JP2002025905A

JP2002025905A - 半導体装置及びその作製方法

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Publication number: JP2002025905A
Application number: JP2000202985A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Toru Mitsuki; 亨三津木; Kenji Kasahara; 健司笠原; Takeomi Asami; 勇臣浅見; Yoshie Takano; 圭恵高野; Takeshi Shichi; 武司志知; Chiho Kokubo; 千穂小久保; Mitsuhiro Ichijo; 充弘一條; Satoshi Chokai; 聡志鳥海; Takashi Otsuki; 高志大槻
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-25
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: JP4865122B2

Abstract

(57)【要約】【課題】非晶質半導体膜を加熱処理とレーザー光また
は紫外線、赤外線などの強光の照射により結晶化して得
られる結晶質半導体膜の配向率を高め、そのような結晶
質半導体膜で活性領域を形成した半導体装置及びその作
製方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、｛１０１｝面の配向率の高い
結晶質半導体膜を得る技術であり、当該結晶質半導体膜
は、シリコンに対するゲルマニウムの組成比が０．１原
子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭素の濃度が
５×１０¹⁸／ｃｍ ³未満であり、酸素の濃度が１×１０
¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を加熱処理とレー
ザー光またはそれと同等な強光を照射して、非晶質半導
体膜を溶融させずに結晶化した半導体膜であることを特
徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は結晶構造を有する半
導体膜で活性領域を形成した半導体装置及びその作製方
法に関する。特に、本発明は当該半導体膜でチャネル形
成領域を形成する薄膜トランジスタ及びその作製方法に
好適に用いることができる。尚、本明細書において半導
体装置とは、半導体特性を利用して機能しうる装置全般
を指し、半導体集積回路、電気光学装置、及び半導体集
積回路や電気光学装置を搭載した電子機器は半導体装置
の範疇に含まれるものとする。

【０００２】

【従来の技術】ガラスや石英などの基板上に結晶構造を
有する半導体膜（以下、結晶質半導体膜という）を用い
て薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと記す）を作製する
技術が開発されている。ＴＦＴはフラットパネルディス
プレイの分野において、高精細な画像表示を実現する手
段として、又は、画素部と当該画素部の駆動に必要な集
積回路を同一基板上に形成したモノシリック型ディスプ
レイを実現することを可能としている。

【０００３】ＳＯＩ技術（Silicon on Insulator techn
ology）以外で結晶質半導体膜を形成するには、気相成
長法（ＣＶＤ法）により基板上に直接結晶質半導体膜を
形成する方法や、非晶質半導体膜を加熱処理、或いはレ
ーザー光の照射により結晶化させる方法が知られてい
る。しかし、ＴＦＴにおいては、良好な電気的特性が得
られることから後者の方法が積極的に用いられている。

【０００４】ガラスまたは石英などの基板上の非晶質半
導体膜を加熱処理やレーザー光の照射により結晶化した
結晶質半導体膜は多結晶構造となる。通常の場合、結晶
化は非晶質半導体膜と基板との界面に自然に発生する結
晶核が基となり結晶化が進むことが判明している。多結
晶構造における個々の結晶粒は任意な結晶面が析出して
いるが、下地に酸化シリコンがある場合には、その界面
エネルギーが最小となる（１１１）面の結晶が析出する
確率が高くなる。

【０００５】ところで、ＴＦＴに必要な半導体膜の厚さ
は１０〜１００ｎｍ程度である。この膜厚の範囲では、
格子の不整合により、異種材料である下地の影響を無視
することができず、高品質の結晶質半導体膜をガラスや
石英などの基板上に形成することが困難となる。また、
自然に発生する結晶核を当てにする結晶化方法では、結
晶方位を制御することは困難であり、また相互に干渉し
あう為、個々の結晶粒の大粒径化を望むことはできな
い。

【０００６】結晶質シリコン膜を形成する他の手法とし
て、非晶質シリコン膜にシリコンの結晶化を助長する元
素を導入し、従来よりも低い温度の加熱処理で結晶質シ
リコン膜を作製する技術が開示されている。例えば、特
開平７−１３０６５２号公報、特開平８−７８３２９号
公報では、非晶質シリコン膜にニッケルなどの金属元素
を導入し、５５０℃、４時間の熱処理により結晶質シリ
コン膜を得ることができる。

【０００７】この場合には、自然核が発生するより低い
温度で導入した元素のシリサイド化物が形成され、当該
シリサイドを基にした結晶成長が起こっている。例え
ば、ニッケルを用いて形成されるニッケルシリサイド
（ＮｉＳｉ_x（０．４≦ｘ≦２．５））は特定の配向性
を持たないが、非晶質シリコン膜の厚さを１０〜１００
ｎｍとすると基板表面に対し平行な方向しか殆ど成長す
ることが許されなくなる。この場合、ＮｉＳｉ_xと結晶
シリコンの（１１１）面とが接する界面エネルギーが最
も小さいので、結晶質シリコン膜の表面と平行な面は
（１１０）面となり、この格子面が優先的に配向する。
しかし、結晶成長方向が基板表面に対し平行な方向に柱
状に成長する場合には、その柱状結晶を軸とした回転方
向には自由度が存在するため、必ずしも（１１０）面が
配向するとは限らないため、その他の格子面も析出して
いた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】配向率が低い場合、異
なる方位の結晶がぶつかる結晶粒界で、格子の連続性を
保持することが殆ど不可能となり、不対結合手が多く形
成されることが容易に推定される。粒界にできる不対結
合手は再結合中心または捕獲中心となり、キャリア（電
子・ホール）の輸送特性を低下させている。その結果、
キャリアが再結合で消滅したり欠陥にトラップされたり
するため、このような結晶質半導体膜を用いてＴＦＴを
作製しても高い電界効果移動度を有するＴＦＴを期待す
ることができない。

【０００９】また、結晶粒の位置を意図的に制御するこ
とは殆ど不可能であり、結晶粒界はランダムに存在する
ため、ＴＦＴのチャネル形成領域を特定の結晶方位をも
つ結晶粒で形成することができない。そのために結晶格
子の連続性が低下して、結晶粒界では欠陥が形成され
る。結果として、ＴＦＴの特性をばらつかせる要因とな
り、様々な悪影響をもたらすことになる。例えば、電界
効果移動度が低下して、ＴＦＴを高速で動作させること
ができなくなる。また、しきい値電圧の変動は低電圧駆
動を不可能として、消費電力の増加をもたらすことにな
る。

【００１０】本発明はこのような問題点を解決する手段
を提供することを目的とし、非晶質半導体膜を加熱処理
とレーザー光または紫外線、赤外線などの強光の照射に
より結晶化して得られる結晶質半導体膜の配向率を高
め、そのような結晶質半導体膜で活性領域を形成した半
導体装置及びその作製方法を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、｛１０１｝面
の配向率の高い結晶質半導体膜を得る技術であり、当該
結晶質半導体膜は、シリコンに対するゲルマニウムの組
成比が０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及
び炭素の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の
濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を
加熱処理とレーザー光またはそれと同等な強光を照射し
て、非晶質半導体膜を溶融させずに結晶化した半導体膜
であることを特徴としている。

【００１２】そして、本発明の結晶質半導体膜の配向率
は、反射電子線回折パターン法で検出される｛１０１｝
格子面の結晶質半導体膜の表面となす角が１０度以内で
ある割合が２０％以上であり、かつ、｛００１｝格子面
の結晶質半導体膜の表面となす角が１０度以内である割
合が３％以下であり、かつ、｛１１１｝格子面の結晶質
半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が５％
以下であることを特徴としている。｛１０１｝格子面の
結晶質半導体膜の表面となす角が５度以内である割合が
について見れば５％以上となる。

【００１３】上記本発明の結晶質半導体膜の作製方法
は、シリコンに対するゲルマニウムの組成比が０．１原
子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭素の濃度が
５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度が１×１０
¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を形成する第１の
工程と、非晶質半導体膜に当該非晶質半導体膜の結晶化
を助長する元素を添加して加熱処理を行い結晶構造を有
する半導体膜を形成する第２の工程と、結晶構造を有す
る半導体膜にレーザー光またはそれと同等な強光を照射
して、溶融させることなくアニールを行う第３の工程と
を有することを特徴としている。

【００１４】また、他の方法は、シリコンに対するゲル
マニウムの組成比が０．１原子％以上１０原子％以下で
あり、窒素及び炭素の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満で
あり、酸素の濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶
質半導体膜を形成する第１の工程と、非晶質半導体膜に
当該非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素を添加して
第１の加熱処理を行い結晶構造を有する半導体膜を形成
する第２の工程と、結晶構造を有する半導体膜にレーザ
ー光またはそれと同等な強光を照射して、溶融させるこ
となくアニールを行う第３の工程と、結晶構造を有する
半導体膜の上層に水素を含有する窒化シリコン膜または
酸化窒化シリコン膜を形成する第４の工程と、第４の工
程の後に、第２の加熱処理と第３の加熱処理を行う第５
の工程とを有していることを特徴としている。

【００１５】非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素
は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉ
ｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種で
あり、非晶質半導体膜の厚さは１０ｎｍ〜１００ｎｍの
厚さで形成する。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明において、ＴＦＴのチャネ
ル形成領域に用いる半導体膜は、｛１１０｝格子面の配
向率が高いシリコンとゲルマニウムから成る結晶質半導
体膜であることに特徴を有している。このような結晶質
半導体膜を得る典型的な一実施形態は、シリコン原子及
びゲルマニウム原子の水素化物またはフッ化物または塩
化物によるガスを用い、プラズマＣＶＤ法または減圧Ｃ
ＶＤ法により非晶質半導体膜を形成し、その表面に該非
晶質半導体膜の結晶化を助長する元素を導入し、当該元
素を利用して加熱処理とレーザー光または紫外線、赤外
線などの強光の照射により結晶化して結晶質半導体膜を
形成する。

【００１７】このような結晶質半導体膜を形成するため
の基板は、アルミナホウケイ酸ガラスやバリウムホウケ
イ酸ガラスなどの無アルカリガラス基板が適している。
代表的にはコーニング社の＃７０５９ガラス基板や＃１
７３７ガラス基板を用いる。その他に石英基板やサファ
イア基板を用いても良い。或いは、シリコン、ゲルマニ
ウム、ガリウム・砒素などの半導体基板の表面に絶縁膜
を形成し、これを基板としても良い。

【００１８】また、基板として上記ガラス基板を用いる
場合には、非晶質半導体膜とガラス基板との間に窒化シ
リコン、酸化シリコン、または酸化窒化シリコンなどで
ブロッキング層を形成する。こうして、ガラス基板中に
含まれるアルカリ金属元素などの不純物元素が半導体膜
中に拡散することを防ぐ。例えば、プラズマＣＶＤ法で
ＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂を反応ガスとして用い、窒化シリ
コン膜を形成する。または、ＳｉＨ₄、Ｎ₂Ｏ、ＮＨ₃を
反応ガスとして用い、酸化窒化シリコン膜を形成する。
ブロッキング層の厚さは２０〜２００ｎｍで形成する。

【００１９】このような基板上に上記非晶質半導体膜を
形成する。プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法、その
他適宣の方法により行う。プラズマＣＶＤ法を適用する
場合には、ＳｉＨ₄とＧｅＨ₄とから成る反応ガス、或い
は、ＳｉＨ₄とＨ₂で希釈したＧｅＨ₄とから成る反応ガ
スを加えて反応室に導入し、１〜２００ＭＨｚの高周波
放電により分解し基板上に非晶質半導体膜を堆積させ
る。反応ガスは、ＳｉＨ ₄の代わりにＳｉ₂Ｈ₆またはＳ
ｉＦ₄を、ＧｅＨ₄の代わりにＧｅＦ₄を採用しても良
い。減圧ＣＶＤ法を用いる場合にも同様な反応ガスを適
用することが可能であり、好ましくはＨｅで反応ガスを
希釈して、４００〜５００℃の温度で基板上に非晶質半
導体膜を堆積する。いずれにしても、本発明で用いる上
記ガスは、堆積される非晶質半導体膜に取り込まれる酸
素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度を低減するため
に高純度に精製されたものを用いる。堆積する非晶質半
導体膜の厚さは１０〜１００ｎｍの範囲とする。

【００２０】本発明に用いる非晶質半導体膜は、シリコ
ンとゲルマニウムとから成り、シリコンに対するゲルマ
ニウムの含有量は０．１原子％以上、１０原子％未満と
する。このような非晶質半導体膜は、代表的な反応ガス
として用いられるＳｉＨ₄とＧｅＨ₄の混合比を調節する
ことで、ゲルマニウムの含有量を所定の範囲内とするこ
とができる。また、非晶質半導体中に含まれる異種元素
として、窒素及び炭素の濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³未
満、酸素の濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³未満とする。結晶
化の過程においてこれらの不純物は、主に結晶粒の粒界
に析出し、粒界のポテンシャル障壁が高くなりキャリア
ーの移動度が低下する等の不具合が生じてしまう。

