JP2002373860A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 欠陥密度の小さい結晶性珪素膜を形成する 【解決手段】 非晶質珪素膜を６００℃以下の温度で加
熱して結晶化し、レーザ光又は強光を照射することで、
結晶化を助長する。レーザ光又は強光を照射では、膜中
の欠陥密度を減らすことができないため、つづいて加熱
処理をすることで結晶化された珪素膜の欠陥密度を低減
させることができる。薄膜トランジスタを作製する場合
には、結晶化された珪素膜に不純物をドーピングした後
に、加熱処理を行うことで、チャネル形成領域の欠陥密
度を減らし、ドーピングされた不純物を活性化させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は結晶性を有する半導
体を用いた半導体装置およびその作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ
（以下ＴＦＴ等）が知られている。このＴＦＴは、基板
上に薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて構成
されるものである。このＴＦＴは、各種集積回路に利用
されているが、特に電気光学装置特にアクティブマトリ
ックス型の液晶表示装置の各画素の設けられたスイッチ
ング素子、周辺回路部分に形成されるドライバー素子と
して注目されている。

【０００３】ＴＦＴに利用される薄膜半導体としては、
非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的
特性が低いという問題がある。ＴＦＴの特性向上を得る
ためには、結晶性を有するシリコン薄膜を利用するばよ
い。結晶性を有するシリコン膜は、多結晶シリコン、ポ
リシリコン、微結晶シリコン等と称されている。この結
晶性を有するシリコン膜を得るためには、まず非晶質珪
素膜を形成し、しかる後に加熱によって結晶化さればよ
い。

【０００４】しかしながら、加熱による結晶化は、加熱
温度が６００℃以上の温度で２０時間以上の時間を掛け
ることが必要であり、基板としてガラス基板を用いるこ
とが困難であるという問題がある。例えばアクティブ型
の液晶表示装置に用いられるコーニング７０５９ガラス
はガラス歪点が５９３℃であり、基板の大面積化を考慮
した場合、６００℃以上の加熱には問題がある。即ち、
一般に多用されているコーニング７０５９ガラス基板に
対して６００℃以上の温度で２０時間以上の加熱処理を
行うと、基板の縮みや撓みが顕著になってしまう。

【０００５】このような問題を解決するには、なるべく
低い温度で加熱処理を施すことが必要とされる。また一
方で生産性を高める目的で加熱処理工程の時間をできる
だけ短縮することが要求される。

【０００６】また、非晶質珪素膜を加熱により結晶化さ
せた場合、珪素膜の全体が結晶化してしまい、部分的に
結晶化を行ったり、特定の領域の結晶性を制御したりす
ることができないという問題がある。

【０００７】この問題を解決するための方法として、非
晶質珪素膜中に人為的に結晶核となる部分あるいは領域
を形成し、しかる後に加熱処理を施すことにより、選択
的に結晶化を行わす技術が、特開平２─１４０９１５号
や特開平２─２６０５２４号に記載されている。この技
術は、非晶質珪素膜中の所定の位置に結晶核を発生させ
ようとするものである。

【０００８】例えば、特開平２─１４０９１５号公報に
は、非晶質珪素膜上にアルミニウムの層を形成し、この
非晶質珪素とアルミニウムとが接触している部分に結晶
核を生成させ、さらに加熱処理を施すことによりこの結
晶核から結晶成長を行わす構成が記載されている。また
特開平２─２６０５２４号公報には、非晶質珪素膜中に
スズ（Ｓｎ）をイオン注入法で添加し、このスズイオン
が添加された領域に結晶核を生成させる構成が記載され
ている。

【０００９】しかしＡｌやＳｎは置換型の金属元素であ
り、珪素と合金を形成してしまい珪素膜中に拡散進入し
てない。そして、結晶化は珪素と合金を形成した部分が
結晶核となって、その部分から結晶成長が行われていく
形で進行する。このようにＡｌやＳｎを用いた場合に
は、ＡｌやＳｎを導入した部分（即ちこれら元素と珪素
との合金層）から結晶成長が行われることが特徴であ
る。一般に結晶化は初期核の発生とその核からの結晶成
長という２段階の過程を経て進行する。ＡｌやＳｎとい
う珪素に対して置換型の金属元素は、初期核の発生を発
生させるのには有効であるが、その後の結晶成長にはほ
とんど効果がない。従って、ＡｌやＳｎを用いた場合に
は、単に非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させる場合
に比較して特にその温度を低く、またその時間を短くで
きる訳ではい。即ち、従来の単に加熱によって行う非晶
質珪素膜の結晶化工程に比較して顕著な優位性を有する
ものではない。

【００１０】〔発明の背景〕本発明者らの研究によれ
ば、非晶質珪素膜の表面にニッケルやパラジウム等の珪
素に対す侵入型となる元素を微量に堆積させ、しかる後
に加熱することで、５５０℃、４時間程度の処理時間で
結晶化を行なえることが判明している。この場合、初期
核発生の過程のみならず、その後の結晶成長を容易たら
しめることができ、従来の加熱のみによる方法に比較し
て、大きく加熱温度を低くすることができ、また加熱時
間を短くすることができる。

【００１１】上記のような微量な元素（結晶化を助長す
る触媒元素）を導入するには、プラズマ処理や蒸着、さ
らにはイオン注入を利用すればよい。プラズマ処理と
は、平行平板型あるいは陽光柱型のプラズマＣＶＤ装置
において、電極として触媒元素を含んだ材料を用い、窒
素または水素等の雰囲気でプラズマを生じさせることに
よって非晶質珪素膜に触媒元素の添加を行なう方法であ
る。

【００１２】上記の結晶化を助長する金属元素として
は、進入型の元素であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒ
ｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕを用い
ることができる。これら進入型の元素は、加熱処理工程
において、珪素膜中に拡散していく。そして、上記の進
入型の元素が、拡散していくのと同時に珪素の結晶化が
進行していく。即ち、上記進入型の金属は、拡散してい
った先々でもって触媒的な作用でもって非晶質珪素膜の
結晶化を助長する。

【００１３】従って、結晶核から徐々に結晶化が進行す
る場合と異なる方法で結晶化を進行させることができ
る。例えば、非晶質珪素膜の特定の場所に上記金属元素
を導入ししかる後に加熱処理を行うと、結晶化がこの金
属元素が導入された領域から膜平面に平行な方向に向か
って進行する。この長さ数十μｍ以上のもなる。また、
非晶質珪素膜の全面に対して上記金属元素を導入する
と、膜全体を一様に結晶化させることができる。勿論こ
の場合、膜全体は多結晶あるいは微結晶構造を有してい
るのであるが、特定の場所に明確な粒界を有しているよ
うな構造ではない。従って、膜の任意の場所を利用して
特性の揃ったデバイスを形成することができる。

【００１４】また上記進入型の元素は、珪素膜中に速や
かに拡散していってしまうので、その導入量（添加量）
が重要となる。即ち、その導入量が少ないと、結晶化を
助長する効果が小さく、良好な結晶性を得ることができ
ない。またその導入量が多過ぎると、珪素の半導体特性
が損なわれてしまう。

【００１５】従って、非晶質珪素膜への上記金属元素の
最適導入量が存在することになる。例えば、上記結晶化
を助長する金属元素としてＮｉを利用する場合、結晶化
された珪素膜中における濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上で
あれば、結晶化を助長する効果を得ることができ、また
結晶化された珪素膜中における濃度が１×１０¹⁹ｃｍ ^-3
以下であれば、半導体特性が阻害されることがないこと
が判明している。ここでいう濃度とは、ＳＩＭＳ（２次
イオン分析法）によって得られる最小値によって定義さ
れる。また、上記に列挙したＮｉ以外の金属元素につい
ても、Ｎｉと同様の濃度範囲においてその効果を得るこ
とができる。

【００１６】結晶化後の結晶性珪素膜中における上記の
ニッケル等の結晶化を助長する元素（本明細書では、結
晶化を助長する元素を触媒元素という）の濃度に最適な
範囲にするためには、これら元素を非晶質珪素膜に導入
する際にその量を制御する必要がある。

【００１７】また、ニッケルを触媒元素とした場合、非
晶質珪素膜を成膜し、ニッケル添加をプラズマ処理法に
よって行ない結晶性珪素膜を作製し、その結晶化過程等
を詳細に検討したところ以下の事項が判明した。 （１）プラズマ処理によってニッケルを非晶質珪素膜上
に導入した場合、熱処理を行なう以前に既に、ニッケル
は非晶質珪素膜中のかなりの深さの部分まで侵入してい
る。 （２）結晶の初期核発生は、ニッケルを導入した表面か
ら発生している。 （３）蒸着法でニッケルを非晶質珪素膜上に成膜した場
合であっても、プラズマ処理を行なった場合と同様に結
晶化が起こる。

【００１８】上記事項から、プラズマ処理によって導入
されたニッケルが全て効果的に機能していないというこ
とが結論される。即ち、多量のニッケルが導入されても
十分に機能していないニッケルが存在していると考えら
れる。このことから、ニッケルと珪素が接している点
（面）が低温結晶化の際に機能していると考えられる。
そして、可能な限りニッケルは微細に原子状に分散して
いることが必要であることが結論される。即ち、「必要
なのは非晶質珪素膜の表面近傍に低温結晶化が可能な範
囲内で可能な限り低濃度のニッケルが原子状で分散して
導入されればよい」ということが結論される。

【００１９】非晶質珪素膜の表面近傍のみに極微量のニ
ッケルを導入する方法、言い換えるならば、非晶質珪素
膜の表面近傍のみ結晶化を助長する触媒元素を極微量導
入する方法としては、蒸着法を挙げることができるが、
蒸着法は制御性が悪く、触媒元素の導入量を厳密に制御
することが困難であるという問題がある。

【００２０】また、触媒元素の導入量は極力少ないこと
が必要とされるが、この場合、結晶性が不純物となる問
題が生じる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、触媒元素を
用いた６００℃以下の熱処理による結晶性を有する薄膜
珪素半導体の作製において、 （１）触媒元素の量を制御して導入し、その量を最小限
の量とする。 （２）生産性の高い方法とする。 （３）熱処理で得られる結晶性よりさらに高い結晶性を
得る。 といった要求を満たすことを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を満
足するために以下の手段を用いて結晶性を有した珪素膜
を得る。非晶質珪素膜に接して該非晶質珪素膜の結晶化
を助長する触媒元素単体または前記触媒元素を含む化合
物を保持させ、前記非晶質珪素膜に前記触媒元素単体ま
たは前記触媒元素を含む化合物が接した状態において、
加熱処理を施し、前記非晶質珪素膜を一部または全部を
結晶化させる。そして、レーザー光または強光を照射す
ることによりさらに結晶化を助長する。こうして極めて
結晶性の良好な結晶性珪素膜を得る。

