JP3999923B2 - 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】
この発明は、非晶質ケイ素膜を結晶化した結晶性ケイ素膜を活性領域として用いた素子を備えた半導体装置およびその製造方法に関し、特に絶縁表面を有する基板上に設けられた薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置,密着型イメージセンサー,三次元ＩＣ等の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、大型で高解像度の液晶表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ＩＣ等への実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や絶縁膜上に高性能な素子を形成する試みがなされている。これらの装置に用いられる素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のケイ素半導体としては、非晶質ケイ素半導体(ａ−Ｓi)からなるものと結晶性を有するケイ素半導体からなるものの２つに大別される。
【０００３】
上記非晶質ケイ素半導体は、作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられているが、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣っているため、より高速特性を得るには、結晶性を有するケイ素半導体からなる半導体装置の作製方法の確立が強く求められている。なお、結晶性を有するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素等が知られている。
【０００４】
これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導体を得る方法としては、
(１) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する方法
(２) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光のエネルギーにより結晶性を有する膜を形成する方法
(３) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有する膜を形成する方法
等が知られている。しかしながら、(１)の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素を得るにはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜することが技術上困難である。
【０００５】
また、(２)の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理され、比較的高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、未だ十分な安定性のものが得られておらず、素子としての性能面でも十分ではない。
【０００６】
また、(３)の方法は、(１),(２)の方法と比較すると、基板内の均一性,安定性において有利であるが、６００℃で３０時間程の長時間にわたる加熱処理が必要であり、処理時間が長く、スループットが低いという問題がある。また、この(３)の方法では、結晶構造が双晶構造となるため、一つの結晶粒は数μｍと比較的大きいが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、上記(２)の方法に比べて結晶性は劣る。結晶性を向上させる手段としては、さらに１０００℃程度で酸素雰囲気にて加熱処理を施すような手法も用いられているが、このときには安価なガラス基板が使用できるプロセスではなく、素子特性としてもＴＦＴにおいて電界効果移動度１００ｃｍ2／Ｖｓ程度の低い特性しか得られていない。
【０００７】
これらの方法に対して、上記(３)の方法を改善し、高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法が、
(i) 特開平１０−１９９８０５号公報
(ii) 特開平１０−２００１１３号公報
で提案されている。この(i),(ii)の方法では、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を利用することで、加熱温度の低温化および処理時間の短縮化を図ると共に、結晶性の向上を図っている。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパラジウム等の金属元素を微量に導入した後に加熱することにより低温結晶化を行うものである。
【０００８】
この低温結晶化のメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急激に進行することで理解される。そういった意味で以後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素により結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、通常の固相成長法(上記(３)の方法)で結晶化した結晶性ケイ素膜の一つの粒内が双晶構造であり、多数の結晶欠陥を有しているのに対して、その粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、それぞれの柱状結晶内部はほぼ理想的な単結晶状態となっている。
【０００９】
さらに、上記(i),(ii)の方法では、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に触媒元素を導入して加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみを結晶化し、さらに加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長を行わせている。この横方向結晶成長領域の内部では、成長方向が略一方向に揃った柱状結晶がひしめき合っており、触媒元素が直接導入されてランダムに結晶核の発生が起こった領域に比べて、結晶性がさらに良好な領域となっている。よって、この横方向結晶成長領域の結晶性ケイ素膜を半導体装置の活性領域に用いることにより、素子の高性能化が行える。
【００１０】
上記(i),(ii)の方法は、このときの非晶質ケイ素膜への触媒元素の選択的な導入方法に関し、その導入パターンに注目することで、横方向に結晶成長させる領域の成長方向をより一方向に近づけ、横方向に結晶成長させた領域の結晶性の向上を目指している。
【００１１】
具体的に、上記(i)では、触媒元素導入領域を、素子サイズに比べて非常に長い線状とし、その線状領域をストライプ状態に並べるよう配置している。これにより、線状領域に導入された触媒元素は、その線状領域に対して垂直方向に結晶成長を起こし(すなわち、成長方向が四方八方へと発散せず)、その横方向に結晶成長した領域は、その結晶成長方向がほぼ一方向に揃った高品質な結晶性ケイ素膜となる。さらに２本の線状領域で挟まれた領域では、横方向の結晶成長が安定するため、この領域の結晶性ケイ素膜を用いて、半導体装置の活性領域を形成している。そして、素子の高性能化と作成プロセスの安定化とを図っている。
【００１２】
また、上記(ii)も同様に、触媒元素の導入領域を線状として、横方向結晶成長領域における結晶成長の一方向性を強めるものであり、半導体装置の高性能化を目的としている。特に、上記(ii)では、素子領域と触媒元素の線状導入領域との位置関係を限定し、結晶成長の一方向性が良好な領域を用いて、半導体装置の活性領域を形成するようにしている。
【００１３】
このように、触媒元素を選択的に導入することにより非晶質ケイ素膜を横方向に結晶化する方法は、加熱温度の低温化や加熱時間の短縮化が図れ、さらに結晶化後に得られるケイ素膜の結晶性は、他の結晶化方法に比べ明らかに優れている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に、上記(i),(ii)の技術を用いてＴＦＴを作成した場合、一般的にばらつきが小さいと思われている固相成長技術を応用して作成されているにもかかわらず、素子特性のばらつきが比較的大きいことがわかってきた。特に、数十μｍ程度の間隔で隣接しているようなＴＦＴの特性ばらつきが大きく、そのばらつきに関しては、ばらつきが問題となっているレーザー光を用い結晶化する場合と比べてもほぼ同程度であることがわかった。ただし、レーザー光を用いて結晶化する方法では、さらに基板内におけるマクロな基板内分布も加わるため、全体的に見るとばらつきはより大きい。
【００１５】
このことは、ミクロ的に見て、数十μｍのスケールでＴＦＴのチャネル領域を構成する結晶性ケイ素膜の状態が大きく異なっていることを予感させる。本出願人は、結晶性ケイ素薄膜の最新の評価手法であるＥＢＳＰ(Electron Backscattering Pattern)法を導入し、上記２つの(i),(ii)の技術を用いて作成された結晶性ケイ素膜に対して、結晶方位の二次元的なマッピングを行った。図９はその結果を示しており、触媒元素が導入された線状領域６０１に対して、その線状領域６０１で挟まれた横成長領域６０２は、線状領域６０１に対してほぼ垂直方向に向き、数十μｍ幅とサイズの結晶方位が大きく異なる複数の領域(以下、ドメインという)６０５が互いに隣接しあって構成されていることが初めて明らかとなった。この横成長領域６０２内の点線で分けられた各領域が、結晶方位が異なるドメイン６０５である。ここで、図９において、６０３は、横方向の結晶成長における成長方向であり、６０４は、隣り合う線状導入領域からそれぞれ結晶成長させた横成長領域がぶつかり合って形成された結晶成長の境界である。このように、触媒元素による横方向の結晶成長は、一様な結晶状態にはなってはおらず、結晶方位の異なる数十μｍ幅という大きなサイズの様々な柱状結晶(ドメイン６０５)群が互いに隣接しあっていることがわかった。また、その横方向の成長過程において、隣同士のドメイン６０５の競合が起こり、優勢なドメインがより幅を拡げて成長していっていることが判明した。
【００１６】
実際のＴＦＴにおけるチャネル領域のサイズは、小さなもので数μｍから数十μｍであり、これに比べて、上記の結晶方位がほぼ揃った領域(ドメイン６０５)の大きさは、数十μｍとなっている。したがって、数十μｍという近い距離で並んでいるＴＦＴにおいて、それぞれのチャネル領域がどのドメインで構成されるか、ドメイン境界が含まれているかいないか等の違いが生じることになる。したがって、ＴＦＴのチャネル領域を構成する結晶性ケイ素膜の結晶状態が異なる。よって、上記(i),(ii)の技術を用いてＴＦＴを作成した場合に現れる特性の大きなばらつきは当然の事であり、その主原因は、活性領域を構成する横方向結晶成長のケイ素膜における結晶方位の異なる柱状結晶(ドメイン)群のばらつきである。
【００１７】
さらに、この横方向結晶成長領域におけるケイ素膜の結晶性をさらに向上させる手段として、以下の２つの方法が特に有効であることがわかっている。
【００１８】
一つは、酸素等の酸化雰囲気において、結晶成長させた温度よりもより高い温度で熱処理を施し、ケイ素膜表面を酸化する方法であり、もう一つは、レーザー等の強光を照射する工程を追加する方法である。しかしながら、前者の熱処理を用いた方法では、結晶性ケイ素膜の面方位により、酸化レートが大きく異なるため、ドメインの結晶性の差をより助長する結果となり、ばらつきはさらに悪化する。また、後者の強光を用いた方法でも、アニール光源であるレーザー等の強光に対して、結晶性ケイ素膜の面方位により吸収効率が異なるため、これもドメインの結晶性の差をより助長する結果となり、ばらつきはさらに悪化する。したがって、上記(i),(ii)の技術では、素子の性能を上げるべく、上記のような結晶性を向上させる追加処理を行った場合、特性の平均値は向上するが、従来の素子間の特性差をより増大させ、ばらつきをより悪化させることになっていた。
【００１９】
以上のように、結晶性ケイ素膜を活性領域とするＴＦＴ等を用いた半導体装置において、上記(i),(ii)の方法では、特性の高性能化と均一化を両立させることはできない。
【００２０】
そこで、この発明の目的は、特性ばらつきが少なく、安定した特性を有する高性能な半導体装置を提供すると共に、大面積基板にも対応可能な高歩留りの安定した製造プロセスが可能な生産性の高い半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性ケイ素膜を活性領域として用いた素子を備えた半導体装置であって、上記結晶性ケイ素膜は、非晶質ケイ素膜にその結晶成長を促進する触媒元素を選択的に導入して、上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させたものであり、上記素子の活性領域におけるチャネル領域は、上記チャネル領域内の一点を囲む外周部側から半径方向内向きにその一点に向かって結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成されていることを特徴としている。
【００２２】
本出願人の実験により、非晶質ケイ素膜に触媒元素を選択的に導入して、横方向に略一次元的に結晶成長させた結晶性ケイ素膜は、一様な結晶状態ではなく、実は、様々な面方位のドメインが隣接した非常にばらつきの大きい状態であり、このドメインの違いが、半導体装置における特性ばらつきを生じさせる主原因であることがわかった。この結果をもとに、半導体装置の素子特性を均一化させる方法として、この発明の半導体装置では、ＴＦＴ等の素子の活性領域(ソース／ドレン領域、チャネル領域)のうちの少なくとも素子の動きを司る領域であるチャネル領域を複数のドメイン(異なる面方位からなる柱状結晶群)で構成することで、それぞれの素子のチャネル領域における結晶状態、すなわちドメインの状態を均一化させ、結果として各素子間の特性を均一化するものである。結晶面から、横方向結晶成長した結晶性ケイ素膜のドメインを一様な面方位に形成するアプローチもあるが、現実的には非常に困難である。この発明の半導体装置は、触媒元素を用いて横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜は、面方位の異なるドメインが隣接して構成されているのを前提として、結晶性ケイ素膜の均一性が良くなくても、素子間の特性ばらつきを大幅に低減できるという点で、非常に意味が大きい。
【００２３】
【００２４】
また、上記素子の活性領域のチャネル領域は、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成されており、２つ以上の異なる結晶ドメインで素子のチャネル領域が構成されていることを意味し、それぞれの素子のチャネル領域における結晶状態が均一化され、結果として各素子間の特性が均一化された半導体装置となる。
【００２５】
【００２６】
【００２７】
また、一実施形態の半導体装置は、上記チャネル領域の中央部に、上記複数の結晶成長領域がぶつかり合って収束していることを特徴としている。
【００２８】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記チャネル領域の中央部に、上記複数の結晶成長領域がぶつかり合って収束していることによって、それぞれの素子のチャネル領域は、複数の結晶ドメインで構成されるだけでなく、ほぼ同一の結晶状態が得られ、各素子間の特性をより効果的にかつ確実に均一化できる。
【００２９】
上記いずれの半導体装置において、その活性領域(特にチャネル領域)は、触媒元素を用いて加熱処理で結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜により構成されるものである。したがって、この発明により得られる半導体装置では、その活性領域に残留した触媒元素を幾分か含んでおり、それが、この発明の半導体装置を特定化できる根拠となる。この発明において利用できる触媒元素の種類としては、Ｎi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuが挙げられる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果があり、比較的、半導体(結晶性ケイ素)中での不活性な傾向が強く、半導体装置における電気的な悪影響を抑えることができる。したがって、この発明の半導体装置では、これらの元素の内の何れかが、活性領域にある程度の量、含まれている訳である。
【００３０】
また、一実施形態の半導体装置は、上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素がＮiであることを特徴としている。
【００３１】
上記実施形態の半導体装置によれば、触媒元素にＮiを用いた場合に最も顕著な効果が得られることがわかっている。その理由については、次のようなモデルが考えられる。すなわち、触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合してシリサイド化することで結晶成長に作用し、そのときの結晶構造が、非晶質ケイ素膜結晶化時に一種の鋳型のように作用して、非晶質ケイ素膜の結晶化を促すというモデルである。このモデルでは、１つのＮiと２つのＳiでＮiＳi2のシリサイドを形成する。このＮiＳi2は螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、ＮiＳi2はその格子定数が５.４０６Åであり、結晶シリコンのダイヤモンド構造の格子定数５.４３０Åに非常に近い値をもつ。よって、ＮiＳi2は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、実際に得られる結晶性ケイ素膜の結晶性およびその結晶化促進の触媒効果を見ても、触媒元素としてＮiが最も良いのは間違いない。したがって、この発明の半導体装置においては、Ｎiを触媒元素として用い、その活性領域にＮiがある程度の量残存していることが、この発明の効果を最も有効に引き出した結果および証拠となっている。
【００３２】
また、一実施形態の半導体装置は、上記活性領域中におけるＮiの濃度が１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることを特徴としている。
【００３３】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記活性領域中のＮiの濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を越えるような量であれば、ニッケルシリサイドとして活性領域(ケイ素膜)中に偏在する領域が多数現れだし、素子の特性に悪影響を及ぼすようになる。一方、Ｎiの濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の量では、Ｎiは、ほとんどシリサイドとして析出はせず、ケイ素膜中に固溶し、また結晶欠陥に組み込まれているような状態になっていると考えられる。このような状態では、素子への悪影響は見られず、ニッケルシリサイドが析出し出したときに特性上の悪影響が見られる。また、逆に、活性領域中に残存するＮiの濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3よりも少ないようでは、Ｎiの触媒効果を用いて十分に結晶化されたとは考えられず、この発明の効果は得られない。例えば、結晶化後の後工程において、活性領域のニッケル量を低減するような方法を用いたとしても、触媒として十分な量のＮiを導入して結晶成長させた場合、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の量にまで低下させることはできず、これ以上の量のＮiが必ず残る。したがって、この発明の半導体装置においては、活性領域中に含まれているＮiの濃度が、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるときに、この発明の効果を最も引き出した状態となっている。
【００３４】
また、この発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性ケイ素膜を活性領域として用いた素子を備えた半導体装置の製造方法であって、上記絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成する工程と、上記非晶質ケイ素膜の一部に、上記素子の活性領域となる領域を囲むように、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する工程と、上記触媒元素を選択的に導入した後、加熱処理によって、上記触媒元素が導入された領域から上記触媒元素が導入されていない領域に上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させる工程と、上記加熱処理によって結晶化した結晶性ケイ素膜のうちの上記横方向に結晶成長させた領域に、少なくとも上記素子の活性領域におけるチャネル領域を配置するように、上記結晶性ケイ素膜をパターニングする工程とを有し、上記非晶質ケイ素膜の一部に上記触媒元素を選択的に導入する工程において、上記非晶質ケイ素膜上にマスクを設け、上記マスクに覆われていない上記非晶質ケイ素膜の領域に上記触媒元素を添加すると共に、上記マスクは正多角形形状または円形状であって、その正多角形形状または円形状のマスクの中心部が上記素子のチャネル領域となる領域内に配置され、上記素子の活性領域におけるチャネル領域は、上記チャネル領域内の上記マスクの中心部を囲む外周部側から半径方向内向きにその中心部に向かって結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成されることを特徴としている。
