JP4932081B2

JP4932081B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP4932081B2
Application number: JP2000399283A
Authority: JP
Inventors: 純一肥塚
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002203788A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁体表面に形成された半導体膜を活性層として作製した半導体装置およびその作製方法に関する。なお、本明細書において、半導体装置とは、トランジスタ、特に電界効果型トランジスタ、代表的にはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタや薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor:以下、ＴＦＴとする）といった装置を指し、該半導体装置を用いて作製された回路を駆動回路や画素部に有する液晶表示装置、該液晶表示装置を表示部に用いた電気器具もその範疇に含まれるものとする。
【０００２】
【従来技術】
ノート型パソコン、ディジタルカメラ、カーナビゲーション、テレビに至るまであらゆる製品の表示部に液晶表示装置が用いられるようになっている。液晶表示装置の使用が広がるにつれ、大画面化（逆に、携帯性を重視する製品はより小型化を）、高精細化、軽量化が求められ、開発が進められている。
【０００３】
その中でも、テレビ画面として液晶表示装置が盛んに用いられるようになってきているが、ＣＲＴと遜色がない表示を行うために求められる性能として、例えば動画の画像がぼけない程度の応答速度（３００cm²/Vs程度の電界効果移動度）が必要である。研究室レベルでは、移動度５００cm²/Vsという報告もなされるようになってきたが、低コストでこの移動度を実現するためには、まだまだ製造技術の改良が必要とされている。
【０００４】
また、液晶表示装置の用途の拡大によりプラスチックのような耐熱性の低い材料を基板に用いた液晶表示装置の需要も高まってきている。そこで、低コスト、かつ低温で結晶質シリコンを形成し、これを活性層に用いたＴＦＴを作製する技術開発が盛んになっている。
【０００５】
本出願人は低温のプロセスで電界効果移動度の高い結晶性のよい半導体膜を得るために、触媒元素を用いた結晶化の方法に関して技術開発を続けている。触媒元素を用いる半導体膜の結晶化方法は、結晶化のための加熱処理をそれまでの加熱温度から５０〜１００℃も引き下げることができる。しかし、触媒元素を半導体層（特にチャネル形成領域）から除去しないと、触媒元素が不規則に、特に結晶粒界に集中して偏析することが確認されており、この偏析が微弱な電流の逃げ道（リークパス）となり、オフ電流（ＴＦＴがオフ状態にある時の電流）の突発的な増加の原因になっていると考えられている。結晶化の工程が終了したら速やかに触媒元素を半導体膜から除去する、または、電気的な影響を及ぼさない程度の濃度にまで低減させる必要がある。この手段として、例えば、ゲッタリング作用を有するリン（Ｐ）などの１５族元素を高濃度にドーピングしたゲッタリング領域を形成し、加熱処理を行って、触媒元素をゲッタリング領域に移動させてゲッタリングのための加熱処理工程終了後に、このゲッタリング領域を除去する方法や、不純物元素（リン）が添加されたソース領域またはドレイン領域を活性化する工程と同一の工程で、半導体層中の触媒元素をソース領域またはドレイン領域にゲッタリングする方法などが考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
現在、液晶表示装置には、ＣＲＴと同レベルもしくはそれ以上の画質性能、高精細化が求められているが、高精細化という要求には、画素数を増加させて対応している。ＴＦＴの活性層に用いる半導体膜の結晶化工程を触媒元素を用いて行った場合、触媒元素のゲッタリングを行わなければならないが、現在、例えば、対角0.9インチ小型の液晶表示装置で、ＸＧＡ（1024×768画素）という高精細な表示を実現しようとすると、ひとつひとつの画素サイズは十数μmサイズとなっておりゲッタリング領域もそれに伴って縮小してしまうため、ゲッタリングの効率が悪くなるという問題が生じる。ゲッタリングの効率が下がれば、作業工程時間が延びる、半導体膜中に触媒元素が残留し偏析することでリーク電流が発生するなど、様々な問題に発展する。
【０００７】
本発明では、触媒元素を用いる半導体膜の結晶化処理を行う場合に、該触媒元素を効率よく半導体層からゲッタリング（捕獲）する方法を提供することを課題とする。また、結晶性のよい半導体層を活性層として用い、信頼性の高いＴＦＴおよび該ＴＦＴを用いた液晶表示装置を作製する方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、半導体膜の結晶性と触媒元素のゲッタリング効率との間には、結晶性が高いほどゲッタリング効率が低くなるという関係があると考えた。そこで、悪影響を及ぼさない程度に半導体膜の結晶を破壊してからゲッタリングを行うために、ゲッタリング領域にゲッタリング作用を有する不純物元素に加えて水素を添加することを思いついた。結晶を破壊するためにリンを多量に添加してしまうとシリコン膜中で飽和してしまったり、結晶性を回復できなくなってしまうなどの問題が生じる。本発明者は、加熱処理によって気化させ半導体膜から離脱させることができる水素を添加することを思いついた。図１６に、触媒元素を用いた結晶化処理で形成された結晶質シリコン膜にリンを添加したサンプルおよびリンを添加した後、さらに水素を添加したサンプル（水素添加量が異なるサンプル３種類）をラマン分光により測定した結果（リン、水素を添加した後の加熱処理は行っていない）を示す。リンだけを添加したサンプルよりも、リンを添加した後にさらに水素を添加したサンプルの方が、アモルファスシリコンのピークが大きくなっていることが確認できる。
