JP3394406B2 - 結晶性珪素膜の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
薄膜トランジスタに代表される半導体装置の作製方法に
関する。特に、ガラス基板や石英基板上に形成された結
晶性を有する珪素薄膜を用いた半導体装置の作製方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、珪素膜を用いた薄膜トランジ
スタが知られている。これは、ガラス基板や石英基板上
に形成された珪素膜（厚さ数百Å〜数千Å）を用いて、
薄膜トランジスタを構成するものである。

【０００３】ガラス基板や石英基板が利用されるのは、
アクティブマトリクス型の液晶表示に上記薄膜トランジ
スタを利用するためである。

【０００４】現状において、ガラス基板を用いる場合に
は、非晶質珪素膜を用いて薄膜トランジスタを構成する
技術が一般的である。また、石英基板を用いた場合に
は、非晶質珪素膜を加熱処理して結晶性珪素膜を得る技
術が実用化されている。

【０００５】結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ
は、非晶質珪素膜を用いたものに比較して、２桁以上の
高速動作を行わすことができる。従って、これまで外付
けのＩＣ回路によって構成されていたアクティブマトリ
クス型の液晶表示装置の周辺駆動回路をガラス基板また
は石英基板上に薄膜トランジスタでもって作り込むこと
ができる。

【０００６】このような構成は、装置全体の小型化や作
製工程の簡略化に非常に有利なものとなる。また作製コ
ストの低減にもつながる構成となる。

【０００７】加熱処理により結晶性珪素膜を得る技術と
して、特開平６−２３２０５９号公報に記載された技術
が公知である。この技術は、非晶質珪素膜に珪素の結晶
化を助長する金属元素（例えばニッケル）を導入し、従
来よりも低い温度での加熱処理で結晶性珪素膜を得る技
術である。

【０００８】この技術を利用すると、基板として安価な
ガラス基板を利用することができ、また得られた結晶性
珪素膜は、広い面積にわたって実用に耐える結晶性を有
したものとすることができる。

【０００９】しかし、膜中に金属元素を含有しているた
め、その導入量の制御が微妙であり、再現性や安定性
（得られたデバイスの電気的な安定性）に問題があるこ
とが明らかになっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本明細書で開示する発
明の目的は、上述した問題点を解消して、珪素の結晶化
を助長する金属元素を利用して得られた結晶性珪素膜中
における金属元素の濃度を減少させる技術を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
の一つは、非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属
元素を意図的に導入し第１の加熱処理により前記非晶質
珪素膜を結晶化させる工程と、ハロゲン元素を含んだ雰
囲気中で第２の加熱処理を行い前記金属元素を意図的に
除去する工程と、を有し、第１の加熱処理と第２の加熱
処理とを同じ加熱手段でもって行なうことを特徴とす
る。

【００１２】上記構成において、第１の加熱手段と第２
の加熱手段とは、同じ加熱手段によるものであることが
重要となる。これは、珪素膜中に金属元素を拡散させ、
結晶化を行うための第１の加熱処理と、珪素膜中に拡散
した金属元素を除去するための第２の加熱処理とが同じ
方法である方が金属元素の除去がうまくゆくからであ
る。

【００１３】例えば、金属元素としてニッケルを利用
し、第１の加熱処理をヒータによる加熱で行い、第２の
加熱処理を赤外光ランプによる加熱（ＲＴＡ：ラピット
・サーマル・アニールと称される）によって行った場
合、両方の加熱方法をヒータによるものとした場合に比
較して、珪素膜中からのニッケルの除去効果が低いこと
が判明している。

【００１４】他の発明の構成は、非晶質珪素膜の表面ま
たは裏面に接して珪素の結晶化を助長する金属元素を接
して保持させる工程と、第１の加熱処理を施し前記非晶
質珪素膜の少なくとも一部を結晶化させる工程と、ハロ
ゲン元素を含んだ雰囲気中で第２の加熱処理を行い前記
金属元素を意図的に除去する工程と、を有し、第１の加
熱処理と第２の加熱処理とを同じ加熱手段でもって行な
うことを特徴とする。

【００１５】珪素の結晶化を助長する金属元素として
は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉ
ｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類
のものを用いることができる。

【００１６】特にＮｉ（ニッケル）元素を利用すること
が、その効果や再現性の点から最も好ましい。

【００１７】ハロゲン元素を含んだ雰囲気としては、Ａ
ｒ、Ｎ₂ 、Ｈｅ、Ｎｅから選ばれた一種または複数種類
のガスの雰囲気中にＨＣｌ、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ₂ 、Ｆ
₂ 、Ｂｒ₂ から選ばれた一種または複数種類のガスが添
加されたものを用いることができる。ここで、ハロゲン
元素は、当該金属元素を除去するために機能する。

【００１８】また、ハロゲン元素を含んだ雰囲気として
は、Ａｒ、Ｎ₂ 、Ｈｅ、Ｎｅから選ばれた一種または複
数種類のガスの雰囲気中にＨＣｌ、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ
₂ 、Ｆ₂ 、Ｂｒ₂ から選ばれた一種または複数種類のガ
スと酸素とが添加されたものを用いることができる。

【００１９】酸素は、当該金属元素の除去工程におい
て、珪素膜表面に酸化膜を同時に形成することにより、
ハロゲン元素の作用によって珪素膜の表面が荒れてしま
うことを抑制する機能を有する。

【００２０】当該金属元素の除去のための加熱処理は、
４５０℃〜１０５０℃の温度で行うことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】ニッケルに代表される金属元素を
意図的に導入することにより、第１の加熱処理により非
晶質珪素膜を結晶化させる。そして、ハロゲン元素を含
む雰囲気中において第２の加熱処理を行うことにより、
先に意図的に導入した当該金属元素を膜中より除去す
る。この際、第１の加熱処理と第２の加熱処理とを同じ
手段でもって行う。

