JP4674937B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶構造を有する半導体膜、及び当該半導体膜で活性領域を形成した半導体装置の作製方法に関する。特に、本発明は当該半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタの作製方法に好適に用いることができる。尚、本明細書において半導体装置とは、半導体特性を利用して機能しうる装置全般を指し、半導体集積回路、電気光学装置、及び半導体集積回路や電気光学装置を搭載した電子機器を半導体装置の範疇に含むものとしている。
【0002】
【従来の技術】
ガラスや石英などの基板上に結晶構造を有する半導体膜(以下、結晶質半導体膜という)を用いて薄膜トランジスタ(以下、TFTと記す)を作製する技術が開発されている。結晶質半導体膜を用いたTFTを形成する技術は、液晶表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイにおいて、高精細な画像表示を実現する手段として、又は、画素部と当該画素部の駆動に必要な集積回路を同一基板上に形成したモノシリック型ディスプレイを実現する手段として応用されている。
【0003】
SOI技術(Silicon on Insulator technology)以外で結晶質半導体膜を形成するには、気相成長法(CVD法)により基板上に直接結晶質半導体膜を形成する方法や、非晶質半導体膜を加熱処理、或いはレーザー光の照射などにより結晶化させる方法が知られている。しかし、TFTにおいては、良好な電気的特性が得られることから後者の方法が積極的に採用されている。
【0004】
ガラスまたは石英などの基板上の非晶質半導体膜を加熱処理やレーザー光の照射により結晶化した結晶質半導体膜は多結晶構造となる。通常の場合、結晶化は非晶質半導体膜と基板との界面に自然に発生する結晶核が基となり結晶化が進むことが判明している。多結晶構造における個々の結晶粒は任意な結晶面が析出しているが、下地に酸化珪素がある場合には、その界面エネルギーが最小となる(111)面の結晶が析出する確率が高くなることが解っている。
【0005】
ところで、TFTに必要な半導体膜の厚さは10〜100nm程度である。この膜厚の範囲では、異種材料で形成されている基板との界面において、格子の不整合により、また、ランダムに発生する結晶核により結晶方位を制御することが困難であった。また、結晶粒が相互に干渉しあう為、個々の粒径の大型化を実現することは不可能であった。
【0006】
一方、結晶質珪素膜を形成する他の手法として、非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する元素を導入し、従来よりも低い温度の加熱処理で結晶質珪素膜を作製する技術が開示されている。例えば、特開平7−130652号公報、特開平8−78329号公報では、非晶質珪素膜にニッケルなどの金属元素を導入し、550℃、4時間の熱処理により結晶質珪素膜を得ることができる。
【0007】
この場合には、自然核が発生するより低い温度で導入した元素のシリサイド化物が形成され、当該シリサイドを基にした結晶成長が起こっている。例えば、ニッケルを用いて形成されるニッケルシリサイド(NiSix(0.4≦x≦2.5))は特定の配向性を持たないが、非晶質珪素膜の厚さを10〜100nmとすると基板表面に対し平行な方向しか殆ど成長することが許されなくなる。この場合、NiSixと結晶珪素の(111)面とが接する界面エネルギーが最も小さいので、結晶質珪素膜の表面と平行な面は(110)面となり、この格子面が優先的に配向する。しかし、結晶成長方向が基板表面に対し平行な方向に柱状に成長する場合には、その柱状結晶を軸とした回転方向には自由度が存在するため、必ずしも(110)面が配向するとは限らないため、その他の格子面も析出していた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
配向率が低い場合、異なる方位の結晶がぶつかる結晶粒界で、格子の連続性を保持することが殆ど不可能となり、不対結合手が多く形成されることが容易に推定される。粒界にできる不対結合手は再結合中心または捕獲中心となり、キャリア(電子・ホール)の輸送特性を低下させている。その結果、キャリアが再結合で消滅したり欠陥にトラップされたりするため、このような結晶質半導体膜を用いてTFTを作製しても高い電界効果移動度を有するTFTを期待することができない。
【0009】
また、結晶粒の位置を意図的に制御することは殆ど不可能であり、結晶粒界はランダムに存在するため、TFTのチャネル形成領域を特定の結晶方位をもつ結晶粒で形成することができない。そのために結晶格子の連続性が低下して、結晶粒界では欠陥が形成される。結果として、TFTの特性をばらつかせる要因となり、様々な悪影響をもたらすことになる。例えば、電界効果移動度が低下して、TFTを高速で動作させることができなくなる。また、しきい値電圧の変動は低電圧駆動を不可能として、消費電力の増加をもたらすことになる。
【0010】
本発明はこのような問題点を解決する手段を提供することを目的とし、非晶質半導体膜を加熱処理とレーザー光または紫外線、赤外線などの強光の照射により結晶化して得られる結晶質半導体膜の配向率を高め、そのような結晶質半導体膜で活性領域を形成した半導体装置及びその作製方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明は、珪素を主成分とし、結晶構造を有する半導体膜であって、反射電子回折パターン法で検出される格子面の内、{101}面が占める割合が10%以上であり、{111}面が占める割合が10%未満である半導体膜を用いる。このような半導体膜は、珪素原子の水素化物またはフッ化物または塩化物によるガスを用い、繰り返し周波数10kHz以下、デューティー比50%以下の間欠放電またはパルス放電を用いたプラズマCVD法により珪素を主成分とする非晶質半導体膜を形成し、その表面に該非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素を導入し、当該元素を利用して加熱処理、または加熱処理とレーザー光または紫外線、赤外線などの強光の照射により結晶化させて得る。この結晶構造を有する半導体膜は、チャネル形成領域などの活性層に用いることができる。
【0012】
このようにして作製される珪素を主成分とする半導体膜は、珪素以外の周期律表第14族元素の濃度は1×1018/cm3以下であり、前記半導体膜中の窒素及び炭素の濃度が5×1018/cm3未満であり、酸素の濃度が1×1019/cm3未満であるものとする。
【0013】
結晶化を助長する元素としては、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を用いる。また、非晶質半導体膜の厚さは10nm乃至100nmで形成する。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明において、TFTのチャネル形成領域に用いる半導体膜は、{110}格子面の配向率が高い珪素を主成分とする結晶質半導体膜であることに特徴を有している。このような結晶質半導体膜を得る典型的な一実施形態は、珪素原子の水素化物またはフッ化物または塩化物によるガスを用い、間欠放電またはパルス放電を用いたプラズマCVD法により珪素を主成分とする非晶質半導体膜を形成し、その表面に該非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素を導入し、当該元素を利用して加熱処理、または加熱処理とレーザー光または紫外線、赤外線などの強光の照射により結晶化して結晶質半導体膜を形成する。
【0015】
このような結晶質半導体膜を形成するための基板は、アルミナホウケイ酸ガラスやバリウムホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガラス基板が適している。代表的にはコーニング社の#7059ガラス基板や#1737ガラス基板を用いる。その他に石英基板やサファイア基板を用いても良い。或いは、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素などの半導体基板の表面に絶縁膜を形成し、これを基板としても良い。
【0016】
ガラス基板を用いる場合には、非晶質半導体膜とガラス基板との間に窒化珪素、酸化珪素、または酸化窒化珪素などでブロッキング層を形成する。こうして、ガラス基板中に含まれるアルカリ金属元素などの不純物元素が半導体膜中に拡散することを防ぐ。例えば、プラズマCVD法でSiH4、NH3、N2を反応ガスとして用い、窒化珪素膜を形成する。または、SiH4、N2O、NH3を反応ガスとして用い、酸化窒化珪素膜を形成する。ブロッキング層の厚さは20〜200nmで形成する。
【0017】
このような基板上に間欠放電またはパルス放電を用いたプラズマCVD法により上記非晶質半導体膜を形成する。間欠放電またはパルス放電は、発振周波数1〜120MHz、好ましくは13.56〜60MHzの高周波電力を、繰り返し周波数10〜10kHzに変調してカソードに供給することにより形成する。繰り返し周波数の1周期における高周波電力が印加される時間の割合をデューティー比とすると、その値は1〜50%の範囲であることが望ましい。
