JP4121109B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、さらに詳細には、非晶質ケイ素膜を結晶化した結晶性のケイ素膜を活性領域とする半導体装置及びその製造方法に関する。特に、本発明は、絶縁表面を有する基板上に設けられた薄膜トランジスタ(TFT)を用いた半導体装置に有効であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置、密着型イメージセンサー、有機EL表示装置、三次元IC等に利用可能である。
【0002】
【従来の技術】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元IC等を実現するために、ガラス等の絶縁性基板上、絶縁膜上等に高性能な半導体素子を形成する試みがなされている。これらの装置に用いられる半導体素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のケイ素半導体としては、非晶質ケイ素半導体(a−Si)と結晶性を有するケイ素半導体との2つに大別される。
【0003】
非晶質ケイ素半導体は作製温度が低く、気相法により比較的容易に作製することができ、量産性に優れているため、最も一般的に用いられている。しかしながら、この非晶質ケイ素半導体は、結晶性を有するケイ素半導体と比較すると、導電性等の物性が劣るため、今後、さらなる高速特性を得るため、結晶性を有するケイ素半導体からなる半導体装置の簡便な作製方法を確立することが強く求められている。
【0004】
結晶性を有する薄膜状のケイ素半導体を作製する方法としては、次の(1)及び(2)に示す方法が知られている。
【0005】
(1)非晶質ケイ素膜を成膜した後、非晶質ケイ素膜にレーザー光等のエネルギービームを照射して、その光エネルギーによって、非晶質ケイ素膜を結晶化して結晶性を有するケイ素膜とする。
【0006】
(2)非晶質ケイ素膜を成膜した後、加熱して、その熱エネルギーによって、非晶質ケイ素膜を固相状態で結晶化して結晶性を有するケイ素膜とする。
【0007】
一般的には、上記(1)の方法が用いられる。この方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、結晶粒は小粒径となるが、結晶粒内の結晶欠陥が少なく、比較的高品位な結晶性のケイ素膜が得られる。しかしながら、上記(1)の方法により作製された結晶性のケイ素膜では、粒界部における欠陥密度が高くなるために、この粒界部における欠陥がキャリアに対して大きなトラップとして働き、半導体装置として十分な性能が得られない。また、例えば、レーザー光の光源として現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを使用する場合には、レーザー光の安定性が十分でないために、基板の全面に半導体膜の全体にわたって均一な処理を施すことができず、半導体素子間で特性にばらつきが生じるおそれがある。
【0008】
(2)の方法は、(1)の方法と比較すると基板内の均一性、安定性に優れているが、600℃以上の高温条件によって30時間程度の長時間にわたる加熱処理が必要になるため、処理時間が長くなり、スループットを向上させることができないという問題がある。さらに、(2)の方法においては、結晶化される結晶構造が双晶構造となるため、数μm程度の比較的大きな結晶粒が得られるが、一つの結晶粒内に多数の双晶欠陥を含むために、その結晶性は、上記(1)の方法により作製されたケイ素半導体膜の結晶性よりも劣るという問題がある。
【0009】
これに対して、上記(2)の方法を改善して、高品位な結晶性のケイ素膜を得る方法が開発されており、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を導入することにより、加熱温度の低下、処理時間の短縮、結晶性の向上を図る方法が注目されている。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面に微量のニッケル等の金属元素を導入した後に加熱処理することによって結晶性のケイ素膜とする。
【0010】
このような触媒元素を用いた方法では、非晶質ケイ素膜中において、導入された金属元素を核とした結晶核が早期に発生し、その後、この結晶核を中心として結晶化が急激に進行する。
【0011】
さらに、この方法では、結晶成長した結晶性のケイ素膜が、通常の固相成長法(上記(2)の方法)によって成長した結晶性ケイ素膜が結晶欠陥が多くなる双晶構造を有するのとは異なり、複数の柱状結晶がネットワークで連なる構造を有し、それぞれの柱状結晶は、小さいながらも、その内部がほぼ単結晶状態となっている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
非晶質ケイ素膜中に触媒元素を導入し、加熱処理することにより非晶質ケイ素膜を結晶化する方法は、加熱温度を低温化することができると共に、加熱時間を短縮することができ、さらに、加熱処理して得られるケイ素膜の結晶性が、他の結晶化方法より得られた結晶性のケイ素膜に比較して優れているという利点を有している。
【0013】
しかしながら、これらの金属類を主とする触媒元素が半導体膜中に多量に残存していると、この方法により得られたケイ素膜を用いた半導体装置の信頼性、電気的安定性等が低下するため、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長するニッケル等の触媒元素は、結晶化を行った後には、極力含まれないようにする必要がある。このため、非晶質ケイ素膜の結晶化のために導入される触媒元素の量を極力少量にすることにより、結晶化されたケイ素膜に含有される触媒元素の量を低減する方法が、第1の方法として考えられる。しかし、非晶質ケイ素膜に導入される触媒元素の導入量が少なくなると、結晶の成長状態が著しく不安定となり、このような不安定な状態で作製された結晶性のケイ素膜は、結晶性のバラツキが大きくなって、半導体装置の活性領域を構成する膜として使用できなくなるおそれがある。
【0014】
また、非晶質ケイ素膜に触媒元素を導入して、加熱処理することにより非晶質ケイ素膜を結晶成長させた後、触媒元素を移動(ゲッタリング)させることにより、素子領域内の触媒元素を除去あるいは低減する方法が、第2の方法として考えられている。
【0015】
特開平10−270363号公報には、触媒元素により結晶化されたケイ素膜に対して、その一部をリン等の5族B元素が選択的に導入された領域とし、加熱処理を行うことにより、5族B元素が導入された領域に触媒元素を移動(ゲッタリング)させることにより、5族B元素が導入された以外の領域の触媒元素の量を低減する方法が開示されている。この公報では、5族B元素が導入されておらず、ゲッタリングにより触媒元素が低減された領域を、半導体装置の活性領域として使用する。
【0016】
また、特開平11−31660号公報には、触媒元素が導入されて結晶化されたケイ素膜の表面上に熱酸化膜を形成し、さらにこの熱酸化膜上にリンを高濃度に含有するケイ素膜を設けた後、熱処理を行うことにより、結晶化されたケイ素膜に含まれる触媒元素を、熱酸化膜を介して、上層のリンを高濃度に含むケイ素膜に移動させることにより、結晶化されたケイ素膜に含まれる触媒元素の量を低減する方法が開示されている。この公報では、上層のリンを含むケイ素膜を除去した後、下層の結晶性を有するケイ素膜を半導体装置の活性領域として使用する。
【0017】
しかし、本願発明者が実際に上記公報の方法を用いて、実際に薄膜トランジスタ(TFT)素子を作製したところ、残留している触媒元素がTFT素子に悪影響を及ぼしており、上記公報に開示された方法では、十分に高いゲッタリング効果が得られず、半導体装置の能動領域における触媒元素の残留量が十分には低減できないということが明らかとなった。
【0018】
具体的に、上記の公報によってそれぞれ試作されたTFTでは、それぞれ若干の違いが見られるが、数%程度の確率でオフ動作時におけるリーク電流が非常に大きい不良のTFTが生じた。不良が発生したTFTにおけるリーク電流増大の原因を解析すると、チャネル部とドレイン部との接合部に、触媒元素によるシリサイドが存在していることが確認された。この結果、上記の2公報による方法では、不良のTFTが発生する不良率が高くなるため、信頼性が低く、量産し得る方法ではない。
【0019】
また、上記の2公報による方法では、550℃以上の加熱温度条件で、数時間から数十時間にわたる加熱処理を行っている。このような加熱処理は、100mm×100mm(100mm□)サイズ程度の小型ガラス基板、高価な石英基板等を用いる場合には、問題にならない。
【0020】
しかし、半導体装置となる半導体素子を成膜する液晶表示用、有機EL表示用のアクティブマトリクス基板では、そのマザーボード(ガラス基板)は、コストダウンを図るために大型化する傾向があり、さらに、装置のコンパクト化・軽量化を図るために、薄板化の傾向も加わり、大型且つ薄型のガラス基板に対して、高温・長時間の加熱処理を行うことは非常に困難である。
【0021】
実際に、本願発明者は、一般的に使用されているガラス基板として、600mm×720mmの寸法、0.7mmtの厚さを有するコーニング社コード1737のガラス基板を用いて加熱処理を行ったところ、500℃程度の加熱条件で、数時間にわたる加熱処理が、ほぼ限界であることを明らかとした。この加熱処理によって生じる最も大きな問題は、基板の重量によるたわみ・反りである。さらには、基板上にパターン形成した後での加熱処理となるため、ガラス基板に特有の縮み(シュリンケージ)が発生し、この加熱処理工程の前後で、パターン合わせをすることが非常に困難になっている。
【0022】
また、特開平11−31660号公報に開示された方法は、活性領域となる結晶性のケイ素膜上に全面にわたって、リンを高濃度に含有するケイ素膜を設け、触媒元素を含む結晶ケイ素膜に含まれる触媒元素が、上層のケイ素膜へと縦方向(膜厚方向)に移動されるため、そのゲッタリング距離(触媒元素が移動するべき距離)は、膜厚の厚みの長さになっている。このため、横方向に触媒元素を移動させる場合に比較して、ゲッタリング距離が短くなり、高いゲッタリング効果が得られることにより、上記の問題点が解決されることが期待される。
【0023】
しかし、本願発明者がこの方法によって試作したTFTを用いて実験した結果、この方法は、上記の方法に比較しても、同レベルか、むしろやや劣る結果が得られ、ゲッタリング能力に優れておらず、触媒元素の濃度を十分に低減することができないことを明らかにした。また、この公報による方法では、結晶性のケイ素膜と上層のリンを高濃度に含有するケイ素膜との間に、熱酸化膜を介しているため、この熱酸化膜が触媒元素のゲッタリングに対するバリアとなり、期待されるような低温且つ短時間での加熱処理条件では、ゲッタリング効果を全く得ることはできなかった。
【0024】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、量産対象となる大型のガラス基板に成膜された非晶質ケイ素膜中に触媒元素を導入することにより結晶成長された結晶性のケイ素膜の素子領域に含まれる触媒元素が十分に低減されている半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成し、該非晶質ケイ素膜上に非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素としてニッケルを導入する工程と、該非晶質ケイ素膜を結晶化するための第1の加熱処理を行って、該非晶質ケイ素膜を結晶性のケイ素膜に結晶化する工程と、該結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程と、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させるための第2の加熱処理を行って、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させる工程と、次いで、前記非晶質ケイ素膜を除去し、前記結晶性のケイ素膜によって活性領域を形成する工程と、を包含し、前記結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程は、シランガス系のガスと希ガス類から選択された元素を含むガスとを少なくとも含むガスがソースガスとして用いられ、前記非晶質ケイ素膜は、前記絶縁基板に対向して配置されたCVD電極から供給されるRFバイアスに加えて、該絶縁基板側にもこのRFバイアスとは異なる別のRFバイアスが加えられるデュアルバイアスによって成膜されることを特徴とする。
【0026】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成し、該非晶質ケイ素膜上に非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素としてニッケルを導入する工程と、該非晶質ケイ素膜を結晶化するための第1の加熱処理を行って、該非晶質ケイ素膜を結晶性のケイ素膜に結晶化する工程と、該結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を、前記希ガス類から選択された元素の濃度が膜厚方向に対して変化するような濃度分布で成膜する工程と、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させるための第2の加熱処理を行って、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させる工程と、次いで、前記非晶質ケイ素膜を除去し、前記結晶性のケイ素膜によって活性領域を形成する工程と、を包含することを特徴とする。
【0027】
さらに、本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成し、該非晶質ケイ素膜上に非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素としてニッケルを導入する工程と、該非晶質ケイ素膜を結晶化するための第1の加熱処理を行って、該非晶質ケイ素膜を結晶性のケイ素膜に結晶化する工程と、該結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程と、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させるための第2の加熱処理を行って、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させる工程と、次いで、前記非晶質ケイ素膜を除去し、前記結晶性のケイ素膜によって活性領域を形成する工程と、を包含し、前記結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程は、シランガス系のガスと希ガス類から選択された元素を含むガスとを少なくとも含むガスがソースガスとして用いられ、前記非晶質ケイ素膜は、前記絶縁基板に対向して配置されたCVD電極から供給されるバイアスによって、前記希ガス類から選択された元素の濃度が低い下層膜を成膜した後に、前記CVD電極から供給されるバイアスに加えて、前記絶縁基板側にもこのバイアスとは異なる別バイアスが加えられるデュアルバイアスによって、前記希ガス類から選択された元素の濃度が高い上層膜を成膜することによって形成されることを特徴とする。
【0028】
前記希ガス類から選択された元素は、Ar、Kr、Xeの何れかの一種類あるいは複数種類であることが好ましい。
【0029】
前記希ガス類から選択された元素として、Arが含まれていることが好ましい。
【0030】
前記希ガス類から選択された元素の濃度は、1×10 19 〜2×10 21 atoms/cm 3 の範囲内であることが好ましい。
【0031】
前記希ガス類から選択された元素の濃度は、1×10 20 〜1×10 21 atoms/cm 3 の範囲内であることが好ましい。
【0032】
前記結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程は、シランガス系のガスと希ガス類から選択された元素を含むガスとを少なくとも含むガスがソースガスとして用いられ、前記非晶質ケイ素膜は、前記絶縁基板に対向して配置されたCVD電極から供給されるバイアスに加えて、該絶縁基板側にもこのバイアスとは異なる別のバイアスが加えられるデュアルバイアスによって成膜されることが好ましい。
【0033】
前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程は、前記CVD電極にRFバイアスを印加し、前記絶縁側基板に、別のRFバイアスを印加することが好ましい。
【0034】
前記絶縁側基板に加えられるRFバイアスは、前記CVD電極から供給されるRFバイアスの周波数よりも周波数が小さくなっていることが好ましい。
【0035】
前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜は、前記希ガス類から選択された元素の濃度が膜厚方向に対して変化するような濃度分布になっていることが好ましい。
【0036】
前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜は、前記希ガス類から選択された元素の濃度が、上面側では高く、下面側では低くなるように形成されていることが好ましい。
【0037】
前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜は、前記希ガス類から選択された元素の濃度が低くなった下層膜と、該元素の濃度が高くなった上層膜との2層構造に形成されることが好ましい。
【0038】
前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜は、前記CVD電極から供給されるバイアスのみによって前記下層膜を成膜し、該下層膜上に、前記CVD電極から供給されるバイアスに加えて、前記絶縁基板側にもこのバイアスとは異なる別バイアスが加えられるデュアルバイアスによって前記上層膜を成膜することによって形成されることが好ましい。
【0039】
前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜は、同一のチャンバーを用いて連続して成膜されることが好ましい。
【0040】
前記第2の加熱処理によって、結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜に移動させる工程は、前記結晶性のケイ素膜に含まれる前記ニッケルの濃度と、前記非晶質ケイ素膜中に含まれる前記ニッケルの濃度とが、少なくとも熱平衡状態の偏析状態となるような、加熱温度及び加熱時間とする加熱条件で行われることが好ましい。
【0041】
前記第2の加熱処理によって、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜に移動させる工程は、前記非晶質ケイ素膜が、少なくとも結晶化しない加熱温度及び加熱時間とする加熱条件で行われることが好ましい。
【0042】
前記第2の加熱処理の前記加熱条件は、450〜550℃の温度範囲を加熱温度とし、30分〜4時間にわたる処理時間とすることが好ましい。
【0044】
前記第2の加熱処理は、600〜700℃の温度範囲内で、10秒〜10分にわたる処理時間とする高速熱アニール処理により行われることが好ましい。
【0045】
前記高速熱アニール処理は、高温に加熱された不活性ガスを前記絶縁基板の表面に向けて吹き付けることにより行うことが好ましい。
【0046】
前記結晶性のケイ素膜と、前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜との間に、該非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパとなるバリア薄膜が設けられることが好ましい。
【0047】
前記バリア薄膜は、50Å以下の膜厚に形成された酸化ケイ素膜であることが好ましい。
【0048】
前記希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程を行う前に、前記結晶性のケイ素膜にレーザー光を照射して、その結晶性を向上させる工程をさらに行うことが好ましい。
【0056】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置及びその製造方法について、詳細に説明する。
【0057】
本発明の半導体装置の製造方法は、以下の(1)、(2)の工程を順次行うことを要旨とする。
【0058】
(1)絶縁基板上に形成された非晶質ケイ素膜に、結晶化を促進する触媒元素を導入した後、加熱処理を行うことによりその非晶質ケイ素膜を結晶成長させる(第1の加熱処理)。
【0059】
(2)第1の加熱処理により結晶化された結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いることによって、希ガス類から選択された元素を含有する非晶質ケイ素膜を成膜した後に、加熱処理を行う(第2の加熱処理)。
【0060】
本発明の半導体装置の製造方法においては、第2の加熱処理を行うことによって、下層の結晶性ケイ素膜中に含まれる触媒元素を、上層の非晶質ケイ素膜に移動させる。そして、触媒元素を上層の非晶質ケイ素膜中移動させた後、上層の非晶質ケイ素膜を除去し、下層の触媒元素が低減された結晶性のケイ素半導体膜を活性領域として半導体装置を形成する。
【0061】
上記(2)の工程を行って、触媒元素を移動させることにより、従来の触媒元素を用いる方法に比較して、半導体装置の能動領域に残留する触媒元素の量を大幅に低減することができ、その結果、従来法を用いて作製された半導体装置で問題となっていたオフ動作時のリーク電流の異常が見られない、高い電流駆動能力を有する高性能半導体装置を得ることができる。
【0062】
一般に、触媒元素を所望の領域(以下、ゲッタリング領域という)に移動(ゲッタリング)するためのメカニズムの一つとして、ゲッタリング領域での触媒元素に対する固溶度を、ゲッタリングされる領域(以下、被ゲッタリング領域)の固溶度よりも高くすることにより、被ゲッタリング領域に触媒元素をゲッタリングする(第1のゲッタリング作用)方法がある。
【0063】
前述の公報(特開平10−270363号公報、特開平11−31660号公報)では、非晶質ケイ素膜にリンを導入することにより、非晶質ケイ素膜における触媒元素の固溶度を飛躍的に上げることができ、固溶度の差により触媒元素の移動、すなわち第1のゲッタリング作用が行われるようになることから、全て、触媒元素をゲッタリングするためのゲッタリング元素として、リンを用いている。また、特開平11−54760号公報の方法では、さらに3族B元素を導入することにより、ゲッタリング能力を向上することが図られているが、3族B元素を単独で用いてもゲッタリング効果がなく、基本的にはリンのゲッタリング効果により触媒元素をゲッタリングしている。
【0064】
また、触媒元素をゲッタリングする他のメカニズムとして、ゲッタリング領域に、触媒元素をトラップするような欠陥あるいは局所的な偏析サイトを形成し、その欠陥あるいは偏析サイトに触媒元素を移動させてトラップする(第2のゲッタリング作用)方法がある。
【0065】
最近の研究により、上記のリン等の5族B元素以外のゲッタリング元素として、希ガス類から選択された一部の元素が非晶質ケイ素膜中に存在すると、希ガス元素が存在する部分に大きな格子間歪みが生じ、局所的な欠陥・偏析サイトによる第2のゲッタリング作用が非常に強力に働くため、希ガス類から選択された一部の元素が、上記のリン等の5族B元素以外のゲッタリング元素として有効であることが明らかになっている。
【0066】
このようなゲッタリング効果を有する希ガス類から選択された元素としては、Ar、Kr、Xeがあり、これらの何れか一種類あるいは複数種類の元素を用いることができる。さらに、これらの元素の中では、Arが最も高い効果を有していることが分かっている。
【0067】
このような第2のゲッタリング作用は、固溶度の差を利用する第1のゲッタリング作用より、ゲッタリング能力が高い。また、ゲッタリング元素として、リンのような半導体装置の特性に大きく影響を与える元素ではなく、半導体膜中に含まれても不活性な希ガス元素を用いており、ゲッタリング領域から被ゲッタリング領域へのゲッタリング元素の逆拡散・汚染等の問題は発生しない。
【0068】
さらに、上記の希ガス元素は、非晶質ケイ素膜中に存在することによって非晶質ケイ素膜の結晶成長が阻害され、その結果、この非晶質ケイ素膜の結晶成長(結晶核の発生)までの潜伏期間が長くなり、結晶成長速度を遅延させる効力を有している。このため、結晶性ケイ素膜に含まれる触媒元素を非晶質ケイ素膜にゲッタリングするための第2の加熱処理の際において、非晶質ケイ素半導体膜を、非晶質状態のままで維持することができ、より大きな第2のゲッタリング作用を得ることができる。
