JP4145963B2 - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は結晶性を有する半導体を用いた半導体装置およびその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ(以下TFT等)が知られている。このTFTは、基板上に薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて構成されるものである。このTFTは、各種集積回路に利用されているが、特に電気光学装置特にアクティブマトリックス型の液晶表示装置の各画素の設けられたスイッチング素子、周辺回路部分に形成されるドライバー素子として注目されている。
【0003】
TFTに利用される薄膜半導体としては、非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的特性が低いという問題がある。TFTの特性向上を得るためには、結晶性を有するシリコン薄膜を利用するばよい。結晶性を有するシリコン膜は、多結晶シリコン、ポリシリコン、微結晶シリコン等と称されている。この結晶性を有するシリコン膜を得るためには、まず非晶質珪素膜を形成し、しかる後に加熱によって結晶化さればよい。
【0004】
しかしながら、加熱による結晶化は、加熱温度が600℃以上の温度で10時間以上の時間を掛けることが必要であり、基板としてガラス基板を用いることが困難であるという問題がある。例えばアクティブ型の液晶表示装置に用いられるコーニング7059ガラスはガラス歪点が593℃であり、基板の大面積化を考慮した場合、600℃以上の加熱には問題がある。
【0005】
〔発明の背景〕
本発明者らの研究によれば、非晶質珪素膜の表面にニッケルやパラジウム、さらには鉛等の元素を微量に堆積させ、しかる後に加熱することで、550℃、4時間程度の処理時間で結晶化を行なえることが判明している。
【0006】
上記のような微量な元素(結晶化を助長する触媒元素)を導入するには、プラズマ処理や蒸着、さらにはイオン注入を利用すればよい。プラズマ処理とは、平行平板型あるいは陽光柱型のプラズマCVD装置において、電極として触媒元素を含んだ材料を用い、窒素または水素等の雰囲気でプラズマを生じさせることによって非晶質珪素膜に触媒元素の添加を行なう方法である。
【0007】
しかしながら、上記のような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好ましいことではない。
【0008】
即ち、上記のニッケル等の結晶化を助長する元素(触媒元素)は、非晶質珪素を結晶化させる際には必要であるが、結晶化した珪素中には極力含まれないようにすることが望ましい。この目的を達成するには、触媒元素として結晶性珪素中で不活性な傾向が強いものを選ぶと同時に、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なう必要がある。そしてそのためには、上記触媒元素の添加量を精密に制御して導入する必要がある。
【0009】
また、ニッケルを触媒元素とした場合、非晶質珪素膜を成膜し、ニッケル添加をプラズマ処理法によって行ない結晶性珪素膜を作製し、その結晶化過程等を詳細に検討したところ以下の事項が判明した。
(1)プラズマ処理によってニッケルを非晶質珪素膜上に導入した場合、熱処理を行なう以前に既に、ニッケルは非晶質珪素膜中のかなりの深さの部分まで侵入している。
(2)結晶の初期核発生は、ニッケルを導入した表面から発生している。
(3)蒸着法でニッケルを非晶質珪素膜上に成膜した場合であっても、プラズマ処理を行なった場合と同様に結晶化が起こる。
【0010】
上記事項から、プラズマ処理によって導入されたニッケルが全て効果的に機能していないということが結論される。即ち、多量のニッケルが導入されても十分に機能していないニッケルが存在していると考えられる。このことから、ニッケルと珪素が接している点(面)が低温結晶化の際に機能していると考えられる。そして、可能な限りニッケルは微細に原子状に分散していることが必要であることが結論される。即ち、「必要なのは非晶質珪素膜の表面近傍に低温結晶化が可能な範囲内で可能な限り低濃度のニッケルが原子状で分散して導入されればよい」ということが結論される。
【0011】
非晶質珪素膜の表面近傍のみに極微量のニッケルを導入する方法、言い換えるならば、非晶質珪素膜の表面近傍のみ結晶化を助長する触媒元素を極微量導入する方法としては、蒸着法を挙げることができるが、蒸着法は制御性が悪く、触媒元素の導入量を厳密に制御することが困難であるという問題がある。
【0012】
また、上記のような結晶化を助長する触媒元素を導入した領域から触媒元素を導入しなかった領域に向かって、結晶成長が起こることが確認されている。このようにして結晶成長が行なわれた領域は、触媒元素の濃度が低いので半導体装置の活性層として用いることが極めて有用である。しかし、触媒元素を選択的に導入する方法が工業的に問題となる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、触媒元素を用いた600℃以下の熱処理による結晶性を有する薄膜珪素半導体の作製において、
(1)触媒元素の量を制御して導入し、その量を最小限の量とする。
(2)触媒元素を選択的に導入する方法とする。
(2)生産性の高い方法とする。
といった要求を満たすことを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を満足するために以下の手段を用いて結晶性を有した珪素膜を得る。
その表面にレジストによってマスクパターンが形成された非晶質珪素膜に接して該非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素単体または前記触媒元素を含む化合物を保持させ、前記非晶質珪素膜に前記触媒元素単体または前記触媒元素を含む化合物が接した状態において、加熱処理を施し、前記非晶質珪素膜を結晶化させる。
具体的には、触媒元素を含む溶液をレジストによって所望のパターンが形成された非晶質珪素膜表面に塗布し、触媒元素の導入を行なうことによって、上記構成は実現される。
特に本発明においては、レジストによってパターンが形成された非晶質珪素膜の表面に接して触媒元素が導入されることが特徴である。
【0015】
また本発明は、触媒元素の作用によって結晶化された結晶性珪素膜を用いて半導体装置のPN、PI、NIその他の電気的接合を少なくとも1つ有する活性領域を構成することを特徴とする。半導体装置としては、薄膜トランジスタ(TFT)、ダイオード、光センサを挙げることができる。
【0016】
本発明の構成を採用することによって以下に示すような基本的な有意性を得ることができる。
(a)溶液中における触媒元素濃度は、予め厳密に制御し結晶性をより高めかつその元素の量をより少なくすることが可能である。
(b)溶液と非晶質珪素膜の表面とが接触していれば、触媒元素の非晶質珪素への導入量は、溶液中における触媒元素の濃度によって決まる。
(c)非晶質珪素膜の表面に吸着する触媒元素が主に結晶化に寄与することとなるので、必要最小限度の濃度で触媒元素を導入できる。
(d)レジストパターンを用いることで、触媒元素の選択的な導入を選択的に導入し、触媒元素の導入領域から横方向に結晶成長した領域を用いて半導体装置を形成することが容易となる。
【0017】
非晶質珪素膜上に結晶化を助長する元素を含有させた溶液を塗布する方法としては、溶液として水溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここで含有とは、化合物として含ませるという意味と、単に分散させることにより含ませるという意味との両方を含む。これら溶液は中に添加する触媒元素を含んだ化合物との適合性、及び薄膜表面との接触角を考慮して決定することが望ましい。特にパターンが微細な場合、接触角が小さい材料を用いることにより、パターン内部まで均一な処理が可能となる。
【0018】
触媒元素を含む溶媒としては、極性溶媒である水、アルコール、酸、アンモニアから選ばれたものを用いることができる。
【0019】
触媒としてニッケルを用い、このニッケルを極性溶媒に含ませる場合、ニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては、代表的には臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、ニッケルアセチルアセトネ−ト、4−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケルから選ばれたものが用いられる。
【0020】
また触媒元素を含む溶媒として、無極性溶媒であるベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、エーテル、トリクロロエチレン、フロンから選ばれたものを用いることができる。尚、ここでいう極性、無極性とは厳密なダイポールモーメントの有無を意味するのではなく一般的な化学的性質に基づいたものである。
【0021】
この場合はニッケルはニッケル化合物として導入される。このニッケル化合物としては代表的には、ニッケルアセチルアセトネ−ト、2−エチルヘキサン酸ニッケルから選ばれたものを用いることができる。
【0022】
また触媒元素を含有させた溶液に界面活性剤を添加することも有用である。これは、被塗布面に対する密着性を高め吸着性を制御するためである。この界面活性剤は予め被塗布面上に塗布するのでもよい。
【0023】
