JP2789417B2

JP2789417B2 - 半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JP2789417B2
Application number: JP5204774A
Authority: JP
Inventors: 宏勇張; 英人大沼; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-07-27
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: JPH0745518A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、
あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けら
れた非単結晶珪素膜を有する半導体装置、例えば、薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）や薄膜ダイオード（ＴＦＤ）、
またはそれらを応用した薄膜集積回路、特にアクティブ
型液晶表示装置（液晶ディスプレー）用薄膜集積回路の
作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを
有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用い
るアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が開
発されている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低
く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性
に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められて
いた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶
珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性
と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素
等が知られている。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状の珪素半導体
を得る方法としては、（１）成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。（２）非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光
のエネルギーにより結晶性を有せしめる。（３）非晶質の半導体膜を成膜しておき、長時間、熱
エネルギーを印加（アニール）することにより結晶性を
有せしめる。という方法が知られている。

【０００５】しかしながら、（１）の方法は良好な半導
体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜す
ることが技術上困難であり、また成膜温度が６００℃以
上と高いので、安価なガラス基板が使用できないという
コストの問題もあった。成膜温度が低いと特性の良好な
膜を得ることは困難であった。また、結晶が基板に対し
て垂直に成長するために、平面的な伝導を使用するＴＦ
Ｔに用いるには適さなかった。

【０００６】また、（２）の方法は、現在最も一般的に
使用されているエキシマレーザーを例にとると、レーザ
ー光の照射面積が小さいため、スループットが低いとい
う問題がまずあり、また大面積基板の全面を均一に処理
するにはレーザーの安定性が充分ではない。さらに、良
好な結晶性を得るには基板を加熱し、かつ、真空中でレ
ーザー照射することが必要とされた。このため、スルー
プットが制限されるという課題があった。

【０００７】（３）の方法は、（１）、（２）の方法と
比較すると大面積に対応できるという利点はあるが、や
はり加熱温度として６００℃以上の高温にすることが必
要であり、安価なガラス基板を用いることを考えると、
さらに加熱温度を下げる必要がある。特に現在の液晶表
示装置の場合には大画面化が進んでおり、その為ガラス
基板も同様に大型の物を使用する必要がある。この様に
大型のガラス基板を使用する場合には、半導体作製に必
要不可欠な加熱工程における縮みや歪みといったもの
が、マスク合わせ等の精度を下げ、大きな問題点となっ
ている。特に現在最も一般的に使用されているコーニン
グ社の７０５９ガラスの場合には、歪み点が５９３℃で
あり、従来の加熱結晶化方法では大きな変形を起こして
しまう。また、温度の問題以外にも現在のプロセスでは
結晶化に要する加熱時間が数十時間以上にも及ぶので、
さらにその時間を短くすることも必要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決する手段を提供するものである。より具体的には
非晶質珪素からなる薄膜を加熱により結晶化させる方法
を用いた場合において、良好な結晶性と、加熱温度の低
温化、言い換えるならばガラス基板への影響を低減でき
るプロセスの確立を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【０００９】本発明は、６００℃以下の加熱によって結
晶化された非単結晶半導体膜に対し、強光を照射し、さ
らに結晶性を助長せしめると同時に膜質を緻密化するこ
とを特徴とする。具体的には近赤外光から可視光にかけ
ての光、好ましくは波長が４μｍ〜０．５μｍの光（例
えば波長１．３μｍにピークを有する赤外光）を１０〜
１０００秒程度の比較的短い時間照射することにより、
珪素膜を加熱することにより、結晶性を助長せしめるこ
とを特徴とする。用いる光の波長は、珪素膜に吸収さ
れ、ガラス基板では実質的に吸収されないことが望まし
い。さらに、かような熱処理においては、珪素膜と基板
の間の熱膨張率の違い、珪素膜表面と基板と珪素膜界面
との温度の違いなどから、珪素膜が剥離することも多々
ある。特にこれは、膜の面積が基板全面にわたるような
大きな場合に顕著である。したがって、膜を十分に小さ
な面積に分断し、また、余分な熱を吸収しないように膜
と膜との間隔を十分に広くすることによって、膜の剥離
等を防止することができる。また、基板表面全面が珪素
膜を通じて加熱されることがないので、基板が熱的に収
縮することは最低限に抑えられる。

