JP2001028340A

JP2001028340A - 薄膜トランジスタを有する装置

Info

Publication number: JP2001028340A
Application number: JP2000172693A
Authority: JP
Inventors: Shoji Miyanaga; 昭治宮永; Hisashi Otani; 久大谷; Satoshi Teramoto; 聡寺本
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-06-12
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2001-01-30
Anticipated expiration: 2020-07-20
Also published as: JP3672799B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】非晶質珪素膜をガラス基板に歪を与えない温
度以下で結晶化して作製する薄膜トランジスタを有する
装置。【解決手段】ガラス基板１０１上に酸化珪素下地膜１
０２を形成し、マスク１０３の間隙１００のみにＩｎ薄
膜を作り、非晶質珪素膜１０４をＣＶＤ成膜した後、55
0℃で４時間のアニールにより、Ｉｎの効果で基板１０
１に平行方向１０５に導電率の良い結晶化を行い、更に
ランプ加熱により、緻密な結晶膜とする。この上に酸化
珪素絶縁膜１０６を成膜し、ゲート電極１０７，１０９
を形成し表面酸化して絶縁膜１０８，１１０としこれを
マスクにそれぞれＮ型、Ｐ型の不純物を注入してＮ領域
１１４，１１６及びＰ領域１１１，１１３を形成してＮ
型ＴＦＴ、Ｐ型ＴＦＴとする。（Ｉｎ以外の金属類につ
いては明細書に詳述）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス等の絶縁基
板上に設けられたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を有する
半導体装置及びその作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを有する
半導体装置としては、これらのＴＦＴを画素の駆動に用
いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が
知られている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪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、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められて
いた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶
珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性
と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素
等の非単結晶珪素半導体が知られている。以下において
は、これら結晶性を有する非単結晶珪素半導体を結晶性
珪素ということとする。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状の珪素半導体
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。（２）非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光
のエネルギーにより結晶性を有せしめる。（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。と言った方法が知られている。しかしながら、（１）の
方法は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り、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もあった。また、（２）
の方法は、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いた
め、スループットが低いという問題がまずあり、また大
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
が充分ではなく、次世代の技術という感が強い。（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、やはり加熱温度として
６００℃以上の高温にすることが必要であり、安価なガ
ラス基板を用いることを考えると、さらに加熱温度を下
げる必要がある。特に現在の液晶表示装置の場合には大
画面化が進んでおり、その為ガラス基板も同様に大型の
物を使用する必要がある。この様に大型のガラス基板を
使用する場合には、半導体作製に必要不可欠な加熱工程
における縮みや歪みといったものが、マスク合わせ等の
精度を下げ、大きな問題点となっている。特に現在最も
一般的に使用されている７０５９ガラスの場合には、歪
み点が５９３℃であり、従来の加熱結晶化方法では大き
な変形を起こしてしまう。また、温度の問題以外にも現
在のプロセスでは結晶化に要する加熱時間が数十時間以
上にも及ぶので、さらにその時間を短くすることも必要
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決する手段を提供するものである。より具体的には
非晶質珪素からなる薄膜を加熱により結晶化させる方法
を用いた、結晶性を有する珪素半導体からなる薄膜の作
製方法において、結晶化に必要な温度の低温化と時間の
短縮を両立するプロセスを提供することをその目的とす
る。勿論、本発明で提供されるプロセスを用いて作製し
た結晶性を有する珪素半導体は、従来技術で作製された
ものと同等以上の物性を有し、ＴＦＴの活性層領域にも
使用可能なものであることは言うまでもないことであ
る。

【０００６】〔発明の背景〕本発明人らは、上記従来の
技術の項で述べた、非晶質の珪素半導体膜をＣＶＤ法や
スパッタ法で成膜し、該膜を加熱によって結晶化させる
方法について、以下のような実験及び考察を行った。

【０００７】まず実験事実として、ガラス基板上に非晶
質珪素膜を成膜し、この膜を加熱により結晶化させるメ
カニズムを調べると、結晶成長はガラス基板と非晶質珪
素との界面から始まり、ある程度の膜厚以上では基板表
面に対して垂直な柱状に進行することが認められた。

【０００８】上記現象は、ガラス基板と非晶質珪素膜と
の界面に、結晶成長の基となる結晶核（結晶成長の基と
なる種）が存在しており、その核から結晶が成長してい
くことに起因すると考察される。このような結晶核は、
基板表面に微量に存在している不純物金属元素やガラス
表面の結晶成分（結晶化ガラスと呼ばれるように、ガラ
ス基板表面には酸化珪素の結晶成分が存在していると考
えられる）であると考えられる。

【０００９】そこで、より積極的に結晶核を導入するこ
とによって結晶化温度の低温化が可能ではないかと考
え、その効果を確認すべく、他の金属を微量に基板上に
成膜し、その上に非晶質珪素からなる薄膜を成膜、その
後加熱結晶化を行う実験を試みた。その結果、幾つかの
金属を基板上に成膜した場合においては結晶化温度の低
下が確認され、異物を結晶核とした結晶成長が起こって
いることが予想された。そこで低温化が可能であった複
数の不純物金属について更に詳しくそのメカニズムを調
査した。

【００１０】結晶化は、初期の核生成と、その核からの
結晶成長の２段階に分けて考えることができる。ここ
で、初期の核生成の速度は、一定温度において点状に微
細な結晶が発生するまでの時間を測定することによって
観測されるが、この時間は上記不純物金属を成膜した薄
膜ではいずれの場合も短縮され、結晶核導入の結晶化温
度低温化に対する効果が確認された。しかも予想外のこ
とであるのだが、核生成後の結晶粒の成長を加熱時間を
変化させて調べたところ、ある種の金属を成膜後、その
上に成膜した非晶質珪素薄膜の結晶化においては、核生
成後の結晶成長の速度までが飛躍的に増大することが観
測された。このメカニズムについては後ほど詳しく述べ
ることにする。

【００１１】いずれにしろ、上記２つの効果により、あ
る種の金属を微量に成膜した上に非晶質珪素からなる薄
膜を成膜、その後加熱結晶化した場合には、従来考えら
れなかったような、５８０℃以下の温度で4 時間程度の
時間で十分な結晶性が得られることが判明した。この様
な効果を有する不純物金属の一例として、インジウム、
錫、アンチモン、ゲルマニウム、タリウム、鉛、ビスマ
ス、亜鉛が挙げられる。これらはいずれも族あるいは周
期が珪素と近く、珪素と容易に化合物を形成する金属材
料である。また、共通しているのは比較的低融点の材料
であることで、以後本明細書中ではこれらを称して「低
融点金属」と略すことにする。また、これ以外の元素で
実験の結果低温化の効果の有った材料としてはランタノ
イドが挙げられる。これらは水素吸蔵合金として使用さ
れており、水素に対する反応が高いという共通点があ
る。そこでこれらを本明細書中では「触媒金属」と呼ぶ
ことにする。また本発明者らの知見によれば、３族、４
族、５族の元素の中で、上記物性を備えている材料であ
れば、原理的には、上記触媒金属として利用できる。即
ち、３族元素である、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｓ
ｃ、Ｙ、ランタノイドが、４族元素である、Ｃ、Ｇｅ、
Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆが、５元素であるＮ、
Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａを用いうる。し
かし好ましくは、前述のインジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓ
ｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タ
リウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛
（Ｚｎ）を用いることがその効果を顕著に得るためには
有用である。また、亜鉛は２族の元素であるが、その融
点の低さから上記低融点金属として利用できる。

