JP4055831B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、結晶性を有する薄膜半導体を利用した半導体装置およびその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、基板上に珪素膜を成膜し作製された半導体装置で、アクティブマトリクス型液晶表示装置などの電気光学装置に利用されている。
【０００３】
特に、結晶性を有する半導体よりなるポリシリコンＴＦＴは、非晶質半導体よりなるアモルファスＴＦＴに比べ電界効果移動度が大きいので、ポリシリコンを用いて液晶表示装置のアクティブマトリクス回路と周辺駆動回路とを同一基板上に形成することが行われている。
【０００４】
ポリシリコンＴＦＴには、高温ポリシリコンＴＦＴと低温ポリシリコンＴＦＴがある。
【０００５】
高温ポリシリコンＴＦＴは、結晶性珪素膜の作製手段として、８００℃や９００℃以上というような比較的高温の加熱処理を利用する技術を利用して得られる。しかし、高温ポリシリコンが作製される基板としては、上記加熱処理の温度に耐える、高価な石英基板しか利用できない。
【０００６】
一方、低温ポリシリコンＴＦＴは、安価なガラス基板上に、ガラス基板が耐えうる６００℃以下の加熱や、ガラス基板に対して熱ダメージのほとんど無いレーザーアニール技術を利用して、結晶性珪素膜を形成することにより得られる。
【０００７】
現状において、高温ポリシリコンＴＦＴも低温ポリシリコンＴＦＴもその特性に大きな違いはなく、移動度が５０〜１００（cm2/Vs）程度、Ｓ値が２００〜４００（mV/dec）（ＶD ＝１Ｖ）程度のものが得られている。
【０００８】
しかし、周辺駆動回路のソースドライバー回路は、十数ＭＨｚ以上の動作が必要とされ、現状における高温ポリシリコンＴＦＴおよび低温ポリシリコンＴＦＴで構成した回路は、その動作速度のマージンが数ＭＨｚ程度しかとれない。
【０００９】
従って、現状では、動作を分割する（分割駆動という）などをして、液晶表示装置を構成している。しかし、この方法は、分割のタイミングの微妙なズレ等により、画面に縞模様が現れる等の問題がある。
【００１０】
そこで、特願平８−３２７９７８に開示されたＴＦＴがある。それは、所定の方向に連続性を有する結晶構造を有し、かつ前記所定の方向に延在した結晶粒界を有する結晶性珪素膜を用いたＴＦＴで、Ｓ値が１００（mV/dec）以下、移動度が２００（cm2/Vs)以上という優れた特性を持つものである。
【００１１】
従って、このＴＦＴを用いることにより、数十ＭＨｚ以上といった高速動作が可能な周辺回路を得ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記出願に記載された技術を要約すると、
（１）非晶質珪素膜の表面の一部の領域にニッケルなどの金属元素を接して保持させた状態で加熱処理を施すことにより、前記一部の領域から他の領域へと基板に平行な方向への結晶成長を行わせる。
【００１３】
（２）ハロゲン元素を含んだ雰囲気中で加熱処理することにより熱酸化膜を形成する。
【００１４】
（３）前記熱酸化膜を除去する。
【００１５】
（４）ゲイト絶縁膜として熱酸化膜を再度形成する。
【００１６】
このようにして得られた結晶性珪素膜を用いてＴＦＴを作製する場合、結晶構造の連続性が延在している方向と、ソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向とを概略一致させることが好ましい。
【００１７】
それは、ＴＦＴの動作において、キャリアが最も移動しやすい構造になっているからである。すなわち、この結晶構造の連続性が延在している方向は、格子構造の連続性がほぼ保たれ、キャリアの移動に際しての散乱やトラップが他の方向に比較して非常に少ないのである。
【００１８】
このように、結晶構造の連続性が延在している方向とキャリアの移動の方向とをどのようにとるかにより、作製されるＴＦＴの特性が決定され、両方向が概略一致するとき移動度の大きいＴＦＴを得ることができる。
【００１９】
したがって、高速動作の要求される回路を前記ＴＦＴを用いて作製する場合、前記ニッケルなどの金属元素を添加する領域に対する、ＴＦＴのソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向（動作時にキャリアが移動する方向）を考慮して配置するように回路を設計することが重要となる。
【００２０】
すなわち、結晶成長は、ニッケル元素が添加された領域から周囲に向かって、基板に平行な方向に進行する。この方向が結晶構造の連続性が延在している方向であり、この方向とＴＦＴのソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向とを概略一致するように、ＴＦＴを配置することが必要とされる。
【００２１】
上記のようにニッケル添加領域とＴＦＴを基板上に配置するパターンとしては、図２に示すような配置が考えられる。
【００２２】
図２において、ＴＦＴ２０１〜２０８はニッケル添加領域２１１または２１２の脇に配置され、各ＴＦＴの活性層はその最も近い位置に配置されたニッケル添加領域から成長した結晶性珪素膜（結晶成長領域）を用いて構成される。なお、２２１〜２２４で示す矢印は結晶成長の方向である。
【００２３】
しかし、結晶成長の距離はニッケル添加領域間の距離に依存し、ニッケル添加領域間の距離が長いほど結晶成長の距離は短いという傾向がある。この成長距離の違いがＴＦＴの特性に影響する。
【００２４】
液晶表示装置には、同種の回路が多数内蔵されている。数百×数百もの画素を同じように駆動させるには、これら多数の同種回路が同じように動作しなくてはならない。したがって、各回路を構成するＴＦＴの特性をそろえる必要がある。
【００２５】
特にニッケル添加領域に挟まれていない領域に形成されたＴＦＴ２０１、２０２、２０７、２０８については、活性層に用いる珪素膜の結晶成長の距離が十分でない場合、あるいは結晶性が十分でない場合がある。この場合、ＴＦＴ２０１、２０２、２０７、２０８の移動度が十分でなくなる。
【００２６】
即ち、ＴＦＴ２０１と２０３を比較すると、同じチャネル導電型で同じ寸法であっても、２０３の方が結晶性が良好なことを反映してそれだけ高速動作に適した特性となり、他方２０１の方は結晶性が良好でないことを反映して高速動作に適さない特性となる傾向が生じてしまう。
【００２７】
このようなＴＦＴを用いて、高速動作が必要な回路を作製した場合、素子特性のバランスの悪さに起因して、十分な動作速度を得ることができないという場合がある。
【００２８】
本明細書で開示する発明は、上記結晶成長の違いを是正し、ニッケル添加を利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、特性のそろったＴＦＴを提供することを課題とする。特に、ニッケル添加領域に挟まれていない領域の結晶成長状態を改善する技術を提供することを課題とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を成膜する工程と、
前記非晶質珪素膜の複数の領域に珪素の結晶化を助長する金属元素を選択的に導入する工程と、
加熱処理を施し、前記金属元素が選択的に導入された複数の領域から基板に平行な方向に結晶成長を行わせる工程と、
を有する半導体装置の作製方法において、
前記金属元素が選択的に導入された領域の少なくとも１つは、素子形成には利用されず、他の金属元素が選択的に導入された領域からの結晶成長状態を制御するために設けられることを特徴とする。
【００３０】
上記構成において、珪素の結晶化を助長する金属元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類のものを利用することができる。
【００３１】
特に高い効果が得られ、かつ高い再現性が得られる元素としては、ニッケル（Ｎｉ）を挙げることができる。
【００３２】
上記構成において、金属元素の導入はイオン注入法、または金属元素が溶解または分散された溶液を塗布して行うことが好ましい。
【００３３】
本明細書で開示する他の発明の一つは、
絶縁表面を有する基板上に設けられた半導体装置であって、
前記半導体装置の活性層は、珪素の結晶化を助長する金属元素が添加された複数の領域の１つから基板に平行または概略平行な方向に結晶成長された結晶性珪素膜を利用して構成されており、
前記複数の領域の他の１つから結晶成長された結晶成長領域は半導体装置の活性層として利用されていないことを特徴とする。
【００３４】
【発明の実施の形態】
