JP3338756B2

JP3338756B2 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP3338756B2
Application number: JP34916596A
Authority: JP
Inventors: 直樹牧田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2002-10-28
Anticipated expiration: 2016-12-27
Also published as: JPH10189988A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶性ケイ素膜を
活性領域とする薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴとい
う）等の薄膜半導体素子を用いた半導体装置およびその
製造方法に関する。特に、液晶表示装置用のアクティブ
マトリクス基板や薄膜集積回路一般、イメージセンサ
ー、ドライバー内蔵型サーマルヘッドや三次元ＩＣなど
に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】近年、大型で高解像度の液晶表示装置
や、低コスト化のためドライバー回路を同一基板上に形
成したモノリシック型のアクティブマトリクス液晶表示
装置、薄膜集積回路、高速で高解像度の密着型イメージ
センサー、ドライバー内蔵型サーマルヘッド、三次元Ｉ
Ｃなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶
縁膜上に高性能な薄膜半導体素子を形成する試みがなさ
れている。これらの装置に用いられる半導体素子には、
薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。薄膜
状のケイ素半導体としては、非晶質ケイ素半導体（ａ−
Ｓｉ）からなるものと結晶性を有するケイ素半導体から
なるものの２つに大別される。

【０００３】非晶質ケイ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、半導体膜の移動
度、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比
べて劣るため、今後より高速特性を得るためには、結晶
性を有するケイ素半導体からなる半導体装置の作製方法
の確立が強く求められていた。尚、結晶性を有するケイ
素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素、結晶
成分を含む非晶質ケイ素等が知られている。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導
体を得る方法としては、次の３つの方法が知られてい
る。

【０００５】（１）成膜時に結晶性を有する膜を直接成
膜する。

【０００６】（２）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性を有せしめる。

【０００７】（３）非晶質の半導体膜を成膜しておき、
エネルギービームを照射することにより結晶性を有せし
める。

【０００８】しかしながら、上記（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
ケイ素を得ることが難しく、それにはケイ素膜の厚膜化
が不可欠となる。だが、厚膜化したからといっても基本
的には膜厚と同程度の結晶粒径しか得られず、この方法
により良好な結晶性を有するケイ素膜を作製することは
原理的にまず不可能である。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る。

【０００９】上記（２）の方法は、結晶化に際し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
るため、生産性に非常に乏しい。また、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。さらに、それぞ
れの結晶粒は双晶構造を示し、一つの結晶粒内において
も所謂双晶欠陥と呼ばれる結晶欠陥が多量に存在してい
る。

【００１０】このため、現在は上記（３）の方法が主流
となっている。上記（３）の方法では溶融固化過程を利
用し結晶化するので個々の結晶粒内の結晶性は非常に良
好である。また、照射光の波長を選ぶことで、アニール
の対象であるケイ素膜のみを効率的に加熱し、下層のガ
ラス基板への熱的損傷を防ぐことができると共に、上記
（２）の方法のような長時間にわたる処理が必要でな
い。装置面でも高出力のエキシマレーザーアニール装置
などが開発され、大面積基板に対しても対応可能になり
つつある。上記（３）の方法を利用して半導体素子を作
製する方法が、特開平４−１１７２２号公報で提案され
ている。この公報では、下地膜＼ケイ素膜＼保護膜を積
層形成し、ケイ素膜の上層部分は溶融するが下層部分は
溶融しないような強度のレーザー光を照射して、ケイ素
膜を結晶化している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】薄膜半導体装置に現在
要求されている特性レベルを考えると、ケイ素膜の結晶
化方法としては、上記（３）の方法が最良である。しか
しながら、ケイ素膜自体を瞬時たりとも溶融させるとい
うことは、不純物汚染に対しては大きなウイークポイン
トとなる。特にガラス基板を用いた場合には、ガラス基
板中に含まれるアルカリ金属類や、アルミ、ホウ素、ヒ
素などの不純物汚染が問題となる。このため、特開平４
−１１７２２号公報でも述べられているように、ガラス
基板を用いた際には、特に下地膜としてまず酸化ケイ素
膜を形成し、その上にケイ素膜を形成してレーザー照射
により結晶化している。

【００１２】しかし、これらの方法で不純物汚染はある
程度防止できるものの、ケイ素膜がレーザー照射により
溶融した際に、ケイ素膜と接している下地膜としての酸
化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜の上層部分が、同時に溶融して
しまう。この結果、特にケイ素膜下層領域においては、
下地膜としての酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜との成分が入
り混じり、膜中に多数の酸素原子が取り込まれる。

【００１３】このように多数の酸素原子が混入したケイ
素膜を活性領域に用い、半導体素子を作製すると、過飽
和の酸素原子が数個集合してクラスターとなり、これが
ドナーを形成する。イオン化したドナーは、キャリアの
散乱中心ともなるため、ケイ素膜そのものの移動度を低
下させ、素子特性を悪化させる。このように、ケイ素膜
中の酸素ドナーは半導体素子に悪影響を及ぼすため、で
きる限り低減するべきものである。単結晶シリコン基板
を用いたＩＣ製造プロセスでは、酸化膜の形成工程や不
純物の拡散工程など１０００℃以上の高温処理工程があ
るため、サーマルドナーは分解してしまう。しかし、特
にガラス基板上に半導体装置を形成する場合は、最高が
６００℃程度のプロセスであり、１０００℃以上の高温
プロセスが無く、最後までサーマルドナーが残ってしま
う。

【００１４】特開平４−１１７２２号公報では、上述の
問題点に対して、ケイ素膜結晶化の際のレーザー照射
を、ケイ素膜の下層部分は溶融しないような強度（エネ
ルギー）にて行うことで、下層の下地ＳｉＯ₂膜よりの
酸素原子の混入を防いでいる。しかしながら、結晶化の
際の照射エネルギーに対してケイ素膜の結晶性も向上す
るため、要求される素子特性が低い場合には有効である
が、より高性能な半導体装置に対する要求に対してはフ
ォローできない。その点で根本的な解決策とはなってお
らず、当面の妥協策としての意味合いが強い。

【００１５】実際に、本発明者らが、特開平４−１１７
２２号公報により提示されているように、１０〜２０Ｗ
の連続発振アルゴンレーザーを走査速度０．５〜２０ｃ
ｍ／ｓｅｃで照射して、ＴＦＴを作製して評価したとこ
ろ、液晶表示装置のドライバー回路などの薄膜集積回路
を構成する半導体素子としては、十分な性能のものが全
く得られないことがわかった。したがって、本発明者ら
は、より高性能な半導体装置を得るため、前記公報で述
べられている範囲外のエネルギー、すなわち、より大き
なエネルギーでのレーザー照射を行い、ＴＦＴの特性向
上を試みた。このとき、前記公報で述べられているよう
な酸素ドナーが原因と思われる移動度の低下は見られ
ず、ケイ素膜結晶化時のレーザー照射エネルギーを大き
くしていくにしたがい、逆に移動度が向上した。

【００１６】しかし、ここで新たな問題が生じた。照射
エネルギーを大きくし、半導体膜の移動度が向上するに
したがい、ＴＦＴのトランジスタ特性がマイナス側にシ
フトする現象が現れた。この現象は、特開平４−１１７
２２号公報で提示されているような低エネルギー照射で
結晶化を行った場合には、全く見られなかった現象であ
り、ケイ素膜結晶化のためのエネルギーをある一定値以
上にしたときに初めて顕在化する。このときのケイ素膜
を調べたところ、結晶化のための照射エネルギーを大き
くするにしたがい、その結晶性は向上するのであるが、
ケイ素膜自身がＮ型化していることがわかった。ＴＦＴ
の活性領域がＮ型化すると、閾値電圧Ｖ _THがマイナス方
向にずれ、オフ動作領域でのリーク電流が増大する。し
かし、トレードオフの関係で活性領域の結晶性が向上す
るのでオン特性は向上し、電流駆動能力は増すといった
上記の矛盾した現象が見られた訳である。このため、よ
り結晶性を向上させるために、さらなる照射エネルギー
ビームの出力アップを行うことはできず、ケイ素膜のＮ
型化防止のため、比較的低エネルギーでビーム照射を行
わざるを得ない。よって、要求される素子特性を満足す
るだけの十分な高品質結晶性ケイ素膜、そして高性能半
導体装置を実現することができなかった。

【００１７】また、同時にこのときのケイ素膜表面のラ
フネスの大きさも大きな問題となる。すなわち、非晶質
ケイ素膜は、強光のエネルギーにより、その融点１４１
４℃以上まで瞬時に加熱され、数十ｎｓｅｃ．程度の冷
却期間にて室温付近まで冷却され固化される。この際
の、あまりにも固化速度が速いので、ケイ素膜は過冷却
状態となり、一瞬にして固化される結果、一般的に結晶
粒径は１００〜２００ｎｍ程度と非常に小さくなる。こ
の現象は、特に３つの結晶粒がぶつかり合った三極点で
顕著となる。この結晶成長に起因する山状の盛り上がり
を以後「リッジ」と呼ぶ。

【００１８】図８に、実際に強光照射により結晶化され
た結晶性ケイ素膜の表面状態の原子間顕微鏡（ＡＦＭ）
像を示す。図８において、Ｘ−Ｙ方向のフルスケールは
１μｍであり、Ｚ方向のフルスケールは５０ｎｍであ
る。このような結晶性ケイ素膜により、ＭＯＳ型トラン
ジスタなど半導体装置の活性領域を作製すると、結晶性
ケイ素膜表面のリッジに電界集中が起こる。すなわち、
上層の絶縁膜の耐圧低下につながりリーク電流発生の原
因となる。したがって、半導体装置としての信頼性が大
きく低下し、実用に耐える半導体装置を得ることが非常
に困難になる。

