JP4291539B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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して用いる半導体装置およびその製造方法に関し、特に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)を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置,密着型イメージセンサー,三次元ＩＣ等の半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ＩＣ(集積回路)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素子を形成する試みがなされている。これらの装置に用いられる素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。この薄膜状のケイ素半導体としては、非晶質ケイ素半導体(ａ−Ｓi)からなるものと結晶性を有するケイ素半導体からなるものの２つに大別される。
【０００３】
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、最も一般的に用いられているが、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣っているため、より高速特性を得るには、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。なお、結晶性を有するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素等が知られている。
【０００４】
これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導体を得る方法としては、
(１) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する方法
(２) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、パルスレーザー光のエネルギーにより結晶性を有する膜を形成する方法
(３) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有する膜を形成する方法
等が知られている。しかしながら、(１)の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素を得るにはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面にわたって均一に成膜することが技術上困難である。
【０００５】
また、(２)の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理され、比較的高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、未だ十分な安定性のものが得られておらず、素子としての性能面でも十分ではない。
【０００６】
また、(３)の方法は、(１),(２)の方法と比較すると、基板内の均一性,安定性において有利であるが、６００℃で３０時間程の長時間にわたる加熱処理が必要であり、処理時間が長く、スループットが低いという問題がある。また、この(３)の方法では、結晶構造が双晶構造となるため、1つの結晶粒は数μｍと比較的大きいが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、上記(２)の方法に比べて結晶性は劣る。
【０００７】
これらの方法に対して、上記(３)の方法を改善し、高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法が最近注目されている。この方法では、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を利用することで、加熱温度の低温化および処理時間の短縮、そして結晶性の向上を図っている。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパラジウム等の金属元素を微量に導入させ、しかる後に加熱を行うものである。
【０００８】
この低温結晶化のメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急激に進行することで理解される。そういった意味で以後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素により結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、通常の固相成長法(上記(３)の方法)で結晶化した結晶性ケイ素膜の1つの粒内が双晶構造であり、多数の結晶欠陥を有しているのに対して、その粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、それぞれの柱状結晶内部はほぼ理想的な単結晶状態となっている。
【０００９】
このような方法により得られた結晶性ケイ素膜を用いて半導体装置を作製すると、従来よりは高性能な半導体装置は得られるが、未だその性能は不十分である。したがって、特開平７−１６１６３４号公報では、触媒元素を導入して固相結晶化した結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに高めるため、上記触媒元素による結晶化工程の後に、さらにパルスレーザー光などの強光を照射する工程を追加している。すなわち、この工程により、触媒元素を用い加熱処理で結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに高め、その結果、半導体装置の高速化を図ろうとするものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記触媒元素を用いて結晶化されたケイ素膜は、良好な結晶性を有してはいるが、各結晶粒内には欠陥が多い。したがって、高性能な半導体装置の活性領域に用いるケイ素膜としては、より結晶欠陥を低減させた高品質な結晶性ケイ素膜が望まれる。結晶性をより高めるためには、触媒元素を用いて結晶化した後に、さらに高温(８００〜１１００℃)で酸化雰囲気で熱処理する第１の半導体装置の製造方法と、特開平７−１６１６３４号公報のようにパルスレーザー光を照射する第２の半導体装置の製造方法とがある。前者の第１の半導体装置の製造方法では、いわゆる高温プロセスになり、安価なガラス基板を使用することはできない。
【００１１】
このため、安価なガラス基板を用いることを前提とすれば、後者の第２の半導体装置の製造方法を用いることになる。触媒元素を導入して加熱することにより結晶化された結晶性ケイ素膜は、幅８００〜１０００Åの柱状結晶のネットワーク状態により、それぞれの結晶粒が構成されている。個々の柱状結晶内部は単結晶状態であるが、これらの柱状結晶の曲がりや分岐などにより転位などの結晶欠陥が結晶粒内に多数存在する。パルスレーザー光照射は、この良好な結晶性を有する柱状結晶成分を元に、結晶粒内の欠陥を消滅させることを目的とするが、現実には非常に難しい。
【００１２】
実際に、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光照射すると、低いレーザーパワーでは、ほとんど効果がなく、元の結晶状態をほぼ維持するだけで大きくは改善されない状態となり、高いレーザーパワーでは、元の結晶状態がリセットされ、レーザーのみにより結晶化されたのと同様の状態になる。その中間状態を形成するのは難しく、レーザーパワーのマージンがほとんどない。また、このような最適状態のレーザーパワー範囲で結晶性ケイ素膜を作製した場合においても、触媒元素による結晶化工程での結晶性を引き継いだまま、上記工程で生じた元々の結晶欠陥を低減することができる一方、レーザーによる再結晶化工程による新たな結晶粒界がどうしても生じてしまう。このパルスレーザー光照射によって引き起こされる結晶粒界は、触媒元素により固相結晶化された状態で見られる結晶粒界と比べて、半導体キャリアに対するトラップ密度が非常に大きく、またそのエネルギーも深い。よって、特開平７−１６１６３４号公報のような触媒元素による固相結晶化の後にパルスレーザー光で再結晶化する方法を用いて形成された半導体装置においては、元々の触媒元素による固相結晶化時の結晶欠陥は低減される一方、パルスレーザー光照射による再結晶化時に新たな結晶粒界が生じるが、結果としては、固相結晶化時の欠陥消滅効果の方がパルスレーザー光照射で生じる新たな結晶粒界の影響を上回っているため、パルスレーザー光照射工程を追加することで、トータル的に半導体装置の向上は図れる。しかしながら、このような特開平７−１６１６３４号公報で得られる方法では、未だ十分と言えるような高速性能を有する半導体装置は得られず、より高い電流駆動能力をもつ半導体装置を必要とされている。
【００１３】
また、加えて、特開平７−１６１６３４号公報の方法では、従来のパルスレーザー光照射による問題点の1つであるばらつきの問題がどうしてもつきまとう。触媒元素により固相結晶化した結晶性ケイ素膜の高い均一性を引き継いで再結晶化するのであるから、従来の非晶質ケイ素膜を直接レーザーによる結晶化する方法に比べると、確かに格段に均一性は高い。しかしながら、パルスレーザー光照射工程に伴う新たな結晶粒界の発生は、ランダムに起こるため、その影響により半導体装置の特性はばらつく方向に作用する。その結果、触媒元素による固相結晶化のみで作製された半導体装置に比べると、特性が不安定となり、特性ばらつきが大きくなる。
【００１４】
そこで、この発明の目的は、非常に高性能で特性ばらつきの少ない半導体装置およびその半導体装置を簡便で高歩留まりな製造プロセスにより作製できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
上記目的を達成するため、第１の発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性を有するケイ素膜を活性領域として用いた半導体装置において、上記活性領域は、略一方向に沿って並んだライン状の結晶粒群により構成されており、かつ、そのライン状の結晶粒群と隣接するライン状の結晶粒群との間の結晶粒界が小傾角粒界であることを特徴としている。
【００２３】
上記構成の半導体装置によれば、上記小傾角粒界では、平面的に見て微妙に結晶方位のずれが小さな回転角で生じている状態を示しており、格子自体の並びは結晶粒界では小さな角度で回転している(屈折している)が、隣接する結晶粒の格子同士は結晶粒界で連続的につながっているような状態である。このような場合に結晶粒界でのキャリアのトラップ密度およびエネルギー準位が最も小さくできる。したがって、半導体素子の高速性能を最も高めると共に、素子間の特性ばらつきを最小にできる。
【００２４】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記ライン状の結晶粒群と隣接するライン状の結晶粒群との間に形成される小傾角の結晶粒界は、結晶粒間の平面的な方位の回転角が１０゜以内の小傾角粒界であることを特徴としている。
【００２５】
上記実施形態の半導体装置によれば、互いに隣接するライン状の結晶粒群の間の小傾角粒界の回転角を１０゜以内にすることによって、結晶粒界での格子の連続性がほぼ保たれ、半導体キャリアに対する結晶粒界におけるトラップ密度およびトラップ準位のエネルギーを、半導体素子の特性を大きく低下させることがない程度まで低減できる。
【００２６】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記結晶粒界は、セコエッチング法によりエッチングされる位置で示され、結晶粒は、上記結晶粒界に囲まれた領域であることを特徴としている。
【００２７】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記結晶粒群の面方位および結晶粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ(Electron Backscattered Diffraction Pattern)法により定義される値であることを特徴としている。
【００２８】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記半導体装置における活性領域のキャリアの移動方向と上記ライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行であることを特徴としている。
【００２９】
上記ライン状の結晶粒群が隣接する結晶粒界でのキャリアに対するトラップは、前述のように通常の方法に比べ非常に小さいが、この結晶粒界でのキャリアに対する影響は皆無ではない。したがって、上記実施形態の半導体装置によれば、特に高いキャリア移動度が求められる素子に対しては、活性領域でのキャリアの移動方向とライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行となるよう構成することで、キャリアに対する粒界の影響を極力排除することができる。
【００３０】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記活性領域における能動領域は、ニッケル元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度で含有していることを特徴としている。
【００３１】
この発明により得られる半導体装置は、隣接するライン状の結晶粒群の面方位を制御するために、非晶質ケイ素膜にその結晶化を促進する触媒元素を導入しており、結果として、活性領域における能動領域(チャネル領域)には、その触媒元素が含まれている。このときの触媒元素としてはニッケルが最も好ましく、面方位を制御するのに最も適している。
【００３２】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記活性領域における能動領域(チャネル領域)中に含まれているニッケルの濃度が、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるとき、この発明の効果を最も引き出すことができる。上記活性領域における能動領域のニッケルの濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を越えるようであれば、ニッケルシリサイドとして能動領域(チャネル領域)中に偏在する領域が多数現れだし、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすようになる。これに対してニッケルの濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下では、ニッケルは、ほとんどシリサイドとして析出されず、ケイ素膜中に固溶し、このような状態では、半導体素子への悪影響は見られない。一方、活性領域の能動領域中に残存するニッケルの濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3よりも少ないと、ニッケルによる触媒効果が十分に得られず、結晶粒の面方位に対する十分な制御が行えない。例え、結晶化後の後の工程において、活性領域のニッケル量を低減するような方法を用いたとしても、触媒として十分に効果がある量のニッケルを導入して結晶成長させた場合は、ニッケルの濃度を１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下まで低下させることはできない。
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
また、第２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形成された非晶質ケイ素膜に結晶化を促進する触媒元素を導入する工程と、上記触媒元素を導入する工程の後に加熱処理により上記非晶質ケイ素膜を結晶化させて結晶性ケイ素膜にする工程と、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射しながら、基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させる工程とを有すると共に、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査ピッチは、上記パルスレーザー光照射時に溶融する領域が、その領域に隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下であり、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルは、少なくとも走査方向に対して後ろ側のビーム強度が一定強度から０まで急激に低下する形状であり、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させるとき、少なくともパルスレーザー光照射前の結晶性ケイ素膜の元の結晶状態が失われない範囲の強度のパルスレーザー光で行われることを特徴としている。
【００３７】
上記半導体装置の製造方法によれば、絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜に、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入し、加熱処理を施して、上記非晶質ケイ素膜を結晶化させて結晶性ケイ素膜にする。引き続いて、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射しながら、パルス照射する毎に基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することによって、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させる。そして、上記パルスレーザー光の照射により再結晶化させた領域を用いて、半導体素子の能動領域(チャネル領域)を形成すればよい。
【００３８】
上記触媒元素を導入して加熱処理により固相結晶成長させた後、パルスレーザー光照射により再結晶化する点では、特開平７−１６１６３４号公報と同様であるが、上記特開平７−１６１６３４号公報の半導体装置の製造方法では、パルスレーザー光で再結晶化するときに、その工程で生じる新たな結晶粒界がランダムに生じる。これに対してこの発明の半導体装置の製造方法では、このパルスレーザー光照射工程を基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することによって、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させて、走査方向に平行な方向に沿ったライン状の結晶粒群を形成でき、結晶粒界もその結晶粒群のライン方向に沿って並び、パルスレーザー光照射により生じる結晶粒界の位置を制御できる。すなわち、この発明では、パルスレーザー光照射工程において、触媒元素による結晶化されたミクロ的に良好な結晶成分(柱状結晶成分)を効率的に引き継ぎ、その結晶欠陥を効率的に低減することができる上に、特開平７−１６１６３４号公報でトレードオフとなっていたパルスレーザー光照射工程での新たな結晶粒界の生成を簡略に位置制御できる。したがって、この第４の発明の半導体装置の製造方法では、パルスレーザー光照射工程で生じる新たな結晶粒界の影響を極力除いた状態で、触媒元素による結晶化で得られるミクロ的に良好な結晶状態と、固相成長結晶化法の特徴である結晶状態の基板内での良好な均一性と、強光照射による溶融固化結晶化での低い粒内欠陥密度とを、全て盛り込んだ状態の非常に高品質な結晶性ケイ素膜が得られる。さらに、この第４の発明の半導体装置の製造方法では、パルスレーザー光照射工程で生じる結晶粒界を制御するから、従来問題となったパルスレーザー光照射に起因する特性ばらつきを大きく低減できる。その結果、今までにない非常に高性能で特に電流駆動能力の高くかつ特性ばらつきの小さい半導体装置を実現することができる。
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
この発明において、触媒元素を導入して固相結晶成長させた結晶性ケイ素膜に、パルスレーザー光を照射しながら、パルス照射毎に基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させる工程が、キープロセスとなっている。この工程は非常に重要で、条件によっては十分な効果が得られない場合がある。特に、このときのパルスレーザー光の走査ピッチは非常に重要なパラメーターである。そこで、上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記パルスレーザー光照射時に溶融する領域が、その領域に隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下にすることで、結晶粒は、その成長方向に沿ってライン状となって形成される。一方、パルスレーザー光の走査ピッチが上記長さを越える場合には、通常のパルスレーザー光照射工程で見られるランダムな結晶核による領域が形成され、そこでは通常のグレイン状の結晶粒となる。
上記パルスレーザー光の走査方向に対して走査ピッチ以上の長さの照射長があると、その後ろ側のビーム強度のプロファイルが重要となる。なぜなら、走査方向に対して、常にビーム照射の後ろ側で前段のパルスレーザー光で結晶化された領域からの結晶成長が生じるからである。この領域のビーム強度のプロファイルが、一般的なガウシアン形状(正規分布形状)のようになだらかに低下しているようなプロファイルであれば、前段のパルスレーザー光で結晶化された領域から徐々にレーザーエネルギーが上がっていく状態となるため、再結晶化に求められるエネルギーが、この発明において最も求められる前段のパルスレーザー光で結晶化された領域近傍で得られない。よって、このようなプロファイルでは、再結晶化に求められるよりも低いパワー領域が必ず存在するため、前段のパルスレーザー光で結晶化された領域の結晶性を引き継ぐことができず、この領域は結晶性の悪い領域となって残り、この発明の十分な効果を得ることができない。そこで、上記実施形態の半導体装置の製造方法において、結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程におけるパルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルを、少なくとも走査方向に対して後ろ側のビーム強度のプロファイルが一定強度から０まで急激に強度が低下する形状にすることにより、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映した最適な再結晶化を行うことができる。
