JP2003037063A

JP2003037063A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003037063A
Application number: JP2002139001A
Authority: JP
Inventors: Naoki Makita; 直樹牧田; Katsumi Nomura; 克己野村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-02-07
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: JP4353352B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速の電流駆動能を有する高速性能を有し、
且つ、性能のばらつきが低減された半導体装置及びその
製造方法を提供する。【解決手段】非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する微量
の触媒元素を触媒元素導入領域１に導入して、基板に対
して横方向に固相成長された領域４を形成する。この領
域４を種結晶として、領域４に対して、１回目のパルス
レーザー光を領域６に照射し、２回目のパルスレーザー
光を領域１０に照射し、以下、矢印Ｃで示す方向に順次
走査して光照射する。このような光照射による溶融固化
により概略一方向に結晶成長された領域１４を、半導体
装置の活性領域１７とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、さらに詳細には、非晶質ケイ素膜を
結晶化した結晶性ケイ素膜を活性領域とする半導体装置
及びその製造方法に関する。特に、本発明は、絶縁表面
を有する基板上に設けられた薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）を設けた半導体装置に有効であり、アクティブマト
リクス型の液晶表示装置、密着型イメージセンサー、三
次元ＩＣなどに適用することが可能である。

【０００２】

【従来の技術】近年、高解像度の液晶表示装置、高速で
高解像度の密着型イメージセンサ、三次元ＩＣ等を実現
するために、ガラス等の絶縁性基板、絶縁膜等上に高性
能な半導体素子を形成する試みがなされている。このよ
うな半導体素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるの
が一般的となっている。薄膜状のケイ素半導体として
は、非晶質ケイ素半導体（ａ−Ｓｉ）と結晶性を有する
ケイ素半導体との２つに大別される。

【０００３】非晶質ケイ素半導体は、製造温度が低く、
気相法により比較的容易に作製することができるため
に、量産性に優れ、最も一般的に用いられている。しか
しながら、非晶質ケイ素半導体は、結晶性を有するケイ
素半導体と比較すると、誘電性等の物性が劣るため、今
後、さらなる高速特性を得ることができる結晶性を有す
るケイ素半導体の簡便な製造方法の確立が強く求められ
ている。

【０００４】結晶性を有するケイ素半導体を製造する方
法としては、次の（１）及び（２）に示す方法が知られ
ている。（１）非晶質ケイ素半導体膜を成膜した後、非晶質ケイ
素半導体膜にレーザ光等のエネルギービームを照射し
て、その光エネルギーによって、非晶質ケイ素半導体膜
を結晶化して結晶性を有するケイ素半導体膜とする。（２）非晶質ケイ素半導体膜を成膜した後、加熱して、
その熱エネルギーによって、非晶質ケイ素半導体膜を結
晶化して結晶性を有するケイ素半導体膜とする。

【０００５】一般的には、上記（１）の方法が用いられ
る。この方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用す
るため、結晶粒は小粒径となるが、結晶粒内の結晶欠陥
が少なく、比較的高品質な結晶性のケイ素半導体膜が得
られる。しかしながら、上記（１）の方法により作製さ
れた結晶性のケイ素半導体膜では、粒界部における欠陥
密度が高くなるために、この粒界部における欠陥がキャ
リアに対して大きなトラップとして働き、半導体装置と
して十分な性能が得られない。また、例えば、レーザー
光の光源として現在最も一般的に使用されているエキシ
マレーザーを使用する場合には、レーザー光の安定性が
十分でないために、基板の全面にわたって均一な処理を
施すことが容易でなく、同一基板上に均一な特性を有す
る複数の結晶性のケイ素半導体膜を成膜することができ
ず、半導体素子間で特性のばらつきが生じるおそれがあ
る。

【０００６】（２）の方法は、（１）の方法と比較する
と基板内の均一性、安定性に優れているが、６００℃以
上の高温条件によって３０時間程度の長時間にわたる加
熱処理が必要になるため、処理時間が長くなり、スルー
プットを向上させることができないという問題がある。
さらに、（２）の方法においては、結晶化される結晶構
造が双晶構造となるため、数μｍ程度の比較的大きな結
晶粒が得られるが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含むた
めに、その結晶性は、上記（１）の方法により製造され
たケイ素半導体膜の結晶性よりも劣るという問題があ
る。

【０００７】これに対して、上記（１）及び（２）の方
法をそれぞれ改善して、高品位な結晶性ケイ素膜を得る
方法が開発されている。

【０００８】まず、（１）の方法の改善方法として、マ
スクによって形成された露光領域にパルスレーザー光を
照射して、このパルスレーザー光が照射された露光領域
のケイ素膜を溶融し、溶融されたケイ素膜が、周囲の非
照射領域（非溶融領域）に近接した領域から順次固化さ
れることによって、方向性をもって結晶化が進む現象を
利用して、結晶の成長方向を制御した結晶化処理方法
が、特表２０００−５０５２４１号公報に開示されてい
る。

【０００９】この結晶化処理方法では、非晶質ケイ素膜
に対して、走査しながら照射するパルスレーザーの走査
ピッチを小さくすることにより、走査方向に沿った方向
に結晶が成長するように制御している。さらに、マスク
の形状、レーザが照射されるケイ素膜のアイランド形状
を調整することにより、比較的小面積ながら結晶粒界が
ない単結晶に近い結晶領域が製造される。

【００１０】また、（２）の方法の改善方法としては、
非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を導入する
ことにより、加熱温度の低下、処理時間の短縮、結晶性
の向上を図る方法が注目されている。

【００１１】具体的には、非晶質ケイ素膜の表面に微量
のニッケル等の金属元素を導入した後に加熱処理するこ
とによって結晶性のケイ素膜とする。

【００１２】このような触媒元素を用いた方法では、非
晶質ケイ素膜中において、導入された金属元素を核とし
た結晶核が早期に発生し、その後、この結晶核を中心と
して結晶化が急激に進行する。

【００１３】この方法は、触媒元素の導入による結晶核
の早期発生によって、加熱温度の低下及び処理時間の短
縮を図ることができると共に、結晶成長した結晶性のケ
イ素膜が、通常の固相成長法（上記（２）の方法）によ
って成長した結晶性ケイ素膜が、結晶欠陥が多くなる双
晶構造を有する場合とは異なり、複数の柱状結晶（ネッ
トワーク）が連なる構造を有し、それぞれの柱状結晶
は、小さいながらも、その内部が単結晶に近い状態にな
っている。

【００１４】特開平１１−２６０７８２３号公報には、
非晶質ケイ素膜の一部の領域に触媒元素を導入して加熱
処理を行うことにより、触媒元素が導入された導入領域
からその周辺領域に横方向に結晶を成長させる結晶成長
方法が開示されている。

【００１５】特にこの公報に記載された結晶成長方法で
は、触媒元素が導入される領域の導入パターンをストラ
イプ（ライン・アンド・スペース）状とし、その導入パ
ターンの幅と各導入パターン間の間隔とを規定すること
によって、横方向の結晶成長の安定化を図っている。

【００１６】また、上記（１）の方法と、上記（２）の
方法とを組み合わせた結晶成長方法として、触媒元素を
導入して熱処理することにより固相結晶化した結晶性ケ
イ素膜の結晶性をさらに向上させるために、加熱処理の
後に、レーザー光等の強光を照射する工程をさらに追加
する結晶成長方法が、特開平７−１６１６３４号公報に
開示されている。このような光照射工程を追加して行う
ことにより、触媒元素存在下で加熱処理を行うことによ
り結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性がさらに高めら
れ、半導体装置のさらなる高速化が図られている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記の特表２０００−
５０５２４１号公報で得られる結晶性ケイ素膜は、レー
ザー光の照射により溶融した領域のケイ素膜が、周囲の
非照射領域（非溶融領域）に近接した領域から順次固下
されて、その方向性が制御されて結晶化されるため、成
長方向が制御された柱状の結晶粒（グレイン）により構
成される。図１１は、この結晶粒の状態を概略的に示す
断面図である。ここで、Ｘ０１は結晶の成長方向、Ｘ０
２は結晶粒界を示している。

【００１８】しかし、この方法によって成長される結晶
粒は、図１１に示すように、ほぼ同一方向に成長されて
成長方向が揃った複数の柱状結晶が形成されるが、各結
晶粒間及び結晶の面方位のいずれについても関連性がな
い。したがって、各結晶粒界部には、結晶欠陥及び不対
結合手が高頻度に発生した状態となっており、半導体素
子のキャリアの移動に対するトラップ障壁が大きくな
る。この結果、半導体素子の活性領域に対して、キャリ
アの移動方向と結晶の成長方向とが平行になっている場
合と、平行になっていない場合とでは、キャリアが横切
る結晶粒界の数が大きき異なることとなり、キャリアが
横切る結晶粒界の数が大きくなると、その特性が著しく
低下して、素子間の特性のばらつきが大きくなる。

【００１９】具体的には、上記の方法を用いることによ
り、その結晶成長方向に対してキャリアの移動方向が平
行あるいは垂直になるようにＴＦＴを作製した場合、キ
ャリアの移動方向が平行あるいは垂直となったＴＦＴ間
で、５倍程度の大きな特性の差異が生じ、素子設計レイ
アウトに与えられる制約が大きくなる。

【００２０】また、その成長方向が半導体素子のキャリ
アの移動方向に沿うように半導体素子を作製した場合で
あっても、図１１に示されるように、結晶の成長方向に
沿う結晶粒の長さに限界があり、半導体素子内で、複数
の結晶粒が連結された状態となる。このため、それぞれ
の半導体素子の活性領域内の結晶状態及びその柱状結晶
が連結された状態によって、半導体素子の特性が左右さ
れて、大きなばらつきが生じるおそれがある。

【００２１】図１２は、特表２０００−５０５２４１号
公報に記載された結晶化処理方法において、レーザ光が
照射される露光領域を形成するためのマスクを、屈曲形
状を含む形状としてケイ素膜を結晶化した結果を示す平
面図である。Ｘ０１は結晶の成長方向、Ｘ０２は結晶粒
界を示している。

【００２２】このようにマスク形状に屈曲形状を含ませ
ることにより、特表２０００−５０５２４１号公報に記
載された結晶化処理方法でも、結晶粒界によって囲まれ
たＸ０３にて示す領域のように、一部に単結晶に近い領
域を形成することができる。しかしながら、この領域
は、この領域のみによって半導体素子の活性領域を形成
するほどには大きく成長させることはできない。また、
この単結晶領域Ｘ０３に対して半導体素子の活性領域を
高精度にアライメント（位置合わせ）する必要があり、
工程が複雑になるという問題もある。

【００２３】また、特開平１１−２６０７２３号公報の
方法で得られる結晶性のケイ素膜は、図１３に示すよう
に、マクロ的に見れば、結晶成長状態は均一であり、比
較的大きな領域で結晶面方位が一様に揃っている。ここ
で、Ｙ０１は結晶の成長方向、Ｙ０２は結晶粒界、Ｙ０
３は触媒元素の導入領域をそれぞれ示している。

【００２４】この方法により得られた結晶性のケイ素半
導体膜の結晶粒界は、図１２のＹ０２で囲まれた領域に
より示されるように、図１０に示した結晶粒界に比較し
て、大きくなっており、半導体素子の活性領域を一つの
結晶粒内に形成することも可能である。

【００２５】しかし、この方法により得られた結晶性ケ
イ素膜では、結晶粒内に現れる結晶欠陥が多くなるとい
う問題がある。触媒元素を導入し加熱することにより結
晶化された結晶性ケイ素膜は、幅８００〜１０００Åの
柱状結晶が相互に連結したネットワークを形成した状態
で結晶粒を構成している。個々の柱状結晶の内部は単結
晶状態になっているが、それぞれの柱状結晶の曲がり、
分岐等により転移等の結晶欠陥が結晶粒内に多数生じる
ことになる。したがって、この方法により得られた結晶
性のケイ素半導体膜では、単一の面方位をもった一つの
領域により半導体素子の活性領域を形成したとしても、
結晶粒内に存在する結晶欠陥のために十分な性能を得る
ことができない。例えば、ＴＦＴの電界効果移動度で、
高々１００ｃｍ²／Ｖｓ程度となる。

【００２６】また、実際上は、単一の面方位をもった一
つの領域に合わせて半導体素子の活性領域を形成するこ
とは非常に困難であり、結晶成長の方向をキャリア移動
方向にあわせたとしても、活性領域内に結晶粒界Ｙ０２
を必ず含むことになる。このため、この方法で得られた
結晶性ケイ素半導体では、半導体装置の特性のばらつき
を低減することができない。

【００２７】特開平７−１６１６３４号公報に記載され
た方法では、触媒元素により結晶化した結晶性ケイ素膜
に現れる結晶粒内の多量の結晶欠陥を消滅させるため
に、レーザー光等の強光を照射する工程をさらに追加し
ている。しかし、レーザー光のレーザパワーが低すぎる
と、レーザー光を照射する効果が表れず、元の結晶状態
をほぼ維持するだけの状態となり、レーザー光のレーザ
ーパワーが高すぎると、元の結晶状態がリセットされて
レーザー光のみにより結晶化された場合と同じ結晶状態
となるため、レーザー光等の強光を適正に照射すること
は容易ではなく、レーザーパワーのマージンはほとんど
ない。