【００１９】さらに、エネルギービーム照射による結晶
化工程の残る課題として、得られる結晶性ケイ素膜の膜
質（結晶性）不均一性がある。すなわち、光源として、
基板上のケイ素膜に一括照射できるだけの大面積、高出
力のものが無く、小面積のビームを順次走査することで
対応しているのが一般的である。したがって、当然のこ
とながら、順次走査に伴う結晶性の不均一性が存在し、
それが素子特性にそのまま反映され、素子間の特性ばら
つきを生じさせる原因となる。このとき、本来の活性領
域結晶性に起因する素子間特性ばらつきにプラスして、
上記の活性領域のＮ型化によるばらつきが加算される訳
である。その結果、ＴＦＴにおいては、特に閾値電圧Ｖ
_THが安定せずに素子間で大きくばらつくことになる。こ
のＴＦＴを画素スイッチング素子としたアクティブマト
リクス型液晶表示装置においては、結晶化のためのエネ
ルギービーム順次走査に起因するばらつきが、活性領域
のＮ型化により強調されるため、表示（コントラスト）
むらが不良として現れていた。

【００２０】さらに、上記の液晶表示装置用アクティブ
マトリクス基板においては、一般的に液晶容量と並列に
補助容量が設けられている。画素電極をスイッチングす
る画素ＴＦＴのチャネル部と共にその補助容量成分とし
て一方の電極として、上記結晶性ケイ素膜を用いた場
合、そのリッジによる表面積率の変化のため、容量は設
計値からずれることになり、上記ＴＦＴ素子間の特性ば
らつきに加えて、表示むらやフリッカーなどの表示不良
を引き起こす原因となる。

【００２１】本発明は、上述のような問題点に鑑みて創
出されたものであり、絶縁表面を有する基板上に、高性
能で高安定性、且つ高信頼性を有する半導体装置を提供
することを目的としたものである。また、結晶性ケイ素
膜に複数のＴＦＴを有するアクティブマトリクス基板な
どの半導体装置においては、上述の順次走査により結晶
化される際の素子特性ばらつきを低減し、低コスト化が
図れる簡便なプロセスにて、均一性が良好な半導体装置
を実現するものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、より大型でよ
り高解像度のアクティブマトリクス液晶表示装置や、同
一基板上に駆動用のドライバを作り込むドライバモノリ
シック型アクティブマトリクス液晶表示装置、高速で高
解像度の密着イメージセンサ、ドライバー内蔵型サーマ
ルヘッド、三次元ＩＣなどを実現するために、エネルギ
ービームの順次走査により結晶化された結晶性ケイ素を
活性領域に用いた際に生じる、素子特性の不安定性およ
び不均一性の問題点を解決するものである。具体的に
は、本発明は以下の特徴を有する。

【００２３】（１）基板上に、酸化ケイ素を主成分とす
る下地膜と接して成る結晶性を有するケイ素膜を、活性
領域とする薄膜半導体素子が形成された半導体装置であ
って、前記活性領域は、エネルギービーム照射による溶
融固化過程にて結晶化された結晶性ケイ素膜であり、前
記下地膜は、膜中に含有する水分（Ｈ₂Ｏ）濃度が約１
×１０²⁰個／ｃｍ³以下となる絶縁膜であることを特徴
とする。

【００２４】（２）前記下地膜の膜中に含有する水分
（Ｈ₂Ｏ）の濃度が、さらに約１×１０¹⁹個／ｃｍ³以下
であることを特徴とする。

【００２５】（３）基板上に、酸化ケイ素を主成分とす
る下地膜と接して成る結晶性を有するケイ素膜を、活性
領域とする薄膜半導体素子が形成された半導体装置であ
って、前記活性領域は、エネルギービーム照射による溶
融固化過程にて結晶化された結晶性ケイ素膜であり、前
記下地膜は、膜中に含有するＳｉＯＨ基の濃度が約１×
１０²¹個／ｃｍ³以下となる絶縁膜であることを特徴と
する。

【００２６】（４）基板上に、酸化ケイ素を主成分とす
る下地膜と接して成る結晶性を有するケイ素膜を、活性
領域とする薄膜半導体素子が形成された半導体装置であ
って、前記活性領域は、エネルギービーム照射による溶
融固化過程にて結晶化された結晶性ケイ素膜であり、前
記下地膜は、膜中に含有する水分（Ｈ₂Ｏ）濃度が約１
×１０²⁰個／ｃｍ³以下で、且つ膜中に含有するＳｉＯ
Ｈ基の濃度が約１×１０²¹個／ｃｍ³以下となる絶縁膜
であることを特徴とする。

【００２７】（５）基板上に構成され、酸化ケイ素を主
成分とする下地膜と接して成る複数の薄膜トランジスタ
を有する半導体装置において、該複数の薄膜トランジス
タのチャネル領域は、パルスレーザー光の順次走査照射
により結晶化された結晶性ケイ素膜よりなり、前記チャ
ネル領域と接して下層に形成された下地膜は、膜中に含
有する水分（Ｈ₂Ｏ）濃度が約１×１０²⁰個／ｃｍ³以下
で、且つ、ＳｉＯＨ基の濃度が約１×１０ ²¹ 個／ｃｍ ³
以下となる条件若しくはどちらかの一方の条件を満たす
絶縁膜で構成されることを特徴とする。

【００２８】ここで、前記複数の薄膜トランジスタは、
画素電極を有するアクティブマトリクス基板において、
各画素電極をスイッチングする画素スイッチング用の薄
膜トランジスタに用いるのが好適である。

【００２９】また、前記複数の薄膜トランジスタは、同
一基板上にアクティブマトリクスとドライバー回路とが
形成されたドライバーモノリシック型アクティブマトリ
クス基板において、ドライバー回路を構成する薄膜トラ
ンジスタに用いるのが好適である。

【００３０】（６）基板上に構成され、酸化ケイ素を主
成分とする下地膜と接して成る複数の画素電極を駆動す
る薄膜トランジスタを有し、各薄膜トランジスタには前
記画素電極による液晶容量と並列に補助容量成分が接続
されてなる半導体装置において、膜中に含有する水分
（Ｈ₂Ｏ）濃度が約１×１０²⁰個／ｃｍ³以下で、且つ、
ＳｉＯＨ基の濃度が約１×１０ ²¹ 個／ｃｍ ³ 以下となる
条件若しくはどちらかの一方の条件を満たす絶縁膜より
なる下地膜上の結晶性ケイ素膜を用いて、前記薄膜トラ
ンジスタのチャネル領域と、その薄膜トランジスタに接
続された前記補助容量成分の一方の電極とを構成したこ
とを特徴とする。

【００３１】（７）基板上に、膜中に含有する水分（Ｈ
₂Ｏ）濃度が約１×１０²⁰個／ｃｍ³以下となる絶縁膜を
形成する工程と、該絶縁膜上にケイ素膜を形成する工程
と、該ケイ素膜にエネルギービームを照射し、溶融固化
過程において結晶化させる工程と、該ケイ素膜を活性領
域に用いて、薄膜半導体装置を完成させる工程と、を少
なくとも有することを特徴とする。

【００３２】（８）基板上に、膜中に含有するＳｉＯＨ
基濃度が約１×１０²¹個／ｃｍ³以下となる絶縁膜を形
成する工程と、該絶縁膜上にケイ素膜を形成する工程
と、該ケイ素膜にエネルギービームを照射し、溶融固化
過程において結晶化させる工程と、該ケイ素膜を活性領
域に用いて、薄膜半導体装置を完成させる工程と、を少
なくとも有することを特徴とする。

【００３３】（９）前記下地膜は基板温度１５０℃以上
のスパッタリング法により形成されるケイ素膜であるこ
とを特徴とする。

【００３４】（１０）前記下地膜は、ＳｉＨ₄ガスとＮ₂
Ｏガスを材料としてプラズマＣＶＤ法により形成され、
その後に５５０℃以上の加熱処理を施された酸化ケイ素
膜であることを特徴とする。

【００３５】（１１）前記下地膜は、ＴＥＯＳなどの有
機シラン系ガスと酸素ガスを材料としてプラズマＣＶＤ
法により形成され、その後の５５０℃以上の加熱処理を
施された酸化ケイ素膜であることを特徴とする。

【００３６】（１２）前記下地膜上に非晶質ケイ素膜
を形成し、加熱することにより固相状態において結晶化
させる工程と、該結晶化されたケイ素膜に対しエネルギ
ービームを照射して熔融固化させることで、ケイ素膜を
再結晶化する工程とを有することを特徴とする。

【００３７】（１３）前記下地膜上に非晶質ケイ素膜を
形成し、加熱することにより固相状態において結晶化さ
せる工程と、該結晶化されたケイ素膜に対し、エネルギ
ービームを照射して熔融固化させることで、該ケイ素膜
を再結晶化する工程と、を少なくとも有することを特徴
とする。

【００３８】そして、前記下地膜上に非晶質ケイ素膜を
形成し、該非晶質ケイ素膜を加熱することにより固相状
態において結晶化させる工程は、その結晶化を助長する
触媒元素を導入した後、行われることを特徴とする。

【００３９】（１４）前記非晶質ケイ素膜を加熱するこ
とにより固相状態において結晶化させる工程は、該非晶
質ケイ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を選択的
に導入し、加熱処理により、該触媒元素が選択的に導入
された領域から、その周辺部へと横方向に結晶成長させ
ることにより行われ、該横方向に結晶成長させた領域を
用いて、半導体装置の活性領域を形成することを特徴と
する。

【００４０】前記触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、
Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂから
選ばれた一種または複数種類の元素を用いるのが好まし
い。特に、Ｎｉ元素を用いることが好ましい。

【００４１】前記ケイ素膜を結晶化するためのエネルギ
ービームとして、波長４００ｎｍ以下のレーザー光を用
いるのが好ましい。前記レーザー光として、波長３０８
ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光を用いるのが好まし
い。