【００２３】結晶化を助長する触媒元素の導入方法とし
ては、触媒元素を含む溶液を非晶質珪素膜表面に塗布す
ることによる方法が有用である。

【００２４】結晶化助長用の金属触媒を用いて固相結晶
化を行うためには、いくつかの方法がある。その一つで
ある、金属触媒（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐ
ｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｕ等）の被膜を、スパ
ッタ法、電子ビーム蒸着法等で成膜する「物理的形成」
の場合、金属被膜の平均厚さが５〜２００Å、例えば１
０〜５０Åあっても、その触媒は、島状に被形成面に形
成されやすい。すなわち、金属触媒が微小粒となり、そ
の平均直径は５０〜２００Åとなり、それが点在しやす
い。また、そのとき微小粒間の距離も、１００〜１００
０Å程互いに離れる。すなわち、不均質層（discontinu
ous layer)を形成してしまい、均一なcontinuous film
が極めて形成されにくい。この金属島が結晶化の核（nu
clious) を形成し、ここから絶縁基板上のアモルファス
シリコン膜の結晶成長を、４５０〜６００℃の熱処理で
行わしめる。

【００２５】しかし、この「物理的形成」技術では、結
晶化が、かかる触媒を用いることなしに行う場合に比べ
て、温度を５０〜１００℃は下げることができるが、結
晶化された被膜を注意深く観察すると、アモルファス成
分が非常に多く残り、かつその部分は金属的性質を有す
る金属領域であることが判明した。おそらく金属核がそ
のまま残ってしまっていると推定される。この金属領域
は、結晶化した半導体領域中では、電子およびホールの
再結合中心として働き、半導体装置、特に、ＰＩ、ＮＩ
接合を有する半導体装置に対し、逆バイアス電圧を加え
るとき、ＰＩ、ＮＩ接合を有する半導体装置の領域にほ
ぼ必ず存在する、金属領域により、リーク電流の増加と
いう、極めて悪質な特性を有する。例えばチャネル長／
チャネル幅＝８μｍ／８μｍの薄膜型のＴＦＴを構成さ
せると、オフ電流が本来１０^-12 Ａ程度であるべきもの
が、１０^-10 〜１０^-6Ａと、１０² 〜１０⁶ 倍も大きく
なってしまう。

【００２６】かかる欠点を除去するために、本発明にお
いては、金属触媒被膜の形成方法として、「化学的形
成」方法を提供する。これは、溶液（水、イソプロピル
アルコール等）に、１〜１０００ｐｐｍ代表的には１０
〜１００ｐｐｍの濃度で希釈した金属化合物を用いるも
のである。特に有機金属化合物を用いるものである。以
下に、化学的形成方法に利用できる金属化合物の例を示
す。

【００２７】（１）触媒元素としてＮｉを利用する場合 ニッケル化合物として、臭化ニッケル、酢酸ニッケル、
蓚酸ニッケル、炭酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッ
ケル、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、酸
化ニッケル、水酸化ニッケル、ニッケルアセチルアセト
ネート、４−シクロへキシル酪酸ニッケル、２−エチル
ヘキサン酸ニッケルから選ばれた、少なくとも１種類を
用いることができる。また、Ｎｉを含む溶媒として、無
極性溶媒である、ベンゼン、トルエンキシレン、四塩化
炭素、クロロホルム、エーテル、トリクロロエチレン、
フロンから選ばれた少なくとも１つを用いることができ
る。

【００２８】（２）触媒元素としてＦｅ（鉄）を用いる
場合 鉄塩として知られている材料、例えば臭化第１鉄（Ｆｅ
Ｂｒ₂ ６Ｈ₂ Ｏ）、臭化第２鉄（ＦｅＢｒ₃ ６Ｈ
₂ Ｏ）、酢酸第２鉄（Ｆｅ（Ｃ₂ Ｈ₃ Ｏ₂)₃xＨ₂ Ｏ）、
塩化第１鉄（ＦｅＣｌ₂ ４Ｈ₂ Ｏ）、塩化第２鉄（Ｆｅ
Ｃｌ₃ ６Ｈ₂ Ｏ）、フッ化第２鉄（ＦｅＦ₃ ３Ｈ
₂ Ｏ）、硝酸第２鉄（Ｆｅ（ＮＯ₃)₃ ９Ｈ₂ Ｏ）、リン
酸第１鉄（Ｆｅ₃ （ＰＯ₄)₂ ８Ｈ₂ Ｏ）、リン酸第２鉄
（ＦｅＰＯ₄ ２Ｈ₂ Ｏ）から選ばれたものを用いること
ができる。

【００２９】（３）触媒元素としてＣｏ（コバルト）を
用いる場合 その化合物としてコバルト塩として知られている材料、
例えば臭化コバルト（ＣｏＢｒ６Ｈ₂ Ｏ）、酢酸コバル
ト（Ｃｏ（Ｃ₂ Ｈ₃ Ｏ₂)₂ ４Ｈ₂ Ｏ）、塩化コバルト
（ＣｏＣｌ₂ ６Ｈ₂ Ｏ）、フッ化コバルト（ＣｏＦ₂ x
Ｈ₂ Ｏ）、硝酸コバルト（Ｃｏ（Ｎｏ₃)₂ ６Ｈ₂ Ｏ）か
ら選ばれたものを用いることができる。

【００３０】（４）触媒元素としてＲｕ（ルテニウム）
を用いる場合 その化合物としてルテニウム塩として知られている材
料、例えば塩化ルテニウム（ＲｕＣｌ₃ Ｈ₂ Ｏ）を用い
ることができる。

【００３１】（５）触媒元素してＲｈ（ロジウム）を用
いる場合 その化合物としてロジウム塩として知られている材料、
例えば塩化ロジウム（ＲｈＣｌ₃ ３Ｈ₂ Ｏ）を用いるこ
とができる。

【００３２】（６）触媒元素としてＰｄ（パラジウム）
を用いる場合 その化合物としてパラジウム塩として知られている材
料、例えば塩化パラジウム（ＰｄＣｌ₂ ２Ｈ₂ Ｏ）を用
いることができる。

【００３３】（７）触媒元素としてＯｓ（オスニウム）
を用いる場合 その化合物としてオスニウム塩として知られている材
料、例えば塩化オスニウム（ＯｓＣｌ₃ ）を用いること
ができる。

【００３４】（８）触媒元素としてＩｒ（イリジウム）
を用いる場合 その化合物としてイリジウム塩として知られている材
料、例えば三塩化イリジウム（ＩｒＣｌ₃ ３Ｈ₂ Ｏ）、
四塩化イリジウム（ＩｒＣｌ₄ ）から選ばれた材料を用
いることができる。

【００３５】（９）触媒元素としてＰｔ（白金）を用い
る場合 その化合物として白金塩として知られている材料、例え
ば塩化第二白金（ＰｔＣｌ₄ ５Ｈ₂ Ｏ）を用いることが
できる。

【００３６】（１０）触媒元素としてＣｕ（銅）を用い
る場合 その化合物として酢酸第二銅（Ｃｕ（ＣＨ₃ ＣＯ
Ｏ）₂ ）、塩化第二銅（ＣｕＣｌ₂ ２Ｈ₂ Ｏ）、硝酸第
二銅（Ｃｕ（ＮＯ₃)₂ ３Ｈ₂ Ｏ）から選ばれた材料を用
いることができる。

【００３７】（１１）触媒元素として金を用いる場合 その化合物として三塩化金（ＡｕＣｌ₃ xＨ₂ Ｏ）、塩
化金塩（ＡｕＨＣｌ₄４Ｈ₂ Ｏ）、テトラクロロ金ナト
リウム（ＡｕＮａＣｌ₄ ２Ｈ₂ Ｏ）から選ばれた材料を
用いることができる。

【００３８】これらは、溶液中では十分にそれぞれを単
分子に分散させることができる。この溶液を、触媒が添
加される被形成面上に滴下し、５０〜５００回転／分
（ＲＰＭ）の回転速度で回転させてスピンコートする
と、この溶液を被形成面全体に広げることができる。

【００３９】これらの方法は、金属触媒を酸化膜を通じ
て半導体中へ原子状に拡散させることができ、特に、結
晶核（粒状）を積極的に作らずに拡散させ、結晶化をさ
せることができ好ましいものである。

【００４０】また、有機金属化合物を均一にコートし、
それに対し、オゾン（酸素中紫外線（ＵＶ））処理を
し、金属の酸化膜とし、この金属酸化膜を結晶化の出発
状態とするのもよい。かくすると、有機物は酸化して、
炭酸ガスとして気化除去できるため、さらに均一な固相
成長をさせることができる。

【００４１】また、低速回転のみでスピンコートをする
と、その表面に存在する溶液中の金属成分は、固相成長
にとって必要以上の量が半導体膜上に供給されやすい。
このため、この低速回転の後、１０００〜１００００回
転／分、代表的には２０００〜５０００回転／分で基板
を回転させる。すると、過剰な有機金属はすべて基板表
面の外に振り切り除去することができ、かつ表面を十分
に乾燥させることができる。また、表面に存在させる有
機金属の量の定量化にも有効である。

【００４２】かかる化学形成方法は、半導体表面上に結
晶化のための金属粒子による核を作らずに、均一な層
（continuous layer) を形成させることができる。物理
的形成は、unhomogenious-layer となるが、本発明の化
学的形成は、homogeneous-layer となる。かかる技術思
想を用いると、４５０〜６５０℃での熱結晶化を行なう
際、全表面にわたって極めて均一な結晶成長をさせるこ
とができる。

【００４３】その結果、この化学的形成方法により結晶
化をさせた半導体膜を用いて形成した、Ｐ−Ｉ、Ｎ−Ｉ
接合を有する半導体に対し、逆バイアス電圧を加えて
も、そのリークは１０^-12 Ａのレベルに大部分を成就さ
せることができる。物理的な形成方法では、リーク電流
は、例えばＰ−Ｉ接合１００個中、９０〜１００個が１
０^-10 〜１０^-5Ａのリークが多く、Ｎ−Ｉ接合でも１０
０個中、５０〜７０個が１０^-12 〜１０^-6Ａの大きなリ
ーク電流となる。他方、「化学的形成方法」では、リー
ク電流は、Ｐ−Ｉ接合１００個中、５〜２０個が１０
^-13 〜１０^-8Ａ、Ｎ−Ｉ接合では１００個中、０〜２個
が１０^-13〜１０^-8Ａとすることができ、オフ電流を下
げ、かつリーク大の膜を減少させ、特性の改善はきわめ
て著しい。

【００４４】また、絶縁表面上にかかる半導体膜を形成
して、ＴＦＴを形成した場合、ＴＦＴがＰチャネルＴＦ
Ｔ（ＰＩＰ）、ＮチャネルＴＦＴ（ＮＩＮ）型でも同様
の著しい優れた効果を有せしめることができる。さら
に、このオフ電流値を、物理的形成方法に比べて、リー
クが大きいＴＦＴの存在確率を約１〜２桁も下げること
ができる。しかし、もしこのＴＦＴを用いて薄膜集積回
路とするには、このリーク電流の大のＴＦＴの存在する
確率を、さらに１／１０³ 〜１／１０⁹ とすることが求
められる。