【００１２】低融点金属材料として、代表的な錫がどの
程度の効果を有するのか一例を挙げると、なんら処理を
行なわない、即ち錫の微量な薄膜を成膜していない基板
上（コーニング７０５９）にプラズマＣＶＤ法で形成さ
れた非晶質珪素からなる薄膜を窒素雰囲気中での加熱に
よって、結晶化する場合、その加熱温度として６００℃
とした場合、加熱時間として１０時間以上の時間を必要
としたが、錫の微量な薄膜を成膜した基板上の非晶質珪
素からなる薄膜を用いた場合には、１時間程度の加熱に
おいて同様な結晶化状態を得るこができた。尚この際の
結晶化の判断はラマン分光スペクトルを利用した。この
ことだけからも、錫の効果が非常に大きいことが判るで
あろう。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記説明から判る様に、
低融点金属あるいは触媒金属の微量な薄膜を成膜した上
から、非晶質珪素からなる薄膜を成膜した場合、結晶化
温度の低温化及び結晶化に要する時間の短縮が可能であ
る。そこで、このプロセスをＴＦＴの製造に用いること
を前提に、さらに詳細な説明を加えていくことにする。
尚、後ほど詳述するが、低融点金属の薄膜は基板上のみ
ならず非晶質珪素上に成膜しても同様の効果を有するこ
と、及びイオン注入でも同様であったことから、今後本
明細書ではこれら一連の処理を「低融点金属微量添加」
及び「触媒金属微量添加」と呼ぶことにする。また非晶
質珪素薄膜の成膜時に添加する方法でもよい。

【００１４】まず低融点金属について、その添加の方法
について説明する。低融点金属の微量添加は、基板上に
微量な低融点金属薄膜を成膜し、その後非晶質珪素を成
膜する方法でも、先に非晶質珪素を成膜し、その上から
微量な低融点金属薄膜を成膜する方法でも、両者同様に
低温化の効果が有り、その成膜方法はスパッタ法でも、
蒸着法でも可能で、成膜方法は問わないことが判明して
いる。ただし、基板上に微量な低融点金属薄膜を成膜す
る場合、７０５９ガラス基板の上から直接微量な低融点
金属薄膜を成膜するよりは、同基板上に酸化珪素の薄膜
を成膜し、その上に微量な低融点金属薄膜を成膜した場
合の方が効果がより顕著である。この理由として考えら
れることとして、珪素と低融点金属が直接接触している
ことが今回の低温結晶化には重要であり、７０５９ガラ
スの場合には珪素以外の成分がこの両者の接触あるいは
反応を阻害するのではないかということが挙げられる。
また、触媒金属についても全く同様の添加方法が可能で
ある。

【００１５】また、微量添加の方法としては、非晶質珪
素の上または下に接して薄膜を形成する以外に、イオン
注入によって添加してもほぼ同様の効果が確認された。
低融点金属の量としては、例えば錫については、１×１
０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の量の添加において低温化
が確認されているが、１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以
上の添加量においては、ラマン分光スペクトルのピーク
の形状が珪素単体の物とは明らかに異なることから、実
際に使用可能であるのは１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
〜５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲であると思われ
る。また、半導体物性として、ＴＦＴの活性層に使用す
ることを考えると、この量を１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³〜１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³に抑えることが必
要である。

【００１６】続いて、まず低融点金属微量添加を行った
場合に推測される結晶化機構について説明を加える。

【００１７】上述の通り、低温結晶化用触媒金属を添加
しない場合には、基板界面等の結晶核からランダムに核
が発生し、その核からの結晶成長も同様にランダムで、
作製方法によっては（１１０）或いは（１１１）に比較
的配向した結晶が得られることが報告されており、当然
ながら薄膜全体に渡ってほぼ均一な結晶成長が観測され
る。

【００１８】まずこの機構を確認すべく、ＤＳＣ（示差
走査熱量計）による解析を行った。プラズマＣＶＤで基
板上に成膜した非晶質珪素薄膜を、基板についたまま試
料容器に充填し、一定速度で昇温していった。すると、
およそ７００℃前後で明確な発熱ピークが観察され、結
晶化が観測された。この温度は、昇温速度を変えると当
然シフトするが、例えば１０℃／ｍｉｎの速度で行った
場合には７００．９℃から結晶化が開始した。次に昇温
速度を３種類変えたものを測定し、それらから小沢法に
よって初期核生成後の結晶成長の活性化エネルギーを求
めた。すると、およそ３．０４ｅＶという値が得られ
た。また、反応速度式を理論曲線とのフィッティングか
ら求めたところ、無秩序核生成とその成長モデルによっ
て、最も良く説明されることが判明し、基板界面等の結
晶核からランダムに核が発生し、その核からの結晶成長
というモデルの妥当性が確認された。

【００１９】前述と全く同様の測定を、低融点金属を添
加したもの、ここでは例として錫を微量添加したものに
ついても行ってみた。すると、１０℃／ｍｉｎの速度で
昇温を行った場合には６２５．５℃から結晶化が開始
し、それら一連の測定から求めた結晶成長の活性化エネ
ルギーはおよそ２．３ｅＶであって、結晶成長が容易と
なっていることが数値的にも明らかとなった。

【００２０】ここで、結晶化開始温度が低温化されるこ
とについては、前述の通り異物の効果として比較的容易
に考えられるのであるが、結晶成長の活性化エネルギー
まで下がった原因は何であろうか。この理由として、発
明者らは以下の様な理由を考えている。非晶質珪素の結
晶化における律速過程について、一般的には珪素原子の
自己拡散であると言われている。もしそれが事実である
ならば、拡散速度をより高くしてやれば良いこととな
る。しかしながら、非晶質珪素からの結晶化の場合に
は、水溶液等からの結晶の析出と異なり、非常に粘性の
高い濃厚溶液からの結晶化と考えるべきであって、結晶
部分とその周辺で密度の差が非常に小さく、原子は容易
には移動することができない。この様な環境において原
子に易動度を与えるためには次の３つの方法が考えられ
る。１．非晶質膜の粘性を変化させて、より珪素原子が動き
やすい環境にする。２．欠陥あるいは空孔等を大量に導入し、珪素原子が動
きやすい環境にする。３．クーロン力等を作用させ、結晶化の駆動力を変化さ
せる。これら３つはそれぞれ独立したものではなく、添加する
材料によってこれらの内の２つあるいは３つを同時に満
たすものも有ると考えられる。ここで、今回添加した低
融点金属材料は、その殆どが上記１．については満たし
ているものと考えられる。また、３、５族材料について
は、電気的中性の原理を満たす為に、正あるいは負を帯
びた空孔等を作ることが予想され、２を満たすことが予
想される。また同様に３、５族は、それらに起因する準
位の生成によりフェルミレベルをシフトさせ、非晶質中
と結晶部分とでそのシフト量が異なった場合（一般的に
は、非晶質中のミッドギャップの準位の影響で異なるも
のと考えられる）、そのシフト量の違いに起因した駆動
力が発生し、結晶化温度の低温化が可能となるものと考
えられる。この機構を支持する結果として、３、５族を
同時に添加した場合には低温化が起こりづらいことが挙
げられる。次に、触媒金属を添加した場合の結晶化機構
について説明を加える。この場合もＤＳＣによる結晶成
長の活性化エネルギーの測定を行った結果、約２．１ｅ
Ｖと低下しており、やはり結晶化が促進されていること
が判明した。この理由としては、以下の機構を考えてい
る。前述の通り、これらの「触媒金属」は水素との反応
性が非常に高い。其故に、珪素と結合している水素と優
先的に結合し、その結果ダングリングボンドを大量に生
成することが予想される。この大量のダングリングボン
ドは、原子に易動度を与えるための前述の方法の２．を
満たしていると考えられる。また珪素とランタノイドの
電気陰性度の違いに起因して、電気的中性の原理を満た
すべく空孔等が発生することも考えられ、そうでない場
合にもダングリングボンドが電気的に強く帯電している
ことが必要である。その場合には前述の３．によって、
フェルミレベルの移動に伴う駆動力が発生する可能性が
あるものと予想される。

