JP4011404B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶性を有する半導体を用いた半導体装置およびその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ(以下TFT等)が知られている。このTFTは、基板上に薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて構成されるものである。このTFTは、各種集積回路に利用されているが、特に電気光学装置特にアクティブマトリックス型の液晶表示装置の各画素の設けられたスイッチング素子、周辺回路部分に形成されるドライバー素子として注目されている。
【0003】
TFTに利用される薄膜半導体としては、非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的特性が低いという問題がある。TFTの特性向上を得るためには、結晶性を有するシリコン薄膜を利用すばよい。結晶性を有するシリコン膜は、多結晶シリコン、ポリシリコン、微結晶シリコン等と称されている。この結晶性を有するシリコン膜を得るためには、まず非晶質珪素膜を形成し、しかる後に加熱によって結晶化ればよい。
【0004】
しかしながら、加熱による結晶化は、加熱温度が600℃以上の温度で10時間以上の時間を掛けることが必要であり、基板としてガラス基板を用いることが困難であるという問題がある。例えばアクティブ型の液晶表示装置に用いられるコーニング7059ガラスはガラス歪点が593℃であり、基板の大面積化を考慮した場合、600℃以上の加熱には問題がある。
【0005】
〔発明の背景〕
これら上記の問題点を解決する手段として本発明人らによる発明、特願平05−294633が挙げられる。これは、溶液を用いて非晶質珪素膜に触媒元素、特にニッケルを添加し、低温且つ短時間の熱処理により結晶性珪素膜を得る方法であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、触媒元素を用いた600℃以下の熱処理による結晶性を有する薄膜珪素半導体の作製において、前記発明特願平05−294633を前提とした上で、更に制御性が高く、マージンの大きい生産性の高い方法を提供することを目的とする。即ち、より安定した再現性の高いプロセスで結晶性珪素膜を得る方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記発明特願平05−294633において、素子形成領域として触媒元素が直接添加された領域における基板に概略垂直な方向に結晶成長した領域(以下縦成長領域と省略)を用いる場合と、触媒元素を選択的に添加して該添加部周辺に基板に概略水平方向に成長させた領域(以下横成長領域と省略)を用いる場合の2つの結晶化方法を提案した。
【0008】
そしてこの2つの結晶化方法について詳細に検討した結果、素子形成領域を作成するためには、横成長を用いた方が特性上望ましいという結論に達した。そして前記横成長による結晶化方法について更なる検討を行った。
【0009】
前記発明特願平05−294633における横成長方法を簡単に要約すると以下の様なプロセスとなる。(図1参照)
まずコーニング7059基板の如きガラス基板上に、酸化珪素よりなる下地膜を成膜する。これら基体11上に非晶質珪素膜12を100Å〜5000Å、望ましくは500Å〜800Åの厚さにプラズマCVDあるいは減圧熱CVDにより成膜する。
更にその上に代表的には酸化珪素膜からなるマスク材料21を成膜し、そこにニッケルを添加するための開孔部を開け、下の非晶質珪素膜を露出させる。その後必要に応じて前記開孔部に露出した非晶質珪素膜の表面を薄く酸化し(図1中では20で表示)、ニッケルを含有した溶液14を用いてニッケルを添加する。上記方法によりニッケルを添加した基板を、N2 等の不活性雰囲気中あるいは酸化雰囲気中で、450〜600℃、代表的には550℃程度で熱処理することにより、横方向に結晶成長した結晶性珪素膜25を得る。
【0010】
上記一連のプロセスについて、マスク材料を酸化珪素膜から窒化珪素膜に変更することを試みた。
その結果は、マスク材料が酸化珪素膜の場合、長時間熱処理を加えるとニッケルが酸化珪素膜を透過して非晶質珪素膜に到達してしまうことが確認された。これは現象としては、通過したニッケルによる縦成長が発生してしまい、横成長を阻害する様子が観察された。それに対し、窒化珪素膜をマスク材料として用いた場合にはその様な現象は観測されなかった。しかしながら、横成長量が酸化珪素マスクに比較して若干少ないことが観測された。この横成長量の少なさは、その後の実験の結果、予め水素出しを行っておくことにより回避できることが判明した。即ち、結晶化の準備として水素が非晶質珪素膜中から抜けることが必要であるが、窒化珪素膜をマスクとして用いた場合には、それが抜け難くなってしまうことが原因であることが判明したのである。
【0011】
次に下地、非晶質珪素、マスク材料を大気に一度も曝すことなく連続成膜する場合、あるいはそれぞれ大気に曝して別々に成膜する場合を比較した。すると、それぞれの膜質は同様になるように設定したにもかかわらず、連続で成膜した場合の方が横成長距離が長く、且つ結晶性が高いことが判明した。これは、基板に概略平行に結晶成長する横成長というプロセスが、界面の状態に非常に影響されることを意味するものと考えられる。
【0012】
よって、上記一連の実験から、再現性及び制御性に優れた横成長を用いた結晶成長方法は、
ガラス基板上に連続して、酸化珪素膜、非晶質珪素膜を成膜する工程と、
前記成膜された基板を大気に曝すことなく連続して熱処理して水素出しを行う工程と、
前記水素出しが行われた基板に連続して窒化珪素膜を成膜する工程と、
前記3層膜が成膜された基板に対して、パターニング及び窒化珪素膜のエッチングを施し、前記非晶質珪素膜を部分的に露出せしめる工程と、
ニッケルを含む溶液を前記基板に塗布して、前記選択的に露出した非晶質珪素膜にニッケルを添加する工程と、
前記ニッケルが塗布された基板を熱処理を施して結晶化せしめる工程と
を有するものである。
そして、そのような構成をとるために必要な多目的基板処理装置として、酸化珪素膜、非晶質珪素膜、窒化珪素膜の連続成膜が可能であり、且つ一度も大気に曝すことなく熱処理(水素出し工程)が可能な構成を有する装置が必要であることが判る。
【0013】
具体的には、
複数の減圧可能な処理室を有し、
前記複数の処理室は減圧可能な共通室を介して連結されており、
前記共通室には各処理室間において基板を搬送するための手段を有し、
前期複数の処理室の内の少なくとも一つはプラズマCVDを用いた酸化珪素膜の成膜が可能であり、
前期複数の処理室の内の少なくとも一つはプラズマCVDを用いた窒化珪素膜が成膜可能であり、
前期複数の処理室の内の少なくとも一つはプラズマCVDを用いた非晶質珪素膜が成膜可能であり、
前期複数の処理室の内の少なくとも一つは400℃以上の加熱処理を複数の基板に同時に施すことが可能である、
ことを特徴とする多目的基板処理装置を必要とする。
【0014】
そのような装置の概要を図2及び図3に示す。
図2に示す装置は多目的に利用できるものであって、必要とする成膜やアニール処理を施す処理室を必要とする数で組み合わせることができる。図2に示す装置で処理される基板としてはガラス基板、シリコン基板、その他絶縁基板や半導体基板を用いることができる。即ち、絶縁表面を有する基板であれば用いることができる。例えば、アクティブマトリクス型の液晶表示装置やイメージセンサー等の電気光学装置であれば安価なガラス基板を用いるのが一般的である。
【0015】
例えば301を共通室である基板の搬送室とし、基板の各種処理を行う処理室の内、306と307とを予備室とし、一方を基板の搬入用に用い、他の一方を基板の搬出用に用いる。また、302は絶縁膜を形成するためのプラズマCVD装置とし、303を非晶質珪素を成膜するためのプラズマCVD装置とし、304を窒化珪素膜を形成するためのプラズマCVD装置とし、305を水素出しを行うための熱処理炉とする、といった構成を採ることができる。この中で、熱処理工程のみが処理時間が数時間に及ぶプロセスであり、全体のスループットの低下の原因となってしまうため、複数の基板322を同時にヒーター323で加熱処理を施し、必要によりステージ315により基板搬送位置まで運び、ロボットアーム314により搬送して次の工程に移る構成としたことは重要である。なお、予備室も基板の搬入や搬出を行なう機能を有するという意味で処理室ということができる。また各処理室の間は、ゲートバルブ308〜313により仕切られており、それぞれ独立に真空ポンプ319〜321による真空引きが可能で、各処理時のガスによるコンタミを防ぐ構成となっている。基板322はロボットアーム314により搬送され、マルチタスクによりスループットの向上が可能である。
【0016】
このような組み合わせは任意に行なえるものである。これら組み合わせのできる要素としては、プラズマCVD、減圧熱CVD(以下本明細書においてはLPCVDと省略する)、光CVD、マイクロ波CVD、加熱炉、光照射によるアニール炉、スパッタリング、プラズマアニール、プラズマエッチング(異方性あるいは等方性)を挙げることができが、本発明の構成を達成するためには前述の様な構成が少なくとも必要である。
【0017】
本発明においては、触媒元素としてニッケルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができるが、その他利用できる触媒元素の種類としては、好ましくはNi、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、SnP、As、Sbから選ばれた一種または複数種類の元素を利用することができる。
【0018】
以下の本明細書で開示する発明の構成を示す。本明細書で開示する第1の発明は、
絶縁表面を有する基板上に酸化珪素膜と非晶質珪素膜とを成膜する工程と、
前記成膜された基板を大気に曝すことなく連続して熱処理して水素出しを行う工程と、
前記水素出しが行われた基板に連続して窒化珪素膜を成膜する工程と、
前記窒化珪素膜をパターニングし選択的に非晶質珪素膜を露呈させる工程と、
前記露呈した非晶質珪素膜に接して非晶質珪素膜の結晶化を助長する金属元素を導入する工程と、
加熱処理を行い前記非晶質珪素膜を前記金属元素が導入された領域から基板に平行な方向に結晶成長させる工程と、
を有することを特徴とする。
【0019】
他の発明は、
絶縁表面を有する基板上に酸化珪素膜と非晶質珪素膜とを成膜するための第1の処理室と、
前記成膜された基板を大気に曝すことなく連続して熱処理して水素出しを行うための第2の処理室と、
前記水素出しが行われた基板に連続して窒化珪素膜を成膜する第3のための処理室と、
前記第1の処理室と前記第2の処理室と前記第3の処理室とに共通して接続された共通室と、
を有し、
前記第1の処理室と前記第2の処理室と前記第3の処理室とは密閉された構造を有し、
前記共通室は基板または試料を搬送する手段を有することを特徴とする。
【0020】
上記構成の例として、図2や図3に示す構成を挙げることができる。
【0021】
他の発明は、
絶縁表面を有する基板上に酸化珪素膜と非晶質珪素膜とを成膜する工程と、
前記成膜された基板を大気に曝すことなく連続して熱処理して水素出しを行う工程と、
前記水素出しが行われた基板に連続して窒化珪素膜を成膜する工程と、
前記窒化珪素膜を活性層の形状にパターニングし選択的に非晶質珪素膜を露呈させる工程と、
前記露呈した非晶質珪素膜に接して非晶質珪素膜の結晶化を助長する金属元素を導入する工程と、
