JP3886827B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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）を有する半導体装置及びその作製方法に関するものである。
【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もあった。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。
【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。
【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成膜した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、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。なお、この結晶化への触媒作用を有する金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔを挙げることができる。
【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７０５９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のみならず非晶質珪素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。
【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、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、１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上の量の添加において低温化が確認されているが、１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 atoms/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、実際に使用可能であるのは１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 〜５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 の範囲であると思われる。ニッケルの濃度が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下であると、ニッケル元素が局在し触媒としての機能が低下する。また、ニッケルの濃度が５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上であると、ＮｉＳｉの化合物となって半導体特性が失われてしまう。そして、結晶化した状態においては、ニッケルの濃度が少ない程、半導体としての使用が可能である。以上のような考察から、半導体として、ＴＦＴの活性層等に使用することを考えると、この量を１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 〜１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 に抑えることが必要である。
【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ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により調べた所、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 〜１０18ａｔｏｍｓ／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。即ち、この事実に限るならば、結晶性珪素半導体膜中のニッケルの濃度が、１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下である場合には、この膜を用いて半導体装置、例えばＴＦＴを作製しても不都合はないということが分かる。
【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。
【００１９】
しかし、上記結晶の横方向成長部分を透過電子線顕微鏡写真により詳細に観察すると、針状あるいは柱状結晶の結晶方向が基板表面に対しては平行な方向であっても、基板上方から見ると、枝状に成長する部分が観察された。即ち、平均すると、針状あるいは柱状結晶が同一方向に成長しているのだが、一部の結晶は斜め方向に枝分かれして成長している様子が観察された。
【００２０】
上記観察結果を考察した結果、本発明者らは以下のような結論に至った。
基板中さらには基板と半導体膜との界面近傍に存在している基板材料の結晶成分や半導体膜中の結晶成分は、結晶成長の核となり得るが、上記のような横方向成長においては、一様な方向への結晶成長を阻害し、ランダムな結晶成長を助長してしまう。
【００２１】
そこで、本発明においては、結晶成長を行う領域の基板と非晶質珪素半導体膜（非晶質といっても程度の問題として結晶成分は存在する）との界面およびその近傍の結晶成分を不活性な元素のイオン注入によって、極力取り除き徹底的に非晶質化する。そして、結晶核となるべき成分が無い状態において、横方向（基板表面に平行な方向）に結晶成長を行わせることによって、全体的に結晶の成長方向がそろった針状または柱状の結晶成長を行わすことを要旨とする。特に不活性なイオンの注入を基板内を中心に行うことによって、基板表面近傍（基板表面に下地膜が形成されている場合には、その下地膜表面を基板表面とみなす）、さらには基板と半導体膜との界面、さらには半導体膜そのものを徹底的に非晶質化し、結晶化の際に核となりうる結晶性を有する成分を極力除去することを特徴とする。
【００２２】
このようにして選択的に結晶化をおこなわせしめて、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、残っていた非晶質成分は先の加熱工程によって形成された結晶を核として結晶成長し、粒界が消滅してしまうのでより高い特性を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を示しより詳細に本発明の説明を加えることとする。
【００２４】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例は、ガラス基板上に結晶シリコンを用いたＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴという）とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴという）とを相補型に組み合わせた回路を形成する例である。本実施例の構成は、アクティブ型の液晶表示装置の周辺ドライバー回路やイメージセンサーに利用することができる。
【００２５】
図１に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、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１０２を形成する。つぎにマスクとなる酸化珪素膜１０３を設ける。この酸化珪素膜１０３は、スリット状に下地膜１０２を露呈させるもので、１０００Å以上の厚さが必要である。また、このマクス１０３にゲッタリング効果を有する材料、例えばリンや塩素等を添加することも有用である。この状態を上面から見ると、スリット状に下地膜１０２は露呈しており、他ぼ部分はマスクされている状態となっている。
