JP3192544B2 - 半導体基板の製造方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の製造方
法、および、ガラスなどの絶縁性基板上に設けられた薄
膜トランジスタ（以下ＴＦＴという）を用いた半導体装
置の製造方法、特に、アクティブマトリクス型の画像表
示装置やイメージセンサーなどに用いる半導体装置の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラスなどの絶縁性基板上にＴＦ
Ｔを有する半導体装置としては、これらのＴＦＴを画素
の駆動に用いるアクティブマトリクス型液晶表示装置や
イメージセンサーなどが知られている。これらの装置に
用いられるＴＦＴには、薄膜状のシリコン半導体を用い
るのが一般的である。この薄膜状のシリコン半導体とし
ては、非晶質シリコン半導体（ａ−Ｓｉ）から成るもの
と結晶性を有するシリコン半導体から成るものの２つに
大別される。この非晶質シリコン半導体は作成温度が低
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、導電性な
どの物性が結晶性を有するシリコン半導体に比べて劣る
ため、高速特性を得るためには結晶性を有するシリコン
半導体から成るＴＦＴの作製方法の確立が強く求められ
ていた。結晶性を有するシリコン半導体としては、多結
晶シリコン、微結晶シリコン、結晶成分を含む非晶質シ
リコン、結晶性と非晶質性の中間の状態を有するセミア
モルファスシリコンなどが知られている。これら結晶性
を有する薄膜状のシリコン半導体を得る方法としては、
次の（１）〜（３）に記載した方法が知られている。即
ち、（１）成膜時に結晶性を有する膜を成膜する方法、
（２）非晶質の半導体を成膜しておき、レーザー光のエ
ネルギーにより結晶性を有せしめる方法、（３）非晶質
の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えること
により結晶成を有せしめる方法である。

【０００３】しかしながら、（１）の方法では成膜工程
と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性シリコ
ンを得るにはシリコン膜の厚膜化が不可欠であり、良好
な半導体物性を有する膜を基板上全面に渡って均一に成
膜することが技術上困難である。また、成膜温度が６０
０℃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があった。また、（２）の方法では
熔融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径なが
ら粒界が良好に処理されて高品質な結晶性シリコン膜が
得られるが、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、まず、レーザー光の照射面積が
小さくスループットが低いという問題があり、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
が充分ではなく、次世代の技術という感が強い。（３）
の方法では（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、結晶化に際して６００
℃以上の高温にて数十時間にわたる加熱処理が必要であ
る。すなわち、安価なガラス基板の使用とスループット
の向上を考えると、加熱温度を下げ、さらに短時間で結
晶化させるという相反する問題点を同時に解決する必要
がある。また、（３）の方法では固相結晶化現象を利用
するため、結晶粒は基板面に平行に拡がり数μｍの粒径
を持つものさえ現れるが、成長した結晶粒同士がぶつか
り合って粒界が形成されるため、その粒界はキャリアに
対するトラップ準位として働き、ＴＦＴの移動度を低下
させる大きな原因となっている。

【０００４】そこで、上記のような様々な問題点を全て
解決するため、上記の（３）の方法において、結晶化に
必要な温度の低温化と処理時間の短縮を両立し、さらに
は、粒界の影響を最小限に留めた結晶性シリコン薄膜の
作製方法が特願平５−２１８１５６号公報で提案されて
いる。この方法では、結晶成長の核としてＮｉなどの不
純物金属元素を非晶質シリコン膜に導入することによ
り、結晶化初期の核生成速度と、その後の核成長速度が
飛躍的に向上され、従来考えられなかったような５８０
℃以下の温度において４時間程度の熱処理で十分な結晶
性が得られる。このメカニズムは現状では明らかではな
いが、不純物金属元素を核とした結晶核発生が早期に起
こり、その後、その不純物金属元素が触媒となって結晶
成長が急激に進行するものと推測している。また、基板
の一部に選択的に触媒元素を導入することにより、レー
ザー結晶化のように同一基板内に選択的に結晶性シリコ
ン膜と非晶質シリコン膜とを形成することが可能とな
る。さらに、その後、熱処理を継続させると、選択的に
触媒元素が導入され結晶化している部分から、その周辺
部の非晶質部分へと横方向（基板面に平行な方向）に結
晶成長部分（以下、ラテラル成長部という）が延びる現
象が起きる。このラテラル成長部では基板と平行に針状
または柱状の結晶が成長方向に沿って延びており、その
成長方向において結晶粒界が存在しない。したがって、
このラテラル成長部を利用してＴＦＴのチャネル部を形
成することにより、高性能なＴＦＴが実現可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した特願
平５−２１８１５６号公報の技術では、シリコン膜中に
触媒元素を導入する方法として、次の（ａ）〜（ｃ）の
方法が考えられる。即ち、（ａ）シリコン膜表面に直接
または選択注入用のマスクを形成した状態で、触媒元素
とシリコンの化合物膜または、触媒元素膜をスパッタ法
などによって成膜後、加熱してシリコン膜中に触媒元素
を拡散させる方法と、（ｂ）シリコン膜表面に直接また
は選択注入用のマスクを形成した状態で、触媒元素製電
極を有するプラズマチャンバー内でプラズマ処理を行う
ことにより、シリコン膜表面に触媒元素を堆積させた
後、加熱してシリコン膜中に触媒元素を拡散させる方法
と、（ｃ）シリコン膜表面に直接又は選択注入用のマス
クを形成した状態で、触媒元素をイオンドーピング法に
よりシリコン膜中に触媒元素を注入する方法などが提案
されている。