【００４２】（１５）前記エネルギービームは、前記ケ
イ素膜に照射されるエネルギー密度が２５０〜４００ｍ
Ｊ／ｃｍ²のパルスレーザーであることを特徴とする。

【００４３】前記エネルギービームはエキシマレーザー
光であって、そのビーム形状が照射面（ケイ素膜表面）
において長尺形状となるように設計されており、該ビー
ム形状の長尺方向に対して垂直方向に順次走査すること
で、複数の半導体素子の活性領域を同時に結晶化するの
が好ましい。

【００４４】以下に上記特徴による作用を説明する。

【００４５】本発明者らが、レーザー照射により溶融結
晶化された結晶性ケイ素膜の抵抗値、キャリア濃度を調
べたところ、下地膜による依存性が大きいことがわかっ
た。より深く調べると、図６および図７に示すように、
下地膜の膜中の水分（Ｈ₂Ｏ）濃度と、ＳｉＯＨ基濃度
により、その上層の結晶性ケイ素膜の抵抗値（キャリア
濃度）が変化するのがわかった。このときのキャリアタ
イプをホール効果測定にて調べると明らかにＮタイプで
あり、このＮタイプキャリアの発生原因は、ケイ素膜へ
のレーザー光照射のため下地膜より溶出しケイ素膜中に
拡散した酸素クラスターによるサーマルドナーであるこ
とが判明した。すなわち、下地膜の酸化ケイ素膜より混
入する酸素ドナーは、酸化ケイ素膜の成分酸素よりもむ
しろ、上層ケイ素膜のレーザー結晶化時に膜中から放出
されるＨ₂Ｏや、不安定な結合状態のＳｉＯＨ基により
主に形成されていることになる。下地膜から来る酸素ド
ナーの影響は、前記特開平４−１１７２２号公報でも述
べられているが、ケイ素膜そのものの移動度の低下現象
よりもむしろ、ＴＦＴにおいて閾値電圧Ｖ_THをマイナス
方向にシフトさせ、オフ動作領域でのリーク電流を増大
させるといった非常に大きな悪影響を及ぼしていること
がわかった。

【００４６】特に、基板上に複数のＴＦＴを有する液晶
表示用アクティブマトリクス基板のような半導体装置で
は、上記の酸素ドナーはＴＦＴ特性をばらつかせる大き
な原因ともなる。すなわち、酸素ドナーを発生させる一
次原因は、ケイ素膜の溶融固化による結晶化工程であ
り、上述のように課題として、得られる結晶性ケイ素膜
の膜質（結晶性）不均一性がある。特に、ケイ素膜中に
取り込まれる上記酸素ドナーの数は、結晶化工程に大き
く依存し、より高エネルギーが与えられ結晶化された局
所領域では、酸素ドナー濃度が相対的に高くなるため、
本来の素子間の特性ばらつきにプラスして、酸素ドナー
によるばらつきが加算される。その結果、特に閾値電圧
Ｖ_THが大きくばらつき、ＴＦＴを画素スイッチング素子
とするアクティブマトリクス型液晶表示装置において
は、結晶化のためのエネルギービーム順次走査に起因す
る素子間特性ばらつきが強調されるため、表示（コント
ラスト）むらが不良として現れることがわかった。

【００４７】さらに、本発明者らが調べたところ、レー
ザー照射により熔融結晶化された結晶性ケイ素膜の表面
ラフネスもまた下地膜による依存性が大きいことがわか
った。すなわち、ケイ素膜がレーザー照射によりその融
点まで瞬時に加熱される際に、その下層の酸化ケイ素膜
にＨ₂ＯやＳｉＯＨ基が多量に存在していれば、それら
がケイ素膜を通って、雰囲気中に突沸し、それがケイ素
膜の表面ラフネスをさらに大きくしていることがわかっ
た。

【００４８】本発明の大まかな主旨は、酸化ケイ素を主
成分とする下地膜を有し、エネルギービーム照射による
溶融固化過程にて結晶化された結晶性ケイ素膜を活性領
域とする薄膜半導体装置において、前記下地膜を、膜中
に含有する水分（Ｈ₂Ｏ）濃度が約１×１０²⁰個／ｃｍ³
以下、あるいは膜中に含有するＳｉＯＨ基の濃度が約１
×１０²¹個／ｃｍ³以下となるように構成することであ
る。このような構成でＴＦＴなどの半導体装置を作成す
ると、素子特性を向上するために、エネルギー密度が２
５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²にエネルギービームの出力ア
ップを図った場合の、活性領域のケイ素膜のＮ型化現象
は低減され、素子特性も安定する。したがって、ケイ素
膜に十分なエネルギーを与え結晶化することができるた
め、活性領域の結晶性が大きく向上し、その結果、電流
駆動能力を電界移動度で５０〜２００ｃｍ²／Ｖｓに飛
躍的に向上できる。一方、ＴＦＴにおいては閾値電圧Ｖ
_THのマイナスシフト、オフ動作時のリーク電流の増大な
どの弊害を生じず、従来両立できなかった高性能で且つ
高信頼性、高安定性の半導体装置を実現することができ
る。

【００４９】具体的に、本発明者らが行った実験結果を
図６および図７に示す。図６は、下地膜（酸化ケイ素
膜）の膜中の水分（Ｈ₂Ｏ）濃度に対するレーザー結晶
化後のケイ素膜の比抵抗を示したものであり、横軸は下
地膜の膜中のＨ₂Ｏ濃度（個／ｃｍ³）を示し、縦軸はケ
イ素の比抵抗（Ω・ｃｍ）を示す。図７は下地膜（酸化
ケイ素膜）のＳｉＯＨ基の濃度に対するレーザー結晶化
後のケイ素膜の比抵抗を示したものであり、横軸は下地
膜の膜中のＳｉＯＨ基の濃度（個／ｃｍ³）を示し、縦
軸はケイ素の比抵抗（Ω・ｃｍ）を示す。実験サンプル
は、ガラス基板上に下地膜を形成し、その上に非晶質ケ
イ素膜を形成した後、レーザー照射を行い、結晶化した
ものである。使用したレーザー光は波長３０８ｎｍのＸ
ｅＣｌエキシマレーザーで、ケイ素膜に照射されるエネ
ルギー密度は３３０ｍＪ／ｃｍ²と、標準よりかなり高
いエネルギーで照射を行った。また、酸化ケイ素膜にお
ける膜中水分（Ｈ₂Ｏ）濃度およびＳｉＯＨ基の濃度
は、ＦＴＩＲスペクトルから算出したものであり、Ｈ₂
Ｏ濃度は３４００ｃｍ^-1付近のＨ₂ＯのＯＨ伸縮振動の
吸収、ＳｉＯＨ基の濃度は３６５０ｃｍ^-1付近のＳｉＯ
Ｈ結合のＯＨ伸縮振動の吸収から計算した。Ｈ₂Ｏの存
在は、１６２０ｃｍ^-1付近のＨ−Ｏ−Ｈの変角振動によ
る吸収により、別途確認できる。

【００５０】図６から、ケイ素膜の比抵抗は、Ｈ₂Ｏ濃
度が約１×１０²⁰個／ｃｍ³を境にして、これ以上の値
では大きく減少する。約１×１０²⁰個／ｃｍ³以下の値
でも、Ｈ₂Ｏ濃度が大きくなるに連れ、緩やかな減少傾
向を示すが、Ｈ₂Ｏ濃度が約１×１０²⁰個／ｃｍ³以上と
なった際に、その傾きが変化し急激にケイ素膜の比抵抗
が減少する。よって、下地膜のＨ₂Ｏ濃度が約１×１０
²⁰個／ｃｍ³以下であれば、ケイ素膜の抵抗値は、ほぼ
飽和し、その変化が小さくなる。これはイントリンシッ
クに近い状態となり、膜中のキャリャ濃度が極めて少な
くなっていることを意味している。また、経験的な値と
して、結晶性ケイ素膜を活性領域としてＴＦＴを作製し
た場合、そのケイ素膜の比抵抗が大体１×１０⁶Ω・ｃ
ｍ以上のときエンハンス型の特性を示し、それ以下の値
ではデプレッション型となることが多い。図６より、Ｈ
₂Ｏ濃度が１×１０²⁰個／ｃｍ³のときにそのケイ素膜の
比抵抗が大体１×１０⁶Ω・ｃｍとなっていることがわ
かる。

【００５１】さらに、図６から、ケイ素膜の比抵抗が完
全に飽和するのは、下地膜のＨ₂Ｏ濃度が約１×１０¹⁹
個／ｃｍ³以下であることがわかる。したがって、下地
膜に含有されるＨ₂Ｏの影響が、素子特性としてほぼ完
全に問題なくなるのはこの値以下であり、本発明におけ
るレーザー結晶化によるケイ素膜の下地酸化ケイ素膜の
Ｈ₂Ｏ濃度の、より最適値としては、１×１０¹⁹個／ｃ
ｍ³以下であることが望ましい。Ｈ₂Ｏ濃度は低いほど望
ましいが、現実的な作製可能な下限値は１×１０¹⁷個／
ｃｍ³程度である。

【００５２】また、図７から、下地膜のＳｉＯＨ基の濃
度もまたケイ素膜の比抵抗に影響を及ぼしていることが
わかる。図７から、ケイ素膜の比抵抗と下地膜のＳｉＯ
Ｈ基の濃度の関係は、ＳｉＯＨ基の濃度が約１×１０²¹
個／ｃｍ³を境にして、これ以上の値では急激な減少傾
向を示す。すすなわち、下地膜のＳｉＯＨ基の濃度が約
１×１０²¹個／ｃｍ³以下であれば、ケイ素膜の抵抗値
はほぼ飽和し、イントリンシックに近い状態となり、膜
中のキャリャ濃度が極めて少なくなる。さらに、本発明
の効果をより引き出すためには、水分（Ｈ₂Ｏ）濃度と
ＳｉＯＨ基の濃度を同時制御することが最も有効で、下
地膜としての酸化ケイ素膜の水分（Ｈ₂Ｏ）濃度が約１
×１０²⁰個／ｃｍ³以下で、且つＳｉＯＨ基の濃度が約
１×１０²¹個／ｃｍ³以下とすることがより望ましい。
ＳｉＯＨ濃度は低いほど望ましいが、現実的な作製可能
な下限値は１×１０¹⁸個／ｃｍ³程度である。