【0018】
このような間欠放電またはパルス放電を用いる意味の一つは、非晶質半導体膜の堆積過程におけるラジカル種(ここでは、電気的に中性であり、化学的に活性な原子または分子を指していう)の選択である。例えば、SiH4を放電空間中で分解するとき様々なラジカル種やイオン種が生成される。放電が定常的に持続する場合には、その存在比率は一定の割合を保っている。しかし、間欠放電またはパルス放電のように放電がオフになる時間が存在する場合には、ラジカル種やイオン種の寿命時間の違いにより、長寿命のラジカル種のみが被膜の堆積表面に供給され成膜に寄与することになる。
【0019】
図18は高周波電力の投入とラジカル濃度の時間変化を模式的に説明する図である。本発明でいう間欠放電またはパルス放電は、高周波電力がカソードに印加されるオン時間と、高周波電力の供給が遮断されるオフ時間とが存在する。例えば、発振周波数27MHzの高周波電力を繰り返し周波数10kHz、デューティー比10%で供給した場合には、オン時間1μsec、オフ時間9μsecとなる。放電により生成されるラジカル種やイオン種は、生成速度及び消滅速度(寿命)がそれぞれ異なるので、例えばあるラジカル種に着目すると図18に示すように過渡的な変化が観測されるものがある。即ち、高周波電力が供給されると共にラジカル種の濃度が増加していき、ある飽和状態に達する。高周波電力の供給が遮断されると当該ラジカル種は減少し、消滅するがそれにはある一定の時間を要する。通常は1/eに減少する時間をもって寿命時間と定義される。
【0020】
例えば、SiH、SiH2ラジカルの寿命はそれぞれ1.72×10-4、2.47×10-6秒である(SiH4プラズマ中、50mTorrにおける値)。それに対し、SiH3は、SiH3+SiH4→SiH3+SiH4の反応が繰り返され長寿命であること考えられている。ここで、良質な非晶質珪素膜を形成するにはSiH3を用いれば良いと言われている。
【0021】
従って、繰り返し周波数とデューティー比を最適なものとすると、所定のラジカル種を選択的に取り出し、被膜形成に優先的に用いることができる。実際には長寿命のラジカル種を取り出すことが可能となる。長寿命のラジカル種は、相対的に見れば化学的な活性度が低いので、皮膜の形成において表面反応を制御しやすくなると言える。
【0022】
デューティー比に関して言えば、その値が大きくなる程ラジカル種の選択性が悪くなり変調しない連続放電と同じ成膜機構となる。本発明者の実験によれば、デューティー比が50%以上になると間欠放電により得られる効果は低下してしまう。
【0023】
いずれにしても、本発明で用いる上記ガスは、堆積される非晶質半導体膜に取り込まれる酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度を低減するために高純度に精製されたものを用いる。堆積する非晶質半導体膜の厚さは10〜100nmの範囲とする。
【0024】
本発明に用いる非晶質半導体膜は珪素を主成分とする材料で形成され、その他の14族元素の濃度は5×1018/cm3以下とする。このような非晶質半導体膜は、代表的な反応ガスとして用いられるSiH4または、SiH4とH2の混合ガスを用いて作製する。また、非晶質半導体中に含まれる異種元素として、窒素及び炭素の濃度は5×1018/cm3未満、酸素の濃度は1×1019/cm3未満とする。結晶化の過程においてこれらの不純物は、主に結晶粒の粒界に析出し、粒界のポテンシャル障壁が高くなりキャリアーの移動度が低下する等の不具合が生じてしまう。
【0025】
ここで、本明細書ではこれらの異種元素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により検出される濃度を言うものであり、当該膜中における濃度の最低値を指している。
【0026】
上記のように形成した非晶質半導体膜に、該非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素を導入する。そのような元素としては、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスニウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)から選ばれた一種または複数種の元素を用いる。これらの元素は、本明細書に記載する何れの発明においても非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素として使用することができる。上記いずれの元素を用いても同質、同様の効果を得ることができるが、代表的にはニッケルを用いる。
【0027】
当該元素を導入する箇所は、非晶質半導体膜の全面、或いは非晶質半導体膜の膜面における適宣箇所のスリット状の面または点状の面などとする。前者の場合には、当該非晶質半導体膜の基板側に位置する面または基板側とは反対の面のいずれであっても良い。後者の場合には、好ましくは非晶質半導体膜上に絶縁膜が形成され、その絶縁膜に設けられた開孔を利用して元素を導入することができる。開孔の大きさに特に限定はないが、その幅は10〜40μmとすることができる。また、その長手方向の長さは任意に決めれば良く、数十μm〜数十cmの範囲とすることができる。
【0028】
当該元素を導入する方法は、当該元素を非晶質半導体膜の表面又は内部に存在させる手法であれば特に限定はなく、例えば、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理法(含むプラズマCVD法)、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法などを使用することができる。プラズマ処理法は、不活性ガスによるグロー放電雰囲気において、陰極からスパッタされる当該元素を利用する。また、金属塩の溶液を塗布する方法は簡易であり、当該元素の濃度調整が容易である点で有用である。
【0029】
金属塩としては各種塩を用いることが可能であり、溶媒としては水、アルコール類、アルヒデト類、エーテル類その他の有機溶媒、または水とこれらの有機溶媒の混合物を用いることができる。また、それらの金属塩が完全に溶解した溶液とは限らず、金属塩の一部または全部が懸濁状態で存在する溶液であっても良い。いずれの方法を採用するにしても、当該元素は非晶質半導体膜の表面又は内部に分散させて導入する。
【0030】
上記何れかの方法で当該元素を導入した後、当該元素を利用して非晶質半導体膜の結晶化を行う。結晶化は加熱処理、レーザー光または紫外線、赤外線などの強光の照射によって行う(以下、本明細書では一括してレーザー処理と標記する)。加熱処理のみでも{101}に優先的に配向する結晶質珪素膜を得ることができるが、好ましくは、加熱処理を行いその後レーザー光などの強光の照射を行う方法を適用する。加熱処理後のレーザー処理は、結晶粒内に残される結晶欠陥を修復することができ、作製される結晶の品質を向上させる目的に対して有効な処置となる。
【0031】
加熱処理は450〜1000℃の範囲で行うことが可能であるが、温度の上限は使用する基板の耐熱温度が一つの上限として考慮される。例えば、石英基板を用いる場合には1000℃の熱処理にも耐えるが、ガラス基板の場合にはその歪み点以下が上限温度の一つの根拠となる。例えば、歪み点667℃のガラス基板に対しては、660℃程度が上限となり、好ましくは600℃以下とするのが良い。必要とされる時間は加熱温度や、その後の処理条件(例えばレーザー光を照射する処理の有無など)により若干異なるが、好適には550〜600℃にて4〜24時間の加熱処理を行う。また、その後レーザー処理を行う場合には、500〜550℃にて4〜8時間の熱処理を行う。以上の加熱処理は空気中や水素雰囲気中でも良いが、好適には窒素或いは不活性ガス雰囲気中にて行う。
【0032】
また、レーザー処理は、波長400nm以下のエキシマレーザーや、YAGまたはYVO4レーザーの第2高調波(波長532nm)〜第4高調波(波長266nm)を光源として用いて行う。これらのレーザー光は光学系にて線状またはスポッ状に集光し、そのエネルギー密度を100〜300mJ/cm2として照射し、上記のように集光したレーザービームを基板の所定の領域に渡って走査させ処理を行う。その他、レーザーの代わりに、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプなどを光源としても良い。
【0033】
次に上述の本発明に基づいて作製される結晶質半導体膜について、その作製条件の一例を示す。表1はプラズマCVD法で作製する非晶質半導体膜の作製条件である。反応ガスはSiH4を用いる。これらの反応ガスは、形成される非晶質半導体膜に含まれる酸素、窒素、炭素の不純物濃度を低減させるために、SiH4の純度は99.9999%以上のものを用いている。高周波電力はピーク値として0.35W/cm2(27MHz)を供給し、繰り返し周波数1〜30kHz、デューティー比10〜90%のパルス放電に変調して平行平板型のプラズマCVD装置の陰極に給電する。その他、反応圧力33.25Pa、基板温度200〜400℃、電極間隔35mmとしている。
【0034】
