JP3238684B2

JP3238684B2 - 半導体回路の作製方法

Info

Publication number: JP3238684B2
Application number: JP22291399A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎; 聡寺本
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2001-12-17
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: JP2000077674A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が利用できる技術分野】本明細書で開示する発明
は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を複数個有する半導体
回路に関するものである。本明細書で開示する発明によ
って作製される薄膜トランジスタは、ガラス等の絶縁基
板上、単結晶シリコン等の半導体基板上、いずれにも形
成される。特に本明細書で開示する発明は、モノリシッ
ク型アクティブマトリクス回路（液晶ディスプレー等に
使用される）のように、低速動作のマトリクス回路と、
それを駆動する高速動作の周辺回路を有する半導体回路
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、絶縁基板上に、薄膜状の活性層
（活性領域ともいう）を有する絶縁ゲイト型の半導体装
置の研究がなされている。特に、薄膜状の絶縁ゲイト型
トランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が
熱心に研究されている。これらは、透明な絶縁基板上に
形成され、マトリクス構造を有する液晶等の表示装置に
おいて、各画素の制御用に利用することや駆動回路に利
用される。

【０００３】薄膜トランジスタを構成する薄膜半導体と
しては、アモルファスシリコン半導体やアモルファスシ
リコン半導体を加熱やレーザー光の照射によって結晶化
させた結晶性シリコンがある。これらアモルファスシリ
コン薄膜や結晶性シリコン薄膜を用いた薄膜トランジス
タは、アモルファスシリコンＴＦＴや結晶性シリコンＴ
ＦＴと称される。

【０００４】一般にアモルファス状態の半導体の電界移
動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるＴＦ
Ｔには利用できない。そこで、最近では、より高性能な
回路を作製するため結晶性シリコンＴＦＴの研究・開発
が進められている。

【０００５】結晶半導体は、アモルファス半導体よりも
電界移動度が大きく、したがって、高速動作が可能であ
る。結晶性シリコンでは、ＮＭＯＳのＴＦＴだけでな
く、ＰＭＯＳのＴＦＴも同様に得られるのでＣＭＯＳ回
路を形成することが可能で、例えば、アクティブマトリ
クス方式の液晶表示装置においては、アクティブマトリ
クス部分のみならず、周辺回路（ドライバー等）をもＣ
ＭＯＳの結晶性ＴＦＴで構成する、いわゆるモノリシッ
ク構造を有するものが知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図３には、液晶ディス
プレーに用いられるモノリシックアクティブマトリクス
回路のブロック図を示す。図３に示す構造においては、
基板７上に周辺ドライバー回路として、列デコーダー
１、行デコーダー２が設けられ、また、多数の画素ばマ
トリクス状に配置されたマトリクス領域３にはトランジ
スタとキャパシタからなる画素回路４が多数形成され、
マトリクス領域と周辺回路とは、配線５、６によって接
続されている。周辺回路に用いるＴＦＴは高速動作が、
また、画素回路に用いるＴＦＴは低リーク電流が要求さ
れる。それらの特性は物理的に矛盾するものであるが、
同一基板上に同時に形成することが求められている。

【０００７】しかしながら、同一プロセスで作製したＴ
ＦＴは全て同じ様な特性を示す。例えば、結晶シリコン
を得るにはレーザーによる結晶化（レーザーアニール）
という手段を使用することができるが、レーザー結晶化
によって結晶化したシリコンでは、マトリクス領域のＴ
ＦＴも周辺駆動回路領域のＴＦＴも同じ様な特性となっ
てしまう。従って、画素回路に要求される低リーク電流
特性と、周辺駆動回路に要求される高移動度特性という
事項を両立させることは困難であった。本発明はこのよ
うな困難な課題に対して解答を与えんとするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者の研究の結果、
実質的にアモルファス状態のシリコン被膜に微量の金属
材料を添加することによって結晶化を促進させ、結晶化
温度を低下させ、結晶化時間を短縮できることが明らか
になった。触媒材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒ
ｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ
から選ばれた一種または複数種類の元素、さらにはこれ
らの元素の化合物（例えば珪化物）を用いることができ
る。

【０００９】具体的には、これらの金属元素を有する被
膜、粒子、クラスター等をアモルファスシリコンに密着
させ、あるいはイオン注入法等の方法によってアモルフ
ァスシリコン膜中にこれらの触媒元素を導入し、その
後、これを適当な温度、例えば５５０℃以下の温度で４
時間程度の加熱処理を行うことで、結晶化させることが
できる。

