JP3468967B2 - 結晶性珪素膜の作製方法及びそれを用いた薄膜トランジスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、ガラ
ス基板等の絶縁表面を有する基板上に形成される結晶性
を有する珪素半導体薄膜の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス基板上に形成された珪素薄
膜を用いて薄膜トランジスタを構成する技術が注目され
ている。この薄膜トランジスタは、主にアクティブマト
リクス型の液晶電気光学装置や、その他の薄膜集積回路
に利用されている。液晶電気光学装置は一対のガラス基
板間に液晶を封入して、液晶に電界を加えることによっ
て、液晶の光学特性を変化させて、画像表示を行わせる
ものである。

【０００３】特に、薄膜トランジスタが用いられるアク
ティブマトリクス型の液晶表示装置は、各画素にスイッ
チとして薄膜トランジスタを配置して、画素電極に保持
される電荷を制御することを特徴とする。アクティブマ
トリクス型の液晶表示装置は、微細な画像を高速で表示
できるため、各種電子機器（例えば携帯型のワードプロ
セッサーや携帯型のコンピュータ）のディスプレーに利
用されている。

【０００４】アクティブマトリクス型の液晶表示装置に
利用される薄膜トランジスタとしては、非晶質珪素薄膜
（アモルファスシリコン薄膜）を利用したものが一般的
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、非晶質
珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタでは、 （１）特性が低く、より高品質な画像表示を行うことが
できない。 （２）また、画素に配置された薄膜トランジスタを駆動
するための周辺回路を構成することができない。といっ
た問題がある。

【０００６】上記の問題点（２）は、非晶質珪素薄膜を
用いた薄膜トランジスタではＰチャネル型の薄膜トラン
ジスタが実用にならないので、ＣＭＯＳ回路が構成でき
ないという問題と、非晶質珪素薄膜を用いた薄膜トラン
ジスタでは高速動作ができず、また大電流を流すことが
できないので、周辺駆動回路を構成することができない
という問題とに分けて考えることができる。

【０００７】これらの問題を解決する方法としては、結
晶性珪素薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する技術
を挙げることができる。結晶性珪素薄膜を得る方法とし
ては、非晶質珪素膜に対して加熱処理を加える方法と、
非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射する方法とを挙
げることができる。

【０００８】加熱処理により非晶質珪素膜を結晶化させ
る方法は、一般的に以下のような問題がある。普通、液
晶電気光学装置に利用される薄膜トランジスタを構成し
ようとするには、透光性を有する基板上に形成すること
が要求される。透光性を有する基板としては、石英基板
やガラス基板を挙げることができる。しかし、石英基板
は高価であり、コストの削減が大きな技術的課題である
液晶電気光学装置に利用することはできない。従って、
一般的にはガラス基板が利用されることになるが、ガラ
ス基板はその耐熱温度が低いという問題がある。

【０００９】非晶質珪素膜を加熱により結晶化させるに
は、６００℃以上の温度が必要とされることが実験的に
判明しており、またその加熱時間も数十時間が必要なこ
とが判明している。このような高温でしかも長時間の加
熱は、大面積のガラス基板に対して到底行うことができ
ない。

【００１０】また、レーザー光の照射によって、非晶質
珪素膜を結晶化させる技術も知られている。しかし、大
面積に渡ってレーザー光を一様に照射することや、一定
の照射パワーを維持して照射することは現実問題として
困難である。

【００１１】本明細書で開示する発明の目的は、上述の
問題点を解消して、金属元素を触媒作用を利用し、かつ
特性の優れた結晶性珪素膜を作製する半導体薄膜の作製
方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の問題点を解消する
ために、本発明に係る半導体薄膜の作製方法は、非晶質
珪素膜中に金属元素を導入する工程と、前記非晶質珪素
膜を結晶化させて結晶性珪素膜を得る工程と、前記結晶
性珪素膜上に不純物を含有する非晶質珪素膜を形成する
工程と、不純物を含有する非晶質珪素膜中に前記金属元
素を拡散させる工程と、前記不純物を含有する非晶質珪
素膜を除去する工程と、を有する。

【００１３】上記構成において、結晶化される非晶質珪
素膜は、ガラス基板または絶縁膜が形成されたガラス基
板上にプラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で形成された
膜を挙げることができる。

【００１４】また、金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ
から選ばれた一種、又は複数種類の元素を挙げることが
できる。これらの金属元素は珪素の結晶化を助長する触
媒作用を有し、これら金属元素の中で特に効果があるの
がニッケル（Ｎｉ）である。

【００１５】上記の金属元素の導入方法としては、非晶
質珪素膜の表面にこれら金属の層、又は金属を含む層を
形成する方法を挙げることができる。具体的には、ＣＶ
Ｄ法やスパッタ法さらには蒸着法等によって、金属元素
の層又は金属元素を含む層を形成する方法や、金属元素
を含んだ溶液を非晶質珪素膜上に塗布する方法を挙げる
ことができる。

【００１６】しかし、ＣＶＤ法やスパッタ法さらには蒸
着法等を用いた場合には、極薄い均一な膜を成膜するこ
とが困難であることから、金属元素が非晶質珪素膜上の
不均一に存在することになってしまい、結晶成長の際に
金属元素が偏在し易いという問題がある。他方、溶液を
用いる方法は、金属元素の濃度を容易に制御することが
でき、かつ、金属元素を均一に非晶質珪素膜の表面に接
して保持させることができるので、非常に好ましい。

【００１７】珪素の結晶化を助長する金属元素が導入さ
れた非晶質珪素膜を結晶化させるには、４５０℃以上の
温度で加熱を行えばよい。この加熱温度の上限は、通
常、使用する基板の耐熱温度で制限される。ガラス基板
の場合には、この耐熱温度はガラスの歪点と考えること
ができる。例えば、コーニング１７３７ガラス基板は歪
点が６６７℃であるため、加熱温度を６２０℃程度とす
ることが、ガラス基板の耐熱性や生産性の観点から見て
適当である。

【００１８】また基板として石英基板等の１０００℃以
上の温度にも耐えるような材料を用いた場合には、この
加熱における加熱温度もその耐熱温度に従って高くする
ことができる。また、加熱温度が高い程、結晶性の優れ
た膜を得ることができる。

【００１９】上記の構成において、不純物を含有する非
晶質珪素膜は金属元素を拡散させるための膜として機能
するものであり、一般的なＣＶＤ法で形成される非晶質
珪素膜を挙げることができる。例えば加熱により結晶化
された結晶性珪素膜の出発膜となった非晶質珪素膜と同
じ成膜方法で得られる非晶質珪素膜を用いることができ
る。

【００２０】また、非晶質珪素膜に含有されている不純
物は、酸素、炭素、窒素のから選ばれた少なくとも１種
類以上の元素とする。例えば、非晶質珪素膜中におい
て、不純物の濃度は、酸素であれば１×１０¹⁹〜１×１
０²¹原子ｃｍ^-3となるように、炭素又は窒素であれば、
その濃度は１×１０¹⁷〜１×１０²⁰原子ｃｍ^-3とすれぱ
よい。

【００２１】非晶質珪素膜は非晶質という膜質のため多
くの欠陥や不対結合を有するので、それ自身にニッケル
のような金属元素をゲッタリングする効果を有するが、
本発明では、不純物を含有させることにより、非晶質珪
素膜が金属元素をゲッタリングする要素をより多く有す
るようにする。このような要素として、不純物やＳｉと
不純物との結合等による欠陥や、珪素結合間の不純物等
が挙げられる。

