JP3392677B2 - 半導体薄膜、半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜半導体素子の
活性領域に用いられる結晶性を有するケイ素膜のような
半導体薄膜に関し、特に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関する。また、
この半導体薄膜を活性領域とする薄膜トランジスタ（以
下、ＴＦＴという。）等の半導体装置およびその製造方
法に関し、本発明の半導体装置は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
ンサーやドライバー内蔵型サーマルヘッド、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、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ＩＣ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
装置を構成する半導体素子には、半導体薄膜として薄膜
状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
ケイ素半導体には、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、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、 （１）成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。

【０００５】（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。

【０００６】（３）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。

【０００７】といった主に３つの方法が知られている。

【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８−５１０７４号公報および特開
平８−２０１８４６号公報で提案されている。

【００１１】特開平８−５１０７４号公報では、パルス
レーザービームにおける長軸方向および短軸方向のプロ
ファイル（エネルギー強度分布）を最適化し、非晶質ケ
イ素膜に対して、少なくとも短軸方向に結晶化する領域
が重複し得る送りピッチで走査するものである。特開平
８−２０１８４６号公報では、液晶表示装置用のドライ
バモノリッシック型アクティブマトリクス基板のドライ
バＴＦＴを対象に、パルスレーザービームをその一部が
重なるようにずらして照射し、ビームのエッジ部分を利
用して活性領域のケイ素膜を結晶化している。また、パ
ルスレーザービームのずらし方向に対する半導体薄膜の
幅を、ずらし量以上あるいはずらし量の整数倍として照
射することも提案している。両者とも、レーザー走査に
より結晶化されたケイ素膜の膜質（結晶性）均一性向上
を目的とするものである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記（３）の方法は、
上述のように、絶縁膜上のケイ素膜の結晶化法として
は、最も優れているが、均一性において大きな課題を残
している。すなわち、光源となるレーザー発信器は、デ
ィスプレイとして使用される液晶表示装置用基板、例え
ば横４６０ｍｍ、縦３６０ｍｍの大面積基板を一括照射
行うだけの出力を有するものは未だ開発されておらず、
現在は基板面に対して面積１００〜２００ｍｍ²程度の
ビーム面積を持つものしか無い。したがって、上記特開
平８−５１０７４号公報および特開平８−２０１８４６
号公報で提案されているように、小面積のレーザービー
ムを基板（ケイ素膜）に対して、一定量ずらせながら順
次走査することで対応している。このとき、順次走査に
伴う結晶性の不均一性が大きな問題となるため、上記特
開平８−５１０７４号公報および特開平８−２０１８４
６号公報で提案されているように、パルスレーザービー
ムをその一部が重なるようにずらして照射する方法や、
結晶化する領域が重複し得る送りピッチで走査する方法
が一般的に用いられている。

【００１３】しかし、均一性の向上のために行われるこ
のようなずらし照射により、実際には新たな不均一性が
生じている。すなわち、ケイ素膜の任意の一点につい
て、何度もレーザー光が照射されることになるのである
が、その位置により、照射回数が異なってしまう現象が
生じるからである。より具体的には、レーザー光のエネ
ルギーが高効率にケイ素膜に吸収されるため、瞬時に融
点までケイ素膜は加熱され溶融する。その後、固化して
結晶化されたケイ素膜に、さらに次の走査のレーザー光
が照射され、溶融して再結晶化する。任意の一点はこの
サイクルを何回か繰り返すのであるが、結晶性ケイ素膜
が溶融し再結晶化するプロセスにおいては、溶融前の膜
状態をある程度維持した状態での再結晶化が行われるた
め、その照射回数によって結晶性が異なってくる。つま
り、５回溶融したケイ素膜と６回溶融したケイ素膜とで
は、微妙に結晶性が異なる訳である。

【００１４】したがって、上記特開平８−５１０７４号
公報および特開平８−２０１８４６号公報で開示されて
いる技術だけでは、本発明の目的とする基板全面にわた
って膜質均一性の高い結晶性ケイ素膜を得ることはでき
ない。言うまでもなく、ケイ素膜結晶性のばらつきは、
それを素子材とした場合、その半導体素子の特性にその
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。特に、人間の目で実際に官能評価されるような
液晶表示装置用、特にアクティブマトリクス液晶表示装
置は数１０万個以上のＴＦＴに対して非常に高い素子特
性の均一性が要求され、ＴＦＴの素子特性の不均一性が
表示（コントラスト）むらとなって現れる。したがっ
て、その活性領域を形成するケイ素膜においては、微妙
な膜質のばらつきも許されないほどの均一性が要求され
る。

