JP3403811B2 - 半導体装置およびその作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板上
に設けられたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を用いた半導
体装置に関する。特に、アクティブマトリックス型の液
晶表示装置に利用できる半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを有する
半導体装置としては、これらのＴＦＴを画素の駆動に用
いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が
知られている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪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、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められて
いた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶
珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性
と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素
等が知られている。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状の珪素半導体
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。 （２）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。 （３）非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギー
を加えることにより結晶性を有せしめる。 と言った方法が知られている。しかしながら、（１）の
方法は良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡
って均一に成膜することが技術上困難であり、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があった。また、（２）
の方法は、現在最も一般的に使用されているエキシマレ
ーザーを例にとると、レーザー光の照射面積が小さいた
め、スループットが低いという問題がまずあり、また大
面積基板の全面を均一に処理するにはレーザーの安定性
が充分ではなく、次世代の技術という感が強い。（３）
の方法は、（１）、（２）の方法と比較すると大面積に
対応できるという利点はあるが、やはり加熱温度として
６００℃以上の高温にすることが必要であり、安価なガ
ラス基板を用いることを考えると、さらに加熱温度を下
げる必要がある。特に現在の液晶表示装置の場合には大
画面化が進んでおり、その為ガラス基板も同様に大型の
物を使用する必要がある。この様に大型のガラス基板を
使用する場合には、半導体作製に必要不可欠な加熱工程
における縮みや歪みといったものが、マスク合わせ等の
精度を下げ、大きな問題点となっている。特に現在最も
一般的に使用されている７０５９ガラスの場合には、歪
み点が５９３℃であり、従来の加熱結晶化方法では大き
な変形を起こしてしまう。また、温度の問題以外にも現
在のプロセスでは結晶化に要する加熱時間が数十時間以
上にも及ぶので、さらにその時間を短くすることも必要
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決する手段を提供するものである。より具体的には
非晶質珪素からなる薄膜を加熱により結晶化させる方法
を用いた、結晶性を有する珪素半導体からなる薄膜の作
製方法において、結晶化に必要な温度の低温化と時間の
短縮を両立するプロセスを提供することをその目的とす
る。勿論、本発明で提供されるプロセスを用いて作製し
た結晶性を有する珪素半導体は、従来技術で作製された
ものと同等以上の物性を有し、ＴＦＴの活性層領域にも
使用可能なものであることは言うまでもないことであ
る。そして、この技術を利用することにより、必要とす
る特性を備えたＴＦＴを基板上に選択的に設けることを
目的とするものである。

【０００６】〔発明の背景〕本発明人らは、上記従来の
技術の項で述べた、非晶質の珪素半導体膜をＣＶＤ法や
スパッタ法で成膜し、該膜を加熱によって結晶化させる
方法について、以下のような実験及び考察を行った。

【０００７】まず実験事実として、ガラス基板上に非晶
質珪素膜を成膜し、この膜を加熱により結晶化させるメ
カニズムを調べると、結晶成長はガラス基板と非晶質珪
素との界面から始まり、ある程度の膜厚以上では基板表
面に対して垂直な柱状に進行することが認められた。

【０００８】上記現象は、ガラス基板と非晶質珪素膜と
の界面に、結晶成長の基となる結晶核（結晶成長の基と
なる種）が存在しており、その核から結晶が成長してい
くことに起因すると考察される。このような結晶核は、
基板表面に微量に存在している不純物金属元素やガラス
表面の結晶成分（結晶化ガラスと呼ばれるように、ガラ
ス基板表面には酸化珪素の結晶成分が存在していると考
えられる）であると考えられる。

【０００９】そこで、より積極的に結晶核を導入するこ
とによって結晶化温度の低温化が可能ではないかと考
え、その効果を確認すべく、他の金属を微量にガラス基
板上に成膜し、その上に非晶質珪素からなる薄膜を成
膜、その後加熱結晶化を行う実験を試みた。その結果、
幾つかの金属を基板上に成膜した場合においては結晶化
温度の低下が確認され、異物を結晶核とした結晶成長が
起こっていることが予想された。そこで低温化が可能で
あった複数の不純物金属について更に詳しくそのメカニ
ズムを調査した。なお上記複数の不純物元素は、ニッケ
ル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウ
ム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）である。

【００１０】結晶化は、初期の核生成と、その核からの
結晶成長の２段階に分けて考えることができる。ここ
で、初期の核生成の速度は、一定温度において点状に微
細な結晶が発生するまでの時間を測定することによって
観測されるが、この時間は上記不純物金属を下地に成膜
した非晶質珪素薄膜ではいずれの場合も短縮され、結晶
核導入の結晶化温度低温化に対する効果が確認された。
しかも予想外のことであるのだが、核生成後の結晶粒の
成長を加熱時間を変化させて調べたところ、ある種の金
属を成膜後、その上に成膜した非晶質珪素薄膜の結晶化
においては、核生成後の結晶成長の速度までが飛躍的に
増大することが観測された。このメカニズムは現状では
明らかではないが、なにがしかの触媒的な効果が作用し
ているものと推測される。

【００１１】いずれにしろ、上記２つの効果により、ガ
ラス基板上にある種の金属を微量に成膜した上に非晶質
珪素からなる薄膜を成膜、その後加熱結晶化した場合に
は、従来考えられなかったような、５８０℃以下の温度
で４時間程度の時間で十分な結晶性が得られることが判
明した。この様な効果を有する不純物金属の中で、最も
効果が顕著であり、我々が選択した材料がニッケルであ
る。