図17は、プラズマCVD装置のカソードに印加される27MHzの高周波電力の波形をオシロスコープで観測した写真である。図17(A)は繰り返し周波数1kHz、デューティー比20%の場合であり、図17(B)は繰り返し周波数1kHz、デューティー比50%の場合の写真である。このように、本発明では高周波電力が印加されるオン時間と、印加されないオフ時間が交互に繰り返される状況の下に非晶質半導体膜の形成を行っている。このような電力の供給により形成される放電を、便宜上間欠放電またはパルス放電と呼ぶ。
【0035】
図4はプラズマCVD装置の一例であり、共通室1120は、ロード・アンロード(L/UL)室1110、1115、反応室(1)〜反応室(3)1111〜1113、予備室1114とゲート弁1122〜1127を介して連結されている。基板は、ロード・アンロード(L/UL)室1110、1115のカセット1128、1129に装填され、共通室1120の搬送手段1121により各反応室または予備室に搬送される。予備室1114では主に基板の予備加熱のみを行い、反応室(1)では窒化珪素膜や酸化珪素膜などの絶縁膜の形成、反応室(2)では非晶質半導体膜の成膜の形成を行い、反応室(3)では珪素の結晶化を助長する元素をプラズマ処理により添加するように分離されている。このプラズマ処理は、不活性ガスのグロー放電により、ニッケルなどの上記結晶化を助長する元素で形成された陰極からスパッタされる元素を非晶質半導体膜に付着させる処理である。このような構成のプラズマCVD装置を用いれば、基板に密接して形成するブロッキング層から非晶質半導体膜、及び非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素の添加までを、大気に曝すことなく連続して形成することができる。
【0036】
図5はこのようなプラズマCVD装置の一つの反応室の構成を詳細に説明するものであり、非晶質半導体膜を形成する反応室の一例を示している。反応室501は、高周波電源505が接続する陰極(カソード)502、陽極(アノード)503が設けられた平行平板型である。陰極502はシャワー板となっていて、ガス供給手段506からの反応ガスは、このシャワー板を通して反応室中に供給される。陽極503にはシーズヒーターなどによる加熱手段が設けられ、基板515が設置されている。ガス供給系の詳細は割愛するが、SiH4やGeH4などが充填されたシリンダー514、ガスの流量を制御するマスフローコントローラー512、ストップバルブ513などから構成されている。排気手段507は、ゲートバルブ508、自動圧力制御弁509、ターボ分子ポンプ(または複合分子ポンプ)510、ドライポンプ507から成っている。ターボ分子ポンプ(または複合分子ポンプ)510、ドライポンプ507は潤滑油を使用しないもので、油の拡散による反応室内の汚染を完全に無くしている。排気速度は、反応室の容積13Lの反応室に対し、一段目に排気速度300L/秒のターボ分子ポンプ、二段目に排気速度40m3/hrのドライポンプを設け、排気系側から有機物の蒸気が逆拡散してくるのを防ぐと共に、反応室の到達真空度を高め、非晶質半導体膜の形成時に不純物元素が膜中に取り込まれることを極力防いでいる。
【0037】
このような条件の下に作製された非晶質半導体を用い、前述の結晶化法を用い作製された結晶質半導体膜の配向率は、反射電子線回折パターン(EBSP:Electron Backscatter diffraction Pattern)により求められている。EBSPは走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscopy)に専用の検出器を設け、一次電子の後方散乱から結晶方位を分析する手法である(以下、この手法を便宜上EBSP法と呼ぶ)。EPSPを用いた結晶半導体膜の評価は、"Microtexture Analysis of Location Controlled Large Si Grain Formed by Exciter-Laser Crystallization Method: R. Ishihara and P. F. A. Alkemade, AMLCD'99 Digest of Technical Papers 1999 Tokyo Japan, pp99-102"に紹介されている。
【0038】
この測定方法は、結晶構造を持った試料に電子線が入射すると、後方にも非弾性散乱が起こり、その中には試料中でブラッグ回折による結晶方位に特有の線状パターン(一般に菊地像と呼ばれる)も合わせて観察される。EBSP法は検出器スクリーンに映った菊地像を解析することにより試料の結晶方位を求めている。試料の電子線の当たる位置を移動させつつ方位解析を繰り返す(マッピング測定)ことで、面状の試料について結晶方位または配向の情報を得ることができる。入射電子線の太さは、走査型電子顕微鏡の電子銃のタイプにより異なるが、ショットキー電界放射型の場合、10〜20nmの非常に細い電子線が照射される。マッピング測定では、測定点数が多いほど、また測定領域が広いほど、結晶配向のより平均化した情報を得ることができる。実際には、100×100μm2の領域で、10000点(1μm間隔)〜40000点(0.5μm間隔)の程度の測定を行っている。
【0039】
マッピング測定により各結晶粒の結晶方位がすべて求まると、膜に対する結晶配向の状態を統計的に表示できる。図6(A)にEBSP法により求められる逆極点図の例を示す。逆極点図は多結晶体の優先配向を表示する際によく用いられるもので、試料のある特定の面(ここでは膜表面)が、どの格子面に一致しているかを集合的に表示したものである。
【0040】
図6(A)の扇形状の枠は一般に標準三角形と呼ばれるもので、この中に立方晶系における全ての指数が含まれている。またこの図中における長さは、結晶方位における角度に対応している。たとえば{001}と{101}の間は45度、{101}と{111}の間は35.26度、{111}と{001}の間は54.74度である。また、白抜きの点線は{101}からのずれ角5度及び10度の範囲を示している。
【0041】
図6(A)は、マッピングにおける全測定点(この例では11655点)を標準三角形内にプロットしたものである。{101}付近で点の密度が濃くなっていることがわかる。図6(B)は、このような点の集中度を等高線表示したものである。ここで数値は各結晶粒が完全に無秩序な配向だと仮定した場合、すなわち標準三角形内に点を偏りなく分布させた場合に対する倍率を示しており無次元数である。
【0042】
このように特定の指数(ここでは{101})に優先配向している事がわかった場合、その指数近傍にどの程度の結晶粒が集まっているか、その割合を数値化することで、優先配向の度合いをよりイメージしやすくなる。例えば図6(A)に例示した逆極点図において{101}からのずれ角5度及び10度の範囲(図中に白点線で示す)に存在する点数の全体に対する割合を配向率として次式により求めて示すことができる。
【0043】
【数1】
【0044】
この割合は、次のように説明することもできる。図6(A)のように{101}付近に分布が集中している場合、実際の膜においては各結晶粒の<101>方位は基板に概略垂直であるが、その周りにやや揺らぎを持って並んでいることが予想される。この揺らぎの角に許容値を5度、10度と設け、それより小さいものの割合を数値で示してゆく。以上に説明したように許容ずれ角を5度及び10度と定め、それを満たす結晶粒の割合を表示してゆくことにより配向率を求めることができる。
【0045】
図1はガラス基板上に作製した54nmの非晶質珪素膜を、500℃にて1時間の脱水素処理をした後、580℃にて4時間の加熱処理により結晶化させた結晶質半導体膜の{101}面の配向率をデューティー比依存性として示している。繰り返し周波数は1〜30kHzの間で変化させている。図1から明らかなことは、連続放電から作製された膜の特性と比較して、デューティー比が小さくなるに従って、{101}面の配向率が増加する傾向が明らかに示されている。また、この傾向は繰り返し周波数が10kHz以下の場合において顕著に現れている。図1の結果では、連続放電から作製された試料が9%の配向率であるのに対し、デューティー比10%において14%、デューティー比20%において15%の配向率が得られている。
【0046】
図2は、同様の試料について横軸を放電持続時間としてプロットした特性を示している。{101}面の配向率は連続放電で作製した比較試料に対して高い値を示しているが、放電持続時間が短い程配向率が高くなる傾向を示している。
【0047】
図3は同様の試料についてパルス周波数に対してプロットしたデータである。{101}面の配向率はパル周波数が10kHz以下の場合に高くなることが示されている。
【0048】
勿論、このような{101}格子面に対して高い配向性を示す結晶質半導体膜は、所定の繰り返し周波数で非晶質半導体を堆積するだけでなく、膜中に含まれる酸素、窒素、炭素の元素の濃度を1×1019/cm3未満にすること、及び膜厚を20〜100nmの範囲として、基板表面と平行な方向の成長が支配的となるようにすることの相乗効果により達成される。
【0049】
このような{110}格子面の配向率の高い結晶質半導体膜はTFTのチャネル形成領域、光起電力素子の光電変換層など素子の特性を決定付けるチャネル形成領域に好適に用いることができる。
【0050】
【実施例】
[実施例1]
