JP4080448B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示する発明は、結晶性を有する薄膜半導体を用いた半導体装置の作製方法に関する。特に、絶縁ゲイト型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の構成に関する。

近年、絶縁表面を有する基板上に結晶性珪素膜（特に多結晶珪素膜、多結晶シリコン膜、ポリシリコン膜等と呼ばれる材料）を用いたＴＦＴを作製する技術が発達している。この様な材料を用いるＴＦＴは非晶質珪素膜（アモルファスシリコン膜とも呼ばれる）を用いたＴＦＴに比べて高速動作が可能という利点を有している。

そのため、同一基板上に画素マトリクス回路、ドライバー回路を搭載したモノシリック型パネル、さらには信号処理を行うロジック回路（メモリ、アンプ、ＣＰＵ等）を一体形成したシステム・オン・パネル構造も盛んに研究されている。例えば、ドライバー回路やロジック回路は、Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補的に組み合わせたＣＭＯＳ回路（インバータ回路）を基本回路とした複合回路で構成されている。

以上の様な様々な回路を構成するＴＦＴは、ある特定の電圧（しきい値またはしきい値電圧と呼ばれる）がゲイト電極に印加されるとオン状態となり、それ以下の電圧ではオフ状態となるスイッチング素子である。従って、しきい値電圧の精密な制御は回路の正確な動作を行う上で非常に重要である。

ところが、製造工程における不特定な要因によってＴＦＴのしきい値電圧がマイナス側或いはプラス側へ移動（シフト）することがある。これは、汚染による可動イオンの影響であったり、ＴＦＴのゲイト周辺の仕事関数差や界面電荷によるものであったりする。

そして、この様なしきい値電圧のシフトはスイッチング素子としての機能を阻害し、消費電力を増加させるなどの悪影響を及ぼす。しかしながら、汚染によるものはプロセスの改善等で解決することも可能であるが、仕事関数差などによるものは材料で決定されるため構造上、止むを得ない場合がある。

その様な時の解決手段として提案された技術がチャネルドープ法である。チャネルドープ法とはＴＦＴの少なくともチャネル形成領域に対して一導電性を付与する不純物元素（典型的にはＰ、Ａｓ、Ｂなど）を添加し、しきい値電圧を意図的にシフトさせて制御する技術である。従って、しきい値電圧を所望の値に制御するためには不純物元素の添加量を極めて精密に制御する必要がある。

不純物元素の添加は予め非晶質珪素膜または結晶性珪素膜を形成する成膜ガスに含有させても良いし、結晶化後にイオン注入等によって添加しても良い。また、結晶性珪素膜を島状に加工した後にチャネル形成領域となる部分にのみ選択的に添加する方法を用いることもできる。

〔発明に至る過程〕
本発明者らは優れたＴＦＴ特性を得るために鋭意研究を重ねた結果、極めて優れた結晶性を有する結晶性珪素膜を発明した。その結晶性珪素膜を形成するための必要条件を以下に簡単に説明する。

先ず、耐熱性の高い基板（例えば石英基板）上に非晶質珪素膜を形成し、本発明者らが開示した特開平7-130652号公報に記載の技術を用いて結晶化する。同公報記載の技術は、非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する触媒元素（代表的にはニッケル）を添加し、加熱処理により結晶化を行う技術である。

結晶性珪素膜が得られたら、ハロゲン元素を含む雰囲気中において加熱処理を行い触媒元素をゲッタリングする。このゲッタリング工程はハロゲン元素による金属元素のゲッタリング効果を利用するものである。なお、ハロゲン元素によるゲッタリング効果を十分に得るために上記加熱処理は700 ℃を越える温度で行なわれることが好ましい。

ゲッタリング工程では結晶性珪素膜中に残留した触媒元素がハロゲン元素と結合してゲッタリングされ、揮発性のハロゲン化物となって大気中へ離脱して除去される。そして、この触媒元素のゲッタリング工程により結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度は 1×10^１７atoms/cm^３ 以下（好ましくはスピン密度以下）にまで低減される。なお、本明細書における不純物濃度はＳＩＭＳ分析で得られた計測値の最小値で定義される。

以上の様にして形成された結晶性珪素膜は、棒状または偏平棒状結晶が複数集合してなる結晶構造体で構成され、微視的に見るとその棒状結晶の成長方向は特定方向への方向性を有している点に特徴がある。また、ゲッタリング工程における加熱処理により結晶内部の結晶性も大幅に向上している。

ところが、上記結晶性珪素膜を用いて様々なＴＦＴを試作している内に、本発明者らは、従来例で説明したチャネルドープ法を適用する際に重大な問題が生じることを認識した。その問題とは、上記ゲッタリング工程で触媒元素を除去する際、結晶性珪素膜の表面層付近に添加された不純物元素（Ｂ、Ｐ、Ａｓ等）が枯渇してしまう現象である。この現象は「ＩＢＭ Technical Disclosure Bulletin ：vol.１，No. ５，1973」にも報告されている。