加熱処理を行い前記非晶質珪素膜を前記金属元素が導入された領域から基板に平行な方向に結晶成長させる工程と、
残存した前記窒化珪素膜をマスクとして用いて結晶成長した珪素膜をパターニングし活性層を構成する工程と、
を有することを特徴とする。
【0022】
他の発明は、
絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質珪素膜上に活性層を形成するためのマスクとして窒化珪素膜を形成する工程と、
前記窒化珪素膜をマスクとして非晶質珪素膜の結晶化を助長する金属元素を導入する工程と、
加熱処理を加え前記非晶質珪素膜を結晶化する工程と、
前記窒化珪素膜をマスクとして活性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【0023】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例は、500Åの窒化珪素膜を選択的に設け、この窒化珪素膜をマスクとして選択的にニッケルを導入する例である。
【0024】
前述の説明で用いた図1を本実施例に焼き直して本実施例における作製工程の概略を示す。まず、ガラス基板(コーニング7059、10cm角)上に、図2及び図3の装置を用いて酸化珪素膜を2000Å及び、非晶質珪素膜12を100〜1500ÅプラズマCVD法を用いて連続的に形成する。ここでは、非晶質珪素膜12を1000Åの厚さに成膜する。酸化珪素膜の成膜条件は、成膜圧力0.1〜1torr、本実施例では0.3torr、TEOS:O2 を1:10の比率とし、RFパワー1〜500W、本実施例では300Wで、基板温度が100〜500℃、本実施例では400℃で成膜を行った。非晶質珪素膜の成膜条件としては成膜圧力0.1〜1torr、本実施例では0.3torr、モノシランを成膜ガスとし、RFパワー1〜100W、本実施例では35Wで、基板温度が100〜300℃、本実施例では160℃で成膜を行った。(図1(A))次に、大気に曝すことなく熱処理炉305に基板を搬送して、350〜550℃、ここでは400℃1時間N2 中の熱処理を行ってプラズマCVDで成膜した非晶質珪素膜12から水素を放出させる。
その後再び大気に曝すことなく処理室304に基板322を搬送し、マスクとなる窒化珪素膜21を200Å以上、ここでは500Åの厚さに成膜する。成膜条件は、成膜圧力0.1〜1torr、本実施例では0.3torr、モノシラン:アンモニアを1:4の比率とし、RFパワー100〜500W、本実施例では300Wで、基板温度が200〜500℃、本実施例では400℃で成膜を行った。この窒化珪素膜21の膜厚については、発明者等の実験によると100Åでも問題がないことを確認しており、膜質が緻密であれば更に薄くても良いと思われる。
【0025】
そして通常のフォトリソパターニング工程によって、必要とするパターンに窒化珪素膜21をパーニングする。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照射で薄い酸化珪素膜20を成膜する。この酸化珪素膜20の作製は、酸素雰囲気中でUV光を5分間照射することによって行なわれる。なおこの酸化珪素膜20の厚さは20〜50Å程度と考えられる(図1(A))。尚、この濡れ性を改善するための酸化珪素膜については、溶液とパターンのサイズが合致した場合には、マスクの酸化珪素膜の親水性のみによっても丁度よく添加される場合がある。しかしながらこの様な例は特殊であり、一般的には酸化珪素膜20を使用したほうが安全である。
【0026】
この状態において、100ppmのニッケルを含有した酢酸塩溶液を5ml滴下(10cm角基板の場合)する。またこの際、スピナーを150rpmで回転させつつ塗布することにより裏面への回り込みを防ぐことが可能である。さらにこの状態で、5分間保持した後スピナーを用いて2000rpm、60秒のスピンドライを行う。(図1(B))
【0027】
そして550度(窒素雰囲気)、8時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜12の結晶化を行う。この際、ニッケルが導入された部分22の領域から23で示されるように、ニッケルが導入されなかった領域へと横方向に40μm程度の結晶成長が行われる。図1(C)において、24がニッケルが直接導入され結晶化が行われた領域であり、25が横方向に結晶化が行われた領域である。なお25の領域は、概略〈111〉軸方向に結晶成長が行われていることが確認されている。
【0028】
本実施例において、溶液濃度、保持時間を変化させることにより、ニッケルが直接導入された領域におけるニッケルの濃度を1×1016atoms cm-3〜1×1019atoms cm-3の範囲で制御可能であり、同様に横成長領域の濃度をそれ以下に制御することが可能である。
【0029】
その後にデバイスを形成する場合には、マスク材料を剥離する必要があるが、この際に以前の酸化珪素マスクを用いた場合にはフッ酸系のエッチャントを用いるか、あるいはフッ素系ガスを用いたドライエッチングを用いなければならず、ガラス、下地酸化珪素へのダメ─ジが大きかった。それに比較し、窒化珪素膜の場合には熱リン酸を用いることが可能で、これは結晶性珪素膜及び酸化珪素、ガラスにダメージが少ないという利点を有する。
【0030】
以上述べたように、横方向に結晶が成長した領域は触媒元素の濃度が小さく、しかも結晶性が良好であるので、この領域を半導体装置の活性領域として用いることは有用である。例えば、薄膜トランジスタのチャネル形成領域として利用することは極めて有用である。
【0031】
〔実施例2〕
本実施例においては、実施例1に示すようにニッケルを選択的に導入し、その部分から横方向(基板に平行な方向)に結晶成長した領域を用いて電子デバイスを形成する例を示す。このような構成を採用した場合、デバイスの活性層領域におけるニッケル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすることができる。
【0032】
本実施例は、アクティブマトリクスの画素の制御に用いられるTFTの作製工程に関するものである。図4に本実施例の作製工程を示す。まず、基板201を洗浄し、図2及び図3にしめされる多目的基板処理装置によりTEOS(テトラ・エトキシ・シラン)と酸素を原料ガスとしてプラズマCVD法によって厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜202を形成する。そして、連続してプラズマCVD法によって、厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの真性(I型)の非晶質珪素膜203を成膜する。次に熱処理炉305により450℃1時間の熱処理を行い水素出しを行う。その後同一装置内で連続的に厚さ500〜2000Å、例えば1000Åの窒化珪素膜205をプラズマCVD法によって成膜する。そして、窒化珪素膜205を選択的にエッチングして、非晶質珪素の露出した領域206を形成する。この領域のパタ─ニングは、その後のアイランド形成をする領域上に窒化珪素膜が残る様に行うと、結晶化工程の後、前記窒化珪素膜をマスクとして結晶性珪素膜のパターニングが可能であり、工程上有用である。
【0033】
そして実施例1に示した方法により結晶化を助長する触媒元素であるニッケル元素を含んだ溶液(ここでは酢酸塩溶液)塗布する。酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は100ppmである。その他、詳細な工程順序や条件は実施例1で示したものと同一である。
【0034】
この後、窒素雰囲気下で500〜620℃、例えば550℃、4時間の加熱アニールを行い、珪素膜303の結晶化を行う。結晶化は、ニッケルと珪素膜が接触した領域206を出発点として、矢印で示されるように基板に対して平行な方向に結晶成長が進行する。図においては領域204はニッケルが直接導入されて結晶化した部分、領域203は横方向に結晶化した部分を示す。この203で示される横方向への結晶は、25μm程度である。またその結晶成長方向は概略〈111〉軸方向であることが確認されている。(図4(A))
【0035】
次に、窒化珪素膜205をマスクとして、結晶性珪素膜204をドライエッチによりアイランド形成を行う。この工程によりニッケル濃度の高い直接添加領域206をエッチオフすることができ、その結果本実施例においては、活性層208において、これらのニッケル濃度の高い領域がチャネル形成領域と重ならないようにした。その後熱リン酸を用いて窒化珪素膜205をエッチングし、島状の活性層領域208を形成する。
【0036】
その後、100体積%の水蒸気を含む10気圧、500〜600℃の、代表的には550℃の雰囲気中において、1時間放置することによって、活性層(珪素膜)208の表面を酸化させ、酸化珪素膜209を形成する。酸化珪素膜の厚さは1000Åとする。熱酸化によって酸化珪素膜209を形成したのち、基板を、アンモニア雰囲気(1気圧、100%)、400℃に保持させる。そして、この状態で基板に対して、波長0.6〜4μm、例えば、0.8〜1.4μmにピークをもつ赤外光を30〜180秒照射し、酸化珪素膜209に対して窒化処理を施す。なおこの際、雰囲気に0.1〜10%のHClを混入してもよい。
【0037】
赤外線の光源としてはハロゲンランプを用いる。赤外光の強度は、モニターの単結晶シリコンウェハー上の温度が900〜1200℃の間にあるように調整する。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱電対の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィードバックさせる。本実施例では、昇温は、一定で速度は50〜200℃/秒、降温は自然冷却で20〜100℃とする。この赤外光照射は、珪素膜を選択的に加熱することになるので、ガラス基板への加熱を最小限に抑えることができる。(図4(B))
【0038】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åのアルミニウム(0.01〜0.2%のスカンジウムを含む)を成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電極210を形成する。(図2(C))
【0039】
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211を形成する。この陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で行う。得られる酸化物層211の厚さは2000Åである。なお、この酸化物211は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイ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。(図4(D))
【0040】