【００２２】

【実施例】〔実施例１〕 本実施例では、ガラス基板上にニッケル元素を利用して
結晶性珪素膜を得る技術を示す。

【００２３】図１に本実施例の作製工程を示す。まず、
コーニング１７３７ガラス基板（歪点６６７℃）１０１
上に下地膜として酸化窒化珪素膜１０２を３０００Åの
厚さに成膜する。

【００２４】酸化窒化珪素膜１０２の成膜は、原料ガス
としてシランとＮ₂ Ｏガスと酸素とを用いたプラズマＣ
ＶＤ法を用いる。または、ＴＥＯＳガスとＮ₂ Ｏガスと
を用いたプラズマＣＶＤ法を用いて成膜する。

【００２５】酸化窒化珪素膜１０２は、後の工程におい
てガラス基板からの不純物（ガラス基板中には半導体の
作製レベルで見て多量の不純物が含まれている）の拡散
を防止する機能を有する。

【００２６】なお、この機能を最大限に得るためには、
窒化珪素膜が最適であるが、窒化珪素膜が応力の関係で
ガラス基板からはがれてしまうので実用的ではない。ま
た、下地膜として酸化珪素膜を用いることもできる。し
かし、酸化珪素膜は、不純物に対するバリア効果が酸化
窒化珪素膜に比較して不十分である。

【００２７】この下地膜は、可能な限りなるべく高い硬
度とすることが重要なポイントとなる。このことは、最
終的に得られた薄膜トランジスタの耐久試験において、
下地膜の高度が硬いほうが（即ち、そのエッチングレー
トが小さい方が）信頼性が高いことから結論される。ま
たこのことから、下地膜の硬さがガラス基板からの不純
物の進入の防止に関係していることが推察される。

【００２８】次に後に結晶性珪素膜となる非晶質珪素膜
１０３を５００Åの厚さに減圧熱ＣＶＤ法で成膜する。
減圧熱ＣＶＤ法を用いるのは、その方が後に得られる結
晶性珪素膜の膜質が優れているからである。なお、減圧
熱ＣＶＤ法以外の方法としては、プラズマＣＶＤ法を用
いることができる。

【００２９】この非晶質珪素膜１０３の膜厚は２０００
Å以下とすることが好ましい。これは、後に珪素の結晶
化を助長する金属元素を除去する段階において、その膜
厚が２０００Å以上であると、その除去が困難になるか
らである。

【００３０】また、非晶質珪素膜１０３の膜厚の下限
は、その成膜において、どれだけ薄い膜が成膜できるか
によって決まる。一般には、１００Å〜２００Å程度が
その下限となる。

【００３１】また、この段階においては、膜中に不純物
が混入しないように細心の注意を払うことが重要とな
る。具体的には、成膜に利用するガスの純度や装置の洗
浄に注意を払うことが重要となる。こうして図１（Ａ）
に示す状態を得る。

【００３２】次に１０ｐｐｍ（重量換算）のニッケル元
素を含んだニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜１０３の
表面に塗布する。

【００３３】具体的には、図１（Ｂ）に示すようにまず
非晶質珪素膜１０３の表面にニッケル酢酸塩溶液の水膜
１０４を形成する。それからスピンコーターを利用して
余分な溶液を吹き飛ばす。即ち、スピンドライを行う。

【００３４】このようにすることにより、水膜１０４中
のニッケル元素が非晶質珪素膜１０３の表面に接して保
持された状態を得る。

【００３５】なお、後の加熱工程における不純物の残留
を考慮すると、酢酸ニッケル塩溶液を用いる代わりに硫
酸ニッケルを用いることが好ましい。これは、酢酸ニッ
ケル塩溶液は炭素を含んでおり、これが後の加熱工程に
おいて炭化して膜中に残留することが懸念されるからで
ある。

【００３６】ニッケル元素の導入量の調整は、溶液中に
おけるニッケル元素の濃度を調整することにより行うこ
とができる。またスピンドライを行なう条件や、非晶質
珪素膜１０３上における溶液の保持時間によって制御す
ることもできる。

【００３７】そして、図１（Ｃ）に示す状態において、
４５０℃〜６５０℃の温度での加熱処理を行い、非晶質
珪素膜１０３を結晶化させる。

【００３８】ここでは、窒素雰囲気中において、６００
℃の加熱処理を４時間行なう。この工程の結果、結晶性
珪素膜１０５を得る。

【００３９】この加熱処理は、利用する基板の耐熱性を
考慮してその上限を決めることが重要である。本実施例
では、歪点が６６７℃であるコーニング１７３７ガラス
基板を使用しているので、加熱温度の上限は６５０℃程
度となる。また、結晶化を行なわすには、４５０℃以上
の温度温度が必要であることが実験により判明してい
る。

【００４０】また、基板として石英基板やその他耐熱性
の高い材料を利用した場合には、上記結晶化のための加
熱温度をさらに高くすることができる。例えば石英基板
を利用した場合には、１０００℃程度までその加熱温度
を高くすることができる。

【００４１】温度を高くすると、加熱処理の時間を短く
することができ、またより高い結晶性を得ることができ
るという利点がある。

【００４２】上記の結晶化工程において、非晶質珪素膜
１０３の表面に接して保持されていたニッケル元素が膜
中に拡散していく。そして、非晶質珪素膜１０３の結晶
化に大きな寄与をする。

【００４３】次に図１（Ｄ）に示すように、結晶化に利
用した結晶性珪素膜１０５中に残留したニッケル元素を
除去するための加熱処理を行なう。この加熱処理は、ハ
ロゲン元素を含んだ窒素雰囲気中で６００℃の温度でも
って行う。