【０００９】
そこで、本発明の構成は、非晶質半導体膜に触媒元素を添加して、第１加熱処理を行い、結晶質半導体膜を形成した後、前記結晶質半導体膜にゲッタリング作用を有する不純物元素を添加した後、さらに水素を添加してゲッタリング領域を形成する。この後、第２加熱処理を行い、前記ゲッタリング領域に触媒元素をゲッタリングすることにより、効率的に触媒元素を半導体層、特にチャネル形成領域となる領域からゲッタリング領域に移動させることができる。
【００１０】
また、他の発明の構成は、非晶質半導体膜に触媒元素を添加して、第１加熱処理を行い結晶質半導体膜を形成した後、前記結晶質半導体膜にレーザー照射を行う。この後、前記結晶質半導体膜にゲッタリング作用を有する不純物元素を添加した後、さらに水素を添加してゲッタリング領域を形成し、第２加熱処理を行い、前記ゲッタリング領域に触媒元素をゲッタリングする。
【００１１】
なお、水素を半導体膜に注入する方法は、公知のイオン注入装置やプラズマドーピング装置、プラズマによる水素化処理法、熱による拡散法などのいずれかを用いればよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本実施形態においては、ゲッタリング領域に触媒元素をゲッタリングする作用を有する元素としてリンを添加し、さらに前記ゲッタリング領域に水素を添加した場合のゲッタリング効率について実験を行った結果を説明する。
【００１３】
まず、触媒元素を用いて結晶化を行った結晶質半導体膜（本実施形態では結晶質シリコン膜）から触媒元素をゲッタリング（捕獲）を行うために、ゲッタリング領域を形成した。なお、結晶化のための加熱処理は次のように行う。まず、基板１０上に下地絶縁膜１１を形成し、下地絶縁膜１１上に非晶質シリコン膜１２を形成する。次いで、非晶質シリコン膜１２上に触媒元素含有層１３を形成する（図３（Ａ））。本実施形態では、結晶化を促進する触媒元素としては、ニッケル（Ｎｉ）を用いたが、他にも触媒元素として、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった金属元素を使用することができる。また、本実施形態では、触媒元素をスピンコート法で塗布しているが、蒸気法やスパッタ法などにより触媒元素を含むごく薄い膜を形成してもよい。
【００１４】
結晶化の工程に先立ち、非晶質シリコン膜中に含まれる水素を離脱させるための加熱処理を400〜500℃で１時間程度行った。次いで、ロータリーポンプおよびメカニカルブースターポンプにより排気を行い、減圧（1.33〜26.7Pa）にした窒素雰囲気において、５５０℃で４時間の加熱処理を行い、結晶質シリコン膜１４が形成される（図３（Ｂ））。その後、結晶性をさらに向上させるためにレーザー照射を行った。
【００１５】
次いで、触媒元素をゲッタリングするためにマスク絶縁膜１５を形成して、マスク絶縁膜１５の開口部１６からゲッタリング作用を有する不純物元素を添加してゲッタリング領域１７を形成する。ゲッタリング領域１５には、ゲッタリング作用を有する不純物元素として、本実施例ではリンを添加した。その後、さらに水素を添加した（図３（Ｃ））。ゲッタリング作用を有する不純物元素としては、本実施例ではリンを用いているが、リン以外にも、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）等が知られている。
【００１６】
本実施例では、ゲッタリング領域にリンのみを添加したサンプル（サンプル１）およびリンと水素を添加したサンプル（サンプル２、３、４）を用意してゲッタリングための加熱処理を行い、ゲッタリング効率の比較を行った。各サンプルの水素の添加量は表１のとおりである。
【００１７】
【表１】

【００１８】
ニッケルを結晶化を助長する触媒元素として用いる結晶化方法の場合、結晶化のための加熱処理をすると、結晶化工程後は、半導体膜から捕獲したい触媒元素（Ｎｉ）が半導体元素（Ｓｉ）と結合してＮｉＳｉ_xが生成され、偏析してしまう。そこで、このＮｉＳｉ_xを選択的に除去することで発生する孔の数でゲッタリングの効率を評価している。
【００１９】
ＮｉＳｉ_xは、酸化シリコン膜をＬＡＬ５００液にて除去し、ＨＦとＨ₂Ｏ₂をモル比で０．５：０．５に混合した薬液（以下、ＦＰＭ液という）に４０分間、ＬＡＬ５００液に室温にて２０分間試料を浸漬することで除去され、孔が発生する。この孔の発生する割合が高いほど高濃度にニッケル（Ｎｉ）が残留しているといえる。
【００２０】
ＮｉＳｉ_xが除去された後の孔は、光学顕微鏡の透過モードで黒点として観察することができる。本明細書において、この黒点のことをエッチピットという。なお、ゲッタリングが十分になされている場合には、ＮｉＳｉ_xは形成されないため、エッチピットは観察されない。図１、２に、サンプル１〜サンプル４のエッチピットを光学顕微鏡の透過モードで観察した様子を示す。なお、サンプル１〜サンプル４は、チャネル形成領域となる領域の幅を５、１０、１５、２０、３０、５０、７５μmと７種類設けて、ソース領域またはドレイン領域となる領域の幅を１０μmに固定してゲッタリングのための加熱処理を行っている。