即ち、チャネルが形成される領域（活性層表面近傍）の不純物元素の濃度が大幅に低減されてしまうのでチャネルドープの効果を得られなくなる。従って、しきい値電圧の精密な制御が不可能な状態になってしまう。

上記問題点は、前述の結晶性珪素膜の形成方法に従来のチャネルドープ法を適用する際に初めて認識された、従来誰も認識していなかったものである。即ち、本願発明は上述の様な誰も認識していなかった全く新規な問題点を解決することを課題とする。

具体的には、結晶性珪素膜の表面近傍に存在するリンやボロン等の不純物元素を枯渇させることなく、ハロゲン元素を含む雰囲気中での加熱処理を施すための技術を提供することを課題とする。

絶縁表面を有する基板上に形成されたソース領域と、ドレイン領域と、ＬＤＤ領域およびチャネル形成領域が形成された結晶性珪素膜と、前記チャネル形成領域上に形成されたゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上に形成されたゲイト電極と、前記ゲイト電極の側面に接して形成されたサイドウォールとを有し、前記ゲイト電極、前記ソース領域および前記ドレイン領域の表面にはシリサイド層が形成されていることを特徴とする。
絶縁表面を有する基板上に形成されたソース領域と、ドレイン領域と、ＬＤＤ領域およびチャネル形成領域が形成された結晶性珪素膜と、前記チャネル形成領域上に形成されたゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上に形成されたゲイト電極と、前記ゲイト電極の側面に接して形成されたサイドウォールとを有し、前記サイドウォールの下に前記ＬＤＤ領域が配置されており、前記ゲイト電極、前記ソース領域および前記ドレイン領域の表面にはシリサイド層が形成されていることを特徴とする。

絶縁表面を有する基板上に形成されたソース領域と、ドレイン領域と、ＬＤＤ領域およびチャネル形成領域が形成された結晶性珪素膜と、前記チャネル形成領域上に形成されたゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上に形成されたゲイト電極と、前記ゲイト電極の側面に接して形成されたサイドウォールとを有し、前記サイドウォールの下に前記ＬＤＤ領域が配置されており、前記ゲイト電極、前記ソース領域および前記ドレイン領域の表面にはコバルトシリサイドが形成されていることを特徴とする。

絶縁表面を有する基板上に形成されたソース領域と、ドレイン領域と、ＬＤＤ領域およびチャネル形成領域が形成された結晶性珪素膜と、前記チャネル形成領域上に形成されたゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上に形成されたゲイト電極と、前記ゲイト電極の側面に接して形成されたサイドウォールとを有し、前記サイドウォールの下に前記ＬＤＤ領域が配置されており、前記ソース領域および前記ドレイン領域の表面にはチタン、コバルト、タングステン、タンタルまたはモリブデンのシリサイドが形成されていることを特徴とする。

、前記絶縁表面を有する基板とは石英基板であることを特徴とする。

上記構成において、前記ゲイト電極はシリコンであることを特徴とする。

上記構成において、前記ソース領域およびドレイン領域はＮ型導電性を有することを特徴とする。

上記構成において、前記結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する触媒元素を保持させ、加熱処理を行って結晶化されたものであることを特徴とする。

上記構成において、前記半導体装置を備えた電子デバイスであることを特徴とする。

本明細書で開示する発明の構成は、
１３または１５族の不純物元素を含有した非晶質珪素膜を形成する工程と、
加熱処理を行い前記非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成させる工程と、
ハロゲン元素を含む雰囲気中で加熱処理を行う工程と、
を少なくとも有する半導体装置の作製方法において、
前記ハロゲン元素を含む雰囲気中には、前記不純物元素を含む化合物ガスが含まれていることを特徴とする。

また、他の発明の構成は、
１３または１５族の不純物元素を含有した非晶質珪素膜に対して該非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を保持させる工程と、
加熱処理を行い前記非晶質珪素膜の全部または少なくとも一部を結晶性珪素膜に変成させる工程と、
ハロゲン元素を含む雰囲気中で加熱処理を行い前記珪素膜中から前記触媒元素を除去または低減する工程と、
を少なくとも有する半導体装置の作製方法において、
前記ハロゲン元素を含む雰囲気中には、前記不純物元素を含む化合物ガスが含まれていることを特徴とする。

また、他の発明の構成は、
非晶質珪素膜に対して１３または１５族の不純物元素を添加する工程と、
前記非晶質珪素膜に対して該非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を保持させる工程と、
加熱処理を行い前記非晶質珪素膜の全部または少なくとも一部を結晶性珪素膜に変成させる工程と、
ハロゲン元素を含む雰囲気中で加熱処理を行い前記珪素膜中から前記触媒元素を除去または低減する工程と、
を少なくとも有する半導体装置の作製方法において、
前記ハロゲン元素を含む雰囲気中には、前記不純物元素を含む化合物ガスが含まれていることを特徴とする。