例えば、図１のように、等間隔にニッケル添加領域１０１〜１０４を配置し、しかも１０２と１０３の領域からの結晶成長領域を利用して薄膜トランジスタを構成する。なお、矢印１２１〜１２８は結晶成長を示す。
【００３５】
このように、ニッケル添加領域１０１および１０４を配置したことにより、ＴＦＴ１１１、１１２、１１７、１１８の活性層を形成する結晶性珪素膜の結晶成長距離と、ＴＦＴ１１３〜１１４の活性層を形成する結晶性珪素膜の結晶成長距離とをほぼ同一にすることができる。
【００３６】
このとき、ニッケル添加領域１０１および１０４は、非晶質珪素膜を結晶化する目的で設けられているのではない。このニッケル添加領域１０１及び１０４は、結晶成長１２３および１２６の距離、及び結晶成長状態を１２４や１２５と同じ状態とするために設けられている。即ち、最終的には利用されないが、他の結晶成長領域の結晶状態を制御するためのダミーの領域として設けられている。
【００３７】
従って、ニッケル添加領域１０１および１０４から結晶成長が進行した領域は素子形成には利用されない。
【００３８】
ここで重要なのは、ニッケル添加領域１０１および１０４からの結晶成長を行わせることで、他の素子形成に利用される結晶成長領域に意図した好ましい影響を与えることにある。
【００３９】
換言すれば、ニッケル添加領域１０１および１０４からの結晶成長を行わせることで、他の素子形成に利用される結晶成長領域の結晶成長状態を制御することにある。
【００４０】
このように、ダミーのニッケル添加領域１０１、１０４を設けることにより、１１１〜１１８で示されるＴＦＴを形成するための結晶性珪素膜の領域の結晶成長の距離、及び結晶状態をコントロールし、ＴＦＴの特性をそろえることができる。
【００４１】
なお、このとき、各ニッケル添加領域間の間隔はそろえるほうが好ましい。これは、ニッケル添加領域の幅によっても結晶成長距離は変化し、設計パラメータが増えてしまうからである。
【００４２】
【実施例】
［実施例１］
本実施例では、所定の方向に連続性を有する結晶構造を有し、かつ前記所定の方向に延在した結晶粒界を有する結晶性珪素膜を用いたＴＦＴの作製工程について、ニッケル添加領域との配置関係と絡めて述べる。
【００４３】
図３〜図５に本実施例の作製工程を示す。まず、石英基板３０１上に下地膜３０２として酸化珪素膜を３０００Åの厚さに形成する。なお、石英基板の表面の平滑性が良く、また洗浄を十分に行うのであれば、この下地膜３０２は必要ない。
【００４４】
なお、基板としては石英基板を利用することが現状としては好ましいが、加熱処理温度に耐える基板であれば、石英に限定されるものではない。
【００４５】
次に結晶性珪素膜の出発膜となる非晶質珪素膜３０３を減圧熱ＣＶＤ法で５００Åの厚さに成膜する。
【００４６】
次に図示しない酸化珪素膜を１５００Åの厚さに成膜し、それをパターニングすることにより３０４で示されるマスクを形成する。このマスクは３０５〜３０７で示される領域に開口が形成されている。この開口３０５〜３０７が形成されている領域においては非晶質珪素膜３０３が露出する。
【００４７】
なお、開口３０７は、ダミーのニッケル添加領域用の開口である。
【００４８】
開口３０５〜３０７は、紙面の表から裏方向に長手方向を有する細長い長方形を有している。これら開口の幅は２０μｍ以上とするのが適当である。またその長手方向の長さは必要とする長さで形成すれよい。
【００４９】
次に重量換算で１０ｐｐｍのニッケル元素を含んだ酢酸ニッケル溶液を塗布する。そして図示しないスピナーを用いてスピンドライを行い、余分な溶液を除去する。ニッケル元素の導入量は、上記溶液中におけるニッケル元素の含有濃度で制御することができる。
【００５０】
こうして、ニッケル元素が図３（Ａ）の点線３０８で示されるような状態で存在した状態が得られる。この状態では、ニッケル元素が開口３０５〜３０７の底部において、非晶質珪素膜の一部に選択的に保持された状態が得られる。
【００５１】
なお、ニッケル元素の導入をイオン注入法を用いて行ってもよい。この場合、ニッケル元素の溶液を塗布する場合に比較して、ニッケル元素の導入位置をより精度よく制御することができる。したがって、ニッケル元素の導入領域の幅が数μｍあるいはそれ以下の極めて狭い場合や、導入領域の形状が複雑な場合に特に有効である。
【００５２】
次に水素を３％含有した極力酸素を含まない窒素雰囲気中（または窒素雰囲気中）において、５００℃〜６３０℃、例えば６００℃、８時間の加熱処理を行う。すると、図３（Ａ）の３０９で示されるような、基板３０１に平行な方向への結晶成長が進行する。
【００５３】
この結晶成長は、ニッケル元素が導入された開口３０５〜３０７の領域から周囲に向かって進行する。この基板に平行な方向への結晶成長を横成長またはラテラル成長と称する。
【００５４】
次にニッケル元素を選択的に導入するための酸化珪素膜でなるマスク３０４を除去する。
【００５５】
この状態においては、ニッケル元素が珪素膜中に偏在している。特に開口３０５〜３０７が形成されていた領域と、結晶成長の先端部および結晶成長のぶつかる領域においては、ニッケル元素が比較的高濃度に存在している。
【００５６】
したがって、活性層の形成においては、それらの領域を避けることが重要となる。即ち、活性層中に上記ニッケル元素が偏在した領域が存在しないようにする。
【００５７】
結晶化の後、さらにレーザー光の照射を行ってもよい。即ち、レーザー光の照射により、さらに結晶化を助長させてもよい。このレーザー光の照射は、膜中に存在するニッケル元素の固まりを分散させ、後にニッケル元素を除去しやすくする効果を有している。なお、この段階でレーザー光の照射を行っても、さらに横成長が進行することはない。
【００５８】
レーザー光としては、紫外領域の波長を有するエキシマーレーザーを利用することができる。例えば、ＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）やＸｅＣｌエキシマーレーザー（波長３０８ｎｍ）を利用することができる。
【００５９】
次にハロゲン元素を含んだ酸素雰囲気、例えばＨＣｌを３体積％含んだ酸素雰囲気中において、９５０℃の加熱処理を行い、図示しない熱酸化膜を２００Åの厚さに成膜する。この熱酸化膜の形成に伴い、珪素膜の膜厚は１００Å程度減少する。即ち、珪素膜の膜厚は４００Å程度となる。
【００６０】
一般に、珪素膜の表面に形成される熱酸化膜は、表面に盛り上がる厚さと内部に進行する酸化の距離とがほぼ同じものとなる。したがって、例えば１００Åの珪素膜の表面に１００Åの熱酸化膜を形成すると、珪素膜の厚さは５０Å目減りし、５０Å厚の珪素膜とその表面に形成された１００Å厚の熱酸化膜という構成となる。
【００６１】
上記工程においては、熱酸化膜の形成に伴い、膜中の不安定な結合状態を有する珪素元素が熱酸化膜の形成に利用される。そして、膜中の欠陥が減少し、より高い結晶性を得ることができる。
【００６２】
また同時に熱酸化膜の形成およびハロゲン元素、ここでは塩素の作用により膜中よりニッケル元素のゲッタリングが行われる。
【００６３】
当然、熱酸化膜中には比較的高濃度にニッケル元素が取り込まれることになる。そして相対的に珪素膜中のニッケル元素は減少する。
【００６４】
そして、この熱酸化膜を除去する。こうして、ニッケル元素の含有量を減少させた結晶性珪素膜を得る。
【００６５】
こうして得られた結晶性珪素膜は一方向に結晶構造が延在した（この方向は結晶成長方向に一致する）構造を有している。即ち、複数の細長い円柱状の結晶体が複数の一方向に延在した結晶粒界を介して、平行に並んでいる構造を有している。
【００６６】
次にパターンニングを行うことにより、横成長領域でなるパターン３１０を形成する。この島状の領域３１０が後にＴＦＴの活性層になる。
【００６７】
ここでは、ソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向と結晶成長方向とが一致または概略一致するようにパターンの位置取りを行う。こうすることで、キャリアの移動する方向と結晶格子が連続して延在する方向とを合わせることができ、結果的に特性の高いＴＦＴを得ることができる。
【００６８】
そして、３１０でなるパターンを形成後に熱酸化膜３１１を３００Åの厚さに成膜する。この熱酸化膜は、ＨＣｌを０．１〜１０体積％、例えば３体積％含有した酸素雰囲気中において、９５０℃の加熱処理を行うことによって得る。
【００６９】
熱酸化膜３１１を成膜することにより、パターン（活性層となるパターン）３１０の膜厚は、２５０Åとなる。
【００７０】
この工程においても、除去した熱酸化膜を成膜する場合と同様の効果を得ることができる。なお、熱酸化膜３１１は、ＴＦＴのゲイト絶縁膜の一部となる。
【００７１】