【００２８】また、照射されるレーザー光のレーザーパ
ワーが最適であった場合、触媒元素による結晶化工程に
おける結晶性を維持しながら、結晶粒内の結晶欠陥を低
減することができる一方で、レーザー光による再結晶化
工程による結晶粒界が新たに生じることになる。このよ
うなレーザー光照射によって発生する新たな結晶粒界
は、触媒元素により固相結晶化された状態で見られる結
晶粒界に比較して、半導体キャリアに対するトラップ密
度が大きく、またそのエネルギーも高い。

【００２９】この方法により得られた結晶性ケイ素半導
体膜を用いた半導体装置においては、触媒元素により固
相結晶化した結晶性ケイ素膜の高い均一性を引き継いで
再結晶化することから、従来の非晶質ケイ素膜を直接レ
ーザーによる結晶化する方法に比べると、結晶の均一性
は格段に高くなる。また、レーザー光の照射により生じ
る新たな結晶粒界が、触媒元素の導入により固相結晶成
長させた際に生じた結晶粒界よりも影響が少ないため、
レーザー光照射工程を追加することにより、トータル的
には、半導体装置の特性の向上を図ることができる。

【００３０】しかしながら、レーザー光照射に伴う新た
な結晶粒界の発生は、ランダムに起こるため、その影響
により半導体装置の特性に、ばらつきが生じる。その結
果、触媒元素による固相結晶化のみで作製された半導体
装置に比べると、特性が不安定となり、特性上のばらつ
きが大きくなり、この方法により得られる結晶性のケイ
素半導体膜では、高速の電流駆動能を有する高速性能の
半導体装置を実現するために十分な特性を得るには至っ
ていない。

【００３１】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、高速の電流駆動能を有する高速性能を
有し、且つ、性能のばらつきが低減された半導体装置及
びその製造方法を提供することを目的とする。

【００３２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に
結晶性を有するケイ素膜によって活性領域が形成された
半導体装置であって、該活性領域は、非晶質ケイ素膜の
結晶化を促進する微量の触媒元素が導入された領域から
一方向に沿って固相成長された領域を種結晶として、該
固相成長された領域を溶融固化させることにより概略一
方向に結晶成長された結晶性を有するケイ素膜によって
形成されていることを特徴とするものである。

【００３３】上記本発明の半導体装置において、前記溶
融固化させることにより結晶成長された結晶性を有する
ケイ素膜の結晶成長方向が、前記固相成長された領域の
結晶成長方向に対して、概略直交する方向であることが
好ましい。

【００３４】上記本発明の半導体装置において、前記活
性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長され
た領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライ
ン状の結晶粒群により形成され、該ライン状の結晶粒群
は、隣接する他のライン状の結晶粒群とほぼ同一な面方
位を有していることが好ましい。

【００３５】上記本発明の半導体装置において、前記各
ライン状の結晶粒群間の面方位のずれが、５°以内にな
っていることが好ましい。

【００３６】上記本発明の半導体装置において、前記活
性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長され
た領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライ
ン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒
群の結晶粒界は、少なくとも８０％以上のケイ素原子が
原子レベルで格子状につながっていることが好ましい。

【００３７】上記本発明の半導体装置において、前記活
性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長され
た領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライ
ン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒
界間には、小傾角粒界が形成されていることが好まし
い。

【００３８】上記本発明の半導体装置において、前記小
傾角粒界は、各結晶粒間の平面的な方位の回転角が５°
以内になっていることが好ましい。

【００３９】上記本発明の半導体装置において、前記結
晶粒界は、セコエッチング法によるエッチングによりそ
の位置が規定されることが好ましい。

【００４０】上記本発明の半導体装置において、前記結
晶粒群の面方位及び結晶粒界での結晶方位の傾角は、Ｅ
ＢＳＰ法により測定される面であることが好ましい。

【００４１】上記本発明の半導体装置において、前記活
性領域は、前記活性領域を移動するキャリアの移動方向
が溶融固化されることにより結晶成長された領域の結晶
成長方向及び前記各ライン状の結晶粒界に沿う方向に対
して概略平行になるように形成されていることが好まし
い。

【００４２】上記本発明の半導体装置において、前記活
性領域に形成される能動領域は、触媒元素であるニッケ
ル元素を１×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の
濃度で含有していることが好ましい。

【００４３】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜の
一部に、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を
選択的に導入する工程と、該非晶質ケイ素膜を加熱処理
することにより、該触媒元素が選択的に導入された領域
の近接部分から順次結晶化させて、結晶性ケイ素膜とす
る工程と、該結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ
加熱して、順次再結晶化する工程と、該再結晶化された
結晶性ケイ素膜により、活性領域を形成する工程と、を
包含することを特徴とするものである。

【００４４】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケ
イ素膜は、レーザー光が該結晶化方向とは直交する方向
に沿って走査されることにより加熱されることが好まし
い。

【００４５】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記触媒元素は、前記絶縁表面を有する基板上に形
成された非晶質ケイ素膜上にライン状またはストライプ
状に形成された領域に導入され、前記レーザー光は、該
ライン状またはストライプ状に形成された領域が延びる
方向に沿って走査されることが好ましい。

【００４６】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記ライン状またはストライプ状に形成された領域
のそれぞれの幅は、１〜１５μｍの範囲に形成されてい
ることが好ましい。

【００４７】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケ
イ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、順次再結晶
化する工程は、該結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を
照射しながら、基板またはパルスレーザー光を一方向に
走査することにより、前段のパルスレーザー光により再
結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させ
ることにより行われることが好ましい。

【００４８】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記結晶性ケイ素膜に一定方向に走査されながら照
射される前記パルスレーザー光のうち少なくとも第１段
目のパルスレーザー光は、前記触媒元素の導入によって
結晶化された領域に照射され、この領域へのパルスレー
ザー光の照射が行われた後の第２段目のパルスレーザー
光は、触媒元素の導入による結晶成長が行われていない
領域に照射されることが好ましい。

【００４９】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記パルスレーザー光の走査ピッチは、前記パルス
レーザー光の照射時に溶融する結晶性ケイ素膜の領域
が、隣接する非溶融領域の結晶性ケイ素膜の結晶性を反
映して再結晶化できる長さ以下に設定されることが好ま
しい。

【００５０】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記パルスレーザー光の走査ピッチは、０．１μｍ
〜１．５μｍであることが好ましい。

【００５１】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記パルスレーザー光は、走査される方向に対して
垂直な方向に沿って長くなっていることが好ましい。

【００５２】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記パルスレーザー光のビーム強度の強度プロファ
イルは、前記パルスレーザー光の少なくとも走査方向の
反対側の強度プロファイルが、一定強度から急激に０強
度まで低下することが好ましい。

【００５３】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記パルスレーザー光は、その走査方向とは反対側
の一部を機械的にマスクする遮蔽手段を有するレーザー
照射手段を用いて照射されることが好ましい。

【００５４】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記レーザー照射手段の遮蔽手段は、照射されるパ
ルスレーザー光を、少なくとも前記結晶性ケイ素膜の溶
融に必要な強度から連続的に強度が低下する範囲を遮蔽
することが好ましい。

【００５５】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記パルスレーザー光は、前記結晶性ケイ素膜が膜
の全体にわたって溶融する強度で照射されることが好ま
しい。

【００５６】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記パルスレーザー光は、波長４００ｎｍ以下のエ
キシマレーザーが用いられ、前記結晶性ケイ素膜の表面
に対するエネルギー密度が２００〜６００ｍＪ／ｃｍ²
となる範囲で照射されることが好ましい。

【００５７】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケ
イ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、順次再結晶
化する工程は、該結晶ケイ素膜に連続発振レーザー光を
照射しながら、基板または連続発振レーザー光を一方向
に走査することにより、先に連続発振レーザー光により
再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化さ
せることにより行われることが好ましい。

【００５８】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記結晶性ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射す
る工程は、該連続発振レーザー光により照射領域のケイ
素膜が溶融され、該連続発振レーザー光の走査に伴い、
ケイ素膜における固体状態及び液体状態の界面を移動さ
せながら、順次再結晶化が行われることが好ましい。

【００５９】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記連続発振レーザー光として、固体レーザーが用
いられることが好ましい。

【００６０】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記活性領域は、前記レーザー光の走査方向に沿っ
て形成されることが好ましい。

【００６１】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素
は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選
ばれた少なくとも一つの元素であることが好ましい。

【００６２】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記レーザー光を走査することによって前記結晶性
ケイ素膜を順次再結晶化する工程を行った後に、少なく
とも、後の工程により能動領域となる以外の結晶性ケイ
素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程
と、該結晶性ケイ素膜に対して第２の加熱処理を行うこ
とにより、前記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領
域に、前記触媒元素を移動させ、後の工程により能動領
域となる結晶性ケイ素膜の領域に含まれる前記触媒元素
の量を低減する工程と、をさらに行うことが好ましい。

【００６３】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記第２の加熱処理により移動される前記触媒元素
の移動方向は、前記レーザー光の走査方向と概略平行に
なっていることが好ましい。

【００６４】上記本発明の半導体装置の製造方法におい
て、前記５族Ｂから選ばれる元素は、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓ
ｂ、Ｂｉから選ばれた少なくとも一つの元素であること
が好ましい。

【００６５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体装置の製造
方法及び、この製造方法によって製造される半導体装置
について、図面に基づいて説明する。

【００６６】図１（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明
に係る半導体装置の製造方法の各工程における概略につ
いて説明する半導体装置の平面図である。

【００６７】図１（ａ）は、ストライプ状に形成された
触媒元素の導入領域１に触媒元素を導入して熱処理する
ことにより、ケイ素膜をストライプ状の導入領域１に対
して一方向に結晶成長させた状態を示している。このよ
うに、触媒元素の導入領域１をストライプ状に形成する
ことにより、ケイ素膜は、ストライプ状の導入領域１と
は直行する矢印Ａの方向に概略一次的に結晶化すること
となり、その結果、矢印Ａにほぼ平行なドメイン境界３
に囲まれ、ほぼ単一の面方位を有する結晶ドメイン４が
形成される。また、各触媒元素導入領域１から矢印Ａ方
向への結晶化の速度は略等しいため、各触媒元素導入領
域１から結晶成長した各結晶ドメイン４は、各触媒元素
導入領域１の中間部分でぶつかり合うため、各触媒元素
導入領域１の略中間部分に、成長境界５が形成される。

【００６８】次に、触媒元素の導入によって結晶化され
たケイ素膜に対して、パルスレーザー光を照射して、パ
ルスレーザー光が照射された領域を溶融固化する。

【００６９】図１（ｂ）は、図１（ａ）の状態になって
いる結晶性のケイ素膜上において、ストライプ状の触媒
元素導入領域１に対して垂直な方向に沿って、一回のパ
ルスレーザー光を照射した状態を示している。このよう
に、パルスレーザー光を照射することにより、パルスレ
ーザー光が照射された領域６内のケイ素膜が瞬間的に溶
融し、その直後に再結晶化する。この場合、非照射領域
の結晶性を反映して、領域６におけるパルスレーザー光
が照射されない非照射領域に近接した両端部から矢印Ｂ
の方向に沿って結晶成長が順次進行して、この方向に沿
って横方向に結晶化した領域８が形成される。また、領
域６の中央部分では、溶融したケイ素膜が過冷却状態と
なってランダムに結晶核が発生するため、この部分で
は、方向性がない結晶化が進んだ領域９が形成される。

【００７０】次に、一回目のパルスレーザー光が照射さ
れる領域６とは、一部が重複するように、二回目のパル
スレーザー光を領域６に沿って照射する。

【００７１】図１（ｃ）は、二回目のパルスレーザー光
を照射した後の状態を示している。このパルスレーザー
光の照射によって、パルスレーザー光が照射された領域
１０のケイ素膜が溶融し、その後に溶融したケイ素膜の
固化結晶化が進む。この場合、上記の一回目のパルスレ
ーザー光の照射の場合と同様に、隣接する非照射領域の
結晶性を反映して領域１０の両側縁から結晶化が順次進
む。したがって、二回目にレーザー光が照射された領域
は、一回目のパルスレーザー光の照射によって結晶化さ
れた領域８の結晶成長を引き継ぐようにして結晶が成長
する。この結果、新たに結晶成長される領域１１は、一
回目のパルスレーザー光の照射により結晶化された領域
８から延長したほぼ単結晶状態となった領域１２を形成
する。

【００７２】このようなパルスレーザー光を、図１
（ｄ）に矢印Ｃで示す方向に順次走査することにより、
単結晶状態領域を、図１（ｄ）の領域１４にて示す大き
な面積にわたって形成することができる。このようにし
て、単結晶状態の領域１４が形成されると、続けて、触
媒元素導入領域１が形成されていた領域１５及び成長境
界部１６を避けて、この単結晶状態の領域１４に半導体
装置の活性領域１７を形成する。

【００７３】このように、触媒元素により横方向に結晶
成長した結晶性ケイ素膜は、その成長方向に沿って比較
的大きな面積で単一の面方位の領域（ドメイン）を有
し、各ドメイン間の方位のずれが互いに小さく、キャリ
アに対するトラップ準位も低くなっている。このような
特徴を有する領域を種結晶として、パルスレーザー光照
射による溶融固化により再結晶化されたケイ素半導体膜
は、触媒元素による横方向結晶化によるケイ素膜のミク
ロ的に良好な結晶成分性と、その面方位の均一性とを引
き継いで成長されるため、結晶欠陥がほとんどなく、面
方位が大きな領域にわたって揃った、ほぼ単結晶に近い
状態の結晶性のケイ素膜を数１０μｍ〜数１００μｍの
大きさにわたって形成することができる。したがって、
個々の半導体素子の活性領域をこのような結晶性に優れ
た領域で形成することにより、高性能で、かつ、特性の
ばらつきが小さい半導体装置を製造することができる。
このことは、特に大電流が必要なチャネル幅の大きいＴ
ＦＴの活性領域等を形成する場合に有効である。

