JP4152738B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、薄膜トランジスタやその他半導体装置をレーザー光を用いて作製する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年ガラス基板上に形成された薄膜トランジタを用いてアクティブマトリクス型の液晶表示装置を作製する技術が知られている。一般にガラス基板を用いた場合には、ガラス基板の耐熱性(一般に600度程度)の問題から、高温での加熱処理が行えず、必要とする結晶性を有する薄膜が得られないという問題、ソース/ドレイン領域の活性化に必要な温度が与えられないという問題がある。
【0003】
上記のような問題を解決する手段として、レーザー光を用いて非晶質珪素膜の結晶化を行う方法、ソース/ドレイン領域の再結晶化や活性化を行う方法があるが、完成した薄膜トタンジスタに特性のバラツキが多いという問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記レーザー光の照射による各種アニール工程を経て作製された薄膜トランジスタの特性にバラツキが多いという問題は、レーザー光として用いられるパルス発振型のエキシマレーザーのパルス間隔に起因するものと考えられる。通常はパルス発振の幅が50ns程であるが、このような場合、珪素膜の表面は数十ns以下の時間において溶融状態となり、その短い時間において液相状態からの結晶化が進行する。この時、結晶化の時間が非常に短いため、膜質の僅かな違いや表面の平坦性の違いによって、その結晶性やレーザー光の照射後の膜質が大きく代わってしまう。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明は、珪素膜に対するパルス状のレーザー光の照射に際して、表面の溶融状態をできるだけ長く持続させ、レーザー光の照射による効果を高くすることを要旨とする。
【0006】
本発明の主要な構成は、
パルス幅が1μs〜100msのパルスレーザー光を非晶質珪素膜または非晶質化した珪素膜に対して照射することを特徴とする。
【0007】
上記構成は、パルス幅が1μs〜100msのパルスレーザー光を非晶質珪素膜または非晶質化した珪素膜に対して照射することによって、非晶質珪素膜を結晶化させることを主な目的とするものである。
上記構成において、珪素膜中には結晶化を助長する金属元素が含まれている場合、さらにその効果を高めることができる。
【0008】
上記構成において、
珪素膜中には結晶化を助長する金属元素であるFe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag、Auから選ばれた一種または複数種類の元素が含まれている場合、さらにその効果を高めることができる。
【0009】
また上記構成において、珪素膜中には一導電型を付与する不純物が添加されている場合、その効果をさらに大きくするとができる。
【0010】
上記結晶化を助長する金属元素としては、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag、An等の珪素に対して進入型の原子を用いることができる。これらの元素は、加熱処理工程において、珪素膜中に拡散していく。そして、上記の進入型の元素が、拡散していくのと同時に珪素の結晶化が進行していく。即ち、上記進入型の金属は、拡散していった先々でもって触媒的な作用でもって非晶質珪素膜の結晶化を助長する。
【0011】
また上記進入型の元素は、珪素膜中に速やかに拡散していってしまうので、その導入量(添加量)が重要となる。即ち、その導入量が少ないと、結晶化を助長する効果が小さく、良好な結晶性を得ることができない。またその導入量が多過ぎると、珪素の半導体特性が損なわれてしまう。
【0012】
従って、非晶質珪素膜への上記金属元素の最適導入量が存在することになる。例えば、上記結晶化を助長する金属元素としてNiを利用する場合、結晶化された珪素膜中における濃度が1×1015cm-3以上であれば、結晶化を助長する効果を得ることができ、また結晶化された珪素膜中における濃度が1×1019cm-3以下であれば、半導体特性が阻害されることがないことが判明している。ここでいう濃度とは、SIMS(2次イオン分析法)によって得られる最小値によって定義される。また、上記に列挙したNi以外の金属元素についても、Niと同様の濃度範囲においてその効果を得ることができる。
【0013】
上記に列挙した金属元素以外にAlやSnを用いた場合にも、非晶質珪素膜の結晶化を助長させることができる。しかしAlやSnは、珪素と合金を形成してしまい珪素膜中に拡散進入していかない。そして、結晶化は珪素と合金を形成した部分が結晶核となって、その部分から結晶成長が行われていく形で進行する。この場合、AlやSnは珪素膜中に拡散していかないので、この結晶核の部分から結晶化が進行していくこととなる。このようにAlやSnを用いた場合には、AlやSnを導入した部分(即ちこれら元素と珪素との合金層)からしか結晶成長が行われないので、前述のNi等の進入型の元素を用いた場合に比較して、その結晶性が一般に悪いという問題がある。例えば、一様に結晶化した結晶性珪素膜を得ることが困難であるという問題がある。
【0014】
〔作用〕
非晶質珪素膜に対して、1μs以上のパルス幅を有するレーザー光を照射することで、非晶質珪素膜表面の溶融状態を長くすることができ、その結晶性成長時間を長くすることができる。この結晶性成長時間を長くすることで、結晶の成長過程が、膜質や表面の平坦性の影響を受けにくくなる。従って、膜質の微妙な違いや表面の平坦性の微妙な違いに影響されずに、常に一定の効果を得るとができる。即ち、常に一定の結晶性や電気的な特性を有する結晶性珪素膜を得ることができる。
【0015】
またレーザー光を照射する珪素膜に結晶性を助長する金属元素が導入されていおる場合には、レーザー光の照射による結晶化がさらに大きく進行する。この場合も膜質な表面の平坦性等の微妙な違いに大きく影響されずにレーザー光の照射によるアニール効果を得ることができる。
【0016】
【実施例】
