JPH07235492A - 半導体装置作製方法 - Google Patents

半導体装置作製方法

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JPH07235492A
JPH07235492A JP6051237A JP5123794A JPH07235492A JP H07235492 A JPH07235492 A JP H07235492A JP 6051237 A JP6051237 A JP 6051237A JP 5123794 A JP5123794 A JP 5123794A JP H07235492 A JPH07235492 A JP H07235492A
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昭治 宮永
Kouyuu Chiyou
宏勇 張
Naoaki Yamaguchi
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 薄膜トランジスタにとって好ましい特性を示
す結晶性珪素膜を得る。 【構成】 ガラス基板上に窒化珪素膜１０２と非晶質珪
素膜１０３を実質的に密着して形成し、これにニッケル
等の触媒元素を添加して、５００〜６００℃でアニール
処理を行ない、結晶化させる。さらにこれにレーザー光
を照射することによって、結晶性を高めた結晶性珪素膜
を得る。このようにして得られた結晶性珪素膜を用いる
ことで、高い特性を有するＴＦＴ等の半導体装置を得る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は結晶性を有する珪素を主
成分とする半導体を製造する方法に関する。本発明によ
って得られる珪素半導体は薄膜トランジスタ等に用いる
ことができる。
【０００２】
【従来の技術】薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ
（以下ＴＦＴ等）が知られている。このＴＦＴは、基板
上に薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて構成
されるものである。このＴＦＴは、各種集積回路に利用
されているが、特に液晶ディスプレー等の電気光学装
置、特にアクティブマトリックス型の液晶表示装置の各
画素の設けられたスイッチング素子、周辺回路部分に形
成されるドライバー素子として利用することが考えられ
ている。
【０００３】ＴＦＴに利用される薄膜半導体としては、
非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的
特性が低いという問題がある。ＴＦＴの特性向上を得る
ためには、結晶性を有するシリコン薄膜を利用すること
が望まれる。結晶性を有するシリコン膜を得るために
は、まず非晶質珪素膜を形成し、しかる後に加熱によっ
て結晶化さればよい。あるいは、レーザー光等の高いエ
ネルギーを有する電磁波を照射すればよい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、加熱に
よる結晶化は、加熱温度が６００℃以上の温度で１０時
間以上の時間をかけることが必要であり、基板としてガ
ラス基板を用いることが困難であるという問題がある。
例えばアクティブ型の液晶表示装置に用いられるコーニ
ング７０５９ガラスはガラス歪点が５９３℃であり、基
板の大面積化を考慮した場合、６００℃以上の加熱には
問題がある。さらに、このようにして得られた結晶性珪
素膜は次に述べるレーザー光照射によって得られたもの
と比較すると特性の劣るものであった。
【０００５】この問題を解決するには、非晶質珪素を結
晶化させることを促進する、触媒的な作用を有する元素
を用いればよい。すなわち、非晶質珪素膜にニッケルや
パラジウム、さらには鉛等の元素を微量に付着させ、し
かる後に加熱することで、６００℃以下、典型的には、
５５０℃、４時間程度の処理時間で結晶化をおこなえる
ことが明らかになった。しかしながら、このような方法
によってより低温、短時間で得られた珪素膜の特性も好
ましいものではなかった。
【０００６】一方、レーザー光等を照射して結晶性珪素
膜を得ることも実用的には問題があった。この方法によ
って得られた珪素膜は高い特性（例えば、高い電界移動
度、低いＳ値、低いしきい値電圧）を示し、ＴＦＴを作
製するには好ましかった。しかしながら、得られる珪素
膜の結晶性はレーザーのエネルギーに強く依存し、レー
ザーのエネルギーの不安定性のために、安定して同じ結
晶性の珪素膜を得ることは非常に難しかった。
【０００７】また、非晶質珪素膜を酸化珪素に接して結
晶化させた場合には、珪素膜は（１１１）面に配向しや
すくなる。そして、（１１１）面を用いてチャネル形成
領域を有するＴＦＴでは正の固定電荷が大きく結果とし
てしきい値電圧Ｖthは負方向にシフトしてしまう。この
ため、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとを用
いて相補型回路を構成する場合には大きな障害となる。
このようなしきい値電圧のシフトを抑制するためには珪
素膜が（１１１）面に配向しないようにすべきである。
【０００８】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
ものであり、高い結晶性（すなわち、高い特性）を有
し、かつ、（１１１）面に配向しない珪素膜を安定して
得ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を満
足するために以下の工程を用いて結晶性を有した珪素膜
を得る。まず、非晶質珪素膜に接して窒化珪素膜を設け
る。窒化珪素膜としては、珪素と窒素の比率ｘが１．３
≦ｘ≦１．５のものが好ましかった。ｘが１．３未満の
