JPH07153689A - 半導体およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 信頼性の高い結晶性珪素膜を用いたＴＦＴを
得る。 【構成】 基板１１上の下地膜１２上に島状に形成され
た非晶質珪素膜１３と酸化珪素膜１４とを形成し、その
上から珪化ニッケル膜１５を成膜する。そして加熱処理
することによりニッケルシリサイドを１６の部分に形成
し、その後珪化ニッケル膜１５を取り除く。そして、熱
アニールすることによって、１７で示すような基板に平
行な方向への結晶成長を行わせ、結晶性珪素膜を得る。
そしてこの結晶性珪素膜を利用してＴＦＴを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、結晶
性を有する薄膜珪素半導体を用いた半導体装置およびそ
の作製方法に関する。例えば、ガラス等の絶縁基板上に
設けられたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）およびその作製
方法に関する。また本明細書で開示簾発明は、薄膜半導
体を用いたバイポーラトランジスタやダイオード、さら
にはキャパシタや抵抗体に利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを形成す
る構成を利用したものとして、これらのＴＦＴを画素の
駆動に用いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセン
サー等が知られている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低
く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性
に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められて
いた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶
珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性
と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素
等が知られている。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状の珪素半導体
を得る方法としては、 （１） 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。 （２） 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光
のエネルギーにより結晶性を有せしめる。 （３） 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギ
ーを加えることにより結晶性を有せしめる。 と言った方法が知られている。しかしながら、（１）の
方法は良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡
って均一に成膜することが技術上困難であり、また成膜
温度が６００℃以上と高いので、安価なガラス基板が使
用できないというコストの問題もあった。また、（２）
の方法は、現在最も一般的に使用されているエキシマレ
ーザーを例にとると、レーザー光の照射面積が小さいた
め、スループットが低いという問題がまずあり、また大
面積基板の全面を均一に処理するにはレーザーの安定性
が充分ではなく、次世代の技術という感が強い。（３）
の方法は、（１）、（２）の方法と比較すると大面積に
対応できるという利点はあるが、やはり加熱温度として
６００℃以上の高温にすることが必要であり、安価なガ
ラス基板を用いることを考えると、さらに加熱温度を下
げる必要がある。特に現在の液晶表示装置の場合には大
画面化が進んでおり、その為ガラス基板も同様に大型の
物を使用する必要がある。この様に大型のガラス基板を
使用する場合には、半導体作製に必要不可欠な加熱工程
における縮みや歪みといったものが、マスク合わせ等の
精度を下げ、大きな問題点となっている。特に現在最も
一般的に使用されているコーニング７０５９ガラスの場
合には、歪み点が５９３℃であり、従来の加熱結晶化方
法では大きな変形を起こしてしまう。また、温度の問題
以外にも現在のプロセスでは結晶化に要する加熱時間が
数十時間以上にも及ぶので、さらにその時間を短くする
ことも必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本明細書で開示する発
明は、上記の問題を解決する手段を提供するものであ
る。より具体的には非晶質珪素からなる薄膜を加熱によ
り結晶化させる方法を用いた、結晶性を有する珪素半導
体からなる薄膜の作製方法において、結晶化に必要な温
度の低温化と時間の短縮を両立するプロセスを提供する
ことをその目的とする。勿論、本明細書で開示する発明
で提供されるプロセスを用いて作製した結晶性を有する
珪素半導体は、従来技術で作製されたものと同等以上の
物性を有し、ＴＦＴの活性層領域にも使用可能なもので
あることは言うまでもないことである。

【０００６】〔発明の背景〕本発明人らは、上記従来の
技術の項で述べた、非晶質の珪素半導体膜をＣＶＤ法や
スパッタ法で成膜し、該膜を加熱によって結晶化させる
方法について、以下のような実験及び考察を行った。

【０００７】まず実験事実として、ガラス基板上に非晶
質珪素膜を成膜し、この膜を加熱により結晶化させるメ
カニズムを調べると、結晶成長はガラス基板と非晶質珪
素との界面から始まり、ある程度の膜厚以上では基板表
面に対して垂直な柱状に進行することが認められた。

【０００８】上記現象は、ガラス基板と非晶質珪素膜と
の界面に、結晶成長の基となる結晶核（結晶成長の基と
なる種）が存在しており、その核から結晶が成長してい
くことに起因すると考察される。このような結晶核は、
基板表面に微量に存在している不純物金属元素やガラス
表面の結晶成分（結晶化ガラスと呼ばれるように、ガラ
ス基板表面には酸化珪素の結晶成分が存在していると考
えられる）であると考えられる。

【０００９】そこで、より積極的に結晶核を導入するこ
とによって結晶化温度の低温化が可能ではないかと考
え、その効果を確認すべく、他の金属を微量に基板上に
成膜し、その上に非晶質珪素からなる薄膜を成膜、その
後加熱結晶化を行う実験を試みた。その結果、幾つかの
金属を基板上に成膜した場合においては結晶化温度の低
下が確認され、異物を結晶核とした結晶成長が起こって
いることが予想された。そこで低温化が可能であった複
数の不純物金属について更に詳しくそのメカニズムを調
査した。

【００１０】結晶化は、初期の核生成と、その核からの
結晶成長の２段階に分けて考えることができる。ここ
で、初期の核生成の速度は、一定温度において点状に微
細な結晶が発生するまでの時間を測定することによって
観測されるが、この時間は上記不純物金属を成膜した薄
膜ではいずれの場合も短縮され、結晶核導入の結晶化温
度低温化に対する効果が確認された。しかも予想外のこ
とであるのだが、核生成後の結晶粒の成長を加熱時間を
変化させて調べたところ、ある種の金属を成膜後、その
上に成膜した非晶質珪素薄膜の結晶化においては、核生
成後の結晶成長の速度までが飛躍的に増大することが観
測された。このメカニズムについては後ほど詳しく述べ
ることにする。