【００１５】本発明は、上述の問題点を解決し、パルス
レーザー走査照射により溶融固化過程で結晶化された結
晶性ケイ素膜において、基板全面にわたって高い膜質均
一性を持たせることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、高品質で且つ
基板全面にわたって高い膜質均一性を持つ半導体薄膜、
特に結晶性ケイ素膜を実現するものである。さらに、こ
の膜質均一性に優れた結晶性ケイ素膜を素子材に用いる
ことにより、複数のＴＦＴ等の半導体素子を有するアク
ティブマトリクス基板などの半導体装置において、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
導体装置を実現できる。具体的には、本発明は以下の特
徴を有する。

【００１７】（１）絶縁表面を有する基板上に構成され
た結晶性を有するケイ素薄膜であって、該ケイ素薄膜
は、パルスレーザー光の順次走査照射により結晶化され
た結晶性ケイ素膜であり、レーザー光の順次走査間隔Ｐ
は、一回の照射により、実際のケイ素膜が結晶化（溶
融）される領域の長さの整数分の１となるパルスレーザ
ー光の順次走査照射により結晶化されたことを特徴とす
る。

【００１８】（２）前記レーザー光の走査方向における
ケイ素膜表面での照射レーザービーム長Ｌは、該レーザ
ー光一回の照射により、実際にケイ素膜が結晶化（溶
融）される領域の長さにより定義されることを特徴とす
る。

【００１９】前記パルスレーザー光として、波長４００
ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用いて、形成されるこ
とが望ましい。

【００２０】（３）前記パルスレーザー光は、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により、形成されたこ
とを特徴とする。

【００２１】（４）絶縁表面を有する基板上に構成され
た複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置におい
て、レーザー光の走査方向における順次走査方向におけ
る間隔Ｐは、一回の照射により、実際のケイ素膜が結晶
化（溶融）される領域の長さの整数分の１となるパルス
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
イ素膜よりなる半導体薄膜を用いて薄膜トランジスタの
活性領域を構成し、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て、各画素電極に接続
されてなる画素スイッチング用の薄膜トランジスタであ
ることを特徴とする。

【００２２】（５）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部とドライバー回路と
が同時形成されたドライバ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
トランジスタであることを特徴とする。

【００２３】（６）絶縁表面を有する基板上に非晶質ケ
イ素膜を形成する工程と、該非晶質ケイ素膜を、一回の
照射により、実際のケイ素膜が結晶化（溶融）される領
域の長さの整数分の１となるパルスレーザー光の順次走
査照射により結晶化する工程と、前記工程にて得られた
ケイ素膜に複数の薄膜トランジスタの素子領域をパター
ニング形成する工程と、を少なくとも有することを特徴
とする。

【００２４】（７）前記非晶質ケイ素膜を形成する工程
と該非晶質ケイ素膜を結晶化する工程との間に、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
させる工程を備えることを特徴とする。

【００２５】（８）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導入した
後に行われることを特徴とする。

【００２６】（９）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、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、前記ケイ素膜を複数の薄膜トランジス
タの素子領域となるようにパターニング形成する工程
は、前記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た領域のケイ素膜を用
いて、少なくとも素子領域内のチャネル領域が形成され
るように行うことを特徴とする。

【００２７】前記触媒元素として、Ｎｉ元素を用いるの
が望ましい。

【００２８】本発明者らは、パルスレーザー順次走査に
より結晶化された高品質の半導体薄膜、特に結晶性ケイ
素膜において、残る課題である均一性の向上が図れない
か、そして液晶表示装置において、そのＴＦＴの活性領
域となるケイ素膜の結晶化時のレーザー光走査照射に起
因する表示不良を何とかなくせないかと、研究開発のた
め日夜実験に明け暮れた。その結果、ケイ素膜の結晶化
工程において、上述のように、ケイ素膜の任意の点での
レーザー照射回数、より正確にはケイ素膜の溶融回数が
異なることが、ケイ素膜の膜質（結晶性）をばらつかせ
る一因であることを突き止め、上記方法により解決でき
ることを見出した。