触媒元素としてニッケル単体を用いる場合には、酸に溶かして溶液とする必要がある。
【0024】
以上述べたのは、触媒元素であるニッケルが完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散したエマルジョンの如き材料を用いてもよい。
【0025】
なおこれらのことは、触媒元素としてニッケル以外の材料を用いた場合であっても同様である。
【0026】
結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを用い、このニッケルを含有させる溶液溶媒として水の如き極性溶媒を用いた場合において、非晶質珪素膜にこれら溶液を直接塗布すると、溶液が弾かれてしまうことがある。この場合は、100Å以下の薄い酸化膜をまず形成し、その上に触媒元素を含有させた溶液を塗布することで、均一に溶液を塗布することができる。また、界面活性剤の如き材料を溶液中に添加する方法により濡れを改善する方法も有効である。
【0027】
また、溶液として2−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いることで、非晶質珪素膜表面に直接塗布することができる。この場合にはレジスト塗布の際に使用されている密着剤の如き材料を予め塗布することは有効である。しかし塗布量が多過ぎる場合には逆に非晶質珪素中への触媒元素の添加を妨害してしまうために注意が必要である。
【0028】
溶液に含ませる触媒元素の量は、その溶液の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量として溶液に対して200ppm〜1ppm、好ましくは50ppm〜1ppm(重量換算)とすることが望ましい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケル濃度や耐フッ酸性に鑑みて決められる値である。
【0029】
非晶質珪素膜表面に形成されたレジストマスクを用いて、触媒元素を含んだ溶液を選択的に塗布することにより、結晶成長を選択的に行なうことができる。特にこの場合、溶液が塗布されなかった領域に向かって、溶液が塗布された領域から珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長を行なわすことができる。この珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長が行なわれた領域を本明細書中においては横方向に結晶成長した領域ということとする。
【0030】
またこの横方向に結晶成長が行なわれた領域は、触媒元素の濃度が低いことが確かめられている。半導体装置の活性層領域として、結晶性珪素膜を利用することは有用であるが、活性層領域中における不純物の濃度は一般に低い方が好ましい。従って、上記横方向に結晶成長が行なわれた領域を用いて半導体装置の活性層領域を形成することはデバイス作製上有用である。
【0031】
本発明においては、触媒元素としてニッケルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができるが、その他利用できる触媒元素の種類としては、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Pd、Sn、Pd、P、As、Sbを利用することができる。また、VIII族元素、IIIb、IVb、Vb元素から選ばれた一種または複数種類の元素を利用することもできる。
【0032】
触媒元素としてFe(鉄)を用いる場合には、その化合物として鉄塩として知られている材料、例えば臭化第1鉄(FeBr2 6H2 O)、臭化第2鉄(FeBr3 6H2 O)、酢酸第2鉄(Fe(C232)3xH2 O)、塩化第1鉄(FeCl2 4H2 O)、塩化第2鉄(FeCl3 6H2 O)、フッ化第2鉄(FeF3 3H2 O)、硝酸第2鉄(Fe(NO3)3 9H2 O)、リン酸第1鉄(Fe3 (PO4)2 8H2 O)、リン酸第2鉄(FePO4 2H2 O)から選ばれたものを用いることができる。
【0033】
触媒元素としてCo(コバルト)を用いる場合には、その化合物としてコバルト塩として知られている材料、例えば臭化コバルト(CoBr6H2 O)、酢酸コバルト(Co(C232)2 4H2 O)、塩化コバルト(CoCl2 6H2 O)、フッ化コバルト(CoF2 xH2 O)、硝酸コバルト(Co(No3)2 6H2 O)から選ばれたものを用いることができる。
【0034】
触媒元素としてRu(ルテニウム)を用いる場合には、その化合物としてルテニウム塩として知られている材料、例えば塩化ルテニウム(RuCl32 O)を用いることができる。
【0035】
触媒元素してRh(ロジウム)を用いる場合には、その化合物としてロジウム塩として知られている材料、例えば塩化ロジウム(RhCl3 3H2 O)を用いることができる。
【0036】
触媒元素としてPd(パラジウム)を用いる場合には、その化合物としてパラジウム塩として知られている材料、例えば塩化パラジウム(PdCl2 2H2 O)を用いることができる。
【0037】
触媒元素としてOs(オスニウム)を用いる場合には、その化合物としてオスニウム塩として知られている材料、例えば塩化オスニウム(OsCl3 )を用いることができる。
【0038】
触媒元素としてIr(イリジウム)を用いる場合には、その化合物としてイリジウム塩として知られている材料、例えば三塩化イリジウム(IrCl3 3H2 O)、四塩化イリジウム(IrCl4 )から選ばれた材料を用いることができる。
【0039】
触媒元素としてPt(白金)を用いる場合には、その化合物として白金塩として知られている材料、例えば塩化第二白金(PtCl4 5H2 O)を用いることができる。
【0040】
触媒元素としてCu(銅)を用いる場合には、その化合物として酢酸第二銅(Cu(CH3 COO)2 )、塩化第二銅(CuCl2 2H2 O)、硝酸第二銅(Cu(NO3)2 3H2 O)から選ばれた材料を用いることができる。
【0041】
触媒元素として金を用いる場合には、その化合物として三塩化金(AuCl3 xH2 O)、塩化金塩(AuHCl4 4H2 O)、テトラクロロ金ナトリウム(AuNaCl4 2H2 O)から選ばれた材料を用いることができる。
【0042】
また、触媒元素の導入方法は、水溶液やアルコール等の溶液を用いることに限定されるものではなく、触媒元素を含んだ物質を広く用いることができる。例えば、触媒元素を含んだ金属化合物や酸化物を用いることができる。
【0043】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例は、レジストマスクを用いて非晶質珪素膜表面上に所望のマスクパターンを形成し、このマスパターン上からニッケルを含んだ溶液を塗布することにより、非晶質珪素膜にニッケルを選択的に導入する例に関する。
【0044】
図1に本実施例における作製工程の概略を示す。まず、ガラス基板(コーニング7059、10cm角)上にマスクとなるレジストパターン21を形成する。レジストはポジ型でもネガ型でもよい。
【0045】
そして通常のフォトリソパターニング工程によって、必要とするパターンにレジストマスク21をパーニングする。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照射で薄い酸化珪素膜20を成膜する。この酸化珪素膜20の作製は、酸素雰囲気中でUV光を5分間照射することによって行なわれる。なおこの酸化珪素膜20の厚さは20〜50Å程度と考えられる(図1(A))。
【0046】
この極薄の酸化珪素膜20は、後の工程で塗布されるニッケルを含んだ溶液の非晶質珪素膜12における濡れ性を改善するためのものである。
【0047】
この状態において、100ppmのニッケルを含有した酢酸塩溶液を5ml滴下(10cm角基板の場合)する。またこの酢酸塩溶液には、界面活性剤を添加し、レジストのよって溶液が弾かれないようにする。この溶液の塗布は、スピナーで50rpmで10秒のスピンコートを行い、基板表面全体に均一な水膜を形成させる。さらにこの状態で、5分間保持した後スピナーを用いて2000rpm、60秒のスピンドライを行う。なおこの保持は、スピナー上において0〜150rpmの回転をさせながら行なってもよい。(図1(B))
【0048】
そして、レジストマスク21を酸素アッシングによって除去し、選択的にニッケル元素が吸着した領域が形成される。なおレジストマスクの除去は、酸素中でのアニールによるものでもよい。
【0049】
その後550度(窒素雰囲気)、4時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜12の結晶化を行う。この際、ニッケルが導入された部分22の領域から23で示されるように、ニッケルが導入されなった領域へと横方向に結晶成長が行われる。図1(C)において、24がニッケルが直接導入され結晶化が行われた領域であり、25が横方向に結晶化が行われた領域である。なお25の領域は、概略〈111〉軸方向に結晶成長が行われていることが確認されている。
【0050】
上記加熱処理による結晶化の工程の後に、レーザー光や強光の照射にいるアニールを行なうことは有用である。これは、結晶性珪素膜の結晶性をより高める効果がある。レーザー光としては、KrFエキシマレーザーやXeClレーザーを用いればよい、また強光として赤外光を用いるのも有用である。赤外光は、ガラス基板には吸収されにくく、珪素に選択的に吸収されるので、おおきなアニール効果を得ることができる。
