JP5504239B2

JP5504239B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP5504239B2
Application number: JP2011226018A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎; 潤小山
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2018-05-25
Also published as: JP2012074708A

Description

本発明は、半導体装置および半導体表示装置に関する。特に、不揮発性メモリが画素や
駆動回路などの周辺回路とともに、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ
）技術を用いて絶縁基板上に一体形成された半導体装置および半導体表示装置に関する。

最近安価なガラス基板上に半導体薄膜を形成した半導体装置、例えば薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）を作製する技術が急速に発達してきている。その理由は、アクティブマトリク
ス型液晶表示装置（液晶パネル）の需要が高まってきたことによる。

アクティブマトリクス型液晶パネルは、マトリクス状に配置された数十〜数百万個もの
画素領域にそれぞれＴＦＴが配置され、各画素電極に出入りする電荷をＴＦＴのスイッチ
ング機能により制御するものである。

従来のアナログ階調のアクティブマトリックス型液晶表示装置を図１４に示す。従来の
アクティブマトリックス型液晶表示装置は、図１９に示すようにソース線側ドライバ２０
０１と、ゲート線側ドライバ２００２と、マトリクス状に配置された複数の画素ＴＦＴ２
００３と、画像信号線２００４とを有している。

ソース線側ドライバおよびゲイト線側ドライバは、シフトレジスタやバッファ回路など
を含み、近年アクティブマトリクス回路と同一基板上に一体形成される。

アクティブマトリクス回路には、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコンを利
用した薄膜トランジスタが配置されている。

また、基板として石英を利用し、多結晶珪素膜でもって薄膜トランジスタを作製する構
成も知られている。この場合、周辺駆動回路もアクティブマトリクス回路も石英基板上に
形成される薄膜トランジスタでもって構成される。

また、レーザーアニール等の技術を利用することにより、ガラス基板上に結晶性珪素膜
を用いた薄膜トランジスタを作製する技術も知られている。この技術を利用すると、ガラ
ス基板にアクティブマトリクス回路と周辺駆動回路とを集積化することができる。

図１９に示すような構成においては、ソース線側ドライバのシフトレジスタ回路（水平
走査用のシフトレジスタ）からの信号により、画像信号線２００４に供給される画像信号
が選択される。そして対応するソース信号線に所定の画像信号が供給される。

ソース信号線に供給された画像信号は、画素の薄膜トランジスタにより選択され、所定
の画素電極に書き込まれる。

画素の薄膜トランジスタは、ゲイト線側ドライバのシフトレジスタ（垂直走査用のシフ
トレジスタ）からゲイト信号線を介して供給される選択信号により動作する。

この動作をソース線側ドライバのシフトレジスタからの信号と、ゲイト線側ドライバの
シフトレジスタからの信号とにより、適当なタイミング設定で順次繰り返し行うことによ
って、マトリクス状に配置された各画素に順次情報が書き込まれる。

近年、アクティブマトリクス型液晶表示装置がノート型のパーソナルコンピュータに多
用されてきている。パーソナルコンピュータにおいては、複数のソフトウエアを同時に起
動したり、デジタルカメラからの映像を取り込んで加工したりと、多階調の液晶表示装置
が要求されている。

また、ハイビジョン信号などのテレビ信号を写すことができる、大画面に対応した液晶
プロジェクタの需要が高まってきている。この場合も、階調表示をいかに細かくできるか
、かつ信号の高速処理ができるかなどが提供される画像の良否にかかっている。

階調表示の方法としては、ソース線にビデオ信号やテレビジョン信号などのアナログ信
号を供給する場合（アナログ階調）と、パーソナルコンピュータなどからのデータ信号な
どのデジタル信号を供給する場合（デジタル階調）とがある。

アナログ階調では、上述したようにソースドライバからの信号により、画像信号線に供
給されるアナログ画像信号が順次選択され、対応するソース線に所定の画像信号が供給さ
れる。

デジタル階調では、画像信号線に供給されるデジタル信号が順次選択され、Ｄ／Ａ変換
された後、対応するソース線に所定の画像信号が供給される。

液晶表示装置の場合、いずれの階調表示を用いる場合でも、液晶に印加する電圧（Ｖ）
と透過光強度との間には、図２０の点線で示されるような関係がある。ただし、液晶表示
装置は、ＴＮ（ツイストネマチック）モードで電圧が印加されていない時に明状態となる
ノーマリホワイトモードを用いているものとする。

図２０からもわかるように液晶に印加される電圧と透過光強度との間には、非線型の関
係があり、印加する電圧に応じた階調表示を行うことが難しい。

上記のことを補うために、ガンマ補正という手段が取られている。ガンマ補正とは、画
像信号をゲインさせ、印加電圧に応じて、透過光強度が線形的に変化するように補正する
ものであり、良好な階調表示を得屡ことができる。ガンマ補正を施した場合の、印加電圧
と透過光強度との関係は図２０の実線で示される。

しかし、従来画像信号にガンマ補正を施すには、信号処理回路やメモリ回路などを備え
たＩＣチップが別途必要である。また、大画面の表示を行うために、その他の補正回路お
よび信号処理回路、およにそれに伴うメモリ回路が必要になってくる。上記の信号処理回
路やメモリなどは、従来は、液晶パネルの外部にＩＣチップを設けることによって増設し
なければならなかった。よって、商品の小型化が事実上不可能であった。
（発明に至る背景）

図２２および図２３（Ｂ）を参照する。図２２は、ＰチャネルＴＦＴの基板温度とゲイ
トリーク電流との関係を示したグラフである。また、図２３（Ｂ）は、ＰチャネルＴＦＴ
の基板温度とゲイトリーク電流のピークとの関係を示したグラフである。なお、ＶＤはド
レイン電圧、ＩＤはドレイン電流、ＶＧはゲイト電圧である。このとき、ゲイトリーク電
流値には、ピーク値（ＩＧ（ｐｅａｋ）と示す）が存在する。

基板温度が上昇すると、ゲイトリーク電流のピークが小さくなっていくことがわかる。
これは、基板の温度が上昇すると、ゲイト電極に蓄積されていた電荷（電子）の放電が促
進されることを示すものと思われる。

ゲイトリーク電流はゲイト電極に電子が注入されることによって観測される電流である
ことがわかっており、この絶対量（ＩＧピーク）が減るということは注入された電子が温
度上昇で活性化して放電されていることを意味している。この現象はいわゆるコンデンサ
と同じであり、電荷の充放電が可能であることを示唆するものと考えられる。

そこで、本願発明者は、この現象をフローティングゲイトを有する不揮発性メモリに適
用させうることを見出した。

そこで本発明は、上記の事情を鑑みて、大画面で良好な階調表示が行える、小型化が可
能な半導体表示装置、特に液晶表示装置を提供することを課題とする。

本発明のある実施態様によると、絶縁基板上に形成される半導体活性層と、前記半導体
活性層上に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されるフローティングゲイト電極と
、
前記フローティングゲイト電極を陽極酸化して得られる陽極酸化膜と、前記陽極酸化膜
の上面および側面に接して形成されるコントロールゲイト電極と、を少なくとも備えた不
揮発性メモリが提供される。このことによって上記目的が達成される。

前記半導体活性層のチャネル形成領域では、不対結合手の数がソース・ドレイン領域よ
りも少なくてもよい。

本発明のある実施態様によると、絶縁基板上に形成される半導体活性層と、前記半導体
活性層上に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されるフローティングゲイト電極と
、前記フローティングゲイト電極を陽極酸化して得られる陽極酸化膜と、前記陽極酸化膜
の上面のみに接して形成されるコントロールゲイト電極と、を少なくとも備えた不揮発性
メモリが提供される。このことによって上記目的が達成される。

本発明のある実施態様によると、絶縁基板上に形成される半導体活性層と、前記半導体
活性層上に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されるフローティングゲイト電極と
、前記フローティングゲイト電極を陽極酸化して得られる陽極酸化膜と、前記陽極酸化膜
の上面および側面に接して形成されるコントロールゲイト電極と、を少なくとも備えた不
揮発性メモリであって、前記半導体活性層のチャネル領域とソース・ドレイン領域は、直
接接している不揮発性メモリが提供される。このことによって上記目的が達成される。

本発明のある実施態様によると、絶縁基板上に形成される半導体活性層と、前記半導体
活性層上に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されるフローティングゲイト電極と
、前記フローティングゲイト電極を陽極酸化して得られる陽極酸化膜と、前記陽極酸化膜
の上面のみに接して形成されるコントロールゲイト電極と、を少なくとも備えた不揮発性
メモリであって、前記半導体活性層のチャネル領域とソース・ドレイン領域は、直接接し
ている不揮発性メモリが提供される。このことによって上記目的が達成される。

本発明のある実施態様によると、絶縁基板上に複数の画素ＴＦＴがマトリクス状に配置
された画素回路と、前記複数の画素ＴＦＴを駆動するＴＦＴで構成された駆動回路と、不
揮発性メモリと、を少なくとも備えた半導体装置であって、前記不揮発性メモリは、絶縁
基板上に形成される半導体活性層と、前記半導体活性層上に形成される絶縁膜と、前記絶
縁膜上に形成されるフローティングゲイト電極と、前記フローティングゲイト電極を陽極
酸化して得られる陽極酸化膜と、前記陽極酸化膜の上面および側面に接して形成されるコ
ントロールゲイト電極と、を少なくとも備えており、前記画素回路と前記駆動回路と前記
不揮発性メモリとは、前記絶縁基板上に一体形成される半導体装置が提供される。このこ
とによって上記目的が達成される。

本発明のある実施態様によると、基板上に複数の画素ＴＦＴがマトリクス状に配置され
た画素回路と、前記複数の画素ＴＦＴを駆動するＴＦＴで構成された駆動回路と、不揮発
性メモリと、を少なくとも備えた半導体装置であって、前記不揮発性メモリは、絶縁基板
上に形成される半導体活性層と、前記半導体活性層上に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜
上に形成されるフローティングゲイト電極と、前記フローティングゲイト電極を陽極酸化
して得られる陽極酸化膜と、前記陽極酸化膜の上面のみに接して形成されるコントロール
ゲイト電極と、を少なくとも備えており、前記画素回路と前記駆動回路と前記不揮発性メ
モリとは、前記絶縁基板上に一体形成される半導体装置が提供される。このことによって
上記目的が達成される。

