JPH09312404A - 半導体装置およびその作製方法 - Google Patents

半導体装置およびその作製方法

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JPH09312404A
JPH09312404A JP8326068A JP32606896A JPH09312404A JP H09312404 A JPH09312404 A JP H09312404A JP 8326068 A JP8326068 A JP 8326068A JP 32606896 A JP32606896 A JP 32606896A JP H09312404 A JPH09312404 A JP H09312404A
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久 大谷
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
Satoshi Teramoto
聡 寺本
Jun Koyama
潤 小山
Yasushi Ogata
靖 尾形
Masahiko Hayakawa
昌彦 早川
Mitsuaki Osame
光明 納
Toshiji Hamaya
敏次 浜谷
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い特性を有する薄膜トランジスタを得る。 【解決手段】 非晶質珪素膜２０３の特定の領域２０５
に選択的にニッケル元素を接して保持させる。そして加
熱処理を施すことに結晶化させ、さらにハロゲン元素を
含有した酸化性雰囲気中での加熱処理を施すことによ
り、熱酸化膜２０９を形成する。この際、結晶性の改
善、ニッケル元素のゲッタリングが進行する。この結晶
性珪素膜は、多数の点から放射状に結晶成長したような
構造を有したものとなる。こうすることで、高い特性を
有するＴＦＴを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
結晶性を有する薄膜半導体に関する。また、その薄膜半
導体の作製方法に関する。またその薄膜半導体を利用し
た半導体装置に関する。またその半導体装置の作製方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガラス基板や石英基板上に結晶性を有す
る珪素膜を成膜し、その珪素膜でもって薄膜トランジス
タ（以下ＴＦＴと称する）を作製する技術が知られてい
る。
【０００３】この薄膜トランジスタは、高温ポリシリコ
ンＴＦＴや低温ポリシリコンＴＦＴと称されている。
【０００４】高温ポリシリコンＴＦＴは、結晶性珪素膜
の作製手段として、８００℃や９００℃以上というよう
な比較的高温の加熱処理を利用する技術である。この技
術は、単結晶シリコンウエハーの利用したＩＣの作製プ
ロセスの派生技術といえる。
【０００５】当然、高温ポリシリコンＴＦＴが作製され
る基板としては、上記加熱温度に耐える石英基板が利用
される。
【０００６】他方、低温ポリシリコンＴＦＴは、基板と
して安価なガラス基板（当然耐熱性は石英基板に対して
劣るものとなる）を利用したものである。
【０００７】低温ポリシリコンＴＦＴの構成する結晶性
珪素膜の作製には、ガラス基板の耐える６００℃以下の
加熱や、ガラス基板に対しての熱ダメージはほとんど無
いレーザーアニール技術が利用される。
【０００８】高温ポリシリコンＴＦＴは、特性のそろっ
たＴＦＴを基板上に集積化できるという特徴がある。
【０００９】他方、低温ポリシリコンＴＦＴは、基板と
して安価で大面積化が容易なガラス基板を利用できると
いう特徴がある。
【００１０】なお、現状の技術においては、高温ポリシ
リコンＴＦＴも低温ポリシリコンＴＦＴもその特性に大
きな違いはない。強いて違う点を述べるなら、生産歩留
りや基板面内の特性の均一性の点で高温ポリシリコンが
優れ、生産性や生産コストの点で低温ポシリコンが優れ
ている。
【００１１】特性としては、両者共に、移動度が５０〜
１００(cm2/Vs)程度、Ｓ値が２００〜４００(mV/dec)
（ＶD ＝１Ｖ）程度のものが得られている。
【００１２】この特性は、アモルファスシリコンを資料
したＴＦＴに比較すれば、２桁程度の高速動作を行わし
うる値であるが、単結晶シリコンウエハーを利用したＭ
ＯＳ型トランジスタの特性に比較して大きく見劣りする
ものである。一般的に、単結晶シリコンウエハーを利用
したＭＯＳ型トランジスタのＳ値は６０〜７０(mV/dec)
程度であり、その動作周波数も高温ポリシリコンＴＦＴ
や低温ポリシリコンＴＦＴの１〜２桁程度高い値で動作
する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】現状においてＴＦＴ
は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置のアクティ
ブマトリクス回路と周辺駆動回路とを同一基板上に集積
化するために利用されている。即ち、アクティブマトリ