【００２２】前記不純物の濃度を、結晶性珪素膜中の金
属元素の濃度よりも高くすることは、より多くの金属元
素を非晶質珪素膜中に捕獲させるために効果的である。
更に、非晶質珪素膜はその膜厚を結晶性珪素膜の膜厚よ
りも厚くすることも効果的である。これは、非晶質珪素
膜の膜厚が厚いほど、結晶性珪素膜に対する体積比を大
きくすることができるためである。また、非晶質珪素膜
中に酸素等の不純物を高濃度に含有させることにより、
加熱により非晶質珪素膜が結晶化するのを抑制する効果
も呈する。

【００２３】また、金属元素を拡散させるための膜とし
て、上記のような不純物を含有する非晶質状態のＳｉ_X
Ｇｅ_1-X 膜（０＜ｘ＜１）を使用することもできる。非
晶質状態のＳｉ_X Ｇｅ_1-X を得るには、例えば、原料ガ
スにシラン（ＳｉＨ₄ ）とゲルマン（ＧｅＨ₄ ）を使用
して、プラズマＣＶＤ法により形成すればよい。

【００２４】不純物を含有する非晶質珪素膜中に金属元
素を拡散させる（吸い取らせる）工程は、加熱処理によ
り行う。加熱に伴って、不純物元素を含有する非晶質膜
中に金属元素が拡散される。こうすることで、事実上、
非晶質珪素膜によって結晶性珪素膜中の金属元素の吸い
出しを行うことができるため、金属元素の濃度が低く、
かつ結晶性の良好な結晶性珪素膜を得ることができる。

【００２５】例えば、不純物を含有する非晶質珪素膜と
結晶性珪素膜とがほぼ同一の膜厚であれば、結晶性珪素
膜中の金属元素の濃度は加熱により、平均的には１／２
以下とすることができる。

【００２６】非晶質珪素膜を除去するには、ウェットエ
ッチング法、又はドライエッチング法を採用すればよ
い。本発明では、非晶質珪素膜は不純物を含有している
ので、結晶化されにくので、金属元素を拡散させるため
の加熱処理をほどこしても、非晶質珪素膜を非晶質状態
のままとすることができる、或いは完全に結晶化される
ことがない。このため、加熱処理を経ても、この非晶質
珪素膜は容易にエッチングすることができ、また、膜質
（結晶構造）は結晶性珪素膜と隔たらせることができる
ため、非晶質珪素膜を容易に選択的に除去することが可
能である。

【００２７】従って、金属元素を拡散させた珪素膜（不
純物を含有させた非晶質珪素膜）のみを除去するために
は、金属元素を拡散させる（吸い取らせる）工程におい
て、加熱温度は金属元素が拡散し得る温度で、かつ非晶
質珪素膜が結晶化しない温度とすることが重要である。
この条件を満たした上で、５５０℃〜１０５０℃の温度
で加熱処理する。

【００２８】また、結晶化させる非晶質珪素膜上に、予
め酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜等の保護膜
を形成しておくと、エッチングストッパーとして機能さ
せることができ、金属元素を拡散させた非晶質珪素膜を
容易に選択的にエッチングすることができる。

【００２９】更に、金属元素を拡散させる加熱工程にお
いて、その雰囲気にハロゲン元素が含有されるようにす
ると、更に、ゲッタリングの効果が向上する。

【００３０】ハロゲン元素の導入方法として、ＨＣｌ、
ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ₂ 、Ｆ₂ 、Ｂｒ₂ から選ばれた一種
または複数種類のガスを用いることができる。一般にハ
ロゲンの水素化物を用いることができる。

【００３１】ハロゲン元素を含有する雰囲気中で加熱す
ることにより、ハロゲンとニッケルが反応して、気化し
やすい金属元素のハロゲン化物を形成するため、結晶性
珪素膜からニッケルを除去する作用がより促進される。
また、結晶性珪素膜においても、金属元素のハロゲン化
物が形成されることによって、金属元素を電気的に不活
性な状態にすることができる。ハロゲン元素を導入する
ことにより、加熱処理においてハロゲン元素を導入しな
い場合と比較して、金属元素の濃度を最大で１／１０以
下とすることができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１を用いて、本発明の実施の形
態を具体例に説明する。珪素の結晶化を助長する金属元
素であるニッケルを用いて結晶性珪素膜１０５をガラス
基板１０１上に形成する。結晶化の方法は加熱処理を利
用する。なお、ガラス基板１０１の表面には、下地膜と
して酸化珪素膜１０２が形成されている。（図１
（Ｂ））

【００３３】次に図１（Ｃ）に示すように、金属元素を
拡散させる膜として、例えば酸素を含有する非晶質珪素
膜１０７を成膜して、加熱処理する。この加熱処理は非
晶質珪素膜が結晶化しないような温度とし、その加熱時
間は５分〜１０時間程度とすればよい。これにより、非
晶質珪素膜１０７中に徐々に結晶性珪素膜１０５中の金
属元素が拡散して（吸い取られて）いく状態となる。従
って、長い時間に渡って加熱処理を行うと、徐々にでは
あるが、結晶性珪素膜１０５中の金属元素の濃度を下げ
ることができる。

【００３４】この作用は非晶質珪素膜１０７が不純物と
して酸素を含有しているため、金属元素と結合しやすい
状態で珪素の原子が存在している（不対結合手が多量に
存在している）からである。

【００３５】そして、非晶質珪素膜１０７を除去するこ
とにより、非晶質珪素膜１０７中の金属元素の濃度に比
較して、結晶性珪素膜１０５中の金属元素の濃度を小さ
な結晶性珪素膜１０８を得ることができる。（図１
（Ｄ）

【００３６】この、図１に示す結晶性半導体薄膜の作製
工程はガラス基板の耐え得る温度で行うことができるの
で、例えば液晶電気光学装置のように、ガラス基板上に
形成される薄膜トランジスタの作製工程に極めて有用な
ものとなる。

【００３７】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例は、ガラス基板上に非晶質珪素膜
を形成し、しかる後に珪素の結晶化を助長する金属膜を
非晶質珪素膜に導入し、しかる後に加熱により非晶質珪
素膜を結晶化させ、さらに結晶化した珪素膜（結晶性珪
素膜）上に、非晶質珪素膜を形成し、再び加熱処理を施
すことにより、非晶質珪素膜中に結晶性珪素膜中からニ
ッケル元素を拡散させ（ニッケル元素を非晶質珪素膜に
吸い出させる）、結果として結晶性珪素膜中におけるニ
ッケル元素濃度を低下させる技術に関する。

【００３８】図１に本実施例に示す結晶性珪素膜の作製
工程を示す。まず、コーニング１７３７ガラス基板１０
１（歪点６６７℃）上に、下地膜１０２を形成する。こ
の下地膜１０２は、ガラス基板１０１から不純物や、ア
ルカリイオンが後に形成される半導体薄膜中に拡散する
ことを防ぐためのものである。

【００３９】従って、この機能を最大限に得るために
は、下地膜１０２としては窒化珪素膜が最適であるが、
窒化珪素膜は応力の関係で、ガラス基板１０１から剥離
するおそれがあるため、実用的ではない。また、酸化珪
素膜を下地膜１０２として用いることができるが、酸化
珪素膜は不純物に対するバリア効果が不十分である。こ
れらのことから、本実施例では、下地膜１０２として、
酸化窒化珪素膜を成膜する。下地膜１０２として酸化窒
化珪素膜を成膜するには、プラズマＣＶＤ法を採用すれ
ばよい。原料ガスとして、シラン、Ｏ₂ ガス、Ｎ₂ Ｏガ
スを使用する。或いは、ＴＥＯＳガス、Ｎ₂ Ｏガスを使
用する。