【００２１】次いで、上記低融点金属あるいは触媒金属
微量添加によって得られた結晶性珪素膜の結晶形態につ
いて説明を加える。両者ともほぼ同様の結晶形態を示し
たことから、これらはいずれも珪素原子の移動し易さに
起因している結果と思われる。添加した金属（低融点金
属、触媒金属の両者とも）は結晶化温度以下でかなり広
い領域に拡散する。このことは、ＳＩＭＳ（二次イオン
質量分析）によって確認されている。そしてその結果、
これら拡散領域においても結晶化温度の低温化が達成さ
れている。そして、この直接添加領域と、その拡散領域
においては結晶形態がことなることが明らかとなった。
即ち、直接添加領域は基板に垂直方向に結晶成長するの
に対し、その周辺の拡散領域は結晶が基板に水平方向に
成長する様が確認された。これらは、いずれも結晶の初
期核生成の違いによるものであろうと推測している。即
ち、直接添加部分は、それらの異物が結晶核になり、そ
こから柱状に結晶成長が起こるのに対し、周辺の拡散領
域は、結晶核は前述の縦方向に成長した直接添加部分で
あって、そこから成長が始まるために必然的に横方向に
成長が起こっているものと解釈されるからである。以
下、本明細書において、このように低温結晶化用触媒金
属の直接添加領域から周辺に伸びた横方向の結晶成長領
域を「横成長」領域と呼ぶことにする。

【００２２】次に、上記金属、例として低融点金属であ
るインジウムを使用した場合の、微量添加部分とその近
傍の横成長部分についての電気特性を説明する。微量添
加部分の電気特性は、導電率に関しては添加していない
膜、即ち６００℃程度で数十時間結晶化を行ったものと
同程度の値であり、また導電率の温度依存性から活性化
エネルギーを求めたところ、錫の添加量を前述の様に１
０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³〜１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程
度とした場合には、インジウム（Ｉｎ）の準位に起因す
ると思われる様な挙動は観測されなかった。即ち、この
実験事実からは、上記の濃度であればＴＦＴの活性層等
として使用が可能であることが考察される。

【００２３】それに対し、横成長部分は、導電率が直接
微量添加部分と比較して１桁以上高く、結晶性を有する
珪素半導体としてはかなり高い値を有していた。このこ
とは、電流のパス方向が結晶の横成長方向と合致したた
め、電極間で電子が通過する間に存在する粒界が少ない
あるいは殆ど無かったことによるものと考えられ、透過
電子線顕微鏡写真の結果と矛盾無く一致する。即ち、キ
ャリアの移動が針状または柱状に成長した結晶の粒界に
沿ったものとなるので、キャリアは移動しやすい状態が
実現されている、と考えることができる。また、横方向
成長した領域のＩｎの濃度は、Ｉｎが直接添加された領
域よりもその濃度が約１桁低かった。これは、Ｉｎの影
響を受けずにさらに結晶性珪素膜を利用するためには有
用なことである。

【００２４】では最後に、上述の各種特性を踏まえた上
でＴＦＴに応用する方法について説明する。ここでＴＦ
Ｔの応用分野としてはＴＦＴを画素の駆動に用いるアク
ティブマトリックス型液晶表示装置を想定するものとす
る。

【００２５】前述の様に、最近の大画面のアクティブマ
トリックス型液晶表示装置においては、ガラス基板の縮
みを抑えることが重要であるが、本発明の低温結晶化用
触媒金属微量添加プロセスを用いることにより、ガラス
の歪み点に比較して十分に低い温度で結晶化が可能であ
り、特に好適である。本発明を用いれば、従来非晶質珪
素を用いていた部分を、低融点金属あるいは触媒金属を
微量添加し、５００〜５５０℃程度で４時間程度結晶化
させることにより、結晶性を有する珪素に置き換えるこ
とが容易に可能である。勿論、デザインルール等をそれ
相応に変更する必要はあるが、装置、プロセス共従来の
物で十分に対応可能であり、そのメリットは大きいもの
と考えられる。

【００２６】しかも、今回の発明を用いれば、画素に用
いるＴＦＴと、周辺回路のドライバーを形成するＴＦＴ
とを、それぞれ特性に応じた結晶形態を利用して作り分
けることも可能であり、アクティブ型液晶表示装置への
応用に特にメリットが多い。画素に用いるＴＦＴは、そ
れほどのモビリティは必要とされておらず、それよりは
オフ電流が小さいことの方がメリットが大きい。そこで
本発明を用いる場合には、画素に用いるＴＦＴとなるべ
き領域に低融点金属あるいは触媒金属微量添加を行うこ
とによって、結晶を縦方向に成長させ、その結果チャネ
ル方向に粒界を多数形成してオフ電流を低下させること
が可能である。それに対して、周辺回路のドライバーを
形成するＴＦＴは、今後ワークステーションへの応用等
を考えた場合には、非常に高いモビリティが必要であ
る。そこで本発明を応用する場合には、周辺回路のドラ
イバーを形成するＴＦＴの近傍に低融点金属あるいは触
媒金属の微量添加を行い、そこから一方向に結晶を成長
させ、その結晶成長方向をチャネルの電流のパス方向と
揃えることにより、非常に高いモビリティを有するＴＦ
Ｔを作製することが可能である。また、図４に示すの
は、触媒金属としてＮｉを用い結晶性珪素膜を得た例に
おける、結晶化後のＮｉ濃度をＳＩＭＳで調べた例であ
る。図４を見ると、Ｎｉが添加された領域（Plasma tre
ated）におけるＮｉ濃度よりも、基板に平行な方向に結
晶成長した部分(Lateral growth)におけるＮｉ濃度の方
が低いことがわかる。またa-SiはＮｉを何ら添加しない
非晶質珪素膜のデータであり、バックグランドの値であ
ると解釈される。本発明の場合も、この図４のデータと
基本的に同じ傾向のデータが得られるものと考えられ、
このことからも基板に平行な方向に結晶成長した領域を
利用することは有用であると考えられる。

【００２７】３族の元素を利用して珪素膜の結晶化を行
った場合、結晶化の後において膜中にこの３族元素が残
留するので、Ｐ型の導電型を有した結晶性珪素膜を得る
ことができる。同様に５族の元素を利用して結晶化を行
った場合、Ｎ型の導電型を有した結晶性珪素膜を得るこ
とができる。これらの一導電型を有した結晶性珪素膜の
導電率は、結晶化に際して導入される３族または５族の
元素の添加量によって制御することができる。また、さ
らに一導電型を付与する不純物を添加して導電型と導電
率を制御するのでもよい。