【００１０】本発明は、アニールによって結晶性を有す
る珪素膜を作製する第１の工程と、前記珪素膜をパター
ニングする第２の工程と、前記珪素膜を強光によって加
熱する第３の工程とを有する。第２の工程と第３の工程
の間に、第３の工程で用いる光を吸収しない絶縁性の被
膜を珪素膜上に形成してもよい。特に真性または実質的
に真性の非晶質珪素は可視光、特に０．５μｍ未満の波
長の光ではよく吸収され、光を熱に変換できるが、本発
明の光は０．５〜４μｍの波長の光を照射する。この波
長は結晶化させた真性または実質的に真性（燐またはホ
ウ素が１０¹⁷ｃｍ^-3以下）の珪素膜に対し、有効に光を
吸収し、熱に変換できる。また、１０μｍ以上の波長の
遠赤外光はガラス基板に吸収され、加熱されるが、４μ
ｍ以下の波長が大部分の場合はガラスの加熱が極めて少
ない。すなわち、結晶化された珪素膜をさらに結晶化さ
せるには０．５〜４μｍの波長が有効である。

【００１１】本発明の上記第１の工程として、ニッケル
等の結晶化を助長せしめる金属元素を用いて、通常の固
相成長温度よりも低温で結晶化を行う方法を採用した場
合には、本発明の効果は著しい。本発明に利用すること
のできる結晶化を助長させる元素としては、８族元素で
あるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉ
ｒ、Ｐｔを用いることができる。また３ｄ元素であるＳ
ｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎも利用すること
ができる。さらに、実験によれば、Ａｕ、Ａｇ、におい
ても結晶化の作用が確認されている。特に上記元素の中
で、顕著な効果が得られ、その作用で結晶化した結晶性
珪素膜を用いてＴＦＴの動作が確認されているのがＮｉ
である。

【００１２】これらの金属を添加された珪素膜は針状の
結晶が膜厚方向ではなく、基板表面に沿った方向に成長
することが観察されている。しかしながら、全面が均一
に結晶化してしまうわけではなく、結晶と結晶の間に非
晶質もしくはそれと同程度の結晶性の低い領域が取り残
される。

【００１３】上述の様に、このような金属元素の添加さ
れた珪素膜は針状に結晶が成長し、その幅は珪素膜厚の
０．５〜３倍程度であり、横方向への、すなわち、結晶
の側面への成長は少ない。このため、前記非晶質領域は
長時間の熱アニールでも結晶化が完成せず、これをＴＦ
Ｔに用いた場合には特性の向上が十分でないことが問題
となった。

【００１４】本発明の第３の工程は、見掛け上、５００
〜６００℃の横方向の成長のみでなく、これに加えて８
００〜１３００℃の温度（珪素に熱電対を接触させて測
定する）で、針状結晶成長が「櫛の歯」のように成長し
た歯の間の低度の結晶化領域をさらに結晶化を助長させ
るのに特に寄与する。すなわち、針状の結晶の側面から
エピタキシャル状に結晶が成長し、非晶質部分を結晶化
させるからである。

【００１５】

【作用】４００〜６５０℃、代表的には５００〜６００
℃の熱アニールによって結晶化させた薄膜珪素半導体の
うち、アクティブ素子、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）を形成する領域を除いた他をパターニング除去し
た。この針状の横成長させた島状の結晶領域に可視また
は近赤外光の照射を行うことで、珪素膜を選択的に加熱
することができ、さらに結晶性を助長させることができ
る。この際、ガラス基板等の赤外光の吸収は十分小さい
ので、ガラス基板を軟化させたり、収縮させたりして工
学的に使用できなくするほどの加熱することなしに光ア
ニールを行うことができる。

【００１６】特に、熱アニールに際して、結晶化を促進
させる金属元素を用いた場合には、それまで不十分であ
った針状結晶の側面への結晶化を促進させ、非常に緻密
な結晶性半導体薄膜を得ることができる。本発明によっ
て、例えば、ラマン分光法により、珪素膜の結晶領域が
増加することを、以下の実施例１に示す。また、本発明
を用いてＴＦＴを作製する工程例を実施例２〜４に示
す。