【００４０】また、下地膜１０２の硬度を可能な限り高
くすることは重要である。これは、最終的に得られた薄
膜トランジスタの耐久試験によると、下地膜１０２が硬
いほど、即ち、エッチングレートが小さいほど、信頼性
が優れていることが判明しており、このことは下地膜１
０２の硬度が、ガラス基板１０１からの不純物の侵入の
防止に寄与することを示唆している。

【００４１】次にプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ
法によって、非晶質珪素膜１０３を６００Åの厚さに成
膜する。この非晶質珪素膜１０３は後に結晶化されるも
のである。なお、減圧熱ＣＶＤ法を採用するのは、得ら
れる結晶性珪素膜の膜質が優れているためである。他の
成膜方法として、プラズマＣＶＤ法を採用することもで
きる。なお、成膜時には、非晶質珪素膜１０３中に不純
物が混入しないようにすることが重要になる。

【００４２】また、非晶質珪素膜１０３の膜厚は２００
０Å以下とすることが好ましい。膜厚が２０００Å以上
となると、珪素膜中の金属元素を除去することが困難に
なるからである。さらに、非晶質珪素膜１０３の膜厚の
下限は成膜法に依存し、いかに薄い膜を形成することが
できるかによる。従って、膜厚の下限は一般に１００Å
程度であり、実用的には２００Å程度である。

【００４３】非晶質珪素膜１０７を成膜した後に、所定
のニッケル濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液を非晶質
珪素膜１０３上に滴下して、水膜１０４を形成する。そ
してスピナー１００を用いてスピンコートを行い、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
た状態とする。（図１（Ａ））

【００４４】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硝
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。

【００４５】次に、４５０℃〜６５０℃温度で加熱処理
を行い、非晶質珪素膜１０３を結晶化させて、結晶性珪
素膜１０５を得る。本実施例では、水素を３％含有する
窒素雰囲気中で、６２０℃、４時間加熱処理する。（図
１（Ｂ））

【００４６】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℃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の歪点以下とすること
が好ましい。ここでは、歪点が６６７℃のコーニング１
７３７ガラス基板を用いているので、多少の余裕をみて
その上限は６５０℃とする。

【００４７】例えば、基板として石英基板を用いれば、
さらに９００℃程度まで加熱温度を高くすることが可能
である。この場合、より高い結晶性を有する結晶性珪素
膜を得ることができる。またより短時間で結晶性珪素膜
を得ることができる。

【００４８】また、結晶性珪素膜１０５中におけるニッ
ケル濃度は１×１０¹⁶原子ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹原子ｃｍ
^-3とする必要がある。このため、得られた結晶性珪素膜
１０５中におけるニッケル濃度が可能な限り上記範囲と
なるように、図１（Ａ）の工程において、ニッケル酢酸
塩溶液中のニッケル濃度を調整する必要がある。なお、
ニッケル濃度はＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）を用い
て計測した値の最小値として定義される。

【００４９】結晶性珪素膜１０５が得られたら、プラズ
マＣＶＤ法又は減圧熱ＣＶＤ法により、不純物として酸
素を含有する非晶質珪素膜１０７を６００Åの厚さに形
成する。この結果、非晶質珪素膜１０７は非晶質という
膜質のために有する欠陥等の他に、不純物として酸素を
含有することによって、酸素、ＳｉＯ_X で示されるよう
な酸化物による欠陥や、珪素結合間の酸素等を有するた
め、ニッケルをゲッタリングし易い膜質となっている。

【００５０】非晶質珪素膜１０７を成膜した状態でＳＩ
ＭＳにより、ニッケル元素の濃度分布を測定した結果を
図８に示す。図８に示すように、ニッケル元素の濃度は
結晶性珪素膜１０５においては、最大で５×１０¹⁸原子
ｃｍ^-3程度であり、非晶質珪素膜１０７においては、測
定限界（１×１０¹⁷原子ｃｍ^-3）以下であった。

【００５１】本実施例では非晶質珪素膜１０７中により
多くのニッケル元素を捕獲させるために、上記の結晶性
珪素膜１０５中のニッケル元素の濃度を考慮して、非晶
質珪素膜１０７中の酸素の濃度が１×１０¹⁹〜１×１０
²¹原子ｃｍ^-3となるようにする。また、このように、非
晶質珪素膜１０７中に酸素を高濃度に含有させるのは、
後のゲッタリング工程において、加熱により非晶質珪素
膜が結晶化するのを抑制するためでもある。

【００５２】非晶質珪素膜１０７を成膜した後に、加熱
処理を施す。この結果、結晶性珪素膜１０５中のニッケ
ル元素が非晶質珪素膜１０７中に拡散して、結晶性珪素
膜１０５中のニッケル元素の濃度を低くすることができ
る。

【００５３】これは、非晶質珪素膜１０７にはニッケル
をゲッタリングする要素として、非晶質という膜質のた
めに有する欠陥等や、酸素、ＳｉＯ_X で示されるような
酸化物による欠陥等が多量に存在するためである。

【００５４】加熱温度が高いほど、上記のようなゲッタ
リングの効果を得ることができるが、加熱温度の下限は
ニッケルが拡散し得る温度で定義され、加熱温度の上限
は非晶質珪素膜１０７が結晶化しない温度で、かつ基板
の歪み点以下で定義される。実際の工程では、上記の条
件を満たした上で、５５０℃〜１０５０℃で加熱処理を
行えばよい。本実施例では、６００℃、４時間の加熱処
理する。

【００５５】ただし、非晶質珪素は４５０℃程度の温度
で結晶化してしまうが、本実施例では、非晶質珪素膜１
０７には、１０¹⁹〜１０²¹原子ｃｍ^-3のように、酸素を
高濃度に含有させているので、酸素により非晶質珪素膜
が結晶化するのが阻害されるため、上記のような温度範
囲で加熱処理を実施しても、非晶質珪素膜１０７を非晶
質のままとすることができる。或いは完全に結晶化され
ることはない。従って、加熱処理を施した後でも、結晶
性珪素膜１０５と、非晶質珪素膜１０７との膜質を異な
らせることができる。

【００５６】更に、長時間の加熱処理を加えることによ
り、徐々にではあるが、結晶性珪素膜１０５中のニッケ
ル濃度をより下げることができる。このような作用は、
非晶質珪素膜１０７を結晶化してしまう場合には、見ら
れない顕著な特徴である。

【００５７】次に、図１（Ｄ）に示すように、非晶質珪
素膜１０７をエッチングによって除去する。非晶質珪素
膜１０７と結晶性珪素膜１０５の結晶構造の違いから、
非晶質珪素膜１０７のみを容易に除去することが可能で
ある。特に、エッチング液、エッチングガスとして、非
晶質珪素膜と結晶性珪素膜とのエッチング選択比が高い
ものを使用することが好ましい。本実施例では、非晶質
珪素膜１０７のエッチャントとしてヒドラジン（Ｎ₂ Ｈ
₆ ）を用いる。ヒドラジンは結晶性珪素膜１０５のエッ
チングレートに比較して、非晶質珪素膜１０７のエッチ
ングレートが速いためである。

【００５８】上記のエッチング工程を経て、ニッケル元
素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜１０
８を得る。なお、ニッケルを拡散させるための非晶質珪
素膜１０７の膜厚を厚くするほど、最終的に得られる結
晶性珪素膜１０８中のニッケル元素の濃度をより減少す
ることができる。即ち、結晶性珪素膜１０５の体積に比
較して、非晶質珪素膜１０７の体積を大きくすることに
よって、より多量のニッケルが非晶質珪素膜１０７に拡
散させることができる。