【００１０】当然のことであるが、アニール温度が高い
ほど結晶化時間は短いという関係がある。また、金属元
素の濃度が大きいほど結晶化温度が低く、結晶化時間が
短いという関係がある。本発明人の研究では、熱平衡的
に結晶化を進行させるには、これらのうちの少なくとも
１つの元素の濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3存在することが必
要であることが判明している。またその濃度が５×１０
¹⁹ｃｍ^-3以上となると、半導体材料としての物性が損な
われてしまい、好ましくないことも判明している。即
ち、珪素の結晶化を助長する金属元素の濃度は、１×１
０¹⁶ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度とすることが好ま
しいことが判明している。また上記金属元素の中で、ニ
ッケルを用いることが最も効果的であることも判明して
いる。なお、本明細書中における不純物濃度は、ＳＩＭ
Ｓ（２次イオン分析法）で計測される最小値として定義
される。

【００１１】また、アモルファスシリコン膜にレーザー
光を照射して結晶化を行わせ結晶性シリコン薄膜を得る
方法において、レーザー光の照射時に試料を４５０℃以
上の温度で加熱することによって、粒径の大きなドメイ
ン（モノドメイン領域と称する）を得られることが判明
している。このモノドメイン領域は、内部が単結晶と見
なせる結晶構造を有している。

【００１２】モノドメインは、その内部に結晶粒界が存
在していない。また単結晶シリコンウエハーとは異な
り、内部に中和されるべき点欠陥を有している。そし
て、この点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元
素を１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０ ²⁰ｃｍ^-3の濃度で含有
している。

【００１３】上記モノドメイン領域を形成する出発膜に
前述のニッケル等の金属元素を導入した場合、より欠陥
の密度が小さいモノドメイン領域を得ることができる。
この金属元素を導入することにより形成したモノドメイ
ン領域を利用して薄膜トランジスタを作製した場合、よ
り高移動度を有し、より大きなＯＮ電流を流すことがで
きる薄膜トランジスタを得ることができる。

【００１４】本明細書で開示する発明では、上記の珪素
の結晶化を助長する金属元素による作用を利用して、同
一基板上に選択的に異なる特性を有する薄膜トランジス
タを作製することを特徴とする。即ち、アモルファスシ
リコン膜を形成して、一部に選択的に触媒元素を有する
材料を密着させ、あるいは混入させ、ついで試料を４５
０℃〜７５０℃の温度、好ましくは４５０℃〜６００℃
の温度に加熱した状態において、全面にレーザー光もし
くはそれと同等な強光を照射すること、あるいは全面に
レーザーもしくはそれと同等な強光を走査させることに
よって、電気的特性の異なるモノドメイン領域を同一基
板上に形成し、この作り分けられたモノドメイン領域を
利用して必要とする特性を有する薄膜トランジスタを必
要とする領域に形成する。

【００１５】また、導入する金属元素の濃度を異ならせ
ることにより、電気的な特性の異なるモノドメイン領域
を選択的に形成し、これらモノドメイン領域を用いて異
なる特性を有する薄膜トランジスタを同一基板に作り分
けることもできる。

【００１６】なお、レーザー光または強光を照射する際
に試料を４５０℃〜７５０℃、ガラス基板の耐熱性を考
慮した場合には、４５０℃〜６００℃の温度で試料を加
熱することが非常に重要である。

【００１７】またモノドメイン領域を形成するためのレ
ーザー光または強光の照射の前または後に加熱処理を加
えることは効果的である。レーザー光の照射の前に加熱
処理を加えた場合、レーザー光の照射の際における結晶
成長の核を形成することができる。またレーザー光の照
射の後に加熱処理を行うと、膜中の欠陥を減少させるこ
とができる。またレーザー光の照射の前とレーザー光の
照射の後に加熱処理を行うと、上記２つの効果を得るこ
とができる。即ち、結晶核の形成と膜中に欠陥の減少と
を実現することができる。

【００１８】以下に本明細で開示する発明を示す。本明
細書で開示する主要な発明の一つは、基板上に形成され
たモノリシックアクティブマトリクス回路において、周
辺駆動回路を構成する少なくとも一部の薄膜トランジス
タの活性領域には１×１０¹⁶〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度
でシリコンの結晶化を助長する金属元素が添加されてお
り、マトリクス領域の薄膜トランジスタの活性領域には
前記金属元素が添加されておらず、前記周辺駆動回路を
構成する少なくとも一部の薄膜トランジスタのチャネル
形成領域と前記マトリクス領域の薄膜トランジスタのチ
ャンネル形成領域とはモノドメイン構造を有する薄膜シ
リコン半導体膜で構成されていることを特徴とする。