【００１７】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例は、ガラス基板上に形成された珪
素薄膜の結晶性の改善に関するものである。図１（Ａ）
〜（Ｃ）を用いて説明する。まず、基板（コーニング７
０５９）１０１上にスパッタリング法によって厚さ２０
００Åの酸化珪素の下地膜１０２を形成した。つぎにメ
タルマスク、酸化珪素または窒化珪素膜等によって形成
されたマスク１０３を設けた。このマスク１０３は、ス
リット状に下地膜１０２を露呈させた。即ち、図１
（Ａ）の状態を上面から見ると、スリット状に下地膜１
０２は露呈しており、他ぼ部分はマスクされている状態
となっている。上記マスク１０３を設けた後、スパッタ
リング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Åの
ニッケル膜を１００の領域に選択的に成膜した。この状
態で、ニッケルが１００の領域に選択的に導入されるこ
とになる。（図１（Ａ））

【００１８】つぎに、マスク１０３を取り除いた。そし
て、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ３００〜１５００
Å、例えば８００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜１０
４を成膜した。

【００１９】そして、窒素不活性雰囲気化（大気圧）、
５５０℃で８時間、または６００℃で４時間、熱アニー
ルして結晶化させた。この際、ニッケル膜が選択的に成
膜された１００の領域においては、基板１０１に対して
垂直方向に結晶性珪素膜１０４の結晶化が進行した。そ
して、領域１００以外の領域では、矢印１０５で示すよ
うに、領域１００から横方向（基板と平行な方向）に結
晶成長が進行した。（図１（Ｂ））

【００２０】この工程の後に、珪素膜を１０〜１０００
μｍの大きさにパターニング。エッチングした。例え
ば、１００μｍ角にパターニングし、基板上に多くの島
状珪素膜１０４’を形成した。そして、０．５〜４μｍ
ここでは０．８〜１．４μｍにピークをもつ可視・近赤
外光を３０〜６００秒照射し、珪素膜１０４’の結晶化
をさらに助長させた。（図１（Ｃ））

【００２１】赤外線の光源としてはハロゲンランプを用
いた。可視・近赤外光の強度は、モニターの単結晶シリ
コンウェハー上の温度が８００〜１３００℃、代表的に
は９００〜１２００℃の間にあるように調整した。具体
的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱電対の温度を
モニターして、これを赤外線の光源にフィードバックさ
せた。本実施例では、昇温・降温は、図５（Ａ）もしく
は（Ｂ）のようにおこなった。昇温は、一定で速度は５
０〜２００℃／秒、降温は自然冷却で２０〜１００℃で
あった。

【００２２】図５（Ａ）は一般的な温度サイクルで、昇
温時間ａ、保持時間ｂ、降温時間ｃの３つの過程からな
る。しかし、この場合には試料は室温から１０００℃も
の高温へ、さらに高温状態から室温へと急激に加熱・冷
却されるので、珪素膜や基板に与える影響が大きく、珪
素膜の剥離の可能性も高い。

【００２３】この問題を解決するためには、図５（Ｂ）
のように、保持に達する前に、プレヒート時間ｄやポス
トヒート時間ｆを設け、保持時間に達する前に２００〜
５００℃の基板や膜に大きな影響を与えない温度に保持
しておくことが望ましい。

【００２４】なお、赤外光照射の際、その表面に保護膜
として酸化珪素または窒化珪素膜を形成してくことが好
ましい。これは、珪素膜１０４の表面の状態を良くする
ためである。また、この珪素膜１０４の表面の状態を良
くするために、Ｈ₂ 雰囲気中にておこなった。Ｈ₂雰囲
気に０．１〜１０％のＨＣｌ、その他ハロゲン化水素や
フッ素や塩素、臭素の化合物を混入してもよい。

【００２５】この可視・近赤外光照射は、結晶化した珪
素膜を選択的に加熱することになるので、ガラス基板へ
の加熱を最小限に抑えることができる。そして、珪素膜
中の欠陥や不体結合手を減少させるのに非常に効果があ
る。また、この可視・近赤外光照射が加熱による結晶化
工程の後に行われることは重要である。事前に熱アニー
ルによる結晶化を行わずに、非晶質珪素膜に対し、いき
なり、赤外光照射を行った場合には良好な結晶は得られ
なかった。

【００２６】図４には本実施例によって得られた結晶性
珪素膜のラマン分光スペクトルを示す。”ｃ−Ｓｉ”
は、標準試料として測定した単結晶シリコンウェハーの
ラマン散乱強度を示す。ここで、”１１００℃，１８０
ｓｅｃ”と表示されているのは、赤外光照射の温度が１
１００℃で、１８０秒間照射したことを意味している。
図から明らかなように、赤外光照射によって、ラマン強
度が増加しているが、これは結晶の体積分率が増加した
ことを示している。このように、結晶化の不十分だった
領域が赤外光照射によって結晶化したことが示された。