【００５９】本実施例では、結晶性珪素膜１０５と非晶
質珪素膜１０７の膜厚を同一にしたが、この結晶性珪素
膜１０８中のニッケル元素の濃度分布をＳＩＭＳにより
計測した結果によると、その濃度の最大値は３×１０¹⁸
原子ｃｍ^-3であった。即ち、結晶化後には、図８に示す
ように結晶性珪素膜１０５内には最大で５×１０¹⁸原子
ｃｍ^-3程度のニッケルが存在しているが、非晶質珪素膜
１０７中にニッケル元素を拡散させることよって、結晶
性珪素膜１０８中のニッケル元素の平均の濃度を１／２
以下とすることができる。

【００６０】なお、非晶質珪素膜１０７中に不純物とし
て酸素が含有されるようにしたが、酸素の代わりに、炭
素、或いは窒素を含有させても、同様の効果を得ること
ができる。非晶質珪素膜１０７において、例えば、炭素
又は窒素の濃度は１×１０¹⁹〜１×１０²⁰原子ｃｍ^-3と
すれぱよい。また、１種類の元素のみでなく、酸素、炭
素、窒素のなかの複数の元素を含有するようにしてもよ
い。

【００６１】〔実施例２〕本実施例は、実施例１の変形
例であり、ニッケル等の金属元素を拡散させるための非
晶質珪素膜を除去する際に、エッチングストッパーとし
て機能する保護膜を形成するようにしたものである。図
２に本実施例に示す結晶性珪素膜の作製工程を示す。

【００６２】図２（Ａ）に示すように、ガラス基板２０
１（コーニング１７３７、歪点６６７℃）上に、下地膜
２０２として、実施例１と同様に酸化窒化珪素膜を３０
００Åの厚さに成膜する。下地膜２０２は、ガラス基板
２０１から不純物やアルカリイオンが後に形成される半
導体薄膜中に拡散することを防ぐためのものである。次
にプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法によって、非
晶質珪素膜２０３を６００Åの厚さに成膜する。

【００６３】そして、所定のニッケル濃度に調整したニ
ッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜２０３上に滴下して、
水膜２０４を形成する。そしてスピナー２００を用いて
スピンコートを行い、ニッケル元素が非晶質珪素膜２０
３の表面に接して保持された状態とする。（図２
（Ａ））

【００６４】次に、図２（Ｂ）に示すように、実施例１
と同様に、６２０℃、４時間加熱処理して、非晶質珪素
膜２０３を結晶化させて、結晶性珪素膜２０５を得る。

【００６５】結晶性珪素膜２０５が得られたら、その表
面に酸化珪素膜２０６を形成する。酸化珪素膜２０６の
厚さは数１０Å〜１００Å程度とすればよい。このよう
な薄い膜とするのは、この酸化珪素膜２０６を介して、
結晶性珪素膜２０５中のニッケル元素が移動できるよう
にする必要があるからである。ここでは、空気中で、Ｕ
Ｖ光の照射によって極薄い酸化珪素膜２０６を形成す
る。この酸化珪素膜２０６は自然酸化膜程度の極薄い膜
であっても、後の非晶質珪素膜（２０７で示される）の
エッチングに際してエッチングストッパーとしての効果
があることが判明している。

【００６６】ここでは、ＵＶ酸化法を用いて酸化珪素膜
２０６を形成したが、熱酸化法を用いて形成してもよ
い。また、酸化珪素膜２０６は、後のエッチング工程に
おけるエッチングストッパーとして機能するもので、結
晶性珪素膜２０５に対してエッチングの際の選択性が得
られる膜であればよい。例えば酸化珪素膜２０６の代わ
りに極薄い窒化珪素膜や、酸化窒化珪素膜を用いること
もできる。

【００６７】次にプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ
法により、不純物として酸素を含有する非晶質珪素膜２
０７を６００Åの厚さに形成する。本実施例では、非晶
質珪素膜１０７中の酸素の濃度が１×１０¹⁹〜１×１０
²¹原子ｃｍ^-3となるようするまた、酸素の代わりに、炭
素、或いは窒素を１×１０¹⁷〜１×１０²⁰原子ｃｍ^-3程
度の濃度で含有させてもよい。

【００６８】次に、図２（Ｃ）に示すように、加熱処理
を施す。これにより、結晶性珪素膜２０５中のニッケル
元素が酸化膜２０６を介して非晶質珪素膜２０７中に拡
散されて、結晶性珪素膜２０５中のニッケル元素の濃度
を低くすることができる。本実施例では、実施例１と同
様に、６００℃の温度で４時間の加熱処理を行う。

【００６９】ただし、非晶質珪素は４５０℃程度の温度
で結晶化してしまうが、本実施例では、非晶質珪素膜１
０７には、１０¹⁹〜１０²¹原子ｃｍ^-3のように、酸素を
高濃度に含有させているため、酸素により非晶質珪素膜
が結晶化するのが阻害されるため、上記のような温度範
囲で加熱処理を実施しても、非晶質珪素膜２０７を非晶
質のままとすることができる、或いは完全に結晶化され
ることはない。従って、加熱処理を施した後でも、結晶
性珪素膜２０５と、非晶質珪素膜２０７との膜質を異な
らせることができる。

【００７０】そして、図２（Ｄ）に示すように、非晶質
珪素膜２０７を除去する。ここでは非晶質珪素膜２０７
のエッチャントとしてヒドラジン（Ｎ₂ Ｈ₆ ）を用い
て、ウエットエッチングする。ヒドラジンをエッチング
ントとして用いた場合には、結晶性珪素のエッチングレ
ートに比較して、非晶質珪素膜のほうがエッチングレー
トが速い。

【００７１】更に、本実施例においては、ヒドラジンで
はエッチングされない（そのエッチングレートは極めて
低く、相対的に見た場合、エッチングされないと見なす
ことができる）酸化珪素膜２０６がエッチングストッパ
ーとして、結晶性珪素膜２０５上に形成されているた
め、非晶質珪素膜２０７を容易に選択的に取り除くこと
ができ、また、オーバエッチングを抑制することができ
るため、再現性が良好である。なお、ＣｌＦ₃ ガスによ
るドライエッチングで、非晶質珪素膜２０７を除去する
こともできる。

【００７２】次に、酸化珪素膜２０６をバッファフッ酸
やフッ硝酸によって取り除き、図２（Ｄ）に示すような
ニッケル元素の含有濃度を低くすることができた結晶性
珪素膜２０８を得る。結晶性珪素膜２０５中には、図８
に示すように、５×１０¹⁸程度のニッケル元素が含有さ
れているが、、結晶性珪素膜２０５と非晶質珪素膜２０
７の膜厚を同一にした場合において、本実施例のゲッタ
リング工程を経ることにより、最終的に得られる結晶性
珪素膜２０８中のニッケル元素の濃度を３×１０¹⁸程度
以下に、即ち濃度を平均では１／２以下にすることがで
きる。

【００７３】〔実施例３〕本実施例は、実施例１や実施
例２で示す作製方法によって得られた結晶性珪素膜を用
いて、薄膜トランジスタを作製する例を示す。図３に本
実施例に示す薄膜トランジスタの作製工程を示す。先
ず、下地膜５０２が形成されたガラス基板５０１上に、
実施例１または実施例２に示した方法を用いて、結晶性
珪素膜５０３を形成する。（図３（Ａ））

