JPH0817741A - 半導体基板の製造方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 結晶性シリコン膜中に含まれる触媒元素の濃
度を低減して、良好な電気特性を有するようにする。 【構成】 絶縁性基板上に形成された非晶質半導体膜に
結晶化を助長する触媒元素を導入して基板全体を加熱す
ることにより、低温および短時間で非晶質半導体膜を結
晶化させる。次に、結晶化された半導体膜表面を酸化し
て半導体膜中に含まれる触媒元素濃度を低下させる。そ
の後、半導体膜に高エネルギー光を照射して結晶粒界の
処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばアクティブマト
リクス型液晶表示装置やイメージセンサー等に利用さ
れ、基板上に半導体薄膜が形成された半導体基板の製造
方法、および該半導体薄膜を利用した半導体装置の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記アクティブマトリクス型液晶表示装
置などでは、それに備わった画素の駆動に、ガラス等の
絶縁性基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を有する半
導体装置が用いられている。そのＴＦＴには薄膜状のシ
リコン半導体を用いるのが一般的であり、このシリコン
半導体に用いられるものは、非晶質シリコン（ａ−Ｓ
ｉ）半導体と結晶性を有するシリコン半導体との２つに
大別される。

【０００３】前者の非晶質シリコン半導体は、作製温度
が低く、気相法により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。し
かし、この非晶質シリコン半導体は、導電性等の物性が
結晶性を有するシリコン半導体に比べて劣るので、今
後、より高速特性を得るために、後者の結晶性を有する
シリコン半導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く
求められていた。なお、結晶性を有するシリコン半導体
としては、多結晶シリコン、微結晶シリコン、結晶成分
を含む非晶質シリコン、結晶性と非結晶性の中間の状態
を有するセミアモルファスシリコン等が知られている。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状のシリコン半
導体を得る方法としては、以下の３つの方法が知られて
いる。

【０００５】（１）成膜時に結晶性を有するシリコン半
導体膜を直接成膜する第１の方法 （２）非晶質のシリコン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第２の方
法 （３）非晶質のシリコン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第３の
方法 しかし、これらの方法には以下のような問題点がある。

【０００６】上記第１の方法では、成膜工程と結晶化と
が同時に進行するので、大粒径の結晶性シリコンを得る
ためにはシリコン膜を厚膜にすることが不可欠であり、
良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面にわたって
均一に成膜することが技術上困難である。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上の問題があった。

【０００７】上記第２の方法では、溶融固化過程の結晶
化現象を利用するので、小粒径ながら粒界が良好に処理
され、高品質な結晶性シリコン膜が得られる。しかし、
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
い。よって、次世代の技術という感が強い。

【０００８】上記第３の方法では、上記第１および第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、結晶化に際して６００℃以上の高温で数十時間に
わたる加熱処理を必要とする。従って、安価なガラス基
板の使用とスループットの向上とを考えると、加熱温度
を下げると共に短時間で結晶化させるという相反する問
題を同時に解決する必要がある。また、この方法は固相
結晶化現象を利用するので、結晶粒が基板面に平行に拡
がって数μｍの粒径を持つものも現れ、成長した結晶粒
同士がぶつかり合って粒界が形成される。その粒界はキ
ャリアに対するトラップ準位として働くので、ＴＦＴの
移動度を低下させる大きな原因となっている。

【０００９】そこで、上記第３の方法を利用して結晶粒
界の問題を解決する以下の２つの第４、第５の方法が提
案されている。第４の方法は、シリコン（Ｓｉ⁺）等の
不純物をイオン注入法等より導入し、その後の熱処理に
より粒径が数μｍの結晶粒を有する多結晶シリコン膜を
得る方法である（特開平５−５５１４２号）。もう一つ
の第５の方法は、粒径１０〜１００ｎｍのシリコン粒子
を高圧の窒素ガスと共に非晶質シリコン膜に吹き付けて
成長核を形成する方法である（特開平５−１３６０４８
号）。これら第４、第５の方法は、両者とも、非晶質シ
リコン膜に結晶成長の核となる異物を領域を定めて選択
的に導入した後、熱処理によりその異物を核とした結晶
成長を行わせて大粒径の高品質な結晶性シリコン膜を得
ており、これを利用してＴＦＴ等の半導体素子を形成し
ている。

【００１０】しかし、これら第４、第５の方法では、導
入された異物は成長核としてのみ作用する。よって、結
晶成長の際の核発生や結晶成長方向の制御には有効であ
るが、結晶化のための加熱処理工程における上述の問題
はなお残る。例えば、第４の方法では、６００℃の温度
で４０時間の加熱処理により結晶化を行っており、第５
の方法では６５０℃以上の温度で熱処理を行っている。
このように高温の加熱を行うので、これらの技術はＳＯ
Ｉ基板やＳＯＳ基板には有効な技術であるが、安価なガ
ラス基板に適用することは困難である。例えば、アクテ
ィブマトリクス型の液晶表示装置に用いられるコーニン
グ７０５９ガラスは、ガラス歪み点が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。

【００１１】そこで、本発明者らは、結晶化に必要な温
度の低温化と処理時間の短縮を両立し、さらには粒界の
影響を最小限に留めた結晶性シリコン薄膜の作製方法を
見い出した。

【００１２】本発明者らの研究によれば、非晶質シリコ
ン膜の表面にニッケルやパラジウム、さらには鉛等の金
属元素を微量に導入させ、その後加熱することで、５５
０℃、４時間程度の処理時間で結晶化を行えることが判
明している。このメカニズムは、まず金属元素を核とし
た結晶核発生が早期に起こり、その後、その金属元素が
触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急激に進行す
るものと理解される。そういう意味から、以後、これら
の金属元素を触媒元素と称する。

