JP4322969B2 - 結晶性珪素膜の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、絶縁表面を有する基板上に結晶性珪素膜を形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス基板上に形成された珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを構成する技術が注目されている。この薄膜トランジスタは、主にアクティブマトリクス型の液晶電気光学装置に利用されている。また、この薄膜トランジスタは、各種薄膜集積回路に利用されている。
【０００３】
液晶電気光学装置は、一対のガラス基板間に液晶を封入し、液晶に電界を加えることによって、液晶の光学特性を変化させ、画像表示を行わせるものである。
【０００４】
薄膜トランジスタが用いられるアクティブマトリクス型の液晶表示装置は、各画素に薄膜トランジスタを配置し、画素電極に保持される電荷を薄膜トランジスタをスイッチとして制御することを特徴とする。アクティブマトリクス型の液晶表示装置は、微細な画像を高速で表示できるため、各種電子機器（例えば携帯型のワードプロセッサーや携帯型のコンピュータ、さらには携帯型のビデオカメラ）のディスプレーに利用されている。
【０００５】
アクティブマトリクス型の液晶表示装置に利用される薄膜トランジスタとしては、非晶質珪素薄膜（アモルファスシリコン薄膜）を利用したものが一般的である。しかし、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは、
（１）特性が低く、より高品質な画像表示を行うことができない。
（２）画素に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺回路を構成することができない。
といった問題がある。
【０００６】
上記（２）の問題は、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタではＰチャネル型の薄膜トランジスタが実用にならないので、ＣＭＯＳ回路が構成できないという問題と、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは高速動作ができず、また大電流を流すことができないので、周辺駆動回路を組むことができないという問題とに分けて考えることができる。
【０００７】
上記のような問題を解決する方法としては、結晶性珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する技術を挙げることができる。結晶性珪素薄膜を得る方法としては、非晶質珪素膜に対して加熱処理を加える方法と非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射する方法とを挙げることができる。
【０００８】
しかしながら、現状においては、優れた結晶性を有する結晶性薄膜が得られていないのが現状である。
【０００９】
この問題を解決する方法として、特開平６─２３２０６９号公報に記載された構成が公知である。この方法は、ニッケル等で代表される珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することによって、５５０℃、４時間というような加熱処理条件でもって結晶性珪素膜を得るものである。
【００１０】
しかしながら、上記公報に記載された技術では、得られる結晶性珪素膜の結晶性に不満足な点がある。即ち、得られる結晶性珪素膜は結晶性が低く、非晶質成分が多く残存したものとなってしまう。また、用いられる金属元素が局所的に集中して存在してしまうという現象が観察される。このような現象は、デバイスを構成した時に動作不良を招く要因となる。またこのことは、生産歩留りを低下させることになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書で開示する発明は、絶縁表面を有する基板上に高い結晶性を有する結晶性珪素膜を得る技術を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するために手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
石英基板上に成膜された珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
８００℃〜１１００℃の温度で加熱処理を施し、前記珪素膜を結晶性珪素膜に変成するまたは前記珪素膜の結晶性を助長する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１３】
他の発明の構成は、
石英基板上に成膜された珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を含んだ溶液を塗布する工程と、
８００℃〜１１００℃の温度で加熱処理を施し、前記珪素膜を結晶性珪素膜に変成するまたは前記珪素膜の結晶性を助長する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１４】
他の発明の構成は、
石英基板上に成膜された非晶質珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
前記非晶質珪素膜の結晶化温度より２００℃以上高い温度で加熱処理を行い、前記非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
基板とては、石英基板の代わりに、単結晶珪素ウエハーに代表される半導体基板を用いることができる。ただし半導体基板を用いた場合、光の透過性が確保できないという問題と、半導体基板の表面に絶縁膜を形成する必要があるという問題がある。
【００１６】
珪素膜としては、非晶質珪素膜、微結晶珪素膜を用いることができる。特に、水素の含有量を極力減らした非晶質珪素膜を用いることは有効である。また、非晶質珪素膜中の水素を人為的に減らすために、非晶質珪素膜に対して３００〜５００℃の温度で３０分〜２時間程度の加熱処理を施し、膜中からの水素の離脱を促進させることは非常に有効である。結晶化の加熱処理は、この水素出しの加熱処理の後に行えばよい。
【００１７】
珪素の結晶化を助長する金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素を用いることができる。
【００１８】
上記金属元素の中で特にＮｉ（ニッケル）を用いることがその効果の大きさと再現性の高さから好ましい。
【００１９】
本明細書で開示する発明においては、珪素膜を結晶化またはその結晶性を助長させる加熱処理の温度として、８００℃〜１１００℃の温度を用いることが好ましい。また、出発膜として非晶質珪素膜を用いた場合には、この加熱処理の温度を、出発膜である非晶質珪素膜の結晶化温度の２００℃以上とすることが好ましい。
【００２０】
非晶質珪素膜の結晶化温度は、珪素膜の成膜方法や成膜条件によって異なる。なお、低い温度でも加熱時間を長くすれば結晶化するので、この結晶化の始まる温度の明確な境界が存在する訳でない。例えば、６００℃、２４時間の加熱によってようやく結晶化する非晶質珪素膜でも、５９０℃、９６時間の加熱処理を行えば、完全な結晶性珪素膜に変成することができる。
【００２１】
そこで、本明細書においては、１２時間の加熱処理において全体が結晶化する温度を結晶化温度と定義するものとする。またここでいう全体が結晶化するとは、全体の８０％以上が結晶成分に変成した状態のことをいう。また、この全体が結晶化した状態として、ラマン分光法による計測で、非晶質成分のスペクトルがほとんど見られなくなり、結晶成分のスペクトルが顕著になった状態を挙げることもできる。
【００２２】
成膜法や成膜条件にもよるが、一般的には、非晶質珪素膜の結晶化温度は５８０℃〜６２０℃となる。
【００２３】
本明細書で開示する発明において、珪素の結晶化を助長する金属元素を非晶質珪素膜に接して保持させる方法としては、この金属元素を含んだ溶液を非晶質珪素膜の表面に塗布する方法が最適である。
【００２４】
この方法を用いると、溶液中における金属元素の濃度を調整することで、最終的に珪素膜中に存在する金属元素の濃度を調整することができる。珪素膜中に存在する金属元素の濃度は、１×１０15〜５×１０19原子ｃｍ-3、好ましくは、１×１０16〜５×１０17原子ｃｍ-3程度の濃度にすることが必要である。このためには、上記溶液を用いた方法は非常に有用なものとなる。なお、金属元素の濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）で計測された最小値として定義される。
【００２５】