【００４４】ここでは、窒素雰囲気中にＨＣｌを３％添
加した雰囲気中において、６００℃、１０分の加熱処理
を行う。

【００４５】雰囲気中におけるＨＣｌの濃度は、１〜１
０％とすることが好ましい。この濃度以上とすると、珪
素膜の表面が荒れてしまうので注意が必要である。また
この濃度以下であるとゲッタリング効果が薄れてしま
う。

【００４６】また、上記加熱処理の雰囲気中に酸素を添
加することも有用である。この場合、ハロゲン元素によ
る珪素膜表面の荒れを酸化膜の形成により平坦化する作
用が得られる。酸素の添加量は、雰囲気中における酸素
の濃度が２０〜５０％となるように調整すればよい。

【００４７】また上記の加熱処理温度の下限は、その効
果および再現性から見て、４５０度以上とすることが好
ましい。またその上限は、使用するガラス基板１０１の
歪点以下とすることが重要である。

【００４８】従って、石英基板を用いれば、さらに１０
００℃程度までさらに加熱温度を高くすることが可能で
ある。この場合、ニッケル元素の除去効果をさらに高め
ることができる。また、処理時間を短くすることができ
る。

【００４９】しかし、珪素膜に対するエッチング効果も
顕著になるので、ハロゲン元素の濃度を下げ、また酸素
を添加する工夫が必要となる。

【００５０】窒素雰囲気以外には、一般に不活性気体と
呼ばれているガスを利用することができる。具体的に
は、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅから選ばれた一種または複数種類
のガスを利用することができる。

【００５１】ハロゲン元素を導入するためのガスとして
は、ＨＣｌ以外にＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ₂ 、Ｆ₂ 、Ｂ
ｒ₂ 、ＮＦ₃ 、ＣｌＦ₃ から選ばれた一種または複数種
類のものを用いることができる。これらのガスは、雰囲
気中での含有量（体積含有量）をＨＦであれば0.3 〜１
０％、ＨＢｒであれば１〜２０％、Ｃｌ₂ であれば0.3
〜５％、Ｆ₂ であれば0.1 〜３％、Ｂｒ₂ であれば0.3
〜１０％とすることが好ましい。

【００５２】上記のハロゲン元素含んだ雰囲気中での再
度の加熱処理を行なうことにより、ニッケル元素の濃度
を初期の１／１０以下とすることができる。これは、何
らハロゲン元素によるゲッタリングを行わない場合に比
較して、ニッケル元素を１／１０以下のできることを意
味する。この効果は、他の珪素の結晶化を助長する金属
元素を用いた場合でも同様に得られる。

【００５３】例えば、ニッケル元素を利用し窒素雰囲気
中における加熱処理によって結晶化させた結晶性珪素膜
中には、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）による計測
で、１×１０¹⁹ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度の濃度で
ニッケル元素が観察される。

【００５４】それに対して、本実施例に示した方法を採
用すると、検出されるニッケル濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3
〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度となる。勿論ニッケルの導入条
件は同じとしてである。

【００５５】なお、本実施例においては、その制御性の
良さ、さらに簡便性からニッケル元素の導入を溶液を用
いる例を示した。しかし、ＣＶＤ法またはスパッタ法に
よって、ニッケルまたはニッケルを含む膜を成膜する方
法を利用してもよい。また、吸着法を用いて、ニッケル
元素が非晶質珪素膜の表面に接して保持される方法を用
いてもよい。

【００５６】このことは、他の珪素の結晶化を助長する
金属元素を利用する場合でも同様である。

【００５７】〔実施例２〕 本実施例では、実施例１とは異なる形態の結晶成長を行
わせる例に関する。本実施例は、珪素の結晶化を助長す
る金属元素を利用して、横成長と呼ばれる基板に平行な
方向に結晶成長を行わす方法に関する。

【００５８】図２に本実施例の作製工程を示す。まず、
コーニング１７３７ガラス基板（石英基板でもよい）上
に下地膜として酸化窒化珪素膜２０２を３０００Åの厚
さに成膜する。

【００５９】次に非晶質珪素膜２０３を減圧熱ＣＶＤ法
でもって、５００Åの厚さに成膜する。

【００６０】次に図示しない酸化珪素膜を１５００Åの
厚さに成膜し、それをパターニングすることにより、２
０４で示されるマスクを形成する。このマスク２０４は
２０５で示される領域で開口が形成されており、その開
口２０５で下層の非晶質珪素膜２０３が露呈している。

【００６１】開口２０５は、図面の奥行及び手前方向に
長手方向を有する細長い長方形を有している。この開口
２０５の幅は２０μｍ以上とすればよい。またその長手
方向の長さは任意に決めればよい。

【００６２】そして実施例１で示した重量換算で１０ｐ
ｐｍのニッケル元素を含んだ酢酸ニッケル溶液を塗布す
る。そしてスピンコータを用いて余分な溶液を吹き飛ば
す。

【００６３】こうして、点線２０６で示されるようにニ
ッケル元素が露呈した非晶質珪素膜２０３の表面と酸化
珪素膜でなるマスク２０４の表面に接して保持された状
態を得る。（図２（Ａ））

【００６４】次に極力酸素を含まない窒素雰囲気中にお
いて、６００℃、４時間の加熱処理を行う。すると、図
２（Ｂ）の矢印２０７で示されるような基板に平行な結
晶成長が進行する。この結晶成長は、ニッケル元素が導
入された開口２０５の領域から周囲に向かって進行す
る。この基板に平行な方向への結晶成長を横成長または
ラテラル成長と称する。

【００６５】この横成長は、１００μｍ以上にわたって
行わすことができる。こうして横成長した領域を有する
珪素膜２０８を得る。この状態では、横成長領域、結晶
成長が及ばなかった領域（非晶質状態を有している）が
珪素膜２０８中に存在している。（図２（Ｂ））

