JP2004006917A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【目的】単結晶珪素を用いたものと同等の特性を有する半導体装置を提供する。
【構成】本発明の半導体装置は、少なくとも２つの薄膜トランジスタを有しており、前記薄膜トランジスタは結晶性珪素膜を有し、前記結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜を結晶化することにより形成されたものであり、前記結晶性珪素膜の結晶軸のぶれの角度は±１０°の範囲内であることを特徴としている。そして、このような構成とすることで、単結晶珪素を利用した場合と同等な特性を有する半導体装置を得ることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、ガラス等の絶縁表面を有する基板上に単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を有する結晶性珪素膜を形成する技術に関する。また、この結晶性珪素膜を用いて、薄膜トランジスタに代表される薄膜半導体デバイスを形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス基板や絶縁表面を有する基板上に形成された薄膜珪素半導体膜（厚さ数百〜数千Å程度）を用いて薄膜トランジスタを構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタの応用が一番期待されているのは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置である。
アクティブマトリクス型の液晶表示装置は、一対のガラス基板間に液晶を挟んで保持した構成を有している。また、数百×数百のマトリクス状に配置された画素電極のそれぞれに薄膜トランジスタを配置した構成を有している。このような構成においては、ガラス基板上に薄膜トランジスタを形成する技術が必要とされる。
【０００３】
ガラス基板上に薄膜トランジスタを形成するには、ガラス基板上に薄膜トランジスタを構成するための薄膜半導体を形成する必要がある。ガラス基板上に形成される薄膜半導体としては、プラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で形成される非晶質珪素膜（アモルファスシリコン膜）が一般に利用されている。
【０００４】
現状においては、非晶質珪素膜を用いた薄膜トランジスタが実用化されているが、より高画質の表示を得るためには、結晶性を有した珪素半導体薄膜（結晶性珪素膜という）を利用した薄膜トランジスタが必要される。
【０００５】
ガラス基板基上に結晶性珪素膜を成膜する方法としては、本出願人による特開平６―２３２０５９号公報、特開平６―２４４１０３号公報に記載された技術が公知である。この公報に記載されている技術は、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することにより、ガラス基板の耐える加熱条件である５５０℃、４時間程度の加熱処理によって、結晶性珪素膜をガラス基板上に形成するものである。
【０００６】
しかし、上記技術を用いた方法によって得られる結晶性珪素膜は、各種演算回路やメモリー回路等を構成するための薄膜トタンジスタに利用することはできない。これは、その結晶性が不足しており、必要とする特性が得られないからである。
【０００７】
アクティブマトリクス型の液晶表示装置やパッシブ型の液晶表示装置の周辺回路には、画素領域に配置された薄膜トランジスタを駆動するための駆動回路や映像信号を取り扱ったり制御する回路、各種情報を記憶する記憶回路等が必要とされる。
【０００８】
これらの回路の中で、映像信号を取り扱ったり制御する回路や各種情報を記憶する記憶回路には、公知の単結晶ウエハーを用いた集積回路に匹敵する性能が求められる。従って、ガラス基板上に形成される薄膜半導体を用いてこれら回路を集積化しようとする場合、単結晶に匹敵する結晶性を有した結晶性珪素膜をガラス基板上に形成する必要がある。
【０００９】
結晶性珪素膜の結晶性を高める方法としては、得られた結晶性珪素膜に対して、再度の加熱処理を施したり、レーザー光の照射を行ったりすることが考えられる。しかし、加熱処理やレーザー光の照射を繰り返しても、劇的な結晶性の向上は困難であることが判明している。
【００１０】
またＳＯＩ技術を利用することにより、単結晶珪素薄膜を得る技術も研究されているが、単結晶珪素基板を液晶表示装置に利用することはできないので、直接液晶表示装置に当該技術を利用することはできない。特に、単結晶ウエハーを用いた場合、基板面積が限定されるので、今後需要が増大されると見込まれる大面積を有する液晶表示装置には、ＳＯＩ技術を利用することは困難である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書で開示する発明は、絶縁表面を有する基板、特にガラス基板上に単結晶または単結晶と見なせる領域を形成し、この領域を用いて薄膜トランジスタに代表される薄膜半導体デバイスを形成することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
絶縁表面を有する基板上に第１の半導体膜を形成する工程と、　エネルギーを与えることにより前記第１の半導体膜を結晶化させる工程と、
前記第１の半導体膜に対してパターニングを施すことにより、種結晶となる領域を形成する工程と、
エッチングを施すことにより前記種結晶において所定の結晶面を選択的に残存させる工程と、
前記種結晶を覆って第２の半導体膜を形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第２の半導体膜において前記種結晶からの結晶成長を行わす工程と、
を有することを特徴とする。
【００１３】
上記構成において、第１および第２の半導体膜としては、代表的には珪素膜が利用される。また一般的には、珪素膜はＣＶＤ法で成膜される非晶質珪素膜が利用される。
【００１４】
所定の結晶面を選択的に残存させるのは、より単結晶に近い結晶になるように結晶成長を行わすためである。所定の結晶面を残存させるのは、所定の結晶面に対して選択性を有するエッチング手段を利用すればよい。例えば、Ｈ_２Ｏを６３．３ｗｔ％、ＫＯＨを２３．４ｗｔ％、イソプロパノールを１３．３ｗｔ％の重量混合比で混合させたエッチャントを用いることによって、（１００）面を選択的に残存させることができ、結果として（１００）面で覆われた種結晶を選択的に残存させることができる。
【００１５】
また、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）を用いた気相中でのエッチングを行うことで、（１１１）面を選択的に残存させることができる。具体的には、エッチングガスとして、ＣｌＦ_３とＮ_２Ｈ_４とを用いたドライエッチングによって、（１１１）面を残存させることができる。
【００１６】
また上記構成におけるエネルギーの与えかたとしては、加熱、レーザー光の照射、強光の照射から選ばれ１種または複数種類の方法を同時にまたは段階的に利用することができる。例えば、加熱しながらのレーザー光の照射や、加熱の後にレーザー光を照射することや、加熱とレーザー光の照射を交互に行うことや、レーザー光の照射の後に加熱を行うことができる。またレーザー光の代わりに強光を利用するのでもよい。
【００１７】
半導体膜として珪素膜を利用し、エネルギーを与えることによって、当該珪素膜を結晶化させる場合に、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することが有用である。例えば、プラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で成膜した非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させようとする場合、６００℃以上の温度で１０時間以上の加熱処理が必要とされるが、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用した場合、５５０℃、４時間の加熱処理でそれと同等以上の結果を得ることができる。
【００１８】
珪素の結晶化を助長する金属元素としては、ニッケルが最もその効果が高く、有用である。また、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素が利用することもできる。特に、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、ＡｕはＮｉに次ぐ効果を得ることができる。
【００１９】
種結晶からの結晶成長を行わすことで、所定の領域に単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を形成することができる。この単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域は、下記の条件を満たしている領域として定義される。
・結晶粒界が実質的に存在していない。