【００２７】〔実施例２〕本実施例は図１（Ａ）〜
（Ｅ）に示されるガラス基板上に形成された結晶性珪素
膜を用いたＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴという）とＮ
チャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴという）とを相補型に組み
合わせた回路を形成する例である。本実施例の構成は、
アクティブ型の液晶表示装置の画素電極のスイッチング
素子や周辺ドライバー回路、さらにはイメージセンサや
集積回路に利用することができる。

【００２８】図１に本実施例の作製工程の断面図を示
す。まず、基板（コーニング７０５９）１０１上にスパ
ッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地
膜１０２を形成した。基板は、下地膜の成膜の前もしく
は後に、歪み温度よりも高い温度でアニールをおこなっ
た後、０．１〜１．０℃／分で歪み温度以下まで徐冷す
ると、その後の温度上昇を伴う工程（本発明の赤外光照
射を含む）での基板の収縮が少なく、マスク合わせが用
意となる。コーニング７０５９基板では、６２０〜６６
０℃で１〜４時間アニールした後、０．１〜１．０℃／
分、好ましくは、０．１〜０．３℃／分で徐冷し、４５
０〜５９０℃まで温度が低下した段階で取り出すとよ
い。

【００２９】さて、下地膜成膜後、窒化珪素膜等によっ
て形成されたマスク１０３を設けた。このマスク１０３
は、スリット状に下地膜１０２を露呈させる。即ち、図
１（Ａ）の状態を上面から見ると、スリット状に下地膜
１０２は露呈しており、他ぼ部分はマスクされている状
態となっている。上記マスク１０３を設けた後、スパッ
タリング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Å
の珪化ニッケル膜（化学式ＮｉＳｉ_x、０．４≦ｘ≦
２．５、例えば、ｘ＝２．０）を１００の領域に選択的
に成膜した。この状態で、ニッケルが１００の領域に選
択的に導入されることになる。（図１（Ａ））

【００３０】つぎに、マスク１０３を取り除き、プラズ
マＣＶＤ法によって、厚さ３００〜１５００Å、例えば
５００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜１０４を成膜し
た。そして、不活性雰囲気下（窒素もしくはアルゴン、
大気圧），５５０℃、で４〜８時間アニールして結晶化
させた。この際、珪化ニッケル膜が選択的に成膜された
１００の領域においては、基板１０１に対して垂直方向
に結晶性珪素膜１０４の結晶化が進行した。そして、領
域１００以外の領域では、矢印１０５で示すように、領
域１００から横方向（基板と平行な方向）に結晶成長が
進行した。（図１（Ｂ））

【００３１】この工程の後に、珪素膜をパターニングし
て、ＴＦＴの島状の活性層１０４’を形成した。この
際、チャネル形成領域となる部分に結晶成長の先端部
（すなわち、結晶珪素領域と非晶質珪素領域の境界で、
ニッケルの濃度が大きい）が存在しないようにすること
が重要である。こうすることで、ソース／ドレイン間を
移動するキャリアがチャネル形成領域において、ニッケ
ル元素の影響を受けないようにすることができる。活性
層１０４’の大きさはＴＦＴのチャネル長とチャネル幅
を考慮して決定される。小さなものでは、５０μｍ×２
０μｍ、大きなものでは１００μｍ×１０００μｍであ
った。

【００３２】このような活性層を基板上に多く形成し
た。そして、０．５〜４μｍここでは０．８〜１．４μ
ｍにピークをもつ赤外光を３０〜１８０秒照射し、活性
層の結晶化をさらに助長させた。温度は８００〜１３０
０℃、代表的には９００〜１２００℃、例えば１１００
℃とした。活性層の表面の状態を良くするために、照射
はＨ₂ 雰囲気中でおこなった。本工程は、活性層を選択
的に加熱することになるので、ガラス基板への加熱を最
小限に抑えることができる。そして、活性層中の欠陥や
不体結合手を減少させるのに非常に効果がある。（図１
（Ｃ））

【００３３】つぎにプラズマＣＶＤ法によって厚さ１０
００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜し
た。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エト
キシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）と酸素を用い、
成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４００℃
とした。

【００３４】このゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜１０６
の成膜後に、可視・近赤外光の照射による光アニールを
再度行なった。このアニールによって、主に酸化珪素膜
１０６と珪素膜１０４との界面及びその近傍における準
位を消滅させることができた。これは、ゲイト絶縁膜と
チャネル形成領域との界面特性が極めて重要である絶縁
ゲイト型電界効果半導体装置にとっては極めて有用であ
る。

