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JP4027052B2 - Polycrystalline semiconductor thin film and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP4027052B2 - Polycrystalline semiconductor thin film and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶半導体薄膜およびその製造方法に関する。本発明の多結晶半導体薄膜は、薄膜トランジスタ(TFT)などの半導体装置における活性領域の形成に有用であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置、FED(電界放出型表示)素子、密着型イメージセンサ、受光素子、三次元ICなどに利用できる。
【0002】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサ、三次元ICなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上に高性能な半導体装置を形成することが試みられている。このような半導体装置には、薄膜状のシリコン半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のシリコン半導体としては、アモルファスシリコン半導体(a−Si)からなるものと、結晶性を有するシリコン膜からなるものの2つに大別される。
【0003】
アモルファスシリコン半導体は作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富むので最も一般的に用いられているが、導電性等の物性が結晶性を有するシリコン半導体に比べて劣る。したがって、より高速特性を得るためには、結晶性を有するシリコン半導体からなる半導体装置の製造方法の確立が強く求められている。なお、結晶性を有するシリコン半導体としては、多結晶シリコン、微結晶シリコン等が知られている。
【0004】
結晶性を有する薄膜状の半導体(以下、半導体膜ともいう。)を得る方法として、下記の(1)、(2)および(3)の方法が知られている。
【0005】
(1)成膜時に結晶性を有する半導体膜を直接成膜する。
【0006】
(2)アモルファスな半導体膜を成膜した後、強光を照射して、そのエネルギーにより結晶性を有せしめる。
【0007】
(3)アモルファスな半導体膜を成膜した後、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有せしめる。
【0008】
しかしながら、上記(1)の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性シリコンを得るには厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面にわたって成膜することが技術的に困難である。また、成膜温度が600℃以上と高いので、耐熱温度の低い、安価なガラス基板が使用できないというコスト上の問題がある。
【0009】
また、上記(2)の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するので、小粒径ながら粒界が良好に処理され、高品質な結晶性シリコンが得られる。しかし、現在最も一般的に利用されているエキシマーレーザーを例に挙げると、大面積基板の全面を均一に処理するにはレーザーの安定性が十分ではない。したがって、均一な結晶性を有するシリコン膜を得ることが難しく、同一基板上に均一な特性の複数の半導体装置を得ることが困難という問題点がある。また、レーザー光の照射面積が小さいので、スループットが低いという問題点もある。
【0010】
上記(3)の方法は、上記(1)および(2)の方法に比べると、大面積に対応できるという利点はあるが、結晶化には600℃以上の高温で数十時間にわたる加熱処理が必要である。したがって、耐熱温度の低い、安価なガラス基板が使用できないというコスト上の問題点およびスループットが低いという問題点がある。また、上記(3)の方法では、固相結晶化現象を利用するので、結晶粒は基板面に平行に成長し、数μmの粒径を持つものさえ現れる。しかし、成長した結晶粒同士がぶつかり合って粒界が形成されるので、その粒界はキャリアに対するトラップ準位として働き、TFTなどの半導体装置の移動度を低下させる原因となっている。
【0011】
上記(3)の方法を応用して、より低温かつ短時間の加熱処理で、高品質で均一な結晶性を有するシリコン膜を作製する方法が、特開平9−289167号公報などに開示されている。
【0012】
また、特開平9−312404号公報には、アモルファスシリコン膜の表面にニッケル等の金属元素を微量に導入した後に加熱処理を行うことによって、600℃以下の低温で、数時間程度の処理時間で結晶化を行なうことが開示されている。図14A,14Bは、同公報に開示された方法による結晶成長を説明するための模式図であり、図14Aは成長途上の段階を示し、図14Bは成長完了後の段階を示している。金属元素をアモルファスシリコン膜の表面に導入することによって、シリコンと金属元素との化合物の形成が早期に起こり、その後金属元素が触媒となって化合物を中心に結晶成長が始まり結晶核が発生する。この結晶核から放射状に結晶成長が促され、結晶化が急激に進行すると考えられる。以下では、シリコンなどの半導体の結晶成長を助長する金属元素を触媒元素ともいう。
【0013】
触媒元素を用いない、通常の固相成長法で成長した結晶粒は双晶構造を示し、1つの結晶粒内においても双晶欠陥と呼ばれる結晶欠陥が多く存在する。これに対して、シリコンと触媒元素との結晶核から結晶成長した場合、実質的に単結晶とみなされる複数の柱状半導体結晶(以下、単に「柱状結晶」ともいう。)が結晶核を中心に放射状に成長する(図14A参照)。結晶核から一方向に成長し、複数の柱状結晶が集合した円弧状領域(図14A中斜線で示す。)内では、それぞれの柱状結晶の結晶方位が揃っているので、柱状結晶間にはミスオリエンテーションが少なく、電子や空孔のトラップサイトとなる結晶欠陥がほとんど存在しない。また、1つの結晶核から異なる方向に成長して形成された異なる円弧状領域間においても、同じ結晶核から成長しているので、各円弧状領域内に含まれる柱状結晶の結晶方位が近似しており、ミスオリエンテーションが少なく、結晶欠陥がほとんど存在しない。なお、円弧状領域の幅(成長方向に対して直角をなす方向の最大距離)は、15μm程度である。
【0014】
このように、1つの結晶核を中心に放射状に成長した複数の柱状結晶からなる結晶粒が形成される(図14B参照)。結晶粒内の複数の柱状結晶は、結晶方位が概ね揃っており、柱状結晶間のミスオリエンテーションが少ないので、電子や空孔のトラップサイトとなる結晶欠陥がほとんど存在しない。以下では、1つの結晶核から結晶成長した、結晶方位が概ね揃った柱状結晶の集合をドメインという。触媒元素を用いて形成されたシリコン膜は、ドメイン内では結晶性が良いので、例えばTFTの活性領域をドメイン内に形成した場合、ON特性に優れ、立ち上がりのばらつきの少ないTFTが得られる。なお、結晶粒の径(ドメインの径)は100μmから数百μm程度である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、別の結晶核から発生したドメイン内の複数の柱状結晶は、別の結晶方位で概ね揃っているので、1つの結晶核から発生したドメインと別の結晶核から発生したドメインとが衝突すると、両ドメイン間はミスオリエンテーションが大きく、電子や正孔のトラップサイトとなる結晶欠陥を多数含む粒界が両ドメイン間に生じる。
【0016】
特開平9−312404号公報に開示された方法で製造された結晶シリコン膜を図15および図16A〜16Cに示す。図15は、0.5%フッ酸および0.5%H を含むエッチング液を用いて結晶シリコン膜を顕在化エッチング処理した後の光学顕微鏡写真である。図16Aは結晶シリコン膜における結晶方位の面内分布をEBSP(electron backscatter diffraction pattern)法により測定した結果をディスプレイ上に表示した画像写真である。図16Bは、図16Aにおいて、隣接する測定点間で結晶方位の角度が10°以上異なる箇所をドットで表した画像写真である。図16Cは、図16Bにおいて結晶方位の角度差が5°以内の結晶を1つの結晶と見做した場合の結晶方位の面内分布を示す画像写真であり、1つの結晶と見做される領域を濃淡の差で表している。
【0017】
図15によれば、結晶粒同士の間にミスオリエンテーションの大きい粒界が存在し、結晶粒は粒界によって囲まれていることが分かる。なお、本明細書において結晶粒同士がぶつかり合って生じる境界を特に粒界という。さらに、図16A〜16Cによれば、1つの結晶核を中心に放射状に柱状結晶が成長して、複数の円弧状領域が形成され、各円弧状領域内では結晶方位の角度差が5°以内であることが分かる。なお、円弧状領域間の結晶方位の角度差は、概ね10°以上30°未満である。
【0018】
したがって、ドメイン間の粒界を挟んで活性領域が形成されたTFTは、結晶シリコン膜中に多数の結晶欠陥を含むので、ドメイン内に活性領域が形成されたTFTに比べて、ON特性が低くなり、立上がりの特性のばらつきも非常に大きくなってしまう。このような特性ばらつきの大きなTFTを例えば表示装置のスイッチング素子に使用した場合、ドメイン間の粒界に起因してON特性が悪く、立上がりのばらつきも大きいので、ドメイン間の粒界に沿った表示斑が発生する原因となる。
【0019】
本発明の目的は、特性ばらつきの少ない、安定した特性の半導体装置を実現し、集積度の高い構成の半導体装置を提供することにある。また、そのような半導体装置の製造に適した多結晶半導体薄膜を提供することにある。さらに、本発明の半導体装置または多結晶半導体薄膜を歩留まり良く、簡便な方法で製造するための製造方法を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の多結晶半導体薄膜は、それぞれが複数の柱状シリコン結晶から構成され、同一面内において曲折または枝分かれした複数のドメインを含み、前記複数のドメインは、隣接するドメイン間において結晶方位の角度の差異が10°未満の領域が存在し、前記ドメインは、シリコンとニッケルとから形成した化合物から発生する1つの結晶核から結晶成長した柱状結晶の集合である。
【0021】
記ドメインの幅は0.1μm以上1.5μm以下であることが好ましい。ドメインの幅は、後述する結晶核から柱状半導体結晶が成長する方向に対して直角をなす方向におけるドメインの最大の距離を言う。
【0022】
前記ドメインは、シリコンニッケルとから化合物を形成させ、前記化合物から発生した結晶核を核として成長させたドメインであり、前記化合物の形成温度よりも100℃低い温度から前記化合物の発生温度までの間、前記結晶核の発生数が最大となる昇温速度以下の昇温速度で前記シリコンおよび前記ニッケルを加熱する工程を少なくとも含む工程によって、前記結晶核が形成されていることが好ましい。
【0023】
前記結晶核の発生密度は0.5×10−2個/μm よりも大きいことが好ましい。
【0024】
前記ニッケルの濃度は1×1016atoms/cm 以上1×1018atoms/cm 以下の範囲内であることが好ましい。
【0025】
本発明の半導体装置は、上記の多結晶半導体薄膜から複数のスイッチング素子が形成された半導体装置である。
【0026】
前記スイッチング素子がTFTであって、前記TFTのチャネル領域の幅が、前記ドメインの幅よりも大きく、前記チャネル領域内に複数の前記ドメインが存在することが好ましい。TFTのチャネル領域の幅は、ソース領域からドレイン領域へ向かう方向に対して直角をなす方向におけるチャネル領域の最大の距離をいう。
【0027】
本発明の液晶表示装置は、上記半導体装置を含む液晶表示装置である。
【0028】
本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法は、非晶質なシリコンの薄膜を基板上に形成する工程と、前記ニッケルを前記薄膜に導入する工程と、前記シリコンと前記ニッケルとの化合物を形成し、前記化合物から結晶核を発生させる工程と、前記結晶核を核として結晶を成長させる工程と、を少なくとも有する多結晶半導体薄膜の製造方法であって、前記結晶核の発生工程は、前記化合物の形成温度よりも100℃低い温度から前記化合物の発生温度までの間、前記結晶核の発生数が最大となる昇温速度以下の昇温速度で前記シリコンおよび前記ニッケルを加熱する工程を少なくとも含む。
【0029】
前記結晶成長工程は、前記結晶核の発生工程よりも大きな昇温速度で前記シリコンおよび前記結晶核を加熱する工程であることが好ましい。
【0030】
前記結晶核発生工程は、300℃以上550℃以下の温度範囲内まで加熱する工程であることが好ましい。
【0031】
前記結晶成長工程は、550℃以上730℃以下の温度範囲まで加熱する工程であることが好ましい。
【0032】
前記結晶成長工程は、RTA(ラピッドサーマルアニール)処理により行われることが好ましい
【0033】
ニッケル導入工程において、前記薄膜または前記基板の表面に、表面濃度が1×1012atoms/cm 以上1×1014atoms/cm 以下の範囲内になるように前記ニッケルが導入されることが好ましい。
【0034】
前記ニッケル導入工程は、前記ニッケルを含む溶液をスピンコート法により前記薄膜上に塗布する工程を含むことが好ましい。
【0035】
前記ニッケルを含む溶液は、水、メタノール、エタノール、n一プロパノール、i−プロパノールおよびアセトンからなる群から選ばれた少なくとも一種を含むことが好ましく、前ニッケルを含む溶液が酢酸ニッケルを含むことが好ましい。
【0036】
前記ニッケル導入工程は、DCスパッタリング法により行われることが好ましい。
【0037】
前記結晶成長工程によって結晶化された多結晶半導体薄膜が微小な非晶質領域を含むことが好ましい。前記微小な非晶質領域に対して強光照射を行なう工程を含むことが好ましい。
【0038】
前記強光として波長400nm以下のエキシマレーザ光を用い、前記薄膜表面におけるエネルギー密度が200mJ/cm 以上450mJ/cm 以下の範囲内で照射を行なうことが好ましい。
【0039】
前記結晶成長工程の後に、熱酸化処理を行なう工程を含むことが好ましい。
【0040】
前記結晶核の発生密度が1.5×10−2個/μm よりも大きいことが好ましい。
【0041】
本発明の多結晶半導体薄膜を図面を参照しながら説明する。図1A,1Bは、本発明の多結晶半導体薄膜の結晶成長を説明するための模式図であり、図1Aは成長途上の段階を示し、図1Bは成長完了後の段階を示している。以下、半導体としてシリコンを例に説明する。なお、図1A,1Bにおいて、矢印は成長方向の軌跡を示し、結晶核A,C,D,E,Fの各位置は結晶成長開始前の位置を表している。
【0042】
本発明の多結晶半導体薄膜は、それぞれが複数の柱状半導体結晶から構成され、同一面内において曲折または枝分かれした複数のドメインを含む。各ドメインは、1つの結晶核から結晶成長した複数の柱状結晶を有しており、複数の柱状結晶は実質的に結晶方位が揃っている。したがって、各ドメイン内では、電子や空孔のトラップサイトとなる結晶欠陥がほとんど存在しない。
【0043】
図1Aに示すように、非晶質な半導体の薄膜に発生した複数の結晶核A,C,D,E,Fからそれぞれランダムな方向に結晶化が開始する。結晶核は、ケミカルポテンシャルの相違から、非晶質/結晶化領域の境界に存在するのがエネルギー的に最も安定であるので、結晶化を伴いながら結晶核の周りの非晶質領域を移動して、結晶方位が概ね揃った複数の柱状結晶CSを成長させる。なお、厳密には、結晶核の一部が分離した断片が非晶質領域を移動する。
【0044】
結晶核が移動して結晶成長するとき、成長方向が変化して、ドメインが同一面内において曲折または枝分かれする。成長方向の変化に伴って、成長先端の柱状結晶CSの結晶方位が徐々に変化する。但し、このような結晶方位の変化は、薄膜内のストレスを緩和するために生じるので、侵入、積層欠陥などの大きな結晶欠陥が発生せず、結晶欠陥が最も少なくなるように結晶方位が変化する。また、徐々にねじれながら結晶方位が変化するので、結晶格子は連続しており、原子レベルでつながっている。このように、単一のドメイン内でも結晶方位が異なる箇所を有しているが、単一のドメイン内の柱状結晶CSは結晶格子が連続しており、結晶欠陥は殆ど存在しない。以下、前述の粒状ドメイン(結晶粒)と対比するために、結晶成長の方向が変化して曲折または枝分かれしたドメインを棒状ドメインRCとも呼ぶ。
【0045】
図2に、初期の結晶成長段階における棒状ドメインの光学顕微鏡写真を示す。図2中の白い箇所が棒状ドメインを示している。なお、柱状結晶CSの幅(柱状結晶CSの成長方向に対して直角をなす方向における柱状結晶CSの最大距離をいい、図1A中のW1で示す。)は、10nm以上100nm以下程度であり、棒状ドメインの幅(柱状結晶CSの成長方向に対して直角をなす方向におけるドメインの最大距離をいい、図1A,1B中のW2で示す。)は、0.1μm以上1.5μm以下である。棒状ドメインの幅が0.1μm未満の場合、結晶成長が不十分のまま結晶成長が終了して、大きな非晶質領域が膜中に残るおそれがある。棒状ドメインの幅が1.5μmを越えると、他の棒状ドメインと接触する領域が減少して、隣接する棒状ドメイン間において結晶方位が実質的に同じ領域が少なくなるおそれがある。
【0046】
棒状ドメインRCは、成長途上において、成長方向が変化して、曲折または枝分かれしながら成長を続ける。図1Aに示すように、非晶質な半導体の薄膜に発生した複数の結晶核A,C,D,E,Fからそれぞれランダムな方向に成長を開始し、成長方向を変化させながら成長を続ける。その結果、図1Bに示すように、同一面内において、一の結晶核(例えば図1A中の結晶核D)から発生した棒状ドメインRCが、複数の他の結晶核(例えば図1A中の結晶核A,B,C,E,F)から発生した棒状ドメインRCと接触する。一の結晶核から発生した棒状ドメインRCと別の結晶核から発生した棒状ドメインRCとが接触する領域の一部に、各棒状ドメインRC内に含まれる柱状結晶CSの結晶方位の違いによって、結晶欠陥を有する境界が形成される。図1B中の実線部分が境界を示している。
【0047】
しかし、上述の通り、各棒状ドメインRCは、柱状結晶CSの結晶方位が徐々に変化しながら成長する。また、各棒状ドメインRCが曲折または枝分かれしているので、複数の他の棒状ドメインRCと接触する領域が長い。したがって、隣接する棒状ドメインRC間において、柱状結晶CSの結晶方位が実質的に同じ領域、言い換えれば結晶方位の角度の差異が殆どない領域が形成される。例えば、図1A中の結晶核Dから発生した棒状ドメインRCと、他の結晶核Bから発生した、隣接する棒状ドメインRCとの間には、結晶欠陥を有する境界が形成されるとともに、柱状結晶CSの結晶方位が実質的に同じ領域(境界のない領域)が形成されている。この領域においては、実質的に結晶格子が連続して、原子レベルでつながっており、結晶欠陥が殆どない。このような結晶方位が実質的に同じ領域は、同一面内の様々な箇所に形成される。