図7で説明する結晶質半導体膜の作製方法は、非晶珪素膜の全面に珪素の結晶化を助長する元素を添加して結晶化を行う方法である。まず、図7(A)において、基板101はコーニング社の#1773ガラス基板に代表されるガラス基板を用いる。基板101の表面には、ブロッキング層102としてプラズマCVD法でSiH4とN2Oを用い酸化窒化珪素膜を100nmの厚さに形成する。ブロッキング層102はガラス基板に含まれるアルカリ金属がこの上層に形成する半導体膜中に拡散しないために設ける。
【0051】
珪素を主成分とする非晶質半導体膜103はプラズマCVD法により作製し、SiH4を反応室に導入し、間欠放電またはパルス放電により分解して基板101に堆積させる。その詳細な条件は実施形態において述べた通りであるが、27MHzの高周波電力を変調し、繰り返し周波数5kHz、デューティー比20%の間欠放電により54nmの厚さに堆積する。珪素を主成分とする非晶質半導体膜103の酸素、窒素、炭素などの不純物を極力低減するために、SiH4は純度99.9999%以上のものを用いる。また、プラズマCVD装置の仕様としては、反応室の容積13Lの反応室に対し、一段目に排気速度300L/秒の複合分子ポンプ、二段目に排気速度40m3/hrのドライポンプを設け、排気系側から有機物の蒸気が逆拡散してくるのを防ぐと共に、反応室の到達真空度を高め、非晶質半導体膜の形成時に不純物元素が膜中に取り込まれることを極力防いでいる。
【0052】
そして図7(B)で示すように、重量換算で10ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピナーで塗布してニッケル含有層104を形成する。この場合、当該溶液の馴染みをよくするために、珪素を主成分とする非晶質半導体膜103の表面処理として、オゾン含有水溶液で極薄い酸化膜を形成し、その酸化膜をフッ酸と過酸化水素水の混合液でエッチングして清浄な表面を形成した後、再度オゾン含有水溶液で処理して極薄い酸化膜を形成しておく。珪素の表面は本来疎水性なので、このように酸化膜を形成しておくことにより酢酸ニッケル塩溶液を均一に塗布することができる。
【0053】
次に、500℃にて1時間の加熱処理を行い、珪素を主成分とする非晶質半導体膜中の水素を放出させる。そして、580℃にて4時間に加熱処理を行い結晶化を行う。こうして、図7(C)に示す結晶質半導体膜205が形成される。
【0054】
さらに結晶化率(膜の全体積における結晶成分の割合)を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するために、結晶質半導体膜205に対してレーザー光206を照射するレーザー処理を行う。レーザーは波長308nmにて30Hzで発振するエキシマレーザー光を用いる。当該レーザー光は光学系にて100〜300mJ/cm2に集光し、90〜95%のオーバーラップ率をもって半導体膜を溶融させることなくレーザー処理を行う。こうして図7(D)に示す珪素を主成分とする結晶質半導体膜107を得ることができる。
【0055】
[実施例2]
非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素を選択的に形成する方法を図8により説明する。図8(A)において、基板120は前述のガラス基板または石英基板を採用する。ガラス基板を用いる場合には、実施例1と同様にブロッキング層を設ける。
【0056】
珪素を主成分とする非晶質半導体膜121は、実施例1と同様に間欠放電またはパルス放電を用いたプラズマCVD法で形成する。
【0057】
そして、珪素を主成分とする非晶質半導体121上に150nmの厚さの酸化珪素膜122を形成する。酸化珪素膜の作製方法は限定されないが、例えば、オルトケイ酸テトラエチル(Tetraethyl Ortho Silicate:TEOS)とO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.5〜0.8W/cm2で放電させ形成する。
【0058】
次に、酸化珪素膜122に開孔部123を形成し、重量換算で10ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液を塗布する。これにより、ニッケル含有層124が形成され、ニッケル含有層124は開孔部123の底部のみで非晶質半導体膜121と接触する。
【0059】
図8(B)で示す結晶化は、加熱処理の温度500〜650℃で4〜24時間、例えば570℃にて14時間の熱処理を行う。この場合、結晶化はニッケルが接した非晶質珪素膜の部分が最初に結晶化し、そこから基板の表面と平行な方向に結晶化が進行する。こうして形成された結晶質珪素膜125は棒状または針状の結晶が集合して成り、その各々の結晶は巨視的に見ればある特定の方向性をもって成長している。その後、酸化珪素膜222を除去すれば、図8(D)で示す珪素を主成分とする結晶質半導体膜225を得ることができる。
【0060】
[実施例3]
実施例1、2で説明する方法に従い作製される結晶質珪素膜には結晶化において利用したニッケルに代表される元素が残存している。それは膜中において一様に分布していないにしろ、平均的な濃度とすれば、1×1019/cm3を越える濃度で残存している。勿論、このような状態でもTFTをはじめ各種半導体装置のチャネル形成領域に用いることが可能であるが、より好ましくは、ゲッタリングにより当該元素を除去することが望ましい。
【0061】
本実施例はゲッタリング方法の一例を図9を用いて説明する。図9(A)において、基板130は実施例1のガラス基板、或いは石英基板が採用される。ガラス基板を用いる場合には、実施例1と同様にブロッキング層を設ける。また、結晶質半導体膜131は実施例1または2のいずれの方法で作製されたものであっても同様に適用される。結晶質半導体膜131の表面には、マスク用の酸化珪素膜132が150nmの厚さに形成され、開孔部133が設けられ結晶質半導体膜が露出した領域が設けられている。実施例2に従う場合には、図8(A)で示す酸化珪素膜122をそのまま利用可能であり、図8(B)の工程の後からそのまま本実施例の工程に移行することもできる。そして、イオンドープ法によりリンを添加して、1×1019〜1×1022/cm3の濃度のリン添加領域135を形成する。
【0062】
そして、図9(B)に示すように、窒素雰囲気中で550〜800℃、5〜24時間、例えば600℃にて12時間の熱処理を行うと、リン添加領域135がゲッタリングサイトとして働き、結晶質珪素膜131に残存していた触媒元素はリン添加領域135に偏析させることができる。
【0063】
その後、図9(C)で示すようにマスク用の酸化珪素膜132と、リンが添加領域135とをエッチングして除去することにより、結晶化の工程で使用した金属元素の濃度が1×1017/cm3未満にまで低減された結晶質半導体膜136を得ることができる。
【0064】
[実施例4]
次に、このような珪素を主成分とする結晶質半導体膜を用いて、TFTを作製する例を示す。図11は本実施例の作製工程を説明する図である。
【0065】
図11(A)において、基板210上に珪素を主成分とする結晶質半導体膜212を形成するが、この結晶質半導体膜212は、以下に示す実施例1〜3で示す工程により作製される何れかのものが採用される。TFTを作製するに当たっては、素子分離のため所定の大きさにエッチングし、島状に分割しておく。基板210がガラス基板である場合には、ブロッキング層211を設ける。
【0066】
絶縁膜213はTFTにおいてゲート絶縁膜として利用されるものであり30〜200nmの厚さで形成する。この絶縁膜213はプラズマCVD法によりSiH4とN2Oとから作製される酸化窒化珪素膜、或いはTEOSとN2Oとから作製される酸化窒化珪素膜などで形成する。本実施例では前者を選択し、70nmの厚さに形成する。
【0067】
絶縁膜213上には、タンタル、タングステン、チタン、アルミニウム、モリブデンから選ばれた一種または複数種の元素を成分とする導電性材料でゲート電極214を形成する。
【0068】
次に、図11(B)で示すように、TFTのソース及びドレイン領域を形成する一導電型の不純物領域216を形成する。この不純物領域216はイオンドープ法により形成し、nチャネル型TFTであればリン、砒素に代表される周期律表第15族の元素、pチャネル型TFTであればボロンに代表される周期律表第13族の元素を添加する。
【0069】
その後、プラズマCVD法により作製される窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜により第1の層間絶縁膜817を形成する。第1の層間絶縁膜817はプラズマCVD法で200〜300℃の基板温度で形成し、その後、窒素雰囲気中350〜450℃、好ましくは410℃の温度で加熱処理を行う。この温度で第1の層間絶縁膜中の水素を放出させ、その後250〜350℃にて0.1〜1時間程度保持する加熱処理を行い、結晶質半導体膜の水素化を行う。このような二段階の加熱処理により結晶質半導体膜の水素化を行うことで、特に350℃以上の温度ではダングリングボンド(未結合手)を水素化し、補償することができる。さらに、ソース及びドレイン電極218を形成しTFTを得ることができる。
【0070】
尚、ここではTFTをシングルゲートの構造で示したが、勿論、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造を採用することもできる。
