JP2004140175A - 結晶質半導体膜の製造方法およびそれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた特性を有する半導体素子を高密度で作製することが可能な結晶質半導体膜を製造する方法を提供する。
【解決手段】基板上に非晶質状態にある半導体膜を形成する工程と、半導体膜に結晶化を促進する触媒元素を付与する工程と、触媒元素の存在下で半導体膜に第１エネルギーを付与することによって半導体膜を結晶化する第１結晶化工程と、第１結晶化工程の後で、半導体膜に第２エネルギーを付与することによって半導体膜を再結晶化する第２結晶化工程とを包含する。第２結晶化工程において、半導体膜の所定領域の温度を他の領域よりも高くなるように第２エネルギーを付与し、所定の領域に触媒元素を凝集させる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性表面を有する基板上に形成された結晶質半導体膜に関し、特に、基板上に形成された非晶質半導体膜に熱、光、または荷電粒子ビーム等のエネルギーを付与し、非晶質半導体を結晶化することによって得られる結晶質半導体膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」という。）に代表される半導体素子が広く利用されている。このような半導体素子は、絶縁性表面を有する基板上に数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの厚さを有する半導体膜をＣＶＤ法等で形成し、この半導体膜を活性層として、絶縁ゲート型電界効果トランジスタやダイオード等が形成される。また、このような半導体素子の応用分野の一つとして、アクティブマトリクス型の電気光学装置（例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置）が知られている。ＴＦＴを用いたアクティブマトリクス型表示装置は、マトリクス状に配置された数十万個以上の画素電極のそれぞれに対応して１個以上のＴＦＴを設け、画素電極に供給する電荷（電圧または電流）をＴＦＴによって制御する。
【０００３】
ＴＦＴに利用される半導体膜として、非晶質珪素膜を利用することが簡便であるが、キャリヤの移動度が低いなど、電気的特性が低いという問題がある。高いＴＦＴ特性を得るためには、結晶質珪素薄膜を利用すればよい。結晶質珪素膜としては、多結晶珪素膜、微結晶珪素膜やＣＧ（Ｃｏｎｔｉｎｏｕ　Ｇｒａｉｎ）珪素膜等が知られている。これらの結晶質珪素膜は、絶縁性表面を有する基板上に非晶質珪素膜を堆積し、この非晶質珪素膜にエネルギー（熱、光または荷電粒子ビームなど）を付与して結晶化させることによって形成される。
【０００４】
例えば、特許文献１は、非晶質珪素膜の表面に非晶質珪素の結晶化を促進する触媒元素を付与した後アニールし、非晶質珪素膜を結晶化させて結晶質珪素膜（ＣＧ珪素膜）を得る方法を開示している。しかしながら、特許文献１に記載されている方法によると、得られた結晶質珪素膜中には多量の触媒元素が含まれ、触媒元素を多量に含む結晶質珪素膜は電気的特性が劣るため、ＴＦＴに用いるには適さない。
【０００５】
そこで、特許文献２は、結晶質珪素膜中に残存する触媒元素を凝集させる性質を有する元素（「ゲッタ」と呼ぶ）を用いて、ＴＦＴのチャネル領域に残存する触媒元素の濃度を低下させる方向を開示している。すなわち、結晶質珪素膜のＴＦＴチャンネル領域を形成しない領域にリン（Ｐ）をドープした後、高速熱アニール処理を行うことによって、リンをドープした領域に触媒元素を凝集させる（「ゲッタリング」と呼ぶこともある。）ことよって、結晶質珪素膜のＴＦＴチャンネル領域に残存する触媒元素の濃度を低減させる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２４４１０３号公報
【特許文献２】
特開２００２−７６００４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献２に記載されている方法によると、リン（ゲッタ）がドープされた領域の端から１０μｍ以内の領域の触媒元素濃度を低減させることが可能であるが、１０μｍを超える領域の触媒元素濃度を低減することができない。すなわち、ＴＦＴのソース領域およびドレイン領域にリンをドープする場合、チャンネル長が２０μｍ以下の場合には、チャンネル領域の触媒元素濃度を低減させることが可能であるが、チャンネル長が２０μｍより長い場合には、チャンネル領域の触媒元素濃度を充分に低減させることができない。
【０００８】
さらに、ゲッタとしてソース領域およびドレイン領域にドープされたリンは、高速熱アニール処理によってチャンネル領域内に拡散し、その結果、ＴＦＴの電気特性が低下するという問題が発生することもある。
【０００９】
本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、優れた特性を有する半導体素子を高密度で作製することが可能な結晶質半導体膜を製造する方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、基板上に非晶質状態にある半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜に結晶化を促進する触媒元素を付与する工程と、前記触媒元素の存在下で前記半導体膜に第１エネルギーを付与することによって前記半導体膜を結晶化する第１結晶化工程と、前記第１結晶化工程の後で、前記半導体膜に第２エネルギーを付与することによって前記半導体膜を再結晶化する第２結晶化工程とを包含し、前記第２結晶化工程において、前記半導体膜の所定領域の温度を他の領域よりも高くなるように前記第２エネルギーを付与し、前記所定の領域に前記触媒元素を凝集させることを特徴とする。
【００１１】
ある好ましい実施形態において、前記第２結晶化工程は、前記所定の領域に隣接する領域の少なくとも一部の前記半導体膜が完全に溶融しないように、前記第２エネルギーを付与する。
【００１２】
前記第２エネルギーの付与は、前記半導体膜にレーザービームを照射することによって実行されることが好ましい。
【００１３】
ある実施形態において、前記第２エネルギーの付与は、パルスレーザービームをステップ走査することによって実行される。前記ステップ走査の間隔は、０．２５μｍ以上１０．０μｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