【0048】
隣接する棒状ドメインRC間において、結晶方位が実質的に同じ領域が形成されるのは、棒状ドメインRCが同一面内において曲折または枝分かれしていることと、各棒状ドメインRCの結晶核から成長を開始する方向がランダムであることに起因すると考えられる。その結果、異なる棒状ドメインRCが接触する領域が長くなり、隣接する棒状ドメインRC間において、結晶方位が実質的に同じ領域が形成される可能性が高くなる。
【0049】
ここで、「隣接するドメイン間において結晶方位が実質的に同じ領域」とは、隣接するドメイン間に電子または空孔のトラップサイトとなる結晶欠陥がほとんど存在しない程度に、隣接するドメイン間において結晶方位の角度の差異が殆どないことを言う。具体的には、結晶方位の角度の差異が10°未満、好ましくは5°未満である。また、結晶方位の角度の差異が3°以下、さらに2°以下が好ましい。なお、結晶方位の角度の差異は、EBSP法により測定することができる。
【0050】
隣接するドメイン間において結晶方位が実質的に同じ領域が存在すれば、電子または空孔はこの領域を通過して、両ドメイン間を移動することができる。本発明においては、結晶方位が実質的に同じ領域が同一面内の様々な箇所に(ランダムに)形成されるので、TFTのチャネル領域の方向に関わらず、ばらつきの少ない、安定した特性を得ることができる。
【0051】
図3A,3Bおよび図4A,4B,4Cは、棒状ドメインで形成された多結晶半導体薄膜を示す図である。図3Aは、セコ液(K CrO ;0.06mol/L 、HF;25%、水;75%)を用いて多結晶半導体薄膜を顕在化エッチング処理した後のSEM(Scanning Electron Microscope)写真であり、図3Bは、多結晶半導体薄膜における結晶方位の面内分布をEBSP法により測定した結果をディスプレイ上に表示した画像写真であり、結晶方位の差異を濃淡の差で表している。図3Bから、各棒状ドメインは曲折または枝分かれしており、大略的に単一の結晶方位を有することが分かる。また、各棒状ドメインは、互いに結晶方位が異なることが分かる。
【0052】
図4Aは、図3Bにおいて、隣接する測定点間で結晶方位の角度差が2°以上の箇所をドットで表した画像写真であり、結晶方位の角度差が2°未満の箇所は空白となっている。図4Bは、図3Bと図4Aとを重ねた画像写真である。図4Cは、図4Bにおいて結晶方位の角度差が2°以上5°未満の箇所を淡いドットで示し、結晶方位の角度差が5°以上の箇所を濃いドットで表した画像写真である。図4Cから、棒状ドメインで形成された多結晶半導体薄膜は、結晶方位の角度差が5°未満の箇所が多く、結晶方位の角度差が5°以上のドットによって棒状ドメインが包囲されていないことが分かる。
【0053】
結晶欠陥の多い領域と、結晶欠陥の少ない領域とでは、エッチングレートが異なり、結晶欠陥の少ない領域はエッチングレートが速く、結晶欠陥の多い領域はエッチングレートが遅いので凹凸が形成される。図3Aのエッチング処理後のSEM像では、黒く見える領域が結晶欠陥の少ない領域であり、白く見える領域が結晶欠陥の多い領域である。結晶欠陥の多い領域は、ミスオリエンテーション領域と対応し、ドメイン間に境界が存在している。但し、各棒状ドメインは、境界に囲まれておらず、隣接する他の棒状ドメインと連続していることが分かる(図3Aおよび図4A参照)。したがって、図4B中のA地点からB地点へ電子または空孔が移動する場合、A地点とB地点とを結ぶ直線は境界(ミスオリエンテーション領域)を横切るので、電子または空孔がA地点からB地点へ直線方向に移動し難い(境界には多数の結晶欠陥が存在するので、電子または空孔がトラップされる)。しかし、棒状ドメインは境界に囲まれておらず、隣接する棒状ドメイン間において結晶方位が実質的に同じ領域が存在するので、この領域を逃げ道にして、境界を迂回して電子または空孔がAからBへ移動することができる。すなわち、電子または空孔は、結晶方位が実質的に同じ領域を通って、隣接するドメイン間を移動することができる。
【0054】
これに対して、図1Bでは、各粒状ドメインは、粒界に囲まれて、隣接する他の粒状ドメインとつながっていない。したがって、粒状ドメイン内の電子または空孔は、粒界にトラップされるので、隣接する粒状ドメインへ移動することが困難となる。
【0055】
このように、本発明の多結晶半導体薄膜は、電子または空孔が隣接する棒状ドメイン間を移動することができるので、高移動度が期待できる。したがって、本発明の多結晶半導体薄膜から複数のスイッチング素子を製造した場合、移動度が大きいので、ON特性が高い高性能の半導体装置が得られる。
【0056】
また、TFTのチャネル領域の幅が、棒状ドメインの幅よりも大きければ、チャネル領域内に複数の棒状ドメインが存在することになるので、TFT特性は平均化され、立上がりの特性のばらつきが少ない半導体装置が得られる。
【0057】
さらに、本発明の半導体装置をスイッチング素子に使用した液晶表示装置は、表示斑の発生が抑えられた鮮明な画像が得られる。液晶表示装置は、本発明の半導体装置を有する素子基板と、この素子基板に対向して配置され、対向電極を有する対向基板と、素子基板と対向基板との間に介在する液晶層とを少なくとも備える。本発明の多結晶半導体薄膜から駆動回路を製造することも可能であり、ガラス基板上の多結晶半導体薄膜からスイッチング素子および駆動回路を形成することによって、大幅なコストダウン、コンパクト化、信頼性の向上が実現され得る。
【0058】
以下、本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法について説明する。本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法は、非晶質な半導体の薄膜を基板上に形成する工程と、前記半導体の結晶化を助長する触媒元素を前記薄膜に導入する工程と、前記半導体と前記触媒元素との化合物を形成し、前記化合物から結晶核を発生させる工程と、前記結晶核を核として結晶を成長させる工程と、を少なくとも有する。以下、シリコンを例にして、各工程を説明するが、本発明は、ゲルマニウム、ゲルマニウムとシリコンとの混晶、これらの化合物についても適用することができる。
【0059】
(1)非晶質シリコン膜形成工程
本工程は、非晶質なシリコンの薄膜(以下、非晶質シリコン膜ともいう。)を基板上に形成する工程である。
【0060】
非晶質シリコン膜を基板上に形成する方法としては、特に限定されないが、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition )法、スパッタ法などを挙げることができる。本発明においては、プラズマCVD法が好ましい。プラズマCVD法によれば、低温でしかも高速に非晶質シリコン膜を成膜できる。基板上に形成する非晶質シリコン膜の膜厚は、50〜150nm程度である。
【0061】
本発明において使用し得る基板としては、特に限定されないが、ガラス基板が挙げられる。後述するように、本発明においては、600℃以下の低温で、数時間程度の処理によって結晶化を行うことができるので、耐熱性が高く、かつ熱収縮性が殆どない高価な石英基板に代えて、安価なガラス基板を用いることができる。
【0062】
なお、ガラス基板上に非晶質シリコン膜を形成する前に、ガラス基板上に酸化シリコンからなる下地膜を形成して、ガラス基板中の不純物が非晶質シリコン膜に拡散するのを防ぐことが好ましい。
【0063】
(2)触媒元素導入工程
本工程は、シリコンの結晶化を助長する触媒元素を非晶質シリコン膜に導入する工程である。
【0064】
半導体の結晶化を助長する触媒元素としては、Ni、Co、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Al、Sbなどが挙げられ、これらから選ばれた一種または二種以上の元素を用いることによって、微量で結晶化助長の効果が生じる。この理由として次のようなモデルが考えられる。触媒元素は、単独では作用せず、半導体(シリコン)と結合して化合物(シリサイド)を形成することによって結晶成長を助長する。そのときの結晶構造が非晶質な半導体の薄膜の結晶化時に一種の鋳型の様に作用して結晶化を促す。
【0065】
これらの触媒元素の中でも、シリコンの結晶化を助長する触媒元素としてNiが好ましい。Niは2つのSiとともにNiSi (シリサイド)を形成する。NiSi は螢石型の結晶構造を有しており、単結晶シリコンのダイヤモンド構造と非常に類似している。しかも、NiSi の格子定数は5.406Åであり、結晶シリコンの格子定数5.430Åに非常に近い。したがって、NiSi はアモルファスシリコン膜を結晶化させるのに最適の鋳型であり、シリコンの結晶化を助長する触媒元素としてはNiが最も望ましいと考えられる。
【0066】
触媒元素を導入する方法としては、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、イオンドーピング法、CVD法、スピンコート法などが挙げられる。スピンコート法は、触媒元素の溶液または分散液を基板上に塗布して乾燥させる方法であり、溶液または分散液中の触媒元素の濃度を調整することによって、非晶質シリコン膜に導入する触媒元素の量を調整することができる。
【0067】
非晶質シリコン膜中の触媒元素の濃度は、1×1016atoms/cm 以上1×1018atoms/cm 以下程度が好ましい。触媒元素の濃度が1×1016atoms/cm 未満であると、結晶成長が不十分となり、非晶質領域が多く残ってしまう。他方、触媒元素の濃度が1×1018atoms/cm を越えると、半導体装置のチャネル領域を形成した場合、触媒元素がリークの原因となるおそれがある。
【0068】
触媒元素を非晶質シリコン膜に導入する工程は、後述の結晶核形成工程の前であれば、絶縁基板上に非晶質シリコン膜を形成する前または後のいずれに行ってもよい。なお、通常は、絶縁基板上に非晶質シリコン膜を形成する前に、絶縁基板上に酸化シリコンからなる下地膜を形成して、絶縁基板中の不純物が非晶質シリコン膜に拡散するのを防ぐ。非晶質シリコン膜の表面が疎水性であるのに対して、下地膜の表面は親水性であるので、親水性の溶媒を用いてスピンコートする場合には、下地膜上に塗布する方が、非晶質シリコン膜上に塗布するよりも安定に塗布することができる。触媒元素をガラス基板上または下地膜上に導入した場合、非晶質シリコン膜の下面から結晶成長が開始する。
【0069】
触媒元素を含む溶液をスピンコート法によって、表面濃度が1×1012atoms /cm 以上1×1014atoms /cm 以下となるように、絶縁基板上または非晶質シリコン膜上に塗布し、乾燥させる。表面濃度が1×1012atoms /cm 未満の場合、結晶成長が不十分となり非晶質領域が多く残る。表面濃度が1×1014atoms /cm を越えると、1つの結晶核から多方向に結晶が成長して粒状ドメインが形成されるおそれがある。なお、触媒元素の表面濃度は、全反射蛍光X線分析(TRXRF)法などによって測定することができる。
【0070】
触媒元素(例えばニッケル)を含む溶液は、水、メタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノール、アセトンからなる群から選ばれた少なくとも一種の溶媒を含むことが好ましい。触媒元素としてニッケルを用いる場合、酢酸ニッケルを上記溶媒に溶解することにより、ニッケルを絶縁基板上または非晶質シリコン膜上に均一に塗布することができる。
【0071】
また低電圧でのDC(直流)スパッタリング法によっても、同様にニッケルなどの触媒元素を導入することができる。この際、DC電圧を低くすることによって、非常に低濃度の触媒元素の導入が可能となる。例えば、DC電圧を200V〜600V程度にする。
【0072】
絶縁基板上または非晶質シリコン膜上に塗布された触媒元素は、下記の結晶核形成工程での加熱によって非晶質シリコン膜中に取り込まれる。
【0073】
(3)結晶核形成工程
本工程は、シリコンと触媒元素との化合物(シリサイド)を形成し、前記化合物から結晶核を発生させる工程である。
【0074】
触媒元素による結晶化法では、触媒元素が導入された状態での加熱工程で、触媒元素とシリコンの反応によって、触媒元素とシリコンとの化合物(シリサイド)が形成され、さらにこのシリサイドから結晶核が形成され、結晶核から結晶成長が始まる。なお、結晶核とは、結晶成長が始まった初期の段階の化合物をいう。化合物(シリサイド)の全てが結晶核になるとは限らず、昇温中に温度上昇に伴う固溶度の変化で再固溶するシリサイドもある。またシリサイドが小さすぎる場合、結晶成長が生じず、結晶核が発生しない。
【0075】
本発明では、結晶核の発生密度を高くし、1つの結晶核中の触媒元素量を少なくすることによって、1つの結晶核から一方向に結晶成長を開始させ、棒状ドメインの幅を小さくし、棒状ドメインを曲折または枝分かれしながら成長させることができる。これに対して、粒状ドメインでは、結晶核の発生密度が低く、1つの結晶核中の触媒元素量が多いので、1つの結晶核から放射状(多方向)に結晶成長を開始し、略直線的(曲折または枝分かれせず)に成長する。
【0076】
但し、結晶核の発生密度を高くし、1つの結晶核中の触媒元素量を少なくするには、触媒元素の導入量を調整するだけでは不十分であり、結晶化アニール時の昇温速度のコントロールが必要である。図5は、結晶化アニール時の昇温速度と結晶核発生密度との関係を示すグラフである。図5から、結晶核発生密度は昇温速度に対して、ある最大点を有しており、最大点よりも大きな昇温速度では急激に結晶核発生密度が減少することが分かる。昇温速度が10℃/分のときの結晶核発生状態の光学顕微鏡写真を図2に、昇温速度が約50℃/分のときの結晶核発生状態の光学顕微鏡写真を図6にそれぞれ示す。図2および図6は、250℃から550℃までそれぞれの昇温速度で昇温させた後、温度550℃で15分間加熱することによって、結晶成長の初期の段階で結晶成長を止めて、その結晶核の発生状態を観察したものである。
【0077】
核発生密度が最大となる昇温速度以下では棒状ドメインが形成されているが(図2参照)、核発生密度が最大となる昇温速度よりも大きな昇温速度では粒状ドメインとなっている(図6参照)。つまり、結晶化アニール時の昇温速度を、結晶核発生密度が最大となる昇温速度以下とすることによって、結晶核発生密度の高い、棒状ドメインからなる多結晶シリコン膜を得ることができる。
【0078】
核発生密度が最大となる昇温速度は、非晶質シリコン膜の膜質に依存するので、非晶質シリコン膜の種類および触媒元素の種類などの条件に応じて適宜決定される。例えば、図5で用いた非晶質シリコン膜は、平行平板式のプラズマCVD法で、RFパワーのパワー密度80mW/cm とし、SiH とH の混合ガスにより基板温度430℃で成膜したものである。触媒元素としてニッケルを用いて、非晶質シリコン膜表面に導入した。非晶質シリコン膜表面に導入されたニッケルの表面濃度は7×1012atoms/cm であった。この場合の核発生密度が最大となる昇温速度は、45℃/分であった。
【0079】
このように、昇温速度の変化によって結晶核から成長するドメインの形状および結晶核発生密度が変化する理由は、明らかではないが、以下のようなモデルで説明することができる。昇温速度が大きな場合には、シリサイドが形成されるまでに温度が上昇し、シリサイドの形成が高温下で行われるので、触媒元素の拡散が大きくなる。また、シリサイド形成時の熱エネルギーが大きいので、大きなシリサイドが成長し、シリサイドの発生密度は低くなる。このような発生密度の低い大きなシリサイドから結晶成長した場合には、シリサイド中に多量の触媒元素が含まれているので、発生する柱状結晶の束としてのドメインの幅は非常に大きくなる。したがって、結晶核から粒状ドメインとして結晶成長が進み、シリサイドの発生密度が低いので、結晶核発生密度も低くなる。
【0080】
一方、昇温速度が小さい場合には、温度が低い段階でもシリサイドが形成される時間的余裕があるので、低い温度でシリサイドが形成され、触媒元素の拡散が小さい。シリサイド形成時の熱エネルギーが小さいので、小さなシリサイドが高い密度で発生する。このような発生密度の高い小さなシリサイドから結晶成長した場合には、シリサイド中の触媒元素量が少ないので、発生する柱状結晶の束としてのドメインの幅は非常に小さくなる。したがって、結晶核から棒状ドメインとして結晶成長が進み、シリサイドの発生密度が高いので、結晶核発生密度も高くなる。
【0081】
核発生密度が最大となる昇温速度以下での加熱は、半導体と触媒元素との化合物の形成温度よりも100℃低い温度から化合物の発生温度までの間、少なくとも行われる。例えばシリコンの場合、化合物(シリサイド)の発生温度は約300℃以上約400℃以下の範囲であるので、約200℃以上約300℃以下の範囲の温度から化合物(シリサイド)の発生温度まで、核発生密度が最大となる昇温速度以下の昇温速度(例えば40℃/分)で昇温させる。半導体と触媒元素との化合物の形成は、例えばTEM(Transmission Electron Microscope)によって確認することができる。
【0082】
半導体と触媒元素との化合物が形成された後は、昇温速度の制限はなく、核発生密度が最大となる昇温速度以下またはこの昇温速度よりも大きい昇温速度で加熱することができる。例えばシリコンの場合、結晶核の発生温度は約500℃以上であり、化合物(シリサイド)の発生後、核発生密度が最大となる昇温速度よりも大きい昇温速度(例えば50℃/分)で約500℃まで昇温させても良い。
【0083】
(4)結晶成長工程
本工程は、シリコンと触媒元素との化合物(シリサイド)から形成された結晶核を核として結晶を成長させる工程である。
【0084】
本工程では、結晶核の発生温度よりも高い温度に昇温して、柱状結晶を成長させ、棒状ドメインを形成させる。本工程では、半導体と触媒元素との化合物を形成する際の昇温速度よりも大きい速度で昇温させることができ、これにより処理時間を大幅に短縮することができる。
【0085】
図7A,7Bおよび7Cは、結晶核形成工程および結晶成長工程における昇温速度を示すグラフである。図7Aでは、結晶核形成工程および結晶成長工程の各工程における昇温速度が同じである。例えば、昇温速度10℃/分で370℃〜730℃の範囲内の温度(図7A,BおよびC中ではT1 と表記する。)まで昇温し、温度T で数時間程度加熱する。
【0086】
図7Bでは、結晶核形成工程よりも結晶成長工程の方が昇温速度が大きい。例えば、結晶核形成工程では、化合物または結晶核の発生温度(330℃〜550℃の範囲内の温度であり、図7BおよびC中ではT と表記する。)まで昇温速度10℃/分で昇温し、結晶成長工程では、昇温速度100℃/分で温度T まで昇温し、温度T で数時間程度加熱する。
【0087】
図7Cでは、結晶核形成工程よりも結晶成長工程の方が昇温速度が大きく、さらに結晶成長工程の昇温速度が段階的に変化する。例えば、結晶核形成工程では、温度T2 まで昇温速度10℃/分で昇温し、結晶成長工程では、昇温速度100℃/分で温度T まで昇温し、さらに昇温速度300℃/分で温度T よりも高い温度(例えば、550℃〜730℃、図7C中ではT と表記する。)まで昇温した後、室温まで約30分かけて降温する。