本願発明ではハロゲン元素を含む雰囲気中で触媒元素のゲッタリング工程を行う際、１３または１５族の不純物元素（しきい値制御のための不純物元素）を含む化合物ガス（好ましくは前記ハロゲン元素と前記不純物元素との化合物ガス）を処理雰囲気中に含有させる。

これにより処理雰囲気と被処理面との間には前記不純物元素にとって化学的に平衡な状態が形成される。

この様にすることで珪素膜表面近傍における不純物元素の化学反応を抑制し、珪素膜中からしきい値制御のための不純物元素が除去されるのを効果的に抑制することができる。

なお、チャネルドープ法で代表的に用いられるしきい値制御のための不純物としては１３族元素であるボロン（Ｂ）や１５族元素であるリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）が挙げられる。他にも１３族元素としてはアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、１５族元素としてはアンチモン（Ｓｂ）等を用いることもできる。これらはＴＦＴの導電型で使い分けたり、プラス側マイナス側のどちら側にしきい値電圧を移動させるかで使い分ける。

また、上記しきい値制御のための不純物元素を含む化合物ガスとしては、１３族元素ではジボラン（Ｂ_２Ｈ_６ ）、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３ ）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３ ）、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３ ）、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ_３）などを用いることができる。また、１５族元素ではホスフィン（ＰＨ_３ ）、三フッ化リン（ＰＦ_３ ）、三塩化リン（ＰＣｌ_３ ）、アルシン（ＡｓＨ_３ ）、三フッ化砒素（ＡｓＦ_３ ）、三塩化砒素（ＡｓＣｌ_３ ）、スチピン（ＳｂＨ_３ ）、三塩化アンチモン（ＳｂＣｌ_３ ）などを用いることができる。

本発明を利用することでチャネルドープの効果を損なうことなくハロゲン元素を含む雰囲気における加熱処理を行うことができる。そのため、その様な特殊なプロセスを必要とする半導体装置において精密なしきい値制御が可能となる。

絶縁表面を有する基板上にしきい値制御に利用する１３族または１５族の不純物元素を含有した非晶質珪素膜を形成する。そして、非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する触媒元素を保持した状態で加熱処理を行い結晶性珪素膜を得る。

次に、結晶性珪素膜中に残存する上記触媒元素を、ハロゲン元素を含む雰囲気中における加熱処理によって除去または低減する。その際、処理雰囲気中に、非晶質珪素膜に添加した不純物元素を含む化合物ガスを導入する。

その時、処理雰囲気と被処理面（結晶性珪素膜）との間には前記不純物元素にとって化学的な平衡状態が形成されるため、結晶性珪素膜中から前記不純物元素が離脱するのを効果的に抑制することができる。

以上の結果、チャネルドープの効果を損なうことなくハロゲン元素を含む雰囲気における加熱処理を行うことができる。

本実施例では、同一基板上にＣＭＯＳ回路と画素マトリクス回路とを配置したアクティブマトリクス基板を作製する場合の作製工程例を図１〜図３を用いて説明する。なお、本実施例は一例を示すものであり、本発明はこの作製工程に限定されるものではない。

図１（Ａ）において、１０１は石英基板である。石英基板の代わりに表面に0.5 〜5μｍの厚さの絶縁膜を形成したセラミックス基板、シリコン基板を用いることもできる。なお、太陽電池に使用される様な低級シリコン基板は安価であるので反射型表示装置の様に透光性基板を用いる必要のない用途に用いる場合に有効である。

また、１０２は非晶質珪素膜であり、最終的な膜厚（熱酸化後の膜減りを考慮した膜厚）が10〜75nm（好ましくは15〜45nm）となる様に調節する。非晶質珪素膜１０２の成膜は減圧熱ＣＶＤ法又はプラズマＣＶＤ法によれば良い。

この際、本実施例では成膜ガスにジボラン（Ｂ_２Ｈ_６ ）を導入し、非晶質珪素膜１０２中に所定量のボロンを含有させる。ボロンを添加するのはしきい値電圧を全体的に１Ｖ程度プラス側へシフトさせるためである（マイナス側へシフトさせる場合はリンまたは砒素等を用いれば良い）。含有量は予め実験的に求めておく必要があるが、ここでは２ppm の含有量となる様に調節する。

次に、非晶質珪素膜１０２を結晶化するのであるが本実施例では結晶化手段として特開平8-78329 号公報記載の技術を利用する。まず、非晶質珪素膜１０２の表面に薄い酸化膜（図示せず）を形成する。そして次に、触媒元素（以下、本実施例ではニッケルを例にする）の添加領域を選択するマスク絶縁膜１０３を形成する。

マスク絶縁膜１０３を形成したら、非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を含む溶液をスピンコート法により塗布し、ニッケル含有層１０４を形成する。なお、触媒元素としてはニッケル以外にも、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等、珪素の結晶化を助長する元素を用いることができる。（図１（Ａ））

