JP4437523B2

JP4437523B2 - 半導体装置およびその作製方法

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Publication number: JP4437523B2
Application number: JP2002342851A
Authority: JP
Inventors: 直樹牧田; 美佐子仲沢; 英人大沼
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd; Sharp Corp
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd; Sharp Corp
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP2004179330A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその作製方法に関し、特に結晶質半導体膜に含有されている触媒金属元素を除去し、高純度の結晶質半導体膜を作製する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体特性を利用したデバイスは日々、小型化、高性能化のための研究開発が続けられている。デバイスの小型化、軽量化が進むにつれ少量の重金属不純物元素でもその影響は大となり、デバイス特性の悪化や、デバイスのライフタイムの短縮等の問題が顕著化している。このような特性悪化や歩留まりに関する問題を解決するために、半導体中の不純物金属元素濃度を低減するためのゲッタリング技術に関する研究がさかんに進められている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
津屋英樹著「超ＬＳＩプロセス工学」丸善株式会社出版、１９９５年３月３０日、ｐｐ．１９１−２５０
これまでに、非晶質半導体膜に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄといった金属元素を添加して加熱処理を行うことで良好な結晶性を有する半導体膜を得る方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、非晶質珪素膜膜の結晶化を促進するための触媒として用いられている触媒金属元素のひとつであるＮｉは、触媒金属元素であると同時に、上記した半導体膜において特性を悪化させる原因となる重金属不純物元素でもある。そこで、上記のような結晶化方法を適用する際は、結晶化工程後に得られた結晶質半導体膜（結晶質珪素膜）から速やかに触媒金属元素を除去する（もしくは、結晶質珪素膜に含まれる触媒金属元素の濃度を低減する）ことが望ましく、このための処理として様々なゲッタリング技術が開発されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１６１６３４号公報（第４−５、第１図）
これまでに考案されたゲッタリング技術としては以下のようなものが挙げられる。（１）加熱により触媒金属元素のチャネル形成領域となる領域からゲッタリング作用を有する元素（例えば、周期表の１５族に属する元素）を高濃度に含むソース領域またはドレイン領域に拡散させる方法（例えば、特許文献２参照）、（２）加熱により触媒金属元素を後の活性層（特にチャネル形成領域となる領域）領域からゲッタリング作用を有する元素（例えば、周期表の１５族に属する元素）を高濃度に含み、かつ活性層となる領域の外側に形成されたゲッタリング領域に拡散させる方法（例えば、特許文献３参照）、（３）第１の珪素膜（活性層を形成するための半導体膜）上に、極薄い（膜厚１〜５ｎｍ程度）酸化膜を介してゲッタリング領域となる第２の半導体膜（例えば、珪素膜）を形成し、加熱処理することにより第１の半導体膜から第２の半導体膜に触媒金属元素を拡散させる方法（例えば、特許文献４参照）である。
【０００５】
【特許文献２】
特開平８−２１３３１７号公報（第３−４頁、第２図）
【０００６】
【特許文献３】
特開平１０−２４７７３５号公報（第２−５頁、第１図）
【０００７】
【特許文献４】
特開平１０−２２２８９号公報（第３−５頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ＴＦＴ作製用の基板には、石英などと比較して低価格であることから、ガラス基板を用いることが多い。しかしながら、高温の熱処理によりガラス基板のシュリンクや反りが発生することが懸念されている。このため、ＴＦＴを作製する一連の作製工程に於いては、ひとつでも多くの熱処理工程の削減、或いは熱処理工程時間の短縮または熱処理温度の低温化が求められている。
【０００９】
結晶化後不要になった触媒金属元素のゲッタリング工程も、例外ではなく、処理時間の短縮、低温化が求められている。
【００１０】
