JP4106204B2 - 半導体装置の製造方法 - 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、さらに詳しくは、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、この発明は、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に有効であり、アクティブマトリックス型の液晶表示装置,密着型イメージセンサ,三次元ＩＣ(集積回路)等に利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置や高速で高解像度の密着型イメージセンサや三次元ＩＣ等への実現に向けて、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。上記各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(ａ‐Ｓｉ(アモルファス・シリコン))半導体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】
上記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に富むために、最も一般的に用いられている。ところが、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) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザ光等のエネルギービーム照射によって結晶成長を行わせる。
(２) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、加熱処理によって固相状態で結晶成長を行わせる。
等の方法が知られている。
【０００５】
一般的には(１)の方法がよく用いられている。この方法においては、溶融固化過程の結晶化現象を利用するために、小粒径ながらも結晶粒内の結晶欠陥は少なく、比較的高品質な結晶性ケイ素膜が得られる。しかしながら、粒界部での欠陥密度は高く、それがキャリアに対して大きなトラップとして働き、半導体装置の性能面から見た場合には十分であるとは言えない。また、光源においても、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザを例にとっても、未だ十分な安定性を有するものが得られておらず、半導体素子間の特性ばらつきが問題となっている。
【０００６】
また、(２)の方法においては、上記(１)の方法と比較すると基板内の均一性や安定性においては有利である。しかしながら、６００℃で３０時間程の長時間に渡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がある。さらに、この方法においては、結晶構造が双晶構造となるために、一つの結晶粒は数μmと比較的大きいのであるが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、上記(１)の方法に比べて結晶性は劣る。
【０００７】
しかしながら、最近、これらの方法の改善策として、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によって、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とを図る方法が注目されている。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケル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。この方法においては、金属元素を核とした結晶核発生が早期に起り、その後に上記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のである。さらに、このような方法によっ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(２)の方法)とは異なり、一つの粒内で結晶欠陥の多い双晶構造ではなく、何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、小さいながらも夫々の柱状結晶内部は略単結晶状態になっている。
【０００８】
特開平１０‐２２３５３４号公報および特開平ｌ０‐２２９０４８号公報においては、触媒元素によって結晶化されたケイ素に対して、その一部にリン等の５族Ｂの元素を選択的に導入して加熱処理を行うことによって、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)させるようにしている。更に、これらの公報においては、上記ゲッタリング工程の加熱処理を強光照射により行っている。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。その場合における強光に対する吸収効率の高い膜を、上記特開平１０‐２２３５３４号公報の場合には、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。また、上記特開平１０‐２２９０４８号公報の場合には、５族Ｂの元素を導入した後に新たに基板全面に対して設けている。
【０００９】
また、特開平１１‐３１６６０号公報では、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜の表面に熱酸化膜を形成し、その上にリンを高濃度に含有するケイ素膜を設けて熱処理を行うことによって、上層のケイ素膜へと触媒元素を移動させ、下層の結晶性ケイ素膜の触媒元素濃度の低減を図っている。そして、上層のリンを含むケイ素膜を除去して、下層の結晶性ケイ素膜を半導体装置の活性領域として用いるようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１０‐２２３５３４号公報,特開平ｌ０‐２２９０４８号公報および特開平１１‐３１６６０号公報に開示されているような高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法には、以下のような問題がある。
【００１１】
すなわち、上述したように、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ので、加熱温度の低温化や加熱時間の短縮化を図ることができ、結晶化後に得られるケイ素膜の結晶性は他の従来の結晶化方法に比べて明らかに優れてはいる。しかしながら、上記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。
【００１２】
したがって、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。そのためには、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。このような不安定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。
【００１３】
そのため、第２に、上記各公報のように、触媒元素を用いて結晶成長させた後に、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ある。しかしながら、本発明者らが実際に特開平１０‐２２３５３４号公報及び特開平１０‐２２９０４８号公報のような方法を用いて実験を行い、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分った。具体的には、上記ゲッタリングと称される工程の後にも触媒元素は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る。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、上述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。
【００１４】
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ことになる。実際にＴＦＴを試作してみると、上記特開平１０‐２２３５３４号公報および特開平１０‐２２９０４８号公報の方法では、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。
【００１５】
また、上記特開平１１‐３１６６０号公報は、活性領域となる結晶性ケイ素膜の上に、全面的にリンを高濃度に含有するケイ素膜を設けて熱処理を行うことによって、上層のケイ素膜へと縦方向(膜厚方向)へと触媒元素を移動させるユニークな方法である。したがって、そのゲッタリング距離(触媒元素の移動すべき距離)は、膜厚分のみであるため、上述した２つの公報(横方向へのゲッタリング)に比べて、距離が短くて済み、高いゲッタリング効果が期待できる。しかしながら、この方法をもってＴＦＴを試作したところ、決してゲッタリング能力は高くはなく、触媒元素濃度の低減については全く十分とは言えないものであった。上述の２つの公報と比べても、同レベルか、寧ろやや劣るものであった。
【００１６】
以上述べたように、上記従来の３公報に開示されたゲッタリング方法では、素子領城中の触媒元素量を十分に低減することはできない。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い。
【００１７】
そこで、この発明の目的は、ばらつきの少ない安定した特性を有する集積度の高い高性能な半導体装置を簡便な製造プロセスにて得ることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、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第１の非晶質ケイ素膜を形成し、上記第１の非晶質ケイ素膜に、結晶化を促進するためのニッケルを導入する工程と、
第１の加熱処理を施して、上記ニッケルが導入された第１の非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせて結晶性ケイ素膜とする工程と、
上記結晶性ケイ素膜上に、第２の非晶質ケイ素膜を形成する工程と、
上記第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化しない条件で第２の加熱処理を行って、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルを上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動させる工程と、
上記第２の非晶質ケイ素膜を除去した後、上記結晶性ケイ素膜を用いて半導体装置の活性領域を形成する工程
を含み、
上記第２の加熱処理は、基板の平面形状と概略相似形の断面形状を有する炉心管の中に、上記基板が、基板面を炉心方向に向けると共に、炉心管と基板との間のスペースが１０mm以上且つ８０mm以下になるように配置されるファーネス炉を用いて行われる
ことを特徴としている。
【００１９】
上記構成によれば、第１の非晶質ケイ素膜に結晶化を促進するニッケルが導入され、第１の加熱処理が施されて結晶性ケイ素膜となる。そうした後、上記結晶性ケイ素膜上に第２の非晶質ケイ素膜が形成され、この第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化しない条件で第２の加熱処理が行われて、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルが上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動される。このように、上記第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化されない条件で加熱処理が行われることによって、上記第２の非晶質ケイ素膜におけるダングリングボンド(不対結合手)等の欠陥が上記ニッケルに対する偏折サイトとなり、上記結晶性ケイ素膜から移動された上記ニッケルがトラップされる。
【００２０】
その結果、上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行わない従来法に比べて、上記結晶性ケイ素膜における残留ニッケル量が大幅に低減される。したがって、上記従来法に比べて、半導体装置におけるオフ動作時のリーク電流の異常が無くなり、高い信頼性が得られるのである。
【００２１】
さらに、ファーネス炉における炉心管と基板との間のスペースが１０mm以上且つ８０mm以下であるため、上記第２の加熱処理時に上記基板表面へ供給される雰囲気ガスの量を増やすことができる。したがって、早い昇降温速度が実現されると共に上記基板内の温度分布が略一定に保たれて、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても割れや反りの無い安定した処理が実現される。
【００２２】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記基板の平面形状および炉心管の断面形状は矩形状である。
【００２３】
この実施例によれば、矩形の平面形状を有する基板に対して、ファーネス炉における炉心管との間のスペースが最適に保たれて、上記第２の加熱処理時に必要な早い昇降温速度が実現されると共に、上記基板内の温度分布が略一定に保たれる。
【００２４】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の加熱処理は、上記第２の非晶質ケイ素膜に全く結晶核が発生しない条件で行われる。
【００２５】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜に全く結晶核が発生しない条件で上記第２の加熱処理が行われる。こうして、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルが上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動される全期間において、最大限のゲッタリング偏析サイトが保持される。したがって、上記偏折サイトへの上記ニッケルのトラップ作用が最大限に引き出されて、最も高いゲッタリング効果が得られる。
【００２６】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の加熱処理は、上記結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度と上記第２の非晶質ケイ素膜中のニッケル濃度とが熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で行われる。
【００２７】
この実施例によれば、熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で上記第２の加熱処理が行われる。したがって、上記熱平衡状態の偏析状態となった時点でゲッタリング作用は飽和状態となり、最も高く安定したゲッタリング効果が得られる。
【００２８】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の加熱処理は、４５０℃以上且つ５５０℃以下の加熱温度および５分以上且つ４時間以下の処理時間で行われる。
【００２９】
この実施例によれば、図７から分かるように、上記ニッケルが距離１００nmだけゲッタリングされる。したがって、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルが、膜の厚さ方向に十分ゲッタリングされることになる。
【００３０】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記加熱温度は４８０℃以上且つ５２０℃以下であり、上記処理時間は１０分以上且つ２時間以下である。
【００３１】
この実施例によれば、液晶表示用のアクティブマトリクス基板のマザーボードに使用される６００mm×７２０mmで厚さ０.７mmtのガラス基板であっても、重量によって撓むことなく上記第２の加熱処理が行われる。
【００３２】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の加熱処理では、５℃/分を上回る昇温速度で加熱処理温度まで昇温し、加熱処理終了後は５℃/分を上回る降温速度で降温する。
【００３３】
この実施例によれば、ガラス基板を用いた場合に、余分な加熱処理による熱的ダメージがなく、且つ、上記ゲッタリング効果が損なわれることもなく、上記第２の加熱処理が行われる。
【００３４】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜は５族Ｂから選ばれた元素を含んでいる。
【００３５】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜は５族Ｂから選ばれた元素を含んでいるため、上記第２の非晶質ケイ素膜におけるニッケルの固溶度が飛躍的に上る。したがって、上記偏折サイトへの上記ニッケルのトラップによるゲッタリング作用に加えて、上記固溶度の差によるニッケルのゲッタリング作用も同時に行われる。こうして、上記結晶性ケイ素膜におけるニッケル濃度がより低減される。
【００３６】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記５族Ｂから選ばれた元素は、リン,ヒ素およびアンチモンのうちの一種または複数種である。
【００３７】
この実施例によれば、５族Ｂから選ばれＰ,ＡsおよびＳbのうちの一種または複数種が、上記第２の非晶質ケイ素膜に含有される。こうして、上記ニッケルが効率的に移動され、十分なゲッタリング効果が得られる。
【００３８】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜はリンを含んでいる。
【００３９】
この実施例によれば、上記５族Ｂから選ばれた元素中、最も高いゲッタリング効果が得られるＰが上記第２の非晶質ケイ素膜に含まれる。したがって、より高いゲッタリング効果が得られる。
【００４０】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記リンを含んだ第２の非晶質ケイ素膜は、少なくともシランガスとホスフィンガスとを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ(化学気相成長法)によって形成される。
【００４１】
上記第２の非晶質ケイ素膜にリンを含有させる場合にイオンドーピング法を用いた場合には、上記基板が高温になって非晶質ケイ素膜が微結晶化される。その場合には、上述したようなゲッタリング効果が小さくなってしまう。この実施例によれば、少なくともＳiＨ4ガスとＰＨ3ガスとを材料ガスとした成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成されるので、略完全な非晶質状態のケイ素膜が得られると共に、上記リンの濃度も非常に高濃度になる。そのため、上記ニッケルのゲッタリング効果が損なわれることは無いのである。
【００４２】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜は、上記リンに加えてホウ素をも含んでいる。
【００４３】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜にホウ素を含ませることによって、上記第２の非晶質ケイ素膜でニッケルが析出し易くなる。その結果、リンによるニッケルの固溶度の差を利用した拡散移動型ゲッタリング作用よりも、欠陥あるいは偏析サイトヘのゲッタリング作用の方が優勢になる。その場合、後者のゲッタリング作用の方がゲッタリング能力が高いため、より大きなニッケルのゲッタリング効果が得られる。
【００４４】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記リンおよびホウ素を含んだ第２の非晶質ケイ素膜は、少なくともシランガスとホスフィンガスとジボランガスを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成される。
【００４５】
この実施例によれば、少なくともＳiＨ4ガスとＰＨ3ガスとＢ2Ｈ6ガスを材料ガスとした成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって上記リン及びホウ素を含んだ第２の非晶質ケイ素膜が形成されるので、略完全な非晶質状態のケイ素膜が得られると共に、上記リンおよびホウ素の濃度も非常に高濃度になる。そのため、上記ニッケルのゲッタリング効果が損なわれることは無い。
【００４６】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜は、アルゴン,クリプトンおよびキセノンから選ばれた希ガス元素を含んでいる。
【００４７】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜にはＡr,ＫrおよびＸeから選ばれた希ガス元素が含有されるため、大きな格子間歪みが生じる。したがって、上記欠陥・偏析サイトによるゲッタリング作用が、非常に強力に働くことができるようになる。しかも、これらの元素は上記第２の非晶質ケイ素膜の結晶成長を阻害して結晶成長速度を遅らせるために、上記第２の加熱処理時において、上記第２の非晶質ケイ素膜はより非晶質状態のままで保たれる。こうして、より大きなゲッタリング作用が得られるのである。
【００４８】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜はアルゴンを含んでいる。
【００４９】
この実施例によれば、上記Ａr,ＫrおよびＸeから選ばれた元素中、最も高いゲッタリング効果が得られるＡrが上記第２の非晶質ケイ素膜に含まれる。したがって、より高いゲッタリング効果が得られる。
【００５０】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、プラズマＣＶＤ法によって形成された後、イオンドーピング法によってアルゴンが導入される。
【００５１】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜が先に形成された後、ドーピング法によってＡr元素が導入されることで、上記第２の非晶質ケイ素膜の格子間歪みがより大きくなり、より高いゲッタリング効果が得られる。また、その場合のドーピングの材料ガスは希ガスであり、純度ｌ００％であるので、ドーピングのスループットが非常に高い。
【００５２】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に、上記第２の非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパとして機能するバリア薄膜を形成する。
【００５３】
下層の上記結晶性ケイ素膜と上層の上記第２の非晶質ケイ素膜とは同様のケイ素膜系材料であるので、１００％近いエッチング選択比をもった選択エッチングは不可能である。この実施例によれば、活性領域となる結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に、上記ニッケルをトラップした第２の非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパとなるバリア薄膜が形成されているので、上記下層の結晶性ケイ素膜を残して上記上層の第２の非晶質ケイ素膜のみが完全に除去される。
【００５４】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記バリア薄膜は、膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜である。
【００５５】
この実施例によれば、上記バリア薄膜として膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜が用いられているため、エッチングストッパとして十分なエッチング選択比を有している。更には、上記バリア薄膜を通して、下層の結晶性ケイ素膜から上層の第２の非晶質ケイ素膜へのニッケルの移動が行われ、十分なゲッタリング効果が得られる。
【００５６】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第１の加熱処理によって得られた結晶性ケイ素膜にレーザ光を照射して,上記結晶性ケイ素膜の結晶性を高める工程を含むと共に、上記第２の非晶質ケイ素膜は,上記結晶性が高められた結晶性ケイ素膜上に形成される。
【００５７】
この実施例によれば、上記第１の加熱処理によって得られた結晶性ケイ素膜にレーザ光が照射されて、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。その場合、ニッケルを導入して結晶化された上記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。そのため、強光の照射によって結晶粒界部が処理されると、基板全面に亙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。こうして、上記結晶性ケイ素膜の結晶性が高められる。
【００５８】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第１の非晶質ケイ素膜に対するニッケルの導入量は、全反射蛍光Ｘ線測定値で５×１０11cm-2以上且つ５×１０13cm-2以下である。
【００５９】
この実施例によれば、上記第１の非晶質ケイ素膜に対するニッケルの導入量は５×１０11cm-2以上である。したがって、十分な結晶成長が引き起こされる。また、上記ニッケルの導入量は５×１０13cm-2以下である。したがって、結晶成長に寄与しない過剰なニッケルが析出することが無く、後のゲッタリング工程においても十分なゲッタリングが行われる。
【００６０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞
本実施の形態においては、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の工程にこの発明を適用した場合について説明する。本実施の形態におけるＴＦＴは、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバ回路や画素部分は勿論のこと、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。
【００６１】
図１及び図２は、本実施の形態におけるＴＦＴの製造工程の概要を示す断面図であり、図１(a)から図２(g)の順に従ってＴＦＴの作製工程が進行する。先ず、図１(a)に示すように、ガラス基板１上に、例えばプラズマＣＶＤ法によって、厚さ３００nm〜５００nm程度の酸化ケイ素２からなる下地膜を形成する。この酸化ケイ素膜２は、ガラス基板１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２０nm〜８０nm(例えば４０nm)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ‐Ｓi膜)３を成膜する。本実施の形態においては、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、シラン(ＳiＨ4)ガスとＨ2ガスとを材料ガスとして用い、基板加熱温度を３００℃とし、ＲＦ(高周波)パワーのパワー密度を１０mＷ/cm2〜２００mＷ/cm2(例えば８０mＷ/cm2)として成膜した。
【００６２】
次に、上記ａ‐Ｓi膜３の表面上にニッケル４の微量添加を行う。このニッケル４の微量添加は、ニッケル４を溶かした溶液をａ‐Ｓi膜３上に保持し、スピナーによって溶液をａ‐Ｓi膜３上に均一に延ばして乾燥させることによって行う。本実施の形態においては、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度が１０ppmとなるようにした。このようにしてａ‐Ｓi膜３の表面上に添加されたニッケル４の濃度を、全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法によって測定すると、７×１０12atoms/cm2程度であった。
【００６３】
さらに、これを、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を行う。この加熱処理においては、昇温中にａ‐Ｓi膜３中の水素離脱を行う第１ステップの熱処理を行い、その後さらに高温での第２ステップの熱処理によってａ‐Ｓi膜３の結晶化を行う。具体的には、第１ステップの加熱処理として４５０℃〜５２０℃で１時間〜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は５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間のアニール処理を行う。本実施の形態においては、一例として５００℃にて１時間の第１ステップの熱処理を行った後、５５０℃で４時間の第２ステップの熱処理を行った。この加熱処理によって、ａ‐Ｓi膜３の表面に添加されたニッケル４がａ‐Ｓi膜３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３の結晶化が進行する。その結果、図１(b)に示すように、ａ‐Ｓi膜３は結晶化され、結晶性ケイ素膜３aとなる。
【００６４】
次に、図１(b)に示すように、レーザ光５を照射することによって結晶性ケイ素膜３aを再結晶化して、その結晶性を向上させる。このときのレーザ光５としては、ＸeＣlエキシマレーザ(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)を用いた。レーザ光の照射条件は、照射時に半導体積層体を２００℃〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２５０mＪ/cm2〜４５０mＪ/cm2(例えば３５０mＪ/cm2)で照射した。ビームサイズは、ガラス基板１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３aの任意の一点において計２０回のレーザ照射が行われることになる。このようにして、固相結晶化によって得られた結晶性ケイ素膜３aは、レーザ照射による溶融固化過程によって結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜３bとなる。
【００６５】
次に、図１(c)に示すように、上記結晶性ケイ素膜３b表面を薄膜酸化することで、エッチングストッパとなる酸化ケイ素膜６を形成する。酸化ケイ素膜６の形成は、結晶性ケイ素膜３b表面にオゾン水を保持することで行う。その場合におけるオゾン水中のオゾン濃度は５mg/ｌ以上であることが望ましく、本実施の形態においては８mg/ｌとした。結晶性ケイ素膜３b表面におけるオゾン水の保持時間は１分である。より緻密な酸化ケイ素膜６を形成する場合には、上記オゾン水処理の前に、結晶性ケイ素膜３b表面の自然酸化膜を除去しておくことが望ましく、本実施の場合においてもオゾン水処理の前にフッ酸洗浄を行い、活性なケイ素膜表面を露出させてからオゾン水による処理を行った。このようにして形成された酸化ケイ素膜６の膜厚を分光エリプソによって測定したところ、約３０Åであった。
【００６６】
次に、上記酸化ケイ素膜６を覆うように、プラズマＣＶＤ法によって、ノンドープの(イントリンシックな)ａ‐Ｓi膜７とリンを含むａ‐Ｓi膜８との２層を形成する。本実施の形態においては、マルチチャンバのプラズマＣＶＤ装置を用いて、大気中に出すことなく、上記２層７,８を連続して形成した。この場合、下層のａ‐Ｓi膜７は、ニッケル４に対するゲッタリングシンクであることに加えて、上層のリンを含むａ‐Ｓｉ膜８から活性層のケイ素膜３bへのリンの拡散・汚染を防止するためのバッファ層の役割も担っている。この場合におけるａ‐Ｓi膜７の成膜には、基板加熱温度を３５０℃とし、ＳiＨ4ガスとＨ2ガスとを材料ガスに用いている。一方、リンを含んだａ‐Ｓi膜８の形成は、ＳiＨ4とフォスフィン(ＰＨ3)とを材料ガスとして用いる。その際に、ａ‐Ｓi膜８中のリン濃度は、フォスフィンガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実施の形態においては、ＰＨ3/ＳiＨ4流量比を３/１００とした。このときのａ‐Ｓi膜８中のリン濃度は１％程度である。
【００６７】
そして、この状態で、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を施す。この場合における処理温度および処理時間は、４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間、より好ましくは４８０℃〜５２０℃の温度で１０分〜２時間である。また、上記処理温度までの昇温速度および処理温度からの降温速度は、少なくとも５℃/分以上で行うことが望ましい。本実施の形態においては、加熱温度５００℃で１時間の処理を行った。その際に、基板を２００℃程度で余熱した状態から５００℃まで３０分で(昇温速度１０℃/分で)昇温し、処理後５００℃から２００℃まで同様に３０分で降温した。
【００６８】
この加熱処理において、ゲッタリングシンクとなる第２の非晶質ケイ素膜７,８には結晶核の発生が起こらず、全く結晶化しない状態(非晶質状態)のままで保たれる。したがって、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができるのである。また、本実施の形態では、上記ガラス基板１として、３２０mm×４００mmで厚さ０.７mmtのコーニング社コード１７３７のノンアニール品ガラス基板を用いたが、この加熱処理による反りや撓みや割れ等は勿論生じなかった。さらに、メートルサイズの大型ガラス基板の場合でも、本実施の形態のような加熱処理であれば、問題なく使用可能であることを確認している。
【００６９】
本実施の形態においては、上記加熱処理を、図１０に示すような、基板の平面形状と概略相似形の断面形状をもつ炉心管９１の中に、基板面を炉心方向に向けると共に、炉心管９１と基板とをその間のスペースが最小になるように配置したファーネス炉を用いて行った。炉心管９１は、ガラス基板１のサイズ３２０mm×４００mmより一回り大きな矩形状をもつ断面で構成されており、その内側のサイズは４００mm×４８０mmである。基板９２のチャージ枚数は２０枚であり、２０枚の基板９２が同時処理される。そして、窒素ガスが炉心管９１の上方から供給されて、基板９２間へと拡散して、各基板９２を面内均一に加熱することが可能になっている。
【００７０】
図１０において、石英チューブ(炉心管)９１は５００℃で加熱されており、チューブ９１下のホームポジション９５において、基板９２をチャージしたボート９３が２００℃に余熱されている。そして、矢印(Ａ)で示すようにボート９３がチューブ９１内へ入って行くと共に昇温され、ボート９３全体が完全にアニールゾーン９６に入ると基板２２の熱処埋がスタートするのである。降温は、逆に、ボート９３を余熱ゾーンであるホームポジション９５に降ろすことによって行われる。
【００７１】
このようなファーネス炉を用いることによって、早い昇降温速度を実現できると共に、その場合における基板内の温度分布を略一定に保つことができる。したがって、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても、割れや反りの無い安定した処理が実現可能なのである。
【００７２】
上述のような熱処理によって、上記ａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜３b中のニッケル４が、図１(d)に矢印９で示すように上方向に向かって引き出される。その際に、リンを含むａ‐Ｓi膜８においては、リンによるニッケルのゲッタリング効果も加わって、より強烈なゲッタリングシンクとして作用する。このときニッケル４は薄膜の酸化ケイ素膜６を通過して移動するのであるが、本実施の形態のような膜厚の酸化ケイ素膜６では、その移動の妨げとはならない。
【００７３】
