JPH11261077A

JPH11261077A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH11261077A
Application number: JP28626498A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Satoshi Teramoto; 聡寺本; Jun Koyama; 潤小山; Shoji Miyanaga; 昭治宮永
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 1999-09-24
Anticipated expiration: 2015-12-15
Also published as: JP3452808B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して
結晶性珪素膜を得る技術において、金属元素の影響を低
減させる。【解決手段】絶縁表面上に珪素膜で構成された半導体層
を有し、前記半導体層は実質的に結晶粒界が存在しない
単結晶または実質的に単結晶とみなせる領域を含み、か
つ３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のスピン密度を有することを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、薄膜
トランジスタに代表される半導体装置の作製方法に関す
る。特に、ガラス基板や石英基板上に形成された結晶性
を有する珪素薄膜を用いた半導体装置の作製方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、珪素膜を用いた薄膜トランジ
スタが知られている。これは、ガラス基板や石英基板上
に形成された珪素膜を用いて、薄膜トランジスタを構成
する技術である。

【０００３】ガラス基板や石英基板が利用されるのは、
アクティブマトリクス型の液晶表示に上記薄膜トランジ
スタを利用するためである。従来は、非晶質珪素膜を用
いて薄膜トランジスタが形成されてきたが、より高性能
を求めるために結晶性を有する珪素膜（結晶性珪素膜と
いう）を利用して薄膜トランジスタを作製することが試
みられている。

【０００４】結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ
は、非晶質珪素膜を用いたものに比較して、２桁以上の
高速動作を行わすことができる。従って、これまで外付
けのＩＣ回路によって構成されていたアクティブマトリ
クス型の液晶表示装置の周辺駆動回路をガラス基板また
は石英基板上にアクティブマトリクス回路と同様に作り
込むことができる。

【０００５】このような構成は、装置全体の小型化や作
製工程の簡略化に非常に有利なものとなる。また作製コ
ストの低減にもつながる構成となる。

【０００６】一般に結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜をプ
ラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で成膜した後、加熱処
理、またはレーザー光の照射を行うことにより、結晶化
させることにより得ている。

【０００７】しかし、加熱処理の場合、結晶化にむらが
できたりし、なかなか必要とするような結晶性を広い面
積にわたって得ることが困難であるのが現状である。

【０００８】また、レーザー光の照射による方法も部分
的には高い結晶性を得ることができるが、広い面積にわ
たり、良好なアニール効果を得ることが困難である。特
に、良好な結晶性を得るような条件でのレーザー光の照
射は、不安定になりやすい。

【０００９】一方、特開平６−２３２０５９号に記載さ
れた技術は公知である。この技術は、非晶質珪素膜に珪
素の結晶化を助長する金属元素（例えばニッケル）を導
入し、従来よりもより低い温度での加熱処理で結晶性珪
素膜を得る技術である。

【００１０】本発明人らの研究によれば、この方法で得
られた結晶性珪素膜は、広い面積にわたって実用に耐え
る結晶性を有していることが判明している。

【００１１】しかし、局所的に金属元素が集中して存在
してしまうため、その導入量の制御が微妙であり、再現
席や安定性（得られたデバイスの電気的な安定性）に問
題があることが明らかになっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本明細書で開示する発
明は、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得ら
れた結晶性珪素膜における金属の局所的集中の問題を解
決する技術を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するために手段】本明細書で開示する発明
は、非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を
意図的に導入し第１の加熱処理により前記非晶質珪素膜
を結晶化させる工程と、第２の加熱処理を行う工程と、
前記珪素膜上に酸化窒化珪素膜を形成する工程と、を有
し、前記第２の加熱処理は前記第１の加熱処置と同じま
たはそれ以上の温度で行われることを特徴とする。

【００１４】上記構成において、珪素の結晶化を助長す
る金属元素としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐ
ｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種ま
たは複数種類のものが用いられる。特にニッケル元素を
用いることがその再現性の高さや効果の高さから好まし
い。

【００１５】また第２の加熱処理は５５０℃〜１０５０
℃の温度で行われる。さらに好ましくは、第２の加熱処
理は６００℃〜９８０℃の温度で行われる。

【００１６】またさらに第２の加熱処理の後にさらにレ
ーザー光を照射して、３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のスピン密
度を有し、かつ実質的に結晶粒界が存在しない単結晶ま
たは実質的に単結晶と見なせる領域を形成する。

【００１７】

【作用】結晶化のための加熱処理を行った後にさらにそ
れより高い温度での加熱処理を行うことで、珪素の結晶
化を助長するために意図的に導入した金属が膜中におい
て局所的に集中してしまうことを抑制することができ
る。

【００１８】

【実施例】〔実施例１〕本実施例では、ガラス基板上に
ニッケル元素を利用して結晶性珪素膜を得る技術を示
す。

【００１９】図１に本実施例の作製工程を示す。まず、
コーニング１７３７ガラス基板（歪点６６７℃）１０１
上に下地膜として酸化窒化珪素膜１０２を３０００Åの
厚さに成膜する。酸化窒化珪素膜の成膜は、原料ガスと
してシランとＮ₂Ｏガスと酸素とを用いたプラズマＣＶ
Ｄ法またＴＥＯＳガスとＮ₂Ｏガスとを用いたプラズマ
ＣＶＤ法で成膜する。

【００２０】酸化窒化珪素膜は、後の工程においてガラ
ス基板からの不純物（ガラス基板中には半導体の作製レ
ベルで見て多量の不純物が含まれている）の拡散を強力
に防止する機能を有している。

