JP2000188256A

JP2000188256A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000188256A
Application number: JP36584798A
Authority: JP
Inventors: Naoki Makita; 直樹牧田; Masao Moriguchi; 正生守口; Hiromi Sakamoto; 弘美坂本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2000-07-04
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: JP3587292B2

Abstract

(57)【要約】【目的】リーク電流の少ない安定した特性の高性能半
導体素子を実現し、集積度の高い高性能半導体装置を、
簡便で高歩留まりな製造プロセスにより得る。【構成】絶縁表面を有する基板上に第１の非晶質ケイ
素薄膜を形成する工程と、第１の非晶質ケイ素膜に、そ
の結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、第１の
加熱処理を行い、前記第１の非晶質ケイ素膜を結晶成長
させる工程と、前記第１のケイ素膜上に、一部接するよ
うにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成す
る工程と、第２の加熱処理を行い、第１のケイ素膜中に
存在する触媒元素を第２の非晶質ケイ素膜へと移動させ
る工程と、第２の非晶質ケイ素膜を除去する工程と、第
１のケイ素膜を島状に分離して、半導体装置の活性領域
（素子領域）を形成する工程と、を少なくとも有するこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、さらに詳しく言えば、非晶質ケイ素膜を結
晶化した結晶性ケイ素膜を活性領域とする半導体装置の
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、三次元ＩＣな
どに利用できる。

【０００２】

【従来の技術】近年、大型で高解像度の液晶表示装置、
高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ＩＣ
などへの実現に向けて、ガラスなどの絶縁基板上や、絶
縁膜上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（ａ−Ｓｉ）半導
体からなるものと結晶性を有するケイ素半導体からなる
ものの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
相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富む
ため、最も一般的に用いられているが、導電性などの物
性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣るため、今
後より高速特性を得るためには、結晶性を有するケイ素
半導体からなる半導体装置の作製方法の確立が強く求め
られていた。なお、結晶性を有するケイ素半導体として
は、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素などが知られている。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導
体を得る方法としては、（１）成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。

【０００５】（２）非晶質の半導体膜を成膜しておき、
強光を照射し、そのエネルギーにより結晶性を有せしめ
る。

【０００６】（３）非晶質の半導体膜を成膜しておき、
熱エネルギーを加えることにより結晶性を有せしめる。

【０００７】といった方法が知られている。しかしなが
ら、（１）の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行
するので、大粒径の結晶性ケイ素を得るにはケイ素膜の
厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を
基板上に全面に渡って均一に成膜することが技術上困難
である。また成膜温度が６００℃以上と高いので、安価
なガラス基板が使用できないというコストの問題があっ
た。

【０００８】また、（２）の方法では、溶融固化過程の
結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に
処理され、高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在
最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にと
ると、レーザー光の照射面積が小さくスループットが低
いという問題がまず有る。そして、最大の問題点とし
て、大面積基板の全面を均一に処理するにはレーザーの
安定性が充分ではないため、均一な結晶性を有するケイ
素膜を得ることが難しく、すなわち同一基板上に均一な
特性の複数の半導体素子を形成するのが困難という問題
点がある。

【０００９】（３）の方法は、（１）、（２）の方法と
比較すると大面積に対応できるという利点はあるが、結
晶化に際し６００℃以上の高温にて数十時間にわたる加
熱処理が必要である。すなわち、安価なガラス基板の使
用とスループットの向上を考えると、加熱温度を下げ、
さらに短時間で結晶化させるという相反する問題点を同
時に解決する必要がある。また、（３）の方法では、固
相結晶化現象を利用するため、結晶粒は基板面に平行に
拡がり数μｍの粒径を持つものさえ現れるが、成長した
結晶粒同士がぶつかり合って粒界が形成されるため、そ
の粒界はキャリアに対するトラップ準位として働き、Ｔ
ＦＴの移動度を低下させる大きな原因となっている。

【００１０】上記の（３）の方法を応用して、より低温
かつ短時間の加熱処理で、高品質で均一な結晶性を有す
るケイ素膜を作製する方法が、特開平９−２０５２１３
号公報、および特願平１０−１３５７７４号公報で開示
されている。これらの公報では、非晶質ケイ素膜の表面
にニッケルなどの金属元素を微量に導入させ、しかる後
に加熱することで、６００℃以下の低温において、数時
間程度の処理時間で結晶化を行っている。このメカニズ
ムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こ
り、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を促
し、結晶化が急激に進行することで理解される。そうい
った意味で以後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。こ
れらの触媒元素により結晶化が助長されて結晶成長した
結晶性ケイ素膜は、通常の固相成長法で結晶化した非晶
質ケイ素膜が双晶構造であるのに対して、何本もの柱状
結晶で構成されており、それぞれの柱状結晶内部は単結
晶に近い状態となっている。

【００１１】さらに、このような触媒元素を非晶質ケイ
素膜の一部に選択的に導入し加熱することで、他の部分
を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触
媒元素が導入された領域のみを結晶化し、そして、さら
に加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向
（基板と平行な方向）に結晶成長を行わせている。すな
わち、選択的な触媒元素導入により結晶成長方向、結晶
粒界を制御している訳であり、この横方向結晶成長領域
の内部では、成長方向がほぼ一方向に揃った柱状結晶が
ひしめき合っており、触媒元素が直接導入されランダム
に結晶核の発生が起こった領域に比べて、結晶性が良好
な領域となっている。そして、その良好な結晶性を有す
る横方向結晶成長領域のケイ素膜を活性領域として、高
性能な半導体素子を得ている。

【００１２】ここで、上記２公報では、非晶質ケイ素膜
の結晶化のために用いた触媒元素を、結晶化工程後にゲ
ッタリング除去する方法について注目している。特開平
９−２０５２１３号公報では、触媒元素を用いて結晶化
されたケイ素膜上に全面的に酸化ケイ素膜を設け、さら
にその上にリンなどの不純物を含む新たな非晶質ケイ素
膜を設けて加熱処理を行い、酸化ケイ素膜を介して上層
のリンを含有する非晶質ケイ素膜へと触媒元素を移動さ
せようとしている。また、特願平１０−１３５７７４号
公報では、非晶質ケイ素に選択的に触媒元素を導入し
て、導入領域から横方向に結晶成長させる手法を用い、
結晶成長後、ケイ素膜における触媒元素の導入領域に、
さらにリンをイオンドーピングし、加熱処理を行うこと
で横方向結晶成長に用いられた触媒元素を元の導入領域
に引き戻し、その他の横方向結晶成長領域を用いて半導
体素子領域を作製している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】触媒元素を用いたケイ
素膜の結晶化方法は、非常に有効なものであるが、その
膜質と不純物の２点において問題点が残されている。

【００１４】膜質に関しては、本発明者らが行った実験
から、個々の柱状結晶の結晶性は良好であるが、全体と
してはかなり高密度の結晶欠陥（転位）を含んでいるこ
とがわかっている。したがって、半導体装置の活性領域
がおおよそ一つの結晶方位で形成されるために、比較的
高い移動度が得られる一方、欠陥密度が高いため閾値電
圧やリーク電流は下がりにくい結果となる。実際に、触
媒元素を使用して結晶化した結晶性ケイ素膜を用い、Ｎ
チャネル型ＴＦＴを作製した場合には電界効果移動度で
８０〜１００ｃｍ²／Ｖｓ程度のものが得られており、
この値は、従来の触媒元素を用いない固相成長によるケ
イ素膜に比べて２倍程度は向上しているが、薄膜集積回
路などへの応用を考えると未だ十分な値でない。

【００１５】もう一方の問題点、不純物に関しては、触
媒元素そのものが問題となる。すなわち、上記のような
触媒元素は、非晶質ケイ素膜の結晶化には大きく貢献す
るが、その後、主に結晶粒界に偏在し結晶性ケイ素膜中
に残留する。半導体装置の活性領域（素子領域）を構成
する結晶性ケイ素膜中にこれら触媒元素が多量に存在し
ていることは、これら半導体を用いた装置の信頼性や電
気的安定性を阻害するものであり、もちろん好ましいこ
とでない。

【００１６】特に、ニッケルやコバルト、白金など、非
晶質ケイ素膜の結晶化を促す触媒として効率よく作用す
る元素は、ケイ素中においてバンドギャップ中央付近に
不純物準位を形成する。したがって、これら触媒元素に
より結晶化したケイ素膜を用いＴＦＴを作製すると、そ
の影響として、主にＴＦＴオフ動作時におけるリーク電
流の増大、信頼性の低下などの現象が現れる。すなわ
ち、触媒元素は、そのＴＦＴ素子において、チャネル領
域の結晶性を向上させるため、電界効果移動度やオン電
流、オン電流の立ち上がり係数（Ｓ係数）などの電流駆
動能力は向上させるが、その代償として、オフ特性およ
び信頼性を悪化させるわけである。

【００１７】これらの問題点を解決する方法として、特
開平９−２０５２１３号公報、および特願平１０−１３
５７７４号公報が提案されている。第１の問題点に関し
て、特開平９−２０５２１３号公報、特願平１０−１３
５７７４号公報共に、触媒元素を用いて結晶化された結
晶性ケイ素膜に対して、レーザー光などの強光を照射す
ることにより、その結晶性をさらに向上させて、上記膜
質が十分でないという第一の問題点の解決を図ってい
る。結晶性ケイ素膜にレーザー光を照射した場合、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
界部が集中的に処理される訳であるが、通常の固相成長
法で形成した結晶性ケイ素膜では、結晶構造が双晶状態
であるため、レーザー光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥
として残る。それに比べ、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、レーザー光あるいは強光の
照射により結晶粒界部が処理されると基板全面にわたっ
て単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜が得られ、結
晶性の観点からは、その有効性は高い。

【００１８】また、触媒元素を用いて結晶化された結晶
性ケイ素膜に対するその他の結晶性向上策として、酸化
雰囲気での熱処理がある。この方法は、一般的に石英基
板を用いた高温プロセスでの多結晶ケイ素半導体プロセ
スに使用されているが、上記レーザー照射法と同様、触
媒元素を用い結晶化されたケイ素膜に対する相性が良
い。該方法によっても、結晶粒内および粒界部の欠陥が
大きく低減できる。