【００３５】
上記半導体装置の製造方法によれば、上記絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜の一部に、素子の活性領域となる領域を囲むように、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する。そして、加熱処理を行って、非晶質ケイ素膜のうちの触媒元素が導入された領域から触媒元素が導入されていない領域に、上記基板の絶縁表面に沿って横方向(基板と平行)に結晶成長を行わせる。このときの触媒元素は、後の活性領域となる領域を囲むように選択的に導入される訳であるから、熱処理により、まず触媒元素が直接導入された領域が結晶化された後に、後に素子の活性領域となる領域に向かって、四方八方より横方向に結晶成長が進行する。そして、この触媒元素の導入領域に囲まれ、横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜を用いて、少なくとも素子の活性領域におけるチャネル領域を形成することによって、素子のチャネル領域は、複数のドメインにより構成されることになる。この半導体装置の製造方法では、従来と比較して、工程を増加させることなく、触媒元素が導入されるパターン形状を変更するだけであり、非常に簡便でかつ生産性が高く、素子の特性均一化にも非常に大きな効果がある。また、上記非晶質ケイ素膜への触媒元素を選択的に導入する手段としては、非晶質ケイ素膜の形成後に、非晶質ケイ素膜上に形成・加工されたマスクを設け、上記マスク上より触媒元素を添加することにより行う方法が有効である。すなわち、フォトリソ工程により加工されたマスクを用いることによって、導入パターンの形状および素子領域との位置関係を正確に制御することが可能となる。特に、この半導体装置の製造方法では、触媒元素の導入パターン形状と素子領域との位置関係が、従来以上に重要である。また、上記触媒元素を非晶質ケイ素膜に選択的に導入するときのマスクのパターン形状として、平面的に見て正多角形形状のマスクを形成し、そのマスクの外側の非晶質ケイ素膜の領域に触媒元素を導入して、正多角形形状の略中心部に素子のチャネル領域を配置することによって、正多角形形状の各辺からの成長ドメインがその正多角形形状の中心部の下側の領域 ( 素子のチャネル領域 ) へと向かって、均一に結晶成長する。さらに、上記触媒元素の選択導入マスクパターンとして、上記正多角形形状以外に円形が非常に有効である。すなわち、図８に示すように、触媒元素を非晶質ケイ素膜に選択的に導入するときのマスクのパターン形状として、平面的に見て円形状のマスク５００を形成し、その外側の領域５０１に触媒元素を導入し、円形状の略中心部５０６に素子のチャネル領域５０７を配置することが望ましい。マスクパターンが円形の場合、正多角形形状のときのように各辺から内側に結晶成長し、隣り合う辺からそれぞれ結晶成長させた領域がぶつかり合うような成長境界は現れない。図８に示すように、その中心部５０６においてのみ円周部から内側 ( ５０３の方向 ) に結晶成長させた領域がぶつかり合った ( 収束した ) 境界部が見られる。なぜなら、マスクが円形の場合には、正多角形形状のときと決定的に異なる点として、結晶成長がぶつかり合うことでドメインが消滅していくのではなく、自然なドメインの競合が起こり、優勢な結晶ドメインのみが、その成長過程において生き残っていくのである。したがって、その中心部では、円周部より結晶成長させた異なる複数のドメインで構成されているだけではなく、結晶成長に優勢な方位のドメインがそれぞれ残るため、その結晶状態は、多角形形状のマスクを用いた場合に比べても、より均一性が高い。
【００３６】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記マスクの中心部が上記素子のチャネル領域となる領域の中央部であり、上記触媒元素が導入された領域から生じる横方向の結晶成長は、上記素子のチャネル領域となる領域の中央部に向かって進み、上記チャネル領域の中央部において、異なる方向から結晶成長させた横方向の結晶成長領域がぶつかり合うように収束させたことを特徴としている。
【００３７】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記触媒元素が導入された領域から生じる横方向への結晶成長を、後に形成する素子のチャネル領域となる領域中央部へと向かって進ませ、チャネル領域の中央部で異なる方向から結晶成長させた横方向の結晶成長領域がぶつかり合うように収束させることにより、それぞれの素子のチャネル領域は、複数の結晶ドメインで構成されるだけでなく、ほぼ同一の結晶状態が得られ、その結果、各素子間の特性をより効果的にかつ確実に均一化できる。
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記正多角形形状のマスクの各辺側からそれぞれ上記マスクの中心部の下側に向かって結晶成長させた結晶成長領域がぶつかり合って収束することにより形成される境界部が、上記素子のチャネル領域となる領域内に含まれることを特徴としている。
【００４３】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記正多角形形状のマスクの中心部では、正多角形形状の各辺よりそれぞれ内側(多角形の中心部)に向かって結晶成長させた結晶領域がぶつかり合って、少なくとも多角形の角数以上の異なるドメインが隣接しあう。このマスクの中心部の下側の領域に素子のチャネル領域を配置することで、そのチャネル領域は、確実に複数の結晶ドメインを含む。
【００４４】
特に、この正多角形形状のマスクの中心点すなわち結晶成長の境界部が素子のチャネル領域内に含まれるように、この半導体装置を構成することで、素子のチャネル領域は、少なくとも正多角形の角数以上の異なる結晶ドメインにより構成されることになる。この半導体装置では、基板上のどの素子を見ても同じ状態となっており、このようにして形成された素子は、全て活性領域がほぼ同じ状態で構成され、素子間の特性ばらつきを大きく低減できる。これを図で説明すると、図６のようになり、多角形として六角形を用いた場合について示している。図６において、３００はマスク、３０１は触媒元素の導入領域、３０２は横成長領域、３０３は結晶成長方向、３０４は横方向結晶成長のぶつかり合った成長境界、３０５は面方位の異なる柱状結晶(ドメイン)群、３０６は各辺からの結晶成長がぶつかり合って収束する中心点、３０７は素子のチャネル領域である。
【００４５】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記マスクが正方形形状であることを特徴としている。
【００４６】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記マスクが正方形形状であるので、素子レイアウト上、正方形が最もレイアウトが行いやすく、また、デッドスペースを最も小さくできるため、素子の高密度化、すなわち高集積化に有利となる。つまり、触媒元素が導入された領域は、非常に高濃度の触媒元素が残存しており、活性領域内に用いるのは避けた方がよいので、素子レイアウトにおけるデッドスペースとなっている。また、素子の平面形状は略矩形であるため、正方形のマスクの場合、各辺を合わせてスペースを詰めることができ、デッドスペースは最も小さくて済む。この正方形形状のマスクを用いた場合には、図７に示すように、マスク４００の各４辺からのそれぞれ内側(正方形の中心部；４０３方向)に向かって結晶成長させた結晶領域４０２がぶつかり合って、中心点４０６が形成されるため、そこには少なくとも４つ以上の異なるドメイン４０５が隣接しあうことになる。その結果、素子のチャネル領域４０７は、最低４つの異なる結晶ドメインで構成されることになり、図６の六角形に比べるとチャネル領域内を構成するドメインの数は減少するのは確かである。しかしながら、これでも、従来(ドメインが１つまたは２つ)と比べると、素子の特性均一性は大きく向上し、その均一性は実用レベルに達している。
【００４７】
【００４８】
【００４９】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記円形状のマスクの円周部より上記マスクの中心の下側領域に向かって結晶成長させた結晶成長領域がぶつかり合って収束することにより形成される境界部が、上記素子のチャネル領域となる領域内に含まれることを特徴としている。
【００５０】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記円形状のマスクの中心点、すなわち、結晶成長の収束する点が、少なくとも素子のチャネル領域内に含まれるようにすることで、素子のチャネル領域は、複数の異なる結晶ドメインにより構成されるだけでなく、特に結晶成長に優勢な方位の結晶ドメインで構成されることになる。これは、基板上のどの素子を見ても同じ状態となっており、このようにして形成された素子は、全てのチャネル領域がほぼ同じ状態で構成され、素子間の特性ばらつきを特に小さく抑えることができる。
【００５１】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜のうちの少なくとも上記素子のチャネル領域となる領域以外の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、上記５族Ｂから選ばれた元素を導入した後、加熱処理によって、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された上記結晶性ケイ素膜の領域に上記触媒元素を移動させる工程とを有することを特徴としている。
【００５２】
触媒元素による非晶質ケイ素膜の結晶成長は、まず触媒元素と非晶質ケイ素とのシリサイド反応が起こり、シリサイドがその非晶質ケイ素膜の結晶成長を引き起こす。すなわち、結晶成長の先端には、常に触媒元素のシリサイドが存在しており、それが前方にある非晶質ケイ素を次々と結晶化していく訳である。最終的に横方向結晶成長がぶつかり合って収束することにより形成される成長境界というのは、その成長過程で常に先端に存在する触媒元素のシリサイドが吹きだまりとなり、非常に高濃度で存在している領域である。触媒元素は金属類を主としており、このような元素が半導体中に多量に存在していることは、これら半導体を用いた素子の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり、決して好ましいことでない。特に、これらのシリサイドは、ＴＦＴにおいてオフ動作時のリーク電流が増大するという大きな問題を引き起こす。このような複数の結晶ドメインでチャネル領域を構成するため、チャネル領域に特に触媒元素が高濃度で局在している。このため、チャネル領域内において、成長境界に高濃度で局在している触媒元素を如何にして低減するかが大きな問題となる。
【００５３】
これに対して、この半導体装置の製造方法では、触媒元素を非晶質ケイ素膜の結晶化処理に利用した後、そのケイ素膜中に残存する触媒元素の大部分を、素子形成領域以外の領域に移動させることで、この問題を解決している。具体的には、触媒元素による結晶化を行った後、結晶性ケイ素膜の少なくとも後に素子のチャネル領域となる領域以外の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入し、加熱処理によって、結晶成長に使われ主に成長境界に残存する触媒元素を、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に移動させることにより、結果として素子のチャネル領域中の触媒元素量を大きく低減することができる。この半導体装置の製造方法は、半導体特性に対して悪影響が大きいシリサイド状態の触媒元素に特に有効である。そして、５族Ｂ元素が導入され、触媒元素が集められた領域を除去して、最終的な素子の活性領域を形成すれば、基板上には触媒元素の高濃度領域は全く残らない。
【００５４】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程において、上記非晶質ケイ素膜の一部に上記触媒元素を選択的に導入する工程で用いたマスクを用いることを特徴としている。
【００５５】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、５族Ｂから選ばれた元素を導入するときのマスクとして、先の工程で上記触媒元素を選択的に導入するときに用いたマスクをそのまま用いれば、新たにマスクを加工・形成する必要もなく、工程が大きく増えることもない。したがって、簡便にかつ効率よく触媒元素量を低減することができる。
【００５６】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ,Ｎ,Ａs,ＳbおよびＢiのうちの少なくとも１つの元素を用いたことを特徴としている。
【００５７】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記５族Ｂから選ばれた元素としては、Ｐ、Ｎ、Ａs、Ｓb、Ｂiから選ばれた少なくとも１つの元素を用いることができる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、上記触媒元素を効率よく移動させることができ、十分な効果が得られる。このメカニズムに関しては、未だ詳しい知見は得られていないが、これらの元素の中でも、最も効果が高いのはＰであることがわかっている。
【００５８】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、触媒元素として、Ｎi,Ｃo,Ｆe,Ｐd,Ｐt,ＣuおよびＡuのうちの少なくとも１つの元素を用いたことを特徴としている。
【００５９】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記触媒元素としてＮi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果があり、比較的、半導体(結晶性ケイ素)中での不活性な傾向が強く、半導体装置における電気的な悪影響を抑えることができる。そして、特に、これらの触媒元素の中でも、Ｎiを用いた場合に最も顕著な効果が得られる。
【００６０】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜を用いて、上記結晶性ケイ素膜をパターニングして、上記素子の活性領域を形成する工程と、上記パターニングの工程の後、酸化雰囲気で加熱処理によって、上記活性領域表面を酸化させる工程とを有することを特徴としている。
【００６１】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の結晶性をより向上し、半導体装置の性能、特に電流駆動能力をより向上させる方法として、非晶質ケイ素膜を加熱処理により結晶化させ、素子の活性領域をパターニングした後、さらに酸化雰囲気での加熱処理を行い、上記活性領域表面を酸化する方法が有効である。この酸化処理を行うと、酸化作用により生じる過飽和Ｓi原子がケイ素膜中へ供給され、これらが、ケイ素膜中の結晶欠陥(特に不対結合手；ダングリングボンド)に入り込み、欠陥を消滅させることができる。これにより、触媒元素により結晶化されたケイ素膜中の欠陥密度が大きく低減され、移動度が大幅に向上する。この結果、半導体装置の性能は飛躍的に向上する。特に、触媒元素により結晶成長させたケイ素膜は、柱状結晶のネットワーク構造で構成され、個々の柱状結晶内部は元々結晶性が良好なため、通常の固相成長のケイ素膜に比べて、この効果が極めて大きい。
【００６２】
すなわち、通常の固相成長のケイ素膜では、双晶欠陥を多量に含んでいるため、かなりの酸化処理を行っても、十分な改善は果たせない。また、従来の触媒元素を用いた結晶成長法である特開平１０−１９９８０５号公報や特開平１０−２００１１３号公報の技術に、この酸化による結晶性向上技術を適用した場合には、結晶性ケイ素膜の面方位により、酸化レートが大きく異なるため、ドメインの結晶性の差をより助長する結果となり、素子特性のばらつきは非常に大きくなる。
【００６３】
この半導体装置の製造方法では、チャネル領域内に複数の異なる結晶ドメインを含むため、酸化レートが各結晶ドメインでばらつき、ドメイン間の結晶性の違いがより大きくなっても、個々の半導体装置におけるチャネル領域内のトータル的な結晶性はほぼ同様であり、特性ばらつきの増大を抑えることができる。これによって、初めて、この酸化による結晶性向上技術が実用となり、特性ばらつきが小さく、非常に高性能な半導体装置を実現できる。
【００６４】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜を用いて、上記結晶性ケイ素膜をパターニングして、上記素子の活性領域を形成する工程と、上記パターニングの工程の後、上記活性領域に強光を照射する工程とを有することを特徴としている。
【００６５】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記の酸化方法以外に、この発明において、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の結晶性をより向上し、半導体装置の性能、特に電流駆動能力をより向上させるもう一つの有効な方法として、非晶質ケイ素膜を加熱処理により結晶化させ、素子の活性領域をパターニングした後、その結晶性ケイ素膜に紫外レーザー光等の強光を照射し、その結晶性をさらに向上させる方法がある。結晶性ケイ素膜にレーザー等の強光を照射した場合、結晶性ケイ素膜と非晶質ケイ素膜との融点の相違から結晶粒界部や微小な残留非晶質領域(未結晶化領域)が集中的に処理される訳であるが、通常の固相成長法で形成した結晶性ケイ素膜では、結晶構造が双晶状態であるため、強光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥として残る。それに比べ、触媒元素を導入して結晶化された結晶性ケイ素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態に近いため、強光の照射により結晶粒界部が処理され、非常に良質の結晶性ケイ素膜が得られる。また、元々結晶性ケイ素膜に対してレーザー照射を行うのであるから、非晶質ケイ素膜に直接レーザー照射し結晶化する方法とは異なり、レーザー照射のばらつきは大きく緩和され、均一性上の問題も生じない。
【００６６】
しかしながら、従来の触媒元素を用いた結晶成長法である特開平１０−１９９８０５号公報や特開平１０−２００１１３号公報の技術に、このレーザー等強光照射による結晶性向上技術を適用した場合には、アニール光源であるレーザー等の強光に対して、面方位により吸収効率が異なるため、ドメインの結晶性の差をより助長する結果となり、素子の特性ばらつきは非常に大きくなる。
【００６７】
これに対してこの半導体装置の製造方法では、チャネル領域内に複数の異なる結晶ドメインを含むため、吸収効率が各結晶ドメインでばらつき、ドメイン間の結晶性の違いがより大きくなっても、個々の素子におけるチャネル領域内のトータル的な結晶性はほぼ同様であり、特性ばらつきの増大を抑えることができる。これによって、初めて、このレーザー等強光による結晶性向上技術が実用となり、特性ばらつきが小さく、非常に高性能な半導体装置を実現できる。
【００６８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の半導体装置およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６９】
（第１実施形態）
この発明の第１実施形態の半導体装置では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製するときの工程について説明を行う。なお、このＮ型ＴＦＴはアクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論のこと、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。この第１実施形態では、それらの代表として、基板上に数十万から数百万のＮ型ＴＦＴを特に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について説明する。
【００７０】
図１(A)〜(C),図２(A),(B)はこの第１実施形態で説明するアクティブマトリクス基板上のＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。実際には、アクティブマトリクス基板は数十万個以上のＴＦＴによる構成されるが、この第１実施形態では、３行×４列の１２個のＴＦＴに簡略化して説明する。
【００７１】
また、図３(A)〜(F)は、図１における任意の１つのＴＦＴにおけるIII−III線から見た断面図であり、図３(A)〜(F)の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【００７２】