本実施例においては、最終的に得られる結晶性珪素膜でなる活性層３１０の膜厚（２５０Å）は、第２の熱酸化膜３１１の膜厚（３００Å）よりも薄くなる。こうすることで、所定の方向に連続性を有する結晶構造を有し、かつ前記所定の方向に延在した結晶粒界を有する結晶構造を得るための効果を得ることができる。
【００７２】
この後、熱酸化膜と共にゲイト絶縁膜を構成する酸化珪素膜３１２を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法により成膜する。（図３（Ｂ））
【００７３】
最終的に珪素膜中に残留するニッケルの濃度は、現状では１×１０14原子個／cm3 〜５×１０18原子個／cm3 程度となるが、低いほど好ましい。熱酸化膜のゲッタリング条件を詰めれば、この濃度の上限は５×１０17原子個／cm3 程度まで低減できる。この濃度の計測は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）を利用して計測できる。
【００７４】
次にゲイト電極を形成するためのアルミニウム膜をスパッタ法で４０００Åの厚さに成膜する。このアルミニウム膜中には、スカンジウムを０．２重量％含有させる。
【００７５】
アルミニウム膜中にスカンジウムを含有させるのは、後の工程において、ヒロックやウィスカーが発生することを抑制するためである。ヒロックやウィスカーというのは、加熱の際のアルミニウムの異常成長に起因する針状あるいは刺状の突起部のことである。
【００７６】
ゲイト電極を形成するための材料として、アルミウニム以外にタンタル（Ｔａ）、多量にリン（Ｐ）がドープされた多結晶シリコン、タングステンのシリサイド（ＷＳｉ）、またはリンドープされた多結晶シリコンとタングステンのシリサイドの積層また混成した構造としてもよい。
【００７７】
アルミニウム膜を成膜したら、図示しない緻密な陽極酸化膜を形成する。この陽極酸化膜は、３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液とし、アルミニウム膜を陽極、白金を陰極として行う。この工程においては、アルミニウム膜上に緻密な膜質を有する陽極酸化膜を１００Åの厚さに成膜する。
【００７８】
この図示しない陽極酸化膜は、後に形成されるレジストマスクとの密着性を向上させる役割を有している。
【００７９】
この陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化時の印加電圧によって制御することができる。
【００８０】
次にレジストマスク３１３を形成する。そしてこのレジストマスク３１３を利用して、アルミニウム膜を３１４で示されるパターンにパターニングする。こうして図４（Ｃ）に示す状態を得る。
【００８１】
ここで再度の陽極酸化を行う。ここでは、３％のシュウ酸水溶液を電解溶液として用いる。この電解溶液中において、アルミニウムのパターン３１４を陽極とした陽極酸化を行うことにより、３１５で示される多孔質状の陽極酸化膜が形成される。
【００８２】
この工程においては、上部に密着性の高いレジストマスク３０６が存在する関係で、アルミニウムパターンの側面に選択的に陽極酸化膜３１５が形成される。
【００８３】
この陽極酸化膜は、その膜厚を数μｍまで成長させることができる。ここでは、その膜厚を６０００Åとする。なお、その成長距離は、陽極酸化時間によって制御することができる。
【００８４】
そしてレジストマスク３１４を除去する。次に再度の緻密な陽極酸化膜の形成を行う。即ち、前述した３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液とした陽極酸化を再び行う。
【００８５】
この工程においては、多孔質状の陽極酸化膜３１５中に電解溶液が進入する関係から、図４（Ｄ）の３１６に示されるように緻密な膜質を有する陽極酸化膜が形成される。
【００８６】
この緻密な陽極酸化膜３１６の膜厚は１０００Åとする。この膜厚の制御は印加電圧によって行う。
【００８７】
ここで、露呈した酸化珪素膜３１２をエッチングする。また同時に熱酸化膜３１１をエッチングする。このエッチングはドライエッチングを利用する。そして酢酸と硝酸とリン酸とを混合した混酸を用いて多孔質状の陽極酸化膜３１５を除去する。こうして図５（Ｅ）に示す状態を得る。
【００８８】
図５（Ｅ）に示す状態を得たら、不純物イオンの注入を行う。ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタを作製するためにＰ（リン）イオンの注入をプラズマドーピング法でもって行う。
【００８９】
この工程においては、ヘビードープがされる３１９の領域とライトドープがされる３２０の領域が形成される。これは、残存した酸化珪素膜３１８が半透過なマスクとして機能し、注入されたイオンの一部がそこで遮蔽されるからである。
【００９０】
そしてレーザー光（またはランプを用いた強光）の照射を行うことにより、不純物イオンが注入された領域の活性化を行う。こうして、ソース領域・ドレイン領域３１９、チャネル形成領域３２１、低濃度不純物領域３２０が自己整合的に形成される。（図５（Ｅ））
【００９１】
なお、緻密な陽極酸化膜３１６の膜厚を２０００Å以上というように厚くした場合、その膜厚でもってチャネル形成領域３２１の外側にオフセットゲイト領域を形成することができる。
【００９２】
本実施例においてもオフットゲイト領域は形成されているが、その寸法が小さいのでその存在による寄与が小さく、また図面が煩雑になるので図中には記載していない。
【００９３】
なお、緻密な膜質を有する陽極酸化膜を２０００Å以上というように厚く形成するのには、２００Ｖ以上の印加電圧が必要とされるので、再現性や安全性に関して、注意が必要である。
【００９４】
次に層間絶縁膜３２２として酸化珪素膜、または窒化珪素膜、またはその積層膜を形成する。層間絶縁膜としては、酸化珪素膜または窒化珪素膜上に樹脂材料でなる層を用いてもよい。
【００９５】
そしてコンタクトホールの形成を行い、ソース電極・ドレイン電極３２３の形成を行う。こうして図５（Ｆ）に示す薄膜トランジスタが完成する。
【００９６】
本実施例に示すＴＦＴは、その特性として従来には得られなかった極めて高いものを得ることができる。
【００９７】
例えば、ＮＴＦＴ（Ｎチャネル型のＴＦＴ）で、移動度が２００〜３００(cm2/Vs)、Ｓ値が７５〜９０(mV/dec)(VD ＝１Ｖ）という高性能なものが得られる。ＰＴＦＴ（Ｐチャネル型のＴＦＴ）で１２０〜１８０(cm2/Vs)、Ｓ値が７５〜１００(mV/dec)(VD ＝１Ｖ）という高性能なものを得ることができる。
【００９８】
特にＳ値は、従来の高温ポリシリコンＴＦＴ及び低温ポリシリコンＴＦＴの値に比較して、１／２以下という驚異的に良い値である。
【００９９】
そしてこのようにして作製されたＴＦＴは、駆動信号の電圧が３．３〜５Ｖにおいて、リングオシレータレベルで１ＧＨｚ、シフトレジスタレベルで１００ＭＨｚの動作を行わすことができる。
【０１００】
また、ダミーのニッケル添加領域３０７の存在により、ＴＦＴ５０３の半導体層を構成する珪素膜の結晶成長の距離を十分にすることができ、上記のような特性を持つＴＦＴにすることができる。
【０１０１】
さらに、各ニッケル添加領域間の間隔をそろえると、ＴＦＴ５０１〜５０３の特性をそろえることができる。
【０１０２】
また、上述したような特異な結晶構造を有する結晶性珪素膜を利用した薄膜トランジスタは、その結晶構造に起因して短チャネル効果が現れにくいという特徴がある。また基板として絶縁体を利用するので基板の容量の問題がなく、高速動作に適するという特徴もある。
【０１０３】
従来の単結晶シリコンウエハーを利用したＭＯＳ型トランジスタにおいては、スケーリング則というものがあった。これは、所定に法則に従ってトランジスタに寸法を小さくすれば、これまた所定の法則に従ってトランジスタの性能が高くなるというものである。
【０１０４】
しかし、近年の微細化大きく進行した状態においては、このスケーリング則に従って、トランジスタの性能を高めることが困難になってきている。
【０１０５】
その一つに短チャネル効果を抑制するためにチャネル長を短くすればするほど、チャネルの横に不純物のドーピングをしたりする細かな工夫が必要になり、作製工程上の困難性が増大するという点を挙げることができる。
【０１０６】
しかし、上述した特異な結晶構造を有した結晶性珪素膜を用いた場合には、必要とする特性を上記のスケーリング則に従わない寸法で得ることができる。
【０１０７】
これは、以下のような事項が要因であると考えられる。
（１）チャネルにおいてキャリアの移動する方向に柱状の結晶体の延在方向を合わせることにより、短チャネル効果が抑制される。