・点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元素を０．００１〜１原子％の濃度で含んでいる。
・炭素および窒素の原子を１×１０^１６〜５×１０^１８原子ｃｍ^−３の濃度で含んでおり、
・酸素の原子を１×１０^１７〜５×１０^１９原子ｃｍ^−３の濃度で含んでいる。
【００２０】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に第１の珪素膜を形成する工程と、
前記第１の珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
エネルギーを与えることにより前記第１の珪素膜を結晶化させる工程と、
前記第１の珪素膜に対してパターニングを施すことにより、種結晶となる領域を形成する工程と、
エッチングを施すことにより前記種結晶において所定の結晶方位を選択的に残存させる工程と、
前記種結晶を覆って第２の珪素膜を形成する工程と、
前記第１の珪素膜上に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
エネルギーを与えることにより前記第２の珪素膜において前記種結晶からの結晶成長を行わす工程と、
を有することを特徴とする。
【００２１】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に第１の珪素膜を形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第１の珪素膜を結晶化させる工程と、
前記第１の珪素膜に対してパターニングを施すことにより、種結晶となる領域を形成する工程と、
エッチングを施すことにより前記種結晶において所定の結晶方位を選択的に残存させる工程と、
前記種結晶を覆って第２の珪素膜を形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第１の珪素膜において前記種結晶からの結晶成長を行わす工程と、
少なくとも前記種結晶が形成されている領域を除去することを含むパターニングを行い半導体装置の活性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００２２】
上記構成においては、得られた活性層の領域が、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域となっていることが特徴である。この領域は、結晶粒界が実質的に存在しておらず、かつ点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元素を０．００１〜１原子％の濃度で含んでおり、かつ炭素および窒素の原子を１×１０^１６〜５×１０^１８原子ｃｍ^−３の濃度で含んでおり、かつ酸素の原子を１×１０^１７〜５×１０^１９原子ｃｍ^−３の濃度で含んでいる領域として定義される。
【００２３】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に第１の珪素膜を形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第１の珪素膜を結晶化させる工程と、
前記第１の珪素膜に対してパターニングを施すことにより、種結晶となる領域を形成する工程と、
エッチングを施すことにより前記種結晶において所定の結晶方位を選択的に残存させる工程と、
前記種結晶を覆って第２の珪素膜を形成する工程と、
パターニングを行い第２の珪素膜を矩形状に形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第２の珪素膜において前記種結晶からの結晶成長を行わす工程と、
少なくとも前記種結晶が形成されている領域を除去することを含むパターニングを前記第２の珪素膜に対して行い半導体装置の活性層を形成する工程と、
を有し、
前記矩形状に形成された第２の珪素膜の角の部分に前記種結晶を位置させることを特徴とする。
【００２４】
上記構成を利用した具体的な例を図３に示す。図３には、矩形状に形成された非晶質珪素膜３０２の角に部分３０４に種結晶３０３を位置させ、その部分から線状にビーム加工されたレーザー光を走査しながら照射することによって、非晶質珪素膜３０２を結晶化させる構成が記載されている。
【００２５】
図３においては、４角形に珪素膜３０２（非晶質珪素膜）をパターニングする例が示されているが、これは、正方形でも長方形でもよい。
【００２６】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に第１の珪素膜を形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第１の珪素膜を結晶化させる工程と、
前記第１の珪素膜に対してパターニングを施すことにより、種結晶となる領域を形成する工程と、
エッチングを施すことにより前記種結晶において所定の結晶方位を選択的に残存させる工程と、
前記種結晶を覆って第２の珪素膜を形成する工程と、
パターニングを行い第２の珪素膜を多角形状に形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第２の珪素膜において前記種結晶からの結晶成長を行わす工程と、
少なくとも前記種結晶が形成されている領域を除去することを含むパターニングを前記第２の珪素膜に対して行い半導体装置の活性層を形成する工程と、
を有し、
前記多角形状に形成された第２の珪素膜の角の部分に前記種結晶を位置させることを特徴とする。
【００２７】
上記構成の具体的な例を図４に示す。図４には、ホームベース型の５角形にパターニングされた非晶質珪素膜４０１の角の部分４０３に種結晶を位置させ、この４０３の部分から線状にビーム加工されたレーザー光を走査しながら照射することによって、非晶質珪素膜４０１を結晶化する構成が示されている。
【００２８】
図４には、珪素膜を５角形にパターニングする例が示されているが、これは、さらに角の多い多角形としてもよい。ただし、角の数が多くなると、必然的に角の角度が大きくなることになり、角から結晶化を進行させる効果が減少してしまう。
【００２９】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に第１の珪素膜を形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第１の珪素膜を結晶化させる工程と、
前記第１の珪素膜に対してパターニングを施すことにより、種結晶となる領域を形成する工程と、
エッチングを施すことにより前記種結晶において所定の結晶面を選択的に残存させる工程と、
前記種結晶を覆って第２の珪素膜を形成する工程と、
エネルギーを与えることにより前記第２の珪素膜において前記種結晶からの結晶成長を行わす工程と、
前記第２の珪素膜をパターニングし、前記種結晶の存在する部分を少なくとも除去する工程と、
を有し、
前記パターニングされた後の第２の珪素膜中には、水素が０．００１〜１ａｔｍ％含まれており、かつ珪素の結晶化を助長する金属元素が１×１０^１６原子〜１×１０^１９原子ｃｍ^−３の濃度で含まれていることを特徴とする。
【００３０】
上記構成において、第１および第２の珪素膜としては、代表的にはプラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で成膜された珪素膜が利用される。
【００３１】
所定の結晶面を選択的に残存させるのは、より単結晶に近い結晶になるように結晶成長を行わすためである。所定の結晶面を残存させるのは、所定の結晶面に対して選択性を有するエッチング手段を利用すればよい。例えば、Ｈ_２Ｏを６３．３ｗｔ％、ＫＯＨを２３．４ｗｔ％、イソプロパノールを１３．３ｗｔ％の重量混合比で混合させたエッチャントを用いることによって、（１００）面を選択的に残存させることができ、結果として（１００）面で覆われた種結晶を選択的に残存させることができる。これは、上記エッチャントの（１００）面に対するエッチングレートが他の結晶面に比較して低いからである。
【００３２】
また、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）を用いた気相中でのエッチングを行うことで、（１１１）面を選択的に残存させることができる。具体的には、エッチングガスとして、ＣｌＦ_３とＮ_２Ｈ_４とを用いたドライエッチングによって、（１１１）面を残存させることができる。これもヒドラジンの（１１１）面に対するエッチングレートが他の結晶面に比較して低いからである。
【００３３】
また上記構成におけるエネルギーの与えかたとしては、加熱、レーザー光の照射、強光の照射から選ばれ１種または複数種類の方法を同時にまたは段階的に利用することができる。例えば、加熱しながらのレーザー光の照射や、加熱の後にレーザー光を照射することや、加熱とレーザー光の照射を交互に行うことや、レーザー光の照射の後に加熱を行うことができる。またレーザー光の代わりに強光を利用するのでもよい。
【００３４】