【００３５】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ６０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を
成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極１０７、１０９を形成した。さらに、こ
のアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸
化物層１０８、１１０を形成した。この陽極酸化は、酒
石酸が１〜５％含まれたエチレングリコール溶液中で行
った。得られた酸化物層１０８、１１０の厚さは２００
０Åであった。なお、この酸化物１０８と１１０とは、
後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト
領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域
の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。

【００３６】次に、イオンドーピング法（プラズマドー
ピング法とも言う）によって、活性層領域（ソース／ド
レイン、チャネルを構成する）にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極１０７とその周囲の酸化層１０８、ゲイト
電極１０９とその周囲の酸化層１１０をマスクとして、
自己整合的にＰもしくはＮ導電型を付与する不純物を添
加した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ
₃ ）およびジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用い、前者の場合
は、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者
の場合は、４０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとする。ド
ース量は１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、燐を
２×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ素を５×１０¹⁵とした。ドーピ
ングに際しては、一方の領域をフォトレジストで覆うこ
とによって、それぞれの元素を選択的にドーピングし
た。この結果、Ｎ型の不純物領域１１４と１１６、Ｐ型
の不純物領域１１１と１１３が形成され、Ｐチャネル型
ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）の領域とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴ
ＦＴ）との領域を形成することができた。

【００３７】その後、レーザー光の照射によってアニー
ル行った。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザ
ー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、
例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき２〜１０
ショット、例えば２ショット照射した。このレーザー光
の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱すること
によって、効果を増大せしめてもよい。（図１（Ｄ））

【００３８】また、この工程は、可視・近赤外光による
ランプアニールによる方法でもよい。可視・近赤外線は
結晶化した珪素、または燐またはホウ素が１０¹⁹〜１０
²¹ｃｍ^-3添加された非晶質珪素へは吸収されやすく、１
０００℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニー
ルを行うことができる。燐またはホウ素が添加されてい
ると、その不純物散乱により、近赤外線でも十分光が吸
収される。このことは肉眼による観察でも黒色であるこ
とから十分に推測がつく。その反面、ガラス基板へは吸
収されにくいので、ガラス基板を高温に加熱することが
なく、また短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮み
が問題となる工程においては最適な方法であるといえ
る。

【００３９】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１
８を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。この層間絶縁物としてはポリイミドまたは酸化珪素
とポリイミドの２層膜を利用してもよい。さらにコンタ
クトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタン
とアルミニウムの多層膜によってＴＦＴの電極・配線１
１７、１２０、１１９を形成した。最後に、１気圧の水
素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールを行い、ＴＦＴ
を相補型に構成した半導体回路を完成した。（図１
（Ｅ））特に本発明では、可視・近赤外光による光アニールの工
程で生じた不対結合手を、その後の工程で、水素雰囲気
において、２５０〜４００℃で加熱することによって中
和することが重要である。

【００４０】上記に示す回路は、ＰＴＦＴとＮＴＦＴと
を相補型に設けたＣＭＯＳ構造であるが、上記工程にお
いて、２つのＴＦＴを同時に作り、中央で切断すること
により、独立したＴＦＴを２つ同時に作製することも可
能である。

【００４１】本実施例においては、Ｎｉを導入する方法
として、非晶質珪素膜１０４下の下地膜１０２上に選択
的にＮｉを薄膜（極めて薄いので、膜として観察するこ
とは困難である）として形成し、この部分から結晶成長
を行わす方法を採用したが、非晶質珪素膜１０４を形成
後に、選択的に珪化ニッケル膜を成膜する方法でもよ
い。即ち、結晶成長は非晶質珪素膜の上面から行っても
よいし、下面から行ってもよい。また、予め非晶質珪素
膜を成膜し、さらにイオンドーピング法を用いて、ニッ
ケルイオンをこの非晶質珪素膜１０４中に選択的に注入
する方法を採用してもよい。この場合は、ニッケル元素
の濃度を細かく制御することができるという特徴を有す
る。またプラズマ処理やＣＶＤ法による方法でもよい。