【００４５】また、前述した化学的形成方法により触媒
金属を添加した熱結晶化の後、２４８ｎｍまたは３０８
ｎｍのレーザ光をその表面に２５０〜４００ｍＪ／ｃｍ
² の強さで照射すると、このレーザ光に対し、金属成分
の多い領域では特に、結晶化したシリコン膜に比べて、
光の吸収が大きい。すなわち、金属等すなわちアモルフ
ァス構造として残る領域は、光学的には黒くなるためで
ある。一方結晶成分は透明である。このため、レーザ光
照射でこのわずかに残るアモルファス成分を選択的に溶
融させ、金属成分を分散させて再結晶化をさせることが
でき、その領域に存在する金属を、原子レベル単位に分
散させることができる。すると、この出来上がった被膜
中では、金属領域の存在確率をさらに減少させることが
でき、金属領域が電子・ホールの再結合中心となって生
じるリーク電流の増大を解消し、結果としてＴＦＴのＮ
−Ｉ接合、Ｐ−Ｉ接合でのオフ電流を、１０^-13 〜１０
^-12 Ａと、約１〜２桁も下げ、かつＴＦＴの数が１０⁴
〜１０⁸個中、リーク電流大のＴＦＴを１〜３個とする
ことができる。

【００４６】このようにして、逆方向リーク電流すなわ
ちＩｏｆｆが２桁下がり、リーク大のＴＦＴの存在確率
を最大で２桁も下げることができる、それでも存在する
ＴＦＴのリーク大の原因は、半導体表面上にゴミが付着
しそこに有機金属が集中してしまうためとも推定され、
それらの特性の向上は、実験装置の性能向上で、確認で
きるものである。また、物理形成方法で、熱結晶化した
ものに対して、レーザ光を照射する実験を試みると、そ
もそも出発膜中の金属粒が大きくなりすぎるため、レー
ザ照射をして半導体を溶融させ、再結晶化しても、Ｐ−
Ｉ，Ｎ−Ｉ接合における逆バイアス印加時のオフ電流
は、全く減少させることができない。以上のことから、
物理的な金属触媒のdiscontinuous layer の形成と、そ
れに伴う熱結晶化方法に比較して、化学的な金属触媒、
特に有機金属触媒のcontinuous layerの形成と、それに
伴う熱結晶化方法、およびそれを用いて形成された半導
体装置は、全くの違いがあり、化学的形成方法は極めて
優れている。

【００４７】化学的方法として、液体を用いるのでな
く、金属化合物、特に有機金属化合物の気体をＣＶＤ法
で被形成面上に形成する方法もある。この方法は、流体
を用いた場合と同様に、オフ電流の低減、リーク電流の
大きなＴＦＴの存在確率の低減に著しい効果がある。ま
た、物理的形成方法が、金属核を用いた不均一な「非等
方結晶成長方法」ということができるが、化学的形成方
法は、均一な金属触媒を用いた「等方性成長」の均一な
結晶成長ということができる。また、この化学的方法
は、結晶成長を基板表面に対し横方向にさせる方法と、
基板表面に垂直に、半導体下側から上方面、また、上側
から下方面に成長させて半導体の良好な電気特性を得る
ことができる。

【００４８】このような本発明においては、非晶質珪素
膜の表面に接して触媒元素が導入されることが特徴であ
る。このことは、触媒元素の量を制御する上で極めて重
要である。

【００４９】触媒元素が導入されるのは、非晶質珪素膜
の上面であっても下面であってもよい。非晶質珪素膜の
上面に触媒元素を導入するのであれば、非晶質珪素膜を
形成した後に、触媒元素を含有した溶液を非晶質珪素膜
上に塗布すればよいし、非晶質珪素膜の下面に触媒元素
を導入するのであれば、非晶質珪素膜を形成する前に下
地表面に触媒元素を含有した溶液を塗布し、下地表面に
接して触媒元素を保持する状態とすればよい。

【００５０】また発明は、結晶化された結晶性珪素膜を
用いて半導体装置のＰＮ、ＰＩ、ＮＩその他の電気的接
合を少なくとも１つ有する活性領域を構成することを特
徴とする。半導体装置としては、薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）、ダイオード、光センサ、を挙げることができ
る。また本発明を利用して抵抗耐やキャパシタを形成す
ることもできる。

【００５１】本発明の構成を採用することによって以下
に示すような基本的な有意性を得ることができる。 （ａ）溶液中における触媒元素濃度は、予め厳密に制御
し結晶性をより高めかつその元素の量をより少なくする
ことが可能である。 （ｂ）溶液と非晶質珪素膜の表面とが接触していれば、
触媒元素の非晶質珪素への導入量は、溶液中における触
媒元素の濃度によって決まる。 （ｃ）非晶質珪素膜の表面に吸着する触媒元素が主に結
晶化に寄与することとなるので、必要最小限度の濃度で
触媒元素を導入できる。 （ｄ）高温プロセスを必要としないで、結晶性の良好な
結晶性珪素膜を得ることができる。

【００５２】非晶質珪素膜上に結晶化を助長する元素を
含有させた溶液を塗布する方法としては、溶液として水
溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここで含
有とは、化合物として含ませるという意味と、単に分散
させることにより含ませるという意味との両方を含む。

【００５３】触媒元素を含む溶媒としては、他に、極性
溶媒である水、アルコール、酸、アンモニアから選ばれ
たものを用いることができる。

【００５４】また触媒元素を含有させた溶液に界面活性
剤を添加することも有用である。これは、被塗布面に対
する密着性を高め吸着性を制御するためである。この界
面活性剤は予め被塗布面上に塗布するのでもよい。

【００５５】触媒元素としてニッケル単体を用いる場合
には、酸に溶かして溶液とする必要がある。

【００５６】以上述べたのは、触媒元素であるニッケル
が完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが
完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッ
ケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散した
エマルジョンの如き材料を用いてもよい。または酸化膜
形成用の溶液を用いるのでもよい。このような溶液とし
ては、東京応化工業株式会社のＯＣＤ(Ohka Diffusion
Source）を用いることができる。このＯＣＤ溶液を用い
れば、被形成面上に塗布し、２００℃程度でベークする
ことで、簡単に酸化珪素膜を形成できる。また不純物を
添加することも自由であるので、本発明に利用すること
ができる。この場合、酸化膜に触媒元素を含有させ、こ
の酸化膜を非晶質珪素膜に接して設け、触媒元素を非晶
質珪素膜中に拡散させるための加熱（３５０℃〜４００
℃）を行い、さらに酸化膜の除去を行った後、結晶化の
ために加熱処理を行えばよい。この結晶化のための加熱
処理は、４５０℃〜６００℃例えば５５０℃の温度で４
時間程度行えばよい。

【００５７】なおこれらのことは、触媒元素としてニッ
ケル以外の材料を用いた場合であっても同様である。

【００５８】結晶化を助長する触媒元素としてニッケル
を用い、このニッケルを含有させる溶液溶媒、特に水の
如き極性溶媒を用いた場合において、シリコン半導体上
にこれら溶液を直接塗布すると、溶液が弾かれてしまう
ことがある。この場合は、シリコン半導体表面に５〜１
００Å以下薄い酸化膜をまず形成し、その上に触媒元素
を含有させた溶液を塗布することで、均一に溶液を塗布
することができ、液体の表面張力によって、溶液が被形
成面上に斑状に点在してしまうことを十分に防ぐことが
できる。また、溶液に海面活性剤の如き材料を添加する
と、酸化珪素膜のないシリコン半導体上でも均一な濡れ
のよい状態を呈することができる。

【００５９】また、溶液として２−エチルヘキサン酸ニ
ッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いること
で、非晶質珪素膜表面に直接塗布することができる。こ
の場合にはレジスト塗布の際に使用されている密着剤の
如き材料を予め塗布することは有効である。しかし塗布
量が多過ぎる場合には逆に非晶質珪素中への触媒元素の
添加を妨害してしまうために注意が必要である。

【００６０】溶液に含ませる触媒元素の量は、その溶液
の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量
として溶液に対して２００ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、好ましく
は５０ｐｐｍ〜１ｐｐｍ（重量換算）とすることが望ま
しい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケル濃
度や耐フッ酸性に鑑みて決められる値である。

【００６１】加熱処理の後に行なうレーザー光の照射を
行なうことによって、加熱処理によって結晶化された珪
素膜の結晶性をさらに高くすることができる。また、加
熱処理によって部分的に結晶化を生じせしめた場合に
は、レーザー光の照射によってその部分からさらに結晶
成長を行なわせ、より結晶性の高い状態を実現すること
ができる。

【００６２】レーザー光としては、パルス発振方式のエ
キシマレーザー光を用いることができる。例えばＫｒＦ
エキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシ
マレーザー（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザ
ー（波長３５１、３５３ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ
ー（波長１９３ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザー（波長
４８３ｎｍ）等を用いることができる。またその励起方
式も放電励起方式、Ｘ線励起方式、光励起方式、マイク
ロ波放電励起方式、電子ビーム励起方式等を用いること
ができる。またそのパルス間隔は、１０μｓ〜１００μ
ｓと長くすることが望ましい。これは、パルス間隔を長
くすることによって、珪素膜の溶融時間を長くし、その
結晶性を高めるためである。

【００６３】例えば、触媒元素の導入料が少ない場合、
結晶化は微小な点々とした領域において発生する。この
状態は、全体として見れば結晶性を有する成分と非晶質
の成分とが混在する状態ということもできる。ここでレ
ーザー光を照射することによって、この結晶性を有する
成分に存在する結晶核から結晶成長を行なわすことがで
き、結晶性の高い珪素膜を得ることができる。即ち、小
さな結晶粒を大きな結晶粒へと成長させることができ
る。このように、レーザー光の照射による結晶性の助長
の効果は、結晶化が不完全な珪素膜の場合に特に顕著と
なる。

【００６４】またレーザー光の照射の代わりに、強光特
に赤外光を照射する方法を採用してもよい。赤外光はガ
ラスには吸収されにくく、珪素薄膜に吸収されやすいの
で、ガラス基板上に形成された珪素薄膜を選択的に加熱
することができ有用である。この赤外光を用いる方法
は、ラピッド・サーマル・アニール（ＲＴＡ）またはラ
ピッド・サーマル・プロセス（ＲＴＰ）と呼ばれる。

【００６５】本明細書で開示する発明においては、上記
レーザー光の照射による結晶化の助長に加えて、さらな
る加熱処理を行うことを特徴とする。この加熱処理は、
非晶質珪素膜を結晶化させる際の加熱処理条件と同じで
よい。勿論全く同じでなくてもよく、４００℃以上の温
度で行えばよい。