【００２１】ここで、本明細書ではこれらの異種元素の
濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により検出
される濃度を言うものであり、当該膜中における濃度の
最低値を指している。

【００２２】上記のように形成した非晶質半導体膜に、
該非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素を導入する。
そのような元素としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎ
ｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウ
ム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスニウム（Ｏ
ｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃ
ｕ）、金（Ａｕ）から選ばれた一種または複数種の元素
を用いる。これらの元素は、本明細書に記載する何れの
発明においても非晶質半導体膜の結晶化を助長する元素
として使用することができる。上記いずれの元素を用い
ても同質、同様の効果を得ることができるが、代表的に
はニッケルを用いる。

【００２３】当該元素を導入する箇所は、非晶質半導体
膜の全面、或いは非晶質半導体膜の膜面における適宣箇
所のスリット状の面または点状の面などとする。前者の
場合には、当該非晶質半導体膜の基板側に位置する面ま
たは基板側とは反対の面のいずれであっても良い。後者
の場合には、好ましくは非晶質半導体膜上に絶縁膜が形
成され、その絶縁膜に設けられた開孔を利用して元素を
導入することができる。開孔の大きさに特に限定はない
が、その幅は１０〜４０μｍとすることができる。ま
た、その長手方向の長さは任意に決めれば良く、数十μ
ｍ〜数十ｃｍの範囲とすることができる。

【００２４】当該元素を導入する方法は、当該元素を非
晶質半導体膜の表面又は内部に存在させる手法であれば
特に限定はなく、例えば、スパッタ法、蒸着法、プラズ
マ処理法（含むプラズマＣＶＤ法）、吸着法、金属塩の
溶液を塗布する方法などを使用することができる。プラ
ズマ処理法は、不活性ガスによるグロー放電雰囲気にお
いて、陰極からスパッタされる当該元素を利用する。ま
た、金属塩の溶液を塗布する方法は簡易であり、当該元
素の濃度調整が容易である点で有用である。

【００２５】金属塩としては各種塩を用いることが可能
であり、溶媒としては水、アルコール類、アルヒデト
類、エーテル類その他の有機溶媒、または水とこれらの
有機溶媒の混合物を用いることができる。また、それら
の金属塩が完全に溶解した溶液とは限らず、金属塩の一
部または全部が懸濁状態で存在する溶液であっても良
い。いずれの方法を採用するにしても、当該元素は非晶
質半導体膜の表面又は内部に分散させて導入する。

【００２６】上記何れかの方法で当該元素を導入した
後、当該元素を利用して非晶質半導体膜の結晶化を行
う。結晶化は加熱処理、レーザー光または紫外線、赤外
線などの強光の照射によって行う（以下、本明細書では
一括してレーザー処理と標記する）。加熱処理のみでも
｛１０１｝に優先的に配向する結晶質シリコン膜を得る
ことができるが、好ましくは、加熱処理を行いその後レ
ーザー光などの強光の照射を行う方法を適用する。加熱
処理後のレーザー処理は、結晶粒内に残される結晶欠陥
を修復することができ、作製される結晶の品質を向上さ
せる目的に対して有効な処置となる。

【００２７】加熱処理は４５０〜１０００℃の範囲で行
うことが可能であるが、温度の上限は使用する基板の耐
熱温度が一つの上限として考慮される。例えば、石英基
板を用いる場合には１０００℃の熱処理にも耐えるが、
ガラス基板の場合にはその歪み点以下が上限温度の一つ
の根拠となる。例えば、歪み点６６７℃のガラス基板に
対しては、６６０℃程度が上限となり、好ましくは６０
０℃以下とするのが良い。必要とされる時間は加熱温度
や、その後の処理条件（例えばレーザー光を照射する処
理の有無など）により若干異なるが、好適には５５０〜
６００℃にて４〜２４時間の加熱処理を行う。また、そ
の後レーザー処理を行う場合には、５００〜５５０℃に
て４〜８時間の熱処理を行う。以上の加熱処理は空気中
や水素雰囲気中でも良いが、好適には窒素或いは不活性
ガス雰囲気中にて行う。

【００２８】また、レーザー処理は、波長４００ｎｍ以
下のエキシマレーザーや、ＹＡＧまたはＹＶＯ₄レーザ
ーの第２高調波（波長５３２ｎｍ）〜第４高調波（波長
２６６ｎｍ）を光源として用いて行う。これらのレーザ
ー光は光学系にて線状またはスポッ状に集光し、そのエ
ネルギー密度を１００〜３００ｍＪ／ｃｍ²として照射
し、上記のように集光したレーザービームを基板の所定
の領域に渡って走査させ処理を行う。その他、レーザー
の代わりに、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ラ
ンプ、メタルハライドランプなどを光源としても良い。

【００２９】以上のような工程により、本発明における
｛１０１｝面の配向率が高い結晶質半導体膜が得られる
モデルは、概略以下のように推測することができる。そ
れについて図２４を参照しながら説明する。

【００３０】基板２４０１上に形成された非晶質半導体
膜２４０２に導入されたシリコンの結晶化を助長する元
素は、脱水素処理中に速やかに非晶質半導体２４０２中
に拡散する。そして、当該元素とシリコンが反応してシ
リサイド２４０３が形成され、これが結晶核となりその
後の結晶成長に寄与する。例えば、代表的な元素として
ニッケルを用いた場合、ＮｉＳｉ_xが形成される。しか
し、ＮｉＳｉ_x中にはゲルマニウムが殆ど固溶しないた
め、非晶質半導体２４０２中のＮｉＳｉ_xは、ゲルマニ
ウムを周囲に排除しつつ移動する。

【００３１】ＮｉＳｉ_xは特定の配向性を持たないが、
非晶質半導体膜の厚さを１０〜１００ｎｍとすると基板
表面に対し平行な方向しか殆ど成長することが許されな
くなる。この場合、ＮｉＳｉ_xと結晶シリコンの（１１
１）面とが接する界面エネルギーが最も小さいので、結
晶質シリコン膜の表面と平行な面は（１１０）面とな
り、この格子面が優先的に配向する。結晶成長方向が基
板表面に対し平行な方向に、しかも柱状に成長する場合
には、その柱状結晶を軸とした回転方向には自由度が存
在するため、必ずしも（１１０）面が配向するとは限ら
ないため、その他の格子面も析出することになる。

【００３２】ＮｉＳｉ_xから見ると、周囲の非晶質半導
体のみに原子半径の大きいゲルマニウムが存在している
ため、大きな歪み（引っ張り応力）が発生していること
が予想される。この歪みエネルギーにより、核生成の臨
界半径を大きくする方向に働く。さらに、この歪み（引
っ張り応力）は、ＮｉＳｉ_xによる核の結晶方位に制限
を与え、特定の結晶面（具体的には、｛１０１｝面）の
配向率を高める作用があると推測される。

【００３３】ＮｉＳｉ_xの構造はホタル石型構造であ
り、ダイアモンド型構造のシリコン格子間にニッケル原
子を配置した構造となっている。ＮｉＳｉ_xからニッケ
ル原子が無くなるとシリコンの結晶構造が残ることにな
る。数々の実験の結果から、ニッケル原子は非晶質シリ
コン側に移動していくことが判明しており、この理由は
非晶質シリコン中の固溶度の方が結晶シリコン中のそれ
よりも高いためであると考えられる。従って、恰もニッ
ケルが非晶質シリコン中を移動しながら結晶シリコン膜
２４０４を形成するというモデルを立案することができ
る。

【００３４】本発明は、結晶質半導体膜の｛１０１｝面
の配向を高めるために、シリコンとゲルマニウムから成
る非晶質半導体膜にシリコンの結晶化を助長する元素を
添加して、加熱処理とレーザー処理を行って結晶化させ
る。

【００３５】ところで、非晶質半導体膜、具体的には非
晶質シリコン膜に０．１〜１０原子％のゲルマニウムを
含有させると結晶核の発生密度が低下することが、本発
明者により見いだされている。図１３は結晶核の隣接間
距離について、ＧｅＨ₄の添加量依存性について調べた
結果であり、縦軸はその累積度数を示している。成膜条
件として、ＳｉＨ₄と水素で１０％に希釈したＧｅＨ₄の
合計流量は１００ＳＣＣＭ一定としたものである。

【００３６】図１３（Ａ）はシリコンの結晶化を助長す
る元素として、酢酸ニッケル塩が３ｐｐｍの水溶液を用
いた結果であり、図１３（Ｂ）は１ｐｐｍの結果を示し
ている。ＧｅＨ₄の添加量の増加は、非晶質シリコン中
に含まれるゲルマニウム濃度がそれに伴って増えること
を意味する。図１３（Ａ）、（Ｂ）の結果は、いずれも
ＧｅＨ₄の添加量が多い方が結晶核の隣接間距離が長く
なることを示している。図１４はこの結果を基に、Ｇｅ
Ｈ₄の添加量に対する結晶核の密度を示している。Ｇｅ
Ｈ₄の量が増加するに従い、結晶核密度が低下している
傾向が示されている。

【００３７】核生成理論の立場からは、体積Ｖの核が母
相中に現れる際のエネルギー変化ΔＧは次式で与えられ
る。

【００３８】

【数１】

【００３９】ここで、ΔＧｖは単位体積当たりの自由エ
ネルギー変化（負）であり、右辺第１項は核生成の駆動
力となる。一方、Ｅは単位体積当たりの歪みエネルギー
であり、γｓは単位体積当たりの界面エネルギー（Ｓは
析出した核の表面積）であり、第２項、第３項は核の析
出を妨害する方向に働く。これら二つの項があるため、
ある臨界半径ｒ₀以下の核はエネルギー的に不安定（Δ
Ｇがｒと共に増加する）であり、一時的に現れたとして
も消滅してしまう。即ち、ｒ₀を超えた核のみが安定化
することを示している。このことは上記考察において、
非晶質シリコン膜中にゲルマニウムが存在することによ
り核生成の臨界半径を大きくする方向に働くことを裏付
けている。

【００４０】次に上述の本発明に基づいて作製される結
晶質半導体膜について、その作製条件の一例を示す。表
１はプラズマＣＶＤ法で作製する非晶質半導体膜の作製
条件である。反応ガスはＳｉＨ₄と水素で１０％に希釈
されたＧｅＨ₄を用いる。これらの反応ガスは、形成さ
れる非晶質半導体膜に含まれる酸素、窒素、炭素の不純
物濃度を低減させるために、ＳｉＨ₄の純度は９９．９
９９９％以上のものを、またＧｅＨ₄は窒素、炭化水素
化合物が１ｐｐｍ以下、ＣＯ₂が２ｐｐｍ以下の高純度
品を用いている。第１の非晶質半導体膜において、シリ
コンに対するゲルマニウムの含有量を変化させるため
に、合計流量が一定になるようにして、ＳｉＨ ₄とＨ₂で
１０％に希釈したＧｅＨ₄のガス流量の混合比を変化さ
せている。共通条件としては、高周波電力が０．３５Ｗ
／ｃｍ²（２７ＭＨｚ）であり、繰り返し周波数１０ｋ
Ｈｚ（デューティ比３０％）のパルス放電に変調して平
行平板型のプラズマＣＶＤ装置の陰極に給電する。その
他、共通条件として反応圧力３３．２５Ｐａ、基板温度
３００℃、電極間隔３５ｍｍとする。

【００４１】

【表１】

【００４２】図９はプラズマＣＶＤ装置の一例であり、
共通室１１２０は、ロード・アンロード（Ｌ／ＵＬ）室
１１１０、１１１５、反応室（１）〜反応室（３）１１
１〜１１３、予備室１１４とゲート弁１１２２〜１１２
７を介して連結されている。基板は、ロード・アンロー
ド（Ｌ／ＵＬ）室１１１０、１１１５のカセット１１２
８、１１２９に装填され、共通室１１２０の搬送手段１
１２１により各反応室または予備室に搬送される。予備
室１１４では主に基板の予備加熱のみを行い、反応室
（１）では窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などの絶縁
膜の形成、反応室（２）では非晶質半導体膜の成膜の形
成を行い、反応室（３）ではシリコンの結晶化を助長す
る元素をプラズマ処理により添加するように分離されて
いる。このプラズマ処理は、不活性ガスのグロー放電に
より、ニッケルなどの上記結晶化を助長する元素で形成
された陰極からスパッタされる元素を非晶質半導体膜に
付着させる処理である。このような構成のプラズマＣＶ
Ｄ装置を用いれば、基板に密接して形成するブロッキン
グ層から非晶質半導体膜、及び非晶質半導体膜の結晶化
を助長する元素の添加までを、大気に曝すことなく連続
して形成することができる。