ある実施形態において、前記レーザービームを照射する前に、前記レーザービームに対する反射率を低減させる反射防止部を前記半導体膜の前記所定の領域に対応して有する反射防止膜を前記半導体膜上に形成する工程を包含し、前記反射防止膜を介して前記半導体膜に前記レーザービームを照射する工程を包含する。このとき、前記反射防止膜の屈折率をｎ、前記レーザービームの波長をλとし、０または正の整数をＮとしたとき、前記反射防止膜の厚さが、（Ｎ／２＋１／４）×λ／ｎであることが好ましい。前記反射防止膜はＳｉＯ_２膜であることが好ましい。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記半導体膜は珪素膜であり、前記触媒元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、およびＧｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素である。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記触媒元素が、前記半導体膜の表面に、１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下の範囲内の面積濃度で付与される。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記触媒元素は２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内の体積濃度で付与される。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記第１エネルギーは、４００℃以上８００℃以下の範囲内の温度に設定された電気炉によって付与される。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記結晶質半導体膜の前記所定の領域以外の領域に、前記触媒元素の体積濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の領域が形成される。
【００２０】
本発明の結晶質半導体膜は、上記のいずれかに記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の半導体素子の製造方法は、上記の結晶質半導体膜を用意する工程と、前記結晶質半導体膜の前記所定の領域以外の領域にチャネル領域を有するトランジスタを作製する工程とを包含することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、基板上に非晶質状態にある半導体膜を形成する工程と、半導体膜に結晶化を促進する触媒元素を付与する工程と、触媒元素の存在下で半導体膜に第１エネルギーを付与することによって半導体膜を結晶化する第１結晶化工程と、第１結晶化工程の後で、半導体膜に第２エネルギーを付与することによって半導体膜を再結晶化する第２結晶化工程とを包含する。第２結晶化工程において、半導体膜の所定領域の温度を他の領域よりも高くなるように第２エネルギーを付与し、所定の領域に触媒元素を凝集させる。
【００２３】
すなわち、本発明によると、リンなどのゲッタを用いることなく、結晶化促進するための触媒元素を所定の領域に凝集させることができるので、例えば、ＴＦＴのチャネル領域として利用される結晶質半導体膜の領域中に残存する触媒元素の濃度を低減することができる。従って、触媒元素の濃度を低減させる領域の位置や大きさが制限されることが無く、さらに、ゲッタに用いた元素による悪影響を受けることも無いので、優れた特性を有する半導体素子を高密度で作製することが可能な結晶質半導体膜を製造することができる。
【００２４】
以下では、アクティブマトリクス型表示装置に用いられるＴＦＴ基板（ＴＦＴアレイ）の製造に好適に適用できるＴＦＴの製造方法の実施形態を説明する。
【００２５】
まず、絶縁性表面を有する基板（例えばガラス基板などの透明基板）上に、非晶質珪素薄膜を形成する。非晶質珪素膜の形成は、ＣＶＤ法など公知の方法で行われる。
【００２６】
次に、非晶質珪素膜の結晶化を促進する触媒元素をこの非晶質珪素膜に導入する。触媒元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、およびＧｅの少なくとも１種の元素が好ましく用いられ得る。
【００２７】
触媒元素の導入は、例えば、スパッタ法、蒸着法、または薬液塗布法等を用いて非晶珪素膜の表面に触媒元素を含む膜を形成し、この膜から触媒元素を非晶質珪素膜に導入することができる。この場合、触媒元素の面積濃度が１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上で１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下の範囲内になるように制御することが好ましい。
【００２８】
あるいは、例えばイオン注入法などによって触媒元素を非晶質珪素膜中に直接導入してもよい。この場合、触媒元素の体積濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で２×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内になるように制御することが好ましい。
【００２９】
いずれの場合においても、上記の範囲の触媒元素濃度より低ければ、結晶成長が非常に起こりにくいか、全く起こらない。また、逆に、上記の範囲の触媒元素濃度より高ければ、生成される結晶粒の密度（数）が過多となり、結晶質珪素膜に多くの粒界が形成される結果、例えばキャリヤの移動度が小さくなる等、電気特性が低下する。
【００３０】
非晶質珪素膜の結晶化（第１結晶化工程）は、熱、光、または荷電粒子ビームなどのエネルギーを付与することによって行われる。
【００３１】
電気炉を用いてエネルギーを付与する場合、基板温度を４００℃以上で８００℃以下の範囲内にすることが好ましい。この範囲より低い温度では、結晶化速度が非常に遅くなり、スループットが低下するので好ましくない。逆に、この範囲より高い温度では、触媒元素によらない多数の結晶核（結晶粒）が短時間で発生するので、多数の小さな結晶粒を含む珪素膜となる。このような結晶珪素膜のキャリヤの移動度は低く、電気特性が劣る。
