JP4940058B2

JP4940058B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP4940058B2
Application number: JP2007216103A
Authority: JP
Inventors: 美佐子廣末; 敏次浜谷; 直樹牧田
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd; Sharp Corp
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd; Sharp Corp
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: JP2007335893A

Description

本発明は、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下、ＴＦＴと略記）の活性層に適用するシリコンを含む結晶質半導体膜の作製方法に関し、特に結晶化の助長作用を有する触媒元素のスピン添加方法に関する。また、本発明は、当該結晶質半導体膜を有する半導体装置に関する。

近年、ガラス基板等の絶縁性基板上にＴＦＴを形成して半導体集積回路を形成する技術が急速に進歩し、この技術を利用してアクティブマトリクス型液晶表示装置に代表される電気光学装置が実用化されつつある。特に、ドラーバー回路一体型アクティブマトリクス型液晶表示装置は、同一基板上に画素マトリクス回路とドライバー回路とを設けたモノリシック型液晶表示装置であり、高精細化の要求と共にその需要は高まっている。さらに、上記技術を利用して、γ補正回路やメモリ回路及びクロック発生回路等のロジック回路を内蔵したシステムオンパネルの実現に向け、さらなる開発も進められている。

しかし、ドライバー回路やロジック回路は高速動作を行う必要がある為、ＴＦＴにおいてチャネル形成領域やソース・ドレイン領域などを形成する活性層に、非晶質シリコン膜を適用することは不適当で、現状では多結晶シリコン膜を活性層としたＴＦＴが主流に成りつつある。ＴＦＴを形成する基板については、コスト的に安価なガラス基板の適用が要求されており、ガラス基板への適用が可能なプロセスの開発が盛んに行われている。

例えば、結晶化の助長作用を有するＮｉ（ニッケル）等の触媒元素を非晶質シリコン膜に導入し、熱処理により結晶質シリコン膜を成膜する技術が知られている。熱処理温度としてはガラス基板の耐熱温度以下である５５０〜６００℃程度の熱処理で結晶化できることが判明している。当該結晶化技術に於いては、非晶質シリコン膜へ触媒元素を導入する必要があり、導入法として、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法、スピン添加法等が挙げられる。

非晶質シリコン膜の表面近傍に効率的に触媒元素を導入する方法として、触媒元素を含む溶液（以下、触媒元素溶液と略記）をスピン添加法で添加する方法が開発されており、特開平７−２１１６３６号公報に公開されている。同公報記載の触媒元素溶液のスピン添加法は以下の特徴を有している。

（特徴１）触媒元素溶液中の触媒元素の濃度を制御することで、非晶質シリコン膜表面への触媒元素添加量を容易に制御できる。
（特徴２）この為、結晶化に必要最小限度の触媒元素を非晶質シリコン膜表面へ容易に添加できる。
（特徴３）半導体装置の信頼性及び電気的安定性の為には、結晶化した結晶質シリコン膜内の触媒元素の量を極力少なくする必要がある。スピン添加法の場合、触媒元素溶液の触媒元素濃度の調整により、結晶化に必要最低限の触媒元素を容易に添加できる為、過剰な触媒元素導入を抑止でき、半導体装置の信頼性及び電気的安定性の点で有利である。

大画面化への対応や生産性の向上を目的として、液晶表示装置の生産工程に用いるガラス基板のサイズは大型化が進んでいる。将来的には一辺が１ｍを越えるサイズのガラス基板が使用されることが見込まれている。

上述の触媒元素のスピン添加法は、触媒元素溶液を基板面に滴下することにより基板上に液盛りし、基板を高速で回転することにより、滴下された触媒元素溶液を振り切り、所望の量の触媒元素を基板面に添加するものである。当該スピン添加法に於いては、基板表面への触媒元素添加量を容易に制御できる等の特徴がある為実用化の検討が進められている重要な技術であるが、基板サイズが大型化するにつれ触媒元素添加量の均一性が悪化するという問題がある。特にこの不均一性は、角型基板の対角線の長さが５００mm以上になると無視できない問題となる。

均一性が悪化する主な原因は、基板上に触媒元素溶液を液盛りした後にスピン乾燥する段階で、基板中央部と基板周辺領域との間で空気に対する相対運動速度が異なり、それに起因して、触媒元素溶液の溶媒成分の蒸発速度が基板の面内で異なり、結果的に中央部と周辺領域との間で乾燥ムラが生じるためと考えられる。

図３は角型基板サイズと基板端部での運動速度を示す関係図で、当該乾燥ムラの発生原因は以下の様に考えられる。例えば、一辺が２５０mmの角型基板に触媒元素溶液をスピン添加する場合、回転速度が５００rpm（５００回転/分）の時、基板中央部の空気に対する運動速度は０ｍ/分であるのに対し、基板端部に於いては、約４００ｍ/分の運動速度で回転運動している。この様に基板中央部からの距離が長くなる程、空気に対して高速で運動することになる為、空気との摩擦も激しくなり、触媒元素溶液の溶媒成分はより急速に蒸発することになる。従って、基板中央部と基板端部との間で、溶媒成分の蒸発速度差に起因した乾燥ムラが生じることになる。

更に、溶媒成分の蒸発速度差に起因した乾燥ムラは、角型基板の基板コーナー領域で顕在化する傾向がある。基板コーナー領域に於いては、空気を押し退けながら回転運動する為、空気との摩擦が特異的に激しくなる為と考えられる。この様な乾燥ムラは触媒元素析出量に影響し、最終的に結晶化後の結晶化率、結晶粒のサイズ、その配列など様々なバラツキに影響する大きな問題である。

本発明は上記問題点を解決することを課題としている。具体的には、スピン添加法に於ける乾燥ムラに起因する触媒元素添加量の基板内不均一性の問題を解決することを課題とする。

上記のように、触媒元素のスピン添加法に於いては、触媒元素溶液のスピン乾燥時の乾燥ムラに起因して、触媒元素添加量の基板内不均一性の問題が懸念されている。触媒元素添加量の基板内不均一性を対策する為には、原因と推測されているスピン乾燥時の乾燥ムラを無くす必要がある。当該スピン乾燥時の乾燥ムラは、基板回転時の空気との摩擦に伴い、溶媒成分の蒸発速度に差が生じることに起因していると考えられている。

本発明は、そのような問題点を解決するために、触媒元素のスピン添加法に於いて、触媒元素析出量の基板内不均一性を改善する為、高速回転へ移行する迄の回転加速度を基板サイズに対応して最適化することにより、触媒元素添加量の基板内不均一性を改善するものである。

具体的には、結晶質シリコン膜の作製方法において、絶縁性基板上にシリコンを含む非晶質半導体膜を堆積する第１の工程と、非晶質半導体膜の全面に結晶化の助長作用を有する触媒元素をスピン添加法により添加する第２の工程と、非晶質半導体膜を熱処理することによりシリコンを含む結晶質半導体膜を成膜する第３の工程とを有し、触媒元素のスピン添加法は、回転加速度を５乃至１２０rpm/秒とする。又は、触媒元素のスピン添加法は、回転加速度ｙを、ｙ≦Ａｘ^-B（ｘは基板の対角サイズ、Ａ、Ｂは定数）で決定する。

尚、結晶化の助長作用を有する触媒元素をスピン添加法により添加する場合において、非晶質半導体膜上にマスク絶縁膜を堆積し、マスク絶縁膜の一部の領域に開口領域を形成した後、マスク絶縁膜上に結晶化を助長する触媒元素をスピン添加法により添加する方法を採用しても良い。触媒元素のスピン添加法は、定速回転速度の最大値が８００乃至１２００rpmであることを前提としている。触媒元素を含む溶液の添加は、加速又は定速回転中に滴下して、全面に触媒元素を分散させる。

従来のスピン添加法では、角型基板の対角線の長さが５００mm以上となる場合は、円形基板の場合と比較して均一性が悪くなる。しかし、上記発明の構成を適用することよにより、基板の対角線の長さが５００mm以上となっても均一性を向上させることができる。スピン塗布法により触媒元素を添加する場合において、触媒元素添加量の基板内ばらつき量を低減することにより、結晶化後の結晶化率、結晶粒のサイズ、その配列などの均一性を高めることが出来、大面積基板の全面に渡って均質な結晶質半導体膜を形成することができる。