【００６６】このレーザー光または強光の照射後に行わ
れる加熱処理によって、結晶性珪素膜中の欠陥を低減す
ることができる。図８に示すのは、試料条件の項目に記
載されている条件で作製された結晶性珪素膜のスピン密
度を電子スピン共鳴法（ＥＳＲ）によって測定した結果
である。図８の試料条件の項目に記載されているのは、
窒素雰囲気中での加熱温度と加熱時間、さらにＬＣと記
載されているのは、レーザー光の照射を示す。またＮｉ
無しと示された試料以外は、ニッケルを触媒元素として
結晶化を行ったものを示す。またｇ値というのは、スペ
クトルの位置を示す指標であり、ｇ＝2.0055が不対結合
手に起因するスペクトルである。従って、図８に示すス
ピン密度は、膜中の不対結合手に対応したものと理解す
ることができる。

【００６７】図８を見ると、試料４の場合が最もスピン
密度は小さく、膜中の不対結合手が少ないことが分か
る。このことは、膜中における欠陥や準位が最も少ない
ことを示すものといえる。例えば試料３と試料４とを比
較した場合、スピン密度を約１桁さげれることが分か
る。即ち、レーザー光の照射後に加熱処理を加えること
で、結晶性珪素膜中の欠陥や準位を１桁以上少なくでき
ることが分かる。

【００６８】また図８の試料２と試料３とを比較すると
分かるように、レーザー光を照射してもスピン密度ほと
んど変化しない。即ち、レーザー光の照射は、膜中の欠
陥を減少させることに全く効果がないことが分かる。し
かし、透過型電子顕微鏡写真による解析等によると、レ
ーザー光の照射による結晶性の助長効果が極めて高いも
のがあることが判明している。従って、一旦加熱により
結晶化された結晶性珪素膜の結晶性を助長させるには、
レーザー光の照射が極めて有効であり、さらにその結晶
性の助長された膜に対して再度加熱処理を施すことは、
膜中の欠陥を減少させる上で極めて有効であることにな
る。こうして、結晶性に優れ、しかも膜中の欠陥密度の
低い珪素膜を得ることができる。

【００６９】なお本発明において、触媒元素を含んだ溶
液を選択的に塗布することにより、結晶成長を選択的に
行なうことができる。特にこの場合、溶液が塗布されな
かった領域に向かって、溶液が塗布された領域から珪素
膜の面に概略平行な方向に結晶成長を行なわすことがで
きる。この珪素膜の面に概略平行な方向に結晶成長が行
なわれた領域を本明細書中においては横方向に結晶成長
した領域ということとする。

【００７０】またこの横方向に結晶成長が行なわれた領
域は、触媒元素の濃度が低いことが確かめられている。
半導体装置の活性層領域として、結晶性珪素膜を利用す
ることは有用であるが、活性層領域中における不純物の
濃度は一般に低い方が好ましい。従って、上記横方向に
結晶成長が行なわれた領域を用いて半導体装置の活性層
領域を形成することはデバイス作製上有用である。

【００７１】本発明においては、触媒元素としてニッケ
ルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる
が、その他利用できる触媒元素の種類としては、好まし
くはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉ
ｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕを用いることができる。

【００７２】その他利用できる元素の種類としては、Ｉ
ｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂを用いることができる。その
他利用できる元素の種類としては、VIII族、IIIb族、IV
ｂ族、Vb族元素を用いることができる。

【００７３】また、触媒元素の導入方法は、水溶液やア
ルコール等の溶液を用いることに限定されるものではな
く、触媒元素を含んだ物質を広く用いることができる。
例えば、触媒元素を含んだ金属化合物や酸化物を用いる
ことができる。

【００７４】また本発明において、結晶化率を向上させ
るためにレーザー光または強光の照射工程と、膜中の欠
陥の減少させるための加熱処理工程とを２回以上交互に
繰り返して行ってもよい。

【００７５】

【作用】結晶化を助長する元素である侵入型の元素の作
用により、非晶質珪素膜の結晶化を低温で短時間で行う
ことができる。具体的には、従来では不可能であった５
５０℃、４時間程度の加熱処理を行うことによって、結
晶性珪素膜を得ることができる。また珪素に対して侵入
型の元素は、珪素膜中に拡散していきながら結晶化を助
長するので、結晶核からの結晶成長と異なり、明確な結
晶粒界のない結晶性珪素膜を得ることができる。

【００７６】さらにこの触媒元素の作用により加熱によ
って結晶化された結晶性珪素膜に対して、レーザー光ま
たは強光を照射し、さらに加熱処理を加えることによっ
て、膜中の欠陥が少なく結晶性の高い珪素膜を得ること
ができる。

【００７７】レーザー光の照射では、膜中に存在する欠
陥を減少させてやすことはできない。またレーザー光の
照射は、珪素膜の表面を瞬間的な溶融状態とするので、
膜中に応力が生じる。そしてこの応力によって膜中に新
たな欠陥が生じてしまう。そこで、さらに加熱処理を施
しこの応力を緩和させてやることで、欠陥を減少させる
ことができ、電気的に優れた結晶性珪素膜を得ることが
できる。

【００７８】

【実施例】〔実施例１〕本実施例では、結晶化を助長す
る触媒元素を水溶液に含有させて、非晶質珪素膜上に塗
布し、しかる後に加熱により結晶化させ、さらにレーザ
ー光の照射により結晶性を高める例である。

【００７９】図１を用いて、触媒元素（ここではニッケ
ルを用いる）を導入するところまでを説明する。本実施
例においては、基板としてコーニング７０５９ガラスを
用いる。またその大きさは１００ｍｍ×１００ｍｍとす
る。

【００８０】まず、非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法や
ＬＰＣＶＤ法によってアモルファス状のシリコン膜を１
００〜１５００Å形成する。ここでは、プラズマＣＶＤ
法によって非晶質珪素膜１２を１０００Åの厚さに成膜
する。（図１（Ａ））

【００８１】そして、汚れ及び自然酸化膜を取り除くた
めにフッ酸処理を行い、その後酸化膜１３を１０〜５０
Åに成膜する。汚れが無視できる場合には、酸化膜１３
の代わりに自然酸化膜をそのまま用いれば良い。

【００８２】なお、この酸化膜１３は極薄のため正確な
膜厚は不明であるが、２０Å程度であると考えられる。
ここでは酸素雰囲気中でのＵＶ光の照射により酸化膜１
３を成膜する。成膜条件は、酸素雰囲気中においてＵＶ
を５分間照射することにおって行なった。この酸化膜１
３の成膜方法としては、熱酸化法を用いるのでもよい。
また過酸化水素による処理によるものでもよい。

【００８３】この酸化膜１３は、後のニッケルを含んだ
酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜の表面全体
に酢酸塩溶液を行き渡らせるため、即ち濡れ性の改善の
為のものである。例えば、非晶質珪素膜の表面に直接酢
酸塩溶液を塗布した場合、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾
いてしまうので、非晶質珪素膜の表面全体にニッケルを
導入することができない。即ち、均一な結晶化を行うこ
とができない。

【００８４】つぎに、酢酸塩溶液中にニッケルを添加し
た酢酸塩溶液を作る。ニッケルの濃度は２５ｐｐｍとす
る。そしてこの酢酸塩溶液を非晶質珪素膜１２上の酸化
膜１３の表面に２ｍｌ滴下し、この状態を５分間保持す
る。そしてスピナーを用いてスピンドライ（２０００ｒ
ｐｍ、６０秒）を行う。（図１（Ｃ）、（Ｄ））

【００８５】酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は、１
ｐｐｍ以上好ましくは１０ｐｐｍ以上であれば実用にな
る。また、溶液として２−エチルヘキサン酸ニッケルの
トルエン溶液の如き無極性溶媒を用いる場合、酸化膜１
３は不要であり、直接非晶質珪素膜上に触媒元素を導入
することができる。

【００８６】このニッケル溶液の塗布工程を、１回〜複
数回行なうことにより、スピンドライ後の非晶質珪素膜
１２の表面に数Å〜数百Åの平均の膜厚を有するニッケ
ルを含む層を形成することができる。この場合、この層
のニッケルがその後の加熱工程において、非晶質珪素膜
に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。な
お、この層というのは、完全な膜になっているとは限ら
ない。

【００８７】上記溶液の塗布の後、１分間その状態を保
持させる。この保持させる時間によっても、最終的に珪
素膜１２中に含まれるニッケルの濃度を制御することが
できるが、最も大きな制御因子は溶液の濃度である。

【００８８】そして、加熱炉において、窒素雰囲気中に
おいて５５０度、４時間の加熱処理を行う。この結果、
基板１１上に形成された結晶性を有する珪素薄膜１２を
得ることができる。

【００８９】上記の加熱処理は４５０度以上の温度で行
うことができるが、温度が低いと加熱時間を長くしなけ
らばならず、生産効率が低下する。また、５５０度以上
とすると基板として用いるガラス基板の耐熱性の問題が
表面化してしまう。

【００９０】本実施例においては、非晶質珪素膜上に触
媒元素を導入する方法を示したが、非晶質珪素膜下に触
媒元素を導入する方法を採用してもよい。この場合は、
非晶質珪素膜の成膜前に触媒元素を含有した溶液を用い
て、下地膜上に触媒元素を導入すればよい。

【００９１】加熱処理に処理により結晶性を有する珪素
膜１２を得たら、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎ
ｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を窒素雰囲気中において２
００〜３５０ｍＪ／ｃｍ² のパワー密度で数ショト照射
し、珪素膜１２の結晶性をさらに向上させる。この工程
は、前述した赤外光の照射によってもよい。この工程に
おいて、エキシマレーザー光のパルス幅を大きくしてや
ることは有効である。具体的には、そのパルス幅を１０
μｓ〜１００μｓ程度とすることは極めて有効である。
これは、レーザー光の照射によって生じる珪素膜表面の
溶融時間を長くし、微小部分での結晶成長を助長させる
ことができるからである。

【００９２】このレーザー光の照射を行うことによっ
て、珪素膜の結晶性をさらに高めることができる。具体
的には、結晶化率を高めることができる。そして上記レ
ーザー光の照射が終了した後、窒素雰囲気中において５
５０度、４時間の加熱処理を行う。この加熱処理は、４
００℃以上の温度で行うことができる。このレーザー光
の照射後の加熱処理を行うことによって、珪素膜中にお
ける欠陥を減少させることができる。こうして、結晶性
に優れ、同時に欠陥の少ない結晶性珪素膜を得ることが
できる。

【００９３】〔実施例２〕本実施例は、実施例１に示す
作製方法において、１２００Åの酸化珪素膜を選択的に
設け、この酸化珪素膜をマスクとして選択的にニッケル
を導入する例である。

【００９４】図２に本実施例における作製工程の概略を
示す。まず、ガラス基板（コーニング７０５９、１０ｃ
ｍ角）上にマスクとなる酸化珪素膜２１を１０００Å以
上、ここでは１２００Åの厚さに成膜する。この酸化珪
素膜２１の膜厚については、発明者等の実験によると５
００Åでも問題がないことを確認しており、膜質が緻密
であれば更に薄くても良いと思われる。

