JPH10135469A

JPH10135469A - 半導体装置およびその作製方法

Info

Publication number: JPH10135469A
Application number: JP8301250A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Hisashi Otani; 久大谷; Jun Koyama; 潤小山
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 1998-05-22
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: JP3597331B2

Abstract

(57)【要約】【目的】 MOSFETに匹敵する性能を有した半導体装置を
提供する。【構成】結晶化を助長する金属元素を利用して結晶化
した結晶性珪素膜１０７で活性層を形成し、さらにハロ
ゲン元素を含む雰囲気中における加熱処理を行って前記
金属元素のゲッタリング除去を行なう。この処理を経た
活性層１１０は針状または柱状結晶が複数集合した結晶
構造体で構成される。この結晶構造体を利用して作製さ
れた半導体装置は極めて高い性能を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
絶縁表面を有する基体上に形成された半導体薄膜を活性
層とする半導体装置に関する。特に、結晶性珪素膜で活
性層を構成した薄膜トランジスタに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、絶縁表面を有する基体上に形成さ
れた半導体薄膜（厚さ数百〜数千Å程度）を用いて薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）を構成する技術が注目されてい
る。薄膜トランジスタはＩＣや電気光学装置のような電
子デバイスに広く応用され、特に画像表示装置のスイッ
チング素子として開発が急がれている。

【０００３】例えば、液晶表示装置においてはマトリク
ス状に配列された画素領域を個々に制御する画素マトリ
クス回路、画素マトリクス回路を制御する駆動回路、さ
らに外部からのデータ信号を処理するロジック回路（プ
ロセッサ回路やメモリ回路など）等のあらゆる電気回路
にＴＦＴを応用する試みがなされている。

【０００４】現状においては、活性層として非晶質珪素
膜（アモルファスシリコン膜）を用いたＴＦＴが実用化
されているが、駆動回路やロジック回路などの様に、さ
らなる高速動作性能を求められる電気回路には、結晶性
珪素膜（ポリシリコン膜）を利用したＴＦＴが必要とさ
れる。

【０００５】基体上に結晶性珪素膜を形成する方法とし
ては、本出願人による特開平6-232059号公報、特開平6-
244103号公報に記載された技術が公知である。この公報
に記載されている技術は、珪素の結晶化を助長する金属
元素（特にニッケル）を利用することにより、500 〜60
0 ℃、４時間程度の加熱処理によって結晶性の優れた結
晶性珪素膜を形成することを可能とするものである。

【０００６】また、特開平7-321339に記載された技術は
上記技術を応用して基体に概略平行な結晶成長を行わす
ものであり、発明者らは形成された結晶化領域を特に横
成長領域（またはラテラル成長領域）と呼んでいる。

【０００７】しかし、この様なＴＦＴを用いて駆動回路
を構成してもまだまだ要求される性能を完全に満たすに
は及ばない。特に、高速動作と高耐圧特性を同時に実現
する極めて高性能な電気特性を要求される高速ロジック
回路を、従来のＴＦＴで構成することは不可能なのが現
状である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上の様に、電気光学
装置等の高性能化を図るためには単結晶シリコンウエハ
ーを用いて形成されたＭＯＳＦＥＴに匹敵する性能を有
するＴＦＴを実現しなくてはならない。

【０００９】そこで本明細書で開示する発明は、電気光
学装置のさらなる高性能化を実現するためのブレイクス
ルーとなる、極めて高性能な薄膜半導体装置およびその
作製方法を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従来の方法では上述の様
な高性能なＴＦＴを得ることができなかった理由とし
て、結晶粒界においてキャリア（電子または正孔）が捕
獲がされ、ＴＦＴ特性を示すパラメータの一つである電
界効果移動度の向上が妨げられていたことが考えられ
る。

【００１１】例えば、結晶粒界にはシリコン原子の不対
結合手（ダングリングボンド）や欠陥（捕獲）準位が多
数存在している。従って、個々の結晶内部を移動するキ
ャリアは結晶粒界に接近もしくは接触すると容易に不対
結合手や欠陥準位等にトラップされるため、結晶粒界は
キャリアの移動を阻害する「悪性の結晶粒界」として振
る舞っていたと考えられる。

【００１２】本発明の半導体装置を実現するには、この
様な「悪性の結晶粒界」を構造変化させ、キャリアにと
って「良性の結晶粒界」に変成させるための技術が不可
欠である。即ち、少なくともキャリアを捕獲する確率が
小さく、キャリアの移動を妨げる可能性の小さい結晶粒
界を形成することが重要であると言える。

【００１３】そのために本明細書で開示する発明の構成
は、半導体薄膜でなる活性層を有する半導体装置を作製
するにあたって、絶縁表面を有する基体上に非晶質珪素
膜を成膜する工程と、前記非晶質珪素膜上に選択的にマ
スク絶縁膜を形成する工程と、前記非晶質珪素膜に対し
て結晶化を助長する金属元素を選択的に保持させる工程
と、第１の加熱処理により前記非晶質珪素膜の少なくと
も一部を結晶性珪素膜に変成させる工程と、前記マスク
絶縁膜を除去する工程と、パターニングにより前記結晶
性珪素膜のみで構成される活性層を形成する工程と、前
記活性層上にゲイト絶縁膜を成膜する工程と、ハロゲン
元素を含む雰囲気中において第２の加熱処理を行うこと
により前記活性層中の前記金属元素をゲッタリング除去
すると共に前記活性層と前記ゲイト絶縁膜との界面に熱
酸化膜を形成する工程と、窒素雰囲気中における第３の
加熱処理により前記熱酸化膜を含めた前記ゲイト絶縁膜
の膜質および界面の状態を改善する工程と、を少なくと
も有し、前記活性層は結晶粒界が概略一方向に揃い、か
つ、前記基体と概略平行な針状または柱状結晶が複数集
合して構成される結晶構造体であることを特徴とする。

【００１４】以上の構成に従った作製方法で結晶性珪素
膜を形成すると、図９に示す様な外観の薄膜が得られ
る。図９は非晶質珪素膜の結晶化手段として特開平7-32
1339号公報記載の技術を用いて本発明を実施した場合の
拡大顕微鏡写真であり、長さ数十〜百数十μｍにも及ぶ
横成長領域９０１が形成される。

【００１５】なお、この横成長領域９０１は針状または
柱状結晶が結晶化を助長する金属元素を添加した領域
（９０２で示される）に対してほぼ垂直に、かつ、互い
に概略平行に結晶成長していくため、結晶方向が揃って
いるという特徴がある。また、９０３で示されるのは向
かい合った添加領域９０２から延びてきた針状または柱
状結晶がぶつかり合って形成された巨視的な結晶粒界
（針状または柱状結晶間の結晶粒界とは区別する）であ
る。

【００１６】さらに、図９に示す横成長領域の内部に着
目して、結晶粒内部をさらに微細領域まで拡大したＴＥ
Ｍ写真が図１０である。

【００１７】即ち、本発明の結晶性珪素膜は巨視的には
図９の様に大きな横成長領域９０１で構成される様に見
えるが、実は横成長領域９０１を微視的に観察すると、
図１０に示す様に針状または柱状結晶１００１が複数集
合して構成される様な結晶構造体となっている。

【００１８】また、図１０において１００２で示される
のが針状または柱状結晶同士の境界を示す結晶粒界であ
り、結晶粒界１００２の延びる方向から、針状または柱
状結晶１００１が互いに概略平行な方向に結晶成長した
ことが確認できる。なお、本明細書中における結晶粒界
とは断りがない限り針状または柱状結晶同士の境界を指
す。

【００１９】また、本発明の半導体装置は、ハロゲン元
素を含む雰囲気による加熱処理によって結晶化を助長す
る金属元素（ニッケルを主例とする）がゲッタリング除
去され、 5×10¹⁷atoms/cm³ 以上の濃度で残留していた
ニッケルが 1×10¹⁶〜 5×10¹⁷atoms/cm³ （好ましくは
活性層中のスピン密度以下）に低減されている。

【００２０】勿論、汚染等により混入した（意図的に添
加しない）他の金属元素（Ｃｕ、Ａｌ等）も同様にゲッ
タリング除去されていると考えられる。

【００２１】また、この時、シリコン原子の不対結合手
は加熱処理の間に酸素と結合して酸化物（酸化珪素）を
形成すると予想される。その結果、「悪性の結晶粒界」
であった領域には酸化珪素が形成され、実質的に酸化珪
素が結晶粒界として機能する構成になると考えられる。

【００２２】この様にして形成された結晶粒界１００２
は、酸化珪素と結晶珪素との界面が格子欠陥を殆ど含ま
ない整合性に優れた状態になると推測される。これは、
熱酸化により酸化珪素が形成される過程と、ニッケルの
触媒作用によりシリコン原子同士あるいはシリコン原子
と酸素原子との再結合が促進される過程との相乗効果に
よって欠陥の原因となる格子間シリコン原子が消費され
るからである。

【００２３】即ち、図１０において１００２で示される
結晶粒界は、キャリアを捕獲する様な欠陥が殆どなく、
針状または柱状結晶内部を移動するキャリアにとって、
単にエネルギー的な障壁としてのみ機能する「良性の結
晶粒界」として振る舞うと考えられる。

【００２４】また、この様な結晶粒界は優先的に熱酸化
反応が進行するので熱酸化膜が他の領域よりも厚く形成
される。そのため、結晶粒界近傍に印加されるゲイト電
圧が見かけ上小さくなることもエネルギー的な障壁にな
りうると推測される。

【００２５】また、この加熱処理は700 ℃を超える（代
表的には800 〜1100℃）比較的高い温度で行われるた
め、針状または柱状結晶の内部に存在する転位や積層欠
陥といった結晶欠陥がほぼ消滅してしまう。さらに、残
存したシリコン原子の不対結合手は膜中に含まれる水素
やハロゲン元素によって終端される。

【００２６】従って本発明者らは、以上の様にして得ら
れる図１０に示す状態において、複数の針状または柱状
結晶の内部の領域を「キャリアにとって実質的に単結晶
と見なせる領域」として定義している。

【００２７】「キャリアにとって実質的に単結晶と見な
せる」とは、キャリアが移動するに際してキャリアの移
動を妨げる障壁がないことを意味しており、結晶欠陥や
粒界がないこと、エネルギー的に障壁となるポテンシャ
ルバリアが存在しないことなどと言い換えられる。

【００２８】本発明は上記のような構成でなる結晶性珪
素膜を利用してＴＦＴに代表される半導体装置の活性層
を構成し、駆動回路やロジック回路を構成するに足る高
性能な半導体装置を実現するものである。

【００２９】以上のような本発明の構成について、以下
に記載する実施例でもって詳細な説明を行うこととす
る。

【００３０】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例では本発明の作製方法に従って形
成した結晶性珪素膜を、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の
活性層として利用した例を示す。図１に示すのはＴＦＴ
の作製工程の一実施例である。