上記パルスレーザー光の強度が小さければ、ケイ素膜は十分に溶融されず、触媒元素による固相結晶化後に存在する結晶欠陥を十分に改善することができない。また、このときのパルスレーザー光の強度が大きければ、触媒元素により得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、リセットされてしまい、全面的に従来のレーザー結晶化で得られる結晶性ケイ素膜と同等になってしまうため、性能が低下するだけでなく、本来レーザー光による結晶化が有している不均一性の問題点が発生する。すなわち、どちらにしても、このときのパルスレーザー光の強度次第で、この発明の効果が十分に得られなくなってしまう。したがって、上記実施形態の半導体装置の製造方法において、上記パルスレーザー光の強度としては、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜は膜全体にわたって溶融するが、少なくともパルスレーザー光照射前の結晶性ケイ素膜における元の結晶状態が失われないような範囲の強度で行うことによって、この発明の効果を十分に得ることができる。
【００４３】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記パルスレーザー光の走査ピッチが０.１μｍ〜１μｍであることを特徴としている。
【００４４】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、パルスレーザー光の走査ピッチを０.１μｍから１μｍの範囲にすることによって、この発明の効果を十分に得ることができる。上記パルスレーザー光照射時に溶融する領域が、その領域に隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さは最大でも１μｍであることがわかっている。よって、少なくとも１μｍ以下でないと、前段のパルスレーザー光により結晶化された領域の結晶性を反映して再結晶化できない領域(ランダムな核発生領域)が生じることになる。しかしながら、上記パルスレーザー光照射工程のスループット(時間当たりの処理能力)を考えると、この走査ピッチは大きいほどよいのは当然で、０.１μｍ以上であれば、パルスレーザー光照射条件に大きな制限なく、この発明の効果を十分得ることができる値であり、これ以下にしても大きなメリットはない。
【００４５】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の結晶性ケイ素膜表面に照射されるビーム形状は、略長尺矩形形状であり、その長尺方向に対して直角方向にパルス走査が行われることを特徴としている。
【００４６】
この発明では、パルスレーザー光のビーム形状は、走査方向に対して大きな長さを必要とせず、走査ピッチ以上であれば基本的によい。したがって、上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、レーザー発振器から出力されるパルスレーザー光のトータルパワーには制限があるため、走査方向を極力短くして、走査方向に対して直角方向の長さをその分できる限り大きくするような長尺矩形状のビーム形状とすることで、より広範囲の面積を処理できるようになるため、この工程の処理時間を大きく短縮することができる。
【００４７】
【００４８】
【００４９】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向に対して、パルスレーザー光の少なくとも後ろ側の一部を機械的にマスクするレーザー光照射装置を用いることを特徴としている。
【００５０】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記パルスレーザー光の走査方向に対して、パルスレーザー光の少なくとも後ろ側の一部を機械的にマスクしたような構成のレーザー光照射装置を用いることによって、レーザー光照射装置の光学系を大幅に変更することなく、また難しい調整も不要で、最適なビーム強度のプロファイルが容易に実現できる。
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルは、少なくとも上記結晶性ケイ素膜の再結晶化工程に必要とする強度から連続的にゼロまで低下する範囲をマスクしてその範囲の強度をゼロとすることを特徴としている。
【００５１】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、パルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルにおいて、少なくとも上記結晶性ケイ素膜の再結晶化工程に必要とする強度から連続的にゼロまで低下する範囲をマスクしてその範囲の強度をゼロとすることによって、最適なビーム強度のプロファイルを容易に得ることができる。
【００５２】
【００５３】
【００５４】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記パルスレーザー光として、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用い、上記結晶性ケイ素膜表面に対するエネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2となる範囲内で照射することを特徴としている。
【００５５】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用いることによって、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高く、ガラス基板に熱的ダメージを与えることなく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱することができる。また、エキシマレーザー光は発振出力が大きく、大面積基板を処理するのに適している。その中でも、特に波長３０８ｎｍのＸeＣｌエキシマレーザー光は出力が大きいため、基板照射時のビームサイズを大きくでき、大面積基板に対応しやすく、また出力も比較的安定しており、量産装置に適用する上で最も望ましい。そして、上記パルスレーザー光を用いて、ケイ素膜表面に対して、上記パルスレーザー光の表面エネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2となるようにして、照射工程を行うことが望ましい。ここでパルスレーザー光の表面エネルギー密度が２００ｍＪ／ｃｍ2より小さければ、結晶性ケイ素膜は十分に溶融されず、触媒元素による固相結晶化後に存在する結晶欠陥を十分に改善することができない。また、４５０ｍＪ／ｃｍ2よりも大きければ、結晶化領域において触媒元素により得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、リセットされてしまい、全面的に従来のレーザー結晶化で得られる結晶性ケイ素膜と同等になっていしまい、性能が低下するだけでなく、本来レーザー光による結晶化が有している不均一性の問題点が発生する。すなわち、このエネルギー密度範囲は、前述の結晶性ケイ素膜は膜全体にわたって溶融するが、少なくともパルスレーザー光照射前の結晶性ケイ素膜における元の結晶状態が失われないような範囲に相当する。
【００５６】
【００５７】
【００５８】
【００５９】
【００６０】
【００６１】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記第３,第４の発明の半導体装置の製造方法において、上記結晶性ケイ素膜にレーザー光を照射する工程において、上記レーザー光の走査方向に対して上記活性領域に流れるキャリアの方向が略平行になるようにすることを特徴としている。
【００６２】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、レーザー光の走査方向に対して、キャリアの流れる方向(チャネル方向)が略平行となるようにすることによって、半導体素子の活性領域でのキャリアの移動方向とライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行となるよう構成される。したがって、このような配置は、特に高いキャリア移動度が求められる素子に対して有効であり、活性領域でのキャリアの移動方向とライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行となるため、キャリアに対する粒界の影響を極力排除することができ、非常に高い電流駆動能力をもつ素子が得られる。
【００６３】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記第３,第４の発明の半導体装置の製造方法において、上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ｎi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuのうちの少なくとも１種類の元素を用いることを特徴としている。
【００６４】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、触媒元素の種類としては、Ｎi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuを利用することができる。これらから選ばれた１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Ｎiを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合しシリサイド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構造が、非晶質ケイ素膜結晶化時に１種の鋳型のように作用し、非晶質ケイ素膜の結晶化を促していると考えられる。Ｎiは２つのＳiとＮiＳi2の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に非常に近い値をもつ。よって、ＮiＳi2は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、実際に、得られる結晶性ケイ素膜の結晶性およびその結晶化促進の触媒効果を見ても、触媒元素としてＮiが最もよい。
【００６５】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記第３,第４の発明の半導体装置の製造方法において、上記結晶性ケイ素膜にレーザー光を照射する工程の後に、少なくとも上記活性領域の能動領域となる以外の上記結晶性ケイ素膜の領域に５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、上記５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程の後に、加熱処理により上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に上記触媒元素を移動させて、上記能動領域中の触媒元素量を低減する工程とを有することを特徴としている。
【００６６】
この発明では、まず非晶質ケイ素膜を触媒元素により固相結晶化し、さらにレーザー光照射による再結晶化を行う点を特徴とするが、これらの触媒元素は金属類を主としており、こ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、決して好ましいことでない。特に、これらの触媒元素がシリサイドとして存在していると、ＴＦＴにおいてオフ動作時のリーク電流増大という大きな問題を引き起こす。この発明では、触媒元素により固相結晶化された結晶性ケイ素膜をベースに用いるため、どうしても半導体装置の活性領域内に触媒元素が存在しており、これを如何にして低減するかが大きな問題となる。
【００６７】
これに対して、上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、触媒元素を非晶質ケイ素膜の結晶化処理に利用した後、上記ケイ素膜中に残存する触媒元素の大部分を、半導体素子形成領域以外の領域に移動させることで、この問題を解決している。具体的には、少なくとも後に半導体素子の能動領域(チャネル領域)となる領域以外のケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入した後に加熱処理を行う工程を追加する。これにより、結晶成長に使われた触媒元素は、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に移動し、結果として半導体装置の能動領域(チャネル領域)中の触媒元素量を大きく低減することができる。この半導体装置の製造方法は、半導体特性に対して悪影響が大きいシリサイド状態の触媒元素に、特に有効である。そして、５族Ｂ元素を導入され触媒元素が集められた領域を除去して、最終的な半導体素子領域を形成すれば、基板上には触媒元素の高濃度領域は全く残らない。
【００６８】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記加熱処理によって上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に上記触媒元素を移動させて、上記能動領域中の触媒元素量を低減する工程において、上記触媒元素の移動方向と上記レーザー光の走査方向とが略平行であることを特徴としている。
【００６９】
この発明では、レーザー光の走査方向に対して略平行方向に沿って並んだライン状の結晶粒群が形成されており、触媒元素の移動効率としては、結晶粒内は高いが、結晶粒間にわたって、すなわち結晶粒界を横切るような移動に対しては効率が悪い。したがって、上記実施形態の半導体装置の製造方法において、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に、触媒元素を移動させるときの移動方向を、結晶性ケイ素膜のライン状の結晶粒群のライン方向に合わせることによって、結晶粒界を横切ることなく触媒元素が結晶粒内を移動できるため、その移動効率が高まり、結果として、半導体素子の能動領域(チャネル領域)における触媒元素の残留量も大きく低減できる。
【００７０】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ、Ｎ、Ａs、Ｓb、Ｂiのうちの少なくとも１種類の元素を用いることを特徴としている。
【００７１】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記５族Ｂから選ばれた元素としては、Ｐ、Ｎ、Ａs、Ｓb、Ｂiのうちの少なくとも１種類の元素を用いることができ、これらから選ばれた１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、十分な効果が得られる。このメカニズムに関しては、未だ詳しい知見は得られていないが、これらの元素の中でも、最も効果が高いのはＰであることがわかっている。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の半導体装置およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００７３】
〔第１実施形態〕
図１,図２はこの発明の第１実施形態の半導体装置としてのＮチャネル型ＴＦＴの概要を示す平面図であり、図１,図２において同一構成部には同一参照番号を付している。
【００７４】
この第１実施形態では、ガラス基板上にＮチャネル型ＴＦＴを作製するときの工程において、この発明を適用した場合について説明する。このＮチャネル型ＴＦＴは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論、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。
【００７５】
また、図４(A)〜図４(D)および図５(A)〜図５(C)は、図１,図２に示すＴＦＴの製造方法を説明する工程断面図であり、図４(A)〜図４(D)および図５(A)〜図５(C)の順に作製工程が順次進行する。
【００７６】
まず、図４(A)に示すように、ガラス基板１０１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成する。この酸化ケイ素膜は、ガラス基板１０１からの不純物の拡散を防ぐために設けている。次に、プラズマＣＶＤ(化学気相成長)法によって、厚さ２０〜６０ｎｍ(例えば４０ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)１０３を成膜する。このときの基板加熱温度は４００℃以下であることが望ましく、この第１実施形態では３００℃とした。
【００７７】
次に、非晶質ケイ素膜１０３表面上にニッケル１０４の微量添加を行う。このニッケル１０４の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液を非晶質ケイ素膜１０３上に保持し、スピナーにより溶液をガラス基板１０１上に均一に延ばして乾燥させることにより行う。第１実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用いて、溶液中のニッケル濃度を１０ｐｐｍとした。このようにして添加された非晶質ケイ素膜１０３表面上のニッケル濃度を全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法により測定すると、５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。そして、これを不活性雰囲気下(例えば窒素雰囲気下)で加熱処理を行う。この加熱処理では、昇温途中にまず非晶質ケイ素膜１０３中の水素離脱処理を行い、その後さらに高温で非晶質ケイ素膜１０３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１〜２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２〜８時間のアニール処理を行う。この第１実施形態では、５００℃にて１時間の処理を行った後、５５０℃で４時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、非晶質ケイ素膜１０３表面に添加されたニッケル１０４のシリサイド化が起こり、それを核として非晶質ケイ素膜１０３の結晶化が進行し、結晶性ケイ素膜１０３aが形成される。このときの結晶核の発生はランダムに起こり、結晶性ケイ素膜１０３aにおける個々の結晶粒の平均粒径は、３〜５μｍ程度であった。
【００７８】
次に、図４(B)に示すように、パルスレーザー光１０５を照射することで結晶性ケイ素膜１０３aを再結晶化させ、結晶性ケイ素膜１０３aを得る。このときのパルスレーザー光としては、ＸeＣ１エキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用いた。このときのパルスレーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2(例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射した。
【００７９】
この発明では、このときのパルス走査ピッチ、ビーム形状およびビーム形状が重要なパラメーターとなるので、ここで詳しく説明する。第１実施形態で用いたレーザー光照射装置の概略の構造を図１０に示している。図１０に示すように、レーザー発振器５０１から出たパルスレーザー光５０６は、ミラー５０２により曲げられて、ホモジナイザー５０３へと導かれる。そして、このホモジナイザー５０３でパルスレーザー光５０６は、長尺形状のパルスレーザー光５０７へと形成される。通常ならこのまま基板表面にパルスレーザー光照射がなされるのであるが、この発明では、ガラス基板１０１との間に遮蔽マスク板５０４を設けている。上記遮蔽板５０４に照射されるパルスレーザー光５０７のサイズは、ホモジナイザー５０３を通ってガラス基板１０１直上で、３００ｍｍ×０.２ｍｍの長尺形状となるように成型されている。上記遮蔽板５０４によりパルスレーザー光５０７の短辺方向の裾がカットされ、ガラス基板１０１表面に実際に照射されるパルスレーザー光５０８の形状は３００ｍｍ×０.０５ｍｍ(５０μｍ)となる。そして、上記遮蔽板５０４とガラス基板１０１との間隔は数ｍｍ程度である。
【００８０】
このときの短辺方向におけるビーム強度のプロファイルの変化を図１１に示している。図１１において、横軸はパルスレーザー光の走査方向寸法ｘを表し、縦軸はビームエネルギー(ビーム強度)を表している。図１０に示すホモジナイザー５０３により長尺形状に成型されたパルスレーザー光５０７は、ガウシアン形状(図１１の上側に示す正規分布形状)となっている。これを遮蔽板５０４に通すことにより、そのトップ付近のエネルギーの高い領域のみを選択し、それ以外の裾引き領域をカットしたようなトップハット状(図１１の下側に示す)のビーム強度のプロファイルのパルスレーザー光５０８が、ガラス基板１０１に照射される。
【００８１】
そして、図１０に示すように、この状態で、ガラス基板１０１(２０１)を矢印５０５の方向に移動させることでガラス基板１０１に対してパルスレーザー光の走査が行われる。このときのパルス間の移動距離が走査ピッチとなり、実際にはガラス基板１０１の矢印５０５の方向の移動速度により制御される。第１実施形態では、図１０に示すように、ガラス基板１０１を矢印５０５の方向に移動させることにより、パルスレーザー光の走査を行ったが、ガラス基板１０１から見た場合のパルスレーザー光の走査方向は矢印５０５の方向とは逆方向になる。
【００８２】