【００１３】通常の固相成長法で結晶化したシリコン膜
が双晶構造であるのに対して、これらの触媒元素により
結晶化が助長されて結晶成長した結晶性シリコン膜は、
何本もの針状結晶または柱状結晶で構成されており、そ
れぞれの針状結晶または柱状結晶の内部は理想的な単結
晶状態となっている。

【００１４】このような結晶性シリコン膜を活性領域と
してＴＦＴを作製すると、通常の固相成長法で形成した
結晶性シリコン膜を用いた場合に比べて電界効果移動度
が１．２倍程度向上する。また、その後、レーザ光ある
いは強光を照射してその結晶性を助長することにより、
その差がさらに顕著になる。これは、以下のような理由
による。即ち、結晶性シリコン膜にレーザー光あるいは
強光を照射すると、結晶性シリコン膜の融点と非晶質シ
リコン膜の融点との相違から結晶粒界部が集中的に処理
される。この時、通常の固相成長法で形成した結晶性シ
リコン膜では結晶構造が双晶構造であるので、レーザー
光照射後も結晶粒界内部は双晶欠陥として残される。そ
れに対して、触媒元素を導入して結晶化した結晶性シリ
コン膜は針状結晶または柱状結晶で構成されており、そ
の内部は単結晶状態であるので、レーザー光あるいは強
光の照射により結晶粒界部が処理されると、基板全面に
わたってほぼ単結晶状態に近い結晶性シリコン膜が得ら
れる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な触媒元素が半導体中に多量に存在していることは、こ
れらの半導体を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻
害するものであり、好ましいことではない。

【００１６】つまり、ニッケル等の結晶化を助長する触
媒元素は、非晶質シリコンを結晶化させる際には必要で
あるが、結晶化したシリコン膜中には極力含まれないよ
うにするのが望ましい。本発明者らの研究によれば、シ
リコン膜中の触媒元素濃度が１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³を越えると、加熱処理により結晶化を行った後、エ
キシマレーザーを照射する際に触媒元素がシリコン膜表
面に析出する。この析出した触媒元素を放置したままで
ＴＦＴの作製を行うとＳ−Ｄ（ソース−ドレイン）リー
クを引き起こすので、得られるＴＦＴは半導体素子とし
て有効な特性を得ることができない。また、析出した触
媒元素はシリコン化合物となっているので、シリコン膜
表面に損傷を与えることなく取り除くことが不可能であ
る。従って、析出した触媒元素を取り除いてＴＦＴを作
製すると、シリコン膜表面の損傷に起因する移動度の劣
化やコンタクト不良を引き起こし、信頼性や電気的安定
性に問題が生じる。

【００１７】本発明は、このような従来技術の課題を解
決すべくなされたものであり、６００℃以下の熱処理に
より短時間で結晶化を行って基板面内で均一性良く結晶
性を有する半導体薄膜を作製することができ、熱処理で
得られる結晶性よりさらに高い結晶性が得られ、結晶性
を有する半導体薄膜に含まれる触媒元素の濃度を低減す
ることができるという要求を満たして、信頼性および電
気的安定性に優れた高性能な半導体基板の製造方法およ
び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体基板の製
造方法は、絶縁性基板もしくは表面に絶縁膜が堆積され
た基板上に、結晶性を有する半導体膜が形成された半導
体基板の製造方法であって、基板上に少なくとも非晶質
半導体膜を形成する工程と、該非晶質半導体膜の結晶化
を助長する触媒元素を、該非晶質半導体膜に導入する工
程と、該基板全体を加熱することにより非晶質半導体膜
を結晶化させる工程と、結晶化された半導体膜表面を酸
化する工程と、酸化された半導体膜に高エネルギー光を
照射する工程とを含むので、そのことにより上記目的が
達成される。

【００１９】本発明の半導体基板の製造方法は、絶縁性
基板もしくは表面に絶縁膜が堆積された基板上に、結晶
性を有する半導体膜が形成された半導体基板の製造方法
であって、基板上に少なくとも非晶質半導体膜を形成す
る工程と、該非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元
素を、該非晶質半導体膜の一部に選択的に導入する工程
と、該基板全体を加熱することにより非晶質半導体膜を
結晶化させる工程と、結晶化された半導体膜表面を酸化
する工程と、酸化された半導体膜に高エネルギー光を照
射する工程とを含むので、そのことにより上記目的が達
成される。

【００２０】本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性
基板もしくは表面に絶縁膜が堆積された基板上に、結晶
性を有する半導体膜を用いた薄膜トランジスタが作製さ
れた半導体装置の製造方法であって、基板上に少なくと
も非晶質半導体膜を形成する工程と、該非晶質半導体膜
の結晶化を助長する触媒元素を、該非晶質半導体膜の一
部に選択的に導入する工程と、該基板全体を加熱するこ
とにより非晶質半導体膜を結晶化させる工程と、結晶化
された半導体膜表面を酸化する工程と、酸化された半導
体膜に高エネルギー光を照射する工程と、該触媒元素が
選択的に導入された領域と薄膜トランジスタの作製領域
とが重ならないように薄膜トランジスタを作製する工程
とを含むので、そのことにより上記目的が達成される。

