JPH08316143A

JPH08316143A - 半導体の作製方法

Info

Publication number: JPH08316143A
Application number: JP14535095A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Satoshi Teramoto; 聡寺本
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1996-11-29
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: JP3859744B2

Abstract

(57)【要約】【目的】非晶質珪素膜をガラス基板が耐えるような温
度での工程ですむような工程を提供する。【構成】ガラス基板上に気相法で形成された非晶質珪
素膜に対して、マイクロ波の照射による加熱を行い、結
晶性珪素膜を得る。この際、非晶質珪素膜に接して珪素
の結晶化を助長する金属元素を接して保持させる。

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、ガラ
ス基板等の絶縁表面を有する基板上に形成される薄膜半
導体の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜半導体を用いた半導体装置と
して、薄膜トランジスタが注目されている。特に液晶電
気光学装置に薄膜トランジスタを搭載する構成が注目さ
れている。これは液晶電気光学装置を構成するガラス基
板上に薄膜半導体を成膜し、この薄膜半導体を用いて薄
膜トランジスタを構成するものである。この場合、薄膜
トランジスタは、液晶電気光学装置の各画素電極に配置
され、画素電極に出入りする電荷を制御するスイッチン
グ素子としての機能を有する。このような構成は、アク
ティブマトリクス型の液晶表示装置と呼ばれ、非常に高
品質な画像を表示することができる。

【０００３】薄膜トランジスタに使用される薄膜半導体
としては、非晶質珪素薄膜が主に利用されている。しか
し、非晶質珪素薄膜を利用したものでは、必要とする特
性が得られないのが現状である。

【０００４】非晶質珪素膜の特性を高めるには、非晶質
珪素膜を結晶化させ、結晶性珪素膜とすることが有用で
ある。結晶性珪素膜を得る方法としては、非晶質珪素膜
をプラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で形成した後、加
熱処理を加える方法が知られている。

【０００５】一方で、アクティブマトリクス型の液晶電
気光学装置に薄膜トランジスタを利用する場合、経済性
の観点から基板としてガラス基板を利用する必要がある
という問題がある。

【０００６】非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させる
には、６００℃以上の温度で数十時間以上の加熱処理を
行わねばならない。一方でガラス基板は、６００℃以上
の加熱を数十時間以上加えると反り返ったり変形してし
まう。このことは、ガラス基板が大面積化した場合に特
に顕著になる。液晶電気光学装置は、数μｍの間隔を有
して張り合わせられたガラス基板間に液晶を挟んで保持
する構成が必要とされるので、ガラス基板の変形は、表
示ムラ等の原因となり好ましくない。

【０００７】この問題を回避するためには、基板として
石英基板や高い温度の加熱処理に耐える特殊なガラス基
板を利用すればよい。しかし、石英基板や高温に耐える
特殊ばガラス基板は高価であり、生産コストの点から利
用することは困難である。

【０００８】またレーザー光の照射によって、非晶質珪
素膜を結晶化させる技術が知られている。レーザー光の
照射を利用した場合は、局部的に非常に結晶性の良好な
結晶性珪素膜を得ることができる半面、膜全体において
レーザー光の照射の効果の均一性がえられにくい。また
得られた結晶性珪素膜においても工程毎にバラツキが多
い（換言すれば再現性が低い）という問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本明細書に開示する発
明においては、良好な結晶性を有した結晶性珪素膜を得
る方法を提供することを課題とする。特に基板としてガ
ラス基板を利用した場合に結晶性の良好な結晶性珪素膜
を得ることを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
の一つは、絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を形
成する工程と、該工程の前また後において、前記非晶質
珪素膜の裏面または表面に珪素の結晶化を助長する金属
元素を接して保持させる工程と、前記非晶質珪素膜に対
してマイクロ波を照射し、表皮効果による前記非晶質珪
素膜の表面を選択的に加熱し結晶性珪素膜に変成する工
程と、を有することを特徴とする。

【００１１】上記構成において、絶縁表面を有する基板
としては、代表的にはガラス基板を挙げることができ
る。本明細書で開示する発明は、加熱に弱いガラス基板
を利用した場合に有用なものとなる。またガラス基板の
他には、石英基板や絶縁膜が形成された半導体基板を利
用することができる。

【００１２】非晶質珪素膜としては、プラズマＣＶＤ法
または減圧熱ＣＶＤ法で成膜されたものを用いることが
できる。特に減圧熱ＣＶＤ法で成膜された珪素膜は、膜
中の水素量が少なく、結晶化を行わすことが容易な膜と
なるので都合がよい。

【００１３】珪素の結晶化を助長する金属元素として
は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉ
ｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ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ができる。

【００１４】上記金属元素の中で、特にＮｉ（ニッケ
ル）を利用することが有用である。Ｎｉは、実験的にそ
の効果の再現性が極めて高く得られている。

【００１５】金属元素の導入を行うには、金属元素を含
む溶液を塗布する方法を用いることが好ましい。非晶質
珪素膜の裏面に当該金属元素を接して保持させるのであ
れば、非晶質珪素膜を成膜する前にその被形成面上に金
属元素を接して保持させる。また、非晶質珪素膜の表面
に金属元素を保持させるのであれば、非晶質珪素膜を成
膜後に金属元素を接して保持させればよい。また、これ
ら金属元素は、最終的に素膜中に１×１０¹⁶〜１×１０
¹⁹原子ｃｍ^-3の濃度で含まれるように工夫することが重
要である。この金属元素の濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオ
ン分析方法）で得られる最小値として定義される。

【００１６】以下に金属元素を溶液を用いて導入する場
合について説明する。例えば、金属元素としてＮｉを利
用する場合は、ニッケル化合物である臭化ニッケル、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、２−エチルヘキサン酸ニッケルからから選ばれた少
なくとも１種類を用いることができる。即ちこれらの溶
液を非晶質珪素膜の被形成面上や非晶質珪素膜上に塗布
することで、ニッケル元素の導入を行うことができる。