しかしながら、従来技術のような触媒金属元素のゲッタリング方法では前述のようにいずれも必ず熱処理工程を伴う。また、この熱処理に必要な温度は概ね５００℃以上であり、加熱温度が低いほど多くの処理時間を要し、また温度が高いほど要する時間も短いことがわかっている。このように、ゲッタリング方法において、熱処理温度と熱処理時間はトレードオフの関係にあった。
【００１１】
従って、処理時間の短縮と処理温度の低温化を同時に満たせるような新たなゲッタリング方法の開発が求められていた。
【００１２】
本発明では、短時間、かつ低温での処理により、結晶化後不要になった触媒金属元素を低減させる工程を含む半導体装置の作製方法を用いて作製された半導体装置、およびその作製方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題を解決するための手段について、以下に説明する。なお、本明細書中では、基板上に膜を成膜したときに、成膜された膜の膜厚方向の中心部を基準とし、膜が成膜された側を「上方」とし、基板のある側を「下方」とする。
【００１４】
本発明の半導体装置の作製方法は、結晶質半導体膜中の上方側における触媒金属元素濃度が、下方側における前記触媒金属元素濃度よりも高い濃度勾配をもつ第１の結晶質半導体膜を形成する第１の工程と、前記第１の結晶質半導体膜表面の前記触媒金属元素若しくは前記触媒金属元素の半導体化合物を選択的に除去した第２の結晶質半導体膜を形成する第２の工程と、を有することを特徴としている。
【００１５】
図１は、触媒金属元素を用いて非晶質珪素膜を結晶化させ形成した第１の結晶質珪素膜の任意の１点につき、０、１、１３回のショット回数（発振回数）でパルスレーザー光を連続的に照射し、形成した第２の結晶質珪素膜中におけるＮｉ濃度分布の測定結果である。なおパルスレーザー光は第１の結晶質珪素膜の上方から照射しており、照射強度は４８０ｍＪ／ｃｍ²、発振周波数は３０Ｈｚ、パルス幅３０ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマレーザーを用いている。また測定には二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いている。ＳＩＭＳ測定では、測定開始後、測定感度が安定するまでに時間を要するので、予めＮｉを含有していない珪素膜（非晶質珪素膜。Ｃａｐ膜と称する。）を、対象物であるＮｉ含有結晶質珪素膜の上に成膜したものをサンプルとして用い、測定している。なお、ＳＩＭＳ測定条件は、一次イオン種はＯ²⁺、一次加速電圧は８ｋＶ，スパッタレートは約０．２ｎｍ／ｓｅｃ、測定領域は３０μｍφ、真空度は３×１０^-7Ｐａ以下である。
【００１６】
図１より、第２の結晶質珪素膜中においてＮｉ濃度分布状態はパルスレーザー光のショット回数に依存していることが分かる。ショット回数が０回および１回のとき、Ｎｉは膜の深さ方向に均一な分布をしているが、ショット回数が１３回の場合は、膜の上方側の方が膜中Ｎｉ濃度が高く、下方側の方が膜中Ｎｉ濃度が低くなるような濃度分布を示している。つまり発振されたパルスレーザー光が、第１の結晶質珪素膜の任意の一点につき、複数回、連続的に照射されることでＮｉは膜の上方側に移動する現象を示す。結晶質珪素膜の上方側からパルスレーザー光を照射すると、溶融した結晶質珪素体膜は結晶質半導体膜の下方側から凝固する。溶融状態にある領域と、凝固状態にある領域とでＮｉの溶解度（凝固状態においては固溶度ともいう）が異なり、溶融状態にある領域のほうがＮｉの溶解度が高い。このため、凝固するのが遅い結晶質珪素膜の上方側にＮｉは移動していく。パルスレーザー光の照射において、一回の照射における照射時間は３０ｎｓｅｃ（パルス幅に相当）であり、非常に短い。このため、一回目の照射後、二回目の照射をしたとき、一回目の照射後によって結晶質珪素膜中の上方側に移動したＮｉが、二回目の照射により溶融した結晶質珪素膜中で拡散する間がなく、凝固し、さらに結晶質珪素膜の上方側に移動する。このように、照射を繰り返す毎に結晶質珪素膜中のＮｉは、結晶質珪素膜のより上方側へと移動していくため、上記に示したような現象が起こるのだと考えられる。
【００１７】
本発明は、上記のような現象を利用して、結晶質半導体膜中のＮｉ濃度を低減するものである。
【００１８】
まず基板上に非晶質半導体膜を形成し、非晶質半導体膜の表面に触媒金属元素を添加する。つぎに熱処理を施して固相成長法により第１の結晶質半導体膜を形成する。さらに、第１の結晶質半導体膜の上方側からパルスレーザー光を照射して、パルスレーザー光の照射面側、即ち膜の上方側に触媒金属元素を移動させた第２の結晶質半導体膜を形成する。パルスレーザー光が、第１の結晶質半導体膜の任意の一点につき、複数回、連続的に照射されるようにする。第２の結晶質半導体膜中では、触媒金属元素が膜上方に移動するとともに、パルスレーザー光照射によって得た熱エネルギーにより触媒金属元素の半導体化合物を形成する。このようにして、膜上方側に移動させた触媒金属元素や半導体化合物を選択的にエッチングすることで、膜に含有されている触媒金属元素濃度を低減した第３の結晶質半導体膜が形成できる。
