JP4450900B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、絶縁ゲート型トランジスタ等の半導体素子からなる半導体回路を備えた半導体装置の構造およびその作製方法に関する。特に、絶縁表面上に結晶質半導体膜を形成する技術に関する。本発明の半導体装置は、薄膜トランジスタ(TFT)やMOSトランジスタ等の素子だけでなく、これら絶縁ゲート型トランジスタで構成された半導体回路を有する表示装置やイメージセンサ等の電気光学装置をも含むものである。加えて、本発明の半導体装置は、これらの表示装置および電気光学装置を搭載した電子機器をも含むものである。
【0002】
【従来の技術】
絶縁性を有する基板上に形成された薄膜トランジスタ(TFT)により画素部および駆動回路を構成したアクティブマトリクス型液晶ディスプレイが注目を浴びている。液晶ディスプレイは0.5〜20インチ程度のものまで表示ディスプレイとして利用されている。
【0003】
現在、高精細な表示が可能な液晶ディスプレイを実現するために、ポリシリコンで代表される結晶質半導体膜を活性層とするTFTが注目されている。しかしながら、結晶質半導体膜を活性層とするTFTは、非晶質半導体膜を活性層とするTFTと比較して動作速度や駆動能力が高い一方、個々のTFT特性の制御が困難であった。
【0004】
このTFT特性の制御が困難である原因の一つとしては、活性層と絶縁膜の界面の特性が挙げられる。この界面が汚染されると、TFT特性を制御性よく作製することは困難である。そのため、活性層と該活性層に接する絶縁膜との界面を清浄化することが重要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
現在、TFTには高移動度が求められており、TFTの活性層としては、非晶質半導体膜よりも移動度の高い結晶質半導体膜を用いることが有力視されている。以下に結晶質半導体膜を用いた従来のトップゲート型TFTの作製方法を簡単に説明する。
【0006】
まず、絶縁表面を有する基板上に下地絶縁膜(以下、本明細書では下地膜と称す)を形成して、熱処理を施した後、アモルファスシリコン膜(非晶質珪素膜)を成膜する。次に、このアモルファスシリコン膜を加熱、またはレーザー光の照射等の結晶化処理を施してポリシリコン膜(多結晶珪素膜)を形成する。次いで、このポリシリコン膜を所望の形状にパターニングした後、その上に絶縁膜(ゲート絶縁層)と導電膜(ゲート配線形成材料層)を堆積し、これらをパターニングしてゲート配線を形成する。次いで、P型またはN型の導電性を付与する不純物をポリシリコン膜に選択的に導入してソース領域、ドレイン領域となる不純物領域を形成する。続いて、層間絶縁膜を堆積し、ソース領域、ドレイン領域上を露出させるコンタクトホールを形成した後、金属膜を形成し、これをパターニングしてソース領域、ドレイン領域と接触する金属配線を形成する。こうして、TFTの作製工程を完了する。
【0007】
上記従来技術は、下地膜を形成した後、TFTの信頼性を向上させるために熱処理を行う際、大気に下地膜の表面がさらされる。この時、下地膜表面が大気中の不純物(ボロン、酸素、水分、ナトリウム等)によって汚染される。この大気にさらされて汚染した下地膜上に接して活性層となる半導体膜を積層形成すると、活性層、特にチャネル形成領域と下地膜との界面特性が低下し、TFTの電気的特性の低下を引き起こす原因となっていた。
【0008】
特にクリーンルーム内の大気は、清浄化のため一般的に使用されているHEPAフィルタからのボロン(ホウ素)を含んでいるため、大気にさらされた膜の表面にボロンが不定量混入する。HEPAフィルタはガラスを網目状に形成したものであり、空気中の微小パーティクルを除去するのに用いられている。網目状の構造を作りやすくするためにガラスにはボロンが多量に含まれている。また、HEPAフィルター以外の他のフィルターを用いることは製造コスト低減化の観点からは不利であった。
【0009】
この大気中の不純物の影響を調べるために、絶縁性を有する下地膜を形成した後、大気にさらしてから非晶質珪素膜からなる半導体膜の積層形成を行いTFTを作製した。そのSIMS分析を行った場合、TFTの活性層の界面(主表面側または裏面側)にボロンの濃度ピークが見られ、その最高値は3×1017atoms /cm3 以上であった。このようにボロンが半導体膜からなる活性層中に混入してしまうと、その後のプロセス(熱処理、レーザー光処理等)により拡散、活性化されて活性層中の不純物濃度の制御が困難となる。また、TFTの電気特性の測定を行った場合、特に、しきい値電圧がプラスにシフトする現象が見られた。
【0010】
また、半導体膜からなる活性層中に不純物(ボロン、酸素、水分、ナトリウム等)が混入した場合、半導体膜の結晶化工程においても、半導体膜の結晶化を阻害していた。
【0011】
本発明は、活性層、特にチャネル形成領域を構成する領域と下地膜との界面を良好なものとすることにより、TFTの特性(しきい値電圧等)を向上させるとともに高い信頼性を有する半導体素子からなる半導体回路を備えた半導体装置およびその作製方法を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するため、本発明は、第1の下地膜を形成した後、熱処理を施し、次いで、第2の下地膜(第1の下地膜より薄い膜厚を有する絶縁膜)と半導体膜とを大気にふれさせることなく積層形成することを一つの特徴としている。この様な構成により活性層、特にチャネル形成領域を構成する領域と第2の下地膜との界面の汚染を防ぎ、安定且つ良好な電気特性を実現する。
【0013】
本明細書で開示する発明の第1の構成は、
基板上に第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜に接する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜に接するチャネル形成領域と、前記チャネル形成領域の両側に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記チャネル形成領域に接するゲート絶縁層と、
前記チャネル形成領域上に前記ゲート絶縁層を介して設けられたゲート配線とを有し、
前記第2の絶縁膜の膜厚は、前記第1の絶縁膜より薄いことを特徴とする半導体素子からなる半導体回路を備えた半導体装置である。
【0014】
上記構成において、前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜との界面における不純物濃度は、前記第2の絶縁膜と前記チャネル形成領域との界面における不純物濃度より高いことを特徴としている。
【0015】
また、上記構成において、前記第2の絶縁膜及び前記チャネル形成領域は、順次大気にふれることなく積層形成する工程を少なくとも経て形成されたことを特徴としている。
【0016】
また、上記構成において、前記第1の絶縁膜は、熱処理する工程を少なくとも経て形成されたことを特徴としている。
【0017】
また、上記構成において、前記第1の絶縁膜は膜厚100〜500nmであることを特徴としている。
【0018】
また、上記構成において、前記第2の絶縁膜は膜厚10〜100nmであることを特徴としている。
【0019】
また、上記構成において、前記第2の絶縁膜は、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化珪素膜から選ばれた単層膜、またはそれらの積層膜であることを特徴としている。
【0020】
また、上記構成において、前記チャネル形成領域と前記ソース領域との間、または前記チャネル形成領域と前記ドレイン領域との間の少なくとも一方には、低濃度不純物領域が設けられていることを特徴している。
【0021】
また、上記構成において、少なくとも前記ソース領域及び前記ドレイン領域には珪素の結晶化を助長する触媒元素が含まれていることを特徴としている。
【0022】
また、上記触媒元素は、Ni、Fe、Co、Pt、Cu、Au、Geから選ばれた少なくとも1つの元素、または複数の元素であることを特徴としている。
【0023】
なお、本明細書において「非晶質半導体膜」とは、代表的には非晶質を有する半導体膜、例えば微結晶を有する非晶質半導体膜等を指し、これら半導体膜は、Si膜、Ge膜、化合物半導体膜〔例えば、SiX Ge 1-X(0<X<1)で示される非晶質シリコンゲルマニウム膜等〕)からなる膜である。この半導体膜は公知の技術、例えば減圧熱CVD法、熱CVD法、PCVD法等を用いて成膜できる。
【0024】
なお、本明細書において「結晶質半導体膜」とは、単結晶半導体膜、結晶粒界を含む半導体膜(多結晶半導体膜及び微結晶半導体膜を含む)を指し、全域に渡って非晶質状態である半導体膜(非晶質半導体膜)との区別を明確にしている。勿論、本明細書において「半導体膜」と記載されていれば、結晶質半導体膜以外に非晶質半導体膜も含まれることは言うまでもない。
【0025】
また、本明細書において「半導体素子」とは、スイッチング素子やメモリ素子、例えば薄膜トランジスタ(TFT)や薄膜ダイオード(TFD)等を指している。
【0026】
また、本発明の半導体装置を作製する第1の作製方法の構成は、
基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜を熱処理する工程と、
前記第1の絶縁膜上に、第2の絶縁膜と半導体膜とを順次大気にふれることなく積層形成する工程と、
前記半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜を形成する工程と、
を有していることを特徴とする半導体素子からなる半導体回路を備えた半導体装置の作製方法である。
【0027】
また、本発明の半導体装置を作製する第2の作製方法の構成は、
基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜を熱処理する工程と、
前記第1の絶縁膜上に、第2の絶縁膜と半導体膜とを順次大気にふれることなく積層形成する工程と、
前記半導体膜の少なくとも一部に結晶化を助長する触媒元素を添加する工程と、
前記半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜を形成する工程と、
を有していることを特徴とする半導体素子からなる半導体回路を備えた半導体装置の作製方法である。
【0028】
また、本発明の半導体装置を作製する第3の作製方法の構成は、
基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜を熱処理する工程と、
前記第1の絶縁膜上に、第2の絶縁膜と半導体膜とを順次大気にふれることなく積層形成する工程と、
前記半導体膜の少なくとも一部に結晶化を助長する触媒元素を添加する工程と、
前記半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜を形成する工程と、
前記触媒元素をゲッタリングする工程と、
を有していることを特徴とする半導体素子からなる半導体回路を備えた半導体装置の作製方法である。
【0029】
また、上記第1乃至3の作製方法の構成のいずれか一において、前記第2の絶縁膜の膜厚は、前記第1の絶縁膜の膜厚より薄く形成することを特徴としている。
【0030】
また、上記第1乃至3の作製方法の構成のいずれか一において、前記第1の絶縁膜を熱処理する工程の加熱温度は、200〜700℃であることを特徴としている。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を説明する。
【0032】
本発明者は、様々な構造を有するTFTの作製実験をおこなったが、使用したクリーンルームの清浄度がある程度、制御されているにもかかわらず、TFTのしきい値電圧がバラツキ、それが画像のバラツキとして確認されてしまっていた。
【0033】
このようなTFTの電気特性、特にしきい値電圧のバラツキの問題を解決することを目的とした従来技術としては下地膜と半導体膜を連続形成することが有効な手段の一つとして挙げられる。
【0034】
しかしながら、単に下地膜と半導体膜を連続成膜することだけでは優れた特性のTFTは決して得られることなく、信頼性においては極めて低いものとなった。特に、高画質、高精細な表示を得るため、要求されているディスプレイの表示画素数が年々増加しており、大量生産を実施する際において、しきい値電圧のバラツキと同様にTFTの信頼性が重要視されている。そこで、本発明者は、TFTの信頼性を向上させるためには膜厚200nm以上の下地膜を熱処理すればよいことを様々な実験結果により見出した。しかし、下地膜を熱処理すると、下地膜と半導体膜の間の界面を清浄にすることができないため、しきい値電圧がばらついた。
【0035】
そこで、本発明者は、第1の下地膜を熱処理した後、第2の下地膜と半導体膜を連続形成することによって従来にない極めて高性能なTFTが作製されることを見出した。この本発明の構成は、単なる従来技術の組み合わせではなく、第1の下地膜の熱処理と、第2の下地膜と半導体膜の間の清浄な界面形成と、熱処理された第1の下地膜と半導体膜の間の応力の緩和と、各膜同士の密着性の向上とが行われることによって初めて得られる複合的な技術の結果であり、その結果がこれまでのTFT特性から飛躍的な進歩を可能としたのである。
【0036】