【００１７】また、Ｎｉを無極性溶媒である、ベンゼ
ン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、クロロホルム、
エ−テル、トリクロロエチレン、フロンに含ませたもの
を用いてもよい。

【００１８】また金属元素としてＦｅ（鉄）を用いる場
合は、鉄塩として知られている材料、例えば臭化第１鉄
（ＦｅＢｒ₂ ６Ｈ₂ Ｏ）、臭化第２鉄（ＦｅＢｒ₃ ６Ｈ
₂ Ｏ）、酢酸第２鉄（Ｆｅ（Ｃ₂ Ｈ₃ Ｏ₂)₃xＨ₂ Ｏ）、
塩化第１鉄（ＦｅＣｌ₂ ４Ｈ ₂ Ｏ）、塩化第２鉄（Ｆｅ
Ｃｌ₃ ６Ｈ₂ Ｏ）、フッ化第２鉄（ＦｅＦ₃ ３Ｈ₂
Ｏ）、硝酸第２鉄（Ｆｅ（ＮＯ₃)₃ ９Ｈ₂ Ｏ）、リン酸
第１鉄（Ｆｅ₃ （ＰＯ₄)₂８Ｈ₂ Ｏ）、リン酸第２鉄
（ＦｅＰＯ₄ ２Ｈ₂ Ｏ）から選ばれたものを用いること
ができる。

【００１９】また金属元素としてＣｏ（コバルト）を用
いる場合は、コバルト塩として知られている材料、例え
ば臭化コバルト（ＣｏＢｒ６Ｈ₂ Ｏ）、酢酸コバルト
（Ｃｏ（Ｃ₂ Ｈ₃ Ｏ₂)₂ ４Ｈ₂ Ｏ）、塩化コバルト（Ｃ
ｏＣｌ₂ ６Ｈ₂ Ｏ）、フッ化コバルト（ＣｏＦ₂ xＨ₂
Ｏ）、硝酸コバルト（Ｃｏ（Ｎｏ₃)₂ ６Ｈ₂ Ｏ）から選
ばれたものを用いることができる。

【００２０】また金属元素としてＲｕ（ルテニウム）を
用いる場合は、ルテニウム塩として知られている材料、
例えば塩化ルテニウム（ＲｕＣｌ₃ Ｈ₂ Ｏ）を用いるこ
とができる。

【００２１】また金属元素してＲｈ（ロジウム）を用い
る場合は、ロジウム塩として知られている材料、例えば
塩化ロジウム（ＲｈＣｌ₃ ３Ｈ₂ Ｏ）を用いることがで
きる。

【００２２】また金属元素としてＰｄ（パラジウム）を
用いる場合は、パラジウム塩として知られている材料、
例えば塩化パラジウム（ＰｄＣｌ₂ ２Ｈ₂ Ｏ）を用いる
ことができる。

【００２３】また金属元素としてＯｓ（オスニウム）を
用いる場合は、オスニウム塩として知られている材料、
例えば塩化オスニウム（ＯｓＣｌ₃ ）を用いることがで
きる。

【００２４】また金属元素としてＩｒ（イリジウム）を
用いる場合は、イリジウム塩として知られている材料、
例えば三塩化イリジウム（ＩｒＣｌ₃ ３Ｈ₂ Ｏ）、四塩
化イリジウム（ＩｒＣｌ₄ ）から選ばれた材料を用いる
ことができる。

【００２５】また金属元素としてＰｔ（白金）を用いる
場合は、その化合物として白金塩として知られている材
料、例えば塩化第二白金（ＰｔＣｌ₄ ５Ｈ₂ Ｏ）を用い
ることができる。

【００２６】また金属元素としてＣｕ（銅）を用いる場
合は、酢酸第二銅（Ｃｕ（ＣＨ₃ ＣＯＯ）₂ ）、塩化第
二銅（ＣｕＣｌ₂ ２Ｈ₂ Ｏ）、硝酸第二銅（Ｃｕ（ＮＯ
₃)₂３Ｈ₂ Ｏ）から選ばれた材料を用いることができ
る。

【００２７】また金属元素として金を用いる場合は、三
塩化金（ＡｕＣｌ₃ xＨ₂ Ｏ）、塩化金塩（ＡｕＨＣｌ
₄ ４Ｈ₂ Ｏ）から選ばれた材料を用いることができる。

【００２８】このような溶液を用いた方法は、当該金属
元素を非晶質珪素膜に接して分散させて保持させること
ができるので、均一な結晶化を行わすために非常に有用
なものとなる。またその濃度を制御することが容易とな
るので有用である。

【００２９】マイクロ波としては、１〜１０ＧＨｚの周
波数のものを用いることが適当である。非晶質珪素膜に
マイクロ波を照射することにより、非晶質珪素膜を結晶
性珪素膜に変成できるのは、マイクロ波が珪素と水素と
の結合（Ｓｉ−Ｈ結合）に吸収され、その結果非晶質珪
素膜が加熱されるからである。またガラス基板を用いた
場合、マイクロ波は表皮効果によって、非晶質珪素膜の
表面に吸収されるので、ガラス基板を直接加熱すること
がないという特徴を有する。これは、加熱に弱いガラス
基板を用いる場合に有用なこととなる。

【００３０】またガラス基板上に形成された非晶質珪素
膜に対して、非晶質珪素膜の表面側からマイクロ波を照
射し加熱した場合、結晶成長が膜の表面から進行するの
で、一様な結晶成長を行わすことができる。

【００３１】図９に示すのは、ガラス基板９０１上に下
地膜の酸化珪素膜９０２を成膜し、さらに非晶質珪素膜
９０３をプラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で成膜し、
さらにヒータによる加熱によって非晶質珪素膜９０３を
結晶化させる状態を示した概略図である。