その結果、上記結晶性ケイ素膜３b中のニッケル４の殆どは、上層のａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８へ移動し、これらの膜７,８でのニッケル濃度が高くなる。逆に、下層の結晶性ケイ素膜３bのニッケル濃度は大幅に低減され、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜３cが得られるのである。上述した５００℃で１時間の加熱処理においては、結晶性ケイ素膜３c中のニッケル濃度とゲッタリングシンクである上層のａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８中のニッケル濃度とは、熱平衡状態の偏析状態となっている。すなわち、これ以上処理時間を延ばしてもニッケル４の移動は生じない状態である。
【００７４】
この状態における実際の結晶性ケイ素膜３c中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)により測定したところ、５×１０16atoms/cm3程度にまで低減されていた。ちなみに、本実施の形態のようにゲッタリングシンクのａ‐Ｓi膜７,８を結晶化させないような加熱処理を行うことの無い従来法によるニッケル濃度は、２×１０17atoms/cm3程度である。尚、この熱処理工程前における結晶性ケイ素膜３bの膜中ニッケル濃度は１×１０18atoms/cm3程度であり、上記熱処理によって約１/２０まで(上記従来法の１/４まで)残留ニッケル濃度を低減することができるのである。また、この段階で結晶性ケイ素膜３cに残っているニッケル４は、シリサイド状態では無く固溶した状態で存在しているため、ＴＦＴの電気特性上問題とならないのである。
【００７５】
次に、上述したようにニッケル４をゲッタリングしてニッケル濃度が高くなったａ‐Ｓi膜７とリンを含むａ‐Ｓi膜８とを、全面的にエッチングすることによって除去する。その場合におけるエッチングとしては、下層の酸化ケイ素膜６がエッチングストッパとして十分作用するように、酸化ケイ素膜と十分エッチング選択比のあるエッチャントが用いられる。本実施の形態の場合には、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、ａ‐Ｓi膜７,８を除去した後、酸化ケイ素膜６をエッチング除去する。その場合のエッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜３cと選択性のある１：１００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行った。
【００７６】
その後、上記結晶性ケイ素膜３cにおける不要な部分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２(e)に示すように、後にＴＦＴの活性領域(ソース・ドレイン領域およびチャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜１０が形成される。
【００７７】
次に、図２(f)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜１０を覆って、厚さ２０nm〜１５０nm(ここでは１００nm)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１として成膜する。上記酸化ケイ素膜の形成は、ここではＴＥＯＳ(テトラ・エトキシ・オルソ・シリケート)を原料とし、酸素と共に基板温度１５０℃〜６００℃（好ましくは３００℃〜４５０℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積して行った。あるいは、上記ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスと共に減圧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℃)で形成しても差し支えない。ゲート絶縁膜１１の成膜後、ゲート絶縁膜１１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するために、不活性ガス雰囲気下で５００℃〜６００℃で１時間〜４時間のアニールを行う。
【００７８】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００nm〜８００nm(例えば６００nm)のアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングしてゲート電極１２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１３を形成する。この状態が図２(f)に相当する。尚、本ＴＦＴをアクティブマトリクス基板の画素ＴＦＴとする場合には、ゲート電極１２は、平面的にはゲートパスラインを同時に構成することになる。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、その状態を１時間保持して終了させる。得られた酸化物層１３の厚さは２００nmである。尚、この酸化物層１３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になるので、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。
【００７９】
次に、イオンドーピング法によって、上記ゲート電極１２とその周囲の酸化物層１３とをマスクとして上記活性領域に不純物(リン)を注入する。ドーピングガスとしてフォスフィン(ＰＨ3)を用い、加速電圧を６０kＶ〜９０kＶ(例えば８０kＶ)、ドーズ量を１×１０15cm-2〜８×１０15cm-2(例えば２×１０15cm-2)とする。この工程によって、不純物が注入された領域１４と領域１５とは後にＴＦＴのソース・ドレイン領域となり、ゲート電極１２およびその周囲の酸化物層１３にマスクされて不純物が注入されない領域１６は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。
【００８０】
その後、図２(f)に示すように、レーザ光１７を照射してアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上述した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。その際に、使用するレーザとしてはＸeＣlエキシマレーザ(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)を用い、エネルギー密度１５０mＪ/cm2〜４００mＪ/cm2(好ましくは２００mＪ/cm2〜２５０mＪ/cm2)で照射を行う。このようにして形成されたＮ型不純物(リン)領域１４,１５のシート抵抗は、２００Ω/□〜５００Ω/□である。
【００８１】
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等の層間絶縁膜１８を形成する。尚、上記酸化ケイ素膜を用いる場合には、ＴＥＯＳを原料として、上記ＴＥＯＳと酸素とのプラズマＣＶＤ法、若しくは、オゾンとの減圧ＣＶＤ法や常圧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が得られる。また、ＳiＨ4とＮＨ3と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。
【００８２】
次に、上記層間絶縁膜１８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との二層膜)によってＴＦＴのソース電極・配線１９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のを目的としたバリア膜として設けられる。本ＴＦＴ２１を画素ＴＦＴとして用いる場合には、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(インジュウム錫酸化物)等の透明導電膜からなる画素電極２０を設ける。この場合、ソース電極・配線１９はソースバスラインの一部を構成することになる。そして、このソースバスラインを介してビデオ信号が供給され、ゲートバスラインおよびゲート電極１２からのゲート信号に基づいて画素電極２０に必要な電荷が書き込まれる。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下において、３５０℃で１時間のァニールを行い、図２(g)に示すＴＦＴ２１を完成させる。さらに、必要に応じて、ＴＦＴ２１を保護する目的で、ＴＦＴ２１上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【００８３】
本実施の形態に従って作製したＴＦＴは、電界効果移動度が２５０cm2/Ｖs程度,閾値電圧が１.５Ｖ程度と非常に高性能であるにも拘らず、触媒元素を用いて作成した従来のＴＦＴに頻繁に見られた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。このリーク電流の値は、触媒元素を用いずに作成した従来のＴＦＴと比べても全く遜色が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができる。
【００８４】
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殆どＴＦＴの特性劣化は見られず、従来のＴＦＴと比べて非常に信頼性が高い。そして、本実施の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、触媒元素を用いて作成した従来のＴＦＴを用いたものに比べて表示斑が明らかに少なく、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を得ることができた。
【００８５】
上述のごとく、本実施の形態においては、ガラス基板１上にａ‐Ｓi膜３を成膜し、ａ‐Ｓi膜３の表面上にニッケル４を７×１０12atoms/cm2程度添加する。そして、不活性雰囲気下において、昇温中にａ‐Ｓi膜３中の水素離脱を行う第１ステップの熱処理と、更に高温での第２ステップの熱処理とによってａ‐Ｓi膜３の結晶化を行って、結晶性ケイ素膜３aを得る。
【００８６】
次に、上記レーザ光５を照射して、固相結晶化によって得られた結晶性ケイ素膜３aを溶融固化させることによって結晶欠陥を低減し、より高品質な結晶性ケイ素膜３bにする。そして、ノンドープのａ‐Ｓi膜７とリンを含むａ‐Ｓi膜８とを形成して、不活性雰囲気下における４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間の加熱処理を、５℃/分以上の昇温・降温速度で施す。この加熱処理によって、ゲッタリングシンクとなる第２の非晶質ケイ素膜７,８には結晶核の発生が起こらず、全く結晶化しない状態(非晶質状態)のままで保たれる。したがって、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができるのである。
【００８７】
このような熱処理によって、上記ａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜３b中のニッケル４が上方向に向かって引き出される。その際、リンを含むａ‐Ｓi膜８においては、リンによるニッケルのゲッタリング効果も加わって、より強烈なゲッタリングシンクとして作用する。
【００８８】
したがって、本実施の形態によれば、上記結晶性ケイ素膜３b中のニッケル４の殆どは、上層のａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８へ移動して、下層の結晶性ケイ素膜３bのニッケル濃度は大幅に低減されて、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜３cが得られる。すなわち、ゲッタリングシンクを結晶化させない加熱処理を行わない従来法の約１/４まで残留ニッケル濃度を低減することができるのである。
【００８９】
尚、本実施の形態によるＴＦＴ製造工程は、アクティブマトリックス基板の画素電極を対象にしたものである。しかしながら、本半導体装置の製造方法は薄膜集積回路等にも簡単に応用でき、その場合には、ゲート電極１２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。
【００９０】
＜第２実施の形態＞
本実施の形態においては、アクティブマトリッ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とを相補型に構成したＣＭＯＳ(相補型金属酸化膜半導体)構造のＴＦＴ回路をガラス基板上に作製する際の工程に、この発明を適用した場合について説明する。
【００９１】
図３および図４は、本実施の形態に係るＴＦＴの製造工程の概要を示す断面図であり、図３(a)から図４(g)の順に従ってＴＦＴの製造工程が進行する。先ず、図３(a)に示すように、ガラス基板３１上に、例えばスパッタリング法によって厚さ３００nm〜５００nm程度の酸化ケイ素３２からなる下地膜を形成する。この酸化ケイ素膜３２は、ガラス基板３１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２０nm〜８０nm(例えば４０nm)の真性(Ｉ型)のａ‐Ｓi膜３３を成膜する。本実施の形態においては、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、ＳiＨ4ガスとＨ2ガスとを材料ガスとして用い、加熱温度を３００℃とし、ＲＦパワーのパワー密度を１０mＷ/cm2〜２００mＷ/cm2(例えば８０mＷ/cm2)として成膜した。
【００９２】
次に、上記ａ‐Ｓi膜３３の表面上にニッケル３４の微量添加を行う。このニッケル３４の微量添加は、ニッケル３４を溶かした溶液をａ‐Ｓi膜３３上に保持し、スピナーによって溶液をａ‐Ｓi膜３３上に均一に延ばして乾燥させることによって行う。本実施の形態においては、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が１ppmとなるようにした。このようにしてａ‐Ｓi膜３３の表面上に添加されたニッケル３４の濃度を上記ＴＲＸＲＦ法によって測定すると、５×１０12atoms/cm2程度であった。
【００９３】
さらに、これを、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を行う。この加熱処理においては、５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間のアニール処理を行うことが望ましく、本実施の形態においては、一例として５５０℃で４時間の熱処理を行った。この加熱処理によって、ａ‐Ｓi膜３３の表面に添加されたニッケル３４のシリサイド化が起こり、それを核としてａ‐Ｓi膜３３の結晶化が進行する。その結果、図３(b)に示すように、ａ‐Ｓi膜３３は結晶化されて結晶性ケイ素膜３３aとなる。
【００９４】
しかしながら、上記ニッケル３４の添加量では、ａ‐Ｓi膜３３を総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た状態で結晶成長が停止する。上記加熱処理における加熱温度が５７０℃以下の場合には、ケイ素膜自体の結晶成長は起こらないため、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、本実施の形態による５５０℃で４時間の加熱処理の後に得られる結晶性ケイ素膜３３a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、レーザ光３５を照射することによって結晶性ケイ素膜３３aをさらに結晶化させて、結晶性ケイ素膜３３bを得る。このときのレーザ光３５としては、ＸeＣlエキシマレーザ(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)を用いた。レーザ光の照射条件は、照射時に半導体積層体を２００℃〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２００mＪ/cm2〜４５０mＪ/cm2(例えば３５０mＪ/cm2)で照射した。ビームサイズは、ガラス基板３１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３３aの任意の一点において計２０回のレーザ照射が行われることになる。このレーザ照射によって、ケイ素膜中に残存していた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】
次に、図３(c)に示すように、上記結晶性ケイ素膜３３b表面を薄膜酸化することで、エッチングストッパとなる酸化ケイ素膜３６を形成する。酸化ケイ素膜３６の形成は、結晶性ケイ素膜３３b表面にエキシマＵＶ光を照射することによって行う。その場合における処理時間は１分である。このようにして形成された酸化ケイ素膜３６の膜厚を分光エリプソによって測定したところ、約３０Åであった。
【００９７】
次に、上記酸化ケイ素膜３６を覆うように、プラズマＣＶＤ法によって、リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７を形成する。このリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７の成膜は、本実施の形態においては、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、ＳiＨ4とＰＨ3とジボラン(Ｂ2Ｈ6)とを材料ガスとして用い、加熱温度を３５０℃として行った。その際に、ａ‐Ｓi膜３７中のリンおよびホウ素の濃度は、これらの３種のガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実施の形態においては、ＰＨ3/Ｂ2Ｈ6/ＳiＨ4流量比を３/１/１００とした。このときのａ‐Ｓi膜３７中のリン濃度は１％程度であり、ホウ素の濃度は０.５％程度である。
【００９８】
そして、この状態で、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を施す。この場合における処理温度および処理時間は、４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間、より好ましくは４８０℃〜５２０℃の温度で１０分〜２時間である。また、上記処理温度までの昇温速度および処理温度からの降温速度は、少なくとも５℃/分以上で行うことが望ましい。本実施の形態においては、加熱温度５００℃で１時間の処理を行った。その際に、基板を２００℃程度で余熱した状態から５００℃まで３０分で(昇温速度１０℃/分で)昇温し、処理後５００℃から２００℃まで同様に３０分で降温した。
【００９９】
この加熱処理において、ゲッタリングシンクとなるリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７には結晶核の発生が起こらず、全く結晶化しない状態(非晶質状態)のままで保たれる。したがって、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができるのである。また、本実施の形態では、ガラス基板３１として、３２０mm×４００mmで厚さ０.７mmtのコーニング社コード１７３７のノンアニール品ガラス基板を用いたが、この加熱処理による反りや撓みや割れ等は勿論生じなかった。さらに、メートルサイズの大型ガラス基板の場合でも、本実施の形態のような加熱処理であれば、問題なく使用可能であることを確認している。本実施の形態の場合にも、上記加熱処理を、上記第１実施の形態において説明した図１０に示すようなファーネス炉を用いて行う。
【０１００】
上述のような熱処理によって、上記リンおよびホウ素を含むａ‐Ｓi膜３７は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜３３b中のニッケル３４が図３(c)に矢印３８で示すように上方向に向かって引き出される。その際に、リンとボロンとの作用によって上記ゲッタリング効果は非常に高められ、より強烈なゲッタリングシンクとして作用する。このとき、ニッケル３４は薄膜の酸化ケイ素膜３６を通過して移動するのであるが、本実施の形態のような膜厚の酸化ケイ素膜３６では、その移動の妨げとはならない。
【０１０１】
その結果、上記結晶性ケイ素膜３３b中のニッケル３４の殆どは、上層のリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７へ移動し、この膜３７でのニッケル濃度が高くなる。逆に、下層の結晶性ケイ素膜３３bのニッケル濃度は大幅に低減され、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜３３cが得られるのである。上述した５００℃で１時間の加熱処理においては、結晶性ケイ素膜３３c中のニッケル濃度とゲッタリングシンクである上層のリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７中のニッケル濃度とは、熱平衡状態の偏析状態となっている。すなわち、これ以上処理時間を延ばしてもニッケル３４の移動は生じない状態である。
【０１０２】
この状態における実際の結晶性ケイ素膜３３c中のニッケル濃度を上記ＳＩＭＳによって測定したところ、４×１０16atoms/cm3程度にまで低減されていた。ちなみに、本実施の形態のようにゲッタリングシンクのａ‐Ｓi膜３７を結晶化させないような加熱処理を行うことの無い従来法によるニッケル濃度は、２×１０17atoms/cm3程度である。尚、この熱処理工程前における結晶性ケイ素膜３３bの膜中ニッケル濃度は１×１０18atoms/cm3程度であり、上記熱処理によって約１/２５(上記従来法の１/５)まで残留ニッケル濃度を低減することができるのである。また、この段階で結晶性ケイ素膜３３cに残っているニッケル３４は、シリサイド状態では無く固溶した状態で存在しているため、ＴＦＴの電気特性上問題とならないのである。
【０１０３】
次に、上述したようにニッケル３４をゲッタリングしてニッケル濃度が高くなったリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７を、全面的にエッチングすることによって除去する。その場合におけるエッチングとしては、下層の酸化ケイ素膜３６がエッチングストッパとして十分作用するように、酸化ケイ素膜と十分エッチング選択比のあるエッチャントが用いられる。本実施の形態の場合には、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、ａ‐Ｓi膜３７を除去した後、酸化ケイ素膜３６をエッチング除去する。その場合のエッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜３３cと選択性のある１：１００ＢＨＦを用い、ウェットエッチングによって行った。
【０１０４】
その後、図３(d)に示すように、上記結晶性ケイ素膜３３cを用いて、後にＴＦＴの活性領域(素子領域)３９n,３９pとなる領域を残し、それ以外の領域を除去して素子間分離を行う。
【０１０５】
次に、図４(e)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜３９n,３９pを覆って、厚さ２０nm〜１５０nm(ここでは１００nm)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜４０として成膜する。上記酸化ケイ素膜の形成は、ここでは上記ＴＥＯＳを原料とし、酸素と共に基板温度１５０℃〜６００℃(好ましくは３００℃〜４５０℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積して行った。
【０１０６】
引き続いて、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４１n,４１p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。本実施の形態においては、窒素が微量に添加されたＴaを用い、厚さを３００nm〜６００nm(例えば４５０nm)とした。
【０１０７】
次に、イオンドーピング法によって、上記ゲート電極４１n,４１pをマスクとして、活性領域３９n,３９pにリン４２を注入する。ドーピングガスとしてＰＨ3を用い、加速電圧を６０kＶ〜９０kＶ(例えば８０kＶ)とし、ドーズ量を２×１０15cm-2〜８×１０15cm-2(例えば５×１０15cm-2)とする。この工程によって、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型不純物領域４３n,４４nが形成される。また、ゲート電極４１nにマスクされて不純物が注入されない領域４５nは、後にＮチャネル型ＴＦＴのチャネル領域となる。一方、Ｐチャネル型ＴＦＴにおけるソース・ドレイン領域４３n',４４n'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。
【０１０８】
次に、図４(f)に示すように、フォトリソグラフィ工程によって、上記Ｎチャネル型ＴＦＴ上に、選択ドーピングのためのマスク４６をフォトレジストで形成する。そして、この状態で、イオンドーピング法によって、Ｐチャネル型ＴＦＴ側のみに選択的に、ゲート電極４１pをマスクとしてホウ素４７を注入する。その場合、ドーピングガスとしてＢ2Ｈ6を用い、加速電圧を４０kＶ〜８０kＶ(例えば６５kＶ)、ドーズ量を１×１０16cm-2〜５×１０16cm-2（例えば２×１０16cm-2)の高ドーズ量とする。この工程によって、Ｐチャネル型ＴＦＴにおけるホウ素４７がドーピングされた領域４３n',４４n'では、先にドーピングされたＮ型不純物であるリンがキャンセルされ、過剰なホウ素４７によって伝導型が反転してＰ型の不純物領域４３p,４４pが形成される。所謂カウンタードーピングである。また、ゲート電極４１pにマスクされてホウ素４７が注入されない領域４５pは、後にＰチャネル型ＴＦＴのチャネル領域となる。このようして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとが夫々形成されるのである。
【０１０９】
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４６を除去した後、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において熱処理を行う。本実施の形態においては、窒素雰囲気中において、６００℃の温度で４時間の熱処理を行った。この熱処理によって、ソース・ドレイン領域４３n,４４n,４３p,４４pの活性化が行われる。こうして得られたＮ型不純物領域４３n,４４nのシート抵抗値は０.４ｋΩ/□〜０.８ｋΩ/□であり、Ｐ型不純物領域４３p,４４pのシート抵抗値は１ｋΩ/□〜２ｋΩ/□である。また、ゲート絶縁膜４０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の向上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られる。
【０１１０】
さらには、上記熱処理工程によって、ソース・ドレイン領域４３n,４４n,４３p,４４pにドーピングされているリンが、チャネル領域４５n,４５p中に残存しているニッケル３４を隣接するソース・ドレイン領域４３n,４４n,４３p,４４pに移動させる。すなわち、チャネル領域４５n,４５pに絞ってのゲッタリングを再度追加することができ、先のゲッタリングと合わせて２段階の完全なゲッタリングを行うことができる。さらに、上述した熱処理工程を高速熱アニール処理によって行うことも可能である。その場合には、ソース・ドレイン領域の活性化およびチャネル領域のゲッタリング効果において、より優れた結果を得ることができるのである。
【０１１１】
続いて、図４(g)に示すように、厚さ９００nm程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜４８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との二層膜)によってＴＦＴの電極・配線４９を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下において、３５０℃で１時間のァニールを行い、Ｎチャネル型ＴＦＴ５０とＰチャネル型ＴＦＴ５１とを完成させる。さらに、必要に応じて、ＴＦＴ５０,５１のゲート電極４１n,４１p上にもコンタクトホールを設けて配線を施しても差し支えない。また、これらのＴＦＴ５０,５１を保護する目的で、ＴＦＴ５０,５１上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【０１１２】
本実施の形態に従って作製したＣＭＯＳ構造ＴＦＴにおいては、夫々のＴＦＴの電界効果移動度は、Ｎ型ＴＦＴ５０で２００cm2/Ｖs〜２５０cm2/Ｖs，Ｐ型ＴＦＴ５１で１００cm2/Ｖs〜１３０cm2/Ｖsと高く、閾値電圧はＮ型ＴＦＴ５０で１.５Ｖ程度，Ｐ型ＴＦＴ５１で−２Ｖ程度と非常に良好な特性を示した。しかも、触媒元素を用いて作成した従来のＴＦＴに頻繁に見られた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。このリーク電流の値は、触媒元素を用いずに作成した従来のＴＦＴと比べても全く遜色が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができる。
【０１１３】
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殆どＴＦＴの特性劣化は見られず、従来のＴＦＴ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。
【０１１４】
上述のごとく、本実施の形態においては、ガラス基板３１上にａ‐Ｓi膜３３を成膜し、ａ‐Ｓi膜３３の表面上にニッケル３４を５×１０12atoms/cm2程度添加する。そして、不活性雰囲気下において５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間加熱処理を行うことによってａ‐Ｓi膜３３の結晶化を行って、微小な非晶質領域が混在した結晶性ケイ素膜３３aを得る。
【０１１５】
次に、上記レーザ光３５を照射して残存する非晶質領域を優先的に溶融させ、膜全体を結晶化して結晶性ケイ素膜３３bにする。そして、リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７を形成して、不活性雰囲気下における４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間の加熱処理を、５℃/分以上の昇温・降温速度で施す。この加熱処理によって、ゲッタリングシンクとなるリンとホウ素と含むａ‐Ｓi膜３７には結晶核の発生が起こらず、全く結晶化しない状態(非晶質状態)のままで保たれる。したがって、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができるのである。
【０１１６】
このような熱処理によって、上記リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜３３b中のニッケル３４が上方向に向かって引き出される。その際、リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７は、リンによるニッケルのゲッタリング効果も加わって、より強烈なゲッタリングシンクとして作用するのである。
【０１１７】
したがって、本実施の形態によれば、上記第１実施の形態の場合と同様に、ゲッタリングシンクを結晶化させない加熱処理を行わない従来法の約１/５まで残留ニッケル濃度を低減することができるのである。
【０１１８】
さらに、上記ゲッタリングが行われた後の結晶性ケイ素膜３３cを用いてＴＦＴ５０,５１を形成した後、不活性雰囲気下において６００℃で４時間の熱処理を行う。こうして、チャネル領域４５n,４５p中に残存しているニッケル３４に対して再度ゲッタリングを行い、先のゲッタリングと合わせて２段階の完全なゲッタリングを行うことができるのである。
【０１１９】
＜第３実施の形態＞
本実施の形態においては、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の工程にこの発明を適用した場合について説明する。本実施の形態におけるＴＦＴは、上記第１実施の形態の場合と同様に、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバ回路や画素部分は勿論のこと、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。
【０１２０】
図５および図６は、本実施の形態におけるＴＦＴの製造工程の概要を示す断面図であり、図５(a)から図６(g)までの順に従ってＴＦＴの作製工程が進行する。先ず、図５(a)に示すように、ガラス基板６１上に、例えばプラズマＣＶＤ法によって、厚さ３００nm〜５００nm程度の酸化ケイ素６２からなる下地膜を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０nm〜８０nm(例えば４０nm)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ‐Ｓi膜)６３を成膜する。
【０１２１】
次に、上記ａ‐Ｓi膜６３の表面上にニッケル６４の微量添加を行う。このニッケル６４の微量添加は、ニッケル６４を溶かした溶液をａ‐Ｓi膜６３上に保持し、スピナーによって溶液をａ‐Ｓi膜６３上に均一に延ばして乾燥させることによって行う。本実施の形態においては、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度が１０ppmになるようにした。このようにしてａ‐Ｓi膜６３の表面上に添加されたニッケル６４の濃度を、ＴＲＸＲＦ法によって測定すると、７×１０12atoms/cm2程度であった。
【０１２２】
さらに、これを、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を行う。この加熱処理においては、５２０℃〜５７０℃の加熱温度で２〜８時間、例えば５５０℃で４時間のアニール処理を行う。この加熱処理によって、ａ‐Ｓi膜６３の表面に添加されたニッケル６４によってａ‐Ｓi膜６３は結晶化され、図５(b)に示すように、結晶性ケイ素膜６３aとなる。
【０１２３】
次に、図５(b)に示すように、レーザ光６５を照射することによって結晶性ケイ素膜６３aを再結晶化し、その結晶性を向上させる。このときのレーザ光６５としては、ＸeＣlエキシマレーザ(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)を用いた。レーザ光６５の照射条件は、照射時に半導体積層体を２００℃〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２５０mＪ/cm2〜４５０mＪ/cm2(例えば３５０mＪ/cm2)である。このようにして、固相結晶化によって得られた結晶性ケイ素膜６３aは、レーザ照射による溶融固化過程によって結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜６３bとなる。
【０１２４】
次に、図５(c)に示すように、上記結晶性ケイ素膜６３b表面を薄膜酸化することで、エッチングストッパとなる酸化ケイ素膜６６を形成する。酸化ケイ素膜６６の形成は、結晶性ケイ素膜６３b表面にオゾン水を保持することで行う。その場合における酸化ケイ素膜６６の膜厚を分光エリプソによって測定したところ、約３０Åであった。
【０１２５】
次に、上記酸化ケイ素膜６６を覆うように、プラズマＣＶＤ法によって、ノンドープの(イントリンシックな)ａ‐Ｓi膜６７を形成する。さらに、このａ‐Ｓi膜６７に対して、Ａr６８をイオンドーピング法によって導入する。その場合、ドーピングガスとしては１００％のＡrを用い、加速電圧を例えば３０kＶとし、ドーズ量を１Ｅ１５cm-2〜１Ｅ１６cm-2、例えば３Ｅ１５cm-2とする。
【０１２６】