また、この溶液を用いた方法を用いると、非晶質珪素膜の表面に均一に金属元素を接して保持させ得ることが判明している。これは、金属元素の層または金属元素を含んだ層を均一に非晶質珪素膜に接して存在させることができることを意味する。このことは、局部的に金属元素が集中して存在することを防ぐ意味で非常に重要なこととなる。
【００２６】
金属元素としてニッケルを利用する場合は、ニッケル化合物である臭化ニッケル、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、２−エチルヘキサン酸ニッケルからから選ばれた少なくとも１種類のものを主成分とする溶液を用いることができる。
【００２７】
また、ニッケルを無極性溶媒である、ベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、エ−テル、トリクロロエチレン、フロンに含ませたものを用いることもできる。
【００２８】
また金属元素としてＦｅ（鉄）を用いる場合、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（Ｃ2 Ｈ3 Ｏ2)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）から選ばれた少なくとも一種類のものを主成分として用いることができる。
【００２９】
また金属元素としてＣｏ（コバルト）を用いる場合、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（Ｃ2 Ｈ3 Ｏ2)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主成分として用いることができる。
【００３０】
金属元素としてＲｕ（ルテニウム）を用いる場合、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（ＲｕＣｌ3 Ｈ2 Ｏ）を用いることができる。
【００３１】
金属元素してＲｈ（ロジウム）を用いる場合、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。
【００３２】
金属元素としてＰｄ（パラジウム）を用いる場合、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。
【００３３】
金属元素としてＯｓ（オスニウム）を用いる場合、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。
【００３４】
金属元素としてＩｒ（イリジウム）を用いる場合、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主成分としたものを用いることができる。
【００３５】
金属元素としてＰｔ（白金）を用いる場合、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。
【００３６】
金属元素としてＣｕ（銅）を用いる場合、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。
【００３７】
金属元素として金を用いる場合、その化合物として三塩化金（ＡｕＣｌ3 xＨ2 Ｏ）、塩化金塩（ＡｕＨＣｌ4 ４Ｈ2 Ｏ）から選ばれた材料を用いることができる。
【００３８】
またこれら金属元素の濃度を調整するために、以上示した材料を適当な溶媒で希釈することは有効である。また以上のような溶液に界面活性剤を含ませることは有効である。界面活性剤を利用すると非晶質珪素膜の表面に金属元素を分散させて存在させる効果を高めることができる。
【００３９】
【作用】
珪素の結晶化を助長する金属元素を用い、さらに結晶性珪素膜を得るための加熱処理を８００℃〜１１００℃という高温で行うことで、短い加熱処理において、高い結晶性を有した結晶性珪素膜を得ることができる。また、このような高温で加熱処理を行うことで、金属元素が珪素膜中において局部的に集中して存在してしまうことを防ぐことができる。
【００４０】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に本実施例の作製工程を示す。本実施例は、石英基板上に結晶性珪素膜を形成するものである。まず、石英基板１０１上に下地膜として酸化珪素膜１０２を３０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜１０２は、後に石英基板中から珪素膜中に不純物が拡散しないようにするために成膜される。次に減圧熱ＣＶＤ法により、非晶質珪素膜１０３を５００Åの厚さに成膜する。（図１（Ａ））
【００４１】
次に非晶質珪素膜の表面に所定の濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を塗布する。そしてニッケル酢酸塩溶液の水膜１０５を形成する。（図１（Ｂ））
【００４２】
その後スピナー１０４を用いてスピンコートを行う。また同時に余分なニッケル酢酸塩溶液を吹き飛ばす。こうして、非晶質珪素膜１０３の表面にニッケル元素が接して保持された状態とする。なお、ニッケル酢酸塩溶液中におけるニッケル元素の濃度は、最終的に珪素膜中に存在するニッケル元素の濃度が１×１０15〜５×１０19原子ｃｍ-3以下となるようにする必要がある。
【００４３】
こうして図１（Ｃ）に示す状態を得る。この状態において、非晶質珪素膜１０３の表面には、ニッケル元素が接して保持された状態となっている。そして９５０℃の温度で４時間の加熱処理を行う。加熱処理の終了後、７００℃の温度まで０．５℃／分の冷却速度で徐冷する。ここで徐冷を行うのは、珪素膜中に応力が残留することを抑制するためである。
【００４４】
この加熱処理を行うことによって、非晶質珪素膜１０３を結晶性珪素膜１０６に変成することができる。（図１（Ｄ））
【００４５】
ここで行われる加熱処理温度は、非晶質珪素膜１０３の結晶化温度よりもはるかに高い温度であることが重要である。このような高い温度とすることで、４時間程度の短い時間で結晶性珪素膜を得ることができ、またその結晶性を極めて高いものとすることができる。また、結晶化の助長に寄与したニッケル元素を膜中に分散させることができ、局部的に高密度のトラップ準位が形成されることを防ぐことができる。なお、実験によれば、本実施例に示す非晶質珪素膜の結晶化温度は約５９０度であることが判明している。
【００４６】
このような高い温度で加熱処理を加えることによって、非常に高い結晶性を有する結晶性珪素膜を得ることができる。一般に石英基板上に形成された非晶質珪素膜を９００℃程度の加熱によって結晶化する技術が知られている。本実施例において得られる結晶性珪素膜１０６は、上記公知の石英基板を用いる技術によって得られる結晶性珪素膜に比較して高い結晶性を有している。これは、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することの効果である。
【００４７】
〔実施例２〕
本実施例は、実施例１に示す工程において、ニッケル元素の代わりに銅元素を用いた場合の例である。ここでは、酢酸第二銅（Ｃｕ（ＣＨ3 ＣＯＯ）2 ）を用いて非晶質珪素膜の表面にニッケル元素を接して保持させた状態とする。実施例１と同様の加熱処理を行い結晶性珪素膜を得る。なお、溶液中における銅元素の濃度は、実施例１のニッケル元素の場合と同様なものとすればよい。
【００４８】
〔実施例３〕
本実施例では、本明細書に開示する発明を利用してＮチャネル型の薄膜トンジスタを作製する例を示す。まず実施例１に示す工程に従って、ガラス基板上に結晶性珪素膜を形成する。そして、この結晶性珪素膜をパターニングすることにより、図２（Ａ）に示すような状態を得る。
【００４９】
図２（Ａ）に示す状態においては、石英基板２０１上に下地膜２０２として酸化珪素膜が３０００Åの厚さに成膜されており、さらに薄膜トランジスタの活性層を構成する結晶性珪素膜でなる島状の半導体層２０３が形成されている。
【００５０】
図２（Ａ）に示す状態を得たら、ゲイト絶縁膜を構成する酸化珪素膜２０４を１０００Åの厚さに成膜する。成膜方法は、プラズマＣＶＤ法による方法を用いればよい。そして、Ｐ（リン）を含んだＮ型の微結晶珪素膜を減圧熱ＣＶＤ法で成膜する。そしてこのＮ型の微結晶珪素膜をパターニングすることにより、ゲイト電極２０５を形成する。こうして図２（Ｂ）に示す状態を得る。
【００５１】
ここでは珪素を用いてゲイト電極２０５を構成したが、耐熱性の高い金属材料やそのシリサイドを用いてもよい。また金属と半導体の多層構造を採用してもよい。
【００５２】
次に活性層中にソース領域とドレイン領域とを形成するために、図２（Ｃ）に示すようにＰ（リン）イオンの注入を行う。ここでは、Ｐイオンを注入するが、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタを得るのであれば、Ｂ（ボロン）イオンを注入すればよい。