【００３１】なお、本実施例で利用する非晶質珪素膜の
結晶化手段は、特開平7-321339号公報に記載された技術
である。従って、本実施例ではその概略を記載するに止
めるので詳細は前記公報を参照すると良い。

【００３２】まず絶縁表面を有する基体１０１を用意す
る。本実施例では石英基板上に下地膜として酸化珪素膜
１０２を2000Åの厚さに成膜する。酸化珪素膜１０２の
成膜方法としては減圧熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、
スパッタ法などを用いれば良い。

【００３３】なお、後に非晶質珪素膜を結晶化する際、
下地膜が緻密である方が得られる結晶性珪素膜の結晶性
が良いことが本発明者らの研究により判っている。ま
た、膜中に 5×10¹⁷〜 2×10¹⁹atoms/cm³ の酸素が含ま
れると好ましい。膜中に含まれた酸素は後の結晶化を助
長する金属元素のゲッタリング処理の際に重要な役割を
果たす。

【００３４】次に、非晶質珪素膜１０３を200 〜1000Å
（本実施例では350 Å) の厚さに減圧熱ＣＶＤ法によっ
て成膜する。成膜ガスとしてはシラン系ガス（SiH₄、Si
₂H₆、Si₃H₈ 等）を用いれば良い。なお、減圧熱ＣＶＤ
法により成膜した非晶質珪素膜は後の結晶化の際に自然
核発生率が小さい。この事は個々の結晶が相互干渉する
（ぶつかりあって成長が止まる）割合が減るため、横成
長幅を大きくする上で望ましい。

【００３５】勿論、非晶質珪素膜１０３の成膜方法とし
て、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法等を用いることも可
能である。

【００３６】次に、500 〜1200Åの厚さの酸化珪素膜１
０４をプラズマＣＶＤ法またはスパッタ法により成膜
し、後に結晶化を助長する金属元素を導入する領域のみ
を選択的にエッチング除去する。即ち、この酸化珪素膜
１０４は非晶質珪素膜１０３に対してニッケルを選択的
に導入するためのマスク絶縁膜として機能する。

【００３７】酸化珪素膜１０４によって露呈される領域
１０５は、紙面に垂直な方向に長手方向を有するスリッ
ト状に形成されている。（図１（Ａ））

【００３８】次に、酸素雰囲気中においてＵＶ光を照射
し、領域１０５によって露呈した非晶質珪素膜１０３の
表面に極薄い酸化膜（図示せず）を形成する。この酸化
膜は、後に結晶化を助長する金属元素を導入する際の溶
液塗布工程で溶液の濡れ性を改善するためのものであ
る。

【００３９】なお、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
の元素が用いられるが、本実施例ではＮｉ（ニッケル）
を例にとって説明する。

【００４０】次に、所定の濃度（本実施例では重量換算
で100ppm) でニッケルを含有したニッケル硝酸塩溶液
（またはニッケル酢酸塩溶液）を滴下し、スピンコート
法によりニッケルを含有した薄い水膜１０６を形成す
る。非晶質珪素膜中に添加するニッケル濃度は溶液塗布
工程においてニッケル塩溶液の濃度を調節することで容
易に制御することができる。（図１（Ｂ））

【００４１】次に、不活性雰囲気中において450 ℃、１
時間程度の水素出しを行った後、500 〜700 ℃、代表的
には550 〜600 ℃の温度で 4〜8 時間の加熱処理（第１
の加熱処理）を加えて非晶質珪素膜１０３の結晶化を行
う。こうして結晶性珪素膜１０７が得られる。（図１
（Ｃ））

【００４２】この時、結晶成長は針状または柱状結晶が
基板に概略平行な方向に進行する。本実施例の場合は、
１０５で示される領域が図面の手前方向から奥手方向に
長手方向を有するスリット状となっているので、矢印１
０８で示されるように結晶成長は概略一方向に向かって
進行する。この時、結晶成長は数百μｍ以上に渡って行
わすことができる。

【００４３】なお、１０９で示されるのはニッケル添加
領域であり、横成長領域１０７に比べて高い濃度でニッ
ケルを含有している。添加領域１０９は結晶核が過度に
密集して結晶成長するため結晶性はあまり良くない。従
って、後に形成する活性層は添加領域１０９を除いた領
域で構成される。

【００４４】次に、結晶化のための加熱処理が終了した
ら、ニッケルを選択的に添加するためのマスク絶縁膜と
なった酸化珪素膜１０４を除去する。この工程はバッフ
ァードフッ酸等により容易に行なわれる。

【００４５】なお、後のハロゲン元素を含む雰囲気中で
の加熱処理の前および／または後に結晶性珪素膜１０７
に対してエキシマレーザーによるレーザーアニールを施
しても構わない。ただし、レーザー照射により結晶性珪
素膜の結晶性は改善しうるが、珪素膜表面に凹凸が形成
されやすいので注意が必要である。

【００４６】次に、得られた結晶性珪素膜１０７をパタ
ーニングして後にＴＦＴの活性層として機能する活性層
１１０を形成する。なお、本発明では活性層の配置が重
要である。その事については後述する。

【００４７】活性層１１０を形成したら、活性層１１０
上に酸化珪素膜でなるゲイト絶縁膜１１１を200 〜1500
Å( 本実施例では300 Å) の厚さに成膜する。ゲイト絶
縁膜１１１の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ
法、スパッタ法等の気相法を用いれば良い。

【００４８】また、酸化珪素膜の代わりに窒化珪素膜や
酸化窒化珪素膜を用いたり、それらの絶縁膜を積層して
用いても構わない。

【００４９】次に、ハロゲン元素を含む雰囲気において
加熱処理（第２の加熱処理）を行う。この加熱処理はハ
ロゲン元素による金属元素のゲッタリング効果を利用し
て、活性層１１０中の金属元素（特にニッケル）を除去
することを第１に狙ったものである。（図１（Ｄ））

【００５０】このゲッタリングのための加熱処理は、そ
の効果を得るために700 ℃を越える温度で行なうことが
重要である。それ以下の温度ではゲイト絶縁膜１１１が
ブロッキング層となって十分なゲッタリング効果を得ら
れない恐れがある。

【００５１】そのため、この加熱処理の温度範囲は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〜 6時間、代表的
には0.5〜 1時間とする。

【００５２】なお、本実施例では、酸素（Ｏ₂ ）雰囲気
中に対して塩化水素（ＨＣｌ）を0.5 〜10体積％の濃度
で含有させた雰囲気中において、950 ℃、30分の加熱処
理を行う。なお、ＨＣｌ濃度を上記濃度以上とすると、
結晶性珪素膜の膜表面に膜厚と同程度の凹凸が生じてし
まうため好ましくない。

【００５３】また、本実施例では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、ＨＦ、ＮＦ₃ 、ＨＢｒ、Ｃｌ₂ 、ＣｌＦ
₃ 、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。また、一般にハロゲンの水素化物または有機物
（炭水素化物）を用いることもできる。

【００５４】この工程においては針状または柱状結晶の
結晶粒界に偏析したニッケルがハロゲン元素（ここでは
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。

【００５５】従って、活性層１１０中のニッケルはデバ
イス特性に影響を与えない程度（ 1×10¹⁶〜 5×10¹⁷at
oms/cm³ 、好ましくは活性層中のスピン密度以下）にま
で低減されることがＳＩＭＳ分析により確認されてい
る。なお、下限の 1×10¹⁶atoms/cm³ という値はＳＩＭ
Ｓの検出下限界である。また、本明細書における不純物
濃度はＳＩＭＳ分析で得られた計測値の最小値でもって
定義される。

【００５６】なお、本発明者らの知見では結晶化の助長
に利用されたニッケルは針状または柱状結晶の結晶粒界
に多く偏析する傾向にあり、針状または柱状結晶の内部
には実質的には殆ど含まれないと考えられる。

【００５７】ところが、現状のＳＩＭＳ分析では結晶内
部と結晶粒界の両方の情報を拾ってしまうので、本明細
書中におけるニッケルの濃度は、厳密には結晶内部と結
晶粒界とに含まれるニッケル濃度を平均化した平均濃度
を意味する。

【００５８】また、ゲッタリング工程を行なった場合、
結晶性珪素膜中にはゲッタリング処理に使用したハロゲ
ン元素が 1×10¹⁵〜 1×10²⁰atoms/cm³ の濃度で残存す
る。その際、結晶性珪素膜と熱酸化膜との間に高濃度に
分布する傾向がある。

【００５９】なお、ニッケルは結晶化の際に針状または
柱状結晶の結晶粒界へと押し出されて偏析し、ニッケル
シリサイドとして存在していたと考えられる。そしてゲ
ッタリングの際に塩化ニッケルとなって離脱し、ニッケ
ルとの結合を切られたシリコンの不対結合手は結晶粒界
に多く存在する状態となる。

【００６０】しかし上記工程は酸化性雰囲気中におい
て、比較的高い温度で行われるため形成された不対結合
手は容易に酸素と結合して酸化物（ SiO_Xで表される酸
化珪素）を形成すると考えられる。即ち、本発明者らは
上記一連の加熱工程によって、結晶性珪素膜は酸化珪素
が結晶粒界として機能する様な結晶構造体となると考え
ている。

【００６１】また、残存した不対結合手は活性層１１０
中に含まれる水素やハロゲン元素によって終端される
か、シリコン同士の再結合によって補償され、さらに、
転位や積層欠陥といった結晶欠陥はシリコン原子の再結
合や再配列によってほぼ消滅してしまうので、針状また
は柱状結晶の内部の結晶性も著しく改善されると考えら
れる。

【００６２】従って、活性層１１０はハロゲン雰囲気で
の加熱処理によりニッケルがデバイス特性に支障がない
程度にまで充分除去され、かつ、活性層１１０を構成す
る針状または柱状結晶は著しく結晶性が改善されてお
り、キャリアにとって実質的に単結晶と見なせる領域を
有した結晶構造体で構成されている。

【００６３】また、上記加熱処理により活性層１１０と
ゲイト絶縁膜１１１の界面では熱酸化反応が進行し、約
100Åの珪素膜が酸化されて 200Åの熱酸化膜が形成さ
れる。即ち、ゲイト絶縁膜１１１の全膜厚はＣＶＤ法で
成膜した分と熱酸化で形成された分とを合わせて500 Å
となる。

【００６４】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 ℃1 時間程度の
加熱処理を行なうことで、ゲイト絶縁膜１１１の膜質の
向上と共に、極めて良好な半導体／絶縁膜界面が実現さ
れる。

【００６５】また、活性層１１０はドライエッチング法
で形成されるが、その時活性層のエッジに残留したプラ
ズマダメージがＴＦＴのリーク電流の原因となる恐れが
ある。本実施例の場合、活性層１１０のエッジは熱酸化
されるのでプラズマダメージの除去も兼ねている。