【００１１】いずれにしろ、上記２つの効果により、あ
る種の金属を微量に成膜した上に非晶質珪素からなる薄
膜を成膜、その後加熱結晶化した場合には、従来考えら
れなかったような、５８０℃以下の温度で4 時間程度の
時間で十分な結晶性が得られることが判明した。この様
な効果を有する不純物金属の中で、最も効果が顕著であ
り、我々が選択した材料がニッケルである。

【００１２】ニッケルがどの程度の効果を有するのか一
例を挙げると、なんら処理を行なわない、即ちニッケル
の微量な薄膜を成膜していない基板上（コーニング７０
５９）にプラズマＣＶＤ法で形成された非晶質珪素から
なる薄膜を窒素雰囲気中での加熱によって、結晶化する
場合、その加熱温度として６００℃とした場合、加熱時
間として１０時間以上の時間を必要としたが、ニッケル
の微量な薄膜を成膜した基板上の非晶質珪素からなる薄
膜を用いた場合には、４時間程度の加熱において同様な
結晶化状態を得るこができた。尚この際の結晶化の判断
はラマン分光スペクトルを利用した。このことだけから
も、ニッケルの効果が非常に大きいことが判るであろ
う。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記説明から判る様に、
ニッケルの微量な薄膜を成膜した上から、非晶質珪素か
らなる薄膜を成膜した場合、結晶化温度の低温化及び結
晶化に要する時間の短縮が可能である。そこで、このプ
ロセスをＴＦＴの製造に用いることを前提に、さらに詳
細な説明を加えていくことにする。

【００１４】まずニッケル微量添加の方法について説明
する。ニッケルの微量添加は、基板上に微量なニッケル
薄膜を成膜し、その後非晶質珪素を成膜する方法でも、
先に非晶質珪素を成膜し、その上から微量なニッケル薄
膜を成膜する方法でも、両者同様に低温化の効果が有
り、その成膜方法はスパッタ法でも、蒸着法でも可能
で、成膜方法は問わないことが判明している。ただし、
基板上に微量なニッケル薄膜を成膜する場合、７０５９
ガラス基板の上から直接微量なニッケル薄膜を成膜する
よりは、同基板上に酸化珪素の薄膜を成膜し、その上に
微量なニッケル薄膜を成膜した場合の方が効果がより顕
著である。この理由として考えられることとして、珪素
とニッケルが直接接触していることが今回の低温結晶化
には重要であり、7059ガラスの場合には珪素以外の成分
がこの両者の接触あるいは反応を阻害するのではないか
ということが挙げられる。

【００１５】また、微量添加の方法としては、非晶質珪
素の上または下に接して薄膜を形成する以外に、イオン
注入によってニッケルを添加してもほぼ同様の効果が確
認された。ニッケルの量については、１×１０¹⁵ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³ 以上の量の添加において低温化が確認され
ているが、１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 以上の添加量
においては、ラマン分光スペクトルのピークの形状が珪
素単体の物とは明らかに異なることから、実際に使用可
能であるのは１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 〜５×１０
¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ の範囲であると思われる。また、
半導体物性として、ＴＦＴの活性層に使用することを考
えると、この量を１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 〜１×
１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ に抑えることが必要である。

【００１６】続いて、ニッケル微量添加を行った場合の
結晶成長及び結晶形態の特色について述べ、そこから推
測される結晶化機構について説明を加える。

【００１７】上述の通り、ニッケルを添加しない場合に
は、基板界面等の結晶核からランダムに核が発生し、そ
の核からの結晶成長も同様にランダムで、作製方法によ
っては（１１０）或いは（１１１）に比較的配向した結
晶が得られることが判明しており、当然ながら薄膜全体
に渡ってほぼ均一な結晶成長が観測される。

【００１８】まずこの機構を確認すべく、ＤＳＣ（示差
走査熱量計）による解析を行った。プラズマＣＶＤ法で
基板上に成膜した非晶質珪素薄膜を、基板についたまま
試料容器に充填し、一定速度で昇温していった。する
と、およそ７００℃前後で明確な発熱ピークが観察さ
れ、結晶化が観測された。この温度は、昇温速度を変え
ると当然シフトするが、例えば１０℃／ｍｉｎの速度で
行った場合には７００．９℃から結晶化が開始した。次
に昇温速度を３種類変えたものを測定し、それらから小
沢法によって初期核生成後の結晶成長の活性化エネルギ
ーを求めた。すると、およそ３．０４ｅＶという値が得
られた。また、反応速度式を理論曲線とのフィッティン
グから求めたところ、無秩序核生成とその成長モデルに
よって、最も良く説明されることが判明し、基板界面等
の結晶核からランダムに核が発生し、その核からの結晶
成長というモデルの妥当性が確認された。

【００１９】前述と全く同様の測定を、ニッケルを微量
添加したものについても行ってみた。すると、１０℃／
ｍｉｎの速度で昇温を行った場合には６１９．９℃から
結晶化が開始し、それら一連の測定から求めた結晶成長
の活性化エネルギーはおよそ１．８７ｅＶであって、結
晶成長が容易となっていることが数値的にも明らかとな
った。また、理論曲線とのフィッティングから求めた反
応速度式は、一次元的界面律速のモデルに近く、結晶成
長に一定方向の方向性を有することが示唆された。