【００５３】
ここでは、Ｐイオンをプラズマドーピング法で注入する。この工程において、ゲイト電極がマスクとなって、２０６と２０８に示される領域にＰイオンが注入される。またチャネル形成領域２０７が自己整合的に形成される。その後、注入されたイオンの衝撃で非晶質化した２０６と２０８に示される領域の結晶化と注入されたＰイオンの活性化のために９５０℃、２時間の加熱処理を行う。
【００５４】
この加熱処理の代わりにレーザー光の照射を行ってもよい。また８００〜１１０℃の温度で加熱しながらのレーザー光の照射を行ってもよい。またレーザー光を照射する代わりに強光（例えば赤外光）を照射するのでもよい。
【００５５】
次に図２（Ｄ）に示すように、層間絶縁膜として酸化珪素膜２０９をプラズマＣＶＤ法で成膜する。そして、コンタクトホールの形成を行い、ソース電極２１０とドレイン電極２１１を形成する。この電極はチタンで構成される。こうして、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタが完成される。
【００５６】
本実施例で作製される薄膜トランジスタは、ガラス基板上に６００℃程度の温度で形成される結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタに比較して、大きな移動度と小さなＯＦＦ電流特性を有している。
【００５７】
移動度が大きいのは、高い結晶性を得られることによって、キャリアの移動度が高くなるからである。また、小さなＯＦＦ電流特性が得られるのは、トラップ準位の密度が小さくなることによって、トラップ準位を経由して移動するキャリアの数が少なくなることによる。
【００５８】
薄膜トランジスタにおけるＯＦＦ電流は、薄膜トランジスタのＯＦＦ動作時（ゲイト電極に逆バイアスが加えられた状態）において、ソース／ドレイン間に流れてしまう電流のことをいう。
【００５９】
ＯＦＦ電流が流れてしまう原因は、特公平３─３８７５５号公報に記載されているように、チャネル形成領域とドレイン領域の界面近傍において、トラップ準位を介して、キャリアが移動してしまうことに起因する。従って、活性層を構成する結晶性珪素膜の結晶性を高め、トラップ準位密度を下げることによって、ＯＦＦ電流の値を小さくすることができる。
【００６０】
〔比較例〕
ここで示す比較例の作製工程は、実施例１に示す工程において、基板としてガラス基板を用い、結晶化のための加熱処理を５５０℃の温度で行うことにより結晶性珪素膜を得、さらにこの結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタを作製する例である。
【００６１】
図１及び図２を用いて本比較例の作製工程を説明する。ここでは、基板１０１としてガラス基板を用いる。そしてまずこのガラス基板１０１上に下地膜として酸化珪素膜１０２を３０００Åの厚さに成膜する。さらに非晶質珪素膜１０３を減圧熱ＣＶＤ法で５００Åの厚さに成膜する。こうして図１（Ａ）に示す状態を得る。
【００６２】
次に実施例１と同様の条件で酢酸ニケッル塩溶液を塗布し、スピナー１０４を用いてスピンコートを行う。（図１（Ｂ））
【００６３】
こうして図１（Ｃ）に示す状態を得る。この状態において、非晶質珪素膜１０３の表面に接してニッケル元素が保持された状態となる。
【００６４】
図１（Ｃ）に示す状態で、５５０℃、４時間の加熱処理を行う。この工程におおて、ニッケル元素の作用によって、結晶性珪素膜１０６を得ることができる。（図１（Ｄ））
【００６５】
次に結晶性珪素膜をパターニングすることにより、薄膜トランジスタの活性層を構成する。この状態を図２（Ａ）に示す。図２（Ａ）に示す状態において、２０１がガラス基板であり、２０２が下地膜の酸化珪素膜であり、２０３が薄膜トランジスタの活性層である。
【００６６】
次にゲイト絶縁膜を構成するＮ型の微結晶珪素膜を成膜し、パターニングを施すことにより、ゲイト電極２０５を形成する。こうして図２（Ｂ）に示す状態を得る。
【００６７】
次にＰ（リン）イオンの注入をプラズマドーピング法でもって行い、ソース領域２０６とドレイン領域２０８、さらにチャネル形成領域２０７を自己整合的に形成する。さらにレーザー光の照射を行うことにより、ソース領域とドレイン領域の再結晶化と活性化とを行う。（図２（Ｃ））
【００６８】
さらに層間絶縁膜２０９をプラズマＣＶＤ法で成膜し、コンタクトホールの形成を行った後にソース電極２１０とドレイン電極２１１とを形成し、薄膜トランジスタを完成させる。
【００６９】
この比較例の薄膜トランジスタの移動度は、実施例１に示す薄膜トランジスタの６０〜７０％程度を有している。しかし、ＯＦＦ電流特性に関しては、実施例１に示す薄膜トランジスタに対して問題とならない程度に悪いものとなる。このＯＦＦ電流特性を改善するためには、オフセットゲイト構造やＬＤＤ構造といった特殊な構造が必要とされる。
【００７０】
また、本比較例に示す薄膜トランジスタは、素子毎の特性のバラツキが著しく大きいという問題がある。この原因は以下のような理由によるものであると考えられる。本実施例に示す薄膜トランジスタの活性層をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察すると、ニッケル元素が集中して存在していることが確認される。周知のように、半導体中に金属元素が局所的に集中して存在していれば、そこで高密度のトラップ準位を形成する。そしてこのような高密度のトラップ準位の存在は、デバイスの劣化や動作の不安定さの要因となる。このような理由で本実施例に示す薄膜トランジスタは、素子間の特性に大きなバラツキがあるものとなってします。
【００７１】
これに対して、実施例１に示す工程で作製された薄膜トランジスタは、素子毎のバラツキが非常に小さいという特徴を有している。また、実施例１に示す工程で作製された薄膜トランジスタの活性層をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によって観察すると、ニッケル元素の局所的な集中がほとんど見られない。このことは、素子毎のバラツキが小さいことを裏付ける。このニッケル元素の局所的な集中がほとんど見られないのは、９５０℃という高い加熱によって、ニッケル元素が珪素膜中において分散してしまうためであると考えられる。
【００７２】
〔実施例４〕
本実施例は実施例１に示す工程によって、図１（Ｄ）に示す結晶性珪素膜１０６を得、さらにレーザー光の照射を行い、その結晶性を高める構成に関する。図１（Ｄ）に示す状態における結晶性珪素膜１０７は、その膜中に少しではあるが非晶質成分を含んでいる。
【００７３】
この非晶質成分は、さらに加熱処理を加えることにより消滅させることができる。即ち、さらに加熱処理を加えることで、より結晶性を高めたものとすることができる。しかし、この加熱処理はさらに数時間を要するものでり、生産性を考慮した場合、好ましい手段とはいえない。
【００７４】
そこで本実施例においては、実施例１に示す工程において、図１（Ｄ）に示す状態を得た後、さらにレーザー光の照射を行い、その結晶性を高めることを特徴とする。
【００７５】
照射するレーザー光としては、紫外領域の波長を有するエキシマレーザー光を用いることが好ましい。ここでは、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを用いる。また照射エネルギー密度は３００〜４００ｍＪ／ｃｍ2 とする。
【００７６】
本実施例に示すように、加熱によって一端結晶化された結晶性珪素膜に対して、レーザー光を照射することで、その結晶性を高めることができる。そしてその効果は、高い再現性でもって得ることができる。
【００７７】
ここでは、レーザー光を用いる例を示したが、赤外光等の強光を照射するのでもよい。
【００７８】
〔実施例５〕
本実施例は、１枚の石英基板上に周辺回路をも一体化した構造を有するアクティブマトリクス型の液晶表示装置に関する。以下、本実施例のアクティブマトリクス回路を得る作製工程について、図３を用いて説明する。
【００７９】
図において、左側に周辺論理回路の薄膜トランジスタ（周辺回路ＴＦＴと記す）の作製工程を、右側にアクティブマトリクス回路の薄膜トランジスタ（画素ＴＦＴと記す）の作製工程を、それぞれ示す。
【００８０】
まず、石英基板３０１上に下地酸化膜３０２として厚さ１０００〜３０００Åの酸化珪素膜を形成する。この酸化珪素膜の形成方法としては、酸素雰囲気中でのスパッタ法やプラズマＣＶＤ法を用いればよい。
【００８１】
その後、プラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法によって非晶質珪素膜を５００Åの厚さに成膜する。さらに実施例１に示した方法と同様の方法により、非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケルを接して保持させる。