【００３２】
次に、得られた結晶質珪素膜にエネルギーを付与し再結晶化する（第２結晶化工程）。
【００３３】
一般に、固相結晶成長によって得られた結晶質珪素膜は結晶欠陥などを多く含有し、その電気特性（例えば移動度）は単結晶珪素膜よりも著しく低い。このように、結晶質珪素膜の組織（構造）が単結晶のそれと異なることを「結晶性が低い」と表現することもある。
【００３４】
このような結晶質珪素膜の結晶性を高めるためには、一旦溶融させてから固化（再結晶化）するか、あるいは、溶融させないまでも９５０℃以上の高温で再結晶化させる工程を行うことが好ましい。ガラス基板のように融点の低い材料からなる基板を用いる場合は、レーザービーム照射による急加熱で一旦溶融した後、急冷却を行うことが好ましい。
【００３５】
この再結晶化工程（第２結晶化工程）において、結晶化珪素膜の面内に温度分布を形成すると、温度の高い領域に触媒元素が凝集する。これは、珪素膜の温度が高いほど、触媒元素の珪素膜に対する飽和濃度が高いためである。
【００３６】
触媒元素を凝集させるための温度分布は、例えば矩形状のビームプロファイルを有するパルスレーザービームを所定のステップ幅で走査することによって形成される。このとき、レーザービームの幅はステップ幅よりも広く設定される。すなわち、レーザービームの照射領域が前回のステップにおける照射領域と一部が重なるように走査する。ステップ幅は０．２５μｍ以上１０．０μｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
走査方向（矩形状のビームプロファイルの長辺に直交する方向）に対するレーザープロファイル後部に形成される溶融領域と非溶融領域の境界（「トレーリングエッジ」と呼ばれる。）近傍では、トレーリングエッジから溶融領域の中央に向かって上昇するような温度分布が形成され、その結果、トレーリングエッジから溶融領域の中央に向かって固化（結晶化）が起こる。このとき、固化（結晶化）に時間的な差があり、トレーリングエッジ近傍の触媒元素は、より温度が高い（より飽和濃度の高い）溶融領域に向かって速やかに移動する。すなわち触媒元素が結晶質珪素膜の高温領域に凝集し、その他の領域の触媒元素の濃度が低下する。
【００３８】
レーザービームの照射条件にもよるが、発明者が行った実験では、この固化の時間的な差によって触媒元素が移動できる最大距離は約１０．０μｍ以下であった。したがって、照射領域を１０．０μｍ以下のステップで走査すると、触媒元素濃度の高い領域はレーザートレーリングエッジの走査とともに移動するため、レーザートレーリングエッジが通過した領域の触媒元素濃度を低減することができる。なお、レーザービームを０．２５μｍ未満のステップ幅で走査すると、触媒元素を凝集させる効果は得られるものの、工程時間が長くなるので好ましくない。レーザービームの幅は、ステップ幅の機械的な精度を考慮するとステップ幅よりも０．５μｍ以上広いことが好ましい。また、レーザービームの幅を広くするとエネルギー密度が低下するので、レーザービームの幅は、ステップ幅よりも２μｍ以上広くないことが好ましい。このようなレーザービームを出射するレーザーとして、例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザーを好適に用いることができる。なお、レーザービームの形状を矩形（長方形）に整形すると、レーザービームの強度分布は、矩形の短辺軸方向において、ガウス分布となる。
【００３９】
この方法を採用すると、レーザービームの走査を続ける限り、結晶質珪素膜の任意の場所の領域に触媒元素を凝集させることができる。言い換えると、結晶質珪素膜の任意の場所に触媒元素の濃度が十分に低い低濃度領域を形成することができる。
【００４０】
パルスレーザーをステップ状に走査する代わりに、結晶質珪素膜上に、レーザービームに対する反射率を低減させる反射防止部を所定の領域に有する反射防止膜を形成し、反射防止膜を介して結晶質珪素膜にパルスレーザービーム、またはＣＷレーザービームを照射してもよい。このような構成を採用することによって反射防止部が形成された結晶質半導体膜が他の領域よりも高温になり、この領域に触媒元素を凝集させることができる。
【００４１】
このとき、第２結晶化工程において、第１結晶化工程で形成された結晶が完全に溶融するような条件で再結晶化工程を行うと、第１結晶化工程で形成された結晶粒よりも小さな結晶粒（例えば粒径が１μｍ以下）が形成されてしまうことがある。このような小さな結晶粒からなる結晶質珪素膜は、キャリヤの移動度が小さく、電気特性が劣るので好ましくない。
【００４２】
結晶質珪素膜上に反射防止部と開口部とを有する反射防止層を形成し、反射防止膜を介してレーザービームを照射すると、開口部に対応する領域と反射防止部に対応する領域との境界から反射防止部に対応する領域に向かって上昇するような温度分布が形成され、境界から被覆領域に反射防止部に対応する領域に向かって固化（結晶化）が起こる。従って、反射防止部の中央に近いほど多くの触媒元素が凝集し、開口部に対応する領域の触媒元素の濃度が低下する。
【００４３】
このとき、反射防止膜の屈折率をｎ、レーザービームの波長をλとし、０または正の整数をＮとしたとき、反射防止膜（反射防止部）の厚さを（Ｎ／２＋１／４）×λ／ｎとすることが好ましい。この膜厚のとき、結晶質珪素膜の表面（結晶質珪素膜と反射防止部と界面）におけるレーザービームの反射率を最も低くすることができので、反射防止部に対応する領域と開口部に対応する領域の結晶質珪素膜の温度差が大きくなる。その結果、これらの領域間で固化（結晶化）が進行する時間的な差を大きくできるため、触媒元素が反射防止部に対応する領域に移動し、凝集するための時間が長くできる。
【００４４】
反射防止膜を形成する材料としては、膜厚の制御性、化学的な安定性、レーザービーム（紫外線）の透過率などの観点からＳｉＯ_２が好ましい。なお、反射防止膜は単層の膜である必要は必ずしも無く、反射率を低下させるように、各層の屈折率および厚さを調整した多層膜（積層膜）を用いても良い。
【００４５】
