JP4289816B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、更に詳しく言えば、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する半導体装置及びその製造方法に関する。特に、本発明は、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）を用いた半導体装置に有効であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置、密着型イメージセンサー、三次元ＩＣなどに利用できる。
【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などへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶縁膜上に高性能な半導体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半導体素子には、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】
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るため、今後より高速特性を得るためには、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た。
【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、非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザ光のエネルギーにより結晶性を有せしめる方法が一般的に用いられている。この方法では、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、半導体装置の性能面でも十分ではない。特にレーザの照射パワーを上げると、全体的に結晶性は向上するが、ばらつきが大きくなるといった問題点がある。
【０００５】
また、その他の有用な方法として、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方法がある。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させ、しかる後に加熱を行なうことで、加熱温度の低温化および処理時間の短縮、そして結晶性の向上を図るものである。
【０００６】
このような方法により得られた結晶性ケイ素膜を用いて半導体装置を作製すると、従来よりは高性能な半導体装置は得られるが、未だその性能は不十分である。従って、特開平７−１６１６３４号公報では、触媒元素を導入して固相結晶化した結晶性ケイ素膜の結晶性を更に高めるため、前記触媒元素による結晶化工程の後に、更にレーザ光などの強光を照射する工程を追加している。すなわち、この工程により、触媒元素を用い加熱処理で結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性を更に高め、その結果、半導体装置の高速化を図ろうとするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記触媒元素を用い結晶化されたケイ素膜は、良好な結晶性を有してはいるが、各結晶粒内には欠陥が多い。従って、本発明の目的とする高性能半導体装置の活性層に用いるケイ素膜としては、より結晶欠陥を低減させた高品質な結晶性ケイ素膜が望まれる。結晶性をより高めるためには、特開平７−１６１６３４公報のように、触媒元素による結晶成長後にレーザ光を照射する方法がある。
【０００８】
しかしながら、実際に、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜にレーザ照射すると、低いレーザパワーでは、ほとんど効果がなく、元の結晶状態を略維持するだけで改善されない状態となる。逆に、高いレーザパワーでは、元の結晶状態がリセットされ、レーザのみにより結晶化されたのと同様の状態になる。このようになった場合には、従来のレーザ結晶化法と同様に、結晶性のばらつきの問題が生じることになる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、特性ばらつきが少ない安定した特性の高性能半導体素子を実現し、集積度の高い高性能半導体装置を簡便で高歩留まりな製造工程プロセスにより得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、結晶領域を含むケイ素膜を備えた半導体装置であって、前記ケイ素膜の結晶領域はキャリアの移動が制御される活性領域を含み、前記活性領域は、概略一方向に沿って並んだライン状結晶粒の群から構成され、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を含有している。
【００１１】
ある好ましい実施形態において、前記ケイ素膜は、絶縁表面を有する基板に支持されている。
【００１２】
ある好ましい実施形態において、前記ライン状結晶粒の群は、前記活性領域の一端から他端まで延びている。
【００１３】
ある好ましい実施形態において、前記活性領域は、前記基板上に複数配列されている。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記ライン状結晶粒の群に属する個々の結晶粒の格子と隣接する結晶粒の格子は、それらの間に位置する結晶粒界を介して、原子レベルで連続している。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記ライン状結晶粒の群に属する個々の結晶粒と隣接する結晶粒子との間には、小傾角結晶粒界が形成されている。
【００１６】
前記結晶粒界における結晶方位の傾角は、前記ケイ素膜の表面に平行な面内において１０°以下であることが好ましい。
【００１７】
前記結晶粒界は、前記ケイ素膜のうち、セコエッチング法によってエッチングされる部分に位置し、前記結晶粒は、前記結晶粒界に囲まれた領域によって規定される。また、前記結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法による測定値で規定される。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記活性領域でのキャリアの移動方向と、前記活性領域を構成しているライン状結晶粒が延びている方向とが概略平行になるようにレイアウトが規定されている。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記活性領域に形成されたチャネル領域は、ニッケル元素を１×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の濃度で含有している。
【００２０】
本発明による半導体装置の製造方法は、非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素を含有するケイ素膜を用意する工程と、前記ケイ素膜に対してレーザ光を照射しながら、前記支持部材および／またはレーザ光を一方向に走査させ、それによって、先にレーザ光の照射によって結晶化した領域の結晶性を反映した結晶領域を走査方向に沿って順次形成する結晶化工程とを含む。
【００２１】
本発明による半導体装置の製造方法は、非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素を含有するケイ素膜を用意する工程と、前記ケイ素膜に対してパルスレーザ光を照射しながら、前記支持部材および／またはレーザ光を一方向に走査させ、それによって、前段パルスレーザ光の照射によって結晶化した領域の結晶性を反映した結晶領域を走査方向に沿って順次形成する結晶化工程とを含む。
【００２２】
本発明による半導体装置は、非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素を含有するケイ素膜を用意する工程と、前記ケイ素膜に対して連続発振レーザ光を照射しながら、前記支持部材および／またはレーザ光を一方向に走査させ、それによって、先に連続発振レーザ光の照射によって結晶化した領域の結晶性を反映した結晶領域を走査方向に沿って順次形成する結晶化工程とを含む。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記ケイ素膜を用意する工程は、絶縁表面を有する部材上にケイ素膜を堆積する工程と、前記ケイ素膜に対して、前記触媒元素を導入する工程とを含む。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の走査ピッチは、前記パルスレーザ光の照射によって溶融する領域が、前記結晶化した領域の結晶性を反映して再結晶化できるように設定されている。
【００２５】
前記パルスレーザ光の走査ピッチは、０．１μｍから１μｍの範囲にあることが好ましい。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記パルスレーザ光の前記非晶質ケイ素膜表面におけるビーム断面形状は概略長尺矩形状であり、前記パルスレーザ光の走査方向は、前記ビーム断面形状の長尺方向に垂直に設定される。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記結晶化工程において、前記パルスレーザ光の走査方向に沿って測定された前記パルスレーザ光の強度プロファイルは、前記走査方向の後方に位置する領域で急峻に変化する矩形波形状を有している。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記パルスレーザ光の強度プロフィルは、光源から出射されたパルスレーザ光のうち、前記走査方向に沿って後方に位置する端部を遮断することにより得られたものである。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記光源から出射されたパルスレーザ光の遮断される部分は、前記強度プロファイルのうち、前記非晶質ケイ素膜の結晶化に必要なレベルよりも低いレベルを持つ部分である。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の強度は、前記非晶質ケイ素膜が膜厚方向の全体にわたって溶融するレベルにある。
【００３１】
前記パルスレーザ光として波長が４００ｎｍ以下のエキシマレーザ光を用い、前記ケイ素膜の表面上でのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ²以上となるように照射条件を設定することが好ましい。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記ケイ素膜に連続発振レーザ光を照射する工程は、前記連続発振レーザ光により照射領域のケイ素膜を溶融し、連続発振レーザ光の走査に伴い、固体／液体界面を移動させながら、順次結晶化を行なう。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記結晶化工程における前記連続発振レーザ光の強度は、前記ケイ素膜が膜厚方向の全体にわたって溶融するレベルにある。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記連続発振レーザ光として、固体レーザを用いる。