【0088】
図7A,7Bおよび7Cでは、結晶核形成工程は同じ昇温速度で昇温させているが、半導体と触媒元素との化合物が形成されるまでの昇温速度と、化合物から結晶核が形成されるまでの昇温速度とが異なっていても良い。
【0089】
結晶成長工程は、RTA(ラピッドサーマルアニール)処理により行ってもよい。RTA処理は、短時間の急激な昇温が可能であるので、ガラス基板を用いる場合、ガラスの歪み点温度以上の温度でも、ガラス基板に反りが発生しないように加熱することができる。
【0090】
結晶成長工程によって結晶化された多結晶半導体薄膜は、微小な非晶質領域を含むことが好ましく、非晶質領域を含むことによって、後の強光照射の効率を向上させることができる。非晶質領域は、膜表面の面積の5%以上10%以下程度が好ましい。図8は、昇温速度10℃/分で250℃から550℃まで昇温して、結晶成長させた多結晶シリコン膜表面の顕微鏡写真である。図8から、膜表面は結晶性シリコンで略埋まっているが、微小な非晶質領域(図8では黒い粒状部分)を含むことが分かる。
【0091】
非晶質領域に対して強光照射を行うことによって、結晶中の欠陥が低減され、半導体装置の特性が向上し、ばらつきの少ない安定した半導体装置が得られる。強光として波長400nm以下のエキシマレーザ光を用い、多結晶半導体薄膜表面におけるエネルギー密度が200mJ/cm 以上450mJ/cm 以下の範囲内で照射を行なうことにより、結晶性改善効果を向上させることができる。強光照射に際しては、200℃以上450℃以下に基板を加熱することが好ましい。
【0092】
また、結晶成長工程の後に、熱酸化処理を行なうことによって、結晶中の欠陥が低減され、半導体装置の特性が向上し、ばらつきの少ない安定した半導体装置が得られる。具体的には、石英基板を用いた場合、850℃以上1100℃以下の温度範囲で、0.1時間以上5時間以下程度、常圧でドライ酸化(O 酸化)を行う。ガラス基板を用いた場合、550℃以上650℃以下の温度範囲で、0.5時間以上5時間以下程度、5気圧以上20気圧以下の雰囲気でスチーム酸化(H O酸化)を行う。なお、熱酸化処理は、上記の強光照射の有無に関わらず行うことができる。
【0093】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【0094】
(実施形態1)
N型TFTを例にして本実施形態を説明する。本実施形態のTFTは、アクティブマトリクス型のドライバー回路や画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成する素子としても利用可能である。本実施形態では、それらの代表として、液晶表示装置用アクティブマトリクス基板上の画素用TFTを例にして説明する。液晶表示装置用アクティブマトリクス基板上には、数十万から数百万のN型TFTを均一に作製することが要求される。
【0095】
図9A,9B,9Cおよび9Dは、本実施形態の画素用TFTの製造工程を概略的に示す平面図である。画素用TFTは、実際には、アクティブマトリクス基板上に数十万個以上形成されるが、図9A〜9Dでは、3行×4列の12個のTFTに簡略化して説明する。図10A,10B,10C,10Dおよび10Eは、本実施形態の1個の画素用TFTの製造工程を概略的に示す断面図である。
【0096】
まず、図9Aおよび図10Aに示すように、ガラス基板(コーニング1737など)101上にプラズマCVD法によって基板温度430℃にて、ベースコート膜(BC膜)として、酸化シリコン膜102を厚さ100nm〜400nm、例えば300nm成膜し、引き続いて基板温度430℃にて真性(I型)の非晶質シリコン膜(a−Si膜)103を厚さ25nm〜80nm、例えば30nmを成膜する。これを0.5%のフッ酸で30秒間処理して表面の自然酸化膜を除去し、さらにa−Si膜103の表面を濡れ性向上のためにオゾン水で処理する。
【0097】
図10Aに示すように、a−Si膜103上にニッケル104を含有する溶液をスピンコート法により表面濃度が1×1012atoms/cm 〜1×1014atoms/cm 、例えば5×1012atoms/cm となるように添加する。なお、表面濃度は全反射蛍光X線分析装置(TRXRF)にて測定を行なった結果である。溶媒としては水を用い、溶質としては酢酸ニッケルを用いる。酢酸ニッケルは、水に非常に溶けやすいので、安定した濃度のニッケル溶液を作製することができる。また、a−Si膜103上に均一に添加することができる。添加するニッケル量は溶液の濃度によりコントロールすることができる(図10A)。a−Si膜103中の触媒元素の濃度は、例えば5×1017atoms/cm である。
【0098】
次に、不活性雰囲気下で、核発生密度が最大となる昇温速度(45℃/分)以下の昇温速度(5℃/分〜40℃/分)で300℃〜550℃まで加熱し、続いて40℃/分よりも大きい昇温速度で550℃〜730℃まで昇温して加熱処理を行なう。本実施形態では、昇温速度10℃/分で400℃まで昇温し、続いて昇温速度100℃/分で570℃まで昇温し、570℃で2時間加熱した後、さらに室温まで約30分かけて降温する。この場合の昇温工程は、図7Bに示す模式図のようになり、T は400℃でT1 は570℃となる。もちろん、図7Aのように核発生密度が最大となる昇温速度以下の一定の昇温速度(5℃/分〜40℃/分)で550℃〜730℃まで昇温してもよい。
【0099】
この処理は、インライン式の複数の加熱ゾーンからなる焼成装置により行い、昇温速度と基板温度は各加熱ゾーンの温度設定と基板搬送速度により制御する。核発生密度が最大となる昇温速度は、a−Si膜の膜質に依存するので、a−Si膜の膜質により最適化する必要がある。この加熱処理によって、a−Si膜103は結晶化され、多結晶シリコン膜(p−Si膜)になる。
【0100】
400℃までの加熱工程によって、a−Si膜表面に添加されたニッケル104のシリサイド化が起こる。本実施形態では、核発生密度が最大となる昇温速度以下で昇温させているので、シリサイドの発生密度が高く、それぞれは非常に小さなシリサイドとなっている。さらにこれを570℃まで昇温することで、シリサイドから結晶核が発生し、柱状結晶の成長が起きる。発生する結晶核は非常に小さく、結晶核中のニッケル量が少ないので、各結晶核から面内のランダムな一方向に柱状結晶が成長し、棒状ドメインが形成される。シリサイドの発生密度が高いので、棒状ドメインの発生密度も高くなる。
【0101】
さらに、570℃で2時間加熱すると、棒状ドメインが曲折または枝分かれしながら成長し、結晶化が終了する。また、このときの棒状ドメインの幅は0.1μm以上1.5μm以下であり、例えば1μm以下である。また、核発生密度は8×10−2個/μm である。
【0102】
この加熱工程で用いたニッケル量は、a−Si膜103を全て結晶化するには不十分である。また加熱時間が短いので、触媒元素なしには結晶核が発生せず、結晶成長が及ばない未結晶化領域はa−Siのまま残る。その結果、この加熱処理後では、微小な非晶質領域と結晶化領域とが混在した状態となっている。具体的には図8に示す状態となっており、このときのシリコン膜全体に対するa−Si領域の面積比は10%程度である。また個々のa−Si領域(図8中の黒い粒状領域)の大きさは1μm程度である。なお、a−Si領域の面積比および大きさは、光学顕微鏡により測定する。
【0103】
図10Bに示すように、レーザー光105を照射することでシリコン膜の結晶性を助長して結晶性シリコン膜106を得る。レーザー光としては、XeClエキシマーレーザー(波長308nm、パルス幅40nm)を用いる。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を200〜450℃、例えば400℃に加熱し、エネルギー密度250〜450mJ/cm 、例えば350mJ/cm で照射する。ビームの形状は長尺形状であり、ビームサイズは基板101上で150mm×1mmになるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行なう。したがって、シリコン膜103の任意の一点において、計20回の照射が行われることになる。
【0104】
この照射によって、結晶性シリコン膜106中に残存している非晶質領域が優先的に溶融し、結晶化領域の良好な結晶成分を反映して膜全体が結晶化される。レーザー照射は結晶改善が目的であり、基本的な結晶性(結晶方位の面内分布)は変化しないようなエネルギー範囲で行われる。
【0105】
不要な部分の多結晶シリコン膜106を除去して素子間分離を行い、TFTの活性領域(チャネル領域111、ソース112/ドレイン113領域)となる島状の結晶性シリコン膜106aを形成する(図9B参照)。
【0106】
次に、島状結晶性シリコン膜106aを覆うようにゲイト絶縁膜として厚さ30nm〜150nm、例えば100nmの酸化シリコン膜107をプラズマCVD法で形成する。さらに、スパッタリング法によって、厚さ50nm〜200nm、例えば100nmの窒化タンタル膜を成膜し、連続してタングステン膜を厚さ300nm〜500nm、例えば400nm成膜し、パターニングしてゲイト電極108を形成する。
【0107】
引き続いて、イオンドーピング法により、ゲイト電極108をマスクとして低濃度の不純物(リン)109を注入する(図10C参照)。ドーピングガスとしてホスフィン(PH )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を3×1013cm−2〜3×1014cm−2、例えば1×1014cm−2として行う。さらにゲート電極108よりも左右(図10D参照)それぞれの幅が1μm広いパターンのフォトレジストを介して、高濃度の不純物(リン)110を注入するこのドーピング工程では、ドーピングガスとしてホスフィン(PH )を用い、加速電圧を60kV〜90kV、例えば80kV、ドーズ量1×1015cm−2〜1×1016cm−2、例えば6×1015cm−2として行う。この工程で、低濃度の不純物109のみが注入された領域114および115は、後にTFTのLDD(Lightly Doped Drain )領域となる。低濃度不純物109および高濃度の不純物110がそれぞれ注入された領域112および113はソース/ドレイン領域となる。ゲイト電極108でマスクされ、不純物注入されていない領域111は、後にTFTチャネル領域となる。この状態を図9Cおよび図10Dに示す。
【0108】
その後、450℃〜600℃、例えば550℃にて1〜10時間、例えば4時間の加熱処理によって、イオン注入した不純物の活性化と、不純物導入により劣化した結晶性の改善を行なう。リンはニッケルを引き寄せる効果があるので、この加熱処理によって、リンの注入されていない領域111(後のTFTチャネル領域)中のニッケルは拡散して、リンが高濃度で注入されている領域114および115に集められる。ニッケル、特にニッケルシリサイドがチャネル領域に存在すると、リーク源となるのでTFTのオフ電流の上昇を招いてしまうが、この加熱処理によってチャネル領域からニッケルが拡散してソース/ドレイン領域に移動するので、チャネル領域からニッケルをゲッタリングすることができる。したがって、TFTのオフ電流の上昇を抑えることができる。N型不純物(リン)領域112および113のシート抵抗は、200Ω/cm 〜800Ω/cm である。
【0109】
続いて、厚さ800nm程度の酸化シリコン膜または窒化シリコン膜をプラズマCVD法で成膜し、層間絶縁膜116を形成する。層間絶縁膜116にコンタクトホールを形成し、金属材料膜、例えばチタンとアルミニウムとチタンの三層膜によってTFTのソース電極配線117を形成する。最後に、窒素雰囲気下で400℃、60分のアニールを行う。
【0110】
本実施形態のTFTは、画素電極をスイッチングする素子であるので、ドレイン配線には透明電極(例えばITO)などの画素電極118を設ける。以上の工程を経て、図9D、図10Eに示すTFT119が完成する。なお、TFT119を保護するために、TFT119上に窒化シリコン膜などからなる保護膜を必要に応じて形成してもよい。
【0111】
(実施形態2)
本実施形態では、N型TFTとP型TFTとを相補的に構成したCMOS構造の回路をガラス基板上に作成する工程について説明する。このCMOS構造の回路は、アクティブマトリクス型の液晶周辺回路や一般の薄膜集積回路に用いられる。
【0112】
図11は、本実施形態のTFTの平面図である。図12A〜12Dおよび図13A,13Bは、図11のA−A’線断面図であり、本実施形態のTFTの製造工程を概略的に示している。図12A〜12D、図13A、13Bの順で工程が進行する。
【0113】
まず、図12Aに示すように、ガラス基板(コーニング1737)201上にプラズマCVD法により基板温度430℃にて、ベースコート膜(BC膜)として、酸化シリコン膜202を厚さ100nm〜400nm、例えば300nm成膜し、引き続いて基板温度430℃にて真性(I型)のアモルファスシリコン膜(a−Si膜)203を厚さ25nm〜80nm、例えば40nm成膜する。これを0.5%のフッ酸で30秒間処理して表面の自然酸化膜を除去し、さらにa−Si膜103の表面を濡れ性向上のためにオゾン水で処理する。
【0114】
図12Aに示すように、a−Si膜203上にニッケル204を含有する溶液をスピンコート法により表面濃度が1×1012atoms/cm 〜1×1014atoms/cm 、例えば5×1012atoms/cm となるように添加する。なお、表面濃度は全反射蛍光X線分析装置(TRXRF)にて測定を行なった結果である。溶媒としては水を用い、溶質としては酢酸ニッケルを用いる。酢酸ニッケルは、水に非常に溶けやすいので、安定した濃度のニッケル溶液を作製することができる。また、a−Si膜203上に均一に添加することができる。添加するニッケル量は溶液の濃度によりコントロールすることができる(図12A)。a−Si膜103中の触媒元素の濃度は、例えば5×1017atoms/cm である。
【0115】
次に、不活性雰囲気下で、核発生密度が最大となる昇温速度(45℃/分)以下の昇温速度(5〜40℃/分)で300℃〜550℃まで加熱し、続いて30℃/分以上の昇温速度で550℃〜730℃まで昇温して加熱処理を行なう。本実施形態では、昇温速度10℃/分で400℃まで昇温し、続いて昇温速度100℃/分で570℃まで昇温した後、さらに昇温速度300℃/分で670℃まで昇温する。600℃まで14分かけて降温し、さらに室温まで約30分かけて降温する。この場合の昇温工程は、図7Cに示す模式図のようになり、T は400℃、T は570℃、T は670℃となる。
【0116】
この処理は、昇温速度を広い範囲で制御する必要があるので、RTA装置で処理した。RTA装置は、インライン式で、複数のIR(infrared)ヒーターによる加熱ゾーンと、ハロゲンランプやキセノンランプ等によるランプ加熱による加熱ゾーンとからなる。昇温速度10℃/分で400℃まで昇温する昇温工程、続く昇温速度100℃/分で570℃まで昇温する昇温工程は、それぞれIRヒーターによる加熱ゾーンで行い、昇温速度300℃/分で670℃まで昇温する昇温工程はランプ加熱による加熱ゾーンで行う。この加熱処理の昇温速度と基板温度は、各ゾーンの温度設定、基板搬送速度およびランプのパワーにより制御した。なお、本実施形態では、670℃まで昇温するが、加熱時間が数十秒と短いので、耐熱温度の低い、安価なガラス基板であっても、ガラス基板の歪み点以上の温度での処理が可能である。
【0117】
核発生密度が最大となる昇温速度は、a−Si膜の膜質に依存するので、a−Si膜の膜質により最適化する必要がある。この加熱処理によって、a−Si膜203は結晶化され、多結晶シリコン膜(p−Si膜)になる。
【0118】
400℃までの加熱工程によって、a−Si膜表面に添加されたニッケル204のシリサイド化が起こる。本実施形態では、核発生密度が最大となる昇温速度以下で昇温させているので、シリサイドの発生密度が高く、それぞれは非常に小さなシリサイドとなっている。さらにこれを570℃まで昇温することで、シリサイドから結晶核が発生し、柱状結晶の成長が起きる。発生する結晶核は非常に小さく、結晶核中のニッケル量が少ないので、各結晶核から面内のランダムな一方向に柱状結晶が成長し、棒状ドメインが形成される。シリサイドの発生密度が高いので、棒状ドメインの発生密度も高くなる。
【0119】
600℃に降温するまでの間に、棒状ドメインが枝分かれしながら成長し、結晶化が終了する。また、このときの棒状ドメインの幅は0.1μm以上1.5μm以下であり、例えば1μm以下である。また、核発生密度は9×10−2個/μm である。
【0120】
この加熱工程で用いたニッケル量は、a−Si膜203を全て結晶化するには不十分である。また加熱時間が短いので、触媒元素なしには結晶核が発生せず、結晶成長が及ばない未結晶化領域はa−Siのまま残る。その結果、この加熱処理後では、微小な非晶質領域と結晶化領域とが混在した状態となっている。具体的には図8に示す状態となっており、このときのシリコン膜全体に対するa−Si領域の面積比は10%程度である。また個々のa−Si領域(図8中の黒い粒状領域)の大きさは1μm程度である。なお、a−Si領域の面積比および大きさは、光学顕微鏡により測定する。
【0121】
図12Bに示すように、レーザー光205を照射することでシリコン膜の結晶性を助長して結晶性シリコン膜206を得る。レーザー光としては、XeClエキシマーレーザー(波長308nm、パルス幅40nm)を用いる。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を200℃〜450℃、例えば400℃に加熱し、エネルギー密度250mJ/cm 〜450mJ/cm 、例えば350mJ/cm で照射する。ビームの形状は長尺形状であり、ビームサイズは基板101上で150mm×1mmになるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に0.05mmのステップ幅で順次走査を行なう。したがって、シリコン膜203の任意の一点において、計20回の照射が行われることになる。
【0122】
この照射によって、結晶性シリコン膜206中に残存している非晶質領域が優先的に溶融し、結晶化領域の良好な結晶成分を反映して膜全体が結晶化される。レーザー照射は結晶改善が目的であり、基本的な結晶性(結晶方位の面内分布)は変化しないようなエネルギー範囲で行われる。
【0123】
不要な部分の多結晶シリコン膜206を除去して素子間分離を行い、TFTの活性領域(チャネル領域111、ソース112/ドレイン113領域)となる島状の結晶性シリコン膜206aを形成する。
【0124】
次に、島状結晶性シリコン膜206aを覆うようにゲイト絶縁膜として厚さ30nm〜150nm、例えば100nmの酸化シリコン膜207をプラズマCVD法で形成する。さらに、図12Cに示すように、後のチャネル領域となる領域の外形を有するフォトレジストを介して、イオンドーピング法により、低濃度の不純物(リン)208を注入する(図12C参照)。ドーピングガスとしてホスフィン(PH )を用い、加速電圧を60kV〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を3×1013cm−2〜3×1014cm−2、例えば1×1014cm−2として行う。