【００２１】なお、この機能を最大限に得るためには、
窒化珪素膜が最適であるが、窒化珪素膜が応力の関係で
ガラス基板からはがれてしまうので実用的ではない。ま
た、下地膜として酸化珪素膜を用いることもできる。し
かし、酸化珪素膜は、不純物に対するバリア効果が不十
分である。

【００２２】なおこの下地膜、可能な限りなるべく高い
硬度とすることが重要なポイントとなる。これは、最終
的に得られた薄膜トランジスタの耐久試験において、下
地膜の方さが硬い方が（即ち、そのエッチングレートが
小さい方が）信頼性が高いことが判明している。

【００２３】これは、下地膜の硬さがガラス基板からの
不純物の進入の防止に関係しているからである。

【００２４】次に後に結晶性珪素膜となる非晶質珪素膜
１０３を５００Åの厚さに減圧熱ＣＶＤ法で成膜する。
減圧熱ＣＶＤ法を用いるのは、その方が後に得られる結
晶性珪素膜の膜質が優れているからである。なお、減圧
熱ＣＶＤ法以外の方法としては、プラズマＣＶＤ法を用
いることができる。この非晶質珪素膜１０３の膜厚は２
０００Å以下とすることが好ましい。

【００２５】また、非晶質珪素膜１０３の膜厚の下限
は、その成膜において、どれだけ薄い膜が成膜できるか
による。一般に１００Å程度、実用的には２００Å程度
がその下限である。

【００２６】また、この段階においては、膜中に不純物
が混入しないように細心の注意を払うことが重要とな
る。こうして図１（Ａ）に示す状態を得る。

【００２７】次に１０ｐｐｍ（重量換算）のニッケル元
素を含んだニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜１０３の
表面に塗布する。即ち、図１（Ｂ）に示すようにまず非
晶質珪素膜１０３の表面にニッケル酢酸塩溶液の水膜１
０４を形成し、それからスピンコーターを利用してよけ
いな容器を吹き飛ばす。即ち、スピンドライを行う。

【００２８】このようにすることにより、ニッケル元素
が非晶質珪素膜１０３の表面に接して保持された状態を
得る。

【００２９】なお、後の加熱工程における不純物の残留
を考慮すると、酢酸ニッケル塩溶液を用いる代わりに硫
酸ニッケルを用いることが好ましい。これは、酢酸ニッ
ケル塩溶液は炭素を含んでおり、これが後の加熱工程に
おいて炭化して膜中に残留することが懸念されるからで
ある。

【００３０】ニッケル元素の導入量の調整は、溶液中に
おけるニッケル元素の濃度を調整することにいより、行
うことができる。

【００３１】そして、図１（Ｃ）に示す状態において、
４５０℃〜６５０℃の温度での加熱処理を行い、非晶質
珪素膜１０３を結晶化させる。この加熱処理は、ハロゲ
ン元素を含んだ雰囲気中で行う。ここでは、ＨＣｌが３
％含まれた窒素雰囲気中で行う。これは、結晶化と同時
にニッケル元素を塩素の作用によりゲッタングするため
である。

【００３２】雰囲気中におけるＨＣｌの濃度は、１〜１
０％とすることが好ましい。この濃度以上とすると、珪
素膜の表面が荒れてしまうので注意が必要である。また
この濃度以下であるとゲッタリング効果が薄れてしま
う。

【００３３】また、上記加熱処理の雰囲気中には、酸化
物が極力存在しないようにすることが重要となる。これ
は、ニッケルと酸素とが反応して、ＮｉＯ_Xが膜の表面
や膜中に形成されてしまうからである。具体的には、酸
素の含有量がｐｐｍオーダー、好ましくは１ｐｐｍ以下
であるような雰囲気とすることがよい。

【００３４】また、このＮｉＯ_Xが形成されてしまう現
象を抑制するために上記加熱処理の雰囲気を還元雰囲気
とすることも有用である。例えば、窒素（アルゴンでも
よい）雰囲気中に３％（爆発限界を考慮する必要があ
る）の水素を混合させ、さらに１〜１０％のＨＣｌの混
合させた雰囲気とすることは有効である。

【００３５】また上記の加熱処理温度の下限は、その効
果および再現性から見て、４５０度以上とすることが好
ましい。またその上限は、使用するガラス基板の歪点以
下とすることが必要である。ここでは、歪点が６６７℃
のコーニング１７３７ガラス基板を用いているので、多
少の余裕をみてその上限を６５０℃とする。

【００３６】従って、石英基板を用いれば、さらに９０
０℃程度までさらに加熱温度を高くすることが可能であ
る。この場合、より高い結晶性を有する結晶性珪素膜を
得ることができる。またより短時間で結晶性珪素膜を得
ることができる。

【００３７】またＨＣｌ以外のガスとしては、ＨＦ、Ｈ
Ｂｒ、Ｃｌ₂、Ｆ₂、Ｂｒ₂から選ばれた一種または複
数種類のものを用いることができる。これらのガスは、
雰囲気中での含有量（体積含有量）をＨＦであれば0.3
〜１０％、ＨＢｒであれば１〜２０％、Ｃｌ₂であれば
0.3 〜５％、Ｆ₂であれば0.1 〜３％、Ｂｒ₂であれば
0.3 〜１０％とすることが好ましい。

【００３８】図１（Ｃ）に示す加熱処理により、結晶性
珪素膜を得たら、再度の加熱処理をハロゲン元素を含ん
だ溶液中で行う。この加熱処理は、前述の結晶化を行う
ために行った加熱処理よりも高い温度で行うことが非常
に重要である。