【００７４】次に得られた結晶性珪素膜５０３をパター
ニングして、５０４で示されるような薄膜トランジスタ
の活性層を形成する。そしてプラズマＣＶＤ法または減
圧熱ＣＶＤ法で、ゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素
膜５０５を１０００Åの厚さに形成する。（図３
（Ｂ））

【００７５】次に、スカンジウムを含有したアルミニウ
ム膜を６０００Åの厚さに成膜して、パターニングを施
すことにより、５０６で示すゲイト電極を形成する。そ
して電解溶液中において、ゲイト電極５０６を陽極とし
た陽極酸化を行うことによって、酸化物層５０７を形成
する。この酸化物層５０７の厚さは２０００Åとする。
この酸化物層５０７の厚さで、後の工程においてオフセ
ットゲイト領域を形成することができる。

【００７６】さらに活性層５０４に対して不純物イオン
の注入を行う。ここでは、不純物イオンとしてリンイオ
ンを注入する。この工程で、５０８と５１１で示される
領域にリンイオンが注入される。この５０８と５１１で
示される領域がソース／ドレイン領域となる。また５０
９の領域はオフセットゲイト領域となる。また５１０の
領域はチャネル形成領域となる。

【００７７】不純物イオンの注入終了後、レーザー光を
照射して、注入されたイオンの活性化とイオンの注入時
において損傷を受けたソース／ドレイン領域５０８、５
１１のアニールとを行う。（図３（Ｃ））

【００７８】次に層間絶縁膜として酸化珪素膜５１２を
形成し、さらにコンタクトホールの形成を行い、ソース
電極５１３とドレイン電極５１４の形成をアルミニウム
を用いて行う。さらに最後に３５０℃の水素雰囲気中に
おいて加熱処理を行って、薄膜トランジスタを完成させ
る。（図３（Ｄ））

【００７９】〔実施例４〕本実施例は、珪素の結晶化を
助長する金属元素であるニッケルの導入を選択的に行う
ことにより、基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪
素膜を得ると同時に、この結晶性珪素膜中のニッケル濃
度を低下させる技術に関する。

【００８０】ガラス基板（コーニング１７３７）６０１
上に、下地膜６０２として酸化窒化珪素膜を３０００Å
の厚さにスパッタ法によって成膜する。次に非晶質珪素
膜６０３を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法または減
圧熱ＣＶＤ法によって成膜する。次に酸素雰囲気中にお
いてＵＶ光を照射し、非晶質珪素膜６０３の表面に極薄
い酸化膜（図示せず）を形成する。この酸化膜は、後の
溶液塗布工程で溶液の濡れ性を改善するためのものであ
る。

【００８１】そして、レジストを用いてマスク６０４を
形成する。レジストマスク６０４によって露呈される領
域６０５は、紙面に垂直な方向に長手方向を有するスリ
ット状を有している。 次に所定の濃度でニッケルを含
有したニッケル酢酸塩溶液を滴下し、水膜６０６を形成
する。（図４（Ａ））

【００８２】さらにスピナー６００を用いてスピンコー
トを行い、非晶質珪素膜６０３上にの領域６０５におい
て、図示しない酸化膜を介してニッケル元素が接して保
持された状態とする。そして、図４（Ｂ）に示すよう
に、レジストマスク６０４を取り除く。

【００８３】次に、水素を３％含有する窒素雰囲気中
で、６２０℃、４時間の加熱処理を加えて、非晶質珪素
膜６０３の結晶化を行う。ニッケル元素は６０５で示さ
れる領域において、非晶質珪素膜６０３に図示しない酸
化膜を介して接して保持された状態から、図示しない酸
化膜を通して非晶質珪素膜６０３中に拡散していく。ニ
ッケル元素の拡散に伴って、非晶質珪素膜６０３におい
て、矢印６０７で示されるように基板に平行な方向に結
晶成長が進行して、結晶性珪素膜６０８が形成される。

【００８４】この結晶成長は柱状あるいは針状に進行す
る。本実施例の場合は、６０５で示される領域が図面の
手前方向から奥手方向に長手方向を有するスリット状を
有しているので、矢印６０７で示されるような結晶成長
は、略１方向に沿って進行する。また結晶成長は数１０
μｍ〜１００μｍ以上に渡って行わすことができる。
（図４（Ｂ））

【００８５】結晶性珪素膜６０８を得た後に、プラズマ
ＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法により、酸素を含有する
非晶質珪素膜６１０を１０００Åの厚さに形成する。な
お、非晶質珪素膜６１０中の酸素の濃度が１×１０¹⁹〜
１×１０²¹原子ｃｍ^-3となるようにする。

【００８６】そして６００℃、４時間の加熱処理を行
い、結晶性珪素膜６０８中のニッケル元素を酸化膜６０
９を介して非晶質珪素膜６１０中に拡散させる。

【００８７】そして、非晶質珪素膜６１０をＣｌＦ₃ ガ
スでエッチングして、除去する。こうして、図４（Ｄ）
に示すようなニッケル濃度が低下した結晶性珪素膜６１
１を得ることができる。この結晶性珪素膜６１１は６０
７で示されるような基板に平行な方向に結晶成長した領
域を有し、かつ膜中におけるニッケル濃度が低いという
特徴を有する。

【００８８】実験によれば、６０５で示される領域に導
入されるニッケルの量がある程度多い方が、６０７で示
す基板に平行な方向への結晶成長（横方向成長という）
の距離を長くできることが判明している。しかしなが
ら、ニッケル元素の導入量を多くすると、最終的に得ら
れる結晶性珪素膜６１１中におけるニッケル濃度を高く
する要因となるので、好ましくない。膜中におけるニッ
ケル濃度が高くなると（実験によれば５×１０¹⁹原子ｃ
ｍ^-3以上となると）、珪素膜の半導体としての特性が損
なわれたり、また作製される薄膜トランジスタの動作が
不安定になったり、特性の劣化が激しくなったりする問
題が顕在化してしまう。

【００８９】しかし、本実施例に示すように、結晶化の
終了後にニッケル元素を除去することで、横方向への結
晶成長距離を長くするという要請と、得られた結晶性珪
素膜６１１中におけるニッケル濃度（金属元素の濃度）
を極力低くしたいという要請とを両立させることができ
る。

【００９０】〔実施例５〕本実施例は、実施例４におい
て得られた結晶性珪素膜を用いて薄膜トタンジスタを構
成する例を示す。図５に本実施例の作製工程を示す。図
４に示す工程に従って、結晶性珪素膜を得る。この結晶
性珪素膜は基板に平行な方向に結晶成長した領域を有し
ている。

【００９１】図５（Ａ）に示すように、結晶性珪素膜を
パターニングして薄膜トランジスタの活性層７０３とな
る領域を形成する。図５（Ａ）において、７０１はガラ
ス基板であり、７０２は下地膜の酸化珪素膜である。

【００９２】ここで、活性層７０３内に図４（Ｂ）で示
す結晶成長における結晶成長の始点（ニッケルが導入さ
れた領域）と結晶成長の終点とが存在しないようにする
ことが重要である。これは、結晶成長の始点と結晶成長
の終点とには、ニッケルが高濃度に含まれているからで
ある。

【００９３】さらにゲイト絶縁膜として機能する酸化珪
素膜７０４を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法によ
り成膜する。（図５（Ａ））

【００９４】次にアルミニウムを主成分とする膜を形成
し、さらにパターニングを施すことにより、ゲイト電極
７０５を形成する。ゲイト電極７０５を陽極にして、電
解溶液中で陽極酸化して、酸化物層７０６を形成する。
酸化物層７０６の厚さで後の不純物イオンの注入工程に
おいて、オフセットゲイト領域を形成することができ
る。（図５（Ｂ））