【００９５】そして通常のフォトリソパターニング工程
によって、必要とするパターンに酸化珪素膜２１をパー
ニングする。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照
射で薄い酸化珪素膜２０を成膜する。この酸化珪素膜２
０の作製は、酸素雰囲気中でＵＶ光を５分間照射するこ
とによって行なわれる。なおこの酸化珪素膜２０の厚さ
は２０〜５０Å程度と考えられる（図２（Ａ））。尚、
この濡れ性を改善するための酸化珪素膜については、溶
液とパターンのサイズが合致した場合には、マスクの酸
化珪素膜の親水性のみによっても丁度よく添加される場
合がある。しかしながらこの様な例は特殊であり、一般
的には酸化珪素膜２０を使用したほうが安全である。

【００９６】この状態において、実施例１と同様に１０
０ｐｐｍのニッケルを含有した酢酸塩溶液を５ｍｌ滴下
（１０ｃｍ角基板の場合）する。またこの際、スピナー
で５０ｒｐｍで１０秒のスピンコートを行い、基板表面
全体に均一な水膜を形成させる。さらにこの状態で、５
分間保持した後スピナーを用いて２０００ｒｐｍ、６０
秒のスピンドライを行う。なおこの保持は、スピナー上
において０〜１５０ｒｐｍの回転をさせながら行なって
もよい。（図２（Ｂ））

【００９７】そして５５０度（窒素雰囲気）、４時間の
加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜１２の結晶化
を行う。この際、ニッケルが導入された部分２２の領域
から２３で示されるように、ニッケルが導入されなった
領域へと横方向に結晶成長が行われる。図２（Ｃ）にお
いて、２４がニッケルが直接導入され結晶化が行われた
領域であり、２５が横方向に結晶化が行われた領域であ
る。この２５の領域は、概略〈１１１〉軸方向に結晶成
長が行われていることが確認されている。またこの２５
で示される領域は、基板に平行な方向の柱状あるいは枝
状に結晶成長が進行していることがＴＥＭ写真（透過型
電子顕微鏡写真）によって確認されている。

【００９８】上記加熱処理による結晶化工程の後、Ｘｅ
Ｃｌレーザー（波長３０８ｎｍ）を用いて珪素膜１２の
結晶性をさらに向上させる。この工程において行われる
レーザー光の照射によって、先の加熱処理において、基
板に平行な方向に柱状あるいは枝状に結晶成長した部分
の柱と柱の間あるいは枝と枝の間の結晶化が進行する。
即ち、その結晶化率を高めることができる。こうして、
この工程によって、横方向に結晶成長した領域２５の結
晶性を大きく高めることができる。

【００９９】また上記レーザー光の照射工程において、
基板またはレーザー光の被照射面を加熱することは有効
である。加熱の温度は２００℃〜４５０℃程度で行なう
ことが好ましい。

【０１００】レーザー光の照射が終了したら、５５０度
（窒素雰囲気）、４時間の加熱処理を施し、膜中の欠陥
をさらに低減させる。

【０１０１】本実施例において、溶液濃度、保持時間を
変化させることにより、ニッケルが直接導入された領域
におけるニッケルの濃度を１×１０¹⁶atoms ｃｍ^-3〜１
×１０¹⁹atoms ｃｍ^-3の範囲で制御可能であり、同様に
横成長領域の濃度をそれ以下に制御することが可能であ
る。

【０１０２】本実施例で示したような方法によって形成
された結晶珪素膜は、耐フッ酸性が良好であるという特
徴がある。本発明者らによる知見によれば、ニッケルを
プラズマ処理で導入し、結晶化させた結晶性珪素膜は、
耐フッ酸性が低い。

【０１０３】例えば、結晶性珪素膜上にゲイト絶縁膜や
層間絶縁膜として機能する酸化珪素膜を形成し、しかる
後に電極の形成のために穴開け工程を経て、電極を形成
をする作業が必要とされる場合がある。このような場
合、酸化珪素膜をバッファフッ酸によって除去する工程
が普通採用される。しかしながら、結晶性珪素膜の耐フ
ッ酸性が低い場合、酸化珪素膜のみを取り除くことは困
難であり、結晶性珪素膜をもエッチングしてしまうとい
う問題がある。

【０１０４】しかしながら、結晶性珪素膜が耐フッ酸性
を有している場合、酸化珪素膜と結晶性珪素膜のエンチ
ッングレートの違い（選択比）を大きくとることができ
るので、酸化珪素膜のみを選択的に除去でき、作製工程
上極めて有意なものとなる。

【０１０５】以上述べたように、横方向に結晶が成長し
た領域は触媒元素の濃度が小さく、しかも結晶性が良好
であるので、この領域を半導体装置の活性領域として用
いることは有用である。例えば、薄膜トランジスタのチ
ャネル形成領域として利用することは極めて有用であ
る。

【０１０６】〔実施例３〕本実施例は、本発明の方法を
利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、ＴＦＴを得る
例である。本実施例のＴＦＴは、アクティブマトリック
ス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分に用い
ることができる。なお、ＴＦＴの応用範囲としては、液
晶表示装置のみではなく、一般に言われる薄膜集積回路
に利用できることはいうまでもない。

【０１０７】図３に本実施例の作製工程の概要を示す。
まずガラス基板上に下地の酸化珪素膜（図示せず）を２
０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜は、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。

【０１０８】そして、非晶質珪素膜を実施例１と同様な
方法で５００Åの厚さに成膜する。そして、自然酸化膜
を取り除くためのフッ酸処理の後、薄い酸化膜を２０Å
程度の厚さに酸素雰囲気でのＵＶ光の照射によって成膜
する。この薄い酸化膜の作製方法は、過水処理や熱酸化
による方法でもよい。

【０１０９】そして１０ｐｐｍのニッケルを含有した酢
酸塩溶液を塗布し、５分間保持し、スピナーを用いてス
ピンドライを行う。その後バッファフッ酸によって酸化
珪素膜２０と２１を取り除き、５５０度、４時間の加熱
によって、珪素膜を結晶化させる。（ここまでは実施例
１に示した作製方法と同じ）

【０１１０】上記加熱処理を行うことによって、非晶質
成分と結晶成分とが混在した珪素膜を得られる。この結
晶成分には結晶核が存在している領域である。さらにＫ
ｒＦエキシマレーザー光を２００〜３００ｍＪで照射す
ることにより、珪素膜の結晶性を助長させる。このレー
ザー光の照射工程においては、基板を４００℃程度に加
熱する。この工程よって、結晶成分に存在している結晶
核を核として結晶成長が行なわれる。

【０１１１】次に、結晶化した珪素膜をパターニングし
て、島状の領域１０４を形成する。この島状の領域１０
４はＴＦＴの活性層を構成する。そして、厚さ２００〜
１５００Å、ここでは１０００Åの酸化珪素１０５を形
成する。この酸化珪素膜はゲイト絶縁膜としても機能す
る。（図３（Ａ））

【０１１２】上記酸化珪素膜１０５の作製には注意が必
要である。ここでは、ＴＥＯＳを原料とし、酸素ととも
に基板温度１５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５
０℃で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。ＴＥ
ＯＳと酸素の圧力比は１：１〜１：３、また、圧力は
０．０５〜０．５ｔｏｒｒ、ＲＦパワーは１００〜２５
０Ｗとした。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４００〜５５
０℃として形成した。成膜後、酸素もしくはオゾンの雰
囲気で４００〜６００℃で３０〜６０分アニールした。

【０１１３】この状態でＫｒＦエキシマーレーザー（波
長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）あるいはそれと
同等な強光を照射することで、シリコン領域１０４の結
晶化を助長させてもよい。特に、赤外光を用いたＲＴＡ
（ラピットサーマルアニール）は、ガラス基板を加熱せ
ずに、珪素のみを選択的に加熱することができ、しかも
珪素と酸化珪素膜との界面における界面準位を減少させ
ることができるので、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置
の作製においては有用である。

【０１１４】上記レーザー光の照射が終了した後、窒素
雰囲気中において５５０℃、４時間の加熱処理を行う。

【０１１５】その後、厚さ２０００Å〜１μｍのアルミ
ニウム膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これを
パターニングし、ゲイト電極１０６を形成する。アルミ
ニウムにはスカンジウム（Ｓｃ）を０．１５〜０．２重
量％ドーピングしておいてもよい。次に基板をｐＨ≒
７、１〜３％の酒石酸のエチレングリコール溶液に浸
し、白金を陰極、このアルミニウムのゲイト電極を陽極
として、陽極酸化を行う。陽極酸化は、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。本実施例では定電流状態では、電圧の上昇速
度は２〜５Ｖ／分が適当である。このようにして、厚さ
１５００〜３５００Å、例えば、２０００Åの陽極酸化
物１０９を形成する。（図３（Ｂ））

【０１１６】その後、イオンドーピング法（プラズマド
ーピング法ともいう）によって、各ＴＦＴの島状シリコ
ン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不
純物（燐）を注入した。ドーピングガスとしてはフォス
フィン（ＰＨ₃ ）を用いた。ドーズ量は、１〜４×１０
¹⁵ｃｍ^-2とする。

【０１１７】さらに、図３（Ｃ）に示すようにＫｒＦエ
キシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ
ｅｃ）を照射して、上記不純物領域の導入によって結晶
性の劣化した部分の結晶性を改善させる。レーザーのエ
ネルギー密度は１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましく
は２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ² である。こうして、Ｎ型
不純物（燐）領域１０８、１０９を形成する。これらの
領域のシート抵抗は２００〜８００Ω／□であった。

【０１１８】この工程において、レーザー光を用いる代
わりに、フラッシュランプを使用して短時間に１０００
〜１２００℃（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）（ＲＴＰ、ラピット・サーマル・プロ
セスともいう）等のいわゆるレーザー光と同等の強光を
用いてもよい。

【０１１９】その後、全面に層間絶縁物１１０として、
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ＣＶ
Ｄ法によって酸化珪素膜を厚さ３０００Å形成する。基
板温度は２５０〜４５０℃、例えば、３５０℃とする。
成膜後、表面の平坦性を得るため、この酸化珪素膜を機
械的に研磨する。（図３（Ｄ））

【０１２０】そして、層間絶縁物１１０をエッチングし
て、図１（Ｅ）に示すようにＴＦＴのソース／ドレイン
にコンタクトホールを形成し、クロムもしくは窒化チタ
ンの配線１１２、１１３を形成する。

【０１２１】従来、プラズマ処理を用いてニッケルを導
入した結晶性珪素膜は、酸化珪素膜に比較してバッファ
フッ酸に対する選択性が低いので、上記コンタクトホー
ルの形成工程において、エッチングされてしまうことが
多かった。

【０１２２】しかし、本実施例のように１０ｐｐｍの低
濃度で水溶液を用いてニッケルを導入した場合には、耐
フッ酸性が高いので、上記コンタクトホールの形成が安
定して再現性よく行なうことができる。