【００４２】〔実施例３〕本実施例は、アクティブ型の
液晶表示装置において、Ｎチャネル型ＴＦＴをスイッチ
ング素子として各画素に設けた例である。以下において
は、一つの画素について説明するが、他に多数（一般に
は数十万）の画素が同様な構造で形成される。また、Ｎ
チャネル型ＴＦＴではなくＰチャネル型ＴＦＴでもよい
ことはいうまでもない。また、液晶表示装置の画素部分
に設けるのではなく、周辺回路部分にも利用できる。ま
た、イメージセンサや他の装置に利用することができ
る。即ち薄膜トランジタと利用するのであれば、特にそ
の用途が限定されるものではない。

【００４３】本実施例の作製工程の概略を図２に示す。
本実施例において、基板２０１としてはコーニング７０
５９ガラス基板（厚さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍ
ｍ）を使用した。まず、下地膜２０２（酸化珪素）をプ
ラズマＣＶＤ法で２０００Åの厚さに形成した。ＣＶＤ
の原料ガスとしてはＴＥＯＳと酸素を用いた。この後、
選択的にニッケルを導入するために、窒化珪素膜によ
り、マスク２０３を形成した。そして、スパッタリング
法によりニッケル膜を成膜した。このニッケル膜は、ス
パッタリング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２
０Åの厚さに形成した。このようにして、選択的に領域
２０４にニッケル膜が形成された。（図２（Ａ））

【００４４】この後、ＬＰＣＶＤ法もしくはプラズマＣ
ＶＤ法で非晶質珪素膜２０５を１０００Åの厚さに形成
した。そして、４５０℃で１時間脱水素化を行った後、
加熱アニールによって結晶化を行った。このアニール工
程は、窒素雰囲気下、５５０℃で８時間行った。このア
ニール工程において、非晶質珪素膜２０５下の２０４の
領域には、ニッケル膜が形成されているので、この部分
から結晶化が起こった。この結晶化の際、図２（Ｂ）の
矢印で示すように、ニッケルが成膜されている領域２０
４では、基板２０１に垂直方向に珪素の結晶成長が進行
した。また、矢印で示されるように、ニッケルが成膜さ
れいていない領域（領域２０５以外の領域）において
は、基板に対し、平行な方向に結晶成長が進行した。
（図２（Ｂ））

【００４５】この熱アニール工程の後、結晶化した珪素
膜をパターニングしてＴＦＴの島状活性層２０５’のみ
を残存させ、その他を除去した。この際、結晶成長した
結晶の先端部が活性層、なかでもチャネル形成領域に存
在しないようにすることが重要である。具体的には、図
２（Ｂ）の珪素膜２０５のうち、少なくとも結晶化の先
端部とニッケルが導入された２０４の部分をエッチング
で除去し、結晶性珪素膜２０５の基板に平行な方向に結
晶成長した中間部分を活性層として利用することが好ま
しい。これは、ニッケルが結晶成長先端部および導入部
に集中して存在している事実を踏まえ、この先端部に集
中したニッケルがＴＦＴの特性に悪影響を及ぼすことを
防ぐためである。そして、島状活性層２０５’に可視・
近赤外光を照射し、光アニールした。温度は１１００
℃、時間は３０秒とした。（図２（Ｃ））

【００４６】さらにテトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯ
Ｓ）を原料として、酸素雰囲気中のプラズマＣＶＤ法に
よって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７０〜１２０ｎ
ｍ、典型的には１２０ｎｍ）２０６を形成した。基板温
度は３５０℃とした。次に公知の多結晶珪素を主成分と
した膜をＣＶＤ法で形成し、パターニングを行うことに
よって、ゲイト電極２０７を形成した。多結晶珪素には
導電性を向上させるために不純物として燐を０．１〜５
％導入した。

【００４７】その後、Ｎ型の不純物として、燐をイオン
ドーピング法で注入し、自己整合的にソース領域２０
８、チャネル形成領域２０９、ドレイン領域２１０を形
成した。そして、ＫｒＦレーザー光を照射することによ
って、イオン注入のために結晶性の劣化した珪素膜の結
晶性を改善させた。このときにはレーザー光のエネルギ
ー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ² とした。このレー
ザー照射によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシ
ート抵抗は３００〜８００Ω／ｃｍ² となった。また、
この工程は可視・近赤外光のランプアニールによって行
ってもよい。（図２（Ｄ））