【００７４】また、本発明の半導体装置の製造方法とし
ては、パルスレーザー光の他、連続発振レーザー光を適
用することもできる。連続発振レーザー光を、触媒元素
により結晶化された結晶性ケイ素膜に照射し、連続して
走査することにより、触媒元素により結晶化された結晶
性ケイ素膜の結晶性を反映して、走査方向に結晶成長が
進み、一方向に結晶粒群が並び、且つ、その隣接結晶粒
間の面方位がほぼ同一とすることができる。

【００７５】図１４は、連続発振レーザー光とケイ素膜
に照射した場合のケイ素膜の状態変化を概略的に示す断
面図であり、ガラス基板３００上にＳｉＯ₂膜３０１を
介して形成された結晶性のケイ素膜３０２に連続発振レ
ーザー光を矢印３０３の方向に走査しながら照射した場
合を示している。

【００７６】このように連続発振レーザー光を用いた場
合には、パルスレーザー光と異なり、レーザー光が照射
されている領域は、常に結晶性ケイ素膜が高温となっ
て、溶融状態となる。また、連続発振レーザー光が照射
された後の部分は、溶融後の再結晶化が行われる。した
がって、連続発振レーザー光が照射されたケイ素膜３０
２上には、レーザー光が照射されて液状状態となった液
状領域３０２ａと、レーザー光が照射された後に再結晶
化された固体状態の個体領域３０２ｂとが存在してい
る。

【００７７】連続発振レーザー光を図１４に示す矢印３
０５の方向に走査すると、図中３０４にて示す、この固
体領域３０２ｂと液状領域３０２ａとの界面部分が、連
続発振レーザー光の走査方向に沿って矢印３０６にて示
す方向に移動し、結晶性ケイ素膜の再結晶化がこの矢印
３０５方向に沿って順次進む。

【００７８】連続発振レーザー光を用いた場合には、こ
のようにパルスレーザー光を用いた場合とは異なり、常
に、ケイ素膜に固体部分及び液状部分の界面が生じた状
態であり、ケイ素膜に照射される連続発振レーザー光の
強度と走査速度とにより、結晶性が制御される。したが
って、連続発振レーザー光の走査速度が遅すぎると、結
晶性のケイ素膜が必要以上に加熱されて、触媒元素の触
媒作用により結晶化された元のケイ素膜の結晶性の情報
がリセットされることになる。また、連続発振レーザー
光の強度が強すぎた場合にも同様の問題が生じる。この
ため、連続発振レーザー光を用いる場合には、レーザー
光の強度及び走査速度の最適値が存在する。

【００７９】このような連続発振レーザー光としては、
固体レーザーが好ましく、安定性に優れている。また、
照射されるレーザー光の波長としては、上記のパルスレ
ーザー光を用いる場合と異なり、６００ｎｍ以下であれ
ば、十分に使用することができる。

【００８０】上記の半導体装置の製造方法においては、
触媒元素の導入によって横方向に結晶成長した領域は、
その成長方向に沿って面方位が揃った結晶ドメインが形
成されており、この結晶成長が進んだ方向に対して垂直
な方向にレーザー光（パルスレーザー光、連続発振レー
ザー光、以下単に、「レーザー光」と表現する場合は、
パルスレーザー光及び連続発振レーザー光を示している
ものとする。）を走査して、溶融固化による結晶化を進
めている。このため、一つの結晶ドメインを種結晶とし
て結晶成長できるため、結晶欠陥がほとんどなく、面方
位が広範囲にわたって揃った非常に結晶性に優れ、ほぼ
単結晶状態に近い結晶化領域を得ることができる。した
がって、触媒元素の導入による結晶成長の方向と、レー
ザー照射による溶融固化による結晶成長の方向とは、概
略垂直になっていることが望ましい。

【００８１】また、上記の方法により製造された半導体
装置の活性領域は、レーザー光の照射による溶融固化結
晶化での結晶成長方向に沿ってライン状に並んだ結晶粒
群により構成されており、且つ、ライン状に並んだ結晶
粒は、隣接するライン状の各結晶粒とほぼ同一な面方位
を有している。このため、結晶粒界の影響を低減するこ
とができると共に、その結晶粒界における半導体キャリ
アに対するトラップ密度も低減され、トラップ準位のエ
ネルギーも小さくすることができる。その結果、このよ
うな活性領域を有する半導体装置は、非常に高性能、且
つ、高電流駆動能を有し、さらに、半導体素子間のばら
つきが小さく、安定性に優れたものとすることができ
る。

【００８２】なお、図１において、結晶粒界は、セコエ
ッチング法によりエッチングされる位置として示されて
おり、また、結晶粒は、結晶粒界によって囲まれた領域
として示している。さらに、結晶粒間の面方位及び結晶
粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法によって測定さ
れた値を示している。

【００８３】特表２０００−５０５２４１号公報の方法
によっても、見かけ上、同一方向に沿って並んだライン
状の結晶粒群を得ることができる。しかし、この方法に
よって得られた半導体膜では、隣接する各結晶粒間の面
方位に関連性がなく、それぞれが単独になっているた
め、キャリアに対する結晶粒界のトラップ密度が非常に
大きくなり、ライン状の結晶粒を超えてキャリアが移動
する半導体素子があると、その特性は著しく低下すると
共に、素子間のばらつきが大きくなる。

【００８４】実際に、隣接するライン状結晶粒の面方位
に相互の関連性がない場合には、そのライン方向に対し
てキャリアの移動方向が平行になるＴＦＴと、垂直にな
るＴＦＴとで、その電界効果移動度の差は、５倍程度の
大きな差が生じる。これに対して、本発明の半導体装置
では、同様に電界効果移動度に差異が見られるが、電界
効果移動度の差は、１．５倍程度となり、上記のＴＦＴ
よりもその差異が低減されている。また、本発明の半導
体装置では、従来の半導体装置に比較して電界移動効果
度が向上するため、従来の半導体装置に比較して、素子
間の設計レイアウトに大きな制約を受けることがない。

【００８５】また、上記のようにして製造される本発明
の半導体装置において、隣接する各ライン状の結晶粒間
の面方位のずれが５°以内となっている。このため、結
晶粒界部での連続性が保たれ、半導体キャリアに対する
結晶粒界部におけるトラップ密度及びトラップ準位のエ
ネルギーを、半導体素子の特性を大きく低下させること
がない程度まで低減することができる。

【００８６】また、上記のようにして製造される本発明
の半導体装置において、半導体装置の活性領域を構成す
るライン状の結晶粒群の結晶粒界は、原子レベルで連続
的につながった状態となっている。このため、結晶粒界
でのキャリアのトラップ密度及びエネルギー準位を最も
小さいものとすることができる。本発明では、さらに、
結晶粒界において、８０％以上のケイ素原子が原子レベ
ルで連続的につながっていることが分かっており、この
ことにより、特性のばらつき（電界効果移動度）を±５
％以内に抑え、レーザー光の照射によるケイ素膜の溶融
固化結晶化の方向と、半導体キャリアの移動方向とが９
０°異なっていても、電界効果移動度を２倍以下の差に
抑えることができることが分かっている。

【００８７】さらに、各結晶粒間で原子レベルで格子が
連続的につながるということは、隣接するライン状の結
晶粒界が、小傾角粒界を構成していることを意味してい
る。小傾角粒界では、平面的にみて結晶方位のずれが微
小な回転角で生じている状態になっており、格子自体の
並びは、結晶粒界では、小さな角度で回転している（屈
折している）が、結晶粒界で隣接する結晶粒の格子同士
はつながっている状態である。このような状態になって
いれば、結晶粒界でのキャリアのトラップ密度及びエネ
ルギー準位を最も小さくすることができ、その結果、半
導体装置の高速特性を最大限に高めることができると共
に、各素子間における特性のばらつきを最小にすること
ができる。さらに、このときの隣接するライン状の結晶
粒間の小傾角結晶粒界は、その回転角が５°以内になっ
ている。このため、半導体キャリアに対する結晶粒界部
におけるトラップ密度及びトラップ準位のエネルギー
を、半導体装置の特性を大きく低下させることがない程
度まで低減することができる。

【００８８】また、本発明の半導体装置においては、活
性領域でのキャリアの移動方向と、この活性領域を構成
する結晶性ケイ素膜における概略一方向沿って並んだラ
イン状の結晶粒のライン方向とが、概略平行となるよう
に半導体装置を構成することが望ましい。このようにし
て半導体装置を製造すれば、特に高いキャリア移動度が
求められる素子に対して、キャリアに対する結晶粒界の
影響を極力排除することができる。ただし、本発明の半
導体装置では、上記のようにライン方向とキャリアの移
動方向とが平行とならない場合でも、従来の半導体装置
と比較すれば、非常に高い移動度が得られる。したがっ
て、本発明の半導体装置は、設計レイアウトの自由度を
大きくすることができる。

【００８９】また、本発明の半導体装置は、隣接するラ
イン状の結晶粒の面方位を制御するために、非晶質ケイ
素膜に結晶化を促進する触媒元素を導入している。この
ような結晶化を促進する触媒元素としては、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等のうち一種、また
は複数種を用いることができ、いずれを用いても、微量
により非晶質のケイ素膜の結晶化を促進することができ
る。

【００９０】ただし、触媒元素は、非晶質ケイ素膜中に
おいてシリサイド化することにより結晶成長を促進する
ため、触媒元素のシリサイド化合物における格子定数が
単結晶ケイ素の格子定数に近似していることが好まし
い。Ｎｉは２原子のＳｉとシリサイド化合物であるＮｉ
Ｓｉ₂を形成する。ＮｉＳｉ₂は、蛍石型の結晶構造を有
し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造
と非常に類似している。しかも、５．４３０Åの格子定
数を有するダイヤモンド構造の結晶ケイ素に対して、Ｎ
ｉＳｉ₂は、その格子定数が５．４０６Åであり、シリ
コンの格子定数に最も近くなっている。したがって、Ｎ
ｉＳｉ₂は、非晶質ケイ素膜の結晶化に際して、最も優
れた鋳型となり、非晶質ケイ素膜の結晶化が最も促進さ
れるため、Ｎｉが触媒元素として好適である。

【００９１】本発明の半導体装置を製造する際には、ま
ず、非晶質ケイ素膜を触媒元素により横方向に固相結晶
化する工程を行うので、半導体装置の活性領域における
能動（チャネル）領域には、触媒元素が含まれることと
なる。半導体装置の活性領域に含まれるニッケルの濃度
が、５×１０¹⁷ａｔｏｍ／ｃｍ³を超えると、ニッケル
シリサイドとして能動領域中に存在する領域が多くな
り、半導体装置の特性に悪影響を及ぼす。また、ニッケ
ルの濃度が、１×１０¹⁶ａｔｏｍ／ｃｍ³より少なくな
ると、ニッケルの導入による触媒効果を十分に得ること
ができず、結晶粒の面方位に対して十分に制御すること
ができない。したがって、ニッケルは、１×１０¹⁶〜５
×１０¹⁷ａｔｏｍ／ｃｍ³の濃度になるように導入する
ことが望ましい。

【００９２】また、ライン状またはストライプ状に形成
された触媒元素を導入するための触媒元素導入領域の幅
は、１μｍに満たない場合には、横方向の結晶成長に必
要な濃度の触媒元素を導入することが容易ではなく、逆
に、１５μｍを超えた場合には、導入された触媒元素が
横方向の結晶成長に効率的に作用せず、導入領域に残留
するものが発生し、高濃度領域からの後のレーザー走査
でのオートドーピング、下地膜へのエッチングダメー
ジ、ＴＦＴ特性への影響等の様々な問題が生じる。した
がって、触媒元素導入領域の幅は、１〜１５μｍに設定
することが好ましい。

【００９３】本発明の半導体装置を製造する場合におい
て、少なくとも第１段目のパルスレーザー光照射は、触
媒元素により横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜に
対して照射されるが、後に半導体装置の活性領域となる
領域は、触媒元素による結晶化領域からレーザー光を照
射して結晶化された領域を用いて形成するような方法が
有効である。

【００９４】触媒元素は、ニッケル等の遷移金属を主と
する金属元素であり、このような触媒元素が半導体膜中
に存在することは、半導体装置の信頼性や電気的安定性
を阻害するものであり、好ましいことではない。特に、
これらの触媒元素がシリサイドとして存在していると、
ＴＦＴにおいてオフ動作時のリーク電流増大という大き
な問題を引き起こす。そこで、上述のような方法により
半導体装置を製造することによって、種結晶となる結晶
を成長させる場合にのみ触媒元素を効率的に利用し、実
際の半導体装置の活性領域には、触媒元素による結晶化
領域に該当しない領域（パルスレーザー光により種結晶
の結晶性を反映して成長された領域）を用いれば、半導
体装置の活性領域に残留する触媒元素の量を極力低減す
ることができ、半導体装置の信頼性を向上させることが
できる。