【０１２３】最後に、水素中で３００〜４００℃で０．
１〜２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が完成する。そして、同時
に作製した多数のＴＦＴをマトリクス状に配列せしめて
アクティブマトリクス型液晶表示装置として完成する。
このＴＦＴは、ソース／ドレイン領域１０８／１０９と
チャネル形成領域１１４を有している。また１１５がＮ
Ｉの電気的接合部分となる。

【０１２４】本実施例の構成を採用した場合、活性層中
に存在するニッケルの濃度は、３×１０¹⁸ｃｍ^-3程度あ
るいはそれ以下の、１×１０¹⁶atoms ｃｍ^-3〜３×１０
¹⁸atoms ｃｍ^-3であると考えられる。

【０１２５】本実施例で作製されたＴＦＴは、移動度が
Ｎチャネルで１５０ｃｍ² ／Ｖｓ以上のものが得られて
いる。またＶ_thも小さく良好な特性を有していることが
確認されている。さらに、移動度のバラツキも±１０％
以内であることが確認されている。このバラツキの少な
さは、加熱処理により不完全な結晶化とレーザー光の照
射による結晶性の助長とによる工程によるものと考えら
れる。レーザー光のみを利用した場合には、Ｎチャネル
型で１５０ｃｍ² ／Ｖｓ以上のものを容易に得ることが
できるが、バラツキが大きく、本実施例のような均一性
を得ることができない。

【０１２６】〔実施例４〕本実施例においては、実施例
２に示すようにニッケルを選択的に導入し、その部分か
ら横方向（基板に平行な方向）に結晶成長した領域を用
いて電子デバイスを形成する例を示す。このような構成
を採用した場合、デバイスの活性層領域におけるニッケ
ル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的
安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすること
ができる。

【０１２７】図４に本実施例の作製工程を示す。まず、
基板２０１を洗浄し、ＴＥＯＳ（テトラ・エトキシ・シ
ラン）と酸素を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によっ
て厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜２０２を形成す
る。そして、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２０３を成膜する。次に連続的に厚さ５００〜２
０００Å、例えば１０００Åの酸化珪素膜２０５をプラ
ズマＣＶＤ法によって成膜する。そして、酸化珪素膜２
０５を選択的にエッチングして、非晶質珪素の露出した
領域２０６を形成する。

【０１２８】そして実施例２に示した方法により結晶化
を助長する触媒元素であるニッケル元素を含んだ溶液
（ここでは酢酸塩溶液）塗布する。酢酸溶液中における
ニッケルの濃度は１００ｐｐｍである。その他、詳細な
工程順序や条件は実施例２で示したものと同一である。
この工程は、実施例３または実施例４に示した方法によ
るものであってもよい。

【０１２９】この後、窒素雰囲気下で５００〜６２０
℃、例えば５５０℃、４時間の加熱アニールを行い、珪
素膜２０３の結晶化を行う。結晶化は、ニッケルと珪素
膜が接触した領域２０６を出発点として、矢印で示され
るように基板に対して平行な方向に結晶成長が進行す
る。図においては領域２０４はニッケルが直接導入され
て結晶化した部分、領域２０３は横方向に結晶化した部
分を示す。この２０３で示される横方向への結晶は、２
５μｍ程度である。またその結晶成長方向は概略〈１１
１〉軸方向であることが確認されている。（図４
（Ａ））

【０１３０】上記加熱処理による結晶化工程の後にさら
に赤外光の照射により珪素膜２０３の結晶性を助長させ
る。この工程は、波長１．２μｍの赤外光を照射するこ
とによって行なう。この工程によって、数分間で高温加
熱処理したものと同等の効果を得ることができる。

【０１３１】赤外線の光源としてはハロゲンランプを用
いる。赤外光の強度は、モニターの単結晶シリコンウェ
ハー上の温度が９００〜１２００℃の間にあるように調
整する。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱
電対の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィ
ードバックさせる。本実施例では、昇温は、一定で速度
は５０〜２００℃／秒、降温は自然冷却で２０〜１００
℃とする。この赤外光照射は、珪素膜を選択的に加熱す
ることになるので、ガラス基板への加熱を最小限に抑え
ることができる。

【０１３２】さらに窒素雰囲気中において５５０℃、４
時間の加熱処理を行い、膜中の欠陥を減少させる。次
に、酸化珪素膜２０５を除去する。この際、領域２０６
の表面に形成される酸化膜も同時に除去する。そして、
珪素膜２０４をパターニング後、ドライエッチングし
て、島状の活性層領域２０８を形成する。この際、図４
（Ａ）で２０６で示された領域は、ニッケルが直接導入
された領域であり、ニッケルが高濃度に存在する領域で
ある。また、結晶成長の先端にも、やはりニッケルが高
濃度に存在することが確認されている。これらの領域で
は、その中間の領域に比較してニッケルの濃度が高いこ
とが判明している。したがって、本実施例においては、
活性層２０８において、これらのニッケル濃度の高い領
域がチャネル形成領域と重ならないようにした。

【０１３３】その後、１００体積％の水蒸気を含む１０
気圧、５００〜６００℃の、代表的には５５０℃の雰囲
気中において、１時間放置することによって、活性層
（珪素膜）２０８の表面を酸化させ、酸化珪素膜２０９
を形成する。酸化珪素膜の厚さは１０００Åとする。熱
酸化によって酸化珪素膜２０９を形成したのち、基板
を、アンモニア雰囲気（１気圧、１００％）、４００℃
に保持させる。そして、この状態で基板に対して、波長
０．６〜４μｍ、例えば、０．８〜１．４μｍにピーク
をもつ赤外光を３０〜１８０秒照射し、酸化珪素膜２０
９に対して窒化処理を施す。なおこの際、雰囲気に０．
１〜１０％のＨＣｌを混入してもよい。（図４（Ｂ））

【０１３４】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を
成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極２１０を形成する。（図４（Ｃ））

【０１３５】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２１１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
ール溶液中で行う。得られる酸化物層２１１の厚さは２
０００Åである。なお、この酸化物２１１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。（図４
（Ｄ））

【０１３６】次に、イオンドーピング法（プラズマドー
ピング法とも言う）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）にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極２１０とその周囲の酸化層２１１をマスク
として、自己整合的にＮ導電型を付与する不純物（ここ
では燐）を添加する。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とする。ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×１０
¹⁵ｃｍ^-2、例えば、４×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。この結
果、Ｎ型の不純物領域２１２と２１３を形成することが
できる。図からも明らかなように不純物領域とゲイト電
極とは距離ｘだけ放れたオフセット状態となる。このよ
うなオフセット状態は、特にゲイト電極に逆電圧（Ｎチ
ャネルＴＦＴの場合はマイナス）を印加した際のリーク
電流（オフ電流ともいう）を低減する上で有効である。
特に、本実施例のようにアクティブマトリクスの画素を
制御するＴＦＴにおいては良好な画像を得るために画素
電極に蓄積された電荷が逃げないようにリーク電流が低
いことが望まれるので、オフセットを設けることは有効
である。

【０１３７】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行う。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）を用いる
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ショット照射した。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
によって、効果を増大せしめてもよい。（図４（Ｅ））

【０１３８】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜２１
４を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成す
る。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリ
イミド膜２１５を形成し、表面を平坦化する。

【０１３９】そして、層間絶縁物２１４、２１５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ＴＦＴの電極・配線
２１７、２１８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を有す
るアクティブマトリクスの画素回路を完成する。（図４
（Ｆ））

【０１４０】本実施例で作製したＴＦＴは高移動度を得
ることができるので、アクティブマトリックス型の液晶
表示装置のドライバー回路に利用することができる。

【０１４１】〔実施例５〕図５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）５０
１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５０２を形成する。基板は、下地膜の成膜
の前もしくは後に、歪み温度よりも高い温度でアニール
をおこなった後、０．１〜１．０℃／分で歪み温度以下
まで徐冷すると、その後の温度上昇を伴う工程（本発明
の熱酸化工程およびその後の熱アニール工程を含む）で
の基板の収縮が少なく、マスク合わせが用意となる。コ
ーニング７０５９基板では、６２０〜６６０℃で１〜４
時間アニールした後、０．０３〜１．０℃／分、好まし
くは、０．１〜０．３℃／分で徐冷し、４００〜５００
℃まで温度が低下した段階で取り出すとよい。

【０１４２】次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５
００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）の
非晶質珪素膜を成膜する。そして、実施例１で示した方
法により非晶質珪素膜の表面に結晶化を助長する触媒元
素としてニッケルを導入する。そして窒素雰囲気（大気
圧）、５５０℃、４時間アニールして結晶化させる。さ
らにＫｒＦエキシマレーザーを照射し、さらに結晶化を
助長させる。さらに窒素雰囲気中において５５０℃、４
時間の加熱処理を行う。そして、珪素膜を１０〜１００
０μｍ角の大きさにパターニングして、島状の珪素膜
（ＴＦＴの活性層）５０３を形成する。（図５（Ａ））

【０１４３】その後、７０〜９０％の水蒸気を含む１気
圧、５００〜７５０℃、代表的には６００℃の酸素雰囲
気を水素／酸素＝１．５〜１．９の比率でパイロジェニ
ック反応法を用いて形成する。かかる雰囲気中におい
て、３〜５時間放置することによって、珪素膜表面を酸
化させ、厚さ５００〜１５００Å、例えば１０００Åの
酸化珪素膜５０４を形成する。注目すべきは、かかる酸
化により、初期の珪素膜は、その表面が５０Å以上減少
し、結果として、珪素膜の最表面部分の汚染が、珪素−
酸化珪素界面には及ばないようになることである。すな
わち、清浄な珪素−酸化珪素界面が得られることであ
る。酸化珪素膜の厚さは酸化される珪素膜の２倍である
ので、１０００Åの厚さの珪素膜を酸化して、厚さ１０
００Åの酸化珪素膜を得た場合には、残った珪素膜の厚
さは５００Åということになる。

【０１４４】一般に酸化珪素膜（ゲイト絶縁膜）と活性
層は薄ければ薄いほど移動度の向上、オフ電流の減少と
いう良好な特性が得られる。一方、初期の非晶質珪素膜
の結晶化はその膜厚が大きいほど結晶化させやすい。し
たがって、従来は、活性層の厚さに関して、特性とプロ
セスの面で矛盾が存在していた。本発明はこの矛盾を初
めて解決したものであり、すなわち、結晶化前には非晶
質珪素膜を厚く形成し、良好な結晶性珪素膜を得る。そ
して、次にはこの珪素膜を酸化することによって珪素膜
を薄くし、ＴＦＴとしての特性を向上させるものであ
る。さらに、この熱酸化においては、再結合中心の存在
しやすい非晶質成分、結晶粒界が酸化されやすく、結果
的に活性層中の再結合中心を減少させるという特徴も有
する。このため製品の歩留りが高まる。