【００３２】このような場合、熱容量の大きいガラス基
板９０１側から熱電導があること、下地膜の酸化珪素膜
９０２と非晶質珪素膜９０３との界面に結晶化に際して
の核となる欠陥や応力が存在していること、等の原因に
より、結晶成長は矢印９０４で示されるように、基板側
から進行する。この際、結晶成長の核となる部分は不均
一に存在しているので、結晶成長も不均一なものとなっ
てしまう。

【００３３】一方、図１０に示すのは、ガラス基板９０
１上に下地膜の酸化珪素膜９０２を成膜し、さらに非晶
質珪素膜９０３をプラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で
成膜し、さらに９０６で示されるマイクロ波の照射によ
って非晶質珪素膜９０３を結晶化させる状態を示した概
略図である。

【００３４】この場合、マイクロ波９０６が非晶質珪素
膜９０３の表面に選択的に吸収されるので、加熱は非晶
質珪素膜９０３の表面から選択的に行われることにな
る。そして、結晶成長も９０５で示されるように非晶質
珪素膜の表面から進行することになる。この結晶化の工
程は、図９に示す場合と異なり、下地や基板との界面の
影響を受けることがないので、均一な結晶成長とするこ
とができる。

【００３５】他の発明の構成は、絶縁表面を有する基板
上に非晶質珪素膜を形成する工程と、該工程の前また後
において、前記非晶質珪素膜の裏面または表面に珪素の
結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
高真空雰囲気中において、前記非晶質珪素膜に対してマ
イクロ波を照射し結晶性珪素膜に変成する工程と、を有
することを特徴とする。

【００３６】上記構成における高真空状態とは、でき得
る限り高い真空度に保つ状態のことをいう。この状態
は、使用する排気ポンプの性能やメンテナンス状態、さ
らには使用する真空チャンバーによって異なるものであ
る。しかし、可能限り高い真空度にすることが重要とな
る。

【００３７】でき得る限り高い真空度にするのは、マイ
クロ波の照射によって、プラズマが発生しないようにす
るためである。プラズマが発生すると、プラズマ中のイ
オンや活性種によって膜がエッチングされ、また膜中に
欠陥が形成されてしまうので、良質な結晶性珪素膜を得
るためには都合が悪い。

【００３８】他の発明の構成は、絶縁表面を有する基板
上に非晶質珪素膜を形成する工程と、該工程の前また後
において、前記非晶質珪素膜の裏面または表面に珪素の
結晶化を助長する金属元素を接して保持させる工程と、
プラズマを生成させない雰囲気中において、前記非晶質
珪素膜に対してマイクロ波を照射し結晶性珪素膜に変成
する工程と、を有することを特徴とする。

【００３９】プラズマを生成させない雰囲気としては、
でき得る限り高真空状態とする場合を挙げることができ
る。（最も完全な高真空でない限り、大電力の投入によ
ってプラズマが生成される）

【００４０】また空気等はプラズマが生成されにくい雰
囲気といえる。しかし、プラズマの生成されるされない
というのは、投入されるマイクロ波の周波数や電力によ
って異なる問題である。よってここでは、プラズマが生
成されない状態というのは、プラズマの発光が目視で確
認できない状態である、という定義を採用することとす
る。

【００４１】

【作用】気相法で成膜された非晶質珪素膜に対して、高
真空中においてマイクロ波の照射による加熱を行うこと
によって、非晶質珪素膜の結晶化を行うことができる。
マイクロ波は、珪素と水素との結合に吸収され易く、本
質的に水素を多量に含んだ非晶質珪素膜には選択的に吸
収される。特に表皮効果によって、非晶質珪素膜の表面
に選択的にマイクロ波は吸収される。そして、非晶質珪
素膜はその表面から選択的に加熱されることなる。この
加熱のエネルギーによって、膜中からの水素分子の離脱
が促進され、珪素分子同士の結合の割合が増加してい
く。そして、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成するこ
とができる。また、珪素の結晶化を助長する金属元素を
利用することで、この結晶化の工程の再現性を高くする
ことができる。また、珪素の結晶化を助長する金属元素
を利用することで、高い結晶性を得ることができる。

【００４２】また、予め非晶質珪素膜に対して加熱処理
を行い、膜中から水素を離脱させておくと、マイクロ波
の照射による結晶化をより高い再現性でもって行うこと
ができる。また、より高い結晶性を得ることができる。
また、このマイクロ波の照射の後、さらに加熱やレーザ
ー光の照射を行うことは、結晶性珪素膜を得る再現性
（所定の膜質を得る安定性）を高める上で効果がある。

【００４３】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例は、ガラス基板上に結晶性珪素膜
を形成する構成に関する。まずガラス基板上に下地膜と
して酸化珪素膜を成膜する。この酸化珪素膜は、ガラス
基板中からの不純物の拡散を防止するために機能する。
また、ガラス基板と半導体膜との間で生じる応力の緩和
を行うために機能する。この酸化珪素膜は、プラズマＣ
ＶＤ法やスパッタ法によって３０００Å程度の厚さに成
膜すればよい。

【００４４】次に非晶質珪素膜を成膜する。非晶質珪素
膜は、プラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法で成膜す
ればよい。非晶質珪素膜の厚さは、必要とする厚さとす
ればよいが、ここでは５００Åとする。

【００４５】非晶質珪素膜を成膜したら、所定のニッケ
ル濃度に濃度制御したニッケル酢酸円溶液をスピンコー
ト法で塗布する。そして、２．４５ＧＨｚのマイクロ波
を照射し、非晶質珪素膜を加熱する。

【００４６】図１に非晶質珪素膜に対して、マイクロ波
の照射を行うための装置の概要を示す。図１に示す装置
は、発振器１０４で発生される2.45ＧＨz のマイクロ波
（出力５ｋＷ）を基板ホルダー１０６上に配置された非
晶質珪素膜が成膜されたガラス基板１０７に照射し、ガ
ラス基板１０７上の非晶質珪素膜を結晶化させる装置で
ある。