【００２１】本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁性
基板もしくは表面に絶縁膜が堆積された基板上に、結晶
性を有する半導体膜を用いた薄膜トランジスタが作製さ
れた半導体装置の製造方法であって、基板上に少なくと
も非晶質半導体膜を形成する工程と、該非晶質半導体膜
の結晶化を助長する触媒元素を、該非晶質半導体膜の一
部に選択的に導入する工程と、該基板全体を加熱するこ
とにより非晶質半導体膜を結晶化させる工程と、結晶化
された半導体膜表面を酸化する工程と、酸化された半導
体膜に高エネルギー光を照射する工程と、該触媒元素が
選択的に導入された領域と薄膜トランジスタの作製領域
とが重ならないように、かつ、薄膜トランジスタの作製
領域が該半導体膜の結晶成長端よりも内側になるように
薄膜トランジスタを作製する工程とを含むので、そのこ
とにより上記目的が達成される。

【００２２】なお、本発明において、前記酸化工程後の
半導体膜中の触媒元素濃度は、１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³以下とするのが望ましい。また、前記触媒元素と
して、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａ
ｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、ＡｓおよびＳｂの内、少なくとも
一種を用いることができる。また、前記高エネルギー光
の光源として、エキシマレーザーを用いてもよく、ハロ
ゲンランプを用いてもよい。また、前記半導体膜とし
て、シリコン膜を用いることができる。

【００２３】

【作用】本発明においては、絶縁性基板もしくは表面に
絶縁膜を有する基板上に形成された非晶質半導体膜に触
媒元素を導入して加熱することにより触媒元素を核とし
た結晶成長を行わせ、結晶化された半導体膜に高エネル
ギーを照射して結晶粒界処理を行ることにより結晶化を
助長させている。これら２つの工程の間において、結晶
化された半導体膜表面を酸化する工程が行われ、これに
より結晶化シリコン膜中の触媒元素濃度が低減される。
以下、この機構について説明する。

【００２４】非晶質シリコン膜中にニッケル元素を導入
した場合、まず、導入された領域で結晶核が発生してシ
リコン膜の結晶化が起こり、その後、この結晶核を中心
に周辺の非導入領域に向かい基板面に沿って放射状に結
晶化が進行していく。以後、この基板面に沿った結晶成
長領域をラテラル成長領域と称する。本発明者らが、ニ
ッケル元素の選択的導入領域、ラテラル成長領域および
ラテラル成長端部の三点についてＳＩＭＳを用いてニッ
ケル濃度の測定を行ったところ、ニッケル元素の選択的
導入領域とラテラル成長端部とでは１×１０¹⁹ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³程度であり、ラテラル成長領域では１×１０
¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であった。このことから、ニ
ッケル元素はニッケル−シリコン結合部分においてシリ
コン−シリコン結合を形成する触媒作用を示しながら自
身は移動して行き、常に結晶の成長端部分にニッケル濃
度が高い領域が存在すると考えられる。また、ラテラル
成長領域に限った場合、この部分の結晶構造は針状結晶
または柱状結晶であるが、ニッケル元素が結晶部分から
非晶質部分に移動して行くので、ニッケル元素は各針状
結晶または柱状結晶の間の粒界部分に存在する。このニ
ッケル元素の粒界部集中は電流の抜け道となり、ＴＦＴ
を作製した場合にオフ特性の劣化を招き、素子の信頼性
や電気的安定性の点で問題が生じる。このように、触媒
元素の濃度が高い領域は、触媒元素の導入領域、シリコ
ン結晶の結晶成長端付近のアモルファスシリコン部分お
よび各結晶間の結晶粒界付近に分布している。

【００２５】一方、アモルファスシリコンと結晶質シリ
コンとが混在するシリコン膜において、結晶質シリコン
の結晶粒の大きさを電子顕微鏡等で観察する場合に、二
クロム酸カリウム、硝酸およびフッ酸の混合溶液を用い
てセコエッチと称される処理を行うと、アモルファス部
分がエッチング除去されて結晶質シリコンの結晶粒が観
測しやすくなる。この混合溶液の内、二クロム酸カリウ
ムと硝酸とは強力な酸化作用によりシリコン膜を酸化
し、フッ酸成分は酸化されたシリコン膜をエッチング除
去するものである。アモルファス部分と結晶質部分とで
は、アモルファスシリコン部分の方が酸化されやすく、
エッチングレートが速い。このようにアモルファスシリ
コンと結晶質シリコンとを比較した場合、アモルファス
シリコンの方が酸化されやすいことが一般に知られてい
る。

【００２６】上記２つの事実から、結晶化を助長する触
媒元素を導入して結晶化を行ったシリコン膜に対して表
面の酸化を行うと、アモルファス部分である結晶成長端
部分や結晶粒界部分での酸化が結晶質部分に比べて速く
進行する。この結晶成長端部分や結晶粒界部分は触媒元
素濃度が高いので触媒元素を含む酸化膜が形成され、後
のエッチングにより触媒元素が酸化膜と共に取り除かれ
る。この結果、結晶化シリコン膜中の触媒元素濃度を大
幅に低減することができる。酸化工程後の半導体膜中の
触媒元素濃度は、１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下と
するのが望ましく、このように低い触媒元素濃度とする
ことにより、高エネルギー照射時の触媒元素濃度の析出
を防止することができる。本発明者らの実験によれば、
触媒元素を導入して結晶化を行ったシリコン膜中の触媒
元素濃度は、酸化前に１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程
度であったのが、酸化後は１×１０¹⁸ｃｍ³程度まで低
減できた。さらに、結晶化シリコン基板に対してこのよ
うな手法を適用すると、結晶化シリコン膜表面に付着し
ている有機物等、ＴＦＴ作製時に特性劣化の要因となり
得る表面汚染物質も同時に清浄化することができる。