【００６６】以上の様にして、ゲイト絶縁膜（熱酸化
膜）１１１の形成まで終了したら、次にゲイト電極を構
成するためのアルミニウム膜（図示せず）を2500Åの厚
さにスパッタ法でもって成膜する。このアルミニウム膜
中には、ヒロックやウィスカー防止のためにスカンジウ
ムを0.２重量％含有させる。

【００６７】なお、本実施例ではゲイト電極（ゲイト配
線を含む）を形成する材料としてアルミニムを主成分と
する材料を用いているが、他にもタングステン、タンタ
ル、モリブデン等を用いることもできる。また、導電性
を付与した結晶性珪素膜をゲイト電極として活用しても
構わない。

【００６８】次に、図１（Ｄ）に示す様にアルミニウム
膜をパターニングしてゲイト電極の原型となる島状のア
ルミニウム膜のパターン１１２を形成する。なおこの際
利用したレジストマスク（図示せず）はそのまま残存さ
せておく。（図２（Ａ））

【００６９】そして、アルミニウム膜のパターン１１２
を陽極とした陽極酸化を行う。この技術は公知の陽極酸
化技術（例えば特開平7-135318号）を用いる。まず、こ
の陽極酸化工程によって、パターン１１２の側面には多
孔質状の陽極酸化膜１１３が形成される。本実施例では
この陽極酸化膜１１３の膜厚を0.7 μｍとする。

【００７０】図２（Ｂ）に示す多孔質状の陽極酸化膜１
１３を形成したら、図示しないレジストマスクを取り除
く。そして、再度の陽極酸化を行うことにより、緻密な
陽極酸化膜１１４を形成する。緻密な陽極酸化膜１１４
の膜厚は900 Åとする。

【００７１】また、以上の工程を経てゲイト電極１１５
が画定する。緻密な陽極酸化膜１１４は、後の工程にお
いてゲイト電極１１５の表面を保護したり、ヒロックや
ウィスカーの発生を抑制するために機能する。

【００７２】次に、緻密な陽極酸化膜１１４まで形成し
たら、この状態においてソース／ドレイン領域を形成す
るための不純物イオンの注入を行う。Ｎチャネル型のＴ
ＦＴを作製するならばＰ（リン）イオンの注入を行い、
Ｐチャネル型のＴＦＴを作製するならばＢ（ボロン）イ
オンの注入を行えば良い。

【００７３】この工程において、高濃度に不純物が添加
されたソース領域１１６とドレイン領域１１７が形成さ
れる。

【００７４】次に、酢酸とリン酸と硝酸とを混合した混
酸を用いて、多孔質状の陽極酸化膜１１３を選択的に除
去した後に再度Ｐイオンのイオン注入を行なう。このイ
オン注入は、先のソース／ドレイン領域を形成する際よ
りも低ドーズ量でもって行なわれる。（図２（Ｃ））

【００７５】すると、ソース領域１１６、ドレイン領域
１１７と比較して不純物濃度の低い、低濃度不純物領域
１１８、１１９が形成される。そしてゲイト電極１１５
直下の１２０で示される領域が自己整合的にチャネル形
成領域となる。

【００７６】なお、チャネル形成領域１２０とドレイン
領域１１７との間に配置された低濃度不純物領域１１９
は特にＬＤＤ（ライトドープドレイン領域）領域と呼ば
れ、チャネル形成領域１２０とドレイン領域１１７との
間に形成される高電界を緩和する効果を有する。

【００７７】また、チャネル形成領域１２０（厳密には
針状または柱状結晶の内部）は真性または実質的に真性
な領域で構成されている。真性または実質的に真性な領
域であるとは、活性化エネルギーがほぼ1/2 （フェルミ
レベルが禁制帯の中央に位置する）であり、かつ、スピ
ン密度よりも不純物濃度が低い領域であること、あるい
は意図的にＰやＢといった不純物を添加しないアンドー
プ領域であることを意味している。

【００７８】さらに、上記の不純物イオンの注入工程の
後、レーザー光または赤外光または紫外光の照射を行う
ことによって、イオン注入が行われた領域のアニールを
行う。この処理によって、添加イオンの活性化と、イオ
ン注入時に活性層が受けた損傷の回復が行なわれる。

【００７９】また、水素化処理を300 〜350 ℃の温度範
囲で0.5 〜１時間行うと効果的である。この工程は活性
層からの水素脱離によって生成した不対結合手を再び水
素終端するものである。この工程を行なうと活性層中に
は 1×10²¹atoms / cm³ 以下、好ましくは 1×10¹⁵〜 1
×10²¹atoms / cm³ の濃度で水素が添加される。

【００８０】こうして図２（Ｃ）に示す状態が得られた
ら、次に層間絶縁膜１２１成膜する。層間絶縁膜１２１
は、酸化珪素膜、または窒化珪素膜、または酸化窒化珪
素膜、または有機性樹脂膜、またはそれらの膜の積層膜
でもって構成される。（図２（Ｄ））

【００８１】また、有機性樹脂膜であるポリイミドを用
いると、比誘電率が小さいので上下配線間の寄生容量を
低減することができる。また、スピンコート法で形成で
きるので容易に膜厚を稼ぐことができ、スループットの
向上が図れる。

【００８２】次に、層間絶縁膜１２１コンタクトホール
の形成を行い、ソース電極１２２とドレイン電極１２３
とを形成する。さらに３５０℃の水素雰囲気中において
加熱処理を行うことにより、素子全体の水素化を行い、
図２（Ｄ）に示すＴＦＴが完成する。

【００８３】図２（Ｄ）に示すＴＦＴは説明のため最も
単純な構造となっているが、本実施例の作製工程手順に
多少の変更・追加を加えることで適宜所望のＴＦＴ構造
とすることは容易である。

【００８４】ここで、前述の様に活性層１１０を形成す
る際に、その配置が重要である理由について説明する。
説明は図３を用いて行なう。

【００８５】本実施例を実施した場合、針状または柱状
結晶が互いに概略平行に成長するため、結晶粒界が一方
向に揃っているという特徴がある。また、結晶化を助長
する金属元素を選択的に添加することで、針状または柱
状結晶が結晶成長する方向を自由に制御することが可能
である。この事は非常に重要な意味を持っている。

【００８６】ここで絶縁表面を有する基体上に活性層を
形成した一実施例を図３に示す。図３に示すのは、アク
ティブマトリクス型液晶表示装置を作製するにあたって
基体３０１上にマトリクス状に配置された活性層であ
る。

【００８７】なお、３０２の破線で示される領域はニッ
ケルを選択的に導入するための領域が存在した場所であ
る。また、３０３は横成長領域が互いにぶつかり合って
形成された巨視的な粒界が存在した場所である。これら
は活性層を形成した後では確認できないため点線で示す
ことにする。

【００８８】また、本実施例で示した手段で結晶化を行
なう場合、針状または柱状結晶はニッケル添加領域３０
２に対して概略垂直な方向（図中において矢印で示され
る方向）に成長する。

【００８９】従って、図３の様に島状半導体３０４を配
置することで、チャネル方向と、針状または柱状結晶の
結晶粒界とを概略一致する方向に揃えることができる。
しかも、ニッケル添加領域３０２を基板３０１の端から
端まで達する様に設計することで、基板全面において前
述の様な構成を実現することが可能である。

【００９０】この様な構成とすると、チャネル方向と針
状または柱状結晶の並ぶ方向とが一致することになる。
即ち、ＴＦＴの活性層として機能する際に、チャネル形
成領域においてキャリアの移動を妨げるエネルギー障壁
が極めて少ないことを意味しており、動作速度のさらな
る向上が期待できるのである。

【００９１】また、以上のことは、換言すれば針状また
は柱状結晶の方向性をチャネル方向に対して特定の角度
を有する様に制御することができることを意味する。図
３は特定の角度を０°とした場合に相当する。

【００９２】即ち、図３とは別の視点で考えると活性層
３０４を９０°回転させた場合も考えられる。その場
合、キャリアの移動度は低下するが、低オフ電流特性、
高耐圧特性を期待しうる。

【００９３】ここで、本実施例に従って本発明者らが作
製した図２（Ｄ）に示される半導体装置の電気特性を図
４に示す。図４（Ａ）はＮチャネル型ＴＦＴの電気特性
（Id-Vg 特性) 、図４（Ｂ）はＰチャネル型ＴＦＴの電
気特性を示している。なお、Id-Vg 特性を示すグラフは
５点分の測定結果をまとめて表示する。

【００９４】横軸のＶＧはゲイト電圧値、縦軸のＩＤは
ソース／ドレイン間を流れる電流値である。また、４０
１、４０３で示されるId-Vg 特性（Id-Vg 曲線）はドレ
イン電圧ＶＤ＝１Ｖの時の特性を示し、４０２、４０４
で示されるId-Vg 特性はドレイン電圧ＶＤ＝５Ｖの時の
特性を示している。また、４０５、４０６はドレイン電
圧ＶＤ＝１Ｖの時のリーク電流を示している。

【００９５】なお、オフ領域（図４（Ａ）では-1V 以
下、図４（Ｂ）では-1V 以上）のドレイン電流（Ioff)
と、オンおよびオフ領域のリーク電流(IG)は、殆どが 1
×10^-13 Ａ（測定下限界）以下であるので、図４
（Ａ）、（Ｂ）ではノイズと混同されてしまっている。

【００９６】ここで、図４（Ａ）、（Ｂ）に示される電
気特性から求めた、本発明によるＴＦＴの代表的な特性
パラメータを表１、表２に示す。なお、表１はＮチャネ
ル型ＴＦＴの電気特性（任意の20点測定）の結果であ
り、表２はＰチャネル型ＴＦＴの電気特性（任意の20点
測定）の結果を示している。

【００９７】

【表１】

【００９８】

【表２】

【００９９】表１、表２において特に注目すべき点は、
サブスレッショルド特性（Ｓ値、Ｓ-value）が60〜100m
V/dec の間に収まる程小さく、移動度（μFE、モビリテ
ィ）が150 〜300cm²/Vs という様に極めて大きいことで
ある。なお、本明細書中において移動度とは電界効果移
動度を意味する。

【０１００】これらの測定データは従来のＴＦＴでは達
成不可能な値であり、まさに本発明によるＴＦＴが単結
晶上に作製したＭＯＳＦＥＴに匹敵する極めて高性能な
ＴＦＴであることを証明している。

【０１０１】また同時に、本発明によるＴＦＴは非常に
劣化に強いことが繰り返し測定による加速劣化試験によ
って確認されている。経験的には高速動作するＴＦＴは
劣化しやすいという欠点を有しているのだが、本発明に
よるＴＦＴは劣化もなく、極めて高い耐圧特性を有して
いることが判明している。

【０１０２】また、表１、表２には参考として平均値お
よび標準偏差（σ値）も記載する。標準偏差は平均値か
らの分散（バラツキ）の尺度として用いられる。一般的
には測定結果（母集団）が正規分布（ガウシアン分布）
に従うとすると、平均値を中心に±１σの内に全体の6
8.3％、±２σの内に95.4％、±３σの内に99.7％が入
ることが知られている。