【００４３】図１０はこのようなプラズマＣＶＤ装置の
一つの反応室の構成を詳細に説明するものであり、非晶
質半導体膜を形成する反応室の一例を示している。反応
室５０１は、高周波電源５０５が接続する陰極（カソー
ド）５０２、陽極（アノード）５０３が設けられた平行
平板型である。陰極５０２はシャワー板となっていて、
ガス供給手段５０６からの反応ガスは、このシャワー板
を通して反応室中に供給される。陽極５０３にはシーズ
ヒーターなどによる加熱手段が設けられ、基板５１５が
設置されている。ガス供給系の詳細は割愛するが、Ｓｉ
Ｈ₄やＧｅＨ₄などが充填されたシリンダー５１４、ガス
の流量を制御するマスフローコントローラー５１２、ス
トップバルブ５１３などから構成されている。排気手段
５０７は、ゲートバルブ５０８、自動圧力制御弁５０
９、ターボ分子ポンプ（または複合分子ポンプ）５１
０、ドライポンプ５０７から成っている。ターボ分子ポ
ンプ（または複合分子ポンプ）５１０、ドライポンプ５
０７は潤滑油を使用しないもので、油の拡散による反応
室内の汚染を完全に無くしている。排気速度は、反応室
の容積１３Ｌの反応室に対し、一段目に排気速度３００
Ｌ／秒のターボ分子ポンプ、二段目に排気速度４０ｍ³
／ｈｒのドライポンプを設け、排気系側から有機物の蒸
気が逆拡散してくるのを防ぐと共に、反応室の到達真空
度を高め、非晶質半導体膜の形成時に不純物元素が膜中
に取り込まれることを極力防いでいる。

【００４４】こうしてプラズマＣＶＤ法で作製される非
晶質半導体膜に含まれる窒素、炭素、酸素のそれぞれの
含有量は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって
測定されている。図１１にそのデータを示す。測定に用
いた試料は、シリコン基板上にＳｉＨ₄のみ（ＳＪ
０）、水素で１０％に希釈したＧｅＨ₄を５ＳＣＣＭ添
加した条件（ＳＪ１）、同１０ＳＣＣＭ添加した条件
（ＳＪ２）の順に積層したものであるが、いずれの成膜
条件においても窒素、炭素の含有量は５×１０¹⁸／ｃｍ
³未満、酸素の含有量は1×１０¹⁹／ｃｍ³未満である。

【００４５】絶縁表面上に形成する非晶質半導体膜は１
０〜１００ｎｍの厚さで形成する。非晶質半導体膜には
シリコンに対して原子半径の大きなゲルマニウムを含有
し、結晶核の生成密度を小さくすることができる。図１
２はこうして得られた非晶質半導体膜のゲルマニウム濃
度をＳＩＭＳにより測定した結果を示す。シリコンに対
してゲルマニウムの含有量は、ＳＪ１で１．５原子％、
ＳＪ２では３.５原子％、ＳＪ３では１１.０原子％の濃
度で含まれている。ＳｉＨ₄に対するＧｅＨ₄の流量比か
ら換算すると、シリコンに対してゲルマニウムは３〜４
倍の割合で膜中に取り込まれている。これは、ＳｉＨ₄
に対しＧｅＨ₄の方がグロー放電にて分解するエネルギ
ーが小さいためである。

【００４６】非晶質半導体膜の結晶化は、シリコンの結
晶化を助長する元素としてニッケルを用い、５００〜６
００℃の加熱処理、または加熱処理とレーザー処理を行
う。代表的な処理条件として、窒素雰囲気中５５０℃に
て４時間の加熱処理及びレーザー処理を行う方法があ
る。ニッケルは酢酸ニッケルを１０ｐｐｍの濃度で含有
する水溶液を用い、スピナーで塗布する。また、レーザ
ー処理はＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）
を用い、照射エネルギー密度５０〜２００ｍＪ／ｃ
ｍ²、重ね合わせ率９５〜９８％で照射する。レーザー
処理は半導体膜が溶融しない条件とし、レーザー光を用
いた加熱処理により、未結晶化部分の結晶化や、結晶粒
内の欠陥を補修するために行う。

【００４７】図１５は結晶質半導体膜のゲルマニウム濃
度の分布を示し、図１５（Ａ）はレーザー処理無し、図
１５（Ｂ）はレーザー処理有り（４７１ｍＪ／ｃ
ｍ²）、図１５（Ｃ）はレーザー処理有り（５２１ｍＪ
／ｃｍ²）後の状態を示している。いずれにしても、レ
ーザー処理後のものは、ゲルマニウム濃度が膜の表面側
で高くなっている。これは、レーザー光の照射により半
導体膜が溶融し、ゲルマニウムが偏析したためである。

【００４８】偏析現象は、融液中の不純物濃度と、その
融液から成長した結晶中の不純物濃度が異なることで認
識される。これは、２元系相図において、液相線と固相
線が分離していることに対応する。この場合、固化の過
程で融液から結晶内に入りにくい不純物は固化後に結晶
表面近傍に偏析する。偏析の度合いを表す界面偏析係数
は以下の式で定義される。

【００４９】

【数２】

【００５０】通常の引き上げ法や浮融耐帯法などの場
合、固液界面の移動速度は１〜５ｍｍ／ｍｉｎである。
一方、パルスレーザー光の照射後における固液界面の移
動速度（固相成長速度）は、１〜１０ｍ／ｓｅｃであ
る。従ってねパルスレーザー光の照射後におこる固化
は、通常の引き上げ法や浮融耐帯法などの場合と比較し
てその速度が10⁴〜10⁵倍となる。固液界面の移動速度が
速いほど、融液中原子が拡散するのに十分な時間がな
く、原子配列が液相状態のままで凍結することになる。
通常の引き上げ法や浮融耐帯法などの場合、ｋ^*＝ｋ
₀（ｋ：平衡偏析係数または平衡分配係数）になるが、
成長界面で非平衡度が大きいほどｋ^*はｋ₀よりずれてく
る。このような界面偏析係数k*の求め方およびk*の固化
速度依存性については、"高速結晶成長−半導体のレー
ザーアニーリング−：千川純一、佐藤史郎、応用物理
第５４巻第６号（１９８５）" で詳しく述べられてい
る。

【００５１】図１６はパルスレーザー光を照射した結晶
質半導体膜中のゲルマニウム濃度の分布を一方向凝固
（Normal freezing）の式でフィッティングすることに
よって、固液界面偏析係数を求めたものである。偏析係
数が１の場合には、偏析しないことになるが、シリコン
中のゲルマニウムの平衡偏析係数は０．３３であること
が知られている。図１５のデータからパルスレーザー光
を照射して溶融−固化させた場合には、偏析係数は０．
６が求められている。

【００５２】本発明者が試作したＴＦＴにおいて、結晶
質半導体膜の表面にゲルマニウムが偏析した状態の試料
では良好な特性を得ることができなかった。その理由は
種々あると推測されるが、化学量論的組成のずれから生
じる欠陥というよりは、むしろ１０〜１００ナノ秒のパ
ルスレーザー光の照射により瞬間的に起こった溶融−固
化の過程において、融点の低いゲルマニウムが特定の領
域に偏析して、かつ、欠陥を生成したためであると推測
することができる。

【００５３】結晶質シリコン膜で実績のあるように、本
来このような欠陥は水素化処理により終端して不活性化
させることができるが、ゲルマニウムの場合には水素の
離脱開始温度がシリコンの場合より１００℃近く低く、
よって水素により欠陥を補償する水素化処理が困難であ
る。

【００５４】プラズマにより生成された水素を用いるプ
ラズマ水素化は有効な手段として採用することができ
る。それ以外の手法として、効果的な水素化の方法は、
プラズマＣＶＤ法で２００〜３００℃、好ましくは２５
０℃にて窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形
成し、その後４１０℃の加熱処理で窒化シリコン膜中の
水素を放出させ、２５０〜３５０℃の温度で０．１〜１
時間保持する加熱処理を行い、このように２段階に温度
を変化させて水素化を行う方法である。

【００５５】こうして｛１０１｝面に対して高い配向性
を示す結晶質半導体膜は、非晶質半導体膜においてゲル
マニウムの濃度を０．１〜１０原子％の範囲で添加し、
当該膜中に含まれる酸素を１×１０¹⁹／ｃｍ³未満に、
窒素、炭素の元素の濃度を５×１０¹⁸／ｃｍ³未満と
し、膜厚を１０〜１００ｎｍの範囲として、基板表面と
平行な方向の成長が支配的となるようにして、シリコン
の結晶化を助長する元素を添加してた後、溶融させるこ
となく加熱処理とレーザー処理を行って結晶化させるこ
とで得ることができる。

【００５６】本発明の結晶質半導体膜はこれらの相乗効
果により初めて得られるものであり、このような｛１１
０｝面の配向率の高い結晶質半導体膜はＴＦＴのチャネ
ル形成領域、光起電力素子の光電変換層など素子の特性
を決定付けるチャネル形成領域に好適に用いることがで
きる。

【００５７】結晶の配向率に関して言えば、複数の結晶
粒が集合している結晶質半導体において、各結晶粒の結
晶方位及びその分布は反射電子回折パターン（ＥＢＳ
Ｐ：Electron Backscatter diffraction Pattern）によ
り詳細に求めることができる。ＥＢＳＰは走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscopy）に専用
の検出器を設け、一次電子の後方散乱から結晶方位を分
析する手法である（以下、この手法を便宜上ＥＢＳＰ法
と呼ぶ）。ＥＰＳＰを用いた結晶半導体膜の評価は、"M
icrotexture Analysis of Location Controlled Large
Si Grain Formedby Exciter-Laser Crystallization Me
thod: R. Ishihara and P. F. A. Alkemade, AMLCD'99
Digest of Technical Papers 1999 Tokyo Japan, pp99-
102"に紹介されている。

【００５８】この測定方法は、結晶構造を持った試料に
電子線が入射すると、後方にも非弾性散乱が起こり、そ
の中には試料中でブラッグ回折による結晶方位に特有の
線状パターン(一般に菊地像と呼ばれる)も合わせて観察
される。ＥＢＳＰ法は検出器スクリーンに映った菊地像
を解析することにより試料の結晶方位を求めている。試
料の電子線の当たる位置を移動させつつ方位解析を繰り
返す(マッピング測定)ことで、面状の試料について結晶
方位または配向の情報を得ることができる。入射電子線
の太さは、走査型電子顕微鏡の電子銃のタイプにより異
なるが、ショットキー電界放射型の場合、１０〜２０ｎ
ｍの非常に細い電子線が照射される。マッピング測定で
は、測定点数が多いほど、また測定領域が広いほど、結
晶配向のより平均化した情報を得ることができる。実際
には、１００×１００μｍ²の領域で、１００００点
（１μｍ間隔）〜４０００点（０．５μｍ間隔）の程度
の測定を行っている。

【００５９】マッピング測定により各結晶粒の結晶方位
がすべて求まると、膜に対する結晶配向の状態を統計的
に表示できる。図２３（Ａ）にＥＢＳＰ法により求めら
れる逆極点図の例を示す。逆極点図は多結晶体の優先配
向を表示する際によく用いられるもので、試料のある特
定の面(ここでは膜表面)が、どの格子面に一致している
かを集合的に表示したものである。

【００６０】図２３（Ａ）の扇形状の枠は一般に標準三
角形と呼ばれるもので、この中に立方晶系における全て
の指数が含まれている。またこの図中における長さは、
結晶方位における角度に対応している。たとえば｛００
１｝と｛１０１｝の間は４５度、｛１０１｝と｛１１
１｝の間は３５．２６度、｛１１１｝と｛００１｝の間
は５４．７４度である。また、白抜きの点線は｛１０
１｝からのずれ角５度及び１０度の範囲を示している。

【００６１】図２３（Ａ）は、マッピングにおける全測
定点(この例では１１６５５点)を標準三角形内にプロッ
トしたものである。｛１０１｝付近で点の密度が濃くな
っていることがわかる。図２３（Ｂ）は、このような点
の集中度を等高線表示したものである。ここで数値は各
結晶粒が完全に無秩序な配向だと仮定した場合、すなわ
ち標準三角形内に点を偏りなく分布させた場合に対する
倍率を示しており無次元数である。

【００６２】このように特定の指数（ここでは｛１０
１｝）に優先配向している事がわかった場合、その指数
近傍にどの程度の結晶粒が集まっているか、その割合を
数値化することで、優先配向の度合いをよりイメージし
やすくなる。例えば図２３（Ａ）に例示した逆極点図に
おいて｛１０１｝からのずれ角５度及び１０度の範囲
（図中に白点線で示す）に存在する点数の全体に対する
割合を配向率として次式により求めて示すことができ
る。