【００３９】この工程は、結晶化のために初期の段階で
意図的に混入させたニッケル元素（そのた珪素の結晶化
を助長する金属元素）を除去するための工程である。

【００４０】ニッケルに代表される珪素の結晶化を助長
する金属元素は、非晶質珪素膜の結晶化のためには非常
に有用なもので、結晶化に際しては、重要な役割を果た
す。

【００４１】しかし、結晶性珪素膜が得られた後におい
ては、半導体中で準位を形成したり、不安定要素として
作用するので、極力排除することが望まれる。

【００４２】そこで、ここでは、再度ハロゲン元素を含
んだ雰囲気中において、加熱処理を行う。（図１
（Ｄ））

【００４３】この加熱処理は、５５０℃〜１０５０℃、
好ましくは６００℃〜９８０℃の温度で行うことが好ま
しい。

【００４４】これは、６００℃以下でがその効果がえら
れず、１０５０℃を越えることは、石英で形成された治
具が歪んでしまったり、装置に負担がかかるからであ
る。（この意味で９８０℃以下が好ましい）

【００４５】また、この加熱処理温度の上限は、使用す
るガラス基板の歪点以下の温度で行うことが必要であ
る。使用するガラス基板の歪点以上の温度で加熱処理を
行うと、基板が変形するので注意が必要である。

【００４６】この２度目の加熱処理の雰囲気は、第１の
結晶化を行った際のものと同じでよい。この加熱処理に
おいては、加熱温度が６００℃〜７５０℃の場合は１０
時間〜４８時間、代表的には２４時間とする。また加熱
温度が７５０℃〜９００℃の場合は５時間〜２４時間、
代表的には１２時間とする。また加熱温度が９００℃〜
１０５０℃の場合は１時間〜１２時間、代表的には６時
間とする。

【００４７】この工程を経ることにより、ニッケル元素
の濃度を初期の１／１０以下とすることができる。これ
は、何らハロゲン元素によるゲッタリングを行わない場
合に比較して、ニッケル元素を１／１０以下のできるこ
とを意味する。この効果は、他の金属元素を用いた場合
でも同様に得られる。

【００４８】この効果は、第２の加熱処理の時間を長く
するか、第２の加熱処理の温度を高くすることにより、
より高めることができる。

【００４９】この２度目の加熱処理を行うことで、ニッ
ケル元素が拡散し、局所的に集中した状態が発生してし
まうことを抑制することができる。

【００５０】なお、実施例１においては、その制御性の
良さ、さらに簡便性からニッケル元素の導入を溶液を用
いる例を示した。しかし、ＣＶＤ法たスパッタ法によっ
て、ニッケルまたはニッケルを含む膜を成膜する方法を
利用してもよい。また、吸着法を用いて、ニッケル元素
が非晶質珪素膜の表面に接して保持される方法を用いて
もよい。

【００５１】またこのことは、他の珪素の結晶化を助長
する金属元素を利用する場合でも同様にいえることがで
きる。

【００５２】〔実施例２〕本実施例では、実施例１とは
異なる形態の結晶成長を行わせる例に関する。本実施例
は、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して、横成
長と呼ばれる基板に平行な方向に結晶成長を行わす方法
に関する。

【００５３】図２に本実施例の作製工程を示す。まず、
コーニング１７３７ガラス基板（石英基板でもよい）上
に下地膜として酸化窒化珪素膜２０２を３０００Åの厚
さに成膜する。

【００５４】次に非晶質珪素膜２０３を減圧熱ＣＶＤ法
でもって、５００Åの厚さに成膜する。この非晶質珪素
膜の厚さは、前述したように２０００Å以下とすること
が好ましい。

【００５５】次に図示しない酸化珪素膜を１５００Åの
厚さに成膜し、それをパターニングすることにより、２
０４で示されるマスクを形成する。このマスクは２０５
で示される領域で開口が形成されており、その領域で下
地の非晶質珪素膜２０３が露呈している。

【００５６】開口２０３は、図面の奥行及び手前方向に
長手方向を有する細長い長方形を有している。この開口
２０３の幅は２０μｍ以上とすればよい。またその長手
方向の長さは任意に決めればよい。

【００５７】そして実施例１で示した重量換算で１０ｐ
ｐｍのニッケル元素を含んだ酢酸ニッケル溶液を塗布す
る。こうして、ニッケル元素が点線２０６で示されるよ
うに、露呈した非晶質珪素膜の表面と酸化珪素膜でなる
マスク２０４の表面に接して保持された状態とする。
（図２（Ａ））

【００５８】次に極力酸素を含まない窒素雰囲気中にお
いて、６００℃、４時間の加熱処理を行う。すると、図
２（Ｂ）の２０７で示されるような基板に平行な結晶成
長が進行する。この結晶成長は、ニッケル元素が導入さ
れた開口２０５の領域から周囲に向かって進行する。こ
の基板に平行な方向への結晶成長を横成長またはラテラ
ル成長と称する。

【００５９】なおこの結晶化のための第１の加熱処理を
還元雰囲気中で行うことは非常に有用である。

【００６０】この横成長は、１００μｍ以上にわたって
行わすことができる。こうして横成長した領域を有する
珪素膜２０８を得る。なお、開口２０５が形成されてい
る領域においては、珪素膜の表面から下地界面に向かっ
て縦成長とよばる垂直方向への結晶成長が進行する。