【００１９】上記構成において、「基板上に形成された
モノリシックアクティブマトリクス回路」としては、図
３に示す構成を挙げることができる。また「周辺駆動回
路を構成する少なくとも一部の薄膜トランジスタ」とし
ては、図３の周辺駆動回路１および２を構成する薄膜ト
ランジスタを挙げることができる。また「薄膜トランジ
スタの活性領域」としては、図１（Ｃ）の１４２〜１４
３で示されるような、薄膜トランジスタのソース領域、
ドレイン領域、チャネル形成領域を有する領域を挙げる
ことができる。この活性領域中には、オフセットゲイト
領域やライトドープ領域が含まれていてもよい。

【００２０】また「マトリクス領域」の例としては、図
３の３で示される領域を挙げることができる。このマト
リクス領域は、マトリクス状に配置された複数の画素
（一般に数百万に達する）が配置されている領域であ
る。また「チャンネル形成領域がモノドメイン構造を有
する薄膜シリコン半導体膜で構成されている」という構
成としては、図１に示す例を挙げることができる。即
ち、図１に示す構成においては、モノドメイン領域１２
１〜１２３の中に各薄膜トランジスタの活性領域１４１
〜１４３が形成されている。

【００２１】なお周辺駆動回路に配置される薄膜トラン
ジスタの全てに高移動度、高速動作、大きなＯＮ電流を
流せる構成が要求されるとは限らない。周辺駆動回路と
して図６（Ａ）または図６（Ｂ）に示すようなインバー
タ回路を利用した場合、Ｎチャネル型薄膜トランジスタ
６０１と６０３とは、負荷抵抗として機能するので、必
ずしも高移動度、高速動作、大きなＯＮ電流を流せる構
成が要求されない。

【００２２】図６（Ａ）に示すのは、負荷として機能す
るＮ型の薄膜トランジスタ６０１としてデプレッション
型を用い、Ｎ型の薄膜トランジスタ６０２としてエハン
スメント型を用いた場合のインバータの基本的な構成を
示す。また図６（Ｂ）に示すのは、負荷として機能する
Ｎ型の薄膜トランジスタ６０３としてエハンスメント型
を用い、Ｎ型の薄膜トランジスタ６０２としもエハンス
メント型を用いた場合のインバータの基本的な構成を示
す。

【００２３】このような場合は、薄膜トランジスタ６０
１や６０３の活性領域を結晶化を助長する金属元素を用
いて構成する必要は必ずしもない。また、薄膜トランジ
スタ６０１や６０３の活性領域をモノドメイン構造とす
る必要も必ずしもない。

【００２４】従って、このような場合には、本明細書で
開示する発明における「周辺駆動回路を構成する少なく
も一部の薄膜トランジスタ」としては、図６（Ａ）また
は図６（Ｂ）における６０２や６０４で示される薄膜ト
ランジスタが該当することになる。

【００２５】他の発明の構成は、基板上に形成されたモ
ノリシックアクティブマトリクス回路において、周辺駆
動回路を構成する少なくとも一部の薄膜トランジスタの
活性領域には１×１０¹⁶〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でシ
リコンの結晶化を助長する金属元素が添加されており、
マトリクス領域の薄膜トランジスタの活性領域には前記
金属元素が添加されておらず、前記周辺駆動回路を構成
する少なくとも一部の薄膜トランジスタの活性領域と前
記マトリクス領域の薄膜トランジスタの活性領域とはモ
ノドメイン構造を有する薄膜シリコン半導体膜で構成さ
れていることを特徴とする。

【００２６】他の発明の構成は、基板上に形成されたモ
ノリシックアクティブマトリクス回路において、周辺駆
動回路を構成する少なくとも一部の薄膜トランジスタの
活性領域は１×１０¹⁶〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でシリ
コンの結晶化を助長する金属元素が添加されており、前
記周辺駆動回路を構成する少なくとも一部の薄膜トラン
ジスタの活性領域中における前記金属元素の濃度と前記
マトリクス領域の薄膜トランジスタの活性領域中におけ
る前記金属元素の濃度とは異なっており、前記活性領域
はモノドメイン構造を有する薄膜シリコン半導体膜で構
成されていることを特徴とする。

【００２７】上記構成は、結晶化を助長する金属元素の
添加量（導入量）を変化させることによって、得られる
モノドメイン領域の電気特性を制御することを特徴とす
る。前述したように、周辺駆動回路領域において要求さ
れる薄膜トランジスタの特性とマトリクス領域において
要求される薄膜トランジスタの特性は異なる。即ち、周
辺駆動回路領域いおいては、他の特性を犠牲にしても高
移動度を有し大きなＯＮ電流を流す特性、そして高速動
作が要求される。一方、マトリクス領域においては、他
の特性を犠牲にしても、ＯＦＦ電流の小さな薄膜トラン
ジスタが必要とされる。一般に大きなＯＮ電流を流すこ
とのできる構成を実現した場合、ＯＦＦ電流もまた増大
してしまう。