次に、イオンドーピング法(プラズマドーピング法とも言う)によって、活性層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)にゲイト電極部、すなわちゲイト電極210とその周囲の酸化層211をマスクとして、自己整合的にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとする。ドーズ量は1×1015〜8×1015cm-2、例えば、4×1015cm-2とする。この結果、N型の不純物領域212と213を形成することができる。図からも明らかなように不純物領域とゲイト電極とは距離xだけ放れたオフセット状態となる。このようなオフセット状態は、特にゲイト電極に逆電圧(NチャネルTFTの場合はマイナス)を印加した際のリーク電流(オフ電流ともいう)を低減する上で有効である。特に、本実施例のようにアクティブマトリクスの画素を制御するTFTにおいては良好な画像を得るために画素電極に蓄積された電荷が逃げないようにリーク電流が低いことが望まれるので、オフセットを設けることは有効である。
【0041】
その後、レーザー光の照射によってアニールを行った。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いるが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。(図4(E))
【0042】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜214を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成する。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリイミド膜215を形成し、表面を平坦化する。このようにして形成された平面上にスパッタ法によって厚さ800Åの透明導電性膜(ITO膜)を成膜し、これをパターニングして画素電極216を形成する。
【0043】
そして、層間絶縁物214、215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多層膜によってTFTの電極・配線217、218を形成する。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニールを行い、TFTを有するアクティブマトリクスの画素回路を完成する。(図4(F))
【0044】
〔実施例3〕
図5に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、基板(コーニング7059)501上にスパッタリング法によって厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜502を形成した。基板は、下地膜の成膜の前もしくは後に、歪み温度よりも高い温度でアニールをおこなった後、0.1〜1.0℃/分で歪み温度以下まで徐冷すると、その後の温度上昇を伴う工程(本発明の熱酸化工程およびその後の熱アニール工程を含む)での基板の収縮が少なく、マスク合わせが容易となる。コーニング7059基板では、620〜660℃で1〜4時間アニールした後、0.03〜1.0℃/分、好ましくは、0.1〜0.3℃/分で徐冷し、400〜500℃まで温度が低下した段階で取り出すとよい。
【0045】
次に、プラズマCVD法によって、実施例2と同様に酸化珪素膜、非晶質珪素膜、窒化珪素膜を連続して成膜した。そして、実施例2で示した方法により非晶質珪素膜の結晶化を行なった。そして窒素雰囲気(大気圧)、600℃、48時間アニールして結晶化させ、珪素膜を10〜1000μm角の大きさにパターニングして、島状の珪素膜(TFTの活性層)503を形成した。(図5(A))
【0046】
その後、70〜90%の水蒸気を含む1気圧、500〜750℃、代表的には600℃の酸素雰囲気を水素/酸素=1.5〜1.9の比率でパイロジェニック反応法を用いて形成した。かかる雰囲気中において、3〜5時間放置することによって、珪素膜表面を酸化させ、厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの酸化珪素膜504を形成した。注目すべき歯、かかる酸化により、初期の珪素膜は、その表面が50Å以上減少し、結果として、珪素膜の最表面部分の汚染が、珪素−酸化珪素界面には及ばないようになった、すなわち、清浄な珪素−酸化珪素界面が得られたことである。酸化珪素膜の厚さは酸化される珪素膜の2倍であるので、1000Åの厚さの珪素膜を酸化して、厚さ1000Åの酸化珪素膜を得た場合には、残った珪素膜の厚さは500Åということになる。
【0047】
一般に酸化珪素膜(ゲイト絶縁膜)と活性層は薄ければ薄いほど移動度の向上、オフ電流の減少という良好な特性が得られる。一方、初期の非晶質珪素膜の結晶化はその膜厚が大きいほど結晶化させやすい。したがって、従来は、活性層の厚さに関して、特性とプロセスの面で矛盾が存在していた。本発明はこの矛盾を初めて解決したものであり、すなわち、結晶化前には非晶質珪素膜を厚く形成し、良好な結晶性珪素膜を得る。そして、次にはこの珪素膜を酸化することによって珪素膜を薄くし、TFTとしての特性を向上させるものである。さらに、この熱酸化においては、再結合中心の存在しやすい非晶質成分、結晶粒界が酸化されやすく、結果的に活性層中の再結合中心を減少させるという特徴も有する。このため製品の歩留りが高まる。
【0048】
熱酸化によって酸化珪素膜504を形成したのち、基板を一酸化二窒素雰囲気(1気圧、100%)、600℃で2時間アニールした。(図5(B))
引き続いて、減圧CVD法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åの多結晶珪素(0.01〜0.2%の燐を含む)を成膜した。そして、珪素膜をパターニングして、ゲイト電極505を形成した。さらに、この珪素膜をマスクとして自己整合的に、イオンドーピング法(プラズマドーピング法とも言う)によって、活性層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加した。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとした。ドーズ量は1×1015〜8×1015cm-2、例えば、5×1015cm-2とした。この結果、N型の不純物領域506と507が形成された。
【0049】
その後、レーザー光の照射によってアニール行った。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いたが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。(図5(C))
【0050】
また、この工程は、近赤外光によるランプアニールによる方法でもよい。近赤外線は非晶質珪素よりも結晶化した珪素へは吸収されやすく、1000℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行うことができる。その反面、ガラス基板(遠赤外光はガラス基板に吸収されるが、可視・近赤外光(波長0.5〜4μm)は吸収されにくい)へは吸収されにくいので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工程においては最適な方法であるといえる。
【0051】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜508を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成した。この層間絶縁物としてはポリイミドを利用してもよい。さら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多層膜によってTFTの電極・配線509、510を形成した。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニールを行い、TFTを完成した。(図5(D))
【0052】
上記に示す方法で得られたTFTの移動度は110〜150cm2 /Vs、S値は0.2〜0.5V/桁であった。また、同様な方法によってソース/ドレインにホウ素をドーピングしたPチャネル型TFTも作製したところ、移動度は90〜120cm2 /Vs、S値は0.4〜0.6V/桁であり、公知のPVD法やCVD法によってゲイト絶縁膜を形成した場合に比較して、移動度は2割以上高く、S値は20%以上も減少した。
また、信頼性の面からも、本実施例で作製されたTFTは1000℃の高温熱酸化によって作製されたTFTにひけをとらない良好な結果を示した。
【0053】
〔実施例4〕
本実施例はアクティブマトリクス型の液晶表示装置に本発明を利用する場合の例を示す。図6のアクティブマトリクス型の液晶表示装置の一方の基板の概要を示した上面図を示す。
【0054】
図において、61はガラス基板であり、62はマトリクス状に構成された画素領域であり、画素領域には数百×数百の画素が形成されている。この画素の一つ一つにはスイッチング素子としてTFTが配置されている。この画素領域のTFTを駆動するためのドライバーTFTが配置されているのが周辺ドライバー領域62である。画素領域63とドライバー領域62とは同一基板61上に一体かされて形成されている。
【0055】
ドライバー領域62に配置されるTFTは大電流を流す必要があり、高い移動度が必要とされる。また、画素領域63に配置されるTFTは画素電極の電荷を保持率を固める必要があるので、オフ電流(リーク電流)が少ない特性が必要とされる。例えば、画素領域63に配置されるTFTは、ニッケルを用いないで単なるレーザー結晶化によって得られるTFTを用いてもよい。この場合には、ニッケル添加した周辺の結晶化と同じエネルギーでレーザーアニールを行うこととなる。このように低いエネルギーで結晶化せしめたニッケルを用いない結晶性珪素膜は、ニッケルを用いた場合に比較し、結晶性が悪い為、モビリティは低いが、総じてオフ電流が低いという特徴を有し、画素として用いる場合には特に問題が生じない。
【0056】
【効果】
触媒元素を導入して低温で短時間で結晶化させた結晶性珪素膜を用いて、半導体装置を作製することで、生産性が高く、特性のよいデバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例の工程を示す
【図2】 半導体装置の作製装置を示す。
【図3】 半導体装置の作製装置を示す。
【図4】 実施例の作製工程を示す。
【図5】 実施例の作製工程を示す。
【図6】 実施例の構成を示す。
【符号の説明】
11・・・・ガラス基板
12・・・・非晶質珪素膜
13・・・・酸化珪素膜
14・・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜
15・・・・ズピナー
21・・・・マスク用酸化珪素膜
20・・・・酸化珪素膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device using a crystalline semiconductor and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
A thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) using a thin film semiconductor is known. This TFT is formed by forming a thin film semiconductor on a substrate and using this thin film semiconductor. This TFT is used in various integrated circuits, and is particularly attracting attention as a switching element provided with each pixel of an electro-optical device, particularly an active matrix liquid crystal display device, and a driver element formed in a peripheral circuit portion. .