【００２０】上記熱分析によって得られたデータを下記
表１に示す。

【００２１】この表１に示す活性化エネルギーは、試料
を加熱していく段階で、試料から放出される熱量を計測
し、その結果から小沢法と呼ばれる解析手段によって算
出したものである。

【００２２】

【表１】

【００２３】上記表１における活性化エネルギーは、結
晶化のし易さを示すパラメータであり、その値が大きい
程結晶化はしにくく、またその値が小さい程結晶化がし
易いことを示す。表１を見ると、ニッケル添加の試料
は、結晶化が進むにつれて活性化エネルギーが低下する
ことが見てとれる。即ち、結晶化が進んでいくにつれ
て、結晶化がより行ない易くなることが示されている。
一方、ニッケル無添加の従来の方法による結晶性珪素膜
の場合は、結晶化が進行するにつれて、活性化エネルギ
ーが高くなることが示されている。これは、結晶化が進
行するにつれて、より結晶化しにくくなることを示して
いる。また、活性化エネルギーの平均値を比較すると、
ニッケル添加によって結晶化させた珪素膜の値はニッケ
ル無添加の結晶性珪素膜の場合の約６２％であり、この
ことからもニッケル添加の非晶質珪素膜の結晶化のし易
さが示唆される。

【００２４】次に、今回のニッケル微量添加したものの
結晶形態についてＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察し
た結果を示す。ＴＥＭ観察の結果から判明した特徴的な
現象として、ニッケルを添加した領域と、その近傍の部
分で結晶成長が異なるということが挙げられる。即ち、
ニッケルを添加した領域について、断面から観察する
と、モアレあるいは格子像とみられる縞が基板にほぼ垂
直に観測され、このことは添加したニッケルあるいはそ
の珪素との化合物が結晶核となり、ニッケルを添加して
いないものと同様に基板にほぼ垂直に柱状の結晶が成長
することを示すものと考えられる。また、ニッケルを添
加した周辺の領域においては、基板に平行な方向に針状
あるいは柱状に結晶成長している様子が観察された。

【００２５】次いで、ニッケルを添加した領域の近傍の
結晶形態の観察結果を示す。まず、ニッケルを直接微量
添加していない領域が結晶化すること自体が予想外であ
ったのであるが、ニッケル微量添加部分、その近傍の横
方向の結晶成長部分（以後横成長部分と略）、更に遠方
の非晶質部分( かなり離れた部分では低温結晶化は行わ
れず、非晶質部分が残る) について、ニッケルの濃度を
ＳＩＭＳ( 二次イオン質量分析法) により調べた所、図
４に示すように横成長部分（Lateral growth）はニッケ
ル微量添加部分から少ない濃度が検出され、非晶質部分
(a-Si)は更に約１桁少ない量が観測された。すなわち、
ニッケルはかなり広範囲に渡って拡散しているが、特に
ニッケルが直接添加された領域においては、ニッケル濃
度が高く、横成長部分（基板に平行に結晶成長した部
分）のニッケル濃度はそれより低いことが分かる。

【００２６】また、ニッケルを添加した領域の近傍の表
面ＴＥＭ像の観察より、この基板に平行な横成長は、ニ
ッケルを微量添加した領域から、大きいものでは数百μ
ｍも成長することが観測され、時間の増加及び温度が高
くなるに比例して成長量も増大することも判った。例と
して、５５０℃４時間においては約２０μｍ程度の成長
が観測された。この結晶成長は、針状あるいは柱状に行
われるもので、その先端部にはニッケルが集中的に存在
していることも確認された。

【００２７】以上の実験事実さらに観測事実に基づき、
発明者らは以下のような機構により結晶化が進行すると
考えている。

【００２８】まず、核発生が起こるが、この際の活性化
エネルギーがニッケルの微量添加により低減される。こ
のことはニッケルを添加することにより、より低温から
結晶化が発生していることから自明であって、この理由
としてはニッケルの異物としての効果以外にも、ニッケ
ルと珪素からなる金属間化合物の内の一つが、結晶シリ
コンと格子定数が近いことに起因している可能性もある
と考えている。また、この核発生はニッケルの添加した
領域全面についてほぼ同時に発生するため、結果として
結晶成長は面のまま成長するような機構となり、この場
合反応速度式は一次元的界面律速過程となり、基板に概
略垂直な柱状の結晶が得られる。しかしながら、膜厚に
制限されること、及び応力等の影響で、完全に揃った結
晶軸を有するとまではいかない。

【００２９】しかしながら、基板に水平方向は、垂直方
向と比較して均質であるため、柱状あるいは針状の結晶
がニッケル添加部分を核として横方向に揃って成長す
る。勿論この場合も反応速度式は一次元界面律速型とな
ることが予想される。結晶成長の活性化エネルギーは、
前述の通りニッケルを添加することにより低減されてい
るため、この横方向の成長速度は非常に速いことが期待
され、事実そうなっている。

【００３０】次に、上記ニッケル微量添加部分とその近
傍の横成長部分についての電気特性を説明する。ニッケ
ル微量添加部分の電気特性は、導電率に関してはほぼニ
ッケルを添加していない膜、即ち６００℃程度で数十時
間結晶化を行ったものと同程度の値であり、また導電率
の温度依存性から活性化エネルギーを求めたところ、ニ
ッケルの添加量を前述の様に１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
〜１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度とした場合には、ニッ
ケルの準位に起因すると思われる様な挙動は観測されな
かった。即ち、この実験事実からは、上記の濃度であれ
ばＴＦＴの活性層等として使用が可能であることが考察
される。

