(57)【要約】【課題】  結晶化を促進した触媒元素の濃度の低い結晶質半導体層を簡便に製造する方法を提供することにある。【解決手段】本発明による結晶質半導体層の製造方法は、第１領域と第２領域とを有する半導体層（１１０）を用意する工程と、結晶化を促進する触媒元素を半導体層（１１０）の第１領域に付与する工程と、半導体層（１１０）に対して熱アニール処理を行う工程であって、触媒元素の少なくとも一部を半導体層（１１０）の第１領域から第２領域に移動させる工程と、半導体層（１１０）の第２領域の少なくとも一部を除去する工程とを包含する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１領域と第２領域とを有する半導体層を用意する工程と、
結晶化を促進する触媒元素を前記半導体層の前記第１領域に付与する工程と、
前記半導体層に対して熱アニール処理を行う工程であって、前記触媒元素の少なくとも一部を前記半導体層の前記第１領域から前記第２領域に移動させる工程と、
前記半導体層の前記第２領域の少なくとも一部を除去する工程と
を包含する、結晶質半導体層の製造方法。
【請求項２】
前記触媒元素を付与する前に、前記半導体層の前記第２領域を覆うマスクを形成する工程をさらに包含する、請求項１に記載の結晶質半導体層の製造方法。
【請求項３】
前記触媒元素を付与した後であって、前記熱アニール処理を行う前に、前記半導体層の前記第１領域に不純物元素を導入する工程をさらに包含する、請求項２に記載の結晶質半導体層の製造方法。
【請求項４】
前記熱アニール処理を行った後、前記半導体層の前記第１領域に対してレーザアニール処理を行う工程をさらに包含する、請求項３に記載の結晶質半導体層の製造方法。
【請求項５】
前記熱アニール処理後、前記半導体層の前記第２領域の少なくとも一部を除去する前に、前記第２領域のうち前記除去工程において除去される領域の少なくとも一部にゲッタリング元素を導入し、前記半導体層の前記第１領域に残存している触媒元素をゲッタリングする工程をさらに包含する、請求項１から４のいずれかに記載の結晶質半導体層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶質半導体層の製造方法に関し、より詳細には、結晶化を促進する触媒元素を利用した結晶質半導体層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス基板等の絶縁基板上に形成した非晶質半導体層を結晶化することにより、結晶構造を有する半導体層（以下、結晶質半導体層という。）を作製する技術が広く研究されている。結晶質半導体層は、例えば、多結晶半導体層、微結晶半導体層であり、結晶質半導体層を用いて作製された薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）は、非晶質半導体層を用いて作製されたＴＦＴと比べて非常に高いキャリア移動度を有している。
【０００３】
非晶質半導体層を結晶化する方法として、非晶質半導体層に、結晶化の触媒となる触媒元素（例えば、ニッケル）を添加して加熱処理を行うＣＧＳ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｇｒａｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法が知られている。ＣＧＳ法により、ガラスの歪み点以下の低温度で結晶化を行うことができる。また、ＣＧＳ法で得られる結晶質半導体層（例えば、多結晶シリコン層）の平均結晶粒径は、エキシマレーザビームの照射によって得られる結晶質半導体層の平均結晶粒径よりも大きく、高い移動度を実現することができる。
【０００４】
しかしながら、ＣＧＳ法で作製した結晶質半導体層を用いてＴＦＴを形成する場合、触媒元素がチャネル領域に残留していると、ＴＦＴのオフ電流が突発的に増大することがある。このため、触媒元素をゲッタリングするためのゲッタリング領域を設けて、オフ電流の突発的な増加を抑制することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
以下、図２を参照して、特許文献１に開示されている結晶質半導体層の従来の製造方法を説明する。
【０００６】