上述した再結晶化工程（第２結晶化工程）を行うことによって、第１結晶化工程によって得られた例えば触媒元素の体積濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の結晶質珪素膜に、触媒元素の体積濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の領域を形成することができる。この領域の結晶質珪素膜は、再結晶化工程によって結晶性が向上しているとともに、触媒元素の濃度が十分に低下されているので、ＴＦＴのチャネル領域に好適に用いられ、優れた電気特性のＴＦＴを作製することが可能になる。また、この低濃度領域は、再結晶化工程における温度分布を制御することによって任意の場所に形成することができるので、ＴＦＴ基板の内のＴＦＴ（特にチャネル領域）を形成する領域に対応して、低濃度領域を形成することができる。
【００４６】
本発明の実施形態による結晶質珪素膜の製造方法によって形成される低濃度領域の触媒元素の濃度は、１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましく、これを超えると触媒元素の影響によって電気特性が低下することがある。なお、電気特性の観点からは、触媒元素の濃度はできるだけ低い方が好ましいが、生産性の観点からは、１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より濃度を下げるのは非常に困難であり、濃度を下げるための付加的な工程が更に必要となるので、製造コストやスループットの観点から好ましくない。結晶質珪素膜中の触媒元素の濃度が１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であっても１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であれば、実用上の特性に問題を生じることはなく、アクティブマトリクス型表示装置に用いられるＴＦＴ基板（ＴＦＴアレイ）の製造に好適に用いることができる。
【００４７】
なお、結晶質半導体層として結晶質珪素膜を例示したが、これに限られず、例えば、ゲルマニウムなどの他の半導体膜についても、同様の効果を得ることができる。また、再結晶化工程において、パルスレーザービームを用いて温度分布を形成するためのエネルギーを与えた例を示したが、これに限られず、他の光源（例えば紫外線ランプ）や荷電粒子ビーム（例えば、電子線）を用いることもできる。勿論、上述したパルスビームをステップ走査する方法と反射防止膜を用いる方法とを組み合わせ用いても良く、更に、レーザビームの強度を変調するなどしても良い。
【００４８】
以下、図面を参照しながら、更に詳細に本発明の実施形態による結晶質珪素膜およびそれを用いたＴＦＴの製造方法を説明する。
【００４９】
（実施形態１）
図１、図２、図３および図４を参照しながら、実施形態１によるＴＦＴの製造方法を説明する。実施形態１のＴＦＴの製造方法は、アクティブマトリクス型表示装置の画素用ＴＦＴや駆動回路を構成するＴＦＴなどの製造に好適に用いられる。ここでは、簡単のために、１つのＴＦＴの製造工程を示すが、同様の工程によって、１つの基板上に複数のＴＦＴを製造することができることは言うまでも無い。
【００５０】
図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、非晶質半導体膜を形成する工程、触媒元素を付与する工程および非晶質半導体膜を結晶化する第１結晶化工程を説明するための模式的な断面図である。
【００５１】
まず、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１上に、例えば、スパッタリング法によって、厚さ３００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の酸化珪素からなる下地膜２を形成する。この下地膜２は、ガラス基板１からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。
【００５２】
次に、図１（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法あるいは減圧ＣＶＤ法によって、下地膜２上に、厚さ２０ｎｍ〜８０ｎｍ，例えば、厚さ４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３を成膜する。この実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、加熱温度を３００℃とし、ＳｉＨ_４ガスとＨ_２ガスを材料ガスに用いる。ＲＦパワーのパワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ^２、例えば、８０ｍＷ／ｃｍ^２とする。
【００５３】
得られたａ−Ｓｉ膜３に、結晶化を促進するための触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を微量添加する。ここでは、ニッケルを溶かした溶液をａ−Ｓｉ膜３上に付与し、この溶液をスピナーによってａ−Ｓｉ膜３上に均一に延ばして乾燥させることによって、ニッケルを含む触媒層４を形成する。ニッケルを含む溶液は、例えば、酢酸ニッケルをエタノールにニッケル濃度が２ｐｐｍとなるよう溶解した溶液を用いる。ａ−Ｓｉ膜３表面上のニッケル濃度は、例えば、８×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度である。このニッケル濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法によって測定することができる。
【００５４】
次に、ニッケルを含む触媒層４を形成した後、例えば窒素雰囲気中で加熱処理を行う。この加熱処理においては、昇温途中に、まずａ−Ｓｉ膜３中の水素離脱処理を行い、その後、さらに高温でａ−Ｓｉ膜３を結晶化する。水素離脱処理のために、４５０℃〜５２０℃で１時間〜２時間のアニール処理を行い、結晶化のために、５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間のアニール処理を行う。例えば、５００℃にて１時間のアニール処理を行った後、５５０℃で４時間の加熱処理を行うことによって、図１（ｃ）に示すように、結晶質珪素膜３ａが得られる。
【００５５】