前記半導体装置は、液晶表示装置であることを特徴としていてもよい。

本発明によると、不揮発性メモリが、画素ＴＦＴ、ドライバ回路、その他の周辺回路と
同時に一体形成されるので、液晶表示装置の小型化、高性能化を図ることができる。また
、作製した不揮発性メモリを、ガンマ補正を行うためのデータを記憶させておくこともで
き、階調表示の良好な液晶表示装置が実現できる。

本発明の不揮発性メモリの回路図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の断面図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の斜視図および側面図である。本発明の不揮発性メモリの容量を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の断面図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリを含む液晶表示装置の作製工程を示す図である。本発明の不揮発性メモリの回路図である。本発明の液晶表示装置を利用した半導体装置の概略図である。本発明の不揮発性メモリの断面図、および回路図である。従来の液晶表示装置を示す図である。液晶表示装置の印可電圧と透過光強度との関係を示した図である。ＴＦＴの特性を測定した図である。ＴＦＴの特性を測定した図である。ＴＦＴの特性を測定した図である。半導体薄膜の結晶粒界を拡大したＨＲ−ＴＥＭ写真図である。電子回折パターンの写真図および模式図である。結晶シリコン膜の結晶粒を示すＴＥＭ写真図である。半導体薄膜の暗視野像の写真図である。Ｘ線回折の結果を示す図である。

本実施例では、信号処理の際使用するデータを記憶させておく不揮発性メモリをＳＯＩ
（ＳｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）技術を用いて絶縁基板上に、他の回路と共
に一体形成した半導体表示装置について説明する。半導体表示装置の中でも、液晶表示装
置について説明する。ここでいうシリコンは単結晶、あるいは実質的に単結晶である。

図１を参照する。図１には、本実施例の不揮発性メモリの回路図が示される。本実施例
の不揮発性メモリは、複数のメモリセルとＸおよびＹアドレスデコーダ１０１、１０２、
および周辺回路１０３、１０４によって構成されている。図１に示されるように、各ビッ
ト情報が記録されるメモリセル（記憶セル）は、２個のＴＦＴによって構成され、１つは
フローティングゲイトを有するＰチャネルＦＡＭＯＳ（ＦｌｏａｔｉｎｇｇａｔｅＡ
ｖａｌａｎｃｈｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎＭＯＳ）型ＴＦＴ（Ｔｒ１）であり、もう一つ
はＮチャネルスイッチングＴＦＴ（Ｔｒ２）である。２個のＴＦＴ（Ｔｒ１およびＴｒ２
）は、ドレイン電極が互いに直列に接続されており、この直列接続回路によって１ビット
のメモリセルを構成する。本実施例の不揮発性メモリには、このメモリセルが縦６４個×
横６４個マトリクス状に配列されている。各メモリセルは１ビットの情報を記憶すること
ができるので、本実施例の不揮発性メモリは、４０９６ビット（＝約４ｋビット）の記憶
容量を有する。周辺回路１０３、１０４は、他の信号処理回路である。

各列に配置されているメモリセルは、Ａ０、Ｂ０〜Ａ６３、Ｂ６３によって構成される
信号線に、その両端が接続されている。また、各行に配列されているメモリセルは、信号
線Ｃ０、Ｄ０〜Ｃ６３、Ｄ６３に各メモリセルのゲイト電極が接続されている。なお図１
に示されるように、本実施例では、不揮発性メモリを構成するメモリセルに（０、０）、
（１、０）、（６３、６３）といった符号が付けられている。

各信号線Ａ０、Ｂ０〜Ａ６３、Ｂ６３、およびＣ０、Ｄ０〜Ｃ６３、Ｄ６３は、それぞ
れＹアドレスデコーダ１０２、およびＸアドレスデコーダ１０１に接続されている。この
Ｘアドレスデコーダ１０１およびＹアドレスデコーダ１０２によって、メモリセルのアド
レスが指定され、データの書き込みあるいは読み出しが行われる。

次に、不揮発性メモリの動作について、メモリセル（１、１）を例にとって説明する。

まず、メモリセル（１、１）にデータを書き込む場合、信号線Ｃ１には５０Ｖの高電圧
が印加される。また、信号線Ｄ１は５Ｖの電圧が印加される。そこで信号線Ｂ１をＧＮＤ
におとし、Ａ１に５Ｖの電圧を印加すると、Ｔｒ１のフローティングゲイトに電荷が蓄積
される。Ｔｒ１のフローティングゲイトに蓄積された電荷は保持される。

次に、メモリセル（１、１）からデータを読み出す場合、信号線Ｃ１には０Ｖが印加さ
れ、Ｄ１には−５Ｖが印加される。そしてＢ１をＧＮＤにおとすと、記憶されていた信号
がＡ１から読み出される。

以上の動作を下の表にまとめる。

なお、メモリセルに記憶されている記憶内容は、Ｘ線、紫外線、あるいは電子線などを
不揮発性メモリに照射するか、あるいは熱をかけることによって消去できる。

次に、本実施例の不揮発性メモリを備えた半導体装置の作製方法について説明する。半
導体装置の中でも、特に液晶表示装置の作製方法について説明する。なお、以下に示す液
晶表示装置では、本実施例の不揮発性メモリが、ガンマ補正のデータを記憶する記憶手段
として用いられている。

本実施例では絶縁表面を有する基板上に複数のＴＦＴを形成し、画素領域のマトリクス
回路とドライバ回路を含む周辺回路とをモノリシックに構成する例を図２〜図５に示す。
なお、本実施例では、ガンマ補正データを記憶する不揮発性メモリは、フローティングゲ
イトを有するＰチャネルＦＡＭＯＳ回路とそのスイッチング素子を含んでおり、この不揮
発性メモリと画素ＴＦＴの作製工程について説明する。なお、ドライバ等の周辺回路に代
表的に用いられるＣＭＯＳ回路も同様に作製され得る。なお、本実施例では、Ｐチャンネ
ル型とＮチャンネル型とがそれぞれ１つのゲイト電極を備えた回路について、その作製工
程を説明するが、ダブルゲイト型のような複数のゲイト電極を備えた回路も同様に作製す
ることができる。

図２を参照する。まず、絶縁表面を有する基板として石英基板２０１を準備する。石英
基板の代わりに熱酸化膜を形成したシリコン基板を用いることもできる。また、石英基板
上に一旦非晶質珪素膜を形成し、それを完全に熱酸化して絶縁膜とする様な方法をとって
も良い。さらに、絶縁膜として窒化珪素膜を形成した石英基板、セラミックス基板を用い
ても良い。

２０２は非晶質珪素膜であり、最終的な膜厚（熱酸化後の膜減りを考慮した膜厚）が１
０〜１００ｎｍ（好ましくは２０〜８０ｎｍ）となる様に調節する。こうすることによっ
て、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴにおいて、インパクトイオナイゼイションが起こりやすくなり、
フローティングゲイトにキャリアの注入がされやすくなる。なお、成膜に際して膜中の不
純物濃度の管理を徹底的に行うことは重要である。なお、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのは非晶質
珪素膜の最終的な膜厚が１０〜４００ｎｍ、他のＴＦＴの最終的な膜厚が２０〜８０ｎｍ
としてもよい。この場合、選択酸化法などによって、それぞれの所望の膜厚を得ることが
できる。

本実施例の場合、非晶質珪素膜２０２中において代表的な不純物であるＣ（炭素）、Ｎ
（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫黄）の濃度はいずれも５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満
（好ましくは１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下）となる様に管理している。各不純物が
これ以上の濃度で存在すると、結晶化の際に悪影響を及ぼし、結晶化後の膜質を低下させ
る原因となりうる。

なお、非晶質珪素膜２０２中の水素濃度も非常に重要なパラメータであり、水素含有量
を低く抑えた方が結晶性の良い膜が得られる様である。そのため、非晶質珪素膜２０２の
成膜は減圧熱ＣＶＤ法であることが好ましい。なお、成膜条件を最適化することでプラズ
マＣＶＤ法を用いることも可能である。

次に、非晶質珪素膜２０２の結晶化工程を行う。結晶化の手段としては特開平７−１３
０６５２号公報記載の技術を用いる。同公報の実施例１および実施例２のどちらの手段で
も良いが、本実施例では、同広報の実施例２に記載した技術内容（特開平８−７８３２９
号公報に詳しい）を利用するのが好ましい。

特開平８−７８３２９号公報記載の技術は、まず触媒元素の添加領域を選択するマスク
絶縁膜４０３を形成する。マスク絶縁膜２０３は触媒元素を添加するために複数箇所の開
口部を有している。この開口部の位置を調整することによって結晶領域の位置を決定する
ことができる。

そして、非晶質珪素膜２０２の結晶化を助長する触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を含
有した溶液をスピンコート法により塗布し、Ｎｉ含有層２０４を形成する。なお、触媒元
素としてはニッケル以外にも、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、白
金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等を用いることができる（図２（Ａ））。

また、上記触媒元素の添加工程は、レジストマスクを利用したイオン注入法またはプラ
ズマドーピング法を用いることもできる。この場合、添加領域の占有面積の低減、横成長
領域の成長距離の制御が容易となるので、微細化した回路を構成する際に有効な技術とな
る。

次に、触媒元素の添加工程が終了したら、４５０℃で１時間程度の水素出しの後、不活
性雰囲気、水素雰囲気または酸素雰囲気中において５００〜７００℃（代表的には５５０
〜６５０℃）の温度で４〜２４時間の加熱処理を加えて非晶質珪素膜２０２の結晶化を行
う。本実施例では窒素雰囲気で５７０℃で１４時間の加熱処理を行う。

この時、非晶質珪素膜２０２の結晶化はニッケルを添加した領域２０５および２０６で
発生した核から優先的に進行し、基板２０１の基板面に対してほぼ平行に成長した結晶領
域２０７および２０８が形成される。この結晶領域２０７および２０８を横成長領域と呼
ぶ。横成長領域は比較的揃った状態で個々の結晶が集合しているため、全体的な結晶性に
優れるという利点がある（図２（Ｂ））。

なお、上述の特開平７−１３０６５２号公報の実施例１に記載された技術を用いた場合
も微視的には横成長領域と呼びうる領域が形成されている。しかしながら、核発生が面内
において不均一に起こるので結晶粒界の制御性の面で難がある。