【0071】
本発明で得られる珪素を主成分とする結晶質半導体膜は、{101}の配向率が高く、形成されるチャネル形成領域はゲート絶縁膜との界面特性が良好である。また、結晶粒界及び結晶粒内の欠陥密度が低く、高い電界効果移動度を得ることができる。ここでは、TFTをシングルドレインの構造で説明したが、低濃度ドレイン(LDD)構造や、LDDがゲート電極とオーバーラップした構造のTFTを形成することもできる。本発明で作製されるTFTは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置やEL表示装置を作製するためのTFTとて、また従来の半導体基板にて作製されるLSIに代わる薄膜集積回路を実現するTFTとして用いることができる。
【0072】
[実施例5]
図10は本発明の結晶質半導体膜を用いて作製される逆スタガ型のTFTの断面図である。逆スタガ型TFTは、ガラスまたは石英などの基板201上にゲート電極260、261が形成されており、珪素を主成分とする結晶質半導体膜263、264は、ゲート絶縁膜262上に形成されている。結晶質半導体膜263、264は実施例1〜3の方法により作製されるいずれの結晶質半導体膜であっても適用可能である。
【0073】
nチャネル型TFT280は結晶質半導体膜263を用いて作製され、チャネル形成領域273とn型不純物(ドナー)をドーピングして作製されるLDD領域274及びソースまたはドレイン領域275が形成されている。pチャネル型TFT281は結晶質半導体膜264を用いて作製され、チャネル形成領域276とp型不純物(アクセプタ)をドーピングして作製されるソースまたはドレイン領域277が形成されている。
【0074】
チャネル形成領域273、276上にはチャネル保護膜265、266が形成され、第1の層間絶縁膜267、第2の層間絶縁膜268を介してソースまたはドレイン電極269〜272が形成されている。水素化処理は、第1の層間絶縁膜267を窒化珪素膜または酸化窒化珪素膜で形成し、その後、窒素雰囲気中350〜450℃、好ましくは410℃の温度で加熱処理を行う。この温度で第1の層間絶縁膜中の水素を放出させ、その後250〜350℃にて0.1〜1時間程度保持する加熱処理を行い、結晶質半導体膜の水素化を行うことができる。
【0075】
このような逆スタガ型のTFTを用いても、アクティブマトリクス型の液晶表示装置やEL表示装置の駆動回路を形成することができる。それ以外にも、このようなnチャネル型TFTまたはpチャネル型TFTは、画素部を形成するトランジスタに応用することができる。尚、ここではTFTをシングルゲートの構造で示したが、勿論、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造を採用することもできる。このようなTFTは、従来の半導体基板にて作製されるLSIに代わる薄膜集積回路を実現するTFTとして用いることができる。
【0076】
[実施例6]
本実施例は、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを相補的に組み合わせたCMOS型のTFTを作製する一例について図12を用いて説明する。図12(A)において、基板301上に珪素を主成分とする結晶質半導体膜を形成する。この結晶質半導体膜は実施例1〜3で示す方法により作製されるいずれのものを適用しても良い。TFTを作製するに当たっては、素子分離のため所定の大きさにエッチングし、島状に分割して半導体層331〜333を形成する。基板301がガラス基板である場合には、ブロッキング層302を設ける。
【0077】
ブロッキング層302としてプラズマCVD法でSiH4とN2Oを用い酸化窒化珪素膜を50〜200nmの厚さに形成する。その他の形態として、プラズマCVD法でSiH4とNH3とN2Oから作製される酸化窒化珪素膜を50nm、SiH4とN2Oから作製される酸化窒化珪素膜を100nm積層させた2層構造や、或いは、窒化珪素膜とTEOS(Tetraethyl Ortho Silicate)を用いて作製される酸化珪素膜を積層させた2層構造としても良い。
【0078】
ブロッキング層302及びその上に形成する非晶質半導体膜はいずれもプラズマCVD法で形成することが可能であり、これらの層を連続して、シングルチャンバー方式のCVD装置において同一反応室中で、或いは、マルチチャンバー方式のCVD装置において各反応室間を移動させながら連続して形成することができる。いずれにしても、大気解放せずに成膜することでブロッキング層と非晶質半導体膜の界面を清浄にしておくことができる。
【0079】
絶縁膜334はゲート絶縁膜として利用するものであり、プラズマCVD法またはスパッタ法を用い、膜厚を40〜150nmの厚さで形成する。本実施例では、70nmの厚さで酸化窒化珪素膜を用いて形成する。特に、SiH4とN2OにO2を添加させて作製する酸化窒化珪素膜は膜中の固定電荷密度を低減させることが可能となり、ゲート絶縁膜として好ましい材料である。勿論、ゲート絶縁膜はこのような酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、酸化珪素膜や酸化タンタル膜などの絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0080】
そして、絶縁膜334上にゲート電極を形成するための第1導電膜335と第2導電膜336とを形成する。本実施例では、第1導電膜335を窒化タンタルまたはチタンで50〜100nmの厚さに形成し、第2導電膜336をタングステンで100〜300nmの厚さに形成する。これらの材料は、窒素雰囲気中における400〜600℃の熱処理でも安定であり、抵抗率が著しく増大することがない。
【0081】
次に図12(B)に示すように、レジストによるマスク337を形成し、ゲート電極を形成するための第1のエッチング処理を行う。エッチング方法に限定はないが、好適にはICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いる。エッチング用ガスにCF4とCl2を混合し、0.5〜2Pa、好ましくは1Paの圧力でコイル型の電極に500WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを生成して行う。基板側(試料ステージ)にも100WのRF(13.56MHz)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。CF4とCl2を混合した場合にはタングステン膜、窒化タンタル膜及びチタン膜の場合でも、それぞれ同程度の速度でエッチングすることができる。
【0082】
上記エッチング条件では、レジストによるマスクの形状と、基板側に印加するバイアス電圧の効果により端部をテーパー形状とすることができる。テーパー部の角度は15〜45°となるようにする。また、ゲート絶縁膜上に残渣を残すことなくエッチングするためには、10〜20%程度の割合でエッチング時間を増加させると良い。W膜に対する酸化窒化珪素膜の選択比は2〜4(代表的には3)であるので、オーバーエッチング処理により、酸化窒化珪素膜が露出した面は20〜50nm程度エッチングされる。こうして、第1のエッチング処理により第1導電膜と第2導電膜から成る第1形状の導電層338〜340(第1の導電層338a〜340aと第2導電層338b〜340b)を形成する。341はゲート絶縁膜であり、第1の形状の導電層で覆われない領域は20〜50nm程度エッチングされ薄くなる。
【0083】
さらに図12(C)に示すように第2のエッチング処理を行う。エッチングはICPエッチング法を用い、エッチングガスにCF4とCl2とO2を混合して、1Paの圧力でコイル型の電極に500WのRF電力(13.56MHz)を供給してプラズマを生成する。基板側(試料ステージ)には50WのRF(13.56MHz)電力を投入し、第1のエッチング処理に比べ低い自己バイアス電圧を印加する。このような条件によりタングステン膜を異方性エッチングし、第1の導電層である窒化タンタル膜またはチタン膜を残存させるようにする。こうして、第2形状の導電層342〜344(第1の導電膜342a〜344aと第2の導電膜342b〜344b)を形成する。345はゲート絶縁膜であり、第2の形状の導電層342〜344で覆われない領域はさらに20〜50nm程度エッチングされて膜厚が薄くなる。
【0084】
そして、第1のドーピング処理を行う。本ドーピング処理では、nチャネル型TFTのLDD領域を形成するためにn型の不純物(ドナー)をドーピングする。その方法はイオンドープ法若しくはイオン注入法で行う。例えば、イオンドープ法を用い、加速電圧を70〜120keVとし、1×1013/cm2のドーズ量で行い、第1の不純物領域を形成する。ドーピングは、第2の導電膜342b〜344bを不純物元素に対するマスクとして用い、第1の導電膜342a〜344aの下側の領域に不純物元素が添加されるようにドーピングする。こうして、第1の導電膜342a〜344aと一部が重なる第1の不純物領域346〜348が形成される。第1の不純物領域は1×1017〜1×1019/cm3の範囲の濃度で形成する。
【0085】