【００２７】非晶質半導体膜に触媒元素を導入すると、
加熱により結晶核が発生し、その後結晶核を中心に放射
状に針状または柱状の結晶成長が起こる。特に、触媒元
素を非晶質半導体膜の一部に選択的に導入した場合、こ
の針状または柱状結晶は、導入領域から外側（非導入領
域側）に向かって基板面に沿って成長して行くので、結
晶成長方向を制御することができる。

【００２８】非晶質半導体膜の一部に触媒元素を選択的
に導入する場合、触媒元素導入領域と薄膜トランジスタ
の作製領域とが重ならないように薄膜トランジスタを作
製するのが望ましい。その理由は以下の通りである。触
媒元素を選択的にシリコン膜中に導入して結晶をラテラ
ル成長させる場合、ラテラル成長の距離を充分に得るた
めには、触媒元素の導入量を全面導入の場合と比較して
１０〜１００倍程度とすることが必要である。このよう
に触媒元素が高濃度に導入された領域ではシリコン膜の
耐レーザ性や耐フッ酸性等が弱く表面荒れを起こし易
い。表面荒れが発生していると、ＴＦＴの移動度低下や
コンタクト不良の原因となるからである。そのため、触
媒元素の選択導入領域とＴＦＴの素子形成領域とは重な
らないように配置するのが望ましい。

【００２９】また、触媒元素導入領域と薄膜トランジス
タの作製領域とが重ならないように、かつ、薄膜トラン
ジスタの作製領域が半導体膜の結晶成長端よりも内側
（導入領域側）になるように薄膜トランジスタを作製す
るのが望ましい。その理由は前述の内容と同様であり、
以下の通りである。触媒元素を選択的にシリコン膜中に
導入して結晶をラテラル成長させる場合、ラテラル成長
の距離を充分に得るためには、触媒元素の導入量を全面
導入の場合と比較して１０〜１００倍程度とすることが
必要である。このように触媒元素が高濃度に導入された
領域ではシリコン膜の耐レーザ性や耐フッ酸性等が弱く
表面荒れを起こし易い。表面荒れが発生していると、Ｔ
ＦＴの移動度低下やコンタクト不良の原因となるからで
ある。そのため、触媒元素の選択導入領域とＴＦＴの素
子形成領域とは重ならないように配置するのが望まし
い。

【００３０】触媒元素としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐ
ｔ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｓお
よびＳｂのうち、少なくとも一種を用いることができ、
これらの触媒元素により結晶化のための加熱処理温度を
５００℃〜５８０℃程度まで低温化できる。

【００３１】高エネルギー光の光源としてエキシマレー
ザーを用いるとエネルギー密度の高い光を容易に得るこ
とができるので、結晶粒界部を処理して高い結晶性の半
導体膜を得ることができる。また、ハロゲンランプを用
いると大面積にわたって同時に光を照射することがで
き、さらにプロセススループットの向上を図ることがで
きる。

【００３２】半導体膜としてシリコン膜を用いると、Ｃ
ＶＤ装置を用いて５００℃以下の温度で大面積にわたっ
て容易に良質な半導体膜を得ることができる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００３４】（実施例１）図１（ａ）〜（ｄ）は、実施
例１の半導体基板の製造方法の概要を示すプロセス断面
図である。

【００３５】まず、図１（ａ）に示すように、ガラス等
の絶縁性基板表面を洗浄後、スパッタリング装置を用い
て二酸化シリコンを厚み２００ｎｍ程度に堆積し、ベー
スコート膜１０１を形成する。

【００３６】その上に、化学気相成長法（ＣＶＤ法）ま
たはスパッタリング法により厚み１００ｎｍ程度の非晶
質シリコン膜を堆積させる。この非晶質シリコン膜の厚
みは、２０〜１５０ｎｍの範囲とすることができる。

【００３７】この非晶質シリコン膜に結晶化を助長する
触媒元素としてニッケルを導入後、基板全体に５５０℃
の温度で加熱処理を行う。この加熱処理により３〜１０
分程度で結晶核が発生し、その後、この結晶核を中心と
して放射状に針状または柱状の結晶成長が起こる。図１
（ａ）は、この針状または柱状結晶領域１０２を横断す
る方向に基板を切断した場合の断面図であり、１０３は
結晶粒界部分の非晶質シリコン領域を示す。尚、ニッケ
ルの導入は、シリコン膜上に、直接または選択注入用の
マスクを形成した状態で、ＮｉまたはＮｉ−Ｓｉ化合物
をスパッタ法等によって成膜した後、シリコン膜中にＮ
ｉを拡散させる方法、Ｎｉ電極を有するプラズマチャン
バ内でプラズマ処理によりＮｉを表面に堆積させた後、
シリコン膜中に拡散させる方法、またはイオンドープに
よりＮｉを注入する方法等により行うことができる。

【００３８】次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン
膜表面の酸化を行う。この図において、１０４は酸化
膜、１０５は表面酸化前のシリコン膜表面、１０６は表
面酸化後のシリコン膜表面を示す。本実施例では、水蒸
気雰囲気中で６００℃、１２時間の熱酸化を行った。こ
の熱酸化によりシリコン膜の膜厚は約１０ｎｍ減少し
た。ここで、特にシリコン膜とシリコン酸化膜との界面
１０６に着目すると、結晶質部分よりも非晶質部分（斜
線部）の方が酸化速度が速いので結晶粒界部分でより深
くまで酸化が進行している。また、ニッケル濃度が高い
結晶粒界部分での酸化が速く進行するので、シリコン膜
中に含まれるニッケル濃度を減少させることができる。
ＳＩＭＳ解析の結果、１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程
度から１×１０^{1 8}ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで減少し
たことが確認された。