【００３５】
ある好ましい実施形態においては、前記レーザ光の走査方向に対して、前記活性領域においてキャリアの流れる方向が前記レーザ光の走査方向に対して概略平行となるようにレイアウトが規定されている。
【００３６】
本発明による半導体装置の製造方法は、非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素を含有する非晶質ケイ素膜を用意する工程と、前記非晶質ケイ素膜に対してパルスレーザ光を照射しながら、前記支持部材および／またはレーザ光を一方向に走査させ、それによって、前段パルスレーザ光の照射によって結晶化した領域の結晶性を反映した結晶領域を走査方向に沿って順次形成する結晶化工程とを含む。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記非晶質ケイ素膜を用意する工程は、絶縁表面を有する部材上に非晶質ケイ素膜を堆積する工程と、前記非晶質ケイ素膜に対して、前記触媒元素を導入する工程とを含む。
【００３８】
ある好ましい実施形態において、前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の走査ピッチは、前記パルスレーザ光の照射によって溶融する領域が、前記結晶化した領域の結晶性を反映して再結晶化できるように設定されている。
【００３９】
前記パルスレーザ光の走査ピッチは、０．１μｍから１μｍの範囲にあることが好ましい。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記パルスレーザ光の前記非晶質ケイ素膜表面におけるビーム断面形状は概略長尺矩形状であり、前記パルスレーザ光の走査方向は、前記ビーム断面形状の長尺方向に垂直に設定される。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記結晶化工程において、前記パルスレーザ光の走査方向に沿って測定された前記パルスレーザ光の強度プロファイルは、前記走査方向の後方に位置する領域で急峻に変化する矩形波形状を有している。
【００４２】
ある好ましい実施形態において、前記パルスレーザ光の強度プロフィルは、光源から出射されたパルスレーザ光のうち、前記走査方向に沿って後方に位置する端部を遮断することにより得られたものである。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記光源から出射されたパルスレーザ光の遮断される部分は、前記強度プロファイルのうち、前記非晶質ケイ素膜の結晶化に必要なレベルよりも低いレベルを持つ部分である。
【００４４】
前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の強度は、前記非晶質ケイ素膜が膜厚方向の全体にわたって溶融するレベルにある。
【００４５】
ある好ましい実施形態においては、前記パルスレーザ光として波長が４００ｎｍ以下のエキシマレーザ光を用い、前記ケイ素膜の表面上でのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ²以上となるように照射条件を設定する。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、前記パルスレーザ光の走査方向に対して、前記活性領域においてキャリアの流れる方向が前記パルスレーザ光の走査方向に対して概略垂直となるようにレイアウトが規定されている。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、前記触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、およびＡｕからなる群から選択された少なくとも一つの元素を用いる。
【００４８】
ある好ましい実施形態では、前記結晶性化工程の後、前記ケイ素膜のうちチャネル領域として最終的に機能する領域以外の領域に対して、５族Ｂから選択された元素を導入する工程と、加熱処理により、５族Ｂから選択された元素が導入された領域へ前記触媒元素を移動させ、それによって前記触媒元素の前記チャネル領域中における濃度を相対的に低下させる工程とを更に含む。
【００４９】
ある好ましい実施形態において、前記加熱処理による前記触媒元素の移動の方向は、前記パルスレーザ光の走査方向と概略平行である。
【００５０】
５族Ｂから選ばれた前記元素として、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＢｉからなる群から選択された少なくとも一つの元素を用いることが好ましい。
【００５１】
【発明の実施の形態】
本発明の目的とする高性能な半導体装置を実現するためには高品質な結晶性ケイ素膜が不可欠である。本発明による半導体装置の活性領域は、概略一方向に沿って並んだ線状（ライン状）の結晶粒群により構成されており、活性領域は非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する一定量の触媒元素を含有している。
【００５２】
本発明によれば、結晶粒界の影響を小さく抑えることができるとともに、結晶粒界における半導体キャリアに対するトラップ密度を低減し、トラップ準位のエネルギーもより浅く抑えることができる。その結果、高い電流駆動能力を持つ半導体素子を実現できるだけではなく、半導体素子間の特性ばらつきを低減し、安定した特性を発揮させることが可能になる。
【００５３】
本発明では、上記のライン状結晶粒群間に位置する結晶粒界が原子レベルで連続的に格子がつながった状態にある。この状態において、結晶粒界でのキャリアのトラップ密度およびエネルギー準位が最も小さくなる。また、結晶粒間で連続的に格子がつながっているということは、隣接するライン状の結晶粒の結晶粒界がいわゆる「小傾角粒界」を構成していることを意味する。このような小傾角粒界では、結晶方位のずれが小さな回転角で生じている。すなわち、結晶粒界では格子自体の並びが小さな角度で回転している（屈折している）が、隣接する結晶粒の格子同士は連続している。このような場合に、結晶粒界でのキャリアのトラップ密度およびエネルギー準位が最も小さくなるため、半導体装置の動作速度が向上し、素子間の特性ばらつきが低減される。
【００５４】
上記の小傾角結晶粒界における結晶方位の回転角は１０°以内であることが望ましい。回転角が１０°以内であれば、粒界部での格子の連続性は略保たれ、半導体キャリアに対するトラップ密度およびトラップ準位のエネルギーを大きく低減できるからである。
【００５５】
従来、非晶質ケイ素膜に特殊な条件でレーザ光を照射することにより概略一方向に沿って並んだライン状の結晶粒群を得る方法は知られているが、従来の方法によって得られた結晶においては、隣接する結晶粒間の面方位に関連性が無く、それぞれの結晶粒は独立した面方位を有していた。このような場合、本発明に比べ、キャリアに対する結晶粒界のトラップ性が大きく、結晶粒を越えてキャリアが移動しなければならない半導体素子があると、その半導体素子の特性は著しく低下するとともに、素子間の特性のばらつきが大きくなるという問題があった。この場合、ライン方向に対してキャリアの移動方向が平行または垂直となるようにＴＦＴを作製した場合、各ＴＦＴにおける電界効果移動度（以下、単に「移動度」と称する）は５倍程度の大きな差を示していた。
【００５６】
これに対し、本発明では、上記配置でＴＦＴを作製した場合、電流の方位による移動度の差は１．５倍から２倍程度である。また、本発明によれば、移動度の平均値が従来例に比べて向上するため、素子の設計レイアウトの自由度が向上する。
【００５７】
なお、本明細書における「結晶粒界」とは、結晶のうち、セコエッチング法によってエッチングされる部位であり、「結晶粒」とは、結晶粒界に囲まれた結晶領域である。また、本明細書における「結晶粒群の面方位」および「結晶粒界での結晶方位の傾角」は、ＥＢＳＰ法により測定された値である。
【００５８】
本発明の半導体装置においては、活性領域を構成するライン状結晶粒の長軸方向が活性領域におけるキャリア移動方向と概略平行となるようにレイアウトの設計がなされることが好ましい。前述のように、本発明によれば、ライン状の結晶粒が隣接する結晶粒界でのキャリアに対するトラップ性が従来例に比べて充分に小さいが、結晶粒界部がキャリア移動度に与える影響は皆無ではない。このため、特に高いキャリア移動度が求められる素子においては、活性領域でのキャリア移動方向と結晶粒の長軸方向とを概略平行とすることにより、キャリアに対する粒界の影響を極力排除することが好ましい。ただし、このような配置をとらない素子でも、本発明によれば、従来例よりも高い移動度が達成される。
【００５９】
本発明による半導体装置は、隣接するライン状の結晶粒の面方位を制御するために、非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素が非晶質ケイ素膜に導入されている。このような触媒元素としては、面方位を制御するのに最も適したニッケルを用いることが好ましい。
【００６０】
本発明では、結晶化のために導入した触媒元素が、最終的に活性領域のチャネル領域として機能する領域に残存することになる。触媒元素としてニッケルを用いる場合、チャネル領域に含まれるニッケルの濃度は、１×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であることが望ましい。ニッケル濃度が５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えると、活性領域における多数の箇所にニッケルシリサイドが形成され、半導体素子の特性が劣化する。ニッケル濃度が５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であれば、ニッケルはケイ素膜中に固溶し、シリサイドとして析出せず、半導体装置への悪影響はみられない。逆に、活性領域中のニッケル濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³よりも少ない場合、ニッケルによる触媒効果は十分に得られず、結晶粒の面方位を十分に制御することができない。
【００６１】
なお、触媒として十分な効果が期待される量のニッケルを導入し、結晶成長させた場合、結晶成長の後、活性領域中のニッケル量を低減する公知の処理を行なったとしても、ニッケル濃度を１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に低下させることはできない。
【００６２】
次に、本発明による半導体装置の製造方法を説明する。
【００６３】