この方向が図３におけるＳである。図３において、走査ピッチ幅Ｐとしては、０.１〜１μｍ(例えば０.５μｍ)とした。走査方向に対するレーザービームの幅Ｌは、第１実施形態では５０μｍとしたので、ケイ素膜１０３aの任意の一点において、計１００回のパルスレーザー光照射が行われることになる。しかし、実際には、各位置に対して最終回のパルスレーザー光が重要であり、最終回のパルスレーザー光で前段パルスレーザー光で結晶化された隣接領域の結晶性を反映して、パルスレーザー光の走査方向に横方向に結晶成長が行われる。上記工程により、図１,図２に示すように、ニッケルにより結晶成長した結晶性を引き継いで、横方向に、パルスレーザー光照射により形成されたライン状の結晶粒群が成長する。図１,図２において、ＧＢがそのライン状の結晶粒群の結晶粒界を表している。この状態で、ＥＢＳＰ法により２次元的に結晶面方位の観察を行うと、それぞれのライン状の結晶粒群は、結晶粒界ＧＢを挟んで面方位に相関関係が見られ、結晶粒界ＧＢでは１０゜以内の小傾角粒界を形成している。なお、図３に示す点線は、走査ピッチ幅を示すものであって、図１,図２において点線で示された結晶粒界ＧＢではない。
【００８３】
次に、図４(C)に示すように、結晶性ケイ素膜１０３b上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、パターニングしてマスク１０６を形成する。マスク１０６の形成は、第１実施形態では、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate：テトラ・エトキシ・シラン)を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。このときのマスクの厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第１実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。
【００８４】
次に、この状態で、図４(C)に示すように、ガラス基板１０１上方よりリン１０７を全面にイオンドーピングする。このときのリン１０７のドーピング条件としては、加速電圧を５〜１０ｋＶとし、ドーズ量を５×１０15〜１×１０16ｃｍ-2とした。この工程により、結晶性ケイ素膜１０３bの露呈している領域にリンが注入され、リンドープされた結晶性ケイ素領域１０３cが形成される。一方、マスク１０６によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜１０３bには、リンはドーピングされない。このときの状態をガラス基板１０１上方より見ると、図１,図２のような状態となっている。図１,図２では、後のＴＦＴ素子領域と、マスク１０６に覆われた領域のケイ素膜１０３bとリンが注入された領域１０３cとの関係を明確にするために、後のＴＦＴ活性領域１０９を示している。後に形成されるＴＦＴ活性領域１０９は、この段階では、図４(C)のマスク１０６に完全に覆われた状態となっている。
【００８５】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気下(例えば窒素雰囲気下)にて５８０〜６５０℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第１実施形態では、６００℃にて１２時間の処理を行った。この加熱処理において、領域１０３c中のリンが、結晶性ケイ素膜１０３b中に拡散したニッケル１０４を矢印１０８に示すように周囲の全方向に向かって引き寄せる。すなわち、ニッケルに対するゲッタリングが行われるのである。その結果、結晶性ケイ素膜１０３b領域におけるニッケル濃度は大幅に低減される。このときのニッケル１０４のゲッタリング方向１０８は、周囲に向かって四方八方に行われるが、結晶性ケイ素膜１０３bが、ある一方向に沿ったライン状の結晶粒群により構成されているので、その結晶粒の方向に対してゲッタリング効率が異なる。すなわち、ニッケル１０４は結晶粒界ＧＢを越えては移動しにくく、結晶粒内を移動しやすいため、ライン状の結晶粒群のそのライン方向に沿った方向のゲッタリング効率が高い。すなわち、図１,図２では実線の矢印１０８の方向に主にゲッタリングされ、点線の矢印１０８で示された方向にはほとんど移動しない。よって、第１実施形態では、後のＴＦＴ活性領域１０９を取り囲むようにニッケルのゲッタリング領域１０３cを設けることで、ライン状の結晶粒群のライン方向に対してゲッタリング領域を必然的に形成できる上に、ゲッタリング効率を最大限に高めることができる。このときのＴＦＴの配置としては、図１よりも図２の配置の方が、ゲッタリング領域１０３cと非ゲッタリング領域(後のチャネル領域１１３)との間の距離を最低限にできるため、より効果の高いゲッタリングが行える。
【００８６】
このゲッタリング工程後の実際の結晶性ケイ素膜１０３b中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry)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。ちなみに上記工程前の結晶性ケイ素膜１０３bの膜中ニッケル濃度は５×１０17〜１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。
【００８７】
次に、マスク１０６に用いた酸化ケイ素膜をエッチング除去する。エッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜１０３と選択性のある１：１０のバッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングにより行う。
【００８８】
その後、図５(A)に示すように、不要な部分のケイ素膜１０３を除去して素子間分離を行う。すなわち、上記工程により、図１,図２に示すような配置で、少なくとも結晶性ケイ素膜１０３bの領域を用いて、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜１０９を形成する。
【００８９】
次に、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜１０９を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ(ここでは１００ｎｍ)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１０として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳを原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃(好ましくは３００〜４５０℃)でＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。または、ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によって、基板温度を３５０〜６００℃(好ましくは４００〜５５０℃)として形成してもよい。成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で４００〜６００℃で１〜４時間のアニールを行う。
【００９０】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ(例えば６００ｎｍ)のアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極１１１を形成する。さらに、このアルミニウムのゲート電極１１１の表面を陽極酸化して、表面に陽極酸化膜１１２を形成する。この状態が図５(B)に相当する。このときの陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコール溶液中で行い、最初一定電流で２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させる。こうして得られた陽極酸化膜１１２の厚さは２００ｎｍである。なお、この陽極酸化膜１１２は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
【００９１】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極１１１とその周囲の陽極酸化膜１１２をマスクとして活性領域に不純物(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６０〜９０ｋＶ(例えば８０ｋＶ)、ドーズ量を１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば２×１０15ｃｍ-2)とする。この工程により、不純物が注入された領域１１４,１１５は、後にＴＦＴのソース／ドレイン領域となり、ゲート電極１１１およびその周囲の陽極酸化膜１１２にマスクされて不純物が注入されない領域１１３は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。このときのＴＦＴの配置として、図１に示すような配置で形成した場合、ＴＦＴ動作に対してキャリアが流れる方向(１１４→１１５の方向)とチャネル領域１１３を構成するライン状の結晶粒群のライン方向とが平行となるため、図２の配置のＴＦＴに比べて、キャリアが結晶粒界ＧＢの影響を受けず、より高い移動度を有するＴＦＴが得られる。
【００９２】
その後、図５(B)に示すように、パルスレーザー光１１６の照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上記不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。このとき、使用するレーザーとしてはＸeＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2(好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射を行う。こうして形成されたＮ型不純物(リン)領域であるソース領域１１４,ドレイン領域１１５のシート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。
【００９３】
続いて、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１２０として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法またはオゾンとの減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。また、モノシランＳiＨ4とアンモニアＮＨ3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に水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【００９４】
次に、層間絶縁膜１２０にコンタクトホール１２０aを形成して、金属材料、例えば窒化チタンとアルミニウムの二層膜によって電極・配線１２１を形成して、これによりＴＦＴ１２２を形成する。上記窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。このＴＦＴ１２２を液晶表示装置などの画素スイッチング用のＴＦＴとして用いる場合には、一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透明導電膜からなる画素電極を設ければよい。また、このＴＦＴ１２２を薄膜集積回路などに用いる場合には、ゲート電極１１１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。
【００９５】
そして、最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、１時間のアニールを行い、図５(C)に示すＴＦＴ１２２を完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ１２２を保護する目的で、ＴＦＴ１２２上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【００９６】
上記第１実施形態において作製したＴＦＴ１２１は、図１の配置では、電界効果移動度が４５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閥値電圧が１.０Ｖ程度と非常に高性能であるにもかかわらず、基板内での特性ばらつきが、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０.２Ｖ程度(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内３０点測定の結果)と非常に良好であった。また、図２の配置で作製したＴＦＴにおいても、電界効果移動度が３００ｃｍ2／Ｖｓ程度、閥値電圧が１.５Ｖ程度と、従来の方法に比べて十分に高性能であり、基板内での特性ばらつきも同様に小さく抑えることができる。さらに、図１,図２の配置のいずれのＴＦＴの場合も、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、非常に信頼性が高い。また、触媒元素が特に問題となるＴＦＴオフ領域でのリーク電流の増大およびばらつきは、異常点がなく、触媒元素を用いない場合と同等の数ｐＡ程度にまで低減でき、製造歩留まりを大きく向上することができた。そして、第１実施形態に基づいて作製されたＴＦＴを利用して、液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、従来法により作製したものに比べて表示むらが小さく、ＴＦＴリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。
【００９７】
〔第２実施形態〕
図６(A),(B)はこの発明の第２実施形態の半導体装置としてのＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴの概要を示す平面図である。この発明の第２実施形態では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回路を形成するＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴを相補型に構成したＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)構造の回路を石英ガラス基板上に作製する工程について説明する。
【００９８】
また、図８(A)〜図８(D)および図９(A)〜図９(C)は、図６(A),(B)に示すＴＦＴの製造方法を示す工程断面図であり、図８(A)〜図８(D)および図９(A)〜図９(C)の順に工程が順次進行する。
【００９９】
まず、図８(A)に示すように、ガラス基板２０１上に例えばＣＶＤ法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜２０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０〜６０ｎｍ(例えば３０ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)２０３を成膜する。このときの基板加熱温度は４００℃以下であることが望ましく、この第２実施形態では３００℃とした。また、装置としては平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、モノシランＳiＨ4ガスと水素Ｈ2ガスを材料ガスに用いる。そして、ＲＦパワーのパワー密度を１０〜１００ｍＷ／ｃｍ2(例えば８０ｍＷ／ｃｍ2)と低めに設定し、このときのデポレートは５０ｎｍ／ｍｉｎ程度である。このようにして得られた非晶質ケイ素膜２０３膜中の水素濃度は、１０〜１５ａｔｏｍｉｃ％である。
【０１００】
そして、上記非晶質ケイ素膜２０３の表面上にニッケル２０４の微量添加を行う。このニッケル２０４の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液を非晶質ケイ素膜２０３上に保持し、スピナーにより溶液をガラス基板２０１上に均一に延ばし乾燥させることにより行う。この第２実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用いて、溶液中のニッケル濃度を５ｐｐｍとした。このようにして添加された非晶質ケイ素膜２０３表面上のニッケル濃度を全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法により測定すると、３×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１０１】
そして、これを不活性雰囲気下(例えば窒素雰囲気下)で加熱処理を行う。この加熱処理においては、昇温途中にまず非晶質ケイ素膜２０３中の水素離脱処理を行い、その後さらに高温で非晶質ケイ素膜２０３の結晶化を行った。具体的には、第１ステップの加熱処理として４５０〜５２０℃で１〜２時間のアニール処理を行い、第２ステップの加熱処理としては５２０〜５７０℃で２〜８時間のアニール処理を行う。この第２実施形態では、５００℃にて１時間の処理を行った後、５５０℃で４時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、非晶質ケイ素膜２０３表面に存在するニッケル２０４のシリサイド化が起こり、それを核として非晶質ケイ素膜２０３の結晶化が進行する。このときの結晶核の発生はランダムに起こり、得られる結晶性ケイ素膜２０３aにおける個々の結晶粒の平均粒径は、５〜１０μｍ程度であった。
【０１０２】
次に、図８(B)に示すように、パルスレーザー光２０５を照射することで結晶性ケイ素膜２０３aを再結晶化させ、結晶性ケイ素膜２０３bを得る。このときのパルスレーザー光としては、ＸeＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用いる。パルスレーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2(例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射した。
【０１０３】
この発明では、このときのパルス走査ピッチ、ビーム形状およびビーム形状が重要なパラメーターとなる。第１実施形態と同様に、第２実施形態においても図１０に示す構造のレーザー光照射装置を用いる。すなわち、従来のレーザー光照射装置とは異なり、ガラス基板２０１上に遮蔽マスク板５０４が設けられ、遮蔽板５０４に照射されるパルスレーザー光５０７は不必要なビーム端部が遮蔽される。その結果、ガラス基板２０１に照射されるパルスレーザー光のサイズは、遮蔽板５０４によりパルスレーザー光５０７の短辺方向の裾がカットされ、３００ｍｍ×０.０５ｍｍ(５０μｍ)となる。このときの短辺方向におけるビーム強度のプロファイルは、図１１に示すように、遮蔽板５０４を通すことにより、そのトップ付近のエネルギーの高い領域のみが選択され、それ以外の裾引き領域をカットしたようなトップハット状(図１１の下側に示す)のビーム強度のプロファイル５０８となっている。
【０１０４】
そして、図１０に示すように、この状態で、ガラス基板２０１を矢印５０５の方向に移動させることでガラス基板２０１に対してパルスレーザー光の走査が行われる。このときのパルス間の移動距離が走査ピッチとなり、ガラス基板２０１の矢印５０５の方向の移動速度により制御される。この第２実施形態では、図１０に示すように、ガラス基板２０１を矢印５０５の方向に移動させることにより、パルスレーザー光の走査を行ったが、ガラス基板２０１から見た場合のパルスレーザー光の走査方向は矢印５０５の方向とは逆方向になる。
【０１０５】
この方向が図７におけるＳである。走査ピッチ幅Ｐとしては、０.１〜１μｍ(例えば０.５μｍ)とした。走査方向に対するレーザービームの幅Ｌは、第２実施形態では５０μｍとしたので、ケイ素膜２０３aの任意の一点において、計１００回のパルスレーザー光照射が行われることになる。しかし、実際には、各位置に対して最終回のパルスレーザー光が重要であり、最終回のパルスレーザー光で前段パルスレーザー光で結晶化された隣接領域の結晶性を反映して、レーザー走査方向に横方向に結晶成長がなされる。上記工程により、図６(A),(B)に示すように、ニッケルにより結晶成長した結晶性を引き継いで、横方向に、パルスレーザー光照射により形成されたライン状の結晶粒群が成長する。図６(A),(B)において、ＧＢがその結晶粒界を表している。この状態で、ＥＢＳＰ法により２次元的に結晶面方位の観察を行うと、それぞれのライン状の結晶粒群は、結晶粒界ＧＢを挟んで面方位に相関関係が見られ、結晶粒界ＧＢでは１０゜以内の小傾角粒界を形成している。なお、図７に示す点線は、走査ピッチ幅を示すものであって、図６(A),(B)において点線で示された結晶粒界ＧＢではない。
【０１０６】
その後、図８(C)に示すように、不要な部分のケイ素膜２０３bを除去して素子間分離を行い、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを形成する。
【０１０７】
次に、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ(ここでは１００ｎｍ)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１０として成膜する。この酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳを原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃(好ましくは３００〜４５０℃)でＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。
【０１０８】
引き続いて、図８(D)に示すように、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極２１１ｎ,２１１ｐとする。このときの高融点メタルとしては、タンタル(Ｔａ)またはタングステン(Ｗ)が望ましい。この第２実施形態では、窒素が微量に添加されたＴａと純Ｔａの二層構造を用い、トータルの厚さが３００〜６００ｎｍ(例えば４５０ｎｍ)とした。