【００９５】不純物イオンとしてリンイオンを注入す
る。この工程でソース領域７０７とドレイン領域７１０
とが形成される。更に、オフセットゲイト領域７０８と
チャネル形成領域７０９とが形成される。不純物イオン
の注入終了後、レーザー光または強光を照射することに
より、ソース／ドレイン領域７０７、７１０を活性化す
る。

【００９６】そして、層間絶縁膜となる酸化珪素膜７１
１をプラズマＣＶＤ法によって、６０００Åの厚さに成
膜する。酸化珪素膜７１１にコンタクトホールを形成し
た後に、ソース電極７１２とドレイン電極７１３の形成
を行う。こうして薄膜トランジスタが完成される。（図
５（Ｃ））

【００９７】〔実施例６〕本実施例は、図１に示す実施
例１の結晶性珪素膜の作製工程の後に、再び加熱処理を
行うことを特徴とする。図１（Ｃ）に示す工程において
加熱処理を施すと、徐々に結晶性珪素膜１０５中のニッ
ケル（金属元素）が非晶質珪素膜１０７に吸い出されて
いく。この際、図４に示すように結晶性珪素膜１０５の
表面付近のニッケル濃度が、結晶性珪素膜１０５の下層
の酸化珪素膜１０２の界面付近のニッケル濃度と比較し
て高くなってしまう。これは、結晶性珪素膜１０５中の
ニッケルが非晶質珪素膜１０７の吸い出されていってし
まう結果、結晶性珪素膜１０５の表面側にニッケル元素
が偏析してしまっていることを意味している。

【００９８】このため、図１（Ｄ）に示すようなガラス
基板１０１上に形成された結晶性珪素膜１０８を用いて
薄膜トランジスタを作製した場合には、この結晶性珪素
膜１０８の表面をキャリアが伝導することになる。キャ
リアが伝導する領域にニッケルが高濃度に存在している
ことは好ましくない。

【００９９】そこで、本実施例においては、図１（Ｄ）
に示す状態を得た後、加熱処理を行い、ニッケルを結晶
性珪素膜１０８中に再び拡散させる。ここで行う加熱処
理はニッケルを拡散させることができればよいので、４
００℃以上の温度であればよい。またその上限は、ガラ
ス基板１０１の耐熱性によって制限される。従って、こ
こで行う加熱の温度は、４００℃以上であって、ガラス
基板の歪点以下の温度であればよい。

【０１００】以下に本実施例の詳細を図６を用いて説明
する。図１に示すような作製工程を経て、図１（Ｄ）に
示す状態を得る。この状態を図６（Ａ）に示す。図６
（Ａ）には、ニッケルが偏析し、ニッケルが高濃度に含
まれている層８０２（表面側）と、ニッケル濃度が８０
２で示される層側よりも低濃度に含まれている層８０１
が示されている。この層８０１と８０２とで、下地膜１
０２を介してガラス基板１０１上に形成された結晶性珪
素膜１０８（図１（Ｄ）参照）が構成されている。

【０１０１】この図６（Ａ）に示す状態で図６（Ｂ）に
示すように加熱処理を施す。ここでは、５００℃、２時
間の加熱処理を施す。この結果、８０２で示される領域
のニッケル元素は、より低濃度でニッケルが存在する８
０１で示される領域に拡散する。こうして、この領域８
０２はニッケル濃度が低下し、ニッケルの偏析の無い状
態とすることができる。そして、その表面におけるニッ
ケル濃度を低くすることができた結晶性珪素膜８０３を
得ることができる。（図６（Ｃ））

【０１０２】〔実施例７〕本実施例は、実施例６に示す
構成において、結晶化工程において、加熱処理の代わり
にレーザー光の照射を行った場合の例である。本実施例
の工程を図７に示す。まず図１に示す工程を経て、８０
２で示されるその表面にニッケル元素が高濃度に存在し
た結晶性珪素膜から成る層と、ニッケル元素が低濃度に
存在する結晶性珪素膜から成る層８０１とを得る。（図
７（Ａ））

【０１０３】次にレーザー光を照射することにより、ニ
ッケル元素を層８０２から層８０１に拡散させる。（図
７（Ｂ））

【０１０４】これにより、膜中に均一にニッケルが拡散
した状態を有する結晶性珪素膜９０１を得る。（図７
（Ｃ））

【０１０５】〔実施例８〕本実施例は、ニッケル元素を
拡散させる（ニッケル元素を吸い出させる）膜に、非晶
質状態のＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜（０＜ｘ＜１）を使用するよ
うにしたものである。図１に従って、本実施例に示す結
晶性珪素膜の作製工程を説明する。

【０１０６】コーニング１７３７ガラス基板１０１（歪
点６６７℃）上に下地膜１０２として酸化窒化珪素膜を
３０００Åの厚さに成膜する。次に、プラズマＣＶＤ法
または減圧熱ＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜１０３を
６００Åの厚さに成膜する。そして、所定のニッケル濃
度に調整したニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜１０３
上に滴下して、スピナー１００を用いてスピンコートを
行い、水膜１０４を形成する。これにより、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
となる。（図１（Ａ））

【０１０７】次に加熱処理して、非晶質珪素膜１０３を
結晶化させて、結晶性珪素膜１０５を形成する。ここで
は、６２０℃、４時間加熱処理する（図１（Ｂ））

【０１０８】次に、プラズマＣＶＤ法により非晶質状態
のＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７を６００Åの厚さに形成す
る。なお、非晶質状態のＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７におい
て、酸素の濃度が、例えば１×１０¹⁹〜１×１０²¹原子
ｃｍ^-3となるようにする。

【０１０９】次に、加熱処理を施すことにより、非晶質
状態のＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７中に、結晶性珪素膜１０
５中のニッケル元素を酸化膜１０６を介して拡散させ
る。（図１（Ｃ））

【０１１０】この加熱温度の下限はニッケルが拡散しう
る温度で定義され、４００℃以上である。また、上限は
Ｓｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７が結晶化しない温度で、かつ基
板の歪み点で定義される。従って、加熱処理は５５０〜
１０５０℃の温度で行えばよい。本実施例ではガラス基
板１０１として歪点６６７℃のコーニング１７３７を使
用しているため加熱温度を６００℃とし、加熱時間を４
時間とする。加熱処理により、結晶性珪素膜１０５中の
ニッケル元素が非晶質状態のＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７中
に拡散し、結晶性珪素膜１０５中のニッケル元素の濃度
を低くすることができる。

【０１１１】ただし、非晶質珪素は４５０℃程度の温度
で結晶化してしまうが、本実施例では、非晶質状態のＳ
ｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７には、酸素を１０¹⁹〜１０²¹原子
ｃｍ^-3程度に高濃度に含有させているため、酸素により
結晶化するのが阻害されるため、上記のような温度範囲
で加熱処理を実施しても、Ｓｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７を非
晶質のままとすることができる、或いは完全に結晶化さ
れることはない。従って、加熱処理を施した後でも、非
晶質状態のＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７を容易にエッチング
される膜質とすることができる。

【０１１２】そして、Ｓｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７をエッチ
ングによって除去する。この際に、Ｓｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１
０７と結晶性珪素膜膜１０５とのエッチング選択比の高
いエッチング溶液、エッチングガスを使用する。これに
より、ニッケルを吸い出したＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７の
みを選択的に取り除くことができる。