半導体膜として珪素膜を利用し、エネルギーを与えることによって、当該珪素膜を結晶化させる場合に、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用することが有用である。例えば、プラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で成膜した非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させようとする場合、６００℃以上の温度で１０時間以上の加熱処理が必要とされるが、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用した場合、５５０℃、４時間の加熱処理でそれと同等以上の結果を得ることができる。
【００３５】
珪素の結晶化を助長する金属元素としては、ニッケルが最もその効果が高く、有用である。また、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素が利用することもできる。特に、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、ＡｕはＮｉに次ぐ効果を得ることができる。
【００３６】
種結晶からの結晶成長を行わすことで、所定の領域に単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を形成することができる。この単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域は、下記の条件を満たしている領域として定義される。
・結晶粒界が実質的に存在していない。
・点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元素を０．００１〜１原子％の濃度で含んでいる。
・炭素および窒素の原子を１×１０^１６〜５×１０^１８原子ｃｍ^−３の濃度で含んでおり、
・酸素の原子を１×１０^１７〜５×１０^１９原子ｃｍ^−３の濃度で含んでいる。
【００３７】
また、種結晶が存在する領域を除去することにより、上記の単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域における当該金属元素の濃度を１×１０^１６〜１×１０^１９原子ｃｍ^−３、好ましくは１×１０^１６〜５×１０^１８原子ｃｍ^−３とすることができる。
【００３８】
【作用】
選択的に単結晶と見なせる又は実質的に単結晶と見なせる種結晶を形成し、しかる後に当該種結晶を覆って非晶質珪素膜を形成し、さらに加熱やレーザー光の照射によってエネルギーを与えることによって、当該種結晶から結晶成長を進行させることができる。そして、種結晶の周囲に単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を形成することができる。
【００３９】
この単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域は、種結晶の形成される領域を選択することにより、所望の領域に形成することができる。従って、この領域を利用して形成される薄膜半導体デバイスを、所望の領域に形成することができる。
【００４０】
即ち、単結晶珪素を利用したデバイスに匹敵するデバイスを所望の領域に形成することができる。また、珪素の結晶化を助長する金属元素の作用やレーザー光や強光の照射を利用することにより、加熱に弱いガラス基板を利用することができる。
【００４１】
一つの単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域をパターニングすることによって得た複数の半導体領域は、それぞれ同じ結晶軸とその周りの回転角とを共有している。ここで結晶軸というのは、図９において、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域の平面９０３に対して垂直な方向の結晶軸９０１のことをいう。
【００４２】
この結晶軸の方向の出発膜の成膜方法や結晶化方法、さらにはその方法によって異なるものとすることができる。具体的には、＜１１１＞軸方向や＜１００＞軸方向といった値を採ることになる。
【００４３】
結晶軸の周りの回転角というのは、図９で示す９０２で示される角度のことをいう。この角度は任意の方向を基準にして計測される相対的な角度である。
【００４４】
同一の単結晶とみなせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域においては、その領域内において、結晶軸とその周りの回転角とは同じ、または実質的に同じである。
【００４５】
ここで、結晶軸は同一または実質的に同一というのは、そのぶれの角度が±１０°の範囲内に入るものとして定義する。また回転角が同一または実質的に同一というのは、そのぶれの角度が±１０°の範囲内に入るものとして定義する。
【００４６】
従って、同一の単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域をパターニングすることにより、複数の半導体領域を形成し、その領域を用いて複数の薄膜トランジスタを形成した場合、それらの活性層の結晶軸は同一なものとなる。また結晶軸の周りの角度も同じものとなる。
【００４７】
そしてこのことを利用することにより、同一の結晶軸とその周りの角度を共有した単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を利用した薄膜トランジスタを複数組を１つの群として形成することができる。例えば、Ｐチャネル型とＮチャネル型の薄膜トランジスタを組み合わせることによって構成されるＣＭＯＳ回路やインバータ回路を、同一の結晶軸とその周りの角度を共有した単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域でもって構成することができる。
【００４８】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例においては、ガラス基板上にまず、結晶性珪素膜を形成し、この結晶性珪素膜にパターニングを施すことにより、種結晶となる領域を形成する。そして、非晶質珪素膜を成膜し、加熱処理を施すことにより、この種結晶性を種とした結晶成長を行わせ、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を形成する。
【００４９】
以下、図１に従って、本実施例に示す結晶性珪素膜の作製工程を示す。まず、ガラス基板１０１上に下地膜となる酸化珪素膜１０２をプラズマＣＶＤ法またはスパッタ法によって３０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜は、ガラス基板からの可動イオンが半導体膜側へ進入することや、その他不純物の半導体側への拡散を防ぐためのバリア膜として機能する。
【００５０】
次にプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜を１０００Åの厚さに成膜する。さらにこの非晶質珪素膜の表面にニッケル膜１０４を蒸着法またはスパッタ法によって成膜する。このニッケル膜の厚さは２００Åとする。
【００５１】
ニッケル膜を成膜したら、３００℃〜５００℃、ここでは４５０℃の温度で１時間の加熱処理を行い、ニッケル膜１０４と非晶質珪素膜１０３との界面にニッケルシリイド層を成膜する。この加熱処理は、ニッケルシリサイド層を成膜するためのものであるので、非晶質珪素膜１０３が結晶化しない５００℃以下の温度で１〜２時間程度の時間をかけて行う。（図１（Ａ））
【００５２】
また、加熱処理の代わりにレーザー光の照射を行うことにより、ニッケルシリサイド層を形成してもよい。また加熱とレーザー光の照射を併用することによって、ニッケルシリサイド層を形成するのでもよい。
【００５３】
ニッケル膜１０４と非晶質珪素膜１０３との界面にニッケルシリサイド層が形成されたら、非晶質珪素膜１０３を結晶化させるための加熱処理を行う。この加熱処理は、５５０℃、４時間の条件で行う。この加熱処理条件は、ガラス基板の耐熱温度によって、その上限が決まる。なお、５００℃程度の温度でも結晶化は可能であるが、処理時間が１０時間以上となってしまうので生産性が悪くなる。
【００５４】
また加熱処理の代わりにレーザー光または強光の照射によって非晶質珪素膜１０３の結晶化を行ってもよい。また、レーザー光または強光の照射と加熱を併用することはより効果的である。また、レーザー光の照射後に加熱を行うことも効果的である。また、レーザー光の照射と加熱を交互に繰り返すことも効果的である。
【００５５】
上記加熱処理による結晶化は、ニッケルシリサイド層のニッケルシリサイド成分が結晶核となって行われる。このような方法を採用した場合、得られた結晶性珪素膜中のニッケル濃度が非常に高く（１０^２０原子ｃｍ^−３程度以上となってしまう）、そのままでは、半導体デバイスに利用することはできない。しかし、その結晶性は極めて高いものとすることができる。
【００５６】
加熱処理による結晶化が終了したら、ＦＰＭを用いてエッチングを行い、ニッケル膜とニッケルシリサイドを選択的に取り除く。ＦＰＭは、フッ酸に過水を加えたもので、珪素中に含まれる不純物を選択的に取り除く作用を有する。この場合、ニッケル膜およびニッケルシリサイド層を選択的に取り除くことができる。また得られた結晶性珪素膜のニッケル成分を取り除くことができる。
