JP4619490B2 - 半導体装置の検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶構造を有する半導体膜をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを有する半導体装置、及び当該半導体装置の検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚さ数ｎｍから数百ｎｍ程度の結晶構造を有する半導体膜（以下、結晶質半導体膜という）を用いて、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）を作製する技術が開発されている。ＴＦＴは液晶表示装置に用いるスイッチング素子として実用化が進み、ガラス基板上に半導体集積回路を形成することが可能になっている。
【０００３】
工業化という観点から、結晶質半導体膜の材料は主としてシリコンが用いられている。結晶構造を有するシリコン膜（以下、結晶質シリコン膜という）は、プラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法により、ガラスまたは石英などの基板上に堆積した非晶質シリコン膜を、加熱処理、或いはレーザー光の照射（以下、本明細書中においてレーザー処理という）により結晶化したものが利用されている。
【０００４】
このような方法で作製される結晶質シリコン膜は、多結晶構造となり、結晶方位はランダムに配向して、特定の結晶方位に対する配向率は必ずしも高くなかった。例えば、加熱処理またはレーザー処理により得られる結晶質シリコン膜は、複数の結晶粒が析出し、｛１１１｝に配向する傾向がある。反射電子回折パターンから求められる｛１１１｝格子面に配向する割合は、全体の２０％を越えることはなかった。参考までに、同測定を（１１１）面の単結晶シリコン基板について行うと、その面の配向率は１００％となる。従って、このような結晶質シリコン膜を用いたＴＦＴは、単結晶シリコン基板を用いたＭＯＳトランジスタの特性と比べ劣っていた。ガラスや石英などの異種材料上に厚さ数ｎｍから数百ｎｍ程度の半導体膜を結晶化させても、複数の結晶粒が集合して成る多結晶構造しか得ることが出来ず、結晶粒中及び結晶粒界に存在する欠陥によりキャリアがトラップされ、ＴＦＴの性能を律速する要因となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、液晶表示装置に代表される半導体装置は、一辺が数ｃｍ〜数十ｃｍの絶縁基板上に、ラインアンドスペースで１〜１０μｍの設計ルールで、結晶質半導体膜から数百万のＴＦＴを形成し、画素部や駆動回路を実現している。
【０００６】
しかし、同一基板の面内で、或いは、複数のロット間でＴＦＴの特性がばらつき、駆動電圧の変動や消費電力の変動などが発生し、規格値に入らなければ不良品となり、製品の歩留まりを低下させることが問題となっていた。例えば、液晶表示装置において、駆動回路の一部のＴＦＴに欠陥があると、画像表示では線欠陥となって現れていた。また、画素の一部のＴＦＴに欠陥があると点欠陥となって現れていた。
【０００７】
勿論、このような不良の発生は、汚染であったり、パターン形成やコンタクトの不良であったりして、その要因は様々にあることが知られている。その中で、ＴＦＴの電気的特性に直接的に影響する結晶質シリコン膜の結晶性を、素子形成後に評価して、電気的特性と関連付ける技術は必ずしも確立されていなかった。
【０００８】
結晶性はＸ線回折、ラマン分光法、電子線回折などにより評価することができるが、得られる情報は限られていて、結晶方位の分布や配向率を広い面積に渡って統計的に評価する手段はなかった。
【０００９】
また、上記の如く結晶の配向率が低い場合、異なる結晶方位の結晶が隣接する結晶粒界で、格子の連続性を保持することが殆ど不可能となり、不対結合手が多く形成されてしまう。粒界にできる不対結合手はキャリア（電子・ホール）の捕獲中心となり、輸送特性を低下させている。即ち、キャリアが散乱されたりトラップされたりするため、このような結晶質半導体膜でＴＦＴを作製しても高い電界効果移動度を期待することができない。また、結晶粒界はランダムに存在するため、チャネル形成領域を特定の結晶方位をもつ結晶粒で形成することが不可能であり、ＴＦＴの電気的特性をばらつかせる要因となっている。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決する手段を提供することを目的とし、ＴＦＴ形成後にその活性領域を形成する結晶質半導体膜の結晶性を評価する手段を提供することを第一の目的とする。また、非晶質半導体膜を結晶化して得られる結晶質半導体膜の配向性を高め、そのような結晶質半導体膜を用いたＴＦＴを提供することを第二の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
結晶方位の分布は反射電子回折パターン（ＥＢＳＰ：Electron Backscatter diffraction Pattern）により求める（以下、便宜上ＥＢＳＰと呼ぶ）。ＥＢＳＰは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscopy）に専用の検出器を設け、一次電子の後方散乱から結晶方位を分析する手法である。ＥＢＳＰ法の測定方法は図２により説明される。電子銃（ショットキー型電界放出電子銃）２０１、鏡体２０２、試料室２０３は通常の走査型電子顕微鏡と同じ構成である。ＥＢＳＰを測定するにはステージ２０４を６０度程度の傾きを設け試料２０９を設置する。この状態で試料に向かい合うように検出器２０６のスクリーン２０５を挿入する。
【００１２】
ここで、結晶構造を持った試料に電子線が入射すると、後方にも非弾性散乱が起こり、その中には試料中でブラッグ回折による結晶方位に特有の線状パターン(一般に菊地像と呼ばれる)も合わせて観察される。ＥＢＳＰ法は検出器スクリーンに映った菊地像を解析することにより試料の結晶方位を求めている。
【００１３】
図３は基板２２１上に形成された多結晶構造の結晶質半導体膜２２２を示している。多結晶構造は各結晶粒が異なった結晶方位を持っていることを前提としている。試料の電子線の当たる位置を移動させつつ方位解析を繰り返す(マッピング測定)ことで、面状の試料について結晶方位または配向の情報を得ることができる。入射電子線の太さは、走査型電子顕微鏡の電子銃のタイプにより異なるが、ショットキー電界放射型の場合、１０〜２０ｎｍの非常に細い電子線２２３が照射される。マッピング測定では、測定点数が多いほど、また測定領域が広いほど、結晶配向のより平均化した情報を得ることができる。例えば、１００×１００μｍ2の領域で、１００００点（１μｍ間隔）〜４００００点（０．５μｍ間隔）の程度の測定を行うことができる。
【００１４】
マッピング測定により各結晶粒の結晶方位がすべて求まると、膜に対する結晶配向の状態を統計的に表示できる。図４（Ａ）にＥＢＳＰ法により求められる逆極点図の例を示す。逆極点図は多結晶体の優先配向を表示する際によく用いられるもので、試料のある特定の面(ここでは膜表面)が、どの格子面に一致しているかを集合的に表示したものである。
【００１５】
図４（Ａ）の扇形状の枠は一般に標準三角形と呼ばれるもので、この中に立方晶系における全ての指数が含まれている。またこの図中における長さは、結晶方位における角度に対応している。たとえば｛００１｝と｛１０１｝の間は４５度、｛１０１｝と｛１１１｝の間は３５．２６度、｛１１１｝と｛００１｝の間は５４．７４度である。また、白抜きの点線は｛１０１｝からのずれ角５度及び１０度の範囲を示している。
【００１６】
図４（Ａ）は、マッピングにおける全測定点(この例では１１６５５点)を標準三角形内にプロットしたものである。｛１０１｝付近で点の密度が濃くなっていることがわかる。図４（Ｂ）は、このような点の集中度を等高線表示したものである。ここで数値は各結晶粒が完全に無秩序な配向だと仮定した場合、すなわち標準三角形内に点を偏りなく分布させた場合に対する倍率を示しており無次元数である。
【００１７】
このように特定の指数（ここでは｛１０１｝）に優先配向している事がわかった場合、その指数近傍にどの程度の結晶粒が集まっているか、その割合を数値化することで、優先配向の度合いをよりイメージしやすくなる。例えば図４（Ａ）に例示した逆極点図において｛１０１｝からのずれ角５度及び１０度の範囲（図中に白点線で示す）に存在する点数の全体に対する割合を配向率として次式により求めて示すことができる。
【００１８】
【数１】
【００１９】
この割合は、次のように説明することもできる。図４（Ａ）のように｛１０１｝付近に分布が集中している場合、実際の膜においては図６のように、各粒の＜１０１＞方位は基板に概略垂直であるが、その周りにやや揺らぎを持って並んでいることが予想される。この揺らぎの角に許容値を５度、１０度と設け、それより小さいものの割合を数値で示してゆくのである。たとえば図５では、ある結晶粒の＜１０１＞方位は、許容５度の範囲には含まれないが、許容１０度の範囲には含まれていることになる。後述のデータにおいては、以上に説明したように許容ずれ角を度及び１０度と定め、それを満たす結晶粒の割合を求める。
【００２０】
本発明は、ＥＰＳＰを用いて、基板上に形成された半導体膜を有する半導体装置に対し、当該基板を化学的機械研磨により薄板化する処理と、薄板化した当該基板をエッチングにより除去して、或いは、薄板化した当該基板と、当該基板と半導体膜の間の絶縁層とをエッチングにより除去して、前記半導体膜の表面を露出させる処理とを有し、露出した半導体膜の表面に電子線を照射して、ＥＢＳＰから結晶方位を測定することを特徴としている。
【００２１】
特に、本発明は、基板上に形成された結晶質半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタを有する半導体装置に対し、当該チャネル形成領域のＥＢＳＰを測定するのに適している。ＥＢＳＰを得るためには半導体膜の表面に照射する電子線の断面積はチャネル形成領域の面積よりも小さくしておく。具体的には、半導体膜の表面に照射する電子線の直径は５０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
また、他の発明の構成は、基板上に形成されたシリコンを主成分とする半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタを有する半導体装置において、当該基板を化学的機械研磨及びエッチングにより除去して半導体膜の表面を露出させ、半導体膜の表面に電子線を照射して、ＥＢＳＰから求められる｛１０１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が２０％以上であり、或いは、｛１０１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が５度以内である割合が５％以上であり、かつ、｛００１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が３％以下であり、かつ、｛１１１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が５％以下であり、かつ、半導体膜に含まれる窒素及び炭素の濃度が１×１０19／ｃｍ3以下であり、酸素の濃度が３×１０19／ｃｍ3以下であることを特徴としている。
【００２３】
本発明の一形態として、シリコンを主成分とする半導体膜には、ゲルマニウムが０．１原子％以上１０原子％以下の濃度で含まれている半導体材料が適用される。さらに、当該ゲルマニウムの半導体膜中における分布は、半導体膜の基板側の表面に対し、その反対側の面におけるゲルマニウム濃度が高くなっているものが適用されうる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
[実施形態１]
本発明において、半導体装置の活性領域を形成する半導体膜の結晶方位を観測するための手段としてＥＢＳＰを用いる。基板上に形成された半導体膜の結晶方位を観測するために、基板を除去して当該半導体膜の基板側の面から電子線を照射して結晶方位の測定を行う。
【００２５】
図１はＴＦＴを構成する結晶質半導体膜からＥＢＳＰを得る方法を示している。結晶質半導体膜１０４は基板上に形成されていたものであるが、当該基板は除去されていて、電子線１０１が照射される面は半導体膜の基板側の面である。
【００２６】
結晶質半導体膜１０４は、介在する絶縁層及び導電層を介して固定板１０２に導電性樹脂１０３により接着されている。導電性樹脂１０３は、結晶質半導体膜１０４に接続する電極１０５と電気的な導通を形成している。そして、導電性材料で形成される固定板１０２を接地することにより、結晶質半導体膜１０４が電子線の照射によりチャージアップすることを防いでいる。
【００２７】
結晶質半導体膜１０４は電子線１０１に対して６０度程度の傾きを設けて設置され、後方散乱電子を検出して結晶方位を求める手段は前述の如くである。電子線１０１は、５０ｎｍ以下、好ましくは１０〜２０ｎｍのビーム径であり、ＴＦＴのチャネル形成領域よりも小さい。そして、電子線の当たる位置を移動させながら方位解析を繰り返すマッピング測定を行えば、チャネル形成領域の結晶方位または配向の情報について詳細に得ることができる。
【００２８】
次に図７を用いてＴＦＴを形成する結晶質半導体膜におけるＥＢＳＰを得るための試料を調整する方法を説明する。
【００２９】
図７（Ａ）において示すＴＦＴは、基板３０１上にシリコンを主成分とする絶縁材料で形成されるブロッキング層３０２、結晶質半導体膜３０３、ゲート絶縁膜３０６、ゲート電極３０７、層間絶縁膜３０８、ソースまたはドレイン電極３０９、パッシベーション膜３１０などが形成されている。結晶質半導体膜３０３にはチャネル形成領域３０４、一導電型の不純物が添加された不純物領域３０５などが形成されている。
【００３０】
最初に、ＦＩＢ（Focused Ion Beam：集束イオンビーム）法で電極３０９上に開孔を形成するために、パッシベーション膜３１０上に金属層３１１を形成する。これは、イオンビームの照射による試料のチャージアップや損傷を防ぐためであり、タングステンや白金などを付けておく。イオンビーム３１２は細く絞ったガリウム（Ｇａ）イオンを照射して開孔３１３を形成し、ソースまたはドレイン電極３０９の表面を露出させる。
【００３１】
次に図７（Ｂ）に示すように、カーボンペーストや銀ペーストなどの導電性樹脂３１４を用いて試料を固定板３１５に接着する。固定版３１５はアルミニウムや銅などの導電体を用い、導電性樹脂３１４を開孔３１３に充填して接着することにより、結晶質半導体膜３０３が固定板３１５とソースまたはドレイン電極３０９を介して導通し、接地させることができる。本発明ではこのようにして、反射電子回折パターンにおける結晶質半導体膜のチャージアップを防止する。
【００３２】
図７（Ｃ）では基板３０１やブロッキング層を除去して結晶質半導体膜３０３の基板側の面を露出させる処理を行っている。基板３０１を除去するための手段としてＣＭＰ（Chemical-Mechanical Polishing：化学的・機械研磨）法を用いる。ガラス基板若しくは石英基板に対するＣＭＰの研磨材（スラリー）には、例えば、塩化シリコンガスを熱分解して得られるフュームドシリカ粒子をＫＯＨ添加水溶液に分散したものを用いる。ＣＭＰにより、基板３０１を約１００〜５００μm程度残るように研磨して除去する。その後、フッ酸またはフッ化アンモニウム溶液により化学エッチングして残りの基板とブロッキング層３０２を除去する。