【００１２】ニッケルがどの程度の効果を有するのか一
例を挙げると、なんら処理を行なわない、即ちニッケル
の微量な薄膜を成膜していない基板上（コーニング７０
５９ガラス）にプラズマＣＶＤ法で形成された非晶質珪
素からなる薄膜を窒素雰囲気中での加熱によって、結晶
化する場合、その加熱温度として６００℃とした場合、
加熱時間として１０時間以上の時間を必要としたが、ニ
ッケルの微量な薄膜を成膜した基板上の非晶質珪素から
なる薄膜を用いた場合には、４時間程度の加熱において
同様な結晶化状態を得ることができた。尚この際の結晶
化の判断はラマン分光スペクトルを利用した。このこと
だけからも、ニッケルの効果が非常に大きいことが判る
であろう。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記説明から判る様に、
ニッケルの微量な薄膜を成膜した上から、非晶質珪素か
らなる薄膜を成膜した場合、結晶化温度の低温化及び結
晶化に要する時間の短縮が可能である。そこで、このプ
ロセスをＴＦＴの製造に用いることを前提に、さらに詳
細な説明を加えていくことにする。尚、後ほど詳述する
が、ニッケルの薄膜は基板上（即ち非晶質珪素膜下側）
のみならず非晶質珪素膜上に成膜しても同様の効果を有
すること、及びイオン注入、さらにはプラズマ処理でも
同様であったことから、今後本明細書ではこれら一連の
処理を「ニッケル微量添加」と呼ぶことにする。また技
術的には、非晶質珪素膜の成膜時にニッケル微量添加を
行うことも可能である。

【００１４】まずニッケル微量添加の方法について説明
する。ニッケルの微量添加は、基板上に微量なニッケル
薄膜を成膜し、その後非晶質珪素を成膜する方法でも、
先に非晶質珪素を成膜し、その上から微量なニッケル薄
膜を成膜する方法でも、両者同様に低温化の効果が有
り、その成膜方法はスパッタ法でも、蒸着法でも、スピ
ンコーティング法でも、塗布法でも、プラズマを用いた
方法でも可能で、成膜方法は問わないことが判明してい
る。ただし、基板上に微量なニッケル薄膜を成膜する場
合、７０５９ガラス基板の上から直接微量なニッケル薄
膜を成膜するよりは、同基板上に酸化珪素の薄膜（下地
膜）を成膜し、その上に微量なニッケル薄膜を成膜した
場合の方が効果がより顕著である。この理由として考え
られることとして、珪素とニッケルが直接接触している
ことが今回の低温結晶化には重要であり、７０５９ガラ
スの場合には珪素以外の成分がこの両者の接触あるいは
反応を阻害するのではないかということが挙げられる。

【００１５】また、ニッケル微量添加の方法としては、
非晶質珪素の上または下に接して薄膜を形成する以外
に、イオン注入によってニッケルを添加してもほぼ同様
の効果が確認された。ニッケルの量については、１×１
０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 以上の量の添加において低温化
が確認されているが、５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 以
上の添加量においては、ラマン分光スペクトルのピーク
の形状が珪素単体の物とは明らかに異なることから、好
ましくは、１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 〜１×１０¹⁹
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ の範囲がよい。ニッケルの濃度が、
５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 以上になると、局部的に
ＮｉＳｉが発生し、半導体としての特性が低下してしま
う。またニッケルの濃度が１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³ 以下であると、ニッケルの触媒としての効果が低下し
てしまう。また結晶化した状態においては、ニッケルの
濃度が低い程良い。

【００１６】続いて、ニッケル微量添加を行った場合の
結晶形態について説明を加える。上述の通り、ニッケル
を添加しない場合には、基板界面等の結晶核からランダ
ムに核が発生し、その核からの結晶成長もまたある程度
の膜厚まではランダムに、さらに厚い薄膜については一
般的に（１１０）方向が基板に垂直方向に配列した柱状
の結晶成長が行われることが知られており、当然ながら
薄膜全体に渡ってほぼ均一な結晶成長が観測される。そ
れに対して、今回のニッケル微量添加したものについて
は、ニッケルを添加した領域と、その近傍の部分で結晶
成長が異なるという特徴を有していた。即ち、ニッケル
を添加した領域については、添加したニッケルあるいは
その珪素との化合物が結晶核となり、ニッケルを添加し
ていないものと同様に基板にほぼ垂直に柱状の結晶が成
長することが透過電子線顕微鏡写真より明らかとなっ
た。そして、その近傍のニッケルを微量添加していない
領域においてさえも低温での結晶化が確認され、その部
分は基板に垂直方向が（１１１）に配列し、基板と平行
に針状あるいは柱状結晶が成長するという特異な結晶成
長が観測された。この基板に平行な横方向の結晶成長
は、ニッケルを微量添加した領域から、大きいものでは
数百μｍも成長することが観測され、時間の増加及び温
度が高くなるに比例して成長量も増大することも判っ
た。例として、５５０℃４時間においては約４０μｍ程
度の成長が観測された。しかも、透過電子線顕微鏡写真
によると、この大きな横方向の結晶は、いずれも単結晶
ライクであることが判明している。そして、このニッケ
ル微量添加部分、その近傍の横成長部分、更に遠方の非
晶質部分( かなり離れた部分では低温結晶化は行われ
ず、非晶質部分が残る) について、ニッケルの濃度をＳ
ＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により調べたところ、
横成長部分はニッケル微量添加部分部分から約１桁少な
い量が検出され、非晶質珪素内での拡散が観測されてい
る。また、非晶質部分は更に約１桁少ない量が観測され
た。このことと結晶形態との関係は現状では明らかでは
ないが、いずれにしろニッケル添加量とその位置制御に
よって、所望の部分に所望の結晶形態の結晶性を有する
シリコン薄膜を形成することが可能である。