【００５３】ケイ素膜の表面ラフネスの値も、上記下地
膜の膜中に含有するＨ₂Ｏ濃度およびＳｉＯＨ基の濃度
に依存する。具体的には、これらの濃度が高くなるに連
れ、表面ラフネスが増大するのであるが、その変動領域
は、主に本発明による上記の濃度範囲外にある。したが
って、本発明の下地膜を使用することで、従来のレーザ
ー結晶化工程で見られるリッジと呼ばれる結晶粒界部で
の盛り上がりによる表面ラフネスは低減される。すなわ
ち、リッジは結晶成長過程メカニズムそのものに起因す
るものではあるが、非晶質ケイ素膜の膜中の水素や下地
膜より噴出したＨ₂Ｏなどの不純物が、それをより顕在
化しているのである。実際には、ＡＭＦ（原子間力顕微
鏡）で測定した結果、その平均表面粗さＲａは、従来は
６〜７ｎｍ程度であったのに対し、本発明では４〜５ｎ
ｍに低減されていた。

【００５４】本発明は、特に、複数のＴＦＴを有する半
導体装置において有効である。すなわち、パルスレーザ
ー光の順次走査照射により結晶化された結晶性ケイ素膜
によりチャネル領域が形成された複数個のＴＦＴにおい
ては、上述のように、パルスレーザー光の順次走査照射
に起因する結晶性ばらつきが存在するが、これにプラス
して、下地膜よりケイ素膜中に混入した酸素ドナーによ
るばらつきが加算されるからである。したがって、本発
明を複数個のＴＦＴを有する半導体装置に適用し、チャ
ネル領域下層の下地膜を膜中に含有する水分（Ｈ₂Ｏ）
濃度が約１×１０²⁰個／ｃｍ³以下、あるいは膜中に含
有するＳｉＯＨ基の濃度が約１×１０²¹個／ｃｍ³以下
となる絶縁膜で構成することにより、高性能で且つ信頼
性の高いＴＦＴが得られるだけでなく、ＴＦＴの素子間
での特性ばらつきが大きく低減できる。

【００５５】さらに本発明の適用装置としては、数１０
万個以上の非常に多数のＴＦＴをマトリクス状に配置す
る半導体装置、特に液晶表示用のアクティブマトリクス
基板に対して有効である。液晶表示用のアクティブマト
リクス基板は、各画素電極に接続されてなる画素スイッ
チング用ＴＦＴにより構成されているが、その特性がば
らつくと表示むら（コントラストむら）を引き起こす。
人間の目は非常にシビアであり、微妙なＴＦＴ特性の違
いが各画素電極の電圧変化として現れ、それが表示むら
として識別される。したがって、素子間のＴＦＴ特性の
均一性は、非常に高いレベルが要求される。本発明は、
このような高い均一性が求められる複数のＴＦＴ素子に
対して非常に有効であり、液晶表示装置で従来見られて
いたパルスレーザー光の順次走査照射に起因する縞状の
コントラストむらを大きく低減することができ、高表示
品位の液晶表示装置が実現できるようになる。

【００５６】また、マトリクス状に配列された画素電極
をスイッチングする画素ＴＦＴに加え、この画素ＴＦＴ
を駆動するドライバー回路を同一基板上に有するドライ
バーモノリシック型アクティブマトリクス半導体装置に
おいては、画素ＴＦＴに加え、そのドライバー回路を構
成する複数のＴＦＴにおいても、特にシフトレジスタ回
路などで非常に高い特性均一性が要求される。これらの
ＴＦＴの特性がばらつくと、ライン毎の駆動波形が異な
ってしまい、この場合も画面上に縞状表示むらが現れ
る。前述のように人間の目は非常にシビアであり、微妙
な表示むらも判別できる能力があるが、本発明をこれら
ＴＦＴにも適用することで、ドライバー回路を構成する
複数のＴＦＴにおいても、基板全体にわたって優れた特
性均一性が得られる。その結果、画素ＴＦＴを駆動する
ドライバー回路特性が安定し、液晶表示装置においてド
ライバー回路特性のばらつきに起因する表示むらなどの
不良を低減することができる。

【００５７】さて、本発明は、ケイ素膜のＮ型化現象を
抑えて素子特性の均一性を向上する効果に加えて、前述
のようにレーザー結晶化によるケイ素膜の表面ラフネス
を低減する効果がある。液晶表示用のアクティブマトリ
クス基板においては、画素ＴＦＴの活性領域と同一層
で、画素電極による液晶容量と並列に接続された補助容
量（Ｃｓ）の一方の電極を構成し、ゲート絶縁膜で容量
を形成する方法が用いられている。すなわち、ゲートパ
ルス信号がオフされた際に発生する画素電極部での電圧
降下現象を緩和するため、液晶容量と並列に補助容量
（Ｃｓ）を設けているのであるが、この補助容量（Ｃ
ｓ）の容量値の画面内のばらつきは、画面上にフリッカ
ーなどの表面むらを引き起こす原因となる。従来の強光
照射により得られる結晶性ケイ素膜を用い、補助容量
（Ｃｓ）の一方の電極を作製した場合には、リッジによ
る表面ラフネスの絶対値が大きく、補助容量（Ｃｓ）の
容量値がばらつき、良好な表示品位の液晶表示装置を得
ることは難しかった。それに対して、本発明を用いた場
合には、ケイ素膜の表面ラフネスが低減されるため、補
助容量（Ｃｓ）の容量値のばらつきを抑えることがで
き、表示むらのない高表示品位の液晶表示装置が得られ
る。

【００５８】本発明の条件を満たす酸化ケイ素膜の作製
方法としては、様々な方法が考えられるが、本発明が特
に目的とする液晶表示装置用のアクティブマトリクス基
板を対象として考えると、下記３つの方法が最も優れて
いる。第１の方法として、基板温度１５０℃以上３００
℃以下でのスパッタリング法により形成する方法があ
る。この場合、１５０℃以下では酸化ケイ素膜の膜質が
良くなく膜中Ｈ₂Ｏ含有量が大きくなる。３００℃以上
では酸素欠損のあるＳｉが増え、膜中固定電荷密度が大
きくなる恐れがある。第２の方法として、ＳｉＨ₄ガス
とＮ₂Ｏガスを材料としてプラズマＣＶＤ法により形成
し、その後に５５０℃以上６００℃以下の加熱処理を施
す方法がある。ここで５５０℃以下では膜中のＨ₂Ｏ、
ＳｉＯＨ基が十分に放出されず、６００℃以上では基板
としてガラスを用いた場合、ガラス基板が軟化する恐れ
がある。第３の方法として、ＴＥＯＳなどの有機シラン
系ガスと酸素ガスを材料としてプラズマＣＶＤ法により
形成し、その後に５５０℃以上６００℃以下の加熱処理
を施す方法がある。ここで５５０℃以下では同じく、膜
中に存在するＨ₂Ｏ、ＳｉＯＨ基が膜外に十分放出され
ず、６００℃以上ではガラス基板が軟化する恐れがあ
る。

【００５９】以上３つの方法の何れかで作成することが
特に望ましい。これらの方法であれば、本発明における
下地膜としての酸化ケイ素膜の条件を十分に満たすこと
ができ、量産性に富み、大型基板上に均一性よく酸化ケ
イ素膜を形成することができる。

【００６０】本発明は、半導体装置の高性能化と高信頼
性、安定性、素子間均一性の両立を目的とするが、より
その効果を高めるために、本発明による下地膜上にまず
非晶質ケイ素膜を形成し、加熱することにより固相状態
において結晶化させ、その後、エネルギービーム照射し
溶融固化させることで、このケイ素膜を再結晶化する方
法がより有効である。非晶質ケイ素膜を加熱処理により
固相結晶化した結晶性ケイ素膜は、結晶性が悪く、その
ままではＴＦＴのチャネル領域としては不適であるが、
均一性が良好なため、溶融固化結晶化時の種結晶を作っ
ておくという意味で有効である。次に、この結晶性ケイ
素膜にエネルギービームを照射した場合には、その結晶
情報をある程度は残した状態で再結晶化され、固相結晶
化による良好な均一性が反映される。また、種結晶から
再結晶化されるため、非晶質ケイ素膜を直接エネルギー
ビーム照射により結晶化する場合よりも、個々の結晶粒
径をより大きくすることができ、半導体装置の高性能化
が行える。

【００６１】前記固相結晶化工程は、非晶質ケイ素膜
に、その結晶化を助長する触媒元素を導入した後、行わ
れることが望ましい。この方法により、加熱温度の低温
化および処理時間の短縮、そして結晶性の向上が図れ
る。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパ
ラジウム等の金属元素を微量に導入させ、しかる後に加
熱することで、５５０℃、４時間程度の処理時間で結晶
化が終了する。これに対し、通常の触媒元素を用いない
固相結晶化には、６００℃以上で数十時間にわたる熱処
理が必要である。また、触媒元素により結晶化した結晶
性ケイ素膜は、通常の固相成長法で結晶化した結晶性ケ
イ素膜の一つの粒内が双晶構造であるのに対して、その
粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されてお
り、それぞれの柱状結晶内部はほぼ単結晶状態となって
いる。

【００６２】この触媒元素により結晶化された結晶性ケ
イ素膜は、エネルギービーム照射による再結晶化工程と
非常に相性が良い。エネルギービーム照射による再結晶
化工程では、最初の結晶性がある程度反映され、通常の
固相結晶化による結晶性ケイ素膜では、双晶構造を反映
して、結晶欠陥の多い結晶性ケイ素膜となる。これに対
して、触媒元素による固相結晶化ケイ素膜の場合は、エ
ネルギービーム照射による再結晶化によって、それぞれ
の柱状結晶が結合し、広範囲にわたって非常に結晶性が
良好な結晶性ケイ素膜が得られる。