【００５７】
こうして結晶性珪素膜１０５を得る。この結晶性珪素膜は、その結晶性が優れたものであるが、内部のニッケル濃度が高いので、そのままでは、半導体装置に利用することはできない。（図１（Ｂ））
【００５８】
次にパターニングを行い、結晶成長の種（以下種結晶という）となる島状の領域１０６と１０７を形成する。この島状の領域は０．１μｍ〜数十μｍ角の大きさとする。このパターニングの大きさは、０．１〜５μｍ角、好ましくはくは０．１〜２μｍ角とすることが必要である。これは、種結晶の単結晶性を得るためである。この状態において、さらにＦＰＭ（フッ酸に過水を加えたエッチャント）により、エッチングを行い、種結晶の表面に露呈しているニッケル成分を除去する。
【００５９】
そして、この島状の領域１０６と１０７に対してレーザー光を照射することにより、この島状の領域の結晶性を高める。この際、この島状の領域は微小な領域であるので、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域に変成することができる。こうして種結晶１０６と１０７とを得ることができる。（図１（Ｃ））
【００６０】
このレーザーの照射の際、被照射領域を４５０℃〜ガラス基板の歪点の範囲の温度で加熱することが重要である。この加熱の温度は高い程、効果が大きいが、ガラス基板の耐熱性を考慮すると、使用するガラス基板の歪点以下とすることが必要である。なお、基板として石英基板や半導体基板等の耐熱性を有するものを用いた場合は、８００℃〜１０００℃程度の高温で加熱してもよい。また、加熱の方法としては、ヒータによる方法、赤外光やその他強光の照射による方法を採用すればよい。
【００６１】
次に化学的なエッチングを行い、種結晶１０６と１０７とにおいて、特定の方位を有する結晶面を残存させる。例えば、Ｈ_２Ｏを６３．３ｗｔ％、ＫＯＨを２３．４ｗｔ％、イソプロパノールを１３．３ｗｔ％の重量混合比で混合させたエッチャントを用いることによって、（１００）面を選択的に残存させることができ、結果として（１００）面で覆われた種結晶を選択的に残存させることができる。
【００６２】
また、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）を用いた気相中でのエッチングを行うことで、（１１１）面を選択的に残存させることができる。具体的には、エッチングガスとして、ＣｌＦ_３とＮ_２Ｈ_４とを用いたドライエッチングによって、（１１１）面を残存させることができる。すなわち、ヒドラジンは（１００）面でのエッチング速度が最も大きく、それに比較して（１１１）面に対するエッチング速度が極めて小さい。また他の結晶面に対するエッチングレートも（１１１）面に対して大きい。従って、ヒドラジンを用いたエッチングを行うことで、（１１１）面を選択的に残存させることができる。
【００６３】
このようにして得られた種結晶は、ニッケル成分を極力除去してあり（しかし、半導体装置にとては、悪影響のある濃度レベルでニッケルは存在している）、また単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域で構成されているので、後の結晶成長において、結晶成長の核として機能させることができる。
【００６４】
次に種結晶を覆って全面に非晶質珪素膜１０８を３００Åの厚さに成膜する。この非晶質珪素膜の成膜は、プラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法によって行う。特にステップカバレージの点を考慮すると、減圧熱ＣＶＤ法を用いることが好ましい。そして、加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜１０８を結晶化させる。ここでは、６００℃、８時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜１０８を結晶化させる。
【００６５】
この工程においては、種結晶である１０６と１０７を核として、結晶成長が進行する。こうして、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域１０８と１０９とが形成される。この結晶成長においては、種結晶１０６と１０７の露呈している結晶面が成長していく。例えば、種結晶において（１００）面を選択的に残存させた場合は、領域１１０と１０９の上面が（１００）面を有したものとなる。
【００６６】
結晶成長は、種結晶１０６と１０７の周囲に向かって進行していく。そして、種結晶１０６からの結晶成長と種結晶１０７からの結晶成長とがぶつかり合う所で、結晶粒界１１０が形成される。
【００６７】
結晶成長が終了した段階の状態を上面から見た様子を図２に示す。図２に示されているのは、２つの種結晶１０６と１０７から結晶成長が進行する様子が示されている。図２のＡ−Ａ’で切った断面が図１（Ｅ）に示す状態に相当する。
【００６８】
図１や図２の１０９や１１０で示される単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域は、半径数十μｍ〜数百μｍ程度以上の大きさのものを得ることができる。
【００６９】
ここで重要なのは、種結晶を形成する位置を制御することにより、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を形成する場所を任意に制御することができるということである。
【００７０】
最後に種結晶１０６と１０７の部分をエッチングによって取り除く。こうして、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域をガラス基板上に形成する工程が終了する。この後は、公知のプロセスに従って、各種薄膜半導体装置を形成すればよい。
【００７１】
本実施例に示すような構成を採用した場合、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を、ガラス基板上の任意の場所に形成することができる。
【００７２】
また、種結晶と見なせる領域を取り除いた後（パターニングされた後）の単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域における、ニッケル元素の濃度は、１×１０^１６原子〜１×１０^１９原子ｃｍ^−３、さらに好ましくは、１×１０^１６原子〜５×１０^１８原子ｃｍ^−３とすることができる。そして、この領域を用いることで、ニッケルの影響の少ない薄膜半導体デバイスを実現することができる。
【００７３】
〔実施例２〕
本実施例は、図３に示すように矩形状に形成された非晶質珪素膜３０２の角の部分３０４から線状のレーザー光を操作しながら照射することによって、矢印３０５で示されるような方向に結晶成長を行わすことを特徴とする。
【００７４】
この場合、矩形状に加工された非晶質珪素膜３０２の角の部分３０４には、種結晶３０３が形成されている。このような状態を実現するには、まず、ガラス基板上３００上に実施例１に示した方法により、種結晶３０３を形成し、さらに非晶質珪素膜を成膜する。そして、矩形状になるように非晶質珪素膜をパターニングすることによって、図３に示すような状態を得る。
【００７５】
図３に示すような状態でレーザー光の照射を行った場合、結晶成長が徐々にその面積が大きくなってゆく方向に向かって進行するので、矩形状の非晶質珪素膜３０２を単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域に変成することができる。
【００７６】
図３においては、記載を簡単にするため、非晶質珪素膜３０２は一つしか示されていないが、その数は、必要とする数で設ければよい。しかし、その方向をそろえることは重要である。
【００７７】
単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域に得たら、パターニングを行い、薄膜トランジスタの活性層を形成すればよい。この際、種結晶３０３の部分は取り除くことが重要である。例えば、矩形状にパターニングされた３０２で示される非晶質珪素膜の大きさを、必要とする薄膜トランジスタの活性層より数十％〜数百％の大きさとし、結晶化の終了後にパターニングすることにり、活性層とすればよい。
【００７８】
〔実施例３〕
本実施例は、図４に示すようにような形状に加工された非晶質珪素膜４０１に対して、その角の部分４０３から線状のレーザー光４０２を走査しながら照射することによって、非晶質珪素膜４０１を単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域に変成することを特徴とする。図４に示す状態においては、結晶成長が始まる始点の部分４０３の部分に種結晶４０４が形成されている。種結晶４０４の形成の仕方は、実施例１に示した方法によればよい。
【００７９】
図４に示すような状態でレーザー光を走査しながら照射すると、結晶化が徐々に面積が広くなっていく方向で進行するので、最終的に非晶質珪素膜４０１全体を単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域に変成することができる。