【００２８】また例えば、３族の元素であるＩｎを１０
０の領域に選択的に導入し、その後非晶質珪素膜１０４
を形成し、さらに５５０度、４時間の加熱によって結晶
化を行った場合、１００の領域から矢印１０５で示すよ
うに基板に平行な方向に結晶成長が行われる。この際、
Ｉｎは結晶成長とともに拡散するので、結晶化が行われ
た領域にはＩｎが存在する。その濃度は、２×１０¹⁷〜
２×１０¹⁹ｃｍ^-3程度であるので、その領域は結晶化す
るとともに、Ｐ型化する。またＩｎの導入量や結晶化に
従って拡散した位置を選択することによって、Ｐ⁺領域
やＰ^-領域を得ることができる。そしてこの領域を利用
してＴＦＴを形成することで、チャネル形成領域がＰ⁺
型またはＰ^-型のＴＦＴを得ることができる。同様に、
上記のＩｎの代わりに５族の元素であるＳｂを用いた場
合、チャネル形成領域がＮ⁺型またはＮ^-型のＴＦＴを
得ることができる。このように、チャネル形成領域の導
電型をＰ^-型またはＮ^-型とすることは、ＴＦＴのＶ_th
を制御することができ有用である。

【００２９】本発明は、結晶化のための微量元素である
前述の低融点金属あるいは触媒金属の微量添加を行い、
そこから基板に平行な方向に１次元的な結晶成長を行わ
せ、その１次元的な結晶成長が行われた領域を利用して
電子デバイスを構成することを特徴とする。特にこの領
域の結晶性を有する薄膜珪素半導体を用いて絶縁ゲイト
型電界効果トランジスタを形成する際に、そのチャネル
形成領域において、キャリアが移動する方向と珪素膜の
結晶成長方向とを概略揃えることによって、高移動度を
有するＴＦＴを得ることができる。また、この基板に平
行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を利用して、ダイ
オード、トランジスタを集積化して形成することは有用
である。さらにまた、同一基板上にキャパシタ、抵抗等
を集積化することもできる。またこれらは、安価なガラ
ス基板を利用して構成できるという別な特徴を有する。

【００３０】

【作用】薄膜珪素半導体を用いた半導体装置において、
膜の平面方向に針状または柱状に結晶成長した結晶性珪
素膜の結晶成長方向をキャリアの移動方向と概略揃える
ことにより、キャリアの移動を結晶粒界に沿った方向と
することができ、キャリアを高移動度で動かすことがで
きる。

【００３１】

【実施例】以下の実施例においては、３族の元素である
Ｉｎと５族の元素であるＳｂ、さらには４族の元素であ
るＳｎを微量添加して珪素膜の結晶化を行う例を示す
が、他の３族または５族、さらには４族元素、さらには
Ｚｎを利用する場合でも、以下の実施例と同様である。
そしてこの際、これら微量元素の添加量は、結晶化した
後の珪素膜中における濃度が、２×１０¹⁷〜２×１０¹⁹
cm^-3となるようにすればよい。

【００３２】〔実施例１〕本実施例は、ガラス基板上に
結晶性珪素膜を用いたＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴと
いう）とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴという）とを相
補型に組み合わせた回路を形成する例である。本実施例
の構成は、アクティブ型の液晶表示装置の画素電極のス
イッチング素子や周辺ドライバー回路、さらにはイメー
ジセンサやその他集積回路に利用することができる。

【００３３】図１に本実施例の作製工程の断面図を示
す。まず、基板（コーニング７０５９）１０１上にスパ
ッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地
膜１０２を形成する。つぎにメタルマスクまたは酸化珪
素膜等によって形成されたマスク１０３を設ける。この
マスク１０３は、スリット状に下地膜１０２を１００で
示す領域において露呈させる。即ち、図１（Ａ）の状態
を上面から見ると、スリット状に下地膜１０２は露呈し
ており、他ぼ部分はマスクされている状態となってい
る。

【００３４】上記マスク１０３を設けた後、蒸着法によ
って、厚さ５〜２００Å、例えば２０ÅのＩｎの薄膜を
１００の領域に選択的に成膜する。なお、実際には、２
０Åの均一な厚さにＩｎ膜を成膜することは困難であ
り、またその正確な厚さを計測することも困難である
が、蒸着源の減少分からその概略の厚さを概算すること
ができる。この工程は、３族の元素であるＩｎを微量に
導入し、このＩｎが導入された領域から後に形成する非
晶質珪素膜を結晶化させるためである。

【００３５】つぎに、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ
５００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）
の非晶質珪素膜１０４を成膜する。そして、これを水素
還元雰囲気下（好ましくは、水素の分圧が０．１〜１気
圧），５５０℃、または不活性雰囲気化（大気圧），５
５０℃、で４時間アニールして結晶化させる。この際、
Ｉｎの薄膜が選択的に成膜された１００の領域において
は、基板１０１に対して垂直方向に結晶性珪素膜１０４
の結晶化が起こる。そして、領域１００以外の領域で
は、矢印１０５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。例えば図
２の１００で示す領域にＩｎを導入した場合、矢印１０
５で示すように１次元的に結晶成長が行われる。またこ
の結晶成長は、針状あるいは柱状に行われる。

【００３６】そしてこの結晶化を助長させ、さらに緻密
な結晶性珪素膜を得るために、上記加熱アニールの後に
ランプ加熱によるアニールを行う。このアニールは、
１．２μｍの赤外光を用いて行う。また、このアニール
の時間は５分以内とする。赤外光は、珪素には効率良く
吸収され、珪素の膜質改善には大きな効果を得ることが
できる。一方、ガラス基板には吸収されにくいので、珪
素に対して選択的にエネルギーを与えるとともに、ガラ
ス基板はあまり加熱しないという有意性が得られる。こ
のランプ加熱によるアニールに用いられる光としては、
タングステンハロゲンランプ光（波長０．５μｍ〜３．
５μｍ）等を用いることができる。このランプ加熱によ
るアニールによって、緻密な結晶性珪素膜を得ることが
できる。また、上記ランプ加熱の代わりにレーザー光を
用いたアニールを行うことも可能である。このランプ加
熱によるアニールは、結晶性の改善、特に膜中の欠陥を
大きく減少できるという効果がある。

【００３７】上記工程の結果、非晶質珪素膜を結晶化さ
せて、結晶性珪素膜１０４を得ることができる。その
後、素子間分離を行い、ＴＦＴのソース／ドレイン領
域、チャネル形成領域が形成される活性層の領域を確定
する。本実施例においては、約４０μｍ以上にわたって
基板に平行な方向への結晶成長が見られたので、それぞ
れの活性層の長さ（ソース／ドレイン方向の長さ）を４
０μｍとした。この場合、チャネルの中心とニッケルが
導入された位置との距離は約２０μｍとなるが、この距
離を設定することで、活性層中（特にチャネル形成領
域）でのＩｎの濃度を選択することができる。

【００３８】つぎに、スパッタリング法によって厚さ１
０００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜
する。スパッタリングには、ターゲットとして酸化珪素
を用い、スパッタリング時の基板温度は２００〜４００
℃、例えば３５０℃、スパッタリング雰囲気は酸素とア
ルゴンで、アルゴン／酸素＝０〜０．５、例えば０．１
以下とする。

【００３９】この工程の後、先程のランプ加熱によるア
ニールを再度行う。これは、酸化珪素膜より成るゲイト
絶縁膜１０６と結晶性珪素膜１０４との界面特性を改善
するためである。勿論、このランプ加熱のアニールによ
っても結晶性珪素膜１０４の結晶性はさらに改善され
る。周知のように、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ
のゲイト絶縁膜とチャネル形成領域（図１においては、
１１２と１１５がチャネル形成領域となる結晶性珪素膜
部分である）との界面特性を改善すること、具体的に
は、その領域における欠陥や準位を極力低減させること
は重要である。よって、このゲイト絶縁膜１０６の形成
後に行われるランプ加熱によるアニールは大きな効果を
得ることができる。また、ランプ加熱の代わりにレーザ
ー光の照射によるアニールを行ってもよい。