【００１７】次に、上記ニッケル微量添加部分とその近
傍の横成長部分についての電気特性を説明する。ニッケ
ル微量添加部分の電気特性は、導電率に関してはほぼニ
ッケルを添加していない膜、即ち６００℃程度で数十時
間結晶化を行ったものと同程度の値であり、また導電率
の温度依存性から活性化エネルギーを求めたところ、ニ
ッケルの添加量を１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 〜１０¹⁸ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度とした場合には、ニッケルの準位
に起因すると思われる様な挙動は観測されなかった。
（この事実に限るならば、ＴＦＴの活性層等に用いる場
合の膜中のニッケル濃度は、１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
程度以下とすることが望ましいといえる）

【００１８】それに対し、横成長部分は、導電率がニッ
ケル微量添加部分と比較して１桁以上高く、結晶性を有
する珪素半導体としてはかなり高い値を有していた。こ
のことは、電流のパス方向が結晶の横成長方向と合致し
たため、電極間で電子（キャリア）が通過する間に存在
する粒界が少ないあるいは殆ど無かったことによるもの
と考えられ、透過電子線顕微鏡写真の結果と矛盾無く一
致する。即ち、基板と平行な方向に針状あるいは柱状の
結晶が成長する、という観察事実と一致する。

【００１９】では最後に、上述の各種特性を踏まえた上
でＴＦＴに応用する方法について説明する。ここでＴＦ
Ｔの応用分野としてはＴＦＴを画素の駆動に用いるアク
ティブ型液晶表示装置を想定するものとする。

【００２０】前述の様に、最近の大画面のアクティブ型
液晶表示装置においては、ガラス基板の縮みを抑えるこ
とが重要であるが、本発明のニッケル微量添加プロセス
を用いることにより、ガラスの歪み点に比較して十分に
低い温度で結晶化が可能であり、特に好適である。本発
明を用いれば、従来非晶質珪素を用いていた部分を、ニ
ッケルを微量添加し、４５０〜５５０℃程度で４時間程
度熱アニールすることにより、結晶性を有する珪素膜に
置き換えることが容易に可能である。勿論、デザインル
ール等をそれ相応に変更する必要はあるが、装置、プロ
セス共従来の物で十分に対応可能であり、そのメリット
は大きいものと考えられる。

【００２１】しかも、この発明を用いれば、画素に用い
るＴＦＴと、周辺回路のドライバーを形成するＴＦＴと
を、それぞれ特性に応じた結晶形態を利用して作り分け
ることも可能であり、アクティブマトリックス型液晶表
示装置への応用に特にメリットが多い。アクティブマト
リックス型液晶表示装置において、画素に用いるＴＦＴ
は、それほどの移動度は必要とされておらず、それより
はオフ電流が小さいことの方がメリットが大きい。そこ
で本発明を用いる場合には、画素に用いるＴＦＴとなる
べき領域に直接ニッケル微量添加を行うことによって、
結晶を縦方向（基板表面に対して）に成長させ、その結
果チャネル方向（ソース領域とドレイン領域を結ぶ方
向）に粒界を多数形成してオフ電流を低下させることが
可能となる。それに対して、周辺回路のドライバーを形
成するＴＦＴは、今後ワークステーションへの応用等を
考えた場合には、非常に高い移動度が必要である。そこ
で本発明を応用する場合には、周辺回路のドライバーを
形成するＴＦＴの近傍にニッケルの微量添加を行い、そ
こから一方向に結晶を成長（横方向、即ち基板表面に平
行な方向）させ、その結晶成長方向をチャネルの電流の
パス方向（キャリアの移動する方向、即ちソース領域と
ドレイン領域を結ぶ方向）と揃えることにより、非常に
高い移動度を有するＴＦＴを作製することが可能であ
る。

【００２２】即ち本発明は、ガラス基板等の基板上に多
数の薄膜トランジスタ（一般にＴＦＴと呼ばれる）を形
成した半導体装置において、選択的に特定のＴＦＴを構
成する結晶性珪素半導体膜の結晶成長方向を制御して設
けることにより、必要とする特性を満たしたＴＦＴを選
択的に基板上に形成することを発明の思想とするもので
ある。以上で、本発明についての基本的な説明を終わる
が、以下に具体的な発明の構成について説明する。

【００２３】本発明は、例えば図１に示すような周辺回
路部分と画素部分とを有したアクティブマトリックス型
の液晶表示装置において、画素部分に設けられるＴＦＴ
（薄膜トランジスタ）を基板表面に対して垂直な方向に
成長した結晶性珪素膜で構成し、周辺回路部分に形成さ
れるＴＦＴを基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪
素膜で構成することを特徴とするものである。そして、
画素部分においては、基板に垂直な方向に結晶成長した
結晶性珪素膜を用いることにより、ソース／ドレイン間
を移動するキャリアが粒界を横切る構成とすることがで
き、オフ電流の小さいＴＦＴを得ることができる。一
方、周辺回路部分においては、結晶成長方向に平行な方
向にソース／ドレインを形成することにより、移動度の
大きい即ちオン電流の大きいＴＦＴを得ることを特徴と
する。ＴＦＴの動作時において、キャリアはソースとド
レインの間を流れるから、ソース／ドレインを結晶の成
長方向に形成することにより、キャリアが粒界を横切る
可能性が少なくなり、キャリアが受ける抵抗を低減する
ことができる。