【0069】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、特開平11−31660号公報に記載された方法のように、活性領域となる結晶性ケイ素膜上に、希ガス元素を含有する非晶質ケイ素膜を形成したものであり、結晶性のケイ素半導体膜に含まれる触媒元素は、縦方向(膜厚方向)にゲッタリングされる。
【0070】
このような膜厚方向への触媒元素のゲッタリングは、ゲッタリング距離が、結晶性を有するケイ素膜の膜厚分の厚さのみの距離となるため、特開平10−270363号公報及び特開平11−54760号公報のそれぞれに記載されているような一般的な横方向へのゲッタリングに比較して、ゲッタリング距離を短く設定することができる。このことは、触媒元素をゲッタリングするための第2の加熱処理において、加熱温度の低温化あるいは加熱時間の短縮化を可能とし、液晶表示装置、有機EL表示装置のマザーボードとして使用されるメートルクラスのサイズを有する大型の安価なガラス基板に対応することができることを意味している。
【0071】
図3は、非晶質ケイ素膜中に含まれるAr濃度(横軸)と、触媒元素をゲッタリングする第2の加熱処理を行った後の結晶性ケイ素膜中に残留する触媒元素(Ni)濃度(縦軸)との関係を示すグラフである。
【0072】
図3を参照すると、触媒元素をゲッタリングする前の初期のNi濃度は、1.2×1018atoms/cm3となっている。この場合、非晶質ケイ素膜中に含まれるAr濃度が、3×1018atoms/cm3以下のときには、Ni濃度を低減する効果が全く見られず、非晶質ケイ素膜への触媒元素のゲッタリングが生じていないことが示されている。一方、非晶質ケイ素膜中に含まれるAr濃度が1×1019atoms/cm3以上になると、この値を境として急激にゲッタリング効果が現れ、Ni濃度の低減が見られる。ゲッタリング作用としては、最低でも、一桁以上のNi濃度の低下が示されていなければ、明らかな効果とは言えず、この点で、非晶質ケイ素膜に含まれるAr濃度の下限は1×1019atoms/cm3であり、明らかなゲッタリング作用を得るにはこれ以上のAr濃度のArが非晶質ケイ素膜中に含まれることが必要である。また、非晶質ケイ素膜中のAr濃度が1×1020atoms/cm3程度以上になると、結晶性ケイ素膜中に残存するNi濃度の低下に飽和傾向が見られる。したがって、本発明による触媒元素のゲッタリング効果を最大に引き出すには、非晶質ケイ素膜中のAr濃度は、1×1020atoms/cm3以上であることがより望ましい。
【0073】
これに対して、非晶質ケイ素膜中に含まれるAr濃度の上限は、膜剥がれの問題により制限され、Ar濃度が2×1021atoms/cm3以上になると、膜が非常にポーラスとなり膜剥がれやピーリングが生じる。したがって、Ar濃度の上限は、少なくとも2×1021atoms/cm3以下である必要がある。また、より確実に膜剥がれやピーリングを抑えるためには、1×1021atoms/cm3以下であること望ましい。
【0074】
本発明の半導体の製造方法において、非晶質ケイ素半導体膜に含まれる希ガス類から選択された元素の濃度は、上記の説明により、1×1019〜2×1021atoms/cm3の範囲内であることが望ましい。また、1×1020〜1×1021atoms/cm3の範囲内であることがさらに好適である。
【0075】
本発明の半導体装置の製造方法を用いることにより得られた結晶性を有するケイ素膜は、従来から触媒元素の残存を簡易に確認する方法として用いられている、フッ素系のエッチャントによるライトエッチング処理を行い、残存する触媒元素を顕在化させる評価試験を行っても、従来法では見られていたエッチピットは全く見られない。また、さらにシビアの評価試験として、高温で熱処理を行うことにより、残存する触媒を再凝縮させてシリサイド状態として、このシリサイド状態の触媒元素を検出する評価試験を行っても、触媒元素の再凝集が見られた前述の3公報の方法によって得られた結晶性ケイ素膜とは異なり、触媒元素の再凝集は全く見られなかった。
【0076】
本願発明者が、本発明の半導体装置の製造方法を用いて、実際に薄膜トランジスタ(TFT)を作製したところ、TFTのオフ動作時に生じる場合があるリーク電流の異常な増大現象が全く見られず、0%であった。これに対して、前述の公報に記載された従来の方法により作製されたTFTでは、TFTのオフ動作時において、リーク電流の異常な増大現象が、3%以上の確率で見られた。さらに、本発明の半導体の製造方法によって作製されたTFTを用いた液晶表示装置では、従来法により作製されTFTを用いた液晶表示装置で頻発していた線状の表示ムラ(ドライバー部でのサンプリングTFTを起因とする)、オフ動作時のリーク電流による画素欠陥も全くなく、表示品位を大幅に向上することができ、良品率を飛躍的に高めることができた。
【0077】
本発明の半導体装置の製造方法では、希ガス元素を含有する非晶質ケイ素半導体膜は、プラズマCVD法を用いることにより成膜する。
【0078】
従来、このような希ガス元素を含有する非晶質ケイ素膜を成膜する方法としては、ノンドープの非晶質ケイ素膜を成膜し、この非晶質ケイ素膜に対してイオンドーピング法を用いて希ガスイオンを注入する方法、これらの希ガスをスパッタリングガスとして、Siターゲットを用いてスパッタリング法を用いて非晶質ケイ素膜を成膜する方法が知られている。
【0079】
しかし、イオンドーピング法を用いて希ガスイオンを注入する方法では、成膜装置のほか、高価なドーピング装置を用意する必要があり、また、成膜とドーピングとをそれぞれ別工程にて行うため、生産性が悪くコストが高くなる。さらに、イオンドーピング法を用いて多量のイオンを注入するのは容易ではなく、また、タクトタイム(基板1枚当たりの処理時間)が長くなり、生産性が悪化する。一方、Siターゲットを用いたスパッタリング法を用いた場合、RFか、パルスDCによる放電が必須となるが、このような方式によって安定して放電させることは容易ではなく、異常放電が頻発するおそれがある。特に、基板のサイズが大型化すると、安定した放電の発生はさらに困難となり、500mm×500mm(500mm□)のサイズの基板でも、十分な性能を備えた量産装置は、全く市販されていない。加えて、スパッタリング特有のパーティクルが非常に多くなるという問題もある。
【0080】
これに対して、本願発明者は、プラズマCVD法を用いて、希ガス元素を含有する非晶質ケイ素膜を成膜することに成功した。プラズマCVD法では、メートルサイズのガラス基板に対する量産装置が、一般に市販されており、クリーニングガスによるチャンバークリーニングが行えるため、パーティクル対策も良好である。しかし、このプラズマCVD法は、化学反応に基づく成膜であるため、化学反応に不活性な希ガス元素は、成膜ガスとして単純に導入しても、単なるキャリアガスとして作用するたけで、成膜される非晶質ケイ素半導体膜中には、全く含まれない。
【0081】
本発明者は、プラズマCVD法を用いた非晶質ケイ素半導体膜の成膜工程において、ソースガスとして、シラン系ガスと希ガス類のガスとを少なくとも含んだものを用い、CVD電極に加えて基板側にも別バイアスを印加するデュアルバイアスにより成膜工程を行うと、成膜された非晶質ケイ素膜中に希ガス元素が多量に含まれることを見出した。この場合、CVD電極にRFバイアス(電圧)を印加し、基板側には、別にRFバイアス(電圧)を印加する方法が最も効果が高く、基板側にDCバイアスを印加した場合よりも、非晶質ケイ素半導体膜中に含まれる希ガス元素の含有量が高くなることが分かった。ただし、基板側にDC電圧を印加した場合であっても、全くバイアス電圧を印加しない場合に比較すれば、希ガス元素が含まれる効果が得られることが示されている。また、この場合、CVD電極に印加されるRFバイアスと基板側に印加されるRFバイアスの周波数はそれぞれ異なっており、CVD電極に印加されるRFバイアスの周波数よりも基板側に印加されるRFバイアスの周波数の方が小さくなっているようにすれば、プラズマのマッチングが良く、安定した放電が得られるため望ましい。
【0082】
図4は、実験により、CVD電極に100WのRFパワーを加え、基板側に加えるRFパワーを変位させた場合に得られる非晶質ケイ素半導体膜の膜中に含まれるAr濃度との関係を求めた結果を表すグラフである。本実験では、成膜ガスとして、SiH4とArとを用い、RF周波数は、CVD電極側で27.12MHz、基板側で1.6MHzとした。成膜時の基板温度は、成膜圧力によって変動する。図4を参照すると、基板側にバイアスをかけることによって、非晶質ケイ素半導体膜中に含まれるArのAr濃度は飛躍的に上昇している。基板側のバイアスパワーが0Wのときは、一般的なプラズマCVDによる成膜工程と同じ条件であり、この場合には、Arは、単にキャリアガスとして作用するのみであり、極小量のArのみが膜中に含まれることとなり、基板側にバイアスを加えることでにより、多量のAr元素が膜中に含まれるようになることが分かった。
【0083】
図5は、本発明の半導体装置の製造方法において、希ガス元素を含有する非晶質ケイ素膜を成膜する工程に使用されるプラズマCVD装置を説明するための概略図であり、(a)は、通常のプラズマCVD装置、(b)は、本発明に使用されるプラズマCVD装置を、それぞれ示している。
【0084】
図5(a)に示す通常のプラズマCVD装置は、基板に成膜反応を行うためのチャンバー503を有し、このチャンバー503内において、水平状態に基板501が載置されている。この基板501は、チャンバー503と同電位となるように、チャンバー503と共に接地されている。チャンバー503内に載置された基板501上には、基板501に対向してCVD電極502が設けられている。CVD電極502は、チャンバー503の外部に設けられたRF電源504に接続されており、チャンバー503内において、基板501に成膜する際にRF電源504からCVD電極502にRFパワーが供給されるようになっている。
【0085】
これに対して、図5(b)に示されるプラズマCVD装置は、図5(a)に示すプラズマCVD装置と同様に、チャンバー503、CVD電極502、RF電源504を有していると共に、さらに、チャンバー503の外部に、CVD電極502に供給されるRFパワーとは全く別の周波数のRFパワーを基板501に対して供給するための第2RF電源505が設けられている。このプラズマCVD装置は、チャンバー503内に載置された基板501が、第2RF電源505に接続され、接地されたチャンバー503の電位から独立している。このように、CVD電極502から供給されるRFパワーとは別周波数のRFパワーを独立して基板501に対して供給することにより、希ガス元素を含む成膜ガスを用いることにより、多量の希ガス元素が含まれた非晶質ケイ素膜を得ることができる。
【0086】
上記構成のプラズマCVD装置を用いてプラズマCVD法を行うと、希ガス元素が、基板上に形成された結晶性を有するケイ素膜に、若干量注入されるおそれがある。希ガス元素自体は、半導体装置の特性に対して悪影響を与えることはないが、本発明においては、触媒元素をゲッタリングするゲッタリング元素として用いているため、活性層となる結晶性のケイ素膜に希ガス元素が導入されれば、触媒元素をゲッタリングするゲッタリング効果が低下し、触媒元素を結晶性のケイ素膜の表面上に残留するおそれが高くなることを意味している。このような点から、本発明においては、非晶質ケイ素膜の膜中に含まれる希ガス類から選択された元素の濃度は、非晶質ケイ素膜中において一定に分布しているのではなく、膜厚方向に沿って、結晶性ケイ素膜の表面から離れるにしたがって濃度が高くなるような分布になっていることが望ましい。
【0087】
非晶質ケイ素膜中に含まれる希ガス類の濃度がこのような分布になるようにすることによって、希ガス元素の濃度分布が高い非晶質ケイ素膜の上層側では、触媒元素をゲッタリングするゲッタリング能力が高く、高濃度の触媒元素が存在することとなり、希ガス元素の濃度分布が低くなっている非晶質ケイ素膜の下層側では、ゲッタリングされた触媒元素の濃度は低くなり、結晶性のケイ素膜からゲッタリングされた触媒元素に濃度分布が生じることになる。このため、触媒元素のゲッタリングを行った後に、結晶性のケイ素膜の特に表面近傍における触媒元素の残留量を低下させることができる。
【0088】
このような膜厚方向に対して上層側に希ガス元素の濃度が高い濃度勾配を有する非晶質ケイ素膜を形成する具体的方法としては、非晶質ケイ素膜を上層と下層からなる2層構造として、上層膜が下層膜より希ガス元素を含む濃度が高くなるように形成する方法が最も単純であり、プロセス及び装置の面で安定した処理を行うことができる。
【0089】
この場合のプラズマCVD処理としては、ソースガスとしてシラン系ガスと希ガスとを少なくとも含む混合ガスを用い、希ガス濃度が低い下層膜は、図5(a)に示すプラズマCVD装置のように、CVD電極に単一のバイアスを供給することにより形成し、希ガス濃度が高い上層膜は、図5(b)に示すプラズマCVD装置のCVD電極と基板との双方にそれぞれ別バイアスを供給することにより形成する。すなわち、下層膜は、基板側にバイアスを供給しない通常のプラズマCVD法により成膜し、上層膜はCVD電極及び基板の双方にバイアスを供給する本願発明に特有のデュアルバイアスのプラズマCVD法によって、2層構造の非晶質ケイ素膜を形成する。なお、この場合、複数のチャンバーが連続したマルチチャンバーを有するプラズマCVD装置を用いることによって、大気に曝すことなく連続した2層成膜を行うことができる。
【0090】
また、図5(b)に示すプラズマCVD装置を用い、同一のチャンバー内において、基板側にRFパワーを供給する第2RF電源をオン・オフすることにより連続して、下層及び上層を成膜すれば、単層膜と成膜する場合と同一の工程数で2層膜を成膜することができ、プラズマCVD装置における処理能力の低下等の2層構造を形成する際のデメリットがなく、安定して成膜することができる。
【0091】
本発明の半導体装置の製造方法においては、触媒元素をゲッタリングするための第2の加熱処理が、本発明の効果を左右する大きなパラメーターとなっている。結晶性のケイ素膜に含まれる触媒元素を非晶質ケイ素膜にゲッタリングさせるためには、ある程度の加熱処理時間及び時間が必要となるが、結晶性のケイ素膜中に含まれる触媒元素の濃度と非晶質ケイ素膜中の触媒元素の濃度とが、少なくとも熱平衡状態において偏析状態となるような加熱処理時間及び加熱時間で行われることが最も望ましい。このような偏析状態となるような加熱処理を行えば、ゲッタリング作用は飽和した状態となり、最も高く安定したゲッタリング効果を得ることができる。これに対して、このような偏析状態に至っていない状態で加熱処理を行えば、触媒元素が中途半端な移動状態となり、プロセス面からも不安定な状態となる。
【0092】
さらに、触媒元素のゲッタリングシンクとなる非晶質ケイ素膜は、第2の加熱処理を行うことにより、少なくとも完全には結晶化しない状態で、好ましくは、結晶核が全く発生しない状態で、加熱処理を行うことが望ましい。このような加熱処理条件とすることにより、非晶質ケイ素膜に含まれる希ガス元素に加えて、非晶質ケイ素膜のダングリングボンド等の欠陥が触媒元素に対する偏析サイトとなり触媒元素を非晶質ケイ素膜に移動させてトラップする。すなわち、結晶性のケイ素膜中に含まれる触媒元素を非晶質ケイ素膜に移動させる第2の熱処理工程の全期間において、最大限のゲッタリング偏析サイトを保持しておくことができ、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができる。
【0093】
以上の観点から、実際の第2の加熱処置の条件としては、加熱温度を450℃〜550℃の範囲内とし、処理時間を30分〜4時間として行うことが望ましい。このような条件で第2の加熱処理を行えば、結晶性のケイ素膜中に含まれる触媒元素の濃度と非晶質ケイ素膜中の触媒元素の濃度とが、少なくとも熱平衡状態において偏析状態となり、また、非晶質ケイ素膜は結晶化せず、上記の2つの条件を共に満足することができる。
【0094】
本発明では、触媒元素を膜厚方向にゲッタリングするため、ゲッタリング距離が膜厚の厚さ分だけと非常に短くて済むため、加熱処理における加熱処理温度を上記の範囲内のように低温化し、また、処理時間を短時間化することができる。
【0095】
なお、加熱温度を450℃以下としても、処理時間を長くすれば上記の2つの条件を満たすことは可能であるが、処理時間の長時間化してスループットの悪化、装置台数・フットプリントの増加によって、量産プロセスとしての採用は困難である。
【0096】
また、本発明の半導体装置の製造方法において、触媒元素をゲッタリングする第2の加熱処理をメートルサイズの大きさを有する大型ガラス基板でも適用した場合に、プロセスマージンを向上させるためには、第2の加熱処理を行うための熱処理装置の構成が重要になる。
【0097】
本発明において、上記のような温度範囲で第2の加熱処置を行うための装置としては、平面形状(矩形状)を有する基板に対して概略相似形の断面形に形成された炉心管を有し、この炉心管の中に載置される基板が、基板面を炉心方向に向けられ、炉心管と基板との間のスペースが最小となるような配置となっているファーネス炉を用いることが望ましい。
【0098】
図6(a)〜(d)は、それぞれ、本発明の半導体装置の製造方法において、第2の加熱処理に使用されるファーネス炉を概略的に説明している。
【0099】
このファーネス炉は、図6(a)に示すように、複数枚の基板601を上下に互いに等間隔(図中、605にて示す)になるように水平状態に載置する石英ボード602を有しており、複数枚の基板601が載置された石英ボード602は、内部を石英ボード602を収納する中空となっている石英チューブ(炉心管)603に下方から嵌入され、この状態で基板601の加熱処理が行われる。
【0100】
石英チューブ603の断面形状は、図6(b)に示すように、基板601の外形より若干大きくなった概略相似形となる矩形状になっている。
【0101】
従来からIC等のシリコンウエハーは円形に形成されており、このようなウエハーに対して加熱処理を行うファーネス炉は、図6(c)に示すように、断面形状が円形になるように形成される。これに対して、液晶表示用のアクティブマトリクス基板等のマザーボードとなるガラス基板は、全て矩形状に形成されるため、従来のファーネス炉の石英チューブに矩形状の基板をセットすると、上面視で、基板601と石英チューブ603との間に大きな隙間606が生じることとなる。このような隙間606が生じると、加熱処理の際の昇降温時に基板601内に発生する温度分布が大きく、例えば、基板601の周辺部と中央部との間で、200℃を超えるような温度分布が発生し、この温度分布の発生による影響によって、基板に反り、割れ等が頻発するおそれがある。
【0102】
本発明者は、石英チューブの603の側周部と基板601の側部との間に形成された隙間606と、各基板601間の基板ピッチ605とが、ファーネス炉による加熱処理における昇降温時の基板601内の温度分布に対する大きなパラメータであることを見出した。さらに、このようなパラメータを適正にすることにより、基板601の昇降温速度を従来の装置よりも向上させて、処理能力の向上を図ることができることも見出した。
【0103】
石英チューブ603の上部から供給されてファーネス炉中に流通される雰囲気ガスのガス流れは、図6(d)の矢印609〜611に示すように石英チューブ603の内周部と基板601の側縁との間に形成された隙間606を通って各基板601の表面に沿う流れとなる。このような矢印611に示す流れによって基板601上に供給される雰囲気ガスのガス供給量は、基板601と石英チューブ603との間の隙間606を流れる雰囲気ガス610の流速に比例し、また、各基板間の基板ピッチ605の二乗に比例する。したがって、矢印610に示す雰囲気ガスの流速を大きくするためには、供給ガスのガス供給量を増やすだけでは不十分であり、石英チューブ603と基板601との間の隙間606を最小にすることにより、雰囲気ガスの流速を向上することができる。
【0104】
本発明の半導体装置の製造方法に使用されるファーネス炉では、基板601よりも若干大きい概略相似形の矩形断面を有する炉心管(石英チューブ)603を用いており、基板601と石英チューブ603との間の隙間606を基板601の外縁周の全体にわたって最小にすることができる。これにより、各基板601間に形成される基板ピッチ605の最適化と併せて、昇降温時における基板601内に発生する温度分布をほぼ一定に保つことができ、メートルサイズの大きさを有する大型のガラス基板を第2の加熱処理しても、割れ、反り等がない安定した処理を行うことが可能となる。このようなことは、図6(c)に示す従来の円形の石英チューブ603を用いても、基板601と石英チューブ603との間の隙間が広くなっている部分が生じるため、実現することができない。
【0105】
複数の基板601をセットした石英ボード602は、加熱処理の開始前には、石英チューブ603下方のホームポジション607に位置しており、このホームポジション607で、200℃程度のある程度の余熱が行われる。そして、加熱処理を行う場合には、矢印604に示す方向に石英チューブ603内に嵌入していくようにし、この石英チューブ603への嵌入と同時に石英チューブ603内の昇温がなされ、石英ボード602の全体が石英チューブ603内に嵌入して、加熱処理を行うための所定位置(アニールゾーン)608に入った時点で、加熱処理が開始される。また、加熱処理後の降温は、逆に、石英ボード602を余熱ゾーンとなっているホームポジション607に移動させることにより行われる。
【0106】
なお、図6(a)に示すファーネス炉は、クラスター状に連結した複数の石英ボード602を収納するようなマルチチャンバー構成の石英チューブ603を備える構成とし、多数の基板601をセットした複数の石英ボード602を同時に加熱処理できるようにすることにより、非常に高い処理能力を有する加熱装置とすることができる。
【0107】
また、本発明の半導体装置の製造方法における第2の加熱処理としては、上記のファーネス炉を用いた加熱処理の他に、高速熱アニ−ル処理によって、加熱温度を600℃〜750℃の温度範囲とし、10秒〜10分にわたる処理時間で処理を行ってもよい。このような加熱温度、処理時間の範囲内であれば、第2の加熱処理として、結晶性のケイ素膜中に含まれる触媒元素の濃度と非晶質ケイ素膜中の触媒元素の濃度とが、少なくとも熱平衡状態において偏析状態となり、また、非晶質ケイ素膜は結晶化せず、上記の2つの条件を共に満足することができる。さらに、このような高速熱アニール条件により加熱処理を行えば、処理温度は高くなるが、処理時間は非常に短縮されているため、マザーボード(ガラス基板)の大型化・薄板化に対して、基板の熱的変形を抑制することができ、十分に適用することができることを本発明者らは、実験により確かめている。
【0108】
このような高速熱アニールを行うための装置としては、一般的に、タングステン−ハロゲンランプ、アークランプ等によるランプ照射方式がある。しかしながら、このようなランプ方式を用いた装置では、ランプ照度のムラが発生し、コンベア方式によって基板を搬送した場合に、基板の搬送によって加熱処理の昇降温時に基板内に熱むらが発生し、メートルサイズの大型ガラス基板に対する均一な熱処理が容易ではなく、基板に反り・割れ等の熱変化が発生しやすくなる。また、高速熱アニール法を用いて、基板上の温度の均一性が保たれない場合には、基板上において、触媒元素が十分にゲッタリングされない領域、非晶質ケイ素半導体膜が結晶化して、ゲッタリング効果が低下した領域が生じるため、高速熱アニー法を用いる場合には、高い温度均一性が要求される。
【0109】
このため、本発明における高速熱アニール処理装置としては、高温に加熱された窒素等の不活性ガスを基板表面に均一に吹き付けることにより行うものであることが望ましい。
【0110】
図7は、このような方式の高速熱アニール装置を示す概略図である。
【0111】
この高速熱アニール装置は、基板一枚ずつを順次処理する枚葉方式が用いられる。この高速熱アニール装置は、基板701の表面上及び側部を覆うように設けられて、基板701の表面上を熱アニール雰囲気とする石英チューブ703を有している。この石英チューブ703の下方は開放されており、基板701を石英チューブ703内に収納された状態に水平状態に支持する石英テーブル702が設けられている。この石英テーブル702は、水平な板状の平坦部702aと、この平坦部702aの所望の位置から上方に突出する複数の突出部702bとを有しており、基板701は、平坦部702aから突出する複数の突出部702bの各先端によって点支持される。この石英テーブル702は上下に移動可能に設けられており、基板701に熱アニールを行う際には、図中の矢印704に沿って上部に移動される。