【００３１】それに対し、横成長部分は、導電率がニッ
ケル微量添加部分と比較して１桁以上高く、結晶性を有
する珪素半導体としてはかなり高い値を有していた。こ
のことは、電流のパス方向が結晶の横成長方向と合致し
たため、電極間で電子が通過する間に存在する粒界が少
ないあるいは殆ど無かったことによるものと考えられ、
透過電子線顕微鏡写真の結果と矛盾無く一致する。即
ち、キャリアの移動が針状または柱状に成長した結晶の
粒界に沿ったものとなるので、キャリアは移動しやすい
状態が実現されている、と考えることができる。

【００３２】また、ニッケルが添加された領域と同様
に、針状あるいは柱状に結晶成長した先端部におけるニ
ッケル濃度は高いことが確かめられている。このことか
ら、この部分を利用してＴＦＴ等のデバイスを形成した
場合には、ニッケルの影響を受けることが予想される。
従って、基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜
の結晶成長始点と結晶成長終点は利用せず、その中間領
域を利用することが有用である。

【００３３】そこで、本明細書で開示する発明は、例え
ば図１に示すように、まず結晶化をさせんとする非晶質
珪素膜１３とその上の酸化珪素膜１４とを島状に形成
し、その上面に珪化ニッケル膜等の微量元素を含んだ膜
１５を形成し、非晶質珪素膜側面１６において、ニッケ
ルシリサイドを形成し、この部分から結晶成長を矢印１
７で示すように行わせ、ニッケル濃度が高い１０や１８
の領域を利用せずにＴＦＴ等のデバイスを形成すること
を特徴とするものである。

【００３４】即ち本明細書で開示する発明は、基板と平
行な方向に結晶成長した領域の結晶成長始点と結晶成長
終点（先端部）とを避けて、その中間領域を利用するこ
とにより、キャリアの移動し易い結晶性珪素膜を利用す
ると同時に、ニッケルの濃度の低い領域を利用するもの
である。具体的には、結晶化を助長するための金属元素
が導入された領域と、基板に平行な方向に結晶成長した
結晶成長終期部分とを結晶化の後に取り除く（例えばエ
ッチングする）ことによって、金属元素の少ない領域を
利用するものである。

【００３５】また、本明細書で開示する発明で用いられ
る基板上の結晶性珪素膜は、単結晶珪素でなはいことは
重要である。即ち、薄膜状に結晶化した結晶性珪素膜で
あって、しかもその結晶成長が基板に平行な方向に行わ
れていることが特徴であり、単結晶珪素とは本質的に異
なるものである。従って、特に本明細書で開示する発明
における結晶性珪素膜を結晶性を有する非単結晶珪素膜
ということができる。

【００３６】本明細書で開示する発明に利用することの
できる結晶化を助長させる元素としては、８族元素であ
るＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、
Ｐｔを用いることができる。また３ｄ元素であるＳｃ、
Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎも利用することがで
きる。さらに、実験によれば、Ａｕ、Ａｇ、においても
結晶化の作用が確認されている。特に上記元素の中で、
顕著な効果が得られ、その作用で結晶化した結晶性珪素
膜を用いてＴＦＴの動作が確認されているのがＮｉであ
る。

【００３７】以下に本明細書で開示する発明について説
明する。本明細書で開示する構成の一つは、基板上に非
単結晶半導体膜を形成する工程と、前記非単結晶半導体
膜上に絶縁膜を形成する工程と、パターニングを行ない
前記非単結晶半導体膜と絶縁膜とからなる島状の積層を
形成する工程と、結晶化を助長する金属元素を含む膜を
形成する工程と、前記非単結晶半導体膜の側面から結晶
化を行う工程と、を有することを特徴とする。

【００３８】上記構成において、基板としては、他絶縁
表面を有する基板である各種ガラス基板、石英基板、そ
の他絶縁基板、絶縁表面を有する半導体基板、絶縁表面
を有する金属基板を用いることができる。

【００３９】上記構成の具体的な例を図１に示す。図１
（Ａ）には、島状に形成された非晶質珪素半導体膜１３
の端部１６（島状領域の側面）に結晶化を助長する金属
元素であるニッケルを含んだ膜（珪化ニッケル膜）１５
が形成された状態が示されている。そして（Ｂ）には、
加熱処理により１６の領域にニッケルシリサイド層を形
成し、さらに珪化ニッケル膜を取り除き、さらに加熱処
理を施すことにより、１６の領域より基板１１に並行な
方向に矢印１７で示されるような結晶成長が行われる様
子が示されている。そして（Ｃ）の工程において、１８
に示されるニッケルシリサイドが形成された部分、即ち
結晶成長開始部分を除去する様子が示されている。

【００４０】図１に示す例においては、結晶成長開始部
分１８を取り除く構成が示されているが、１０で示され
るような結晶成長終期部分（１８からの結晶成長は１０
の部分でぶつかり、そこで結晶成長は停止する）を取り
除くことはさらに有効である。これは、結晶成長開始部
分１８と結晶成長終期部分１０には、高濃度でニッケル
元素が含まれているからである。またこのような構成を
採用することによって、ニッケルの濃度の少ない領域を
活性層とした半導体装置を得ることができる。

【００４１】また、上記のような方法で結晶成長が行わ
れた珪素膜は、矢印１７で示されるような結晶成長が行
われるので、全体が基板に対して概略平行な方向に結晶
成長した結晶性珪素膜とすることができる。