本願発明の第2の下地膜としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜(SiOX Ny )、またはこれらの積層膜等を用いることができる。応力の緩和を重視するなら酸化珪素膜が好ましい。また、不純物の拡散防止を重視するなら窒化珪素膜が好ましい。特に、窒化珪素膜よりも応力が小さく、酸化珪素膜より不純物の拡散防止効果の高い窒化酸化珪素膜が最適である。この第2の下地膜101bの形成手段としては熱CVD法、プラズマCVD法、スパッタ法、蒸着法、減圧熱CVD法等の公知の手段を用いて半導体膜と連続形成することができる。また、この第2の下地膜の膜厚範囲が、10〜100nm、好ましくは20〜60nmであれば、半導体膜との清浄な界面を形成するとともに、第1の下地膜と熱膨張係数に差がある半導体膜の間の応力を緩和するバッファ層の役目を果たすことができる。
【0037】
本願発明によれば、大規模なクリーンルーム内においても、そのクリーンルーム内の清浄度にかかわらず、極めて高品質な半導体膜、清浄な界面が同時に実現可能である。従って、クリーンルームを清浄化することによるコストアップを抑えることができる。
【0038】
また、本願発明によれば、大気解放によるバラツキを低減することができるため、ロット間や基板間でのバラツキも低減できる。
【0039】
上記本願発明の実施形態について以下に示す実施例でもってさらに詳細な説明を行うこととする。
【0040】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明するが、特にこれらの実施例に限定されないことは勿論である。
【0041】
〔実施例1〕 本実施例では本願発明を用いてトップゲート型TFTを作製する場合の例について説明する。なお、本実施例ではNチャネル型TFTを用いて説明を行う。
【0042】
本発明の半導体装置およびその作製方法の実施形態を示す簡略断面図である図1〜図4を用いて簡略に説明する。
【0043】
まず、基板100を用意する。基板100としては、ガラス基板、石英基板、結晶性ガラスなどの絶縁性基板、セラミック基板、ステンレス基板、金属(タンタル、タングステン、モリブデン等)基板、半導体基板、プラスチック基板(ポリエチレンテレフタレート基板)等を用いることができる。本実施例においては基板100としてガラス基板(コーニング1737;歪点667℃)を用いた。
【0044】
次に、基板100上に第1の絶縁膜(以下、本明細書中では第1の下地膜と称す)101aを形成する。第1の下地膜101aとしては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜(SiOX Ny )、またはこれらの積層膜等を用いることができる。第1の下地膜101aの形成手段としては熱CVD法、プラズマCVD法、スパッタ法、蒸着法、減圧熱CVD法等の公知の手段を用い、100〜500nmの膜厚範囲で用いることができる。なお、200nm以上の膜厚を有した下地膜を熱処理すれば、基板からの不純物の拡散を十分防ぐことができるため、信頼性の高いTFTを作製することができる。本実施例では、第1の下地膜101aとして、TEOSと酸素(O2 )を原料ガスに用い、プラズマCVD装置によって膜厚200nmの酸化珪素膜を成膜した。(図1(A))
【0045】
次いで、第1の下地膜101aに熱処理を施し、第1の下地膜101a’を形成する。(図1(B))ここでの熱処理は基板の歪点以下、好ましくは200〜700℃で行う。本実施例では640℃、4時間の熱処理を行った。この熱処理は、TFTの信頼性を向上させるために必要である。この際、第1の下地膜101aの表面は大気にさらされる。
【0046】
次いで、熱処理された第1の下地膜101a’上に、第2の絶縁膜101b(以下、本明細書中では第2の下地膜と称す)と半導体膜102とを大気にふれさせることなく積層形成する。(図1(C))こうすることにより、半導体膜、特にチャネル形成領域を構成する領域と第2の下地膜101bとの界面を良好なものとした。
【0047】
また、半導体膜と熱処理された第1の下地膜は直接接していないが、第1の下地膜と比較して第2の下地膜の膜厚を薄くすることにより、TFTの信頼性を向上することができた。
【0048】
即ち、本実施例においては、熱処理された第1の下地膜によりTFTの信頼性を向上させ、さらに第2の下地膜により良好なSi/SiO2 界面を形成させる。なお、第1の下地膜と第2の下地膜との界面における不純物の濃度は大気にふれるため、第2の下地膜と活性層との界面と比較して高く、界面において急峻なピークを示した。特にボロン元素の濃度のピークの最高値は3×1017atoms /cm3 以上であった。
【0049】
第2の下地膜101bとしては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜(SiOX Ny )、またはこれらの積層膜等を用いることができる。この第2の下地膜101bの形成手段としては熱CVD法、プラズマCVD法、スパッタ法、蒸着法、減圧熱CVD法等の公知の手段を用い、10〜100nm、好ましくは20〜60nmの膜厚範囲で用いることができる。本実施例では、第2の下地膜101bとしてTEOSと酸素(O2 )を原料ガスに用い、プラズマCVD装置によって膜厚20nmの酸化珪素膜を成膜した。
【0050】
また、半導体膜102としては、非晶質珪素膜、微結晶を有する非晶質半導体膜、微結晶半導体膜、非晶質ゲルマニウム膜、SiX Ge 1-X(0<X<1)で示される非晶質シリコンゲルマニウム膜、またはこれらの積層膜を20〜70nm(代表的には40〜50nm)の膜厚範囲で用いることができる。半導体膜102の形成手段としては熱CVD法、プラズマCVD法、減圧熱CVD法、スパッタ法等の公知の手段を用いることができる。本実施例では、半導体膜102として非晶質珪素膜を50nmの膜厚で成膜した。
【0051】
なお、本実施例では第2の下地膜を形成する第1のチャンバー44と、半導体膜を形成する第2のチャンバー45とを少なくとも備えたマルチチャンバー(図7に示す装置)を用いて、大気にふれることなく各チャンバー間を移動させることにより積層形成させた。また、同一チャンバーで反応ガスを入れ換えることにより積層形成する構成としてもよい。
【0052】
こうして図1(C)の状態が得られたら、非晶質珪素膜からなる半導体膜102に結晶化処理を施して結晶質珪素膜からなる半導体膜102’を形成する。本実施例では半導体膜に対して赤外光または紫外光の照射による結晶化(以下、レーザー結晶化と呼ぶ)を行った。結晶化技術として紫外光を用いる場合はエキシマレーザー光または紫外光ランプから発生する強光を用いればよく、赤外光を用いる場合は赤外線レーザー光または赤外線ランプから発生する強光を用いればよい。本実施例では大気中でエキシマレーザー光を線状にビーム形成して照射した。(図1(D))なお、大気にさらしてレーザー結晶化を行った場合には表面に薄い酸化膜が形成されるが本実施例では簡略化のため図示しない。また、本実施例では大気中で行ったが、特に限定されず、不活性雰囲気、または真空中でレーザー結晶化してもよい。
【0053】
また、結晶化処理としては、公知の如何なる技術、例えばレーザー結晶化処理、熱結晶化処理、または触媒元素を用いた熱結晶化処理を用いることができる。なお、レーザー結晶化の条件(レーザー光の波長、オーバーラップ率、照射強度、パルス幅、繰り返し周波数、照射時間等)は、絶縁膜105の膜厚、初期半導体膜104の膜厚、基板温度等を考慮して実施者が適宜決定すればよい。照射条件としては、パルス周波数が30Hz、オーバーラップ率は96%、レーザーエネルギー密度は100〜500mJ/cm2であり本実施例では359mJ/cm2とした。また、レーザー結晶化の条件によっては、半導体膜が溶融状態を経過して結晶化する場合や、半導体膜が溶融せずに固相状態、もしくは固相と液相の中間状態で結晶化する場合がある。
【0054】
次いで、得られた半導体膜102’をパターニングして、所望の形状を有する活性層103を形成した。(図1(E))
【0055】
なお、図1(D)または図1(E)の工程後、しきい値電圧制御をするために不純物の添加を行ない、チャネル形成領域となる領域に不純物を添加する工程を加えてもよい。また、図1(D)と図1(E)の工程順序を変更して、半導体膜をパターニングした後、結晶化させてもよい。
【0056】
次に、活性層を覆って、絶縁膜(後の工程によりゲート絶縁層となる)104と(導電膜ゲート配線形成材料層)105を形成した。(図2(A))絶縁膜104としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜(SiOX Ny )、有機樹脂膜(BCB膜等)、またはこれらの積層膜等を用いることができる。第3の絶縁膜104の形成手段としては熱CVD法、プラズマCVD法、減圧熱CVD法、スパッタ法、蒸着法、塗布法等の公知の手段を用い、10〜300nmの膜厚範囲で用いることができる。本実施例では、第3の絶縁膜104として酸化珪素膜を150nmの膜厚で成膜した。
【0057】
また、導電膜105としては、導電性材料または半導体材料、例えば、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、シリコン(Si)、シリサイド等を主成分とする層からなる単層構造または積層構造を用いることができる。導電膜105としては、10〜500nmの膜厚範囲で用いることができる。本実施例では導電膜105としてアルミニウム膜を400nmの膜厚で成膜した。
【0058】
次いで、マスク108を用いて導電膜105をパターニングしてゲート配線を形成する材料層107を形成し、さらに第3の絶縁膜104をパターニングしてゲート絶縁層106を形成した。(図2(B))
【0059】
そして、本実施例では、ゲート配線を形成する材料層107に第1の陽極酸化を施して多孔質な陽極酸化膜(図示しない)を形成した。さらに第2の陽極酸化膜を施して緻密な陽極酸化膜109を形成し、その後、多孔質な陽極酸化膜とマスク108を除去した。また、上記陽極酸化を施さず、ゲート配線を保護するためにゲート配線を覆う絶縁膜からなる保護膜を形成する工程を加えてもよい。
【0060】
次いで、ゲート配線をマスクとして、N型の導電性を付与する不純物を活性層103に添加する。また、活性層に選択的に所定の領域に添加するためのマスクを形成してもよい。不純物の添加は、イオン注入法、プラズマドーピング法、レーザードーピング法等の公知の手段を用いればよい。ただし、不純物イオンが活性層の所定の領域に所望の量添加されるようにドーピング条件、ドーズ量、加速電圧等を調節する。本実施例では、N型の導電性を付与する不純物としてリン元素を用い、112、113で示される低濃度不純物領域のリン濃度が、SIMS分析で1×1015〜1×1017atoms /cm3 になるように調節した。また、110、111で示される高濃度不純物領域のリン濃度が、SIMS分析で1×1020〜8×1021atoms /cm3 になるように調節した。(図2(C))
【0061】
高濃度不純物領域(n+ 型領域)110、111はソース領域、ドレイン領域となり、低濃度不純物領域(n- 型領域)112、113はLDD領域となる。また、リンイオン、ボロンイオンが注入されなかった領域が後にキャリアの移動経路となる真性または実質的に真性なチャネル形成領域114となる。
【0062】
なお、本明細書中で真性とは、シリコンのフェルミレベルを変化させうる不純物を一切含まない領域を指し、実質的に真性な領域とは、電子と正孔が完全に釣り合って導電型を相殺させた領域、即ち、しきい値電圧制御が可能な濃度範囲(SIMS分析で1×1015〜1×1017atoms /cm3 )でN型またはP型を付与する不純物を含む領域、または意図的に逆導電型不純物を添加することにより導電型を相殺させた領域を示す。
【0063】
また、図2(B)において、絶縁膜104のパターニングを行わず、絶縁膜104を介して不純物の添加を行った後、絶縁膜104のパターニングを行う工程としてもよい。
【0064】
次に、ソース領域およびドレイン領域における不純物の活性化効果、またはドーピング工程で損傷した活性層の結晶構造の回復効果を得るための公知の技術、例えば熱アニールまたはレーザーアニールを行う。本実施例では、照射条件がパルス周波数50Hz、レーザーエネルギー密度179mJ/cm2のレーザー光を照射した後、熱活性化処理(窒素雰囲気下、450℃、2時間)を施した。
【0065】
次いで、層間絶縁膜115を成膜し、ソース領域、ドレイン領域上を露出させるコンタクトホールを形成した後、金属膜を形成し、これをパターニングして、ソース領域、ドレイン領域と接触する金属配線116〜117を形成する。最後に水素化処理(水素雰囲気、350℃、2時間)を行なう。(図2(D))こうして、本実施例におけるNチャネル型TFTの作製を完了する。
【0066】
本実施例では第2の下地膜と前記チャネル形成領域との界面における酸素の濃度を2×1019atoms /cm3 以下、炭素、窒素の濃度を5×1018atoms /cm3 以下とすることができた。
【0067】
なお、本実施例ではNチャネル型TFTの作製方法を例示したが、Pチャネル型TFTにするならば、上記不純物添加工程で不純物イオンとしてP型を付与するボロンイオンを添加すればよい。
【0068】
本実施例においては、第2の下地膜の影響および絶縁膜の熱処理の影響を比較するために、本実施例の作製方法におけるTFTのしきい値電圧と、本実施例とは異なる作製方法によるTFTのしきい値電圧とを測定した。また、第2の下地膜の膜厚の影響を比較するために、上記作製方法を用いて第2の下地膜の膜厚の異なるTFTを作製し、各々のTFTのしきい値電圧(Vth)を測定した。本実施例では、同一条件で作製された複数の基板を用意して、それら基板内のランダムな測定点におけるTFT〔L(チャネル長)/W(チャネル幅)=8/200μm〕をルートID外挿法(ドレイン電圧VD =14V、ゲート電圧VG =−20V〜20V)を用いて測定した。図8はNチャネル型TFTのしきい値電圧の分布図であり、図9はPチャネル型TFTのしきい値電圧の分布図を示す。