【００６１】そしてニッケル元素を選択的に導入するた
めの酸化珪素膜でなるマスク２０４を除去し、図２
（Ｃ）に示す状態を得る。この状態では、縦成長領域、
横成長領域、結晶成長が及ばなかった領域（非晶質状態
を有している）が珪素膜２０８中には存在している。

【００６２】そしてこの状態で、ＨＣｌを３％、さらに
水素を３％含んだ窒素雰囲気中で６４０℃の温度で１２
時間の加熱処理を行う。このようにすることで、実施例
１においても述べたように膜中におけるニッケル元素の
濃度を減少させることができる。

【００６３】この第２の加熱処理を行うことで、局所的
に集中したニッケル元素を拡散させることができる。そ
して、局所的にニッケル元素が集中することによる問題
を解決することができる。即ち、高密度のトラップ準位
の形成や金属的な電気特性が表れる問題を抑制すること
ができる。

【００６４】次にパターニングを行うことにより、横成
長領域でなるパターン２０９を形成する。ここで、パタ
ーン２０９には、縦成長領域と非晶質領域、さらに横成
長の先端領域が存在しないようにすることが重要であ
る。

【００６５】これは、縦成長と横成長の先端領域には、
ニッケル元素が比較的高濃度に含まれているからであ
る。また、非晶質領域はその電気的な特性が劣るからで
ある。

【００６６】このようにして得られた横成長領域でなる
パターン２０９中に残留するニッケル元素の濃度は、実
施例１で示した場合に比較してさらに低いものとするこ
とができる。

【００６７】これは、横成長領域中に含まれる金属元素
の濃度がそもそも低いことにも起因する。具体的には、
横成長領域でなるパターン２０９中のニッケル元素の濃
度を１０¹⁷ｃｍ^-3のオーダーにすることが可能となる。

【００６８】また横成長領域を利用して薄膜トランジス
タを形成した場合、実施例１に示したような縦成長（実
施例１の場合は全面が縦成長する）領域を領域を利用し
た場合に比較して、より高移動度を有するものを得るこ
とができる。

【００６９】ニッケル濃度を低くすることができるの
で、デバイスとしてその信頼性を高いものとすることが
できる。

【００７０】〔実施例３〕本実施例は、本明細書に開示
する発明を利用して、アクティブマトリクス型の液晶表
示装置やアクティブマトリクス型のＥＬ表示装置の画素
領域に配置される薄膜トランジスタを作製する例を示
す。

【００７１】図３に本実施例の作製工程を示す。まず、
実施例１または実施例２に示した工程によりガラス基板
上に結晶性珪素膜を形成する。そしてそれをパターニン
グすることにより、図３（Ａ）に示す状態を得る。

【００７２】図３（Ａ）に示す状態において、３０１が
ガラス基板、３０２が下地膜、３０３が結晶性珪素膜で
構成された活性層である。ここで下地膜３０２は酸化窒
化珪素膜を用いることが好ましい。また酸化窒化珪素膜
中には、ハロゲン元素を含有させておくことが望まし
い。これは、ハロゲン元素による金属イオンや可動イオ
ンのゲッタリング作用が利用するためである。

【００７３】図３（Ａ）に示す状態を得たら、ゲイト絶
縁膜を構成する酸化窒化珪素膜３０４を１０００Åの厚
さに成膜する。成膜方法は、酸素とシランとＮ₂Ｏとの
混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法、またはＴＥＯＳと
Ｎ₂Ｏとの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法を用い
る。

【００７４】また酸化窒化珪素膜中にハロゲン元素を含
有させることは、活性層中に存在するニッケル元素（そ
の他珪素の結晶化を助長する金属元素）の影響で、ゲイ
ト絶縁膜の絶縁膜としての機能が低下してしまうことを
防ぐ意味で有用となる。

【００７５】酸化窒化珪素膜とすることは、その緻密な
膜質から、ゲイト絶縁膜中に金属元素が進入しくくなる
という有意性がある。ゲイト絶縁膜中に金属元素が進入
すると、絶縁膜として機能が低下し、薄膜トランシスタ
の特性の不安定性やバラツキの原因となる。

【００７６】なおゲイト絶縁膜としては、通常利用され
ている酸化珪素膜を用いることもできる。

【００７７】ゲイト絶縁膜として機能する酸化窒化珪素
膜３０４を成膜したら、後にゲイト電極として機能する
図示しないアルミニウム膜をスパッタ法で成膜する。こ
のアルミニウム膜中には、スカンジウムを0.2 重量％含
有させる。

【００７８】アルミニウム膜中にスカンジウムを含有さ
せるのは、後の工程において、ヒロックやウィスカーが
発生することを抑制するためである。ヒロックやウィス
カーは、加熱が行われることによって、アルミニウムの
異常成長が発生し、針状あるいは刺状の突起部が形成さ
れてしまうことをいう。

【００７９】アルミニウム膜を成膜したら、図示しない
緻密な陽極酸化膜を形成する。この陽極酸化膜は、３％
の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液と
して行う。即ち、この電解溶液中において、アルミニウ
ム膜を陽極、白金を陰極として陽極酸化を行うことで、
アルミニウム膜の表面に緻密な膜質を有する陽極酸化膜
が形成される。

【００８０】この図示しない緻密な膜質を有する陽極酸
化膜の膜厚は１００Å程度とする。この陽極酸化膜が後
に形成されるレジストマスクとの密着性を向上させる役
割を有している。

【００８１】なお、この陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化
時の印加電圧によって制御することができる。