【０００６】また、真空装置を用いない簡便な方法とし
て、触媒元素を含有する溶液をスピンコートする方法が
考えられる。

【０００７】この触媒元素は上述のように非晶質シリコ
ン膜の多結晶化を促進する役割を果たすが、その反面、
触媒元素の注入濃度が高くなると、ＴＦＴを作成した場
合、オフ時のリーク電流が増大するというＴＦＴ特性の
劣化を招くことになる。また、基板全面に渡って均一な
注入が行われない状態で多結晶化を行った場合、結晶成
長が注入濃度に依存するため結晶成長に面内でバラツキ
が生じ、ＴＦＴを作成しても面内で特性にバラツキが生
じる。これは、特に、面内均一性を要求される液晶表示
装置などへの対応において重大な問題を生じる。

【０００８】このように、触媒元素の注入においては、
極微量の注入であること、大面積に渡って均一な注入量
制御が必要であることの２点が重要な要素である。これ
ら２つの観点から特願平５−２１８１５６号公報に例示
された注入法では、既存の装置を用いて触媒元素の半導
体膜中への導入を低濃度かつ均一制御性よく実行するの
は不可能である。

【０００９】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、多結晶化を促進する触媒元素の極微量の注入を可能
とし、かつ全面に渡って触媒元素の均一な注入を可能と
する半導体基板の製造方法および半導体装置の製造方法
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体基板の製
造方法は、絶縁性表面を有する基板または、絶縁膜で表
面を覆った基板上に非晶質半導体膜を堆積させる工程
と、該非晶質半導体膜の表面に、結晶化を助長する触媒
元素を含有する溶液を少なくとも１回のスピンコート法
により添加する第１の添加工程と、該非晶質半導体膜の
結晶化が始まる温度以下で加熱する第１の加熱工程と、
該非晶質半導体膜の表面に、再度結晶化を助長する触媒
元素を含有する溶液を少なくとも１回のスピンコート法
により添加する第２の添加工程と、該非晶質半導体膜の
結晶化が始まる温度以上で加熱する第２の加熱工程とを
有するものであり、そのことにより上記目的が達成され
る。

【００１１】また、好ましくは、本発明の半導体基板の
製造方法において、第１の加熱工程における加熱温度が
２００〜４８０℃の範囲である。

【００１２】さらに、好ましくは、本発明の半導体基板
の製造方法において、第２の加熱工程における加熱温度
が５５０〜５８０℃の範囲である。

【００１３】さらに、好ましくは、本発明の半導体基板
の製造方法において、第１の添加工程における触媒元素
の溶液中の濃度を、前記非晶質半導体膜の結晶化が始ま
らない程度の低濃度に設定する。