【００２１】
水素添加を加速電圧１０kVで６０分行ったサンプル４（水素ドーズ量は、１．２×１０¹⁸ions/cm²）は、サンプル１と比較するとエッチピットの数がかなり少なくなっており、触媒元素がチャネル形成領域からゲッタリング領域へゲッタリングされて少なくなっていると考えられる。このことから、ゲッタリング領域に水素を添加すると触媒元素の偏析を効果的に減らすことができ、ゲッタリング効率を向上させることができると考えられる。
【００２２】
図４には、水素添加量とエッチピット数の関係を示す。水素添加量が多いと、チャネル幅が広くなっても多くの触媒元素をゲッタリングすることができることがわかる。
【００２３】
以上のように、ゲッタリング領域にゲッタリング作用を有する不純物元素に加えて水素を添加することにより、ゲッタリング効率を向上させることができる。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
本実施例においては、本発明を用いて反射型のアクティブマトリクス型液晶表示装置を作製する方法の一例について、図５〜８を用いて説明する。
【００２５】
基板１００上に酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜などの絶縁膜からなる下地絶縁膜１０１を形成する。ここで、基板１００としてはガラス基板、石英基板、セラミックス基板などを用いることができる。また、シリコン基板、金属基板、またはステンレス基板などの表面に絶縁膜を形成したものを用いてもよい。本実施例では、１層目の下地絶縁膜１０１ａとして、窒化酸化シリコン膜を50nm、２層目の下地絶縁膜１０１ｂとして、酸化窒化シリコン膜を100nm積層した下地絶縁膜１０１とした（図５（Ａ））。
【００２６】
次いで、下地絶縁膜１０１上に非晶質半導体膜１０２を形成する。非晶質半導体膜としては、特に材料に限定はないのもののシリコン膜もしくはシリコンゲルマニウム（Si_xGe_1-x；0＜x＜1、代表的にはx=0.001〜0.05）合金からなる膜などで形成するとよい。本実施例では、非晶質シリコン膜を30〜60nmの膜厚で形成した。
【００２７】
なお、下地絶縁膜１０１ｂと非晶質シリコン膜１０２とは成膜方法が同じであるため、大気解放せずに連続的に成膜することが可能である。そうすることにより汚染を防ぐことが可能となり、この半導体膜を活性層とするＴＦＴの特性のバラツキを低減させることができる（図５（Ｂ））。
【００２８】
次いで、非晶質シリコン膜１０２を結晶化する。結晶化のための処理として、非晶質シリコン膜１０２表面全面に結晶化を促進する作用を有する金属元素（以下、触媒元素とする）を塗布し、触媒元素含有層１０３を形成する。典型的な触媒元素としては、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いればよい。本実施例では、重量換算でＮｉを10ppm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た。スピンコート法以外にも蒸気法もしくはスパッタ法などにより触媒元素からなるごく薄い膜（触媒元素含有層）を形成してもよい（図５（Ｃ））。
【００２９】
次いで、非晶質シリコン膜１０２中から水素を離脱させるために、本実施例では５００℃で１時間の加熱処理を行った。この時、含有水素量は5atomic％以下とすることが好ましい。続いて、結晶化のための加熱処理を行う。本実施例では５００℃で４時間の加熱処理を行い、結晶質シリコン膜１０４を得た。
【００３０】
さらに加熱処理による結晶化工程の後、得られた結晶質シリコン膜にレーザーを照射して結晶性を高める工程を行ってもよい。ここで、パルス発振型のレーザー、例えばＫｒＦエキシマレーザー（波長248nm）、短波長（紫外線領域）のＸｅＣｌエキシマレーザー、もしくは長波長のＹＡＧレーザーのいずれかのレーザーを照射すればよい。
【００３１】
次いで結晶質シリコン膜１０４上に酸化シリコン膜からなるマスク絶縁膜１０５を膜厚130nmで形成する。その後、このマスク絶縁膜１０５を介して結晶質シリコン膜１０４に不純物元素を添加する。ここで結晶質シリコン膜１０４に添加する不純物元素は、ｐ型不純物元素、代表的には周期表の１３族に属する元素、典型的にはボロンまたはガリウムを用いる。この工程は、ＴＦＴのしきい値電圧を制御するための工程であって、本明細書中ではチャネルドープ工程という。この工程により、１×１０¹⁵〜１×１０¹⁸atoms/cm³（代表的には、５×１０¹⁶〜５×１０¹⁷atoms/cm³）の濃度のボロンが結晶質シリコン膜１０４中に添加された。
【００３２】
マスク絶縁膜１０５を除去した後、結晶質シリコン膜１０４を所望の形状にパターニングして半導体層１０６〜１０９を形成する。この半導体層は、後のＴＦＴの活性層となる（図５（Ｄ））。
【００３３】
次いで、シリコンを含む絶縁膜からゲート絶縁膜１１０を形成する。本実施例では、115nmのゲート絶縁膜１１０を形成した。
【００３４】
次いで、ゲート電極を形成するための導電膜を成膜する。本実施例では、膜厚20〜100nmの導電膜（Ａ）１１１および膜厚100〜400nmの導電膜（Ｂ）１１２を積層で形成した。導電膜（Ａ）および導電膜（Ｂ）は、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉ（リンなどの不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜）またはＣｕから選ばれた元素を主成分とする導電膜から形成する。本実施例では、導電膜（Ａ）１１１としてＴａＮ、導電膜（Ｂ）１１２としてＷを用いた（図６（Ａ））。