ものは電荷をトラップしやすく、そのまま残しておくと
半導体素子を形成するには不適切であった。不対結合手
を埋めるために、膜中に０．０１〜２％の水素や酸素が
存在すると、電気的な特性が向上した。この場合には、
ＳｉＮx Ｈy もしくはＳｉＯx Ｎy 、ＳｉＯx Ｎy Ｈz
で示される。本発明における窒化珪素とは水素化窒化珪
素、酸化窒化珪素を含むものである。
【００１０】窒化珪素を用いる理由は非晶質珪素膜の結
晶が（１１１）面に配向することを防止するためであ
る。すなわち、結晶化した酸化珪素は珪素と同じダイヤ
モンド構造であるため、珪素膜は酸化珪素上で１つの面
に配向しやすく、珪素膜と酸化珪素の界面エネルギーの
大きさの関係から（１１１）面に配向しやすいことが分
かっている。一方、結晶化した窒化珪素は立方晶系であ
り、珪素膜との整合性は必ずしも良くない。その結果、
非晶質珪素膜は１つの面に配向しないで結晶化できる。
【００１１】一方、非晶質珪素膜に隣接して該非晶質珪
素膜の結晶化を助長する触媒元素単体または前記触媒元
素を含む化合物を層状、膜状、もしくはクラスター状に
形成する。以下ではこの触媒元素単体または前記触媒元
素を含む化合物の層を触媒層と称することとする。本発
明においては、結晶化を助長する触媒元素としてはニッ
ケルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる
が、その他利用できる触媒元素の種類としては、Ｐｔ、
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ
を挙げることができる。また、VIII族元素、IIIb、IV
ｂ、Vb元素から選ばれた一種または複数種類の元素を利
用することもできる。
【００１２】以上の工程はどちらが先であってもよい。
構成としては、以下の４つのパターンが考えられる。 （１）窒化珪素膜、非晶質珪素膜、触媒層の順に形成す
る場合。 （２）窒化珪素膜、触媒層、非晶質珪素膜の順に形成す
る場合。 （３）触媒層、非晶質珪素膜、窒化珪素膜の順に形成す
る場合。 （４）非晶質珪素膜、触媒層、窒化珪素膜の順に形成す
る場合。 （５）非晶質珪素膜の上の一部に触媒層と他の一部に窒
化珪素膜を形成する場合。
【００１３】上記の（１）〜（４）においては窒化珪素
膜および触媒層が非晶質珪素膜全面を覆っている必要は
ない。また、上記の（２）および（４）においては非晶
質珪素膜と窒化珪素膜が接していないように見えるかも
しれないが、触媒層の厚さは極めて薄いため、上記のよ
うな構成としても実質的に非晶質珪素膜と窒化珪素膜は
実質的には接していると言えるのである。
【００１４】その後、前記非晶質珪素膜に、加熱処理を
施し、前記非晶質珪素膜の一部または全部を結晶化させ
る。なお、この工程においては、珪素膜の中に粒状の非
晶質珪素領域が残されることがある。すなわち、結晶化
は全面的におこなわれる必要はない。また、この結晶化
の過程においては、触媒層が非晶質珪素膜の全面を覆っ
ていない場合には、触媒層が覆っている領域から周辺に
結晶化が進行する。
【００１５】その後、レーザー光またはそれと同等な強
光を照射することによりさらに結晶化を助長する。この
工程においては、すでに先の加熱処理によって結晶化し
ている部分の一部と結晶化しなかった部分は溶融する
が、他の一部は溶融せず、残った結晶が核となって、急
速に周囲に結晶化が及ぶ。上記の粒状の非晶質珪素領域
もこの過程によって結晶化するのである。
【００１６】熱処理工程により結晶化率（顕微鏡観察に
よる結晶化領域の面積比）は、触媒元素の濃度、熱処理
時間等により異なるが２０〜９０％が一般的であった。
加熱温度を高めることにより９７％ぐらいまで高めるこ
とはできる。しかし、非晶質成分を無視できる程度にま
で低減するには上記のようなレーザー光もしくはそれと
同等な強光の照射が効果的であった。
【００１７】この工程が従来のレーザー光の照射による
結晶化と根本的に異なる点は従来の方法が全く結晶の無
い状態から非晶質珪素膜が溶融したのち、結晶化するた
め、結晶性を決定する条件が非常に厳しくなっていた点
である。すなわち、結晶核の存在しない状態では、結晶
化においては冷却速度が結晶性を決定する大きな要因と
なるが、冷却速度はレーザー光のエネルギー密度や雰囲
気の温度によって大きく異なるため、必然的に最適なレ
ーザーエネルギー密度が狭くなる。もし、エネルギーが
高すぎると溶融状態からの冷却速度が大きすぎて非晶質
状態となってしまう。また、エネルギーが低すぎると膜
を全面的に溶融させることができず、非晶質の部分を残
してしまうこととなる。
【００１８】一方、本発明では結晶核が存在するために
結晶化は容易で、冷却速度に対する依存性は小さい。ま
た、膜の大部分は結晶化しているので、レーザーのエネ
ルギー密度が低くともそれなりの特性は保証される。こ
うして極めて結晶性の良好な結晶性珪素膜を安定して得
ることができる。本発明によって得られる結晶性珪素膜
の特性は従来のレーザー光の照射によって得られる結晶
性珪素膜の最高のものと比較するとやや劣るが、安定し
て得られるため、例えば、平均的な特性は、従来のレー
ザー光照射によるものよりもはるかに良好である。
【００１９】レーザー光の照射の代わりに、非コヒーレ
ントな強光、特に赤外光を短時間、照射する方法を採用
してもよい。赤外光はガラスには吸収されにくく、珪素
薄膜に吸収されやすいので、ガラス基板上に形成された
珪素薄膜を選択的に加熱することができ好ましい。この
ような赤外光を短時間だけ照射する方法は、ラピッド・
サーマス・アニール（ＲＴＡ）またはラピッド・サーマ
ル・プロセス（ＲＴＰ）と呼ばれる。
【００２０】結晶化を助長する触媒元素の導入方法とし
ては、触媒元素単体もしくはその化合物のスパッタリン
グのような真空装置を用いるデポジション方法や、触媒
元素を含む溶液を非晶質珪素膜表面に塗布するような大
気中でおこなえるデポジション方法を用いればよい。特