【0069】
なお、本明細書中でしきい値電圧(Vth)とは、TFTをオフ状態からオン状態に変化させるために必要なゲート配線に印加する電圧値を示す。
【0070】
また、同様に図10はNチャネル型TFTのしきい値電圧の変化量(ΔVth)であり、図11はPチャネル型TFTのしきい値電圧の変動を示す。ΔVthは、ルートID外挿法による測定を10回連続して行なうことによってTFT〔L/W=8/8μm〕にストレスを与え、1回目のしきい値電圧Vth1 と10回目のVth10を測定し、その変化量をΔVthとしている。このΔVthの値が小さければ小さい程、TFTの劣化が少なく信頼性が高いことを示す。
【0071】
以下に示した作製条件によるTFTをそれぞれ(基板2〜3枚、各基板内4〜16点)測定し、データA〜Hを得た。
【0072】
A)下地膜とa-Si膜を連続形成したTFT(従来例1)
B)下地膜を形成した後、a-Si膜を成膜したTFT(従来例2)
C)下地膜を形成し熱処理を行なった後、a-Si膜を成膜したTFT(従来例3)
D)第1の下地膜を形成し熱処理を行なった後、第2の下地膜(5nm)とa-Si膜を連続形成したTFT
E)第1の下地膜を形成し熱処理を行なった後、第2の下地膜(10nm)とa-Si膜を連続形成したTFT
F)第1の下地膜を形成し熱処理を行なった後、第2の下地膜(20nm)とa-Si膜を連続形成したTFT(本実施例)
G)第1の下地膜を形成し熱処理を行なった後、第2の下地膜(50nm)とa-Si膜を連続形成したTFT
H)第1の下地膜を形成し熱処理を行なった後、第2の下地膜(100nm)とa-Si膜を連続形成したTFT
【0073】
以下に第2の下地膜の影響を考察する。
【0074】
図8〜図11に示したデータA(従来例1)に注目すると、データCのVthについては2〜3Vに抑えられ良好な値を示しているが、ΔVthが大きいために信頼性の低いTFTとなっている。
【0075】
また、データB(従来例2)に注目すると、VthについてはデータAと比較して若干プラスにシフトしており、データAと同様にΔVthが大きくなっている。これらの結果(データA及びB)から、下地膜とa-Si膜を大気にふれさせずに連続形成すると、不純物の少ない界面を保持できるため、Vthのプラスシフトを抑えられることを本発明者は見出した。
【0076】
また、データC(従来例3)に注目すると、Vthについては大幅にプラスにシフトしており5〜8Vとなっているが、ΔVthが非常に小さく信頼性の高いTFTとなっている。これらの結果から、下地膜を熱処理すると、しきい値電圧の変化量ΔVthを小さくすることができる、即ちTFTの信頼性が向上することを本発明者は見出した。
【0077】
これら従来例1〜3のTFTに対して、本実施例のTFTは、第1の下地膜を熱処理した後、薄い第2の下地膜とa-Si膜(半導体膜)を連続形成することによって、データD〜H、特にデータE(本実施例)からわかるように、Vthのプラスシフトが抑えられ、且つ、ΔVthが小さく信頼性の高いTFTとなった。
【0078】
以上の知見から、しきい値電圧(Vth)は、半導体膜に直接接する膜、即ち、薄い第2の下地膜とa-Si膜の界面特性に左右されるが、しきい値電圧の変動(ΔVth)は、半導体に直接接する膜、即ち、薄い第2の下地膜に起因するものではなく、熱処理された第1の下地膜に起因していることを本発明者は見出した。また、第2の下地膜は、第1の下地膜と半導体膜との間の応力を緩和するバッファ層として機能していることを本発明者は見出した。
【0079】
また、以下に第2の下地膜の膜厚の影響を考察する。
【0080】
図8及び図9に示したデータD〜Hを見ると、Vthは第2の下地膜の膜厚に対し、Nチャネル型TFTでは単調減少し、Pチャネル型TFTでは一度大きく負に変化した後単調増加している。また、図10および図11に示したデータD〜Hを見ると、ΔVthは第2の下地膜の膜厚に対し、Pチャネル型TFTでは20nm以上で低減されており、Nチャネル型TFTでは50nm以上で増加している。
【0081】
これらの結果から第1の下地膜を200nmとした場合、第2の膜厚は、10nm以上、好ましくは20〜50nmが望ましい。ただし、上記膜厚は設定膜厚であり、実際の膜厚は、設定膜厚より大きめとなるため、第2の膜厚は、実測値で20〜60nmとすることが望ましい。
【0082】
なお、本実施例では、しきい値電圧の変化量(ΔVth)を測定するための信頼性試験を行ったが、特に限定されず、一般的なBias-Tempreture-Stressによる信頼性試験でも同様の実験結果が得られる。
【0083】
本実施例の作製方法を利用して半導体素子(TFT)からなる半導体回路を備えた半導体装置について、図3及び図4を用いてその構造の一例を説明する。
【0084】
本実施例では、図3に周辺駆動回路部の一部を構成するCMOS回路(インバータ回路)が示されている。また、図3に使われている符号は図1または図2と同一である。図3において、インバ─タ回路の上面図の点線A−A’で切断した断面が、CMOS回路の断面構造に相当する。なお、図3(A)のインバータ回路図、インバータ回路の上面図における各端子部a、b、c、dは対応している。
【0085】
図3において、いずれのTFT(薄膜トランジスタ)も基板100上に設けられた第1の下地膜101a’と第2の下地膜101bとの積層膜上に形成される。インバータ回路のNチャネル型TFTの場合には、第2の下地膜上に活性層としてチャネル形成領域114とN型の高濃度不純物領域(n+ 型領域)110、111と、前記チャネル形成領域と前記高濃度不純物領域の間に低濃度不純物領域(n- 型領域)112、113が形成されている。そして前記チャネル形成領域上には、ゲート絶縁層106を介してゲート配線107’が形成されている。ゲート配線106は陽極酸化膜109で保護されている。その上を覆う第1の層間絶縁膜115にコンタクトホールを形成して高濃度不純物領域に配線116、117が接続されている。
【0086】
一方、Pチャネル型のTFTは、活性層として高濃度不純物領域(p+ 型領域)110’、111’と、チャネル形成領域114’と、前記p+ 型領域とチャネル形成領域の間に低濃度不純物領域(p- 型領域)112’、113’が形成される。p+ 型領域110’、111’には配線116、117’が形成される。活性層以外の部分は、上記Nチャネル型TFTと概略同一構造である。
【0087】
また、図4に画素部の一部を構成する画素TFT(Nチャネル型TFT)が示されている。また、図4に使われている符号は図1または図2と同一である。また、図4(A)において、点線A−A’で切断した断面が、図4(B)の画素部の断面構造に相当する。
【0088】
画素部に形成されたNチャネル型TFTについては、第1の層間絶縁膜115を形成する部分まで、インバータ回路のNチャネル型TFTと同一構造である。そして、高濃度不純物領域(n+ 型領域)110、111には配線116、117が接続され、その上に第2の層間絶縁膜118と、ブラックマスク119とが形成される。さらに、その上に第3の層間絶縁膜120が形成され、ITO、SnO2 等の透明導電膜からなる画素電極121が接続される。この画素電極は画素TFTを覆い、且つブラックマスクと補助容量を形成している。本実施例では一例として透過型のLCDを作製したが特に限定されない。例えば、画素電極の材料として反射性を有する金属材料を用い、画素電極のパターニングの変更、または幾つかの工程の追加/削除を適宜行えば反射型のLCDを作製することが可能である。
【0089】
なお、本実施例では、画素部の画素TFTのゲート配線をダブルゲート構造としているが、オフ電流のバラツキを低減するために、トリプルゲート構造等のマルチゲート構造としても構わない。また、開口率を向上させるためにシングルゲート構造としてもよい。
【0090】
なお、同一基板上に図3に示した周辺駆動回路部と、図4に示した画素部とを作製することも可能である。
【0091】
また、本実施例ではトップゲート型TFTを例にとって説明してきたが、本願発明の構成はボトムゲート型TFTに適用することもできる。
【0092】
〔実施例2〕 本実施例は、実施例1とは異なる方法により結晶質珪素膜を得る例である。本実施例では、珪素の結晶化を助長する触媒元素を利用して、結晶質半導体膜を形成する。基本的な構成は実施例1とほぼ同様であるので、相違点のみに着目して説明する。
【0093】
本実施例は、第2の下地膜と半導体膜102を連続形成する工程(図1(C))までは、実施例1と同一である。
【0094】
図1(C)と同じ状態を得た後、半導体膜102の表面に珪素の結晶化を助長する触媒元素を導入する。珪素の結晶化を助長する触媒元素としては、Ni、Fe、Co、Pt、Cu、Au、Geから選ばれた一種または複数種類の元素が用いられる。本実施例では前記触媒元素の内、非晶質珪素膜中の拡散速度が早く、極めて良好な結晶性を得ることができるNiを用いた。
【0095】
また、上記触媒元素を導入する箇所としては、特に限定されないが、非晶質珪素膜の全面、またはマスクを適宜形成することにより選択的に導入する。
【0096】
また、非晶質珪素膜に触媒元素を導入する方法としては、触媒元素を非晶質珪素膜の表面に接触させ得る方法、または非晶質珪素膜の膜中に保持させ得る方法であれば特に限定されない。例えば、スパッタ法、CVD法、プラズマ処理法、吸着法、イオン注入法、または触媒元素を含有した溶液を塗布する方法を使用することができる。これらの内、溶液を塗布する方法は簡便であり、触媒元素の濃度調整が容易であるという点で有用である。金属塩としては各種塩を用いることができ、溶媒としては水のほか、アルコール類、アルデヒド類、エーテル類、その他の有機溶媒、或いは水と有機溶媒の混合溶媒を用いることができる。本実施例では、塗布方法を用い、10〜10000ppm、好ましくは100〜10000ppm(重量換算)の範囲のニッケルを含んだ溶液を塗布した。ただし、非晶質珪素膜の膜厚を考慮に入れて適宜添加量を調節する必要がある。このようにして得られた非晶質珪素膜における膜中のニッケル濃度は1×1019〜1×1021atoms /cm3 となる。
【0097】
以上のようにして触媒元素を非晶質珪素膜に導入した後、加熱処理(550℃、4時間)により結晶化を行ない結晶質半導体膜を得る。また、加熱処理に代えてレーザー光を照射する工程を加えてもよい。
【0098】
また、上記工程の後、結晶質半導体膜中の前記触媒元素を低減するためのゲッタリング処理工程(特開平9-312260号公報、特開平8-330602号公報等の技術)を行うことが好ましい。なお、特開平9-312260号公報には、結晶質半導体膜の前記触媒元素を酸化性雰囲気中での熱酸化(450〜1100℃)で形成される熱酸化膜中にゲッタリングさせ、その熱酸化膜を除去するゲッタリング処理工程が記載されている。
【0099】
本実施例では、リンのゲッタリング作用を利用して、結晶質半導体膜中のニッケル元素を低減した。
【0100】
ゲッタリング処理工程は、まず、上記結晶化工程を終了後、マスクを用いて結晶質半導体膜へ選択的にリンをド─ピングして、リン濃度が1×1019〜1×1021atoms /cm3 であるリン添加領域を形成する。次いで、窒素雰囲気中で600℃、12時間加熱してリン添加領域にニッケルを捕獲させる。これによって、リン添加領域以外の領域のニッケル濃度は5×1017atoms /cm3 以下(好ましくは2×1017atoms /cm3 以下)に低減することができる。
【0101】
次いで、上記ゲッタリング工程が終了した後、マスクを除去し、さらにパターニングして活性層を形成する。ここでは、リン添加領域以外の領域を用いて活性層を形成する。
【0102】
活性層のパターニング工程後の工程は、実施例1と同様な工程を順次行うことにより図2(D)の状態のTFTが得られる。
【0103】
本実施例の作製方法を用いて作製したTFTのしきい値電圧Vthと、しきい値電圧の変化量ΔVthを実施例1と同様に測定した。また、第2の下地膜の影響を比較するために、第1の下地膜200nmのみのTFT(比較例1)のしきい値電圧(Vth)及びしきい値電圧の変化量(ΔVth)を測定した。図12はNチャネル型TFTのしきい値電圧の分布図であり、図13はPチャネル型TFTのしきい値電圧の分布図を示す。
【0104】
また、同様に図14はNチャネル型TFTのしきい値電圧の変化量(ΔVth)の分布図であり、図15はPチャネル型TFTのしきい値電圧の変化量の分布図を示す。
【0105】
以下に第2の下地膜の影響を考察する。
【0106】
図12〜図15に示したデータに注目すると、本実施例は比較例1よりもしきい値電圧が小さく、第2の下地膜を設けることによってしきい値電圧のプラスシフトが抑えられている。また、本実施例は、比較例1と同様に第1の下地膜が熱処理されているため、しきい値電圧の変動(ΔVth)が小さく、特にPチャネルにおいては、しきい値電圧の変動がほとんどないTFTが得られた。
【0107】
〔実施例3〕 本実施例は、実施例1とは異なる方法により結晶質半導体膜を得る例である。本実施例では、レーザービーム形状を長方形または正方形に成形し、一度の照射で数cm2 〜数百cm2 の領域に均一なレーザー結晶化処理により結晶質珪素膜を得る方法に関する。基本的な構成は実施例1とほぼ同様であるので、相違点のみに着目して説明する。
【0108】
