JP3973192B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、非晶質珪素膜を結晶化させた結晶性珪素膜を活性領域とする薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画面サイズが大型で画素も高密度である液晶表示装置および有機ＥＬ表示装置、画像処理が高速で画素も高密度である密着型イメージセンサー、三次元ＩＣ等の実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上および絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みが行われている。これらの装置に用いられる半導体素子には、薄膜状の珪素（Ｓｉ）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）および結晶性を有する珪素半導体（ｐ−Ｓｉ）の２つに大別される。
【０００３】
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あり、量産性も良好であるために、最も一般的に使用されている。しかし、非晶質珪素半導体は、導電性等の特性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣っている。このため、導電性が良好で高速処理が可能な結晶性を有する珪素半導体から成る半導体装置の作製方法の確立が強く要望されている。
【０００４】
結晶性を有する薄膜状の珪素半導体の作製方法としては、次の２つの方法が用いられている。
（１）非晶質の半導体膜を成膜しておき、成膜された非晶質の半導体膜に対してレーザー光等のエネルギービームを照射して、エネルギービーム照射によって生じる熱エネルギーにより結晶成長を行う。
（２）非晶質の半導体膜を成膜しておき、成膜された非晶質の半導体膜に対して加熱処理をして、加熱による熱エネルギーにより固相状態にて結晶成長を行う。
【０００５】
一般的には、（１）の方法がよく用いられている。（１）の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するために、結晶粒は小粒径であるが、結晶粒内の結晶欠陥は少なく、比較的高品質な結晶性珪素半導体膜が得られる。しかしながら、（１）の方法にて作製された結晶性珪素半導体膜では、結晶粒界部における欠陥密度が高く、各結晶欠陥がキャリア（荷電担体）に対して大きなトラップとして作用する。このために、（１）の方法にて作製された結晶性珪素半導体膜を用いた半導体装置では、十分な特性が得られない。また、結晶成長させる光源のレーザー光等についても、現在、最も一般的に使用されているエキシマレーザーでは、レーザー光の十分な安定性が得られず、照射されるレーザー光の強度が非晶質の半導体膜に対して一様でないために、エキシマレーザーのエネルギービーム照射により結晶成長された結晶性珪素半導体膜から成る半導体素子間の特性ばらつきが問題となっている。
【０００６】
（２）の方法では、（１）の方法と比較すると基板内の結晶粒の均一性および安定性において有利であるが、温度６００℃、３０時間程の長時間にわたる加熱処理が必要であるために、処理時間が長く、量産性が低いという問題点がある。また、（２）の方法では、一つの結晶粒は数μｍと比較的大きいが、結晶構造が双晶構造となるために、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、前述の（１）の方法に比べて結晶粒内の結晶状態が劣る。
【０００７】
しかしながら、最近、（１）および（２）の方法に対する改善策として、非晶質珪素膜の結晶化を促進する触媒元素を利用することにより、加熱温度の低温化および処理時間の短縮を図るとともに、結晶状態の向上を図る方法が注目されている。具体的には、非晶質珪素膜の表面にニッケル（Ｎｉ）等の金属元素を微量だけ添加して、その後、加熱処理を行う方法である。この方法では、添加された金属元素を核とした結晶核の発生が早期に起こり、その後、添加された金属元素が触媒となって結晶成長を促進し、非晶質珪素膜の結晶化が急速に進行する。さらに、この方法により結晶成長した結晶性珪素膜は、通常の固相成長法（前述の（２）の方法）とは異なり、一つの結晶粒内の結晶構造が結晶欠陥の多い双晶構造ではなく、何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、一つの結晶粒は小さいが、結晶粒内のそれぞれの柱状結晶内部は、ほぼ単結晶の状態となっている。
【０００８】
特開平１０−２７０３６３号公報には、触媒元素により結晶化された珪素に対して、その一部にリン（Ｐ）等のＶ族Ｂの元素を選択的に添加し、加熱処理を行うことによって、Ｖ族Ｂの元素が添加された領域に、触媒元素を移動（ゲッタリング）させる構成が開示されている。そして、結晶化された珪素のＶ族Ｂの元素が添加されていない領域である触媒元素がゲッタリングされた領域を使用して半導体装置の活性領域が形成されている。
【０００９】
また、特開平１１−４０４９９号公報には、特開平１０−２７０３６３号公報にて開示された構成に加えて、Ｖ族Ｂの元素が選択的に添加された領域に対してレーザー光などの強い光を照射して、その後、加熱処理を行うことによって、触媒元素のゲッタリング効果を一層高めようとしている。
【００１０】
さらに、特開平１１−５４７６０公報には、Ｖ族Ｂの元素に加えてIII族Ｂの元素も添加することによって、触媒元素に対するゲッタリング効果を、さらに高めようとしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、触媒元素を添加することにより非晶質珪素膜の結晶化を促進する方法は、加熱温度の低温化および加熱時間の短縮化が図れ、さらに、結晶化後に得られる結晶性珪素膜の結晶状態は、他の非晶質珪素膜の結晶化方法に比べ明らかに優れている。
【００１２】
しかしながら、触媒元素を添加して非晶質珪素膜の結晶化を促進する方法は、金属元素等を主とする触媒元素が珪素半導体膜内に多量に存在している。このため、この方法により結晶化された結晶性珪素半導体膜を用いた装置は、信頼性および電気的特性において、不安定となり好ましくない。前述のニッケル等の結晶化を促進する触媒元素は、非晶質珪素膜を結晶化させる場合には必要であるが、結晶化した結晶性珪素膜内には極力含まれないようにすることが望ましい。
【００１３】
この目的を達成するためには、第１に非晶質珪素膜の結晶化に必要な触媒元素の量を極力少なくし、最低限の量で非晶質珪素膜を結晶化させる必要がある。ところが、非晶質珪素膜への触媒元素の添加量を少なくしていくと、結晶化する結晶性珪素膜の結晶成長状態が非常に不安定となる。このような不安定な状態で作製された結晶性珪素膜は、基板内での結晶状態のばらつきが非常に大きくなり、半導体装置の活性領域を構成する結晶性珪素半導体膜としては、使用できない。
【００１４】
次に、前述の公報のように、触媒元素を用いて結晶成長させた後、結晶化された結晶性珪素膜にＶ族Ｂ、III族Ｂ等の元素を添加して、触媒元素を移動（ゲッタリング）させることにより、結晶性珪素膜の素子形成領域の触媒元素を除去または低減する構成が第２の方法として考えられている。実際に、特開平１０−２７０３６３号公報において開示されている構成を用いると、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域から大部分の触媒元素をゲッタリングすることができる。
【００１５】
しかしながら、特開平１０−２７０３６３号公報に開示された構成では、２つの問題点が存在する。第１の問題は、この公報に開示された構成では、触媒元素のゲッタリングにおいて、十分な効果が得られておらず、半導体装置の活性（能動）領域における触媒元素の残留量が、まだ十分に低減できていない点である。実際に、特開平１０−２７０３６３号公報に開示された構成を用いて、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子を形成すると、結晶性珪素膜に残留している触媒元素が薄膜トランジスタ素子に悪影響をおよぼしていることが確認できた。特に、結晶性珪素膜に残留している触媒元素が薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の接合部に存在すると、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のＯＦＦ動作時のリーク電流が非常に増大するリーク源になると考えられる。
【００１６】
前述の特開平１０−２７０３６３号公報、特開平１１−４０４９９号公報および特開平１１−５４７６０号公報に開示された構成を用いて、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域に薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記述）素子を形成すると、それぞれ若干の効果の違いは見られるが、数％程度の比率でＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流が非常に大きい不良ＴＦＴが検出された。そして、それらの不良ＴＦＴ素子における不良原因を解析すると、チャネル部とドレイン部との接合部に、触媒元素によるシリサイドが存在していることが確認された。したがって、前述の３つの公報に開示された構成では、高性能な半導体装置の作製が可能であるが、不良率が高く、また信頼性も悪く、量産に対応できるような構成ではなかった。
【００１７】
第２の問題は、加熱処理の条件（加熱温度、加熱時間）である。前述の３つの公報に開示された構成では、加熱温度５５０℃以上、加熱時間数時間〜数十時間の加熱処理を行っている。結晶化された結晶性珪素膜から成るＴＦＴ素子が形成されるガラス基板として、１００ｍｍ×１００ｍｍサイズ程度の小型ガラス基板および高価な石英基板などを用いる場合には、加熱温度５５０℃以上は特に問題となる温度ではないが、より大型のガラス基板を使用する場合には、基板のたわみおよび反りが大きな問題となる。本発明の半導体装置の用途としては、液晶表示用および有機ＥＬ表示用のアクティブマトリクス基板があるが、そのマザーボード（ガラス基板）は、コストダウンのため大型化する傾向にある。また、ＴＦＴ素子が形成されるガラス基板は、装置のコンパクト化および軽量化のため、薄板化する傾向も加わり、そのようなガラス基板に対して高温、長時間の加熱処理を行うことは非常に厳しい。実際に、一般的に使用されているコーニング社製コード１７３７のガラス基板を用いた場合、６００ｍｍ×７２０ｍｍの基板サイズ、厚さ０．７ｍｍのガラス基板では、加熱温度５００℃程度、加熱時間数時間の加熱処理がほぼ限界であることが実験により確認されている。この加熱処理における最も大きな問題は、ガラス基板の重量によるたわみおよび反りである。さらに、この加熱処理は、ガラス基板上へのパターン形成後に行われるので、ガラス基板に特有の収縮（シュリンケージ：ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）の問題も生じる。これにより、加熱処理工程の前後におけるガラス基板上でのパターン合わせが非常に困難となる。
【００１８】
以上、説明したように、前述の３つの公報に開示された構成では、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域内の触媒元素の量を十分に低減させることができない。また、量産時の対象となる大型のガラス基板に対しても、何らかの改良が必要となる。
【００１９】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域内の触媒元素の量を低減させ、大型のガラス基板に対しても量産が可能となり、信頼性が高く安定な特性を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成し、該非晶質珪素膜に結晶化を促進する第１の元素を添加する工程と、その後、第１の加熱処理を施し、該第１の元素が添加された該非晶質珪素膜の結晶成長を行い、結晶性珪素膜を形成する工程と、該結晶性珪素膜の一部の領域に、選択的に該第１の元素を引き寄せる効果を有する第２の元素を添加し、該第２の元素が添加された領域を非晶質化する工程と、該第２の元素が添加され非晶質化した領域が、少なくとも完全に結晶化しない状態にて第２の加熱処理を行い、該結晶性珪素膜内の該第１の元素を、該第２の元素が添加され非晶質化した領域に移動させる工程と、該第２の元素が添加された領域以外の領域の該結晶性珪素膜を用いて、少なくとも半導体装置の能動領域を形成する工程と、を包含することを特徴とする。
【００２１】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成し、該非晶質珪素膜の一部の領域に結晶化を促進する第１の元素を選択的に添加する工程と、その後、第１の加熱処理を施し、該第１の元素が選択的に添加された領域から隣接する周辺領域に向かって該基板と平行方向に該非晶質珪素膜の結晶成長を行い、結晶性珪素膜を形成する工程と、該結晶性珪素膜の一部の領域に、選択的に該第１の元素を引き寄せる効果を有する第２の元素を添加し、該第２の元素が添加された領域を非晶質化する工程と、該第２の元素が添加され非晶質化した領域が、少なくとも完全に結晶化しない状態で第２の加熱処理を行い、該結晶性珪素膜内の該第１の元素を、該第２の元素が添加され非晶質化した領域に移動させる工程と、該第２の元素が添加された領域以外の、該基板と平行方向に結晶成長した領域の該結晶性珪素膜を用いて、少なくとも半導体装置の能動領域を形成する工程と、を包含することを特徴とする。
【００２２】
前記第２の加熱処理では、前記第２の元素が添加され非晶質化した領域において、結晶核の発生が全く生じない。
【００２３】
前記第２の加熱処理は、加熱温度が４５０℃〜５８０℃の範囲内であり、加熱時間が０．５時間〜８時間である。
【００２４】
前記第２の加熱処理は、抵抗性加熱炉を用いる。
【００２５】
前記抵抗性加熱炉は、前記基板を、該基板の平面形状と概略相似形の断面形状を持つ炉心管の内部に、該基板の平面を炉心方向に向け、炉心管の周囲と該基板の側端部との間の間隔が最小となるように配置したファーネス炉である。
【００２６】
前記第２の元素は、Ｖ族Ｂの元素であり、Ｖ族Ｂの元素から少なくとも１種類以上、選択される。
【００２７】
前記Ｖ族Ｂの元素がリン（Ｐ）である。
【００２８】
前記結晶性珪素膜の一部の領域に、Ｖ族Ｂの元素を添加するとともに、III族Ｂの元素も添加する。
【００２９】
前記Ｖ族Ｂの元素がリン（Ｐ）であり、III族Ｂの元素がホウ素（Ｂ）である。
【００３０】
前記第２の元素は、希ガス元素であり、希ガス元素から少なくとも１種類以上、選択される。
【００３１】
前記希ガス元素がアルゴン（Ａｒ）である。
【００３２】
前記第２の元素の添加は、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法によって行われる。
【００３３】
前記第２の元素は、前記能動領域に隣接した周辺部に添加される。
【００３４】
前記第１の元素の添加および前記第２の元素の添加が同一の添加用マスクを用いて行われる。
【００３５】
前記能動領域に隣接した前記周辺部は、不純物領域である。
【００３６】
前記不純物領域は、Ｖ族Ｂの元素が添加されて、ソース領域およびドレイン領域を形成する。
【００３７】
前記不純物領域に高速熱アニール処理またはレーザーアニール処理を行う。
【００３８】
前記結晶性珪素膜にレーザーアニール処理を行う。
【００３９】
前記第１の元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選択された一種類または複数種類のた元素である。
【００４０】
前記第１の元素は、少なくともＮｉが選択される。
【００４１】
本発明の半導体装置は、絶縁性表面を有する基板上に、活性領域を有する結晶性珪素膜が形成された半導体装置であって、該活性領域は、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素を含むとともに、該第１の元素が該活性領域の全領域において該結晶性珪素膜の格子間に固溶していることを特徴とする。
【００４２】
本発明の半導体装置は、絶縁性表面を有する基板上に、活性領域を有する結晶性珪素膜が形成された半導体装置であって、該活性領域は、能動領域および不純物領域が設けられており、該活性領域は、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素を含むとともに、該第１の元素が該活性領域内の能動領域において該結晶性珪素膜の格子間に固溶していることを特徴とする。
【００４３】
前記能動領域内の前記第１の元素の濃度が、前記不純物領域内の前記第１の元素の濃度よりも低くなるように設定されている。
【００４４】
前記第１の元素としてニッケル（Ｎｉ）が含まれている。
【００４５】
前記第１の元素の濃度は、１×１０15〜１×１０17／ｃｍ3の範囲内である。
【００４６】
以下、本発明の半導体装置およびその製造方法について詳細に説明する。
【００４７】
触媒元素を添加することにより非晶質珪素膜の結晶化を促進させ高品質な結晶性珪素膜を得るために、検討を重ねた結果、以下に説明するような知見によって、前述の問題点を解決するための半導体装置およびその製造方法が得られた。
【００４８】
まず、本発明の半導体装置の製造方法の要旨を説明する。
【００４９】
▲１▼ガラス基板等の絶縁基板上に形成された非晶質珪素膜に、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素である触媒元素を添加して、第１の加熱処理を行い非晶質珪素膜を結晶成長させる。
【００５０】
▲２▼その後、結晶化した結晶性珪素膜の一部に、選択的に触媒元素を引き寄せる効果を持つ第２の元素であるゲッタリング元素を添加して、ゲッタリング元素を添加した領域を非晶質化させる。
【００５１】
▲３▼その後、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が少なくとも完全に結晶化しない状態を保ちながら第２の加熱処理を行う。
【００５２】
▲４▼そして、第２の加熱処理により結晶性珪素膜内の触媒元素を、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域に移動させ、ゲッタリング元素が添加された領域以外の領域を用いて半導体装置の能動（チャネル）領域を形成する。
【００５３】
また、本発明の半導体装置の製造方法において、ガラス基板等の絶縁基板上に形成された非晶質珪素膜の一部分に、触媒元素を選択的に添加し、第１の加熱処理を行うことにより、触媒元素が選択的に添加された領域からその周辺領域に向かって横方向（基板表面と平行）に非晶質珪素膜を結晶成長させて結晶性珪素膜を形成し、その後、結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加しても、同様の効果が得られる。この場合、ゲッタリング元素が添加された領域以外の横方向に結晶成長した結晶性珪素膜の領域を用いて半導体装置の能動（チャネル）領域を形成すると、高い電流駆動能力を持つ高性能な半導体装置（ＴＦＴ等）が得られる。
【００５４】
本発明の半導体装置の製造方法の重要なポイントは、次の２点である。
【００５５】
第１点は、第１の加熱処理後に、非晶質珪素膜が結晶化した結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加することによって、ゲッタリング元素を添加した領域を非晶質化させることである。
【００５６】
第２点は、結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加後、ゲッタリング元素を添加して非晶質化された領域が少なくとも完全に結晶化しない状態を保ちながら第２の加熱処理を行うことである。
【００５７】
特に、第２の加熱処理の加熱温度および加熱時間の設定が最も重要である。第２の加熱処理の加熱温度および加熱時間は、結晶性珪素膜内の触媒元素の濃度とゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域の触媒元素の濃度とが、少なくとも熱平衡状態において偏析状態となるように設定しなければならない。
【００５８】
これにより、本発明の半導体装置の製造方法では、従来の半導体装置の製造方法と比較して、半導体装置を形成する結晶性珪素膜の活性領域に残留する触媒元素の量を著しく低減することが可能となり、高い電流駆動能力を持つ高性能な半導体装置（ＴＦＴ等）が得られ、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常も見られず、高い信頼性も同時に確保することができる。
【００５９】
次に、本発明の半導体装置の製造方法において、半導体装置を形成する結晶性珪素膜の活性領域に残留する触媒元素の量が低減するメカニズムを説明する。所定の領域内の触媒元素を所定の領域以外の領域に移動させるゲッタリング（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）のメカニズムとしては、第１のゲッタリング作用および第２のゲッタリング作用がある。
【００６０】
第１のゲッタリング作用は、任意の領域が触媒元素に対する固溶度を他の領域より高くなるように形成され、その任意の領域に触媒元素を移動させる方法である。
【００６１】
第２のゲッタリング作用は、任意の領域にて、触媒元素をトラップするような結晶欠陥または局所的な偏析サイトを形成し、結晶欠陥または局所的な偏析サイトに触媒元素を移動させトラップさせる方法である。
【００６２】
本発明の半導体装置の製造方法では、結晶性珪素膜の一部にゲッタリングシンクとしてゲッタリング元素を添加した領域を、ゲッタリング元素の添加時に非晶質化し、ゲッタリング元素が添加されて非晶質化した領域が結晶化しない状態を保ちながら第２の加熱処理を行うことによって、第２のゲッタリング作用の利点を最大限に引き出すことができる。これにより、結晶性珪素膜のゲッタリング元素の添加時に非晶質化した領域の不対結合手（ダングリングボンド）等の結晶欠陥が、触媒元素に対する偏析サイトとなり、触媒元素を結晶性珪素膜より移動させ、上層の非晶質珪素膜でトラップする。この結果、半導体装置（ＴＦＴ等）の活性領域として利用する下層の結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度が著しく低減し、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常が無くなり、高い信頼性を得ることができる。
【００６３】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、ゲッタリングのための第２の元素として、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）から選択したＶ族Ｂ元素を用いることが有効である。これらのＶ族Ｂ元素を非晶質珪素膜が結晶化した結晶性珪素膜の一部に添加することによって、結晶性珪素膜のＶ族Ｂ元素が添加された領域における触媒元素の固溶度を飛躍的に上げることができる。これにより、触媒元素の固溶度の差によって、触媒元素がＶ族Ｂ元素が添加されていない領域からＶ族Ｂ元素が添加された領域に移動し、第１のゲッタリング作用が効果的に行われる。この結果、本発明の半導体装置の製造方法では、前述した触媒元素のゲッタリングにおける第１および２のメカニズムの効果を両方とも同時に得ることができ、下層の活性領域となる結晶性珪素膜において著しく触媒元素の濃度を低減することができる。Ｖ族Ｂ元素の中で、最もゲッタリング効果の高いのはリン（Ｐ）であり、結晶性珪素膜の一部にリン（Ｐ）を添加する領域とリン（Ｐ）を添加しない領域との間の固濃度の差が最も大きくなる。
【００６４】
Ｖ族Ｂ元素を用いたゲッタリング方法は、前述の特開平１０−２７０３６３号公報、特開平ｌｌ−４０４９９号公報および特開平１１−５４７６０号公報において開示されている。これらの公報に開示されているゲッタリング方法は、Ｖ族Ｂ元素を添加した領域と添加していない領域とにおける触媒元素の固溶度の差によって触媒元素を移動させる第１のゲッタリング作用を利用している。
【００６５】
これに対して、本発明のゲッタリング方法は、主に、結晶性珪素膜の一部のゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域の不対結合手（ダングリングボンド）等の結晶欠陥である局所的偏析サイトに触媒元素を移動させトラップする第２のゲッタリング作用を利用している。本発明のゲッタリング方法では、第１のゲッタリング作用とこの第２のゲッタリング作用とを組み合わせる相乗効果によって、前述の公報に開示されている従来のゲッタリング法に比較して著しくゲッタリング効率を向上できる。
【００６６】
本発明の半導体装置の製造方法により、得られた結晶性珪素膜は、触媒元素の残留量を簡易的に確認する方法として用いられているフッ酸系のエッチング液（ｅｔｃｈａｎｔ）によるライトエッチング処理を行い、結晶性珪素膜の活性領域に残留している触媒元素を顕在化させる評価を行う場合にも、従来、検出されていたエッチピットは全く発生しない。
【００６７】
また、厳しい評価として、さらに高温での加熱処理を行うと、結晶性珪素膜の活性領域内に残留している触媒元素が再凝集してシリサイド状態となって現れる。この評価を前述の特開平１０−２７０３６３号公報、特開平１１−４０４９９号公報および特開平１１−５４７６０号公報に開示されている構成にて形成された結晶性珪素膜に対して行うと、触媒元素の再凝集が発生した。しかし、本発明の半導体装置の製造方法によって形成された結晶性珪素膜には、触媒元素の再凝集が全く検出されなかった。
【００６８】
実際に、本発明の半導体装置の製造方法を用いて作製されたＴＦＴは、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常な増加現象が全く検出されず、発生率は０％であった。これに対して、前述の公報に開示されている構成および従来技術によって作製されたＴＦＴは、同様のリーク電流の異常な増加現象の発生率が３％以上であった。さらに、本発明の半導体装置の製造方法を用いて作製されたＴＦＴを使用した液晶表示装置では、従来のＴＦＴを用いて多発していた駆動部のサンプリングＴＦＴに起因する表示画像の線状の表示むら、および、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流による画素欠陥も全く発生せず、表示品位を大きく向上できるとともに、製品歩留まりを飛躍的に上げることができた。
【００６９】
また、ゲッタリング効果を向上させるために、ゲッタリング元素であるＶ族Ｂ元素に加えて、III族Ｂ元素も結晶性珪素膜の一部に添加しても良い。この場合、５族Ｂ元素としてリン（Ｐ）および３族Ｂ元素としてホウ素（Ｂ）の組み合わせることによって、ゲッタリング効果が最も高くなる。結晶性珪素膜の一部にリン（Ｐ）およびホウ素（Ｂ）を添加してゲッタリングシンクを形成すると、ゲッタリングのメカニズムが変化することが確認されている。
【００７０】
ゲッタリング元素のリン（Ｐ）のみが添加されている場合には、リン（Ｐ）が添加されたゲッタリング領域とリン（Ｐ）が添加されていないノンドープの非ゲッタリング領域との触媒元素に対する固溶度の差を利用した拡散移動型のゲッタリングとなり、第１のゲッタリング作用が顕著である。
【００７１】
ゲッタリング元素のリン（Ｐ）にホウ素（Ｂ）を加えて添加する場合には、ゲッタリング元素のリン（Ｐ）およびホウ素（Ｂ）が結晶性珪素膜に添加されて非晶質化した領域のゲッタリングシンクにて結晶欠陥等の偏析サイトに触媒元素が析出し易くなり、第２のゲッタリング作用が優勢になる。
【００７２】
ゲッタリング元素のリン（Ｐ）にホウ素（Ｂ）を加えて添加する場合は、ゲッタリング元素のリン（Ｐ）のみを添加する場合よりも、ゲッタリングの効果は大きいが、結晶欠陥等の偏析サイトによってゲッタリングが行われるために、加熱温度および温度範囲の設定が重要なポイントとなる。
【００７３】
本発明では、結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加して、ゲッタリング元素が添加されたゲッタリング領域を非晶質化させ、ゲッタリング領域に結晶欠陥等のゲッタリングサイトを残しゲッタリング領域の再結晶化が起こらないように、第２の加熱処理を行うため、前述の第２のゲッタリング作用をさらに高めることができる。この結果、結晶性珪素膜内のゲッタリング領域にリン（Ｐ）に加えてホウ素（Ｂ）も添加することによって、触媒元素に対するより大きなゲッタリング効果が得られ、結晶性珪素膜の能動領域（チャネル領域）において触媒元素の残留量の低減が図れる。
【００７４】
また、本発明の半導体装置の製造方法におけるゲッタリング元素としては、前述のＶ族Ｂ元素の他に、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等の希ガス元素を用いても良い。これらの希ガス元素が、ゲッタリング領域に存在すると、ゲッタリング領域には結晶欠陥である大きな格子間歪みが生じており、本発明の特徴である結晶欠陥等の偏析サイトによってゲッタリングを行う第２のゲッタリング作用が非常に強くなる。また、希ガス元素は、非晶質珪素膜内に存在すると、希ガス元素が存在する非晶質領域の結晶成長を阻害し、結晶成長（結晶核発生）までの潜伏期間が長くなり、結晶成長速度を遅らせる効果を有している。このため、本発明において、希ガス元素は、結晶性珪素膜内にゲッタリング元素として添加されると、希ガス元素により非晶質化されたゲッタリング領域を、再結晶化させずに、より非晶質状態のままで保つことができ、大きな第２のゲッタリング作用が得られる。したがって、前述の希ガス元素をゲッタリング元素として用いることは、非常に有効な手段であり、希ガス元素の中でも、アルゴン（Ａｒ）をゲッタリング元素として用いた場合に、最も大きなゲッタリング効果が得られる。
【００７５】
次に、ゲッタリング元素を結晶性珪素膜の一部に選択的に添加する方法としては、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法が望ましい。その他の方法を用いてもある程度の効果は得られるが、イオンシャワードーピング方法を用いたときのゲッタリング効果が特に顕著である。この理由は、イオンシャワードーピングにより、ゲッタリング元素に加えて多量の水素等も結晶性珪素膜に添加され、結晶性珪素膜内のゲッタリング元素が添加された領域において珪素膜の結晶状態が強く乱されるため、ゲッタリング元素が添加された領域を完全に非晶質化できるからである。
【００７６】
本発明では、結晶性珪素膜内にゲッタリング元素を添加する領域が非晶質化されることが第１の重要なポイントであり、その非晶質化が強いほど、よりゲッタリング効果が得られる。
【００７７】
本発明の半導体装置の製造方法における第２の加熱処理は、結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加して非晶質化された領域が、少なくとも完全に結晶化しない状態を保ちながら行うことによって、前述の第２のゲッタリング作用を最低限引き出すことができる。さらに、この第２の加熱処理は、ゲッタリング元素を添加して非晶質化された領域において結晶核の発生（結晶成長）が全く生じない状態を保ちながら行われることがより好ましい。これにより、第２の加熱処理は、結晶性珪素膜内の触媒元素がゲッタリング元素を添加して非晶質化された領域に移動するゲッタリングの全期間において、ゲッタリング効果が最大限となる偏析サイトを保ちながら、第２のゲッタリング作用を最大限に引き出すことができる。