まず、図３(A)に示すように、ガラス基板１０１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成する。この酸化ケイ素膜からなる下地膜１０２は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設ける。次に、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ(例えば３５ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)１０３を成膜する。この第１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、ＳiＨ4ガスとＨ2ガスを材料ガスに用い、ＲＦパワーのパワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ2(例えば８０ｍＷ／ｃｍ2)とした。次に、ａ−Ｓi膜１０３上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、フォトリソ工程によりパターニングしてマスク１０４を形成する。この第１実施形態においては、マスク１０４の形成は、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。このマスク１０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第１実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。また、マスク１０４のパターン形状は、図１(A)に示す略円形とした。図１(A)からわかるように、後に作成される１２個のＴＦＴ(図２(B)に示す)に対して、マスク１０４がそれぞれ１２個設けられる。マスク１０４で覆われていない領域においてａ−Ｓi膜１０３が露呈している。
【００７３】
次に、ａ−Ｓi膜１０３およびマスク膜１０４表面にニッケル１０５の微量添加を行う。このニッケル１０５の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液をａ−Ｓi膜１０３,マスク１０４上に保持し、スピナーにより溶液をガラス基板１０１上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。この第１実施形態では、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３ｐｐｍとした。このようにして添加されたａ−Ｓi膜１０３およびマスク１０４表面上のニッケル濃度を全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法により測定すると、２×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【００７４】
そして、この状態でこの基板を不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)下で、加熱温度５３０〜６００℃(例えば５７０℃)で４時間アニールすることによりａ−Ｓi膜１０３を結晶化させる。このとき、マスク１０４の外側(直接ニッケルが添加された領域)のａ−Ｓi膜１０３においては、ａ−Ｓi膜１０３表面に存在するニッケル１０５を核としてａ−Ｓi膜１０３の結晶化が起こり、結晶性ケイ素膜１０３ａがまず形成される。そして、引き続いてマスク１０４下の領域では、図１(A)および図３(B)において、矢印１０６で示すようにマスク１０４の中心に向かって、先に結晶化されたケイ素膜領域１０３ａから横方向(基板と平行な方向)に結晶成長が行われる。そして、最終的に、矢印１０６の方向の横方向結晶成長は、マスク１０４の中心部に収束し、マスク１０４下は横方向結晶成長領域である結晶性ケイ素膜１０３ｂで埋め尽くされ、横方向結晶成長が収束したところには、結晶成長境界(収束点１０３ｃ)が形成される。このとき、マスク１０４上に存在するニッケル１０５は、マスク１０４に阻まれ、マスク１０４の下層のａ−Ｓi膜へは到達せず、直接ニッケルが添加された領域において導入されたニッケル１０５のみによりａ−Ｓi膜１０３の結晶化が行われる。
【００７５】
次に、図３(C)に示すように、基板１０１上方よりリン１０７を全面にイオンドーピングする。このときのリン１０７のドーピング条件としては、加速電圧を５〜１０ｋＶとし、ビーズ量を５×１０15〜１×１０16ｃｍ-2とした。この工程により、露呈している領域の結晶性ケイ素膜１０３ａ(図３(B)に示す)にリンを注入して、リンドープされた結晶性ケイ素領域１０３Aを形成する。一方、マスク１０４によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜１０３ｂ(図３(B)に示す)には、リンはドーピングされない。平面的には、図１(B)において斜線で示された部分の結晶性ケイ素領域１０３Aにリン１０７がドーピングされる。
【００７６】
そして、この状態で、この基板を不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)下にて５００〜７００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第１実施形態では、一例として６００℃にて６時間の処理を行った。この加熱処理において、結晶性ケイ素領域１０３Aにドーピングされたリン１０７がその結晶性ケイ素領域１０３Aに存在するニッケルをまずトラップする。そして、図１(B),図３(C)に示すように、さらにマスク１０４下の結晶性ケイ素膜１０３ｂ、特に結晶成長境界の収束点１０３ｃに存在しているニッケル１０５を矢印１０８に示す方向(すなわち先の結晶成長時の１０６と逆方向)に、回りの結晶性ケイ素領域１０３Aへと引き出す。その結果、マスク１０４下の結晶性ケイ素膜１０３ｂ領域におけるニッケル濃度は大きく低減する。このときの実際の結晶性ケイ素膜１０３ｂ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)により測定したところ、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減された。なお、上記加熱処理によりニッケル濃度を低減する工程前の結晶性ケイ素膜１０３ｂの膜中ニッケル濃度は、５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。
【００７７】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜のマスク１０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層のケイ素膜１０３と十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングにより行った。
【００７８】
その後、マスク１０４に覆われていた領域の結晶性ケイ素膜１０３ｂを用い、その他の不要な部分のケイ素膜を除去して素子間分離を行う。すなわち、上記工程により、図１(C)に示すような配置で、ケイ素膜１０３ｂの領域を用いて、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜１０９を形成する。このとき、島状の結晶性ケイ素膜１０９内の最終的にチャネル領域となる領域に、結晶成長の収束点１０３ｃ(図３(B),(C)に示す)が含まれるように、島状の結晶性ケイ素膜１０９を配置している。このようにして、図２(B)および図３(D)の状態が得られる。
【００７９】
次に、図３(D)に示すように、レーザー光１１０を照射することで活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜１０９の結晶性をさらに向上させる。このときのレーザー光としては、ＸeＣlエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用いた。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ2(例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射した。また、レーザー光のビームサイズは、基板１０１表面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成型されており、長手方向に対して垂直方向に０.０５ｍｍのステップ幅で順次走査を行う。これにより、島状の結晶性ケイ素膜１０９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。
【００８０】
次に、図３(E)に示すように、上記活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜１０９を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ(例えば１００ｎｍ)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１１として成膜する。ここで、酸化ケイ素膜の形成には、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℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積する。また、ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法によって、基板温度を３５０〜６００℃(好ましくは４００〜５５０℃)として形成してもよい。そして、酸化ケイ素膜の成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で４００〜６００℃で１〜４時間のアニールを行う。
【００８１】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ(例えば６００ｎｍ)のアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極１１３を形成する。さらに、このアルミニウムのゲート電極１１３の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層１１４を形成する。この状態が図３(E)に相当する。上記ゲート電極１１３は、平面的にはゲートバスラインを同時構成しており、この状態を平面的に見ると、図２(A)に示すような状態となっている。このときの陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコール溶液中で行い、最初一定電流で２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させる。そうして得られた酸化物層１１４の厚さは２００ｎｍである。なお、この酸化物層１１４は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
【００８２】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極１１３とその周囲の酸化物層１１４をマスクとして活性領域(島状の結晶性ケイ素膜１０９)の一部に不純物(リン)を注入する。ドーピングガスとしてフォスフィン(ＰＨ3)を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ(例えば８０ｋＶ)、ビーズ量を１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば２×１０15ｃｍ-2)とする。この工程により、不純物が注入された領域１１６,１１７は、後にＴＦＴのソース／ドレイン領域となり、ゲート電極１１３およびその周囲の酸化層１１４にマスクされ、不純物が注入されない領域１１５は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。
【００８３】
その後、図３(E)に示すように、レーザー光１１８の照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善する。このとき、使用するレーザーとしてはＸeＣlエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2(好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射を行う。こうして形成されたＮ型不純物(リン)領域１１６,１１７のシート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。
【００８４】
続いて、図３(F)に示すように、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１１９として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法(もしくはオゾンとの減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法)によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。また、ＳiＨ4とＮＨ3を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、活性領域／ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【００８５】
次に、層間絶縁膜１１９にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってＴＦＴのソース電極(配線)１２０を形成する。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る。このＴＦＴ１２３は、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極には、ＩＴＯ等透明導電膜からなる画素電極１２１を設ける。すなわち、図２(B)において、ソースバスライン(ソース電極１２０)を介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン(ゲート電極１１３)のゲート信号に基づいて画素電極１２１に必要な電荷が書き込まれるのである。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃,１時間のアニールを行い、図１(E),図３(F)に示すＴＦＴ１２３を完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ１２３を保護する目的で、ＴＦＴ１２３上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【００８６】
上記ＴＦＴ１２３の活性領域のチャネル領域１１５は、複数の異なる面方位からなる柱状結晶群であって、かつ、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成され、さらに、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域がぶつかり合う境界部を１以上含んでいる。したがって、各ＴＦＴ１２３のチャネル領域における結晶状態、すなわちドメインの状態を均一化させ、結果として基板上の各ＴＦＴ間の特性を均一化するので、ＴＦＴ間の特性ばらつきが少なく、安定した特性を有する高性能な半導体装置を提供することができる。
【００８７】
また、この第１実施形態の半導体装置の製造方法にしたがって作製したＴＦＴは、電界効果移動度が１５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、しきい値電圧が２Ｖ程度と非常に高性能であるにもかかわらず、アクティブマトリクス基板内での特性ばらつきが、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０.２Ｖ程度(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内３０点を測定した結果)と非常に良好であった。これに対して、従来の半導体装置の製造方法により作成された場合には、結晶ドメインが各素子間で大きくばらつき、電界効果移動度のばらつきは±５０％程度と非常に大きく、しきい値電圧も２±０.５〜１.０Ｖの範囲で大きくばらついた。
【００８８】
したがって、この第１実施形態の半導体装置では、特にＴＦＴの特性ばらつき改善に大きな効果があることがわかる。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、信頼性も問題ない。また、触媒元素が特に問題となるＴＦＴオフ領域でのリーク電流の増大およびばらつきは、異常点が無く、触媒元素を用いない場合と同等の数ｐＡ程度にまでリーク電流を低減でき、製造歩留りを大きく向上することができた。
【００８９】
そして、この第１実施形態に基づいて作製された液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、従来のものに比べて表示むらが小さく、ＴＦＴのリーク電流による画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。なお、この第１実施形態によるＴＦＴの製造工程は、アクティブマトリクス基板の画素電極を対象に説明を行ったが、このＴＦＴは薄膜集積回路等にも簡単に応用でき、その場合にはゲート電極上にコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。
【００９０】
（第２実施形態）
この発明を用いた第２実施形態の半導体装置では、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や、一般の薄膜集積回路を形成するＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴを相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路を石英ガラス基板上に作製する工程について説明する。
【００９１】
図４(A)〜(C)はこの第２実施形態で説明するＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図であり、図４(A)〜(C)の順に工程が進行する。また、図５(A)〜(G)は図４(C)のＶ−Ｖ線から見た断面図であり、図５(A)〜(G)の順に工程が進行する。
【００９２】
まず、図５(A)に示すように、石英ガラス基板２０１の表面を低濃度のフッ化水素酸で洗浄した後、石英ガラス基板２０１上に、減圧ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法によって、厚さ４０〜１００ｎｍ(例えば５５ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)２０３を成膜する。
【００９３】
次に、ａ−Ｓi膜２０３上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、パターニングしてマスク２０４を形成する。この第２実施形態では、マスク２０４の形成は、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。上記マスク２０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第２実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。また、マスク２０４のパターン形状は、図４(A)に示すように、略正方形とした。図４(A)からわかるように、後に作成されるＮ型およびＰ型の各ＴＦＴに対して、マスク２０４をそれぞれ一つずつ設けている。このマスク２０４で覆われていない領域では、ａ−Ｓi膜２０３が露呈されている。
【００９４】
上記マスク２０４を設けた後、このａ−Ｓi膜２０３およびマスク２０４表面にニッケル２０５の微量添加を行う。このニッケル２０５の微量添加は、純ニッケル(９９.９％以上)のターゲットを用い、ＤＣスパッタリングにより行う。具体的には、ＤＣパワーが５０Ｗ程度という極低パワーにて、基板搬送速度を２０００ｍｍ／ｍｉｎにまで高めてスパッタリング処理を行った。この場合、スパッタリングガスとしてはアルゴンを用いて、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以上に上げることで、ニッケルの極低濃度スパッタリングが可能となる。このようにしてスパッタリングされたニッケル２０５は、図５(A)では、薄膜のように表示してはいるが、実際に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。具体的にＤＣパワー４０Ｗ,アルゴンガス圧１８Ｐａの条件でスパッタリングを行ったところ、基板表面上(マスク２０４と露呈しているａ−Ｓi膜２０３)のニッケル濃度は３×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度(ＴＲＸＲＦ測定値)であった。
【００９５】