まず、図２（ａ）に示すように、絶縁基板７２２上に半導体層７１０を形成する。例えば、絶縁基板７２２はガラス基板であり、半導体層７１０は非晶質シリコン層である。非晶質シリコン層は、プラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法によって形成される。次に、半導体層７１０上に酢酸ニッケル膜７２４を形成する。
【０００７】
次に、図２（ｂ）に示すように、半導体層７１０を加熱することにより、半導体層７１０を結晶化する。加熱により、酢酸ニッケル膜７２４のニッケルが半導体層７１０に導入され、結晶化が促進される。次に、半導体層７１０をエキシマレーザーで照射して、レーザアニールを行う。これにより、触媒元素が分散される。次に、先の工程で形成された表面の酸化膜をフッ酸処理で除去する。
【０００８】
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体層７１０上にレジスト層７３２を形成する。レジスト層７３２は、例えば窒化ケイ素から形成される。
【０００９】
次に、図２（ｄ）に示すように、レジスト層７３２をエッチングすることにより、マスク７３４を形成する。次に、半導体層７１０のうちマスク７３４で覆われていない領域７１２にゲッタリング元素を導入する。ここで、ゲッタリング元素の導入された領域７１２をゲッタリング領域という。ゲッタリング元素は例えば燐である。
【００１０】
次に、図２（ｅ）に示すように、半導体層７１０を加熱することにより、半導体層７１０内の触媒元素をゲッタリング領域７１２にゲッタリングする。これにより、半導体層７１０のうちマスク７３４で覆われている領域内の触媒元素濃度が低下する。
【００１１】
次に、図２（ｆ）に示すように、マスク７３４を利用してエッチングを行うことにより、半導体層７１０からゲッタリング領域７１２およびゲッタリング領域７１２以外の領域の一部を除去する。このようにして、結晶化を促進した触媒元素をゲッタリングすることができる。
【００１２】
また、特許文献１には、上述した製造方法とは別の製造方法も開示されている。以下、図３を参照して、特許文献１に開示されている結晶質半導体層の別の製造方法を説明する。
【００１３】
まず、図３（ａ）に示すように、絶縁基板８２２上に半導体層８１０を形成する。例えば、半導体層８１０は非晶質シリコン層である。次に、半導体層８１０上にレジスト層８３２を形成する。レジスト層８３２は、例えば酸化ケイ素から形成される。
【００１４】
次に、図３（ｂ）に示すように、レジスト層８３２をパターニングすることにより、半導体層８１０の一部を露出する。
【００１５】
次に、図３（ｃ）に示すように、半導体層８１０の露出された領域の上に酢酸ニッケル膜８２４を形成する。酢酸ニッケル膜８２４は、例えば、スピン塗布で形成される。
【００１６】
次に、図３（ｄ）に示すように、半導体層８１０を加熱することにより、半導体層８１０の結晶化を行う。酢酸ニッケル膜８２４のニッケルは半導体層８１０の露出された領域から半導体層８１０内に導入される。ニッケルは半導体層８１０の結晶化を促進する触媒元素であり、加熱により、結晶化は、半導体層８１０の露出された領域からその周囲へと進行し、半導体層８１０のレジスト層８３２によって覆われた領域も結晶化される。
【００１７】
次に、図３（ｅ）に示すように、レジスト層８３２をさらにエッチング（パターニング）して、マスク８３４を形成する。次に、マスク８３４で覆われていない領域にゲッタリング元素を導入することにより、ゲッタリング領域８１２を形成する。ゲッタリング元素は例えば燐である。
【００１８】
次に、図３（ｆ）に示すように、半導体層８１０を再び加熱することにより、半導体層８１０内の触媒元素をゲッタリング領域８１２にゲッタリングする。これにより、半導体層８１０のうちマスク８３４で覆われている領域内の触媒元素濃度が低下する。
【００１９】
次に、図３（ｇ）に示すように、マスク８３４を除去する。また、半導体層８１０のゲッタリング領域８１２とともにゲッタリング領域８１２以外の領域の一部を除去する。最終的に残存した半導体層８１０はＴＦＴの活性層として用いられる。このように、半導体層８１０に対して選択的に触媒元素を導入しても、結晶化を促進した触媒元素をゲッタリングすることができる。
【特許文献１】特開平１０−２２３５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