【００３９】その後、図１（ｃ）に示すように、表面の
酸化膜１０４を取り除く。この時、酸化膜と共にニッケ
ル元素が取り除かれる。また、シリコン膜表面の汚染物
質も同時に除去することができる。

【００４０】この状態の基板に、図１（ｄ）に示すよう
に、高エネルギー光としてエキシマレーザー光１０７を
照射すると、結晶粒界部分の非晶質シリコン領域１０３
が結晶中に取り込まれる。この図において、１０８は新
しい結晶粒界面であり、破線１０９はレーザー照射前の
結晶粒界面である。この実施例では、シリコン膜中に含
まれる濃度が上記表面酸化工程により低減されているの
で、レーザー光照射によるニッケルの析出は見られなか
った。

【００４１】以上により、基板面内で均一性良く、ほぼ
単結晶に近い電気特性に優れた多結晶化シリコン膜が得
られた。

【００４２】（実施例２）図２（ａ）〜（ｄ）は、実施
例２の半導体基板の製造方法の概要を示すプロセス断面
図である。

【００４３】まず、図２（ａ）に示すように、ガラス等
の絶縁性基板表面を洗浄後、スパッタリング装置を用い
て二酸化シリコンを厚み２００ｎｍ程度に堆積し、ベー
スコート膜２０１を形成する。

【００４４】その上に、化学気相成長法（ＣＶＤ法）ま
たはスパッタリング法により厚み１００ｎｍ程度の非晶
質シリコン膜を堆積させる。

【００４５】この非晶質シリコン膜に結晶化を助長する
触媒元素としてニッケルを導入後、基板全体に５５０℃
の温度で加熱処理を行う。この加熱処理により３〜１０
分程度で結晶核が発生し、その後、この結晶核を中心と
して放射状に針状または柱状の結晶成長が起こる。図２
（ａ）は、この針状または柱状結晶領域２０２を横断す
る方向に基板を切断した場合の断面図であり、２０３は
結晶粒界部分の非晶質シリコン領域を示す。

【００４６】次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン
膜表面の酸化を行う。この図において、２０４は酸化
膜、２０５は表面酸化前のシリコン膜表面、２０６は表
面酸化後のシリコン膜表面を示す。本実施例では、水蒸
気雰囲気中で６００℃、１２時間の熱酸化を行った。こ
の熱酸化によりシリコン膜の膜厚は約１０ｎｍ減少し
た。ここで、特にシリコン膜とシリコン酸化膜との界面
２０６に着目すると、結晶質部分よりも非晶質部分（斜
線部）の方が酸化速度が速いので結晶粒界部分でより深
くまで酸化が進行している。また、ニッケル濃度が高い
結晶粒界部分での酸化が速く進行するので、シリコン膜
中に含まれるニッケル濃度を減少させることができる。
ＳＩＭＳ解析の結果、１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程
度から１×１０^{1 8}ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで減少し
たことが確認された。

【００４７】この状態の基板に、図２（ｃ）に示すよう
に、高エネルギー光としてエキシマレーザー光２０７を
照射すると、結晶粒界部分の非晶質シリコン領域２０３
が結晶中に取り込まれる。この図において、２０８は新
しい結晶粒界面であり、破線２０９はレーザー照射前の
結晶粒界面である。この実施例では、シリコン膜中に含
まれる濃度が上記表面酸化工程により低減されているの
で、レーザー光照射によるニッケルの析出は見られなか
った。

【００４８】その後、図２（ｄ）に示すように、表面の
酸化膜２０４を取り除く。この時、酸化膜と共にニッケ
ル元素が取り除かれる。また、シリコン膜表面の汚染物
質も同時に除去することができる。

【００４９】以上により、基板面内で均一性良く、ほぼ
単結晶に近い電気特性に優れた結晶性シリコン膜が得ら
れた。

【００５０】（実施例３）図３（ａ）〜（ｆ）は、実施
例３の半導体基板の製造方法の概要を示すプロセス断面
図である。

【００５１】まず、図３（ａ）に示すように、ガラス等
の絶縁性基板表面を洗浄後、スパッタリング装置を用い
て二酸化シリコンを厚み２００ｎｍ程度に堆積し、ベー
スコート膜３０１を形成する。

【００５２】その上に、化学気相成長法（ＣＶＤ法）ま
たはスパッタリング法により厚み１００ｎｍ程度の非晶
質シリコン膜３０２を堆積させる。この非晶質シリコン
膜の厚みは、２０〜１５０ｎｍの範囲とすることができ
る。

【００５３】次に、この非晶質シリコン膜３０２中、領
域３０３に結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを
選択的に導入する。図３（ａ）は、この状態の断面図で
ある。

【００５４】その後、基板全体に５５０℃の温度で加熱
処理を行うと、３〜１０分程度で結晶核が発生し、さら
に、この結晶核を中心として放射状に針状または柱状の
結晶成長が起こる。この針状または柱状結晶は、やが
て、図３（ｂ）に矢印３０４で示すように、領域３０３
から外側（非導入領域）に向かって基板表面に沿って成
長して行く。尚、ニッケルの選択的導入は、シリコン膜
上に、選択注入用のマスクを形成した状態で、Ｎｉまた
はＮｉ−Ｓｉ化合物をスパッタ法等によって成膜した
後、シリコン膜中にＮｉを拡散させる方法、Ｎｉ電極を
有するプラズマチャンバ内でプラズマ処理によりＮｉを
表面に堆積させた後、シリコン膜中に拡散させる方法、
またはイオンドープによりＮｉを注入する方法等により
行うことができる。