本発明は、シリコンを含む結晶質半導体膜の作製方法に関し、特に回転加速度の低いことを特徴とした触媒元素のスピン添加法に関するもので、主な効果を以下に列記する。

（効果１）触媒元素のスピン添加工程に於いて、スピン乾燥の為の高速回転へ移行する迄の回転加速度を低下させることにより、触媒元素添加量の基板内均一性の向上を図ることが可能である。
（効果２）触媒元素のスピン添加工程に於いて、スピン乾燥の為の高速回転へ移行する迄の回転加速度を３０rpm/秒以下とすることにより、触媒元素添加量の基板内均一性の向上を図ることが可能である。また、回転加速度を１５〜３０rpm/秒とすることにより、触媒元素添加量の基板内均一性の向上とスピン添加工程のスループットの両立を図ることが可能である。
（効果３）触媒元素添加量の基板内均一性の向上により、熱結晶化後に得られるシリコンを含む結晶質半導体膜に於ける結晶質の基板内バラツキの低減を図ることができる為、当該結晶質半導体膜で構成したＴＦＴの電気特性の安定化に有効である。

〔スピン添加法の改善実験〕触媒元素のスピン添加法は、触媒元素溶液を基板面に滴下して基板上に液盛りし、基板を高速で回転することにより、滴下された触媒元素溶液を振り切り、所望の量の触媒元素を基板面に添加するものである。当該スピン添加法の代表的スピン添加プログラムを図４に示す。図４の横軸は処理時間（秒）、縦軸は基板の回転速度（単位：rpm）であり、「低速回転時の触媒元素溶液の吐出」、「等加速度による回転速度の上昇」、「回転速度固定でのスピン乾燥」、「回転の停止」という処理手順でスピン添加処理が進められる。「回転速度固定でのスピン乾燥」処理に於いては、基板サイズの大口径化に伴い、回転時のスピンモーターへの負荷が大きくなる為、回転速度の最大許容範囲が制限されている。基板サイズ３２０mm×４００mmの場合は、１２００rpm程度が最大許容範囲であり、「回転速度固定でのスピン乾燥」処理に於いては、最大許容範囲の１２００rpm固定で処理されている。この為、当該処理の変更は実際上殆ど不可能である。

従って、回転加速度に着目し、前記「等加速度による回転速度の上昇」処理の回転加速度を変化させて、触媒元素添加量の基板内均一性について比較評価した。本実験の主な条件を表１に示す。

本実験で使用した基板は、コーニング社製の１７３７基板で、厚さ０．７mm、基板サイズ３２０mm×４００mmのガラス基板を使用した。本実験では、当該ガラス基板上に膜厚１５０nmのシリコン酸化膜から成る下地膜（ガラス基板からの各汚染物拡散を防止する為）をプラズマＣＶＤ法により堆積し、その上に膜厚５０nmの非晶質シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により堆積し、触媒元素溶液として、１０ppmの酢酸ニッケル水溶液をスピン添加した。この際、本実験に於いては、１５rpm/秒，３０rpm/秒，６０rpm/秒，１２０rpm/秒の４条件で回転加速度の条件振りを行った。スピン添加処理後、基板面内対角方向９点について、全反射蛍光Ｘ線分析装置により基板表面である非晶質シリコン膜（厳密には極薄シリコン酸化膜）上に析出しているＮｉ（ニッケル）元素を測定した。

尚、酢酸ニッケル水溶液のスピン添加は、直接に非晶質シリコン膜表面にスピン添加すると、非晶質シリコン膜表面の濡れ性が悪い為、非晶質シリコン膜表面で酢酸ニッケル水溶液が弾き、均一に添加できない問題がある。この為、厳密には、非晶質シリコン膜表面の濡れ性改善の為、非晶質シリコン膜表面に膜厚２〜５nm程度の極薄シリコン酸化膜を成膜した後に、１０ppmの酢酸ニッケル水溶液をスピン添加処理した。

本実験の結果を図１に示す。図１の横軸は回転加速度（rpm/秒）、縦軸はＮｉ元素析出量（atoms/cm²）であり、図１の結果より、回転加速度の増加に伴い、Ｎｉ元素析出量の平均値（基板面内９点の平均）が減少し、基板面内の最大値と最小値の差であるバラツキ範囲が大きくなる傾向が認められた。換言すると、回転加速度の低下に伴い、Ｎｉ元素析出量の平均値は増加し、Ｎｉ元素析出量の基板面内バラツキが減少する傾向が認められた。例えば、回転加速度１２０rpm/秒の場合は、Ｎｉ元素析出量の平均値が５．８０×１０¹²atoms/cm²、最大値と最小値との差であるバラツキ範囲が１．２８×１０¹²atoms/cm²であるのに対し、回転加速度１５rpm/秒の場合は、Ｎｉ元素析出量の平均値が７．６４×１０¹²atoms/cm²、バラツキ範囲が０．９１×１０¹²atoms/cm²と、回転加速度の低下に伴い、バラツキ範囲が縮小しているのが確認されている。

図１５で示すグラフは、基板中央部と端部のＮｉ濃度比について基板サイズ（対角の長さ）依存性を調べた結果である。ここでは、回転加速度を１５〜１２０rpm/secまで変化させているが、回転加速度が低下するにつれ均一性は向上している。これまでの実験結果から、非晶質シリコン膜を６００℃以下の温度で結晶化させる場合、添加するＮｉの適用範囲は５×１０¹²〜１×１０¹³atoms/cm²であることが判明している。Ｎｉ濃度をこの範囲内とすることで、均一な結晶核の生成が得られ、結晶化を確実に成すことができる。この濃度範囲以上となると、結晶質シリコン膜中にあるＮｉをゲッタリングして除去することが十分できず、ゲッタリング後に残留するＮｉによりＴＦＴ特性を悪化させてしまうことが判明している。以上のことより、基板面内での許容濃度差は２倍以内とする必要がある。このような状況下で作製される結晶質シリコン膜のドメインサイズは、基板面内で１５〜２０μmの範囲にあり一様に分布していることが確認されている。
尚、ここでいうドメインサイズとは、結晶質シリコン膜をセコ液で表面をエッチングし、走査電子顕微鏡で観察される粒径を指していう。また、図１５に記載された数式は、上から（１）加速度１２０rpm/se c（２）加速度６０rpm/sec（３）加速度３０rpm/sec（４）加速度１５rpm/secにおけるＮｉ濃度の面内バラツキと基板サイズとの相関式を示したものである。

図１６に示すグラフは、基板サイズに対する回転加速度の関係を示している。
許容される濃度差（基板中央部と端部のＮｉ濃度比）を２倍とした場合に回転加速度ｙは、図１６のグラフ中に挿入したように、ｙ＝Ａｘ^-B（ｘは基板の対角寸法（ｍ）、ｙは回転加速度(rpm/sec)）の関数として示される。ここで、実験値よりＡ＝４５７、Ｂ＝２が与えられる。従って、適用可能な回転加速度はｙ以下とすれば良い。

基板サイズを大型化した場合、回転加速度を低下させることにより、Ｎｉ元素析出量の基板面内バラツキの低減を図ることが可能である。しかし、回転加速度の低下は「回転速度（１２００rpm）固定でのスピン乾燥」工程に到る迄の時間が長くなり、スピン添加工程全体のスループットの低下という短所を有している。回転加速度と基板１枚当たりの処理時間との間の関係は、「回転速度（１２００rpm）固定でのスピン乾燥」工程を２０秒一定で計算すると、例えば６０rpm/秒の場合に約４０秒、３０rpm/秒の場合に約６０秒、１５rpm/秒の場合に約１００秒となる。この為、Ｎｉ元素析出量の基板面内バラツキの低減効果とスループットの低下を比較考量し、適正な回転加速度を設定する必要がある。基板サイズ３２０mm×４００mmの場合は、回転加速度は３０rpm/秒以下、より好ましくは１５〜３０rpm/秒が好適であると考えられる。

尚、基板サイズの大口径化に伴い、「回転速度固定でのスピン乾燥」工程での回転速度は１２００rpmより、更に低下することも考えられる。例えば、１ｍ角の基板サイズの場合は８００rpm程度の回転速度が想定されるが、「回転速度（８００rpm）固定でのスピン乾燥」工程を２０秒一定で計算すると、基板１枚当たりの処理時間は、例えば６０rpm/秒の場合に約３３秒、３０rpm/秒の場合に約４７秒、１５rpm/秒の場合に約７３秒となる。従って、基板サイズ１ｍ角の場合についても、回転加速度として３０rpm/秒以下が適切であり、またスピン添加工程のスループットを考慮すると１５〜３０rpm/秒が好適であることを示している。

更に、Ｎｉ元素析出量の基板面内分布を実験により調査し、その結果を図２に示す。尚、本実験の実験条件は、上記図１の実験と基本的に同じであるが、回転加速度が３０rpm/秒の場合について調査した。また、基板面内の測定点は基板コーナー領域から対角方向に１９点、基板の短軸方向（３２０mm径方向）に１９点、基板の長軸方向（４００mm径方向）に１９点の計５７点について測定した。