【００７８】
本発明の半導体装置の製造方法では、ゲッタリングのための第２の加熱処理が第２の重要ポイントであり、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が少なくとも完全に結晶化しない状態で、好ましくは結晶核の発生が全く生じない状態で、この第２の加熱処理を行う必要がある。このため、第２の加熱処理は、加熱温度を低く、加熱時間を短く設定するとともに、加熱温度の下限を設定しなければならない。
【００７９】
第２の加熱処理条件の加熱温度および加熱時間は、結晶性珪素膜内の触媒元素をゲッタリング領域に移動させるために設定されているが、最も望ましいのは、結晶性珪素膜内の触媒元素の濃度とゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域の触媒元素の濃度とが、少なくとも熱平衡状態において偏析状態となるような加熱温度および加熱時間が設定されることである。このような状態で第２の加熱処理条件の加熱温度および加熱時間が設定されることによって、ゲッタリング作用は、飽和状態となっており、安定した最大限のゲッタリング効果が得られる。熱平衡状態において偏析状態になる以前では、触媒元素が移動している中途半端な状態であり、プロセス的にも不安定である。
【００８０】
したがって、本発明の半導体装置の製造方法の第２の加熱処理の条件としては、加熱温度４５０℃〜５８０℃の範囲内、加熱時間０．５時間〜８時間の範囲内であることが望ましい。この条件の加熱温度および加熱時間の設定値以上の高温および長時間の加熱処理を行うと、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が結晶化される可能性がある。この場合、本発明の特徴である第２のゲッタリング作用の効果は無くなり、本発明の十分な効果が得られない。また、加熱温度４５０℃以下になると、加熱時間が非常に長くなり、量産性の効率低下、加熱装置の台数増加およびフットプリント（床面積）の拡大から量産用プロセス条件として採用は難しい。
【００８１】
ここで、本発明の第２の加熱処理におけるガラス基板等の絶縁基板に対する加熱温度までの昇温速度および降温速度としては、少なくとも、それぞれ５℃／分以上で昇温および降温することが望ましい。このことは、本発明者らの実験結果より、５℃／分以上の昇温速度及び降温速度で処理を行えば、本発明の効果を損なうことはなく、特に問題も出ないことが確認されている。この昇温速度および降温速度が遅くなると、余分な加熱処理がガラス基板に加わることになり、ガラス基板に対する熱ストレスが増加するとともに、昇温過程および降温過程において、ゲッタリング元素が添加されて非晶質化した領域で再結晶化が誘引される可能性がある。
【００８２】
本発明の半導体装置の製造方法では、第２の加熱処理を行う製造装置の構成も重要なポイントである。第２の加熱処理を行う製造装置については、後述する本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法において詳細に説明する。
【００８３】
次に、本発明の半導体装置の製造方法において、結晶性珪素膜の一部に選択的に第２の元素であるゲッタリング元素が添加される。この場合、ゲッタリング元素は、パターン形成された添加用マスクを用い、最終的に形成される半導体装置の能動（チャネル）領域上を少なくともマスクした状態で、能動（チャネル）領域を取り囲むように、能動（チャネル）領域の周辺部に添加することが望ましい。この場合、半導体装置の活性領域全体である素子領域をマスクした状態で、素子領域を取り囲むように、素子領域の周辺部に添加すると、チャネル領域だけでなく、素子領域（チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域）に、触媒元素がほとんど含まれない状態が得られる。このようにすることによって、後工程において触媒元素による汚染を防止することができる。
【００８４】
このようにチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域の素子領域を取り囲むようにゲッタリング元素の添加を行うと、チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域内の触媒元素は、素子領域の周辺部の全方向に向かって外側に移動することができるため、非常に効率的に素子領域内の触媒元素を素子領域外に移動させることができ、優れたゲッタリング効果が得られる。
【００８５】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、ガラス基板上に形成された非晶質珪素膜の一部に触媒元素を選択的に添加し、第１の加熱処理を行うことにより、触媒元素を選択的に添加された領域からその周辺領域に向かって横方向（基板表面と平行）に非結晶質珪素膜を結晶成長させて結晶性珪素膜を形成する場合には、触媒元素の選択的な添加を、パターン形成された添加用マスクを用いて行い、その後の結晶性珪素膜に一部に第２の元素であるゲッタリング元素を選択的に添加する工程も、同一の添加用マスクを用いて行うことが可能となる。このようにすることよって、触媒元素およびゲッタリング元素のそれぞれの添加工程に対して、異なる添加マスクを作成する必要が無く、製造プロセスの簡略化が図れる。
【００８６】
同時に、後工程において結晶性珪素膜に、半導体装置のチャネル領域が形成される領域は、触媒元素およびゲッタリング元素の添加工程に渡って、常に、マスクにより被覆されている状態が保たれ、露出されない。その結果、結晶性珪素膜内のチャネル領域に対して、製造プロセスに起因する汚染を最小限に抑えることができる。そして、製造プロセスの簡略化および製造プロセスに起因する汚染の抑制により、半導体装置の歩留まりの向上および低コスト化が図れる。
【００８７】
さらに、本発明の半導体装置の製造方法では、結晶性珪素膜の一部に第２の元素であるゲッタリング元素を選択的に添加する方法として、特に、専用の添加用マスクを用いず、結晶性珪素膜内の半導体装置の素子領域（チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域）における不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）に対してゲッタリング元素を添加することも有効である。この場合には、ゲッタリング工程に対して専用のマスクを用いないため、触媒元素を用いずに非結晶質珪素膜を結晶化する場合と同一のマスク数でＴＦＴが作製でき、触媒元素を添加する工程の工数が生じず、極めて生産性の高い製造プロセスが得られる。
【００８８】
この場合、ゲッタリング元素としてＶ族Ｂ元素を用いると、結晶性珪素膜内のゲッタリング元素を添加した領域を、そのまま不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）として使用することによって、ゲッタリングのためのＶ族Ｂ元素の添加工程と不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）のための不純物添加工程とを兼ねるため、不純物添加工程の工数増加が無くなる。これにより、製造プロセズが大きく簡略化でき、生産性の向上が図れる。
【００８９】
但し、この場合、ゲッタリングのための第２の加熱処理では、結晶性珪素膜内のゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が再結晶化しないことが条件であるので、第２の加熱処理により不純物領域であるソース領域およびドレイン領域を活性化させることは難しい。これにより、第２の加熱処理を行い、半導体装置の能動領域となるチャネル領域内の第１の元素である触媒元素を不純物領域に移動させた後に、不純物領域に移動した触媒元素が再拡散しないような短時間の高速熱アニール処理またはレーザー光等の強い光照射処理を行い、不純物領域の活性化を行うことが望ましい。これにより、ゲッタリング効果および不純物活性化効果の両方が得られる。
【００９０】
本発明において、触媒元素により結晶化された結晶性珪素膜の結晶状態を向上させて、結晶性珪素膜に形成された半導体装置の電流駆動能力等の特性を向上させるには、触媒元素により結晶化された結晶性珪素膜に対して、酸化雰囲気中にて高温の加熱処理を行う工程またはレーザー光を照射する工程をさらに追加しても良い。酸化雰囲気中にて高温の加熱処理を行い、触媒元素により結晶化された結晶性珪素膜の結晶状態を向上させる方法では、触媒元素により結晶化された結晶性珪素膜に対して、温度８００℃〜１１００℃の高温状態で酸化処理を行うと、酸化作用により生じる過飽和Ｓｉ原子が結晶性珪素膜内に供給され、過飽和Ｓｉ原子が、結晶性珪素膜内の不対結合手（ダングリングボンド）等の結晶欠陥に入り込み、結晶欠陥を消滅させ結晶状態を向上させることができる。しかし、この方法では、安価なガラス基板に対して使用できず、本発明においては、レーザー光を照射する方法がより有効となる。
【００９１】
本発明の半導体装置の製造方法により得られる結晶性珪素膜に対して、レーザー光を照射した場合、結晶性珪素膜と非晶質珪素膜との融点が異なることから、結晶粒界部および微小な残留非晶質領域（未結晶化領域）が集中的に熱処理される。ここで、通常の固相成長法で形成した結晶性珪素膜では、結晶構造が双晶状態であるため、レーザー光等の強い光照射後も結晶粒内部には双晶欠陥が残る。これに対して、非晶質珪素膜に触媒元素を添加し結晶化された結晶性珪素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるため、レーザー光等の強い光照射により結晶粒界部が処理されるとガラス基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶性珪素膜が得られ、結晶性珪素膜に対するレーザー光の照射は非常に有効である。
【００９２】
また、元々結晶性を有する珪素膜に対してレーザー光の照射を行うために、非晶質珪素膜に直接レーザー光を照射し結晶化する方法とは異なり、レーザー光の照射強度のばらつきによる結晶欠陥の発生は大きく緩和され、形成された結晶性珪素膜の均一性の問題も生じない。本発明では、このようなレーザー光の照射処理を行う工程は、ゲッタリング工程の前に行うことが望ましい。その理由は、触媒元素による固相結晶化で得られた結晶性珪素膜にレーザー光を照射すると、結晶性珪素膜内の触媒元素の存在形態がシリサイドとしての凝集、再凝集等のように変化を生じる可能性があり、半導体装置における能動領域（チャネル領域）の結晶性珪素膜より触媒元素を取り除くゲッタリング工程としては、完全に活性領域を構成する結晶性珪素膜の結晶状態が固まってから行うのが望ましい。これにより、理想的なゲッタリングが行える。
【００９３】
本発明の半導体装置の製造方法に使用できる触媒元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等である。これらの元素から一種類または複数種類の元素を選択して、非晶質珪素膜に添加すると、微量にて非晶質珪素膜に対して結晶化促進の効果がある。これらの元素の中でも、特に、Ｎｉ（ニッケル）を使用した場合に、最も顕著な結晶化促進の効果が得られる。この理由は、次のようなモデルについて考えられる。触媒元素は、単独では非晶質珪素膜に作用せず、珪素と結合してシリサイド化することによって非晶質珪素膜の結晶成長に作用する。その際のシリサイドの結晶構造が、非晶質珪素膜の結晶化に一種の鋳型のように作用し、非晶質珪素膜の結晶化を促すというモデルである。Ｎｉは、２つのＳｉ（シリコン元素）と結合し、シリサイドＮｉＳｉ2を形成する。シリサイドＮｉＳｉ2は、螢石型の結晶構造を有し、単結晶珪素のダイヤモンド構造と非常に類似している。しかも、シリサイドＮｉＳｉ2の格子定数は、５．４０６Åであり、単結晶珪素のダイヤモンド構造の格子定数の５．４３０Åに非常に近い値である。これにより、シリサイドＮｉＳｉ2は、非晶質珪素膜を結晶化させるために、最高の鋳型として作用し、本発明における触媒元素としては、Ｎｉを用いるのが最も望ましい。
【００９４】
本発明の半導体装置の製造方法によって形成された半導体装置は、ガラス基板等の絶縁性表面を有する基板上に形成された結晶性を有する珪素膜を活性領域として形成されている。その活性領域には、非晶質珪素膜の結晶化を促進する触媒元素が添加されており、その触媒元素が活性領域の全領域において結晶性珪素膜の格子間に固溶している状態であり、最終的に得られる半導体装置の活性領域における触媒元素の残留する濃度は、１×１０15〜１×１０17／ｃｍ3の範囲内である。前述した半導体装置の製造方法を用いることにより、初めて、このように触媒元素の残留する濃度が低減された半導体装置が得られる。
【００９５】
半導体装置の活性領域内に残留する触媒元素の量は出来る限り低いほど良いが、触媒元素により非晶質珪素膜の結晶化を促進し、第１のゲッタリング作用および第２のゲッタリング作用を組み合わせたゲッタリング効率の高いゲッタリング処理を行っても、少なくとも１×１０15／ｃｍ3以上の濃度の触媒元素が結晶性珪素膜の活性領域内に残存する。しかし、結晶性珪素膜の活性領域内の触媒元素は、触媒元素の残留濃度を１×１０17／ｃｍ3以下にて、結晶性珪素膜の格子間に固溶している状態であれば、触媒元素は半導体装置の素子特性に電気的な影響を全く及ぼさない。この結果、前述した半導体装置の製造方法によって、高性能、高信頼性および高安定性の半導体装置が得られる。
【００９６】
前述の半導体装置は、活性領域全体である素子領域に渡って、触媒元素の残留濃度が１×１０17／ｃｍ3以下であれば最も良いが、少なくとも能動領域（チャネル領域）内において触媒元素が結晶性珪素膜の格子間に固溶している状態であり、能動領域（チャネル領域）における触媒元素の濃度が１×１０15〜１×１０17／ｃｍ3の範囲内であれば、高性能、高信頼性および高安定性が得られる。このような半導体装置は、素子領域内の不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）に触媒元素をゲッタリングしたことにより得られ、素子領域内における触媒元素の濃度は、能動領域（チャネル領域）の濃度よりも不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）の濃度の方が高くなるよう設定されている。本発明の半導体装置における活性領域中に含まれる触媒元素種としては、前述の理由からＮｉ元素が含まれていることが最も望ましい。
【００９７】
本発明は、このような知見に基づくものである。
【００９８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の半導体装置の製造方法の具体例を詳細に説明する。
【００９９】
本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法を図１（Ａ）〜（Ｇ）に基づいて説明する。本発明の第１の実施形態では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する場合の工程について説明を行う。第１の実施形態のＮ型ＴＦＴは、アクティブマトリクス型液晶表示装置のドライバー回路および画素部分、薄膜集積回路等を構成する素子としても利用することができる。
【０１００】
図１（Ａ）〜（Ｇ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【０１０１】
まず、図１（Ａ）に示すように、ガラス基板１０１上に、例えば、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化珪素から成る下地膜１０２を形成する。この酸化珪素の下地膜１０２は、ガラス基板１０１の上方に形成される素子領域に、ガラス基板１０１から不純物の拡散を防止するために設けられる。その後、酸化珪素の下地膜１０２上に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば、厚さ４０ｎｍの真性（Ｉ型：ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｔｙｐｅ）の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３を形成する。本発明の第１の実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、加熱温度を３００℃とし、材料ガスにＳｉＨ4ガスおよびＨ2ガスを用いた。そして、プラズマＣＶＤ装置のＲＦパワーは、パワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ2とし、例えば、８０ｍＷ／ｃｍ2として行った。
【０１０２】
その後、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上に均等にニッケル（Ｎｉ）１０５の微量添加を行う。このニッケル１０５の微量添加は、ニッケル１０５を溶融させた溶液を非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上に保持し、スピナーによりニッケル１０５を溶融させた溶液をガラス基板１０１上の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。第１の実施形態では、溶質として酢酸ニッケルを用い、溶媒として水を用い、溶液中のニッケル濃度を１０ｐｐｍに設定した。非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上の添加されたニッケルの濃度を全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ：Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｘ−Ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法により測定すると、ニッケルの濃度は５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１０３】
その後、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気において第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理は、第１ステップとして昇温途中にまず非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３内の水素離脱処理を行い、さらに第２ステップとして高温にて非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３の結晶化を行った。具体的には、第１の加熱処理の第１ステップとして、加熱温度４５０〜５２０℃、加熱時間１〜２時間のアニール処理を行い、第１の加熱処理の第２ステップとして、加熱温度５２０〜５７０℃、加熱時間２〜８時間のアニール処理を行う。第１の実施形態では、一例として、第１の加熱処理の第１ステップとして加熱温度５００℃、加熱時間１時間のアニール処理を行った後、さらに、第２ステップとして加熱温度５５０℃、加熱時間４時間のアニール処理を行った。この第１の加熱処理において、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上に添加されたニッケル１０５が非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３内部に拡散するとともに、シリサイド化が起こり、それを核として非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３の結晶化が進行する。
【０１０４】
その結果、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３は、結晶化され、図１（Ｂ）に示すように、結晶性珪素膜１０３ａとなる。
【０１０５】
次に、図１（Ｂ）に示すように、結晶性珪素膜１０３ａ上に、レーザー光１０７を照射する。レーザー光１０７の照射は、結晶性珪素膜１０３ａをさらに再結晶化させ、結晶性珪素膜１０３ａの結晶状態を向上させる。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ2、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2で照射し、照射時にガラス基板１０１を温度２００〜４５０℃、例えば温度４００℃に加熱した。レーザー光のビームサイズは、ガラス基板１０１表面にて１５０ｍｍ×ｌｍｍの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に０．０５ｍｍのステップ幅により順次走査を行った。これにより、結晶性珪素膜１０３ａ上の任意の一点において、計２０回のレーザー照射が行われることになる。この結果、固相結晶化により得られた結晶性珪素膜１０３ａは、レーザー光の照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性珪素膜１０３ｃとなる。
【０１０６】
次に、素子間分離のために、結晶性珪素膜１０３ｃの不要な部分を、図１（Ｃ）に示すように除去する。そして、ＴＦＴの活性領域（ソース領域、ドレイン領域、チャネル領域）となる島状の結晶性珪素膜１１２を形成する。
【０１０７】
次に、図１（Ｄ）に示すように、ＴＦＴの活性領域となる島状の結晶性珪素膜ｌｌ２を覆うように、厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１００ｎｍの酸化珪素膜をゲート絶縁膜１１３として形成する。ゲート絶縁膜１１３である酸化珪素膜の形成は、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０℃〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃にて分解して堆積させた。また、ゲート絶縁膜１１３である酸化珪素膜の形成は、減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によって、ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに、基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０℃にて形成してもよい。
【０１０８】
その後、スパッタリング法によって、島状の結晶性珪素膜ｌｌ２を覆ったゲート絶縁膜１１３上に高融点メタルを堆積し、この高融点メタルをパターニング形成して、ゲート電極ｌｌ４を形成する。この場合の高融点メタルとしては、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等が望ましい。第１の実施形態では、厚さ３００〜６００ｎｍ、例えば４５０ｎｍである高融点メタルに窒素が微量に添加されたＴａを用いた。その後、イオンドーピング法によって、ゲート電極１１４をマスクとしてＴＦＴの活性領域となる島状の結晶性珪素膜ｌｌ２に低濃度の不純物（リン）１１６を注入し、低濃度不純物領域１１８を形成する。低濃度の不純物（リン）１１６のドーピング条件は、ドーピングガスとしてホスフィン（ＰＨ3）を使用し、加速電圧６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量１×１０12〜１×１０14ｃｍ-2、例えば２×１０13ｃｍ-2とする。この工程により、ＴＦＴの活性領域となる島状の結晶性珪素膜１１２において、ゲート電極１１４によりマスクされていない領域は、低濃度の不純物（リン）１１６が注入された低濃度不純物領域１１８となり、ゲート電極１１４にマスクされ低濃度の不純物（リン）１１６が注入されない領域は、ＴＦＴのチャネル領域１１７となる。
【０１０９】
次に、図１（Ｅ）に示すように、ゲート絶縁膜１１３上のゲート電極ｌｌ４を完全に覆うようにフォトレジストによりドーピングマスク１１９を形成する。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク１１９をマスクとして低濃度不純物領域１１８に高濃度の不純物（リン）１２０を注入する。高濃度の不純物（リン）１２０のドーピング条件は、ドーピングガスとして、ホスフィン（ＰＨ3）を使用し、加速電圧６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば２×１０15ｃｍ-2とする。この工程により、高濃度の不純物（リン）１２０が注入された低濃度不純物領域１１８は、ＴＦＴのソースまたはドレイン領域１２１となる。本発明の第１の実施形態では、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法を用いて高濃度の不純物（リン）１２０のドーピングを行っている。このため、多量の水素も同時にＴＦＴのソースまたはドレイン領域１２１に注入されている。その結果、高濃度の不純物（リン）１２０が注入されたＴＦＴのソースまたはドレイン領域１２１は、結晶状態が崩れ非晶質化される。
【０１１０】
その後、高濃度の不純物（リン）１２０のドーピングのために、マスクとして使用したフォトレジスト１１９を除去した後、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気にて第２の加熱処理を行う。第１の実施形態では、第２の加熱処理の条件が窒素雰囲気中にて加熱温度４５０℃〜５８０℃、加熱時間０．５時間〜８時間、より好ましくは加熱温度４５０〜５２０℃、加熱時間０．５時間〜８時間であることが望ましい。また、第２の加熱処理における加熱温度までの昇温速度および加熱温度からの降温速度としては、少なくとも５℃／分以上で行うことが望ましい。実際に、第１の実施形態では、加熱温度５００℃、加熱時間２時間の第２の加熱処理を行った。この場合、加熱温度までの昇温および降温は、ガラス基板１０１を温度２００℃程度で余熱した状態から加熱温度５００℃まで３０分（昇温速度１０℃／分）で昇温し、加熱処理後、加熱温度５００℃から温度２００℃まで同じく３０分（降温速度１０℃／分）で降温した。
【０１１１】
次に、図１（Ｆ）に示すように、前述の第２の加熱処理により、ソースまたはドレイン領域１２１にドーピングされている高濃度の不純物（リン）１２０が、チャネル領域１１７に残存している触媒元素のニッケル１０５を、チャネル領域から隣接するソースまたはドレイン領域１２１への矢印の方向であるゲッタリング方向１１１に向かって移動させる。このような第２の加熱処理では、ゲッタリングシンクとなる高濃度にリン（Ｐ）がドーピングされ非晶質化したソースまたはドレイン領域１２１において、その加熱処理の全期間にて結晶核の発生が全く生じず再結晶化が行われない。その結果、ソースまたはドレイン領域１２１では、非常にゲッタリング効率の高い状態が熱処理の全期間にわたって得られる。これにより、チャネル領域ｌｌ７が効果的にゲッタリングされ、本発明によるゲッタリング効果を最大限に引き出すことができる。
【０１１２】
この第２の加熱処理後のチャネル領域１１７における残留ニッケル濃度は、５×１０15〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減されていた。また、チャネル領域１１７に残留しているニッケル１０５は、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。また、第１の実施形態では、ガラス基板１０１として、３２０ｍｍ×４００ｍｍの基板サイズ、厚さ０．７ｍｍのコーニング社製コード１７３７のノンアニール品のガラス基板１０１を用いているが、第２の加熱処理によるガラス基板１０１の反り、たわみ、割れ等は発生しなかった。さらに、メートルサイズの大型ガラス基板を使用した場合でも、第１の実施形態に示す加熱処理であれば、問題なく使用可能であることが確認できている。
【０１１３】
ここで、本発明の第１の実施形態では、第２の加熱処理を、ファーネス炉を使用して行った。ファーネス炉は、ガラス基板１０１の平面形状と概略相似形の断面形状をもつ炉心管が設けられており、ガラス基板１０１は、ガラス基板１０１の平面を炉心方向に向け、ファーネス炉の炉心管の周囲とガラス基板１０１の側端部との間のスペースが最小となるように配置されている。
【０１１４】
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれファーネス炉の概略構造を示す概念図である。
図６（Ａ）に示すように、中空直方体状の石英ボート６０２内に所定の厚みを有する矩形状のガラス基板６０１が２０枚セットされている。この石英ボート６０２を石英チューブ（炉心管）６０３の中に入れて第２の加熱処理が行われる。石英ボート６０２は、ガラス基板６０１がセットされる際には、石英チューブ（炉心管）６０３の下方のホームポジション６０７に配置されている。石英チューブ（炉心管）６０３は、温度５００℃に加熱されており、ホームポジション６０７は、温度２００℃程度に保たれている。そして、矢印６０４に示す方向にガラス基板６０１が２０枚セットされた石英ボート６０２の上部が、石英チューブ（炉心管）６０３内に入るとともに、ガラス基板６０１の昇温が開始され、石英ボート６０２全体が完全にアニールゾーン６０８に入ると、各ガラス基板６０１の第２の加熱処理がスタートする。降温は、逆に石英ボート６０２を石英チューブ（炉心管）６０３内から余熱ゾーンであるホームポジション６０７に降ろすことにより行われる。各ガラス基板６０１の第２の加熱処理において、石英チューブ（炉心管）６０３の平断面形状が、図６（Ｂ）に示すように、ガラス基板６０１の外形より大きく、ガラス基板６０１の外形と概略相似形をなす矩形状であることが重要となる。尚、ガラス基板６０１の基板サイズが３２０×４００ｍｍであれば、石英チューブ（炉心管）６０３は、ガラス基板６０１の基板サイズ３２０×４００ｍｍより一回り大きな矩形状の平断面で構成されており、その矩形状の平断面の内側のサイズが４００×４８０ｍｍである。
【０１１５】
液晶表示用のアクティブマトリクス基板等のマザーボードとなるガラス基板６０１は、ＩＣ等に使用されるシリコンウエハーと異なり、ガラス基板６０１の外形が円形状ではなく全て矩形状となっている。従来のファーネス炉の石英チューブ（炉心管）６０３ａは、通常、図６（Ｃ）に示すように円形状である。この石英チューブ（炉心管）６０３ａに、矩形のガラス基板６０１をセットした石英ボート６０２を入れ、平断面図を見ると、ガラス基板６０１と石英チューブ（炉心管）６０３ａとの間に大きな隙間６０６ａが生じる。これに対して、本発明の第１の実施形態では、ガラス基板６０１の外形と概略相似形の矩形状の平断面を有する石英チューブ（炉心管）６０３を用いることによって、図６（Ｂ）に示すように、ガラス基板６０１と石英チューブ（炉心管）６０３との間の隙間６０６の間隔を最小にすることができる。本発明の第１の実施形態では、この石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との隙間６０６の間隔が重要なポイントとなる。
【０１１６】
次に、本発明の第１の実施形態では、第２の加熱処理における加熱温度の昇温および降温を速やかに行う必要がある。ところが、従来のファーネス炉の方式では、特に基板サイズが６００×７２０ｍｍのような大型のガラス基板に対して、前述のような早い昇温速度および降温速度により加熱処理を行うことは極めて困難であった。また、従来のファーネス炉の大きな問題として、昇温時および降温時のガラス基板内の温度分布のばらつきが非常に大きくなる。具体的には、ガラス基板の端面周辺部と中央部との温度差が２００℃を越えるような温度分布のばらつきが生じており、その温度差の影響によりガラス基板の反りおよび割れが頻発していた。