【００２８】そこで、上記構成においては、周辺駆動回
路領域に配置される薄膜トランジスタを構成する薄膜珪
素半導体は、結晶化を助長する金属元素の導入量を多く
し、より結晶性が高くなるようにする。そして、より大
きなＯＮ電流を流すできる薄膜トランジスタを構成す
る。

【００２９】一方、マトリクス領域においては、結晶化
を助長する金属元素の導入量を少なくし、活性領域の結
晶性は劣る（欠陥密度が相対的に多くなる）が、ＯＦＦ
電流を小さくすることができる薄膜トランジスタを得
る。

【００３０】他の発明の構成は、基板上に形成されたモ
ノリシックアクティブマトリクス回路において、周辺駆
動回路を構成する少なくとも一部の薄膜トランジスタの
活性領域には１×１０¹⁶〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度のシ
リコンの結晶化を助長する金属元素が添加されており、
前記周辺駆動回路を構成する少なくとも一部の薄膜トラ
ンジスタの活性領域中における前記金属元素の濃度は、
前記マトリクス回路の薄膜トランジスタの活性層中にお
ける前記金属元素の濃度に比較して多く、前記活性領域
はモノドメイン構造を有する薄膜シリコン半導体膜で構
成されていることを特徴とする。

【００３１】他の発明の構成は、基板上に形成されたモ
ノリシックアクティブマトリクス回路において、周辺駆
動回路を構成する少なくとも一部の薄膜トランジスタの
活性領域には１×１０¹⁶〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でシ
リコンの結晶化を助長する金属元素が添加されており、
マトリクス領域の薄膜トランジスタの活性領域には前記
金属元素が添加されておらず、前記周辺駆動回路を構成
する少なくとも一部の薄膜トランジスタの活性領域はモ
ノドメイン構造を有し、前記マトリクス領域の薄膜トラ
ンジスタは結晶性を有する薄膜シリコン半導体膜で構成
されていることを特徴とする。

【００３２】上記構成は、マトリクス領域の薄膜トラン
ジスタをレーザー光の照射や加熱処理によって得られる
結晶性を有するシリコン半導体薄膜で構成したことを特
徴とする。マトリクス領域の薄膜トランジスタは、高移
動度や高速動作が期待されないので、従来より公知の結
晶性を有するシリコン半導体膜を用いた薄膜トランジス
タで構成することができる。

【００３３】

【作用】珪素の結晶化を助長する金属元素の少ない領域
をアクティブマトリクス回路の画素回路等の低ＯＦＦ電
流を有するＴＦＴに用い、金属元素の多い領域を周辺駆
動回路等の高速ＴＦＴとして用いることによって、低Ｏ
ＦＦ電流と高速動作という矛盾するトランジスタを有す
る回路を同一基板上に同時に形成することができる。

【００３４】

【実施例】〔実施例１〕本実施例では、シリコンの結晶
化を助長する金属元素をアモルファスシリコン膜に対し
て選択的に導入することによって、選択的に異なる特性
を有する薄膜トランジスタを作製する。特に、本実施例
は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の画素領域
に配置される薄膜トランジスタを金属元素の導入無しで
形成し、また周辺回路を構成する薄膜トランジスタを金
属元素の導入によって形成することを特徴とする。

【００３５】図１に本実施例の作製工程の断面図を示
す。図１に示す構成においては、図面左側の２つの薄膜
トランジスタが周辺駆動回路（図３の１および２に対応
する）に配置される薄膜トランジスタを示し、図面右側
の１つの薄膜トランジスタがマトリクス領域（図３の３
に対応する）に配置される薄膜トランジスタを示す。

【００３６】まず、基板（コーニング７０５９）１０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１１を形成する。さらに、プラズマＣＶＤ法ま
たは減圧熱ＣＶＤ法により、厚さ５００〜１５００Å、
例えば５００Åの真性（Ｉ型）のアモルファスシリコン
膜１２を堆積する。さらに連続して、スパッタリング法
によって、ニッケルを１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で含む極
薄いシリコン膜（厚さ５〜２００Å、例えば５０Å）１
３を図に示すように選択的に形成する。このシリコン膜
１３を選択的に形成するには、スパッタリング法とリフ
トオフ法を用いればよい。こうして、ニッケル元素が非
晶質珪素膜に対して選択的に導入された状態が実現され
る。（図１（Ａ））

【００３７】ここでは、ニッケルを含んだシリコン膜を
用いて、ニッケル元素を導入する例を示したが、例えば
アモルファスシリコン膜の表面にニッケルを含んだ溶液
（酢酸塩ニッケル塩溶液等が利用できる）を塗布するこ
とによって、アモルファスシリコン膜にニッケルを導入
する方法等を利用してもよい。