【００１９】
例えば、触媒金属元素としてＮｉを用いた場合化合物半導体としてニッケルシリサイド（ＮｉＳｉｘ）が形成される。ニッケルシリサイドをフッ酸含有溶液を用いて選択的にエッチングすることで、含有されているのＮｉ濃度を低減できる。フッ酸含有溶液によるエッチングは、常温下で可能であるため、従来のゲッタリング方法と比較して極めて低温下での処理となる。
【００２０】
なお、パルスレーザー光は特に上方側から照射する方法に限らず、上方側および下方側からの照射を組み合わせた方法等を用いてもよい。
【００２１】
第２の結晶質半導体膜の形成方法は、パルスレーザー光照射に限らず、他の方法を用いてもよい。例えば、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置などを用いて、第１の結晶質半導体膜を加熱し、半溶融状態にした後、Ｎｉを上方へ偏析させる等の方法でもよい。
【００２２】
ゲート絶縁膜の形成前は、自然酸化膜を除去するために通常フッ酸含有溶液による酸化膜除去（湿式洗浄）を行うことが一般的である。従って、第３の工程においてフッ酸含有溶液による処理を行った後、即時にゲート絶縁膜を形成することによって、湿式洗浄をゲート絶縁膜成膜前の洗浄と兼ねることが可能である。
【００２３】
本発明の半導体装置の作製方法は、前述したような結晶質珪素膜中の触媒金属元素を除去する工程に於いて、触媒金属元素を結晶質半導体膜の表面に移動させる第２の工程と触媒金属元素、或いは触媒金属元素の半導体化合物を常温下で湿式方法により除去する第３の工程を繰り返し行うことを特徴としている。
【００２４】
第２の工程と第３の工程を繰り返し行う毎に、結晶質珪素膜に含有される触媒金属元素は、より低濃度になる。
【００２５】
本発明の半導体装置は、前述したような触媒金属元素の除去工程を含む半導体装置の作製方法により作製された半導体装置において、前記第３の結晶質半導体膜を素子分離することにより形成された半導体膜表面における平均面粗さ（Ｒａ）が、５．０〜４０．０ｎｍであることを特徴としている。
【００２６】
図２は触媒金属元素を用いて非晶質珪素膜を結晶化させ形成した第１の結晶質珪素膜の任意の１点につき、照射したパルスレーザー光のショット回数と平均面粗さを測定した結果である。ショット回数は、それぞれ、０、２、３．９、７．９、１２．６、２５．２、４２、６３、１２６回である。測定はＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて行っている。図２より、ショット回数が増えると平均面粗さも増加することが分かる。これは平均面粗さが大きい程、結晶質珪素膜表面の凹凸が大きくなることを示している。
【００２７】
結晶質珪素膜表面の凹凸が大きい程、表面積は大きくなる。従って、触媒金属元素或いは触媒金属元素の半導体化合物と、これらを選択的に除去する溶液（例えば、フッ酸含有溶液）とが接触する接触面積が大きくなり、触媒金属元素の除去効率が上がる。従って、触媒金属元素の除去効率からみれば、結晶質珪素膜表面の凹凸は大きい方がよい。しかしながら、結晶質珪素膜表面の凹凸が大きい程、特に凸部（リッジ）に電界が集中し、電気的特性においてゲート絶縁膜のリーク電流（ゲートリーク電流）が増加する。ゲートリーク電流の大きさは、ゲート絶縁膜の膜質等、凹凸の大きさ以外の要因によっても変わるが、結晶質珪素膜表面の凹凸が４０ｎｍ以下であれば、ＴＦＴの動作上問題ない程度に押さえられる。従って、パルスレーザー光が結晶質半導体膜の任意の１点につき、複数回照射されたときに、パルスレーザー光照射後の結晶質半導体膜の表面（即ち、半導体装置のチャネル領域表面）における平均面粗さ（Ｒａ）が、５．０〜４０．０ｎｍであれば、触媒金属元素を効率よく除去でき、またゲートリーク電流も低く抑えられる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図３を用いて説明する。ここでは、本発明を適用して、半導体膜の結晶化に用いた触媒金属元素を半導体膜中から低減する方法について説明する。
【００２９】
ガラス基板１０１上に膜厚４０〜１１０ｎｍの窒化珪素膜からなる下地絶縁膜１０２ａおよび膜厚４０〜１１０ｎｍの酸化珪素膜からなる下地絶縁膜１０２ｂを形成する。
【００３０】
次に下地絶縁膜１０２ｂの上に非晶質珪素膜１０３を形成する。非晶質珪素膜１０３表面に触媒金属元素を添加し、加熱処理を行う。本発明では、添加する触媒金属元素としてはＮｉを用いている。重量換算で１０ｐｐｍに希釈した酢酸ニッケル水溶液をスピンコート法により塗布して、触媒金属元素含有層１０４を形成する。つぎに４００〜５００℃で約１時間の加熱処理を行い、非晶質珪素膜１０３中に含有されている水素を膜中から脱離させた後、５００〜６５０℃（好ましくは５５０℃〜５７０℃）で４〜１２時間のファーネスによる加熱処理を行い、結晶質珪素膜１０５を形成する。本発明では添加する触媒金属元素としてはニッケルのみを用いているが、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）から選ばれた一種または複数種の元素を用いても構わない。また、加熱処理にはファーネスを用いる方法以外にランプやガスによるＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅｌ）装置などを用いても構わない。