（２）基板に絶縁体を利用することで、容量の問題が大きく抑制される。
（３）ゲイト電極にアルミニウムを利用できるので、高速動作に有利である。
【０１０８】
（１）については、以下にように考えることができる。即ち、一つ一つに柱状の結晶構造体は、不活性な結晶粒界により仕切られているが、この結晶粒界部分では、エネルギーにレベルが高いので、キャリアは結晶体の延在方向にその移動が寄生される。また同様な考え方により、ソース及びドレイン領域からのチャネル内部への空乏層の広がりも抑制される。このことが、短チャネル効果の抑制になっていると考えられる。
【０１０９】
上述したスケーリング則に従わない具体的な例としては、以下のような例を挙げることができる。
【０１１０】
例えば、従来にスケーリング則に従えば、ゲイト絶縁膜の厚さが１００Åでなければならないところ、本明細書で開示するような結晶性珪素膜を用いた場合、ゲイト絶縁膜の厚さを３００Åとして、同じ特性を得ることができる。その結果、耐静電気特性を高くできる。
【０１１１】
これは、上述した（１）〜（３）に示すような要因であると理解される。
【０１１２】
また、ゲイト絶縁膜の膜厚のみではなく、チャネル長に関しても従来のスケーリング則よりも緩い条件（１ランク下の条件）でもって、所定の特性を得ることができる。
【０１１３】
これは、高速動作が可能な半導体回路を大面積にわたって低コストで作製する場合に有用なことである。
【０１１４】
［実施例２］
図６に示すのは、液晶表示装置におけるソースドライバー回路のうちバッファー回路部の一部を示した図である。特にこの図はバッファー回路部全体のうち端の部分を示した図で、２つのインバータ回路６０１、６０２が一番端に配置されており、図の下側には同様な回路およびニッケル添加領域が周期的に配置されている。図６の等価回路図は図７に示す。
【０１１５】
図６において、６１１、６１２、６１３はニッケル添加領域である。また、６２１は結晶性珪素膜のパターン、６２２はゲート線、６２３、６２４、６２５はソースまたはドレイン線である。
【０１１６】
ニッケル添加領域６１２より下に作製されたインバータ回路（例えば６０３、６０４など）を構成するＴＦＴの特性は十分である。それは、ニッケル添加領域の間に配置されているので、その間の領域での珪素膜の結晶成長距離は十分だからである。
【０１１７】
また、ニッケル添加領域間の間隔は等しくされているので、ＴＦＴの特性もほぼ同じである。
【０１１８】
一方、インバータ回路６０１、６０２は一番端に配置された回路で、この回路を構成するＴＦＴの特性を十分得るために、ダミーとしてニッケル添加領域６１１を図６のように配置する。
【０１１９】
特に最も端に配置されたインバータ回路６０１を構成するＴＦＴの特性を十分に得ることが目的である。なぜなら、結晶成長が不十分な場合、前記ＴＦＴの特性が最も悪くなるからである。
【０１２０】
このとき、ニッケル添加領域６１１、６１２、６１３の間の各間隔は同じになるようにする。
【０１２１】
このように、ダミーのニッケル添加領域６１１を配置することにより、インバータ回路６０１、６０２を構成するＴＦＴを配置する領域の珪素膜の結晶成長の距離を十分にし、ＴＦＴの特性を十分にすることができる。
【０１２２】
そして、一番端に配置されたインバータ回路６０１、６０２について、その動作速度を十分にすることができる。
【０１２３】
さらに、インバータ回路６０１、６０２を構成するＴＦＴの特性を、ニッケル添加領域６０２より下に作製されたインバータ回路を構成するＴＦＴの特性にそろえ、ほぼ同じ動作速度を持つ複数のバッファー回路を得ることができる。
【０１２４】
［実施例３］
本実施例は、実施例１〜２で示した構成を逆スタガ型の薄膜トランジスタで構成する。各実施例で示したプレナー型の薄膜トランジスタに変えて、逆スタガ型の薄膜トランジスタとしても、同様の効果を得ることができる。
【０１２５】
なお、逆スタガ型の薄膜トランジスタのゲイト電極として、ゲイト電極に耐熱性の高い材料、例えばリンが多量にドープされた多結晶シリコンを利用することは、高性能な薄膜トランジスタを得るために有効である。
【０１２６】
【発明の効果】
本明細書で開示する発明により、ニッケル添加領域間の距離による結晶成長の違いを是正し、ニッケル添加を利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、特性のそろったＴＦＴを提供することができる。特に、ニッケル添加領域に挟まれていない領域の結晶成長の距離を十分にすることができる。
【０１２７】
そして、液晶表示装置において、同種の回路の動作特性を同一にすることができ、多数の画素を同じように動作させることができる。
【０１２８】
本明細書で開示した発明は、透過型、反射型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置の、アクティブマトリクス回路と同一基板に形成される周辺回路を構成するのみでなく、他にＥＬ（エレクトロルミネセンス）素子を用いた表示装置、その他薄膜トランジスタを用いた種々の回路にて利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明におけるニッケル添加領域およびＴＦＴの配置を示す図。
【図２】 従来例におけるニッケル添加領域およびＴＦＴの配置を示す図。
【図３】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図４】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図５】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図６】 バッファー回路部におけるニッケル添加領域およびＴＦＴの配置を示す図。
【図７】 図６の等価回路図。
【符号の説明】
１０１〜１０４ ニッケル添加領域
１１１〜１１８ ＴＦＴ
１２１〜１２８ 結晶成長方向
３０１ 石英基板
３０２ 下地膜（酸化珪素膜）
３０３ 非晶質珪素膜
３０４ 酸化珪素膜でなるマスク
３０５、３０６ ニッケル添加領域
３０７ ダミーのニッケル添加領域
３０８ ニッケル元素
３０９ 結晶成長方向
３１０ 活性層を構成する結晶性珪素膜のパターン
３１１ 熱酸化膜
３１２ 酸化珪素膜
３１３ レジストマスク
３１４ アルミニウム膜でなるパターン
３１５ 多孔質状の陽極酸化膜
３１６ 緻密な陽極酸化膜
３１７ ゲイト電極
３１８ 残存した酸化珪素膜
３１９ ソース領域、ドレイン領域
３２０ 低濃度不純物領域
３２１ チャネル領域
３２２ 層間絶縁膜
３２３ ソース電極、ドレイン電極
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、結晶性を有する薄膜半導体を利用した半導体装置およびその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、基板上に珪素膜を成膜し作製された半導体装置で、アクティブマトリクス型液晶表示装置などの電気光学装置に利用されている。
【０００３】
特に、結晶性を有する半導体よりなるポリシリコンＴＦＴは、非晶質半導体よりなるアモルファスＴＦＴに比べ電界効果移動度が大きいので、ポリシリコンを用いて液晶表示装置のアクティブマトリクス回路と周辺駆動回路とを同一基板上に形成することが行われている。
【０００４】
ポリシリコンＴＦＴには、高温ポリシリコンＴＦＴと低温ポリシリコンＴＦＴがある。
【０００５】
高温ポリシリコンＴＦＴは、結晶性珪素膜の作製手段として、８００℃や９００℃以上というような比較的高温の加熱処理を利用する技術を利用して得られる。しかし、高温ポリシリコンが作製される基板としては、上記加熱処理の温度に耐える、高価な石英基板しか利用できない。
【０００６】
一方、低温ポリシリコンＴＦＴは、安価なガラス基板上に、ガラス基板が耐えうる６００℃以下の加熱や、ガラス基板に対して熱ダメージのほとんど無いレーザーアニール技術を利用して、結晶性珪素膜を形成することにより得られる。
【０００７】
現状において、高温ポリシリコンＴＦＴも低温ポリシリコンＴＦＴもその特性に大きな違いはなく、移動度が５０〜１００（cm2/Vs）程度、Ｓ値が２００〜４００（mV/dec）（ＶD ＝１Ｖ）程度のものが得られている。
【０００８】
しかし、周辺駆動回路のソースドライバー回路は、十数ＭＨｚ以上の動作が必要とされ、現状における高温ポリシリコンＴＦＴおよび低温ポリシリコンＴＦＴで構成した回路は、その動作速度のマージンが数ＭＨｚ程度しかとれない。
【０００９】