【0112】
石英チューブ703の上部の略中央部には、ガス導入通路703aが設けられており、このガス導入通路703aによって石英チューブ703内に窒素ガスが導入される。石英チューブ703内には、石英テーブル702によって支持された基板701に対向して、基板701表面に対して均一に窒素ガスを吹き付けるための多数の微小穴を有するシャワープレート705が設けられている。石英チューブ703の外部には、側部及び上部のそれぞれに、石英チューブ703内に導入される窒素ガスを加熱するためのヒーター706が設けられている。石英チューブ703の上部に設けられたヒーター706は、基板701に対して熱処理を行う窒素ガスを加熱するためのメインヒーターとして備えられており、石英チューブ703の側部に設けられたヒーター706は、熱が外部に逃げることを防止することにより基板701内の温度を均一に維持するために設けられたものである。
【0113】
この高速熱アニール装置では、ガス導入通路703aから導入された窒素ガスが、石英チューブ703内にて加熱され、加熱された窒素ガスがシャワープレート705に形成された微小穴から基板701の表面に向けて均一に吹き付けられる。石英テーブル702に支持された基板701は、矢印704に示すように、石英チューブ703の上方に移動され、基板701とシャワープレート705との間隔が、1cm程度になる位置に保持される。基板701の昇降温速度は、石英テーブル702の昇降速度を調整することにより制御する。
【0114】
このような構成の高速熱アニール装置を用いて、基板701を加熱処理することにより、昇降温時における基板701内の温度分布をほぼ一定に保つことができ、メートルサイズの大きさを有する大型ガラス基板に対して、割れ、反りのない安定した加熱処理を実現することができる。また、大型の基板を加熱処理した場合に、基板内の温度分布は極めて良好となり、ファーネス炉を用いた場合と同程度の良好な温度均一性を確保することができる。さらに、この高速熱アニール装置を用いると、従来のランプ方式のアニール装置ではランプを照射する全期間にわたって、基板の温度が上昇し、温度をコントロールすることができなかったが、上記の高速熱アニール装置では、設定した温度プロファイルで一定の処理温度で安定した加熱処理を行うことができる。
【0115】
なお、図7に示す高速熱アニール装置では、単一の基板を順次処理する枚葉方式を用いているが、上記構成の石英チューブをクラスター状に連結して、同時に複数の基板を処理するマルチチャンバー化することによって、非常に高い処理能力を有する熱アニール装置を小型のフットプリントで実現することができる。
【0116】
本発明の半導体装置の製造方法において、半導体装置の活性領域となる結晶性のケイ素半導体膜上に設けられる非晶質ケイ素膜は、第2の加熱処理により触媒元素をゲッタリングした後は不必要なものであり、除去する必要がある。この非晶質ケイ素膜を除去する際には、下層の活性領域となる結晶性のケイ素膜を残したまま、上層の非晶質ケイ素膜のみを除去する必要がある。
【0117】
そこで、このような上層の非晶質ケイ素膜のみを除去するために、下層の結晶性ケイ素膜と上層の非晶質ケイ素膜との間で、ほぼ100%のエッチング選択性を有するエッチング処理を行うことが望ましいが、実際には、上層の非晶質ケイ素膜と下層の結晶性のケイ素膜は、同様のケイ素系材料であるため、選択エッチング処理は不可能である。
【0118】
このため、本発明の半導体装置の製造方法では、活性領域となる結晶性のケイ素膜と非晶質ケイ素膜との間に、非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパーとなるバリア薄膜を設けることが有効である。このバリア薄膜としては、非晶質ケイ素膜を除去する際のエッチングストッパーとして十分なエッチング選択比を有していることが必要であるが、本発明においては、触媒元素をゲッタリングする第2の加熱処理を行う際に、下層の結晶性のケイ素膜に含まれる触媒元素が、このバリア薄膜を介して上層の非晶質ケイ素膜に移動させる必要があるため、バリア薄膜としては、この触媒元素のゲッタリングを阻害しないものを用いる必要がある。このため、結晶性のケイ素膜と非晶質ケイ素膜との間に設けられるバリア薄膜としては、膜厚50Å以下の酸化ケイ素膜を用いることが望ましい。このような膜を用いれば、非晶質ケイ素膜との間で十分なエッチング選択性を有し、且つ、第2の加熱処理において、結晶性のケイ素膜から非晶質ケイ素膜への触媒元素のゲッタリングを阻害しない。また、酸化ケイ素膜の膜厚が50Åより厚くなれば、結晶性のケイ素膜から非晶質ケイ素膜への触媒元素のゲッタリングが十分に行われず、高いゲッタリング効果を得ることはできない。
【0119】
また、本発明の半導体装置の製造方法において、触媒元素の導入によって結晶化が助長された結晶性のケイ素膜の結晶性をさらに向上し、半導体体装置の性能、特に、電流駆動能力を向上させる方法として、触媒元素の導入により結晶化を促進した結晶性のケイ素膜に対して、レーザー光を照射する工程をさらに追加することが有効である。通常の固相成長法で形成した結晶性ケイ素膜は、結晶構造が双晶状態であるため、強光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥として残るが、触媒元素の導入によって結晶化が促進された結晶性のケイ素半導体膜に、レーザー光を照射すると、触媒元素を導入し結晶化した結晶性ケイ素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるため、強光の照射により結晶粒界部が処理されると、結晶性ケイ素膜と非晶質ケイ素膜との融点の相違から結晶粒界部や微小な残留非晶質領域(未結晶化領域)が集中的に処理されて、基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜が得られる。このようにして得られる結晶性のケイ素膜は、結晶性の観点から、その有効性は非常に高い。また、このレーザー光の照射は、元々結晶性を有するケイ素膜に対して行うのであるため、非晶質ケイ素膜に、直接レーザー照射し結晶化する方法とは異なり、レーザー光の照射のばらつきは大きく緩和され、均一性上の問題も生じない。
【0120】
触媒元素の導入による固相結晶化で得られた結晶性のケイ素膜に、レーザー光を照射すると、触媒元素の存在形態に変化が生じる。この触媒元素の存在形態の変化は、具体的には、シリサイドとしての凝集・再凝集である。活性領域となる結晶性のケイ素膜から触媒元素を取り除くゲッタリング工程は、完全に活性領域を構成する結晶性ケイ素膜の結晶状態が固まってから行うこととすれば、理想的なゲッタリングを行うことができるため望ましい。逆に言うと、触媒元素をゲッタリングした後にレーザー光の照射により結晶性を助長する処理を行った場合、ゲッタリングした後に、結晶性のケイ素膜に残留し固溶している触媒元素が再凝集してシリサイド化し、半導体素子に電気的悪影響を与える可能性がある。このため、本発明において、このようなレーザー光照射処理を行う工程は、活性領域となる結晶性ケイ素膜上に非晶質ケイ素膜を設ける工程の前、すなわち、触媒元素を非晶質ケイ素膜へゲッタリングする前に行うことが望ましい。
【0121】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素の種類として、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Au等のうち一種、または、これらから選ばれた複数種類の元素を用いることができ、これらを触媒元素として用いれば、微量で結晶化を助長することができる。
【0122】
これらの触媒元素は、単独では作用せず、非晶質ケイ素膜のケイ素原子と結合しシリサイド化することにより結晶成長を促進するため、触媒元素のシリサイド化合物における格子定数が単結晶ケイ素の格子定数に近似していることが好ましい。Niは、2原子のSiとシリサイド化合物であるNiSi2を形成する。NiSi2は、蛍石型の結晶構造を有し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似している。しかも、5.430Åの格子定数を有するダイヤモンド構造の結晶ケイ素に対して、NiSi2は、その格子定数が5.406Åであり、ケイ素の格子定数に最も近くなっている。したがって、NiSi2は、非晶質ケイ素膜の結晶化に際して、最も優れた鋳型となり、非晶質ケイ素膜の結晶化が最も促進されるため、Niが触媒元素として好適である。
【0123】
本発明の半導体装置の製造方法を用いて得られる半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性を有するケイ素膜を活性領域として構成される半導体装置であり、この活性領域に使用される結晶性のケイ素膜は、絶縁表面上に形成された非晶質ケイ素膜に、結晶化を助長する触媒元素を導入して加熱することにより結晶化され、触媒元素を含む結晶性のケイ素膜上に形成された希ガス類を含む非晶質ケイ素膜に、加熱処理により触媒元素をゲッタリングすることにより得られたものである。この活性領域となる結晶性ケイ素膜は、その全領域にわたって、触媒元素が結晶性のケイ素の格子間に固溶しており、且つ、触媒元素が、活性領域の全域にわたって均一に分布していることを特徴としている。すなわち、この半導体装置では、チャネル領域、ソース・ドレイン領域にわたって、触媒元素が、ケイ素膜の格子間に固溶している状態で、且つ、均一に分布したものである。
【0124】
このような特徴は、本発明の半導体装置のみによって得られるものである。このような特性の半導体装置は、触媒元素によるオフ電流の増大、信頼性の悪化等の悪影響が生じない半導体装置となる。結晶性のケイ素膜中にケイ素の格子間に固溶した状態で触媒元素を含むことにより、従来の触媒元素を用いずに作製した従来の半導体装置に比較して良好な結晶状態を保持することができ、高い電流駆動能力を得ることができる。
【0125】
このような半導体装置の活性領域の全域にわたって均一に分布している触媒元素の濃度としては、1×1015〜1×1017atoms/cm3の範囲内であることが好適である。活性領域中の触媒元素の濃度を1×1017atoms/cm3以下とすることにより、触媒元素が半導体素子の特性に及ぼす悪影響は全く見られなくなる。逆に、触媒元素を導入して非晶質ケイ素半導体を結晶化する場合、1×1015atoms/cm3を最低限とする濃度の触媒元素は活性領域に残留し、これ以下の濃度に低減することは不可能である。
【0126】
また、触媒元素が、上記の範囲内の濃度で残留することにより、触媒元素が、結晶欠陥、ダングリングボンド等と結合して、トラップ密度を減少させる効果がある。したがって、本発明の半導体装置では、触媒元素が全く存在しないものと比較して、高い電流駆動能力を有している。この場合、活性領域に含まれる触媒元素としては、Ni元素であれば、高い結晶化作用に加えて、ケイ素の結晶の格子間に存在しても格子間歪みをほとんど発生させず、キャリアに対する散乱原因とならないため、Niを用いることが最も望ましい。
【0127】
また、本発明の半導体装置におけるさらに他の特徴として、活性領域の表面近傍において、微量の希ガス類から選択された元素が含有されている点がある。これは、触媒元素をゲッタリングするための非晶質ケイ素膜を結晶性のケイ素膜上に成膜する際、下層の結晶性のケイ素膜の表面の一部に、希ガス類が注入されることに起因する。このことは、本発明を用いた結果得られる半導体装置の構造上の特徴となっている。
【0128】
このような半導体装置の活性領域となる結晶性ケイ素半導体膜の表面近傍に含有される希ガス類元素の表面濃度は、1×1010〜1×1012atoms/cm2の範囲内であることが望ましい。希ガス類の元素は、半導体装置の電気特性に影響を及ぼさないが、キャリアに対する散乱中心となり、希ガス類の元素の濃度が、1×1012atoms/cm2を超えると、希ガス元素が含有されていることにより電流駆動能力が低下する。また、非晶質ケイ素膜への触媒元素のゲッタリングが十分に行われず、活性領域となる結晶性のケイ素膜の表面近傍に、前記5×1016atoms/cm2の適正な濃度の上限を超えて触媒元素が残留するおそれが生じる。また、逆に、希ガス類の元素の濃度が、1×1010atoms/cm2以下であると、現状の測定技術で最も精度が高いと思われる全反射蛍光X線法での測定下限となり、この濃度以上でないと十分な測定値として判別できない。
【0129】
また、活性領域となる結晶性ケイ素膜の表面近傍に含まれる希ガス元素類としては、前述のように、最もゲッタリング元素としての能力が高いことからAr元素が望ましい。
【0130】
以下、本発明の半導体装置の製造方法を用いた具体的な実施例について説明する。
【0131】
(実施例1)
本実施例1では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路、画素部分、薄膜集積回路に用いられる、N型TFTをガラス基板上に作製する工程について説明する。
【0132】
図1(a)〜(g)は、それぞれ、本実施例1のNチャネル型TFTを製造する工程を工程毎に説明する断面図である。
【0133】
本実施例1のNチャネル型TFTを製造するには、まず、図1(a)に示すように、後の工程によりガラス基板101から不純物が拡散することを防止するため、ガラス基板101上に、例えば、プラズマCVD法によって、300〜500nm程度の膜厚を有する酸化ケイ素からなる下地膜102を形成する。次に、プラズマCVD法を用いて、厚さ20〜80nm、例えば、40nmの真性(I型)の非晶質のケイ素半導体膜(a−Si膜)103を成膜する。本実施例1では、ガラス基板101として、320mm×400mmで厚さ0.7mmtのコーニング社コード1737のノンアニール品ガラス基板を用い、また、プラズマCVD装置としては、平行平板式のプラズマCVD装置を用い、加熱温度を300℃として、材料ガスとして、SiH4ガスとH2ガスとを用いた。また、CVD電極に供給されるRFパワーのパワー密度を10〜200mW/cm3の範囲、例えば、80mW/cm3としてa−Si膜103を成膜した。
【0134】
次に、a−Si膜103の表面上に微量のニッケル104を添加する。ニッケル104の添加は、ニッケル104を溶解した溶液をa−Si膜103上に保持し、スピナーによりニッケル溶液を基板101上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施例1では、溶質として酢酸ニッケル、溶媒として水を用い、溶液中のニッケル濃度が10ppmとなるように調整した。添加されたニッケル104の濃度は、全反射蛍光X線分析(TRXRF)法を用いた測定により、7×1012atoms/m3程度であった。
【0135】
次に、微量のニッケル104が添加されたa−Si膜103を不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素ガス雰囲気下で加熱処理を行う。この加熱処理においては、昇温途中に、まず、a−Si膜103中に含まれる水素の離脱処理を行い、その後さらに高温条件として、a−Si膜103の結晶化を行った。具体的には、第1ステップの加熱処理として450℃〜520℃の温度条件として1〜2時間にわたる処理時間によりアニール処理を行い、第2ステップの加熱処理として、520℃〜570℃の温度条件で2〜8時間にわたる処理時間によりアニール処理を行う。本実施例1では、500℃の温度条件で1時間にわたる加熱処理を行った後、550℃の温度条件で4時間にわたる加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜103の表面に添加されたニッケル104は、a−Si膜103中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、このシリサイドを核として、a−Si膜103の結晶化が進行する。この結果、図1(b)に示すように、a−Si膜103は結晶化され、結晶性のケイ素半導体膜103となる。
【0136】
次いで、図1(b)に示すように、レーザー光105を結晶性のケイ素膜103上に照射することにより、結晶性のケイ素膜103を再結晶化し、その結晶性を向上させる。このときのパルスレーザー光として、本実施例1では、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用いた。レーザー光105の照射条件は、照射時に基板101を200〜450℃、例えば400℃に加熱し、エネルギー密度を250〜450mJ/cm3、例えば、350mJ/cm3で照射する照射条件とした。また、レーザー光105のビームサイズは、基板101の表面上で150mm×1mmの長尺形状となるようなビームスポットに成型し、このビームスポットの長尺方向に対して垂直な方向に0.5mmのステップ幅で順次走査した。これにより、結晶性のケイ素膜103の任意の一点について、計20回のレーザー光105の照射が行われることになる。このようなレーザー光105が繰り返して照射されることにより、固相結晶化により得られた結晶性のケイ素膜103は、レーザー光105の照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減された、より高品質な結晶成のケイ素膜となる。
【0137】
次に、図1(c)に示すように、後の工程で成膜される非晶質ケイ素膜をエッチングにより除去する際にエッチグストッパとなる酸化ケイ素膜106を形成する。この酸化ケイ素膜106の形成は、結晶性のケイ素膜103の表面にオゾン水を保持することにより行った。このときのオゾン水は、オゾン濃度が5mg/L以上であることが望ましく、本実施例1では、8mg/Lとした。また、結晶性のケイ素膜103の表面におけるオゾン水の保持時間は、1分とした。この場合、より緻密な酸化ケイ素膜106を形成するためには、オゾン水による処理の前に、結晶性のケイ素膜103表面の自然酸化膜を取り除いておくことが望ましく、本実施例1でも、フッ酸洗浄を行い、活性なケイ素膜103表面を露出させてから、オゾン水による処理を行った。このようにして形成された酸化ケイ素膜106の膜厚は、分光エリプソで測定した結果、約30Åになっていた。
【0138】
次いで、プラズマCVD法を用いて、酸化ケイ素膜106の上面の全面にわたって、Arを含有するa−Si膜107を形成する。このa−Si膜107の膜厚としては、30〜150nmの範囲内であることが望ましく、本実施例1では、50nmとした。
【0139】
このa−Si膜107の成膜は、図5(b)に示すデュアルバイアス・デュアルフレクェンシー方式のプラズマCVD装置を用いて行った。このときのa−Si膜107の成膜条件は、基板101の加熱温度を300℃とし、SiH4ガスとArガスとを材料ガスとして用い、各材料ガスの流量をSiH4が100sccm、Arが5000sccmとした。また、成膜圧力は低いほど、成膜されるa−Si膜107中に含まれるArの含有量が増加する傾向があり、また、図5に示すプラズマCVD装置において、基板側に供給されるRF周波数は、CVD電極に供給されるRF周波数より、CVD電極の1/10〜1/50程度に小さく設定されていることが望ましく、また、基板側に供給されるRFパワーは、大きい程a−Si膜107中に含まれるArの含量が増加するが、膜厚分布の悪化とのトレードオフから、CVD電極のRFパワーに対して1〜5倍であることが望ましい。本実施例1では、0.7Torrとした。また、図5(b)に示すプラズマCVD装置のCVD電極に供給されるRF周波数を27.1MHz、RFパワーを100Wとし、基板側に供給されるRF周波数を1.6MHz、RFパワーを300Wとした。
【0140】
このようにして得られるa−Si膜107に含まれるアルゴンの濃度は、1×1019〜2×1021atoms/cm3の範囲内であることが望ましく、本実施例1の成膜条件で成膜を行うと、Arの濃度は、2×1020atoms/cm3程度の濃度となった。
【0141】
次に、図1(d)に示すように、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素雰囲気下として加熱処理を施す。この加熱処理の処理温度及び処理時間としては、450〜550℃の温度範囲内で30分〜4時間にわたる処理時間とすることが望ましい。本実施例1では、処理温度を520℃とし処理時間を2時間として加熱処理を行った。昇温速度としては、基板101を200℃程度に余熱した状態から520℃まで30分で(昇温速度:約10℃/分)昇温し、処理後には520℃から200℃まで同じく30分で降温した。
【0142】
この加熱処理において、触媒元素をゲッタリングする上層のa−Si膜107では、結晶核は発生せず、非晶質状態のまま維持される。このため、アルゴンによる歪み・欠陥を偏析サイトとするゲッタリング効果がより助長され、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができる。
【0143】
本実施例1では、ガラス基板101として、320mm×400mmで厚さ0.7mmtのコーニング社コード1737のノンアニール品ガラス基板を用いているが、この加熱処理による反り・たわみ、割れ等は発生しなかった。さらに、本発明者らの実験では、他のメートルサイズの大型ガラス基板でも、上記の加熱処理によって、反り・たわみ、割れ等が発生することがなく、使用可能であることを確認している。
【0144】
また、本実施例1においては、図6に示すような、基板101の平面形状と概略相似形の断面形状をもつ炉心管の中に、基板面を炉心方向に向け、炉心管と基板との間のスペースを最小となるような配置としたファーネス炉を用いて加熱処理を行った。炉心管は、本実施例1で使用したガラス基板サイズの320mm×400mmより一回り大きな矩形状をもつ断面に構成されており、基板を収納するための炉心管内部のスペースの大きさは、400mm×480mmになっている。一回の加熱処理を同時に行うために炉心管にチャージされる基板のチャージ枚数は20枚となっている。そして、窒素ガスが炉心管の上方より供給され、各基板間に拡散され、各基板を面内均一に加熱することが可能になっている。図6において、石英チューブ(炉心管)603は、石英チューブ603の外部に設けられたヒーターによって、520℃に加熱されており、チューブ603下のホームポジション607では、200℃に余熱されている。そして、矢印604に示すように、基板601をチャージした石英ボート602がチューブ603内へと入っていくと共に昇温がなされ、石英ボード602の全体が、アニールゾーン608に完全に挿入されることによって、基板601の熱処理がスタートされる。降温は、石英ボート602を余熱ゾーンであるホームポジション607に降ろすことによって行われる。このような装置を用いることによって、昇降温速度を高速化することができると共に、昇降温時の基板内の温度分布をほぼ一定に保つことができ、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても、割れや反りの無い安定した処理が実現可能である。
【0145】
図6に示す装置を使用することによる加熱処理により、アルゴンを含むa−Si膜107は全く結晶化されず、アルゴンを含むことによって発生するa−Si膜107中の格子歪み・欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって下層の結晶性のケイ素膜103中のニッケル104が、図1(d)の矢印108に示すように上方のa−Si膜107の方向に向かって移動される。このときニッケル104は薄膜の酸化ケイ素膜106を通過して移動するが、本実施例1では、酸化ケイ素膜106が薄膜に形成されているため、ニッケル104の移動の妨げとはならない。その結果、結晶性のケイ素膜103中に含まれるニッケル104は、そのほとんどが上層のアルゴンを含むa−Si膜107へと移動され、このa−Si膜107中において、ニッケル濃度が高くなり、下層の結晶性のケイ素膜103に含まれるニッケル濃度は大幅に低減され、残留するニッケル104が低減されて、ニッケル濃度が低い高品質な結晶性のケイ素膜103を得ることができる。
【0146】
このように、520℃の加熱温度で、2時間にわたる処理時間によって加熱処理を行えば、結晶性のケイ素膜103中に含まれるニッケル濃度とゲッタリングシンクである上層のアルゴンを含むa−Si膜107中に含まれるニッケル濃度とは、熱平衡状態の偏析状態となり、それ以上、処理時間を長時間化しても、ニッケル104はゲッタリングしない状態となっており、安定した状態となっている。このときの実際の結晶性のケイ素膜103中に含まれるニッケル濃度を二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ、ニッケルの濃度は、1×1016atoms/cm3程度にまで低減されていた。この段階で結晶性のケイ素膜103中に残留しているニッケル104は、シリサイド状態ではなく、ケイ素の格子間に固溶した状態で存在しているため、TFTの電気特性上問題とならない。