【０１０９】
次に、図８(D)に示すように、イオンドーピング法によって、活性領域２０９ｎ,２０９ｐに、ゲート電極２１１ｎ,２１１ｐをマスクとして、リン２１７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、ドーピング条件としては、加速電圧を６０〜９０ｋＶ(例えば８０ｋＶ)とし、ドーズ量を２×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば５×１０15ｃｍ-2)とした。この工程により、ゲート電極２１１ｎ,２１１ｐにマスクされてリンが注入されない領域は、後にＴＦＴのチャネル領域２１３ｎ,２１３ｐとなる。また、この工程により、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型の不純物領域２１４ｎ,２１５ｎが形成される。しかし、Ｐチャネル型ＴＦＴにおいては、そのソース・ドレイン領域２１４ｎ’,２１５ｎ’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。
【０１１０】
次に、図９(A)に示すように、フォトリソグラフィ工程により、Ｎチャネル型ＴＦＴとなる領域上を完全に覆うように、フォトレジストにより、選択ドーピングのためのマスク２１９を形成する。そして、この状態で、イオンドーピング法によって、Ｐチャネル型ＴＦＴにおいてのみ選択的に、活性領域２０９ｐにゲート電極２１１ｐをマスクとしてホウ素２１８を注入する。このとき、ドーピングガスとして、ジボラン(Ｂ2Ｈ6)を用い、４０ｋＶ〜８０ｋＶ(例えば６５ｋＶ)の加速電圧で、１×１０16〜５×１０16ｃｍ-2(例えば２×１０16ｃｍ-2)の高ドーズ量にて、ドーピングを行う。この工程において、後のＰチャネル型ＴＦＴのチャネル領域２１３ｐは、ゲート電極２１１ｐにマスクされ、ホウ素は注入されない。上記ゲート絶縁膜２１０越しにホウ素２１８がドーピングされた領域２１４ｎ’,２１５ｎ’は、この結果、先にドーピングされたＮ型不純物であるリンをキャンセルし、過剰なホウ素により反転してＰ型の不純物領域２１４ｐ,２１５ｐが形成される(所謂カウンタードーピング)。このようして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとをそれぞれ形成することができる。
【０１１１】
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を除去した後、これを不活性雰囲気下(例えば窒素雰囲気下)にて５００〜６００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第２実施形態では、５５０℃にて６時間の処理を行った。この加熱処理により、ドライバー部のＴＦＴ活性領域中において、ソース領域２１４ｎ,２１４ｐおよびドレイン領域２１５ｎ,２１５ｐにドーピングされているリンがその領域に存在するニッケルをまずトラップする。
【０１１２】
そして、図９(B)に示すように、チャネル領域２１３ｎ,２１３ｐ中に存在しているニッケルを矢印２０８に示す方向に、すなわち隣接するソース領域２１４ｎ,２１４ｐおよびドレイン領域２１５ｎ,２１５ｐへと移動させる。その結果、チャネル領域２１３ｎ,２１３ｐ中のニッケル濃度は大幅に低減する。このときのＴＦＴの配置は、図６(A),(B)となるようにした。すなわち、再結晶化のときのレーザー走査方向Ｓ(図７に示す)とニッケルの移動方向２０８とが略平行となるように設定した。このような配置とすることにより、チャネル領域２１３ｎ,２１３ｐ内のライン状の結晶粒群の方向とニッケルの移動方向が同方向となり、ソース・ドレイン領域へのニッケルの移動が、結晶粒界ＧＢを越えることなく行われる。その結果、ニッケルの移動効率が向上し、チャネル内での残留量が大幅に低減できる。このときのチャネル領域２１３ｎ,２１３ｐ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１〜３×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減されていた。ちなみに上記工程前の結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度は５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。
【０１１３】
また、この加熱処理により、ソース領域２１４ｎ,２１４ｐ、ドレイン領域２１５ｎ,２１５ｐの活性化も同時に行われる。上記工程により得られたＮ型不純物領域２１４ｎ,２１５ｎのシート抵抗値は、０.５〜１ｋΩ／□であり、Ｐ型不純物領域２１４ｐ,２１５ｐのシート抵抗値は、２〜３ｋΩ／□であった。さらには、ゲート絶縁膜２１０の焼成処理も同時に行われ、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート絶縁膜の界面特性の向上が図れる。
【０１１４】
続いて、図９(C)に示すように、厚さ９００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２２０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２２０aを形成して、金属材料、例えば窒化チタンとアルミニウムの二層膜によって電極・配線２２１を形成する。そして、最後に、１気圧の水素雰囲気下で３５０℃、１時間のアニールを行い、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２３とＰチャネル型ＴＦＴ２２４とを完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ２２３,２２４を保護する目的で、ＴＦＴ２２３,２２４上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【０１１５】
上記第２実施形態において作製したＣＭＯＳ構造回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度はＮチャネル型ＴＦＴで４００〜４５０ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐチャネル型ＴＦＴで１５０〜２００ｃｍ2／Ｖｓと高く、しきい値電圧はＮチャネル型ＴＦＴで１.０Ｖ程度、Ｐチャネル型ＴＦＴで−１.５Ｖ程度と非常に良好な特性を示している。また、従来触媒元素を用いたときに問題となっていた特性ばらつきを、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０.２Ｖ程度(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内３０点測定の結果)に抑えることができ、また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性の高安定した回路特性を示した。
【０１１６】
〔第３実施形態〕
図１２はこの発明の第３実施形態の半導体装置の製造方法を用いた連続発振レーザーでの再結晶化工程を示す図である。
【０１１７】
まず、第１および第２実施形態と同様に、図１２に示すように、ガラス基板３０１上に、膜厚３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素(ＳiＯ2)からなる下地膜３０２を形成する。この下地膜３０２は、ガラス基板３０１からの不純物の拡散を防ぐために設けられ、よりその効果を高めるために窒化ケイ素膜との２層構造として形成してもよい。
【０１１８】
続けて、上記下地膜３０２上に、膜厚２０〜６０ｎｍの真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)を成膜する。
【０１１９】
続いて、ａ−Ｓｉ膜に触媒元素を添加し、加熱処理を行う。このａ−Ｓｉ膜に対して、重量換算で例えば１０ｐｐｍの触媒元素(この第３実施形態ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素含有層を形成する。このとき、添加する触媒元素の量は極微量であり、ａ−Ｓｉ膜の表面上の触媒元素濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法により、管理される。この第３実施形態では、７×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度である。
【０１２０】
なお、この第３実施形態では、スピンコート法でニッケルを添加する方法を用いたが、蒸着法やスパッタ法などにより触媒元素からなる薄膜(第３実施形態の場合はニッケル膜)をａ−Ｓｉ膜上に形成する手段をとってもよい。
【０１２１】
そして、上記触媒元素が添加された基板を不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて加熱処理を行う。この加熱処理は、５５０〜６００℃で３０分〜４時間のアニール処理を行うことが好ましい。この第３実施形態では、一例として５８０℃にて１時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜表面に添加されたニッケルがａ−Ｓｉ膜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膜の結晶化が進行する。その結果、ａ−Ｓｉ膜は結晶化され、結晶性ケイ素膜となる。なお、ここでは炉を用いた加熱処理により結晶化を行ったが、ランプ等を熱源として用いるＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing；瞬間アニール)装置で結晶化を行ってもよい。
【０１２２】
続いて、加熱処理により得られた結晶性ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射し、連続的に走査することで、この結晶性ケイ素膜をレーザーの走査方向に沿って結晶化させる。このときの連続発振レーザー光としては、ダイオード励起の連続発振ＹＡＧレーザーを用いた。この連続発振レーザー光の波長としては５３２ｎｍであり、そのときのパワー変動は１％以下であった。また、連続発振ＹＡＧレーザーの出力としては１０Ｗで、基板に対して５０〜２００ｃｍ／ｓｅｃ、例えば１００ｃｍ／ｓｅｃの走査速度で、連続発振レーザー光を走査した。これにより、図１３に示すように、結晶性ケイ素膜は溶融し、レーザー光照射領域３０３と非照射領域３０４との境界において固液界面３０５が生じ、その固液界面３０５が、連続発振レーザー光の走査に伴って移動することで、元の結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して一方向に沿った結晶粒群が成長する。このようにして得られた結晶粒群は、図１３に示すように、レーザー走査方向４０３に沿って並んでいる。ここでのライン状結晶粒４０２間の粒界は、セコエッチングにより顕在化される粒界であり、結晶粒界４０１が見られるにもかかわらず、隣接するライン状結晶粒４０２間の面方位は、ほぼ同一の面方位となっている。
【０１２３】
その後、結晶性ケイ素膜の不要な部分を除去して素子間分離を行い、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜を形成した後、第１実施形態および第２実施形態に示した方法と類似の方法を用いて、ＴＦＴを完成させる。
【０１２４】
このように連続発振レーザーを用いて結晶性ケイ素膜を横方向(レーザー走査方向)に再結晶化を行った場合には、パルスレーザーによる再結晶化と比べて、より高いＴＦＴ特性が得られる。具体的には、Ｎチャネル型ＴＦＴで６００ｃｍ ２ ／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られた。
【０１２５】
以上、この発明に基づく第１〜第３実施形態につき具体的に説明したが、この発明は上述の第１〜第３実施形態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。
【０１２６】
例えば、上記第１〜第３実施形態においては、ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面にニッケル塩を溶かした水溶液を塗布する方法を採用したが、非晶質ケイ素膜の形成前に、下地膜１０２,２０２または３０２の表面にニッケルを導入し、上層の非晶質ケイ素膜を結晶化することもできる。すなわち、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素は、非晶質ケイ素膜の上側から導入し表面より結晶成長させても、また下側から導入して裏側より結晶成長させてもよい。また、ニッケルの導入方法としても、その他、様々な手法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶かせる溶媒として、ＳＯＧ(スピンオングラス)材料を溶媒としてＳiＯ2膜より拡散させる方法もあるし、イオンドーピング法により直接導入する方法や、制御は難しいが蒸着法やメッキ法により極薄膜を形成する方法なども利用できる。さらに、結晶化を助長する不純物金属元素としては、ニッケル以外にコバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いても同様の効果が得られる。また、ニッケル等の触媒元素をゲッタリングするための５族Ｂ元素としては、リン以外に窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスを利用してもよい。
【０１２７】
また、触媒元素により一部結晶化させたケイ素膜を、強光照射によりさらに結晶化させる手段として、波長３０８ｎｍのＸeＣ１エキシマレーザーを用いたが、その他、波長２４８ｎｍのＫrＦエキシマレーザーや波長１９８ｎｍのＡrＦエキシマレーザーも同様に有効であるし、波長は可視領域となるが、ＹＡＧレーザーでも処理が可能である。また、上記結晶性ケイ素膜に照射するレーザー光は、第１,第２実施形態に用いたパルスレーザであってもよいし、第３実施形態に用いた連続発振レーザ光であってもよい。
【０１２８】
さらに、この発明の応用としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子や表示素子、三次元ＩＣ等が考えられる。この発明を用いることで、これらの素子の高速、高解像度化等の高性能化が実現される。さらに、この発明は、上記第１,第２実施形態で説明したＭＯＳ(メタル・オキサイド・セミコンダクタ)型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス全般に応用することができる。
【０１２９】
【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およびその製造方法によれば、非常に高性能でばらつきの少ない安定した特性の半導体装置を実現でき、さらに、集積度の高い高性能な半導体装置が簡便な製造プロセスにより実現することができる。また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化が図れる。特に液晶表示装置においては、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチングＴＦＴのスイッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化・高集積化を同時に満足し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板を実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はこの発明の第１実施形態の半導体装置の製造方法の概要を示す平面図である。
【図２】 図２は上記半導体装置の製造方法の概要を示す平面図である。
【図３】 図３はパルスレーザー光の走査方向を示す図である。
【図４】 図４(A)〜(D)は上記半導体装置の製造方法の作製工程を示す工程断面図である。
【図５】 図５(A)〜(C)は図４(D)に続く半導体装置の製造方法の作製工程を示す工程断面図である。
【図６】 図６はこの発明の第２実施形態の半導体装置の製造方法の概要を示す平面図である。
【図７】 図７はパルスレーザー光の走査方向を示す図である。
【図８】 図８(A)〜(D)は上記半導体装置の製造方法の作製工程を示す工程断面図である。
【図９】 図９(A)〜(C)は図８(D)に続く半導体装置の製造方法の作製工程を示す工程断面図である。
【図１０】 図１０は上記半導体装置の製造方法に用いられるレーザー光照射装置の概念図である。
【図１１】 図１１は上記レーザー光照射装置のパルスレーザー光のビーム強度のプロファイルである。
【図１２】 図１２はこの発明の第３実施形態の半導体装置の製造方法を用いた連続発振レーザーでの再結晶化工程を示す図である。
【図１３】 図１３は上記連続発振レーザーでの再結晶化によるライン状結晶粒の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０１,２０１,３０１…ガラス基板、
１０２,２０２,３０２…下地膜、
１０３,２０３…非晶質ケイ素膜、
１０３a,２０３a…結晶性ケイ素膜、
１０３b,２０３b…結晶性ケイ素膜、
１０３c…ゲッタリング領域、
１０４,２０４…ニッケル、
１０５,２０５…パルスレーザー光、
１０６…マスク膜、
１０７…リン、
１０８,２０８…ニッケルの移動(ゲッタリング)方向、
１０９,２０９…ＴＦＴ活性領域(素子領域)、
１１０,２１０…ゲート絶縁膜、
１１１,２１１…ゲート電極、
１１２…陽極酸化層、
１１３,２１３…チャネル領域、
１１４,２１４…ソース領域、
１１５,２１５…ドレイン領域、
１１６…パルスレーザー光、
１２０,２２０…層間絶縁膜、
１２１,２２１…電極・配線、
１２２…Ｎチャネル型ＴＦＴ、
２１７…リン、
２１８…ホウ素、
２１９…マスク、
２２３…Ｎチャネル型ＴＦＴ、
２２４…Ｐチャネル型ＴＦＴ、
３０３…レーザー光照射領域、
３０４…非照射領域、
３０５…固液界面、
４０１…結晶粒界、
４０２…ライン状結晶粒、
４０３…レーザー走査方向。
【発明の属する技術分野】
この発明は、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して用いる半導体装置およびその製造方法に関し、特に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)を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置,密着型イメージセンサー,三次元ＩＣ等の半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ＩＣ(集積回路)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素子を形成する試みがなされている。これらの装置に用いられる素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。この薄膜状のケイ素半導体としては、非晶質ケイ素半導体(ａ−Ｓi)からなるものと結晶性を有するケイ素半導体からなるものの２つに大別される。
【０００３】
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、最も一般的に用いられているが、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣っているため、より高速特性を得るには、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。なお、結晶性を有するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素等が知られている。
【０００４】
これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導体を得る方法としては、
(１) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する方法
(２) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、パルスレーザー光のエネルギーにより結晶性を有する膜を形成する方法
(３) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有する膜を形成する方法
等が知られている。しかしながら、(１)の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素を得るにはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面にわたって均一に成膜することが技術上困難である。
【０００５】
また、(２)の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理され、比較的高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、未だ十分な安定性のものが得られておらず、素子としての性能面でも十分ではない。
【０００６】
また、(３)の方法は、(１),(２)の方法と比較すると、基板内の均一性,安定性において有利であるが、６００℃で３０時間程の長時間にわたる加熱処理が必要であり、処理時間が長く、スループットが低いという問題がある。また、この(３)の方法では、結晶構造が双晶構造となるため、1つの結晶粒は数μｍと比較的大きいが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、上記(２)の方法に比べて結晶性は劣る。
【０００７】
これらの方法に対して、上記(３)の方法を改善し、高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法が最近注目されている。この方法では、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を利用することで、加熱温度の低温化および処理時間の短縮、そして結晶性の向上を図っている。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパラジウム等の金属元素を微量に導入させ、しかる後に加熱を行うものである。