【００３８】次に、アモルファスシリコン膜１２の全面
にレーザー光を照射して、図１（Ｂ）に示すようにアモ
ルファスシリコン膜１２の結晶化を行う。ここではレー
ザー光としてＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎ
ｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いる。またレーザー光
の照射の際に、試料を５５０℃の温度に加熱する。試料
の加熱方法は、基板を保持する基板ホルダー内に発熱体
を配置し、この基板ホルダーを加熱することによって試
料を加熱する方法、試料に赤外線を照射して、試料を加
熱する方法、等を挙げることができる。

【００３９】レーザー光としては、例えば、ＸｅＦエキ
シマーレーザー（波長３５３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマ
ーレーザー（波長３０８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマーレー
ザー（波長１９３ｎｍ）等を用いてもよい。レーザーの
エネルギー密度は、２００〜５００ｍＪ／ｃｍ²、例え
ば３５０ｍＪ／ｃｍ²とし、１か所につき２〜１０ショ
ット、例えば２ショット照射とすればよい。

【００４０】上記レーザー光の照射を行うことによっ
て、アモルファスシリコン膜を全面的に結晶化させるこ
とができる。この結晶化の際に多数のモノドメイン領域
が形成される。この結晶化によって形成された多数のモ
ノドメイン領域は、図１において１２１〜１２３で示さ
れる。

【００４１】１２１と１２２で示されるモノドメイン領
域と１２３で示されるモノドメイン領域とは、互いに多
少異なったものとなる。即ち、１２１と１２２の領域に
おけるものは、ニッケルの作用により欠陥の少ないより
単結晶シリコンに近いものとなり、１２３におけるもの
は、欠陥の存在が相対的に多いものとなる。なお、それ
ぞれのモノドメイン領域は、結晶粒界１００を介してお
互いに隣合って存在している。

【００４２】図１（Ｂ）に示す状態を上面からみた様子
を図５（Ａ）に示す。図５（Ａ）には、モノドメイン領
域１２１〜１２３が示されている。このようにして得ら
れたシリコン膜をフォトリソグラフィー法によってパタ
ーニングし、活性層となる島状シリコン領域１４１と１
４２（周辺駆動回路領域）および１４３（マトリクス領
域）を形成する。ここで注意しなければならのは、モノ
ドメイン領域内中に少なくもチャネル形成領域が形成さ
れるようにすることである。またできることならば、各
薄膜トランジスタを構成する活性層を一つのモノドメイ
ン領域で構成することが望ましい。

【００４３】モノドメイン領域と活性層となる島状シリ
コン領域との位置関係を図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）
に示すように、活性層を構成する島状シリコン領域１４
１〜１４３は、各モノドメイン領域１２１〜１２３の概
略の内部に構成されている。さらに、スパッタリング法
によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜１５をゲイト絶縁
膜として堆積する。スパッタリングには、ターゲットと
して酸化珪素を用い、スパッタリング時の基板温度は２
００〜４００℃、例えば３５０℃、スパッタリング雰囲
気は酸素とアルゴンで、アルゴン／酸素＝０〜０．５、
例えば０．１以下とする。引き続いて、減圧ＣＶＤ法に
よって、厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Å
のシリコン膜（０．１〜２％の燐を含む）を堆積する。
なお、この酸化珪素１５とシリコン膜の成膜工程は連続
的に行うことが望ましい。そして、シリコン膜をパター
ニングして、ゲイト電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃを形成
する。（図１（Ｃ））

【００４４】次に、プラズマドーピング法によって、シ
リコン領域にゲイト電極をマスクとして不純物（燐およ
びホウ素）を注入する。ここではドーピングガスとし
て、フォスフィン（ＰＨ₃）およびジボラン（Ｂ
₂Ｈ₆）を用い、前者の場合は、加速電圧を６０〜９０
ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０〜８０ｋ
Ｖ、例えば６５ｋＶとする。ドーズ量は１×１０¹⁵〜８
×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、燐を２×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ
素を５×１０¹⁵とする。この結果、Ｎ型の不純物領域１
７ａ、Ｐ型の不純物領域１７ｂおよび１７ｃが形成され
る。

【００４５】その後、レーザー光を照射することによっ
て、不純物を活性化させる。レーザー光としてはＫｒＦ
エキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎ
ｓｅｃ）を用いる。レーザー光としては、例えば、Ｘｅ
Ｆエキシマーレーザー（波長３５３ｎｍ）、ＸｅＣｌエ
キシマーレーザー（波長３０８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマ
ーレーザー（波長１９３ｎｍ）等を用いてもよい。レー
ザーのエネルギー密度は、２００〜４００ｍＪ／ｃ
ｍ²、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ²とし、１か所につき２
〜１０ショット、例えば２ショット照射する。またレー
ザー照射時に、基板を１００〜４５０℃、例えば、２５
０℃に加熱する。こうして不純物領域１７ａ〜１７ｃを
活性化する。（図１（Ｄ））