【００２４】このようにして選択的に基板表面に対して
垂直な方向もしくは平行な方向に結晶化をおこなわしめ
て、結晶性珪素膜を得ることができるが、このような結
晶性珪素膜の特性をより向上せしめんとすれば、結晶化
工程の後に、レーザーもしくはそれと同等な強光を照射
することによって、粒界等に残存する結晶化の不十分な
成分を結晶化させてやればよい。この工程においては、
基板表面に対して垂直な方向に成長した珪素膜でも、平
行な方向に成長した珪素膜でも同様に特性を向上させる
ことができる。

【００２５】

【作用】結晶性珪素膜の結晶成長方向を選択することに
より、必要とする特性を備えたＴＦＴを選択的に形成す
ることができる。

【００２６】

【実施例】〔実施例１〕 図１に実施例の概要を示す。
図１は、液晶表示装置を上面から見たものであり、マト
リックス状に設けられた画素部分と、周辺回路部分とが
示されている。本実施例は、絶縁基板（例えばガラス基
板）上に画素を駆動するＴＦＴと周辺回路を構成するＴ
ＦＴとを形成する例である。本実施例においては、周辺
回路を横方向に成長させた結晶性を有する珪素膜（結晶
性珪素膜という）を用いたＰＴＦＴとＮＴＦＴとを相補
型に設けたＣＭＯＳ構成とした回路とし、画素部分に形
成されるＴＦＴを縦方向に成長させた結晶性珪素を用い
たＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴ）とする例を述べる。

【００２７】以下において、図２に示すのが、周辺回路
を構成するＮＴＦＴとＰＴＦＴとを相補型に構成した回
路の作製工程についてであり、図４に示すのが画素に形
成されるＮＴＦＴの作製工程についてである。また両工
程は同じ基板上において行なわれるものであり、共通す
る工程は同時に行なわれる。即ち、図２の（Ａ）〜
（Ｄ）と図４の（Ａ）〜（Ｄ）とはそれぞれ対応するも
のであり、図２（Ａ）の工程と、図４（Ａ）の工程は同
時に進行し、図２（Ｂ）の工程と、図４（Ｂ）の工程は
同時に進行し、という様になる。

【００２８】図２に周辺回路を構成するＮＴＦＴとＰＴ
ＦＴとを相補型に構成した回路の作製工程を示し、図４
に画素に設けられるＮＴＦＴの作製工程を示す。まず、
ガラス基板（コーニング７０５９）１０１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１
０２を形成した。つぎに周辺回路部分のみにおいて、即
ち図２において、メタルマスクまたは酸化珪素膜等によ
って形成されたマスク１０３を設ける。このマスク１０
３によって、スリット状（１００で示される）に下地膜
１０２が露呈される。この状態を上面から見ると、スリ
ット状に下地膜１０２が露呈しており、他の部分はマス
クされている状態となっている。

【００２９】上記マスク１０３を設けた後、スパッタリ
ング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Åの珪
化ニッケル膜（化学式ＮｉＳｉ_x 、０．４≦ｘ≦２．
５、例えば、ｘ＝２．０）を成膜する。この結果、領域
１００の部分と、画素部分全体である領域２０４（図４
で下地膜１０２の表面全体を示す）の部分に上記珪化ニ
ッケル膜が成膜される。この後マスク１０３を取り除く
ことによって、図２においては領域１００の部分に選択
的に珪化ニッケル膜が成膜されたことになる。即ち、領
域１００の部分にニッケル微量添加が選択的に行われた
ことになる。

【００３０】つぎに、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ
５００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）
の非晶質珪素膜（アモルファスシリコン膜）１０４を成
膜した。そして、これを水素還元雰囲気下（好ましく
は、水素の分圧が０．１〜１気圧）または不活性雰囲気
下（大気圧）、５５０℃で４時間アニールして結晶化さ
せた。このアニール温度は、４５０℃以上の温度で可能
であるが、高いと従来の方法と同じになってしまう。従
って、４５０℃〜５５０℃が好ましいアニール温度であ
るといえる。

【００３１】この際、珪化ニッケル膜が選択的に成膜さ
れた１００の領域においては、基板１０１に対して垂直
方向に珪素膜１０４の結晶化が起こる。そして、領域１
００の周辺領域では、矢印１０５で示すように、領域１
００から横方向（基板と平行な方向）に結晶成長が行わ
れる。そして、全面に珪化ニッケル膜が成膜された画素
部分（図４に示す）においては珪素膜１０４全体におい
ては、２１５で示すように基板１０１に対し垂直な方向
に結晶成長が行なわれる。上記結晶成長に際し、矢印１
０５で示される基板と平行な方向な結晶成長の距離は、
４０μｍ程度である。

【００３２】上記工程の結果、非晶質珪素膜を結晶化さ
せて、結晶性珪素膜１０４を得ることができた。ここ
で、周辺回路部分においては、図２に示すように横方向
（基板１０１に対して平行な方向）の結晶成長を行なわ
れ、画素部分においては、図４に示すように縦方向（基
板１０１に対して垂直な方向）の結晶成長が行なわれた
ことになる。

【００３３】そして、素子間分離を行い、不要な部分の
結晶性珪素膜１０４を除去し、素子領域を形成した。こ
の工程において、ＴＦＴの活性層（ソース／ドレイン領
域、チャネル形成領域が形成される部分）の長さを４０
μｍ以内とすると、周辺回路部分において、ソース／ド
レイン、チャネル領域を基板と平行な方向に結晶成長し
た結晶性珪素膜で構成することができる。また、少なく
ともチャネル形成領域を結晶性珪素膜で構成するのであ
れば、さらに活性層の長さを長くすることができる。