【００４０】つぎに、スパッタリング法によって、厚さ
６０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミニウ
ム（０．１〜２％のシリコンを含む）を成膜する。そし
て、パターニングを行い、ゲイト電極１０７、１０９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１０８、１１０を形成す
る。この陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレ
ングリコール溶液中で行った。得られた酸化物層１０
８、１１０の厚さは２０００Åであった。なお、この酸
化物１０８と１１０とは、後のイオンドーピング工程に
おいて、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるの
で、オフセットゲイ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。勿論このゲイト電極は、珪素を主
成分とするもの、さらには珪素と金属とのシリサイドを
有するもの、金属を主成分とするもの、珪素と金属との
積層を有する構造であってもよい。

【００４１】次に、イオンドーピング法（イオン注入
法）によって、活性層領域（ソース／ドレイン、チャネ
ルを構成する）に一導電型を付与する不純物を添加す
る。このドーピング工程において、ゲイト電極１０７と
その周囲の酸化層１０８、ゲイト電極１０９とその周囲
の酸化層１１０をマスクとして不純物（燐およびホウ
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、４０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとす
る。ドース量は１×１０ ¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例え
ば、燐を２×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ素を５×１０¹⁵とす
る。ドーピングに際しては、一方の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
ピングする。この結果、Ｎ型の不純物領域１１４と１１
６、Ｐ型の不純物領域１１１と１１３が形成され、Ｐチ
ャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）の領域とＮチャネル型ＴＦ
Ｔ（ＮＴＦＴ）との領域を形成することができる。

【００４２】その後、レーザー光の照射によってアニー
ル行う。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー
（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ²、
例えば２５０ｍＪ／ｃｍ²とし、一か所につき２〜１０
ショット、例えば２ショット照射する。このレーザー光
の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱すること
は有用である。このレーザアニール工程において、先に
結晶化された領域にはニッケルが拡散しているので、こ
のレーザー光の照射によって、再結晶化が容易に進行
し、Ｐ型を付与する不純物がドープされた不純物領域１
１１と１１３、さらにはＮを付与する不純物がドープさ
れた不純物領域１１４と１１６は、容易に活性化させる
ことができる。

【００４３】またこのソース／ドレイン領域のアニール
方法として、前述のランプ加熱によるアニール方法も有
効である。このランプ加熱（例えば１．２μｍの赤外光
を用いる）は前述のように、珪素を選択的に加熱するの
で、ガラス基板の加熱を極力避けたい本実施例のような
工程には有用である。

【００４４】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１
８を層間絶縁物としてプラズマ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多層膜によってＴＦ
Ｔの電極・配線１１７、１２０、１１９を形成する。最
後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニー
ルを行い、ＴＦＴを相補型に構成した半導体回路を完成
する。（図１（Ｄ））

【００４５】上記に示す回路は、ＰＴＦＴとＮＴＦＴと
を相補型に設けたＣＭＯＳ構造であるが、上記工程にお
いて、２つのＴＦＴを同時に作り、中央で切断すること
により、独立したＴＦＴを２つ同時に作製することも可
能である。

【００４６】図２に、図１（Ｄ）を上面から見た概要を
示す。図２における符号は図１の符号に対応する。図２
に示すように結晶化の方向、即ち結晶成長するのは矢印
１０５で示す方向である。この方向は、ソース／ドレイ
ン領域の概略の方向（ソース領域とドレイン領域を結ん
だ線方向）であり、この構成においては、ＴＦＴの動作
時に、キャリアがソース／ドレイン間を針状あるいは柱
状に成長した結晶に沿って移動する。即ちキャリアは針
状あるいは柱状の結晶の結晶粒界に概略沿って移動す
る。従って、キャリアが移動する際に受ける抵抗を低減
することができ、高移動度を有するＴＦＴを得ることが
できる。

【００４７】本実施例においては、Ｉｎを導入する方法
として、非晶質珪素膜１０４下の下地膜１０２上に選択
的に薄膜（極めて薄いので、膜として観察することは困
難である）として形成し、この部分から結晶成長を行わ
す方法を採用したが、非晶質珪素膜１０４を形成後に、
選択的にＩｎ薄膜を成膜する方法でもよい。即ち、結晶
成長は非晶質珪素膜の上面から行ってもよいし、下面か
ら行ってもよい。またＩｎの導入方法としては、プラズ
マ処理、Ｉｎのイオン注入、さらには結晶化させる珪素
膜の成膜時にＩｎを微量に添加する方法でもよい。

【００４８】〔実施例２〕本実施例は、アクティブ型の
液晶表示装置において、Ｎチャネル型ＴＦＴをスイッチ
ング素子として各画素に設けた例である。以下において
は、一つの画素について説明するが、他に多数（一般に
は数十万）の画素が同様な構造で形成される。また、Ｎ
チャネル型ではなくＰチャネル型でもよいことはいうま
でもない。また、液晶表示装置の画素部分に設けるので
はなく、周辺回路部分にも利用できる。また、イメージ
センサや他の集積回路に利用することができる。即ち薄
膜トランジタと利用するのであれば、特にその用途が限
定されるものではない。

【００４９】また本実施例においては、結晶化のための
微量元素としてＩｎを用い、結晶化した珪素膜をＰ^-型
とすることによって、形成されるＮチャネル型ＴＦＴの
特性を制御することを特徴とする。ここで、Ｉｎの代わ
りにＳｂを用いればチャネル形成領域をＮ^-型とするこ
とができる。またその導電率は、これら微量元素の導入
量、さらには導入された位置からの距離、さらには結晶
化条件（拡散の度合いが変化する）によって定めること
ができる。

【００５０】本実施例の作製工程の概略を図３に示す。
本実施例において、基板２０１としてはガラス基板（厚
さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍｍ）を使用した。ま
ず、下地膜２０３（酸化珪素）をスパッタリング法で２
０００Åの厚さに形成する。この後選択的にＩｎを導入
するために、メタルマスクや酸化珪素膜、またはフォト
レジスト等により、マスク２０３を形成する。そして、
蒸着法によりＩｎ薄膜を成膜する。このＩｎ膜は、厚さ
５〜２００Å、例えば２０Åの厚さに形成する。このよ
うにして、選択的に領域２０４に珪素膜を結晶化させる
ための微量元素Ｉｎが導入される。

【００５１】この後、ＬＰＣＶＤ法もしくはプラズマＣ
ＶＤ法で非晶質珪素膜２０５を１０００Åの厚さに形成
し、４００℃で１時間脱水素化を行った後、加熱アニー
ルによって結晶化を行う。このアニール工程は、水素還
元雰囲気下（好ましくは、水素の分圧が０．１〜１気
圧）、５５０℃で４時間行う。またこの加熱アニール工
程を窒素等の不活性雰囲気中で行ってもよい。

【００５２】このアニール工程において、非晶質珪素膜
２０５下の一部の領域（２０４の領域）には、Ｉｎ膜が
形成されているので、この部分から結晶化が起こる。こ
の結晶化の際、図３（Ｂ）の矢印で示すように、Ｉｎ薄
膜が成膜されている部分２０４では、基板２０１に垂直
方向に珪素の結晶成長が進行する。また、同様に矢印で
示されるように、Ｉｎ薄膜が成膜されいていない領域
（領域２０５以外の領域）においては、基板に対し、平
行な方向に結晶成長が行われる。即ち横方向成長が行わ
れる。この後実施１と同様なランプ加熱によってアニー
ルを行い、珪素膜の結晶性の改善（緻密化）を行う。

