させるものである。そして、その5族Bから選ばれた元素が導入された領域以外の領域のケイ素膜を用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する訳である。このようにすることで、従来法に比べて、半導体装置の能動領域における残留触媒元素量を大きく低減することが可能となる。
【0135】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、さらに、絶縁基板上に形成された非晶質ケイ素膜の一部分に、触媒元素を選択的に導入し、加熱することで、触媒元素が選択的に導入された領域からその周辺領域へと、横方向(基板と平行)に上記非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせる。さらに、結晶成長させたケイ素膜の一部に、選択的に5族Bから選ばれた元素を導入して、高速熱アニール処理を行い、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させる。この場合、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域外の、横方向に結晶成長したケイ素膜を用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成すると、より高い電流駆動能力をもつ高性能半導体装置が得られる。勿論、半導体装置の能動領域における残留触媒元素量も、従来法に比べて大きく低減できており、問題となるオフ動作時のリーク電流の異常も見られず、高い信頼性も同時に確保できた。
【0136】
また、この発明および上記実施形態では、5族B元素導入後におけるその導入領域の状態と、その後の高速熱アニール処理におけるその昇温速度にポイントがある。すなわち、この発明では、結晶成長させたケイ素膜に選択的に5族Bから選ばれた元素を導入する工程において、5族Bから選ばれた元素が導入された領域のケイ素膜は非晶質化されることが重要である。
【0137】
さらには、引き続き行われる高速熱アニール処理において、5族Bの元素が導入され、非晶質化された領域が少なくとも結晶化しないような予熱温度から、高速熱アニール処理を施す温度までの昇温期間中において、上記非晶質化された領域が完全に結晶化されないような昇温速度にて行われることが非常に重要である。これによって、得られる触媒元素を5族B元素の導入領域へと移動させる(ゲッタリングする)効果は大きく異なる。5族B元素導入後における熱処理の温度を上げると、一般的にゲッタリング効果は向上する。これは、ケイ素膜中における触媒元素の拡散速度が向上し、固溶限は上がるためである。しかしながら、このときのゲッタリング効果は、650℃程度で頭打ちとなり、それ以上温度を上げても効果が得られないことがわかっている。
【0138】
この発明および上記実施形態では、このときの熱処理として、高速熱アニール処理を用い、5族Bの元素が導入され非晶質化された領域が少なくとも結晶化しないような予熱温度から、高速熱アニール処理を施す温度までの昇温期間中において、上記非晶質化された領域が完全に結晶化されないような昇温速度にて行うことが、非常に重要なポイントとなる。このようにすることで、初めて、意図したアニール温度で、5族B元素が導入された領域を非晶質状態としてアニールを行うことができ、本来、このときの熱処理の温度が持っている高いゲッタリング効果を得ることができる。
【0139】
本発明および実施形態によって、薄膜トランジスタ(TFT)を作成したところ、上記公報および従来技術で同様にTFTを作成したときには3%以上の確率で見られたTFTオフ時のリーク電流の異常な増大現象が、本発明の方法では全く見られず正に0%であった。さらに、このTFTを用い作成した液晶表示装置では、従来法で頻発していた線状の表示むら(ドライバー部のサンプリングTFT起因)やオフ時のリーク電流による画素欠陥も全く無く、表示品位を大きく向上できた上に、良品率を飛躍的に高めることができた。
【0140】
また、この発明および実施形態のように、5族Bの元素の導入領域に触媒元素を移動させるための高速熱アニール処理は、600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、少なくとも30℃/分を上回る昇温速度で昇温させることが望ましい。さらに好適には、100℃/分を上回る昇温速度で昇温させることがより望ましい。予熱温度が600℃以下であれば、5族Bの元素が導入され非晶質化された領域において、全く結晶成長は生じない。そして、このときの昇温速度が30℃/分以上であれば、その昇温過程において、5族B元素が導入された領域での結晶化は完全には終了せず、非晶質成分を残した状態で高速熱アニール処理に入ることができる。さらに、このときの昇温速度が100℃/分以上であれば、その昇温過程において、5族B元素が導入された領域では結晶化がほとんど生じず、ほぼ非晶質状態のままで高速熱アニール処理に入ることができる。
【0141】
また、一実施形態では、5族Bの元素が導入された領域に触媒元素を移動させる工程において、その高速熱アニール処理における処理中の平均温度は650〜800℃の範囲であり、1秒〜15分の時間だけ行われる。すなわち、図8においてわかるように、650℃以上において初めて、本実施形態による触媒元素濃度の大きな低減効果が現れ出す。図8のデーターでは、昇温速度を120℃/分として実験を行ったものである。図8に破線で示す従来法では、前述のように、650℃程度で低減効果は頭打ちしているが、本実施形態では、実線で示してあるように、この温度以上で、今まで見られなかった、より高いゲッタリング効果が得られる。しかしながら、このときのアニール温度は高ければ高いほど良いという訳ではなく、上限が存在する。すなわち、より高温になると、触媒元素のランダムな拡散が起こるようになり、5族元素の導入領域から外部へも触媒元素が動くようになる。この結果、触媒元素の濃度は逆に上がり出す。特に800℃以上になると急激に触媒元素の残存率が上昇し、また、このとき少しでも酸素が存在すると、触媒元素のシリサイドが選択的に酸化され、ケイ素膜に穴が空くようになってしまう。よって、上限はこの2点で制約され、800℃となっている。アニール時間は、上記範囲で十分な効果が見られる。
【0142】
また、他の実施形態は、さらに好適に、この際の高速熱アニール処理の平均処理温度として、700〜750℃の範囲であり、1分〜10分の持続時間で処理される。図8からわかるように、およそ700℃で触媒元素の低減効果はほぼ飽和し、それから約750℃にかけてさらに緩やかに低下するが、750℃で極値をとり、それ以上では逆に上がり出す。よって、700℃から750℃が、本実施形態における最適な温度範囲である。さらに、このときの処理時間としては、1分〜10分の範囲であれば、本実施形態における十分な触媒元素の低減効果が得られ、また、基板としてガラスを用いた場合の熱的損傷(反りやシュリンケージ)も最低減に抑えることができる。
【0143】
また、一実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素移動工程は、基板としてガラス基板を用いる場合には、この工程前後での上記ガラス基板のシュリンケージ(熱収縮率あるいは熱膨張率)が25ppm以下となるように、高速熱アニール温度からの降温速度を制御する。この実施形態では、上記温度範囲のような比較的高温で、均一に基板全体を加熱することによって、本実施形態の効果を得ている。本実施形態では、上記ガラス基板のシュリンケージ(熱収縮率あるいは熱膨張率)が25ppm以下となるように、高速熱アニール温度からの降温速度を制御する。このようなシュリンケージ値以下であれば、実際に基板の反りは発生せず、またフォトリソグラフィ工程でのマスクアライメントも対応可能である。
【0144】
また、一実施形態では、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記5族元素導入工程は、イオンドーピング法によって行われる。イオンドーピングによって5族B元素を導入する領域において、ケイ素膜の結晶が強く破壊され、非晶質化する。本実施形態では、5族B元素の導入領域を非晶質化させることが一つのポイントであり、その非晶質化が強いほど、より効果的である。触媒元素は、その結晶成長過程から考えても、結晶性ケイ素膜から非晶質ケイ素膜へと移動する傾向がある。すなわち、触媒元素は、非晶質ケイ素中の方がエネルギー的に存在し易いのだと考えられる。すなわち、イオンドーピングによって非晶質化した成分が、相乗効果をもたらし、5族B元素のゲッタリング効果をさらに高めている。
【0145】
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、上記触媒元素移動工程では、抵抗性加熱炉を用いて、高速熱アニール処理が行われる。抵抗性加熱炉を用いる場合は、炉内に熱勾配を持たせ、基板の熱容量を小さくするために、基板を一枚ずつ炉内に挿入する。その際の挿入速度をコントロールすることで、昇温速度のコントロールを行えばよい。この場合には、基板全体をより均一に瞬時に加熱することが可能であり、その昇温速度および降温速度が精度良く制御可能となるので、本実施形態に適している。
【0146】
また、一実施形態は、ケイ素膜への5族B元素選択導入工程での導入パターンに関し、パターン形成された導入マスクを用い、最終的に形成される半導体装置の能動(チャネル)領域上を少なくともマスクした状態で、上記能動(チャネル)領域を取り囲むように、その周辺部に5族B元素を導入する。このとき、さらに、半導体装置の活性(素子)領域全体をマスクした状態で、活性領域を取り囲むように、その周辺部に5族B元素を導入すると、チャネル領域だけでなく、活性領域(チャネル+ソース・ドレイン領域)全体に、触媒元素がほとんど含まれない状態が得られる。このようにすることで、触媒元素による後の工程汚染を防ぐことができる。このように、チャネル領域、さらには活性領域を取り囲むように、5族B元素を導入すると、チャネルおよび活性領域中の触媒元素は、回りの全方向に向かって四方八方に外側に移動することができる。このため、活性領域内の触媒元素を非常に効率的に外部へ移動させることができ、優れたゲッタリング効果が得られる。
【0147】
また、他の実施形態は、ケイ素膜へ5族B元素を選択導入する工程の際の導入方法として、特に専用の導入マスクを用いず、半導体装置の素子領域(チャネルおよびソース・ドレイン領域)における不純物(ソース・ドレイン)領域に対して5族B元素を導入する。そして、そのまま、不純物(ソース・ドレイン)領域として使用する。この場合には、専用の導入マスクを用いず、ゲッタリングのための5族B元素導入工程と不純物(ソース・ドレイン)領域の不純物導入工程とを兼ねる上に、その高速熱アニール工程において、不純物(ソース・ドレイン)領域の活性化も兼ね。これにより、工程を大巾に簡略化でき、その結果、生産性を最も高めることができる。
【0148】
また、一実施形態は、非晶質ケイ素膜の一部に触媒元素を選択的に導入し横方向に結晶成長させる場合において、その際の触媒元素の選択導入工程を、パターン形成された導入マスクを用いて行い、その後の5族B元素の選択導入工程も同一の導入マスクを用いて行う。このようにすることで、それぞれの導入工程に対して、導入マスクを別々に作成する必要が無く、プロセスの簡略化が図れる。同時に、後の半導体装置のチャネル領域を構成するケイ素膜領域は、上記触媒元素と5族B元素との導入工程にわたって、常にマスク膜にカバーされている状態を保つことができ、露出することが無くなる。その結果、チャネル領域に対するプロセス起因の汚染を最低限に抑えることができる。そして、これら2点の作用によって、良品率の向上と低コスト化を達成できる。
【0149】
また、他の実施形態では、触媒元素の種類として、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auを利用できる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果がある。それらの中でも、特に、Niを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。Niは2つのSiと、NiSiのシリサイドを形成する。NiSiは螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、NiSiはその格子定数が5.406Åであり、結晶シリコンのダイヤモンド構造での格子定数5.430Åに非常に近い値をもつ。よって、NiSiは、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、本実施形態における触媒元素としては、特にNiを用いるのが最も望ましい。
【0150】
また、一実施形態では、5族Bから選ばれた元素として、P、N、As、Sb、Biから選ばれた少なくとも一つの元素を用いる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、上記の触媒元素を効率的に移動させることができ、十分なゲッタリング効果が得られる。
【0151】
また、他の実施形態は、上記記載の半導体装置の製造方法において、最終的に得られる半導体装置の活性(素子)領域における触媒元素の濃度は、1×1016〜2×1017cm−3の範囲内である。
【0152】
この実施形態では、チャネル領域中の触媒元素濃度を2×1017cm−3以下にすることで、触媒元素が半導体素子特性に及ぼす電気的な悪影響は全く見られなくなる。そして、この実施形態を用いた結果、このような低濃度を実現することができる。
【0153】
なお、この発明において、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜の結晶性をより向上させ、半導体装置の性能、特に、電流駆動能力をより向上させる方法として、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜に対して、さらに高温の酸化雰囲気中にて熱処理を行う工程や、レーザー光を照射する工程を追加することも有効である。
【0154】
前者の高温で酸化雰囲気中にて熱処理を行い、その結晶性をさらに向上させる方法では、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜に対して、さらに高温(800℃〜1100℃)で酸化処理を行う。すると、酸化作用によって生じる過飽和Si原子がケイ素膜中へ供給され、これらが、ケイ素膜中の結晶欠陥(特に不対結合手;ダングリングボンド)に入り込み、欠陥を消滅させることができる。これにより、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜中の欠陥密度は、大きく低減され、移動度が大幅に向上する。その結果、半導体装置の性能が飛躍的に向上する。
【0155】
また、後者のレーザー光を照射する工程においては、結晶性ケイ素膜にレーザーなどの強光を照射した場合、結晶性ケイ素膜と非晶質ケイ素膜との融点の相違から、結晶粒界部や微小な残留非晶質領域(未結晶化領域)が集中的に処理される。ここで、通常の固相成長法で形成した結晶性ケイ素膜では、結晶構造が双晶状態であるので、強光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥として残る。
【0156】
これに対して、触媒元素を導入し、結晶化した結晶性ケイ素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるから、強光の照射によって結晶粒界部が処理されると基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜が得られる。これは、結晶性の観点から、その有効性が非常に高い。また、元々結晶性を有するケイ素膜に対してレーザー照射を行うのであるから、非晶質ケイ素膜に直接レーザー照射し結晶化する方法とは異なり、レーザー照射のばらつきが大きく緩和され、均一性上の問題も生じなくなる。
【0157】
したがって、本発明を用いることによって、リーク電流の異常な増大など特性ばらつきの少ない安定した特性の高性能半導体素子を実現でき、さらに、集積度の高い高性能半導体装置を、簡便な製造プロセスにて得られる。また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化が図れる。特に、液晶表示装置においては、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチングTFTのスイッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するTFTに要求される高性能化と高集積化を同時に満足し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板を実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1(A)〜図1(E)は、この発明の半導体装置の製造方法の第1実施形態の作製工程を順に示す平面図である。
【図2】 図2(A)〜図2(G)は、上記第1実施形態の作製工程を順に示す断面図である。
【図3】 図3(A)〜図3(G)は、この発明の半導体装置の製造方法の第2実施形態の作製工程を順に示す断面図である。
【図4】 上記第2実施形態の作製工程を説明する平面図である。
【図5】 図5(A)〜図5(D)は、この発明の第3実施形態の工程の前半を順に示す断面図である。
【図6】 図6(E)〜図6(H)は、上記第3実施形態の工程の後半を順に示す断面図である。
【図7】 図7(A)、(B)は、本発明の実施形態での高速熱アニール処理における昇温速度と触媒元素の残存率、昇温速度とラマンピーク強度比の関係を示す実験データーによる特性図である。
【図8】 本発明の実施形態での高速熱アニール処理における処理温度に対する触媒元素残存率を示す実験データーによる特性図である。
【図9】 図9(A)、(B)は、本発明の第2、第3実施形態での高速熱アニール処理における温度プロファイルの実例を示すグラフである。
【符号の説明】
101,201…ガラス基板、301…石英基板、
102,202…下地膜、
103,203,303…非晶質ケイ素膜、
103a,203a,303a…結晶性ケイ素膜、
104,204,304…ニッケル、105,205…レーザー光、
106,306…マスク、307…結晶成長方向を示す矢印、
108,208,308…リン、
109,209,309…ニッケルのゲッタリング方向を示す矢印、
110,210,310…TFT活性領域となる島状結晶性ケイ素膜、
111,211,311…ゲート絶縁膜、
312…Si酸化膜(ゲート絶縁膜)、
113,213,313…ゲート電極(ゲート電極バスライン)、
114…酸化物層、
115,215,315…チャネルとなる領域、
116,216,316…ソースとなる領域、
117,217,317…ドレインとなる領域、
218…フォトレジストマスク、
219…ホウ素、120,320…レーザー光、
121,221,321…層間絶縁膜、
122…ソース電極配線(ソースバスライン)、
123…画素電極、224,324…電極配線、
125…画素TFT、
226,326…Nチャネル型TFT、
227,327…Pチャネル型TFT。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device using a crystalline silicon film obtained by crystallizing an amorphous silicon film as an active region. In particular, the present invention is effective for manufacturing a semiconductor device using a thin film transistor (TFT) provided over a substrate having an insulating surface, such as an active matrix liquid crystal display device, a contact image sensor, and a three-dimensional IC. Available for manufacturing.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, high-performance liquid crystal display devices, high-speed, high-resolution contact-type image sensors, three-dimensional ICs, etc. have been developed with high-performance semiconductor elements on insulating substrates such as glass and insulating films. Attempts have been made to form. As a semiconductor element used in these devices, a thin film silicon semiconductor is generally used. Thin film silicon semiconductors can be broadly classified into two types: those composed of amorphous silicon semiconductors (a-Si) and those composed of crystalline silicon semiconductors.