【０１１７】
この問題を解決するために実験を行った結果、図６（Ｄ）に示すように、石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との間の隙間６０６の間隔と、石英ボート６０２にガラス基板６０１を複数枚セットする場合の基板ピッチ６０５とが重要なパラメーターであることを見出した。これにより、各ガラス基板６０１の昇温および降温を速やかに行うことと、各ガラス基板６０１の昇温時および降温時の各ガラス基板６０１内の温度分布のばらつきを改善することが、同時に解決できた。その解決策のポイントは、各ガラス基板６０１の第２の加熱処理を行う場合、窒素（Ｎ2）等の雰囲気ガス６０９を、各ガラス基板６０１間に一定量以上、供給すれば良い。図６（Ｄ）には、雰囲気ガス６０９の流れを矢印によって示している。石英チューブ（炉心管）６０３の上面の中央の開口部より供給される雰囲気ガス６０９は、石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との隙間６０６を通って石英チューブ（炉心管）６０３内の上方から下方への方向６１０に流れながら、各ガラス基板６０１の間にガラス基板６０１の表面と平行方向６１１に流れ込む。これにより、ガラス基板６０１の表面に対して、ガラス基板６０１の表面と平行方向６１１に流れる雰囲気ガス６０９の供給量を増やすことによって、昇温速度および降温速度を上げることが可能となり、この時のガラス基板６０１の表面の温度分布をほぼ一定に保つことができる。
【０１１８】
このガラス基板６０１の表面と平行方向６１１に流れる雰囲気ガス６０９の供給量は、ガラス基板６０１と石英チューブ（炉心管）６０３との間の隙間６０６を石英チューブ（炉心管）６０３内の上方から下方への方向６１０に流れる雰囲気ガス６０９の流速に比例し、ガラス基板６０１間の基板ピッチ６０５の間隔の二乗に比例する。石英チューブ（炉心管）６０３内の上方から下方への方向６１０の雰囲気ガス６０９の流速を増加させるには、雰囲気ガス６０９の供給量を増加するだけでは不十分であり、石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との隙間６０６の間隔を最小にすることが有効となる。そのために、ガラス基板６０１の外形とに概略相似形の矩形状の断面を有する石英チューブ（炉心管）６０３を用いることによって、図６（Ｂ）に示すように、石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との隙間６０６の間隔を最小にすることができる。これにより、ガラス基板６０１間の基板ピッチ６０５の間隔を最適化でき、第２の加熱処理に必要な早い昇温速度および降温速度を実現できるとともに、第２の加熱処理時のガラス基板６０１表面の温度分布をほぼ一定に保つことが可能となり、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても、第２の加熱処理において、割れおよび反りの無い安定した加熱処理が可能となる。また、チャンバー内の構成が図６（Ａ）、（Ｂ）および（Ｄ）に示すようなファーネス炉を、クラスター状に接続し、同時に加熱処理を行うマルチチャンバー化することによって、高い処理能力を持つ製造装置が小さなフットプリント（床面積）により実現可能となる。すなわち、本発明の第２の加熱処理の処理装置として、量産を含めて考えても最適な装置となる。
【０１１９】
また、この第２の加熱処理により、ゲート絶縁膜ｌｌ３の焼成処理も同時に行われ、ゲート絶縁膜１１３自身のバルク特性および結晶性珪素膜とゲート絶縁膜１１３との界面特性も向上する。
【０１２０】
その後、図１（Ｆ）に示すように、ガラス基板１０１上のソースまたはドレイン領域１２１に、レーザー光１２２を照射してアニール処理を行う。このアニール処理は、リン（Ｐ）のイオン注入によって非晶質化されたソースまたはドレイン領域１２１の不純物（リン）の活性化を行うと同時に、ソースまたはドレイン領域１２１の再結晶化を行い結晶性を改善させる。本発明の第１の実施形態では、ソースまたはドレイン領域１２１をゲッタリングシンクとして非晶質状態で利用するため、前述の温度５００℃の第２の加熱処理だけでは、ソースまたはドレイン領域１２１の結晶状態は回復しておらず十分な不純物（リン）の活性化が得られない。このため、本発明の第１の実施形態では、レーザー光１２２の照射によるアニール工程を追加している。このアニール工程において、使用するレーザーは、波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマレーザーを用い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2のレーザー光１２２を照射する。この結果、Ｎ型不純物（リン）がイオン注入されたソースまたはドレイン領域１２１のシート抵抗値は、２００〜５００Ω／□であり、Ｎ型領域の低濃度不純物領域１１８のシート抵抗値は、３０〜５０ｋΩ／□である。
【０１２１】
次に、図１（Ｇ）に示すように、ガラス基板１０１上の全体を覆うために、厚さ６００ｎｍ程度の層間絶縁膜１２３である酸化珪素膜または窒化珪素膜を形成する。層間絶縁膜１２３として酸化珪素膜を形成する場合には、酸化珪素膜の原料にＴＥＯＳを使用する。酸化珪素膜は、プラズマＣＶＤ法によってＴＥＯＳを酸素とともに分解して堆積させて、または、減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によってＴＥＯＳをオゾンとともに分解して堆積させて形成する。これにより、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜１２３である酸化珪素膜が得られる。また、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＨ4とＮＨ3とを原料ガスとして成膜された窒化珪素膜を層間絶縁膜１２３に用いれば、活性領域であるソースまたはドレイン領域１２１およびチャネル領域１１７と、ゲート絶縁膜１１３との界面に水素原子を供給し、ＴＦＴの特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【０１２２】
その後、ソースまたはドレイン領域１２１上の層間絶縁膜１２３にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンおよびアルミニウムの二層膜によってＴＦＴの電極配線１２４を形成する。これにより、ＴＦＴ１２６が形成される。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散することを防止するバリア膜として設けられる。ＴＦＴ１２６を画素用ＴＦＴとして用いる場合には、ＴＦＴ１２６は、画素電極のスイッチングを行う素子であるので、一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透明導電膜からなる画素電極が設けられる。この場合、他方の電極は、ソース電極としてソースバスラインを構成することになり、ソースバスラインを介してソース電極にビデオ信号が供給され、ゲートバスラインを構成するゲート電極１１４に供給されるゲート信号に基づいて、ＴＦＴ１２６がＯＮ／ＯＦＦ動作し画素電極に必要な電荷が書き込まれる。その後、１気圧の水素雰囲気において、温度３５０℃、１時間のアニール処理を行い、ＴＦＴｌ２６が完成される。尚、必要に応じて、ＴＦＴｌ２６を保護するために、ＴＦＴｌ２６上に窒化珪素膜等から成る保護膜を設けても良い。
【０１２３】
以上、図１（Ａ）〜（Ｇ）の工程にしたがって作製されたＴＦＴ１２６は、電界効果移動度が２５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．５Ｖ程度と非常に高性能であり、従来のＴＦＴで発生しやすいＯＦＦ動作時のリーク電流の異常な増加が全く無く、ＴＦＴ１２６のＯＦＦ動作時のリーク電流が単位Ｗ当たり１ｐＡ以下と非常に低い値を安定して示した。このリーク電流の値は、触媒元素を用いずに作成した従来のＴＦＴと比較しても全く差が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができた。また、ＴＦＴ１２６は、繰り返し測定、バイアス負荷および温度ストレスによる耐久性試験においても、ほとんど諸特性の劣化が見られず、従来のＴＦＴと比較して非常に信頼性が向上した。
【０１２４】
尚、本発明の図１（Ａ）〜（Ｇ）の工程にしたがって作製されたＴＦＴ１２６は、薄膜集積回路等にも簡単に応用でき、その場合にはＴＦＴ１２６のゲート電極１１４上にもコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せば良い。
【０１２５】
本発明の第２の実施形態である半導体装置の製造方法を図３（Ａ）〜（Ｇ）に基づいて説明する。本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の説明と同様にガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する場合の工程について説明を行う。第２の実施形態のＴＦＴは、アクティブマトリクス型液晶表示装置のドライバー回路および画素部分、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。本発明の第２の実施形態では、それらの代表例として、ガラス基板上に数十万から数百万のＮ型ＴＦＴを均一に作製する必要がある液晶表示装置用アクティブマトリクス基板の画素駆動用ＴＦＴの説明を行う。
【０１２６】
図２（Ａ）〜（Ｅ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態である半導体装置の製造方法におけるアクティブマトリクス基板上の画素駆動用ＴＦＴの各工程の概要を示す平面図である。アクティブマトリクス基板は、通常、画素駆動用ＴＦＴがアクティブマトリクス基板上の行方向および列方向に沿って数十万個以上配置され構成されているが、説明を簡略化するために、図２（Ａ）〜（Ｅ）では、行方向および列方向に沿って３行×３列の９個の画素駆動用ＴＦＴについて表している。図３（Ａ）〜（Ｇ）は、図２（Ａ）〜（Ｅ）における任意の１個の画素駆動用ＴＦＴでのＡ−Ａ’線における断面図であり、（Ａ）から（Ｇ）の順番に基づいて各工程が順次進行する。
【０１２７】
まず、図３（Ａ）に示すように、ガラス基板２０１上に、例えば、スパッタリング法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化珪素から成る下地膜２０２を形成する。この酸化珪素の下地膜２０２は、ガラス基板２０１の上方に形成される素子領域に、ガラス基板２０１から不純物の拡散を防止するために設けられる。その後、酸化珪素の下地膜２０２上に、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば４０ｎｍの真性（Ｉ型：ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｔｙｐｅ）の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を形成する。本発明の第２の実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、加熱温度を３００℃とし、材料ガスにＳｉＨ4ガスおよびＨ2ガスを用いた。そして、プラズマＣＶＤ装置のＲＦパワーは、パワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ2とし、例えば、８０ｍＷ／ｃｍ2として行った。
【０１２８】
次に、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上に均等にニッケル（Ｎｉ）２０５の微量添加を行う。このニッケル２０５の微量添加は、ニッケルを溶融させた溶液を非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上に保持し、スピナーによりニッケル（Ｎｉ）２０５を溶融させた溶液をガラス基板２０１上の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。第２の実施形態例では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としてはエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度を１ｐｐｍに設定した。非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上の添加されたニッケルの濃度を全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ：Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｘ−Ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法により測定すると、ニッケルの濃度は、６×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１２９】
その後、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気において第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理は、加熱温度５２０〜５７０℃、例えば５５０℃、加熱時間２〜８時間、例えば４時間のアニール処理を行った。この第１の加熱処理において、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上に添加されたニッケル２０５が非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３内部に拡散するとともに、シリサイド化が起こり、それを核として非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３の結晶化が進行する。
【０１３０】
その結果、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３は、結晶化され、図２（Ｂ）に示すように、結晶性珪素膜２０３ａとなる。
【０１３１】
次に、図３（Ｂ）に示すように、結晶性珪素膜２０３ａ上に、レーザー光２０７を照射する。レーザー光２０７の照射は、結晶性珪素膜２０３ａをさらに再結晶化させ、結晶性珪素膜２０３ａの結晶状態を向上させる。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光のレーザー光のエネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ2、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2で照射し、照射時にガラス基板２０１を温度２００〜４５０℃、例えば温度４００℃に加熱した。この結果、固相結晶化により得られた結晶性珪素膜２０３ａは、レーザー光の照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性珪素膜２０３ｃとなる。
【０１３２】
次に、図３（Ｃ）に示すように、結晶性珪素膜２０３ｃ上に酸化珪素膜または窒化珪素膜の絶縁性薄膜を形成し、その後、絶縁性薄膜上をパターニングして図２（Ａ）に示す長方形のマスク２０４を各画素毎に形成する。マスク２０４は、本実施形態では酸化珪素膜を使用した。マスク２０４の形成は、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに分解して堆積させた。マスク２０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施形態では、マスク２０４である酸化珪素膜の厚さを１５０ｎｍとした。この時の状態をガラス基板２０１上方より見ると、図２（Ａ）に示すように、結晶性珪素膜２０３ｃの一部がマスク２０４により島状にマスクキング（遮蔽）された状態となっている。その後、ガラス基板２０１上方より、アルゴン２０８をガラス基板２０１上の全面にイオンドーピングする。この場合のアルゴン２０８のドーピング条件としては、ドーピングガスとして含有率１００％のアルゴン（Ａｒ）を使用し、加速電圧を例えば５〜１５ｋＶ、ドーズ量１×ｌ０15〜１×１０16／ｃｍ2、例えば３×１０15／ｃｍ2とする。この工程により、結晶性珪素膜２０３ｃ上のマスク２０４によって被覆されていない領域にアルゴン２０８を注入し、アルゴン２０８が注入された領域は、非晶質化され、非晶質珪素領域２０３ｆとなる。マスク２０４によって被覆されている結晶性珪素膜２０３ｃには、アルゴン２０８はドーピングされない。この状態をガラス基板２０１上方より見ると、図２（Ａ）のように表される。後工程にてＴＦＴが形成される活性（素子）領域は、この段階では、結晶性珪素膜２０３ｃ上にてマスク２０４に完全に被覆された状態である。
【０１３３】
その後、結晶性珪素膜２０３ｃ上に酸化珪素膜のマスク２０４が形成された状態のガラス基板２０１を、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気にて第２の加熱処理を行う。第２の実施形態では、第２の加熱処理の条件が窒素雰囲気中にて加熱温度４５０℃〜５８０℃、加熱時間０．５時間〜８時間、より好ましくは加熱温度４５０〜５２０℃、加熱時間０．５時間〜８時間であることが望ましい。また、第２の加熱処理における加熱温度までの昇温速度および加熱温度からの降温速度としては、少なくとも５℃／分以上で行うことが望ましい。実際に、第２の実施形態では、加熱温度５００℃、加熱時間４時間の第２の加熱処理を行った。この場合、加熱温度までの昇温および加熱温度からの降温は、ガラス基板２０１を温度２００℃程度で余熱した状態から加熱温度５００℃まで３０分（昇温速度１０℃／分で）で昇温し、加熱処理後、加熱温度５００℃から温度２００℃まで同じく３０分（降温速度１０℃／分で）で降温した。
【０１３４】
第２の加熱処理により、非晶質珪素領域２０３ｆにドーピングされたアルゴン２０８は、非晶質珪素領域２０３ｆに存在する触媒元素のニッケル２０５をまずトラップする。
【０１３５】
次に、図３（Ｄ）および図２（Ｂ）に示すように、さらに、マスク２０４にて被覆されている結晶性珪素膜２０３ｃ内に存在している触媒元素のニッケル２０５が、結晶性珪素膜２０３ｃから結晶性珪素膜２０３ｃの周囲に隣接する非晶質珪素領域２０３ｆに向かう矢印の方向であるゲッタリング方向２１１に向かって移動する。この結果、マスク２０４に被覆されている結晶性珪素膜２０３ｃ内におけるニッケル２０５の濃度は大幅に低減する。この第２の加熱処理後に、結晶性珪素膜２０３ｃ内に残留しているニッケル２０５の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定すると、５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減されており、測定可能範囲における測定下限レベルであった。また、マスク２０４に被覆されている結晶性珪素膜２０３ｃ内に残留しているニッケル２０５は、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。この第２の加熱処理条件では、第２の加熱処理の全期間において、アルゴンがドーピングされ非晶質化された非晶質珪素領域２０３ｆは、結晶核が全く発生せず、全く結晶化されていない非晶質状態が維持されている。
【０１３６】
また、第２の実施形態では、ガラス基板２０１として、３２０ｍｍ×４００ｍｍの基板サイズ、厚さ０．７ｍｍのコーニング社製コード１７３７のノンアニール品のガラス基板２０１を用いているが、第２の加熱処理によるガラス基板２０１の反り、たわみ、割れ等は発生しなかった。
【０１３７】
尚、第２の実施形態でも第１実施形態と同様に、第２の加熱処理を、図６に示すファーネス炉を使用して行った。また、本発明の第２の実施形態において、第２の加熱処理後のガラス基板２０１の収縮（シュリンケージ：ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）は、２０ｐｐｍ以下であり、ガラス基板２０１の反りとともに全く問題なく、後工程におけるフォトリソグラフィでのマスクアライメントも全く問題なく行うことができる。
【０１３８】
次に、図３（Ｅ）に示すように、酸化珪素膜から成るマスク２０４をエッチングによって除去する。エッチングは、ウェットエッチングにより行い、エッチング液（ｅｔｃｈａｎｔ）には、マスク２０４の下層の結晶性珪素膜２０３ｃに対して十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を使用した。その後、マスク２０４にて被覆されていた結晶性珪素膜２０３ｃを素子領域とて使用するために、ゲッタリング処理によって触媒元素のニッケル２０５が取り込まれた非晶質珪素領域２０３ｆおよびその他の不要な部分の結晶性珪素膜を除去して素子間分離を行う。これにより、図２（Ｃ）に示すような配置にて、少なくとも結晶性珪素膜２０３ｃの領域を用いて、ＴＦＴの活性領域（ソース領域、ドレイン領域、チャネル領域）となる島状の結晶性珪素膜２１２が形成される。
【０１３９】
次に、図３（Ｆ）に示すように、ＴＦＴの活性領域となる結晶性珪素膜２１２を被覆する厚さ２０〜１５０ｎｍ、例えば１００ｎｍの酸化珪素膜をゲート絶縁膜２１３として形成する。酸化珪素膜から成るゲート絶縁膜２１３の形成には、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃にて分解して堆積させた。酸化珪素膜から成るゲート絶縁膜２１３形成後、ゲート絶縁膜２１３自身のバルク特性、結晶性珪素膜２１２およびゲート絶縁膜２１３の界面特性を向上させるために、不活性ガス雰囲気において、アニール温度５００〜６００℃、アニール時間１〜４時間のアニール処理を行った。
【０１４０】
その後、ゲート絶縁膜２１３上に、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜を形成する。その後、このアルミニウム膜をパターニングして、結晶性珪素膜２１２の中央部分にゲート電極２１４を形成する。さらに、このアルミニウムのゲート電極２１４の表面を陽極酸化して、ゲート電極２１４の表面に酸化物層２１５を形成する。また、図２（Ｄ）に示すように、ゲート電極２１４は、平面的にはゲートバスラインを同時に構成している。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い、最初一定電流にて電圧を２２０Ｖまで上げ、電圧が２２０Ｖの状態を１時間保持して終了する。陽極酸化によって得られた酸化物層２１５は、厚さ３００ｎｍである。尚、この酸化物層２１５の厚さは、後工程でのイオンドーピングにおいて、オフセットゲート領域を形成するための厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化にて設定することができる。
【０１４１】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極２１４とその周囲の酸化物層２１５をマスクとして活性領域（ソース領域、ドレイン領域）に不純物（Ｐ：リン）を注入（ドーピング）する。不純物（Ｐ：リン）のドーピング条件は、ドーピングガスとして、ホスフィン（ＰＨ3）を使用し、加速電圧６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量１×１０15〜８×１０15／ｃｍ2、例えば２×１０15／ｃｍ2とする。この工程により、不純物（Ｐ：リン）が注入された結晶性珪素膜２１２は、ＴＦＴのソースまたはドレイン領域２２１となり、ゲート電極２１４およびその周囲の酸化層２１５にマスクされ不純物（Ｐ：リン）が注入されない結晶性珪素膜２１２は、ＴＦＴのチャネル領域２１７となる。その後、ガラス基板２０１上にレーザー光２２２を照射して、レーザーアニール処理を行い、イオン注入された不純物（Ｐ：リン）の活性化を図ると同時に、不純物（Ｐ：リン）の注入により結晶状態が劣化したＴＦＴのソースまたはドレイン領域２２１の結晶状態を改善する。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2である。この結果、Ｎ型不純物（Ｐ：リン）が注入された結晶性珪素膜２１２に形成されたＴＦＴのソースまたはドレイン領域２２１のシート抵抗値は、２００〜５００Ω／□である。
【０１４２】
次に、図３（Ｇ）に示すように、ガラス基板２０１上の全体を覆うために、厚さ６００ｎｍ程度の層間絶縁膜２２３である酸化珪素膜または窒化珪素膜を形成する。層間絶縁膜２２３として酸化珪素膜を用いる場合には、酸化珪素膜の原料にＴＥＯＳを使用する。酸化珪素膜は、プラズマＣＶＤ法によってＴＥＯＳを酸素とともに分解して堆積させて、または、減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によってＴＥＯＳをオゾンとともに分解して堆積させて形成する。これにより、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜２２３が得られる。また、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＨ4とＮＨ3とを原料ガスとして成膜された窒化珪素膜を層間絶縁膜１２３に用いれば、活性領域であるソースまたはドレイン領域２２１およびチャネル領域２１７と、ゲート絶縁膜２１３との界面に水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【０１４３】
その後、ソースまたはドレイン領域２２１上のソース領域側の層間絶縁膜２２３にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンおよびアルミニウムの二層膜によってＴＦＴのソース電極配線２２４を形成する。図２（Ｅ）に示すように、ソース電極配線２２４は、ゲート電極２１４から成るゲートバスラインと直交するように配置される。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。また、第２の実施形態において、ＴＦＴは画素駆動用であり、画素電極をスイッチングする素子であるため、ソースまたはドレイン領域２２１上のドレイン領域側の層間絶縁膜２２３にコンタクトホールを形成して、ＩＴＯ等の透明性導電膜からなる画素電極２２５を設ける。これにより、画素駆動用のＴＦＴ２２６が形成され、図２（Ｅ）において、ソース電極配線２２４のソースバスラインを介してビデオ信号が供給され、ゲート電極２１４から成るゲートバスラインに供給されるゲート信号に基づいて画素電極２２５に必要な電荷が書き込まれる。その後、１気圧の水素雰囲気において、温度３５０℃、１時間のアニール処理を行い、図３（Ｇ）および図２（Ｅ）に示すＴＦＴ２２６が完成される。尚、必要に応じて、ＴＦＴ２２６を保護するために、ＴＦＴ２２６上に窒化珪素膜等から成る保護膜を設けても良い。
【０１４４】
以上、図３（Ａ）〜（Ｇ）の工程にしたがって作製されたＴＦＴ２２６は、電界効果移動度が２５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．５Ｖ程度と非常に高性能であり、従来のＴＦＴで発生しやすいＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常な増加が全く無く、ＴＦＴ１２６のＯＦＦ動作時のリーク電流が単位Ｗ当たりｌｐＡ以下と非常に低い値を安定して示した。また、ＴＦＴ２２６は、第１の実施形態におけるＴＦＴ１２６と同様に、繰り返し測定、バイアス負荷および温度ストレスによる耐久性試験においても、ほとんど諸特性の劣化が見られず、従来のＴＦＴと比較して非常に信頼性が向上した。
【０１４５】
尚、本発明の図３（Ａ）〜（Ｇ）の工程にしたがって作製されたＴＦＴ２２６により構成される液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯させ評価すると、従来の製造方法により作製した液晶表示用アクティブマトリクス基板と比較して画像の表示むらが明らかに少なく、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流による画素欠陥も極めて少なく、高コントラスト比の表示品位の向上した液晶パネルが得られた。
【０１４６】
本発明の第３の実施形態である半導体装置の製造方法を図５（Ａ）〜（Ｈ）に基づいて説明する。本発明の第３の実施形態は、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、および、一般の薄膜集積回路を形成するＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路をガラス基板上に作製する工程について説明を行う。
【０１４７】
図４は、本発明の第３の実施形態である半導体装置の製造方法におけるＣＭＯＳ構造を構成するＮ型ＴＦＴおよびＰ型ＴＦＴの作製工程の概略を示す平面図である。図５（Ａ）〜（Ｈ）は、図４のＢ−Ｂ’線における断面図であり、（Ａ）から（Ｈ）の順番に基づいて各工程が順次進行する。
【０１４８】
まず、図５（Ａ）に示すように、ガラス基板３０１上に、例えば、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化珪素からなる下地膜３０２を形成する。この酸化珪素の下地膜３０２は、ガラス基板３０１の上方に形成されるＮ型およびＰ型ＦＥＴの素子領域に、ガラス基板３０１から不純物の拡散を防止するために設けられる。その後、酸化珪素の下地膜３０２上に、減圧ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３を成膜する。
【０１４９】
次に、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３上に酸化珪素膜または窒化珪素膜の絶縁性薄膜を形成し、絶縁性薄膜の中央の領域を除去するようにパターニングしてマスク３０４を形成する。マスク３０４を分離する絶縁性薄膜の除去された中央の領域は、スルーホール３００となる。マスク３０４は、本発明の第３の実施形態では酸化珪素膜を使用した。マスク３０４の形成は、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに分解して堆積させた。マスク３０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施形態では、マスク３０４である酸化珪素膜の厚さを１５０ｎｍとした。マスク３０４を分離するスルーホール３００により、スルーホール３００の下部にてスリット状に非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３が露出される。この時の状態をガラス基板３０１上方より見ると、図４に示すのように、スルーホール３００において非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３が露出しており、スルーホール３００に隣接する領域は酸化珪素膜から成るマスク３０４により被覆されている状態となっている。このときのライン状のスルーホール領域３００の幅は２〜１５μｍであることが望ましく、本実施形態では１０μｍとした。