【００８２】
次に９００℃、４時間の加熱処理を行うことにより、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成する。この加熱処理の後に、レーザー光の照射や強光の照射によって、さらに結晶性を高めてもよい。
【００８３】
次に得られた結晶性珪素膜をエッチングして、島状の周辺駆動回路の薄膜トランジスタ（図では周辺回路ＴＦＴと記す）の活性層３０３（Ｐチャネル型ＴＦＴ用）、３０４（Ｎチャネル型ＴＦＴ用）と、マトリクス回路の薄膜トランジスタ（図では画素ＴＦＴと記す）の活性層３０５を形成する。
【００８４】
さらに、酸素雰囲気中でのスパッタ法によって、厚さ５００〜２０００Åの酸化珪素膜でなるゲイト絶縁膜３０６を形成する。ゲイト絶縁膜の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法を用いてもよい。プラズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜を形成する場合には、原料ガスとして、一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）もしくは酸素（Ｏ2 ）とモンシラン（ＳｉＨ4 ）を用いることが好ましい。
【００８５】
その後、厚さ２０００Å〜５μｍ、好ましくは２０００〜６０００Åの多結晶シリコン膜（導電性を高めるためＰ（リン）を含有する）を減圧熱ＣＶＤ法によって基板全面に形成する。そして、これをエッチングして、ゲイト電極３０７、３０８、３０９を形成する。（図３（Ａ））
【００８６】
その後、イオンドーピング法によって、全ての島状活性層に、ゲイト電極をマスクとして自己整合的にフォスフィン（ＰＨ3 ）をドーピングガスとしてＰ（リン）を注入する。ドーズ量は１×１０12〜５×１０13原子／ｃｍ2 とする。この結果、弱いＮ型領域３１０、３１１、３１２が形成される。（図３（Ｂ））
【００８７】
次に、Ｐチャネル型薄膜トランジスタの活性層３０３を覆うフォトレジストのマスク３１３を形成する。また同時に画素薄膜トランジスタの活性層３０５のうち、ゲイト電極に平行にゲイト電極３０９の端から３μｍ離れた部分までを覆うフォトレジストのマスク３１４を形成する。
【００８８】
そして、再び、イオンドーピング法によって、フォスフィンをドーピングガスとしてＰ（リン）イオンを注入する。この時、レジストマスク３１３と３１４の下にはＰ（リン）イオンは注入されない。
【００８９】
この結果、強いＮ型領域（ソース／ドレイン）３１５、３１６が形成される。この工程において、画素薄膜トランジスタの活性層３０５の弱いＮ型領域３１２のうち、マスク３１４に覆われていた領域３１７（図３（Ｄ）参照）はＰ（リン）が注入されず、弱いＮ型のままとなる。（図３（Ｃ））
【００９０】
次に、Ｎチャネル型薄膜トランジスタの活性層３０４、３０５をフォトレジストのマスク３１８で覆い、ジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）をドーピングガスとして、イオンドーピング法により、島状領域１０３にＢ（ボロン）を注入する。ドーズ量は５×１０14〜８×１０15原子／ｃｍ2 とする。このドーピングでは、Ｂのドーズ量が図３（Ｃ）におけるＰのドーズ量を上回るため、先に形成されていた弱いＮ型領域３１０は強いＰ型領域３１９に反転する。
【００９１】
以上のドーピングにより、強いＮ型領域（ソース／ドレイン）３１５、３１６、強いＰ型領域（ソース／ドレイン）３１９、弱いＮ型領域（低濃度不純物領域）３１７が形成される。本実施例では、低濃度不純物領域３１７の幅ｘは、フォトレジストのマスク１１４の大きさより約３μｍとなる。この低濃度不純物領域３１７のドレイン領域側はＬＤＤ領域として機能する。（図３（Ｄ））
【００９２】
その後、９００℃の温度で２時間の加熱処理を施すことにより、ドーピングによるダメージを回復させる。また同時にドーピング不純物を活性化させる。その後、全面に層間絶縁物３２０として、プラズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ５０００Åの厚さに成膜する。これは、窒化珪素膜あるいは酸化珪素膜と窒化珪素膜の多層膜であってもよい。そして、層間絶縁物３２０をウェットエッチング法によってエッチングして、ソース／ドレインにコンタクトホールを形成する。
【００９３】
そして、スパッタ法によって、厚さ４０００Åのチタン膜を形成し、これをエッチングして、周辺回路の電極・配線３２１、３２２、３２３を形成する。また同時に画素薄膜トランジスタの電極・配線３２４、３２５を形成する。さらに、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０００Åの窒化珪素膜３２６をパッシベーション膜として形成する。そしてこれをエッチングして、画素薄膜トランジスタの電極３２５に達するコンタクトホールを形成する。最後に、スパッタ法で成膜した厚さ１５００ÅのＩＴＯ（インディウム錫酸化物）膜をエッチングして、画素電極３２７を形成する。このようにして、周辺回路とアクティブマトリクス回路を一体化して形成することができる。（図３（Ｅ））
【００９４】
〔実施例６〕
本実施例は、実施例１に示す工程において、非晶質珪素膜１０３の代わりに微結晶珪素膜を用いることを特徴とする。微結晶珪素膜を成膜するには、原料ガスとしてジシランを用いた減圧熱ＣＶＤ法を用いればよい。本実施例の場合、加熱処理によって非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成するのではなく、加熱処理によって、微結晶珪素膜の結晶性を助長させ、さらに結晶性の高い結晶性珪素膜を得ることになる。
【００９５】
【発明の効果】
本明細書で開示する発明を利用することで、非常に結晶性の優れた結晶性珪素膜を得ることができる。特に、
・珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することで、高い結晶性を得ることができる。
・珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することで、結晶化の時間を短いものとすることができる。
・８００℃〜１１００℃という高温で加熱処理を行うことによって、金属元素が局部的に集中して存在してしまうことを防ぐことができる。
・高い結晶性を有しているが故に高い移動度を有する薄膜トランジスタを構成することができる。
・高い結晶性を有しており、かつ金属元素の集中がないので、ＯＦＦ電流値の低い薄膜トランジスタを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例における結晶性珪素膜の作製工程を示す。
【図２】 実施例における薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【図３】 実施例における薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【符号の説明】
１０１、２０１ 石英基板（またはガラス基板）
３０１ 石英基板
１０２、２０２、３０２ 下地膜（酸化珪素膜）
１０３ 非晶質珪素膜
１０４ スピナー
１０５ ニッケル酢酸塩溶液の水膜
１０７ 結晶性珪素膜
２０３、３０３、３０４、３０５ 活性層
２０４、３０６ ゲイト絶縁膜
２０５、３０７、３０８、３０９ ゲイト電極
２０６ ソース領域
２０７ チャネル形成領域
２０８ ドレイン領域
２０９、３２０ 層間絶縁膜
２１０ ソース電極
２１１ ドレイン電極
３１ 実施例の薄膜トランジスタの特性
３２ 比較例た薄膜トランジスタの特性
３１０、３１５、３１６ ソース／ドレイン領域
３１７ 低濃度不純物領域
３１３ レジストマスク
３１４ レジストマスク
３１８ レジストマスク
３２１、３２２、３２３、３２４ 電極
３２５ 電極
３２６ パッシベーション膜
３２７ ＩＴＯ電極（画素電極）
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、絶縁表面を有する基板上に結晶性珪素膜を形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス基板上に形成された珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを構成する技術が注目されている。この薄膜トランジスタは、主にアクティブマトリクス型の液晶電気光学装置に利用されている。また、この薄膜トランジスタは、各種薄膜集積回路に利用されている。