【００１９】第２の問題点であるケイ素膜中の残存触媒
元素の低減については、２公報では、リン原子による強
制的なゲッタリング除去工程を用い、触媒元素を素子領
域外へ除去しようとしている。すなわち、結晶化のため
に利用した触媒元素を、不要になったところでケイ素膜
から除去してしまおうという発想である。この際、特開
平９−２０５２１３号公報では、触媒元素により結晶化
されたケイ素膜とリンを含む非晶質ケイ素膜の間に酸化
ケイ素膜を介して配置され、リンを含む非晶質ケイ素膜
の方へ触媒元素を移動させようとしているが、本発明者
らが行った実験では、酸化ケイ素膜を介して触媒元素を
移動させ、ゲッタリングすることは不可能であった。こ
こで、酸化ケイ素膜は、上層のリンを含んだ非晶質ケイ
素膜をエッチングする際のエッチングストッパーのため
に設けられているが、代表的な触媒元素であるニッケル
を例にとると、酸化ケイ素膜中での拡散係数は、ケイ素
膜中に比べてはるかに小さく（５桁小さい）、実際に酸
化ケイ素膜を介してのゲッタリング除去は不可能と考え
られる。しかしながら、特願平１０−１３５７７４号公
報のように、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の一
部にリンをドーピングするような方法では、リンドーピ
ング領域への触媒元素の移動が確認でき、目的とするゲ
ッタリング効果が得られている。但し、イオンドーピン
グによりケイ素膜に導入することのできるリンの濃度は
限られており、非常に高濃度とすることは難しい。その
ため、多量の触媒元素が用いられた場合などは、十分に
ゲッタリングできず、プロセスマージンが十分に広い安
定したプロセスとは言い難い。

【００２０】ここで、特願平１０−１３５７７４号公報
のような技術に、第１の問題点を解決する結晶性向上の
ための手段を組み合わせるとなると、新たな問題点が生
じてくる。なぜなら、触媒元素により結晶化されたケイ
素膜の一部の領域に触媒元素およびリンが多量に存在し
ており、この状態で結晶性向上策であるレーザー照射工
程や、酸化雰囲気での熱処理を行うと、触媒元素やリン
の再拡散、オートドープ、あるいは触媒元素の析出や、
触媒元素偏析領域での異常酸化などが起こり、素子領域
として用いるはずの領域が汚染され、使用できなくな
る。したがって、特願平１０−１３５７７４号公報で
は、触媒元素およびリンが多量に存在している領域を除
去する工程を兼ねて、ケイ素膜を素子領域に島状分離し
た後に、レーザー照射による結晶性改善工程を行ってい
る。しかしながら、島状分離されたアイランド状態のケ
イ素膜にレーザー照射を行うと、アイランド形状、サイ
ズによる結晶性の差異が生じると共に、アイランドのエ
ッジ部分での膜剥がれや膜飛びなどが発生して形状が崩
れ易い。また、アイランド内でも周辺部と中央部とで結
晶性が異なり、半導体素子として用いた場合、エッジ部
でリーク電流が発生し易くなり、信頼性も低下する。ま
た、特願平１０−１３５７７４号公報には述べられてい
ないが、この状態（Ｓｉアイランド状態）で酸化雰囲気
での熱処理を行った場合には、周辺部で酸化作用が異常
に進み、アイランドエッジ部で基板からの浮き上がりが
見られるようになる。このような状態では到底半導体素
子として使用することはできない。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、触媒元素を用
いケイ素膜を結晶化したときに生ずる上記問題点を解決
するために成されたものであり、絶縁表面を有する基板
上に、非常に高性能で高信頼性を有する半導体装置を歩
留まりよく作製する製造方法を提供するものである。

【００２２】本発明の主旨は、ガラスなどの絶縁基板上
に形成した第１の非晶質ケイ素薄膜に、その結晶化を助
長する触媒元素を導入し、第１の加熱処理により第１の
非晶質ケイ素膜を結晶成長させる。その後、第１のケイ
素膜上に、一部接するようにして不純物を含んだ第２の
非晶質ケイ素膜を形成し、第２の加熱処理を行って、第
１のケイ素膜中に存在する触媒元素を第２の非晶質ケイ
素膜へと移動させる。そして、第２の非晶質ケイ素膜を
除去し、第１のケイ素膜を島状に分離して、半導体装置
の活性領域（素子領域）を形成するものである。すなわ
ち、本発明では、結晶化に用いられた触媒元素の濃度低
減策として、特願平１０−１３５７７４号公報のよう
に、後に半導体装置の活性領域となる第１のケイ素膜の
一部の領域に触媒元素を移動させるのではなく、上層に
存在する第２の非晶質ケイ素膜中へと触媒元素の移動を
行わせる訳である。この点が特願平１０−１３５７７４
号公報と全く異なる点である。また、上層の第２の非晶
質ケイ素膜へと触媒元素をゲッタリングする方法という
意味では、特開平９−２０５２１３号公報と同じである
が、本発明では、第２の非晶質ケイ素膜を一部、触媒元
素により結晶化された第１のケイ素膜に接触させ、その
パスを通って触媒元素を移動させている。したがって、
酸化ケイ素膜を介して上層の第２の非晶質ケイ素膜へと
触媒元素を移動させる方法に比べて、はるかに効率的に
触媒元素の移動が行われ、活性領域となる第１のケイ素
膜中の触媒元素濃度が大幅に低減される。

【００２３】触媒元素の効率的なゲッタリング（ゲッタ
リング領域への移動）という点では、第１のケイ素膜中
の一部の領域に触媒元素を移動させる特願平１０−１３
５７７４号公報も同様の効果が見られるが、第１のケイ
素膜の一部にリンをイオンドーピングするような方法で
は、リンの濃度が制限され、高濃度の触媒元素に対して
は対応できない。本発明では、第２の非晶質ケイ素膜を
堆積する際にリンなどの不純物を直接同時に導入できる
ため、非常に高濃度な不純物濃度の非晶質ケイ素膜が作
製できる。また、触媒元素は結晶性ケイ素領域から非晶
質ケイ素領域へと移動しようとする性質をもっているた
め、これらの相乗効果により、第１のケイ素膜中の触媒
元素濃度がより高い場合にもゲッタリング可能であり、
該工程におけるプロセスマージンが大幅に向上する。

【００２４】そして、本発明の最大のメリットとして
は、上層の第２の非晶質ケイ素膜へと触媒元素を移動さ
せるため、その後、第２の非晶質ケイ素膜を除去するこ
とで、べた状態（島状分離されていない基板全面にわた
って膜が存在している状態）にて、触媒元素およびリン
を含まない、触媒元素により結晶成長した高品質結晶性
ケイ素膜（第１のケイ素膜）が得られることである。こ
れは、非常に大きなポイントで、さらに結晶性を高める
ための手段が、問題なく行えるようになる。その結果、
活性領域を形成する結晶性ケイ素膜の結晶性はさらに高
められ、非常に高性能な半導体が高い歩留まりで得られ
るようになる。

【００２５】さらに本発明においては、第１の非晶質ケ
イ素膜の所定の領域に、その結晶化を助長する触媒元素
を選択的に導入し、第１の加熱処理を行い、前記第１の
非晶質ケイ素膜を触媒元素が導入された領域からその周
辺領域へと、横方向（基板表面に対して平行な方向）に
結晶成長を行わせる後、第１のケイ素膜上に、一部接す
るようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形
成し、第２の加熱処理を行い、第１のケイ素膜中に存在
する触媒元素を第２の非晶質ケイ素膜へと移動させる方
法がより有効である。そして、その後、第２の非晶質ケ
イ素膜を除去し、横方向に結晶成長させた領域の第１の
ケイ素膜を島状に分離して、半導体装置の活性領域（素
子領域）を形成する。この方法では、結晶成長方向を制
御し、横方向に一次元的に結晶成長させた、より高品質
な結晶性ケイ素膜が得られ、半導体装置の一層の高性能
化が図れる。特に半導体装置におけるキャリアの移動方
向と該ケイ素膜の結晶成長方向を概略平行と配置するこ
とで、特に電流駆動能力が大きく向上する。

【００２６】また、該方法においては、不純物を含んだ
第２の非晶質ケイ素膜が、第１のケイ素膜と接する領域
は、第１のケイ素膜に選択的に触媒元素が導入された領
域であるようにすることが望ましい。このようにするこ
とで、最も触媒元素濃度が高い触媒元素の導入領域にお
いては、垂直方向に上層の第２の非晶質ケイ素膜へと触
媒元素の移動が行われるため効率が良い。また、後に活
性領域として形成する高品質な横方向結晶成長ケイ素膜
には、不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜が直接接触
しないため、第２の非晶質ケイ素膜からの不純物汚染も
抑えることができる。さらに、このような触媒元素の選
択導入方法では、選択的に触媒元素を導入するためにマ
スクが必要となるが、このマスクを第２の非晶質ケイ素
膜においても適用でき、第１のケイ素膜の結晶化工程
後、触媒元素導入領域で第２の非晶質ケイ素膜と接する
ように構成することで、マスク形成工程を１回分削減す
ることができ、プロセスの簡略化が図れる。

【００２７】ここで、本発明の効果を十分に得るために
は、第１の非晶質ケイ素膜の所定の領域に触媒元素を選
択的に導入する工程において、複数（少なくとも２個以
上）の触媒元素の導入領域を設けて行い、第１の加熱処
理にて、非晶質ケイ素膜を触媒元素が導入された領域か
らその周辺領域へと、横方向に結晶成長を行わせ、異な
る触媒元素導入領域から進行してきた横方向の結晶成長
を、互いにぶつからせるようようにし、互いにぶつかり
合うように横方向結晶成長した領域のケイ素膜を用い
て、半導体装置の活性領域（素子領域）を形成すること
が望ましい。なぜなら、本発明は触媒元素の導入領域に
さらにリンを導入し、一旦成長のために拡散した触媒元
素を元の位置に引き戻すものである。触媒元素は、ケミ
カルポテンシャルの相違から、非晶質ケイ素領域／結晶
化領域の境界に存在するのが最もエネルギーが得な状態
であり、ここに存在しようとする。すなわち、横方向の
結晶成長後、成長先端部が非晶質ケイ素領域／結晶化領
域の境界で形成されてる場合には、導入領域にリンをド
ープし、引き戻そうとしても触媒元素は戻ってはくれ
ず、さらに非晶質領域へと拡散する。したがって、横方
向の結晶成長後の成長先端部は、異なる導入領域から成
長してきた横成長結晶化領域とぶつかり合って、結晶化
領域／結晶化領域の境界で形成されるのが最も望まし
く、この際に本発明において最も大きな触媒元素のゲッ
タリング効果が得られる。