【００８２】次にレジストマスク３０６を形成する。そ
してアルミニウム膜を３０５で示されるパターンにパタ
ーニングする。こうして図３（Ｂ）に示す状態を得る。

【００８３】ここで再度の陽極酸化を行う。ここでは、
３％のシュウ酸水溶液を電解溶液として用いる。この電
解溶液中において、アルミニウムのパターン３０５を陽
極とした陽極酸化を行うことにより、３０８で示される
多孔質状の陽極酸化膜が形成される。

【００８４】この工程においては、上部に密着性の高い
レジストマスク３０６が存在する関係で、アルミニウム
パターンの側面に選択的に陽極酸化膜３０８が形成され
る。

【００８５】この陽極酸化膜は、その膜厚を数μｍまで
成長させることができる。ここでは、その膜厚を６００
０Åとする。なお、その成長距離は、陽極酸化時間によ
って制御することができる。

【００８６】そして再度の緻密な陽極酸化膜の形成を行
う。即ち、前述した３％の酒石酸を含んだエチレングル
コール溶液を電解溶液として用いた陽極酸化を再び行
う。すると、多孔質状の陽極酸化膜３０８中に電解溶液
が進入する関係から、３０９で示されるように緻密な膜
質を有する陽極酸化膜が形成される。

【００８７】この緻密な陽極酸化膜３０９の膜厚は１０
００Åとする。

【００８８】ここで、露呈した酸化窒化珪素膜３０４を
エッチングする。このエッチングはドライエッチングを
利用するのが有用である。さらに酢酸と硝酸とリン酸と
を混合した混酸を用いて多孔質状の陽極酸化膜３０８を
除去する。こうして図３（Ｄ）に示す状態を得る。

【００８９】図３（Ｄ）に示す状態を得たら、不純物イ
オンの注入を行う。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）イオンの注入をプ
ラズマドーピング法でもって行う。

【００９０】この工程においては、ヘビードープがされ
る３１１と３１５の領域とライトドープがされる３１２
と３１４の領域が形成される。これは、残存した酸化珪
素膜３１０の一部が半透過なマスクとして機能し、注入
されたイオンの一部がそこで遮蔽されるからである。

【００９１】そしてレーザー光または強光の照射を行う
ことにより、不純物イオンが注入された領域の活性化を
行う。こうして、ソース領域３１１、チャネル形成領域
３１３、ドレイン領域３１５、低濃度不純物領域３１２
と３１４が自己整合的に形成される。

【００９２】ここで、３１４で示されるのが、ＬＤＤ
（ライトドープドレイン）領域と称される領域である。
（図３（Ｄ））

【００９３】なお、緻密な陽極酸化膜３０９の膜厚を２
０００Å以上というように厚くした場合、その膜厚でも
ってチャネル形成領域３１３の外側にオフセットゲイト
領域を形成することができる。

【００９４】本実施例においてもオフットゲイト領域は
形成されているが、その寸法が小さいのでその存在によ
る寄与が小さく、また図面が煩雑になるので図中には記
載していない。

【００９５】次に層間絶縁膜３１６として酸化珪素膜、
または窒化珪素膜、またはその積層膜を形成する。層間
絶縁膜としては、酸化珪素膜または窒化珪素膜上に樹脂
材料でなる層を形成して構成してもよい。

【００９６】そしてコンタクトホールの形成を行い、ソ
ース電極３１７とドレイン電極３１８の形成を行う。こ
うして図３（Ｅ）に示す薄膜トランジスタが完成する。

【００９７】〔実施例４〕本実施例は、実際例３に示す
構成において、ゲイト絶縁膜３０４の形成方法に関す
る。基板として石英基板や耐熱性の高いガラス基板を用
いた場合、ゲイト絶縁膜の形成方法として、熱酸化法を
用いることが好ましい。

【００９８】熱酸化法で成膜されや酸化膜は、絶縁膜と
して緻密で内部に可動するような電荷が存在することが
ないので、ゲイト絶縁膜として最適なものの一つとな
る。

【００９９】熱酸化膜の形成方法としては、９５０℃の
温度の酸化性雰囲気中において、処理を行う例を挙げる
ことができる。

【０１００】この際、酸化性雰囲気中にＨＣｌ等を混合
させることは有効となる。このようにすることで、熱酸
化膜の形成と同時に活性層中に存在する金属元素を除去
することができる。

【０１０１】また、酸化性雰囲気中にＮ₂Ｏガスを混合
し、窒素成分を含有した熱酸化膜を形成することも有効
である。ここでＮ₂Ｏガスの混合比を最適化すれば、熱
酸化法による酸化窒化珪素膜を得ることも可能である。

【０１０２】ここでは熱酸化法によって、ゲイト絶縁膜
を形成する例を示した。しかし、他の方法として、熱Ｃ
ＶＤ法により、ゲイト絶縁膜を形成することもできる。
この場合もＮ₂Ｏまたはアンモニアを用いて、窒素成分
を含有させることが有効となる。

【０１０３】〔実施例５〕本実施例は、図３に示すのと
は異なる工程で薄膜トランジスタを作製する例を示す。

【０１０４】図４に本実施例の作製工程を示す。まず、
実施例１または実施例２に示した工程によりガラス基板
上に結晶性珪素膜を形成する。そしてそれをパターニン
グすることにより、図４（Ａ）に示す状態を得る。

【０１０５】図４（Ａ）に示す状態において、４０１が
ガラス基板、４０２が下地膜、４０３が結晶性珪素膜で
構成された活性層である。ここで下地膜４０２は酸化窒
化珪素膜を用いることが好ましい。