【0147】
次に、ニッケル104をゲッタリングし、ニッケル濃度が高くなったa−Si膜107の全体をエッチングにより除去する。このときのエッチングとしては、a−Si膜107の下層の酸化ケイ素膜106がエッチングストッパーとして十分作用するように、酸化ケイ素膜と十分エッチング選択比のあるエッチャントが求められる。本実施例1では、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、エッチングによりa−Si膜107を除去した後、酸化ケイ素膜106をエッチング除去する。このときのエッチャントとしては、結晶性のケイ素膜に対して上層となる酸化ケイ素膜106と選択性のある1:100バッファードフッ酸(BHF)を用い、ウェットエッチングにより除去した。この状態で結晶性のケイ素膜103の表面を全反射蛍光X線法で測定すると、約1×1011atoms/cm3のAr元素が確認された。これは、アルゴンを含むa−Si膜107を成膜した際に、若干のAr元素が、下層の結晶性のケイ素膜103に打ち込まれたことを示している。
【0148】
その後、結晶性のケイ素膜103の不要な部分をエッチングにより除去して素子間分離を行う。このような工程を経て、図1(e)に示すように、後の工程で、TFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜109が形成される。
【0149】
次に、図1(f)に示すように、活性領域となる結晶性のケイ素膜109上を覆うように、20〜150nmの膜厚、例えば、100nmの膜厚にゲート絶縁膜である酸化ケイ素膜110を成膜する。この酸化ケイ素膜110の形成には、本実施例1では、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料として、酸素共存下に基板温度を150〜600℃、好ましくは、300〜450℃に加温して、RFプラズマCVD法により分解・堆積した。あるいは、TEOSを原料として、オゾンガス共存下に基板温度を350〜600℃、好ましくは、400〜550℃に加温して、減圧CVD法もしくは常圧CVD法により酸化ケイ素膜110を形成してもよい。酸化ケイ素膜110の成膜後、酸化ケイ素膜110自体のバルク特性、結晶性のケイ素膜109と酸化ケイ素膜110との界面特性を向上するため、不活性ガス雰囲気下で、500〜600℃の温度条件で、1〜4時間にわたる熱アニールを行った。
【0150】
続いて、スパッタリング法によって、400〜800nmの膜厚、例えば、600nmの膜厚にアルミニウムを成膜し、これをパターニングして、結晶性のケイ素109膜上となる所定の部分に位置するゲート電極111を形成する。次いで、このアルミニウムからなるゲート電極111の表面を陽極酸化することにより、ゲート電極111の表面上に酸化物層112を形成する。なお、本実施例1にて作製されるTFTをアクティブマトリクス基板の画素TFTとする場合には、このゲート電極111は、ゲートバスラインを構成する際に、同時に同一平面上に形成されることとなる。ゲート電極111の陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエチレングリコール溶液中で、最初に一定電流を流した後に220Vまで電圧を上げ、その状態で1時間保持することにより得られる。得られた酸化物層112の厚さは200nmであった。なお、この酸化物層112は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるため、オフセットゲート領域の長さを上記の陽極酸化工程によって決定することができる。
【0151】
続いて、イオンドーピング法を用いて、不純物であるリンを注入する。この場合、酸化ケイ素膜110上に形成されたゲート電極111及び酸化物層112がマスクとなり、ゲート電極111の下の部分に該当する結晶性のケイ素膜109中にはリンは注入されない。本実施例1では、リンをドーピングするためのドーピングガスとして、フォスフィン(PH3)を用い、ドーピング条件としては、加速電圧を60〜90kV、例えば、80kVとし、ドーズ量を1×1015〜8×1015cm-2、例えば、2×1015cm-2とした。
【0152】
この工程により、ゲート電極111にマスクされてリンが注入されない結晶性のケイ素膜109の領域は、後にTFTのチャネル領域114となる。また、ゲート電極111にマスクされずにリンが注入された結晶性のケイ素膜109の領域は、後にTFTのソース/ドレイン領域116となる。
【0153】
次に、図1(f)に示すように、レーザー光119を照射してアニールを行うことにより、イオン注入した不純物を活性化すると同時に、上記の不純物の導入工程により結晶性が劣化した部分の結晶性を改善する。
【0154】
この際、レーザー光119としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用い、エネルギー密度を150〜400mJ/cm2、好ましくは、200〜250mJ/cm2とした。このようにして形成されたN型不純物領域のシート抵抗は、200〜500Ω/□となった。
【0155】
次に、図1(g)に示すように、600nm程度の膜厚の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を形成して層間絶縁膜120とする。層間絶縁膜120として酸化ケイ素膜を形成する場合は、TEOSを原料として、酸素共存下でのプラズマCVD法、もしくは、オゾン共存下での減圧CVD法あるいは常圧CVD法を用いることにより、段差被覆性に優れた良好な酸化ケイ素膜が形成される。また、層間絶縁膜として、窒化ケイ素膜を形成する場合は、SiH4及びNH3を原料ガスとしてプラズマCVD法を用いることにより窒化ケイ素膜が形成される。この窒化ケイ素膜は、活性領域となる結晶性のケイ素膜109とゲート絶縁膜110との界面に水素原子を供給して、TFT特性を劣化させる不対結合手を低減することができる。
【0156】
次いで、層間絶縁膜120のTFTの結晶性のケイ素膜109上のソース領域/ドレイン領域116に該当する部分に、これらの領域に到達するコンタクトホールを形成する。層間絶縁膜120に形成されたコンタクトホールには、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムとの二層膜によって、TFTのソース領域及びドレイン領域に電気的に接続される電極・配線121を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散することを防止するためのバリア膜として設けられる。また、このTFTを液晶表示装置の画素スイッチング用等に用いる場合には、ドレイン電極には、ITO等の透明導電膜からなる画素電極を用いればよい。さらに、この場合、他方のソース電極には、ソースバスラインを構成することになり、このソースバスラインを介して、ビデオ信号等の電気信号が供給され、ゲートバスラインのゲート信号に基づいて、画素電極に必要な電荷が書き込まれる。
【0157】
最後に、1気圧の水蒸気雰囲気下、350℃の温度条件として1時間にわたるアニールを行い、所望のTFT122を完成させる。なお、このTFT122を保護するために、さらに、窒化ケイ素膜等の保護膜を設けてもよい。
【0158】
以上説明した工程を経て製造されるTFTは、電界効果移動度が250cm2/Vs程度、閾値電圧が1.5V程度となり、非常に高性能な性能が得られた。このような性能は、触媒元素を用いずに作製した従来のTFTと比較しても性能面で全く差がなく、製造歩留まりを大きく向上することができた。さらに、このTFTでは、従来法により製造されるTFTに頻繁に見られたTFTのオフ動作時のリーク電流の異常な増大が全くなく、単位W当たり1pA以下と、非常に低い値を安定して示した。
【0159】
さらに、本実施例1のTFTは、繰り返し測定、バイアス、温度ストレスによる耐久性試験を行っても特性劣化がほとんどみられず、従来の方法により製造されたTFTに比較しても非常に信頼性が高い。
【0160】
本実施例1のTFTを用いた液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、従来法により作製されたTFTを用いたものに比較して表示ムラが明らかに少なく、TFTリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルを得ることができた。
【0161】
なお、以上に説明した本実施例1のTFT作製工程は、アクティブマトリクス基板の画素電極を対象として説明を行ったが、本実施例1のTFTは、薄膜集積回路等にも適用可能であり、その場合は、ゲート電極上にもコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。
(実施例2)
本実施例2では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路、一般の薄膜集積回路を形成するNチャネル型TFTとPチャネル型TFTとを相補的に構成したCMOS構造を有する回路をガラス基板上に作製する工程について説明する。
【0162】
図2(a)〜(g)は、それぞれ、本実施例2のNチャネル型TFTとPチャネル型TFTとを相補的に構成したCMOS構造を製造する工程を工程毎に説明する断面図である。
【0163】
本実施例2のCMOS構造を製造する場合には、まず、図2(a)に示すように、後の工程によりガラス基板201から不純物が拡散することを防止するため、ガラス基板201上に、例えば、プラズマCVD法によって、300〜500nm程度の膜厚を有する酸化ケイ素からなる下地膜202を形成する。次に、プラズマCVD法を用いて、厚さ20〜80nm、例えば、40nmの真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)203を成膜する。本実施例2では、ガラス基板201として、320mm×400mmで、厚さ0.7mmtのコーニング社コード1737のノンアニール品ガラス基板を用い、また、プラズマCVD装置としては、平行平板式のプラズマCVD装置を用い、加熱温度を300℃として、材料ガスとして、SiH4ガスとH2ガスとを用いた。また、CVD電極に供給されるRFパワーのパワー密度を10〜200mW/cm2の範囲、例えば、80mW/cm2としてa−Si膜203を成膜した。
【0164】
次に、a−Si膜203の表面上に微量のニッケル204を添加する。ニッケル204の添加は、ニッケル204を溶解した溶液をa−Si膜203上に保持し、スピナーによりニッケル溶液を基板201上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施例2では、溶質として酢酸ニッケル、溶媒としてエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度が1ppmとなるように調整した。添加されたニッケルの濃度は、全反射蛍光X線分析(TRXRF)法を用いた測定により、5×1012atoma/cm3程度であった。
【0165】
次に、微量のニッケル204が添加されたa−Si膜203を不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素ガス雰囲気下で加熱処理を行う。この加熱処理においては、520〜570℃の温度条件で、2〜8時間にわたるアニール処理を行うことが望ましく、本実施例2では、550℃の温度条件で4時間にわたる加熱処理を行った。この加熱処理において、a−Si膜203の表面に添加されたニッケル204は、a−Si膜203中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、このシリサイドを核として、a−Si膜203の結晶化が進行する。しかし、本実施例2で添加されたニッケル204の添加量では、a−Si膜203の全てを結晶化するためには不足しており、一部に数μm程度の微小な非晶質領域が残存した状態で結晶成長が停止する。また、加熱温度が570℃以下では、ケイ素膜自体の結晶成長が起こらないため、結晶成長が及ばない未結晶化領域は、非晶質状態のまま残存する。その結果、本実施例2の結晶化条件により得られる結晶性のケイ素膜203は、結晶化領域の中に微小な非晶質領域が混在した状態となっている。
【0166】
次いで、図2(b)に示すように、レーザー光205を結晶性のケイ素膜203上に照射することにより、結晶性のケイ素膜203を再結晶化し、その結晶性を向上させる。このときのレーザー光として、本実施例2では、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40nsec)を用いた。レーザー光205の照射条件は、照射時に基板201を200〜450℃、例えば、400℃に加熱し、エネルギー密度を200〜450mJ/cm2、例えば、350mJ/cm2で照射する照射条件とした。また、レーザー光205のビームサイズは、基板201の表面上で150mm×1mmの長尺形状となるようなビームスポットに成型し、このビームスポットの長尺方向に対して垂直な方向に0.05mmのステップ幅で順次走査した。これにより、結晶性のケイ素膜203の任意の一点について、計20回のレーザー光205の照射が行われることになる。このようなレーザー光205が繰り返し照射されることにより、ケイ素膜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のみを反映して膜全体が結晶化される。
【0167】
次に、図2(c)に示すように、後の工程で成膜される非晶質ケイ素半導体膜(a−Si膜)207をエッチングにより除去する際にエッチングストッパとなる酸化ケイ素膜206を結晶性のケイ素膜203を薄膜酸化することにより形成する。この酸化ケイ素膜206の形成は、結晶性のケイ素膜203の表面にエキシマUV光を照射することにより行った。このエキシマUV光を照射することによる処理時間は1分とした。このようにして形成された酸化ケイ素膜206の膜厚は、分光エリプソで測定した結果、約30Åになっていた。
【0168】
次いで、図2(c)に示すように、酸化ケイ素膜206の表面全面を覆うようにプラズマCVD法を用いて、Arを含むa−Si膜207を形成する。本実施例2では、図5(b)に示すような、平行平板式で、CVD電極に加えて基板側にも別バイアス(RFパワー)を印加することができるデュアルバイアス・デュアルフレクェンシー方式のプラズマCVD装置を用いて、a−Si膜207の成膜を行った。さらに、本実施例2では、このa−Si膜207をアルゴン濃度が互いに異なる2層膜となるように形成した。このような2層膜の形成は、大気中に曝すことなく、同一のCVDチャンバーで連続した行ったため、単層膜を形成する場合と製造の容易さでは何ら変わる点はない。
【0169】
このようなa−Si膜207を2層膜として形成する場合、下層部分は、プラズマCVD装置の基板側に印加されるRFパワーをオフあるいは小さい値となるようにし、上層部分を成膜するときに、基板側に印加されるRFパワーをオンあるいは、下層の成膜時よりも大きな値となるようにする。このように、基板側に印加されるRFパワーを上層及び下層を成膜する際に、それぞれ異なる出力とすることにより、下層の成膜と上層の成膜とを連続して行うことができ、アルゴンの含有量がそれぞれ異なるa−Si膜207を容易に得ることができる。
【0170】
このように形成されたアルゴンの含有量がそれぞれ異なる2層のa−Si膜207は、アルゴン濃度が小さい下層部分は、結晶性を有するケイ素膜203へのアルゴンの注入を低減するために設けられ、アルゴン濃度が大きい上層部分が、主として触媒元素をゲッタリングするように作用する。
【0171】
本実施例2では、a−Si膜207の成膜のために、基板201の加熱温度を300℃とし、材料ガスとして、SiH4ガスとArガスとを用い、それぞれのガス流量を、SiH4が100sccm、Arが5000sccmとした。そして、CVD電極に供給されるRF電力のRF周波数は27.12MHz、基板側に供給されるRF電力のRF周波数は1.6MHzとし、CVD電極に供給されるRFパワーは、100Wで一定とし、基板側に供給されるRFパワーは、成膜の初期においてはオフ(0W)、成膜途中で300Wを印加するようにした。基板側のRFパワーがオフになっているときに成膜されたアルゴン濃度が小さい下層は、10〜30nm程度の膜厚とし、アルゴン濃度が大きい上層は30〜100nmの膜厚に成膜した。このようにして得られるa−Si膜207中に含まれるアルゴン濃度は、下層では、7×1016atoms/cm3程度となり、上層では、2×1020atoms/cm3程度であった。
【0172】
次に、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素ガス雰囲気下として加熱処理を施す。この加熱処理の処理温度及び処理時間としては、600〜750℃の温度範囲内で10秒〜10分にわたる処理時間とすることが望ましい。本実施例2では、処理温度を650℃とし処理時間を3分として加熱処理を行った。昇温速度としては、基板を400℃提訴に余熱した状態から650℃まで2分で(昇温速度:125℃/分)昇温し、処理後には、650℃から400℃まで同じく2分で降温した。
【0173】
この加熱処理において、触媒元素をゲッタリングするa−Si膜207では、結晶核は発生せず、非晶質状態のまま維持される。このため、アルゴンによる歪み・欠陥を偏析サイトとするゲッタリング効果がより助長され、ゲッタリング効果を最大限に引き出すことができる。
【0174】
また、本実施例2では、ガラス基板201として、320mm×400mmで厚さ0.7mmtのコーニング社コード1737のノンアニール品ガラス基板を用いているが、この加熱処理による反り・たわみ、割れ等は発生しなかった。さらに、本願発明者らは、他のメートルサイズの大型ガラス基板でも、上記の加熱処理によって、反り・たわみ、割れ等が発生することがなく、使用可能であることを確認している。
【0175】
また、本実施例2においては、図7に示すような、高温ガスを基板の表面に均一に吹き付ける枚葉方式の高速熱アニール装置を用いて加熱処理を行った。
【0176】
加熱処理される基板701は、石英テーブル702の突出部702bによって、装置の下方の位置にセットされ、この位置で400℃程度に余熱する。そして、石英チューブ703の内部には、ガス導入通路707から導入されてヒーター706によって処理温度に加熱された高温窒素ガスが矢印708に沿って、シャワープレート705から基板701の表面に向かって吹き出される。そして、基板701をセットした石英テーブル702が、矢印704に示すように、上方に向かって上方に移動されることにより、基板701が高温の窒素ガスを吹き出しているシャワープレート705との間隔が10mm程度の近傍まで移動されて昇温される。そして、この位置に基板701が保持されて、シャワープレート705から吹き出される高温の窒素ガスによって高速熱アニール処理が行われる。
【0177】
この高速熱アニール装置では、基板701の昇降温が、基板701をセットした石英テーブル702の昇降速度によって制御されており、このため、ランプアニールに匹敵する高速の昇降温速度を実現することが出来ると共に、昇降温時における基板701内の温度分布をほぼ一定に保つことができ、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても、割れ、反り等がない安定した加熱処理が可能になる。
【0178】
上記の高速熱アニール装置を用いた熱アニール処理によって、アルゴンを含むa−Si膜207は、結晶化されることがなく、アルゴンを含むことによるa−Si膜207中の格子歪み、欠陥がニッケルに対する偏析トラップとなって、下層の結晶性のケイ素膜203中に含まれるニッケル204を、図2(c)の矢印208に示すように上方向に向かって引き出す。このとき、ニッケル204は薄膜の酸化ケイ素膜206を通過して上層のa−Si膜207に移動するが、本実施例2では、酸化ケイ素膜206が薄膜に形成されているため、ニッケル204の移動の妨げとはならない。その結果、結晶性のケイ素膜207中に含まれるニッケルは、そのほとんどが上層のアルゴンを含むa−Si膜207へと移動され、このa−Si膜207中において、ニッケル濃度が高くなり、下層の結晶性のケイ素膜207に含まれるニッケル濃度は大幅に低減され、残留するニッケルが低減されて、ニッケル濃度が低い高品質な結晶性のケイ素半導体膜を得ることができる。
【0179】
このように、650℃の加熱条件で3分にわたる高速熱アニール処理によって、結晶性のケイ素膜203中に含まれるニッケル濃度とゲッタリングシンクである上層のアルゴンを含むa−Si膜207中に含まれるニッケル濃度とは、熱平衡状態の偏析状態となり、それ以上処理時間を長時間化しても、ニッケルはゲッタリングしない状態となっており、安定した状態となっている。このときの実際の結晶性のケイ素膜203中に含まれるニッケル濃度を二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ、ニッケルの濃度は、7×1015atoms/cm3程度にまで低減されていた。この段階で結晶性のケイ素膜203中に残留しているニッケルは、シリサイド状態ではなく、ケイ素の格子間に固溶した状態で存在しているため、TFTの電気特性上問題とならない。
【0180】
次に、ニッケル204をゲッタリングし、ニッケル濃度が高くなったa−Si膜207の全体をエッチングにより除去する。このときのエッチングとしては、a−Si膜207の下層の酸化ケイ素膜206がエッチングストッパーとして十分作用するように、酸化ケイ素膜206と十分エッチング選択比のあるエッチャントが求められる。本実施例2では、現像液のような強アルカリ溶液を用いた。そして、エッチングによりa−Si膜207を除去した後、酸化ケイ素膜206をエッチングにより除去する。このときのエッチャントとしては、結晶性のケイ素膜203に対して上層となる酸化ケイ素206膜と選択性のある1:100バッファードフッ酸(BHF)を用い、ウェットエッチングにより除去した。
【0181】
その後、結晶性のケイ素膜203の不要な部分をエッチングにより除去して素子間分離を行う。このような工程を経て、図2(d)に示すように、後の工程を経てTFTの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性のケイ素半導体膜209n、209pが形成される。
【0182】
次に、図2(e)に示すように、活性領域となる結晶性のケイ素膜209n、209p上を覆うように、20〜150nmの膜厚、例えば、100nmの膜厚にゲート絶縁膜である酸化ケイ素膜210を成膜する。この酸化ケイ素膜210の形成には、本実施例2では、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料として、酸素共存下に基板温度を150〜600℃、好ましくは300〜450℃に加温して、RFプラズマCVD法により分解・堆積した。
【0183】
続いて、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積し、これをパターニングして、結晶性のケイ素膜209n、209p上となる所定の部分に位置するゲート電極211n、211pをそれぞれ形成する。高融点メタルとしては、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、あるいはタングステン(W)を用いることが望ましい。本実施例2では、微量の窒素が添加されたタンタルを用い、厚さが300〜600nm、例えば、450nmとした。
【0184】
次いで、イオンドーピング法と用いて、不純物であるリンを注入する。このときのドーピングは、ゲート絶縁膜210越しに行う、所謂スルードーピングを適用した。この場合、酸化ケイ素膜210上に形成されたゲート電極211n、211pがマスクとなり、ゲート電極211n、211pの下の部分に該当する結晶性のケイ素膜209n、209p中にはリンは注入されない。本実施例2では、リンをドーピングするためのドーピングガスとして、フォスフィン(PH3)を用い、ドーピング条件としては、加速電圧を60〜90kV、例えば、80kVとし、ドーズ量を2×1015〜8×1015cm-2とした。
【0185】
この工程により、ゲート電極211n、211pにマスクされてリンが注入さらない結晶性のケイ素膜209n、209pの領域は、後にTFTのチャネル領域となる。また、ゲート電極211n、211pにマスクされずにリンが注入された結晶性のケイ素膜209n、209pの領域には、後にTFTのソース・ドレイン領域となる。ただし、Pチャネル型TFTにおいては、そのソース・ドレイン領域となる領域が、この段階では、リンがドーピングされていることによりN型の不純物領域となっている。