【００２８】さて、本発明においては、上層の第２の非
晶質ケイ素膜へと触媒元素を移動させるため、その後、
第２の非晶質ケイ素膜を除去することで、べた状態（島
状分離されていない基板全面にわたって膜が存在してい
る状態）にて、触媒元素およびリンを含まない、触媒元
素により結晶成長した高品質結晶性ケイ素膜（第１のケ
イ素膜）が得られる。したがって、第２の非晶質ケイ素
膜を除去する工程の後、第１のケイ素膜を島状に分離す
る前に、結晶化された第１のケイ素膜に対し、強光照射
を行い、その結晶性をさらに高める工程を行うことが望
ましい。従来、島状分離されたケイ素膜に対して、強光
照射を行うと、サイズや形状による結晶性の差異やエッ
ジ部での膜剥がれなどが見られていたが、これらの問題
を全く起こさずに最適な条件での強光照射工程が行え
る。また、このときの第１のケイ素膜中には触媒元素あ
るいはリンが多量に存在している領域がないため、この
ときの強光照射工程における触媒元素やリンの再拡散や
汚染、析出などを抑えることができる。したがって、本
発明においては、ケイ素膜の島状分離工程前に、その結
晶性を高める手段として強光照射工程を行っても全く問
題が生じず、この組み合わせとして非常に相性がよい。
該強照射工程により、第１のケイ素膜において、結晶粒
内および結晶粒界の欠陥が低減され、より良質の結晶性
ケイ素膜が得られる。

【００２９】ここで、強光照射工程は、結晶化された第
１のケイ素膜において、初期の結晶成分が完全に失われ
ない（リセットされない）状態にて行われる必要があ
る。すなわち、触媒元素により結晶成長した第１のケイ
素膜は、柱状結晶で構成されており、個々の柱状結晶内
部は単結晶に近い結晶状態となっていると共に、膜全体
としての結晶方位は極めて良好でよく揃っている。強光
照射工程は、このベースとなる結晶状態をさらに高め
る、具体的には結晶欠陥を低減することが目的であるか
ら、少なくとも初期の結晶状態が失われない、すなわり
リセットされないように行われる必要がある。

【００３０】このためには、強光としては、波長４００
ｎｍ以下のレーザー光を用いることが望ましい。なぜな
ら、波長４００ｎｍ以下の強光を用いれば、ケイ素膜に
対する吸収係数が極めて高く、ガラス基板に熱的ダメー
ジを与えることなく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱するこ
とができる。また、レーザー光を用いることで、ケイ素
膜を瞬時に、融点１４１４℃に加熱するだけの高出力化
が可能となる。さらに、波長４００ｎｍ以下のレーザー
光の中でも、特に波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレ
ーザー光は出力が大きいため、基板照射時のビームサイ
ズを大きくでき、大面積基板に対応しやすく、また出力
も比較的安定しており、量産装置に適用する上で最も望
ましい。そして、該レーザー光を用いて、ケイ素膜表面
に対して、該レーザー光の表面エネルギー密度が２５０
〜４５０ｍＪ／ｃｍ²となるようにして、照射工程を行
うことで、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の結晶
性が失われることなく、助長され、非常に高品質な結晶
性ケイ素膜が得られる。ここでレーザー光の表面エネル
ギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ²より小さければ、ケイ素
膜はほとんど溶融されず、十分な結晶性助長が図れな
い。また、４５０ｍＪ／ｃｍ²よりも大きければ、触媒
元素により得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、
リセットされてしまい、従来のレーザー結晶化における
不均一性の問題点が発生する。

【００３１】また、本発明において、強光方法以外の触
媒元素により結晶化された第１のケイ素膜の結晶性をさ
らに高める手段としては、第２の非晶質ケイ素膜を除去
する工程の後、第１のケイ素膜を島状に分離する前に、
第３の加熱処理を施し、結晶化された第１のケイ素膜の
結晶性をさらに高める方法が望ましい。この第３の熱処
理は、第１および第２の熱処理よりもより高い温度で処
理することが必要であり、触媒元素によって結晶化され
たケイ素膜中における微小な結晶欠陥を低減できる。ま
た、強光照射方法に比べて、初期の結晶状態が失われる
ことはないので、プロセスマージンが広い。

【００３２】さらに、第３の加熱処理をより有効とする
ためには、該熱処理は酸化雰囲気中にて行われ、第１の
ケイ素膜の表面が酸化された状態となることがより望ま
しい。ケイ素膜の酸化工程においては、酸化により生じ
るＳｉ＼ＳｉＯ₂界面で過剰なＳｉ原子が放出され、こ
れらがケイ素膜中へと移動し、Ｓｉの不対結合手（ダン
グリングボンド）をターミネートし、消滅させる効果を
もつ。その結果、不活性ガス雰囲気下の熱処理に比べ
て、結晶欠陥の改善効果がより大きくなる。しかしなが
ら、従来、島状分離されたケイ素膜に対して、酸化雰囲
気での熱処理を行うと、アイランドのエッジ部で異常に
酸化が進み、エッジ部が基板上より浮き上がるような状
態の膜剥がれが発生していた。また、ケイ素膜中に触媒
元素やリンが存在していると、触媒元素やリンが再拡散
しケイ素膜全体を汚染すると共に、触媒元素が局在して
いる領域で異常に酸化が進み、ケイ素膜にピンホールが
生じる。しかし、本発明では、このときの第１のケイ素
膜中には触媒元素あるいはリンが多量に存在している領
域がなく、かつ、島状分離前のべた状態であるため、こ
のような問題は一切起こらず、十分な酸化雰囲気での熱
処理を行うことができ、ケイ素膜中の欠陥を大きく低減
できる。その結果、非常に高品質な結晶性ケイ素膜が得
られ、高性能で信頼性の高い半導体装置が実現できる。
具体的な第３の熱処理工程としては、酸素雰囲気では８
５０〜１１００℃、水蒸気雰囲気では６００〜７００℃
での熱処理が望ましい。

【００３３】第１の加熱処理は、ケイ素膜中を触媒元素
が拡散するが、ケイ素膜に自然核発生が生じないような
温度および時間で行われることが望ましい。なぜなら、
触媒元素がシリサイドとなり拡散することによって十分
な結晶成長が生じる訳であるが、その時の温度があまり
高いと、ケイ素膜自身の自然核が発生する。触媒元素に
より導入領域から成長してきた横成長は柱状結晶で構成
されているが、自然核発生が生じると、成長してきた柱
状結晶がぶつかり、成長が阻害され、曲がりや分岐が生
じて結晶性が悪化する。また、触媒元素がその市で深く
トラップされてしまい、後の工程において十分なゲッタ
リングができなくなる。具体的な第１の加熱処理の温度
としては、５４０℃〜６２０℃の範囲内であることが望
ましく、この温度範囲内なら上記目的を達することがで
きる。

【００３４】続いて、第２の加熱処理は、ケイ素膜中を
触媒元素が拡散するが、リンは拡散しないような温度お
よび時間で行われることが望ましい。なぜなら、触媒元
素がケイ素膜中を拡散移動することにより十分なゲッタ
リング効果が生じる訳であるが、その時の温度があまり
高いと、ケイ素膜中において同時にリンの拡散が生じ
る。リンがケイ素膜中に拡散すると、触媒元素がリン注
入領域に十分に集められないだけでなく、ケイ素膜に対
して大きな悪影響を及ぼす。すなわち、リンは言わずと
知れたドナー元素であり、ＴＦＴ素子のチャネル領域な
どに存在すると閾値電圧がシフトし不安定となる。具体
的な第２の加熱処理の温度としては、５８０℃〜７００
℃の範囲内であることが望ましく、この温度範囲内なら
上記目的を達することができる。

【００３５】次に、本発明における第１の非晶質ケイ素
薄膜の厚さであるが、２５〜８０ｎｍの範囲内であるこ
とが望ましい。２５ｎｍよりも薄いと、十分な結晶成長
が生じず、残存非晶質領域が生じる。また、触媒元素に
よる結晶性ケイ素膜を構成する柱状結晶は、ストレスフ
リーの状態で約８０ｎｍ×８０ｎｍの断面構造をもつ。
ケイ素膜の膜厚がこれより厚いと、柱状結晶が２層構造
となってしまい、結晶性が悪化すると共に、触媒元素の
残留量も増え、ゲッタリングが困難となる。また、ＴＦ
Ｔ素子におけるリーク電流の観点や、膜厚が増えるとそ
の分必要な触媒元素量も増えることから、ケイ素膜の厚
さは、十分な結晶成長が得られ、その他のプロセス的に
も問題がなければ薄いほどよい。以上の理由から、本発
明におけるケイ素膜の厚さの上限は８０ｎｍである。

【００３６】さて、本発明において、第１のケイ素膜を
島状に分離して、半導体装置の活性領域（素子領域）を
形成する工程の際、第２の非晶質ケイ素膜と接していた
領域以外の第１のケイ素膜の領域を用いて、活性領域が
形成することが望ましい。なぜなら、不純物を含んだ第
２の非晶質ケイ素膜と接していた第１のケイ素膜の領域
においては、若干ながらも、第２のケイ素膜中の不純物
が逆拡散している可能性があり、触媒元素もまた、この
領域を介して上層へと移動して行くため、他の領域に比
べて残存触媒元素濃度が若干高い。さらに上層第２のケ
イ素膜を除去するエッチング工程の際に、どうしても同
組成の物質であるため、第２のケイ素膜とダイレクトに
接している領域の第１のケイ素膜も若干表面が削られ、
他の領域に比べて膜厚が小さくなる傾向にある。これら
の事情を考慮して、半導体素子となる活性領域として
は、第１のケイ素膜において全く問題のない領域を用い
ることが最善であり、第２の非晶質ケイ素膜と接してい
た領域以外の第１のケイ素膜の領域を用いて、活性領域
が形成することが望ましい。

【００３７】しかしながら、第１のケイ素膜において、
第２の非晶質ケイ素膜と接していた領域は素子領域とし
て用いないとなると、スペースユーティリティー面で不
利であり、レイアウト上も大きな制限を受ける。さらに
は素子間隔を狭くして集積度を上げることが困難とな
る。したがって、半導体装置として絶縁ゲート型の薄膜
トランジスタを作製する場合に限っては、少なくとも第
２の非晶質ケイ素膜と接していた領域以外の第１のケイ
素膜の領域を用いて、活性領域における能動（チャネ
ル）領域を形成し、第２の非晶質ケイ素膜と接していた
領域の第１のケイ素膜の領域も含めて、残りの領域で活
性領域中のコンタクト（ソース・ドレイン）領域を形成
することが望ましい。コンタクト領域は、主にリンやホ
ウ素などがドーピングされたＮ型あるいはＰ型のケイ素
膜で形成されるため、この領域にリンがあっても問題と
はならない。また、触媒元素が、素子特性に主に影響を
与えるのはチャネル領域であり、コンタクト領域に微量
で存在する触媒元素の影響は、ほとんど無視できるレベ
ルである。したがって、絶縁ゲート型の薄膜トランジス
タを作製する場合にはこのように構成することで、第２
のケイ素膜との接触領域も素子領域の一部として使用で
きるため、レイアウトの制限を受けることなく、また集
積度を犠牲にすることなく、本発明の優れた効果を同様
に享受できる。