【００３４】その後、スパッタリング法によって厚さ１
０００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜
した。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２００〜４００
℃、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
以下とした。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（０．１〜２％のシリコンを含む）を成膜した。
なお、この酸化珪素膜１０６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。

【００３５】そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極１０７、１０９を形成した。これらの工
程は、図２（Ｃ）と図４（Ｃ）とで同時進行で行なわれ
ることはいうまでもない。

【００３６】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１０８、１１０を形成し
た。この陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレ
ングリコール溶液中で行った。得られた酸化物層１０
８、１１０の厚さは２０００Åであった。なお、この酸
化物１０８と１１０とは、後のイオンドーピング工程
（導電型を付与するドーピング材料のイオン注入工程）
において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなる
ので、オフセットゲイ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。

【００３７】次に、イオンドーピング法によって、活性
領域にゲイト電極１０７とその周囲の酸化層１０８、ゲ
イト電極１０９とその周囲の酸化層１１０をマスクとし
て不純物（燐およびホウ素）を注入した。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
₂ Ｈ₆ ）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とした。ドース量は１×１０¹⁵〜８
×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、燐を２×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ
素を５×１０¹⁵とした。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した。この結
果、Ｎ型の不純物領域１１４と１１６、Ｐ型の不純物領
域１１１と１１３が形成され、図２に示すようにＰチャ
ネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴ
ＦＴ）とを形成することができた。また同時に図４に示
すように、Ｎチャネル型ＴＦＴを形成することができ
た。

【００３８】その後、レーザー光の照射によってアニー
ル行い、イオン注入した不純物の活性化を行なった。レ
ーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４
８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いたが、他のレー
ザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネル
ギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、例えば２５０
ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき２〜１０ショット、例
えば２ショット照射した。このレーザー光の照射時に基
板を２００〜４５０℃程度に加熱することは有用であ
る。このレーザアニール工程において、先に結晶化され
た領域にはニッケルが拡散しているので、このレーザー
光の照射によって、再結晶化が容易に進行し、Ｐ型を付
与する不純物がドープされた不純物領域１１１と１１
３、さらにはＮ型を付与する不純物がドープされた不純
物領域１１４と１１６は、容易に活性化させることがで
きた。

【００３９】続いて、周辺回路部分においては、図２に
示すように、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１８を層間
絶縁物としてプラズマ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多層膜によってＴＦＴの電極・
配線１１７、１２０、１１９を形成した。さらに、画素
部分では図４に示すように、層間絶縁物２１１を酸化珪
素によって形成し、コンタクトホールの形成後、画素電
極となるＩＴＯ電極２１２、金属配線２１３、２１４、
を形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、
３０分のアニールをおこない、ＴＦＴ回路またはＴＦＴ
を完成させた。（図２（Ｄ）、図４（Ｄ））

【００４０】図２に示す回路は、ＰＴＦＴとＮＴＦＴと
を相補型に設けたＣＭＯＳ構造であるが、上記工程にお
いて、２つのＴＦＴを同時に作り、中央で切断すること
により、独立したＴＦＴを２つ同時に作製することも可
能である。

【００４１】図２に示す構成において、ニッケルが選択
的に導入された領域とＴＦＴとの位置関係を示すため
に、図３に、図２（Ｄ）を上面から見た概要を示す。図
３において、１００で示される領域に選択的にニッケル
微量添加が行われ、熱アニールによってそこから横方向
（紙面左右方向）に結晶成長がなされる。そして、この
横方向の結晶成長が行なわれた領域において、ソース／
ドレイン領域１１１と１１３、チャネル形成領域１１２
がＰＴＦＴとして形成される。同様に、ソース／ドレイ
ン領域１１４と１１６、チャネル形成領域１１５がＮＴ
ＦＴとして形成される。

【００４２】上記のような構造において、キャリアの流
れる方向と結晶成長の方向とがそろっているので、キャ
リアが移動する際に粒界を横切ることがなく、ＴＦＴの
動作を向上させることができる。例えば、図２に示す工
程で作製したＰＴＦＴの移動度は、１２０〜１５０ｃｍ
² ／Ｖｓであり従来のＰＴＦＴの移動度である５０〜６
０ｃｍ² ／Ｖｓより向上させ得ることが確認されてい
る。また、ＮＴＦＴに関しても、１５０〜１８０ｃｍ²
／Ｖｓの移動度が得られており、従来の８０〜１００ｃ
ｍ² ／Ｖｓに比較して高い値が得られている。

【００４３】また図３においてゲイト電極（１０７と１
０９）下には、ゲイト絶縁膜とチャネル形成領域が設け
られている。図３を見れば分かるように、ニッケル微量
添加領域をさらに長くする（図２でいうと、上下に延ば
す）ことによって、複数のＴＦＴを同時に形成すること
ができる。

【００４４】一方、画素部分において形成された図４に
示すＮＴＦＴは、ソース／ドレイン間即ち、１１４と１
１６との間を流れる（移動する）キャリアの方向と、２
１５で示される結晶成長の向きがとが垂直であるので、
キャリアが移動する際に結晶粒界を横切らねばならず、
移動度は３０〜８０ｃｍ² ／Ｖｓと従来のＮＴＦＴと同
様か、またはそれ以下の特性であった。しかしながら、
図４に示すＮＴＦＴの特性を調べてみると、オフ電流が
図２に示すＮＴＦＴよりも小さいことが確認された。こ
れは、画素電極の駆動用に用いるには重要な特性であ
り、画素電極を駆動するＴＦＴとしては有意なＴＦＴで
ある。なお、ここでいう従来のＴＦＴというのは、ガラ
ス基板上に形成された非晶質珪素膜を６００度、２４時
間の熱アニールによって結晶化させた結晶性珪素膜を用
いたＴＦＴのことである。