【００４８】その後、酸化珪素またはポリイミドによっ
て層間絶縁物２１１を形成し、さらに、画素電極２１２
をＩＴＯによって形成した。そして、コンタクトホール
を形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／
アルミニウム多層膜で電極２１３、２１４を形成し、こ
のうち一方の電極２１４はＩＴＯ２１２にも接続するよ
うにした。最後に、水素中で２００〜４００℃で２時間
アニールして、水素化をおこなった。このようにして、
ＴＦＴを完成した。この工程は、同時に他の多数の画素
領域においても同時に行われる。また、より耐湿性を向
上させるために、全面に窒化珪素等でパッシベーション
膜を形成してもよい。（図２（Ｅ））

【００４９】本実施例で作製したＴＦＴは、ソース領
域、チャネル形成領域、ドレイン領域を構成する活性層
として、キャリアの流れる方向に結晶成長させた結晶性
珪素膜を用いているので、結晶粒界をキャリアが横切る
ことがなく、即ちキャリアが針状の結晶の結晶粒界に沿
って移動することになるから、キャリアの移動度の高い
ＴＦＴを得ることができる。本実施例で作製したＴＦＴ
はＮチャネル型であり、その移動度は、９０〜１３０
（ｃｍ² ／Ｖｓ）であった。従来の６００℃、４８時間
の熱アニールによる結晶化によって得られた結晶珪素膜
を用いたＮチャネル型ＴＦＴに移動が、５０〜７０（ｃ
ｍ² ／Ｖｓ）であったことと比較すると、これは大きな
特性の向上である。さらに５５０℃のアニールによる結
晶化の工程の後に可視・近赤外光の照射によるアニール
を行わないと、概して移動度が低く、オンオフ比も低い
ものしか得られなかった。このことから、強光照射によ
る結晶化助長工程はＴＦＴの信頼性向上の上で有益であ
ることがわかった。

【００５０】〔実施例４〕図３を用いて、本実施例を説
明する。まずガラス基板３０１上に下地膜３０２を形成
し、さらに、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３００〜８
００Åの非晶質珪素膜３０４を成膜した。そして、厚さ
１０００Åの酸化珪素のマスク３０３を用いて３００で
示される領域にニッケル膜を実施例１と同様にして成膜
した。次に５５０℃、８時間の加熱アニールを行い、珪
素膜３０４の結晶化を行った。この際、矢印３０５で示
されるように、基板に対して平行な方向に結晶成長が進
行した。（図３（Ａ））

【００５１】次に、珪素膜３０４をパターニングして、
島状の活性層領域３０６および３０７を形成した。この
際、図３（Ａ）で３００で示された領域が、ニッケルが
直接導入された領域であり、ニッケルが高濃度に存在す
る領域である。また、実施例２および３で示したように
結晶成長の終点にも、やはりニッケルが高濃度に存在す
る。これらの領域は、その間の結晶化している領域に比
較してニッケルの濃度が１桁近く高いことが判明してい
る。したがって、本実施例においては、アクティ素子、
例えばＴＦＴを形成するための領域である活性層領域３
０６、３０７はこれらのニッケル濃度の高い領域を避け
てパターニングした。そして、Ｎｉの高濃度領域を意図
的に除去した。活性層のエッチングは垂直方向に異方性
を有するＲＩＥ法によって行った。本実施例の活性層中
でのニッケル濃度は、１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程
度であった。（図３（Ｂ））

【００５２】本実施例では、活性層３０６と３０７とを
利用して相補型に構成されたＴＦＴ回路を得る。すなわ
ち、本実施例の回路はＰＴＦＴとＮＴＦＴが分断されて
いる点で、実施例２の図１（Ｄ）に示す構成と異なる。
すなわち、図１（Ｄ）に示す構造においては、２つのＴ
ＦＴの活性層が連続してつながっており、その中間領域
においてニッケル濃度が高いが、本実施例では、どの部
分を取ってみてもニッケル濃度は低いという特色を有す
る。このため動作の安定性を高めることができる。

【００５３】次いで、厚さ２００〜３０００Åの厚さの
酸化珪素または窒化珪素膜３０８をプラズマＣＶＤ法に
よって形成した。そして、実施例２と同様に可視・近赤
外光のランプアニールをおこなった。条件は実施例３と
同じとした。本実施例では可視・近赤外光照射の際に、
酸化珪素または窒化珪素の保護膜が活性層の表面に形成
されており、このため、赤外光照射の際の表面の荒れや
汚染を防止することができた。（図３（Ｃ））