本実施例では、図1(C)の工程においてエキシマレーザー光を面状に加工して照射する。レーザー光を面状に加工する場合は数十cm2 程度(好ましくは10cm2 以上)の面積を一括照射できる様にレーザー光を加工する必要がある。そして照射面全体を所望のレーザーエネルギー密度でアニールするためには、トータルエネルギーが5J以上、好ましくは10J以上の出力のレーザー装置を用いる。
【0109】
その場合、エネルギー密度は100〜800mJ/cm2とし、出力パルス幅は100nsec以上、好ましくは200nsec〜1msecとすることが好ましい。200nsec〜1msecというパルス幅を実現するにはレーザー装置を複数台連結し、各レーザー装置の同期をずらすことで複数パルスの混合した状態を作れば良い。
【0110】
本実施例の様な面状のビーム形状を有するレーザー光を照射することにより大面積に均一なレーザー照射を行うことが可能である。即ち、活性層の結晶性(結晶粒径や欠陥密度等を含む)が均質なものとなり、TFT間の電気特性のばらつきを低減することができる。
【0111】
なお、本実施例は実施例1または2との組み合わせが容易であり、その組み合わせ方は自由である。
【0112】
〔実施例4〕 本実施例では、本願発明によって作製された液晶表示装置の例を図5に示す。画素TFT(画素スイッチング素子)の作製方法やセル組工程は公知の手段を用いれば良いので詳細な説明は省略する。
【0113】
図5において500は絶縁表面を有する基板(酸化シリコン膜を設けたプラスチック基板)、501は画素部、502は走査線駆動回路、503は信号線駆動回路、530は対向基板、510はFPC(フレキシブルプリントサーキット)、520はロジック回路である。ロジック回路520としては、D/Aコンバータ、γ補正回路、信号分割回路などの従来ICで代用していた様な処理を行う回路を形成することができる。勿論、基板上にICチップを設けて、ICチップ上で信号処理を行うことも可能である。
【0114】
さらに、本実施例では液晶表示装置を例に挙げて説明しているが、アクティブマトリクス型の表示装置であればEL(エレクトロルミネッセンス)表示装置やEC(エレクトロクロミックス)表示装置に本願発明を適用することも可能であることは言うまでもない。
【0115】
また、本願発明を用いて作製できる液晶表示装置は透過型か反射型かは問わない。どちらを選択するのも実施者の自由である。この様に本願発明はあらゆるアクティブマトリクス型の電気光学装置(半導体装置)に対して適用することが可能である。
【0116】
なお、本実施例に示した半導体装置を作製するにあたって、実施例1〜実施例3のどの構成を採用しても良いし、各実施例を自由に組み合わせて用いることが可能である。
【0117】
〔実施例5〕 本願発明は従来のIC技術全般に適用することが可能である。即ち、現在市場に流通している全ての半導体回路に適用できる。例えば、ワンチップ上に集積化されたRISCプロセッサ、ASICプロセッサ等のマイクロプロセッサに適用しても良いし、液晶用ドライバー回路(D/Aコンバータ、γ補正回路、信号分割回路等)に代表される信号処理回路や携帯機器(携帯電話、PHS、モバイルコンピュータ)用の高周波回路に適用しても良い。
【0118】
また、マイクロプロセッサ等の半導体回路は様々な電子機器に搭載されて中枢回路として機能する。代表的な電子機器としてはパーソナルコンピュータ、携帯型情報端末機器、その他あらゆる家電製品が挙げられる。また、車両(自動車や電車等)の制御用コンピュータなども挙げられる。本願発明はその様な半導体装置に対しても適用可能である。
【0119】
なお、本実施例に示した半導体装置を作製するにあたって、実施例1〜実施例3のどの構成を採用しても良いし、各実施例を自由に組み合わせて用いることが可能である。
【0120】
〔実施例6〕
本発明を実施して形成されたTFTは様々な電気光学装置に用いることができる。即ち、それら電気光学装置を表示部に組み込んだ電子機器全てに本発明を実施できる。
【0121】
その様な電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ヘッドマウントディスプレイ(ゴーグル型ディスプレイ)、ウエアラブルディスプレイ、カーナビゲーション、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。それらの一例を図6に示す。
【0122】
図6(A)はパーソナルコンピュータであり、本体2001、画像入力部2002、表示部2003、キーボード2004で構成される。本願発明を画像入力部2002、表示部2003やその他の信号駆動回路に適用することができる。
【0123】
図6(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示部2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106で構成される。本願発明を表示部2102、音声入力部2103やその他の信号駆動回路に適用することができる。
【0124】
図6(C)はモバイルコンピュータ(モービルコンピュータ)であり、本体2201、カメラ部2202、受像部2203、操作スイッチ2204、表示部2205で構成される。本願発明は表示部2205やその他の信号駆動回路に適用できる。
【0125】
図6(D)はゴーグル型ディスプレイであり、本体2301、表示部2302、アーム部2303で構成される。本発明は表示部2302やその他の信号駆動回路に適用することができる。
【0126】
図6(E)はプログラムを記録した記録媒体(以下、記録媒体と呼ぶ)を用いるプレーヤーであり、本体2401、表示部2402、スピーカ部2403、記録媒体2404、操作スイッチ2405で構成される。なお、この装置は記録媒体としてDVD(Digtial Versatile Disc)、CD等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。本発明は表示部2402やその他の信号駆動回路に適用することができる。
【0127】
図6(F)はデジタルカメラであり、本体2501、表示部2502、接眼部2503、操作スイッチ2504、受像部(図示しない)で構成される。本願発明を表示部2502やその他の信号駆動回路に適用することができる。
【0128】
以上の様に、本願発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。また、本実施例の電子機器は実施例1〜5のどのような組み合わせからなる構成を用いても実現することができる。
【0129】
〔実施例7〕
本発明を実施して形成されたTFTは様々な電気光学装置に用いることができる。即ち、それら電気光学装置を液晶表示装置として組み込んだ電子機器全てに本発明を実施できる。
【0130】
その様な電子機器としては、プロジェクター(リア型またはフロント型)などが挙げられる。それらの一例を図16に示す。
【0131】
図16(A)はフロント型プロジェクターであり、投射装置2601、スクリーン2602で構成される。本発明は投射装置の一部である液晶表示装置やその他の信号駆動回路に適用することができる。
【0132】
図16(B)はリア型プロジェクターであり、本体2701、投射装置2702、ミラー2703、スクリーン2704で構成される。本発明は投射装置の一部である液晶表示装置やその他の信号駆動回路に適用することができる。
【0133】
なお、図16(C)は、図16(A)及び図16(B)中における投射装置2601、2702の構造の一例を示した図である。投射装置2601、2702は、光源光学系2801、ミラー2802、2804〜2806、ダイクロイックミラー2803、プリズム2807、液晶表示装置2808、位相差板2809、投射光学系2810で構成される。投射光学系2810は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図16(C)中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0134】
また、図16(D)は、図16(C)中における光源光学系2801の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系2801は、リフレクター2811、光源2812、2813、2814、偏光変換素子2815、集光レンズ2816で構成される。なお、図16(D)に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0135】
以上の様に、本願発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。また、本実施例の電子機器は実施例1〜5のどのような組み合わせからなる構成を用いても実現することができる。ただし、本実施例におけるプロジェクターは、透過型の液晶表示装置であり、反射型の液晶表示装置には適用できないことは言うまでもない。
【0136】
【発明の効果】
本願発明を実施することで、再現性が高くTFTの安定性を向上し、生産性の高いTFTを得ることができる。
【0137】
本願発明は、熱処理した第1の絶縁膜上に、大気にふれることなく第2の絶縁膜と半導体膜を積層形成することで、極めて良好な電気特性を示すTFTを形成することが実現できる。特に、TFTの代表的なパラメータであるしきい値電圧Vthは、Nチャネル型TFTで−0.5〜2V、Pチャネル型TFTで0.5〜−2Vを実現できる。
【0138】
また、第2の絶縁膜として20nm以上の膜厚があれば、±10nmの膜厚変動の範囲内において、Vthを±0.2V程度に抑制することができ、ばらつきの少ない均一なTFTを得ることができる。
【0139】
さらに、TFTの信頼性の目安となるパラメータの一つであるしきい値電圧の変化量ΔVthにおいても、小さくすることができ、信頼性の高いTFTを得ることができる。
【0140】
また、TFTの代表的なパラメータであるサブスレッショルド係数(S値)は0.1〜0.3V/decadeを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 TFTの作製工程を示す図(実施例1)。
【図2】 TFTの作製工程を示す図(実施例1)。
【図3】 インバータ回路図、上面図及び断面構造図の一例を示す断面図(実施例1)。
【図4】 画素部の一例を示す断面図及び上面図(実施例1)。
【図5】 半導体装置(液晶表示装置)の構成を示す図(実施例4)。
【図6】 半導体装置(電子機器)の例を示す図(実施例6)。
【図7】 成膜装置の一例を示す図(実施例1)。
【図8】 Nチャネル型TFTのしきい値電圧を示す分布図(実施例1)。
【図9】 Pチャネル型TFTのしきい値電圧を示す分布図(実施例1)。
【図10】 Nチャネル型TFTのしきい値電圧の変動を示す分布図(実施例1)。
【図11】 Pチャネル型TFTのしきい値電圧の変動を示す分布図(実施例1)。
【図12】 Nチャネル型TFTのしきい値電圧を示す分布図(実施例2)。
【図13】 Pチャネル型TFTのしきい値電圧を示す分布図(実施例2)。
【図14】 Nチャネル型TFTのしきい値電圧の変動を示す分布図(実施例2)。
【図15】 Pチャネル型TFTのしきい値電圧の変動を示す分布図(実施例2)。
【図16】 半導体装置(電子機器)の例を示す図(実施例7)。
【符号の説明】
100 基板
101a 第1の下地膜
101a’ 熱処理された第1の下地膜
101b 第2の下地膜
102 半導体膜
102’ 結晶質半導体膜
103 活性層
104 絶縁膜
105 導電膜
106 ゲート絶縁層
107、107’ ゲート配線
108 マスク
109 陽極酸化膜
110、111 n+ 領域(ソース領域、ドレイン領域)
112、113 n- 領域(低濃度不純物領域)
114 チャネル形成領域
115 層間絶縁膜
116、117 配線[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a structure of a semiconductor device including a semiconductor circuit made of a semiconductor element such as an insulated gate transistor and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a technique for forming a crystalline semiconductor film on an insulating surface. The semiconductor device of the present invention includes not only an element such as a thin film transistor (TFT) and a MOS transistor but also an electro-optical device such as a display device and an image sensor having a semiconductor circuit composed of these insulated gate transistors. In addition, the semiconductor device of the present invention includes an electronic apparatus in which these display device and electro-optical device are mounted.
[0002]
[Prior art]