結晶化のための加熱処理が終了したら、マスク絶縁膜２０３を除去してパターニングを
行い、横成長領域２０７および２０８でなる島状半導体層（活性層）２０９、２１０、お
よび２１１を形成する（図２（Ｃ））。

ここで２０９はＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴの活性層、２１０はＮチャネルスイッチ
ングＴＦＴの活性層、２１１は画素マトリクス回路を構成するＮ型ＴＦＴ（画素ＴＦＴ）
の活性層である。

活性層２０９、２１０、および２１１を形成したら、その上に珪素を含む絶縁膜でなる
ゲイト絶縁膜２１２を成膜する。このゲイト絶縁膜の厚さは、１０〜２００ｎｍとする。
なお、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのゲイト絶縁膜の厚さは、１０〜５０ｎｍとし、他のゲイト絶
縁膜の厚さは、５０〜２００ｎｍとしてもよい。なお、このゲイト絶縁膜には、ＳｉＯ₂
、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどが用いられてもよい。

そして、次に図２（Ｄ）に示す様に触媒元素（ニッケル）を除去または低減するための
加熱処理（触媒元素のゲッタリングプロセス）を行う。この加熱処理は処理雰囲気中にハ
ロゲン元素を含ませ、ハロゲン元素による金属元素のゲッタリング効果を利用するもので
ある。

なお、ハロゲン元素によるゲッタリング効果を十分に得るためには、上記加熱処理を７
００℃を超える温度で行なうことが好ましい。この温度以下では処理雰囲気中のハロゲン
化合物の分解が困難となり、ゲッタリング効果が得られなくなる恐れがある。

そのため本実施例ではこの加熱処理を７００℃を超える温度で行い、好ましくは８００
〜１０００℃（代表的には９５０℃）とし、処理時間は０．１〜６ｈｒ、代表的には０．
５〜１ｈｒとする。

なお、本実施例では酸素雰囲気中に対して塩化水素（ＨＣｌ）を０．５〜１０体積％（
本実施例では３体積％）の濃度で含有させた雰囲気中において、９５０℃で、３０分の加
熱処理を行う例を示す。ＨＣｌ濃度を上記濃度以上とすると、活性層２０９、２１０、お
よび２１１の表面に膜厚程度の凹凸が生じてしまうため好ましくない。

また、ハロゲン元素を含む化合物してＨＣｌガスを用いる例を示したが、それ以外のガ
スとして、代表的にはＨＦ、ＮＦ₃、ＨＢｒ、Ｃｌ₂、ＣｌＦ₃、ＢＣｌ₃、Ｆ₂、Ｂｒ
₂等のハロゲンを含む化合物から選ばれた一種または複数種のものを用いることが出来る
。

この工程においては活性層２０９、２１０、および２１１中のニッケルが塩素の作用に
よりゲッタリングされ、揮発性の塩化ニッケルとなって大気中へ離脱して除去されると考
えられる。そして、この工程により活性層２０９、２１０、および２１１中のニッケルの
濃度は５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下にまで低減される。

なお、５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³という値はＳＩＭＳ（質量二次イオン分析）の検
出下限である。本発明者らが試作したＴＦＴを解析した結果、１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以下（好ましくは５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下）ではＴＦＴ特性に対するニッ
ケルの影響は確認されなかった。ただし、本明細書中における不純物濃度は、ＳＩＭＳ分
析の測定結果の最小値でもって定義される。

また、上記加熱処理により活性層２０９、２１０、および２１１とゲイト絶縁膜２１２
の界面では熱酸化反応が進行し、熱酸化膜の分だけゲイト絶縁膜２１２の膜厚は増加する
。この様にして熱酸化膜を形成すると、非常に界面準位の少ない半導体／絶縁膜界面を得
ることができる。また、活性層端部における熱酸化膜の形成不良（エッジシニング）を防
ぐ効果もある。

さらに、上記ハロゲン雰囲気における加熱処理を施した後に、窒素雰囲気中で９５０℃
で１時間程度の加熱処理を行なうことで、ゲイト絶縁膜２１２の膜質の向上を図ることも
有効である。

なお、ＳＩＭＳ分析により活性層２０９、２１０、および２１１中にはゲッタリング処
理に使用したハロゲン元素が、１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³の濃度で残存することも確認されている。また、その際、活性層２０９、２１０、
および２１１と加熱処理によって形成される熱酸化膜との間に前述のハロゲン元素が高濃
度に分布することがＳＩＭＳ分析によって確かめられている。

また、他の元素についてもＳＩＭＳ分析を行った結果、代表的な不純物であるＣ（炭素
）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫黄）はいずれも５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満
（典型的には１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下）であることが確認された。

次に、図３を参照する。図示しないアルミニウムを主成分とする金属膜を成膜し、パタ
ーニングによって後のゲイト電極の原型２１３、２１４、および２１５を形成する。本実
施例では２ｗｔ％のスカンジウムを含有したアルミニウム膜を用いる（図３（Ａ））。な
お、後に２１３の一部は、ＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのフローティングゲイトとなる
。

次に、特開平７−１３５３１８号公報記載の技術により多孔性の陽極酸化膜２１６、２
１７、および２１８、無孔性の陽極酸化膜２１９、２２０、および２２１、ゲイト電極２
２２、２２３、および２２４を形成する（図３（Ｂ））。

こうして図３（Ｂ）の状態が得られたら、次にゲイト電極２２２、２２３、および２２
４、多孔性の陽極酸化膜２１６、２１７、および２１８をマスクとしてゲイト絶縁膜２１
２をエッチングする。そして、多孔性の陽極酸化膜２１６、２１７、および２１８を除去
して図３（Ｃ）の状態を得る。なお、図３（Ｃ）において２２５、２２６、および２２７
で示されるのは加工後のゲイト絶縁膜である。

次に、ゲイト電極４２２分断し、フローティングゲイトを作製する（図３（Ｄ））。

次に図４を参照する。図４に示す工程では、一導電性を付与する不純物元素の添加を行
う。不純物元素としてはＮ型ならばＰ（リン）またはＡｓ（砒素）、Ｐ型ならばＢ（ボロ
ン）を用いれば良い。

本実施例では、不純物添加を２回の工程に分けて行う。まず、１回目の不純物添加（本
実施例ではＰ（リン）を用いる）を高加速電圧８０ｋｅＶ程度で行い、ｎ^-領域を形成す
る。このｎ^-領域は、Ｐイオン濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上（好ましくは１
×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上）となるように調節する。

さらに、２回目の不純物添加を低加速電圧１０ｋe Ｖ程度で行い、ｎ⁺領域を形成す
る。この時は、加速電圧が低いので、ゲイト絶縁膜がマスクとして機能する。また、こ
のｎ⁺領域は、シート抵抗が５００Ω以下（好ましくは３００Ω以下）となるように調節
する。

以上の工程を経て、Ｎ型ＴＦＴのソース領域２２８、ドレイン領域２２９、低濃度不純
物領域２３０、チャネル形成領域２３１が形成される。また、画素ＴＦＴを構成するＮ型
ＴＦＴのソース領域２３２、ドレイン領域２３３、低濃度不純物領域２３４、チャネル形
成領域２３５が確定する（図４（Ａ））。本実施例では、半導体活性層のチャネル形成領
域では、不対結合手の数がソース・ドレイン領域よりも少ない。これは、チャネル形成領
域が、単結晶、あるいは実質的に単結晶となっていると考えられる。

なお、図４（Ａ）に示す状態ではＰ型ＴＦＴの活性層もＮ型ＴＦＴの活性層と同じ構成
となっている。

次に、図４（Ｂ）に示すように、Ｎ型ＴＦＴを覆ってレジストマスク２３６を設け、Ｐ
型を付与する不純物イオン（本実施例ではボロンを用いる）の添加を行う。ボロンの他に
、Ｇａ、Ｉｎなどを用いてもよい。

この工程も前述の不純物添加工程と同様に２回に分けて行うが、Ｎ型をＰ型に反転させ
る必要があるため、前述のＰイオンの添加濃度の数倍程度の濃度のＢ（ボロン）イオンを
添加する。このｐ^-領域は、Ｐイオン濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上（好ましく
は１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上）となるよう
に調節する。

こうしてＰ型ＴＦＴのソース領域２３７、ドレイン領域２３８、低濃度不純物領域２３
９、チャネル形成領域２４０が形成される（図４（Ｂ））。この低濃度不純物領域は、Ｐ
イオン濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上（好ましくは１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上）となるように調節する。こうすることによって、インパクトイオナイゼイショ
ンが起こりやすくなる場合がある。

以上の様にして活性層が完成したら、ファーネスアニール、レーザーアニール、ランプ
アニール等の組み合わせによって不純物イオンの活性化を行う。それと同時に添加工程で
受けた活性層の損傷も修復される。

次に、ＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのコントロールゲイト電極２４１を作製する。こ
のコントロールゲイト電極２４１は、無孔性の陽極酸化膜２１９の上面および側面に接す
るように形成される。よって、コントロールゲイト電極２４１とフローティングゲイト電
極２２２’は、絶縁性が保持されている。

次に、層間絶縁膜２４２として酸化珪素膜と窒化珪素膜との積層膜を形成した（図４（
Ｄ））。図４（Ｄ）のＦＡＭＯＳ型ＴＦＴを上面から見た図を図４（Ｅ）に示す。

次に図５を参照する。層間絶縁膜２４２にコンタクトホールを形成した後、ソース電極
２４３、２４４、および２４５、ドレイン電極２４６、２４７を形成して図５（Ａ）に示
す状態を得る。

次に、有機性樹脂膜でなる第２の層間絶縁膜２４９を０．５〜３μｍの厚さに形成する
（図５（Ｂ））。この有機性樹脂膜としてはポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイ
ミドアミドなどが用いられ得る。この第２の層間絶縁膜２４９に有機性樹脂膜を用いるこ
との利点は、（１）成膜方法が簡単であること、（２）膜厚を容易に厚くできること、（
３）比誘電率が低いので寄生容量を低減できること、（４）平坦性に優れていること、な
どが挙げられる。

次に、ブラックマスク２５０を形成する（図５（Ｂ））。

次に、酸化珪素膜、窒化珪素膜、有機性樹脂膜のいずれかあるいはこれらの積層膜から
なる第３の層間絶縁膜２５１を０．１〜０．３μｍの厚さに形成する。そして、層間絶縁
膜２５１にコンタクトホールを形成し、成膜した導電膜をパターニングすることにより画
素電極２５２を形成する。本実施例は、透過型の液晶表示装置を例に示すため画素電極２
５２を構成する導電膜としてＩＴＯ等の透明導電膜を用いる。