次に、図12(D)に示すように、レジストでマスク349〜351を形成し、第2のドーピング処理を行いう。第2のドーピング処理は、nチャネル型TFTのソースまたはドレイン領域を形成するためにn型の不純物(ドナー)をドーピングする。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1013〜5×1014/cm2として行う。n型の不純物元素として15族に属する元素、典型的にはリン(P)または砒素(As)を用いる。レジストでマスク349〜351は個々にその形状を最適化することが可能であり、第2形状の導電層の外側まで覆う形状のものとして、先に形成した第1の不純物領域と重なるようにすることでLDD領域を形成することができる。こうして、第2の不純物領域352〜354を形成する。第2の不純物領域725〜729おけるリン(P)濃度は1×1020〜1×1021/cm3の範囲となるようにする。
【0086】
そして、図12(E)に示すように、レジストによるマスク355を形成し、pチャネル型TFTを形成する島状半導体層331にp型の不純物(アクセプタ)をドーピングする。典型的にはボロン(B)を用いる。第3の不純物領域356、357の不純物濃度は2×1020〜2×1021/cm3となるようにし、含有するリン濃度の1.5〜3倍のボロンを添加して導電型を反転させる。
【0087】
以上までの工程でそれぞれの島状半導体層に不純物領域が形成される。第2形状の導電層342〜344はゲート電極となる。その後、図12(F)に示すように、窒化珪素膜または酸化窒化珪素膜から成る保護絶縁膜358をプラズマCVD法で形成する。そして導電型の制御を目的としてそれぞれの島状半導体層に添加された不純物元素を活性化する工程を行う。活性化はファーネスアニール炉を用いる熱アニール法で行うことが好ましい。その他に、レーザーアニール法、またはラピッドサーマルアニール法(RTA法)を適用することもできる。熱アニール法では酸素濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下の窒素雰囲気中で400〜700℃、代表的には400〜600℃で行うものであり、本実施例では500℃で4時間の熱処理を行う。
【0088】
さらに、窒化珪素膜359を形成し、350〜450℃、好ましくは410℃の加熱処理を行う。この温度で第1の層間絶縁膜中の水素を放出させ、その後250〜350℃にて0.1〜1時間程度保持する加熱処理を行い、結晶質半導体膜の水素化を行う。このような二段階の加熱処理により結晶質半導体膜の水素化を行うことで、特に350℃以上の温度ではダングリングボンド(未結合手)を水素化し、補償することができる。
【0089】
層間絶縁膜360は、ポリイミド、アクリルなどの有機絶縁物材料で形成し表面を平坦化する。勿論、プラズマCVD法でTEOS(Tetraethyl Ortho Silicate)を用いて形成される酸化珪素膜を適用しても良いが、平坦性を高める観点からは前記有機物材料を用いることが望ましい。
【0090】
次いで、コンタクトホールを形成し、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)などを用いて、ソースまたはドレイン配線361〜366を形成する。
【0091】
pチャネル型TFT370にはチャネル形成領域363、ソース領域またはドレイン領域として機能する第3の不純物領域356、357を有している。nチャネル型TFT371はチャネル形成領域368、第2形状の導電層343から成るゲート電極と重なる第1不純物領域362とソース領域またはドレイン領域として機能する第1不純物領域353を有している。nチャネル型TFT372はチャネル形成領域369、第2形状の導電層344から成るゲート電極と重なる第1不純物領域348a、ゲート電極の外側に形成される第1不純物領域348b、ソース領域またはドレイン領域として機能する第1不純物領域353を有している。第1不純物領域362、348aはゲート電極とオーバーラップするLDD領域であり、ドレイン端に形成される高電界領域を緩和してホットキャリア効果によるTFTに劣化を防ぐ上で効果がある。第1不純物領域348bはLDD領域であり、本実施例で示す工程では、オフ電流値を低減するために最適な寸法を設定することができる。
【0092】
以上の工程で、nチャネル型TFTとpチャネル型TFTとを相補的に組み合わせたCMOS型のTFTを得ることができる。本実施例で示す工程は、各TFTに要求される特性を考慮してLDDを設計し、同一基板内において作り分けることができる。このようなCMOS型のTFTは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置やEL表示装置の駆動回路を形成することを可能とする。それ以外にも、このようなnチャネル型TFTまたはpチャネル型TFTは、画素部を形成するトランジスタに応用することができる。さらに、従来の半導体基板にて作製されるLSIに代わる薄膜集積回路を実現するTFTとして用いることができる。尚、ここではTFTをシングルゲートの構造で示したが、勿論、複数のゲート電極を設けたマルチゲート構造を採用することもできる。
【0093】
また、CMOS回路を組み合わせることで基本論理回路を構成した、さらに複雑なロジック回路(信号分割回路、D/Aコンバータ、オペアンプ、γ補正回路など)をも構成することができ、さらにはメモリやマイクロプロセッサをも形成することが可能である。
【0094】
[実施例7]
本実施例は、画素部と駆動回路が同一基板上に形成されたモノシリック型の液晶表示装置の構成例を図13、14を用いて説明する。画素部におけるスイッチング用のTFTと駆動回路のnチャネル型及びpチャネル型のTFTは、いずれも本発明の珪素を主成分とする結晶質珪素膜を用いて活性領域を形成している。珪素を主成分とする結晶質半導体膜は実施例1〜3で示す方法により作製されるいずれのものを適用することができる。
【0095】
図13において、基板401は、好適にはバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板などを用いる。その他に石英基板を用いても良い。ガラス基板を用いる場合にはブロッキング層402が形成される。
【0096】
画素部445におけるスイッチング用の画素TFT442と駆動回路444のnチャネル型TFT441及びpチャネル型TFT440の構造に限定はないが、本実施例では実施例6により作製されるTFTを基本的な構造として採用している。勿論、実施例4または実施例5のTFTを採用することも可能である。
【0097】
駆動回路444には配線408、417及びソースまたはドレイン配線418〜421が形成されている。また、画素部445においては、画素電極424、ゲート配線423、接続電極422、ソース配線409が形成されている。
【0098】
駆動回路444のpチャネル型TFT440には、半導体層403にチャネル形成領域426、ソース領域またはドレイン領域として機能する第3不純物領域427を有している。第3の不純物領域はゲート電極410の外側(重ならない位置)に形成される。このような構造のpチャネル型TFTは、図12(D)の工程の後に、レジストによるマスクを除去し、第1の導電膜を選択的にエッチングすることにより形成し、その後p型不純物をドーピングすることにより形成すえうことができる。
【0099】
nチャネル型TFT441には、半導体層404にチャネル形成領域428、第2形状の導電層411から成るゲート電極と重なる第1不純物領域429とソース領域またはドレイン領域として機能する第2不純物領域430を有している。このnチャネル型TFT441は実施例6のnチャネル型TFT371と同様にして作製することができる。
【0100】
画素部のnチャネル型TFT442には、半導体層405にチャネル形成領域431、ゲート電極の外側に形成される第1不純物領域432(LDD領域)とソース領域またはドレイン領域として機能する第2不純物領域433、434、435を有している。このような構造のnチャネル型TFTは、図12(D)の工程の後に、レジストによるマスクを除去し、第1の導電膜を選択的にエッチングすることにより形成することができる。しかし、nチャネル型TFT441の構造を保存するためには、保護用のレジスト層を形成するフォトマスクが1枚追加となる。
【0101】
また、保持容量443の一方の電極として機能する半導体層406は第6不純物領域437、第5不純物領域438と不純物が添加されない領域436が形成されている。
【0102】
画素部445においては、接続電極422によりソース配線409は、画素TFT442のソースまたはドレイン領域433と電気的な接続が形成される。また、ゲート配線423は、ゲート電極として機能する第3形状の導電層412と電気的な接続が形成される。また、画素電極424は、画素TFT442のソースまたはドレイン領域435及び保持容量443の一方の電極である半導体層406の不純物領域438と接続している。
【0103】
図7における画素部445の断面図は、図14で示すA−A'線に対応したものである。ゲート電極として機能する第3形状の導電層412は隣接する画素の保持容量の一方の電極を兼ね、画素電極452と接続する半導体層453と重なる部分で容量を形成している。また、ソース配線407と画素電極424及び隣接する画素電極451との配置関係は、画素電極424、451の端部をソース配線407上に設け、重なり部を形成することにより、迷光を遮り遮光性を高めている。