[0003]
  Amorphous silicon semiconductors are most commonly used because they have a low production temperature, can be produced relatively easily by a vapor phase method, and are excellent in mass productivity. It is inferior to a silicon semiconductor having crystallinity. For this reason, in order to obtain higher speed characteristics in the future, establishment of a method for manufacturing a semiconductor device made of a crystalline silicon semiconductor has been strongly demanded. Note that polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, and the like are known as crystalline silicon semiconductors.
[0004]
  As a method of obtaining a thin film silicon semiconductor having these crystallinity,
    (1) A film having crystallinity is directly formed at the time of film formation.
[0005]
    (2) An amorphous semiconductor film is formed and given crystallinity by the energy of laser light.
[0006]
    (3) An amorphous semiconductor film is formed, and crystallinity is imparted by applying thermal energy.
[0007]
  Such a method is known.
[0008]
  However, in the method (1), since crystallization proceeds simultaneously with the film forming step, it is indispensable to increase the thickness of the silicon film in order to obtain large-grained crystalline silicon, and it has good semiconductor properties. It is technically difficult to form a film uniformly on the entire surface of the substrate.
[0009]
  In the method (2), since the crystallization phenomenon of the melt-solidification process is used, the grain boundary is well processed despite the small particle size, and a high-quality crystalline silicon film can be obtained. Taking the excimer laser used in the above as an example, a sufficiently stable one has not yet been obtained. Therefore, it is difficult to uniformly treat the entire surface of the large area substrate, and further technical improvement in hardware is desired.
[0010]
  On the other hand, the method (3) is advantageous in terms of uniformity and stability in the substrate as compared with the methods (1) and (2), but heating at 600 ° C. for about 30 hours. There is a problem that processing is necessary, processing time is long, and throughput is low. Further, in this method, since the crystal structure is a twin structure, one crystal grain is relatively large as a few μm. However, the crystal grain includes a large number of twin defects and is larger than the method (2). Crystallinity is inferior. As a means for improving the crystallinity, a method of performing a heat treatment in an oxygen atmosphere at about 1000 ° C. is also used, but in this case, it is not a process in which an inexpensive glass substrate can be used. As a characteristic, field effect mobility 100 cm in TFT2Only characteristics as low as / Vs are obtained.
[0011]
  In contrast to these methods, Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-223534 and 10-229048 propose methods for improving the method (3) and obtaining a high-quality crystalline silicon film. In these methods, a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous silicon film is used to lower the heating temperature, shorten the treatment time, and improve the crystallinity. Specifically, a trace amount of a metal element such as nickel or palladium is introduced into the surface of the amorphous silicon film, and then heating is performed.
[0012]
  The mechanism of this low-temperature crystallization is understood by the fact that crystal nucleation occurs first with a metal element as a nucleus, and then the metal element acts as a catalyst to promote crystal growth and the crystallization proceeds rapidly. . In this sense, these metal elements are hereinafter called catalyst elements. Crystalline silicon films crystallized and promoted by these catalytic elements are formed by twinning within one grain of the crystalline silicon film crystallized by the usual solid phase growth method (method (3) above). Although it has a structure and many crystal defects, the inside of the grain is composed of a number of columnar crystal networks, and each columnar crystal has an almost ideal single crystal state. Yes.
[0013]
  Further, in the above publication, the catalytic element is selectively introduced into a part of the amorphous silicon film and heated to selectively leave the other part in the amorphous silicon film state while selectively leaving the catalytic element. Only the region where is introduced is crystallized. Further, a method is shown in which the crystal growth is performed in the lateral direction (direction parallel to the substrate) from the introduction region by extending the heating time. Inside this lateral crystal growth region, columnar crystals with almost uniform growth directions are packed together, and the crystallinity is higher than that of the region where the catalyst element is directly introduced and random generation of crystal nuclei occurs. It is a better region. Therefore, by using the crystalline silicon film in the lateral crystal growth region in the active region of the semiconductor device, higher performance of the semiconductor device can be achieved.
[0014]
  Here, in the said Unexamined-Japanese-Patent No. 10-223534 and Unexamined-Japanese-Patent No. 10-229048, the group 5 B elements, such as phosphorus, are selectively introduce | transduced into one part with respect to the silicon crystallized by the catalytic element, By performing the heat treatment, the catalytic element is moved (gettered) to the region where the Group 5 B element is introduced. Furthermore, in these publications, the heat treatment in the gettering step is performed by intense light irradiation. And in order to raise the heating efficiency of the light in the case of this intense light irradiation, the film | membrane with high absorption efficiency with respect to the strong light to be used is further laminated | stacked. In this case, in JP-A-10-223534, a film having a high absorption efficiency for strong light at this time is selectively provided also as an introduction mask for introducing a group 5 B element. On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-229048, the above-described film having a high strong light absorption efficiency is newly provided on the entire surface of the substrate after introducing the Group 5 B element.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
  The method of crystallizing an amorphous silicon film by introducing a catalytic element can lower the heating temperature and shorten the heating time, and the crystallinity of the silicon film obtained after crystallization is different from that of other crystallization. It is clearly superior to the method.
[0016]
  However, the presence of a large amount of catalytic elements mainly composed of these metals in the semiconductor hinders the reliability and electrical stability of the apparatus using these semiconductors, and is not preferable. .
[0017]
  That is, the catalyst element for promoting crystallization, such as nickel, is necessary for crystallizing amorphous silicon, but it is desirable that the crystallized silicon is not contained as much as possible. In order to achieve this object, first, it is necessary to minimize the amount of catalyst element necessary for crystallization and perform crystallization with a minimum amount. However, if the amount of catalyst element introduced is reduced, the growth state becomes very unstable. A crystalline silicon film prepared in such a state has a very large variation in crystallinity within the substrate, and cannot be used as a film constituting an active region of a semiconductor device.
[0018]
  Therefore, as described in the above publication, the second method is a method of removing or reducing the catalytic element in the element region by moving (gettering) the catalytic element after crystal growth using the catalytic element. Is considered. However, when the inventors actually conducted experiments using methods such as Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-223534 and 10-229048 and prototyped a thin film transistor (TFT) device, sufficient effects were obtained. I knew it was n’t there. Specifically, even after a process called gettering, a large amount of the catalytic element still exists, which has an obvious adverse effect on the TFT element. In particular, after the gettering step, when the introduction region is removed and heat treatment is performed at a higher temperature, the catalyst elements remaining in the element region reaggregate and appear in a silicide state. This is proof that these gettering methods are still insufficient. If these catalytic elements are present at the junction of the TFT, they become a leakage source, and the leakage current during the off operation is greatly increased. When a TFT was actually prototyped, a defective TFT with a very large leakage current at the off time appeared with a probability of about 3% in the methods disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-223534 and 10-229048. When the cause of the defective TFT was analyzed, it was confirmed that silicide due to the catalytic element was present at the junction between the channel portion and the drain portion.
[0019]
  As described above, the methods of the above two publications cannot sufficiently reduce the amount of catalytic element in the element region. As a result, even if a high-performance semiconductor device can be partially manufactured, the defect rate is high, the reliability is very poor, and it is not a technology that can be mass-produced.
[0020]
  Accordingly, an object of the present invention is to solve these problems. In other words, an object of the present invention is to use a silicon film crystallized using a catalytic element as an active region of a semiconductor device, and to sufficiently reduce the catalytic element in the element region after crystallization, thereby achieving high performance and high reliability. An object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of mass-producing the semiconductor device.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
  The present inventors paid attention to high-quality crystalline silicon films crystallized using catalytic elements, and thought that they could be evolved from a current laboratory level to a process that can withstand mass production. Piled up. And finally, a method for solving the above problems was found.
[0022]
  The present invention solves all the above-mentioned problems and provides means for satisfying the above-mentioned object, and has a high performance and high performance having stable characteristics with good uniformity on a substrate having an insulating surface such as glass. The present invention provides a reliable semiconductor device with a good product rate. More specifically, the present invention has the following features.
[0023]
  That is, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a catalytic element introduction step of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface and introducing a catalytic element for promoting crystallization into the amorphous silicon film. When,
  A crystal growth step for performing a heat treatment to perform crystal growth of the amorphous silicon film into which the catalyst element is introduced;
  A group 5 element introduction step of selectively introducing an element selected from group 5 B into a portion of the silicon film grown as a crystal;
  A catalytic element transfer step of performing a rapid thermal annealing process to move the catalyst element to a region into which an element selected from Group 5 B is introduced;
  An active region forming step of forming an active (channel) region of a semiconductor device using a silicon film in a region other than a region into which an element selected from Group 5 B is introduced,
  In the group 5 element introduction step, the silicon film in the region where the element selected from group 5 B is introduced is amorphized,
  In the catalyst element transfer step, during a temperature rising period from a preheating temperature at which an element selected from Group 5 B is introduced and amorphized to at least crystallize, to a temperature at which rapid thermal annealing is performed , Rapid thermal annealing is performed at a rate of temperature rise that does not completely crystallize the amorphous region,
  In the rapid thermal annealing, the substrate is inserted one by one in a resistive heating furnace having a thermal gradient in the furnace, and the temperature raising / lowering speed is controlled by controlling the speed of this insertion,
  The catalyst element transfer step includes
  The temperature is increased from a preheating temperature of 600 ° C. or less to a rapid thermal annealing temperature at a temperature rising rate exceeding 30 ° C./min.
[0024]
  In the present invention, a catalytic element for promoting crystallization is introduced into an amorphous silicon film formed on an insulating substrate, and crystal growth is performed by heat treatment. An element selected from Group B is introduced, and rapid thermal annealing is performed to move the catalyst element to a region where the element selected from Group 5 B is introduced. Then, the active (channel) region of the semiconductor device is formed by using the silicon film in a region other than the region into which the element selected from Group 5 B is introduced. By doing so, it becomes possible to greatly reduce the amount of residual catalytic elements in the active region of the semiconductor device as compared with the conventional method.
[0025]
  In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device, an amorphous silicon film is formed on a substrate having an insulating surface, and a catalytic element that promotes crystallization is selectively formed on a part of the amorphous silicon film. A catalyst element introduction step to be introduced into
  A crystal growth step of performing a heat treatment and causing the amorphous silicon film to grow in the lateral direction (parallel to the substrate) from the region where the catalytic element is selectively introduced to the peripheral region thereof;
  A group 5 element introduction step of selectively introducing an element selected from group 5 B into a portion of the silicon film grown as a crystal;
  A catalytic element transfer step of performing a rapid thermal annealing process to move the catalyst element to a region into which an element selected from Group 5 B is introduced;
  An active region forming step of forming an active (channel) region of a semiconductor device using a silicon film crystallized in the lateral direction outside the region in which an element selected from Group 5 B is introduced;
  In the group 5 element introduction step, the silicon film in the region where the element selected from group 5 B is introduced is amorphized,
  In the catalyst element transfer step, during a temperature rising period from a preheating temperature at which an element selected from Group 5 B is introduced and amorphized to at least crystallize, to a temperature at which rapid thermal annealing is performed , Rapid thermal annealing is performed at a rate of temperature rise that does not completely crystallize the amorphous region,
  In the rapid thermal annealing, the substrate is inserted one by one in a resistive heating furnace having a thermal gradient in the furnace, and the temperature raising / lowering speed is controlled by controlling the speed of this insertion,
  The catalyst element transfer step includes
  The temperature is increased from a preheating temperature of 600 ° C. or less to a rapid thermal annealing temperature at a temperature rising rate exceeding 30 ° C./min.
[0026]
  In this embodiment, the catalytic element is selectively introduced into a part of the amorphous silicon film formed on the insulating substrate and heated, so that the area around the area from the selective introduction of the catalytic element is increased. Crystal growth of the amorphous silicon film is performed in the lateral direction (parallel to the substrate) to the region. Furthermore, a region in which the element selected from Group 5 B is introduced by selectively introducing an element selected from Group 5 B into a part of the silicon film that has been crystal-grown, and performing rapid thermal annealing treatment. Then, the catalyst element is moved. In this case, when an active (channel) region of a semiconductor device is formed using a silicon film that is laterally grown outside the region in which an element selected from Group 5 B is introduced, a higher current driving capability can be obtained. A high-performance semiconductor device can be obtained. Of course, the amount of residual catalytic elements in the active region of the semiconductor device can also be greatly reduced as compared with the conventional method, and there is no abnormal leakage current during off-operation, which is a problem, and high reliability can be secured at the same time. did it.