【００４７】マイクロ波の照射による処理を行うには、
まず真空チャンバー１０３内に基板１０７を配置する。
基板１０７は、基板ホルダー１０６に配置される。基板
ホルダー１０６は、調整棒１０８によって、前後させる
ことができる。これは、チャンバー内に発生する定常波
の状態によっては、基板の配置位置が重要になるからで
ある。本実施例においては、マイクロ波の電界強度が最
大となる領域に基板１０７を配置する。

【００４８】基板１０７を配置したら、チャンバーを閉
鎖し、窒素ガスによって、内部をパージする。そして排
気ポンプ１０５を用いて、高真空状態とする。排気ポン
プは、ターボ分子ポンプ等の高真空排気するものを用い
ることが望ましい。また、ターボ分子ポンプの種類によ
っては、常圧で使用すると、破壊するものがあるので、
その場合は、ロータリポンプを併用すればよい。

【００４９】ここでの高真空状態としては、マイクロ波
によってプラズマが発生しない程度の真空度を有する状
態とすることが必要である。

【００５０】排気ポンプ１０５によって、チャンバー１
０３内を高真空状態としたら、マイクロ波発振器１０４
より２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振させる。マイク
ロ波は、導波管１０２を介して、チャンバー１０３内に
供給される。そして、マイクロ波は基板１０７上の非晶
質珪素膜に照射され、膜の結晶化が行われる。

【００５１】また、基板ホルダー１０６内には、ヒータ
ーが内蔵されており、基板を所定の温度に加熱すること
ができる。ここでは、基板を５５０℃の温度で加熱す
る。この温度は、ガラス基板を用いる場合、その歪点以
下の温度のできるだけ高い温度を選択することが望まし
い。一般的には、４００℃〜ガラス基板の歪点以下の温
度を選択すればよい。また基板としてガラス基板を利用
しない場合は、その基板の耐熱性に鑑みて、この加熱温
度の上限を決めればよい。

【００５２】なお、一般に加熱に際する温度測定は、ガ
ラス基板の裏側で行われるので、ガラス基板上の珪素膜
の温度を正確に測定することは困難である。その場合、
ガラス基板の裏側における温度を加熱の温度として利用
してもよい。

【００５３】非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射す
ることによって、非晶質珪素膜の結晶化を行った後、基
板を装置の外部に取り出し、結晶化の工程を終了させ
る。

【００５４】〔実施例２〕本実施例は、マイクロ波の照
射によって結晶化された珪素膜に対して、加熱をさらに
行う構成に関する。ここで加熱をさらに行うのは、結晶
化の工程のマージンを得るためである。即ち、より高い
再現性でもって、結晶性珪素膜を得るためである。

【００５５】ここで行う加熱は、マイクロ波の照射によ
る結晶化が終了した珪素膜に対して、４００℃〜ガラス
基板の歪点以下の温度で行うことが望ましい。一般的に
は、４００℃〜６００℃の温度で、１〜４時間程度の加
熱処理を行えばよい。加熱の方法は、ヒータによる加熱
や赤外線ランプの照射による方法を採用すればよい。

【００５６】加熱を行うと、膜中の欠陥を減少させるこ
とができる。また、膜の結晶性を向上させることができ
る。一般的には、工程間のバラツキがなく、一定の膜質
を有する結晶性珪素膜を得ることができる。

【００５７】〔実施例３〕本実施例は、マイクロ波の照
射によって結晶化された珪素膜に対して、さらにレーザ
ー光を照射することにより、結晶性の向上と、結晶化工
程におけるマージンの向上を得る構成に関する。

【００５８】一般に非晶質珪素膜に対してレーザー光を
照射して、結晶性珪素膜を得る方法を採用した場合、前
述したように、得られる結晶性珪素膜の膜質の均一性や
工程結果のバラツキといった問題が生じる。

【００５９】しかし、本実施例に示すように、一端結晶
化した珪素膜に対して、さらにレーザー光の照射を行う
場合、結晶性を向上させる作用が得られ、また高い再現
性でもってその作用を得ることができる。

【００６０】非晶質珪素膜にいきなりレーザー光を照射
した場合は、非晶質状態から結晶状態への急激な相変化
が生じてしまう。そして、この急激な相変化に起因し
て、得られる結晶状態の再現性が不安定になってしま
う。

【００６１】しかし、マイクロ波の照射による加熱によ
って一端結晶化した珪素膜に対してレーザー光を照射し
た場合は、急激な相変化が起こらず、その効果を一定な
ものとすることができる。即ち、レーザー光の照射の効
果の再現性を確保することができる。

【００６２】また、レーザー光の照射の際、被照射面を
加熱することは効果がある。この加熱温度は、４００℃
〜６００℃の温度で行うことが好ましい。これは、レー
ザー光の照射に際するエネルギーの衝撃を和らげ、明確
な結晶粒界の形成や、膜表面の荒れを抑えることに効果
がある。また膜中に欠陥が生じてしまうことを防ぐこと
ができる。

【００６３】〔実施例４〕本実施例は、マイクロ波の照
射による非晶質珪素膜の結晶化の後に、さらにレーザー
光の照射による結晶化の向上を行い、さらに加熱による
アニールを加える構成に関する。レーザー光の照射は、
珪素膜中に残存した非晶質成分を結晶化させ、膜の結晶
性を向上させる効果を有する。また、加熱によるアニー
ルは、膜の欠陥を減少させる効果を有している。

【００６４】このような構成を採用すると、工程は増え
るというデメリットはあるが、得られる結晶性珪素膜の
膜質の再現性は非常に高いものとすることができる。

【００６５】また、加熱の後にレーザー光の照射を行
い、さらに加熱を行う構成としてもよい。またさらに、
レーザー光の照射と加熱とを交互に複数回繰り返して行
うのでもよい。このようにすると、得られる結晶性珪素
膜の結晶性の再現性や電気的性質の再現性を高くするこ
とができる。しかし、工程数が増えるので、生産性が低
下するという欠点がある。