【0186】
次に、図2(f)に示すように、フォトリソグラフィ工程により、Nチャネル型TFT222となる結晶性のケイ素膜209n上のゲート絶縁膜210及びゲート電極211n上を覆うフォトレジスト217を設け、P型の不純物が注入されないための選択ドーピング用のマスクとする。
【0187】
そして、この状態で、イオンドーピング法によって、ホウ素を注入する。本実施例2では、ホウ素を注入するためのドーピングガスとして、ジボラン(B2H6)を用い、1×1016〜5×1016cm-2、例えば、2×1016cm-2の高ドーズ量にて、40〜80kV、例えば、65kVの加速電圧を印加することによりドーピングを行った。
【0188】
この工程において、ゲート電極212pの下の部分の結晶性のケイ素膜209p中には、ゲート電極212pがマスクとなるため、ホウ素は注入されない。また、ゲート電極212pが形成されていない領域の結晶性のケイ素膜209p中には、ゲート絶縁膜210越しにホウ素がドーピングされる。この結果、先の工程でN型の不純物であるリンが注入されてN型になっているソース領域及びドレイン領域は、過剰なホウ素が注入されることにより、所謂カウンタードーピングがなされる結果、先にドーピングされたN型不純物であるリンをキャンセルし、特性が反転してP型不純物領域215p及び216pとなる。このようにして、Nチャネル型TFT222とPチャネル型TFT223とを、それぞれ同一基板上に形成することができる。
【0189】
次に、選択ドーピングのためのマスクとして設けられたフォトレジスト217を除去した後、不活性ガスの雰囲気下、例えば、窒素ガス雰囲気下にて、600〜650℃の温度範囲で数分の高速熱アニール処理を行った。本実施例2では、図7に示す高速熱アニール装置を用いた。この処理により、N型及びP型のそれぞれのTFTのソース/ドレイン領域が活性化されるこの処理により得られたN型不純物領域のシート抵抗値は、0.4〜0.8kΩ/□であり、P型不純物領域215p、216pのシート抵抗値は、1〜2kΩ/□であった。また、ゲート絶縁膜211の焼成処理が同時に行われ、ゲート絶縁膜自体のバルク特性及び結晶性のケイ素半導体膜とゲート絶縁膜との間の界面特性の向上を図ることができる。
【0190】
次に、図2(g)に示すように、900nm程度の膜厚の酸化ケイ素膜をプラズマCVD法によって形成して、層間絶縁膜220とする。そして、この層間絶縁膜220のTFTの結晶性のケイ素膜上のソース領域及びドレイン領域に該当する部分に、これらの領域に到達するコンタクトホールを形成する。このコンタクトホールには、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムとの二層膜によって、TFTのソース領域及びドレイン領域に電気的に接続される電極・配線221を形成する。
【0191】
最後に、1気圧の水素雰囲気下、350℃の温度条件として1時間にわたるアニールを行い、Nチャネル型TFT222及びPチャネル型TFT223を完成する。さらに、必要に応じて、N型及びP型のTFTのゲート電極211n、211p上にもコンタクトホールを設け、配線を接続するようにすることも可能である。また、TFTを保護するために、TFT上にさらに窒化ケイ素等の保護膜を設けてもよい。
【0192】
以説明した工程を経て製造されるCMOS構造回路において、それぞれのTFTの電界効果移動度は、N型TFTで250〜300cm2/Vs、P型TFTで100〜130cm2/Vsという高い値が得られ、また、閾値電圧は、N型TFTで1V程度、P型TFTで−2V程度と非常に良好な特性が得られた。しかも、従来法により製造されるTFTにおいて頻繁に発生するTFTのオフ動作時のリーク電流の異常な増大が全くなく、リーク電流自体が、単位W当たり1pA以下と、非常に低い値を安定して示した。この値は、触媒元素を用いずに作製した従来のTFTと比較しても全く差がないものであり、製造歩留まりを大きく向上することができた。
【0193】
さらに、本実施例2のTFTは、繰り返し測定、バイアス、温度ストレスによる耐久性試験を行っても特性劣化がほとんどみられず、従来の方法により製造されたTFTに比較しても非常に信頼性が高く、安定した回路特性を示した。
【0194】
以上、本発明に基づく2つの実施例について具体的に説明したが、本発明は、上記2つの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0195】
例えば、上記の2つの実施例においては、アルゴンを含むa−Si膜をプラズマCVD法によって形成する際、基板側にもRFパワーを印加するデュアルフレクェンシー法を用いたが、CVD電極にはRFパワーを印加し、基板側にはDCパワーを印加することにより、強制的にアルゴンイオンをa−Si膜に導入することも可能である。
【0196】
また、上記の実施例2では、アルゴンを含むa−Si膜を含有するアルゴンの濃度がそれぞれ異なる2層膜構造としたが、3層以上の多層膜として形成してもよく、また、膜厚方向に沿って連続的にアルゴン濃度が異なるようにした膜であってもよい。
【0197】
さらに、上記2つの実施例では、ゲッタリング元素としてアルゴンを用いたが、クリプトン、キセノン等を用いても同様の効果を得ることができる。
【0198】
また、ニッケルをゲッタリングシンクとなる上層のa−Si膜に移動させる際の加熱処理として、実施例1では、基板の外形と概略相似形状の内周を有する炉心管を用いる方法を示したが、通常の形状を有する抵抗性加熱炉(ファーネス炉)を用いても同様の処理を行うことは可能である。また、実施例2では、高温の窒素ガスを吹き付けることによる高速熱アニール処理を行ったが、一般的なランプ方式を用いたアニール処理を行っても同様の処理を行うことが可能である。
【0199】
また、ニッケルを導入する方法とては、非晶質ケイ素膜の表面にニッケル塩を溶解した溶液を塗布する方法を用いたが、非晶質ケイ素膜を成膜する前に、下地膜の表面にニッケルを導入し、非晶質ケイ素膜の下層側からニッケルを拡散させて結晶成長を行うようにしてもよい。すなわち、結晶成長は、非晶質ケイ素膜の上面側から行ってもよく、下面側から行ってもよい。
【0200】
また、ニッケルの導入方法として、上記実施例の方法の他、種々の手法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶解させる溶媒として、SOG(スピンオングラス)材料を用い、SiO2膜より拡散させる方法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法により薄膜形成する方法、イオンドーピング法により直接導入する方法等を利用することができる。
【0201】
さらに、結晶化を助長する触媒元素としては、ニッケルの他、コバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金等を用いても同様の効果を得ることができる。
【0202】
また、ゲッタリングシンクとなるa−Si膜を除去する際のエッチングストッパーとしては、上記実施例で説明した酸化ケイ素膜の他、窒化ケイ素膜等の種々の膜を用いることができる。また、酸化ケイ素膜の形成方法に関しても、本実施例で説明したオゾン水処理、エキシマUV処理等による薄膜酸化法以外の方法、例えば、CVDでの薄膜形成、酸素プラズマ処理、熱酸化法、硫酸酸化法等を用いてもよい。
【0203】
また、上記の実施例では、ニッケルにより結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに向上する方法として、パルスレーザーであるエキシマレーザー光の照射による加熱方法を用いたが、例えば連続発振Arレーザー照射等の他のレーザー光を照射しても同様の処理が可能である。
【0204】
また、本発明の半導体装置が適用される装置としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板のほか、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機EL等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子または表示素子、三次元IC等に適用しても、これらの素子を高速、公開度度当の高性能化が実現される。
【0205】
さらに、本発明は、上記の実施例で説明したMOS型トランジスタに限定されず、結晶性半導体を素材としたバイポーラトランジスタ、静電誘導トランジスタ等、幅広く半導体プロセスの全般に応用することができる。
【0206】
【発明の効果】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、結晶化を促進する微量の触媒元素が導入された非晶質ケイ素膜を加熱処理して結晶化された結晶性のケイ素膜の上面に、希ガスから選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を形成して、加熱処理により、この非晶質ケイ素膜に触媒元素をゲッタリングすることにより半導体装置の活性領域となる結晶性のケイ素膜を形成している。このようにして形成された結晶性のケイ素膜は、触媒元素がゲッタリングにより大幅に低減されると共に、活性領域の全領域にわたってケイ素膜の格子間に固溶した状態に存在している。そのため、この結晶性のケイ素膜を活性領域とする半導体装置は、リーク電流の異常な増大等の特性ばらつきが少ない安定した高性能半導体装置となる。
【0207】
また、このような集積度の高い高性能半導体装置は、簡便な製造プロセスにて製造することができ、製造工程において良品率を大きく向上することができ、低コスト化を図ることができる。特に、液晶表示装置に本発明の半導体装置を適用すると、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチングTFTのスイッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するTFTに要求される高性能化・高集積化を満足し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノシリック型アクティブマトリクス基板を実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(g)は、それぞれ、本発明の実施例1の半導体装置の製造方法を工程毎に説明する断面図である。
【図2】(a)〜(g)は、それぞれ、本発明の実施例2の半導体装置の製造方法を工程毎に説明する断面図である。
【図3】非晶質ケイ素膜中に含まれるAr濃度(横軸)と、触媒元素をゲッタリングする第2の加熱処理を行った後の結晶性ケイ素膜中に残留する触媒元素(Ni)濃度(縦軸)との関係を示すグラフである。
【図4】CVD電極に100WのRFパワーを加え、基板側に加えるRFパワーを変位させた場合に得られる非晶質ケイ素半導体膜の膜中に含まれるAr濃度との関係を求めた結果を表すグラフである。
【図5】(a)、(b)は、それぞれ、本発明における非晶質ケイ素膜を成膜するためのプラズマCVD装置の概要を示す概略図である。
【図6】(a)〜(d)はそれぞれ、本発明における第2の加熱処理を行うための熱処理装置を示す概略図である。
【図7】本発明における第2の加熱処理を行うための高速熱アニール装置の概略を示す概略図である。
【符号の説明】
101、201 ガラス基板
102、202 下地膜
103、203 ケイ素膜
104、204 ニッケル
105、205 レーザー光
106、206 酸化ケイ素膜
107、207 a−Si膜
108、208 ニッケルのゲッタリング方向
109、209n、209p TFT活性領域(素子領域)
110、210 酸化ケイ素膜
111、211n、211p ゲート電極
112 酸化物層
213 リン
114、214n、214p チャネル領域
115、215n、215p ソース領域
116、216n、216p ドレイン領域
217 フォトレジスト
218 ホウ素
119 レーザー光
120、220 層間絶縁膜
121、221 電極・配線
122、222 Nチャネル型TFT
223 Pチャネル型TFT[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a crystalline silicon film obtained by crystallizing an amorphous silicon film as an active region and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention is effective for a semiconductor device using a thin film transistor (TFT) provided over a substrate having an insulating surface, and is an active matrix liquid crystal display device, a contact image sensor, an organic EL display device, a three-dimensional display. It can be used for IC and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-performance semiconductor elements on insulating substrates such as glass, insulating films, etc. have been developed to realize large-sized, high-resolution liquid crystal display devices, high-speed, high-resolution contact image sensors, and three-dimensional ICs. Attempts have been made to form. As a semiconductor element used in these devices, a thin film silicon semiconductor is generally used. Thin film silicon semiconductors are roughly classified into two types: amorphous silicon semiconductors (a-Si) and crystalline silicon semiconductors.
[0003]
Amorphous silicon semiconductors are most commonly used because they have a low production temperature, can be produced relatively easily by a vapor phase method, and are excellent in mass productivity. However, since this amorphous silicon semiconductor is inferior in physical properties such as conductivity compared to a silicon semiconductor having crystallinity, in order to obtain further high-speed characteristics in the future, a semiconductor device made of a silicon semiconductor having crystallinity can be simplified. There is a strong demand to establish a simple manufacturing method.
[0004]
As a method for producing a thin film silicon semiconductor having crystallinity, the following methods (1) and (2) are known.
[0005]
(1) After forming an amorphous silicon film, the amorphous silicon film is irradiated with an energy beam such as a laser beam, and the amorphous silicon film is crystallized by the light energy to have a crystalline silicon. A membrane.
[0006]
(2) After the amorphous silicon film is formed, it is heated and the amorphous silicon film is crystallized in the solid phase by the heat energy to obtain a crystalline silicon film.
[0007]
Generally, the above method (1) is used. In this method, since the crystallization phenomenon in the melting and solidifying process is used, the crystal grains are small, but there are few crystal defects in the crystal grains, and a relatively high-quality crystalline silicon film can be obtained. However, in the crystalline silicon film manufactured by the method (1), the defect density at the grain boundary portion becomes high, so that the defect at the grain boundary portion acts as a large trap with respect to carriers, and as a semiconductor device. Sufficient performance cannot be obtained. Also, for example, when using an excimer laser that is currently most commonly used as a laser light source, since the stability of the laser light is not sufficient, the entire surface of the substrate is uniformly processed over the entire semiconductor film. May not be applied, and there may be variations in characteristics among semiconductor elements.
[0008]
The method (2) is superior in uniformity and stability in the substrate as compared with the method (1), but it requires a heat treatment for about 30 hours under a high temperature condition of 600 ° C. or higher. There is a problem that the processing time becomes long and the throughput cannot be improved. Furthermore, in the method (2), since the crystal structure to be crystallized is a twin crystal structure, relatively large crystal grains of about several μm can be obtained, but a large number of twin defects are formed in one crystal grain. Therefore, the crystallinity is inferior to the crystallinity of the silicon semiconductor film produced by the method (1).
[0009]
On the other hand, a method for improving the method (2) to obtain a high-quality crystalline silicon film has been developed, and a catalyst element for promoting crystallization of the amorphous silicon film is introduced. Thus, a method for reducing the heating temperature, shortening the treatment time, and improving the crystallinity has attracted attention. Specifically, a crystalline silicon film is obtained by introducing a trace amount of a metal element such as nickel into the surface of the amorphous silicon film and then performing heat treatment.
[0010]
In such a method using a catalytic element, a crystal nucleus with an introduced metal element as a nucleus is generated early in an amorphous silicon film, and then crystallization progresses rapidly around this crystal nucleus. To do.
[0011]
Furthermore, in this method, the crystalline silicon film grown by crystal has a twin structure in which the crystalline silicon film grown by a normal solid phase growth method (method (2) above) has many crystal defects. In contrast, a plurality of columnar crystals have a structure connected by a network, and each columnar crystal is small but has a substantially single crystal inside.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The method of crystallizing an amorphous silicon film by introducing a catalytic element into the amorphous silicon film and heat-treating can reduce the heating temperature and shorten the heating time, Furthermore, it has an advantage that the crystallinity of the silicon film obtained by heat treatment is superior to the crystalline silicon film obtained by other crystallization methods.