【００５３】こうして、結晶性珪素よりなる半導体膜２
０５を得ることができる。次に、上記半導体膜２０５を
パターニングして島状の半導体領域（ＴＦＴの活性層）
を形成する。この際、チャンネル形成領域２０９が形成
される部分とＩｎが導入される２０４との距離を設定す
ることにより、チャネル形成領域２０９におけるＩｎの
濃度を決めることができる。即ちその距離を長くすれ
ば、チャネル形成領域２０９におけるＩｎ濃度を小さく
することができ、その距離を短くすれば、チャネル形成
領域におけるＩｎ濃度を高くすることができる。勿論こ
の場合、珪素膜２０５が結晶化している領域でなければ
ならない。

【００５４】さらにテトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯ
Ｓ）を原料として、酸素雰囲気中のプラズマＣＶＤ法に
よって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７００〜１２０
０Å、典型的には１０００Å）２０６を形成する。基板
温度はガラスの縮みやソリを防止するために４００℃以
下、好ましくは２００〜３５０℃とする。この後、実施
例１と同様に赤外光の照射によるランプ加熱を１分〜５
分行い、半導体膜２０５とゲイト絶縁膜２０６との界面
特性を向上させる。

【００５５】次に、公知の珪素を主成分とした膜をＣＶ
Ｄ法で形成し、パターニングを行うことによって、ゲイ
ト電極２０７を形成する。その後、Ｎ型の不純物とし
て、リンをイオン注入でドーピングし、自己整合的にソ
ース領域２０８、チャネル形成領域２０９、ドレイン領
域２１０を形成する。そして、ＫｒＦレーザー光を照射
することによって、イオン注入のために結晶性の劣化し
た珪素膜の結晶性を改善させる。このときにはレーザー
光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ ²とす
る。このレーザー照射によって、このＴＦＴのソース／
ドレインのシート抵抗は３００〜８００Ω／ｃｍ²とな
る。この工程も、レーザー光を用いる代わりに、赤外光
のランプ加熱で行うことができる。

【００５６】その後、酸化珪素によって層間絶縁物２１
１を形成し、さらに、画素電極２１２をＩＴＯによって
形成する。そして、コンタクトホールを形成して、ＴＦ
Ｔのソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多層
膜で電極２１３、２１４を形成し、このうち一方の電極
２１３はＩＴＯ２１２にも接続するようにする。最後
に、水素中で２００〜３００℃で２時間アニールして、
シリコンの水素化を完了する。このようにして、ＴＦＴ
を完成する。この工程は、同時に他の多数の画素領域に
おいても同時に行われる。

【００５７】本実施例で作製したＴＦＴは、ソース領
域、チャネル形成領域、ドレイン領域を構成する活性層
として、キャリアの流れる方向に結晶成長させた結晶性
珪素膜を用いているので、結晶粒界をキャリアが横切る
ことがなく、即ちキャリアが針状あるいは柱状の結晶の
結晶粒界に沿って移動することになるから、キャリアの
移動度の高いＴＦＴを得ることができる。

【００５８】〔実施例３〕本実施例は、実施例２に示す
ＴＦＴにおいて、結晶の成長方向に対して垂直な方向に
ソース／ドレインを設けた例である。即ち、キャリアの
移動する方向が結晶成長方向とは垂直になっており、針
状あるいは柱状の結晶の結晶粒界を横切るようにしてキ
ャリアが移動する構成とした例である。このような構成
とすると、ソース／ドレイン間の抵抗を高くすることが
できる。これは、針状あるいは柱状に結晶成長した結晶
の結晶粒界を横切るようにキャリアが移動しなければな
らないためである。本実施例の構成を実現するには、実
施例２に示す構成において、単にＴＦＴをどのような向
きで設けるかを設定すればよい。

【００５９】〔実施例４〕本実施例は、実施例２に示す
構成において、ＴＦＴを設ける向き（ここではソース／
ドレイン領域を結ぶ線で定義する。即ち、キャリアの流
れる向きでＴＦＴの方向を決めることとする）を結晶性
珪素膜の基板表面に対する結晶成長方向と任意の角度で
設定することにより、ＴＦＴの特性を選択することを要
旨とする。

【００６０】前述のように、結晶の成長方向にキャリア
を移動させる場合、キャリアは結晶粒界に沿って移動す
るので、その移動度を向上させることができる。一方、
結晶の成長方向に対して垂直な方向にキャリアを移動さ
せる場合には、キャリアが多数の粒界を横切らなければ
ならないので、キャリアの移動度は低下する。

【００６１】そこで、この２つの状態の間を選択するこ
とによって、即ち結晶成長方向とキャリアの移動する方
向との角度を０〜９０°の範囲において設定することに
より、キャリアの移動度を制御することができる。また
別な見方をするならば、上記結晶成長方向とキャリアの
移動する方向との角度を設定することにより、ソース／
ドレイン領域間の抵抗を制御できることになる。勿論こ
の構成は、実施例１に示す構成にも利用することができ
る。この場合、図２に示すスリット状のＩｎ微量添加領
域１００が０〜９０°の範囲で回転し、矢印１０５で示
す結晶の成長方向と、ソース／ドレイン領域を結ぶ線と
の角度が０〜９０°範囲で選択されることになる。そし
て、この角度が、０°に近い場合は移動度が大きく、ソ
ース／ドレイン間の電気抵抗が小さい構成とすることが
できる。またこの角度が９０°に近い場合、移動度が小
さく、ソース／ドレイン間の抵抗、即ちチャネル形成領
域の抵抗が大きい構成とすることができる。

【００６２】〔実施例５〕本実施例は、図３に示す実施
例２の作製工程において、Ｉｎ薄膜を下地膜２０２上全
面に形成することで、珪素膜全面において、基板に垂直
な方向に結晶成長をさせる例である。ＴＦＴの作製は、
マスク２０３を設けずにＩｎ薄膜を下地膜２０２上全面
に形成し、かかる後に実施例２で説明したように非晶質
珪素膜２０５を形成し、さらに結晶化工程を経て、ＴＦ
Ｔを作製する。

【００６３】本実施例のＴＦＴの概略の断面は、図３
（Ｄ）に示すものと異なるものではないが、ソース／ド
レイン領域２０８、２１０とチャネル形成領域２０９と
が形成される活性層において、針状あるいは柱状の結晶
の成長方向が、基板２０１に対して垂直に成されてい
る。この為、ソース領域（２０８または２１０）とドレ
イン領域（２１０または２０８）との間を移動するキャ
リアは、針状あるいは柱状の結晶の結晶粒界を横切る形
で移動することになる。従って、ソース／ドレイン間の
抵抗が若干高いＴＦＴとなる。このようなＴＦＴは、移
動度は１００ｃｍ²／Ｖｓ以下であるが、オフ電流が小
さいので、電荷保持を行うことを目的とする液晶表示装
置の画素用ＴＦＴに最適な形式となる。

【００６４】しかしながら、本実施例のようなＴＦＴ
は、活性層中におけるＩｎの濃度を制御することが困難
であるので、歩留りや信頼性に問題がある。この問題
は、Ｉｎの導入量を制御できる方法（例えばイオン注入
法）を利用することで改善することができる。

【００６５】〔実施例６〕本実施例は、加熱による珪素
膜の結晶化のための微量元素である３族または５族の元
素の他に珪素イオンの注入により、さらに結晶化を促進
させる例である。本実施例の作製工程を図１を用いて説
明する。また特に断らない限り個々の作製工程における
作製条件や膜厚は、実施例１で説明したのと同様であ
る。