図２の結果より、基板の短軸方向と長軸方向のＮｉ元素析出量のバラツキはそれ程大きくないのに対し、基板コーナー領域に於いて、Ｎｉ元素析出量が特異的に増大している為、対角方向のＮｉ元素析出量のバラツキが特に激しいことが判明した。この原因としては、基板が回転する際、基板コーナー領域に於いて、空気との摩擦が特異的に激しくなる為、摩擦によるＮｉ元素水溶液の溶媒成分の蒸発が特異的に大きくなったものと考えられる。当該原因について、より詳細に考察すると、以下のことが考えられる。基板コーナー領域は基板の内接円領域の外側に位置している為、基板が回転する際、空気を押し退けながら回転運動することになる。基板コーナー領域は、空気を押し退けながら回転運動する為、空気との摩擦が特異的に激しくなることが考えられ、Ｎｉ元素水溶液の溶媒成分の蒸発が特異的に大きくなったものと考えられる。

尚、先の実験である上記図１の結果は、基板の対角方向に９点測定した実験結果である為、基板コーナー領域の特異的バラツキの影響を反映した結果となっている。従って、図１の結果は、基板コーナー領域の特異的バラツキの影響を考慮に入れた上で、Ｎｉ元素析出量の基板内不均一性の改善に、回転加速度の低下が有効であり、回転加速度として３０rpm/秒以下が適切であり、またスピン添加工程のスループットを考慮すると１５〜３０rpm/秒が好適であることを示している。

以上の実験より、触媒元素析出量の基板内不均一性を改善する為、触媒元素のスピン添加法に於いて、高速回転へ移行する迄の回転加速度を低下させることにより、触媒元素添加量の基板内不均一性を改善する。尚、基板サイズ３２０mm×４００mm〜１ｍ角の場合、「回転速度固定でのスピン乾燥」工程の回転速度が８００〜１２００rpm程度と考えられ、回転加速度として３０rpm/秒以下が適切であり、またスピン添加工程のスループットを考慮すると１５〜３０rpm/秒が好適である。また、回転加速度を低下させると、触媒元素添加量の平均値が増加するが、これに対しては、触媒元素溶液の濃度調整で対応可能と考えられる。

〔触媒元素溶液の詳細〕本発明の触媒元素のスピン添加法で使用される触媒元素溶液は、基本的に特開平７−２１１６３６号公報に開示されている触媒元素溶液と同じである。触媒元素溶液に関する同公報記載の内容は、以下の通りである。

触媒元素溶液としては、水溶液又は有機溶媒を使用することが可能で、触媒元素の溶解性の点で純水，アルコール，酸，アンモニア等の極性溶媒が好適である。また、触媒元素を含有する溶媒としては、無極性の有機溶媒であるベンゼン，トルエン，キシレン，四塩化炭素，クロロホルム，エーテル，トリクロロエチレン，フロン等も適用可能である。溶液中の触媒元素の状態としては、化合物として溶解している場合と単体元素として溶解している場合がある。

触媒元素としてＮｉ元素を適用する場合は、通常はＮｉ化合物として溶液中に導入される。代表的なＮｉ化合物としては、臭化ニッケル，酢酸ニッケル，シュウ酸ニッケル，炭酸ニッケル，塩化ニッケル，ヨウ化ニッケル，硝酸ニッケル，硫酸ニッケル，蟻酸ニッケル，ニッケルアセチルアセテート，２−エチルヘキサンニッケル，４−シクロヘキシル酪酸ニッケル，酸化ニッケル，水酸化ニッケル等が挙げられる。またＮｉ化合物ではなく、Ｎｉ元素単体として溶液中に溶解する場合は、酸に溶解する方法が好適である。尚、溶液中に於けるＮｉ元素の存在状態としては、通常は完全に溶解している状態が好適であるが、Ｎｉ元素が均一に分散した乳濁液（エマルジョン）の状態でも構わない。

上記Ｎｉ元素以外の触媒元素としてはＦｅ，Ｃｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｕ等の金属類も適用可能である。触媒元素の適用法としては、単一の触媒元素を溶液中に溶解する方法が一般的であるが、複数種類の触媒元素を混合溶解して使用しても構わない。また、これらの触媒元素は、Ｎｉ元素の場合と同様に、化合物の状態で溶液中に溶解しても良いし、触媒元素単体を酸類に溶解しても特に問題はない。

上記触媒元素の代表的な化合物を以下に記載する。
（Ｆｅ元素）：臭化第１鉄，臭化第２鉄，酢酸第２鉄，塩化第１鉄，フッ化第２鉄，硝酸第２鉄，リン酸第１鉄，リン酸第２鉄等（Ｃｏ元素）：臭化コバルト，酢酸コバルト，塩化コバルト，フッ化コバルト，硝酸コバルト等（Ｒｕ元素）：塩化ルテニウム等（Ｒｈ元素）：塩化ロジウム等（Ｐｄ元素）：塩化パラジウム等（Ｏｓ元素）：塩化オスミウム等（Ｉｒ元素）：３塩化イリジウム，４塩化イリジウム等（Ｐｔ元素）：塩化第２白金等（Ｃｕ元素）：酢酸第２銅，塩化第２銅，硝酸第２銅等（Ａｕ元素）：３塩化金，塩化金塩，テトラクロロ金ナトリウム等

〔結晶質半導体膜の作製方法〕シリコンを含む結晶質半導体膜の作製方法の視点で、上記従来技術の問題点の解決手段を記載する。尚、シリコンを含む結晶質半導体膜の作製方法に於いては、所謂縦成長法と横成長法とがある為、各成長法の場合について記載する。

（１）縦成長法の場合シリコンを含む非晶質半導体膜の全面に均一に触媒元素を添加した後に熱結晶化する縦成長法に於いて、改善された触媒元素のスピン添加法を適用した場合について記載する。縦成長法とは、シリコンを含む非晶質半導体膜の全面に均一に触媒元素を添加した後に熱結晶化する結晶成長法のことで、触媒元素を添加した非晶質半導体膜の表面から縦方向（基板面に垂直な方向）に結晶成長が進行する特徴があり、本明細書では縦成長法と称している。

（第１工程）ガラス基板等の絶縁性基板上に、シリコンを含む非晶質半導体膜を堆積する。
（第２工程）前記非晶質半導体膜の全面に、結晶化の助長作用を有する触媒元素をスピン添加法により添加する。此処で、当該スピン添加法に於いては、「回転速度固定でのスピン乾燥」工程へ移行する迄の回転加速度を低下させることにより、触媒元素添加量の基板内不均一性の改善を図っている。尚、回転速度の最大許容範囲が８００〜１２００rpm程度である基板サイズ１ｍ角程度迄の大型基板の場合、回転加速度として３０rpm/秒以下が適切であり、またスピン添加工程のスループットを考慮すると１５〜３０rpm/秒が好適である。
（第３工程）前記非晶質半導体膜を熱処理することにより、シリコンを含む結晶質半導体膜を成膜する（縦成長法）。

また、触媒元素の添加は、上述の如く非晶質半導体膜の全面に添加する方法の他に、非晶質半導体膜の下地に添加しても同様な効果を得ることができる。例えば、絶縁性基板の全面、或いは絶縁性基板上に形成された下地膜の全面に本発明に従いスピン添加法で触媒元素を添加しても良い。

（２）横成長法の場合シリコンを含む非晶質半導体膜の一部の領域に選択的に触媒元素を添加した後に熱結晶化する横成長法に於いて、改善された触媒元素のスピン添加法を適用した場合について記載する。横成長法とは、マスク絶縁膜の開口部を介して、シリコンを含む非晶質半導体膜の一部の領域に触媒元素を添加した後に熱結晶化する結晶成長法のことで、前記開口領域を基点として周辺領域に熱拡散することにより、横方向（基板面に平行な方向）に結晶化が進行する特徴があり、本明細書では横成長法と称している。

（第１工程）ガラス基板等の絶縁性基板上に、シリコンを含む非晶質半導体膜を堆積する。
（第２工程）前記非晶質半導体膜上にマスク絶縁膜を堆積し、マスク絶縁膜の一部の領域に開口領域を形成する。
（第３工程）前記マスク絶縁膜上に結晶化の助長作用を有する触媒元素をスピン添加法により添加し、マスク絶縁膜の開孔領域を介して、前記非晶質半導体膜に触媒元素を導入する。此処で、当該スピン添加法に於いては、「回転速度固定でのスピン乾燥」工程へ移行する迄の回転加速度を低下させることにより、触媒元素添加量の基板内不均一性の改善を図っている。尚、回転速度の最大許容範囲が８００〜１２００rpm程度である基板サイズ１ｍ角程度迄の大型基板の場合、回転加速度として３０rpm/秒以下が適切であり、またスピン添加工程のスループットを考慮すると１５〜３０rpm/秒が好適である。
（第４工程）前記非晶質半導体膜を熱処理することにより、シリコンを含む結晶質半導体膜を成膜する（横成長法）。