【００３５】
続いて、レジストからなるマスク１１３〜１１７を形成し、ゲート電極および保持容量の電極となる容量配線を形成するための第１のエッチング処理を行う。エッチング方法は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用い、エッチングガスにはＣＦ₄、Ｃｌ₂およびＯ₂をそれぞれ流量25/25/10（sccm）で用い、1.0Paの圧力でコイル型の電極に500WのＲＦ（13.56MHz）電力を投入してプラズマを生成してエッチングを行う。基板側（試料ステージ）にも150WのＲＦ（13.56MHz）電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。
【００３６】
この後、レジストからなるマスク１１３〜１１７を除去せずに第2のエッチング条件に変え、エッチング用ガスにＣＦ₄およびＣｌ₂を流量30/30（sccm）で用い、1.0Paの圧力でコイル型の電極に500WのＲＦ（13.56MHz）電力を投入してプラズマを生成してエッチングを行う。基板側（試料ステージ）にも20WのＲＦ（13.56MHz）電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。第2のエッチング条件により、Ｗ膜およびＴａＮ膜が同程度にエッチングされて第1の形状のゲート電極、容量配線およびソース線１１８〜１２２が形成される
【００３７】
続いて、レジストからなるマスク１１３〜１１７を除去せずに第１の形状のゲート電極および容量配線をマスクにしてｎ型不純物元素（典型的に、周期表の１５族に属する元素）を添加する。本実施例では、リンを１×１０²⁰〜１×１０²¹atoms/cm³の濃度になるようにドーピングを行った。これにより、ｎ型不純物領域（ｎ⁺）１２３〜１２６が形成される。さらに、この後で水素を半導体層に添加する。水素の添加方法としては、イオンドープ法、プラズマによる水素化処理法、熱による拡散のいずれを用いてもよい。本実施例では、イオンドープ法により加速電圧を10kVとして、1.2×10¹⁸ions/cm²の水素を添加した（図６（Ｂ））。
【００３８】
ゲッタリング領域にゲッタリング作用を有する不純物元素として、リンだけでなく、リンに加えてボロンを添加した後に、水素を添加してもよい。
【００３９】
続いて、レジストからなるマスク１１３〜１１７を除去せず、エッチング処理を行う。エッチングガスには、ＳＦ₆、Ｃｌ₂およびＯ₂を流量24/12/24（sccm）で用い、1.3Paの圧力でコイル型の電極に700WのＲＦ（13.56MHz）電力を投入してプラズマを生成してエッチングを行う。基板側（試料ステージ）にも10WのＲＦ（13.56MHz）電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。第2のエッチング条件により、Ｗ膜およびＴａＮ膜が同程度にエッチングされて第2の形状のゲート電極、容量配線およびソース線１２７〜１３１が形成される。
【００４０】
次いで、第2の形状のゲート電極および容量配線１２７〜１３０をマスクとして用い半導体層にｎ型不純物元素を添加する。ここで、ｎ型不純物領域（ｎ⁺）よりチャネル形成領域側にｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹atoms/cm³の濃度のｎ型不純物領域（ｎ^-）１３２〜１３５が形成される（図６（Ｃ））。
【００４１】
次いで、レジストからなるマスク１３６で後のｐチャネル型ＴＦＴの活性層となる半導体層を覆い、第3のエッチング処理を行う。エッチング用ガスには、Ｃｌ₂を流量60（sccm）で用い、1.0Paの圧力でコイル型の電極に350WのＲＦ（13.56MHz）電力を投入してプラズマを生成してエッチングを行う。基板側（試料ステージ）にも20WのＲＦ（13.56MHz）電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。第3のエッチング条件により、Ｗ膜およびＴａＮ膜が同程度にエッチングされて第3の形状のゲート電極、容量配線およびソース線１３７〜１４０が形成される（図７（Ａ））。
【００４２】
次いで、ゲート電極および容量配線が形成されていない領域のゲート絶縁膜の残りの膜圧が15〜30 nm（本実施例では20nm）になるようにエッチング用ガスにＣＨＦ₃を流量35（sccm）でエッチングを行う。
【００４３】
次いで、レジストからなるマスク１４１、１４２で、ｎチャネル型ＴＦＴおよび画素ＴＦＴを覆う。続いて、ｐチャネル型ＴＦＴとなる領域にｐ型不純物元素（周期表の１３族に属する元素）、本実施例ではボロンを２×１０²⁰〜２×１０²¹atoms/cm³の濃度となるように添加する（図７（Ｂ））。
【００４４】
次いで、レジストからなるマスク１４１、１４２を除去した後、第1層間絶縁膜１４７として、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜で50〜500nm（本実施例では、150nm）の厚さで形成する。
【００４５】