【００５５】図３（ｃ）に、加熱処理による結晶化が終
了した状態の基板断面図を示す。ニッケルの選択的導入
領域３０３に対して外側に針状または柱状の結晶領域
（ラテラル成長領域）３０５が存在し、さらにその外側
に結晶成長端領域３０６が存在する。ここで、選択的導
入領域３０３と結晶成長端領域３０６とは、針状または
柱状結晶領域３０５に比べてニッケル濃度が高くなって
いる。

【００５６】図３（ｄ）に、図３（ｃ）中に一点破線で
示した部分を紙面に垂直な面で切断した場合の断面図を
示す。この図において、３０７は針状または柱状結晶領
域を示し、３０８は核結晶粒界部の残存した非晶質シリ
コン領域を示す。

【００５７】次に、図３（ｅ）に示すように、シリコン
膜表面の酸化を行う。この図において、３０９は酸化
膜、３１０は表面酸化前のシリコン膜表面、３１１は表
面酸化後のシリコン膜表面を示す。本実施例では、水蒸
気雰囲気中で６００℃、１２時間の熱酸化を行った。こ
の熱酸化によりシリコン膜の膜厚は約１０ｎｍ減少し
た。ここで、特にシリコン膜とシリコン酸化膜との界面
３１１に着目すると、結晶領域３０７よりも非晶質部分
の方が酸化速度が速いので結晶粒界領域３０８でより深
くまで酸化が進行している。また、ニッケル濃度が高い
結晶粒界領域３０８や結晶成長端での酸化が速く進行す
るので、シリコン膜中に含まれるニッケル濃度を減少さ
せることができる。ＳＩＭＳ解析の結果、ニッケル元素
の選択的導入領域３０３および結晶成長端部３０６では
１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度から１×１０¹⁸ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで減少し、針状または柱状結晶
成長領域３０５では１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度
から４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで減少した
ことが確認された。

【００５８】その後、図３（ｆ）に示すように、表面の
酸化膜３０９を取り除く。この時、酸化膜と共にニッケ
ル元素が取り除かれる。また、シリコン膜表面の汚染物
質も同時に除去することができる。

【００５９】この状態の基板に、高エネルギー光として
エキシマレーザー光３１２を照射すると、結晶粒界部分
の非晶質シリコン領域３０８が結晶中に取り込まれる。
この図において、３１４は新しい結晶粒界面であり、破
線３１３はレーザー照射前の結晶粒界面である。この実
施例では、シリコン膜中に含まれる濃度が上記表面酸化
工程により低減されているので、レーザー光照射による
ニッケルの析出は見られなかった。

【００６０】以上により、基板面内で均一性良く、ほぼ
単結晶に近い電気特性に優れた結晶性シリコン膜が得ら
れた。また、この結晶性シリコン膜の領域３０５では、
触媒元素導入領域３０３から非導入領域（外側）に向か
って針状または柱状結晶の成長方向が制御されていた。

【００６１】（実施例４）図４（ａ）〜（ｆ）は、実施
例３の半導体基板の製造方法の概要を示すプロセス断面
図である。

【００６２】まず、図４（ａ）に示すように、ガラス等
の絶縁性基板表面を洗浄後、スパッタリング装置を用い
て二酸化シリコンを厚み２００ｎｍ程度に堆積し、ベー
スコート膜４０１を形成する。

【００６３】その上に、化学気相成長法（ＣＶＤ法）ま
たはスパッタリング法により厚み１００ｎｍ程度の非晶
質シリコン膜４０２を堆積させる。

【００６４】次に、この非晶質シリコン膜４０２中、領
域４０３に結晶化を助長する触媒元素としてニッケルを
選択的に導入する。図４（ａ）は、この状態の断面図で
ある。

【００６５】その後、基板全体に５５０℃の温度で加熱
処理を行うと、３〜１０分程度で結晶核が発生し、さら
に、この結晶核を中心として放射状に針状または柱状の
結晶成長が起こる。この針状または柱状結晶は、やが
て、図４（ｂ）に矢印４０４で示すように、領域４０３
から外側（非導入領域）に向かって基板表面に沿って成
長して行く。

【００６６】図４（ｃ）に、加熱処理による結晶化が終
了した状態の基板断面図を示す。ニッケルの選択的導入
領域４０３に対して外側に針状または柱状結晶領域（ラ
テラル成長領域）４０５が存在し、さらにその外側に結
晶成長端領域４０６が存在する。ここで、選択的導入領
域４０３と結晶成長端領域４０６とは、針状または柱状
の結晶領域４０５に比べてニッケル濃度が高くなってい
る。

【００６７】図４（ｄ）に、図４（ｃ）中に一点破線で
示した部分を紙面に垂直な面で切断した場合の断面図を
示す。この図において、４０７は針状または柱状結晶領
域を示し、４０８は核結晶粒界部の非晶質残存部分を示
す。