図５（Ｂ）の構成では、層間絶縁膜２５１を介して、画素電極２５２とブラックマスク
２５０とが重畳する領域で補助容量が形成される。

なお、図５（Ｂ）に示すような構成では、広い面積を占めやすい補助容量をＴＦＴの上
に形成することで開口率の低下を防ぐことが可能である。また、誘電率の高い窒化珪素膜
を適切な厚さで用いると、少ない面積で非常に大きな容量を確保することが可能である。

次に、基板全体を３５０℃の水素雰囲気で１〜２時間加熱し、素子全体の水素化を行う
ことで膜中（特に活性層中）のダングリングボンド（不対結合手）を補償する。以上の工
程を経て同一基板上にＣＭＯＳ回路および画素マトリクス回路を作製することができる。

次に、図５（Ｃ）を参照しながら、上記の工程によって作製されたアクティブマトリク
ス基板をもとに、液晶パネルを作製する工程を説明する。

図５（Ｂ）の状態のアクティブマトリクス基板に配向膜２５３を形成する。本実施例で
は、配向膜２５３には、ポリイミドを用いた。次に、対向基板を用意する。対向基板は、
ガラス基板２５４、透明導電膜２５５、配向膜２５６とで構成される。

なお、本実施例では、配向膜には、液晶分子が基板に対して平行に配向するようなポリ
イミド膜を用いた。なお、配向膜形成後、ラビング処理を施すことにより、液晶分子があ
る一定のプレチルト角を持って平行配向するようにした。

なお、対向基板には必要に応じてブラックマスクやカラーフィルタなどが形成されるが
、ここでは省略する。

次に、上記の工程を経たアクティブマトリクス基板と対向基板とを公知のセル組み工程
によって、シール材やスペーサ（図示せず）などを介して貼り合わせる。その後、両基板
の間に液晶材料２５７を注入し、封止剤（図示せず）によって完全に封止する。よって、
図５（Ｃ）に示すような透過型の液晶パネルが完成する。

なお、本実施例では、液晶パネルが、ＴＮモードによって表示を行うようにした。その
ため、１対の偏光板（図示せず）がクロスニコル（１対の偏光板が、それぞれの偏光軸を
直交させるような状態）で、液晶パネルを挟持するように配置された。

よって、本実施例では、液晶パネルの画素ＴＦＴに電圧が印加されていないとき明状態
となる、ノーマリホワイトモードで表示を行うことが理解される。

図６にＦＡＭＯＳ型ＴＦＴを含むメモリセル、画素ＴＦＴ、ロジック回路が、同一基板
上に一体形成されている様子を示す。

また、本実施例の液晶パネルの外観を図７に簡略化して示す。図７において、７０１は
石英基板、７０２は画素マトリクス回路、７０３はソース信号線側ドライバ回路、７０４
はゲイト信号線側ドライバ回路、７０５は信号処理回路などのロジック回路および不揮発
性メモリ回路である。７０６は対向基板、７０７は、ＦＰＣ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉ
ｎｔＣｉｒｃｉｔ）端子である。一般的に、液晶モジュールと呼ばれるのはＦＰＣを取
り付けた液晶パネルである。

ロジック回路７０５は広義的にはＴＦＴで構成される論理回路全てを含むが、ここでは
従来から画素マトリクス回路、ドライバ回路と呼ばれている回路と区別するため、それ以
外の信号処理回路を指す。

なお、本実施例の不揮発性メモリには、画像信号にガンマ補正する為のデータが記憶さ
れている。これは、液晶表示装置固有のデータであり、製造後ガンマ補正のデータを作成
する際に不揮発性メモリに書き込まれる。

また、不揮発性メモリに用いられているＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのフローティングゲイト、
および／またはコントロールゲイトにＳｉを用いた場合にも、不揮発性メモリは周辺回路
やロジック回路と同一構造を有し、本発明が適用できる。

本実施例の不揮発性メモリは、フローティングゲイト電極を作製する際に生じた無孔性
の陽極酸化膜を介して、コントロールゲイト電極が形成されている。

図８に示すようにコントロールゲイト電極−フローティング電極間の容量をＣ１、印加
される電圧をＶ１、フローティング電極−活性層間の容量をＣ２、ゲイト電圧をＶｃ、ド
レイン電圧をＶｄとし、ソースをＧＮＤにおとすと、フローティングゲイト電極には、容
量分割電圧Ｖｆが発生し、Ｖｆは下記の数式で表される。

本実施例ではフローティングゲイト−コントロールゲイト間の容量Ｃ３が大きので、Ｖ
ｆが大きくなり、フローティングゲイト電極にキャリアが注入されやすい。

本実施例では、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのコントロールゲイト電極の作製工程が実施例１と
は異なる。その他の工程は同じであるので、実施例１を参照し、本実施例では説明を省略
する。なお、本実施例の液晶表示装置では、本実施例の不揮発性メモリが、ガンマ補正の
データを記憶する記憶手段として用いられている。なお、ドライバ等の周辺回路に代表的
に用いられるＣＭＯＳ回路も同様に作製され得る。なお、本実施例では、Ｐチャンネル型
とＮチャンネル型とがそれぞれ１つのゲイト電極を備えた回路について、その作製工程を
説明するが、ダブルゲイト型のような複数のゲイト電極を備えた回路も同様に作製するこ
とができる。

図９を参照する。実施例１の図４（Ｂ）の工程を終えた状態が図９（Ａ）に示される。
図９（Ａ）に示される以前の工程については、実施例１を参照することができる。図９（
Ａ）において、９０１は下地基板、９０３はＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴののソース領
域、９０２はドレイン領域、９０４は低濃度不純物領域、９０５はチャネル形成領域、９
０６はゲイト絶縁膜、９０７はフローティングゲイト電極、９０８は無孔性の陽極酸化膜
である。また、９０９はＮチャネル型ＴＦＴのソース領域、９１０はドレイン領域、９１
１は低濃度不純物領域、９１２はチャネル形成領域、９１３はゲイト絶縁膜、９１４はゲ
イト電極、９１５は無孔性の陽極酸化膜である。また、９１６は画素ＴＦＴを構成するＮ
チャネル型ＴＦＴのソース領域、９１７はドレイン領域、９１８は低濃度不純物領域、９
１９はチャネル形成領域、９２０はゲイト絶縁膜、９２１はゲイト電極、９２２は無孔性
の陽極酸化膜である。

図９（Ｂ）に示すように、層間絶縁膜９２３として酸化珪素膜と窒化珪素膜との積層膜
を形成する。

次に図９（Ｃ）を参照する。層間絶縁膜９２３にコンタクトホールを形成した後、ソー
ス電極９２４、９２５、および９２６、ドレイン電極９２７および９２８、およびＰチャ
ネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのコントロールゲイト電極９２９を形成する。

ＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのコントロールゲイト電極は、無孔性の陽極酸化膜９０
８に接続されている。

以後、実施例１の工程に従って、有機性樹脂膜でなる第２の層間絶縁膜（図示せず）を
形成する。以後の工程についても、実施例１の工程に従うものとする。

本実施例の方法に従うと、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴを含む不揮発性メモリを有する液晶表示
装置は、工程を増やすことなく作製され得る。

図２１および図２３を参照する。図２１には、本実施例１で作製されたＴＦＴの第１回
目のボロンドーズ量を変化させた時のゲイトリーク電流ＩＧの変化が示されている。なお
、ＶＤはドレイン電圧、ＩＤはドレイン電流、ＶＧはゲイト電圧である。

図２１より、図２１（Ａ）〜（Ｅ）では、第１回目のボロンのドーズ量を０〜６×１０
¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ²とした場合のグラフである。このとき、ゲイトリーク電流値には、
ピーク値（ＩＧ（ｐｅａｋ）と示す）が存在する。これらのグラフより、第１回目のボロ
ンのドーズ量が多くなると、ゲイトリーク電流のピーク値が大きくなっていることがわか
る。よって、低濃度不純物領域が無い方が、ゲイトリーク電流が多くなり、フローティン
グゲイト電極にキャリアが注入されやすいことがわかる。

なお、図２３（Ａ）は、第１回目のボロンのドーズ量と、ゲイトリーク電流のピークと
の関係を示すグラフである。

本実施例では、第１回目のボロンのドーズ量が多い時に、ゲイトリーク電流が大きくな
ることより、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴに低濃度不純物領域を設けないようにすることにした。

本実施例では、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴの不純物イオンの添加工程が実施例１とは異なる
。なお、以下に示す液晶表示装置では、本実施例の不揮発性メモリが、ガンマ補正のデー
タを記憶する記憶手段として用いられている。なお、ドライバ等の周辺回路に代表的に用
いられるＣＭＯＳ回路も同様に作製され得る。

図１０を参照する。実施例１の図３（Ｄ）の工程（フローティングゲイトの作製）を終
えた状態が図１０（Ａ）に示される。図９（Ａ）に示される以前の工程については、実施
例１を参照することができる。

図１０（Ａ）において、１００１は下地基板、１００２、１００３、および１００４は
島状半導体層（活性層）、１００５、１００６、および１００７はゲイト絶縁膜、１００
８、１００９、および１０１０はゲイト電極（ただし、１００８はＦＡＭＯＳ型ＴＦＴの
フローティングゲイト）、１０１１、１０１２、および１０１３は無孔性の陽極酸化膜で
ある。

まず、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴの不純物添加を行う。不純物の添加には、本実施例ではＢ（
ボロン）を用いる。その他、Ｇａ、Ｉｎ等を用いてもよい。加速電圧８０ｋｅＶ程度で不
純物の添加を行うことによって、ソース領域１０１４、ドレイン領域１０１５、およびチ
ャネル領域１０１６が形成される。またこの時、他の部分にはレジストマスク１０１７が
存在するようにしておくことによって、他の領域には不純物の添加が行われないようにす
る。

次に、ＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴ以外に不純物の添加を行う。本実施例では、不純
物添加を２回の工程に分けて行う。まず、１回目の不純物添加（本実施例ではＰ（リン）
を用いる）を高加速電圧８０ｋｅＶ程度で行い、ｎ^-領域を形
成する。このｎ^-領域は、Ｐイオン濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×
１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³となるように調節する。