従って、現状では、動作を分割する（分割駆動という）などをして、液晶表示装置を構成している。しかし、この方法は、分割のタイミングの微妙なズレ等により、画面に縞模様が現れる等の問題がある。
【００１０】
そこで、特願平８−３２７９７８に開示されたＴＦＴがある。それは、所定の方向に連続性を有する結晶構造を有し、かつ前記所定の方向に延在した結晶粒界を有する結晶性珪素膜を用いたＴＦＴで、Ｓ値が１００（mV/dec）以下、移動度が２００（cm2/Vs)以上という優れた特性を持つものである。
【００１１】
従って、このＴＦＴを用いることにより、数十ＭＨｚ以上といった高速動作が可能な周辺回路を得ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記出願に記載された技術を要約すると、
（１）非晶質珪素膜の表面の一部の領域にニッケルなどの金属元素を接して保持させた状態で加熱処理を施すことにより、前記一部の領域から他の領域へと基板に平行な方向への結晶成長を行わせる。
【００１３】
（２）ハロゲン元素を含んだ雰囲気中で加熱処理することにより熱酸化膜を形成する。
【００１４】
（３）前記熱酸化膜を除去する。
【００１５】
（４）ゲイト絶縁膜として熱酸化膜を再度形成する。
【００１６】
このようにして得られた結晶性珪素膜を用いてＴＦＴを作製する場合、結晶構造の連続性が延在している方向と、ソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向とを概略一致させることが好ましい。
【００１７】
それは、ＴＦＴの動作において、キャリアが最も移動しやすい構造になっているからである。すなわち、この結晶構造の連続性が延在している方向は、格子構造の連続性がほぼ保たれ、キャリアの移動に際しての散乱やトラップが他の方向に比較して非常に少ないのである。
【００１８】
このように、結晶構造の連続性が延在している方向とキャリアの移動の方向とをどのようにとるかにより、作製されるＴＦＴの特性が決定され、両方向が概略一致するとき移動度の大きいＴＦＴを得ることができる。
【００１９】
したがって、高速動作の要求される回路を前記ＴＦＴを用いて作製する場合、前記ニッケルなどの金属元素を添加する領域に対する、ＴＦＴのソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向（動作時にキャリアが移動する方向）を考慮して配置するように回路を設計することが重要となる。
【００２０】
すなわち、結晶成長は、ニッケル元素が添加された領域から周囲に向かって、基板に平行な方向に進行する。この方向が結晶構造の連続性が延在している方向であり、この方向とＴＦＴのソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向とを概略一致するように、ＴＦＴを配置することが必要とされる。
【００２１】
上記のようにニッケル添加領域とＴＦＴを基板上に配置するパターンとしては、図２に示すような配置が考えられる。
【００２２】
図２において、ＴＦＴ２０１〜２０８はニッケル添加領域２１１または２１２の脇に配置され、各ＴＦＴの活性層はその最も近い位置に配置されたニッケル添加領域から成長した結晶性珪素膜（結晶成長領域）を用いて構成される。なお、２２１〜２２４で示す矢印は結晶成長の方向である。
【００２３】
しかし、結晶成長の距離はニッケル添加領域間の距離に依存し、ニッケル添加領域間の距離が長いほど結晶成長の距離は短いという傾向がある。この成長距離の違いがＴＦＴの特性に影響する。
【００２４】
液晶表示装置には、同種の回路が多数内蔵されている。数百×数百もの画素を同じように駆動させるには、これら多数の同種回路が同じように動作しなくてはならない。したがって、各回路を構成するＴＦＴの特性をそろえる必要がある。
【００２５】
特にニッケル添加領域に挟まれていない領域に形成されたＴＦＴ２０１、２０２、２０７、２０８については、活性層に用いる珪素膜の結晶成長の距離が十分でない場合、あるいは結晶性が十分でない場合がある。この場合、ＴＦＴ２０１、２０２、２０７、２０８の移動度が十分でなくなる。
【００２６】
即ち、ＴＦＴ２０１と２０３を比較すると、同じチャネル導電型で同じ寸法であっても、２０３の方が結晶性が良好なことを反映してそれだけ高速動作に適した特性となり、他方２０１の方は結晶性が良好でないことを反映して高速動作に適さない特性となる傾向が生じてしまう。
【００２７】
このようなＴＦＴを用いて、高速動作が必要な回路を作製した場合、素子特性のバランスの悪さに起因して、十分な動作速度を得ることができないという場合がある。
【００２８】
本明細書で開示する発明は、上記結晶成長の違いを是正し、ニッケル添加を利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、特性のそろったＴＦＴを提供することを課題とする。特に、ニッケル添加領域に挟まれていない領域の結晶成長状態を改善する技術を提供することを課題とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を成膜する工程と、
前記非晶質珪素膜の複数の領域に珪素の結晶化を助長する金属元素を選択的に導入する工程と、
加熱処理を施し、前記金属元素が選択的に導入された複数の領域から基板に平行な方向に結晶成長を行わせる工程と、
を有する半導体装置の作製方法において、
前記金属元素が選択的に導入された領域の少なくとも１つは、素子形成には利用されず、他の金属元素が選択的に導入された領域からの結晶成長状態を制御するために設けられることを特徴とする。
【００３０】
上記構成において、珪素の結晶化を助長する金属元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類のものを利用することができる。
【００３１】
特に高い効果が得られ、かつ高い再現性が得られる元素としては、ニッケル（Ｎｉ）を挙げることができる。
【００３２】
上記構成において、金属元素の導入はイオン注入法、または金属元素が溶解または分散された溶液を塗布して行うことが好ましい。
【００３３】
本明細書で開示する他の発明の一つは、
絶縁表面を有する基板上に設けられた半導体装置であって、
前記半導体装置の活性層は、珪素の結晶化を助長する金属元素が添加された複数の領域の１つから基板に平行または概略平行な方向に結晶成長された結晶性珪素膜を利用して構成されており、
前記複数の領域の他の１つから結晶成長された結晶成長領域は半導体装置の活性層として利用されていないことを特徴とする。
【００３４】
【発明の実施の形態】
例えば、図１のように、等間隔にニッケル添加領域１０１〜１０４を配置し、しかも１０２と１０３の領域からの結晶成長領域を利用して薄膜トランジスタを構成する。なお、矢印１２１〜１２８は結晶成長を示す。
【００３５】
このように、ニッケル添加領域１０１および１０４を配置したことにより、ＴＦＴ１１１、１１２、１１７、１１８の活性層を形成する結晶性珪素膜の結晶成長距離と、ＴＦＴ１１３〜１１４の活性層を形成する結晶性珪素膜の結晶成長距離とをほぼ同一にすることができる。
【００３６】
このとき、ニッケル添加領域１０１および１０４は、非晶質珪素膜を結晶化する目的で設けられているのではない。このニッケル添加領域１０１及び１０４は、結晶成長１２３および１２６の距離、及び結晶成長状態を１２４や１２５と同じ状態とするために設けられている。即ち、最終的には利用されないが、他の結晶成長領域の結晶状態を制御するためのダミーの領域として設けられている。
【００３７】
従って、ニッケル添加領域１０１および１０４から結晶成長が進行した領域は素子形成には利用されない。
【００３８】
ここで重要なのは、ニッケル添加領域１０１および１０４からの結晶成長を行わせることで、他の素子形成に利用される結晶成長領域に意図した好ましい影響を与えることにある。
【００３９】
換言すれば、ニッケル添加領域１０１および１０４からの結晶成長を行わせることで、他の素子形成に利用される結晶成長領域の結晶成長状態を制御することにある。
【００４０】
このように、ダミーのニッケル添加領域１０１、１０４を設けることにより、１１１〜１１８で示されるＴＦＴを形成するための結晶性珪素膜の領域の結晶成長の距離、及び結晶状態をコントロールし、ＴＦＴの特性をそろえることができる。
【００４１】
なお、このとき、各ニッケル添加領域間の間隔はそろえるほうが好ましい。これは、ニッケル添加領域の幅によっても結晶成長距離は変化し、設計パラメータが増えてしまうからである。
【００４２】
【実施例】
［実施例１］