そして、この状態でこれを不活性雰囲気(窒素雰囲気)下で、加熱温度５３０〜６００℃(例えば５７０℃)で４時間アニールして、ａ−Ｓi膜２０３を結晶化させる。このとき、マスク２０４の外側(直接ニッケルが添加された領域)のａ−Ｓi膜２０３においては、ａ−Ｓi膜２０３表面に存在するニッケル２０５を核としてａ−Ｓi膜２０３の結晶化が起こり、結晶性ケイ素膜２０３ａがまず形成される。そして、引き続いてマスク２０４下の領域では、図４(A)および図５(B)において、矢印２０６で示すようにマスク２０４の中心に向かって、先に結晶化されたケイ素膜領域２０３ａから横方向(基板表面と平行な方向)に結晶成長が行われる。そして、マスク２０４の各辺から結晶成長させた領域がぶつかり合って、結晶成長境界２０３ｃが形成される。特に、マスク２０４の中心部では、４つの辺から結晶成長させた４つの横成長領域がぶつかり合う。そして、最終的に、マスク２０４の下側は横方向結晶成長領域である結晶性ケイ素膜２０３ｂで埋め尽くされる。このとき、マスク２０４上に存在するニッケル２０５は、マスク２０４に阻まれ、下層のａ−Ｓi膜へは到達せず、直接ニッケルが添加された領域において導入されたニッケル２０５のみによりａ−Ｓi膜２０３の結晶化が行われる。
【００９６】
次に、図５(C)に示すように、基板２０１上方よりリン２０７を全面にイオンドーピングする。このときのリン２０７のドーピング条件としては、加速電圧を５〜１０ｋＶとし、ビーズ量を５×１０15〜１×１０16ｃｍ-2とした。この工程により、露呈している領域の結晶性ケイ素膜２０３ａにリンを注入して、リンドープされた結晶性ケイ素領域２０３Aを形成する。一方、マスク２０４によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜２０３ｂには、リンはドーピングされない。平面的には、図４(B)において斜線で示された部分の結晶性ケイ素領域２０３Aにリン２０７がドーピングされる。
【００９７】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)下にて５００〜７００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第２実施形態では、一例として６００℃にて６時間の処理を行った。この加熱処理において、結晶性ケイ素領域２０３Aにドーピングされたリン２０７がその結晶性ケイ素領域２０３Aに存在するニッケルをまずトラップする。そして、図４(B),図５(C)に示すように、さらにマスク２０４下の結晶性ケイ素膜２０３ｂ、そして特に結晶成長境界２０３ｃに存在しているニッケル２０５を矢印２０８に示す方向(すなわち先の結晶成長２０６と逆方向)に、回りの結晶性ケイ素領域２０３Aへと引き出す。その結果、マスク２０４下の結晶性ケイ素膜２０３ｂ領域におけるニッケル濃度は大きく低減する。このときの実際の結晶性ケイ素膜２０３ｂ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)により測定したところ、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減された。なお、上記加熱処理によりニッケル濃度を低減する工程前の結晶性ケイ素膜２０３ｂの膜中ニッケル濃度は５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。
【００９８】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜２０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層のケイ素膜２０３と十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングにより行う。
【００９９】
その後、図５(D)に示すように、マスク２０４下の結晶性ケイ素膜２０３ｂを用いて、後にＴＦＴの活性領域(素子領域)となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを残し、それ以外の領域をエッチング除去して素子間分離を行う。すなわち、上記工程により、図４(C)に示すような配置で、結晶性ケイ素膜２０３ｂの領域を用いて、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを形成するのである。このとき、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐ内の最終的にチャネル領域２１５となる領域に、マスク２０４の各辺からの４つの結晶成長の収束点２０３ｃ(図５(B)に示す)が含まれるように配置している。このようにして、図４(C)および図５(D)の状態が得られる。
【０１００】
次に、図５(E)に示すように、上記活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを覆うように、厚さ６０ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１１として成膜する。この第２実施形態では、ゲート絶縁膜２１１の成膜方法として、ＳiＨ4ガスとＮ2Ｏガスを原料として８５０℃の温度において減圧ＣＶＤ法により成膜を行った。所謂、ＨＴＯ膜である。
【０１０１】
次に、このような状態で、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐに対して酸化雰囲気中での熱処理を行う。雰囲気としては、酸素や水蒸気またはＨＣl等の酸化雰囲気であり、この第２実施形態では、１気圧の酸素雰囲気中にて行った。また、温度は８５０〜１１００℃が好ましく、この第２実施形態では９５０℃にて処理を行った。
【０１０２】
このような条件下、２時間３０分のアニールを行うことで、ゲート絶縁膜２１１中を酸素が拡散移動し、下層の島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐの表面が酸化される。上記条件での酸化処理を行うことで、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐ表面に約５０ｎｍの酸化膜２１２ｎ,２１２ｐを形成する。その結果、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐの膜厚は初期の５５ｎｍから３０ｎｍに減少する。また、ＴＦＴとしてのゲート絶縁膜は、ＣＶＤにより形成された酸化膜２１１と島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐの熱酸化により形成された酸化膜２１２の二層で構成され、トータル膜厚は１１０ｎｍになる。また、チャネル界面は、活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐと上記ケイ素膜の酸化による酸化膜２１２とで構成され、良好な界面特性が得られる。さらに、上記酸化工程により、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐの膜中不対結合(ダングリングボンド)は大幅に低減され、その結晶性は大きく改善される。その結果、３０ｎｍに薄膜化された高品質結晶性ケイ素膜による活性領域２０９N,２０９Pと変化する。
【０１０３】
引き続いて、図５(F)に示すように、スパッタリング法によって厚さ４００〜８００ｎｍ(例えば５００ｎｍ)のアルミニウム(０.１〜２％のシリコンを含む)を成膜し、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極２１３ｎ,２１３ｐを形成する。
【０１０４】
次に、イオンドーピング法によって、活性領域２０９N,２０９Pにゲート電極２１３ｎ,２１３ｐをマスクとして不純物(リン、およびホウ素)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(ＰＨ3)およびジボラン(Ｂ2Ｈ6)を用い、前者のフォスフィンの場合は、加速電圧を６０〜９０ｋＶ(例えば８０ｋＶ)とし、後者のジボランの場合は、４０ｋＶ〜８０ｋＶ(例えば６５ｋＶ)とし、ビーズ量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えばリンを２×１０15ｃｍ-2、ホウ素を５×１０15ｃｍ-2)とする。この工程により、ゲート電極２１３ｎ,２１３ｐにマスクされ、不純物が注入されない領域は、後にＴＦＴのチャネル領域２１５ｎ,２１５ｐとなる。ドーピングに際しては、ドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングを行う。この結果、Ｎ型の不純物領域２１６ｎ,２１７ｎ、Ｐ型の不純物領域２１６ｐ,２１７ｐが形成され、図４(C)に示すように、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２４とＰチャネル型ＴＦＴ２２５とを形成することができる。
【０１０５】
その後、図５(F)に示すように、レーザー２１８の照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行う。レーザー光としては、ＸeＣlエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用い、レーザー光の照射条件としては、エネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ2で一か所につき２０ショット照射した。
【０１０６】
続いて、図５(G)に示すように、厚さ９００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２１９としてプラズマＣＶＤ法によって形成し、これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってＴＦＴの電極・配線２２２を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下で３５０℃,１時間のアニールを行い、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２４とＰチャネル型ＴＦＴ２２５とを完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ２２４,２２５を保護する目的で、ＴＦＴ２２４,２２５上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【０１０７】
上記ＴＦＴ２２４,２２５のチャネル領域２１５ｎ,２１５ｐは、複数の異なる面方位からなる柱状結晶群であって、かつ、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域で構成され、さらに、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域がぶつかり合う境界部を１以上含んでいる。したがって、各ＴＦＴ２２４,２２５のチャネル領域における結晶状態、すなわちドメインの状態を均一化させ、結果として基板上の各ＴＦＴ間の特性を均一化するので、ＴＦＴ間の特性ばらつきが少なく、安定した特性を有する高性能な半導体装置を提供することができる。
【０１０８】
また、この第２実施形態の半導体装置の製造方法にしたがって作製したＣＭＯＳ構造回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度はＮ型ＴＦＴで２１０〜２５０ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐ型ＴＦＴで１２０〜１５０ｃｍ2／Ｖｓと高く、しきい値電圧は、Ｎ型ＴＦＴで１Ｖ程度、Ｐ型ＴＦＴで−１.５Ｖ程度と非常に良好な特性を示した。また、従来問題となっていた特性ばらつきが、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０.２Ｖ程度(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内２００点測定の結果)に抑えることができた。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高く、安定した回路特性を示した。
【０１０９】
以上、この発明の半導体装置およびその製造方法を第１,第２実施形態により具体的に説明したが、この発明はこれら第１,第２実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１１０】
例えば、マスク形状としては、上記第１,第２実施形態では、代表例として円形と正方形を用いたが、多角形や長方形等でも良く、少なくともチャネル領域内を異なる結晶成長領域で形成すれば、この発明の効果は得られる。
【０１１１】
また、上記第１,第２実施形態においては、触媒元素としてニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面をニッケル塩を溶かしたエタノール溶液を塗布する方法、または、スパッタリング法によりニッケル薄膜を形成する方法により、選択的にニッケル微量添加を行い、結晶成長させる方法を採用した。しかし、ニッケルの導入方法は、その他の様々な手法を用いることができ、例えば、ニッケル塩を溶かす溶媒として、単純に水を用いてもよいし、ＳＯＧ(スピンオングラス)材料を溶媒としてＳiＯ2膜より拡散させてもよい。また、蒸着法やメッキ法により薄膜形成する方法や、イオンドーピング法により直接導入する方法等も利用できる。さらに、結晶化を助長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。また、ニッケルをゲッタリングするための１５族元素としては、リン以外に窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスを利用してもよい。
【０１１２】
また、上記第１,第２実施形態では、ニッケルにより結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに助長する手段として、パルスレーザーであるエキシマレーザー照射によ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)でも同様の処理が可能である。また、レーザー光の代わりに赤外光やフラッシュランプを使用して短時間に１０００〜１２００℃(シリコンモニターの温度)まで上昇させて試料を加熱する、いわゆるＲＴＡ(ラピッド・サーマル・アニール)やＲＴＰ(ラピッド・サーマル・プロセス)等のレーザー光と同等の強光を用いてもよい。
【０１１３】
さらに、上記第１実施形態では、半導体装置として液晶表示用のアクティブマトリクス型基板について説明したが、半導体装置はこれに限らず、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や表示素子、三次元ＩＣ等の半導体装置にこの発明を適用してもよい。この発明を用いることで、これらの半導体装置の高速化,高解像度化等の高性能化が実現される。
【０１１４】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体装置およびその製造方法によれば、特性ばらつきの少ない安定した特性の高性能素子が実現でき、さらに、集積度の高い高性能な半導体装置が、簡便な製造プロセスで得られる。また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化が図れる。特に、この発明の半導体装置を液晶表示装置に適用した場合、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチング用のＴＦＴのスイッチング特性を向上できると共に、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化と高集積化ができ、また、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板を実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１(A)〜(C)はこの発明の第１実施形態の半導体装置のアクティブマトリクス基板上のＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。
【図２】 図２(A),(B)は図１(C)に続くＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。
【図３】 図３(A)〜(F)は上記半導体装置の作製工程図である。
【図４】 図４(A)〜(C)はこの発明の第２実施形態の半導体装置のＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。
【図５】 図５(A)〜(G)は上記半導体装置の作製工程図である。
【図６】 図６は六角形形状のチャネル領域を形成した場合の要部の平面図である。
【図７】 図７は正方形形状のチャネル領域を形成した場合の要部の平面図である。
【図８】 図８は円形状のチャネル領域を形成した場合の要部の平面図である。
【図９】 図９は従来の半導体装置の要部の概略を示す平面図である。
【符号の説明】
１０１…ガラス基板、
１０２…下地膜、
１０３,２０３…ａ−Ｓi膜、
１０３ａ,２０３ａ…結晶性ケイ素膜、
１０３ｂ,２０３ｂ…結晶性ケイ素膜、
１０３ｃ,２０３ｃ…収束点、
１０４,２０４…マスク、
１０５,２０５…ニッケル、
１０６,２０６…結晶成長方向、
１０７,２０７…リン、
１０８,２０８…ニッケルのゲッタリング方向、
１０９,２０９N,２０９P…島状の結晶性ケイ素膜、
１１０…レーザー光、
１１１,２１１…ゲート絶縁膜、
１１３,２１３…ゲート電極、
１１４…陽極酸化層、
１１５,２１５ｎ,２１５ｐ…チャネル領域、
１１６,２１６ｎ,２１６ｐ…ソース領域、
１１７,２１７ｎ,２１７ｐ…ドレイン領域、
１１８,２１８…レーザー光、
１１９,２１９…層間絶縁膜、
１２０…ソース電極、
１２１…画素電極、
１２３…ＴＦＴ、
２０１…石英ガラス基板、
２１２…酸化膜(ゲート絶縁膜)、
２２２…電極・配線、
２２４…Ｎチャネル型ＴＦＴ、
２２５…Ｐチャネル型ＴＦＴ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、非晶質ケイ素膜を結晶化した結晶性ケイ素膜を活性領域として用いた素子を備えた半導体装置およびその製造方法に関し、特に絶縁表面を有する基板上に設けられた薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置,密着型イメージセンサー,三次元ＩＣ等の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、大型で高解像度の液晶表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ＩＣ等への実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や絶縁膜上に高性能な素子を形成する試みがなされている。これらの装置に用いられる素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のケイ素半導体としては、非晶質ケイ素半導体(ａ−Ｓi)からなるものと結晶性を有するケイ素半導体からなるものの２つに大別される。
【０００３】
上記非晶質ケイ素半導体は、作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられているが、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣っているため、より高速特性を得るには、結晶性を有するケイ素半導体からなる半導体装置の作製方法の確立が強く求められている。なお、結晶性を有するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素等が知られている。
【０００４】
これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導体を得る方法としては、
(１) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する方法
(２) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光のエネルギーにより結晶性を有する膜を形成する方法
(３) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有する膜を形成する方法
等が知られている。しかしながら、(１)の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素を得るにはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜することが技術上困難である。
【０００５】
また、(２)の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理され、比較的高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、未だ十分な安定性のものが得られておらず、素子としての性能面でも十分ではない。
【０００６】
また、(３)の方法は、(１),(２)の方法と比較すると、基板内の均一性,安定性において有利であるが、６００℃で３０時間程の長時間にわたる加熱処理が必要であり、処理時間が長く、スループットが低いという問題がある。また、この(３)の方法では、結晶構造が双晶構造となるため、一つの結晶粒は数μｍと比較的大きいが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、上記(２)の方法に比べて結晶性は劣る。結晶性を向上させる手段としては、さらに１０００℃程度で酸素雰囲気にて加熱処理を施すような手法も用いられているが、このときには安価なガラス基板が使用できるプロセスではなく、素子特性としてもＴＦＴにおいて電界効果移動度１００ｃｍ2／Ｖｓ程度の低い特性しか得られていない。