【０１１３】なお、本実施例でも、実施例２又は実施例
４と同様に、結晶性珪素膜１０５上にＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜
１０７のエッチングストッパーとして機能するような、
酸化珪素膜、窒化珪素膜、或いは酸化窒化珪素膜を形成
してもよい。

【０１１４】上記のエッチング工程を経て、図１（Ｄ）
に示すようなニッケル元素の含有濃度を低くすることが
できた結晶性珪素膜１０８を得る。例えば、結晶性珪素
膜１０５とＳｉ_X Ｇｅ_1-X 膜１０７の膜厚が同程度であ
れば、本実施例のゲッタリング工程をへることにより、
結晶性珪素膜１０８中のニッケル濃度を平均的には１／
２以下にすることができる。

【０１１５】〔実施例９〕本実施例では、金属元素を結
晶性珪素膜外部に拡散させる際に、ハロゲン雰囲気中で
加熱処理するようにしたものである。本実施例を図９に
従って説明する。

【０１１６】図９（Ａ）に示すように、コーニング１７
３７ガラス基板３０１（歪点６６７℃）上に、下地膜３
０２を形成する。この下地膜３０２は、ガラス基板３０
１から不純物や、アルカリイオンが後に形成される半導
体薄膜中に拡散することを防ぐためのものである。

【０１１７】本実施例では、下地膜３０２として、酸化
窒化珪素膜を成膜する。下地膜３０２として酸化窒化珪
素膜を成膜するには、プラズマＣＶＤ法を採用すればよ
い。原料ガスとして、シラン、Ｏ₂ ガス、Ｎ₂ Ｏガスを
使用する。或いは、ＴＥＯＳガス、Ｎ₂ Ｏガスを使用す
る。

【０１１８】次にプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ
法によって、非晶質珪素膜３０３を６００Åの厚さに成
膜する。この非晶質珪素膜３０３は後に結晶化されるも
のである。なお、減圧熱ＣＶＤ法を採用するのは、得ら
れる結晶性珪素膜の膜質が優れているためである。他の
成膜方法として、プラズマＣＶＤ法を採用することもで
きる。なお、成膜時には、非晶質珪素膜３０３中に不純
物が混入しないようにすることが重要になる。

【０１１９】そして、所定のニッケル濃度に調整したニ
ッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜１０３上に滴下して、
水膜３０４を形成する。そしてスピナー３００を用いて
スピンコートを行い、ニッケル元素が非晶質珪素膜３０
３の表面に接して保持された状態とする。（図９
（Ａ））

【０１２０】次に、４５０℃〜６５０℃温度で加熱処理
を行い、非晶質珪素膜３０３を結晶化させて、結晶性珪
素膜３０５を得る。本実施例では、６２０℃、４時間加
熱処理する。（図９（Ｂ））

【０１２１】結晶性珪素膜３０５が得られたら、次にプ
ラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法により、不純物と
して酸素を含有する非晶質珪素膜３０７を６００Åの厚
さに形成する。非晶質珪素膜２０７中の酸素の濃度は１
×１０¹⁹〜１×１０²¹原子ｃとなるようにする。このた
め、非晶質珪素膜３０７にはニッケルをゲッタリングす
る要素として、非晶質という膜質のために有する欠陥等
の他に、不純物として酸素を含有するために、酸素、Ｓ
ｉＯ_X で示されるような酸化物による欠陥や、珪素結合
間の酸素等を有する。

【０１２２】次に、結晶化のために初期の段階で意図的
に混入させたニッケル元素を結晶性珪素膜３０５中から
除去するために、ハロゲン元素を含んだ雰囲気中で加熱
処理を行う。本実施例では酸素にＨＣｌを１〜１０％、
例えば５％含有させた雰囲気中で加熱処理を行う。

【０１２３】この加熱処理温度の下限はニッケルが拡散
しうる温度で定義され、上限は、使用するガラス基板の
歪点によって制限される。使用するガラス基板の歪点以
上の温度で加熱処理を行うと、基板が変形するので注意
が必要である。この加熱処理は、上記の条件を満たした
上で５５０℃〜１０５０℃、好ましくは６００℃〜９８
０℃の温度で行う。本実施例では、歪点が６６７℃のコ
ーニング１７３７ガラス基板を利用しているので、加熱
温度を６００℃とし、加熱時間を４時間とする。

【０１２４】ＨＣｌは酸素に対して０．５％〜１０％
（体積％）の割合で混合することが好ましい。

【０１２５】非晶質珪素膜３０７には、不純物として酸
素を含有するために、多くの欠陥や、不対結合を有する
ため、図９（Ｃ）に示す加熱処理工程により、結晶性珪
素膜３０５中から非晶質珪素膜３０７中にニッケルが拡
散して、結晶珪素膜３０５からニッケルが除去される。
さらに、本実施例では、塩素（ハロゲン）含有する酸素
雰囲気中で加熱処理をするため、塩素とニッケルが反応
して、気化しやすい不純物金属（ニッケル）の塩化物を
形成するため、結晶性珪素膜３０５からニッケルが除去
する作用がより促進される。本実施例では、実施例１の
ように、加熱処理において塩素を供給しない場合と比較
して、ニッケル元素の濃度を１／１０以下とすることが
できる。この効果は、他の金属元素を用いた場合でも同
様に得られる。

【０１２６】また、ニッケルを拡散させるための非晶質
珪素膜３０７の膜厚を厚くするほど、最終的に得られる
結晶性珪素膜３０８中のニッケル元素の濃度をより減少
することができる。即ち、結晶性珪素膜３０５の体積に
比較して、非晶質珪素膜３０７の体積を大きくすること
によって、より多量のニッケルが非晶質珪素膜３０７に
拡散させることができるためである。

【０１２７】本実施例では、ハロゲン元素としてＣｌを
選択し、またその導入方法としてＨＣｌを用いる例を示
した。ＨＣｌ以外のガスとしては、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ
₂ 、Ｆ₂ 、Ｂｒ₂ 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。また一般にハロゲンの水素化
物を用いることができる。

【０１２８】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０．２５〜５％、ＨＢｒであ
れば１〜１５％、Ｃｌ₂ であれば０．２５〜５％、Ｆ₂
であれば０．１２５〜２．５％、Ｂｒ₂ であれば０．５
〜１０％とすることが好ましい。上記の範囲以下の濃度
とすると、有意な効果が得られるなくなる。また、上記
の範囲以上の濃度とすると、ハロゲンのエッチング効果
を顕著になってしまうためである。。

【０１２９】ただし、非晶質珪素は４５０℃程度の温度
で結晶化してしまうが、本実施例では、１０¹⁹〜１０²¹
原子ｃｍ^-3のように、非晶質珪素膜１０７に酸素を高濃
度に含有させているので、酸素により非晶質珪素膜が結
晶化するのが阻害される。従って、上記のような温度範
囲で加熱処理を実施しても、非晶質珪素膜１０７を非晶
質のままとすることができる、或いは完全に結晶化され
ることはない。従って、加熱処理を施した後でも、結晶
性珪素膜３０５と、非晶質珪素膜３０７との膜質を異な
らせることができる。

【０１３０】更に、長時間の加熱処理を加えることによ
り、徐々にではあるが、結晶性珪素膜３０５中のニッケ
ル濃度をより下げることができる。このような作用は、
非晶質珪素膜３０７を結晶化してしまう場合には、見ら
れない顕著な特徴である。