【００３１】
結晶質珪素膜１０５にパルスレーザー照射し、溶融・再結晶化を行うことにより、さらに結晶性が向上した結晶質珪素膜１０６を形成する。パルスレーザー照射にはパルス発振のエキシマレーザー（ＸｅＣｌ、３０８ｎｍ）を用いる。パルスレーザー光が、結晶質珪素膜１０５の任意の一点に約２〜１００回（ショット数）、連続的に照射される。またパルスレーザー光照射強度は４８０ｍＪ／ｃｍ²、発振周波数は３０Ｈｚであり、パルス幅は３０ｎｓｅｃである。これにより、結晶質珪素膜１０６中では、図１に示すように、膜の上方側におけるＮｉ濃度が高くなるように濃度勾配をもつ。また、Ｎｉが含有された結晶質珪素膜１０５をレーザー照射により再結晶化する過程において、結晶質珪素膜１０５中の一部の珪素とＮｉが反応して、半導体化合物であるニッケルシリサイドが結晶質結晶膜１０６に形成される。
【００３２】
つぎに、結晶質珪素膜１０６をフッ酸含有溶液に浸し、結晶質珪素膜１０６に形成されたニッケルシリサイドをエッチングにより除去し、結晶質珪素膜に含有されているのＮｉ濃度が低減した結晶質珪素膜１０７を形成する。この処理は常温下にて、約１２０ｓｅｃ行えばよい。結晶質珪素はフッ酸含有溶液には溶解しないので、結晶質珪素膜１０６そのものはエッチングされない。本発明では、フッ酸含有溶液として７．１３％のフッ化水素アンモニウム（ＮＨ₄ＨＦ₂）と１５．４％のフッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ）の混合水溶液を用いている。ニッケルシリサイドをフッ酸含有溶液に浸す方法としては、スピン系装置を用いても良いし、あるいはバッチ式装置を用いてもよい。
【００３３】
上記のような方法を用いることにより、常温、且つ短時間の処理により、Ｎｉ濃度を低減することが出来る。
【００３４】
【実施例】
［実施例１］
本発明を適用して、液晶表示装置を作成するのに必要な画素ＴＦＴと駆動回路用のＴＦＴを同一基板上に作製する方法について図４〜８を用いて説明する。
【００３５】
基板３０１上に膜厚５０〜１００ｎｍの下地絶縁膜３０２ａおよび膜厚５０〜１００ｎｍの膜厚の下地絶縁膜３０２ｂを積層成膜して形成する。下地絶縁膜３０２は、基板３０１から半導体層への不純物拡散を防ぐために形成される。基板３０１にはガラスや石英などの透過性をもつものを使用する。本実施例では、低アルカリガラスを用い、下地絶縁膜３０２ａには膜厚１００ｎｍの窒化珪素膜を下地絶縁膜３０２ｂには膜厚１００ｎｍの酸化珪素膜をそれぞれプラズマＣＶＤ法により成膜した。また本実施例では、下地絶縁膜を二層の積層成膜しているが、不純物拡散の防止効果を得られるなら、一層あるいは三層以上の積層としてもよい。
【００３６】
つぎに、下地絶縁膜３０２ｂ上に３０〜６０ｎｍの非晶質珪素膜３０３を形成する。本実施例では、５５ｎｍの膜厚の非晶質珪素膜３０３をプラズマＣＶＤ法により形成した。
【００３７】
さらに、非晶質珪素膜３０３の表面に結晶性化を促進するための触媒金属元素を添加した後、加熱処理を施し、結晶質珪素膜３０４を形成する。本実施例では、触媒金属元素としてニッケル（Ｎｉ）を含んだ溶液を非晶質珪素膜３０３の表面に塗布する方法を用いて触媒金属元素の添加を行った。触媒金属元素としては、Ｎｉを用いる。加熱処理は、最初に４００〜５００℃で約１時間の加熱処理を行い、非晶質珪素膜３０３中に含有されている水素を膜中から脱離させた後、５００〜６５０℃（好ましくは５５０℃〜５７０℃）で４〜１２時間（好ましくは４〜６時間）のファーネスによる加熱処理を行う。この他、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）等を用いた加熱処理を行ってもよい。本実施例では、５００℃で１時間の加熱処理を行った後、続けて５５０℃で４時間の加熱処理をファーネスにより行い、結晶質珪素膜３０４を形成した。
【００３８】
上記のようにして形成した結晶質珪素膜３０４の上方側からパルスレーザー照射し、再結晶化した結晶質珪素膜３０５を形成する。パルスレーザー光照射は、パルスレーザー光が結晶質珪素膜３０４の任意の一点に約１３回（ショット数）、連続的に照射されるように照射した。これにより、結晶質珪素膜３０５中では、膜の上方側におけるニッケル濃度が高くなるように濃度勾配をもつ。本実施例では、パルスレーザー光として光学系で線状に集光したＸｅＣｌエキシマレーザー（３０８ｎｍ）を用いた。また照射強度４８０ｍＪ／ｃｍ²、発振周波数３０Ｈｚ、パルス幅３０ｎｓｅｃである。ＸｅＣｌエキシマレーザー以外にもＫｒＦエキシマレーザー等を用いても構わない。パルスレーザー照射条件は、照射するレーザー光や結晶質珪素膜の性質によって変わるので、パルスレーザー照射後に形成される結晶質珪素膜３０５において、膜の上方側におけるニッケル濃度が膜の下方側におけるニッケル濃度よりも高くなる濃度勾配をもつような条件を実施者が適宜選択すればよい。