【００３３】
こうして、図７（Ｄ）に示すように結晶質半導体膜３０３の基板側の面を露出させることができる。結晶質半導体膜３０３は図３（Ａ）で説明した絶縁膜や電極を介して固定板３１５に固着され、かつ、導電性樹脂３１４により電気的接続がなされている。この状態の試料を用いて図１で説明したようにＥＢＳＰを得て、結晶質半導体膜３０３の結晶方位を評価することができる。
【００３４】
ＴＦＴにおいて、結晶方位の測定は、結晶質半導体膜のチャネル形成領域に対して行う。この領域の結晶性はＴＦＴの電気的特性に重大な影響を与える。チャネル形成領域はデザインルールにもよるが、ガラス基板上に形成されるＴＦＴでは、チャネル長２〜２０μｍ、チャネル幅５〜２００μｍ程度の寸法で形成されている。図８はこの様子を示すものであり、結晶質半導体膜４０１にはチャネル形成領域４０２、一導電型の不純物が添加された不純物領域４０３が形成されている。不純物領域４０３はコンタクト４０５により絶縁層を介して形成された電極４０４と接触している。
【００３５】
反射電子回折パターンにおける電子ビームの径はショットキー型電界放出電子銃でれば５０ｎｍ以下、好ましくは１０〜２０ｎｍであり、上述のチャネル形成領域の面積に対して十分小さい。従って、複数の結晶粒から成るチャネル形成領域の結晶方位を調べるには、ビームスポット４０７をチャネル長方向及びチャネル幅方向にスキャンさせて複数個のデータを収集して統計的に処理することができる。例えば、１０×５０μｍ2のチャネル形成領域に対して、１μｍ間隔で測定を行い５００個のデータを得ることができる。さらに、このような処理を複数個のＴＦＴに対して行い、さらに詳細でかつ精度の高い分析を行うことができる。
【００３６】
図１０は反射電子回折パターンによる結晶方位の測定例であり、石英基板に６００℃にて２０時間の加熱処理により作製した結晶質シリコン膜の逆極点図を示している。この試料では｛１１１｝に強く配向していて、許容値１０度以内の割合は１２％となっている。また、図１１はシリコンの結晶化を助長する金属元素を用い、５５０℃にて４時間の熱処理により作製された結晶質半導体膜の逆極点図を示している。この試料において｛１０１｝面の配向が強く現れていることが観測され、許容値１０度以内の割合やはり１２％となっている。図１０及び図１１に示す逆極点図では、その他に｛００１｝と｛１１１｝の中間にある｛３１１｝面に配向している傾向が見られている。
【００３７】
こうした反射電子回折パターンにおいて、チャネル形成領域に特定して結晶の配向を調べるためには、電子線を当てる位置を正確に決める必要がある。図８で示すように、ＴＦＴを形成する結晶質半導体膜にはチャネル形成領域の他に不純物領域が形成されており、外見上は何ら区別が付かない。図９はこのような問題点を解決するための測定装置の一例を示している。
【００３８】
電子銃（ショットキー型電界放出電子銃）５０１、鏡体５０２、試料室５０３は図２と同様な構成である。試料５１０はステージ５０４にセットされ、試料表面に対して約６０度の位置に反射電子回折像を得るためのスクリーン２０５と検出器２０６を設置する。他方には、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ:Energy Dispersion X-ray Spectroscopy）用の検出器５０８が設けられ、組成分析を可能としている。こうして、電子線５０９が当たる位置を固定して、同じ位置における反射電子回折の測定とＥＤＸによる組成分析とを同時に、または交互に行うことができる。不純物領域にはリンやボロンなど半導体の導電型を制御する元素が０．１〜２０原子％程度含まれているので、ＥＤＸによってチャネル形成領域の位置を判別することができる。
【００３９】
以上のようにして、基板上に形成された結晶質半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタを有する半導体装置において、当該チャネル形成領域の結晶方位を測定することができる。
【００４０】
[実施形態２]
本発明により作製されるＴＦＴは、チャネル形成領域を｛１０１｝の配向率が高い結晶質半導体膜で形成することを特徴としている。基板上に形成され｛１０１｝の配向率の高い結晶質半導体膜は、例えば、シリコンを主成分とし、ゲルマニウムを０．１〜１０原子％含有する半導体材料により実現することができる。しかし、このような結晶質半導体膜を実現する上で、ゲルマニウムの存在が必ずしも本質的な要因ではなく、シリコンのネットワークに入り、或いは影響を及ぼして、内部応力を緩和するものであれば、他の元素で代替することも可能である。
【００４１】
本実施形態では、その一例としてゲルマニウムを含有するシリコン膜を一例として示す。｛１０１｝の配向率が高い結晶質半導体膜を得るには、シリコン原子及びゲルマニウム原子の水素化物またはフッ化物または塩化物によるガスを用い、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法により作製される非晶質半導体膜の表面に該非晶質半導体膜の結晶化を助長する金属元素を導入し、当該金属元素を利用して加熱処理をして結晶化させ結晶質半導体膜を形成する。
【００４２】
図１２で説明する結晶質半導体膜の作製方法は、ゲルマニウムを含む非晶シリコン膜の全面にシリコンの結晶化を助長する金属元素を添加して結晶化を行う方法である。まず、図１２（Ａ）において、基板はアルミナホウケイ酸ガラスやバリウムホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガラス基板が適している。代表的にはコーニング社の＃７０５９ガラス基板や＃１７３７ガラス基板を用いる。その他に石英基板やサファイア基板を用いても良い。或いは、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム・砒素などの半導体基板の表面に絶縁膜を形成し、これを基板としても良い。このような基板６０１の表面には、ブロッキング層６０２としてプラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4とＮ2Ｏを用い酸化窒化シリコン膜を５０〜２００ｎｍの厚さに形成する。その他の形態として、プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4とＮＨ3とＮ2Ｏから作製される酸化窒化シリコン膜を５０ｎｍ、ＳｉＨ4とＮ2Ｏから作製される酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍ積層させた２層構造や、或いは、窒化シリコン膜とＴＥＯＳ（Tetraethyl Ortho Silicate）を用いて作製される酸化シリコン膜を積層させた２層構造としても良い。
【００４３】
非晶質半導体膜の形成は、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法、その他適宣の方法により行う。プラズマＣＶＤ法を適用する場合には、ＳｉＨ4とＧｅＨ4とから成る反応ガス、或いは、ＳｉＨ4とＨ2で希釈したＧｅＨ4成る反応ガスを加えて反応室に導入し、１〜２００ＭＨｚの高周波放電により分解し基板上に非晶質半導体膜を堆積させる。反応ガスは、ＳｉＨ4の代わりにＳｉ2Ｈ6またはＳｉＦ4を、ＧｅＨ4の代わりにＧｅＦ4を採用しても良い。減圧ＣＶＤ法を用いる場合にも同様な反応ガスを適用することが可能であり、好ましくはＨｅで反応ガスを希釈して、４００〜５００℃の温度で基板上に非晶質半導体膜を堆積する。いずれにしても、本発明で用いる上記ガスは、堆積される非晶質半導体膜に取り込まれる酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度を低減するために高純度に精製されたものを用いる。堆積される非晶質半導体膜の厚さは２０〜１００ｎｍの範囲とする。
【００４４】
表１はプラズマＣＶＤ法で作製する非晶質半導体膜の作製条件を示す。高周波電力は０．３５Ｗ／ｃｍ2（２７ＭＨｚ）であるが、繰り返し周波数１０ｋＨｚ（デューティ比３０％）のパルス放電に変調して平行平板型のプラズマＣＶＤ装置の陰極に給電している。その他、共通条件として反応圧力３３．２５Ｐａ、基板温度３００℃、電極間隔３５ｍｍとしている。ゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜２０３の酸素、窒素、炭素などの不純物を極力低減するために、ＳｉＨ4の純度は９９．９９９９％以上のものを、またＧｅＨ4は窒素、炭化水素化合物が１ｐｐｍ以下、ＣＯ2が２ｐｐｍ以下の高純度品を用いる。また、プラズマＣＶＤ装置の仕様としては、反応室の容積１３Ｌの反応室に対し、一段目に排気速度３００Ｌ／秒の複合分子ポンプ、二段目に排気速度４０ｍ3／ｈｒのドライポンプを設け、排気系側から有機物の蒸気が逆拡散してくるのを防ぐと共に、反応室の到達真空度を高め、非晶質半導体膜の形成時に不純物元素が膜中に取り込まれることを極力防いでいる。
【００４５】
【表１】
【００４６】
こうして作製されるゲルマニウムを含む非晶シリコン膜６０３は、ゲルマニウムを０．１原子％〜１０原子％未満、好ましくは１〜５原子％の範囲で含有している。ゲルマニウムの含有量は、代表的な反応ガスとして用いられるＳｉＨ4とＧｅＨ4の混合比により調節することができる。非晶質シリコン膜に含まれる窒素、炭素、酸素のそれぞれの含有量は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定されている。図２０はその結果を示す。測定に用いた試料は、シリコン基板上に#ＳＮ、#ＳＧＮ５、#ＳＧＮ１０の順に積層したものであるが、いずれの成膜条件においても窒素、炭素の含有量は５×１０18／ｃｍ3未満、酸素の含有量は1×１０19／ｃｍ3未満である。
【００４７】
上記のように形成した非晶質半導体膜の表面に、該非晶質半導体膜の結晶化を助長する金属元素を導入する。金属元素としてはその他に、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスニウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）から選ばれた一種または複数種の金属元素を用いる。これら金属元素は、本明細書に記載する何れの発明においても非晶質半導体膜の結晶化を助長する金属元素として使用することができる。上記いずれの金属元素を用いても同質、同様の効果を得ることができるが、代表的にはニッケルを用いる。具体的には、図１２（Ｂ）で示すように、重量換算で１０ｐｐｍのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピナーで塗布してニッケル含有層６０４を形成する。この場合、当該溶液の馴染みをよくするために、ゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜６０３の表面処理として、オゾン含有水溶液で極薄い酸化膜を形成し、その酸化膜をフッ酸と過酸化水素水の混合液でエッチングして清浄な表面を形成した後、再度オゾン含有水溶液で処理して極薄い酸化膜を形成しておく。シリコンの表面は本来疎水性なので、このように酸化膜を形成しておくことにより酢酸ニッケル塩溶液を均一に塗布することができる。
【００４８】
これらの金属元素を導入する方法は、当該金属膜を非晶質半導体膜の表面又は内部に存在させる手法であれば特に限定はなく、例えば、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理法（含むプラズマＣＶＤ法）、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法などを使用することができる。プラズマ処理法は、不活性ガスによるグロー放電雰囲気において、陰極からスパッタされる当該金属元素を利用する。また、金属塩の溶液を塗布する方法は簡易であり、金属元素の濃度調整が容易である点で有用である。
【００４９】
そして、当該金属元素を利用して非晶質半導体膜の結晶化を行う。結晶化は加熱処理、レーザー光または紫外線、赤外線などの強光の照射によって行う。加熱処理のみでも｛１０１｝に優先的に配向する結晶質シリコン膜を得ることができるが、好ましくは、加熱処理を行いその後レーザー光などの強光の照射を行う方法を適用する。加熱処理後のレーザー処理は、結晶粒内に残される結晶欠陥を修復し消滅させることができ、作製される結晶の品質を向上させる目的に対して有効な処置となる。
【００５０】
加熱処理は４５０〜１０００℃の範囲で行うことが可能であるが、温度の上限は使用する基板の耐熱温度が一つの上限として考慮される。ガラス基板の場合にはその歪み点以下が上限温度の一つの根拠となる。例えば、歪み点６６７℃のガラス基板に対しては、６６０℃程度が限度と見るべきである。必要とされる時間は加熱温度や、その後の処理条件（例えばレーザー光を照射する処理の有無など）により適宣設定するが、好適には５５０〜６００℃にて４〜２４時間の加熱処理を行う。また、その後レーザー処理を行う場合には、５００〜５５０℃にて４〜８時間の熱処理を行う。以上の加熱処理は空気中や水素雰囲気中でも良いが、好適には窒素或いは不活性ガス雰囲気中にて行う。こうして、図１２（Ｃ）に示す結晶質半導体膜６０５が形成される。
【００５１】
結晶化率（膜の全体積における結晶成分の割合）を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するために、結晶質半導体膜６０５に対してレーザー光６０６を照射するレーザー処理を行う。レーザー処理は、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザーや、ＹＡＧまたはＹＶＯ4レーザーの第２高調波（波長５３２ｎｍ）〜第４高調波（波長２６６ｎｍ）を光源として用いて行う。これらのレーザー光は光学系にて線状またはスポッ状に集光し、そのエネルギー密度を１００〜７００ｍＪ／ｃｍ2として照射し、上記のように集光したレーザービームを基板の所定の領域に渡って走査させ処理を行う。その他、レーザーの代わりに、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプなどを光源としても良い。
【００５２】
レーザー処理の条件は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８nm）を用い、照射エネルギー密度３００〜６００ｍＪ／ｃｍ2、重ね合わせ率９０〜９５％で照射する。レーザー処理は加熱処理により結晶化した膜の未結晶化部分の結晶化や、結晶粒内に欠陥を補修するために行う。また、この処理により結晶化率を向上させることができる。こうして、図１２（Ｄ）に示す｛１０１｝の配向率の高い結晶質半導体膜６０７を得ることができる。レーザー処理を行うことにより、膜中におけるゲルマニウムの分布は変化し、表面に偏析することがＳＩＭＳにより測定されている。図１６（Ａ）は加熱処理を行った後の状態であり、結晶質シリコン膜中においてほぼ一定の濃度で分布している。一方、図１６（Ｂ）、（Ｃ）は異なるレーザー処理条件で作製された試料の特性であり、結晶質シリコン膜の表面側（基板側とは反対側の面）に偏析していることを示している。