本実施例では、所定の方向に連続性を有する結晶構造を有し、かつ前記所定の方向に延在した結晶粒界を有する結晶性珪素膜を用いたＴＦＴの作製工程について、ニッケル添加領域との配置関係と絡めて述べる。
【００４３】
図３〜図５に本実施例の作製工程を示す。まず、石英基板３０１上に下地膜３０２として酸化珪素膜を３０００Åの厚さに形成する。なお、石英基板の表面の平滑性が良く、また洗浄を十分に行うのであれば、この下地膜３０２は必要ない。
【００４４】
なお、基板としては石英基板を利用することが現状としては好ましいが、加熱処理温度に耐える基板であれば、石英に限定されるものではない。
【００４５】
次に結晶性珪素膜の出発膜となる非晶質珪素膜３０３を減圧熱ＣＶＤ法で５００Åの厚さに成膜する。
【００４６】
次に図示しない酸化珪素膜を１５００Åの厚さに成膜し、それをパターニングすることにより３０４で示されるマスクを形成する。このマスクは３０５〜３０７で示される領域に開口が形成されている。この開口３０５〜３０７が形成されている領域においては非晶質珪素膜３０３が露出する。
【００４７】
なお、開口３０７は、ダミーのニッケル添加領域用の開口である。
【００４８】
開口３０５〜３０７は、紙面の表から裏方向に長手方向を有する細長い長方形を有している。これら開口の幅は２０μｍ以上とするのが適当である。またその長手方向の長さは必要とする長さで形成すれよい。
【００４９】
次に重量換算で１０ｐｐｍのニッケル元素を含んだ酢酸ニッケル溶液を塗布する。そして図示しないスピナーを用いてスピンドライを行い、余分な溶液を除去する。ニッケル元素の導入量は、上記溶液中におけるニッケル元素の含有濃度で制御することができる。
【００５０】
こうして、ニッケル元素が図３（Ａ）の点線３０８で示されるような状態で存在した状態が得られる。この状態では、ニッケル元素が開口３０５〜３０７の底部において、非晶質珪素膜の一部に選択的に保持された状態が得られる。
【００５１】
なお、ニッケル元素の導入をイオン注入法を用いて行ってもよい。この場合、ニッケル元素の溶液を塗布する場合に比較して、ニッケル元素の導入位置をより精度よく制御することができる。したがって、ニッケル元素の導入領域の幅が数μｍあるいはそれ以下の極めて狭い場合や、導入領域の形状が複雑な場合に特に有効である。
【００５２】
次に水素を３％含有した極力酸素を含まない窒素雰囲気中（または窒素雰囲気中）において、５００℃〜６３０℃、例えば６００℃、８時間の加熱処理を行う。すると、図３（Ａ）の３０９で示されるような、基板３０１に平行な方向への結晶成長が進行する。
【００５３】
この結晶成長は、ニッケル元素が導入された開口３０５〜３０７の領域から周囲に向かって進行する。この基板に平行な方向への結晶成長を横成長またはラテラル成長と称する。
【００５４】
次にニッケル元素を選択的に導入するための酸化珪素膜でなるマスク３０４を除去する。
【００５５】
この状態においては、ニッケル元素が珪素膜中に偏在している。特に開口３０５〜３０７が形成されていた領域と、結晶成長の先端部および結晶成長のぶつかる領域においては、ニッケル元素が比較的高濃度に存在している。
【００５６】
したがって、活性層の形成においては、それらの領域を避けることが重要となる。即ち、活性層中に上記ニッケル元素が偏在した領域が存在しないようにする。
【００５７】
結晶化の後、さらにレーザー光の照射を行ってもよい。即ち、レーザー光の照射により、さらに結晶化を助長させてもよい。このレーザー光の照射は、膜中に存在するニッケル元素の固まりを分散させ、後にニッケル元素を除去しやすくする効果を有している。なお、この段階でレーザー光の照射を行っても、さらに横成長が進行することはない。
【００５８】
レーザー光としては、紫外領域の波長を有するエキシマーレーザーを利用することができる。例えば、ＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）やＸｅＣｌエキシマーレーザー（波長３０８ｎｍ）を利用することができる。
【００５９】
次にハロゲン元素を含んだ酸素雰囲気、例えばＨＣｌを３体積％含んだ酸素雰囲気中において、９５０℃の加熱処理を行い、図示しない熱酸化膜を２００Åの厚さに成膜する。この熱酸化膜の形成に伴い、珪素膜の膜厚は１００Å程度減少する。即ち、珪素膜の膜厚は４００Å程度となる。
【００６０】
一般に、珪素膜の表面に形成される熱酸化膜は、表面に盛り上がる厚さと内部に進行する酸化の距離とがほぼ同じものとなる。したがって、例えば１００Åの珪素膜の表面に１００Åの熱酸化膜を形成すると、珪素膜の厚さは５０Å目減りし、５０Å厚の珪素膜とその表面に形成された１００Å厚の熱酸化膜という構成となる。
【００６１】
上記工程においては、熱酸化膜の形成に伴い、膜中の不安定な結合状態を有する珪素元素が熱酸化膜の形成に利用される。そして、膜中の欠陥が減少し、より高い結晶性を得ることができる。
【００６２】
また同時に熱酸化膜の形成およびハロゲン元素、ここでは塩素の作用により膜中よりニッケル元素のゲッタリングが行われる。
【００６３】
当然、熱酸化膜中には比較的高濃度にニッケル元素が取り込まれることになる。そして相対的に珪素膜中のニッケル元素は減少する。
【００６４】
そして、この熱酸化膜を除去する。こうして、ニッケル元素の含有量を減少させた結晶性珪素膜を得る。
【００６５】
こうして得られた結晶性珪素膜は一方向に結晶構造が延在した（この方向は結晶成長方向に一致する）構造を有している。即ち、複数の細長い円柱状の結晶体が複数の一方向に延在した結晶粒界を介して、平行に並んでいる構造を有している。
【００６６】
次にパターンニングを行うことにより、横成長領域でなるパターン３１０を形成する。この島状の領域３１０が後にＴＦＴの活性層になる。
【００６７】
ここでは、ソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向と結晶成長方向とが一致または概略一致するようにパターンの位置取りを行う。こうすることで、キャリアの移動する方向と結晶格子が連続して延在する方向とを合わせることができ、結果的に特性の高いＴＦＴを得ることができる。
【００６８】
そして、３１０でなるパターンを形成後に熱酸化膜３１１を３００Åの厚さに成膜する。この熱酸化膜は、ＨＣｌを０．１〜１０体積％、例えば３体積％含有した酸素雰囲気中において、９５０℃の加熱処理を行うことによって得る。
【００６９】
熱酸化膜３１１を成膜することにより、パターン（活性層となるパターン）３１０の膜厚は、２５０Åとなる。
【００７０】
この工程においても、除去した熱酸化膜を成膜する場合と同様の効果を得ることができる。なお、熱酸化膜３１１は、ＴＦＴのゲイト絶縁膜の一部となる。
【００７１】
本実施例においては、最終的に得られる結晶性珪素膜でなる活性層３１０の膜厚（２５０Å）は、第２の熱酸化膜３１１の膜厚（３００Å）よりも薄くなる。こうすることで、所定の方向に連続性を有する結晶構造を有し、かつ前記所定の方向に延在した結晶粒界を有する結晶構造を得るための効果を得ることができる。
【００７２】
この後、熱酸化膜と共にゲイト絶縁膜を構成する酸化珪素膜３１２を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法により成膜する。（図３（Ｂ））
【００７３】
最終的に珪素膜中に残留するニッケルの濃度は、現状では１×１０14原子個／cm3 〜５×１０18原子個／cm3 程度となるが、低いほど好ましい。熱酸化膜のゲッタリング条件を詰めれば、この濃度の上限は５×１０17原子個／cm3 程度まで低減できる。この濃度の計測は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）を利用して計測できる。
【００７４】
次にゲイト電極を形成するためのアルミニウム膜をスパッタ法で４０００Åの厚さに成膜する。このアルミニウム膜中には、スカンジウムを０．２重量％含有させる。
【００７５】
アルミニウム膜中にスカンジウムを含有させるのは、後の工程において、ヒロックやウィスカーが発生することを抑制するためである。ヒロックやウィスカーというのは、加熱の際のアルミニウムの異常成長に起因する針状あるいは刺状の突起部のことである。
【００７６】
ゲイト電極を形成するための材料として、アルミウニム以外にタンタル（Ｔａ）、多量にリン（Ｐ）がドープされた多結晶シリコン、タングステンのシリサイド（ＷＳｉ）、またはリンドープされた多結晶シリコンとタングステンのシリサイドの積層また混成した構造としてもよい。
【００７７】