そして、この状態で、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を施す。この場合における処理温度および処理時間は、４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間、より好ましくは４８０℃〜５２０℃の温度で１０分〜２時間である。また、上記処理温度までの昇温速度および処理温度からの降温速度は、少なくとも５℃/分以上で行うことが望ましい。本実施の形態においては、加熱温度５００℃で１時間の処理を行った。その際に、基板を２００℃程度で余熱した状態から５００℃まで３０分で(昇温速度１０℃/分で)昇温し、処理後５００℃から２００℃まで同様に３０分で降温した。
【０１２７】
本実施の形態においては、上記ガラス基板６１として、３２０mm×４００mmで厚さ０.７mmtのコーニング社コード１７３７のノンアニール品ガラス基板を用いたが、この加熱処理による反りや撓みや割れ等は勿論生じなかった。さらに、メートルサイズの大型ガラス基板の場合でも、本実施の形態のような加熱処理であれば、問題なく使用可能であることを確認している。尚、本実施の形態の場合にも、上記加熱処理装置を、上記第１,第２実施の形態の場合と同様に、ファーネス炉を用いて行う。
【０１２８】
この加熱処理によって、上記ａ‐Ｓi膜６７は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜６３b中のニッケル６４が、図５(d)に矢印６９で示すように上方向に向かって引き出される。その際に、ａ‐Ｓi膜６７ではドーピングされたＡr６８がより大きな格子間歪みをもたらし、より強烈なゲッタリングシンクとして作用する。このときニッケル６４は薄膜の酸化ケイ素膜６６を通過して移動するのであるが、本実施の形態のような膜厚の酸化ケイ素膜６６では、その移動の妨げとはならない。
【０１２９】
その結果、上記結晶性ケイ素膜６３b中のニッケル６４の殆どは、上層のａ‐Ｓi膜６７へ移動し、この膜６７でのニッケル濃度が高くなる。逆に、下層の結晶性ケイ素膜６３bのニッケル濃度は大幅に低減され、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜６３cが得られるのである。上述した５００℃で１時間の加熱処理においては、結晶性ケイ素膜６３c中のニッケル濃度とゲッタリングシンクである上層のａ‐Ｓi膜６７中のニッケル濃度とは、熱平衡状態の偏析状態となっている。すなわち、これ以上処理時間を延ばしてもニッケル６４の移動は生じない状態である。この状態における実際の結晶性ケイ素膜６３c中のニッケル濃度をＳＩＭＳにより測定したところ、５×１０16atoms/cm3程度にまで低減されていた。
【０１３０】
次に、上述したようにニッケル６４をゲッタリングしてニッケル濃度が高くなったａ‐Ｓi膜６７を、全面的にエッチングすることによって除去する。その場合におけるエッチングとしては、下層の酸化ケイ素膜６６がエッチングストッパとして十分作用するように、酸化ケイ素膜と十分エッチング選択比のあるエッチャントが用いられる。本実施の形態の場合には、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、ａ‐Ｓi膜６７を除去した後、酸化ケイ素膜６６をエッチング除去する。その場合のエッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜６３cと選択性のある１：１００ＢＨＦを用い、ウェットエッチングによって行った。
【０１３１】
その後、上記結晶性ケイ素膜６３cにおける不要な部分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６(e)に示すように、後にＴＦＴの活性領域(ソース・ドレイン領域およびチャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜７０が形成される。
【０１３２】
次に、図６(f)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜１０を覆ってゲート絶縁膜７１を成膜し、成膜したアルミニウム膜をパターニングしてゲート電極７２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７３を形成する。次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極７２と酸化物層７３とをマスクとして上記活性領域に不純物を注入し、後にＴＦＴのソース・ドレイン領域となる領域７４,７５を形成する。また、不純物が注入されない領域７６は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。その後、レーザ光７７を照射してアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化と上述した不純物導入工程で劣化した結晶性の改善とを行う。
【０１３３】
続いて、図６(g)に示すように、層間絶縁膜７８を形成し、この層間絶縁膜７８にコンタクトホールを形成して、ＴＦＴのソース電極・配線７９およびドレイン電極・配線８０を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下において、３５０℃で１時間のァニールを行い、図６(g)に示すＮチャネル型ＴＦＴ８１を完成させるのである。
【０１３４】
上述のごとく、本実施の形態においては、ガラス基板６１上にａ‐Ｓi膜６３を成膜し、ａ‐Ｓi膜６３の表面上にニッケル６４を７×１０12atoms/cm2程度添加する。そして、不活性雰囲気下において５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間加熱処理を行うことによってａ‐Ｓi膜６３の結晶化を行って、微小な非晶質領域が混在した結晶性ケイ素膜６３aを得る。
【０１３５】
次に、上記レーザ光６５を照射して、固相結晶化によって得られた結晶性ケイ素膜６３aを溶融固化させることによって結晶欠陥を低減し、より高品質な結晶性ケイ素膜６３bにする。さらにノンドープのａ‐Ｓi膜６７を形成してＡr６８を導入し、不活性雰囲気下において４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間の加熱処理を、５℃/分以上の昇温・降温速度で施す。この加熱処理によって、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜６７は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜６３b中のニッケル６４が上方向に向かって引き出される。その際に、ａ‐Ｓi膜６７ではドーピングされたＡr６８がより大きな格子間歪みをもたらし、より強烈なゲッタリングシンクとして作用するのである。
【０１３６】
したがって、本実施の形態によれば、上記結晶性ケイ素膜６３b中のニッケル６４の殆どは、上層のａ‐Ｓi膜６７へ移動して、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜６３cが得られる。すなわち、ゲッタリングシンクを結晶化させない加熱処理を行わない従来法の約１/４まで残留ニッケル濃度を低減することができるのである。
【０１３７】
以下、上記各実施の形態における特徴的な部分についてまとめてみる。すなわち、上記各実施の形態は、絶縁基板(ガラス基板１,３１,６１)上に形成された第１のａ‐Ｓi膜３,３３,６３にその結晶化を促進する触媒元素(ニッケル４,３４,６４)を導入し、第１の加熱処理によって結晶成長させた後に、その結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b上に第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を設けて第２の加熱処理を行い、結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b中の触媒元素を第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へと移動させるものである。
【０１３８】
その場合における上記第２の加熱処理を、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が少なくとも完全に結晶化しない状態で行うことが、上記各実施の形態における大きなポイントなのである。そして、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を除去した後、下層の結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cを用いて半導体装置の活性領域を形成するのである。こうすることによって、上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行わない従来法に比べて、上記活性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のである。その結果、上記従来法に比べて、より高い電流駆動能力を有する高性能半導体装置を得ることができ、上記従来法によって作成された活性領域を用いた半導体装置で問題となってい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るのである。
【０１３９】
上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行って触媒元素を移動させるメカニズムについて説明する。触媒元素をある領域へと移動させる(すなわちゲッタリングする)メカニズムの一つとしては、上記領域での触媒元素に対する固溶度を他の領域より上げて、そこへ触媒元素を移動させる方法(第１のゲッタリング作用)がある。また、その他として、上記領域に触媒元素をトラップするような欠陥あるいは局所的な偏析サイトを形成し、そこに触媒元素を移動させトラップさせる方法(第２のゲッタリング作用)がある。
【０１４０】
上記各実施の形態においては、ゲッタリングシンクとして作用する第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を結晶化させない状態で熱処理を行うことで、後者(第２のゲッタリング作用)の利点を引き出すことができるのである。すなわち、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７におけるダングリングボンド等の欠陥がニッケル４,３４,６４に対する偏折サイトとなり、ニッケル４,３４,６４を結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３bより移動させ、上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７でトラップするのである。その結果、半導体装置の活性領域として利用する下層の結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３c中の触媒元素濃度は大きく低減し、半導体装置におけるオフ動作時のリーク電流の異常が無くなり、高い信頼性を得ることができるのである。
【０１４１】
上記第２の加熱処理としては、上記第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が少なくとも完全に結晶化しない状態で行うことで、上述の第２のゲッタリング作用を最低限引き出すことができる。しかしながら、より好ましくは、この熱処理工程中において、ゲッタリングシンクである第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７で結晶核の発生が全く生じない状態で第２の加熱処理を行うことが望ましい。このようにすることで、結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b中のニッケル４,３４,６４を第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へ移動させるゲッタリング工程の全期間において、最大限のゲッタリング偏析サイトを保持することができ、上記第２のゲッタリング作用を最大限に引き出すことができる。すなわち、この状態が、上記各実施の形態において、最も高いゲッタリング効果が得られる状態なのである。
【０１４２】
さらに、上記触媒元素のゲッタリング効果を上げるためには、上記第１,第２実施の形態のごとく、第２のａ‐Ｓi膜８,３７に５族Ｂから選ばれた元素であるリンを含有させることが非常に有効である。こうすることで、第２のａ‐Ｓi膜８,３７における触媒元素の固溶度を飛躍的に上げることができ、固溶度の差による触媒元素の移動(すなわち第１のゲッタリング作用)も同時に行われることになる。すなわち、上述した触媒元素のゲッタリングの２つのメカニズムおよび効果の双方とも同時に得ることができ、下層の活性領域となる結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cにおいて大きく触媒元素の膜中濃度を低減することができるのである。
【０１４３】
この５族Ｂ元素を用いたゲッタリング方法は、上記特開平１０‐２２３５３４号公報,特開平１０‐２２９０４８号公報および特開平１１‐３１６６０号公報で開示されている。しかしながら、これらの総ては、５族Ｂ元素を導入したことによる導入領域と非導入領域とにおける上記触媒元素に対する固溶度の差(触媒元素を移動させる第１のゲッタリング作用)を利用するものである。これに対して、上記第１,第２実施の形態におけるゲッタリングのためのドライビングフォースのメインは、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７中の欠陥等の局所的偏析サイトを利用した第２のゲッタリング作用である。そして、第２のａ‐Ｓi膜８,３７への５族Ｂ元素の導入による第２のゲッタリング作用は副次的なものであり、第１のゲッタリング作用と第２のゲッタリング作用とを組み合わせることによる積算相乗効果によって、上記公各報に開示された従来法に比べて大きくゲッタリング効率を向上するものである。
【０１４４】
上述のようにして得られた結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cは、従来より、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って残留している触媒元素を顕在化させる評価方法を行っても、上記従来法においては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ことによって素子領域内に残存している触媒元素を再凝集させてシリサイド状態とする評価方法を行っても、特開平１１‐３１６６０号公報,特開平１０‐２２３５３４号公報および特開平１０‐２２９０４８号公報において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。
【０１４５】
また、実際に上記各実施の形態によって得られた結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cを用いてＴＦＴを作成したところ、上記各公報および従来の技術によって同様にＴＦＴを作成した場合には３％以上の確率で見られたオフ時のリーク電流の異常な増大現象が全く見られず、正に０％であった。さらに、上記作成したＴＦＴを用いた液晶表示装置では、従来法によるＴＦＴを用いた液晶表示装置で頻発していた線状の表示斑(ドライバ部のサンプリング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ると共に良品率を飛躍的に高めることができた。
【０１４６】
上記各実施の形態は、上記特開平１１‐３１６６０号公報の場合と同様に、活性領域となる結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b上に形成された別のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へと縦方向(膜厚方向)に触媒元素を移動ゲッタリングするものであるが、上述したようにポイントは全く異なるものである。すなわち、上記各実施の形態においてはゲッタリングシンクとして非晶質ケイ素膜を用い、それが結晶化しないような状態で熱処理を用いることで上記第２のゲッタリング作用をもたらし、上層のゲッタリングシンクとなるケイ素膜にリンのような５族Ｂ元素を含まなくてもゲッタリングが可能となる。また、このような膜厚方向へのゲッタリングは、そのゲッタリング距離(触媒元素の移動すべき距離)は膜厚分のみであるため、特開平１０‐２２３５３４号公報および特開平１０‐２２９０４８号公報のような一般的な横方向へのゲッタリングに比べてその移動距離が短くて済む。このことは、低温あるいは短時間の処理でゲッタリングできることを意味しており、非晶質状態を保ったまま熱処理を行う第２のゲッタリング作用を引き出すのに非常に都合がよい。長時間や高温のアニール処理では、安価なガラス基板を用いた場合に反りや撓みが発生するなどの問題も生じるのである。
【０１４７】
さて、上記各実施の形態においては、上述したようにゲッタリングのための第２の加熱処理がポイントであり、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が少なくとも完全に結晶化しない状態で、好ましくは結晶核の発生が全く生じない状態で加熱処理を行う必要がある。そのためには、上記第２の加熱処理における処理温度を低くして時間を短くすることが有効ではあるが、下限が存在する。結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b中のニッケル４,３４,６４を第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７に移動させるためだけの処理温度・時間は最低限必要であるが、最も望ましいのは、結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b中のニッケル濃度と第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７中のニッケル濃度とが、少なくとも熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で行われることである。この状態でゲッタリング作用は飽和した状態となっており、最も高く安定したゲッタリング効果が得られる。すなわち、この状態以前では、中途半端な移動状態であり、プロセス的にも不安定なのである。
【０１４８】
以上の目的から、上記第２の加熱処理における実際の処理条件としては、加熱温度が４５０℃〜５５０℃の範囲内で、５分から４時間の処理時間で行われることが望ましい。図７に、第２の加熱処理における加熱温度とゲッタリング時間との関係(実験結果)を示す。横軸はゲッタリングのための加熱温度である。また、縦軸は触媒元素としてニッケルが導入された結晶性ケイ素膜において１００nmの距離をゲッタリングする(熱平衡の偏析状態となる)のに必要な時間である。膜厚方向にゲッタリングする方法では、ゲッタリング距離は膜厚分だけの非常に短い距離で済む。したがって、ゲッタリング距離１００nmは十分な距離である。図７より、５５０℃では約５分、５００℃では約３０分、４５０℃では約２４０分程度でゲッタリングが終了し飽和状態となる。シミュレーション上では、より早い時間でゲッタリングできるような計算結果が得られているが、実際にはニッケルの固溶度以下での移動が行われていると推測され、その分処理時間が延びるものと考えられる。
【０１４９】
また、上記実験の場合には、下層の結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に自然酸化膜レベルの酸化薄膜が存在しているが、それがニッケルの移動を若干ながら阻害している可能性もある。
【０１５０】
図７の実験結果においては、５族Ｂの元素としてリンを導入した第２の非晶質ケイ素膜を用いているが、上述のような第２の加熱処理方法を用いることで、上記第２のゲッタリング作用を引き出すことができるようになり、上記第２の非晶質ケイ素膜としてノンドープの非晶質ケイ素膜でもゲッタリングシンクとして作用するようになる。以上の理由から、上記第２の熱処理の処理条件としては、加熱温度４５０℃〜５５０℃の範囲内で、５分から４時間の処理時間で行われることが望ましい。
【０１５１】
図７によれば、加熱温度６００℃では１分でゲッタリングが可能であるが、第２の非晶質ケイ素膜が結晶化される可能性がある。そして、５５０℃以下では第２の非晶質ケイ素膜は殆ど結晶化されず、上記第２のゲッタリング作用を引き出すことができる。なぜなら、第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化した段階で上記第２のゲッタリング効果は無くなるからである。また、加熱温度が４５０℃以下になると処理時間が非常に長くなり、スループットの悪化や装置の台数・フットプリントの増加から量産プロセスとしての採用は難しい。
【０１５２】
さらに望ましくは、上記第２の加熱処理として、特に加熱温度４８０℃〜５２０℃の範囲内で、１０分から２時間の処理時間で行われるのが良い。上記各実施の形態による半導体装置の対象としては液晶表示用のアクティブマトリクス基板がある。そして、そのマザーボード(ガラス基板)は、コストダウンのため大型化する傾向にある。また、液晶表示装置のコンパクト化や軽量化のため薄板化する傾向も加わり、そのガラス基板に対して加熱処理を行うことは非常に厳しい。実際に、一般的に使用されているコーニング社コード１７３７のガラス基板を用いた場合、６００mm×７２０mmで厚さ０.７mmtの場合には、加熱温度５００℃で１〜２時間の加熱処理が略限界であることが実験で分っている。上記ガラス基板を用いる場合における最も大きな問題は重量による撓みである。
【０１５３】
上記各実施の形態では、触媒元素を膜厚方向にゲッタリングするためゲッタリング距離が膜厚分だけと非常に短くて済み、上記第２の加熱処理の加熱温度を低温化し且つ時間を短縮することができ、このような大型のガラス基板に対して非常に相性の良い方法なのである。このような点を考慮すると、上述の加熱温度が４８０℃〜５２０℃の範囲内で、１０分から２時間の処理時間で第２の加熱処理を行うのが最適条件であると言える。このような処理条件であれば、十分に量産性の高いプロセスを実現でき、ガラス基板の大型化や薄板化への対応も可能である。さらに、この加熱温度・処理時間内であれば、上記第２の非晶質ケイ素膜において結晶核の発生は生じず、全く結晶化されない。したがって、各実施の形態による効果を最大限に引き出すことができるのである。
【０１５４】
さて、上記第２の加熱処理における基板の加熱処理温度までの昇温速度および降温速度は、共に少なくとも５℃/分を上回ることが望ましい。この昇降温レートが遅いと意図しない余分な加熱処理が加わることになり、ガラス基板への熱的ダメージが増加すると共に、昇温過程や降温過程において結晶化が引き起こされる可能性がある。実験によれば、５℃/分以上の昇温速度および降温速度で上記第２の加熱処理を行えば、上記効果を損なうことはなく、特に問題も出ないことが分っている。
【０１５５】
上記第２の加熱処理を、上記第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が完全に結晶化しない条件で行う他の理由として、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を除去する工程上の問題がある。すなわち、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７を除去する工程においては、アルカリ溶液を用いることによって、エッチングストッパとなる下層の酸化ケイ素膜６,３６,６６に対して大きなエッチング選択比が得られるのである。その場合におけるアルカリ溶液としては、ＴＭＡＨ(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)等の無機アルカリ液が用いられる。
【０１５６】
しかしながら、図８に示すように、このようなアルカリ液によるケイ素膜のエッチングにおいては、ケイ素膜が結晶化するとエッチングの時間と量との間に線形性が無くなり、極端にエッチングレートが低下し、エッチング残差が非常に残り易くなるのである。そして、このようなエッチング残差が生ずると、最終的に上記エッチング残差はＴＦＴのチャネル界面に存在することになるため、正常なＴＦＴ特性を示さず不良となる。したがって、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が完全に結晶化しない条件で上記第２の加熱処理を行うことによって、後工程でのエッチング除去が行い易くなり、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７の除去工程に伴う不良を大きく低減できるのである。
【０１５７】
より最適には、上記第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が全く結晶化しない条件で上記第２の加熱処理を行うことが望ましい。上述したように結晶化領域のエッチングレートが非晶質領域よりも遅いため、結晶化領域と非晶質領域とが混在していると、図９に示すように、結晶化領域がエッチング残差となって残り易いのである。したがって、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７の結晶化が全く起らない条件で上記第２の加熱処理を行うことによって、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７のエッチング時における結晶性の違いによるエッチングレートの違いと、それに伴うエッチング残差の問題とを、完全に解決することができる。したがって、上記エッチング残差に起因するＴＦＴ不良は全く見られなくなるのである。尚、図９(a)は、エッチング前およびエッチング途中における第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７表面の模式図であり、図９(b)は、断面の模式図である。
【０１５８】
この発明の目的を達成するためには、上記第２の加熱処理を行う製造装置の構成も重要なポイントとなる。上記各実施の形態において、上記第２の加熱処理を行う工程は、上述したように、基板の平面形状と概略相似形の断面形状を有する炉心管の中に、基板面を炉心方向に向けて、炉心管と基板との間のスペースが最小になるように基板を配置できるファーネス炉を用いて行うことが望ましい。このような装置構造の概略のコンセプトを図１０および図１１に示す。
【０１５９】
図１０において、石英ボート９３に基板９２が複数枚セットされている。このボート９３が、石英チューブ(炉心管)９１の中に入って加熱処理が行われる。石英ボート９３は基板９２のセット時にはチューブ９１下のホームポジション９５にある。このホームポジション９５内で、２００℃程度で余熱が行われている。そして、矢印(Ａ)に示すように基板９２をチャージしたボート９３がチューブ９１内に入って行くと共に昇温が開始され、完全にアニールゾーン９６内にボート９３全体が入ることで基板９２の加熱処理がスタートする。降温は、逆にボート９３を余熱ゾーンであるホームポジション９５に降ろすことによって行われる。
【０１６０】
ここで、ポイントは、上記石英チューブ９１の断面形状が、図１１(a)に示すように、基板９２の外形より一回り大きい概略相似形の矩形であることである。液晶表示用のアクティブマトリクス基板等のマザーボードとなるガラス基板は、ＩＣ等のシリコンウェハとは異なって、円形ではなく総て矩形状になっている。従来、このようなファーネス炉の石英チューブは、図１１(b)に示すような円形状であるのが通例である。この石英チューブ９７に矩形の基板９２をセットすると、断面的に見て、基板９２とチューブ９７との間に大きな隙間９８が生じることになる。逆に、図１１(a)に示すように、基板９２に概略相似形の矩形断面を有する石英チューブ９１を用いると、その隙間９９を小さくすることができるのである。上記各実施の形態においては、このチューブ９１と基板９２との隙間９９が大きなポイントとなるのである。
【０１６１】
上記各実施の形態においては、上記第２の加熱処理工程を早い昇温速度および降温速度で速やかに行う必要がある。しかしながら、従来のファーネス炉においては、特に６００mm×７２０mmサイズのような大型のガラス基板に対して、実際に上述のような早い昇降温レートを実現するのは極めて困難である。また、大きな問題として、昇降温時の基板内の温度分布が非常に大きくなり、具体的には基板の周辺部と中央部とで２００℃を越えるような温度分布が生じており、その影響による基板の反りや割れ等が頻発していた。
【０１６２】
本発明者らは、この問題を解決するのに、チューブ９１と基板９２との間の隙間９９と、基板９２を複数枚セットする場合における基板ピッチ９４とが大きなパラメーターであることを見出した。すなわち、昇降温速度を上げることとその昇降温時における基板内の温度分布を改善することとを同時に解決できるポイントは、窒素等の雰囲気ガスを基板９２間へどれだけ多く供給できるかである。図１１(c)に、上記第２の加熱処理時における雰囲気ガスの流れを示す。チューブ９１の上部より供給された雰囲気ガス１００は、チューブ９１と基板９２との隙間９９を通って矢印１０１に示すように下方向へ流れ、それと共に基板９２の間へ矢印１０２に示すように流れ込む。この雰囲気ガス１００の流れ１０２、つまり基板９２表面への雰囲気ガス１００の供給量を増やすことで昇降温速度を上げることができ、且つ、その場合における基板９２内の温度分布を略一定に保つことができる。この矢印１０２方向への雰囲気ガス供給量は、基板９２とチューブ９１との間９９を矢印１０１の方向へ流れる雰囲気ガス１００の流速に比例し、基板ピッチ９４の二乗に比例する。矢印１０１への流速を増やすためには、供給ガス量を上げるだけでは不十分であり、チューブ９１と基板９２との隙間９９を１０mm〜８０mmにすることが非常に有効である。その目的のためには、基板９２に概略相似形の矩形断面をもつ炉心管(石英チューブ)９１を用いることが、非常に有効である。
【０１６３】
その理由は、上記隙間９９が１０mm以下の場合には、上記ボート９３とチューブ９１との間に必要なローディングクリアランスが取れない。また、マザーボードとして想定される最小サイズ４００mm×４００mmのガラス基板を円形チューブにきっちり入れた場合の最大隙間が８０mmであるため、８０mm以上では、基板９２に概略相似形の矩形断面を有する石英チューブ９１を用いる意味が無く、目的とする効果が得られないためである。そして、隙間９９を１０mm〜８０mmにすることによって、基板ピッチ９４の最適化と合わせて、上記第２の加熱処理に必要な早い昇降温速度を実現できると共に、その場合における基板９２内の温度分布を略一定に保つことができ、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても、割れや反りの無い安定した処理が実現可能となるのである。
【０１６４】
これは、図１１(b)に示すような従来の円形チューブ９７を用いていては、全く実現できなかったことである。さらには、図１０および図１１に示すようなチャンバ構成の加熱装置をクラスタ状につなぎ、同時処理を行うことで、すなわちマルチチャンバ化することで、非常に高い処理能力を有する製造装置を小さなフットプリントで実現することができる。すなわち、上記第２の加熱処理用の加熱処理装置として、量産を含めて考えても最適な装置となるのである。
【０１６５】
上記各実施の形態においては、上記ゲッタリングのためのドライビングフォースは、主に、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７中の欠陥等の局所的偏析サイトを利用した上記第２のゲッタリング作用である。したがって、上記各実施の形態では、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７は、上述した特開平１０‐２２３５３４号公報,特開平１０‐２２９０４８号公報および特開平１１‐３１６６０号公報のように不純物を含有していなくても、ゲッタリングは可能である。しかしながら、触媒元素のゲッタリング効果を上げるには、上記第１,第２実施の形態の場合のように、第２のａ‐Ｓi膜８,３７に５族Ｂから選ばれた元素をさらに含有させることが有効である。このようにすることで、第２のａ‐Ｓi膜８,３７における触媒元素の固溶度を飛躍的に上げることができ、上記固溶度の差によって触媒元素の移動(すなわち上記第１のゲッタリング作用)も同時に行われるようになる。したがって、上述した触媒元素のゲッタリングの２つのメカニズム・効果の双方共同時に得ることができ、下層の活性領域となる結晶性ケイ素膜３b,３３bにおいて大きく触媒元素の膜中濃度を低減することができるのである。すなわち、上記第ｌのゲッタリング作用と第２のゲッタリング作用とを組み合わせた積算相乗効果によって、従来法に比べて大きくゲッタリング効率を向上できるのである。
【０１６６】
具体的に、上記５族Ｂから選ばれる元素としては、リン(Ｐ)，窒素(Ｎ)，ヒ素(Ａs),アンチモン(Ｓb),ビスマス(Ｂi)から選ばれた少なくとも一つの元素を用いることができる。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、上記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のである。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リンであることが分っている。
【０１６７】
次に、上記リンを含有する第２のａ‐Ｓi膜８を形成する工程においては、少なくともシラン(ＳiＨ4)ガスとホスフィン(ＰＨ3)ガスとを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成することが望ましい。リンを非晶質ケイ素膜に含有させる場合には通常イオンドーピング法を用いるが、その場合には、イオンドーピング時に基板が高温となって非晶質ケイ素膜がマイクロクリスタル化する場合が多い。このような微結晶化が行われると、上述したような効果は小さくなってしまう。ところが、シラン(ＳiＨ4)ガスとホスフィン(ＰＨ3)ガスとを材料ガスとした成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によれば、略完全な非晶質状態のケイ素膜が得られ、またリンの膜中濃度も非常に高濃度にすることができる。しかも処理能力が高く、量産においても適しているのである。
【０１６８】
さらに、上記第２実施の形態の場合のように、５族Ｂから選ばれた元素Ｐ(リン)を含む第２のａ‐Ｓi膜３７にさらにＢ(ホウ素)も含有させた場合には、より大きなゲッタリング効果を得ることができるのである。ゲッタリングシンクのケイ素膜に、リンだけではなくホウ素をもドープすると、そのゲッタリングメカニズムが変わることが分っている。すなわち、リンのみを含んでいる場合には、ノンドープの非ゲッタリング領域との触媒元素の固溶度の差を利用した拡散移動型ゲッタリング(第１のゲッタリング作用)であるが、加えてホウ素を含ませることで逆にゲッタリングシンクで触媒元素が析出し易くなり、欠陥あるいは偏析サイトヘのゲッタリング(第２のゲッタリング作用)が優勢になるのである。
【０１６９】
後者の場合の方が、よりゲッタリング能力は高いのであるが、欠陥・偏析サイトによるゲッタリング作用であるために、アニール温度に対してよりシビアになる。上記各実施の形態では、欠陥のようなゲッタリングサイトを残したまま、加熱処理を行うため、上述のように欠陥・偏析サイトを利用した第２のゲッタリング作用に対して非常に有効である。したがって、このように第２のａ‐Ｓi膜にＰ(リン)に加えてＢ(ホウ素)も含有させることによって、より大きな触媒元素のゲッタリング効果を得ることができ、活性領域での触媒元素濃度の低減を図ることができる。その場合におけるリンとホウ素とを含有する第２のａ‐Ｓi膜３７を形成する方法としては、少なくともシラン(ＳiＨ4)ガスとホスフィン(ＰＨ3)ガスとジボラン(Ｂ2Ｈ6)ガスを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成することが望ましい。このようにすることによって、上述したように、略完全な非晶質状態のケイ素膜を得ることができ、リンとホウ素との膜中濃度も非常に高濃度とすることができる。しかも、処理能力が高く、量産においても適していると言えるのである。
【０１７０】