【００５３】
以上のような工程により、本発明の如き｛１０１｝面の配向率が高い結晶質半導体膜が得ることができる。図１７は本実施形態により作製されたゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜のＥＢＳＰの一例であり、｛１０１｝格子面が半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が５３％という結果が得られている。このような配向率の高い結晶質シリコン膜が得られるメカニズムは、現段階で必ずしも明らかではないが、概略以下のように推測することができる。
【００５４】
まず、結晶化は４００〜５００℃の加熱処理により金属元素とシリコンが反応してシリサイドが形成され、これが結晶核となりその後の結晶成長に寄与する。例えば、代表的な金属元素としてニッケルを用いた場合、ニッケルシリサイド（以下、ＮｉＳｉ2と記する）が形成される。ＮｉＳｉ2の構造はホタル石型構造であり、ダイアモンド型構造のシリコン格子間にニッケル原子を配置した構造となっている。ＮｉＳｉ2からニッケル原子が無くなるとシリコンの結晶構造が残ることになる。数々の実験の結果から、ニッケル原子は非晶質シリコン側に移動していくことが判明しており、この理由は非晶質シリコン中の固溶度の方が結晶シリコン中のそれよりも高いためであると考えられる。従って、恰もニッケルが非晶質シリコン中を移動しながら結晶シリコンを形成するというモデルを立案することができる。
【００５５】
ＮｉＳｉ2は特定の配向性を持たないが、非晶質半導体膜の厚さを２０〜１００ｎｍとすると基板表面に対し平行な方向しか殆ど成長することが許されなくなる。この場合、ＮｉＳｉ2と結晶シリコンの（１１１）面とが接する界面エネルギーが最も小さいので、結晶質シリコン膜の表面と平行な面は（１１０）面となり、この格子面が優先的に配向する。結晶成長方向が基板表面に対し平行な方向に、しかも柱状に成長する場合には、その柱状結晶を軸とした回転方向には自由度が存在するため、必ずしも（１１０）面が配向するとは限らないため、その他の格子面も析出すると考えられる。
【００５６】
本発明は、結晶質半導体膜の｛１０１｝格子面の配向を高めるために、柱状結晶の回転方向に制約を与え、自由度を低減させる手段として非晶質シリコンに０．１〜１０原子％のゲルマニウムを含有させる手段を見いだしたものである。勿論、前述のようにゲルマニウムの存在が必ずしも本質的な要因ではなく、シリコンのネットワークに入り、或いは影響を及ぼして、内部応力を緩和するものであれば、他の元素で代替することも可能である。
【００５７】
ゲルマニウムを一例とすれば、非晶質シリコンに０．１〜１０原子％のゲルマニウムを含有させると結晶核の発生密度が低下することが観測されている。図１５はその結果を示し、非晶質シリコン膜の成膜時に添加するＧｅＨ4の量が増加するに従い、即ち、非晶質シリコン膜に取り込まれるゲルマニウムの濃度が増加するに従い、結晶核密度が低下している傾向が示されている。結晶核であるＮｉＳｉ2が形成されるとき、原子間距離の違いによりゲルマニウムは排除されつつ上述の結晶成長が起こっていることが予想される。従って、ゲルマニウムは柱状結晶の外側に偏析するような形となり、その存在が柱状結晶を軸とした回転方向の自由度を低下させていると推定する。その結果、｛１０１｝面の配向率の高い結晶質半導体膜を得ることが可能となる。
【００５８】
表１で示す#ＳＧＮ３０、#ＳＧＮ１０、#ＳＧＮ５、#ＳＮ、#ＨＳの各条件で成膜された非晶質半導体を上記結晶化の方法により得られた結晶質半導体膜の配向率を反射電子回折パターンにより求めた結果を表２に示す。表２では、各種試料について｛１０１｝、｛００１｝、｛１１１｝、｛１１３｝の配向率を、各格子面が膜表面となす角度が５度以内、及び１０度以内の範囲にある割合を求めた結果を示している。表２において#ＨＳはの試料は｛１１３｝と｛１１１｝の配向率が高く、それぞれ１８％（１０度以内）、１２％（１０度以内）となっている。また、#ＳＮでは｛１０１｝と｛３１１｝の配向率が高くなっている。｛３１１｝は対称性の立場から等価な格子面の数が他と比較して最も多く、ランダムに配向する多結晶体では発生する確率がその分高くなる。
【００５９】
【表２】
【００６０】
一方、ゲルマニウムを添加した#ＳＧＮ３０、#ＳＧＮ１０、#ＳＧＮ５においても試料内の比較において傾向が見られ、膜中に含有するゲルマニウム濃度により結晶の配向が変化することを示している。#ＳＧＮ１０、#ＳＧＮ５で特に注目される傾向は、他の格子面に対して｛１０１｝格子面の配向が強く、#ＳＧＮ１０ではずれ角１０度以内が３１％、５度以内でも１４％となっている。また、#ＳＧＮ５ではずれ角１０度以内が２０％、５度以内で６％となっている。このような｛１０１｝格子面に対する高い配向率はゲルマニウムを添加しない他の試料では達成されない新規な効果が得られている。
【００６１】
しかし、#ＳＧＮ３０において、膜中に含有するゲルマニウムの含有量が１１原子％に増加すると｛１０１｝格子面の配向率は低下してしまうことが示されている。また、#ＳＧＮ５において１．５原子％に低下しても配向率が２０％低下している。従って、この結果が意味するところは、｛１０１｝の配向率を高めるためには非晶質シリコン膜中に含有させるゲルマニウムの濃度には適した範囲があり、その濃度範囲は０．１原子％から１０原子％、好ましくは１〜５原子％程度であることがわかる。
【００６２】
さらに、このような結晶質半導体膜の構造をＸ線回折から評価した。Ｘ線回折法では、回折角2θをスキャンしながら回折強度の測定を行う。このとき強度がピークとなった2θの測定からブラッグの式(2d sinθ=λ、λはＸ線の波長)格子面間隔ｄを求めることができる。ここで2θスキャンを遅くしてピーク位置を精密に求めると、格子に加わっている歪についての情報も得ることができる。
【００６３】
測定は、表２の#ＳＮで示される結晶質シリコン膜、及びゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜について測定を行い、ｄ値を比較した。両者とも石英基板を使用した。膜厚は５４ｎｍ、酢酸ニッケルの添加量１０ｐｐｍの水溶液、結晶化５００℃にて１時間と５８０℃にて８時間の加熱処理で作製したものである。測定は膜に平行な格子面のほか、図１８示すように試料にあおり角を持たせることにより、膜から６０度の角を持った格子面についても行った。この様子を模式的に図１９に示す。また、２θの大きい回折を用いたほうが測定精度は向上する。この２つの試料で配向の違いにより測定できる回折が異なっていたが、それぞれについて予備測定により２θの最も大きい回折を調べ、それらについて本測定を行った。本測定に用いた回折は、ゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜（試料Ａ）では（４４０）、結晶質シリコン膜（試料Ｂ）では（２２０）であった。
【００６４】
あおり角を持たせた場合、２θの値には装置のＸ線光学系に特有の系統的なずれが生じる。このずれはわずかであるが、今回のような精密な測定ではその影響が無視できなくなるため、あらかじめ標準試料(無配向のタングステン粉末)を用いてあおり角０度、６０度で２θ値の測定を行い、そのときのずれ量を用いて補正を行った。標準試料の測定結果を表３に示す。ここでは多結晶試料の本測定における指数と２θが近い回折を選んでいる。即ち、試料Ａでは（４４０）回折(２θ=１０６度付近)を測定したので、タングステンの（３１０）回折(２θ=１００。６２８度)で補正を行った。一方、試料Ｂでは（２２０）回折(２θ=４７度付近)を測定したので、タングステンの（１１０）回折(２θ=４０．２４４４度)で補正を行った。
【００６５】
【表３】
【００６６】
試料Ａと試料Ｂの測定結果を表４に示す。あおり角Psiで比較すると、どちらの試料も０度に比べ６０度の場合のほうがd値は大きく、従って格子が膜に水平方向に伸びた歪を有していることがわかる。格子定数aに換算して試料間の比較を行うと、試料Ａでは両者の差は０．００１６４ｎｍであるのに対して、試料Ｂでは０．００２７２ｎｍと、より大きい値になっている。従って非晶質半導体膜の形成時にゲルマニウムを含ませておくことにより、結晶化後の膜の歪を緩和させることができるということができる。
【００６７】
【表４】
【００６８】
｛１０１｝格子面に対して高い配向性を示す結晶質半導体膜は、添加するゲルマニウムの濃度を０．１〜１０原子％の範囲で添加するだけでなく、膜中に含まれる酸素、窒素、炭素の元素の濃度を１×１０19／ｃｍ3未満にすること、及び膜厚を２０〜１００ｎｍの範囲として、基板表面と平行な方向の成長が支配的となるようにすることの相乗効果により達成される。
【００６９】
このような｛１１０｝格子面の配向率の高い結晶質半導体膜はＴＦＴのチャネル形成領域、光起電力素子の光電変換層など素子の特性を決定付けるチャネル形成領域に好適に用いることができる。
【００７０】
その他の手法として、非晶質半導体膜の結晶化を助長する金属元素を選択的に形成する方法を図１３を用いて説明する。図１３（Ａ）において、基板６２０は前述のガラス基板または石英基板を採用する。ガラス基板を用いる場合には、実施形態１と同様にブロッキング層を設ける。
【００７１】
ゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜６２１は図１２（Ａ）と同様にプラズマＣＶＤ法で形成しても良いし、イオン注入法またはイオンドープ法によりゲルマニウムを所定の濃度で導入しても良い。また、減圧ＣＶＤ法で、Ｓｉ2Ｈ6とＧｅＨ4を４５０〜５００℃の温度で分解して形成する方法も採用可能である。
【００７２】
そして、ゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜６２１上に１５０ｎｍの厚さの酸化シリコン膜６２２を形成する。酸化シリコン膜の作製方法は限定されないが、例えば、ＴＥＯＳとＯ2とを混合し、反応圧力４０Ｐａ、基板温度３００〜４００℃とし、高周波（１３．５６ＭＨｚ）電力密度０．５〜０．８Ｗ／ｃｍ2で放電させ形成する。そして、開孔６２３を形成する。開孔６２３は、非晶質シリコン膜の膜面における適宣箇所のスリット状の面または点状の面などとする。開孔６２３の大きさに特に限定はないが、その幅は１０〜４０μｍとすることができる。また、その長手方向の長さは任意に決めれば良く、数十μｍ〜数十ｃｍの範囲とすることができる。
【００７３】
この状態で、図１３（Ｂ）に示すように、重量換算で１０ｐｐｍのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液を塗布する。これにより、ニッケル含有層７２４が形成され、ニッケル含有層６２４は開孔部６２３の底部のみでゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜２２１と接触する。
【００７４】
結晶化は、加熱処理の温度５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃にて１４時間の熱処理を行う。この場合、結晶化はニッケルが接した非晶質シリコン膜の部分が最初に結晶化し、そこから基板の表面と平行な方向に結晶化が進行する。こうして形成された結晶質シリコン膜６２５は棒状または針状の結晶が集合して成り、その各々の結晶は巨視的に見ればある特定の方向性をもって成長している。その後、酸化シリコン膜２２２を除去すれば結晶質シリコン膜６２５を得ることができる。
【００７５】
こうして作製される結晶質シリコン膜には結晶化において利用した金属元素が残存している。それは膜中において一様に分布していないにしろ、平均的な濃度とすれば、１×１０19／ｃｍ3を越える濃度で残存している。勿論、このような状態でもＴＦＴをはじめ各種半導体装置のチャネル形成領域に用いることが可能であるが、より好ましくは、ゲッタリングにより当該金属元素を除去することが望ましい。
【００７６】
また、当該金属元素を除去するゲッタリングの一例を図１４を用いて説明する。図１４（Ａ）において、基板６３０は図１２（Ａ）または図１３（Ａ）のガラス基板、或いは石英基板などいずれも適用可能である。ガラス基板を用いる場合には、ブロッキング層を設ける。また、結晶質シリコン膜６３１の表面には、マスク用の酸化シリコン膜６３２が１５０ｎｍの厚さに形成され、開孔部６３３が設けられ結晶質シリコン膜が露出した領域が設けられている。図１３の工程に従う場合には、図１３（Ａ）で示す酸化シリコン膜６２２をそのまま利用可能であり、図１３（Ｂ）の工程の後からそのまま本実施例の工程に移行することもできる。そして、イオンドープ法によりリン６３４を添加して、１×１０19〜１×１０22／ｃｍ3の濃度のリン添加領域６３５を形成する。
【００７７】
そして、図１４（Ｂ）に示すように、窒素雰囲気中で５５０〜８００℃、５〜２４時間、例えば６００℃にて１２時間の熱処理を行うと、リン添加領域２３５がゲッタリングサイトとして働き、結晶質シリコン膜２３１に残存していた触媒元素はリン添加領域２３５に偏析させることができる。
【００７８】
その後、図１４（Ｃ）で示すようにマスク用の酸化シリコン膜６３２と、リンが添加領域６３５とをエッチングして除去することにより、結晶化の工程で使用した金属元素の濃度が１×１０17／ｃｍ3未満にまで低減された結晶質シリコン膜６３６を得ることができる。
【００７９】
[実施形態３]
本実施形態は、ｎチャネル型ＴＦＴとｐチャネル型ＴＦＴとを相補的に組み合わせたＣＭＯＳ型のＴＦＴを作製する例を図１５を用いて説明する。
【００８０】
図１５（Ａ）において、基板９０１上にゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜を形成する。ゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜は実施形態２で作製されるいずれの方法も適用可能である。また、基板９０１がガラス基板である場合には、ブロッキング層９０２を設ける。ゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜は素子分離のため所定の大きさにエッチングし、島状の半導体層９０３、９０４を形成する。
【００８１】
第１絶縁膜９０５はＴＦＴにおいてゲート絶縁膜として利用されるものであり３０〜２００ｎｍの厚さで形成する。この第１絶縁膜９０５はプラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4とＮ2Ｏとから作製される酸化窒化シリコン膜、或いはＴＥＯＳとＮ2Ｏとから作製される酸化窒化シリコン膜などで形成する。本実施例では前者を選択し、７５ｎｍの厚さに形成する。また、実施例５で示す方法で第１絶縁膜９０５を形成しても良い。
【００８２】
第１絶縁膜９０５上には、タンタル、タングステン、チタン、アルミニウム、モリブデンから選ばれた一種または複数種の元素を成分とする導電性材料でゲート電極９０６、９０７を形成する。
【００８３】
次に、図１５（Ｂ）ではｎチャネル型ＴＦＴにＬＤＤ（Lightly Doped Drain）領域を形成するためにイオンドープ法でリンをドーピングする。ドーピングガスにはＨ2で０．１〜５％に希釈したフォスフィン（ＰＨ3）を用いる。ドーピングの条件は適宣決定するものとするが、半導体層９０３、９０４に形成される第１不純物領域９０８、９０９は平均的な濃度として１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3となるようにする。この際、ゲート電極９０６、９０７はドーピングされるリンに対するマスクとなり、不純物領域９０８、９０９は自己整合的に形成される。