【００４２】本明細書開示する他の発明の構成は、結晶
性珪素膜よりなる活性層を有し、前記活性層はその側面
より結晶成長が行われており、前記結晶成長の結晶成長
開始部分および／または結晶成長終期部分は除去されて
いることを特徴とする。

【００４３】上記構成において、活性層とは、半導体装
置の主要な部分を構成する半導体層のことをいう。例え
ば、薄膜トランジスタトランジスタのソース領域、ドレ
イン領域、チャネル形成領域の少なくとも一つを構成す
る半導体層のことをいう。

【００４４】この活性層の側面より結晶成長が行われて
いるというのは、例えば図１に示すように、島状に形成
された珪素半導体層１３（この島状に形成された半導体
層１３は活性層を構成することになる）の側面１６から
矢印１７で示されるように結晶成長が行われた状態をい
う。

【００４５】上記構成において、結晶成長方向に沿って
ソース／ドレイン領域を形成することは有効である。こ
れは、結晶の成長方向にキャリアが移動するようにする
ことで、キャリアの移動が粒界の影響を受けにくい構成
とすることができるからである。

【００４６】結晶の成長方向にキャリアが移動するよう
にすると、キャリアの移動が粒界の影響を受けにくい構
成とできるのは、結晶成長が針状または柱状に行われて
いるからである。

【００４７】上記のように結晶成長した珪素膜中にニッ
ケル濃度は、結晶成長開始部分においては、２×１０¹⁹
atoms/cm³ 以上である。また結晶成長終期部分における
ニッケル濃度も２×１０¹⁹atoms/cm³ と同程度以上であ
る。

【００４８】図４に示すのは、非晶質珪素膜の一部分を
マスクのよって露呈させ、その部分にプラズマ処理によ
ってニッケルを導入（具体的には、極薄い珪化ニッケル
膜が形成される）し、さらに５５０℃、４時間の加熱処
理によって結晶成長させた場合において、結晶化した珪
素膜の各部分のニッケル濃度をＳＩＭＳ（２次イオン分
析法）によって調べた結果である。プラズマ処理という
のは、ニッケルを多く含有した平行平板型電極を用いて
水素プラズマ生成し、電極間に配置した試料上にニッケ
ル元素を微量に堆積させる技術である。

【００４９】この場合もニッケルが選択的に導入された
領域から数十μｍ程度の横方向成長（図１の矢印１７で
示されるような基板に平行な方向への結晶成長）が起こ
る。図４のLateral growthと表記されているのがこの横
方向成長した領域のニッケル濃度である。またPlasma t
reatedと表記されているのが、プラズマ処理において直
接プラズマに曝され、ニッケルが直接非晶質珪素膜上に
堆積した部分のニッケル濃度である。この部分は、図１
でいう結晶成長開始部分１６の領域に相当する。なお図
１の１７で示されるような結晶成長が行われた領域のニ
ッケル濃度は、図４のLateral growthと表記されている
ものとほぼ同様なものであることが確認されている。

【００５０】また、a-Siと表記されているのは、プラズ
マには直接曝されず、かつ横方向成長も行われず、非晶
質状態であった部分のニッケル濃度である。

【００５１】図４より、横方向成長した領域のニッケル
濃度は、直接ニッケルが導入された領域に比較してニッ
ケル濃度は小さいことが分かる。また図４より、横成長
方向への結晶成長が行われた領域は、ニッケル濃度が概
略１×１０¹⁸atoms/cm³ 以上であり、８×１０¹⁸atoms/
cm³ 以下であることが分かる。また、a-Siで表記される
データのバラツキを考えるならば下限は１×１０¹⁸atom
s/cm³ とすることができ、上限のマージンを考えるなら
ば上限は１×１０¹⁹atoms/cm³ とすることができる。

【００５２】

【作用】基板に平行な方向へ結晶成長した結晶の先端部
には、結晶化を助長させる金属元素が集中して存在する
ので、この先端部と成長始点（金属元素が添加された部
分）との中間領域にデバイスを形成することで、キャリ
アを高移動度で動かすことができると同時に、キャリア
の移動に影響を与えると思われる金属元素の濃度を低く
することができる構成が実現できる。

【００５３】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例は、ガラス基板上に形成された結
晶性珪素膜を用いたＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴとい
う）とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴという）とを相補
型に組み合わせた回路を形成する例である。本実施例の
構成は、アクティブ型の液晶表示装置の画素電極のスイ
ッチング素子や周辺ドライバー回路、さらにはイメージ
センサや集積回路に利用することができる。また本実施
例で示す基本的な構成は、絶縁ゲイト型電界効果半導体
装置に限らず、バイポーラトランジスタやダイオードに
利用することができる。また、これらの半導体装置と抵
抗やキャパシタとを集積化した回路に応用することもで
きる。

【００５４】図１及び図２に本実施例の作製工程の断面
図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）１１上に
スパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の
下地膜１２を形成する。つぎにプラズマＣＶＤ法により
公知の非晶質珪素膜１３を１０００Å（５００〜１５０
０Å）の厚さに形成する。つぎに酸化珪素膜１４を１０
００Å（２００〜２０００Å）の厚さにスパッタリング
法によって形成する。ここでパターニングを行ない、非
晶質珪素膜１３と酸化珪素膜１４とが積層され、島状に
パターニングされた形状を形成する。（図１（Ａ））