【００２６】
上記酸化珪素膜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ＮｉＳｉx 、０．４≦ｘ≦２．５、例えば、ｘ＝２．０）９８を１００の領域に選択的に成膜する。即ち、１００で示される領域に選択的にニッケル微量添加を行う。（図１（Ａ））
【００２７】
つぎに、マスクである酸化珪素膜１０３を取り除き、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１０４を成膜する。この非晶質珪素膜１０４は、結晶性を有している膜でもよい。即ち、非単結晶珪素膜であればよい。さらに保護膜となる酸化珪素膜９９を１００〜１０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜は、後のイオン注入時において、珪素膜１０４の表面がダメージを受けることを防ぐために設けられるものである。
【００２８】
そして、この珪素膜１０４に対して、不活性な元素である珪素イオンの注入を全面に行う。この珪素イオンの注入は、一様な方向への結晶成長を後の熱アニール工程において行わすために、予め存在する基板（ここでは下地膜１０２も含めて基板と考える）と非晶質珪素半導体膜との界面における結晶成分（基板中の酸化珪素結晶成分や非晶質半導体膜中の結晶成分）を除去するためのものである。
【００２９】
この珪素イオンの注入は、図５に示すようなドース量で注入されるように条件を設定する。図５において、点線で示す部分が、下地膜１０２と非晶質珪素膜１０４との界面部分になる。そして、そのドーズ量の最大値は、基板側にあって、５×１０14ｃｍ-2とした。また、この珪素イオンの注入時には、下地膜１０２（ここでは下地膜１０２が基板表面を構成すると考える）と非晶質珪素膜１０４との界面を中心に、非晶質珪素膜１０４そのもの、非晶質珪素膜１０４と酸化珪素膜９９との界面およびその近傍が非晶質化される。なお珪素イオンのドーズ量は、１×１０14〜９×１０16ｃｍ-2とすることが好ましい。
【００３０】
この珪素イオンの注入工程において、非晶質珪素膜表面は、酸化珪素膜９９で覆われているので、加速イオンのダメージを受けるのを低減することができる。また、ニッケル微量添加が行われた１００の領域に珪素イオンが注入されることを防ぐために、この領域上にマスクを形成することも有用である。これは、イオン注入時にニッケル元素の不要な拡散を防ぐためである。
【００３１】
そして、酸化珪素珪素膜９９を取り除き、水素還元雰囲気下（好ましくは、水素の分圧が０．１〜１気圧）または窒素雰囲気化（大気圧）において、５５０℃で４時間アニールして非晶質珪素膜１０４を結晶化させる。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１００以外の領域では、矢印１０５で示すように、領域１００から横方向（基板と平行な方向）に結晶成長が行われる。こ結晶化の温度は、４５０℃〜７００℃の範囲において可能であるが、高いと従来の場合のようにガラス基板の耐熱性の問題が生じる。
【００３２】
この横方向の結晶成長が行われる領域において、下地膜１０２と珪素膜１０４との界面及びその近傍、さらには非晶質珪素膜そのものが、徹底的に非晶質化されているので、矢印１０５で示す結晶化の際に、その結晶化の方向を乱す原因となる結晶成分が存在せず、一様な横方向成長を行わすことができる。
【００３３】
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を得ることができる。その後、パターニングにより素子間分離を行い、さらにスパッタリング法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜する。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）を成膜する。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。
【００３４】
そして、シリコン膜をパターニングして、ゲイト電極１０７、１０９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１０８、１１０を形成する。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１０８、１１０の厚さは２０００Åである。なお、この酸化物１０８と１１０とは、後のイオンドーピング工程において、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。
【００３５】
次に、イオンドーピング法によって、結晶性珪素膜の領域にゲイト電極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（Ｂ2 Ｈ6 ）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、４０〜８０ｋＶ、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、一方の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、Ｐチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）の領域とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴ）との領域を形成することができた。
【００３６】
その後、レーザー光の照射によってアニール行った。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、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２５０ｍＪ／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１１３、さらにはＮ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。
【００３７】
続いて、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。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った。以上の工程によって半導体回路が完成した。（図１（Ｄ））
【００３８】
上記に示す回路は、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。
【００３９】
図２に、図１（Ｄ）を上面から見た概要を示す。図２におけるＮｉ添加領域が図１（Ａ）で示される領域１００の部分になる。横方向の結晶化は、Ｎｉ添加領域から、矢印で示されるように基板に平行な方向に概略そろった状態で行われる。そして、ソース／ドレイン間を移動するキャリアの移動方向に針状あるいは柱状に結晶が成長しているので、キャリアが移動する際に粒界を横切ることが少なく、高移動度のＴＦＴを得ることができる。
【００４０】
例えば、図１（Ｂ）の工程における珪素イオンの注入を行わずに、結晶化を行った場合のＴＦＴの移動度は、ＰＴＦＴで５０〜６０ｃｍ2 ／Ｖｓであったものが、本実施例において作製したＰＴＦＴでは、９０〜１２０ｃｍ2 ／Ｖｓと高移動度を得ることができた。また、ＮＴＦＴの場合も、珪素のイオン注入を行わない場合には、その移動度が８０〜１００ｃｍ2 ／Ｖｓであったものを、本実施例においては、１５０〜１８０ｃｍ2 ／Ｖｓを得ることができた。
【００４１】