【００８４】
そして、図１５（Ｃ）で示すように、フォトレジストを用いたマスク９０９を形成し、再びイオンドープ法でリンをドーピングする。このドーピングにより作製される第２不純物領域９１０、９１２のリンの平均濃度は１×１０20〜１×１０21／ｃｍ3となるようにする。こうして、半導体層９０３に形成される第１不純物領域９１１はＬＤＤ領域となり、第２不純物領域９１０はソース及びドレイン領域となる。
【００８５】
ｐチャネル型ＴＦＴは図１５（Ｄ）で示すように、フォトレジストを用いたマスク９１３を形成し、半導体層９０４にホウ素をドーピングする。ドーピングガスにはＨ2で０．１〜５％に希釈したジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いる。半導体層９０４に形成される第３不純物領域９１４は、ｎ型からｐ型に反転させるためにリン濃度と比較して１．５〜３倍のホウ素を添加し、平均濃度は１．５×１０20〜３×１０21／ｃｍ3となるようにする。こうして、半導体層９０４に形成される第３不純物領域９４１はｐチャネル型ＴＦＴのソース及びドレイン領域となる。
【００８６】
その後、プラズマＣＶＤ法により作製される窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜により層間絶縁膜９１５を形成する。また、添加された不純物元素は活性化のために３５０〜５００℃の加熱処理が必要とされるが、この加熱処理は層間絶縁膜９１５を形成した後に行い、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜中に含まれる水素を放出させ、半導体層９０３、９０４に拡散させることにより、水素化を行い半導体中及びその界面の欠陥を補償することができる。さらに、ソース及びドレイン電極８１８を形成しＴＦＴを得ることができる。
【００８７】
チャネル形成領域９１８、９１９は｛１０１｝格子面の配向性の高いゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜で形成される。このようなチャネル形成領域は、ゲート絶縁膜との界面特性が良好であり、結晶粒界及び結晶粒内の欠陥密度が低減し、高い電界効果移動度を得ることができる。
【００８８】
以上の工程で、ｎチャネル型ＴＦＴとｐチャネル型ＴＦＴとを相補的に組み合わせたＣＭＯＳ型のＴＦＴを得ることができる。ｎチャネル型ＴＦＴはチャネル形成領域とドレイン領域との間にＬＤＤ領域が形成され、ドレイン端における電界の集中を防いでいる。このようなＣＭＯＳ型のＴＦＴは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置やＥＬ表示装置の駆動回路を形成することを可能とする。それ以外にも、このようなｎチャネル型ＴＦＴまたはｐチャネル型ＴＦＴは、画素部を形成するトランジスタに応用することができる。さらに、従来の半導体基板にて作製されるＬＳＩに代わる薄膜集積回路を実現するＴＦＴとして用いることができる。
【００８９】
図１５（Ｃ）で作製されたＣＭＯＳ型のＴＦＴは、さらにパッシベーション膜などを付けて完成させることができる。このようなＴＦＴのチャネル形成領域の結晶性を評価するためには、実施形態１で示す方法により、基板を除去して、結晶質半導体膜の基板側の面より測定することにより行うことができる。
【００９０】
反射電子回折パターンにより得られる結晶方位の情報は、照射される電子線のビームサイズに対応している。従って、複数の結晶粒が集合して形成される結晶質半導体膜の配向率を正確に評価するには、測定点を多くして母数を増やし、統計的に処理される配向率の精度を上げることが要求される。そのために、一つのＴＦＴのチャネル形成領域において１０〜５０点程度の測定点を設け、このような測定を１００個若しくはそれ以上のＴＦＴに対して行うことにより正確な配向率を評価することができる。
【００９１】
[実施例]
本発明の半導体装置は、各種多様の電子機器の表示装置や各種集積回路、或いは、従来の集積回路に代わる回路用途に応用することができる。このような半導体装置には、携帯情報端末（電子手帳、モバイルコンピュータ、携帯電話等）、ビデオカメラ、スチルカメラ、パーソナルコンピュータ、テレビ、プロジェクター等が挙げられる。それらの一例を図２１〜図２３に示す。
【００９２】
図２１（Ａ）は携帯電話であり、表示用パネル２７０１、操作用パネル２７０２、接続部２７０３から成り、表示用パネル２７０１には表示装置２７０４、音声出力部２７０５、アンテナ２７０９などが設けられている。操作パネル２７０２には操作キー２７０６、電源スイッチ２７０２、音声入力部２７０５８などが設けられている。本発明は表示装置２９０４を形成することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置２９０４の検査に用いることができる。
【００９３】
図２１（Ｂ）はビデオカメラであり、本体９１０１、表示装置９１０２、音声入力部９１０３、操作スイッチ９１０４、バッテリー９１０５、受像部９１０６から成っている。本発明は表示装置９１０２に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９１０２の検査に用いることができる。
【００９４】
図２１（Ｃ）はモバイルコンピュータ或いは携帯型情報端末であり、本体９２０１、カメラ部９２０２、受像部９２０３、操作スイッチ９２０４、表示装置９２０５で構成されている。本発明は半導体装置は表示装置９２０５に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９２０５の検査に用いることができる。
【００９５】
図２１（Ｄ）はテレビ受像器であり、本体９４０１、スピーカ９４０２、表示装置９４０３、受信装置９４０４、増幅装置９４０５等で構成される。本発明は表示装置９４０３に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置６４０３の検査に用いることができる。
【００９６】
図２１（Ｅ）は携帯書籍であり、本体９５０１、表示装置９５０２、９５０３、記憶媒体９５０４、操作スイッチ９５０５、アンテナ９５０６から構成されており、ミニディスク（ＭＤ）やＤＶＤに記憶されたデータや、アンテナで受信したデータを表示するものである。本発明は表示装置９５０２、９５０３や、記憶媒体９５０４に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９５０２、９５０３の検査に用いることができる。
【００９７】
図２２（Ａ）はパーソナルコンピュータであり、本体９６０１、画像入力部９６０２、表示装置９６０３、キーボード９６０４で構成される。本発明は表示装置９６０１や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９６０１の検査に用いることができる。
【００９８】
図２２（Ｂ）はプログラムを記録した記録媒体（以下、記録媒体と呼ぶ）を用いるプレーヤーであり、本体９７０１、表示装置９７０２、スピーカ部９７０３、記録媒体９７０４、操作スイッチ９７０５で構成される。なお、この装置は記録媒体としてＤＶＤ（Ｄｉｇｔｉａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ＣＤ等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。本発明は表示装置９７０２や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９７０２の検査に用いることができる。
【００９９】
図２２（Ｃ）はデジタルカメラであり、本体９８０１、表示装置９８０２、接眼部９８０３、操作スイッチ９８０４、受像部（図示しない）で構成される。本発明は表示装置９８０２や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９８０２の検査に用いることができる。
【０１００】
図２３（Ａ）はフロント型プロジェクターであり、投射装置３６０１、スクリーン３６０２で構成される。本発明は表示装置３６０１やその他の信号制御回路に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置３６０１の検査に用いることができる。
【０１０１】
図２３（Ｂ）はリア型プロジェクターであり、本体３７０１、投射装置３７０２、ミラー３７０３、スクリーン３７０４で構成される。本発明は投射装置３７０２やその他の信号制御回路に適用することができる。
【０１０２】
尚、図２３（Ｃ）は、図２３（Ａ）及び図２３（Ｂ）中における投射装置３６０１、３７０２の構造の一例を示した図である。投射装置３６０１、３７０２は、光源光学系３８０１、ミラー３８０２、３８０４〜３８０６、ダイクロイックミラー３８０３、プリズム３８０７、液晶表示装置３８０８、位相差板３８０９、投射光学系３８１０で構成される。投射光学系３８１０は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図２３（Ｃ）中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、ＩＲフィルム等の光学系を設けてもよい。
【０１０３】
また、図２３（Ｄ）は、図２３（Ｃ）中における光源光学系３８０１の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系３８０１は、リフレクター３８１１、光源３８１２、レンズアレイ３８１３、３８１４、偏光変換素子３８１５、集光レンズ３８１６で構成される。なお、図２３（Ｄ）に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、ＩＲフィルム等の光学系を設けてもよい。
【０１０４】
ここでは図示しなかったが、本発明はその他にもナビゲーションシステムをはじめ冷蔵庫、洗濯機、電子レンジ、固定電話機などに組み込む表示装置としても適用することも可能である。このように本発明の適用範囲はきわめて広く、さまざまな製品に適用することができる。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、ＴＦＴ形成後にその活性領域を形成する結晶質半導体膜の配向率を反射電子回折パターンにより測定することができる。また、非晶質半導体膜を結晶化して得られる結晶質半導体膜の配向性を高め、そのような結晶質半導体膜を用いたＴＦＴをえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の反射電子回折パターンの概念を説明する図。
【図２】 反射電子回折装置の構成を説明する図。
【図３】 反射電子回折による試料測定の概念を説明する図。
【図４】 反射電子回折データから得られる逆極点図の例。
【図５】 ｛１０１｝配向からのずれ角を説明する図。
【図６】 ｛１０１｝付近に優先配向している場合の各結晶粒の＜１０１＞方位のゆらぎを説明する図。
【図７】 反射電子回折で測定するための試料調整法を説明する図。
【図８】 反射電子回折で測定する領域を説明する図。
【図９】 反射電子回折装置の他の構成を説明する図。
【図１０】 反射電子回折による高温多結晶シリコン膜の逆極点図。
【図１１】 反射電子回折による結晶質シリコン膜の逆極点図。
【図１２】 結晶質シリコン膜の作製方法を説明する図。
【図１３】 結晶質シリコン膜の作製方法を説明する図。
【図１４】 結晶質シリコン膜の作製方法を説明する図。
【図１５】 ＣＭＯＳ構造のＴＦＴの作製工程の一例を説明する図。
【図１６】 本実施例により作製されたゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜におけるゲルマニウムの分布を示すグラフ。
【図１７】 本実施例により作製されたゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜における逆極点図。
【図１８】 X線回折測定と試料あおり角を説明する図。
【図１９】 試料あおり角と、回折に寄与する格子面を説明する図。
【図２０】 ＳｉＨ4、ＧｅＨ4、Ｈ2ガスより作製された試料のＣ、Ｎ、Ｏ濃度を阿表すＳＩＭＳデータ。
【図２１】 半導体装置の一例を示す図。
【図２２】 半導体装置の一例を示す図。
【図２３】 プロジェクターの一例を示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶構造を有する半導体膜をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを有する半導体装置、及び当該半導体装置の検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚さ数ｎｍから数百ｎｍ程度の結晶構造を有する半導体膜（以下、結晶質半導体膜という）を用いて、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）を作製する技術が開発されている。ＴＦＴは液晶表示装置に用いるスイッチング素子として実用化が進み、ガラス基板上に半導体集積回路を形成することが可能になっている。
【０００３】
工業化という観点から、結晶質半導体膜の材料は主としてシリコンが用いられている。結晶構造を有するシリコン膜（以下、結晶質シリコン膜という）は、プラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法により、ガラスまたは石英などの基板上に堆積した非晶質シリコン膜を、加熱処理、或いはレーザー光の照射（以下、本明細書中においてレーザー処理という）により結晶化したものが利用されている。
【０００４】
このような方法で作製される結晶質シリコン膜は、多結晶構造となり、結晶方位はランダムに配向して、特定の結晶方位に対する配向率は必ずしも高くなかった。例えば、加熱処理またはレーザー処理により得られる結晶質シリコン膜は、複数の結晶粒が析出し、｛１１１｝に配向する傾向がある。反射電子回折パターンから求められる｛１１１｝格子面に配向する割合は、全体の２０％を越えることはなかった。参考までに、同測定を（１１１）面の単結晶シリコン基板について行うと、その面の配向率は１００％となる。従って、このような結晶質シリコン膜を用いたＴＦＴは、単結晶シリコン基板を用いたＭＯＳトランジスタの特性と比べ劣っていた。ガラスや石英などの異種材料上に厚さ数ｎｍから数百ｎｍ程度の半導体膜を結晶化させても、複数の結晶粒が集合して成る多結晶構造しか得ることが出来ず、結晶粒中及び結晶粒界に存在する欠陥によりキャリアがトラップされ、ＴＦＴの性能を律速する要因となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、液晶表示装置に代表される半導体装置は、一辺が数ｃｍ〜数十ｃｍの絶縁基板上に、ラインアンドスペースで１〜１０μｍの設計ルールで、結晶質半導体膜から数百万のＴＦＴを形成し、画素部や駆動回路を実現している。
【０００６】