【００４６】またこのレーザー光の照射による不純物領
域１７ａ〜１７ｃの活性化の際に、試料を４５０℃〜７
５０度、好ましくは５００℃〜６００℃の温度に加熱す
ることは有用である。この場合、不純物領域１７ａ〜１
７ｃの活性化をより効果的に行うことができる。

【００４７】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１８
を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し、
さらに、スパッタリング法によって厚さ５００〜１００
０Å、例えば８００Åのインジウム錫酸化膜（ＩＴＯ）
を形成し、これをパターニングして画素電極１９を形成
する。次に層間絶縁物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
によって周辺駆動回路ＴＦＴの電極・配線２０ａ、２０
ｂ、２０ｃ、マトリクス画素回路ＴＦＴの電極・配線２
０ｄ、２０ｅを形成する。最後に、１気圧の水素雰囲気
で３５０℃、３０分のアニールを行い、半導体回路が完
成させる。（図１（Ｅ））

【００４８】本実施例で得られた薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）の活性領域に含まれるニッケルの濃度を２次イオ
ン質量分析（ＳＩＭＳ）法によって分析したところ、周
辺駆動回路領域の薄膜トランジスタ（Ｐチャネル型とＮ
チャネル型とで構成される左側の２つの薄膜トランジス
タ）からは１×１０¹⁷〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3のニッケル
が、また、画素回路のＴＦＴからは測定限界（１×１０
¹⁶ｃｍ^-3）以下のニッケルが検出された。

【００４９】本実施例において示した薄膜トランジスタ
の中で、左側の２つの周辺回路領域の薄膜トランジスタ
は、活性層中の欠陥が少なく、高移動度を有している。
そして大きなＯＮ電流を流すことのできる薄膜トランジ
スタである。

【００５０】また右側の薄膜トランジスタで示される画
素領域の薄膜トランジスタは、活性層中におけるニッケ
ル濃度が測定限界以下と低いので、ニッケル原子の存在
に起因するＯＦＦ電流を低減させることができる。（ニ
ッケル原子は、キャリアのトラップセンターとなり、Ｏ
ＦＦ電流増大の原因となると考えられる）

【００５１】〔実施例２〕図２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）２１
上に、スパッタリング法によって、厚さ２０００Åの酸
化珪素膜２２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法また
は減圧熱ＣＶＤ法により、厚さ２００〜１５００Å、例
えば５００Åのアモルファスシリコン膜２３を堆積す
る。そして、アモルファスシリコン膜２３をフォトレジ
スト２４でマスクして、イオン注入法によって選択的に
ニッケルイオンを注入する。ここでは、ニッケルが１×
１０¹⁵〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3、例えば、５×１０¹⁶ｃｍ^-3
だけ含まれるような領域２５を作製する。この領域２５
の深さは２００〜５００Åとし、加速エネルギーはそれ
に合わせて最適なものを選択する。本実施例のようにイ
オン注入法を用いた場合、実施例１に比べてニッケルの
濃度を制御し易いという有用性を得ることができる。
（図２（Ａ））

【００５２】次に、基板を窒素雰囲気中で４５０〜６０
０℃、例えば５５０℃、２時間で加熱処理する。この加
熱処理の結果、ニッケルのドープされた領域では予備的
に結晶化が進行する。換言すれば、モノドメイン領域を
成長させる際に、その成長を容易たらしめる結晶核がこ
の加熱処理工程で形成される。

【００５３】その後、試料を５５０℃の温度に加熱した
状態でアモルファスシリコン膜２３の全面にレーザー光
を照射して、その領域の結晶化を行う。レーザーとして
はＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス
幅２０ｎｓｅｃ）を用いる。レーザーのエネルギー密度
は、２００〜５００ｍＪ／ｃｍ²、例えば３５０ｍＪ／
ｃｍ²とし、１か所につき２〜１０ショット、例えば２
ショット照射する。（図２（Ｂ））

【００５４】この結果、シリコン膜が結晶化し、多数の
モノドメイン領域が形成される。隣合うモノドメイン領
域は、結晶粒界１００によって仕切られている。得られ
たモノドメイン領域において、２３ａで示されるモノド
メイン領域の方が、そうでない領域２３ｂよりも結晶性
が良好なものとして得ることができる。より具体的に
は、モノドメイン領域領域２３ａの方がモノドメイン領
域領域２３ｂよりも欠陥が少ない結晶構造とすることが
できる。ただし、モノドメイン領域２３ａ中におけるニ
ッケル元素の濃度は、モノドメイン領域２３ｂにおける
ニッケル元素に比較して桁違いに大きくなる。