【０１０３】本発明者らは、本実施例のＴＦＴ特性の分
散をより正確に評価するため、540個のＴＦＴを測定
し、その結果から平均値および照準偏差を求めた。その
結果、Ｓ値の平均値は80.5mV/dec(n-ch)、80.6mV/dec(p
-ch)であり、標準偏差は5.8(n-ch) 、11.5(p-ch)であっ
た。また、移動度(max) の平均値は194.0cm²/Vs(n-c
h)、131.8cm²/Vs(p-ch) であり、標準偏差は38.5(n-c
h)、10.2(p-ch)であった。

【０１０４】即ち、本発明を利用したＮチャネル型ＴＦ
Ｔにおいては、以下に示す様なＴＦＴ特性を得ることが
できる。（１）Ｓ値のσ値が10mV/dec以内、好ましくは5mV/dec
以内に収まる。（２）Ｓ値が80±30mV/dec以内、好ましくは80±15mV/d
ec以内に収まる。（３）μFEのσ値が40cm²/Vs以内、好ましくは35cm²/Vs
以内に収まる。

【０１０５】また、本発明を利用したＰチャネル型ＴＦ
Ｔにおいては、以下に示す様なＴＦＴ特性を得ることが
できる。（１）Ｓ値のσ値が15mV/dec以内、好ましくは10mV/dec
以内に収まる。（２）Ｓ値が 80±45mV/dec以内、好ましくは80±30mV
/dec以内に収まる。（３）μFEのσ値が15cm²/Vs以内、好ましくは10cm²/Vs
以内に収まる。

【０１０６】以上の様に、本発明によるＴＦＴは極めて
優れた電気特性を実現するものであり、これまで単結晶
上に作製したＭＯＳＦＥＴのみが使用されていた様な複
雑なＳＲＡＭ回路やＤＲＡＭ回路等、高速動作を必要と
するロジック回路を構成することが可能である。

【０１０７】また、本実施例ではシングルゲイト構造の
ＴＦＴの作製工程例のみを記載しているが、ダブルゲイ
ト構造のＴＦＴやそれ以上のゲイト電極を有するマルチ
ゲイト構造のＴＦＴに対しても適用することができる。

【０１０８】また、本発明は活性層の結晶性を高めるこ
とで実現できるものであって、耐熱性が許す限りＴＦＴ
構造は問わずに実施することができる。

【０１０９】〔本発明で得られる結晶構造体に関する知
見〕本発明によって得られる結晶性珪素膜が図１０に示
される様な針状または柱状結晶の集合体でなる結晶構造
体であることは既に述べた。ここでは、本発明による結
晶構造体と他の方法で形成された結晶構造体との比較を
行なう。

【０１１０】図１１に示す写真は、実施例１の手順で非
晶質珪素膜の結晶化までを終えた試料のＴＥＭ写真であ
る。即ち、ハロゲン元素を含む加熱処理を行なっていな
い結晶性珪素膜の結晶構造を示している。

【０１１１】図１１において確認できる様に、結晶化直
後の針状または柱状結晶の内部には多数の転位欠陥（１
１０１で示される円内）が存在する。しかしながら、図
１０に示すＴＥＭ写真では、結晶内部にその様な転位欠
陥は確認されず、きれいな結晶構造となっていることが
判る。

【０１１２】この事は、本発明においてハロゲン元素を
含む雰囲気での加熱処理が結晶性の改善に大きく寄与し
ていることの証拠となる。

【０１１３】また、図１２に示す結晶構造体は、非晶質
珪素膜の結晶化条件を本発明とは異なるものとした場合
の例である。具体的には、窒素雰囲気中で600 ℃48時間
の加熱処理を行うことで非晶質珪素膜を結晶化し、900
〜1100℃程度の温度で熱酸化処理を施してある。

【０１１４】以上の様にして形成した結晶性珪素膜は、
図１２に示す様に個々の結晶粒が大きく、不規則に分布
する粒界によって分割された状態となっている。

【０１１５】図１２において、結晶粒１２０１は不規則
な粒界１２０２によって囲まれた状態となっている。従
って、実際に図１２に示す結晶構造体をＴＦＴの活性層
として利用すると、不規則な粒界１２０２によって生ず
るエネルギー障壁がキャリアの移動を阻害してしまう。

【０１１６】一方、図１０に示す様な結晶構造体は、図
１０に示す様に、結晶粒界１００２がある程度の規則性
をもって配列した状態となっている。従って、針状また
は柱状結晶の内部において、キャリアの移動を阻害する
エネルギー障壁はないと考えられる。

【０１１７】なお、本発明者らが針状または柱状結晶の
配列状態を１〜５万倍程度の広視野で観察した結果、針
状または柱状結晶がジグザグに進行する様な場合がある
ことが確認されている。これは、結晶成長がエネルギー
的に安定な方向へ向かうことに起因する現象であり、結
晶方向が転換した箇所には一種の粒界が形成されている
と推測される。

【０１１８】しかしながら本発明者らは、針状または柱
状結晶の内部に生じうるこの粒界はエネルギー的に不活
性な双晶粒界の如きものではないかと推測している。即
ち、結晶方向は異なるが、整合性良く連続的に結合した
粒界であり、キャリアの移動を妨げる程のエネルギー障
壁とならない（実質的に粒界と見なされない）粒界であ
ると考えている。

【０１１９】以上の様に、一般的なプロセスで結晶化し
た結晶性珪素膜は図１２に示す様な結晶構造を有し、キ
ャリアの移動を遮る様に不規則な粒界が分布するため、
高い移動度を達成することが困難である。

【０１２０】しかしながら、本発明による結晶性珪素膜
は図１０に示す様な結晶構造を有し、結晶粒界が概略一
方向に揃っている上、針状または柱状結晶の内部は実質
的にエネルギー障壁となる粒界が存在しないと考えられ
る。即ち、キャリアは何ら阻害されることなく結晶内部
を移動することが可能となるので、極めて高い移動度を
達成することができる。

【０１２１】特に、本発明により得られる針状または柱
状結晶の注目すべき点は、凹凸や応力等に起因する歪み
を避けながら（結晶方向を変えながら）数十〜数百μｍ
もの距離を連続的に成長していくと考えられる点であ
る。

【０１２２】本発明者らの推測が正しければ、本発明に
よる結晶性珪素膜は結晶内部にキャリアトラップとなり
うる粒界を形成しないで成長していく、特殊な結晶の集
合体で構成される全く新しい結晶構造体であると言え
る。

【０１２３】〔実施例２〕本実施例は実施例１で示した
ＴＦＴでもってＣＭＯＳ回路を形成する例である。ＣＭ
ＯＳ回路は実施例１で示した様な構造のＮチャネル型Ｔ
ＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとを相補的に組み合わせて構
成される。

【０１２４】本実施例におけるＣＭＯＳ回路の作製工程
の一実施例を図５、図６を用いて説明する。なお、本発
明により形成される結晶性珪素膜の応用範囲は広く、Ｃ
ＭＯＳ回路を形成する方法は本実施例に限ったものでは
ない。

【０１２５】まず実施例１に示す作製手順に従って、石
英基板５０１上に酸化珪素膜５０２を成膜し、その上に
結晶性珪素膜（図示せず）を得る。そしてそれをパター
ニングすることによりＮチャネル型ＴＦＴの活性層５０
３とＰチャネル型ＴＦＴの活性層５０４とを形成する。

【０１２６】活性層５０３、５０４を形成したらゲイト
絶縁膜５０５を成膜し、さらにハロゲン元素を含む雰囲
気における加熱処理を行なう。本実施例では処理条件を
実施例１と同じものとする。こうして、活性層５０３、
５０４は本発明の結晶構造体となり、良好な膜質と界面
を有するゲイト絶縁膜５０５が形成される。

【０１２７】次に、後にゲイト電極の原型を構成するア
ルミニウム膜（図示せず）を成膜し、パターニングして
アルミニウム膜のパターン５０６、５０７を形成する
（パターン形成後もパターニングに使用したレジストマ
スクは残しておく）。

【０１２８】こうして図５（Ａ）の状態が得られる。ア
ルミニウム膜のパターン５０６、５０７を形成したら、
次に、実施例１と同様の条件でもってアルミニウム膜の
パターン５０６、５０７の側面に多孔質の陽極酸化膜５
０８、５０９を形成する。本実施例ではこの多孔質の陽
極酸化膜５０８、５０９の膜厚を0.5 μｍとする。

【０１２９】さらに、実施例１と同様の条件でもって緻
密で強固な陽極酸化膜５１０、５１１の形成を行う。た
だし、本実施例ではこの膜厚が700 Åとなる様に到達電
圧を調節する。また、この工程によりゲイト電極５１
２、５１３が画定する。こうして図５（Ｂ）の様な状態
が得られる。

【０１３０】図５（Ｂ）の状態が得られたら、ゲイト絶
縁膜５０５をドライエッチング法によりエッチングす
る。このエッチング工程ではゲイト電極５１２、５１３
および多孔質状の陽極酸化膜５０８、５０９がマスクと
なって、その直下のみにゲイト絶縁膜が残存する。エッ
チング後に多孔質状の陽極酸化膜５０８、５０９を除去
すると図５（Ｃ）の状態となる。

【０１３１】次に、Ｐチャネル型ＴＦＴを覆い隠す様に
してレジストマスク５１４を形成し、Ｎ型を付与する不
純物としてＰ（リン）イオンをドーピングする。このド
ーピングは、加速電圧50KeV 、ドーズ量 0.1〜 5×10¹³
atoms/cm² 、好ましくは 0.5〜 2×10¹³atoms/cm² atom
s/cm² で行なう。

【０１３２】このドーピング工程は比較的加速電圧が高
いため、Ｐイオンが露出したゲイト絶縁膜を通過して活
性層５０３へと打ち込まれる。その結果、５１５、５１
６で示される領域にＰイオンが添加される。（図５
（Ｃ））

【０１３３】次に、図５（Ｄ）に示すように再びＰイオ
ンの注入を行う。このＰイオンの注入は、加速電圧を 5
KeV と低めに設定し、ドーズ量を0.1 〜 1×10¹⁵atoms/
cm²、好ましくは 2〜 5×10¹⁴atoms/cm² とする。この
工程の結果、高濃度にＰイオンが添加された領域５１
７、５１８が形成される。

【０１３４】図５（Ｄ）に示す工程が終了した時点でＮ
チャネル型ＴＦＴの活性層が完成する。即ち、Ｎチャネ
ル型ＴＦＴのソース領域５１７、ドレイン領域５１８、
低濃度不純物領域（またはＬＤＤ領域）５１９、５２
０、チャネル形成領域５２１が画定する。