【００８０】
単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を得たら、パターニングを行い、例えば薄膜トランジスタの活性層を形成すればよい。この際、種結晶４０４の部分は取り除くことが重要である。
【００８１】
〔実施例４〕
本実施例では、実施例１に示した方法を応用して、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタとＮチャネル型の薄膜トランジスタとを相補型に構成した回路を形成する例を示す。
【００８２】
まず、実施例１に示した方法により、図５（Ａ）に示す状態を得る。図５（Ａ）に示す状態は、図１（Ｅ）に示す状態と同じである。図５（Ａ）に示す状態を得たら、パターニングを行い、薄膜トランジスタの活性層５０１と５０２を形成する。このパターニング工程において、種結晶１０６と１０７、さらには結晶粒界１１０の領域を取り除く。これは、種結晶の領域は、結晶化工程において利用したニッケル元素が高濃度に存在しており、また結晶粒界には不純物が偏析しているかたである。
【００８３】
こうして得られた単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域５０１と５０２の内部におけるニッケル元素の濃度は、５×１０^１８原子ｃｍ^−３以下であり、ニッケル原子の存在は特に問題とならない。
【００８４】
本実施例においては、５０１で示される領域がＮチャネル型の薄膜トランジスタの活性層となる。また、５０２で示される領域がＰチャネル型の薄膜トランジスタの活性層となる。次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜５０３を１０００Åの厚さに成膜する。さらにリンを多量にドーパントしたＮ型の微結晶珪素膜を減圧熱ＣＶＤ法で成膜し、パターニングを施すことにより、ゲイト電極５０４と５０５が形成される。（図５（Ｃ））
【００８５】
さらにこの状態でそれぞれの薄膜トランジスタの領域をレジストマスクで覆った状態において、リンおよびボロンのイオンを交互に打ち込み、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のソース領域５０６とドレイン領域５０８とチャネル形成領域５０７とが自己整合的に形成される。また、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのソース領域５１１とドレイン領域５０９とチャネル形成領域５１０とが自己整合的に形成される。（図５（Ｃ））
【００８６】
次に層間絶縁膜として酸化珪素膜５１２をプラズマＣＶＤ法で６０００Åの厚さに成膜する。さらにコンタクトホールの形成を行い、チタン膜とアルミ膜との２層膜でもって、ソース電極５１３と５１６、さらにドレイン電極５１４と５１５とを形成する。ここで、ドレイン電極５１４と５１５とは接続されており、ＣＭＯＳ構造を構成している。こうして、図５（Ｄ）に示すようなＮチャネル型の薄膜トランジスタとＰチャネル型の薄膜トランジスタとを相補型に構成した状態を得る。
【００８７】
本実施例に示す構成を採用した場合、各薄膜トランジスタの活性層を単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域で構成することができるので、単結晶珪素ウエハーを利用して構成されたトランジスタと同等の特性を得ることができる。そして、単結晶珪素を利用したトランジスタで構成された集積回路を構成することができる。
【００８８】
〔実施例５〕
本実施例は、図１に示した工程を変形したものである。本実施例においては、図１（Ｄ）に示す工程において、非晶質珪素膜１０８の表面全体にニッケル元素を接して保持させた状態とし、しかる後に加熱処理を行うことにより、非晶質珪素膜１０８を結晶化させることを特徴とする。
【００８９】
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，Ｐｄ，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１０〜５０Å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、１００〜１０００Å程互いに離れる。すなわち、不均質層（ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｌａｙｅｒ）を形成してしまい、均一なｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｆｉｌｍが形成されにくいことがあった。
この金属島が結晶化の核（ｎｕｃｌｉｏｕｓ）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。
【００９０】
しかし、この技術では、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^−１２Ａ程度であるべきものが、１０^−１０〜１０^−６Ａと、１０^２〜１０^６倍も大きくなってしまう。
【００９１】
かかる欠点を除去するために、本実施例においては、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。
【００９２】
（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、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つと、混合してもよい。
【００９３】
（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（ＦｅＢｒ_２６Ｈ_２Ｏ）、臭化第２鉄（ＦｅＢｒ_３６Ｈ_２Ｏ）、酢酸第２鉄（Ｆｅ（Ｃ_２Ｈ_３Ｏ_２）_３ｘＨ_２Ｏ）、塩化第１鉄（ＦｅＣｌ_２４Ｈ_２Ｏ）、塩化第２鉄（ＦｅＣｌ_３６Ｈ_２Ｏ）、フッ化第２鉄（ＦｅＦ_３３Ｈ_２Ｏ）、硝酸第２鉄（Ｆｅ（ＮＯ_３）_３９Ｈ_２Ｏ）、リン酸第１鉄（Ｆｅ_３（ＰＯ_４）_２８Ｈ_２Ｏ）、リン酸第２鉄（ＦｅＰＯ_４２Ｈ_２Ｏ）から選ばれたものを用いることができる。
【００９４】
（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（ＣｏＢｒ６Ｈ_２Ｏ）、酢酸コバルト（Ｃｏ（Ｃ_２Ｈ_３Ｏ_２）_２４Ｈ_２Ｏ）、塩化コバルト（ＣｏＣｌ_２６Ｈ_２Ｏ）、フッ化コバルト（ＣｏＦ_２ｘＨ_２Ｏ）、硝酸コバルト（Ｃｏ（Ｎｏ_３）_２６Ｈ_２Ｏ）から選ばれたものを用いることができる。
【００９５】
（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（ＲｕＣｌ_３Ｈ_２Ｏ）を用いることができる。
【００９６】
（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（ＲｈＣｌ_３３Ｈ_２Ｏ）を用いることができる。
【００９７】
（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（ＰｄＣｌ_２２Ｈ_２Ｏ）を用いることができる。
【００９８】
（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（ＯｓＣｌ_３）を用いることができる。
【００９９】
（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（ＩｒＣｌ_３３Ｈ_２Ｏ）、四塩化イリジウム（ＩｒＣｌ_４）から選ばれた材料を用いることができる。
【０１００】
（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（ＰｔＣｌ_４５Ｈ_２Ｏ）を用いることができる。
【０１０１】
（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（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２）、塩化第二銅（ＣｕＣｌ_２２Ｈ_２Ｏ）、硝酸第二銅（Ｃｕ（ＮＯ_３）_２３Ｈ_２Ｏ）から選ばれた材料を用いることができる。
【０１０２】
（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（ＡｕＣｌ_３ｘＨ_２Ｏ）、塩化金塩（ＡｕＨＣｌ_４４Ｈ_２Ｏ）、テトラクロロ金ナトリウム（ＡｕＮａＣｌ_４２Ｈ_２Ｏ）から選ばれた材料を用いることができる。
【０１０３】
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。
この時、シリコン半導体の被形成表面との均一な濡れ性を助長させるため、シリコン半導体表面に５〜１００Åの厚さの酸化珪素膜を形成しておくと、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。
【０１０４】