【００３９】
図１０は、以上のようにして作製された結晶質珪素膜３０５の結晶面方位を示す図である。ＥＢＳＰ（Electron Backscatter Diffraction Pattern）により、３０μｍ×３０μｍの範囲を０．２μｍステップで測定した結果である。図１０より、結晶質珪素膜３０５の結晶面方位は主に＜１１１＞晶帯面で構成されていることが分かる。また、＜１１１＞晶帯面のうち、結晶面配向は主に（１１０）面配向および／あるいは（２１１）面配向で構成されている。
【００４０】
つぎに、結晶質珪素膜３０５表面に形成されたニッケルシリサイドを、フッ酸含有溶液で溶解し、除去する。結晶質珪素膜３０５には、ニッケルが含有された結晶質珪素膜３０４をパルスレーザー照射により再結晶化する過程において、結晶質珪素膜３０４中の一部のシリコンとニッケルが反応して半導体化合物であるニッケルシリサイドが多く形成されている。結晶質珪素はフッ酸含有溶液には溶解しないので、結晶質珪素膜３０５そのものはエッチングされない。本実施例では、７．１３％のフッ化水素アンモニウム（ＮＨ₄ＨＦ₂）と１５．４％のフッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ）の混合水溶液中に約１２０ｓｅｃ浸した。ニッケルシリサイドをエッチング溶液に浸す方法としては、スピン系装置を用いても良いし、あるいはバッチ式装置を用いてもよい。使用する薬液はフッ酸を含有するものであれば特に限定されない。また、使用するエッチング溶液によって最適なエッチング時間が異なるので、エッチング時間については、実施者が適宜決定すればよい。
【００４１】
以上の様にして、結晶質珪素膜３０５中にニッケルシリサイドとして含有されているＮｉを除去することで、結晶質珪素膜に含有されているＮｉ含有量が低減した結晶質珪素膜３０６を形成する。
【００４２】
次いで、ＴＦＴの閾値を制御する為に、結晶質珪素膜３０６に５×１０¹⁶〜５×１０¹⁷／ｃｍ³程度のｐ型不純物であるボロンを添加するチャネルドープ行う。ＴＦＴの閾値は形成する結晶質珪素膜３０６や後の工程で形成するゲート絶縁膜の特性、あるいはこれら以外の様々な要因によって変動する。従って、必ずしもボロンを添加する必要はなく、何も不純物を添加しない、或いは必要に応じて燐などのｎ型不純物を添加するなどの方法をとってもよい。またボロンを添加する際にも、添加量は上記に示した濃度範囲に限らず、適宜決定すればよい。
【００４３】
さらに、結晶質珪素膜３０６をフォトリソおよびエッチングにより素子分離する。なお、結晶質珪素膜３０６における結晶面配向は、結晶質珪素膜３０５における構成を維持したものとなっている。
【００４４】
所望の形状に加工した結晶質珪素膜３０６の上に膜厚４０〜１３０ｎｍのゲート絶縁膜３０７をプラズマＣＶＤ法により形成する。ゲート絶縁膜３０７の成膜直前には、結晶質珪素膜３０６とゲート絶縁膜３０７との界面に存在する不純物を低減、あるいは結晶質珪素膜３０６表面に形成された自然酸化膜を除去するため結晶質珪素膜３０６表面を洗浄する。本実施例では、この洗浄を、フッ酸を含む溶液で結晶質珪素膜３０６表面を処理することにより、結晶質珪素膜３０６表面の洗浄を行った。
【００４５】
ここで、膜中にＮｉを多く含んだ結晶質珪素膜３０５に、チャネルドープし、さらに所望の形状に加工した後、上記に示したようなフッ酸を含有している溶液でおこなうＮｉの除去とゲート絶縁膜３０７成膜前の洗浄とを兼ねて行うことも可能である。
【００４６】
ゲート絶縁膜３０７の上に膜厚２０〜４０ｎｍのゲート電極３０８ａおよび膜厚２００〜４００ｎｍのゲート電極３０８ｂを形成する。本実施例では、ゲート電極３０８ａに窒化タンタル（ＴａＮ）、導電性膜３０８ｂにタングステン（Ｗ）を用いている。ゲート電極３０８（３０８ａ、３０８ｂ）を形成するのに用いる材料は前記窒化タンタルやタングステンに限定されず、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｄから選ばれた元素、または前記元素を組み合わせた合金膜もしくは化合物材料、若しくは燐などの不純物元素を添加した多結晶珪素膜に代表される半導体膜を用いてもよい。
【００４７】
つぎに、ゲート電極３０８をフォトリソおよびエッチングにより加工し、所望の形状にする。レジスト３０９をマスクとして、ドライエッチングによりゲート電極３０８（３０８ａ、３０８ｂ）を側壁に傾斜（テーパー）のある形状に形成し、ゲート電極３０８ａと３０８ｂとの間に高選択比のある異方性エッチングにより、ゲート電極３０８ｂを加工する。これにより、断面形状が帽子のような形をしたハットシェイプ型のゲート電極３０８が形成される。ゲート電極３０８の形状は、ハットシェイプ型以外の形状のゲート電極を用いてもよい。また本実施例では、二層積層膜となっているが、単層膜や二層以上の積層構造としてもよい。