【００６６】そしてニッケル元素を選択的に導入するた
めの酸化珪素膜でなるマスク２０４を除去し、図２
（Ｃ）に示す状態を得る。

【００６７】そしてこの状態で、ＨＣｌを５％、酸素を
５％、窒素を９０％でなる雰囲気中において、６００
℃、１０分の加熱処理を行う。

【００６８】このようにすることで、実施例１において
も述べたように珪素膜２０８中におけるニッケル元素の
濃度を減少させることができる。

【００６９】次にパターニングを行うことにより、横成
長領域でなるパターン２０９を形成する。ここで、パタ
ーン２０９には、結晶成長の始点と終点とが存在しない
ようにすることが重要である。

【００７０】これは、結晶成長の始点と終点とには、ニ
ッケル元素が比較的高濃度に含まれているからである。

【００７１】このようにして得られた横成長領域でなる
パターン２０９中に残留するニッケル元素の濃度は、実
施例１で示した場合に比較してさらに低いものとするこ
とができる。

【００７２】これは、横成長領域中に含まれる金属元素
の濃度が実施例１に示したような結晶成長方法で得られ
た結晶性珪素膜と比較して、そもそも低いことにも起因
する。そして、ハロゲン元素を含んだ雰囲気中で加熱処
理することで、その濃度を更に低くすることができる。
具体的には、横成長領域でなるパターン２０９中のニッ
ケル元素の濃度を１０¹⁷ｃｍ^-3のオーダーにすることが
可能となる。

【００７３】また、この横成長方向とキャリアの移動方
向とが概略一致するようにデバイスを設計することで、
実施例１に示したような結晶成長方法を利用した場合に
比較して、より高移動度を有するデバイスを得ることが
できる。

【００７４】〔実施例３〕 本実施例は、本明細書に開示する発明を利用して、アク
ティブマトリクス型の液晶表示装置やアクティブマトリ
クス型のＥＬ表示装置の画素領域に配置される薄膜トラ
ンジスタを作製する例を示す。

【００７５】図３に本実施例の作製工程を示す。まず、
実施例１または実施例２に示した工程によりガラス基板
上に結晶性珪素膜を形成する。そしてそれをパターニン
グすることにより、図３（Ａ）に示す状態を得る。

【００７６】図３（Ａ）に示す状態において、３０１が
ガラス基板、３０２が下地膜、３０３が結晶性珪素膜で
構成された半導体層である。ここで下地膜３０２は酸化
窒化珪素膜を用いることが好ましい。また酸化窒化珪素
膜中には、ハロゲン元素を含有させておくことが望まし
い。これは、ハロゲン元素による金属イオンや可動イオ
ンのゲッタリング作用が利用するためである。

【００７７】図３（Ａ）に示す状態を得たら、ゲイト絶
縁膜を構成する酸化窒化珪素膜３０４を１０００Åの厚
さに成膜する。成膜方法は、酸素とシランとＮ₂ Ｏとの
混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法、またはＴＥＯＳと
Ｎ₂ Ｏとの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法を用い
る。

【００７８】また酸化窒化珪素膜中にハロゲン元素を含
有させることは、半導体層３０３中に存在するニッケル
元素（その他珪素の結晶化を助長する金属元素）の影響
で、ゲイト絶縁膜の絶縁膜としての機能が低下してしま
うことを防ぐ意味で有用となる。

【００７９】酸化窒化珪素膜とすることは、その緻密な
膜質から、ゲイト絶縁膜中に金属元素が進入しくくなる
という有意性がある。ゲイト絶縁膜中に金属元素が進入
すると、絶縁膜として機能が低下し、薄膜トランシスタ
の特性の不安定性やバラツキの原因となる。

【００８０】なおゲイト絶縁膜としては、通常利用され
ている酸化珪素膜を用いることもできる。

【００８１】ゲイト絶縁膜として機能する酸化窒化珪素
膜３０４を成膜したら、後にゲイト電極として機能する
図示しないアルミニウム膜をスパッタ法で成膜する。こ
のアルミニウム膜中には、スカンジウムを0.2 重量％含
有させる。

【００８２】アルミニウム膜中にスカンジウムを含有さ
せるのは、後の工程において、ヒロックやウィスカーが
発生することを抑制するためである。ヒロックやウィス
カーは、加熱が行われることによって、発生する針状あ
るいは刺状の突起物のこという。ヒロックやウィスカー
は、アルミニウムの異常成長によるものと考えられてい
る。

【００８３】アルミニウム膜を成膜したら、図示しない
緻密な膜質を有する陽極酸化膜を形成する。この陽極酸
化膜は、３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液
を電解溶液として用いて行う。

【００８４】この電解溶液中において、アルミニウム膜
を陽極、白金を陰極として陽極酸化を行うことで、アル
ミニウム膜の表面に緻密な膜質を有する陽極酸化膜が形
成される。

【００８５】この図示しない緻密な膜質を有する陽極酸
化膜の膜厚は１００Å程度とする。この陽極酸化膜が後
に形成されるレジストマスクとの密着性を向上させる役
割を有している。

【００８６】なお、この陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化
時の印加電圧によって制御することができる。

【００８７】次にレジストマスク３０６を形成する。そ
してアルミニウム膜を３０５で示されるパターンにパタ
ーニングする。こうして図３（Ｂ）に示す状態を得る。

【００８８】ここで再度の陽極酸化を行う。ここでは、
３％のシュウ酸水溶液を電解溶液として用いる。この電
解溶液中において、アルミニウムのパターン３０５を陽
極とした陽極酸化を行うことにより、３０８で示される
多孔質状の陽極酸化膜が形成される。

【００８９】この工程においては、上部に密着性の高い
レジストマスク３０６が存在する関係で、アルミニウム
パターン３０５の側面のみに選択的に陽極酸化膜３０８
が形成される。

【００９０】この陽極酸化膜３０８はその膜厚を数μｍ
まで成長させることができる。ここでは、その膜厚を６
０００Åとする。なお、その成長距離は、陽極酸化時間
によって制御することができる。