【００３８】本発明において、第１のケイ素膜上に、一
部接するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素
膜を形成する工程は、第１のケイ素膜上に酸化ケイ素膜
を形成し、該酸化ケイ素膜を一部開口して、その上に不
純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成することによ
って行われ、酸化ケイ素膜が開口された領域で、第１の
ケイ素膜と不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜とが接
してなる状態で、第２の加熱処理が行われることが望ま
しい。このようにすることで、結晶化された第１のケイ
素膜において、活性領域として後に使用しようとしてい
る領域は、酸化ケイ素膜に覆われ、上層の第２の非晶質
ケイ素膜からの不純物拡散を完全に防止でき、結晶化工
程全体にわたってクリーンな状態を保つことができる。
また、触媒元素を第１の非晶質ケイ素膜に選択導入し横
方向に結晶成長させる方法では、酸化ケイ素膜からなる
同一のマスク膜を用いて、触媒元素の選択導入と第２の
非晶質ケイ素膜との接触が行え、ゲッタリングのための
余分なフォト工程が全くなくなり、プロセスを簡略化す
ることができる。酸化ケイ素膜は、リンや触媒元素の拡
散に対して十分なバリアとなると共に、半導体であるケ
イ素膜に与える影響も最も少なくて済む。

【００３９】さて、本発明の目的の一つは、半導体装置
活性領域における触媒元素濃度の大幅な低減を図ること
であり、上記手段により、最終的な半導体装置活性領域
中の触媒元素の濃度は、１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
以下となるように管理されることが望ましい。従来法に
より作製した活性領域中の触媒元素濃度は、１×１０¹⁷
〜１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であり、実際にＴ
ＦＴ素子においてリーク電流増大や特性劣化などの影響
が確認される。本発明者らが、代表的な触媒元素である
ニッケルを用い、実際にＴＦＴ活性領域の濃度を強制的
に変化させ、その影響の確認実験を行ったところ、活性
領域中の触媒元素の濃度が、１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以下の場合には、その影響が見られず、リーク電流
や信頼性は、触媒元素を導入しないものと同程度であっ
た。したがって、本発明において得られる最終的な半導
体装置活性領域中の触媒元素の濃度は、１×１０¹⁶ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以下である必要があり、本発明の製造方
法により十分にその値を達成することができる。

【００４０】本発明における第２の非晶質ケイ素膜に含
有される不純物としては、リンを用いられることが最も
望ましい。第２の非晶質ケイ素膜に含有される不純物と
しては、第２の加熱処理に際し、第１のケイ素膜の結晶
成長に用いられた触媒元素を引き集める効果が要求され
る。このメカニズムについては、未だ詳しくはわかって
いないが、このような効果をもつ元素として、リン、硫
黄、ヒ素、セレンなどが使用可能である。それらの元素
の中でも、特にリンが最も触媒元素を集める効果が大き
く、より低濃度で効率的に触媒元素を引き戻すことがで
きるため、触媒元素を集める効果のある元素として、リ
ンを用いるのが最も望ましい。

【００４１】本発明に利用できる触媒元素の種類として
は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉ
ｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂを利用することができる。これら
から選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量
で結晶化助長の効果がある。

【００４２】それらの中でも、特にＮｉを用いた場合に
最も顕著な効果を得ることができる。この理由について
は、次のようなモデルを考えられる。触媒元素は単独で
は作用せず、ケイ素膜と結合しシリサイド化することで
結晶成長に作用する。そのときの結晶構造が、非晶質ケ
イ素膜結晶化時に一種の鋳型のように作用し、非晶質ケ
イ素膜の結晶化を促すといったモデルである。Ｎｉは２
つのＳｉとＮｉＳｉ₂のシリサイドを形成する。ＮｉＳ
ｉ₂は螢石型の結晶構造を示し、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たものであ
る。しかも、ＮｉＳｉ₂はその格子定数が５．４０６Å
であり、結晶シリコンのダイヤモンド構造での格子定数
５．４３０Åに非常に近い値をもつ。よって、ＮｉＳｉ
₂は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型として
は最高のものであり、本発明における触媒元素として
は、特にＮｉを用いるのが最も望ましい。

【００４３】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の第１の
実施の形態について説明する。本実施の形態では、ガラ
ス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の工程において、本
発明を利用した場合についての説明を行う。本実施の形
態のＴＦＴはアクティブマトリクス型の液晶表示装置の
ドライバー回路や画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成
する素子としても利用することができる。しかし、本実
施の形態では、それらの代表として、基板上に数十万か
ら数百万のＮ型ＴＦＴを特に均一に作製する必要がある
液晶表示装置用アクティブマトリクス基板の画素駆動用
ＴＦＴを例にとって説明を行う。

【００４４】図１は、本実施の形態で説明するアクティ
ブマトリクス基板上の画素ＴＦＴの作製工程の概要を示
す平面図である。実際には前述のように数十万個以上の
ＴＦＴによる構成されるが、本実施の形態では３行×４
列の１２個のＴＦＴに簡略して説明を行う。図２は、図
１における任意のＴＦＴの断面図であり、（Ａ）から
（Ｆ）の順にしたがって作製工程が順次進行する。

【００４５】まず、図２（Ａ）に示すように、ガラス基
板１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３００ｎ
ｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜２を形成する。この
酸化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐ
ために設けられる。次に、減圧ＣＶＤ法あるいはプラズ
マＣＶＤ法によって、厚さ２５〜８０ｎｍ、例えば４０
ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）３
を成膜する。

【００４６】次に、さらにａ−Ｓｉ膜３表面上に触媒元
素（ニッケル）５の微量添加を行う。このニッケル５の
微量添加は、ニッケルを溶かせた水溶液をａ−Ｓｉ膜３
上に保持し、スピナーにより溶液をガラス基板１上に均
一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施の形態
では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、水溶液中のニ
ッケル濃度は１０ｐｐｍとなるようにした。このように
して添加されたａ−Ｓｉ膜３表面上のニッケル濃度を全
反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法により測定すると、
２〜８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度であった。そし
て、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５２
０〜６２０℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を
施す。本実施の形態では、一例として５５０℃にて４時
間の処理を行った。この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜
表面に添加されたニッケル５のシリサイド化が起こり、
それを核としてａ−Ｓｉ膜３の結晶化が行われ、結晶性
ケイ素膜３ａが形成される。

【００４７】次に、図２（Ｂ）に示すように、結晶性ケ
イ素膜３ａ上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜などの
絶縁性薄膜を堆積し、パターニングしてマスク４を形成
する。マスク４の形成は、本実施の形態においては、酸
化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘ
ｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素
とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。マス
クの厚さは、５０ｎｍ〜２５０ｎｍであることが望まし
く、本実施の形態では、酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎ
ｍとした。このときの状態を基板上方より見ると、図１
（Ａ）のように、結晶性ケイ素膜３ａの一部がマスク４
により島状にマスクされた状態となっている。

【００４８】次に、結晶性ケイ素膜３ａおよびマスク４
を覆うようにリンを含んだ非晶質ケイ素膜７を堆積す
る。リンを含んだａ−Ｓｉ膜の形成は、シラン（ＳｉＨ
₄）とフォスフィン（ＰＨ₃）を材料ガスとしてプラズマ
ＣＶＤ法によって行った。この際、ａ−Ｓｉ膜７中のリ
ンの濃度は、フォスフィンガスの流量比で任意に変更す
ることが可能である。本実施の形態では、ＰＨ₃／Ｓｉ
Ｈ₄流量比を３／１００として行った。このときのａ−
Ｓｉ７膜中のリン濃度は１％程度であった。このときの
状態を基板上方より見ると、図１（Ｂ）のような状態と
なっており、全面がリンを含むａ−Ｓｉ膜７で覆われて
いる。なお、図１（Ｂ）では、後のＴＦＴ素子領域とマ
スク４との関係を明確にするために、後のＴＦＴ活性領
域１１を示してある。後に形成されるＴＦＴ活性領域１
１は、この段階ではマスク４に完全に覆われた状態とな
っている。

【００４９】そして、この状態で、これを不活性雰囲気
下、例えば窒素雰囲気にて５８０〜７００℃の温度で数
時間から数十時間の加熱処理を施す。本実施の形態で
は、一例として６００℃にて１２時間の処理を行った。
この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜７中のリンが結晶性
ケイ素膜３ａ中に拡散したニッケル５を引き寄せる。す
なわち、図１（Ｂ）および図２（Ｂ）に示すように、矢
印８で示すような方向にニッケルが移動し、上層のリン
を含むＳｉ膜７へとゲッタリングされる。その結果、下
層の結晶性ケイ素膜３ａのニッケル濃度は大幅に低減す
る。このときの実際の結晶性ケイ素膜３ａ中のニッケル
濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定し
たところ１〜５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで
低減されていた。ちなみにこの工程前の結晶性ケイ素膜
３ａの膜中ニッケル濃度は１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³以上であった。

【００５０】次に、リンを含むＳｉ膜７の全面除去を行
う。このとき、マスク４のない領域で接している下層の
結晶性ケイ素膜３ａと、十分に選択性をもったエッチン
グ方法により行うのが望ましいが、実際には同じような
材料であるため難しい。本実施の形態では、ＣＦ₄と酸
素を用いたドライエッチング法によりこの工程を行っ
た。下層のマスクである酸化ケイ素膜４との選択性は十
分にあるため、プラズマの発光スペクトルを用いて終点
を検出し、オーバーエッチングの時間を極力抑えた。そ
の結果、マスク４のない領域における下層の結晶性ケイ
素膜３ａでは１０ｎｍ程度の膜減りが見られたが、実際
にＴＦＴの活性領域を形成するのはマスク４に覆われた
領域であるため、大きな問題とはならない。後に行われ
るレーザー照射工程において問題とならない程度の膜減
り量であればよい。