【0104】
[実施例8]
本実施例では実施例7で作製した各TFTから、アクティブマトリクス型の液晶表示装置を作製する一例を示す。図15では透過型の液晶表示装置を作製するために、画素部445の層間絶縁膜上に透明導電膜で形成した画素電極601が形成されている。画素電極は画素のnチャネル型TFT442に接続する補助電極609、及び保持容量443の補助電極610と接続されている。これらの補助電極とゲート線608、接続電極607、駆動回路444の各TFTのソースまたはドレイン配線603〜606、配線602は、フォトレジストまたは感光性ポリイミドまたは感光性アクリルなどからなる有機樹脂611〜619をマスクとして、その下層に形成されている導電膜をエッチングして形成されている。
【0105】
有機樹脂611〜619は、配線を形成するための導電膜上に当該有機樹脂材料を全面に塗布し、光露光プロセスにより図15に示すようにパターン形成されている。その後、オフセット印刷により5〜20mPa・sの粘度のポリイミド樹脂層を形成し、200℃にて焼成して配向膜を形成している。オフセット印刷により塗布したポリイミド樹脂は、焼成の段階で有機樹脂611〜619とその下層の配線または電極の段差部にうまく回り込み、その端部を覆うことができる。その後、液晶を配向させるためラビングを行う。
【0106】
対向側の基板621には透明導電膜で形成する対向電極622と配向膜623を形成し、画素部445及び駆動回路444が形成されている基板と対向基板621とをシール材624で貼り合わせる。シール材624にはフィラー(図示せず)が混入されていて、このフィラーとスペーサ(図示せず)によって均一な間隔を持って貼り合わされている。その後、両基板の間に液晶625を注入する。液晶材料には公知の液晶材料を用いれば良い。例えば、TN液晶の他に、電場に対して透過率が連続的に変化する電気光学応答性を示す、無しきい値反強誘電性混合液晶を用いることもできる。この無しきい値反強誘電性混合液晶には、V字型の電気光学応答特性を示すものもある。このようにして図27に示すアクティブマトリクス型の液晶表示装置が完成する。
【0107】
[実施例9]
本実施例は、上記実施例4〜6で得られるTFTを用いてEL(エレクトロルミネセンス)表示装置を作製する一例を図17を用いて説明する。
【0108】
同一の絶縁体上に画素部とそれを駆動する駆動回路を有した発光装置の例(但し封止前の状態)を図27に示す。なお、駆動回路には基本単位となるCMOS回路を示し、画素部には一つの画素を示す。このCMOS回路は実施例6に従えば得ることができる。
【0109】
図17において、基板700は絶縁体であり、その上にはnチャネル型TFT701、pチャネル型TFT702、pチャネル型TFTからなるスイッチングTFT703およびnチャネル型TFTからなる電流制御TFT704が形成されている。これらのTFTのチャネル形成領域は、本発明に基づき作製される結晶質半導体膜で形成され、その具体的な作製方法は実施例1〜3に示されている。
【0110】
nチャネル型TFT701およびpチャネル型TFT702は実施例6を参照すれば良いので省略する。また、スイッチングTFT703はソース領域およびドレイン領域の間に二つのチャネル形成領域を有した構造(ダブルゲート構造)となっている。なお、本実施例はダブルゲート構造に限定されることなく、チャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。
【0111】
また、電流制御TFT704のドレイン領域705の上には第2層間絶縁膜707が設けられる前に、第1層間絶縁膜706にコンタクトホールが設けられている。これは第2層間絶縁膜707にコンタクトホールを形成する際に、エッチング工程を簡単にするためである。第2層間絶縁膜707にはドレイン領域705に到達するようにコンタクトホールが形成され、ドレイン領域705に接続された画素電極708が設けられている。画素電極708はEL素子の陰極として機能する電極であり、周期表の1族もしくは2族に属する元素を含む導電膜を用いて形成されている。本実施例では、リチウムとアルミニウムとの化合物からなる導電膜を用いる。
【0112】
次に、713は画素電極708の端部を覆うように設けられた絶縁膜であり、本明細書中ではバンクと呼ぶ。バンク713は珪素を含む絶縁膜もしくは樹脂膜で形成すれば良い。樹脂膜を用いる場合、樹脂膜の比抵抗が1×106〜1×1012Ωm(好ましくは1×108〜1×1010Ωm)となるようにカーボン粒子もしくは金属粒子を添加すると、成膜時の絶縁破壊を抑えることができる。
【0113】
また、EL素子709は画素電極(陰極)708、EL層711および陽極712からなる。陽極712は、仕事関数の大きい導電膜、代表的には酸化物導電膜が用いられる。酸化物導電膜としては、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛もしくはそれらの化合物を用いれば良い。なお、本明細書中では発光層に対して正孔注入層、正孔輸送層、正孔阻止層、電子輸送層、電子注入層もしくは電子阻止層を組み合わせた積層体をEL層と定義する。
【0114】
尚、ここでは図示しないが陽極712を形成した後、EL素子709を完全に覆うようにしてパッシベーション膜を設けることは有効である。パッシベーション膜としては、炭素膜、窒化珪素膜もしくは窒化酸化珪素膜を含む絶縁膜からなり、該絶縁膜を単層もしくは組み合わせた積層で用いる。
【0115】
[実施例10]
本発明の半導体装置は、各種多様の電子機器の表示装置や各種集積回路、或いは、従来の集積回路に代わる回路用途に応用することができる。このような半導体装置には、携帯情報端末(電子手帳、モバイルコンピュータ、携帯電話等)、ビデオカメラ、スチルカメラ、パーソナルコンピュータ、テレビ、プロジェクター等が挙げられる。それらの一例を図19〜図21に示す。
【0116】
図19(A)は携帯電話であり、表示用パネル2701、操作用パネル2702、接続部2703から成り、表示用パネル2701には液晶表示装置またはEL表示装置に代表される表示装置2704、音声出力部2705、アンテナ2709などが設けられている。操作パネル2702には操作キー2706、電源スイッチ2702、音声入力部27058などが設けられている。本発明は表示装置2904及びそれに付随する半導体集積回路を形成することができる。
【0117】
図19(B)はビデオカメラであり、本体9101、液晶表示装置またはEL表示装置に代表される表示装置9102、音声入力部9103、操作スイッチ9104、バッテリー9105、受像部9106から成っている。本発明は表示装置9102及びそれに付随する半導体集積回路に適用することができる。
【0118】
図19(C)はモバイルコンピュータ或いは携帯型情報端末であり、本体9201、カメラ部9202、受像部9203、操作スイッチ9204、液晶表示装置またはEL表示装置に代表される表示装置9205で構成されている。本発明は半導体装置は表示装置9205及びそれに付随する半導体集積回路に適用することができる。
【0119】
図19(D)はテレビ受像器であり、本体9401、スピーカ9402、液晶表示装置またはEL表示装置に代表される表示装置9403、受信装置9404、増幅装置9405等で構成される。本発明は表示装置9403及びそれに付随する半導体集積回路に適用することができる。
【0120】
図19(E)は携帯書籍であり、本体9501、液晶表示装置またはEL表示装置に代表される表示装置9502、9503、記憶媒体9504、操作スイッチ9505、アンテナ9506から構成されており、ミニディスク(MD)やDVDに記憶されたデータや、アンテナで受信したデータを表示するものである。本発明は表示装置9502、9503や、記憶媒体9504及びそれに付随する半導体集積回路に適用することができる。
【0121】
図20(A)はパーソナルコンピュータであり、本体9601、画像入力部9602、液晶表示装置またはEL表示装置に代表される表示装置9603、キーボード9604で構成される。本発明は表示装置9601や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。
【0122】
図20(B)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9701、液晶表示装置またはEL表示装置に代表される表示装置9702、スピーカ部9703、記録媒体9704、操作スイッチ9705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。本発明は表示装置9702や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。
【0123】
図20(C)はデジタルカメラであり、本体9801、液晶表示装置またはEL表示装置に代表される表示装置9802、接眼部9803、操作スイッチ9804、受像部(図示しない)で構成される。本発明は表示装置9802や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。
【0124】