【００６８】次に、図４（ｅ）に示すように、シリコン
膜表面の酸化を行う。この図において、４０９は酸化
膜、４１０は表面酸化前のシリコン膜表面、４１１は表
面酸化後のシリコン膜表面を示す。本実施例では、水蒸
気雰囲気中で６００℃、１２時間の熱酸化を行った。こ
の熱酸化によりシリコン膜の膜厚は約１０ｎｍ減少し
た。ここで、特にシリコン膜とシリコン酸化膜との界面
４１１に着目すると、結晶質部分４０７よりも非晶質部
分の方が酸化速度が速いので結晶粒界部分４０８でより
深くまで酸化が進行している。また、ニッケル濃度が高
い結晶粒界部分４０８や結晶成長端での酸化が速く進行
するので、シリコン膜中に含まれるニッケル濃度を減少
させることができる。ＳＩＭＳ解析の結果、ニッケル元
素の選択的導入領域４０３および結晶成長端部４０６で
は１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度から１×１０¹⁸ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで減少し、針状または柱状結
晶成長領域４０５では１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程
度から４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度にまで減少し
たことが確認された。

【００６９】この状態の基板に、図４（ｆ）に示すよう
に、高エネルギー光としてエキシマレーザー４１２を照
射すると、結晶粒界部分の非晶質部分４０８が結晶中に
取り込まれる。この図において、４１４は新しい結晶粒
界面であり、破線４１３はレーザー照射前の結晶粒界面
である。この実施例では、シリコン膜中に含まれる濃度
が上記表面酸化工程により低減されているので、レーザ
ー光照射によるニッケルの析出は見られなかった。

【００７０】その後、表面の酸化膜４０９を取り除く。
この時、酸化膜と共にニッケル元素が取り除かれる。ま
た、シリコン膜表面の汚染物質も同時に除去することが
できる。

【００７１】以上により、基板面内で均一性良く、ほぼ
単結晶に近い電気特性に優れた結晶性シリコン膜が得ら
れた。また、この結晶性シリコン膜の領域４０５では、
触媒元素導入領域４０３から非導入領域（外側）に向か
って針状または柱状結晶の成長方向が制御されていた。

【００７２】上記実施例１〜４で得られた結晶性シリコ
ン膜をＴＦＴの活性領域として半導体装置を作製する
と、ほぼ単結晶シリコンに極めて近い良好な結晶性を有
する結晶性シリコン膜をＴＦＴの活性領域とすることが
できるので高い電界効果移動度を得ることができる。こ
の結晶性シリコン膜は触媒元素濃度が低いので、オフ特
性の劣化が生じず、作製時に触媒元素の析出がないので
電流リークや移動度の劣化、コンタクト不良等が生じな
い。よって、信頼性および電気的安定性に優れた半導体
装置を得ることができる。

【００７３】（実施例５）この実施例では、実施例３ま
たは４と同様にして作製した半導体基板上に、図５に示
すような配置でＴＦＴを作製した。

【００７４】この図において、５０１は結晶化を助長す
る触媒元素の選択的導入領域を示す。触媒元素の導入
後、基板全体に加熱処理を行うと３〜１０分程度で領域
５０１内に結晶核が発生し、さらに加熱を続けるとこの
結晶核を中心として放射状に針状または柱状の結晶成長
が起こる。この針状または柱状結晶は、やがて、矢印５
０３に示すように、領域５０１から外側（非導入領域）
に向かって基板表面に沿って成長して行く。曲線５０２
は、加熱処理終了時の結晶成長端を示す。

【００７５】この半導体装置において、ＴＦＴは、触媒
元素の選択導入領域５０１の外側である領域５０４に配
置されており、上述した作用の欄で説明した理由により
良好な電気特性を有するＴＦＴを得ることができる。

【００７６】（実施例６）この実施例では、実施例３ま
たは４と同様にして作製した半導体基板上に、図６に示
すような配置でＴＦＴを作製した。

【００７７】この図において、６０１は結晶化を助長す
る触媒元素の選択的導入領域を示す。触媒元素の導入
後、基板全体に加熱処理を行うと３〜１０分程度で領域
６０１内に結晶核が発生し、さらに加熱を続けるとこの
結晶核を中心として放射状に針状または柱状の結晶成長
が起こる。この針状または柱状結晶は、やがて、矢印６
０３に示すように、領域６０１から外側（非導入領域）
に向かって基板表面に沿って成長して行く。曲線６０２
は、加熱処理終了時の結晶成長端を示す。

【００７８】この半導体装置において、ＴＦＴは、触媒
元素の選択導入領域６０１の外側で、かつ、結晶成長端
６０２の内側である領域６０４に配置されており、上述
した作用の欄で説明した理由により、良好な電気特性を
有するＴＦＴを得ることができる。

【００７９】以上、本発明の実施例について具体的に説
明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、本発明の技術思想に基づいて各種の変形が可能であ
る。

【００８０】上記実施例において、ベースコート膜に必
要な膜厚は基板の表面状態によって異なり、十分に平坦
でかつナトリウムイオン等の半導体特性に悪影響を与え
るイオン濃度が十分に低い基板であれば、省略すること
も可能である。逆に、表面の状態が悪く、傷や凹凸の激
しい基板であれば、上記膜厚よりも厚く堆積させる必要
がある。

【００８１】結晶化を助長する触媒元素としてはニッケ
ルを例に挙げているが、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｆ
ｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、ＡｓおよびＳ
ｂのうち、少なくとも一種であればいずれを用いてもよ
い。

【００８２】シリコン膜の酸化方法としては、ＨＣｌや
ハロゲンガスあるいは酸素ガスを用いた熱酸化等、他の
方法を用いても同様の効果を得ることができる。

【００８３】高エネルギー光の光源としてはエキシマレ
ーザーを用いているが、ハロゲンランプや連続波レーザ
ー等他の光源を用いてもよい。エキシマレーザーにはエ
ネルギー密度の高い光を容易に得ることができるという
利点があり、また、ハロゲンランプには大面積に渡って
同時に光を照射できるのでプロセススループットを向上
できるという利点がある。