【０１３５】次に、図６（Ａ）に示すように左側のＮチ
ャネル型ＴＦＴを覆うレジストマスク５２２を形成す
る。そして、図６（Ａ）に示す状態においてＰ型を付与
する不純物としてＢ（ボロン）イオンの注入を行う。こ
のＢイオンのドーピングもＰイオンの場合と同様に２度
に分けて行なう。

【０１３６】１度目のＢイオンのドーピングは加速電圧
30KeV 、ドーズ量を 0.1〜 5×10¹⁴atoms/cm² 、好まし
くは 0.5〜 2×10¹⁴atoms/cm² 程度とする。この工程に
より５２３、５２４で示される領域にＢイオンが添加さ
れる。（図６（Ａ））

【０１３７】２度目のＢイオンのドーピングは加速電圧
5KeV 、ドーズ量を 0.1〜 1×10¹⁵atoms/cm² 、好まし
くは 2〜 5×10¹⁴atoms/cm² 程度とする。この工程によ
り高濃度にＢイオンが添加された領域５２５、５２６が
形成される。（図６（Ｂ））

【０１３８】以上の工程によりＰチャネル型ＴＦＴのソ
ース領域５２５、ドレイン領域５２６、低濃度不純物領
域（またはＬＤＤ領域）５２７、５２８、チャネル形成
領域５２９が画定する。

【０１３９】次に、図６（Ｂ）に示す工程の終了後、レ
ジストマスク５２２を取り除き、基板全面にレーザー光
または赤外光や紫外光等の強光を照射する。この工程に
より添加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損傷の回復が行なわれる。

【０１４０】次に、層間絶縁膜５３０を4000Åの厚さに
成膜する。層間絶縁膜５３０は酸化珪素膜、酸化窒化珪
素膜、窒化珪素膜、有機性樹脂膜のいずれでも良く、多
層構造としても良い。これら絶縁膜の成膜方法は、プラ
ズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、スピンコート法を用いれば
よい。

【０１４１】次にコンタクトホールの形成を行い、Ｎチ
ャネル型ＴＦＴのソース電極５３１、Ｐチャネル型ＴＦ
Ｔのソース電極５３２を形成する。また、ドレイン電極
５３３はＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとで
共有する様な構成とすることでＣＭＯＳ回路が実現され
る。（図６（Ｃ））

【０１４２】以上の様な過程を経て、図６（Ｃ）に示す
構造でなるＣＭＯＳ回路を作製することができる。ＣＭ
ＯＳ回路は最も単純な構成のインバータ回路であり、Ｃ
ＭＯＳインバータ回路を直列に奇数組接続して形成した
閉回路はリングオシレータと呼ばれ、半導体装置の動作
速度を評価する際に用いられる。

【０１４３】ここで図７（Ａ）に示す上面写真は、本実
施例に従って作製したＣＭＯＳ回路を組み合わせて構成
したリングオシレータ回路である。本発明者らは本発明
を利用して実際にアクティブマトリクス型液晶表示装置
を試作し、その駆動回路の動作性能をリングオシレータ
で確認した。

【０１４４】なお、図７（Ａ）に示すリングオシレータ
を構成するＣＭＯＳ回路のゲイト電極幅は約0.6 μｍと
細く、チャネル形成領域は通常ならば短チャネル効果が
発生する程度にまで微細化されている。

【０１４５】また、図７（Ｂ）には参考としてシフトレ
ジスタ回路の写真を示す。図７（Ｂ）に示すシフトレジ
スタ回路は試作した周辺駆動回路を構成する重要な回路
の一つであり、画素領域のアドレスを指定するロジック
回路である。特に、水平走査用（ソース側用）シフトレ
ジスタ回路は実動作時に数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ程度の非
常に高い周波数での駆動を要求される。

【０１４６】リングオシレータ回路の発振周波数は９、
１９、５１組（段）のＣＭＯＳ回路を接続したリングオ
シレータで測定した。その結果、電源電圧３〜５Ｖ、９
段のリングオシレータで 300ＭＨｚ以上、中には500 Ｍ
Ｈｚを超える発振周波数が得られており、極めて動作速
度が速いことが判明した。

【０１４７】これらの値は従来の作製工程で作製したリ
ングオシレータに比べて２０倍近い動作速度を有するこ
とを意味している。また、１〜５Ｖの範囲で電源電圧を
振っても常に数十〜数百ＭＨｚの発振周波数を実現して
いる。

【０１４８】以上の様に、本発明を利用したＣＭＯＳ回
路は回路設計上やむを得ず付加価値が加わった状況にお
いても、問題なく高速動作させることが可能であり、あ
らゆるロジック回路の要求に応える性能を有している。

【０１４９】さらに、チャネル長が0.6 μｍと極めて微
細化されているにも拘わらず、本実施例に示した様な極
めて高速な動作にも耐えうる高い耐圧特性をも有してい
ることは、本発明によるＴＦＴが短チャネル効果に殆ど
影響されず、極めて高い信頼性を有していることを意味
している。

【０１５０】〔本発明の構成から導かれる推察〕実施例
１および実施例２で示した様に、本発明に従って作製し
たＴＦＴは極めて高い性能（高速動作特性、高耐圧特
性）を実現している。また、この様な高速動作特性を有
していながら劣化に強いという特徴は、経験的にも特異
な現象と言える。そこで、本発明者らは本発明によるＴ
ＦＴが何故これほどまで耐劣化性に優れているかを考察
し、そこから一つの理論を推察したので以下に記載す
る。

【０１５１】本発明者らは、本発明によるＴＦＴの耐圧
が高い理由として針状または柱状結晶の結晶粒界の影響
を重視した。即ち、本発明者らはチャネル形成領域に局
部的に存在する結晶粒界（酸化物領域と予想される）が
ソース領域とドレイン領域の間、特にチャネル形成領域
とドレイン領域との間にかかる高電界を効果的に緩和し
ていると推測した。

【０１５２】具体的には、結晶粒界が特にドレイン領域
から広がる空乏層電荷により形成される電界を抑え、ド
レイン電圧が高くなった状態（ドレイン側空乏層電荷が
増加した状態）においても、ソース側の拡散電位を変化
させない様に機能していると考えたのである。

【０１５３】以上をまとめると、本発明による結晶性珪
素膜を活性層に活用した場合、チャネル形成領域は以下
の構成を満たしていると見なせる。（１）キャリアが移動する（キャリアにとって）実質的
に真性な領域（針状または柱状結晶の内部）が存在す
る。（２）キャリアの移動を抑制する又はチャネル方向（ソ
ース−ドレイン間を結ぶ方向）にかかる電界を緩和する
エネルギー障壁が存在する。

【０１５４】従って、上記２つの構成を満たす、換言す
ればキャリアにとって実質的に真性なチャネル形成領域
と、局部的に形成されたエネルギー障壁とを有する構成
とすることで本発明が示す様な優れた特性のＴＦＴを作
製しうると考えられる。

【０１５５】以上の構成は、多少の推測を交えてではあ
るが、本発明者らの実験データから導かれるものであ
る。そこで、本発明者らはこの構成を人為的に創り出す
ことで同様の効果を得ることができるのではないかと予
想した。

【０１５６】その結果、本発明者らは短チャネル効果の
抑制に効果的な構成を提案するに至った。ここではその
概略について、以下に記載する。なお、以下に記載する
考察は現状においては推測の範囲に止まるものである。

【０１５７】短チャネル効果とは、しきい値電圧の低
下、パンチスルー現象に伴う耐圧の劣化およびサブスレ
ッショルド特性の劣化などの総称である。特に問題とな
るパンチスルー現象はドレイン側の空乏層がソース領域
にまで広がることでソース側の拡散電位が低下し、ソー
ス／ドレイン間に貫通電流が流れる現象である。

【０１５８】そこで本発明者らは本発明の結晶粒界の効
果に注目して、チャネル長が0.01〜2 μｍ程度の短チャ
ネルＴＦＴにおいては、チャネル形成領域に対して人為
的かつ局部的に不純物領域を設けることで、ドレイン側
の空乏層の広がりを抑制する効果が得られると推測し
た。

【０１５９】この様な構成は活性層を図８に示す様な構
成とすることで達成できると考えられる。図８（Ａ）に
おいて、８０１はソース領域、８０２はドレイン領域、
８０３はチャネル形成領域であり、チャネル形成領域８
０３の中には人為的に不純物領域８０４が形成される。
また、チャネル形成領域８０３中、不純物領域８０４以
外の領域８０５は、実質的に真性な領域であり、キャリ
アが移動する領域となる。

【０１６０】ここで図８（Ａ）に示す構造は、図１０に
示す本発明の結晶構造体を模した構造である点が重要で
ある。即ち、図１０の１００１で示される結晶粒界は図
８（Ａ）の不純物領域８０４に相当し、図１０の針状ま
たは柱状結晶は図８（Ａ）のキャリアが移動する領域８
０５に相当するのである。

【０１６１】従って、チャネル形成領域８０３内に配置
された不純物領域８０４はチャネル形成領域内に局部的
にビルトインポテンシャル（エネルギー障壁とも言え
る）の大きい領域を形成し、そのエネルギー障壁によっ
てドレイン側空乏層の広がりを効果的に抑制すると推測
できる。

【０１６２】また、図８（Ａ）をＡ−Ａ’で切断した断
面図を図８（Ｂ）に示す。８０６は絶縁表面を有する基
板である。また、図８（Ａ）をＢ−Ｂ’で切断した断面
図を図８（Ｃ）に示す。

【０１６３】なお、図８（Ｃ）においてｗpi,nは不純物
領域８０４の幅を表し、ｗpa,mはキャリアが移動する領
域の幅を表す。ここでｎ、ｍはチャネル形成領域８０３
内において、ｗpi,nがｎ番目の不純物領域の幅であり、
ｗpa,mがｍ番目のキャリアが移動する領域であることを
意味している。

【０１６４】従って、本発明によるＴＦＴの実際の電界
効果移動度は次式に示す理論式に実効的なチャネル幅Ｗ
pa（ｗpa,mを１〜ｍまで加えた総和）を代入しなくては
ならない。

【０１６５】 μFE＝１/ Ｃox（ΔＩｄ/ ΔＶｇ）・１/ Ｖｄ・Ｌ/ ＷここでＣoxはゲイト酸化膜容量、ΔＩｄ、ΔＶｇはそれ
ぞれドレイン電流Ｉｄとゲイト電圧Ｖｇの変化量、Ｖｄ
はドレイン電圧、Ｌ、Ｗはそれぞれチャネル長およびチ
ャネル幅である。

【０１６６】しかしながら、実効的なチャネル幅Ｗpaを
測定することは現実的に不可能であるため、本明細書中
の電界効果移動度はチャネル幅の設計値Ｗを代入して求
めている。即ち、実際の移動度よりも小さい値が得られ
ていると考えられる。

【０１６７】また、不純物領域を図８（Ａ）に示す様な
配置で設けることは移動度の向上に対して非常に大きな
意味があると予想される。その理由について以下に説明
する。