【０００７】
これらの方法に対して、上記(３)の方法を改善し、高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法が、
(i) 特開平１０−１９９８０５号公報
(ii) 特開平１０−２００１１３号公報
で提案されている。この(i),(ii)の方法では、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を利用することで、加熱温度の低温化および処理時間の短縮化を図ると共に、結晶性の向上を図っている。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパラジウム等の金属元素を微量に導入した後に加熱することにより低温結晶化を行うものである。
【０００８】
この低温結晶化のメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急激に進行することで理解される。そういった意味で以後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素により結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、通常の固相成長法(上記(３)の方法)で結晶化した結晶性ケイ素膜の一つの粒内が双晶構造であり、多数の結晶欠陥を有しているのに対して、その粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、それぞれの柱状結晶内部はほぼ理想的な単結晶状態となっている。
【０００９】
さらに、上記(i),(ii)の方法では、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に触媒元素を導入して加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみを結晶化し、さらに加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長を行わせている。この横方向結晶成長領域の内部では、成長方向が略一方向に揃った柱状結晶がひしめき合っており、触媒元素が直接導入されてランダムに結晶核の発生が起こった領域に比べて、結晶性がさらに良好な領域となっている。よって、この横方向結晶成長領域の結晶性ケイ素膜を半導体装置の活性領域に用いることにより、素子の高性能化が行える。
【００１０】
上記(i),(ii)の方法は、このときの非晶質ケイ素膜への触媒元素の選択的な導入方法に関し、その導入パターンに注目することで、横方向に結晶成長させる領域の成長方向をより一方向に近づけ、横方向に結晶成長させた領域の結晶性の向上を目指している。
【００１１】
具体的に、上記(i)では、触媒元素導入領域を、素子サイズに比べて非常に長い線状とし、その線状領域をストライプ状態に並べるよう配置している。これにより、線状領域に導入された触媒元素は、その線状領域に対して垂直方向に結晶成長を起こし(すなわち、成長方向が四方八方へと発散せず)、その横方向に結晶成長した領域は、その結晶成長方向がほぼ一方向に揃った高品質な結晶性ケイ素膜となる。さらに２本の線状領域で挟まれた領域では、横方向の結晶成長が安定するため、この領域の結晶性ケイ素膜を用いて、半導体装置の活性領域を形成している。そして、素子の高性能化と作成プロセスの安定化とを図っている。
【００１２】
また、上記(ii)も同様に、触媒元素の導入領域を線状として、横方向結晶成長領域における結晶成長の一方向性を強めるものであり、半導体装置の高性能化を目的としている。特に、上記(ii)では、素子領域と触媒元素の線状導入領域との位置関係を限定し、結晶成長の一方向性が良好な領域を用いて、半導体装置の活性領域を形成するようにしている。
【００１３】
このように、触媒元素を選択的に導入することにより非晶質ケイ素膜を横方向に結晶化する方法は、加熱温度の低温化や加熱時間の短縮化が図れ、さらに結晶化後に得られるケイ素膜の結晶性は、他の結晶化方法に比べ明らかに優れている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に、上記(i),(ii)の技術を用いてＴＦＴを作成した場合、一般的にばらつきが小さいと思われている固相成長技術を応用して作成されているにもかかわらず、素子特性のばらつきが比較的大きいことがわかってきた。特に、数十μｍ程度の間隔で隣接しているようなＴＦＴの特性ばらつきが大きく、そのばらつきに関しては、ばらつきが問題となっているレーザー光を用い結晶化する場合と比べてもほぼ同程度であることがわかった。ただし、レーザー光を用いて結晶化する方法では、さらに基板内におけるマクロな基板内分布も加わるため、全体的に見るとばらつきはより大きい。
【００１５】
このことは、ミクロ的に見て、数十μｍのスケールでＴＦＴのチャネル領域を構成する結晶性ケイ素膜の状態が大きく異なっていることを予感させる。本出願人は、結晶性ケイ素薄膜の最新の評価手法であるＥＢＳＰ(Electron Backscattering Pattern)法を導入し、上記２つの(i),(ii)の技術を用いて作成された結晶性ケイ素膜に対して、結晶方位の二次元的なマッピングを行った。図９はその結果を示しており、触媒元素が導入された線状領域６０１に対して、その線状領域６０１で挟まれた横成長領域６０２は、線状領域６０１に対してほぼ垂直方向に向き、数十μｍ幅とサイズの結晶方位が大きく異なる複数の領域(以下、ドメインという)６０５が互いに隣接しあって構成されていることが初めて明らかとなった。この横成長領域６０２内の点線で分けられた各領域が、結晶方位が異なるドメイン６０５である。ここで、図９において、６０３は、横方向の結晶成長における成長方向であり、６０４は、隣り合う線状導入領域からそれぞれ結晶成長させた横成長領域がぶつかり合って形成された結晶成長の境界である。このように、触媒元素による横方向の結晶成長は、一様な結晶状態にはなってはおらず、結晶方位の異なる数十μｍ幅という大きなサイズの様々な柱状結晶(ドメイン６０５)群が互いに隣接しあっていることがわかった。また、その横方向の成長過程において、隣同士のドメイン６０５の競合が起こり、優勢なドメインがより幅を拡げて成長していっていることが判明した。
【００１６】
実際のＴＦＴにおけるチャネル領域のサイズは、小さなもので数μｍから数十μｍであり、これに比べて、上記の結晶方位がほぼ揃った領域(ドメイン６０５)の大きさは、数十μｍとなっている。したがって、数十μｍという近い距離で並んでいるＴＦＴにおいて、それぞれのチャネル領域がどのドメインで構成されるか、ドメイン境界が含まれているかいないか等の違いが生じることになる。したがって、ＴＦＴのチャネル領域を構成する結晶性ケイ素膜の結晶状態が異なる。よって、上記(i),(ii)の技術を用いてＴＦＴを作成した場合に現れる特性の大きなばらつきは当然の事であり、その主原因は、活性領域を構成する横方向結晶成長のケイ素膜における結晶方位の異なる柱状結晶(ドメイン)群のばらつきである。
【００１７】
さらに、この横方向結晶成長領域におけるケイ素膜の結晶性をさらに向上させる手段として、以下の２つの方法が特に有効であることがわかっている。
【００１８】
一つは、酸素等の酸化雰囲気において、結晶成長させた温度よりもより高い温度で熱処理を施し、ケイ素膜表面を酸化する方法であり、もう一つは、レーザー等の強光を照射する工程を追加する方法である。しかしながら、前者の熱処理を用いた方法では、結晶性ケイ素膜の面方位により、酸化レートが大きく異なるため、ドメインの結晶性の差をより助長する結果となり、ばらつきはさらに悪化する。また、後者の強光を用いた方法でも、アニール光源であるレーザー等の強光に対して、結晶性ケイ素膜の面方位により吸収効率が異なるため、これもドメインの結晶性の差をより助長する結果となり、ばらつきはさらに悪化する。したがって、上記(i),(ii)の技術では、素子の性能を上げるべく、上記のような結晶性を向上させる追加処理を行った場合、特性の平均値は向上するが、従来の素子間の特性差をより増大させ、ばらつきをより悪化させることになっていた。
【００１９】
以上のように、結晶性ケイ素膜を活性領域とするＴＦＴ等を用いた半導体装置において、上記(i),(ii)の方法では、特性の高性能化と均一化を両立させることはできない。
【００２０】
そこで、この発明の目的は、特性ばらつきが少なく、安定した特性を有する高性能な半導体装置を提供すると共に、大面積基板にも対応可能な高歩留りの安定した製造プロセスが可能な生産性の高い半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性ケイ素膜を活性領域として用いた素子を備えた半導体装置であって、上記結晶性ケイ素膜は、非晶質ケイ素膜にその結晶成長を促進する触媒元素を選択的に導入して、上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させたものであり、上記素子の活性領域におけるチャネル領域は、上記チャネル領域内の一点を囲む外周部側から半径方向内向きにその一点に向かって結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成されていることを特徴としている。
【００２２】
本出願人の実験により、非晶質ケイ素膜に触媒元素を選択的に導入して、横方向に略一次元的に結晶成長させた結晶性ケイ素膜は、一様な結晶状態ではなく、実は、様々な面方位のドメインが隣接した非常にばらつきの大きい状態であり、このドメインの違いが、半導体装置における特性ばらつきを生じさせる主原因であることがわかった。この結果をもとに、半導体装置の素子特性を均一化させる方法として、この発明の半導体装置では、ＴＦＴ等の素子の活性領域(ソース／ドレン領域、チャネル領域)のうちの少なくとも素子の動きを司る領域であるチャネル領域を複数のドメイン(異なる面方位からなる柱状結晶群)で構成することで、それぞれの素子のチャネル領域における結晶状態、すなわちドメインの状態を均一化させ、結果として各素子間の特性を均一化するものである。結晶面から、横方向結晶成長した結晶性ケイ素膜のドメインを一様な面方位に形成するアプローチもあるが、現実的には非常に困難である。この発明の半導体装置は、触媒元素を用いて横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜は、面方位の異なるドメインが隣接して構成されているのを前提として、結晶性ケイ素膜の均一性が良くなくても、素子間の特性ばらつきを大幅に低減できるという点で、非常に意味が大きい。
【００２３】
【００２４】
また、上記素子の活性領域のチャネル領域は、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成されており、２つ以上の異なる結晶ドメインで素子のチャネル領域が構成されていることを意味し、それぞれの素子のチャネル領域における結晶状態が均一化され、結果として各素子間の特性が均一化された半導体装置となる。
【００２５】
【００２６】
【００２７】
また、一実施形態の半導体装置は、上記チャネル領域の中央部に、上記複数の結晶成長領域がぶつかり合って収束していることを特徴としている。
【００２８】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記チャネル領域の中央部に、上記複数の結晶成長領域がぶつかり合って収束していることによって、それぞれの素子のチャネル領域は、複数の結晶ドメインで構成されるだけでなく、ほぼ同一の結晶状態が得られ、各素子間の特性をより効果的にかつ確実に均一化できる。
【００２９】
上記いずれの半導体装置において、その活性領域(特にチャネル領域)は、触媒元素を用いて加熱処理で結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜により構成されるものである。したがって、この発明により得られる半導体装置では、その活性領域に残留した触媒元素を幾分か含んでおり、それが、この発明の半導体装置を特定化できる根拠となる。この発明において利用できる触媒元素の種類としては、Ｎi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuが挙げられる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果があり、比較的、半導体(結晶性ケイ素)中での不活性な傾向が強く、半導体装置における電気的な悪影響を抑えることができる。したがって、この発明の半導体装置では、これらの元素の内の何れかが、活性領域にある程度の量、含まれている訳である。
【００３０】
また、一実施形態の半導体装置は、上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素がＮiであることを特徴としている。
【００３１】
上記実施形態の半導体装置によれば、触媒元素にＮiを用いた場合に最も顕著な効果が得られることがわかっている。その理由については、次のようなモデルが考えられる。すなわち、触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合してシリサイド化することで結晶成長に作用し、そのときの結晶構造が、非晶質ケイ素膜結晶化時に一種の鋳型のように作用して、非晶質ケイ素膜の結晶化を促すというモデルである。このモデルでは、１つのＮiと２つのＳiでＮiＳi2のシリサイドを形成する。このＮiＳi2は螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、ＮiＳi2はその格子定数が５.４０６Åであり、結晶シリコンのダイヤモンド構造の格子定数５.４３０Åに非常に近い値をもつ。よって、ＮiＳi2は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳型としては最高のものであり、実際に得られる結晶性ケイ素膜の結晶性およびその結晶化促進の触媒効果を見ても、触媒元素としてＮiが最も良いのは間違いない。したがって、この発明の半導体装置においては、Ｎiを触媒元素として用い、その活性領域にＮiがある程度の量残存していることが、この発明の効果を最も有効に引き出した結果および証拠となっている。
【００３２】
また、一実施形態の半導体装置は、上記活性領域中におけるＮiの濃度が１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることを特徴としている。
【００３３】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記活性領域中のＮiの濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を越えるような量であれば、ニッケルシリサイドとして活性領域(ケイ素膜)中に偏在する領域が多数現れだし、素子の特性に悪影響を及ぼすようになる。一方、Ｎiの濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の量では、Ｎiは、ほとんどシリサイドとして析出はせず、ケイ素膜中に固溶し、また結晶欠陥に組み込まれているような状態になっていると考えられる。このような状態では、素子への悪影響は見られず、ニッケルシリサイドが析出し出したときに特性上の悪影響が見られる。また、逆に、活性領域中に残存するＮiの濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3よりも少ないようでは、Ｎiの触媒効果を用いて十分に結晶化されたとは考えられず、この発明の効果は得られない。例えば、結晶化後の後工程において、活性領域のニッケル量を低減するような方法を用いたとしても、触媒として十分な量のＮiを導入して結晶成長させた場合、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の量にまで低下させることはできず、これ以上の量のＮiが必ず残る。したがって、この発明の半導体装置においては、活性領域中に含まれているＮiの濃度が、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるときに、この発明の効果を最も引き出した状態となっている。
【００３４】
また、この発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性ケイ素膜を活性領域として用いた素子を備えた半導体装置の製造方法であって、上記絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成する工程と、上記非晶質ケイ素膜の一部に、上記素子の活性領域となる領域を囲むように、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する工程と、上記触媒元素を選択的に導入した後、加熱処理によって、上記触媒元素が導入された領域から上記触媒元素が導入されていない領域に上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させる工程と、上記加熱処理によって結晶化した結晶性ケイ素膜のうちの上記横方向に結晶成長させた領域に、少なくとも上記素子の活性領域におけるチャネル領域を配置するように、上記結晶性ケイ素膜をパターニングする工程とを有し、上記非晶質ケイ素膜の一部に上記触媒元素を選択的に導入する工程において、上記非晶質ケイ素膜上にマスクを設け、上記マスクに覆われていない上記非晶質ケイ素膜の領域に上記触媒元素を添加すると共に、上記マスクは正多角形形状または円形状であって、その正多角形形状または円形状のマスクの中心部が上記素子のチャネル領域となる領域内に配置され、上記素子の活性領域におけるチャネル領域は、上記チャネル領域内の上記マスクの中心部を囲む外周部側から半径方向内向きにその中心部に向かって結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成されることを特徴としている。
【００３５】
上記半導体装置の製造方法によれば、上記絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜の一部に、素子の活性領域となる領域を囲むように、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する。そして、加熱処理を行って、非晶質ケイ素膜のうちの触媒元素が導入された領域から触媒元素が導入されていない領域に、上記基板の絶縁表面に沿って横方向(基板と平行)に結晶成長を行わせる。このときの触媒元素は、後の活性領域となる領域を囲むように選択的に導入される訳であるから、熱処理により、まず触媒元素が直接導入された領域が結晶化された後に、後に素子の活性領域となる領域に向かって、四方八方より横方向に結晶成長が進行する。そして、この触媒元素の導入領域に囲まれ、横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜を用いて、少なくとも素子の活性領域におけるチャネル領域を形成することによって、素子のチャネル領域は、複数のドメインにより構成されることになる。この半導体装置の製造方法では、従来と比較して、工程を増加させることなく、触媒元素が導入されるパターン形状を変更するだけであり、非常に簡便でかつ生産性が高く、素子の特性均一化にも非常に大きな効果がある。また、上記非晶質ケイ素膜への触媒元素を選択的に導入する手段としては、非晶質ケイ素膜の形成後に、非晶質ケイ素膜上に形成・加工されたマスクを設け、上記マスク上より触媒元素を添加することにより行う方法が有効である。すなわち、フォトリソ工程により加工されたマスクを用いることによって、導入パターンの形状および素子領域との位置関係を正確に制御することが可能となる。特に、この半導体装置の製造方法では、触媒元素の導入パターン形状と素子領域との位置関係が、従来以上に重要である。また、上記触媒元素を非晶質ケイ素膜に選択的に導入するときのマスクのパターン形状として、平面的に見て正多角形形状のマスクを形成し、そのマスクの外側の非晶質ケイ素膜の領域に触媒元素を導入して、正多角形形状の略中心部に素子のチャネル領域を配置することによって、正多角形形状の各辺からの成長ドメインがその正多角形形状の中心部の下側の領域 ( 素子のチャネル領域 ) へと向かって、均一に結晶成長する。さらに、上記触媒元素の選択導入マスクパターンとして、上記正多角形形状以外に円形が非常に有効である。すなわち、図８に示すように、触媒元素を非晶質ケイ素膜に選択的に導入するときのマスクのパターン形状として、平面的に見て円形状のマスク５００を形成し、その外側の領域５０１に触媒元素を導入し、円形状の略中心部５０６に素子のチャネル領域５０７を配置することが望ましい。マスクパターンが円形の場合、正多角形形状のときのように各辺から内側に結晶成長し、隣り合う辺からそれぞれ結晶成長させた領域がぶつかり合うような成長境界は現れない。図８に示すように、その中心部５０６においてのみ円周部から内側 ( ５０３の方向 ) に結晶成長させた領域がぶつかり合った ( 収束した ) 境界部が見られる。なぜなら、マスクが円形の場合には、正多角形形状のときと決定的に異なる点として、結晶成長がぶつかり合うことでドメインが消滅していくのではなく、自然なドメインの競合が起こり、優勢な結晶ドメインのみが、その成長過程において生き残っていくのである。したがって、その中心部では、円周部より結晶成長させた異なる複数のドメインで構成されているだけではなく、結晶成長に優勢な方位のドメインがそれぞれ残るため、その結晶状態は、多角形形状のマスクを用いた場合に比べても、より均一性が高い。