図２を参照して説明したように半導体層７１０の全面に触媒元素を導入すると、触媒元素は半導体層７１０の全面に拡散することになる。したがって、たとえ、ゲッタリング元素の導入されたゲッタリング領域を設けて触媒元素のゲッタリングを行っても、触媒元素を十分にゲッタリングすることができないか、または、触媒元素を十分にゲッタリングするには長い時間がかかる。
【００２１】
また、図３を参照して説明したように半導体層８１０に触媒元素を選択的に導入した場合、触媒元素は、加熱により、最終的に活性層として用いられる領域に移動する。このため、この領域内の触媒元素を取り除くことが必要となるが、ゲッタリング元素の導入されたゲッタリング領域を設けて触媒元素のゲッタリングを行っても、触媒元素を十分にゲッタリングすることができないか、または、触媒元素を十分にゲッタリングするには長い時間がかかる。
【００２２】
本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体層の結晶化を促進した触媒元素の濃度の低い結晶質半導体層を簡便に製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明による結晶質半導体層の製造方法は、第１領域と第２領域とを有する半導体層を用意する工程と、結晶化を促進する触媒元素を前記半導体層の前記第１領域に付与する工程と、前記半導体層に対して熱アニール処理を行う工程であって、前記触媒元素の少なくとも一部を前記半導体層の前記第１領域から前記第２領域に移動させる工程と、前記半導体層の前記第２領域の少なくとも一部を除去する工程とを包含する。
【００２４】
ある実施形態において、前記方法は、前記触媒元素を付与する前に、前記半導体層の前記第２領域を覆うマスクを形成する工程をさらに包含する。
【００２５】
ある実施形態において、前記方法は、前記触媒元素を付与した後であって、前記熱アニール処理を行う前に、前記半導体層の前記第１領域に不純物元素を導入する工程をさらに包含する。
【００２６】
ある実施形態において、前記方法は、前記熱アニール処理を行った後、前記半導体層の前記第１領域に対してレーザアニール処理を行う工程をさらに包含する。
【００２７】
ある実施形態において、前記方法は、前記熱アニール処理後、前記半導体層の前記第２領域の少なくとも一部を除去する前に、前記第２領域のうち前記除去工程において除去される領域の少なくとも一部にゲッタリング元素を導入し、前記半導体層の前記第１領域に残存している触媒元素をゲッタリングする工程をさらに包含する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、結晶化を促進した触媒元素の濃度の低い結晶質半導体層を簡便に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図１を参照して、本発明による結晶質半導体層の製造方法を説明する。図１（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ、本実施形態の結晶質半導体層の製造工程を示す模式的な断面図である。製造された結晶質半導体層は、例えばＴＦＴの作製に用いられる。
【００３０】
まず、図１（ａ）に示すように、半導体層１１０を用意する。半導体層１１０は、例えば、絶縁基板１２２上に設けられたベースコート層１２３上に形成される。例えば、絶縁基板１２２はガラス基板であり、半導体層１１０は非晶質シリコン層である。
【００３１】
次に、図１（ｂ）に示すように、半導体層１１０を覆うレジストを塗布してレジスト層を形成し、このレジスト層をパターニングすることにより、マスク１３４を形成する。マスク１３４のうち、ＴＦＴの半導体層として用いられる部分または少なくともＴＦＴの半導体層のチャネル領域となる部分は開口しており、その部分において半導体層１１０は露出されている。半導体層１１０のうちマスク１３４で覆われていない領域を第１領域とし、マスク１３４で覆われている領域を第２領域とする。
【００３２】
次に、図１（ｃ）に示すように、半導体層１１０の第１領域に触媒元素を付与する。例えば、触媒元素はニッケルであり、ニッケルは酢酸ニッケル膜１２４として付与される。酢酸ニッケル膜１２４は、例えば、濃度が約１ｐｐｍ〜１０ｐｐｍ（重量百分率）以下のニッケル水溶液をスピン塗布することにより、形成される。例えば、ニッケル水溶液スピン塗布後、半導体層１１０の第１領域の表面に存在する触媒元素の濃度は１〜５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。酢酸ニッケル膜１２４は半導体層１１０の第１領域と接しているため、後述する加熱処理により、半導体層１１０の第１領域に触媒元素であるニッケルが導入される。なお、半導体層１１０の第２領域はマスク１３４で覆われているため、触媒元素は直接的には半導体層１１０の第２領域に導入されない。