次に、ニッケルの添加工程が終了したら、マスク絶縁膜１０３を除去した後に不活性雰囲気、Ｏ_２雰囲気またはＨ_２雰囲気において 500〜700 ℃、代表的には 550〜650 ℃の温度で 4〜8 時間の加熱処理を加えて非晶質珪素膜１０２の結晶化を行う。その際、非晶質珪素膜１０２の結晶化はニッケルを添加した添加領域１０５、１０６から優先的に進行し、基板１０１と概略平行に成長した横成長領域１０７、１０８が形成される。（図１（Ｂ））

結晶化のための加熱処理が終了したら、マスク絶縁膜１０４を除去する。次いでハロゲン元素を含む雰囲気中で700 ℃を超える温度、好ましくは800 〜1000℃（代表的には950 ℃）で 0.1〜 6hr（代表的には 0.5〜 1hr）の加熱処理を行い、ニッケルのゲッタリング工程（１回目）を行う。本発明では、この時しきい値制御のための不純物元素（本実施例ではボロン）を含む化合物ガスを雰囲気中に導入する。（図１（Ｃ））

本実施例では上記加熱処理を酸素雰囲気中に対して塩化水素（ＨＣｌ）を0.5〜10体積％、三塩化ボロン（ＢＣｌ_３ ）を0.1 〜10体積％の濃度で含有させた雰囲気中で行う。この際、珪素膜中からボロンが離脱しない様に処理雰囲気と被処理面との間をボロンにとって化学的に平衡な状態に保つことが重要である。

なお、ハロゲン元素を含む化合物としてＨＣｌガスを用いる例を示したが、それ以外のガスとして、代表的にはＨＦ、ＮＦ_３ 、ＨＢｒ、Ｃｌ_２ 、ＣｌＦ_３ 、ＢＣｌ_３ 、ＢＦ_３ 、Ｆ_２ 、Ｂｒ_２ 等のハロゲンを含む化合物から選ばれた一種または複数種のものを用いることが出来る。

また、本実施例の場合、しきい値制御のための不純物元素を含む化合物ガスとしてはＢＣｌ_３ 以外にもＢ_２Ｈ_６ 、ＢＦ_３ 等を用いることができる。また、しきい値制御にリンを用いる場合にはＰＨ_３ 、ＰＦ_３ 、ＰＣｌ_３ を、砒素を用いる場合にはＡｓＨ_３ 、ＡｓＦ_３ 、ＡｓＣｌ_３ を用いれば良い。

この工程においては結晶性珪素膜（前述の結晶化工程後に残存した非晶質成分はこの熱処理で完全に結晶化する）中に残存するニッケルが塩素の作用によりゲッタリングされ、揮発性の塩化ニッケルとなって気相中へ離脱する。

なお、図１（Ｄ）のゲッタリング工程では珪素膜表面において熱酸化反応が進行するため、珪素膜上には膜厚の増加した酸化膜１０９が形成される。ただし、この酸化膜１０９は塩化ニッケルの離脱を妨げるブロッキング層とはならない。また、酸化膜１０９はシリコン原子がジクロロシラン（SiH_２Cl_２ ）等の化合物となって離脱するのを防ぐ効果も有する。

そして、この触媒元素のゲッタリング工程により横成長領域１０７、１０８中のニッケルの濃度は 1×10^１７atoms/cm^３ 以下（好ましくはスピン密度以下）にまで低減される。また、同様のＳＩＭＳ分析により横成長領域１０７、１０８中にはゲッタリング処理に使用したハロゲン元素が 1×10^１５〜 1×10^２０atoms/cm^３ の濃度で残存することも確認されている。

また、このゲッタリング工程の間に、しきい値制御のために意図的に添加されたボロンが三塩化ボロンとなって離脱すると考えられる。しかし、処理雰囲気中に含まれる三塩化ボロンと化学的に平衡な状態に保たれるため、珪素膜中からのボロンの離脱を効果的に抑制することができる。

次に、酸化膜１０９を除去した後、パターニングを行い図１（Ｄ）に示す様な横成長領域のみでなる島状半導体層（活性層）１１０〜１１２を形成する。そして、その上に後にゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜１１３を成膜する。酸化珪素膜１１３の膜厚は後の熱酸化工程で形成される熱酸化膜の膜厚も考慮して最終的に必要とする膜厚となる様に調節すれば良い。

次に、図２（Ａ）に示す様に再び触媒元素のゲッタリング工程（２回目）を行う。条件は前述の条件をそのまま用いることができる。この時、活性層１１０〜１１２と酸化珪素膜１１３の界面では熱酸化反応が進行し、形成された熱酸化膜（図示せず）の分だけ酸化珪素膜１１３の全膜厚は増加する。

さらに、上記ハロゲン雰囲気における加熱処理を施した後に、窒素雰囲気中で950 ℃ 1時間程度の加熱処理を行なうことで、酸化珪素膜１１３の膜質の向上と共に、極めて良好な半導体／絶縁膜界面が実現される。