【００１４】さらに、本発明の半導体基板の製造方法
は、絶縁性表面を有する基板または、絶縁膜で表面を覆
った基板上に実質的な非晶質半導体膜を堆積させる工程
と、該非晶質半導体膜表面に、結晶化を助長する触媒元
素を含有する溶液を少なくとも１回のスピンコート法に
より添加する第１の添加工程と、該非晶質半導体膜の結
晶化が始まる温度以下で加熱する第１の加熱工程と、該
非晶質半導体膜表面に、再度結晶化を助長する触媒元素
を含有する溶液を少なくとも１回のスピンコート法によ
り添加する第２の添加工程と、該非晶質半導体膜の結晶
化が始まる温度以上で加熱する第２の加熱工程と、該多
結晶化した多結晶半導体膜を活性領域として利用して薄
膜トランジスタを形成する工程とを有するものであり、
そのことにより上記目的が達成される。

【００１５】

【作用】上記構成により、非結晶性半導体膜の表面に、
結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液を複数回のス
ピンコート法により微量添加し、基板全体を加熱処理す
るので、多結晶化を促進する触媒元素の極微量の注入が
可能となり、かつ全面に渡って触媒元素の均一な注入が
可能となる。このようにして得られた良質の多結晶半導
体膜の部分と非結晶性の部分とを、ブロッキング層の開
口部を介して選択的に作り込むことが可能となる。さら
に、この多結晶半導体膜を活性領域として利用して薄膜
トランジスタを形成すれば、オフ時にリーク電流が増大
するというＴＦＴ特性の劣化は防止され、また、結晶成
長の面内のバラツキによるＴＦＴ特性の面内のバラツキ
も防止される。

【００１６】また、非晶質半導体膜表面に触媒元素を含
有する溶液をスピンコート法により添加し、非晶質半導
体膜の結晶化が始まる温度以下で加熱することで、触媒
元素を充分に拡散させ、さらに、非晶質半導体膜表面に
触媒元素を含有する溶液をスピンコート法により添加
し、非晶質半導体膜の結晶化が始まる温度以上で加熱す
ることで結晶化させれば、より短期間で大きい結晶成長
距離を得ることができる。第１の添加工程における触媒
元素の溶液中の濃度を、結晶化が始まらない程度の低濃
度に設定し、第１の加熱工程における加熱温度が２００
〜４８０℃の範囲で設定すれば、触媒元素がより効率よ
く確実に拡散させることが可能となり、さらに、第２の
加熱工程における加熱温度が５５０〜５８０℃の範囲で
設定すれば、より良好に均一な結晶化がなされる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１８】本発明の半導体基板の製造方法は、触媒元
素を含有する溶液をスピンコート法により複数回微量添
加する点に特徴がある。まず、絶縁性表面を有する基板
または、絶縁膜で表面を覆った基板上に非晶質半導体膜
を堆積させる。この非晶質半導体膜の表面に、結晶化を
助長する触媒元素を含有する溶液を複数回のスピンコー
ト法により微量添加する。さらに、非晶質半導体膜を加
熱処理により多結晶化させて本発明の半導体基板を得
る。この半導体基板の多結晶半導体膜を活性領域として
利用して薄膜トランジスタを形成して半導体装置を得
る。このように、触媒元素を含有する溶液を複数回のス
ピンコート法により微量添加しているため、非晶質半導
体膜への触媒元素注入の低濃度化および均一な注入制御
を行うことができる。

【００１９】ここで、本発明の手法による触媒元素の非
晶質半導体膜中への低濃度および均一な注入について説
明する。

【００２０】図１は、スピンコートの処理回数と基板面
内のバラツキの関係を示すグラフである。この実験で
は、触媒元素としてＮｉを用い、スピンコート法により
添加する溶液中のＮｉ濃度は１００ｐｐｍとし、加熱処
理は５５０℃、加熱時間１６時間の条件で行った。スピ
ンコート法はＮｉを含んだ容液を塗布した後、まず、５
０〜１００ｒｐｍの低速回転で１０秒（ｓｅｃ）程度回
転させ、そのままの状態で１〜２分（ｍｉｎ）保持す
る。その後、２０００ｒｐｍの高速回転で１２０ｓｅｃ
程度回転させて乾燥させる方法を用いた。また、基板の
一部には選択的にＮｉを導入するための開口部を設けて
いる。本実験結果を次の表１および図１のグラフに示し
ている。