[0013]
However, if a large amount of catalytic elements mainly composed of these metals remain in the semiconductor film, the reliability, electrical stability, etc. of the semiconductor device using the silicon film obtained by this method are lowered. For this reason, it is necessary to prevent the catalyst element such as nickel that promotes crystallization of the amorphous silicon film from being contained as much as possible after crystallization. For this reason, a method of reducing the amount of catalyst element contained in the crystallized silicon film by minimizing the amount of catalyst element introduced for crystallization of the amorphous silicon film is the first. One method is considered. However, when the amount of the catalytic element introduced into the amorphous silicon film is reduced, the crystal growth state becomes extremely unstable, and the crystalline silicon film produced in such an unstable state is crystalline. There is a risk that the variation in the thickness of the semiconductor device becomes unusable as a film constituting the active region of the semiconductor device.
[0014]
In addition, after introducing a catalytic element into the amorphous silicon film and heat-treating it to grow an amorphous silicon film, the catalytic element is moved (gettering) to thereby move the catalytic element in the element region. A method of removing or reducing the above is considered as a second method.
[0015]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-270363 discloses that a silicon film crystallized with a catalytic element is partly made into a region in which a group 5 B element such as phosphorus is selectively introduced and is subjected to heat treatment. A method is disclosed in which the amount of catalyst element in the region other than the group 5 B element is reduced by moving (gettering) the catalyst element to the region in which the group 5 B element is introduced. In this publication, a region in which no group 5 B element is introduced and the catalytic element is reduced by gettering is used as an active region of a semiconductor device.
[0016]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 11-31660 discloses a silicon film in which a thermal oxide film is formed on the surface of a silicon film crystallized by introducing a catalytic element, and phosphorus is contained in a high concentration on the thermal oxide film. After the film is provided, heat treatment is performed to move the catalytic element contained in the crystallized silicon film through the thermal oxide film to the silicon film containing a high concentration of phosphorus in the upper layer. Disclosed is a method for reducing the amount of catalytic element contained in a formed silicon film. In this publication, after removing the silicon film containing phosphorus in the upper layer, the silicon film having crystallinity in the lower layer is used as the active region of the semiconductor device.
[0017]
However, when the present inventor actually manufactured a thin film transistor (TFT) element by using the method of the above publication, the remaining catalytic element has an adverse effect on the TFT element, and is disclosed in the above publication. It has been clarified that the method cannot obtain a sufficiently high gettering effect, and the residual amount of the catalytic element in the active region of the semiconductor device cannot be sufficiently reduced.
[0018]
Specifically, the TFTs prototyped according to the above-mentioned publications show a slight difference, but a defective TFT having a very large leakage current at the time of off operation occurs with a probability of about several percent. When the cause of the increase in leakage current in the TFT in which the defect occurred was analyzed, it was confirmed that silicide due to the catalytic element was present at the junction between the channel portion and the drain portion. As a result, the method according to the above two publications has a high defect rate at which defective TFTs are generated, so that the reliability is low and the method is not capable of mass production.
[0019]
In the method according to the above two publications, heat treatment is performed for several hours to several tens of hours under a heating temperature condition of 550 ° C. or higher. Such heat treatment does not cause a problem when a small glass substrate of about 100 mm × 100 mm (100 mm □) size, an expensive quartz substrate, or the like is used.
[0020]
However, in an active matrix substrate for liquid crystal display or organic EL display for forming a semiconductor element to be a semiconductor device, the mother board (glass substrate) tends to be enlarged in order to reduce the cost. In order to reduce the size and weight of the glass substrate, there is a tendency to make it thinner, and it is very difficult to perform heat treatment for a long time on a large and thin glass substrate.
[0021]
Actually, the present inventor conducted heat treatment using a glass substrate of Corning Code 1737 having a size of 600 mm × 720 mm and a thickness of 0.7 mm as a commonly used glass substrate, It was clarified that the heat treatment for several hours under the heating condition of about 500 ° C. is almost limit. The biggest problem caused by this heat treatment is deflection and warpage due to the weight of the substrate. Furthermore, since the heat treatment is performed after the pattern is formed on the substrate, shrinkage (shrinkage) peculiar to the glass substrate occurs, and it is very difficult to align the pattern before and after the heat treatment step. It has become.
[0022]
In addition, the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-31660 provides a silicon film containing phosphorus at a high concentration over the entire surface of a crystalline silicon film serving as an active region. Since the contained catalytic element is moved in the vertical direction (film thickness direction) to the upper silicon film, the gettering distance (distance to which the catalytic element should move) is the length of the film thickness. Yes. For this reason, compared with the case where the catalyst element is moved in the lateral direction, the gettering distance is shortened, and a high gettering effect can be obtained.
[0023]
However, as a result of experiments conducted by the inventors of the present invention using a TFT fabricated by this method, this method has the same level or rather inferior results compared to the above method, and has excellent gettering ability. It was clarified that the concentration of the catalytic element could not be reduced sufficiently. In the method according to this publication, a thermal oxide film is interposed between a crystalline silicon film and a silicon film containing a high concentration of phosphorus in the upper layer. Under the heat treatment conditions at a low temperature and in a short time as expected, a gettering effect could not be obtained at all.
[0024]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the crystallinity grown by introducing a catalytic element into an amorphous silicon film formed on a large glass substrate to be mass-produced. An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the catalytic element contained in the element region of the silicon film is sufficiently reduced and a method for manufacturing the same.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the semiconductor device of the present inventionThe manufacturing method includes the steps of forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, introducing nickel on the amorphous silicon film as a catalytic element for promoting crystallization of the amorphous silicon film, Performing a first heat treatment for crystallizing the crystalline silicon film to crystallize the amorphous silicon film into a crystalline silicon film, and performing a plasma CVD method on the crystalline silicon film; A step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from rare gases, and a second heat treatment for transferring nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film. And moving nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film, and then removing the amorphous silicon film and forming an active region by the crystalline silicon film. A crystallinity comprising The step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from a rare gas using a plasma CVD method on the silicon film includes at least a silane gas-based gas and a gas containing an element selected from the rare gas. Is used as a source gas, and the amorphous silicon film is different from the RF bias on the insulating substrate side in addition to the RF bias supplied from the CVD electrode arranged to face the insulating substrate. The film is formed by the dual bias to which the RF bias is applied.
[0026]
Further, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, and nickel as a catalytic element for promoting crystallization of the amorphous silicon film on the amorphous silicon film. A step of crystallizing the amorphous silicon film into a crystalline silicon film by performing a first heat treatment for crystallizing the amorphous silicon film, and the crystalline silicon film Further, an amorphous silicon film containing an element selected from rare gases is formed using a plasma CVD method with a concentration distribution such that the concentration of the element selected from the rare gases changes in the film thickness direction. And performing a second heat treatment for transferring nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film, and converting the nickel contained in the crystalline silicon film into the amorphous silicon. Moving to the membrane, then The amorphous silicon film is removed, characterized in that it comprises a step of forming an active region by the crystalline silicon film.
[0027]
Further, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, and nickel as a catalytic element for promoting crystallization of the amorphous silicon film on the amorphous silicon film. A step of crystallizing the amorphous silicon film into a crystalline silicon film by performing a first heat treatment for crystallizing the amorphous silicon film, and the crystalline silicon film Further, a step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from rare gases using a plasma CVD method and nickel contained in the crystalline silicon film are transferred to the amorphous silicon film Performing the second heat treatment to move nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film, and then removing the amorphous silicon film to obtain the crystalline silicon. Process to form active area by membrane And the step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from a rare gas using a plasma CVD method on the crystalline silicon film is selected from a silane gas-based gas and a rare gas A gas containing at least a gas containing an element is used as a source gas, and the amorphous silicon film is selected from the rare gases by a bias supplied from a CVD electrode disposed to face the insulating substrate. After the formation of the lower layer film having a low element concentration, in addition to the bias supplied from the CVD electrode, the insulating substrate side is selected from the rare gases by a dual bias in which another bias different from this bias is applied. It is formed by forming an upper layer film having a high concentration of the above elements.
[0028]
The element selected from the rare gases is preferably one or more of Ar, Kr, and Xe..
[0029]
Ar is preferably contained as an element selected from the rare gases..
[0030]
The concentration of the element selected from the rare gases is 1 × 10 19 ~ 2x10 twenty one atoms / cm Three Is preferably within the range of.
[0031]
The concentration of the element selected from the rare gases is 1 × 10 20 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three Is preferably within the range of.
[0032]
The step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from a rare gas using a plasma CVD method on the crystalline silicon film includes a silane gas and a gas containing an element selected from a rare gas. Is used as a source gas, and in addition to the bias supplied from the CVD electrode disposed opposite to the insulating substrate, the amorphous silicon film has a bias on the insulating substrate side. It is preferable that the film is formed by a dual bias to which another different bias is applied..
[0033]
Containing an element selected from the rare gasesAmorphous silicon filmThe process of forming a filmAn RF bias is applied to the CVD electrode, and another RF bias is applied to the insulating substrate.Is preferable.
[0034]
The frequency of the RF bias applied to the insulating substrate is preferably smaller than the frequency of the RF bias supplied from the CVD electrode..
[0035]
The amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases preferably has a concentration distribution such that the concentration of the element selected from the rare gases changes in the film thickness direction..
[0036]
The amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases is preferably formed such that the concentration of the element selected from the rare gases is high on the upper surface side and low on the lower surface side..
[0037]
The amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases is formed into a two-layer structure of a lower layer film having a low concentration of the element selected from the rare gases and an upper layer film having a high concentration of the element. It is preferred that
[0038]
An amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases forms the lower layer film only by a bias supplied from the CVD electrode, and in addition to the bias supplied from the CVD electrode on the lower layer film Preferably, the upper layer film is formed on the insulating substrate side by a dual bias to which a different bias from this bias is applied..
[0039]
The amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases is preferably formed continuously using the same chamber..
[0040]
The step of moving the nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases by the second heat treatment includes the step of moving the nickel contained in the crystalline silicon film. It is preferable that the concentration and the concentration of the nickel contained in the amorphous silicon film are performed under heating conditions of heating temperature and heating time so that at least a segregation state in a thermal equilibrium state is obtained..
[0041]
The step of transferring the nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases by the second heat treatment includes at least crystallization of the amorphous silicon film. It is preferable to be carried out under heating conditions such as heating temperature and heating time.
[0042]
The heating condition of the second heat treatment is preferably a treatment time ranging from 30 minutes to 4 hours, with the temperature range of 450 to 550 ° C. being the heating temperature..
[0044]
The second heat treatment is preferably performed by a rapid thermal annealing treatment in a temperature range of 600 to 700 ° C. with a treatment time of 10 seconds to 10 minutes..
[0045]
The rapid thermal annealing treatment is preferably performed by spraying an inert gas heated to a high temperature toward the surface of the insulating substrate..
[0046]
A barrier thin film serving as an etching stopper when removing the amorphous silicon film is preferably provided between the crystalline silicon film and the amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases..
[0047]
The barrier thin film is preferably a silicon oxide film having a thickness of 50 mm or less..
[0048]
Before performing the step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases, the step of irradiating the crystalline silicon film with laser light to further improve the crystallinity may be performed. preferable.
[0056]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail.
[0057]
The gist of the semiconductor device manufacturing method of the present invention is to sequentially perform the following steps (1) and (2).
[0058]
(1) After introducing a catalytic element for promoting crystallization into an amorphous silicon film formed on an insulating substrate, the amorphous silicon film is crystal-grown by performing a heat treatment (first heating) processing).
[0059]
(2) After an amorphous silicon film containing an element selected from rare gases is formed on the crystalline silicon film crystallized by the first heat treatment by using a plasma CVD method, heating is performed. Treatment is performed (second heat treatment).
[0060]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the catalytic element contained in the lower crystalline silicon film is moved to the upper amorphous silicon film by performing the second heat treatment. Then, after the catalytic element is moved in the upper amorphous silicon film, the upper amorphous silicon film is removed, and the semiconductor device is formed using the crystalline silicon semiconductor film with the lower lower catalytic element as an active region. Form.
[0061]
By moving the catalyst element by performing the step (2), the amount of the catalyst element remaining in the active region of the semiconductor device can be greatly reduced as compared with the conventional method using the catalyst element. As a result, it is possible to obtain a high-performance semiconductor device having a high current driving capability in which the abnormality of the leakage current during the off operation, which has been a problem in the semiconductor device manufactured using the conventional method, is not observed.
[0062]
Generally, as one of the mechanisms for moving (gettering) a catalytic element to a desired region (hereinafter referred to as a gettering region), the solid solubility of the catalytic element in the gettering region is determined by the region to be gettered ( Hereinafter, there is a method (first gettering action) in which the catalytic element is gettered in the gettering region by making it higher than the solid solubility of the gettering region).
[0063]
In the above-mentioned publications (Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-270363 and 11-31660), the solid solubility of the catalytic element in the amorphous silicon film is dramatically improved by introducing phosphorus into the amorphous silicon film. Since the movement of the catalytic element, that is, the first gettering action is performed due to the difference in solid solubility, phosphorus is all used as a gettering element for gettering the catalytic element. Used. In addition, in the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-54760, it is attempted to improve the gettering ability by further introducing a Group 3 B element, but even if a Group 3 B element is used alone, gettering is performed. There is no effect, and the catalyst element is basically gettered by the gettering effect of phosphorus.
[0064]
As another mechanism for gettering the catalyst element, a defect or a local segregation site that traps the catalyst element is formed in the gettering region, and the catalyst element is moved to the defect or segregation site and trapped. There is a (second gettering action) method.
[0065]
According to recent research, when some elements selected from rare gases are present in the amorphous silicon film as gettering elements other than the group 5 B elements such as phosphorus, the portion where the rare gas elements are present is large. Since interstitial distortion occurs and the second gettering action due to local defects / segregation sites works very strongly, some elements selected from rare gases other than Group 5 B elements such as phosphorus described above It has been shown to be effective as a gettering element.
[0066]
Elements selected from such rare gases having a gettering effect include Ar, Kr, and Xe, and any one or more of these elements can be used. Furthermore, it has been found that Ar has the highest effect among these elements.
[0067]
Such a second gettering action has higher gettering ability than the first gettering action utilizing the difference in solid solubility. In addition, as a gettering element, a rare gas element that is inert even if contained in a semiconductor film is used instead of an element that greatly affects the characteristics of a semiconductor device such as phosphorus. Problems such as reverse diffusion and contamination of gettering elements into the region do not occur.
[0068]
Furthermore, the above rare gas elements are present in the amorphous silicon film, thereby inhibiting the crystal growth of the amorphous silicon film. As a result, the crystal growth of this amorphous silicon film (generation of crystal nuclei) It has the effect of delaying the crystal growth rate. Therefore, the amorphous silicon semiconductor film is maintained in an amorphous state during the second heat treatment for gettering the catalytic element contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film. And a larger second gettering action can be obtained.
[0069]
Further, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, an amorphous silicon film containing a rare gas element on a crystalline silicon film serving as an active region, as in the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-31660. The catalytic element contained in the crystalline silicon semiconductor film is gettered in the vertical direction (film thickness direction).
[0070]
In such gettering of the catalytic element in the film thickness direction, the gettering distance is only a distance corresponding to the film thickness of the crystalline silicon film. The gettering distance can be set shorter than the general gettering in the horizontal direction as described in each of Japanese Patent Nos. 11-54760. This makes it possible to lower the heating temperature or shorten the heating time in the second heat treatment for gettering the catalytic element, and is used as a motherboard for liquid crystal display devices and organic EL display devices. This means that it is possible to cope with a large-sized inexpensive glass substrate having the size of
[0071]
FIG. 3 shows the concentration of Ar contained in the amorphous silicon film (horizontal axis) and the catalytic element (Ni) remaining in the crystalline silicon film after the second heat treatment for gettering the catalytic element. It is a graph which shows the relationship with a density | concentration (vertical axis | shaft).
[0072]
Referring to FIG. 3, the initial Ni concentration before gettering the catalytic element is 1.2 × 10.18atoms / cmThreeIt has become. In this case, the Ar concentration contained in the amorphous silicon film is 3 × 1018atoms / cmThreeIn the following cases, it is shown that the effect of reducing the Ni concentration is not seen at all, and the gettering of the catalytic element to the amorphous silicon film does not occur. On the other hand, the Ar concentration contained in the amorphous silicon film is 1 × 1019atoms / cmThreeWhen this is the case, a gettering effect appears abruptly with this value as a boundary, and a reduction in Ni concentration is observed. As the gettering action, it cannot be said that it is an obvious effect unless a decrease in Ni concentration of an order of magnitude or more is shown at least. In this respect, the lower limit of the Ar concentration contained in the amorphous silicon film is 1 × 1019atoms / cmThreeIn order to obtain a clear gettering action, it is necessary that Ar with an Ar concentration higher than this be contained in the amorphous silicon film. The Ar concentration in the amorphous silicon film is 1 × 10.20atoms / cmThreeWhen it is more than about, a saturation tendency is seen in the decrease of the Ni concentration remaining in the crystalline silicon film. Therefore, in order to maximize the gettering effect of the catalytic element according to the present invention, the Ar concentration in the amorphous silicon film is 1 × 1020atoms / cmThreeThe above is more desirable.
[0073]
On the other hand, the upper limit of the Ar concentration contained in the amorphous silicon film is limited by the problem of film peeling, and the Ar concentration is 2 × 10.twenty oneatoms / cmThreeIf it becomes above, a film | membrane will become very porous and film | membrane peeling and peeling will arise. Therefore, the upper limit of Ar concentration is at least 2 × 10twenty oneatoms / cmThreeMust be: Further, in order to more reliably suppress film peeling and peeling, 1 × 10twenty oneatoms / cmThreeThe following is desirable.
[0074]
In the semiconductor manufacturing method of the present invention, the concentration of the element selected from the rare gases contained in the amorphous silicon semiconductor film is 1 × 10 5 according to the above description.19~ 2x10twenty oneatoms / cmThreeIt is desirable to be within the range. 1 × 1020~ 1x10twenty oneatoms / cmThreeMore preferably, it is within the range.
[0075]
The silicon film having crystallinity obtained by using the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is subjected to a light etching process using a fluorine-based etchant, which has been conventionally used as a method for easily confirming the remaining of a catalytic element. Even when an evaluation test for revealing the remaining catalytic elements is performed, no etch pits that have been seen in the conventional method are observed. Further, as a severe evaluation test, even if an evaluation test for detecting the catalyst element in the silicide state by recondensing the remaining catalyst by performing heat treatment at a high temperature to form a silicide state, reaggregation of the catalyst element Unlike the crystalline silicon film obtained by the method of the above-mentioned three publications, in which no re-aggregation of the catalytic element was observed.
[0076]
When the inventor of the present application actually manufactured a thin film transistor (TFT) using the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, no abnormal increase phenomenon of leakage current that might occur at the time of the TFT off-operation was found at all. 0%. On the other hand, in the TFT manufactured by the conventional method described in the above-mentioned publication, an abnormal increase phenomenon of the leakage current was observed with a probability of 3% or more when the TFT was turned off. Further, in a liquid crystal display device using TFTs manufactured by the semiconductor manufacturing method of the present invention, linear display unevenness (sampling in the driver section) frequently occurred in liquid crystal display devices using TFTs manufactured by conventional methods. There was no pixel defect due to the leakage current during the off operation due to the TFT), the display quality could be greatly improved, and the yield rate could be dramatically increased.
[0077]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the amorphous silicon semiconductor film containing a rare gas element is formed by using a plasma CVD method.
[0078]
Conventionally, as a method of forming an amorphous silicon film containing such a rare gas element, a non-doped amorphous silicon film is formed and an ion doping method is used for the amorphous silicon film. A method of implanting rare gas ions and a method of forming an amorphous silicon film by sputtering using a Si target with these rare gases as sputtering gases are known.
[0079]
However, in the method of implanting rare gas ions using the ion doping method, it is necessary to prepare an expensive doping apparatus in addition to the film forming apparatus, and the film forming and the doping are performed in separate processes. Productivity is poor and costs are high. Further, it is not easy to implant a large amount of ions by using the ion doping method, and the tact time (processing time per substrate) becomes long, and the productivity is deteriorated. On the other hand, when a sputtering method using a Si target is used, discharge by RF or pulse DC is essential, but it is not easy to stably discharge by such a method, and abnormal discharge may occur frequently. is there. In particular, when the size of the substrate is increased, it is more difficult to generate a stable discharge, and no mass production apparatus having sufficient performance is commercially available even with a substrate having a size of 500 mm × 500 mm (500 mm □). In addition, there is a problem that the number of particles unique to sputtering becomes very large.