An active matrix liquid crystal display in which a pixel portion and a driver circuit are formed by thin film transistors (TFTs) formed over an insulating substrate has been attracting attention. Liquid crystal displays of up to about 0.5 to 20 inches are used as display displays.
[0003]
At present, in order to realize a liquid crystal display capable of high-definition display, a TFT using a crystalline semiconductor film typified by polysilicon as an active layer is attracting attention. However, a TFT using a crystalline semiconductor film as an active layer has higher operation speed and driving capability than a TFT using an amorphous semiconductor film as an active layer, but it is difficult to control individual TFT characteristics.
[0004]
One of the reasons why it is difficult to control the TFT characteristics is the characteristics of the interface between the active layer and the insulating film. If this interface is contaminated, it is difficult to produce TFT characteristics with good controllability. Therefore, it is important to clean the interface between the active layer and the insulating film in contact with the active layer.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Currently, high mobility is required for TFTs, and it is considered promising to use a crystalline semiconductor film having a higher mobility than an amorphous semiconductor film as an active layer of the TFT. A conventional method for manufacturing a top gate type TFT using a crystalline semiconductor film will be briefly described below.
[0006]
First, a base insulating film (hereinafter referred to as a base film in this specification) is formed over a substrate having an insulating surface, subjected to heat treatment, and then an amorphous silicon film (amorphous silicon film) is formed. Next, this amorphous silicon film is subjected to crystallization treatment such as heating or laser light irradiation to form a polysilicon film (polycrystalline silicon film). Next, after patterning the polysilicon film into a desired shape, an insulating film (gate insulating layer) and a conductive film (gate wiring forming material layer) are deposited thereon, and these are patterned to form a gate wiring. Next, an impurity imparting P-type or N-type conductivity is selectively introduced into the polysilicon film to form impurity regions that serve as a source region and a drain region. Subsequently, after depositing an interlayer insulating film and forming contact holes that expose the source and drain regions, a metal film is formed, and this is patterned to form metal wiring that contacts the source and drain regions. . Thus, the TFT manufacturing process is completed.
[0007]
In the above prior art, after the base film is formed, the surface of the base film is exposed to the atmosphere when heat treatment is performed to improve the reliability of the TFT. At this time, the surface of the base film is contaminated by atmospheric impurities (boron, oxygen, moisture, sodium, etc.). When a semiconductor film serving as an active layer is formed on and in contact with the base film contaminated by exposure to the air, the interface characteristics between the active layer, particularly the channel formation region and the base film, deteriorate, and the electrical characteristics of the TFT deteriorate. It was causing.
[0008]
In particular, since the atmosphere in the clean room contains boron (boron) from a HEPA filter that is generally used for cleaning, boron is mixed indefinitely on the surface of the film exposed to the atmosphere. The HEPA filter is made of glass in a mesh shape and is used to remove minute particles in the air. The glass contains a large amount of boron in order to make it easier to create a network structure. In addition, using a filter other than the HEPA filter is disadvantageous from the viewpoint of reducing the manufacturing cost.
[0009]
In order to investigate the influence of impurities in the atmosphere, an insulating base film was formed, and after exposure to the atmosphere, a semiconductor film made of an amorphous silicon film was stacked to produce a TFT. When the SIMS analysis was performed, a boron concentration peak was observed at the interface (main surface side or back surface side) of the active layer of the TFT, and the maximum value was 3 × 10 17 atoms / cm 3 or more. If boron is mixed into the active layer made of a semiconductor film in this way, it is diffused and activated by subsequent processes (heat treatment, laser light treatment, etc.), making it difficult to control the impurity concentration in the active layer. Further, when the electrical characteristics of the TFT were measured, in particular, a phenomenon that the threshold voltage shifted positively was observed.
[0010]
Further, when impurities (boron, oxygen, moisture, sodium, etc.) are mixed in the active layer made of the semiconductor film, the crystallization of the semiconductor film is hindered in the crystallization process of the semiconductor film.
[0011]
The present invention improves the characteristics (threshold voltage, etc.) of the TFT by improving the interface between the active layer, particularly the region constituting the channel formation region and the base film, and has high reliability. A semiconductor device including a semiconductor circuit including elements and a method for manufacturing the semiconductor device are provided.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above object, according to the present invention, after forming a first base film, heat treatment is performed, and then a second base film (an insulating film having a thickness smaller than the first base film) and a semiconductor film are formed. One feature is that they are stacked without being exposed to the atmosphere. With this configuration, contamination of the interface between the active layer, particularly the region forming the channel formation region and the second base film is prevented, and stable and good electrical characteristics are realized.