【００６３】さらに、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に
触媒元素を導入し加熱することで、まず選択的に触媒元
素が導入された領域のみが結晶化し、その後、その導入
領域から横方向（基板と平行な方向）に結晶成長を行わ
せることができる。この横方向の結晶成長領域の内部で
は、成長方向がほぼ一方向に揃った柱状結晶がひしめき
合っており、触媒元素が直接導入されランダムに結晶核
の発生が起こった領域に比べて、結晶性が良好な領域と
なっている。よって、この横方向結晶成長領域の結晶性
ケイ素膜を、ＴＦＴのチャネル領域など半導体素子の能
動領域に用いることにより、より半導体装置の高性能化
が行える。

【００６４】本発明に利用できる触媒元素の種類として
は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉ
ｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂを利用することができるが、それ
らの中でも、特にＮｉを用いた場合に最も顕著な効果を
得ることができる。この理由については、未だよくわか
っていないが、一応次のようなモデルを考えている。触
媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合しシリサイ
ド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構
造が、非晶質ケイ素膜結晶化時に一種の鋳型のように作
用し、非晶質ケイ素膜の結晶化を促すといったモデルで
ある。Ｎｉは２つのＳｉとＮｉＳｉ₂のシリサイドを形
成する。ＮｉＳｉ₂は螢石型の結晶構造を示し、その結
晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類
似したものである。しかも、ＮｉＳｉ₂はその格子定数
が５．４０６Åであり、結晶シリコンのダイヤモンド構
造での格子定数５．４３０Åに非常に近い値をもつ。よ
って、ＮｉＳｉ₂は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるた
めの鋳型としては最高のものであり、本発明における触
媒元素としては、特にＮｉを用いるのが最も望ましい。

【００６５】本発明におけるケイ素膜を結晶化するため
のエネルギービームとしては、波長４００ｎｍ以下のエ
キシマレーザー光を用いることが望ましい。波長が４０
０ｎｍ以下であれば、ケイ素膜がその波長域に対して大
きな吸収係数を持つため、そのエネルギーを効率的にケ
イ素膜に与えられ、良好な結晶性ケイ素膜が得られると
ともに、下層のガラス基板などへの熱的ダメージも比較
的小さくて済む。その中でも、ＸｅＣｌエキシマレーザ
ー光であれば、発振出力が高く、安定性が高いため、そ
のビームサイズをある程度拡げることができ、大面積基
板のケイ素膜のアニール手段としては最も適している。
本発明で使用されるレーザー光は、エネルギー密度が２
５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²の高エネルギーのパルスレー
ザーであることが望ましい。

【００６６】さらに、前記エキシマレーザー光は、その
ビーム形状が照射面において長尺形状となるように設計
されたものを用い、ビーム形状の長尺方向に対して垂直
方向に順次走査することで、複数の半導体素子の活性領
域を同時に結晶化することが望ましい。なぜなら、走査
照射においては、走査方向に対して垂直方向の均一性は
比較的良好なため、その方向へとビームサイズを拡げる
ことで、大型基板などに対して、より均一な処理が可能
となり、工程の処理効率も高くなるからである。

【００６７】

【発明の実施の形態】

（実施例１）本発明を用いた第１の実施例について説明
する。本実施例では、本発明を利用し、ガラス基板上に
液晶表示装置用のアクティブマトリクス基板を作製する
際の工程について説明を行う。このアクティブマトリク
ス基板においては、各画素をスイッチングするための素
子としてＮ型ＴＦＴが形成される。

【００６８】図１は本実施例のアクティブマトリクス基
板において、任意のＴＦＴの作製工程を示す断面図であ
り、（Ａ）→（Ｅ）の順にしたがって作製工程が順次進
行する。実際には、アクティブマトリクス基板では、基
板上に何十万個ものＴＦＴが配置され、同時工程にて形
成されるのであるが、本実施例では、説明の簡略上任意
の１個のＴＦＴにおいて説明を行う。図１（Ｅ）に示す
のが、本実施例にて作製したアクティブマトリクス基板
での画素ＴＦＴ１２１の完成図である。実際には、画素
ＴＦＴ１２１と同様の工程にて、複数個の画素ＴＦＴが
基板上に同時形成される。

【００６９】まず、図１（Ａ）に示すように、ガラス基
板１０１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３０
０ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成す
る。酸化ケイ素膜を形成するときのスパッタリング条件
としては、石英ターゲットを用い、基板を２００℃に加
熱した状態で、Ａｒ／Ｏ₂混合ガス中にて行った。この
ときの酸化ケイ素膜の膜中のＨ₂Ｏ濃度は、５×１０¹⁸
個／ｃｍ³程度であり、ＳｉＯＨ基の濃度は、２×１０
¹⁹個／ｃｍ³程度であった。

【００７０】次に、減圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法な
どによって、厚さ２０〜１００ｎｍ、例えば３０ｎｍの
非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ）膜１０３を成膜する。プラズ
マＣＶＤ法により前記ａ−Ｓｉ膜１０３を成膜した場合
には、その膜中に多量の水素を含有し、後のレーザー照
射時の膜剥がれの原因となるため、ここで４５０℃程度
の温度で数時間熱処理を行い、膜中の水素を放出してお
く必要がある。

【００７１】その後、図１（Ｂ）に示すように、レーザ
ー光１０７を照射し、ａ−Ｓｉ膜１０３を結晶化する。
このときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエキシマレー
ザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い
た。レーザー光１０７の照射条件は、照射時に基板を２
００〜５００℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー
密度２５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²、例えば３２０ｍＪ／
ｃｍ²とした。レーザー光１０７は、基板表面における
ビームサイズが１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺矩形状となる
ように、ホモジナイザーによって成型されており、その
長辺方向に対して垂直方向に順次走査した。このときの
順次走査に伴うビームのオーバーラップ量は、９０％と
設定したため、ａ−Ｓｉ膜１０３の任意の一点に対し
て、それぞれ１０回レーザー照射されることになる。こ
の工程により、ａ−Ｓｉ膜１０３はその融点以上に加熱
され、溶融し固化することで良好な結晶性を有する結晶
性ケイ素膜１０３ａとなる。このときの結晶性ケイ素膜
１０３ａの比抵抗を測定すると、５×１０⁶Ω・ｃｍ程
度であった。

【００７２】次に、前記結晶性ケイ素膜１０３ａの不要
な部分を除去することで、図１（Ｃ）に示すような素子
間分離を行って、後にＴＦＴの活性領域（ソース領域、
ドレイン領域、チャネル領域）を構成する島状の結晶性
ケイ素膜１０８を形成する。

【００７３】引き続いて、図１（Ｄ）に示すように、活
性領域となる上記島状の結晶性ケイ素膜１０８を覆うよ
うに厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１００ｎｍの酸化
ケイ素膜をゲート絶縁膜１０９として成膜する。酸化ケ
イ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥ
ｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）を原料と
し、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃、好ましく
は３００〜４５０℃で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・
堆積した。あるいはＴＥＯＳを原料としてオゾンガスと
ともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法によって、基
板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０
℃として形成してもよい。

【００７４】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３００〜６００ｎｍ、例えば４００ｎｍのアルミニ
ウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニン
グして、ゲート電極１１０を形成する。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１１１を形成する。この状態が図１（Ｄ）に相当す
る。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い、最初一定電流で２２０Ｖまで電
圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させる。得ら
れた酸化物層１１１の厚さは２００ｎｍである。なお、
この酸化物層１１１は、後のイオンドーピング工程にお
いて、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるの
で、オフセットゲー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。

【００７５】次に、イオンドーピング法によって、ゲー
ト電極１１０とその周囲の酸化物層１１１をマスクとし
て活性領域に不純物（リン）を注入する。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、ドーズ量を１×１０
¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2とす
る。この工程により、不純物が注入された領域は後にＴ
ＦＴのソース領域１１４とドレイン領域１１５となり、
ゲート電極１１０およびその周囲の酸化物層１１１にマ
スクされ不純物が注入されない領域は、後にＴＦＴのチ
ャネル領域１１３となる。

【００７６】その後、図１（Ｄ）に示すように、レーザ
ー光１１２の照射によってアニールを行い、イオン注入
した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入
工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。こ
の際、使用するレーザーとしてはＸｅＣｌエキシマレー
ザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用
い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²、好ま
しくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ²で照射を行った。こ
うして形成されたＮ型不純物（リン）が注入されたソー
ス領域１１４、ドレイン領域１１５のシート抵抗は、２
００〜８００Ω／□であった。

【００７７】そして、図１（Ｅ）に示すように、厚さ６
００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜１１６として
形成する。この酸化ケイ素膜は、ＴＥＯＳを原料とし
て、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾン
との減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって形成す
れば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られ
る。

【００７８】次に、層間絶縁膜１１６にコンタクトホー
ルを形成して、ソース電極１１７と画素電極１２０を形
成する。ソース電極１１７は、金属材料、例えば、窒化
チタンとアルミニウムの二層膜によって形成する。窒化
チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防
止する目的のバリア膜として設けられる。画素電極１２
０はＩＴＯなど透明導電膜により形成される。

【００７９】そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５
０℃、１時間程度のアニールを行い、図１（Ｅ）に示す
Ｎ型の画素ＴＦＴ１２１を完成させる。前記アニール処
理により、画素ＴＦＴ１２１の活性領域／ゲート絶縁膜
の界面へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不
対結合手を低減する効果がある。なお、さらに画素ＴＦ
Ｔ１２１を保護する目的で、必要な箇所のみＳｉＨ₄と
ＮＨ₃を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成さ
れた窒化ケイ素膜でカバーしてもよい。