【０１６８】移動度（μFE) は半導体膜（ここでは珪素
膜を例にとる）中のキャリアの散乱によって決まるが、
珪素膜における散乱は格子散乱と不純物散乱とに大別さ
れる。これらが影響し合って形成される全体的な移動度
μは次式で表される。

【０１６９】

【数１】

【０１７０】この数１で示される式は、全体的な移動度
μが、格子散乱の影響を受けた場合の移動度μ_l（_lは
lattice を意味する) の逆数および不純物散乱の影響を
受けた場合の移動度μ_i（_iはimpurityを意味する) の
逆数の和に反比例することを意味している。また、格子
散乱および不純物散乱は各々次式で表される。

【０１７１】

【数２】

【０１７２】

【数３】

【０１７３】これらの式によると、チャネル形成領域全
体に均一に不純物が添加された状態では不純物散乱の影
響を受けて移動度を稼ぐことができない。しかしなが
ら、図１２に示す構成の場合、局部的に不純物領域を形
成しているので、キャリアが移動する領域には不純物が
添加されず、キャリアにとって実質的に真性である。

【０１７４】即ち、理論的には数３においてイオン化し
た不純物の濃度Ｎ_iを限りなく０に近づけることを意味
するため、移動度μ_iは限りなく無限大に近づいていく
ことになる。即ち、数１において１／μ_iの項を無視す
ることができる程度にまで不純物を減少させることを意
味するので全体の移動度μは限りなく移動度μ_lに近づ
いていくと推測される。

【０１７５】また、図８（Ａ）において不純物領域８０
４がチャネル方向と概略平行となる様に配置されている
ことは重要である。この様な配置は、図１０に示した針
状または柱状結晶の結晶粒界の延びる方向と、チャネル
方向とが一致した場合に相当する。

【０１７６】この様な配置とした場合、不純物領域８０
４は「良性の結晶粒界」として振る舞うと予想されるの
で、キャリアを捕獲することなく、レールの様な役割を
果してキャリアに移動方向を規定すると推測される。こ
のことは、キャリア同士の衝突による散乱の影響を低減
する上で非常に重要な構成である。

【０１７７】また、以上の様な構成とすることで、短チ
ャネル効果の一つであるしきい値電圧の低下も抑制でき
ると予想される。これはチャネル幅が極端に狭くなった
時に生じる狭チャネル効果を、不純物領域間で人為的に
引き起こすことが可能であるという推論に基づく予想で
ある。

【０１７８】また、前述の様にドレイン側空乏層の広が
りを抑制することでパンチスルー現象を抑制することが
可能と考えられるが、パンチスルー現象を抑制すること
で耐圧の向上と共にサブスレッショルド特性（Ｓ値）の
向上も望める。

【０１７９】サブスレッショルド特性の向上は、本構成
を用いることでドレイン側空乏層の占める体積を減じる
ことができるという推論から以下の様に説明できる。

【０１８０】図８（Ａ）で示す構成とした時に、効果的
に空乏層の広がりが抑制されるならば、ドレイン側空乏
層の占める体積を大幅に減じることが可能でなはずであ
る。従って、総合的な空乏層電荷を小さくできるため、
空乏層容量を小さくできると考えられる。ここで、Ｓ値
を導出する式は次の近似式で表される。

【０１８１】

【数４】

【０１８２】数４において、ｋはボルツマン定数、Ｔは
絶対温度、ｑは電荷量、Ｃd は空乏層容量、Ｃitは界面
準位の等価容量、Ｃoxはゲイト酸化膜容量である。従っ
て、本構成では空乏層容量Ｃd および界面準位の等価容
量Ｃitを０に可能な限り近づけることで、Ｃd ＝Ｃit＝
０となる理想状態、即ちＳ値が60mV/decade となる半導
体装置を実現できる可能性がある。

【０１８３】ただし、数４に示される式はＳ値を導出す
るための近似式であり、ＴＦＴではこの近似式に従わず
に60mV/decade 以下の測定値が得られることもある。

【０１８４】ところで、本発明から推測される本構成で
は、本発明の結晶粒界に相当する不純物領域として酸素
以外に窒素や炭素を用いても良い。これは、本構成の目
的がチャネル形成領域に対して人為的にエネルギー障壁
を配置することにあるからである。

【０１８５】従って、エネルギー障壁を形成するという
観点から考えれば、反転層の導電型と逆の導電型を持つ
不純物領域でも効果があると言えよう。即ち、Ｎチャネ
ル型半導体装置ならばＢイオンを、Ｐチャネル型半導体
装置ならばＰイオンを用いて不純物領域を形成すれば良
いと言える。

【０１８６】また、不純物領域をＰまたはＢイオンで構
成する場合、添加する不純物イオンの濃度で直接的にし
きい値制御を行なうことも可能である。

【０１８７】以上の様に、本構成は本明細書で開示する
発明の構成および実験事実をもとに本発明者らの推測に
より導かれた技術である。本構成を実施することで、チ
ャネル長が極めて短いディープサブミクロン領域の半導
体装置で問題となる短チャネル効果を効果的に抑制する
ことができると推測される。

【０１８８】〔実施例３〕本実施例では実施例１に示し
た作製工程とは別の工程例を示す。具体的には活性層を
形成する前に、結晶性珪素膜に対してハロゲン元素を含
む雰囲気における加熱処理を施し、ニッケルをゲッタリ
ング除去する。

【０１８９】本実施例に示す工程を実施例１と組み合わ
せることで活性層中のニッケル濃度をさらに効果的に低
減することが可能である。

【０１９０】また、700 ℃を超える加熱処理によって結
晶性珪素膜の膜厚が減少するため、活性層を薄くする効
果もある。膜厚が薄くなると移動度の向上やオフ電流の
低減といった効果が期待できる。

【０１９１】〔実施例４〕本実施例では実施例１に示し
た作製工程とは別の工程例を示す。具体的には実施例１
において、ゲイト絶縁膜１１１を成膜する工程を省略
し、活性層を形成した直後にハロゲン元素を含む雰囲気
での加熱処理を施す。

【０１９２】この時形成された熱酸化膜に対して、実施
例１と同様に窒素雰囲気中でアニールすることで膜質を
改善することができる。この場合、この様な熱酸化膜の
みでゲイト絶縁膜を構成することが可能である。また、
熱酸化膜の膜厚は加熱処理の条件を調節することで100
〜1500Å（代表的には500 〜1000Å）の範囲で形成でき
る。

【０１９３】熱酸化膜のみでゲイト絶縁膜を構成すると
高速動作の可能な半導体装置を作製できる点と、ゲイト
絶縁膜の成膜工程を簡略化できる点に特徴がある。ただ
し、膜厚を均一に形成することが困難な場合が多い。

【０１９４】また、上記工程で形成された熱酸化膜の上
に気相法により絶縁膜を堆積して、それらの積層膜をも
ってゲイト絶縁膜とすることも可能である。その場合、
ゲイト耐圧が向上するが、熱酸化膜と気相法による膜と
の界面を清浄にしておくことが重要である。

【０１９５】また、上記工程を金属元素（特にニッケ
ル）の除去工程として見なし、上記工程で形成された熱
酸化膜を除去して、再度熱酸化膜を形成してゲイト絶縁
膜とすることもできる。また、熱酸化膜を除去した後、
活性層上に気相法によってゲイト絶縁膜を形成すること
もできる。この場合、活性層とゲイト絶縁膜の界面に存
在する余計な不純物の濃度を低減することが可能である
が、活性層表面の清浄度に注意しなくてはならない。

【０１９６】〔実施例５〕本実施例では、本発明を応用
して作製したＴＦＴをＤＲＡＭ（Dynamic RondomAccess
Memory）およびＳＲＡＭ（Static Rondom Access Memo
ry ）に応用した例について説明する。説明には図１３
を用いることとする。

【０１９７】ＤＲＡＭは記憶する情報を電荷としてコン
デンサに蓄える形式のメモリである。コンデンサへの情
報としての電荷の出し入れは、コンデンサに直列に接続
されたＴＦＴによって制御される。ＤＲＡＭの１個のメ
モリセルを構成するＴＦＴとコンデンサの回路を図１３
（Ａ）に示す。

【０１９８】ワード線１３０１によってゲイト信号を与
えられると、１３０３で示されるＴＦＴは導通状態とな
る。この状態でビット線１３０２側からコンデンサ１３
０４に電荷が充電されて情報を読み込んだり、充電した
コンデンサから電荷を取り出して情報を読みだしたりす
る。即ち、このコンデンサに蓄積された電荷をＴＦＴに
より書き込んだり、読み出したりすることで記憶素子と
しての機能を有することになる。

【０１９９】ＤＲＡＭの特徴は１個のメモリを構成する
素子数がＴＦＴとコンデンサだけで非常に少ないので、
高集積密度の大規模メモリを構成するのに適している。
また、価格も低く抑えられるので、現在最も大量に使用
されている。

【０２００】また、ＴＦＴを用いてＤＲＡＭセルを形成
した場合の特徴として蓄積容量を小さく設定することが
できるため、低電圧での動作を可能とすることができ
る。

【０２０１】次に、受動負荷素子として高抵抗を用いた
ＳＲＡＭ回路を図１３（Ｂ）に示す。なお、受動負荷素
子と同様の機能をＴＦＴで代替するＳＲＡＭ構造をとる
ことも可能である。

【０２０２】ＳＲＡＭはフリップフロップ等の双安定回
路を記憶素子に用いたメモリであって、双安定回路のＯ
Ｎ−ＯＦＦあるいはＯＦＦ−ＯＮの２安定状態に対応し
て２進情報値（０または１）を記憶するものである。電
源の供給がある限り記憶が保持される点で有利である。

【０２０３】１３０５で示されるのはワード線であり、
１３０６はビット線である。１３０７は高抵抗で構成さ
れる負荷素子であり、１３０８で示されるような２組の
ドライバトランジスタと１３０９で示されるような２組
のアクセストランジスタとでＳＲＡＭが構成される。

【０２０４】以上のような構成でなるＳＲＡＭの特徴
は、高速動作が可能で、信頼性が高くシステムへの組む
込みが容易なことなどである。

【０２０５】〔実施例６〕本実施例では、実施例１の半
導体装置および実施例２のＣＭＯＳ回路を用いて同一基
体上に画素マトリクス回路とロジック回路とを集積化し
たアクティブマトリクス型電気光学装置を構成する例を
示す。電気光学装置としては、液晶表示装置、ＥＬ表示
装置、ＥＣ表示装置などが含まれる。

【０２０６】なお、ロジック回路とは、周辺駆動回路や
コントロール回路等の様に電気光学装置を駆動するため
の集積化回路を指す。アクティブマトリクス型電気光学
装置においては、動作性能の限界や集積度の問題もあっ
てロジック回路は外付けＩＣが一般的であったが、本発
明のＴＦＴを用いることで同一基板上に全てを一体化す
ることが可能となる。