この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜３の表面に形成された触媒層４のニッケルがａ−Ｓｉ膜３中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核として、ａ−Ｓｉ膜３の結晶化が進行する。その結果、ａ−Ｓｉ膜３が結晶化されて、結晶質珪素膜３ａとなる（第１結晶化工程）。
【００５６】
このとき、シリサイド結晶核は珪素膜３の膜面内の任意の場所で形成され、そのため結晶質珪素膜３ａの面内の任意の場所にシリサイド結晶核からそれぞれ成長した結晶粒の間に結晶粒界が形成される。この結晶粒界近傍領域のニッケル濃度は結晶粒の中央部に比べて著しく高く、このような領域がＴＦＴチャンネル領域内にある場合、移動度が低いなど電気特性が悪化する。結晶粒界の近傍領域の結晶質珪素膜３ａ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定したところ、２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、局所的ではあるがシリサイドのニッケル濃度は３３．３ａｔ％であった。
【００５７】
次に、図２を参照しながら、再結晶化工程（第２結晶化工程）を説明する。ここでは、パルスレーザービームをステップ走査することによって、結晶質珪素膜に温度分布を形成する例を説明する。
【００５８】
図２は、結晶質珪素膜３ａにレーザービームを照射する領域８とＴＦＴを形成する領域との関係を模式的に示す図である。ＴＦＴを形成する領域は、ソース領域５、チャンネル領域６およびドレイン領域７を含む領域である。例えば、ソース領域５は１０μｍ×５μｍ、チャンネル領域６は５μｍ×１０μｍ、ドレイン領域７は１０μｍ×５μｍである。
【００５９】
レーザービームの照射領域８は、図中の白抜き矢印の方向に走査される。レーザービーム（１ショット分）のビームプロファイルは、例えば、基板１の表面で３μｍ×３０μｍの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して直交する方向に１μｍのステップ幅で順次走査を行う（例えば、各ステップ毎に１ショット）。レーザーとして、例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎ（ナノ）秒）を用いる。また、レーザービームの照射条件は、エネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ^２〜４５０ｍＪ／ｃｍ^２であることが好ましく、例えば、３５０ｍＪ／ｃｍ^２で照射する。このエネルギー密度範囲では、結晶質珪素膜３ａと下地膜２との界面付近の数原子層の結晶質珪素は溶融せず、固体として残存する。
【００６０】
次に、図３を参照しながら、レーザービームのステップ走査による再結晶化過程およびニッケルの移動の様子を説明する。図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ’線に沿った断面図に相当する。
【００６１】
１ショット目のパルスレーザービームを照射領域８Ａ（幅がＡ−Ａ’に対応）に照射した後、２ショット目のパルスレーザービームを照射領域Ｂ（幅がＢ−Ｂ’に対応）に照射する。照射領域８Ａのトレーリングエッジが境界線Ａであり照射領域８Ｂのトレーリングエッジが境界線Ｂである。
【００６２】
ここで、照射領域８Ａの幅（Ａ−Ａ’間の距離）は３μｍであり、１ショット目と２ショット目とのステップ間隔（Ａ−Ｂ間の距離）は１μｍである。また、ショット間の時間間隔は１０ｍｓｅｃである。
【００６３】
１ショット目のレーザー照射により、照射領域８Ａの範囲の結晶質珪素膜３ａの内、下地膜２との界面付近の数原子層以外は溶融する。このときレーザー非照射領域への熱伝導のために、照射領域８Ａの中央部から照射領域端ＡおよびＡ’に向かって温度が低くなる、曲線ＴＡで模式的に示すような温度分布が形成される。このような温度分布が形成されるので、照射領域端Ａ，Ａ’から照射領域８Ａの中央部に向かって固化（再結晶化）し、領域Ａ−Ｃ間にあったニッケル原子は領域Ｃ−Ｃ’間に移動し、凝集する。ここで、境界線Ｃ’は照射領域８Ａの中央（温度分布ＴＡの最高点に対応）であり、Ｃ−Ｃ’の距離は約１μｍ程度である。照射領域端Ａ’側においても、同様の現象が起こるが、ここではレーザービームを白抜き矢印で示した方向にステップ走査するので、照射領域端Ａ’の現象は重要でないので説明を省略する。
【００６４】
次に、２ショット目の照射領域８Ｂは、１ショット目の照射領域８Ａよりも白抜き矢印の方向に１μｍずれている。このとき、１ショット目と同様の温度分布ＴＢが形成される。その結果、照射領域８Ｂ内の結晶質珪素膜３ａの内、下地膜２界面付近の数原子層以外は溶融し、照射領域端Ｂ，Ｂ’から照射領域８Ｂの中央部に向かって、固化（再結晶化）が起こり、領域Ｂ−Ｄ間にあったニッケル原子は領域Ｄ−Ｄ’間に移動する。このとき、１ショット目でニッケル原子が凝集した領域Ｃ−Ｃ’は領域Ｂ−Ｄ内に含まれるので、結果的に、レーザービームを２ショット照射することにより、領域Ａ−Ｄにあったニッケル原子が領域Ｄ−Ｄ’間に移動し、凝集し、領域Ａ−Ｄ内に含まれるニッケル濃度を低下させることができる。
【００６５】
上述したのと同様に、２ショット目以降、１μｍのステップ幅で、順次、照射領域を移動させて、図２に示したＴＦＴチャンネル領域６以外の領域にニッケルが凝集するように、レーザービーム照射を繰り返すと、チャンネル領域６中のニッケル濃度は著しく低下する。例えば、ＳＩＭＳの測定結果によると、チャンネル領域のニッケル濃度は５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度にまで低減される。なお、チャネル領域６とニッケルが凝集した領域との距離は１μｍ以上とすることが好ましい。
【００６６】
次に、図４を参照しながら、上述のようにして得られた結晶質珪素膜のニッケル濃度を低減した領域にＴＦＴを作製する工程を説明する。なお、図４には最終的に得られるＴＦＴの断面構造を模式的に示す。
【００６７】
通常のＴＦＴ作製工程と同様、レジスト塗布、露光、現像の通常のフォト工程を行い、ＣＦ_４ガスとＯ_２ガスを用いたＲＩＥ法で、図２で示したトランジスタの形状に結晶質珪素膜３ａをパターニングした後、ＴＥＯＳガスとＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でゲートＳｉＯ_２膜９を形成する。その後、さらにスパッタリング法で、ＷＳｉ_２／多結晶Ｓｉゲート電極１０を形成した後、ＣＦ_４ガスとＯ_２ガスを用いたＲＩＥ法でパターニングする。