【０００３】
液晶電気光学装置は、一対のガラス基板間に液晶を封入し、液晶に電界を加えることによって、液晶の光学特性を変化させ、画像表示を行わせるものである。
【０００４】
薄膜トランジスタが用いられるアクティブマトリクス型の液晶表示装置は、各画素に薄膜トランジスタを配置し、画素電極に保持される電荷を薄膜トランジスタをスイッチとして制御することを特徴とする。アクティブマトリクス型の液晶表示装置は、微細な画像を高速で表示できるため、各種電子機器（例えば携帯型のワードプロセッサーや携帯型のコンピュータ、さらには携帯型のビデオカメラ）のディスプレーに利用されている。
【０００５】
アクティブマトリクス型の液晶表示装置に利用される薄膜トランジスタとしては、非晶質珪素薄膜（アモルファスシリコン薄膜）を利用したものが一般的である。しかし、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは、
（１）特性が低く、より高品質な画像表示を行うことができない。
（２）画素に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺回路を構成することができない。
といった問題がある。
【０００６】
上記（２）の問題は、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタではＰチャネル型の薄膜トランジスタが実用にならないので、ＣＭＯＳ回路が構成できないという問題と、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは高速動作ができず、また大電流を流すことができないので、周辺駆動回路を組むことができないという問題とに分けて考えることができる。
【０００７】
上記のような問題を解決する方法としては、結晶性珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する技術を挙げることができる。結晶性珪素薄膜を得る方法としては、非晶質珪素膜に対して加熱処理を加える方法と非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射する方法とを挙げることができる。
【０００８】
しかしながら、現状においては、優れた結晶性を有する結晶性薄膜が得られていないのが現状である。
【０００９】
この問題を解決する方法として、特開平６─２３２０６９号公報に記載された構成が公知である。この方法は、ニッケル等で代表される珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することによって、５５０℃、４時間というような加熱処理条件でもって結晶性珪素膜を得るものである。
【００１０】
しかしながら、上記公報に記載された技術では、得られる結晶性珪素膜の結晶性に不満足な点がある。即ち、得られる結晶性珪素膜は結晶性が低く、非晶質成分が多く残存したものとなってしまう。また、用いられる金属元素が局所的に集中して存在してしまうという現象が観察される。このような現象は、デバイスを構成した時に動作不良を招く要因となる。またこのことは、生産歩留りを低下させることになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書で開示する発明は、絶縁表面を有する基板上に高い結晶性を有する結晶性珪素膜を得る技術を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するために手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
石英基板上に成膜された珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
８００℃〜１１００℃の温度で加熱処理を施し、前記珪素膜を結晶性珪素膜に変成するまたは前記珪素膜の結晶性を助長する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１３】
他の発明の構成は、
石英基板上に成膜された珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を含んだ溶液を塗布する工程と、
８００℃〜１１００℃の温度で加熱処理を施し、前記珪素膜を結晶性珪素膜に変成するまたは前記珪素膜の結晶性を助長する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１４】
他の発明の構成は、
石英基板上に成膜された非晶質珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
前記非晶質珪素膜の結晶化温度より２００℃以上高い温度で加熱処理を行い、前記非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
基板とては、石英基板の代わりに、単結晶珪素ウエハーに代表される半導体基板を用いることができる。ただし半導体基板を用いた場合、光の透過性が確保できないという問題と、半導体基板の表面に絶縁膜を形成する必要があるという問題がある。
【００１６】
珪素膜としては、非晶質珪素膜、微結晶珪素膜を用いることができる。特に、水素の含有量を極力減らした非晶質珪素膜を用いることは有効である。また、非晶質珪素膜中の水素を人為的に減らすために、非晶質珪素膜に対して３００〜５００℃の温度で３０分〜２時間程度の加熱処理を施し、膜中からの水素の離脱を促進させることは非常に有効である。結晶化の加熱処理は、この水素出しの加熱処理の後に行えばよい。
【００１７】
珪素の結晶化を助長する金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素を用いることができる。
【００１８】
上記金属元素の中で特にＮｉ（ニッケル）を用いることがその効果の大きさと再現性の高さから好ましい。
【００１９】
本明細書で開示する発明においては、珪素膜を結晶化またはその結晶性を助長させる加熱処理の温度として、８００℃〜１１００℃の温度を用いることが好ましい。また、出発膜として非晶質珪素膜を用いた場合には、この加熱処理の温度を、出発膜である非晶質珪素膜の結晶化温度の２００℃以上とすることが好ましい。
【００２０】
非晶質珪素膜の結晶化温度は、珪素膜の成膜方法や成膜条件によって異なる。なお、低い温度でも加熱時間を長くすれば結晶化するので、この結晶化の始まる温度の明確な境界が存在する訳でない。例えば、６００℃、２４時間の加熱によってようやく結晶化する非晶質珪素膜でも、５９０℃、９６時間の加熱処理を行えば、完全な結晶性珪素膜に変成することができる。
【００２１】
そこで、本明細書においては、１２時間の加熱処理において全体が結晶化する温度を結晶化温度と定義するものとする。またここでいう全体が結晶化するとは、全体の８０％以上が結晶成分に変成した状態のことをいう。また、この全体が結晶化した状態として、ラマン分光法による計測で、非晶質成分のスペクトルがほとんど見られなくなり、結晶成分のスペクトルが顕著になった状態を挙げることもできる。
【００２２】
成膜法や成膜条件にもよるが、一般的には、非晶質珪素膜の結晶化温度は５８０℃〜６２０℃となる。
【００２３】
本明細書で開示する発明において、珪素の結晶化を助長する金属元素を非晶質珪素膜に接して保持させる方法としては、この金属元素を含んだ溶液を非晶質珪素膜の表面に塗布する方法が最適である。
【００２４】
この方法を用いると、溶液中における金属元素の濃度を調整することで、最終的に珪素膜中に存在する金属元素の濃度を調整することができる。珪素膜中に存在する金属元素の濃度は、１×１０15〜５×１０19原子ｃｍ-3、好ましくは、１×１０16〜５×１０17原子ｃｍ-3程度の濃度にすることが必要である。このためには、上記溶液を用いた方法は非常に有用なものとなる。なお、金属元素の濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）で計測された最小値として定義される。
【００２５】
また、この溶液を用いた方法を用いると、非晶質珪素膜の表面に均一に金属元素を接して保持させ得ることが判明している。これは、金属元素の層または金属元素を含んだ層を均一に非晶質珪素膜に接して存在させることができることを意味する。このことは、局部的に金属元素が集中して存在することを防ぐ意味で非常に重要なこととなる。
【００２６】
金属元素としてニッケルを利用する場合は、ニッケル化合物である臭化ニッケル、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、２−エチルヘキサン酸ニッケルからから選ばれた少なくとも１種類のものを主成分とする溶液を用いることができる。