以下に本明細書で開示する発明を利用した実施例を示す。以下の実施例では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の各画素に配置される薄膜トランジスタの例を示す。しかし、このような薄膜トランジスタは、液晶表示装置の周辺回路領域、イメージセンサ、各種薄膜集積回路に利用することができる。
【0017】
〔実施例1〕
まずガラス基板101(例えばコーニング7059)上に下地膜として酸化珪素膜102を2000Åの厚さにスパッタ法で成膜する。次に非晶質珪素膜103をプラズマCVD法または減圧熱CVD法で1000Åの厚さに成膜する。次に結晶化を助長する金属であるニッケルを非晶質珪素膜上に導入する。ここでは、ニッケル酢酸塩溶液をスピンコート法によって非晶質珪素膜上に塗布することによって、非晶質珪素膜に対してニッケル元素を導入する。
【0018】
次に550度、4時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜103を結晶化させる。この加熱処理は、450度以上の温度で行うことができるが、550度以上ではガラス基板に対する熱ダメージが問題となるので、550度以下で行うことが好ましい。
【0019】
加熱処理の終了後、レーザー光を照射することにより、結晶性珪素膜の結晶性をさらに向上させる。上記のような結晶化を助長する金属元素の作用により加熱によって結晶性が与えられた結晶性珪素膜は、非晶質成分を多く含んでいる。そこでレーザー光を照射することによって、その非晶質成分を結晶化させ、結晶性を向上させることができる。ここで行うレーザー光の照射は、パルス幅を100μs、照射エネルギー密度を250mJ/cm2 として行う。
【0020】
次に得られた結晶性珪素膜をパターニングすることにより、薄膜トランジスタの活性層を得る。そしてゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜104を100Åの厚さにプラズマCVD法で形成する。さらにアルミニウムを主成分とする膜を5000Åの厚さに形成し、パターニングを施すことにより、ゲイト電極105を形成する。そして電解溶液中において、ゲイト電極を陽極として陽極酸化を行うことによって、酸化物層106を形成する。
【0021】
そして一導電型を付与する不純物にイオン注入を行うことによって、ソース領域107とドレイン領域111とを形成する。この際、オフセットゲイト領域108とチャネル形成領域109とが同時に形成される。ここでは、Nチャネル型の薄膜トランジスタを作製するためにP(リン)イオンの注入を行う。(図1(B))
【0022】
そして、レーザー光の照射を行うことにより、ソース/ドレイン領域の活性化を行う。この工程では、先の不純物イオン注入工程において非晶質化されたソース/ドレイン領域の再結晶化と注入された不純物の活性化が行われる。ここでのレーザー光の照射は、波長308nmのXeClレーザー光を用い、そのパルス幅を100μs、照射エネルギー密度を250mJ/cm2 とする。
【0023】
そして、層間絶縁膜112、画素電極である酸化珪素膜113、ソース電極114、ドレイン電極115を形成することにより、薄膜トランジスタを完成させる。
【0024】
図2に本実施例に示す作製工程において、パルス幅を50nsから100μsまで可変させ、その場合における完成した薄膜トランジスタのしきい値(Vth)のバラツキ(相対値)との関係を示したものである。
【0025】
図2を見れば分かるように、パルス幅を1μs以上とすることで、完成した薄膜トランジスタのしきい値(Vth)のバラツキ(相対値)を大きく低減できることが分かる。
【0026】
パルス幅の上限としては、100ms以下とすることが適当である。これは、これ以上のパルス幅を発振することは困難であるという問題と、ガラス基板に対する熱ダメージの問題が顕在化するという問題とによって決められる。
【0027】
〔実施例2〕
図2に示すのは、薄膜トランジスタ(TFT)を用いて構成されるアクティブマトリクス回路とそのドライバー回路、その他の回路を基板504上に形成した場合のブロック図を示す。本実施例で示したTFT126、127はそのうちのX/Yデコーダー・ドライバーやCPU、各種メモリーの論理回路に使用される。一方、TFT128はアクティブマトリクス回路の画素のスイッチングTFT501やドライバー回路のサンプリングTFT、各種メモリーのマトリクス素子として用いられる。また、容量129はアクティブマトリクス回路の画素セル502の補助容量503や、各種メモリー回路の記憶素子い用いられる。図2に示すようなガラス基板上に必要とする各種回路を構成する場合、本明細書で開示するような作製工程間においてレーザー照射効果の違いが小さい構成を利用することは有用である。
【0028】
【発明の効果】
パルスレーザー光の発振周波数を1μs以上とすることで、このパルスレーザー光を用いた半導体に対するアニール効果を一定なものとすることができる。そして特性のバラツキの小さい薄膜トランジスタを生産することができる。本明細書で開示した発明は、各種半導体の作製に利用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例の薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【図2】 作製された薄膜トランジスタのしきい値のバラツキと照射されたレーザー光のパルス幅との関係を示す。
【図3】 薄膜トランジスタを利用した電気光学装置の概要を示す。
【符号の説明】
101 ガラス基板
102 下地膜(酸化珪素膜)
103 非晶質珪素膜
104 ゲイト絶縁膜(酸化珪素膜)
105 ゲイト電極
106 酸化物層
107 ソース領域
108 オフセットゲイト領域
109 チャネル形成領域
110 オフセットゲイト領域
111 ドレイン領域
112 層間絶縁膜
113 画素電極(ITO)電極
114 ソース電極