【0051】
本実施例において、溶液濃度、保持時間を変化させることにより、ニッケルが直接導入された領域におけるニッケルの濃度を1×1016atoms cm-3〜1×1019atoms cm-3の範囲で制御可能であり、同様に横成長領域の濃度をそれ以下に制御することが可能である。
【0052】
本実施例で示したような方法によって形成された結晶珪素膜は、耐フッ酸性が良好であるという特徴がある。本発明者らによる知見によれば、ニッケルをプラズマ処理で導入し、結晶化させた結晶性珪素膜は、耐フッ酸性が低い。
【0053】
例えば、結晶性珪素膜上にゲイト絶縁膜や層間絶縁膜として機能する酸化珪素膜を形成し、しかる後に電極の形成のために穴開け工程を経て、電極を形成をする作業が必要とされる場合がある。このような場合、酸化珪素膜をバッファフッ酸によって除去する工程が普通採用される。しかしながら、結晶性珪素膜の耐フッ酸性が低い場合、酸化珪素膜のみを取り除くことは困難であり、結晶性珪素膜をもエッチングしてしまうという問題がある。
【0054】
しかしながら、結晶性珪素膜が耐フッ酸性を有している場合、酸化珪素膜と結晶性珪素膜のエンチッングレートの違い(選択比)を大きくとることができるので、酸化珪素膜のみを選択的の除去でき、作製工程上極めて有意なものとなる。
【0055】
以上述べたように、横方向に結晶が成長した領域は触媒元素の濃度が小さく、しかも結晶性が良好であるので、この領域を半導体装置の活性領域として用いることは有用である。例えば、薄膜トランジスタのチャネル形成領域として利用することは極めて有用である。
【0056】
〔実施例2〕
本実施例は、触媒元素であるニッケルを非水溶液であるアルコールに含有させ、非晶質珪素膜上に塗布する例である。本実施例では、ニッケルの化合物としてニッケルアセチルアセトネートを用い、該化合物をアルコールに含有させる。ニッケルの濃度は必要とする濃度になるようにすればよい。後の工程は、実施例1に示したのと同様である。
【0057】
以下具体的な条件を説明する。まず、ニッケル化合物として、ニッケルアセチルアセトネートを用意する。この物質は、アルコールに可溶であり、分解温度が低いため、結晶化工程における加熱の際に容易に分解させることができる。
【0058】
また、アルコールとしてはエタノールを用いる。まずエタノールに前記のニッケルアセチルアセトネートをニッケルの量に換算して100ppmになるように調整し、ニッケルを含有した溶液を作製する。
【0059】
そしてこの溶液を所望のレジストパターンがフォトニースによって形成された非晶質珪素膜上に塗布する。ここでフォトニースを用いるのは、300℃でベークしたフォトニースは、アルコールに溶解しないからである。なお、非晶質珪素膜は、酸化珪素の下地膜(2000Å厚)が形成された100mm角のガラス基板上に1000Åの厚さでプラズマCVD法で形成したものである。
【0060】
上記非晶質珪素膜上への溶液の塗布は、実施例1の水溶液を用いた場合より、少なくてすむ。これは、アルコールの接触角が水のそれよりも小さいことに起因する。ここでは、100mm角の面積に対し、2mlの滴下とする。
【0061】
そして、この状態で5分間保持する。その後、スピナーを用い乾燥を行う。この際、スピナーは1500rpmで1分間回転させる。この後、350℃、60分の加熱を窒素雰囲気中で行い、ニッケル塩を分解させる。この過程でニッケルが非晶質珪素膜内に拡散し、非晶質珪素膜内に触媒元素であるニッケルが導入される。その後ヒドラジンによるウエットエッチングあるいはアッシングによりフォトニースよりなるマスクを除去する。そして550℃、4時間の加熱を行ない結晶化を行う。こうして結晶性を有する珪素膜を得る。
【0062】
もちろん本実施例においても実施例1と同様に触媒元素が導入された領域から触媒元素が導入されなかった領域へと結晶成長が行なわれ、横方向に結晶成長した結晶性珪素領域が得られる。
【0063】
〔実施例3〕
本実施例は、触媒元素であるニッケルを含んだ酸化膜をレジストパターンが形成された非晶質珪素膜上に形成することによって、触媒元素であるニッケル元素を選択的に導入する例である。
【0064】
本実施例では、結晶化を助長する触媒元素を含有させたOCD溶液を用いて、非晶質珪素膜上に前記触媒元素を含んだ酸化膜を形成し、しかる後に加熱により結晶化させる例である。OCD溶液とは、東京応化工業株式会社のOhka Diffusion Source のことであり、珪素化合物および添加物を有機溶剤に溶かした溶液である。この溶液は、塗布しベークすることによって簡単に酸化珪素膜を形成できる有用性がある。また不純物が添加された酸化珪素膜を容易に形成できる有用性がある。
【0065】
本実施例においては、基板としてコーニング7059ガラスを用いる。またその大きさは100mm×100mmとする。
【0066】
まず、非晶質珪素膜をプラズマCVD法やLPCVD法によって100〜1500Å形成する。ここでは、1000Åの厚さに成膜する。
【0067】
そして、汚れ及び自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理を行い、所望のレジストパターンを形成する。この際、OCD溶液中に含まれる有機溶剤に対して耐性を有するレジストー材料を選択する必要がある。
【0068】
その後触媒元素としてニッケルを含有する酸化膜を成膜する。この酸化膜は、以下のような原料を用いて作製したものである。この酸化膜は、図1に示す実施例1の場合の塗布された溶液14の部分に形成される。
【0069】
まずベースとして、東京応化製のOCD Type2 Si59000を用い、このOCD溶液とニッケル(II)アセチルアセトネ−トを酢酸メチルに溶解したものとを混合し、SiO2 が2.0wt%、ニッケルが200〜2000ppmとなるように調整した溶液を作製する。
【0070】
この溶液を非晶質珪素膜の表面に10ml滴下し、スピナーを用い、2000rpmで15秒スピンコートを行なう。そしてプリベークを150℃で30分間行うことによって、ニッケルを含有した酸化珪素膜を約1300Åの厚さに形成する。このプリベークの温度は、ニッケル化合物の分解温度に鑑みて決定すればよい。
【0071】
そしてレジストを剥離液によって除去する。その後、加熱炉において、窒素雰囲気中において550度、4時間の加熱処理を行う。この結果、基板上に形成された結晶性を有する珪素薄膜を得ることができる。また同時にニッケルが導入された領域からニッケルが導入されなかった領域へと横方向への結晶成長が行なわれる。
【0072】
上記の加熱処理は450度以上の温度で行うことができるが、温度が低いと加熱時間を長くしなけらばならず、生産効率が低下する。また、550度以上とすると基板として用いるガラス基板の耐熱性の問題が表面化してしまう。
【0073】
OCD溶液中におけるニッケル元素の濃度は、OCD溶液中のSiO2 の濃度との相関で決定されるものであり、一義的に決まるものではない。また、結晶化の際の加熱温度および加熱時間によっても、OCDから形成された酸化珪素膜から結晶性珪素膜中へ拡散する量が異なるため、これらの因子も考慮した上でニッケル元素の濃度を決定する必要がある。
【0074】
〔実施例4〕
本実施例においては、ニッケルを選択的に導入し、その部分から横方向(基板に平行な方向)に結晶成長した領域を用いて電子デバイスを形成する例を示す。このような構成を採用した場合、デバイスの活性層領域におけるニッケル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすることができる。
【0075】
本実施例におけるニッケル元素の導入方法としては、実施例1〜実施例3のいずれの方法によるものでもよい。
【0076】
本実施例は、アクティブマトリクスの画素の制御に用いられるTFTの作製工程に関するものである。図2に本実施例の作製工程を示す。まず、基板201を洗浄し、TEOS(テトラ・エトキシ・シラン)と酸素を原料ガスとしてプラズマCVD法によって厚さ2000Åの酸化珪素の下地膜202を形成する。そして、プラズマCVD法によって、厚さ500〜1500Å、例えば1000Åの真性(I型)の非晶質珪素膜203を成膜する。次にレジストマスク205を形成する。こうして、非晶質珪素の露出した領域206を形成する。
【0077】
そして実施例1に示した方法により結晶化を助長する触媒元素であるニッケル元素を含んだ溶液(ここでは酢酸塩溶液)塗布する。酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は100ppmである。その他、詳細な工程順序や条件は実施例1で示したものと同一である。この工程は、実施例2または実施例3に示した方法によるものであってもよい。
【0078】
この後、窒素雰囲気下で500〜620℃、例えば550℃、4時間の加熱アニールを行い、珪素膜303の結晶化を行う。結晶化は、ニッケルと珪素膜が接触した領域206を出発点として、矢印で示されるように基板に対して平行な方向に結晶成長が進行する。図においては領域204はニッケルが直接導入されて結晶化した部分、領域203は横方向に結晶化した部分を示す。この203で示される横方向への結晶は、25μm程度である。またその結晶成長方向は概略〈111〉軸方向であることが確認されている。(図2(A))
【0079】