【００９５】また、本発明の半導体装置を製造する場合
に、触媒元素を選択的に導入することにより横方向に固
相成長させた結晶性のケイ素膜に、レーザー光をパルス
的にまたは連続的に照射しながら、基板に対してレーザ
ー光を一方向に走査させることにより、前段のパルス照
射により結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結
晶化させることにより高性能な半導体素子を製造してお
り、この工程が最も重要なプロセスとなっている。特
に、パルスレーザー光の走査ピッチを、パルスレーザー
光を照射する際に溶融する領域が隣接している非溶融領
域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以上になって
いる場合には、通常のレーザー光照射により見られるラ
ンダムな結晶核による領域が形成されて、通常のグレイ
ン状の結晶粒が形成されるため、パルスレーザー光の走
査ピッチは、パルスレーザー光を照射する際に溶融する
領域が隣接する領域が隣接する非溶融領域の結晶性を反
映して再結晶化できる長さ以下にする必要がある。この
ような長さにすることにより、結晶粒はその成長方向に
沿ってライン状に形成される。

【００９６】図２は、本発明の半導体装置を製造する場
合において、レーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固
化過程に使用されるレーザーアニール装置を示す概略図
である。

【００９７】このレーザーアニール装置は、所定の強度
のレーザー光Ｄを発振するレーザー発振器２１を有して
いる。このレーザー発振器２１から側方に発振されたレ
ーザー光Ｄは、ミラー２２により反射されて、基板の上
方に設置されたホモジナイザー２３に導かれる。そし
て、このホモジナイザー２３にて、一方向に沿った長尺
形状のレーザー光Ｅが形成される。このホモジナイザー
２３と基板との間には、長尺形状のレーザー光Ｅを所望
の強度プロファイルにする遮蔽マスク２４が設けられて
いる。この遮蔽マスク２４は、レーザー光Ｅの強度プロ
ファイルにおけるトップ付近の部分のみを透過させる開
口２４ａを有しており、遮蔽マスク２４の開口２４ａを
透過するレーザー光Ｆが、基板上に照射される。

【００９８】本発明では、パルスレーザー光により再結
晶化する場合、前段のパルス照射により再結晶化された
領域の結晶性を反映してケイ素膜を順次再結晶化させる
ものであるため、レーザー光の強度プロファイルが一般
的なガウシアン形状のようになだらかに低下しているプ
ロファイルとなっていれば、前段のパルスレーザー照射
から結晶化された領域から徐々にレーザーエネルギーが
上昇する状態となるため、再結晶化に求められるエネル
ギーが、前段のパルスで結晶化された領域の結晶近傍で
得られない。したがって、このような強度プロファイル
では、再結晶化に求められるよりも低いパワー領域が必
ず存在するため、前段のパルス照射で結晶化された領域
の結晶性を引き継ぐことができず、結晶性の悪い領域と
して残り、十分な特性を得ることができない。このた
め、結晶性ケイ素膜上に照射するパルスレーザー光のビ
ーム強度は、パルスレーザー光が走査される方向に対し
て少なくとも反対側の強度ファイルが、一定の強度から
０まで急激に低下するような短矩形的な形状になってい
ることが望ましい。

【００９９】上記のレーザーアニール装置では、このよ
うなパルスレーザー光のビーム強度プロファイルを実現
するために、パルスレーザー光の走査方向に対して、少
なくとも反対側の一部を遮蔽マスク２４によって機械的
にマスク等して、反対側のパルスレーザー光の強度ファ
イルが一定の強度から０まで急激に低下するようにして
いる。このため、レーザーアニール装置の光学系を大幅
に変更することなく、簡便に所望の強度プロファイルを
実現することができる。また、上記の遮蔽マスクによっ
て、パルスレーザー光の照射領域を調整することが容易
となる。

【０１００】図３は、ホモジナイザー２４から照射され
るパルスレーザー光Ｅの強度プロファイルと、遮蔽マス
ク２４の開口２４ａを透過して基板上に照射されるパル
スレーザー光Ｆの強度プロファイルを示す説明図であ
る。

【０１０１】ホモジナイザー２４により長尺形状に成形
されたパルスレーザー光Ｅは、図３に示すように、その
強度プロファイル３１がガウシアン形状となっている
が、遮蔽マスク２４を透過したパルスレーザー光Ｆは、
遮蔽マスク２４によってそのトップ付近のエネルギーの
高い部分のみが開口２４ａを透過し、エネルギーが低く
なっている裾の部分は遮蔽マスク２４によってカットさ
れて、急激に強度が０からトップに立ち上がるトップハ
ット状の強度プロファイル３２となっている。なお、遮
蔽マスク２４は、他の位置に設置されていてもよく、そ
の形状を変更して用いてもよい。図３では、強度プロフ
ァイルの両端部分が急激な強度勾配となるプロファイル
となっているが、走査方向に対して反対側が急激に立ち
上がる強度プロファイルとなっていればよい。

【０１０２】パルスレーザー光を照射する際のパルスレ
ーザー光の走査ピッチは、１．５μｍ以下であれば、隣
接している非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化でき
ることが分かっている。また、パルスレーザー光の照射
幅が０．１μｍ以上であれば、レーザー照射条件に大き
な制限が課されない。したがって、パルスレーザー光の
走査ピッチは、０．１〜１．５μｍの範囲であることが
望ましい。ただし、パルスレーザー光を照射する工程に
おけるスループット（時間当たりの処理能力）を考慮す
ると、上記の範囲内において大きく設定するほど好まし
い。

【０１０３】また、この場合のパルスレーザー光の結晶
性ケイ素膜表面に照射されるビーム形状としては、走査
方法に、走査ピッチ以上の長さを有していれば十分であ
り、また、走査方向に対して垂直な方向の長さを長くと
れば、一度のパルスレーザー光の走査により広範囲の領
域にわたって結晶化を行うことができるため、図１
（ｂ）及び（ｃ）に示すように、パルスレーザー光の走
査方向に対して垂直な方向に長い概略長尺矩形形状に形
成されることが望ましい。このようにすれば、パルスレ
ーザーを照射するためのレーザー光のトータルパワーを
低減することができ、一度のパルスレーザーの照射によ
り広範囲の結晶化を行えるため、本工程における処理時
間を大幅に短縮することができる。

【０１０４】パルスレーザー光の強度は、小さければケ
イ素膜が十分に溶融されず、触媒元素による固相結晶化
後に存在する結晶欠陥を十分に改善することができな
い。本発明では、隣接する非溶融領域の結晶状態を反映
してケイ素膜を結晶化しているため、少なくともパルス
レーザー光が照射された結晶性ケイ素膜の領域の全体に
わたって溶融するような強度範囲にして照射する必要が
ある。具体的には、波長４００ｎｍ以下のエキシマレー
ザー光が最も適している。このような波長４００ｎｍ以
下のパルスレーザーを照射するエキシマレーザーを用い
れば、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高く、且つ、
ガラス基板に対して熱的ダメージを与えることがなく、
ケイ素膜のみを瞬時に加熱することができる。また、エ
キシマレーザー光は、発振出力が大きく、大面積基板を
処理するのに適している。このようなエキシマレーザー
のうち、特に、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレー
ザー光は、その出力が大きいため、基板への光照射時の
ビームサイズを大きくでき、大面積基板に対応しやす
く、さらに、出力が比較的安定しているため、結晶性ケ
イ素膜の量産化を図る上で、最も望ましい。

【０１０５】さらに、このレーザー光を用いる場合、ケ
イ素膜表面に対してレーザー光の表面エネルギー密度が
２００ｍＪ／ｃｍ³より小さくなると、結晶性ケイ素膜
が膜全体にわたって十分に溶融されず、触媒元素による
固化結晶後に存在する結晶欠陥を十分に改善することが
できない。また、６００ｍＪ／ｃｍ³を超えると、ケイ
素膜のアブレーション（気化）が生じ、ケイ素膜の膜飛
びが発生するおそれがある。このため、ケイ素膜表面に
対するレーザー光の表面エネルギー密度は、２００〜６
００ｍＪ／ｃｍ³となるようにして、パルスレーザー光
を照射することが好ましい。

【０１０６】図４は、基板に対してレーザー光を照射す
る他のレーザーアニール装置を示す概略図である。この
レーザーアニール装置では、複数のライン状の開口４１
ａを形成した遮蔽マスク４１を基板１０１とホモジナイ
ザー（図４において図示せず）との間に設け、パルスレ
ーザー光を照射する場合、１回のパルスレーザー光の照
射時に、同時に複数の領域を結晶化する。このような遮
蔽マスク４１に複数の開口４１ａを形成すれば、ホモジ
ナイザー４１から照射されるパルスレーザー光Ｇが、遮
蔽マスク４１を介して複数の長尺形状のパルスレーザー
光Ｈに成形されて、基板の複数箇所にパルスレーザー光
Ｉが照射される。

【０１０７】半導体装置のキャリアの流れる方向（チャ
ネル方向）とレーザー光の走査方向とが概略平行になる
ようにして半導体装置を製造すれば、半導体装置の活性
領域でのキャリアの移動方向と、活性領域となる結晶性
ケイ素膜のライン状の結晶粒のライン方向とが、概略平
行になるため、キャリアに対する結晶粒界の影響を極力
排除することができる。したがって、このように半導体
装置に使用される活性領域を設計すれば、電流駆動能力
に優れた半導体素子が得られる。

【０１０８】また、本発明の半導体装置を製造する場
合、触媒元素を導入して非晶質ケイ素膜を、横方向に結
晶化する工程を含んでいる。結晶化を促進する触媒元素
は、前述のように金属類を主としており、このような元
素が半導体中に多量に残留していることは、半導体素子
を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻害するため、
好ましいことではない。そこで、触媒元素を非晶質ケイ
素膜の結晶化に利用した後、このケイ素膜中に残存する
触媒元素の大部分を、半導体素子領域以外の領域に移動
させることにより、残存する触媒元素の低減が図られ
る。具体的には、少なくとも後に半導体装置の能動（チ
ャネル）領域となる領域以外のケイ素膜の領域に、５族
Ｂから選ばれた元素を導入し、加熱処理する工程を行う
方法が有効である。これにより、結晶成長を促進した触
媒元素は、５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に
移動し、結果として半導体装置の能動（チャネル）領域
中の触媒元素の残存量を大幅に低減することができる。
この方法は、半導体特性に対して悪影響を及ぼすシリサ
イド状態の触媒元素に、特に有効である。そして、５族
Ｂ元素が導入されて触媒元素が導入された領域を除去し
て、最終的な半導体素子領域を形成すれば、基板上には
触媒元素の高濃度領域は残らない。

【０１０９】この場合、本発明の半導体装置では、レー
ザー光の走査方向に沿って、概略一方向に沿って並んだ
ライン状の結晶粒が形成されており、異なる結晶粒間に
わたって触媒元素を移動させるよりも、同一の結晶粒内
に触媒元素を移動させるほうが触媒元素の移動効率が良
好になるため、触媒元素を、レーザー光の走査方向に沿
って並んだライン状の結晶粒の方向に沿って移動させる
ために５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に触媒
元素を移動させる移動方向は、レーザー光を照射する際
の走査方向と概略平行になるようにすることが望まし
い。このようにすれば、結果的に、半導体装置の能動
（チャネル）領域における触媒元素の残留量を大きく低
減することができる。

【０１１０】ここで、５族Ｂから選ばれる元素として
は、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの少なくとも一種の元素
を用いることができる。これらから選ばれた一種または
複数種の元素を用いれば、半導体膜中に含まれた触媒元
素を効率的に移動させることができる。このような触媒
元素を移動させる際のメカニズムに関しては、未だ詳細
な知見は得られていないが、上記元素の中でも、Ｐが最
も効果が高いことが分かっている。

【０１１１】図１５は、上記本発明の半導体装置の微細
構造を示す写真代用写真であり、矢印４００は、レーザ
ー光の走査方向を示している。このように、本発明の半
導体装置では、結晶粒４０１がレーザー光の走査方向に
長く、ライン状になっており、この間に形成される結晶
粒界４０２が、レーザー走査方向に沿って形成されてい
る。この結晶粒４０１間の結晶粒界４０２は、セコエッ
チングにより顕在化される粒界であり、結晶粒界４０２
が見られるにもかかわらず、隣接する結晶粒４０１間の
面方位は、ほぼ同一となっている。

【０１１２】以下、本発明の半導体素子の製造方法を用
いた具体的な実施例について説明する。

【０１１３】（実施例１）本実施例１では、アクティブ
マトリクス型の液晶表示装置の周辺駆動回路、一般の薄
膜集積回路等に用いられる、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチ
ャネル型ＴＦＴを相補的に構成したＣＭＯＳ構造を有す
る回路をガラス基板上に製造する工程について説明す
る。

【０１１４】図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本実施
例１のＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補的に構成したＣ
ＭＯＳ構造を製造する工程を工程毎に説明する半導体装
置の平面図である。

【０１１５】図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図５
（ａ）の構造を製造する工程を工程毎に説明しており、
図５（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。図
７（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、図５（ｂ）〜（ｄ）に
示す構造を製造する工程をその工程毎に説明しており、
図５（ｂ）〜（ｄ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示して
いる。

【０１１６】本実施例１のＣＭＯＳ構造を製造する場合
には、まず、図６（ａ）に示すように、後の工程により
ガラス基板から不純物が拡散することを防止するため、
ガラス基板１０１上に、例えば、スパッタリング法ある
いはプラズマＣＶＤ法によって３００〜５００ｎｍ程度
の膜厚を有する酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成
する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ２０〜８
０ｎｍ、例えば５０ｎｍの厚さに真性（Ｉ型）の非晶質
ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３を成膜する。本実施例１
では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、材料ガ
スとして、ＳｉＨ₄ガス及びＨ₂ガスを用いた。そして、
ＲＦパワーのパワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ²、
例えば、８０ｍＷ・ｃｍ²としてプラズマを発生させ
た。このときの基板の加熱温度は、４００℃以下である
ことが望ましく、本実施例では、３００℃とした。