【００５５】その後、このシリコン膜をパターニングし
て、島状シリコン領域２６ａ（周辺駆動回路領域）およ
び２６ｂ（マトリクス画素回路領域）を形成する。さら
に、テトラ・エトキシ・シラン（Ｓｉ（ＯＣ
₂Ｈ₅）₄、ＴＥＯＳ）と酸素を原料として、プラズマ
ＣＶＤ法によってＴＦＴのゲイト絶縁膜として、厚さ１
０００Åの酸化珪素２７を形成する。

【００５６】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
ニウム膜（２％のシリコンまたはスカンジウムを含む）
を堆積した。アルミニウムの代わりにタンタル、タング
ステン、チタン、モリブテンでもよい。なお、この酸化
珪素２７とアルミニウム膜の成膜工程は連続的に行うこ
とが望ましい。

【００５７】そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ＴＦＴのゲイト電極２８ａ、２８ｂ、２８ｃを形成
する。さらに、このアルミニウム配線の表面を陽極酸化
して、表面に酸化物層２９ａ、２９ｂ、２９ｃを形成す
る。陽極酸化は、酒石酸を１〜５％含有したエチレング
リコール溶液中で行う。得られた酸化物層の厚さは２０
００Åである。（図２（Ｃ））

【００５８】次に、プラズマドーピング法によって、シ
リコン領域に不純物（燐）を注入する。ここでは、ドー
ピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃）を用い、加
速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶとする。ドー
ズ量は１×１０¹⁵〜８×１０ ¹⁵ｃｍ^-2、例えば、２×１
０¹⁵ｃｍ^-2とする。このようにしてＮ型の不純物領域３
０ａを形成する。さらに、今度は左側のＴＦＴ（Ｎチャ
ネル型ＴＦＴ）をフォトレジストでマスクして、再び、
プラズマドーピング法で右側の周辺回路領域ＴＦＴ（Ｐ
チャネルＴＦＴ）およびマトリクス領域ＴＦＴのシリコ
ン領域に不純物（ホウ素）を注入する。ここでは、ドー
ピングガスとして、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を用い、加速
電圧を５０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとする。ドーズ
量は１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、先に注入
された燐より多い５×１０¹⁵ｃｍ ^-2とする。このように
してＰ型の不純物領域３０ｂ、３０ｃを形成する。

【００５９】その後、レーザーアニール法によって不純
物の活性化を行う。レーザーとしてはＫｒＦエキシマー
レーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を
用いる。レーザーのエネルギー密度は、２００〜４００
ｍＪ／ｃｍ²、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ²とし、１か所
につき２〜１０ショット、例えば２ショット照射とす
る。（図２（Ｄ））

【００６０】続いて、層間絶縁物として厚さ２０００Å
の酸化珪素膜３１をＴＥＯＳを原料とするプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成し、さらに、スパッタリング法によっ
て、厚さ５００〜１０００Å、例えば８００Åのインジ
ウム錫酸化膜（ＩＴＯ）を堆積する。そして、これをエ
ッチングして画素電極３２を形成する。さらに、層間絶
縁物３１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周辺
駆動回路ＴＦＴのソース、ドレイン電極・配線３３ａ、
３３ｂ、３３ｃおよび画素回路ＴＦＴの電極・配線３３
ｄ、３３ｅを形成する。以上の工程によって半導体回路
が完成する。（図２（Ｅ））

【００６１】作製された半導体回路において、周辺駆動
回路領域のＴＦＴ（図面左側の２つのＴＦＴ）として、
高移動度を有し、大きなＯＮ電流を流すことができるも
のが得られる。また、マトリクス領域に配置されるべき
ＴＦＴ（図面右側の１つ）として、周辺ドライバー回路
領域のＴＦＴ程大きなＯＮ電流を扱いことはできない
が、比較的ＯＦＦ電流の小さい特性を有する薄膜トラン
ジスタを得ることができる。

【００６２】〔実施例３〕本実施例は、アモルファスシ
リコン膜に対して異なる濃度で結晶化を助長する金属元
素を導入することにより、選択的に必要とする特性を有
する薄膜トランジスタを得ることを特徴とする。特に本
実施例においては、アクティブマトリクス型の液晶表示
装置において、周辺駆動回路領域には、高濃度で金属元
素（本実施例ではニッケルを用いる）を導入し、マトリ
クス領域には低濃度で金属元素を導入することを特徴と
する。

【００６３】本実施例で示す構成を図４に示す。図４に
おいて、左側の２つのＴＦＴは、相補型に構成される周
辺回路領域を構成する回路である。また図面の右側に示
すＴＦＴが、複数の画素で構成されるマトリクス領域に
配置されるスイッチング用のＴＦＴである。