[0013]
The first configuration of the invention disclosed in this specification is:
A first insulating film on the substrate;
A second insulating film in contact with the first insulating film;
A channel formation region in contact with the second insulating film; a source region and a drain region formed on both sides of the channel formation region;
A gate insulating layer in contact with the channel formation region;
A gate wiring provided on the channel formation region via the gate insulating layer,
The second insulating film is a semiconductor device provided with a semiconductor circuit including a semiconductor element, wherein the second insulating film is thinner than the first insulating film.
[0014]
In the above structure, the impurity concentration at the interface between the first insulating film and the second insulating film is higher than the impurity concentration at the interface between the second insulating film and the channel formation region.
[0015]
In the above structure, the second insulating film and the channel formation region are formed through at least a step of sequentially forming layers without exposure to the atmosphere.
[0016]
In the above structure, the first insulating film is formed through at least a heat treatment step.
[0017]
In the above structure, the first insulating film has a thickness of 100 to 500 nm.
[0018]
In the above structure, the second insulating film has a thickness of 10 to 100 nm.
[0019]
In the above structure, the second insulating film is a single layer film selected from a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, and a silicon oxide film, or a laminated film thereof.
[0020]
In the above structure, a low-concentration impurity region is provided between at least one of the channel formation region and the source region or between the channel formation region and the drain region. Yes.
[0021]
In the above structure, at least the source region and the drain region contain a catalyst element that promotes crystallization of silicon.
[0022]
The catalytic element is at least one element selected from Ni, Fe, Co, Pt, Cu, Au, and Ge, or a plurality of elements.
[0023]
Note that in this specification, the “amorphous semiconductor film” typically refers to a semiconductor film having an amorphous structure, for example, an amorphous semiconductor film having a microcrystal, and the semiconductor film includes an Si film, A film made of a Ge film or a compound semiconductor film (for example, Si X Ge 1-X (amorphous silicon germanium film represented by 0 <X <1)). This semiconductor film can be formed using a known technique, for example, a low pressure thermal CVD method, a thermal CVD method, a PCVD method, or the like.
[0024]
Note that in this specification, a “crystalline semiconductor film” refers to a single crystal semiconductor film, a semiconductor film including a crystal grain boundary (including a polycrystalline semiconductor film and a microcrystalline semiconductor film), and amorphous throughout the entire area. The distinction from the semiconductor film (amorphous semiconductor film) in the state is made clear. Needless to say, the term “semiconductor film” in this specification includes amorphous semiconductor films in addition to crystalline semiconductor films.
[0025]
In this specification, the “semiconductor element” refers to a switching element or a memory element, such as a thin film transistor (TFT) or a thin film diode (TFD).
[0026]
The structure of the first manufacturing method for manufacturing the semiconductor device of the present invention is as follows.
Forming a first insulating film on the substrate;
Heat-treating the first insulating film;
A step of sequentially stacking a second insulating film and a semiconductor film on the first insulating film without touching the atmosphere;
Crystallization of the semiconductor film to form a crystalline semiconductor film;
A method for manufacturing a semiconductor device including a semiconductor circuit including a semiconductor element.
[0027]
The structure of the second manufacturing method for manufacturing the semiconductor device of the present invention is as follows.
Forming a first insulating film on the substrate;
Heat-treating the first insulating film;
A step of sequentially stacking a second insulating film and a semiconductor film on the first insulating film without touching the atmosphere;
Adding a catalyst element for promoting crystallization to at least a part of the semiconductor film;
Crystallization of the semiconductor film to form a crystalline semiconductor film;
A method for manufacturing a semiconductor device including a semiconductor circuit including a semiconductor element.
[0028]
The structure of the third manufacturing method for manufacturing the semiconductor device of the present invention is as follows.
Forming a first insulating film on the substrate;
Heat-treating the first insulating film;
A step of sequentially stacking a second insulating film and a semiconductor film on the first insulating film without touching the atmosphere;
Adding a catalyst element for promoting crystallization to at least a part of the semiconductor film;
Crystallization of the semiconductor film to form a crystalline semiconductor film;
Gettering the catalytic element;
A method for manufacturing a semiconductor device including a semiconductor circuit including a semiconductor element.
[0029]
In any one of the structures of the first to third manufacturing methods, the thickness of the second insulating film is smaller than that of the first insulating film.
[0030]
In any one of the structures of the first to third manufacturing methods, the heating temperature in the step of heat-treating the first insulating film is 200 to 700 ° C.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described.
[0032]
The present inventor conducted manufacturing experiments of TFTs having various structures. Even though the cleanliness of the clean room used was controlled to some extent, the threshold voltage of the TFTs fluctuated. It was confirmed as a variation.
[0033]
As a prior art aiming at solving such a problem of variation in electrical characteristics of TFT, particularly threshold voltage, one of effective means is to form a base film and a semiconductor film continuously.
[0034]
However, a TFT having excellent characteristics is never obtained simply by continuously forming a base film and a semiconductor film, and the reliability is extremely low. In particular, in order to obtain a high-quality and high-definition display, the number of display pixels required for the display has been increasing year by year. When mass production is performed, the reliability of TFTs as well as variations in threshold voltage are required. Is emphasized. Therefore, the present inventor has found from various experimental results that a base film having a thickness of 200 nm or more may be heat-treated in order to improve the reliability of the TFT. However, when the base film is heat-treated, the threshold voltage varies because the interface between the base film and the semiconductor film cannot be cleaned.
[0035]
Accordingly, the present inventor has found that an extremely high-performance TFT which has not been conventionally produced can be manufactured by continuously forming the second base film and the semiconductor film after heat-treating the first base film. This configuration of the present invention is not a mere combination of the prior art, but the heat treatment of the first base film, the formation of a clean interface between the second base film and the semiconductor film, and the heat-treated first base film This is the result of a complex technology that can be obtained for the first time by reducing the stress between semiconductor films and improving the adhesion between each film. The result is a breakthrough in TFT characteristics. It was possible.
[0036]
As the second base film of the present invention, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film (SiO x N y ), or a laminated film thereof can be used. A silicon oxide film is preferable if stress relaxation is important. Further, a silicon nitride film is preferable if importance is given to preventing diffusion of impurities. In particular, a silicon nitride oxide film having a lower stress than the silicon nitride film and having a higher impurity diffusion preventing effect than the silicon oxide film is optimal. The
[0037]
According to the present invention, even in a large-scale clean room, an extremely high quality semiconductor film and a clean interface can be simultaneously realized regardless of the cleanliness in the clean room. Therefore, it is possible to suppress an increase in cost due to cleaning the clean room.
[0038]
In addition, according to the present invention, variation due to release to the atmosphere can be reduced, and therefore variation between lots and between substrates can also be reduced.
[0039]
The embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.
[0040]
【Example】
Examples of the present invention will be described below, but it is needless to say that the present invention is not particularly limited to these examples.
[0041]
[Embodiment 1] In this embodiment, an example in which a top gate type TFT is manufactured using the present invention will be described. In this embodiment, an N-channel TFT is used for description.
[0042]
The semiconductor device of the present invention and a method for manufacturing the semiconductor device will be briefly described with reference to FIGS.
[0043]
First, the
[0044]
Next, a first insulating film (hereinafter referred to as a first base film in this specification) 101 a is formed over the
[0045]
Next, heat treatment is performed on the
[0046]
Next, the second
[0047]
In addition, the semiconductor film and the heat-treated first base film are not in direct contact with each other, but the reliability of the TFT is improved by reducing the thickness of the second base film as compared with the first base film. I was able to.
[0048]
That is, in this embodiment, the reliability of the TFT is improved by the heat-treated first base film, and a good Si / SiO 2 interface is formed by the second base film. Note that since the concentration of impurities at the interface between the first base film and the second base film is exposed to the atmosphere, it is higher than the interface between the second base film and the active layer, and shows a sharp peak at the interface. It was. In particular, the maximum peak concentration of boron element was 3 × 10 17 atoms / cm 3 or more.
[0049]
As the
[0050]
The
[0051]
In this embodiment, a multi-chamber (apparatus shown in FIG. 7) including at least a first chamber 44 for forming a second base film and a second chamber 45 for forming a semiconductor film is used. The layers were formed by moving between the chambers without touching. Alternatively, a stack may be formed by exchanging the reaction gas in the same chamber.
[0052]
When the state of FIG. 1C is thus obtained, the
[0053]
As the crystallization treatment, any known technique such as laser crystallization treatment, thermal crystallization treatment, or thermal crystallization treatment using a catalyst element can be used. Note that laser crystallization conditions (laser light wavelength, overlap rate, irradiation intensity, pulse width, repetition frequency, irradiation time, etc.) are as follows: film thickness of insulating
[0054]
Next, the obtained
[0055]
Note that after the step of FIG. 1D or FIG. 1E, an impurity may be added to control a threshold voltage and an impurity may be added to a region to be a channel formation region. Alternatively, the process sequence in FIGS. 1D and 1E may be changed, and the semiconductor film may be patterned and then crystallized.
[0056]
Next, an insulating film (which becomes a gate insulating layer in a later step) 104 and a (conductive film gate wiring forming material layer) 105 were formed so as to cover the active layer. (FIG. 2A) As the insulating
[0057]
As the
[0058]
Next, the
[0059]
In this embodiment, the
[0060]
Next, an impurity imparting N-type conductivity is added to the
[0061]
The high concentration impurity regions (n + type regions) 110 and 111 become source regions and drain regions, and the low concentration impurity regions (n − type regions) 112 and 113 become LDD regions. In addition, a region where phosphorus ions and boron ions are not implanted becomes an intrinsic or substantially intrinsic
[0062]
In this specification, intrinsic refers to a region that does not contain any impurities that can change the Fermi level of silicon, and the substantially intrinsic region is a balance between electrons and holes that offset the conductivity type. region is, i.e., a region containing an impurity imparting N-type or P-type in a concentration range capable of controlling the threshold voltage (SIMS analysis at 1 × 10 15 ~1 × 10 17 atoms / cm 3) or intended, Specifically, a region in which the conductivity type is offset by adding a reverse conductivity type impurity is shown.
[0063]
In FIG. 2B, the insulating
[0064]
Next, a known technique such as thermal annealing or laser annealing is performed to obtain an impurity activation effect in the source region and the drain region, or a recovery effect of the crystal structure of the active layer damaged in the doping process. In this example, after irradiating a laser beam having an irradiation condition of a pulse frequency of 50 Hz and a laser energy density of 179 mJ / cm 2 , a thermal activation treatment (450 ° C., 2 hours in a nitrogen atmosphere) was performed.