【００６３】

【数３】

【００６４】この割合は、次のように説明することもで
きる。図２３（Ａ）のように｛１０１｝付近に分布が集
中している場合、実際の膜においては各結晶粒の＜１０
１＞方位は基板に概略垂直であるが、その周りにやや揺
らぎを持って並んでいることが予想される。この揺らぎ
の角に許容値を５度、１０度と設け、それより小さいも
のの割合を数値で示してゆく。以上に説明したように許
容ずれ角を５度及び１０度と定め、それを満たす結晶粒
の割合を表示してゆくことにより配向率を求めることが
できる。

【００６５】図２１は石英基板上にプラズマＣＶＤ法で
作製した５４ｎｍの非晶質シリコン膜を６００℃にて２
０時間の加熱処理により結晶化して得られた結晶質シリ
コン膜の逆極点図を示している。この試料では｛１１
１｝面に強く配向していることがわかる。また、非晶質
シリコン膜にニッケルを添加して５５０℃にて４時間の
熱処理により得られた結晶質半導体膜の逆極点図を図２
２に示すが、この場合は｛１０１｝面の配向率が１２％
であり、その他に｛００１｝と｛１１１｝の中間にある
｛３１１｝面に配向している。

【００６６】図１７は表１におけるＳＪ２の条件で作製
した非晶質シリコン膜を用い、添加する酢酸ニッケルを
含有する水溶液のニッケル濃度を１〜３０ｐｐｍの範囲
で変化させて作製した結晶質半導体膜の逆極点図を示し
ている。結晶化は、５８０℃にて４時間の加熱処理を行
ったものである。結晶の配向率は｛１０１｝に強く配向
して、その他に｛００１｝と｛１１１｝の中間にある
｛３１１｝面に配向している傾向が見られる。｛１０
１｝の配向率はニッケルの濃度依存性が見られ、低濃度
になるに従い配向率が高くなっている。表２は図１の逆
極点図より、｛１０１｝配向率のニッケル水溶液濃度を
まとめた結果である。図１８は｛１０１｝配向率のニッ
ケル濃度依存性を示すグラフであり、ＧｅＨ₄の添加量
が５ＳＣＣＭと１０ＳＣＣＭである場合を示している。
配向率は#ＳＧＮ１０の場合にニッケル濃度と強い相関
を示し、０．１ｐｐｍのニッケル水溶液濃度において６
１％の配向率が得られている。この結果を表２に示す。
また、参照データとして示す図２２は、ＧｅＨ₄を添加
しないＳＪ０の条件で作製した結晶質半導体膜の逆極点
図であり、｛１０１｝の配向率は１２％である。

【００６７】

【表２】

【００６８】表３は逆極点図を基にして、各種試料につ
いて｛１０１｝、｛００１｝、｛１１１｝、｛１１３｝
の配向率を、各格子面が膜表面となす角度が５度以内、
及び１０度以内の範囲にある割合を求めた結果を示して
いる。表３においてＨＳはニッケルなどを用いないで結
晶化させた結晶質半導体膜の配向率であり、｛１１３｝
と｛１１１｝の配向率が高く、それぞれ１８％（１０度
以内）、１２％（１０度以内）となっている。また、Ｓ
Ｊ０は｛１０１｝と｛３１１｝の配向率が高くなってい
る。｛３１１｝は対称性の立場から等価な格子面の数が
他と比較して最も多く、ランダムに配向する多結晶体で
は発生する確率がその分高くなる。

【００６９】

【表３】

【００７０】一方、ゲルマニウムを添加したＳＪ１〜３
においても、試料内の比較において傾向が見られ、膜中
に含有するゲルマニウム濃度により結晶の配向が変化す
ることを示している。ＳＪ１、２で特に注目される傾向
は、他の格子面に対して｛１０１｝格子面の配向が強
く、ＳＪ２ではずれ角１０度以内が３１％、５度以内で
も１４％となっている。また、ＳＪ１ではずれ角１０度
以内が２０％、５度以内で６％となっている。このよう
な｛１０１｝格子面に対する高い配向率はゲルマニウム
を添加しない他の試料では達成されない新規な効果が得
られている。

【００７１】しかし、ＳＪ３において、膜中に含有する
ゲルマニウムの含有量が１１原子％に増加すると｛１０
１｝格子面の配向率は低下してしまうことが示されてい
る。また、ＳＪ１において１．５原子％に低下しても配
向率が２０％低下している。従って、この結果が意味す
るところは、｛１０１｝の配向率を高めるためには非晶
質シリコン膜中に含有させるゲルマニウムの濃度には適
した範囲があり、その濃度範囲は０．１原子％から１０
原子％、好ましくは１〜５原子％程度であることがわか
る。

【００７２】勿論、このような｛１０１｝格子面に対し
て高い配向性を示す結晶質半導体膜は、添加するゲルマ
ニウムの濃度を０．１〜１０原子％の範囲で添加するだ
けでなく、膜中に含まれる酸素、窒素、炭素の元素の濃
度を１×１０¹⁹／ｃｍ³未満にすること、及び膜厚を２
０〜１００ｎｍの範囲として、基板表面と平行な方向の
成長が支配的となるようにすることの相乗効果により達
成される。

【００７３】さらに、このような結晶質半導体膜の構造
をＸ線回折から評価した。Ｘ線回折法では、回折角2θ
をスキャンしながら回折強度の測定を行う。このとき強
度がピークとなった2θの測定からブラッグの式(2d sin
θ=λ、λはＸ線の波長)格子面間隔ｄを求めることがで
きる。ここで2θスキャンを遅くしてピーク位置を精密
に求めると、格子に加わっている歪についての情報も得
ることができる。

【００７４】測定は、表３のＳＪ０で示される結晶質シ
リコン膜、及びゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜に
ついて測定を行い、ｄ値を比較した。両者とも石英基板
を使用した。膜厚は５４ｎｍ、酢酸ニッケルの添加量１
０ｐｐｍの水溶液、結晶化５００℃にて１時間と５８０
℃にて８時間の加熱処理で作製したものである。測定は
膜に平行な格子面のほか、図１９示すように試料にあお
り角を持たせることにより、膜から６０度の角を持った
格子面についても行った。この様子を模式的に図２０に
示す。また、２θの大きい回折を用いたほうが測定精度
は向上する。この２つの試料で配向の違いにより測定で
きる回折が異なっていたが、それぞれについて予備測定
により２θの最も大きい回折を調べ、それらについて本
測定を行った。本測定に用いた回折は、ゲルマニウムを
含む結晶質シリコン膜（試料Ａ）では（４４０）、結晶
質シリコン膜（試料Ｂ）では（２２０）である。

【００７５】あおり角を持たせた場合、２θの値には装
置のＸ線光学系に特有の系統的なずれが生じる。このず
れはわずかであるが、今回のような精密な測定ではその
影響が無視できなくなるため、あらかじめ標準試料(無
配向のタングステン粉末)を用いてあおり角０度、６０
度で２θ値の測定を行い、そのときのずれ量を用いて補
正を行った。標準試料の測定結果を表４に示す。ここで
は多結晶試料の本測定における指数と２θが近い回折を
選んでいる。即ち、試料Ａでは（４４０）回折(２θ=１
０６度付近)を測定したので、タングステンの（３１
０）回折(２θ=１００。６２８度)で補正を行った。一
方、試料Ｂでは（２２０）回折(２θ=４７度付近)を測
定したので、タングステンの（１１０）回折(２θ=４
０．２４４４度)で補正を行った。

【００７６】

【表４】

【００７７】試料Ａと試料Ｂの測定結果を表５に示す。
あおり角Psiで比較すると、どちらの試料も０度に比べ
６０度の場合のほうがd値は大きく、従って格子が膜に
水平方向に伸びた歪を有していることがわかる。格子定
数aに換算して試料間の比較を行うと、試料Ａでは両者
の差は０．００１６４ｎｍであるのに対して、試料Ｂで
は０．００２７２ｎｍと、より大きい値になっている。
従って非晶質半導体膜の形成時にゲルマニウムを含ませ
ておくことにより、結晶化後の膜の歪を緩和させること
ができるということができる。

【００７８】

【表５】

【００７９】このような｛１１０｝格子面の配向率の高
い結晶質半導体膜はＴＦＴのチャネル形成領域、光起電
力素子の光電変換層など素子の特性を決定付けるチャネ
ル形成領域に好適に用いることができる。

【００８０】

【実施例】[実施例１]図１で説明する結晶質半導体膜の
作製方法は、ゲルマニウムを含む非晶シリコン膜の全面
にシリコンの結晶化を助長する金属元素を添加して結晶
化を行う方法である。まず、図１（Ａ）において、基板
１０１はコーニング社の#１７７３ガラス基板に代表さ
れるガラス基板を用いる。基板１０１の表面には、ブロ
ッキング層１０２としてプラズマＣＶＤ法でＳｉＨ₄と
Ｎ₂Ｏを用い酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの厚さに
形成する。ブロッキング層１０２はガラス基板に含まれ
るアルカリ金属がこの上層に形成する半導体膜中に拡散
しないために設ける。

【００８１】シリコンとゲルマニウムから成る非晶質半
導体膜１０３はプラズマＣＶＤ法により作製し、ＳｉＨ
₄とＨ₂で１０％に希釈されたＧｅＨ₄ガスを反応室に導
入し、グロー放電分解して基板１０１上に堆積させる。
その詳細な条件は表１に従うが、ここで採用される条件
はＳＪ１またはＳＪ２の条件、或いはその中間的な条件
である。このシリコンとゲルマニウムから成る非晶質半
導体膜１０３の厚さは５０ｎｍの厚さで形成する。シリ
コンとゲルマニウムから成る非晶質半導体膜１０３の酸
素、窒素、炭素などの不純物を極力低減するために、Ｓ
ｉＨ₄は純度９９．９９９９％以上のものを、ＧｅＨ₄は
純度９９．９９％以上のガスを用いる。また、プラズマ
ＣＶＤ装置の仕様としては、反応室の容積１３Ｌの反応
室に対し、一段目に排気速度３００Ｌ／秒の複合分子ポ
ンプ、二段目に排気速度４０ｍ ³／ｈｒのドライポンプ
を設け、排気系側から有機物の蒸気が逆拡散してくるの
を防ぐと共に、反応室の到達真空度を高め、非晶質半導
体膜の形成時に不純物元素が膜中に取り込まれることを
極力防いでいる。

【００８２】そして図１（Ｂ）で示すように、重量換算
で１０ｐｐｍのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液をス
ピナーで塗布してニッケル含有層１０４を形成する。こ
の場合、当該溶液の馴染みをよくするために、シリコン
とゲルマニウムから成る非晶質半導体膜１０３の表面処
理として、オゾン含有水溶液で極薄い酸化膜を形成し、
その酸化膜をフッ酸と過酸化水素水の混合液でエッチン
グして清浄な表面を形成した後、再度オゾン含有水溶液
で処理して極薄い酸化膜を形成しておく。シリコンの表
面は本来疎水性なので、このように酸化膜を形成してお
くことにより酢酸ニッケル塩溶液を均一に塗布すること
ができる。

【００８３】次に、５００℃にて１時間の加熱処理を行
い、シリコンとゲルマニウムから成る非晶質半導体膜中
の水素を放出させる。そして、５５０℃にて４時間に加
熱処理を行い結晶化を行う。こうして、図１（Ｃ）に示
す結晶質半導体膜２０５が形成される。

【００８４】図２５は加熱処理の途中で抜き取った試料
の電子顕微鏡写真であり、結晶化の過程でＮｉＳｉ_xが
非晶質半導体中を移動し、その後に結晶質半導体が形成
されている様子を示している。

【００８５】また、図２５に示す＊１〜＊６の点におい
てエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ:Energy Disp
ersion X-ray Spectroscopy）で組成を調べた。その結
果を表６に示す。非晶質半導体（＊１）にはシリコンと
ゲルマニウムの存在が確認され、また、ＮｉＳｉ_xの前
後の非晶質半導体（＊２、＊４）においてはシリコンと
ゲルマニウムの他にニッケルの存在が確認されている。
しかし、ＮｉＳｉ_x中（＊３）にはシリコンとニッケル
のみでゲルマニウムが存在していない。ＮｉＳｉ_xの後
ろの結晶質半導体（＊５）においては、シリコンとゲル
マニウムのみが観測され、結晶質半導体と非晶質半導体
の境界領域（＊６）においても同様な組成となってい
る。この結果は、上述の結晶化のモデルを裏付けてい
る。

【００８６】

【表６】

【００８７】さらに結晶化率（膜の全体積における結晶
成分の割合）を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修す
るために、結晶質半導体膜２０５に対してレーザー光２
０６を照射するレーザー処理を行う。レーザーは波長３
０８ｎｍにて３０Ｈｚで発振するエキシマレーザー光を
用いる。当該レーザー光は光学系にて１００〜３００ｍ
Ｊ／ｃｍ²に集光し、９０〜９５％のオーバーラップ率
をもって半導体膜を溶融させることなくレーザー処理を
行う。こうして図１（Ｄ）に示すシリコンとゲルマニウ
ムから成る結晶質半導体膜１０７を得ることができる。