上記各実施の形態における効果を高めるその他の方法として、上記第３実施の形態のごとく、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜６７にアルゴン(Ａr),クリプトン(Ｋr),キセノン(Ｘe)から選ばれた希ガス元素を含有させることも非常に有効である。ゲッタリングシンクの非晶質ケイ素膜にこれらの希ガス元素が存在すると、そこで大きな格子間歪みが生じるために、元々の特徴である欠陥・偏析サイトによる第２のゲッタリング作用が非常に強力に働くのである。このことは、一般的にＳiウェハを用いるＩＣの分野でもよく知られた技術である。しかしながら、これらの元素は非晶質ケイ素膜中に存在することで、それらが非晶質ケイ素膜の結晶成長を阻害し、結晶成長(結晶核発生)までの潜伏期間が長くなり、結晶成長速度を遅らせる効果を有する。そのために、上記加熱処理時におけるゲッタリングシンクの第２の非晶質ケイ素膜を、より非晶質状態のままで保つことができ、より大きな第２のゲッタリング作用を得ることができるのである。したがって、このような希ガス元素を上記第２の非晶質ケイ素膜に含有させることは、この発明のコンセプト・目的に一致した非常に有効な手段なのである。また、これらの希ガス元素の中で最も効果が高いのはＡrであり、Ａrを用いた場合に最も大きな効果を得ることができるのである。
【０１７１】
このような希ガス元素を含む第２のａ‐Ｓi膜６７を形成する方法としては、プラズマＣＶＤ法によって形成した後に、イオンドーピング法によって希ガス元素を膜中にドーピングする方法が望ましい。ａ‐Ｓi膜を先に形成した後、ドーピングして希ガス元素を導入することで、その格子間歪みをより大きくすることができ、より高いゲッタリング効果が得られるのである。また、その場合のドーピングの材料ガスは希ガスであり、純度ｌ００％であるので、ドーピングの処理能力(スループット)も非常に高い。
【０１７２】
さて、上記各実施の形態においては、第１のａ‐Ｓi膜３,３３,６３にその結晶化を促進させる触媒元素を導入して加熱処理を施し、結晶化させて半導体装置の活性領域となる結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b上に第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を設け、この第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へ触媒元素を移動させるものである。ところが、このゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７は、上記触媒元素をゲッタリングした後は、半導体装置として不必要なものである。よって、この第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７は除去する必要があるが、その際に下層の活性領域となる結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cを残したまま、上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７のみを除去する必要がある。そのためには、下層の結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cと上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７との間で１００％近いエッチング選択比をもったエッチング処理が望まれるが、実際には、同様のケイ素膜系材料であるので、１００％近いエッチング選択比をもった選択エッチングは不可能である。よって、上記各実施の形態においては、活性領域となる結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cと第２のａ‐Ｓi膜７,３７,６７との間に、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を除去する際のエッチングストッパとなるバリア薄膜を設けることが有効である。
【０１７３】
その場合におけるバリア薄膜としては、上記第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を除去する際のエッチングストッパとして、十分なエッチング選択比を有している必要があるのは勿論であるが、このバリア薄膜を通過して下層の結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３bから上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へと触媒元素の移動が行われる必要がある。この触媒元素の移動を阻害するようであれば、ゲッタリングシンクとなる上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７への触媒元素の十分な移動は行われず、ゲッタリング効果を得ることはできない。すなわち、上記各実施の形態による効果は全く無くなってしまう。このような目的から、活性領域の結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３bと第２のａ‐Ｓi膜７,３７,６７との間に設けられるバリア薄膜としては、膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜６,３６,６６を用いることが望ましい。このような膜であれば、上述した目的を双方共満たしている。また、このときの膜厚が５０Åより厚けれは、上記活性領域の結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３bと第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７との間で触媒元素の十分な移動は行われず、触媒元素の高いゲッタリング効果は得られない。
【０１７４】
上記各実施の形態において、上記触媒元素によって結晶化されたケイ素膜３a,３３a,６３aの結晶性をより向上し、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３a,３３a,６３a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、レーザ光を照射する工程を追加することも有効である。前者の高温の酸化雰囲気中において熱処理を行ってその結晶性をさらに向上する方法においては、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜３a,３３a,６３aに対して、さらに高温(８００℃〜１１００℃)で酸化処理を行うと、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、過飽和Ｓi原子がケイ素膜３a,３３a,６３a中の結晶欠陥(特に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。しかしながら、この８００℃〜１１００℃の高温での酸化処理を行う方法では、安価なガラス基板を使用することはできない。その観点から、上記各実施の形態においては、後者のレーザ光を照射する方法がより有効である。
【０１７５】
上記各実施の形態において得られる結晶性ケイ素膜３a,３３a,６３aにレーザ光５,３５,６５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とになる。その場合、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ため、強光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥として残る。それに比べて、触媒元素を導入して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ため、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亙って単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜が得られ、結晶性の観点から、その有効性は非常に高いと言える。また、元々結晶性を有するケイ素膜３a,３３a,６３aに対してレーザ光５,３５,６５を照射させるのであるから、非晶質ケイ素膜に直接レーザ照射して結晶化する方法とは異なり、レーザ照射のばらつきは大きく緩和され、均一性上の問題も生じない。
【０１７６】
但し、このようなレーザ光照射処理を行う工程は、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜３a,３３a,６３a上に第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を設ける工程の前に、すなわち、触媒元素を第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へゲッタリングする前に行うことが望ましい。その理由は、触媒元素による固相結晶化で得られた結晶性ケイ素膜３a,３３a,６３aにレーザ光５,３５,６５を照射すると、触媒元素の存在形態に変化が生じるためである。具体的に述べると、シリサイドとしての凝集・再凝集が起こるためである。活性領域のケイ素膜から触媒元素を取り除くゲッタリング工程としては、活性領域を構成する結晶性ケイ素膜の結晶状態が完全に固まってから行うのが望ましく、そうすることによって理想的なゲッタリングを行うことができる。逆に言うと、ゲッタリング後に結晶性を助長するような処理(レーザ光照射)を行った場合には、この結晶性助長処理によってゲッタリング後に残留し固溶していた触媒元素が再凝集してシリサイド化し、半導体素子に電気的悪影響を与える可能性があるのである。
【０１７７】
さて、上記第１のａ‐Ｓi膜３,３３,６３に導入されてその結晶化を促進させるための触媒元素として利用できる元素としては、上述したニッケル(Ｎi)４,３４,６４の他に、コバルト(Ｃo),鉄(Ｆe)パラジウム(Ｐd),白金(Ｐt),銅(Ｃu),金(Ａu)を利用することができる。これらの中から選択さ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が、それらの中でも、特にニッケル４,３４,６４を用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。その理由については、次のようなモデルを考えることができる。
【０１７８】
すなわち、上記触媒元素は単独では作用せず、上記ａ‐Ｓi膜３,３３,６３と結合してシリサイド化することによって結晶成長に作用する。つまり、その場合における結晶構造がａ‐Ｓi膜３,３３,６３の結晶化時に一種の鋳型のように作用し、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３の結晶化を促すというモデルである。上記Ｎiは、２つのＳiとＮiＳi2なるシリサイドを形成する。ＮiＳi2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、ＮiＳi2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に非常に近い値を有している。したがって、ＮiＳi2は、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、上記各実施の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。
【０１７９】
上記各実施の形態において、上記第１のａ‐Ｓi膜３,３３,６３にその結晶化を促進する触媒元素を導入する際における触媒元素の導入量(面密度)は、全反射蛍光Ｘ線測定値で５×１０11cm-2〜５×１０13cm-2の範囲内とすることが望ましい。この範囲内であれば、必要且つ十分な結晶成長を引き起こすことができるのである。その際に、触媒元素の導入量が５×１０13cm-2以上の場合には結晶成長に寄与しない過剰な触媒元素の析出が多発し、後のゲッタリング工程においてもゲッタリングが困難となってしまう。
【０１８０】
さて、上記各実施の形態において形成された半導体装置としては、活性領域を構成する結晶性ケイ素膜が触媒元素を含み、且つ活性領域内において該触媒元素が膜厚方向に対して濃度分布を有してなることが特徴である。このような状態が上記各実施の形態によって触媒元素を膜厚方向に効率良くゲッタリングされた結果として得られる。しかも、上記活性領域内における膜厚方向の触媒元素の濃度分布は、活性領域上面で最も高く下面に行く程低くなるような濃度分布であることが望ましい。このような濃度分布状態が上記各実施の形態における効果が最も引き出された状態で、触媒元素が膜厚方向に効率良くゲッタリングされた結果である。
【０１８１】
加えて、上記各実施の形態における活性領域内における触媒元素の状態は、シリコン格子間に固溶しており、シリサイドとして析出していない状態であることが望ましい。この状態がゲッタリングを行ったことで生じる状態である。結晶成長の状態ではシリサイドの析出が必ずあり、逆に言うとシリサイドによって結晶成長が行われる。したがって、上記触媒元素によって結晶成長が行われたにも拘らず、活性領域内にシリサイド状態で触媒元素が存在せずに、シリコン格子間に固溶して存在するという状態は、結晶成長の後に効率的にゲッタリングが行われたことを表しており、上記各実施の形態における高いゲッタリング効果を表した結果である。
【０１８２】
また、上記活性領域の表面近傍にはＡr元素を含むことが望ましい。上層の第２のａ‐Ｓi膜にＡrをドーピングしてゲッタリングした場合、幾分かのＡrは下層の活性領域表面に打ち込まれ、活性領域の表面近傍にＡrが存在する。これはＡrによる効果的なゲッタリングを行ったために見られる状態である。尚、上記各実施の形態における活性領城中に含まれる触媒元素種として、少なくともＮi元素を含むことが最も望ましい。これは上述したようにＮiが触媒元素として最も有効に作用するからである。
【０１８３】
最後に、上記各実施の形態においては、半導体装置の活性領域内に残留する触媒元素量を出来る限り低減し、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。そのためには、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、１×１０15cm-3〜１×１０17cm-3の範囲内であれば良い。上記チャネル領城中の触媒元素濃度を１×１０17cm-3以下にすることによって、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、上記各実施の形態を適用することによって、このような低濃度を実現することができるのである。また、上記触媒元素を用いて結晶化を行う限り、最低限１×１０15cm-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在考えられる如何様な方法をもってしても不可能である。したがって、触媒元素により結晶化を行った結果として、少なくとも１×１０15cm-3以上の濃度の触媒元素がチャネル領域内に残存するのである。
【０１８４】
以上、この発明を上記第１〜第３実施の形態によって具体的に説明したが、この発明は上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１８５】
例えば、上記触媒元素ニッケルをゲッタリングシンクのａ‐Ｓi膜３,３３,６３へ移動させる際の上記第２の加熱処理として、基板９２の外形と概略相似形の炉心管９１を有する抵抗性加熱炉を用いる方法を示したが、通常の抵抗性加熱炉(ファーネス炉)でも同様の処理は可能である。また、その他の枚葉式等のＲＴＡ(瞬間熱アニール)ライクなアニール方法も使用できる。
【０１８６】
また、上記触媒元素としてのニッケルを導入する方法としては、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３表面にニッケル塩を溶かした溶液を塗布する方法を採用したが、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３を成膜する前に下地膜表面にニッケルを導入し、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３下層よりニッケルを拡散させて結晶成長を行わせる方法でもよい。即ち、結晶成長はａ‐Ｓi膜３,３３,６３の上面側から行ってもよいし、下面側から行ってもよいのである。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ＳＯＧ(スピンオングラス)材料を用い、下地の酸化ケイ素膜２,３２,６２より拡散させる方法もある。また、スパッタリング法や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導入する方法等も利用できる。
【０１８７】
また、上述したように、結晶化を助長する触媒金属元素としては、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。さらに、上記第１,第２実施の形態においては、ニッケルのゲッタリング効果を高めるための５族Ｂ元素としてリンを用いたが、窒素,ヒ素,アンチモン,ビスマスを利用しても良い。勿論、先に説明したように、ノンドープのａ‐Ｓi膜を用いてもゲッタリング効果を得ることはできる。さらに、上記第３実施の形態においては、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜６７にアルゴンをドーピングして用いたが、クリプトンやキセノンでも同様の効果を得ることができる。その際に、上記第３実施の形態においては、アルゴン６８をイオンドーピング法によってａ‐Ｓi膜６７に導入したが、この導入方法に限定されるものではない。例えば、シリコンターゲットを用いてアルゴンをスパッタリングガスとするスパッタによってａ‐Ｓi膜を形成してもよい。この方法でも、多量のアルゴンがａ‐Ｓi膜中に含まれる。また、ＣＶＤ法において、材料ガスとしてアルゴンを追加してａ‐Ｓi膜形成処理を行ってもよい。
【０１８８】
また、ゲッタリングシンクとなるａ‐Ｓi膜３,３３,６３を除去する際のエッチングストッパとしても、上記各実施の形態で述べた酸化ケイ素膜６,３６,６６以外に、窒化ケイ素膜等その他様々な膜が使用可能である。また、この酸化ケイ素膜６,３６,６６の形成方法についても、上記各実施の形態で説明したようなオゾン水処理やエキシマＵＶ処理等による薄膜酸化法以外に、例えばＣＶＤでの薄膜形成や酸素プラズマ処理、熱酸化法や硫酸酸化等を用いても構わない。
【０１８９】
また、上記各実施の形態においては、ニッケルによって結晶化された結晶性ケイ素膜３a,３３a,６３aの結晶性をさらに助長する手段として、パルスレーザであるエキシマレーザ５,３５,６５の照射による加熱法を用いたが、例えば連続発振Ａrレーザ等それ以外のレーザでも同様の処理が可能である。
【０１９０】
さらに、上記各実施の形態の応用としては、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、ドライバ内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ(エレクトロ・ルミネッセンス)等を発光素子としたドライバ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。何れも上記各実施の形態を適用することによって、これらの素子の高速化や高解像度化等の高性能化が実現される。さらに、上記各実施の形態によって形成される半導体装置としては、上述の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始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のである。
【０１９１】
【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、基板上に第１の非晶質ケイ素膜を形成してニッケルを導入し、第１の加熱処理を施して結晶成長を行わせて結晶性ケイ素膜とし、上記結晶性ケイ素膜上に形成された第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化しない条件で第２の加熱処理を行って上記ニッケルを上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動させるので、上記第２の非晶質ケイ素膜におけるダングリングボンド等の欠陥が上記ニッケルに対する偏折サイトとなり、上記結晶性ケイ素膜から移動する上記ニッケルを効果的にトラップすることができる。
【０１９２】
その結果、上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行わない従来法に比べて、上記結晶性ケイ素膜における残留ニッケル量を大幅に低減することができる。したがって、上記従来法に比べて、上記結晶性ケイ素膜を活性領域とする半導体装置におけるオフ動作時のリーク電流の異常を無くし、ばらつきの少ない安定した特性と高い信頼性とを得ることができる。更には、リーク電流の少ない安定した特性を有することから、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よって得ることができる。また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化も図ることができるのである。
【０１９３】
特に、液晶表示装置において、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と、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化・高集積化とを同時に満足し、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とを形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る。したがって、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化を図ることができるのである。
【０１９４】
さらに、上記第２の加熱処理を、基板の平面形状と概略相似形の断面形状を有する炉心管の中に、上記基板が、基板面を炉心方向に向けると共に、炉心管と基板との間のスペースが１０mm以上且つ８０mm以下になるように配置されるファーネス炉を用いておこなうので、上記基板表面へ供給される雰囲気ガスの量を増やすことができる。したがって、早い昇降温速度を実現できると共に上記基板内の温度分布を略一定に保つことができ、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても割れや反りの無い安定した処理を実現できる。
【０１９５】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記基板の平面形状および炉心管の断面形状は矩形状であるので、矩形の平面形状を有する基板に対して、上記炉心管との間のスペースを最適にして、上記第２の加熱処理時に必要な早い昇降温速度を実現すると共に、上記基板内の温度分布を略一定に保つことができる。
【０１９６】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理を、上記第２の非晶質ケイ素膜に全く結晶核が発生しない条件で行うので、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルが上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動される全期間において、最大限のゲッタリング偏析サイトを保持できる。したがって、上記偏折サイトへの上記ニッケルのトラップ作用を最大限に引き出すことができる。
【０１９７】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理を、上記結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度と上記第２の非晶質ケイ素膜中のニッケル濃度とが熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で行うので、上記熱平衡状態の偏析状態となった時点でゲッタリング作用が飽和状態となり、最も高く安定したゲッタリング効果を得ることができる。
【０１９８】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理を、４５０℃以上且つ５５０℃以下の加熱温度および５分以上且つ４時間以下の処理時間で行うので、図７から分かるように、上記ニッケルを距離１００nmだけゲッタリングすることができる。したがって、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルを、膜の厚さ方向に十分ゲッタリングすることができる。
【０１９９】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理の加熱温度は４８０℃以上且つ５２０℃以下であり、上記処理時間は１０分以上且つ２時間以下であるので、液晶表示用のアクティブマトリクス基板のマザーボードに使用される６００mm×７２０mmで厚さ０.７mmtのガラス基板であっても、重量によって撓むことなく上記第２の加熱処理を行うことができる。
【０２００】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理において、５℃/分を上回る昇・降温速度で昇温および降温するので、ガラス基板を用いる場合に、余分な加熱処理による熱的ダメージを無くし、且つ、上記ゲッタリング効果を損なわないようにできる。
【０２０１】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜に５族Ｂから選ばれた元素を導入するので、上記第２の非晶質ケイ素膜におけるニッケルの固溶度を飛躍的に上げることができる。したがって、上記偏折サイトへの上記ニッケルのトラップによるゲッタリング作用に加えて、上記固溶度の差によるニッケルのゲッタリング作用も同時に行うことができ、上記結晶性ケイ素膜におけるニッケル濃度をより低減できる。
【０２０２】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂから選ばれた元素を、Ｐ,ＡsおよびＳbのうちの一種または複数種とするので、上記ニッケルを効率的に移動して、十分なゲッタリング効果を得ることができる。
【０２０３】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜に、上記５族Ｂから選ばれた元素中で最も高いゲッタリング効果が得られるＰを導入するので、より高いゲッタリング効果を得ることができる。したがって、上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行わない従来法に比べて、約１/４まで残留ニッケル濃度を低減することができる。
【０２０４】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記Ｐを含んだ第２の非晶質ケイ素膜を、少なくともＳiＨ4ガスとＰＨ3ガスとを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成するので、イオンドーピング法を用いた場合のような非晶質ケイ素膜の微結晶化は起らない。したがって、略完全な非晶質状態のケイ素膜を得ると共に、上記リンの濃度を非常に高濃度にでき、十分なゲッタリング効果を得ることができる。
【０２０５】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜に、上記Ｐに加えてＢをも導入しているので、上記Ｐによるニッケルの固溶度の差を利用した拡散移動型ゲッタリング作用よりも、欠陥あるいは偏析サイトヘのゲッタリング作用の方が優勢になる。その場合、後者のゲッタリング作用の方がゲッタリング能力が高いため、より大きなニッケルのゲッタリング効果を得ることができる。
【０２０６】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記ＰおよびＢを含んだ第２の非晶質ケイ素膜を、少なくともＳiＨ4ガスとＰＨ3ガスとＢ2Ｈ6ガスを材料ガスを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成するので、略完全な非晶質状態のケイ素膜を得ると共に、上記ＰおよびＢの濃度を非常に高濃度にできる。したがって、十分なゲッタリング効果を得ることができるのである。
【０２０７】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜にＡr,ＫrおよびＸeから選ばれた希ガス元素を導入するので、大きな格子間歪みを生じさせることができる。したがって、上記欠陥・偏析サイトによるゲッタリング作用を非常に強力に働かせることができる。しかも、これらの元素は上記第２の非晶質ケイ素膜の結晶成長を阻害するので、上記第２の加熱処理時において、上記第２の非晶質ケイ素膜はより非晶質状態のままで保たれる。こうして、より大きなゲッタリング作用を得ることができる。
【０２０８】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜に、上記Ａr,ＫrおよびＸeから選ばれた元素中で最も高いゲッタリング効果が得られるＡrを導入するので、より高いゲッタリング効果を得ることができる。
【０２０９】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜をプラズマＣＶＤ法によって形成し、その後、イオンドーピング法によってＡrを導入するので、上記第２の非晶質ケイ素膜の格子間歪みをより大きくして、より高いゲッタリング効果を得ることができる。
【０２１０】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に、上記第２の非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパとして機能するバリア薄膜を形成するので、下層の上記結晶性ケイ素膜と上層の上記第２の非晶質ケイ素膜とが同様のケイ素膜系材料であっても、上記下層の結晶性ケイ素膜を残して上記上層の第２の非晶質ケイ素膜のみを完全に除去することができる。
【０２１１】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記バリア薄膜を、膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜としたので、エッチングストッパとして十分なエッチング選択比を有すると共に、上記バリア薄膜を介した上記結晶性ケイ素膜から第２の非晶質ケイ素膜への十分なゲッタリング効果を得ることができる。
【０２１２】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第１の加熱処理によって得られた結晶性ケイ素膜にレーザ光を照射して、上記結晶性ケイ素膜の結晶性を高めるので、強光の照射によって結晶粒界部が処理されて、基板全面に亙って単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜を得ることができる。
【０２１３】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第１の非晶質ケイ素膜に対するニッケルの導入量を、全反射蛍光Ｘ線測定値で５×１０11cm-2以上且つ５×１０13cm-2以下としたので、十分な結晶成長を引き起こすことができ、且つ、結晶成長に寄与しない過剰なニッケルの析出を無くして十分なゲッタリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の半導体装置の製造方法としてのＴＦＴにおける製造工程の概要を示す断面図である。
【図２】 図１に続く製造工程の概要を示す断面図である。
【図３】 図１とは異なるＴＦＴにおける製造工程の概要を示す断面図である。
【図４】 図３に続く製造工程の概要を示す断面図である。
【図５】 図１および図３とは異なるＴＦＴにおける製造工程の概要を示す断面図である。
【図６】 図５に続く製造工程の概要を示す断面図である。
【図７】 第２の加熱処理における加熱温度とゲッタリング時間との関係を示す図である。
【図８】 第２のａ‐Ｓi膜をアルカリ溶液でエッチング除去する際のエッチング時間とエッチング量との関係を示す図である。
【図９】 結晶化領域と非晶質領域とが混在している第２のａ‐Ｓi膜の表面および断面のエッチング前とエッチング途中の模式図である。
【図１０】 第２の加熱処理を行う加熱装置の概念図である。
【図１１】 石英チューブの断面形状と雰囲気ガスの流れを示す図である。
【符号の説明】
１,３１,６１…ガラス基板、
３,７,３３,６３,６７…ａ‐Ｓi膜、
３a,３b,３３a,３３b,６３a,６３b…結晶性ケイ素膜、
３c,３３c,６３c…高品質な結晶性ケイ素膜、
４,３４,６４…ニッケル、
５,１７,３５,６５,７７…レーザ光、
６,３６,６６…酸化ケイ素膜、
８…リンを含むａ‐Ｓi膜、
１０,３９n,３９p,７０…活性領域、
１１,４０,７１…ゲート絶縁膜、
１２,４１n,４１p,７２…ゲート電極、
１６,４５n,４５p,７６…チャネル領域、
１８,４８,７８…層間絶縁膜、
１９,７９…ソース電極・配線、
２０…画素電極、
３７…リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜、
４２…リン、
１４,１５,４３n,４４n,７４,７５…Ｎ型不純物領域、
４７…ホウ素、
４３p,４４p…Ｐ型不純物領域、
４９…電極・配線、
２１,５０,８１…Ｎチャネル型ＴＦＴ、
５１…Ｐチャネル型ＴＦＴ、
６８…アルゴン、
８０…ドレイン電極・配線、
９１…石英チューブ(炉心管)、
９２…基板、
９３…石英ボート、
９５…ホームポジション、
９６…アニールゾーン、
９９…隙間、
１００…雰囲気ガス。
【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、さらに詳しくは、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、この発明は、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に有効であり、アクティブマトリックス型の液晶表示装置,密着型イメージセンサ,三次元ＩＣ(集積回路)等に利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置や高速で高解像度の密着型イメージセンサや三次元ＩＣ等への実現に向けて、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。上記各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(ａ‐Ｓｉ(アモルファス・シリコン))半導体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】
上記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に富むために、最も一般的に用いられている。ところが、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) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザ光等のエネルギービーム照射によって結晶成長を行わせる。
(２) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、加熱処理によって固相状態で結晶成長を行わせる。
等の方法が知られている。
【０００５】
一般的には(１)の方法がよく用いられている。この方法においては、溶融固化過程の結晶化現象を利用するために、小粒径ながらも結晶粒内の結晶欠陥は少なく、比較的高品質な結晶性ケイ素膜が得られる。しかしながら、粒界部での欠陥密度は高く、それがキャリアに対して大きなトラップとして働き、半導体装置の性能面から見た場合には十分であるとは言えない。また、光源においても、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザを例にとっても、未だ十分な安定性を有するものが得られておらず、半導体素子間の特性ばらつきが問題となっている。
【０００６】