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が、アモルファスシリコン膜１０４を形成後に、選択的に珪化ニッケル膜を成膜する方法でもよい。即ち、結晶成長はアモルファスシリコン膜の上面から行ってもよいし、下面から行ってもよい。また、予めアモルファスシリコンを成膜し、さらにイオンドーピング法を用いて、ニッケルイオンをアモルファスシリコン膜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。さらに、プラズマ処理によりニッケル微量添加を行うことも可能である。このプラズマ処理によってニッケル元素を導入する場合には、ニッケル微量添加を行おうとする半導体膜（例えば非晶質珪素膜１０４）の下地（例えば下地酸化珪素膜１０２）上面か、半導体膜上面に対して行えばよい。またニッケルの他にＦｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔを結晶化のための触媒材料として用いた場合でも、同様な工程によって、ＴＦＴを作製することができる。
【００４２】
〔実施例２〕
本実施例は、アクティブ型の液晶表示装置において、Ｎチャネル型ＴＦＴをスイッチング素子として各画素に設けた例である。以下においては、一つの画素について説明するが、他に多数（一般には数十万）の画素が同様な構造で形成される。
【００４３】
本実施例の作製工程の概略を図３に示す。本実施例において、基板２０１としてはコーニング７０５９ガラス基板を使用した。まずガラス基板２０１上に下地膜２０２（酸化珪素）をスパッタ法で形成する。そしてマスクとなる１０００Å厚の酸化珪素膜２０３を形成する。この酸化珪素膜は、２０４の領域で下地膜２０２を露呈するマスクとして機能する。この後珪化ニッケル膜を成膜する。この珪化ニッケル膜は、スパッタリング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Åの厚さに形成する。この珪化ニッケル膜は、化学式ＮｉＳｉx 、０．４≦ｘ≦２．５、例えば、ｘ＝２．０で示される。
【００４４】
この後、マスクである酸化珪素膜２０３を除去した後、ＬＰＣＶＤ法もしくはプラズマＣＶＤ法で非晶質珪素膜２０５（厚さ３００〜１５００Å）を形成し、さらに酸化珪素の保護膜２００を５００Åの厚さに形成する。（図３（Ｂ））
【００４５】
そして、実施例１と同様な珪素イオンの注入工程を経て、加熱アニールによって結晶化を行った。このアニール工程は、水素還元雰囲気下（好ましくは、水素の分圧が０．１〜１気圧）、５５０℃で４時間行った。この際、非晶質珪素膜２０５下の一部の領域には、珪化ニッケル膜が成膜されているので、その部分では基板に対し垂直方向に、他の部分では基板に対して平行な方向に結晶成長が起こり、結晶性珪素膜を得ることができる。
【００４６】
そして、この結晶性珪素よりなる半導体領域（２０４で示される部分）をパターニングして島状の半導体領域（ＴＦＴの活性層）を形成する。さらにテトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯＳ）を原料として、酸素雰囲気中のプラズマＣＶＤ法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７００〜１２００Å、ここでは１０００Å）２０６を形成する。
【００４７】
次に、シリコンのゲイト電極２０７を形成する。その後、Ｎ型の不純物として、燐をイオンドーピング法で結晶性珪素膜に自己整合的に注入し、ＴＦＴのソース／ドレイン２０８、２０９を形成する。さらに、図３（Ｃ）に矢印で示すように、これにＫｒＦレーザー光を照射して、このイオンドーピングのために結晶性の劣化したシリコン膜の結晶性を改善せしめる。このときにはレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ2 と設定する。このレーザー照射によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシート抵抗は３００〜８００Ω／ｃｍ2 となる。
【００４８】
その後、酸化珪素によって層間絶縁物２１１を形成し、さらに、画素電極２１２をＩＴＯによって形成する。そして、コンタクトホールを形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多層膜で電極２１３、２１４を形成し、このうち一方の電極２１４はＩＴＯにも接続するようにする。クロム／アルミニウム多層膜は、下層にクロム膜２０〜２００ｎｍ、典型的には１００ｎｍ、上層にアルミニウム膜１００〜２０００ｎｍ、典型的には５００ｎｍが成膜されてできている。これらは連続的にスパッタ法にて形成することが望まれる。最後に、水素中で２００〜３００℃で２時間アニールして、シリコンの水素化を完了する。このようにして、ＴＦＴが完成させる。そして、同時に作製した多数のＴＦＴをマトリクス状に配列せしめてアクティブマトリクス型液晶表示装置とする。
【００４９】
また、本実施例のＴＦＴの概略を上面かた見た図を図４に示す。図４には、ＴＦＴ部分とニッケル微量添加が行われた領域２０４とが示されている。図４には、ソース／ドレイン領域２０８、２１０とチャネル形成領域２０９、チャネル形成領域上方のゲイト電極２０７が示されている。熱アニールによる結晶化においては、ニッケルが選択的に導入された領域２０４から、矢印に示すように、基板に平行な方向にその成長方向がそろった結晶成長が起こる。そしてこの基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を用いて、ソース／ドレイン領域２０８、２１０とチャネル形成領域２０９とが構成される。ＴＦＴの動作時においては、キャリアはチャネル形成領域、即ち領域２０８と２１０との間を移動するので、結晶成長方向がそろった結晶性珪素膜中において、キャリアは粒界の影響をほとんど受けずに移動することができる。即ち、高移動度を得ることができる。また、横方向への結晶成長は４０μｍ程度行われるので、活性層の長さを４０μｍ以下の長さとすることが好ましい。またニッケル微量添加領域２０４がドレイン／ソース領域２１０と重なってしまってもよい。ただし、チャネル形成領域２０９とニッケル微量添加領域２０４とが重なると、チャネル形成領域２０９において、結晶成長の方向が基板に対して垂直方向となるので、注意が必要である。
【００５０】
以上の実施例においては、結晶成長方向に平行な方向にキャリアが流れるように、ＴＦＴを形成したが、このＴＦＴ内のキャリアの流れる方向と、結晶成長方向とを適当に定めることにより、ＴＦＴの特性を制御することができる。即ち、ＴＦＴ内においてキャリアの流れる方向（ソースとドレインを結ぶ線の方向）と、結の晶成長方向との成す角度によって、キャリアが粒界を横切る割合を制御することができるので、この角度を制御することによって、キャリアが移動に際して受ける抵抗をある程度制御することができる。
【００５１】
〔実施例３〕
本実施例は、選択的に珪素イオンの注入を行うことにより、珪素イオンが打ち込まれなかった領域を選択的に結晶成分を有する珪素膜として残し、この領域から珪素イオンが打ち込まれ非晶質化された領域へ横方向の結晶成長を行う例である。
【００５２】
例えば図１に示す作製工程において、実施例１と同様に１００の領域に選択的にニッケル微量添加を行い、さらに（Ｂ）の工程において、１００の領域をレジストによってマスクし、珪素イオンの注入を行う。この際、珪素膜１０４を結晶性を有する膜として形成しておくとよい。すると、加熱による結晶化の際、１００の領域上の珪素膜１０４から、その周囲（珪素イオンが注入されなかった領域）に矢印１０５で示すような結晶成長を生じさせることができる。
【００５３】
また、ニッケル微量添加を珪素膜１０４全体に行っても同様な効果を得ることができる。ただしこの場合、ニッケルを触媒とした基板１０１に対する垂直方向への結晶成長も同時に起こる。
【００５４】