【００８０】以上の実施例にしたがって作製した各ＴＦ
Ｔは、パネル内において、電界効果移動度で５０〜７０
ｃｍ²／Ｖｓ、閾値電圧２〜２．５Ｖという良好な特性
を示した。特に、パネル内でのＴＦＴの閾値電圧のばら
つきは、最大最小差で０．５Ｖ程度と非常に良好な均一
性を示した。その結果、本実施例にて作製したアクティ
ブマトリクス基板を用い、液晶表示パネルを作製し、全
面表示を行った結果、ＴＦＴ特性の不均一性に起因する
表示むらは大きく低減され、高表示品位の液晶表示装置
が実現できた。

【００８１】（実施例２）本発明を用いた第２の実施例
について説明する。本実施例でも、本発明を利用し、ガ
ラス基板上に液晶表示装置用のアクティブマトリクス基
板を作製する際の工程について説明を行う。このアクテ
ィブマトリクス基板においては、各画素電極をスイッチ
ングするための素子としてＮ型ＴＦＴが形成され、その
ドレイン領域側には画素電極による液晶容量と並列に補
助容量（Ｃｓ）が設けられている。

【００８２】図２は、本実施例で説明するアクティブマ
トリクス基板において、任意の一画素部分の構成を示す
平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ'で切ったＴＦＴ
の作製工程を示す断面図であり、（Ａ）→（Ｅ）の順に
したがって作製工程が順次進行する。図２および図３
（Ｅ）が本実施例にて作製した画素ＴＦＴおよびその補
助容量（Ｃｓ）部の完成図であり、スイッチング用のＮ
型の画素ＴＦＴ２２１と補助容量（Ｃｓ）２２４を示
す。

【００８３】まず、図３（Ａ）に示すように、ガラス基
板２０１上にプラズマＣＶＤ法によって厚さ３００ｎｍ
程度の酸化ケイ素からなる下地膜２０２を形成する。こ
のときの成膜条件としては、材料ガスとしてＴＥＯＳ
（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａ
ｔｅ）を原料とし、酸素とともに１Ｔｏｒｒ程度の減圧
雰囲気下、基板温度３００〜４００℃にてＲＦプラズマ
法で分解・堆積した。その後、不活性ガス雰囲気中に
て、基板温度５００〜６００℃、例えば６００℃で数時
間アニール処理を行った。上記加熱処理工程において、
膜中に含有される水分（Ｈ₂Ｏ）は放出されるととも
に、ＳｉＯＨ基の結合も切れてＯＨ成分が膜外に放出さ
れる。その結果、加熱処理前の酸化ケイ素膜の水分（Ｈ
₂Ｏ）濃度が４×１０²⁰個／ｃｍ³程度、ＳｉＯＨ基の濃
度が３×１０²¹個／ｃｍ³程度であったのに対し、加熱
処理後の酸化ケイ素膜のＨ₂Ｏ濃度は２×１０¹⁹個／ｃ
ｍ³程度に、またＳｉＯＨ基の濃度は４×１０²⁰個／ｃ
ｍ³程度に低減された。

【００８４】そして、酸化ケイ素膜の下地膜２０２上
に、減圧ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法によって、
厚さ４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓ
ｉ膜）２０３を成膜する。プラズマＣＶＤ法により前記
ａ−Ｓｉ膜２０３を成膜した場合には、その膜中に多量
の水素を含有し、後のレーザー照射時の膜剥がれの原因
となるため、ここで４５０℃程度の温度で数時間熱処理
を行い、膜中の水素を放出しておく必要がある。

【００８５】その後、図３（Ａ）に示すように、レーザ
ー光２０７を照射し、ａ−Ｓｉ膜２０３を結晶化する。
このときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエキシマレー
ザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い
た。レーザー光２０７の照射条件は、照射時に基板を２
００〜５００℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー
密度２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ²、例えば３３０ｍＪ／
ｃｍ²とした。レーザー光２０７は、基板面に対して順
次走査され、ａ−Ｓｉ膜２０３の任意の一点に対して、
それぞれ１０回レーザー照射されるように走査ピッチを
設定した。この工程により、ａ−Ｓｉ膜２０３はその融
点以上に加熱され、溶融し固化することで良好な結晶性
を有する結晶性ケイ素膜２０３ａとなる。ここで原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）により、結晶性ケイ素膜２０３ａの
表面の平均面粗さＲａを測定すると、４〜５ｎｍ程度で
あった。

【００８６】次に、前記結晶性ケイ素膜２０３ａの不要
な部分を除去することで、図３（Ｂ）に示すような素子
間分離を行って、後にＴＦＴの活性領域（ソース領域、
ドレイン領域、チャネル領域）および補助容量（Ｃｓ）
の下部電極を構成する島状の結晶性ケイ素膜２０８を形
成する。このときの状態を基板上方より見ると、図２に
示されているように、島状の結晶性ケイ素膜２０８が形
成されている。

【００８７】次に、図３（Ｃ）に示すように、活性領域
となる上記島状の結晶性ケイ素膜２０８上にフォトレジ
ストを塗布し、露光・現像してマスク２０４とする。す
なわち、マスク２０４により、後にＴＦＴのチャネル領
域となる部分のみが覆われた状態となっている。そし
て、イオンドーピング法によって、フォトレジストのマ
スク２０４をマスクとして不純物（リン）を注入する。
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５〜３０ｋＶ、例えば、１５ｋＶ、ドー
ズ量を１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０
¹⁵ｃｍ^-2とする。この工程により、不純物が注入された
領域は後の画素ＴＦＴ２２１のソース領域２１４とな
り、また画素ＴＦＴ２２１のドレイン領域２１５と補助
容量（Ｃｓ）２２４の下部電極を形成する。フォトレジ
ストのマスク２０４にマスクされ不純物が注入されない
領域は、上述のように後にＴＦＴ２２１のチャネル領域
２１３となる。

【００８８】次に、図３（Ｄ）に示すように、フォトレ
ジストのマスク２０４を除去し、島状の結晶性ケイ素膜
２０８を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１
００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２０９として成
膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ
（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃ
ａｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６
００℃、好ましくは３００〜４００℃で、ＲＦプラズマ
ＣＶＤ法で分解・堆積した。成膜後、ゲート絶縁膜２０
９自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜＼ゲート絶縁
膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で
４００〜６００℃で数時間のアニールを行った。同時
に、このアニール処理により、ソース領域２１４および
ドレイン領域２１５にドーピングされた不純物が活性化
され、ソース領域２１４およびドレイン領域２１５が低
抵抗化された結果、そのシート抵抗は８００〜１０００
Ω／□となった。

【００８９】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３００〜５００ｎｍ、例えば４００ｎｍのアルミニ
ウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニン
グして、ゲート電極２１０ａと補助容量（Ｃｓ）２２４
の上部電極２１０ｂを形成する。ここでゲート電極２１
０ａは平面的に見れば、図２に示すように、第ｎ番目の
ゲートバスラインを構成しており、補助容量（Ｃｓ）部
の上部電極２１０ｂは第ｎ＋１番目のゲートバスライン
を構成している。

【００９０】そして、次に図３（Ｅ）に示すように、厚
さ５００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２１６と
して形成する。この酸化ケイ素膜は、ＴＥＯＳを原料と
して、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾ
ンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって形成
すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られ
る。

【００９１】次に、層間絶縁膜２１６にコンタクトホー
ルを形成して、ソース電極２１７と画素電極２２０を形
成する。ソース電極２１７は、金属材料、例えば、窒化
チタンとアルミニウムの二層膜によって形成する。窒化
チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防
止する目的のバリア膜として設けられる。画素電極２２
０はＩＴＯなど透明導電膜により形成される。このとき
の状態を基板上方より見れば、図２のようにソース電極
２１７はＴＦＴ２２１に映像信号を伝達するソースバス
ラインを構成しており、各バスライン間に画素電極２２
０が配置されている。

【００９２】そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５
０℃、１時間程度のアニールを行い、図３（Ｅ）に示す
画素ＴＦＴ２２１を完成させる。前記アニール処理によ
り、画素ＴＦＴ２２１の活性領域／ゲート絶縁膜の界面
へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合
手を低減する効果がある。なお、さらに画素ＴＦＴ２２
１を保護する目的で、必要な箇所のみＳｉＨ₄とＮＨ₃を
原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成された窒化
ケイ素膜でカバーしてもよい。

【００９３】以上の実施例にしたがって作製した各ＴＦ
Ｔは、パネル内において、電界効果移動度で７０〜９０
ｃｍ²／Ｖｓ、閾値電圧２〜２．５Ｖという良好な特性
を示した。また、各画素ＴＦＴ２２１は、パネル内での
ＴＦＴ閾値電圧のばらつきが０．５Ｖ程度と非常に良好
な均一性を示すのに加えて、そのチャネル領域２１３と
その補助容量（Ｃｓ）２２４の下部電極においては、そ
の表面平均粗さＲａが共に４〜５ｎｍ程度に抑えられ、
ゲート絶縁膜２０９を介したリーク電流はほとんどな
く、それぞれの容量の不均一性も小さく抑えられる。そ
の結果、本実施例にて作製したアクティブマトリクス基
板を用い、液晶表示パネルを作製し、全面表示を行った
結果、ＴＦＴ特性の不均一性に起因する表示むらは大き
く低減され、高表示品位の液晶表示装置が実現できた。

【００９４】（実施例３）本発明を用いた第３の実施例
について説明する。本実施例では、アクティブマトリク
ス型液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回
路を形成するＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴ
を相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路をガラス基板上
に作製する工程について、説明を行う。

【００９５】図４は、本実施例で説明するＴＦＴの作製
工程の概要を示す平面図である。図５は、図４のＢ−
Ｂ'で切った断面図であり、（Ａ）→（Ｆ）の順にした
がって工程が順次進行する。図５（Ｆ）に示すのが、本
実施例によるＣＭＯＳ回路の完成図であり、Ｎ型ＴＦＴ
３２２とＰ型ＴＦＴ３２３により構成される。