図21(A)はフロント型プロジェクターであり、投射装置3601、スクリーン3602で構成される。本発明は投射装置3601やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0125】
図21(B)はリア型プロジェクターであり、本体3701、投射装置3702、ミラー3703、スクリーン3704で構成される。本発明は投射装置3702やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0126】
尚、図21(C)は、図21(A)及び図21(B)中における投射装置3601、3702の構造の一例を示した図である。投射装置3601、3702は、光源光学系3801、ミラー3802、3804〜3806、ダイクロイックミラー3803、プリズム3807、液晶表示装置3808、位相差板3809、投射光学系3810で構成される。投射光学系3810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21(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。
【0127】
また、図21(D)は、図21(C)中における光源光学系3801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3801は、リフレクター3811、光源3812、レンズアレイ3813、3814、偏光変換素子3815、集光レンズ3816で構成される。なお、図21(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。
【0128】
ここでは図示しなかったが、本発明はその他にもナビゲーションシステムをはじめ冷蔵庫、洗濯機、電子レンジ、固定電話機、ファクシミリなどに組み込む表示装置としても適用することも可能である。このように本発明の適用範囲はきわめて広く、さまざまな製品に適用することができる。
【0129】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の結晶質半導体膜を用いて半導体装置の活性領域を形成することができる。特に、薄膜トランジスタのチャネル形成領域を形成するのに適している。このような結晶質半導体膜を用いたTFTは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置やEL表示装置を作製するためのTFTとして、また従来の半導体基板にて作製されるLSIに代わる薄膜集積回路を実現するTFTとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 結晶質半導体膜の配向比率を表すデータであり、初期堆積膜の成膜条件として間欠放電におけるデューティー比依存性を示すグラフ。
【図2】 結晶質半導体膜の配向比率を表すデータであり、初期堆積膜の成膜条件として間欠放電における放電持続時間依存性を示すグラフ。
【図3】 結晶質半導体膜の配向比率を表すデータであり、初期堆積膜の成膜条件として間欠放電における繰り返し周波数依存性を示すグラフ。
【図4】 本発明に用いるプラズマCVD装置の構成を示す図。
【図5】 本発明に用いるプラズマCVD装置の反応室の構成を示す図。
【図6】 EBSP法で得られる逆極点図の一例(模式図)。
【図7】 本発明の結晶質半導体膜の作製方法を説明する図。
【図8】 本発明の結晶質半導体膜の作製方法を説明する図。
【図9】 本発明の結晶質半導体膜の作製方法を説明する図。
【図10】 本発明の結晶質半導体膜を用いた逆スタガ型のTFTの構造を説明する断面図。
【図11】 本発明の結晶質半導体膜を用いてTFTを作製する工程を説明する図。
【図12】 本発明の結晶質半導体膜を用いてCMOS構造のTFTを作製する工程を説明する図。
【図13】 本発明の結晶質半導体膜を用いた表示装置の構造を説明する断面図。
【図14】 画素部における画素構造の上面図。
【図15】 本発明の結晶質半導体膜を用いた液晶表示装置の構造を説明する断面図。
【図16】 本発明の結晶質半導体膜を用いたEL表示装置の構造を説明する断面図。
【図17】 間欠放電プラズマCVD法において、カソードに印加される高周波電力の波形をオシロスコープで観測したときの写真。
【図18】 高周波電力の印加とラジカルの生成過程を説明するモデルを説明する図。
【図19】 半導体装置の一例を示す図。
【図20】 半導体装置の一例を示す図。
【図21】 プロジェクターの一例を示す図。
Claims (9)
- 珪素を主成分とする非晶質珪素膜を、間欠放電によるプラズマCVD法で形成し、
前記非晶質珪素膜に前記非晶質珪素膜の結晶化を助長する元素を添加して加熱処理を行い、結晶構造を有する珪素膜を形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜は、反射電子回折パターン法で検出される格子面のうち、{101}面が占める割合が10%以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 珪素を主成分とし、珪素以外の周期律表第14族元素の濃度は1×1018/cm3以下である非晶質珪素膜を、間欠放電によるプラズマCVD法で形成し、
前記非晶質珪素膜に前記非晶質珪素膜の結晶化を助長する元素を添加して加熱処理を行い、結晶構造を有する珪素膜を形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜は、反射電子回折パターン法で検出される格子面のうち、{101}面が占める割合が10%以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 珪素を主成分とし、窒素及び炭素の濃度が5×1018/cm3未満であり、酸素の濃度が1×1019/cm3未満である非晶質珪素膜を、間欠放電によるプラズマCVD法で形成し、
前記非晶質珪素膜に前記非晶質珪素膜の結晶化を助長する元素を添加して加熱処理を行い、結晶構造を有する珪素膜を形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜は、反射電子回折パターン法で検出される格子面のうち、{101}面が占める割合が10%以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 繰り返し周波数10kHz以下でデューティー比50%以下の間欠放電により、珪素を主成分とする非晶質珪素膜をプラズマCVD法で形成し、
前記非晶質珪素膜に前記非晶質珪素膜の結晶化を助長する元素を添加して加熱処理を行い、結晶構造を有する珪素膜を形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜は、反射電子回折パターン法で検出される格子面のうち、{101}面が占める割合が10%以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 繰り返し周波数10kHz以下でデューティー比50%以下の間欠放電により、珪素を主成分とし、珪素以外の周期律表第14族元素の濃度は1×1018/cm3以下である非晶質珪素膜をプラズマCVD法で形成し、
前記非晶質珪素膜に前記非晶質珪素膜の結晶化を助長する元素を添加して加熱処理を行い、結晶構造を有する珪素膜を形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜は、反射電子回折パターン法で検出される格子面のうち、{101}面が占める割合が10%以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 繰り返し周波数10kHz以下でデューティー比50%以下の間欠放電により、窒素及び炭素の濃度が5×1018/cm3未満であり、酸素の濃度が1×1019/cm3未満である非晶質珪素膜をプラズマCVD法で形成し、
前記非晶質珪素膜に前記非晶質珪素膜の結晶化を助長する元素を添加して加熱処理を行い、結晶構造を有する珪素膜を形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを形成し、
前記結晶構造を有する珪素膜は、反射電子回折パターン法で検出される格子面のうち、{101}面が占める割合が10%以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
前記反射電子回折パターン法で検出される格子面のうち、{111}面が占める割合が10%未満であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、
前記非晶質珪素膜の厚さは10nm乃至100nmで形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至請求項8のいずれか一項において、
前記薄膜トランジスタ上に配線を形成し、
前記配線上に有機樹脂層を形成し、
前記有機樹脂層をマスクとして前記配線をエッチングし、
前記有機樹脂層および前記配線を覆うように配向膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
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