【００２１】

【表１】

【００２２】上記表１および図１のグラフから明らかな
ように、スピンコート処理回数を増やせば増やすほど基
板面内の触媒元素注入量のバラツキは小さくなり均一な
注入になる。このことは、スピンコート処理回数が１回
の処理ではバラツキが大きく、これは、開口部の隅々ま
でＮｉを添加することが難しく、例えば気泡が入り込む
可能性や開口部そのものの状態のバラツキなどもありＮ
ｉの添加量を制御することは難しく、局所的な結晶の成
長不足が生じたものと考えられる。また、スピンコート
処理回数を増やすと、このような問題点は改善され、触
媒元素注入量の均一性は向上する。また、スピンコート
処理回数に関しては、図１のグラフから２〜４回行うこ
とが望ましく、それ以上増やしてもあまり効果がないこ
とがわかる。

【００２３】以下、各具体例について説明する。

【００２４】（具体例１）図２は本発明の具体例１にお
ける多結晶半導体基板の製造方法を示し、ａ〜ｅはその
多結晶半導体基板を作成プロセス順に示した断面図であ
る。図２ａに示すように、例えばガラス基板などの絶縁
性表面を有する絶縁基板１の表面を洗浄後、この絶縁基
板１上に絶縁膜であるベースコート膜２として二酸化シ
リコンをスパッタリング装置を用いて厚さ１００ｎｍ程
度堆積させる。この絶縁基板１の大きさは１２７ｍｍ×
１２７ｍｍである。このベースコート膜２の必要膜厚
は、絶縁基板１の表面状態によって異なり、十分に平坦
でかつナトリウムイオンなどの半導体特性に悪影響を与
えるイオンの濃度が十分に低い基板であれば、ベースコ
ート膜２を省略することも可能であり、逆に、表面の状
態が傷や凹凸の激しいものであれば、上記の膜厚よりも
厚くベースコート膜２を堆積させる必要がある。次に、
図２ｂに示すように、ベースコート膜２上に化学的気相
成長法（ＣＶＤ法）やスパッタリング法を用いて実質的
な非晶質半導体膜としての非晶質シリコン膜３を１００
ｎｍ程度の厚さに堆積させる。さらに、この非晶質シリ
コン膜３上に、図２ｃに示すように、触媒元素を微量添
加するための酸化膜４を２ｎｍ程度過酸化水素水を用い
て形成する。その表面にＮｉイオンを１００ｐｐｍ含ん
だ溶液５をスピンコート法により２回処理して、非晶質
シリコン膜３の多結晶化を助長する触媒元素であるＮｉ
イオンのみを酸化膜４上に微量添加する。

【００２５】ここで、触媒元素としてＮｉを用いたが、
Ｎｉ以外にもＣｏ，Ｐｄ，Ｆｅなどのうちいずれか一つ
またはこれらの元素を複数組み合わせたものでもよい。
さらに、この酸化膜４は触媒元素を含んだ溶液をスピン
コートする際、溶液の濡れ性を向上させ、均一に触媒元
素を添加させる。この酸化膜４は、イソプロピルアルコ
ールなどアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）との濡れ性
の良い溶媒を用いる場合は不要である。また、溶媒は１
種類に限らず、１回目のスピンコートと２回目のスピン
コートで異なる溶媒を用いることも可能である。さら
に、スピンコート法はＮｉイオンを含んだ溶液を適量塗
布した後、まず、５０〜１００ｒｐｍの低速回転で１０
ｓｅｃ程度回転させ、そのままの状態で１〜２ｍｉｎ保
持する。その後、２０００ｒｐｍの高速回転で１２０ｓ
ｅｃ程度回転させ乾燥させる方法を用いた。

【００２６】さらに、図２ｃの状態で、基板全体を５５
０℃の温度で加熱処理すると、図２ｄの矢印６のよう
に、結晶化を助長する触媒元素を含んだ酸化膜４より非
晶質シリコン膜３中に触媒元素が拡散すると同時に、非
晶質シリコン膜３の多結晶化が進行する。加熱処理終了
後、触媒元素の堆積した酸化膜４を取り除くと、図２ｅ
に示すように、多結晶シリコン膜７を有した半導体基板
８が得られる。さらに、多結晶シリコン膜７を活性層と
して利用してＴＦＴを形成することができる。なお、こ
の後のＴＦＴの形成については特願平５−２１８１５６
号公報などに記載された手順によっても行うことができ
る。