【００３６】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記マスクの中心部が上記素子のチャネル領域となる領域の中央部であり、上記触媒元素が導入された領域から生じる横方向の結晶成長は、上記素子のチャネル領域となる領域の中央部に向かって進み、上記チャネル領域の中央部において、異なる方向から結晶成長させた横方向の結晶成長領域がぶつかり合うように収束させたことを特徴としている。
【００３７】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記触媒元素が導入された領域から生じる横方向への結晶成長を、後に形成する素子のチャネル領域となる領域中央部へと向かって進ませ、チャネル領域の中央部で異なる方向から結晶成長させた横方向の結晶成長領域がぶつかり合うように収束させることにより、それぞれの素子のチャネル領域は、複数の結晶ドメインで構成されるだけでなく、ほぼ同一の結晶状態が得られ、その結果、各素子間の特性をより効果的にかつ確実に均一化できる。
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記正多角形形状のマスクの各辺側からそれぞれ上記マスクの中心部の下側に向かって結晶成長させた結晶成長領域がぶつかり合って収束することにより形成される境界部が、上記素子のチャネル領域となる領域内に含まれることを特徴としている。
【００４３】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記正多角形形状のマスクの中心部では、正多角形形状の各辺よりそれぞれ内側(多角形の中心部)に向かって結晶成長させた結晶領域がぶつかり合って、少なくとも多角形の角数以上の異なるドメインが隣接しあう。このマスクの中心部の下側の領域に素子のチャネル領域を配置することで、そのチャネル領域は、確実に複数の結晶ドメインを含む。
【００４４】
特に、この正多角形形状のマスクの中心点すなわち結晶成長の境界部が素子のチャネル領域内に含まれるように、この半導体装置を構成することで、素子のチャネル領域は、少なくとも正多角形の角数以上の異なる結晶ドメインにより構成されることになる。この半導体装置では、基板上のどの素子を見ても同じ状態となっており、このようにして形成された素子は、全て活性領域がほぼ同じ状態で構成され、素子間の特性ばらつきを大きく低減できる。これを図で説明すると、図６のようになり、多角形として六角形を用いた場合について示している。図６において、３００はマスク、３０１は触媒元素の導入領域、３０２は横成長領域、３０３は結晶成長方向、３０４は横方向結晶成長のぶつかり合った成長境界、３０５は面方位の異なる柱状結晶(ドメイン)群、３０６は各辺からの結晶成長がぶつかり合って収束する中心点、３０７は素子のチャネル領域である。
【００４５】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記マスクが正方形形状であることを特徴としている。
【００４６】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記マスクが正方形形状であるので、素子レイアウト上、正方形が最もレイアウトが行いやすく、また、デッドスペースを最も小さくできるため、素子の高密度化、すなわち高集積化に有利となる。つまり、触媒元素が導入された領域は、非常に高濃度の触媒元素が残存しており、活性領域内に用いるのは避けた方がよいので、素子レイアウトにおけるデッドスペースとなっている。また、素子の平面形状は略矩形であるため、正方形のマスクの場合、各辺を合わせてスペースを詰めることができ、デッドスペースは最も小さくて済む。この正方形形状のマスクを用いた場合には、図７に示すように、マスク４００の各４辺からのそれぞれ内側(正方形の中心部；４０３方向)に向かって結晶成長させた結晶領域４０２がぶつかり合って、中心点４０６が形成されるため、そこには少なくとも４つ以上の異なるドメイン４０５が隣接しあうことになる。その結果、素子のチャネル領域４０７は、最低４つの異なる結晶ドメインで構成されることになり、図６の六角形に比べるとチャネル領域内を構成するドメインの数は減少するのは確かである。しかしながら、これでも、従来(ドメインが１つまたは２つ)と比べると、素子の特性均一性は大きく向上し、その均一性は実用レベルに達している。
【００４７】
【００４８】
【００４９】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記円形状のマスクの円周部より上記マスクの中心の下側領域に向かって結晶成長させた結晶成長領域がぶつかり合って収束することにより形成される境界部が、上記素子のチャネル領域となる領域内に含まれることを特徴としている。
【００５０】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記円形状のマスクの中心点、すなわち、結晶成長の収束する点が、少なくとも素子のチャネル領域内に含まれるようにすることで、素子のチャネル領域は、複数の異なる結晶ドメインにより構成されるだけでなく、特に結晶成長に優勢な方位の結晶ドメインで構成されることになる。これは、基板上のどの素子を見ても同じ状態となっており、このようにして形成された素子は、全てのチャネル領域がほぼ同じ状態で構成され、素子間の特性ばらつきを特に小さく抑えることができる。
【００５１】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜のうちの少なくとも上記素子のチャネル領域となる領域以外の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、上記５族Ｂから選ばれた元素を導入した後、加熱処理によって、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された上記結晶性ケイ素膜の領域に上記触媒元素を移動させる工程とを有することを特徴としている。
【００５２】
触媒元素による非晶質ケイ素膜の結晶成長は、まず触媒元素と非晶質ケイ素とのシリサイド反応が起こり、シリサイドがその非晶質ケイ素膜の結晶成長を引き起こす。すなわち、結晶成長の先端には、常に触媒元素のシリサイドが存在しており、それが前方にある非晶質ケイ素を次々と結晶化していく訳である。最終的に横方向結晶成長がぶつかり合って収束することにより形成される成長境界というのは、その成長過程で常に先端に存在する触媒元素のシリサイドが吹きだまりとなり、非常に高濃度で存在している領域である。触媒元素は金属類を主としており、このような元素が半導体中に多量に存在していることは、これら半導体を用いた素子の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり、決して好ましいことでない。特に、これらのシリサイドは、ＴＦＴにおいてオフ動作時のリーク電流が増大するという大きな問題を引き起こす。このような複数の結晶ドメインでチャネル領域を構成するため、チャネル領域に特に触媒元素が高濃度で局在している。このため、チャネル領域内において、成長境界に高濃度で局在している触媒元素を如何にして低減するかが大きな問題となる。
【００５３】
これに対して、この半導体装置の製造方法では、触媒元素を非晶質ケイ素膜の結晶化処理に利用した後、そのケイ素膜中に残存する触媒元素の大部分を、素子形成領域以外の領域に移動させることで、この問題を解決している。具体的には、触媒元素による結晶化を行った後、結晶性ケイ素膜の少なくとも後に素子のチャネル領域となる領域以外の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入し、加熱処理によって、結晶成長に使われ主に成長境界に残存する触媒元素を、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に移動させることにより、結果として素子のチャネル領域中の触媒元素量を大きく低減することができる。この半導体装置の製造方法は、半導体特性に対して悪影響が大きいシリサイド状態の触媒元素に特に有効である。そして、５族Ｂ元素が導入され、触媒元素が集められた領域を除去して、最終的な素子の活性領域を形成すれば、基板上には触媒元素の高濃度領域は全く残らない。
【００５４】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程において、上記非晶質ケイ素膜の一部に上記触媒元素を選択的に導入する工程で用いたマスクを用いることを特徴としている。
【００５５】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、５族Ｂから選ばれた元素を導入するときのマスクとして、先の工程で上記触媒元素を選択的に導入するときに用いたマスクをそのまま用いれば、新たにマスクを加工・形成する必要もなく、工程が大きく増えることもない。したがって、簡便にかつ効率よく触媒元素量を低減することができる。
【００５６】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ,Ｎ,Ａs,ＳbおよびＢiのうちの少なくとも１つの元素を用いたことを特徴としている。
【００５７】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記５族Ｂから選ばれた元素としては、Ｐ、Ｎ、Ａs、Ｓb、Ｂiから選ばれた少なくとも１つの元素を用いることができる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、上記触媒元素を効率よく移動させることができ、十分な効果が得られる。このメカニズムに関しては、未だ詳しい知見は得られていないが、これらの元素の中でも、最も効果が高いのはＰであることがわかっている。
【００５８】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、触媒元素として、Ｎi,Ｃo,Ｆe,Ｐd,Ｐt,ＣuおよびＡuのうちの少なくとも１つの元素を用いたことを特徴としている。
【００５９】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記触媒元素としてＮi、Ｃo、Ｆe、Ｐd、Ｐt、Ｃu、Ａuから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果があり、比較的、半導体(結晶性ケイ素)中での不活性な傾向が強く、半導体装置における電気的な悪影響を抑えることができる。そして、特に、これらの触媒元素の中でも、Ｎiを用いた場合に最も顕著な効果が得られる。
【００６０】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜を用いて、上記結晶性ケイ素膜をパターニングして、上記素子の活性領域を形成する工程と、上記パターニングの工程の後、酸化雰囲気で加熱処理によって、上記活性領域表面を酸化させる工程とを有することを特徴としている。
【００６１】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の結晶性をより向上し、半導体装置の性能、特に電流駆動能力をより向上させる方法として、非晶質ケイ素膜を加熱処理により結晶化させ、素子の活性領域をパターニングした後、さらに酸化雰囲気での加熱処理を行い、上記活性領域表面を酸化する方法が有効である。この酸化処理を行うと、酸化作用により生じる過飽和Ｓi原子がケイ素膜中へ供給され、これらが、ケイ素膜中の結晶欠陥(特に不対結合手；ダングリングボンド)に入り込み、欠陥を消滅させることができる。これにより、触媒元素により結晶化されたケイ素膜中の欠陥密度が大きく低減され、移動度が大幅に向上する。この結果、半導体装置の性能は飛躍的に向上する。特に、触媒元素により結晶成長させたケイ素膜は、柱状結晶のネットワーク構造で構成され、個々の柱状結晶内部は元々結晶性が良好なため、通常の固相成長のケイ素膜に比べて、この効果が極めて大きい。
【００６２】
すなわち、通常の固相成長のケイ素膜では、双晶欠陥を多量に含んでいるため、かなりの酸化処理を行っても、十分な改善は果たせない。また、従来の触媒元素を用いた結晶成長法である特開平１０−１９９８０５号公報や特開平１０−２００１１３号公報の技術に、この酸化による結晶性向上技術を適用した場合には、結晶性ケイ素膜の面方位により、酸化レートが大きく異なるため、ドメインの結晶性の差をより助長する結果となり、素子特性のばらつきは非常に大きくなる。
【００６３】
この半導体装置の製造方法では、チャネル領域内に複数の異なる結晶ドメインを含むため、酸化レートが各結晶ドメインでばらつき、ドメイン間の結晶性の違いがより大きくなっても、個々の半導体装置におけるチャネル領域内のトータル的な結晶性はほぼ同様であり、特性ばらつきの増大を抑えることができる。これによって、初めて、この酸化による結晶性向上技術が実用となり、特性ばらつきが小さく、非常に高性能な半導体装置を実現できる。
【００６４】
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記結晶性ケイ素膜を用いて、上記結晶性ケイ素膜をパターニングして、上記素子の活性領域を形成する工程と、上記パターニングの工程の後、上記活性領域に強光を照射する工程とを有することを特徴としている。
【００６５】
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記の酸化方法以外に、この発明において、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の結晶性をより向上し、半導体装置の性能、特に電流駆動能力をより向上させるもう一つの有効な方法として、非晶質ケイ素膜を加熱処理により結晶化させ、素子の活性領域をパターニングした後、その結晶性ケイ素膜に紫外レーザー光等の強光を照射し、その結晶性をさらに向上させる方法がある。結晶性ケイ素膜にレーザー等の強光を照射した場合、結晶性ケイ素膜と非晶質ケイ素膜との融点の相違から結晶粒界部や微小な残留非晶質領域(未結晶化領域)が集中的に処理される訳であるが、通常の固相成長法で形成した結晶性ケイ素膜では、結晶構造が双晶状態であるため、強光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥として残る。それに比べ、触媒元素を導入して結晶化された結晶性ケイ素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態に近いため、強光の照射により結晶粒界部が処理され、非常に良質の結晶性ケイ素膜が得られる。また、元々結晶性ケイ素膜に対してレーザー照射を行うのであるから、非晶質ケイ素膜に直接レーザー照射し結晶化する方法とは異なり、レーザー照射のばらつきは大きく緩和され、均一性上の問題も生じない。
【００６６】
しかしながら、従来の触媒元素を用いた結晶成長法である特開平１０−１９９８０５号公報や特開平１０−２００１１３号公報の技術に、このレーザー等強光照射による結晶性向上技術を適用した場合には、アニール光源であるレーザー等の強光に対して、面方位により吸収効率が異なるため、ドメインの結晶性の差をより助長する結果となり、素子の特性ばらつきは非常に大きくなる。
【００６７】
これに対してこの半導体装置の製造方法では、チャネル領域内に複数の異なる結晶ドメインを含むため、吸収効率が各結晶ドメインでばらつき、ドメイン間の結晶性の違いがより大きくなっても、個々の素子におけるチャネル領域内のトータル的な結晶性はほぼ同様であり、特性ばらつきの増大を抑えることができる。これによって、初めて、このレーザー等強光による結晶性向上技術が実用となり、特性ばらつきが小さく、非常に高性能な半導体装置を実現できる。
【００６８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の半導体装置およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６９】
（第１実施形態）
この発明の第１実施形態の半導体装置では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製するときの工程について説明を行う。なお、このＮ型ＴＦＴはアクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論のこと、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。この第１実施形態では、それらの代表として、基板上に数十万から数百万のＮ型ＴＦＴを特に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について説明する。
【００７０】
図１(A)〜(C),図２(A),(B)はこの第１実施形態で説明するアクティブマトリクス基板上のＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。実際には、アクティブマトリクス基板は数十万個以上のＴＦＴによる構成されるが、この第１実施形態では、３行×４列の１２個のＴＦＴに簡略化して説明する。
【００７１】
また、図３(A)〜(F)は、図１における任意の１つのＴＦＴにおけるIII−III線から見た断面図であり、図３(A)〜(F)の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【００７２】
まず、図３(A)に示すように、ガラス基板１０１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成する。この酸化ケイ素膜からなる下地膜１０２は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設ける。次に、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ(例えば３５ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)１０３を成膜する。この第１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、ＳiＨ4ガスとＨ2ガスを材料ガスに用い、ＲＦパワーのパワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ2(例えば８０ｍＷ／ｃｍ2)とした。次に、ａ−Ｓi膜１０３上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、フォトリソ工程によりパターニングしてマスク１０４を形成する。この第１実施形態においては、マスク１０４の形成は、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。このマスク１０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第１実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。また、マスク１０４のパターン形状は、図１(A)に示す略円形とした。図１(A)からわかるように、後に作成される１２個のＴＦＴ(図２(B)に示す)に対して、マスク１０４がそれぞれ１２個設けられる。マスク１０４で覆われていない領域においてａ−Ｓi膜１０３が露呈している。
【００７３】
次に、ａ−Ｓi膜１０３およびマスク膜１０４表面にニッケル１０５の微量添加を行う。このニッケル１０５の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液をａ−Ｓi膜１０３,マスク１０４上に保持し、スピナーにより溶液をガラス基板１０１上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。この第１実施形態では、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３ｐｐｍとした。このようにして添加されたａ−Ｓi膜１０３およびマスク１０４表面上のニッケル濃度を全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法により測定すると、２×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【００７４】
そして、この状態でこの基板を不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)下で、加熱温度５３０〜６００℃(例えば５７０℃)で４時間アニールすることによりａ−Ｓi膜１０３を結晶化させる。このとき、マスク１０４の外側(直接ニッケルが添加された領域)のａ−Ｓi膜１０３においては、ａ−Ｓi膜１０３表面に存在するニッケル１０５を核としてａ−Ｓi膜１０３の結晶化が起こり、結晶性ケイ素膜１０３ａがまず形成される。そして、引き続いてマスク１０４下の領域では、図１(A)および図３(B)において、矢印１０６で示すようにマスク１０４の中心に向かって、先に結晶化されたケイ素膜領域１０３ａから横方向(基板と平行な方向)に結晶成長が行われる。そして、最終的に、矢印１０６の方向の横方向結晶成長は、マスク１０４の中心部に収束し、マスク１０４下は横方向結晶成長領域である結晶性ケイ素膜１０３ｂで埋め尽くされ、横方向結晶成長が収束したところには、結晶成長境界(収束点１０３ｃ)が形成される。このとき、マスク１０４上に存在するニッケル１０５は、マスク１０４に阻まれ、マスク１０４の下層のａ−Ｓi膜へは到達せず、直接ニッケルが添加された領域において導入されたニッケル１０５のみによりａ−Ｓi膜１０３の結晶化が行われる。