〔実施例４〕 図６に本実施例を示す。ガラス基板６０１上に、厚さ１０００〜５０００Å、例えば、２０００Åの酸化珪素膜６０２を形成した後、厚さ３００〜１５００Å、例えば、５００Åの非晶質珪素膜６０３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６０４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６０４を選択的にエッチングして、ニッケルを導入する窓６０５を開けた。窓６０５はＴＦＴのチャネルとなるべき部分を避けて形成した。そして、スピンコーティング法によってニッケル塩の膜６０７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、２５〜２００ｐｐｍ、例えば、１００ｐｐｍの濃度にした。
【００５５】
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６０５の領域）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。
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薄い膜６０７を形成した。（図６（Ａ））
【００５６】
そして、イオン注入法によって、珪素イオンの注入をおこなった。この際には窓６０５の部分以外、すなわち、酸化珪素膜６０４で覆われた領域においては、珪素イオンが下地の酸化珪素膜６０２と非晶質珪素膜６０３の界面に最も多くのイオンが注入されるようにおこなった。なお、この際、窓６０５の領域では、酸化珪素膜６０４が存在しないため、珪素イオンはより深く注入される。
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６０５の直下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。そして、結晶化領域は矢印６０８に示すように、その周囲に拡がっていった。（図６（Ｂ））
【００５７】
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２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 、基板温度は２００〜４００℃とした。（図６（Ｃ））
【００５８】
その後、珪素膜６０３をエッチングして、ＴＦＴの領域を形成した。そして、全面に厚さ１０００〜１５００Å、例えば、１２００Åの酸化珪素膜６０９を形成し、実施例１の場合と同様にアルミニウムによってＰＴＦＴのゲイト電極６１０、およびＮＴＦＴのゲイト電極６１３、ならびに、それぞれの陽極酸化膜６１２、６１４によってゲイト電極部を形成した。
【００５９】
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、ＰＴＦＴのソース６１５、チャネル６１６、ドレイン６１７、周辺回路のＮＴＦＴのソース６２０、チャネル６１９、ドレイン６１８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（Ｄ））
【００６０】
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６２１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、さらに、スパッタリング法によって、窒化チタン（厚さ１０００Å）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６２２〜６２４を形成した。このようにして、横方向に成長した結晶性珪素によってＰＴＦＴとＮＴＦＴからなるインバータ回路を形成することができた。（図６（Ｅ））
【００６１】
本実施例では図６（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。
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））
【００６２】
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））
【００６３】
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。
【００６４】
【効果】
選択的に特定の領域に結晶化を助長する金属元素を導入し、この領域から横方向（基板に平行な方向）に結晶成長をさせることによって、結晶成長方向の揃った結晶性珪素膜を得ることができる。そして、この際に横方向への結晶成長が行われる領域に予め結晶成分が存在しないように、不活性イオンの注入によって、徹底的に非晶質化を行わせ、さらに熱アニールをすることによって、結晶成長方向のそろった結晶性半導体膜を得ることができる。そして、この膜を用いてＴＦＴを作製することによって、高移動度のＴＦＴを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の作製工程を示す。
【図２】 実施例の概要を示す。
【図３】 実施例の作製工程を示す。
【図４】 実施例の概要を示す。
【図５】 珪素イオンのドーズ量を示す。
【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 ニッケルが導入される領域
９９ 保護膜（酸化珪素膜）
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
２０１ ガラス基板
２０２ 下地膜（酸化珪素膜）
２０３ マスク
２０４ ニッケルが導入される領域
２０６ ゲイト絶縁膜
２０７ ゲイト電極
２０８ ソース／ドレイン領域
２０９ チャネル形成領域
２１０ ドレイン／ソース領域
２１１ 層間絶縁物
２１２ ＩＴＯ（画素電極）
２１３ 電極
２１４ 電極
【発明の属する技術分野】
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）を有する半導体装置及びその作製方法に関するものである。
【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もあった。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。
【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。
【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成膜した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、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。なお、この結晶化への触媒作用を有する金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔを挙げることができる。
【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７０５９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のみならず非晶質珪素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。