【００９６】まず、図５（Ａ）に示すように、ガラス基
板３０１上にプラズマＣＶＤ法によって厚さ３００ｎｍ
程度の酸化ケイ素からなる下地膜３０２を形成する。こ
のときの成膜条件としては、材料ガスとしてシラン（Ｓ
ｉＨ₄）と、Ｎ₂Ｏを用い、０．５〜１．５Ｔｏｒｒの減
圧雰囲気、例えば０．８Ｔｏｒｒに設定し、基板温度３
００〜３５０℃にてＲＦプラズマにより分解・堆積させ
た。その後、不活性ガス雰囲気中にて、基板温度５００
〜６００℃、例えば５８０℃で数時間アニール処理を行
った。このようにして得られた膜は、厳密には幾分かの
ＳｉＯＨの成分を有している。上記加熱処理工程におい
て、膜中に含有されるＨ₂Ｏは放出されると共に、Ｓｉ
ＯＨ基の結合も切れてＯＨ成分が膜外に放出される。そ
の結果、得られる酸化ケイ素膜のＨ₂Ｏ濃度は、１×１
０¹⁹個／ｃｍ³程度に、ＳｉＯＨ基の濃度は、１×１０
²⁰個／ｃｍ³程度になった。そして、酸化ケイ素膜から
なる下地膜３０２上に、減圧ＣＶＤ法あるいはプラズマ
ＣＶＤ法によって、厚さ２０〜１００ｎｍ、例えば５０
ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）３
０３を成膜する。

【００９７】次に、ａ−Ｓｉ膜３０３上に感光性樹脂
（フォトレジスト）を塗布し、露光・現像してマスク３
０４とする。フォトレジストのマスク３０４のスルーホ
ールにより、領域３００においてスリット状にａ−Ｓｉ
膜３０３が露呈される。即ち、図５（Ａ）の状態を上面
から見ると、図４のように領域３００でａ−Ｓｉ膜３０
３が露呈しており、他の部分はフォトレジストによりマ
スクされている状態となっている。

【００９８】次に、図５（Ａ）に示すように、基板３０
１表面にニッケルを触媒元素３０５として薄膜蒸着す
る。本実施例では、蒸着ソースと基板間の距離を通常よ
り大きくして、蒸着レートを低下させることで、ニッケ
ルよりなる触媒元素３０５の膜厚が１〜２ｎｍ程度とな
るように制御した。このときのガラス基板３０１上にお
ける触媒元素３０５によるニッケルの面密度を実際に測
定すると、１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度であっ
た。そして、フォトレジストのマスク３０４を除去する
ことで、マスク３０４上のニッケルよりなる触媒元素３
０５がリフトオフされ、領域３００のａ−Ｓｉ膜３０３
において、選択的にニッケルのような触媒元素３０５の
微量添加が行われたことになる。そして、これを不活性
雰囲気下、例えば加熱温度５５０℃で１６時間アニール
して結晶化させる。

【００９９】この際、領域３００においては、ａ−Ｓｉ
膜３０３表面に添加されたニッケルを核としてガラス基
板３０１に対して垂直方向にａ−Ｓｉ膜３０３の結晶化
が起こり、結晶性ケイ素膜３０３ｂが形成される。そし
て、領域３００の周辺領域では、図４及び図５（Ｂ）に
おいて、矢印３０６で示すように、領域３００から横方
向（基板と平行な方向）に結晶成長が行われ、横方向に
結晶成長した結晶性ケイ素膜３０３ｃが形成される。ま
た、それ以外のケイ素膜の領域は、そのまま非晶質ケイ
素膜領域３０３ｄとして残る。この横方向結晶成長した
結晶性ケイ素膜３０３ｃ中のニッケル濃度は５×１０¹⁶
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であった。なお、上記結晶成長
に際し、矢印３０６で示される基板と平行な方向の結晶
成長の距離は、８０μｍ程度であった。

【０１００】その後、図５（Ｃ）に示すように、レーザ
ー光３０７を照射し、ケイ素膜の再結晶化を行う。この
ときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエキシマレーザー
（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用いた。
レーザー光３０７の照射条件は、照射時に基板を２００
〜５００℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度
２５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ²
とした。レーザー光３０７は、基板面に対して順次走査
され、ケイ素膜３０３の任意の一点に対して、それぞれ
１０回レーザー照射されるように走査ピッチを設定し
た。この工程により、結晶性ケイ素領域３０３ｂおよび
３０３ｃはその融点以上に加熱され、溶融し固化するこ
とで、一部を種結晶として再結合し、さらに良好な結晶
性を有する結晶性ケイ素膜３０３ｂ'および３０３ｃ'と
なる。また、ａ−Ｓｉ領域３０３ｄは、結晶化され結晶
性ケイ素膜３０３ａとなる。

【０１０１】その後、図５（Ｄ）に示すように、結晶性
ケイ素膜３０３ｃ'領域が、後のＴＦＴの活性領域（ソ
ース領域、ドレイン領域、チャネル領域）を構成する島
状の結晶性ケイ素膜３０８ｎ、３０８ｐとなるように、
それ以外の結晶性ケイ素膜をエッチング除去して素子間
分離を行う。

【０１０２】次に、島状の結晶性ケイ素膜３０８ｎ、３
０８ｐを覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１
００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜３０９として成
膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ
（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａ
ｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６０
０℃、好ましくは３００〜４００℃で、ＲＦプラズマＣ
ＶＤ法で分解・堆積した。成膜後、ゲート絶縁膜３０９
自身のバルク特性および島状の結晶性ケイ素膜３０８
ｎ、３０８ｐ＼ゲート絶縁膜３０９の界面特性を向上す
るために、不活性ガス雰囲気下で５００〜６００℃で数
時間のアニールを行った。

【０１０３】次に、図５（Ｅ）に示すように、スパッタ
リング法によって厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば５０
０ｎｍのアルミニウム（０．１〜２％のシリコンを含
む）を成膜し、アルミニウム膜をパターニングして、ゲ
ート電極３１０ｎ、３１０ｐを形成する。

【０１０４】次に、イオンドーピング法によって、活性
領域となる島状の結晶性ケイ素膜３０８ｎ、３０８ｐに
ゲート電極３１０ｎ、３１０ｐをマスクとして不純物
（リン、およびホウ素）を注入する。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６０〜９０ｋ
Ｖ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０ｋＶ〜８０ｋ
Ｖ、例えば６５ｋＶとし、ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×
１０¹⁵ｃｍ^-2、例えばリンを２×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ素
を５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。この工程により、ゲート電
極３１０ｎ、３１０ｐにマスクされ不純物が注入されな
い領域は後にＴＦＴのチャネル領域３１３ｎ、３１３ｐ
となる。ドーピングに際しては、ドーピングが不要な領
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を行う。この結果、Ｎ型の不純
物を注入したソース領域３１４ｎとドレイン領域３１５
ｎ、Ｐ型の不純物を注入したソース領域３１４ｐとドレ
イン領域３１５ｐが形成され、図５（Ｅ）及び（Ｆ）に
示すように、Ｎ型ＴＦＴ３２２とＰ型ＴＦＴ３２３とを
形成することができる。この状態を基板上方より見ると
図４のようになっており、ここで活性領域を構成する島
状の結晶性ケイ素膜３０８ｎおよび３０８ｐにおいて、
矢印３０６で示した結晶成長方向キャリアの移動方向
（ソース→ドレイン方向）は平行となるように配置して
ある。このような配置を採ることで、さらに高移動度を
有するＴＦＴが得られる。

【０１０５】その後、図５（Ｅ）に示すように、レーザ
ー光３１２の照射によってアニールを行い、イオン注入
した不純物の活性化を行う。レーザー光としては、Ｘｅ
Ｃｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０
ｎｓｅｃ）を用い、レーザー光の照射条件としては、エ
ネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ²で一か所につき４ショ
ット照射した。

【０１０６】続いて、図５（Ｆ）に示すように、厚さ６
００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜３１６として、Ｔ
ＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法によって形成し、
これ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二層膜によってＴＦＴ
のソース電極・配線３１７、ソースとドレイン電極・配
線３１８、ドレイン電極・配線３１９を形成する。そし
て最後に、１気圧の水素雰囲気下で３５０℃、１時間程
度のアニールを行い、Ｎ型ＴＦＴ３２２とＰ型ＴＦＴ３
２３を完成させる。

【０１０７】以上の実施例にしたがって作製したＣＭＯ
Ｓ構造回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動
度はＮ型ＴＦＴで１５０〜２００ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐ型Ｔ
ＦＴで１００〜１３０ｃｍ²／Ｖｓと高く、閾値電圧は
Ｎ型ＴＦＴで１．５〜２Ｖ、Ｐ型ＴＦＴで−２〜−２．
５Ｖと非常に良好な特性を示す。さらに、繰り返し測定
に伴う特性劣化もほとんどなく、信頼性の高いＣＭＯＳ
構造回路が得られた。

【０１０８】以上、本発明に基づく実施例３例につき具
体的に説明したが、本発明は上述の実施例に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。

【０１０９】例えば、上記実施例で成説明した酸化ケイ
素膜の下地膜の形成方法以外に、スパッタリング法で
は、単結晶シリコンをターゲットに用い、酸素雰囲気中
で行う反応性スパッタリングでも可能であるし、熱ＣＶ
Ｄ法により形成し、成膜後、必要な熱処理を施してもよ
い。

【０１１０】また、ａ−Ｓｉ膜の結晶化に際しては、Ｘ
ｅＣｌエキシマレ−ザ−を用いたが、それ以外の様々な
強光照射により結晶化された場合にも勿論、同様の効果
があり、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーや、
波長４８８ｎｍの連続発振Ａｒレーザーなどにおいても
同様である。