[0003]
As a thin film semiconductor used for a TFT, it is easy to use an amorphous silicon film, but there is a problem that its electrical characteristics are low. To obtain a characteristic improvement of the TFT Bayoi is to utilize a crystalline silicon thin film. The crystalline silicon film is called polycrystalline silicon, polysilicon, microcrystalline silicon, or the like. To obtain a silicon film having crystallinity, an amorphous silicon film is first formed, it Re be crystallized by heating thereafter.
[0004]
However, crystallization by heating requires a heating temperature of 600 ° C. or more and a time of 10 hours or more, and there is a problem that it is difficult to use a glass substrate as a substrate. For example, Corning 7059 glass used for an active type liquid crystal display device has a glass strain point of 593 ° C., and there is a problem with heating at 600 ° C. or higher in consideration of an increase in area of the substrate.
[0005]
BACKGROUND OF THE INVENTION
As means for solving these problems, an invention by the present inventors and Japanese Patent Application No. 05-294633 can be cited. This is a method in which a crystalline silicon film is obtained by adding a catalytic element, particularly nickel, to an amorphous silicon film using a solution and performing a heat treatment at a low temperature for a short time.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has a higher controllability and a larger margin in the preparation of a thin film silicon semiconductor having crystallinity by heat treatment at 600 ° C. or lower using a catalyst element, on the premise of the aforementioned Japanese Patent Application No. 05-294633. The object is to provide a highly productive method. That is, an object is to provide a method for obtaining a crystalline silicon film by a more stable and highly reproducible process.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the above-mentioned Japanese Patent Application No. 05-294633, a case where a region (hereinafter abbreviated as a vertical growth region) in which crystal growth is performed in a direction substantially perpendicular to the substrate in a region directly added with a catalytic element is used as an element formation region, Two crystallization methods have been proposed in the case where a region (hereinafter abbreviated as a lateral growth region) that is selectively added and is grown in a substantially horizontal direction around the added portion is used.
[0008]
As a result of detailed examination of these two crystallization methods, it has been concluded that it is desirable in terms of characteristics to use lateral growth in order to create an element formation region. Further studies were made on the crystallization method by lateral growth.
[0009]
To briefly summarize the lateral growth method in Japanese Patent Application No. 05-294633, the process is as follows. (See Figure 1)
First, a base film made of silicon oxide is formed on a glass substrate such as a Corning 7059 substrate. An amorphous silicon film 12 is formed on these substrates 11 by plasma CVD or low pressure thermal CVD to a thickness of 100 to 5000 mm, preferably 500 to 800 mm.
Further, a mask material 21 typically made of a silicon oxide film is formed thereon, and an opening for adding nickel is formed therein to expose the underlying amorphous silicon film. Thereafter, if necessary, the surface of the amorphous silicon film exposed in the opening is thinly oxidized (indicated by 20 in FIG. 1), and nickel is added using a solution 14 containing nickel. The crystallinity in which the substrate added with nickel by the above method is crystal-grown in the lateral direction by heat treatment at 450 to 600 ° C., typically about 550 ° C., in an inert atmosphere such as N 2 or in an oxidizing atmosphere. A silicon film 25 is obtained.
[0010]
In the above series of processes, an attempt was made to change the mask material from a silicon oxide film to a silicon nitride film.
As a result, it was confirmed that when the mask material is a silicon oxide film, nickel permeates the silicon oxide film and reaches the amorphous silicon film when heat treatment is performed for a long time. As a phenomenon, it was observed that vertical growth due to the passing nickel occurred and the lateral growth was inhibited. On the other hand, such a phenomenon was not observed when a silicon nitride film was used as a mask material. However, it was observed that the amount of lateral growth was slightly less than that of the silicon oxide mask. As a result of subsequent experiments, it was found that this small amount of lateral growth can be avoided by performing hydrogen extraction beforehand. That is, it is necessary for hydrogen to escape from the amorphous silicon film as a preparation for crystallization. However, when the silicon nitride film is used as a mask, it is difficult to escape. It turns out.