【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、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、１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上の量の添加において低温化が確認されているが、１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 atoms/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、実際に使用可能であるのは１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 〜５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 の範囲であると思われる。ニッケルの濃度が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下であると、ニッケル元素が局在し触媒としての機能が低下する。また、ニッケルの濃度が５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上であると、ＮｉＳｉの化合物となって半導体特性が失われてしまう。そして、結晶化した状態においては、ニッケルの濃度が少ない程、半導体としての使用が可能である。以上のような考察から、半導体として、ＴＦＴの活性層等に使用することを考えると、この量を１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 〜１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 に抑えることが必要である。
【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ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により調べた所、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 〜１０18ａｔｏｍｓ／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。即ち、この事実に限るならば、結晶性珪素半導体膜中のニッケルの濃度が、１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下である場合には、この膜を用いて半導体装置、例えばＴＦＴを作製しても不都合はないということが分かる。
【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。
【００１９】
しかし、上記結晶の横方向成長部分を透過電子線顕微鏡写真により詳細に観察すると、針状あるいは柱状結晶の結晶方向が基板表面に対しては平行な方向であっても、基板上方から見ると、枝状に成長する部分が観察された。即ち、平均すると、針状あるいは柱状結晶が同一方向に成長しているのだが、一部の結晶は斜め方向に枝分かれして成長している様子が観察された。
【００２０】
上記観察結果を考察した結果、本発明者らは以下のような結論に至った。
基板中さらには基板と半導体膜との界面近傍に存在している基板材料の結晶成分や半導体膜中の結晶成分は、結晶成長の核となり得るが、上記のような横方向成長においては、一様な方向への結晶成長を阻害し、ランダムな結晶成長を助長してしまう。
【００２１】
そこで、本発明においては、結晶成長を行う領域の基板と非晶質珪素半導体膜（非晶質といっても程度の問題として結晶成分は存在する）との界面およびその近傍の結晶成分を不活性な元素のイオン注入によって、極力取り除き徹底的に非晶質化する。そして、結晶核となるべき成分が無い状態において、横方向（基板表面に平行な方向）に結晶成長を行わせることによって、全体的に結晶の成長方向がそろった針状または柱状の結晶成長を行わすことを要旨とする。特に不活性なイオンの注入を基板内を中心に行うことによって、基板表面近傍（基板表面に下地膜が形成されている場合には、その下地膜表面を基板表面とみなす）、さらには基板と半導体膜との界面、さらには半導体膜そのものを徹底的に非晶質化し、結晶化の際に核となりうる結晶性を有する成分を極力除去することを特徴とする。
【００２２】
このようにして選択的に結晶化をおこなわせしめて、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、残っていた非晶質成分は先の加熱工程によって形成された結晶を核として結晶成長し、粒界が消滅してしまうのでより高い特性を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を示しより詳細に本発明の説明を加えることとする。
【００２４】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例は、ガラス基板上に結晶シリコンを用いたＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴという）とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴという）とを相補型に組み合わせた回路を形成する例である。本実施例の構成は、アクティブ型の液晶表示装置の周辺ドライバー回路やイメージセンサーに利用することができる。
【００２５】
図１に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、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１０２を形成する。つぎにマスクとなる酸化珪素膜１０３を設ける。この酸化珪素膜１０３は、スリット状に下地膜１０２を露呈させるもので、１０００Å以上の厚さが必要である。また、このマクス１０３にゲッタリング効果を有する材料、例えばリンや塩素等を添加することも有用である。この状態を上面から見ると、スリット状に下地膜１０２は露呈しており、他ぼ部分はマスクされている状態となっている。
【００２６】
上記酸化珪素膜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ＮｉＳｉx 、０．４≦ｘ≦２．５、例えば、ｘ＝２．０）９８を１００の領域に選択的に成膜する。即ち、１００で示される領域に選択的にニッケル微量添加を行う。（図１（Ａ））
【００２７】
つぎに、マスクである酸化珪素膜１０３を取り除き、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１０４を成膜する。この非晶質珪素膜１０４は、結晶性を有している膜でもよい。即ち、非単結晶珪素膜であればよい。さらに保護膜となる酸化珪素膜９９を１００〜１０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜は、後のイオン注入時において、珪素膜１０４の表面がダメージを受けることを防ぐために設けられるものである。
【００２８】
そして、この珪素膜１０４に対して、不活性な元素である珪素イオンの注入を全面に行う。この珪素イオンの注入は、一様な方向への結晶成長を後の熱アニール工程において行わすために、予め存在する基板（ここでは下地膜１０２も含めて基板と考える）と非晶質珪素半導体膜との界面における結晶成分（基板中の酸化珪素結晶成分や非晶質半導体膜中の結晶成分）を除去するためのものである。
【００２９】
この珪素イオンの注入は、図５に示すようなドース量で注入されるように条件を設定する。図５において、点線で示す部分が、下地膜１０２と非晶質珪素膜１０４との界面部分になる。そして、そのドーズ量の最大値は、基板側にあって、５×１０14ｃｍ-2とした。また、この珪素イオンの注入時には、下地膜１０２（ここでは下地膜１０２が基板表面を構成すると考える）と非晶質珪素膜１０４との界面を中心に、非晶質珪素膜１０４そのもの、非晶質珪素膜１０４と酸化珪素膜９９との界面およびその近傍が非晶質化される。なお珪素イオンのドーズ量は、１×１０14〜９×１０16ｃｍ-2とすることが好ましい。
【００３０】
この珪素イオンの注入工程において、非晶質珪素膜表面は、酸化珪素膜９９で覆われているので、加速イオンのダメージを受けるのを低減することができる。また、ニッケル微量添加が行われた１００の領域に珪素イオンが注入されることを防ぐために、この領域上にマスクを形成することも有用である。これは、イオン注入時にニッケル元素の不要な拡散を防ぐためである。
【００３１】