【0125】
さらに、図12Dに示すように、スパッタリング法によって、厚さ50nm〜200nm、例えば100nmの窒化タンタル膜を成膜し、連続してタングステン膜を厚さ300nm〜500nm、例えば400nm成膜する。前述の低濃度不純物が注入された領域よりも左右(図12C,D参照)それぞれの幅が1μm広いパターンを用いてパターニングし、ゲイト電極209を形成する。
【0126】
ゲイト電極209をマスクにして、高濃度の不純物(リン)210を注入する。このドーピング工程では、ドーピングガスとしてホスフィン(PH )を用い、加速電圧を60kV〜90kV、例えば80kV、ドーズ量1×1015cm−2〜1×1016cm−2、例えば6×1015cm−2として行う。この工程で、低濃度の不純物210のみが注入された領域214および215は、後にTFTのLDD領域となる。領域214および215は、ゲイト電極209とオーバーラップして位置するので、後のTFTはGOLDD(Gate Overrapped Lightly Doped Drain )構造となる。
【0127】
低濃度不純物208および高濃度の不純物210がそれぞれ注入された領域212nおよび213nは、ソース/ドレイン領域となる。ゲイト電極209でマスクされ、不純物注入されていない領域211nは、後にN型TFTのチャネル領域となる。
【0128】
図13Aに示すように、フォトレジストをパターニングして、イオンドーピング法により不純物(ボロン)216を島状結晶性シリコン膜206aの所定の領域214pおよび215pに注入する。ドーピングガスとしてジボラン(B)を用い、加速電圧を60kV〜90kV、例えば80kV、ドーズ量を3×1015cm−2〜2×1016cm−2、例えば1×1016cm−2として行う。領域212pおよび213pには、リンとボロンがそれぞれ注入されているが、ボロン注入量の方が多いので、領域212pおよび213pはP型のソース/ドレイン領域となる。また、不純物(ボロン)216が注入されていない領域211pは、後にP型TFTのチャネル領域となる。
【0129】
その後、450℃〜600℃の加熱処理によって、イオン注入した不純物の活性化と、不純物導入により劣化した結晶性の改善を行なう。本実施形態では、600℃にて4時間の加熱処理を行う。リンはニッケルを引き寄せる効果があるので、この加熱処理によって、リンの注入されていない領域211(後のTFTチャネル領域)中のニッケルは拡散して、リンが高濃度で注入されている領域212n,212p,213nおよび213pに集められる。ニッケル、特にニッケルシリサイドがチャネル領域に存在すると、リーク源となるのでTFTのオフ電流の上昇を招いてしまうが、この加熱処理によってチャネル領域からニッケルが拡散してソース/ドレイン領域に移動するので、チャネル領域からニッケルをゲッタリングすることができる。したがって、TFTのオフ電流の上昇を抑えることができる。N型TFTのソース/ドレイン領域212nおよび213nのシート抵抗は、200Ω/cm 〜800Ω/cm であり、P型TFTのソース/ドレイン領域212pおよび213pのシート抵抗は、600Ω/cm 〜1500Ω/cm である。
【0130】
続いて、厚さ600nm程度の酸化シリコン膜または窒化シリコン膜をプラズマCVD法で成膜し、層間絶縁膜217を形成する。層間絶縁膜217にコンタクトホールを形成し、金属材料膜、例えばチタンとアルミニウムとチタンの三層膜によってTFTのソース電極配線218,219および220を形成する。最後に、1気圧の窒素雰囲気下で400℃、60分のアニールを行う。
【0131】
以上の工程を経て、図11、図13Bに示すNチャネル型TFT221およびPチャネル型TFT222が完成する。なお、両TFT221、222を保護するために、TFT221、222上に窒化シリコン膜などからなる保護膜を必要に応じて形成してもよい。
【0132】
また、前述の実施形態ではアモルファスシリコン膜上に触媒元素を添加しているが、ガラス基板上または下地膜上に触媒元素を導入し、その上にアモルファスシリコン膜を形成しても良い。この場合の結晶成長はアモルファスシリコン膜の下面から発生する。
【0133】
【発明の効果】
本発明の多結晶半導体薄膜は、隣接するドメインが連続しており、電子または空孔が隣接するドメイン間を移動するので、ON特性が高く、特性のばらつきも少なく、高移動度が期待できる。本発明の多結晶半導体薄膜から複数のスイッチング素子を製造した場合、移動度が大きいので、ON特性が高く、集積度の高い構成の半導体装置が得られる。
【0134】
また、TFTのチャネル領域の幅が、棒状ドメインの幅よりも大きければ、チャネル領域内に複数の棒状ドメインが存在することになるので、TFT特性は平均化され、立上がりの特性のばらつきが少ない半導体装置が得られる。
【0135】
さらに、本発明の半導体装置をスイッチング素子に使用した液晶表示装置は、表示斑の発生が抑えられた鮮明な画像が得られる。
【0136】
本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法によれば、本発明の多結晶半導体薄膜を歩留まり良く、簡便な方法で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の多結晶半導体薄膜の結晶成長を説明するための模式図であり、図1Aは成長途上の段階を示し、図1Bは成長完了後の段階を示している。
【図2】 初期の結晶成長段階における棒状ドメインの光学顕微鏡写真である。
【図3A】 多結晶半導体薄膜を顕在化エッチング処理した後のSEM写真である。
【図3B】 多結晶半導体薄膜における結晶方位の面内分布をEBSP法により測定した結果をディスプレイ上に表示した画像写真である。
【図4A】 図3Bにおいて、隣接する測定点間で結晶方位の角度が2°以上異なる箇所を線で表した画像写真である。
【図4B】 図3Bと図4Aとを重ねた画像写真である。
【図4C】 図4Bにおいて結晶方位の角度差が2°以上5°未満の箇所を淡いドットで示し、結晶方位の角度差が5°以上の箇所を濃いドットで表した画像写真である。
【図5】 結晶化アニール時の昇温速度と結晶核発生密度との関係を示すグラフである。
【図6】 昇温速度が約50℃/分のときの結晶核発生状態の光学顕微鏡写真である。
【図7】 結晶核形成工程および結晶成長工程における昇温速度を示すグラフである。
【図8】 昇温速度10℃/分で550℃まで昇温して、結晶成長させた多結晶シリコン膜表面の顕微鏡写真である。
【図9】 実施形態1の画素用TFTの製造工程を概略的に示す平面図である。
【図10】 実施形態1の1個の画素用TFTの製造工程を概略的に示す断面図である。
【図11】 実施形態2のTFTの平面図である。
【図12】 図11のA−A’線断面図であり、実施形態2のTFTの製造工程を概略的に示している。
【図13】 図11のA−A’線断面図であり、実施形態2のTFTの製造工程を概略的に示している。
【図14】 特開平9−312404号公報に開示された方法による結晶成長を説明するための模式図であり、図14Aは成長途上の段階を示し、図14Bは成長完了後の段階を示している。
【図15】 特開平9−312404号公報に開示された方法で製造された結晶シリコン膜を顕在化エッチング処理した後の光学顕微鏡写真である。
【図16A】 結晶シリコン膜における結晶方位の面内分布をEBSP法により測定した結果をディスプレイ上に表示した画像写真である。
【図16B】 図16Aにおいて、隣接する測定点間で結晶方位の角度が10°以上異なる箇所を線で表した画像写真である。
【図16C】 図16Bにおいて結晶方位の角度の差が5°以内の結晶を1つの結晶と見做した場合の結晶方位の面内分布を示す画像写真である。
【符号の説明】
101、201 ガラス基板
102、202 ベースコート膜
103、203 アモルファスシリコン膜
104、204 ニッケル(触媒元素)
105、205 レーザー光
106、206 多結晶シリコン膜
107、207 ゲイト絶縁膜
108、209 ゲイト電極
109、208 不純物(リン)
110、210 不純物(リン)
111、211n、211p チャネル領域
112、212n、212p ソース領域
113、213n、213p ドレイン領域
114、115、214、215 LDD領域
216 不純物(ボロン)
116、217 層間絶縁膜
117 ソース電極
118 画素電極
218、219、220 電極・配線
119 画素TFT
221 Nチャネル型TFT
222 Pチャネル型TFT
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a polycrystalline semiconductor thin film and a method for manufacturing the same. The polycrystalline semiconductor thin film of the present invention is useful for forming an active region in a semiconductor device such as a thin film transistor (TFT), and is an active matrix type liquid crystal display device, FED (field emission display) element, contact image sensor, light receiving. It can be used for devices, three-dimensional ICs, etc.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, an attempt has been made to form a high-performance semiconductor device on an insulating substrate such as glass in order to realize a large-sized, high-resolution liquid crystal display device, a high-speed, high-resolution contact image sensor, and a three-dimensional IC. It has been. In such a semiconductor device, a thin silicon semiconductor is generally used. Thin film silicon semiconductors are roughly classified into two types: those made of amorphous silicon semiconductor (a-Si) and those made of crystalline silicon film.
[0003]
  Amorphous silicon semiconductors are most commonly used because they have a low fabrication temperature, can be fabricated relatively easily by a vapor phase method, and are mass-productive. However, silicon semiconductors with physical properties such as conductivity have crystallinity. Inferior to Therefore, in order to obtain higher speed characteristics, establishment of a manufacturing method of a semiconductor device made of a crystalline silicon semiconductor is strongly demanded. Note that polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, and the like are known as crystalline silicon semiconductors.
[0004]
  The following methods (1), (2) and (3) are known as methods for obtaining a thin film semiconductor having crystallinity (hereinafter also referred to as a semiconductor film).
[0005]
  (1) A semiconductor film having crystallinity is directly formed at the time of film formation.
[0006]
  (2) After an amorphous semiconductor film is formed, it is irradiated with strong light and crystallized by its energy.
[0007]
  (3) After forming an amorphous semiconductor film, it is made crystalline by applying thermal energy.
[0008]
  However, in the method (1), since crystallization proceeds simultaneously with the film forming step, it is indispensable to increase the film thickness in order to obtain crystalline silicon having a large particle size, and a film having good semiconductor properties is formed on the substrate. It is technically difficult to form a film over the entire surface. Further, since the film forming temperature is as high as 600 ° C. or higher, there is a problem in cost that an inexpensive glass substrate having a low heat-resistant temperature cannot be used.
[0009]
  In the method (2), since the crystallization phenomenon in the melting and solidifying process is used, the grain boundary is satisfactorily processed with a small particle size, and high-quality crystalline silicon can be obtained. However, taking the excimer laser currently most commonly used as an example, the stability of the laser is not sufficient to uniformly treat the entire surface of a large area substrate. Therefore, it is difficult to obtain a silicon film having uniform crystallinity, and it is difficult to obtain a plurality of semiconductor devices having uniform characteristics on the same substrate. Further, since the irradiation area of the laser beam is small, there is a problem that the throughput is low.
[0010]
  The method (3) has an advantage that it can cope with a large area compared to the methods (1) and (2), but the crystallization requires a heat treatment at a high temperature of 600 ° C. or more for several tens of hours. is necessary. Therefore, there are a problem in terms of cost and low throughput in that an inexpensive glass substrate having a low heat-resistant temperature cannot be used. In the method (3), since the solid phase crystallization phenomenon is used, the crystal grains grow parallel to the substrate surface, and even those having a grain size of several μm appear. However, since the grown crystal grains collide with each other to form a grain boundary, the grain boundary serves as a trap level for carriers, which causes a decrease in mobility of a semiconductor device such as a TFT.
[0011]
  A method for producing a silicon film having high quality and uniform crystallinity by heat treatment at a lower temperature and in a short time by applying the method (3) is disclosed in JP-A-9-289167 and the like. Yes.