[0011]
Next, the case where the base film, amorphous silicon, and mask material were continuously formed without being exposed to the atmosphere, or the case where they were separately formed by being exposed to the atmosphere were compared. Then, it was found that the lateral growth distance is longer and the crystallinity is higher in the case of continuous film formation even though the film qualities are set to be the same. This is considered to mean that the process of lateral growth in which crystal growth is performed substantially parallel to the substrate is greatly influenced by the state of the interface.
[0012]
Therefore, from the above series of experiments, the crystal growth method using lateral growth with excellent reproducibility and controllability is
A step of continuously forming a silicon oxide film and an amorphous silicon film on a glass substrate;
A step of continuously performing a heat treatment without exposing the film-formed substrate to the atmosphere;
Forming a silicon nitride film continuously on the substrate from which hydrogen has been removed; and
Patterning and etching the silicon nitride film on the substrate on which the three-layer film is formed, and partially exposing the amorphous silicon film;
Applying a solution containing nickel to the substrate and adding nickel to the selectively exposed amorphous silicon film;
And a step of crystallizing the nickel-coated substrate by heat treatment.
As a multipurpose substrate processing apparatus necessary for adopting such a configuration, it is possible to continuously form a silicon oxide film, an amorphous silicon film, and a silicon nitride film, and heat treatment without exposure to the atmosphere ( It can be seen that there is a need for an apparatus having a configuration capable of the hydrogen extraction step.
[0013]
In particular,
A plurality of pressure-reducing processing chambers;
The plurality of processing chambers are connected through a common chamber that can be decompressed,
The common chamber has means for transporting the substrate between the processing chambers,
At least one of the plurality of treatment chambers in the previous period can form a silicon oxide film using plasma CVD,
At least one of the plurality of treatment chambers in the previous period can form a silicon nitride film using plasma CVD,
At least one of the plurality of processing chambers in the previous period can form an amorphous silicon film using plasma CVD,
At least one of the plurality of treatment chambers in the previous period can be subjected to heat treatment at 400 ° C. or more on a plurality of substrates at the same time.
What is needed is a multipurpose substrate processing apparatus.
[0014]
An outline of such an apparatus is shown in FIGS.
The apparatus shown in FIG. 2 can be used for various purposes, and can be combined in a required number of processing chambers for performing required film formation and annealing. As a substrate processed by the apparatus shown in FIG. 2, a glass substrate, a silicon substrate, other insulating substrates, or a semiconductor substrate can be used. That is, any substrate having an insulating surface can be used. For example, an inexpensive glass substrate is generally used for an electro-optical device such as an active matrix liquid crystal display device or an image sensor.
[0015]
For example, 301 is a substrate transfer chamber which is a common chamber, and 306 and 307 are spare chambers among processing chambers for processing various substrates, and one is used for loading a substrate, and the other is used for carrying a substrate. Used for. 302 is a plasma CVD apparatus for forming an insulating film, 303 is a plasma CVD apparatus for forming amorphous silicon, 304 is a plasma CVD apparatus for forming a silicon nitride film, and 305 is A configuration such as a heat treatment furnace for performing hydrogen removal can be employed. Among them, only the heat treatment process is a process that takes several hours to process, and causes a reduction in the overall throughput. Therefore, a plurality of substrates 322 are simultaneously heated by the heater 323 , and if necessary, the stage 315 Therefore, it is important that the robot is transported to the substrate transport position, transported by the robot arm 314, and transferred to the next process. Note that the preliminary chamber can also be referred to as a processing chamber in the sense that it has a function of loading and unloading substrates. Further, the processing chambers are partitioned by gate valves 308 to 313, and can be evacuated independently by the vacuum pumps 319 to 321 to prevent contamination by gases during each processing. The substrate 322 is transferred by the robot arm 314, and throughput can be improved by multitasking.
[0016]
Such a combination can be arbitrarily performed. Elements that can be combined are plasma CVD, low pressure thermal CVD (hereinafter abbreviated as LPCVD), photo CVD, microwave CVD, heating furnace, annealing furnace by light irradiation, sputtering, plasma annealing, plasma etching. (Anisotropic or isotropic) can be mentioned, but at least the above-described configuration is necessary to achieve the configuration of the present invention.
[0017]
In the present invention, the most prominent effect can be obtained when nickel is used as the catalyst element, but the other usable catalyst elements are preferably Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, In, and the like. One or more elements selected from Sn , P, As, and Sb can be used.
[0018]
The structure of the invention disclosed in this specification will be described below. The first invention disclosed in this specification is:
Forming a silicon oxide film and an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
A step of continuously performing a heat treatment without exposing the film-formed substrate to the atmosphere;
Forming a silicon nitride film continuously on the substrate from which hydrogen has been removed; and
Patterning the silicon nitride film and selectively exposing the amorphous silicon film;
Introducing a metal element in contact with the exposed amorphous silicon film to promote crystallization of the amorphous silicon film;
Heat-treating and crystal growing the amorphous silicon film in a direction parallel to the substrate from the region where the metal element is introduced;
It is characterized by having.
[0019]
Other inventions are:
A first treatment chamber for forming a silicon oxide film and an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
A second processing chamber for continuously performing a heat treatment without exposing the film-formed substrate to the atmosphere;
A third processing chamber for continuously forming a silicon nitride film on the substrate from which hydrogen has been removed;
A common chamber connected in common to the first processing chamber, the second processing chamber, and the third processing chamber;
Have
The first processing chamber, the second processing chamber, and the third processing chamber have a sealed structure,
The common chamber has means for transporting a substrate or a sample.
[0020]
Examples of the above configuration include the configurations shown in FIGS. 2 and 3.
[0021]
Other inventions are:
Forming a silicon oxide film and an amorphous silicon film over a substrate having an insulating surface;
A step of continuously performing a heat treatment without exposing the film-formed substrate to the atmosphere;
Forming a silicon nitride film continuously on the substrate from which hydrogen has been removed; and
Patterning the silicon nitride film into the shape of an active layer and selectively exposing the amorphous silicon film;
Introducing a metal element in contact with the exposed amorphous silicon film to promote crystallization of the amorphous silicon film;
Heat-treating and crystal growing the amorphous silicon film in a direction parallel to the substrate from the region where the metal element is introduced;
Patterning the crystal-grown silicon film using the remaining silicon nitride film as a mask to form an active layer;
It is characterized by having.
[0022]
Other inventions are:
Forming a silicon nitride film as a mask for forming an active layer on an amorphous silicon film formed on a substrate having an insulating surface;
Introducing a metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film using the silicon nitride film as a mask;
Applying heat treatment to crystallize the amorphous silicon film;
Forming an active layer using the silicon nitride film as a mask;
It is characterized by having.
[0023]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, a 500-nm silicon nitride film is selectively provided, and nickel is selectively introduced using the silicon nitride film as a mask.
[0024]
FIG. 1 used in the above description is reprinted into this embodiment, and an outline of a manufacturing process in this embodiment is shown. First, on a glass substrate (Corning 7059, 10 cm square), using the apparatus shown in FIGS. 2 and 3, the silicon oxide film is 2000 Å and the amorphous silicon film 12 is 100˜1500 Å using a plasma CVD method. Form. Here, the amorphous silicon film 12 is formed to a thickness of 1000 mm. The film formation conditions for the silicon oxide film are as follows: film formation pressure of 0.1 to 1 torr, 0.3 torr in this embodiment, TEOS: O 2 at a ratio of 1:10, RF power of 1 to 500 W, and 300 W in this embodiment. Film formation was performed at a substrate temperature of 100 to 500 ° C., and 400 ° C. in this example. The film formation conditions for the amorphous silicon film are a film formation pressure of 0.1 to 1 torr, 0.3 torr in this example, monosilane as a film forming gas, RF power of 1 to 100 W, and 35 W in this example. The film was formed at 100 to 300 ° C., and 160 ° C. in this example. (FIG. 1A) Next, the substrate was transferred to a heat treatment furnace 305 without being exposed to the atmosphere, and was subjected to heat treatment in N 2 at 350 to 550 ° C., here, 400 ° C. for 1 hour to form a film by plasma CVD. Hydrogen is released from the amorphous silicon film 12.