しかし、同一基板の面内で、或いは、複数のロット間でＴＦＴの特性がばらつき、駆動電圧の変動や消費電力の変動などが発生し、規格値に入らなければ不良品となり、製品の歩留まりを低下させることが問題となっていた。例えば、液晶表示装置において、駆動回路の一部のＴＦＴに欠陥があると、画像表示では線欠陥となって現れていた。また、画素の一部のＴＦＴに欠陥があると点欠陥となって現れていた。
【０００７】
勿論、このような不良の発生は、汚染であったり、パターン形成やコンタクトの不良であったりして、その要因は様々にあることが知られている。その中で、ＴＦＴの電気的特性に直接的に影響する結晶質シリコン膜の結晶性を、素子形成後に評価して、電気的特性と関連付ける技術は必ずしも確立されていなかった。
【０００８】
結晶性はＸ線回折、ラマン分光法、電子線回折などにより評価することができるが、得られる情報は限られていて、結晶方位の分布や配向率を広い面積に渡って統計的に評価する手段はなかった。
【０００９】
また、上記の如く結晶の配向率が低い場合、異なる結晶方位の結晶が隣接する結晶粒界で、格子の連続性を保持することが殆ど不可能となり、不対結合手が多く形成されてしまう。粒界にできる不対結合手はキャリア（電子・ホール）の捕獲中心となり、輸送特性を低下させている。即ち、キャリアが散乱されたりトラップされたりするため、このような結晶質半導体膜でＴＦＴを作製しても高い電界効果移動度を期待することができない。また、結晶粒界はランダムに存在するため、チャネル形成領域を特定の結晶方位をもつ結晶粒で形成することが不可能であり、ＴＦＴの電気的特性をばらつかせる要因となっている。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決する手段を提供することを目的とし、ＴＦＴ形成後にその活性領域を形成する結晶質半導体膜の結晶性を評価する手段を提供することを第一の目的とする。また、非晶質半導体膜を結晶化して得られる結晶質半導体膜の配向性を高め、そのような結晶質半導体膜を用いたＴＦＴを提供することを第二の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
結晶方位の分布は反射電子回折パターン（ＥＢＳＰ：Electron Backscatter diffraction Pattern）により求める（以下、便宜上ＥＢＳＰと呼ぶ）。ＥＢＳＰは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscopy）に専用の検出器を設け、一次電子の後方散乱から結晶方位を分析する手法である。ＥＢＳＰ法の測定方法は図２により説明される。電子銃（ショットキー型電界放出電子銃）２０１、鏡体２０２、試料室２０３は通常の走査型電子顕微鏡と同じ構成である。ＥＢＳＰを測定するにはステージ２０４を６０度程度の傾きを設け試料２０９を設置する。この状態で試料に向かい合うように検出器２０６のスクリーン２０５を挿入する。
【００１２】
ここで、結晶構造を持った試料に電子線が入射すると、後方にも非弾性散乱が起こり、その中には試料中でブラッグ回折による結晶方位に特有の線状パターン(一般に菊地像と呼ばれる)も合わせて観察される。ＥＢＳＰ法は検出器スクリーンに映った菊地像を解析することにより試料の結晶方位を求めている。
【００１３】
図３は基板２２１上に形成された多結晶構造の結晶質半導体膜２２２を示している。多結晶構造は各結晶粒が異なった結晶方位を持っていることを前提としている。試料の電子線の当たる位置を移動させつつ方位解析を繰り返す(マッピング測定)ことで、面状の試料について結晶方位または配向の情報を得ることができる。入射電子線の太さは、走査型電子顕微鏡の電子銃のタイプにより異なるが、ショットキー電界放射型の場合、１０〜２０ｎｍの非常に細い電子線２２３が照射される。マッピング測定では、測定点数が多いほど、また測定領域が広いほど、結晶配向のより平均化した情報を得ることができる。例えば、１００×１００μｍ2の領域で、１００００点（１μｍ間隔）〜４００００点（０．５μｍ間隔）の程度の測定を行うことができる。
【００１４】
マッピング測定により各結晶粒の結晶方位がすべて求まると、膜に対する結晶配向の状態を統計的に表示できる。図４（Ａ）にＥＢＳＰ法により求められる逆極点図の例を示す。逆極点図は多結晶体の優先配向を表示する際によく用いられるもので、試料のある特定の面(ここでは膜表面)が、どの格子面に一致しているかを集合的に表示したものである。
【００１５】
図４（Ａ）の扇形状の枠は一般に標準三角形と呼ばれるもので、この中に立方晶系における全ての指数が含まれている。またこの図中における長さは、結晶方位における角度に対応している。たとえば｛００１｝と｛１０１｝の間は４５度、｛１０１｝と｛１１１｝の間は３５．２６度、｛１１１｝と｛００１｝の間は５４．７４度である。また、白抜きの点線は｛１０１｝からのずれ角５度及び１０度の範囲を示している。
【００１６】
図４（Ａ）は、マッピングにおける全測定点(この例では１１６５５点)を標準三角形内にプロットしたものである。｛１０１｝付近で点の密度が濃くなっていることがわかる。図４（Ｂ）は、このような点の集中度を等高線表示したものである。ここで数値は各結晶粒が完全に無秩序な配向だと仮定した場合、すなわち標準三角形内に点を偏りなく分布させた場合に対する倍率を示しており無次元数である。
【００１７】
このように特定の指数（ここでは｛１０１｝）に優先配向している事がわかった場合、その指数近傍にどの程度の結晶粒が集まっているか、その割合を数値化することで、優先配向の度合いをよりイメージしやすくなる。例えば図４（Ａ）に例示した逆極点図において｛１０１｝からのずれ角５度及び１０度の範囲（図中に白点線で示す）に存在する点数の全体に対する割合を配向率として次式により求めて示すことができる。
【００１８】
【数１】
この割合は、次のように説明することもできる。図４（Ａ）のように｛１０１｝付近に分布が集中している場合、実際の膜においては図６のように、各粒の＜１０１＞方位は基板に概略垂直であるが、その周りにやや揺らぎを持って並んでいることが予想される。この揺らぎの角に許容値を５度、１０度と設け、それより小さいものの割合を数値で示してゆくのである。たとえば図５では、ある結晶粒の＜１０１＞方位は、許容５度の範囲には含まれないが、許容１０度の範囲には含まれていることになる。後述のデータにおいては、以上に説明したように許容ずれ角を度及び１０度と定め、それを満たす結晶粒の割合を求める。
【００２０】
本発明は、ＥＰＳＰを用いて、基板上に形成された半導体膜を有する半導体装置に対し、当該基板を化学的機械研磨により薄板化する処理と、薄板化した当該基板をエッチングにより除去して、或いは、薄板化した当該基板と、当該基板と半導体膜の間の絶縁層とをエッチングにより除去して、前記半導体膜の表面を露出させる処理とを有し、露出した半導体膜の表面に電子線を照射して、ＥＢＳＰから結晶方位を測定することを特徴としている。
【００２１】
特に、本発明は、基板上に形成された結晶質半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタを有する半導体装置に対し、当該チャネル形成領域のＥＢＳＰを測定するのに適している。ＥＢＳＰを得るためには半導体膜の表面に照射する電子線の断面積はチャネル形成領域の面積よりも小さくしておく。具体的には、半導体膜の表面に照射する電子線の直径は５０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
また、他の発明の構成は、基板上に形成されたシリコンを主成分とする半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタを有する半導体装置において、当該基板を化学的機械研磨及びエッチングにより除去して半導体膜の表面を露出させ、半導体膜の表面に電子線を照射して、ＥＢＳＰから求められる｛１０１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が２０％以上であり、或いは、｛１０１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が５度以内である割合が５％以上であり、かつ、｛００１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が３％以下であり、かつ、｛１１１｝格子面の前記半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が５％以下であり、かつ、半導体膜に含まれる窒素及び炭素の濃度が１×１０19／ｃｍ3以下であり、酸素の濃度が３×１０19／ｃｍ3以下であることを特徴としている。
【００２３】
本発明の一形態として、シリコンを主成分とする半導体膜には、ゲルマニウムが０．１原子％以上１０原子％以下の濃度で含まれている半導体材料が適用される。さらに、当該ゲルマニウムの半導体膜中における分布は、半導体膜の基板側の表面に対し、その反対側の面におけるゲルマニウム濃度が高くなっているものが適用されうる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
[実施形態１]
本発明において、半導体装置の活性領域を形成する半導体膜の結晶方位を観測するための手段としてＥＢＳＰを用いる。基板上に形成された半導体膜の結晶方位を観測するために、基板を除去して当該半導体膜の基板側の面から電子線を照射して結晶方位の測定を行う。
【００２５】
図１はＴＦＴを構成する結晶質半導体膜からＥＢＳＰを得る方法を示している。結晶質半導体膜１０４は基板上に形成されていたものであるが、当該基板は除去されていて、電子線１０１が照射される面は半導体膜の基板側の面である。
【００２６】
結晶質半導体膜１０４は、介在する絶縁層及び導電層を介して固定板１０２に導電性樹脂１０３により接着されている。導電性樹脂１０３は、結晶質半導体膜１０４に接続する電極１０５と電気的な導通を形成している。そして、導電性材料で形成される固定板１０２を接地することにより、結晶質半導体膜１０４が電子線の照射によりチャージアップすることを防いでいる。
【００２７】
結晶質半導体膜１０４は電子線１０１に対して６０度程度の傾きを設けて設置され、後方散乱電子を検出して結晶方位を求める手段は前述の如くである。電子線１０１は、５０ｎｍ以下、好ましくは１０〜２０ｎｍのビーム径であり、ＴＦＴのチャネル形成領域よりも小さい。そして、電子線の当たる位置を移動させながら方位解析を繰り返すマッピング測定を行えば、チャネル形成領域の結晶方位または配向の情報について詳細に得ることができる。
【００２８】
次に図７を用いてＴＦＴを形成する結晶質半導体膜におけるＥＢＳＰを得るための試料を調整する方法を説明する。
【００２９】
図７（Ａ）において示すＴＦＴは、基板３０１上にシリコンを主成分とする絶縁材料で形成されるブロッキング層３０２、結晶質半導体膜３０３、ゲート絶縁膜３０６、ゲート電極３０７、層間絶縁膜３０８、ソースまたはドレイン電極３０９、パッシベーション膜３１０などが形成されている。結晶質半導体膜３０３にはチャネル形成領域３０４、一導電型の不純物が添加された不純物領域３０５などが形成されている。
【００３０】
最初に、ＦＩＢ（Focused Ion Beam：集束イオンビーム）法で電極３０９上に開孔を形成するために、パッシベーション膜３１０上に金属層３１１を形成する。これは、イオンビームの照射による試料のチャージアップや損傷を防ぐためであり、タングステンや白金などを付けておく。イオンビーム３１２は細く絞ったガリウム（Ｇａ）イオンを照射して開孔３１３を形成し、ソースまたはドレイン電極３０９の表面を露出させる。
【００３１】
次に図７（Ｂ）に示すように、カーボンペーストや銀ペーストなどの導電性樹脂３１４を用いて試料を固定板３１５に接着する。固定版３１５はアルミニウムや銅などの導電体を用い、導電性樹脂３１４を開孔３１３に充填して接着することにより、結晶質半導体膜３０３が固定板３１５とソースまたはドレイン電極３０９を介して導通し、接地させることができる。本発明ではこのようにして、反射電子回折パターンにおける結晶質半導体膜のチャージアップを防止する。
【００３２】
図７（Ｃ）では基板３０１やブロッキング層を除去して結晶質半導体膜３０３の基板側の面を露出させる処理を行っている。基板３０１を除去するための手段としてＣＭＰ（Chemical-Mechanical Polishing：化学的・機械研磨）法を用いる。ガラス基板若しくは石英基板に対するＣＭＰの研磨材（スラリー）には、例えば、塩化シリコンガスを熱分解して得られるフュームドシリカ粒子をＫＯＨ添加水溶液に分散したものを用いる。ＣＭＰにより、基板３０１を約１００〜５００μm程度残るように研磨して除去する。その後、フッ酸またはフッ化アンモニウム溶液により化学エッチングして残りの基板とブロッキング層３０２を除去する。
【００３３】
こうして、図７（Ｄ）に示すように結晶質半導体膜３０３の基板側の面を露出させることができる。結晶質半導体膜３０３は図３（Ａ）で説明した絶縁膜や電極を介して固定板３１５に固着され、かつ、導電性樹脂３１４により電気的接続がなされている。この状態の試料を用いて図１で説明したようにＥＢＳＰを得て、結晶質半導体膜３０３の結晶方位を評価することができる。
【００３４】
ＴＦＴにおいて、結晶方位の測定は、結晶質半導体膜のチャネル形成領域に対して行う。この領域の結晶性はＴＦＴの電気的特性に重大な影響を与える。チャネル形成領域はデザインルールにもよるが、ガラス基板上に形成されるＴＦＴでは、チャネル長２〜２０μｍ、チャネル幅５〜２００μｍ程度の寸法で形成されている。図８はこの様子を示すものであり、結晶質半導体膜４０１にはチャネル形成領域４０２、一導電型の不純物が添加された不純物領域４０３が形成されている。不純物領域４０３はコンタクト４０５により絶縁層を介して形成された電極４０４と接触している。
【００３５】
反射電子回折パターンにおける電子ビームの径はショットキー型電界放出電子銃でれば５０ｎｍ以下、好ましくは１０〜２０ｎｍであり、上述のチャネル形成領域の面積に対して十分小さい。従って、複数の結晶粒から成るチャネル形成領域の結晶方位を調べるには、ビームスポット４０７をチャネル長方向及びチャネル幅方向にスキャンさせて複数個のデータを収集して統計的に処理することができる。例えば、１０×５０μｍ2のチャネル形成領域に対して、１μｍ間隔で測定を行い５００個のデータを得ることができる。さらに、このような処理を複数個のＴＦＴに対して行い、さらに詳細でかつ精度の高い分析を行うことができる。
【００３６】
図１０は反射電子回折パターンによる結晶方位の測定例であり、石英基板に６００℃にて２０時間の加熱処理により作製した結晶質シリコン膜の逆極点図を示している。この試料では｛１１１｝に強く配向していて、許容値１０度以内の割合は１２％となっている。また、図１１はシリコンの結晶化を助長する金属元素を用い、５５０℃にて４時間の熱処理により作製された結晶質半導体膜の逆極点図を示している。この試料において｛１０１｝面の配向が強く現れていることが観測され、許容値１０度以内の割合やはり１２％となっている。図１０及び図１１に示す逆極点図では、その他に｛００１｝と｛１１１｝の中間にある｛３１１｝面に配向している傾向が見られている。
【００３７】