【００８８】[実施例２]非晶質半導体膜の結晶化を助長
する元素を選択的に形成する方法を図２を用いて説明す
る。図２（Ａ）において、基板１２０は前述のガラス基
板または石英基板を採用する。ガラス基板を用いる場合
には、実施例１と同様にブロッキング層を設ける。

【００８９】シリコンとゲルマニウムから成る非晶質半
導体１２１は、は実施例１と同様にプラズマＣＶＤ法で
形成しても良いし、イオン注入法またはイオンドープ法
によりゲルマニウムを導入しても良い。また、減圧ＣＶ
Ｄ法で、Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＨ₄を４５０〜５００℃の温度
で分解して形成する方法も採用可能である。

【００９０】シリコンとゲルマニウムから成る非晶質半
導体１２１上に１５０ｎｍの厚さの酸化シリコン膜１２
２を形成する。酸化シリコン膜の作製方法は限定されな
いが、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（Tetraethyl
Ortho Silicate：ＴＥＯＳ）とＯ₂とを混合し、反応圧
力４０Ｐａ、基板温度３００〜４００℃とし、高周波
（１３．５６ＭＨｚ）電力密度０．５〜０．８Ｗ／ｃｍ
²で放電させ形成する。

【００９１】次に、酸化シリコン膜１２２に開孔部１２
３を形成し、重量換算で１０ｐｐｍのニッケルを含む酢
酸ニッケル塩溶液を塗布する。これにより、ニッケル含
有層１２４が形成され、ニッケル含有層１２４は開孔部
１２３の底部のみでゲルマニウムを含む非晶質シリコン
膜１２１と接触する。

【００９２】図２（Ｂ）で示す結晶化は、加熱処理の温
度５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃に
て１４時間の熱処理を行う。この場合、結晶化はニッケ
ルが接した非晶質シリコン膜の部分が最初に結晶化し、
そこから基板の表面と平行な方向に結晶化が進行する。
こうして形成された結晶質シリコン膜１２５は棒状また
は針状の結晶が集合して成り、その各々の結晶は巨視的
に見ればある特定の方向性をもって成長している。その
後、酸化シリコン膜２２２を除去すれば結晶質シリコン
膜２２５を得ることができる（図２（Ｄ））。

【００９３】[実施例３]実施例１、２で説明する方法に
従い作製される結晶質シリコン膜には結晶化において利
用したニッケルに代表される元素が残存している。それ
は膜中において一様に分布していないにしろ、平均的な
濃度とすれば、１×１０¹⁹／ｃｍ³を越える濃度で残存
している。勿論、このような状態でもＴＦＴをはじめ各
種半導体装置のチャネル形成領域に用いることが可能で
あるが、より好ましくは、ゲッタリングにより当該元素
を除去することが望ましい。

【００９４】本実施例はゲッタリング方法の一例を図３
を用いて説明する。図３（Ａ）において、基板１３０は
実施例１のガラス基板、或いは石英基板が採用される。
ガラス基板を用いる場合には、実施例１と同様にブロッ
キング層を設ける。また、結晶質半導体膜１３１は実施
例１または２のいずれの方法で作製されたものであって
も同様に適用される。結晶質半導体膜１３１の表面に
は、マスク用の酸化シリコン膜１３２が１５０ｎｍの厚
さに形成され、開孔部１３３が設けられ結晶質半導体膜
が露出した領域が設けられている。実施例２に従う場合
には、図２（Ａ）で示す酸化シリコン膜１２２をそのま
ま利用可能であり、図２（Ｂ）の工程の後からそのまま
本実施例の工程に移行することもできる。そして、イオ
ンドープ法によりリンを添加して、１×１０¹⁹〜１×１
０²²／ｃｍ³の濃度のリン添加領域１３５を形成する。

【００９５】そして、図３（Ｂ）に示すように、窒素雰
囲気中で５５０〜８００℃、５〜２４時間、例えば６０
０℃にて１２時間の熱処理を行うと、リン添加領域１３
５がゲッタリングサイトとして働き、結晶質シリコン膜
１３１に残存していた触媒元素はリン添加領域１３５に
偏析させることができる。

【００９６】その後、図３（Ｃ）で示すようにマスク用
の酸化シリコン膜１３２と、リンが添加領域１３５とを
エッチングして除去することにより、結晶化の工程で使
用した金属元素の濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³未満にまで
低減された結晶質半導体膜１３６を得ることができる。

【００９７】[実施例４]次に、このようなシリコンとゲ
ルマニウムを成分とする結晶質半導体膜を用いて、ＴＦ
Ｔを作製する例を示す。図５は本実施例の作製工程を説
明する図である。

【００９８】図５（Ａ）において、基板２１０上にシリ
コンとゲルマニウムを成分とする結晶質半導体膜２１２
を形成するが、この結晶質半導体膜２１２は、以下に示
す実施例１〜３で示す工程により作製される何れかのも
のが採用される。ＴＦＴを作製するに当たっては、素子
分離のため所定の大きさにエッチングし、島状に分割し
ておく。基板２１０がガラス基板である場合には、ブロ
ッキング層２１１を設ける。

【００９９】絶縁膜２１３はＴＦＴにおいてゲート絶縁
膜として利用されるものであり３０〜２００ｎｍの厚さ
で形成する。この絶縁膜２１３はプラズマＣＶＤ法によ
りＳｉＨ₄とＮ₂Ｏとから作製される酸化窒化シリコン
膜、或いはＴＥＯＳとＮ₂Ｏとから作製される酸化窒化
シリコン膜などで形成する。本実施例では前者を選択
し、７０ｎｍの厚さに形成する。

【０１００】絶縁膜２１３上には、タンタル、タングス
テン、チタン、アルミニウム、モリブデンから選ばれた
一種または複数種の元素を成分とする導電性材料でゲー
ト電極２１４を形成する。

【０１０１】次に、図５（Ｂ）で示すように、ＴＦＴの
ソース及びドレイン領域を形成する一導電型の不純物領
域２１６を形成する。この不純物領域２１６はイオンド
ープ法により形成し、ｎチャネル型ＴＦＴであればリ
ン、砒素に代表される周期律表第１５族の元素、ｐチャ
ネル型ＴＦＴであればボロンに代表される周期律表第１
３族の元素を添加する。

【０１０２】その後、プラズマＣＶＤ法により作製され
る窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜により第１の層
間絶縁膜８１７を形成する。第１の層間絶縁膜８１７は
プラズマＣＶＤ法で２００〜３００℃の基板温度で形成
し、その後、窒素雰囲気中３５０〜４５０℃、好ましく
は４１０℃の温度で加熱処理を行う。この温度で第１の
層間絶縁膜中の水素を放出させ、その後２５０〜３５０
℃にて０．１〜１時間程度保持する加熱処理を行い、結
晶質半導体膜の水素化を行う。このような二段階の加熱
処理により結晶質半導体膜の水素化を行うことで、特に
３５０℃以上の温度では水素化しにくいゲルマニウムの
ダングリングボンド（未結合種）を水素化し、補償する
ことができる。さらに、ソース及びドレイン電極２１８
を形成しＴＦＴを得ることができる。

【０１０３】尚、ここではＴＦＴをシングルゲートの構
造で示したが、勿論、複数のゲート電極を設けたマルチ
ゲート構造を採用することもできる。

【０１０４】本発明で得られるシリコンとゲルマニウム
を成分とする結晶質半導体膜は、｛１０１｝の配向率が
高く、形成されるチャネル形成領域はゲート絶縁膜との
界面特性が良好である。また、結晶粒界及び結晶粒内の
欠陥密度が低く、高い電界効果移動度を得ることができ
る。ここでは、ＴＦＴをシングルドレインの構造で説明
したが、低濃度ドレイン（ＬＤＤ）構造や、ＬＤＤがゲ
ート電極とオーバーラップした構造のＴＦＴを形成する
こともできる。本発明で作製されるＴＦＴは、アクティ
ブマトリクス型の液晶表示装置やＥＬ表示装置を作製す
るためのＴＦＴとて、また従来の半導体基板にて作製さ
れるＬＳＩに代わる薄膜集積回路を実現するＴＦＴとし
て用いることができる。

【０１０５】[実施例５]図４は本発明の結晶質半導体膜
を用いて作製される逆スタガ型のＴＦＴの断面図であ
る。逆スタガ型ＴＦＴは、ガラスまたは石英などの基板
２０１上にゲート電極２６０、２６１が形成されてお
り、シリコンゲルマニウムを成分とする結晶質半導体膜
２６３、２６４は、ゲート絶縁膜２６２上に形成されて
いる。結晶質半導体膜２６３、２６４は実施例１〜３の
方法により作製されるいずれの結晶質半導体膜であって
も適用可能である。

【０１０６】ｎチャネル型ＴＦＴ２８０は結晶質半導体
膜２６３を用いて作製され、チャネル形成領域２７３と
ｎ型不純物（ドナー）をドーピングして作製されるＬＤ
Ｄ領域２７４及びソースまたはドレイン領域２７５が形
成されている。ｐチャネル型ＴＦＴ２８１は結晶質半導
体膜２６４を用いて作製され、チャネル形成領域２７６
とｐ型不純物（アクセプタ）をドーピングして作製され
るソースまたはドレイン領域２７７が形成されている。

【０１０７】チャネル形成領域２７３、２７６上にはチ
ャネル保護膜２６５、２６６が形成され、第１の層間絶
縁膜２６７、第２の層間絶縁膜２６８を介してソースま
たはドレイン電極２６９〜２７２が形成されている。水
素化処理は、第１の層間絶縁膜２６７を窒化シリコン膜
または酸化窒化シリコン膜で形成し、その後、窒素雰囲
気中３５０〜４５０℃、好ましくは４１０℃の温度で加
熱処理を行う。この温度で第１の層間絶縁膜中の水素を
放出させ、その後２５０〜３５０℃にて０．１〜１時間
程度保持する加熱処理を行い、結晶質半導体膜の水素化
を行うことができる。

【０１０８】このような逆スタガ型のＴＦＴを用いて
も、アクティブマトリクス型の液晶表示装置やＥＬ表示
装置の駆動回路を形成することができる。それ以外に
も、このようなｎチャネル型ＴＦＴまたはｐチャネル型
ＴＦＴは、画素部を形成するトランジスタに応用するこ
とができる。尚、ここではＴＦＴをシングルゲートの構
造で示したが、勿論、複数のゲート電極を設けたマルチ
ゲート構造を採用することもできる。このようなＴＦＴ
は、従来の半導体基板にて作製されるＬＳＩに代わる薄
膜集積回路を実現するＴＦＴとして用いることができ
る。

【０１０９】[実施例６]本実施例は、ｎチャネル型ＴＦ
Ｔとｐチャネル型ＴＦＴとを相補的に組み合わせたＣＭ
ＯＳ型のＴＦＴを作製する一例について図６を用いて説
明する。図６（Ａ）において、基板３０１上にゲルマニ
ウムを含有する結晶質シリコン膜を形成する。ゲルマニ
ウムを含有する結晶質シリコン膜は実施例１〜３で示す
方法により作製されるいずれのものを適用しても良い。
ＴＦＴを作製するに当たっては、素子分離のため所定の
大きさにエッチングし、島状に分割して半導体層３３１
〜３３３を形成する。基板３０１がガラス基板である場
合には、ブロッキング層３０２を設ける。

【０１１０】ブロッキング層３０２としてプラズマＣＶ
Ｄ法でＳｉＨ₄とＮ₂Ｏを用い酸化窒化シリコン膜を５０
〜２００ｎｍの厚さに形成する。その他の形態として、
プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ₄とＮＨ₃とＮ₂Ｏから作製さ
れる酸化窒化シリコン膜を５０ｎｍ、ＳｉＨ₄とＮ₂Ｏか
ら作製される酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍ積層させ
た２層構造や、或いは、窒化シリコン膜とＴＥＯＳ（Te
traethyl Ortho Silicate）を用いて作製される酸化シ
リコン膜を積層させた２層構造としても良い。

【０１１１】ブロッキング層３０２及びその上に形成す
る非晶質半導体膜はいずれもプラズマＣＶＤ法で形成す
ることが可能であり、これらの層を連続して、シングル
チャンバー方式のＣＶＤ装置において同一反応室中で、
或いは、マルチチャンバー方式のＣＶＤ装置において各
反応室間を移動させながら連続して形成することができ
る。いずれにしても、大気解放せずに成膜することでブ
ロッキング層と非晶質半導体膜の界面を清浄にしておく
ことができる。