【０１１１】また、上記第３実施例では、固相結晶成長
法としては、触媒元素を選択的に導入し、結晶化する方
法を用いたが、触媒元素をａ−Ｓｉ膜全面に導入する方
法もプロセス簡略化の面で有効である。また、触媒元素
を用いず通常の固相結晶成長法を用いても同様の効果が
得られる。上記第３実施例では、触媒元素であるニッケ
ルを微量導入する方法として、ａ−Ｓｉ膜表面に蒸着法
によりニッケル薄膜を形成する方法を採用したが、その
他にも様々な手法を用いることができる。例えば、ａ−
Ｓｉ膜表面にニッケル塩を溶かせた水溶液を塗布する方
法や、スパッタリング法やメッキ法により薄膜形成する
方法、イオンドーピング法により直接導入する方法など
も利用できる。さらに、結晶化を助長する不純物金属元
素としては、ニッケル以外にコバルト、パラジウム、白
金、銅、銀、金、インジウム、スズ、アルミニウム、ア
ンチモンを用いても効果が得られる。

【０１１２】さらに、本発明の応用としては、液晶表示
用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着
型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッ
ド、有機系ＥＬ等を発光素子としたドライバー内蔵型の
光書き込み素子や表示素子、三次元ＩＣ等が考えられ
る。本発明を用いることで、これらの素子の高速、高解
像度化等の高性能化が実現される。さらに本発明は、上
述の実施例で説明したＭＯＳ型トランジスタに限らず、
結晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタや
静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロ
セス全般に応用することができる。

【０１１３】

【発明の効果】本発明を用いることにより、エネルギー
ビーム照射による溶融固化過程にて結晶化された結晶性
ケイ素膜を素子材料とする半導体装置全般において、従
来の問題点を解決でき、高性能で且つ信頼性、安定性の
高く、また、複数の素子間の特性均一性が良好な薄膜半
導体装置を実現することができる。特に液晶表示装置に
おいては、パネル内において個々のＴＦＴの特性を均一
化でき、レーザー順次走査に起因する表示不良のない高
表示レベルな液晶表示装置が得られる。さらに、薄膜集
積回路を構成するＴＦＴにおいては、要求される高性能
で且つ高信頼性を満足し、特にＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴ
を有するＣＭＯＳ回路では、閾値電圧Ｖ_THの絶対値をほ
ぼ同程度にできるため、従来必要であったチャネルドー
プなどの閾値電圧Ｖ_THのコントロールプロセスを行う必
要がなくなる。

【０１１４】そして、同一基板上にアクティブマトリク
ス部と周辺駆動回路部を構成するフルドライバモノリシ
ック型のアクティブマトリクス基板を簡便な製造プロセ
スにて実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能
化、低コスト化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の作製工程を示す。

【図２】第２の実施例の概要を示す。

【図３】第２の実施例の作製工程を示す。

【図４】第３の実施例の概要を示す。

【図５】第３の実施例の作製工程を示す。

【図６】下地膜膜中Ｈ₂Ｏ濃度とケイ素膜抵抗値との関
係を示す。

【図７】下地膜の膜中ＳｉＯＨ基の濃度とケイ素膜抵抗
値との関係を示す。

【図８】レーザー照射により結晶化されたケイ素膜表面
のＡＦＭ像を示す。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１ガラス基板１０２、２０２、３０２下地膜１０３、２０３、３０３非晶質ケイ素（ａ−
Ｓｉ）膜２０４、３０４マスク３０５触媒元素３０６矢印１０７、２０７、３０７レーザー光１０８、２０８、３０８活性領域（島状の結
晶性ケイ素膜）１０９、２０９、３０９ゲート絶縁膜１１０、２１０ａ３１０ゲート電極２１０ｂ上部電極１１１酸化物層１１２、３１２レーザー光１１３、２１３、３１３チャネル領域１１４、２１４、３１４ソース領域１１５、２１５、３１５ドレイン領域１１６、２１６、３１６層間絶縁膜１１７、２１７ソース電極３１７ソース電極・配線３１８ソースとドレイン電極・配線３１９ドレイン電極・配線１２０、２２０画素電極１２１、２２１画素ＴＦＴ３２２Ｎ型ＴＦＴ３２３Ｐ型ＴＦＴ２２４補助容量（Ｃｓ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−626766（ＪＰ，Ａ) 特開平７−99323（ＪＰ，Ａ) 特開平８−69967（ＪＰ，Ａ) 特開平７−335904（ＪＰ，Ａ) 特開平６−132304（ＪＰ，Ａ) 特開平５−196962（ＪＰ，Ａ) 特開平７−183535（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、酸化ケイ素を主成分とする下
地膜と接して成る結晶性を有するケイ素膜を、活性領域
とする薄膜半導体素子が形成された半導体装置であっ
て、前記活性領域は、エネルギービーム照射による溶融固化
過程にて結晶化された結晶性ケイ素膜であり、前記下地
膜は、膜中に含有する水分（Ｈ₂Ｏ）濃度が１×１０ ¹⁷
個／ｃｍ ³ 〜１×１０ ¹⁹ 個／ｃｍ ³となる絶縁膜であるこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項２】基板上に、酸化ケイ素を主成分とする下
地膜と接して成る結晶性を有するケイ素膜を、活性領域
とする薄膜半導体素子が形成された半導体装置であっ
て、前記活性領域は、エネルギービーム照射による溶融固化
過程にて結晶化された結晶性ケイ素膜であり、前記下地
膜は、膜中に含有するＳｉＯＨ基の濃度が１×１０ ¹⁸ 個
／ｃｍ ³ 〜１×１０ ²¹ 個／ｃｍ ³となる絶縁膜であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項３】基板上に、酸化ケイ素を主成分とする下
地膜と接して成る結晶性を有するケイ素膜を、活性領域
とする薄膜半導体素子が形成された半導体装置であっ
て、前記活性領域は、エネルギービーム照射による溶融固化
過程にて結晶化された結晶性ケイ素膜であり、前記下地
膜は、膜中に含有する水分（Ｈ₂Ｏ）濃度が１×１０ ¹⁷
個／ｃｍ ³ 〜１×１０ ¹⁹ 個／ｃｍ ³で、且つ膜中に含有す
るＳｉＯＨ基の濃度が１×１０ ¹⁸ 個／ｃｍ ³ 〜１×１０
²¹ 個／ｃｍ ³となる絶縁膜であることを特徴とする半導
体装置。
【請求項４】基板上に構成され、酸化ケイ素を主成分
とする下地膜と接して成る複数の薄膜トランジスタを有
する半導体装置において、該複数の薄膜トランジスタのチャネル領域は、パルスレ
ーザー光の順次走査照射により結晶化された結晶性ケイ
素膜よりなり、前記チャネル領域と接して下層に形成さ
れた下地膜は、膜中に含有する水分（Ｈ₂Ｏ）濃度が１
×１０ ¹⁷ 個／ｃｍ ³ 〜１×１０ ¹⁹ 個／ｃｍ ³ で、且つ、Ｓ
ｉＯＨ基の濃度が１×１０ ¹⁸ 個／ｃｍ ³ 〜１ ×１０ ²¹ 個
／ｃｍ ³となる条件若しくはどちらかの一方の条件を満
たす絶縁膜で構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】基板上に構成され、酸化ケイ素を主成分
とする下地膜と接して成る複数の画素電極を駆動する薄
膜トランジスタを有し、各薄膜トランジスタには前記画
素電極による液晶容量と並列に補助容量成分が接続され
てなる半導体装置において、膜中に含有する水分（Ｈ ₂ Ｏ）濃度が１×１０ ¹⁷ 個／ｃ
ｍ ³ 〜１×１０ ¹⁹ 個／ｃｍ ³ で、且つ、ＳｉＯＨ基の濃度
が１×１０ ¹⁸ 個／ｃｍ ³ 〜１×１０ ²¹ 個／ｃｍ ³ となる条
件若しくはどちらかの一方の条件を満たす絶縁膜よりな
る下地膜上の結晶性ケイ素膜を用いて、前記薄膜トラン
ジスタのチャネル領域と、その薄膜トランジスタに接続
された前記補助容量成分の一方の電極とを構成したこと
を特徴とする半導体装置。
【請求項６】基板上に、膜中に含有する水分（Ｈ
₂Ｏ）濃度が１×１０ ¹⁷ 個／ｃｍ ³ 〜１×１０ ¹⁹ 個／ｃｍ
³となる絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上にケイ素膜を形成する工程と、該ケイ素膜にエネルギービームを照射し、溶融固化過程
において結晶化させる工程と、該ケイ素膜を活性領域に用いて、薄膜半導体装置を完成
させる工程と、を少なくとも有することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
【請求項７】基板上に、膜中に含有するＳｉＯＨ基濃
度が１×１０ ¹⁸ 個／ｃｍ ³ 〜１×１０ ²¹ 個／ｃｍ ³となる
絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上にケイ素膜を形成する工程と、該ケイ素膜にエネルギービームを照射し、溶融固化過程
において結晶化させる工程と、該ケイ素膜を活性領域に用いて、薄膜半導体装置を完成
させる工程と、を少なくとも有することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
【請求項８】前記下地膜上に非晶質ケイ素膜を形成
し、加熱することにより固相状態において結晶化させる
工程と、該結晶化されたケイ素膜に対しエネルギービームを照射
して熔融固化させることで、ケイ素膜を再結晶化する工
程とを有することを特徴とする前記請求項６あるいは７
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記下地膜上に非晶質ケイ素膜を形成
し、該非晶質ケイ素膜を加熱することにより固相状態に
おいて結晶化させる工程は、該非晶質ケイ素膜に、その
結晶化を助長する触媒元素を導入した後、行われること
を特徴とする前記請求項８記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１０】前記非晶質ケイ素膜を加熱することに
より固相状態において結晶化させる工程は、該非晶質ケ
イ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を選択的に導
入し、加熱処理により、該触媒元素が選択的に導入され
た領域から、その周辺部へと横方向に結晶成長させるこ
とにより行われ、該横方向に結晶成長させた領域を用い
て、半導体装置の活性領域を形成することを特徴とする
前記請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記エネルギービームは、前記ケイ素
膜に照射されるエネルギー密度が２５０〜４００ｍＪ／
ｃｍ²のパルスレーザーであることを特徴とする前記請
求項６あるいは７記載の半導体装置の製造方法。