に後者の方法では大きな設備投資をおこなわなくとも再
現性よく、デポジションをおこなうことができる。以下
では、後者の方法について詳細に説明する。
【００２１】後者の方法を採用する場合には、溶液とし
て水溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここ
で含有とは、化合物として含ませるという意味と、単に
分散させることにより含ませるという意味との両方を含
む。触媒元素を含む溶媒としては、極性溶媒である水、
アルコール、酸、アンモニアから選ばれたものを用いる
ことができる。
【００２２】触媒としてニッケルを用い、このニッケル
を極性溶媒に含ませる場合、ニッケルはニッケル化合物
として導入される。このニッケル化合物としては、代表
的には臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭
酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、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
セトネ−ト、４−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニ
ッケル、水酸化ニッケルから選ばれたものが用いられ
る。
【００２３】また触媒元素を含む溶媒として、無極性溶
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、エーテルから選ばれたものを用いること
もできる。この場合はニッケルはニッケル化合物として
導入される。このニッケル化合物としては代表的には、
ニッケルアセチルアセトネ−ト、２−エチルヘキサン酸
ニッケルから選ばれたものを用いることができる。
【００２４】また触媒元素を含有させた溶液に界面活性
剤を添加することも有用である。これは、被塗布面に対
する密着性を高め吸着性を制御するためである。この界
面活性剤は予め被塗布面上に塗布するのでもよい。触媒
元素としてニッケル単体を用いる場合には、酸に溶かし
て溶液とする必要がある。
【００２５】以上述べたのは、触媒元素であるニッケル
が完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが
完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッ
ケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散した
エマルジョンの如き材料を用いてもよい。または酸化膜
形成用の溶液を用いるのでもよい。このような溶液とし
ては、東京応化工業株式会社のＯＣＤ(Ohka Diffusion
Source）を用いることができる。このＯＣＤ溶液を用い
れば、被形成面上に塗布し、２００℃程度でベークする
ことで、簡単に酸化珪素膜を形成できる。また不純物を
添加することも自由であるので、本発明に利用すること
ができる。なおこれらのことは、触媒元素としてニッケ
ル以外の材料を用いた場合であっても同様である。
【００２６】溶液に含ませる触媒元素の量は、その溶液
の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量
として溶液に対して０．１ｐｐｍ〜２００ｐｐｍ、好ま
しくは１ｐｐｍ〜５０ｐｐｍ（重量換算）とすることが
望ましい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケ
ル濃度や耐薬品性（例えば、耐フッ酸性）に鑑みて決め
られる値である。
【００２７】また、触媒元素を含んだ溶液を選択的に塗
布することにより、結晶成長を選択的におこなうことが
できる。特にこの場合、溶液が塗布されなかった領域に
向かって、溶液が塗布された領域から珪素膜の面に概略
平行な方向に結晶成長をおこなうことができる。この珪
素膜の面に概略平行な方向に結晶成長がおこなわれた領
域を本明細書中においては横方向に結晶成長した領域と
称することとする。
【００２８】またこの横方向に結晶成長がおこなわれた
領域は、触媒元素の濃度が低いことが確かめられてい
る。半導体装置の活性層領域として、結晶性珪素膜を利
用することは有用であるが、活性層領域中における不純
物の濃度は一般に低い方が好ましい。従って、上記横方
向に結晶成長が行なわれた領域を用いて半導体装置の活
性層領域を形成することはデバイス作製上有用である。
【００２９】
【実施例】
〔実施例１〕図１に本実施例を示す。まず、基板（コー
ニング７０５９ガラス、１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ
１．１ｍｍ）１０１上に、厚さ１０００〜５０００Å、
例えば、２０００Åの窒化珪素膜１０２を下地膜として
形成した。窒化珪素膜１０２の形成方法としてはスパッ
タリング法やプラズマＣＶＤ法を用いればよい。本実施
例での窒化珪素膜の珪素と窒素の組成比（窒素／珪素）
は１．３〜１．３５、好ましくは、１．３２〜１．３４
とした。
【００３０】そして、非晶質珪素膜１０３をプラズマＣ
ＶＤ法やＬＰＣＶＤ法によって１００〜１５００Å、例
えば、８００Åの厚さに形成した。その後、マスクとな
る酸化珪素膜１０４を厚さ５００〜３０００Å、例え
ば、１０００Åに形成した。そして、これに開孔して、
選択的に非晶質珪素膜を露出させた。
【００３１】そして、非晶質珪素膜を過酸化水素水中に
放置することによって、極めて薄い酸化珪素膜（図には
示されていない）を非晶質珪素膜の露出された部分に１
０〜１００Åの厚さに成膜した。この酸化珪素膜は極薄
のため正確な膜厚は不明である。このような酸化珪素膜
の形成方法としては、他に酸素雰囲気中でのＵＶ光の照
射による酸化反応を用いてもよい。この場合の条件は、