こうした反射電子回折パターンにおいて、チャネル形成領域に特定して結晶の配向を調べるためには、電子線を当てる位置を正確に決める必要がある。図８で示すように、ＴＦＴを形成する結晶質半導体膜にはチャネル形成領域の他に不純物領域が形成されており、外見上は何ら区別が付かない。図９はこのような問題点を解決するための測定装置の一例を示している。
【００３８】
電子銃（ショットキー型電界放出電子銃）５０１、鏡体５０２、試料室５０３は図２と同様な構成である。試料５１０はステージ５０４にセットされ、試料表面に対して約６０度の位置に反射電子回折像を得るためのスクリーン２０５と検出器２０６を設置する。他方には、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ:Energy Dispersion X-ray Spectroscopy）用の検出器５０８が設けられ、組成分析を可能としている。こうして、電子線５０９が当たる位置を固定して、同じ位置における反射電子回折の測定とＥＤＸによる組成分析とを同時に、または交互に行うことができる。不純物領域にはリンやボロンなど半導体の導電型を制御する元素が０．１〜２０原子％程度含まれているので、ＥＤＸによってチャネル形成領域の位置を判別することができる。
【００３９】
以上のようにして、基板上に形成された結晶質半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタを有する半導体装置において、当該チャネル形成領域の結晶方位を測定することができる。
【００４０】
[実施形態２]
本発明により作製されるＴＦＴは、チャネル形成領域を｛１０１｝の配向率が高い結晶質半導体膜で形成することを特徴としている。基板上に形成され｛１０１｝の配向率の高い結晶質半導体膜は、例えば、シリコンを主成分とし、ゲルマニウムを０．１〜１０原子％含有する半導体材料により実現することができる。しかし、このような結晶質半導体膜を実現する上で、ゲルマニウムの存在が必ずしも本質的な要因ではなく、シリコンのネットワークに入り、或いは影響を及ぼして、内部応力を緩和するものであれば、他の元素で代替することも可能である。
【００４１】
本実施形態では、その一例としてゲルマニウムを含有するシリコン膜を一例として示す。｛１０１｝の配向率が高い結晶質半導体膜を得るには、シリコン原子及びゲルマニウム原子の水素化物またはフッ化物または塩化物によるガスを用い、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法により作製される非晶質半導体膜の表面に該非晶質半導体膜の結晶化を助長する金属元素を導入し、当該金属元素を利用して加熱処理をして結晶化させ結晶質半導体膜を形成する。
【００４２】
図１２で説明する結晶質半導体膜の作製方法は、ゲルマニウムを含む非晶シリコン膜の全面にシリコンの結晶化を助長する金属元素を添加して結晶化を行う方法である。まず、図１２（Ａ）において、基板はアルミナホウケイ酸ガラスやバリウムホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガラス基板が適している。代表的にはコーニング社の＃７０５９ガラス基板や＃１７３７ガラス基板を用いる。その他に石英基板やサファイア基板を用いても良い。或いは、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム・砒素などの半導体基板の表面に絶縁膜を形成し、これを基板としても良い。このような基板６０１の表面には、ブロッキング層６０２としてプラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4とＮ2Ｏを用い酸化窒化シリコン膜を５０〜２００ｎｍの厚さに形成する。その他の形態として、プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4とＮＨ3とＮ2Ｏから作製される酸化窒化シリコン膜を５０ｎｍ、ＳｉＨ4とＮ2Ｏから作製される酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍ積層させた２層構造や、或いは、窒化シリコン膜とＴＥＯＳ（Tetraethyl Ortho Silicate）を用いて作製される酸化シリコン膜を積層させた２層構造としても良い。
【００４３】
非晶質半導体膜の形成は、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法、その他適宣の方法により行う。プラズマＣＶＤ法を適用する場合には、ＳｉＨ4とＧｅＨ4とから成る反応ガス、或いは、ＳｉＨ4とＨ2で希釈したＧｅＨ4成る反応ガスを加えて反応室に導入し、１〜２００ＭＨｚの高周波放電により分解し基板上に非晶質半導体膜を堆積させる。反応ガスは、ＳｉＨ4の代わりにＳｉ2Ｈ6またはＳｉＦ4を、ＧｅＨ4の代わりにＧｅＦ4を採用しても良い。減圧ＣＶＤ法を用いる場合にも同様な反応ガスを適用することが可能であり、好ましくはＨｅで反応ガスを希釈して、４００〜５００℃の温度で基板上に非晶質半導体膜を堆積する。いずれにしても、本発明で用いる上記ガスは、堆積される非晶質半導体膜に取り込まれる酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度を低減するために高純度に精製されたものを用いる。堆積される非晶質半導体膜の厚さは２０〜１００ｎｍの範囲とする。
【００４４】
表１はプラズマＣＶＤ法で作製する非晶質半導体膜の作製条件を示す。高周波電力は０．３５Ｗ／ｃｍ2（２７ＭＨｚ）であるが、繰り返し周波数１０ｋＨｚ（デューティ比３０％）のパルス放電に変調して平行平板型のプラズマＣＶＤ装置の陰極に給電している。その他、共通条件として反応圧力３３．２５Ｐａ、基板温度３００℃、電極間隔３５ｍｍとしている。ゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜２０３の酸素、窒素、炭素などの不純物を極力低減するために、ＳｉＨ4の純度は９９．９９９９％以上のものを、またＧｅＨ4は窒素、炭化水素化合物が１ｐｐｍ以下、ＣＯ2が２ｐｐｍ以下の高純度品を用いる。また、プラズマＣＶＤ装置の仕様としては、反応室の容積１３Ｌの反応室に対し、一段目に排気速度３００Ｌ／秒の複合分子ポンプ、二段目に排気速度４０ｍ3／ｈｒのドライポンプを設け、排気系側から有機物の蒸気が逆拡散してくるのを防ぐと共に、反応室の到達真空度を高め、非晶質半導体膜の形成時に不純物元素が膜中に取り込まれることを極力防いでいる。
【００４５】
【表１】
こうして作製されるゲルマニウムを含む非晶シリコン膜６０３は、ゲルマニウムを０．１原子％〜１０原子％未満、好ましくは１〜５原子％の範囲で含有している。ゲルマニウムの含有量は、代表的な反応ガスとして用いられるＳｉＨ4とＧｅＨ4の混合比により調節することができる。非晶質シリコン膜に含まれる窒素、炭素、酸素のそれぞれの含有量は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定されている。図２０はその結果を示す。測定に用いた試料は、シリコン基板上に#ＳＮ、#ＳＧＮ５、#ＳＧＮ１０の順に積層したものであるが、いずれの成膜条件においても窒素、炭素の含有量は５×１０18／ｃｍ3未満、酸素の含有量は1×１０19／ｃｍ3未満である。
【００４７】
上記のように形成した非晶質半導体膜の表面に、該非晶質半導体膜の結晶化を助長する金属元素を導入する。金属元素としてはその他に、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスニウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）から選ばれた一種または複数種の金属元素を用いる。これら金属元素は、本明細書に記載する何れの発明においても非晶質半導体膜の結晶化を助長する金属元素として使用することができる。上記いずれの金属元素を用いても同質、同様の効果を得ることができるが、代表的にはニッケルを用いる。具体的には、図１２（Ｂ）で示すように、重量換算で１０ｐｐｍのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピナーで塗布してニッケル含有層６０４を形成する。この場合、当該溶液の馴染みをよくするために、ゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜６０３の表面処理として、オゾン含有水溶液で極薄い酸化膜を形成し、その酸化膜をフッ酸と過酸化水素水の混合液でエッチングして清浄な表面を形成した後、再度オゾン含有水溶液で処理して極薄い酸化膜を形成しておく。シリコンの表面は本来疎水性なので、このように酸化膜を形成しておくことにより酢酸ニッケル塩溶液を均一に塗布することができる。
【００４８】
これらの金属元素を導入する方法は、当該金属膜を非晶質半導体膜の表面又は内部に存在させる手法であれば特に限定はなく、例えば、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理法（含むプラズマＣＶＤ法）、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法などを使用することができる。プラズマ処理法は、不活性ガスによるグロー放電雰囲気において、陰極からスパッタされる当該金属元素を利用する。また、金属塩の溶液を塗布する方法は簡易であり、金属元素の濃度調整が容易である点で有用である。
【００４９】
そして、当該金属元素を利用して非晶質半導体膜の結晶化を行う。結晶化は加熱処理、レーザー光または紫外線、赤外線などの強光の照射によって行う。加熱処理のみでも｛１０１｝に優先的に配向する結晶質シリコン膜を得ることができるが、好ましくは、加熱処理を行いその後レーザー光などの強光の照射を行う方法を適用する。加熱処理後のレーザー処理は、結晶粒内に残される結晶欠陥を修復し消滅させることができ、作製される結晶の品質を向上させる目的に対して有効な処置となる。
【００５０】
加熱処理は４５０〜１０００℃の範囲で行うことが可能であるが、温度の上限は使用する基板の耐熱温度が一つの上限として考慮される。ガラス基板の場合にはその歪み点以下が上限温度の一つの根拠となる。例えば、歪み点６６７℃のガラス基板に対しては、６６０℃程度が限度と見るべきである。必要とされる時間は加熱温度や、その後の処理条件（例えばレーザー光を照射する処理の有無など）により適宣設定するが、好適には５５０〜６００℃にて４〜２４時間の加熱処理を行う。また、その後レーザー処理を行う場合には、５００〜５５０℃にて４〜８時間の熱処理を行う。以上の加熱処理は空気中や水素雰囲気中でも良いが、好適には窒素或いは不活性ガス雰囲気中にて行う。こうして、図１２（Ｃ）に示す結晶質半導体膜６０５が形成される。
【００５１】
結晶化率（膜の全体積における結晶成分の割合）を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するために、結晶質半導体膜６０５に対してレーザー光６０６を照射するレーザー処理を行う。レーザー処理は、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザーや、ＹＡＧまたはＹＶＯ4レーザーの第２高調波（波長５３２ｎｍ）〜第４高調波（波長２６６ｎｍ）を光源として用いて行う。これらのレーザー光は光学系にて線状またはスポッ状に集光し、そのエネルギー密度を１００〜７００ｍＪ／ｃｍ2として照射し、上記のように集光したレーザービームを基板の所定の領域に渡って走査させ処理を行う。その他、レーザーの代わりに、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプなどを光源としても良い。
【００５２】
レーザー処理の条件は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８nm）を用い、照射エネルギー密度３００〜６００ｍＪ／ｃｍ2、重ね合わせ率９０〜９５％で照射する。レーザー処理は加熱処理により結晶化した膜の未結晶化部分の結晶化や、結晶粒内に欠陥を補修するために行う。また、この処理により結晶化率を向上させることができる。こうして、図１２（Ｄ）に示す｛１０１｝の配向率の高い結晶質半導体膜６０７を得ることができる。レーザー処理を行うことにより、膜中におけるゲルマニウムの分布は変化し、表面に偏析することがＳＩＭＳにより測定されている。図１６（Ａ）は加熱処理を行った後の状態であり、結晶質シリコン膜中においてほぼ一定の濃度で分布している。一方、図１６（Ｂ）、（Ｃ）は異なるレーザー処理条件で作製された試料の特性であり、結晶質シリコン膜の表面側（基板側とは反対側の面）に偏析していることを示している。
【００５３】
以上のような工程により、本発明の如き｛１０１｝面の配向率が高い結晶質半導体膜が得ることができる。図１７は本実施形態により作製されたゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜のＥＢＳＰの一例であり、｛１０１｝格子面が半導体膜の表面となす角が１０度以内である割合が５３％という結果が得られている。このような配向率の高い結晶質シリコン膜が得られるメカニズムは、現段階で必ずしも明らかではないが、概略以下のように推測することができる。
【００５４】
まず、結晶化は４００〜５００℃の加熱処理により金属元素とシリコンが反応してシリサイドが形成され、これが結晶核となりその後の結晶成長に寄与する。例えば、代表的な金属元素としてニッケルを用いた場合、ニッケルシリサイド（以下、ＮｉＳｉ2と記する）が形成される。ＮｉＳｉ2の構造はホタル石型構造であり、ダイアモンド型構造のシリコン格子間にニッケル原子を配置した構造となっている。ＮｉＳｉ2からニッケル原子が無くなるとシリコンの結晶構造が残ることになる。数々の実験の結果から、ニッケル原子は非晶質シリコン側に移動していくことが判明しており、この理由は非晶質シリコン中の固溶度の方が結晶シリコン中のそれよりも高いためであると考えられる。従って、恰もニッケルが非晶質シリコン中を移動しながら結晶シリコンを形成するというモデルを立案することができる。
【００５５】
ＮｉＳｉ2は特定の配向性を持たないが、非晶質半導体膜の厚さを２０〜１００ｎｍとすると基板表面に対し平行な方向しか殆ど成長することが許されなくなる。この場合、ＮｉＳｉ2と結晶シリコンの（１１１）面とが接する界面エネルギーが最も小さいので、結晶質シリコン膜の表面と平行な面は（１１０）面となり、この格子面が優先的に配向する。結晶成長方向が基板表面に対し平行な方向に、しかも柱状に成長する場合には、その柱状結晶を軸とした回転方向には自由度が存在するため、必ずしも（１１０）面が配向するとは限らないため、その他の格子面も析出すると考えられる。
【００５６】
本発明は、結晶質半導体膜の｛１０１｝格子面の配向を高めるために、柱状結晶の回転方向に制約を与え、自由度を低減させる手段として非晶質シリコンに０．１〜１０原子％のゲルマニウムを含有させる手段を見いだしたものである。勿論、前述のようにゲルマニウムの存在が必ずしも本質的な要因ではなく、シリコンのネットワークに入り、或いは影響を及ぼして、内部応力を緩和するものであれば、他の元素で代替することも可能である。
【００５７】