[0027]
  Now, this embodiment is different from the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-223534 and 10-229048 in that the strong heat is irradiated to selectively heat the silicon film. In contrast to using a mask film for absorbing light, in this embodiment, the entire substrate is uniformly annealed by rapid thermal annealing. Therefore, an extra mask film as in the above publication is not necessary. The point is to uniformly heat the entire substrate. For example, in the above-mentioned JP-A-10-223534, a region covered with a strong light absorption mask is intensively annealed, but a group 5 B element is introduced. The area does not rise sufficiently in temperature. In such a case, it has been found that sufficient gettering cannot be obtained. Therefore, the inventors of the above publication continue to make an invention such as the following Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-229048. In this publication, a film for absorbing strong light is formed on the entire surface of the substrate, and the entire substrate including the region into which the group 5 B element is introduced is to be annealed uniformly. Although this method has a higher gettering effect, the formation of a mask film for heat absorption of intense light is an extra step. In addition, this method alone still does not have a sufficient gettering effect, and further requires a plus α. The reason for this will be described next.
[0028]
  Further, the major points of the present invention and the above embodiment lie in the state of the introduction region after the introduction of the group 5 B element and the temperature increase rate in the subsequent rapid thermal annealing treatment. That is, in this embodiment, in the step of selectively introducing an element selected from Group 5 B into the crystal-grown silicon film, the silicon film in the region where the element selected from Group 5 B is introduced is amorphous. It is important to be qualitative.
[0029]
  Further, in the subsequent rapid thermal annealing process, the temperature is increased from a preheating temperature at which the Group 5 B element is introduced and the amorphous region is not crystallized to a temperature at which the rapid thermal annealing process is performed. During the period, it is very important that the heating is performed at such a temperature rising rate that the amorphous region is not completely crystallized. Accordingly, the effect of moving (gettering) the obtained catalyst element to the introduction region of the group 5 B element is greatly different. Generally, the gettering effect is improved by increasing the temperature of the heat treatment after the introduction of the Group 5 B element. This is because the diffusion rate of the catalytic element in the silicon film is improved and the solid solubility limit is increased. However, it is known that the gettering effect at this time reaches a peak at about 650 ° C., and the effect cannot be obtained even if the temperature is increased further. The experimental results are shown in FIG. The vertical axis represents the residual ratio of the catalyst element in the silicon film before and after the heat treatment is performed by introducing the group 5 B element. The horizontal axis indicates the temperature of the heat treatment. In FIG. 8, a broken line is data in the conventional method. As described above, the reduction effect has reached its peak at about 650 ° C., and the residual ratio at that time is about 0.2, that is, about 20% of the catalyst elements existing after crystallization of the silicon film. Elements still remained and could not be removed even if the temperature was raised further.
[0030]
  When the present inventors examined this reason in detail, whether or not the introduction region of the group 5 B element is crystallized in this heat treatment is a big point in terms of the gettering efficiency. all right. Then, the region into which the Group 5 B element has been introduced is made amorphous in the introduction step, and while maintaining the amorphous state, the temperature is raised to a higher temperature and heat treatment is performed. It has been found that a higher gettering effect than ever seen can be obtained at 650 ° C. or higher. Data when using this embodiment at this time is shown by a solid line in FIG. In particular, at a temperature of 650 ° C. or higher, there is a clear difference from the conventional method, and the catalyst element residual ratio is greatly reduced. Therefore, the reason for limiting the conventional gettering effect is considered to be that the region into which the group 5 B element has been introduced is recrystallized during the heat treatment of gettering. However, at this time, unless the region into which the group 5 B element is introduced is also kept at a high temperature, the gettering effect cannot be obtained, and crystal growth inevitably occurs during the temperature rising process.
[0031]
  That is, in the conventional method, when the region into which the group 5 B element is introduced is crystallized in the temperature raising process, the gettering effect cannot be obtained at that temperature. It is thought that there is a limit to the effect.
[0032]
  On the other hand, in this embodiment, high-speed thermal annealing is used as the heat treatment at this time, and a high-speed heat treatment is performed from a preheating temperature at which the region made amorphous by introduction of the Group 5 B element is not crystallized. It is a very important point to perform the heating at such a temperature rising rate that the amorphous region is not completely crystallized during the temperature rising period up to the temperature at which the thermal annealing treatment is performed. By doing so, annealing can be performed for the first time at the intended annealing temperature with the region into which the Group 5 B element has been introduced being in an amorphous state, and the heat treatment temperature at this time is inherently high. A gettering effect can be obtained.
[0033]
  According to the present embodiment, the crystalline silicon film thus obtained is subjected to a light etching process using a hydrofluoric acid-based etchant, which has been conventionally used as a method for simply confirming the remaining of the catalytic element, and remains. Even when an evaluation for revealing the catalyst element is performed, no etch pits that have been seen in the past can be seen. Further, as a more severe evaluation, when further heat treatment is performed, the catalytic element remaining in the element region re-aggregates and appears in a silicide state, but even if such an evaluation is performed, No reaggregation of the catalytic element was observed as found in the techniques of JP-A-10-223534 and JP-A-10-229048. Then, when a thin film transistor (TFT) was actually created using this embodiment, when the TFT was similarly created in the above publication and the prior art, an abnormal leakage current at the time of TFT off, which was found with a probability of 3% or more, was found. The increase phenomenon was not seen at all in the method of this embodiment, and was exactly 0%. Furthermore, the liquid crystal display device made using this TFT has no display irregularities (due to sampling TFTs in the driver section) and pixel defects caused by leakage current at the time of off, which are frequently caused by conventional methods, and display quality is greatly improved. In addition to the improvement, the yield rate was dramatically increased.
[0034]
  Further, according to the present invention and the above embodiment, in the method for manufacturing a semiconductor device described above, the catalyst element transfer step is performed at a rate of temperature increase exceeding 30 ° C./min from a preheating temperature of 600 ° C. or less to a rapid thermal annealing temperature. Raise the temperature at.
[0035]
  In another embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, the catalytic element transfer step is performed at a temperature rising rate exceeding 100 ° C./min from a preheating temperature of 600 ° C. or less to a rapid thermal annealing temperature. Let warm.
[0036]
  As in the present invention and the above embodiment, the rapid thermal annealing treatment for moving the catalytic element to the introduction region of the group 5 B element is at least 30 ° C./min from the preheating temperature of 600 ° C. or less to the rapid thermal annealing temperature. It is desirable to raise the temperature at a rate of temperature rise exceeding minutes. More preferably, it is more desirable to raise the temperature at a rate of temperature exceeding 100 ° C./min. If the preheating temperature is 600 ° C. or lower, no crystal growth occurs in the region where the Group 5 B element is introduced and made amorphous. If the rate of temperature increase at this time is 30 ° C./min or more, crystallization in the region into which the Group 5 B element has been introduced is not completely completed in the temperature increasing process, and the amorphous component is removed. It is possible to enter a rapid thermal annealing process with the remaining state. Furthermore, if the temperature rising rate at this time is 100 ° C./min or more, in the temperature increasing process, almost no crystallization occurs in the region where the Group 5 B element is introduced, and it remains high in an almost amorphous state. Thermal annealing can be entered. FIG. 7 shows experimental data regarding the temperature increase rate at this time, which was conducted by the present inventors. FIG. 7 shows the results of experiments conducted at a rapid thermal annealing temperature of 720 ° C. FIG. 7A shows the remaining ratio of the catalyst element in the silicon film before and after the rapid thermal annealing treatment. The measurement was performed by micro area SIMS (secondary ion mass spectrometry). From FIG. 7 (A), it can be seen that when the rate of temperature increase exceeds this value at about 30 ° C./min, a further decrease in the residual ratio of the catalytic element occurs. That is, below this value, even if the temperature of the rapid thermal annealing treatment is increased, the effect is not seen, and the temperature increase rate of 30 ° C./min is the minimum increase necessary to obtain the effect of this embodiment. It turns out that it is a temperature rate. The residual rate of the catalyst element further decreases as the temperature rising rate increases from 30 ° C./min, and saturates at about 100 ° C./min or more. Therefore, the gettering effect of the catalytic element at the temperature of the rapid thermal annealing treatment can be maximized by setting the temperature rising rate to 100 ° C./min or more. FIG. 7B shows the result of an experiment conducted to elucidate this mechanism. FIG. 7B shows the ratio of the amorphous region in the temperature rising process in the group 5 B element introduction region. The experiment was performed by using a quartz substrate, rapidly cooling when the annealing temperature reached 720 ° C., and examining the Raman peak ratio of crystalline silicon to amorphous silicon by Raman spectroscopy of a spot of 1 μmφ. As can be seen from FIG. 7 (B), the same result was obtained with respect to the reduction rate of the catalytic element, and an amorphous peak began to appear at a rate of temperature increase of 30 ° C./min. The ratio increases and is saturated at about 100 ° C./min. Therefore, it can be clearly seen that the cause is the crystal state of the Group 5 B element introduction region.
[0037]
  In one embodiment, in the method for manufacturing a semiconductor device described above, the catalytic element transfer step is performed by a rapid thermal annealing process having an average temperature in the range of 650 to 800 ° C. and a duration of 1 second to 15 minutes. Is called.
[0038]
  In this embodiment, in the step of moving the catalyst element to the region into which the Group 5 B element has been introduced, the average temperature during the rapid thermal annealing treatment is in the range of 650 to 800 ° C., and 1 second to 15 minutes. Of time. That is, as can be seen in FIG. 7, for the first time at a temperature of 650 ° C. or higher, the effect of greatly reducing the catalyst element concentration according to the present embodiment appears. In the data of FIG. 8, the experiment was conducted at a temperature rising rate of 120 ° C./min. In the conventional method shown by the broken line in FIG. 8, the reduction effect has reached its peak at about 650 ° C. as described above. However, in this embodiment, as shown by the solid line, it has been observed up to this temperature so far. A higher gettering effect can be obtained. However, the higher the annealing temperature at this time, the better, and there is an upper limit. That is, when the temperature becomes higher, random diffusion of the catalytic element occurs, and the catalytic element moves from the introduction region of the group 5 element to the outside. As a result, the concentration of the catalytic element starts to increase. In particular, when the temperature exceeds 800 ° C., the residual rate of the catalytic element increases rapidly. At this time, if oxygen is present even a little, the silicide of the catalytic element is selectively oxidized and a hole is formed in the silicon film. . Therefore, the upper limit is limited by these two points and is 800 ° C. The annealing time has a sufficient effect within the above range.
[0039]
  In another embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, the catalytic element transfer step is performed by a rapid thermal annealing process having an average temperature in a range of 700 to 750 ° C. and a duration of 1 minute to 10 minutes. Done.
[0040]
  In this embodiment, more preferably, the average treatment temperature of the rapid thermal annealing treatment is in the range of 700 to 750 ° C., and the treatment is performed for a duration of 1 minute to 10 minutes. As can be seen from FIG. 8, the catalytic element reduction effect is almost saturated at about 700 ° C., and then gradually decreases to about 750 ° C., but takes an extreme value at 750 ° C., and increases at higher temperatures. This is for the reason described above. Therefore, 700 to 750 ° C. is the optimum temperature range in the present embodiment. Furthermore, if the treatment time at this time is in the range of 1 minute to 10 minutes, a sufficient catalytic element reduction effect in the present embodiment can be obtained, and thermal damage when glass is used as the substrate ( Warpage and shrinkage) can also be minimized.
[0041]
  Further, in one embodiment, in the method for manufacturing a semiconductor device described above, when the glass substrate is used as the substrate, the catalytic element transfer step includes a shrinkage (heat shrinkage rate or The rate of temperature decrease from the rapid thermal annealing temperature is controlled so that the (thermal expansion coefficient) is 25 ppm or less.
[0042]
  In this embodiment, rapid thermal annealing is performed in the step of moving the catalyst element to the region where the Group 5 B element is introduced. The rapid thermal annealing process obtains the effect of this embodiment by heating the entire substrate uniformly at a relatively high temperature as in the above temperature range. One problem arises here. Although it does not matter when a heat-resistant substrate such as a quartz substrate is used as the substrate, in a normal glass substrate, the warpage of the substrate itself and the shrinkage (thermal shrinkage coefficient or thermal expansion coefficient) are caused in this rapid thermal annealing process. It becomes a problem. In this embodiment, this problem is solved by controlling the temperature lowering rate from the rapid thermal annealing temperature at this time. In this embodiment, when a glass substrate is used as the substrate, the temperature drop from the rapid thermal annealing temperature so that the shrinkage (thermal shrinkage coefficient or thermal expansion coefficient) of the glass substrate before and after this step is 25 ppm or less. Control the speed. If it is below such a shrinkage value, the substrate is not actually warped, and mask alignment in the photolithography process can also be handled.
[0043]
  In one embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, the group 5 element introduction step is performed by an ion doping method.
[0044]
  In this embodiment, the step of selectively introducing an element selected from Group 5 B into the silicon film is performed by an ion doping method. Although other methods can achieve a certain effect, the effect when using the ion doping method is particularly remarkable. The reason for this is considered to be that the crystal of the silicon film is strongly broken and becomes amorphous in the region where the group 5 B element is introduced by ion doping. In this embodiment, it is one point to make the introduction region of the group 5 B element amorphous, and the stronger the amorphousization, the more effective. The catalytic element tends to move from the crystalline silicon film to the amorphous silicon film even when considered from the crystal growth process. That is, it is considered that the catalytic element is more energetically present in amorphous silicon. That is, it is considered that the component made amorphous by ion doping has a synergistic effect and further enhances the gettering effect of the Group 5 B element.
[0045]
  Also,UpIn the semiconductor device manufacturing method described above, in the catalyst element transfer step,AntA rapid thermal annealing process is performed using a resistance heating furnace.
[0046]
  thisManufacturing method of semiconductor deviceThen, as a specific technique of rapid thermal annealing treatment to move the catalyst element to the region where the group 5 B element is introducedAntUsing a resistance heating furnaceThe ResistanceIn the case of using a resistance heating furnace, the substrates are inserted into the furnace one by one in order to provide a thermal gradient in the furnace and reduce the heat capacity of the substrate. The temperature increase rate may be controlled by controlling the insertion speed at that time. In this case, the entire substrate can be heated more uniformly and instantaneously, and the temperature increase rate and temperature decrease rate can be controlled with high accuracy, which is suitable for this embodiment.