酸素雰囲気中においてＵＶを１〜１５分間照射すればよ
い。また、熱酸化法を用いてもよい。
【００３２】この酸化珪素膜は、後のニッケルを含んだ
酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜の表面全体
に酢酸塩溶液をゆき渡らせるため、即ち濡れ性の改善の
為のものである。非晶質珪素膜の表面に直接酢酸塩溶液
を塗布した場合には、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾いて
しまうので、非晶質珪素膜の表面全体にニッケルを導入
することができず、均一な結晶化をおこなうことができ
ない。本工程によってこのような薄い酸化珪素膜を形成
する目的は、非晶質珪素膜のこのような撥水性を緩和す
ることである。
【００３３】つぎに、酢酸塩溶液中にニッケルを添加し
た酢酸塩溶液を作る。ニッケルの濃度は１００ｐｐｍと
した。そしてこの酢酸塩溶液を全面に２ｍｌ滴下し、こ
の状態を５分間保持した。そしてスピナーを用いてスピ
ンドライ（２０００ｒｐｍ、６０秒）をおこなった。上
記溶液の塗布の後、１〜１０分間その状態を保持させ
た。この保持させる時間によっても、最終的に非晶質珪
素膜に含まれるニッケルの濃度を制御することができる
が、最も大きな制御因子は溶液の濃度である。
【００３４】このニッケル溶液の塗布工程を、１回〜複
数回行なうことにより、スピンドライ後の非晶質珪素膜
１０３の露出された表面に平均の膜厚が数Å〜数百Åの
ニッケルを含む層（触媒層）１０５を形成することがで
きた。この場合、この層のニッケルがその後の加熱工程
において、非晶質珪素膜に拡散し、結晶化を助長する触
媒として作用する。なお、この触媒層は、完全な膜にな
っているとは限らない。（図１（Ａ））
【００３５】そして、加熱炉において、窒素雰囲気中に
おいて５００〜６００℃、１〜１２時間の加熱処理をお
こなった。本実施例では、５５０℃、８時間とした。こ
の結果、酸化珪素膜１０４の開孔部から結晶化が進行
し、結晶化珪素領域１０６、１０７を得ることができ
た。その他の領域１０８、１０９は非晶質珪素の状態で
あった。（図１（Ｂ）） これを上面から見た様子を図２（Ａ）に示す。図から分
かるように開孔部から楕円形に結晶化領域が拡がった。
（図２（Ａ））
【００３６】その後、酸化珪素膜１０４を除去するとと
もに、珪素膜１０３をパターニング、エッチングするこ
とにより、島状の珪素膜領域１１０および１１１を形成
した。珪素膜領域のエッチングは垂直方向に異方性を有
するＲＩＥ法によっておこなった。これはＴＦＴの活性
層となる。その後、５５０℃の酸素雰囲気中で熱処理す
ることによって、島状領域１１０、１１１の表面にごく
薄い（〜１００Å）の酸化珪素膜１１２を形成した。
【００３７】そして、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２
４８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を窒素雰囲気中もし
くは大気中において２００〜４００ｍＪ／ｃｍ2 、例え
ば、３００ｍＪ／ｃｍ2 のパワー密度で数ショト照射
し、島状珪素領域１１０、１１１の結晶性をさらに向上
させた。ＫｒＦエキシマーレーザー以外に、ＸｅＣｌレ
ーザー（波長３０８ｎｍ）やＡｒＦレーザー（波長１９
３ｎｍ）、ＸｅＦレーザー（波長３５３ｎｍ）等のエキ
シマレーザーを用いてもよかった。また、ＲＴＡ法を用
いてもよかった。（図１（Ｃ））
【００３８】その後、スパッタリング法、もしくはプラ
ズマＣＶＤ法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜１１
３をゲイト絶縁膜として成膜した。スパッタリング法を
用いる場合には、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以下とし
た。（図１（Ｄ））
【００３９】引き続いて、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ
３０００〜８０００Å、例えば６０００Åの珪素膜
（０．１〜２％の燐を含む）を成膜した。なお、この酸
化珪素膜１１３と珪素膜の成膜工程は連続的に行うこと
が望ましい。そして、珪素膜をパターニングして、ゲイ
ト電極１１４〜１１６を形成した。この状態を上から見
た様子を図２（Ｂ）に示す。図の点線で示された楕円は
図２（Ａ）の領域１０６、１０７に対応する。（図２
（Ｂ））
【００４０】次に、イオンドーピング法によって、活性
層にゲイト電極１１４〜１１６をマスクとして不純物
（燐およびホウ素）を注入した。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とし、ドーズ量は１×１０14〜８×１０
15ｃｍ-2、例えば、燐を１×１０15ｃｍ-2、ホウ素を２
×１０15ｃｍ-2とした。ドーピングに際しては、ドーピ
ングが不要な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した。この結
果、Ｎ型の不純物領域１１８と１１９、Ｐ型の不純物領
域１１７が形成された。
【００４１】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行い、イオン注入した不純物の活性化をおこなっ
た。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）を用いたが、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ショットとした。このレーザー光の照射時
に基板を２００〜４５０℃程度に加熱すると、抵抗の均
一性が向上した。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１