[0080]
In contrast, the inventor of the present application succeeded in forming an amorphous silicon film containing a rare gas element by using a plasma CVD method. In the plasma CVD method, mass production apparatuses for metric size glass substrates are generally commercially available, and chamber cleaning with a cleaning gas can be performed, so that particle countermeasures are good. However, since this plasma CVD method is a film formation based on a chemical reaction, a rare gas element that is inert to the chemical reaction is merely introduced as a film formation gas, but only acts as a carrier gas. The amorphous silicon semiconductor film is not included at all.
[0081]
The present inventor uses a source gas containing at least a silane-based gas and a rare gas as a source gas in the step of forming an amorphous silicon semiconductor film using a plasma CVD method. In addition, it has been found that when a film forming process is performed by a dual bias in which another bias is applied, a large amount of a rare gas element is contained in the formed amorphous silicon film. In this case, it is most effective to apply an RF bias (voltage) to the CVD electrode and separately apply an RF bias (voltage) to the substrate side, which is more amorphous than when a DC bias is applied to the substrate side. It has been found that the content of rare gas elements contained in the porous silicon semiconductor film is increased. However, it is shown that even when a DC voltage is applied to the substrate side, an effect including a rare gas element can be obtained as compared with a case where no bias voltage is applied. In this case, the frequency of the RF bias applied to the CVD electrode is different from the frequency of the RF bias applied to the substrate side, and the RF bias applied to the substrate side is higher than the frequency of the RF bias applied to the CVD electrode. If the frequency is made smaller, it is desirable because plasma matching is good and stable discharge can be obtained.
[0082]
FIG. 4 shows the relationship between the concentration of Ar contained in the amorphous silicon semiconductor film obtained by applying 100 W of RF power to the CVD electrode and displacing the RF power applied to the substrate side. It is a graph showing the result. In this experiment, SiH was used as the film forming gas.FourAnd Ar, and the RF frequency was 27.12 MHz on the CVD electrode side and 1.6 MHz on the substrate side. The substrate temperature during film formation varies depending on the film formation pressure. Referring to FIG. 4, the Ar concentration of Ar contained in the amorphous silicon semiconductor film is dramatically increased by applying a bias to the substrate side. When the bias power on the substrate side is 0 W, the conditions are the same as those in a general plasma CVD film forming process. In this case, Ar merely acts as a carrier gas, and only a minimal amount of Ar is present. It was found that a large amount of Ar element was included in the film by applying a bias to the substrate side.
[0083]
FIG. 5 is a schematic view for explaining a plasma CVD apparatus used in the step of forming an amorphous silicon film containing a rare gas element in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. FIG. 1 shows a normal plasma CVD apparatus, and (b) shows a plasma CVD apparatus used in the present invention.
[0084]
The normal plasma CVD apparatus shown in FIG. 5A has a
[0085]
On the other hand, the plasma CVD apparatus shown in FIG. 5B has a
[0086]
When the plasma CVD method is performed using the plasma CVD apparatus having the above structure, a slight amount of rare gas element may be injected into the crystalline silicon film formed on the substrate. Although the rare gas element itself does not adversely affect the characteristics of the semiconductor device, in the present invention, since the catalyst element is used as a gettering element for gettering, a crystalline silicon film serving as an active layer If a rare gas element is introduced into the substrate, the gettering effect of gettering the catalyst element is reduced, and the possibility that the catalyst element remains on the surface of the crystalline silicon film is increased. From this point, in the present invention, the concentration of the element selected from the rare gases contained in the amorphous silicon film is not uniformly distributed in the amorphous silicon film. It is desirable that the distribution be such that the concentration increases with increasing distance from the surface of the crystalline silicon film along the thickness direction.
[0087]
By setting the concentration of the rare gas contained in the amorphous silicon film to such a distribution, a getter for gettering the catalytic element is formed on the upper layer side of the amorphous silicon film having a high concentration distribution of the rare gas element. On the lower layer side of the amorphous silicon film where the ring capacity is high and there is a high concentration of catalytic elements and the concentration distribution of the rare gas elements is low, the concentration of the gettered catalytic elements is low and the crystal Concentration distribution occurs in the catalytic element gettered from the conductive silicon film. For this reason, after the gettering of the catalyst element, the residual amount of the catalyst element, particularly in the vicinity of the surface of the crystalline silicon film, can be reduced.
[0088]
As a specific method for forming an amorphous silicon film having a high concentration gradient of the rare gas element on the upper layer side with respect to the film thickness direction, the amorphous silicon film is composed of two layers consisting of an upper layer and a lower layer. As the structure, the method of forming the upper layer film so that the concentration containing the rare gas element is higher than that of the lower layer film is the simplest, and stable processing can be performed in terms of process and apparatus.
[0089]
In the plasma CVD process in this case, a mixed gas containing at least a silane-based gas and a rare gas is used as a source gas, and the lower layer film having a low rare gas concentration is shown in FIG.InAs shown in the plasma CVD apparatus shown in FIG. 5, the upper film formed by supplying a single bias to the CVD electrode and having a high rare gas concentration is formed on both the CVD electrode and the substrate of the plasma CVD apparatus shown in FIG. Are formed by supplying different biases. That is, the lower layer film is formed by a normal plasma CVD method that does not supply a bias to the substrate side, and the upper layer film is formed by a dual bias plasma CVD method unique to the present invention that supplies a bias to both the CVD electrode and the substrate. A two-layered amorphous silicon film is formed. Note that in this case, continuous two-layer film formation can be performed without exposure to the air by using a plasma CVD apparatus having a multi-chamber in which a plurality of chambers are continuous.
[0090]
Further, using the plasma CVD apparatus shown in FIG. 5 (b), the lower layer and the upper layer are continuously formed by turning on and off the second RF power source for supplying the RF power to the substrate side in the same chamber. For example, a two-layer film can be formed with the same number of steps as when forming a single-layer film, and there is no demerit when forming a two-layer structure such as a reduction in processing capability in a plasma CVD apparatus, and it is stable. Thus, a film can be formed.
[0091]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the second heat treatment for gettering the catalytic element is a large parameter that affects the effect of the present invention. In order to get the catalytic element contained in the crystalline silicon film to getter to the amorphous silicon film, a certain amount of heat treatment time and time are required, but the concentration of the catalytic element contained in the crystalline silicon film And the concentration of the catalytic element in the amorphous silicon film are most preferably carried out in a heat treatment time and a heat time so that at least a segregation state occurs in a thermal equilibrium state. When heat treatment is performed so as to achieve such a segregation state, the gettering action is saturated, and the highest and stable gettering effect can be obtained. On the other hand, if the heat treatment is performed in a state in which such a segregation state has not been reached, the catalyst element becomes a halfway movement state, and an unstable state from the process aspect.
[0092]
Further, the amorphous silicon film serving as a gettering sink of the catalytic element is heated in a state where it is not crystallized at least completely, preferably in a state where no crystal nucleus is generated, by performing the second heat treatment. It is desirable to perform processing. By adopting such heat treatment conditions, in addition to the rare gas element contained in the amorphous silicon film, defects such as dangling bonds in the amorphous silicon film become segregation sites for the catalytic element, and the catalytic element is made amorphous. Move to the silicon film and trap. That is, the maximum gettering segregation sites can be maintained throughout the second heat treatment step in which the catalytic element contained in the crystalline silicon film is transferred to the amorphous silicon film. The effect can be maximized.
[0093]
From the above viewpoints, it is desirable that the actual second heat treatment condition is that the heating temperature is in the range of 450 ° C. to 550 ° C. and the treatment time is 30 minutes to 4 hours. If the second heat treatment is performed under such conditions, the concentration of the catalytic element contained in the crystalline silicon film and the concentration of the catalytic element in the amorphous silicon film are segregated at least in a thermal equilibrium state, Further, the amorphous silicon film is not crystallized, and both of the above two conditions can be satisfied.
[0094]
In the present invention, since the catalytic element is gettered in the direction of the film thickness, the gettering distance is very short as much as the thickness of the film thickness, so the heat treatment temperature in the heat treatment is low as in the above range. And the processing time can be shortened.
[0095]
Even if the heating temperature is set to 450 ° C. or lower, it is possible to satisfy the above two conditions if the processing time is lengthened. However, the processing time becomes longer and the throughput deteriorates and the number of devices and footprint increase. It is difficult to adopt as a mass production process.
[0096]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in order to improve the process margin when the second heat treatment for gettering the catalytic element is applied even to a large glass substrate having a metric size, The structure of the heat treatment apparatus for performing the heat treatment 2 is important.
[0097]
In the present invention, as the apparatus for performing the second heating treatment in the above temperature range, there is a core tube formed in a cross-sectional shape having a substantially similar shape to a substrate having a planar shape (rectangular shape). However, it is possible to use a furnace in which the substrate placed in the core tube is arranged so that the substrate surface is directed in the core direction and the space between the core tube and the substrate is minimized. desirable.
[0098]
6A to 6D schematically illustrate a furnace for use in the second heat treatment in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
[0099]
As shown in FIG. 6 (a), this furnace furnace has a
[0100]
As shown in FIG. 6B, the cross-sectional shape of the
[0101]
Conventionally, silicon wafers such as ICs have been formed in a circular shape, and a furnace that heats such a wafer is formed to have a circular cross-sectional shape as shown in FIG. The On the other hand, since the glass substrate which becomes a mother board such as an active matrix substrate for liquid crystal display is all formed in a rectangular shape, when a rectangular substrate is set in a quartz tube of a conventional furnace, A
[0102]
The present inventor has found that the
[0103]
The gas flow of the atmospheric gas supplied from the upper part of the
[0104]
In the furnace for use in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a furnace core tube (quartz tube) 603 having a rectangular cross section having a substantially similar shape slightly larger than that of the
[0105]
The
[0106]
Note that the furnace shown in FIG. 6A includes a
[0107]
In addition, as the second heat treatment in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the heating temperature is set to 600 ° C. to 750 ° C. by high-speed thermal annealing in addition to the heat treatment using the furnace. Processing may be performed within a range of 10 seconds to 10 minutes. If it is within the range of such heating temperature and treatment time, as the second heat treatment, the concentration of the catalytic element contained in the crystalline silicon film and the concentration of the catalytic element in the amorphous silicon film are: At least in the thermal equilibrium state, the segregation state occurs, and the amorphous silicon film does not crystallize, and both of the above two conditions can be satisfied. Furthermore, if the heat treatment is performed under such high-speed thermal annealing conditions, the processing temperature becomes high, but the processing time is greatly shortened, so that the substrate (glass substrate) is increased in size and thickness. The present inventors have confirmed through experiments that the thermal deformation of can be suppressed and can be sufficiently applied.
[0108]
As an apparatus for performing such rapid thermal annealing, there is generally a lamp irradiation method using a tungsten-halogen lamp, an arc lamp or the like. However, in an apparatus using such a lamp method, unevenness in lamp illuminance occurs, and when the substrate is transferred by the conveyor method, heat unevenness occurs in the substrate when the heating process is raised or lowered by the transfer of the substrate, Uniform heat treatment is not easy for a large metric glass substrate, and thermal changes such as warping and cracking are likely to occur in the substrate. In addition, when the temperature uniformity on the substrate is not maintained using the rapid thermal annealing method, the region where the catalytic element is not sufficiently gettered on the substrate, the amorphous silicon semiconductor film is crystallized, Since a region where the gettering effect is reduced is generated, high temperature uniformity is required when the high-speed thermal annealing method is used.
[0109]
Therefore, the rapid thermal annealing apparatus in the present invention is preferably performed by spraying an inert gas such as nitrogen heated to a high temperature uniformly on the substrate surface.
[0110]
FIG. 7 is a schematic view showing such a rapid thermal annealing apparatus.
[0111]
This high-speed thermal annealing apparatus uses a single-wafer method in which substrates are sequentially processed one by one. The rapid thermal annealing apparatus includes a
[0112]
A gas introduction passage 703a is provided at a substantially central portion of the upper portion of the
[0113]
In this rapid thermal annealing apparatus, the nitrogen gas introduced from the gas introduction passage 703a is heated in the
[0114]
By using the high-speed thermal annealing apparatus configured as described above, the
[0115]
The rapid thermal annealing apparatus shown in FIG. 7 uses a single-wafer method that sequentially processes a single substrate. However, a multi-tube that simultaneously processes a plurality of substrates by connecting the quartz tubes having the above configuration in a cluster shape. By creating a chamber, a thermal annealing device with extremely high processing capacity can be reduced in size.FootprintCan be realized.
[0116]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the amorphous silicon film provided on the crystalline silicon semiconductor film serving as the active region of the semiconductor device is unnecessary after gettering the catalytic element by the second heat treatment. Need to be removed. When the amorphous silicon film is removed, it is necessary to remove only the upper amorphous silicon film while leaving the crystalline silicon film serving as the lower active region.
[0117]
Therefore, in order to remove only the upper amorphous silicon film, an etching process having an etching selectivity of almost 100% between the lower crystalline silicon film and the upper amorphous silicon film is performed. In practice, however, the selective etching process is impossible because the upper amorphous silicon film and the lower crystalline silicon film are similar silicon-based materials.
[0118]
For this reason, in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a barrier thin film serving as an etching stopper when removing the amorphous silicon film is provided between the crystalline silicon film serving as the active region and the amorphous silicon film. It is effective to provide it. The barrier thin film must have a sufficient etching selectivity as an etching stopper when removing the amorphous silicon film. In the present invention, the second thin film for gettering the catalytic element is used. When performing the heat treatment, the catalytic element contained in the lower crystalline silicon film must be moved to the upper amorphous silicon film through the barrier thin film. It is necessary to use one that does not hinder gettering. Therefore, it is desirable to use a silicon oxide film having a thickness of 50 mm or less as the barrier thin film provided between the crystalline silicon film and the amorphous silicon film. If such a film is used, it has sufficient etching selectivity with respect to the amorphous silicon film, and in the second heat treatment, a catalytic element from the crystalline silicon film to the amorphous silicon film. Does not interfere with gettering. On the other hand, if the thickness of the silicon oxide film is greater than 50 mm, the catalytic element is not sufficiently gettered from the crystalline silicon film to the amorphous silicon film, and a high gettering effect cannot be obtained.
[0119]
Further, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the crystallinity of the crystalline silicon film whose crystallization is promoted by the introduction of the catalytic element is further improved, and the performance of the semiconductor device, particularly the current driving capability is improved. As a method, it is effective to add a step of irradiating laser light to a crystalline silicon film whose crystallization has been promoted by introducing a catalytic element. The crystalline silicon film formed by the usual solid phase growth method has a twin crystal structure, so the inside of the crystal grains remains as twin defects even after intense light irradiation, but crystallization is promoted by the introduction of catalytic elements. When the crystallized silicon semiconductor film is irradiated with laser light, the crystalline silicon film crystallized by introducing a catalytic element is formed of columnar crystals, and the inside is in a single crystal state. When the grain boundary part is processed by the irradiation, the grain boundary part and minute residual amorphous region (uncrystallized region) are concentrated due to the difference in melting point between the crystalline silicon film and the amorphous silicon film. As a result, a high-quality crystalline silicon film close to a single crystal state is obtained over the entire surface of the substrate. The crystalline silicon film thus obtained is very effective from the viewpoint of crystallinity. In addition, since this laser light irradiation is originally performed on a silicon film having crystallinity, unlike the method of crystallizing an amorphous silicon film by direct laser irradiation, there is no variation in the laser light irradiation. It is greatly relaxed and there is no problem with uniformity.
[0120]
When a crystalline silicon film obtained by solid phase crystallization by introducing a catalytic element is irradiated with laser light, the presence form of the catalytic element changes. Specifically, the change in the existence form of the catalytic element is aggregation / reaggregation as silicide. The gettering process for removing the catalytic element from the crystalline silicon film serving as the active region is ideal gettering if the crystalline state of the crystalline silicon film constituting the active region is completely solidified. It is desirable because it can. In other words, when gettering of the catalytic element is followed by laser light irradiation to promote crystallinity, after the gettering, the catalyst element remaining in the crystalline silicon film and solid-solved is regenerated. Aggregation and silicidation may cause an electrical adverse effect on the semiconductor element. Therefore, in the present invention, the step of performing such laser light irradiation treatment is performed before the step of providing the amorphous silicon film on the crystalline silicon film to be the active region, that is, the catalytic element is an amorphous silicon film. It is desirable to do this before gettering.
[0121]
Further, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the kind of catalytic element that promotes crystallization of the amorphous silicon film is one of Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, Au, or the like, or these Multiple types of elements selected from can be used,theseWhen used as a catalytic element, crystallization can be promoted in a small amount.
[0122]
These catalytic elements do not act alone, but combine with the silicon atoms of the amorphous silicon film to promote crystal growth by silicidation. Therefore, the lattice constant in the silicide compound of the catalytic element is the lattice constant of single crystal silicon. It is preferable that Ni is diatomic Si and NiSi which is a silicide compound.2Form. NiSi2Has a fluorite-type crystal structure, which is very similar to the diamond structure of single crystal silicon. Furthermore, NiSi has a crystal structure with a diamond structure having a lattice constant of 5.430Å.2Has a lattice constant of 5.406Å, which is closest to the lattice constant of silicon. Therefore, NiSi2Is the most excellent template for crystallization of an amorphous silicon film, and crystallization of the amorphous silicon film is most promoted, so Ni is suitable as a catalyst element.
[0123]
A semiconductor device obtained by using the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a crystalline silicon film formed on a substrate having an insulating surface as an active region, and is used for this active region. The crystalline silicon film is formed by introducing a catalytic element that promotes crystallization into an amorphous silicon film formed on an insulating surface and heating the amorphous silicon film. This is obtained by gettering a catalytic element by heat treatment to an amorphous silicon film containing rare gases formed on the film. In the crystalline silicon film serving as the active region, the catalytic element is dissolved in the crystalline silicon lattice over the entire region, and the catalytic element is uniformly distributed over the entire active region. It is characterized by that. In other words, in this semiconductor device, the catalytic element is in a solid solution between the lattices of the silicon film and is uniformly distributed over the channel region and the source / drain regions.
[0124]
Such a feature can be obtained only by the semiconductor device of the present invention. A semiconductor device having such characteristics is a semiconductor device in which adverse effects such as an increase in off-current and deterioration in reliability due to a catalytic element do not occur. By containing the catalytic element in a crystalline silicon film in a solid solution between silicon lattices, it can maintain a better crystalline state than a conventional semiconductor device fabricated without using a conventional catalytic element. And high current drive capability can be obtained.
[0125]
The concentration of the catalytic element uniformly distributed over the entire active region of such a semiconductor device is 1 × 1015~ 1x1017atoms / cmThreeIt is preferable to be within the range. The concentration of the catalytic element in the active region is 1 × 1017atoms / cmThreeBy making the following, no adverse effect of the catalytic element on the characteristics of the semiconductor element is observed. Conversely, when a catalytic element is introduced to crystallize an amorphous silicon semiconductor, 1 × 1015atoms / cmThreeThe catalyst element at a concentration that minimizes the residual amount remains in the active region and cannot be reduced to a concentration lower than this.
[0126]
Further, when the catalyst element remains at a concentration within the above range, the catalyst element is combined with crystal defects, dangling bonds, and the like, and the trap density is reduced. Therefore, the semiconductor device of the present invention has a higher current driving capability than that in which no catalytic element is present. In this case, if the catalytic element contained in the active region is Ni element, in addition to high crystallization action, even if it exists between the lattices of silicon crystals, it hardly causes interstitial distortion and is scattered to carriers. It is most desirable to use Ni because it does not cause a problem.
[0127]
Another feature of the semiconductor device of the present invention is that an element selected from a trace amount of rare gases is contained in the vicinity of the surface of the active region. This is because when an amorphous silicon film for gettering a catalytic element is formed on a crystalline silicon film, a rare gas is injected into a part of the surface of the lower crystalline silicon film. to cause. This is a structural feature of the semiconductor device obtained as a result of using the present invention.