【０１１２】絶縁膜３３４はゲート絶縁膜として利用す
るものであり、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用
い、膜厚を４０〜１５０ｎｍの厚さで形成する。本実施
例では、７０ｎｍの厚さで酸化窒化シリコン膜を用いて
形成する。特に、ＳｉＨ₄とＮ₂ＯにＯ₂を添加させて作
製する酸化窒化シリコン膜は膜中の固定電荷密度を低減
させることが可能となり、ゲート絶縁膜として好ましい
材料である。勿論、ゲート絶縁膜はこのような酸化窒化
シリコン膜に限定されるものでなく、酸化シリコン膜や
酸化タンタル膜などの絶縁膜を単層または積層構造とし
て用いても良い。

【０１１３】そして、絶縁膜３３４上にゲート電極を形
成するための第１導電膜３３５と第２導電膜３３６とを
形成する。本実施例では、第１導電膜３３５を窒化タン
タルまたはチタンで５０〜１００ｎｍの厚さに形成し、
第２導電膜３３６をタングステンで１００〜３００ｎｍ
の厚さに形成する。これらの材料は、窒素雰囲気中にお
ける４００〜６００℃の熱処理でも安定であり、抵抗率
が著しく増大することがない。

【０１１４】次に図６（Ｂ）に示すように、レジストに
よるマスク３３７を形成し、ゲート電極を形成するため
の第１のエッチング処理を行う。エッチング方法に限定
はないが、好適にはＩＣＰ（Inductively Coupled Plas
ma：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いる。エッ
チング用ガスにＣＦ₄とＣｌ₂を混合し、０．５〜２Ｐ
ａ、好ましくは１Ｐａの圧力でコイル型の電極に５００
ＷのＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電力を投入してプラズマ
を生成して行う。基板側（試料ステージ）にも１００Ｗ
のＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電力を投入し、実質的に負
の自己バイアス電圧を印加する。ＣＦ₄とＣｌ₂を混合し
た場合にはタングステン膜、窒化タンタル膜及びチタン
膜の場合でも、それぞれ同程度の速度でエッチングする
ことができる。

【０１１５】上記エッチング条件では、レジストによる
マスクの形状と、基板側に印加するバイアス電圧の効果
により端部をテーパー形状とすることができる。テーパ
ー部の角度は１５〜４５°となるようにする。また、ゲ
ート絶縁膜上に残渣を残すことなくエッチングするため
には、１０〜２０％程度の割合でエッチング時間を増加
させると良い。Ｗ膜に対する酸化窒化シリコン膜の選択
比は２〜４（代表的には３）であるので、オーバーエッ
チング処理により、酸化窒化シリコン膜が露出した面は
２０〜５０ｎｍ程度エッチングされる。こうして、第１
のエッチング処理により第１導電膜と第２導電膜から成
る第１形状の導電層３３８〜３４０（第１の導電層３３
８ａ〜３４０ａと第２導電層３３８ｂ〜３４０ｂ）を形
成する。３４１はゲート絶縁膜であり、第１の形状の導
電層で覆われない領域は２０〜５０ｎｍ程度エッチング
され薄くなる。

【０１１６】さらに図６（Ｃ）に示すように第２のエッ
チング処理を行う。エッチングはＩＣＰエッチング法を
用い、エッチングガスにＣＦ₄とＣｌ₂とＯ₂を混合し
て、１Ｐａの圧力でコイル型の電極に５００ＷのＲＦ電
力(１３．５６ＭＨｚ)を供給してプラズマを生成する。
基板側（試料ステージ）には５０ＷのＲＦ（１３．５６
ＭＨｚ）電力を投入し、第１のエッチング処理に比べ低
い自己バイアス電圧を印加する。このような条件により
タングステン膜を異方性エッチングし、第１の導電層で
ある窒化タンタル膜またはチタン膜を残存させるように
する。こうして、第２形状の導電層３４２〜３４４（第
１の導電膜３４２ａ〜３４４ａと第２の導電膜３４２ｂ
〜３４４ｂ）を形成する。３４５はゲート絶縁膜であ
り、第２の形状の導電層３４２〜３４４で覆われない領
域はさらに２０〜５０ｎｍ程度エッチングされて膜厚が
薄くなる。

【０１１７】そして、第１のドーピング処理を行う。本
ドーピング処理では、ｎチャネル型ＴＦＴのＬＤＤ領域
を形成するためにｎ型の不純物（ドナー）をドーピング
する。その方法はイオンドープ法若しくはイオン注入法
で行う。例えば、イオンドープ法を用い、加速電圧を７
０〜１２０ｋｅＶとし、１×１０¹³／ｃｍ²のドーズ量
で行い、第１の不純物領域を形成する。ドーピングは、
第２の導電膜３４２ｂ〜３４４ｂを不純物元素に対する
マスクとして用い、第１の導電膜３４２ａ〜３４４ａの
下側の領域に不純物元素が添加されるようにドーピング
する。こうして、第１の導電膜３４２ａ〜３４４ａと一
部が重なる第１の不純物領域３４６〜３４８が形成され
る。第１の不純物領域は１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ
³の範囲の濃度で形成する。

【０１１８】次に、図６（Ｄ）に示すように、レジスト
でマスク３４９〜３５１を形成し、第２のドーピング処
理を行いう。第２のドーピング処理は、ｎチャネル型Ｔ
ＦＴのソースまたはドレイン領域を形成するためにｎ型
の不純物（ドナー）をドーピングする。イオンドープ法
の条件はドーズ量を１×１０¹³〜５×１０¹⁴／ｃｍ²と
して行う。ｎ型の不純物元素として１５族に属する元
素、典型的にはリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を用い
る。レジストでマスク３４９〜３５１は個々にその形状
を最適化することが可能であり、第２形状の導電層の外
側まで覆う形状のものとして、先に形成した第１の不純
物領域と重なるようにすることでＬＤＤ領域を形成する
ことができる。こうして、第２の不純物領域３５２〜３
５４を形成する。第２の不純物領域７２５〜７２９おけ
るリン（Ｐ）濃度は１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³の
範囲となるようにする。

【０１１９】そして、図６（Ｅ）に示すように、レジス
トによるマスク３５５を形成し、ｐチャネル型ＴＦＴを
形成する島状半導体層３３１にｐ型の不純物（アクセプ
タ）をドーピングする。典型的にはボロン（Ｂ）を用い
る。第３の不純物領域３５６、３５７の不純物濃度は２
×１０²⁰〜２×１０²¹／ｃｍ³となるようにし、含有す
るリン濃度の１．５〜３倍のボロンを添加して導電型を
反転させる。

【０１２０】以上までの工程でそれぞれの島状半導体層
に不純物領域が形成される。第２形状の導電層３４２〜
３４４はゲート電極となる。その後、図６（Ｆ）に示す
ように、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜から
成る保護絶縁膜３５８をプラズマＣＶＤ法で形成する。
そして導電型の制御を目的としてそれぞれの島状半導体
層に添加された不純物元素を活性化する工程を行う。活
性化はファーネスアニール炉を用いる熱アニール法で行
うことが好ましい。その他に、レーザーアニール法、ま
たはラピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）を適用す
ることもできる。熱アニール法では酸素濃度が１ｐｐｍ
以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中で４
００〜７００℃、代表的には4００〜６００℃で行うも
のであり、本実施例では５００℃で４時間の熱処理を行
う。

【０１２１】さらに、窒化シリコン膜３５９を形成し、
３５０〜４５０℃、好ましくは４１０℃の加熱処理を行
う。この温度で第１の層間絶縁膜中の水素を放出させ、
その後２５０〜３５０℃にて０．１〜１時間程度保持す
る加熱処理を行い、結晶質半導体膜の水素化を行う。こ
のような二段階の加熱処理により結晶質半導体膜の水素
化を行うことで、特に３５０℃以上の温度では水素化し
にくいゲルマニウムのダングリングボンド（未結合種）
を水素化し、補償することができる。

【０１２２】層間絶縁膜３６０は、ポリイミド、アクリ
ルなどの有機絶縁物材料で形成し表面を平坦化する。勿
論、プラズマＣＶＤ法でＴＥＯＳ（Tetraethyl Ortho S
ilicate）を用いて形成される酸化シリコン膜を適用し
ても良いが、平坦性を高める観点からは前記有機物材料
を用いることが望ましい。

【０１２３】次いで、コンタクトホールを形成し、アル
ミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）
などを用いて、ソースまたはドレイン配線３６１〜３６
６を形成する。

【０１２４】ｐチャネル型ＴＦＴ３７０にはチャネル形
成領域３６３、ソース領域またはドレイン領域として機
能する第３の不純物領域３５６、３５７を有している。
ｎチャネル型ＴＦＴ３７１はチャネル形成領域３６８、
第２形状の導電層３４３から成るゲート電極と重なる第
１不純物領域３６２とソース領域またはドレイン領域と
して機能する第１不純物領域３５３を有している。ｎチ
ャネル型ＴＦＴ３７２はチャネル形成領域３６９、第２
形状の導電層３４４から成るゲート電極と重なる第１不
純物領域３４８ａ、ゲート電極の外側に形成される第１
不純物領域３４８ｂ、ソース領域またはドレイン領域と
して機能する第１不純物領域３５３を有している。第１
不純物領域３６２、３４８ａはゲート電極とオーバーラ
ップするＬＤＤ領域であり、ドレイン端に形成される高
電界領域を緩和してホットキャリア効果によるＴＦＴに
劣化を防ぐ上で効果がある。第１不純物領域３４８ｂは
ＬＤＤ領域であり、本実施例で示す工程では、オフ電流
値を低減するために最適な寸法を設定することができ
る。

【０１２５】以上の工程で、ｎチャネル型ＴＦＴとｐチ
ャネル型ＴＦＴとを相補的に組み合わせたＣＭＯＳ型の
ＴＦＴを得ることができる。本実施例で示す工程は、各
ＴＦＴに要求される特性を考慮してＬＤＤを設計し、同
一基板内において作り分けることができる。このような
ＣＭＯＳ型のＴＦＴは、アクティブマトリクス型の液晶
表示装置やＥＬ表示装置の駆動回路を形成することを可
能とする。それ以外にも、このようなｎチャネル型ＴＦ
Ｔまたはｐチャネル型ＴＦＴは、画素部を形成するトラ
ンジスタに応用することができる。さらに、従来の半導
体基板にて作製されるＬＳＩに代わる薄膜集積回路を実
現するＴＦＴとして用いることができる。尚、ここでは
ＴＦＴをシングルゲートの構造で示したが、勿論、複数
のゲート電極を設けたマルチゲート構造を採用すること
もできる。

【０１２６】また、ＣＭＯＳ回路を組み合わせることで
基本論理回路を構成した、さらに複雑なロジック回路
（信号分割回路、Ｄ／Ａコンバータ、オペアンプ、γ補
正回路など）をも構成することができ、さらにはメモリ
やマイクロプロセッサをも形成することが可能である。

【０１２７】[実施例７]本実施例は、画素部と駆動回路
が同一基板上に形成されたモノシリック型の液晶表示装
置の構成例を図７、８を用いて説明する。画素部におけ
るスイッチング用のＴＦＴと駆動回路のｎチャネル型及
びｐチャネル型のＴＦＴは、いずれも本発明のゲルマニ
ウムを含む結晶質シリコン膜を用いて活性領域を形成し
ている。ゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜は実
施例１〜３で示す方法により作製されるいずれのものを
適用することができる。

【０１２８】図７において、基板４０１は、好適にはバ
リウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスな
どのガラス基板などを用いる。その他に石英基板を用い
ても良い。ガラス基板を用いる場合にはブロッキング層
４０２が形成される。

【０１２９】画素部４４５におけるスイッチング用の画
素ＴＦＴ４４２と駆動回路４４４のｎチャネル型ＴＦＴ
４４１及びｐチャネル型ＴＦＴ４４０の構造に限定はな
いが、本実施例では実施例６により作製されるＴＦＴを
用いて説明する。勿論、実施例４または実施例５のＴＦ
Ｔを採用することも可能である。

【０１３０】駆動回路４４４には配線４０８、４１７及
びソースまたはドレイン配線４１８〜４２１が形成され
ている。また、画素部４４５においては、画素電極４２
４、ゲート配線４２３、接続電極４２２、ソース配線４
０９が形成されている。

【０１３１】駆動回路４４４のｐチャネル型ＴＦＴ４４
０には、半導体層４０３にチャネル形成領域４２６、ソ
ース領域またはドレイン領域として機能する第３不純物
領域４２７を有している。このｐチャネル型ＴＦＴ４５
３は実施例６のｐチャネル型ＴＦＴ３７０と同様にして
作製することができる。