【００５１】次にマスクとして用いた酸化ケイ素膜４を
エッチング除去する。エッチャントとしては、十分に下
層のケイ素膜３と選択性のある１：１０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行っ
た。

【００５２】そして、引き続いて、図２（Ｃ）に示すよ
うに、レーザー光９を照射することで結晶性ケイ素膜３
ａの結晶性を助長する。このとき、結晶性ケイ素膜３ａ
の膜中にはほとんどニッケルが存在しない状態となって
いるため、従来法でレーザー照射時に発生していたニッ
ケルの析出や、再拡散やオートドープを完全に防ぐこと
ができる。また、従来法では、ニッケルの偏在した領域
を結晶性ケイ素膜３ａ中に作り、この領域を除去した
後、すなわちケイ素膜３ａをパターニングした後にこの
工程を行っていた。したがって、パターニングに伴うレ
ーザー照射時のパターン崩れや膜飛び、パターンサイズ
による結晶性の違いなどの問題点が生じていたが、本実
施の形態では上層のケイ素膜へとニッケルを除去したた
め、結晶性ケイ素膜３ａは全面的にニッケルのないよう
な状態で存在でき、上記の問題点を全て解決できた。こ
のときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエキシマレーザ
ー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い
た。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜
４５０℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度２
５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ²、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ²で
照射した。ビームサイズは、基板１表面で１５０ｍｍ×
１ｍｍの長尺形状となるように成型されており、長尺方
向に対して垂直方向に０．１ｍｍのステップ幅で順次走
査を行った。すなわち、島状結晶性ケイ素膜３ａの任意
の一点において、計１０回のレーザー照射が行われるこ
とになる。

【００５３】その後、不要な部分のケイ素膜３ａを除去
して素子間分離を行う。すなわち、この工程により、図
１（Ｃ）に示すような配置で、後に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１１が形成され、図１（Ｃ）および図２
（Ｄ）の状態が得られる。

【００５４】次に、上記の活性領域となる結晶性ケイ素
膜１１を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１
００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１２として成膜
する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ（Ｔ
ｅｔｒａＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔ
ｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００
℃、好ましくは３００〜４５０℃で、ＲＦプラズマＣＶ
Ｄ法で分解・堆積した。あるいはＴＥＯＳを原料として
オゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法
によって、基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４
００〜５５０℃として形成してもよい。成膜後、ゲート
絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート
絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気
下で４００〜６００℃で３０〜６０分アニールを行っ
た。

【００５５】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍのアルミニ
ウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニン
グして、ゲート電極１３を形成する。さらに、このアル
ミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層
１４を形成する。この状態が図２（Ｅ）に相当する。ゲ
ート電極１３は、平面的にはゲートバスラインを同時構
成しており、この状態を平面的に見ると図１（Ｄ）のよ
うな状態となっている。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行い、最初一定電
流で１２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持し
て終了させる。得られた酸化物層１４の厚さは２００ｎ
ｍである。なお、この酸化物層１４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
厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽
極酸化工程で決めることができる。

【００５６】次に、イオンドーピング法によって、ゲー
ト電極１３とその周囲の酸化物層１４をマスクとして活
性領域に不純物（リン）を注入する。ドーピングガスと
して、フォスフィン（ＰＨ₃）を用い、加速電圧を６０
〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量を１×１０¹⁵〜
８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。こ
の工程により、不純物が注入された領域１６と１７は後
にＴＦＴのソース／ドレイン領域となり、ゲート電極１
３およびその周囲の酸化層１４にマスクされ不純物が注
入されない領域１５は、後にＴＦＴのチャネル領域とな
る。

【００５７】その後、図２（Ｅ）に示すように、レーザ
ー光１８の照射によってアニールを行い、イオン注入し
た不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入工
程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。この
際、使用するレーザーとしては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１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²、好ましく
は２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ²で照射を行った。こうし
て形成されたＮ型不純物（リン）領域１６、１７のシー
ト抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。

【００５８】続いて、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素
膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１９として形成す
る。酸化ケイ素膜を用いる場合には、ＴＥＯＳを原料と
して、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾ
ンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって形成
すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られ
る。また、ＳｉＨ₄とＮＨ₃を原料ガスとしてプラズマＣ
ＶＤ法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、活性領域
／ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特性
を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。

【００５９】次に、層間絶縁膜１９にコンタクトホール
を形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニ
ウムの二層膜によってＴＦＴのソース電極・配線２０を
形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に
拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられ
る。本ＴＦＴは、画素電極をスイッチングする素子であ
るので、もう一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透明
導電膜からなる画素電極２１を設ける。すなわち、図１
（Ｅ）において、ソースバスライン２０を介してビデオ
信号が供給され、ゲートバスライン１３のゲート信号に
基づいて画素電極２１に必要な電荷が書き込まれる。そ
して最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分の
アニールを行い、図２（Ｆ）に示すＴＦＴを完成させ
る。さらに必要に応じて、ＴＦＴを保護する目的で、Ｔ
ＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよ
い。

【００６０】以上の実施の形態にしたがって作製したＴ
ＦＴは、電界効果移動度が１５０ｃｍ²／Ｖｓ程度、閾
値電圧が２Ｖ程度と非常に高性能であるにもかかわら
ず、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久
性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来
のものと比べて非常に信頼性が高い。また、触媒元素が
特に問題となるＴＦＴオフ領域でのリーク電流は、従来
の１０〜１５ｐＡに比べ、触媒元素を用いない場合と同
などの数ｐＡ程度にまで低減でき、製造歩留まりを大き
く向上することができた。そして、本実施の形態に基づ
いて作製され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、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
液晶パネルが得られた。なお、本実施の形態によるＴＦ
Ｔ工程は、アクティブマトリクス基板の画素電極を対象
に説明を行ったが、本ＴＦＴは薄膜集積回路などにも簡
単に応用でき、その場合にはゲート電極１３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。

【００６１】（実施の形態２）本発の第２の実施の形態
について説明する。本実施の形態では、ガラス基板上に
Ｎ型ＴＦＴを作製する際の工程において、本発明を利用
した場合についての説明を行う。本実施の形態のＴＦＴ
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
回路や画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成する素子と
しても利用することができる。しかし、本実施の形態に
おいても、それらの代表として、基板上に数十万から数
百万のＮ型ＴＦＴを特に均一に作製する必要がある液晶
表示装置用アクティブマトリクス基板の画素駆動用ＴＦ
Ｔを例にとって説明を行う。

【００６２】また、図３は本実施の形態で説明するアク
ティブマトリクス基板上の画素ＴＦＴの作製工程の概要
を示す平面図である。実際には前述のように数十万個以
上のＴＦＴによる構成されるが、本実施の形態では３行
×４列の１２個のＴＦＴに簡略して説明を行う。図４
は、図３における任意の一ＴＦＴの断面図であり、
（Ａ）から（Ｇ）の順にしたがって作製工程が順次進行
する。図４において、触媒元素導入部１００とＴＦＴの
チャネルおよびソース・ドレイン方向の配置が図３のＴ
ＦＴ配置と比べて９０゜異なっているが、これは説明を
行いやすくするためであり、実際にＴＦＴの方向が９０
゜異なっていても、本発明の効果を損なうことはない。

【００６３】まず、図４（Ａ）に示すように、ガラス基
板１０１上に例えばＣＶＤ法によって厚さ３００ｎｍ程
度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成する。この
酸化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐ
ために設けられる。次に減圧ＣＶＤ法あるいはプラズマ
ＣＶＤ法によって、厚さ２５〜８０ｎｍ、例えば３５ｎ
ｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０
３を成膜する。そして、さらにその上に酸化ケイ素膜ま
たは窒化ケイ素膜などの絶縁性薄膜１０４を堆積する。
絶縁性薄膜１０４は、後の触媒元素導入時のマスク膜と
なるものであり、本実施の形態においては、酸化ケイ素
膜を用い、ＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘｙＯｒ
ｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに
ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。マスク酸化ケ
イ素膜１０４の厚さは、５０ｎｍ〜２５０ｎｍであるこ
とが望ましく、本実施の形態では、酸化ケイ素膜の厚さ
を１５０ｎｍとした。

【００６４】次に、ａ−Ｓｉ膜１０３上の酸化ケイ素膜
をパターニングすることでマスク１０４を形成する。こ
こで、マスク１０４のスルーホールを介して、スリット
状にａ−Ｓｉ膜１０３が露呈される。図４（Ａ）は、任
意のＴＦＴの状態を示しているが、その状態を上面から
見ると、図３のようにａ−Ｓｉ膜１０３が複数本にわた
り、領域１００でマスク膜１０４のスルーホールにより
スリット状に露呈しており、他の部分はマスクされてい
る状態となっている。

【００６５】その後、図４（Ａ）に示すように、ａ−Ｓ
ｉ膜１０３表面が露呈している領域１００にニッケル１
０５を溶かせたエタノール溶液が接するように基板１０
１を保持する。本実施の形態では、溶質としては酢酸ニ
ッケルを用い、エタノール溶液中のニッケル濃度は１０
ｐｐｍとなるようにした。その後、スピナーにより溶液
を基板１０１上に均一に延ばし乾燥させることで、基板
１０１表面（酸化ケイ素膜１０４と領域１００のａ−Ｓ
ｉ膜１０３表面）にニッケル１０５を微量添加する。こ
の工程により領域１００で露呈している部分のａ−Ｓｉ
膜１０３に選択的にニッケル１０５が導入されたことに
なる。そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲
気にて５４０〜６２０℃の温度で数時間から数十時間の
加熱処理を施す。本実施の形態では、一例として５８０
℃にて６時間の処理を行った。

【００６６】この加熱処理において、図４（Ｂ）に示す
ように、領域１００においては、ａ−Ｓｉ膜表面に添加
されたニッケル１０５のシリサイド化が起こり、それを
核としたケイ素膜１０３の選択的結晶化が行われ、シー
ド領域とも言える結晶化領域１０３ａがまず形成され
る。続いて、その周辺領域から、図４（Ｂ）において、
矢印１０６で示すように、領域１００から横方向（基板
と平行な方向）に結晶成長が行われる。ここで、図３
（Ａ）において、ニッケルが選択導入された領域１００
に挟まれた間の領域では、横方向結晶成長した結晶性ケ
イ素膜１０３ｂが形成され、最終的には、別々の導入領
域より成長してきた横成長結晶性ケイ素膜１０３ｂ同士
がぶつかり合い、結晶粒界１０３ｅを形成する。最も外
側に存在する線状導入領域１００の外側の領域において
も、横方向結晶成長が起こり、結晶性ケイ素膜１０３ｂ
が形成され、その成長が到達しない外側の領域は、その
まま非晶質ケイ素膜領域１０３ｄとして残る。ここで、
従来ならば、横成長した領域１０３ｂは区別されないの
であるが、本発明では、少なくとも２つの導入領域に挟
まれ、成長先端がぶつかり合って形成された内側の領域
と、成長端がａ−Ｓｉ領域との境界で形成される外側の
領域１０３ｃとで、後に行われるゲッタリングの効果が
大きく異なるため、ここで区別しておく必要がある。本
実施の形態による加熱処理で得られた結晶成長距離（矢
印６で示される基板と平行な方向の結晶成長の距離）
は、７０μｍ程度である。