【００２９】本発明の概要は、絶縁基板上に構成され、
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
晶性を有するケイ素膜において、レーザー光の走査方向
におけるケイ素膜表面での照射レーザービーム長Ｌが、
レーザー光の順次走査間隔Ｐの概略整数倍（Ｌ＝ｎＰ；
ｎは０を除く整数）となるようにして形成することであ
る。パルスレーザーの走査間隔（ずらし量、送りピッ
チ）は、一般的には、ピッチそのものや、レーザービー
ムに対する重ね率という形で設定されており、走査方向
におけるレーザービーム幅と走査ピッチとは、それぞれ
単独のものとして設定されている。本発明では、レーザ
ービーム幅と走査ピッチとの間に上記のような関係を持
たせ構成することで、ケイ素膜の任意の一点にレーザー
光が照射される回数は、どの点を取ってみても全て同回
数となり、レーザー光をずらして照射する際の問題点が
解決される訳である。そして、実際にこのようにして得
られた結晶性ケイ素膜の膜質をラマン分光法により評価
したところ、従来膜に比べて優れた膜質均一性を有して
いることがわかった。

【００３０】ここで、前記レーザー光の走査方向におけ
るケイ素膜表面での照射レーザービーム長Ｌは、レーザ
ー光一回の照射により、実際にケイ素膜が結晶化（溶
融）される領域の長さにより定義されるものである。図
５（Ａ）に一般的なレーザービームの走査方向５０１に
おける強度プロファイル５００を示す。一般に言われる
レーザー光の走査方向におけるレーザービーム長とは、
図５（Ａ）のように走査方向に沿った断面でレーザービ
ームプロファイルを見た状態で、最大強度値の半分の強
度でのビーム幅、すなわち、レーザービームプロファイ
ルの半値全幅５０２を示すものである。このような定義
による照射レーザービーム長Ｌを用いても、ある程度は
本発明による効果を得ることができるが、ケイ素膜によ
り高い膜質均一性が必要な場合には、上述のような本発
明に限った新しい定義が必要となる。つまりは、基板上
の任意の一点において、ケイ素膜の溶融回数を揃えるこ
とが本発明の目的であるが、前記レーザービームプロフ
ァイルの半値全幅５０２が、必ずしもケイ素膜の溶融す
る幅とはならない。

【００３１】すなわち、図５（Ａ）において、対象とな
るケイ素膜の溶融閾値が５０３であるとすると、その強
度値でのビーム長５０４が実際に結晶化に寄与する範囲
であり、結晶化されたケイ素膜の幅は図５（Ｂ）におい
て照射レーザービーム長５０４と同一の熔融幅５０５と
なる。ここで、５０６は結晶化されたケイ素膜、５０７
は非晶質ケイ素膜を示している。また、このときのケイ
素膜の溶融幅５０５は、設定されるレーザー強度や、対
象となるケイ素膜の膜質や膜厚及び下地膜や被覆膜によ
り大きく変化する。したがって、本発明の効果を最大限
に引き出すには、まず実際に照射を行うレーザー強度で
非晶質ケイ素膜に一回だけ照射を行い、そのときに結晶
化された幅（結晶化されると膜色が異なり確認できる）
５０５を測定し、その幅を本発明で用いる照射レーザー
ビーム長Ｌの値として設定することが最も望ましい。

【００３２】前記パルスレーザー光としては、レーザー
光の波長が４００ｎｍ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
ダメージも非常に小さくて済む。さらに、これら波長４
００ｎｍ以下のレーザー光の中でも、特に波長３０８ｎ
ｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光は、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。

【００３３】また、前記パルスレーザー光としては、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、ケイ素膜を結晶化するこ
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。

【００３４】さて、本発明の結晶性ケイ素薄膜は、基板
全面にわたって優れた膜質均一性を有しており、絶縁表
面を有する基板上に構成された複数のＴＦＴの活性領域
など、特に特性均一性が要求される場合に有効である。
最たる例がディスプレイとして使用される液晶表示装置
用アクティブマトリクス基板であり、実際に人間の目で
判断される分野であるため、その画素ＴＦＴにおいては
非常に高い素子特性均一性が要求される。本発明を液晶
表示装置用アクティブマトリクス基板の画素ＴＦＴに用
いることで、完全にレーザー光走査起因によるコントラ
ストむらなどの表示不良を無くすことができ、非常に高
表示品位の液晶表示装置が実現できるようになる。

【００３５】また、マトリクス状に配列された画素ＴＦ
Ｔ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モノリシック型のアクティ
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。シフトレジスタを構成するこれらＴ
ＦＴ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と現れる。
前述のように人間の目というもの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。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のチャネル領域は、レーザー走査に
起因する結晶性ばらつきがなくなり、全て同様な状態の
結晶性を有するため、ＴＦＴ素子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。