【０１３２】ｎチャネル型ＴＦＴ４４１には、半導体層
４０４にチャネル形成領域４２８、第２形状の導電層４
１１から成るゲート電極と重なる第１不純物領域４２９
とソース領域またはドレイン領域として機能する第２不
純物領域４３０を有している。このｎチャネル型ＴＦＴ
４４１は実施例６のｎチャネル型ＴＦＴ３７１と同様に
して作製することができる。

【０１３３】画素部のｎチャネル型ＴＦＴ４４２には、
半導体層４０５にチャネル形成領域４３１、ゲート電極
を形成する第２形状の導電層４１２と重なる第１不純物
領域４３２ａ（ＧＯＬＤ領域）、ゲート電極の外側に形
成される第１不純物領域４３２ｂ（ＬＤＤ領域）とソー
ス領域またはドレイン領域として機能する第２不純物領
域４３３、４３４、４３５を有している。このｎチャネ
ル型ＴＦＴ４４２は実施例６のｎチャネル型ＴＦＴ３７
２と同様にして作製することができる。また、保持容量
４４３の一方の電極として機能する半導体層４０６は第
６不純物領域４３７、第５不純物領域４３８と不純物が
添加されない領域４３６が形成されている。

【０１３４】画素部４４５においては、接続電極４２２
によりソース配線４０９は、画素ＴＦＴ４４２のソース
またはドレイン領域４３３と電気的な接続が形成され
る。また、ゲート配線４２３は、ゲート電極として機能
する第３形状の導電層４１２と電気的な接続が形成され
る。また、画素電極４２４は、画素ＴＦＴ４４２のソー
スまたはドレイン領域４３５及び保持容量４４３の一方
の電極である半導体層４０６の不純物領域４３８と接続
している。

【０１３５】図７における画素部４４５の断面図は、図
８で示すＡ−Ａ'線に対応したものである。ゲート電極
として機能する第３形状の導電層４１２は隣接する画素
の保持容量の一方の電極を兼ね、画素電極４５２と接続
する半導体層４５３と重なる部分で容量を形成してい
る。また、ソース配線４０７と画素電極４２４及び隣接
する画素電極４５１との配置関係は、画素電極４２４、
４５１の端部をソース配線４０７上に設け、重なり部を
形成することにより、迷光を遮り遮光性を高めている。

【０１３６】[実施例８]本実施例では実施例７で作製し
た各ＴＦＴから、アクティブマトリクス型の液晶表示装
置を作製する一例を示す。図２６では透過型の液晶表示
装置を作製するために、画素部４４５の層間絶縁膜上に
透明導電膜で形成した画素電極６０１が形成されてい
る。画素電極は画素のｎチャネル型ＴＦＴ４４２に接続
する補助電極６０９、及び保持容量４４３の補助電極６
１０と接続されている。これらの補助電極とゲート線６
０８、接続電極６０７、駆動回路４４４の各ＴＦＴのソ
ースまたはドレイン配線６０３〜６０６、配線６０２
は、フォトレジストまたは感光性ポリイミドまたは感光
性アクリルなどからなる有機樹脂６１１〜６１９をマス
クとして、その下層に形成されている導電膜をエッチン
グして形成されている。

【０１３７】有機樹脂６１１〜６１９は、配線を形成す
るための導電膜上に当該有機樹脂材料を全面に塗布し、
光露光プロセスにより図２７に示すようにパターン形成
されている。その後、オフセット印刷により５〜２０ｍ
Ｐａ・の粘度のポリイミド樹脂層を形成し、２００℃に
て焼成して配向膜を形成している。オフセット印刷によ
り塗布したポリイミド樹脂は、焼成の段階で有機樹脂６
１１〜６１９とその下層の配線または電極の段差部にう
まく回り込み、その端部を覆うことができる。その後、
液晶を配向させるためラビングを行う。

【０１３８】対向側の基板６２１には透明導電膜で形成
する対向電極６２２と配向膜６２３を形成し、画素部４
４５及び駆動回路４４４が形成されている基板と対向基
板６２１とをシール材６２４で貼り合わせる。シール材
６２４にはフィラー（図示せず）が混入されていて、こ
のフィラーとスペーサ（図示せず）によって均一な間隔
を持って貼り合わされている。その後、両基板の間に液
晶６２５を注入する。液晶材料には公知の液晶材料を用
いれば良い。例えば、ＴＮ液晶の他に、電場に対して透
過率が連続的に変化する電気光学応答性を示す、無しき
い値反強誘電性混合液晶を用いることもできる。この無
しきい値反強誘電性混合液晶には、Ｖ字型の電気光学応
答特性を示すものもある。このようにして図２７に示す
アクティブマトリクス型の液晶表示装置が完成する。

【０１３９】[実施例９]本実施例は、上記実施例４〜６
で得られるＴＦＴを用いてＥＬ（エレクトロルミネセン
ス）表示装置を作製する一例を図２７を用いて説明す
る。

【０１４０】同一の絶縁体上に画素部とそれを駆動する
駆動回路を有した発光装置の例（但し封止前の状態）を
図２７に示す。なお、駆動回路には基本単位となるＣＭ
ＯＳ回路を示し、画素部には一つの画素を示す。このＣ
ＭＯＳ回路は実施例６に従えば得ることができる。

【０１４１】図２７において、基板７００は絶縁体であ
り、その上にはｎチャネル型ＴＦＴ７０１、ｐチャネル
型ＴＦＴ７０２、ｐチャネル型ＴＦＴからなるスイッチ
ングＴＦＴ７０３およびｎチャネル型ＴＦＴからなる電
流制御ＴＦＴ７０４が形成されている。これらのＴＦＴ
のチャネル形成領域は、本発明に基づき作製される結晶
質半導体膜で形成され、その具体的な作製方法は実施例
１〜３に示されている。

【０１４２】ｎチャネル型ＴＦＴ７０１およびｐチャネ
ル型ＴＦＴ７０２は実施例６を参照すれば良いので省略
する。また、スイッチングＴＦＴ７０３はソース領域お
よびドレイン領域の間に二つのチャネル形成領域を有し
た構造（ダブルゲート構造）となっている。なお、本実
施例はダブルゲート構造に限定されることなく、チャネ
ル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造もしく
は三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。

【０１４３】また、電流制御ＴＦＴ７０４のドレイン領
域７０５の上には第２層間絶縁膜７０７が設けられる前
に、第１層間絶縁膜７０６にコンタクトホールが設けら
れている。これは第２層間絶縁膜７０７にコンタクトホ
ールを形成する際に、エッチング工程を簡単にするため
である。第２層間絶縁膜７０７にはドレイン領域７０５
に到達するようにコンタクトホールが形成され、ドレイ
ン領域７０５に接続された画素電極７０８が設けられて
いる。画素電極７０８はＥＬ素子の陰極として機能する
電極であり、周期表の１族もしくは２族に属する元素を
含む導電膜を用いて形成されている。本実施例では、リ
チウムとアルミニウムとの化合物からなる導電膜を用い
る。

【０１４４】次に、７１３は画素電極７０８の端部を覆
うように設けられた絶縁膜であり、本明細書中ではバン
クと呼ぶ。バンク７１３は珪素を含む絶縁膜もしくは樹
脂膜で形成すれば良い。樹脂膜を用いる場合、樹脂膜の
比抵抗が１×１０⁶〜１×１０¹²Ωｍ（好ましくは１×
１０⁸〜１×１０¹⁰Ωｍ）となるようにカーボン粒子も
しくは金属粒子を添加すると、成膜時の絶縁破壊を抑え
ることができる。

【０１４５】また、ＥＬ素子７０９は画素電極（陰極）
７０８、ＥＬ層７１１および陽極７１２からなる。陽極
７１２は、仕事関数の大きい導電膜、代表的には酸化物
導電膜が用いられる。酸化物導電膜としては、酸化イン
ジウム、酸化スズ、酸化亜鉛もしくはそれらの化合物を
用いれば良い。なお、本明細書中では発光層に対して正
孔注入層、正孔輸送層、正孔阻止層、電子輸送層、電子
注入層もしくは電子阻止層を組み合わせた積層体をＥＬ
層と定義する。

【０１４６】尚、ここでは図示しないが陽極７１２を形
成した後、ＥＬ素子７０９を完全に覆うようにしてパッ
シベーション膜を設けることは有効である。パッシベー
ション膜としては、炭素膜、窒化珪素膜もしくは窒化酸
化珪素膜を含む絶縁膜からなり、該絶縁膜を単層もしく
は組み合わせた積層で用いる。

【０１４７】[実施例１０]本発明の半導体装置は、各種
多様の電子機器の表示装置や各種集積回路、或いは、従
来の集積回路に代わる回路用途に応用することができ
る。このような半導体装置には、携帯情報端末（電子手
帳、モバイルコンピュータ、携帯電話等）、ビデオカメ
ラ、スチルカメラ、パーソナルコンピュータ、テレビ、
プロジェクター等が挙げられる。それらの一例を図２８
〜図３０に示す。

【０１４８】図２８（Ａ）は携帯電話であり、表示用パ
ネル２７０１、操作用パネル２７０２、接続部２７０３
から成り、表示用パネル２７０１には液晶表示装置また
はＥＬ表示装置に代表される表示装置２７０４、音声出
力部２７０５、アンテナ２７０９などが設けられてい
る。操作パネル２７０２には操作キー２７０６、電源ス
イッチ２７０２、音声入力部２７０５８などが設けられ
ている。本発明は表示装置２９０４及びそれに付随する
半導体集積回路を形成することができる。

【０１４９】図２８（Ｂ）はビデオカメラであり、本体
９１０１、液晶表示装置またはＥＬ表示装置に代表され
る表示装置９１０２、音声入力部９１０３、操作スイッ
チ９１０４、バッテリー９１０５、受像部９１０６から
成っている。本発明は表示装置９１０２及びそれに付随
する半導体集積回路に適用することができる。

【０１５０】図２８（Ｃ）はモバイルコンピュータ或い
は携帯型情報端末であり、本体９２０１、カメラ部９２
０２、受像部９２０３、操作スイッチ９２０４、液晶表
示装置またはＥＬ表示装置に代表される表示装置９２０
５で構成されている。本発明は半導体装置は表示装置９
２０５及びそれに付随する半導体集積回路に適用するこ
とができる。

【０１５１】図２８（Ｄ）はテレビ受像器であり、本体
９４０１、スピーカ９４０２、液晶表示装置またはＥＬ
表示装置に代表される表示装置９４０３、受信装置９４
０４、増幅装置９４０５等で構成される。本発明は表示
装置９４０３及びそれに付随する半導体集積回路に適用
することができる。

【０１５２】図２８（Ｅ）は携帯書籍であり、本体９５
０１、液晶表示装置またはＥＬ表示装置に代表される表
示装置９５０２、９５０３、記憶媒体９５０４、操作ス
イッチ９５０５、アンテナ９５０６から構成されてお
り、ミニディスク（ＭＤ）やＤＶＤに記憶されたデータ
や、アンテナで受信したデータを表示するものである。
本発明は表示装置９５０２、９５０３や、記憶媒体９５
０４及びそれに付随する半導体集積回路に適用すること
ができる。

【０１５３】図２９（Ａ）はパーソナルコンピュータで
あり、本体９６０１、画像入力部９６０２、液晶表示装
置またはＥＬ表示装置に代表される表示装置９６０３、
キーボード９６０４で構成される。本発明は表示装置９
６０１や、内蔵する各種集積回路に適用することができ
る。

【０１５４】図２９（Ｂ）はプログラムを記録した記録
媒体（以下、記録媒体と呼ぶ）を用いるプレーヤーであ
り、本体９７０１、液晶表示装置またはＥＬ表示装置に
代表される表示装置９７０２、スピーカ部９７０３、記
録媒体９７０４、操作スイッチ９７０５で構成される。
なお、この装置は記録媒体としてＤＶＤ（Ｄｉｇｔｉａ
ｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）、ＣＤ等を用い、音
楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うこと
ができる。本発明は表示装置９７０２や、内蔵する各種
集積回路に適用することができる。

【０１５５】図２９（Ｃ）はデジタルカメラであり、本
体９８０１、液晶表示装置またはＥＬ表示装置に代表さ
れる表示装置９８０２、接眼部９８０３、操作スイッチ
９８０４、受像部（図示しない）で構成される。本発明
は表示装置９８０２や、内蔵する各種集積回路に適用す
ることができる。

【０１５６】図３０（Ａ）はフロント型プロジェクター
であり、投射装置３６０１、スクリーン３６０２で構成
される。本発明は投射装置３６０１やその他の信号制御
回路に適用することができる。

【０１５７】図３０（Ｂ）はリア型プロジェクターであ
り、本体３７０１、投射装置３７０２、ミラー３７０
３、スクリーン３７０４で構成される。本発明は投射装
置３７０２やその他の信号制御回路に適用することがで
きる。