【０１４５】熱酸化によって酸化珪素膜５０４を形成し
たのち、基板を一酸化二窒素雰囲気（１気圧、１００
％）、６００℃で２時間アニールする。（図５（Ｂ））
引き続いて、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ３０００〜８
０００Å、例えば６０００Åの多結晶珪素（０．０１〜
０．２％の燐を含む）を成膜する。そして、珪素膜をパ
ターニングして、ゲイト電極５０５を形成する。さら
に、この珪素膜をマスクとして自己整合的に、イオンド
ーピング法（プラズマドーピング法とも言う）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Ｎ導電型を付与する不純物（ここでは燐）を添加
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と
する。ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例え
ば、５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。この結果、Ｎ型の不純物
領域５０６と５０７が形成される。

【０１４６】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
によって、効果を増大せしめてもよい。（図５（Ｃ））

【０１４７】また、この工程は、近赤外光によるランプ
アニールによる方法でもよい。近赤外線は非晶質珪素よ
りも結晶化した珪素へは吸収されやすく、１０００℃以
上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行うこ
とができる。その反面、ガラス基板（遠赤外光はガラス
基板に吸収されるが、可視・近赤外光（波長０．５〜４
μｍ）は吸収されにくい）へは吸収されにくいので、ガ
ラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処
理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工程にお
いては最適な方法であるといえる。

【０１４８】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜５０
８を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成す
る。この層間絶縁物としてはポリイミドを利用してもよ
い。さら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５０９、５１０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を完成する。（図５（Ｄ））

【０１４９】上記に示す方法で得られたＴＦＴの移動度
は１１０〜１５０ｃｍ² ／Ｖｓ、Ｓ値は０．２〜０．５
Ｖ／桁であった。また、同様な方法によってソース／ド
レインにホウ素をドーピングしたＰチャネル型ＴＦＴも
作製したところ、移動度は９０〜１２０ｃｍ² ／Ｖｓ、
Ｓ値は０．４〜０．６Ｖ／桁であり、公知のＰＶＤ法や
ＣＶＤ法によってゲイト絶縁膜を形成した場合に比較し
て、移動度は２割以上高く、Ｓ値は２０％以上も減少し
た。また、信頼性の面からも、本実施例で作製されたＴ
ＦＴは１０００℃の高温熱酸化によって作製されたＴＦ
Ｔにひけをとらない良好な結果を示した。

【０１５０】〔実施例６〕図６に本実施例の作製工程の
断面図を示す。本実施例で示すＴＦＴは、アクティブマ
トリックス型の液晶表示装置の画素部分に配置されるＴ
ＦＴに関する。

【０１５１】まず、基板（コーニング７０５９）５１上
に厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜５２を形成する。
さらにプラズマＣＶＤ法により非晶質珪素膜を２００〜
１５００Å、ここでは８００Åの真性（Ｉ型）の非晶質
珪素膜を形成する。そして実施例１に示した方法によ
り、触媒元素であるニッケルを導入し、さらに５５０
℃、４時間の加熱処理を窒素雰囲気中で行なうことによ
り、結晶性珪素膜に変成する。そしてＫｒＦエキシマレ
ーザー光を照射するこにより、この結晶性珪素膜の結晶
性をさらに助長させる。さらに窒素雰囲気中において５
５０℃、４時間の加熱処理を加える。

【０１５２】このようにして得られた結晶性珪素膜は、
特定に領域に明確な結晶粒界が存在しない結晶性珪素膜
とすることができ、その表面の任意の場所にＴＦＴの活
性層を形成することができる。即ち、膜全体が一様に結
晶化しているので、マトリクス状に薄膜トランジスタを
形成した場合であっても、ＴＦＴの活性層を構成する結
晶性珪素膜の物性を全体において一様にすることがで
き、結果として特性のバラツキの小さい多数のＴＦＴを
形成することができる。

【０１５３】そしてパターニングを行なうことにより、
結晶性シリコンの島状領域５３を形成する。そしてさら
に島状シリコン領域を覆って、厚さ１０００Åの酸化珪
素膜５４を形成する。以下においては、図６用いて一つ
のＴＦＴを形成する例を示すが、実際には、マトリクス
状に必要とする数のＴＦＴが同時に形成される。

【０１５４】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム膜（０．１〜０．３重量％のスカンジウムを含
む）を堆積する。そして、アルミニウム膜の表面に厚さ
１００〜４００Åの薄い陽極酸化物を形成する。そし
て、このように処理したアルミニウム膜上に、スピンコ
ート法によって厚さ１μｍ程度のフォトレジストを形成
する。そして、公知のフォトリソグラフィー法によっ
て、ゲイト電極５５を形成する。ここでゲイト電極上に
は、フォトレジストのマスク５６が残存する。（図６
（Ａ））

【０１５５】次に、基板を１０％シュウ酸水溶液に浸漬
し、５〜５０Ｖ、例えば８Ｖの定電圧で１０〜５００
分、例えば２００分陽極酸化をおこなうことによって、
厚さ約５０００Åの多孔質の陽極酸化物５７をゲイト電
極の側面に形成する。ゲイト電極の上面にはマスク材５
６が存在していたので、陽極酸化はほとんど進行しな
い。（図６（Ｂ））

【０１５６】次に、マスク材を除去して、ゲイト電極上
面を露出させ、３％酒石酸のエチレングリコール溶液
（アンモニアで中性にｐＨ調整したもの）中に基板を浸
漬し、これに電流を流して、１〜５Ｖ／分、例えば４Ｖ
／分で電圧を１００Ｖまで上昇させて、陽極酸化を行な
う。この際には、ゲイト電極上面のみならず、ゲイト電
極側面も陽極酸化されて、緻密な無孔質陽極酸化物５８
が厚さ１０００Å形成される。この陽極酸化物の耐圧は
５０Ｖ以上である。（図６（Ｃ））

【０１５７】次に、ドライエッチング法によって、酸化
珪素膜５４をエッチングする。このエッチングにおいて
は、陽極酸化物３７および３８はエッチングされず、酸
化珪素膜のみがエッチングされる。また、陽極酸化物の
下の酸化珪素膜はエッチングされずにゲイト絶縁膜５９
として残る。（図６（Ｄ））

【０１５８】次に、燐酸、燐酸、酢酸、硝酸の混酸を用
いて多孔質陽極酸化物５７をエッチングし、無孔質陽極
酸化物５８を露出させる。そして、プラズマドーピング
法によって、シリコン領域３３にゲイト電極３５および
側面の多孔質陽極酸化物３７をマスクとして不純物
（燐）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５〜３０ｋＶ、例えば
１０ｋＶとする。ドーズ量は１×１０¹⁴〜８×１０¹⁵ｃ
ｍ^-2、例えば、２×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。

【０１５９】このドーピング工程においては、ゲイト絶
縁膜５９で被覆されていない領域６０には高濃度の燐が
注入されるが、ゲイト絶縁膜５９で表面の覆われた領域
６１においては、ゲイト絶縁膜が障害となって、ドーピ
ング量は少なく、本実施例では、領域６０の０．１〜５
％の不純物しか注入されなない。この結果、Ｎ型の高濃
度不純物領域６０および低濃度不純物領域６１が形成さ
れる。（図６（Ｅ））

【０１６０】その後、上面からレーザー光を照射して、
レーザーアニールをおこない、ドーピングされた不純物
を活性化する。続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜６
２を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成す
る。そして、画素電極となるＩＴＯ電極６４を形成す
る。さら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のソース領域、ドレイン領域の電極・配線６３を形成
する。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分
のアニールをおこなった。以上の工程によって薄膜トラ
ンジスタが完成する。（図６（Ｆ））

【０１６１】本実施例では、いわゆる低濃度ドレイン
（ＬＤＤ）構造と同じ構造を得ることができる。ＬＤＤ
構造はホットキャリヤによる劣化を抑制するうえで有効
であることが示されているが、本実施例で作製したＴＦ
Ｔでも同じ効果が得られる。しかしながら、公知のＬＤ
Ｄを得るプロセスに比較すると、本実施例では１回のド
ーピング工程によって、ＬＤＤが得られることに特徴が
ある。また、本実施例では多孔質陽極酸化物５７によっ
て画定されたゲイト絶縁膜５９を利用することによって
高濃度不純物領域６０が画定されていることに特徴があ
る。すなわち、最終的には多孔質陽極酸化物５７によっ
て、間接的に不純物領域が画定されるのである。そし
て、本実施例で明らかなように、ＬＤＤ領域の幅ｘは、
実質的に多孔質陽極酸化物の幅によって決定される。

【０１６２】本実施例の作製方法を用いて、より高度な
集積化を実行することができる。そして、その際には、
ＴＦＴの必要とされる特性に応じてオフセット領域ある
いはＬＤＤ領域の幅ｘを変化させるとより都合がよい。
特に、本実施例の構成を採用した場合、ＯＦＦ電流の低
減を実現することができるので、画素電極における電荷
保持を目的としたＴＦＴには最適なものとなる。

【０１６３】〔実施例７〕図７には、１枚のガラス基板
上にディスプレーから、ＣＰＵ、メモリーまで搭載した
集積回路を用いた電気光学システムのブロック図を示
す。ここで、入力ポートとは、外部から入力された信号
を読み取り、画像用信号に変換し、補正メモリーは、ア
クティブマトリクスパネルの特性に合わせて入力信号等
を補正するためのパネルに固有のメモリーである。特
に、この補正メモリーは、各画素固有の情報を不揮発性
メモリーとして融資、個別に補正するためのものであ
る。すなわち、電気光学装置の画素に点欠陥のある場合
には、その点の周囲の画素にそれに合わせて補正した信
号を送り、点欠陥をカバーし、欠陥を目立たなくする。
または、画素が周囲の画素に比べて暗い場合には、その
画素により大きな信号を送って、周囲の画素同じ明るさ
となるようにするものである。

【０１６４】ＣＰＵとメモリーは通常のコンピュータの
ものと同様で、特にメモリーは各画素に対応した画像メ
モリーをＲＡＭとして持っている。また、画像情報に応
じて、基板を裏面から照射するバックライトを変化させ
ることもできる。

【０１６５】そして、これらの回路のそれぞれに適した
オフセット領域あるいはＬＤＤ領域の幅を得るために、
３〜１０系統の配線を形成し、個々に陽極酸化条件を変
えられるようにすればよい。典型的には、アクティブマ
トリクス回路においては、チャネル長が１０μｍで、Ｌ
ＤＤ領域の幅は０．４〜１μｍ、例えば、０．６μｍ。
ドライバーにおいては、Ｎチャネル型ＴＦＴで、チャネ
ル長８μｍ、チャネル幅２００μｍとし、ＬＤＤ領域の
幅は０．２〜０．３μｍ、例えば、０．２５μｍ。同じ
くＰチャネル型ＴＦＴにおいては、チャネル長５μｍ、
チャネル幅５００μｍとし、ＬＤＤ領域の幅は０〜０．
２μｍ、例えば、０．１μｍ。デコーダーにおいては、
Ｎチャネル型ＴＦＴで、チャネル長８μｍ、チャネル幅
１０μｍとし、ＬＤＤ領域の幅は０．３〜０．４μｍ、
例えば、０．３５μｍ。同じくＰチャネル型ＴＦＴにお
いては、チャネル長５μｍ、チャネル幅１０μｍとし、
ＬＤＤ領域の幅は０〜０．２μｍ、例えば、０．１μｍ
とすればよい。さらに、図７における、ＣＰＵ、入力ポ
ート、補正メモリー、メモリーのＮＴＦＴ、ＰＴＦＴは
高周波動作、低消費電力用のデコーダーと同様にＬＤＤ
領域の幅を最適化すればよい。かくして、電気光学装置
７４を絶縁表面を有する同一基板上に形成することがで
きた。