以上の様な工程を経て形成された結晶性珪素膜は複数の棒状または偏平棒状結晶は互いにほぼ平行に方向性をもって成長した結晶構造体となっている。そして個々の棒状結晶が互いにほぼ平行に延在する結晶粒界によって仕切られた構造となっている。

以上の様な結晶構造体でなる活性層１１０〜１１２が得られたら、次に、0.2wt%のスカンジウムを含有したアルミニウム膜（図示せず）を成膜し、後のゲイト電極の原型となる電極パターンを形成する。なお、アルミニウム膜の代わりにタンタル、タングステン、モリブデン、シリコン等を用いることもできる。そして、そのパターンの表面を陽極酸化することで、ゲイト電極１１４〜１１６、陽極酸化膜１１７〜１１９を形成する。（図２（Ｂ））

次に、ゲイト電極１１４〜１１６をマスクとして自己整合的に酸化珪素膜１１３のエッチングを行う。エッチングはＣＨＦ３ ガスを用いたドライエッチング法で行えば良い。この工程により、ゲイト電極の直下のみに残存するゲイト絶縁膜１２０〜１２２が形成される。

次に、Ｐチャネル型ＴＦＴとなる領域を覆ってレジストマスク１２３を形成した後、Ｎ型を付与する不純物イオンの添加を行う。不純物イオンの添加はイオン注入法やプラズマドーピング法によれば良い。また、この時の濃度（ｎ⁻ で表す）は後にＬＤＤ領域の濃度（ 1×10^１８〜 1×10^１９atoms/cm^３ 程度）となるので、予め最適値を実験的に求めて精密な制御を行う必要がある。こうして、ｎ⁻ 領域１２４〜１２７が形成される。（図２（Ｃ））

ｎ⁻ 領域１２４〜１２７を形成したら、レジストマスク１２３を除去して、今度はＮチャネル型ＴＦＴを覆ってレジストマスク１２８を形成する。そして、Ｐ型を付与する不純物イオンの添加を行い、ｐ⁻ 領域１２９、１３０を形成する。このｐ⁻ 領域１２９、１３０も後にＬＤＤ領域の濃度（ 5×10^１８〜 5×10^１９atoms/cm^３ 程度）となるので精密な制御を行う必要がある。（図２（Ｄ））

以上の様にしてｎ⁻ 領域１２４〜１２７、ｐ⁻ 領域１２９、１３０を形成したら、レジストマスク１２８を除去する。そして、図示しない酸化珪素膜を 0.5〜2 μｍの厚さに成膜し、エッチバック法によりサイドウォール１３１〜１３３を形成する。（図２（Ｅ））

次に、再びＰチャネル型ＴＦＴを覆ってレジストマスク１３４を形成し、Ｎ型を付与する不純物イオンの添加工程を行う。今回は前述の添加濃度であるｎ⁻ よりも高い濃度（ｎ^＋ で表す）で添加する。この濃度はソース／ドレイン領域のシート抵抗が500 Ω以下（好ましくは300 Ω以下）となる様に調節する。

この工程によりＣＭＯＳ回路を構成するＮチャネル型ＴＦＴのソース領域１３５、ドレイン領域１３６、低濃度不純物領域（特にドレイン領域側はＬＤＤ領域と呼ばれる）１３７となる。また、ゲイト電極の直下にはチャネル形成領域１３８が形成される。また、同時に画素マトリクス回路を構成するＮチャネル型画素ＴＦＴのソース領域１３９、ドレイン領域１４０、低濃度不純物領域１４１、チャネル形成領域１４２が形成される。（図３（Ａ））

次に、レジストマスク１３４を除去し、Ｎチャネル型ＴＦＴを覆ってレジストマスク１４３を形成する。そして、Ｐ型を付与する不純物イオンを１度目よりも高い濃度（ｐ＋ で表す）で添加することにより、ＣＭＯＳ回路を構成するＰチャネル型ＴＦＴのソース領域１４４、ドレイン領域１４５、低濃度不純物領域１４６、チャネル形成領域１４７を形成する。（図３（Ｂ））

以上の様にして全ての活性層が完成する。こうして全ての不純物イオンの添加工程が終了したら、レジストマスク１４３を除去した後、ファーネスアニール、レーザーアニール、ランプアニール等の加熱処理により不純物イオンの活性化を行う。なお、活性層が受けたイオン注入時のダメージは同時に回復される。

次に、チタン（Ｔｉ）膜１４８を20〜50nmの厚さに成膜して、ランプアニールによる加熱処理を行う。この時、チタン膜１４８と接触していた珪素膜はシリサイド化し、ソース／ドレイン領域にはチタンシリサイド１４９〜１５１が形成される。なお、チタンの代わりにコバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等を用いることもできる。