さらに、２回目の不純物添加を低加速電圧１０ｋeＶ程度で行い、ｎ⁺領域を形成する。
この時は、加速電圧が低いので、ゲイト絶縁膜がマスクとして機能する。また、このｎ⁺
領域は、シート抵抗が５００Ω以下（好ましくは３００Ω以下）となるように調節する。

以上の工程を経て、Ｎ型ＴＦＴのソース領域１０１９、ドレイン領域１０２０、低濃度
不純物領域１０２１、チャネル形成領域１０２２が形成される。また、画素ＴＦＴを構成
するＮ型ＴＦＴのソース領域１０２３、ドレイン領域１０２４、低濃度不純物領域１０２
５、チャネル形成領域１０２６が確定する（図１０（Ｃ））。

なお、図１０（Ｃ）に示す状態ではＰ型ＴＦＴの活性層もＮ型ＴＦＴの活性層と同じ構
成となっている。

次に、図１０（Ｄ）に示すように、Ｎ型ＴＦＴを覆ってレジストマスク１０２７を設け
、Ｐ型を付与する不純物イオン（本実施例ではボロンを用いる）の添加を行う。なお、図
１０（Ｄ）にはＦＡＭＯＳ型ＴＦＴ以外のＰチャネル型ＴＦＴは図示されていない。

この工程も前述の不純物添加工程と同様に２回に分けて行うが、Ｎ型をＰ型に反転させ
る必要があるため、前述のＰイオンの添加濃度の数倍程度の濃度のＢ（ボロン）イオンを
添加する。

こうしてＰ型ＴＦＴのソース領域、ドレイン領域、低濃度不純物領域、およびチャネル
形成領域が形成される（図１０（Ｄ））。

次に、ＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのコントロールゲイト電極１０２８を作製する。
このコントロールゲイト電極１０２８は、無孔性の陽極酸化膜１０１１を囲むように作製
される（図１１（Ａ））。よって、コントロールゲイト電極１０２８とフローティングゲ
イト電極１００８は、絶縁性が保持されている。

次に、層間絶縁膜１０２９として酸化珪素膜と窒化珪素膜との積層膜を形成した（図１
１（Ｂ））。

次に図１１（Ｃ）を参照する。層間絶縁膜１０２９にコンタクトホールを形成した後、
ソース電極１０３０、１０３１、および１０３２、ドレイン電極１０３３、１０３４を形
成して図１１（Ｃ）に示す状態を得る。

以後は、実施例１の図５（Ｂ）以降に示された工程を行う。

完成した本実施例の液晶パネルの断面図を図１２に示す。図１２には、ＦＡＭＯＳ型Ｔ
ＦＴを含むメモリセル、画素ＴＦＴ、ロジック回路が、同一基板上に一体形成されている
様子が示されている。なお、ロジック回路は実施例１と同様ＣＭＯＳ回路が代表的に示さ
れている。

図１２にも示されているように、メモリセルＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴの半導体活
性層領域には、低濃度不純物領域が形成されていない（他のＴＦＴには低濃度不純物領域
１２０１、１２０２、１２０３、および１２０４が形成されている）。よって、フローテ
ィングゲイト電極にキャリアの注入が起こりやすくなり、優れたメモリの機能が実現され
る。

本実施例では、メモリセルを構成するＦＡＭＯＳ型ＴＦＴとスイッチングＴＦＴとの両
方をＰチャネル型ＴＦＴで作製した。なお、メモリのデコーダ部や他のロジック回路を構
成するＴＦＴは、Ｎチャネル型およびＰチャネル型で構成される。なお、説明を省略する
工程に関しては、実施例１を参照することができる。

図１３を参照する。まず、絶縁表面を有する基板として石英基板１３０１を準備する。
石英基板の代わりに熱酸化膜を形成したシリコン基板を用いることもできる。また、石英
基板上に一旦非晶質珪素膜を形成し、それを完全に熱酸化して絶縁膜とする様な方法をと
っても良い。さらに、絶縁膜として窒化珪素膜を形成した石英基板、セラミックス基板を
用いても良い。

１３０２は非晶質珪素膜であり、最終的な膜厚（熱酸化後の膜減りを考慮した膜厚）が
１０〜１００ｎｍ（好ましくは２０〜８０ｎｍ）となる様に調節する。こうすることによ
って、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴにおいて、インパクトイオナイゼイションが起こりやすくなり
、フローティングゲイトにキャリアの注入がされやすくなる。なお、成膜に際して膜中の
不純物濃度の管理を徹底的に行うことは重要である。なお、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのは非晶
質珪素膜の最終的な膜厚が１０〜４００ｎｍ、他のＴＦＴの最終的な膜厚が２０〜８０ｎ
ｍとしてもよい。この場合、選択酸化法などによって、それぞれの所望の膜厚を得ること
ができる。

本実施例の場合、非晶質珪素膜１３０２中において代表的な不純物であるＣ（炭素）、
Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫黄）の濃度はいずれも５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未
満（好ましくは１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下）となる様に管理している。各不純物
がこれ以上の濃度で存在すると、結晶化の際に悪影響を及ぼし、結晶化後の膜質を低下さ
せる原因となりうる。

なお、非晶質珪素膜１３０２中の水素濃度も非常に重要なパラメータであり、水素含有
量を低く抑えた方が結晶性の良い膜が得られる様である。そのため、非晶質珪素膜１３０
２の成膜は減圧熱ＣＶＤ法であることが好ましい。なお、成膜条件を最適化することでプ
ラズマＣＶＤ法を用いることも可能である。

次に、非晶質珪素膜１３０２の結晶化工程を行う。結晶化の手段としては特開平７−１
３０６５２号公報記載の技術を用いる。同公報の実施例１および実施例２のどちらの手段
でも良いが、本実施例では、同広報の実施例２に記載した技術内容（特開平８−７８３２
９号公報に詳しい）を利用するのが好ましい。

特開平８−７８３２９号公報記載の技術は、まず触媒元素の添加領域を選択するマスク
絶縁膜１３０３を形成する。マスク絶縁膜１３０３は触媒元素を添加するために複数箇所
の開口部を有している。この開口部の位置を調整することによって結晶領域の位置を決定
することができる。

そして、非晶質珪素膜１３０２の結晶化を助長する触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を
含有した溶液をスピンコート法により塗布し、Ｎｉ含有層１３０４を形成する。なお、触
媒元素としてはニッケル以外にも、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）
、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等を用いることができる（図１３（Ａ））。

次に、触媒元素の添加工程が終了したら、４５０℃で１時間程度の水素出しの後、不活
性雰囲気、水素雰囲気または酸素雰囲気中において５００〜７００℃（代表的には５５０
〜６５０℃）の温度で４〜２４時間の加熱処理を加えて非晶質珪素膜１３０２の結晶化を
行う。本実施例では窒素雰囲気で５７０℃で１４時間の加熱処理を行う。

この時、非晶質珪素膜１３０２の結晶化はニッケルを添加した領域１３０５および１３
０６で発生した核から優先的に進行し、基板１３０１の基板面に対してほぼ平行に成長し
た結晶領域（横成長領域）１３０７および１３０８が形成される。この結晶領域２０７お
よび２０８を横成長領域と呼ぶ（図１３（Ｂ））。

結晶化のための加熱処理が終了したら、マスク絶縁膜１３０３を除去してパターニング
を行い、横成長領域１３０７および１３０８でなる島状半導体層（活性層）１３０９およ
び１３１０を形成する（図１３（Ｃ））。

ここで１３０９はＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴおよびスイッチングＴＦＴの活性層、
１３１０は画素マトリクス回路を構成するＮ型ＴＦＴ（画素ＴＦＴ）の活性層である。

活性層１３０９および１３１０を形成したら、その上に珪素を含む絶縁膜でなるゲイト
絶縁膜１３１１を成膜する。なお、ＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのゲイト絶縁膜の厚さは、１００
〜５００とし、他のゲイト絶縁膜の厚さは、５００〜２０００としてもよい。なお、この
ゲイト絶縁膜には、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどが用いられてもよい。

そして、次に図１３（Ｄ）に示す様に触媒元素（ニッケル）を除去または低減するため
の加熱処理（触媒元素のゲッタリングプロセス）を行う。この加熱処理は処理雰囲気中に
ハロゲン元素を含ませ、ハロゲン元素による金属元素のゲッタリング効果を利用するもの
である。

なお、本実施例では酸素雰囲気中に対して塩化水素（ＨＣｌ）を０．５〜１０体積％（
本実施例では３体積％）の濃度で含有させた雰囲気中において、９５０℃で、３０分の加
熱処理を行う例を示す。ＨＣｌ濃度を上記濃度以上とすると、活性層１３０９および１３
１０の表面に膜厚程度の凹凸が生じてしまうため好ましくない。

また、ハロゲン元素を含む化合物してＨＣｌガスを用いる例を示したが、それ以外のガ
スとして、代表的にはＨＦ、ＮＦ₃、ＨＢｒ、Ｃｌ₂、ＣｌＦ₃、ＢＣｌ₃、Ｆ₂、Ｂｒ₂
等のハロゲンを含む化合物から選ばれた一種または複数種のものを用いることが出来る。

さらに、上記ハロゲン雰囲気における加熱処理を施した後に、窒素雰囲気中で９５０℃
で１時間程度の加熱処理を行なうことで、ゲイト絶縁膜１３１１の膜質の向上を図ること
も有効である。

なお、ＳＩＭＳ分析により活性層１３０９および１３１０中にはゲッタリング処理に使
用したハロゲン元素が、１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
の濃度で残存することも確認されている。また、その際、活性層１３０９および１３１０
と加熱処理によって形成される熱酸化膜との間に前述のハロゲン元素が高濃度に分布する
ことがＳＩＭＳ分析によって確かめられている。

次に、図１４を参照する。図示しないアルミニウムを主成分とする金属膜を成膜し、パ
ターニングによって後のゲイト電極の原型１３１２、１３１３、および１３１４を形成す
る。本実施例では２ｗｔ％のスカンジウムを含有したアルミニウム膜を用いる（図１４（
Ａ））。なお、後に１３１２の一部は、ＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのフローティング
ゲイトとなる。