また、液体に海面活性剤を添加すると、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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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となりやすいが、化学的形成は、極めて容易に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。
【０１０９】
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^−１２Ａ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１０^−１０〜１０^−５Ａのリークとなってしまうことがあり、Ｎ−Ｉ接合でも１００個中、５０〜７０個が１０^−１２〜１０^−６Ａの大きなリーク電流となってしまうことがある。
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。
【０１１０】
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ＴＦＴ（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桁も下げうる。
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１／１０^３〜１／１０^９とすることが求められる。
【０１１１】
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３０８ｎｍ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^−１２Ａと、約１〜２桁も下げ、かつＴＦＴの数が１０^４〜１０^８個中、リーク電流大のＴＦＴを１〜３個とすることもできる。
【０１１２】
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桁も下げうるが、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こともあった。
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、より優れた効果を得やすい。
【０１１３】
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」となりやすいが、化学的形成方法は、均一な金属触媒を用いた「等方性成長」の均一な結晶成長を得やすい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。
【０１１４】
非晶質珪素膜１０８の表面にニッケル元素を接して保持させるには、上述したように、ニッケル元素を含んだ溶液を非晶質珪素膜の表面に塗布し、余分な溶液をスピナーによって除去した状態とすればよい。ここでは溶液としては、ニッケル酢酸塩溶液を用いる。
【０１１５】
本実施例に示すような構成を採用した場合、結晶化に必要とされる温度を下げることができ、またその時間を短縮することができる。具体的には、実施例１に示す構成においては、非晶質珪素膜１０８を結晶化させるのに、６００℃の加熱雰囲気中において８時間以上の加熱処理が必要であるが、ニッケル元素を利用した場合には、５５０℃、４時間の加熱処理条件で非晶質珪素膜１０８の結晶化を行うことができる。
【０１１６】
しかし、本実施例に示す構成を採用した場合、得られた単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域中における当該金属元素の濃度が高くなってしまう。従って、導入される当該金属元素の濃度に注意しないと、得られるデバイスの特性に当該金属元素の影響が現れてしまう。
【０１１７】
具体的には、最終的に残留する当該金属元素の濃度を１×１０^１９原子ｃｍ^−３以下となるようにする必要がある。この濃度の調整は、例えばニッケル酢酸塩溶液を用いた場合、溶液中のニッケル濃度を調整することで行うことができる。なお、結晶化に際して珪素膜中に残留する金属元素濃度が１×１０^１６原子ｃｍ^−３以下であると、結晶化の助長作用を得ることができない。従って、当該金属元素は、珪素膜中において１×１０^１６原子ｃｍ^−３〜１×１０^１９原子ｃｍ^−３の濃度で存在するように、その導入量を調整することが必要となる。
【０１１８】
〔実施例６〕
本実施例では、（１００）面の面方位を有する種結晶を用いて、その上表面の面方位が（１００）面を有する単結晶と見なせる領域、または実質的に単結晶と見なせる領域を得る例を示す。
【０１１９】
図６に単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を形成した状態を示す。図６において、６２が種結晶である。そして６１が、種結晶６２からの結晶成長によって得られた単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域である。また、図６（Ａ）のＡ−Ａ’で切った断面が図６（Ｂ）である。
【０１２０】
図６に示す単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域６１は概略６角形を有したものとして得られる。
【０１２１】
図６に示す状態を得る作製工程を以下に示す。まずガラス基板上に下地膜（図示せず）として酸化珪素膜を成膜し、さらに非晶質珪素膜（図示せず）を成膜する。そして、この非晶質珪素膜を実施例１に示した方法と同様の方法によって、結晶化させる。即ち、珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケルシリサイドをまず非晶質珪素膜上に成膜し、さらに加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜を結晶化させ、さらにパターニングを施すことにより、種結晶６２の基を形成する。そして４５０℃〜６００℃（この温度の上限はガラス基板の歪点で決まる）に加熱しながらのレーザー光の照射を行い種結晶６２を得る。
【０１２２】
次に種結晶を覆う状態で非晶質珪素膜を成膜し、所定の加熱処理を加えることにより、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域６１を得ることができる。この状態を図６（Ａ）と図６（Ｂ）に示す。
【０１２３】
次に種結晶６２の部分と不要な部分とを除去し、単結晶と見なせる領域または実施的に単結晶と見なせる領域でなる活性層６４と６６を得る。ここで、種結晶６２は、実施例１に示すように珪素の結晶化を助長する金属元素（ここではニッケル）を高濃度に含有している。従って、上記のパターニングを行うことで、後々にニッケル元素の影響で作製されるデバイスの特性が変動したり劣化したりすることを防止することができる。こうして、図６（Ｃ）に示す状態を得ることができる。
【０１２４】
このようにすることで、図６（Ａ）に６３、６４、６５、６６で示されるように、単結晶と見なせる領域または実施的に単結晶と見なせる領域でなる活性層を得ることができる。後はこの活性層を利用して薄膜トランジスタを作製すればよい。
【０１２５】
〔実施例７〕
本実施例に示すのは、周辺回路をも集積化した構成を有するアクティブマトリクス型の液晶表示装置に本明細書で開示する発明を利用する場合の例を示す。図７に本実施例の概略の構成を示す。
【０１２６】
図７（Ａ）に示すには、ガラス基板８０１上に形成された周辺回路７０２と７０３、さらに周辺回路によって駆動されるマトリクス状に配置された画素領域７０４である。液晶表示装置を構成するには、対向電極が形成された対になるガラス基板を用意し、図７（Ａ）に示す基板と張り合わせ、その間に液晶を封入することによって液晶ディスプレイとする。
【０１２７】
図７（Ａ）に示す構成においては、周辺回路を単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域で構成された薄膜トランジスタで構成し、画素領域には非晶質珪素膜を用いた薄膜トランジスタを配置した構成に関する。画素領域に配置する薄膜トランジスタを非晶質珪素膜を用いたものとするのは、画素電極への電荷の出入りを制御するためのトランジスタの性能としては、非晶質珪素膜を用いたものでも十分に実用性が得られるためである。特に、現状において多用されているＴＮ型の液晶の場合は、単結晶に匹敵する結晶性を有する珪素薄膜で構成れたた薄膜トランジスタでは、液晶の応答速度に比較して、トランジスタの動作速度が速すぎ、動作の安定性を欠いてしまう。従って、高速動作が可能な周辺回路を単結晶珪素を用いた薄膜トランジスタに匹敵する薄膜トランジスタで構成し、画素領域に配置される薄膜トランジスタを非晶質珪素膜で構成することは実用性の点では高いものとなる。
【０１２８】
図７（Ａ）に示される周辺回路７０３の一部を拡大した図面を（Ｂ）に示す。図面の（Ｂ）に示されているのは、周辺回路の一部を構成するインバータ回路である。実際には、このようなインバータ回路やその他必要とする構成でもって複雑な集積回路が構成される。なお、ここでいう周辺回路とは、画素領域に配置された薄膜トランジスタを駆動するための回路やシフトレジスタ回路、さらには各種制御回路や映像信号を扱う回路等の中で、それらの少なくとも一つを含む回路のことをいう。