シリサイド化を終えたら、チタン膜１４８をパターニングしてソース／ドレイン領域上に島状パターン１５２〜１５４を形成する。この島状パターン１５２〜１５４は、後にソース／ドレイン領域と配線とを接続するコンタクトホールを形成する際にチタンシリサイド１４９〜１５１が無くなってしまうのを防ぐためのパターンである。

次に、第１の層間絶縁膜１５５として酸化珪素膜を 0.3〜1 μｍの厚さに成膜し、コンタクトホールを形成してソース配線１５６〜１５８、ドレイン配線１５９、１６０を形成する。こうして図３（Ｄ）に示す状態が得られる。

図３（Ｄ）に示す状態が得られたら、有機性樹脂膜でなる第２の層間絶縁膜１６１を 0.5〜3 μｍの厚さに形成する。有機性樹脂膜としてはポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド等が用いられる。有機性樹脂膜の利点は、(1)成膜方法が簡単である点、(2)容易に膜厚を厚くできる点、(3)比誘電率が低いので寄生容量を低減できる点、(4)平坦性に優れている点などが挙げられる。

そして、層間絶縁膜１６１上（画素ＴＦＴの上方）に遮光性を有する膜でなるブラックマスク１６２を 100nmの厚さに形成する。なお、本実施例ではブラックマスクとしてチタン膜を用いるが、黒色顔料を含む樹脂膜等でも良い。

ブラックマスク１６２を形成したら、第３の層間絶縁膜１６３として再び有機性樹脂膜を 0.1〜0.3 μｍの厚さに形成する。そして、第２の層間絶縁膜１６１および第３の層間絶縁膜１６３にコンタクトホールを形成し、画素電極１６４を 120nmの厚さに形成する。なお、ブラックマスク１６２と画素電極１６４との間で補助容量１６５を形成することができる。（図３（Ｅ））

最後に、基板全体を水素雰囲気で加熱し、素子全体の水素化を行うことで膜中（特に活性層中）のダングリングボンド（未結合手）を補償する。以上の工程を経て同一基板上にＣＭＯＳ回路および画素マトリクス回路を配置したアクティブマトリクス基板を作製することができる。

以上の様にして作製した複数のＴＦＴは、チャネル形成領域に添加された（チャネルドープが施された）ボロンが効果的に機能するため、設計通りのしきい値電圧を確保することができる。

ここで、本発明の効果を図６に示すＴＦＴの電気特性で説明する。ＴＦＴの電気特性とは横軸にゲイト電圧（Ｖｇ）、縦軸にドレイン電流（Ｉｄ）の対数をとったグラフであり、Id-Vg 特性とも呼ばれる代表的なデータである。なお、図６で示すのはＮチャネル型ＴＦＴであるので、一般的にゲイト電圧が−６Ｖ〜０Ｖの時にオフ状態を示し、０Ｖ〜６Ｖの時にオン状態を示す。従って、Id-Vg 特性は０Ｖ近辺でドレイン電流が増加してオフ状態からオン状態またはその逆に切り換わる様子を表している。

ただし、正確にはゲイト電圧がしきい値電圧と一致した時にオン／オフ状態が切り換わったと見なされる。即ち、Id-Vg 特性のドレイン電流が立ち上がる時の電圧としきい値電圧とは必ずしも一致しない。しかし、Id-Vg 特性が全体的に左右へシフトすればしきい値電圧もそれと対応してシフトするので、相対的にはId-Vg 特性の立ち上がり電圧のシフトでしきい値電圧のシフトを評価できる。

なお、図６（Ａ）は本発明を適用した場合の電気特性であり、しきい値電圧は約 0.3Ｖである。また、図６（Ｂ）は本発明を適用しない場合の電気特性であり、しきい値電圧は約-0.5Ｖである。また、図６（Ｃ）はチャネルドープを行わずに従来プロセスの場合の電気特性であり、しきい値電圧は約-0.7Ｖである。

本発明者らは従来プロセスで作製したＴＦＴのしきい値電圧をプラス側に１Ｖだけシフトさせる様にチャネルドープの不純物濃度を調節した。即ち、図６（Ｃ）で約-0.7Ｖであるしきい値電圧が図６（Ａ）で 0.3Ｖとなったことは、図６（Ａ）の特性にはチャネルドープの効果が現れていることを示している。なお、本発明を適用しない図６（Ｂ）の場合、しきい値電圧は-0.5Ｖとなり、チャネルドープの効果が殆ど消えていることが判る。以上の結果は、本発明が非常に効果的であることを明確に示している。

以上の様に、本発明を適用することで、チャネルドープの効果を損なうことなくハロゲン元素を含む雰囲気での加熱処理を行うことができる。即ち、前記加熱処理によって得られる効果（珪素膜の結晶性の改善等）を得つつ、精密なしきい値制御を施すことが可能である。