[0012]
  Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-312404 discloses that a heat treatment is performed after introducing a small amount of a metal element such as nickel into the surface of an amorphous silicon film, so that the heat treatment is performed at a low temperature of 600 ° C. or less for a processing time of several hours. Performing crystallization is disclosed. 14A and 14B are schematic diagrams for explaining crystal growth by the method disclosed in the publication. FIG. 14A shows a stage in the process of growth, and FIG. 14B shows a stage after the completion of the growth. By introducing the metal element into the surface of the amorphous silicon film, a compound of silicon and the metal element is formed at an early stage, and thereafter, the metal element serves as a catalyst to start crystal growth centering on the compound to generate crystal nuclei. It is considered that crystal growth is promoted radially from the crystal nucleus, and crystallization proceeds rapidly. Hereinafter, a metal element that promotes crystal growth of a semiconductor such as silicon is also referred to as a catalyst element.
[0013]
  A crystal grain grown by a normal solid phase growth method without using a catalytic element exhibits a twin crystal structure, and there are many crystal defects called twin defects in one crystal grain. On the other hand, when a crystal grows from a crystal nucleus of silicon and a catalytic element, a plurality of columnar semiconductor crystals (hereinafter also simply referred to as “columnar crystals”) that are substantially regarded as a single crystal are centered on the crystal nucleus. It grows radially (see FIG. 14A). In a circular arc region (indicated by hatching in FIG. 14A) that grows in one direction from the crystal nucleus and aggregates a plurality of columnar crystals, the crystal orientations of the respective columnar crystals are aligned. There is little orientation, and there are almost no crystal defects that serve as trap sites for electrons and holes. Also, between different arc-shaped regions formed by growing from one crystal nucleus in different directions, it grows from the same crystal nucleus, so the crystal orientation of the columnar crystals contained in each arc-shaped region is approximate. There is little misorientation and there are almost no crystal defects. The width of the arc-shaped region (the maximum distance in the direction perpendicular to the growth direction) is about 15 μm.
[0014]
  In this way, crystal grains composed of a plurality of columnar crystals grown radially around one crystal nucleus are formed (see FIG. 14B). The plurality of columnar crystals in the crystal grains have almost the same crystal orientation and little misorientation between the columnar crystals, so that there are almost no crystal defects that serve as trap sites for electrons and holes. Hereinafter, a set of columnar crystals that are grown from one crystal nucleus and have substantially the same crystal orientation is referred to as a domain. Since a silicon film formed using a catalytic element has good crystallinity in the domain, for example, when an active region of a TFT is formed in the domain, a TFT having excellent ON characteristics and little variation in rising can be obtained. The crystal grain diameter (domain diameter) is about 100 μm to several hundred μm.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
  However, since a plurality of columnar crystals in a domain generated from another crystal nucleus are substantially aligned in different crystal orientations, a domain generated from one crystal nucleus and a domain generated from another crystal nucleus collide with each other. The misorientation between both domains is large, and a grain boundary including a large number of crystal defects serving as electron and hole trap sites is generated between both domains.
[0016]
  A crystalline silicon film manufactured by the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-312404 is shown in FIGS. 15 and 16A to 16C. FIG. 15 shows 0.5% hydrofluoric acid and 0.5% H2  O2  5 is an optical micrograph after the crystal silicon film has been exposed to etching using an etching solution containing s. FIG. 16A is an image photograph showing the result of measuring the in-plane distribution of crystal orientation in the crystalline silicon film by an EBSP (electron backscatter diffraction pattern) method on a display. FIG. 16B is an image photograph showing, in FIG. 16A, dots where the crystal orientation angles differ by 10 ° or more between adjacent measurement points. FIG. 16C is an image photograph showing an in-plane distribution of crystal orientations when a crystal having a crystal orientation angle difference of 5 ° or less in FIG. 16B is regarded as one crystal, and a region regarded as one crystal. Is represented by the difference in shading.
[0017]
  According to FIG. 15, it can be seen that there is a grain boundary having a large misorientation between crystal grains, and the crystal grains are surrounded by the grain boundary. Note that in this specification, a boundary generated when crystal grains collide with each other is called a grain boundary. Further, according to FIGS. 16A to 16C, columnar crystals grow radially around one crystal nucleus to form a plurality of arc-shaped regions, and the angle difference of crystal orientations within each arc-shaped region is within 5 °. It turns out that it is. In addition, the angle difference of the crystal orientation between the arcuate regions is approximately 10 ° or more and less than 30 °.
[0018]
  Therefore, a TFT in which an active region is formed across a grain boundary between domains includes a large number of crystal defects in the crystalline silicon film, and therefore has lower ON characteristics than a TFT in which an active region is formed in the domain. As a result, the variation in the rising characteristics becomes very large. When such a TFT with large characteristic variation is used as a switching element of a display device, for example, the ON characteristic is poor due to the grain boundary between domains, and the rise variation is large, so display along the grain boundary between domains. Causes spots.
[0019]
  An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high degree of integration by realizing a semiconductor device having stable characteristics with little variation in characteristics. Another object of the present invention is to provide a polycrystalline semiconductor thin film suitable for manufacturing such a semiconductor device. It is another object of the present invention to provide a manufacturing method for manufacturing the semiconductor device or the polycrystalline semiconductor thin film of the present invention with a high yield and a simple method.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
  Each of the polycrystalline semiconductor thin films of the present invention has a plurality of columnar shapes.siliconA plurality of domains composed of a crystal and bent or branched in the same plane, the plurality of domains having a crystal orientation between adjacent domainsThere is a region where the angle difference is less than 10 °, and the domain is a collection of columnar crystals grown from one crystal nucleus generated from a compound formed from silicon and nickel.
[0021]
  in frontThe width of the domain is preferably 0.1 μm or more and 1.5 μm or less. The width of the domain refers to the maximum distance of the domain in a direction perpendicular to a direction in which a columnar semiconductor crystal grows from a crystal nucleus described later.
[0022]
  The domain issiliconWhennickelIs formed from a crystal nucleus generated from the compound as a nucleus, and the generation of the crystal nucleus occurs between a temperature lower by 100 ° C. than the formation temperature of the compound and the generation temperature of the compound. The heating rate is equal to or less than the heating rate that maximizes the number.siliconAnd saidnickelIt is preferable that the crystal nucleus is formed by a process including at least a process of heating.
[0023]
  The generation density of the crystal nuclei is 0.5 × 10-2Piece / μm2  Is preferably larger.
[0024]
  SaidnickelConcentration of 1 × 1016atoms / cm3  1 × 10 or more18atoms / cm3  It is preferable to be within the following range.
[0025]
  The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which a plurality of switching elements are formed from the polycrystalline semiconductor thin film.
[0026]
  Preferably, the switching element is a TFT, the channel region width of the TFT is larger than the domain width, and a plurality of the domains exist in the channel region. The width of the channel region of the TFT refers to the maximum distance of the channel region in a direction perpendicular to the direction from the source region to the drain region.
[0027]
  The liquid crystal display device of the present invention is a liquid crystal display device including the semiconductor device.
[0028]
  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film of the present invention is an amorphoussiliconForming a thin film on a substrate, andnickelIntroducing into the thin film; andsiliconAnd saidnickelForming a crystal nucleus from the compound, and growing a crystal using the crystal nucleus as a nucleus, the method for producing a polycrystalline semiconductor thin film, the generation of the crystal nucleus The step is performed at a temperature increase rate equal to or lower than the temperature increase rate at which the number of crystal nuclei generated is maximized between a temperature lower than the formation temperature of the compound by 100 ° C. and the generation temperature of the compound.siliconAnd saidnickelAt least a step of heating.
[0029]
  The crystal growth step is performed at a higher temperature rising rate than the crystal nucleus generation step.siliconAnd a step of heating the crystal nucleus.
[0030]
  The crystal nucleus generation step is preferably a step of heating to a temperature range of 300 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
[0031]
  The crystal growth step is preferably a step of heating to a temperature range of 550 ° C. or higher and 730 ° C. or lower.
[0032]
  The crystal growth step is preferably performed by RTA (rapid thermal annealing) treatment..
[0033]
  in frontRecordnickelIn the introduction step, a surface concentration of 1 × 10 6 is applied to the surface of the thin film or the substrate.12atoms / cm2  1 × 10 or more14atoms / cm2  Said to be within the following rangenickelIs preferably introduced.
[0034]
  SaidnickelThe introduction processnickelIt is preferable to include the process of apply | coating the solution containing this on the said thin film by a spin coat method.
[0035]
  SaidnickelThe solution containing preferably contains at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol and acetone.,in frontRecordnickelIt is preferable that the solution containing nickel acetate contains nickel acetate.
[0036]
  SaidnickelThe introducing step is preferably performed by a DC sputtering method.
[0037]
  It is preferable that the polycrystalline semiconductor thin film crystallized by the crystal growth step includes a minute amorphous region. It is preferable to include a step of performing intense light irradiation on the minute amorphous region.
[0038]
  An excimer laser beam having a wavelength of 400 nm or less is used as the intense light, and the energy density on the surface of the thin film is 200 mJ / cm.2  450 mJ / cm2  Irradiation is preferably performed within the following range.
[0039]
  It is preferable to include a step of performing a thermal oxidation treatment after the crystal growth step.
[0040]
  The generation density of the crystal nuclei is 1.5 × 10-2Piece / μm2  Is preferably larger.
[0041]
  The polycrystalline semiconductor thin film of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B are schematic views for explaining crystal growth of a polycrystalline semiconductor thin film according to the present invention. FIG. 1A shows a stage in the process of growth, and FIG. 1B shows a stage after the growth is completed. Hereinafter, silicon will be described as an example of a semiconductor.The1A and 1B, the arrows indicate the trajectories in the growth direction, and the positions of the crystal nuclei A, C, D, E, and F indicate the positions before the start of crystal growth.
[0042]
  The polycrystalline semiconductor thin film of the present invention includes a plurality of domains each composed of a plurality of columnar semiconductor crystals and bent or branched in the same plane. Each domain has a plurality of columnar crystals grown from one crystal nucleus, and the plurality of columnar crystals have substantially the same crystal orientation. Therefore, in each domain, there are almost no crystal defects that serve as trap sites for electrons and holes.
[0043]
  As shown in FIG. 1A, crystallization starts in a random direction from a plurality of crystal nuclei A, C, D, E, and F generated in an amorphous semiconductor thin film. Due to the difference in chemical potential, the crystal nucleus is most stable in terms of energy when it exists at the amorphous / crystallized boundary, and moves around the amorphous region around the crystal nucleus with crystallization. Thus, a plurality of columnar crystals CS having substantially uniform crystal orientations are grown. Strictly speaking, a fragment from which a part of a crystal nucleus is separated moves in an amorphous region.
[0044]
  When the crystal nucleus moves and grows, the growth direction changes, and the domains are bent or branched in the same plane. As the growth direction changes, the crystal orientation of the columnar crystal CS at the growth tip gradually changes. However, since such a change in crystal orientation occurs to relieve stress in the thin film, large crystal defects such as penetration and stacking faults do not occur, and the crystal orientation changes so as to minimize crystal defects. . In addition, since the crystal orientation changes while gradually twisting, the crystal lattice is continuous and connected at the atomic level. As described above, the crystal orientation is different even within a single domain. However, the columnar crystal CS in the single domain has a continuous crystal lattice, and there are almost no crystal defects. Hereinafter, in order to contrast with the above-mentioned granular domains (crystal grains), a domain in which the direction of crystal growth is changed and bent or branched is also referred to as a rod-shaped domain RC.
[0045]
  FIG. 2 shows an optical micrograph of the rod-like domain in the initial crystal growth stage. A white portion in FIG. 2 indicates a rod-like domain. The width of the columnar crystal CS (the maximum distance of the columnar crystal CS in the direction perpendicular to the growth direction of the columnar crystal CS, which is indicated by W1 in FIG. 1A) is about 10 nm to 100 nm. The width of the rod-like domain (the maximum distance of the domain in the direction perpendicular to the growth direction of the columnar crystal CS, indicated by W2 in FIGS. 1A and 1B) is 0.1 μm or more and 1.5 μm or less. When the width of the rod-like domain is less than 0.1 μm, the crystal growth may be terminated with insufficient crystal growth, and a large amorphous region may remain in the film. If the width of the rod-shaped domain exceeds 1.5 μm, the area in contact with other rod-shaped domains may decrease, and there may be a decrease in the area where the crystal orientation is substantially the same between adjacent rod-shaped domains.
[0046]
  The rod-shaped domain RC continues to grow while being bent or branched while the growth direction changes during the growth. As shown in FIG. 1A, growth starts in a random direction from a plurality of crystal nuclei A, C, D, E, and F generated in an amorphous semiconductor thin film, and continues to grow while changing the growth direction. . As a result, as shown in FIG. 1B, the rod-like domain RC generated from one crystal nucleus (for example, crystal nucleus D in FIG. 1A) in the same plane becomes a plurality of other crystal nuclei (for example, crystals in FIG. 1A). It comes into contact with the rod-like domain RC generated from the nuclei A, B, C, E, F). Due to the difference in the crystal orientation of the columnar crystal CS included in each rod-shaped domain RC, a portion of the region where the rod-shaped domain RC generated from one crystal nucleus and the rod-shaped domain RC generated from another crystal nucleus are in contact with each other. A boundary having defects is formed. A solid line portion in FIG. 1B indicates a boundary.
[0047]
  However, as described above, each rod-like domain RC grows while the crystal orientation of the columnar crystal CS is gradually changed. Moreover, since each rod-shaped domain RC is bent or branched, a region in contact with a plurality of other rod-shaped domains RC is long. Therefore, a region in which the crystal orientations of the columnar crystals CS are substantially the same, that is, a region in which there is almost no difference in crystal orientation angle is formed between adjacent rod-like domains RC. For example, a boundary having a crystal defect is formed between the rod-shaped domain RC generated from the crystal nucleus D in FIG. 1A and the adjacent rod-shaped domain RC generated from another crystal nucleus B, and the columnar crystal A region (region without a boundary) having substantially the same crystal orientation of CS is formed. In this region, the crystal lattice is substantially continuous and connected at the atomic level, and there are almost no crystal defects. Such regions having substantially the same crystal orientation are formed at various locations within the same plane.
[0048]
  A region having substantially the same crystal orientation is formed between adjacent rod-shaped domains RC because the rod-shaped domain RC is bent or branched in the same plane and grown from the crystal nucleus of each rod-shaped domain RC. This is considered to be due to the random starting direction. As a result, the region where the different rod-shaped domains RC are in contact with each other becomes longer, and there is a high possibility that a region having substantially the same crystal orientation is formed between the adjacent rod-shaped domains RC.
[0049]
  Here, “a region in which the crystal orientation is substantially the same between adjacent domains” means that there is almost no crystal defect that becomes a trap site of electrons or holes between adjacent domains. It means that there is almost no difference in azimuth angle. Specifically, the difference in crystal orientation angle is less than 10 °, preferably less than 5 °. The difference in crystal orientation angle is preferably 3 ° or less, more preferably 2 ° or less. The difference in crystal orientation angle can be measured by the EBSP method.
[0050]
  If there is a region having substantially the same crystal orientation between adjacent domains, electrons or vacancies can move between both domains through this region. In the present invention, regions having substantially the same crystal orientation are formed (randomly) at various locations in the same plane, so that stable characteristics with little variation are obtained regardless of the direction of the channel region of the TFT. be able to.
[0051]
  3A and 3B and FIGS. 4A, 4B, and 4C are diagrams showing a polycrystalline semiconductor thin film formed of rod-like domains. FIG. 3A shows the seco liquid (K2  CrO4  0.06 mol / L, HF; 25%, water; 75%), a SEM (Scanning Electron Microscope) photograph after the polycrystalline semiconductor thin film has been exposed and etched, FIG. 3B shows the polycrystalline semiconductor thin film 2 is an image photograph in which the in-plane distribution of crystal orientations measured by the EBSP method is displayed on a display, and the difference in crystal orientation is represented by the difference in light and shade. From FIG. 3B, it can be seen that each rod-like domain is bent or branched and has approximately a single crystal orientation. It can also be seen that the rod-like domains have different crystal orientations.
[0052]
  FIG. 4A is an image photograph in which dots having a crystal orientation angle difference of 2 ° or more between adjacent measurement points in FIG. 3B are represented by dots, and portions having a crystal orientation angle difference of less than 2 ° are blank. ing. FIG. 4B is an image photograph in which FIG. 3B and FIG. 4A are superimposed. FIG. 4C is an image photograph in which a portion where the crystal orientation angle difference is 2 ° or more and less than 5 ° in FIG. 4B is shown by light dots, and a portion where the crystal orientation angle difference is 5 ° or more is shown by dark dots. From FIG. 4C, the polycrystalline semiconductor thin film formed with the rod-like domains has many portions where the crystal orientation angle difference is less than 5 °, and the rod-like domains are not surrounded by the dots with the crystal orientation angle difference of 5 ° or more. I understand.