【００６６】〔実施例５〕本実施例は、本明細書に開示
する発明を用いて作製された結晶性珪素膜を用いて、薄
膜トランジスタを作製する例を示す。図２に本実施例で
示す薄膜トランジスタの作製工程を示す。まず、ガラス
基板２０１上にスパッタ法により、下地膜として機能す
る酸化珪素膜２０２を３０００Åの厚さに成膜する。次
にプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法により、非晶
質珪素膜２０３を５００Åの厚さに成膜する。（図２
（Ａ））

【００６７】そして非晶質珪素膜上に珪素の結晶化を助
長する金属元素を接して保持させる。ここでは、所定の
濃度に調整したニッケル酢酸塩溶液をスピナーを用いて
塗布することによって、非晶質珪素膜上に珪素の結晶化
を助長する金属元素が接して保持された状態とする。

【００６８】次に非晶質珪素膜に対してマイクロ波の照
射を行う。ここでは、図１に示す装置を用いて、非晶質
珪素膜２０３に対してマイクロ波の照射を行い、非晶質
珪素膜２０３を結晶性珪素膜に変成する。この時、５５
０℃の温度に被形成面を加熱する。またマイクロ波の照
射は、高真空中で行う。

【００６９】なお、基板の位置は調整棒１０８（図１参
照）を操作することによって調整し、基板の位置を電界
強度が最大となる領域に調整する。

【００７０】マイクロ波の照射により、非晶質珪素膜２
０３を結晶化させた後、レーザー光の照射を行い、その
結晶性を向上させる。ここでは、ＫｒＦエキシマレーザ
ーを用いる。このレーザー光は、幅は５ｍｍ、長さが２
０ｃｍの線状のビームに成形されており、そのエネルギ
ー密度は３５０ｍＪ／ｃｍ² とする。また、このレーザ
ー光の照射工程において、被形成面を５５０℃に加熱す
る。

【００７１】こうして、非晶質珪素膜２０３を結晶性珪
素膜に変成する。次に、パターニングを施すことによ
り、図２（Ｂ）に示すように薄膜トランジスタの活性層
２０４を形成する。

【００７２】次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素
膜２０５を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法または
スパッタ法によって成膜する。さらにゲイト電極を構成
するためのアルミニウムを主成分とする膜を６０００Å
の厚さに成膜する。成膜方法は、スパッタ法または電子
ビーム蒸着法を用いればよい。そしてパターニングを施
すことにより、ゲイト電極２０６を形成する。さらに電
解溶液中においてゲイト電極２０６を陽極として陽極酸
化を行うことにより、ゲイト電極の周囲に陽極酸化物層
２０７を形成する。陽極酸化物層の厚さは２０００Åと
する。こうして、図２（Ｂ）に示す状態を得る。

【００７３】次にソース／ドレイン領域を形成するため
の不純物イオンをイオン注入法またはプラズマドーピン
グ法によって加速注入する。この工程においては、ゲイ
ト電極２０６とその周囲の陽極酸化物層２０７がマスク
となることによって、２０８と２１１の領域に不純物イ
オンが注入される。ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トラ
ンジスタを作製するためにＰ（リン）のイオンを注入す
る。また、２０９の領域は、陽極酸化物層２０７がマス
クとなることによって、不純物イオンが注入されない。
また、２１０の領域には、ゲイト電極２０６がマスクと
なることによって、これも不純物イオンが注入されな
い。

【００７４】不純物イオンの注入後、レーザー光の照射
を行うことにより、注入された不純物イオンの活性化と
不純物イオンが注入された領域のアニールとを行う。こ
うして、ソース領域２０８とドレイン領域２１１とが自
己整合的に形成される。また、同時に２０９の領域はオ
フセットゲイト領域として、２１０の領域はチャネル形
成領域として形成することができる。（図２（Ｃ））

【００７５】次に層間絶縁膜として酸化珪素膜２１２を
６０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜２１２は
プラズマＣＶＤ法によって成膜を行う。次にコンタクト
ホールの形成を行い、ソース電極２１３とドレイン電極
２１４との形成を行う。そして、さらに３５０℃の水素
雰囲気中において１時間の加熱処理を施すことにより、
図２（Ｄ）に示す薄膜トランジスタを完成させる。

【００７６】〔実施例６〕本実施例の作製工程を図３に
示す。本実施例が特徴とするのは、図２に示す薄膜トラ
ンジスタの作製工程において、非晶質珪素膜のパターニ
ングを行った後にマイクロ波の照射による結晶化を行う
ことを特徴とする。即ち、活性層を構成するパターン
（このパターンは非晶質でなる）を形成した後にマイク
ロの照射を行い、このパターンを結晶化させることを特
徴とする。

【００７７】なお本実施例に示す構成において、特に断
らないかぎり、作製条件等は実施例４の場合と同じであ
る。

【００７８】まず図３（Ａ）に示すように、ガラス基板
２０１上に下地膜として酸化珪素膜２０２を成膜する。
次に非晶質珪素膜（図示せず）を酸化珪素膜２０２上に
成膜する。そしてパターニングを行うことにより、薄膜
トランジスタの活性層となる領域２０４を形成する。こ
こでは、この活性層となる領域は、非晶質の状態であ
る。（図３（Ａ））

【００７９】この状態において、所定の濃度に調整した
ニッケル酢酸塩溶液をスピンコート法によって塗布す
る。そして、図１に示す装置を用いてマイクロ波の照射
をパターニングされた非晶質状態の珪素パターンに対し
て行う。このような構成とした場合、数十μｍ角以下の
小さな領域に対して、マイクロ波の照射による結晶化が
行われるので、より結晶性の高いものとすることができ
る。

【００８０】こうして、図３（Ａ）に示す状態を得た
ら、図２（Ｂ）以下に示すのと同様な工程に従って薄膜
トランジスタを完成させる。即ち、図３（Ｂ）に示す工
程は、図２（Ｂ）に示す工程と同じである。また、図３
（Ｃ）に示す工程は、図２（Ｃ）に示す工程と同じであ
る。また、図３（Ｄ）に示す工程は、図２（Ｄ）に示す
工程と同じである。