次に、酸化珪素膜205を除去する。この際、領域206の表面に形成される酸化膜も同時に除去する。そして、珪素膜204をパターニング後、ドライエッチングして、島状の活性層領域208を形成する。この際、図2(A)で206で示された領域は、ニッケルが直接導入された領域であり、ニッケルが高濃度に存在する領域である。また、結晶成長の先端にも、やはりニッケルが高濃度に存在することが確認されている。これらの領域では、その中間の領域に比較してニッケルの濃度が高いことが判明している。したがって、本実施例においては、活性層208において、これらのニッケル濃度の高い領域がチャネル形成領域と重ならないようにした。
【0080】
その後、100体積%の水蒸気を含む10気圧、500〜600℃の、代表的には550℃の雰囲気中において、1時間放置することによって、活性層(珪素膜)208の表面を酸化させ、酸化珪素膜209を形成する。酸化珪素膜の厚さは1000Åとする。熱酸化によって酸化珪素膜209を形成したのち、基板を、アンモニア雰囲気(1気圧、100%)、400℃に保持させる。そして、この状態で基板に対して、波長0.6〜4μm、例えば、0.8〜1.4μmにピークをもつ赤外光を30〜180秒照射し、酸化珪素膜209に対して窒化処理を施す。なおこの際、雰囲気に0.1〜10%のHClを混入してもよい。
【0081】
赤外線の光源としてはハロゲンランプを用いる。赤外光の強度は、モニターの単結晶シリコンウェハー上の温度が900〜1200℃の間にあるように調整する。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱電対の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィードバックさせる。本実施例では、昇温は、一定で速度は50〜200℃/秒、降温は自然冷却で20〜100℃とする。この赤外光照射は、珪素膜を選択的に加熱することになるので、ガラス基板への加熱を最小限に抑えることができる。(図2(B))
【0082】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ3000〜8000Å、例えば6000Åのアルミニウム(0.01〜0.2%のスカンジウムを含む)を成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電極210を形成する。(図2(C))
【0083】
さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層211を形成する。この陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で行う。得られる酸化物層211の厚さは2000Åである。なお、この酸化物211は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。(図2(D))
【0084】
次に、イオンドーピング法(プラズマドーピング法とも言う)によって、活性層領域(ソース/ドレイン、チャネルを構成する)にゲイト電極部、すなわちゲイト電極210とその周囲の酸化層211をマスクとして、自己整合的にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加する。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとする。ドーズ量は1×1015〜8×1015cm-2、例えば、4×1015cm-2とする。この結果、N型の不純物領域212と213を形成することができる。図からも明らかなように不純物領域とゲイト電極とは距離xだけ放れたオフセット状態となる。このようなオフセット状態は、特にゲイト電極に逆電圧(NチャネルTFTの場合はマイナス)を印加した際のリーク電流(オフ電流ともいう)を低減する上で有効である。特に、本実施例のようにアクティブマトリクスの画素を制御するTFTにおいては良好な画像を得るために画素電極に蓄積された電荷が逃げないようにリーク電流が低いことが望まれるので、オフセットを設けることは有効である。
【0085】
その後、レーザー光の照射によってアニールを行った。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を用いるが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。(図2(E))
【0086】
続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜214を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成する。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリイミド膜215を形成し、表面を平坦化する。このようにして形成された平面上にスパッタ法によって厚さ800Åの透明導電性膜(ITO膜)を成膜し、これをパターニングして画素電極216を形成する。
【0087】
そして、層間絶縁物214、215にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってTFTの電極・配線217、218を形成する。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニールを行い、TFTを有するアクティブマトリクスの画素回路を完成する。(図2(F))
【0088】
【効果】
レジストを用いて選択的に触媒元素を導入し、低温で短時間で結晶化させた結晶性珪素膜を用いて、半導体装置を作製することで、生産性が高く、特性のよいデバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例の作製工程を示す
【図2】 実施例の作製工程を示す。
【符号の説明】
11・・・・ガラス基板
12・・・・非晶質珪素膜
13・・・・酸化珪素膜
14・・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜
15・・・・ズピナー
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor device using a crystalline semiconductor and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
A thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) using a thin film semiconductor is known. This TFT is formed by forming a thin film semiconductor on a substrate and using this thin film semiconductor. This TFT is used in various integrated circuits, and is particularly attracting attention as a switching element provided with each pixel of an electro-optical device, particularly an active matrix liquid crystal display device, and a driver element formed in a peripheral circuit portion. .
[0003]
As a thin film semiconductor used for a TFT, it is easy to use an amorphous silicon film, but there is a problem that its electrical characteristics are low. In order to obtain improved TFT characteristics, a silicon thin film having crystallinity may be used. The crystalline silicon film is called polycrystalline silicon, polysilicon, microcrystalline silicon, or the like. In order to obtain this silicon film having crystallinity, an amorphous silicon film is first formed and then crystallized by heating.
[0004]
However, crystallization by heating requires a heating temperature of 600 ° C. or more and a time of 10 hours or more, and there is a problem that it is difficult to use a glass substrate as a substrate. For example, Corning 7059 glass used for an active type liquid crystal display device has a glass strain point of 593 ° C., and there is a problem with heating at 600 ° C. or higher in consideration of an increase in area of the substrate.