【０１５０】
非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３上にマスク３０４を設けた後、マスク３０４およびスルーホール３００上にニッケル３０５の微量を添加する。このニッケル３０５の微量添加は、ＤＣスパッタリングによって、純度９９．９％以上のニッケルターゲットを使用して行った。ニッケルのＤＣスパッタリング条件は、ＤＣパワーが５０Ｗ程度の極めて低いパワーにて、ガラス基板３０１の搬送速度を２０００ｍｍ／ｍｉｎにまで高めてスパッタリング処理を行った。スパッタリングガスとしてはアルゴンを使用して、純ニッケルターゲットに対してスパッタリング時のガス圧力を１０Ｐａ以上に上げることによって、ニッケル３０５が極めて低濃度添加されるスパッタリングが可能となる。このようにして、マスク３０４およびスルーホール３００上にスパッタリングされたニッケル３０５は、図５（Ａ）では、薄膜のように表示してはいるが、実際には、ニッケル３０５の厚さは、単原子層程度かそれ以下の状態で、とても膜と呼べる状態ではない。この時の具体的なスパッタリング条件は、ＤＣパワー６０Ｗ、アルゴンガス圧１８Ｐａであり、マスク３０４およびスルーホール３００に添加されたニッケル３０５の濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法により測定すると、６×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１５１】
次に、図５（Ｂ）に示すように、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気において第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理は、加熱温度５３０〜６００℃、例えば５６０℃、加熱時間１０時間のアニール処理を行い非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３を結晶化する。この第１の加熱処理において、スルーホール３００では、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３の表面に存在する微量のニッケル３０５を核として非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３の結晶化が起こり、初めに結晶性珪素膜３０３ａが形成される。そして、引き続いて結晶性珪素膜３０３ａに隣接する領域では、図４、図５（Ｂ）において、結晶性珪素膜３０３ａから隣接する両側のマスク３０４の下方の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３への矢印の方向である結晶化方向３０６に向かって、結晶性珪素膜３０３ａから相対する横方向（ガラス基板３０１と平行な方向）に結晶成長が進行し、マスク３０４の下方の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３において、結晶性珪素膜３０３ａから横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂが形成される。
【０１５２】
ガラス基板３０１上には、少なくとも複数のライン状のスルーホール３００およびマスク３０４が、それぞれ隣接して形成されており、各スルーホール３００の下方に形成される結晶性珪素膜３０３ａから相対する横方向の結晶成長が進行し、それぞれの横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂがぶつかり合って結晶成長が終了する。この結晶性珪素膜３０３ｂの横方向の結晶成長がぶつかり合う境界が境界部３０３ｅがである。
【０１５３】
この場合、マスク３０４上に添加されたニッケル３０５は、酸化珪素膜から成るマスク３０４により移動を阻まれ、マスク３０４の下方の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３へは到達せず、スルーホール３００に添加されたニッケル３０５のみによって、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３の結晶化が行われる。この結果、各スルーホール３００の下方に形成される結晶性珪素膜３０３ａから相対する横方向結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂ内のニッケル３０５の濃度は、５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であり、直接ニッケル３０５が添加されて結晶成長した結晶性珪素膜３０３ａ内のニッケル３０５の濃度は１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。尚、上記の第１の加熱処理における非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３の結晶成長に際し、矢印で示される結晶化方向３０６のガラス基板３０１と平行な方向の結晶成長の距離は、例えばスルーホール３００の周囲が全て非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３で横方向の結晶成長のぶつかり合いが生じない場合には、５０μｍ程度になる。
【０１５４】
次に、図５（Ｃ）に示すように、ニッケル３０５の選択添加に使用したマスク３０４をそのまま使用して、ガラス基板３０１上方より、リン（Ｐ）３０９をガラス基板３０１上の全面にイオンドーピングする。この場合のリン（Ｐ）３０９のドーピング条件としては、ドーピングガスとしてホスフィン（ＰＨ3）を使用し、加速電圧５〜１０ｋＶ、ドーズ量５×１０15〜１×１０16／ｃｍ2とした。さらに、引き続きホウ素（Ｂ）３１０を同様に、ガラス基板３０１上方より、ホウ素（Ｂ）３１０をガラス基板３０１上の全面にイオンドーピングする。ホウ素３１０のドーピング条件としては、ドーピングガスとしてジボラン（Ｂ2Ｈ6）を使用し、加速電圧５〜１０ｋＶ、ドーズ量１×１０15〜５×１０15／ｃｍ2とした。この工程により、スルーホール３００内の露出している結晶性珪素膜３０３ａにリン３０９およびホウ素３１０が注入され、リン３０９およびホウ素３１０が注入された結晶性珪素膜３０３ａは非晶質化し、非晶質珪素領域３０３ｆが形成される。マスク３０４によって被覆されている領域の結晶性珪素膜３０３ｂには、リン３０９およびホウ素３１０はドーピングされない。
【０１５５】
本実施形態では、リン３０９およびホウ素３１０のドーピングを別々に行ったが、リン３０９およびホウ素３１０のドーピングに使用するドーピングガスを混合し、リン３０９およびホウ素３１０のドーピングを同時に行っても良い。また、本実施形態では、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法によって、リン３０９およびホウ素３１０のドーピングを行っている。これにより、リン３０９およびホウ素３１０に加えて多量の水素も同時に、結晶性珪素膜３０３ａに注入されている。この結果、リン３０９とホウ素３１０が注入された結晶性珪素膜３０３ａは、結晶状態が完全に乱れて、非晶質化された非晶質珪素領域３０３ｆとなる。
【０１５６】
次に、スルーホール３００の下方に非晶質珪素領域３０３ｆが形成されたガラス基板３０１を、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気にて第２の加熱処理を行う。本実施形態では、第２の加熱処理の条件が窒素雰囲気中にて加熱温度４５０℃〜５８０℃、加熱時間０．５時間〜８時間、より好ましくは加熱温度４５０〜５２０℃、加熱時間０．５時間〜８時間であることが望ましい。また、第２の加熱処理における加熱温度までの昇温速度および加熱温度からの降温速度としては、少なくとも５℃／分以上で行うことが望ましい。実際に、第３の実施形態では、加熱温度５２０℃、加熱時間４時間の第２の加熱処理を行った。この場合、加熱温度までの昇温および加熱温度からの降温は、ガラス基板３０１を温度２００℃程度で余熱した状態から加熱温度５２０℃まで３０分で（昇温速度約１０℃／分で）で昇温し、加熱処理後、加熱温度５２０℃から温度２００℃まで同じく３０分（降温速度１０℃／分で）で降温した。
【０１５７】
第２の加熱処理により、非晶質珪素領域３０３ｆにドーピングされたリン３０９およびホウ素３１０は、非晶質珪素領域３０３ｆに存在する触媒元素のニッケル３０５をまずトラップする。その後、図４および図５（Ｄ）に示すように、マスク３０４にて被覆されている結晶性珪素膜３０３ｂ内に存在しているニッケル３０５が、結晶性珪素膜３０３ｂから非晶質珪素領域３０３ｆに向かう矢印の方向であるゲッタリング方向３１１に向かって移動する。ゲッタリング方向３１１は、結晶性珪素膜３０３ｂが結晶成長した方向とは全く逆方向になる。第３の実施形態では、第１の実施形態と比較すると、リン３０９に加えてホウ素３１０がドーピングされており、リン３０９およびホウ素３１０がドーピングされた領域は、リン３０９のみがドーピングされた領域に比較して、ゲッタリング効率が高くなり、より効果的なゲッタリングシンクとして作用する。この結果、横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂ内のニッケル３０５の濃度は大幅に低減する。
【０１５８】
この第２の加熱処理後に、横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂ内の残留しているニッケル３０５の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定すると、５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減されており、測定可能範囲における測定下限レベルであった。また、結晶性珪素膜３０３ｂ内に残留しているニッケル３０５は、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。この第２の加熱処理条件では、第２の加熱処理の全期間において、リン３０９およびホウ素３１０がドーピングされ非晶質化された非晶質珪素領域３０３ｆは、結晶核が全く発生せず、全く結晶化されていない非晶質状態が維持されている。
【０１５９】
尚、第３の実施形態でも第１および第２の実施形態と同様に、第２の加熱処理を、図６に示すファーネス炉を使用して行った。
【０１６０】
次に、図５（Ｅ）に示すように、酸化珪素膜から成るマスク３０４をエッチングによって除去する。エッチングは、ウェットエッチングにより行い、エッチング液（ｅｔｃｈａｎｔ）には、マスク３０４の下層の結晶性珪素膜３０３ｂに対して十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を使用した。その後、ガラス基板３０１上にレーザー光３０７を照射して、レーザーアニール処理を行い、横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂを再結晶化させて、結晶状態のより高品質な結晶性珪素膜３０３ｄが得られる。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ２、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ２で照射し、照射時にガラス基板３０１を温度２００〜４５０℃、例えば温度４００℃に加熱した。レーザー光のビームサイズは、ガラス基板３０１表面にて１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に０．０５ｍｍのステップ幅により順次走査を行った。これにより、結晶性珪素膜３０３ｂ上の任意の一点において、計２０回のレーザー照射が行われることになる。このようなレーザー光を繰り返し照射することにより、固相結晶化により得られた結晶性珪素膜３０３ｂは、珪素膜中に残存している結晶欠陥および微小な非晶質領域等が優先的に溶融し、結晶化領域の良好な結晶成分のみを反映して膜全体が再結晶化され、より高品質な結晶性珪素膜３０３ｄとなる。
【０１６１】
次に、図５（Ｆ）に示すように、横方向に結晶成長させた結晶性珪素膜３０３ｄの領域を用いて、後工程にてＮ型ＴＦＴの活性領域（素子領域）およびＰ型ＴＦＴの活性領域（素子領域）となる結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐを残し、それ以外の不要な結晶性珪素膜３０３ｄの領域をエッチングによって除去して素子間分離を行う。この場合のニッケル３０５およびリン３０９が添加されたスルーホール３００と、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐとの平面的な位置関係は、図４に示す状態となる。
【０１６２】
次に、図５（Ｇ）示すように、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐを被覆する厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１００ｎｍの酸化珪素膜をゲート絶縁膜３１３として形成する。酸化珪素膜から成るゲート絶縁膜３１３の形成には、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃にて分解して堆積させた。酸化珪素膜から成るゲート絶縁膜３１３形成後、ゲート絶縁膜３１３自身のバルク特性、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐと、ゲート絶縁膜３１３との界面特性を向上させるために、不活性ガス雰囲気において、アニール温度５００〜６００℃、アニール時間１〜４時間のアニール処理を行った。
【０１６３】
その後、ゲート絶縁膜３１３上に、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍのアルミニウム（０．１〜２．０％のシリコンを含む）膜を形成する。その後、このアルミニウム膜をパターニングして、Ｎ型およびＰ型ＴＦＴの活性領域となる結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐの中央部分に、それぞれゲート電極３１４ｎおよび３１４ｐを形成する。
【０１６４】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極３１４ｎおよび３１４ｐをマスクとしてＮ型およびＰ型ＴＦＴの活性領域となる結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐにＮ型不純物（リン）およびＰ型不純物（ホウ素）を選択的にドーピングする。Ｎ型不純物（リン）およびＰ型不純物（ホウ素）のドーピング条件は、ドーピングガスとして、それぞれホスフィン（ＰＨ3）およびジボラン（Ｂ2Ｈ6）を使用し、ホスフィン（ＰＨ3）の場合は、加速電圧６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）の場合は、加速電圧４０ｋＶ〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶ、ドーズ量１×１０15〜８×１０15／ｃｍ2、例えばリンでは２×１０15／ｃｍ2、ホウ素では５×１０15／ｃｍ2とする。この工程により、ゲート電極３１４ｎおよび３１４ｐにマスクされ不純物（リンおよびホウ素）が注入されない結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐは、それぞれＮ型およびＰ型ＴＦＴのチャネル領域３１７ｎおよび３１７ｐとなる。
【０１６５】
Ｎ型不純物（リン）およびＰ型不純物（ホウ素）のドーピングは、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐに対して選択的に行われる。このため、結晶性珪素膜３１２ｎにＮ型不純物（リン）をドーピングする場合には、Ｐ型不純物（ホウ素）をドーピングする結晶性珪素膜３１２ｐ上をフォトレジストで被覆し、結晶性珪素膜３１２ｐにＰ型不純物（ホウ素）をドーピングする場合には、Ｎ型不純物（リン）をドーピングする結晶性珪素膜３１２ｎ上をフォトレジストで被覆する。この結果、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐ内に、それぞれＮ型ＴＦＴのソースまたはドレイン領域３２１ｎおよびＰ型ＴＦＴのソースまたはドレイン領域３２１ｐが形成され、図４に示すようにスルーホール３００の両側に、スルーホール３００と隣接してＮ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７を形成することができる。
【０１６６】
その後、ガラス基板３０１上にレーザー光３２２を照射して、レーザーアニール処理を行い、イオン注入された不純物（リンおよびホウ素）の活性化を図ると同時に、不純物（リンおよびホウ素）の注入により結晶状態が劣化したＴＦＴのソースまたはドレイン領域３２１ｎおよび３２１ｐの結晶状態を改善する。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ2、一か所につき２０ショット照射した。
【０１６７】
次に、図５（Ｈ）に示すように、ガラス基板３０１上の全体を覆うために、プラズマＣＶＤ法によって厚さ９００ｎｍの酸化珪素膜を層間絶縁膜３２３として形成する。その後、ソースまたはドレイン領域３２１ｎおよび３２１ｐ上にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンおよびアルミニウムの二層膜によってＮ型およびＰ型ＴＦＴのソース電極およびドレイン電極と成る電極配線３２４を形成する。その後、１気圧の水素雰囲気において、温度３５０℃、１時間のアニール処理を行い、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７を完成させる。尚、必要に応じて、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７のそれぞれのゲート電極３１４ｎおよび３１４ｐ上にもコンタクトホールを設けて、電極配線３２４により必要な電極間を接続しても良いし、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７を保護するために、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７上に窒化珪素膜等から成る保護膜を設けても良い。
【０１６８】
以上、図５（Ａ）〜（Ｈ）の工程にしたがって作製されたＮ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７から成るＣＭＯＳ構造回路において、それぞれＮ型ＴＦＴ３２６の電界効果移動度は２５０〜３００ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐ型ＴＦＴ３２７の電界効果移動度は１２０〜１５０ｃｍ2／Ｖｓの高い値を示し、Ｎ型ＴＦＴ３２６の閾値電圧は１Ｖ程度、Ｐ型ＴＦＴ３２７の閾値電圧は−１．５Ｖ程度と非常に良好な特性を示す。そして、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７には、従来のＴＦＴで発生しやすいＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常な増加が全く無く、繰り返し測定、バイアス負荷および温度ストレスによる耐久性試験においても、ほとんど諸特性の劣化が見られず、従来のＴＦＴと比較して非常に信頼性が向上し、安定した回路特性を示した。
【０１６９】
以上、本発明の第１〜第３の実施形態に基づいて、半導体装置の製造方法を具体的に説明したが、本発明の半導体装置の製造方法は、前述の第１〜第３の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、前述の第１〜第３の実施形態においては、触媒元素のニッケルをゲッタリングする際の第２の加熱処理の方法として、ガラス基板の外形と概略相似形の断面形状を持つ炉心管が設けられたファーネス炉のような抵抗性加熱炉を用いる方法を示したが、通常の抵抗性加熱炉（ファーネス炉）でも同様の処理は可能であるし、その他の枚葉式等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：急速熱アニーリング）のようなアニール方法も使用できる。
【０１７０】
また、触媒元素のニッケルを添加する方法としては、非晶質珪素膜の表面にニッケル塩を溶融した溶液を塗布する方法を採用したが、非晶質珪素膜の成膜前に下地膜表面にニッケルを添加し、非晶質珪素膜下層よりニッケルを非晶質珪素膜内に拡散させ結晶成長を行わせる方法でもよい。これにより、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。
【０１７１】
ニッケルの添加方法としても、その他、様々な方法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶融させる溶媒としてＳＯＧ（スピンオングラス）材料を用い、ＳｉＯ2膜より拡散させる方法もある。また、第３の実施形態に示すようなスパッタリング法、蒸着法、メッキ法等により薄膜形成する方法、イオンドーピング法により直接添加する方法等も利用できる。さらに、結晶化を促進する不純物金属元素としては、ニッケル以外にコバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いても同様の効果が得られる。
【０１７２】
また、ニッケルのゲッタリング効果を高めるための５族Ｂ元素としてリンを用いたが、リン以外に窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスを利用しても良い。第２の実施形態では、アルゴンをドーピングして使用したが、クリプトンおよびキセノンでも同様の効果が得られる。
【０１７３】
また、第１〜第３の実施形態では、ニッケルによって結晶化された結晶性珪素膜の結晶性をさらに促進させる手段として、結晶化された結晶性珪素膜の表面にパルスレーザーであるエキシマレーザーのレーザー光を照射する加熱法を用いたが、それ以外のレーザー（例えば連続発振Ａｒレーザー等）を使用しても同様のレーザーアニール処理が可能である。
【０１７４】
さらに、本発明の応用としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子および表示素子、三次元ＩＣ等が考えられる。本発明を用いることによって、これらの素子の高速化、高解像度化等の高性能化が実現される。
【０１７５】
さらに、本発明は、第１〜第３の実施形態で説明したＭＯＳ型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素材としたバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス全般に応用することができる。
【０１７６】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性表面を有する基板上に形成された非晶質珪素膜に、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素である触媒元素を添加して、第１の加熱処理を行い非晶質珪素膜を結晶成長させ、その後、結晶化した結晶性珪素膜の一部に、選択的に触媒元素を引き寄せる効果を持つ第２の元素であるゲッタリング元素を添加して、ゲッタリング元素を添加した領域を非晶質化させる。さらに、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が少なくとも完全に結晶化しない状態を保ちながら第２の加熱処理を行い、第２の加熱処理により結晶性珪素膜内の触媒元素を、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域に移動させ、ゲッタリング元素が添加された領域以外の領域を用いて半導体装置の能動（チャネル）領域を形成する。これにより、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域内の触媒元素の量を低減させ、大型のガラス基板に対しても量産が可能となる。
【０１７７】
本発明の半導体装置は、絶縁性表面を有する基板上に、活性領域を有する結晶性珪素膜が形成され、その活性領域には、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素を含むとともに、第１の元素が活性領域の全領域において結晶性珪素膜の格子間に固溶していることもよって、信頼性の高い安定した特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｇ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｅ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法における画素駆動用ＴＦＴの各工程の概要を示す平面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｇ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態である半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態である半導体装置の製造方法におけるＣＭＯＳ構造を構成するＮ型ＴＦＴおよびＰ型ＴＦＴの作製工程の概略を示す平面図である。
【図５】Ａ）〜（Ｈ）は、それぞれ本発明の第３の実施形態である半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図６】（Ａ）は、ファーネス炉におけるガラス基板、石英ボートおよび石英チュ−ブの位置関係を示す斜視図であり、（Ｂ）は、ファーネス炉におけるガラス基板と石英チュ−ブとの隙間（間隔）を表す平断面図であり、（Ｃ）は、従来のガラス基板と石英チュ−ブとの隙間（間隔）を表す平断面図であり、（Ｄ）は、ファーネス炉におけるガラス基板と石英チュ−ブとの隙間（間隔）および雰囲気ガスの流れを表す概略断面図である。
【符号の説明】
３００ スルーホール
１０１、２０１、３０１ ガラス基板
１０２、２０２、３０２ 下地膜
１０３、２０３、３０３ 非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）
１０３ａ 結晶性珪素膜
２０３ａ 結晶性珪素膜
３０３ａ 結晶性珪素膜
３０３ｂ 結晶性珪素膜
１０３ｃ 結晶性珪素膜
２０３ｃ 結晶性珪素膜
３０３ｄ 結晶性珪素膜
３０３ｅ 境界部
２０３ｆ 非晶質珪素領域
３０３ｆ 非晶質珪素領域
２０４、３０４ マスク
１０５、２０５、３０５ ニッケル
３０６ 結晶成長方向
１０７、２０７、３０７ レーザー光
２０８ アルゴン
３０９ リン
３１０ ホウ素
１１１、２１１、３１１ ゲッタリング方向
１１２、２１２、 ＴＦＴ活性領域（素子領域）
３１２ｎ 結晶性珪素膜
３１２ｐ 結晶性珪素膜
ｌｌ３、２１３、３１３ ゲート絶縁膜
１１４、２１４、 ゲート電極
３１４ｎ ゲート電極
３１４ｐ ゲート電極
２１５ 陽極酸化層
１１６ 低濃度のリン
１１７、２１７、３１７ チャネル領域
３１７ｎ チャネル領域
３１７ｐ チャネル領域
１１８ 低濃度不純物領域
１１９ フォトレジストマスク
１２０ 高濃度のリン
１２１、２２１、 ソースまたはドレイン領域
３２１ｎ ソースまたはドレイン領域
３２１ｐ ソースまたはドレイン領域
１２２、２２２、３２２ レーザー光
１２３、２２３、３２３ 層間絶縁膜
１２４、２２４、３２４ 電極配線
２２５ 画素電極
１２６、２２６、３２６ Ｎチャネル型ＴＦＴ
３２７ Ｐチャネル型ＴＦＴ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、非晶質珪素膜を結晶化させた結晶性珪素膜を活性領域とする薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画面サイズが大型で画素も高密度である液晶表示装置および有機ＥＬ表示装置、画像処理が高速で画素も高密度である密着型イメージセンサー、三次元ＩＣ等の実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上および絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みが行われている。これらの装置に用いられる半導体素子には、薄膜状の珪素（Ｓｉ）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）および結晶性を有する珪素半導体（ｐ−Ｓｉ）の２つに大別される。
【０００３】
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あり、量産性も良好であるために、最も一般的に使用されている。しかし、非晶質珪素半導体は、導電性等の特性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣っている。このため、導電性が良好で高速処理が可能な結晶性を有する珪素半導体から成る半導体装置の作製方法の確立が強く要望されている。
【０００４】
結晶性を有する薄膜状の珪素半導体の作製方法としては、次の２つの方法が用いられている。
（１）非晶質の半導体膜を成膜しておき、成膜された非晶質の半導体膜に対してレーザー光等のエネルギービームを照射して、エネルギービーム照射によって生じる熱エネルギーにより結晶成長を行う。
（２）非晶質の半導体膜を成膜しておき、成膜された非晶質の半導体膜に対して加熱処理をして、加熱による熱エネルギーにより固相状態にて結晶成長を行う。
【０００５】
一般的には、（１）の方法がよく用いられている。（１）の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するために、結晶粒は小粒径であるが、結晶粒内の結晶欠陥は少なく、比較的高品質な結晶性珪素半導体膜が得られる。しかしながら、（１）の方法にて作製された結晶性珪素半導体膜では、結晶粒界部における欠陥密度が高く、各結晶欠陥がキャリア（荷電担体）に対して大きなトラップとして作用する。このために、（１）の方法にて作製された結晶性珪素半導体膜を用いた半導体装置では、十分な特性が得られない。また、結晶成長させる光源のレーザー光等についても、現在、最も一般的に使用されているエキシマレーザーでは、レーザー光の十分な安定性が得られず、照射されるレーザー光の強度が非晶質の半導体膜に対して一様でないために、エキシマレーザーのエネルギービーム照射により結晶成長された結晶性珪素半導体膜から成る半導体素子間の特性ばらつきが問題となっている。
【０００６】
（２）の方法では、（１）の方法と比較すると基板内の結晶粒の均一性および安定性において有利であるが、温度６００℃、３０時間程の長時間にわたる加熱処理が必要であるために、処理時間が長く、量産性が低いという問題点がある。また、（２）の方法では、一つの結晶粒は数μｍと比較的大きいが、結晶構造が双晶構造となるために、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、前述の（１）の方法に比べて結晶粒内の結晶状態が劣る。