【０１２９】
図７（Ｂ）において、７０５で示されるのが、種結晶であり、この種結晶が基となって、７０８で示される単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域が形成される。なお、薄膜トランジスタが形成される段階で、単結晶とみなせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域７０８は、必要とするパターンでパターニングされており、種結晶７０５は取り除かれた状態となっている。
【０１３０】
図７（Ｂ）には、単結晶とみなせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域７０８を利用して、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタ７１７とＰチャネル型の薄膜トランジスタ７１８とを構成し、さらにこれら薄膜トランジスタでもって、インバータ回路が構成されている例が示されている。
【０１３１】
ここでは、単結晶とみなせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域中に、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタとＰチャネル型の薄膜トランジスタとの２つの薄膜トランジスタを形成する例が示されている。しかし、単結晶とみなせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域中に形成する薄膜トランジスタは、必要とする数でまた可能な数でもって形成すればよい。
【０１３２】
以下に図７に示す構成を作製するプロセスを図８を用いて説明する。図８に示すのは、周辺領域に形成されるインバータ回路と画素領域に形成される画素電極に接続された薄膜トランジスタの作製工程である。本実施例においては、周辺領域を構成する薄膜トランジスタを単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を利用して構成する。また、画素領域に配置する薄膜トランジスタは、非晶質珪素膜を用いたもので構成する。
【０１３３】
まず、ガラス基板８０１上に下地の酸化珪素膜８０２を３０００Åの厚さに成膜する。このガラス基板８０１は、液晶表示装置を構成する一対のガラス基板の一方を構成する。次に実施例１に示した方法により、種結晶８０３を形成する。さらに非晶質珪素膜８０４を５００Åの厚さに成膜する。（図８（Ａ））
【０１３４】
次に加熱処理とレーザー光の照射を併用することにより、種結晶８０３の周囲に単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を形成する。ここでは、数ｃｍ角のエキシマレーザー光を用いて、周辺回路の領域のみにレーザー光を照射する。またこのレーザー光の照射に際しては、加熱の温度を６００℃とする。６００℃の温度で短時間（レーザー光の照射は数秒間である）の加熱を行っても、非晶質珪素膜は結晶化しないので、画素領域における非晶質珪素膜８０４は結晶化しない。この加熱の温度は、ガラス基板にダメージがない範囲でなるべく高い温度するのがよい。また、ここでは、短時間に珪素膜を加熱するために、赤外光の照射による加熱方法を利用する。
【０１３５】
こうして、図８（Ａ）の８０５の斜線で示される領域を単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域に変成することができる。またこの状態においては、斜線８０５以外の領域は非晶質珪素膜のままの状態となっている。
【０１３６】
次にパターニングを行うことによって、周辺回路に配置される薄膜トランジスタの活性層８０６と８０７を形成する。同時に画素電極に接続される薄膜トランジスタの活性層８０８を形成する。この状態において、活性層８０６と８０７とは、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域で構成されている。また、活性層８０８は非晶質珪素膜で構成されている。
【０１３７】
次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜８０９を１０００Åの厚さに成膜する。そしてスカンジウムを０．２ｗｔ％含有したアルミニウム膜をスパッタ法または電子ビーム蒸着法により、６０００Åの厚さに成膜し、パターニングを施すことにより、ゲイト電極８１０と８１１と８１２を形成する。さらに電解溶液中において、これらゲイト電極を陽極とした陽極酸化を行うことにより、ゲイト電極の周囲に陽極酸化膜を形成する。こうして図８（Ｂ）に示す状態を得る。
【０１３８】
まず、レジストマスク８００でＮチャネル型の薄膜トランジスタを形成したい領域をマスクし、珪素にＰ型を付与する不純物であるＢ（ボロン）イオンの注入を行う。イオンの注入は、イオン注入法またはプラズマドーピング法を用いて行う。さらに、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタとしたい領域をレジストマスク（図示せず）で覆い、Ｐリオンを注入する。これらイオン注入工程の終了後にレーザー光の照射（図示せず）を行うことにより、注入されたイオンの活性化とイオンの注入に伴う損傷のアニールを行う。
【０１３９】
こうして、図８（Ｃ）に示すように、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタ（ＰＴＦＴ）のソース領域８１３とドレイン領域８１５、さらにはチャネル形成領域８１４が形成される。また、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタ（ＮＴＦＴ）のソース領域８１８とドレイン領域８１６とチャネル形成領域８１７とが形成される。この２つの薄膜トランジスタは、周辺回路に配置されるもので、その活性層が単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域（Ｃ−Ｓｉ）で構成されている。
【０１４０】
また、画素領域に配置される薄膜トランジスタのソース領域８１９、ドレイン領域８２１、チャネル形成領域８２０と同時に形成される。この画素領域に配置される薄膜トランジスタは、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ）で構成されている。
【０１４１】
これらソース／ドレイン領域、およびチャネル形成領域を不純物イオンの注入によって形成する工程は、自己整合的に行われる。
【０１４２】
各薄膜トランジスタのソース／ドレインおよびチャネル形成領域を形成したら、層間絶縁膜として酸化珪素膜８２２を６０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。さらにコンタクトホールの形成を行い、周辺回路領域に配置されるＰチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極８２３とＰチャネル型の薄膜トランジスタとＮチャネル型の薄膜トランジスタとの共通のドレイン電極８２４とＮチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極８２５を形成する。また同時に画素領域に配置されるＮチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極８２６とドレイン電極８２７を形成する。これら電極は、チタン膜でアルミニウム膜を挟んだ３層構造で構成される。
【０１４３】
さらに画素電極を構成するＩＴＯ電極８２８を形成する。こうして、同一ガラス基板上に、単結晶と見なせる領域を利用して形成した周辺回路を構成する薄膜トランジスタと画素領域に配置される非晶質珪素膜を利用した薄膜トランジスタとを同時に形成することができる。このようにして、図７に示すアクティブマトリクス型液晶表示装置を構成する一方の基板を完成する。こうして得られた構成は、種結晶８０５を利用して、２つ１組を薄膜トランジスタを形成したものと見ることができる。
【０１４４】
図８（Ｄ）に示す状態を得た後は、さらに２層目の層間絶縁膜を形成し、その上に配向膜を形成する。そして、対向するガラス基板上に対向電極を形成し、やはり配向膜を形成する。その後配向処理を行い作製した一対のガラス基板を張り合わせる。最後にこの張り合わせた一対のガラス基板間に液晶を封入することにより、アクティブマトリクス型の液晶表示装置パネルが完成する。
【０１４５】
本実施例に示すような液晶表示装置は、周辺回路を一体化した構成を有しており、非常にコンパクトにまた軽量に構成することができる。
【０１４６】
本実施例においては、図８の示すように、種結晶８０５を利用して、Ｎチャネル型とＰチャネル型の一対の薄膜トランジスタを形成し、これを相補型に構成する例を示した。しかし、これは同じチャネル型の１対の薄膜トランジスタとしてもよい。また、Ｎチャネル型とＰチャネル型の一対の薄膜トランジスタを形成し、これを独立して動作するように構成してもよい。
【０１４７】
〔実施例８〕