まず、絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜に、その結晶化を促進する触媒元素を導入した後、この結晶性ケイ素膜に対してレーザ光を照射しながら、基板および／またはレーザ光を一方向に走査させる。こうすることにより、レーザ光が先に照射されることによって結晶化された領域の結晶性を反映して順次結晶化が進行することになる。なお、用いるレーザとしては、パルスレーザや連続発振レーザを用いることが可能である。
【００６４】
特開平７−１６１６３４号公報に開示されている方法では、触媒元素を導入して加熱処理により固相結晶成長させた後、レーザ光照射による再結晶化を行なっている。この方法では、加熱処理によって結晶化された領域の影響を隣接領域に引き継がないようにパルスレーザの走査が行なわれている。このパルスレーザの走査工程では、新たな結晶粒界がランダムに生じるため、触媒元素による結晶化の効果が低減される。このため、従来のレーザ走査方法によって得られる結晶状態は、触媒元素を添加しない状態でレーザ結晶化を行なうことにより得られる結晶状態と略等しい。
【００６５】
これに対し、本発明では、触媒元素を非晶質ケイ素膜に導入した後、炉などを用いた加熱処理工程を行なわずに、レーザ照射による結晶化を行なう。具体的には、基板またはレーザ光を一方向に走査させることにより、前段のパルスにより結晶化された領域の結晶性を反映して順次結晶化を進行させる。その結果、走査方向に沿って配列した結晶粒が形成される。パルス的に照射されるレーザ光のビーム断面形状を走査方向に対して垂直な方向に延びる長尺形状にすれば、ライン状の結晶粒を走査方向に沿って配列させることができる。結晶粒の長軸と走査方向とがなす角度は、典型的には平行に設定される。ライン状に延びる結晶粒が走査方向に沿って規則正しく配列するため、結晶粒界の位置および方向も制御することができる。
【００６６】
触媒元素の添加により得られる効果は、結晶粒界部と結晶粒内とに現れる。結晶粒界部では、シリコンの不対結合手が低減され、原子的に略連続した状態の小傾角粒界が形成される。これは、触媒元素を導入しない限り、観察されない現象である。他方、結晶粒内においては、触媒元素を導入しない場合に比べて欠陥密度が低減される。これらの現象に加えて、本発明では、レーザ照射工程で生じる結晶粒界が再現性良く制御される結果、従来法で問題となったレーザ照射による特性ばらつきが低減される。
【００６７】
本発明では、触媒元素を導入した非晶質ケイ素膜に、レーザ光を照射しながら基板および／またはレーザ光を一方向に走査させることにより、先にレーザ光を照射することによって結晶化した領域の結晶性を反映させて順次結晶化を進行させる。
【００６８】
本発明の効果を得るには、この結晶化工程が最も重要であり、結果化工程の条件が不適切であれば、十分な効果は得られない。特に、パルスレーザ光を用いる場合は、パルスレーザ光の走査ピッチが重要なパラメーターであり、この走査ピッチは、パルスレーザ照射時に溶融する領域が、隣接する非溶融領域の結晶性を反映して結晶化し得る最大長さ以下に調節される。こうすることにより、結晶粒は、その成長方向に沿ってライン状となって形成される。このときの走査ピッチが前記長さ以上の場合には、通常のレーザ照射工程で見られるランダムな結晶核による領域が形成され、通常のグレイン状の結晶粒が形成されることになる。
【００６９】
パルスレーザの照射時に溶融する領域が、隣接している非溶融領域の結晶性を反映して結晶化できる長さは最大でも１μｍである。このため、走査ピッチは１μｍ以下であることが求められる。走査ピッチが１μｍを超えて大きくなりすぎると、前段のパルスにより結晶化された領域の結晶性を反映して結晶化できない領域（ランダムな核発生領域）が生じてしまう。
【００７０】
一方、パルスレーザ照射工程のスループット（時間当たりの処理能力）を高めるためには、走査ピッチは大きいほど好ましい。走査ピッチが０．１μｍ以上であれば、レーザ照射条件に大きな制限を与えることなく、本発明の効果を十分得ることができる。また、走査ピッチを０．１μｍよりも小さくすることによって、特に大きな利点は生じない。
【００７１】
以上のことから、パルスレーザ光を用いる場合は、走査ピッチを０．１μｍ以上１μｍ以下の範囲内に設定することが望ましい。
【００７２】
以下、パルスレーザ光を用いる場合について本発明を説明するが、ビーム径や強度プロファイルなどについては、パルスレーザ光について述べた事項が連続発振レーザ光についても同様に成立する。
【００７３】
パルスレーザ光が非晶質ケイ素膜表面に形成するビーム断面の形状は、長尺の略矩形形状であることが好ましい。パルスレーザの走査は、ビーム断面の長直方向に対して垂直な方向（短軸方向）に沿って行われることが望ましい。
【００７４】
走査方向に沿って計測したビーム断面のサイズは、走査ピッチ以上であれば良い。レーザ発振器から出力されるレーザパルスのパワーには制限があるため、走査方向に平行な方向のビーム断面サイズは小さくし、その分、走査方向に垂直な方向のビーム断面サイズを大きくすることが好ましい。
【００７５】
ビーム断面の形状を、このような長尺矩形状とすることにより、効率的に広範囲の面積で結晶化を進めることができ、本工程の処理時間を短縮することができる。
【００７６】
次に、本発明で好適に用いられるパルスレーザ光のビーム強度プロファイルを詳細に説明する。
【００７７】
レーザ光の走査方向におけるビーム強度のプロファイルは、走査方向の後ろ側における強度が一定レベルから０レベルまで急激に低下するような矩形波的な形状を持つことが望ましい。
【００７８】
本発明の一実施形態では、前述のように、触媒元素を導入した非晶質ケイ素膜にレーザ光をパルス的に照射しながら、基板またはレーザ光を一方向に走査させることにより、前段のパルスにより結晶化された領域の結晶性を反映して順次結晶化を進行させる。そして、レーザ光の走査方向に沿って計測したビーム断面のサイズ（照射長）は走査ピッチ以上の長さを持つ。このため、ビームの走査方向後端部分が照射された領域（前段パルスによって結晶化された領域）から結晶成長が横方向に生じる。従って、適切な結晶化を実現するには、走査方向の後ろ側に位置する部分のビーム強度プロファイルが重要となる。この部分のビーム強度プロファイルがガウシアン形状のようになだらかなカーブを描いていると、前段パルスにより結晶化された領域から走査方向に沿って徐々にレーザエネルギーが上昇することになる。その場合は、照射されるレーザのエネルギーが前段パルスで結晶化された領域の近傍で不充分になってしまう。従って、そのようななだらかに強度が変化するプロファイルを持つレーザでは、結晶化に必要なレベルよりも低いパワーしか与えられない領域が生じ、前段パルスで結晶化された領域の結晶性を適切に引き継ぐことができない部位が出現する。このような部位は、結晶性の悪い領域となって残るため、好ましくない。
【００７９】
レーザ光のビーム強度プロファイルを最適化するためには、パルスレーザ光の走査方向後ろ側に位置する部分を遮断する機構を持ったレーザ照射装置を用いることが好ましい。このような機構によれば、レーザ照射装置の光学系を大幅に変更することなく、また、光学的に困難な調整を行なうことなく、必要なビーム強度プロファイルを簡便に得ることができる。
【００８０】
本発明にとって最適なビーム強度プロファイルを簡便に得るには、レーザビームのうち、前記触媒元素が導入された非晶質ケイ素膜の結晶化に必要な強度よりも低い強度を持つ領域をカットし、その領域の強度を実質的に０とすればよい。具体的には、開口部を有する遮蔽板をレーザビームの光軸上に挿入し、レーザ光のうち必要な強度を持つ部分と開口部の位置とを整合させればよい。
【００８１】
次に、レーザ光照射工程の強度について説明する。
【００８２】
レーザ光強度が小さければ、ケイ素膜は十分に溶融されず、前段のパルスで結晶化した隣接領域の結晶性を十分に引き継いで結晶化できず、触媒元素による粒界トラップ低減の効果も得られない。従って、レーザ光の強度としては、触媒元素を導入した非晶質ケイ素膜が膜全体にわたって溶融し、前段の結晶化領域の結晶性を十分に引き継いで結晶化できるような範囲の強度で行われる必要があり、それは触媒元素を導入した非晶質ケイ素膜が膜全体にわたって溶融するような強度に相当する。
【００８３】
本発明で用いるレーザ光としては、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザ光が最も適している。波長４００ｎｍ以下であれば、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高く、ガラス基板に熱的ダメージを与えることなく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱することができる。エキシマレーザ光は発振出力が大きく、大面積基板を処理するのに適している。なかでも特に波長３０８ｎｍのＸｅＣ・エキシマレーザ光は出力が大きいため、基板照射時のビームサイズを大きくでき、大面積基板に対応しやすく、また出力も比較的安定しており、量産装置に適用する上で最も望ましい。
【００８４】
レーザ光の表面エネルギー密度は、ケイ素膜上において２５０ｍＪ／ｃｍ²以上であることが好ましい。エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ²以上であれば、前述の触媒元素が導入された非晶質ケイ素を膜全体にわたって溶融することができるので、前段パルスによる結晶化領域の結晶性を十分に引き継いで更に横方向に結晶化を進行させることが可能になる。
【００８５】
次に、レーザ光の走査方向と半導体素子の向きの関係を説明する。
【００８６】
レーザ光の走査方向に対して、素子動作時におけるキャリアの移動方向（チャネル方向）が概略平行となるように半導体装置の素子レイアウトを設計することが望ましい。このようにレイアウトを採用することにより、半導体装置の活性領域におけるキャリアの移動方向と、活性領域を構成するライン状結晶粒のライン方向（長軸方向）とが略平行となるので、キャリアに対する粒界の影響を極力排除することができ、非常に高い電流駆動能力をもつ素子が得られる。
【００８７】
結晶化を助長する触媒元素としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、および／またはＡｕを用いることができる。これらの触媒元素は、微量で結晶化助長の効果を持つ。これらの中でも特にＮｉを用いた場合に最も顕著な効果が得られる。
【００８８】
上記の触媒元素はいずれも金属元素であるため、半導体中に多量に存在していると、半導体素子の信頼性や電気的安定性を阻害するおそれがある。特に、これらの触媒元素がシリサイドとしてチャネル領域中に析出していると、オフ動作時におけるＴＦＴのリーク電流を増大させてしまう。
【００８９】
本発明では、結晶化のため触媒元素を意図的にケイ素膜に導入しており、最終的な半導体装置の活性領域内にも触媒元素は残存しているため、この触媒元素を如何にして低減するかが重要になる。本発明では、触媒元素を非晶質ケイ素膜の結晶化処理に利用した後、ケイ素膜中に残存する触媒元素の大部分を半導体素子形成領域以外の領域に移動させることにより、この問題を解決している。具体的には、ケイ素膜のうち、少なくとも半導体装置のチャネル領域と機能することになる領域以外の領域に、５族Ｂから選ばれた元素（ゲッター）を導入し、加熱処理を行なう。これにより、触媒元素はゲッター元素が導入された領域に移動（拡散）するため、チャネル領域中の触媒元素量を低減することができる。