１７とＮ型を付与する不純物がドープされた不純物領域
１１８と１１９は、容易に活性化された。（図１
（Ｅ））
【００４２】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１２
０を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。さらに、スパッタ法によって厚さ５００ÅのＩＴＯ
膜を成膜し、これをパターニングして画素電極１２１を
形成した。そして、層間絶縁物１２０にコンタクトホー
ル（コンタクトホールの開孔位置は図２（Ｃ）に示す）
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・配線１２２〜１２
６を形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０
℃、３０分のアニールをおこなった。水素アニールの代
わりに、図１（Ｃ）もしくは（Ｄ）の工程で水素イオン
を１０〜１００ｋｅＶに加速して、活性層中に注入した
のち、アニールしてもよい。（図１（Ｆ））
【００４３】以上のようにして、ＴＦＴを有する回路を
形成することができた。例えば、図１の左側の島状領域
１１０に形成されたＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型
ＴＦＴとの相補型回路として、主としてロジック回路に
用い、右側の島状領域１１１に形成されたＴＦＴをアク
ティブマトリクス回路のスイッチングトランジスタとし
て用いれば、アクティブマトリクス回路とそれを駆動す
るための論理回路を同じ基板上に有する集積回路（いわ
ゆるモノリシック型アクティブマトリクス回路）を構成
できる。
【００４４】図２（Ｂ）からはも明らかであるが、本実
施例ではＴＦＴのチャネル領域が加熱処理の段階で横方
向に結晶化した領域１０６、１０７に設けられている。
この領域は結晶性が良好であるため種々の電気特性（例
えば、しきい値電圧、電界効果移動度等）が良好であ
る。これに対し、ニッケルが直接導入された領域はニッ
ケル濃度が高く、また、領域１０８、１０９では結晶性
が劣っているので、チャネル形成領域を設けることは好
ましくない。ただし、ソース、ドレイン等を形成するの
には構わない。
【００４５】〔実施例２〕図３に本実施例における作製
工程の概略を示す。まず、ガラス基板（コーニング７０
５９、１０ｃｍ角）２０１上にプラズマＣＶＤ法等の手
段によって、下地膜となる酸化珪素膜２０２を１０００
〜５０００Å、例えば、２０００Åの厚さに成膜した。
さらに、プラズマＣＶＤ法もしくは減圧ＣＶＤ法によっ
て厚さ１０００Åの非晶質珪素膜２０３を堆積した。
【００４６】そして、非晶質珪素膜表面に過酸化水素水
によってごく薄い酸化珪素膜を形成し、実施例１と同様
に１〜５０ｐｐｍ、例えば、２５ｐｐｍのニッケルを含
有した酢酸塩溶液を５ｍｌ滴下（１０ｃｍ角基板の場
合）した。またこの際、スピナーで５０ｒｐｍで１０秒
のスピンコートをおこない、基板表面全体に均一な水膜
を形成させた。さらにこの状態で、５分間保持した後、
スピナーを用いて２０００ｒｐｍ、６０秒のスピンドラ
イをおこなった。なおこの保持は、スピナー上において
０〜１５０ｒｐｍの回転をさせながらおこなってもよか
った。以上のようにしてニッケルを含有する触媒層２０
４を形成した。（図３（Ａ））
【００４７】その後、厚さ５００〜３０００Å、例え
ば、１０００Åの窒化珪素膜２０５をプラズマＣＶＤ法
によって堆積した。そして、窒素雰囲気で５５０℃、４
時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜２０３
の結晶化をおこなった。この際には、ニッケルは非晶質
珪素膜２０３と窒化珪素膜２０４の間に存在し、上から
下へと結晶化が進行した。（図３（Ｂ））
【００４８】上記加熱処理による結晶化工程の後、窒化
珪素膜２０５を通して、ＸｅＣｌレーザー（波長３０８
ｎｍ）を照射し、珪素膜１２の結晶性をさらに向上させ
た。このレーザー光の照射工程においては、基板または
レーザー光の被照射面を加熱すると、より均一性を高
め、必要なレーザーエネルギー密度を低減せしめること
ができた。この際の加熱温度は２００℃〜４５０℃程度
が好ましかった。この工程によって、上記珪素膜中の非
晶質成分をも完全に結晶化させることができ、結晶性を
高めることができた。（図３（Ｃ））
【００４９】また、この工程はラピッド・サーマル・ア
ニール（ＲＴＡ）処理によっておこなってもよかった。
具体的には、０．６〜４μｍ、ここでは０．８〜１．４
μｍにピークをもつ赤外光を３０〜１８０秒照射した。
雰囲気に０．１〜１０％のＨＣｌを混入してもよかっ
た。
【００５０】赤外線の光源としてはハロゲンランプを用
いた。赤外光の強度は、モニターの単結晶シリコンウェ
ハー上の温度が９００〜１２００℃の間にあるように調
整した。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱
電対の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィ
ードバックさせた。本実施例では、昇温は、一定で速度
は５０〜２００℃／秒、降温は自然冷却で２０〜１００
℃／秒であった。赤外線照射は基板を室温に保持した状
態からおこなってもよいが、より効果を高めるには、予
め基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱した
状態でおこなってもよい。
【００５１】次に、窒化珪素膜２０５を除去し、シリコ
ン膜２０３をパターニングして、島状の珪素膜領域２０
７および２０８を形成した。珪素膜領域のエッチングは
垂直方向に異方性を有するＲＩＥ法によっておこなっ
た。
【００５２】その後、ＴＥＯＳと酸素を原料とするプラ