次に、特開平７−１３５３１８号公報記載の技術により多孔性の陽極酸化膜１３１５、
１３１６、および１３１７、無孔性の陽極酸化膜１３１８、１３１９、および１３２０、
ゲイト電極１３２１、１３２２、および１３２３（図１４（Ｂ））。

こうして図１４（Ｂ）の状態が得られたら、次にゲイト電極１３２１、１３２２、およ
び１３２３、多孔性の陽極酸化膜１３１５、１３１６、および１３１７をマスクとしてゲ
イト絶縁膜１３１１をエッチングする。そして、多孔性の陽極酸化膜１３１５、１３１６
、および１３１７を除去して図１４（Ｃ）の状態を得る。なお、図１４（Ｃ）において１
３２１、１３２２、および１３２３で示されるのは加工後のゲイト絶縁膜である。

次に、ゲイト電極１３２１を分断し、フローティングゲイト電極１３２１’を作製する
（図１４（Ｄ））。

次に図１５を参照する。図１５に示す工程では、一導電性を付与する不純物元素の添加
を行う。不純物元素としてはＮ型ならばＰ（リン）またはＡｓ（砒素）、Ｐ型ならばＢ（
ボロン）を用いれば良い。

本実施例では、不純物添加を２回の工程に分けて行う。まず、１回目の不純物添加（本
実施例ではＰ（リン）を用いる）を高加速電圧８０ｋｅＶ程度で行い、ｎ^-領域を形成す
る。このｎ^-領域は、Ｐイオン濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³〜１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³となるように調節する。

以上の工程を経て、Ｎ型ＴＦＴのソース領域、ドレイン領域、低濃度不純物領域、チャ
ネル形成領域（いずれも図示せず）が形成され、画素ＴＦＴを構成するＮ型ＴＦＴのソー
ス領域１３２４、ドレイン領域１３２５、低濃度不純物領域１３２６、およびチャネル形
成領域１３２７が確定する（図１５（Ａ））。

なお、図１５（Ａ）に示す状態ではＰ型ＴＦＴの活性層もＮ型ＴＦＴの活性層と同じ構
成となっている。

次に、図１５（Ｂ）に示すように、Ｎ型ＴＦＴを覆ってレジストマスク１３２８を設け
、Ｐ型を付与する不純物イオン（本実施例ではボロンを用いる）の添加を行う。

こうしてＰ型ＴＦＴのソース・ドレイン領域１３２９、１３３０、および１３３１、低
濃度不純物領域１３３２および１３３３、およびチャネル形成領域１３３２、１３３３が
形成される（図１５（Ｂ））。

次に、層間絶縁膜１３３６として酸化珪素膜と窒化珪素膜との積層膜を形成した（図１
５（Ｃ））。

次に、層間絶縁膜１３３６にコンタクトホールを形成した後、ソース・ドレイン電極１
３３７、１３３８、１３３９、および１３４０，およびＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴの
コントロールゲイト電極１３４１を形成する。

ＰチャネルＦＡＭＯＳ型ＴＦＴのコントロールゲイト電極は、無孔性の陽極酸化膜１３
１８の上面に接続されている。

ここで、図１６（Ａ）に、本実施の不揮発性メモリの回路図を示す。図１６（Ｂ）は、
図１６（Ａ）におけるＡ−Ａ’の断面図を示し、図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）の等価回
路図を示す。

図１６（Ａ）において、１３０１〜１３０４は半導体層であり、ＴＦＴＴｒ１〜Ｔｒ８
を構成している。１３０５〜１３０８は第１の配線層であり、Ｔｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６、
およびＴｒ８のゲイト電極、ゲイト信号線の配線、およびＴｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５、Ｔｒ
７のゲイト信号線の配線として利用している。なお、Ｔｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５、およびＴ
ｒ７のフローティングゲイト電極１３１３〜１３１６は、第１の配線層と同時に形成され
、パターンニングされたのちにフローティングの状態となる。なお、１３０９〜１３１２
は、Ｔｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６、およびＴｒ８のゲイト電極である。１３１７〜１３２４は
第２の配線層であり、各Ｔｒのソース・ドレイン領域に接続される信号線として、またＴ
ｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５、およびＴｒ７のコントロールゲイト電極として用いられる。また
、図中において、１３２５で示したように黒く塗りつぶされている部分は、その下部の配
線あるいは半導体層とコンタクトをとっていることを示している。なお、図中において同
一柄の配線は全て同一の配線層である。

なお、本実施例の不揮発性メモリの動作について、図１６（Ｃ）を参照して説明する。
なお、本実施例の不揮発性メモリも、実施例１に示したような、マトリクス状に配置され
た構造を有する。また、図１６（Ｃ）では、信号線にはＡ０、Ｂ０、Ｃ０、Ｄ０、Ａ１、
Ｂ１、Ｃ１、およびＤ１という符号が付けられている。また、メモリセルには、（０、０
）〜（１、１）の符号が付けられている。ここでは、メモリセル（１、１）を例にとって
、その動作を説明する。

まず、メモリセル（１、１）にデータを書き込む場合、信号線Ｃ１には５０Ｖの高電圧
が印加される。また、信号線Ｄ１は−５Ｖの電圧が印加される。そこで信号線Ｂ１をＧＮ
Ｄにおとし、Ａ１に−５Ｖの電圧を印加すると、Ｔｒ１のフローティングゲイトに電荷が
蓄積される。Ｔｒ１のフローティングゲイトに蓄積された電荷は保持される。

以上の動作を下の表にまとめる。

なお、メモリセルに記憶されている記憶内容は、Ｘ線、紫外線、あるいは電子線などを
不揮発性メモリに照射することによって消去できる。

本実施例では、メモリに蓄積されたキャリアを電気的に消去できる、ＥＥＰＲＯＭにつ
いて述べる。

図１８を参照する。図１８（Ａ）には、本実施例のＥＥＰＲＯＭの構成が示されている
。１９０１は、Ｐ型ＴＦＴのチャネル領域、１９０２、１９０３は、ソース・ドレイン領
域、１９０４はゲイト絶縁膜、１９０５はフローティングゲイト電極、１９０６は陽極酸
化膜、１９０７はソース電極、１９０８はコントロール電極、１９０９はスイッチングＴ
ＦＴの低濃度不純物領域、１９２０はチャネル領域、１９２１はゲイト絶縁膜、１９２３
はゲイト電極、１９２４は陽極酸化膜、１９２６は層間膜である。

本実施例のＥＥＰＲＯＭをマトリクス状に配置したメモリを、図１８（Ｂ）に示す。１
９２７、１９２８は、それぞれアドレスデコーダである。

本実施例のメモリの動作を下記の表に示す。

なお、本実施例のメモリは、上記実施例１〜５で説明したような、半導体表示装置に用
いられる。

本実施例では、実施例１で説明した作製において、ゲイト電極にＴａ（タンタル）また
はＴａ合金を用いた場合について説明する。

ＴａまたはＴａ合金をゲイト電極に用いると、約４５０℃から約６００℃で熱酸化する
ことができ、Ｔａ₂Ｏ₃等の膜質の良い酸化膜がゲイト電極上に形成される。この酸化膜
は、上記実施例１で説明した、Ａｌ（アルミニウム）をゲイト電極として用いたときに形
成される酸化膜よりも膜質は良いことがわかっている。

このことは、絶縁膜の耐圧評価の一つであるＪ−Ｅ特性（電流密度−電界強度特性）に
おいて、ＴａまたはＴａ合金の酸化膜がＡｌの酸化膜よりも良い特性を有することによっ
てわかった。

また、Ｔａ₂Ｏ₃は、比誘電率が１１．６前後であり、フローティングゲイト−コント
ロールゲイト間の容量Ｃ３（実施例１の数式参照）が大きいので、Ａｌをゲイト電極に用
いた場合に比較してフローティングゲイトに電荷が注入されやすいという利点もある。

また、Ｔａをゲイト電極に用いた場合、上記実施例で行ったように陽極酸化することも
できる。

なお、上記実施例１〜５においてゲイト電極にＴａまたはＴａ合金を用いることができ
る。

上記実施例１〜６で説明した液晶表示装置は、液晶表示装置を組み込んだ半導体表示装
置に用いられる。このような半導体装置には、ビデオカメラ、スチルカメラ、プロジェク
タ、ヘッドマウントディスプレイ、カーナビゲーション、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、携帯電話など）などが挙げられる。それらの一例を図
１７に示す。

図１７（Ａ）はモバイルコンピュータであり、本体１７０１、カメラ部１７０２、受像
部１７０３、操作スイッチ１７０４、液晶表示装置１７０５で構成される。

図１７（Ｂ）はヘッドマウントディスプレイであり、本体１８０１、液晶表示装置１８
０２、バンド部１８０３で構成される。

図１７（Ｃ）は、フロント型プロジェクタであり、本体１９０１、光源１９０２、液晶
表示装置１９０３、光学系１９０４、スクリーン１９０５で構成される。

図１７（Ｄ）は携帯電話であり、本体２００１、音声出力部２００３、音声入力部２０
０３、液晶表示装置２００４、操作スイッチ２００５、アンテナ２００６で構成される。

図１７（Ｅ）はビデオカメラであり、本体２１０１、液晶表示装置２１０２、音声入力
部２１０３、操作スイッチ２１０４、バッテリー２１０５、受像部２１０６で構成される
。

なお、上記実施例１〜７では、表示媒体として液晶を用いる場合について説明してきた
が、本発明の半導体表示装置に、液晶と高分子との混合層を用い、いわゆる高分子分散型
液晶表示装置とすることもできる。また、本発明を、印加電圧に応答して光学的特性が変
調され得るその他のいかなる表示媒体を備えた表示装置に用いてもよい。例えば、エレク
トロルミネセンス素子などを表示媒体として備えた表示装置に用いてもよい。この場合も
、メモリや周辺回路などを含むアクティブマトリクス基板の作製には、実施例１で説明し
た工程が利用される。

また、実施例６で説明したように、ゲイト電極にタンタルまたはタンタル合金を用いて
もよい。

ここで、上記実施例１〜４の作製方法によって作製され半導体薄膜について説明する。
上記実施例１〜４の作製方法によると、非晶質珪素膜を結晶化させて、連続粒界結晶シリ
コン（いわゆるContinuous Grain Silicon：ＣＧＳ）と呼ばれる結晶シリコン膜を得るこ
とができる。