[0005]
BACKGROUND OF THE INVENTION
According to the study by the present inventors, a small amount of elements such as nickel, palladium, and lead are deposited on the surface of the amorphous silicon film, and then heated, so that the processing time is about 550 ° C. for about 4 hours. It has been found that crystallization can be performed.
[0006]
In order to introduce such a trace amount of element (catalytic element that promotes crystallization), plasma treatment, vapor deposition, or ion implantation may be used. The plasma treatment is a parallel plate type or positive column type plasma CVD apparatus using a material containing a catalytic element as an electrode, and generating a plasma in an atmosphere of nitrogen or hydrogen to form a catalytic element on the amorphous silicon film. It is a method of adding.
[0007]
However, the presence of a large amount of the elements as described above in the semiconductor is not preferable because it impedes the reliability and electrical stability of a device using these semiconductors.
[0008]
That is, the above-mentioned element (catalyst element) that promotes crystallization, such as nickel, is necessary when crystallizing amorphous silicon, but should not be included in crystallized silicon as much as possible. Is desirable. In order to achieve this purpose, a catalyst element that has a strong tendency to be inert in crystalline silicon is selected, and at the same time, the amount of catalyst element required for crystallization is minimized and crystallization is performed with a minimum amount. Need to do. For this purpose, it is necessary to precisely control the amount of the catalyst element added.
[0009]
In addition, when nickel is used as a catalyst element, an amorphous silicon film is formed, a nickel treatment is performed by plasma treatment to produce a crystalline silicon film, and the crystallization process and the like are examined in detail. There was found.
(1) When nickel is introduced onto the amorphous silicon film by plasma treatment, the nickel has already penetrated to a considerable depth in the amorphous silicon film before the heat treatment.
(2) The initial nucleation of the crystal is generated from the surface where nickel is introduced.
(3) Even when nickel is deposited on the amorphous silicon film by vapor deposition, crystallization occurs in the same manner as when plasma treatment is performed.
[0010]
From the above, it can be concluded that not all nickel introduced by plasma treatment is functioning effectively. That is, it is considered that there is nickel that does not function sufficiently even when a large amount of nickel is introduced. From this, it is considered that the point (plane) where nickel and silicon are in contact functions during low-temperature crystallization. It is concluded that nickel must be dispersed as finely as possible in the atomic form. That is, it is concluded that “what is necessary is that nickel as low as possible should be introduced in the form of atoms dispersed in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film as long as low-temperature crystallization is possible”.
[0011]
As a method of introducing a very small amount of nickel only in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film, in other words, as a method of introducing a very small amount of the catalytic element that promotes crystallization only in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film, a vapor deposition method is used. However, the vapor deposition method has a problem of poor controllability, and it is difficult to strictly control the amount of catalyst element introduced.
[0012]
Further, it has been confirmed that crystal growth occurs from a region where the catalyst element for promoting crystallization as described above is introduced to a region where the catalyst element is not introduced. The region where the crystal is grown in this manner is extremely useful as an active layer of a semiconductor device because the concentration of the catalytic element is low. However, the method of selectively introducing the catalyst element is industrially problematic.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In the production of a thin film silicon semiconductor having crystallinity by heat treatment at 600 ° C. or lower using a catalyst element,
(1) A controlled amount of catalyst element is introduced to minimize the amount.
(2) A method of selectively introducing a catalytic element.
(2) Use a highly productive method.
The purpose is to satisfy such requirements.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to satisfy the above object, the present invention obtains a silicon film having crystallinity using the following means.
The amorphous silicon film is held in contact with an amorphous silicon film having a mask pattern formed by a resist on its surface, and holds a catalytic element alone or a compound containing the catalytic element that promotes crystallization of the amorphous silicon film. In a state where the catalyst element alone or the compound containing the catalyst element is in contact with the substrate, heat treatment is performed to crystallize the amorphous silicon film.
Specifically, the above-described configuration is realized by applying a solution containing a catalyst element to the surface of an amorphous silicon film on which a desired pattern is formed with a resist and introducing the catalyst element.
In particular, the present invention is characterized in that a catalytic element is introduced in contact with the surface of an amorphous silicon film having a pattern formed by a resist.
[0015]
Further, the present invention is characterized in that an active region having at least one PN, PI, NI or other electrical junction of a semiconductor device is formed using a crystalline silicon film crystallized by the action of a catalytic element. As the semiconductor device, a thin film transistor (TFT), a diode, and an optical sensor can be given.
[0016]
By adopting the configuration of the present invention, the following basic significance can be obtained.
(A) The concentration of the catalytic element in the solution can be strictly controlled in advance to increase the crystallinity and reduce the amount of the element.
(B) If the solution and the surface of the amorphous silicon film are in contact with each other, the amount of the catalytic element introduced into the amorphous silicon is determined by the concentration of the catalytic element in the solution.
(C) Since the catalytic element adsorbed on the surface of the amorphous silicon film mainly contributes to crystallization, the catalytic element can be introduced at a necessary minimum concentration.
(D) By using the resist pattern, selective introduction of the catalyst element is selectively introduced, and it becomes easy to form a semiconductor device using a region in which crystal growth has occurred laterally from the introduction region of the catalyst element. .
[0017]
As a method of applying a solution containing an element that promotes crystallization on the amorphous silicon film, an aqueous solution, an organic solvent solution, or the like can be used as the solution. Here, the inclusion includes both the meaning of inclusion as a compound and the meaning of inclusion by simply dispersing. These solutions are desirably determined in consideration of the compatibility with the compound containing the catalytic element added therein and the contact angle with the thin film surface. In particular, when the pattern is fine, by using a material having a small contact angle, uniform processing can be performed even inside the pattern.
[0018]
As the solvent containing the catalyst element, a solvent selected from water, alcohol, acid and ammonia which are polar solvents can be used.
[0019]
When nickel is used as a catalyst and this nickel is included in a polar solvent, nickel is introduced as a nickel compound. Typical nickel compounds include nickel bromide, nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel chloride, nickel iodide, nickel nitrate, nickel sulfate, nickel formate, nickel acetylacetonate, 4-cyclohexylbutyric acid. A material selected from nickel, nickel oxide and nickel hydroxide is used.
[0020]
As the solvent containing the catalyst element, a nonpolar solvent selected from benzene, toluene, xylene, carbon tetrachloride, chloroform, ether, trichloroethylene, and Freon can be used. Here, polar and nonpolar do not mean the presence or absence of a strict dipole moment, but are based on general chemical properties.
[0021]
In this case, nickel is introduced as a nickel compound. As this nickel compound, typically, one selected from nickel acetylacetonate and nickel 2-ethylhexanoate can be used.
[0022]
It is also useful to add a surfactant to the solution containing the catalyst element. This is for increasing the adhesion to the surface to be coated and controlling the adsorptivity. This surfactant may be applied on the surface to be coated in advance.
[0023]
When nickel simple substance is used as a catalyst element, it is necessary to dissolve in acid to form a solution.
[0024]
The above is an example using a solution in which nickel as a catalyst element is completely dissolved, but even if nickel is not completely dissolved, powder of nickel alone or a compound of nickel is uniformly distributed in the dispersion medium. Materials such as dispersed emulsions may be used.
[0025]
These are the same even when a material other than nickel is used as the catalyst element.
[0026]
When nickel is used as a catalytic element for promoting crystallization, and a polar solvent such as water is used as a solution solvent containing nickel, the solution is repelled when directly applied to the amorphous silicon film. Sometimes. In this case, a thin oxide film having a thickness of 100 mm or less is first formed, and a solution containing a catalytic element is applied thereon, whereby the solution can be uniformly applied. Also effective is a method of improving wetting by adding a material such as a surfactant to the solution.