続いて、半導体層にそれぞれの濃度で添加されたｎ型およびｐ型不純物元素の活性化のための加熱処理を行う。この工程は、電気炉を用いるアニール法、レーザーアニール法、ランプアニール法もしくは、それらを併用しても行うことができる。本実施例では、ロータリーポンプおよびメカニカルブースターポンプといった真空ポンプを用いて処理炉の中の排気を行い、減圧雰囲気（圧力1.0×10^-5〜66.7×10²Pa、本実施例では、13.3Pa）にしてから窒素を5l/min注入した雰囲気において550℃で4時間の加熱処理を行う。なお、本実施例では減圧雰囲気における不純物元素の活性化のための加熱処理と同一の工程において、結晶化の工程で用いた触媒元素をゲッタリング領域にゲッタリング（捕獲）する処理（図（）中の矢印）も行っている。この工程において、半導体層、特にチャネル形成領域に残留するニッケルの濃度を１×１０¹⁷atoms/cm³以下、好ましくは１×１０¹⁶atoms/cm³以下にまで低減することができる（図７（Ｃ））。
【００４６】
次いで、水素を含む窒素雰囲気において、410℃で1時間の加熱処理を行う。この処理は、熱的に励起された水素により活性層中のダングリングボンドを終端するために行う。水素化の他の手段としては、プラズマにより励起された水素を用いるプラズマ水素化を行ってもよい。
【００４７】
次いで、有機樹脂からなる第2層間絶縁膜１４８を約1.5〜2μmの厚さに形成する。有機樹脂膜としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などを用いることができる。本実施例では、アクリルを塗布し、250℃で焼成して、1.6μmの第２層間絶縁膜１４８を得る（図８（Ａ））。
【００４８】
続いて、各ＴＦＴを電気的に接続するための配線１４９〜１５４を形成する。これらの配線は、膜圧50〜250nmのＴｉ膜および300〜500nmの合金膜（本実施例ではＴｉとＡｌとの合金膜）を積層して、所望の形状にパターニングする。
【００４９】
また、画素部においては、画素電極１５５を形成する。画素電極１５５は、画素ＴＦＴのドレイン領域と電気的に接続され、さらに、保持容量を形成する一方の電極として機能する半導体層とも電気的に接続される。画素電極を形成する材料としては、透過型の液晶表示装置の場合には、ＩＴＯ（酸化インジウムと酸化スズとの化合物）膜を用い、反射型の液晶表示装置を作製する場合にはＡｌまたはＡｇを主成分とする膜、もしくはそれらの積層膜のような反射性の優れた材料を用いることが望ましい（図８（Ｂ））。
【００５０】
ここまでの工程により、同一基板上に駆動回路２０５には、ｐチャネル型ＴＦＴ２０１およびｎチャネル型ＴＦＴ、画素部２０６には、画素ＴＦＴ２０３および保持容量２０４が形成される。
【００５１】
以上のように、本発明を用いて形成された結晶性のよい半導体膜を活性層としたアクティブマトリクス基板を作製することが可能である。
【００５２】
（実施例２）
本実施例では、実施例１で作製したＴＦＴ基板からアクティブマトリクス駆動の液晶表示装置を作製する工程を説明する。図９は、ＴＦＴ基板と対向基板１８１とをシール材で貼り合わせた状態を示している。ＴＦＴ基板上には柱状のスペーサ１８３を形成する。柱状のスペーサは画素電極上に形成されるコンタクト部のくぼみに合わせて形成するとよい。柱状スペーサは用いる液晶材料にも依存するが、３〜１０μｍの高さで形成する。コンタクト部では、コンタクトホールに対応した凹部が形成されるので、この部分に合わせてスペーサを形成することにより液晶の配向の乱れを防ぐことができる。その後、配向膜１８２を形成し、ラビング処理を行う。対向基板１８０には透明導電膜１８４、配向膜１８１を形成する。その後、ＴＦＴ基板および対向基板１８０をシール材により貼り合わせて液晶を注入し、液晶層１８５を形成する。以上のようにして作製されるアクティブマトリクス駆動の液晶表示装置を完成させることができる。
【００５３】
（実施例３）
本実施例ではＴＦＴの活性層となる結晶質半導体膜を形成する工程について図１０を用いて説明する。
【００５４】
まず、基板（本実施例ではガラス基板）５０１上に２００ｎｍ厚の窒化酸化シリコン膜でなる下地膜５０２と２００ｎｍ厚の非晶質半導体膜（本実施例では非晶質シリコン膜）５０３を形成する。この工程は下地膜と非晶質半導体膜を大気解放しないで連続的に形成しても構わない。
【００５５】
次に、酸化シリコン膜でなるマスク絶縁膜５０４を２００ｎｍの厚さに形成し、開口部５０５を形成する。
【００５６】
次に、重量換算で１００ｐｐｍ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２５０６を形成する。この時、触媒元素含有層５０６は、開口部５０５が形成された領域において、選択的に非晶質半導体膜５０３に接触する。ここで使用可能な触媒元素は、ニッケル（Ｎｉ）以外にも、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、といった元素がある（図１０（Ａ））。
【００５７】
また、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、蒸着法やスパッタ法などにより触媒元素でなる薄膜（本実施例の場合はニッケル膜）を非晶質半導体膜上に形成する手段をとっても良い。
【００５８】
次に、結晶化の工程に先立って４００〜５００℃で１時間程度の熱処理工程を行い、水素を膜中から脱離させた後、５００〜６５０℃（好ましくは５５０〜６００℃）で６〜１６時間（好ましくは８〜１４時間）の熱処理を行う。本実施例では、５７０℃で１４時間の熱処理を行う。その結果、開口部５０５を起点として概略基板と平行な方向（矢印で示した方向）に結晶化が進行し、巨視的な結晶成長方向が揃った結晶質半導体膜（本実施例では結晶質シリコン膜）５０７が形成される(図１０（Ｂ）)。