【００６７】次に、この状態で図４（Ｃ）に示すよう
に、領域１００で露呈している結晶性ケイ素膜１０３ａ
およびマスク１０４を覆うようにリンを含んだ非晶質ケ
イ素膜１０７を堆積する。リンを含んだａ−Ｓｉ膜の形
成は、シラン（ＳｉＨ₄）とフォスフィン（ＰＨ₃）を材
料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって行った。この
際、ａ−Ｓｉ膜１０７中のリンの濃度は、フォスフィン
ガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実
施の形態では、ＰＨ₃／ＳｉＨ₄流量比を３／１００とし
て行った。このときの状態を基板上方より見ると、図３
（Ｂ）のような状態となっており、全面がリンを含むａ
−Ｓｉ膜１０７で覆われている。なお、図２（Ｂ）で
は、後のＴＦＴ素子領域とマスク１０４との関係を明確
にするために、後のＴＦＴ活性領域１１１を示してあ
る。後にＴＦＴ活性領域１１１となる横方向に結晶成長
したケイ素膜領域１０３ｂは、この段階ではマスク１０
４に完全に覆われ、上層のリンを含むａ−Ｓｉ膜１０７
とは接触していない状態となっている。そして、これを
不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５８０〜７００
℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。本実
施の形態では、一例として６００℃にて１２時間の処理
を行った。

【００６８】この加熱処理において、図４（Ｃ）に示す
ように、領域１００において、下層の結晶性ケイ素膜１
０３ａと接触しているリンを含むａ−Ｓｉ膜１０７で、
膜中のリンが下層の結晶性ケイ素膜１０３中に拡散した
ニッケルを引き寄せる。すなわち、横成長領域１０３ｂ
において、図４（Ｃ）に矢印１０８で示すような方向、
すなわち結晶成長時とは逆方向にニッケルが移動し、さ
らにシード領域１０３ａから上層のリンを含むａ−Ｓｉ
膜１０７へと移動してリンにトラップされる。このよう
にして、結晶成長時に横成長領域１０３ｂに残留してい
た触媒元素のほとんどはシード領域１０３ａから上層の
リンを含むＳｉ膜１０７へと移動し、除去される。とこ
ろが、外側の横成長領域１０３ｃにおいては、熱処理に
より、さらに結晶化がａ−Ｓｉ領域１０３ｄへと進行す
る。すなわち、ニッケルは導入領域１０３ａの方向に引
き戻されるだけでなく、一部は外側のａ−Ｓｉ領域１０
３ｄへとさらに拡散する。よって、図３（Ａ）および図
４（Ｃ）における外側の横成長領域１０３ｃでは、ニッ
ケルが十分にゲッタリングできないことになる。したが
って、横成長領域に挟まれた領域の横成長領域１０３ｂ
を用いて素子領域を作製することがより望ましい。

【００６９】次に、リンを含むＳｉ膜１０７の全面除去
を行う。このとき、領域１００で接している下層の結晶
性ケイ素膜１０３ａと、十分に選択性をもったエッチン
グ方法により行うのが望ましいが、実際には同じような
材料であるため難しい。本実施の形態では、ＣＦ₄と酸
素を用いたドライエッチング法によりこの工程を行っ
た。下層のマスクである酸化ケイ素膜１０４との選択性
は十分にあるため、プラズマの発光スペクトルを用いて
終点を検出し、オーバーエッチングの時間を極力抑え
た。その結果、領域１００における下層の結晶性ケイ素
膜１０３ａでは１０ｎｍ程度の膜減りが見られたが、実
際にＴＦＴの活性領域を形成する横成長領域１０３ｂで
あるため、大きな問題とはならない。後に行われるレー
ザー照射工程において問題とならない程度の膜減り量で
あればよい。

【００７０】次にマスクとして用いた酸化ケイ素膜１０
４をエッチング除去する。エッチャントとしては、十分
に下層のケイ素膜１０３と選択性のある１：１０バッフ
ァードフッ酸（ＢＨＦ）を用い、ウェットエッチングに
より行った。この段階で、後の活性領域となる横成長領
域１０３ｂ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法
（ＳＩＭＳ）により測定すると、その測定下限である１
×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であった。

【００７１】そして、引き続いて、図４（Ｄ）に示すよ
うに、レーザー光１０９を照射することで後にＴＦＴの
活性領域となる横方向結晶成長領域のケイ素膜１０３ｂ
の結晶性を助長する。このとき、基板上にはニッケルが
ほぼ存在しない状態となっているため、従来法でレーザ
ー照射時に発生していたニッケルの析出や、再拡散やオ
ートドープを完全に防ぐことができる。また、従来法で
は、領域１０３ａ中にリンを直接導入していたため、領
域１０３ａにはニッケルとリンが存在し、この領域を除
去した後、すなわちケイ素膜１０３をパターニングした
後にこの工程を行っていた。したがって、パターニング
に伴うレーザー照射時のパターン崩れや膜飛び、パター
ンサイズによる結晶性の違いなどの問題点が生じていた
が、本実施の形態では上層のケイ素膜へとニッケルを除
去したため、結晶性ケイ素膜１０３ａは全面的にニッケ
ルのないような状態で存在でき、上記の問題点を全て解
決できた。このときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエ
キシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅ
ｃ）を用いた。レーザー光の照射条件は、照射時に基板
を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱し、エネル
ギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ²、例えば３５０ｍ
Ｊ／ｃｍ²で照射した。ビームサイズは、基板１０１表
面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成型さ
れており、長尺方向に対して垂直方向に０．１ｍｍのス
テップ幅で順次走査を行った。すなわち、結晶性ケイ素
膜１０３ｂの任意の一点において、計１０回のレーザー
照射が行われることになる。

【００７２】その後、不要な部分のケイ素膜１０３を除
去して素子間分離を行う。すなわち、この工程により、
図３（Ｂ）に示すような配置で、横方向結晶化領域１０
３ｂを用いて、後に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１
１１が形成され、図３（Ｃ）および図４（Ｅ）の状態が
得られる。

【００７３】次に、上記の活性領域となる結晶性ケイ素
膜１１１を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは
１００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１２として
成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ
（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａ
ｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６０
０℃、好ましくは３００〜４５０℃で、ＲＦプラズマＣ
ＶＤ法で分解・堆積した。あるいはＴＥＯＳを原料とし
てオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ
法によって、基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは
４００〜５５０℃として形成してもよい。成膜後、ゲー
ト絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲー
ト絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲
気下で４００〜６００℃で３０〜６０分アニールを行っ
た。

【００７４】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍのアルミニ
ウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニン
グして、ゲート電極１１３を形成する。さらに、このア
ルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物
層１１４を形成する。この状態が図４（Ｆ）に相当す
る。ゲート電極１１３は、平面的にはゲートバスライン
を同時構成しており、この状態を平面的に見ると図３
（Ｄ）のような状態となっている。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行い、
最初一定電流で２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１
時間保持して終了させる。得られた酸化物層１２の厚さ
は２００ｎｍである。なお、この酸化物層１１４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ので、オフセットゲート領域の
長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。

【００７５】次に、イオンドーピング法によって、ゲー
ト電極１１３とその周囲の酸化物層１１４をマスクとし
て活性領域に不純物（リン）を注入する。ドーピングガ
スとして、フォスフィン（ＰＨ₃）を用い、加速電圧を
６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量を１×１０
¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2とす
る。この工程により、不純物が注入された領域１１６と
１１７は後にＴＦＴのソース／ドレイン領域となり、ゲ
ート電極１１３およびその周囲の酸化層１１４にマスク
され不純物が注入されない領域１１５は、後にＴＦＴの
チャネル領域となる。

【００７６】その後、図４（Ｆ）に示すように、レーザ
ー光１１８の照射によってアニールを行い、イオン注入
した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入
工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。こ
の際、使用するレーザーとしては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１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²、好ま
しくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ²で照射を行った。こ
うして形成されたＮ型不純物（リン）領域１１６、１１
７のシート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。

【００７７】続いて、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素
膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１１９として形成
する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、ＴＥＯＳを原料
として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオ
ゾンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって形
成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得ら
れる。また、ＳｉＨ₄とＮＨ₃を原料ガスとしてプラズマ
ＣＶＤ法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、活性領
域／ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特
性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。

【００７８】次に、層間絶縁膜１１９にコンタクトホー
ルを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミ
ニウムの二層膜によってＴＦＴのソース電極・配線１２
０を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体
層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けら
れる。本ＴＦＴは、画素電極をスイッチングする素子で
あるので、もう一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透
明導電膜からなる画素電極１２１を設ける。すなわち、
図３（Ｅ）において、ソースバスライン１２０を介して
ビデオ信号が供給され、ゲートバスライン１１３のゲー
ト信号に基づいて画素電極１２１に必要な電荷が書き込
まれる訳である。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で
３５０℃、３０分のアニールを行い、図４（Ｇ）に示す
ＴＦＴを完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴを保
護する目的で、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保
護膜を設けてもよい。

【００７９】以上の実施の形態にしたがって作製したＴ
ＦＴは、電界効果移動度が１５０ｃｍ²／Ｖｓ程度、閾
値電圧が２Ｖ程度と非常に高性能であるにもかかわら
ず、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久
性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来
のものと比べて非常に信頼性が高い。また、触媒元素が
特に問題となるＴＦＴオフ領域でのリーク電流は、従来
の１０〜１５ｐＡに比べ、触媒元素を用いない場合と同
などの５ｐＡ程度にまで低減でき、製造歩留まりを大き
く向上することができた。そして、本実施の形態に基づ
いて作製され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、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
液晶パネルが得られた。なお、本実施の形態によるＴＦ
Ｔ工程は、アクティブマトリクス基板の画素電極を対象
に説明を行ったが、本ＴＦＴは薄膜集積回路などにも簡
単に応用でき、その場合にはゲート電極１１３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。