そして、酸化珪素珪素膜９９を取り除き、水素還元雰囲気下（好ましくは、水素の分圧が０．１〜１気圧）または窒素雰囲気化（大気圧）において、５５０℃で４時間アニールして非晶質珪素膜１０４を結晶化させる。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１００以外の領域では、矢印１０５で示すように、領域１００から横方向（基板と平行な方向）に結晶成長が行われる。こ結晶化の温度は、４５０℃〜７００℃の範囲において可能であるが、高いと従来の場合のようにガラス基板の耐熱性の問題が生じる。
【００３２】
この横方向の結晶成長が行われる領域において、下地膜１０２と珪素膜１０４との界面及びその近傍、さらには非晶質珪素膜そのものが、徹底的に非晶質化されているので、矢印１０５で示す結晶化の際に、その結晶化の方向を乱す原因となる結晶成分が存在せず、一様な横方向成長を行わすことができる。
【００３３】
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を得ることができる。その後、パターニングにより素子間分離を行い、さらにスパッタリング法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜する。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）を成膜する。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。
【００３４】
そして、シリコン膜をパターニングして、ゲイト電極１０７、１０９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１０８、１１０を形成する。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１０８、１１０の厚さは２０００Åである。なお、この酸化物１０８と１１０とは、後のイオンドーピング工程において、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。
【００３５】
次に、イオンドーピング法によって、結晶性珪素膜の領域にゲイト電極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（Ｂ2 Ｈ6 ）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、４０〜８０ｋＶ、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、一方の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、Ｐチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）の領域とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴ）との領域を形成することができた。
【００３６】
その後、レーザー光の照射によってアニール行った。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、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２５０ｍＪ／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１１３、さらにはＮ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。
【００３７】
続いて、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。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った。以上の工程によって半導体回路が完成した。（図１（Ｄ））
【００３８】
上記に示す回路は、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。
【００３９】
図２に、図１（Ｄ）を上面から見た概要を示す。図２におけるＮｉ添加領域が図１（Ａ）で示される領域１００の部分になる。横方向の結晶化は、Ｎｉ添加領域から、矢印で示されるように基板に平行な方向に概略そろった状態で行われる。そして、ソース／ドレイン間を移動するキャリアの移動方向に針状あるいは柱状に結晶が成長しているので、キャリアが移動する際に粒界を横切ることが少なく、高移動度のＴＦＴを得ることができる。
【００４０】
例えば、図１（Ｂ）の工程における珪素イオンの注入を行わずに、結晶化を行った場合のＴＦＴの移動度は、ＰＴＦＴで５０〜６０ｃｍ2 ／Ｖｓであったものが、本実施例において作製したＰＴＦＴでは、９０〜１２０ｃｍ2 ／Ｖｓと高移動度を得ることができた。また、ＮＴＦＴの場合も、珪素のイオン注入を行わない場合には、その移動度が８０〜１００ｃｍ2 ／Ｖｓであったものを、本実施例においては、１５０〜１８０ｃｍ2 ／Ｖｓを得ることができた。
【００４１】
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が、アモルファスシリコン膜１０４を形成後に、選択的に珪化ニッケル膜を成膜する方法でもよい。即ち、結晶成長はアモルファスシリコン膜の上面から行ってもよいし、下面から行ってもよい。また、予めアモルファスシリコンを成膜し、さらにイオンドーピング法を用いて、ニッケルイオンをアモルファスシリコン膜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。さらに、プラズマ処理によりニッケル微量添加を行うことも可能である。このプラズマ処理によってニッケル元素を導入する場合には、ニッケル微量添加を行おうとする半導体膜（例えば非晶質珪素膜１０４）の下地（例えば下地酸化珪素膜１０２）上面か、半導体膜上面に対して行えばよい。またニッケルの他にＦｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔを結晶化のための触媒材料として用いた場合でも、同様な工程によって、ＴＦＴを作製することができる。
【００４２】
〔実施例２〕
本実施例は、アクティブ型の液晶表示装置において、Ｎチャネル型ＴＦＴをスイッチング素子として各画素に設けた例である。以下においては、一つの画素について説明するが、他に多数（一般には数十万）の画素が同様な構造で形成される。
【００４３】
本実施例の作製工程の概略を図３に示す。本実施例において、基板２０１としてはコーニング７０５９ガラス基板を使用した。まずガラス基板２０１上に下地膜２０２（酸化珪素）をスパッタ法で形成する。そしてマスクとなる１０００Å厚の酸化珪素膜２０３を形成する。この酸化珪素膜は、２０４の領域で下地膜２０２を露呈するマスクとして機能する。この後珪化ニッケル膜を成膜する。この珪化ニッケル膜は、スパッタリング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Åの厚さに形成する。この珪化ニッケル膜は、化学式ＮｉＳｉx 、０．４≦ｘ≦２．５、例えば、ｘ＝２．０で示される。
【００４４】
この後、マスクである酸化珪素膜２０３を除去した後、ＬＰＣＶＤ法もしくはプラズマＣＶＤ法で非晶質珪素膜２０５（厚さ３００〜１５００Å）を形成し、さらに酸化珪素の保護膜２００を５００Åの厚さに形成する。（図３（Ｂ））
【００４５】
そして、実施例１と同様な珪素イオンの注入工程を経て、加熱アニールによって結晶化を行った。このアニール工程は、水素還元雰囲気下（好ましくは、水素の分圧が０．１〜１気圧）、５５０℃で４時間行った。この際、非晶質珪素膜２０５下の一部の領域には、珪化ニッケル膜が成膜されているので、その部分では基板に対し垂直方向に、他の部分では基板に対して平行な方向に結晶成長が起こり、結晶性珪素膜を得ることができる。
【００４６】