【００７５】
次に、図３(C)に示すように、基板１０１上方よりリン１０７を全面にイオンドーピングする。このときのリン１０７のドーピング条件としては、加速電圧を５〜１０ｋＶとし、ビーズ量を５×１０15〜１×１０16ｃｍ-2とした。この工程により、露呈している領域の結晶性ケイ素膜１０３ａ(図３(B)に示す)にリンを注入して、リンドープされた結晶性ケイ素領域１０３Aを形成する。一方、マスク１０４によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜１０３ｂ(図３(B)に示す)には、リンはドーピングされない。平面的には、図１(B)において斜線で示された部分の結晶性ケイ素領域１０３Aにリン１０７がドーピングされる。
【００７６】
そして、この状態で、この基板を不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)下にて５００〜７００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第１実施形態では、一例として６００℃にて６時間の処理を行った。この加熱処理において、結晶性ケイ素領域１０３Aにドーピングされたリン１０７がその結晶性ケイ素領域１０３Aに存在するニッケルをまずトラップする。そして、図１(B),図３(C)に示すように、さらにマスク１０４下の結晶性ケイ素膜１０３ｂ、特に結晶成長境界の収束点１０３ｃに存在しているニッケル１０５を矢印１０８に示す方向(すなわち先の結晶成長時の１０６と逆方向)に、回りの結晶性ケイ素領域１０３Aへと引き出す。その結果、マスク１０４下の結晶性ケイ素膜１０３ｂ領域におけるニッケル濃度は大きく低減する。このときの実際の結晶性ケイ素膜１０３ｂ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)により測定したところ、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減された。なお、上記加熱処理によりニッケル濃度を低減する工程前の結晶性ケイ素膜１０３ｂの膜中ニッケル濃度は、５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。
【００７７】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜のマスク１０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層のケイ素膜１０３と十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングにより行った。
【００７８】
その後、マスク１０４に覆われていた領域の結晶性ケイ素膜１０３ｂを用い、その他の不要な部分のケイ素膜を除去して素子間分離を行う。すなわち、上記工程により、図１(C)に示すような配置で、ケイ素膜１０３ｂの領域を用いて、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜１０９を形成する。このとき、島状の結晶性ケイ素膜１０９内の最終的にチャネル領域となる領域に、結晶成長の収束点１０３ｃ(図３(B),(C)に示す)が含まれるように、島状の結晶性ケイ素膜１０９を配置している。このようにして、図２(B)および図３(D)の状態が得られる。
【００７９】
次に、図３(D)に示すように、レーザー光１１０を照射することで活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜１０９の結晶性をさらに向上させる。このときのレーザー光としては、ＸeＣlエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用いた。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃(例えば４００℃)に加熱し、エネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ2(例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射した。また、レーザー光のビームサイズは、基板１０１表面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成型されており、長手方向に対して垂直方向に０.０５ｍｍのステップ幅で順次走査を行う。これにより、島状の結晶性ケイ素膜１０９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。
【００８０】
次に、図３(E)に示すように、上記活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜１０９を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ(例えば１００ｎｍ)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１１として成膜する。ここで、酸化ケイ素膜の形成には、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℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積する。また、ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法によって、基板温度を３５０〜６００℃(好ましくは４００〜５５０℃)として形成してもよい。そして、酸化ケイ素膜の成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で４００〜６００℃で１〜４時間のアニールを行う。
【００８１】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ(例えば６００ｎｍ)のアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極１１３を形成する。さらに、このアルミニウムのゲート電極１１３の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層１１４を形成する。この状態が図３(E)に相当する。上記ゲート電極１１３は、平面的にはゲートバスラインを同時構成しており、この状態を平面的に見ると、図２(A)に示すような状態となっている。このときの陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコール溶液中で行い、最初一定電流で２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させる。そうして得られた酸化物層１１４の厚さは２００ｎｍである。なお、この酸化物層１１４は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
【００８２】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極１１３とその周囲の酸化物層１１４をマスクとして活性領域(島状の結晶性ケイ素膜１０９)の一部に不純物(リン)を注入する。ドーピングガスとしてフォスフィン(ＰＨ3)を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ(例えば８０ｋＶ)、ビーズ量を１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば２×１０15ｃｍ-2)とする。この工程により、不純物が注入された領域１１６,１１７は、後にＴＦＴのソース／ドレイン領域となり、ゲート電極１１３およびその周囲の酸化層１１４にマスクされ、不純物が注入されない領域１１５は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。
【００８３】
その後、図３(E)に示すように、レーザー光１１８の照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善する。このとき、使用するレーザーとしてはＸeＣlエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2(好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2)で照射を行う。こうして形成されたＮ型不純物(リン)領域１１６,１１７のシート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。
【００８４】
続いて、図３(F)に示すように、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１１９として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法(もしくはオゾンとの減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法)によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。また、ＳiＨ4とＮＨ3を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、活性領域／ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【００８５】
次に、層間絶縁膜１１９にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってＴＦＴのソース電極(配線)１２０を形成する。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る。このＴＦＴ１２３は、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極には、ＩＴＯ等透明導電膜からなる画素電極１２１を設ける。すなわち、図２(B)において、ソースバスライン(ソース電極１２０)を介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン(ゲート電極１１３)のゲート信号に基づいて画素電極１２１に必要な電荷が書き込まれるのである。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃,１時間のアニールを行い、図１(E),図３(F)に示すＴＦＴ１２３を完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ１２３を保護する目的で、ＴＦＴ１２３上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【００８６】
上記ＴＦＴ１２３の活性領域のチャネル領域１１５は、複数の異なる面方位からなる柱状結晶群であって、かつ、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成され、さらに、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域がぶつかり合う境界部を１以上含んでいる。したがって、各ＴＦＴ１２３のチャネル領域における結晶状態、すなわちドメインの状態を均一化させ、結果として基板上の各ＴＦＴ間の特性を均一化するので、ＴＦＴ間の特性ばらつきが少なく、安定した特性を有する高性能な半導体装置を提供することができる。
【００８７】
また、この第１実施形態の半導体装置の製造方法にしたがって作製したＴＦＴは、電界効果移動度が１５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、しきい値電圧が２Ｖ程度と非常に高性能であるにもかかわらず、アクティブマトリクス基板内での特性ばらつきが、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０.２Ｖ程度(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内３０点を測定した結果)と非常に良好であった。これに対して、従来の半導体装置の製造方法により作成された場合には、結晶ドメインが各素子間で大きくばらつき、電界効果移動度のばらつきは±５０％程度と非常に大きく、しきい値電圧も２±０.５〜１.０Ｖの範囲で大きくばらついた。
【００８８】
したがって、この第１実施形態の半導体装置では、特にＴＦＴの特性ばらつき改善に大きな効果があることがわかる。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、信頼性も問題ない。また、触媒元素が特に問題となるＴＦＴオフ領域でのリーク電流の増大およびばらつきは、異常点が無く、触媒元素を用いない場合と同等の数ｐＡ程度にまでリーク電流を低減でき、製造歩留りを大きく向上することができた。
【００８９】
そして、この第１実施形態に基づいて作製された液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、従来のものに比べて表示むらが小さく、ＴＦＴのリーク電流による画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。なお、この第１実施形態によるＴＦＴの製造工程は、アクティブマトリクス基板の画素電極を対象に説明を行ったが、このＴＦＴは薄膜集積回路等にも簡単に応用でき、その場合にはゲート電極上にコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。
【００９０】
（第２実施形態）
この発明を用いた第２実施形態の半導体装置では、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や、一般の薄膜集積回路を形成するＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴを相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路を石英ガラス基板上に作製する工程について説明する。
【００９１】
図４(A)〜(C)はこの第２実施形態で説明するＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図であり、図４(A)〜(C)の順に工程が進行する。また、図５(A)〜(G)は図４(C)のＶ−Ｖ線から見た断面図であり、図５(A)〜(G)の順に工程が進行する。
【００９２】
まず、図５(A)に示すように、石英ガラス基板２０１の表面を低濃度のフッ化水素酸で洗浄した後、石英ガラス基板２０１上に、減圧ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法によって、厚さ４０〜１００ｎｍ(例えば５５ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)２０３を成膜する。
【００９３】
次に、ａ−Ｓi膜２０３上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、パターニングしてマスク２０４を形成する。この第２実施形態では、マスク２０４の形成は、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。上記マスク２０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第２実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。また、マスク２０４のパターン形状は、図４(A)に示すように、略正方形とした。図４(A)からわかるように、後に作成されるＮ型およびＰ型の各ＴＦＴに対して、マスク２０４をそれぞれ一つずつ設けている。このマスク２０４で覆われていない領域では、ａ−Ｓi膜２０３が露呈されている。
【００９４】
上記マスク２０４を設けた後、このａ−Ｓi膜２０３およびマスク２０４表面にニッケル２０５の微量添加を行う。このニッケル２０５の微量添加は、純ニッケル(９９.９％以上)のターゲットを用い、ＤＣスパッタリングにより行う。具体的には、ＤＣパワーが５０Ｗ程度という極低パワーにて、基板搬送速度を２０００ｍｍ／ｍｉｎにまで高めてスパッタリング処理を行った。この場合、スパッタリングガスとしてはアルゴンを用いて、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以上に上げることで、ニッケルの極低濃度スパッタリングが可能となる。このようにしてスパッタリングされたニッケル２０５は、図５(A)では、薄膜のように表示してはいるが、実際に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。具体的にＤＣパワー４０Ｗ,アルゴンガス圧１８Ｐａの条件でスパッタリングを行ったところ、基板表面上(マスク２０４と露呈しているａ−Ｓi膜２０３)のニッケル濃度は３×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度(ＴＲＸＲＦ測定値)であった。
【００９５】
そして、この状態でこれを不活性雰囲気(窒素雰囲気)下で、加熱温度５３０〜６００℃(例えば５７０℃)で４時間アニールして、ａ−Ｓi膜２０３を結晶化させる。このとき、マスク２０４の外側(直接ニッケルが添加された領域)のａ−Ｓi膜２０３においては、ａ−Ｓi膜２０３表面に存在するニッケル２０５を核としてａ−Ｓi膜２０３の結晶化が起こり、結晶性ケイ素膜２０３ａがまず形成される。そして、引き続いてマスク２０４下の領域では、図４(A)および図５(B)において、矢印２０６で示すようにマスク２０４の中心に向かって、先に結晶化されたケイ素膜領域２０３ａから横方向(基板表面と平行な方向)に結晶成長が行われる。そして、マスク２０４の各辺から結晶成長させた領域がぶつかり合って、結晶成長境界２０３ｃが形成される。特に、マスク２０４の中心部では、４つの辺から結晶成長させた４つの横成長領域がぶつかり合う。そして、最終的に、マスク２０４の下側は横方向結晶成長領域である結晶性ケイ素膜２０３ｂで埋め尽くされる。このとき、マスク２０４上に存在するニッケル２０５は、マスク２０４に阻まれ、下層のａ−Ｓi膜へは到達せず、直接ニッケルが添加された領域において導入されたニッケル２０５のみによりａ−Ｓi膜２０３の結晶化が行われる。
【００９６】
次に、図５(C)に示すように、基板２０１上方よりリン２０７を全面にイオンドーピングする。このときのリン２０７のドーピング条件としては、加速電圧を５〜１０ｋＶとし、ビーズ量を５×１０15〜１×１０16ｃｍ-2とした。この工程により、露呈している領域の結晶性ケイ素膜２０３ａにリンを注入して、リンドープされた結晶性ケイ素領域２０３Aを形成する。一方、マスク２０４によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜２０３ｂには、リンはドーピングされない。平面的には、図４(B)において斜線で示された部分の結晶性ケイ素領域２０３Aにリン２０７がドーピングされる。
【００９７】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)下にて５００〜７００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第２実施形態では、一例として６００℃にて６時間の処理を行った。この加熱処理において、結晶性ケイ素領域２０３Aにドーピングされたリン２０７がその結晶性ケイ素領域２０３Aに存在するニッケルをまずトラップする。そして、図４(B),図５(C)に示すように、さらにマスク２０４下の結晶性ケイ素膜２０３ｂ、そして特に結晶成長境界２０３ｃに存在しているニッケル２０５を矢印２０８に示す方向(すなわち先の結晶成長２０６と逆方向)に、回りの結晶性ケイ素領域２０３Aへと引き出す。その結果、マスク２０４下の結晶性ケイ素膜２０３ｂ領域におけるニッケル濃度は大きく低減する。このときの実際の結晶性ケイ素膜２０３ｂ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)により測定したところ、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減された。なお、上記加熱処理によりニッケル濃度を低減する工程前の結晶性ケイ素膜２０３ｂの膜中ニッケル濃度は５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。
【００９８】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜２０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層のケイ素膜２０３と十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングにより行う。
【００９９】