【０１０６】図４（Ａ）に示す状態を得たら、ゲイト絶
縁膜を構成する酸化窒化珪素膜４０４を１０００Åの厚
さに成膜する。成膜方法は、酸素とシランとＮ₂Ｏとの
混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法、またはＴＥＯＳと
Ｎ₂Ｏとの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法を用い
る。

【０１０７】なおゲイト絶縁膜としては、通常利用され
ている酸化珪素膜を用いることもできる。

【０１０８】ゲイト絶縁膜として機能する酸化窒化珪素
膜４０４を成膜したら、後にゲイト電極として機能する
図示しないアルミニウム膜をスパッタ法で成膜する。こ
のアルミニウム膜中には、スカンジウムを0.2 重量％含
有させる。

【０１０９】アルミニウム膜を成膜したら、図示しない
緻密な陽極酸化膜を形成する。この陽極酸化膜は、３％
の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液と
して行う。即ち、この電解溶液中において、アルミニウ
ム膜を陽極、白金を陰極として陽極酸化を行うことで、
アルミニウム膜の表面に緻密な膜質を有する陽極酸化膜
が形成される。

【０１１０】この図示しない緻密な膜質を有する陽極酸
化膜の膜厚は１００Å程度とする。この陽極酸化膜が後
に形成されるレジストマスクとの密着性を向上させる役
割を有している。

【０１１１】なお、この陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化
時の印加電圧によって制御することができる。

【０１１２】次にレジストマスク４０５を形成する。そ
してアルミニウム膜を３０６で示されるパターンにパタ
ーニングする。

【０１１３】ここで再度の陽極酸化を行う。ここでは、
３％のシュウ酸水溶液を電解溶液として用いる。この電
解溶液中において、アルミニウムのパターン４０６を陽
極とした陽極酸化を行うことにより、４０７で示される
多孔質状の陽極酸化膜が形成される。

【０１１４】この工程においては、上部に密着性の高い
レジストマスク４０５が存在する関係で、アルミニウム
パターンの側面に選択的に陽極酸化膜４０７が形成され
る。

【０１１５】この陽極酸化膜は、その膜厚を数μｍまで
成長させることができる。ここでは、その膜厚を６００
０Åとする。なお、その成長距離は、陽極酸化時間によ
って制御することができる。

【０１１６】そして再度の緻密な陽極酸化膜の形成を行
う。即ち、前述した３％の酒石酸を含んだエチレングル
コール溶液を電解溶液として用いた陽極酸化を再び行
う。すると、多孔質状の陽極酸化膜４０７中に電解溶液
が進入する関係から、４０８で示されるように緻密な膜
質を有する陽極酸化膜が形成される。

【０１１７】ここで、最初の不純物イオンの注入を行
う。この工程は、レジストマスク４０５を除去してから
行ってもよい。

【０１１８】この不純物イオンの注入によって、ソース
領域４０９とドレイン領域４１１が形成される。また４
１０の領域には不純物イオンが注入されない。

【０１１９】次に酢酸と硝酸とリン酸とを混合した混酸
を用いて多孔質状の陽極酸化膜３０７を除去する。こう
して図４（Ｄ）に示す状態を得る。

【０１２０】図４（Ｄ）に示す状態を得たら、再度不純
物イオンの注入を行う。この不純物イオンは最初の不純
物イオンの注入条件よりライトドーピングの条件で行
う。

【０１２１】この工程において、ライトドープ領域４１
２と４１３が形成される。そして４１４で示される領域
がチャネル形成領域となる。（図４（Ｄ））

【０１２２】そしてレーザー光または強光の照射を行う
ことにより、不純物イオンが注入された領域の活性化を
行う。こうして、ソース領域４０９、チャネル形成領域
４１４、ドレイン領域４１１、低濃度不純物領域４１２
と４１３が自己整合的に形成される。

【０１２３】ここで、４１３で示されるのが、ＬＤＤ
（ライトドープドレイン）領域と称される領域である。
（図４（Ｄ））

【０１２４】次に層間絶縁膜３１４として酸化珪素膜、
または窒化珪素膜、またはその積層膜を形成する。層間
絶縁膜としては、酸化珪素膜または窒化珪素膜上に樹脂
材料でなる層を形成して構成してもよい。

【０１２５】そしてコンタクトホールの形成を行い、ソ
ース電極４１６とドレイン電極４１７の形成を行う。こ
うして図４（Ｅ）に示す薄膜トランジスタが完成する。

【０１２６】〔実施例６〕本実施例は、Ｎチャネル型の
薄膜トランジスタとＰチャネル型の薄膜トランジスタと
を相補型に構成した例に関する。

【０１２７】本実施例に示す構成は、例えば、絶縁表面
上に集積化された各種薄膜集積回路に利用することがで
きる。また、例えばアクティブマトリクス型の液晶表示
装置の周辺駆動回路に利用することができる。

【０１２８】まず図５（Ａ）に示すようにガラス基板５
０１上に下地膜５０２として酸化珪素膜または酸化窒化
珪素膜を成膜する。好ましくは酸化窒化珪素膜を用いる
ことがよい。

【０１２９】さらに図示しない非晶質珪素膜をプラズマ
ＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法でもって成膜する。さら
に実施例１または実施例２に示した方法により、この非
晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成する。

【０１３０】そして得られた結晶性珪素膜をパターニン
グして、活性層５０３と５０４を得る。こうして図５
（Ａ）に示す状態を得る。

【０１３１】なおここでは、活性層の側面を移動するキ
ャリアの影響を抑制するために、図５（Ａ）に示した状
態において、ＨＣｌを３％含んだ窒素雰囲気中にて６５
０℃、１０時間の加熱処理を行う。