また、(２)の方法においては、上記(１)の方法と比較すると基板内の均一性や安定性においては有利である。しかしながら、６００℃で３０時間程の長時間に渡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がある。さらに、この方法においては、結晶構造が双晶構造となるために、一つの結晶粒は数μmと比較的大きいのであるが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、上記(１)の方法に比べて結晶性は劣る。
【０００７】
しかしながら、最近、これらの方法の改善策として、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によって、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とを図る方法が注目されている。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケル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。この方法においては、金属元素を核とした結晶核発生が早期に起り、その後に上記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のである。さらに、このような方法によっ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(２)の方法)とは異なり、一つの粒内で結晶欠陥の多い双晶構造ではなく、何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、小さいながらも夫々の柱状結晶内部は略単結晶状態になっている。
【０００８】
特開平１０‐２２３５３４号公報および特開平ｌ０‐２２９０４８号公報においては、触媒元素によって結晶化されたケイ素に対して、その一部にリン等の５族Ｂの元素を選択的に導入して加熱処理を行うことによって、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)させるようにしている。更に、これらの公報においては、上記ゲッタリング工程の加熱処理を強光照射により行っている。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。その場合における強光に対する吸収効率の高い膜を、上記特開平１０‐２２３５３４号公報の場合には、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。また、上記特開平１０‐２２９０４８号公報の場合には、５族Ｂの元素を導入した後に新たに基板全面に対して設けている。
【０００９】
また、特開平１１‐３１６６０号公報では、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜の表面に熱酸化膜を形成し、その上にリンを高濃度に含有するケイ素膜を設けて熱処理を行うことによって、上層のケイ素膜へと触媒元素を移動させ、下層の結晶性ケイ素膜の触媒元素濃度の低減を図っている。そして、上層のリンを含むケイ素膜を除去して、下層の結晶性ケイ素膜を半導体装置の活性領域として用いるようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１０‐２２３５３４号公報,特開平ｌ０‐２２９０４８号公報および特開平１１‐３１６６０号公報に開示されているような高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法には、以下のような問題がある。
【００１１】
すなわち、上述したように、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ので、加熱温度の低温化や加熱時間の短縮化を図ることができ、結晶化後に得られるケイ素膜の結晶性は他の従来の結晶化方法に比べて明らかに優れてはいる。しかしながら、上記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。
【００１２】
したがって、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。そのためには、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。このような不安定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。
【００１３】
そのため、第２に、上記各公報のように、触媒元素を用いて結晶成長させた後に、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ある。しかしながら、本発明者らが実際に特開平１０‐２２３５３４号公報及び特開平１０‐２２９０４８号公報のような方法を用いて実験を行い、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分った。具体的には、上記ゲッタリングと称される工程の後にも触媒元素は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る。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、上述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。
【００１４】
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ことになる。実際にＴＦＴを試作してみると、上記特開平１０‐２２３５３４号公報および特開平１０‐２２９０４８号公報の方法では、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。
【００１５】
また、上記特開平１１‐３１６６０号公報は、活性領域となる結晶性ケイ素膜の上に、全面的にリンを高濃度に含有するケイ素膜を設けて熱処理を行うことによって、上層のケイ素膜へと縦方向(膜厚方向)へと触媒元素を移動させるユニークな方法である。したがって、そのゲッタリング距離(触媒元素の移動すべき距離)は、膜厚分のみであるため、上述した２つの公報(横方向へのゲッタリング)に比べて、距離が短くて済み、高いゲッタリング効果が期待できる。しかしながら、この方法をもってＴＦＴを試作したところ、決してゲッタリング能力は高くはなく、触媒元素濃度の低減については全く十分とは言えないものであった。上述の２つの公報と比べても、同レベルか、寧ろやや劣るものであった。
【００１６】
以上述べたように、上記従来の３公報に開示されたゲッタリング方法では、素子領城中の触媒元素量を十分に低減することはできない。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い。
【００１７】
そこで、この発明の目的は、ばらつきの少ない安定した特性を有する集積度の高い高性能な半導体装置を簡便な製造プロセスにて得ることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、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第１の非晶質ケイ素膜を形成し、上記第１の非晶質ケイ素膜に、結晶化を促進するためのニッケルを導入する工程と、
第１の加熱処理を施して、上記ニッケルが導入された第１の非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせて結晶性ケイ素膜とする工程と、
上記結晶性ケイ素膜上に、第２の非晶質ケイ素膜を形成する工程と、
上記第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化しない条件で第２の加熱処理を行って、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルを上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動させる工程と、
上記第２の非晶質ケイ素膜を除去した後、上記結晶性ケイ素膜を用いて半導体装置の活性領域を形成する工程
を含み、
上記第２の加熱処理は、基板の平面形状と概略相似形の断面形状を有する炉心管の中に、上記基板が、基板面を炉心方向に向けると共に、炉心管と基板との間のスペースが１０mm以上且つ８０mm以下になるように配置されるファーネス炉を用いて行われる
ことを特徴としている。
【００１９】
上記構成によれば、第１の非晶質ケイ素膜に結晶化を促進するニッケルが導入され、第１の加熱処理が施されて結晶性ケイ素膜となる。そうした後、上記結晶性ケイ素膜上に第２の非晶質ケイ素膜が形成され、この第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化しない条件で第２の加熱処理が行われて、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルが上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動される。このように、上記第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化されない条件で加熱処理が行われることによって、上記第２の非晶質ケイ素膜におけるダングリングボンド(不対結合手)等の欠陥が上記ニッケルに対する偏折サイトとなり、上記結晶性ケイ素膜から移動された上記ニッケルがトラップされる。
【００２０】
その結果、上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行わない従来法に比べて、上記結晶性ケイ素膜における残留ニッケル量が大幅に低減される。したがって、上記従来法に比べて、半導体装置におけるオフ動作時のリーク電流の異常が無くなり、高い信頼性が得られるのである。
【００２１】
さらに、ファーネス炉における炉心管と基板との間のスペースが１０mm以上且つ８０mm以下であるため、上記第２の加熱処理時に上記基板表面へ供給される雰囲気ガスの量を増やすことができる。したがって、早い昇降温速度が実現されると共に上記基板内の温度分布が略一定に保たれて、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても割れや反りの無い安定した処理が実現される。
【００２２】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記基板の平面形状および炉心管の断面形状は矩形状である。
【００２３】
この実施例によれば、矩形の平面形状を有する基板に対して、ファーネス炉における炉心管との間のスペースが最適に保たれて、上記第２の加熱処理時に必要な早い昇降温速度が実現されると共に、上記基板内の温度分布が略一定に保たれる。
【００２４】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の加熱処理は、上記第２の非晶質ケイ素膜に全く結晶核が発生しない条件で行われる。
【００２５】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜に全く結晶核が発生しない条件で上記第２の加熱処理が行われる。こうして、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルが上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動される全期間において、最大限のゲッタリング偏析サイトが保持される。したがって、上記偏折サイトへの上記ニッケルのトラップ作用が最大限に引き出されて、最も高いゲッタリング効果が得られる。
【００２６】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の加熱処理は、上記結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度と上記第２の非晶質ケイ素膜中のニッケル濃度とが熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で行われる。
【００２７】
この実施例によれば、熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で上記第２の加熱処理が行われる。したがって、上記熱平衡状態の偏析状態となった時点でゲッタリング作用は飽和状態となり、最も高く安定したゲッタリング効果が得られる。
【００２８】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の加熱処理は、４５０℃以上且つ５５０℃以下の加熱温度および５分以上且つ４時間以下の処理時間で行われる。
【００２９】
この実施例によれば、図７から分かるように、上記ニッケルが距離１００nmだけゲッタリングされる。したがって、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルが、膜の厚さ方向に十分ゲッタリングされることになる。
【００３０】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記加熱温度は４８０℃以上且つ５２０℃以下であり、上記処理時間は１０分以上且つ２時間以下である。
【００３１】
この実施例によれば、液晶表示用のアクティブマトリクス基板のマザーボードに使用される６００mm×７２０mmで厚さ０.７mmtのガラス基板であっても、重量によって撓むことなく上記第２の加熱処理が行われる。
【００３２】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の加熱処理では、５℃/分を上回る昇温速度で加熱処理温度まで昇温し、加熱処理終了後は５℃/分を上回る降温速度で降温する。
【００３３】
この実施例によれば、ガラス基板を用いた場合に、余分な加熱処理による熱的ダメージがなく、且つ、上記ゲッタリング効果が損なわれることもなく、上記第２の加熱処理が行われる。
【００３４】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜は５族Ｂから選ばれた元素を含んでいる。
【００３５】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜は５族Ｂから選ばれた元素を含んでいるため、上記第２の非晶質ケイ素膜におけるニッケルの固溶度が飛躍的に上る。したがって、上記偏折サイトへの上記ニッケルのトラップによるゲッタリング作用に加えて、上記固溶度の差によるニッケルのゲッタリング作用も同時に行われる。こうして、上記結晶性ケイ素膜におけるニッケル濃度がより低減される。
【００３６】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記５族Ｂから選ばれた元素は、リン,ヒ素およびアンチモンのうちの一種または複数種である。
【００３７】
この実施例によれば、５族Ｂから選ばれＰ,ＡsおよびＳbのうちの一種または複数種が、上記第２の非晶質ケイ素膜に含有される。こうして、上記ニッケルが効率的に移動され、十分なゲッタリング効果が得られる。
【００３８】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜はリンを含んでいる。
【００３９】
この実施例によれば、上記５族Ｂから選ばれた元素中、最も高いゲッタリング効果が得られるＰが上記第２の非晶質ケイ素膜に含まれる。したがって、より高いゲッタリング効果が得られる。
【００４０】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記リンを含んだ第２の非晶質ケイ素膜は、少なくともシランガスとホスフィンガスとを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ(化学気相成長法)によって形成される。
【００４１】
上記第２の非晶質ケイ素膜にリンを含有させる場合にイオンドーピング法を用いた場合には、上記基板が高温になって非晶質ケイ素膜が微結晶化される。その場合には、上述したようなゲッタリング効果が小さくなってしまう。この実施例によれば、少なくともＳiＨ4ガスとＰＨ3ガスとを材料ガスとした成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成されるので、略完全な非晶質状態のケイ素膜が得られると共に、上記リンの濃度も非常に高濃度になる。そのため、上記ニッケルのゲッタリング効果が損なわれることは無いのである。
【００４２】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜は、上記リンに加えてホウ素をも含んでいる。
【００４３】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜にホウ素を含ませることによって、上記第２の非晶質ケイ素膜でニッケルが析出し易くなる。その結果、リンによるニッケルの固溶度の差を利用した拡散移動型ゲッタリング作用よりも、欠陥あるいは偏析サイトヘのゲッタリング作用の方が優勢になる。その場合、後者のゲッタリング作用の方がゲッタリング能力が高いため、より大きなニッケルのゲッタリング効果が得られる。
【００４４】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記リンおよびホウ素を含んだ第２の非晶質ケイ素膜は、少なくともシランガスとホスフィンガスとジボランガスを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成される。
【００４５】
この実施例によれば、少なくともＳiＨ4ガスとＰＨ3ガスとＢ2Ｈ6ガスを材料ガスとした成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって上記リン及びホウ素を含んだ第２の非晶質ケイ素膜が形成されるので、略完全な非晶質状態のケイ素膜が得られると共に、上記リンおよびホウ素の濃度も非常に高濃度になる。そのため、上記ニッケルのゲッタリング効果が損なわれることは無い。
【００４６】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜は、アルゴン,クリプトンおよびキセノンから選ばれた希ガス元素を含んでいる。
【００４７】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜にはＡr,ＫrおよびＸeから選ばれた希ガス元素が含有されるため、大きな格子間歪みが生じる。したがって、上記欠陥・偏析サイトによるゲッタリング作用が、非常に強力に働くことができるようになる。しかも、これらの元素は上記第２の非晶質ケイ素膜の結晶成長を阻害して結晶成長速度を遅らせるために、上記第２の加熱処理時において、上記第２の非晶質ケイ素膜はより非晶質状態のままで保たれる。こうして、より大きなゲッタリング作用が得られるのである。
【００４８】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第２の非晶質ケイ素膜はアルゴンを含んでいる。
【００４９】
この実施例によれば、上記Ａr,ＫrおよびＸeから選ばれた元素中、最も高いゲッタリング効果が得られるＡrが上記第２の非晶質ケイ素膜に含まれる。したがって、より高いゲッタリング効果が得られる。
【００５０】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、プラズマＣＶＤ法によって形成された後、イオンドーピング法によってアルゴンが導入される。
【００５１】
この実施例によれば、上記第２の非晶質ケイ素膜が先に形成された後、ドーピング法によってＡr元素が導入されることで、上記第２の非晶質ケイ素膜の格子間歪みがより大きくなり、より高いゲッタリング効果が得られる。また、その場合のドーピングの材料ガスは希ガスであり、純度ｌ００％であるので、ドーピングのスループットが非常に高い。
【００５２】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に、上記第２の非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパとして機能するバリア薄膜を形成する。
【００５３】
下層の上記結晶性ケイ素膜と上層の上記第２の非晶質ケイ素膜とは同様のケイ素膜系材料であるので、１００％近いエッチング選択比をもった選択エッチングは不可能である。この実施例によれば、活性領域となる結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に、上記ニッケルをトラップした第２の非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパとなるバリア薄膜が形成されているので、上記下層の結晶性ケイ素膜を残して上記上層の第２の非晶質ケイ素膜のみが完全に除去される。
【００５４】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記バリア薄膜は、膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜である。
【００５５】
この実施例によれば、上記バリア薄膜として膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜が用いられているため、エッチングストッパとして十分なエッチング選択比を有している。更には、上記バリア薄膜を通して、下層の結晶性ケイ素膜から上層の第２の非晶質ケイ素膜へのニッケルの移動が行われ、十分なゲッタリング効果が得られる。
【００５６】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第１の加熱処理によって得られた結晶性ケイ素膜にレーザ光を照射して,上記結晶性ケイ素膜の結晶性を高める工程を含むと共に、上記第２の非晶質ケイ素膜は,上記結晶性が高められた結晶性ケイ素膜上に形成される。
【００５７】
この実施例によれば、上記第１の加熱処理によって得られた結晶性ケイ素膜にレーザ光が照射されて、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。その場合、ニッケルを導入して結晶化された上記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。そのため、強光の照射によって結晶粒界部が処理されると、基板全面に亙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。こうして、上記結晶性ケイ素膜の結晶性が高められる。
【００５８】
また、１実施例では、上記半導体装置の製造方法において、上記第１の非晶質ケイ素膜に対するニッケルの導入量は、全反射蛍光Ｘ線測定値で５×１０11cm-2以上且つ５×１０13cm-2以下である。
【００５９】
この実施例によれば、上記第１の非晶質ケイ素膜に対するニッケルの導入量は５×１０11cm-2以上である。したがって、十分な結晶成長が引き起こされる。また、上記ニッケルの導入量は５×１０13cm-2以下である。したがって、結晶成長に寄与しない過剰なニッケルが析出することが無く、後のゲッタリング工程においても十分なゲッタリングが行われる。
【００６０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞
本実施の形態においては、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の工程にこの発明を適用した場合について説明する。本実施の形態におけるＴＦＴは、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバ回路や画素部分は勿論のこと、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。
【００６１】
図１及び図２は、本実施の形態におけるＴＦＴの製造工程の概要を示す断面図であり、図１(a)から図２(g)の順に従ってＴＦＴの作製工程が進行する。先ず、図１(a)に示すように、ガラス基板１上に、例えばプラズマＣＶＤ法によって、厚さ３００nm〜５００nm程度の酸化ケイ素２からなる下地膜を形成する。この酸化ケイ素膜２は、ガラス基板１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２０nm〜８０nm(例えば４０nm)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ‐Ｓi膜)３を成膜する。本実施の形態においては、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、シラン(ＳiＨ4)ガスとＨ2ガスとを材料ガスとして用い、基板加熱温度を３００℃とし、ＲＦ(高周波)パワーのパワー密度を１０mＷ/cm2〜２００mＷ/cm2(例えば８０mＷ/cm2)として成膜した。
【００６２】
次に、上記ａ‐Ｓi膜３の表面上にニッケル４の微量添加を行う。このニッケル４の微量添加は、ニッケル４を溶かした溶液をａ‐Ｓi膜３上に保持し、スピナーによって溶液をａ‐Ｓi膜３上に均一に延ばして乾燥させることによって行う。本実施の形態においては、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度が１０ppmとなるようにした。このようにしてａ‐Ｓi膜３の表面上に添加されたニッケル４の濃度を、全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法によって測定すると、７×１０12atoms/cm2程度であった。
【００６３】
さらに、これを、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を行う。この加熱処理においては、昇温中にａ‐Ｓi膜３中の水素離脱を行う第１ステップの熱処理を行い、その後さらに高温での第２ステップの熱処理によってａ‐Ｓi膜３の結晶化を行う。具体的には、第１ステップの加熱処理として４５０℃〜５２０℃で１時間〜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は５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間のアニール処理を行う。本実施の形態においては、一例として５００℃にて１時間の第１ステップの熱処理を行った後、５５０℃で４時間の第２ステップの熱処理を行った。この加熱処理によって、ａ‐Ｓi膜３の表面に添加されたニッケル４がａ‐Ｓi膜３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３の結晶化が進行する。その結果、図１(b)に示すように、ａ‐Ｓi膜３は結晶化され、結晶性ケイ素膜３aとなる。
【００６４】
次に、図１(b)に示すように、レーザ光５を照射することによって結晶性ケイ素膜３aを再結晶化して、その結晶性を向上させる。このときのレーザ光５としては、ＸeＣlエキシマレーザ(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)を用いた。レーザ光の照射条件は、照射時に半導体積層体を２００℃〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２５０mＪ/cm2〜４５０mＪ/cm2(例えば３５０mＪ/cm2)で照射した。ビームサイズは、ガラス基板１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３aの任意の一点において計２０回のレーザ照射が行われることになる。このようにして、固相結晶化によって得られた結晶性ケイ素膜３aは、レーザ照射による溶融固化過程によって結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜３bとなる。
【００６５】
次に、図１(c)に示すように、上記結晶性ケイ素膜３b表面を薄膜酸化することで、エッチングストッパとなる酸化ケイ素膜６を形成する。酸化ケイ素膜６の形成は、結晶性ケイ素膜３b表面にオゾン水を保持することで行う。その場合におけるオゾン水中のオゾン濃度は５mg/ｌ以上であることが望ましく、本実施の形態においては８mg/ｌとした。結晶性ケイ素膜３b表面におけるオゾン水の保持時間は１分である。より緻密な酸化ケイ素膜６を形成する場合には、上記オゾン水処理の前に、結晶性ケイ素膜３b表面の自然酸化膜を除去しておくことが望ましく、本実施の場合においてもオゾン水処理の前にフッ酸洗浄を行い、活性なケイ素膜表面を露出させてからオゾン水による処理を行った。このようにして形成された酸化ケイ素膜６の膜厚を分光エリプソによって測定したところ、約３０Åであった。
【００６６】
次に、上記酸化ケイ素膜６を覆うように、プラズマＣＶＤ法によって、ノンドープの(イントリンシックな)ａ‐Ｓi膜７とリンを含むａ‐Ｓi膜８との２層を形成する。本実施の形態においては、マルチチャンバのプラズマＣＶＤ装置を用いて、大気中に出すことなく、上記２層７,８を連続して形成した。この場合、下層のａ‐Ｓi膜７は、ニッケル４に対するゲッタリングシンクであることに加えて、上層のリンを含むａ‐Ｓｉ膜８から活性層のケイ素膜３bへのリンの拡散・汚染を防止するためのバッファ層の役割も担っている。この場合におけるａ‐Ｓi膜７の成膜には、基板加熱温度を３５０℃とし、ＳiＨ4ガスとＨ2ガスとを材料ガスに用いている。一方、リンを含んだａ‐Ｓi膜８の形成は、ＳiＨ4とフォスフィン(ＰＨ3)とを材料ガスとして用いる。その際に、ａ‐Ｓi膜８中のリン濃度は、フォスフィンガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実施の形態においては、ＰＨ3/ＳiＨ4流量比を３/１００とした。このときのａ‐Ｓi膜８中のリン濃度は１％程度である。
【００６７】
そして、この状態で、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を施す。この場合における処理温度および処理時間は、４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間、より好ましくは４８０℃〜５２０℃の温度で１０分〜２時間である。また、上記処理温度までの昇温速度および処理温度からの降温速度は、少なくとも５℃/分以上で行うことが望ましい。本実施の形態においては、加熱温度５００℃で１時間の処理を行った。その際に、基板を２００℃程度で余熱した状態から５００℃まで３０分で(昇温速度１０℃/分で)昇温し、処理後５００℃から２００℃まで同様に３０分で降温した。
【００６８】
この加熱処理において、ゲッタリングシンクとなる第２の非晶質ケイ素膜７,８には結晶核の発生が起こらず、全く結晶化しない状態(非晶質状態)のままで保たれる。したがって、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができるのである。また、本実施の形態では、上記ガラス基板１として、３２０mm×４００mmで厚さ０.７mmtのコーニング社コード１７３７のノンアニール品ガラス基板を用いたが、この加熱処理による反りや撓みや割れ等は勿論生じなかった。さらに、メートルサイズの大型ガラス基板の場合でも、本実施の形態のような加熱処理であれば、問題なく使用可能であることを確認している。
【００６９】
本実施の形態においては、上記加熱処理を、図１０に示すような、基板の平面形状と概略相似形の断面形状をもつ炉心管９１の中に、基板面を炉心方向に向けると共に、炉心管９１と基板とをその間のスペースが最小になるように配置したファーネス炉を用いて行った。炉心管９１は、ガラス基板１のサイズ３２０mm×４００mmより一回り大きな矩形状をもつ断面で構成されており、その内側のサイズは４００mm×４８０mmである。基板９２のチャージ枚数は２０枚であり、２０枚の基板９２が同時処理される。そして、窒素ガスが炉心管９１の上方から供給されて、基板９２間へと拡散して、各基板９２を面内均一に加熱することが可能になっている。
【００７０】
図１０において、石英チューブ(炉心管)９１は５００℃で加熱されており、チューブ９１下のホームポジション９５において、基板９２をチャージしたボート９３が２００℃に余熱されている。そして、矢印(Ａ)で示すようにボート９３がチューブ９１内へ入って行くと共に昇温され、ボート９３全体が完全にアニールゾーン９６に入ると基板２２の熱処埋がスタートするのである。降温は、逆に、ボート９３を余熱ゾーンであるホームポジション９５に降ろすことによって行われる。
【００７１】
このようなファーネス炉を用いることによって、早い昇降温速度を実現できると共に、その場合における基板内の温度分布を略一定に保つことができる。したがって、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても、割れや反りの無い安定した処理が実現可能なのである。
【００７２】
上述のような熱処理によって、上記ａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜３b中のニッケル４が、図１(d)に矢印９で示すように上方向に向かって引き出される。その際に、リンを含むａ‐Ｓi膜８においては、リンによるニッケルのゲッタリング効果も加わって、より強烈なゲッタリングシンクとして作用する。このときニッケル４は薄膜の酸化ケイ素膜６を通過して移動するのであるが、本実施の形態のような膜厚の酸化ケイ素膜６では、その移動の妨げとはならない。
【００７３】
その結果、上記結晶性ケイ素膜３b中のニッケル４の殆どは、上層のａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８へ移動し、これらの膜７,８でのニッケル濃度が高くなる。逆に、下層の結晶性ケイ素膜３bのニッケル濃度は大幅に低減され、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜３cが得られるのである。上述した５００℃で１時間の加熱処理においては、結晶性ケイ素膜３c中のニッケル濃度とゲッタリングシンクである上層のａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８中のニッケル濃度とは、熱平衡状態の偏析状態となっている。すなわち、これ以上処理時間を延ばしてもニッケル４の移動は生じない状態である。
【００７４】
この状態における実際の結晶性ケイ素膜３c中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)により測定したところ、５×１０16atoms/cm3程度にまで低減されていた。ちなみに、本実施の形態のようにゲッタリングシンクのａ‐Ｓi膜７,８を結晶化させないような加熱処理を行うことの無い従来法によるニッケル濃度は、２×１０17atoms/cm3程度である。尚、この熱処理工程前における結晶性ケイ素膜３bの膜中ニッケル濃度は１×１０18atoms/cm3程度であり、上記熱処理によって約１/２０まで(上記従来法の１/４まで)残留ニッケル濃度を低減することができるのである。また、この段階で結晶性ケイ素膜３cに残っているニッケル４は、シリサイド状態では無く固溶した状態で存在しているため、ＴＦＴの電気特性上問題とならないのである。
【００７５】
次に、上述したようにニッケル４をゲッタリングしてニッケル濃度が高くなったａ‐Ｓi膜７とリンを含むａ‐Ｓi膜８とを、全面的にエッチングすることによって除去する。その場合におけるエッチングとしては、下層の酸化ケイ素膜６がエッチングストッパとして十分作用するように、酸化ケイ素膜と十分エッチング選択比のあるエッチャントが用いられる。本実施の形態の場合には、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、ａ‐Ｓi膜７,８を除去した後、酸化ケイ素膜６をエッチング除去する。その場合のエッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜３cと選択性のある１：１００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行った。
【００７６】
その後、上記結晶性ケイ素膜３cにおける不要な部分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２(e)に示すように、後にＴＦＴの活性領域(ソース・ドレイン領域およびチャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜１０が形成される。