【００２７】（具体例２）図３は本発明の具体例２にお
ける多結晶半導体基板の製造方法を示し、ａ〜ｇはその
多結晶半導体基板を作成プロセス順に示した断面図であ
る。図３ａに示すように、例えばガラス基板などの絶縁
基板１１の表面を洗浄後、ベースコート膜１２として二
酸化シリコンをスパッタリング装置を用いて厚さ１００
ｎｍ程度堆積させる。この絶縁基板１１の大きさは１２
７ｍｍ×１２７ｍｍである。このベースコート膜１２の
必要膜厚は、基板表面状態によって異なり、十分に平坦
でかつナトリウムイオンなどの半導体特性に悪影響を与
えるイオンの濃度が十分に低い基板であれば、省略する
ことも可能である。また、逆に、絶縁基板１１の表面の
状態が傷や凹凸の激しいものであれば、上記の膜厚より
も厚く堆積させる必要がある。

【００２８】このベースコート膜１２上に、図３ｂに示
すように、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）やスパッタリ
ング法を用いて非晶質シリコン膜１３を１００ｎｍ程度
の厚さに堆積させる。この後、図３ｃに示すように、非
晶質シリコン膜１３上に、非晶質シリコン膜１３の多結
晶化を助長する触媒元素の非晶質シリコン膜１３中への
拡散を防ぐためのブロッキング層、例えばＳｉＯ₂膜１
４をスパッタリング法などを用いて５０ｎｍ程度堆積さ
せる。このＳｉＯ₂膜１４は、特に、ＳｉＯ₂膜に限定さ
れるものではなく、触媒元素の非晶質シリコン膜１３中
への拡散を阻害するものであればよい。また、ＳｉＯ₂
膜１４の膜厚にも絶対的な条件はなく、後のプロセスで
ＳｉＯ₂膜１４を透過して触媒元素が非晶質シリコン膜
１３中へ拡散しない程度の膜厚があれば十分である。こ
の後、図３ｄに示すように、フォトリソグラフィーによ
って触媒元素を非晶質シリコン膜１３中へ選択的に導入
するための開口部１５をＳｉＯ₂膜１４に設ける。

【００２９】さらに、図３ｅに示すように、このＳｉＯ
₂膜１４上に酸化膜１６を２ｎｍ程度、過酸化水素水を
用いて形成し、その表面にＮｉイオンを１００ｐｐｍ含
んだ溶液をスピンコート法により３回処理して、非晶質
シリコン膜１３の多結晶化を助長するＮｉイオンのみを
酸化膜１６上に微量添加する。ここで、触媒元素として
Ｎｉを用いたが、Ｎｉ以外にもＣｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｆｅ
などのうちいずれか一つまたはこれらの元素を複数組み
合わせたものでもよい。また、この酸化膜１６は触媒元
素を含んだ溶液をスピンコートする際、溶液の濡れ性を
向上させ、均一に触媒元素を添加させるためのものであ
り、イソプロピルアルコールなどアモルファスシリコン
（ａ−Ｓｉ）との濡れ性の良い溶媒を用いる場合は不要
である。また、溶媒は１種類に限らず、１回目、２回目
さらに３回目のスピンコートで異なる溶媒を用いること
も可能である。さらに、スピンコート法はＮｉイオンを
含んだ溶液を適量塗布した後、まず、５０〜１００ｒｐ
ｍの低速回転で１０ｓｅｃ程度回転させ、そのままの状
態で１〜２ｍｉｎ保持する。その後、２０００ｒｐｍの
高速回転で１２０ｓｅｃ程度回転させて乾燥させる方法
を用いた。

【００３０】次に、図３ｅの状態で、基板全体を５５０
℃の温度で加熱処理すると、図３ｆの矢印１７のよう
に、結晶化を助長する触媒元素を含んだ酸化膜１６より
非晶質シリコン膜１３中に触媒元素が拡散すると同時
に、非晶質シリコン膜１３の多結晶化が進行する。この
加熱処理が終了後、非晶質シリコン膜１３の結晶化を助
長する触媒元素の非晶質シリコン膜１３中への拡散を防
ぐためのＳｉＯ₂膜１４と、触媒元素が堆積した酸化膜
１６を取り除くと、図３ｇに示すように、触媒元素の導
入結晶化領域１８の周辺に、多結晶化領域１９を有した
多結晶シリコン膜２０が得られ、この多結晶シリコン膜
２０を有した半導体基板２１が得られる。さらに、この
多結晶シリコン膜２０を活性層として利用してＴＦＴを
形成することができる。なお、この後のＴＦＴの形成に
ついては特願平５−２１８１５６号公報などに記載され
た手順によっても行うことができる。