【０００８】
この低温結晶化のメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急激に進行することで理解される。そういった意味で以後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素により結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、通常の固相成長法(上記(３)の方法)で結晶化した結晶性ケイ素膜の1つの粒内が双晶構造であり、多数の結晶欠陥を有しているのに対して、その粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、それぞれの柱状結晶内部はほぼ理想的な単結晶状態となっている。
【０００９】
このような方法により得られた結晶性ケイ素膜を用いて半導体装置を作製すると、従来よりは高性能な半導体装置は得られるが、未だその性能は不十分である。したがって、特開平７−１６１６３４号公報では、触媒元素を導入して固相結晶化した結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに高めるため、上記触媒元素による結晶化工程の後に、さらにパルスレーザー光などの強光を照射する工程を追加している。すなわち、この工程により、触媒元素を用い加熱処理で結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに高め、その結果、半導体装置の高速化を図ろうとするものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記触媒元素を用いて結晶化されたケイ素膜は、良好な結晶性を有してはいるが、各結晶粒内には欠陥が多い。したがって、高性能な半導体装置の活性領域に用いるケイ素膜としては、より結晶欠陥を低減させた高品質な結晶性ケイ素膜が望まれる。結晶性をより高めるためには、触媒元素を用いて結晶化した後に、さらに高温(８００〜１１００℃)で酸化雰囲気で熱処理する第１の半導体装置の製造方法と、特開平７−１６１６３４号公報のようにパルスレーザー光を照射する第２の半導体装置の製造方法とがある。前者の第１の半導体装置の製造方法では、いわゆる高温プロセスになり、安価なガラス基板を使用することはできない。
【００１１】
このため、安価なガラス基板を用いることを前提とすれば、後者の第２の半導体装置の製造方法を用いることになる。触媒元素を導入して加熱することにより結晶化された結晶性ケイ素膜は、幅８００〜１０００Åの柱状結晶のネットワーク状態により、それぞれの結晶粒が構成されている。個々の柱状結晶内部は単結晶状態であるが、これらの柱状結晶の曲がりや分岐などにより転位などの結晶欠陥が結晶粒内に多数存在する。パルスレーザー光照射は、この良好な結晶性を有する柱状結晶成分を元に、結晶粒内の欠陥を消滅させることを目的とするが、現実には非常に難しい。
【００１２】
実際に、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光照射すると、低いレーザーパワーでは、ほとんど効果がなく、元の結晶状態をほぼ維持するだけで大きくは改善されない状態となり、高いレーザーパワーでは、元の結晶状態がリセットされ、レーザーのみにより結晶化されたのと同様の状態になる。その中間状態を形成するのは難しく、レーザーパワーのマージンがほとんどない。また、このような最適状態のレーザーパワー範囲で結晶性ケイ素膜を作製した場合においても、触媒元素による結晶化工程での結晶性を引き継いだまま、上記工程で生じた元々の結晶欠陥を低減することができる一方、レーザーによる再結晶化工程による新たな結晶粒界がどうしても生じてしまう。このパルスレーザー光照射によって引き起こされる結晶粒界は、触媒元素により固相結晶化された状態で見られる結晶粒界と比べて、半導体キャリアに対するトラップ密度が非常に大きく、またそのエネルギーも深い。よって、特開平７−１６１６３４号公報のような触媒元素による固相結晶化の後にパルスレーザー光で再結晶化する方法を用いて形成された半導体装置においては、元々の触媒元素による固相結晶化時の結晶欠陥は低減される一方、パルスレーザー光照射による再結晶化時に新たな結晶粒界が生じるが、結果としては、固相結晶化時の欠陥消滅効果の方がパルスレーザー光照射で生じる新たな結晶粒界の影響を上回っているため、パルスレーザー光照射工程を追加することで、トータル的に半導体装置の向上は図れる。しかしながら、このような特開平７−１６１６３４号公報で得られる方法では、未だ十分と言えるような高速性能を有する半導体装置は得られず、より高い電流駆動能力をもつ半導体装置を必要とされている。
【００１３】
また、加えて、特開平７−１６１６３４号公報の方法では、従来のパルスレーザー光照射による問題点の1つであるばらつきの問題がどうしてもつきまとう。触媒元素により固相結晶化した結晶性ケイ素膜の高い均一性を引き継いで再結晶化するのであるから、従来の非晶質ケイ素膜を直接レーザーによる結晶化する方法に比べると、確かに格段に均一性は高い。しかしながら、パルスレーザー光照射工程に伴う新たな結晶粒界の発生は、ランダムに起こるため、その影響により半導体装置の特性はばらつく方向に作用する。その結果、触媒元素による固相結晶化のみで作製された半導体装置に比べると、特性が不安定となり、特性ばらつきが大きくなる。
【００１４】
そこで、この発明の目的は、非常に高性能で特性ばらつきの少ない半導体装置およびその半導体装置を簡便で高歩留まりな製造プロセスにより作製できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
上記目的を達成するため、第１の発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性を有するケイ素膜を活性領域として用いた半導体装置において、上記活性領域は、略一方向に沿って並んだライン状の結晶粒群により構成されており、かつ、そのライン状の結晶粒群と隣接するライン状の結晶粒群との間の結晶粒界が小傾角粒界であることを特徴としている。
【００２３】
上記構成の半導体装置によれば、上記小傾角粒界では、平面的に見て微妙に結晶方位のずれが小さな回転角で生じている状態を示しており、格子自体の並びは結晶粒界では小さな角度で回転している(屈折している)が、隣接する結晶粒の格子同士は結晶粒界で連続的につながっているような状態である。このような場合に結晶粒界でのキャリアのトラップ密度およびエネルギー準位が最も小さくできる。したがって、半導体素子の高速性能を最も高めると共に、素子間の特性ばらつきを最小にできる。
【００２４】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記ライン状の結晶粒群と隣接するライン状の結晶粒群との間に形成される小傾角の結晶粒界は、結晶粒間の平面的な方位の回転角が１０゜以内の小傾角粒界であることを特徴としている。
【００２５】
上記実施形態の半導体装置によれば、互いに隣接するライン状の結晶粒群の間の小傾角粒界の回転角を１０゜以内にすることによって、結晶粒界での格子の連続性がほぼ保たれ、半導体キャリアに対する結晶粒界におけるトラップ密度およびトラップ準位のエネルギーを、半導体素子の特性を大きく低下させることがない程度まで低減できる。
【００２６】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記結晶粒界は、セコエッチング法によりエッチングされる位置で示され、結晶粒は、上記結晶粒界に囲まれた領域であることを特徴としている。
【００２７】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記結晶粒群の面方位および結晶粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ(Electron Backscattered Diffraction Pattern)法により定義される値であることを特徴としている。
【００２８】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記半導体装置における活性領域のキャリアの移動方向と上記ライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行であることを特徴としている。
【００２９】
上記ライン状の結晶粒群が隣接する結晶粒界でのキャリアに対するトラップは、前述のように通常の方法に比べ非常に小さいが、この結晶粒界でのキャリアに対する影響は皆無ではない。したがって、上記実施形態の半導体装置によれば、特に高いキャリア移動度が求められる素子に対しては、活性領域でのキャリアの移動方向とライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行となるよう構成することで、キャリアに対する粒界の影響を極力排除することができる。
【００３０】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記活性領域における能動領域は、ニッケル元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度で含有していることを特徴としている。
【００３１】
この発明により得られる半導体装置は、隣接するライン状の結晶粒群の面方位を制御するために、非晶質ケイ素膜にその結晶化を促進する触媒元素を導入しており、結果として、活性領域における能動領域(チャネル領域)には、その触媒元素が含まれている。このときの触媒元素としてはニッケルが最も好ましく、面方位を制御するのに最も適している。
【００３２】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記活性領域における能動領域(チャネル領域)中に含まれているニッケルの濃度が、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるとき、この発明の効果を最も引き出すことができる。上記活性領域における能動領域のニッケルの濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を越えるようであれば、ニッケルシリサイドとして能動領域(チャネル領域)中に偏在する領域が多数現れだし、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすようになる。これに対してニッケルの濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下では、ニッケルは、ほとんどシリサイドとして析出されず、ケイ素膜中に固溶し、このような状態では、半導体素子への悪影響は見られない。一方、活性領域の能動領域中に残存するニッケルの濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3よりも少ないと、ニッケルによる触媒効果が十分に得られず、結晶粒の面方位に対する十分な制御が行えない。例え、結晶化後の後の工程において、活性領域のニッケル量を低減するような方法を用いたとしても、触媒として十分に効果がある量のニッケルを導入して結晶成長させた場合は、ニッケルの濃度を１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下まで低下させることはできない。
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
また、第２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形成された非晶質ケイ素膜に結晶化を促進する触媒元素を導入する工程と、上記触媒元素を導入する工程の後に加熱処理により上記非晶質ケイ素膜を結晶化させて結晶性ケイ素膜にする工程と、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射しながら、基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させる工程とを有すると共に、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査ピッチは、上記パルスレーザー光照射時に溶融する領域が、その領域に隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下であり、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルは、少なくとも走査方向に対して後ろ側のビーム強度が一定強度から０まで急激に低下する形状であり、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させるとき、少なくともパルスレーザー光照射前の結晶性ケイ素膜の元の結晶状態が失われない範囲の強度のパルスレーザー光で行われることを特徴としている。
【００３７】
上記半導体装置の製造方法によれば、絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜に、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入し、加熱処理を施して、上記非晶質ケイ素膜を結晶化させて結晶性ケイ素膜にする。引き続いて、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射しながら、パルス照射する毎に基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することによって、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させる。そして、上記パルスレーザー光の照射により再結晶化させた領域を用いて、半導体素子の能動領域(チャネル領域)を形成すればよい。
【００３８】
上記触媒元素を導入して加熱処理により固相結晶成長させた後、パルスレーザー光照射により再結晶化する点では、特開平７−１６１６３４号公報と同様であるが、上記特開平７−１６１６３４号公報の半導体装置の製造方法では、パルスレーザー光で再結晶化するときに、その工程で生じる新たな結晶粒界がランダムに生じる。これに対してこの発明の半導体装置の製造方法では、このパルスレーザー光照射工程を基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することによって、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させて、走査方向に平行な方向に沿ったライン状の結晶粒群を形成でき、結晶粒界もその結晶粒群のライン方向に沿って並び、パルスレーザー光照射により生じる結晶粒界の位置を制御できる。すなわち、この発明では、パルスレーザー光照射工程において、触媒元素による結晶化されたミクロ的に良好な結晶成分(柱状結晶成分)を効率的に引き継ぎ、その結晶欠陥を効率的に低減することができる上に、特開平７−１６１６３４号公報でトレードオフとなっていたパルスレーザー光照射工程での新たな結晶粒界の生成を簡略に位置制御できる。したがって、この第４の発明の半導体装置の製造方法では、パルスレーザー光照射工程で生じる新たな結晶粒界の影響を極力除いた状態で、触媒元素による結晶化で得られるミクロ的に良好な結晶状態と、固相成長結晶化法の特徴である結晶状態の基板内での良好な均一性と、強光照射による溶融固化結晶化での低い粒内欠陥密度とを、全て盛り込んだ状態の非常に高品質な結晶性ケイ素膜が得られる。さらに、この第４の発明の半導体装置の製造方法では、パルスレーザー光照射工程で生じる結晶粒界を制御するから、従来問題となったパルスレーザー光照射に起因する特性ばらつきを大きく低減できる。その結果、今までにない非常に高性能で特に電流駆動能力の高くかつ特性ばらつきの小さい半導体装置を実現することができる。
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
この発明において、触媒元素を導入して固相結晶成長させた結晶性ケイ素膜に、パルスレーザー光を照射しながら、パルス照射毎に基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させる工程が、キープロセスとなっている。この工程は非常に重要で、条件によっては十分な効果が得られない場合がある。特に、このときのパルスレーザー光の走査ピッチは非常に重要なパラメーターである。そこで、上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記パルスレーザー光照射時に溶融する領域が、その領域に隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下にすることで、結晶粒は、その成長方向に沿ってライン状となって形成される。一方、パルスレーザー光の走査ピッチが上記長さを越える場合には、通常のパルスレーザー光照射工程で見られるランダムな結晶核による領域が形成され、そこでは通常のグレイン状の結晶粒となる。
上記パルスレーザー光の走査方向に対して走査ピッチ以上の長さの照射長があると、その後ろ側のビーム強度のプロファイルが重要となる。なぜなら、走査方向に対して、常にビーム照射の後ろ側で前段のパルスレーザー光で結晶化された領域からの結晶成長が生じるからである。この領域のビーム強度のプロファイルが、一般的なガウシアン形状(正規分布形状)のようになだらかに低下しているようなプロファイルであれば、前段のパルスレーザー光で結晶化された領域から徐々にレーザーエネルギーが上がっていく状態となるため、再結晶化に求められるエネルギーが、この発明において最も求められる前段のパルスレーザー光で結晶化された領域近傍で得られない。よって、このようなプロファイルでは、再結晶化に求められるよりも低いパワー領域が必ず存在するため、前段のパルスレーザー光で結晶化された領域の結晶性を引き継ぐことができず、この領域は結晶性の悪い領域となって残り、この発明の十分な効果を得ることができない。そこで、上記実施形態の半導体装置の製造方法において、結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程におけるパルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルを、少なくとも走査方向に対して後ろ側のビーム強度のプロファイルが一定強度から０まで急激に強度が低下する形状にすることにより、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映した最適な再結晶化を行うことができる。
上記パルスレーザー光の強度が小さければ、ケイ素膜は十分に溶融されず、触媒元素による固相結晶化後に存在する結晶欠陥を十分に改善することができない。また、このときのパルスレーザー光の強度が大きければ、触媒元素により得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、リセットされてしまい、全面的に従来のレーザー結晶化で得られる結晶性ケイ素膜と同等になってしまうため、性能が低下するだけでなく、本来レーザー光による結晶化が有している不均一性の問題点が発生する。すなわち、どちらにしても、このときのパルスレーザー光の強度次第で、この発明の効果が十分に得られなくなってしまう。したがって、上記実施形態の半導体装置の製造方法において、上記パルスレーザー光の強度としては、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜は膜全体にわたって溶融するが、少なくともパルスレーザー光照射前の結晶性ケイ素膜における元の結晶状態が失われないような範囲の強度で行うことによって、この発明の効果を十分に得ることができる。
【００４３】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記パルスレーザー光の走査ピッチが０.１μｍ〜１μｍであることを特徴としている。
【００４４】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、パルスレーザー光の走査ピッチを０.１μｍから１μｍの範囲にすることによって、この発明の効果を十分に得ることができる。上記パルスレーザー光照射時に溶融する領域が、その領域に隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さは最大でも１μｍであることがわかっている。よって、少なくとも１μｍ以下でないと、前段のパルスレーザー光により結晶化された領域の結晶性を反映して再結晶化できない領域(ランダムな核発生領域)が生じることになる。しかしながら、上記パルスレーザー光照射工程のスループット(時間当たりの処理能力)を考えると、この走査ピッチは大きいほどよいのは当然で、０.１μｍ以上であれば、パルスレーザー光照射条件に大きな制限なく、この発明の効果を十分得ることができる値であり、これ以下にしても大きなメリットはない。
【００４５】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の結晶性ケイ素膜表面に照射されるビーム形状は、略長尺矩形形状であり、その長尺方向に対して直角方向にパルス走査が行われることを特徴としている。
【００４６】
この発明では、パルスレーザー光のビーム形状は、走査方向に対して大きな長さを必要とせず、走査ピッチ以上であれば基本的によい。したがって、上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、レーザー発振器から出力されるパルスレーザー光のトータルパワーには制限があるため、走査方向を極力短くして、走査方向に対して直角方向の長さをその分できる限り大きくするような長尺矩形状のビーム形状とすることで、より広範囲の面積を処理できるようになるため、この工程の処理時間を大きく短縮することができる。
【００４７】
【００４８】
【００４９】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向に対して、パルスレーザー光の少なくとも後ろ側の一部を機械的にマスクするレーザー光照射装置を用いることを特徴としている。