【００７７】
次に、図２(f)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜１０を覆って、厚さ２０nm〜１５０nm(ここでは１００nm)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１として成膜する。上記酸化ケイ素膜の形成は、ここではＴＥＯＳ(テトラ・エトキシ・オルソ・シリケート)を原料とし、酸素と共に基板温度１５０℃〜６００℃（好ましくは３００℃〜４５０℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積して行った。あるいは、上記ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスと共に減圧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℃)で形成しても差し支えない。ゲート絶縁膜１１の成膜後、ゲート絶縁膜１１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するために、不活性ガス雰囲気下で５００℃〜６００℃で１時間〜４時間のアニールを行う。
【００７８】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００nm〜８００nm(例えば６００nm)のアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングしてゲート電極１２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１３を形成する。この状態が図２(f)に相当する。尚、本ＴＦＴをアクティブマトリクス基板の画素ＴＦＴとする場合には、ゲート電極１２は、平面的にはゲートパスラインを同時に構成することになる。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、その状態を１時間保持して終了させる。得られた酸化物層１３の厚さは２００nmである。尚、この酸化物層１３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になるので、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。
【００７９】
次に、イオンドーピング法によって、上記ゲート電極１２とその周囲の酸化物層１３とをマスクとして上記活性領域に不純物(リン)を注入する。ドーピングガスとしてフォスフィン(ＰＨ3)を用い、加速電圧を６０kＶ〜９０kＶ(例えば８０kＶ)、ドーズ量を１×１０15cm-2〜８×１０15cm-2(例えば２×１０15cm-2)とする。この工程によって、不純物が注入された領域１４と領域１５とは後にＴＦＴのソース・ドレイン領域となり、ゲート電極１２およびその周囲の酸化物層１３にマスクされて不純物が注入されない領域１６は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。
【００８０】
その後、図２(f)に示すように、レーザ光１７を照射してアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上述した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。その際に、使用するレーザとしてはＸeＣlエキシマレーザ(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)を用い、エネルギー密度１５０mＪ/cm2〜４００mＪ/cm2(好ましくは２００mＪ/cm2〜２５０mＪ/cm2)で照射を行う。このようにして形成されたＮ型不純物(リン)領域１４,１５のシート抵抗は、２００Ω/□〜５００Ω/□である。
【００８１】
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等の層間絶縁膜１８を形成する。尚、上記酸化ケイ素膜を用いる場合には、ＴＥＯＳを原料として、上記ＴＥＯＳと酸素とのプラズマＣＶＤ法、若しくは、オゾンとの減圧ＣＶＤ法や常圧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が得られる。また、ＳiＨ4とＮＨ3と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。
【００８２】
次に、上記層間絶縁膜１８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との二層膜)によってＴＦＴのソース電極・配線１９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のを目的としたバリア膜として設けられる。本ＴＦＴ２１を画素ＴＦＴとして用いる場合には、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(インジュウム錫酸化物)等の透明導電膜からなる画素電極２０を設ける。この場合、ソース電極・配線１９はソースバスラインの一部を構成することになる。そして、このソースバスラインを介してビデオ信号が供給され、ゲートバスラインおよびゲート電極１２からのゲート信号に基づいて画素電極２０に必要な電荷が書き込まれる。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下において、３５０℃で１時間のァニールを行い、図２(g)に示すＴＦＴ２１を完成させる。さらに、必要に応じて、ＴＦＴ２１を保護する目的で、ＴＦＴ２１上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【００８３】
本実施の形態に従って作製したＴＦＴは、電界効果移動度が２５０cm2/Ｖs程度,閾値電圧が１.５Ｖ程度と非常に高性能であるにも拘らず、触媒元素を用いて作成した従来のＴＦＴに頻繁に見られた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。このリーク電流の値は、触媒元素を用いずに作成した従来のＴＦＴと比べても全く遜色が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができる。
【００８４】
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殆どＴＦＴの特性劣化は見られず、従来のＴＦＴと比べて非常に信頼性が高い。そして、本実施の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、触媒元素を用いて作成した従来のＴＦＴを用いたものに比べて表示斑が明らかに少なく、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を得ることができた。
【００８５】
上述のごとく、本実施の形態においては、ガラス基板１上にａ‐Ｓi膜３を成膜し、ａ‐Ｓi膜３の表面上にニッケル４を７×１０12atoms/cm2程度添加する。そして、不活性雰囲気下において、昇温中にａ‐Ｓi膜３中の水素離脱を行う第１ステップの熱処理と、更に高温での第２ステップの熱処理とによってａ‐Ｓi膜３の結晶化を行って、結晶性ケイ素膜３aを得る。
【００８６】
次に、上記レーザ光５を照射して、固相結晶化によって得られた結晶性ケイ素膜３aを溶融固化させることによって結晶欠陥を低減し、より高品質な結晶性ケイ素膜３bにする。そして、ノンドープのａ‐Ｓi膜７とリンを含むａ‐Ｓi膜８とを形成して、不活性雰囲気下における４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間の加熱処理を、５℃/分以上の昇温・降温速度で施す。この加熱処理によって、ゲッタリングシンクとなる第２の非晶質ケイ素膜７,８には結晶核の発生が起こらず、全く結晶化しない状態(非晶質状態)のままで保たれる。したがって、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができるのである。
【００８７】
このような熱処理によって、上記ａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜３b中のニッケル４が上方向に向かって引き出される。その際、リンを含むａ‐Ｓi膜８においては、リンによるニッケルのゲッタリング効果も加わって、より強烈なゲッタリングシンクとして作用する。
【００８８】
したがって、本実施の形態によれば、上記結晶性ケイ素膜３b中のニッケル４の殆どは、上層のａ‐Ｓi膜７およびリンを含むａ‐Ｓi膜８へ移動して、下層の結晶性ケイ素膜３bのニッケル濃度は大幅に低減されて、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜３cが得られる。すなわち、ゲッタリングシンクを結晶化させない加熱処理を行わない従来法の約１/４まで残留ニッケル濃度を低減することができるのである。
【００８９】
尚、本実施の形態によるＴＦＴ製造工程は、アクティブマトリックス基板の画素電極を対象にしたものである。しかしながら、本半導体装置の製造方法は薄膜集積回路等にも簡単に応用でき、その場合には、ゲート電極１２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。
【００９０】
＜第２実施の形態＞
本実施の形態においては、アクティブマトリッ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とを相補型に構成したＣＭＯＳ(相補型金属酸化膜半導体)構造のＴＦＴ回路をガラス基板上に作製する際の工程に、この発明を適用した場合について説明する。
【００９１】
図３および図４は、本実施の形態に係るＴＦＴの製造工程の概要を示す断面図であり、図３(a)から図４(g)の順に従ってＴＦＴの製造工程が進行する。先ず、図３(a)に示すように、ガラス基板３１上に、例えばスパッタリング法によって厚さ３００nm〜５００nm程度の酸化ケイ素３２からなる下地膜を形成する。この酸化ケイ素膜３２は、ガラス基板３１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２０nm〜８０nm(例えば４０nm)の真性(Ｉ型)のａ‐Ｓi膜３３を成膜する。本実施の形態においては、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、ＳiＨ4ガスとＨ2ガスとを材料ガスとして用い、加熱温度を３００℃とし、ＲＦパワーのパワー密度を１０mＷ/cm2〜２００mＷ/cm2(例えば８０mＷ/cm2)として成膜した。
【００９２】
次に、上記ａ‐Ｓi膜３３の表面上にニッケル３４の微量添加を行う。このニッケル３４の微量添加は、ニッケル３４を溶かした溶液をａ‐Ｓi膜３３上に保持し、スピナーによって溶液をａ‐Ｓi膜３３上に均一に延ばして乾燥させることによって行う。本実施の形態においては、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が１ppmとなるようにした。このようにしてａ‐Ｓi膜３３の表面上に添加されたニッケル３４の濃度を上記ＴＲＸＲＦ法によって測定すると、５×１０12atoms/cm2程度であった。
【００９３】
さらに、これを、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を行う。この加熱処理においては、５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間のアニール処理を行うことが望ましく、本実施の形態においては、一例として５５０℃で４時間の熱処理を行った。この加熱処理によって、ａ‐Ｓi膜３３の表面に添加されたニッケル３４のシリサイド化が起こり、それを核としてａ‐Ｓi膜３３の結晶化が進行する。その結果、図３(b)に示すように、ａ‐Ｓi膜３３は結晶化されて結晶性ケイ素膜３３aとなる。
【００９４】
しかしながら、上記ニッケル３４の添加量では、ａ‐Ｓi膜３３を総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た状態で結晶成長が停止する。上記加熱処理における加熱温度が５７０℃以下の場合には、ケイ素膜自体の結晶成長は起こらないため、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、本実施の形態による５５０℃で４時間の加熱処理の後に得られる結晶性ケイ素膜３３a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、レーザ光３５を照射することによって結晶性ケイ素膜３３aをさらに結晶化させて、結晶性ケイ素膜３３bを得る。このときのレーザ光３５としては、ＸeＣlエキシマレーザ(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)を用いた。レーザ光の照射条件は、照射時に半導体積層体を２００℃〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２００mＪ/cm2〜４５０mＪ/cm2(例えば３５０mＪ/cm2)で照射した。ビームサイズは、ガラス基板３１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３３aの任意の一点において計２０回のレーザ照射が行われることになる。このレーザ照射によって、ケイ素膜中に残存していた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】
次に、図３(c)に示すように、上記結晶性ケイ素膜３３b表面を薄膜酸化することで、エッチングストッパとなる酸化ケイ素膜３６を形成する。酸化ケイ素膜３６の形成は、結晶性ケイ素膜３３b表面にエキシマＵＶ光を照射することによって行う。その場合における処理時間は１分である。このようにして形成された酸化ケイ素膜３６の膜厚を分光エリプソによって測定したところ、約３０Åであった。
【００９７】
次に、上記酸化ケイ素膜３６を覆うように、プラズマＣＶＤ法によって、リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７を形成する。このリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７の成膜は、本実施の形態においては、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、ＳiＨ4とＰＨ3とジボラン(Ｂ2Ｈ6)とを材料ガスとして用い、加熱温度を３５０℃として行った。その際に、ａ‐Ｓi膜３７中のリンおよびホウ素の濃度は、これらの３種のガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実施の形態においては、ＰＨ3/Ｂ2Ｈ6/ＳiＨ4流量比を３/１/１００とした。このときのａ‐Ｓi膜３７中のリン濃度は１％程度であり、ホウ素の濃度は０.５％程度である。
【００９８】
そして、この状態で、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を施す。この場合における処理温度および処理時間は、４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間、より好ましくは４８０℃〜５２０℃の温度で１０分〜２時間である。また、上記処理温度までの昇温速度および処理温度からの降温速度は、少なくとも５℃/分以上で行うことが望ましい。本実施の形態においては、加熱温度５００℃で１時間の処理を行った。その際に、基板を２００℃程度で余熱した状態から５００℃まで３０分で(昇温速度１０℃/分で)昇温し、処理後５００℃から２００℃まで同様に３０分で降温した。
【００９９】
この加熱処理において、ゲッタリングシンクとなるリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７には結晶核の発生が起こらず、全く結晶化しない状態(非晶質状態)のままで保たれる。したがって、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができるのである。また、本実施の形態では、ガラス基板３１として、３２０mm×４００mmで厚さ０.７mmtのコーニング社コード１７３７のノンアニール品ガラス基板を用いたが、この加熱処理による反りや撓みや割れ等は勿論生じなかった。さらに、メートルサイズの大型ガラス基板の場合でも、本実施の形態のような加熱処理であれば、問題なく使用可能であることを確認している。本実施の形態の場合にも、上記加熱処理を、上記第１実施の形態において説明した図１０に示すようなファーネス炉を用いて行う。
【０１００】
上述のような熱処理によって、上記リンおよびホウ素を含むａ‐Ｓi膜３７は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜３３b中のニッケル３４が図３(c)に矢印３８で示すように上方向に向かって引き出される。その際に、リンとボロンとの作用によって上記ゲッタリング効果は非常に高められ、より強烈なゲッタリングシンクとして作用する。このとき、ニッケル３４は薄膜の酸化ケイ素膜３６を通過して移動するのであるが、本実施の形態のような膜厚の酸化ケイ素膜３６では、その移動の妨げとはならない。
【０１０１】
その結果、上記結晶性ケイ素膜３３b中のニッケル３４の殆どは、上層のリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７へ移動し、この膜３７でのニッケル濃度が高くなる。逆に、下層の結晶性ケイ素膜３３bのニッケル濃度は大幅に低減され、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜３３cが得られるのである。上述した５００℃で１時間の加熱処理においては、結晶性ケイ素膜３３c中のニッケル濃度とゲッタリングシンクである上層のリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７中のニッケル濃度とは、熱平衡状態の偏析状態となっている。すなわち、これ以上処理時間を延ばしてもニッケル３４の移動は生じない状態である。
【０１０２】
この状態における実際の結晶性ケイ素膜３３c中のニッケル濃度を上記ＳＩＭＳによって測定したところ、４×１０16atoms/cm3程度にまで低減されていた。ちなみに、本実施の形態のようにゲッタリングシンクのａ‐Ｓi膜３７を結晶化させないような加熱処理を行うことの無い従来法によるニッケル濃度は、２×１０17atoms/cm3程度である。尚、この熱処理工程前における結晶性ケイ素膜３３bの膜中ニッケル濃度は１×１０18atoms/cm3程度であり、上記熱処理によって約１/２５(上記従来法の１/５)まで残留ニッケル濃度を低減することができるのである。また、この段階で結晶性ケイ素膜３３cに残っているニッケル３４は、シリサイド状態では無く固溶した状態で存在しているため、ＴＦＴの電気特性上問題とならないのである。
【０１０３】
次に、上述したようにニッケル３４をゲッタリングしてニッケル濃度が高くなったリンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７を、全面的にエッチングすることによって除去する。その場合におけるエッチングとしては、下層の酸化ケイ素膜３６がエッチングストッパとして十分作用するように、酸化ケイ素膜と十分エッチング選択比のあるエッチャントが用いられる。本実施の形態の場合には、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、ａ‐Ｓi膜３７を除去した後、酸化ケイ素膜３６をエッチング除去する。その場合のエッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜３３cと選択性のある１：１００ＢＨＦを用い、ウェットエッチングによって行った。
【０１０４】
その後、図３(d)に示すように、上記結晶性ケイ素膜３３cを用いて、後にＴＦＴの活性領域(素子領域)３９n,３９pとなる領域を残し、それ以外の領域を除去して素子間分離を行う。
【０１０５】
次に、図４(e)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜３９n,３９pを覆って、厚さ２０nm〜１５０nm(ここでは１００nm)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜４０として成膜する。上記酸化ケイ素膜の形成は、ここでは上記ＴＥＯＳを原料とし、酸素と共に基板温度１５０℃〜６００℃(好ましくは３００℃〜４５０℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積して行った。
【０１０６】
引き続いて、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４１n,４１p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。本実施の形態においては、窒素が微量に添加されたＴaを用い、厚さを３００nm〜６００nm(例えば４５０nm)とした。
【０１０７】
次に、イオンドーピング法によって、上記ゲート電極４１n,４１pをマスクとして、活性領域３９n,３９pにリン４２を注入する。ドーピングガスとしてＰＨ3を用い、加速電圧を６０kＶ〜９０kＶ(例えば８０kＶ)とし、ドーズ量を２×１０15cm-2〜８×１０15cm-2(例えば５×１０15cm-2)とする。この工程によって、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型不純物領域４３n,４４nが形成される。また、ゲート電極４１nにマスクされて不純物が注入されない領域４５nは、後にＮチャネル型ＴＦＴのチャネル領域となる。一方、Ｐチャネル型ＴＦＴにおけるソース・ドレイン領域４３n',４４n'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。
【０１０８】
次に、図４(f)に示すように、フォトリソグラフィ工程によって、上記Ｎチャネル型ＴＦＴ上に、選択ドーピングのためのマスク４６をフォトレジストで形成する。そして、この状態で、イオンドーピング法によって、Ｐチャネル型ＴＦＴ側のみに選択的に、ゲート電極４１pをマスクとしてホウ素４７を注入する。その場合、ドーピングガスとしてＢ2Ｈ6を用い、加速電圧を４０kＶ〜８０kＶ(例えば６５kＶ)、ドーズ量を１×１０16cm-2〜５×１０16cm-2（例えば２×１０16cm-2)の高ドーズ量とする。この工程によって、Ｐチャネル型ＴＦＴにおけるホウ素４７がドーピングされた領域４３n',４４n'では、先にドーピングされたＮ型不純物であるリンがキャンセルされ、過剰なホウ素４７によって伝導型が反転してＰ型の不純物領域４３p,４４pが形成される。所謂カウンタードーピングである。また、ゲート電極４１pにマスクされてホウ素４７が注入されない領域４５pは、後にＰチャネル型ＴＦＴのチャネル領域となる。このようして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとが夫々形成されるのである。
【０１０９】
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４６を除去した後、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において熱処理を行う。本実施の形態においては、窒素雰囲気中において、６００℃の温度で４時間の熱処理を行った。この熱処理によって、ソース・ドレイン領域４３n,４４n,４３p,４４pの活性化が行われる。こうして得られたＮ型不純物領域４３n,４４nのシート抵抗値は０.４ｋΩ/□〜０.８ｋΩ/□であり、Ｐ型不純物領域４３p,４４pのシート抵抗値は１ｋΩ/□〜２ｋΩ/□である。また、ゲート絶縁膜４０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の向上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られる。
【０１１０】
さらには、上記熱処理工程によって、ソース・ドレイン領域４３n,４４n,４３p,４４pにドーピングされているリンが、チャネル領域４５n,４５p中に残存しているニッケル３４を隣接するソース・ドレイン領域４３n,４４n,４３p,４４pに移動させる。すなわち、チャネル領域４５n,４５pに絞ってのゲッタリングを再度追加することができ、先のゲッタリングと合わせて２段階の完全なゲッタリングを行うことができる。さらに、上述した熱処理工程を高速熱アニール処理によって行うことも可能である。その場合には、ソース・ドレイン領域の活性化およびチャネル領域のゲッタリング効果において、より優れた結果を得ることができるのである。
【０１１１】
続いて、図４(g)に示すように、厚さ９００nm程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜４８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との二層膜)によってＴＦＴの電極・配線４９を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下において、３５０℃で１時間のァニールを行い、Ｎチャネル型ＴＦＴ５０とＰチャネル型ＴＦＴ５１とを完成させる。さらに、必要に応じて、ＴＦＴ５０,５１のゲート電極４１n,４１p上にもコンタクトホールを設けて配線を施しても差し支えない。また、これらのＴＦＴ５０,５１を保護する目的で、ＴＦＴ５０,５１上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【０１１２】
本実施の形態に従って作製したＣＭＯＳ構造ＴＦＴにおいては、夫々のＴＦＴの電界効果移動度は、Ｎ型ＴＦＴ５０で２００cm2/Ｖs〜２５０cm2/Ｖs，Ｐ型ＴＦＴ５１で１００cm2/Ｖs〜１３０cm2/Ｖsと高く、閾値電圧はＮ型ＴＦＴ５０で１.５Ｖ程度，Ｐ型ＴＦＴ５１で−２Ｖ程度と非常に良好な特性を示した。しかも、触媒元素を用いて作成した従来のＴＦＴに頻繁に見られた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。このリーク電流の値は、触媒元素を用いずに作成した従来のＴＦＴと比べても全く遜色が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができる。
【０１１３】
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殆どＴＦＴの特性劣化は見られず、従来のＴＦＴ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。
【０１１４】
上述のごとく、本実施の形態においては、ガラス基板３１上にａ‐Ｓi膜３３を成膜し、ａ‐Ｓi膜３３の表面上にニッケル３４を５×１０12atoms/cm2程度添加する。そして、不活性雰囲気下において５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間加熱処理を行うことによってａ‐Ｓi膜３３の結晶化を行って、微小な非晶質領域が混在した結晶性ケイ素膜３３aを得る。
【０１１５】
次に、上記レーザ光３５を照射して残存する非晶質領域を優先的に溶融させ、膜全体を結晶化して結晶性ケイ素膜３３bにする。そして、リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７を形成して、不活性雰囲気下における４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間の加熱処理を、５℃/分以上の昇温・降温速度で施す。この加熱処理によって、ゲッタリングシンクとなるリンとホウ素と含むａ‐Ｓi膜３７には結晶核の発生が起こらず、全く結晶化しない状態(非晶質状態)のままで保たれる。したがって、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができるのである。
【０１１６】
このような熱処理によって、上記リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜３３b中のニッケル３４が上方向に向かって引き出される。その際、リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜３７は、リンによるニッケルのゲッタリング効果も加わって、より強烈なゲッタリングシンクとして作用するのである。
【０１１７】
したがって、本実施の形態によれば、上記第１実施の形態の場合と同様に、ゲッタリングシンクを結晶化させない加熱処理を行わない従来法の約１/５まで残留ニッケル濃度を低減することができるのである。
【０１１８】
さらに、上記ゲッタリングが行われた後の結晶性ケイ素膜３３cを用いてＴＦＴ５０,５１を形成した後、不活性雰囲気下において６００℃で４時間の熱処理を行う。こうして、チャネル領域４５n,４５p中に残存しているニッケル３４に対して再度ゲッタリングを行い、先のゲッタリングと合わせて２段階の完全なゲッタリングを行うことができるのである。
【０１１９】
＜第３実施の形態＞
本実施の形態においては、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の工程にこの発明を適用した場合について説明する。本実施の形態におけるＴＦＴは、上記第１実施の形態の場合と同様に、アクティブマトリックス型の液晶表示装置のドライバ回路や画素部分は勿論のこと、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。
【０１２０】
図５および図６は、本実施の形態におけるＴＦＴの製造工程の概要を示す断面図であり、図５(a)から図６(g)までの順に従ってＴＦＴの作製工程が進行する。先ず、図５(a)に示すように、ガラス基板６１上に、例えばプラズマＣＶＤ法によって、厚さ３００nm〜５００nm程度の酸化ケイ素６２からなる下地膜を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０nm〜８０nm(例えば４０nm)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ‐Ｓi膜)６３を成膜する。
【０１２１】
次に、上記ａ‐Ｓi膜６３の表面上にニッケル６４の微量添加を行う。このニッケル６４の微量添加は、ニッケル６４を溶かした溶液をａ‐Ｓi膜６３上に保持し、スピナーによって溶液をａ‐Ｓi膜６３上に均一に延ばして乾燥させることによって行う。本実施の形態においては、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度が１０ppmになるようにした。このようにしてａ‐Ｓi膜６３の表面上に添加されたニッケル６４の濃度を、ＴＲＸＲＦ法によって測定すると、７×１０12atoms/cm2程度であった。
【０１２２】
さらに、これを、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を行う。この加熱処理においては、５２０℃〜５７０℃の加熱温度で２〜８時間、例えば５５０℃で４時間のアニール処理を行う。この加熱処理によって、ａ‐Ｓi膜６３の表面に添加されたニッケル６４によってａ‐Ｓi膜６３は結晶化され、図５(b)に示すように、結晶性ケイ素膜６３aとなる。
【０１２３】
次に、図５(b)に示すように、レーザ光６５を照射することによって結晶性ケイ素膜６３aを再結晶化し、その結晶性を向上させる。このときのレーザ光６５としては、ＸeＣlエキシマレーザ(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)を用いた。レーザ光６５の照射条件は、照射時に半導体積層体を２００℃〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２５０mＪ/cm2〜４５０mＪ/cm2(例えば３５０mＪ/cm2)である。このようにして、固相結晶化によって得られた結晶性ケイ素膜６３aは、レーザ照射による溶融固化過程によって結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜６３bとなる。
【０１２４】
次に、図５(c)に示すように、上記結晶性ケイ素膜６３b表面を薄膜酸化することで、エッチングストッパとなる酸化ケイ素膜６６を形成する。酸化ケイ素膜６６の形成は、結晶性ケイ素膜６３b表面にオゾン水を保持することで行う。その場合における酸化ケイ素膜６６の膜厚を分光エリプソによって測定したところ、約３０Åであった。
【０１２５】
次に、上記酸化ケイ素膜６６を覆うように、プラズマＣＶＤ法によって、ノンドープの(イントリンシックな)ａ‐Ｓi膜６７を形成する。さらに、このａ‐Ｓi膜６７に対して、Ａr６８をイオンドーピング法によって導入する。その場合、ドーピングガスとしては１００％のＡrを用い、加速電圧を例えば３０kＶとし、ドーズ量を１Ｅ１５cm-2〜１Ｅ１６cm-2、例えば３Ｅ１５cm-2とする。
【０１２６】
そして、この状態で、例えば窒素雰囲気等の不活性雰囲気下において加熱処理を施す。この場合における処理温度および処理時間は、４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間、より好ましくは４８０℃〜５２０℃の温度で１０分〜２時間である。また、上記処理温度までの昇温速度および処理温度からの降温速度は、少なくとも５℃/分以上で行うことが望ましい。本実施の形態においては、加熱温度５００℃で１時間の処理を行った。その際に、基板を２００℃程度で余熱した状態から５００℃まで３０分で(昇温速度１０℃/分で)昇温し、処理後５００℃から２００℃まで同様に３０分で降温した。
【０１２７】
本実施の形態においては、上記ガラス基板６１として、３２０mm×４００mmで厚さ０.７mmtのコーニング社コード１７３７のノンアニール品ガラス基板を用いたが、この加熱処理による反りや撓みや割れ等は勿論生じなかった。さらに、メートルサイズの大型ガラス基板の場合でも、本実施の形態のような加熱処理であれば、問題なく使用可能であることを確認している。尚、本実施の形態の場合にも、上記加熱処理装置を、上記第１,第２実施の形態の場合と同様に、ファーネス炉を用いて行う。
【０１２８】
この加熱処理によって、上記ａ‐Ｓi膜６７は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜６３b中のニッケル６４が、図５(d)に矢印６９で示すように上方向に向かって引き出される。その際に、ａ‐Ｓi膜６７ではドーピングされたＡr６８がより大きな格子間歪みをもたらし、より強烈なゲッタリングシンクとして作用する。このときニッケル６４は薄膜の酸化ケイ素膜６６を通過して移動するのであるが、本実施の形態のような膜厚の酸化ケイ素膜６６では、その移動の妨げとはならない。
【０１２９】
その結果、上記結晶性ケイ素膜６３b中のニッケル６４の殆どは、上層のａ‐Ｓi膜６７へ移動し、この膜６７でのニッケル濃度が高くなる。逆に、下層の結晶性ケイ素膜６３bのニッケル濃度は大幅に低減され、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜６３cが得られるのである。上述した５００℃で１時間の加熱処理においては、結晶性ケイ素膜６３c中のニッケル濃度とゲッタリングシンクである上層のａ‐Ｓi膜６７中のニッケル濃度とは、熱平衡状態の偏析状態となっている。すなわち、これ以上処理時間を延ばしてもニッケル６４の移動は生じない状態である。この状態における実際の結晶性ケイ素膜６３c中のニッケル濃度をＳＩＭＳにより測定したところ、５×１０16atoms/cm3程度にまで低減されていた。
【０１３０】
次に、上述したようにニッケル６４をゲッタリングしてニッケル濃度が高くなったａ‐Ｓi膜６７を、全面的にエッチングすることによって除去する。その場合におけるエッチングとしては、下層の酸化ケイ素膜６６がエッチングストッパとして十分作用するように、酸化ケイ素膜と十分エッチング選択比のあるエッチャントが用いられる。本実施の形態の場合には、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、ａ‐Ｓi膜６７を除去した後、酸化ケイ素膜６６をエッチング除去する。その場合のエッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜６３cと選択性のある１：１００ＢＨＦを用い、ウェットエッチングによって行った。