【００８０】（実施の形態３）本発明を用いた第３の実
施の形態について説明する。本実施の形態では、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や、一
般の薄膜集積回路を形成するＮＴＦＴとＰＴＦＴを相補
型に構成したＣＭＯＳ構造の回路を石英ガラス基板上に
作製する工程について、説明を行う。

【００８１】図５は、本実施の形態で説明するＴＦＴの
作製工程の概要を示す平面図である。図６は、図５のＡ
−Ｂで切った断面図であり、（Ａ）から（Ｇ）の順にし
たがって工程が順次進行する。

【００８２】まず、石英ガラス基板２０１の表面を低濃
度のフッ化水素酸で洗浄した後、減圧ＣＶＤ法あるいは
プラズマＣＶＤ法によって、厚さ４０〜１００ｎｍ、例
えば７０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓ
ｉ膜）２０３を成膜する。そして、さらにその上に酸化
ケイ素膜または窒化ケイ素膜などの絶縁性薄膜を堆積す
る。絶縁性薄膜は、後の触媒元素導入時のマスク膜とな
るものであり、本実施の形態においては、厚さ１５０ｎ
ｍの酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳを原料とし、酸素と
ともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。

【００８３】次に、酸化ケイ素膜上に感光性樹脂（フォ
トレジスト）を塗布し、パターニングすることでスルー
ホールを開口し、マスク２０４を形成する。ここで、マ
スク２０４のスルーホールにより、領域２００において
スリット状にａ−Ｓｉ膜２０３が露呈される。即ち、図
６（Ａ）の状態を上面から見ると、図５のように領域３
００でａ−Ｓｉ膜２０３が露呈しており、他の部分は酸
化ケイ素膜によりマスクされている状態となっている。

【００８４】上記マスク２０４を設けた後、図６（Ａ）
に示すように、基板２０１表面にニッケル２０５を薄膜
蒸着する。本実施の形態では、蒸着ソースと基板間の距
離を通常より大きくして、蒸着レートを低下させること
で、ニッケルの薄膜２０５の厚さが１ｎｍとなるように
制御した。このときの基板２０１上におけるニッケル２
０５の面密度を実際に測定すると、４×１０¹³ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ²程度であった。そして、これを不活性雰囲気
下、例えば加熱温度５８０℃で６時間アニールして結晶
化させる。

【００８５】この際、領域２００においては、ａ−Ｓｉ
膜２０３表面に添加されたニッケルを核として基板２０
１に対して垂直方向にケイ素膜２０３の結晶化が起こ
り、結晶性ケイ素膜２０３ａが形成される。そして、領
域２００の周辺領域では、図５および図６（Ｂ）におい
て、矢印２０６で示すように、領域２００から横方向
（基板と平行な方向）に結晶成長が行われ、横方向結晶
成長した結晶性ケイ素膜２０３ｂが形成される。成長が
到達しない外側の領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領域
１０３ｄとして残る。本実施の形態による加熱処理で得
られた結晶成長距離（矢印１０６で示される基板と平行
な方向の結晶成長の距離）は、７０μｍ程度である。

【００８６】次に、この状態で図６（Ｃ）に示すよう
に、領域２００で露呈している結晶性ケイ素膜２０３ａ
およびマスク２０４を覆うようにリンを含んだ非晶質ケ
イ素膜２０７を堆積する。リンを含んだａ−Ｓｉ膜の形
成は、シラン（ＳｉＨ₄）とフォスフィン（ＰＨ₃）を材
料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって行った。この
際、ａ−Ｓｉ膜２０７中のリンの濃度は、フォスフィン
ガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実
施の形態では、ＰＨ₃／ＳｉＨ₄流量比を３／１００とし
て行った。後にＴＦＴ活性領域２１１となる横方向に結
晶成長したケイ素膜領域２０３ｂは、この段階ではマス
ク２０４に完全に覆われ、上層のリンを含むａ−Ｓｉ膜
２０７とは接触していない状態となっている。そして、
これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５８０〜
７００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施
す。本実施の形態では、一例として６００℃にて１２時
間の処理を行った。

【００８７】この加熱処理において、図６（Ｃ）に示す
ように、領域２００において、下層の結晶性ケイ素膜２
０３ａと接触しているリンを含むａ−Ｓｉ膜２０７で、
膜中のリンが下層の結晶性ケイ素膜２０３中に拡散した
ニッケルを引き寄せる。すなわち、横成長領域２０３ｂ
において、図６（Ｃ）に矢印２０８で示すような方向、
すなわち結晶成長時とは逆方向にニッケルが移動し、さ
らにシード領域２０３ａから上層のリンを含むａ−Ｓｉ
膜２０７へと移動してリンにトラップされる。このよう
にして、結晶成長時に横成長領域２０３ｂに残留してい
た触媒元素のほとんどはシード領域２０３ａから上層の
リンを含むＳｉ膜２０７へと移動し、除去される。

【００８８】次に、リンを含むＳｉ膜２０７の全面除去
を行う。このとき、領域２００で接している下層の結晶
性ケイ素膜２０３ａと、十分に選択性をもったエッチン
グ方法により行うのが望ましいが、実際には同じような
材料であるため難しい。本実施の形態では、ＣＦ₄と酸
素を用いたドライエッチング法によりこの工程を行っ
た。下層のマスクである酸化ケイ素膜２０４との選択性
は十分にあるため、プラズマの発光スペクトルを用いて
終点を検出し、オーバーエッチングの時間を極力抑え
た。その結果、領域２００における下層の結晶性ケイ素
膜２０３ａでは１０ｎｍ程度の膜減りが見られた。

【００８９】次にマスクとして用いた酸化ケイ素膜２０
４をエッチング除去する。エッチャントとしては、十分
に下層のケイ素膜２０３と選択性のある１：１０バッフ
ァードフッ酸（ＢＨＦ）を用い、ウェットエッチングに
より行った。この段階で、後の活性領域となる横成長領
域２０３ｂ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法
（ＳＩＭＳ）により測定すると、その測定下限である１
×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であった。この状態に
おいて図６（Ｄ）に示すように、ケイ素膜２０３中にニ
ッケルがほぼ存在しない状態をケイ素膜２０３がパター
ニングされる（島状化する）ことなく得ることができ、
ケイ素膜表面が大気中にさらされた状態となる。

【００９０】次に、このような状態で、ケイ素膜２０３
に対して酸化雰囲気中での熱処理を行う。雰囲気として
は、酸素や水蒸気、ＨＣｌなどの酸化雰囲気であり、本
実施の形態では、１気圧の酸素雰囲気中にて行った。温
度は８５０〜１００℃が好ましく、本実施の形態では９
５０℃にて処理を行った。このような条件下、１００分
のアニールを行うことで、ケイ素膜２０３表面に約５０
ｎｍの酸化膜２１０が形成される。その結果、ケイ素膜
２０３の横成長領域２０３ｂは初期の７０ｎｍから４５
ｎｍに膜厚が減少する。２０３ａの領域は、エッチング
工程により１０ｎｍ程膜厚が減少しているが、この酸化
工程後も３５ｎｍの膜厚があり、膜が消失することはな
い。従来は、ニッケルが局在した領域のケイ素膜２０３
ａを取り除いた（ケイ素膜を島状化した）後に、酸化工
程を行っていたが、この場合には、パターンエッジ部で
の異常酸化が進行する。本発明では、基板全面にケイ素
膜２０３が存在する状態で行うため、このような問題は
全く生じない。

【００９１】その後、酸化膜２１０を除去した後、不要
な部分のケイ素膜２０３を除去して素子間分離を行う。
酸化工程において、ケイ素膜２０３中の結晶欠陥は大幅
に低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜となってい
る。この素子間分離の工程において、本実施の形態で
は、図５に示すような配置で、横方向結晶化領域２０３
ｂとシード領域２０３ａの一部を用いて、後に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２１１ｎ、２１１ｐが形成さ
れ、図５および図６（Ｅ）の状態が得られる。ここで、
重要なことは、活性領域の島状ケイ素膜２１１ｎ、２１
１ｐにおいて、後のＴＦＴのチャネル領域２１５は横成
長領域２０３ｂで形成し、コンタクト領域であるソース
・ドレイン領域２１６、２１７の一部にシード領域２０
３ａを用いることである。従来、シード領域２０３ａは
ニッケルの導入部でもあるため、ＴＦＴの素子領域内に
は全く利用できなかったが、本発明ではシード領域２０
３ａのニッケルも大幅に除去されており、１０ｎｍ程度
の膜厚の減少はあるが、ソース・ドレイン領域としては
十分に利用できる。よって、レイアウトの自由度が増
し、従来法に比べ回路の集積化が図れる。

【００９２】次に、上記の活性領域となる結晶性ケイ素
膜２１１ｎおよび２１１ｐを覆うように厚さ１００ｎｍ
の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１２として成膜する。
本実施の形態では、ゲート絶縁膜２１２の成膜方法とし
て、ＳｉＨ₄ガスとＮ₂Ｏガスを原料として８５０℃の温
度において減圧ＣＶＤ法により成膜を行った。所謂、Ｈ
ＴＯ膜である。

【００９３】引き続いて、図６（Ｆ）に示すように、ス
パッタリング法によって厚さ４００〜８００ｎｍ、例え
ば５００ｎｍのアルミニウム（０．１〜２％のシリコン
を含む）を成膜し、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲート電極２１３ｎ、２１３ｐを形成する。

【００９４】次に、イオンドーピング法によって、活性
領域２１１ｎ、２１１ｐにゲート電極２１３ｎ、２１３
ｐをマスクとして不純物（リン、およびホウ素）を注入
する。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃）
およびジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を用い、前者の場合は、加速
電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合
は、４０ｋＶ〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとし、ドーズ
量は１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えばリンを２×
１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ素を５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。この
工程により、ゲート電極２１３ｎ、２１３ｐにマスクさ
れ不純物が注入されない領域は後にＴＦＴのチャネル領
域２１５ｎ、２１５ｐとなる。ドーピングに際しては、
ドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことに
よって、それぞれの元素を選択的にドーピングを行う。
この結果、Ｎ型の不純物領域２１６ｎと２１７ｎ、Ｐ型
の不純物領域２１６ｐと２１７ｐが形成され、図６に示
すようにＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとを
形成することができる。

【００９５】その後、図６（Ｆ）に示すように、レーザ
ー光２１８の照射によってアニールを行い、イオン注入
した不純物の活性化を行う。レーザー光としては、Ｘｅ
Ｃｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０
ｎｓｅｃ）を用い、レーザー光の照射条件としては、エ
ネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ²で一か所につき１０シ
ョット照射した。