【００３１】したがって、絶縁性表面を有する基板また
は、絶縁膜で表面を覆った基板上に非晶質半導体膜を堆
積させる工程と、結晶化を助長する触媒元素の拡散を防
ぐためのブロッキング層を非晶質半導体膜上に形成し、
ブロッキング層にフォトリソグラフィーにより開口部を
形成する工程と、開口部を介した該非晶質半導体膜の表
面に、触媒元素を含有する溶液を複数回のスピンコート
法により添加する工程と、非晶質半導体膜を加熱処理に
より多結晶化させる工程と、多結晶化した多結晶半導体
膜を活性領域として利用して薄膜トランジスタを形成す
る工程とを有することにより、触媒元素の極微量の注入
と、触媒元素の均一な注入が可能となる。この多結晶半
導体膜を活性領域として利用してＴＦＴを形成すれば、
低リーク電流でＴＦＴ特性のよいＴＦＴが得られる。ま
た、結晶成長の面内のバラツキによるＴＦＴ特性の面内
のバラツキも防止される。

【００３２】（具体例３）具体例３における多結晶半導
体基板の製造方法を作成プロセス順に説明する。図２ｂ
または図３ｄの状態のように形成されたシリコン膜上に
酸化膜を堆積させ、Ｎｉイオンを２５ｐｐｍ含んだ溶液
をスピンコートにより、まず２回処理し、非晶質シリコ
ン膜の多結晶化を助長するＮｉイオンのみを酸化膜上に
微量添加する。ここで、Ｎｉイオンを含有する溶液をま
ず添加する際、溶液中のＮｉ濃度を非晶質シリコン膜の
結晶化が始まらない程度の２５ｐｐｍとしたのは、Ｎｉ
イオンの導入結晶化領域以外での結晶核の発生および結
晶成長を避けるためである。次に、基板全体を４５０℃
の温度で１回加熱処理すると、結晶化を助長するＮｉイ
オンが拡散し、結晶成長先端部のＮｉイオンの不足して
いる部分が補われる。ここで触媒元素としてＮｉを用い
たが、Ｎｉ以外にもＣｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｆｅなどのうち
いずれか一つまたはこれらの元素を複数組み合わせたも
のでもよい。さらに、酸化膜は触媒元素を含んだ溶液を
スピンコートする際、溶液の濡れ性を向上させ、均一に
触媒元素を添加させるためのものであり、イソプロピル
アルコールなどアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）との
濡れ性良い溶液の場合は不要である。さらに、もう１回
今度はＮｉイオンを１００ｐｐｍ含んだ溶液をスピンコ
ート法により１回処理し、非晶質シリコン膜の多結晶化
を助長するＮｉイオンのみを微量添加させ、基板全体を
５５０℃の温度で再度加熱処理すると、多結晶化が基板
面に対して概略平行な方向により進行して行く。ここ
で、１回目の加熱処理はあくまでＮｉイオンを拡散させ
ることが目的であり、２回目の加熱処理は結晶化させる
ことが目的である。即ち、１回目の加熱処理で結晶化が
起こるとそれ以降のＮｉイオンの添加及び加熱は処理を
行っても無駄になる。したがって、１回目の加熱温度は
２００〜４８０℃の結晶化が始まる温度以下にする必要
があり、２回目の加熱温度は４８０℃から５８０℃の結
晶化が始まる温度以上にする必要がある。この加熱処理
が終了後、非晶質シリコン膜の結晶化を助長する触媒元
素の非晶質シリコン膜中への拡散を防ぐための膜及び、
触媒元素の堆積した酸化膜を取り除くと、多結晶シリコ
ン膜が現れる。さらに、この多結晶シリコン膜を活性層
として利用してＴＦＴを形成することができる。なお、
この後のＴＦＴの形成については特願平５−２１８１５
６号公報などに記載された手順によっても行うことがで
きる。