そして、この結晶性珪素よりなる半導体領域（２０４で示される部分）をパターニングして島状の半導体領域（ＴＦＴの活性層）を形成する。さらにテトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯＳ）を原料として、酸素雰囲気中のプラズマＣＶＤ法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７００〜１２００Å、ここでは１０００Å）２０６を形成する。
【００４７】
次に、シリコンのゲイト電極２０７を形成する。その後、Ｎ型の不純物として、燐をイオンドーピング法で結晶性珪素膜に自己整合的に注入し、ＴＦＴのソース／ドレイン２０８、２０９を形成する。さらに、図３（Ｃ）に矢印で示すように、これにＫｒＦレーザー光を照射して、このイオンドーピングのために結晶性の劣化したシリコン膜の結晶性を改善せしめる。このときにはレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ2 と設定する。このレーザー照射によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシート抵抗は３００〜８００Ω／ｃｍ2 となる。
【００４８】
その後、酸化珪素によって層間絶縁物２１１を形成し、さらに、画素電極２１２をＩＴＯによって形成する。そして、コンタクトホールを形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多層膜で電極２１３、２１４を形成し、このうち一方の電極２１４はＩＴＯにも接続するようにする。クロム／アルミニウム多層膜は、下層にクロム膜２０〜２００ｎｍ、典型的には１００ｎｍ、上層にアルミニウム膜１００〜２０００ｎｍ、典型的には５００ｎｍが成膜されてできている。これらは連続的にスパッタ法にて形成することが望まれる。最後に、水素中で２００〜３００℃で２時間アニールして、シリコンの水素化を完了する。このようにして、ＴＦＴが完成させる。そして、同時に作製した多数のＴＦＴをマトリクス状に配列せしめてアクティブマトリクス型液晶表示装置とする。
【００４９】
また、本実施例のＴＦＴの概略を上面かた見た図を図４に示す。図４には、ＴＦＴ部分とニッケル微量添加が行われた領域２０４とが示されている。図４には、ソース／ドレイン領域２０８、２１０とチャネル形成領域２０９、チャネル形成領域上方のゲイト電極２０７が示されている。熱アニールによる結晶化においては、ニッケルが選択的に導入された領域２０４から、矢印に示すように、基板に平行な方向にその成長方向がそろった結晶成長が起こる。そしてこの基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を用いて、ソース／ドレイン領域２０８、２１０とチャネル形成領域２０９とが構成される。ＴＦＴの動作時においては、キャリアはチャネル形成領域、即ち領域２０８と２１０との間を移動するので、結晶成長方向がそろった結晶性珪素膜中において、キャリアは粒界の影響をほとんど受けずに移動することができる。即ち、高移動度を得ることができる。また、横方向への結晶成長は４０μｍ程度行われるので、活性層の長さを４０μｍ以下の長さとすることが好ましい。またニッケル微量添加領域２０４がドレイン／ソース領域２１０と重なってしまってもよい。ただし、チャネル形成領域２０９とニッケル微量添加領域２０４とが重なると、チャネル形成領域２０９において、結晶成長の方向が基板に対して垂直方向となるので、注意が必要である。
【００５０】
以上の実施例においては、結晶成長方向に平行な方向にキャリアが流れるように、ＴＦＴを形成したが、このＴＦＴ内のキャリアの流れる方向と、結晶成長方向とを適当に定めることにより、ＴＦＴの特性を制御することができる。即ち、ＴＦＴ内においてキャリアの流れる方向（ソースとドレインを結ぶ線の方向）と、結の晶成長方向との成す角度によって、キャリアが粒界を横切る割合を制御することができるので、この角度を制御することによって、キャリアが移動に際して受ける抵抗をある程度制御することができる。
【００５１】
〔実施例３〕
本実施例は、選択的に珪素イオンの注入を行うことにより、珪素イオンが打ち込まれなかった領域を選択的に結晶成分を有する珪素膜として残し、この領域から珪素イオンが打ち込まれ非晶質化された領域へ横方向の結晶成長を行う例である。
【００５２】
例えば図１に示す作製工程において、実施例１と同様に１００の領域に選択的にニッケル微量添加を行い、さらに（Ｂ）の工程において、１００の領域をレジストによってマスクし、珪素イオンの注入を行う。この際、珪素膜１０４を結晶性を有する膜として形成しておくとよい。すると、加熱による結晶化の際、１００の領域上の珪素膜１０４から、その周囲（珪素イオンが注入されなかった領域）に矢印１０５で示すような結晶成長を生じさせることができる。
【００５３】
また、ニッケル微量添加を珪素膜１０４全体に行っても同様な効果を得ることができる。ただしこの場合、ニッケルを触媒とした基板１０１に対する垂直方向への結晶成長も同時に起こる。
【００５４】
〔実施例４〕 図６に本実施例を示す。ガラス基板６０１上に、厚さ１０００〜５０００Å、例えば、２０００Åの酸化珪素膜６０２を形成した後、厚さ３００〜１５００Å、例えば、５００Åの非晶質珪素膜６０３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６０４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６０４を選択的にエッチングして、ニッケルを導入する窓６０５を開けた。窓６０５はＴＦＴのチャネルとなるべき部分を避けて形成した。そして、スピンコーティング法によってニッケル塩の膜６０７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、２５〜２００ｐｐｍ、例えば、１００ｐｐｍの濃度にした。
【００５５】
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６０５の領域）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。
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薄い膜６０７を形成した。（図６（Ａ））
【００５６】
そして、イオン注入法によって、珪素イオンの注入をおこなった。この際には窓６０５の部分以外、すなわち、酸化珪素膜６０４で覆われた領域においては、珪素イオンが下地の酸化珪素膜６０２と非晶質珪素膜６０３の界面に最も多くのイオンが注入されるようにおこなった。なお、この際、窓６０５の領域では、酸化珪素膜６０４が存在しないため、珪素イオンはより深く注入される。
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６０５の直下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。そして、結晶化領域は矢印６０８に示すように、その周囲に拡がっていった。（図６（Ｂ））
【００５７】
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２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 、基板温度は２００〜４００℃とした。（図６（Ｃ））
【００５８】
その後、珪素膜６０３をエッチングして、ＴＦＴの領域を形成した。そして、全面に厚さ１０００〜１５００Å、例えば、１２００Åの酸化珪素膜６０９を形成し、実施例１の場合と同様にアルミニウムによってＰＴＦＴのゲイト電極６１０、およびＮＴＦＴのゲイト電極６１３、ならびに、それぞれの陽極酸化膜６１２、６１４によってゲイト電極部を形成した。
【００５９】