ズマＣＶＤ法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜２０
９をゲイト絶縁膜として成膜した。成膜時の基板温度は
２００〜４００℃、例えば３５０℃とし、ＴＥＯＳに対
して、１〜５０％、代表的には２０％のトリクロロエチ
レン（ＴＣＥ）を混入させた。ＴＣＥによって、ゲイト
絶縁膜中に塩素が導入され、活性層に含まれていた可動
イオン（ナトリウム等）が除去され、より特性が向上し
た。さらに、この工程の後、窒素または一酸化二窒素中
で５５０〜６５０℃で熱アニールしてもよい。（図３
（Ｄ））
【００５３】引き続いて、スパッタ法によって、厚さ３
０００〜８０００Å、例えば４０００Åのアルミニウム
膜（０．１〜２％のスカンジウムを含む）を成膜した。
そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電
極２１０〜２１２を形成した。さらに、ゲイト電極に電
解溶液中で通電することによって陽極酸化をおこない、
ゲイト電極の上面および側面に１０００〜３０００Å、
ここでは２０００Åの酸化アルミニウム膜を形成した。
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った。なお、この酸化アルミニウム
層は、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。
【００５４】次に、イオンドーピング法（プラズマドー
ピング法とも言う）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）にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極とその周囲の酸化層をマスクとして、自己
整合的にＰもしくはＮ導電型を付与する不純物を添加し
た。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 Ｈ6 ）を用い、前者の場合は、加速
電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合
は、４０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとする。ドース量
は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば、燐を５×１
０15ｃｍ-2、ホウ素を２×１０15とした。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した。この
結果、Ｎ型の不純物領域２１４と２１５、Ｐ型の不純物
領域２１３が形成され、Ｐチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦ
Ｔ）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た。
【００５５】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行い、イオン注入した不純物の活性化をおこなっ
た。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）を用いたが、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ショットとした。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、不純物
領域２１３〜２１５は容易に活性化された。レーザーア
ニールの代わりにＲＴＡ法によって不純物の活性化をお
こなってもよかった。（図３（Ｅ））
【００５６】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜２１
６を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。さらに、スパッタ法によって厚さ５００ÅのＩＴＯ
膜を成膜し、これをパターニングして画素電極２２２を
形成した。そして、層間絶縁物２１６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・配線２１７〜２
２１を形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０
℃、３０分のアニールをおこない、ＴＦＴ回路を完成さ
せた。（図３（Ｆ））
【００５７】〔実施例３〕図４に本実施例を示す。基板
（ＮＨテクノグラス社ＮＡ３５）３０１上にプラズマＣ
ＶＤ法によって、厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜３
０２を形成した。そして、下地膜の成膜後に、６２０〜
６６０℃で１〜４時間アニールした後、０．１〜１．０
℃／分、好ましくは、０．１〜０．３℃／分で徐冷し、
４５０〜５９０℃まで温度が低下した段階で取り出し
た。
【００５８】さらに、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３
００〜１２００Å、例えば５００Åの非晶質珪素膜３０
３を成膜した。そして、厚さ１０００〜３０００Å、例
えば２０００Åの窒化珪素膜のマスク３０４を用いて、
実施例１および２と同様に、厚さ２０〜５０Åの酢酸ニ
ッケル層３０５をスピンコーティング法で形成した。酢
酸ニッケル層の形成に先立っては、実施例１に示したよ
うに露出した非晶質珪素膜領域の表面にごく薄い酸化珪
素膜を形成しておくことが必要である。（図４（Ａ））
【００５９】この後、窒素雰囲気で６００℃、４時間の
加熱アニールを行い、珪素膜３０３の結晶化をおこなっ
た。結晶化は、ニッケルと珪素膜が接触した領域を出発
点として、実施例１と同様に横方向に進行した。図４
（Ｂ）において、領域３０６、および３０７は本工程に