【００４８】
ゲート電極形成後、ゲート電極３０８をマスクとしてｎ型不純靴元素である燐を半導体層に添加する。これは画素ＴＦＴのオフリーク電流を低減する為、低濃度のｎ型不純物元素を添加したｎ型領域３１０を形成する為であり、本実施例では、ｎ型領域３１０中の燐濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³となるように添加した。
【００４９】
つぎに、ｎチャネル型ＴＦＴのソース（あるいはドレイン）領域３１１を形成する為のｎ型不純物元素の添加を行う。高濃度のｎ型不純物元素が添加されないように、ｐチャネル型ＴＦＴとなる領域とｎ型領域３１１とをレジスト３１３で保護し、ソース（あるいはドレイン）領域３１１における濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²¹／ｃｍ³になるようにｎ型不純物元素である燐を添加する。このとき同時に、添加したｎ型不純物元素がゲート電極３０８ａを突き抜けてゲート電極３０８ａの下部の半導体層にも添加され、ソース（あるいはドレイン）領域３１１よりも低濃度のｎ型領域３１２が形成される。本実施例では、ｎ型領域３１２の燐濃度はおよそ１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³である。ｎ型領域３１２は、主にホットキャリアによるＴＦＴの特性劣化を防止する為に形成される。これは本実施例のように、ソース（あるいはドレイン）領域３１１の形成と同時に形成しても良いし、或いはｎ型領域３１２形成に適切な添加条件でｎ型不純物元素を別途添加し別々に形成してもよい。また、ｎ型領域３１２がなくてもホットキャリアに対する信頼性を十分確保できるのであれば、ｎ型領域３１２は特に形成しなくてもよい。
【００５０】
さらに、ｐチャネル型ＴＦＴのソース（あるいはドレイン）領域３１４を形成する為のｐ型不純物元素の添加を行う。ｐ型不純物元素の添加が不要であるｎチャネル型ＴＦＴをレジスト３１６で保護し、ソース（あるいはドレイン）領域３１４における濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²¹／ｃｍ³になるようにｐ型不純物元素であるボロンを添加する。このとき同時に、添加したｐ型不純物元素はゲート電極３０８ａを突き抜けてゲート電極３０８ａの下部の半導体層にも添加され、ソース（あるいはドレイン）領域３１４よりも低濃度のｐ型領域３１５が形成される。本実施例では、ｐ型領域３１５のボロン濃度はおよそ１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³である。
【００５１】
以上のような工程により、ｎ型不純物元素およびｐ型不純物元素の添加を行う。不純物元素の添加はドーピングによって行ってもよいし、或いはイオンインプランテーションなどの方法を用いてもよい。ｎ型不純物元素とｐ型不純物元素の添加の順番は、どちらを先にしても構わない。
【００５２】
不純物元素を添加した後、層間絶縁膜３１７（３１７ａ、３１７ｂ、３１７ｃ）の形成を行う。ゲート電極３０８の上に層間絶縁膜３１７ａとなる膜厚４０〜１２０ｎｍの酸化珪素膜を成膜する。つぎに、層間絶縁膜３１７ａの上に膜厚４０〜１２０ｎｍの窒化酸化珪素膜を成膜して層間絶縁膜３１７ｂを形成する。層間絶縁膜３１７ａおよび３１７ｂには、上記に述べた膜以外の材料を用いても良いが、各々の層間絶縁膜形成以降の熱処理温度に耐えうるよう、無機材料の膜を用いることが好ましい。層間絶縁膜３１７ａを形成後、添加した不純物元素を活性化するため、５００〜６００℃で３〜６時間の熱処理をファーネスにより行う。なお、ファーネスによる熱処理以外にも、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅｌ）やレーザー光などを用いた方法で活性化を行ってもよい。また、層間絶縁膜３１７ａ形成後に活性化を行うのは、ゲート電極３０８の酸化を防止するためであり、低酸素雰囲気中などゲート電極が酸化されないような条件下であれば、層間絶縁膜３１７ａは特に形成しなくてもよい。さらに、層間絶縁膜３１７ｂの形成後、３〜１００％の水素を含む雰囲気中で３００〜４２０℃の熱処理をして水素化を行う。これ以外にも、プラズマ水素化などの方法により水素化処理をおこなってもよい。
【００５３】
つぎに層間絶縁膜３１７ｂの上に膜厚０．７〜１．８μｍのアクリル樹脂膜を塗布し、層間絶縁膜３１７ｃを形成する。層間絶縁膜３１７ｂにアクリル樹脂膜を用いるのは、これ以前のＴＦＴ形成工程においてできた凹凸を平坦化する為であり、アクリル樹脂膜と同様に平坦化が可能であるポリイミドなどの有機材料を用いてもよい。