【００９０】
この方法は、半導体特性に対して悪影響の大きいシリサイド状態の触媒元素を低減するのに有効である。触媒元素が集められた領域をエッチングし、それ以外の半導体領域を用いて半導体素子を形成すれば、基板上には触媒元素の高濃度領域は残らない。
【００９１】
上記のゲッタリング工程における触媒元素の移動方向は、非晶質ケイ素膜に対するレーザ光の走査方向と概略平行にすることが望ましい。触媒元素の移動効率は結晶粒内で高いが、結晶粒界を横切るような移動に対しては効率が低い。従って、触媒元素の移動方向をレーザ光の走査方向（結晶粒のライン方向）と一致させることにより、触媒元素が結晶粒界を横切ることなく結晶粒内を移動できるため、移動効率が高まり、チャネル領域における触媒元素の残留量も大きく低減できる。
【００９２】
５族Ｂ元素としては、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉからなる群から選択された少なくとも一つの元素を用いることができる。これらの一種または複数種類の元素は前記触媒元素を効率的に移動させることができる。これらの元素が触媒元素を移動させるメカニズムの詳細は不明であるが、実験によると、Ｐによる移動効果が最も高い。
【００９３】
【実施例】
まず、図１を参照しながら、本実施例で用いるレーザ照射装置の概略構成を説明する。図示されるレーザ照射装置では、レーザ発振器５０１から出たパルスレーザ光５０６がミラー５０２によって反射された後、ホモジナイザー５０３へ導かれる。ホモジナイザー５０３は、レーザ光５０６のビーム形状を成型する装置であり、レーザ光５０６のビーム軸（光軸）に垂直な面（Ｘ−Ｙ面）における形状は、Ｘ軸方向に長く延びた長尺形状５０７に変化させられる。
【００９４】
従来のレーザ照射を行なう場合、レーザ光５０６はホモジナイザー５０３により成型された状態のまま基板１０１の表面へ照射されるが、本実施例では、スリット状開口部を持つ遮蔽板５０４を用いてレーザ光５０６の強度プロファイルを調節する。遮蔽板５０４は、ホモジナイザー５０３と基板１０１との間において、レーザ光５０７の光軸を垂直に横切るように配置され、レーザ光５０７の一部を遮断する。
【００９５】
本実施例では、仮に遮蔽板５０４が挿入されていない状態で、基板１０１上におけるレーザ光５０７のビームサイズが１０ｍｍ×０．２ｍｍとなるように光学系が設定される。実際には遮蔽板５０４が適切な位置に挿入されるため、レーザ光５０７のビーム断面（長尺形状）の端部が遮蔽板５０４でカットされる。ここでは、遮蔽板５０４と基板１０１との間隔が数ｍｍ程度に設定される。
【００９６】
本実施例では、図１に示すように、ビーム断面の長軸方向（Ｙ軸方向）に延びる帯状の両端部を遮蔽板５０でカットしている。このため、基板１０１上におけるレーザ光５０８のビームは、Ｘ軸方向のサイズ（幅）が狭められ、３００ｍｍ×０．０５ｍｍ（５０μｍ）のサイズを持つ断面形状を持つように成型される。
【００９７】
このような成型前後におけるレーザ光の強度プロファイルを図２に示す。
【００９８】
図２からわかるように、ホモジナイザー５０３によって長尺形状に成型されたレーザ光５０７の断面強度プロファイルは、ガウシアン形状を有している。このレーザ光５０７が遮蔽板５０４の開口部（スリット）を通ることにより、その強度分布のトップ付近の領域（高エネルギー部分）のみを持つ光が選択的に基板に照射されることになる。すなわち、緩やかに強度が変化する裾引き領域（比較的強度は低い部分）はカットされ、これにより、図２の下半分に示されるトップハット状の強度プロファイルを持つレーザ光５０８が基板１０１に照射されることになる。
【００９９】
再び、図１を参照する。
【０１００】
本実施例では、Ｘ軸の正方向を向く矢印の方向５０５に沿って基板１０１を移動させることにより、基板１０１に対するパルスレーザ光の走査を行なう。基板１０１は、例えば、２〜１８ｍｍ／分の速度で駆動される。基板１０１を移動させながら、パルス状のレーザ光を基板１０１に対して照射する。この場合、ｎ番目のパルス（前段パルス：ｎは任意の自然数）を照射してからｎ＋１番目のパルス（後段パルス）を照射するまでの間（例えば０．００３〜０．０１秒）に基板１０１が移動する距離が走査ピッチＰを規定する。走査ピッチＰは、矢印５０５方向への基板移動速度を調節することにより制御され、本実施例における走査ピッチ幅Ｐは、０．１〜１μｍ、例えば０．５μｍに設定される。なお、基板１０１を基準にした場合のレーザ光の走査方向は、矢印の方向５０５に対して反対の方向（Ｘ軸の負方向）である。
【０１０１】
次に、図３（ａ）を参照する。図３（ａ）は、レーザ照射装置を用いてパルスレーザ光の照射を行なっているときの基板表面を模式的に示している。図３（ａ）では、矢印Ｓがレーザの走査方向を示しており、この方向は図１における基板移動方向５０５と反対方向（Ｘ軸の負方向）である。
【０１０２】
図３（ａ）に示されるように、幅（走査方向Ｓに沿って計測したサイズ）Ｌで一方向に長く延びたビーム断面を持つパルスレーザが走査ピッチＰでケイ素膜に対して順次照射されてゆくと、走査方向Ｓに沿って結晶粒が成長し、走査方向Ｓに対して平行なライン状結晶粒が形成される。図３（ａ）においては、走査方向Ｓに対して平行な方向に粒界（図３（ａ）において不図示）が形成される。
【０１０３】
本実施例では、走査方向Ｓに沿って計測したレーザビームの幅Ｌを５０μｍとした。その結果、ケイ素膜の任意の一点に対して、計１００回（＝０．５／５０回）のパルスレーザが照射されることになる。
【０１０４】
なお、非晶質;ケイ素膜の表面における任意の位置に対して、連続的に重畳照射される複数回のパルスレーザのうち、最終パルスがその位置における結晶性に最も重要な影響を与える。この最終パルスにより、前段パルスにより結晶化された隣接領域（前段領域）の結晶性を反映した横方向結晶成長が進行する。
【０１０５】
このようなレーザ照射により、前述した本発明の結晶構造を得ることができる。すなわち、隣接するライン状結晶粒群の間に位置する結晶粒界が原子レベルで連続的に格子がつながり、「小傾角粒界」を構成する結晶性ケイ素膜を得ることができる。
【０１０６】
〔実施例１〕
次に、図３（ｂ）〜（ｃ）および図４（ａ）〜（ｇ）を参照しながら、本発明の第１実施例を説明する。図３（ｂ）〜（ｃ）は、Ｎ型ＴＦＴの平面レイアウトを示す図であり、図４（ａ）〜（ｇ）は、図３（ｂ）または（ｃ）に示すＴＦＴの工程断面図である。
【０１０７】
本実施例では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製している。この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に用いられるだけではなく、薄膜集積回路を構成する素子としても利用される。
【０１０８】
まず、図４（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を堆積した。この酸化ケイ素膜は、ガラス基板１０１からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。
【０１０９】
次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０〜６０ｎｍ、例えば４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３を成膜した後、非晶質ケイ素膜１０３表面上にニッケル１０４の微量添加を行った。このニッケル１０４の微量添加は、ニッケルを溶かした溶液を非晶質ケイ素膜１０３上に保持し、スピナーにより溶液を基板１０１上に均一に延ばし乾燥させることにより行なうことができる。本実施例では、溶質として酢酸ニッケルを、溶媒として水を用い、溶液中のニッケル濃度が１０ｐｐｍとなるようにした。このようにして添加されたニッケルの非晶質ケイ素膜１０３表面での濃度を全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法により測定すると、５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度であった。
【０１１０】
次に、図４（ｂ）に示すように、パルスレーザ光１０５を照射することで非晶質ケイ素膜１０３を結晶化させ、結晶性ケイ素膜１０３ａを得た。レーザ光としては、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用いた。レーザ光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度は２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ²、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ²とした。
【０１１１】
本実施例では、結晶化工程におけるパルス走査ピッチＰ、ビーム形状およびビーム形状が重要なパラメーターとなるため、図１に示すレーザ照射装置を用い、図３（ａ）に示すようにしてパルスレーザを照射した。その結果、図３（ｂ）および（ｃ）に示す結晶性ケイ素膜を得ることができた。なお、図３（ｂ）および（ｃ）に示される結晶粒界ＧＢ（図中、「破線」で示す部分）を目視観察することはできない。結晶粒界ＧＢは、ケイ素膜に対してセコエッチングを行なうことにより観察することかできるようになる。セコエッチングを行なった後、ＥＢＳＰ法によって結晶面方位の２次元的な観察を行なうと、結晶粒界ＧＢを挟んで隣接するライン状の結晶粒は面方位に相関関係を有しており、しかも、結晶粒界ＧＢ部に１０°以内の小傾角粒界が形成されていることがわかった。このような結晶構造は、Ｎｉなどの触媒元素をシリコンに添加した後、上述のパルスレーザ光照射を行なったことにより得られたものであり、Ｎｉを添加しない場合には観察されなかった。
【０１１２】
次に、図４（ｃ）に示すように、結晶性ケイ素膜１０３ａ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た後、この絶縁性薄膜をパターニングすることによりマスク１０６を形成した。本実施例では、マスク１０６を酸化ケイ素膜から形成した。酸化ケイ素膜は、例えばＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解することにより、結晶性ケイ素膜１０３ａ上に堆積される。マスク１０６の厚さは１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施例では、１５０ｎｍとした。
【０１１３】
次に、図４（ｃ）に示すように、基板１０１の上方からリン１０７をケイ素膜１０３ａの全面にドープした。リンイオンのドーピング条件は、加速電圧を５〜１０ｋＶとし、ドーズ量を５×１０¹⁵〜１×１０¹⁶ｃｍ^-2とした。このイオンドーピング工程により、結晶性ケイ素膜１０３ａのうちマスク１０６に覆われていない領域にリンが注入され、リンがドープされた結晶性ケイ素領域１０３ｂが形成される。マスク１０６によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜１０３ａには、リンはドーピングされない。