【０００７】
しかしながら、最近、（１）および（２）の方法に対する改善策として、非晶質珪素膜の結晶化を促進する触媒元素を利用することにより、加熱温度の低温化および処理時間の短縮を図るとともに、結晶状態の向上を図る方法が注目されている。具体的には、非晶質珪素膜の表面にニッケル（Ｎｉ）等の金属元素を微量だけ添加して、その後、加熱処理を行う方法である。この方法では、添加された金属元素を核とした結晶核の発生が早期に起こり、その後、添加された金属元素が触媒となって結晶成長を促進し、非晶質珪素膜の結晶化が急速に進行する。さらに、この方法により結晶成長した結晶性珪素膜は、通常の固相成長法（前述の（２）の方法）とは異なり、一つの結晶粒内の結晶構造が結晶欠陥の多い双晶構造ではなく、何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、一つの結晶粒は小さいが、結晶粒内のそれぞれの柱状結晶内部は、ほぼ単結晶の状態となっている。
【０００８】
特開平１０−２７０３６３号公報には、触媒元素により結晶化された珪素に対して、その一部にリン（Ｐ）等のＶ族Ｂの元素を選択的に添加し、加熱処理を行うことによって、Ｖ族Ｂの元素が添加された領域に、触媒元素を移動（ゲッタリング）させる構成が開示されている。そして、結晶化された珪素のＶ族Ｂの元素が添加されていない領域である触媒元素がゲッタリングされた領域を使用して半導体装置の活性領域が形成されている。
【０００９】
また、特開平１１−４０４９９号公報には、特開平１０−２７０３６３号公報にて開示された構成に加えて、Ｖ族Ｂの元素が選択的に添加された領域に対してレーザー光などの強い光を照射して、その後、加熱処理を行うことによって、触媒元素のゲッタリング効果を一層高めようとしている。
【００１０】
さらに、特開平１１−５４７６０公報には、Ｖ族Ｂの元素に加えてIII族Ｂの元素も添加することによって、触媒元素に対するゲッタリング効果を、さらに高めようとしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、触媒元素を添加することにより非晶質珪素膜の結晶化を促進する方法は、加熱温度の低温化および加熱時間の短縮化が図れ、さらに、結晶化後に得られる結晶性珪素膜の結晶状態は、他の非晶質珪素膜の結晶化方法に比べ明らかに優れている。
【００１２】
しかしながら、触媒元素を添加して非晶質珪素膜の結晶化を促進する方法は、金属元素等を主とする触媒元素が珪素半導体膜内に多量に存在している。このため、この方法により結晶化された結晶性珪素半導体膜を用いた装置は、信頼性および電気的特性において、不安定となり好ましくない。前述のニッケル等の結晶化を促進する触媒元素は、非晶質珪素膜を結晶化させる場合には必要であるが、結晶化した結晶性珪素膜内には極力含まれないようにすることが望ましい。
【００１３】
この目的を達成するためには、第１に非晶質珪素膜の結晶化に必要な触媒元素の量を極力少なくし、最低限の量で非晶質珪素膜を結晶化させる必要がある。ところが、非晶質珪素膜への触媒元素の添加量を少なくしていくと、結晶化する結晶性珪素膜の結晶成長状態が非常に不安定となる。このような不安定な状態で作製された結晶性珪素膜は、基板内での結晶状態のばらつきが非常に大きくなり、半導体装置の活性領域を構成する結晶性珪素半導体膜としては、使用できない。
【００１４】
次に、前述の公報のように、触媒元素を用いて結晶成長させた後、結晶化された結晶性珪素膜にＶ族Ｂ、III族Ｂ等の元素を添加して、触媒元素を移動（ゲッタリング）させることにより、結晶性珪素膜の素子形成領域の触媒元素を除去または低減する構成が第２の方法として考えられている。実際に、特開平１０−２７０３６３号公報において開示されている構成を用いると、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域から大部分の触媒元素をゲッタリングすることができる。
【００１５】
しかしながら、特開平１０−２７０３６３号公報に開示された構成では、２つの問題点が存在する。第１の問題は、この公報に開示された構成では、触媒元素のゲッタリングにおいて、十分な効果が得られておらず、半導体装置の活性（能動）領域における触媒元素の残留量が、まだ十分に低減できていない点である。実際に、特開平１０−２７０３６３号公報に開示された構成を用いて、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子を形成すると、結晶性珪素膜に残留している触媒元素が薄膜トランジスタ素子に悪影響をおよぼしていることが確認できた。特に、結晶性珪素膜に残留している触媒元素が薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の接合部に存在すると、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のＯＦＦ動作時のリーク電流が非常に増大するリーク源になると考えられる。
【００１６】
前述の特開平１０−２７０３６３号公報、特開平１１−４０４９９号公報および特開平１１−５４７６０号公報に開示された構成を用いて、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域に薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記述）素子を形成すると、それぞれ若干の効果の違いは見られるが、数％程度の比率でＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流が非常に大きい不良ＴＦＴが検出された。そして、それらの不良ＴＦＴ素子における不良原因を解析すると、チャネル部とドレイン部との接合部に、触媒元素によるシリサイドが存在していることが確認された。したがって、前述の３つの公報に開示された構成では、高性能な半導体装置の作製が可能であるが、不良率が高く、また信頼性も悪く、量産に対応できるような構成ではなかった。
【００１７】
第２の問題は、加熱処理の条件（加熱温度、加熱時間）である。前述の３つの公報に開示された構成では、加熱温度５５０℃以上、加熱時間数時間〜数十時間の加熱処理を行っている。結晶化された結晶性珪素膜から成るＴＦＴ素子が形成されるガラス基板として、１００ｍｍ×１００ｍｍサイズ程度の小型ガラス基板および高価な石英基板などを用いる場合には、加熱温度５５０℃以上は特に問題となる温度ではないが、より大型のガラス基板を使用する場合には、基板のたわみおよび反りが大きな問題となる。本発明の半導体装置の用途としては、液晶表示用および有機ＥＬ表示用のアクティブマトリクス基板があるが、そのマザーボード（ガラス基板）は、コストダウンのため大型化する傾向にある。また、ＴＦＴ素子が形成されるガラス基板は、装置のコンパクト化および軽量化のため、薄板化する傾向も加わり、そのようなガラス基板に対して高温、長時間の加熱処理を行うことは非常に厳しい。実際に、一般的に使用されているコーニング社製コード１７３７のガラス基板を用いた場合、６００ｍｍ×７２０ｍｍの基板サイズ、厚さ０．７ｍｍのガラス基板では、加熱温度５００℃程度、加熱時間数時間の加熱処理がほぼ限界であることが実験により確認されている。この加熱処理における最も大きな問題は、ガラス基板の重量によるたわみおよび反りである。さらに、この加熱処理は、ガラス基板上へのパターン形成後に行われるので、ガラス基板に特有の収縮（シュリンケージ：ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）の問題も生じる。これにより、加熱処理工程の前後におけるガラス基板上でのパターン合わせが非常に困難となる。
【００１８】
以上、説明したように、前述の３つの公報に開示された構成では、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域内の触媒元素の量を十分に低減させることができない。また、量産時の対象となる大型のガラス基板に対しても、何らかの改良が必要となる。
【００１９】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域内の触媒元素の量を低減させ、大型のガラス基板に対しても量産が可能となり、信頼性が高く安定な特性を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成し、該非晶質珪素膜に結晶化を促進する第１の元素を添加する工程と、その後、第１の加熱処理を施し、該第１の元素が添加された該非晶質珪素膜の結晶成長を行い、結晶性珪素膜を形成する工程と、該結晶性珪素膜の一部の領域に、選択的に該第１の元素を引き寄せる効果を有する第２の元素を添加し、該第２の元素が添加された領域を非晶質化する工程と、該第２の元素が添加され非晶質化した領域が、少なくとも完全に結晶化しない状態にて第２の加熱処理を行い、該結晶性珪素膜内の該第１の元素を、該第２の元素が添加され非晶質化した領域に移動させる工程と、該第２の元素が添加された領域以外の領域の該結晶性珪素膜を用いて、少なくとも半導体装置の能動領域を形成する工程と、を包含することを特徴とする。
【００２１】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形成し、該非晶質珪素膜の一部の領域に結晶化を促進する第１の元素を選択的に添加する工程と、その後、第１の加熱処理を施し、該第１の元素が選択的に添加された領域から隣接する周辺領域に向かって該基板と平行方向に該非晶質珪素膜の結晶成長を行い、結晶性珪素膜を形成する工程と、該結晶性珪素膜の一部の領域に、選択的に該第１の元素を引き寄せる効果を有する第２の元素を添加し、該第２の元素が添加された領域を非晶質化する工程と、該第２の元素が添加され非晶質化した領域が、少なくとも完全に結晶化しない状態で第２の加熱処理を行い、該結晶性珪素膜内の該第１の元素を、該第２の元素が添加され非晶質化した領域に移動させる工程と、該第２の元素が添加された領域以外の、該基板と平行方向に結晶成長した領域の該結晶性珪素膜を用いて、少なくとも半導体装置の能動領域を形成する工程と、を包含することを特徴とする。
【００２２】
前記第２の加熱処理では、前記第２の元素が添加され非晶質化した領域において、結晶核の発生が全く生じない。
【００２３】
前記第２の加熱処理は、加熱温度が４５０℃〜５８０℃の範囲内であり、加熱時間が０．５時間〜８時間である。
【００２４】
前記第２の加熱処理は、抵抗性加熱炉を用いる。
【００２５】
前記抵抗性加熱炉は、前記基板を、該基板の平面形状と概略相似形の断面形状を持つ炉心管の内部に、該基板の平面を炉心方向に向け、炉心管の周囲と該基板の側端部との間の間隔が最小となるように配置したファーネス炉である。
【００２６】
前記第２の元素は、Ｖ族Ｂの元素であり、Ｖ族Ｂの元素から少なくとも１種類以上、選択される。
【００２７】
前記Ｖ族Ｂの元素がリン（Ｐ）である。
【００２８】
前記結晶性珪素膜の一部の領域に、Ｖ族Ｂの元素を添加するとともに、III族Ｂの元素も添加する。
【００２９】
前記Ｖ族Ｂの元素がリン（Ｐ）であり、III族Ｂの元素がホウ素（Ｂ）である。
【００３０】
前記第２の元素は、希ガス元素であり、希ガス元素から少なくとも１種類以上、選択される。
【００３１】
前記希ガス元素がアルゴン（Ａｒ）である。
【００３２】
前記第２の元素の添加は、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法によって行われる。
【００３３】
前記第２の元素は、前記能動領域に隣接した周辺部に添加される。
【００３４】
前記第１の元素の添加および前記第２の元素の添加が同一の添加用マスクを用いて行われる。
【００３５】
前記能動領域に隣接した前記周辺部は、不純物領域である。
【００３６】
前記不純物領域は、Ｖ族Ｂの元素が添加されて、ソース領域およびドレイン領域を形成する。
【００３７】
前記不純物領域に高速熱アニール処理またはレーザーアニール処理を行う。
【００３８】
前記結晶性珪素膜にレーザーアニール処理を行う。
【００３９】
前記第１の元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選択された一種類または複数種類のた元素である。
【００４０】
前記第１の元素は、少なくともＮｉが選択される。
【００４１】
本発明の半導体装置は、絶縁性表面を有する基板上に、活性領域を有する結晶性珪素膜が形成された半導体装置であって、該活性領域は、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素を含むとともに、該第１の元素が該活性領域の全領域において該結晶性珪素膜の格子間に固溶していることを特徴とする。
【００４２】
本発明の半導体装置は、絶縁性表面を有する基板上に、活性領域を有する結晶性珪素膜が形成された半導体装置であって、該活性領域は、能動領域および不純物領域が設けられており、該活性領域は、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素を含むとともに、該第１の元素が該活性領域内の能動領域において該結晶性珪素膜の格子間に固溶していることを特徴とする。
【００４３】
前記能動領域内の前記第１の元素の濃度が、前記不純物領域内の前記第１の元素の濃度よりも低くなるように設定されている。
【００４４】
前記第１の元素としてニッケル（Ｎｉ）が含まれている。
【００４５】
前記第１の元素の濃度は、１×１０15〜１×１０17／ｃｍ3の範囲内である。
【００４６】
以下、本発明の半導体装置およびその製造方法について詳細に説明する。
【００４７】
触媒元素を添加することにより非晶質珪素膜の結晶化を促進させ高品質な結晶性珪素膜を得るために、検討を重ねた結果、以下に説明するような知見によって、前述の問題点を解決するための半導体装置およびその製造方法が得られた。
【００４８】
まず、本発明の半導体装置の製造方法の要旨を説明する。
【００４９】
▲１▼ガラス基板等の絶縁基板上に形成された非晶質珪素膜に、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素である触媒元素を添加して、第１の加熱処理を行い非晶質珪素膜を結晶成長させる。
【００５０】
▲２▼その後、結晶化した結晶性珪素膜の一部に、選択的に触媒元素を引き寄せる効果を持つ第２の元素であるゲッタリング元素を添加して、ゲッタリング元素を添加した領域を非晶質化させる。
【００５１】
▲３▼その後、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が少なくとも完全に結晶化しない状態を保ちながら第２の加熱処理を行う。
【００５２】
▲４▼そして、第２の加熱処理により結晶性珪素膜内の触媒元素を、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域に移動させ、ゲッタリング元素が添加された領域以外の領域を用いて半導体装置の能動（チャネル）領域を形成する。
【００５３】
また、本発明の半導体装置の製造方法において、ガラス基板等の絶縁基板上に形成された非晶質珪素膜の一部分に、触媒元素を選択的に添加し、第１の加熱処理を行うことにより、触媒元素が選択的に添加された領域からその周辺領域に向かって横方向（基板表面と平行）に非晶質珪素膜を結晶成長させて結晶性珪素膜を形成し、その後、結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加しても、同様の効果が得られる。この場合、ゲッタリング元素が添加された領域以外の横方向に結晶成長した結晶性珪素膜の領域を用いて半導体装置の能動（チャネル）領域を形成すると、高い電流駆動能力を持つ高性能な半導体装置（ＴＦＴ等）が得られる。
【００５４】
本発明の半導体装置の製造方法の重要なポイントは、次の２点である。
【００５５】
第１点は、第１の加熱処理後に、非晶質珪素膜が結晶化した結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加することによって、ゲッタリング元素を添加した領域を非晶質化させることである。
【００５６】
第２点は、結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加後、ゲッタリング元素を添加して非晶質化された領域が少なくとも完全に結晶化しない状態を保ちながら第２の加熱処理を行うことである。
【００５７】
特に、第２の加熱処理の加熱温度および加熱時間の設定が最も重要である。第２の加熱処理の加熱温度および加熱時間は、結晶性珪素膜内の触媒元素の濃度とゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域の触媒元素の濃度とが、少なくとも熱平衡状態において偏析状態となるように設定しなければならない。
【００５８】
これにより、本発明の半導体装置の製造方法では、従来の半導体装置の製造方法と比較して、半導体装置を形成する結晶性珪素膜の活性領域に残留する触媒元素の量を著しく低減することが可能となり、高い電流駆動能力を持つ高性能な半導体装置（ＴＦＴ等）が得られ、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常も見られず、高い信頼性も同時に確保することができる。
【００５９】
次に、本発明の半導体装置の製造方法において、半導体装置を形成する結晶性珪素膜の活性領域に残留する触媒元素の量が低減するメカニズムを説明する。所定の領域内の触媒元素を所定の領域以外の領域に移動させるゲッタリング（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）のメカニズムとしては、第１のゲッタリング作用および第２のゲッタリング作用がある。
【００６０】
第１のゲッタリング作用は、任意の領域が触媒元素に対する固溶度を他の領域より高くなるように形成され、その任意の領域に触媒元素を移動させる方法である。
【００６１】
第２のゲッタリング作用は、任意の領域にて、触媒元素をトラップするような結晶欠陥または局所的な偏析サイトを形成し、結晶欠陥または局所的な偏析サイトに触媒元素を移動させトラップさせる方法である。
【００６２】
本発明の半導体装置の製造方法では、結晶性珪素膜の一部にゲッタリングシンクとしてゲッタリング元素を添加した領域を、ゲッタリング元素の添加時に非晶質化し、ゲッタリング元素が添加されて非晶質化した領域が結晶化しない状態を保ちながら第２の加熱処理を行うことによって、第２のゲッタリング作用の利点を最大限に引き出すことができる。これにより、結晶性珪素膜のゲッタリング元素の添加時に非晶質化した領域の不対結合手（ダングリングボンド）等の結晶欠陥が、触媒元素に対する偏析サイトとなり、触媒元素を結晶性珪素膜より移動させ、上層の非晶質珪素膜でトラップする。この結果、半導体装置（ＴＦＴ等）の活性領域として利用する下層の結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度が著しく低減し、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常が無くなり、高い信頼性を得ることができる。
【００６３】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、ゲッタリングのための第２の元素として、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）から選択したＶ族Ｂ元素を用いることが有効である。これらのＶ族Ｂ元素を非晶質珪素膜が結晶化した結晶性珪素膜の一部に添加することによって、結晶性珪素膜のＶ族Ｂ元素が添加された領域における触媒元素の固溶度を飛躍的に上げることができる。これにより、触媒元素の固溶度の差によって、触媒元素がＶ族Ｂ元素が添加されていない領域からＶ族Ｂ元素が添加された領域に移動し、第１のゲッタリング作用が効果的に行われる。この結果、本発明の半導体装置の製造方法では、前述した触媒元素のゲッタリングにおける第１および２のメカニズムの効果を両方とも同時に得ることができ、下層の活性領域となる結晶性珪素膜において著しく触媒元素の濃度を低減することができる。Ｖ族Ｂ元素の中で、最もゲッタリング効果の高いのはリン（Ｐ）であり、結晶性珪素膜の一部にリン（Ｐ）を添加する領域とリン（Ｐ）を添加しない領域との間の固濃度の差が最も大きくなる。
【００６４】
Ｖ族Ｂ元素を用いたゲッタリング方法は、前述の特開平１０−２７０３６３号公報、特開平ｌｌ−４０４９９号公報および特開平１１−５４７６０号公報において開示されている。これらの公報に開示されているゲッタリング方法は、Ｖ族Ｂ元素を添加した領域と添加していない領域とにおける触媒元素の固溶度の差によって触媒元素を移動させる第１のゲッタリング作用を利用している。
【００６５】
これに対して、本発明のゲッタリング方法は、主に、結晶性珪素膜の一部のゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域の不対結合手（ダングリングボンド）等の結晶欠陥である局所的偏析サイトに触媒元素を移動させトラップする第２のゲッタリング作用を利用している。本発明のゲッタリング方法では、第１のゲッタリング作用とこの第２のゲッタリング作用とを組み合わせる相乗効果によって、前述の公報に開示されている従来のゲッタリング法に比較して著しくゲッタリング効率を向上できる。
【００６６】
本発明の半導体装置の製造方法により、得られた結晶性珪素膜は、触媒元素の残留量を簡易的に確認する方法として用いられているフッ酸系のエッチング液（ｅｔｃｈａｎｔ）によるライトエッチング処理を行い、結晶性珪素膜の活性領域に残留している触媒元素を顕在化させる評価を行う場合にも、従来、検出されていたエッチピットは全く発生しない。
【００６７】
また、厳しい評価として、さらに高温での加熱処理を行うと、結晶性珪素膜の活性領域内に残留している触媒元素が再凝集してシリサイド状態となって現れる。この評価を前述の特開平１０−２７０３６３号公報、特開平１１−４０４９９号公報および特開平１１−５４７６０号公報に開示されている構成にて形成された結晶性珪素膜に対して行うと、触媒元素の再凝集が発生した。しかし、本発明の半導体装置の製造方法によって形成された結晶性珪素膜には、触媒元素の再凝集が全く検出されなかった。
【００６８】
実際に、本発明の半導体装置の製造方法を用いて作製されたＴＦＴは、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常な増加現象が全く検出されず、発生率は０％であった。これに対して、前述の公報に開示されている構成および従来技術によって作製されたＴＦＴは、同様のリーク電流の異常な増加現象の発生率が３％以上であった。さらに、本発明の半導体装置の製造方法を用いて作製されたＴＦＴを使用した液晶表示装置では、従来のＴＦＴを用いて多発していた駆動部のサンプリングＴＦＴに起因する表示画像の線状の表示むら、および、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流による画素欠陥も全く発生せず、表示品位を大きく向上できるとともに、製品歩留まりを飛躍的に上げることができた。
【００６９】
また、ゲッタリング効果を向上させるために、ゲッタリング元素であるＶ族Ｂ元素に加えて、III族Ｂ元素も結晶性珪素膜の一部に添加しても良い。この場合、５族Ｂ元素としてリン（Ｐ）および３族Ｂ元素としてホウ素（Ｂ）の組み合わせることによって、ゲッタリング効果が最も高くなる。結晶性珪素膜の一部にリン（Ｐ）およびホウ素（Ｂ）を添加してゲッタリングシンクを形成すると、ゲッタリングのメカニズムが変化することが確認されている。
【００７０】
ゲッタリング元素のリン（Ｐ）のみが添加されている場合には、リン（Ｐ）が添加されたゲッタリング領域とリン（Ｐ）が添加されていないノンドープの非ゲッタリング領域との触媒元素に対する固溶度の差を利用した拡散移動型のゲッタリングとなり、第１のゲッタリング作用が顕著である。
【００７１】
ゲッタリング元素のリン（Ｐ）にホウ素（Ｂ）を加えて添加する場合には、ゲッタリング元素のリン（Ｐ）およびホウ素（Ｂ）が結晶性珪素膜に添加されて非晶質化した領域のゲッタリングシンクにて結晶欠陥等の偏析サイトに触媒元素が析出し易くなり、第２のゲッタリング作用が優勢になる。
【００７２】
ゲッタリング元素のリン（Ｐ）にホウ素（Ｂ）を加えて添加する場合は、ゲッタリング元素のリン（Ｐ）のみを添加する場合よりも、ゲッタリングの効果は大きいが、結晶欠陥等の偏析サイトによってゲッタリングが行われるために、加熱温度および温度範囲の設定が重要なポイントとなる。
【００７３】
本発明では、結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加して、ゲッタリング元素が添加されたゲッタリング領域を非晶質化させ、ゲッタリング領域に結晶欠陥等のゲッタリングサイトを残しゲッタリング領域の再結晶化が起こらないように、第２の加熱処理を行うため、前述の第２のゲッタリング作用をさらに高めることができる。この結果、結晶性珪素膜内のゲッタリング領域にリン（Ｐ）に加えてホウ素（Ｂ）も添加することによって、触媒元素に対するより大きなゲッタリング効果が得られ、結晶性珪素膜の能動領域（チャネル領域）において触媒元素の残留量の低減が図れる。
【００７４】
また、本発明の半導体装置の製造方法におけるゲッタリング元素としては、前述のＶ族Ｂ元素の他に、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等の希ガス元素を用いても良い。これらの希ガス元素が、ゲッタリング領域に存在すると、ゲッタリング領域には結晶欠陥である大きな格子間歪みが生じており、本発明の特徴である結晶欠陥等の偏析サイトによってゲッタリングを行う第２のゲッタリング作用が非常に強くなる。また、希ガス元素は、非晶質珪素膜内に存在すると、希ガス元素が存在する非晶質領域の結晶成長を阻害し、結晶成長（結晶核発生）までの潜伏期間が長くなり、結晶成長速度を遅らせる効果を有している。このため、本発明において、希ガス元素は、結晶性珪素膜内にゲッタリング元素として添加されると、希ガス元素により非晶質化されたゲッタリング領域を、再結晶化させずに、より非晶質状態のままで保つことができ、大きな第２のゲッタリング作用が得られる。したがって、前述の希ガス元素をゲッタリング元素として用いることは、非常に有効な手段であり、希ガス元素の中でも、アルゴン（Ａｒ）をゲッタリング元素として用いた場合に、最も大きなゲッタリング効果が得られる。
【００７５】
次に、ゲッタリング元素を結晶性珪素膜の一部に選択的に添加する方法としては、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法が望ましい。その他の方法を用いてもある程度の効果は得られるが、イオンシャワードーピング方法を用いたときのゲッタリング効果が特に顕著である。この理由は、イオンシャワードーピングにより、ゲッタリング元素に加えて多量の水素等も結晶性珪素膜に添加され、結晶性珪素膜内のゲッタリング元素が添加された領域において珪素膜の結晶状態が強く乱されるため、ゲッタリング元素が添加された領域を完全に非晶質化できるからである。
【００７６】
本発明では、結晶性珪素膜内にゲッタリング元素を添加する領域が非晶質化されることが第１の重要なポイントであり、その非晶質化が強いほど、よりゲッタリング効果が得られる。
【００７７】
本発明の半導体装置の製造方法における第２の加熱処理は、結晶性珪素膜の一部にゲッタリング元素を添加して非晶質化された領域が、少なくとも完全に結晶化しない状態を保ちながら行うことによって、前述の第２のゲッタリング作用を最低限引き出すことができる。さらに、この第２の加熱処理は、ゲッタリング元素を添加して非晶質化された領域において結晶核の発生（結晶成長）が全く生じない状態を保ちながら行われることがより好ましい。これにより、第２の加熱処理は、結晶性珪素膜内の触媒元素がゲッタリング元素を添加して非晶質化された領域に移動するゲッタリングの全期間において、ゲッタリング効果が最大限となる偏析サイトを保ちながら、第２のゲッタリング作用を最大限に引き出すことができる。
【００７８】
本発明の半導体装置の製造方法では、ゲッタリングのための第２の加熱処理が第２の重要ポイントであり、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が少なくとも完全に結晶化しない状態で、好ましくは結晶核の発生が全く生じない状態で、この第２の加熱処理を行う必要がある。このため、第２の加熱処理は、加熱温度を低く、加熱時間を短く設定するとともに、加熱温度の下限を設定しなければならない。
【００７９】
第２の加熱処理条件の加熱温度および加熱時間は、結晶性珪素膜内の触媒元素をゲッタリング領域に移動させるために設定されているが、最も望ましいのは、結晶性珪素膜内の触媒元素の濃度とゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域の触媒元素の濃度とが、少なくとも熱平衡状態において偏析状態となるような加熱温度および加熱時間が設定されることである。このような状態で第２の加熱処理条件の加熱温度および加熱時間が設定されることによって、ゲッタリング作用は、飽和状態となっており、安定した最大限のゲッタリング効果が得られる。熱平衡状態において偏析状態になる以前では、触媒元素が移動している中途半端な状態であり、プロセス的にも不安定である。
【００８０】
したがって、本発明の半導体装置の製造方法の第２の加熱処理の条件としては、加熱温度４５０℃〜５８０℃の範囲内、加熱時間０．５時間〜８時間の範囲内であることが望ましい。この条件の加熱温度および加熱時間の設定値以上の高温および長時間の加熱処理を行うと、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が結晶化される可能性がある。この場合、本発明の特徴である第２のゲッタリング作用の効果は無くなり、本発明の十分な効果が得られない。また、加熱温度４５０℃以下になると、加熱時間が非常に長くなり、量産性の効率低下、加熱装置の台数増加およびフットプリント（床面積）の拡大から量産用プロセス条件として採用は難しい。
【００８１】
ここで、本発明の第２の加熱処理におけるガラス基板等の絶縁基板に対する加熱温度までの昇温速度および降温速度としては、少なくとも、それぞれ５℃／分以上で昇温および降温することが望ましい。このことは、本発明者らの実験結果より、５℃／分以上の昇温速度及び降温速度で処理を行えば、本発明の効果を損なうことはなく、特に問題も出ないことが確認されている。この昇温速度および降温速度が遅くなると、余分な加熱処理がガラス基板に加わることになり、ガラス基板に対する熱ストレスが増加するとともに、昇温過程および降温過程において、ゲッタリング元素が添加されて非晶質化した領域で再結晶化が誘引される可能性がある。
【００８２】
本発明の半導体装置の製造方法では、第２の加熱処理を行う製造装置の構成も重要なポイントである。第２の加熱処理を行う製造装置については、後述する本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法において詳細に説明する。
【００８３】