【００３３】図４は加熱処理の時間と多結晶化の成長距
離の関係を示すグラフである。この実験においても、触
媒元素としてＮｉを用い、スピンコート法も上述したも
のと同じ方法である。図４の実線は処理法Ａを示し、Ｎ
ｉイオンを１００ｐｐｍ含んだ溶液を１回のスピンコー
ト法により添加し、５５０℃で加熱処理を行った場合の
結果である。また、破線は上記具体例３と同じ処理法Ｂ
を示し、Ｎｉイオンを２５ｐｐｍ含んだ溶液をまず２回
のスピンコート法により添加した後、４５０℃で１回目
の加熱処理を行い、さらにＮｉイオンを１００ｐｐｍ含
んだ溶液をもう１回スピンコート法により添加し、５５
０℃で加熱処理を行った場合の結果である。ここで、Ｎ
ｉを含有する溶液を、まず第１回目に塗布する際、Ｎｉ
の導入結晶化領域以外での結晶核の発生および結晶成長
を避けるため、溶液中のＮｉ濃度を非晶質半導体膜の結
晶化が始まらない程度の２５ｐｐｍとしている。また、
１回目の加熱処理はあくまでＮｉイオンを拡散させるこ
とが目的であり、２回目の加熱処理は結晶化させること
が目的である。即ち、１回目の加熱処理で結晶化が起こ
るとそれ以降のＮｉイオンの添加及び加熱は処理を行っ
ても無駄になる。したがって、１回目の加熱温度は２０
０〜４８０℃の結晶化が始まる温度以下にする必要があ
り、２回目の加熱温度は４８０〜５８０℃の結晶化が始
まる温度以上にする必要がある。本実験結果を表２に示
す。

【００３４】

【表２】

【００３５】上記表２および図４のグラフから明らかな
ように、処理法Ａではある一定の加熱時間以上は多結晶
化の成長距離が飽和する傾向にある。一方、処理法Ｂで
は、成長距離は飽和することなく伸びる傾向にある。こ
こで、本実験結果について図５を用いて説明すると、ま
ず、処理法Ａの場合は、図５ａのような結晶成長である
のに対して、処理法Ｂの場合は図５ｂのような結晶成長
である。これは複数回の処理により添加されるＮｉイオ
ンが非晶質半導体膜中を拡散し、成長先端部のＮｉイオ
ンの不足している部分を補うことになる。よって、基板
面に概略平行な結晶化がより進行するものと考えられ
る。

【００３６】以上のように本発明の手法を用いて、非晶
質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素の非晶質半導体
膜中への導入を行うと、触媒元素の低濃度化および均一
な注入制御を行うことができる。このため、本発明の手
法で作成した多結晶半導体膜を用いた場合、高い移動度
と高いオン／オフ比を有する高性能ＴＦＴの作成が最高
プロセス温度５５０℃程度の低温で実現できる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明の請求項１によれ
ば、最高プロセス温度を５５０℃程度に抑えることがで
き、また、結晶化膜中の結晶化を助長する触媒元素の低
濃度化管理を厳密に行うことができ、さらに、結晶成長
の均一性を向上させることができる。

【００３８】また、請求項２によれば、請求項１の良質
の多結晶半導体膜の部分と非結晶性の部分とを、ブロッ
キング層の開口部を介して選択的に作り込むことができ
る。さらに、請求項３によれば、請求項１の効果に加え
て、良質の本発明の手法で製造された結晶化シリコン基
板を用いると、オン・オフ比が大きく、低リーク電流、
高移動度のＴＦＴを得ることができる。

【００３９】さらに、請求項４によれば、請求項１の効
果に加えて、触媒元素を充分に拡散させる工程と結晶化
させる工程を分けているため、触媒元素の拡散が充分で
より短期間で大きい結晶成長距離を得ることができる。

【００４０】さらに、請求項５，７によれば、請求項
１，４の効果に加えて、第１の添加工程における触媒元
素の溶液中の濃度を、結晶化が始まらない程度の低濃度
に設定し、第１の加熱工程における加熱温度を２００〜
４８０℃の範囲で設定すれば、触媒元素がより効率よく
確実に拡散させることができる。

【００４１】さらに、請求項６によれば、請求項１，４
の効果に加えて、第２の加熱工程における加熱温度が５
５０〜５８０℃の範囲に設定すれば、より良好に均一な
結晶化がなされる。

【００４２】さらに、請求項８によれば、請求項１、４
の効果に加えて、良質の本発明の手法で製造された結晶
化シリコン基板を用いると、オン・オフ比が大きく、低
リーク電流、高移動度のＴＦＴを得ることができる。