【０１１４】
リンドーピングが終了した時点における結晶性ケイ素膜１０３は、図３（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、マスク１０６に覆われた領域１０３ａと、リンが注入された領域１０３ｂと区分される。なお、図３（ｂ）及び（ｃ）には、後の工程で形成されるＴＦＴ活性領域１０９が示されている。このＴＦＴ活性領域１０９は、リンドーピングが終了した段階では、マスク１０６によって完全に覆われている。
【０１１５】
次に、不活性雰囲気（例えば窒素雰囲気）中において、ケイ素膜１０３に対して、５８０〜６５０℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。本実施例では、６００℃にて１２時間の処理を行った。
【０１１６】
この加熱処理により、領域１０３ｂ中のリンが結晶性ケイ素膜１０３ａ中に拡散していたニッケル１０４を矢印１０８に示すように周囲全方向に向かって引き寄せる。このようにしてニッケルに対するゲッタリングが行われる結果、領域１０３ａにおけるニッケル濃度は大幅に低減する。
【０１１７】
ニッケル１０４のゲッタリング方向（拡散方向）１０８は、領域１０３ａから周囲に向かって四方に行われる。しかし、本実施例のように、領域１０３ａが、ある一方向に沿ったライン状の結晶粒によって構成されている場合は、ニッケルの移動方向と結晶粒が延びる方向との関係によってゲッタリング効率が異なる。これは、ニッケル１０４が結晶粒界ＧＢを越えては移動しにくく、結晶粒内を移動しやすいためである。その結果、結晶粒の延びる方向（ライン方向）に平行な方向でゲッタリング効率が高くなる。図３（ｂ）および（ｃ）に示されるレイアウトでは、ニッケル１０４は主として実線矢印１０８の方向に移動し、点線矢印で示された方向１０８にはほとんど移動しない。本実施例では、ＴＦＴ活性領域１０９を取り囲むようにゲッタリング領域１０３ｂを設けているため、結晶粒のライン方向に対して効率良くゲッタリングを行なうことができる。
【０１１８】
ゲッタリング効率という観点からは、図３（ｂ）に示すＴＦＴの配置例よりも図３（ｃ）示す配置例の方が好ましい。これは、領域１０３ａ内からゲッタリング領域１０３ｂまで実戦矢印１０８に沿ってニッケルが移動する場合、図３（ｃ）示す配置例における移動距離が相対的に短くなるためである。
【０１１９】
領域１０３ａのニッケル濃度は、上記ゲッタリング工程前において、５×１０¹⁷〜１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であったが、ゲッタリング工程後は５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで低減されていた。ニッケル濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した。
【０１２０】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜１０６をエッチング除去する。エッチャントとしては、酸化ケイ素膜１０６と下層に位置するケイ素膜１０３との間で充分に大きな選択性のあるエッチングを行なう。本実施例では、１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行った。
【０１２１】
その後、図４（ｅ）に示すように、ケイ素膜１０３のうちの不要部分を選択的に除去することにより、素子間分離を行なう。この工程により、図４（ａ）または図１（ｂ）に示される領域１０３ｂが除去され、ニッケル濃度が低減された領域１０３ａから島（アイランド）状の結晶性ケイ素膜１０９がパターニングされる。パターニングされた結晶性ケイ素膜１０９のサイズは、例えば３０μm×２０μmである。この結晶性ケイ素膜１０９は、半導体素子の活性領域として機能することになる。
【０１２２】
次に、結晶性ケイ素膜１０９を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１０として成膜する。酸化ケイ素膜の形成は、ＴＥＯＳを原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積することにより行なった。堆積時の基板温度は１５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃とした。この酸化ケイ素膜の形成は、ＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によって行なってもよい。その場合、基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０℃とすることが好ましい。
【０１２３】
酸化ケイ素膜の堆積後、ゲート絶縁膜のバルク特性、および結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜との間の界面特性を向上させるため、不活性ガス雰囲気中において４００〜６００℃で１〜４時間のアニールを行った。
【０１２４】
次に、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍのアルミニウム膜を堆積した後、このアルミニウム膜をパターニングすることによってゲート電極１１１を形成した。
【０１２５】
このアルミニウム膜の表面を陽極酸化法によって酸化し、図４（ｆ）に示すように、ゲート電極１１１の表面に酸化物層１１２を形成した。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、最初は一定電流で２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持してから終了させた。得られた酸化物層１１２の厚さは２００ｎｍであった。酸化物層１１２の厚さは、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のサイズを規定する。故に、酸化物層１１２の厚さを調節することにより、オフセットゲート領域のサイズを所望の大きさに制御することができる。
【０１２６】
次に、活性領域１０９のうち、ゲート電極１１１および酸化物層１１２によって覆われていない流域に対して、イオンドーピング法によって不純物（リン）を注入した。ドーピングガスとしては、フォスフィン（ＰＨ₃）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量を１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。この工程により、不純物が注入された領域１１４および１１５は、後にＴＦＴのソース／ドレイン領域として機能することになる。ゲート電極１１１および酸化層１１２にマスクされ、不純物が注入されなかった領域１１３は、ＴＦＴのチャネル領域として機能することになる。
【０１２７】
ＴＦＴの配置を図３（ｂ）に示すようにレイアウトした場合、ＴＦＴの動作時にキャリアが流れる方向（領域１１４から領域１１５へ向かう方向）と、チャネル領域１１３を構成するライン状結晶粒のライン方向とが平行となる。この場合は、図３（ｃ）に示す配置によるＴＦＴに比べて、キャリアの移動が結晶粒界ＧＢによる影響を受けず、より高い移動度を有するＴＦＴを得ることができる。
【０１２８】
次に、図４（ｆ）に示すように、レーザ光１１６の照射によってアニールを行い、注入された不純物の活性化を行なうと同時に、上記不純物導入工程で劣化した結晶性を回復させる。本実施例では、レーザ光１１６として、ＸｅＣｌエキシマレーザ（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の条件で照射を行った。このようにして活性化されたＮ型不純物（リン）領域１１４および１１５のシート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。
【０１２９】
次に、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１２０として形成した。ＴＥＯＳおよび酸素を用いるプラズマＣＶＤ法、または、ＴＥＯＳおよびオゾンを用いる減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法によって酸化ケイ素膜を形成すれば、段差被覆性（ステップカバレッジ）に優れた層間絶縁膜が得られる。また、ＳｉＨ₄およびＮＨ₃を原料ガスとして用いるプラズマＣＶＤ法によって堆積した窒化ケイ素膜を層間絶縁膜として用いれば、窒化ケイ素膜中に含まれる水素を活性領域とゲート絶縁膜との界面へ供給し、水素原子で活性領域中の不対結合手（ダングリングボンド）をバッシベートすることができる。活性領域中の不対結合手はトランジスタ特性を劣化させるため、不対結合手数が減少すれば、トランジスタ特性を向上させることができる。
【０１３０】
次に、層間絶縁膜１２０にコンタクトホールを形成した後、金属材料、例えば、窒化チタン（下層）とアルミニウム（上層）の二層膜を堆積する。下層の窒化チタン膜は、上層のアルミニウムが半導体層に拡散すること防止するバリア層として機能する。この二層膜をパターニングすることにより、ＴＦＴのソース・ドレイン電極・配線１２１を形成する。
【０１３１】
なお、ＴＦＴ１２２を液晶表示装置などの画素スイッチング用のＴＦＴとして用いる場合は、ドレイン電極をＩＴＯなどの透明導電膜からなる画素電極と一体的に形成することができる。また、ＴＦＴ１２２を薄膜集積回路などに用いる場合は、ゲート電極１１１上にもコンタクトホールを形成した後、低抵抗の裏打ち配線を層間絶縁膜１２０上に設けてゲート電極１１１と電気的に接続し、それによって信号伝達速度を向上させることが好ましい。
【０１３２】
次に、常圧（１気圧）の水素雰囲気中において、３５０℃で１時間のアニールを行い、ＴＦＴ１２２を完成させる。更に必要に応じて、ＴＦＴ１２２を保護する目的で、ＴＦＴ１２２上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【０１３３】
このようにして作製されたＴＦＴ１２２は、図３（ｂ）に示すレイアウトの場合、移動度が４５０ｃｍ²／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．０Ｖ程度と高性能であるにもかかわらず、基板内での特性ばらつきが、移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０．２Ｖ程度と非常に良好であった。なお、このばらつきは、４００×３２０ｍｍのサイズを有する基板内で３０点のＴＦＴを測定した結果得られたものである。一方、図３（ｃ）に示すレイアウトの場合は、移動度が３００ｃｍ²／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．５Ｖ程度と、従来の方法に比べて十分に高性能であった。また、基板内での特性ばらつきも同様に小さく抑えられた。
【０１３４】
更に、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、高い信頼性が確認された。