【００５５】上記工程の後、スパッタリング法によっ
て、厚さ５〜２００Å、例えば１００Åの珪化ニッケル
膜（化学式ＮｉＳｉ_x 、０．４≦ｘ≦２．５、例えば、
ｘ＝２．０）１５を形成する。この珪化ニッケル膜は、
非晶質珪素膜の側面に成膜されることが重要である。ま
たその成膜方法も、蒸着法、ＣＶＤ法、プラズマ処理に
よる方法を採用することができる。こうして、図１
（Ａ）の形状を得る。また、結晶化を助長する金属とし
て、ニッケル以外のものを用いる場合には、それらの材
料を用いたスパッタリング法や蒸着法、さらにはプラズ
マ処理やＣＶＤ法を用いて薄膜１５を形成すればよい。

【００５６】次に加熱処理を行ない、１６の領域にニッ
ケルシリサイドの領域を形成する。この加熱処理は、４
５０度、１時間の条件で行った。この加熱処理は、３０
０〜６００度で行えばよい。そして、珪化ニッケル膜１
５を除去する。これを水素還元雰囲気下（好ましくは、
水素の分圧が０．１〜１気圧），５５０℃、または不活
性雰囲気化（大気圧），５５０℃、で４時間アニールし
て結晶化させる。この際、基板１１に対して平行な方向
に１７で示されるような結晶成長が行われる。（図１
（Ｂ））

【００５７】また、上記工程において、ニッケルシリサ
イドを形成することなしに、５５０度、４時間の熱アニ
ールを行ない、直接非晶質珪素膜１３の側面（１６で示
される部分）から結晶成長を行わせ、しかる後に珪化ニ
ッケル膜１５を取り除いてもよい。このような工程を採
用した場合、ニッケルシリサイド１６を形成するのと同
時に結晶化を行わすことになる。ただしこの場合、熱ア
ニールの際にニッケルが拡散するという懸念がある。

【００５８】上記のような工程の結果、非晶質珪素膜を
結晶化させて、結晶性珪素膜（図１（Ｃ）の１３で示さ
れる）を得ることができる。その後、等方性のエッチン
グを行ない、結晶化された珪素膜１３の側面１８をサイ
ドエッチングする。これは、この部分はニッケルシリサ
イドとなっており、ニッケルの濃度が高い（濃度でいえ
ば、１０²¹／ｃｍ³ 以上）からである。このように、ニ
ッケルシリサイドとなっている領域を除去することは、
ＴＦＴ等のデバイスを形成する際には非常に重要であ
る。例えば、この工程の後にソース／ドレイン領域形成
のためのイオン注入工程や、ソース／ドレイン領域の活
性化の工程等があるが、この工程で珪素膜１３に熱が不
可避に加わるので、珪素膜中のニッケル濃度が高い領域
からニッケルがさらに拡散することが考えられる。特に
ニッケルシリサイドが形成されている場合は、この部分
からかなりのニッケルが拡散するものと考えられ、この
ことはＴＦＴの動作に影響を与えるものと考えられる。
従って、上記のようにニッケルシリサイド部分を結晶化
の後に取り除くことは有用である。

【００５９】つぎに、酸化珪素膜１４を取り除き、図１
（Ｄ）の形状を得る。この状態で結晶化された珪素膜１
３の中央部には、両側から結晶成長した先端部が重なり
合う部分が存在する。この部分には、ニッケルが高濃度
で存在しているので、この部分をＴＦＴのチャネル形成
領域に利用することは好ましくない。

【００６０】つぎに、図２（Ａ）に示すように、スパッ
タリング法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜２０１
をゲイト絶縁膜として成膜する。スパッタリングには、
ターゲットとして酸化珪素を用い、スパッタリング時の
基板温度は２００〜４００℃、例えば３５０℃、スパッ
タリング雰囲気は酸素とアルゴンで、アルゴン／酸素＝
０〜０．５、例えば０．１以下とする。

【００６１】次に、スパッタリング法によって、厚さ６
０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミニウム
（０．１〜２％のシリコンを含む）を成膜する。そし
て、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電極１
９、２１を形成する。さらに、このアルミニウムの電極
の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層２０、２２を形
成する。この陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエ
チレングリコール溶液中で行う。得られた酸化物層２
０、２２の厚さは２０００Åである。なお、この酸化物
層２０と２２とは、後のイオンドーピング工程におい
て、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、
オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決め
ることができる。

【００６２】次に、イオン注入によって、活性層領域
（ソース／ドレイン、チャネルを構成する）に一導電型
を付与する不純物を添加する。このドーピング工程にお
いて、ゲイト電極１９とその周囲の酸化層２０、ゲイト
電極２１とその周囲の酸化層２２をマスクとして不純物
（燐およびホウ素）を注入する。ドーピングガスとし
て、フォスフィン（ＰＨ₃ ）およびジボラン（Ｂ₂ Ｈ
₆ ）を用い、前者の場合は、加速電圧を６０〜９０ｋ
Ｖ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０〜８０ｋＶ、
例えば６５ｋＶとする。ドース量は１×１０¹⁵〜８×１
０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、燐を２×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ素を
５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。ドーピングに際しては、一方
の領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれ
の元素を選択的にドーピングする。この結果、Ｎ型の不
純物領域２６と２８、Ｐ型の不純物領域２３と２５が形
成され、Ｐチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）の領域とＮチ
ャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴ）との領域を形成することが
できる。

【００６３】その後、レーザー光または強光の照射によ
ってアニール行う。レーザー光としては、ＫｒＦエキシ
マレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）
を用いるが、他のレーザーであってもよい。レーザー光
の照射条件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／
ｃｍ² 、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき
２〜１０ショット、例えば２ショット照射する。このレ
ーザー光の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱
することは有用である。このレーザアニール工程におい
て、先に結晶化された領域にはニッケルが拡散している
ので、このレーザー光の照射によって、再結晶化が容易
に進行し、Ｐ型を付与する不純物がドープされた不純物
領域２３と２５、さらにはＮを付与する不純物がドープ
された不純物領域２６と２８は、容易に活性化させるこ
とができる。