なお、本実施例に示す工程で作製されたＴＦＴは極めて高い性能を有し、単結晶シリコンウェハ上に形成されたＩＧＦＥＴに匹敵する或いは凌駕する電気特性を得ることができる。例えば、サブスレッショルド係数（Ｓ値）がＮ型ＴＦＴ、Ｐ型ＴＦＴ共に60〜100mV/decadeと小さく、電界効果移動度（μ_ＦＥ）が、Ｎ型ＴＦＴで200 〜650cm^２/Vs （代表的には250 〜300cm^２/Vs ）、Ｐ型ＴＦＴで100 〜300cm^２/Vs （代表的には150 〜200cm^２/Vs ）と大きい。

本実施例では高温ポリシリコン技術に対して本発明を適用する場合の例を示す。なお、説明を簡単にするためＮチャネル型ＴＦＴを作製する場合について説明するが、公知のシングルゲイトＣＭＯＳ回路やデュアルゲイトＣＭＯＳ回路に応用することは容易である。

図４（Ａ）において、４０１が石英基板、４０２は結晶性珪素膜でなる活性層である。結晶性珪素膜は非晶質珪素膜を600 ℃24〜48hrの加熱処理で結晶化して得られる。勿論、本実施例では非晶質珪素膜を成膜する際にしきい値制御のための不純物元素としてボロンを添加している。（図４（Ａ））

次に、酸素雰囲気中に３％の塩化水素と７％のジボランを含む雰囲気中において1000℃30min の加熱処理を行う。この加熱処理により後にゲイト絶縁膜として機能する熱酸化膜４０３が50nmの厚さに形成される。（図４（Ｂ））

処理雰囲気中にハロゲン元素を含ませると熱酸化膜（ゲイト絶縁膜）の膜質が改善されることは既に知られている。また、この場合にもハロゲン元素によってしきい値制御のための不純物元素がゲッタリングされるので、本発明を適用しておくことで化学的に平衡な雰囲気としておくことが重要である。

次に、Ｎ型導電性を有するポリシリコン膜を成膜し、パターン形成してゲイト電極４０４を形成する。ゲイト電極４０４を形成したら、フッ酸系のエッチャントで露出したゲイト絶縁膜４０３を除去し、Ｐイオンを注入してＮ型領域４０５、４０６を形成する。（図４（Ｃ））

次に、エッチバック法を利用してサイドウォール４０７を形成して再びＰイオンの注入を行う。この工程によりソース領域４０８、ドレイン領域４０９、低濃度不純物領域４１０、チャネル形成領域４１１が画定する。これらの不純物領域は熱アニールまたはレーザーアニールで活性化する。（図４（Ｄ））

こうして図４（Ｄ）の状態が得られたら、コバルト膜を成膜してランプアニールを施し、コバルトシリサイド４１２〜４１４を形成する。この技術は既にサリサイドプロセスとして知られている。

次に、酸化珪素膜でなる層間絶縁膜４１５を形成し、コンタクトホールを形成してソース配線４１６、ドレイン配線４１７を形成する。最後に水素化処理を行い、図４（Ｅ）に示すシリコンゲイト型ＴＦＴが完成する。

実施例１および実施例２では、非晶質珪素膜の成膜ガスの一つとしてジボランを導入してボロンを含有させる例を示したが、イオン注入または質量分離しないプラズマドーピング法を用いてＢイオンを添加する手段を用いても良い。

その場合、結晶性珪素膜にイオン注入を行うと再び非晶質化してしまうので、結晶化工程の前に添加しておくことが望ましい。また、マスクを用いてチャネル形成領域となる領域のみに選択的に添加することもできる。

本発明は様々な電気光学装置に対しても適用することができる。例えば、実施例１に示したアクティブマトリクス基板と対向基板との間に液晶を挟持すればアクティブマトリクス型液晶表示装置となる。その場合、画素電極を透光性材料で形成すれば透過型液晶表示装置となり、光反射性材料で形成すれば反射型液晶表示装置となる。

また、アクティブマトリクス基板の構造を多少変更することで容易にアクティブマトリクス型ＥＬ表示装置やアクティブマトリクス型ＥＣ表示装置等を作製することができる。

本発明は、(1)チャネル形成領域にしきい値制御のための不純物元素を添加する工程、(2)ハロゲン元素を含む雰囲気中で加熱処理を行う工程、を製造プロセスとして含む半導体装置全般に適用することができる。

従って、絶縁表面を有する基板上に形成される半導体回路は言うに及ばず、シリコンウェハー上に形成されるＩＧＦＥＴ（絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ）で構成された半導体回路に適用することも可能である。

本明細書中において「半導体装置」とは半導体を利用して機能する装置全てを指しており、次の様なものが半導体装置の範疇に含まれるものとする。
（１） ＴＦＴ、ＩＧＦＥＴ等の単体素子。
（２） （１）の単体素子を利用した半導体回路
（３） （１）、（２）で構成される電気光学装置。
（４） （２）、（３）を具備した電子デバイス。