【００２７】
また、ニッケルを無極性溶媒である、ベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、エ−テル、トリクロロエチレン、フロンに含ませたものを用いることもできる。
【００２８】
また金属元素としてＦｅ（鉄）を用いる場合、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（Ｃ2 Ｈ3 Ｏ2)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）から選ばれた少なくとも一種類のものを主成分として用いることができる。
【００２９】
また金属元素としてＣｏ（コバルト）を用いる場合、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（Ｃ2 Ｈ3 Ｏ2)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主成分として用いることができる。
【００３０】
金属元素としてＲｕ（ルテニウム）を用いる場合、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（ＲｕＣｌ3 Ｈ2 Ｏ）を用いることができる。
【００３１】
金属元素してＲｈ（ロジウム）を用いる場合、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。
【００３２】
金属元素としてＰｄ（パラジウム）を用いる場合、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。
【００３３】
金属元素としてＯｓ（オスニウム）を用いる場合、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。
【００３４】
金属元素としてＩｒ（イリジウム）を用いる場合、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主成分としたものを用いることができる。
【００３５】
金属元素としてＰｔ（白金）を用いる場合、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。
【００３６】
金属元素としてＣｕ（銅）を用いる場合、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。
【００３７】
金属元素として金を用いる場合、その化合物として三塩化金（ＡｕＣｌ3 xＨ2 Ｏ）、塩化金塩（ＡｕＨＣｌ4 ４Ｈ2 Ｏ）から選ばれた材料を用いることができる。
【００３８】
またこれら金属元素の濃度を調整するために、以上示した材料を適当な溶媒で希釈することは有効である。また以上のような溶液に界面活性剤を含ませることは有効である。界面活性剤を利用すると非晶質珪素膜の表面に金属元素を分散させて存在させる効果を高めることができる。
【００３９】
【作用】
珪素の結晶化を助長する金属元素を用い、さらに結晶性珪素膜を得るための加熱処理を８００℃〜１１００℃という高温で行うことで、短い加熱処理において、高い結晶性を有した結晶性珪素膜を得ることができる。また、このような高温で加熱処理を行うことで、金属元素が珪素膜中において局部的に集中して存在してしまうことを防ぐことができる。
【００４０】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に本実施例の作製工程を示す。本実施例は、石英基板上に結晶性珪素膜を形成するものである。まず、石英基板１０１上に下地膜として酸化珪素膜１０２を３０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜１０２は、後に石英基板中から珪素膜中に不純物が拡散しないようにするために成膜される。次に減圧熱ＣＶＤ法により、非晶質珪素膜１０３を５００Åの厚さに成膜する。（図１（Ａ））
【００４１】
次に非晶質珪素膜の表面に所定の濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を塗布する。そしてニッケル酢酸塩溶液の水膜１０５を形成する。（図１（Ｂ））
【００４２】
その後スピナー１０４を用いてスピンコートを行う。また同時に余分なニッケル酢酸塩溶液を吹き飛ばす。こうして、非晶質珪素膜１０３の表面にニッケル元素が接して保持された状態とする。なお、ニッケル酢酸塩溶液中におけるニッケル元素の濃度は、最終的に珪素膜中に存在するニッケル元素の濃度が１×１０15〜５×１０19原子ｃｍ-3以下となるようにする必要がある。
【００４３】
こうして図１（Ｃ）に示す状態を得る。この状態において、非晶質珪素膜１０３の表面には、ニッケル元素が接して保持された状態となっている。そして９５０℃の温度で４時間の加熱処理を行う。加熱処理の終了後、７００℃の温度まで０．５℃／分の冷却速度で徐冷する。ここで徐冷を行うのは、珪素膜中に応力が残留することを抑制するためである。
【００４４】
この加熱処理を行うことによって、非晶質珪素膜１０３を結晶性珪素膜１０６に変成することができる。（図１（Ｄ））
【００４５】
ここで行われる加熱処理温度は、非晶質珪素膜１０３の結晶化温度よりもはるかに高い温度であることが重要である。このような高い温度とすることで、４時間程度の短い時間で結晶性珪素膜を得ることができ、またその結晶性を極めて高いものとすることができる。また、結晶化の助長に寄与したニッケル元素を膜中に分散させることができ、局部的に高密度のトラップ準位が形成されることを防ぐことができる。なお、実験によれば、本実施例に示す非晶質珪素膜の結晶化温度は約５９０度であることが判明している。
【００４６】
このような高い温度で加熱処理を加えることによって、非常に高い結晶性を有する結晶性珪素膜を得ることができる。一般に石英基板上に形成された非晶質珪素膜を９００℃程度の加熱によって結晶化する技術が知られている。本実施例において得られる結晶性珪素膜１０６は、上記公知の石英基板を用いる技術によって得られる結晶性珪素膜に比較して高い結晶性を有している。これは、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することの効果である。
【００４７】
〔実施例２〕
本実施例は、実施例１に示す工程において、ニッケル元素の代わりに銅元素を用いた場合の例である。ここでは、酢酸第二銅（Ｃｕ（ＣＨ3 ＣＯＯ）2 ）を用いて非晶質珪素膜の表面にニッケル元素を接して保持させた状態とする。実施例１と同様の加熱処理を行い結晶性珪素膜を得る。なお、溶液中における銅元素の濃度は、実施例１のニッケル元素の場合と同様なものとすればよい。
【００４８】
〔実施例３〕
本実施例では、本明細書に開示する発明を利用してＮチャネル型の薄膜トンジスタを作製する例を示す。まず実施例１に示す工程に従って、ガラス基板上に結晶性珪素膜を形成する。そして、この結晶性珪素膜をパターニングすることにより、図２（Ａ）に示すような状態を得る。
【００４９】
図２（Ａ）に示す状態においては、石英基板２０１上に下地膜２０２として酸化珪素膜が３０００Åの厚さに成膜されており、さらに薄膜トランジスタの活性層を構成する結晶性珪素膜でなる島状の半導体層２０３が形成されている。
【００５０】
図２（Ａ）に示す状態を得たら、ゲイト絶縁膜を構成する酸化珪素膜２０４を１０００Åの厚さに成膜する。成膜方法は、プラズマＣＶＤ法による方法を用いればよい。そして、Ｐ（リン）を含んだＮ型の微結晶珪素膜を減圧熱ＣＶＤ法で成膜する。そしてこのＮ型の微結晶珪素膜をパターニングすることにより、ゲイト電極２０５を形成する。こうして図２（Ｂ）に示す状態を得る。
【００５１】
ここでは珪素を用いてゲイト電極２０５を構成したが、耐熱性の高い金属材料やそのシリサイドを用いてもよい。また金属と半導体の多層構造を採用してもよい。
【００５２】
次に活性層中にソース領域とドレイン領域とを形成するために、図２（Ｃ）に示すようにＰ（リン）イオンの注入を行う。ここでは、Ｐイオンを注入するが、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタを得るのであれば、Ｂ（ボロン）イオンを注入すればよい。
【００５３】
ここでは、Ｐイオンをプラズマドーピング法で注入する。この工程において、ゲイト電極がマスクとなって、２０６と２０８に示される領域にＰイオンが注入される。またチャネル形成領域２０７が自己整合的に形成される。その後、注入されたイオンの衝撃で非晶質化した２０６と２０８に示される領域の結晶化と注入されたＰイオンの活性化のために９５０℃、２時間の加熱処理を行う。
【００５４】