【００６８】
次に、ソース・ドレインにイオンドーピング法でＰまたはＢの注入を行い、ここでは、電気炉を用いて、窒素雰囲気中で５５０℃４時間の活性化アニールを行う。
【００６９】
さらに、ＴＥＯＳガスとＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ_２膜１１を形成した後、ＣＦ_４ガスとＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ法でコンタクトホールエッチングを行う。これにスパッタリング法でＡｌ配線１２を形成し、ＢＣｌ_３ガスとＣｌ_２ガスを用いたＲＩＥ法でパターニングした後、ＳｉＨ_４ガスとＮＨ_３ガスおよびＮ_２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＮ保護膜１３を形成し、最後にＳｉＮ保護膜１３の一部をＣＦ_４ガスとＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ法で開口部を形成し、ＴＦＴが得られる。
【００７０】
（実施形態２）
図５、図６、図７および図８を参照しながら、実施形態２によるＴＦＴの製造方法を説明する。実施形態２のＴＦＴの製造方法は、アクティブマトリクス型表示装置の画素用ＴＦＴや駆動回路を構成するＴＦＴなどの製造に好適に用いられる。ここでは、簡単のために、１つのＴＦＴの製造工程を示すが、同様の工程によって、１つの基板上に複数のＴＦＴを製造することができることは言うまでも無い。
【００７１】
図５（ａ）は、非晶質半導体膜を形成する工程から触媒元素を付与する工程を説明するための模式的な断面図であり、図５（ｂ）は、非晶質半導体膜を結晶化する第１結晶化工程を説明するための模式的な断面図である。
【００７２】
まず、図５（ａ）に示すように、ガラス基板１４上に、例えば、スパッタリング法によって、厚さ３００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の酸化珪素からなる下地膜１５を形成する。この下地膜１５は、ガラス基板１４からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。
【００７３】
次に、プラズマＣＶＤ法あるいは減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０ｎｍ〜８０ｎ、例えば、厚さ４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１６を成膜する。この実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、加熱温度を３００℃とし、ＳｉＨ_４ガスとＨ_２ガスを材料ガスに用いる。ＲＦパワーのパワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ^２、例えば、８０ｍＷ／ｃｍ^２とする。
【００７４】
得られたａ−Ｓｉ膜３に、結晶化を促進するための触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を注入する。ニッケル注入条件は、注入エネルギーを５０ｋｅＶ、１×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とする。ａ−Ｓｉ膜３中のニッケル濃度は、例えば、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度である。このニッケル濃度は、ＳＩＭＳによって測定することができる。
【００７５】
この後、不活性雰囲気下、例えば、窒素雰囲気にて加熱処理を行う。この加熱処理においては、昇温途中に、まずａ−Ｓｉ膜１６中の水素離脱処理を行い、その後、さらに高温でａ−Ｓｉ膜３を結晶化する。水素離脱処理のために、４５０℃〜５２０℃で１時間〜２時間のアニール処理を行い、結晶化のために、５２０℃〜５７０℃で２時間〜８時間のアニール処理を行う。例えば、５００℃にて１時間のアニール処理を行った後、５５０℃で４時間の加熱処理を行うことによって、図５（ｂ）に示すように、結晶質珪素膜１６ａが得られる。
【００７６】
この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜１６中に注入されたニッケルがａ−Ｓｉ膜３中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核として、ａ−Ｓｉ膜３の結晶化が進行する。その結果、ａ−Ｓｉ膜１６が結晶化されて、結晶質珪素膜１６ａとなる（第１結晶化工程）。
【００７７】
このとき、シリサイド結晶核は珪素膜１６の膜面内の任意の場所で形成され、そのため結晶質珪素膜１６ａの面内の任意の場所にシリサイド結晶核からそれぞれ成長した結晶粒の間に結晶粒界が形成される。この結晶粒界近傍領域のニッケル濃度は結晶粒の中央部に比べて著しく高く、このような領域がＴＦＴチャンネル領域内にある場合、移動度が低いなど電気特性が悪化する。結晶粒界の近傍領域の結晶質珪素膜１６ａ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定したところ、２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、局所的ではあるがシリサイドのニッケル濃度は３３．３ａｔ％であった。
【００７８】
次に、図６に示すように、結晶質珪素膜１６ａ上のＴＦＴチャンネルが形成される領域１８以外の領域にＴＥＯＳガスとＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ_２膜１７（屈折率１．４６２）を形成する。図７は、図６を上から見た図に相当する平面図である。
【００７９】
反射防止膜として機能するＳｉＯ_２膜１７の膜厚は１５８ｎｍとし、チャネル領域となる領域１８以外の領域には開口部を設ける。
【００８０】
反射防止膜１７の膜厚１５８ｎｍは、再結晶化工程のためにエネルギーを、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎ（ナノ）秒）を用いて付与するため、（Ｎ／２＋１／４）×λ／ｎの式において、λ＝３０８ｎｍ、Ｎ＝１とした場合の膜厚である。