【００５４】
層間絶縁膜３１７を形成後、フォトリソおよびエッチングにより、コンタクトホールを形成する。本実施例では、層間絶縁膜３１７ａ、３１７ｂ、３１７ｃのいずれもドライエッチングしている。
【００５５】
コンタクトホール開孔後、液晶表示装置の画素電極３１８となる膜厚８０〜１２０ｎｍの透明導電膜を成膜し、フォトリソおよびエッチングにより所望の形状に加工する。透明導電膜にはＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いればよい。またエッチングには塩化第二鉄などを用いる。
【００５６】
画素電極３１８を形成後、配線３１９を形成する。配線３１９は厚さが約６０ｎｍの第一のＴｉ膜を成膜後、厚さが約４０ｎｍのＴｉＮ膜を積層成膜し、さらに厚さが３５０ｎｍのＡｌ−Ｓｉ（２ｗｔ％のＳｉを含有したＡｌ）膜を積層成膜して、最後に第二のＴｉ膜を成膜した積層膜を形成し、にフォトリソおよびエッチングにより所望の形状にする。第一のＴｉ膜によりＡｌ−Ｓｉ膜中のＡｌが半導体層に拡散するのを防ぎ、第二のＴｉ膜により、Ａｌ−Ｓｉ膜のヒロックを防止している。本実施例ではＴｉＮ膜を成膜しているが、前記Ａｌの拡散防止効果を高めるためであり、成膜しなくてもよい。またＡｌ−Ｓｉ以外にＡｌ−Ｔｉ(Ｔｉを含有したＡｌ)など、他の低抵抗性導電性膜を用いても構わない。
【００５７】
ここで、画素電極３１８と配線３１９とには直接接する部分が設けられており、電気的に接続されている。
【００５８】
以上の工程を経て、液晶表示装置を作成するのに必要な画素ＴＦＴと駆動回路用のＴＦＴとを備えたＴＦＴアレイ基板３２０を作製した。本実施例に記載した半導体装置の作製方法を用いることにより、低温かつ短時間で触媒金属元素を除去でき、その結果、触媒金属元素起因のオフリーク電流が低減された良好な特性を示すＴＦＴを作製出来る。また本実施例では述べていないが必要に応じて洗浄及び熱処理の工程を加える。
【００５９】
［実施例２］
本実施例では、実施例１で作製した基板を用いることにより、触媒金属元素起因のオフリーク電流が原因となって発生する点欠陥が低減された液晶表示装置を作製する方法について図９、１０を用いて説明する。
【００６０】
実施例１の方法に従いＴＦＴアレイ基板４０１を作製した後、基板４０１のＴＦＴが形成された側に配向膜４０２を形成し、ラビング処理を施す。配向膜４０２の形成にはポリイミド樹脂やポリアミック系樹脂を用いる。
【００６１】
つぎに、対向基板４０３を形成する。まず基板４０４上に金属クロムを材料とした遮光層４０５を形成する。さらに透明導電膜であるＩＴＯを成膜・加工して画素電極４０６を形成する。遮光膜４０５と画素電極４０６の間には、必要に応じて赤、青、緑の三色のカラーフィルター４０７ａ〜４０７ｃ（ここでは図示しない）を設ける。またカラーフィルター４０７を形成した場合、カラーフィルター４０７と遮光層４０５の段差を埋めて平坦化するために、アクリル樹脂などの材料を用いて保護膜４０８を形成する。
【００６２】
以上のようにして作製した対向基板４０３の電極を設けている側に配向膜４０９を形成し、ラビング処理を施す。さらに対向基板４０３とＴＦＴアレイ基板４０１を接着する為に、対向基板側にシール剤（図示しない）を塗布し、加熱してシール剤を仮硬化させる。仮硬化後、対向基板４０３の配向膜４０９を形成した側にプラスチック球のスペーサー４１０を散布する。
【００６３】
つぎに、ＴＦＴアレイ基板４０１と対向基板４０３の各々の配向膜４０２、４０９を形成している側が向き合うようにして両基板を精度良く張り合わせる。張り合わせた基板のうち不要な部分をせん断して、所望のサイズの液晶パネル４１１にする。液晶パネル４１１の内部に液晶材料４１２を注入しパネル内部全体に満たした後、封止剤を用いて完全に封止する。
【００６４】
図１０は液晶パネル４１１の上面図である。画素５０１の周辺に走査信号駆動回路５０２ａと画像信号駆動回路５０２ｂが設けられている。駆動回路は接続配線群５０３によって外部入力端子群５０４と接続されている。画素部５０１では走査信号駆動回路５０２ａと画像信号駆動回路５０２ｂから延在するデータ配線群がマトリクス状に交差して画素を形成し、各々の画祖には画素ＴＦＴと保持容量、画素電極が設けられている。液晶パネル４１１の外側では、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ：ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）５０６が外部入室力端子５０４に接続しており、接続配線群５０３により、それぞれの駆動回路に接続している。外部入出力端子５０４はデータ配線群と同じ導電性膜から形成される。フレキシブルプリント配線板５０６はポリイミドなどの有機樹脂フィルムに銅配線が形成されており、異方性導電性接着剤で外部入出力端子５０４と接続している。
【００６５】
液晶パネル４１１のＴＦＴアレイ基板と対向基板に、偏光板と位相差板を取り付け、液晶表示装置を完成する。