以上の様に、縦成長法及び横成長法によるシリコンを含む結晶質半導体膜の作製方法に於いて、触媒元素のスピン添加工程に回転加速度の低いスピン添加法を適用することにより、触媒元素添加量の基板内均一性の向上を図ることが可能である。触媒元素添加量の基板内均一性の向上により、熱結晶化後に得られるシリコンを含む結晶質半導体膜に於ける結晶質の基板内バラツキの低減を図ることができる為、当該結晶質半導体膜で構成したＴＦＴの電気特性の安定化に有効であると考えられる。

また、本明細書に於いては、通常の非晶質シリコン膜ではなく、シリコンを含む非晶質半導体膜なる特殊用語を用いている。従って、用語の定義について、此処で明確にしておく。シリコンを含む非晶質半導体膜とは、結晶化により半導体特性を有するシリコンを含む非晶質膜のことで、非晶質シリコン膜も当然に含まれるが、シリコンを含む非晶質半導体膜は全て含まれる。例えば、Ｓｉ_xＧｅ_1-x（０＜Ｘ＜１）の形式で記載されるシリコンとゲルマニウムの化合物から成る非晶質膜も含まれる。また、シリコンを含む非晶質半導体膜を結晶化して得られる膜には、シリコンを含む結晶質半導体膜なる技術用語を用いている。此処で、多結晶とせずに結晶質と記載している理由は、通常の多結晶半導体膜と比較し、結晶粒が概略同一方向に配向しており、高い電界効果移動度を有する等の特異な性質がある為、多結晶半導体膜と区別する趣旨である。

本実例では、縦成長法による結晶質シリコン膜の作製方法に於いて、触媒元素の添加工程に本発明のスピン添加法を適用した場合を図５に基づき具体的に記載する。尚、図５（Ａ）〜図５（Ｆ）は、縦成長法による結晶質シリコン膜の作製工程を示す基板断面図である。

先ず、減圧ＣＶＤ法又はプラズマＣＶＤ法により、ガラス基板１０１上に非晶質シリコン膜１０２を１０〜１５０nmの膜厚で堆積する。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により、１００nmの非晶質シリコン膜１０２を堆積する。堆積の際、非晶質シリコン膜１０２の表面には、処理雰囲気中に混入した空気中の酸素の影響により極薄の自然酸化膜１０３が成膜されている（図５（Ａ））。

次に、枚葉方式の洗浄処理法により、当該基板を希フッ酸で所定時間洗浄する。当該洗浄処理により、非晶質シリコン膜１０２の表面に成膜されている自然酸化膜１０３の除去を行い、続けて水洗処理を行った後に当該基板を乾燥する（図５（Ｂ））。

次に、非晶質シリコン膜１０２の表面をライト酸化処理し、非晶質シリコン膜１０２の表面に膜厚２〜５nm程度の清浄な極薄のシリコン酸化膜１０４を成膜する。本実施例では、枚葉方式のオゾン水処理法により極薄のシリコン酸化膜１０４を成膜したが、過酸化水素水処理で成膜しても良いし、酸素雰囲気中での紫外線（ＵＶ）照射によりオゾンを発生させて成膜しても構わない。尚、極薄のシリコン酸化膜１０４の成膜は、後で触媒元素溶液であるＮｉ元素水溶液を添加する際に、非晶質シリコン膜１０２に対する濡れ性を改善し、Ｎｉ元素を均一に付着させる為に処理するものである（図５（Ｃ））。

次に、非晶質シリコン膜１０２（厳密には極薄のシリコン酸化膜１０４）の全面に、結晶化の助長作用を有する触媒元素溶液であるＮｉ元素水溶液をスピン添加する。この際、当該基板をスピンチャック１０５上に載置し、上方に配設されている供給ノズル１０６からＮｉ元素水溶液１０７を基板上に液盛りするという添加方法でスピン添加処理が行われる。本実施例では、Ｎｉ化合物であるニッケル酢酸塩を純水に溶解し、重量換算で１０ppmの濃度に調整したＮｉ元素水溶液を１００rpmの低速スピン状態でスピン添加した（図５（Ｄ））。

次に、当該基板を回転加速度３０rpm/秒の低加速度で１２００rpmの回転速度迄上昇させた後、１２００rpmの回転速度で２０秒間スピン乾燥させ、非晶質シリコン膜１０２（厳密には極薄のシリコン酸化膜１０４）の全面に、Ｎｉ含有層１０８を均一に付着させる（図５（Ｅ））。

尚、本実施例では、Ｎｉ元素のスピン添加の際に、高速回転（１２００rpm）
へ移行する間の回転加速度を３０rpm/秒と従来（６０rpm/秒）の半分程度に低下させている。スピン添加工程での加速度の低下は、Ｎｉ元素添加量の基板内不均一性の改善に有効であるが、一方でＮｉ元素添加工程の処理時間が長くなる欠点を有している。従って、スピン添加工程の加速度は、Ｎｉ元素添加量の基板内均一性と生産性の両方を比較考量して決める必要がある。３０rpm/秒の加速度でスピン添加処理した場合、基板１枚当たりのスピン添加工程の処理時間は約１分とスループット的にも問題なく、またＮｉ元素添加量の基板内バラツキは従来条件（回転加速度：６０rpm/秒）で処理した場合の６〜７割程度に抑えられている。

次に、専用の熱処理炉を使用して、窒素雰囲気中で非晶質シリコン膜１０２を熱処理する。当該熱処理は、結晶化を助長する触媒元素の作用により、４５０〜７５０℃の温度範囲で熱処理することにより、結晶化が達成されるが、熱処理温度が低いと処理時間を長くしなければならず、生産効率が低下するという一般的性質がある。また、６００℃以上の熱処理は、基板として適用するガラス基板の耐熱性の問題が表面化してしまう。従って、ガラス基板を使用する場合には、上記熱処理工程の温度は４５０〜６００℃の範囲が妥当である。また、実際の熱処理は、非晶質シリコン膜１０２の堆積方法によっても、好適な熱処理条件が異なっており、例えば減圧ＣＶＤ法で堆積した場合は６００℃−１２時間程度の熱処理が好適であり、プラズマＣＶＤ法で堆積した場合は５５０℃−４時間程度の熱処理で十分なことが判っている。本実施例に於いては、プラズマＣＶＤ法で膜厚１００nmの非晶質シリコン膜１０２を堆積している為、５５０℃−４時間の熱処理を行うことにより結晶質シリコン膜１０９を成膜した。尚、Ｎｉ元素添加量の基板内均一性の向上が図られている為、熱結晶化後の当該結晶質シリコン膜１０９に於いても、均一な結晶構造が得られている（図５（Ｆ））。

以上の様に、縦成長法による結晶質シリコン膜の作製方法に、本発明の触媒元素のスピン添加方法を適用することにより、触媒元素添加量の基板内均一性の向上を図ることが可能である。また、本実施例では、触媒元素であるＮｉ元素のスピン添加工程に於いて、回転加速度を３０rpm/秒と低加速度にすることにより、Ｎｉ元素添加量の基板内均一性と生産性の両立が図られている。

実施例１において、図５（Ａ）におけるガラス基板１０１上に、非晶質シリコン膜の結晶化の助長作用を有する触媒元素溶液であるＮｉ元素水溶液をスピン添加法で全面に塗布する。スピン添加の詳細は実施例１に従い同様に行う。その後、非晶質シリコン膜を堆積し、同様の熱処理を行うことで縦成長法による結晶質シリコン膜を得ることができる。

また、基板１０１上には、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法により作製される窒化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を、下地膜として１０〜２００nmの厚さに形成しておいても良い。

本実施例では、横成長法による結晶質シリコン膜の作製方法に於いて、触媒元素の添加工程に本発明のスピン添加法を適用した場合を図６に基づき具体的に記載する。尚、図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、横成長法による結晶質シリコン膜の作製工程を示す基板断面図である。

先ず、減圧ＣＶＤ法又はプラズマＣＶＤ法により、ガラス基板２０１上に非晶質シリコン膜２０２を１０〜１５０nmの膜厚で堆積する。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により、１００nmの非晶質シリコン膜２０２を堆積した。堆積の際、非晶質シリコン膜２０２の表面は、処理雰囲気中に混入した空気中の酸素の影響により極薄の自然酸化膜（図示せず）が成膜されている。