【０１１７】次いで、ａ−Ｓｉ膜１０３上の全面にわた
って酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を
堆積した後、パターニングすることによりマスク１０４
を形成する。本実施例では、ａ−Ｓｉ膜１０３上に、Ｔ
ＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉ
ｌｉｃａｔｅ）を原料として、酸素共存下でＲＦプラズ
マＣＶＤ法により分解・堆積することにより酸化ケイ素
膜を堆積した。この場合の酸化ケイ素膜の膜厚は、１０
０〜４００ｎｍの範囲であることが望ましく、本実施例
では、酸化ケイ素膜の膜厚を１５０ｎｍとした。このマ
スク１０４に形成されたスルーホールによって、図２
（ａ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜１０３が露呈した領域
１００がスリット状に形成され、領域１００以外の部分
はマスク１０４によってａ−Ｓｉ膜１０３が露呈してい
ない状態になっている。この場合、ａ−Ｓｉ膜１０３が
露呈している各領域１００のライン幅Ｌは、１〜１５μ
ｍの範囲に設定されていることが望ましく、本実施例１
では、領域１００のライン幅Ｌを１０μｍとした。

【０１１８】次に、ａ−Ｓｉ膜１０３及びマスク１０４
の表面上に微量のニッケル１０５を添加する。添加され
るニッケル１０５として、純ニッケル（９９．０％以
上）のターゲットを用い、ＤＣスパッタリング法により
ニッケルを添加した。具体的には、ＤＣパワーを５０Ｗ
程度の極低パワーとして、基板を２０００ｍｍ／ｍｉｎ
の高速回転した状態で、スパッタリング処理を行なっ
た。本実施例では、このスパッタリング処理に用いられ
るガスとして、アルゴンを用い、スパッタリング時のガ
ス圧力を１０Ｐａ以上の高圧条件として、極低濃度条件
下でのニッケルのスパッタリングを行なった。スパッタ
リングされたニッケル１０５は、図６（ａ）では、図面
を見やすくするため薄膜状として表示しているが、実際
には、単原子層程度またはそれ以下の状態に形成されて
いる。実際に、ＤＣパワーを６０Ｗ、アルゴンガス圧を
１８Ｐａの条件としてスパッタリングを行なったとこ
ろ、領域１００で露呈しているａ−Ｓｉ膜１０３上のニ
ッケル濃度は、６×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度（Ｔ
ＲＩＸＲＦ測定値）となった。

【０１１９】次に、図６（ｂ）に示すように、ニッケル
が低濃度にスパッタされた状態で、不活性ガス雰囲気
下、例えば、窒素ガス雰囲気下で、加熱温度を５３０〜
６００℃、例えば、５８０℃として、１１時間にわたっ
てアニールする。

【０１２０】この際、ニッケルがａ−Ｓｉ膜１０３の表
面上に添加された領域１００では、ａ−Ｓｉ膜１０３表
面に存在するニッケル１０５のシリサイド化が起こり、
この領域１００において、シリサイドを核として結晶成
長した領域１０３ａが形成される。そして、引き続い
て、領域１０３ａの周辺領域において、図５（ａ）及び
図６（ｂ）のそれぞれにおいて矢印Ｊで示すように、領
域１０３ａから横方向（基板に平行な方向）に結晶が成
長して、横方向に結晶が成長した領域１０３ｂが形成さ
れる。

【０１２１】このように横方向に結晶成長した結晶性ケ
イ素膜の領域１０３ｂは、隣接する他の領域１０３ａよ
り成長した結晶性ケイ素膜の領域１０３ｂとぶつかり合
って結晶成長が終了し、両方向から結晶成長した結晶性
ケイ素膜同士がぶつかり合った部分に結晶境界１０３ｃ
が形成される。

【０１２２】横方向に結晶成長した領域１０３ｂには、
図５（ａ）に示すように、結晶の成長方向に沿って面方
位がそれぞれ揃ったドメイン１０３ｄが形成される。図
５（ａ）中の点線１０３ｅは、各ドメイン１０３ｄを形
成するドメイン境界を示しており、このドメイン境界１
０３ｅで囲まれた領域が、一つのドメインとなってい
る。この場合、マスク１０４上にスパッタされたニッケ
ル１０５は、マスク１０４によってマスクされるために
下層のａ−Ｓｉ膜１０３には到達せず、ａ−Ｓｉ膜１０
３の結晶化には、領域１００にて露呈されたａ−Ｓｉ膜
１０３上に添加されたニッケル１０５のみが関与する。
このような横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜中のニ
ッケル濃度は、５×１０¹⁷〜１×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ
³程度であり、直接ニッケルが添加されて結晶成長した
領域１０３ａ中のニッケル濃度は、１×１０¹⁹ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³程度であった。また、上記の結晶成長に際
し、矢印Ｊで示される基板と平行な方向の結晶成長され
た長さは、最長の部分で１３０μｍ程度であった。

【０１２３】次に、図６（ｃ）に示すように、マスク１
０４をエッチング除去する。本実施例１では、エッチャ
ントとしては、下層のケイ素膜１０３とで十分なエッチ
ングの選択性がある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨ
Ｆ）を用いたウエットエッチングによりマスク１０４を
除去した。

【０１２４】次に、図５（ｂ）及び図７（ａ）に示すラ
イン状の領域１０７にパルスレーザー光Ｋを照射して、
この領域１０７の結晶性ケイ素膜を溶融状態とする。溶
融されたケイ素膜は、その直後に、再結晶化される。

【０１２５】このときのレーザー光として、本実施例１
では、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パ
ルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、照射時に基板を２００〜
４５９℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度２
００〜６００ｍＪ／ｃｍ³、例えば４００ｍＪ／ｃｍ³で
照射する照射条件とした。

【０１２６】パルスレーザー光を照射すると照射された
領域１０７のケイ素膜が瞬間的に溶融した後、パルスレ
ーザー光が照射される領域１０７に対する周辺の非照射
領域から、図５（ｂ）で矢印Ｍで示す方向に再結晶化す
る。このとき、隣接する非照射領域１０３ｂのケイ素結
晶が種結晶となり、その結晶性を反映して、矢印Ｍで示
す横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜１０３ｆ及び１
０３ｈが領域１０７の両端側から形成される。中央部１
０３ｇは、矢印Ｍ方向の結晶成長が始まる前に過冷却状
態となってランダムに結晶核が発生して結晶化した領域
となっている。本実施例では、矢印Ｍで示される横方向
への結晶成長距離は、１．５μｍ程度であった。

【０１２７】ここで、本実施例１では、図４に示すレー
ザーアニール装置を用いてパルスレーザー光を照射し
た。このときの遮蔽マスクに形成された開口は、１０μ
ｍ×５ｍｍの大きさとした。したがって、ガラス基板１
０１上の領域１０３ｂ上に照射されるレーザー光Ｋの領
域１０７も、１０μｍ×５ｍｍの長尺矩形状となる。

【０１２８】図５及び図７では、遮蔽マスク４１に複数
形成された開口４１ａのうちの一つから照射されるパル
スレーザー光によってケイ素膜が固化される場合につい
て説明した。

【０１２９】そして、図４に示すように、パルスレーザ
ー光Ｋが照射された状態で、ガラス基板１０１をＣ’の
方向に一定速度にて移動させることにより、ガラス基板
１０１に対するパルスレーザー光Ｋの走査が行なわれ
る。このときのパルスレーザー光が照射されないパルス
時間においてガラス基板１０１の移動距離が走査ピッチ
Ｐとなる。本実施例では、ガラス基板１０１のＣ’方向
への移動速度と、パルスレーザー光Ｋの発振周波数によ
り、走査ピッチＰが規定される。図４に示すレーザーア
ニール装置では、ガラス基板１０１を移動させるので、
ガラス基板１０１から見た場合には、パルスレーザー光
Ｋの走査方向とガラス基板１０１の移動方向Ｃとは逆方
向になる。

【０１３０】図５（ｃ）は、２回目のパルスレーザー光
を照射したときのガラス基板１０１の状態を示してい
る。２回目のパルスレーザー光が照射される領域１０
７’は、１回目のパルスレーザー光Ｋの照射から矢印Ｃ
の方向に走査ピッチＰだけ走査されて、図５（ｃ）に示
すように、１回目の照射領域から走査ピッチＰだけ下方
にずれた領域１０７’にパルスレーザー光Ｋが照射され
る。

【０１３１】そして、パルスレーザー光Ｋが照射された
領域１０７’が溶融された後、隣接する非照射領域の結
晶性を反映して矢印Ｍ’の方向に沿って再結晶化する。
その結果、横方向に再結晶化した一対の領域１０３ｆ’
及び１０３ｈ’と、その中央部においてランダムな核発
生により結晶化した領域１０３ｇ’が形成される。この
とき、走査方向Ｃとは反対側の領域１０３ｆ’は、１回
目のパルスレーザー光の照射により結晶化された領域１
０３ｆの結晶を引き継ぐように結晶化され、この領域１
０３ｆ’は、領域１０３ｆが走査方向Ｃに結晶成長が延
長した状態となったほぼ単結晶の領域１０３ｉを形成す
る。

【０１３２】このように、パルスレーザ光Ｋの照射を図
中矢印Ｃで示す方向に走査ピッチＰにて順次走査してい
けば、図５（ｄ）及び図７（ｂ）に示すように、ほぼ単
結晶状態となった領域１０３ｉをさらに延長して、広範
囲にわたって単結晶領域が形成される。

【０１３３】本実施例１では、パルスレーザー光の発振
周波数を２００Ｈｚとし、１回目のパルスレーザー光の
照射と２回目のパルスレーザー光の照射との間の時間間
隔を、５ｍｓｅｃとした。また、パルスレーザー光の走
査ピッチＰとしては、０．１〜１．５μｍの範囲におい
て、例えば、０．５μｍとした。このとき、パルスレー
ザー光の走査方向に対するレーザービームの幅を１０μ
ｍとすると、領域１０３ｂの任意の一点においては、計
２０回のパルスレーザー照射が行われることになる。し
かし、この場合、最終回のパルスレーザー光の照射時に
て結晶化されたときの結晶状態を反映して領域１０３ｉ
の結晶状態が規定されるので、最終回のパルスレーザー
光の照射が最も重要となる。

【０１３４】このようにして形成された領域１０３ｉ
は、ミクロ的に見るとパルスレーザー光を照射する際の
走査方向Ｃに沿った図５（ｄ）及び図７（ｂ）でＮにて
示すライン状の結晶粒を構成している。この結晶粒は、
ＥＢＳＰ法を用いた２次元的な結晶面方位の観察による
と、それぞれのライン状の結晶粒は独立ではなく、ほぼ
同一の面方位で並列した、ほぼ単結晶状態となってお
り、ライン状結晶粒の粒界部では、５°以内の小傾角粒
界を形成している。また、格子の連続性もほぼ保たれて
おり、各粒界部において８０％以上の原子がつながって
いる状態となっている。

【０１３５】次に、図７（ｆ）に示すように、ほぼ単結
晶状態に結晶化された領域１０３ｉを用いて、不要な部
分のケイ素膜を除去することにより素子間分離を行い、
後にＮ型ＴＦＴの活性領域となる結晶性ケイ素膜１１１
ｎ及び後にＰ型ＴＦＴの活性領域となる、所望の島状の
形状の結晶性ケイ素膜１１１ｐを形成する。本実施例１
では、この結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐを、後
のＴＦＴのキャリアの移動方向と、レーザー光走査によ
る結晶の成長方向とが概略平行になるように形成した。

【０１３６】次に、図７（ｄ）に示すように、活性領域
となる結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐ上をそれぞ
れ覆うように、２０〜１５０ｎｍの膜厚、例えば、１０
０ｎｍの膜厚にゲート絶縁膜である酸化ケイ素膜１１２
を成膜する。この酸化ケイ素膜１１２の形成には、本実
施例１では、ＴＥＯＳを原料として、酸素共存下に基板
温度を１５０〜６００℃、好ましくは、３００〜４５０
℃に加温して、ＲＦプラズマＣＶＤ法により堆積した。
続いて、スパッタリング法によって、酸化ケイ素膜１１
２上に高融点メタルを堆積し、これをパターニングし
て、結晶性ケイ素膜１０３上の所定部分に位置するゲー
ト電極１１３を形成する。ゲート電極１１３を形成する
ために用いられる高融点メタルとしては、タンタル（Ｔ
ａ）、タングステン（Ｗ）が望ましい。本実施例１で
は、微量の窒素が添加されたＴａと純Ｔａとを積層した
２層構造物を用い、２層合わせた厚さが３００〜６００
ｎｍ、例えば４５０ｎｍになるようにゲート電極１１３
を形成した。

【０１３７】続いて、イオンドーピング法を用いて、リ
ン（Ｐ）１１５を注入する。この場合、ゲート電極１１
３がマスクとなり、ゲート電極１１３の下の部分の結晶
性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐ中には、リン１１５は
注入されない。本実施例１では、リン１１５をドーピン
グするドーピングガスとしてフォスフィン（ＰＨ₃）を
用い、ドーピング条件としては、加速電圧を６０〜９０
ｋＶ、例えば８０ｋＶとし、ドーズ量を２×１０¹⁵〜８
×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、５×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。