【００９６】続いて、図４（Ｇ）に示すように、厚さ６
００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２１９としてプラ
ズマＣＶＤ法によって形成し、これにコンタクトホール
を形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニ
ウムの二層膜によってＴＦＴの電極・配線２２２、２２
３、２２４を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰
囲気下で３５０℃、３０分のアニールを行い、Ｎチャネ
ル型ＴＦＴ２２５とＰチャネル型ＴＦＴ２２６とを完成
させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ２２５、２２６を
保護する目的で、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる
保護膜を設けてもよい。

【００９７】以上の実施の形態にしたがって作製したＣ
ＭＯＳ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１５０〜１８０ｃｍ²／Ｖｓと高く、閾値電
圧はＮ型ＴＦＴで０．５〜１Ｖ、Ｐ型ＴＦＴで−１〜−
１．５Ｖと非常に良好な特性を示す。さらに、バイアス
や温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど
特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性
が高い。また、ＴＦＴオフ領域でのリーク電流もＮ型Ｔ
ＦＴで５ｐＡ、Ｐ型ＴＦＴで３ｐＡ程度と従来法に比べ
低い値に抑えられ、製造歩留まりを大きく向上できた。

【００９８】以上、本発明に基づく実施の形態３例につ
き具体的に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限
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。

【００９９】例えば、前述の２例の実施の形態において
は、ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表
面をニッケル塩を溶かせた水溶液を塗布する方法、ある
いは蒸着法によりニッケル薄膜を形成する方法により、
ニッケル微量添加を行い、結晶成長を行わす方法を採用
した。しかし、非晶質ケイ素膜成膜前に、下地膜表面を
選択的にニッケルを導入し、非晶質ケイ素膜下層よりニ
ッケルを拡散させ結晶成長を行わせる方法でもよい。即
ち、結晶成長は非晶質ケイ素膜の上面側から行ってもよ
いし、下面側から行ってもよい。また、ニッケルの導入
方法としても、その他、様々な手法を用いることができ
る。例えば、ニッケル塩を溶かせる溶媒として、ＳＯＧ
（スピンオングラス）材料を溶媒としてＳｉＯ₂膜より
拡散させる方法もあるし、スパッタリング法やメッキ法
により薄膜形成する方法や、イオンドーピング法により
直接導入する方法なども利用できる。さらに、結晶化を
助長する不純物金属元素としては、ニッケル以外にコバ
ルト、パラジウム、白金、銅、銀、金、インジウム、ス
ズ、アルミニウム、アンチモンを用いても同様の効果が
得られる。

【０１００】また、結晶性ケイ素膜の結晶性を助長する
手段として、パルスレーザーであるエキシマレーザー照
射による加熱法を用いたが、それ以外のレーザー（例え
ば連続発振Ａｒレーザーなど）でも同様の処理が可能で
ある。また、レーザー光の代わりに赤外光、フラッシュ
ランプを使用して短時間に１０００〜２００℃（シリコ
ンモニターの温度）まで上昇させ試料を加熱する、いわ
ゆるＲＴＡ（ラピッド・サーマル・アニール）（ＲＴ
Ｐ、ラピッド・サーマル・プロセスともいう）などのい
わゆるレーザー光と同などの強光を用いてもよい。

【０１０１】さらに、本発明の応用としては、液晶表示
用のアクティブマトリクス型基板以外に、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、有機系ＥＬなどを発光素子としたドライバー内蔵型
の光書き込み素子や表示素子、三次元ＩＣなどが考えら
れる。本発明を用いることで、これらの素子の高速、高
解像度化などの高性能化が実現される。さらに本発明
は、上述の実施の形態で説明したＭＯＳ型トランジスタ
に限らず、結晶性半導体を素子材としたバイポーラトラ
ンジスタや静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く
半導体プロセス全般に応用することができる。

【０１０２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、リーク電流の少ない安定した特性の高性能半
導体素子が実現でき、さらに、集積度の高い高性能半導
体装置が、簡便な製造プロセスにて得られる。また、そ
の製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低
コスト化が図れる。特に液晶表示装置においては、アク
ティブマトリクス基板に要求される画素スィッチングＴ
ＦＴのスィ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・高集積化を同時に満
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リシ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、低コスト化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す平
面図である。

【図２】第１の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す断
面図である。

【図３】第２の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す平
面図である。

【図４】第２の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す断
面図である。

【図５】第３の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す平
面図である。

【図６】第３の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す断
面図である。

【符号の説明】

１、１０１、２０１ガラス基板２、１０２下地膜３、１０３、２０３ケイ素膜４、１０４、２０４マスク膜５、１０５、２０５触媒元素１０６、２０６結晶成長方向７、１０７、２０７不純物（リン）を含む非晶質
ケイ素膜８、１０８、２０８ゲッタリング方向９、１０９レーザー光２１０Ｓｉ表面酸化膜１１、１１１、２１１ＴＦＴ活性領域（素子領域）１２、１１２、２１２ゲート絶縁膜１３、１１３、２１３ゲート電極／バスライン１４、１１４陽極酸化層１５、１１５、２１５チャネル領域１６、１１６、２１６ソース領域１７、１１７、２１７ドレイン領域１８、１１８、２１８レーザー光１９、１１９、２１９層間絶縁膜２０、１２０ソース電極／バスライン２１、１２１画素電極２２２、２２３、２２４電極・配線２２５Ｎチャネル型ＴＦＴ２２６Ｐチャネル型ＴＦＴ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/336 (72)発明者坂本弘美大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 2H092 JA24 JA41 KA02 KA04 KA05 KA10 MA05 MA08 MA09 MA19 MA23 MA24 MA27 MA29 MA30 MA35 NA27 NA29 PA01 5F052 AA02 AA11 BA02 BA04 BB07 CA02 DA02 DB02 DB03 EA16 FA06 FA19 FA24 HA01 JA01 JA04 5F110 AA06 BB02 CC02 DD02 DD03 DD13 EE03 EE34 EE44 FF02 FF29 FF30 FF32 FF36 GG02 GG13 GG25 GG33 GG35 GG45 GG47 GG54 HJ01 HJ04 HJ13 HJ23 HL02 HL03 HL07 HL11 HL27 NN02 NN04 NN23 NN24 NN35 PP03 PP04 PP05 PP06 PP10 PP13 PP23 PP29 PP34 PP38 QQ28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面を有する基板上に第１の非晶質
ケイ素薄膜を形成する工程と、第１の非晶質ケイ素膜
に、その結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、
第１の加熱処理を行い、前記第１の非晶質ケイ素膜を結
晶成長させる工程と、前記第１のケイ素膜上に、一部接
するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を
形成する工程と、第２の加熱処理を行い、第１のケイ素
膜中に存在する触媒元素を第２の非晶質ケイ素膜へと移
動させる工程と、第２の非晶質ケイ素膜を除去する工程
と、第１のケイ素膜を島状に分離して、半導体装置の活
性領域（素子領域）を形成する工程と、を少なくとも有
することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】第１の非晶質ケイ素膜の所定の領域に、
その結晶化を助長する触媒元素は選択的に導入され、第
１の加熱処理を行い、前記第１の非晶質ケイ素膜を前記
触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと、横方
向（基板表面に対して平行な方向）に結晶成長を行わせ
ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項３】不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜
が、第１のケイ素膜と接する領域は、第１のケイ素膜に
選択的に触媒元素が導入された領域であることを特徴と
する請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】絶縁表面を有する基板上に第１の非晶質
ケイ素薄膜を形成する工程と、第１の非晶質ケイ素膜
に、その結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、
第１の加熱処理を行い、前記第１の非晶質ケイ素膜を結
晶成長させる工程と、前記第１のケイ素膜上に、一部接
するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を
形成する工程と、第２の加熱処理を行い、第１のケイ素
膜中に存在する触媒元素を第２の非晶質ケイ素膜へと移
動させる工程と、第２の非晶質ケイ素膜を除去した後、
結晶化された第１のケイ素膜に対し、強光照射を行い、
その結晶性をさらに高める工程と、第１のケイ素膜を島
状に分離して、半導体装置の活性領域（素子領域）を形
成する工程と、を少なくとも有することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
【請求項５】絶縁表面を有する基板上に第１の非晶質
ケイ素薄膜を形成する工程と、第１の非晶質ケイ素膜
に、その結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、
第１の加熱処理を行い、前記第１の非晶質ケイ素膜を結
晶成長させる工程と、前記第１のケイ素膜上に、一部接
するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を
形成する工程と、第２の加熱処理を行い、第１のケイ素
膜中に存在する触媒元素を第２の非晶質ケイ素膜へと移
動させる工程と、第２の非晶質ケイ素膜を除去した後、
第３の加熱処理を施し、結晶化された第１のケイ素膜の
結晶性をさらに高める工程と、第１のケイ素膜を島状に
分離して、半導体装置の活性領域（素子領域）を形成す
る工程と、を少なくとも有することを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項６】前記第３の加熱処理を施す工程は、酸化
雰囲気中にて行われ、第１のケイ素膜表面を酸化するこ
とにより行われることを特徴とする請求項５記載の半導
体装置の製造方法。
【請求項７】第１のケイ素膜を島状に分離して、半導
体装置の活性領域（素子領域）を形成する工程の際、第
２の非晶質ケイ素膜と接していた領域以外の第１のケイ
素膜の領域を用いて、前記活性領域が形成されることを
特徴とする請求項１、２、４、５記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項８】コンタクト（ソース・ドレイン）領域の
一部は、第２の非晶質ケイ素膜と接していた領域の第１
のケイ素膜の領域を含むことを特徴とする請求項１、
２、４、５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記第１のケイ素膜上に、一部接するよ
うにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成す
る工程は、第１のケイ素膜上に酸化ケイ素膜を形成し、
該酸化ケイ素膜を一部開口して、その上に不純物を含ん
だ第２の非晶質ケイ素膜を形成することによって行わ
れ、前記酸化ケイ素膜が開口された領域で、第１のケイ
素膜と不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜とが接して
なる状態で、第２の加熱処理が行われることを特徴とす
る請求項１、２、４、５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】第２の非晶質ケイ素膜に含有される不
純物として、リンが用いられることを特徴とする請求項
１乃至９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】第１の非晶質ケイ素膜の結晶化を助長
する触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、
Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂから選ばれた一種
または複数種類の元素が用いられることを特徴とする請
求項１乃至９記載の半導体装置の製造方法。