【０１３１】次に、図９（Ｄ）に示すように、非晶質珪
素膜３０７をエッチングによって除去する。非晶質珪素
膜３０７と結晶性珪素膜３０５の結晶構造の違いから、
非晶質珪素膜３０７のみを容易に除去することが可能で
ある。特に、エッチング液、エッチングガスとして、非
晶質珪素膜と結晶性珪素膜とのエッチング選択比が高い
ものを使用することが好ましい。本実施例では、非晶質
珪素膜３０７のエッチャントとしてヒドラジン（Ｎ₂ Ｈ
₆ ）を用いる。ヒドラジンは結晶性珪素膜と非晶質珪素
膜とのエッチング選択比が大きいためである。なお、非
晶質珪素膜３０７のエッチングには、ドライエッチング
を用いてもよい。

【０１３２】上記のエッチング工程を経て、ニッケル元
素の含有濃度を低くすることができた結晶性珪素膜３０
８を得る。

【０１３３】なお、図９（Ｃ）に示す加熱処理をＨＣｌ
を含有させた酸素雰囲気中で行っているため、非晶質珪
素膜３０７表面に熱酸化膜が形成される場合もあるた
め、この場合には、非晶質珪素膜３０７のエッチングの
前に、バッファードフッ酸等によるウエットエッチング
や、ドライエッチングにより、先ず非晶質珪素膜３０７
表面の酸化膜を除去する。

【０１３４】〔実施例１０〕実施例９では、結晶化のた
めに意図的に混入させたニッケル元素を結晶性珪素膜か
ら除去するために、ハロゲン元素を含んだ雰囲気中で加
熱処理を行うに際して、雰囲気を酸素にＨＣｌを１〜１
０％、例えば５％含有させた雰囲気としたが、本実施例
では、窒素にＨＣｌを１〜１０％含有させた雰囲気とす
る。

【０１３５】他の条件は実施例９と同様にすればよい。
この結果、実施例１のように、加熱処理において塩素を
供給しない場合と比較して、ニッケル元素の濃度を最大
で初期の１／１０以下とすることができる。この効果
は、他の金属元素を用いた場合でも同様に得られる。

【０１３６】本実施例では、ハロゲン元素としてＣｌを
選択し、またその導入方法としてＨＣｌを用いる例を示
した。ＨＣｌ以外のガスとしては、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ
₂ 、Ｆ₂ 、Ｂｒ₂ 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。また一般にハロゲンの水素化
物を用いることもできる。

【０１３７】

【発明の効果】金属元素の作用によって、低温で結晶性
珪素膜作製することができる。従って、ガラス基板上に
結晶性珪素膜を形成することができる。

【０１３８】また、金属元素の作用によって結晶化した
珪素膜中の金属元素を非晶質珪素膜中に拡散させること
によって、金属元素の濃度の低い結晶性珪素膜を得るこ
とができる。従って、結晶性珪素膜を用いて、金属元素
の悪影響のないデバイス、例えば薄膜トランジスタを得
ることができる。

【０１３９】また、金属元素の作用によって結晶化した
珪素膜中の金属元素が偏在した部分を除去するようにし
たため、金属元素が偏在した部分のない結晶性珪素膜を
得ることができる。この結果、金属元素の影響のない半
導体素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。

【図２】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。

【図３】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図４】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。

【図５】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図６】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。

【図７】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。

【図８】 ニッケル元素の濃度分布を示す図。

【図９】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。

【符号の説明】

１００・・・・・・・・・スピナー １０１・・・・・・・・・ガラス基板 １０２・・・・・・・・・下地膜（酸化珪素膜） １０３・・・・・・・・・非晶質珪素膜 １０４・・・・・・・・・水膜 １０５・・・・・・・・・結晶性珪素膜 １０７・・・・・・・・・不純物を含有する非晶質珪素
膜 １０８・・・・・・・・・結晶性珪素膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺本 聡 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７−335899（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−335905（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−280435（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/336 H01L 27/12 H01L 29/786

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長
   する金属元素を導入し、 前記第１の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成
   し、 前記結晶性珪素膜上に１×１０^１９〜１×１０^２１原子
   ｃｍ^−３で酸素を含有する第２の非晶質珪素膜を形成
   し、 前記結晶性珪素膜および前記第２の非晶質珪素膜を５５
   ０〜１０５０℃で加熱し、 前記第２の非晶質珪素膜を除去 することを特徴とする結
   晶性珪素膜の作製方法
2. 【請求項２】第１の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長
   する金属元素を導入し、 前記第１の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成
   し、前記結晶性珪素膜上に保護膜を形成し、 前記保護膜上に１×１０^１９〜１×１０^２１原子ｃｍ
   ^−３で酸素を含有する第２の非晶質珪素膜を形成し、 前記結晶性珪素膜および前記第２の非晶質珪素膜を５５
   ０〜１０５０℃で加熱し、 前記第２の非晶質珪素膜を除去 す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】第１の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長
   する金属元素を導入し、 前記第１の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成
   し、 前記結晶性珪素膜上に１×１０^１７〜１×１０^２０原子
   ｃｍ^−３で炭素もしくは窒素を含有する第２の非晶質珪
   素膜を形成し、 前記結晶性珪素膜および前記第２の非晶質珪素膜を５５
   ０〜１０５０℃で加熱し、 前記第２の非晶質珪素膜を除去 することを特徴とする結
   晶性珪素膜の作製方法。
4. 【請求項４】第１の非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長
   する金属元素を導入し、 前記第１の非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成
   し、 前記結晶性珪素膜上に保護膜を形成し、 前記保護膜上に１×１０^１７〜１×１０^２０原子ｃｍ
   ^−３で炭素もしくは窒素を含有する第２の非晶質珪素膜
   を形成し、 前記結晶性珪素膜および前記第２の非晶質珪素膜を５５
   ０〜１０５０℃で加熱し、 前記第２の非晶質珪素膜を除去 することを特徴とする結
   晶性珪素膜の作製方法。
5. 【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか一におい
   て、 前記珪素の結晶化を助長する金属元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、
   Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、ＣｕもしくはＡｕであること
   を特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
6. 【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれか一におい
   て、 前記第２の非晶質珪素膜の膜厚は、前記第１の非晶質珪
   素膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする結晶性珪素膜の
   作製方法。
7. 【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれか一におい
   て、 前記第２の非晶質珪素膜の代わりに非晶質のＳｉ_ｘＧｅ
   _１−ｘ（０＜Ｘ＜１）を用いることを特徴とする結晶性
   珪素膜の作製方法。
8. 【請求項８】請求項１乃至請求項７のいずれか一におい
   て、 前記第２の非晶質珪素膜に含有された不純物の濃度は、
   前記珪素の結晶化を助長する金属元素の濃度よりも高い
   ことを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
9. 【請求項９】請求項１乃至請求項８のいずれか一におい
   て、 前記保護膜は、酸化珪素膜、窒化珪素膜もしくは酸化窒
   化珪素膜であることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方
   法。
10. 【請求項１０】請求項１乃至請求項９のいずれか一にお
    いて、 前記結晶性珪素膜および前記第２の非晶質珪素膜の加熱
    後、前記第２の非晶質珪素膜中の前記珪素の結晶化を助
    長する金属元素の濃度は、前記結晶性珪素膜中の前記珪
    素の結晶化を助長する金属元素の濃度よりも高くなるこ
    とを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
11. 【請求項１１】請求項１乃至請求項１０のいずれか一に
    記載の作製方法によって形成された結晶性珪素膜を用い
    ることを特徴とする薄膜トランジスタ。
12. 【請求項１２】請求項１１に記載の薄膜トランジスタを
    用いたことを特徴とする液晶表示装置。
13. 【請求項１３】請求項１２に記載の液晶表示装置を用い
    たことを特徴とする電子機器。