[0047]
  In one embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, in the group 5 element introduction step, the active (channel) region of the semiconductor device finally formed is masked at least in the active (channel) region. An element selected from Group 5 B is introduced into the periphery of the active region so as to surround the (channel) region.
[0048]
  This embodiment relates to an introduction pattern in the step of selectively introducing a group 5 B element into a silicon film, and uses a patterned introduction mask to mask at least an active (channel) region of a finally formed semiconductor device. In the state, a Group 5 B element is introduced into the periphery of the active (channel) region so as to surround it. At this time, if a group 5 B element is introduced into the periphery of the semiconductor device so as to surround the active region in a state where the entire active (element) region of the semiconductor device is masked, not only the channel region but also the active region (channel + A state in which the catalyst element is hardly contained in the entire source / drain region is obtained. By doing in this way, the later process contamination by a catalyst element can be prevented. In this way, when the Group 5 B element is introduced so as to surround the channel region and further the active region, the catalyst element in the channel and the active region may move outward in all directions in all directions. it can. For this reason, the catalytic element in the active region can be moved to the outside very efficiently, and an excellent gettering effect can be obtained.
[0049]
  In another embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, in the group 5 element introduction step, the impurity (source / drain) region in the element region (channel and source / drain region) of the semiconductor device is used. The element is introduced and used as it is as an impurity (source / drain) region.
[0050]
  In this embodiment, as a method for introducing a Group 5 B element into a silicon film, impurities (sources) in an element region (channel and source / drain regions) of a semiconductor device are used without using a special introduction mask. Introduce Group 5 B element into the drain region. Then, it is used as an impurity (source / drain) region as it is. In this case, without using a dedicated introduction mask, both the group 5 B element introduction step for gettering and the impurity introduction step of the impurity (source / drain) region are performed, and in the rapid thermal annealing step, impurities are introduced. Also serves as the activation of the (source / drain) region. Thereby, a process can be simplified greatly and as a result, productivity can be improved most.
[0051]
  In one embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, the catalyst element introduction step and the group 5 element introduction step are performed using the same introduction mask.
[0052]
  In this embodiment, when a catalytic element is selectively introduced into a part of an amorphous silicon film and a crystal is grown in a lateral direction, the selective introduction step of the catalytic element at that time is performed using a patterned introduction mask. The subsequent selective introduction process of the group 5 B element is also performed using the same introduction mask. By doing in this way, it is not necessary to create an introduction mask separately for each introduction process, and the process can be simplified. At the same time, the silicon film region constituting the channel region of the subsequent semiconductor device can always be kept covered and exposed by the mask film throughout the process of introducing the catalyst element and the group 5 B element. Disappear. As a result, process-induced contamination of the channel region can be minimized. And the improvement of a non-defective product and cost reduction can be achieved by the action of these two points.
[0053]
  In another embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, or Au is selected as a catalytic element that promotes crystallization of the amorphous silicon film. At least one element is used.
[0054]
  In this embodiment, Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, and Au can be used as the type of catalytic element. One or more kinds of elements selected from these have an effect of promoting crystallization in a very small amount. Among them, the most remarkable effect can be obtained particularly when Ni is used. The following model can be considered for this reason. The catalytic element does not act alone, but acts on crystal growth by combining with the silicon film and silicidation. The crystal structure at that time acts as a kind of template when the amorphous silicon film is crystallized, and promotes crystallization of the amorphous silicon film. Ni is two Si and NiSi2The silicide is formed. NiSi2Shows a meteorite-type crystal structure, which is very similar to the diamond structure of single crystal silicon. Moreover, NiSi2Has a lattice constant of 5.406 Å, which is very close to the lattice constant of 5.430 で in the diamond structure of crystalline silicon. Therefore, NiSi2Is the best template for crystallizing the amorphous silicon film, and it is most desirable to use Ni as the catalyst element in this embodiment.
[0055]
  In one embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, at least one element selected from P, N, As, Sb, and Bi is used as the element selected from Group 5 B.
[0056]
  In this embodiment, at least one element selected from P, N, As, Sb, and Bi is used as an element selected from Group 5 B. If one or more kinds of elements selected from these are used, the catalyst element can be efficiently moved, and a sufficient gettering effect can be obtained. Although no detailed knowledge has been obtained yet regarding the mechanism of this gettering, it is known that P is the most effective of these elements.
[0057]
  In another embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, the concentration of the catalytic element in the active (element) region of the semiconductor device finally obtained is 1 × 1016~ 2x1017cm-3Is within the range.
[0058]
  This embodiment aims to reduce the amount of catalytic elements remaining in the active region of the semiconductor device as much as possible, and to realize a semiconductor device with high performance, high reliability, and high stability. For this purpose, the concentration of the catalytic element in the active (channel) region of the finally obtained semiconductor device is 1 × 10 5.16~ 2x1017cm-3If it is in the range. The catalyst element concentration in the channel region is 2 × 1017cm-3By making the following, no adverse electrical influence of the catalytic element on the semiconductor element characteristics is observed. And as a result of using this invention, such a low density | concentration is realizable. In addition, as long as crystallization is performed using a catalytic element, a minimum of 1 × 1016cm-3However, it is impossible to reduce the concentration of the catalytic element to a level below this level by any method currently conceivable. Therefore, as a result of crystallization with the catalytic element, at least 1 × 1016cm-3The catalytic element having the above concentration remains in the channel region.
[0059]
  In the present invention, as a method for further improving the crystallinity of the silicon film crystallized by the catalytic element and further improving the performance of the semiconductor device, particularly the current driving capability, the silicon film crystallized by the catalytic element is applied. On the other hand, it is also effective to add a step of performing a heat treatment in a higher temperature oxidizing atmosphere and a step of irradiating laser light.
[0060]
  In the former method of performing heat treatment in an oxidizing atmosphere at a high temperature to further improve the crystallinity, the silicon film crystallized by the catalytic element is oxidized at a higher temperature (800 ° C. to 1100 ° C.). . Then, supersaturated Si atoms generated by the oxidation action are supplied into the silicon film, and these enter crystal defects (particularly dangling bonds) in the silicon film, and the defects can be eliminated. Thereby, the defect density in the silicon film crystallized by the catalytic element is greatly reduced, and the mobility is greatly improved. As a result, the performance of the semiconductor device is dramatically improved.
[0061]
  In the latter laser light irradiation process, when the crystalline silicon film is irradiated with strong light such as a laser, the crystal grain boundary portion and the crystalline silicon film are different from the melting point difference between the crystalline silicon film and the amorphous silicon film. Minute residual amorphous regions (non-crystallized regions) are intensively processed. Here, in the crystalline silicon film formed by the normal solid phase growth method, the crystal structure is in a twin crystal state, and therefore the inside of the crystal grain remains as a twin defect even after intense light irradiation.
[0062]
  On the other hand, a crystalline silicon film crystallized by introducing a catalytic element is formed of columnar crystals and the inside thereof is in a single crystal state, so that the grain boundary portion is treated by irradiation with strong light. Then, a high-quality crystalline silicon film close to a single crystal state can be obtained over the entire surface of the substrate. This is very effective from the viewpoint of crystallinity. In addition, since laser irradiation is originally performed on a silicon film having crystallinity, unlike the method of crystallizing by directly irradiating an amorphous silicon film with laser, the variation in laser irradiation is greatly reduced, and uniformity is improved. No problem arises.
[0063]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiments.
[0064]
      [First Embodiment]
  With reference to FIG. 1, a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described. The first embodiment is a method in which the present invention is adopted in a process for producing an N-type TFT on a glass substrate.
[0065]
  The TFT manufactured in the first embodiment can be used not only as a driver circuit and a pixel portion of an active matrix type liquid crystal display device but also as an element constituting a thin film integrated circuit. In this embodiment, as representatives thereof, a description will be given by taking, as an example, a pixel driving TFT of an active matrix substrate for a liquid crystal display device in which hundreds of thousands to millions of N-type TFTs need to be uniformly formed on a substrate I do.
[0066]
  The plan view of FIG. 1 shows an outline of a manufacturing process of a pixel TFT on an active matrix substrate described as this embodiment. As described above, the active matrix substrate is actually composed of several hundreds of thousands or more TFTs, but in this embodiment, the description will be simplified with nine TFTs of 3 rows × 3 columns.
[0067]
  FIG. 2 shows a cross section of any one TFT in FIG. 1 cut along the line AA ′. FIG. 2 (A) → FIG. 2 (B) → FIG. 2 (C) → FIG. ) → FIG. 2 (E) → FIG. 2 (F) → FIG. 2 (G) in this order.
[0068]
  First, as shown in FIG. 2A, a base film 102 made of silicon oxide having a thickness of about 300 to 500 nm is formed on a glass substrate 101 by, for example, a sputtering method. This silicon oxide film 102 is provided to prevent diffusion of impurities from the glass substrate 101. Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 103 having a thickness of 20 to 80 nm, for example, 40 nm is formed by plasma CVD or low pressure CVD. In this embodiment, a parallel plate type plasma CVD apparatus is used, the heating temperature is 300 ° C., and SiH4Gas and H2Gas was used as the material gas. And the power density of RF power is 10 to 200 mW / cm.2For example, 80 mW / cm2It was.
[0069]
  Next, a slight amount of nickel 104 is added on the surface of the a-Si film 103. The addition of a small amount of nickel 104 was performed by holding a solution in which nickel was dissolved on the a-Si film 103, and uniformly extending the solution onto the substrate 101 with a spinner and drying it. In the first embodiment, nickel acetate is used as the solute, ethanol is used as the solvent, and the nickel concentration in the solution is 2 ppm. This state. As shown in FIG. When the nickel concentration on the surface of the a-Si film 103 added in the state shown in FIG. 2A is measured by the total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method, 8 × 10 8 is obtained.12atoms / cm2It was about.
[0070]
  And this is heat-processed in inert atmosphere, for example, nitrogen atmosphere. In this heat treatment, during the temperature increase, first, a hydrogen desorption process in the a-Si film 103 was performed, and then the a-Si film 103 was crystallized at a higher temperature. Specifically, as the heat treatment in the first step, annealing is performed at 450 to 520 ° C. for 1 to 2 hours, and as the second heat treatment, annealing is performed at 520 to 570 ° C. for 2 to 8 hours. Do. In this embodiment, as an example, after annealing at 500 ° C. for 1 hour, heat treatment was performed at 550 ° C. for 4 hours. In this heat treatment, nickel 104 added to the surface of the a-Si film 103 is diffused into the a-Si film 103 and silicidation occurs, and the crystallization of the a-Si film 103 proceeds using this as a nucleus. To do. As a result, as shown in FIG. 2B, the a-Si film 103 is crystallized to become a crystalline silicon film 103a.
[0071]
  Next, as shown in FIG. 2C, an insulating thin film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is deposited on the crystalline silicon film 103a and patterned to form a mask. In this embodiment, the mask 106 is formed by using a silicon oxide film, using TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) as a raw material, and decomposing and depositing it together with oxygen by an RF plasma CVD method. The thickness of the mask is desirably 100 nm to 400 nm. In this embodiment, the thickness of the silicon oxide film is 150 nm. When the state at this time is viewed from above the substrate, a part 103a of the crystalline silicon film is masked in an island shape by a mask 106 as shown in FIG.
[0072]
  Next, in this state, as shown in FIG. 2C, phosphorus 108 is ion-doped from above the glass substrate 101 over the entire surface. In this case, the phosphorus 108 is doped with an acceleration voltage of 5 to 10 kV and a dose of 5 × 10 5.15~ 1x1016cm-2It was. Through this step, phosphorus is implanted into the exposed crystalline silicon film 103a, thereby forming a phosphorus-doped crystalline silicon region 103d. The crystalline silicon film 103a in the region covered with the mask 106 is not doped with phosphorus. When this state is viewed from above the glass substrate 101, the state is as shown in FIG. The TFT active (element) region to be formed later is completely covered with the mask 106 at this stage.
[0073]
  In this state, this is subjected to rapid thermal annealing in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. As the rate of temperature increase up to the rapid thermal annealing treatment temperature at this time, it is desirable to raise the temperature from a preheating temperature of 600 ° C. or less to at least 30 ° C./min, preferably 100 ° C./min or more.
[0074]
  Further, the annealing temperature and processing time at this time are preferably 1 second to 15 minutes at a temperature of 650 to 800 ° C., more preferably 1 minute to 10 minutes at a temperature of 700 to 750 ° C. In the first embodiment, since the glass substrate 101 is used, it is desirable that the rate of temperature decrease from the rapid thermal annealing temperature to at least 600 ° C. is 20 ° C./min or less.
[0075]
  In the first embodiment, in the heat treatment, the temperature is raised from room temperature to a rapid thermal annealing treatment temperature of 700 ° C. at a rate of temperature rise of 100 ° C./min. The temperature was lowered in minutes, and the temperature was further lowered from 580 ° C. to 100 ° C. at 80 ° C./min. The temperature profile at this time is shown in FIG. In the first embodiment, using a resistance heating furnace, a temperature gradient is provided in the furnace, and the speed at which the substrate 101 is inserted into the furnace is controlled, so that the rapid thermal annealing process of the above temperature profile is performed. It was realized.
[0076]
  At this time, it is important to process the substrates 101 one by one and reduce the heat capacity when inserting them into the furnace as much as possible. One merit of using a resistive heating furnace with such a temperature gradient is that it is possible to control the temperature drop rate with good control, especially for other lamp irradiation methods when using a glass substrate. More suitable than
[0077]
  By this rapid thermal annealing treatment, phosphorus doped in the region 103d first traps nickel present in the region 103d. Then, as shown in FIGS. 1B and 2D, the nickel 104 existing in the crystalline silicon film 103a under the mask 106 is further moved outwardly as indicated by an arrow 109, that is, surroundings. The region 103d is pulled out in all directions. As a result, the nickel concentration in the crystalline silicon film 103a region under the mask 106 is greatly reduced. The actual nickel concentration in the crystalline silicon film 103a at this time was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).16atoms / cm3It was reduced to the extent. Incidentally, in the case of the conventional method not using the rapid thermal annealing treatment as in the present invention, the nickel concentration is 2 × 10.17atoms / cm3Degree.
[0078]
  The nickel concentration in the crystalline silicon film 103a before this step is 1 × 1018atoms / cm3The residual nickel concentration could be reduced to about 1/20 by the rapid thermal annealing process in the first embodiment. Further, in the first embodiment, the shrinkage of the glass substrate 101 after the rapid thermal annealing treatment is about 20 ppm, there is no problem in warping, and mask alignment in the photolithography process in the subsequent process can be performed without any problem.