【０１６６】本発明においては、高抵抗領域の幅を２〜
４種類、またはそれ以上に用途によって可変することを
特徴としている。また、この領域はチャネル形成領域と
全く同じ材料、同じ導電型であるという必要はない。す
なわち、ＮＴＦＴでは、微量にＮ型不純物を、また、Ｐ
ＴＦＴでは微量にＰ型不純物を添加し、また、選択的に
炭素、酸素、窒素等を添加して高抵抗領域を形成するこ
ともホットキャリヤによる劣化と信頼性、周波数特性、
オフ電流とのトレードオフを解消する上で有効である。

【０１６７】また、画素電極に設けられたＴＦＴを駆動
するドライバー回路のＴＦＴとしては、図３〜図５に示
したＴＦＴを用いることが望ましい。

【０１６８】〔実施例８〕本実施例は、概略以下の作製
工程によって形成されることを特徴とする。 （１）非晶質珪素膜をニッケル元素を用いた加熱処理に
より結晶化させる。 （２）レーザー光の照射を行うことにより（１）の工程
において結晶化された珪素膜の結晶性を助長させる。 （３）ゲイト電極を形成し、このゲイト電極をマスクと
して、不純物イオン注入を行い、ソース／ドレイン領域
を形成する。 （４）加熱処理を行い、ソース／ドレイン領域の再結晶
化と注入された不純物の活性化を行う。 以上のように、本実施例においては、加熱処理−レーザ
ー光照射−加熱処理を行うことを特徴とする。ここで、
第１の加熱処理は非晶質珪素膜の結晶化の為であり、レ
ーザー光照射は非晶質珪素膜の結晶化を助長させるため
のものであり、第２の加熱処理はソース／ドレイン領域
の再結晶化と該領域に注入された不純物の活性化、さら
にチャネル形成領域中における欠陥の除去を行う為のも
のである。

【０１６９】以下に図９に示す薄膜トランジスタの作製
工程を示す。まずガラス基板９０１上に下地の酸化珪素
膜９０２を２０００Åの厚さにスパッタ法によって形成
する。次に非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法または減圧
熱ＣＶＤ法によって１０００Åの厚さに形成する。そし
て、ニッケル酢酸塩を用いて非晶質珪素膜の表面にニッ
ケル元素を導入する。そして加熱処理を施すことによ
り、非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶性珪素膜９０３を
得る。ここでは、５５０度、４時間の加熱処理を行うこ
とにより結晶性珪素膜を得る。

【０１７０】上記加熱処理の終了後、ＸｅＣｌエキシマ
レーザー（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザー
を３００ｍＪ／ｃｍ² の照射強度で照射し、結晶性珪素
膜９０３の結晶性を助長させる。（図９（Ａ））

【０１７１】次に結晶性珪素膜９０３に対してパターニ
ングを施すことにより、薄膜トランジスタの活性層を形
成する。そしてゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜を１００
０Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で形成する。ゲイト絶縁
膜の形成後、アルミニウムを主成分とする膜を５０００
Åの厚さに形成し、パターニングを施すことにより、ゲ
イト電極９０５を形成する。そして、ゲイト電極９０５
を陽極として電解溶液中において陽極酸化を行うことに
よって、ゲイト電極９０５の周囲に酸化物層９０６を形
成する。ここではこの酸化物層９０５の厚さは２０００
Åとする。

【０１７２】次にゲイト電極９０５とゲイト電極９０５
周囲の酸化物層９０６をマスクとして不純物イオンの注
入を行い、自己整合的にソース領域９０７とドレイン領
域９１１、チャネル形成領域９０９、オフセットゲイト
領域９０８、９１０を形成する。ここではＮチャネル型
の薄膜トランジスタを得るために不純物イオンとしてリ
ンのイオンを用いる。なおこの際、ソース／ドレイン領
域はイオンの衝撃によって非晶質化される。（図９
（Ｂ））

【０１７３】次に（Ｃ）に示す工程において、５００
度、２時間の加熱処理を施すことにより、ソース領域９
０７とドレイン領域９１１の再結晶化と注入されたリン
イオンの活性化とを行う。この工程においては、結晶性
を有しているオフセットゲイト領域９０８と非晶質化し
ているソース領域９０７との界面から矢印９１２で示す
ような結晶成長が進行する。この結晶成長は、オフセッ
トゲイト領域９０８を核として進行する。また同様に結
晶性を有しているオフセットゲイト領域９１０と非晶質
化しているドレイン領域９１１との界面から矢印９１２
で示すような結晶成長が進行する。この結晶成長は、ソ
ース／ドレイン領域に注入されているリンイオンの作用
により、５００度またはそれ以下の温度において容易に
進行する。また、オフセットゲイト領域から連続した結
晶構造を得ることができるので、格子不整合に起因する
欠陥の集中を防ぐことができる。

【０１７４】この（Ｃ）の工程で行われる加熱処理工程
は、３００度以上の温度で行えばよい。本実施例のよう
な場合は、ゲイト電極にアルミニウムを用いており、ま
たガラス基板の耐熱性の問題もあるので、３００〜６０
０度の温度において行えばよい。

【０１７５】またこの（Ｃ）で示す加熱処理工程におい
て、加熱処理工程の前または後にレーザー光または強光
の照射によるアニールを組み合わせることは有効であ
る。

【０１７６】次に層間絶縁膜を６０００Åの厚さにプラ
ズマＣＶＤ法で形成し、さらにソース電極９１４とドレ
イン電極９１５を形成する。そして３５０度の水素雰囲
気中において加熱処理を施すことにより、水素化を行い
（Ｄ）に示す薄膜トランジスタを完成させる。

【０１７７】本実施例においては、オフセットゲイト領
域９０８と９１０を形成する構成を示したが、オフセッ
トゲイト領域を形成しない場合には、（Ｃ）の加熱工程
において、結晶性を有しているチャネル形成領域からソ
ース／ドレイン領域へと結晶化が進行することになる。

【０１７８】

【効果】触媒元素を導入して低温で短時間で結晶化さ
せ、さらにレーザー光または強光を照射し、さらに加熱
処理を加えた結晶性珪素膜を用いて、半導体装置を作製
することで、生産性が高く、特性のよいデバイスを得る
ことができる。特にＮｉに代表される侵入型の触媒元素
を用いることで、 （１）特定の領域に結晶粒界が存在しない一様な結晶性
を有した結晶性珪素膜を得ることができる。そして、こ
の結晶性珪素膜を用いることで例えばアクティブマトリ
クス型の液晶表示装置に利用されるような多数の特性の
揃った薄膜トランジスタを同一平面内に形成することが
できる。 （２）結晶の成長方向を制御した結晶性珪素膜を得るこ
とができ、必要とする特性を有する薄膜トランジスタを
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の工程を示す

【図２】 実施例の工程を示す。

【図３】 実施例の作製工程を示す。

【図４】 実施例の作製工程を示す。

【図５】 実施例の作製工程を示す。

【図６】 実施例の作製工程を示す。

【図７】 実施例の構成を示す。

【図８】 ＥＳＲ測定の結果を示す。

【図９】 実施例の作製工程を示す。

【符号の説明】

１１・・・・ガラス基板 １２・・・・非晶質珪素膜 １３・・・・酸化珪素膜 １４・・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜 １５・・・・ズピナー ２１・・・・マスク用酸化珪素膜 ２０・・・・酸化珪素膜 １１・・・・ガラス基板 １０４・・・活性層 １０５・・・酸化珪素膜 １０６・・・ゲイト電極 １０９・・・酸化物層 １０８・・・ソース／ドレイン領域 １０９・・・ドレイン／ソース領域 １１０・・・層間絶縁膜（酸化珪素膜） １１２・・・電極 １１３・・・電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA11 AA24 BB07 CA04 DA02 DB02 DB03 FA06 FA19 JA01 5F110 AA06 AA17 BB02 CC02 DD02 DD13 EE03 EE06 EE09 EE34 EE43 EE45 FF02 FF04 FF23 FF26 FF29 FF30 FF32 FF36 GG02 GG13 GG17 GG25 GG33 GG34 GG35 GG45 GG47 HJ01 HJ04 HJ18 HJ23 HL01 HL03 HL04 HM14 HM15 NN03 NN04 NN23 NN27 NN35 NN36 NN72 NN78 PP01 PP02 PP03 PP04 PP13 PP23 PP27 PP29 PP34 PP36 QQ11 QQ19 QQ24

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非晶質珪素膜を形成し、加熱処理を施し、
   前記非晶質珪素膜を結晶化し、前記結晶化された珪素膜
   に対してレーザー光を照射し、前記レーザー光が照射さ
   れた珪素膜に対して加熱処理を施すこと、を特徴とする
   半導体装置の作製方法。
2. 【請求項２】前記非晶質珪素膜を結晶化した後、前記レ
   ーザー光の照射と、前記加熱処理とを２回以上、交互に
   繰り返して行うことを特徴とする請求項１に記載の半導
   体装置の作製方法。
3. 【請求項３】非晶質珪素膜を形成し、加熱処理を施し、
   前記非晶質珪素膜を結晶化し、前記結晶化された珪素膜
   に対してレーザー光を照射し、前記レーザー光が照射さ
   れた珪素膜に対して加熱処理を施し、前記加熱処理され
   た珪素膜を水素化すること、を特徴とする半導体装置の
   作製方法。
4. 【請求項４】エキシマレーザーを用いて、レーザー光を
   照射することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
   一に記載の半導体装置の作製方法。
5. 【請求項５】非晶質珪素膜を形成し、加熱処理を施し、
   前記非晶質珪素膜を結晶化し、前記結晶化された珪素膜
   に対してＲＴＡを施し、前記ＲＴＡが施された結晶性珪
   素膜に対して加熱処理を施すこと、を特徴とする半導体
   装置の作製方法。
6. 【請求項６】非晶質珪素膜を形成し、加熱処理を施し、
   前記非晶質珪素膜を結晶化し、前記結晶化された珪素膜
   に対してＲＴＡを施し、前記ＲＴＡが施された結晶性珪
   素膜に対して加熱処理を施し、前記加熱処理が施された
   珪素膜を水素化すること、を特徴とする半導体装置の作
   製方法。