次に、本発明の半導体装置の製造方法において、結晶性珪素膜の一部に選択的に第２の元素であるゲッタリング元素が添加される。この場合、ゲッタリング元素は、パターン形成された添加用マスクを用い、最終的に形成される半導体装置の能動（チャネル）領域上を少なくともマスクした状態で、能動（チャネル）領域を取り囲むように、能動（チャネル）領域の周辺部に添加することが望ましい。この場合、半導体装置の活性領域全体である素子領域をマスクした状態で、素子領域を取り囲むように、素子領域の周辺部に添加すると、チャネル領域だけでなく、素子領域（チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域）に、触媒元素がほとんど含まれない状態が得られる。このようにすることによって、後工程において触媒元素による汚染を防止することができる。
【００８４】
このようにチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域の素子領域を取り囲むようにゲッタリング元素の添加を行うと、チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域内の触媒元素は、素子領域の周辺部の全方向に向かって外側に移動することができるため、非常に効率的に素子領域内の触媒元素を素子領域外に移動させることができ、優れたゲッタリング効果が得られる。
【００８５】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、ガラス基板上に形成された非晶質珪素膜の一部に触媒元素を選択的に添加し、第１の加熱処理を行うことにより、触媒元素を選択的に添加された領域からその周辺領域に向かって横方向（基板表面と平行）に非結晶質珪素膜を結晶成長させて結晶性珪素膜を形成する場合には、触媒元素の選択的な添加を、パターン形成された添加用マスクを用いて行い、その後の結晶性珪素膜に一部に第２の元素であるゲッタリング元素を選択的に添加する工程も、同一の添加用マスクを用いて行うことが可能となる。このようにすることよって、触媒元素およびゲッタリング元素のそれぞれの添加工程に対して、異なる添加マスクを作成する必要が無く、製造プロセスの簡略化が図れる。
【００８６】
同時に、後工程において結晶性珪素膜に、半導体装置のチャネル領域が形成される領域は、触媒元素およびゲッタリング元素の添加工程に渡って、常に、マスクにより被覆されている状態が保たれ、露出されない。その結果、結晶性珪素膜内のチャネル領域に対して、製造プロセスに起因する汚染を最小限に抑えることができる。そして、製造プロセスの簡略化および製造プロセスに起因する汚染の抑制により、半導体装置の歩留まりの向上および低コスト化が図れる。
【００８７】
さらに、本発明の半導体装置の製造方法では、結晶性珪素膜の一部に第２の元素であるゲッタリング元素を選択的に添加する方法として、特に、専用の添加用マスクを用いず、結晶性珪素膜内の半導体装置の素子領域（チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域）における不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）に対してゲッタリング元素を添加することも有効である。この場合には、ゲッタリング工程に対して専用のマスクを用いないため、触媒元素を用いずに非結晶質珪素膜を結晶化する場合と同一のマスク数でＴＦＴが作製でき、触媒元素を添加する工程の工数が生じず、極めて生産性の高い製造プロセスが得られる。
【００８８】
この場合、ゲッタリング元素としてＶ族Ｂ元素を用いると、結晶性珪素膜内のゲッタリング元素を添加した領域を、そのまま不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）として使用することによって、ゲッタリングのためのＶ族Ｂ元素の添加工程と不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）のための不純物添加工程とを兼ねるため、不純物添加工程の工数増加が無くなる。これにより、製造プロセズが大きく簡略化でき、生産性の向上が図れる。
【００８９】
但し、この場合、ゲッタリングのための第２の加熱処理では、結晶性珪素膜内のゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が再結晶化しないことが条件であるので、第２の加熱処理により不純物領域であるソース領域およびドレイン領域を活性化させることは難しい。これにより、第２の加熱処理を行い、半導体装置の能動領域となるチャネル領域内の第１の元素である触媒元素を不純物領域に移動させた後に、不純物領域に移動した触媒元素が再拡散しないような短時間の高速熱アニール処理またはレーザー光等の強い光照射処理を行い、不純物領域の活性化を行うことが望ましい。これにより、ゲッタリング効果および不純物活性化効果の両方が得られる。
【００９０】
本発明において、触媒元素により結晶化された結晶性珪素膜の結晶状態を向上させて、結晶性珪素膜に形成された半導体装置の電流駆動能力等の特性を向上させるには、触媒元素により結晶化された結晶性珪素膜に対して、酸化雰囲気中にて高温の加熱処理を行う工程またはレーザー光を照射する工程をさらに追加しても良い。酸化雰囲気中にて高温の加熱処理を行い、触媒元素により結晶化された結晶性珪素膜の結晶状態を向上させる方法では、触媒元素により結晶化された結晶性珪素膜に対して、温度８００℃〜１１００℃の高温状態で酸化処理を行うと、酸化作用により生じる過飽和Ｓｉ原子が結晶性珪素膜内に供給され、過飽和Ｓｉ原子が、結晶性珪素膜内の不対結合手（ダングリングボンド）等の結晶欠陥に入り込み、結晶欠陥を消滅させ結晶状態を向上させることができる。しかし、この方法では、安価なガラス基板に対して使用できず、本発明においては、レーザー光を照射する方法がより有効となる。
【００９１】
本発明の半導体装置の製造方法により得られる結晶性珪素膜に対して、レーザー光を照射した場合、結晶性珪素膜と非晶質珪素膜との融点が異なることから、結晶粒界部および微小な残留非晶質領域（未結晶化領域）が集中的に熱処理される。ここで、通常の固相成長法で形成した結晶性珪素膜では、結晶構造が双晶状態であるため、レーザー光等の強い光照射後も結晶粒内部には双晶欠陥が残る。これに対して、非晶質珪素膜に触媒元素を添加し結晶化された結晶性珪素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるため、レーザー光等の強い光照射により結晶粒界部が処理されるとガラス基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶性珪素膜が得られ、結晶性珪素膜に対するレーザー光の照射は非常に有効である。
【００９２】
また、元々結晶性を有する珪素膜に対してレーザー光の照射を行うために、非晶質珪素膜に直接レーザー光を照射し結晶化する方法とは異なり、レーザー光の照射強度のばらつきによる結晶欠陥の発生は大きく緩和され、形成された結晶性珪素膜の均一性の問題も生じない。本発明では、このようなレーザー光の照射処理を行う工程は、ゲッタリング工程の前に行うことが望ましい。その理由は、触媒元素による固相結晶化で得られた結晶性珪素膜にレーザー光を照射すると、結晶性珪素膜内の触媒元素の存在形態がシリサイドとしての凝集、再凝集等のように変化を生じる可能性があり、半導体装置における能動領域（チャネル領域）の結晶性珪素膜より触媒元素を取り除くゲッタリング工程としては、完全に活性領域を構成する結晶性珪素膜の結晶状態が固まってから行うのが望ましい。これにより、理想的なゲッタリングが行える。
【００９３】
本発明の半導体装置の製造方法に使用できる触媒元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等である。これらの元素から一種類または複数種類の元素を選択して、非晶質珪素膜に添加すると、微量にて非晶質珪素膜に対して結晶化促進の効果がある。これらの元素の中でも、特に、Ｎｉ（ニッケル）を使用した場合に、最も顕著な結晶化促進の効果が得られる。この理由は、次のようなモデルについて考えられる。触媒元素は、単独では非晶質珪素膜に作用せず、珪素と結合してシリサイド化することによって非晶質珪素膜の結晶成長に作用する。その際のシリサイドの結晶構造が、非晶質珪素膜の結晶化に一種の鋳型のように作用し、非晶質珪素膜の結晶化を促すというモデルである。Ｎｉは、２つのＳｉ（シリコン元素）と結合し、シリサイドＮｉＳｉ2を形成する。シリサイドＮｉＳｉ2は、螢石型の結晶構造を有し、単結晶珪素のダイヤモンド構造と非常に類似している。しかも、シリサイドＮｉＳｉ2の格子定数は、５．４０６Åであり、単結晶珪素のダイヤモンド構造の格子定数の５．４３０Åに非常に近い値である。これにより、シリサイドＮｉＳｉ2は、非晶質珪素膜を結晶化させるために、最高の鋳型として作用し、本発明における触媒元素としては、Ｎｉを用いるのが最も望ましい。
【００９４】
本発明の半導体装置の製造方法によって形成された半導体装置は、ガラス基板等の絶縁性表面を有する基板上に形成された結晶性を有する珪素膜を活性領域として形成されている。その活性領域には、非晶質珪素膜の結晶化を促進する触媒元素が添加されており、その触媒元素が活性領域の全領域において結晶性珪素膜の格子間に固溶している状態であり、最終的に得られる半導体装置の活性領域における触媒元素の残留する濃度は、１×１０15〜１×１０17／ｃｍ3の範囲内である。前述した半導体装置の製造方法を用いることにより、初めて、このように触媒元素の残留する濃度が低減された半導体装置が得られる。
【００９５】
半導体装置の活性領域内に残留する触媒元素の量は出来る限り低いほど良いが、触媒元素により非晶質珪素膜の結晶化を促進し、第１のゲッタリング作用および第２のゲッタリング作用を組み合わせたゲッタリング効率の高いゲッタリング処理を行っても、少なくとも１×１０15／ｃｍ3以上の濃度の触媒元素が結晶性珪素膜の活性領域内に残存する。しかし、結晶性珪素膜の活性領域内の触媒元素は、触媒元素の残留濃度を１×１０17／ｃｍ3以下にて、結晶性珪素膜の格子間に固溶している状態であれば、触媒元素は半導体装置の素子特性に電気的な影響を全く及ぼさない。この結果、前述した半導体装置の製造方法によって、高性能、高信頼性および高安定性の半導体装置が得られる。
【００９６】
前述の半導体装置は、活性領域全体である素子領域に渡って、触媒元素の残留濃度が１×１０17／ｃｍ3以下であれば最も良いが、少なくとも能動領域（チャネル領域）内において触媒元素が結晶性珪素膜の格子間に固溶している状態であり、能動領域（チャネル領域）における触媒元素の濃度が１×１０15〜１×１０17／ｃｍ3の範囲内であれば、高性能、高信頼性および高安定性が得られる。このような半導体装置は、素子領域内の不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）に触媒元素をゲッタリングしたことにより得られ、素子領域内における触媒元素の濃度は、能動領域（チャネル領域）の濃度よりも不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）の濃度の方が高くなるよう設定されている。本発明の半導体装置における活性領域中に含まれる触媒元素種としては、前述の理由からＮｉ元素が含まれていることが最も望ましい。
【００９７】
本発明は、このような知見に基づくものである。
【００９８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の半導体装置の製造方法の具体例を詳細に説明する。
【００９９】
本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法を図１（Ａ）〜（Ｇ）に基づいて説明する。本発明の第１の実施形態では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する場合の工程について説明を行う。第１の実施形態のＮ型ＴＦＴは、アクティブマトリクス型液晶表示装置のドライバー回路および画素部分、薄膜集積回路等を構成する素子としても利用することができる。
【０１００】
図１（Ａ）〜（Ｇ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【０１０１】
まず、図１（Ａ）に示すように、ガラス基板１０１上に、例えば、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化珪素から成る下地膜１０２を形成する。この酸化珪素の下地膜１０２は、ガラス基板１０１の上方に形成される素子領域に、ガラス基板１０１から不純物の拡散を防止するために設けられる。その後、酸化珪素の下地膜１０２上に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば、厚さ４０ｎｍの真性（Ｉ型：ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｔｙｐｅ）の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３を形成する。本発明の第１の実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、加熱温度を３００℃とし、材料ガスにＳｉＨ4ガスおよびＨ2ガスを用いた。そして、プラズマＣＶＤ装置のＲＦパワーは、パワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ2とし、例えば、８０ｍＷ／ｃｍ2として行った。
【０１０２】
その後、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上に均等にニッケル（Ｎｉ）１０５の微量添加を行う。このニッケル１０５の微量添加は、ニッケル１０５を溶融させた溶液を非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上に保持し、スピナーによりニッケル１０５を溶融させた溶液をガラス基板１０１上の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。第１の実施形態では、溶質として酢酸ニッケルを用い、溶媒として水を用い、溶液中のニッケル濃度を１０ｐｐｍに設定した。非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上の添加されたニッケルの濃度を全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ：Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｘ−Ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法により測定すると、ニッケルの濃度は５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１０３】
その後、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気において第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理は、第１ステップとして昇温途中にまず非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３内の水素離脱処理を行い、さらに第２ステップとして高温にて非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３の結晶化を行った。具体的には、第１の加熱処理の第１ステップとして、加熱温度４５０〜５２０℃、加熱時間１〜２時間のアニール処理を行い、第１の加熱処理の第２ステップとして、加熱温度５２０〜５７０℃、加熱時間２〜８時間のアニール処理を行う。第１の実施形態では、一例として、第１の加熱処理の第１ステップとして加熱温度５００℃、加熱時間１時間のアニール処理を行った後、さらに、第２ステップとして加熱温度５５０℃、加熱時間４時間のアニール処理を行った。この第１の加熱処理において、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３上に添加されたニッケル１０５が非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３内部に拡散するとともに、シリサイド化が起こり、それを核として非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３の結晶化が進行する。
【０１０４】
その結果、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３は、結晶化され、図１（Ｂ）に示すように、結晶性珪素膜１０３ａとなる。
【０１０５】
次に、図１（Ｂ）に示すように、結晶性珪素膜１０３ａ上に、レーザー光１０７を照射する。レーザー光１０７の照射は、結晶性珪素膜１０３ａをさらに再結晶化させ、結晶性珪素膜１０３ａの結晶状態を向上させる。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ2、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2で照射し、照射時にガラス基板１０１を温度２００〜４５０℃、例えば温度４００℃に加熱した。レーザー光のビームサイズは、ガラス基板１０１表面にて１５０ｍｍ×ｌｍｍの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に０．０５ｍｍのステップ幅により順次走査を行った。これにより、結晶性珪素膜１０３ａ上の任意の一点において、計２０回のレーザー照射が行われることになる。この結果、固相結晶化により得られた結晶性珪素膜１０３ａは、レーザー光の照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性珪素膜１０３ｃとなる。
【０１０６】
次に、素子間分離のために、結晶性珪素膜１０３ｃの不要な部分を、図１（Ｃ）に示すように除去する。そして、ＴＦＴの活性領域（ソース領域、ドレイン領域、チャネル領域）となる島状の結晶性珪素膜１１２を形成する。
【０１０７】
次に、図１（Ｄ）に示すように、ＴＦＴの活性領域となる島状の結晶性珪素膜ｌｌ２を覆うように、厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１００ｎｍの酸化珪素膜をゲート絶縁膜１１３として形成する。ゲート絶縁膜１１３である酸化珪素膜の形成は、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０℃〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃にて分解して堆積させた。また、ゲート絶縁膜１１３である酸化珪素膜の形成は、減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によって、ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに、基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０℃にて形成してもよい。
【０１０８】
その後、スパッタリング法によって、島状の結晶性珪素膜ｌｌ２を覆ったゲート絶縁膜１１３上に高融点メタルを堆積し、この高融点メタルをパターニング形成して、ゲート電極ｌｌ４を形成する。この場合の高融点メタルとしては、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等が望ましい。第１の実施形態では、厚さ３００〜６００ｎｍ、例えば４５０ｎｍである高融点メタルに窒素が微量に添加されたＴａを用いた。その後、イオンドーピング法によって、ゲート電極１１４をマスクとしてＴＦＴの活性領域となる島状の結晶性珪素膜ｌｌ２に低濃度の不純物（リン）１１６を注入し、低濃度不純物領域１１８を形成する。低濃度の不純物（リン）１１６のドーピング条件は、ドーピングガスとしてホスフィン（ＰＨ3）を使用し、加速電圧６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量１×１０12〜１×１０14ｃｍ-2、例えば２×１０13ｃｍ-2とする。この工程により、ＴＦＴの活性領域となる島状の結晶性珪素膜１１２において、ゲート電極１１４によりマスクされていない領域は、低濃度の不純物（リン）１１６が注入された低濃度不純物領域１１８となり、ゲート電極１１４にマスクされ低濃度の不純物（リン）１１６が注入されない領域は、ＴＦＴのチャネル領域１１７となる。
【０１０９】
次に、図１（Ｅ）に示すように、ゲート絶縁膜１１３上のゲート電極ｌｌ４を完全に覆うようにフォトレジストによりドーピングマスク１１９を形成する。その後、イオンドーピング法によって、レジストマスク１１９をマスクとして低濃度不純物領域１１８に高濃度の不純物（リン）１２０を注入する。高濃度の不純物（リン）１２０のドーピング条件は、ドーピングガスとして、ホスフィン（ＰＨ3）を使用し、加速電圧６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば２×１０15ｃｍ-2とする。この工程により、高濃度の不純物（リン）１２０が注入された低濃度不純物領域１１８は、ＴＦＴのソースまたはドレイン領域１２１となる。本発明の第１の実施形態では、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法を用いて高濃度の不純物（リン）１２０のドーピングを行っている。このため、多量の水素も同時にＴＦＴのソースまたはドレイン領域１２１に注入されている。その結果、高濃度の不純物（リン）１２０が注入されたＴＦＴのソースまたはドレイン領域１２１は、結晶状態が崩れ非晶質化される。
【０１１０】
その後、高濃度の不純物（リン）１２０のドーピングのために、マスクとして使用したフォトレジスト１１９を除去した後、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気にて第２の加熱処理を行う。第１の実施形態では、第２の加熱処理の条件が窒素雰囲気中にて加熱温度４５０℃〜５８０℃、加熱時間０．５時間〜８時間、より好ましくは加熱温度４５０〜５２０℃、加熱時間０．５時間〜８時間であることが望ましい。また、第２の加熱処理における加熱温度までの昇温速度および加熱温度からの降温速度としては、少なくとも５℃／分以上で行うことが望ましい。実際に、第１の実施形態では、加熱温度５００℃、加熱時間２時間の第２の加熱処理を行った。この場合、加熱温度までの昇温および降温は、ガラス基板１０１を温度２００℃程度で余熱した状態から加熱温度５００℃まで３０分（昇温速度１０℃／分）で昇温し、加熱処理後、加熱温度５００℃から温度２００℃まで同じく３０分（降温速度１０℃／分）で降温した。
【０１１１】
次に、図１（Ｆ）に示すように、前述の第２の加熱処理により、ソースまたはドレイン領域１２１にドーピングされている高濃度の不純物（リン）１２０が、チャネル領域１１７に残存している触媒元素のニッケル１０５を、チャネル領域から隣接するソースまたはドレイン領域１２１への矢印の方向であるゲッタリング方向１１１に向かって移動させる。このような第２の加熱処理では、ゲッタリングシンクとなる高濃度にリン（Ｐ）がドーピングされ非晶質化したソースまたはドレイン領域１２１において、その加熱処理の全期間にて結晶核の発生が全く生じず再結晶化が行われない。その結果、ソースまたはドレイン領域１２１では、非常にゲッタリング効率の高い状態が熱処理の全期間にわたって得られる。これにより、チャネル領域ｌｌ７が効果的にゲッタリングされ、本発明によるゲッタリング効果を最大限に引き出すことができる。
【０１１２】
この第２の加熱処理後のチャネル領域１１７における残留ニッケル濃度は、５×１０15〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減されていた。また、チャネル領域１１７に残留しているニッケル１０５は、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。また、第１の実施形態では、ガラス基板１０１として、３２０ｍｍ×４００ｍｍの基板サイズ、厚さ０．７ｍｍのコーニング社製コード１７３７のノンアニール品のガラス基板１０１を用いているが、第２の加熱処理によるガラス基板１０１の反り、たわみ、割れ等は発生しなかった。さらに、メートルサイズの大型ガラス基板を使用した場合でも、第１の実施形態に示す加熱処理であれば、問題なく使用可能であることが確認できている。
【０１１３】
ここで、本発明の第１の実施形態では、第２の加熱処理を、ファーネス炉を使用して行った。ファーネス炉は、ガラス基板１０１の平面形状と概略相似形の断面形状をもつ炉心管が設けられており、ガラス基板１０１は、ガラス基板１０１の平面を炉心方向に向け、ファーネス炉の炉心管の周囲とガラス基板１０１の側端部との間のスペースが最小となるように配置されている。
【０１１４】
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれファーネス炉の概略構造を示す概念図である。
図６（Ａ）に示すように、中空直方体状の石英ボート６０２内に所定の厚みを有する矩形状のガラス基板６０１が２０枚セットされている。この石英ボート６０２を石英チューブ（炉心管）６０３の中に入れて第２の加熱処理が行われる。石英ボート６０２は、ガラス基板６０１がセットされる際には、石英チューブ（炉心管）６０３の下方のホームポジション６０７に配置されている。石英チューブ（炉心管）６０３は、温度５００℃に加熱されており、ホームポジション６０７は、温度２００℃程度に保たれている。そして、矢印６０４に示す方向にガラス基板６０１が２０枚セットされた石英ボート６０２の上部が、石英チューブ（炉心管）６０３内に入るとともに、ガラス基板６０１の昇温が開始され、石英ボート６０２全体が完全にアニールゾーン６０８に入ると、各ガラス基板６０１の第２の加熱処理がスタートする。降温は、逆に石英ボート６０２を石英チューブ（炉心管）６０３内から余熱ゾーンであるホームポジション６０７に降ろすことにより行われる。各ガラス基板６０１の第２の加熱処理において、石英チューブ（炉心管）６０３の平断面形状が、図６（Ｂ）に示すように、ガラス基板６０１の外形より大きく、ガラス基板６０１の外形と概略相似形をなす矩形状であることが重要となる。尚、ガラス基板６０１の基板サイズが３２０×４００ｍｍであれば、石英チューブ（炉心管）６０３は、ガラス基板６０１の基板サイズ３２０×４００ｍｍより一回り大きな矩形状の平断面で構成されており、その矩形状の平断面の内側のサイズが４００×４８０ｍｍである。
【０１１５】
液晶表示用のアクティブマトリクス基板等のマザーボードとなるガラス基板６０１は、ＩＣ等に使用されるシリコンウエハーと異なり、ガラス基板６０１の外形が円形状ではなく全て矩形状となっている。従来のファーネス炉の石英チューブ（炉心管）６０３ａは、通常、図６（Ｃ）に示すように円形状である。この石英チューブ（炉心管）６０３ａに、矩形のガラス基板６０１をセットした石英ボート６０２を入れ、平断面図を見ると、ガラス基板６０１と石英チューブ（炉心管）６０３ａとの間に大きな隙間６０６ａが生じる。これに対して、本発明の第１の実施形態では、ガラス基板６０１の外形と概略相似形の矩形状の平断面を有する石英チューブ（炉心管）６０３を用いることによって、図６（Ｂ）に示すように、ガラス基板６０１と石英チューブ（炉心管）６０３との間の隙間６０６の間隔を最小にすることができる。本発明の第１の実施形態では、この石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との隙間６０６の間隔が重要なポイントとなる。
【０１１６】
次に、本発明の第１の実施形態では、第２の加熱処理における加熱温度の昇温および降温を速やかに行う必要がある。ところが、従来のファーネス炉の方式では、特に基板サイズが６００×７２０ｍｍのような大型のガラス基板に対して、前述のような早い昇温速度および降温速度により加熱処理を行うことは極めて困難であった。また、従来のファーネス炉の大きな問題として、昇温時および降温時のガラス基板内の温度分布のばらつきが非常に大きくなる。具体的には、ガラス基板の端面周辺部と中央部との温度差が２００℃を越えるような温度分布のばらつきが生じており、その温度差の影響によりガラス基板の反りおよび割れが頻発していた。
【０１１７】
この問題を解決するために実験を行った結果、図６（Ｄ）に示すように、石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との間の隙間６０６の間隔と、石英ボート６０２にガラス基板６０１を複数枚セットする場合の基板ピッチ６０５とが重要なパラメーターであることを見出した。これにより、各ガラス基板６０１の昇温および降温を速やかに行うことと、各ガラス基板６０１の昇温時および降温時の各ガラス基板６０１内の温度分布のばらつきを改善することが、同時に解決できた。その解決策のポイントは、各ガラス基板６０１の第２の加熱処理を行う場合、窒素（Ｎ2）等の雰囲気ガス６０９を、各ガラス基板６０１間に一定量以上、供給すれば良い。図６（Ｄ）には、雰囲気ガス６０９の流れを矢印によって示している。石英チューブ（炉心管）６０３の上面の中央の開口部より供給される雰囲気ガス６０９は、石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との隙間６０６を通って石英チューブ（炉心管）６０３内の上方から下方への方向６１０に流れながら、各ガラス基板６０１の間にガラス基板６０１の表面と平行方向６１１に流れ込む。これにより、ガラス基板６０１の表面に対して、ガラス基板６０１の表面と平行方向６１１に流れる雰囲気ガス６０９の供給量を増やすことによって、昇温速度および降温速度を上げることが可能となり、この時のガラス基板６０１の表面の温度分布をほぼ一定に保つことができる。
【０１１８】
このガラス基板６０１の表面と平行方向６１１に流れる雰囲気ガス６０９の供給量は、ガラス基板６０１と石英チューブ（炉心管）６０３との間の隙間６０６を石英チューブ（炉心管）６０３内の上方から下方への方向６１０に流れる雰囲気ガス６０９の流速に比例し、ガラス基板６０１間の基板ピッチ６０５の間隔の二乗に比例する。石英チューブ（炉心管）６０３内の上方から下方への方向６１０の雰囲気ガス６０９の流速を増加させるには、雰囲気ガス６０９の供給量を増加するだけでは不十分であり、石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との隙間６０６の間隔を最小にすることが有効となる。そのために、ガラス基板６０１の外形とに概略相似形の矩形状の断面を有する石英チューブ（炉心管）６０３を用いることによって、図６（Ｂ）に示すように、石英チューブ（炉心管）６０３とガラス基板６０１との隙間６０６の間隔を最小にすることができる。これにより、ガラス基板６０１間の基板ピッチ６０５の間隔を最適化でき、第２の加熱処理に必要な早い昇温速度および降温速度を実現できるとともに、第２の加熱処理時のガラス基板６０１表面の温度分布をほぼ一定に保つことが可能となり、メートルサイズの大型ガラス基板に対しても、第２の加熱処理において、割れおよび反りの無い安定した加熱処理が可能となる。また、チャンバー内の構成が図６（Ａ）、（Ｂ）および（Ｄ）に示すようなファーネス炉を、クラスター状に接続し、同時に加熱処理を行うマルチチャンバー化することによって、高い処理能力を持つ製造装置が小さなフットプリント（床面積）により実現可能となる。すなわち、本発明の第２の加熱処理の処理装置として、量産を含めて考えても最適な装置となる。
【０１１９】