次に、プラズマＣＶＤ法により、膜厚７０〜２００nmのシリコン酸化膜から成るマスク絶縁膜２０３を堆積する。本実施例では、プラズマＣＶＤ方により膜厚１２０nmのマスク絶縁膜２０３を堆積した。そして、通常のフォトリソグラフィ工程とエッチング工程（ウェットエッチングが一般的）により、マスク絶縁膜２０３の一部の領域に開口領域２０４を形成する。開口領域２０４は触媒元素（本実施例でもＮｉ元素を適用）の選択的導入領域となる部分で、開口領域２０４の底部は、非晶質シリコン膜２０２が露出した状態となっている。尚、当該開孔領域２０４は、図６（Ａ）には代表して１個しか図示してないが、実際には、数１００μm間隔で、多数の開孔領域２０４が形成されている（図６（Ａ））。

次に、当該基板をライト酸化することにより、前記開口領域２０４に於ける非晶質シリコン膜２０２の露出領域に２〜５nm程度の極薄シリコン酸化膜２０５を成膜する。本実施例では、所定時間のオゾン水処理により極薄シリコン酸化膜２０５を成膜しているが、過酸化水素水で処理することにより成膜しても良いし、酸素雰囲気中での紫外線（ＵＶ）照射によりオゾンを発生させて成膜しても構わない。尚、開口領域２０４の非晶質シリコン膜２０２表面に対する極薄のシリコン酸化膜２０５の成膜は、後で触媒元素溶液であるＮｉ元素水溶液を添加する際に、開口領域２０４に於ける非晶質シリコン膜２０２に対する濡れ性を改善し、Ｎｉ元素を均一に付着させる目的で行われる（図６（Ｂ））。

次に、開口領域２０４を介して、非晶質シリコン膜２０２の一部の領域に結晶化の助長作用を有するＮｉ元素を選択的に導入する為、当該基板上に触媒元素溶液であるＮｉ元素水溶液を添加する。この際、当該基板をスピンチャック２０６上に載置し、上方に配設されている供給ノズル２０７からＮｉ元素水溶液２０８を基板上に液盛りするという添加方法でスピン添加処理が行われる。本実施例では、Ｎｉ化合物であるニッケル酢酸塩を純水に溶解し、重量換算で１０ppmの濃度に調整したＮｉ元素水溶液を１００rpmの低速スピン状態でスピン添加した（図６（Ｃ））。

次に、当該基板を回転加速度３０rpm/秒の低加速度で１２００rpmの回転速度迄上昇させた後、１２００rpmの回転速度で２０秒間スピン乾燥させ、当該基板の表面全域にＮｉ含有層２０９を均一に付着させる。この際、非晶質シリコン膜２０２の結晶化に実際に寄与するのは、開孔領域２０４内の非晶質シリコン膜２０２（厳密には極薄のシリコン酸化膜２０５）の表面に付着しているＮｉ含有層２０９である（図６（Ｄ））。

次に、専用の熱処理炉を使用して、窒素雰囲気中で当該基板を熱処理する。当該熱処理は、結晶化を助長する触媒元素の作用により、４５０〜７５０℃の温度範囲で熱処理することにより、非晶質シリコン膜２０２の結晶化が達成されるが、熱処理温度が低いと処理時間を長くしなければならず、生産効率が低下するという一般的性質がある。また、６００℃以上の熱処理は、基板として適用するガラス基板の耐熱性の問題が表面化してしまう。従って、ガラス基板を使用する場合には、上記熱処理工程の温度は４５０〜６００℃の範囲が妥当である。本実施例に於いては、窒素雰囲気中で５７０℃−１４時間の熱処理を行うことにより、非晶質シリコン膜２０２を結晶化し、結晶質シリコン膜２１０を成膜した。この際、前記開口領域２０４を介してＮｉ元素が選択的に導入される為、Ｎｉ元素は前記開口領域２０４を基点として周辺領域に拡散し、拡散の過程で非晶質シリコン膜２０２の結晶化が横方向（基板面に平行な方向）に進行する（図６（Ｅ））
。

以上の様に、横成長法による結晶質シリコン膜の作製方法に、本発明の触媒元素のスピン添加方法を適用することにより、触媒元素添加量の基板内均一性の向上を図ることが可能である。

本実施例は、触媒元素を利用した縦成長法による結晶質シリコン膜を有する液晶表示装置の製造工程に於いて、本発明の触媒元素のスピン添加法を適用した例であり、図７〜１１に基づき具体的に記載する。尚、図７〜１１は、アクティブマトリクス型液晶表示装置の製造工程を示す断面図である。

最初に、ガラス基板３０１上にプラズマＣＶＤ法により、各々組成比の異なる第１層目の酸化窒化シリコン膜３０２ａを５０nmと第２層目の酸化窒化シリコン膜３０２ｂを１００nmの膜厚で堆積し、下地膜３０２を成膜する。尚、此処で用いるガラス基板３０１としては、石英ガラス又はバリウムホウケイ酸ガラス又はアルミノホウケイ酸ガラス等が有る。次に、前記下地膜３０２（３０２ａと３０２ｂ）上に、プラズマＣＶＤ法により、非晶質シリコン膜３０３ａを５５nmの膜厚で堆積する。堆積の際、非晶質シリコン膜３０３ａの表面は、処理雰囲気中に混入した空気中の酸素の影響により極薄の自然酸化膜（図示せず）が成膜されている。尚、本実施例ではプラズマＣＶＤ法で非晶質シリコン膜３０３ａを堆積しているが、減圧ＣＶＤ法で堆積しても構わない（図７（Ａ））。

また、非晶質シリコン膜３０３ａの堆積に際しては、空気中に存在する炭素，酸素及び窒素が混入する可能性がある。これらの不純物ガスの混入は、最終的に得られるＴＦＴ特性の劣化を引き起こすことが経験的に知られており、このことから前記不純物ガスの混入は結晶化の阻害要因として作用することが知られている。従って、前記不純物ガスの混入は徹底的に排除することが好ましく、具体的な濃度範囲としては、炭素及び窒素の場合は共に５×１０¹⁷atoms/cm³以下とし、酸素の場合は１×１０¹⁸atoms/cm³以下とするのが好ましい（図７（Ａ））。

次に、当該基板を希フッ酸で所定時間洗浄する。当該処理により、非晶質シリコン膜３０３ａの表面に成膜されている自然酸化膜（図示せず）の除去を行い、続けて水洗処理を行った後に当該基板を乾燥する。その後、所定時間のオゾン水処理を行うことにより、非晶質シリコン膜３０３ａをライト酸化する。当該ライト酸化処理により、非晶質シリコン膜３０３ａ上に清浄な極薄のシリコン酸化膜（図示せず）を成膜し、続けて当該基板を乾燥する。また、極薄のシリコン酸化膜（図示せず）は、過酸化水素水で処理することにより成膜しても良い。尚、極薄のシリコン酸化膜（図示せず）の成膜は、後に触媒元素溶液であるＮｉ元素水溶液をスピン添加法で添加する際に、非晶質シリコン膜３０３ａに対する濡れ性を改善し、Ｎｉ元素を均一に付着させる為のものである（図７（Ａ））。

次に、非晶質シリコン膜３０３ａ（厳密には、図示しない極薄のシリコン酸化膜）の全面に、結晶化の助長作用を有する触媒元素溶液であるＮｉ元素水溶液をスピン添加法により添加する。本実施例では、Ｎｉ化合物であるニッケル酢酸塩を純水に溶解し、重量換算で１０ppmの濃度に調整したＮｉ元素水溶液を１００rpmの低速スピン状態でスピン添加した。続けて、当該基板を回転加速度３０rpm/秒の低加速度で１２００rpmの回転速度迄上昇させた後、１２００rpmの回転速度で２０秒間スピン乾燥させ、非晶質シリコン膜３０３ａ（厳密には極薄のシリコン酸化膜）の全面に、Ｎｉ含有層（図示せず）を均一に付着させた（図７（Ａ）
）。

尚、本実施例では、Ｎｉ元素のスピン添加の際に、高速回転（１２００rpm）へ移行する間の回転加速度を３０rpm/秒と従来（６０rpm/秒）の半分程度に低下させている。スピン添加工程での加速度の低下は、Ｎｉ元素添加量の基板内不均一性の改善に有効であるが、一方でＮｉ元素添加工程の処理時間が長くなる欠点を有している。従って、スピン添加工程の加速度は、Ｎｉ元素添加量の基板内均一性と生産性の両方を比較考量して決める必要がある。３０rpm/秒の加速度でスピン添加処理した場合、基板１枚当たりのスピン添加工程の処理時間は約１分とスループット的に問題なく、またＮｉ元素添加量の基板内バラツキは従来条件（回転加速度：６０rpm/秒）で処理した場合の６〜７割程度に抑えられている。