[0079]
  Next, the silicon oxide film 106 used as a mask is removed by etching. As the etchant, 1:10 buffered hydrofluoric acid (BHF) having sufficient selectivity with respect to the underlying silicon film 103a was used, and wet etching was performed.
[0080]
  Thereafter, the silicon film 103a in the region covered with the mask 106 is used, and other unnecessary portions of the silicon film are removed to perform element isolation. That is, by this process, an island-shaped crystal that later becomes an active region (source / drain region, channel region) of the TFT using the silicon film 103a in at least the above region in the arrangement shown in FIG. The conductive silicon film 110 is formed, and the state of FIG.
[0081]
  Next, as shown in FIG. 2E, the crystallinity of the crystalline silicon film 110 in the active region is promoted by irradiation with a laser beam 105. As the laser light at this time, an XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 n (nanosecond)) was used. In addition, the irradiation condition of the laser beam is that the substrate 101 is heated to 200 to 450 ° C., for example, 400 ° C. during irradiation, and the energy density is 250 to 450 mJ / cm.2For example, 350 mJ / cm2Irradiated with. Further, the beam size was formed to be a long shape of 150 mm × 1 mm on the surface of the substrate 101, and scanning was sequentially performed with a step width of 0.05 mm in a direction perpendicular to the long direction. That is, a total of 20 laser irradiations are performed at an arbitrary point of the crystalline silicon film 110.
[0082]
  Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, here 100 nm, is formed as the gate insulating film 111 so as to cover the crystalline silicon film 110 serving as the active region. In the formation of the silicon oxide film, here, TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) was used as a raw material, and it was decomposed and deposited by RF plasma CVD at a substrate temperature of 150 to 600 ° C., preferably 300 to 450 ° C. together with oxygen. Alternatively, the substrate temperature may be 350 to 600 ° C., preferably 400 to 550 ° C. using TEOS as a raw material by ozone or atmospheric pressure CVD together with ozone gas.
[0083]
  After film formation, annealing was performed at 500 to 600 ° C. for 1 to 4 hours in an inert gas atmosphere in order to improve the bulk characteristics of the gate insulating film 111 itself and the interface characteristics of the crystalline silicon film / gate insulating film. .
[0084]
  Subsequently, an aluminum film having a thickness of 400 to 800 nm, for example, 600 nm is formed by sputtering. Then, the aluminum film is patterned to form the gate electrode 113. Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form an oxide layer 114 on the surface. This state corresponds to FIG. The gate electrode 113 simultaneously forms a gate bus line in a plan view, and this state is as shown in FIG. 1D when seen in a plan view. The anodic oxidation is carried out in an ethylene glycol solution containing 1 to 5% tartaric acid. First, the voltage is increased to 220 V at a constant current, and this state is maintained for 1 hour to complete the process. The thickness of the obtained oxide layer 114 is 200 nm. Note that since the oxide layer 114 has a thickness for forming an offset gate region in a subsequent ion doping step, the length of the offset gate region can be determined in the anodic oxidation step.
[0085]
  Next, an impurity (phosphorus) is implanted into the active region (crystalline silicon film) 110 by ion doping using the gate electrode 113 and the surrounding oxide layer 114 as a mask. As a doping gas, phosphine (PH3), The acceleration voltage is 60 to 90 kV (for example, 80 kV), and the dose is 1 × 1015~ 8x1015cm-2(For example, 2 × 1015cm-2).
[0086]
  By this process, the regions 116 and 117 into which the impurity is implanted later become the source / drain regions of the TFT, and the region 115 where the impurity is not implanted after being masked by the gate electrode 113 and the surrounding oxide layer 114 becomes the channel region of the TFT. It becomes.
[0087]
  Thereafter, as shown in FIG. 2 (F), annealing is performed by irradiating laser light 120 to activate the implanted impurity, and at the same time, the crystallinity of the portion where the crystallinity has deteriorated in the impurity introduction step is Improve. At this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nanoseconds) is used as the laser to be used, and the energy density is 150 to 400 mJ / cm.2(Preferably 200 to 250 mJ / cm2). The sheet resistance of the N-type impurity (phosphorus) regions 116 and 117 thus formed was 200 to 800 Ω / □.
[0088]
  Subsequently, as shown in FIG. 2G, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 600 nm is formed as the interlayer insulating film 121. When a silicon oxide film is used, it is possible to form TEOS as a raw material by using a plasma CVD method with oxygen, a low pressure CVD method with ozone, or an atmospheric pressure CVD method, and a good interlayer insulation with excellent step coverage. A film 121 is obtained. SiH4And NH3If a silicon nitride film formed by a plasma CVD method is used as a source gas, hydrogen atoms are supplied to the interface between the active region and the gate insulating film, thereby reducing the number of dangling bonds that degrade TFT characteristics.
[0089]
  Next, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 121, and a TFT source electrode wiring (source bus line) 122 is formed of a metal material, for example, a two-layer film of titanium nitride and aluminum. The titanium nitride film is provided as a barrier film for the purpose of preventing aluminum from diffusing into the semiconductor layer. Since the TFT 125 shown in FIGS. 1E and 2G is an element for switching a pixel electrode, a pixel electrode 123 made of a transparent conductive film such as ITO is provided on the other drain electrode. That is, in FIG. 1E, a video signal is supplied through the source bus line 122, and necessary charges are written into the pixel electrode 123 based on the gate signal of the gate bus line (gate electrode) 113. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete the pixel TFT 125 shown in FIGS. 1E and 2G. Furthermore, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on the pixel TFT 125 for the purpose of protecting the pixel TFT 125 as necessary.
[0090]
  The TFT 125 fabricated according to the first embodiment has a field effect mobility of 150 cm.2In spite of the very high performance of about / Vs and the threshold voltage of about 2 V, there is no abnormal increase in leakage current frequently observed in the TFT off operation, which is frequently seen in the conventional example, and it is 1 pA or less per unit W. Very low value was shown stably. This value is completely different from that of a conventional TFT prepared without using a catalyst element, and the production yield can be greatly improved. Moreover, even when a durability test by repeated measurement or bias or temperature stress is performed, the characteristics are hardly deteriorated and the reliability is very high as compared with the conventional one. When the active matrix substrate for liquid crystal display manufactured based on the first embodiment was actually evaluated for lighting, display unevenness was clearly smaller than that produced by the conventional method, and pixel defects due to TFT leakage were extremely small. A high-quality LCD panel with a small contrast and a high contrast ratio was obtained. Although the TFT manufacturing process according to the first embodiment has been described for the pixel electrode of the active matrix substrate, the TFT manufactured in this manufacturing process can be easily applied to a thin film integrated circuit or the like. In that case, a contact hole may be formed over the gate electrode 113 and necessary wiring may be provided.
[0091]
      [Second Embodiment]
  Next, a second embodiment of the semiconductor device manufacturing method of the present invention will be described. In the second embodiment, a peripheral drive circuit of an active matrix type liquid crystal display device, or a circuit having a CMOS structure in which an N-type TFT and a P-type TFT forming a general thin film integrated circuit are configured in a complementary manner is formed on a glass substrate. The manufacturing process will be described.
[0092]
  3A to 3G sequentially show the TFT manufacturing steps described in the second embodiment. 3A to 3G sequentially show cross sections of the manufacturing steps.
[0093]
  First, as shown in FIG. 3A, a base film 202 made of silicon oxide having a thickness of about 300 to 500 nm is formed on a glass substrate 201 by, eg, sputtering. This silicon oxide film 202 is provided to prevent diffusion of impurities from the glass substrate 201. Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 203 having a thickness of 20 to 80 nm, for example, 40 nm is formed by plasma CVD. In this second embodiment, a parallel plate type plasma CVD apparatus is used, the heating temperature is 300 ° C., and SiH4Gas and H2Gas was used as the material gas. And the power density of RF power is 10 to 200 mW / cm.2For example, 80 mW / cm2It was.
[0094]
  Next, a small amount of nickel 204 is added onto the surface of the a-Si film 203. This small amount of nickel 204 was added by holding a solution in which nickel was dissolved on the a-Si film 203, uniformly extending the solution onto the glass substrate 201 with a spinner, and drying the solution. In this second embodiment, nickel acetate was used as the solute, ethanol was used as the solvent, and the nickel concentration in the solution was 1 ppm. When the nickel concentration on the surface of the a-Si film 203 added in this way is measured by a total reflection X-ray fluorescence (TRXRF) method, 5 × 10 5 is obtained.12atoms / cm2It was about. Then, heat treatment is performed on the a-Si film 203 in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. As the heat treatment at this time, it is desirable to perform an annealing treatment at 520 to 570 ° C. for 2 to 8 hours. In the second embodiment, as an example, the heat treatment was carried out at 550 ° C. for 4 hours. In this heat treatment, silicidation of nickel 204 added to the surface of the a-Si film 203 occurs, and the crystallization of the a-Si film 203 proceeds using this as a nucleus. However, with the amount of nickel added, the amount of the catalytic element is insufficient to crystallize the entire a-Si film 203, and a partly minute (about several μm) amorphous region remains. Crystal growth stops. Further, in the annealing process, at a temperature of 570 ° C. or lower, the silicon film itself does not grow, so that the uncrystallized region where the crystal growth does not reach remains a-Si. As a result, the silicon film 203 obtained after the heat treatment at 550 ° C. for 4 hours according to the second embodiment is in a state where minute amorphous regions are mixed in the crystallized region.
[0095]
  Next, as shown in FIG. 3B, the silicon film 203 is further crystallized by irradiating the laser beam 205 to obtain a crystalline silicon film 203a. As the laser light at this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nanoseconds) was used. The laser light irradiation conditions are as follows. At the time of irradiation, the substrate 201 is heated to 200 to 450 ° C., for example, 400 ° C., and the energy density is 200 to 450 mJ / cm.2For example, 350 mJ / cm2Irradiated with. The beam size was formed to be a long shape of 150 mm × 1 mm on the surface of the substrate 201, and scanning was performed sequentially with a step width of 0.05 mm in a direction perpendicular to the long direction. That is, a total of 20 laser irradiations are performed at any one point of the silicon film 203. By this laser irradiation, the amorphous region remaining in the silicon film 203 is preferentially melted, and the entire film is crystallized reflecting only the good crystal component in the crystallization region.
[0096]
  Thereafter, as shown in FIG. 3C, the crystalline silicon film 203a crystallized over the entire surface is used to leave the regions that later become the active regions (element regions) 210n and 210p of the TFT, and other regions. Are removed by etching.
[0097]
  Next, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, here 100 nm, is formed as the gate insulating film 211 so as to cover the crystalline silicon films 210n and 210p serving as the active regions. Here, TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) was used as a raw material, and was decomposed and deposited by RF plasma CVD at a substrate temperature of 150 to 600 ° C., preferably 300 to 450 ° C. together with oxygen, to form a silicon oxide film.
[0098]
  Subsequently, as shown in FIG. 3D, a refractory metal is deposited by sputtering and patterned to form gate electrodes 213n and 213p. As the refractory metal at this time, tantalum (Ta) or tungsten (W) is desirable. In the second embodiment, Ta to which a small amount of nitrogen is added is used, and the thickness is set to 300 to 600 nm, for example, 450 nm.
[0099]
  Next, in this state, as shown in FIG. 3D, phosphorus 208 is implanted into the active regions 210n and 210p using the gate electrodes 213n and 213p as a mask by ion doping. Doping at this time is so-called through doping performed through the gate insulating film 211. Phosphine (PH) as doping gas3As the doping conditions, the acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example 80 kV, and the dose is 2 × 10 15 to 8 × 1015cm-2For example 5 × 1015cm-2It was. By this ion doping process, the regions that are masked by the gate electrodes 213n and 213p and are not implanted with phosphorus later become channel regions 215n and 215p of the TFT. Further, N-type impurity regions 216n and 217n in the N-channel TFT are formed by this ion doping process. However, in the P-channel TFT, the source / drain regions 216p ′ and 217p ′ are N-type impurity regions as a result of doping with phosphorus at this stage.
[0100]
  Next, as shown in FIG. 3E, a mask 218 for selective doping is formed by photoresist on the N-type TFT by a photolithography process. In this state, boron 219 is implanted selectively into the active region 210p using the gate electrode 213p as a mask by ion doping only in the P-type TFT. At this time, diborane (B2H6) is used as a doping gas, and an acceleration voltage of 40 kV to 80 kV, for example, 65 kV, is 1 × 1016~ 5x1016cm-2For example 2 × 1016cm-2Doping was performed at a high dose of. In this step, the channel region 215p of the later P-type TFT is masked by the gate electrode 213p, and boron is not implanted.
[0101]
  As a result, the source / drain regions 216p ′ and 217p ′ doped with boron 219 through the gate insulating film 211 cancel phosphorus previously doped N-type impurities, and are inverted by excess boron, so that P Type impurity regions 216p and 217p are formed. This is so-called counter doping. In this way, an N-channel TFT and a P-channel TFT can be formed, respectively.
[0102]
  Then, after removing the photoresist mask 218 used as a mask for selective doping, this is subjected to rapid thermal annealing treatment in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. The temperature increase rate up to the rapid thermal annealing treatment temperature at this time is preferably a temperature increase rate of at least 30 ° C./min, preferably 100 ° C./min or more, from a preheating temperature of 600 ° C. or less.
[0103]
  Further, the annealing temperature and processing time at this time are preferably 1 second to 15 minutes at a temperature of 650 to 800 ° C., more preferably 1 minute to 10 minutes at a temperature of 700 to 750 ° C. In the second embodiment, since a glass substrate is used, it is desirable that the rate of temperature decrease from the rapid thermal annealing temperature to at least 600 ° C. is 20 ° C./min or less. In the second embodiment, as in the first embodiment, the rapid thermal annealing process was performed with a temperature profile as shown in FIG. Specifically, the temperature is increased from room temperature to a rapid thermal annealing treatment temperature of 700 ° C. at a rate of temperature increase of 100 ° C./min, heat treatment is performed for 8 minutes, and then the temperature is decreased to 580 ° C. at 15 ° C./min. The temperature was decreased from 80 ° C. to 100 ° C. at 80 ° C./min. In the second embodiment, a high-speed thermal annealing process with the above temperature profile was realized by using a resistive heating furnace to provide a temperature gradient in the furnace and controlling the speed at which the substrate was inserted into the furnace. . At this time, it is important to process the substrates one by one and reduce the heat capacity when inserting into the furnace as much as possible. One advantage of using a resistive heating furnace with such a temperature gradient is that it is possible to control the temperature-decreasing rate in a controlled manner and is more suitable for the use of glass substrates than other lamp irradiation methods. ing.