【００３６】さて、本発明の半導体装置の製造方法とし
ては、基板上に非晶質ケイ素膜を形成した後、該ケイ素
膜に対して、パルスレーザー光を順次走査照射し、溶融
固化過程において結晶化する際、実際に一回のレーザー
光走査によりケイ素膜が溶融される領域のレーザー走査
方向におけるケイ素表面での照射レーザービーム長Ｌに
対して、レーザー走査ピッチＰが概略整数分の１の値
（Ｐ＝Ｌ／ｎ；ｎは０を除く整数）となるようにして、
レーザー光を順次走査し、前記ケイ素膜を結晶化する方
法がある。そして、得られたケイ素膜を、複数のＴＦＴ
の素子領域となるようにパターニング形成し、ＴＦＴを
作製すればよい。このような製造方法を用いることで、
基板全面にわたって素子間均一性の良好な高性能ＴＦＴ
が、特に簡便な方法にて得られる。

【００３７】レーザー照射に対するスタート膜として
は、上述の非晶質ケイ素膜以外に、工程数は増えるが、
固相結晶化した結晶性ケイ素膜を用いることも有効な手
段である。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Ｔ
ＦＴ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、レーザー結晶化時の種結晶を作っておくとい
う意味では有効である。結晶性ケイ素膜にレーザー光を
照射した場合には、その結晶情報をある程度残した状態
で再結晶化される。固相結晶化による結晶性ケイ素は、
良好な均一性を有しているため、レーザー照射による再
結晶化後も、その均一性がある程度反映される。よっ
て、本発明における半導体装置の製造方法において、固
相結晶化による結晶性ケイ素膜に対して、レーザーを順
次走査し、再結晶化することで、本発明の目的とする素
子特性の均一性をさらに向上できる。

【００３８】この固相結晶化工程としては、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。

【００３９】この触媒元素により結晶化された結晶性ケ
イ素膜は、レーザー照射による再結晶化工程と非常に相
性が良い。レーザー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、レーザー照射により
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。

【００４０】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。このとき、該ケイ
素膜における横方向への結晶成長方向と、ＴＦＴにおけ
るキャリアの移動方向とが、概略平行となるように構成
すれば、原理的にはキャリアの移動方向に結晶粒界が存
在せず、キャリアの散乱確立が減少するため、より高移
動度なＴＦＴを実現できる。

【００４１】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。これら
から選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量
で結晶化助長の効果があり、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、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、非晶質ケイ素膜の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適のものであり、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。

【００４２】

【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
高品質な半導体薄膜である結晶性ケイ素膜を作製する際
の工程について、説明を行う。

【００４３】以下において、図１に示すのが、本実施例
の概要を示す図であり、図１の上方部分に本実施例で使
用するレーザービームの走査方向における強度プロファ
イルを示し、Ｘ方向がレーザー光の走査方向、Ｙ方向が
その垂直方向、Ｚ方向が強度を示す。また、図１の下方
部分にレーザービームと基板の配置関係を説明する斜視
図を示す。

【００４４】まず、図１の下方部分に示すように、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
３００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形
成する。この酸化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物
の拡散を防ぐために設けられる。次に、減圧ＣＶＤ法や
プラズマＣＶＤ法などによって、厚さ２０〜１００ｎ
ｍ、例えば３０ｎｍの非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ）膜１０
３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。

【００４５】次に、レーザー光１３１を走査し、ａ−Ｓ
ｉ膜１０３の結晶化を行う。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１３１の照
射条件は、照射時に基板を２００〜５００℃、例えば４
００℃に加熱し、エネルギー密度２００〜３５０ｍＪ／
ｃｍ²、例えば３００ｍＪ／ｃｍ²とした。レーザー光１
３１は、図１の上方部分に示すように、基板表面におけ
るビームサイズ長さＬ×幅Ｗが、１ｍｍ×１５０ｍｍ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、その短辺方向に順次走査される。

【００４６】まず、基板１０１上のａ−Ｓｉ膜１０３に
一回のレーザー光照射を行う。図１に矢印１３０で示す
走査方向に対して強度プロファイル１３１ａ、走査方向
１３０の垂直方向の強度プロファイル１３１ｂを持つレ
ーザー光により、ａ−Ｓｉ膜１０３は結晶化され、結晶
性ケイ素膜１０３ａとなる。このとき、図１の上方部分
に示したように、ａ−Ｓｉ膜１０３の溶融閾値の強度が
１３２のラインであるとすると、その強度値でのビーム
幅が実際に結晶化に寄与する範囲であり、ケイ素膜１０
３ａは結晶化幅１３３だけが結晶化される。このときの
走査方向１３０に対するａ−Ｓｉ膜１０３の結晶化幅１
３３を測定すると、本実施例においては０．９ｍｍであ
った。この状態を基板上方より見ると、正確な値は異な
るが、図１の下方部分に示したように、長尺矩形状のビ
ームサイズを反映してａ−Ｓｉ膜１０３が結晶化され結
晶性ケイ素膜１０３ａとなっている。