【００８１】本実施例に示す構成を採用した場合、活性
層の側面の結晶性を向上させることができる。活性層の
側面の結晶性を向上させることができると、活性層の側
面におけるトラップ準位の密度を低下させることができ
る。活性層の側面に高密度でトラップ準位が存在する
と、トランジスタのＯＦＦ動作時に活性層の側面のトラ
ップ準位を経由したキャリアの移動に起因するＯＦＦ電
流が問題となる。従って、本実施例に示すように、活性
層の側面の結晶性を向上させ、そこにおけるトラップ準
位の密度を下げることで、ＯＦＦ電流を低減させること
ができる。

【００８２】〔実施例７〕本実施例は、非晶質珪素膜上
にマスクを設けてマイクロ波の照射を行う構成に関す
る。本実施例において、マスクを設けるのは、選択的に
マイクロ波を照射し、選択的に結晶化を行うためであ
る。

【００８３】図４に示すのは、周辺駆動回路を内蔵した
アクティブマトリクス型の液晶表示装置の概要でる。即
ち、図４には、同一ガラス基板上に画素領域と画素領域
に配置された薄膜トランジスタを駆動するための周辺駆
動回路とを集積化した構成が示されている。なお、図４
には、１枚のガラス基板が示されているが、液晶セルを
構成する場合には、対向するガラス基板を用意し、その
ガラス基板と図４に示すガラス基板との間に液晶を保持
させる構成となる。

【００８４】図４に示す構成においては、ガラス基板４
０１上に数百×数百のマトリクス状に画素電極が配置さ
れた画素領域４０２、画素領域４０２に配置された薄膜
トランジスタを駆動するための周辺駆動回路４０３、４
０４が配置されている。周辺駆動回路と画素領域とは、
配線パターン４０５及び４０６によって接続されてい
る。

【００８５】画素領域４０２を構成する画素の一つに
は、少なくとも一つの薄膜トランジスタが配置されてい
る。また周辺駆動回路４０３、４０４は、シフトレジス
タ回路、アナログバッファー回路等で構成されている。

【００８６】図４に示すような構成においては、画素領
域４０２に配置される薄膜トランジスタと、周辺駆動回
路４０３や４０４に配置される薄膜トランジスタとで
は、必要とされる特性が異なる。

【００８７】画素領域４０２に配置される薄膜トランジ
スタは、大きな移動度は必要とされないが、低いＯＦＦ
電流特性を有していることが必要とされる。なお、画素
領域に配置される薄膜トランジスタを高い移動度を有す
る半導体膜で構成すると、光照射による誤動作や動作不
良の原因となるので、必要以上に大きな移動度は不必要
となる。

【００８８】一方で、周辺駆動回路４０３や４０４に配
置される薄膜トランジスタは、高速動作をさせ、しかも
大電流を流す必要性があることから、高い移動度を有し
たものが必要とされる。

【００８９】このように１枚のガラス基板上に特性の異
なる薄膜トランジスタ群を作り分けることが必要とされ
る。

【００９０】本実施例では、１枚のガラス基板上に上記
のような異なる特性を有する薄膜トランジスタを形成す
るために、非晶質珪素膜に対してマイクロ波を選択的に
照射することによって、選択的に結晶性の異なる領域を
形成する。以下に具体的な作製工程を示す。

【００９１】まずガラス基板４０１上に下地膜として図
示しない酸化珪素膜を成膜する。そして、薄膜トランジ
スタの活性層を構成するための出発膜となる非晶質珪素
膜を成膜する。ここで、図４の４０７と４０８の領域の
みにマイクロ波が当たるように金属性のマスクを配置す
る。そして、図１に示す装置を用いて、２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波（出力５ｋＷ）を照射する。

【００９２】マスクを配置した状態でマイクロ波を照射
すると、４０７と４０８の領域のみマイクロ波は照射さ
れる。そして、この領域のみが結晶化される。一方、こ
の状態においては、他の領域は非晶質のままの状態とし
て残存している。

【００９３】そして、マスクを外し、５５０℃の温度で
２時間の加熱処理を施す。このような工程を経ることに
よって、周辺駆動回路４０４を構成する領域の珪素膜を
結晶性珪素膜とし、同時に画素領域４０２の薄膜トラン
ジスタを構成する珪素膜を非晶質珪素膜とすることがで
きる。

【００９４】そして、周辺駆動回路を高い移動度を有す
る結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタで構成するこ
とができ、画素領域に配置される薄膜トランジスタを移
動度は小さいが、ＯＦＦ電流も小さい非晶質珪素膜を用
いた薄膜トランジスタとすることができる。

【００９５】〔実施例８〕本実施例は、マイクロ波を選
択的に減衰させることにより、選択的に強さの異なるマ
イクロ波を非晶質珪素膜に照射し、選択的に結晶性を異
ならせることを特徴とする。

【００９６】一般的に石英ガラスはマイクロ波をほとん
ど透過する。一方で非晶質珪素膜はマイクロ波を吸収す
る。従って、非晶質珪素膜の膜厚を適時選択することに
より、マスクが設けられた領域においては、他の領域に
比較して弱いパワーのマイクロ波を照射できることにな
る。

【００９７】ここでは、図４に示す基板に対して、画素
領域４０２の領域において、弱いマイクロ波が照射され
るようにする。即ち、この４０２の領域に相当する領域
に、薄い（例えばその厚さを５００Åとする）非晶質珪
素膜を形成した石英ガラスを用意し、その石英ガラスを
ガラス基板４０１上に重ねる。そして、この状態でマイ
クロ波の照射を行う。

【００９８】図５に上記選択的に非晶質珪素膜を形成し
た石英ガラスをマイクロ波が透過する様子を模式的に示
す。図５において、５１が石英基板である。そして５２
が石英基板上に形成された非晶質珪素膜である。この図
５に示すのは、マイクロ波を部分的に減衰させるマスク
である。