[0104]
  By this rapid thermal annealing treatment, phosphorus doped in the source / drain regions 216n, 217n, 216p, and 217p in the TFT active region first traps nickel present in the region. Then, as shown in FIG. 3F, the nickel existing in the channel regions 215n and 215p is moved in the direction indicated by the arrow 209, that is, to the adjacent source / drain regions 216n, 217n, 216p, and 217p. Move. As a result, the nickel concentration in the channel regions 215n and 215p is greatly reduced. The nickel concentration in the channel regions 215n and 215p at this time was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).16atoms / cm3It was reduced to the extent. Further, in this second embodiment, the shrinkage of the glass substrate 201 after the rapid thermal annealing treatment is about 20 ppm, there is no problem in warping, and mask alignment in the photolithography process in the subsequent process can be performed without any problem. The rapid thermal annealing process also activates the source / drain regions 216n, 217n, 216p, and 217p at the same time. The sheet resistance values of the N-type impurity regions 216n and 217n obtained by this process are 0.5 to 1 kΩ / □, and the sheet resistance values of the P-type impurity regions 216p and 217p are 2 to 3 kΩ / □. . Furthermore, the baking process of the gate insulating film 211 is also performed at the same time, so that the bulk characteristics of the gate insulating film itself and the interface characteristics of the crystalline silicon film / gate insulating film can be improved.
[0105]
  Subsequently, as shown in FIG. 3G, a silicon oxide film having a thickness of 900 nm is formed as an interlayer insulating film 221 by a plasma CVD method, a contact hole is formed in the silicon oxide film, and a metal material such as titanium nitride is formed. An electrode wiring 224 of the TFT is formed by a two-layer film of aluminum. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete the N-channel TFT 226 and the P-channel TFT 227. Furthermore, if necessary, a contact hole may be provided on the gate electrode 213 of the TFTs 226 and 227 and the wiring 224 may be provided. Further, for the purpose of protecting these TFTs, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on the TFTs.
[0106]
  In the CMOS structure circuit fabricated according to the second embodiment, the field effect mobility of each TFT is 200 to 250 cm for an N-type TFT.2/ Vs, 100-130cm with P-type TFT2/ Vs is high, and the threshold voltage is about 1.5 V for an N-type TFT and about −2 V for a P-type TFT, and exhibits very good characteristics. In addition, there was no abnormal increase in the leakage current frequently observed in the conventional example, and the leakage current value itself stably showed a very low value of 1 pA or less per unit W. This value is completely different from that of a conventional TFT manufactured without using a catalyst element, and the manufacturing yield can be greatly improved. In addition, even when repeated measurements and durability tests with bias and temperature stress were performed, there was almost no deterioration in characteristics, and the reliability was very high and stable circuit characteristics compared to the conventional one.
[0107]
      [Third Embodiment]
  Next explained is a third embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the invention. In the third embodiment, a peripheral drive circuit of an active matrix type liquid crystal display device and a circuit having a CMOS structure in which an N-type TFT and a P-type TFT forming a general thin film integrated circuit are complementary are formed on a quartz substrate. It is a manufacturing process.
[0108]
  FIG. 4 is a plan view showing an outline of a manufacturing process of the TFT manufactured in the third embodiment. 5 and 6 are cross-sectional views taken along the line BB 'in FIG. 4. FIG. 5 (A) → FIG. 5 (B) → FIG. 5 (C) → FIG. The process proceeds in the order of 6 (E) → FIG. 6 (F) → FIG. 6 (G) → FIG. 6 (H).
[0109]
  First, after the surface of the quartz glass substrate 301 is washed with a low concentration hydrofluoric acid, an intrinsic (I type) film having a thickness of 40 to 100 nm (for example, 55 nm) is formed on the quartz glass substrate 301 by a low pressure CVD method. An amorphous silicon film (a-Si film) 303 is formed.
[0110]
  Next, an insulating thin film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is deposited on the a-Si film 303 and patterned to form a mask 306. In the third embodiment, the mask 306 is made of a silicon oxide film, TEOS (Tetra Ethoxy Ortho Silicate) is used as a raw material, and is decomposed and deposited together with oxygen by an RF plasma CVD method. The thickness of the mask 306 is desirably 100 nm to 400 nm. In the third embodiment, the thickness of the silicon oxide film is 150 nm. The a-Si film 303 is exposed in a slit shape in the region 300 by the through hole of the mask 306. That is, when the state of FIG. 5A is viewed from above, the a-Si film 303 is exposed in the region 300 as shown in FIG. 4, and the other part is masked by the silicon oxide film 306. It has become. The line width of the line-shaped region 300 at this time is preferably 2 to 15 μm, and in this third embodiment, it is 10 μm.
[0111]
  After providing the mask 306, a small amount of nickel 304 is added from above. This small amount of nickel 304 was added by DC sputtering using a target of pure nickel (99.9% or more). Specifically, the sputtering process was performed by increasing the substrate conveyance speed to 2000 mm / min with an extremely low power of about 50 W of DC power. As the sputtering gas, by using argon and raising the gas pressure at the time of sputtering to 10 Pa or higher with respect to a pure nickel target, it becomes possible to perform ultra-low density sputtering of nickel. The nickel 304 thus sputtered is displayed as a thin film in FIG. 5A, but is actually in a state of about a monoatomic layer or less and is not a state that can be called a film. . Specifically, when sputtering was performed under the conditions of a DC power of 60 W and an argon gas pressure of 18 Pa, the nickel concentration on the substrate surface (the a-Si film 303 exposed in the mask 306 and the region 300) was 6 × 10.13atoms / cm2Degree (TRXRF measured value).
[0112]
  In this state, this is annealed and crystallized in an inert atmosphere (for example, in a nitrogen atmosphere) at a heating temperature of 530 to 600 ° C. (for example, 580 ° C.) for 11 hours. At this time, in the region 300, the a-Si film 303 is crystallized using a small amount of nickel 304 existing on the surface of the a-Si film 303 as a nucleus, and a crystalline silicon film 303a is first formed. Subsequently, in the peripheral region of the region 300, as shown by an arrow 307 in FIGS. 4 and 5B, crystal growth is performed from the region 300 in the lateral direction (direction parallel to the substrate), and the mask 306 is obtained. Underneath, a crystalline silicon film 303b having lateral crystal growth is formed. The rest of the region remains as an amorphous silicon film region as it is, but actually, the line-shaped introduction region is adjacent, and another lateral crystal growth from that region proceeds, The crystal growth is completed when the lateral crystal growth regions of each other collide with each other. The growth boundary of the lateral crystal growth is 303c. At this time, the nickel 304 existing on the mask 306 is blocked by the mask film 306 and does not reach the underlying a-Si film 303, and the crystal of the a-Si film 303 is formed only by the nickel 304 introduced in the region 300. Is done. The nickel concentration in the crystalline silicon film 303b grown laterally is 5 × 1017~ 1x1018atoms / cm3The nickel concentration in the crystalline silicon film 303a grown directly by adding nickel is 1 × 1019atoms / cm3It was about.
[0113]
  In the above crystal growth, the distance of the crystal growth in the direction parallel to the substrate indicated by the arrow 307 is about 130 μm when the entire periphery is an amorphous region and the collision of the lateral crystal growth does not occur. Become.
[0114]
  Next, in this state, as shown in FIG. 5C, using the mask 306 used for selective introduction of nickel as it is, phosphorus 308 is ion-doped from above the substrate 301 over the entire surface. As the doping conditions of phosphorus 308 at this time, the acceleration voltage is 5 to 10 kV, and the dose is 5 × 10 5.15~ 1x1016cm2It was. By this step, phosphorus is implanted into the exposed crystalline silicon film 303a, and a phosphorus-doped crystalline silicon region 303d is formed. The crystalline silicon film 303 b in the region covered with the mask 306 is not doped with phosphorus 308.
[0115]
  The crystalline silicon film 303b is subjected to a rapid thermal annealing process under an inert atmosphere (for example, a nitrogen atmosphere). The rate of temperature increase up to the rapid thermal annealing treatment temperature at this time is desirably at least 30 ° C./min or more (preferably 100 ° C./min or more) from the preheating temperature of 600 ° C. or less. The annealing temperature and processing time at this time are preferably 1 second to 15 minutes at a temperature of 650 to 800 ° C. (more preferably 1 minute to 10 minutes at a temperature of 700 to 750 ° C.).
[0116]
  In the third embodiment, since the quartz substrate 301 having excellent heat resistance is used, it is not necessary to be particularly concerned about the cooling rate as in the first and second embodiments described above. An example of the temperature profile of the rapid thermal annealing process in the third embodiment is shown in FIG. Specifically, the temperature was increased from room temperature to a rapid thermal annealing temperature of 730 ° C. at a temperature increase rate of 150 ° C./min, heat treatment was performed for 5 minutes, and then the temperature was decreased to 100 ° C. at 150 ° C./min. In this third embodiment, a high-temperature thermal annealing process is realized by the above temperature profile by using a resistive heating furnace to give a temperature gradient in the furnace and by controlling the speed at which the substrate 301 is inserted into the furnace. did.
[0117]
  By this rapid thermal annealing treatment, in the silicon film 303, phosphorus doped in the region 303d first traps nickel present in the region. As shown in FIGS. 4 and 5D, the nickel existing in the laterally grown region 303b is oriented in the direction indicated by the arrow 309, that is, completely opposite to the direction of crystal growth. To the region 303d. As a result, the nickel concentration in the lateral crystal growth region 303b is greatly reduced. The nickel concentration in the lateral crystal growth region 303b at this time was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).16atoms / cm3It was reduced to the extent.
[0118]
  Next, the silicon oxide film 306 used as a mask is removed by etching. As the etchant, 1:10 buffered hydrofluoric acid (BHF) having sufficient selectivity with respect to the underlying silicon film 303 was used, and etching removal was performed by wet etching.
[0119]
  Thereafter, as shown in FIG. 6 (E), the silicon film 303b is grown in the lateral direction, which later becomes the active regions (element regions) 310n and 310p of the TFT, and the other regions are removed by etching. Perform separation. At this time, the positional relationship between the nickel and phosphorus introduction region 300 and the active regions 310n and 310p is as shown in FIG.
[0120]
  Next, as shown in FIG. 6F, a silicon oxide film having a thickness of 60 nm is formed as a gate insulating film 311 so as to cover the crystalline silicon films 310n and 310p serving as the active regions. In the third embodiment, SiH is used as a method for forming the gate insulating film 311.4Gas and N2A low pressure CVD method was employed at a temperature of 850 ° C. using O gas as a raw material. This gate insulating film 311 is a so-called HTO film (High Temperature Oxide).
[0121]
  Next, in such a state, heat treatment in an oxidizing atmosphere is performed on the active regions 310n and 310p made of the silicon film. This oxidizing atmosphere is an oxidizing atmosphere such as oxygen, water vapor, and HCl. In the third embodiment, heat treatment was performed in an oxygen atmosphere of 1 atm. The temperature of this heat treatment is preferably 850 to 1100 ° C. In this third embodiment, the heat treatment was performed at 950 ° C. Under such conditions, annealing is performed for 2 hours and 30 minutes, whereby oxygen diffuses and moves in the gate insulating film 311, and the surfaces of the lower active regions 310n and 310p are oxidized. By performing the oxidation treatment under the above conditions, oxide films 312n and 312p of about 50 nm are formed on the surfaces of the active regions 310n and 310p made of island-like silicon films. As a result, the film thicknesses of the active regions 310n and 310p made of the silicon film are reduced from the initial 55 nm to 30 nm. The gate insulating film of the TFT is composed of two layers of an oxide film 311 formed by CVD and an oxide film 312 formed by thermal oxidation of the active regions 310n and 310p made of silicon film, and the total film thickness is 110 nm. become. The channel interface is composed of active regions 310n and 310p made of a silicon film and oxide films 312n and 312p formed by oxidation of the silicon film, and good interface characteristics can be obtained. Furthermore, this oxidation step significantly reduces unbonded bonds (dangling bonds) in the active regions 310n and 310p made of island-like silicon films, and greatly improves their crystallinity. As a result, active regions 310n ′ and 310p ′ made of high-quality crystalline silicon films thinned to 30 nm are generated.
[0122]
  Subsequently, as shown in FIG. 6G, a 400 to 800 nm thickness (for example, 500 nm of aluminum (including 0.1 to 2% of silicon)) is formed by sputtering, and the aluminum film is patterned. Thus, gate electrodes 313n and 313p are formed.
[0123]
  Next, impurities (phosphorus and boron) are implanted into the active regions 310n ′ and 310p ′ using the gate electrodes 313n and 313p as a mask by ion doping. As a doping gas, phosphine (PH3) And diborane (B2H6In the case of the former, the acceleration voltage is 60 to 90 kV (for example, 80 kV), in the case of the latter, 40 kV to 80 kV (for example, 65 kV), and the dose is 1 × 1015~ 8x1015cm-2(For example, phosphorus 2 × 1015cm-2, Boron 5 × 1015cm-2). In this ion doping process, regions which are masked by the gate electrodes 313n and 313p and are not implanted with impurities become channel regions 315n and 315p of the TFT later.
[0124]
  In the ion doping, each element is selectively doped by covering a region where doping is unnecessary with a photoresist. As a result, N-type impurity regions 316n and 317n and P-type impurity regions 316p and 317p are formed, and an N-channel TFT 326 and a P-channel TFT 327 can be formed as shown in FIG.
[0125]
  After that, as shown in FIG. 6G, annealing is performed by irradiation with a laser 320 to activate the implanted impurities. As the laser light, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nanoseconds) is used, and the laser light irradiation condition is an energy density of 250 mJ / cm2Then, 20 shots were irradiated at one place.
[0126]
  Subsequently, as shown in FIG. 6H, a silicon oxide film having a thickness of 900 nm is formed as an interlayer insulating film 321 by a plasma CVD method, a contact hole is formed therein, and a metal material (for example, titanium nitride and the like) is formed. An electrode wiring 324 of the TFT is formed by an aluminum two-layer film. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete the N-channel TFT 326 and the P-channel TFT 327.
[0127]
  Further, if necessary, a contact hole is also provided on the gate electrode 313n (p), and necessary electrodes are connected by a wiring 324. For the purpose of protecting the TFTs 326 and 327, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be provided on the TFT.