【００６６】まずガラス基板１０１上に下地膜（酸化珪
素膜）を形成し、さらにマスク１０３を形成し、選択的
に結晶化のための触媒元素であるＩｎを薄膜として露呈
した１００の領域に形成する。つぎにマスク１０３を取
り除き、非単結晶珪素膜ここでは非晶質珪素膜１０４を
プラズマＣＶＤ法によって形成する。次に４族の元素で
ある珪素をイオン注入法により、全面に打ち込む。この
際、投影飛程が珪素膜１０４と下地膜１０２との界面近
傍の基板側になるようにする。イオン注入の加速電圧は
６０ｋＶし、ドーズ量は２×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。この
結果、基板（下地膜も含む）と非晶質珪素膜１０４との
界面近傍を中心に徹底的に非晶質化が行われ、結晶化核
となるべき存在を極力無くすことができる。

【００６７】ここでＳｉイオンを用いるのは、Ｓｉイオ
ンが珪素に対して電気的に中性の不純物であるからであ
る。またそのドーズ量は５×１０¹⁴〜５×１０¹⁶イオン
ｃｍ ^-2とすればよい。

【００６８】この後、非晶質珪素膜１０４を５５０度、
４時間の加熱により結晶化させる。この際、１００の領
域から矢印１０５で示すような基板に平行な方向への結
晶成長が起こる。この結晶成長は、針状あるいは柱状に
行われる。この結晶成長の際、基板と非晶質珪素膜との
界面を中心に結晶成長の核になる結晶成分（非晶質珪素
膜といっても、程度も問題として結晶成分は存在する）
が先の珪素イオンの注入によって排除されているので、
１００の領域から基板に平行な方向に行われる結晶成長
が珪素膜１０４と下地膜１０２との界面から発生する結
晶成長によって阻害されることなく、配向性の良好な、
即ち結晶成長方向の揃った結晶成長を行わすことができ
る。

【００６９】後は実施例１で説明したように、ＰＴＦＴ
及びＮＴＦＴを形成することで、相補型に形成されたＴ
ＦＴ回路を完成する。本実施例のように、配向性の良好
な結晶性珪素膜において、その結晶成長方向とキャリア
の移動する方向とが概略揃うようにＴＦＴを形成した場
合、キャリアが結晶粒界に沿って移動するので、その移
動の際に結晶粒界の影響を殆ど受けない構成とすること
ができる。即ち、高速動作を得ることができる。

【００７０】本実施例においてさらに結晶性の向上が得
られ、移動度の高いＴＦＴが得られたのは、３族の元素
であるＩｎの導入領域からの基板に平行な方向への結晶
成長において、この結晶成長を阻害する基板に垂直方向
への結晶成長を助長する結晶成分が前もって徹底的に除
去されていたので、基板に平行な方向への結晶成長が優
先的に行われたためであると考えられる。特に基板に垂
直な方向に柱状に結晶成長する際の結晶核が存在する珪
素膜と基板との界面近傍を徹底的に非晶質化したことが
有効であったと考えられる。

【００７１】〔実施例７〕本実施例は、アクティブ型の
液晶表示装置において、周辺ドライバー回路を３族また
は５族元素の微量添加により結晶化させた実施例１また
は実施例２にその作製工程を示すＴＦＴで構成し、画素
部分に設けられるＴＦＴを公知の非晶質珪素（アモルフ
ァスシリコン）を用いたＴＦＴで構成する例である。

【００７２】公知のように、アクティブ型の液晶表示装
置において、周辺ドライバー回路部分のＴＦＴは、高移
動度（１００ｃｍ²／Ｖｓ以上）を有し、多くのオン電
流を流せるＴＦＴが必要とされるが、画素部分に設けら
れるＴＦＴは、電荷保持のために小さなオフ電流と光照
射による誤動作を避けるために比較的小さな移動度（１
０ｃｍ²／Ｖｓ程度）を有することを要求される。

【００７３】この要求は、周辺回路部分を実施例１や実
施例２で説明したＴＦＴで構成し、画素部分を公知の非
晶質珪素膜を利用したＴＦＴ（ａ−ＳｉＴＦＴ）で形成
することで、ある程度満足される。しかし、非晶質珪素
膜を利用したＴＦＴは、その移動度は１ｃｍ²／Ｖｓ以
下であるので、その点で問題が残る。

【００７４】〔実施例８〕本実施例は、実施例７をさら
に発展させたもので、周辺回路部分のＴＦＴは、実施例
１や実施例２で示した１００ｃｍ²／Ｖｓ以上の高移動
度を有するＴＦＴで構成し、画素部分のＴＦＴを実施例
５で示したＴＦＴで構成する例である。

【００７５】実施例５に示したＴＦＴは、基板に垂直な
方向に結晶成長を行わすことによって、キャリアの流れ
に対して、結晶粒界が垂直になるようにし、キャリアが
多数の結晶粒界を横切るように構成したＴＦＴである。
このようなＴＦＴは、キャリアの移動が結晶粒界によっ
て阻害されるので、移動度は低下する。しかし、オフ電
流は小さくなるので、電荷保持率を高めることができ、
画素用のＴＦＴとしては適する。

【００７６】なお本実施例において、周辺回路部分のＴ
ＦＴの移動度をさらに高めるのであれば、その領域に実
施例７で示したような中性元素のイオン注入を併用すれ
ばよい。

【００７７】〔実施例９〕本実施例は、実施例１または
実施例２において、結晶化を促進させる微量元素とし
て、４族元素であるＳｎを用いた例である。Ｓｎの他に
は、Ｃ、Ｇｅ、Ｐｂを利用することができる。本実施例
においても、実施例１や実施例２と同様にＳｎを蒸着に
より薄膜として導入するが、Ｓｎのイオンを非晶質珪素
膜に注入し、直接Ｓｎを珪素膜中に導入するのでもよ
い。

【００７８】

【効果】基板上に設けられ、しかも基板表面に平行な方
向に結晶成長した結晶性を有する非単結晶珪素半導体膜
をＴＦＴに利用するに際して、ＴＦＴ内を移動するキャ
リアの流れの方向を結晶成長が行われた方向と合わせる
ことにより、キャリアの移動が針状または柱状に成長し
た結晶の結晶粒界に沿って（平行に）移動する構成とす
ることができ、高移動度を有するＴＦＴを得ることがで
きる。さらにこれらのＴＦＴを６００度以下の低温で形
成することができるので、基板として安価なガラス基板
を利用することができる。

【００７９】また、必要とする移動度を有するＴＦＴを
選択的に作り分けることができる。具体的には、１．基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を用
いて、結晶粒界に沿った方向にキャリアが移動するよう
にＴＦＴを作製する。２．基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を用
いて、結晶粒界を横切ってキャリアが移動するようにＴ
ＦＴを作製する。３．基板に垂直な方向に結晶成長した領域にＴＦＴを作
製する。４．部分的に結晶化のための元素を導入することで、選
択的に結晶性珪素膜を形成し、その結晶性珪素膜を利用
することで、特定の部分のＴＦＴを高移動度ＴＦＴとす
る。特に、結晶化のための元素が導入された領域から離れた
領域の結晶性珪素膜は、１次元的な配向性を有している
ので、この領域を利用して、高移動度を有するＴＦＴを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の作製工程を示す。