[0053]
  An etching rate is different between a region having many crystal defects and a region having few crystal defects, and a region having few crystal defects has a high etching rate, and a region having many crystal defects has a slow etching rate, so that irregularities are formed. In the SEM image after the etching process in FIG. 3A, a black region is a region with few crystal defects, and a white region is a region with many crystal defects. A region with many crystal defects corresponds to a misorientation region, and a boundary exists between domains. However, it can be seen that each rod-like domain is not surrounded by a boundary and is continuous with other adjacent rod-like domains (see FIGS. 3A and 4A). Therefore, when electrons or holes move from point A to point B in FIG. 4B, the straight line connecting points A and B crosses the boundary (misorientation region), so the electrons or holes move from point A to point B. It is difficult to move to a point in a straight line direction (since there are many crystal defects at the boundary, electrons or vacancies are trapped). However, the rod-like domain is not surrounded by the boundary, and there is a region where the crystal orientation is substantially the same between the adjacent rod-like domains. To B. That is, electrons or vacancies can move between adjacent domains through regions with substantially the same crystal orientation.
[0054]
  In contrast, FIG.6In B, each granular domain is surrounded by a grain boundary and is not connected to other adjacent granular domains. Therefore, the electrons or vacancies in the granular domain are trapped at the grain boundary, so that it is difficult to move to the adjacent granular domain.
[0055]
  As described above, the polycrystalline semiconductor thin film of the present invention can move between rod-like domains in which electrons or vacancies are adjacent to each other, so that high mobility can be expected. Therefore, when a plurality of switching elements are manufactured from the polycrystalline semiconductor thin film of the present invention, a high performance semiconductor device with high ON characteristics can be obtained because of high mobility.
[0056]
  In addition, if the width of the TFT channel region is larger than the width of the rod-like domain, a plurality of rod-like domains exist in the channel region. Therefore, the TFT characteristics are averaged, and there is little variation in rising characteristics. A device is obtained.
[0057]
  Furthermore, a liquid crystal display device using the semiconductor device of the present invention as a switching element can obtain a clear image in which occurrence of display spots is suppressed. The liquid crystal display device includes at least an element substrate having the semiconductor device of the present invention, a counter substrate disposed opposite to the element substrate and having a counter electrode, and a liquid crystal layer interposed between the element substrate and the counter substrate. Prepare. It is also possible to manufacture a drive circuit from the polycrystalline semiconductor thin film of the present invention. By forming the switching element and the drive circuit from the polycrystalline semiconductor thin film on the glass substrate, significant cost reduction, downsizing, and reliability can be achieved. An improvement can be realized.
[0058]
  Hereinafter, the manufacturing method of the polycrystalline semiconductor thin film of this invention is demonstrated. The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to the present invention includes a step of forming an amorphous semiconductor thin film on a substrate, a step of introducing a catalytic element for promoting crystallization of the semiconductor into the thin film, The method includes at least a step of forming a compound with the catalyst element and generating a crystal nucleus from the compound, and a step of growing a crystal using the crystal nucleus as a nucleus. Hereinafter, each step will be described by taking silicon as an example, but the present invention can also be applied to germanium, a mixed crystal of germanium and silicon, and these compounds.
[0059]
  (1) Amorphous silicon film formation process
  This step is a step of forming an amorphous silicon thin film (hereinafter also referred to as an amorphous silicon film) on a substrate.
[0060]
  A method for forming the amorphous silicon film on the substrate is not particularly limited, and examples thereof include a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method and a sputtering method. In the present invention, the plasma CVD method is preferable. According to the plasma CVD method, an amorphous silicon film can be formed at a low temperature and at a high speed. The film thickness of the amorphous silicon film formed on the substrate is about 50 to 150 nm.
[0061]
  Although it does not specifically limit as a board | substrate which can be used in this invention, A glass substrate is mentioned. As will be described later, in the present invention, crystallization can be carried out by treatment for several hours at a low temperature of 600 ° C. or lower, so that it is replaced with an expensive quartz substrate having high heat resistance and almost no heat shrinkability. Thus, an inexpensive glass substrate can be used.
[0062]
  Before forming an amorphous silicon film on a glass substrate, a base film made of silicon oxide is formed on the glass substrate to prevent impurities in the glass substrate from diffusing into the amorphous silicon film. Is preferred.
[0063]
  (2) Catalyst element introduction process
  This step is a step of introducing a catalytic element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film.
[0064]
  Examples of catalyst elements that promote crystallization of semiconductors include Ni, Co, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn, Al, and Sb, and one or more elements selected from these elements. By using, the effect of promoting crystallization occurs in a small amount. The following model can be considered as the reason. The catalytic element does not act alone, but promotes crystal growth by forming a compound (silicide) by bonding with the semiconductor (silicon). At that time, when the semiconductor thin film having an amorphous crystal structure is crystallized, it acts like a kind of template to promote crystallization.
[0065]
  Among these catalytic elements, Ni is preferable as a catalytic element that promotes crystallization of silicon. Ni is NiSi together with 2 Si2  (Silicide) is formed. NiSi2  Has a meteorite-type crystal structure, which is very similar to the diamond structure of single crystal silicon. Moreover, NiSi2  Has a lattice constant of 5.406 、, which is very close to the lattice constant of 5.430 の of crystalline silicon. Therefore, NiSi2  Is an optimal template for crystallizing an amorphous silicon film, and Ni is considered to be most desirable as a catalyst element for promoting the crystallization of silicon.
[0066]
  Examples of the method for introducing the catalyst element include sputtering, vapor deposition, plating, ion doping, CVD, and spin coating. The spin coating method is a method in which a solution or dispersion of a catalytic element is applied onto a substrate and dried, and a catalyst introduced into an amorphous silicon film by adjusting the concentration of the catalytic element in the solution or dispersion. The amount of element can be adjusted.
[0067]
  The concentration of the catalytic element in the amorphous silicon film is 1 × 1016atoms / cm3  1 × 10 or more18atoms / cm3  The following degree is preferable. The concentration of the catalytic element is 1 × 1016atoms / cm3  If it is less than 1, the crystal growth becomes insufficient, and many amorphous regions remain. On the other hand, the concentration of the catalytic element is 1 × 1018atoms / cm3  In the case where the channel area of the semiconductor device is exceeded, the catalytic element may cause a leak when the channel region of the semiconductor device is formed.
[0068]
  The step of introducing the catalytic element into the amorphous silicon film may be performed either before or after the amorphous silicon film is formed on the insulating substrate, as long as it is before the crystal nucleus forming step described later. Normally, before forming an amorphous silicon film on an insulating substrate, a base film made of silicon oxide is formed on the insulating substrate, and impurities in the insulating substrate are diffused into the amorphous silicon film. prevent. Since the surface of the amorphous silicon film is hydrophobic, the surface of the base film is hydrophilic. Therefore, when spin coating is performed using a hydrophilic solvent, it is better to apply on the base film. It can be applied more stably than when applied on an amorphous silicon film. When the catalytic element is introduced onto the glass substrate or the base film, crystal growth starts from the lower surface of the amorphous silicon film.
[0069]
  The surface concentration of the solution containing the catalytic element is 1 × 10 5 by spin coating.12atoms / cm2  1 × 10 or more14atoms / cm2  It is applied on an insulating substrate or an amorphous silicon film and dried so as to be as follows. Surface concentration is 1 × 1012atoms / cm2  If it is less than 1, the crystal growth is insufficient and many amorphous regions remain. Surface concentration is 1 × 1014atoms / cm2  If it exceeds 1, crystals may grow in multiple directions from one crystal nucleus to form granular domains. The surface concentration of the catalytic element can be measured by a total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF) method or the like.
[0070]
  The solution containing a catalytic element (for example, nickel) preferably contains at least one solvent selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, and acetone. When nickel is used as the catalyst element, nickel can be uniformly applied on the insulating substrate or the amorphous silicon film by dissolving nickel acetate in the solvent.
[0071]
  Similarly, a catalytic element such as nickel can be introduced by a DC (direct current) sputtering method at a low voltage. At this time, it is possible to introduce a catalyst element having a very low concentration by reducing the DC voltage. For example, the DC voltage is set to about 200V to 600V.
[0072]
  The catalytic element applied on the insulating substrate or the amorphous silicon film is taken into the amorphous silicon film by heating in the following crystal nucleation step.
[0073]
  (3) Crystal nucleation process
  This step is a step of forming a compound (silicide) of silicon and a catalytic element and generating crystal nuclei from the compound.
[0074]
  In the crystallization method using a catalytic element, a compound of the catalytic element and silicon (silicide) is formed by the reaction of the catalytic element and silicon in the heating process in which the catalytic element is introduced, and the crystal nucleus is further formed from the silicide. It is formed and crystal growth starts from the crystal nucleus. The crystal nucleus means a compound at an early stage where crystal growth has started. Not all of the compounds (silicides) become crystal nuclei, and there are silicides that re-dissolve during temperature rise due to changes in solid solubility accompanying temperature rise. If the silicide is too small, crystal growth does not occur and crystal nuclei are not generated.
[0075]
  In the present invention, by increasing the generation density of crystal nuclei and reducing the amount of catalytic elements in one crystal nucleus, crystal growth is started in one direction from one crystal nucleus, and the width of the rod-like domain is reduced. The rod-like domain can be grown while being bent or branched. On the other hand, in the granular domain, the generation density of crystal nuclei is low and the amount of catalytic elements in one crystal nucleus is large, so that crystal growth starts from one crystal nucleus in a radial (multidirectional) manner, and is substantially linear. Grows (without bending or branching).
[0076]
  However, in order to increase the generation density of crystal nuclei and reduce the amount of catalyst element in one crystal nucleus, it is not sufficient to adjust the introduction amount of the catalyst element. Control is needed. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the rate of temperature rise during crystallization annealing and the crystal nucleus generation density. From FIG. 5, it can be seen that the crystal nucleus generation density has a certain maximum point with respect to the rate of temperature increase, and the crystal nucleus generation density rapidly decreases at a temperature increase rate larger than the maximum point. FIG. 2 shows an optical micrograph of the state of crystal nucleation when the heating rate is 10 ° C./min, and FIG. 6 shows an optical micrograph of the state of crystal nucleation when the heating rate is about 50 ° C./min. . 2 and 6 show that the crystal growth is stopped at an early stage of crystal growth by heating at 250 ° C. to 550 ° C. at respective heating rates and then heating at a temperature of 550 ° C. for 15 minutes. This is an observation of the state of crystal nucleus generation.
[0077]
  A rod-like domain is formed below the heating rate at which the nucleation density is maximum (see FIG. 2), but granular domains are formed at a heating rate greater than the heating rate at which the nucleation density is maximum (see FIG. 2). (See FIG. 6). That is, a polycrystalline silicon film having a high crystal nucleus generation density and made of rod-like domains can be obtained by setting the temperature increase rate during the crystallization annealing to a temperature increase rate that maximizes the crystal nucleus generation density.
[0078]
  The rate of temperature increase at which the nucleation density is maximized depends on the film quality of the amorphous silicon film, and therefore is appropriately determined according to conditions such as the type of amorphous silicon film and the type of catalytic element. For example, the amorphous silicon film used in FIG. 5 is a parallel plate type plasma CVD method, and the power density of RF power is 80 mW / cm.2  And SiH4  And H2  The film was formed at a substrate temperature of 430 ° C. using a mixed gas of Nickel was used as a catalyst element and introduced into the amorphous silicon film surface. The surface concentration of nickel introduced into the amorphous silicon film surface is 7 × 1012atoms / cm2  Met. In this case, the heating rate at which the nucleation density was maximum was 45 ° C./min.
[0079]
  The reason why the shape of the domain growing from the crystal nucleus and the crystal nucleus generation density change due to the change in the heating rate is not clear, but can be explained by the following model. When the rate of temperature increase is high, the temperature rises until the silicide is formed, and the silicide is formed at a high temperature, so that the diffusion of the catalyst element increases. Further, since the thermal energy at the time of silicide formation is large, large silicide grows and the generation density of silicide is lowered. When a crystal is grown from such a large silicide having a low generation density, a large amount of catalytic elements are contained in the silicide, so that the width of the domain as a bundle of generated columnar crystals becomes very large. Accordingly, the crystal growth proceeds from the crystal nucleus as a granular domain, and the generation density of silicide is low, so the crystal nucleus generation density is also low.
[0080]
  On the other hand, when the rate of temperature increase is small, there is a time margin for forming silicide even at a low temperature stage, so that silicide is formed at a low temperature and the diffusion of the catalyst element is small. Since the thermal energy at the time of silicide formation is small, small silicide is generated at a high density. When a crystal is grown from such a small silicide having a high generation density, the amount of the catalytic element in the silicide is small, and therefore the width of the domain as a bundle of generated columnar crystals becomes very small. Accordingly, crystal growth proceeds from the crystal nucleus as a rod-like domain, and the generation density of silicide is high, so the crystal nucleus generation density is also high.
[0081]
  Heating at a temperature rise rate or less at which the nucleation density is maximized is performed at least from a temperature lower by 100 ° C. than the formation temperature of the compound of the semiconductor and the catalytic element to the generation temperature of the compound. For example, in the case of silicon, the generation temperature of the compound (silicide) is in the range of about 300 ° C. or more and about 400 ° C. or less. The temperature is increased at a temperature increase rate (for example, 40 ° C./min) equal to or lower than the temperature increase rate at which the generation density is maximum. Formation of the compound of the semiconductor and the catalytic element can be confirmed by, for example, TEM (Transmission Electron Microscope).
[0082]
  After the compound of the semiconductor and the catalytic element is formed, there is no restriction on the rate of temperature rise, and heating can be performed at a temperature rise rate that is equal to or lower than the temperature rise rate at which the nucleation density is maximized or greater than this temperature rise rate. . For example, in the case of silicon, the generation temperature of crystal nuclei is about 500 ° C. or more, and after the generation of the compound (silicide), the temperature increase rate is higher than the temperature increase rate at which the nucleus generation density becomes maximum (for example, 50 ° C./min). You may heat up to about 500 degreeC.
[0083]
  (4) Crystal growth process
  This step is a step of growing a crystal using a crystal nucleus formed from a compound (silicide) of silicon and a catalytic element as a nucleus.
[0084]
  In this step, the temperature is raised to a temperature higher than the generation temperature of crystal nuclei to grow columnar crystals and form rod-like domains. In this step, the temperature can be increased at a rate higher than the rate of temperature increase when the compound of the semiconductor and the catalytic element is formed, thereby significantly reducing the processing time.
[0085]
  7A, 7B, and 7C are graphs showing the rate of temperature increase in the crystal nucleus formation step and the crystal growth step. In FIG. 7A, the heating rate is the same in each step of the crystal nucleation step and the crystal growth step. For example, the temperature is raised to a temperature within the range of 370 ° C. to 730 ° C. at a rate of temperature rise of 10 ° C./min (denoted as T1 in FIGS. 7A, B, and C).1  Heat for about several hours.
[0086]
  In FIG. 7B, the rate of temperature rise is higher in the crystal growth step than in the crystal nucleus formation step. For example, in the crystal nucleation step, the generation temperature of a compound or crystal nuclei (a temperature in the range of 330 ° C. to 550 ° C. is shown in FIGS.2  Is written. ) At a heating rate of 10 ° C./min, and in the crystal growth step, the temperature T is increased at a heating rate of 100 ° C./min.1  Up to a temperature T1  Heat for about several hours.
[0087]
  In FIG. 7C, the temperature growth rate is higher in the crystal growth step than in the crystal nucleus formation step, and the temperature increase rate in the crystal growth step changes stepwise. For example, in the crystal nucleation step, the temperature is increased to a temperature T2 at a temperature increase rate of 10 ° C./min, and in the crystal growth step, the temperature T is increased at a temperature increase rate of 100 ° C./min.1  And the temperature T is increased at a rate of temperature increase of 300 ° C./min.1  Higher temperature (eg, 550 ° C. to 730 ° C., T in FIG.3  Is written. ) And then the temperature is lowered to room temperature over about 30 minutes.
[0088]
  7A, 7B, and 7C, the crystal nucleus formation step is performed at the same temperature increase rate, but the temperature increase rate until the compound of the semiconductor and the catalytic element is formed and the crystal nucleus is formed from the compound. It may be different from the rate of temperature rise until.
[0089]
  The crystal growth step may be performed by RTA (rapid thermal annealing) treatment. Since the RTA treatment can raise the temperature rapidly in a short time, when a glass substrate is used, the glass substrate can be heated so as not to warp even at a temperature higher than the strain point temperature of the glass.
[0090]
  The polycrystalline semiconductor thin film crystallized by the crystal growth step preferably includes a minute amorphous region. By including the amorphous region, the efficiency of subsequent intense light irradiation can be improved. The amorphous region is preferably about 5% to 10% of the area of the film surface. FIG. 8 is a photomicrograph of the surface of the polycrystalline silicon film on which crystals have been grown by raising the temperature from 250 ° C. to 550 ° C. at a temperature raising rate of 10 ° C./min. FIG. 8 shows that the film surface is substantially filled with crystalline silicon, but includes a minute amorphous region (black granular portion in FIG. 8).