【００９１】そして再度の緻密な陽極酸化膜の形成を行
う。即ち、前述した３％の酒石酸を含んだエチレングル
コール溶液を電解溶液として用いた陽極酸化を再び行
う。すると、多孔質状の陽極酸化膜３０８中に電解溶液
が進入する関係から、３０９で示されるように緻密な膜
質を有する陽極酸化膜が形成される。この緻密な陽極酸
化膜３０９の膜厚は１０００Åとする。（図３（Ｃ））

【００９２】ここで、露呈した部分の酸化窒化珪素膜３
０４をエッチングする。このエッチングはドライエッチ
ングを利用するのが有用である。さらに酢酸と硝酸とリ
ン酸とを混合した混酸を用いて多孔質状の陽極酸化膜３
０８を除去する。こうして図３（Ｄ）に示す状態を得
る。

【００９３】図３（Ｄ）に示す状態を得たら、不純物イ
オンの注入を行う。ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トラ
ンジスタを作製するためにＰ（リン）イオンの注入をプ
ラズマドーピング法でもって行う。

【００９４】この工程においては、ヘビードープがされ
る３１１と３１５の領域とライトドープがされる３１２
と３１４の領域が形成される。これは、残存した酸化珪
素膜３１０の一部が半透過なマスクとして機能し、注入
されたイオンの一部がそこで遮蔽されるからである。

【００９５】そしてレーザー光または強光の照射を行う
ことにより、不純物イオンが注入された領域の活性化を
行う。こうして、ソース領域３１１、チャネル形成領域
３１３、ドレイン領域３１５、低濃度不純物領域３１２
と３１４が自己整合的に形成される。

【００９６】ここで、３１４で示されるのが、ＬＤＤ
（ライトドープドレイン）領域と称される領域である。
（図３（Ｄ））

【００９７】なお、緻密な陽極酸化膜３０９の膜厚を２
０００Å以上というように厚くした場合、その膜厚でも
ってチャネル形成領域３１３の外側にオフセットゲイト
領域を形成することができる。

【００９８】本実施例においてもオフットゲイト領域は
形成されているが、その寸法が小さいのでその存在によ
る寄与が小さく、また図面が煩雑になるので図中には記
載していない。

【００９９】次に層間絶縁膜３１６として酸化珪素膜、
または窒化珪素膜、またはその積層膜を形成する。或い
は層間絶縁膜３１６として、酸化珪素膜または窒化珪素
膜上に樹脂材料でなる層を形成して構成してもよい。

【０１００】そしてコンタクトホールの形成を行い、ソ
ース電極３１７とドレイン電極３１８の形成を行う。こ
うして図３（Ｅ）に示す薄膜トランジスタが完成する。

【０１０１】〔実施例４〕本実施例は、実際例３に示す
構成において、ゲイト絶縁膜３０４の形成方法に関す
る。基板として石英基板や耐熱性の高いガラス基板を用
いた場合、ゲイト絶縁膜の形成方法として、熱酸化法を
用いることが好ましい。

【０１０２】熱酸化法で成膜された酸化膜は、絶縁膜と
して緻密で内部に可動するような電荷が存在することが
ないので、ゲイト絶縁膜として最適なものの一つとな
る。

【０１０３】熱酸化膜の形成方法としては、９５０℃の
温度の酸化性雰囲気中において、処理を行う例を挙げる
ことができる。

【０１０４】この際、酸化性雰囲気中にＨＣｌ等を混合
させることは有効となる。このようにすることで、熱酸
化膜の形成と同時に半導体層３０３中に存在する金属元
素を除去することができる。

【０１０５】また、酸化性雰囲気中にＮ₂ Ｏガスを混合
し、窒素成分を含有した熱酸化膜を形成することも有効
である。ここでＮ₂ Ｏガスの混合比を最適化すれば、熱
酸化法による酸化窒化珪素膜を得ることも可能である。

【０１０６】ここでは熱酸化法によって、ゲイト絶縁膜
を形成する例を示した。しかし、他の方法として、熱Ｃ
ＶＤ法により、ゲイト絶縁膜を形成することもできる。
この場合もＮ₂ Ｏまたはアンモニアを用いて、窒素成分
を含有させることが有効となる。

【０１０７】〔実施例５〕 本実施例は、図３に示す実施例３の工程とは異なる工程
で薄膜トランジスタを作製する例を示す。

【０１０８】図４に本実施例の作製工程を示す。まず、
実施例１または実施例２に示した工程によりガラス基板
上に結晶性珪素膜を形成する。そしてそれをパターニン
グすることにより、図４（Ａ）に示す状態を得る。

【０１０９】図４（Ａ）に示す状態において、４０１が
ガラス基板、４０２が下地膜、４０３が結晶性珪素膜で
構成された半導体層である。ここで下地膜４０２は酸化
窒化珪素膜を用いることが好ましい。

【０１１０】図４（Ａ）に示す状態を得たら、ゲイト絶
縁膜を構成する酸化窒化珪素膜４０４を１０００Åの厚
さに成膜する。成膜方法は、酸素とシランとＮ₂ Ｏとの
混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法、またはＴＥＯＳと
Ｎ₂ Ｏとの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法を用い
る。

【０１１１】なおゲイト絶縁膜としては、通常利用され
ている酸化珪素膜を用いることもできる。

【０１１２】ゲイト絶縁膜として機能する酸化窒化珪素
膜４０４を成膜したら、後にゲイト電極として機能する
図示しないアルミニウム膜をスパッタ法で成膜する。こ
のアルミニウム膜中には、スカンジウムを0.2 重量％含
有させる。