【０２０７】また、コントロール回路とはプロセッサ回
路、メモリ回路、クロック発生回路、Ａ／Ｄ（Ｄ／Ａ）
コンバータ回路等の電気光学装置を駆動するに必要な全
ての電気回路を含むものとする。勿論、メモリ回路には
実施例５、６で示したＳＲＡＭ回路やＤＲＡＭ回路が含
まれる。

【０２０８】このような構成に本明細書で開示する発明
を利用すると、単結晶上に形成したＭＯＳＦＥＴに匹敵
する性能を有するＴＦＴでもってロジック回路を構成す
ることができる。

【０２０９】〔実施例７〕本実施例では実施例１と異な
る構造のＴＦＴを作製する例を示す。説明には図１４を
用いる。

【０２１０】まず、実施例１と同様の工程を経て図２
（Ｂ）に示す状態を得る。図２（Ｂ）に示す状態を得た
ら、アルミニウム膜のパターニングに用いた図示しない
レジストマスクを除去し、その後、酒石酸中で陽極酸化
処理を行い、1000Åの厚さの緻密な陽極酸化膜を得る。
この状態を図１４（Ａ）に示す。

【０２１１】図１４（Ａ）において、１０１は石英基
板、１０２は下地膜、１１０は活性層、１１１は後にゲ
イト絶縁膜として機能する熱酸化膜である。また、１４
０１はアルミニウムを主成分とする材料でなるゲイト電
極、１４０２はゲイト電極１４０１を陽極酸化して得ら
れた緻密な陽極酸化膜である。

【０２１２】次に、この状態で活性層１１０に対して一
導電性を付与する不純物イオンの注入を行なう。そし
て、このイオン注入工程により不純物領域１４０３、１
４０４が形成される。

【０２１３】不純物イオンの注入が終了したら、窒化珪
素膜１４０５を 0.5〜1 μｍの厚さに成膜する。成膜方
法は減圧熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法の
いずれであっても良い。また、窒化珪素膜以外に酸化珪
素膜を用いても良い。

【０２１４】こうして図１４（Ｂ）の状態が得られる。
図１４（Ｂ）の状態が得られたら、次に窒化珪素膜１４
０５をエッチバック法によりエッチングして、ゲイト電
極１４０１の側壁にのみ残す。こうして残された窒化珪
素膜はサイドウォール１４０６として機能する。

【０２１５】この際、熱酸化膜１１１はゲイト電極がマ
スクとなった領域以外が除去されて図１４（Ｃ）に示す
様な状態で残存する。

【０２１６】図１４（Ｃ）に示す状態で再び不純物イオ
ンの注入を行なう。この時、ドーズ量は先程のイオン注
入のドーズ量よりも高めとしておく。このイオン注入の
際、サイドウォール１４０６の直下の領域１４０７、１
４０８はイオン注入が行なわれないので、不純物イオン
の濃度に変化はない。しかし、露出した領域１４０９、
１４１０はさらに高濃度の不純物イオンが注入されるこ
とになる。

【０２１７】以上の様に２度目のイオン注入を経て、ソ
ース領域１４０９、ドレイン領域１４１０およびソース
／ドレイン領域よりも不純物濃度の低い低濃度不純物領
域（ＬＤＤ領域）１４０７、１４０８が形成される。な
お、ゲイト電極１４０１の直下はアンドープな領域であ
り、チャネル形成領域１４１１となる。

【０２１８】以上の工程を経て図１４（Ｃ）の状態が得
られたら、300 Åの厚さの図示しないチタン膜を成膜
し、チタン膜とシリコン（結晶性珪素）膜とを反応させ
る。そして、チタン膜を除去した後、ランプアニール等
による加熱処理を行なうことでソース領域１４０９、ド
レイン領域１４１０の表面にチタンシリサイド１４１
２、１４１３を形成する。（図１４（Ｄ））

【０２１９】なお、上記工程はチタン膜の代わりにタン
タル膜、タングステン膜、モリブデン膜等を用いること
も可能である。

【０２２０】次に、層間絶縁膜１４１４として酸化珪素
膜を5000Åの厚さに成膜し、ソース電極１４１５、ドレ
イン電極１４１６を形成する。こうして図１４（Ｄ）に
示す構造のＴＦＴが完成する。

【０２２１】本実施例で示す構造のＴＦＴは、ソース／
ドレイン電極がチタンシリサイド１４１２、１４１３を
介してソース／ドレイン領域と接続するので良好なオー
ミックコンタクトを実現できる。

【０２２２】〔実施例８〕本実施例では実施例１または
実施例７と異なる構造のＴＦＴを作製する例を示す。説
明には図１５を用いる。

【０２２３】まず、実施例１と同様の工程を経て図２
（Ｂ）に示す状態を得る。ただし、本実施例ではゲイト
電極の材料として導電性を付与した結晶性珪素膜を用い
ることとする。この状態を図１５（Ａ）に示す。

【０２２４】図１５（Ａ）において、１０１は石英基
板、１０２は下地膜、１１０は活性層、１１１は後にゲ
イト絶縁膜として機能する熱酸化膜である。また、１５
０１は結晶性珪素膜（ポリシリコン膜）でなるゲイト電
極である。

【０２２５】次に、この状態で活性層１１０に対して一
導電性を付与する不純物イオンの注入を行なう。そし
て、このイオン注入工程により不純物領域１５０２、１
５０３が形成される。（図１５（Ｂ））

【０２２６】不純物イオンの注入が終了したら、実施例
７と同様にエッチバック法を用いてサイドウォール１５
０４を形成する。

【０２２７】そして、サイドウォール１５０４を形成し
たら、再び不純物イオンの注入を行なう。以上の２度の
イオン注入を経て、ソース領域１５０７、ドレイン領域
１５０８、低濃度不純物領域（ＬＤＤ領域）１５０５、
１５０６、チャネル形成領域１５０９が形成される。

【０２２８】以上の工程を経て図１５（Ｃ）の状態が得
られたら、500 Åの厚さの図示しないタングステン膜を
成膜し、タングステン膜とシリコン膜とを反応させる。
そして、タングステン膜を除去した後、ランプアニール
等による加熱処理を行なうことでゲイト電極１５０１、
ソース領域１５０７、ドレイン領域１５０８、の表面に
タングステンシリサイド１５１０〜１５１２を形成す
る。（図１５（Ｄ））

【０２２９】次に、層間絶縁膜１５１３として窒化珪素
膜を4000Åの厚さに成膜し、ソース電極１５１４、ドレ
イン電極１５１５を形成する。こうして図１５（Ｄ）に
示す構造のＴＦＴが完成する。

【０２３０】本実施例で示す構造のＴＦＴは、ゲイト電
極およびソース／ドレイン電極がタングステンシリサイ
ド１５１０〜１５１２を介して取り出し電極と接続する
ので良好なオーミックコンタクトを実現できる。

【０２３１】〔実施例９〕本実施例では本発明を利用し
た半導体装置を組み込んだ電気光学装置（表示装置）の
一例を示す。なお、電気光学装置は必要に応じて直視型
または投影型で使用すれば良い。また、電気光学装置も
半導体を用いて機能する装置と考えられるので、本明細
書中における電気光学装置とは、半導体装置の範疇に含
まれるものとする。

【０２３２】また、本発明を利用した半導体装置の応用
製品としてはＴＶカメラ、ヘッドマウントディスプレ
イ、カーナビゲーション、プロジェクション（フロント
型とリア型がある）、ビデオカメラ、パーソナルコンピ
ュータ等が挙げられる。それら応用用途の簡単な一例を
図１６を用いて行う。

【０２３３】図１６（Ａ）はＴＶカメラであり、本体２
００１、カメラ部２００２、表示装置２００３、操作ス
イッチ２００４で構成される。表示装置２００３はビュ
ーファインダーとして利用される。

【０２３４】図１６（Ｂ）はヘッドマウントディスプレ
イであり、本体２１０１、表示装置２１０２、バンド部
２１０３で構成される。表示装置２１０２は比較的小型
のサイズのものが２枚使用される。

【０２３５】図１６（Ｃ）はカーナビゲーションであ
り、本体２２０１、表示装置２２０２、操作スイッチ２
２０３、アンテナ２２０４で構成される。表示装置２２
０２はモニターとして利用されるが、地図の表示が主な
目的なので解像度の許容範囲は比較的広いと言える。

【０２３６】図１６（Ｄ）は携帯情報端末機器（本実施
例では携帯電話）であり、本体２３０１、音声出力部２
３０２、音声入力部２３０３、表示装置２３０４、操作
ボタン２３０５、アンテナ２３０６で構成される。表示
装置２３０３に対しては、将来的にＴＶ電話として動画
表示を要求されることが予想される。

【０２３７】図１６（Ｅ）はビデオカメラであり、本体
２４０１、表示装置２４０２、接眼部２４０３、操作ス
イッチ２４０４、テープホルダー２４０５で構成され
る。表示装置２４０２に映し出された撮影画像は接眼部
２４０３を通してリアルタイムに見ることができるの
で、使用者は画像を見ながらの撮影が可能となる。

【０２３８】図１６（Ｄ）はフロントプロジェクション
であり、本体２５０１、光源２５０２、反射型表示装置
２５０３、光学系（ビームスプリッターや偏光子等が含
まれる）２５０４、スクリーン２５０５で構成される。
スクリーン２５０５は会議や学会発表などのプレゼンテ
ーションに利用される大画面スクリーンであるので、表
示装置２５０３は高い解像度が要求される。

【０２３９】また、本実施例に示した電気光学装置以外
にも、リアプロジェクションやモバイルコンピュータ、
ハンディターミナルなどの携帯型情報端末機器に適用す
ることができる。以上の様に、本発明の応用範囲は極め
て広く、あらゆる分野の表示媒体に適用することが可能
である。

【０２４０】また、本発明のＴＦＴは電気光学装置に限
らず、例えばＳＲＡＭやＤＲＡＭといった形で集積化回
路に組み込み、本実施例で示した様な応用製品の駆動回
路として用いることも可能である。

【０２４１】

【発明の効果】本明細書で開示する発明によれば、単結
晶シリコン上に作製したＭＯＳＦＥＴに匹敵する高い性
能を有したＴＦＴを実現することができる。また、本発
明のＴＦＴで構成したリングオシレータは従来のＴＦＴ
で構成されたリングオシレータに比べて２０倍の高速動
作が可能である。

【０２４２】さらに、この様な高い特性を有しているに
も拘わらずチャネル長が１μｍ以下という微細領域にお
いても極めて高い耐圧特性を有しており、短チャネル効
果が効果的に抑制されていることが確認できる。

【０２４３】以上の様なＴＦＴを用いて構成される集積
化回路を電気光学装置に適用することで、電気光学装置
のさらなる高性能化が実現できる。また、電気光学装置
を応用した応用製品も高性能、高付加価値化することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体装置の作製工程を示す図。