アルミニウム膜を成膜したら、図示しない緻密な陽極酸化膜を形成する。この陽極酸化膜は、３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液とし、アルミニウム膜を陽極、白金を陰極として行う。この工程においては、アルミニウム膜上に緻密な膜質を有する陽極酸化膜を１００Åの厚さに成膜する。
【００７８】
この図示しない陽極酸化膜は、後に形成されるレジストマスクとの密着性を向上させる役割を有している。
【００７９】
この陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化時の印加電圧によって制御することができる。
【００８０】
次にレジストマスク３１３を形成する。そしてこのレジストマスク３１３を利用して、アルミニウム膜を３１４で示されるパターンにパターニングする。こうして図４（Ｃ）に示す状態を得る。
【００８１】
ここで再度の陽極酸化を行う。ここでは、３％のシュウ酸水溶液を電解溶液として用いる。この電解溶液中において、アルミニウムのパターン３１４を陽極とした陽極酸化を行うことにより、３１５で示される多孔質状の陽極酸化膜が形成される。
【００８２】
この工程においては、上部に密着性の高いレジストマスク３０６が存在する関係で、アルミニウムパターンの側面に選択的に陽極酸化膜３１５が形成される。
【００８３】
この陽極酸化膜は、その膜厚を数μｍまで成長させることができる。ここでは、その膜厚を６０００Åとする。なお、その成長距離は、陽極酸化時間によって制御することができる。
【００８４】
そしてレジストマスク３１４を除去する。次に再度の緻密な陽極酸化膜の形成を行う。即ち、前述した３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液とした陽極酸化を再び行う。
【００８５】
この工程においては、多孔質状の陽極酸化膜３１５中に電解溶液が進入する関係から、図４（Ｄ）の３１６に示されるように緻密な膜質を有する陽極酸化膜が形成される。
【００８６】
この緻密な陽極酸化膜３１６の膜厚は１０００Åとする。この膜厚の制御は印加電圧によって行う。
【００８７】
ここで、露呈した酸化珪素膜３１２をエッチングする。また同時に熱酸化膜３１１をエッチングする。このエッチングはドライエッチングを利用する。そして酢酸と硝酸とリン酸とを混合した混酸を用いて多孔質状の陽極酸化膜３１５を除去する。こうして図５（Ｅ）に示す状態を得る。
【００８８】
図５（Ｅ）に示す状態を得たら、不純物イオンの注入を行う。ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタを作製するためにＰ（リン）イオンの注入をプラズマドーピング法でもって行う。
【００８９】
この工程においては、ヘビードープがされる３１９の領域とライトドープがされる３２０の領域が形成される。これは、残存した酸化珪素膜３１８が半透過なマスクとして機能し、注入されたイオンの一部がそこで遮蔽されるからである。
【００９０】
そしてレーザー光（またはランプを用いた強光）の照射を行うことにより、不純物イオンが注入された領域の活性化を行う。こうして、ソース領域・ドレイン領域３１９、チャネル形成領域３２１、低濃度不純物領域３２０が自己整合的に形成される。（図５（Ｅ））
【００９１】
なお、緻密な陽極酸化膜３１６の膜厚を２０００Å以上というように厚くした場合、その膜厚でもってチャネル形成領域３２１の外側にオフセットゲイト領域を形成することができる。
【００９２】
本実施例においてもオフットゲイト領域は形成されているが、その寸法が小さいのでその存在による寄与が小さく、また図面が煩雑になるので図中には記載していない。
【００９３】
なお、緻密な膜質を有する陽極酸化膜を２０００Å以上というように厚く形成するのには、２００Ｖ以上の印加電圧が必要とされるので、再現性や安全性に関して、注意が必要である。
【００９４】
次に層間絶縁膜３２２として酸化珪素膜、または窒化珪素膜、またはその積層膜を形成する。層間絶縁膜としては、酸化珪素膜または窒化珪素膜上に樹脂材料でなる層を用いてもよい。
【００９５】
そしてコンタクトホールの形成を行い、ソース電極・ドレイン電極３２３の形成を行う。こうして図５（Ｆ）に示す薄膜トランジスタが完成する。
【００９６】
本実施例に示すＴＦＴは、その特性として従来には得られなかった極めて高いものを得ることができる。
【００９７】
例えば、ＮＴＦＴ（Ｎチャネル型のＴＦＴ）で、移動度が２００〜３００(cm2/Vs)、Ｓ値が７５〜９０(mV/dec)(VD ＝１Ｖ）という高性能なものが得られる。ＰＴＦＴ（Ｐチャネル型のＴＦＴ）で１２０〜１８０(cm2/Vs)、Ｓ値が７５〜１００(mV/dec)(VD ＝１Ｖ）という高性能なものを得ることができる。
【００９８】
特にＳ値は、従来の高温ポリシリコンＴＦＴ及び低温ポリシリコンＴＦＴの値に比較して、１／２以下という驚異的に良い値である。
【００９９】
そしてこのようにして作製されたＴＦＴは、駆動信号の電圧が３．３〜５Ｖにおいて、リングオシレータレベルで１ＧＨｚ、シフトレジスタレベルで１００ＭＨｚの動作を行わすことができる。
【０１００】
また、ダミーのニッケル添加領域３０７の存在により、ＴＦＴ５０３の半導体層を構成する珪素膜の結晶成長の距離を十分にすることができ、上記のような特性を持つＴＦＴにすることができる。
【０１０１】
さらに、各ニッケル添加領域間の間隔をそろえると、ＴＦＴ５０１〜５０３の特性をそろえることができる。
【０１０２】
また、上述したような特異な結晶構造を有する結晶性珪素膜を利用した薄膜トランジスタは、その結晶構造に起因して短チャネル効果が現れにくいという特徴がある。また基板として絶縁体を利用するので基板の容量の問題がなく、高速動作に適するという特徴もある。
【０１０３】
従来の単結晶シリコンウエハーを利用したＭＯＳ型トランジスタにおいては、スケーリング則というものがあった。これは、所定に法則に従ってトランジスタに寸法を小さくすれば、これまた所定の法則に従ってトランジスタの性能が高くなるというものである。
【０１０４】
しかし、近年の微細化大きく進行した状態においては、このスケーリング則に従って、トランジスタの性能を高めることが困難になってきている。
【０１０５】
その一つに短チャネル効果を抑制するためにチャネル長を短くすればするほど、チャネルの横に不純物のドーピングをしたりする細かな工夫が必要になり、作製工程上の困難性が増大するという点を挙げることができる。
【０１０６】
しかし、上述した特異な結晶構造を有した結晶性珪素膜を用いた場合には、必要とする特性を上記のスケーリング則に従わない寸法で得ることができる。
【０１０７】
これは、以下のような事項が要因であると考えられる。
（１）チャネルにおいてキャリアの移動する方向に柱状の結晶体の延在方向を合わせることにより、短チャネル効果が抑制される。
（２）基板に絶縁体を利用することで、容量の問題が大きく抑制される。
（３）ゲイト電極にアルミニウムを利用できるので、高速動作に有利である。
【０１０８】
（１）については、以下にように考えることができる。即ち、一つ一つに柱状の結晶構造体は、不活性な結晶粒界により仕切られているが、この結晶粒界部分では、エネルギーにレベルが高いので、キャリアは結晶体の延在方向にその移動が寄生される。また同様な考え方により、ソース及びドレイン領域からのチャネル内部への空乏層の広がりも抑制される。このことが、短チャネル効果の抑制になっていると考えられる。
【０１０９】
上述したスケーリング則に従わない具体的な例としては、以下のような例を挙げることができる。
【０１１０】
例えば、従来にスケーリング則に従えば、ゲイト絶縁膜の厚さが１００Åでなければならないところ、本明細書で開示するような結晶性珪素膜を用いた場合、ゲイト絶縁膜の厚さを３００Åとして、同じ特性を得ることができる。その結果、耐静電気特性を高くできる。
【０１１１】
これは、上述した（１）〜（３）に示すような要因であると理解される。
【０１１２】
また、ゲイト絶縁膜の膜厚のみではなく、チャネル長に関しても従来のスケーリング則よりも緩い条件（１ランク下の条件）でもって、所定の特性を得ることができる。
【０１１３】
これは、高速動作が可能な半導体回路を大面積にわたって低コストで作製する場合に有用なことである。
【０１１４】
［実施例２］
図６に示すのは、液晶表示装置におけるソースドライバー回路のうちバッファー回路部の一部を示した図である。特にこの図はバッファー回路部全体のうち端の部分を示した図で、２つのインバータ回路６０１、６０２が一番端に配置されており、図の下側には同様な回路およびニッケル添加領域が周期的に配置されている。図６の等価回路図は図７に示す。
【０１１５】