また、この第２の加熱処理により、ゲート絶縁膜ｌｌ３の焼成処理も同時に行われ、ゲート絶縁膜１１３自身のバルク特性および結晶性珪素膜とゲート絶縁膜１１３との界面特性も向上する。
【０１２０】
その後、図１（Ｆ）に示すように、ガラス基板１０１上のソースまたはドレイン領域１２１に、レーザー光１２２を照射してアニール処理を行う。このアニール処理は、リン（Ｐ）のイオン注入によって非晶質化されたソースまたはドレイン領域１２１の不純物（リン）の活性化を行うと同時に、ソースまたはドレイン領域１２１の再結晶化を行い結晶性を改善させる。本発明の第１の実施形態では、ソースまたはドレイン領域１２１をゲッタリングシンクとして非晶質状態で利用するため、前述の温度５００℃の第２の加熱処理だけでは、ソースまたはドレイン領域１２１の結晶状態は回復しておらず十分な不純物（リン）の活性化が得られない。このため、本発明の第１の実施形態では、レーザー光１２２の照射によるアニール工程を追加している。このアニール工程において、使用するレーザーは、波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマレーザーを用い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2のレーザー光１２２を照射する。この結果、Ｎ型不純物（リン）がイオン注入されたソースまたはドレイン領域１２１のシート抵抗値は、２００〜５００Ω／□であり、Ｎ型領域の低濃度不純物領域１１８のシート抵抗値は、３０〜５０ｋΩ／□である。
【０１２１】
次に、図１（Ｇ）に示すように、ガラス基板１０１上の全体を覆うために、厚さ６００ｎｍ程度の層間絶縁膜１２３である酸化珪素膜または窒化珪素膜を形成する。層間絶縁膜１２３として酸化珪素膜を形成する場合には、酸化珪素膜の原料にＴＥＯＳを使用する。酸化珪素膜は、プラズマＣＶＤ法によってＴＥＯＳを酸素とともに分解して堆積させて、または、減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によってＴＥＯＳをオゾンとともに分解して堆積させて形成する。これにより、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜１２３である酸化珪素膜が得られる。また、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＨ4とＮＨ3とを原料ガスとして成膜された窒化珪素膜を層間絶縁膜１２３に用いれば、活性領域であるソースまたはドレイン領域１２１およびチャネル領域１１７と、ゲート絶縁膜１１３との界面に水素原子を供給し、ＴＦＴの特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【０１２２】
その後、ソースまたはドレイン領域１２１上の層間絶縁膜１２３にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンおよびアルミニウムの二層膜によってＴＦＴの電極配線１２４を形成する。これにより、ＴＦＴ１２６が形成される。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散することを防止するバリア膜として設けられる。ＴＦＴ１２６を画素用ＴＦＴとして用いる場合には、ＴＦＴ１２６は、画素電極のスイッチングを行う素子であるので、一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透明導電膜からなる画素電極が設けられる。この場合、他方の電極は、ソース電極としてソースバスラインを構成することになり、ソースバスラインを介してソース電極にビデオ信号が供給され、ゲートバスラインを構成するゲート電極１１４に供給されるゲート信号に基づいて、ＴＦＴ１２６がＯＮ／ＯＦＦ動作し画素電極に必要な電荷が書き込まれる。その後、１気圧の水素雰囲気において、温度３５０℃、１時間のアニール処理を行い、ＴＦＴｌ２６が完成される。尚、必要に応じて、ＴＦＴｌ２６を保護するために、ＴＦＴｌ２６上に窒化珪素膜等から成る保護膜を設けても良い。
【０１２３】
以上、図１（Ａ）〜（Ｇ）の工程にしたがって作製されたＴＦＴ１２６は、電界効果移動度が２５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．５Ｖ程度と非常に高性能であり、従来のＴＦＴで発生しやすいＯＦＦ動作時のリーク電流の異常な増加が全く無く、ＴＦＴ１２６のＯＦＦ動作時のリーク電流が単位Ｗ当たり１ｐＡ以下と非常に低い値を安定して示した。このリーク電流の値は、触媒元素を用いずに作成した従来のＴＦＴと比較しても全く差が無いものであり、製造歩留まりを大きく向上することができた。また、ＴＦＴ１２６は、繰り返し測定、バイアス負荷および温度ストレスによる耐久性試験においても、ほとんど諸特性の劣化が見られず、従来のＴＦＴと比較して非常に信頼性が向上した。
【０１２４】
尚、本発明の図１（Ａ）〜（Ｇ）の工程にしたがって作製されたＴＦＴ１２６は、薄膜集積回路等にも簡単に応用でき、その場合にはＴＦＴ１２６のゲート電極１１４上にもコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せば良い。
【０１２５】
本発明の第２の実施形態である半導体装置の製造方法を図３（Ａ）〜（Ｇ）に基づいて説明する。本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の説明と同様にガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する場合の工程について説明を行う。第２の実施形態のＴＦＴは、アクティブマトリクス型液晶表示装置のドライバー回路および画素部分、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。本発明の第２の実施形態では、それらの代表例として、ガラス基板上に数十万から数百万のＮ型ＴＦＴを均一に作製する必要がある液晶表示装置用アクティブマトリクス基板の画素駆動用ＴＦＴの説明を行う。
【０１２６】
図２（Ａ）〜（Ｅ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態である半導体装置の製造方法におけるアクティブマトリクス基板上の画素駆動用ＴＦＴの各工程の概要を示す平面図である。アクティブマトリクス基板は、通常、画素駆動用ＴＦＴがアクティブマトリクス基板上の行方向および列方向に沿って数十万個以上配置され構成されているが、説明を簡略化するために、図２（Ａ）〜（Ｅ）では、行方向および列方向に沿って３行×３列の９個の画素駆動用ＴＦＴについて表している。図３（Ａ）〜（Ｇ）は、図２（Ａ）〜（Ｅ）における任意の１個の画素駆動用ＴＦＴでのＡ−Ａ’線における断面図であり、（Ａ）から（Ｇ）の順番に基づいて各工程が順次進行する。
【０１２７】
まず、図３（Ａ）に示すように、ガラス基板２０１上に、例えば、スパッタリング法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化珪素から成る下地膜２０２を形成する。この酸化珪素の下地膜２０２は、ガラス基板２０１の上方に形成される素子領域に、ガラス基板２０１から不純物の拡散を防止するために設けられる。その後、酸化珪素の下地膜２０２上に、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば４０ｎｍの真性（Ｉ型：ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｔｙｐｅ）の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を形成する。本発明の第２の実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、加熱温度を３００℃とし、材料ガスにＳｉＨ4ガスおよびＨ2ガスを用いた。そして、プラズマＣＶＤ装置のＲＦパワーは、パワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ2とし、例えば、８０ｍＷ／ｃｍ2として行った。
【０１２８】
次に、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上に均等にニッケル（Ｎｉ）２０５の微量添加を行う。このニッケル２０５の微量添加は、ニッケルを溶融させた溶液を非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上に保持し、スピナーによりニッケル（Ｎｉ）２０５を溶融させた溶液をガラス基板２０１上の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。第２の実施形態例では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としてはエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度を１ｐｐｍに設定した。非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上の添加されたニッケルの濃度を全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ：Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｘ−Ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法により測定すると、ニッケルの濃度は、６×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１２９】
その後、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気において第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理は、加熱温度５２０〜５７０℃、例えば５５０℃、加熱時間２〜８時間、例えば４時間のアニール処理を行った。この第１の加熱処理において、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３上に添加されたニッケル２０５が非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３内部に拡散するとともに、シリサイド化が起こり、それを核として非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３の結晶化が進行する。
【０１３０】
その結果、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３は、結晶化され、図２（Ｂ）に示すように、結晶性珪素膜２０３ａとなる。
【０１３１】
次に、図３（Ｂ）に示すように、結晶性珪素膜２０３ａ上に、レーザー光２０７を照射する。レーザー光２０７の照射は、結晶性珪素膜２０３ａをさらに再結晶化させ、結晶性珪素膜２０３ａの結晶状態を向上させる。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光のレーザー光のエネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ2、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2で照射し、照射時にガラス基板２０１を温度２００〜４５０℃、例えば温度４００℃に加熱した。この結果、固相結晶化により得られた結晶性珪素膜２０３ａは、レーザー光の照射による溶融固化過程により結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶性珪素膜２０３ｃとなる。
【０１３２】
次に、図３（Ｃ）に示すように、結晶性珪素膜２０３ｃ上に酸化珪素膜または窒化珪素膜の絶縁性薄膜を形成し、その後、絶縁性薄膜上をパターニングして図２（Ａ）に示す長方形のマスク２０４を各画素毎に形成する。マスク２０４は、本実施形態では酸化珪素膜を使用した。マスク２０４の形成は、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに分解して堆積させた。マスク２０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施形態では、マスク２０４である酸化珪素膜の厚さを１５０ｎｍとした。この時の状態をガラス基板２０１上方より見ると、図２（Ａ）に示すように、結晶性珪素膜２０３ｃの一部がマスク２０４により島状にマスクキング（遮蔽）された状態となっている。その後、ガラス基板２０１上方より、アルゴン２０８をガラス基板２０１上の全面にイオンドーピングする。この場合のアルゴン２０８のドーピング条件としては、ドーピングガスとして含有率１００％のアルゴン（Ａｒ）を使用し、加速電圧を例えば５〜１５ｋＶ、ドーズ量１×ｌ０15〜１×１０16／ｃｍ2、例えば３×１０15／ｃｍ2とする。この工程により、結晶性珪素膜２０３ｃ上のマスク２０４によって被覆されていない領域にアルゴン２０８を注入し、アルゴン２０８が注入された領域は、非晶質化され、非晶質珪素領域２０３ｆとなる。マスク２０４によって被覆されている結晶性珪素膜２０３ｃには、アルゴン２０８はドーピングされない。この状態をガラス基板２０１上方より見ると、図２（Ａ）のように表される。後工程にてＴＦＴが形成される活性（素子）領域は、この段階では、結晶性珪素膜２０３ｃ上にてマスク２０４に完全に被覆された状態である。
【０１３３】
その後、結晶性珪素膜２０３ｃ上に酸化珪素膜のマスク２０４が形成された状態のガラス基板２０１を、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気にて第２の加熱処理を行う。第２の実施形態では、第２の加熱処理の条件が窒素雰囲気中にて加熱温度４５０℃〜５８０℃、加熱時間０．５時間〜８時間、より好ましくは加熱温度４５０〜５２０℃、加熱時間０．５時間〜８時間であることが望ましい。また、第２の加熱処理における加熱温度までの昇温速度および加熱温度からの降温速度としては、少なくとも５℃／分以上で行うことが望ましい。実際に、第２の実施形態では、加熱温度５００℃、加熱時間４時間の第２の加熱処理を行った。この場合、加熱温度までの昇温および加熱温度からの降温は、ガラス基板２０１を温度２００℃程度で余熱した状態から加熱温度５００℃まで３０分（昇温速度１０℃／分で）で昇温し、加熱処理後、加熱温度５００℃から温度２００℃まで同じく３０分（降温速度１０℃／分で）で降温した。
【０１３４】
第２の加熱処理により、非晶質珪素領域２０３ｆにドーピングされたアルゴン２０８は、非晶質珪素領域２０３ｆに存在する触媒元素のニッケル２０５をまずトラップする。
【０１３５】
次に、図３（Ｄ）および図２（Ｂ）に示すように、さらに、マスク２０４にて被覆されている結晶性珪素膜２０３ｃ内に存在している触媒元素のニッケル２０５が、結晶性珪素膜２０３ｃから結晶性珪素膜２０３ｃの周囲に隣接する非晶質珪素領域２０３ｆに向かう矢印の方向であるゲッタリング方向２１１に向かって移動する。この結果、マスク２０４に被覆されている結晶性珪素膜２０３ｃ内におけるニッケル２０５の濃度は大幅に低減する。この第２の加熱処理後に、結晶性珪素膜２０３ｃ内に残留しているニッケル２０５の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定すると、５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減されており、測定可能範囲における測定下限レベルであった。また、マスク２０４に被覆されている結晶性珪素膜２０３ｃ内に残留しているニッケル２０５は、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。この第２の加熱処理条件では、第２の加熱処理の全期間において、アルゴンがドーピングされ非晶質化された非晶質珪素領域２０３ｆは、結晶核が全く発生せず、全く結晶化されていない非晶質状態が維持されている。
【０１３６】
また、第２の実施形態では、ガラス基板２０１として、３２０ｍｍ×４００ｍｍの基板サイズ、厚さ０．７ｍｍのコーニング社製コード１７３７のノンアニール品のガラス基板２０１を用いているが、第２の加熱処理によるガラス基板２０１の反り、たわみ、割れ等は発生しなかった。
【０１３７】
尚、第２の実施形態でも第１実施形態と同様に、第２の加熱処理を、図６に示すファーネス炉を使用して行った。また、本発明の第２の実施形態において、第２の加熱処理後のガラス基板２０１の収縮（シュリンケージ：ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）は、２０ｐｐｍ以下であり、ガラス基板２０１の反りとともに全く問題なく、後工程におけるフォトリソグラフィでのマスクアライメントも全く問題なく行うことができる。
【０１３８】
次に、図３（Ｅ）に示すように、酸化珪素膜から成るマスク２０４をエッチングによって除去する。エッチングは、ウェットエッチングにより行い、エッチング液（ｅｔｃｈａｎｔ）には、マスク２０４の下層の結晶性珪素膜２０３ｃに対して十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を使用した。その後、マスク２０４にて被覆されていた結晶性珪素膜２０３ｃを素子領域とて使用するために、ゲッタリング処理によって触媒元素のニッケル２０５が取り込まれた非晶質珪素領域２０３ｆおよびその他の不要な部分の結晶性珪素膜を除去して素子間分離を行う。これにより、図２（Ｃ）に示すような配置にて、少なくとも結晶性珪素膜２０３ｃの領域を用いて、ＴＦＴの活性領域（ソース領域、ドレイン領域、チャネル領域）となる島状の結晶性珪素膜２１２が形成される。
【０１３９】
次に、図３（Ｆ）に示すように、ＴＦＴの活性領域となる結晶性珪素膜２１２を被覆する厚さ２０〜１５０ｎｍ、例えば１００ｎｍの酸化珪素膜をゲート絶縁膜２１３として形成する。酸化珪素膜から成るゲート絶縁膜２１３の形成には、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃にて分解して堆積させた。酸化珪素膜から成るゲート絶縁膜２１３形成後、ゲート絶縁膜２１３自身のバルク特性、結晶性珪素膜２１２およびゲート絶縁膜２１３の界面特性を向上させるために、不活性ガス雰囲気において、アニール温度５００〜６００℃、アニール時間１〜４時間のアニール処理を行った。
【０１４０】
その後、ゲート絶縁膜２１３上に、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜を形成する。その後、このアルミニウム膜をパターニングして、結晶性珪素膜２１２の中央部分にゲート電極２１４を形成する。さらに、このアルミニウムのゲート電極２１４の表面を陽極酸化して、ゲート電極２１４の表面に酸化物層２１５を形成する。また、図２（Ｄ）に示すように、ゲート電極２１４は、平面的にはゲートバスラインを同時に構成している。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い、最初一定電流にて電圧を２２０Ｖまで上げ、電圧が２２０Ｖの状態を１時間保持して終了する。陽極酸化によって得られた酸化物層２１５は、厚さ３００ｎｍである。尚、この酸化物層２１５の厚さは、後工程でのイオンドーピングにおいて、オフセットゲート領域を形成するための厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化にて設定することができる。
【０１４１】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極２１４とその周囲の酸化物層２１５をマスクとして活性領域（ソース領域、ドレイン領域）に不純物（Ｐ：リン）を注入（ドーピング）する。不純物（Ｐ：リン）のドーピング条件は、ドーピングガスとして、ホスフィン（ＰＨ3）を使用し、加速電圧６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量１×１０15〜８×１０15／ｃｍ2、例えば２×１０15／ｃｍ2とする。この工程により、不純物（Ｐ：リン）が注入された結晶性珪素膜２１２は、ＴＦＴのソースまたはドレイン領域２２１となり、ゲート電極２１４およびその周囲の酸化層２１５にマスクされ不純物（Ｐ：リン）が注入されない結晶性珪素膜２１２は、ＴＦＴのチャネル領域２１７となる。その後、ガラス基板２０１上にレーザー光２２２を照射して、レーザーアニール処理を行い、イオン注入された不純物（Ｐ：リン）の活性化を図ると同時に、不純物（Ｐ：リン）の注入により結晶状態が劣化したＴＦＴのソースまたはドレイン領域２２１の結晶状態を改善する。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2である。この結果、Ｎ型不純物（Ｐ：リン）が注入された結晶性珪素膜２１２に形成されたＴＦＴのソースまたはドレイン領域２２１のシート抵抗値は、２００〜５００Ω／□である。
【０１４２】
次に、図３（Ｇ）に示すように、ガラス基板２０１上の全体を覆うために、厚さ６００ｎｍ程度の層間絶縁膜２２３である酸化珪素膜または窒化珪素膜を形成する。層間絶縁膜２２３として酸化珪素膜を用いる場合には、酸化珪素膜の原料にＴＥＯＳを使用する。酸化珪素膜は、プラズマＣＶＤ法によってＴＥＯＳを酸素とともに分解して堆積させて、または、減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によってＴＥＯＳをオゾンとともに分解して堆積させて形成する。これにより、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜２２３が得られる。また、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＨ4とＮＨ3とを原料ガスとして成膜された窒化珪素膜を層間絶縁膜１２３に用いれば、活性領域であるソースまたはドレイン領域２２１およびチャネル領域２１７と、ゲート絶縁膜２１３との界面に水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【０１４３】
その後、ソースまたはドレイン領域２２１上のソース領域側の層間絶縁膜２２３にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンおよびアルミニウムの二層膜によってＴＦＴのソース電極配線２２４を形成する。図２（Ｅ）に示すように、ソース電極配線２２４は、ゲート電極２１４から成るゲートバスラインと直交するように配置される。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。また、第２の実施形態において、ＴＦＴは画素駆動用であり、画素電極をスイッチングする素子であるため、ソースまたはドレイン領域２２１上のドレイン領域側の層間絶縁膜２２３にコンタクトホールを形成して、ＩＴＯ等の透明性導電膜からなる画素電極２２５を設ける。これにより、画素駆動用のＴＦＴ２２６が形成され、図２（Ｅ）において、ソース電極配線２２４のソースバスラインを介してビデオ信号が供給され、ゲート電極２１４から成るゲートバスラインに供給されるゲート信号に基づいて画素電極２２５に必要な電荷が書き込まれる。その後、１気圧の水素雰囲気において、温度３５０℃、１時間のアニール処理を行い、図３（Ｇ）および図２（Ｅ）に示すＴＦＴ２２６が完成される。尚、必要に応じて、ＴＦＴ２２６を保護するために、ＴＦＴ２２６上に窒化珪素膜等から成る保護膜を設けても良い。
【０１４４】
以上、図３（Ａ）〜（Ｇ）の工程にしたがって作製されたＴＦＴ２２６は、電界効果移動度が２５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．５Ｖ程度と非常に高性能であり、従来のＴＦＴで発生しやすいＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常な増加が全く無く、ＴＦＴ１２６のＯＦＦ動作時のリーク電流が単位Ｗ当たりｌｐＡ以下と非常に低い値を安定して示した。また、ＴＦＴ２２６は、第１の実施形態におけるＴＦＴ１２６と同様に、繰り返し測定、バイアス負荷および温度ストレスによる耐久性試験においても、ほとんど諸特性の劣化が見られず、従来のＴＦＴと比較して非常に信頼性が向上した。
【０１４５】
尚、本発明の図３（Ａ）〜（Ｇ）の工程にしたがって作製されたＴＦＴ２２６により構成される液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯させ評価すると、従来の製造方法により作製した液晶表示用アクティブマトリクス基板と比較して画像の表示むらが明らかに少なく、ＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流による画素欠陥も極めて少なく、高コントラスト比の表示品位の向上した液晶パネルが得られた。
【０１４６】
本発明の第３の実施形態である半導体装置の製造方法を図５（Ａ）〜（Ｈ）に基づいて説明する。本発明の第３の実施形態は、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、および、一般の薄膜集積回路を形成するＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路をガラス基板上に作製する工程について説明を行う。
【０１４７】
図４は、本発明の第３の実施形態である半導体装置の製造方法におけるＣＭＯＳ構造を構成するＮ型ＴＦＴおよびＰ型ＴＦＴの作製工程の概略を示す平面図である。図５（Ａ）〜（Ｈ）は、図４のＢ−Ｂ’線における断面図であり、（Ａ）から（Ｈ）の順番に基づいて各工程が順次進行する。
【０１４８】
まず、図５（Ａ）に示すように、ガラス基板３０１上に、例えば、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化珪素からなる下地膜３０２を形成する。この酸化珪素の下地膜３０２は、ガラス基板３０１の上方に形成されるＮ型およびＰ型ＦＥＴの素子領域に、ガラス基板３０１から不純物の拡散を防止するために設けられる。その後、酸化珪素の下地膜３０２上に、減圧ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３を成膜する。
【０１４９】
次に、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３上に酸化珪素膜または窒化珪素膜の絶縁性薄膜を形成し、絶縁性薄膜の中央の領域を除去するようにパターニングしてマスク３０４を形成する。マスク３０４を分離する絶縁性薄膜の除去された中央の領域は、スルーホール３００となる。マスク３０４は、本発明の第３の実施形態では酸化珪素膜を使用した。マスク３０４の形成は、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに分解して堆積させた。マスク３０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施形態では、マスク３０４である酸化珪素膜の厚さを１５０ｎｍとした。マスク３０４を分離するスルーホール３００により、スルーホール３００の下部にてスリット状に非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３が露出される。この時の状態をガラス基板３０１上方より見ると、図４に示すのように、スルーホール３００において非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３が露出しており、スルーホール３００に隣接する領域は酸化珪素膜から成るマスク３０４により被覆されている状態となっている。このときのライン状のスルーホール領域３００の幅は２〜１５μｍであることが望ましく、本実施形態では１０μｍとした。
【０１５０】
非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３上にマスク３０４を設けた後、マスク３０４およびスルーホール３００上にニッケル３０５の微量を添加する。このニッケル３０５の微量添加は、ＤＣスパッタリングによって、純度９９．９％以上のニッケルターゲットを使用して行った。ニッケルのＤＣスパッタリング条件は、ＤＣパワーが５０Ｗ程度の極めて低いパワーにて、ガラス基板３０１の搬送速度を２０００ｍｍ／ｍｉｎにまで高めてスパッタリング処理を行った。スパッタリングガスとしてはアルゴンを使用して、純ニッケルターゲットに対してスパッタリング時のガス圧力を１０Ｐａ以上に上げることによって、ニッケル３０５が極めて低濃度添加されるスパッタリングが可能となる。このようにして、マスク３０４およびスルーホール３００上にスパッタリングされたニッケル３０５は、図５（Ａ）では、薄膜のように表示してはいるが、実際には、ニッケル３０５の厚さは、単原子層程度かそれ以下の状態で、とても膜と呼べる状態ではない。この時の具体的なスパッタリング条件は、ＤＣパワー６０Ｗ、アルゴンガス圧１８Ｐａであり、マスク３０４およびスルーホール３００に添加されたニッケル３０５の濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法により測定すると、６×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１５１】
次に、図５（Ｂ）に示すように、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気において第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理は、加熱温度５３０〜６００℃、例えば５６０℃、加熱時間１０時間のアニール処理を行い非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３を結晶化する。この第１の加熱処理において、スルーホール３００では、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３の表面に存在する微量のニッケル３０５を核として非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３の結晶化が起こり、初めに結晶性珪素膜３０３ａが形成される。そして、引き続いて結晶性珪素膜３０３ａに隣接する領域では、図４、図５（Ｂ）において、結晶性珪素膜３０３ａから隣接する両側のマスク３０４の下方の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３への矢印の方向である結晶化方向３０６に向かって、結晶性珪素膜３０３ａから相対する横方向（ガラス基板３０１と平行な方向）に結晶成長が進行し、マスク３０４の下方の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３において、結晶性珪素膜３０３ａから横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂが形成される。
【０１５２】
ガラス基板３０１上には、少なくとも複数のライン状のスルーホール３００およびマスク３０４が、それぞれ隣接して形成されており、各スルーホール３００の下方に形成される結晶性珪素膜３０３ａから相対する横方向の結晶成長が進行し、それぞれの横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂがぶつかり合って結晶成長が終了する。この結晶性珪素膜３０３ｂの横方向の結晶成長がぶつかり合う境界が境界部３０３ｅがである。