[0027]
Further, by using a nonpolar solvent such as a toluene solution of nickel 2-ethylhexanoate as the solution, it can be directly applied to the surface of the amorphous silicon film. In this case, it is effective to apply in advance a material such as an adhesive used in resist application. However, when the coating amount is too large, care must be taken because it interferes with the addition of the catalytic element into the amorphous silicon.
[0028]
The amount of the catalytic element contained in the solution depends on the type of the solution, but as a general tendency, the nickel amount is preferably 200 ppm to 1 ppm, preferably 50 ppm to 1 ppm (weight conversion) as a nickel amount. . This is a value determined in view of the nickel concentration in the film and the hydrofluoric acid resistance after crystallization is completed.
[0029]
Crystal growth can be selectively performed by selectively applying a solution containing a catalytic element using a resist mask formed on the surface of the amorphous silicon film. Particularly in this case, crystal growth can be performed in a direction substantially parallel to the surface of the silicon film from the region where the solution is applied toward the region where the solution is not applied. In this specification, a region where crystal growth is performed in a direction substantially parallel to the surface of the silicon film is referred to as a laterally crystallized region.
[0030]
Further, it has been confirmed that the concentration of the catalytic element is low in the region where the crystal growth is performed in the lateral direction. Although it is useful to use a crystalline silicon film as the active layer region of the semiconductor device, it is generally preferable that the impurity concentration in the active layer region is low. Therefore, it is useful for device fabrication to form the active layer region of the semiconductor device using the region where the crystal is grown in the lateral direction.
[0031]
In the present invention, the most prominent effect can be obtained when nickel is used as the catalyst element. Other types of catalyst elements that can be used include Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. Cu, Ag, Au, In, Sn, Pd, Sn, Pd, P, As, and Sb can be used. One or more kinds of elements selected from group VIII elements, IIIb, IVb, and Vb elements can also be used.
[0032]
When Fe (iron) is used as the catalyst element, a material known as an iron salt as the compound, for example, ferrous bromide (FeBr 2 6H 2 O), ferric bromide (FeBr 3 6H 2 O) ), Ferric acetate (Fe (C 2 H 3 O 2 ) 3 xH 2 O), ferrous chloride (FeCl 2 4H 2 O), ferric chloride (FeCl 3 6H 2 O), ferric fluoride 2 Iron (FeF 3 3H 2 O), ferric nitrate (Fe (NO 3 ) 3 9H 2 O), ferrous phosphate (Fe 3 (PO 4 ) 2 8H 2 O), ferric phosphate (FePO) 4 2H 2 O) can be used.
[0033]
When Co (cobalt) is used as the catalyst element, a material known as a cobalt salt as the compound, for example, cobalt bromide (CoBr6H 2 O), cobalt acetate (Co (C 2 H 3 O 2 ) 2 4H 2 O), cobalt chloride (CoCl 2 6H 2 O), cobalt fluoride (CoF 2 xH 2 O), and cobalt nitrate (Co (No 3 ) 2 6H 2 O) can be used.
[0034]
When Ru (ruthenium) is used as the catalyst element, a material known as a ruthenium salt, for example, ruthenium chloride (RuCl 3 H 2 O) can be used as the compound.
[0035]
When Rh (rhodium) is used as a catalyst element, a material known as a rhodium salt, for example, rhodium chloride (RhCl 3 3H 2 O) can be used as the compound.
[0036]
When Pd (palladium) is used as the catalyst element, a material known as a palladium salt, for example, palladium chloride (PdCl 2 2H 2 O) can be used as the compound.
[0037]
When Os (osnium) is used as the catalyst element, a material known as an osnium salt, for example, osmium chloride (OsCl 3 ) can be used as the compound.
[0038]
When Ir (iridium) is used as the catalyst element, a material known as an iridium salt as the compound, for example, a material selected from iridium trichloride (IrCl 3 3H 2 O) and iridium tetrachloride (IrCl 4 ) is used. Can be used.
[0039]
When Pt (platinum) is used as the catalyst element, a material known as a platinum salt, for example, platinum chloride (PtCl 4 5H 2 O) can be used as the compound.
[0040]
When Cu (copper) is used as a catalyst element, cupric acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), cupric chloride (CuCl 2 2H 2 O), cupric nitrate (Cu (NO) 3 ) Materials selected from 2 3H 2 O) can be used.
[0041]
When gold was used as the catalyst element, the compound was selected from gold trichloride (AuCl 3 xH 2 O), gold chloride salt (AuHCl 4 4H 2 O), and sodium tetrachlorogold (AuNaCl 4 2H 2 O). Materials can be used.
[0042]
The method for introducing the catalyst element is not limited to using a solution such as an aqueous solution or alcohol, and a substance containing the catalyst element can be widely used. For example, a metal compound or oxide containing a catalyst element can be used.
[0043]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, a desired mask pattern is formed on the surface of the amorphous silicon film using a resist mask, and nickel is applied to the amorphous silicon film by applying a solution containing nickel on the mass pattern. It relates to an example of selective introduction.
[0044]
FIG. 1 shows an outline of a manufacturing process in this example. First, a resist pattern 21 serving as a mask is formed on a glass substrate (Corning 7059, 10 cm square). The resist may be positive or negative.
[0045]
Then, the resist mask 21 is panned into a required pattern by a normal photolithography patterning process. Then, a thin silicon oxide film 20 is formed by irradiation with ultraviolet rays in an oxygen atmosphere. The silicon oxide film 20 is produced by irradiating UV light for 5 minutes in an oxygen atmosphere. The thickness of the silicon oxide film 20 is considered to be about 20 to 50 mm (FIG. 1A).
[0046]
The ultrathin silicon oxide film 20 is for improving the wettability of the amorphous silicon film 12 in a solution containing nickel to be applied in a later step.
[0047]
In this state, 5 ml of an acetate solution containing 100 ppm of nickel is dropped (in the case of a 10 cm square substrate). Further, a surfactant is added to the acetate solution so that the resist is not repelled by the resist. The solution is applied by spin coating with a spinner at 50 rpm for 10 seconds to form a uniform water film on the entire substrate surface. Furthermore, after maintaining for 5 minutes in this state, spin drying is performed at 2000 rpm for 60 seconds using a spinner. In addition, you may perform this holding | maintenance, rotating 0-150 rpm on a spinner. (Fig. 1 (B))
[0048]
Then, the resist mask 21 is removed by oxygen ashing, and a region where nickel element is selectively adsorbed is formed. Note that the resist mask may be removed by annealing in oxygen.
[0049]
Thereafter, the amorphous silicon film 12 is crystallized by performing a heat treatment at 550 ° C. (nitrogen atmosphere) for 4 hours. At this time, crystal growth is performed in the lateral direction from the region of the portion 22 where nickel is introduced to the region where nickel is not introduced, as indicated by 23. In FIG. 1C, 24 is a region where nickel is directly introduced and crystallization is performed, and 25 is a region where crystallization is performed in the lateral direction. In addition, it has been confirmed that in the 25 region, crystal growth is performed substantially in the <111> axis direction.
[0050]
It is useful to perform annealing in the irradiation of laser light or strong light after the crystallization step by the heat treatment. This has the effect of increasing the crystallinity of the crystalline silicon film. As the laser light, a KrF excimer laser or XeCl laser may be used, and it is also useful to use infrared light as strong light. Infrared light is hardly absorbed by the glass substrate and is selectively absorbed by silicon, so that a great annealing effect can be obtained.
[0051]
In this embodiment, the concentration of nickel in the region where nickel is directly introduced can be controlled in the range of 1 × 10 16 atoms cm −3 to 1 × 10 19 atoms cm −3 by changing the solution concentration and holding time. Similarly, the concentration of the lateral growth region can be controlled to be lower than that.