【００６４】この工程を、強光の照射によって行う場合
には、赤外線（例えば１．２μｍ）を用いることが有効
である。赤外線は珪素へは吸収されやすく、１０００度
以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行う
ことができる。その反面、ガラス基板へは吸収されにく
いので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また
短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題とな
る工程においては最適な方法であるといえる。

【００６５】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜２９
を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し、
これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例え
ば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴ
の電極及び配線３０、３１、３２を形成する。最後に、
１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールを行
い、ＴＦＴを相補型に構成した半導体回路を完成する。
（図２（Ｂ））

【００６６】上記に示す回路は、ＰＴＦＴとＮＴＦＴと
を相補型に設けたＣＭＯＳ構造であるが、上記作製工程
において、独立したＴＦＴを２つ同時に作製し、中央で
切断することにより、２つのＴＦＴを同時に形成するこ
とも可能である。

【００６７】このような構成においては、ソース／ドレ
イン間を移動するキャリアの移動方向が、チャネル形成
領域の結晶成長方向と概略同じ方向であるので、高移動
度のＴＦＴを得ることができる。即ちキャリアは針状あ
るいは柱状の結晶の結晶粒界に沿って移動するので、そ
の移動に際し受ける抵抗を低減することができ、高移動
度を有するＴＦＴを得ることができる。

【００６８】〔実施例２〕本実施例は、アクティブ型の
液晶表示装置において、Ｎチャネル型ＴＦＴをスイッチ
ング素子として各画素に設けた例である。以下において
は、一つの画素について説明するが、他に多数（一般に
は数十万）の画素が同様な構造で形成される。また、Ｎ
チャネル型ではなくＰチャネル型でもよいことはいうま
でもない。また、液晶表示装置の画素部分に設けるので
はなく、周辺回路部分にも利用できる。また、イメージ
センサや他の装置に利用することもできる。

【００６９】本実施例の作製工程の概略を図１及び図３
に示す。即ち、図１の（Ａ）〜（Ｄ）さらには図３
（Ａ）、図３（Ｂ）と作製工程は進む。本実施例におい
て、基板２０１としてはコーニング７０５９ガラス基板
（厚さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍｍ）を使用した。
また図１（Ａ）〜（Ｄ）までの作製工程は、前述の実施
例１で説明したのと同様の工程であるので、ここでは省
略する。

【００７０】図１（Ｄ）に示すように、結晶化された珪
素膜１３を得た後、パターニングにより素子間分離を行
なう。この素子間分において、珪素膜１３の中央部分を
除去するようにすると、この珪素膜１３の中央部分に高
濃度で存在するニッケル元素を除去することができ、有
用である。こうして、図３（Ａ）に示すように活性層領
域（図３では、３３、３４、３５で構成される）を確定
し、さらにゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜３０１を形成
する。この酸化珪素膜は、スパッタリング法によるもの
でもよいが、ここでは、テトラ・エトキシ・シラン（Ｔ
ＥＯＳ）を原料として、酸素雰囲気中でのプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成する。酸化珪素膜の厚さは、１０００
Åとする。

【００７１】次に、公知のシリコンを主成分とした膜を
ＣＶＤ法で形成し、パターニングを行うことによって、
ゲイト電極３０を形成する。その後、Ｎ型の不純物とし
て、リンをイオン注入法で注入し、自己整合的にソース
領域３３、チャネル形成領域３４、ドレイン領域３５を
形成する。そして、レーザー光または強光の照射によっ
て、イオン注入のために結晶性の劣化した珪素膜の結晶
性を改善させる。このときにはレーザー光のエネルギー
密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ² とする。このレーザ
ー照射によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシー
ト抵抗は３００〜８００Ω／ｃｍ² となる。また強光を
用いる場合には、赤外線を用いたランプアニールを行う
のが有効である。

【００７２】その後、酸化珪素によって層間絶縁物３６
を形成し、さらに、画素電極３７をＩＴＯによって形成
する。そして、コンタクトホールを形成して、ＴＦＴの
ソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多層膜で
電極３８、３９を形成し、このうち一方の電極３９はＩ
ＴＯ電極３７にも接続するようにする。最後に、水素中
で２００〜３００℃で２時間アニールして、水素化を完
了する。このようにして、ＴＦＴを完成する。この工程
は、同時に他の多数の画素領域においても同時に行われ
る。

【００７３】本実施例で作製したＴＦＴは、ソース領
域、チャネル形成領域、ドレイン領域を構成する活性層
として、キャリアの流れる方向に結晶成長させた結晶性
珪素膜を用いているので、結晶粒界をキャリアが横切る
ことがない構成とすることができる。即ちキャリアが針
状あるいは柱状の結晶の結晶粒界に沿って移動すること
になるから、キャリアの移動度の高いＴＦＴを得ること
ができる。

【００７４】また、図１（Ｃ）の工程において、ニッケ
ルシリサイドの領域を除去し、さらに、図１（Ｄ）から
図３（Ａ）に至る工程において、珪素膜１３の中央部分
１０を避けて活性層を確定することで、活性層中にニッ
ケル濃度の多い領域が無い構成とすることができ、ＴＦ
Ｔの信頼の向上を得ることができる。即ち、１８の部分
にはニッケルシリサイドが形成されており、また１０の
部分には、結晶成長終期部分がぶつかった領域となって
いるので、ニッケルが高濃度で存在する。従って、この
部分をエッチングによって取り除き、ＴＦＴを形成する
ことは重要である。またＴＦＴに限らず、この部分を利
用して半導体装置、例えば薄膜ダイオードを形成するこ
とも有用である。