After that, the substrate 322 is transferred to the processing chamber 304 without being exposed to the atmosphere again, and the silicon nitride film 21 serving as a mask is formed to a thickness of 200 mm or more, here 500 mm. The film forming conditions are film forming pressure 0.1 to 1 torr, 0.3 torr in this embodiment, monosilane: ammonia at a ratio of 1: 4, RF power 100 to 500 W, 300 W in this embodiment, and substrate temperature 200. Film formation was performed at ˜500 ° C. and 400 ° C. in this example. Regarding the film thickness of the silicon nitride film 21, it has been confirmed that there is no problem even if it is 100 mm according to experiments by the inventors and the like.
[0025]
Then, the silicon nitride film 21 is panned into a required pattern by a normal photolithography patterning process. Then, a thin silicon oxide film 20 is formed by irradiation with ultraviolet rays in an oxygen atmosphere. The silicon oxide film 20 is produced by irradiating UV light for 5 minutes in an oxygen atmosphere. The thickness of the silicon oxide film 20 is considered to be about 20 to 50 mm (FIG. 1A). Note that the silicon oxide film for improving the wettability may be added just well depending on the hydrophilicity of the silicon oxide film of the mask when the size of the solution and the pattern match. However, such an example is special, and it is generally safer to use the silicon oxide film 20.
[0026]
In this state, 5 ml of an acetate solution containing 100 ppm of nickel is dropped (in the case of a 10 cm square substrate). At this time, it is possible to prevent the spinner from wrapping around the back surface by applying the spinner while rotating it at 150 rpm. Furthermore, after maintaining for 5 minutes in this state, spin drying is performed at 2000 rpm for 60 seconds using a spinner. (Fig. 1 (B))
[0027]
Then, the amorphous silicon film 12 is crystallized by performing a heat treatment at 550 ° C. (nitrogen atmosphere) for 8 hours. At this time, as indicated by 23 from the region of the portion 22 where nickel is introduced, crystal growth of about 40 μm is performed in the lateral direction from the region where nickel is not introduced. In FIG. 1C, 24 is a region where nickel is directly introduced and crystallization is performed, and 25 is a region where crystallization is performed in the lateral direction. In addition, it has been confirmed that in the 25 region, crystal growth is performed substantially in the <111> axis direction.
[0028]
In this embodiment, the concentration of nickel in the region where nickel is directly introduced can be controlled in the range of 1 × 10 16 atoms cm −3 to 1 × 10 19 atoms cm −3 by changing the solution concentration and holding time. Similarly, the concentration of the lateral growth region can be controlled to be lower than that.
[0029]
When forming a device after that, it is necessary to peel off the mask material. At this time, when the previous silicon oxide mask was used, a hydrofluoric acid-based etchant or a fluorine-based gas was used. Dry etching must be used, and damage to glass and underlying silicon oxide was significant. In contrast, in the case of a silicon nitride film, it is possible to use hot phosphoric acid, which has the advantage that the crystalline silicon film, silicon oxide, and glass are less damaged.
[0030]
As described above, the region where the crystal grows in the lateral direction has a low concentration of the catalytic element and good crystallinity. Therefore, it is useful to use this region as the active region of the semiconductor device. For example, it is extremely useful to use as a channel formation region of a thin film transistor.
[0031]
[Example 2]
In this embodiment, as shown in Embodiment 1, nickel is selectively introduced, and an example is shown in which an electronic device is formed using a region in which crystal growth has occurred in the lateral direction (direction parallel to the substrate). When such a configuration is adopted, the nickel concentration in the active layer region of the device can be further reduced, and a very preferable configuration can be obtained from the viewpoint of electrical stability and reliability of the device.
[0032]
This embodiment relates to a manufacturing process of a TFT used for controlling an active matrix pixel. FIG. 4 shows a manufacturing process of this example. First, the substrate 201 is cleaned, and a silicon oxide base film 202 having a thickness of 2000 mm is formed by plasma CVD using TEOS (tetra-ethoxy silane) and oxygen as source gases by a multipurpose substrate processing apparatus shown in FIGS. Form. Then, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film 203 having a thickness of 500 to 1500 mm, for example, 1000 mm is formed by plasma CVD. Next, a heat treatment is performed in a heat treatment furnace 305 at 450 ° C. for 1 hour to perform hydrogen removal. Thereafter, a silicon nitride film 205 having a thickness of 500 to 2000 mm, for example 1000 mm, is continuously formed in the same apparatus by a plasma CVD method. Then, the silicon nitride film 205 is selectively etched to form an exposed region 206 of amorphous silicon. If patterning of this region is performed so that the silicon nitride film remains on the region where subsequent island formation is performed, the crystalline silicon film can be patterned using the silicon nitride film as a mask after the crystallization step. It is useful in the process.
[0033]
Then, a solution (here, an acetate solution) containing nickel element as a catalytic element for promoting crystallization is applied by the method shown in Example 1. The concentration of nickel in the acetic acid solution is 100 ppm. In addition, the detailed process sequence and conditions are the same as those shown in the first embodiment.
[0034]
Thereafter, heat annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 500 to 620 ° C., for example, 550 ° C. for 4 hours to crystallize the silicon film 303. In crystallization, crystal growth proceeds in a direction parallel to the substrate as indicated by an arrow starting from a region 206 where nickel and a silicon film are in contact with each other. In the figure, a region 204 indicates a portion crystallized by direct introduction of nickel, and a region 203 indicates a portion crystallized in the lateral direction. The crystal in the horizontal direction indicated by 203 is about 25 μm. Further, it has been confirmed that the crystal growth direction is approximately the <111> axis direction. (Fig. 4 (A))
[0035]
Next, using the silicon nitride film 205 as a mask, the crystalline silicon film 204 is formed by dry etching. By this step, the directly added region 206 having a high nickel concentration can be etched off. As a result, in the present embodiment, in the active layer 208, these regions having a high nickel concentration are not overlapped with the channel forming region. Thereafter, the silicon nitride film 205 is etched using hot phosphoric acid to form an island-shaped active layer region 208.
[0036]
Then, the surface of the active layer (silicon film) 208 is oxidized by leaving it in an atmosphere of 10 atm and 500 to 600 ° C., typically 550 ° C. containing 100% by volume of water vapor, to oxidize the surface of the active layer (silicon film) 208. A silicon film 209 is formed. The thickness of the silicon oxide film is 1000 mm. After the silicon oxide film 209 is formed by thermal oxidation, the substrate is held at 400 ° C. in an ammonia atmosphere (1 atm, 100%). In this state, the substrate is irradiated with infrared light having a peak at a wavelength of 0.6 to 4 μm, for example, 0.8 to 1.4 μm for 30 to 180 seconds, and the silicon oxide film 209 is nitrided. Apply. At this time, 0.1 to 10% HCl may be mixed in the atmosphere.
[0037]
A halogen lamp is used as the infrared light source. The intensity of the infrared light is adjusted so that the temperature on the single crystal silicon wafer of the monitor is between 900-1200 ° C. Specifically, the temperature of the thermocouple embedded in the silicon wafer is monitored, and this is fed back to the infrared light source. In this embodiment, the temperature rise is constant, the speed is 50 to 200 ° C./second, and the temperature drop is natural cooling to 20 to 100 ° C. Since this infrared light irradiation selectively heats the silicon film, heating of the glass substrate can be minimized. (Fig. 4 (B))
[0038]
Subsequently, an aluminum film (including 0.01 to 0.2% scandium) having a thickness of 3000 to 8000 mm, for example, 6000 mm is formed by a sputtering method. Then, the gate electrode 210 is formed by patterning the aluminum film. (Fig. 2 (C))
[0039]
Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form an oxide layer 211 on the surface. This anodization is performed in an ethylene glycol solution containing 1 to 5% tartaric acid. The thickness of the resulting oxide layer 211 is 2000 mm. Note that the oxide 211 has a thickness for forming an offset gate region in a subsequent ion doping step, and thus the length of the offset gate region can be determined by the anodic oxidation step. (Fig. 4 (D))
[0040]
Next, by an ion doping method (also called plasma doping method), self-alignment is performed in the active layer region (which constitutes the source / drain and channel) using the gate electrode portion, that is, the gate electrode 210 and the surrounding oxide layer 211 as a mask. In particular, an impurity imparting N conductivity type (here, phosphorus) is added. As the doping gas, phosphine (PH 3 ) is used, and the acceleration voltage is set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose amount is 1 × 10 15 to 8 × 10 15 cm −2 , for example, 4 × 10 15 cm −2 . As a result, N-type impurity regions 212 and 213 can be formed. As is apparent from the figure, the impurity region and the gate electrode are in an offset state separated by a distance x. Such an offset state is particularly effective in reducing leakage current (also referred to as off-current) when a reverse voltage (minus in the case of an N-channel TFT) is applied to the gate electrode. In particular, in the TFT for controlling the pixels of the active matrix as in this embodiment, it is desired that the leakage current is low so that the charge accumulated in the pixel electrode does not escape in order to obtain a good image. It is effective.