【００３３】
次に、図１（ｄ）に示すように、半導体層１１０の第１領域に不純物元素（ドーパント）を導入する。例えば、不純物元素はボロンであり、半導体層１１０の第１領域にボロンイオンがドーピングされる。ボロンイオンの量（濃度）は２×１０13個／ｃｍ2である。なお、この量は、ＴＦＴを作製したときのチャネル領域のしきい値が所定の値になるように設定される。
【００３４】
次に、図１（ｅ）に示すように、マスク１３４を除去する。これにより、半導体層１１０の第１領域および第２領域が露出される。なお、マスク１３４を除去する際、マスク１３４とともに触媒元素が除去されてしまうことを防止するため、マスク１３４を除去する前に、１５０℃〜２５０℃の温度で、３０分〜２時間程度の加熱処理を行ってもよい。
【００３５】
次に、図１（ｆ）に示すように、半導体層１１０を加熱することにより、半導体層１１０を結晶化する。このように半導体層１１０を加熱することを熱アニール処理ともいう。例えば、加熱は、５７０℃〜６３０℃の範囲内の温度で３０分から２時間行われる。加熱により、酢酸ニッケルは熱分解し、触媒元素として機能する。結晶化は、触媒元素の導入された半導体層１１０の第１領域で開始するが、結晶は、半導体層１１０の第１領域から第２領域に向かって成長し、マスク１３４で覆われている半導体層１１０の第２領域も結晶化される。また、半導体層１１０の第１領域に導入された触媒元素の大部分は結晶成長面に存在しており、結晶の成長とともに半導体層１１０の第１領域から第２領域に移動する。なお、触媒元素を用いてシリコン層を結晶化する場合は、触媒元素が一旦凝集してシリサイドを形成して、そのシリサイドが核となって放射状にシリコンの結晶化が進行する。このため、半導体層１１０の第１領域には結晶核が存在している。
【００３６】
次に、図１（ｇ）に示すように、半導体層１１０をレーザビームで照射する。このレーザビームの照射により、半導体層１１０のうち、先の熱アニール処理において十分に結晶化されなかった領域も結晶化される。このようにレーザビームの照射を行うことをレーザアニール処理ともいう。レーザビームは、例えば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザビームである。
【００３７】
また、レーザビームの照射により、不純物元素の活性化が効率的に行われる。例えば、不純物元素の導入後にレーザアニール処理をすると、レーザアニール処理後に不純物元素を導入する場合と比べて不純物元素の導入量が約１０〜３０％程度少なくても同程度のしきい値の調整を実現できる。これは、レーザアニール処理による活性化率がファーネス炉やＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置などを用いた基板加熱処理による活性化率と比べて高いためであると考えられる。
【００３８】
次に、半導体層１１０の第２領域の少なくとも一部にゲッタリング元素を導入する。ゲッタリング元素は、例えばリンである。その後、半導体層１１０の第１領域に残存している触媒元素を第２領域にゲッタリングする。これにより、半導体層１１０の第１領域内の触媒元素濃度を低減させることができる。
【００３９】
次に、図１（ｈ）に示すように、半導体層１１０をパターニング（エッチング）することにより、半導体層１１０の第２領域の少なくとも一部を除去する。なお、第２領域のうちの除去される領域は、ゲッタリング元素を導入した領域を含んでいる。上述したように、触媒元素の大部分は、熱アニール処理およびゲッタリングにより、半導体層１１０の第１領域から第２領域に移動しているため、半導体層１１０の第２領域の少なくとも一部を除去することにより、第２領域に移動した触媒元素も除去されることになる。このようにして、触媒元素濃度の低い結晶質半導体層を得ることができる。
【００４０】