【０１３２】活性層の側面に金属元素の存在によるトラ
ップ準位が存在すると、ＯＦＦ電流特性の悪化を招くの
で、ここで示すような処理を行い、活性層の側面におけ
る準位の密度を低下させておくことは有用である。

【０１３３】さらにゲイト絶縁膜を構成する酸化窒化珪
素膜５０５を成膜する。ここで、基板として石英を用い
るならば、前述の熱酸化法を用いることが好ましい。

【０１３４】そして後にゲイト電極を構成するための図
示しないアルミニウム膜を４０００Åの厚さに成膜す
る。アルミニウム膜以外には、陽極酸化可能な金属（例
えばタンタル）を利用することができる。

【０１３５】アルミニウム膜を形成したら、前述した方
法により、その表面に極薄い緻密な陽極酸化膜を形成す
る。

【０１３６】次にアルミニウム膜上に図示しないレジス
トマスクを配置し、アルミニウム膜のパターニングを行
う。そして、得られたアルミニウムパターンを陽極とし
て陽極酸化を行い、多孔質状の陽極酸化膜５０８と５０
９を形成する。この多孔質状の陽極酸化膜の膜厚は例え
ば５０００Åとする。

【０１３７】さらに再度緻密な陽極酸化膜を形成する条
件で陽極酸化を行い、緻密な陽極酸化膜５１０と５１１
を形成する。ここで緻密な陽極酸化膜５１０と５１１の
膜厚は８００Åとする。こうして図５（Ｂ）に示す状態
を得る。

【０１３８】さらに露呈した酸化珪素膜５０５をドライ
エッチングによって除去し、図５（Ｃ）に示す状態を得
る。

【０１３９】図５（Ｃ）に示す状態を得たら、酢酸と硝
酸とリン酸を混合した混酸を用いて、多孔質状の陽極酸
化膜５０８と５０９を除去する。こうして図５（Ｄ）に
示す状態を得る。

【０１４０】ここで、交互にレジストマスクを配置し
て、左側の薄膜トランジスタにＰイオンが、右側の薄膜
トランジスタにＢイオンが注入されるようにする。

【０１４１】この不純物イオンの注入によって、高濃度
のＮ型を有するソース領域５１４とドレイン領域５１７
が自己整合的に形成される。

【０１４２】また、低濃度にＰイオンがドープされた弱
いＮ型を有する領域５１５が同時に形成される。また、
チャネル形成領域５１６が同時に形成される。

【０１４３】５１５で示される弱いＮ型を有する領域が
形成されるのは、残存したゲイト絶縁膜５１２が存在す
るからである。即ち、ゲイト絶縁膜５１２を透過したＰ
イオンがゲイト絶縁膜５１２によって一部遮蔽されるか
らである。

【０１４４】また同様な原理により、強いＰ型を有する
ソース領域５２１とドレイン領域５１８が自己整合的に
形成される。また、低濃度不純物領域５２０が同時に形
成される。また、チャネル形成領域５１９が同時に形成
される。

【０１４５】なお、緻密な陽極酸化膜５１０と５１１の
膜厚が２０００Åというように厚い場合には、その厚さ
でチャネル形成領域に接してオフセットゲイト領域を形
成することができる。

【０１４６】本実施例の場合は、緻密な陽極酸化膜５１
０と５１１の膜厚が１０００Å以下と薄いので、その存
在は無視することができる。

【０１４７】そして、レーザー光または強光の照射を行
い、不純物イオンが注入された領域のアニールを行う。

【０１４８】そして図５（Ｅ）に示すように層間絶縁膜
として窒化珪素膜５２２と酸化珪素膜５２３を成膜す
る。それぞれの膜厚は１０００Åとする。なお、酸化珪
素膜５２３は成膜しなくてもよい。

【０１４９】ここで、窒化珪素膜によって、薄膜トラン
ジスタが覆われることになる。窒化珪素膜は緻密であ
り、また界面特性がよいので、このような構成とするこ
とで、薄膜トランジスタの信頼性を高めることができ
る。

【０１５０】さらに樹脂材料でなる層間絶縁膜５２４を
スピンコート法を用いて形成する。ここでは、層間絶縁
膜５２４の厚さは１μｍとする。（図５（Ｅ））

【０１５１】そしてコンタクトホールの形成を行い、左
側のＮチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極５２
５とドレイン電極５２６を形成する。また同時に右側の
薄膜トランジスタのソース電極５２７とドレイン電極５
２６を形成する。ここで、５２６は共通に配置されたも
のとなる。

【０１５２】こうして、相補型に構成されたＣＭＯＳ構
造を有する薄膜トランジスタ回路を構成することができ
る。

【０１５３】本実施例に示す構成においては、薄膜トラ
ンジスタを窒化膜で覆い、さらに樹脂材料によって覆っ
た構成が得られる。この構成は、可動イオンや水分の侵
入しにくい耐久性の高いものとすることができる。

【０１５４】また、さらに多層配線を形成したような場
合に、薄膜トランジスタと配線との間に容量が形成され
てしまうことを防ぐことができる。

【０１５５】〔実施例７〕本実施例は、実施例１または
実施例２で得た結晶性珪素膜に対して、さらにレーザー
光の照射を行うことにより、単結晶または実質的に単結
晶と見なせる領域を形成する構成に関する。

【０１５６】まず実施例１に示したようにニッケル元素
の作用を利用して結晶性珪素膜を得る。そして、その膜
に対してエキシマレーザー（例えばＫｒＦエキシマレー
ザー）を照射して、さらにその結晶性を助長させる。