【０１３１】
その後、上記結晶性ケイ素膜６３cにおける不要な部分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６(e)に示すように、後にＴＦＴの活性領域(ソース・ドレイン領域およびチャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜７０が形成される。
【０１３２】
次に、図６(f)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜１０を覆ってゲート絶縁膜７１を成膜し、成膜したアルミニウム膜をパターニングしてゲート電極７２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７３を形成する。次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極７２と酸化物層７３とをマスクとして上記活性領域に不純物を注入し、後にＴＦＴのソース・ドレイン領域となる領域７４,７５を形成する。また、不純物が注入されない領域７６は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。その後、レーザ光７７を照射してアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化と上述した不純物導入工程で劣化した結晶性の改善とを行う。
【０１３３】
続いて、図６(g)に示すように、層間絶縁膜７８を形成し、この層間絶縁膜７８にコンタクトホールを形成して、ＴＦＴのソース電極・配線７９およびドレイン電極・配線８０を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下において、３５０℃で１時間のァニールを行い、図６(g)に示すＮチャネル型ＴＦＴ８１を完成させるのである。
【０１３４】
上述のごとく、本実施の形態においては、ガラス基板６１上にａ‐Ｓi膜６３を成膜し、ａ‐Ｓi膜６３の表面上にニッケル６４を７×１０12atoms/cm2程度添加する。そして、不活性雰囲気下において５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間加熱処理を行うことによってａ‐Ｓi膜６３の結晶化を行って、微小な非晶質領域が混在した結晶性ケイ素膜６３aを得る。
【０１３５】
次に、上記レーザ光６５を照射して、固相結晶化によって得られた結晶性ケイ素膜６３aを溶融固化させることによって結晶欠陥を低減し、より高品質な結晶性ケイ素膜６３bにする。さらにノンドープのａ‐Ｓi膜６７を形成してＡr６８を導入し、不活性雰囲気下において４５０℃〜５５０℃の温度で５分〜４時間の加熱処理を、５℃/分以上の昇温・降温速度で施す。この加熱処理によって、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜６７は全く結晶化されず、その欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性ケイ素膜６３b中のニッケル６４が上方向に向かって引き出される。その際に、ａ‐Ｓi膜６７ではドーピングされたＡr６８がより大きな格子間歪みをもたらし、より強烈なゲッタリングシンクとして作用するのである。
【０１３６】
したがって、本実施の形態によれば、上記結晶性ケイ素膜６３b中のニッケル６４の殆どは、上層のａ‐Ｓi膜６７へ移動して、ニッケル濃度の低い高品質な結晶性ケイ素膜６３cが得られる。すなわち、ゲッタリングシンクを結晶化させない加熱処理を行わない従来法の約１/４まで残留ニッケル濃度を低減することができるのである。
【０１３７】
以下、上記各実施の形態における特徴的な部分についてまとめてみる。すなわち、上記各実施の形態は、絶縁基板(ガラス基板１,３１,６１)上に形成された第１のａ‐Ｓi膜３,３３,６３にその結晶化を促進する触媒元素(ニッケル４,３４,６４)を導入し、第１の加熱処理によって結晶成長させた後に、その結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b上に第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を設けて第２の加熱処理を行い、結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b中の触媒元素を第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へと移動させるものである。
【０１３８】
その場合における上記第２の加熱処理を、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が少なくとも完全に結晶化しない状態で行うことが、上記各実施の形態における大きなポイントなのである。そして、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を除去した後、下層の結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cを用いて半導体装置の活性領域を形成するのである。こうすることによって、上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行わない従来法に比べて、上記活性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のである。その結果、上記従来法に比べて、より高い電流駆動能力を有する高性能半導体装置を得ることができ、上記従来法によって作成された活性領域を用いた半導体装置で問題となってい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るのである。
【０１３９】
上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行って触媒元素を移動させるメカニズムについて説明する。触媒元素をある領域へと移動させる(すなわちゲッタリングする)メカニズムの一つとしては、上記領域での触媒元素に対する固溶度を他の領域より上げて、そこへ触媒元素を移動させる方法(第１のゲッタリング作用)がある。また、その他として、上記領域に触媒元素をトラップするような欠陥あるいは局所的な偏析サイトを形成し、そこに触媒元素を移動させトラップさせる方法(第２のゲッタリング作用)がある。
【０１４０】
上記各実施の形態においては、ゲッタリングシンクとして作用する第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を結晶化させない状態で熱処理を行うことで、後者(第２のゲッタリング作用)の利点を引き出すことができるのである。すなわち、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７におけるダングリングボンド等の欠陥がニッケル４,３４,６４に対する偏折サイトとなり、ニッケル４,３４,６４を結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３bより移動させ、上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７でトラップするのである。その結果、半導体装置の活性領域として利用する下層の結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３c中の触媒元素濃度は大きく低減し、半導体装置におけるオフ動作時のリーク電流の異常が無くなり、高い信頼性を得ることができるのである。
【０１４１】
上記第２の加熱処理としては、上記第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が少なくとも完全に結晶化しない状態で行うことで、上述の第２のゲッタリング作用を最低限引き出すことができる。しかしながら、より好ましくは、この熱処理工程中において、ゲッタリングシンクである第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７で結晶核の発生が全く生じない状態で第２の加熱処理を行うことが望ましい。このようにすることで、結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b中のニッケル４,３４,６４を第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へ移動させるゲッタリング工程の全期間において、最大限のゲッタリング偏析サイトを保持することができ、上記第２のゲッタリング作用を最大限に引き出すことができる。すなわち、この状態が、上記各実施の形態において、最も高いゲッタリング効果が得られる状態なのである。
【０１４２】
さらに、上記触媒元素のゲッタリング効果を上げるためには、上記第１,第２実施の形態のごとく、第２のａ‐Ｓi膜８,３７に５族Ｂから選ばれた元素であるリンを含有させることが非常に有効である。こうすることで、第２のａ‐Ｓi膜８,３７における触媒元素の固溶度を飛躍的に上げることができ、固溶度の差による触媒元素の移動(すなわち第１のゲッタリング作用)も同時に行われることになる。すなわち、上述した触媒元素のゲッタリングの２つのメカニズムおよび効果の双方とも同時に得ることができ、下層の活性領域となる結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cにおいて大きく触媒元素の膜中濃度を低減することができるのである。
【０１４３】
この５族Ｂ元素を用いたゲッタリング方法は、上記特開平１０‐２２３５３４号公報,特開平１０‐２２９０４８号公報および特開平１１‐３１６６０号公報で開示されている。しかしながら、これらの総ては、５族Ｂ元素を導入したことによる導入領域と非導入領域とにおける上記触媒元素に対する固溶度の差(触媒元素を移動させる第１のゲッタリング作用)を利用するものである。これに対して、上記第１,第２実施の形態におけるゲッタリングのためのドライビングフォースのメインは、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７中の欠陥等の局所的偏析サイトを利用した第２のゲッタリング作用である。そして、第２のａ‐Ｓi膜８,３７への５族Ｂ元素の導入による第２のゲッタリング作用は副次的なものであり、第１のゲッタリング作用と第２のゲッタリング作用とを組み合わせることによる積算相乗効果によって、上記公各報に開示された従来法に比べて大きくゲッタリング効率を向上するものである。
【０１４４】
上述のようにして得られた結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cは、従来より、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って残留している触媒元素を顕在化させる評価方法を行っても、上記従来法においては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ことによって素子領域内に残存している触媒元素を再凝集させてシリサイド状態とする評価方法を行っても、特開平１１‐３１６６０号公報,特開平１０‐２２３５３４号公報および特開平１０‐２２９０４８号公報において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。
【０１４５】
また、実際に上記各実施の形態によって得られた結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cを用いてＴＦＴを作成したところ、上記各公報および従来の技術によって同様にＴＦＴを作成した場合には３％以上の確率で見られたオフ時のリーク電流の異常な増大現象が全く見られず、正に０％であった。さらに、上記作成したＴＦＴを用いた液晶表示装置では、従来法によるＴＦＴを用いた液晶表示装置で頻発していた線状の表示斑(ドライバ部のサンプリング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ると共に良品率を飛躍的に高めることができた。
【０１４６】
上記各実施の形態は、上記特開平１１‐３１６６０号公報の場合と同様に、活性領域となる結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b上に形成された別のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へと縦方向(膜厚方向)に触媒元素を移動ゲッタリングするものであるが、上述したようにポイントは全く異なるものである。すなわち、上記各実施の形態においてはゲッタリングシンクとして非晶質ケイ素膜を用い、それが結晶化しないような状態で熱処理を用いることで上記第２のゲッタリング作用をもたらし、上層のゲッタリングシンクとなるケイ素膜にリンのような５族Ｂ元素を含まなくてもゲッタリングが可能となる。また、このような膜厚方向へのゲッタリングは、そのゲッタリング距離(触媒元素の移動すべき距離)は膜厚分のみであるため、特開平１０‐２２３５３４号公報および特開平１０‐２２９０４８号公報のような一般的な横方向へのゲッタリングに比べてその移動距離が短くて済む。このことは、低温あるいは短時間の処理でゲッタリングできることを意味しており、非晶質状態を保ったまま熱処理を行う第２のゲッタリング作用を引き出すのに非常に都合がよい。長時間や高温のアニール処理では、安価なガラス基板を用いた場合に反りや撓みが発生するなどの問題も生じるのである。
【０１４７】
さて、上記各実施の形態においては、上述したようにゲッタリングのための第２の加熱処理がポイントであり、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が少なくとも完全に結晶化しない状態で、好ましくは結晶核の発生が全く生じない状態で加熱処理を行う必要がある。そのためには、上記第２の加熱処理における処理温度を低くして時間を短くすることが有効ではあるが、下限が存在する。結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b中のニッケル４,３４,６４を第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７に移動させるためだけの処理温度・時間は最低限必要であるが、最も望ましいのは、結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b中のニッケル濃度と第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７中のニッケル濃度とが、少なくとも熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で行われることである。この状態でゲッタリング作用は飽和した状態となっており、最も高く安定したゲッタリング効果が得られる。すなわち、この状態以前では、中途半端な移動状態であり、プロセス的にも不安定なのである。
【０１４８】
以上の目的から、上記第２の加熱処理における実際の処理条件としては、加熱温度が４５０℃〜５５０℃の範囲内で、５分から４時間の処理時間で行われることが望ましい。図７に、第２の加熱処理における加熱温度とゲッタリング時間との関係(実験結果)を示す。横軸はゲッタリングのための加熱温度である。また、縦軸は触媒元素としてニッケルが導入された結晶性ケイ素膜において１００nmの距離をゲッタリングする(熱平衡の偏析状態となる)のに必要な時間である。膜厚方向にゲッタリングする方法では、ゲッタリング距離は膜厚分だけの非常に短い距離で済む。したがって、ゲッタリング距離１００nmは十分な距離である。図７より、５５０℃では約５分、５００℃では約３０分、４５０℃では約２４０分程度でゲッタリングが終了し飽和状態となる。シミュレーション上では、より早い時間でゲッタリングできるような計算結果が得られているが、実際にはニッケルの固溶度以下での移動が行われていると推測され、その分処理時間が延びるものと考えられる。
【０１４９】
また、上記実験の場合には、下層の結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に自然酸化膜レベルの酸化薄膜が存在しているが、それがニッケルの移動を若干ながら阻害している可能性もある。
【０１５０】
図７の実験結果においては、５族Ｂの元素としてリンを導入した第２の非晶質ケイ素膜を用いているが、上述のような第２の加熱処理方法を用いることで、上記第２のゲッタリング作用を引き出すことができるようになり、上記第２の非晶質ケイ素膜としてノンドープの非晶質ケイ素膜でもゲッタリングシンクとして作用するようになる。以上の理由から、上記第２の熱処理の処理条件としては、加熱温度４５０℃〜５５０℃の範囲内で、５分から４時間の処理時間で行われることが望ましい。
【０１５１】
図７によれば、加熱温度６００℃では１分でゲッタリングが可能であるが、第２の非晶質ケイ素膜が結晶化される可能性がある。そして、５５０℃以下では第２の非晶質ケイ素膜は殆ど結晶化されず、上記第２のゲッタリング作用を引き出すことができる。なぜなら、第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化した段階で上記第２のゲッタリング効果は無くなるからである。また、加熱温度が４５０℃以下になると処理時間が非常に長くなり、スループットの悪化や装置の台数・フットプリントの増加から量産プロセスとしての採用は難しい。
【０１５２】
さらに望ましくは、上記第２の加熱処理として、特に加熱温度４８０℃〜５２０℃の範囲内で、１０分から２時間の処理時間で行われるのが良い。上記各実施の形態による半導体装置の対象としては液晶表示用のアクティブマトリクス基板がある。そして、そのマザーボード(ガラス基板)は、コストダウンのため大型化する傾向にある。また、液晶表示装置のコンパクト化や軽量化のため薄板化する傾向も加わり、そのガラス基板に対して加熱処理を行うことは非常に厳しい。実際に、一般的に使用されているコーニング社コード１７３７のガラス基板を用いた場合、６００mm×７２０mmで厚さ０.７mmtの場合には、加熱温度５００℃で１〜２時間の加熱処理が略限界であることが実験で分っている。上記ガラス基板を用いる場合における最も大きな問題は重量による撓みである。
【０１５３】
上記各実施の形態では、触媒元素を膜厚方向にゲッタリングするためゲッタリング距離が膜厚分だけと非常に短くて済み、上記第２の加熱処理の加熱温度を低温化し且つ時間を短縮することができ、このような大型のガラス基板に対して非常に相性の良い方法なのである。このような点を考慮すると、上述の加熱温度が４８０℃〜５２０℃の範囲内で、１０分から２時間の処理時間で第２の加熱処理を行うのが最適条件であると言える。このような処理条件であれば、十分に量産性の高いプロセスを実現でき、ガラス基板の大型化や薄板化への対応も可能である。さらに、この加熱温度・処理時間内であれば、上記第２の非晶質ケイ素膜において結晶核の発生は生じず、全く結晶化されない。したがって、各実施の形態による効果を最大限に引き出すことができるのである。
【０１５４】
さて、上記第２の加熱処理における基板の加熱処理温度までの昇温速度および降温速度は、共に少なくとも５℃/分を上回ることが望ましい。この昇降温レートが遅いと意図しない余分な加熱処理が加わることになり、ガラス基板への熱的ダメージが増加すると共に、昇温過程や降温過程において結晶化が引き起こされる可能性がある。実験によれば、５℃/分以上の昇温速度および降温速度で上記第２の加熱処理を行えば、上記効果を損なうことはなく、特に問題も出ないことが分っている。
【０１５５】
上記第２の加熱処理を、上記第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が完全に結晶化しない条件で行う他の理由として、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を除去する工程上の問題がある。すなわち、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７を除去する工程においては、アルカリ溶液を用いることによって、エッチングストッパとなる下層の酸化ケイ素膜６,３６,６６に対して大きなエッチング選択比が得られるのである。その場合におけるアルカリ溶液としては、ＴＭＡＨ(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)等の無機アルカリ液が用いられる。
【０１５６】
しかしながら、図８に示すように、このようなアルカリ液によるケイ素膜のエッチングにおいては、ケイ素膜が結晶化するとエッチングの時間と量との間に線形性が無くなり、極端にエッチングレートが低下し、エッチング残差が非常に残り易くなるのである。そして、このようなエッチング残差が生ずると、最終的に上記エッチング残差はＴＦＴのチャネル界面に存在することになるため、正常なＴＦＴ特性を示さず不良となる。したがって、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が完全に結晶化しない条件で上記第２の加熱処理を行うことによって、後工程でのエッチング除去が行い易くなり、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７の除去工程に伴う不良を大きく低減できるのである。
【０１５７】
より最適には、上記第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７が全く結晶化しない条件で上記第２の加熱処理を行うことが望ましい。上述したように結晶化領域のエッチングレートが非晶質領域よりも遅いため、結晶化領域と非晶質領域とが混在していると、図９に示すように、結晶化領域がエッチング残差となって残り易いのである。したがって、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７の結晶化が全く起らない条件で上記第２の加熱処理を行うことによって、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７のエッチング時における結晶性の違いによるエッチングレートの違いと、それに伴うエッチング残差の問題とを、完全に解決することができる。したがって、上記エッチング残差に起因するＴＦＴ不良は全く見られなくなるのである。尚、図９(a)は、エッチング前およびエッチング途中における第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７表面の模式図であり、図９(b)は、断面の模式図である。
【０１５８】
この発明の目的を達成するためには、上記第２の加熱処理を行う製造装置の構成も重要なポイントとなる。上記各実施の形態において、上記第２の加熱処理を行う工程は、上述したように、基板の平面形状と概略相似形の断面形状を有する炉心管の中に、基板面を炉心方向に向けて、炉心管と基板との間のスペースが最小になるように基板を配置できるファーネス炉を用いて行うことが望ましい。このような装置構造の概略のコンセプトを図１０および図１１に示す。
【０１５９】
図１０において、石英ボート９３に基板９２が複数枚セットされている。このボート９３が、石英チューブ(炉心管)９１の中に入って加熱処理が行われる。石英ボート９３は基板９２のセット時にはチューブ９１下のホームポジション９５にある。このホームポジション９５内で、２００℃程度で余熱が行われている。そして、矢印(Ａ)に示すように基板９２をチャージしたボート９３がチューブ９１内に入って行くと共に昇温が開始され、完全にアニールゾーン９６内にボート９３全体が入ることで基板９２の加熱処理がスタートする。降温は、逆にボート９３を余熱ゾーンであるホームポジション９５に降ろすことによって行われる。
【０１６０】
ここで、ポイントは、上記石英チューブ９１の断面形状が、図１１(a)に示すように、基板９２の外形より一回り大きい概略相似形の矩形であることである。液晶表示用のアクティブマトリクス基板等のマザーボードとなるガラス基板は、ＩＣ等のシリコンウェハとは異なって、円形ではなく総て矩形状になっている。従来、このようなファーネス炉の石英チューブは、図１１(b)に示すような円形状であるのが通例である。この石英チューブ９７に矩形の基板９２をセットすると、断面的に見て、基板９２とチューブ９７との間に大きな隙間９８が生じることになる。逆に、図１１(a)に示すように、基板９２に概略相似形の矩形断面を有する石英チューブ９１を用いると、その隙間９９を小さくすることができるのである。上記各実施の形態においては、このチューブ９１と基板９２との隙間９９が大きなポイントとなるのである。
【０１６１】
上記各実施の形態においては、上記第２の加熱処理工程を早い昇温速度および降温速度で速やかに行う必要がある。しかしながら、従来のファーネス炉においては、特に６００mm×７２０mmサイズのような大型のガラス基板に対して、実際に上述のような早い昇降温レートを実現するのは極めて困難である。また、大きな問題として、昇降温時の基板内の温度分布が非常に大きくなり、具体的には基板の周辺部と中央部とで２００℃を越えるような温度分布が生じており、その影響による基板の反りや割れ等が頻発していた。
【０１６２】
本発明者らは、この問題を解決するのに、チューブ９１と基板９２との間の隙間９９と、基板９２を複数枚セットする場合における基板ピッチ９４とが大きなパラメーターであることを見出した。すなわち、昇降温速度を上げることとその昇降温時における基板内の温度分布を改善することとを同時に解決できるポイントは、窒素等の雰囲気ガスを基板９２間へどれだけ多く供給できるかである。図１１(c)に、上記第２の加熱処理時における雰囲気ガスの流れを示す。チューブ９１の上部より供給された雰囲気ガス１００は、チューブ９１と基板９２との隙間９９を通って矢印１０１に示すように下方向へ流れ、それと共に基板９２の間へ矢印１０２に示すように流れ込む。この雰囲気ガス１００の流れ１０２、つまり基板９２表面への雰囲気ガス１００の供給量を増やすことで昇降温速度を上げることができ、且つ、その場合における基板９２内の温度分布を略一定に保つことができる。この矢印１０２方向への雰囲気ガス供給量は、基板９２とチューブ９１との間９９を矢印１０１の方向へ流れる雰囲気ガス１００の流速に比例し、基板ピッチ９４の二乗に比例する。矢印１０１への流速を増やすためには、供給ガス量を上げるだけでは不十分であり、チューブ９１と基板９２との隙間９９を１０mm〜８０mmにすることが非常に有効である。その目的のためには、基板９２に概略相似形の矩形断面をもつ炉心管(石英チューブ)９１を用いることが、非常に有効である。
【０１６３】
その理由は、上記隙間９９が１０mm以下の場合には、上記ボート９３とチューブ９１との間に必要なローディングクリアランスが取れない。また、マザーボードとして想定される最小サイズ４００mm×４００mmのガラス基板を円形チューブにきっちり入れた場合の最大隙間が８０mmであるため、８０mm以上では、基板９２に概略相似形の矩形断面を有する石英チューブ９１を用いる意味が無く、目的とする効果が得られないためである。そして、隙間９９を１０mm〜８０mmにすることによって、基板ピッチ９４の最適化と合わせて、上記第２の加熱処理に必要な早い昇降温速度を実現できると共に、その場合における基板９２内の温度分布を略一定に保つことができ、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても、割れや反りの無い安定した処理が実現可能となるのである。
【０１６４】
これは、図１１(b)に示すような従来の円形チューブ９７を用いていては、全く実現できなかったことである。さらには、図１０および図１１に示すようなチャンバ構成の加熱装置をクラスタ状につなぎ、同時処理を行うことで、すなわちマルチチャンバ化することで、非常に高い処理能力を有する製造装置を小さなフットプリントで実現することができる。すなわち、上記第２の加熱処理用の加熱処理装置として、量産を含めて考えても最適な装置となるのである。
【０１６５】
上記各実施の形態においては、上記ゲッタリングのためのドライビングフォースは、主に、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７中の欠陥等の局所的偏析サイトを利用した上記第２のゲッタリング作用である。したがって、上記各実施の形態では、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７は、上述した特開平１０‐２２３５３４号公報,特開平１０‐２２９０４８号公報および特開平１１‐３１６６０号公報のように不純物を含有していなくても、ゲッタリングは可能である。しかしながら、触媒元素のゲッタリング効果を上げるには、上記第１,第２実施の形態の場合のように、第２のａ‐Ｓi膜８,３７に５族Ｂから選ばれた元素をさらに含有させることが有効である。このようにすることで、第２のａ‐Ｓi膜８,３７における触媒元素の固溶度を飛躍的に上げることができ、上記固溶度の差によって触媒元素の移動(すなわち上記第１のゲッタリング作用)も同時に行われるようになる。したがって、上述した触媒元素のゲッタリングの２つのメカニズム・効果の双方共同時に得ることができ、下層の活性領域となる結晶性ケイ素膜３b,３３bにおいて大きく触媒元素の膜中濃度を低減することができるのである。すなわち、上記第ｌのゲッタリング作用と第２のゲッタリング作用とを組み合わせた積算相乗効果によって、従来法に比べて大きくゲッタリング効率を向上できるのである。
【０１６６】
具体的に、上記５族Ｂから選ばれる元素としては、リン(Ｐ)，窒素(Ｎ)，ヒ素(Ａs),アンチモン(Ｓb),ビスマス(Ｂi)から選ばれた少なくとも一つの元素を用いることができる。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、上記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のである。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リンであることが分っている。
【０１６７】
次に、上記リンを含有する第２のａ‐Ｓi膜８を形成する工程においては、少なくともシラン(ＳiＨ4)ガスとホスフィン(ＰＨ3)ガスとを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成することが望ましい。リンを非晶質ケイ素膜に含有させる場合には通常イオンドーピング法を用いるが、その場合には、イオンドーピング時に基板が高温となって非晶質ケイ素膜がマイクロクリスタル化する場合が多い。このような微結晶化が行われると、上述したような効果は小さくなってしまう。ところが、シラン(ＳiＨ4)ガスとホスフィン(ＰＨ3)ガスとを材料ガスとした成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によれば、略完全な非晶質状態のケイ素膜が得られ、またリンの膜中濃度も非常に高濃度にすることができる。しかも処理能力が高く、量産においても適しているのである。
【０１６８】
さらに、上記第２実施の形態の場合のように、５族Ｂから選ばれた元素Ｐ(リン)を含む第２のａ‐Ｓi膜３７にさらにＢ(ホウ素)も含有させた場合には、より大きなゲッタリング効果を得ることができるのである。ゲッタリングシンクのケイ素膜に、リンだけではなくホウ素をもドープすると、そのゲッタリングメカニズムが変わることが分っている。すなわち、リンのみを含んでいる場合には、ノンドープの非ゲッタリング領域との触媒元素の固溶度の差を利用した拡散移動型ゲッタリング(第１のゲッタリング作用)であるが、加えてホウ素を含ませることで逆にゲッタリングシンクで触媒元素が析出し易くなり、欠陥あるいは偏析サイトヘのゲッタリング(第２のゲッタリング作用)が優勢になるのである。
【０１６９】
後者の場合の方が、よりゲッタリング能力は高いのであるが、欠陥・偏析サイトによるゲッタリング作用であるために、アニール温度に対してよりシビアになる。上記各実施の形態では、欠陥のようなゲッタリングサイトを残したまま、加熱処理を行うため、上述のように欠陥・偏析サイトを利用した第２のゲッタリング作用に対して非常に有効である。したがって、このように第２のａ‐Ｓi膜にＰ(リン)に加えてＢ(ホウ素)も含有させることによって、より大きな触媒元素のゲッタリング効果を得ることができ、活性領域での触媒元素濃度の低減を図ることができる。その場合におけるリンとホウ素とを含有する第２のａ‐Ｓi膜３７を形成する方法としては、少なくともシラン(ＳiＨ4)ガスとホスフィン(ＰＨ3)ガスとジボラン(Ｂ2Ｈ6)ガスを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成することが望ましい。このようにすることによって、上述したように、略完全な非晶質状態のケイ素膜を得ることができ、リンとホウ素との膜中濃度も非常に高濃度とすることができる。しかも、処理能力が高く、量産においても適していると言えるのである。
【０１７０】
上記各実施の形態における効果を高めるその他の方法として、上記第３実施の形態のごとく、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜６７にアルゴン(Ａr),クリプトン(Ｋr),キセノン(Ｘe)から選ばれた希ガス元素を含有させることも非常に有効である。ゲッタリングシンクの非晶質ケイ素膜にこれらの希ガス元素が存在すると、そこで大きな格子間歪みが生じるために、元々の特徴である欠陥・偏析サイトによる第２のゲッタリング作用が非常に強力に働くのである。このことは、一般的にＳiウェハを用いるＩＣの分野でもよく知られた技術である。しかしながら、これらの元素は非晶質ケイ素膜中に存在することで、それらが非晶質ケイ素膜の結晶成長を阻害し、結晶成長(結晶核発生)までの潜伏期間が長くなり、結晶成長速度を遅らせる効果を有する。そのために、上記加熱処理時におけるゲッタリングシンクの第２の非晶質ケイ素膜を、より非晶質状態のままで保つことができ、より大きな第２のゲッタリング作用を得ることができるのである。したがって、このような希ガス元素を上記第２の非晶質ケイ素膜に含有させることは、この発明のコンセプト・目的に一致した非常に有効な手段なのである。また、これらの希ガス元素の中で最も効果が高いのはＡrであり、Ａrを用いた場合に最も大きな効果を得ることができるのである。
【０１７１】
このような希ガス元素を含む第２のａ‐Ｓi膜６７を形成する方法としては、プラズマＣＶＤ法によって形成した後に、イオンドーピング法によって希ガス元素を膜中にドーピングする方法が望ましい。ａ‐Ｓi膜を先に形成した後、ドーピングして希ガス元素を導入することで、その格子間歪みをより大きくすることができ、より高いゲッタリング効果が得られるのである。また、その場合のドーピングの材料ガスは希ガスであり、純度ｌ００％であるので、ドーピングの処理能力(スループット)も非常に高い。
【０１７２】
さて、上記各実施の形態においては、第１のａ‐Ｓi膜３,３３,６３にその結晶化を促進させる触媒元素を導入して加熱処理を施し、結晶化させて半導体装置の活性領域となる結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３b上に第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を設け、この第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へ触媒元素を移動させるものである。ところが、このゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７は、上記触媒元素をゲッタリングした後は、半導体装置として不必要なものである。よって、この第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７は除去する必要があるが、その際に下層の活性領域となる結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cを残したまま、上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７のみを除去する必要がある。そのためには、下層の結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cと上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７との間で１００％近いエッチング選択比をもったエッチング処理が望まれるが、実際には、同様のケイ素膜系材料であるので、１００％近いエッチング選択比をもった選択エッチングは不可能である。よって、上記各実施の形態においては、活性領域となる結晶性ケイ素膜３c,３３c,６３cと第２のａ‐Ｓi膜７,３７,６７との間に、第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を除去する際のエッチングストッパとなるバリア薄膜を設けることが有効である。