ゲルマニウムを一例とすれば、非晶質シリコンに０．１〜１０原子％のゲルマニウムを含有させると結晶核の発生密度が低下することが観測されている。図１５はその結果を示し、非晶質シリコン膜の成膜時に添加するＧｅＨ4の量が増加するに従い、即ち、非晶質シリコン膜に取り込まれるゲルマニウムの濃度が増加するに従い、結晶核密度が低下している傾向が示されている。結晶核であるＮｉＳｉ2が形成されるとき、原子間距離の違いによりゲルマニウムは排除されつつ上述の結晶成長が起こっていることが予想される。従って、ゲルマニウムは柱状結晶の外側に偏析するような形となり、その存在が柱状結晶を軸とした回転方向の自由度を低下させていると推定する。その結果、｛１０１｝面の配向率の高い結晶質半導体膜を得ることが可能となる。
【００５８】
表１で示す#ＳＧＮ３０、#ＳＧＮ１０、#ＳＧＮ５、#ＳＮ、#ＨＳの各条件で成膜された非晶質半導体を上記結晶化の方法により得られた結晶質半導体膜の配向率を反射電子回折パターンにより求めた結果を表２に示す。表２では、各種試料について｛１０１｝、｛００１｝、｛１１１｝、｛１１３｝の配向率を、各格子面が膜表面となす角度が５度以内、及び１０度以内の範囲にある割合を求めた結果を示している。表２において#ＨＳはの試料は｛１１３｝と｛１１１｝の配向率が高く、それぞれ１８％（１０度以内）、１２％（１０度以内）となっている。また、#ＳＮでは｛１０１｝と｛３１１｝の配向率が高くなっている。｛３１１｝は対称性の立場から等価な格子面の数が他と比較して最も多く、ランダムに配向する多結晶体では発生する確率がその分高くなる。
【００５９】
【表２】
一方、ゲルマニウムを添加した#ＳＧＮ３０、#ＳＧＮ１０、#ＳＧＮ５においても試料内の比較において傾向が見られ、膜中に含有するゲルマニウム濃度により結晶の配向が変化することを示している。#ＳＧＮ１０、#ＳＧＮ５で特に注目される傾向は、他の格子面に対して｛１０１｝格子面の配向が強く、#ＳＧＮ１０ではずれ角１０度以内が３１％、５度以内でも１４％となっている。また、#ＳＧＮ５ではずれ角１０度以内が２０％、５度以内で６％となっている。このような｛１０１｝格子面に対する高い配向率はゲルマニウムを添加しない他の試料では達成されない新規な効果が得られている。
【００６１】
しかし、#ＳＧＮ３０において、膜中に含有するゲルマニウムの含有量が１１原子％に増加すると｛１０１｝格子面の配向率は低下してしまうことが示されている。また、#ＳＧＮ５において１．５原子％に低下しても配向率が２０％低下している。従って、この結果が意味するところは、｛１０１｝の配向率を高めるためには非晶質シリコン膜中に含有させるゲルマニウムの濃度には適した範囲があり、その濃度範囲は０．１原子％から１０原子％、好ましくは１〜５原子％程度であることがわかる。
【００６２】
さらに、このような結晶質半導体膜の構造をＸ線回折から評価した。Ｘ線回折法では、回折角2θをスキャンしながら回折強度の測定を行う。このとき強度がピークとなった2θの測定からブラッグの式(2d sinθ=λ、λはＸ線の波長)格子面間隔ｄを求めることができる。ここで2θスキャンを遅くしてピーク位置を精密に求めると、格子に加わっている歪についての情報も得ることができる。
【００６３】
測定は、表２の#ＳＮで示される結晶質シリコン膜、及びゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜について測定を行い、ｄ値を比較した。両者とも石英基板を使用した。膜厚は５４ｎｍ、酢酸ニッケルの添加量１０ｐｐｍの水溶液、結晶化５００℃にて１時間と５８０℃にて８時間の加熱処理で作製したものである。測定は膜に平行な格子面のほか、図１８示すように試料にあおり角を持たせることにより、膜から６０度の角を持った格子面についても行った。この様子を模式的に図１９に示す。また、２θの大きい回折を用いたほうが測定精度は向上する。この２つの試料で配向の違いにより測定できる回折が異なっていたが、それぞれについて予備測定により２θの最も大きい回折を調べ、それらについて本測定を行った。本測定に用いた回折は、ゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜（試料Ａ）では（４４０）、結晶質シリコン膜（試料Ｂ）では（２２０）であった。
【００６４】
あおり角を持たせた場合、２θの値には装置のＸ線光学系に特有の系統的なずれが生じる。このずれはわずかであるが、今回のような精密な測定ではその影響が無視できなくなるため、あらかじめ標準試料(無配向のタングステン粉末)を用いてあおり角０度、６０度で２θ値の測定を行い、そのときのずれ量を用いて補正を行った。標準試料の測定結果を表３に示す。ここでは多結晶試料の本測定における指数と２θが近い回折を選んでいる。即ち、試料Ａでは（４４０）回折(２θ=１０６度付近)を測定したので、タングステンの（３１０）回折(２θ=１００。６２８度)で補正を行った。一方、試料Ｂでは（２２０）回折(２θ=４７度付近)を測定したので、タングステンの（１１０）回折(２θ=４０．２４４４度)で補正を行った。
【００６５】
【表３】
試料Ａと試料Ｂの測定結果を表４に示す。あおり角Psiで比較すると、どちらの試料も０度に比べ６０度の場合のほうがd値は大きく、従って格子が膜に水平方向に伸びた歪を有していることがわかる。格子定数aに換算して試料間の比較を行うと、試料Ａでは両者の差は０．００１６４ｎｍであるのに対して、試料Ｂでは０．００２７２ｎｍと、より大きい値になっている。従って非晶質半導体膜の形成時にゲルマニウムを含ませておくことにより、結晶化後の膜の歪を緩和させることができるということができる。
【００６７】
【表４】
｛１０１｝格子面に対して高い配向性を示す結晶質半導体膜は、添加するゲルマニウムの濃度を０．１〜１０原子％の範囲で添加するだけでなく、膜中に含まれる酸素、窒素、炭素の元素の濃度を１×１０19／ｃｍ3未満にすること、及び膜厚を２０〜１００ｎｍの範囲として、基板表面と平行な方向の成長が支配的となるようにすることの相乗効果により達成される。
【００６９】
このような｛１１０｝格子面の配向率の高い結晶質半導体膜はＴＦＴのチャネル形成領域、光起電力素子の光電変換層など素子の特性を決定付けるチャネル形成領域に好適に用いることができる。
【００７０】
その他の手法として、非晶質半導体膜の結晶化を助長する金属元素を選択的に形成する方法を図１３を用いて説明する。図１３（Ａ）において、基板６２０は前述のガラス基板または石英基板を採用する。ガラス基板を用いる場合には、実施形態１と同様にブロッキング層を設ける。
【００７１】
ゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜６２１は図１２（Ａ）と同様にプラズマＣＶＤ法で形成しても良いし、イオン注入法またはイオンドープ法によりゲルマニウムを所定の濃度で導入しても良い。また、減圧ＣＶＤ法で、Ｓｉ2Ｈ6とＧｅＨ4を４５０〜５００℃の温度で分解して形成する方法も採用可能である。
【００７２】
そして、ゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜６２１上に１５０ｎｍの厚さの酸化シリコン膜６２２を形成する。酸化シリコン膜の作製方法は限定されないが、例えば、ＴＥＯＳとＯ2とを混合し、反応圧力４０Ｐａ、基板温度３００〜４００℃とし、高周波（１３．５６ＭＨｚ）電力密度０．５〜０．８Ｗ／ｃｍ2で放電させ形成する。そして、開孔６２３を形成する。開孔６２３は、非晶質シリコン膜の膜面における適宣箇所のスリット状の面または点状の面などとする。開孔６２３の大きさに特に限定はないが、その幅は１０〜４０μｍとすることができる。また、その長手方向の長さは任意に決めれば良く、数十μｍ〜数十ｃｍの範囲とすることができる。
【００７３】
この状態で、図１３（Ｂ）に示すように、重量換算で１０ｐｐｍのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液を塗布する。これにより、ニッケル含有層７２４が形成され、ニッケル含有層６２４は開孔部６２３の底部のみでゲルマニウムを含む非晶質シリコン膜２２１と接触する。
【００７４】
結晶化は、加熱処理の温度５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃にて１４時間の熱処理を行う。この場合、結晶化はニッケルが接した非晶質シリコン膜の部分が最初に結晶化し、そこから基板の表面と平行な方向に結晶化が進行する。こうして形成された結晶質シリコン膜６２５は棒状または針状の結晶が集合して成り、その各々の結晶は巨視的に見ればある特定の方向性をもって成長している。その後、酸化シリコン膜２２２を除去すれば結晶質シリコン膜６２５を得ることができる。
【００７５】
こうして作製される結晶質シリコン膜には結晶化において利用した金属元素が残存している。それは膜中において一様に分布していないにしろ、平均的な濃度とすれば、１×１０19／ｃｍ3を越える濃度で残存している。勿論、このような状態でもＴＦＴをはじめ各種半導体装置のチャネル形成領域に用いることが可能であるが、より好ましくは、ゲッタリングにより当該金属元素を除去することが望ましい。
【００７６】
また、当該金属元素を除去するゲッタリングの一例を図１４を用いて説明する。図１４（Ａ）において、基板６３０は図１２（Ａ）または図１３（Ａ）のガラス基板、或いは石英基板などいずれも適用可能である。ガラス基板を用いる場合には、ブロッキング層を設ける。また、結晶質シリコン膜６３１の表面には、マスク用の酸化シリコン膜６３２が１５０ｎｍの厚さに形成され、開孔部６３３が設けられ結晶質シリコン膜が露出した領域が設けられている。図１３の工程に従う場合には、図１３（Ａ）で示す酸化シリコン膜６２２をそのまま利用可能であり、図１３（Ｂ）の工程の後からそのまま本実施例の工程に移行することもできる。そして、イオンドープ法によりリン６３４を添加して、１×１０19〜１×１０22／ｃｍ3の濃度のリン添加領域６３５を形成する。
【００７７】
そして、図１４（Ｂ）に示すように、窒素雰囲気中で５５０〜８００℃、５〜２４時間、例えば６００℃にて１２時間の熱処理を行うと、リン添加領域２３５がゲッタリングサイトとして働き、結晶質シリコン膜２３１に残存していた触媒元素はリン添加領域２３５に偏析させることができる。
【００７８】
その後、図１４（Ｃ）で示すようにマスク用の酸化シリコン膜６３２と、リンが添加領域６３５とをエッチングして除去することにより、結晶化の工程で使用した金属元素の濃度が１×１０17／ｃｍ3未満にまで低減された結晶質シリコン膜６３６を得ることができる。
【００７９】
[実施形態３]
本実施形態は、ｎチャネル型ＴＦＴとｐチャネル型ＴＦＴとを相補的に組み合わせたＣＭＯＳ型のＴＦＴを作製する例を図１５を用いて説明する。
【００８０】
図１５（Ａ）において、基板９０１上にゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜を形成する。ゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜は実施形態２で作製されるいずれの方法も適用可能である。また、基板９０１がガラス基板である場合には、ブロッキング層９０２を設ける。ゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜は素子分離のため所定の大きさにエッチングし、島状の半導体層９０３、９０４を形成する。
【００８１】
第１絶縁膜９０５はＴＦＴにおいてゲート絶縁膜として利用されるものであり３０〜２００ｎｍの厚さで形成する。この第１絶縁膜９０５はプラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4とＮ2Ｏとから作製される酸化窒化シリコン膜、或いはＴＥＯＳとＮ2Ｏとから作製される酸化窒化シリコン膜などで形成する。本実施例では前者を選択し、７５ｎｍの厚さに形成する。また、実施例５で示す方法で第１絶縁膜９０５を形成しても良い。
【００８２】
第１絶縁膜９０５上には、タンタル、タングステン、チタン、アルミニウム、モリブデンから選ばれた一種または複数種の元素を成分とする導電性材料でゲート電極９０６、９０７を形成する。
【００８３】
次に、図１５（Ｂ）ではｎチャネル型ＴＦＴにＬＤＤ（Lightly Doped Drain）領域を形成するためにイオンドープ法でリンをドーピングする。ドーピングガスにはＨ2で０．１〜５％に希釈したフォスフィン（ＰＨ3）を用いる。ドーピングの条件は適宣決定するものとするが、半導体層９０３、９０４に形成される第１不純物領域９０８、９０９は平均的な濃度として１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3となるようにする。この際、ゲート電極９０６、９０７はドーピングされるリンに対するマスクとなり、不純物領域９０８、９０９は自己整合的に形成される。
【００８４】
そして、図１５（Ｃ）で示すように、フォトレジストを用いたマスク９０９を形成し、再びイオンドープ法でリンをドーピングする。このドーピングにより作製される第２不純物領域９１０、９１２のリンの平均濃度は１×１０20〜１×１０21／ｃｍ3となるようにする。こうして、半導体層９０３に形成される第１不純物領域９１１はＬＤＤ領域となり、第２不純物領域９１０はソース及びドレイン領域となる。
【００８５】
ｐチャネル型ＴＦＴは図１５（Ｄ）で示すように、フォトレジストを用いたマスク９１３を形成し、半導体層９０４にホウ素をドーピングする。ドーピングガスにはＨ2で０．１〜５％に希釈したジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いる。半導体層９０４に形成される第３不純物領域９１４は、ｎ型からｐ型に反転させるためにリン濃度と比較して１．５〜３倍のホウ素を添加し、平均濃度は１．５×１０20〜３×１０21／ｃｍ3となるようにする。こうして、半導体層９０４に形成される第３不純物領域９４１はｐチャネル型ＴＦＴのソース及びドレイン領域となる。
【００８６】
その後、プラズマＣＶＤ法により作製される窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜により層間絶縁膜９１５を形成する。また、添加された不純物元素は活性化のために３５０〜５００℃の加熱処理が必要とされるが、この加熱処理は層間絶縁膜９１５を形成した後に行い、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜中に含まれる水素を放出させ、半導体層９０３、９０４に拡散させることにより、水素化を行い半導体中及びその界面の欠陥を補償することができる。さらに、ソース及びドレイン電極８１８を形成しＴＦＴを得ることができる。
【００８７】
チャネル形成領域９１８、９１９は｛１０１｝格子面の配向性の高いゲルマニウムを含有する結晶質シリコン膜で形成される。このようなチャネル形成領域は、ゲート絶縁膜との界面特性が良好であり、結晶粒界及び結晶粒内の欠陥密度が低減し、高い電界効果移動度を得ることができる。
【００８８】
以上の工程で、ｎチャネル型ＴＦＴとｐチャネル型ＴＦＴとを相補的に組み合わせたＣＭＯＳ型のＴＦＴを得ることができる。ｎチャネル型ＴＦＴはチャネル形成領域とドレイン領域との間にＬＤＤ領域が形成され、ドレイン端における電界の集中を防いでいる。このようなＣＭＯＳ型のＴＦＴは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置やＥＬ表示装置の駆動回路を形成することを可能とする。それ以外にも、このようなｎチャネル型ＴＦＴまたはｐチャネル型ＴＦＴは、画素部を形成するトランジスタに応用することができる。さらに、従来の半導体基板にて作製されるＬＳＩに代わる薄膜集積回路を実現するＴＦＴとして用いることができる。