【００４３】このように、プロセスでの最高温度を５５
０℃程度に抑えることが可能であるため、近年、量産化
が実現し始めている歪み点６５０℃程度の板ガラスを基
板として利用できることから、直視タイプのドライバー
モノリシック型大画面液晶表示装置の量産も実現可能と
なる。また、均一に結晶成長距離を制御することが可能
であることから、同一基板上に異なった導電特性を有す
るＴＦＴを同時に作成することが可能であり、例えばア
クティブマトリクス型ＴＦＴ−ＬＣＤを作成する場合、
大きな移動度が要求される周辺駆動回路部分を構成する
ＴＦＴには、その動作時のキャリアの移動方向が、この
結晶性ケイ素膜の結晶成長方向と平行な方向になるよう
にし、リーク電流を小さく抑える必要がある画素部分の
ＴＦＴには、その動作時のキャリアの移動方向が、この
結晶性ケイ素膜の結晶成長方向と垂直な方向になるよう
にすることにより、各部により適した特性を有するＴＦ
Ｔの配置が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における、スピンコートの処理
回数と基板面内の結晶成長距離のバラツキの関係を示す
グラフである。

【図２】本発明の具体例１における多結晶半導体基板の
製造方法を示し、ａ〜ｅはその多結晶半導体基板を作成
プロセス順に示した断面図である。

【図３】本発明の具体例２における多結晶半導体基板の
製造方法を示し、ａ〜ｇはその多結晶半導体基板を作成
プロセス順に示した断面図である。

【図４】比較例と具体例２を比較した場合の加熱処理の
時間と多結晶化の成長距離の関係を示すグラフである。

【図５】本発明の特徴の一つである多結晶化の成長過程
を示した模式図である。

【符号の説明】

１、１１ 絶縁膜 ２、１２ ベースコート膜 ３、１３ 非晶質シリコン膜 ４、１６ 酸化膜 ５ Ｎｉイオンを含む溶液 ７、２０ 多結晶シリコン膜 ８、２１ 半導体基板 １４ ＳｉＯ₂膜 １５ 開口部 １８ 触媒元素の導入結晶化領域 １９ 多結晶化領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−183540（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−183538（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性表面を有する基板または、絶縁膜
   で表面を覆った基板上に非晶質半導体膜を堆積させる工
   程と、 該非晶質半導体膜の表面に、結晶化を助長する触媒元素
   を含有する溶液を少なくとも１回のスピンコート法によ
   り添加する第１の添加工程と、 該非晶質半導体膜の結晶化が始まる温度以下で加熱する
   第１の加熱工程と、 該非晶質半導体膜の表面に、再度結晶化を助長する触媒
   元素を含有する溶液を少なくとも１回のスピンコート法
   により添加する第２の添加工程と、 該非晶質半導体膜の結晶化が始まる温度以上で加熱する
   第２の加熱工程とを有する 半導体基板の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第１の加熱工程における加熱温度が
   ２００〜４８０℃の範囲である請求項１記載の半導体基
   板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第２の加熱工程における加熱温度が
   ５５０〜５８０℃の範囲である請求項１記載の半導体基
   板の製造方法。
4. 【請求項４】 前記第１の添加工程における触媒元素の
   溶液中の濃度を、前記非晶質半導体膜の結晶化が始まら
   ない程度の低濃度に設定する請求項１記載の半導体基板
   の製造方法。
5. 【請求項５】 絶縁性表面を有する基板または、絶縁膜
   で表面を覆った基板上に実質的な非晶質半導体膜を堆積
   させる工程と、 該非晶質半導体膜表面に、結晶化を助長する触媒元素を
   含有する溶液を少なくとも１回のスピンコート法により
   添加する第１の添加工程と、 該非晶質半導体膜の結晶化が始まる温度以下で加熱する
   第１の加熱工程と、 該非晶質半導体膜表面に、再度結晶化を助長する触媒元
   素を含有する溶液を少なくとも１回のスピンコート法に
   より添加する第２の添加工程と、 該非晶質半導体膜の結晶化が始まる温度以上で加熱する
   第２の加熱工程と、 該多結晶化した多結晶半導体膜を活性領域として利用し
   て薄膜トランジスタを形成する工程とを有する 半導体装
   置の製造方法。