その後、図５(D)に示すように、マスク２０４下の結晶性ケイ素膜２０３ｂを用いて、後にＴＦＴの活性領域(素子領域)となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを残し、それ以外の領域をエッチング除去して素子間分離を行う。すなわち、上記工程により、図４(C)に示すような配置で、結晶性ケイ素膜２０３ｂの領域を用いて、後にＴＦＴの活性領域(ソース／ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを形成するのである。このとき、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐ内の最終的にチャネル領域２１５となる領域に、マスク２０４の各辺からの４つの結晶成長の収束点２０３ｃ(図５(B)に示す)が含まれるように配置している。このようにして、図４(C)および図５(D)の状態が得られる。
【０１００】
次に、図５(E)に示すように、上記活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐを覆うように、厚さ６０ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１１として成膜する。この第２実施形態では、ゲート絶縁膜２１１の成膜方法として、ＳiＨ4ガスとＮ2Ｏガスを原料として８５０℃の温度において減圧ＣＶＤ法により成膜を行った。所謂、ＨＴＯ膜である。
【０１０１】
次に、このような状態で、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐに対して酸化雰囲気中での熱処理を行う。雰囲気としては、酸素や水蒸気またはＨＣl等の酸化雰囲気であり、この第２実施形態では、１気圧の酸素雰囲気中にて行った。また、温度は８５０〜１１００℃が好ましく、この第２実施形態では９５０℃にて処理を行った。
【０１０２】
このような条件下、２時間３０分のアニールを行うことで、ゲート絶縁膜２１１中を酸素が拡散移動し、下層の島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐの表面が酸化される。上記条件での酸化処理を行うことで、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐ表面に約５０ｎｍの酸化膜２１２ｎ,２１２ｐを形成する。その結果、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐの膜厚は初期の５５ｎｍから３０ｎｍに減少する。また、ＴＦＴとしてのゲート絶縁膜は、ＣＶＤにより形成された酸化膜２１１と島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐの熱酸化により形成された酸化膜２１２の二層で構成され、トータル膜厚は１１０ｎｍになる。また、チャネル界面は、活性領域となる島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐと上記ケイ素膜の酸化による酸化膜２１２とで構成され、良好な界面特性が得られる。さらに、上記酸化工程により、島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ,２０９ｐの膜中不対結合(ダングリングボンド)は大幅に低減され、その結晶性は大きく改善される。その結果、３０ｎｍに薄膜化された高品質結晶性ケイ素膜による活性領域２０９N,２０９Pと変化する。
【０１０３】
引き続いて、図５(F)に示すように、スパッタリング法によって厚さ４００〜８００ｎｍ(例えば５００ｎｍ)のアルミニウム(０.１〜２％のシリコンを含む)を成膜し、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極２１３ｎ,２１３ｐを形成する。
【０１０４】
次に、イオンドーピング法によって、活性領域２０９N,２０９Pにゲート電極２１３ｎ,２１３ｐをマスクとして不純物(リン、およびホウ素)を注入する。ドーピングガスとして、フォスフィン(ＰＨ3)およびジボラン(Ｂ2Ｈ6)を用い、前者のフォスフィンの場合は、加速電圧を６０〜９０ｋＶ(例えば８０ｋＶ)とし、後者のジボランの場合は、４０ｋＶ〜８０ｋＶ(例えば６５ｋＶ)とし、ビーズ量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えばリンを２×１０15ｃｍ-2、ホウ素を５×１０15ｃｍ-2)とする。この工程により、ゲート電極２１３ｎ,２１３ｐにマスクされ、不純物が注入されない領域は、後にＴＦＴのチャネル領域２１５ｎ,２１５ｐとなる。ドーピングに際しては、ドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングを行う。この結果、Ｎ型の不純物領域２１６ｎ,２１７ｎ、Ｐ型の不純物領域２１６ｐ,２１７ｐが形成され、図４(C)に示すように、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２４とＰチャネル型ＴＦＴ２２５とを形成することができる。
【０１０５】
その後、図５(F)に示すように、レーザー２１８の照射によってアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行う。レーザー光としては、ＸeＣlエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ)を用い、レーザー光の照射条件としては、エネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ2で一か所につき２０ショット照射した。
【０１０６】
続いて、図５(G)に示すように、厚さ９００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２１９としてプラズマＣＶＤ法によって形成し、これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってＴＦＴの電極・配線２２２を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下で３５０℃,１時間のアニールを行い、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２４とＰチャネル型ＴＦＴ２２５とを完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ２２４,２２５を保護する目的で、ＴＦＴ２２４,２２５上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【０１０７】
上記ＴＦＴ２２４,２２５のチャネル領域２１５ｎ,２１５ｐは、複数の異なる面方位からなる柱状結晶群であって、かつ、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域で構成され、さらに、２以上の異なる方向より結晶成長させた複数の結晶成長領域がぶつかり合う境界部を１以上含んでいる。したがって、各ＴＦＴ２２４,２２５のチャネル領域における結晶状態、すなわちドメインの状態を均一化させ、結果として基板上の各ＴＦＴ間の特性を均一化するので、ＴＦＴ間の特性ばらつきが少なく、安定した特性を有する高性能な半導体装置を提供することができる。
【０１０８】
また、この第２実施形態の半導体装置の製造方法にしたがって作製したＣＭＯＳ構造回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度はＮ型ＴＦＴで２１０〜２５０ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐ型ＴＦＴで１２０〜１５０ｃｍ2／Ｖｓと高く、しきい値電圧は、Ｎ型ＴＦＴで１Ｖ程度、Ｐ型ＴＦＴで−１.５Ｖ程度と非常に良好な特性を示した。また、従来問題となっていた特性ばらつきが、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０.２Ｖ程度(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内２００点測定の結果)に抑えることができた。また、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高く、安定した回路特性を示した。
【０１０９】
以上、この発明の半導体装置およびその製造方法を第１,第２実施形態により具体的に説明したが、この発明はこれら第１,第２実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１１０】
例えば、マスク形状としては、上記第１,第２実施形態では、代表例として円形と正方形を用いたが、多角形や長方形等でも良く、少なくともチャネル領域内を異なる結晶成長領域で形成すれば、この発明の効果は得られる。
【０１１１】
また、上記第１,第２実施形態においては、触媒元素としてニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面をニッケル塩を溶かしたエタノール溶液を塗布する方法、または、スパッタリング法によりニッケル薄膜を形成する方法により、選択的にニッケル微量添加を行い、結晶成長させる方法を採用した。しかし、ニッケルの導入方法は、その他の様々な手法を用いることができ、例えば、ニッケル塩を溶かす溶媒として、単純に水を用いてもよいし、ＳＯＧ(スピンオングラス)材料を溶媒としてＳiＯ2膜より拡散させてもよい。また、蒸着法やメッキ法により薄膜形成する方法や、イオンドーピング法により直接導入する方法等も利用できる。さらに、結晶化を助長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。また、ニッケルをゲッタリングするための１５族元素としては、リン以外に窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスを利用してもよい。
【０１１２】
また、上記第１,第２実施形態では、ニッケルにより結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに助長する手段として、パルスレーザーであるエキシマレーザー照射によ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)でも同様の処理が可能である。また、レーザー光の代わりに赤外光やフラッシュランプを使用して短時間に１０００〜１２００℃(シリコンモニターの温度)まで上昇させて試料を加熱する、いわゆるＲＴＡ(ラピッド・サーマル・アニール)やＲＴＰ(ラピッド・サーマル・プロセス)等のレーザー光と同等の強光を用いてもよい。
【０１１３】
さらに、上記第１実施形態では、半導体装置として液晶表示用のアクティブマトリクス型基板について説明したが、半導体装置はこれに限らず、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や表示素子、三次元ＩＣ等の半導体装置にこの発明を適用してもよい。この発明を用いることで、これらの半導体装置の高速化,高解像度化等の高性能化が実現される。
【０１１４】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体装置およびその製造方法によれば、特性ばらつきの少ない安定した特性の高性能素子が実現でき、さらに、集積度の高い高性能な半導体装置が、簡便な製造プロセスで得られる。また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化が図れる。特に、この発明の半導体装置を液晶表示装置に適用した場合、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチング用のＴＦＴのスイッチング特性を向上できると共に、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化と高集積化ができ、また、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板を実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１(A)〜(C)はこの発明の第１実施形態の半導体装置のアクティブマトリクス基板上のＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。
【図２】 図２(A),(B)は図１(C)に続くＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。
【図３】 図３(A)〜(F)は上記半導体装置の作製工程図である。
【図４】 図４(A)〜(C)はこの発明の第２実施形態の半導体装置のＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。
【図５】 図５(A)〜(G)は上記半導体装置の作製工程図である。
【図６】 図６は六角形形状のチャネル領域を形成した場合の要部の平面図である。
【図７】 図７は正方形形状のチャネル領域を形成した場合の要部の平面図である。
【図８】 図８は円形状のチャネル領域を形成した場合の要部の平面図である。
【図９】 図９は従来の半導体装置の要部の概略を示す平面図である。
【符号の説明】
１０１…ガラス基板、
１０２…下地膜、
１０３,２０３…ａ−Ｓi膜、
１０３ａ,２０３ａ…結晶性ケイ素膜、
１０３ｂ,２０３ｂ…結晶性ケイ素膜、
１０３ｃ,２０３ｃ…収束点、
１０４,２０４…マスク、
１０５,２０５…ニッケル、
１０６,２０６…結晶成長方向、
１０７,２０７…リン、
１０８,２０８…ニッケルのゲッタリング方向、
１０９,２０９N,２０９P…島状の結晶性ケイ素膜、
１１０…レーザー光、
１１１,２１１…ゲート絶縁膜、
１１３,２１３…ゲート電極、
１１４…陽極酸化層、
１１５,２１５ｎ,２１５ｐ…チャネル領域、
１１６,２１６ｎ,２１６ｐ…ソース領域、
１１７,２１７ｎ,２１７ｐ…ドレイン領域、
１１８,２１８…レーザー光、
１１９,２１９…層間絶縁膜、
１２０…ソース電極、
１２１…画素電極、
１２３…ＴＦＴ、
２０１…石英ガラス基板、
２１２…酸化膜(ゲート絶縁膜)、
２２２…電極・配線、
２２４…Ｎチャネル型ＴＦＴ、
２２５…Ｐチャネル型ＴＦＴ。
Claims (15)
- 絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性ケイ素膜を活性領域として用いた素子を備えた半導体装置であって、
上記結晶性ケイ素膜は、非晶質ケイ素膜にその結晶成長を促進する触媒元素を選択的に導入して、上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させたものであり、
上記素子の活性領域におけるチャネル領域は、上記チャネル領域内の一点を囲む外周部側から半径方向内向きにその一点に向かって結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１に記載の半導体装置であって、
上記チャネル領域の中央部に、上記複数の結晶成長領域がぶつかり合って収束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において、
上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素がＮiであることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記活性領域中におけるＮiの濃度が１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることを特徴とする半導体装置。 - 絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性ケイ素膜を活性領域として用いた素子を備えた半導体装置の製造方法であって、
上記絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成する工程と、
上記非晶質ケイ素膜の一部に、上記素子の活性領域となる領域を囲むように、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する工程と、
上記触媒元素を選択的に導入した後、加熱処理によって、上記触媒元素が導入された領域から上記触媒元素が導入されていない領域に上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させる工程と、
上記加熱処理によって結晶化した結晶性ケイ素膜のうちの上記横方向に結晶成長させた領域に、少なくとも上記素子の活性領域におけるチャネル領域を配置するように、上記結晶性ケイ素膜をパターニングする工程とを有し、
上記非晶質ケイ素膜の一部に上記触媒元素を選択的に導入する工程において、上記非晶質ケイ素膜上にマスクを設け、上記マスクに覆われていない上記非晶質ケイ素膜の領域に上記触媒元素を添加すると共に、
上記マスクは正多角形形状または円形状であって、その正多角形形状または円形状のマスクの中心部が上記素子のチャネル領域となる領域内に配置され、
上記素子の活性領域におけるチャネル領域は、上記チャネル領域内の上記マスクの中心部を囲む外周部側から半径方向内向きにその中心部に向かって結晶成長させた複数の結晶成長領域により構成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記マスクの中心部が上記素子のチャネル領域となる領域の中央部であり、
上記触媒元素が導入された領域から生じる横方向の結晶成長は、上記素子のチャネル領域となる領域の中央部に向かって進み、
上記チャネル領域の中央部において、異なる方向から結晶成長させた横方向の結晶成長領域がぶつかり合うように収束させたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記正多角形形状のマスクの各辺側からそれぞれ上記マスクの中心部の下側に向かって結晶成長させた結晶成長領域がぶつかり合って収束することにより形成される境界部が、上記素子のチャネル領域となる領域内に含まれることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記マスクが正方形形状であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記円形状のマスクの円周部より上記マスクの中心の下側領域に向かって結晶成長させた結晶成長領域がぶつかり合って収束することにより形成される境界部が、上記素子のチャネル領域となる領域内に含まれることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５乃至９のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記基板の絶縁表面に沿って横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜のうちの少なくとも上記素子のチャネル領域となる領域以外の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、
上記５族Ｂから選ばれた元素を導入した後、加熱処理によって、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された上記結晶性ケイ素膜の領域に上記触媒元素を移動させる工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
上記５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程において、上記非晶質ケイ素膜の一部に上記触媒元素を選択的に導入する工程で用いたマスクを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ,Ｎ,Ａs,ＳbおよびＢiのうちの少なくとも１つの元素を用いたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５乃至１２のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
触媒元素として、Ｎi,Ｃo,Ｆe,Ｐd,Ｐt,ＣuおよびＡuのうちの少なくとも１つの元素を用いたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５乃至１３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記結晶性ケイ素膜をパターニングして、上記素子の活性領域を形成する工程と、
上記パターニングの工程の後、酸化雰囲気で加熱処理によって、上記活性領域表面を酸化させる工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項５乃至１３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記結晶性ケイ素膜をパターニングして、上記素子の活性領域を形成する工程と、
上記パターニングの工程の後、上記活性領域に強光を照射する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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