本実施例は、図７（Ａ）に示すような構成において、画素領域は薄膜トランジスタを利用しないパッシブ型の構成として、周辺回路のみを図７（Ｂ）に示すような単結晶と見なせる結晶性珪素膜の領域または実質的に単結晶と見なせる結晶性珪素膜の領域でもって構成する例である。
【０１４８】
複雑な画像情報の表示を行わないのであれば、周知のＳＴＮ型の液晶表示装置で十分実用になることが知られている。例えば、文字と数字と簡単な図形の表示ができればよい携帯型の情報装置（ノート型のワードプロセッサーやパーソナルコンピュータ）には、ＳＴＮ型の液晶表示装置が利用されている。しかし、画素領域の周囲に配設される周辺回路には、外付けのＩＣを利用しているのが現状である。
【０１４９】
外付けのＩＣ回路を利用した場合、液晶パネルの厚さが厚くなり、また重量も大きなものとなってしまう。そこで、本実施例に示す構成においては、周辺回路のみを図７（Ｂ）で示すような回路で構成することによって、ガラス基板上に液晶層と周辺回路を一体化したものとする。このようにすることによって、一対のガラス基板間に液晶層とこの液晶層に電界を加えるための電極および配線、さらに液晶層の周囲に図７（Ａ）の７０２や７０３で示されるような周辺回路とを集積化した構成とすることができる。また、周辺回路７０２や７０３は、幅が数ｍｍの領域に集積化されるので、全体の構成を非常にコンパクトなものとすることができる。
【０１５０】
【発明の効果】
種結晶となる領域を選択的に形成することで、任意の領域に単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を形成することができる。また、この領域は、ガラス基板上に形成することができる。本明細書に開示する発明を利用した場合、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺回路をガラス基板上に集積化した構成を実現することができる。特に、周辺回路の少なくとも一部を構成する薄膜トランジスタを単結晶珪素を用いたものと同等な特性を有するものとすることができ、液晶表示装置のさらなる軽量化や薄膜化に寄与することができる。本明細書に開示する発明は、薄膜トランジスタに応用する以外に薄膜ダイオードや薄膜半導体を用いた光電変換装置や光センサー、さらには圧力センサーに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を作製する工程を示す図。
【図２】単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域が結晶成長した状態を示す図。
【図３】レーザー光の照射によって、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を作製する工程を示す図。
【図４】レーザー光の照射によって、単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を作製する工程を示す図。
【図５】単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を用いて薄膜トランジスタを作製する工程を示す図。
【図６】単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域を作製する工程を示す図。
【図７】アクティブマトリクス型の液晶表示装置の構成を示す図。
【図８】アクティブマトリクス型の液晶表示装置の周辺回路の薄膜トランジスタと画素領域の薄膜トランジスタとを同時に形成する工程を示す図。
【図９】結晶軸と結晶軸を中心とした回転角を定義するための図。
【符号の説明】
１０１　　　　　　　　　　ガラス基板
１０２　　　　　　　　　　下地膜（酸化珪素膜）
１０３　　　　　　　　　　非晶質珪素膜
１０５　　　　　　　　　　結晶性珪素膜
１０６、１０７　　　　　　種結晶
１０８　　　　　　　　　　非晶質珪素膜
１０９、１１０　　　　　　単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域
１１１　　　　　　　　　　結晶粒界
５０１、５０２　　　　　　活性層
５０３　　　　　　　　　　ゲイト絶縁膜
５０４、５０５　　　　　　ゲイト電極
５１２　　　　　　　　　　層間絶縁膜
５１３、５１６　　　　　　ソース電極
５１４、５１５　　　　　　ドレイン電極
６２　　　　　　　　　　　種結晶
６１、６３〜６６　　　　　単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域
７０１　　　　　　　　　　ガラス基板
７０２　　　　　　　　　　周辺回路領域
７０３　　　　　　　　　　周辺回路領域
７０４　　　　　　　　　　画素領域
７０５〜７０７　　　　　　種結晶
７０８〜７１０　　　　　　単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域
７１７　　　　　　　　　　Ｐチャネル型の薄膜トランジスタ
７１８　　　　　　　　　　Ｎチャネル型の薄膜トランジスタ
８０１　　　　　　　　　　ガラス基板
８０２　　　　　　　　　　下地膜（酸化珪素膜）
８０３　　　　　　　　　　種結晶
８０４　　　　　　　　　　非晶質珪素膜
８０５　　　　　　　　　　単結晶または実質的に単結晶と見なせる領域
８０６、８０７、８０８　　活性層
８０９　　　　　　　　　　ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）
８１０、８１１、８１２　　ゲイト電極
８１３、８１８、８１９　　ソース領域
８１４、８１７、８２０　　チャネル形成領域
８１５、８１８、８２１　　ドレイン領域
８００　　　　　　　　　　レジストマスク
８２２　　　　　　　　　　層間絶縁膜
８２３　　　　　　　　　　ソース電極
８２４　　　　　　　　　　ドレイン電極
８２５　　　　　　　　　　ソース電極
８２６　　　　　　　　　　ソース電極
８２７　　　　　　　　　　ドレイン電極
８２８　　　　　　　　　　画素電極
９０１　　　　　　　　　　結晶軸
９０２　　　　　　　　　　結晶軸を中心とした回転角
９０３　　　　　　　　　　単結晶と見なせる領域または実質的に単結晶と見なせる領域

Claims (7)

1. 少なくとも２つの薄膜トランジスタを有する半導体装置であって、
   前記薄膜トランジスタは結晶性珪素膜を有し、
   前記結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜を結晶化することにより形成されたものであり、
   前記結晶性珪素膜の結晶軸のぶれの角度は±１０°の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
2. 少なくとも２つの薄膜トランジスタを有する半導体装置であって、
   前記薄膜トランジスタの活性層は結晶性珪素膜からなり、
   前記結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜を結晶化することにより形成されたものであり、
   前記結晶性珪素膜の結晶軸の周りの回転角のぶれの角度は±１０°の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
3. Ｐチャネル型の薄膜トランジスタ及びＮチャネル型の薄膜トランジスタを用いた回路を有する半導体装置であって、
   前記Ｐチャネル型の薄膜トランジスタ及び前記Ｎチャネル型の薄膜トランジスタはそれぞれ結晶性珪素膜を有し、
   前記結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜を結晶化することにより形成されたものであり、
   前記結晶性珪素膜の結晶軸のぶれの角度は±１０°の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
4. Ｐチャネル型の薄膜トランジスタ及びＮチャネル型の薄膜トランジスタを用いた回路を有する半導体装置であって、
   前記Ｐチャネル型の薄膜トランジスタ及び前記Ｎチャネル型の薄膜トランジスタはそれぞれ結晶性珪素膜を有し、
   前記結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜を結晶化することにより形成されたものであり、
   前記結晶性珪素膜の結晶軸の周りの回転角のぶれの角度は±１０°の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項３または４において、前記Ｐチャネル型の薄膜トランジスタ及びＮチャネル型の薄膜トランジスタを用いた回路は、ＣＭＯＳ回路またはインバータ回路であることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、前記結晶性珪素膜の水素濃度は０．００１〜１原子％であることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、前記結晶性珪素膜は、炭素及び窒素の濃度が１×１０^１６〜５×１０^１８原子ｃｍ^−３であり、酸素濃度は１×１０^１７〜５×１０^１９原子ｃｍ^−３であることを特徴とする半導体装置。

Images