【００６４】まずガラス基板１０上に下地膜として酸化
珪素膜１１を２０００Åの厚さにスパッタリング法によ
って成膜する。次にアモルファスシリコン膜をプラズマ
ＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法によって５００Åの厚さ
に成膜する。そしてアモルファスシリコン膜１２の表面
に高濃度にニッケルを含有した薄膜１３を選択的に成膜
する。次に低濃度にニッケルを含有した膜１０１を成膜
する。（図４（Ａ））

【００６５】ここでは、高濃度にニッケルを含有した膜
１３として、ニッケルを１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度に含有
した珪化ニッケル膜を用い、低濃度にニッケルを含有し
た膜１０１として、ニッケルを８×１０¹⁶ｃｍ^-3の濃度
で含有した珪化ニッケル膜を用いる。なお、珪化ニッケ
ル膜の厚さは数十Å程度である。

【００６６】このようにすることによって、選択的に異
なる濃度でニッケルをアモルファスシリコン膜中に導入
することができる。そして、試料を５５０℃の温度に加
熱した状態でレーザー光を照射し、アモルファスシリコ
ン膜１２を結晶化させる。この工程で、１２ａや１２ｂ
で示されるモノドメイン領域を得ることができる。

【００６７】モノドメイン領域１２ａとモノドメイン領
域１２ｂとを比較すると、１２ａの領域にはより高い濃
度でニッケルが含まれている。また、１２ａの領域には
点欠陥が少ないので、より高い移動度を有し、大きなＯ
Ｎ電流を流すことのできるＴＦＴを形成するのは最適な
領域となる。また、１２ｂの領域は、ニッケルの濃度が
少ないので、移動度が抑制された分、低ＯＦＦ電流特性
を有したＴＦＴを形成するのに適した領域となる。

【００６８】図４（Ｂ）に示すような複数のモノドメイ
ン領域を形成したら、図１（Ｃ）以降の工程に示すのと
同様にして、回路を完成させる。

【００６９】

【発明の効果】本発明によって、同一基板上に、高速動
作が可能な結晶性シリコンＴＦＴと低ＯＦＦ電流特性を
有したアモルファスシリコンＴＦＴを形成することがで
きる。これを液晶ディスプレーに応用した場合には、量
産性の向上と特性の改善が図られる。このように本発明
は工業上有益な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の作製工程断面図を示す。

【図２】実施例の作製工程断面図を示す。

【図３】モノリシック型アクティブマトリクス回路
の構成例を示す。

【図４】実施例の作製工程断面図を示す。

【図５】薄膜トランジスタの活性層とモノドメイン
領域との関係を示す。

【図６】周辺駆動回路を構成するインバータ回路の
例を示す。

【符号の説明】

１０基板１１下地絶縁膜（酸化珪素）１２アモルファスシリコン膜１３ニッケルを含むシリコン膜１４１〜１４３島状シリコン領域１５ゲイト絶縁膜（酸化珪素）１６ａ〜１６ｃゲイト電極（燐ドープされたシリコ
ン）１７ａ〜１７ｃソース、ドレイン領域１８層間絶縁物（酸化珪素）１９画素電極（ＩＴＯ）２０ａ〜２０ｅ配線

フロントページの続き (56)参考文献特開平５−134272（ＪＰ，Ａ) 特開平２−140915（ＪＰ，Ａ) 特開平６−45607（ＪＰ，Ａ) 特開平４−91425（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−56912（ＪＰ，Ａ) 特開平６−232059（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/20 H01L 21/336 G02F 1/1368

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を
形成する工程と、前記非晶質珪素膜の第１の領域に選択的に珪素の結晶化
を助長する金属元素を導入し、前記非晶質珪素膜の第２
の領域には前記金属元素を導入しない工程と、前記非晶質珪素膜にレーザー光を照射しながら、４５０
℃〜７００℃に加熱する工程と、前記第１の領域に周辺回路を形成する工程と、前記第２の領域にアクティブマトリクス回路を形成する
工程とを有することを特徴とする半導体回路の作製方
法。
【請求項２】絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を
形成する工程と、前記非晶質珪素の第１の領域に結晶化を助長する金属元
素を第１の濃度で導入する工程と、前記非晶質珪素の第２の領域に前記金属元素を第２の濃
度で導入する工程と、前記非晶質珪素膜にレーザー光を照射しながら４５０℃
〜７００℃で加熱する工程と、前記第１の領域に周辺回路を形成する工程と、前記第２の領域にアクティブマトリクス回路を形成する
工程とを有し、前記第１の濃度は前記第２の濃度よりも高いことを特徴
とする半導体回路の作製方法。