【０１３５】
触媒元素が特に問題となるＴＦＴのオフ領域における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（ピコ・アンペア）程度にまで低減でき、製造歩留まりを大きく向上することができた。
【０１３６】
本実施例のＴＦＴを利用して、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。その結果、従来法により作成したものに比べて表示むらが小さく、ＴＦＴリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い優れた表示品位の液晶パネルが得られた。
【０１３７】
〔実施例２〕
以下、図５（ａ）〜（ｃ）および図６（ａ）〜（ｇ）を参照しながら、本発明の第２実施例を説明する。
【０１３８】
本実施例では、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チャネル型ＴＦＴおよびＰチャネル型ＴＦＴを相補的に接続したＣＭＯＳ回路をガラス基板上に作製する。
【０１３９】
図５（ａ）は、パルスレーザ光の走査方向を示す平面図である。図５（ｂ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施例に係るＮチャネル型ＴＦＴおよびＰチャネル型ＴＦＴの作製を説明するための平面図であり、図６（ａ）〜（ｇ）は、その工程断面図である。
【０１４０】
まず、図６（ａ）に示すように、ガラス基板２０１上に例えばＣＶＤ法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜２０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０〜６０ｎｍ、例えば３０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を成膜する。このときの基板加熱温度は４００℃程度であることが望ましく、本実施例では４００℃とした。
【０１４１】
また、プラズマＣＶＤ装置としては平行平板式の装置を採用し、ＳｉＨ₄ガスとＨ₂ガスを原料ガスとして使用した。ＲＦパワーは、パワー密度が１０〜１００ｍＷ／ｃｍ²、例えば８０ｍＷ／ｃｍ²となるように低めに設定した。本実施例での非晶質珪素膜２０３の堆積レートは５０ｎｍ／ｍｉｎ程度であった。
【０１４２】
このようにして得られたａ−Ｓｉ膜２０３の水素濃度は２％程度であった。
【０１４３】
次に、非晶質珪素膜２０３の表面上にニッケル２０４の微量添加を行った。ニッケル２０４の微量添加は、ニッケルを溶かせた溶液をａ−Ｓｉ膜２０３上に保持し、スピナーにより溶液を基板２０１上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施例では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度は５ｐｐｍとなるようにした。ａ−Ｓｉ膜２０３表面上のニッケル濃度をＴＲＸＲＦ法により測定すると、３×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度であった。
【０１４４】
次に、図６（ｂ）に示すように、パルスレーザ光２０５を照射することで非晶質珪素膜２０３を結晶化させ、結晶性ケイ素膜２０３ａを得た。レーザ光としては、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用いた。基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱した状態で、エネルギー密度２００〜４５０ｍＪ／ｃｍ²、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ²のレーザ光を照射した。
【０１４５】
本実施例でも、図１に示すレーザ照射装置を用い、第１実施例と同様にして結晶化工程を実行した。具体的には、基板２０１の上に遮蔽板５０４を設け、遮蔽板５０４によってレーザ光５０７の不必要なビーム端部を遮蔽した。その結果、基板２０１に照射されるレーザ光のサイズは、１０ｍｍ×０．０５ｍｍ（５０μｍ）となった。 結晶化工程後、図６（ｃ）に示すように、ケイ素膜２０３ａの不要部分を除去し、素子間分離を行いった。これにより、ＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領域）として機能する島状の結晶性ケイ素膜２０９ｎ、２０９ｐを形成した。
【０１４６】
次に、結晶性ケイ素膜２０９ｎ、２０９ｐを覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１０として成膜する。この酸化ケイ素膜の形成は、本実施例でも、ＴＥＯＳおよび酸素を用いるＲＦプラズマＣＶＤ法によって、基板温度を１５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃に設定して行なった。
【０１４７】
次に、図６（ｄ）に示すように、スパッタリング法によって高融点金属膜を堆積した後、この高融点金属膜をパターニングすることによりってゲート電極２１１ｎ、２１１ｐを形成した。高融点金属膜は、タンタル（Ｔａ）またはタングステン（Ｗ）から形成することが望ましい。本実施例では、窒素が微量に添加されたＴａ膜と純Ｔａ膜の二層構造を有し、合計厚さが３００〜６００ｎｍ、例えば４５０ｎｍとにる高融点金属膜を用いた。
【０１４８】
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２１１ｎ、２１１ｐをマスクとして、リン２１７を注入した。ドーピングガスとしてフォスフィン（ＰＨ₃）を用い、ドーピング条件としては、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶとし、ドーズ量を２×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば５×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。この工程により、ゲート電極２１１ｎ、２１１ｐによってマスクされた領域にはリンが注入されず、この領域は、後にＴＦＴのチャネル領域２１３ｎ、２１３ｐとして機能することになる。
【０１４９】
また、上記ドーピング工程により、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型不純物領域２１４ｎおよび２１５ｎが形成される。Ｐチャネル型ＴＦＴのソース・ドレイン領域２１４ｎ’、２１５ｎ’となる領域は、この段階ではリンがドーピングされた結果、Ｎ型不純物領域となっている。
【０１５０】
次に、フォトリソグラフィ工程により、図６（ｅ）に示すように、Ｎ型ＴＦＴ上を完全に覆うようにして選択ドーピングのためのマスク２１９をフォトレジストで形成する。マスク２１９に覆われていないＰ型ＴＦＴの活性領域２０９ｐのうち、ゲート電極２１１ｐによってマスクされていない領域に対して、イオンドーピング法によってホウ素２１８を注入する。ここでは、ドーピングガスとして、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を用い、４０ｋＶ〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶの加速電圧で１×１０¹⁶〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁶ｃｍ^-2の高ドーズ注入を行った。ホウ素２１８は、ゲート絶縁膜２１０を透過するようにして活性領域２０９ｐに注入される。このドーピング工程では、後にＰ型ＴＦＴのチャネル領域２１３ｐとして機能することになる領域がゲート電極２１１ｐによってマスクされているため、この領域に対してはホウ素の注入は行なわれない。
【０１５１】
高ドーズのホウ素２１８がドーピングされた領域２１４ｎ’、２１５ｎ’のＰ型不純物濃度は、先にドーピングされていたＮ型不純物であるリンの濃度よりも高いため、Ｐ型の不純物領域２１４ｐと２１５ｐに変化する（カウンタードーピング）。このようして、Ｎチャネル型ＴＦＴおよびＰチャネル型ＴＦＴが同一基板上に形成される。
【０１５２】
次に、選択ドーピングのためのマスクとして用いたフォトレジストを除去した後、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５００〜６００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。本実施例では、一例として５５０℃にて６時間の処理を行った。この加熱処理により、ドライバー部のＴＦＴ活性領域中において、ソース・ドレイン領域２１４ｎ、２１５ｎ、２１４ｐ、２１５ｐにドーピングされているリンがその領域に存在するニッケルをまずトラップする。そして、図６（ｆ）に示すように、チャネル領域２１３ｎ、２１３ｐ中に存在しているニッケルを矢印２０８に示すような方向に、すなわち隣接するソース・ドレイン領域２１４ｎ、２１５ｎ、２１４ｐ、２１５ｐへと移動させる。その結果、チャネル領域２１３ｎ、２１３ｐ中のニッケル濃度は大幅に低減する。このときのＴＦＴの配置は、図５（ｂ）および（ｃ）に示すレイアウトとなるようにした。すなわち、再結晶化の際のレーザ走査方向Ｓとニッケルの移動方向２０８とが概略平行となるように設定した。このような配置とすることにより、チャネル領域２１３ｎ、２１３ｐ内でライン状結晶粒が延びる方向とニッケルの移動方向とが同方向となり、ソース・ドレイン領域へのニッケルの移動が、結晶粒界ＧＢを超えることなく行われる。その結果、ニッケルの移動効率が向上し、チャネル内での残留量が大幅に低減できた。このときのチャネル領域２１３ｎ、２１３ｐ中のニッケル濃度をＳＩＭＳにより測定したところ１〜３×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで低減されていた。この工程前の結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度は５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であった。
【０１５３】
上記の加熱処理により、ソース・ドレイン領域２１４ｎ、２１５ｎ、２１４ｐ、２１５ｐの活性化も同時に行われる。この加熱処理によって得られたＮ型不純物領域２１４ｎ、２１５ｎのシート抵抗値は０．５〜１ｋΩ／□であり、Ｐ型不純物領域２１４ｐ、２１５ｐのシート抵抗値は２〜３ｋΩ／□であった。
【０１５４】
上記加熱処理により、ゲート絶縁膜２１０の焼成も同時に行われ、ゲート絶縁膜のバルク特性、および結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜との間の界面特性の向上が図れる。
【０１５５】