【０１１３】アルミニウム膜を成膜したら、図示しない
緻密な陽極酸化膜を形成する。この陽極酸化膜は、３％
の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液と
して行う。即ち、この電解溶液中において、アルミニウ
ム膜を陽極、白金を陰極として陽極酸化を行うことで、
アルミニウム膜の表面に緻密な膜質を有する陽極酸化膜
が形成される。

【０１１４】この図示しない緻密な膜質を有する陽極酸
化膜の膜厚は１００Å程度とする。この陽極酸化膜が後
に形成されるレジストマスクとの密着性を向上させる役
割を有している。

【０１１５】なお、この陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化
時の印加電圧によって制御することができる。

【０１１６】次にレジストマスク４０５を形成する。そ
してアルミニウム膜を４０６で示されるパターンにパタ
ーニングする。

【０１１７】ここで再度の陽極酸化を行う。ここでは、
３％のシュウ酸水溶液を電解溶液として用いる。この電
解溶液中において、アルミニウムのパターン４０６を陽
極とした陽極酸化を行うことにより、４０７で示される
多孔質状の陽極酸化膜が形成される。

【０１１８】この工程においては、上部に密着性の高い
レジストマスク４０５が存在する関係で、アルミニウム
パターン４０６の側面に選択的に陽極酸化膜４０７が形
成される。

【０１１９】この陽極酸化膜４０７は、その膜厚を数μ
ｍまで成長させることができる。ここでは、その膜厚を
６０００Åとする。なお、その成長距離は陽極酸化時間
によって制御することができる。

【０１２０】こうして図４（Ｂ）に示す状態を得る。そ
して再度の緻密な陽極酸化膜の形成を行う。即ち、前述
した３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電
解溶液として用いた陽極酸化を再び行う。すると、多孔
質状の陽極酸化膜４０７中に電解溶液が進入するため
に、アルミニウムでなるパターン４０６の表面が酸化さ
れ、４０８で示されるように緻密な膜質を有する陽極酸
化膜が形成される。（図４（Ｃ））

【０１２１】図４（Ｃ）に示す状態において、最初の不
純物イオンの注入を行う。この工程は、レジストマスク
４０５を除去してから行ってもよい。

【０１２２】この不純物イオンの注入によって、ソース
領域４０９とドレイン領域４１１が形成される。また領
域４１０には不純物イオンが注入されない。

【０１２３】次に酢酸と硝酸とリン酸とを混合した混酸
を用いて多孔質状の陽極酸化膜４０７を除去する。こう
して図４（Ｄ）に示す状態を得る。

【０１２４】図４（Ｄ）に示す状態を得たら、再度不純
物イオンの注入を行う。この不純物イオンは最初の不純
物イオンの注入条件よりライトドーピングの条件で行
う。

【０１２５】この工程において、ライトドープ領域４１
２と４１３が形成される。そして４１４で示されるチャ
ネル形成領域が形成される。（図４（Ｄ））

【０１２６】そしてレーザー光または強光の照射を行う
ことにより、不純物イオンが注入された領域の活性化を
行う。こうして、ソース領域４０９、チャネル形成領域
４１４、ドレイン領域４１１、低濃度不純物領域４１２
と４１３が自己整合的に形成される。

【０１２７】ここで、４１３で示されるのが、ＬＤＤ
（ライトドープドレイン）領域と称される領域である。
（図４（Ｄ））

【０１２８】次に層間絶縁膜４１５として酸化珪素膜、
または窒化珪素膜、またはその積層膜を形成する。層間
絶縁膜４１５としては、酸化珪素膜または窒化珪素膜上
に樹脂材料でなる層を形成して構成してもよい。

【０１２９】そしてコンタクトホールの形成を行い、ソ
ース電極４１６とドレイン電極４１７の形成を行う。こ
うして図４（Ｅ）に示す薄膜トランジスタが完成する。

【０１３０】〔実施例６〕本実施例は、Ｎチャネル型の
薄膜トランジスタとＰチャネル型の薄膜トランジスタと
を相補型に構成した例に関する。

【０１３１】本実施例に示す構成は、例えば、絶縁表面
上に集積化された各種薄膜集積回路に利用することがで
きる。また、例えばアクティブマトリクス型の液晶表示
装置の周辺駆動回路に利用することができる。

【０１３２】まず図５（Ａ）に示すようにガラス基板５
０１上に下地膜５０２として酸化珪素膜または酸化窒化
珪素膜を成膜する。好ましくは酸化窒化珪素膜を用いる
ことがよい。

【０１３３】さらに図示しない非晶質珪素膜をプラズマ
ＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法でもって成膜する。さら
に実施例１または実施例２に示した方法により、この非
晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成する。

【０１３４】そして得られた結晶性珪素膜をパターニン
グして、半導体層５０３と５０４を得る。こうして図５
（Ａ）に示す状態を得る。

【０１３５】さらにゲイト絶縁膜を構成する酸化窒化珪
素膜５０５を成膜する。ここで、基板として石英を用い
るならば、前述の熱酸化法を用いることが好ましい。
（図５（Ａ））

【０１３６】そして後にゲイト電極を構成するための図
示しないアルミニウム膜を４０００Åの厚さに成膜す
る。アルミニウム膜以外には、陽極酸化可能な金属（例
えばタンタル）を利用することができる。

【０１３７】アルミニウム膜を形成したら、前述した方
法により、その表面に極薄い緻密な陽極酸化膜を形成す
る。

【０１３８】次にアルミニウム膜上に図示しないレジス
トマスクを配置し、アルミニウム膜のパターニングし
て、パターン５０６、５０７を形成する。そして、得ら
れたアルミニウムパターン５０６、５０７を陽極として
陽極酸化を行い、多孔質状の陽極酸化膜５０８と５０９
を形成する。この多孔質状の陽極酸化膜５０８、５０９
の膜厚は５０００Åとする。