次に、非晶質シリコン膜３０３ａ中の含有水素量を５atom％以下に制御する為、当該基板を窒素雰囲気中で４５０℃−１時間の条件で熱処理し、非晶質シリコン膜３０３ａ中の含有水素の脱水素化処理を行う（図７（Ｂ））。

次に、電熱炉に於いて、５５０℃−４時間の条件で熱処理することにより、非晶質シリコン膜３０３ａの結晶化を行い、結晶質シリコン膜３０３ｂを成膜する。此処で成膜された結晶質シリコン膜３０３ｂは、先のＮｉ元素のスピン添加工程で、基板内均一に添加されている為、基板内で均一な結晶構造となっている。
結晶構造の基板内均一性の向上により、当該結晶質シリコン膜３０３ｂで構成したＴＦＴの電気特性の安定化が図られている（図７（Ｂ））。

その後、得られた結晶質シリコン膜３０３ｂの結晶性を改善させる為、結晶質シリコン膜３０３ｂに対して、パルス発振型のＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８nm）によるレーザー照射を行う。当該エキシマレーザーは結晶質シリコン膜３０３ｂの結晶性の改善のみでなく、結晶質シリコン膜３０３ｂ内に於いて、Ｎｉ元素が非常に移動し易い状態に変化させることができる為、ゲッタリング源によるゲッタリング効率の向上という効果も併せ持っている（図７（Ｂ））。

次に、通常のフォトリソグラフィ処理及びドライエッチング処理により、結晶質シリコン膜３０３ｂをパターン形成し、ＴＦＴのチャネル領域及びソース・ドレイン領域と成る半導体層３０４〜３０８を形成する。尚、半導体層３０４〜３０８の形成後、ＴＦＴのＶｔｈ制御の為、ｎ型又はｐ型不純物（Ｂ：ボロン又はＰ：リン）のイオンドープであるチャネルドープを実施しても構わない（図８（Ａ））。

次に、前記半導体層３０４〜３０８を覆う様に、プラズマＣＶＤ法により膜厚１００nmの酸化窒化シリコン膜から成るゲート絶縁膜３０９を堆積する。尚、ゲート絶縁膜３０９の堆積の際、半導体層３０４〜３０８の表面は自然酸化膜（図示せず）で覆われている為、希フッ酸処理により除去する。その後、ゲート絶縁膜３０９上にゲート電極材料である導電性膜をスパッタ法又はＣＶＤ法により堆積する。此処で適用されるゲート電極材料としては、後の不純物元素の活性化を兼ねたゲッタリング用の熱処理温度（５５０〜６５０℃程度）に耐え得る耐熱性材料が好ましい。耐熱性材料としては、例えばＴａ（タンタル），Ｍｏ（モリブデン），Ｔｉ（チタン），Ｗ（タングステン），Ｃｒ（クロム）等の高融点金属、及び高融点金属とシリコンの化合物である金属シリサイド、及びｎ型又はｐ型の導電型を有する多結晶シリコン等が挙げられる。尚、本実施例では、膜厚４００nmのＷ膜から成るゲート電極膜３１０をスパッタ法により堆積した（図８（Ｂ））。

上記構造の基板上に、ゲート電極形成用のフォトリソグラフィ処理とドライエッチング処理を行うことにより、ゲート電極３１７〜３２０と保持容量用電極３２１とソース配線として機能する電極３２２を形成する。ドライエッチングの後、ゲート電極３１７〜３２０上にはドライエッチングのマスクであるレジストパターン３１１〜３１４が残膜し、同様に保持容量用電極３２１上にレジストパターン３１５とソース配線として機能する電極３２２上にレジストパターン３１６が残膜している。尚、ドライエッチングに伴い、下地の酸化窒化シリコン膜から成るゲート絶縁膜３０９は膜減りにより、ゲート絶縁膜３２３の形状に変形している（図９（Ａ））。

次に、レジストパターン３１１〜３１６を残した状態で、ゲート電極３１７〜３２０と保持容量用電極３２１をマスクに、イオンドープ装置を使用して、第１のイオンドープ処理である低ドーズ量のｎ型不純物をイオンドープする。イオンドープ条件としては、ｎ型不純物であるＰ（リン）イオンを使用し、加速電圧６０〜１００kVで、ドーズ量３×１０¹²〜３×１０¹³ions/cm²のイオンドープ条件で処理する。この第１のイオンドープ処理により、ゲート電極３１７〜３２０と保持容量用電極３２１の外側に対応する半導体層３０４〜３０８に、ｎ型不純物の低濃度不純物領域（ｎ−領域）３２９〜３３３が形成される。同時に、ゲート電極３１７〜３２０の真下には、ＴＦＴのチャネルとして機能する実質的に真性な領域３２４〜３２７が形成される。また、保持容量用電極３２１の真下の半導体層３０８には、当該領域がＴＦＴ形成領域でなく、保持容量４０５の形成領域である為、容量形成用電極の片側として機能する真性な領域３２８が形成される（図９（Ａ））。

次に、当該基板を専用の剥離液で洗浄することにより、ドライエッチングのマスクとなったレジストパターン３１１〜３１６を除去する。除去した後、駆動回路４０６に於けるｎチャネル型ＴＦＴ４０１，４０３と画素領域４０７に於ける画素ＴＦＴ４０４をＬＤＤ構造にする為、当該領域に存在するゲート電極３１７，３１９〜３２０を被覆する様に、第２のイオンドープ処理のマスクとなるｎ＋領域形成用のレジストパターン３３４〜３３６を形成する（図９（Ｂ））。

次に、第２のイオンドープ処理である、高ドーズ量のｎ型不純物をイオンドープする。イオンドープ条件としては、ｎ型不純物であるＰイオンを使用し、加速電圧６０〜１００ｋＶで、ドーズ量１．７×１０¹⁵ions/cm²のイオンドープ条件で処理する。当該イオンドープ処理により、前記レジストパターン３３４〜３３６の外側領域に対応する半導体層３０４，３０６〜３０７にｎ型不純物の高濃度不純物領域（ｎ＋領域）３３７，３３９〜３４０が形成される。この高濃度不純物領域（ｎ＋領域）３３７，３３９〜３４０の形成に伴い、既に形成した低濃度不純物領域（ｎ−領域）３２９，３３１〜３３２は、高濃度不純物領域（ｎ＋領域）３３７，３３９〜３４０と低濃度不純物領域（ｎ−領域）３４２〜３４４に分離され、ＬＤＤ構造となるソース・ドレイン領域が形成される。この際、ＬＤＤ構造形成領域以外の領域である駆動回路４０６のｐチャネル型ＴＦＴ４０２の領域と画素領域４０７の保持容量４０５の領域に於いては、ゲート電極３１８と保持容量用電極３２１をマスクに各々イオンドープされる為、ゲート電極３１８の外側領域に対応する半導体層３０５にｎ型不純物の高濃度不純物領域（ｎ＋領域）３３８が形成され、保持容量用電極３２１の外側領域に対応する半導体層３０８にもｎ型不純物の高濃度不純物領域（ｎ＋領域）３４１が形成されている（図９（Ｂ））。

次に、通常のフォトリソグラフィ処理により、ｐチャネル型ＴＦＴ４０２に対応する半導体層３０５の領域と保持容量４０５に対応する半導体層３０８の領域を開口領域とするレジストパターン３４５〜３４７を形成する。その後、前記レジストパターン３４５〜３４７をマスクに、イオンドープ装置を使用して、第３のイオンドープ処理である高ドーズ量のｐ型不純物をイオンドープする。当該イオンドープ処理により、ｐチャネル型ＴＦＴ４０２に対応する半導体層３０５には、ゲート電極３１８をマスクにｐ型不純物であるＢ（ボロン）イオンがイオンドープされる。この結果、ゲート電極３１８の外側領域に対応する半導体層３０５には、ｐ型の導電型を有する高濃度不純物領域（ｐ＋領域）３４８が形成される。前記高濃度不純物領域（ｐ＋領域）３４８には、既にｎ型不純物であるＰイオンがイオンドープされているが、前記Ｐイオンに比較し、更に高ドーズ量（２．５×１０¹⁵ions/cm²）のＢイオンがイオンドープされる為、結果としてｐ型の導電型を有し、ソース・ドレイン領域として機能する高濃度不純物領域（ｐ＋領域）３４８が形成される。また、保持容量４０５の形成領域に於いても、保持容量用電極３２１の外側領域に対応する半導体層３０８にｐ型の導電型を有する高濃度不純物領域（ｐ＋領域）３４９が同様に形成される（図１０（Ａ））。