[0128]
  In the CMOS structure circuit fabricated according to the third embodiment, the field effect mobility of each TFT is 250 to 300 cm for an N-type TFT.2/ Vs, 120-150cm with P-type TFT2/ Vs is high, and the threshold voltage is about 1V for the N-type TFT and about -1.5V for the P-type TFT, and exhibits very good characteristics. In addition, there was no abnormal increase in the leakage current frequently observed in the conventional example, and the leakage current value itself stably showed a very low value of 1 pA or less per unit W. This value is completely different from that of a conventional TFT prepared without using a catalyst element, and the production yield can be greatly improved. In addition, even when repeated measurements and durability tests with bias and temperature stress were performed, there was almost no deterioration in characteristics, and the reliability was very high and stable circuit characteristics compared to the conventional one.
[0129]
  The first to third embodiments according to the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various types based on the technical idea of the present invention. Can be modified.
[0130]
  Further, in the above embodiment, as a method for introducing nickel, a small amount of nickel is added by a method in which an amorphous silicon film surface is coated with an ethanol solution in which a nickel salt is dissolved or a method in which a nickel thin film is formed by a sputtering method. And adopting a method of crystal growth. On the other hand, before the amorphous silicon film is formed, a method may be adopted in which nickel is introduced into the surface of the base film and the nickel is diffused from the lower layer of the amorphous silicon film to grow crystals. That is, crystal growth may be performed from the upper surface side or the lower surface side of the amorphous silicon film. In addition, various other methods can be used for introducing nickel. For example, water may be used simply as a solvent for dissolving a nickel salt, or SiO as a solvent using an SOG (spin-on-glass) material.2There is also a method of diffusing from the film. In addition, a method of forming a thin film by an evaporation method or a plating method, a method of directly introducing nickel by an ion doping method, or the like can be used. Further, the same effect can be obtained by using cobalt, iron, palladium, platinum, copper, or gold in addition to nickel as the impurity metal element for promoting crystallization.
[0131]
  Moreover, in the said embodiment, although phosphorus was used as a group 5 B element for gettering nickel, you may utilize nitrogen, arsenic, antimony, and bismuth other than phosphorus. As a pattern for introducing a Group 5 B element, patterns other than those in the above three embodiments can be employed without any problem as long as a region doped with phosphorus is not included in the TFT channel region.
[0132]
  In the first and second embodiments, as a means for further promoting the crystallinity of the crystalline silicon film crystallized with nickel, a heating method using excimer laser irradiation as a pulse laser is used. A similar process is possible even with a continuous wave Ar laser (for example).
[0133]
  Further, as an application of the present invention, in addition to an active matrix substrate for liquid crystal display, for example, a contact built-in type optical writing element using a contact type image sensor, a driver built-in thermal head, an organic EL or the like as a light emitting element. A display element, a three-dimensional IC, and the like are conceivable. By using the present invention, high performance such as high speed and high resolution of these elements is realized. Furthermore, the present invention is not limited to the MOS transistors described in the above-described embodiments, but can be applied to a wide variety of semiconductor processes including bipolar transistors and electrostatic induction transistors using a crystalline semiconductor as an element material.
[0134]
【The invention's effect】
  As apparent from the above, the semiconductor device manufacturing method according to the present invention introduces a catalytic element that promotes crystallization into an amorphous silicon film formed on an insulating substrate, and after crystal growth is performed by heat treatment. Then, an element selected from Group 5 B is selectively introduced into the-part of the silicon film, rapid thermal annealing is performed, and the catalyst element is introduced into a region where the element selected from Group 5 B is introduced. Is to move. Then, the active (channel) region of the semiconductor device is formed by using the silicon film in a region other than the region into which the element selected from Group 5 B is introduced. By doing so, it becomes possible to greatly reduce the amount of residual catalytic elements in the active region of the semiconductor device as compared with the conventional method.
[0135]
  In one embodiment, the method for manufacturing a semiconductor device further selectively introduces a catalytic element into a part of an amorphous silicon film formed on an insulating substrate and heats the catalytic element to selectively select the catalytic element. Crystal growth of the amorphous silicon film is performed in the lateral direction (parallel to the substrate) from the region introduced into the region to the peripheral region. Furthermore, a region in which the element selected from Group 5 B is introduced by selectively introducing an element selected from Group 5 B into a part of the silicon film that has been crystal-grown, and performing rapid thermal annealing treatment. Then, the catalyst element is moved. In this case, when an active (channel) region of a semiconductor device is formed using a silicon film that is laterally grown outside the region in which an element selected from Group 5 B is introduced, a higher current driving capability can be obtained. A high-performance semiconductor device can be obtained. Of course, the amount of residual catalytic element in the active region of the semiconductor device can be greatly reduced as compared with the conventional method, and there is no abnormality in leakage current during off operation, which is a problem, and high reliability can be secured at the same time.
[0136]
  Further, in the present invention and the above-described embodiment, there is a point in the state of the introduction region after the introduction of the group 5 B element and the temperature increase rate in the subsequent rapid thermal annealing treatment. That is, according to the present invention, in the step of selectively introducing an element selected from Group 5 B into the crystal-grown silicon film, the silicon film in the region where the element selected from Group 5 B is introduced is amorphous. It is important that
[0137]
  Further, in the subsequent rapid thermal annealing process, the temperature is increased from a preheating temperature at which the Group 5 B element is introduced and the amorphous region is not crystallized to a temperature at which the rapid thermal annealing process is performed. During the period, it is very important that the heating is performed at such a temperature rising rate that the amorphous region is not completely crystallized. Accordingly, the effect of moving (gettering) the obtained catalyst element to the introduction region of the group 5 B element is greatly different. Generally, the gettering effect is improved by increasing the temperature of the heat treatment after the introduction of the Group 5 B element. This is because the diffusion rate of the catalytic element in the silicon film is improved and the solid solubility limit is increased. However, it is known that the gettering effect at this time reaches a peak at about 650 ° C., and the effect cannot be obtained even if the temperature is increased further.
[0138]
  In the present invention and the above-described embodiment, rapid thermal annealing is used as the heat treatment at this time, and rapid thermal annealing is performed from a preheating temperature at which the region that has been made amorphous by introduction of the Group 5 B element is not crystallized. It is a very important point to carry out the heating at such a temperature raising rate that the amorphous region is not completely crystallized during the temperature raising period up to the treatment temperature. By doing so, annealing can be performed for the first time at the intended annealing temperature with the region into which the Group 5 B element has been introduced being in an amorphous state, and the heat treatment temperature at this time is inherently high. A gettering effect can be obtained.
[0139]
  When a thin film transistor (TFT) is produced according to the present invention and the embodiment, when the TFT is similarly produced in the above publication and the prior art, an abnormal increase phenomenon of the leakage current when the TFT is turned off, which is seen with a probability of 3% or more, is observed. In the method of the present invention, it was not seen at all and was exactly 0%. Furthermore, the liquid crystal display device made using this TFT has no display irregularities (due to sampling TFTs in the driver section) and pixel defects caused by leakage current at the time of off, which are frequently caused by conventional methods, and display quality is greatly improved. In addition to the improvement, the yield rate was dramatically increased.
[0140]
  Further, as in the present invention and embodiment, the rapid thermal annealing treatment for moving the catalytic element to the introduction region of the group 5 B element is at least 30 ° C. from the preheating temperature of 600 ° C. or less to the rapid thermal annealing temperature. It is desirable to increase the temperature at a temperature increase rate exceeding 1 minute. More preferably, it is more desirable to raise the temperature at a rate of temperature exceeding 100 ° C./min. If the preheating temperature is 600 ° C. or lower, no crystal growth occurs in the region where the Group 5 B element is introduced and made amorphous. If the rate of temperature increase at this time is 30 ° C./min or more, crystallization in the region into which the Group 5 B element has been introduced is not completely completed in the temperature increasing process, and the amorphous component is removed. It is possible to enter a rapid thermal annealing process with the remaining state. Furthermore, if the temperature rising rate at this time is 100 ° C./min or more, in the temperature increasing process, almost no crystallization occurs in the region where the Group 5 B element is introduced, and it remains high in an almost amorphous state. Thermal annealing can be entered.
[0141]
  In one embodiment, in the step of moving the catalyst element to the region into which the Group 5 B element has been introduced, the average temperature during the rapid thermal annealing treatment is in the range of 650 to 800 ° C., and 1 second to It takes only 15 minutes. That is, as can be seen in FIG. 8, the effect of greatly reducing the concentration of the catalytic element according to the present embodiment appears only at 650 ° C. or higher. In the data of FIG. 8, the experiment was conducted at a temperature rising rate of 120 ° C./min. In the conventional method shown by the broken line in FIG. 8, the reduction effect has reached its peak at about 650 ° C. as described above. However, in this embodiment, as shown by the solid line, it has been observed up to this temperature so far. A higher gettering effect can be obtained. However, the higher the annealing temperature at this time, the better, and there is an upper limit. That is, when the temperature becomes higher, random diffusion of the catalytic element occurs, and the catalytic element moves from the introduction region of the group 5 element to the outside. As a result, the concentration of the catalytic element starts to increase. In particular, when the temperature exceeds 800 ° C., the residual rate of the catalytic element increases rapidly. At this time, if oxygen is present even a little, the silicide of the catalytic element is selectively oxidized and a hole is formed in the silicon film. . Therefore, the upper limit is limited by these two points and is 800 ° C. The annealing time has a sufficient effect within the above range.
[0142]
  In another embodiment, the average processing temperature of the rapid thermal annealing process is more preferably in the range of 700 to 750 ° C., and the processing is performed for a duration of 1 minute to 10 minutes. As can be seen from FIG. 8, the catalytic element reduction effect is almost saturated at about 700 ° C., and then gradually decreases to about 750 ° C., but takes an extreme value at 750 ° C., and increases at higher temperatures. Therefore, 700 to 750 ° C. is the optimum temperature range in the present embodiment. Furthermore, if the treatment time at this time is in the range of 1 minute to 10 minutes, a sufficient catalytic element reduction effect in the present embodiment can be obtained, and thermal damage when glass is used as the substrate ( Warpage and shrinkage) can also be minimized.
[0143]
  Further, in one embodiment, in the method for manufacturing a semiconductor device described above, when the glass substrate is used as the substrate, the catalytic element transfer step includes a shrinkage (heat shrinkage rate or The rate of temperature decrease from the rapid thermal annealing temperature is controlled so that the (thermal expansion coefficient) is 25 ppm or less. In this embodiment, the effect of this embodiment is obtained by heating the entire substrate uniformly at a relatively high temperature such as the above temperature range. In the present embodiment, the temperature lowering rate from the rapid thermal annealing temperature is controlled so that the shrinkage (thermal shrinkage rate or thermal expansion rate) of the glass substrate is 25 ppm or less. If it is below such a shrinkage value, the substrate is not actually warped, and mask alignment in the photolithography process can also be handled.
[0144]
  In one embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, the group 5 element introduction step is performed by an ion doping method. In the region where the Group 5 B element is introduced by ion doping, the crystal of the silicon film is strongly broken and becomes amorphous. In this embodiment, it is one point to make the introduction region of the group 5 B element amorphous, and the stronger the amorphousization, the more effective. The catalytic element tends to move from the crystalline silicon film to the amorphous silicon film even when considered from the crystal growth process. That is, it is considered that the catalytic element is more energetically present in amorphous silicon. That is, the component made amorphous by ion doping has a synergistic effect and further enhances the gettering effect of the Group 5 B element.
[0145]
  Also,UpIn the semiconductor device manufacturing method described above, in the catalyst element transfer step,AntRapid thermal annealing is performed using a resistance heating furnace. ResistanceIn the case of using a resistance heating furnace, the substrates are inserted into the furnace one by one in order to provide a thermal gradient in the furnace and reduce the heat capacity of the substrate. The temperature increase rate may be controlled by controlling the insertion speed at that time. In this case, the entire substrate can be heated more uniformly and instantaneously, and the temperature increase rate and temperature decrease rate can be controlled with high accuracy, which is suitable for this embodiment.
[0146]
  In addition, one embodiment relates to an introduction pattern in the group 5 B element selective introduction step into the silicon film, using a patterned introduction mask, and at least on an active (channel) region of a semiconductor device to be finally formed In the masked state, a Group 5 B element is introduced into the peripheral portion so as to surround the active (channel) region. At this time, if a group 5 B element is introduced into the periphery of the semiconductor device so as to surround the active region in a state where the entire active (element) region of the semiconductor device is masked, not only the channel region but also the active region (channel + A state in which the catalyst element is hardly contained in the entire source / drain region is obtained. By doing in this way, the later process contamination by a catalyst element can be prevented. In this way, when the Group 5 B element is introduced so as to surround the channel region and further the active region, the catalyst element in the channel and the active region may move outward in all directions in all directions. it can. For this reason, the catalytic element in the active region can be moved to the outside very efficiently, and an excellent gettering effect can be obtained.
[0147]
  In another embodiment, as a method for introducing a Group 5 B element into a silicon film, a special introduction mask is not used, and a device region (channel and source / drain regions) of a semiconductor device is used. A group 5 B element is introduced into the impurity (source / drain) region. Then, it is used as an impurity (source / drain) region as it is. In this case, without using a dedicated introduction mask, both the group 5 B element introduction step for gettering and the impurity introduction step of the impurity (source / drain) region are performed, and in the rapid thermal annealing step, impurities are introduced. Also serves as the activation of the (source / drain) region. Thereby, a process can be simplified greatly and as a result, productivity can be improved most.
[0148]
  In one embodiment, in the case where a catalytic element is selectively introduced into a part of an amorphous silicon film and crystal growth is performed in the lateral direction, the selective introduction step of the catalytic element at that time is performed as a patterned introduction mask. Then, the selective introduction process of the group 5 B element is also performed using the same introduction mask. By doing in this way, it is not necessary to create an introduction mask separately for each introduction process, and the process can be simplified. At the same time, the silicon film region constituting the channel region of the subsequent semiconductor device can always be kept covered and exposed by the mask film throughout the process of introducing the catalyst element and the group 5 B element. Disappear. As a result, process-induced contamination of the channel region can be minimized. And the improvement of a non-defective product and cost reduction can be achieved by the action of these two points.
[0149]
  In another embodiment, Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, or Au can be used as the type of catalyst element. One or more kinds of elements selected from these have an effect of promoting crystallization in a very small amount. Among them, the most remarkable effect can be obtained particularly when Ni is used. Ni is two Si and NiSi2The silicide is formed. NiSi2Shows a meteorite-type crystal structure, which is very similar to the diamond structure of single crystal silicon. Moreover, NiSi2Has a lattice constant of 5.406 Å, which is very close to the lattice constant of 5.430 で in the diamond structure of crystalline silicon. Therefore, NiSi2Is the best template for crystallizing the amorphous silicon film, and it is most desirable to use Ni as the catalyst element in this embodiment.