【０１３９】さらに再度緻密な陽極酸化膜を形成する条
件で陽極酸化を行い、緻密な陽極酸化膜５１０と５１１
を形成する。ここで緻密な陽極酸化膜５１０と５１１の
膜厚は８００Åとする。こうして図５（Ｂ）に示す状態
を得る。

【０１４０】さらに露呈した部分の酸化珪素膜５０５を
ドライエッチングによって除去し、図５（Ｃ）に示すよ
うなゲイト絶縁膜５１２、５１３を得る。

【０１４１】次に、酢酸と硝酸とリン酸を混合した混酸
を用いて、図５（Ｄ）に示すように多孔質状の陽極酸化
膜５０８と５０９を除去する。

【０１４２】ここで、交互にレジストマスクを配置し
て、左側の半導体層５０３にＰイオンが、右側の半導体
層５０４にＢイオンが注入されるようにする。

【０１４３】この不純物イオンの注入によって、高濃度
のＮ型を有するソース領域５１４とドレイン領域５１７
が自己整合的に形成される。

【０１４４】また、低濃度にＰイオンがドープされた弱
いＮ型を有する領域５１５が同時に形成される。また、
チャネル形成領域５１６が同時に形成される。

【０１４５】５１５で示される弱いＮ型を有する領域が
形成されるのは、ゲイト絶縁膜５１２が存在するからで
ある。即ち、ゲイト絶縁膜５１２を通過するＰイオンの
うち、その一部はゲイト絶縁膜５１２によって遮蔽され
るからである。

【０１４６】また同様な原理により、強いＰ型を有する
ソース領域５２１とドレイン領域５１８が自己整合的に
形成される。また、低濃度不純物領域５２０が同時に形
成される。また、チャネル形成領域５１９が同時に形成
される。

【０１４７】なお、緻密な陽極酸化膜５１０と５１１の
膜厚が２０００Åというように厚い場合には、その厚さ
でチャネル形成領域５１６、５１９に接してオフセット
ゲイト領域を形成することができる。

【０１４８】本実施例の場合は、緻密な陽極酸化膜５１
０と５１１の膜厚が１０００Å以下と薄いので、その存
在は無視することができる。

【０１４９】そして、レーザー光または強光の照射を行
い、不純物イオンが注入された領域のアニールを行う。

【０１５０】そして図５（Ｅ）に示すように層間絶縁膜
として窒化珪素膜５２２と酸化珪素膜５２３を成膜す
る。それぞれの膜厚は１０００Åとする。なお、酸化珪
素膜５２３は成膜しなくてもよい。

【０１５１】ここで、窒化珪素膜５２２によって、薄膜
トランジスタが覆われることになる。窒化珪素膜は緻密
であり、また界面特性がよいので、このような構成とす
ることで、薄膜トランジスタの信頼性を高めることがで
きる。

【０１５２】さらに樹脂材料でなる層間絶縁膜５２４を
スピンコート法を用いて形成する。ここでは、層間絶縁
膜５２４の厚さは最小の部分で１μｍとする。（図５
（Ｅ））

【０１５３】そしてコンタクトホールの形成を行い、左
側のＮチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極５２
５とドレイン電極５２６を形成する。また同時に右側の
薄膜トランジスタのドレイン電極５２６とソース電極５
２７を形成する。ここで、電極５２６は２つの薄膜トラ
ンジスタ共通に配置されたものとなる。

【０１５４】こうして、相補型に構成されたＣＭＯＳ構
造を有する薄膜トランジスタ回路を構成することができ
る。

【０１５５】本実施例に示す構成においては、薄膜トラ
ンジスタを窒化膜で覆い、さらに樹脂材料によって覆っ
た構成が得られる。この構成は、可動イオンや水分の侵
入しにくい耐久性の高いものとすることができる。

【０１５６】〔実施例７〕 本実施例は、実施例１または実施例２で得た結晶性珪素
膜に対して、さらにレーザー光の照射を行うことによ
り、単結晶または実質的に単結晶と見なせる領域を形成
する構成に関する。

【０１５７】まず実施例１に示したようにニッケル元素
の作用を利用して結晶性珪素膜を得る。そして、その膜
に対してエキシマレーザー（例えばＫｒＦエキシマレー
ザー）を照射して、さらにその結晶性を助長させる。

【０１５８】このような方法で結晶化を大きく助長させ
た膜は、ＥＳＲで計測した電子スピン密度が３×１０¹⁷
個ｃｍ^-3以下であり、またＳＩＭＳで計測した最低値と
して当該ニッケル元素濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下で有
し、さらに単結晶と見なすことができる領域を有するも
のとなる。

【０１５９】この領域には、実質的に結晶粒界が存在し
ておらず、単結晶珪素ウエハーに匹敵する高い電気的な
特性を得ることができる。

【０１６０】またこの単結晶と見なせる領域は、水素を
５原子％以下〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3程度含んでいる。この
値は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）による計測より
明らかにされる。

【０１６１】このような単結晶または単結晶と見なせる
領域を利用して薄膜トランジスタを作製することで、単
結晶ウエハーを利用して作製したＭＯＳ型トランジスタ
に匹敵するものを得ることができる。

【０１６２】〔実施例８〕 本実施例は、図３〜５で示したような薄膜トランジスタ
の作製工程において、ゲイト絶縁膜の作製を熱ＣＶＤ法
で成膜した場合の例を示す。熱ＣＶＤ法でゲイト絶縁膜
を形成する場合は、高温で加熱することが必要とされる
ので、基板として石英を用いることが望ましい。

【０１６３】ここでは、ＨＣｌを体積比率で３％含んだ
酸素ガスを利用して、８５０℃の減圧熱ＣＶＤ法によ
り、ゲイト絶縁膜を形成する例を示す。このような方法
で得られたゲイト絶縁膜は、活性層中に存在する金属元
素の進入によって、その電気的な特性が変化しにくいも
のとすることができる。