【０１３８】この工程により、ゲート電極１１３にマス
クされてリン１１５が注入されない結晶性ケイ素膜１１
１ｎ及び１１１ｐの領域は、後の工程を経てＴＦＴのチ
ャネル領域１１８ｎ及び１１８ｐとなる。また、ゲート
電極１１３にマスクされずにリン１１５が注入された結
晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐの領域は、後の工程
を経てＴＦＴのソース領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレ
イン領域１２０ｎ、１２０ｐとなる。この工程では、リ
ン１１５が注入されたことにより、Ｎチャネル型ＴＦＴ
におけるＮ型の不純物領域となる。すなわち、この工程
では、Ｎチャネル型ＴＦＴに相補的に設置されるＰチャ
ネル型ＴＦＴにおいても、ソース／ドレイン領域にリン
１１５が注入されており、Ｎ型の不純物領域１１９
ｎ’、１２０ｎ’となっている。

【０１３９】次に、図７（ｅ）に示すように、フォトリ
ソグラフィ工程により、Ｎ型チャネルＴＦＴとなる結晶
性ケイ素膜１１１ｎ上のゲート絶縁膜１１２及びゲート
電極１１３ｎ上を覆うフォトレジスト１２１を設け、Ｐ
型の不純物が注入されないための選択ドーピング用のマ
スクとする。

【０１４０】そして、この状態で、イオンドーピング法
によって、ホウ素１１６を注入する。本実施例１では、
ホウ素１１６を注入するためのドーピングガスとして、
ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を用い、１×１０¹⁶〜５×１０¹⁶ｃ
ｍ^-2、例えば２×１０¹⁶ｃｍ ^-2の高ドーズ量にて、４０
〜８０ｋＶ、例えば、６５ｋＶの加速電圧を印加するこ
とによりドーピングを行った。

【０１４１】この工程において、ゲート電極１１３ｐの
下の部分の結晶性ケイ素膜１１１ｐ中には、ゲート電極
１１３ｐがマスクとなるためホウ素１１６は注入されな
い。また、ゲート電極１１３ｐが形成されていない領域
の結晶性ケイ素膜１１１ｐ中には、ゲート絶縁膜１１２
越しにホウ素１１６がドーピングされる。この結果、先
の工程でＮ型の不純物であるリンが注入されてＮ型にな
っているソース領域１１９ｎ’及びドレイン領域１２０
ｎ’は、過剰なホウ素１１６が注入されることにより、
所謂カウンタードーピングがなされる結果、特性が反転
し、Ｐ型不純物領域１１９ｐ及び１２０ｐとなる。この
ようにして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴ
を、それぞれ同一基板上に形成することができる。

【０１４２】次に、図７（ｆ）に示すように、選択ドー
ピングのためのマスクとして設けられたフォトレジスト
１２１を除去した後、不活性雰囲気下、例えば、窒素雰
囲気下にて、５００〜６００℃の温度条件として、数時
間〜数十時間にわたる加熱処理を行うことにより、Ｎ型
及びＰ型のそれぞれのＴＦＴのソース／ドレイン領域に
含まれるリンにより、この領域に含まれるニッケルをト
ラップする。そして、図７（ｆ）に矢印１２２ｑに示す
ように、チャネル領域に存在しているニッケルを隣接す
るソース領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレイン領域１２
０ｎ、１２０ｐにそれぞれ移動させる。この結果、チャ
ネル領域に存在するニッケルの濃度を大幅に低減するこ
とができる。

【０１４３】ここで、各ＴＦＴは、図５（ｄ）に示す方
向になるように配置した。すなわち、パルスレーザー光
を照射する際のパルスレーザー光の走査方向Ｃと、ニッ
ケルを移動させる方向Ｑとが概略平行となるようする。
このようにＴＦＴを配置にすることにより、チャネル領
域内のライン状結晶の結晶粒の方向Ｎと、ニッケルの移
動方向Ｑとが同方向となり、ソース領域及びドレイン領
域へのニッケルの移動が、異なる結晶粒界を超えること
なく行なわれる。その結果、ニッケルの移動効率が向上
し、チャネル領域内のニッケルの残存量を大幅に低減す
ることができる。

【０１４４】このときのチャネル領域中に残存するニッ
ケルの濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により
測定すると、この工程を行なう前に５×１０¹⁷〜１×１
０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であったチャネル領域内の
ニッケルの濃度は、５×１０¹ ⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度
にまで低減された。

【０１４５】一方、この加熱処理によって、ソース領域
及びドレイン領域の活性化が同時に行なわれる。この工
程により製造されたＮ型不純物領域のシート抵抗値は、
０．５〜１ｋΩ／□、Ｐ型不純物領域１１９ｐ、１２０
ｐのシート抵抗値は、１〜２ｋΩ／□となった。さらに
は、この加熱処理工程により、ゲート絶縁膜の焼成処理
が同時に行なわれ、ゲート絶縁膜自体のバルク特性及び
結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜との間の界面特性の向上
が図られる。

【０１４６】次に、図７（ｇ）に示すように、層間絶縁
膜１２３として、９００ｎｍの膜厚の酸化ケイ素膜をプ
ラズマＣＶＤ法を用いて形成する。そして、層間絶縁膜
１２３のそれぞれのＴＦＴの結晶性ケイ素膜上のソース
領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレイン領域１２０ｎ、１
２０ｐに該当する部分に、それぞれコンタクトホール１
２１を形成する。層間絶縁膜１２３に形成されたコンタ
クトホール１２１には、金属材料、例えば、窒化チタン
とアルミニウムとの二層膜によって、ＴＦＴのソース／
ドレイン領域に電気的に接続される電極・配線１２４を
形成する。その後、１気圧の水素雰囲気下、３５０℃の
温度条件として、１時間にわたるアニールを行うことに
より、Ｎチャネル型ＴＦＴ１２５とＰチャネル型ＴＦＴ
１２６とが完成する。さらに、必要に応じて、Ｎ型及び
Ｐ型のＴＦＴ１２５及び１２６を保護するために、この
上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。

【０１４７】以上説明した工程を経て得られるＣＭＯＳ
構造回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度
は、Ｎ型ＴＦＴ１２５で４５０〜５００ｃｍ²／Ｖｓ、
Ｐ型ＴＦＴ１２６で１５０〜２００ｃｍ²／Ｖｓという
高い値が得られ、また、閾値電圧は、Ｎ型ＴＦＴ１２５
で１．０Ｖ程度、Ｐ型ＴＦＴ１２６で−１．５Ｖ程度と
非常に良好な特性が得られた。しかも、従来の結晶化方
法により得られる半導体装置で問題となっている特性の
ばらつきについても、電界効果移動度で±１０％程度、
閾値電圧で±０．２Ｖ程度に抑えることができた。な
お、以上の特性は、４００ｍｍ×３２０ｍｍの大きさの
基板において３０点の測定を行なうことによって得られ
たものである。

【０１４８】また、触媒元素の残存が特に問題となるＴ
ＦＴのオフ領域でのリーク電流の増大及びばらつきにつ
いても、異常点がみられず、触媒元素を用いない場合と
同程度のレベルにまで低減することができた。このた
め、製造歩留まりを大きく向上することができる。さら
に、繰り返し測定、バイアスや温度ストレスによる耐久
性試験を行なっても、特性劣化はほとんど見られず、従
来の結晶化方法により得られたＴＦＴに比較して信頼性
が高く、電気特性が安定した回路が得られた。

【０１４９】（実施例２）本実施例２では、アクティブ
マトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路、画素部
分、薄膜集積回路に用いられる、Ｎチャネル型ＴＦＴを
ガラス基板上に製造する工程について説明する。

【０１５０】図８は、本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造す
る工程を説明するための半導体装置の平面図である。

【０１５１】図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施
例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明してお
り、図８のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。ま
た、図１０（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本実施例２の
Ｎ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図
８のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。

【０１５２】本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造するには、
まず、図９（ａ）に示すように、後の工程によりガラス
基板２０１から不純物が拡散することを防止するため、
ガラス基板２０１上に、例えば、スパッタリング法、あ
るいはプラズマＣＶＤ法によって、３００〜５００ｎｍ
程度の膜厚を有する酸化ケイ素からなる下地膜２０２を
形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ２０
〜８０ｎｍ、例えば、４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質
ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を成膜する。

【０１５３】次いで、ａ−Ｓｉ膜２０３上の全面にわた
って酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を
堆積したマスク２０４を形成する。本実施例２では、ａ
−Ｓｉ膜２０３上にＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘ
ｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）を原料として、酸
素共存下でＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて堆積すること
により酸化ケイ素膜を堆積した。この場合の酸化ケイ素
膜の膜厚は、１００〜４００ｎｍの範囲であることが望
ましく、本実施例２では、酸化ケイ素膜の膜厚を１５０
ｎｍとした。このマスク２０４には、スリット状のスル
ーホールが形成され、スルーホールが形成された領域２
００において、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈される。このマ
スク２０４に形成されたスルーホールによって、図８に
示すように、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈した領域２００が
スリット状となる。領域２００以外の部分はマスク２０
４によってａ−Ｓｉ膜２０３が露呈していない状態にな
っている。この場合、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈している
各領域のライン幅Ｌは、１〜１５μｍの範囲に設定され
ていることが望ましく、本実施例２では、８μｍとし
た。

【０１５４】次に、ａ−Ｓｉ膜２０３及びマスク２０４
の表面上に微量のニッケル２０５を添加する。ニッケル
２０５の添加は、ニッケル２０５を溶解した溶液をａ−
Ｓｉ膜２０３及びマスク２０４上に保持し、スピナーに
よりニッケル溶液を基板上に延ばし乾燥させることによ
り行った。本実施例２では、溶質として酢酸ニッケル、
溶媒としてエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度が
１０ｐｐｍとなるように調整した。添加されたニッケル
２０５の濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法
を用いた測定により、５×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程
度であった。

【０１５５】次に、図９（ｂ）に示すように、この状態
で、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素雰囲気下で、加
熱温度を５３０〜６００℃、例えば、５８０℃として、
１１時間にわたってアニールする。

【０１５６】この際、ニッケル２０５がａ−Ｓｉ膜２０
３の表面上に添加された領域では、ａ−Ｓｉ膜２０３の
表面に存在するニッケル２０５のシリサイド化が起こ
り、このシリサイドを核として、ａ−Ｓｉ膜２０３が結
晶化し、この領域２００において、結晶性ケイ素膜の領
域２０３ａが形成される。そして、引き続いて、領域２
００の周辺領域において、矢印Ｒで示すように、領域２
００から横方向（基板に平行な方向）に結晶が成長した
結晶性ケイ素膜の領域２０３ｂが形成される。また、領
域２０３ｂの外側には、非晶質ケイ素膜が残った領域２
０３ｄとして残っている。

【０１５７】各領域２００から横方向に結晶化が進むこ
とにより、各領域２００の略中央部分には、各領域から
横方向に成長した結晶がぶつかり合った境界部２０３ｃ
が形成される。

【０１５８】マスク上に添付されたニッケル２０５は、
マスク２０４によってマスクされるために下層のａ−Ｓ
ｉ膜２０３には到達せず、ａ−Ｓｉ膜２０３の結晶化に
は関与しない。このような横方向に結晶成長した結晶性
ケイ素膜の領域２０３ｂ中のニッケル濃度は、５×１０
¹⁷〜１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であり、直接、
ニッケル２０５が添加されて結晶成長した結晶性ケイ素
膜の領域２０３ａ中のニッケル濃度は、１×１０¹⁹ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³程度であった。また、上記の結晶成長に
際し、矢印Ｒで示されるガラス基板２０１と平行な方向
の結晶成長された長さは、最長の部分で１３０μｍ程度
であった。

【０１５９】次に、図９（ｃ）に示すように、マスク２
０４をエッチング除去する。本実施例２では、エッチャ
ントとしては、下層のケイ素膜２０３との間で十分なエ
ッチングの選択性がある１：１０のバッファードフッ酸
（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによりマスク２
０４を除去した。

【０１６０】次に、図１０（ｄ）に示すように、領域２
００に直交する方向にライン状にパルスレーザー光を照
射して、パルスレーザー光が照射された領域を溶融状態
として、その後、再結晶化することにより結晶性ケイ素
膜を形成する。

【０１６１】このときのパルスレーザー光として、本実
施例２では、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎ
ｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、パルスレーザー光
の照射時に基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に
加熱し、エネルギー密度を２００〜６００ｍＪ／ｃ
ｍ²、例えば４００ｍＪ／ｃｍ²で照射する照射条件とし
た。

【０１６２】実施例２でも、実施例１と同様に、長尺形
状のパルスレーザー光Ｓを図４中の矢印Ｕの方向に順次
走査することにより、前段のパルスレーザー光Ｓの照射
によって結晶化された領域の結晶性を引き継いだ領域２
０３ｊの成長が行われる。

【０１６３】実施例１の場合と異なっているのは、ニッ
ケル２０５により横方向に結晶成長した領域２０３ｂを
越えて、その外側の非晶質ケイ素膜領域２０３ｄにもパ
ルスレーザー光Ｓの照射による結晶化が行われる点であ
る。この場合にも、最初のパルスレーザー光Ｓの照射に
よるケイ素膜の溶融固化は、領域２０３ｂに対して行わ
れるため、その際の結晶性を引き継いでその後のパルス
レーザー光Ｓの照射によるケイ素膜の溶融固化が進むた
め、非晶質ケイ素膜となっている領域２０３ｃにおいて
も、高品質な結晶性ケイ素膜２０３ｊが形成される。