【００４７】次に、実際にレーザー光を走査照射し、目
的とする結晶性ケイ素膜を形成するのであるが、このと
きのパルスレーザーの走査ピッチ１３４を、上記一回の
レーザー照射にて得られた結晶化幅１３３の整数分の１
となるように設定する。本実施例では、結晶化幅１３３
が０．９ｍｍであったので、走査ピッチ１３４をその１
０分の１の９０μｍに設定した。そして、図１に示すよ
うに走査方向１３０の方向にレーザー光を順次走査し、
ａ−Ｓｉ膜１０３を順次結晶化していく。このようにす
ることで、ケイ素膜の任意の１点について見れば、どの
点でも１０回の膜溶融が起こり、結晶化・再結晶化が行
われる。その結果、得られた結晶性ケイ素膜１０３ａ
は、優れた膜質均一性を有するものとなる。実際に、ラ
マン分光法にて結晶性ケイ素膜の結晶Ｓｉのフォノンピ
ークを任意に基板内１００点について測定し、その均一
性を評価した結果、そのピーク半値全幅は４．６〜４．
８ｃｍ^-1の範囲内であり、非常に良好な均一性を示し
た。これに対し、従来の膜では、同様の測定にてピーク
半値全幅は４．６〜５．１ｃｍ^-1程度を示す。

【００４８】本実施例では、事前に結晶化幅１３３を測
定し、その値を目安にしてレーザー走査ピッチ１３４を
設定する。しかしながら、結晶化幅１３３は、用いられ
るレーザー強度や、対象となるケイ素膜の膜質や膜厚及
び下地膜、被覆膜により大きく変化する。したがって、
レーザー強度やケイ素膜の膜質や膜厚などの条件変更を
行わない限りは、一度設定した結晶化幅１３３の値を用
いて連続処理を行ってもよいが、条件変更した場合に
は、再度結晶化幅１３３を測定し直す必要がある。

【００４９】〔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型の画素ＴＦＴが形成され
る。

【００５０】実際のアクティブマトリクス基板では数十
万個以上の画素ＴＦＴが配列しているが、本実施例で
は、説明の簡略上、任意の画素ＴＦＴ一つに注目して説
明を行う。以下において、図２は、本実施例のアクティ
ブマトリクス基板の任意の画素ＴＦＴの作製工程を示す
断面図であり、図２（Ａ）→図２（Ｅ）の順にしたがっ
て作製工程が順次進行する。そして、図２（Ｅ）に画素
ＴＦＴ２２１の完成図を示す。

【００５１】まず、図２（Ａ）に示すように、ガラス基
板２０１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２０２を形成す
る。この酸化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物の拡
散を防ぐために設けられる。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。

【００５２】次に、図２（Ｂ）に示すように、第１実施
例で述べた方法と同様の方法を用い、ａ−Ｓｉ膜２０３
にＸｅＣｌエキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ、パル
ス幅４０ｎｓｅｃ）２０７を走査照射し、ａ−Ｓｉ膜２
０３の結晶化を行う。この工程により、ケイ素膜の任意
の点は、それぞれ１０回ずつ溶融・固化され、基板全面
にわたって膜質均一性の良好な結晶性ケイ素膜２０３ａ
になる。

【００５３】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２（Ｃ）に示すような素子
間分離を行って、後に画素ＴＦＴの活性領域（ソース領
域、ドレイン領域、チャネル領域）を構成する島状のケ
イ素膜２０８を形成する。

【００５４】引き続き、図２（Ｄ）に示すように、活性
領域となる上記島状のケイ素膜２０８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２０９として成膜する。酸化ケイ素膜の
形成には、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘ
ｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）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。

【００５５】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２１０を形成する。ゲート電極２１
０は、同層で形成されるゲートバスラインとつながって
おり、これよりゲート信号が入力される。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２１１を形成する。この状態が図２（Ｄ）に相当す
る。陽極酸化は、酒石酸が１〜５％と含まれたエチレン
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。こ
のようにして得られた酸化物層２１１の厚さは２００ｎ
ｍである。なお、この酸化物層２１１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。オフセットゲート
領域は、ＴＦＴオフ動作時のリーク電流を低減する目的
で設けられる。

【００５６】次に、イオンドーピング法によって、ゲー
ト電極２１０とその周囲の酸化物層２１１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
画素ＴＦＴのソース領域２１４とドレイン領域２１５と
なり、ゲート電極２１０およびその周囲の酸化物層２１
１にマスクされ不純物が注入されない領域は、後に画素
ＴＦＴのチャネル領域２１３を形成する。