【００５９】
次に、結晶化の工程で用いたニッケルを結晶質シリコン膜から除去するゲッタリング工程を行う。本実施例では、先ほど形成したマスク絶縁膜５０４をそのままマスクとして周期表の１５族に属する元素（本実施例ではリン）を添加する工程を行い、開口部５０５で露出した結晶質半導体膜に１×１０¹⁹〜１×１０²⁰atoms/cm³の濃度でリンを含むゲッタリング領域５０８を形成する。リンを添加した後、さらにゲッタリング領域５０８に水素を添加する。水素は、加速電圧を１０kVとして、1.2×10¹⁸ions/cm²を添加した（図１０（Ｃ））。水素の添加方法は、イオンドープ法、プラズマによる処理、熱による拡散など公知の方法を用いればよい。
【００６０】
次に、窒素雰囲気中で４５０〜６５０℃（好ましくは５００〜５５０℃）、４〜２４時間（好ましくは６〜１２時間）の熱処理工程を行う。この熱処理工程により結晶質半導体膜中のニッケルは矢印の方向に移動し、リンのゲッタリング作用によってゲッタリング領域５０８に捕獲される。即ち、結晶質半導体膜中からニッケルが除去されるため、結晶質シリコン膜５０９に含まれるニッケル濃度は、１×１０¹⁷atms/cm³以下、好ましくは１×１０¹⁶atms/cm³以下にまで低減することができる（図１０（Ｄ））。
【００６１】
なお、結晶性をさらに向上させるために、結晶化のための加熱処理工程後、もしくはゲッタリングのための加熱処理工程後に結晶質シリコン膜にレーザー照射を行ってもよい。
【００６２】
以上のようにして形成された結晶質半導体膜５０９は、結晶化を助長する触媒元素（ここではニッケル）を選択的に添加して結晶化することによって、非常に結晶性の良い結晶質半導体膜で形成されている。具体的には、棒状または柱状の結晶が、特定の方向性を持って並んだ結晶構造を有している。また、結晶化のあとは触媒元素をリンのゲッタリング作用により除去しており、結晶質半導体膜５０９中に残存する触媒元素の濃度は、１×１０¹⁷atms/cm³以下、好ましくは１×１０¹⁶atms/cm³以下である。
【００６３】
なお、本実施例の特徴は、触媒元素を用いて結晶化させた結晶質半導体膜を形成した後で、活性層として用いない領域に高濃度に周期表の１５族に属する不純物元素および水素を含むゲッタリング領域を形成し、加熱処理によって結晶化に用いた触媒元素をゲッタリングする点にある。本実施例の構成は、実施例１に示した構成と組み合わせることが可能である。
【００６４】
（実施例４）
本実施例では、本発明をボトムゲート型ＴＦＴの作製工程に適応した一例について、図１１、１２を用いて簡単に説明する。
【００６５】
基板５０上に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等の絶縁膜を形成し（図示せず）、ゲート電極を形成するために導電膜を形成し、所望の形状にパターニングしてゲート電極５１を得る。導電膜には、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、ＣｒまたはＡｌから選ばれた元素またはいずれかの元素を主成分とする導電膜を用いればよい（図１１（Ａ））。
【００６６】
次いで、ゲート絶縁膜５２を形成する。ゲート絶縁膜は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜の単層、もしくはいずれかの膜の積層構造にしてもよい。
【００６７】
次いで、非晶質半導体膜として非晶質シリコン膜５３を熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、蒸着法またはスパッタリング法により１０〜１１５０nm厚に形成する。なお、ゲート絶縁膜５２と非晶質シリコン膜５３とは、同じ成膜法で形成することが可能であるため、両者を連続形成してもよい。連続形成することで、一旦大気に曝すことがなくなり、表面の汚染を防ぐことができ、作製するＴＦＴの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減することができる（図１１（Ｂ））。
【００６８】
次いで、非晶質シリコン膜５３に結晶化を促進する触媒元素を塗布して、触媒元素含有層５４を形成する。この後、加熱処理を行い、結晶質シリコン膜を形成する（図１１（Ｃ））。
【００６９】
結晶化工程が終わったら、後の不純物添加工程において結晶質シリコン膜（チャネル形成領域）を保護する絶縁膜５５を１００〜４００nm厚で形成する。この絶縁膜は、不純物元素を添加する時に結晶質シリコン膜が直接プラズマに曝されないようにするためと、さらに、微妙な濃度制御を可能にするために形成される。
【００７０】
次いで、レジストからなるマスクを用いて、後のＴＦＴの活性層となる結晶質シリコン膜にｎ型不純物元素を添加してＴＦＴのソース領域およびドレイン領域を形成する。ｎ型不純物元素を高濃度で添加した後、さらにソース領域およびドレイン領域に加速電圧を１０kVで６０分（ドーズ量は、1.2×10¹⁸ions/cm²）で水素を添加する。水素の添加方法は、イオンドープ法、プラズマによる処理、熱による拡散など公知の方法を用いればよい。
【００７１】
続いて、低濃度でｎ型不純物元素を添加してＬＤＤ領域した後、ｎチャネル型ＴＦＴをマスクで覆って、後のｐチャネル型ＴＦＴの活性層となる結晶質シリコン膜にｐ型不純物元素を添加して、ソース領域およびドレイン領域を形成する（図１１（Ｄ）、図１２（Ａ））。
【００７２】