【０１５７】このような方法で結晶化を大きく助長させ
た膜は、ＥＳＲで計測した電子スピン密度が３×１０¹⁷
個ｃｍ^-3以下であり、またＳＩＭＳで計測した最低値と
して当該ニッケル元素濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下で有
し、さらに単結晶と見なすことができる領域を有するも
のとなる。

【０１５８】この領域には、実質的に結晶粒界が存在し
ておらず、単結晶珪素ウエハーに匹敵する高い電気的な
特性を得ることができる。

【０１５９】またこの単結晶と見なせる領域は、水素を
５原子％以下〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3程度含んでいる。この
値は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）による計測より
明らかにされる。

【０１６０】このような単結晶または単結晶と見なせる
領域を利用して薄膜トランジスタを作製することで、単
結晶ウエハーを利用して作製したＭＯＳ型トランジスタ
に匹敵するものを得ることができる。

【０１６１】〔実施例８〕本実施例は、図３〜５で示し
たような薄膜トランジスタの作製工程において、ゲイト
絶縁膜の作製を熱ＣＶＤ法で成膜した場合の例を示す。
熱ＣＶＤ法でゲイト絶縁膜を形成する場合は、高温で加
熱することが必要とされるので、基板として石英を用い
ることが望ましい。

【０１６２】ここでは、ＨＣｌを体積比率で３％含んだ
酸素ガスを利用して、減圧熱ＣＶＤ法により、ゲイト絶
縁膜を形成する例を示す。このような方法で得られたゲ
イト絶縁膜は、活性層中に存在する金属元素の進入によ
って、その電気的な特性が変化しにくいものとすること
ができる。

【０１６３】〔実施例９〕本実施例は、実施例１または
実施例２に示す工程において、第２の加熱処理を酸素を
主成分とする雰囲気とすることを特徴とする。例えば、
酸素雰囲気中にＨＣｌを３％含有させ、その雰囲気中に
おいて加熱処理を行うことを特徴とする。

【０１６４】前述したように、結晶化を行うための第１
の加熱処理においては、雰囲気中において酸素が存在し
ていることは、局所的に酸化ニッケルが形成されてしま
うので好ましくない。

【０１６５】しかし、第２の加熱工程においては、表面
に存在する金属元素はほとんど無いので、雰囲気を酸素
主成分としても特に問題とはならない。

【０１６６】一方、この第２の加熱処理において雰囲気
を酸素を主成分としたものとすると、加熱処理と同時に
珪素膜の表面に極薄い酸化膜（熱酸化膜）が形成され
る。この酸化膜は良好な界面特性を有したものであり、
後のゲイト絶縁膜の下地膜（最終的にゲイト絶縁膜と一
体化する）として有効に機能する。

【０１６７】また、珪素膜の保護する保護膜としても機
能する。特に、第２の加熱処理の後にさらにレーザー光
の照射を併用する場合は、この酸化膜が存在することは
非常に有用なものとなる。

【０１６８】即ち、レーザー光の照射による膜表面の荒
れを最小限にするために有効な保護膜となる。

【０１６９】〔実施例１０〕本実施例は、実施例１に示
す工程において、下地膜の表面に直接ニッケル元素を導
入する例を示す。この場合、ニッケル元素は非晶質珪素
膜の下面に接して保持されることになる。

【０１７０】

【発明の効果】本明細書で開示する発明を利用すること
で、珪素の結晶化を助長する金属元素を利用して得られ
た結晶性珪素膜における金属の局所的集中の問題を解決
することができる。そして信頼性の高い薄膜トランジス
タを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】結晶性珪素膜を得る工程を示す図。

【図２】結晶性珪素膜を得る工程を示す図。

【図３】薄膜トランジスタを作製する工程を示す図。

【図４】薄膜トランジスタを作製する工程を示す図。

【図５】薄膜トランジスタを作製する工程を示す図。

【符号の説明】

１０１ガラス基板または石英基板１０２下地膜（酸化珪素膜または酸化窒化珪素
膜）１０３非晶質珪素膜１０４ニッケルを含んだ溶液の水膜１０５結晶性珪素膜２０１ガラス基板または石英基板２０２下地膜（酸化珪素膜または酸化窒化珪素
膜）２０３非晶質珪素膜２０４酸化珪素膜でなるマスク２０５開口部２０６接して保持されたニッケル２０７基板に平行な方向への結晶成長の方向２０８珪素膜２０９パターニンされた珪素膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 27/12 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６１６Ａ６１８Ｚ (72)発明者宮永昭治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

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面上に珪素膜で構成された半導体層
を有し、前記半導体層は実質的に結晶粒界が存在しない単結晶ま
たは実質的に単結晶とみなせる領域を含み、かつ３×１
０¹⁷ｃｍ^-3以下のスピン密度を有することを特徴とする
半導体装置。
【請求項２】絶縁表面上に珪素膜で構成された半導体層
を有し、前記半導体層は実質的に結晶粒界が存在しない単結晶ま
たは実質的に単結晶とみなせる領域を含み、前記半導体層中に水素を１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜５原子％以
下含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】絶縁表面上に珪素膜で構成された半導体層
を有し、前記半導体層は実質的に結晶粒界が存在しない単結晶ま
たは実質的に単結晶とみなせる領域を含み、前記半導体層の厚さは１００Å以上であることを特徴と
する半導体装置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
おいて、前記半導体装置は薄膜トランジスタであること
を特徴とする半導体装置。