[0091]
  By performing intense light irradiation on the amorphous region, defects in the crystal are reduced, characteristics of the semiconductor device are improved, and a stable semiconductor device with little variation can be obtained. Excimer laser light having a wavelength of 400 nm or less is used as intense light, and the energy density on the surface of the polycrystalline semiconductor thin film is 200 mJ / cm2  450 mJ / cm2  By irradiating within the following range, the crystallinity improving effect can be improved. In intense light irradiation, it is preferable to heat the substrate to 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
[0092]
  Further, by performing a thermal oxidation treatment after the crystal growth step, defects in the crystal are reduced, characteristics of the semiconductor device are improved, and a stable semiconductor device with little variation can be obtained. Specifically, when a quartz substrate is used, dry oxidation (O) in a temperature range of 850 ° C. to 1100 ° C. for about 0.1 hour to 5 hours at normal pressure.2  Oxidation). When a glass substrate is used, steam oxidation (H in a temperature range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less and about 0.5 hours to 5 hours or less and 5 atmospheres to 20 atmospheres)2  O oxidation). The thermal oxidation treatment can be performed regardless of the presence or absence of the intense light irradiation.
[0093]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
[0094]
  (Embodiment 1)
  This embodiment will be described using an N-type TFT as an example. The TFT of this embodiment can be used not only as an active matrix driver circuit and pixel portion but also as an element constituting a thin film integrated circuit. In the present embodiment, pixel TFTs on an active matrix substrate for a liquid crystal display device will be described as an example as a representative thereof. It is required to uniformly produce hundreds of thousands to millions of N-type TFTs on an active matrix substrate for a liquid crystal display device.
[0095]
  9A, 9B, 9C and 9D are plan views schematically showing the manufacturing process of the pixel TFT of this embodiment. In reality, hundreds of thousands or more of pixel TFTs are formed on the active matrix substrate, but in FIGS. 9A to 9D, description will be made in a simplified manner with 12 TFTs of 3 rows × 4 columns. 10A, 10B, 10C, 10D and 10E are cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of one pixel TFT of this embodiment.
[0096]
  First, as shown in FIGS. 9A and 10A, a silicon oxide film 102 is formed on a glass substrate (Corning 1737, etc.) 101 as a base coat film (BC film) by a plasma CVD method at a substrate temperature of 430 ° C. with a thickness of 100 nm to 100 nm. A film of 400 nm, for example, 300 nm is formed, and then an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 103 is formed to a thickness of 25 nm to 80 nm, for example, 30 nm at a substrate temperature of 430 ° C. This is treated with 0.5% hydrofluoric acid for 30 seconds to remove the natural oxide film on the surface, and the surface of the a-Si film 103 is further treated with ozone water to improve wettability.
[0097]
  As shown in FIG. 10A, a solution containing nickel 104 on the a-Si film 103 has a surface concentration of 1 × 10 5 by spin coating.12atoms / cm2  ~ 1x1014atoms / cm2  For example 5 × 1012atoms / cm2  Add to be. The surface concentration is a result of measurement with a total reflection X-ray fluorescence analyzer (TRXRF). Water is used as the solvent, and nickel acetate is used as the solute. Since nickel acetate is very soluble in water, a nickel solution having a stable concentration can be prepared. Further, it can be added uniformly on the a-Si film 103. The amount of nickel added can be controlled by the concentration of the solution (FIG. 10A). The concentration of the catalytic element in the a-Si film 103 is, for example, 5 × 1017atoms / cm3  It is.
[0098]
  Next, in an inert atmosphere, it is heated to 300 ° C. to 550 ° C. at a temperature rising rate (5 ° C./min to 40 ° C./min) that is not higher than the temperature rising rate (45 ° C./min) at which the nucleation density is maximum Subsequently, the heat treatment is performed by raising the temperature from 550 ° C. to 730 ° C. at a temperature raising rate higher than 40 ° C./min. In the present embodiment, the temperature is increased to 400 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min, subsequently heated to 570 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./min, heated at 570 ° C. for 2 hours, and further to room temperature. The temperature is lowered over 30 minutes. The temperature raising step in this case is as shown in the schematic diagram of FIG.2  Is 400 ° C. and T1 is 570 ° C. Of course, as shown in FIG. 7A, the temperature may be increased from 550 ° C. to 730 ° C. at a constant temperature increase rate (5 ° C./min to 40 ° C./min) that is equal to or lower than the temperature increase rate at which the nucleation density is maximum.
[0099]
  This processing is performed by a baking apparatus composed of a plurality of in-line heating zones, and the temperature raising rate and the substrate temperature are controlled by the temperature setting of each heating zone and the substrate conveyance speed. The temperature rising rate at which the nucleation density is maximized depends on the film quality of the a-Si film, and thus needs to be optimized depending on the film quality of the a-Si film. By this heat treatment, the a-Si film 103 is crystallized to become a polycrystalline silicon film (p-Si film).
[0100]
  By the heating process up to 400 ° C., silicidation of nickel 104 added to the surface of the a-Si film occurs. In this embodiment, since the temperature is raised at a temperature rise rate or less that maximizes the nucleus generation density, the generation density of silicide is high, and each is a very small silicide. Further, by raising the temperature to 570 ° C., crystal nuclei are generated from the silicide, and columnar crystals grow. Since the generated crystal nuclei are very small and the amount of nickel in the crystal nuclei is small, columnar crystals grow from each crystal nuclei in one random direction in the plane, forming rod-like domains. Since the generation density of silicide is high, the generation density of rod-like domains is also high.
[0101]
  Further, when heated at 570 ° C. for 2 hours, the rod-like domain grows while being bent or branched, and crystallization is completed. Further, the width of the rod-like domain at this time is not less than 0.1 μm and not more than 1.5 μm, for example, not more than 1 μm. The nucleus generation density is 8 × 10-2Piece / μm2  It is.
[0102]
  The amount of nickel used in this heating process is insufficient to crystallize the entire a-Si film 103. Further, since the heating time is short, crystal nuclei are not generated without a catalytic element, and an uncrystallized region where crystal growth does not reach remains a-Si. As a result, after this heat treatment, a minute amorphous region and a crystallized region are mixed. Specifically, the state is as shown in FIG. 8, and the area ratio of the a-Si region to the entire silicon film at this time is about 10%. The size of each a-Si region (black granular region in FIG. 8) is about 1 μm. The area ratio and size of the a-Si region are measured with an optical microscope.
[0103]
  As shown in FIG. 10B, the crystalline silicon film 106 is obtained by irradiating the laser beam 105 to promote the crystallinity of the silicon film. As the laser light, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 nm) is used. The laser light irradiation condition is that the substrate is heated to 200 to 450 ° C., for example, 400 ° C. during irradiation, and the energy density is 250 to 450 mJ / cm.2  For example, 350 mJ / cm2  Irradiate with. The shape of the beam is a long shape, the beam size is formed on the substrate 101 so as to be 150 mm × 1 mm, and scanning is sequentially performed with a step width of 0.05 mm in a direction perpendicular to the long direction. Therefore, a total of 20 irradiations are performed at an arbitrary point on the silicon film 103.
[0104]
  By this irradiation, the amorphous region remaining in the crystalline silicon film 106 is preferentially melted, and the entire film is crystallized reflecting a good crystal component in the crystallized region. The purpose of laser irradiation is to improve the crystal, and the basic crystallinity (in-plane distribution of crystal orientation) is performed in an energy range that does not change.
[0105]
  The unnecessary portion of the polycrystalline silicon film 106 is removed and element isolation is performed to form an island-shaped crystalline silicon film 106a that becomes an active region (channel region 111, source 112 / drain 113 region) of the TFT (FIG. 9B).
[0106]
  Next, a silicon oxide film 107 having a thickness of 30 nm to 150 nm, for example, 100 nm is formed by plasma CVD as a gate insulating film so as to cover the island-like crystalline silicon film 106a. Further, a tantalum nitride film having a thickness of 50 nm to 200 nm, for example, 100 nm is formed by sputtering, and a tungsten film is continuously formed to a thickness of 300 nm to 500 nm, for example, 400 nm, followed by patterning to form the gate electrode 108. .
[0107]
  Subsequently, a low concentration impurity (phosphorus) 109 is implanted by ion doping using the gate electrode 108 as a mask (see FIG. 10C). Phosphine (PH) as doping gas3  ), The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 3 × 10.13cm-2~ 3x1014cm-2For example 1 × 1014cm-2Do as. Further, in this doping process in which a high-concentration impurity (phosphorus) 110 is injected through a photoresist having a pattern 1 μm wider on the left and right sides (see FIG. 10D) than the gate electrode 108, phosphine (PH3  ), The acceleration voltage is 60 kV to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 1015cm-2~ 1x1016cm-2For example 6 × 1015cm-2Do as. In this step, the regions 114 and 115 into which only the low-concentration impurity 109 is implanted later become the LDD (Lightly Doped Drain) region of the TFT. The regions 112 and 113 into which the low-concentration impurity 109 and the high-concentration impurity 110 are respectively implanted become source / drain regions. The region 111 that is masked by the gate electrode 108 and is not implanted with impurities will later become a TFT channel region. This state is shown in FIGS. 9C and 10D.
[0108]
  Then, activation of the ion-implanted impurity and improvement of crystallinity deteriorated by introducing the impurity are performed by heat treatment at 450 to 600 ° C., for example, 550 ° C. for 1 to 10 hours, for example, 4 hours. Since phosphorus has an effect of attracting nickel, this heat treatment diffuses nickel in the region 111 where phosphorus is not implanted (later TFT channel region), and the region 114 where phosphorus is implanted at a high concentration. 115. If nickel, particularly nickel silicide, is present in the channel region, it becomes a leak source and causes an increase in the off-current of the TFT, but this heat treatment causes nickel to diffuse from the channel region and move to the source / drain region. Nickel can be gettered from the channel region. Therefore, an increase in the off current of the TFT can be suppressed. The sheet resistance of the N-type impurity (phosphorus) regions 112 and 113 is 200 Ω / cm.2  ~ 800Ω / cm2  It is.
[0109]
  Subsequently, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 800 nm is formed by a plasma CVD method, and an interlayer insulating film 116 is formed. Contact holes are formed in the interlayer insulating film 116, and a source electrode wiring 117 of the TFT is formed by a metal material film, for example, a three-layer film of titanium, aluminum, and titanium. Finally, annealing is performed at 400 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere.
[0110]
  Since the TFT of this embodiment is an element that switches the pixel electrode, the drain wiring is provided with a pixel electrode 118 such as a transparent electrode (for example, ITO). Through the above steps, the TFT 119 shown in FIGS. 9D and 10E is completed. In order to protect the TFT 119, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be formed on the TFT 119 as necessary.
[0111]
  (Embodiment 2)
  In the present embodiment, a process of forming a CMOS structure circuit in which an N-type TFT and a P-type TFT are complementarily formed on a glass substrate will be described. This CMOS structure circuit is used for an active matrix liquid crystal peripheral circuit and a general thin film integrated circuit.
[0112]
  FIG. 11 is a plan view of the TFT of this embodiment. 12A to 12D and FIGS. 13A and 13B are cross-sectional views taken along line A-A ′ of FIG. 11, and schematically show a manufacturing process of the TFT of this embodiment. The process proceeds in the order of FIGS. 12A to 12D and FIGS. 13A and 13B.
[0113]
  First, as shown in FIG. 12A, a silicon oxide film 202 is formed on a glass substrate (Corning 1737) 201 as a base coat film (BC film) at a substrate temperature of 430 ° C. by a plasma CVD method at a thickness of 100 nm to 400 nm, for example, 300 nm. Then, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film (a-Si film) 203 is formed to a thickness of 25 nm to 80 nm, for example, 40 nm at a substrate temperature of 430 ° C. This is treated with 0.5% hydrofluoric acid for 30 seconds to remove the natural oxide film on the surface, and the surface of the a-Si film 103 is further treated with ozone water to improve wettability.
[0114]
  As shown in FIG. 12A, a surface concentration of a solution containing nickel 204 on the a-Si film 203 is 1 × 10 5 by spin coating.12atoms / cm2  ~ 1x1014atoms / cm2  For example 5 × 1012atoms / cm2  Add to be. The surface concentration is a result of measurement with a total reflection X-ray fluorescence analyzer (TRXRF). Water is used as the solvent, and nickel acetate is used as the solute. Since nickel acetate is very soluble in water, a nickel solution having a stable concentration can be prepared. Further, it can be added uniformly on the a-Si film 203. The amount of nickel added can be controlled by the concentration of the solution (FIG. 12A). The concentration of the catalytic element in the a-Si film 103 is, for example, 5 × 1017atoms / cm3  It is.
[0115]
  Next, in an inert atmosphere, it is heated to 300 ° C. to 550 ° C. at a temperature rising rate (5 to 40 ° C./min) that is equal to or lower than the temperature rising rate (45 ° C./min) at which the nucleation density is maximized. Heat treatment is performed by raising the temperature from 550 ° C. to 730 ° C. at a temperature elevation rate of 30 ° C./min or more. In the present embodiment, the temperature is increased to 400 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min, and subsequently heated to 570 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./min, and further to 670 ° C. at a temperature increase rate of 300 ° C./min. Raise the temperature. The temperature is lowered to 600 ° C. over 14 minutes, and further to room temperature over about 30 minutes. The temperature raising process in this case is as shown in the schematic diagram of FIG.2  Is 400 ° C, T1  Is 570 ° C, T3  Is 670 ° C.
[0116]
  This process was performed with an RTA apparatus because it was necessary to control the heating rate in a wide range. The RTA apparatus is an inline type, and includes a heating zone by a plurality of IR (infrared) heaters and a heating zone by lamp heating by a halogen lamp, a xenon lamp or the like. The heating step for raising the temperature to 400 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, and the subsequent heating step for raising the temperature to 570 ° C. at a heating rate of 100 ° C./min are performed in the heating zone using an IR heater, respectively. The temperature raising step for raising the temperature to 670 ° C. at 300 ° C./min is performed in a heating zone by lamp heating. The temperature increase rate and the substrate temperature of this heat treatment were controlled by the temperature setting of each zone, the substrate transport speed, and the lamp power. In this embodiment, the temperature is raised to 670 ° C., but since the heating time is as short as several tens of seconds, even an inexpensive glass substrate having a low heat resistance temperature is processed at a temperature higher than the strain point of the glass substrate. Is possible.
[0117]
  The temperature rising rate at which the nucleation density is maximized depends on the film quality of the a-Si film, and thus needs to be optimized depending on the film quality of the a-Si film. By this heat treatment, the a-Si film 203 is crystallized to become a polycrystalline silicon film (p-Si film).
[0118]
  By the heating process up to 400 ° C., silicidation of nickel 204 added to the surface of the a-Si film occurs. In this embodiment, since the temperature is raised at a temperature rise rate or less that maximizes the nucleus generation density, the generation density of silicide is high, and each is a very small silicide. Further, by raising the temperature to 570 ° C., crystal nuclei are generated from the silicide, and columnar crystals grow. Since the generated crystal nuclei are very small and the amount of nickel in the crystal nuclei is small, columnar crystals grow from each crystal nuclei in one random direction in the plane, forming rod-like domains. Since the generation density of silicide is high, the generation density of rod-like domains is also high.
[0119]
  Until the temperature is lowered to 600 ° C., rod-like domains grow while branching, and crystallization is completed. Further, the width of the rod-like domain at this time is not less than 0.1 μm and not more than 1.5 μm, for example, not more than 1 μm. The nucleation density is 9 × 10-2Piece / μm2  It is.
[0120]
  The amount of nickel used in this heating step is insufficient to crystallize the entire a-Si film 203. Further, since the heating time is short, crystal nuclei are not generated without a catalytic element, and an uncrystallized region where crystal growth does not reach remains a-Si. As a result, after this heat treatment, a minute amorphous region and a crystallized region are mixed. Specifically, the state is as shown in FIG. 8, and the area ratio of the a-Si region to the entire silicon film at this time is about 10%. The size of each a-Si region (black granular region in FIG. 8) is about 1 μm. The area ratio and size of the a-Si region are measured with an optical microscope.
[0121]
  As shown in FIG. 12B, the crystalline silicon film 206 is obtained by irradiating the laser beam 205 to promote the crystallinity of the silicon film. As the laser light, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 40 nm) is used. The laser light irradiation condition is that the substrate is heated to 200 ° C. to 450 ° C., for example, 400 ° C. during irradiation, and the energy density is 250 mJ / cm.2  ~ 450mJ / cm2  For example, 350 mJ / cm2  Irradiate with. The shape of the beam is a long shape, the beam size is formed on the substrate 101 so as to be 150 mm × 1 mm, and scanning is sequentially performed with a step width of 0.05 mm in a direction perpendicular to the long direction. Therefore, a total of 20 irradiations are performed at an arbitrary point on the silicon film 203.