【００５０】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記パルスレーザー光の走査方向に対して、パルスレーザー光の少なくとも後ろ側の一部を機械的にマスクしたような構成のレーザー光照射装置を用いることによって、レーザー光照射装置の光学系を大幅に変更することなく、また難しい調整も不要で、最適なビーム強度のプロファイルが容易に実現できる。
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルは、少なくとも上記結晶性ケイ素膜の再結晶化工程に必要とする強度から連続的にゼロまで低下する範囲をマスクしてその範囲の強度をゼロとすることを特徴としている。
【００５１】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、パルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルにおいて、少なくとも上記結晶性ケイ素膜の再結晶化工程に必要とする強度から連続的にゼロまで低下する範囲をマスクしてその範囲の強度をゼロとすることによって、最適なビーム強度のプロファイルを容易に得ることができる。
【００５２】
【００５３】
【００５４】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記パルスレーザー光として、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用い、上記結晶性ケイ素膜表面に対するエネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2となる範囲内で照射することを特徴としている。
【００５５】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用いることによって、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高く、ガラス基板に熱的ダメージを与えることなく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱することができる。また、エキシマレーザー光は発振出力が大きく、大面積基板を処理するのに適している。その中でも、特に波長３０８ｎｍのＸeＣｌエキシマレーザー光は出力が大きいため、基板照射時のビームサイズを大きくでき、大面積基板に対応しやすく、また出力も比較的安定しており、量産装置に適用する上で最も望ましい。そして、上記パルスレーザー光を用いて、ケイ素膜表面に対して、上記パルスレーザー光の表面エネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2となるようにして、照射工程を行うことが望ましい。ここでパルスレーザー光の表面エネルギー密度が２００ｍＪ／ｃｍ2より小さければ、結晶性ケイ素膜は十分に溶融されず、触媒元素による固相結晶化後に存在する結晶欠陥を十分に改善することができない。また、４５０ｍＪ／ｃｍ2よりも大きければ、結晶化領域において触媒元素により得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、リセットされてしまい、全面的に従来のレーザー結晶化で得られる結晶性ケイ素膜と同等になっていしまい、性能が低下するだけでなく、本来レーザー光による結晶化が有している不均一性の問題点が発生する。すなわち、このエネルギー密度範囲は、前述の結晶性ケイ素膜は膜全体にわたって溶融するが、少なくともパルスレーザー光照射前の結晶性ケイ素膜における元の結晶状態が失われないような範囲に相当する。
【００５６】
【００５７】
【００５８】
【００５９】
【００６０】
【００６１】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記第３,第４の発明の半導体装置の製造方法において、上記結晶性ケイ素膜にレーザー光を照射する工程において、上記レーザー光の走査方向に対して上記活性領域に流れるキャリアの方向が略平行になるようにすることを特徴としている。
【００６２】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、レーザー光の走査方向に対して、キャリアの流れる方向(チャネル方向)が略平行となるようにすることによって、半導体素子の活性領域でのキャリアの移動方向とライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行となるよう構成される。したがって、このような配置は、特に高いキャリア移動度が求められる素子に対して有効であり、活性領域でのキャリアの移動方向とライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行となるため、キャリアに対する粒界の影響を極力排除することができ、非常に高い電流駆動能力をもつ素子が得られる。
【００６３】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記第３,第４の発明の半導体装置の製造方法において、上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ｎi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuのうちの少なくとも１種類の元素を用いることを特徴としている。
【００６４】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、触媒元素の種類としては、Ｎi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuを利用することができる。これらから選ばれた１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Ｎiを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合しシリサイド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構造が、非晶質ケイ素膜結晶化時に１種の鋳型のように作用し、非晶質ケイ素膜の結晶化を促していると考えられる。Ｎiは２つのＳiとＮiＳi2の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に非常に近い値をもつ。よって、ＮiＳi2は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、実際に、得られる結晶性ケイ素膜の結晶性およびその結晶化促進の触媒効果を見ても、触媒元素としてＮiが最もよい。
【００６５】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記第３,第４の発明の半導体装置の製造方法において、上記結晶性ケイ素膜にレーザー光を照射する工程の後に、少なくとも上記活性領域の能動領域となる以外の上記結晶性ケイ素膜の領域に５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、上記５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程の後に、加熱処理により上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に上記触媒元素を移動させて、上記能動領域中の触媒元素量を低減する工程とを有することを特徴としている。
【００６６】
この発明では、まず非晶質ケイ素膜を触媒元素により固相結晶化し、さらにレーザー光照射による再結晶化を行う点を特徴とするが、これらの触媒元素は金属類を主としており、こ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、決して好ましいことでない。特に、これらの触媒元素がシリサイドとして存在していると、ＴＦＴにおいてオフ動作時のリーク電流増大という大きな問題を引き起こす。この発明では、触媒元素により固相結晶化された結晶性ケイ素膜をベースに用いるため、どうしても半導体装置の活性領域内に触媒元素が存在しており、これを如何にして低減するかが大きな問題となる。
【００６７】
これに対して、上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、触媒元素を非晶質ケイ素膜の結晶化処理に利用した後、上記ケイ素膜中に残存する触媒元素の大部分を、半導体素子形成領域以外の領域に移動させることで、この問題を解決している。具体的には、少なくとも後に半導体素子の能動領域(チャネル領域)となる領域以外のケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入した後に加熱処理を行う工程を追加する。これにより、結晶成長に使われた触媒元素は、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に移動し、結果として半導体装置の能動領域(チャネル領域)中の触媒元素量を大きく低減することができる。この半導体装置の製造方法は、半導体特性に対して悪影響が大きいシリサイド状態の触媒元素に、特に有効である。そして、５族Ｂ元素を導入され触媒元素が集められた領域を除去して、最終的な半導体素子領域を形成すれば、基板上には触媒元素の高濃度領域は全く残らない。
【００６８】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記加熱処理によって上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に上記触媒元素を移動させて、上記能動領域中の触媒元素量を低減する工程において、上記触媒元素の移動方向と上記レーザー光の走査方向とが略平行であることを特徴としている。
【００６９】
この発明では、レーザー光の走査方向に対して略平行方向に沿って並んだライン状の結晶粒群が形成されており、触媒元素の移動効率としては、結晶粒内は高いが、結晶粒間にわたって、すなわち結晶粒界を横切るような移動に対しては効率が悪い。したがって、上記実施形態の半導体装置の製造方法において、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に、触媒元素を移動させるときの移動方向を、結晶性ケイ素膜のライン状の結晶粒群のライン方向に合わせることによって、結晶粒界を横切ることなく触媒元素が結晶粒内を移動できるため、その移動効率が高まり、結果として、半導体素子の能動領域(チャネル領域)における触媒元素の残留量も大きく低減できる。
【００７０】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ、Ｎ、Ａs、Ｓb、Ｂiのうちの少なくとも１種類の元素を用いることを特徴としている。
【００７１】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記５族Ｂから選ばれた元素としては、Ｐ、Ｎ、Ａs、Ｓb、Ｂiのうちの少なくとも１種類の元素を用いることができ、これらから選ばれた１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、十分な効果が得られる。このメカニズムに関しては、未だ詳しい知見は得られていないが、これらの元素の中でも、最も効果が高いのはＰであることがわかっている。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の半導体装置およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００７３】
〔第１実施形態〕
図１,図２はこの発明の第１実施形態の半導体装置としてのＮチャネル型ＴＦＴの概要を示す平面図であり、図１,図２において同一構成部には同一参照番号を付している。
【００７４】
この第１実施形態では、ガラス基板上にＮチャネル型ＴＦＴを作製するときの工程において、この発明を適用した場合について説明する。このＮチャネル型ＴＦＴは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論、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。
【００７５】
また、図４(A)〜図４(D)および図５(A)〜図５(C)は、図１,図２に示すＴＦＴの製造方法を説明する工程断面図であり、図４(A)〜図４(D)および図５(A)〜図５(C)の順に作製工程が順次進行する。
【００７６】
まず、図４(A)に示すように、ガラス基板１０１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成する。この酸化ケイ素膜は、ガラス基板１０１からの不純物の拡散を防ぐために設けている。次に、プラズマＣＶＤ(化学気相成長)法によって、厚さ２０〜６０ｎｍ(例えば４０ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)１０３を成膜する。このときの基板加熱温度は４００℃以下であることが望ましく、この第１実施形態では３００℃とした。
【００７７】
次に、非晶質ケイ素膜１０３表面上にニッケル１０４の微量添加を行う。このニッケル１０４の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液を非晶質ケイ素膜１０３上に保持し、スピナーにより溶液をガラス基板１０１上に均一に延ばして乾燥させることにより行う。第１実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用いて、溶液中のニッケル濃度を１０ｐｐｍとした。このようにして添加された非晶質ケイ素膜１０３表面上のニッケル濃度を全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法により測定すると、５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。そして、これを不活性雰囲気下(例えば窒素雰囲気下)で加熱処理を行う。この加熱処理では、昇温途中にまず非晶質ケイ素膜１０３中の水素離脱処理を行い、その後さらに高温で非晶質ケイ素膜１０３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１〜２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２〜８時間のアニール処理を行う。この第１実施形態では、５００℃にて１時間の処理を行った後、５５０℃で４時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、非晶質ケイ素膜１０３表面に添加されたニッケル１０４のシリサイド化が起こり、それを核として非晶質ケイ素膜１０３の結晶化が進行し、結晶性ケイ素膜１０３aが形成される。このときの結晶核の発生はランダムに起こり、結晶性ケイ素膜１０３aにおける個々の結晶粒の平均粒径は、３〜５μｍ程度であった。
【００７８】
次に、図４(B)に示すように、パルスレーザー光１０５を照射することで結晶性ケイ素膜１０３aを再結晶化させ、結晶性ケイ素膜１０３aを得る。このときのパルスレーザー光としては、ＸeＣ１エキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用いた。このときのパルスレーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2(例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射した。
【００７９】
この発明では、このときのパルス走査ピッチ、ビーム形状およびビーム形状が重要なパラメーターとなるので、ここで詳しく説明する。第１実施形態で用いたレーザー光照射装置の概略の構造を図１０に示している。図１０に示すように、レーザー発振器５０１から出たパルスレーザー光５０６は、ミラー５０２により曲げられて、ホモジナイザー５０３へと導かれる。そして、このホモジナイザー５０３でパルスレーザー光５０６は、長尺形状のパルスレーザー光５０７へと形成される。通常ならこのまま基板表面にパルスレーザー光照射がなされるのであるが、この発明では、ガラス基板１０１との間に遮蔽マスク板５０４を設けている。上記遮蔽板５０４に照射されるパルスレーザー光５０７のサイズは、ホモジナイザー５０３を通ってガラス基板１０１直上で、３００ｍｍ×０.２ｍｍの長尺形状となるように成型されている。上記遮蔽板５０４によりパルスレーザー光５０７の短辺方向の裾がカットされ、ガラス基板１０１表面に実際に照射されるパルスレーザー光５０８の形状は３００ｍｍ×０.０５ｍｍ(５０μｍ)となる。そして、上記遮蔽板５０４とガラス基板１０１との間隔は数ｍｍ程度である。
【００８０】
このときの短辺方向におけるビーム強度のプロファイルの変化を図１１に示している。図１１において、横軸はパルスレーザー光の走査方向寸法ｘを表し、縦軸はビームエネルギー(ビーム強度)を表している。図１０に示すホモジナイザー５０３により長尺形状に成型されたパルスレーザー光５０７は、ガウシアン形状(図１１の上側に示す正規分布形状)となっている。これを遮蔽板５０４に通すことにより、そのトップ付近のエネルギーの高い領域のみを選択し、それ以外の裾引き領域をカットしたようなトップハット状(図１１の下側に示す)のビーム強度のプロファイルのパルスレーザー光５０８が、ガラス基板１０１に照射される。
【００８１】
そして、図１０に示すように、この状態で、ガラス基板１０１(２０１)を矢印５０５の方向に移動させることでガラス基板１０１に対してパルスレーザー光の走査が行われる。このときのパルス間の移動距離が走査ピッチとなり、実際にはガラス基板１０１の矢印５０５の方向の移動速度により制御される。第１実施形態では、図１０に示すように、ガラス基板１０１を矢印５０５の方向に移動させることにより、パルスレーザー光の走査を行ったが、ガラス基板１０１から見た場合のパルスレーザー光の走査方向は矢印５０５の方向とは逆方向になる。
【００８２】
この方向が図３におけるＳである。図３において、走査ピッチ幅Ｐとしては、０.１〜１μｍ(例えば０.５μｍ)とした。走査方向に対するレーザービームの幅Ｌは、第１実施形態では５０μｍとしたので、ケイ素膜１０３aの任意の一点において、計１００回のパルスレーザー光照射が行われることになる。しかし、実際には、各位置に対して最終回のパルスレーザー光が重要であり、最終回のパルスレーザー光で前段パルスレーザー光で結晶化された隣接領域の結晶性を反映して、パルスレーザー光の走査方向に横方向に結晶成長が行われる。上記工程により、図１,図２に示すように、ニッケルにより結晶成長した結晶性を引き継いで、横方向に、パルスレーザー光照射により形成されたライン状の結晶粒群が成長する。図１,図２において、ＧＢがそのライン状の結晶粒群の結晶粒界を表している。この状態で、ＥＢＳＰ法により２次元的に結晶面方位の観察を行うと、それぞれのライン状の結晶粒群は、結晶粒界ＧＢを挟んで面方位に相関関係が見られ、結晶粒界ＧＢでは１０゜以内の小傾角粒界を形成している。なお、図３に示す点線は、走査ピッチ幅を示すものであって、図１,図２において点線で示された結晶粒界ＧＢではない。
【００８３】
次に、図４(C)に示すように、結晶性ケイ素膜１０３b上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、パターニングしてマスク１０６を形成する。マスク１０６の形成は、第１実施形態では、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate：テトラ・エトキシ・シラン)を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。このときのマスクの厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第１実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。
【００８４】
次に、この状態で、図４(C)に示すように、ガラス基板１０１上方よりリン１０７を全面にイオンドーピングする。このときのリン１０７のドーピング条件としては、加速電圧を５〜１０ｋＶとし、ドーズ量を５×１０15〜１×１０16ｃｍ-2とした。この工程により、結晶性ケイ素膜１０３bの露呈している領域にリンが注入され、リンドープされた結晶性ケイ素領域１０３cが形成される。一方、マスク１０６によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜１０３bには、リンはドーピングされない。このときの状態をガラス基板１０１上方より見ると、図１,図２のような状態となっている。図１,図２では、後のＴＦＴ素子領域と、マスク１０６に覆われた領域のケイ素膜１０３bとリンが注入された領域１０３cとの関係を明確にするために、後のＴＦＴ活性領域１０９を示している。後に形成されるＴＦＴ活性領域１０９は、この段階では、図４(C)のマスク１０６に完全に覆われた状態となっている。
【００８５】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気下(例えば窒素雰囲気下)にて５８０〜６５０℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第１実施形態では、６００℃にて１２時間の処理を行った。この加熱処理において、領域１０３c中のリンが、結晶性ケイ素膜１０３b中に拡散したニッケル１０４を矢印１０８に示すように周囲の全方向に向かって引き寄せる。すなわち、ニッケルに対するゲッタリングが行われるのである。その結果、結晶性ケイ素膜１０３b領域におけるニッケル濃度は大幅に低減される。このときのニッケル１０４のゲッタリング方向１０８は、周囲に向かって四方八方に行われるが、結晶性ケイ素膜１０３bが、ある一方向に沿ったライン状の結晶粒群により構成されているので、その結晶粒の方向に対してゲッタリング効率が異なる。すなわち、ニッケル１０４は結晶粒界ＧＢを越えては移動しにくく、結晶粒内を移動しやすいため、ライン状の結晶粒群のそのライン方向に沿った方向のゲッタリング効率が高い。すなわち、図１,図２では実線の矢印１０８の方向に主にゲッタリングされ、点線の矢印１０８で示された方向にはほとんど移動しない。よって、第１実施形態では、後のＴＦＴ活性領域１０９を取り囲むようにニッケルのゲッタリング領域１０３cを設けることで、ライン状の結晶粒群のライン方向に対してゲッタリング領域を必然的に形成できる上に、ゲッタリング効率を最大限に高めることができる。このときのＴＦＴの配置としては、図１よりも図２の配置の方が、ゲッタリング領域１０３cと非ゲッタリング領域(後のチャネル領域１１３)との間の距離を最低限にできるため、より効果の高いゲッタリングが行える。