【００５４】可視・近赤外光照射後、保護膜３０８を除
去した。その後は実施例２と同様にゲイト絶縁膜３０
９、ゲイト電極３１０、３１１を形成（図３（Ｄ））
し、層間絶縁物３１２を形成して、これにコンタクトホ
ールを形成し、メタル配線３１３、３１４、３１５を形
成した。（図３（Ｅ））このようにして、相補型ＴＦＴ
回路を形成した。本実施例では可視・近赤外光照射の際
に活性層の表面に保護膜が形成されており、表面の荒れ
や汚染が防止される。このため、本実施例のＴＦＴの特
性（電界移動度やしきい値電圧）および信頼性は極めて
良好であった。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、基板上に形成された非
単結晶珪素膜を加熱アニールすることによって、結晶化
が助長された結晶性珪素膜ができ、当該結晶性珪素膜に
可視・近赤外等の赤外波長領域にピークを有する光を照
射する光アニールを追加して行うと、残された非晶質部
分および低度の結晶化部分をさらに助長せしめると同時
に、膜質を緻密化させることができ、良好な結晶性を有
した珪素膜を得ることができた。本発明によれば、珪素
膜上に絶縁膜を形成した後、赤外波長領域にピークを有
する光を照射することによってアニールを行うと、界面
準位を減らすことができた。また、これらの工程の後、
水素化アニールを水素雰囲気中、２００〜４５０℃での
処理により、不対結合手を除去・中和できた。本発明に
よれば、上記結晶性珪素膜を用いると、絶縁ゲイト型半
導体装置の形成に極めて効果がある。本発明によれば、
非単結晶珪素膜を島状にしてパターニングすると、基板
の表面積に比べて小さい面積となっているため、赤外波
長領域にピークを有する光の照射の際に生じる非単結晶
珪素膜と基板との熱膨張による影響を少なくしている。
本発明によれば、残された非晶質部分および低度の結晶
化部分を赤外波長領域にピークを有する光によって結晶
化を助長するため、短時間の照射で済み、基板と非単結
晶珪素膜とが剥離し難くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１および２のＴＦＴの作製工程を示
す。

【図２】実施例３のＴＦＴの作製工程を示す。

【図３】実施例４のＴＦＴの作製工程を示す。

【図４】実施例１によって得られたシリコン膜のラマ
ン散乱分光結果

【図５】実施例１の温度設定例を示す。

【符号の説明】

１０１ガラス基板１０２下地膜（酸化珪素膜）１０３マスク１０４珪素膜１０４’ 島状珪素膜（活性層）１０５結晶化の方向１０６ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）１０７ゲイト電極（アルミニウム）１０８陽極酸化層（酸化アルミニウム）１０９ゲイト電極１１０陽極酸化層１１１ソース（ドレイン）領域１１２チャネル形成領域１１３ドレイン（ソース）領域１１４ソース（ドレイン）領域１１５チャネル形成領域１１６ドレイン（ソース）領域１１７電極１１８層間絶縁物１１９電極１２０電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−82442（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−99347（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−181419（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−63017（ＪＰ，Ａ) 特開平５−62899（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に非単結晶珪素膜を形成する第１
の工程と、前記非単結晶珪素膜を加熱アニールによって結晶化させ
る第２の工程と、前記非単結晶珪素膜を島状にパターニングする第３の工
程と、赤外波長領域にピークを有する光の照射によって結晶化
を助長する第４の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】基板上に非単結晶珪素膜を形成する第１
の工程と、前記非単結晶珪素膜を加熱アニールによって結晶化させ
る第２の工程と、前記非単結晶珪素膜を島状にパターンニングする第３の
工程と、前記非単結晶珪素膜を覆って、赤外波長領域の光を透過
する絶縁性の被膜を形成する第４の工程と、赤外波長領域にピークを有する光の照射によって結晶化
を助長する第５の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】請求項１および請求項２において、前記
非単結晶珪素膜には結晶化を助長させる金属元素が含ま
れていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】請求項２において、絶縁性の被膜が窒化
珪素または酸化珪素を主成分とする膜であることを特徴
とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】基板上に非単結晶珪素膜を形成する第１
の工程と、前記非単結晶珪素膜に選択的に結晶化を助長させる金属
元素を添加する第２の工程と、前記非単結晶珪素膜を加熱アニールによって前記第２の
工程で金属元素が選択的に添加された領域の周囲を結晶
化させる第３の工程と、赤外波長領域にピークを有する光の照射によって結晶化
を助長する第４の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】請求項５において、水素雰囲気中、２０
０〜４５０℃での熱アニールをして、珪素の不対結合手
を中和する工程を有することを特徴とする半導体装置の
作製方法。