【０１５３】
この場合、マスク３０４上に添加されたニッケル３０５は、酸化珪素膜から成るマスク３０４により移動を阻まれ、マスク３０４の下方の非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３へは到達せず、スルーホール３００に添加されたニッケル３０５のみによって、非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３の結晶化が行われる。この結果、各スルーホール３００の下方に形成される結晶性珪素膜３０３ａから相対する横方向結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂ内のニッケル３０５の濃度は、５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であり、直接ニッケル３０５が添加されて結晶成長した結晶性珪素膜３０３ａ内のニッケル３０５の濃度は１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。尚、上記の第１の加熱処理における非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３の結晶成長に際し、矢印で示される結晶化方向３０６のガラス基板３０１と平行な方向の結晶成長の距離は、例えばスルーホール３００の周囲が全て非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３で横方向の結晶成長のぶつかり合いが生じない場合には、５０μｍ程度になる。
【０１５４】
次に、図５（Ｃ）に示すように、ニッケル３０５の選択添加に使用したマスク３０４をそのまま使用して、ガラス基板３０１上方より、リン（Ｐ）３０９をガラス基板３０１上の全面にイオンドーピングする。この場合のリン（Ｐ）３０９のドーピング条件としては、ドーピングガスとしてホスフィン（ＰＨ3）を使用し、加速電圧５〜１０ｋＶ、ドーズ量５×１０15〜１×１０16／ｃｍ2とした。さらに、引き続きホウ素（Ｂ）３１０を同様に、ガラス基板３０１上方より、ホウ素（Ｂ）３１０をガラス基板３０１上の全面にイオンドーピングする。ホウ素３１０のドーピング条件としては、ドーピングガスとしてジボラン（Ｂ2Ｈ6）を使用し、加速電圧５〜１０ｋＶ、ドーズ量１×１０15〜５×１０15／ｃｍ2とした。この工程により、スルーホール３００内の露出している結晶性珪素膜３０３ａにリン３０９およびホウ素３１０が注入され、リン３０９およびホウ素３１０が注入された結晶性珪素膜３０３ａは非晶質化し、非晶質珪素領域３０３ｆが形成される。マスク３０４によって被覆されている領域の結晶性珪素膜３０３ｂには、リン３０９およびホウ素３１０はドーピングされない。
【０１５５】
本実施形態では、リン３０９およびホウ素３１０のドーピングを別々に行ったが、リン３０９およびホウ素３１０のドーピングに使用するドーピングガスを混合し、リン３０９およびホウ素３１０のドーピングを同時に行っても良い。また、本実施形態では、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法によって、リン３０９およびホウ素３１０のドーピングを行っている。これにより、リン３０９およびホウ素３１０に加えて多量の水素も同時に、結晶性珪素膜３０３ａに注入されている。この結果、リン３０９とホウ素３１０が注入された結晶性珪素膜３０３ａは、結晶状態が完全に乱れて、非晶質化された非晶質珪素領域３０３ｆとなる。
【０１５６】
次に、スルーホール３００の下方に非晶質珪素領域３０３ｆが形成されたガラス基板３０１を、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気にて第２の加熱処理を行う。本実施形態では、第２の加熱処理の条件が窒素雰囲気中にて加熱温度４５０℃〜５８０℃、加熱時間０．５時間〜８時間、より好ましくは加熱温度４５０〜５２０℃、加熱時間０．５時間〜８時間であることが望ましい。また、第２の加熱処理における加熱温度までの昇温速度および加熱温度からの降温速度としては、少なくとも５℃／分以上で行うことが望ましい。実際に、第３の実施形態では、加熱温度５２０℃、加熱時間４時間の第２の加熱処理を行った。この場合、加熱温度までの昇温および加熱温度からの降温は、ガラス基板３０１を温度２００℃程度で余熱した状態から加熱温度５２０℃まで３０分で（昇温速度約１０℃／分で）で昇温し、加熱処理後、加熱温度５２０℃から温度２００℃まで同じく３０分（降温速度１０℃／分で）で降温した。
【０１５７】
第２の加熱処理により、非晶質珪素領域３０３ｆにドーピングされたリン３０９およびホウ素３１０は、非晶質珪素領域３０３ｆに存在する触媒元素のニッケル３０５をまずトラップする。その後、図４および図５（Ｄ）に示すように、マスク３０４にて被覆されている結晶性珪素膜３０３ｂ内に存在しているニッケル３０５が、結晶性珪素膜３０３ｂから非晶質珪素領域３０３ｆに向かう矢印の方向であるゲッタリング方向３１１に向かって移動する。ゲッタリング方向３１１は、結晶性珪素膜３０３ｂが結晶成長した方向とは全く逆方向になる。第３の実施形態では、第１の実施形態と比較すると、リン３０９に加えてホウ素３１０がドーピングされており、リン３０９およびホウ素３１０がドーピングされた領域は、リン３０９のみがドーピングされた領域に比較して、ゲッタリング効率が高くなり、より効果的なゲッタリングシンクとして作用する。この結果、横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂ内のニッケル３０５の濃度は大幅に低減する。
【０１５８】
この第２の加熱処理後に、横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂ内の残留しているニッケル３０５の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定すると、５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減されており、測定可能範囲における測定下限レベルであった。また、結晶性珪素膜３０３ｂ内に残留しているニッケル３０５は、シリサイド状態では無く、格子間ニッケルとして固溶した状態で存在している。この第２の加熱処理条件では、第２の加熱処理の全期間において、リン３０９およびホウ素３１０がドーピングされ非晶質化された非晶質珪素領域３０３ｆは、結晶核が全く発生せず、全く結晶化されていない非晶質状態が維持されている。
【０１５９】
尚、第３の実施形態でも第１および第２の実施形態と同様に、第２の加熱処理を、図６に示すファーネス炉を使用して行った。
【０１６０】
次に、図５（Ｅ）に示すように、酸化珪素膜から成るマスク３０４をエッチングによって除去する。エッチングは、ウェットエッチングにより行い、エッチング液（ｅｔｃｈａｎｔ）には、マスク３０４の下層の結晶性珪素膜３０３ｂに対して十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を使用した。その後、ガラス基板３０１上にレーザー光３０７を照射して、レーザーアニール処理を行い、横方向に結晶成長した結晶性珪素膜３０３ｂを再結晶化させて、結晶状態のより高品質な結晶性珪素膜３０３ｄが得られる。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ２、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ２で照射し、照射時にガラス基板３０１を温度２００〜４５０℃、例えば温度４００℃に加熱した。レーザー光のビームサイズは、ガラス基板３０１表面にて１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に０．０５ｍｍのステップ幅により順次走査を行った。これにより、結晶性珪素膜３０３ｂ上の任意の一点において、計２０回のレーザー照射が行われることになる。このようなレーザー光を繰り返し照射することにより、固相結晶化により得られた結晶性珪素膜３０３ｂは、珪素膜中に残存している結晶欠陥および微小な非晶質領域等が優先的に溶融し、結晶化領域の良好な結晶成分のみを反映して膜全体が再結晶化され、より高品質な結晶性珪素膜３０３ｄとなる。
【０１６１】
次に、図５（Ｆ）に示すように、横方向に結晶成長させた結晶性珪素膜３０３ｄの領域を用いて、後工程にてＮ型ＴＦＴの活性領域（素子領域）およびＰ型ＴＦＴの活性領域（素子領域）となる結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐを残し、それ以外の不要な結晶性珪素膜３０３ｄの領域をエッチングによって除去して素子間分離を行う。この場合のニッケル３０５およびリン３０９が添加されたスルーホール３００と、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐとの平面的な位置関係は、図４に示す状態となる。
【０１６２】
次に、図５（Ｇ）示すように、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐを被覆する厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１００ｎｍの酸化珪素膜をゲート絶縁膜３１３として形成する。酸化珪素膜から成るゲート絶縁膜３１３の形成には、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃にて分解して堆積させた。酸化珪素膜から成るゲート絶縁膜３１３形成後、ゲート絶縁膜３１３自身のバルク特性、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐと、ゲート絶縁膜３１３との界面特性を向上させるために、不活性ガス雰囲気において、アニール温度５００〜６００℃、アニール時間１〜４時間のアニール処理を行った。
【０１６３】
その後、ゲート絶縁膜３１３上に、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍのアルミニウム（０．１〜２．０％のシリコンを含む）膜を形成する。その後、このアルミニウム膜をパターニングして、Ｎ型およびＰ型ＴＦＴの活性領域となる結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐの中央部分に、それぞれゲート電極３１４ｎおよび３１４ｐを形成する。
【０１６４】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極３１４ｎおよび３１４ｐをマスクとしてＮ型およびＰ型ＴＦＴの活性領域となる結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐにＮ型不純物（リン）およびＰ型不純物（ホウ素）を選択的にドーピングする。Ｎ型不純物（リン）およびＰ型不純物（ホウ素）のドーピング条件は、ドーピングガスとして、それぞれホスフィン（ＰＨ3）およびジボラン（Ｂ2Ｈ6）を使用し、ホスフィン（ＰＨ3）の場合は、加速電圧６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）の場合は、加速電圧４０ｋＶ〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶ、ドーズ量１×１０15〜８×１０15／ｃｍ2、例えばリンでは２×１０15／ｃｍ2、ホウ素では５×１０15／ｃｍ2とする。この工程により、ゲート電極３１４ｎおよび３１４ｐにマスクされ不純物（リンおよびホウ素）が注入されない結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐは、それぞれＮ型およびＰ型ＴＦＴのチャネル領域３１７ｎおよび３１７ｐとなる。
【０１６５】
Ｎ型不純物（リン）およびＰ型不純物（ホウ素）のドーピングは、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐに対して選択的に行われる。このため、結晶性珪素膜３１２ｎにＮ型不純物（リン）をドーピングする場合には、Ｐ型不純物（ホウ素）をドーピングする結晶性珪素膜３１２ｐ上をフォトレジストで被覆し、結晶性珪素膜３１２ｐにＰ型不純物（ホウ素）をドーピングする場合には、Ｎ型不純物（リン）をドーピングする結晶性珪素膜３１２ｎ上をフォトレジストで被覆する。この結果、結晶性珪素膜３１２ｎおよび３１２ｐ内に、それぞれＮ型ＴＦＴのソースまたはドレイン領域３２１ｎおよびＰ型ＴＦＴのソースまたはドレイン領域３２１ｐが形成され、図４に示すようにスルーホール３００の両側に、スルーホール３００と隣接してＮ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７を形成することができる。
【０１６６】
その後、ガラス基板３０１上にレーザー光３２２を照射して、レーザーアニール処理を行い、イオン注入された不純物（リンおよびホウ素）の活性化を図ると同時に、不純物（リンおよびホウ素）の注入により結晶状態が劣化したＴＦＴのソースまたはドレイン領域３２１ｎおよび３２１ｐの結晶状態を改善する。この場合のレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を使用した。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ2、一か所につき２０ショット照射した。
【０１６７】
次に、図５（Ｈ）に示すように、ガラス基板３０１上の全体を覆うために、プラズマＣＶＤ法によって厚さ９００ｎｍの酸化珪素膜を層間絶縁膜３２３として形成する。その後、ソースまたはドレイン領域３２１ｎおよび３２１ｐ上にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンおよびアルミニウムの二層膜によってＮ型およびＰ型ＴＦＴのソース電極およびドレイン電極と成る電極配線３２４を形成する。その後、１気圧の水素雰囲気において、温度３５０℃、１時間のアニール処理を行い、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７を完成させる。尚、必要に応じて、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７のそれぞれのゲート電極３１４ｎおよび３１４ｐ上にもコンタクトホールを設けて、電極配線３２４により必要な電極間を接続しても良いし、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７を保護するために、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７上に窒化珪素膜等から成る保護膜を設けても良い。
【０１６８】
以上、図５（Ａ）〜（Ｈ）の工程にしたがって作製されたＮ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７から成るＣＭＯＳ構造回路において、それぞれＮ型ＴＦＴ３２６の電界効果移動度は２５０〜３００ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐ型ＴＦＴ３２７の電界効果移動度は１２０〜１５０ｃｍ2／Ｖｓの高い値を示し、Ｎ型ＴＦＴ３２６の閾値電圧は１Ｖ程度、Ｐ型ＴＦＴ３２７の閾値電圧は−１．５Ｖ程度と非常に良好な特性を示す。そして、Ｎ型ＴＦＴ３２６およびＰ型ＴＦＴ３２７には、従来のＴＦＴで発生しやすいＴＦＴのＯＦＦ動作時のリーク電流の異常な増加が全く無く、繰り返し測定、バイアス負荷および温度ストレスによる耐久性試験においても、ほとんど諸特性の劣化が見られず、従来のＴＦＴと比較して非常に信頼性が向上し、安定した回路特性を示した。
【０１６９】
以上、本発明の第１〜第３の実施形態に基づいて、半導体装置の製造方法を具体的に説明したが、本発明の半導体装置の製造方法は、前述の第１〜第３の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、前述の第１〜第３の実施形態においては、触媒元素のニッケルをゲッタリングする際の第２の加熱処理の方法として、ガラス基板の外形と概略相似形の断面形状を持つ炉心管が設けられたファーネス炉のような抵抗性加熱炉を用いる方法を示したが、通常の抵抗性加熱炉（ファーネス炉）でも同様の処理は可能であるし、その他の枚葉式等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：急速熱アニーリング）のようなアニール方法も使用できる。
【０１７０】
また、触媒元素のニッケルを添加する方法としては、非晶質珪素膜の表面にニッケル塩を溶融した溶液を塗布する方法を採用したが、非晶質珪素膜の成膜前に下地膜表面にニッケルを添加し、非晶質珪素膜下層よりニッケルを非晶質珪素膜内に拡散させ結晶成長を行わせる方法でもよい。これにより、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。
【０１７１】
ニッケルの添加方法としても、その他、様々な方法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶融させる溶媒としてＳＯＧ（スピンオングラス）材料を用い、ＳｉＯ2膜より拡散させる方法もある。また、第３の実施形態に示すようなスパッタリング法、蒸着法、メッキ法等により薄膜形成する方法、イオンドーピング法により直接添加する方法等も利用できる。さらに、結晶化を促進する不純物金属元素としては、ニッケル以外にコバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いても同様の効果が得られる。
【０１７２】
また、ニッケルのゲッタリング効果を高めるための５族Ｂ元素としてリンを用いたが、リン以外に窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスを利用しても良い。第２の実施形態では、アルゴンをドーピングして使用したが、クリプトンおよびキセノンでも同様の効果が得られる。
【０１７３】
また、第１〜第３の実施形態では、ニッケルによって結晶化された結晶性珪素膜の結晶性をさらに促進させる手段として、結晶化された結晶性珪素膜の表面にパルスレーザーであるエキシマレーザーのレーザー光を照射する加熱法を用いたが、それ以外のレーザー（例えば連続発振Ａｒレーザー等）を使用しても同様のレーザーアニール処理が可能である。
【０１７４】
さらに、本発明の応用としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子および表示素子、三次元ＩＣ等が考えられる。本発明を用いることによって、これらの素子の高速化、高解像度化等の高性能化が実現される。
【０１７５】
さらに、本発明は、第１〜第３の実施形態で説明したＭＯＳ型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素材としたバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス全般に応用することができる。
【０１７６】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性表面を有する基板上に形成された非晶質珪素膜に、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素である触媒元素を添加して、第１の加熱処理を行い非晶質珪素膜を結晶成長させ、その後、結晶化した結晶性珪素膜の一部に、選択的に触媒元素を引き寄せる効果を持つ第２の元素であるゲッタリング元素を添加して、ゲッタリング元素を添加した領域を非晶質化させる。さらに、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域が少なくとも完全に結晶化しない状態を保ちながら第２の加熱処理を行い、第２の加熱処理により結晶性珪素膜内の触媒元素を、ゲッタリング元素が添加され非晶質化した領域に移動させ、ゲッタリング元素が添加された領域以外の領域を用いて半導体装置の能動（チャネル）領域を形成する。これにより、結晶化された結晶性珪素膜の素子形成領域内の触媒元素の量を低減させ、大型のガラス基板に対しても量産が可能となる。
【０１７７】
本発明の半導体装置は、絶縁性表面を有する基板上に、活性領域を有する結晶性珪素膜が形成され、その活性領域には、非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素を含むとともに、第１の元素が活性領域の全領域において結晶性珪素膜の格子間に固溶していることもよって、信頼性の高い安定した特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｇ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｅ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法における画素駆動用ＴＦＴの各工程の概要を示す平面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｇ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態である半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態である半導体装置の製造方法におけるＣＭＯＳ構造を構成するＮ型ＴＦＴおよびＰ型ＴＦＴの作製工程の概略を示す平面図である。
【図５】Ａ）〜（Ｈ）は、それぞれ本発明の第３の実施形態である半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図６】（Ａ）は、ファーネス炉におけるガラス基板、石英ボートおよび石英チュ−ブの位置関係を示す斜視図であり、（Ｂ）は、ファーネス炉におけるガラス基板と石英チュ−ブとの隙間（間隔）を表す平断面図であり、（Ｃ）は、従来のガラス基板と石英チュ−ブとの隙間（間隔）を表す平断面図であり、（Ｄ）は、ファーネス炉におけるガラス基板と石英チュ−ブとの隙間（間隔）および雰囲気ガスの流れを表す概略断面図である。
【符号の説明】
３００ スルーホール
１０１、２０１、３０１ ガラス基板
１０２、２０２、３０２ 下地膜
１０３、２０３、３０３ 非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）
１０３ａ 結晶性珪素膜
２０３ａ 結晶性珪素膜
３０３ａ 結晶性珪素膜
３０３ｂ 結晶性珪素膜
１０３ｃ 結晶性珪素膜
２０３ｃ 結晶性珪素膜
３０３ｄ 結晶性珪素膜
３０３ｅ 境界部
２０３ｆ 非晶質珪素領域
３０３ｆ 非晶質珪素領域
２０４、３０４ マスク
１０５、２０５、３０５ ニッケル
３０６ 結晶成長方向
１０７、２０７、３０７ レーザー光
２０８ アルゴン
３０９ リン
３１０ ホウ素
１１１、２１１、３１１ ゲッタリング方向
１１２、２１２、 ＴＦＴ活性領域（素子領域）
３１２ｎ 結晶性珪素膜
３１２ｐ 結晶性珪素膜
ｌｌ３、２１３、３１３ ゲート絶縁膜
１１４、２１４、 ゲート電極
３１４ｎ ゲート電極
３１４ｐ ゲート電極
２１５ 陽極酸化層
１１６ 低濃度のリン
１１７、２１７、３１７ チャネル領域
３１７ｎ チャネル領域
３１７ｐ チャネル領域
１１８ 低濃度不純物領域
１１９ フォトレジストマスク
１２０ 高濃度のリン
１２１、２２１、 ソースまたはドレイン領域
３２１ｎ ソースまたはドレイン領域
３２１ｐ ソースまたはドレイン領域
１２２、２２２、３２２ レーザー光
１２３、２２３、３２３ 層間絶縁膜
１２４、２２４、３２４ 電極配線
２２５ 画素電極
１２６、２２６、３２６ Ｎチャネル型ＴＦＴ
３２７ Ｐチャネル型ＴＦＴ
Claims (24)
- 絶縁性表面を有する矩形状の基板上に非晶質珪素膜を形成し、該非晶質珪素膜に該非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素を添加する工程と、
その後、第１の加熱処理を施し、該第１の元素が添加された該非晶質珪素膜の結晶成長を行い、結晶性珪素膜を形成する工程と、
該結晶性珪素膜の一部の領域に、選択的に該第１の元素を引き寄せる効果を有する第２の元素を添加し、該第２の元素が添加された領域を非晶質化する工程と、
該第２の元素が添加され非晶質化した領域が、少なくとも完全に結晶化しない状態にて第２の加熱処理を行い、該結晶性珪素膜内の該第１の元素を、該第２の元素が添加され非晶質化した領域に移動させる工程と、
該第２の元素が添加された領域以外の領域の該結晶性珪素膜を用いて、少なくとも半導体装置の能動領域を形成する工程とを包含し、
前記第２の加熱処理は、前記基板の平面形状と概略相似形の断面形状を持つ炉心管を有するファーネス炉で、該炉心管の内部に、前記基板を、該炉心管の断面形状と相似状態になるように配置して、前記基板の昇温速度および降温速度を、それぞれ５℃／分以上として、４５０℃〜５８０℃の範囲内の加熱温度、０．５時間〜８時間の加熱時間で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 絶縁性表面を有する矩形状の基板上に非晶質珪素膜を形成し、該非晶質珪素膜の一部の領域に該非晶質珪素膜の結晶化を促進する第１の元素を選択的に添加する工程と、
その後、第１の加熱処理を施し、該第１の元素が選択的に添加された領域から隣接する周辺領域に向かって該基板と平行方向に該非晶質珪素膜の結晶成長を行い、結晶性珪素膜を形成する工程と、
該結晶性珪素膜の一部の領域に、選択的に該第１の元素を引き寄せる効果を有する第２の元素を添加し、該第２の元素が添加された領域を非晶質化する工程と、
該第２の元素が添加され非晶質化した領域が、少なくとも完全に結晶化しない状態で第２の加熱処理を行い、該結晶性珪素膜内の該第１の元素を、該第２の元素が添加され非晶質化した領域に移動させる工程と、
該第２の元素が添加された領域以外の、該基板と平行方向に結晶成長した領域の該結晶性珪素膜を用いて、少なくとも半導体装置の能動領域を形成する工程とを包含し、
前記第２の加熱処理は、前記基板の平面形状と概略相似形の断面形状を持つ炉心管を有するファーネス炉で、該炉心管の内部に、前記基板を、該炉心管の断面形状と相似状態になるように配置して、前記基板の昇温速度および降温速度を、それぞれ５℃／分以上として、４５０℃〜５８０℃の範囲内の加熱温度、０．５時間〜８時間の加熱時間で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第２の加熱処理では、前記第２の元素が添加され非晶質化した領域において、結晶核の発生が全く生じない請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第２の加熱処理において、前記基板が、前記ファーネス炉の炉心管の周囲と前記基板の側端部との間の間隔が最小となるように配置されている請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第２の元素は、Ｖ族Ｂの元素から少なくとも１種類以上、選択される請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第２の元素がリン（Ｐ）である請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記非晶質化する工程において、前記Ｖ族Ｂの元素とともに、III族Ｂの元素も添加される請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記Ｖ族Ｂの元素がリン（Ｐ）であり、III族Ｂの元素がホウ素（Ｂ）である請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第２の元素は、希ガス元素から少なくとも１種類以上、選択される請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記希ガス元素がアルゴン（Ａｒ）である請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第２の元素の添加は、質量分離を行わないイオンシャワードーピング法によって行われる請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第２の元素は、前記能動領域に隣接した周辺部に添加される請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１の元素の添加および前記第２の元素の添加が同一の添加用マスクを用いて行われる請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記能動領域に隣接した前記周辺部は、不純物領域である請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記不純物領域は、Ｖ族Ｂの元素が添加されて、ソース領域およびドレイン領域とされる請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記不純物領域に高速熱アニール処理またはレーザーアニール処理を行う請求項１４または１５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記結晶性珪素膜にレーザーアニール処理を行う請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１の元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選択された一種類または複数種類の元素である請求項１〜１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１の元素は、少なくともＮｉが選択される請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
- 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法によって、絶縁性表面を有する基板上に、活性領域を有する結晶性珪素膜が形成された半導体装置であって、
前記第１の元素が該活性領域の全領域において前記結晶性珪素膜の格子間に固溶していることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法によって、絶縁性表面を有する基板上に、活性領域を有する結晶性珪素膜が形成された半導体装置であって、
該活性領域には、能動領域および不純物領域が設けられており、
前記第１の元素が前記活性領域内の前記能動領域において前記結晶性珪素膜の格子間に固溶していることを特徴とする半導体装置。 - 前記能動領域内の前記第１の元素の濃度が、前記不純物領域内の前記第１の元素の濃度よりも低くなるように設定されている請求項２１に記載の半導体装置。
- 前記第１の元素としてニッケル（Ｎｉ）が含まれている請求項２０〜２２のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第１の元素の濃度は、１×１０15〜１×１０17／ｃｍ3の範囲内である請求項２０または２１に記載の半導体装置。
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