【００８６】
このゲッタリング工程後の実際の結晶性ケイ素膜１０３b中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry)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。ちなみに上記工程前の結晶性ケイ素膜１０３bの膜中ニッケル濃度は５×１０17〜１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。
【００８７】
次に、マスク１０６に用いた酸化ケイ素膜をエッチング除去する。エッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜１０３と選択性のある１：１０のバッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングにより行う。
【００８８】
その後、図５(A)に示すように、不要な部分のケイ素膜１０３を除去して素子間分離を行う。すなわち、上記工程により、図１,図２に示すような配置で、少なくとも結晶性ケイ素膜１０３bの領域を用いて、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜１０９を形成する。
【００８９】
次に、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜１０９を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ(ここでは１００ｎｍ)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１０として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳを原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃(好ましくは３００〜４５０℃)でＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。または、ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によって、基板温度を３５０〜６００℃(好ましくは４００〜５５０℃)として形成してもよい。成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で４００〜６００℃で１〜４時間のアニールを行う。
【００９０】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ(例えば６００ｎｍ)のアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極１１１を形成する。さらに、このアルミニウムのゲート電極１１１の表面を陽極酸化して、表面に陽極酸化膜１１２を形成する。この状態が図５(B)に相当する。このときの陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコール溶液中で行い、最初一定電流で２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させる。こうして得られた陽極酸化膜１１２の厚さは２００ｎｍである。なお、この陽極酸化膜１１２は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
【００９１】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極１１１とその周囲の陽極酸化膜１１２をマスクとして活性領域に不純物(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６０〜９０ｋＶ(例えば８０ｋＶ)、ドーズ量を１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば２×１０15ｃｍ-2)とする。この工程により、不純物が注入された領域１１４,１１５は、後にＴＦＴのソース／ドレイン領域となり、ゲート電極１１１およびその周囲の陽極酸化膜１１２にマスクされて不純物が注入されない領域１１３は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。このときのＴＦＴの配置として、図１に示すような配置で形成した場合、ＴＦＴ動作に対してキャリアが流れる方向(１１４→１１５の方向)とチャネル領域１１３を構成するライン状の結晶粒群のライン方向とが平行となるため、図２の配置のＴＦＴに比べて、キャリアが結晶粒界ＧＢの影響を受けず、より高い移動度を有するＴＦＴが得られる。
【００９２】
その後、図５(B)に示すように、パルスレーザー光１１６の照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上記不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。このとき、使用するレーザーとしてはＸeＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2(好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射を行う。こうして形成されたＮ型不純物(リン)領域であるソース領域１１４,ドレイン領域１１５のシート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。
【００９３】
続いて、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１２０として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法またはオゾンとの減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。また、モノシランＳiＨ4とアンモニアＮＨ3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に水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【００９４】
次に、層間絶縁膜１２０にコンタクトホール１２０aを形成して、金属材料、例えば窒化チタンとアルミニウムの二層膜によって電極・配線１２１を形成して、これによりＴＦＴ１２２を形成する。上記窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。このＴＦＴ１２２を液晶表示装置などの画素スイッチング用のＴＦＴとして用いる場合には、一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透明導電膜からなる画素電極を設ければよい。また、このＴＦＴ１２２を薄膜集積回路などに用いる場合には、ゲート電極１１１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。
【００９５】
そして、最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、１時間のアニールを行い、図５(C)に示すＴＦＴ１２２を完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ１２２を保護する目的で、ＴＦＴ１２２上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【００９６】
上記第１実施形態において作製したＴＦＴ１２１は、図１の配置では、電界効果移動度が４５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閥値電圧が１.０Ｖ程度と非常に高性能であるにもかかわらず、基板内での特性ばらつきが、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０.２Ｖ程度(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内３０点測定の結果)と非常に良好であった。また、図２の配置で作製したＴＦＴにおいても、電界効果移動度が３００ｃｍ2／Ｖｓ程度、閥値電圧が１.５Ｖ程度と、従来の方法に比べて十分に高性能であり、基板内での特性ばらつきも同様に小さく抑えることができる。さらに、図１,図２の配置のいずれのＴＦＴの場合も、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、非常に信頼性が高い。また、触媒元素が特に問題となるＴＦＴオフ領域でのリーク電流の増大およびばらつきは、異常点がなく、触媒元素を用いない場合と同等の数ｐＡ程度にまで低減でき、製造歩留まりを大きく向上することができた。そして、第１実施形態に基づいて作製されたＴＦＴを利用して、液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、従来法により作製したものに比べて表示むらが小さく、ＴＦＴリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。
【００９７】
〔第２実施形態〕
図６(A),(B)はこの発明の第２実施形態の半導体装置としてのＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴの概要を示す平面図である。この発明の第２実施形態では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回路を形成するＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴを相補型に構成したＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)構造の回路を石英ガラス基板上に作製する工程について説明する。
【００９８】
また、図８(A)〜図８(D)および図９(A)〜図９(C)は、図６(A),(B)に示すＴＦＴの製造方法を示す工程断面図であり、図８(A)〜図８(D)および図９(A)〜図９(C)の順に工程が順次進行する。
【００９９】
まず、図８(A)に示すように、ガラス基板２０１上に例えばＣＶＤ法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜２０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０〜６０ｎｍ(例えば３０ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)２０３を成膜する。このときの基板加熱温度は４００℃以下であることが望ましく、この第２実施形態では３００℃とした。また、装置としては平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、モノシランＳiＨ4ガスと水素Ｈ2ガスを材料ガスに用いる。そして、ＲＦパワーのパワー密度を１０〜１００ｍＷ／ｃｍ2(例えば８０ｍＷ／ｃｍ2)と低めに設定し、このときのデポレートは５０ｎｍ／ｍｉｎ程度である。このようにして得られた非晶質ケイ素膜２０３膜中の水素濃度は、１０〜１５ａｔｏｍｉｃ％である。
【０１００】
そして、上記非晶質ケイ素膜２０３の表面上にニッケル２０４の微量添加を行う。このニッケル２０４の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液を非晶質ケイ素膜２０３上に保持し、スピナーにより溶液をガラス基板２０１上に均一に延ばし乾燥させることにより行う。この第２実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用いて、溶液中のニッケル濃度を５ｐｐｍとした。このようにして添加された非晶質ケイ素膜２０３表面上のニッケル濃度を全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法により測定すると、３×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１０１】
そして、これを不活性雰囲気下(例えば窒素雰囲気下)で加熱処理を行う。この加熱処理においては、昇温途中にまず非晶質ケイ素膜２０３中の水素離脱処理を行い、その後さらに高温で非晶質ケイ素膜２０３の結晶化を行った。具体的には、第１ステップの加熱処理として４５０〜５２０℃で１〜２時間のアニール処理を行い、第２ステップの加熱処理としては５２０〜５７０℃で２〜８時間のアニール処理を行う。この第２実施形態では、５００℃にて１時間の処理を行った後、５５０℃で４時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、非晶質ケイ素膜２０３表面に存在するニッケル２０４のシリサイド化が起こり、それを核として非晶質ケイ素膜２０３の結晶化が進行する。このときの結晶核の発生はランダムに起こり、得られる結晶性ケイ素膜２０３aにおける個々の結晶粒の平均粒径は、５〜１０μｍ程度であった。
【０１０２】
次に、図８(B)に示すように、パルスレーザー光２０５を照射することで結晶性ケイ素膜２０３aを再結晶化させ、結晶性ケイ素膜２０３bを得る。このときのパルスレーザー光としては、ＸeＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用いる。パルスレーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2(例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射した。
【０１０３】
この発明では、このときのパルス走査ピッチ、ビーム形状およびビーム形状が重要なパラメーターとなる。第１実施形態と同様に、第２実施形態においても図１０に示す構造のレーザー光照射装置を用いる。すなわち、従来のレーザー光照射装置とは異なり、ガラス基板２０１上に遮蔽マスク板５０４が設けられ、遮蔽板５０４に照射されるパルスレーザー光５０７は不必要なビーム端部が遮蔽される。その結果、ガラス基板２０１に照射されるパルスレーザー光のサイズは、遮蔽板５０４によりパルスレーザー光５０７の短辺方向の裾がカットされ、３００ｍｍ×０.０５ｍｍ(５０μｍ)となる。このときの短辺方向におけるビーム強度のプロファイルは、図１１に示すように、遮蔽板５０４を通すことにより、そのトップ付近のエネルギーの高い領域のみが選択され、それ以外の裾引き領域をカットしたようなトップハット状(図１１の下側に示す)のビーム強度のプロファイル５０８となっている。
【０１０４】
そして、図１０に示すように、この状態で、ガラス基板２０１を矢印５０５の方向に移動させることでガラス基板２０１に対してパルスレーザー光の走査が行われる。このときのパルス間の移動距離が走査ピッチとなり、ガラス基板２０１の矢印５０５の方向の移動速度により制御される。この第２実施形態では、図１０に示すように、ガラス基板２０１を矢印５０５の方向に移動させることにより、パルスレーザー光の走査を行ったが、ガラス基板２０１から見た場合のパルスレーザー光の走査方向は矢印５０５の方向とは逆方向になる。
【０１０５】
この方向が図７におけるＳである。走査ピッチ幅Ｐとしては、０.１〜１μｍ(例えば０.５μｍ)とした。走査方向に対するレーザービームの幅Ｌは、第２実施形態では５０μｍとしたので、ケイ素膜２０３aの任意の一点において、計１００回のパルスレーザー光照射が行われることになる。しかし、実際には、各位置に対して最終回のパルスレーザー光が重要であり、最終回のパルスレーザー光で前段パルスレーザー光で結晶化された隣接領域の結晶性を反映して、レーザー走査方向に横方向に結晶成長がなされる。上記工程により、図６(A),(B)に示すように、ニッケルにより結晶成長した結晶性を引き継いで、横方向に、パルスレーザー光照射により形成されたライン状の結晶粒群が成長する。図６(A),(B)において、ＧＢがその結晶粒界を表している。この状態で、ＥＢＳＰ法により２次元的に結晶面方位の観察を行うと、それぞれのライン状の結晶粒群は、結晶粒界ＧＢを挟んで面方位に相関関係が見られ、結晶粒界ＧＢでは１０゜以内の小傾角粒界を形成している。なお、図７に示す点線は、走査ピッチ幅を示すものであって、図６(A),(B)において点線で示された結晶粒界ＧＢではない。
【０１０６】
その後、図８(C)に示すように、不要な部分のケイ素膜２０３bを除去して素子間分離を行い、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを形成する。
【０１０７】
次に、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ(ここでは１００ｎｍ)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１０として成膜する。この酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳを原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃(好ましくは３００〜４５０℃)でＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。
【０１０８】
引き続いて、図８(D)に示すように、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極２１１ｎ,２１１ｐとする。このときの高融点メタルとしては、タンタル(Ｔａ)またはタングステン(Ｗ)が望ましい。この第２実施形態では、窒素が微量に添加されたＴａと純Ｔａの二層構造を用い、トータルの厚さが３００〜６００ｎｍ(例えば４５０ｎｍ)とした。
【０１０９】
次に、図８(D)に示すように、イオンドーピング法によって、活性領域２０９ｎ,２０９ｐに、ゲート電極２１１ｎ,２１１ｐをマスクとして、リン２１７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、ドーピング条件としては、加速電圧を６０〜９０ｋＶ(例えば８０ｋＶ)とし、ドーズ量を２×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば５×１０15ｃｍ-2)とした。この工程により、ゲート電極２１１ｎ,２１１ｐにマスクされてリンが注入されない領域は、後にＴＦＴのチャネル領域２１３ｎ,２１３ｐとなる。また、この工程により、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型の不純物領域２１４ｎ,２１５ｎが形成される。しかし、Ｐチャネル型ＴＦＴにおいては、そのソース・ドレイン領域２１４ｎ’,２１５ｎ’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。
【０１１０】
次に、図９(A)に示すように、フォトリソグラフィ工程により、Ｎチャネル型ＴＦＴとなる領域上を完全に覆うように、フォトレジストにより、選択ドーピングのためのマスク２１９を形成する。そして、この状態で、イオンドーピング法によって、Ｐチャネル型ＴＦＴにおいてのみ選択的に、活性領域２０９ｐにゲート電極２１１ｐをマスクとしてホウ素２１８を注入する。このとき、ドーピングガスとして、ジボラン(Ｂ2Ｈ6)を用い、４０ｋＶ〜８０ｋＶ(例えば６５ｋＶ)の加速電圧で、１×１０16〜５×１０16ｃｍ-2(例えば２×１０16ｃｍ-2)の高ドーズ量にて、ドーピングを行う。この工程において、後のＰチャネル型ＴＦＴのチャネル領域２１３ｐは、ゲート電極２１１ｐにマスクされ、ホウ素は注入されない。上記ゲート絶縁膜２１０越しにホウ素２１８がドーピングされた領域２１４ｎ’,２１５ｎ’は、この結果、先にドーピングされたＮ型不純物であるリンをキャンセルし、過剰なホウ素により反転してＰ型の不純物領域２１４ｐ,２１５ｐが形成される(所謂カウンタードーピング)。このようして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとをそれぞれ形成することができる。
【０１１１】
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を除去した後、これを不活性雰囲気下(例えば窒素雰囲気下)にて５００〜６００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第２実施形態では、５５０℃にて６時間の処理を行った。この加熱処理により、ドライバー部のＴＦＴ活性領域中において、ソース領域２１４ｎ,２１４ｐおよびドレイン領域２１５ｎ,２１５ｐにドーピングされているリンがその領域に存在するニッケルをまずトラップする。
【０１１２】
そして、図９(B)に示すように、チャネル領域２１３ｎ,２１３ｐ中に存在しているニッケルを矢印２０８に示す方向に、すなわち隣接するソース領域２１４ｎ,２１４ｐおよびドレイン領域２１５ｎ,２１５ｐへと移動させる。その結果、チャネル領域２１３ｎ,２１３ｐ中のニッケル濃度は大幅に低減する。このときのＴＦＴの配置は、図６(A),(B)となるようにした。すなわち、再結晶化のときのレーザー走査方向Ｓ(図７に示す)とニッケルの移動方向２０８とが略平行となるように設定した。このような配置とすることにより、チャネル領域２１３ｎ,２１３ｐ内のライン状の結晶粒群の方向とニッケルの移動方向が同方向となり、ソース・ドレイン領域へのニッケルの移動が、結晶粒界ＧＢを越えることなく行われる。その結果、ニッケルの移動効率が向上し、チャネル内での残留量が大幅に低減できる。このときのチャネル領域２１３ｎ,２１３ｐ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１〜３×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減されていた。ちなみに上記工程前の結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度は５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。