【図２】半導体装置の作製工程を示す図。

【図３】活性層の配置構成を示す図。

【図４】半導体装置の特性を示す図。

【図５】半導体装置野作製工程を示す図。

【図６】半導体装置の作製工程を示す図

【図７】電気回路の構成を示す写真。

【図８】活性層の構成を示す図。

【図９】結晶性珪素膜の表面を示す写真。

【図１０】結晶構造を示す写真。

【図１１】結晶構造を示す写真。

【図１２】結晶構造を示す写真。

【図１３】ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭの構成を示す図

【図１４】半導体装置の作製工程を示す図。

【図１５】半導体装置の作製工程を示す図。

【図１６】半導体装置の応用例を示す図。

【符号の説明】

１０３非晶質珪素膜１０４酸化珪素膜（マスク絶縁膜）１０５非晶質珪素膜が露呈した領域１０６ニッケルを含有した水膜１０７結晶性珪素膜１０８結晶化の方向を示す矢印１０９ニッケル添加領域１１０活性層１１１熱酸化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面を有する基体上に形成された結晶
性珪素膜でなる活性層と、前記活性層表面に形成されたゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上のゲイト電極と、を少なくとも有する絶縁ゲイト型の半導体装置であっ
て、前記活性層中には結晶化を助長する金属元素が 1×10¹⁶
〜 5×10¹⁷atoms/cm³の濃度で存在し、電気特性を表すＳ値の標準偏差がＮチャネル型で10mV/d
ec以内および／またはＰチャネル型で15mV/dec以内に収
まることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】絶縁表面を有する基体上に形成された結晶
性珪素膜でなる活性層と、前記活性層表面に形成されたゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上のゲイト電極と、を少なくとも有する絶縁ゲイト型の半導体装置であっ
て、前記活性層中には結晶化を助長する金属元素が 1×10¹⁶
〜 5×10¹⁷atoms/cm³の濃度で存在し、電気特性を表すＳ値がＮチャネル型で80±30mV/dec以内
および／またはＰチャネル型で80±45mV/dec以内に収ま
ることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】絶縁表面を有する基体上に形成された結晶
性珪素膜でなる活性層と、前記活性層表面に形成されたゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上のゲイト電極と、を少なくとも有した構造でなり、前記活性層中には結晶化を助長する金属元素が 1×10¹⁶
〜 5×10¹⁷atoms/cm³の濃度で存在し、かつ、電気特性
を表すＳ値の標準偏差がＮチャネル型で10mV/dec以内お
よび／またはＰチャネル型で15mV/dec以内に収まる絶縁
ゲイト型半導体装置を有して構成されることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項４】絶縁表面を有する基体上に形成された結晶
性珪素膜でなる活性層と、前記活性層表面に形成されたゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上のゲイト電極と、を少なくとも有した構造でなり、前記活性層中には結晶化を助長する金属元素が 1×10¹⁶
〜 5×10¹⁷atoms/cm³の濃度で存在し、かつ、電気特性
を表すＳ値がＮチャネル型で80±30mV/dec以内および／
またはＰチャネル型で80±45mV/dec以内に収まる絶縁ゲ
イト型半導体装置を有して構成されることを特徴とする
半導体装置。
【請求項５】請求項１乃至請求項４において、前記ゲイ
ト絶縁膜は気相法により成膜した酸化膜と前記活性層を
熱酸化して得られた熱酸化膜とで構成されることを特徴
とする半導体装置。
【請求項６】請求項５において、前記熱酸化膜中には前
記気相法により成膜した酸化膜中よりも高濃度に結晶化
を助長する金属元素が存在していることを特徴とする半
導体装置。
【請求項７】請求項１乃至請求項４において、前記活性
層は前記基体と概略平行な針状または柱状結晶が集合し
て構成される結晶構造体であって、前記針状または柱状結晶は概略一方向に揃って延在し、
かつ、その方向性がチャネル方向に対して特定の角度を
有する様に制御されていることを特徴とする半導体装
置。
【請求項８】請求項１乃至請求項４において、前記活性
層は前記基体と概略平行な針状または柱状結晶が集合し
て構成される結晶構造体であって、前記針状または柱状結晶は概略一方向に揃って延在し、
かつ、その方向性がチャネル方向と概略一致する様に制
御されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】絶縁表面を有する基体上に非晶質珪素膜を
成膜する工程と、前記非晶質珪素膜上に選択的にマスク絶縁膜を形成する
工程と、前記非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する金属元素を
選択的に保持させる工程と、第１の加熱処理により前記非晶質珪素膜の少なくとも一
部を結晶性珪素膜に変成させる工程と、前記マスク絶縁膜を除去する工程と、パターニングにより前記結晶性珪素膜のみで構成される
活性層を形成する工程と、前記活性層上にゲイト絶縁膜を成膜する工程と、ハロゲン元素を含む雰囲気中において第２の加熱処理を
行うことにより前記活性層中の前記金属元素をゲッタリ
ング除去すると共に前記活性層と前記ゲイト絶縁膜との
界面に熱酸化膜を形成する工程と、窒素雰囲気中における第３の加熱処理により前記熱酸化
膜を含めた前記ゲイト絶縁膜の膜質および界面の状態を
改善する工程と、を少なくとも経て作製され、前記活性層は結晶粒界が概略一方向に揃い、かつ、前記
基体と概略平行な針状または柱状結晶が複数集合して構
成される結晶構造体であることを特徴とする半導体装
置。
【請求項１０】請求項９において、第１の加熱処理は45
0 〜700 ℃の温度範囲で行われ、第２または第３の加熱
処理は700 ℃を越える温度範囲で行われることを特徴と
する半導体装置。
【請求項１１】請求項９において、前記活性層中には結
晶化を助長する金属元素が 1×10¹⁶〜5×10¹⁷atoms/cm³
の濃度で存在し、かつ、電気特性を表すＳ値の標準偏
差がＮチャネル型で10mV/dec以内および／またはＰチャ
ネル型で15mV/dec以内に収まることを特徴とする半導体
装置。
【請求項１２】請求項９において、前記活性層中には結
晶化を助長する金属元素が 1×10¹⁶〜5×10¹⁷atoms/cm³
の濃度で存在し、かつ、電気特性を表すＳ値がＮチャ
ネル型で80±30mV/dec以内および／またはＰチャネル型
で80±45mV/dec以内に収まることを特徴とする半導体装
置。
【請求項１３】請求項１乃至請求項４または請求項７乃
至請求項９において、前記活性層のチャネル形成領域の
長さは0.01〜2 μｍであることを特徴とする半導体装
置。
【請求項１４】請求項１乃至請求項４または請求項７乃
至請求項９において、前記活性層中にはＣｌ、Ｆ、Ｂｒ
から選ばれた一種または複数種類の元素が 1×10¹⁵〜 1
×10²⁰atoms/cm³ の濃度で存在することを特徴とする半
導体装置。
【請求項１５】請求項１乃至請求項４または請求項７乃
至請求項９において、前記活性層中にはＣｌ、Ｆ、Ｂｒ
から選ばれた一種または複数種類の元素が含まれ、前記元素は前記活性層と前記ゲイト絶縁膜との界面に高
濃度に分布することを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】請求項１乃至請求項４または請求項６ま
たは請求項９において、前記結晶化を助長する金属元素
とは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
の元素であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１７】請求項１乃至請求項４または請求項９に
おいて、前記結晶性珪素膜は減圧熱ＣＶＤ法により成膜
した非晶質珪素膜を結晶化して得られることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項１８】半導体薄膜でなる活性層を有する半導体
装置を作製するにあたって、絶縁表面を有する基体上に非晶質珪素膜を成膜する工程
と、前記非晶質珪素膜上に選択的にマスク絶縁膜を形成する
工程と、前記非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する金属元素を
選択的に保持させる工程と、第１の加熱処理により前記非晶質珪素膜の少なくとも一
部を結晶性珪素膜に変成させる工程と、前記マスク絶縁膜を除去する工程と、パターニングにより前記結晶性珪素膜のみで構成される
活性層を形成する工程と、前記活性層上にゲイト絶縁膜を成膜する工程と、ハロゲン元素を含む雰囲気中において第２の加熱処理を
行うことにより前記活性層中の前記金属元素をゲッタリ
ング除去すると共に前記活性層と前記ゲイト絶縁膜との
界面に熱酸化膜を形成する工程と、窒素雰囲気中における第３の加熱処理により前記熱酸化
膜を含めた前記ゲイト絶縁膜の膜質および界面の状態を
改善する工程と、を少なくとも有し、前記活性層は結晶粒界が概略一方向に揃い、かつ、前記
基体と概略平行な針状または柱状結晶が複数集合して構
成される結晶構造体であることを特徴とする半導体装置
の作製方法。
【請求項１９】半導体薄膜でなる活性層を有する半導体
装置を作製するにあたって、絶縁表面を有する基体上に非晶質珪素膜を成膜する工程
と、前記非晶質珪素膜上に選択的にマスク絶縁膜を形成する
工程と、前記非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する金属元素を
選択的に保持させる工程と、第１の加熱処理により前記非晶質珪素膜の少なくとも一
部を結晶性珪素膜に変成させる工程と、前記マスク絶縁膜を除去する工程と、パターニングにより前記結晶性珪素膜のみで構成される
活性層を形成する工程と、ハロゲン元素を含む雰囲気中において第２の加熱処理を
行うことにより前記活性層中の前記金属元素をゲッタリ
ング除去すると共に熱酸化膜のみで構成されるゲイト絶
縁膜を形成する工程と、窒素雰囲気中における第３の加熱処理により前記ゲイト
絶縁膜の膜質および界面の状態を改善する工程と、を少なくとも有し、前記活性層は結晶粒界が概略一方向に揃い、かつ、前記
基体と概略平行な針状または柱状結晶が複数集合して構
成される結晶構造体であることを特徴とする半導体装置
の作製方法。
【請求項２０】請求項１８または請求項１９において、
前記非晶質珪素膜の成膜方法は減圧熱ＣＶＤ法によるこ
とを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２１】請求項１８または請求項１９において、
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用いられることを特
徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２２】請求項１８または請求項１９において、
ハロゲン元素を含む雰囲気は酸素雰囲気中にＨＣｌ、Ｈ
Ｆ、ＨＢｒ、Ｃｌ₂ 、ＣｌＦ₃ 、ＢＣｌ₃ 、ＮＦ₃ 、Ｆ
₂ 、Ｂｒ₂ を含む化合物から選ばれた一種または複数種
類のガスが添加されたものであることを特徴とする半導
体装置の作製方法。
【請求項２３】請求項１８または請求項１９において、
第１の加熱処理は450 〜700 ℃の温度範囲で行われ、第
２または第３の加熱処理は700 ℃を越える温度範囲で行
われることを特徴とする半導体装置の作製方法。