次いで、結晶質シリコン膜に添加された不純物元素を活性化する工程を行う。活性化と同時に、結晶化工程でシリコン膜に塗布した触媒元素の捕獲（ゲッタリング）も行う。加熱処理の際の雰囲気として、ロータリーポンプやメカニカルブースターポンプにより排気を行って、減圧の雰囲気としてもよい。
【００７３】
次いで、結晶質シリコン膜上の絶縁膜を除去し、結晶質シリコン膜を所望の形状にパターニングした後、層間絶縁膜５６を形成する。層間絶縁膜は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等の絶縁膜から５００〜１５００nm厚で形成する（図１２（Ｂ））。
【００７４】
その後、それぞれのＴＦＴのソース領域またはドレイン領域に達するコンタクトホールを形成して、各ＴＦＴを電気的に接続するための配線５７を形成する（図１２（Ｃ））。
【００７５】
以上のように本発明は、ＴＦＴの形状を問わず、どのような形状のＴＦＴにも適応して用いることができる。
【００７６】
（実施例５）
本発明を実施して形成されたＣＭＯＳ回路や画素部はアクティブマトリクス型液晶ディスプレイ（液晶表示装置）に用いることができる。即ち、それら液晶表示装置を表示部に組み込んだ電気器具全てに本発明を実施できる。
【００７７】
その様な電気器具としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター（リア型またはフロント型）、ヘッドマウントディスプレイ（ゴーグル型ディスプレイ）、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等）などが挙げられる。それらの一例を図１３、図１４及び図１５に示す。
【００７８】
図１３（Ａ）はパーソナルコンピュータであり、本体２００１、画像入力部２００２、表示部２００３、キーボード２００４等を含む。
【００７９】
図１３（Ｂ）はビデオカメラであり、本体２１０１、表示部２１０２、音声入力部２１０３、操作スイッチ２１０４、バッテリー２１０５、受像部２１０６等を含む。
【００８０】
図１３（Ｃ）はモバイルコンピュータ（モービルコンピュータ）であり、本体２２０１、カメラ部２２０２、受像部２２０３、操作スイッチ２２０４、表示部２２０５等を含む。
【００８１】
図１３（Ｄ）はゴーグル型ディスプレイであり、本体２３０１、表示部２３０２、アーム部２３０３等を含む。
【００８２】
図１３（Ｅ）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２４０１、表示部２４０２、スピーカ部２４０３、記録媒体２４０４、操作スイッチ２４０５等を含む。なお、このプレーヤーは記録媒体としてＤＶＤ（ＤｉｇｔｉａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）、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。
【００８３】
図１３（Ｆ）はデジタルカメラであり、本体２５０１、表示部２５０２、接眼部２５０３、操作スイッチ２５０４、受像部（図示しない）等を含む。
【００８４】
図１４（Ａ）はフロント型プロジェクターであり、投射装置２６０１、スクリーン２６０２等を含む。
【００８５】
図１４（Ｂ）はリア型プロジェクターであり、本体２７０１、投射装置２７０２、ミラー２７０３、スクリーン２７０４等を含む。
【００８６】
なお、図１４（Ｃ）は、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）中における投射装置２６０１、２７０２の構造の一例を示した図である。投射装置２６０１、２７０２は、光源光学系２８０１、ミラー２８０２、２８０４〜２８０６、ダイクロイックミラー２８０３、プリズム２８０７、液晶表示装置２８０８、位相差板２８０９、投射光学系２８１０で構成される。投射光学系２８１０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１４（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。
【００８７】
また、図１４（Ｄ）は、図１４（Ｃ）中における光源光学系２８０１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２８０１は、リフレクター２８１１、光源２８１２、レンズアレイ２８１３、２８１４、偏光変換素子２８１５、集光レンズ２８１６で構成される。なお、図１４（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。
【００８８】
ただし、図１４に示したプロジェクターにおいては、透過型の電気光学装置を用いた場合を示しており、反射型の液晶表示装置の適用例は図示していない。
【００８９】
図１５（Ａ）は携帯電話であり、３００１は表示用パネル、３００２は操作用パネルである。表示用パネル３００１と操作用パネル３００２とは接続部３００３において接続されている。接続部３００３における、表示用パネル３００１の表示部３００４が設けられている面と操作用パネル３００２の操作キー３００６が設けられている面との角度θは、任意に変えることができる。
さらに、音声出力部３００５、操作キー３００６、電源スイッチ３００７、音声入力部３００８を有している。
【００９０】
図１５（Ｂ）は携帯書籍（電子書籍）であり、本体３００１、表示部３００２、３００３、記憶媒体３００４、操作スイッチ３００５、アンテナ３００６等を含む。