【０１７３】
その場合におけるバリア薄膜としては、上記第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を除去する際のエッチングストッパとして、十分なエッチング選択比を有している必要があるのは勿論であるが、このバリア薄膜を通過して下層の結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３bから上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へと触媒元素の移動が行われる必要がある。この触媒元素の移動を阻害するようであれば、ゲッタリングシンクとなる上層の第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７への触媒元素の十分な移動は行われず、ゲッタリング効果を得ることはできない。すなわち、上記各実施の形態による効果は全く無くなってしまう。このような目的から、活性領域の結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３bと第２のａ‐Ｓi膜７,３７,６７との間に設けられるバリア薄膜としては、膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜６,３６,６６を用いることが望ましい。このような膜であれば、上述した目的を双方共満たしている。また、このときの膜厚が５０Åより厚けれは、上記活性領域の結晶性ケイ素膜３b,３３b,６３bと第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７との間で触媒元素の十分な移動は行われず、触媒元素の高いゲッタリング効果は得られない。
【０１７４】
上記各実施の形態において、上記触媒元素によって結晶化されたケイ素膜３a,３３a,６３aの結晶性をより向上し、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３a,３３a,６３a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、レーザ光を照射する工程を追加することも有効である。前者の高温の酸化雰囲気中において熱処理を行ってその結晶性をさらに向上する方法においては、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜３a,３３a,６３aに対して、さらに高温(８００℃〜１１００℃)で酸化処理を行うと、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、過飽和Ｓi原子がケイ素膜３a,３３a,６３a中の結晶欠陥(特に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。しかしながら、この８００℃〜１１００℃の高温での酸化処理を行う方法では、安価なガラス基板を使用することはできない。その観点から、上記各実施の形態においては、後者のレーザ光を照射する方法がより有効である。
【０１７５】
上記各実施の形態において得られる結晶性ケイ素膜３a,３３a,６３aにレーザ光５,３５,６５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とになる。その場合、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ため、強光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥として残る。それに比べて、触媒元素を導入して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ため、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亙って単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜が得られ、結晶性の観点から、その有効性は非常に高いと言える。また、元々結晶性を有するケイ素膜３a,３３a,６３aに対してレーザ光５,３５,６５を照射させるのであるから、非晶質ケイ素膜に直接レーザ照射して結晶化する方法とは異なり、レーザ照射のばらつきは大きく緩和され、均一性上の問題も生じない。
【０１７６】
但し、このようなレーザ光照射処理を行う工程は、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜３a,３３a,６３a上に第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７を設ける工程の前に、すなわち、触媒元素を第２のａ‐Ｓi膜７,８,３７,６７へゲッタリングする前に行うことが望ましい。その理由は、触媒元素による固相結晶化で得られた結晶性ケイ素膜３a,３３a,６３aにレーザ光５,３５,６５を照射すると、触媒元素の存在形態に変化が生じるためである。具体的に述べると、シリサイドとしての凝集・再凝集が起こるためである。活性領域のケイ素膜から触媒元素を取り除くゲッタリング工程としては、活性領域を構成する結晶性ケイ素膜の結晶状態が完全に固まってから行うのが望ましく、そうすることによって理想的なゲッタリングを行うことができる。逆に言うと、ゲッタリング後に結晶性を助長するような処理(レーザ光照射)を行った場合には、この結晶性助長処理によってゲッタリング後に残留し固溶していた触媒元素が再凝集してシリサイド化し、半導体素子に電気的悪影響を与える可能性があるのである。
【０１７７】
さて、上記第１のａ‐Ｓi膜３,３３,６３に導入されてその結晶化を促進させるための触媒元素として利用できる元素としては、上述したニッケル(Ｎi)４,３４,６４の他に、コバルト(Ｃo),鉄(Ｆe)パラジウム(Ｐd),白金(Ｐt),銅(Ｃu),金(Ａu)を利用することができる。これらの中から選択さ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が、それらの中でも、特にニッケル４,３４,６４を用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。その理由については、次のようなモデルを考えることができる。
【０１７８】
すなわち、上記触媒元素は単独では作用せず、上記ａ‐Ｓi膜３,３３,６３と結合してシリサイド化することによって結晶成長に作用する。つまり、その場合における結晶構造がａ‐Ｓi膜３,３３,６３の結晶化時に一種の鋳型のように作用し、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３の結晶化を促すというモデルである。上記Ｎiは、２つのＳiとＮiＳi2なるシリサイドを形成する。ＮiＳi2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、ＮiＳi2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に非常に近い値を有している。したがって、ＮiＳi2は、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、上記各実施の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。
【０１７９】
上記各実施の形態において、上記第１のａ‐Ｓi膜３,３３,６３にその結晶化を促進する触媒元素を導入する際における触媒元素の導入量(面密度)は、全反射蛍光Ｘ線測定値で５×１０11cm-2〜５×１０13cm-2の範囲内とすることが望ましい。この範囲内であれば、必要且つ十分な結晶成長を引き起こすことができるのである。その際に、触媒元素の導入量が５×１０13cm-2以上の場合には結晶成長に寄与しない過剰な触媒元素の析出が多発し、後のゲッタリング工程においてもゲッタリングが困難となってしまう。
【０１８０】
さて、上記各実施の形態において形成された半導体装置としては、活性領域を構成する結晶性ケイ素膜が触媒元素を含み、且つ活性領域内において該触媒元素が膜厚方向に対して濃度分布を有してなることが特徴である。このような状態が上記各実施の形態によって触媒元素を膜厚方向に効率良くゲッタリングされた結果として得られる。しかも、上記活性領域内における膜厚方向の触媒元素の濃度分布は、活性領域上面で最も高く下面に行く程低くなるような濃度分布であることが望ましい。このような濃度分布状態が上記各実施の形態における効果が最も引き出された状態で、触媒元素が膜厚方向に効率良くゲッタリングされた結果である。
【０１８１】
加えて、上記各実施の形態における活性領域内における触媒元素の状態は、シリコン格子間に固溶しており、シリサイドとして析出していない状態であることが望ましい。この状態がゲッタリングを行ったことで生じる状態である。結晶成長の状態ではシリサイドの析出が必ずあり、逆に言うとシリサイドによって結晶成長が行われる。したがって、上記触媒元素によって結晶成長が行われたにも拘らず、活性領域内にシリサイド状態で触媒元素が存在せずに、シリコン格子間に固溶して存在するという状態は、結晶成長の後に効率的にゲッタリングが行われたことを表しており、上記各実施の形態における高いゲッタリング効果を表した結果である。
【０１８２】
また、上記活性領域の表面近傍にはＡr元素を含むことが望ましい。上層の第２のａ‐Ｓi膜にＡrをドーピングしてゲッタリングした場合、幾分かのＡrは下層の活性領域表面に打ち込まれ、活性領域の表面近傍にＡrが存在する。これはＡrによる効果的なゲッタリングを行ったために見られる状態である。尚、上記各実施の形態における活性領城中に含まれる触媒元素種として、少なくともＮi元素を含むことが最も望ましい。これは上述したようにＮiが触媒元素として最も有効に作用するからである。
【０１８３】
最後に、上記各実施の形態においては、半導体装置の活性領域内に残留する触媒元素量を出来る限り低減し、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。そのためには、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、１×１０15cm-3〜１×１０17cm-3の範囲内であれば良い。上記チャネル領城中の触媒元素濃度を１×１０17cm-3以下にすることによって、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、上記各実施の形態を適用することによって、このような低濃度を実現することができるのである。また、上記触媒元素を用いて結晶化を行う限り、最低限１×１０15cm-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在考えられる如何様な方法をもってしても不可能である。したがって、触媒元素により結晶化を行った結果として、少なくとも１×１０15cm-3以上の濃度の触媒元素がチャネル領域内に残存するのである。
【０１８４】
以上、この発明を上記第１〜第３実施の形態によって具体的に説明したが、この発明は上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１８５】
例えば、上記触媒元素ニッケルをゲッタリングシンクのａ‐Ｓi膜３,３３,６３へ移動させる際の上記第２の加熱処理として、基板９２の外形と概略相似形の炉心管９１を有する抵抗性加熱炉を用いる方法を示したが、通常の抵抗性加熱炉(ファーネス炉)でも同様の処理は可能である。また、その他の枚葉式等のＲＴＡ(瞬間熱アニール)ライクなアニール方法も使用できる。
【０１８６】
また、上記触媒元素としてのニッケルを導入する方法としては、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３表面にニッケル塩を溶かした溶液を塗布する方法を採用したが、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３を成膜する前に下地膜表面にニッケルを導入し、ａ‐Ｓi膜３,３３,６３下層よりニッケルを拡散させて結晶成長を行わせる方法でもよい。即ち、結晶成長はａ‐Ｓi膜３,３３,６３の上面側から行ってもよいし、下面側から行ってもよいのである。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ＳＯＧ(スピンオングラス)材料を用い、下地の酸化ケイ素膜２,３２,６２より拡散させる方法もある。また、スパッタリング法や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導入する方法等も利用できる。
【０１８７】
また、上述したように、結晶化を助長する触媒金属元素としては、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。さらに、上記第１,第２実施の形態においては、ニッケルのゲッタリング効果を高めるための５族Ｂ元素としてリンを用いたが、窒素,ヒ素,アンチモン,ビスマスを利用しても良い。勿論、先に説明したように、ノンドープのａ‐Ｓi膜を用いてもゲッタリング効果を得ることはできる。さらに、上記第３実施の形態においては、ゲッタリングシンクとなる第２のａ‐Ｓi膜６７にアルゴンをドーピングして用いたが、クリプトンやキセノンでも同様の効果を得ることができる。その際に、上記第３実施の形態においては、アルゴン６８をイオンドーピング法によってａ‐Ｓi膜６７に導入したが、この導入方法に限定されるものではない。例えば、シリコンターゲットを用いてアルゴンをスパッタリングガスとするスパッタによってａ‐Ｓi膜を形成してもよい。この方法でも、多量のアルゴンがａ‐Ｓi膜中に含まれる。また、ＣＶＤ法において、材料ガスとしてアルゴンを追加してａ‐Ｓi膜形成処理を行ってもよい。
【０１８８】
また、ゲッタリングシンクとなるａ‐Ｓi膜３,３３,６３を除去する際のエッチングストッパとしても、上記各実施の形態で述べた酸化ケイ素膜６,３６,６６以外に、窒化ケイ素膜等その他様々な膜が使用可能である。また、この酸化ケイ素膜６,３６,６６の形成方法についても、上記各実施の形態で説明したようなオゾン水処理やエキシマＵＶ処理等による薄膜酸化法以外に、例えばＣＶＤでの薄膜形成や酸素プラズマ処理、熱酸化法や硫酸酸化等を用いても構わない。
【０１８９】
また、上記各実施の形態においては、ニッケルによって結晶化された結晶性ケイ素膜３a,３３a,６３aの結晶性をさらに助長する手段として、パルスレーザであるエキシマレーザ５,３５,６５の照射による加熱法を用いたが、例えば連続発振Ａrレーザ等それ以外のレーザでも同様の処理が可能である。
【０１９０】
さらに、上記各実施の形態の応用としては、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、ドライバ内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ(エレクトロ・ルミネッセンス)等を発光素子としたドライバ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。何れも上記各実施の形態を適用することによって、これらの素子の高速化や高解像度化等の高性能化が実現される。さらに、上記各実施の形態によって形成される半導体装置としては、上述の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始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のである。
【０１９１】
【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、基板上に第１の非晶質ケイ素膜を形成してニッケルを導入し、第１の加熱処理を施して結晶成長を行わせて結晶性ケイ素膜とし、上記結晶性ケイ素膜上に形成された第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化しない条件で第２の加熱処理を行って上記ニッケルを上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動させるので、上記第２の非晶質ケイ素膜におけるダングリングボンド等の欠陥が上記ニッケルに対する偏折サイトとなり、上記結晶性ケイ素膜から移動する上記ニッケルを効果的にトラップすることができる。
【０１９２】
その結果、上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行わない従来法に比べて、上記結晶性ケイ素膜における残留ニッケル量を大幅に低減することができる。したがって、上記従来法に比べて、上記結晶性ケイ素膜を活性領域とする半導体装置におけるオフ動作時のリーク電流の異常を無くし、ばらつきの少ない安定した特性と高い信頼性とを得ることができる。更には、リーク電流の少ない安定した特性を有することから、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よって得ることができる。また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化も図ることができるのである。
【０１９３】
特に、液晶表示装置において、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と、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化・高集積化とを同時に満足し、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とを形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る。したがって、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化を図ることができるのである。
【０１９４】
さらに、上記第２の加熱処理を、基板の平面形状と概略相似形の断面形状を有する炉心管の中に、上記基板が、基板面を炉心方向に向けると共に、炉心管と基板との間のスペースが１０mm以上且つ８０mm以下になるように配置されるファーネス炉を用いておこなうので、上記基板表面へ供給される雰囲気ガスの量を増やすことができる。したがって、早い昇降温速度を実現できると共に上記基板内の温度分布を略一定に保つことができ、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても割れや反りの無い安定した処理を実現できる。
【０１９５】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記基板の平面形状および炉心管の断面形状は矩形状であるので、矩形の平面形状を有する基板に対して、上記炉心管との間のスペースを最適にして、上記第２の加熱処理時に必要な早い昇降温速度を実現すると共に、上記基板内の温度分布を略一定に保つことができる。
【０１９６】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理を、上記第２の非晶質ケイ素膜に全く結晶核が発生しない条件で行うので、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルが上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動される全期間において、最大限のゲッタリング偏析サイトを保持できる。したがって、上記偏折サイトへの上記ニッケルのトラップ作用を最大限に引き出すことができる。
【０１９７】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理を、上記結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度と上記第２の非晶質ケイ素膜中のニッケル濃度とが熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で行うので、上記熱平衡状態の偏析状態となった時点でゲッタリング作用が飽和状態となり、最も高く安定したゲッタリング効果を得ることができる。
【０１９８】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理を、４５０℃以上且つ５５０℃以下の加熱温度および５分以上且つ４時間以下の処理時間で行うので、図７から分かるように、上記ニッケルを距離１００nmだけゲッタリングすることができる。したがって、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルを、膜の厚さ方向に十分ゲッタリングすることができる。
【０１９９】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理の加熱温度は４８０℃以上且つ５２０℃以下であり、上記処理時間は１０分以上且つ２時間以下であるので、液晶表示用のアクティブマトリクス基板のマザーボードに使用される６００mm×７２０mmで厚さ０.７mmtのガラス基板であっても、重量によって撓むことなく上記第２の加熱処理を行うことができる。
【０２００】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の加熱処理において、５℃/分を上回る昇・降温速度で昇温および降温するので、ガラス基板を用いる場合に、余分な加熱処理による熱的ダメージを無くし、且つ、上記ゲッタリング効果を損なわないようにできる。
【０２０１】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜に５族Ｂから選ばれた元素を導入するので、上記第２の非晶質ケイ素膜におけるニッケルの固溶度を飛躍的に上げることができる。したがって、上記偏折サイトへの上記ニッケルのトラップによるゲッタリング作用に加えて、上記固溶度の差によるニッケルのゲッタリング作用も同時に行うことができ、上記結晶性ケイ素膜におけるニッケル濃度をより低減できる。
【０２０２】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂから選ばれた元素を、Ｐ,ＡsおよびＳbのうちの一種または複数種とするので、上記ニッケルを効率的に移動して、十分なゲッタリング効果を得ることができる。
【０２０３】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜に、上記５族Ｂから選ばれた元素中で最も高いゲッタリング効果が得られるＰを導入するので、より高いゲッタリング効果を得ることができる。したがって、上記第２の非晶質ケイ素膜が結晶化しない状態での加熱処理を行わない従来法に比べて、約１/４まで残留ニッケル濃度を低減することができる。
【０２０４】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記Ｐを含んだ第２の非晶質ケイ素膜を、少なくともＳiＨ4ガスとＰＨ3ガスとを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成するので、イオンドーピング法を用いた場合のような非晶質ケイ素膜の微結晶化は起らない。したがって、略完全な非晶質状態のケイ素膜を得ると共に、上記リンの濃度を非常に高濃度にでき、十分なゲッタリング効果を得ることができる。
【０２０５】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜に、上記Ｐに加えてＢをも導入しているので、上記Ｐによるニッケルの固溶度の差を利用した拡散移動型ゲッタリング作用よりも、欠陥あるいは偏析サイトヘのゲッタリング作用の方が優勢になる。その場合、後者のゲッタリング作用の方がゲッタリング能力が高いため、より大きなニッケルのゲッタリング効果を得ることができる。
【０２０６】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記ＰおよびＢを含んだ第２の非晶質ケイ素膜を、少なくともＳiＨ4ガスとＰＨ3ガスとＢ2Ｈ6ガスを材料ガスを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマＣＶＤ法によって形成するので、略完全な非晶質状態のケイ素膜を得ると共に、上記ＰおよびＢの濃度を非常に高濃度にできる。したがって、十分なゲッタリング効果を得ることができるのである。
【０２０７】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜にＡr,ＫrおよびＸeから選ばれた希ガス元素を導入するので、大きな格子間歪みを生じさせることができる。したがって、上記欠陥・偏析サイトによるゲッタリング作用を非常に強力に働かせることができる。しかも、これらの元素は上記第２の非晶質ケイ素膜の結晶成長を阻害するので、上記第２の加熱処理時において、上記第２の非晶質ケイ素膜はより非晶質状態のままで保たれる。こうして、より大きなゲッタリング作用を得ることができる。
【０２０８】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜に、上記Ａr,ＫrおよびＸeから選ばれた元素中で最も高いゲッタリング効果が得られるＡrを導入するので、より高いゲッタリング効果を得ることができる。
【０２０９】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第２の非晶質ケイ素膜をプラズマＣＶＤ法によって形成し、その後、イオンドーピング法によってＡrを導入するので、上記第２の非晶質ケイ素膜の格子間歪みをより大きくして、より高いゲッタリング効果を得ることができる。
【０２１０】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に、上記第２の非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパとして機能するバリア薄膜を形成するので、下層の上記結晶性ケイ素膜と上層の上記第２の非晶質ケイ素膜とが同様のケイ素膜系材料であっても、上記下層の結晶性ケイ素膜を残して上記上層の第２の非晶質ケイ素膜のみを完全に除去することができる。
【０２１１】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記バリア薄膜を、膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜としたので、エッチングストッパとして十分なエッチング選択比を有すると共に、上記バリア薄膜を介した上記結晶性ケイ素膜から第２の非晶質ケイ素膜への十分なゲッタリング効果を得ることができる。
【０２１２】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第１の加熱処理によって得られた結晶性ケイ素膜にレーザ光を照射して、上記結晶性ケイ素膜の結晶性を高めるので、強光の照射によって結晶粒界部が処理されて、基板全面に亙って単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜を得ることができる。
【０２１３】
また、１実施例の半導体装置の製造方法は、上記第１の非晶質ケイ素膜に対するニッケルの導入量を、全反射蛍光Ｘ線測定値で５×１０11cm-2以上且つ５×１０13cm-2以下としたので、十分な結晶成長を引き起こすことができ、且つ、結晶成長に寄与しない過剰なニッケルの析出を無くして十分なゲッタリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の半導体装置の製造方法としてのＴＦＴにおける製造工程の概要を示す断面図である。
【図２】 図１に続く製造工程の概要を示す断面図である。
【図３】 図１とは異なるＴＦＴにおける製造工程の概要を示す断面図である。
【図４】 図３に続く製造工程の概要を示す断面図である。
【図５】 図１および図３とは異なるＴＦＴにおける製造工程の概要を示す断面図である。
【図６】 図５に続く製造工程の概要を示す断面図である。
【図７】 第２の加熱処理における加熱温度とゲッタリング時間との関係を示す図である。
【図８】 第２のａ‐Ｓi膜をアルカリ溶液でエッチング除去する際のエッチング時間とエッチング量との関係を示す図である。
【図９】 結晶化領域と非晶質領域とが混在している第２のａ‐Ｓi膜の表面および断面のエッチング前とエッチング途中の模式図である。
【図１０】 第２の加熱処理を行う加熱装置の概念図である。
【図１１】 石英チューブの断面形状と雰囲気ガスの流れを示す図である。
【符号の説明】
１,３１,６１…ガラス基板、
３,７,３３,６３,６７…ａ‐Ｓi膜、
３a,３b,３３a,３３b,６３a,６３b…結晶性ケイ素膜、
３c,３３c,６３c…高品質な結晶性ケイ素膜、
４,３４,６４…ニッケル、
５,１７,３５,６５,７７…レーザ光、
６,３６,６６…酸化ケイ素膜、
８…リンを含むａ‐Ｓi膜、
１０,３９n,３９p,７０…活性領域、
１１,４０,７１…ゲート絶縁膜、
１２,４１n,４１p,７２…ゲート電極、
１６,４５n,４５p,７６…チャネル領域、
１８,４８,７８…層間絶縁膜、
１９,７９…ソース電極・配線、
２０…画素電極、
３７…リンとホウ素とを含むａ‐Ｓi膜、
４２…リン、
１４,１５,４３n,４４n,７４,７５…Ｎ型不純物領域、
４７…ホウ素、
４３p,４４p…Ｐ型不純物領域、
４９…電極・配線、
２１,５０,８１…Ｎチャネル型ＴＦＴ、
５１…Ｐチャネル型ＴＦＴ、
６８…アルゴン、
８０…ドレイン電極・配線、
９１…石英チューブ(炉心管)、
９２…基板、
９３…石英ボート、
９５…ホームポジション、
９６…アニールゾーン、
９９…隙間、
１００…雰囲気ガス。
Claims (20)
- 絶縁表面を有する基板上に第１の非晶質ケイ素膜を形成し、上記第１の非晶質ケイ素膜に、結晶化を促進するためのニッケルを導入する工程と、
第１の加熱処理を施して、上記ニッケルが導入された第１の非晶質ケイ素膜の結晶成長を行わせて結晶性ケイ素膜とする工程と、
上記結晶性ケイ素膜上に、第２の非晶質ケイ素膜を形成する工程と、
上記第２の非晶質ケイ素膜が完全に結晶化しない条件で第２の加熱処理を行って、上記結晶性ケイ素膜中のニッケルを上記第２の非晶質ケイ素膜へ移動させる工程と、
上記第２の非晶質ケイ素膜を除去した後、上記結晶性ケイ素膜を用いて半導体装置の活性領域を形成する工程
を含み、
上記第２の加熱処理は、基板の平面形状と概略相似形の断面形状を有する炉心管の中に、上記基板が、基板面を炉心方向に向けると共に、炉心管と基板との間のスペースが１０mm以上且つ８０mm以下になるように配置されるファーネス炉を用いて行われる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記基板の平面形状および炉心管の断面形状は矩形状であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１あるいは請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の加熱処理は、上記第２の非晶質ケイ素膜に全く結晶核が発生しない条件で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の加熱処理は、上記結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度と上記第２の非晶質ケイ素膜中のニッケル濃度とが熱平衡状態の偏析状態となるような加熱温度および加熱時間で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の加熱処理は、４５０℃以上且つ５５０℃以下の加熱温度および５分以上且つ４時間以下の処理時間で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記加熱温度は４８０℃以上且つ５２０℃以下であり、上記処理時間は１０分以上且つ２時間以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の加熱処理では、５℃/分を上回る昇温速度で加熱処理温度まで昇温し、加熱処理終了後は５℃/分を上回る降温速度で降温することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、５族Ｂから選ばれた元素を含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
上記５族Ｂから選ばれた元素は、リン,ヒ素およびアンチモンのうちの一種または複数種であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項９に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、リンを含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、少なくともシランガスとホスフィンガスとを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマ化学気相成長法によって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、上記リンに加えてホウ素をも含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１２に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、少なくともシランガスとホスフィンガスとジボランガスを材料ガスとして、成膜温度４００℃以下でのプラズマ化学気相成長法によって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、アルゴン,クリプトンおよびキセノンから選ばれた希ガス元素を含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１４に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、アルゴンを含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、プラズマ化学気相成長法によって形成された後に、イオンドーピング法によってアルゴンが導入されることを特徴とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記結晶性ケイ素膜と第２の非晶質ケイ素膜との間に、上記第２の非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパとして機能するバリア薄膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１７に記載の半導体装置の製造方法において、
上記バリア薄膜は、膜厚５０Å以下の酸化ケイ素膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第１の加熱処理によって得られた結晶性ケイ素膜にレーザ光を照射して、上記結晶性ケイ素膜の結晶性を高める工程を含むと共に、
上記第２の非晶質ケイ素膜は、上記結晶性が高められた結晶性ケイ素膜上に形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１乃至請求項１９の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第１の非晶質ケイ素膜に対するニッケルの導入量は、全反射蛍光Ｘ線測定値で５×１０11cm-2以上且つ５×１０13cm-2以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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