【００８１】
次に、結晶質珪素膜１６ａの結晶性を改善し、ニッケルを除去するために、第２再結晶化エネルギー付与として、レーザー照射を行う。
【００８２】
図７は、結晶質珪素膜１６ａにレーザービームを照射する領域２１とＴＦＴを形成する領域との関係を模式的に示す図である。ＴＦＴを形成する領域は、ソース領域１９、チャンネル領域１８およびドレイン領域２０を含む領域である。例えば、ソース領域１９は１０μｍ×５μｍ、チャンネル領域１８は５μｍ×１０μｍ、ドレイン領域２０は１０μｍ×５μｍである。
【００８３】
レーザーとして、例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎ（ナノ）秒）を用いる。また、レーザービームの照射条件は、エネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ^２〜４５０ｍＪ／ｃｍ^２であることが好ましく、例えば、３５０ｍＪ／ｃｍ^２で照射する。このエネルギー密度範囲では、結晶質珪素膜１６ａと下地膜１５との界面付近の数原子層の結晶質珪素は溶融せずに、固体として残存する。
【００８４】
次に、図８を参照しながら、レーザービーム照射による再結晶化過程およびニッケルの移動の様子を説明する。図８は、図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ’線に沿った断面図である。
【００８５】
レーザービーム照射により、レーザー照射領域２１内の結晶質珪素膜１６ａの内、チャンネル領域１８内（照射領域２１ｂに対応する領域）の結晶質珪素膜１６ａは、下地膜１５界面付近の数原子層以外は溶融する。一方、ＳｉＯ_２膜１７下（照射領域２１Ａに対応する領域内）の結晶質珪素膜１６ａは、ＳｉＯ_２膜１７によって反射率が低減されているため、チャンネル領域１８よりも高温に加熱されるため完全に溶融し、チャンネル領域１８中央部からＳｉＯ_２膜１７に被覆された領域に向かって温度が高くなる温度分布ＴＣが形成される。このような温度分布が形成されるので、レーザービーム照射後、チャンネル領域１８中央部からＳｉＯ_２膜１７に被覆された領域に向かって固化（再結晶化）し、チャンネル領域１８内にあったニッケル原子は、チャンネル領域１８以外の領域Ｅ−Ｅ’内および領域Ｆ−Ｆ’内に移動し凝集する。その結果、チャンネル領域１８内のニッケル濃度が著しく低下する。例えば、ＳＩＭＳの測定結果によると、チャンネル領域のニッケル濃度は５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度にまで低減される。
【００８６】
次に、図９を参照しながら、上述のようにして得られた結晶質珪素膜のニッケル濃度を低減した領域にＴＦＴを作製する工程を説明する。なお、図９には最終的に得られるＴＦＴの断面構造を模式的に示す。
【００８７】
通常のＴＦＴ作製工程と同様、レジスト塗布、露光、現像の通常のフォト工程を行い、ＣＦ_４ガスとＯ_２ガスを用いたＲＩＥ法で、図７で示したトランジスタの形状に結晶質珪素膜１６ａをパターニングした後、ＴＥＯＳガスとＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でゲートＳｉＯ_２膜２２を形成する。その後、さらにスパッタリング法で、ＷＳｉ_２／多結晶Ｓｉゲート電極２３を形成した後、ＣＦ_４ガスとＯ_２ガスを用いたＲＩＥ法でパターニングする。
【００８８】
次に、ソース・ドレインにイオンドーピング法でＰまたはＢの注入を行い、ここでは、電気炉を用いて、窒素雰囲気中で５５０℃４時間の活性化アニールを行う。
【００８９】
さらに、ＴＥＯＳガスとＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ_２膜２４を形成した後、ＣＦ_４ガスとＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ法でコンタクトホールエッチングを行う。これにスパッタリング法でＡｌ配線２５を形成し、ＢＣｌ_３ガスとＣｌ_２ガスを用いたＲＩＥ法でパターニングした後、ＳｉＨ_４ガスとＮＨ_３ガスおよびＮ_２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＮ保護膜２６を形成し、最後にＳｉＮ保護膜２６の一部をＣＦ_４ガスとＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ法で開口部を形成し、ＴＦＴが得られる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によると、優れた特性を有する半導体素子を高密度で作製することが可能な結晶質半導体膜を製造する方法が提供される。
【００９１】
本発明によると優れた特性を有する結晶質半導体膜が得られるので、アクティブマトリクス型表示装置の画素ＴＦＴや駆動回路のＴＦＴを始め、ダイオード、メモリなど半導体膜を用いる種々の素子の特性を向上することができる。
【００９２】
また、本発明による結晶質半導体膜の製造方法は、触媒元素を除去するための従来の煩雑なゲッタリング工程を必要としないので製造工程を簡略化でき、その結果、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態１による結晶質珪素膜の製造工程を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施形態１による結晶質珪素膜の製造方法におけるＴＦＴ形成領域と照射領域との関係を示す模式的な平面図である。
【図３】本発明の実施形態１による結晶質珪素膜の製造方法におけるレーザービームのステップ走査による再結晶化過程およびニッケルの移動の様子を説明するための模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施形態１によるＴＦＴの構造を示す模式的な断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態２による結晶質珪素膜の製造工程を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施形態２におけるレーザービーム照射工程を説明するための模式的な断面図である。