[0128]
The surface concentration of the rare gas element contained in the vicinity of the surface of the crystalline silicon semiconductor film which becomes the active region of such a semiconductor device is 1 × 10Ten~ 1x1012atoms / cm2It is desirable to be within the range. The element of the rare gas does not affect the electrical characteristics of the semiconductor device, but becomes a scattering center for the carrier, and the concentration of the element of the rare gas is 1 × 10.12atoms / cm2If it exceeds, current drive capability is reduced due to the inclusion of a rare gas element. Further, the gettering of the catalytic element to the amorphous silicon film is not sufficiently performed, and the 5 × 10 5 is formed in the vicinity of the surface of the crystalline silicon film serving as an active region.16atoms / cm2There is a possibility that the catalyst element may remain beyond the upper limit of the appropriate concentration. Conversely, the concentration of rare gas elements is 1 × 10.Tenatoms / cm2If it is below, it becomes the measurement lower limit in the total reflection fluorescent X-ray method that seems to have the highest accuracy in the current measurement technique, and it cannot be determined as a sufficient measurement value unless it is above this concentration.
[0129]
As the rare gas elements contained in the vicinity of the surface of the crystalline silicon film serving as the active region, the Ar element is desirable because it has the highest ability as a gettering element as described above.
[0130]
Hereinafter, specific examples using the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described.
[0131]
Example 1
In
[0132]
1A to 1G are cross-sectional views illustrating a process for manufacturing the N-channel TFT of Example 1 for each process.
[0133]
In order to manufacture the N-channel TFT of Example 1, first, as shown in FIG. 1A, in order to prevent impurities from diffusing from the
[0134]
Next, a small amount of
[0135]
Next, the
[0136]
Next, as shown in FIG. 1B, the
[0137]
Next, as shown in FIG. 1C, a
[0138]
Next, an Ar-containing
[0139]
The
[0140]
The concentration of argon contained in the
[0141]
Next, as shown in FIG. 1D, heat treatment is performed in an inert gas atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere. The treatment temperature and treatment time of this heat treatment are preferably set to a treatment time of 30 minutes to 4 hours within a temperature range of 450 to 550 ° C. In Example 1, heat treatment was performed at a treatment temperature of 520 ° C. and a treatment time of 2 hours. As the rate of temperature increase, the temperature of the
[0142]
In this heat treatment, no crystal nucleus is generated in the
[0143]
In Example 1, a non-annealed glass substrate of Corning code 1737 having a thickness of 320 mm × 400 mm and a thickness of 0.7 mmt is used as the
[0144]
Further, in the first embodiment, as shown in FIG. 6, in a core tube having a cross-sectional shape substantially similar to the planar shape of the
[0145]
By the heat treatment using the apparatus shown in FIG. 6, the
[0146]
In this way, when the heat treatment is performed at a heating temperature of 520 ° C. for a treatment time of 2 hours, the a-Si film containing the nickel concentration contained in the
[0147]
Next, gettering of the
[0148]
Thereafter, unnecessary portions of the
[0149]
Next, as shown in FIG. 1 (f), a silicon oxide which is a gate insulating film having a thickness of 20 to 150 nm, for example, 100 nm, is formed so as to cover the
[0150]
Subsequently, aluminum is formed into a film thickness of 400 to 800 nm, for example, 600 nm by sputtering, and this is patterned to form a gate electrode located at a predetermined portion on the
[0151]
Subsequently, phosphorus, which is an impurity, is implanted using an ion doping method. In this case, the gate electrode 111 and the oxide layer 112 formed on the
[0152]
By this step, the region of the
[0153]
Next, as shown in FIG. 1 (f), annealing is performed by irradiating
[0154]
At this time, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 40 nsec) is used as the
[0155]
Next, as shown in FIG. 1G, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 600 nm is formed to form an
[0156]
Next, contact holes reaching these regions are formed in portions corresponding to the source /
[0157]
Finally, annealing is performed for 1 hour under a temperature condition of 350 ° C. in a water vapor atmosphere of 1 atm to complete a desired
[0158]
The TFT manufactured through the steps described above has a field effect mobility of 250 cm.2/ Vs and the threshold voltage were about 1.5 V, and very high performance was obtained. Such performance was not significantly different from the conventional TFT manufactured without using a catalytic element, and the production yield could be greatly improved. Further, in this TFT, there is no abnormal increase in leakage current at the time of turning off the TFT, which is frequently seen in TFTs manufactured by the conventional method, and a very low value of 1 pA or less per unit W can be stably achieved. Indicated.
[0159]
Furthermore, the TFT of Example 1 shows almost no deterioration in characteristics even after repeated tests, a bias, and a durability test by temperature stress, and is very reliable as compared with a TFT manufactured by a conventional method. Is expensive.
[0160]
When the active matrix substrate for liquid crystal display using the TFT of Example 1 was actually evaluated for lighting, the display unevenness was clearly smaller than that using the TFT manufactured by the conventional method, and the pixel defect due to the TFT leak. Therefore, a liquid crystal panel with a high contrast ratio and a high display quality could be obtained.
[0161]
Although the TFT manufacturing process of the first embodiment described above has been described for the pixel electrode of the active matrix substrate, the TFT of the first embodiment can be applied to a thin film integrated circuit or the like. In that case, a contact hole may be formed on the gate electrode and necessary wiring may be provided.
(Example 2)
In the second embodiment, a peripheral driving circuit of an active matrix type liquid crystal display device, a circuit having a CMOS structure in which an N channel TFT and a P channel TFT forming a general thin film integrated circuit are complementarily formed is a glass substrate. A process for manufacturing the above will be described.
[0162]
FIGS. 2A to 2G are cross-sectional views illustrating, for each process, a process for manufacturing a CMOS structure in which an N-channel TFT and a P-channel TFT of Example 2 are complementarily configured. .
[0163]
When manufacturing the CMOS structure of the second embodiment, first, as shown in FIG. 2A, in order to prevent impurities from diffusing from the
[0164]
Next, a small amount of
[0165]
Next, the
[0166]
Next, as shown in FIG. 2B, the
[0167]
Next, as shown in FIG. 2C, when the amorphous silicon semiconductor film (a-Si film) 207 formed in a later step is removed by etching, a
[0168]
Next, as illustrated in FIG. 2C, an
[0169]
When such an
[0170]
In the two-
[0171]
In the second embodiment, in order to form the
[0172]
next, NoHeat treatment is performed under an active gas atmosphere, for example, under a nitrogen gas atmosphere. The treatment temperature and treatment time for this heat treatment are preferably set to a treatment time of 10 seconds to 10 minutes within a temperature range of 600 to 750 ° C. In Example 2, heat treatment was performed at a treatment temperature of 650 ° C. and a treatment time of 3 minutes. As the rate of temperature increase, the temperature is raised from 650 ° C. to 650 ° C. in 2 minutes (temperature increase rate: 125 ° C./min) from the state where the substrate was preheated to 400 ° C. The temperature dropped.
[0173]
In this heat treatment, the
[0174]
In Example 2, a non-annealed glass substrate of Corning code 1737 having a size of 320 mm × 400 mm and a thickness of 0.7 mmt is used as the
[0175]
In Example 2, the heat treatment was performed using a single-wafer type rapid thermal annealing apparatus that uniformly sprays a high-temperature gas onto the surface of the substrate as shown in FIG.
[0176]
The
[0177]
In this high-speed thermal annealing apparatus, the temperature rising / falling temperature of the
[0178]
The
[0179]
In this way, the nickel concentration contained in the
[0180]
Next, the
[0181]
Thereafter, unnecessary portions of the
[0182]
Next, as shown in FIG. 2E, the gate insulating film is formed to a thickness of 20 to 150 nm, for example, 100 nm so as to cover the
[0183]
Subsequently, a refractory metal is deposited by a sputtering method and patterned to form
[0184]
Next, phosphorus, which is an impurity, is implanted using an ion doping method. In this case, so-called through doping, which is performed through the
[0185]
By this step, the regions of the
[0186]
Next, as shown in FIG. 2F, a
[0187]
In this state, boron is implanted by an ion doping method. In the present embodiment 2, diborane (B2H61 × 1016~ 5x1016cm-2For example, 2 × 1016cm-2The doping was performed by applying an acceleration voltage of 40 to 80 kV, for example, 65 kV, at a high dose.
[0188]
In this step, boron is not implanted into the
[0189]
Next, after removing the
[0190]
Next, as shown in FIG. 2G, a silicon oxide film having a thickness of about 900 nm is formed by a plasma CVD method to form an
[0191]
Finally, annealing is performed for 1 hour under a temperature condition of 350 ° C. in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete the N-
[0192]
In the CMOS structure circuit manufactured through the steps described above, the field effect mobility of each TFT is 250 to 300 cm for an N-type TFT.2/ Vs, 100-130cm with P-type TFT2A high value of / Vs was obtained, and the threshold voltage was about 1 V for the N-type TFT and about −2 V for the P-type TFT, and very good characteristics were obtained. In addition, there is no abnormal increase in leakage current that frequently occurs in TFTs manufactured by conventional methods, and the leakage current itself is stable at a very low value of 1 pA or less per unit W. Indicated. This value has no difference even when compared with a conventional TFT manufactured without using a catalyst element, and the manufacturing yield can be greatly improved.
[0193]
Further, the TFT of this Example 2 shows almost no deterioration in characteristics even after repeated tests, bias and temperature durability tests, and is very reliable as compared with a TFT manufactured by a conventional method. And stable circuit characteristics.
[0194]
The two embodiments based on the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the two embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. .
[0195]
For example, in the above two embodiments, when the a-Si film containing argon is formed by the plasma CVD method, the dual frequency method in which RF power is also applied to the substrate side is used. It is also possible to forcibly introduce argon ions into the a-Si film by applying power and applying DC power to the substrate side.
[0196]
Moreover, in said Example 2, the two-layer film structure from which the density | concentration of argon containing the a-Si film containing argon differs from each otherWhenHowever, it may be formed as a multilayer film of three or more layers, or may be a film in which the argon concentration is continuously different along the film thickness direction.
[0197]
Furthermore, in the above two embodiments, argon is used as the gettering element, but the same effect can be obtained even if krypton, xenon, or the like is used.
[0198]
In addition, as the heat treatment for moving nickel to the upper a-Si film serving as a gettering sink, the method of using a core tube having an inner periphery substantially similar to the outer shape of the substrate has been shown in the first embodiment. The same treatment can be performed using a resistance heating furnace (furnace furnace) having a normal shape. In the second embodiment, the rapid thermal annealing process is performed by blowing high-temperature nitrogen gas. However, the same process can be performed by performing an annealing process using a general lamp method.
[0199]
In addition, as a method for introducing nickel, a method in which a solution in which a nickel salt is dissolved is applied to the surface of the amorphous silicon film is used, but before the amorphous silicon film is formed, the surface of the base film is used. Alternatively, nickel may be introduced and crystal growth may be performed by diffusing nickel from the lower layer side of the amorphous silicon film. That is, crystal growth may be performed from the upper surface side or the lower surface side of the amorphous silicon film.
[0200]
As a method for introducing nickel, various methods can be used in addition to the method of the above embodiment. For example, SOG (spin on glass) material is used as a solvent for dissolving nickel salt,2A method of diffusing from a film, a sputtering method, a vapor deposition method, a method of forming a thin film by a plating method, a method of directly introducing by an ion doping method, or the like can be used.
[0201]
Furthermore, the same effect can be obtained even if nickel, cobalt, iron, palladium, platinum, copper, gold, or the like is used as a catalyst element for promoting crystallization.
[0202]
As an etching stopper for removing the a-Si film serving as a gettering sink, various films such as a silicon nitride film as well as the silicon oxide film described in the above embodiment can be used. As for the method for forming the silicon oxide film, methods other than the thin film oxidation method such as ozone water treatment and excimer UV treatment described in this embodiment, for example, thin film formation by CVD, oxygen plasma treatment, thermal oxidation method, sulfuric acid An oxidation method or the like may be used.
[0203]
In the above embodiment, as a method for further improving the crystallinity of the crystalline silicon film crystallized with nickel, a heating method by irradiation with excimer laser light, which is a pulse laser, is used. The same processing can be performed by irradiating other laser light such as irradiation.
[0204]
In addition to the active matrix substrate for liquid crystal display, the device to which the semiconductor device of the present invention is applied includes, for example, a contact type image sensor, a driver built-in thermal head, a driver with an organic EL as a light emitting element. Even when applied to an optical writing element or display element of a type, a three-dimensional IC, etc., these elements can be realized at high speed and high performance corresponding to the degree of disclosure.
[0205]
Furthermore, the present invention is not limited to the MOS transistors described in the above embodiments, but can be applied to a wide variety of semiconductor processes such as bipolar transistors and electrostatic induction transistors using crystalline semiconductors.
[0206]
【The invention's effect】
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are obtained by applying a rare gas to the upper surface of a crystalline silicon film crystallized by heat-treating an amorphous silicon film into which a small amount of a catalytic element for promoting crystallization is introduced. A crystalline silicon film that becomes an active region of a semiconductor device is formed by forming an amorphous silicon film containing the selected element and gettering a catalytic element to the amorphous silicon film by heat treatment. ing. The crystalline silicon film thus formed is in a state where the catalytic element is greatly reduced by gettering and is in solid solution between the lattices of the silicon film over the entire active region. Therefore, a semiconductor device using this crystalline silicon film as an active region becomes a stable high-performance semiconductor device with little variation in characteristics such as an abnormal increase in leakage current.
[0207]
Moreover, such a high-performance semiconductor device with a high degree of integration can be manufactured by a simple manufacturing process, the yield rate can be greatly improved in the manufacturing process, and the cost can be reduced. In particular, when the semiconductor device of the present invention is applied to a liquid crystal display device, the switching characteristics of the pixel switching TFT required for the active matrix substrate are improved, and the high performance and high integration required for the TFT constituting the peripheral drive circuit section The driver monolithic type active matrix substrate that constitutes the active matrix portion and the peripheral drive circuit portion on the same substrate can be realized, and the module can be made compact, high performance, and low in cost.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Example 1 of the present invention for each step.
FIGS. 2A to 2G are cross-sectional views illustrating, for each step, a method for manufacturing a semiconductor device according to Example 2 of the present invention.
FIG. 3 shows the concentration of Ar contained in an amorphous silicon film (horizontal axis) and the catalytic element (Ni) remaining in the crystalline silicon film after the second heat treatment for gettering the catalytic element. It is a graph which shows the relationship with a density | concentration (vertical axis).
FIG. 4 shows the result of determining the relationship with the Ar concentration contained in the amorphous silicon semiconductor film obtained when 100 W RF power is applied to the CVD electrode and the RF power applied to the substrate side is displaced. It is a graph to represent.
FIGS. 5A and 5B are schematic views showing an outline of a plasma CVD apparatus for forming an amorphous silicon film in the present invention, respectively.
6A to 6D are schematic views showing a heat treatment apparatus for performing a second heat treatment in the present invention, respectively.
FIG. 7 is a schematic view showing an outline of a rapid thermal annealing apparatus for performing a second heat treatment in the present invention.
[Explanation of symbols]
101, 201 glass substrate
102, 202 Base film
103, 203 Silicon film
104, 204 Nickel
105, 205 Laser light
106,206 Silicon oxide film
107, 207 a-Si film
108,208 Nickel gettering direction
109, 209n, 209p TFT active region (element region)
110, 210 Silicon oxide film
111, 211n, 211p gate electrode
112 Oxide layer
213 Phosphorus
114, 214n, 214p channel region
115, 215n, 215p source region
116, 216n, 216p drain region
217 photoresist
218 Boron
119 Laser light
120, 220 interlayer insulation film
121,221 Electrode / Wiring
122, 222 N-channel TFT
223 P-channel TFT
Claims (23)
該非晶質ケイ素膜を結晶化するための第1の加熱処理を行って、該非晶質ケイ素膜を結晶性のケイ素膜に結晶化する工程と、
該結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程と、
前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させるための第2の加熱処理を行って、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させる工程と、
次いで、前記非晶質ケイ素膜を除去し、前記結晶性のケイ素膜によって活性領域を形成する工程と、
を包含し、
前記結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程は、シランガス系のガスと希ガス類から選択された元素を含むガスとを少なくとも含むガスがソースガスとして用いられ、前記非晶質ケイ素膜は、前記絶縁基板に対向して配置されたCVD電極から供給されるRFバイアスに加えて、該絶縁基板側にもこのRFバイアスとは異なる別のRFバイアスが加えられるデュアルバイアスによって成膜されることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, and introducing nickel as a catalytic element for promoting crystallization of the amorphous silicon film on the amorphous silicon film;
Performing a first heat treatment for crystallizing the amorphous silicon film to crystallize the amorphous silicon film into a crystalline silicon film;
Forming an amorphous silicon film containing an element selected from rare gases on the crystalline silicon film using a plasma CVD method;
A second heat treatment is performed to move nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film, and nickel contained in the crystalline silicon film is moved to the amorphous silicon film. A process of
Next, removing the amorphous silicon film and forming an active region with the crystalline silicon film;
Including
The step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from a rare gas using a plasma CVD method on the crystalline silicon film includes a silane gas and a gas containing an element selected from a rare gas. Is used as a source gas, and the amorphous silicon film is formed on the insulating substrate side in addition to the RF bias supplied from the CVD electrode disposed to face the insulating substrate. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a film is formed by a dual bias to which another RF bias different from the above is applied.
該非晶質ケイ素膜を結晶化するための第1の加熱処理を行って、該非晶質ケイ素膜を結晶性のケイ素膜に結晶化する工程と、
該結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を、前記希ガス類から選択された元素の濃度が膜厚方向に対して変化するような濃度分布で成膜する工程と、
前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させるための第2の加熱処理を行って、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させる工程と、
次いで、前記非晶質ケイ素膜を除去し、前記結晶性のケイ素膜によって活性領域を形成する工程と、
を包含することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, and introducing nickel as a catalytic element for promoting crystallization of the amorphous silicon film on the amorphous silicon film;
Performing a first heat treatment for crystallizing the amorphous silicon film to crystallize the amorphous silicon film into a crystalline silicon film;
On the crystalline silicon film, an amorphous silicon film containing an element selected from rare gases using a plasma CVD method is used, such that the concentration of the element selected from the rare gases changes with respect to the film thickness direction. Forming a film with a concentration distribution;
A second heat treatment is performed to move nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film, and nickel contained in the crystalline silicon film is moved to the amorphous silicon film. A process of
Next, removing the amorphous silicon film and forming an active region with the crystalline silicon film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
該非晶質ケイ素膜を結晶化するための第1の加熱処理を行って、該非晶質ケイ素膜を結晶性のケイ素膜に結晶化する工程と、
該結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程と、
前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させるための第2の加熱処理を行って、前記結晶性のケイ素膜に含まれるニッケルを前記非晶質ケイ素膜に移動させる工程と、
次いで、前記非晶質ケイ素膜を除去し、前記結晶性のケイ素膜によって活性領域を形成する工程と、
を包含し、
前記結晶性のケイ素膜上に、プラズマCVD法を用いて希ガス類から選択された元素を含む非晶質ケイ素膜を成膜する工程は、シランガス系のガスと希ガス類から選択された元素を含むガスとを少なくとも含むガスがソースガスとして用いられ、前記非晶質ケイ素膜は、前記絶縁基板に対向して配置されたCVD電極から供給されるバイアスによって、前記希ガス類から選択された元素の濃度が低い下層膜を成膜した後に、前記CVD電極から供給されるバイアスに加えて、前記絶縁基板側にもこのバイアスとは異なる別バイアスが加えられるデュアルバイアスによって、前記希ガス類から選択された元素の濃度が高い上層膜を成膜することによって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface, and introducing nickel as a catalytic element for promoting crystallization of the amorphous silicon film on the amorphous silicon film;
Performing a first heat treatment for crystallizing the amorphous silicon film to crystallize the amorphous silicon film into a crystalline silicon film;
Forming an amorphous silicon film containing an element selected from rare gases on the crystalline silicon film using a plasma CVD method;
A second heat treatment is performed to move nickel contained in the crystalline silicon film to the amorphous silicon film, and nickel contained in the crystalline silicon film is moved to the amorphous silicon film. A process of
Next, removing the amorphous silicon film and forming an active region with the crystalline silicon film;
Including
The step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from a rare gas using a plasma CVD method on the crystalline silicon film includes a silane gas and a gas containing an element selected from a rare gas. Is used as a source gas, and the amorphous silicon film is a lower layer in which the concentration of an element selected from the rare gases is low by a bias supplied from a CVD electrode disposed to face the insulating substrate. After the film is formed, the concentration of the element selected from the rare gases is high by the dual bias in which another bias different from this bias is applied to the insulating substrate side in addition to the bias supplied from the CVD electrode. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming an upper layer film.
前記結晶性のケイ素膜にレーザー光を照射して、その結晶性を向上させる工程をさらに行う、1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。Before performing the step of forming an amorphous silicon film containing an element selected from the rare gases,
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 3, further comprising a step of irradiating the crystalline silicon film with laser light to improve the crystallinity.
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