115 ドレイン電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a thin film transistor or another semiconductor device using a laser beam.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a technique for manufacturing an active matrix liquid crystal display device using a thin film transistor formed on a glass substrate is known. In general, when a glass substrate is used, due to the problem of heat resistance of the glass substrate (generally about 600 degrees), heat treatment at a high temperature cannot be performed, and a thin film having the required crystallinity cannot be obtained. There is a problem that a temperature necessary for activation of the drain region cannot be given.
[0003]
As means for solving the above problems, there are a method of crystallizing an amorphous silicon film using a laser beam and a method of recrystallizing and activating a source / drain region. However, there is a problem that there are many variations in characteristics.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The problem that the characteristics of thin film transistors manufactured through various annealing processes by laser light irradiation vary widely is considered to be due to the pulse interval of a pulsed excimer laser used as laser light. Normally, the pulse oscillation width is about 50 ns. In such a case, the surface of the silicon film is in a molten state in a time of several tens of ns or less, and crystallization from the liquid phase proceeds in the short time. At this time, since the crystallization time is very short, the crystallinity and the film quality after irradiation with laser light are largely changed by a slight difference in film quality and a difference in surface flatness.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the invention disclosed in this specification is to maintain the molten state of the surface for as long as possible when irradiating the silicon film with pulsed laser light and to enhance the effect of the laser light irradiation.
[0006]
The main configuration of the present invention is as follows.
A pulse laser beam having a pulse width of 1 μs to 100 ms is irradiated to an amorphous silicon film or an amorphous silicon film.
[0007]
The main purpose of the above structure is to crystallize an amorphous silicon film by irradiating an amorphous silicon film or an amorphous silicon film with a pulse laser beam having a pulse width of 1 μs to 100 ms. It is what.
In the above structure, when the silicon film contains a metal element that promotes crystallization, the effect can be further enhanced.
[0008]
In the above configuration,
The silicon film contains one or more elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, Ag, and Au, which are metal elements that promote crystallization. If so, the effect can be further enhanced.
[0009]
In the above structure, when an impurity imparting one conductivity type is added to the silicon film, the effect can be further increased.