本実施例では、本発明を適用しうる半導体装置の一例として各種電子デバイスについて図５を用いて説明する。本発明を利用した半導体装置としては（デジタル）ビデオカメラ、（デジタル）スチルカメラ、ヘッドマウントディスプレイ、カーナビゲーション、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話等）などが挙げられる。また、最近脚光を浴びているＰＨＳ（Personal Handyphone System）搭載型携帯情報端末にも適用できる。

図５（Ａ）はモバイルコンピュータ（モービルコンピュータ）であり、本体２００１、カメラ部２００２、受像部２００３、操作スイッチ２００４、表示装置２００５で構成される。本発明は表示装置２００５や内部回路に適用することができる。

図５（Ｂ）はヘッドマウントディスプレイであり、本体２１０１、表示装置２１０２、バンド部２１０３で構成される。本発明は表示装置２１０２に適用することができる。

図５（Ｃ）はカーナビゲーションシステムであり、本体２２０１、表示装置２２０２、操作スイッチ２２０３、アンテナ２２０４で構成される。本発明は表示装置２２０２や内部回路に適用することができる。

図５（Ｄ）は携帯電話であり、本体２３０１、音声出力部２３０２、音声入力部２３０３、表示装置２３０４、操作スイッチ２３０５、アンテナ２３０６で構成される。本発明は表示装置２３０４や通信用の高周波回路などに適用することができる。

図５（Ｅ）はビデオカメラであり、本体２４０１、表示装置２４０２、音声入力部２４０３、操作スイッチ２４０４、バッテリー２４０５、受像部２４０６で構成される。本発明は表示装置２４０２に適用することができる。

以上の様に、本発明の応用範囲は極めて広く、あらゆる分野の表示媒体に適用することが可能である。また、これ以外にもＩＣ、ＬＳＩといった半導体回路を必要とする製品であれば用途を問わない。

アクティブマトリクス基板の作製工程を示す図。 アクティブマトリクス基板の作製工程を示す図。 アクティブマトリクス基板の作製工程を示す図。 シリコンゲイト型ＴＦＴの作製工程を示す図。 電子デバイスの一例を説明するための図。 ＴＦＴの電気特性を説明するための図。

Claims (19)

1. １３族または１５族の不純物元素を含有する結晶性珪素を、ハロゲン元素及び前記不純物元素を含有する雰囲気中で加熱処理することによって、前記結晶性珪素表面に熱酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
2. 請求項１において、
   前記結晶性珪素は、シリコンウェハーであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
3. １３族または１５族の不純物元素を含有する結晶性珪素膜を形成した後、
   ハロゲン元素及び前記不純物元素を含有する雰囲気中で前記結晶性珪素膜を加熱処理することによって、前記結晶性珪素膜表面に熱酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
4. 珪素の結晶化を助長する触媒元素を用いて結晶化され、且つ１３族または１５族の不純物元素を含有する結晶性珪素膜を形成した後、
   ハロゲン元素及び前記不純物元素を含有する雰囲気中で前記結晶性珪素膜を加熱処理することによって、前記結晶性珪素膜から前記触媒元素をゲッタリングするとともに前記結晶性珪素膜表面に熱酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
5. 請求項４において、
   前記触媒元素は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種の元素であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
   前記雰囲気は、前記ハロゲン元素を含む第１の化合物と、前記不純物元素を含む第２の化合物と、を含有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
7. 請求項６において、
   前記第１の化合物は、ＨＣｌ、ＨＦ、ＮＦ _３ 、ＨＢｒ、Ｃｌ _２ 、ＣｌＦ _３ 、Ｆ _２ 、又はＢｒ _２ の化合物から選ばれた一種又は複数種からなる化合物であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
8. 請求項６又は請求項７において、
   前記不純物元素は、ボロンであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
9. 請求項６又は請求項７において、
   前記不純物元素は、アルミニウムであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
10. 請求項６又は請求項７において、
    前記不純物元素は、ガリウムであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
11. 請求項６又は請求項７において、
    前記不純物元素は、リンであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
12. 請求項６又は請求項７において、
    前記不純物元素は、砒素であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
13. 請求項６又は請求項７において、
    前記不純物元素は、アンチモンであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
14. 請求項８において、
    前記第２の化合物は、ＢＣｌ _３ 、Ｂ _２ Ｈ _６ 、又はＢＦ _３ であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
15. 請求項９において、
    前記第２の化合物は、ＡｌＣｌ _３ であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
16. 請求項１０において、
    前記第２の化合物は、ＧａＣｌ _３ であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
17. 請求項１１において、
    前記第２の化合物は、ＰＨ _３ 、ＰＦ _３ 、又はＰＣｌ _３ であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
18. 請求項１２において、
    前記第２の化合物は、ＡｓＨ _３ 、ＡｓＦ _３ 、又はＡｓＣｌ _３ であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
19. 請求項１３において、
    前記第２の化合物は、ＳｂＣｌ _３ であることを特徴とする半導体装置の作製方法。

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