[0065]
Next, after forming an
[0066]
In this embodiment, the oxygen concentration at the interface between the second base film and the channel formation region is 2 × 10 19 atoms / cm 3 or less, and the carbon and nitrogen concentrations are 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less. I was able to.
[0067]
Note that although a method for manufacturing an N-channel TFT is described in this embodiment, if a P-channel TFT is formed, boron ions imparting P-type may be added as impurity ions in the impurity addition step.
[0068]
In this embodiment, in order to compare the influence of the second base film and the influence of the heat treatment of the insulating film, the threshold voltage of the TFT in the manufacturing method of this embodiment is different from that of this embodiment. The threshold voltage of the TFT was measured. Further, in order to compare the influence of the film thickness of the second base film, TFTs having different film thicknesses of the second base film are manufactured using the above manufacturing method, and the threshold voltage (Vth) of each TFT is manufactured. Was measured. In this embodiment, a plurality of substrates prepared under the same conditions are prepared, and TFTs [L (channel length) / W (channel width) = 8/200 μm] at random measurement points in these substrates are excluded from the route ID. interpolation (drain voltage V D = 14 V, the gate voltage V G = -20V~20V) was used for the measurement. FIG. 8 is a distribution diagram of threshold voltages of N-channel TFTs, and FIG. 9 is a distribution diagram of threshold voltages of P-channel TFTs.
[0069]
Note that the threshold voltage (Vth) in this specification indicates a voltage value applied to a gate wiring necessary for changing a TFT from an off state to an on state.
[0070]
Similarly, FIG. 10 shows the change amount (ΔVth) of the threshold voltage of the N-channel TFT, and FIG. 11 shows the fluctuation of the threshold voltage of the P-channel TFT. ΔVth gives a stress to the TFT [L / W = 8/8 μm] by performing the measurement by the root ID extrapolation method ten times continuously, and sets the first threshold voltage Vth 1 and the tenth Vth 10 The amount of change is measured as ΔVth. A smaller value of ΔVth indicates that the TFT is less deteriorated and the reliability is higher.
[0071]
TFTs according to the production conditions shown below were measured (2 to 3 substrates, 4 to 16 points in each substrate), and data A to H were obtained.
[0072]
A) TFT with a base film and a-Si film continuously formed (conventional example 1)
B) TFT in which an a-Si film is formed after forming a base film (conventional example 2)
C) TFT in which an a-Si film is formed after a base film is formed and heat-treated (conventional example 3)
D) TFT in which a first base film is formed and subjected to heat treatment, and then a second base film (5 nm) and an a-Si film are continuously formed.
E) TFT in which the first base film is formed and subjected to heat treatment, and then the second base film (10 nm) and the a-Si film are continuously formed.
F) TFT in which a second base film (20 nm) and an a-Si film are continuously formed after the first base film is formed and heat-treated (this example)
G) A TFT in which a second base film (50 nm) and an a-Si film are continuously formed after the first base film is formed and heat treatment is performed.
H) TFT in which a first base film is formed and subjected to heat treatment, and then a second base film (100 nm) and an a-Si film are continuously formed.
[0073]
The influence of the second base film will be considered below.
[0074]
When attention is paid to data A (conventional example 1) shown in FIGS. 8 to 11, Vth of data C is suppressed to 2 to 3V and shows a good value, but since ΔVth is large, TFT having low reliability is shown. It has become.
[0075]
Further, when attention is paid to data B (conventional example 2), Vth is slightly shifted from data A, and ΔVth is larger as data A is. From these results (data A and B), the present inventor shows that if the base film and the a-Si film are continuously formed without being exposed to the atmosphere, the interface with less impurities can be maintained, and the positive shift of Vth can be suppressed. Found.
[0076]
Further, when attention is paid to data C (conventional example 3), Vth is greatly shifted to 5-8 V, but ΔVth is very small and the TFT is highly reliable. From these results, the present inventors have found that when the base film is heat-treated, the change amount ΔVth of the threshold voltage can be reduced, that is, the reliability of the TFT is improved.
[0077]
Compared to the TFTs of the conventional examples 1 to 3, the TFT of this example is formed by successively forming a thin second base film and an a-Si film (semiconductor film) after heat-treating the first base film. As can be seen from the data D to H, especially the data E (in this example), the positive shift of Vth is suppressed, and ΔVth is small and the TFT is highly reliable.
[0078]
From the above knowledge, the threshold voltage (Vth) depends on the interface characteristics between the film directly in contact with the semiconductor film, that is, the thin second base film and the a-Si film. The present inventor has found that [Delta] Vth) is not caused by the film directly in contact with the semiconductor, i.e., the thin second base film, but by the heat-treated first base film. The present inventor has also found that the second base film functions as a buffer layer that relieves stress between the first base film and the semiconductor film.
[0079]
Further, the influence of the film thickness of the second base film will be considered below.
[0080]
8 and 9, Vth monotonically decreases with respect to the film thickness of the second base film in the N-channel TFT, and after the large change once in the P-channel TFT. Monotonically increasing. Further, when the data D to H shown in FIGS. 10 and 11 are seen, ΔVth is reduced to 20 nm or more for the P-channel TFT with respect to the film thickness of the second base film, and 50 nm for the N-channel TFT. That's it.
[0081]
From these results, when the first base film is 200 nm, the second film thickness is 10 nm or more, preferably 20 to 50 nm. However, the above-mentioned film thickness is a set film thickness, and the actual film thickness is larger than the set film thickness. Therefore, it is desirable that the second film thickness is 20 to 60 nm in actual measurement.
[0082]
In this example, a reliability test for measuring the amount of change in threshold voltage (ΔVth) was performed. However, the reliability test is not particularly limited, and the same reliability test using a general Bias-Tempreture-Stress is performed. Experimental results are obtained.
[0083]
An example of a structure of a semiconductor device including a semiconductor circuit including a semiconductor element (TFT) using the manufacturing method of this embodiment will be described with reference to FIGS.
[0084]
In this embodiment, a CMOS circuit (inverter circuit) that constitutes a part of the peripheral drive circuit section is shown in FIG. The reference numerals used in FIG. 3 are the same as those in FIG. 1 or FIG. In FIG. 3, the cross section taken along the dotted line AA ′ in the top view of the inverter circuit corresponds to the cross sectional structure of the CMOS circuit. Note that the terminal portions a, b, c, and d in the inverter circuit diagram of FIG. 3A and the top view of the inverter circuit correspond to each other.
[0085]
In FIG. 3, any TFT (thin film transistor) is formed on a laminated film of a
[0086]
On the other hand, the P channel type TFT has high concentration impurity regions (p + type regions) 110 ′ and 111 ′ as an active layer, a
[0087]
FIG. 4 shows a pixel TFT (N-channel TFT) that constitutes a part of the pixel portion. Also, the reference numerals used in FIG. 4 are the same as those in FIG. In FIG. 4A, a cross section taken along a dotted line AA ′ corresponds to the cross-sectional structure of the pixel portion in FIG.
[0088]
The N-channel TFT formed in the pixel portion has the same structure as the N-channel TFT of the inverter circuit up to the portion where the first
[0089]
In this embodiment, the gate wiring of the pixel TFT in the pixel portion has a double gate structure. However, a multi-gate structure such as a triple gate structure may be used in order to reduce variation in off current. Further, a single gate structure may be used in order to improve the aperture ratio.
[0090]
Note that the peripheral driver circuit portion illustrated in FIG. 3 and the pixel portion illustrated in FIG. 4 can be manufactured over the same substrate.
[0091]
In this embodiment, the top gate TFT has been described as an example. However, the configuration of the present invention can also be applied to a bottom gate TFT.
[0092]
[Embodiment 2] This embodiment is an example of obtaining a crystalline silicon film by a method different from that of
[0093]
This example is the same as Example 1 up to the step of continuously forming the second base film and the semiconductor film 102 (FIG. 1C).
[0094]
After obtaining the same state as that in FIG. 1C, a catalytic element for promoting crystallization of silicon is introduced into the surface of the
[0095]
Further, the location where the catalyst element is introduced is not particularly limited, but the catalyst element is selectively introduced by appropriately forming the entire surface of the amorphous silicon film or a mask.
[0096]
Further, as a method for introducing the catalytic element into the amorphous silicon film, any method can be used as long as the catalytic element can be brought into contact with the surface of the amorphous silicon film, or can be retained in the amorphous silicon film. There is no particular limitation. For example, a sputtering method, a CVD method, a plasma treatment method, an adsorption method, an ion implantation method, or a method of applying a solution containing a catalytic element can be used. Among these, the method of applying the solution is simple and useful in that the concentration of the catalyst element can be easily adjusted. As the metal salt, various salts can be used, and as the solvent, water, alcohols, aldehydes, ethers, other organic solvents, or a mixed solvent of water and an organic solvent can be used. In this example, a solution containing nickel in a range of 10 to 10000 ppm, preferably 100 to 10000 ppm (weight conversion) was applied using a coating method. However, it is necessary to adjust the addition amount appropriately in consideration of the thickness of the amorphous silicon film. The nickel concentration in the amorphous silicon film thus obtained is 1 × 10 19 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 .
[0097]
After the catalytic element is introduced into the amorphous silicon film as described above, crystallization is performed by heat treatment (550 ° C., 4 hours) to obtain a crystalline semiconductor film. Further, instead of heat treatment, a step of irradiating laser light may be added.
[0098]
Further, it is preferable to perform a gettering treatment step (techniques such as JP-A-9-312260 and JP-A-8-330602) for reducing the catalytic element in the crystalline semiconductor film after the above step. . In JP-A-9-312260, the catalytic element of a crystalline semiconductor film is gettered in a thermal oxide film formed by thermal oxidation (450 to 1100 ° C.) in an oxidizing atmosphere, and the heat A gettering process for removing the oxide film is described.
[0099]
In this embodiment, the nickel element in the crystalline semiconductor film is reduced by utilizing the gettering action of phosphorus.
[0100]
In the gettering process, after the above crystallization process is completed, phosphorus is selectively doped into the crystalline semiconductor film using a mask so that the phosphorus concentration is 1 × 10 19 to 1 × 10 21 atoms / A phosphorus added region of cm 3 is formed. Next, nickel is captured in the phosphorus addition region by heating at 600 ° C. for 12 hours in a nitrogen atmosphere. Accordingly, the nickel concentration in the region other than the phosphorus addition region can be reduced to 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less (preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less).
[0101]
Next, after the gettering step is completed, the mask is removed and further patterned to form an active layer. Here, the active layer is formed using a region other than the phosphorus addition region.
[0102]
As the process after the patterning process of the active layer, the TFT in the state of FIG. 2D is obtained by sequentially performing the same processes as in the first embodiment.