【０１６４】

【発明の効果】本明細書で開示する発明を利用すること
により、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得
られた結晶性珪素膜における金属の濃度元素の濃度を減
少させる技術を提供することができる。

【０１６５】またこの技術を利用し、より信頼性が高
く、性能の優れた薄膜半導体装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 結晶性珪素膜を得る工程を示す図。

【図２】 結晶性珪素膜を得る工程を示す図。

【図３】 薄膜トランジスタを作製する工程を示す図。

【図４】 薄膜トランジスタを作製する工程を示す図。

【図５】 薄膜トランジスタを作製する工程を示す図。

【符号の説明】

１０１ ガラス基板または石英基板 １０２ 下地膜（酸化珪素膜または酸化窒化珪素
膜） １０３ 非晶質珪素膜 １０４ ニッケルを含んだ溶液の水膜 １０５ 結晶性珪素膜 ２０１ ガラス基板または石英基板 ２０２ 下地膜（酸化珪素膜または酸化窒化珪素
膜） ２０３ 非晶質珪素膜 ２０４ 酸化珪素膜でなるマスク ２０５ 開口部 ２０６ 接して保持されたニッケル ２０７ 基板に平行な方向への結晶成長の方向 ２０８ 珪素膜 ２０９ パターニンされた珪素膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 27/12 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６１６Ａ 29/786 ６２７Ｇ (72)発明者 大谷 久 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 平５−243238（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−94757（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−226373（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20 C01B 21/068 C01B 33/02 C30B 29/06 H01L 21/336 H01L 27/12 H01L 29/786

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を促進
   する金属元素を保持させ、 前記非晶質珪素膜を結晶化させて前記金属元素が導入さ
   れた結晶性珪素膜を形成し、 不活性ガスとハロゲンの単体またはハロゲン化合物から
   なるガスと酸素とを有する雰囲気で、前記結晶性珪素膜
   に４５０℃〜１０５０℃の温度で加熱処理を行うことを
   特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
2. 【請求項２】非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を促進
   する金属元素を保持させ、 前記非晶質珪素膜を結晶化させて前記金属元素が導入さ
   れた結晶性珪素膜を形成し、 不活性ガスとハロゲンの単体またはハロゲン化合物から
   なるガスと酸素とを有する雰囲気で、前記結晶性珪素膜
   に４５０℃〜１０５０℃の温度で加熱処理を行い、 前記不活性ガスはＡｒ、Ｎ₂、ＨｅまたはＮｅであり、
   前記ハロゲンの単体またはハロゲン化合物からなるガス
   はＨＣｌ、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ₂、Ｆ₂またはＢｒ₂であ
   ることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
3. 【請求項３】前記金属元素はニッケルであることを特徴
   とする請求項１または２に記載の結晶性珪素膜の作製方
   法。
4. 【請求項４】前記加熱処理の後にさらにエキシマレーザ
   ーを照射することを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
   か一に記載の結晶性珪素膜の作製方法。
5. 【請求項５】前記加熱処理の後にさらにエキシマレーザ
   ーを照射した前記結晶性珪素膜中の電子スピン密度は３
   ×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項１乃
   至４のいずれか一に記載の結晶性珪素膜の作製方法。
6. 【請求項６】前記雰囲気中に前記酸素は２０〜５０％含
   まれることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に
   記載の結晶性珪素膜の作製方法。
7. 【請求項７】非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を促進
   する金属元素を保持させ、 前記非晶質珪素膜に４５０℃〜６５０℃の温度で第一の
   加熱処理を行うことによって前記非晶質珪素膜を結晶化
   させて前記金属元素が導入された結晶性珪素膜を形成
   し、 不活性ガスとハロゲンの単体またはハロゲン化合物から
   なるガスと酸素とを有する雰囲気で、前記結晶性珪素膜
   に４５０℃〜１０５０℃の温度で第二の加熱処理を行
   い、 前記第二の加熱処理は前記第一の加熱処理よりも高い温
   度で行うことを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
8. 【請求項８】非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を促進
   する金属元素を保持させ、 前記非晶質珪素膜に４５０℃〜６５０℃の温度で第一の
   加熱処理を行うことによって前記非晶質珪素膜を結晶化
   させて前記金属元素が導入された結晶性珪素膜を形成
   し、 不活性ガスとハロゲンの単体またはハロゲン化合物から
   なるガスと酸素とを有する雰囲気で、前記結晶性珪素膜
   に４５０℃〜１０５０℃の温度で第二の加熱処理を行
   い、 前記第二の加熱処理は前記第一の加熱処理よりも高い温
   度で行い、 前記不活性ガスはＡｒ、Ｎ₂、ＨｅまたはＮｅであり、
   前記ハロゲンの単体またはハロゲン化合物からなるガス
   はＨＣｌ、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ₂、Ｆ₂またはＢｒ₂であ
   ることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
9. 【請求項９】前記金属元素はニッケルであることを特徴
   とする請求項７または８に記載の結晶性珪素膜の作製方
   法。
10. 【請求項１０】前記第二の加熱処理の後にさらにエキシ
    マレーザーを照射することを特徴とする請求項７乃至９
    のいずれか一に記載の結晶性珪素膜の作製方法。
11. 【請求項１１】前記第二の加熱処理の後にさらにエキシ
    マレーザーを照射した前記結晶性珪素膜中の電子スピン
    密度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請
    求項７乃至１０のいずれか一に記載の結晶性珪素膜の作
    製方法。
12. 【請求項１２】前記第一の加熱処理及び前記第二の加熱
    処理は同じ手法で行われることを特徴とする請求項７乃
    至１１のいずれか一に記載の結晶性珪素膜の作製方法。
13. 【請求項１３】前記雰囲気中に前記酸素は２０〜５０％
    含まれることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか
    一に記載の結晶性珪素膜の作製方法。