【図７】本発明の実施形態２による結晶質珪素膜の製造方法におけるＴＦＴ形成領域と照射領域との関係を示す模式的な平面図である。
【図８】本発明の実施形態２による結晶質珪素膜の製造方法におけるレーザービーム照射による再結晶化過程およびニッケルの移動の様子を説明するための模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施形態２によるＴＦＴの構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１　ガラス基板
２　下地ＳｉＯ_２膜
３　非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）
３ａ　結晶質珪素膜
４　添加ニッケル
５　ソース領域
６　チャンネル領域
７　ドレイン領域
８　レーザービーム照射領域
８Ａ　１ショット目照射領域
８Ｂ　２ショット目照射領域
９　ゲートＳｉＯ_２膜
１０　ＷＳｉ_２／多結晶Ｓｉゲート電極
１１　ＳｉＯ_２膜
１２　Ａｌ配線
１３　ＳｉＮ保護膜
１４　ガラス基板
１５　下地ＳｉＯ_２膜
１６　非晶質珪素膜
１６ａ　結晶質珪素膜
１７　反射防止膜（ＳｉＯ_２膜）
１８　ＴＦＴチャンネル領域
１９　ＴＦＴソース領域
２０　ＴＦＴドレイン領域
２１　照射領域
２２　ゲートＳｉＯ_２膜
２３　ＷＳｉ_２／多結晶Ｓｉゲート電極
２４　ＳｉＯ_２膜
２５　Ａｌ配線
２６　ＳｉＮ保護膜

Claims (15)

1. 基板上に非晶質状態にある半導体膜を形成する工程と、
   前記半導体膜に結晶化を促進する触媒元素を付与する工程と、
   前記触媒元素の存在下で前記半導体膜に第１エネルギーを付与することによって前記半導体膜を結晶化する第１結晶化工程と、
   前記第１結晶化工程の後で、前記半導体膜に第２エネルギーを付与することによって前記半導体膜を再結晶化する第２結晶化工程とを包含し、
   前記第２結晶化工程において、前記半導体膜の所定領域の温度を他の領域よりも高くなるように前記第２エネルギーを付与し、前記所定の領域に前記触媒元素を凝集させる、結晶質結晶質半導体膜の製造方法。
2. 前記第２結晶化工程は、前記所定の領域に隣接する領域の少なくとも一部の前記半導体膜が完全に溶融しないように、前記第２エネルギーを付与する工程を包含する、請求項１に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
3. 前記第２エネルギーの付与は、前記半導体膜にレーザービームを照射することによって実行される、請求項１または２に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
4. 前記第２エネルギーの付与は、パルスレーザービームをステップ走査することによって実行される、請求項３に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
5. 前記ステップ走査の間隔は、０．２５μｍ以上１０．０μｍ以下である、請求項４に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
6. 前記レーザービームを照射する前に、前記レーザービームに対する反射率を低減させる反射防止部を前記半導体膜の前記所定の領域に対応して有する反射防止膜を前記半導体膜上に形成する工程を包含し、前記反射防止膜を介して前記半導体膜に前記レーザービームを照射する工程を包含する、請求項３に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
7. 前記反射防止膜の屈折率をｎ、前記レーザービームの波長をλとし、０または正の整数をＮとしたとき、前記反射防止膜の厚さが、（Ｎ／２＋１／４）×λ／ｎである、請求項６に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
8. 前記反射防止膜はＳｉＯ_２膜である請求項６または７に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
9. 前記半導体膜は珪素膜であり、前記触媒元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、およびＧｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素である、請求項１から８のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
10. 前記触媒元素が、前記半導体膜の表面に、１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下の範囲内の面積濃度で付与される請求項１から９のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
11. 前記触媒元素が、２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内の体積濃度で付与される請求項１から９のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
12. 前記第１エネルギーは、４００℃以上８００℃以下の範囲内の温度に設定された電気炉によって付与される請求項１から１１のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
13. 前記結晶質半導体膜の前記所定の領域以外の領域に、前記触媒元素の体積濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の領域を形成する、請求項１から１２のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載の製造方法によって製造された結晶質半導体膜。
15. 請求項１４に記載されている結晶質半導体膜を用意する工程と、
    前記結晶質半導体膜の前記所定の領域以外の領域にチャネル領域を有するトランジスタを作製する工程と、
    を包含する半導体素子の製造方法。

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