以上のように、本実施形態の製造方法によれば、熱アニール処理時に多くの触媒元素が半導体層１１０の第１領域から離れる方向に拡散しているため、ゲッタリングを短時間で行うことができる。また、レーザビームの照射により、不純物元素の活性化率を向上できるため、不純物元素濃度を高くする必要がなく、ドーズ量を低くすることができる。これにより、生産効率を向上させるとともに不純物濃度のばらつきに起因するＴＦＴのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつきを低減させることができる。また、共通のマスク１３４を用いて触媒元素および不純物元素の導入を行うため、別途マスクを形成しなくてもよい。
【００４１】
なお、一般的に、結晶質半導体層の作製は、非晶質半導体層と比較して、多くの工程数および長い作製時間を要する。特に、ＣＧＳ法で結晶質半導体膜を作製する場合、図２および図３を参照して上述した従来の製造方法では、触媒元素を除去するためにゲッタリング元素を導入し、触媒元素をゲッタリング領域にゲッタリングした後で、触媒元素を含むゲッタリング領域を除去しており、工程数および作製時間が増大する。これに対して、本実施形態の製造方法は、従来の製造方法と比べて短時間で結晶質半導体層を作製することができ、競争力向上および生産力向上の観点からも好ましい。
【００４２】
また、上述した説明では、半導体層の第１領域内の触媒元素濃度を十分に低減させる目的でゲッタリング処理を行ったが、本発明はこれに限定されない。熱アニール処理時に触媒元素の少なくとも一部が第１領域から第２領域に移動することにより、半導体層の第１領域内の触媒元素濃度が低減してＴＦＴのオフ電流の突発的な増大が抑制されているのであれば、ゲッタリング処理を省略してもよい。
【００４３】
また、上述した説明では、触媒元素を導入した後に不純物元素を導入したが、本発明はこれに限定されない。不純物元素の導入を省略してもよい。また、この場合、不純物元素の活性化率を向上させるためのレーザアニール処理を省略してもよい。
【００４４】
また、上述した説明では触媒元素はニッケル（Ｎｉ）であったが、本発明はこれに限定されない。触媒元素は、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐｄ、ＦｅまたはＣｕであってもよく、またはこれらのうちの複数種の元素であってもよい。
【００４５】
また、上述した説明では、マスク１３４がレジストからなっており、耐熱性が十分でないため、熱アニール処理の前にマスク１３４を除去したが、本発明はこれに限定されない。マスク１３４は、特許文献１に記載されているように、触媒元素のバリア層として機能する材料（例えば、窒化ケイ素など）から形成された膜をパターニングすることによって形成してもよい。また、この場合、マスク１３４を熱アニール処理の後に除去してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、結晶化を促進した触媒元素の濃度の低い結晶質半導体層を簡便に製造することができ、これにより、ＴＦＴなどの半導体素子に好適に用いることができる。また、熱アニール処理とは別にレーザアニール処理を行うことにより、不純物元素の活性化率を向上させて、半導体素子の特性（例えば、ＴＦＴのしきい値電圧）のばらつきを抑制することができる。また、このような結晶質半導体層は、例えば、液晶もしくは有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などのディスプレイデバイス、半導体素子およびそれを用いた製品に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（ａ）から（ｈ）は、それぞれ、本発明による結晶質半導体層の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２】（ａ）から（ｆ）は、それぞれ、結晶質半導体層の従来の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図３】（ａ）から（ｇ）は、それぞれ、結晶質半導体層の別の従来の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１１０  半導体層
１２２  絶縁基板
１２３  ベースコート層
１２４  酢酸ニッケル膜
１３４  マスク
【図１】
2008258537.tif 000003
【図２】
2008258537.tif 000004
【図３】
2008258537.tif 000005