【００４５】本実施例においては、Ｎｉを導入する方法
として、非晶質珪素膜１０４下の下地膜１０２上表面に
選択的にＮｉを薄膜（極めて薄いので、膜として観察す
ることは困難である）として形成し、この部分から結晶
成長を行わす方法を採用した。しかし、非晶質珪素膜１
０４を形成後に、その上面に選択的にニッケル微量添加
を行う方法でもよい。即ち、結晶成長は非晶質珪素膜の
上面側から行ってもよいし、下面側から行ってもよい。
また、予め非晶質珪素膜を成膜し、さらにイオンドーピ
ング法を用いて、ニッケルイオンを非晶質珪素膜１０４
に選択的に注入する方法を採用してもよい。この場合
は、ニッケル元素の濃度を制御することができるという
特徴を有する。また、ニッケルの薄膜を成膜する代わり
にプラズマ処理により、ニッケル微量添加を行うのでも
よい。

【００４６】また、ＴＦＴを作製するに際し、結晶の成
長方向を単にキャリアの流れに垂直あるいは平行とする
のではなく、キャリアの流れる方向と結晶成長方向との
角度を任意の角度で設定することにより、ＴＦＴの特性
を制御することもできる。

【００４７】〔実施例２〕 図５および図６に本実施例
を示す。ガラス基板５０１上に、厚さ１０００〜５００
０Å、例えば、２０００Åの酸化珪素膜５０２を形成し
た後、厚さ３００〜１５００Å、例えば、５００Åの非
晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって形成した。さら
に、その上に、５００〜１５００Å、例えば、５００Å
の酸化珪素膜５０４を形成した。これらの成膜は連続的
におこなうことが望ましい。そして、酸化珪素膜５０４
を選択的にエッチングして、ニッケルを導入する窓５０
６を周辺駆動回路のＴＦＴを形成する領域に開けた。同
時に画素領域では酸化珪素膜５０４を除去した。

【００４８】そして、スピンコーティング法によってニ
ッケル塩の膜５０５を形成した。この方法について説明
すると、まず、酢酸ニッケルもしくは硝酸ニッケルを水
もしくはエタノールによって希釈化して、２５〜２００
ｐｐｍ、例えば、１００ｐｐｍの濃度にした。

【００４９】一方、基板を過酸化水素水もしくは過酸化
水素水とアンモニアの混合溶液に浸漬して、極めて薄い
酸化珪素膜を非晶質珪素膜の露出した部分（窓５０６の
領域および画素領域）に形成した。これは、上記のよう
に調製したニッケル溶液と非晶質珪素膜の界面親和性を
向上させるためである。

【００５０】このような処理をほどこした基板をスピナ
ーに設置し、緩やかに回転させ、基板上にニッケル溶液
を１〜１０ｍｌ、例えば、２ｍｌ滴下し、基板全面に溶
液を拡げた。この状態を１〜１０分、例えば、５分保持
した。その後、基板の回転数を上げてスピンドライをお
こなった。この操作はさらに複数回繰り返してもよい。
このようにしてニッケル塩のの薄い膜５０５を形成し
た。（図５（Ａ））

【００５１】その後、加熱炉において、５２０〜５８０
℃、４〜１２時間、例えば、５５０℃で８時間の加熱処
理をおこなった。雰囲気は窒素とした。この結果、ま
ず、窓５０６の直下および画素領域の領域にニッケルが
拡散し、この領域から結晶化が始まった。結晶化の方向
は基板に対して垂直であった。そして、結晶化領域はそ
の周囲に拡がっていった。この際の結晶化の方向は基板
に対して平行であった。この結果、３つの性質の異なる
領域が形成された。第１は窓５０６の直下の領域５０７
あるいは画素領域５１０で、基板に対して垂直に結晶化
が進行した領域である。第２は上記領域５０７、５１０
の周囲の領域５０８で、基板に対して水平に結晶化が進
行した領域である。一方、窓５０６から遠く離れた領域
５０９は非晶質珪素のままであった。（図５（Ｂ））

【００５２】その後、大気もしくは酸素雰囲気におい
て、ＫｒＦエキシマレーザー光（波長２４８ｎｍ）もし
くはＸｅＣｌエキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ）を
１〜２０ショット、例えば、５ショット照射して、さら
に結晶性を向上せしめた。エネルギー密度は２００〜３
５０ｍＪ／ｃｍ² 、基板温度は２００〜４００℃とし
た。（図５（Ｃ））

【００５３】その後、珪素膜５０３をエッチングして、
周辺回路のＴＦＴの領域と画素部分のＴＦＴの領域を形
成した。この際には、周辺回路のＴＦＴのチャネル領域
には領域５０８が来るように設計した。そして、厚さ１
０００〜１５００Å、例えば、１２００Åの酸化珪素膜
５１１を形成し、実施例１の場合と同様にアルミニウム
およびその陽極酸化膜によってゲイト電極部５１２、５
１３、５１４形成した。ゲイト電極部５１２は周辺回路
のＰＴＦＴの、５１３は同ＮＴＦＴの、５１４は画素部
分のＴＦＴのそれぞれゲイト電極となる。

【００５４】そして、これらゲイト電極部をマスクとし
て、実施例１と同様にＮ型およびＰ型の不純物をイオン
ドーピング法によって珪素膜中に注入した。この結果、
周辺回路のＰＴＦＴのソース５１５、チャネル５１６、
ドレイン５１７、周辺回路のＮＴＦＴのソース５２０、
チャネル５１９、ドレイン５１８、画素部分のＮＴＦＴ
のソース５２１、チャネル５２２、ドレイン５２３が形
成された。その後、実施例１と同様に全面にレーザー照
射をおこなって、ドーピングされた不純物の活性化をお
こなった。（図６（Ａ））