【００８４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、結晶化を助長する触媒元素を導入して非晶質
膜を結晶化させているので、プロセス温度を５５０℃程
度の低温に抑えて短時間の処理により結晶性半導体膜を
作製することができる。この際、触媒元素を選択的に導
入することにより、結晶成長方向を制御することができ
る。また、結晶化された半導体膜表面を酸化することに
より触媒元素濃度を低減し、膜表面の汚染物質除去も同
時に行うことができる。さらに、高エネルギー光を照射
して粒界処理を行うことにより、ほぼ単結晶に近い良好
な結晶性半導体膜を得ることができる。

【００８５】この結晶性半導体膜を用いてＴＦＴを作製
すると、オン・オフ比が大きく、低リーク電流・高移動
度のＴＦＴとすることができ、信頼性および電気的安定
性に優れた半導体装置を提供することができる。

【００８６】また、最高プロセス温度を６００℃程度に
抑え、結晶化時間を短縮できるので、近年量産化が実現
し始めている歪み点６５０℃程度の板ガラスを基板とし
て利用できる。よって、直視タイプのドライバモノリシ
ック型大画面液晶表示装置の量産を実現化能にすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体基板の製造方法を示すプロセ
ス断面図である。

【図２】実施例２の半導体基板の製造方法を示すプロセ
ス断面図である。

【図３】実施例３の半導体基板の製造方法を示すプロセ
ス断面図である。

【図４】実施例４の半導体基板の製造方法を示すプロセ
ス断面図である。

【図５】実施例５の半導体装置におけるＴＦＴの作製領
域の配置図である。

【図６】実施例６の半導体装置におけるＴＦＴの作製領
域の配置図である。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１、４０１ ベースコート膜 １０２、２０２、３０５、３０７、４０５、４０７ 針
状または柱状結晶領域 １０３、２０３、３０８ 非晶質シリコン領域（結晶粒
界領域） ４０８ 非晶質残存部分（結晶粒界部分） １０４、２０４、３０９、４０９ 酸化膜 １０５、２０５、３１０、４１０ 表面酸化前のシリコ
ン膜表面 １０６、２０６、３１１、４１１ 表面酸化後のシリコ
ン膜表面（界面） １０７、２０７、３１２、４１２ エキシマレーザー光 １０８、２０８、３１３、４１３ 結晶粒界面 １０９、２０９、３１４、４１４ 結晶粒界面 ３０２、４０２ シリコン膜 ３０３、４０３ 選択導入領域（領域） ３０４、４０４ 矢印（成長方向） ３０６、４０６ 結晶成長端領域

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板もしくは表面に絶縁膜が堆積
   された基板上に、結晶性を有する半導体膜が形成された
   半導体基板の製造方法であって、 基板上に少なくとも非晶質半導体膜を形成する工程と、 該非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を、該非
   晶質半導体膜に導入する工程と、 該基板全体を加熱することにより非晶質半導体膜を結晶
   化させる工程と、 結晶化された半導体膜表面を酸化する工程と、 酸化された半導体膜に高エネルギー光を照射する工程と
   を含む半導体基板の製造方法。
2. 【請求項２】 絶縁性基板もしくは表面に絶縁膜が堆積
   された基板上に、結晶性を有する半導体膜が形成された
   半導体基板の製造方法であって、 基板上に少なくとも非晶質半導体膜を形成する工程と、 該非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を、該非
   晶質半導体膜の一部に選択的に導入する工程と、 該基板全体を加熱することにより非晶質半導体膜を結晶
   化させる工程と、 結晶化された半導体膜表面を酸化する工程と、 酸化された半導体膜に高エネルギー光を照射する工程と
   を含む半導体基板の製造方法。
3. 【請求項３】 絶縁性基板もしくは表面に絶縁膜が堆積
   された基板上に、結晶性を有する半導体膜を用いた薄膜
   トランジスタが作製された半導体装置の製造方法であっ
   て、 基板上に少なくとも非晶質半導体膜を形成する工程と、 該非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を、該非
   晶質半導体膜の一部に選択的に導入する工程と、 該基板全体を加熱することにより非晶質半導体膜を結晶
   化させる工程と、 結晶化された半導体膜表面を酸化する工程と、 酸化された半導体膜に高エネルギー光を照射する工程
   と、 該触媒元素が選択的に導入された領域と薄膜トランジス
   タの作製領域とが重ならないように薄膜トランジスタを
   作製する工程とを含む半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 絶縁性基板もしくは表面に絶縁膜が堆積
   された基板上に、結晶性を有する半導体膜を用いた薄膜
   トランジスタが作製された半導体装置の製造方法であっ
   て、 基板上に少なくとも非晶質半導体膜を形成する工程と、 該非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を、該非
   晶質半導体膜の一部に選択的に導入する工程と、 該基板全体を加熱することにより非晶質半導体膜を結晶
   化させる工程と、 結晶化された半導体膜表面を酸化する工程と、 酸化された半導体膜に高エネルギー光を照射する工程
   と、 該触媒元素が選択的に導入された領域と薄膜トランジス
   タの作製領域とが重ならないように、かつ、薄膜トラン
   ジスタの作製領域が該半導体膜の結晶成長端よりも内側
   になるように薄膜トランジスタを作製する工程と、 を含む半導体装置の製造方法。