【０１６４】本実施例２では、パルスレーザー光Ｓの走
査ピッチ幅Ｐは、０．１〜１．５μｍ、例えば、０．５
μｍとした。また、パルスレーザー光Ｓの走査方向に対
するレーザービーム光Ｓの幅を１０μｍとした。この場
合、ケイ素膜上の任意の一点について、計２０回のパル
スレーザー光Ｓの照射が行われることになる。しかし、
実際には、ケイ素膜上の各位置に対して複数回照射され
るパルスレーザー光Ｓの照射のうち、最終回のパルスレ
ーザー光Ｓの照射により、その前段のパルスレーザー光
Ｓの照射により結晶化された隣接領域の結晶性を反映し
て結晶化されることから、最終回のパルスレーザー光Ｓ
の照射が結晶性ケイ素膜の結晶性を規定する上で最も重
要である。

【０１６５】このようなパルスレーザー光Ｓを順次走査
することにより形成された領域２０３ｊは、パルスレー
ザー光の走査方向に沿ったライン状の結晶粒により構成
されている。この結晶粒は、ＥＢＳＰ法を用いた２次元
的な結晶面方位の観察によると、それぞれのライン状の
結晶粒は、結晶粒界を挟んでほぼ同一の面方位となっ
た、ほぼ単結晶状態となっており、ライン状の結晶粒の
粒界部では、５°以内の小傾角粒界を形成している。

【０１６６】次に、図１０（ｃ）に示すように、ほぼ単
結晶状態に結晶化された領域２０３ｊを用いて、ニッケ
ル２０５により成長された領域２０３ｂから形成された
ほぼ単結晶状態となった領域２０３ｊを用い、他の不要
な部分のケイ素膜を除去することにより素子間分離を行
い、所望の島状に形成された結晶性ケイ素膜２１１を形
成する。

【０１６７】次に、図１０（ｃ）に示すように、活性領
域となる結晶性ケイ素膜２１１上を覆うように、２０〜
１５０ｎｍの膜厚、例えば、１００ｎｍの膜厚にゲート
絶縁膜である酸化ケイ素膜２１２を成膜する。この酸化
ケイ素膜２１２の形成には、本実施例２では、ＴＦＯＳ
を原料として、酸素共存下に基板温度を１５０〜６００
℃、好ましくは、３００〜４５０℃に加温して、ＲＦプ
ラズマＣＶＤ法により分解・堆積した。あるいは、ＴＥ
ＯＳを原料として、オゾンガス共存下に基板温度を３５
０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０℃に加温し
て、減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法により、酸化ケ
イ素膜２１２を形成してもよい。酸化ケイ素膜２１２の
成膜後、酸化ケイ素膜２１２自体のバルク特性、結晶性
ケイ素膜２１１と酸化ケイ素膜２１２との界面特性を向
上するために、不活性ガス雰囲気下で、４００〜６００
℃の温度条件で、１〜４時間にわたる熱処理を行った。
続いて、スパッタリング法によって、４００〜８００ｎ
ｍの膜厚、例えば、６００ｎｍの膜厚にアルミニウムを
成膜し、これをパターニングして、結晶性ケイ素膜２１
２上となる所定の部分に位置するゲート電極２１３を形
成する。次いで、このアルミニウムからなるゲート電極
２１３の表面を陽極酸化することにより、表面上に酸化
物層２１４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、最初に一定
電流を流した後に２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で
１時間保持することにより得られる。得られた酸化物層
２１４の厚さは２００ｎｍであった。なお、この酸化物
層２１４は、後のイオンドーピング工程において、オフ
セットゲート電極を形成する厚さとなるため、オフセッ
トゲート領域の長さを上記の陽極酸化工程により決定す
ることができる。

【０１６８】続いて、イオンドーピング法を用いて、不
純物であるリンを注入する。この場合、酸化ケイ素膜２
１２上に形成されたゲート電極２１３及び酸化物層２１
４がマスクとなり、ゲート電極２１３の下の部分に該当
する結晶性ケイ素膜２１１中にはリンは注入されない。
本実施例２では、リンをドーピングするドーピングガス
として、フォスフィン（ＰＨ₃）を用い、ドーピング条
件としては、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば、８０
ｋＶとし、ドーズ量を１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、
例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。

【０１６９】この工程により、ゲート電極２１３にマス
クされてリンが注入されない結晶性ケイ素膜２１１の領
域は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。また、ゲート
電極２１３にマスクされずにリンが注入された結晶性ケ
イ素膜２１１の領域は、後にＴＦＴのソース領域２１９
及びドレイン領域２２０となる。この工程では、リンが
注入されたことにより、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ
型の不純物領域が形成される。

【０１７０】このとき、図８に示すようにＴＦＴを配置
することにより、ＴＦＴの動作に対して、キャリアが流
れる方向（ソース領域２１９→ドレイン領域２２０の方
向）と、チャネル領域２１８を構成するライン状の結晶
粒のライン方向（成長方向Ｔ）とが、平行となっている
ため、より高い移動度を有するＴＦＴが得られる。

【０１７１】次に、図１０（ｃ）に示すように、レーザ
ー光Ｖを照射してアニールを行うことにより、イオン注
入した不純物を活性化すると同時に、上記の不純物の導
入工程により結晶性が劣化した部分の結晶性を改善す
る。

【０１７２】この際、レーザー光Ｖとしては、ＸｅＣｌ
エキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓ
ｅｃ）を用い、エネルギー密度を１５０〜４００ｍＪ／
ｃｍ ²、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ²とした。
このようにして形成されたＮ型不純物領域のシート抵抗
は、２００〜５００Ω／□となった。

【０１７３】次に、図１０（ｄ）に示すように、６００
ｎｍ程度の膜厚の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を
形成して層間絶縁膜２２３とする。層間絶縁膜２２３と
して酸化ケイ素膜を形成する場合は、ＴＥＯＳを原料と
して、酸素共存下でのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾ
ン共存下での減圧ＣＶＤ法を用いることにより、段差被
覆性に優れた良好な酸化ケイ素膜が形成される。また、
層間絶縁膜２２３として窒化ケイ素膜を形成する場合
は、ＳｉＨ₄及びＮＨ₃を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ
法を用いることにより窒化ケイ素膜が形成される。この
窒化ケイ素膜は、活性領域とゲート絶縁膜との界面に水
素原子を供給して、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手
を低減することができる。

【０１７４】次いで、層間絶縁膜２２３のＴＦＴの結晶
性ケイ素膜２１１上のソース領域２１９及びドレイン領
域２２０に該当する部分に、これらの領域に到達するコ
ンタクトホール２２３ａを形成する。層間絶縁膜２２３
に形成されたコンタクトホール２２３ａには、金属材
料、例えば、窒化チタンとアルミニウムとの二層膜によ
って、ＴＦＴのソース領域２１９及びドレイン領域２２
０に電気的に接続される電極・配線２２４を形成する。
窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するこ
とを防止するためのバリア膜として設けられる。また、
このＴＦＴを液晶表示装置の画素スイッチング用等に用
いる場合には、ドレイン電極２２０には、ＩＴＯ等の透
明導電膜からなる画素電極を用いればよい。さらに、こ
のＴＦＴ２２５を薄膜集積回路等に用いる場合には、ゲ
ート電極２１３上にもコンタクトホールを形成し、この
コンタクトホールに必要とする配線を設ければよい。

【０１７５】最後に、１気圧の水蒸気雰囲気下、３５０
℃の温度条件として１時間にわたるアニールを行い、所
望のＴＦＴ２２５を完成する。なお、ＴＦＴ２２５を保
護するために、さらに、窒化ケイ素膜等の保護膜を設け
てもよい。

【０１７６】以上説明した工程を経て製造されるＴＦＴ
２２５は、電界効果移動度が４５０ｃｍ²／Ｖｓ程度、
閾値電圧が１．０Ｖ程度となり、性能が著しく向上され
た。さらに、電界効果移動度で±１０％程度、閾値電圧
で±０．２Ｖ程度にそれぞれ抑えることができた。な
お、以上の特性は、４００ｍｍ×３２０ｍｍの大きさの
基板において、３０点の測定を行うことによって得られ
たものである。

【０１７７】また、上記特性は、ＴＦＴのキャリアの移
動方向と、パルスレーザー光の照射の走査による結晶の
成長方向とが、互いに平行になるように設計したＴＦＴ
について得られたものであるが、ＴＦＴのキャリアの移
動方向と、結晶の成長方向とが互いに垂直方向になるよ
うに設計したＴＦＴにおいても、電界効果移動度が３５
０ｃｍ²／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．２Ｖ程度となり、
従来の方法により得られるＴＦＴに比較して十分に高性
能になり、また、基板内での特性のばらつきも同様に小
さく抑えることができた。

【０１７８】さらに、本実施例２のＴＦＴは、繰り返し
測定、バイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っ
ても特性劣化はほとんどみられず、信頼性が高い。ま
た、触媒元素の残留が特に問題となるＴＦＴのオフ領域
でのリーク電流の増大及びばらつきについても、異常点
がなく、触媒元素を用いない場合と同程度の数ｐＡ程度
のレベルまで低減することができた。このため、製造歩
留まりを大きく向上することができる。

【０１７９】さらに、本実施例２のＴＦＴを用いて液晶
パネルを製造すれば、従来の製造方法により製造された
ＴＦＴを用いた液晶パネルに比較して、表示ムラが小さ
く、ＴＦＴリークによる画素欠陥も極めて少なく、コン
トラスト比が高い、表示品位が高い液晶パネルを製造す
ることができる。

【０１８０】（実施例３）本実施例３では、ケイ素膜に
照射するレーザー光として、連続発振レーザー光を用い
た場合について説明する。なお、本実施例３では、連続
発振レーザー光を用いた他は、上記実施例１及び２と概
略同様であるので、実施例１及び２に用いた図面を参照
するとして、その図示は省略する。

【０１８１】まず、実施例１及び２と同様に、ガラス基
板上に、酸化ケイ素膜等からなる下地絶縁膜を形成し、
その下地絶縁膜上に、非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）を
成膜する。

【０１８２】次に、この非晶質ケイ素膜上の全面にわた
って酸化ケイ素幕または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を
堆積した後、パターニングすることにより所定の部分に
開口部を有するマスクを形成する。そして、このマスク
が形成された非晶質ケイ素膜上に、マスクの開口部を利
用して選択的に触媒元素を導入する（このときの非晶質
ケイ素膜が形成されたガラス基板の状態は、図６（ａ）
参照するものとし、触媒元素の導入方法については、実
施例１中の説明を参照するものとする）。

【０１８３】次に、この状態で、不活性ガス雰囲気下、
例えば、窒素ガス雰囲気下で、加熱温度を５３０〜６０
０ドとして、アニールして、触媒元素が導入された非晶
質ケイ素膜の領域から横方向に結晶成長させる。このと
きの状態は、図６（ｃ）及び図９（ｃ）が参照される。
また、平面的には、図１（ａ）及び図５（ａ）が参照さ
れる。

【０１８４】次に、この状態の結晶性ケイ素膜に対し
て、連続発振レーザー光を連続的に照射しながら走査す
る。これにより、この結晶性ケイ素膜を、レーザー光の
走査方向に沿って結晶化させる。このレーザー光の走査
方向は、実施例１及び２のパルスレーザー光の走査方法
と同様である。結晶性ケイ素膜に照射される連続発振レ
ーザー光としては、ダイオード励起の連続発振ＹＡＧレ
ーザー光を用いた。また、波長は、５３２ｎｍであり、
パワー変動は１％以下であった。さらに、連続発振ＹＡ
Ｇレーザーの出力は、１０Ｗであり、走査速度は、基板
に対して５０〜２００ｃｍ／ｓｅｃ、例えば、１００ｃ
ｍ／ｓｅｃとした。結晶性ケイ素膜において、連続発振
レーザー光の照射により照射された部分は溶融し、レー
ザー光の照射領域と非照射領域との境界において、固体
状態のケイ素と液状状態のケイ素との界面が生じ、その
界面が、レーザー光の走査に伴って連続的に移動するこ
とにより、元の結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して一方
向に沿った結晶粒界が成長する。

【０１８５】その後、結晶性ケイ素膜の不要な部分を除
去して素子間分離を行い、後にＴＦＴの活性領域（ソー
ス及びドレイン領域、チャネル領域）となる島状にパタ
ーニングを行う。以下の工程は、前述の実施例１及び２
と同様の工程を経て、ＴＦＴが完成される。

【０１８６】本実施例３では、このように連続発振レー
ザー光を用いて結晶性ケイ素膜を横方向（レーザー光走
査方向）に再結晶化を行っている。本実施例３では、パ
ルスレーザー光を用いた実施例１及び２に比較して、よ
り高いＴＦＴ特性が得られることが明らかとなった。具
体的には、Ｎチャネル型ＴＦで６００ｃｍ²／Ｖｓ以上
の電界効果移動度が得られた。

【０１８７】以上、本発明に基づく半導体装置につい
て、３つの実施例に基づいて具体的に説明したが、本発
明は、上記３つの実施例に限定されるものではなく、本
発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

【０１８８】例えば、上記の３つの実施例においては、
非晶質ケイ素膜の表面にニッケル塩の水溶液を塗布する
方法、低パワーのＤＣスパッタリング法を採用している
が、非晶質ケイ素膜を形成する前に、下地膜の表面に選
択的にニッケルを導入することにより、上層の非晶質ケ
イ素膜を結晶化することもできる。すなわち、非晶質ケ
イ素の結晶化を促進する触媒元素は、非晶質ケイ素膜の
上側から導入して非晶質ケイ素膜の表面側から結晶成長
させてもよく、下側に導入しておいて、非晶質ケイ素膜
の裏面側から結晶成長させてもよい。