この加熱処理の代わりにレーザー光の照射を行ってもよい。また８００〜１１０℃の温度で加熱しながらのレーザー光の照射を行ってもよい。またレーザー光を照射する代わりに強光（例えば赤外光）を照射するのでもよい。
【００５５】
次に図２（Ｄ）に示すように、層間絶縁膜として酸化珪素膜２０９をプラズマＣＶＤ法で成膜する。そして、コンタクトホールの形成を行い、ソース電極２１０とドレイン電極２１１を形成する。この電極はチタンで構成される。こうして、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタが完成される。
【００５６】
本実施例で作製される薄膜トランジスタは、ガラス基板上に６００℃程度の温度で形成される結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタに比較して、大きな移動度と小さなＯＦＦ電流特性を有している。
【００５７】
移動度が大きいのは、高い結晶性を得られることによって、キャリアの移動度が高くなるからである。また、小さなＯＦＦ電流特性が得られるのは、トラップ準位の密度が小さくなることによって、トラップ準位を経由して移動するキャリアの数が少なくなることによる。
【００５８】
薄膜トランジスタにおけるＯＦＦ電流は、薄膜トランジスタのＯＦＦ動作時（ゲイト電極に逆バイアスが加えられた状態）において、ソース／ドレイン間に流れてしまう電流のことをいう。
【００５９】
ＯＦＦ電流が流れてしまう原因は、特公平３─３８７５５号公報に記載されているように、チャネル形成領域とドレイン領域の界面近傍において、トラップ準位を介して、キャリアが移動してしまうことに起因する。従って、活性層を構成する結晶性珪素膜の結晶性を高め、トラップ準位密度を下げることによって、ＯＦＦ電流の値を小さくすることができる。
【００６０】
〔比較例〕
ここで示す比較例の作製工程は、実施例１に示す工程において、基板としてガラス基板を用い、結晶化のための加熱処理を５５０℃の温度で行うことにより結晶性珪素膜を得、さらにこの結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタを作製する例である。
【００６１】
図１及び図２を用いて本比較例の作製工程を説明する。ここでは、基板１０１としてガラス基板を用いる。そしてまずこのガラス基板１０１上に下地膜として酸化珪素膜１０２を３０００Åの厚さに成膜する。さらに非晶質珪素膜１０３を減圧熱ＣＶＤ法で５００Åの厚さに成膜する。こうして図１（Ａ）に示す状態を得る。
【００６２】
次に実施例１と同様の条件で酢酸ニケッル塩溶液を塗布し、スピナー１０４を用いてスピンコートを行う。（図１（Ｂ））
【００６３】
こうして図１（Ｃ）に示す状態を得る。この状態において、非晶質珪素膜１０３の表面に接してニッケル元素が保持された状態となる。
【００６４】
図１（Ｃ）に示す状態で、５５０℃、４時間の加熱処理を行う。この工程におおて、ニッケル元素の作用によって、結晶性珪素膜１０６を得ることができる。（図１（Ｄ））
【００６５】
次に結晶性珪素膜をパターニングすることにより、薄膜トランジスタの活性層を構成する。この状態を図２（Ａ）に示す。図２（Ａ）に示す状態において、２０１がガラス基板であり、２０２が下地膜の酸化珪素膜であり、２０３が薄膜トランジスタの活性層である。
【００６６】
次にゲイト絶縁膜を構成するＮ型の微結晶珪素膜を成膜し、パターニングを施すことにより、ゲイト電極２０５を形成する。こうして図２（Ｂ）に示す状態を得る。
【００６７】
次にＰ（リン）イオンの注入をプラズマドーピング法でもって行い、ソース領域２０６とドレイン領域２０８、さらにチャネル形成領域２０７を自己整合的に形成する。さらにレーザー光の照射を行うことにより、ソース領域とドレイン領域の再結晶化と活性化とを行う。（図２（Ｃ））
【００６８】
さらに層間絶縁膜２０９をプラズマＣＶＤ法で成膜し、コンタクトホールの形成を行った後にソース電極２１０とドレイン電極２１１とを形成し、薄膜トランジスタを完成させる。
【００６９】
この比較例の薄膜トランジスタの移動度は、実施例１に示す薄膜トランジスタの６０〜７０％程度を有している。しかし、ＯＦＦ電流特性に関しては、実施例１に示す薄膜トランジスタに対して問題とならない程度に悪いものとなる。このＯＦＦ電流特性を改善するためには、オフセットゲイト構造やＬＤＤ構造といった特殊な構造が必要とされる。
【００７０】
また、本比較例に示す薄膜トランジスタは、素子毎の特性のバラツキが著しく大きいという問題がある。この原因は以下のような理由によるものであると考えられる。本実施例に示す薄膜トランジスタの活性層をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察すると、ニッケル元素が集中して存在していることが確認される。周知のように、半導体中に金属元素が局所的に集中して存在していれば、そこで高密度のトラップ準位を形成する。そしてこのような高密度のトラップ準位の存在は、デバイスの劣化や動作の不安定さの要因となる。このような理由で本実施例に示す薄膜トランジスタは、素子間の特性に大きなバラツキがあるものとなってします。
【００７１】
これに対して、実施例１に示す工程で作製された薄膜トランジスタは、素子毎のバラツキが非常に小さいという特徴を有している。また、実施例１に示す工程で作製された薄膜トランジスタの活性層をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によって観察すると、ニッケル元素の局所的な集中がほとんど見られない。このことは、素子毎のバラツキが小さいことを裏付ける。このニッケル元素の局所的な集中がほとんど見られないのは、９５０℃という高い加熱によって、ニッケル元素が珪素膜中において分散してしまうためであると考えられる。
【００７２】
〔実施例４〕
本実施例は実施例１に示す工程によって、図１（Ｄ）に示す結晶性珪素膜１０６を得、さらにレーザー光の照射を行い、その結晶性を高める構成に関する。図１（Ｄ）に示す状態における結晶性珪素膜１０７は、その膜中に少しではあるが非晶質成分を含んでいる。
【００７３】
この非晶質成分は、さらに加熱処理を加えることにより消滅させることができる。即ち、さらに加熱処理を加えることで、より結晶性を高めたものとすることができる。しかし、この加熱処理はさらに数時間を要するものでり、生産性を考慮した場合、好ましい手段とはいえない。
【００７４】
そこで本実施例においては、実施例１に示す工程において、図１（Ｄ）に示す状態を得た後、さらにレーザー光の照射を行い、その結晶性を高めることを特徴とする。
【００７５】
照射するレーザー光としては、紫外領域の波長を有するエキシマレーザー光を用いることが好ましい。ここでは、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを用いる。また照射エネルギー密度は３００〜４００ｍＪ／ｃｍ2 とする。
【００７６】
本実施例に示すように、加熱によって一端結晶化された結晶性珪素膜に対して、レーザー光を照射することで、その結晶性を高めることができる。そしてその効果は、高い再現性でもって得ることができる。
【００７７】
ここでは、レーザー光を用いる例を示したが、赤外光等の強光を照射するのでもよい。
【００７８】
〔実施例５〕
本実施例は、１枚の石英基板上に周辺回路をも一体化した構造を有するアクティブマトリクス型の液晶表示装置に関する。以下、本実施例のアクティブマトリクス回路を得る作製工程について、図３を用いて説明する。
【００７９】
図において、左側に周辺論理回路の薄膜トランジスタ（周辺回路ＴＦＴと記す）の作製工程を、右側にアクティブマトリクス回路の薄膜トランジスタ（画素ＴＦＴと記す）の作製工程を、それぞれ示す。
【００８０】
まず、石英基板３０１上に下地酸化膜３０２として厚さ１０００〜３０００Åの酸化珪素膜を形成する。この酸化珪素膜の形成方法としては、酸素雰囲気中でのスパッタ法やプラズマＣＶＤ法を用いればよい。
【００８１】
その後、プラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法によって非晶質珪素膜を５００Åの厚さに成膜する。さらに実施例１に示した方法と同様の方法により、非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケルを接して保持させる。
【００８２】
次に９００℃、４時間の加熱処理を行うことにより、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成する。この加熱処理の後に、レーザー光の照射や強光の照射によって、さらに結晶性を高めてもよい。
【００８３】
次に得られた結晶性珪素膜をエッチングして、島状の周辺駆動回路の薄膜トランジスタ（図では周辺回路ＴＦＴと記す）の活性層３０３（Ｐチャネル型ＴＦＴ用）、３０４（Ｎチャネル型ＴＦＴ用）と、マトリクス回路の薄膜トランジスタ（図では画素ＴＦＴと記す）の活性層３０５を形成する。