[0041]
Thereafter, annealing was performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) is used, but other lasers may be used. The laser light was irradiated at an energy density of 200 to 400 mJ / cm 2 , for example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10 shots, for example, 2 shots were irradiated at one place. The effect may be increased by heating the substrate to about 200 to 450 ° C. during the laser light irradiation. (Fig. 4 (E))
[0042]
Subsequently, a silicon oxide film 214 having a thickness of 6000 mm is formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Further, a transparent polyimide film 215 is formed by spin coating to flatten the surface. A transparent conductive film (ITO film) having a thickness of 800 mm is formed on the plane formed in this manner by sputtering, and this is patterned to form a pixel electrode 216.
[0043]
Then, contact holes are formed in the interlayer insulators 214 and 215, and TFT electrodes and wirings 217 and 218 are formed of a multilayer film of a metal material, for example, titanium nitride and aluminum. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete an active matrix pixel circuit having TFTs. (Fig. 4 (F))
[0044]
Example 3
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this example. First, a silicon oxide base film 502 having a thickness of 2000 mm was formed on a substrate (Corning 7059) 501 by sputtering. The substrate is annealed at a temperature higher than the strain temperature before or after the formation of the base film, and then slowly cooled to below the strain temperature at 0.1 to 1.0 ° C./min. There is little shrinkage of the substrate in the accompanying processes (including the thermal oxidation process of the present invention and the subsequent thermal annealing process), and mask alignment becomes easy . In the Corning 7059 substrate, after annealing at 620 to 660 ° C. for 1 to 4 hours, 0.03 to 1.0 ° C./min, preferably 0.1 to 0.3 ° C./min, and then slowly cooled to 400 to 500 It is good to take it out when the temperature drops to ℃.
[0045]
Next, a silicon oxide film, an amorphous silicon film, and a silicon nitride film were successively formed by plasma CVD as in Example 2. Then, the amorphous silicon film was crystallized by the method shown in Example 2. Then, it was crystallized by annealing at 600 ° C. for 48 hours in a nitrogen atmosphere (atmospheric pressure), and the silicon film was patterned to a size of 10 to 1000 μm square to form an island-like silicon film (TFT active layer) 503. . (Fig. 5 (A))
[0046]
Thereafter, an atmosphere of oxygen containing 70 to 90% of water vapor, 1 atmosphere, 500 to 750 ° C., typically 600 ° C. is formed using a pyrogenic reaction method at a ratio of hydrogen / oxygen = 1.5 to 1.9. did. The silicon film surface was oxidized by leaving it in this atmosphere for 3 to 5 hours to form a silicon oxide film 504 having a thickness of 500 to 1500 mm, for example, 1000 mm. Notable teeth, due to such oxidation, the surface of the initial silicon film was reduced by 50 mm or more, and as a result, the contamination of the outermost surface portion of the silicon film did not reach the silicon-silicon oxide interface. That is, a clean silicon-silicon oxide interface was obtained. Since the thickness of the silicon oxide film is twice that of the silicon film to be oxidized, a silicon oxide film having a thickness of 1000 mm is oxidized to obtain a silicon oxide film having a thickness of 1000 mm. The thickness will be 500 mm.
[0047]
In general, the thinner the silicon oxide film (gate insulating film) and the active layer, the better the characteristics of improving mobility and reducing off-current. On the other hand, the initial amorphous silicon film is easily crystallized as the film thickness increases. Therefore, conventionally, there has been a contradiction in terms of characteristics and process regarding the thickness of the active layer. The present invention solves this contradiction for the first time. That is, a thick amorphous silicon film is formed before crystallization to obtain a good crystalline silicon film. Next, by oxidizing the silicon film, the silicon film is thinned to improve the characteristics as a TFT. Further, this thermal oxidation has a feature that the amorphous component and the crystal grain boundary in which recombination centers are likely to exist are easily oxidized, and as a result, the number of recombination centers in the active layer is reduced. This increases the product yield.
[0048]
After the silicon oxide film 504 was formed by thermal oxidation, the substrate was annealed at 600 ° C. for 2 hours in a dinitrogen monoxide atmosphere (1 atm, 100%). (Fig. 5 (B))
Subsequently, a polycrystalline silicon film (containing 0.01 to 0.2% phosphorus) having a thickness of 3000 to 8000 mm, for example, 6000 mm was formed by low pressure CVD. Then, the gate electrode 505 was formed by patterning the silicon film. Further, an impurity (in this case, phosphorus) is given to the active layer region (which constitutes a source / drain and a channel) by an ion doping method (also called a plasma doping method) in a self-aligning manner using this silicon film as a mask. ) Was added. As the doping gas, phosphine (PH 3 ) was used, and the acceleration voltage was set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose was 1 × 10 15 to 8 × 10 15 cm −2 , for example, 5 × 10 15 cm −2 . As a result, N-type impurity regions 506 and 507 were formed.
[0049]
Thereafter, annealing was performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) was used, but other lasers may be used. The laser light was irradiated at an energy density of 200 to 400 mJ / cm 2 , for example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10 shots, for example, 2 shots were irradiated at one place. The effect may be increased by heating the substrate to about 200 to 450 ° C. during the laser light irradiation. (Fig. 5 (C))
[0050]
Further, this step may be a method by lamp annealing using near infrared light. Near-infrared rays are more easily absorbed by crystallized silicon than amorphous silicon, and effective annealing comparable to thermal annealing at 1000 ° C. or higher can be performed. On the other hand, the glass substrate (far infrared light is absorbed by the glass substrate, but visible / near infrared light (wavelength 0.5 to 4 μm) is hardly absorbed) is hardly absorbed. Since it is not heated and only a short time is required, it can be said that it is an optimal method in a process where shrinkage of the glass substrate is a problem.
[0051]
Subsequently, a silicon oxide film 508 having a thickness of 6000 mm was formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Polyimide may be used as the interlayer insulator. Further, contact holes were formed, and TFT electrodes and wirings 509 and 510 were formed of a metal material, for example, a multilayer film of titanium nitride and aluminum. Finally, annealing was performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete the TFT. (Fig. 5 (D))
[0052]
The mobility of the TFT obtained by the method described above was 110 to 150 cm 2 / Vs, and the S value was 0.2 to 0.5 V / digit. Further, when a P-channel TFT in which boron is doped in the source / drain by a similar method is also produced, the mobility is 90 to 120 cm 2 / Vs, the S value is 0.4 to 0.6 V / digit, Compared with the case where the gate insulating film is formed by the PVD method or the CVD method, the mobility is 20% or more higher and the S value is reduced by 20% or more.
Also, from the viewpoint of reliability, the TFT manufactured in this example showed a good result that is not inferior to a TFT manufactured by high-temperature thermal oxidation at 1000 ° C.
[0053]
Example 4
This embodiment shows an example in which the present invention is applied to an active matrix liquid crystal display device. FIG. 7 is a top view showing an outline of one substrate of the active matrix liquid crystal display device of FIG. 6.
[0054]
In the figure, 61 is a glass substrate, 62 is a pixel region configured in a matrix, and several hundreds of pixels are formed in the pixel region. Each of the pixels is provided with a TFT as a switching element. A driver TFT for driving the TFT in the pixel region is arranged in the peripheral driver region 62. The pixel region 63 and the driver region 62 are integrally formed on the same substrate 61.