図６において、６１１、６１２、６１３はニッケル添加領域である。また、６２１は結晶性珪素膜のパターン、６２２はゲート線、６２３、６２４、６２５はソースまたはドレイン線である。
【０１１６】
ニッケル添加領域６１２より下に作製されたインバータ回路（例えば６０３、６０４など）を構成するＴＦＴの特性は十分である。それは、ニッケル添加領域の間に配置されているので、その間の領域での珪素膜の結晶成長距離は十分だからである。
【０１１７】
また、ニッケル添加領域間の間隔は等しくされているので、ＴＦＴの特性もほぼ同じである。
【０１１８】
一方、インバータ回路６０１、６０２は一番端に配置された回路で、この回路を構成するＴＦＴの特性を十分得るために、ダミーとしてニッケル添加領域６１１を図６のように配置する。
【０１１９】
特に最も端に配置されたインバータ回路６０１を構成するＴＦＴの特性を十分に得ることが目的である。なぜなら、結晶成長が不十分な場合、前記ＴＦＴの特性が最も悪くなるからである。
【０１２０】
このとき、ニッケル添加領域６１１、６１２、６１３の間の各間隔は同じになるようにする。
【０１２１】
このように、ダミーのニッケル添加領域６１１を配置することにより、インバータ回路６０１、６０２を構成するＴＦＴを配置する領域の珪素膜の結晶成長の距離を十分にし、ＴＦＴの特性を十分にすることができる。
【０１２２】
そして、一番端に配置されたインバータ回路６０１、６０２について、その動作速度を十分にすることができる。
【０１２３】
さらに、インバータ回路６０１、６０２を構成するＴＦＴの特性を、ニッケル添加領域６０２より下に作製されたインバータ回路を構成するＴＦＴの特性にそろえ、ほぼ同じ動作速度を持つ複数のバッファー回路を得ることができる。
【０１２４】
［実施例３］
本実施例は、実施例１〜２で示した構成を逆スタガ型の薄膜トランジスタで構成する。各実施例で示したプレナー型の薄膜トランジスタに変えて、逆スタガ型の薄膜トランジスタとしても、同様の効果を得ることができる。
【０１２５】
なお、逆スタガ型の薄膜トランジスタのゲイト電極として、ゲイト電極に耐熱性の高い材料、例えばリンが多量にドープされた多結晶シリコンを利用することは、高性能な薄膜トランジスタを得るために有効である。
【０１２６】
【発明の効果】
本明細書で開示する発明により、ニッケル添加領域間の距離による結晶成長の違いを是正し、ニッケル添加を利用して作製した結晶性珪素膜を用いて、特性のそろったＴＦＴを提供することができる。特に、ニッケル添加領域に挟まれていない領域の結晶成長の距離を十分にすることができる。
【０１２７】
そして、液晶表示装置において、同種の回路の動作特性を同一にすることができ、多数の画素を同じように動作させることができる。
【０１２８】
本明細書で開示した発明は、透過型、反射型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置の、アクティブマトリクス回路と同一基板に形成される周辺回路を構成するのみでなく、他にＥＬ（エレクトロルミネセンス）素子を用いた表示装置、その他薄膜トランジスタを用いた種々の回路にて利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明におけるニッケル添加領域およびＴＦＴの配置を示す図。
【図２】 従来例におけるニッケル添加領域およびＴＦＴの配置を示す図。
【図３】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図４】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図５】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図６】 バッファー回路部におけるニッケル添加領域およびＴＦＴの配置を示す図。
【図７】 図６の等価回路図。
【符号の説明】
１０１〜１０４ ニッケル添加領域
１１１〜１１８ ＴＦＴ
１２１〜１２８ 結晶成長方向
３０１ 石英基板
３０２ 下地膜（酸化珪素膜）
３０３ 非晶質珪素膜
３０４ 酸化珪素膜でなるマスク
３０５、３０６ ニッケル添加領域
３０７ ダミーのニッケル添加領域
３０８ ニッケル元素
３０９ 結晶成長方向
３１０ 活性層を構成する結晶性珪素膜のパターン
３１１ 熱酸化膜
３１２ 酸化珪素膜
３１３ レジストマスク
３１４ アルミニウム膜でなるパターン
３１５ 多孔質状の陽極酸化膜
３１６ 緻密な陽極酸化膜
３１７ ゲイト電極
３１８ 残存した酸化珪素膜
３１９ ソース領域、ドレイン領域
３２０ 低濃度不純物領域
３２１ チャネル領域
３２２ 層間絶縁膜
３２３ ソース電極、ドレイン電極
Claims (6)
- 絶縁基板上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜の第１乃至第３の領域に、珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
加熱処理により、前記第１乃至第３の領域から、前記基板に平行な方向に結晶成長を行わせて結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜をパターニングすることによって、前記第１の領域から前記第２の領域に向かって結晶成長が行われた領域を用いて第１の島状結晶性珪素領域を形成し、前記第２の領域から前記第１の領域に向かって結晶成長が行われた領域を用いて第２の島状結晶性珪素領域を形成し、前記第２の領域から前記第３の領域に向かって結晶成長が行われた領域を用いて第３の島状結晶性珪素領域を形成し、かつ、前記第３の領域から前記第２の領域に向かって結晶成長が行われた領域を除去し、
前記第１の領域と前記第２の領域との間隔は、前記第２の領域と前記第３の領域との間隔と等しいことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 絶縁基板上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜の第１乃至第３の領域に、珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
加熱処理により、前記第１乃至第３の領域から、前記基板に平行な方向に結晶成長を行わせて結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜をパターニングすることによって、前記第１の領域から前記第２の領域に向かって結晶成長が行われた領域を用いて第１の島状結晶性珪素領域を形成し、前記第２の領域から前記第１の領域に向かって結晶成長が行われた領域を用いて第２の島状結晶性珪素領域を形成し、前記第２の領域から前記第３の領域に向かって結晶成長が行われた領域を用いて第３の島状結晶性珪素領域を形成し、かつ、前記第３の領域から前記第２の領域に向かって結晶成長が行われた領域を除去し、
前記第１乃至第３の島状結晶性珪素領域をそれぞれ用いて、第１乃至第３の薄膜トランジスタを形成し、
前記第１乃至第３の薄膜トランジスタをそれぞれ用いて、第１乃至第３のインバータ回路を形成し、
前記第１乃至第３のインバータ回路はバッファ回路部の一部を構成し、前記第３のインバータ回路は前記バッファ回路部の端に配置されており、
前記第１の領域と前記第２の領域との間隔は、前記第２の領域と前記第３の領域との間隔と等しいことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項１又は請求項２において、
前記金属元素は、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類のものであることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、
前記金属元素の導入は、イオン注入法により行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、
前記金属元素の導入は、前記金属元素が溶解または分散された溶液を塗布して行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、
前記結晶性珪素膜に加熱処理を行って、前記結晶性珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を除去することにより、前記結晶性珪素膜中の金属元素を減少させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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