[0150]
  In one embodiment, as an element selected from Group 5 B, at least one element selected from P, N, As, Sb, and Bi is used. If one or more kinds of elements selected from these are used, the catalyst element can be efficiently moved, and a sufficient gettering effect can be obtained.
[0151]
  In another embodiment, in the semiconductor device manufacturing method described above, the concentration of the catalytic element in the active (element) region of the semiconductor device finally obtained is 1 × 1016~ 2x1017cm-3Is within the range.
[0152]
  In this embodiment, the concentration of the catalytic element in the channel region is 2 × 10.17cm-3By making the following, no adverse electrical influence of the catalytic element on the semiconductor element characteristics is observed. As a result of using this embodiment, such a low concentration can be realized.
[0153]
  In the present invention, as a method for further improving the crystallinity of the silicon film crystallized by the catalytic element and further improving the performance of the semiconductor device, particularly the current driving capability, the silicon film crystallized by the catalytic element is applied. On the other hand, it is also effective to add a step of performing a heat treatment in a higher temperature oxidizing atmosphere and a step of irradiating laser light.
[0154]
  In the former method of performing heat treatment in an oxidizing atmosphere at a high temperature to further improve the crystallinity, the silicon film crystallized by the catalytic element is oxidized at a higher temperature (800 ° C. to 1100 ° C.). . Then, supersaturated Si atoms generated by the oxidation action are supplied into the silicon film, and these enter crystal defects (particularly dangling bonds) in the silicon film, and the defects can be eliminated. Thereby, the defect density in the silicon film crystallized by the catalytic element is greatly reduced, and the mobility is greatly improved. As a result, the performance of the semiconductor device is dramatically improved.
[0155]
  In the latter laser light irradiation process, when the crystalline silicon film is irradiated with strong light such as a laser, the crystal grain boundary portion and the crystalline silicon film are different from the melting point difference between the crystalline silicon film and the amorphous silicon film. Minute residual amorphous regions (non-crystallized regions) are intensively processed. Here, in the crystalline silicon film formed by the normal solid phase growth method, the crystal structure is in a twin crystal state, and therefore the inside of the crystal grain remains as a twin defect even after intense light irradiation.
[0156]
  On the other hand, a crystalline silicon film crystallized by introducing a catalytic element is formed of columnar crystals and the inside thereof is in a single crystal state, so that the grain boundary portion is treated by irradiation with strong light. Then, a high-quality crystalline silicon film close to a single crystal state can be obtained over the entire surface of the substrate. This is very effective from the viewpoint of crystallinity. In addition, since laser irradiation is originally performed on a silicon film having crystallinity, unlike the method of crystallizing by directly irradiating an amorphous silicon film with laser, the variation in laser irradiation is greatly reduced, and uniformity is improved. No problem arises.
[0157]
  Therefore, by using the present invention, it is possible to realize a high-performance semiconductor element having stable characteristics with little characteristic variation such as an abnormal increase in leakage current, and a high-performance semiconductor device having a high degree of integration with a simple manufacturing process. can get. In addition, the yield rate can be greatly improved in the manufacturing process, and the cost of the product can be reduced. In particular, in the liquid crystal display device, the switching characteristics of the pixel switching TFT required for the active matrix substrate and the high performance and high integration required for the TFT constituting the peripheral drive circuit unit are satisfied at the same time. A driver monolithic active matrix substrate that constitutes the active matrix portion and the peripheral drive circuit portion on the top can be realized, and the module can be made compact, high performance, and low in cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A to FIG. 1E are plan views sequentially showing a manufacturing process of a first embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIGS. 2A to 2G are cross-sectional views sequentially showing manufacturing steps of the first embodiment.
FIGS. 3A to 3G are cross-sectional views sequentially showing manufacturing steps of a second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. FIGS.
FIG. 4 is a plan view for explaining a manufacturing process of the second embodiment.
FIGS. 5A to 5D are cross-sectional views sequentially showing the first half of a process according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 6E to 6H are cross-sectional views sequentially showing the latter half of the process of the third embodiment.
FIGS. 7A and 7B are experiments showing the relationship between the temperature rising rate and the remaining rate of the catalyst element, the temperature rising rate and the Raman peak intensity ratio in the rapid thermal annealing process in the embodiment of the present invention. It is a characteristic view by data.
FIG. 8 is a characteristic diagram based on experimental data showing the catalyst element residual ratio with respect to the processing temperature in the rapid thermal annealing process in the embodiment of the present invention.
FIGS. 9A and 9B are graphs showing examples of temperature profiles in the rapid thermal annealing process in the second and third embodiments of the present invention.
[Explanation of symbols]
  101, 201 ... glass substrate, 301 ... quartz substrate,
  102, 202 ... Undercoat film,
  103, 203, 303 ... amorphous silicon film,
  103a, 203a, 303a ... crystalline silicon film,
  104, 204, 304 ... nickel, 105, 205 ... laser light,
  106,306 ... mask, 307 ... arrow indicating crystal growth direction,
  108,208,308 ... Phosphorus,
  109, 209, 309 ... arrows indicating the gettering direction of nickel,
  110, 210, 310 ... island-like crystalline silicon film to be a TFT active region,
  111, 211, 311 ... gate insulating film,
  312 ... Si oxide film (gate insulating film),
  113, 213, 313 ... gate electrodes (gate electrode bus lines),
  114 ... oxide layer,
  115, 215, 315 ... regions to be channels,
  116, 216, 316 ... source region,
  117, 217, 317 ... regions to be drains,
  218 ... Photoresist mask,
  219 ... Boron, 120, 320 ... Laser light,
  121,221,321 ... interlayer insulating film,
  122 ... Source electrode wiring (source bus line),
  123: Pixel electrode, 224, 324 ... Electrode wiring,
  125 ... pixel TFT,
  226, 326 ... N-channel TFT,
  227, 327 ... P-channel TFTs.

Claims (13)

絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成し、上記非晶質ケイ素膜にその結晶化を促進する触媒元素を導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が導入された非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせる結晶成長工程と、
上記結晶成長させたケイ素膜の一部に、選択的に5族Bから選ばれた元素を導入する5族元素導入工程と、
高速熱アニール処理を行い、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させる触媒元素移動工程と、
上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域以外の領域のケイ素膜を用いて、半導体装置の能動領域を形成する能動領域形成工程とを少なくとも有し、
上記5族元素導入工程では、5族Bから選ばれた元素が導入された領域のケイ素膜が非晶質化され、
上記触媒元素移動工程では、上記5族Bから選ばれた元素が導入され非晶質化された領域が少なくとも結晶化しないような予熱温度から、高速熱アニール処理を施す温度までの昇温期間中において、上記非晶質化された領域が完全に結晶化されないような昇温速度にて高速熱アニールが行われ、
上記高速熱アニールでは、炉内に熱勾配を持たせた抵抗性加熱炉に上記基板を一枚ずつ挿入し、この挿入の速度をコントロールすることで、昇降温速度を制御し、
上記触媒元素移動工程は、
600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、30℃/分を上回る昇温速度で昇温させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A catalyst element introduction step of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface and introducing a catalyst element for promoting crystallization of the amorphous silicon film;
A crystal growth step for performing a heat treatment to perform crystal growth of the amorphous silicon film into which the catalyst element is introduced;
A group 5 element introduction step of selectively introducing an element selected from group 5 B into a portion of the silicon film grown as a crystal;
A catalytic element transfer step of performing a rapid thermal annealing process to move the catalyst element to a region into which an element selected from Group 5 B is introduced;
An active region forming step of forming an active region of a semiconductor device using a silicon film in a region other than a region into which an element selected from Group 5 B is introduced,
In the group 5 element introduction step, the silicon film in the region where the element selected from group 5 B is introduced is amorphized,
In the catalyst element transfer step, during a temperature rising period from a preheating temperature at which an element selected from Group 5 B is introduced and amorphized to at least crystallize, to a temperature at which rapid thermal annealing is performed , Rapid thermal annealing is performed at a rate of temperature rise that does not completely crystallize the amorphous region,
In the rapid thermal annealing, the substrate is inserted one by one in a resistive heating furnace having a thermal gradient in the furnace, and the temperature raising / lowering speed is controlled by controlling the speed of this insertion,
The catalyst element transfer step includes
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the temperature is increased from a preheating temperature of 600 ° C. or less to a rapid thermal annealing temperature at a temperature rising rate exceeding 30 ° C./min.
絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成し、上記非晶質ケイ素膜の一部にその結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が選択的に導入された領域からその周辺領域へと、基板と平行に上記非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせる結晶成長工程と、
上記結晶成長させたケイ素膜の一部に、選択的に5族Bから選ばれた元素を導入する5族元素導入工程と、
高速熱アニール処理を行い、上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させる触媒元素移動工程と、
上記5族Bから選ばれた元素が導入された領域外の、横方向に結晶成長したケイ素膜を用いて、半導体装置の能動領域を形成する能動領域形成工程とを少なくとも有し、
上記5族元素導入工程では、5族Bから選ばれた元素が導入された領域のケイ素膜が非晶質化され、
上記触媒元素移動工程では、上記5族Bから選ばれた元素が導入され非晶質化された領域が少なくとも結晶化しないような予熱温度から、高速熱アニール処理を施す温度までの昇温期間中において、上記非晶質化された領域が完全に結晶化されないような昇温速度にて高速熱アニールが行われ、
上記高速熱アニールでは、炉内に熱勾配を持たせた抵抗性加熱炉に上記基板を一枚ずつ挿入し、この挿入の速度をコントロールすることで、昇降温速度を制御し、
上記触媒元素移動工程は、
600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、30℃/分を上回る昇温速度で昇温させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A catalyst element introduction step of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface and selectively introducing a catalyst element that promotes crystallization into a part of the amorphous silicon film;
A crystal growth step in which the amorphous silicon film is grown in parallel with the substrate from the region where the catalytic element is selectively introduced to the peripheral region by performing heat treatment;
A group 5 element introduction step of selectively introducing an element selected from group 5 B into a portion of the silicon film grown as a crystal;
A catalytic element transfer step of performing a rapid thermal annealing process to move the catalyst element to a region into which an element selected from Group 5 B is introduced;
An active region forming step of forming an active region of a semiconductor device using a silicon film crystallized laterally outside the region into which an element selected from Group 5 B is introduced;
In the group 5 element introduction step, the silicon film in the region where the element selected from group 5 B is introduced is amorphized,
In the catalyst element transfer step, during a temperature rising period from a preheating temperature at which an element selected from Group 5 B is introduced and amorphized to at least crystallize, to a temperature at which rapid thermal annealing is performed , Rapid thermal annealing is performed at a rate of temperature rise that does not completely crystallize the amorphous region,
In the rapid thermal annealing, the substrate is inserted one by one in a resistive heating furnace having a thermal gradient in the furnace, and the temperature raising / lowering speed is controlled by controlling the speed of this insertion,
The catalyst element transfer step includes
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the temperature is increased from a preheating temperature of 600 ° C. or less to a rapid thermal annealing temperature at a temperature rising rate exceeding 30 ° C./min.
請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素移動工程は、
600℃以下の予熱温度から、高速熱アニール温度まで、100℃/分を上回る昇温速度で昇温させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 or 2,
The catalyst element transfer step includes
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the temperature is increased from a preheating temperature of 600 ° C. or less to a rapid thermal annealing temperature at a rate of temperature exceeding 100 ° C./min.
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素移動工程は、
650〜800℃の範囲の平均温度で、1秒〜15分の持続時間の高速熱アニールプロセスによって行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The catalyst element transfer step includes
A method of manufacturing a semiconductor device, which is performed by a rapid thermal annealing process having an average temperature in a range of 650 to 800 ° C. and a duration of 1 second to 15 minutes.
請求項4に記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素移動工程は、
700〜750℃の範囲の平均温度で、1分〜10分の持続時間の高速熱アニールプロセスによって行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4,
The catalyst element transfer step includes
A method of manufacturing a semiconductor device, which is performed by a rapid thermal annealing process having an average temperature in a range of 700 to 750 ° C. and a duration of 1 minute to 10 minutes.
請求項1乃至5のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素移動工程は、
基板としてガラス基板を用いる場合には、この工程前後での上記ガラス基板のシュリンケージが25ppm以下となるように、高速熱アニール温度からの降温速度を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The catalyst element transfer step includes
When a glass substrate is used as the substrate, the method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that the rate of temperature decrease from the rapid thermal annealing temperature is controlled so that the shrinkage of the glass substrate before and after this step is 25 ppm or less. .
請求項1乃至のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記5族元素導入工程は、イオンドーピング法によって行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 ,
The group 5 element introduction step is performed by an ion doping method.
請求項1乃至のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記5族元素導入工程では、
最終的に形成される半導体装置の能動領域上を少なくともマスクした状態で、上記能動領域を取り囲むように、上記能動領域の周辺部に5族Bから選ばれた元素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 ,
In the group 5 element introduction step,
An element selected from Group 5 B is introduced into the periphery of the active region so as to surround the active region in a state where at least the active region of the semiconductor device to be finally formed is masked. A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項1乃至のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記5族元素導入工程では、
半導体装置の素子領域における不純物領域に対して元素の導入が行われ、そのまま不純物領域として使用することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 ,
In the group 5 element introduction step,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an element is introduced into an impurity region in an element region of the semiconductor device and used as an impurity region as it is.
請求項2乃至のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素導入工程と5族元素導入工程は、同一の導入マスクを用いて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 2 to 7 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the catalyst element introduction step and the group 5 element introduction step are performed using the same introduction mask.
請求項1乃至1のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも一つの元素が用いられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 1 0,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein at least one element selected from Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, and Au is used as a catalyst element for promoting crystallization of the amorphous silicon film. .
請求項1乃至1のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記5族Bから選ばれた元素として、P、N、As、Sb、Biから選ばれた少なくとも一つの元素が用いられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 1 0,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein at least one element selected from P, N, As, Sb, and Bi is used as an element selected from Group 5 B.
請求項1乃至1のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
最終的に得られる半導体装置の活性領域における触媒元素の濃度は、1×1016〜2×1017cm−3の範囲内であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 1 2,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the concentration of the catalytic element in the active region of the finally obtained semiconductor device is in the range of 1 × 10 16 to 2 × 10 17 cm −3 .
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