[0052]
The crystalline silicon film formed by the method as shown in this embodiment is characterized by good hydrofluoric acid resistance. According to the knowledge of the present inventors, the crystalline silicon film obtained by introducing nickel by plasma treatment and crystallizing has low hydrofluoric acid resistance.
[0053]
For example, it is necessary to form a silicon oxide film functioning as a gate insulating film or an interlayer insulating film on a crystalline silicon film, and then form an electrode through a drilling process for forming the electrode. There is a case. In such a case, a process of removing the silicon oxide film with buffer hydrofluoric acid is usually employed. However, when the hydrofluoric acid resistance of the crystalline silicon film is low, it is difficult to remove only the silicon oxide film, and there is a problem that the crystalline silicon film is also etched.
[0054]
However, when the crystalline silicon film is resistant to hydrofluoric acid, the difference (selection ratio) between the etching rates of the silicon oxide film and the crystalline silicon film can be increased, so only the silicon oxide film is selected. This is extremely significant in the manufacturing process.
[0055]
As described above, the region where the crystal grows in the lateral direction has a low concentration of the catalytic element and good crystallinity. Therefore, it is useful to use this region as the active region of the semiconductor device. For example, it is extremely useful to use as a channel formation region of a thin film transistor.
[0056]
[Example 2]
In this embodiment, nickel, which is a catalyst element, is contained in alcohol, which is a non-aqueous solution, and applied onto an amorphous silicon film. In this example, nickel acetylacetonate is used as the nickel compound, and the alcohol is contained in the compound. The concentration of nickel may be set to a required concentration. The subsequent steps are the same as those shown in Example 1.
[0057]
Specific conditions will be described below. First, nickel acetylacetonate is prepared as a nickel compound. Since this substance is soluble in alcohol and has a low decomposition temperature, it can be easily decomposed during heating in the crystallization step.
[0058]
Further, ethanol is used as the alcohol. First, the above nickel acetylacetonate is adjusted to 100 ppm in terms of the amount of nickel in ethanol to prepare a solution containing nickel.
[0059]
And this solution is apply | coated on the amorphous silicon film in which the desired resist pattern was formed by the photonic. The reason for using photo nice is that photo nice baked at 300 ° C. does not dissolve in alcohol. The amorphous silicon film is formed by a plasma CVD method with a thickness of 1000 mm on a 100 mm square glass substrate on which a silicon oxide base film (thickness of 2000 mm) is formed.
[0060]
The application of the solution onto the amorphous silicon film is less than when the aqueous solution of Example 1 is used. This is due to the fact that the contact angle of alcohol is smaller than that of water. Here, it is set as 2 ml dripping with respect to an area of 100 square mm.
[0061]
And it hold | maintains for 5 minutes in this state. Thereafter, drying is performed using a spinner. At this time, the spinner is rotated at 1500 rpm for 1 minute. Thereafter, heating at 350 ° C. for 60 minutes is performed in a nitrogen atmosphere to decompose the nickel salt. In this process, nickel diffuses into the amorphous silicon film, and nickel as a catalytic element is introduced into the amorphous silicon film. Thereafter, the mask made of photonics is removed by wet etching or ashing with hydrazine. Then, crystallization is performed by heating at 550 ° C. for 4 hours. Thus, a crystalline silicon film is obtained.
[0062]
Of course, in this embodiment as well as in the first embodiment, crystal growth is performed from the region where the catalyst element is introduced to the region where the catalyst element is not introduced, and a crystalline silicon region where the crystal is grown laterally is obtained.
[0063]
Example 3
This embodiment is an example in which a nickel element as a catalytic element is selectively introduced by forming an oxide film containing nickel as a catalytic element on an amorphous silicon film on which a resist pattern is formed.
[0064]
In this embodiment, an oxide film containing the catalytic element is formed on an amorphous silicon film using an OCD solution containing a catalytic element that promotes crystallization, and then crystallized by heating. is there. The OCD solution is Ohka Diffusion Source of Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., and is a solution in which a silicon compound and an additive are dissolved in an organic solvent. This solution has the utility that a silicon oxide film can be easily formed by applying and baking. In addition, the silicon oxide film to which impurities are added can be easily formed.
[0065]
In this embodiment, Corning 7059 glass is used as the substrate. Moreover, the magnitude | size shall be 100 mm x 100 mm.
[0066]
First, an amorphous silicon film is formed in a thickness of 100 to 1500 mm by plasma CVD or LPCVD. Here, the film is formed to a thickness of 1000 mm.
[0067]
Then, hydrofluoric acid treatment is performed to remove dirt and a natural oxide film, thereby forming a desired resist pattern. At this time, it is necessary to select a resist material having resistance to the organic solvent contained in the OCD solution.
[0068]
Thereafter, an oxide film containing nickel as a catalyst element is formed. This oxide film is produced using the following raw materials. This oxide film is formed on the portion of the applied solution 14 in the case of Example 1 shown in FIG.
[0069]
First, as a base, OCD Type 2 Si 59000 made by Tokyo Ohka was used, and this OCD solution and nickel (II) acetylacetonate dissolved in methyl acetate were mixed, and SiO 2 was 2.0 wt% and nickel was 200%. A solution adjusted to ˜2000 ppm is prepared.
[0070]
10 ml of this solution is dropped on the surface of the amorphous silicon film, and spin coating is performed at 2000 rpm for 15 seconds using a spinner. Then, by pre-baking at 150 ° C. for 30 minutes, a silicon oxide film containing nickel is formed to a thickness of about 1300 mm. What is necessary is just to determine the temperature of this prebaking in view of the decomposition temperature of a nickel compound.
[0071]
Then, the resist is removed with a stripping solution. Thereafter, heat treatment is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere in a heating furnace. As a result, a silicon thin film having crystallinity formed on the substrate can be obtained. At the same time, crystal growth in the lateral direction is performed from the region where nickel is introduced to the region where nickel is not introduced.
[0072]
The above heat treatment can be performed at a temperature of 450 ° C. or higher. However, if the temperature is low, the heating time must be lengthened and the production efficiency is lowered. On the other hand, if it is 550 ° or more, the problem of heat resistance of the glass substrate used as the substrate will surface.
[0073]
The concentration of nickel element in the OCD solution is determined by the correlation with the concentration of SiO 2 in the OCD solution, and is not uniquely determined. Also, since the amount of diffusion from the silicon oxide film formed from OCD into the crystalline silicon film differs depending on the heating temperature and heating time during crystallization, the concentration of nickel element should be determined in consideration of these factors. It is necessary to decide.
[0074]
Example 4
In this embodiment, an example is shown in which an electronic device is formed using a region in which nickel is selectively introduced and crystal is grown from the portion in the lateral direction (direction parallel to the substrate). When such a configuration is adopted, the nickel concentration in the active layer region of the device can be further reduced, and a very preferable configuration can be obtained from the viewpoint of electrical stability and reliability of the device.
[0075]
As a method for introducing nickel element in the present embodiment, any of the methods of Embodiments 1 to 3 may be used.
[0076]
This embodiment relates to a manufacturing process of a TFT used for controlling an active matrix pixel. FIG. 2 shows a manufacturing process of this embodiment. First, the substrate 201 is cleaned, and a silicon oxide base film 202 having a thickness of 2000 mm is formed by plasma CVD using TEOS (tetraethoxysilane) and oxygen as source gases. Then, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film 203 having a thickness of 500 to 1500 mm, for example, 1000 mm is formed by plasma CVD. Next, a resist mask 205 is formed. Thus, the exposed region 206 of amorphous silicon is formed.