次に、前記レジストパターン３４５〜３４７を除去した後、膜厚１５０nmの酸化窒化シリコン膜から成る第１の層間絶縁膜３５０をプラズマＣＶＤ法により堆積する。その後、半導体層３０４〜３０８にイオンドープされたｎ型又はｐ型不純物（ＰイオンとＢイオン）の熱活性化の為、電熱炉に於いて、６００℃−１２時間の熱処理を行う。当該熱処理は、ｎ型又はｐ型不純物の熱活性化処理の為に行うものであるが、チャネル領域として機能する実質的に真性な領域３２４〜３２７及び容量形成用電極の片側として機能する真性な領域３２８に存在するＮｉ元素を前記不純物によりゲッタリングする目的も兼ねている。尚、第１の層間絶縁膜３５０の堆積前に当該熱活性化処理を行っても良いが、ゲート電極等の配線材料の耐熱性が弱い場合は、第１の層間絶縁膜３５０の堆積後に行う方が好ましい。この後、半導体層３０４〜３０８のダングリングボンドを終端させる為、４１０℃−１時間の水素化処理を水素３％含有の窒素雰囲気中で行う（図１０（Ｂ））。

次に、前記第１の層間絶縁膜３５０の上に、膜厚１．６μmのアクリル樹脂膜から成る第２の層間絶縁膜３５１を成膜する。その後、通常のフォトリソグラフィ処理とドライエッチング処理により、第２の層間絶縁膜３５１と第１の層間絶縁膜３５０、更に下層膜であるゲート絶縁膜３２３を貫通する様に、コンタクトホールを形成する。この際、コンタクトホールは、ソース配線として機能する電極３２２及び高濃度不純物領域３３７，３３９〜３４０，３４８〜３４９と接続する様に形成される（図１１（Ａ））。

次に、駆動回路４０６の高濃度不純物領域３３７，３３９，３４８と電気的に接続する様に、導電性の金属配線３５２〜３５７を形成する。また、画素領域４０７の接続電極３５８，３６０〜３６１とゲート配線３５９を同じ導電性材料で形成する。本実施例では、金属配線３５２〜３５７、接続電極３５８，３６０〜３６１及びゲート配線３５９の構成材料として、膜厚５０nmのＴｉ膜と膜厚５００nmのＡｌ−Ｔｉ合金膜の積層膜を適用している。そして、接続電極３５８は、不純物領域３４０とソース配線として機能する電極３２２とを電気的に接続する様に形成されている。接続電極３６０は、画素ＴＦＴ４０４の不純物領域３４０と電気的に接続する様に形成されており、接続電極３６１は保持容量４０５の不純物領域３４９と電気的に接続する様に形成されている。また、ゲート配線３５９は、画素ＴＦＴ４０４の複数のゲート電極３２０を電気的に接続する様に形成されている。その後、膜厚８０〜１２０nmのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電膜を堆積した後、フォトリソグラフィ処理とエッチング処理により、画素電極３６２を形成する。画素電極３６２は、接続電極３６０を介して、画素ＴＦＴ４０４のソース・ドレイン領域である不純物領域３４０と電気的に接続されており、更に接続電極３６１を介して、保持容量４０５の不純物領域３４９とも電気的に接続されている（図１１（Ｂ））。

以上の様に、ＬＤＤ構造のｎチャネル型ＴＦＴとシングルドレイン構造のｐチャネル型ＴＦＴを有するアクティブマトリクス型液晶表示装置の製造工程に於いて、触媒元素溶液（Ｎｉ元素水溶液）のスピン添加工程に回転加速度の低いスピン添加法（回転加速度：３０rpm/秒）を適用した結果、従来の回転加速度（６０rpm/秒）に比較し、Ｎｉ元素添加量の基板内バラツキを６〜７割程度に低減でき、Ｎｉ元素添加量の基板内均一性の向上を図ることができた。触媒元素であるＮｉ元素添加量の基板内均一性の向上は、熱結晶化後に得られる結晶質シリコン膜に於ける結晶質の基板内バラツキの低減に影響し、最終的に当該結晶質シリコン膜で構成したＴＦＴの電気特性の安定化に好影響をもたらすと考えられる。従って、本発明の触媒元素のスピン添加法は、触媒元素を利用した結晶質シリコン膜を有する液晶表示装置の製造工程に於いて、ＴＦＴの電気特性の安定化に対し、必須の重要な技術であると考えられる。

本発明は、シリコンを含む結晶質半導体膜の作製方法に関するものであり、様々な半導体装置の製造に本発明を適用することが可能である。従って、本発明は、液晶表示装置を表示媒体として組み込んだ様々な分野の半導体装置に適用可能であり、此処では半導体装置の具体例を図１２〜１４に基づき記載する。尚、半導体装置としては、ビデオカメラとデジタルカメラとプロジェクター（リア型又はフロント型）とヘッドマウントディスプレイ（ゴーグル型ディスプレイ）とゲーム機とカーナビゲーションとパーソナルコンピューターと携帯情報端末（モバイルコンピュータ，携帯電話，電子書籍等）等が挙げられる。

図１２（Ａ）は、本体１００１と映像入力部１００２と表示部１００３とキーボード１００４で構成されたパーソナルコンピューターである。本発明を表示部１００３及び他の回路に適用することができる。

図１２（Ｂ）は、本体１１０１と表示部１１０２と音声入力部１１０３と操作スイッチ１１０４とバッテリー１１０５と受像部１１０６で構成されたビデオカメラである。本発明を表示部１１０２及び他の回路に適用することができる。

図１２（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１２０１とカメラ部１２０２と受像部１２０３と操作スイッチ１２０４と表示部１２０５で構成される。本発明を表示部１２０５及び他の回路に適用することができる。

図１２（Ｄ）は、ゴーグル型ディスプレイであり、本体１３０１と表示部１３０２とアーム部１３０３で構成される。本発明を表示部１３０２及び他の回路に適用することができる。

図１２（Ｅ）は、プログラムを記録した記録媒体（以下、記録媒体と略記）に用いるプレーヤーであり、本体１４０１と表示部１４０２とスピーカー部１４０３と記録媒体１４０４と操作スイッチ１４０５で構成される。尚、この装置は記録媒体としてＤＶＤ及びＣＤ等が用いられ、音楽鑑賞又はゲーム又はインターネットに利用可能である。本発明を表示部１４０２及び他の回路に適用することができる。

図１２（Ｆ）は、携帯電話であり、表示用パネル１５０１と操作用パネル１５０２と接続部１５０３と表示部１５０４と音声出力部１５０５と操作キー１５０６と電源スイッチ１５０７と音声入力部１５０８とアンテナ１５０９で構成される。表示用パネル１５０１と操作用パネル１５０２は、接続部１５０３で接続されている。表示用パネル１５０１の表示部１５０４が設置されている面と操作用パネル１５０２の操作キー１５０６が設置されている面との角度θは、接続部１５０３に於いて任意に変えることができる。本発明を表示部１５０４に適用することができる。

図１３（Ａ）は、フロント型プロジェクターであり、光源光学系及び表示部１６０１とスクリーン１６０２で構成される。本発明を表示部１６０１及び他の回路に適用することができる。

図１３（Ｂ）は、リア型プロジェクターであり、本体１７０１と光源光学系及び表示部１７０２とミラー１７０３〜１７０４とスクリーン１７０５で構成される。本発明を表示部１７０２及び他の回路に適用することができる。

尚、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）の光源光学系及び表示部１６０１と図１３（Ｂ）の光源光学系及び表示部１７０２に於ける構造の一例を示した図である。
光源光学系及び表示部１６０１，１７０２は、光源光学系１８０１とミラー１８０２，１８０４〜１８０６とダイクロイックミラー１８０３と光学系１８０７と表示部１８０８と位相差板１８０９と投射光学系１８１０で構成される。投射光学系１８１０は、投射レンズを備えた複数の光学レンズで構成される。この構成は、表示部１８０８を３個使用している為、三板式と呼ばれている。また同図の矢印で示した光路に於いて、実施者は光学レンズ及び偏光機能を有するフィルム又は位相差を調整する為のフィルム又はＩＲフィルム等を適宜に設けても良い。