【００９１】
図１５（Ｃ）はディスプレイであり、本体３１０１、支持台３１０２、表示部３１０３等を含む。
【００９２】
以上の様に、本発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電気器具に適用することが可能である。また、本実施例の電気器具は実施例１〜４を組み合わせて実現することができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、触媒元素を半導体層から効率よくゲッタリング（捕獲）することができ、結晶性のよい半導体膜を得ることができる。また、本発明を用いて作製された半導体膜を活性層とすることで信頼性の高いＴＦＴを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学顕微鏡による観察図面代用写真。
【図２】光学顕微鏡による観察図面代用写真。
【図３】本発明の実施の一例を示す図。
【図４】水素添加量とエッチピット数の関係を示す図。
【図５】本発明の実施の一例を示す図。
【図６】本発明の実施の一例を示す図。
【図７】本発明の実施の一例を示す図。
【図８】本発明の実施の一例を示す図。
【図９】本発明の実施の一例を示す図。
【図１０】本発明の実施の一例を示す図。
【図１１】本発明の実施の一例を示す図。
【図１２】本発明の実施の一例を示す図。
【図１３】電気器具の一例を示す図。
【図１４】電気器具の一例を示す図。
【図１５】電気器具の一例を示す図。
【図１６】ラマン分光による測定結果を示す図。

Claims

非晶質半導体膜に触媒元素を添加し、
第１加熱処理を行い、前記非晶質半導体膜を結晶質半導体膜とし、
前記結晶質半導体膜をパターニングして、所望の形状の半導体層を形成し、
前記半導体層上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に第１の導電膜および第２の導電膜を順に積層し、
前記第１の導電膜および前記第２の導電膜をエッチングして第１のゲート電極を形成し、
前記第１のゲート電極をマスクとして、前記半導体層にゲッタリング作用を有するｎ型不純物元素を添加してゲッタリング領域となる高濃度のｎ型不純物領域を形成した後、さらに水素を添加して前記半導体層の結晶を破壊し、
前記第１のゲート電極をエッチングして第２のゲート電極を形成し、
前記第２のゲート電極をマスクとして、前記半導体層にｎ型不純物元素を添加して低濃度のｎ型不純物領域を形成し、
第２加熱処理を行い、前記ゲッタリング領域に前記触媒元素をゲッタリングすることで、特定の方向性を持って並んだ結晶構造を有し、且つ、残存する前記触媒元素の濃度が１×１０ ^１７ａｔｍｓ／ｃｍ ^３以下である半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１において、
前記第２のゲート電極は、前記第２の導電膜の幅が前記第１の導電膜の幅より狭いことを特徴とする半導体装置の作製方法。
非晶質半導体膜に触媒元素を添加し、
第１加熱処理を行い、前記非晶質半導体膜を結晶質半導体膜とし、
前記結晶質半導体膜をパターニングして、所望の形状の第１の半導体層および第２の半導体層を形成し、
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に第１の導電膜および第２の導電膜を順に積層し、
前記第１の導電膜および前記第２の導電膜をエッチングして、前記第１の半導体層上に第１のゲート電極を形成するとともに、前記第２の半導体層上に第２のゲート電極を形成し、
前記第１のゲート電極および前記第２のゲート電極をマスクとして、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層にゲッタリング作用を有するｎ型不純物元素を添加してゲッタリング領域となる高濃度のｎ型不純物領域を形成した後、さらに水素を添加して前記半導体層の結晶を破壊し、
前記第１のゲート電極をエッチングして第３のゲート電極を形成するとともに、前記第２のゲート電極をエッチングして第４のゲート電極を形成し、
前記第３のゲート電極および前記第４のゲート電極をマスクとして、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層にｎ型不純物元素を添加して低濃度のｎ型不純物領域を形成し、
前記第１の半導体層をマスクで覆い、前記第４のゲート電極をマスクとして前記第２の半導体層にｐ型不純物元素を添加して高濃度のｐ型不純物領域を形成し、
第２の加熱処理により、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層に添加された前記ｎ型不純物元素および前記ｐ型不純物元素の活性化ならびに前記触媒元素を前記ゲッタリング領域にゲッタリングすることで、特定の方向性を持って並んだ結晶構造を有し、且つ、残存する前記触媒元素の濃度が１×１０ ^１７ａｔｍｓ／ｃｍ ^３以下である半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項３において、
前記第３のゲート電極および前記第４のゲート電極は、前記第２の導電膜の幅が前記第１の導電膜の幅より狭い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４のいずれか一項において、
前記水素は、イオンドープ法、プラズマ処理法、熱による拡散法のいずれかの方法を用いて前記半導体層に添加されることを特徴とする半導体装置の作製方法。