【００９９】この石英基板をマイクロ波５３が透過する
と、非晶質珪素膜５２において所定の割合でマイクロ波
が吸収されるので、この領域を透過したマイクロ波５５
のエネルギーは、他の領域のマイクロ波５４に比較して
弱くすることができる。マイクロ波を減衰させる加減
は、非晶質珪素膜５２の膜厚を制御することで実現する
ことができる。

【０１００】図４の４０２の領域に対応する領域に非晶
質珪素膜を形成した石英ガラスで構成されたマスクを透
過させてマイクロ波を照射することによって、画素領域
４０２の領域に照射されるマイクロ波のパワーを他の領
域に比較して弱くすることができる。従って、画素領域
４０８の領域の結晶性を他の領域よりも低いものとする
ことができる。

【０１０１】結晶性が悪いと、移動度が小さくなる。ま
た、抵抗が高くなり、その分ＯＦＦ電流の値も小さなも
のとなる。また、結晶性が高ければ、移動度の高い珪素
膜を得ることができる。

【０１０２】このようにして、画素領域４０２に配置さ
れる薄膜トランジスタを移動度は小さいが、ＯＦＦ電流
値の小さいものとして構成することができる。そして、
周辺駆動回路４０３と４０４に配置される薄膜トランジ
スタを高移動度を有する薄膜トランジスタとすることが
できる。

【０１０３】〔実施例９〕図６に本実施例に示す装置を
示す。図６に示す装置は、以下に示す工程を連続的に制
御された雰囲気中で行うことを特徴とする。即ち、まず
非晶質珪素膜が形成された基板（一般にガラス基板が利
用される）に対して予備加熱を行う工程、その後にマイ
クロ波の照射による非晶質珪素膜の結晶化を行う工程、
そしてさらに加熱のよる処理を行い、結晶性珪素膜を得
る工程を連続的に制御された雰囲気（高真空状態も含ま
れる）で行うことを特徴とする。

【０１０４】図６に示す装置は、基板を装置に出し入れ
するための基板の搬入搬出室５０１、基板上に形成され
た非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射する処理室５
０２、基板上に形成された珪素膜を加熱するための加熱
室５０３、基板を各室の間において搬送するための手段
を有した基板搬送室５０５を備えている。

【０１０５】図６におけるＡ−Ａ’で切った断面が図７
である。また図６におけるＢ−Ｂ’で切った断面が図８
である。各室は気密性が保たれる構造となっており、必
要に応じて高真空状態とすることのできる構造となって
いる。また各室は共通の室である基板搬送室５０５と５
０６、５０７、５０８で示されるゲイトバルブを介して
接続されている。ゲイトバルブは十分に気密性を保つこ
とのできる構造となっている。

【０１０６】次に各室について詳細に説明する。５０１
で示されるのは、基板を装置に出し入れする基板の搬入
搬出室である。この室には、図８に示されるように基板
５１１がカセット５１０に多数枚収納された状態で装置
の外部から扉５１４を介してカセット毎搬入される。ま
た、処理が終了した後、基板はカセット５１０毎装置の
外部に扉５１４から外部に搬出される。

【０１０７】基板の搬入搬出室５０１には、不活性気体
等のパージ用の気体の導入系５１２と不要な気体の排気
や室内を減圧または高真空状態とするための排気ポンプ
５１３を備えている。ここでいうパージ用の気体とは、
室内を一端洗浄な気体で満たすことによって、室内を洗
浄な状態とするために利用される。

【０１０８】図６と図７の５０２で示されるのが基板上
に形成された非晶質珪素膜に対して、マイクロ波を照射
するための処理室である。マイクロ波は、発振器５１６
で発振され、導波管５１７を介して処理室５０２内に導
入される。そして、このマイクロ波でもって、基板ステ
ージ５１５上に配置した試料に対して結晶化処理が行わ
れる。また、基板ステージ５１５の高さは調整すること
ができる構造となっている。

【０１０９】またこの処理室５０２には、図示しないガ
ス導入系と排気ポンプ５０４を備えた排気系を有してい
る。ガス導入系からはパージ用の不活性ガスやプラズマ
の立ちにくいガス（例えば空気）が供給される。

【０１１０】図６及び図８に示す５０３で示される室
は、珪素膜を加熱するための室（加熱室）である。珪素
膜が形成された基板５１１は、多数枚が上下するステー
ジ５１８上に収納される。ステージ５１８上に収納され
た基板は、加熱室５０３において、加熱用のヒータ５２
１によって加熱される。

【０１１１】また加熱室５０３においてもパージ用の不
活性気体の導入系５１９と加熱室内を高真空状態とする
ことのできる排気ポンプ５２０を備えている。

【０１１２】５０５で示されるのは、基板搬送室であ
り、ロボットアーム５２２によって基板５１１を搬送
（移送）する機能を有した室である。この室にもパージ
用の不活性気体の導入系５２３と室内を高真空にするた
めの排気ポンプ５２４を備えている。また、ロボットア
ーム５２２の基板を保持する手の部分には、ヒータが内
蔵されており、搬送する基板の温度が変化しないように
工夫されている。

【０１１３】実際の動作に当たっては、基板（試料）を
搬送する際に、搬送室５０５内を高真空状態とすること
が重要である。

【０１１４】以下に図６〜８に示す装置の動作例を示
す。まずカセット５１０には、処理すべきガラス基板５
１１を多数収納する。そして高真空状態において、基板
を１枚づつロボットアーム５２２で搬送し、加熱室５０
３に搬入する。加熱室５０３では、５５０℃の温度で加
熱が行われる。この加熱によって、膜中からの水素の離
脱が促進され、結晶化のし易い状態とすることができ
る。加熱の雰囲気は高真空状態とすることが好ましい。
また、高真空状態としないのであれば、不活性雰囲気と
することが好ましい。