図１３（Ｄ）は、図１３（Ｃ）に於ける光源光学系１８０１の構造の一例を示した図である。本実施例に於いては、光源光学系１８０１はリフレクター１８１１と光源１８１２とレンズアレイ１８１３〜１７１４と偏光変換素子１８１５と集光レンズ１８１６で構成される。尚、同図に示した光源光学系は一例であり、この構成に限定されない。例えば、実施者は光源光学系に光学レンズ及び偏光機能を有するフィルム又は位相差を調整するフィルム又はＩＲフィルム等を適宜に設けても良い。

次の図１４（Ａ）は、単板式の例を示したものである。同図に示した光源光学系及び表示部は、光源光学系１９０１と表示部１９０２と投射光学系１９０３と位相差板１９０４で構成される。投射光学系１９０３は、投射レンズを備えた複数の光学レンズで構成される。同図に示した光源光学系及び表示部は図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）に於ける光源光学系及び表示部１６０１，１７０２に適用できる。また光源光学系１９０１は図１３（Ｄ）に示した光源光学系を用いれば良い。尚、表示部１９０２にはカラーフィルター（図示しない）が設けられており、表示映像をカラー化している。

図１４（Ｂ）に示した光源光学系及び表示部は図１４（Ａ）の応用例であり、カラーフィルターを設ける代わりに、ＲＧＢの回転カラーフィルター円板１９０５を用いて表示映像をカラー化している。同図に示した光源光学系及び表示部は図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）に於ける光源光学系及び表示部１６０１，１７０２に適用できる。

図１４（Ｃ）に示した光源光学系及び表示部は、カラーフィルターレス単板式と呼ばれている。この方式は、表示部１９１６にマイクロレンズアレイ１９１５を設け、ダイクロイックミラー（緑）１９１２とダイクロイックミラー（赤）１９１３とダイクロイックミラー（青）１９１４を用いて表示映像をカラー化している。投射光学系１９１７は、投射レンズを備えた複数の光学レンズで構成される。同図に示した光源光学系及び表示部は、図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）に於ける光源光学系及び表示部１６０１，１７０２に適用できる。また光源光学系１９１１としては、光源の他に結合レンズ及びコリメーターレンズを用いた光学系を用いれば良い。

以上の様に、本発明の結晶質半導体膜の作製方法は、その適用範囲が極めて広く、本発明は、様々な分野のアクティブマトリクス型液晶表示装置を組み込んだ半導体装置の製造に適用可能である。

回転加速度とＮｉ元素析出量（平均値とバラツキ範囲）との相関を示すグラフである。Ｎｉ元素析出量の基板面内分布を示すグラフである。基板サイズと基板端部での運動速度との間の関係図である。触媒元素のスピン添加法のスピン添加プログラムを示す、処理時間と回転速度との関係図である。縦成長法による結晶質シリコン膜の作製工程を示す基板断面図である。横成長法による結晶質シリコン膜の作製工程を示す基板断面図である。アクティブマトリクス型液晶表示装置の製造工程を示す断面図である。アクティブマトリクス型液晶表示装置の製造工程を示す断面図である。アクティブマトリクス型液晶表示装置の製造工程を示す断面図である。アクティブマトリクス型液晶表示装置の製造工程を示す断面図である。アクティブマトリクス型液晶表示装置の製造工程を示す断面図である。液晶表示装置を組み込んだ半導体装置の例を示す装置概略図である。液晶表示装置を組み込んだ半導体装置の例を示す装置概略図である。液晶表示装置を組み込んだ半導体装置の例を示す装置概略図である。基板サイズと、基板中央部と基板端部でのＮｉ濃度比の関係を回転加速度をパラメータとして示すグラフである。基板サイズと回転加速度との関係を、基板中央部と基板端部でのＮｉ濃度比をパラメータとして示すグラフである。

符号の説明

101 ：ガラス基板
102 ：非晶質シリコン膜
103 ：自然酸化膜
104 ：シリコン酸化膜
105 ：スピンチャック
106 ：供給ノズル
107 ：Ｎｉ元素水溶液
108 ：Ｎｉ含有層
109 ：結晶質シリコン膜

201 ：ガラス基板
202 ：非晶質シリコン膜
203 ：マスク絶縁膜
204 ：開口領域
205 ：極薄シリコン酸化膜
206 ：スピンチャック
207 ：供給ノズル
208 ：Ｎｉ元素水溶液
209 ：Ｎｉ含有層
210 ：結晶質シリコン膜

301 ：ガラス基板
302 ：下地膜
302a：第１層目の酸化窒化シリコン膜
302b：第２層目の酸化窒化シリコン膜
303a：非晶質シリコン膜
303b：結晶質シリコン膜
304 〜 308：半導体層
309 ：ゲート絶縁膜（酸化窒化シリコン膜）
310 ：ゲート電極膜（Ｗ膜）
311 〜 316：レジストパターン（ゲート電極及び他の電極形成用）
317 〜 320：ゲート電極
321 ：保持容量用電極
322 ：電極（ソース配線として機能）
323 ：ゲート絶縁膜（ゲート電極ドライエッチング後）
324 〜 327：実質的に真性な領域（チャネル領域として機能）
328 ：真性な領域（容量形成用電極の片側として機能）
329 〜 333：ｎ型不純物の低濃度不純物領域（ｎ−領域）
334 〜 336：レジストパターン（ｎ＋領域形成用）
337 〜 341：ｎ型不純物の高濃度不純物領域（ｎ＋領域）
342 〜 344：ｎ型不純物の低濃度不純物領域（ｎ−領域）
345 〜 347：レジストパターン（ｐ＋領域形成用）
348 ：ｐ導電型の高濃度不純物領域（ｐ＋領域）（ソース・ドレイン領域として
機能）
349 ：ｐ導電型の高濃度不純物領域（ｐ＋領域）（容量形成用電極の片側として
機能）
350 ：第１の層間絶縁膜（酸化窒化シリコン膜）
351 ：第2の層間絶縁膜（アクリル樹脂膜）
352 〜 357：金属配線（Ｔｉ膜とＡｌ−Ｔｉ合金膜の積層膜）
358 ：接続電極
359 ：ゲート配線
360 〜 361：接続電極
362 ：画素電極（ＩＴＯ膜）
401 ：ｎチャネル型ＴＦＴ
402 ：ｐャネル型ＴＦＴ
403 ：ｎチャネル型ＴＦＴ
404 ：画素ＴＦＴ
405 ：保持容量
406 ：駆動回路
407 ：画素領域

Claims

対角線の長さが５００ｍｍ以上の絶縁性基板上にシリコンを含む非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜に結晶化の助長作用を有する触媒元素をスピン法により前記絶縁性基板の中央部と、端部とにおける前記触媒元素の濃度比が２倍以内となるように添加し、
前記非晶質半導体膜を熱処理することによりシリコンを含む結晶質半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法であって、
前記スピン法の回転加速度をｙ≦Ａｘ^−Ｂ（ｘは基板の対角寸法（ｍ）、ｙは回転加速度（ｒｐｍ／ｓｅｃ）、Ａ＝４５７、Ｂ＝２）とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
対角線の長さが５００ｍｍ以上の絶縁性基板上にシリコンを含む非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜に結晶化の助長作用を有する触媒元素をスピン法により前記絶縁性基板の中央部と、端部とにおける前記触媒元素の濃度比が２倍以内となるように添加し、
前記非晶質半導体膜を熱処理することによりシリコンを含む結晶質半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法であって、
前記スピン法の回転加速度をｙ≦Ａｘ^−Ｂ（ｘは基板の対角寸法（ｍ）、ｙは回転加速度（ｒｐｍ／ｓｅｃ）、Ａ＝４５７、Ｂ＝２）とし、その後、前記スピン法の回転速度の最大値が８００乃至１２００ｒｐｍとなることを特徴とする半導体装置の作製方法。
対角線の長さが５００ｍｍ以上の絶縁性基板上にシリコンを含む非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜に結晶化の助長作用を有する触媒元素をスピン法により前記絶縁性基板の中央部と、端部とにおける前記触媒元素の濃度比が２倍以内となるように添加し、
前記非晶質半導体膜を熱処理することによりシリコンを含む結晶質半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法であって、
前記スピン法の回転加速度をｙ≦Ａｘ^−Ｂ（ｘは基板の対角寸法（ｍ）、ｙは回転加速度（ｒｐｍ／ｓｅｃ）、Ａ＝４５７、Ｂ＝２）とし、その後、前記スピン法の回転速度の最大値が８００乃至１２００ｒｐｍとなり、前記触媒元素の乾燥は前記回転速度の最大値にて行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、前記触媒元素を含む溶液を前記絶縁基板の回転中に添加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記触媒元素はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｕから選択された一種又は複数種類の元素であることを特徴とする半導体装置の作製方法。