[0077]
Then, a solution (here, an acetate solution) containing nickel element as a catalytic element for promoting crystallization is applied by the method shown in Example 1. The concentration of nickel in the acetic acid solution is 100 ppm. In addition, the detailed process sequence and conditions are the same as those shown in the first embodiment. This step may be performed by the method shown in Example 2 or Example 3.
[0078]
Thereafter, heat annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 500 to 620 ° C., for example, 550 ° C. for 4 hours to crystallize the silicon film 303. In crystallization, crystal growth proceeds in a direction parallel to the substrate as indicated by an arrow starting from a region 206 where nickel and a silicon film are in contact with each other. In the figure, a region 204 indicates a portion crystallized by direct introduction of nickel, and a region 203 indicates a portion crystallized in the lateral direction. The crystal in the horizontal direction indicated by 203 is about 25 μm. Further, it has been confirmed that the crystal growth direction is approximately the <111> axis direction. (Fig. 2 (A))
[0079]
Next, the silicon oxide film 205 is removed. At this time, the oxide film formed on the surface of the region 206 is also removed at the same time. Then, after patterning the silicon film 204, the island-shaped active layer region 208 is formed by dry etching. At this time, a region indicated by 206 in FIG. 2A is a region where nickel is directly introduced, and is a region where nickel is present at a high concentration. It has also been confirmed that nickel is also present at a high concentration at the tip of crystal growth. In these regions, it has been found that the nickel concentration is higher than in the middle region. Therefore, in this example, in the active layer 208, these high nickel concentration regions were not overlapped with the channel formation region.
[0080]
Then, the surface of the active layer (silicon film) 208 is oxidized by leaving it in an atmosphere of 10 atm and 500 to 600 ° C., typically 550 ° C. containing 100% by volume of water vapor, to oxidize the surface of the active layer (silicon film) 208. A silicon film 209 is formed. The thickness of the silicon oxide film is 1000 mm. After the silicon oxide film 209 is formed by thermal oxidation, the substrate is held at 400 ° C. in an ammonia atmosphere (1 atm, 100%). In this state, the substrate is irradiated with infrared light having a peak at a wavelength of 0.6 to 4 μm, for example, 0.8 to 1.4 μm for 30 to 180 seconds, and the silicon oxide film 209 is nitrided. Apply. At this time, 0.1 to 10% HCl may be mixed in the atmosphere.
[0081]
A halogen lamp is used as the infrared light source. The intensity of the infrared light is adjusted so that the temperature on the single crystal silicon wafer of the monitor is between 900-1200 ° C. Specifically, the temperature of the thermocouple embedded in the silicon wafer is monitored, and this is fed back to the infrared light source. In this embodiment, the temperature rise is constant, the speed is 50 to 200 ° C./second, and the temperature drop is natural cooling to 20 to 100 ° C. Since this infrared light irradiation selectively heats the silicon film, heating of the glass substrate can be minimized. (Fig. 2 (B))
[0082]
Subsequently, an aluminum film (including 0.01 to 0.2% scandium) having a thickness of 3000 to 8000 mm, for example, 6000 mm is formed by a sputtering method. Then, the gate electrode 210 is formed by patterning the aluminum film. (Fig. 2 (C))
[0083]
Further, the surface of the aluminum electrode is anodized to form an oxide layer 211 on the surface. This anodization is performed in an ethylene glycol solution containing 1 to 5% tartaric acid. The thickness of the resulting oxide layer 211 is 2000 mm. Note that the oxide 211 has a thickness for forming an offset gate region in a subsequent ion doping step, and thus the length of the offset gate region can be determined by the anodic oxidation step. (Fig. 2 (D))
[0084]
Next, by an ion doping method (also called plasma doping method), self-alignment is performed in the active layer region (which constitutes the source / drain and channel) using the gate electrode portion, that is, the gate electrode 210 and the surrounding oxide layer 211 as a mask In particular, an impurity imparting N conductivity type (here, phosphorus) is added. As the doping gas, phosphine (PH 3 ) is used, and the acceleration voltage is set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose amount is 1 × 10 15 to 8 × 10 15 cm −2 , for example, 4 × 10 15 cm −2 . As a result, N-type impurity regions 212 and 213 can be formed. As is apparent from the figure, the impurity region and the gate electrode are in an offset state separated by a distance x. Such an offset state is particularly effective in reducing leakage current (also referred to as off-current) when a reverse voltage (minus in the case of an N-channel TFT) is applied to the gate electrode. In particular, in the TFT for controlling the pixels of the active matrix as in this embodiment, it is desired that the leakage current is low so that the charge accumulated in the pixel electrode does not escape in order to obtain a good image. It is effective.
[0085]
Thereafter, annealing was performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) is used, but other lasers may be used. The laser light was irradiated at an energy density of 200 to 400 mJ / cm 2 , for example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10 shots, for example, 2 shots were irradiated at one place. The effect may be increased by heating the substrate to about 200 to 450 ° C. during the laser light irradiation. (Figure 2 (E))
[0086]
Subsequently, a silicon oxide film 214 having a thickness of 6000 mm is formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Further, a transparent polyimide film 215 is formed by spin coating to flatten the surface. A transparent conductive film (ITO film) having a thickness of 800 mm is formed on the plane formed in this manner by sputtering, and this is patterned to form a pixel electrode 216.
[0087]
Then, contact holes are formed in the interlayer insulators 214 and 215, and TFT electrodes and wirings 217 and 218 are formed of a multilayer film of a metal material, for example, titanium nitride and aluminum. Finally, annealing is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete an active matrix pixel circuit having TFTs. (Fig. 2 (F))
[0088]
【effect】
By producing a semiconductor device using a crystalline silicon film that has been selectively introduced with a resist and crystallized at a low temperature in a short time, a device with high productivity and good characteristics can be obtained. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a manufacturing process of an example. FIG. 2 shows a manufacturing process of the example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Glass substrate 12 ... Amorphous silicon film 13 ... Silicon oxide film 14 ... Acetic acid solution film 15 containing nickel ... Spinner

Claims (3)

非晶質珪素膜の表面に選択的にレジストマスクを形成し、
前記レジストマスクが形成されない前記非晶質珪素膜表面に10nm以下の厚さの酸化膜を形成し、
前記レジストマスクおよび前記酸化膜表面に前記非晶質珪素の結晶化を助長するニッケルを含有する酢酸ニッケルを塗布することにより、前記酸化膜を介して前記非晶質珪素膜に前記ニッケルを導入し、
前記レジストマスクを除去し、
前記非晶質珪素膜を加熱することにより、前記ニッケルを導入した領域から前記ニッケルが導入されなかった領域へと横方向に結晶成長を行うことを特徴とする半導体装置作製方法。
A resist mask is selectively formed on the surface of the amorphous silicon film,
Forming an oxide film having a thickness of 10 nm or less on the surface of the amorphous silicon film where the resist mask is not formed;
By applying a nickel acetate containing nickel for promoting crystallization of the amorphous silicon in the resist mask and the oxide film surface, the nickel is introduced into the amorphous silicon film through the oxide film ,
Removing the resist mask;
Wherein by heating the amorphous silicon film, a semiconductor device manufacturing method characterized by performing the crystal growth in the lateral direction to the nickel from the introduction of the nickel region is not introduced region.
請求項1において、前記非晶質珪素膜を加熱することにより形成された結晶性珪素膜は<111>軸方向に結晶成長していることを特徴とする半導体装置作製方法。Oite to claim 1, wherein the crystalline silicon film formed by heating the amorphous silicon film semiconductor device manufacturing method characterized by being grown in the <111> axial direction. 請求項1又は請求項2において、前記酸化膜の厚さは2nm〜5nmであることを特徴とする半導体装置作製方法。3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the oxide film has a thickness of 2 nm to 5 nm.
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