上記実施例１〜４の作製方法によって得られた半導体薄膜の横成長領域は棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる特異な結晶構造を示す。以下にその特徴について示す。

〔活性層の結晶構造に関する知見〕

上述の実施例１〜４の作製工程に従って形成した横成長領域は、微視的に見れば複数の
棒状（または偏平棒状）結晶が互いに概略平行に特定方向への規則性をもって並んだ結晶
構造を有する。このことはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡法）による観察で容易に確認するこ
とができる。

また、本発明者らは上述の実施例１〜４の作製方法によって得られた半導体薄膜の結晶
粒界をＨＲ−ＴＥＭ（高分解能透過型電子顕微鏡法）を用いて８００万倍に拡大し、詳細
に観察した（図２４（Ａ））。ただし、本明細書中において結晶粒界とは、断りがない限
り異なる棒状結晶同士が接した境界に形成される粒界を指すものと定義する。従って、例
えば別々の横成長領域がぶつかりあって形成される様なマクロな意味あいでの粒界とは区
別して考える。

ところで前述のＨＲ−ＴＥＭ（高分解能透過型電子顕微鏡法）とは、試料に対して垂直
に電子線を照射し、透過電子や弾性散乱電子の干渉を利用して原子・分子配列を評価する
手法である。同手法を用いることで結晶格子の配列状態を格子縞として観察することが可
能である。従って、結晶粒界を観察することで、結晶粒界における原子同士の結合状態を
推測することができる。

本出願人らが得たＴＥＭ写真（図２４（Ａ））では異なる二つの結晶粒（棒状結晶粒）
が結晶粒界で接した状態が明瞭に観察された。また、この時、二つの結晶粒は結晶軸に多
少のずれが含まれているものの概略｛１１０｝配向であることが電子線回折により確認さ
れている。

ところで、前述の様なＴＥＭ写真による格子縞観察では｛１１０｝面内に｛１１１｝面
に対応する格子縞が観察された。なお、｛１１１｝面に対応する格子縞とは、その格子縞
に沿って結晶粒を切断した場合に断面に｛１１１｝面が現れる様な格子縞を指している。
格子縞がどの様な面に対応するかは、簡易的には格子縞間の距離により確認できる。

この時、本出願人らは上述した実施例１〜４の作製方法によって得られた半導体薄膜の
ＴＥＭ写真を詳細に観察した結果、非常に興味深い知見を得た。写真に見える異なる二つ
の結晶粒ではどちらにも｛１１１｝面に対応する格子縞が見えていた。そして、互いの格
子縞が明らかに平行に走っているのが観察されたのである。

さらに、結晶粒界の存在と関係なく、結晶粒界を横切る様にして異なる二つの結晶粒の
格子縞が繋がっていた。即ち、結晶粒界を横切る様にして観測される格子縞の殆どが、異
なる結晶粒の格子縞であるにも拘らず直線的に連続していることが確認できた。これは任
意の結晶粒界で同様であり、全体の９０％以上（典型的には９５％以上）の格子縞が結晶
粒界で連続性を保っている。

この様な結晶構造（正確には結晶粒界の構造）は、結晶粒界において異なる二つの結晶
粒が極めて整合性よく接合していることを示している。即ち、結晶粒界において結晶格子
が連続的に連なり、結晶欠陥等に起因するトラップ準位を非常に作りにくい構成となって
いる。換言すれば、結晶粒界において結晶格子に連続性があるとも言える。

なお、図２４（Ｂ）に、本出願人らはリファレンスとして従来の多結晶珪素膜（いわゆ
る高温ポリシリコン膜）についても電子線回折およびＨＲ−ＴＥＭ観察による解析を行っ
た。その結果、異なる二つの結晶粒において互いの格子縞は全くバラバラに走っており、
結晶粒界で整合性よく連続する様な接合は殆どなかった。即ち、結晶粒界では格子縞が途
切れた部分が多く、結晶欠陥が多いことが判明した。このような部分では、未結合手が存
在することになり、トラップ準位としてキャリアの移動を阻害する可能性が高い。

本出願人らは、上述した実施１〜４の作製方法で得られる半導体薄膜の様に格子縞が整
合性良く対応した場合の原子の結合状態を整合結合と呼び、その時の結合手を整合結合手
と呼ぶ。また、逆に従来の多結晶珪素膜に多く見られる様に格子縞が整合性良く対応しな
い場合の原子の結合状態を不整合結合と呼び、その時の結合手を不整合結合手（又は不対
結合手）と呼ぶ。

本願発明で利用する半導体薄膜は結晶粒界における整合性が極めて優れているため、上
述の不整合結合手が極めて少ない。本発明者らが任意の複数の結晶粒界について調べた結
果、全体の結合手に対する不整合結合手の存在割合は10％以下（好ましくは５％以下、さ
らに好ましくは３％以下）であった。即ち、全体の結合手の90％以上（好ましくは95％以
上、さらに好ましくは97％以上）が整合結合手によって構成されているのである。

また、前述の実施例１〜４の作製方法に従って作製した横成長領域を電子線回折で観察
した結果を図２５（Ａ）に示す。なお、図２５（Ｂ）は比較のために観察した従来のポリ
シリコン膜（高温ポリシリコン膜と呼ばれるもの）の電子線回折パターンである。

なお、図２５（Ａ）および図２５（Ｂ）は電子線の照射スポットの径を1.35μｍとして
測定を行っているため、格子縞レベルに比べて十分マクロな領域の情報を拾っていると考
えてよい。

また、図２５（Ｃ）は単結晶シリコンの｛１１０｝面に垂直に電子線を照射した場合の
電子線回折パターンである。通常、この様な電子線回折パターンと観測結果とを見比べ、
観察試料の配向性が何であるかを推測する。

図２５（Ａ）の場合、図２５（Ｃ）に示す様な〈１１０〉入射に対応する回折斑点が比
較的きれいに現れており、結晶軸が〈１１０〉軸である（結晶面が｛１１０｝面である）
ことが確認できる。

なお、各斑点は同心円状の広がりを僅かにもっているが、これは結晶軸まわりにある程
度の回転角度の分布をもつためと予想される。その広がりの程度はパターンから見積もっ
ても５°以内である。

また、多数観測するうちには回折斑点が部分的に見えない場合があった（図２５（Ａ）
でも一部分の回折斑点が見えない）。おそらくは概略｛１１０｝配向であるものの、わず
かに結晶軸がずれているために回折パターンが見えなくなっているものと思われる。

本出願人らは、結晶面内に殆ど必ず｛１１１｝面が含まれるという事実を踏まえ、おそ
らく〈１１１〉軸まわりの回転角のずれがその様な現象の原因であろうと推測している。

一方、図２５（Ｂ）に示す電子線回折パターンの場合、回折斑点には明瞭な規則性が見
られず、ほぼランダムに配向していることが確認できる。即ち、｛１１０｝面以外の面方
位の結晶が不規則に混在すると予想される。

これらの結果が示す様に、本願発明の結晶性珪素膜の特徴は殆ど全ての結晶粒が概略｛
１１０｝面に配向しており、かつ、結晶粒界において格子に連続性を有することにある。
この特徴は、従来のポリシリコン膜にはないものである。

以上の様に、前述の実施例１〜４の作製工程で作製された半導体薄膜は従来の半導体薄
膜とは全く異なる結晶構造（正確には結晶粒界の構造）を有する半導体薄膜であった。本
発明者らは本願発明で利用する半導体薄膜について解析した結果を特願平9-55633 号、同
9-165216号、同9-212428号でも説明している。

なお、本出願人らは特開平7-321339号公報に記載した手法に従ってＸ線回折を行い、上
述の作製方法の結晶性珪素膜について配向比率を算出した。同公報では下記数２に示す様
な算出方法で配向比率を定義している。

ここで上述の半導体薄膜の配向性をＸ線回折で測定した結果の一例を図２８に示す。な
お、Ｘ線回折パターンには（２２０）面に相当するピークが現れているが、｛１１０｝面
と等価であることは言うまでもない。この測定の結果、｛１１０｝面が主たる配向であり
、配向比率は０．７以上（典型的には０．９以上）であることが判明した。

以上に示してきた通り、上述の実施例１〜４の作製方法による結晶性珪素膜と従来のポ
リシリコン膜とは全く異なる結晶構造（結晶構成）を有していることが判る。この点から
も本願発明の結晶性珪素膜は全く新しい半導体膜であると言える。

なお、この半導体薄膜を形成するにあたって結晶化温度以上の温度でのアニール工程は
、結晶粒内の欠陥低減に関して重要な役割を果たしている。その事について説明する。

図２６（Ａ）は上述の実施例１〜４の結晶化工程までを終了した時点での結晶シリコン
膜を２５万倍に拡大したＴＥＭ写真であり、結晶粒内（黒い部分と白い部分はコントラス
トの差に起因して現れる）に矢印で示される様なジグザグ状に見える欠陥が確認される。

この様な欠陥は主としてシリコン結晶格子面の原子の積み重ね順序が食い違っている積
層欠陥であるが、転位などの場合もある。図２６（Ａ）は｛１１１｝面に平行な欠陥面を
有する積層欠陥と思われる。その事は、ジグザグ状に見える欠陥が約７０°の角をなして
折れ曲がっていることから推測できる。

一方、図２６（Ｂ）に示す様に、同倍率で見た上述の実施例１〜４の作製方法による結
晶シリコン膜は、結晶粒内には殆ど積層欠陥や転位などに起因する欠陥が見られず、非常
に結晶性が高いことが確認できる。この傾向は膜面全体について言えることであり、欠陥
数をゼロにすることは現状では困難であるが、実質的にゼロと見なせる程度にまで低減す
ることができる。

即ち、図２６（Ｂ）に示す結晶シリコン膜は結晶粒内の欠陥が殆ど無視しうる程度にま
で低減され、且つ、結晶粒界が高い連続性によってキャリア移動の障壁になりえないため
、単結晶または実質的に単結晶と見なせる。

この様に、図２６（Ａ）と図２６（Ｂ）との写真に示した結晶シリコン膜は結晶粒界は
ほぼ同等の連続性を有しているが、結晶粒内の欠陥数には大きな差がある。上述の実施例
１〜４の作製方法による結晶シリコン膜が図２６（Ａ）に示した結晶シリコン膜よりも遙
に高い電気特性を示す理由はこの欠陥数の差によるところが大きい。