[0122]
  By this irradiation, the amorphous region remaining in the crystalline silicon film 206 is preferentially melted, and the entire film is crystallized reflecting a good crystal component in the crystallized region. The purpose of laser irradiation is to improve the crystal, and the basic crystallinity (in-plane distribution of crystal orientation) is performed in an energy range that does not change.
[0123]
  Unnecessary portions of the polycrystalline silicon film 206 are removed and element isolation is performed to form an island-shaped crystalline silicon film 206a which becomes an active region (channel region 111, source 112 / drain 113 region) of the TFT.
[0124]
  Next, a silicon oxide film 207 having a thickness of 30 nm to 150 nm, for example, 100 nm, is formed by plasma CVD as a gate insulating film so as to cover the island-shaped crystalline silicon film 206a. Further, as shown in FIG. 12C, a low-concentration impurity (phosphorus) 208 is implanted by an ion doping method through a photoresist having an outer shape of a region to be a channel region later (see FIG. 12C). Phosphine (PH) as doping gas3  ), The acceleration voltage is 60 kV to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 3 × 1013cm-2~ 3x1014cm-2For example 1 × 1014cm-2Do as.
[0125]
  Further, as shown in FIG. 12D, a tantalum nitride film having a thickness of 50 nm to 200 nm, for example, 100 nm is formed by sputtering, and a tungsten film is continuously formed to a thickness of 300 nm to 500 nm, for example, 400 nm. The gate electrode 209 is formed by patterning using a pattern that is 1 μm wider on the left and right sides (see FIGS. 12C and 12D) than the region where the low concentration impurity is implanted.
[0126]
  A high concentration impurity (phosphorus) 210 is implanted using the gate electrode 209 as a mask. In this doping step, phosphine (PH3  ), The acceleration voltage is 60 kV to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose is 1 × 1015cm-2~ 1x1016cm-2For example 6 × 1015cm-2Do as. In this step, the regions 214 and 215 into which only the low-concentration impurities 210 are implanted later become the LDD regions of the TFT. Since the regions 214 and 215 are located so as to overlap with the gate electrode 209, the subsequent TFT has a GOLDD (Gate Overrapped Lightly Doped Drain) structure.
[0127]
  The regions 212n and 213n into which the low-concentration impurity 208 and the high-concentration impurity 210 are respectively implanted become source / drain regions. The region 211n masked by the gate electrode 209 and not implanted with impurities will later become a channel region of the N-type TFT.
[0128]
  As shown in FIG. 13A, the photoresist is patterned, and impurities (boron) 216 are implanted into predetermined regions 214p and 215p of the island-like crystalline silicon film 206a by ion doping. Diborane (B2H6), The acceleration voltage is 60 kV to 90 kV, for example, 80 kV, and the dose amount is 3 × 1015cm-2~ 2x1016cm-2For example 1 × 1016cm-2Do as. Phosphorus and boron are implanted into the regions 212p and 213p, respectively, but since the amount of boron implantation is larger, the regions 212p and 213p become P-type source / drain regions. Further, the region 211p in which the impurity (boron) 216 is not implanted becomes a channel region of the P-type TFT later.
[0129]
  Thereafter, the heat treatment at 450 ° C. to 600 ° C. activates the implanted impurities and improves the crystallinity deteriorated by introducing the impurities. In this embodiment, heat treatment is performed at 600 ° C. for 4 hours. Since phosphorus has an effect of attracting nickel, this heat treatment diffuses nickel in the region 211 where phosphorus is not implanted (later TFT channel region), and the region 212n where phosphorus is implanted at a high concentration. Collected at 212p, 213n and 213p. If nickel, particularly nickel silicide, is present in the channel region, it becomes a leak source and causes an increase in the off-current of the TFT, but this heat treatment causes nickel to diffuse from the channel region and move to the source / drain region. Nickel can be gettered from the channel region. Therefore, an increase in the off current of the TFT can be suppressed. The sheet resistance of the source / drain regions 212n and 213n of the N-type TFT is 200Ω / cm.2  ~ 800Ω / cm2  The sheet resistance of the source / drain regions 212p and 213p of the P-type TFT is 600 Ω / cm2  ~ 1500Ω / cm2  It is.
[0130]
  Subsequently, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 600 nm is formed by a plasma CVD method, and an interlayer insulating film 217 is formed. Contact holes are formed in the interlayer insulating film 217, and source electrode wirings 218, 219 and 220 of the TFT are formed of a metal material film, for example, a three-layer film of titanium, aluminum and titanium. Finally, annealing is performed at 400 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere of 1 atm.
[0131]
  Through the above steps, the N-channel TFT 221 and the P-channel TFT 222 shown in FIGS. 11 and 13B are completed. In order to protect the TFTs 221 and 222, a protective film made of a silicon nitride film or the like may be formed on the TFTs 221 and 222 as necessary.
[0132]
  In the above-described embodiment, the catalytic element is added on the amorphous silicon film. However, the catalytic element may be introduced on the glass substrate or the base film, and the amorphous silicon film may be formed thereon. Crystal growth in this case occurs from the lower surface of the amorphous silicon film.
[0133]
【The invention's effect】
  In the polycrystalline semiconductor thin film of the present invention, adjacent domains are continuous, and electrons or vacancies move between adjacent domains, so that the ON characteristics are high, the characteristic variation is small, and high mobility can be expected. When a plurality of switching elements are manufactured from the polycrystalline semiconductor thin film of the present invention, since the mobility is large, a semiconductor device having a high ON characteristic and a high integration degree can be obtained.
[0134]
  In addition, if the width of the TFT channel region is larger than the width of the rod-like domain, a plurality of rod-like domains exist in the channel region. Therefore, the TFT characteristics are averaged, and there is little variation in rising characteristics. A device is obtained.
[0135]
  Furthermore, a liquid crystal display device using the semiconductor device of the present invention as a switching element can obtain a clear image in which occurrence of display spots is suppressed.
[0136]
  According to the method for producing a polycrystalline semiconductor thin film of the present invention, the polycrystalline semiconductor thin film of the present invention can be produced by a simple method with a high yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining crystal growth of a polycrystalline semiconductor thin film according to the present invention. FIG. 1A shows a stage in the process of growth, and FIG. 1B shows a stage after the growth is completed.
FIG. 2 is an optical micrograph of a rod-like domain in an initial crystal growth stage.
FIG. 3A is an SEM photograph after a polycrystalline semiconductor thin film has been subjected to a revealing etching treatment.
FIG. 3B is an image photograph showing the result of measuring the in-plane distribution of crystal orientation in a polycrystalline semiconductor thin film by an EBSP method on a display.
FIG. 4A is an image photograph showing, as a line, portions where crystal orientation angles differ by 2 ° or more between adjacent measurement points in FIG. 3B.
FIG. 4B is an image photograph in which FIG. 3B and FIG. 4A are superimposed.
FIG. 4C is an image photograph in which a portion where the angle difference of crystal orientation is 2 ° or more and less than 5 ° is shown by light dots in FIG. 4B and a portion where the angle difference of crystal orientation is 5 ° or more is shown by dark dots.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the rate of temperature rise during crystallization annealing and the crystal nucleus generation density.
FIG. 6 is an optical micrograph of a crystal nucleus generation state at a temperature rising rate of about 50 ° C./min.
FIG. 7 is a graph showing a temperature increase rate in a crystal nucleus formation step and a crystal growth step.
FIG. 8 is a photomicrograph of the surface of a polycrystalline silicon film on which crystals have been grown by raising the temperature to 550 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min.
9 is a plan view schematically showing a manufacturing process of the pixel TFT of Embodiment 1. FIG.
10 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of one pixel TFT of Embodiment 1. FIG.
11 is a plan view of a TFT according to Embodiment 2. FIG.
12 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 11 and schematically shows a manufacturing process of the TFT of Embodiment 2. FIG.
13 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 11 and schematically shows a manufacturing process of the TFT according to the second embodiment.
14A and 14B are schematic diagrams for explaining crystal growth by the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-312404. FIG. 14A shows a stage in the middle of growth, and FIG. 14B shows a stage after the growth is completed. Yes.
FIG. 15 is an optical micrograph after the crystal silicon film manufactured by the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-312404 has been subjected to a revealing etching process.
FIG. 16A is an image photograph in which a result obtained by measuring an in-plane distribution of crystal orientation in a crystalline silicon film by an EBSP method is displayed on a display.
FIG. 16B is an image photograph showing, as a line, portions where crystal orientation angles differ by 10 ° or more between adjacent measurement points in FIG. 16A.
FIG. 16C is an image photograph showing an in-plane distribution of crystal orientations when a crystal having a crystal orientation angle difference of 5 ° or less is regarded as one crystal in FIG. 16B.
[Explanation of symbols]
101, 201 glass substrate
102, 202 Base coat film
103, 203 Amorphous silicon film
104, 204 Nickel (catalytic element)
105, 205 Laser light
106, 206 Polycrystalline silicon film
107, 207 Gate insulation film
108, 209 Gate electrode
109, 208 Impurity (phosphorus)
110, 210 Impurity (phosphorus)
111, 211n, 211p channel region
112, 212n, 212p source region
113, 213n, 213p drain region
114, 115, 214, 215 LDD region
216 Impurities (boron)
116, 217 Interlayer insulating film
117 Source electrode
118 pixel electrode
218, 219, 220 Electrode / Wiring
119 pixel TFT
221 N-channel TFT
222 P-channel TFT

Claims (23)

それぞれが複数の柱状シリコン結晶から構成され、同一面内において曲折または枝分かれした複数のドメインを含み、
前記複数のドメインは、隣接するドメイン間において結晶方位の角度の差異が10°未満の領域が存在し、前記ドメインは、シリコンとニッケルとから形成した化合物から発生する1つの結晶核から結晶成長した柱状結晶の集合である、多結晶半導体薄膜。
Each is composed of a plurality of columnar silicon crystals, and includes a plurality of domains bent or branched in the same plane,
In the plurality of domains, there is a region where the difference in crystal orientation angle between adjacent domains is less than 10 ° , and the domains are grown from one crystal nucleus generated from a compound formed from silicon and nickel . A polycrystalline semiconductor thin film that is an assembly of columnar crystals.
前記ドメインの幅が0.1μm以上1.5μm以下である、請求項1に記載の多結晶半導体薄膜。  The polycrystalline semiconductor thin film according to claim 1, wherein a width of the domain is 0.1 μm or more and 1.5 μm or less. 記化合物の形成温度よりも100℃低い温度から前記化合物の発生温度までの間、前記結晶核の発生数が最大となる昇温速度以下の昇温速度で前記シリコンおよび前記ニッケルを加熱する工程を少なくとも含む工程によって、前記結晶核が形成された、請求項1に記載の多結晶半導体薄膜。Between before Symbol 100 ° C. temperature lower than the formation temperature of the compound to the generation temperature of said compound, processes the number of occurrences of the crystal nuclei to heat the silicon and the nickel in the following heating rate heating rate which maximizes The polycrystalline semiconductor thin film according to claim 1, wherein the crystal nucleus is formed by a process including at least. 前記結晶核の発生密度が0.5×10−2個/μm よりも大きい、請求項3に記載の多結晶半導体薄膜。The polycrystalline semiconductor thin film according to claim 3, wherein the generation density of the crystal nuclei is greater than 0.5 × 10 −2 pieces / μm 2 . 前記ニッケルの濃度が1×1016atoms/cm 以上1×1018atoms/cm 以下の範囲内である、請求項3に記載の多結晶半導体薄膜。4. The polycrystalline semiconductor thin film according to claim 3, wherein the nickel concentration is in the range of 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 . 請求項1から5のいずれかに記載の多結晶半導体薄膜から複数のスイッチング素子が形成された半導体装置。  A semiconductor device in which a plurality of switching elements are formed from the polycrystalline semiconductor thin film according to claim 1. 前記スイッチング素子が薄膜トランジスタであって、前記薄膜トランジスタのチャネル領域の幅が、前記ドメインの幅よりも大きく、前記チャネル領域内に複数の前記ドメインが存在する、請求項6に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 6, wherein the switching element is a thin film transistor, a width of a channel region of the thin film transistor is larger than a width of the domain, and a plurality of the domains exist in the channel region. 請求項6または7に記載の半導体装置を含む液晶表示装置。  A liquid crystal display device comprising the semiconductor device according to claim 6. 非晶質なシリコンの薄膜を基板上に形成する工程と、ニッケルを前記薄膜に導入する工程と、前記シリコンと前記ニッケルとの化合物を形成し、前記化合物から結晶核を発生させる工程と、前記結晶核を核として結晶を成長させる工程と、を少なくとも有する多結晶半導体薄膜の製造方法であって、
前記結晶核の発生工程は、前記化合物の形成温度よりも100℃低い温度から前記化合物の発生温度までの間、前記結晶核の発生数が最大となる昇温速度以下の昇温速度で前記シリコンおよび前記ニッケルを加熱する工程を少なくとも含む、多結晶半導体薄膜の製造方法。
Forming a thin film of amorphous silicon on the substrate; introducing nickel into the thin film; forming a compound of the silicon and nickel; generating crystal nuclei from the compound; A method for producing a polycrystalline semiconductor thin film having at least a step of growing a crystal using a crystal nucleus as a nucleus,
The crystal nucleus generation step includes the step of heating the silicon at a temperature increase rate equal to or lower than a temperature increase rate at which the number of crystal nuclei generated is maximum between a temperature lower than the compound formation temperature by 100 ° C. and the compound generation temperature. And a method for producing a polycrystalline semiconductor thin film, comprising at least a step of heating the nickel.
前記結晶成長工程は、前記結晶核の発生工程よりも大きな昇温速度で前記シリコンおよび前記結晶核を加熱する工程である、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the crystal growth step is a step of heating the silicon and the crystal nuclei at a higher temperature rising rate than the step of generating the crystal nuclei. 前記結晶核発生工程は、300℃以上550℃以下の温度範囲内まで加熱する工程である、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the crystal nucleus generation step is a step of heating to a temperature range of 300 ° C. or higher and 550 ° C. or lower. 前記結晶成長工程は、550℃以上730℃以下の温度範囲まで加熱する工程である、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the crystal growth step is a step of heating to a temperature range of 550 ° C. or higher and 730 ° C. or lower. 前記結晶成長工程は、RTA(ラピッドサーマルアニール)処理により行われる、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the crystal growth step is performed by an RTA (rapid thermal annealing) process. 前記ニッケル導入工程において、前記薄膜または前記基板の表面に、表面濃度が1×1012atoms/cm 以上1×1014atoms/cm 以下の範囲内になるように前記ニッケルが導入される、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。In the nickel introduction step, the nickel is introduced into the surface of the thin film or the substrate so that the surface concentration is in the range of 1 × 10 12 atoms / cm 2 to 1 × 10 14 atoms / cm 2 . The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9. 前記ニッケル導入工程は、前記ニッケルを含む溶液をスピンコート法により前記薄膜上に塗布する工程を含む、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the nickel introducing step includes a step of applying a solution containing nickel onto the thin film by a spin coating method. 前記ニッケルを含む溶液は、水、メタノール、エタノール、n一プロパノール、i−プロパノールおよびアセトンからなる群から選ばれた少なくとも一種を含む、請求項15に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 15, wherein the solution containing nickel contains at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, and acetone. 前記ニッケルを含む溶液が酢酸ニッケルを含む、請求項15に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 15, wherein the solution containing nickel contains nickel acetate. 前記ニッケル導入工程は、DCスパッタリング法により行われる、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the nickel introduction step is performed by a DC sputtering method. 前記結晶成長工程によって結晶化された多結晶半導体薄膜が微小な非晶質領域を含む、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the polycrystalline semiconductor thin film crystallized by the crystal growth step includes a minute amorphous region. 前記微小な非晶質領域に対して強光照射を行なう工程を含む、請求項19に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 19, comprising a step of performing intense light irradiation on the minute amorphous region. 前記強光として波長400nm以下のエキシマレーザ光を用い、前記薄膜表面におけるエネルギー密度が200mJ/cm 以上450mJ/cm 以下の範囲内で照射を行なう、請求項20に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。21. The polycrystalline semiconductor thin film according to claim 20, wherein an excimer laser beam having a wavelength of 400 nm or less is used as the intense light, and irradiation is performed within an energy density range of 200 mJ / cm 2 or more and 450 mJ / cm 2 or less on the thin film surface. Production method. 前記結晶成長工程の後に、熱酸化処理を行なう工程を含む、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, further comprising a step of performing a thermal oxidation treatment after the crystal growth step. 前記結晶核の発生密度が0.5×10−2個/μm よりも大きい、請求項9に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。The method for producing a polycrystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the generation density of the crystal nuclei is greater than 0.5 × 10 −2 pieces / μm 2 .
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