よって結晶化した領域であり、領域３０８および３０９
は非晶質珪素のままの領域である。
【００６０】加熱処理が終了した後、マスクの窒化珪素
膜３０４を除去した。そして、ＫｒＦエキシマーレーザ
ーの照射によって、さらに珪素膜３０３の結晶性を改善
せしめた。（図４（Ｂ）） 次に、シリコン膜３０３をパターニングして、島状の活
性層領域３１０および３１１を形成した。活性層のエッ
チングは垂直方向に異方性を有するＲＩＥ法によってお
こなった。
【００６１】その後、１０％の水蒸気を含む１気圧、５
５０〜６５０℃、代表的には６００℃の酸素雰囲気中に
おいて、３〜５時間放置することによって、活性層の表
面を厚さ２００〜８００Å、代表的には５００Å酸化さ
せ、酸化珪素膜３１２、３１３を形成した。この酸化珪
素膜の形成にはパイロジェニック酸化法（水素：酸素＝
１．８〜１．０：１（体積比））が膜厚制御性の面で有
効であった。その時、得られた酸化珪素膜３１２、３１
３の厚さは、４００〜１６００Å、本実施例では１００
０Åだった。酸化珪素膜を形成した後、１気圧の一酸化
二窒素雰囲気で６００℃で１時間アニールをおこなうこ
とによって、酸化珪素膜中の水素を除去した。（図４
（Ｃ））
【００６２】引き続いて、スパッタ法によって、厚さ３
０００〜８０００Å、例えば５０００Åのアルミニウム
膜（０．１〜２％のスカンジウムを含む）を成膜した。
そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電
極３１４〜３１６を形成し、さらに、実施例２と同様に
ゲイト電極に電解溶液中で通電することによって陽極酸
化をおこない、ゲイト電極の上面および側面に１０００
〜３０００Å、ここでは２０００Åの酸化アルミニウム
膜を形成した。
【００６３】次に、イオンドーピング法（プラズマドー
ピング法とも言う）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）にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極とその周囲の酸化層をマスクとして、自己
整合的にＰもしくはＮ導電型を付与する不純物を添加し
た。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 Ｈ6 ）を用い、前者の場合は、加速
電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合
は、４０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとした。ドース量
は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば、燐を５×１
０15ｃｍ-2、ホウ素を２×１０15とした。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した。この
結果、Ｎ型の不純物領域３１８と３１９、Ｐ型の不純物
領域３１７が形成され、Ｐチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦ
Ｔ）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た。
【００６４】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行い、イオン注入した不純物の活性化をおこなっ
た。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）を用いた。
【００６５】次に酸化珪素被膜３２０をプラズマＣＶＤ
法によって形成した。この被膜はゲイト電極側面への被
覆性が優れていることが重要である。被膜の厚さは０．
５〜１μｍ、例えば０．７μｍとした。（図４（Ｄ）） そして、この絶縁性被膜をドライエッチング法等の手段
によって異方性エッチングした。すなわち、垂直方向の
みを選択的にエッチングした。この結果、ソース／ドレ
イン領域の表面は露出され、それぞれのゲイト電極（周
囲の陽極酸化物層を含む）の側面に概略三角形状の絶縁
物３２１、３２２、３２３が残った。
【００６６】この概略三角形状の絶縁物３２１〜３２３
の寸法、特にその幅は、先に成膜された酸化珪素膜３２
０の厚さと、エッチング条件と、ゲイト電極（周囲の陽
極酸化物層を含む）の高さとによって決定される。な
お、得られる絶縁物３２１〜３２３の形状は、三角形状
に限定されるものではなく、酸化珪素膜３２０のステッ
プカバレージや膜厚によってその形状が変化する。例え
ば、膜厚が小さな場合は、方形状となる。
【００６７】そして、厚さ５〜５０ｎｍのチタン膜３２
４をスパッタ法によって形成した。チタン以外にも、モ
リブテン、タングステン、白金、パラジウム等でもよ
い。（図４（Ｅ）） そして、成膜後２００〜６５０℃、好ましくは４００〜
５００℃でアニールすることによって、チタン膜とソー
ス／ドレイン領域の珪素とを反応させ、ソース／ドレイ
ン領域にシリサイド層を３２５、３２６、３２７を形成
した。
【００６８】その後、反応しなかったチタン膜（主とし
て酸化珪素もしくは陽極酸化物上に堆積したもの）をエ
ッチングした。そして、全面に層間絶縁物３２８とし
て、ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ６０００Å形成
した。さらに、スパッタ法によってＩＴＯ膜５００〜１
０００Åを堆積して、これをパターニングし、画素電極
３２９を形成した。最後に、図４（Ｆ）に示すよう
に、、ＴＦＴのソース／ドレインにコンタクトホールを
形成し、窒化チタンとアルミニウムの多層膜を堆積し、
これをパターニングして、第２層の配線・電極３３０〜
３３４を形成した。窒化チタンとアルミニウムの厚さは
それぞれ、８００Å、５０００Åとした。最後に、１気
圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールをおこな
い、ＴＦＴ回路を完成させた。（図４（Ｆ））
【００６９】
【発明の効果】本発明によって、良好な結晶性を有する
安定して珪素膜を得ることができた。本発明によって得
られた結晶性の珪素膜は実施例に示したようにＴＦＴを
作製するのに極めて適している。例えば、従来のＳＰＣ
法によって得られた結晶性珪素膜を用いてＴＦＴを作製
した場合には、Ｎチャネル型ＴＦＴ（ソース、ドレイン
がＮ型の導電型であるＴＦＴ）では、電界効果移動度μ
はせいぜい５０〜６０ｃｍ2 ／Ｖｓに過ぎなかった。触
媒元素（ニッケル等）を添加して横方向の成長をおこな
った場合でも９０〜１００ｃｍ2 ／Ｖｓまでであった。
しかしながら、本発明、例えば、実施例３では、μは１
５０〜２００ｃｍ2 ／Ｖｓまで向上した。
【００７０】また、しきい値電圧も従来の方法では＋３
〜＋７Ｖであったが、本発明では０〜＋１Ｖとなった。
しきい値電圧の改善はＰチャネル型ＴＦＴで目ざまし
く、しきい値電圧の絶対値は従来の６〜１０Ｖが０〜２
Ｖまで低下した。これらの効果は本発明において、特に
窒化珪素と非晶質珪素膜とを接触させた状態で結晶化さ
せたことにより、珪素膜が（１１１）面に配向しなかっ
たために得られたものと考えられる。この結果、Ｎチャ
ネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとを組み合わせて相
補型の回路を構成する場合には、それぞれのＴＦＴのし
きい値電圧の差が縮まったために、より低電圧で駆動す
ることができるようになった。これは、回路の信頼性を
向上させるという点からも好ましいものである。このよ
うに本発明は産業上、極めて有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の作製工程を示す。（断面図）
【図２】 実施例１の作製工程を示す。（上面図）
【図３】 実施例２の作製工程を示す。（断面図）
【図４】 実施例３の作製工程を示す。（断面図）
【符号の説明】
１０１・・・・・ガラス基板 １０２・・・・・下地膜（窒化珪素） １０３・・・・・非晶質珪素膜 １０４・・・・・マスク膜（酸化珪素） １０５・・・・・触媒層（酢酸ニッケル） １０６、１０７・結晶化した領域 １０８、１０９・結晶化していない領域 １１０、１１１・島状の珪素膜領域 １１２・・・・・熱酸化による酸化珪素膜 １１３・・・・・ゲイト絶縁膜（酸化珪素） １１４〜１１６・ゲイト電極（燐のドープされた珪素） １１７・・・・・Ｐ型領域（ソース／ドレイン） １１８〜１１９・Ｎ型領域（ソース／ドレイン） １２０・・・・・層間絶縁物（酸化珪素） １２１・・・・・画素電極（ＩＴＯ） １２２〜１２６・金属電極（ＴｉＮ／Ａｌ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/336 (72)発明者 山口 直明 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒化珪素膜と非晶質珪素膜とを実質的に
    密着させて形成する第１の工程と、 前記非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を該非晶
    質珪素膜に加熱することによって混入せしめ、前記非晶
    質珪素膜の一部もしくは全部を結晶化させる第２の工程
    と、 レーザー光または強光を照射することにより結晶性を助
    長する第３の工程と、を有することを特徴とする半導体
    装置作製方法。
  2. 【請求項２】請求項１において、 触媒元素として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａ
    ｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂから選ばれた一種また
    は複数種類の元素が用いられることを特徴とする半導体
    装置作製方法。
  3. 【請求項３】請求項１において、 触媒元素として、VIII族、IIIb族、IVｂ族、Vb族元素か
    ら選ばれた一種または複数種類の元素が用いられること
    を特徴とする半導体装置作製方法。
  4. 【請求項４】請求項１において、第２の工程の前に、触
    媒元素を含む化合物を極性溶媒に溶解あるいは分散させ
    た溶液を該非晶質珪素膜の実質的な表面に塗布する工
    程、有することを特徴とする半導体装置作製方法。
  5. 【請求項５】請求項４において、極性溶媒として、水、
    アルコール、酸、アンモニア水から選ばれた１つまたは
    複数が用いられることを特徴とする半導体装置作製方
    法。
  6. 【請求項６】請求項４において、触媒元素としてニッケ
    ルを用い、該ニッケルはニッケル化合物として用いられ
    ることを特徴とする半導体装置作製方法。
  7. 【請求項７】請求項６において、ニッケル化合物とし
    て、臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭酸
    ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、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
    セトネ−ト、４−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニ
    ッケル、水酸化ニッケルから選ばれた少なくとも１種類
    が用いられることを特徴とする半導体装置作製方法。
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