こうして得られた上述の実施例１〜４の作製方法による結晶シリコン膜（図２６（Ｂ）
）は、単に結晶化を行っただけの結晶シリコン膜（図２６（Ａ））に較べて格段に結晶粒
内の欠陥数が少ないという特徴を有している。

この欠陥数の差は電子スピン共鳴分析（Electron Spin Resonance ：ＥＳＲ）によって
スピン密度の差となって現れる。現状では上記実施例１〜４の作製方法による結晶シリコ
ン膜のスピン密度は少なくとも 5×10¹⁷spins/cm³以下（好ましくは 3×10¹⁷spins/cm³
以下）であることが判明している。ただし、この測定値はは現存する測定装置の検出限界
に近いので、実際のスピン密度はさらに低いと予想される。

以上の様な結晶構造および特徴を有する上述の実施例１〜４の作製方法によるの結晶シ
リコン膜を、本出願人は、「連続粒界結晶シリコン（Continuous Grain Silicon：ＣＧＳ
）」と呼んでいる。

従来の半導体薄膜では結晶粒界がキャリアの移動を妨げる障壁として機能していたのだ
が、上述の実施例１〜４の作製方法による半導体薄膜ではその様な結晶粒界が実質的に存
在しないので高いキャリア移動度が実現される。そのため、上記実施例１〜４の作製方法
による半導体薄膜を用いて作製したＴＦＴの電気特性は非常に優れた値を示す。この事に
ついては以下に示す。

〔ＴＦＴの電気特性に関する知見〕

上述の実施例１〜４の作製方法による半導体薄膜は実質的に単結晶と見なせる（実質的
に結晶粒界が存在しない）ため、それを活性層とするＴＦＴは単結晶シリコンを用いたＭ
ＯＳＦＥＴに匹敵する電気特性を示す。本出願人らが試作したＴＦＴからは次に示す様な
データが得られている。

（１）ＴＦＴのスイッチング性能（オン／オフ動作の切り換えの俊敏性）の指標となる
サブスレッショルド係数が、Ｎチャネル型ＴＦＴおよびＰチャネル型ＴＦＴともに60〜10
0mV/decade（代表的には60〜85mV/decade ）と小さい。
（２）ＴＦＴの動作速度の指標となる電界効果移動度（μ_FE）が、Ｎチャネル型ＴＦＴ
で200 〜650cm²/Vs （代表的には250 〜300cm²/Vs ）、Ｐチャネル型ＴＦＴで100 〜300c
m²/Vs （代表的には150 〜200cm²/Vs ）と大きい。
（３）ＴＦＴの駆動電圧の指標となるしきい値電圧（Ｖ_th）が、Ｎチャネル型ＴＦＴで
-0.5〜1.5 Ｖ、Ｐチャネル型ＴＦＴで-1.5〜0.5 Ｖと小さい。

以上の様に、極めて優れたスイッチング特性および高速動作特性が実現可能であること
が確認されている。

なお、ＣＧＳを形成するにあたって前述した結晶化温度以上の温度（７００〜１１００
℃）でのアニール工程は、結晶粒内の欠陥低減に関して重要な役割を果たしている。その
ことについて以下に説明する。

以上のことから、ＣＧＳを作製するにあたって、触媒元素のゲッタリングプロセスは必
要不可欠な工程であることが判る。本発明者らは、この工程によって起こる現象について
次のようなモデルを考えている。

まず、図２６（Ａ）に示す状態では結晶粒内の欠陥（主として積層欠陥）には触媒元素
（代表的にはニッケル）が偏析している。即ち、Si-Ni-Siといった形の結合が多数存在し
ていると考えられる。

しかしながら、触媒元素のゲッタリングプロセスを行うことで欠陥に存在するNiが除去
されるとSi-Ni 結合は切れる。そのため、シリコンの余った結合手は、すぐにSi-Si 結合
を形成して安定する。こうして欠陥が消滅する。

勿論、高い温度での熱アニールによって結晶シリコン膜中の欠陥が消滅することは知ら
れているが、ニッケルとの結合が切れて、未結合手が多く発生するためのシリコンの再結
合がスムーズに行われると推測できる。

また、本発明者らは結晶化温度以上の温度（７００〜１１００℃）で加熱処理を行うこ
とで結晶シリコン膜とその下地との間が固着し、密着性が高まることで欠陥が消滅すると
いうモデルも考えている。

〔ＴＦＴ特性とＣＧＳの関係に関する知見〕
上述の様な優れたＴＦＴ特性は、ＴＦＴの活性層として、結晶粒界において結晶格子に
連続性を有する半導体薄膜を利用している点によるところが大きい。その理由について以
下に考察する。

結晶粒界における結晶格子の連続性は、その結晶粒界が「平面状粒界」と呼ばれる粒界
であることに起因する。本明細書における平面状粒界の定義は、「Characterization of
High-Efficiency Cast-Si Solar Cell Wafers by MBIC Measurement ；Ryuichi Shimokaw
a and Yutaka Hayashi，Japanese Journal of Applied Physics vol.27，No.5，pp.751-7
58，1988」に記載された「Planar boundary 」である。

上記論文によれば、平面状粒界には｛１１１｝双晶粒界、｛１１１｝積層欠陥、｛２２
１｝双晶粒界、｛２２１｝twist 粒界などが含まれる。この平面状粒界は電気的に不活性
であるという特徴を持つ。即ち、結晶粒界でありながらキャリアの移動を阻害するトラッ
プとして機能しないため、実質的に存在しないと見なすことができる。

特に｛１１１｝双晶粒界はΣ３の対応粒界、｛２２１｝双晶粒界はΣ９の対応粒界とも
呼ばれる。Σ値は対応粒界の整合性の程度を示す指針となるパラメータであり、Σ値が小
さいほど整合性の良い粒界であることが知られている。

本出願人が上述の実施例１〜４の作製方法による半導体薄膜を詳細にＴＥＭで観察した
結果、結晶粒界の殆ど（９０％以上、典型的には９５％以上）がΣ３の対応粒界、即ち｛
１１１｝双晶粒界であることが判明した。

二つの結晶粒の間に形成された結晶粒界において、両方の結晶の面方位が｛１１０｝で
ある場合、｛１１１｝面に対応する格子縞がなす角をθとすると、θ＝70.5°の時にΣ３
の対応粒界となることが知られている。

従って、図２４（Ａ）のＴＥＭ写真に示された結晶粒界では、隣接する結晶粒の各格子
縞が約70°の角度で連続しており、この結晶粒界は｛１１１｝双晶粒界であると容易に推
察することができる。

なお、θ＝ 38.9 °の時にはΣ９の対応粒界となるが、この様な他の結晶粒界も存在し
た。

この様な対応粒界は、同一面方位の結晶粒間にしか形成されない。即ち、上述の実施例
１〜４の作製方法による半導体薄膜は面方位が概略｛１１０｝で揃っているからこそ、広
範囲に渡ってこの様な対応粒界を形成しうるのである。この特徴は、面方位が不規則な他
のポリシリコン膜ではあり得ることではない。

ここで、上述の実施例１〜４の作製方法による半導体薄膜を１万５千倍に拡大したＴＥ
Ｍ写真（暗視野像）を図２７（Ａ）に示す。白く見える領域と黒く見える領域とが存在す
るが、同色に見える部分は配向性が同一であることを示している。

図２７（Ａ）で特筆すべきはこれだけ広範囲の暗視野像において、白く見える領域がか
なりの割合で連続的にまとまっている点である。これは配向性の同じ結晶粒がある程度の
方向性をもって存在し、隣接する結晶粒同士で殆ど同一の配向性を有していることを意味
している。

他方、従来の高温ポリシリコン膜を１万５千倍に拡大したＴＥＭ写真（暗視野像）を図
２７（Ｂ）に示す。従来の高温ポリシリコン膜では同一面方位の部分はばらばらに点在す
るのみであり、図２７（Ａ）に示す様な方向性のあるまとまりは確認できない。これは隣
接する結晶粒同士の配向性が全く不規則であるためと考えられる。

また、本出願人は図２７に示した測定点以外にも多数の領域に渡って観察と測定を繰り
返し、ＴＦＴを作製するのに十分な広い領域において、結晶粒界における結晶格子の連続
性が保たれていることを確認している。

１０１アドレスデコーダ
１０２アドレスデコーダ
２２２’ フローティングゲイト
２４１コントロールゲイト

Claims

基板上に、第１の半導体層と、第２の半導体層とを形成し、
前記第１の半導体層と、前記第２の半導体層との上に、ＳｉＯＮ又はＳｉＮを用いて第１の絶縁膜を形成し、
前記第１の絶縁膜上に、第１の金属膜を形成し、前記第１の金属膜をパターニングすることにより、第１の半導体層と重なる領域を有する第１の電極と、第２の半導体層と重なる領域を有する第２の電極とを形成し、
前記第１の電極上に、第１の酸化膜を形成し、
前記第２の電極上に、第２の酸化膜を形成し、
前記第１の酸化膜と、前記第２の酸化膜とをマスクとし、前記第１の絶縁膜をエッチングし、前記第１の酸化膜と重なる領域を有する第１のゲート絶縁膜と、前記第２の酸化膜と重なる領域を有する第２のゲート絶縁膜とを形成し、
不純物添加を行うことにより、第１の半導体層に、第１のソース領域と、第１のドレイン領域とを形成し、第２の半導体層に、第２のソース領域と、第２のドレイン領域とを形成し、
前記第１の酸化膜と、前記第１のソース領域と、前記第１のドレイン領域と、前記第２の酸化膜と、前記第２のソース領域と、前記第２のドレイン領域との上に、第２の絶縁膜を形成し、
前記第２の絶縁膜に、第１のコンタクトホール乃至第５のコンタクトホールを形成し、
前記第２の絶縁膜上に、第２の金属膜を形成し、前記第２の金属膜をパターニングすることにより、前記第１のコンタクトホールを介して前記第１のソース領域上に設けられる第３の電極と、前記第２のコンタクトホールを介して前記第１の酸化膜上に設けられる第４の電極と、前記第３のコンタクトホールを介して前記第１のドレイン領域上に設けられる第５の電極と、前記第４のコンタクトホールを介して前記第２のソース領域上に設けられる第６の電極と、前記第５のコンタクトホールを介して前記第２のドレイン領域上に設けられる第７の電極とを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。