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、ＰＴＦＴのソース６１５、チャネル６１６、ドレイン６１７、周辺回路のＮＴＦＴのソース６２０、チャネル６１９、ドレイン６１８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（Ｄ））
【００６０】
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６２１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、さらに、スパッタリング法によって、窒化チタン（厚さ１０００Å）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６２２〜６２４を形成した。このようにして、横方向に成長した結晶性珪素によってＰＴＦＴとＮＴＦＴからなるインバータ回路を形成することができた。（図６（Ｅ））
【００６１】
本実施例では図６（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。
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））
【００６２】
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））
【００６３】
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。
【００６４】
【効果】
選択的に特定の領域に結晶化を助長する金属元素を導入し、この領域から横方向（基板に平行な方向）に結晶成長をさせることによって、結晶成長方向の揃った結晶性珪素膜を得ることができる。そして、この際に横方向への結晶成長が行われる領域に予め結晶成分が存在しないように、不活性イオンの注入によって、徹底的に非晶質化を行わせ、さらに熱アニールをすることによって、結晶成長方向のそろった結晶性半導体膜を得ることができる。そして、この膜を用いてＴＦＴを作製することによって、高移動度のＴＦＴを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の作製工程を示す。
【図２】 実施例の概要を示す。
【図３】 実施例の作製工程を示す。
【図４】 実施例の概要を示す。
【図５】 珪素イオンのドーズ量を示す。
【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 ニッケルが導入される領域
９９ 保護膜（酸化珪素膜）
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
２０１ ガラス基板
２０２ 下地膜（酸化珪素膜）
２０３ マスク
２０４ ニッケルが導入される領域
２０６ ゲイト絶縁膜
２０７ ゲイト電極
２０８ ソース／ドレイン領域
２０９ チャネル形成領域
２１０ ドレイン／ソース領域
２１１ 層間絶縁物
２１２ ＩＴＯ（画素電極）
２１３ 電極
２１４ 電極
Claims (11)
- 基板上に下地膜を形成し、
前記下地膜上に非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜の一部に結晶化を助長する金属元素を添加し、
前記非晶質半導体膜に不活性な元素のイオンを注入することにより、前記非晶質半導体膜および前記下地膜と前記非晶質半導体膜との界面を非晶質化し、
前記非晶質化された半導体膜を加熱することにより、前記非晶質化された半導体膜を、前記金属元素が添加された領域から前記金属元素が添加されない領域へと結晶成長させ、結晶性半導体膜を形成し、
前記結晶性半導体膜をパターニングし、
前記パターニングされた結晶性半導体膜中にソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領域を形成する半導体装置の作製方法において、
前記チャネル形成領域を移動するキャリアの移動方向と前記結晶成長方向とが沿うように、且つ前記結晶性半導体膜に前記金属元素が添加されたところを含まないように前記結晶性半導体膜をパターニングすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 基板上に下地膜を形成し、
前記下地膜上に非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜の一部に結晶化を助長する金属元素を添加し、
前記非晶質半導体膜に不活性な元素のイオンを注入することにより、前記非晶質半導体膜および前記下地膜と前記非晶質半導体膜との界面を非晶質化し、
前記非晶質化された半導体膜を加熱することにより、前記非晶質化された半導体膜を、前記金属元素が添加された領域から前記金属元素が添加されない領域へと結晶成長させ、結晶性半導体膜を形成し、
前記結晶性半導体膜をパターニングし、
前記パターニングされた結晶性半導体膜中にソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領域を形成する半導体装置の作製方法において、
前記チャネル形成領域を移動するキャリアの移動方向と前記結晶成長方向とが沿うように、且つ前記チャネル形成領域に前記金属元素が添加されたところを含まないように前記結晶性半導体膜をパターニングすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項１または２において、前記不活性な元素のイオンはシリコンイオンであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至３のいずれか一において、前記結晶化を助長させる金属元素は、Ｎｉであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至３のいずれか一において、前記結晶化を助長させる金属元素は、Ｆｅ、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。
- 請求項１乃至５のいずれか一において、前記非晶質半導体膜の一部に結晶化を助長する金属元素を添加する方法は、スパッタリング法により前記金属元素を含む膜を成膜すること、蒸着法により前記金属元素でなる膜を成膜すること、及びイオン注入法により前記非晶質半導体膜に前記金属元素を添加することのいずれかであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至５のいずれか一において、前記非晶質半導体膜の一部に結晶化を助長する金属元素を添加する方法は、スピンコーティング法または塗布法で前記金属元素を含む溶液を塗布する方法を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項７において、前記非晶質半導体膜上に酸化珪素膜を形成し、前記非晶質半導体膜の一部に結晶化を助長する金属元素を添加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至８のいずれか一において、前記結晶性半導体膜における前記結晶化を助長させる金属元素の量は、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至９のいずれか一において、前記非晶質化された半導体膜を加熱することにより、前記半導体膜を前記金属元素が添加されたところから前記金属元素が添加されないところへと結晶成長させ、結晶性半導体膜を形成した後、前記結晶性半導体膜にレーザー光または前記レーザー光と同等な強光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至１０のいずれか一において、前記結晶性半導体膜は結晶性珪素膜からなることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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