【００５７】その後、図２（Ｄ）に示すように、レーザ
ー光２１２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）を導入したソース
領域２１４、ドレイン領域２１５のシート抵抗は、２０
０〜８００Ω／□であった。

【００５８】そして、図２（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。

【００５９】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。また、ソース
電極２１７と同層でソースバスラインが形成され、この
バスラインを介してソース電極２１７に映像信号が入力
される。画素電極２２０はＩＴＯなど透明導電膜により
形成される。

【００６０】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２（Ｅ）に示す
Ｎ型の画素ＴＦＴ２２１を完成させる。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ＴＦＴ２
２１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。

【００６１】以上の実施例にしたがって作製した各画素
ＴＦＴは、全パネルにおいて、電界効果移動度で６０〜
８０ｃｍ²／Ｖｓ、閾値電圧１．５〜２Ｖという良好な
特性を示した。また、パネル内の画素ＴＦＴの均一性、
即ち、パネル内のＴＦＴを１００点測定した際の最大値
／平均値と、最小値／平均値の割合が電界効果移動度で
±８％程度、閾値電圧で±０．２Ｖ程度と非常に良好で
あった。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、画素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。

【００６２】（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、薄膜集積回路の基礎
となる、Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴを相補型に構成したＣ
ＭＯＳ構造の回路を作製する場合についての説明を行
う。

【００６３】図３は、本実施例で説明するＣＭＯＳ回路
（Ｎ型ＴＦＴ３２２とＰ型ＴＦＴ３２３）の作製工程の
概要を示す平面図である。実際には、基板上に何万とい
う複数の素子が同時形成されるのであるが、本実施例で
は、ある任意のＣＭＯＳ回路に注目して説明を行う。図
４は、図３のＡ−Ａ'で切ったＣＭＯＳ回路の作製工程
を示す断面図であり、図４（Ａ）→図４（Ｆ）の順にし
たがって工程が順次進行する。図４（Ｆ）に示すのが、
本実施例による任意のＣＭＯＳ回路の完成図であり、Ｎ
型ＴＦＴ３２２とＰ型ＴＦＴ３２３により構成される。

【００６４】まず、図４（Ａ）に示すように、ガラス基
板３０１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３０２を形成す
る。この酸化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物の拡
散を防ぐために設けられる。次に、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５０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−
Ｓｉ膜）３０３を成膜する。

【００６５】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。このとき、フォトレジストよりなるマスク
３０４の窓開け部分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４（Ａ）の状態を上面から見ると、図３のよう
に領域３００でａ−Ｓｉ膜３０３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。

【００６６】次に、図４（Ａ）に示すように、ガラス基
板３０１表面にニッケル等の触媒元素膜３０５を薄膜蒸
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
ッケル等の触媒元素膜３０５の厚さが１ｎｍ程度以下と
なるように制御した。このときのガラス基板３０１上に
おけるニッケルの面密度を実際に測定すると、１×１０
¹³ａｔｏｍｓ／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
上のニッケル等の触媒元素膜３０５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８時
間アニールして結晶化させる。

【００６７】この際、図４（Ｂ）に示すように、領域３
００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３
０３ｂが形成される。そして、領域３００の周辺領域で
は、図３および図４（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ａ−Ｓｉ膜３
０３の領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領域３０３ｄと
して残る。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、４０μｍ
程度であった。

【００６８】その後、図４（Ｃ）に示すように、レーザ
ー光３０７を照射し、ケイ素膜３０３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。このときのレーザー光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２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ²、例え
ば３２０ｍＪ／ｃｍ²とした。レーザー光３０７は、基
板表面におけるビームサイズが１００ｍｍ×１．３ｍｍ
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、その短辺方向に順次走査される。

【００６９】ここで、本発明を適用するために、まず第
１実施例のように、一回のレーザー照射を行い、実際の
結晶化幅を測定する。本実施例の条件で測定された結晶
化幅は１．２ｍｍ幅であった。この結晶化幅に対して、
レーザー走査ピッチを６０μｍと設定した。すなわち、
ケイ素膜の任意の一点に対して、それぞれ同様に２０回
の溶融・固化が行われ、結晶化・再結晶化されたことに
なる。この工程により、結晶性ケイ素領域３０３ｂおよ
び３０３ｃは、一部を種結晶として再結合し、さらに良
好な結晶性ケイ素領域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。