【０１１３】
また、この加熱処理により、ソース領域２１４ｎ,２１４ｐ、ドレイン領域２１５ｎ,２１５ｐの活性化も同時に行われる。上記工程により得られたＮ型不純物領域２１４ｎ,２１５ｎのシート抵抗値は、０.５〜１ｋΩ／□であり、Ｐ型不純物領域２１４ｐ,２１５ｐのシート抵抗値は、２〜３ｋΩ／□であった。さらには、ゲート絶縁膜２１０の焼成処理も同時に行われ、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート絶縁膜の界面特性の向上が図れる。
【０１１４】
続いて、図９(C)に示すように、厚さ９００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２２０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２２０aを形成して、金属材料、例えば窒化チタンとアルミニウムの二層膜によって電極・配線２２１を形成する。そして、最後に、１気圧の水素雰囲気下で３５０℃、１時間のアニールを行い、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２３とＰチャネル型ＴＦＴ２２４とを完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ２２３,２２４を保護する目的で、ＴＦＴ２２３,２２４上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【０１１５】
上記第２実施形態において作製したＣＭＯＳ構造回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度はＮチャネル型ＴＦＴで４００〜４５０ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐチャネル型ＴＦＴで１５０〜２００ｃｍ2／Ｖｓと高く、しきい値電圧はＮチャネル型ＴＦＴで１.０Ｖ程度、Ｐチャネル型ＴＦＴで−１.５Ｖ程度と非常に良好な特性を示している。また、従来触媒元素を用いたときに問題となっていた特性ばらつきを、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０.２Ｖ程度(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内３０点測定の結果)に抑えることができ、また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性の高安定した回路特性を示した。
【０１１６】
〔第３実施形態〕
図１２はこの発明の第３実施形態の半導体装置の製造方法を用いた連続発振レーザーでの再結晶化工程を示す図である。
【０１１７】
まず、第１および第２実施形態と同様に、図１２に示すように、ガラス基板３０１上に、膜厚３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素(ＳiＯ2)からなる下地膜３０２を形成する。この下地膜３０２は、ガラス基板３０１からの不純物の拡散を防ぐために設けられ、よりその効果を高めるために窒化ケイ素膜との２層構造として形成してもよい。
【０１１８】
続けて、上記下地膜３０２上に、膜厚２０〜６０ｎｍの真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)を成膜する。
【０１１９】
続いて、ａ−Ｓｉ膜に触媒元素を添加し、加熱処理を行う。このａ−Ｓｉ膜に対して、重量換算で例えば１０ｐｐｍの触媒元素(この第３実施形態ではニッケル)を含む水溶液(酢酸ニッケル水溶液)をスピンコート法で塗布して、触媒元素含有層を形成する。このとき、添加する触媒元素の量は極微量であり、ａ−Ｓｉ膜の表面上の触媒元素濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法により、管理される。この第３実施形態では、７×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度である。
【０１２０】
なお、この第３実施形態では、スピンコート法でニッケルを添加する方法を用いたが、蒸着法やスパッタ法などにより触媒元素からなる薄膜(第３実施形態の場合はニッケル膜)をａ−Ｓｉ膜上に形成する手段をとってもよい。
【０１２１】
そして、上記触媒元素が添加された基板を不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて加熱処理を行う。この加熱処理は、５５０〜６００℃で３０分〜４時間のアニール処理を行うことが好ましい。この第３実施形態では、一例として５８０℃にて１時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜表面に添加されたニッケルがａ−Ｓｉ膜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膜の結晶化が進行する。その結果、ａ−Ｓｉ膜は結晶化され、結晶性ケイ素膜となる。なお、ここでは炉を用いた加熱処理により結晶化を行ったが、ランプ等を熱源として用いるＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing；瞬間アニール)装置で結晶化を行ってもよい。
【０１２２】
続いて、加熱処理により得られた結晶性ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射し、連続的に走査することで、この結晶性ケイ素膜をレーザーの走査方向に沿って結晶化させる。このときの連続発振レーザー光としては、ダイオード励起の連続発振ＹＡＧレーザーを用いた。この連続発振レーザー光の波長としては５３２ｎｍであり、そのときのパワー変動は１％以下であった。また、連続発振ＹＡＧレーザーの出力としては１０Ｗで、基板に対して５０〜２００ｃｍ／ｓｅｃ、例えば１００ｃｍ／ｓｅｃの走査速度で、連続発振レーザー光を走査した。これにより、図１３に示すように、結晶性ケイ素膜は溶融し、レーザー光照射領域３０３と非照射領域３０４との境界において固液界面３０５が生じ、その固液界面３０５が、連続発振レーザー光の走査に伴って移動することで、元の結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して一方向に沿った結晶粒群が成長する。このようにして得られた結晶粒群は、図１３に示すように、レーザー走査方向４０３に沿って並んでいる。ここでのライン状結晶粒４０２間の粒界は、セコエッチングにより顕在化される粒界であり、結晶粒界４０１が見られるにもかかわらず、隣接するライン状結晶粒４０２間の面方位は、ほぼ同一の面方位となっている。
【０１２３】
その後、結晶性ケイ素膜の不要な部分を除去して素子間分離を行い、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜を形成した後、第１実施形態および第２実施形態に示した方法と類似の方法を用いて、ＴＦＴを完成させる。
【０１２４】
このように連続発振レーザーを用いて結晶性ケイ素膜を横方向(レーザー走査方向)に再結晶化を行った場合には、パルスレーザーによる再結晶化と比べて、より高いＴＦＴ特性が得られる。具体的には、Ｎチャネル型ＴＦＴで６００ｃｍ ２ ／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られた。
【０１２５】
以上、この発明に基づく第１〜第３実施形態につき具体的に説明したが、この発明は上述の第１〜第３実施形態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。
【０１２６】
例えば、上記第１〜第３実施形態においては、ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面にニッケル塩を溶かした水溶液を塗布する方法を採用したが、非晶質ケイ素膜の形成前に、下地膜１０２,２０２または３０２の表面にニッケルを導入し、上層の非晶質ケイ素膜を結晶化することもできる。すなわち、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素は、非晶質ケイ素膜の上側から導入し表面より結晶成長させても、また下側から導入して裏側より結晶成長させてもよい。また、ニッケルの導入方法としても、その他、様々な手法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶かせる溶媒として、ＳＯＧ(スピンオングラス)材料を溶媒としてＳiＯ2膜より拡散させる方法もあるし、イオンドーピング法により直接導入する方法や、制御は難しいが蒸着法やメッキ法により極薄膜を形成する方法なども利用できる。さらに、結晶化を助長する不純物金属元素としては、ニッケル以外にコバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いても同様の効果が得られる。また、ニッケル等の触媒元素をゲッタリングするための５族Ｂ元素としては、リン以外に窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスを利用してもよい。
【０１２７】
また、触媒元素により一部結晶化させたケイ素膜を、強光照射によりさらに結晶化させる手段として、波長３０８ｎｍのＸeＣ１エキシマレーザーを用いたが、その他、波長２４８ｎｍのＫrＦエキシマレーザーや波長１９８ｎｍのＡrＦエキシマレーザーも同様に有効であるし、波長は可視領域となるが、ＹＡＧレーザーでも処理が可能である。また、上記結晶性ケイ素膜に照射するレーザー光は、第１,第２実施形態に用いたパルスレーザであってもよいし、第３実施形態に用いた連続発振レーザ光であってもよい。
【０１２８】
さらに、この発明の応用としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子や表示素子、三次元ＩＣ等が考えられる。この発明を用いることで、これらの素子の高速、高解像度化等の高性能化が実現される。さらに、この発明は、上記第１,第２実施形態で説明したＭＯＳ(メタル・オキサイド・セミコンダクタ)型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス全般に応用することができる。
【０１２９】
【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およびその製造方法によれば、非常に高性能でばらつきの少ない安定した特性の半導体装置を実現でき、さらに、集積度の高い高性能な半導体装置が簡便な製造プロセスにより実現することができる。また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化が図れる。特に液晶表示装置においては、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチングＴＦＴのスイッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化・高集積化を同時に満足し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板を実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はこの発明の第１実施形態の半導体装置の製造方法の概要を示す平面図である。
【図２】 図２は上記半導体装置の製造方法の概要を示す平面図である。
【図３】 図３はパルスレーザー光の走査方向を示す図である。
【図４】 図４(A)〜(D)は上記半導体装置の製造方法の作製工程を示す工程断面図である。
【図５】 図５(A)〜(C)は図４(D)に続く半導体装置の製造方法の作製工程を示す工程断面図である。
【図６】 図６はこの発明の第２実施形態の半導体装置の製造方法の概要を示す平面図である。
【図７】 図７はパルスレーザー光の走査方向を示す図である。
【図８】 図８(A)〜(D)は上記半導体装置の製造方法の作製工程を示す工程断面図である。
【図９】 図９(A)〜(C)は図８(D)に続く半導体装置の製造方法の作製工程を示す工程断面図である。
【図１０】 図１０は上記半導体装置の製造方法に用いられるレーザー光照射装置の概念図である。
【図１１】 図１１は上記レーザー光照射装置のパルスレーザー光のビーム強度のプロファイルである。
【図１２】 図１２はこの発明の第３実施形態の半導体装置の製造方法を用いた連続発振レーザーでの再結晶化工程を示す図である。
【図１３】 図１３は上記連続発振レーザーでの再結晶化によるライン状結晶粒の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０１,２０１,３０１…ガラス基板、
１０２,２０２,３０２…下地膜、
１０３,２０３…非晶質ケイ素膜、
１０３a,２０３a…結晶性ケイ素膜、
１０３b,２０３b…結晶性ケイ素膜、
１０３c…ゲッタリング領域、
１０４,２０４…ニッケル、
１０５,２０５…パルスレーザー光、
１０６…マスク膜、
１０７…リン、
１０８,２０８…ニッケルの移動(ゲッタリング)方向、
１０９,２０９…ＴＦＴ活性領域(素子領域)、
１１０,２１０…ゲート絶縁膜、
１１１,２１１…ゲート電極、
１１２…陽極酸化層、
１１３,２１３…チャネル領域、
１１４,２１４…ソース領域、
１１５,２１５…ドレイン領域、
１１６…パルスレーザー光、
１２０,２２０…層間絶縁膜、
１２１,２２１…電極・配線、
１２２…Ｎチャネル型ＴＦＴ、
２１７…リン、
２１８…ホウ素、
２１９…マスク、
２２３…Ｎチャネル型ＴＦＴ、
２２４…Ｐチャネル型ＴＦＴ、
３０３…レーザー光照射領域、
３０４…非照射領域、
３０５…固液界面、
４０１…結晶粒界、
４０２…ライン状結晶粒、
４０３…レーザー走査方向。
Claims (17)
- 絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性を有するケイ素膜を活性領域として用いた半導体装置において、
上記活性領域は、略一方向に沿って並んだライン状の結晶粒群により構成されており、かつ、そのライン状の結晶粒群と隣接するライン状の結晶粒群との間の結晶粒界が小傾角粒界であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１に記載の半導体装置において、
上記ライン状の結晶粒群と隣接するライン状の結晶粒群との間に形成される小傾角の結晶粒界は、結晶粒間の平面的な方位の回転角が１０゜以内の小傾角粒界であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１または２に記載の半導体装置において、
上記結晶粒界は、セコエッチング法によりエッチングされる位置で示され、結晶粒は、上記結晶粒界に囲まれた領域であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１または２に記載の半導体装置において、
上記結晶粒群の面方位および結晶粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法により定義される値であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記半導体装置における活性領域のキャリアの移動方向と上記ライン状の結晶粒群のライン方向とが略平行であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１乃至５のいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記活性領域における能動領域は、ニッケル元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度で含有していることを特徴とする半導体装置。 - 絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜に結晶化を促進する触媒元素を導入する工程と、
上記触媒元素を導入する工程の後に加熱処理により上記非晶質ケイ素膜を結晶化させて結晶性ケイ素膜にする工程と、
上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射しながら、基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させる工程とを有すると共に、
上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査ピッチは、上記パルスレーザー光照射時に溶融する領域が、その領域に隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下であり、
上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルは、少なくとも走査方向に対して後ろ側のビーム強度が一定強度から０まで急激に低下する形状であり、
上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させるとき、少なくともパルスレーザー光照射前の結晶性ケイ素膜の元の結晶状態が失われない範囲の強度のパルスレーザー光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７に記載の半導体装置の製造方法において、
上記パルスレーザー光の走査ピッチが０.１μｍ〜１μｍであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項７または８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にパルスレーザー光を照射する工程において、
上記パルスレーザー光の結晶性ケイ素膜表面に照射されるビーム形状は、略長尺矩形形状であり、その長尺方向に対して直角方向にパルス走査が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７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にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向に対して、パルスレーザー光の少なくとも後ろ側の一部を機械的にマスクするレーザー光照射装置を用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、
上記結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射する工程において、上記パルスレーザー光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルは、少なくとも上記結晶性ケイ素膜の再結晶化工程に必要とする強度から連続的にゼロまで低下する範囲をマスクしてその範囲の強度をゼロとすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項７から１１までのいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記パルスレーザー光として、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用い、上記結晶性ケイ素膜表面に対するエネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ2となる範囲内で照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項７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にレーザー光を照射する工程において、上記レーザー光の走査方向に対して上記活性領域に流れるキャリアの方向が略平行になるようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ｎi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuのうちの少なくとも１種類の元素を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項７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にレーザー光を照射する工程の後に、少なくとも上記活性領域の能動領域となる以外の上記結晶性ケイ素膜の領域に５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、
上記５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程の後に、加熱処理により上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に上記触媒元素を移動させて、上記能動領域中の触媒元素量を低減する工程とを有す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、
上記加熱処理によって上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に上記触媒元素を移動させて、上記能動領域中の触媒元素量を低減する工程において、上記触媒元素の移動方向と上記レーザー光の走査方向とが略平行であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１５または１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ、Ｎ、Ａs、Ｓb、Ｂiのうちの少なくとも１種類の元素を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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