[0055]
The TFT disposed in the driver region 62 needs to pass a large current, and high mobility is required. In addition, since the TFT arranged in the pixel region 63 needs to solidify the charge of the pixel electrode, the TFT needs to have a characteristic with low off-state current (leakage current). For example, the TFT disposed in the pixel region 63 may be a TFT obtained by simple laser crystallization without using nickel. In this case, laser annealing is performed with the same energy as that of crystallization in the vicinity of nickel. The crystalline silicon film that does not use nickel crystallized with low energy in this way has a feature that the off-current is generally low although the mobility is low because the crystallinity is poor compared to the case where nickel is used. When used as a pixel, no particular problem occurs.
[0056]
【effect】
By manufacturing a semiconductor device using a crystalline silicon film that is crystallized at a low temperature in a short time by introducing a catalytic element, a device with high productivity and good characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a process of an embodiment. FIG. 2 shows a manufacturing apparatus of a semiconductor device.
FIG. 3 illustrates a manufacturing apparatus of a semiconductor device.
FIG. 4 shows a manufacturing process of the example.
FIG. 5 shows a manufacturing process of the example.
FIG. 6 shows a configuration of an example.
[Explanation of symbols]
11... Glass substrate 12... Amorphous silicon film 13... Silicon oxide film 14... Nickel-containing acetic acid solution film 15. Silicon oxide film 20... Silicon oxide film

Claims (6)

第1の処理室と、
第2の処理室と、
第3の処理室と、
前記第1の処理室と前記第2の処理室と前記第3の処理室とに共通して連結され、且つ基板を搬送する手段を有する共通室とを用いた半導体装置の作製方法であって、
前記第1の処理室で前記基板上に酸化珪素膜を形成し、
連続して前記第1の処理室において、前記酸化珪素膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記共通室を介して大気に曝すことなく前記基板を前記第1の処理室から前記第2の処理室へ移動し、
前記第2の処理室において前記非晶質珪素膜を加熱して、前記非晶質珪素膜から水素出しを行い、
前記共通室を介して大気に曝すことなく前記基板を前記第2の処理室から前記第3の処理室へ移動し、
前記第3の処理室において前記水素出しが行われた前記非晶質珪素膜上に窒化珪素膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
A first processing chamber;
A second processing chamber;
A third processing chamber;
A method for manufacturing a semiconductor device using a common chamber connected in common to the first processing chamber, the second processing chamber, and the third processing chamber and having a means for transporting a substrate. ,
Forming a silicon oxide film on the substrate in the first processing chamber;
Continuously forming an amorphous silicon film on the silicon oxide film in the first processing chamber;
Moving the substrate from the first processing chamber to the second processing chamber without exposing to the atmosphere through the common chamber;
Heating the amorphous silicon film in the second treatment chamber to perform hydrogen extraction from the amorphous silicon film;
Moving the substrate from the second processing chamber to the third processing chamber without exposure to the atmosphere through the common chamber;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a silicon nitride film over the amorphous silicon film from which hydrogen has been extracted in the third treatment chamber.
第1の処理室と、
第2の処理室と、
第3の処理室と、
前記第1の処理室と前記第2の処理室と前記第3の処理室とに共通して連結され、且つ基板を搬送する手段を有する共通室とを用いた半導体装置の作製方法であって、
前記第1の処理室で前記基板上に酸化珪素膜を形成し、
連続して前記第1の処理室において、前記酸化珪素膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記共通室を介して大気に曝すことなく前記基板を前記第1の処理室から前記第2の処理室へ移動し、
前記第2の処理室において前記非晶質珪素膜を加熱して、前記非晶質珪素膜から水素出しを行い、
前記共通室を介して大気に曝すことなく前記基板を前記第2の処理室から前記第3の処理室へ移動し、
前記第3の処理室において前記水素出しが行われた前記非晶質珪素膜上に窒化珪素膜を形成し、
前記窒化珪素膜をパターニングして前記非晶質珪素膜を選択的に露呈させ、
前記パターニングされた窒化珪素膜をマスクとして前記非晶質珪素膜に非晶質珪素の結晶化を助長する金属元素を選択的に添加し、
加熱処理を行って前記非晶質珪素膜を前記金属元素が添加された領域から結晶成長させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
A first processing chamber;
A second processing chamber;
A third processing chamber;
A method for manufacturing a semiconductor device using a common chamber connected in common to the first processing chamber, the second processing chamber, and the third processing chamber and having a means for transporting a substrate. ,
Forming a silicon oxide film on the substrate in the first processing chamber;
Continuously forming an amorphous silicon film on the silicon oxide film in the first processing chamber;
Moving the substrate from the first processing chamber to the second processing chamber without exposing to the atmosphere through the common chamber;
Heating the amorphous silicon film in the second treatment chamber to perform hydrogen extraction from the amorphous silicon film;
Moving the substrate from the second processing chamber to the third processing chamber without exposure to the atmosphere through the common chamber;
Forming a silicon nitride film on the amorphous silicon film from which the hydrogen has been removed in the third processing chamber;
Patterning the silicon nitride film to selectively expose the amorphous silicon film;
A metal element that promotes crystallization of amorphous silicon is selectively added to the amorphous silicon film using the patterned silicon nitride film as a mask,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the amorphous silicon film is crystallized from a region to which the metal element is added by performing heat treatment.
第1の処理室と、
第2の処理室と、
第3の処理室と、
前記第1の処理室と前記第2の処理室と前記第3の処理室とに共通して連結され、且つ基板を搬送する手段を有する共通室とを有する作製装置を用いた半導体装置の作製方法であって、
前記第1の処理室で前記基板上に酸化珪素膜を形成し、
連続して前記第1の処理室において、前記酸化珪素膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記共通室を介して大気に曝すことなく前記基板を前記第1の処理室から前記第2の処理室へ移動し、
前記第2の処理室において前記非晶質珪素膜を加熱して、前記非晶質珪素膜から水素出しを行い、
前記共通室を介して大気に曝すことなく前記基板を前記第2の処理室から前記第3の処理室へ移動し、
前記第3の処理室において前記水素出しが行われた前記非晶質珪素膜上に窒化珪素膜を形成し、
前記窒化珪素膜をパターニングして前記非晶質珪素膜を選択的に露呈させ、
前記窒化珪素膜及び前記露呈された非晶質珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、
前記パターニングされた窒化珪素膜をマスクとして前記酸化珪素膜上に非晶質珪素の結晶化を助長する金属元素を選択的に添加し、
加熱処理を行って前記非晶質珪素膜を前記金属元素が添加された領域から結晶成長させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
A first processing chamber;
A second processing chamber;
A third processing chamber;
Fabrication of a semiconductor device using a fabrication apparatus having a common chamber that is commonly connected to the first processing chamber, the second processing chamber, and the third processing chamber and that has a means for transporting a substrate. A method,
Forming a silicon oxide film on the substrate in the first processing chamber;
Continuously forming an amorphous silicon film on the silicon oxide film in the first processing chamber;
Moving the substrate from the first processing chamber to the second processing chamber without exposing to the atmosphere through the common chamber;
Heating the amorphous silicon film in the second treatment chamber to perform hydrogen extraction from the amorphous silicon film;
Moving the substrate from the second processing chamber to the third processing chamber without exposure to the atmosphere through the common chamber;
Forming a silicon nitride film on the amorphous silicon film from which the hydrogen has been removed in the third processing chamber;
Patterning the silicon nitride film to selectively expose the amorphous silicon film;
Forming a silicon oxide film on the silicon nitride film and the exposed amorphous silicon film;
A metal element that promotes crystallization of amorphous silicon is selectively added on the silicon oxide film using the patterned silicon nitride film as a mask,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the amorphous silicon film is crystallized from a region to which the metal element is added by performing heat treatment.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記酸化珪素膜及び前記非晶質珪素膜は、プラズマCVD法により形成されたことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claim 1 thru | or 3,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the silicon oxide film and the amorphous silicon film are formed by a plasma CVD method.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記窒化珪素膜は、プラズマCVD法により形成されたことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the silicon nitride film is formed by a plasma CVD method.
請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記金属元素は、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、P、As、から選ばれた一種または複数種類の元素であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the metal element is one or more kinds of elements selected from Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, P, As.
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