【００８４】
さらに、酸素雰囲気中でのスパッタ法によって、厚さ５００〜２０００Åの酸化珪素膜でなるゲイト絶縁膜３０６を形成する。ゲイト絶縁膜の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法を用いてもよい。プラズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜を形成する場合には、原料ガスとして、一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）もしくは酸素（Ｏ2 ）とモンシラン（ＳｉＨ4 ）を用いることが好ましい。
【００８５】
その後、厚さ２０００Å〜５μｍ、好ましくは２０００〜６０００Åの多結晶シリコン膜（導電性を高めるためＰ（リン）を含有する）を減圧熱ＣＶＤ法によって基板全面に形成する。そして、これをエッチングして、ゲイト電極３０７、３０８、３０９を形成する。（図３（Ａ））
【００８６】
その後、イオンドーピング法によって、全ての島状活性層に、ゲイト電極をマスクとして自己整合的にフォスフィン（ＰＨ3 ）をドーピングガスとしてＰ（リン）を注入する。ドーズ量は１×１０12〜５×１０13原子／ｃｍ2 とする。この結果、弱いＮ型領域３１０、３１１、３１２が形成される。（図３（Ｂ））
【００８７】
次に、Ｐチャネル型薄膜トランジスタの活性層３０３を覆うフォトレジストのマスク３１３を形成する。また同時に画素薄膜トランジスタの活性層３０５のうち、ゲイト電極に平行にゲイト電極３０９の端から３μｍ離れた部分までを覆うフォトレジストのマスク３１４を形成する。
【００８８】
そして、再び、イオンドーピング法によって、フォスフィンをドーピングガスとしてＰ（リン）イオンを注入する。この時、レジストマスク３１３と３１４の下にはＰ（リン）イオンは注入されない。
【００８９】
この結果、強いＮ型領域（ソース／ドレイン）３１５、３１６が形成される。この工程において、画素薄膜トランジスタの活性層３０５の弱いＮ型領域３１２のうち、マスク３１４に覆われていた領域３１７（図３（Ｄ）参照）はＰ（リン）が注入されず、弱いＮ型のままとなる。（図３（Ｃ））
【００９０】
次に、Ｎチャネル型薄膜トランジスタの活性層３０４、３０５をフォトレジストのマスク３１８で覆い、ジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）をドーピングガスとして、イオンドーピング法により、島状領域１０３にＢ（ボロン）を注入する。ドーズ量は５×１０14〜８×１０15原子／ｃｍ2 とする。このドーピングでは、Ｂのドーズ量が図３（Ｃ）におけるＰのドーズ量を上回るため、先に形成されていた弱いＮ型領域３１０は強いＰ型領域３１９に反転する。
【００９１】
以上のドーピングにより、強いＮ型領域（ソース／ドレイン）３１５、３１６、強いＰ型領域（ソース／ドレイン）３１９、弱いＮ型領域（低濃度不純物領域）３１７が形成される。本実施例では、低濃度不純物領域３１７の幅ｘは、フォトレジストのマスク１１４の大きさより約３μｍとなる。この低濃度不純物領域３１７のドレイン領域側はＬＤＤ領域として機能する。（図３（Ｄ））
【００９２】
その後、９００℃の温度で２時間の加熱処理を施すことにより、ドーピングによるダメージを回復させる。また同時にドーピング不純物を活性化させる。その後、全面に層間絶縁物３２０として、プラズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ５０００Åの厚さに成膜する。これは、窒化珪素膜あるいは酸化珪素膜と窒化珪素膜の多層膜であってもよい。そして、層間絶縁物３２０をウェットエッチング法によってエッチングして、ソース／ドレインにコンタクトホールを形成する。
【００９３】
そして、スパッタ法によって、厚さ４０００Åのチタン膜を形成し、これをエッチングして、周辺回路の電極・配線３２１、３２２、３２３を形成する。また同時に画素薄膜トランジスタの電極・配線３２４、３２５を形成する。さらに、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０００Åの窒化珪素膜３２６をパッシベーション膜として形成する。そしてこれをエッチングして、画素薄膜トランジスタの電極３２５に達するコンタクトホールを形成する。最後に、スパッタ法で成膜した厚さ１５００ÅのＩＴＯ（インディウム錫酸化物）膜をエッチングして、画素電極３２７を形成する。このようにして、周辺回路とアクティブマトリクス回路を一体化して形成することができる。（図３（Ｅ））
【００９４】
〔実施例６〕
本実施例は、実施例１に示す工程において、非晶質珪素膜１０３の代わりに微結晶珪素膜を用いることを特徴とする。微結晶珪素膜を成膜するには、原料ガスとしてジシランを用いた減圧熱ＣＶＤ法を用いればよい。本実施例の場合、加熱処理によって非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成するのではなく、加熱処理によって、微結晶珪素膜の結晶性を助長させ、さらに結晶性の高い結晶性珪素膜を得ることになる。
【００９５】
【発明の効果】
本明細書で開示する発明を利用することで、非常に結晶性の優れた結晶性珪素膜を得ることができる。特に、
・珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することで、高い結晶性を得ることができる。
・珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することで、結晶化の時間を短いものとすることができる。
・８００℃〜１１００℃という高温で加熱処理を行うことによって、金属元素が局部的に集中して存在してしまうことを防ぐことができる。
・高い結晶性を有しているが故に高い移動度を有する薄膜トランジスタを構成することができる。
・高い結晶性を有しており、かつ金属元素の集中がないので、ＯＦＦ電流値の低い薄膜トランジスタを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例における結晶性珪素膜の作製工程を示す。
【図２】 実施例における薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【図３】 実施例における薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【符号の説明】
１０１、２０１ 石英基板（またはガラス基板）
３０１ 石英基板
１０２、２０２、３０２ 下地膜（酸化珪素膜）
１０３ 非晶質珪素膜
１０４ スピナー
１０５ ニッケル酢酸塩溶液の水膜
１０７ 結晶性珪素膜
２０３、３０３、３０４、３０５ 活性層
２０４、３０６ ゲイト絶縁膜
２０５、３０７、３０８、３０９ ゲイト電極
２０６ ソース領域
２０７ チャネル形成領域
２０８ ドレイン領域
２０９、３２０ 層間絶縁膜
２１０ ソース電極
２１１ ドレイン電極
３１ 実施例の薄膜トランジスタの特性
３２ 比較例た薄膜トランジスタの特性
３１０、３１５、３１６ ソース／ドレイン領域
３１７ 低濃度不純物領域
３１３ レジストマスク
３１４ レジストマスク
３１８ レジストマスク
３２１、３２２、３２３、３２４ 電極
３２５ 電極
３２６ パッシベーション膜
３２７ ＩＴＯ電極（画素電極）
Claims (4)
- 石英基板上に成膜された非晶質珪素膜の表面全体に珪素の結晶化を助長する金属元素を含んだ溶液を塗布し、
前記非晶質珪素膜に８００℃〜１１００℃の温度で加熱処理を行い、前記温度から７００℃まで０．５℃／分の速度で徐冷することにより、結晶性珪素膜を形成することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。 - 請求項１において、
前記結晶性珪素膜にレーザー光を照射することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。 - 請求項１又は請求項２において、
前記溶液には、界面活性剤が含まれていることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記金属元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕのいずれか一種または複数種類の元素を用いることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
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