【０１８９】また、ニッケルの導入方法として、上記実
施例の方法のほか、種々の方法を用いることができる。
例えば、ニッケル塩を溶解させる溶媒として、ＳＯＧ
（スピンオングラス）材料を用い、ＳｉＯ₂膜より拡散
させる方法、イオンドーピング法により直接導入する方
法、蒸着法、メッキ法により薄膜形成する方法等を利用
することができる。

【０１９０】さらに、触媒元素として、ニッケルのほ
か、コバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いる
ことができる。

【０１９１】また、上記実施例１及び２において、触媒
元素により結晶化された結晶性ケイ素膜を溶融固化させ
るパルスレーザー光としては、上記実施例１及び２に用
いた波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーの他、
波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長１９８
ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー等を使用してもよい。ま
た、可視領域の波長となるが、ＹＡＧレーザーを使用す
ることも可能である。また、照射されるパルスレーザー
光の照射形状に関しても、上記の長尺矩形状以外の形状
としても同様の効果が得られる。

【０１９２】また、本発明の半導体装置が適用される装
置としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板
のほか、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー
内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ等を発光素子とし
たドライバー内蔵型の光書き込み素子または表示素子、
三次元ＩＣ等に適用しても、これらの素子を高速、高解
像度化を実現することができる。

【０１９３】さらに、本発明の半導体装置は、上記の実
施例１で説明したＭＯＳ型トランジスタに限られず、結
晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタ、静
電誘導トランジスタ等、幅広く半導体プロセスの全般に
応用することができる。

【０１９４】

【発明の効果】本発明の半導体装置及びその製造方法
は、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する微量の触媒元素
が導入されて基板に対して横方向に固相成長された領域
を種結晶として、この固相成長された領域に対して光照
射することによる溶融固化過程により概略一方向に結晶
成長された領域を、活性領域とするため、高性能で、ば
らつきの少ない安定した特性の半導体素子を実現するこ
とができ、集積度の高い高性能半導体装置を、簡便な製
造プロセスにて製造することができる。

【０１９５】さらに、本発明の製造方法を用いた製造工
程において、良品率を大きく向上することができ、商品
の低コスト化を図ることができる。特に、アクティブマ
トリクス基板の画素スイッチングＴＦＴのスイッチング
特性の向上、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴの高性能
化・高集積化が要求される液晶表示装置においては、こ
れらの特性の向上が同時に満足され、同一基板上にアク
ティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライ
バモノリシック型アクティブマトリクス基板を実現する
ことができ、モジュールのコンパクト化、高性能化、低
コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明の半導体
装置の製造方法を工程毎に説明する平面図である。

【図２】本発明の半導体装置を製造する場合において、
パルスレーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化過程
に使用されるレーザーアニール装置を示す概略図であ
る。

【図３】遮蔽マスクを透過して基板上に照射されるパル
スレーザー光の強度プロファイルを示す説明図である。

【図４】本発明の半導体装置を製造する場合において、
パルスレーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化過程
に使用される他のレーザーアニール装置を示す概略図で
ある。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例１のＮ型
ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補的に構成したＣＭＯＳ構造
を製造する工程を工程毎に説明する平面図である。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図５（ａ）の構
造を製造する工程を工程毎に説明しており、図５（ａ）
のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。

【図７】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、図５（ｂ）〜
（ｄ）に示す構造を製造する工程をその工程毎に説明し
ており、図５（ｂ）〜（ｄ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図
を示している。

【図８】実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を説明す
るための平面図である。

【図９】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図８に示すＮ型
ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８の
Ａ−Ａ’線に沿う断面図を示している。

【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例２のＮ
型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８
のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。

【図１１】特表２０００−５０５２４１号公報の方法に
より得られる結晶性ケイ素膜の結晶粒の状態を概略的に
示す断面図である。

【図１２】特表２０００−５０５２４１号公報に記載さ
れた結晶化処理方法であって、レーザ光が照射される露
光領域を形成するためのマスクの形状に屈曲形状を含む
形状として結晶化した結果を示す平面図である。

【図１３】特開平１１−２６０７２３号公報の方法で得
られる結晶性のケイ素膜を示す平面図である。

【図１４】連続発振レーザー光とケイ素膜に照射した場
合のケイ素膜の状態変化を概略的に示す断面図である。

【図１５】本発明の半導体装置の微細構造を示す写真代
用の概略図である。

【符号の説明】

１各触媒元素導入領域３ドメイン境界４結晶ドメイン６領域８領域９領域１０領域１１領域１２領域１４領域１５領域１６成長境界部１７活性領域１００領域１０１ガラス基板１０２下地膜１０３非晶質ケイ素膜１０４マスク１０５ニッケル１０７領域１０７’ 領域１１１ｎ、１１１ｐ結晶性ケイ素膜１１８ｎ、１１８ｐチャネル領域１１９ｎ、１１９ｐソース領域１２０ｎ、１２０ｐドレイン領域１２５Ｎチャネル型ＴＦＴ１２６Ｐチャネル型ＴＦＴ２００領域２０１ガラス基板２０２下地膜２０３非晶質ケイ素膜２０４マスク２０５ニッケル２１１結晶性ケイ素膜２１３ゲート電極２１４酸化物層２１８チャネル領域２１９ソース領域２２０ドレイン領域２２３層間絶縁膜２２４電極・配線２２５ＴＦＴ

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/322 Ｈ０１Ｌ 21/322 Ｒ 21/336 29/78 ６２７Ｇ 29/786 Ｆターム(参考） 2H092 GA59 JA24 KA04 KA07 KA10 MA05 MA07 MA27 MA30 MA37 NA24 NA27 NA29 PA01 5F052 AA02 BA02 BA07 BA12 BA18 BB07 CA04 DA02 DB03 EA16 FA02 FA06 FA19 JA01 5F110 AA01 BB02 BB04 BB10 CC02 DD02 DD13 EE04 EE14 EE34 EE44 FF02 FF03 FF29 FF30 FF32 FF36 GG02 GG13 GG25 GG35 GG45 HJ01 HJ04 HJ12 HJ23 HL01 HL03 HL11 HM14 NN02 NN04 NN23 NN24 NN35 NN72 PP03 PP04 PP05 PP23 PP34 QQ08 QQ11 QQ23 QQ28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面を有する基板上に結晶性を有す
るケイ素膜によって活性領域が形成された半導体装置で
あって、該活性領域は、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する微量
の触媒元素が導入された領域から一方向に沿って固相成
長された領域を種結晶として、該固相成長された領域を
溶融固化させることにより概略一方向に結晶成長された
結晶性を有するケイ素膜によって形成されていることを
特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記溶融固化させることにより結晶成長
された結晶性を有するケイ素膜の結晶成長方向が、前記
固相成長された領域の結晶成長方向に対して、概略直交
する方向である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】前記活性領域は、前記溶融固化させるこ
とにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概
略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該ライン状の結晶粒群は、隣接する他のライン状の結晶
粒群とほぼ同一な面方位を有している、請求項１に記載
の半導体装置。
【請求項４】前記各ライン状の結晶粒群間の面方位の
ずれが、５°以内になっている、請求項３に記載の半導
体装置。
【請求項５】前記活性領域は、前記溶融固化させるこ
とにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概
略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒群の結晶粒界は、少なくとも８０
％以上のケイ素原子が原子レベルで格子状につながって
いる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】前記活性領域は、前記溶融固化させるこ
とにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概
略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒界間には、小傾角粒界が形成され
ている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】前記小傾角粒界は、各結晶粒間の平面的
な方位の回転角が５°以内になっている、請求項６に記
載の半導体装置。
【請求項８】前記結晶粒界は、セコエッチング法によ
るエッチングによりその位置が規定される、請求項３〜
７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】前記結晶粒群の面方位及び結晶粒界での
結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法により測定される面であ
る、請求項３〜７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１０】前記活性領域は、前記活性領域を移動
するキャリアの移動方向が溶融固化されることにより結
晶成長された領域の結晶成長方向及び前記各ライン状の
結晶粒界に沿う方向に対して概略平行になるように形成
されている、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装
置。
【請求項１１】前記活性領域に形成される能動領域
は、触媒元素であるニッケル元素を１×１０¹⁶〜５×１
０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の濃度で含有している、請求項
１〜１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１２】絶縁表面を有する基板上に形成された
非晶質ケイ素膜の一部に、非晶質ケイ素膜の結晶化を促
進する触媒元素を選択的に導入する工程と、該非晶質ケイ素膜を加熱処理することにより、該触媒元
素が選択的に導入された領域の近接部分から順次結晶化
させて、結晶性ケイ素膜とする工程と、該結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、
順次再結晶化する工程と、該再結晶化された結晶性ケイ素膜により、活性領域を形
成する工程と、を包含することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】前記触媒元素の導入によって結晶化さ
れた結晶性ケイ素膜は、レーザー光が該結晶化方向とは
直交する方向に沿って走査されることにより加熱され
る、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】前記触媒元素は、前記絶縁表面を有す
る基板上に形成された非晶質ケイ素膜上にライン状また
はストライプ状に形成された領域に導入され、前記レーザー光は、該ライン状またはストライプ状に形
成された領域が延びる方向に沿って走査される、請求項
１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】前記ライン状またはストライプ状に形
成された領域のそれぞれの幅は、１〜１５μｍの範囲に
形成されている、請求項１４に記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項１６】前記触媒元素の導入によって結晶化さ
れた結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱し
て、順次再結晶化する工程は、該結晶性ケイ素膜にパル
スレーザー光を照射しながら、基板またはパルスレーザ
ー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレー
ザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順
次再結晶化させることにより行われる、請求項１２〜１
５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】前記結晶性ケイ素膜に一定方向に走査
されながら照射される前記パルスレーザー光のうち少な
くとも第１段目のパルスレーザー光は、前記触媒元素の
導入によって結晶化された領域に照射され、この領域へ
のパルスレーザー光の照射が行われた後の第２段目のパ
ルスレーザー光は、触媒元素の導入による結晶成長が行
われていない領域に照射される、請求項１６に記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項１８】前記パルスレーザー光の走査ピッチ
は、前記パルスレーザー光の照射時に溶融する結晶性ケ
イ素膜の領域が、隣接する非溶融領域の結晶性ケイ素膜
の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下に設定され
る、請求項１６または１７に記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１９】前記パルスレーザー光の走査ピッチ
は、０．１μｍ〜１．５μｍである、請求項１８に記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】前記パルスレーザー光は、走査される
方向に対して垂直な方向に沿って長くなっている、請求
項１６〜１９のいずれかに記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項２１】前記パルスレーザー光のビーム強度の
強度プロファイルは、前記パルスレーザー光の少なくと
も走査方向の反対側の強度プロファイルが、一定強度か
ら急激に０強度まで低下する、請求項１６〜２０のいず
れかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】前記パルスレーザー光は、その走査方
向とは反対側の一部を機械的にマスクする遮蔽手段を有
するレーザー照射手段を用いて照射される、請求項２１
に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２３】前記レーザー照射手段の遮蔽手段は、
照射されるパルスレーザー光を、少なくとも前記結晶性
ケイ素膜の溶融に必要な強度から連続的に強度が低下す
る範囲を遮蔽する、請求項２２に記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項２４】前記パルスレーザー光は、前記結晶性
ケイ素膜が膜の全体にわたって溶融する強度で照射され
る、請求項１６〜２３のいずれかに記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項２５】前記パルスレーザー光は、波長４００
ｎｍ以下のエキシマレーザーが用いられ、前記結晶性ケ
イ素膜の表面に対するエネルギー密度が２００〜６００
ｍＪ／ｃｍ²となる範囲で照射される、請求項２４に記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項２６】前記触媒元素の導入によって結晶化さ
れた結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱し
て、順次再結晶化する工程は、該結晶ケイ素膜に連続発
振レーザー光を照射しながら、基板または連続発振レー
ザー光を一方向に走査することにより、先に連続発振レ
ーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して
順次再結晶化させることにより行われる、請求項１２〜
１５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２７】前記結晶性ケイ素膜に連続発振レーザ
ー光を照射する工程は、該連続発振レーザー光により照
射領域のケイ素膜が溶融され、該連続発振レーザー光の
走査に伴い、ケイ素膜における固体状態及び液体状態の
界面を移動させながら、順次再結晶化が行われる、請求
項２６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２８】前記連続発振レーザー光として、固体
レーザーが用いられる、請求項２６に記載の半導体装置
の製造方法。
【請求項２９】前記活性領域は、前記レーザー光の走
査方向に沿って形成される、請求項１３〜２８のいずれ
かに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３０】前記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進す
る触媒元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、
Ａｕから選ばれた少なくとも一つの元素である、請求項
１２〜２９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３１】前記レーザー光を走査することによっ
て前記結晶性ケイ素膜を順次再結晶化する工程を行った
後に、少なくとも、後の工程により能動領域となる以外の結晶
性ケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入す
る工程と、該結晶性ケイ素膜に対して第２の加熱処理を行うことに
より、前記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域
に、前記触媒元素を移動させ、後の工程により能動領域
となる結晶性ケイ素膜の領域に含まれる前記触媒元素の
量を低減する工程と、をさらに行う、請求項１３〜３０のいずれかに記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項３２】前記第２の加熱処理により移動される
前記触媒元素の移動方向は、前記レーザー光の走査方向
と概略平行になっている、請求項３１に記載の半導体装
置の製造方法。
【請求項３３】前記５族Ｂから選ばれる元素は、Ｐ、
Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉから選ばれた少なくとも一つの元
素である、請求項３１または３２に記載の半導体装置の
製造方法。