【００７０】その後、図３および図４（Ｄ）に示すよう
に、高品質の結晶性ケイ素膜３０３ｃ'領域が、後のＴ
ＦＴの活性領域（ソース領域、ドレイン領域、チャネル
領域）となるように、それ以外の結晶性ケイ素膜をエッ
チング除去して島状のケイ素膜３０８ｎ、３０８ｐを形
成し、素子間分離を行う。このときガラス基板３０１を
上方より見ると、図３のように各ＴＦＴの活性領域とな
る島状のケイ素膜３０８ｎ、３０８ｐがそれぞれ配置さ
れている。図３において、各ＴＦＴの活性領域となる島
状のケイ素膜３０８ｎ、３０８ｐの内、ソース領域３１
４、ドレイン領域３１５、チャネル領域３１３を示す。
図３からわかるように、本実施例では、ニッケルによる
結晶成長方向を示す矢印３０６とチャネル方向（キャリ
アの移動方向；紙面上で左右方向）とが、ほぼ平行とな
るように配置されている。このように配置することで、
ＴＦＴの電界効果移動度が向上し、より高い駆動能力を
有するＴＦＴが得られる。

【００７１】次に、図４（Ｅ）に示すように、上記の活
性領域となる島状の結晶性ケイ素膜３０８ｎおよび３０
８ｐを覆うように厚さ１００ｎｍ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を原料とし、酸素とともに基板温
度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３０９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。

【００７２】引き続いて、図４（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５００ｎｍのアルミニウム（０．１〜２％のシリコン
を含む）を成膜し、該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。

【００７３】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（Ｂ₂Ｈ₆）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、４０ｋＶ〜８０ｋＶ、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５×１０
¹⁵ｃｍ^-2とする。この工程により、ゲート電極３１０
ｎ、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と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型の不純物が
導入されたソース領域３１４ｎとドレイン領域３１５
ｎ、Ｐ型の不純物画面導入されたソース領域３１４ｐと
ドレイン領域３１５ｐが形成され、図４（Ｅ）および
（Ｆ）に示すように、Ｎチャネル型ＴＦＴ３２２とＰチ
ャネル型ＴＦＴ３２３とを形成することができる。

【００７４】その後、図４（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。

【００７５】続いて、図４（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
の電極・配線３１７、３１８、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、ＣＭＯＳ回路を構成するＮ型ＴＦ
Ｔ３２２とＰ型ＴＦＴ３２３を完成させる。

【００７６】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１５０〜１８０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐ型Ｔ
ＦＴで８０〜１００ｃｍ²／Ｖｓと高く、閾値電圧はＮ
型ＴＦＴで０．５〜１Ｖ、Ｐ型ＴＦＴで−２．５〜−３
Ｖと非常に良好な特性を示した。また、基板内のＴＦＴ
の均一性は、即ち、パネル内のＴＦＴを１００点測定し
た際の最大値／平均値と、最小値／平均値の割合がＮ型
ＴＦＴ及びＰ型ＴＦＴ共に、電界効果移動度で±１０％
程度、閾値電圧で±０．２Ｖ以下と非常に良好であっ
た。

【００７７】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。

【００７８】例えば、前述の３例の実施例においては、
ケイ素膜にパルスレーザー光を照射し、結晶化あるいは
再結晶化する際、まずは一回の照射を行って、レーザー
走査方向におけるケイ素膜の溶融幅を測定し、その幅に
対してレーザー走査ピッチを設定した。しかしながら、
レーザーアニール装置側で予め定められているビーム幅
（一般的には走査方向の強度プロファイル半値幅）を用
いて代替することも可能である。この場合には、本発明
の効果が若干ながら小さくはなるが、ある程度は本発明
の目的とする効果を得ることができる。

【００７９】また、前述の３例の実施例においては、Ｘ
ｅＣｌエキシマレ−ザ−を用いて、ａ−Ｓｉ膜を結晶
化、あるいは固相結晶成長ケイ素膜を再結晶化した。本
発明は、それ以外の様々なパルスレーザー光照射により
結晶化された場合にも勿論、同様の効果があり、波長２
４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどを用いた場合に
も同様に適用可能である。

【００８０】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用い、横方向に結晶成
長を行わせる方法を用いたが、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。ま
た、触媒元素を選択導入せず、ケイ素膜全面に導入し、
そのまま結晶成長させる方法を用いてもよい。この場合
には、触媒元素による優れた効果が得られると共に、マ
スク形成などの余分なプロセスを必要としない。