【０１５８】尚、図３０（Ｃ）は、図３０（Ａ）及び図
３０（Ｂ）中における投射装置３６０１、３７０２の構
造の一例を示した図である。投射装置３６０１、３７０
２は、光源光学系３８０１、ミラー３８０２、３８０４
〜３８０６、ダイクロイックミラー３８０３、プリズム
３８０７、液晶表示装置３８０８、位相差板３８０９、
投射光学系３８１０で構成される。投射光学系３８１０
は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は
三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式
であってもよい。また、図３０（Ｃ）中において矢印で
示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を
有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、
ＩＲフィルム等の光学系を設けてもよい。

【０１５９】また、図３０（Ｄ）は、図３０（Ｃ）中に
おける光源光学系３８０１の構造の一例を示した図であ
る。本実施例では、光源光学系３８０１は、リフレクタ
ー３８１１、光源３８１２、レンズアレイ３８１３、３
８１４、偏光変換素子３８１５、集光レンズ３８１６で
構成される。なお、図３０（Ｄ）に示した光源光学系は
一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に
実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィル
ムや、位相差を調節するフィルム、ＩＲフィルム等の光
学系を設けてもよい。

【０１６０】ここでは図示しなかったが、本発明はその
他にもナビゲーションシステムをはじめ冷蔵庫、洗濯
機、電子レンジ、固定電話機、ファクシミリなどに組み
込む表示装置としても適用することも可能である。この
ように本発明の適用範囲はきわめて広く、さまざまな製
品に適用することができる。

【０１６１】

【発明の効果】以上のとおり、本発明の結晶質半導体膜
を用いて半導体装置の活性領域を形成することができ
る。特に、薄膜トランジスタのチャネル形成領域を形成
するのに適している。このような結晶質半導体膜を用い
たＴＦＴは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や
ＥＬ表示装置を作製するためのＴＦＴとて、また従来の
半導体基板にて作製されるＬＳＩに代わる薄膜集積回路
を実現するＴＦＴとして用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結晶質半導体膜の作製方法を説明す
る図。

【図２】本発明の結晶質半導体膜の作製方法を説明す
る図。

【図３】本発明の結晶質半導体膜の作製方法を説明す
る図。

【図４】本発明の結晶質半導体膜を用いた逆スタガ型
のＴＦＴの構造を説明する断面図。

【図５】本発明の結晶質半導体膜を用いてＴＦＴを作
製する工程を説明する図。

【図６】本発明の結晶質半導体膜を用いてＣＭＯＳ構
造のＴＦＴを作製する工程を説明する図。

【図７】本発明の結晶質半導体膜を用いた表示装置の
構造を説明する断面図。

【図８】画素部における画素構造の上面図。

【図９】本発明に用いるプラズマＣＶＤ装置の構成を
示す図。

【図１０】本発明に用いるプラズマＣＶＤ装置の反応
室の構成を示す図。

【図１１】ＳＩＭＳにより測定されたＳｉＨ₄、Ｇｅ
Ｈ₄、Ｈ₂ガスより作製された試料のＣ、Ｎ、Ｏ濃度を示
すグラフ。

【図１２】ＳＩＭＳにより測定された結晶質半導体膜
中のＧｅ濃度分布を示すグラフ。

【図１３】結晶核の隣接間距離を示す累積度数グラ
フ。

【図１４】ＧｅＨ₄の流量と結晶核発生密度との関係
を示すグラフ。

【図１５】パルスレーザー光を照射した結晶質半導体
膜中におけるゲルマニウムの分布をＳＩＭＳにより求め
たグラフ。

【図１６】結晶質半導体膜中のゲルマニウム濃度の分
布を一方向凝固（Normalfreezing）の式でフィッティン
グすることによって固液界面偏析係数を求めた図。

【図１７】ＥＢＳＰ法により求められる本発明の結晶
質半導体膜の逆極点図。

【図１８】Ｎｉ水溶液濃度と｛１０１｝配向率の関係
を示すグラフ。

【図１９】 X線回折測定と試料あおり角を説明する
図。

【図２０】試料あおり角と、回折に寄与する格子面を
説明する図。

【図２１】石英基板上にプラズマＣＶＤ法で作製した
５４ｎｍの非晶質シリコン膜を６００℃にて２０時間の
加熱処理により結晶化して得られた結晶質シリコン膜の
逆極点図。

【図２２】非晶質シリコン膜にニッケルを添加して５
５０℃にて４時間の熱処理により得られた結晶質半導体
膜の逆極点図。

【図２３】ＥＢＳＰ法で得られる逆極点図の一例（模
式図）。

【図２４】ＮｉＳｉ_xを核とした結晶化のモデルを説
明する図。

【図２５】ＮｉＳｉ_xを核とした結晶化の様子を示す
電子顕微鏡写真。

【図２６】本発明の結晶質半導体膜を用いた液晶表示
装置の構造を説明する断面図。

【図２７】本発明の結晶質半導体膜を用いたＥＬ表示
装置の構造を説明する断面図。

【図２８】半導体装置の一例を示す図。

【図２９】半導体装置の一例を示す図。

【図３０】プロジェクターの一例を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浅見勇臣神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者高野圭恵神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者志知武司神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者小久保千穂神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者一條充弘神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者鳥海聡志神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者大槻高志神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA11 AA24 BA02 BA07 BB02 BB07 CA00 DA02 DA10 DB02 DB03 EA16 FA06 FA19 HA06 JA01 5F110 AA30 BB02 BB04 BB05 CC02 DD01 DD02 DD03 DD05 DD13 DD14 DD15 EE03 EE04 EE06 EE14 EE23 EE27 FF01 FF02 FF04 FF30 GG01 GG02 GG06 GG13 GG17 GG25 GG33 GG45 GG47 HJ01 HJ04 HJ12 HJ13 HJ23 HL03 HL04 HM15 NN02 NN22 NN23 NN24 NN27 NN35 PP02 PP03 PP04 PP10 PP23 PP29 PP34 QQ11 QQ23 QQ28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンに対するゲルマニウムの組成比が
０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭素
の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度が
１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を加熱処
理とレーザー光またはそれと同等な強光を照射して、前
記非晶質半導体膜を溶融させずに結晶化した半導体膜で
チャネル形成領域が形成されていることを特徴とする半
導体装置。
【請求項２】シリコンに対するゲルマニウムの組成比が
０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭素
の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度が
１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を加熱処
理とレーザー光またはそれと同等な強光を照射して、前
記非晶質半導体膜を溶融させずに結晶化した半導体膜で
あって、反射電子線回折パターン法で検出される｛１０
１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以内
である割合が２０％以上であり、かつ、｛００１｝格子
面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以内である割
合が３％以下であり、かつ、｛１１１｝格子面の前記半
導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が５％以
下である前記半導体膜でチャネル形成領域が形成されて
いることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】シリコンに対するゲルマニウムの組成比が
０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭素
の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度が
１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を加熱処
理とレーザー光またはそれと同等な強光を照射して、前
記非晶質半導体膜を溶融させずに結晶化した半導体膜で
あって、反射電子線回折パターン法で検出される｛１０
１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が５度以内で
ある割合が５％以上であり、かつ、｛００１｝格子面の
前記半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が
３％以下であり、かつ、｛１１１｝格子面の前記半導体
膜の表面となす角が１０度以内である割合が５％以下で
ある前記半導体膜でチャネル形成領域が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか一項にお
いて、前記加熱処理は、前記非晶質半導体膜の結晶化を
助長する元素を添加して行われることを特徴とする半導
体装置。
【請求項５】請求項４において、前記元素は、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃ
ｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種であることを特
徴とする半導体装置。
【請求項６】請求項１乃至請求項３のいずれか一項にお
いて、前記非晶質半導体膜の厚さは１０ｎｍ乃至１００
ｎｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】シリコンに対するゲルマニウムの組成比が
０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭素
の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度が
１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を形成す
る第１の工程と、前記非晶質半導体膜に当該非晶質半導体膜の結晶化を助
長する元素を添加して加熱処理を行い結晶構造を有する
半導体膜を形成する第２の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜にレーザー光またはそれ
と同等な強光を照射して、溶融させることなくアニール
を行う第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。
【請求項８】シリコンに対するゲルマニウムの組成比が
０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭素
の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度が
１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を形成す
る第１の工程と、前記非晶質半導体膜に当該非晶質半導体膜の結晶化を助
長する元素を添加して加熱処理を行い結晶構造を有する
半導体膜を形成する第２の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜にレーザー光またはそれ
と同等な強光を照射して、溶融させることなくアニール
を行う第３の工程とを有し、前記結晶構造を有する半導体膜は、反射電子線回折パタ
ーン法で検出される｛１０１｝格子面の前記半導体膜の
表面となす角が１０度以内である割合が２０％以上であ
り、かつ、｛００１｝格子面の前記半導体膜の表面とな
す角が１０度以内である割合が３％以下であり、かつ、
｛１１１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０
度以内である割合が５％以下で形成されることを特徴と
する半導体装置の作製方法。
【請求項９】シリコンに対するゲルマニウムの組成比が
０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭素
の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度が
１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を形成す
る第１の工程と、前記非晶質半導体膜に当該非晶質半導体膜の結晶化を助
長する元素を添加して加熱処理を行い結晶構造を有する
半導体膜を形成する第２の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜にレーザー光またはそれ
と同等な強光を照射して、溶融させることなくアニール
を行う第３の工程とを有し、前記結晶構造を有する半導体膜は、反射電子線回折パタ
ーン法で検出される｛１０１｝格子面の前記半導体膜の
表面となす角が５度以内である割合が５％以上であり、
かつ、｛００１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角
が１０度以内である割合が３％以下であり、かつ、｛１
１１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以
内である割合が５％以下で形成されることを特徴とする
半導体装置の作製方法。
【請求項１０】シリコンに対するゲルマニウムの組成比
が０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭
素の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度
が１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を形成
する第１の工程と、前記非晶質半導体膜に当該非晶質半導体膜の結晶化を助
長する元素を添加して第１の加熱処理を行い結晶構造を
有する半導体膜を形成する第２の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜にレーザー光またはそれ
と同等な強光を照射して、溶融させることなくアニール
を行う第３の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜の上層に水素を含有する
窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する第
４の工程と、前記第４の工程の後に、第２の加熱処理と第３の加熱処
理を行う第５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。
【請求項１１】シリコンに対するゲルマニウムの組成比
が０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭
素の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度
が１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を形成
する第１の工程と、前記非晶質半導体膜に当該非晶質半導体膜の結晶化を助
長する元素を添加して第１の加熱処理を行い結晶構造を
有する半導体膜を形成する第２の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜にレーザー光またはそれ
と同等な強光を照射して、溶融させることなくアニール
を行う第３の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜の上層に水素を含有する
窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する第
４の工程と、前記第４の工程の後に、第２の加熱処理と第３の加熱処
理を行う第５の工程とを有し、前記結晶構造を有する半導体膜は、反射電子線回折パタ
ーン法で検出される｛１０１｝格子面の前記半導体膜の
表面となす角が１０度以内である割合が２０％以上であ
り、かつ、｛００１｝格子面の前記半導体膜の表面とな
す角が１０度以内である割合が３％以下であり、かつ、
｛１１１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０
度以内である割合が５％以下で形成されることを特徴と
する半導体装置の作製方法。
【請求項１２】シリコンに対するゲルマニウムの組成比
が０．１原子％以上１０原子％以下であり、窒素及び炭
素の濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満であり、酸素の濃度
が１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である非晶質半導体膜を形成
する第１の工程と、前記非晶質半導体膜に当該非晶質半導体膜の結晶化を助
長する元素を添加して第１の加熱処理を行い結晶構造を
有する半導体膜を形成する第２の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜にレーザー光またはそれ
と同等な強光を照射して、溶融させることなくアニール
を行う第３の工程と、前記結晶構造を有する半導体膜の上層に水素を含有する
窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する第
４の工程と、前記第４の工程の後に、第２の加熱処理と第３の加熱処
理を行う第５の工程とを有し、前記結晶構造を有する半導体膜は、反射電子線回折パタ
ーン法で検出される｛１０１｝格子面の前記半導体膜の
表面となす角が５度以内である割合が５％以上であり、
かつ、｛００１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角
が１０度以内である割合が３％以下であり、かつ、｛１
１１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以
内である割合が５％以下で形成されることを特徴とする
半導体装置の作製方法。
【請求項１３】請求項１０乃至請求項１２のいずれか一
項において、前記第３の加熱処理の温度は前記第２の加
熱処理の温度よりも低いことを特徴とする半導体装置の
作製方法。
【請求項１４】請求項７乃至請求項１２のいずれか一項
において、前記元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒ
ｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた
一種または複数種であることを特徴とする半導体装置の
作製方法。
【請求項１５】請求項７乃至請求項１２のいずれか一項
において、前記非晶質半導体膜の厚さは１０ｎｍ乃至１
００ｎｍであることを特徴とする半導体装置の作製方
法。