[0010]
As the metal element for promoting the crystallization, an entry type atom with respect to silicon such as Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, Ag, or An can be used. These elements diffuse into the silicon film in the heat treatment step. Then, the crystallization of silicon proceeds simultaneously with the diffusion of the above-mentioned interstitial elements. In other words, the ingress metal promotes the crystallization of the amorphous silicon film with a catalytic action in advance of diffusion.
[0011]
Further, since the above-mentioned entry type element diffuses quickly into the silicon film, the amount of introduction (addition amount) is important. That is, if the amount introduced is small, the effect of promoting crystallization is small and good crystallinity cannot be obtained. Moreover, when there are too many the introduction amounts, the semiconductor characteristic of silicon will be impaired.
[0012]
Therefore, there exists an optimum amount of the metal element introduced into the amorphous silicon film. For example, when Ni is used as the metal element that promotes crystallization, the effect of promoting crystallization can be obtained if the concentration in the crystallized silicon film is 1 × 10 15 cm −3 or more. It has also been found that if the concentration in the crystallized silicon film is 1 × 10 19 cm −3 or less, the semiconductor characteristics are not hindered. The concentration here is defined by the minimum value obtained by SIMS (secondary ion analysis). Moreover, the effect can be acquired also about metal elements other than Ni enumerated above in the same concentration range as Ni.
[0013]
Even when Al or Sn is used in addition to the metal elements listed above, crystallization of the amorphous silicon film can be promoted. However, Al and Sn form an alloy with silicon and do not diffuse into the silicon film. Crystallization proceeds in such a manner that a portion where silicon and an alloy are formed becomes a crystal nucleus, and crystal growth is performed from that portion. In this case, since Al and Sn do not diffuse into the silicon film, crystallization proceeds from this crystal nucleus portion. When Al or Sn is used in this way, crystal growth is performed only from a portion where Al or Sn is introduced (that is, an alloy layer of these elements and silicon). There is a problem that the crystallinity is generally poor as compared with the case where is used. For example, there is a problem that it is difficult to obtain a uniformly crystallized crystalline silicon film.
[0014]
[Action]
By irradiating the amorphous silicon film with laser light having a pulse width of 1 μs or more, the molten state of the amorphous silicon film surface can be lengthened and the crystal growth time can be lengthened. it can. By extending the crystal growth time, the crystal growth process is less affected by the film quality and surface flatness. Therefore, it is possible to always obtain a certain effect without being affected by subtle differences in film quality and subtle differences in surface flatness. That is, a crystalline silicon film having always constant crystallinity and electrical characteristics can be obtained.
[0015]
In addition, when a metal element for promoting crystallinity is introduced into the silicon film irradiated with laser light, crystallization by laser light irradiation further proceeds. In this case as well, an annealing effect by laser light irradiation can be obtained without being greatly affected by subtle differences such as the flatness of the film-quality surface.
[0016]
【Example】
Examples using the invention disclosed in this specification will be described below. In the following embodiments, an example of a thin film transistor disposed in each pixel of an active matrix type liquid crystal display device is shown. However, such a thin film transistor can be used for a peripheral circuit region of a liquid crystal display device, an image sensor, and various thin film integrated circuits.
[0017]
[Example 1]
First, a
[0018]
Next, the amorphous silicon film 103 is crystallized by performing heat treatment at 550 degrees for 4 hours. This heat treatment can be performed at a temperature of 450 ° C. or higher, but thermal damage to the glass substrate becomes a problem at 550 ° C. or higher, and is preferably performed at 550 ° C. or lower.
[0019]
After completion of the heat treatment, the crystallinity of the crystalline silicon film is further improved by irradiating laser light. The crystalline silicon film given crystallinity by heating by the action of the metal element that promotes crystallization as described above contains many amorphous components. Therefore, by irradiation with laser light, the amorphous component can be crystallized and the crystallinity can be improved. The laser beam irradiation performed here is performed with a pulse width of 100 μs and an irradiation energy density of 250 mJ / cm 2 .
[0020]
Next, by patterning the obtained crystalline silicon film, an active layer of the thin film transistor is obtained. Then, a
[0021]
Then, the
[0022]
Then, the source / drain regions are activated by irradiating with laser light. In this step, recrystallization of the source / drain regions made amorphous in the previous impurity ion implantation step and activation of the implanted impurities are performed. The laser beam irradiation here uses XeCl laser beam having a wavelength of 308 nm, the pulse width is 100 μs, and the irradiation energy density is 250 mJ / cm 2 .