次に、図６（ｇ）に示すように、厚さ９００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２２０としてプラズマＣＶＤ法によって形成した後、この層間絶縁膜にコンタクトホールを形成した。金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜を堆積した後、この二層膜をパターニングすることにより、ＴＦＴの電極・配線２２１を形成する。
【０１５６】
その後、１気圧の水素雰囲気中において３５０℃で１時間のアニールを行い、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２３とＰチャネル型ＴＦＴ２２４とを完成させる。更に必要に応じて、ＴＦＴ２２３、２２４を保護する目的で、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【０１５７】
本実施例のＣＭＯＳ構造回路によれば、ＴＦＴの移動度がＮチャネル型ＴＦＴで４００〜４５０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐチャネル型ＴＦＴで１５０〜２００ｃｍ²／Ｖｓと高い値を示した。また、閾値電圧はＮチャネル型ＴＦＴで１．０Ｖ程度、Ｐチャネル型ＴＦＴで−１．５Ｖ程度と良好であった。更に、従来、触媒元素を用いた際に問題となっていた特性ばらつきは、本実施例では、移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０．２Ｖ程度に抑えることができた。なお、特性ぱらつきは、４００ｍｍ×３２０ｍｍのサイズを有する基板を用い、基板内３０点測定により求めた。
【０１５８】
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、安定した回路特性が得られた。
【０１５９】
〔実施例３〕
以下、本発明の第３の実施例を説明する。本実施例では、パルスレーザ光に代えて連続発振レーザ光を用いる。
【０１６０】
まず、第１および第２の実施例と同様に、ガラス基板上に、膜厚３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地絶縁膜を形成する。この下地膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。不純物拡散効果をより高めるため、下地膜は窒化ケイ素膜との二層構造を有していても良い。次に、膜厚２０〜６０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）を下地膜の上に堆積する。
【０１６１】
この後、ケイ素膜に対して触媒元素を添加する。本実施例では、ａ−Ｓｉ膜に対して、重量換算で例えば１０ｐｐｍの触媒元素（本実施例ではニッケル）を含む水溶液（酢酸ニッケル水溶液）をスピンコート法で塗布して、触媒元素含有層を形成する。添加する触媒元素の量は極微量であるため、ケイ素膜表面上の触媒元素濃度は全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法によって管理される。本実施例における触媒元素の濃度は、７×１０¹²ｃｍ^-2程度である。
【０１６２】
なお、本実施例では、スピンコート法でニッケルを添加する方法を用いたが、他の方法、例えば蒸着法やスパッタ法などにより、触媒元素の薄膜（ニッケル膜など）をケイ素膜上に形成してもよい。
【０１６３】
次に、このケイ素膜に連続発振レーザ光を照射し、連続的に走査することにより、ケイ素膜をレーザの走査方向に沿って結晶化させる。このときの連続発振レーザ光としては、ダイオード励起の連続発振ＹＡＧレーザを用いた。波長は５３２ｎｍであり、パワー変動は１％以下であった。連続発振ＹＡＧレーザの出力は１０Ｗであり、基板に対して５０〜２００ｃｍ／ｓｅｃ（例えば１００ｃｍ／ｓｅｃ）の走査速度でレーザ光を走査した。これにより、レーザ光照射部分におけるケイ素膜は溶融し、レーザ光照射領域と非照射領域との境界において固液界面が生じた。連続発振レーザ光の走査に伴って上記の固液界面が移動することにより、先に結晶化された領域の結晶性を反映して一方向に沿った結晶粒群が成長した。
【０１６４】
このように連続発振レーザ光を用いた場合には、パルスレーザ光と異なり、レーザ光が照射されている領域におけるケイ素膜が部分的に融点以上の高温となるため、ケイ素膜の少なくとも一部は常に溶融した状態となる。その結果、連続発振レーザ光の照射／非照射領域の境界がケイ素膜中に常に存在し、この境界が固体／液体界面を形成することになる。従って、図７に示すように、レーザ光を走査して上記の固液界面を移動させると、ケイ素膜の結晶化を適切に実行することが可能になる。
【０１６５】
連続発振レーザを用いた場合は、パルスレーザ光と異なり、走査中において常に固体／液体界面が維持されるため、固体／液体界面の移動方向に沿って結晶成長が行われる。このときのレーザパワーと走査速度を調節することにより、結晶性を制御することができる。もし走査速度が速すぎると、固液界面が固体領域の結晶性を十分引き継いで結晶成長できないし、逆に、走査速度が遅すぎると、ケイ素膜が必要以上に加熱され、触媒元素による結晶性の情報がリセットされてしまう。従って、レーザパワーを考慮しつつ、レーザ光の走査速度を適切な範囲に設定する必要がある。
【０１６６】
上記の結晶化工程の後、結晶性ケイ素膜の不要な部分を除去して素子間分離を行い、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を形成した。その後、第１および第２実施例で示した方法と同様の方法を用いて、ＴＦＴを完成させた。
【０１６７】
このように連続発振レーザを用いてケイ素膜を横方向（レーザ走査方向）に再結晶化を行った場合には、パルスレーザによる再結晶化と比べて、より優れたＴＦＴ特性が得られる。具体的には、Ｎチャネル型ＴＦＴで６００ｃｍ²／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られる。
【０１６８】
以上説明したように、連続発振レーザ光を触媒元素を含有するケイ素膜に照射し、連続して走査することによっても、触媒元素の効果により、走査方向に沿って結晶成長を行うことができる。その結果、一方向に結晶粒群が並び、且つ、その結晶粒間が原子レベルで連続している組織構造（言い換えると、傾角が１０°以下の小傾角粒界）を形成することができる。
【０１６９】
連続発振レーザとしては、固体レーザが好ましく、安定性も高い。波長としては、パルスレーザとは異なり、６００ｎｍ以下であれば十分使用可能である。
【０１７０】
本発明の実施例により得られた結晶粒群は、図８に示すように、レーザ走査方向に沿って並んでいる。ここでの結晶粒間の粒界は、セコエッチングにより顕在化される粒界であり、結晶粒界が見られるにもかかわらず、隣接する結晶粒間の面方位は、略同一の面方位となっている。
【０１７１】
以上、本発明を３つの実施例について具体的に説明してきたが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、前述の実施例では、ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面にニッケル塩を溶かせた水溶液を塗布する方法を採用したが、非晶質ケイ素膜の形成前に、下地膜１０２または２０２の表面にニッケルを導入しても同様の効果が得られる。すなわち、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素は、非晶質ケイ素膜の上側から導入されても、また下側から導入されてもよい。
【０１７２】
また、ニッケルの導入方法も、塗布法に限定されず、他の様々な手法を用いることができる。例えば、イオンドーピング法により直接導入する方法や、制御は難しいが蒸着法やメッキ法により極薄膜形成する方法なども利用できる。
【０１７３】
結晶化を助長する不純物金属元素としては、ニッケルに代えて、またはニッケルとともに、コバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、および／または金を用いても良い。
【０１７４】
また、上記の第1および第２実施例では、触媒元素が導入された非晶質ケイ素膜をレーザ光照射により結晶化させる手段として、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザを用いたが、第３実施例について述べたように本発明はこれに限定されない。パルスレーザとしても、上記の例に限定されず、例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザや、波長１９８ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いてよい。
【０１７５】
本発明が適用される半導体装置としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着型イメージセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込み素子や表示素子、三次元ＩＣ等が考えられる。本発明を適用することにより、これらの素子の高速、高解像度化等の高性能化が実現される。
【０１７６】
また、本発明による半導体装置を構成する素子はＭＯＳ型トランジスタに限定されない。本発明は、結晶性半導体を用いるバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタを含む幅広い半導体装置の製造に幅広く応用され得る。
【０１７７】
【発明の効果】
本発明によれば、一定の方向に対しては実質的に単結晶として機能する結晶構造が実現され、しかも、結晶粒界におけるトラップ準位も低減される。その結果、キャリア移動度が安定的に向上した結晶膜が得られ、ばらつきの少ない高性能の半導体素子を形成することができる。また、本発明によれば、半導体装置の製造歩留まりを向上させことができ、製品価格を低く抑えることが可能になる。
【０１７８】
更に、本発明によって液晶表示装置を製造する場合、アクティブマトリクス基板に要求される画素スィッチングＴＦＴのスィッチング特性の向上と、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化・高集積化とを達成できる。このため、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、低コスト化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法に好適に用いることができるレーザ照射装置の構成概略図である。
【図２】図１のレーザ照射装置におけるレーザ光のビーム強度プロファイルを示すグラフである。
【図３】（ａ）は、本発明の第１実施例を説明するための平面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、いずれも、結晶性ケイ素膜のライン状結晶粒と薄膜トランジスタとの配置関係を示す平面図である。
【図４】本発明の第１実施例の製造工程を示す工程断面図である。
【図５】（ａ）は、パルスレーザ光の走査方向を示す平面図である。（ｂ）〜（ｃ）は、本発明の第２実施例に係るＴＦＴの作製を説明するための平面図である。
【図６】本発明の第２実施例の製造工程を示す工程断面図である。