【図２】実施例の概要を示す。

【図３】実施例の作製工程を示す。

【図４】結晶性珪素膜中の金属元素濃度を示す。

【符号の説明】

１０１ガラス基板１０２下地膜（酸化珪素膜）１０３マスク１０４珪素膜１０５結晶化の方向１０６ゲイト絶縁膜１０７ゲイト電極１０８陽極酸化層１０９ゲイト電極１１０陽極酸化層１１１ソース／ドレイン領域１１２チャネル形成領域１１３ドレイン／ソース領域１１４ソース／ドレイン領域１１５チャネル形成領域１１６ドレイン／ソース領域１１７電極１１８層間絶縁物１２０電極１１９電極２０１ガラス基板２０２下地膜（酸化珪素膜）２０３マスク２０４ニッケル微量添加領域２０５珪素膜２０６ゲイト絶縁膜２０７ゲイト電極２０８ソース／ドレイン領域２０９チャネル形成領域２１０ドレイン／ソース領域２１１層間絶縁物２１３電極２１４電極２１２ＩＴＯ（画素電極）

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｇ０２Ｆ 1/136 ５００ // Ｇ０２Ｆ 1/1368

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜トランジスタを有する装置であって、
前記薄膜トランジスタは、絶縁表面上のシリコンを有す
る半導体膜と、一導電性を有する前記半導体膜中の一対
の不純物領域と、前記半導体膜の前記一対の不純物領域
の一部上に金属を含む物質と、を有しており、前記金属
を含む物質がB、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、ランタノイド
元素、C、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf、N、P、As、Sb、Bi、V、
NbおよびTaから選択される1種または複数種の元素から
なることを特徴とする装置。
【請求項２】薄膜トランジスタを有する装置であって、
前記薄膜トランジスタは、絶縁表面上のシリコンを有す
る半導体膜と、一導電性を有する前記半導体膜中の一対
の不純物領域と、前記半導体膜の前記一対の不純物領域
の一部上にゲルマニウムを含む物質を有することを特徴
とする装置。
【請求項３】薄膜トランジスタを有する装置であって、
前記薄膜トランジスタは、絶縁表面上のシリコンを有す
る半導体膜と、一導電性を有する前記半導体膜中の一対
の不純物領域と、前記半導体膜の前記一対の不純物領域
の一部上に金属を含む物質と、前記半導体膜の前記一対
の不純物領域と電気的に接続されている配線と、を有し
ており、前記金属を含む物質がB、Al、Ga、In、Tl、S
c、Y、ランタノイド元素、C、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf、N、
P、As、Sb、Bi、V、NbおよびTaから選択される1種また
は複数種の元素からなることを特徴とする装置。
【請求項４】薄膜トランジスタを有する装置であって、
前記薄膜トランジスタは、絶縁表面上のシリコンを有す
る半導体膜と、一導電性を有する前記半導体膜中の一対
の不純物領域と、前記半導体膜の前記一対の不純物領域
の一部上にゲルマニウムを含む物質と、前記半導体膜の
前記一対の不純物領域の組と電気的に接続されている配
線からなることを特徴とする装置。
【請求項５】薄膜トランジスタを有する装置であって、
前記薄膜トランジスタは、絶縁表面上のシリコンを有す
る半導体膜と、一導電性を有する前記半導体膜中の一対
の不純物領域と、金属を含む物質が直接添加されている
部分を有する前記半導体膜と、前記部分に電気的に接続
された配線と、を有しており前記金属を含む物質がB、A
l、Ga、In、Tl、Sc、Y、ランタノイド元素、C、Sn、P
b、Ti、Zr、Hf、N、P、As、Sb、Bi、V、NbおよびTaから
選択される1種または複数種の元素からなることを特徴
とする装置。
【請求項６】薄膜トランジスタを有する装置であって、
前記薄膜トランジスタは、絶縁表面上のシリコンを有す
る半導体膜と、一導電性を有する前記半導体膜中の一対
の不純物領域と、ゲルマニウムを含む物資が直接添加さ
れている部分を有する前記半導体膜と、前記部分に電気
的に接続された配線とからなることを特徴とする装置。
【請求項７】絶縁表面上に形成されたシリコンを有する
半導体膜と、前記半導体膜中に形成された第一のソース
領域、第一のドレイン領域および第一のチャネル形成領
域とを有する第一の薄膜トランジスタと、前記半導体膜
中に形成された第二のソース領域、第二のドレイン領域
および第二のチャネル形成領域とを有する第二の薄膜ト
ランジスタと、を有する装置であって、前記半導体膜の
一部には、金属を含む物質が直接添加されており、前記
半導体膜の一部は、前記第一のドレイン領域の一部およ
び前記第二のソース領域の一部であり、前記金属を含む
物質がB、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、ランタノイド元素、
C、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf、N、P、As、Sb、Bi、V、Nbおよ
びTaから選択される1種または複数種の元素からなるこ
とを特徴とする装置。
【請求項８】絶縁表面上に形成されたシリコンを有する
半導体膜と、前記半導体膜中に形成された第一のソース
領域、第一のドレイン領域および第一のチャネル形成領
域とを有する第一の薄膜トランジスタと、前記半導体膜
中に形成された第二のソース領域、第二のドレイン領域
および第二のチャネル形成領域とを有する第二の薄膜ト
ランジスタと、を有する装置であって、前記半導体膜の
一部にはゲルマニウムを含む物質が直接添加されてお
り、前記半導体膜の一部は、前記第一のドレイン領域の
一部および前記第二のソース領域の一部であることを特
徴とする装置。
【請求項９】絶縁表面上に形成されたシリコンを有する
半導体膜と、前記半導体膜中に形成された第一のソース
領域、第一のドレイン領域および第一のチャネル形成領
域とを有する第一の薄膜トランジスタと、前記半導体膜
中に形成された第二のソース領域、第二のドレイン領域
および第二のチャネル形成領域とを有する第二の薄膜ト
ランジスタと、を有する装置であって、前記半導体膜の
一部には、金属を含む物質が直接添加されており、前記
半導体膜の一部は前記第一のドレイン領域の一部および
第二のソース領域の一部であり、前記第一のドレイン領
域の一部および第二のソース領域に接触している配線を
有し、前記金属を含む物質がB、Al、Ga、In、Tl、Sc、
Y、ランタノイド元素、C、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf、N、P、
As、Sb、Bi、V、NbおよびTaから選択される1種または複
数種の元素からなることを特徴とする装置。
【請求項１０】絶縁表面上に形成されたシリコンを有す
る半導体膜と、前記半導体膜中に形成された第一のソー
ス領域、第一のドレイン領域および第一のチャネル形成
領域とを有する第一の薄膜トランジスタと、前記半導体
膜中に形成された第二のソース領域、第二のドレイン領
域および第二のチャネル形成領域とを有する第二の薄膜
トランジスタと、を有する装置であって、前記半導体膜
の一部には、ゲルマニウムを含む物質が直接添加されて
おり、前記半導体膜の一部は前記第一のドレイン領域の
一部および第二のソース領域の一部であり、前記第一の
ドレイン領域の一部および第二のソース領域に接触して
いる配線を有することを特徴とする装置。
【請求項１１】前記薄膜トランジスタがアクティブ型の
液晶表示装置の画素電極に接続されていることを特徴と
する請求項１乃至10のいずれか一に記載の装置。
【請求項１２】前記薄膜トランジスタがアクティブ型の
液晶表示装置でドライバ回路を構成していることを特徴
とする請求項１乃至10のいずれか一に記載の装置。
【請求項１３】イメージセンサーである請求項１乃至10
のいずれか一に記載の装置。
【請求項１４】前記金属を含む物質の濃度が2×10¹⁷か
ら2×10¹⁹atoms/cm³の範囲であることを特徴とする請求
項１、請求項３、請求項５、請求項７または請求項９に
記載の装置。
【請求項１５】前記ゲルマニウムを含む物質の濃度が2
×10¹⁷から2×10¹⁹atoms/cm³の範囲であることを特徴と
する請求項２、請求項４、請求項６、請求項８または請
求項１０に記載の装置。