【００６６】
以上のような方法で、本発明を適用した液晶表示装置を作成した。
【００６７】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の作製方法を用いることにより、低温、かつ短時間の処理で、結晶化後、不要になった触媒金属元素を除去した結晶質半導体膜を作製出来る。また、このような結晶質半導体膜を用いることで、触媒金属元素起因のオフリーク電流が低減された良好なＴＦＴ、或いはそのＴＦＴを用いて作製した液晶表示パネルを作製出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】結晶質珪素膜中に含有されているＮｉ濃度の深さ方向分析結果（ＳＩＭＳ）
【図２】パルスレーザーのショット回数と結晶質珪素膜表面の面平均粗さ（ＡＦＭ）
【図３】本発明におけるＮｉ除去工程の断面図
【図４】ＴＦＴ作製工程断面図
【図５】ＴＦＴ作製工程断面図
【図６】ＴＦＴ作製工程断面図
【図７】ＴＦＴ作製工程断面図
【図８】液晶表示装置の一部の断面図
【図９】液晶表示装置全体の上面図
【図１０】結晶質珪素膜の結晶面方位を表す図

Claims

非晶質半導体膜に触媒金属元素を添加した後加熱処理を行い、結晶質半導体膜を形成する第１の工程と、
前記結晶質半導体膜を溶融させた後、下方側から固化させることによって、前記結晶質半導体膜の上方側における触媒金属元素濃度が、下方側における触媒金属元素濃度よりも高い濃度勾配を有するようにする第２の工程と、
前記結晶質半導体膜の上方側に含まれる前記触媒金属元素及び／又は前記触媒金属元素の半導体化合物を除去する第３の工程とを有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
非晶質半導体膜に触媒金属元素を添加した後加熱処理を行い、結晶質半導体膜を形成する第１の工程と、
前記結晶質半導体膜を溶融させた後、下方側から固化させることによって、前記結晶質半導体膜に含有されている前記触媒金属元素を前記結晶質半導体膜の上方側へと移動させ、上方側における触媒金属元素濃度が下方側における触媒金属元素濃度よりも高い濃度勾配を有するようにする第２の工程と、
前記結晶質半導体膜の上方側に含まれる前記触媒金属元素及び／又は前記触媒金属元素の半導体化合物を除去する第３の工程とを有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
非晶質半導体膜に触媒金属元素を添加した後加熱処理を行い、結晶質半導体膜を形成する第１の工程と、
前記結晶質半導体膜を溶融させた後、下方側から固化させることによって、前記結晶質半導体膜に含有されている前記触媒金属元素を前記結晶質半導体膜の上方側へ偏析させ、上方側における触媒金属元素濃度が下方側における触媒金属元素濃度よりも高い濃度勾配を有するようにする第２の工程と、
前記結晶質半導体膜の上方側に含まれる前記触媒金属元素及び／又は前記触媒金属元素の半導体化合物を除去する第３の工程とを有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
前記第３の工程後、前記結晶質半導体膜の上にゲート絶縁膜を形成する第４の工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。
前記溶融はパルスレーザー光を前記結晶質半導体膜に照射して行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。
前記パルスレーザー光は前記結晶質半導体膜の任意の一点につき、複数回、連続的に照射されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の作製方法。
前記除去は、常温下で湿式方法により行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。
前記湿式方法においてフッ酸含有溶液を用いることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の作製方法。
前記第２の工程と前記第３の工程とを交互に繰り返し行うことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。
前記第１の工程は、前記触媒金属元素を前記非晶質半導体膜の一部に選択的に添加し、添加された前記触媒金属元素を、添加された領域からその周辺部へと結晶成長させることにより行うことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。
前記触媒金属元素は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）から選ばれた一種または複数種の元素を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。