【０１１５】加熱室５０３内における加熱を所定時間
（例えば１時間）行った後、基板をロボットアーム５２
２によって取り出し、マイクロ波の照射が行われる室５
０２に搬送する。この室５０２では、予め加熱処理が行
われたガラス基板の上の非晶質珪素膜に対してマイクロ
波の照射を行い、この膜を結晶化させる。なお、マイク
ロ波の照射は、高真空状態で行うことが好ましい。また
高真空状態で行うことが困難な場合は、目視で発光が観
察されない程度の状態になるように、マイクロ波の周波
数や電力、さらには雰囲気を選択する必要がある。

【０１１６】マイクロ波の照射による非晶質珪素膜の結
晶化が終了したら、ロボットアームによって基板を加熱
室５０３に搬送する。ここで、結晶化後の加熱処理が行
われる。そして、所定の時間（例えば２時間）の処理が
終了した後、基板を搬入搬出室５０１内のカセットに搬
送する。こうして、一連の動作を終了させる。

【０１１７】上記の動作例は、非晶質珪素膜に対する５
５０℃、２時間の加熱、そしてマイクロ波の照射による
結晶化、さらに結晶化された珪素膜に対する５５０℃、
２時間の加熱アニールを制御された雰囲気（好ましくは
高真空中）において行うものである。なお、基板の搬送
に当たっては、そのつどゲイトバルブの開け閉めを行
う。これは、加熱室５０３からの熱の影響や室５０２か
らのマイクロ波の影響が、他の室に及ぶことを防ぐため
である。

【０１１８】本実施例に示すような装置を用いると、連
続的に処理を行うことができるので、生産性を高くする
ことができる。また、雰囲気を制御することで、高い再
現性を得ることができる。

【０１１９】

【発明の効果】非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射
することにより、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成す
ることができる。また、この技術にレーザー光の照射や
加熱の工程を組み合わせることにより、高い再現性でも
って結晶性珪素膜を得ることができる。

【０１２０】また、マイクロ波の照射による非晶質珪素
膜の結晶化は、珪素膜を選択的に加熱することができる
ので、基板としてガラス基板を利用した場合であって
も、ガラス基板に熱ダメージを与えることなく、ガラス
基板上に結晶性珪素膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マイクロ波を照射する装置の概要を示す。

【図２】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図３】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図４】アクティブマトリクス型の液晶表示装置を構
成する基板の構成を示す。

【図５】マイクロ波を部分的に減衰させるマスクの構
成を示す。

【図６】マイクロ波の照射を行う装置の概要を示す。

【図７】マイクロ波の照射を行う装置の概要を示す。

【図８】マイクロ波の照射を行う装置の概要を示す。

【図９】マイクロ波の照射による結晶化の様子を示
す。

【図１０】マイクロ波の照射による結晶化の様子を示
す。

【符号の説明】

１０１ガス供給系１０２導波管１０３チャンバー１０４マイクロ波発生器１０５排気ポンプ１０６基板ホルダー１０７基板（試料）１０８基板移動用の操作棒２０１ガラス基板２０２下地膜（酸化珪素膜）２０３非晶質珪素膜２０４活性層２０５ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）２０６ゲイト電極２０７陽極酸化膜２０８ソース領域２０９オフセットゲイト領域２１０チャネル形成領域２１１ドレイン領域２１２層間絶縁膜２１３ソース電極２１４ドレイン電極４０１ガラス基板４０２画素領域４０３、４０４周辺駆動回路４０５、４０６接続配線５１石英基板５２非晶質珪素膜５３マイクロ波５０１基板の搬入搬出室５０２マイクロ波を照射する処理室５０３加熱室５０４排気ポンプ５０５基板搬送室５０６、５０７ゲイトバルブ５０８ゲイトバルブ５１０カセット５１１基板５１２気体の導入系５１３排気ポンプ５１４扉５１５基板ステージ５１６マイクロ波の発振器５１７導波管５１８ステージ５１９気体の導入系５２０排気ポンプ５２１ヒータ５２２ロボットアーム５２３気体のの導入系５２４排気ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を
形成する工程と、該工程の前また後において、前記非晶質珪素膜の裏面ま
たは表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保
持させる工程と、前記非晶質珪素膜に対してマイクロ波を照射し、表皮効
果により前記非晶質珪素膜の表面を選択的に加熱し結晶
性珪素膜に変成する工程と、を有することを特徴とする半導体の作製方法。
【請求項２】絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を
形成する工程と、該工程の前また後において、前記非晶質珪素膜の裏面ま
たは表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保
持させる工程と、高真空雰囲気中において、前記非晶質珪素膜に対してマ
イクロ波を照射し結晶性珪素膜に変成する工程と、を有することを特徴とする半導体の作製方法。
【請求項３】絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を
形成する工程と、該工程の前また後において、前記非晶質珪素膜の裏面ま
たは表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を接して保
持させる工程と、プラズマを生成させない雰囲気中において、前記非晶質
珪素膜に対してマイクロ波を照射し結晶性珪素膜に変成
する工程と、を有することを特徴とする半導体の作製方法。
【請求項４】請求項１乃至請求項３において、マイクロ
波として１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数が利用されるこ
とを特徴とする半導体の作製方法。
【請求項５】請求項１乃至請求項３において、基板とし
てガラス基板が利用されることを特徴とする半導体の作
製方法。
【請求項６】請求項１乃至請求項３において、非晶質珪
素膜上にマスクを配置し、マイクロ波を選択的に照射す
ることを特徴とする半導体の作製方法。
【請求項７】請求項１乃至請求項３において、非晶質珪
素膜中の水素の離脱を促進させた後にマイクロ波の照射
を行うことを特徴とする半導体の作製方法。
【請求項８】請求項１乃至請求項３において、結晶性珪
素膜に変成する工程の後に、結晶性珪素膜に対して加熱
処理および／またはレーザー光の照射を行うことを特徴
とする半導体の作製方法。
【請求項９】請求項１乃至請求項３において、珪素の結
晶化を助長する金属元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒ
ｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選
ばれた一種または複数種類の元素が利用されることを特
徴とする半導体の作製方法。