【図７】連続発振レーザ光による再結晶化工程を示す図である。
【図８】本発明によるライン状結晶粒の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０１、２０１ ガラス基板または石英基板
１０２、２０２ 下地膜
１０３、２０３ ケイ素膜
１０４、２０４ ニッケル
１０５、２０５ レーザ光
１０６ マスク膜
１０７ リン
１０８、２０８ ニッケルの移動（ゲッタリング）方向
１０９、２０９ ＴＦＴ活性領域（素子領域）
１１０、２１０ ゲート絶縁膜
１１１、２１１ ゲート電極
１１２ 陽極酸化層
１１３、２１３ チャネル領域
１１４、２１４ ソース領域
１１５、２１５ ドレイン領域
１１６ レーザ光
２１７ リン
２１８ ホウ素
２１９ ドーピングマスク
１２０、２２０ 層間絶縁膜
１２１、２２１ 電極・配線
１２２ Ｎチャネル型ＴＦＴ
２２３ Ｎチャネル型ＴＦＴ
２２４ Ｐチャネル型ＴＦＴ

Claims (23)

1. 結晶領域を含むケイ素膜を備えた半導体装置であって、
   前記ケイ素膜の結晶領域はキャリアの移動が制御される活性領域を含み、
   前記活性領域は、概略一方向に沿って並んだライン状結晶粒の群から構成され、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を含有し、
   前記ライン状結晶粒の群に属する個々の結晶粒と隣接する結晶粒との間には、小傾角結晶粒界が形成されている半導体装置。
2. 前記ケイ素膜は、絶縁表面を有する基板に支持されている請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ライン状結晶粒の群は、前記活性領域の一端から他端まで延びている請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記活性領域は、前記基板上に複数配列されている請求項２または３に記載の半導体装置。
5. 前記結晶粒界における結晶方位の傾角は、前記ケイ素膜の表面に平行な面内において１０°以下である請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記結晶粒界は、前記ケイ素膜のうち、セコエッチング法によってエッチングされる部分に位置し、
   前記結晶粒は、前記結晶粒界に囲まれた領域によって規定される請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 前記結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法による測定値で規定される請求項５に記載の半導体装置。
8. 前記活性領域でのキャリアの移動方向と、前記活性領域を構成しているライン状結晶粒が延びている方向とが概略平行になるようにレイアウトが規定されている請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置。
9. 前記活性領域に形成されたチャネル領域は、ニッケル元素を１×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の濃度で含有している請求項１から８のいずれかに記載の半導体装置。
10. 非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素を含有し、基板に支持されるケイ素膜を用意する工程と、
    前記ケイ素膜に対してパルスレーザ光を照射しながら、前記基板および／またはレーザ光を一方向に走査させ、それによって、前段パルスレーザ光の照射によって結晶化した領域の結晶性を反映した結晶領域を走査方向に沿って順次形成する結晶化工程と、
    を含み、
    前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の走査ピッチは、前記パルスレーザ光の照射によって溶融する領域が、前記結晶化した領域の結晶性を反映して再結晶化できるように設定されており、
    前記結晶化工程において、
    前記パルスレーザ光の走査方向に沿って測定された前記パルスレーザ光の強度プロファイルは、前記走査方向の後方に位置する領域で急峻に変化する矩形波形状を有しており、
    前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の強度は、前記ケイ素膜が膜厚方向の全体にわたって溶融するレベルにあり、
    前記結晶領域は概略一方向に沿って並んだライン状結晶粒の群から構成された活性領域を含み、
    前記ライン状結晶粒の群に属する個々の結晶粒の格子と隣接する結晶粒の格子は、それらの間に位置する結晶粒界を介して、原子レベルで連続している、半導体装置の製造方法。
11. 非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素を含有し、基板に支持されるケイ素膜を用意する工程と、
    前記ケイ素膜に対してパルスレーザ光を照射しながら、前記基板および／またはレーザ光を一方向に走査させ、それによって、前段パルスレーザ光の照射によって結晶化した領域の結晶性を反映した結晶領域を走査方向に沿って順次形成する結晶化工程と、
    を含み、
    前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の走査ピッチは、前記パルスレーザ光の照射によって溶融する領域が、前記結晶化した領域の結晶性を反映して再結晶化できるように設定されており、
    前記結晶化工程において、
    前記パルスレーザ光の走査方向に沿って測定された前記パルスレーザ光の強度プロファイルは、前記走査方向の後方に位置する領域で急峻に変化する矩形波形状を有しており、
    前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の強度は、前記ケイ素膜が膜厚方向の全体にわたって溶融するレベルにあり、
    前記結晶領域は概略一方向に沿って並んだライン状結晶粒の群から構成された活性領域を含み、
    前記ライン状結晶粒の群に属する個々の結晶粒と隣接する結晶粒との間には、小傾角結晶粒界が形成されている、半導体装置の製造方法。
12. 非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素を含有し、基板に支持されるケイ素膜を用意する工程と、
    前記ケイ素膜に対してパルスレーザ光を照射しながら、前記基板および／またはレーザ光を一方向に走査させ、それによって、前段パルスレーザ光の照射によって結晶化した領域の結晶性を反映した結晶領域を走査方向に沿って順次形成する結晶化工程と、
    を含み、
    前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の走査ピッチは、前記パルスレーザ光の照射によって溶融する領域が、前記結晶化した領域の結晶性を反映して再結晶化できるように設定されており、
    前記結晶化工程において、
    前記パルスレーザ光の走査方向に沿って測定された前記パルスレーザ光の強度プロファイルは、前記走査方向の後方に位置する領域で急峻に変化する矩形波形状を有しており、
    前記結晶化工程における前記パルスレーザ光の強度は、前記ケイ素膜が膜厚方向の全体にわたって溶融するレベルにある半導体装置の製造方法。
13. 前記ケイ素膜を用意する工程は、
    絶縁表面を有する部材上にケイ素膜を堆積する工程と、
    前記ケイ素膜に対して、前記触媒元素を導入する工程とを含む請求項１０から１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記パルスレーザ光の走査ピッチは、０．１μｍから１μｍの範囲にある請求項１０から１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記パルスレーザ光の前記ケイ素膜表面におけるビーム断面形状は概略長尺矩形状であり、
    前記パルスレーザ光の走査方向は、前記ビーム断面形状の長尺方向に垂直に設定される請求項１０から１２、および１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記パルスレーザ光の強度プロファイルは、光源から出射されたパルスレーザ光のうち、前記走査方向に沿って後方に位置する端部を遮断することにより得られたものである請求項１０から１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記光源から出射されたパルスレーザ光の遮断される部分は、前記強度プロファイルのうち、前記ケイ素膜の結晶化に必要なレベルよりも低いレベルを持つ部分である請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記パルスレーザ光として波長が４００ｎｍ以下のエキシマレーザ光を用い、前記ケイ素膜の表面上でのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ²以上となるように照射条件を設定する請求項１０から１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
19. 前記レーザ光の走査方向に対して、
    前記活性領域においてキャリアの流れる方向が前記レーザ光の走査方向に対して概略平行となるようにレイアウトが規定されている請求項１０から１８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
20. 前記触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、およびＡｕからなる群から選択された少なくとも一つの元素を用いる請求項１０から１９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
21. 前記結晶化工程の後において、前記ケイ素膜のうちチャネル領域として最終的に機能する領域以外の領域に対して、５Ｂ族から選択された元素を導入する工程と、
    加熱処理により、５Ｂ族から選択された元素が導入された領域へ前記触媒元素を移動させ、それによって前記触媒元素の前記チャネル領域中における濃度を相対的に低下させる工程と、
    を更に含む請求項１０から１８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
22. 前記加熱処理による前記触媒元素の移動の方向は、
    前記レーザ光の走査方向と概略平行であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体装置の製造方法。
23. ５Ｂ族から選ばれた前記元素として、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＢｉからなる群から選択された少なくとも一つの元素を用いる請求項２１または２２に記載の半導体装置の製造方法。

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