【００８１】また、触媒元素であるニッケルを導入する
方法としては、第３実施例で述べた蒸着法以外にも、そ
の他、様々な手法を用いることができる。例えば、ニッ
ケル塩を溶かせた水溶液を塗布する方法や、ニッケル塩
を溶かせたＳＯＧ（スピンオングラス）材料よりなるＳ
ｉＯ₂膜から拡散させる方法も有効であるし、スパッタ
リング法やメッキ法により薄膜形成する方法や、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
の一種あるいはこれらの複数種を用いても効果が得られ
る。

【００８２】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。

【００８３】

【発明の効果】本発明を用いることにより、パルスレー
ザー光により結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜にお
いて、特にその膜質均一性を向上することができる。そ
して、この半導体薄膜を素子材料とする半導体装置全般
において、結晶化の不均一性に支配されず、複数の素子
間の特性安定化が図れ、高性能で且つ信頼性、安定性の
高い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、簡便な製造プ
ロセスにて得られる。さらに、周辺駆動回路部を構成す
るＴＦＴに要求される高性能化・高集積化・特性均一化
が図れ、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の実施例の概要を示す。

【図２】第２の実施例の作製工程を示す。

【図３】第３の実施例の概要を示す。

【図４】第３の実施例の作製工程を示す。

【図５】本発明のレーザービームの概要を示す。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１ カラス基板 １０２、２０２、３０２ 下地膜 １０３、２０３、３０３ 非晶質ケイ
素（ａ−Ｓｉ）膜 ３０４ マスク ３０５ 触媒元素 ３０６ 矢印 ２０７、３０７ レーザー光 ２０８、３０８ 島状のケイ素膜 ２０９、３０９ ゲート絶縁膜 ２１０、３１０ ゲート電極 ２１１ 酸化物層 ２１２、３１２ レーザー光 ２１３、３１３ チャネル領域 ２１４、３１４ ソース領域 ２１５、３１５ ドレイン領域 ２１６、３１６ 層間絶縁膜 ２１７ ソース電極 ３１７、３１８、３１９ 電極・配線 ２２０ 画素電極 ２２１ 画素ＴＦＴ ３２２ Ｎ型ＴＦＴ ３２３ Ｐ型ＴＦＴ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/268 H01L 21/336 H01L 29/786

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁表面を有する基板上に構成された結晶
   性を有するケイ素薄膜であって、 該ケイ素薄膜は、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であり、レーザー光の順
   次走査間隔Ｐは、一回の照射により、実際のケイ素膜が
   結晶化（溶融）される領域の長さの整数分の１となるパ
   ルスレーザー光の順次走査照射により結晶化されたこと
   を特徴とする半導体薄膜。
2. 【請求項２】前記パルスレーザー光は、そのビーム形状
   が照射面（ケイ素膜表面）において長尺形状に成型さ
   れ、該ビーム形状の長尺方向に対して垂直方向に順次走
   査することにより、形成されたことを特徴とする前記請
   求項１記載の半導体薄膜。
3. 【請求項３】絶縁表面を有する基板上に構成された複数
   の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、 レーザー光の走査方向における順次走査方向における間
   隔Ｐは、一回の照射により、実際のケイ素膜が結晶化
   （溶融）される領域の長さの整数分の１となるパルスレ
   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
   素膜よりなる半導体薄膜を用いて薄膜トランジスタの活
   性領域を構成し、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て、各画素電極に接続さ
   れてなる画素スイッチング用の薄膜トランジスタである
   ことを特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】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部とドライバー回路とが同時
   形成されたドライバ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
   ジスタであることを特徴とする前記請求項３記載の半導
   体装置。
5. 【請求項５】絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜
   を形成する工程と、 該非晶質ケイ素膜を、一回の照射により、実際のケイ素
   膜が結晶化（溶融）される領域の長さの整数分の１とな
   るパルスレーザー光の順次走査照射により結晶化する工
   程と、 前記工程にて得られたケイ素膜に複数の薄膜トランジス
   タの素子領域をパターニング形成する工程と、 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。
6. 【請求項６】前記非晶質ケイ素膜を形成する工程と該非
   晶質ケイ素膜を結晶化する工程との間に、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
   工程を備えることを特徴とする請求項５記載の半導体装
   置の製造方法。
7. 【請求項７】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導入した後に行
   われることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製
   造方法。
8. 【請求項８】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、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、 前記ケイ素膜を複数の薄膜トランジスタの素子領域とな
   るようにパターニング形成する工程は、前記触媒元素が
   選択的に導入された領域から、その周辺部へと横方向に
   結晶成長させた領域のケイ素膜を用いて、少なくとも素
   子領域内のチャネル領域が形成されるように行うことを
   特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。