【００７５】

【効果】島状に形成された非晶質珪素膜の側面に結晶化
を助長する金属元素の膜を形成し、この部分から結晶成
長させることで、非晶質珪素膜全体を、基板に平行な方
向に結晶成長させた珪素膜とすることができる。そし
て、この金属元素の膜を取り除いた後に、結晶化された
珪素膜を利用してＴＦＴを構成することで、高移動度を
有するＴＦＴを得ることができる

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の作製工程を示す。

【図２】 実施例の作製工程を示す。

【図３】 実施例の作製工程を示す。

【図４】 珪素膜中のニッケル濃度を示す。

【符号の説明】

１１・・・・ガラス基板 １２・・・・下地膜（酸化珪素膜） １３・・・・珪素膜 １４・・・・酸化珪素膜 １５・・・・珪化ニッケル膜 １６・・・・ニッケルシリサイド １７・・・・結晶化方向 １８・・・・サイドエッチング部分 １９・・・・ゲイト電極 ２０・・・・酸化物層 ２０１・・・ゲイト絶縁膜 ２１・・・・ゲイト電極 ２２・・・・酸化物層 ２３・・・・ソース／ドレイン領域 ２４・・・・チャネル形成領域 ２５・・・・ドレイン／ソース領域 ２６・・・・ドレインソース領域 ２７・・・・チャネル形成領域 ２８・・・・ソース／ドレイン領域 ２９・・・・層間絶縁物 ３０・・・・ソース／ドレイン電極 ３１・・・・ドレインソース電極 ３２・・・・ソース／ドレイン電極 ３０・・・・ゲイト電極 ３０１・・・ゲイト絶縁膜 ３３・・・・ソース／ドレイン領域 ３４・・・・チャネル形成領域 ３５・・・・ドレイン／ドレイン領域 ３６・・・・層間絶縁物 ３７・・・・ＩＴＯ電極（画素電極） ３８・・・・ソース／ドレイン電極 ３９・・・・ドレイン／ソース電極

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年１０月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 半導体装置およびその作製方
法

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に非単結晶半導体膜を形成する工
   程と、 前記非単結晶半導体膜上に絶縁膜を形成する工程と、 パターニングを行ない前記非単結晶半導体膜と絶縁膜と
   からなる島状の積層を形成する工程と、 結晶化を助長する金属元素を含む膜を形成する工程と、 前記非単結晶半導体膜の側面から結晶化を行う工程と、 を有する半導体装置の作製方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、結晶化の後に、金属
   元素を含む膜を除去し、全体が基板に対して概略平行な
   方向に結晶成長した結晶性珪素膜を得ることを特徴とす
   る半導体装置の作製方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、結晶化した非単結晶
   半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成することを特
   徴とする半導体装置の作製方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、薄膜トランジスタの
   ソース／ドレイン領域を結晶成長が行われた方向に概略
   沿って形成することを特徴とする半導体装置の作製方
   法。
5. 【請求項５】 請求項１において、結晶成長開始部分と
   結晶成長終期部分とを除去する工程と、 結晶化を助長する金属元素濃度の少ない領域を利用して
   半導体装置を形成する工程と、 を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
6. 【請求項６】 結晶性珪素膜よりなる活性層を有し、 前記活性層はその側面より結晶成長が行われており、 前記結晶成長の結晶成長開始部分および／または結晶成
   長終期部分は除去されていることを特徴とする半導体装
   置。
7. 【請求項７】 結晶性珪素膜よりなる活性層を有し、 前記活性層はその側面より結晶成長が行われていること
   を特徴とする半導体装置。
8. 【請求項８】 請求項６または請求項７において、結晶
   成長方向に沿ってソース／ドレイン領域が形成されてい
   ることを特徴とする半導体装置。
9. 【請求項９】 請求項６または請求項７において、活性
   層中にはチャネル形成領域が形成されていることを特徴
   とする半導体装置。
10. 【請求項１０】請求項６または請求項７において、結晶
    成長は針状または柱状に行われていることを特徴とする
    半導体装置。
11. 【請求項１１】請求項６または請求項７において、活性
    層中にはニッケル元素が含まれており、前記ニッケル元
    素の濃度は４×１０¹⁷(atoms/cm³) 〜１×１０¹⁹(atoms
    /cm³) であることを特徴とする半導体装置。
12. 【請求項１２】請求項６または請求項７において、活性
    層中にはニッケル元素が含まれており、前記ニッケル元
    素の濃度は１×１０¹⁸(atoms/cm³) 〜８×１０¹⁸(atoms
    /cm³) であることを特徴とする半導体装置。
13. 【請求項１３】請求項６または請求項７において、結晶
    成長は針状または柱状に行われており、 活性層中にはニッケル元素が含まれており、 前記ニッケル元素の濃度は４×１０¹⁷(atoms/cm³) 〜１
    ×１０¹⁹(atoms/cm³)であることを特徴とする半導体装
    置。
14. 【請求項１４】請求項６または請求項７において、結晶
    成長は針状または柱状に行われており、 活性層中にはニッケル元素が含まれており、 前記ニッケル元素の濃度は１×１０¹⁸(atoms/cm³) 〜８
    ×１０¹⁸(atoms/cm³)であることを特徴とする半導体装
    置。