【００５５】その後、層間絶縁物として厚さ３０００〜
８０００Å、例えば、５０００Åの酸化珪素膜５２４を
形成した。さらに、スパッタリング法によって、厚さ５
００〜１０００Å、例えば、８００ÅのＩＴＯ膜を形成
し、これを、パターニング・エッチングして、画素電極
５２５を形成した。この後、ＴＦＴのソース／ドレイン
にコンタクトホールを形成し、窒化チタン（厚さ１００
０Å）とアルミニウム（厚さ５０００Å）の２層膜を堆
積して、これをパターニング・エッチングして、電極・
配線５２６〜５３０を形成した。このようにして、結晶
性珪素によって周辺回路を、非晶質珪素によって画素部
分を形成することができた。（図６（Ｂ））

【００５６】本実施例では図５（Ｃ）にあるように、レ
ーザー照射をおこなう。この工程では、針状に成長した
珪素結晶間に残った非晶質成分まで結晶化され、しか
も、この結晶化は針状結晶を核として、針状結晶を太く
するように結晶化する。このことは電流の流れる領域を
拡げることとなり、より大きなドレイン電流を流すこと
ができる。

【００５７】この様子を図７に示す。図７は結晶化した
珪素膜を薄膜化して透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によっ
て観察したものである。図７（Ａ）は横方向への成長に
よって結晶化した珪素膜の結晶化領域の先端付近を見た
ものであり、針状の結晶が観察される。さらに、その結
晶の間には結晶化していない非晶質領域が多く存在して
いるのが分かる。（図７（Ａ））

【００５８】これを本実施例の条件でレーザー照射する
と、図７（Ｂ）のようになる。この工程によって、図７
（Ａ）の大部分の面積を占めていた非晶質領域は結晶化
するが、この結晶化は乱雑に発生するため、電気的な特
性はあまり良くない。注目すべきは、中央付近に観察さ
れる針状結晶の間のもともと非晶質であったと思われる
領域の結晶状態である。ここは、針状結晶から結晶化成
長するように、太い結晶領域が形成されている。（図７
（Ｂ））

【００５９】図７は分かりやすくするために、比較的、
非晶質領域の多い結晶成長の先端領域を観察したもので
あったが、結晶成長の根元付近や中央付近でも同様であ
る。このように、レーザー照射によって、非晶質部分を
減らし、針状結晶を太くすることができ、ＴＦＴの特性
をさらに向上せしめることができる。

【００６０】

【効果】アクティブマトリックス型の液晶表示装置にお
いて、周辺回路部分のＴＦＴをキャリアの流れに対して
平行な方向に結晶成長させた結晶性珪素膜で構成し、画
素部分のＴＦＴをキャリアの流れに対して垂直方向に構
成した結晶性珪素膜で構成することによって、周辺回路
部分においては高速動作が行える構成とすることがで
き、画素部分では電荷保持のために必要とされるオフ電
流値の小さいＴＦＴを設ける構成とすることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の概要を示す。

【図２】 実施例の作製工程を示す。

【図３】 実施例の概要を示す。

【図４】 実施例の作製工程を示す。

【図５】 実施例の作製工程を示す。

【図６】 実施例の作製工程を示す。

【図７】 実施例の結晶構造を示す。

【符号の説明】

１０１ ガラス基板 １０２ 下地膜（酸化珪素膜） １０３ マスク １００ ニッケル微量添加領域 １０５ 結晶成長方向 １０７ ゲイト電極 １０８ 陽極酸化層 １０９ ゲイト電極 １１０ 陽極酸化層 １１１ ソース／ドレイン領域 １１２ チャネル形成領域 １１３ ドレイン／ソース領域 １１４ ソース／ドレイン領域 １１５ チャネル形成領域 １１６ ドレイン／ソース領域 １１７ 電極 １１８ 層間絶縁物 １１９ 電極 １２０ 電極 ２１１ 層間絶縁物 ２１３ 電極 ２１４ 電極 ２１２ ＩＴＯ（画素電極） ２１５ 結晶成長方向

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−140915（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/20 G02F 1/1368