【００８９】
図１５（Ｃ）で作製されたＣＭＯＳ型のＴＦＴは、さらにパッシベーション膜などを付けて完成させることができる。このようなＴＦＴのチャネル形成領域の結晶性を評価するためには、実施形態１で示す方法により、基板を除去して、結晶質半導体膜の基板側の面より測定することにより行うことができる。
【００９０】
反射電子回折パターンにより得られる結晶方位の情報は、照射される電子線のビームサイズに対応している。従って、複数の結晶粒が集合して形成される結晶質半導体膜の配向率を正確に評価するには、測定点を多くして母数を増やし、統計的に処理される配向率の精度を上げることが要求される。そのために、一つのＴＦＴのチャネル形成領域において１０〜５０点程度の測定点を設け、このような測定を１００個若しくはそれ以上のＴＦＴに対して行うことにより正確な配向率を評価することができる。
【００９１】
[実施例]
本発明の半導体装置は、各種多様の電子機器の表示装置や各種集積回路、或いは、従来の集積回路に代わる回路用途に応用することができる。このような半導体装置には、携帯情報端末（電子手帳、モバイルコンピュータ、携帯電話等）、ビデオカメラ、スチルカメラ、パーソナルコンピュータ、テレビ、プロジェクター等が挙げられる。それらの一例を図２１〜図２３に示す。
【００９２】
図２１（Ａ）は携帯電話であり、表示用パネル２７０１、操作用パネル２７０２、接続部２７０３から成り、表示用パネル２７０１には表示装置２７０４、音声出力部２７０５、アンテナ２７０９などが設けられている。操作パネル２７０２には操作キー２７０６、電源スイッチ２７０２、音声入力部２７０５８などが設けられている。本発明は表示装置２９０４を形成することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置２９０４の検査に用いることができる。
【００９３】
図２１（Ｂ）はビデオカメラであり、本体９１０１、表示装置９１０２、音声入力部９１０３、操作スイッチ９１０４、バッテリー９１０５、受像部９１０６から成っている。本発明は表示装置９１０２に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９１０２の検査に用いることができる。
【００９４】
図２１（Ｃ）はモバイルコンピュータ或いは携帯型情報端末であり、本体９２０１、カメラ部９２０２、受像部９２０３、操作スイッチ９２０４、表示装置９２０５で構成されている。本発明は半導体装置は表示装置９２０５に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９２０５の検査に用いることができる。
【００９５】
図２１（Ｄ）はテレビ受像器であり、本体９４０１、スピーカ９４０２、表示装置９４０３、受信装置９４０４、増幅装置９４０５等で構成される。本発明は表示装置９４０３に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置６４０３の検査に用いることができる。
【００９６】
図２１（Ｅ）は携帯書籍であり、本体９５０１、表示装置９５０２、９５０３、記憶媒体９５０４、操作スイッチ９５０５、アンテナ９５０６から構成されており、ミニディスク（ＭＤ）やＤＶＤに記憶されたデータや、アンテナで受信したデータを表示するものである。本発明は表示装置９５０２、９５０３や、記憶媒体９５０４に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９５０２、９５０３の検査に用いることができる。
【００９７】
図２２（Ａ）はパーソナルコンピュータであり、本体９６０１、画像入力部９６０２、表示装置９６０３、キーボード９６０４で構成される。本発明は表示装置９６０１や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９６０１の検査に用いることができる。
【００９８】
図２２（Ｂ）はプログラムを記録した記録媒体（以下、記録媒体と呼ぶ）を用いるプレーヤーであり、本体９７０１、表示装置９７０２、スピーカ部９７０３、記録媒体９７０４、操作スイッチ９７０５で構成される。なお、この装置は記録媒体としてＤＶＤ（Ｄｉｇｔｉａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ＣＤ等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。本発明は表示装置９７０２や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９７０２の検査に用いることができる。
【００９９】
図２２（Ｃ）はデジタルカメラであり、本体９８０１、表示装置９８０２、接眼部９８０３、操作スイッチ９８０４、受像部（図示しない）で構成される。本発明は表示装置９８０２や、内蔵する各種集積回路に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置９８０２の検査に用いることができる。
【０１００】
図２３（Ａ）はフロント型プロジェクターであり、投射装置３６０１、スクリーン３６０２で構成される。本発明は表示装置３６０１やその他の信号制御回路に適用することができる。また、本発明の半導体装置の検査方法は、表示装置３６０１の検査に用いることができる。
【０１０１】
図２３（Ｂ）はリア型プロジェクターであり、本体３７０１、投射装置３７０２、ミラー３７０３、スクリーン３７０４で構成される。本発明は投射装置３７０２やその他の信号制御回路に適用することができる。
【０１０２】
尚、図２３（Ｃ）は、図２３（Ａ）及び図２３（Ｂ）中における投射装置３６０１、３７０２の構造の一例を示した図である。投射装置３６０１、３７０２は、光源光学系３８０１、ミラー３８０２、３８０４〜３８０６、ダイクロイックミラー３８０３、プリズム３８０７、液晶表示装置３８０８、位相差板３８０９、投射光学系３８１０で構成される。投射光学系３８１０は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図２３（Ｃ）中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、ＩＲフィルム等の光学系を設けてもよい。
【０１０３】
また、図２３（Ｄ）は、図２３（Ｃ）中における光源光学系３８０１の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系３８０１は、リフレクター３８１１、光源３８１２、レンズアレイ３８１３、３８１４、偏光変換素子３８１５、集光レンズ３８１６で構成される。なお、図２３（Ｄ）に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、ＩＲフィルム等の光学系を設けてもよい。
【０１０４】
ここでは図示しなかったが、本発明はその他にもナビゲーションシステムをはじめ冷蔵庫、洗濯機、電子レンジ、固定電話機などに組み込む表示装置としても適用することも可能である。このように本発明の適用範囲はきわめて広く、さまざまな製品に適用することができる。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、ＴＦＴ形成後にその活性領域を形成する結晶質半導体膜の配向率を反射電子回折パターンにより測定することができる。また、非晶質半導体膜を結晶化して得られる結晶質半導体膜の配向性を高め、そのような結晶質半導体膜を用いたＴＦＴをえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の反射電子回折パターンの概念を説明する図。
【図２】 反射電子回折装置の構成を説明する図。
【図３】 反射電子回折による試料測定の概念を説明する図。
【図４】 反射電子回折データから得られる逆極点図の例。
【図５】 ｛１０１｝配向からのずれ角を説明する図。
【図６】 ｛１０１｝付近に優先配向している場合の各結晶粒の＜１０１＞方位のゆらぎを説明する図。
【図７】 反射電子回折で測定するための試料調整法を説明する図。
【図８】 反射電子回折で測定する領域を説明する図。
【図９】 反射電子回折装置の他の構成を説明する図。
【図１０】 反射電子回折による高温多結晶シリコン膜の逆極点図。
【図１１】 反射電子回折による結晶質シリコン膜の逆極点図。
【図１２】 結晶質シリコン膜の作製方法を説明する図。
【図１３】 結晶質シリコン膜の作製方法を説明する図。
【図１４】 結晶質シリコン膜の作製方法を説明する図。
【図１５】 ＣＭＯＳ構造のＴＦＴの作製工程の一例を説明する図。
【図１６】 本実施例により作製されたゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜におけるゲルマニウムの分布を示すグラフ。
【図１７】 本実施例により作製されたゲルマニウムを含む結晶質シリコン膜における逆極点図。
【図１８】 X線回折測定と試料あおり角を説明する図。
【図１９】 試料あおり角と、回折に寄与する格子面を説明する図。
【図２０】 ＳｉＨ4、ＧｅＨ4、Ｈ2ガスより作製された試料のＣ、Ｎ、Ｏ濃度を阿表すＳＩＭＳデータ。
【図２１】 半導体装置の一例を示す図。
【図２２】 半導体装置の一例を示す図。
【図２３】 プロジェクターの一例を示す図。
Claims (12)
- 基板上に形成された結晶質半導体膜を有し、前記結晶質半導体膜の上方には、絶縁層及び導電層を介して導電性材料で形成され接地される固定板を有し、前記結晶質半導体膜は、前記固定板に電気的に接続されており、
前記結晶質半導体膜を有する半導体装置に対し、前記基板を化学的機械研磨及びエッチングにより除去して前記結晶質半導体膜を露出させる処理を有し、
前記結晶質半導体膜に電子線を照射して、反射電子回折パターンから結晶方位を測定することを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 基板上に形成された結晶質半導体膜を有し、前記結晶質半導体膜の上方には、第１の絶縁層及び導電層を介して導電性材料で形成され接地される固定板を有し、前記結晶質半導体膜は、前記固定板に電気的に接続されており、
前記結晶質半導体膜を有する半導体装置に対し、前記基板と、前記基板と前記結晶質半導体膜との間の第２の絶縁層と、を化学的機械研磨及びエッチングにより除去して前記結晶質半導体膜を露出させる処理を有し、
前記結晶質半導体膜に電子線を照射して、反射電子回折パターンから結晶方位を測定することを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 基板上に形成された結晶質半導体膜を有し、前記結晶質半導体膜の上方には、絶縁層及び導電層を介して導電性材料で形成され接地される固定板を有し、前記結晶質半導体膜は、前記固定板に電気的に接続されており、
前記結晶質半導体膜を有する半導体装置に対し、前記基板を化学的機械研磨により薄板化する処理と、
薄板化した前記基板をエッチングにより除去して前記結晶質半導体膜を露出させる処理と、を有し、
前記結晶質半導体膜に電子線を照射して、反射電子回折パターンから結晶方位を測定することを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 基板上に形成された結晶質半導体膜を有し、前記結晶質半導体膜の上方には、第１の絶縁層及び導電層を介して導電性材料で形成され接地される固定板を有し、前記結晶質半導体膜は、前記固定板に電気的に接続されており、
前記結晶質半導体膜を有する半導体装置に対し、前記基板を化学的機械研磨により薄板化する処理と、
薄板化した前記基板と、前記基板と前記結晶質半導体膜の間の第２の絶縁層とをエッチングにより除去して前記結晶質半導体膜を露出させる処理と、を有し、
前記結晶質半導体膜に電子線を照射して、反射電子回折パターンから結晶方位を測定することを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 基板上に形成された結晶質半導体膜を有し、前記結晶質半導体膜の上方には、絶縁層及び導電層を介して導電性材料で形成され接地される固定板を有し、前記結晶質半導体膜は、前記固定板に電気的に接続されており、
前記結晶質半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタを有する半導体装置に対し、前記基板を化学的機械研磨により薄板化する処理と、
薄板化した前記基板をエッチングにより除去して前記結晶質半導体膜のチャネル形成領域を露出させる処理と、を有し、
前記結晶質半導体膜のチャネル形成領域に電子線を照射して、反射電子回折パターンから結晶方位を測定することを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 基板上に形成された結晶質半導体膜を有し、前記結晶質半導体膜の上方には、第１の絶縁層及び導電層を介して導電性材料で形成され接地される固定板を有し、前記結晶質半導体膜は、前記固定板に電気的に接続されており、
前記結晶質半導体膜でチャネル形成領域を形成した薄膜トランジスタを有する半導体装置に対し、前記基板を化学的機械研磨により薄板化する処理と、
薄板化した前記基板と、前記基板と前記結晶質半導体膜の間の第２の絶縁層とをエッチングにより除去して前記結晶質半導体膜のチャネル形成領域を露出させる処理と、を有し、
前記結晶質半導体膜のチャネル形成領域に電子線を照射して、反射電子回折パターンから結晶方位を測定することを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 請求項５または請求項６において、
前記反射電子回折パターンにおいて、前記結晶質半導体膜に照射する電子線は前記チャネル形成領域内に照射されることを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
前記反射電子回折パターンにおいて、前記結晶質半導体膜に照射する電子線の直径は５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、
前記電子線は、前記結晶質半導体膜に対して傾けて照射されることを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 請求項１乃至請求項９のいずれか一項において、
前記結晶質半導体膜はシリコンを主成分とする半導体膜にゲルマニウムが０．１原子％以上１０原子％以下の濃度で含まれており、｛１０１｝の配向率を高めることを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、
前記結晶質半導体膜の組成分析を行いつつ反射電子回折パターンから結晶方位を測定することを特徴とする半導体装置の検査方法。 - 請求項１１において、
前記組成分析は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析により行い、前記結晶質半導体膜のチャネル形成領域を判別することを特徴とする半導体装置の検査方法。
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