[0023]
Then, an interlayer insulating film 112, a silicon oxide film 113 which is a pixel electrode, a source electrode 114, and a drain electrode 115 are formed, thereby completing a thin film transistor.
[0024]
FIG. 2 shows the relationship between the variation (relative value) of the threshold value (V th ) of a completed thin film transistor in which the pulse width is varied from 50 ns to 100 μs in the manufacturing process shown in this example. is there.
[0025]
As can be seen from FIG. 2, it can be seen that the variation (relative value) of the threshold value (V th ) of the completed thin film transistor can be greatly reduced by setting the pulse width to 1 μs or more.
[0026]
The upper limit of the pulse width is suitably 100 ms or less. This is determined by the problem that it is difficult to oscillate a pulse width longer than this, and the problem that the problem of thermal damage to the glass substrate becomes obvious.
[0027]
[Example 2]
FIG. 2 shows a block diagram in the case where an active matrix circuit configured using thin film transistors (TFTs), a driver circuit thereof, and other circuits are formed over a
[0028]
【The invention's effect】
By setting the oscillation frequency of the pulse laser light to 1 μs or more, the annealing effect on the semiconductor using the pulse laser light can be made constant. Thus, a thin film transistor with small variation in characteristics can be produced. It goes without saying that the invention disclosed in this specification can be used for manufacturing various semiconductors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a manufacturing process of a thin film transistor of an example.
FIG. 2 shows a relationship between variation in threshold value of a manufactured thin film transistor and a pulse width of irradiated laser light.
FIG. 3 shows an outline of an electro-optical device using a thin film transistor.
[Explanation of symbols]
101
103
105
Claims (5)
前記下地膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜にパルス幅が1μs〜100msのパルスレーザー光を照射することによって結晶化し、
前記結晶化された珪素膜をパターニングすることによって、薄膜トランジスタの活性層を形成し、
前記活性層上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成し、
前記活性層に一導電型を付与する不純物を添加することによって、ソース領域とドレイン領域とを形成し、
前記活性層にパルス幅が1μs〜100msのパルスレーザー光を照射することによって、前記ソース領域及び前記ドレイン領域に添加された前記不純物を活性化することを特徴とする半導体装置の作製方法。Form a base film on the glass substrate,
Forming an amorphous silicon film on the base film;
Crystallization is performed by irradiating the amorphous silicon film with pulsed laser light having a pulse width of 1 μs to 100 ms,
An active layer of a thin film transistor is formed by patterning the crystallized silicon film,
Forming a gate insulating film on the active layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
A source region and a drain region are formed by adding an impurity imparting one conductivity type to the active layer ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the impurity added to the source region and the drain region is activated by irradiating the active layer with pulsed laser light having a pulse width of 1 μs to 100 ms.
前記下地膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
前記金属元素が導入された非晶質珪素膜を加熱処理して結晶化し、
前記結晶化された珪素膜にパルス幅が1μs〜100msのパルスレーザー光を照射することによって、前記結晶化された珪素膜の結晶性を向上させ、
前記結晶性が向上された珪素膜をパターニングすることによって、薄膜トランジスタの活性層を形成し、
前記活性層上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成し、
前記活性層に一導電型を付与する不純物を添加することによって、ソース領域とドレイン領域とを形成し、
前記活性層にパルス幅が1μs〜100msのパルスレーザー光を照射することによって、前記ソース領域及び前記ドレイン領域に添加された前記不純物を活性化することを特徴とする半導体装置の作製方法。Form a base film on the glass substrate,
Forming an amorphous silicon film on the base film;
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film;
The amorphous silicon film introduced with the metal element is crystallized by heat treatment,
By irradiating the crystallized silicon film with pulsed laser light having a pulse width of 1 μs to 100 ms, the crystallinity of the crystallized silicon film is improved,
By patterning the silicon film with improved crystallinity , an active layer of the thin film transistor is formed,
Forming a gate insulating film on the active layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
A source region and a drain region are formed by adding an impurity imparting one conductivity type to the active layer ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the impurity added to the source region and the drain region is activated by irradiating the active layer with pulsed laser light having a pulse width of 1 μs to 100 ms.
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