[0103]
The threshold voltage Vth and threshold voltage change ΔVth of the TFT manufactured using the manufacturing method of this example were measured in the same manner as in Example 1. Further, in order to compare the influence of the second base film, the threshold voltage (Vth) and threshold voltage change amount (ΔVth) of the TFT having only the first base film 200 nm (Comparative Example 1) are measured. did. FIG. 12 is a distribution diagram of threshold voltages of N-channel TFTs, and FIG. 13 is a distribution diagram of threshold voltages of P-channel TFTs.
[0104]
Similarly, FIG. 14 is a distribution diagram of the change amount (ΔVth) of the threshold voltage of the N-channel TFT, and FIG. 15 is a distribution diagram of the change amount of the threshold voltage of the P-channel TFT.
[0105]
The influence of the second base film will be considered below.
[0106]
When attention is paid to the data shown in FIGS. 12 to 15, the present embodiment has a threshold voltage smaller than that of the first comparative example, and the positive shift of the threshold voltage is suppressed by providing the second base film. Further, in this example, since the first base film is heat-treated as in Comparative Example 1, the threshold voltage fluctuation (ΔVth) is small, especially in the P channel. Almost no TFT was obtained.
[0107]
Example 3 In this example, a crystalline semiconductor film is obtained by a method different from that in Example 1. The present embodiment relates to a method for forming a crystalline silicon film by forming a laser beam shape into a rectangle or a square and performing uniform laser crystallization treatment in a region of several cm 2 to several hundred cm 2 by one irradiation. Since the basic configuration is substantially the same as that of the first embodiment, only the differences will be described.
[0108]
In this embodiment, excimer laser light is processed into a planar shape and irradiated in the process of FIG. When processing a laser beam into a planar shape, it is necessary to process the laser beam so that an area of about several tens of cm 2 (preferably 10 cm 2 or more) can be collectively irradiated. In order to anneal the entire irradiated surface with a desired laser energy density, a laser device having an output with a total energy of 5 J or more, preferably 10 J or more is used.
[0109]
In that case, the energy density is set to 100 to 800 mJ / cm 2 , and the output pulse width is set to 100 nsec or more, preferably 200 nsec to 1 msec. In order to realize a pulse width of 200 nsec to 1 msec, a plurality of laser devices are connected, and a state in which a plurality of pulses are mixed is created by shifting the synchronization of the laser devices.
[0110]
By irradiating a laser beam having a planar beam shape as in this embodiment, it is possible to perform uniform laser irradiation over a large area. That is, the crystallinity (including crystal grain size and defect density) of the active layer becomes uniform, and variations in electrical characteristics between TFTs can be reduced.
[0111]
Note that this embodiment can be easily combined with
[0112]
[0113]
In FIG. 5, 500 is a substrate having an insulating surface (plastic substrate provided with a silicon oxide film), 501 is a pixel portion, 502 is a scanning line driver circuit, 503 is a signal line driver circuit, 530 is a counter substrate, 510 is FPC (flexible). 520 is a logic circuit. As the
[0114]
Further, in this embodiment, the liquid crystal display device is described as an example. However, the present invention is applied to an EL (electroluminescence) display device and an EC (electrochromic) display device if the display device is an active matrix type. It goes without saying that it is also possible to do.
[0115]
Further, the liquid crystal display device that can be manufactured using the present invention does not matter whether it is a transmissive type or a reflective type. It is up to the practitioner to choose either. Thus, the present invention can be applied to any active matrix type electro-optical device (semiconductor device).
[0116]
Note that in manufacturing the semiconductor device shown in this embodiment, any of the configurations of
[0117]
[Embodiment 5] The present invention can be applied to all conventional IC technologies. That is, it can be applied to all semiconductor circuits currently on the market. For example, the present invention may be applied to a microprocessor such as a RISC processor or an ASIC processor integrated on one chip, and is represented by a liquid crystal driver circuit (D / A converter, γ correction circuit, signal dividing circuit, etc.). The present invention may be applied to a signal processing circuit and a high-frequency circuit for a portable device (mobile phone, PHS, mobile computer).
[0118]
A semiconductor circuit such as a microprocessor is mounted on various electronic devices and functions as a central circuit. Typical electronic devices include personal computers, portable information terminal devices, and all other home appliances. Further, a computer for controlling a vehicle (such as an automobile or a train) may be used. The present invention is applicable to such a semiconductor device.
[0119]
Note that in manufacturing the semiconductor device shown in this embodiment, any of the configurations of
[0120]
Example 6
A TFT formed by implementing the present invention can be used in various electro-optical devices. That is, the present invention can be implemented in all electronic devices in which these electro-optical devices are incorporated in the display unit.
[0121]
Examples of such an electronic device include a video camera, a digital camera, a head mounted display (goggles type display), a wearable display, a car navigation system, a personal computer, a personal digital assistant (mobile computer, mobile phone, electronic book, etc.), and the like. . An example of them is shown in FIG.
[0122]
FIG. 6A illustrates a personal computer, which includes a main body 2001, an image input portion 2002, a display portion 2003, and a
[0123]
FIG. 6B shows a video camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an
[0124]
FIG. 6C illustrates a mobile computer, which includes a main body 2201, a
[0125]
FIG. 6D illustrates a goggle type display which includes a
[0126]
FIG. 6E shows a player using a recording medium (hereinafter referred to as a recording medium) on which a program is recorded. The player includes a main body 2401, a
[0127]
FIG. 6F illustrates a digital camera, which includes a main body 2501, a
[0128]
As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to electronic devices in various fields. Moreover, the electronic apparatus of a present Example is realizable even if it uses the structure which consists of what combination of Examples 1-5.
[0129]
Example 7
A TFT formed by implementing the present invention can be used in various electro-optical devices. That is, the present invention can be implemented in all electronic devices in which these electro-optical devices are incorporated as liquid crystal display devices.
[0130]
Examples of such an electronic device include a projector (rear type or front type). An example of them is shown in FIG.
[0131]
FIG. 16A illustrates a front type projector, which includes a
[0132]
FIG. 16B shows a rear projector, which includes a
[0133]
Note that FIG. 16C is a diagram illustrating an example of the structure of the
[0134]
FIG. 16D is a diagram illustrating an example of the structure of the light source
[0135]
As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to electronic devices in various fields. Moreover, the electronic apparatus of a present Example is realizable even if it uses the structure which consists of what combination of Examples 1-5. However, it goes without saying that the projector in this embodiment is a transmissive liquid crystal display device and is not applicable to a reflective liquid crystal display device.
[0136]
【The invention's effect】
By implementing the present invention, a TFT with high reproducibility and improved TFT stability and high productivity can be obtained.
[0137]
In the present invention, a TFT having extremely good electrical characteristics can be formed by stacking the second insulating film and the semiconductor film on the heat-treated first insulating film without exposure to the air. In particular, the threshold voltage Vth, which is a typical parameter of a TFT, can be realized as -0.5 to 2 V for an N-channel TFT and 0.5 to -2 V for a P-channel TFT.
[0138]
Further, if the second insulating film has a film thickness of 20 nm or more, Vth can be suppressed to about ± 0.2 V within a range of film thickness fluctuation of ± 10 nm, and a uniform TFT with little variation can be obtained. be able to.
[0139]
Furthermore, the threshold voltage variation ΔVth, which is one of the parameters that serve as a guideline for TFT reliability, can be reduced and a highly reliable TFT can be obtained.
[0140]
Further, a subthreshold coefficient (S value), which is a typical parameter of the TFT, can be 0.1 to 0.3 V / decade.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a manufacturing process of a TFT (Example 1).
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a manufacturing process of a TFT (Example 1). FIGS.
FIG. 3 is a cross-sectional view (Example 1) illustrating an example of an inverter circuit diagram, a top view, and a cross-sectional structure diagram.
4A and 4B are a cross-sectional view and a top view illustrating an example of a pixel portion (Example 1).
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a semiconductor device (liquid crystal display device) (Example 4);
FIG. 6 illustrates an example of a semiconductor device (electronic device) (Example 6);
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a film forming apparatus (Example 1).
FIG. 8 is a distribution diagram showing a threshold voltage of an N-channel TFT (Example 1).
FIG. 9 is a distribution diagram showing a threshold voltage of a P-channel TFT (Example 1).
FIG. 10 is a distribution diagram showing a variation in threshold voltage of an N-channel TFT (Example 1).
FIG. 11 is a distribution diagram showing a variation in threshold voltage of a P-channel TFT (Example 1).
FIG. 12 is a distribution diagram showing a threshold voltage of an N-channel TFT (Example 2).
FIG. 13 is a distribution diagram showing a threshold voltage of a P-channel TFT (Example 2).
FIG. 14 is a distribution diagram showing a variation in threshold voltage of an N-channel TFT (Example 2).
15 is a distribution diagram showing a variation in threshold voltage of a P-channel TFT (Example 2). FIG.
FIG. 16 illustrates an example of a semiconductor device (electronic device) (Example 7);
[Explanation of symbols]
100
112, 113 n − region (low concentration impurity region)
114
Claims (12)
前記第1の絶縁膜を大気にさらし、熱処理を施した後、
前記第1の絶縁膜上に、第2の絶縁膜と半導体膜とを順次大気にふれさせることなく積層形成し、
前記半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。Forming a first insulating film on the substrate;
After exposing the first insulating film to the atmosphere and performing a heat treatment,
On the first insulating film, a second insulating film and a semiconductor film are sequentially stacked without being exposed to the atmosphere,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor film is crystallized to form a crystalline semiconductor film.
前記第1の絶縁膜を大気にさらし、熱処理を施した後、
前記第1の絶縁膜上に、第2の絶縁膜と半導体膜とを順次大気にふれさせることなく積層形成し、
前記半導体膜の少なくとも一部に結晶化を助長する触媒元素を添加し、
前記半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。Forming a first insulating film on the substrate;
After exposing the first insulating film to the atmosphere and performing a heat treatment,
On the first insulating film, a second insulating film and a semiconductor film are sequentially stacked without being exposed to the atmosphere,
Adding a catalytic element for promoting crystallization to at least a part of the semiconductor film;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor film is crystallized to form a crystalline semiconductor film.
前記第1の絶縁膜を大気にさらし、熱処理を施した後、
前記第1の絶縁膜上に、第2の絶縁膜と半導体膜とを順次大気にふれさせることなく積層形成し、
前記半導体膜の少なくとも一部に結晶化を助長する触媒元素を添加し、
前記半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜を形成した後、前記触媒元素をゲッタリングすることを特徴とする半導体装置の作製方法。Forming a first insulating film on the substrate;
After exposing the first insulating film to the atmosphere and performing a heat treatment,
On the first insulating film, a second insulating film and a semiconductor film are sequentially stacked without being exposed to the atmosphere,
Adding a catalytic element for promoting crystallization to at least a part of the semiconductor film;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the catalytic element is gettered after the semiconductor film is crystallized to form a crystalline semiconductor film.
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