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、前記基板上に形成された複数
   の薄膜トランジスタとを有する半導体装置において、 前記複数の薄膜トランジスタのうち一部の薄膜トランジ
   スタは、基板表面に平行な方向に結晶成長した珪素膜を
   有し、 前記複数の薄膜トランジスタのうち他の一部の薄膜トラ
   ンジスタは、基板表面に垂直な方向に結晶成長した珪素
   膜を有することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 基板と、前記基板上に形成された珪素
   膜とを有する半導体装置において、 前記珪素膜は基板表面に平行な方向に結晶成長した第１
   の領域と、基板表面に垂直な方向に結晶成長した第２の
   領域とを有し、前記第１の領域と前記第２の領域のそれ
   ぞれに薄膜トランジスタを形成してなることを特徴とす
   る半導体装置。
3. 【請求項３】 基板と、前記基板上に形成された第１
   の薄膜トランジスタと、前記基板上に形成された第２の
   薄膜トランジスタとを有する半導体装置において、 前記第１の薄膜トランジスタは、基板表面に平行な方向
   に結晶成長した珪素膜を有し、 前記第２の薄膜トランジスタは、基板表面に垂直な方向
   に結晶成長した珪素膜を有することを特徴とする半導体
   装置。
4. 【請求項４】 基板と、前記基板上に形成され、基板
   表面に平行な方向に結晶成長した珪素膜を有する第１の
   薄膜トランジスタと、前記基板上に形成され、基板表面
   に垂直な方向に結晶成長した珪素膜を有する第２の薄膜
   トランジスタとを有する半導体装置において、 前記第１の薄膜トランジスタは、珪素膜の結晶成長方向
   と薄膜トランジスタにおけるキャリアの移動方向とが一
   致して形成され、 前記第２の薄膜トランジスタは、珪素膜の結晶成長方向
   と薄膜トランジスタにおけるキャリアの移動方向とが垂
   直となるように形成されることを特徴とする半導体装
   置。
5. 【請求項５】 基板と、前記基板上に形成された複数
   の薄膜トランジスタとを有するアクティブマトリックス
   型表示装置において、 前記複数の薄膜トランジスタのうち一部の薄膜トランジ
   スタは、アクティブマトリックス型表示装置の駆動回路
   部分に形成され、 前記複数の薄膜トランジスタのうち他の一部の薄膜トラ
   ンジスタは、アクティブマトリックス型表示装置の画素
   部分に形成され、 前記駆動回路部分に形成された薄膜トランジスタは、基
   板表面に平行な方向に結晶成長した珪素膜を有し、 前記画素部分に形成された薄膜トランジスタは、基板表
   面に垂直な方向に結晶成長した珪素膜を有することを特
   徴とするアクティブマトリックス型表示装置。
6. 【請求項６】 基板と、前記基板上に形成された複数
   の画素電極を有する画素部分と、前記画素電極のそれぞ
   れを駆動する前記基板上に形成された駆動回路とを有す
   るアクティブマトリックス型表示装置において、 前記画素部分と前記駆動回路はそれぞれ基板上に形成さ
   れた薄膜トランジスタを有し、 前記画素部分の薄膜トランジスタは、基板表面に垂直な
   方向に結晶成長した珪素膜を有し、 前記駆動回路の薄膜トランジスタは、基板表面に平行な
   方向に結晶成長した珪素膜を有することを特徴とするア
   クティブマトリックス型表示装置。
7. 【請求項７】 基板と、前記基板上に形成された複数
   の画素電極を有する画素部分と、前記画素電極のそれぞ
   れを駆動する前記基板上に形成された駆動回路とを有す
   るアクティブマトリックス型表示装置において、 前記画素部分は基板表面に垂直な方向に結晶成長した珪
   素膜を有し、 前記駆動回路は基板表面に平行な方向に結晶成長した珪
   素膜を有し、同一基板上に形成された前記画素部分の珪素膜と前記駆
   動回路の珪素膜のそれぞれに薄膜トランジスタを形成し
   てなる ことを特徴とするアクティブマトリックス型表示
   装置。
8. 【請求項８】 基板上に非晶質珪素膜を形成し、 前記非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を選択的
   に添加し、 加熱により前記非晶質珪素膜を結晶化させる半導体装置
   の作製方法であって、 前記金属元素を選択的に添加した領域において、前記非
   晶質珪素膜を基板表面に垂直な方向に結晶成長させ、 前記金属元素を選択的に添加した領域の近傍の領域にお
   いて、前記非晶質珪素膜を基板表面に平行な方向に結晶
   成長させ、 前記基板表面に垂直な方向に結晶成長させた領域の珪素
   膜を用いて第１の薄膜トランジスタを形成し、前記第１
   の薄膜トランジスタにおけるキャリアの移動方向を珪素
   膜の結晶成長方向に対して垂直とし、 前記基板表面に平行な方向に結晶成長させた領域の珪素
   膜を用いて第２の薄膜トランジスタを形成し、前記第２
   の薄膜トランジスタにおけるキャリアの移動方向を珪素
   膜の結晶成長方向に対して平行とすることを特徴とする
   半導体装置の作製方法。
9. 【請求項９】 請求項８において、前記金属元素はＮ
   ｉ、Ｃｏ、ＰｄまたはＰｔであることを特徴とする半導
   体装置の作製方法。
10. 【請求項１０】 請求項８または請求項９において、
    加熱により非晶質珪素膜を結晶化させた後に、前記金属
    元素を添加した領域および前記近傍の領域にレーザー光
    を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
11. 【請求項１１】 請求項８乃至１０のいずれか一にお
    いて、前記金属元素の添加は、前記金属元素を含有する
    物質を塗布またはスピンコーティングすることにより行
    うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
12. 【請求項１２】 絶縁表面を有する基板上に画素部分
    と駆動回路部分とを有する半導体装置の作製方法であ
    り、 絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成し、 前記非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を選択的
    に添加し、 加熱により、前記金属元素を添加した領域において絶縁
    表面に垂直な方向に前記非晶質珪素膜を結晶成長させ、
    かつ前記金属元素を添加した領域から絶縁表面に平行な
    方向に前記非晶質珪素膜を結晶成長させ、 前記結晶成長させた後に、前記絶縁表面に垂直な方向に
    結晶成長させた珪素膜をエッチングして画素部分の島状
    の珪素膜を形成し、かつ前記絶縁表面に平行な方向に結
    晶成長させた珪素膜をエッチングして駆動回路部分の島
    状の珪素膜を形 成し、 それぞれの島状の珪素膜にソース領域およびドレイン領
    域を形成し、画素部分および駆動回路部分にそれぞれ薄
    膜トランジスタを形成する半導体装置の作製方法であっ
    て、 前記駆動回路部分の薄膜トランジスタにおいて、キャリ
    アの移動方向が珪素膜の結晶成長方向と一致するように
    配置することを特徴とする半導体装置の作製方法。