クス回路と周辺駆動回路とを同一の基板上にＴＦＴでも
って作り込むことが行われておる。
【００１４】このような構成において、周辺駆動回路の
ソースドライバー回路は、十数ＭＨｚ以上の動作が要求
される。しかし、現状における高温ポリシリコンＴＦＴ
及び低温ポリシリコンＴＦＴで構成した回路は、その動
作速度のマージンが数ＭＨｚ程度までしかとれない。
【００１５】従って、動作を分割する（分割駆動と呼ば
れる）などして、液晶表示を構成しているのが現状であ
る。しかし、この方法は、分割のタイミングの微妙なズ
レ等に起因して、画面に縞模様が現れてしまう等の問題
がある。
【００１６】また、今後の技術として、周辺駆動回路
（シフトレジスタ回路やバッファー回路で構成される）
以外に発振回路やＤ／ＡコンバータやＡ／Ｄコンバー
タ、さらに各種画像処理を行うデジタル回路を、さらに
同一基板上に集積化することが考えられている。
【００１７】しかし、上記発振回路やＤ／Ａコンバータ
やＡ／Ｄコンバータ、さらに各種画像処理を行うデジタ
ル回路は、周辺駆動回路よりもさらに高い周波数で動作
することが必要とされる。
【００１８】従って、現状の技術で得られている高温ポ
リシリコンＴＦＴや低温ポリシリコンＴＦＴでもってそ
れらの回路を構成することは実質的に不可能である。
【００１９】なお、単結晶シリコンウエハーを利用した
ＭＯＳトランジスタでもって構成した集積回路は、１０
０ＭＨｚ以上の動作を行わせることができるものが実用
化されている。
【００２０】本明細書で開示する発明は、上記のような
高速動作（一般に数十ＭＨｚ以上の動作速度）が要求さ
れる回路を構成しうる薄膜トランジスタを得ることを課
題とする。
【００２１】また、単結晶シリコン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ような特性が
得られる薄膜トランジスタを提供することを課題とす
る。またその作製手段を提供することを課題とする。さ
らに、そのような高い特性を有する薄膜トランジスタで
もって必要とする機能を有する半導体装置を提供するこ
とを課題とする。
【００２２】
【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複数の薄膜トラン
ジスタが作製された構成を有し、前記複数の薄膜トラン
ジスタの活性層を構成する結晶性珪素膜は、多数の点か
ら放射状に結晶成長した結晶性珪素膜を利用して構成さ
れていることを特徴とする。
【００２３】上記構成は、図３や図６に示すような結晶
成長形態を有した結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジス
タを構成した場合に得られる。
【００２４】絶縁表面を有する基板としては、ガラス基
板（但しプロセス温度の対する耐熱性が要求される）、
石英基板、表面に絶縁膜が成膜された半導体基板の例を
挙げることができる。
【００２５】上記の多数の点から放射状に結晶成長した
結晶性珪素膜は、後述するように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を利用した加熱処理に
より結晶化、さらにハロゲン元素を含んだ酸化性雰囲気
中での熱酸化膜の形成、該熱酸化膜の除去、といった工
程を経ることによって得ることができる。
【００２６】他の発明の構成は、絶縁表面を有する基板
上に複数の薄膜トランジスタが作製された構成を有し、
前記複数の薄膜トランジスタの活性層を構成する結晶性
珪素膜は、特定の方向に結晶成長した幅が膜厚程度〜２
０００Åの細長い多数の構造体よりなり、前記特定の方
向は、各薄膜トランジスタにおいて異なっていることを
特徴とする。
【００２７】上記の構成は、図３や図６に示す結晶成長
形態を有する結晶性珪素膜を用いた多数の薄膜トランジ
スタを作製した場合、各薄膜トランジスタを構成する活
性層における結晶成長方向（結晶構造の異方性の方向）
は、それぞれ異なるものになることを規定したものであ
る。
【００２８】勿論、同じ結晶成長方向を有する活性層で
なる薄膜トランジスタも複数形成されるが、多くは、上
記構成に従うものとなる。
【００２９】例えば、アクティブマトクス回路を図３に
示すような結晶成長形態を有する結晶性珪素膜でもって
構成した場合、数百×数百の数でマトリクス状に配列さ
れた多数の薄膜トランジスタは、上記構成を満たすもの
となる。
【００３０】本明細書で開示する発明における結晶性珪
素膜は、図８に示すような特定の方向に結晶構造が連続
したものとなっている。この結晶構造が連続した細長い
構造体は、幅が膜厚程度〜２０００Å程度であり、結晶
粒界を介して多数がほぼ平行に並んでいる状態となって
いる。
【００３１】またよりマクロに見れば、図７や図６に示
すように放射状に延在するものとなっている。
【００３２】他の発明の構成は、絶縁表面上に非晶質珪
素膜を成膜する工程と、前記非晶質珪素膜を珪素の結晶
化を助長する金属元素の作用により結晶化させ結晶性珪
素膜を得る工程と、ハロゲン元素を含有させた酸化性雰
囲気中での８００℃〜１１００℃での加熱処理により前
記結晶性珪素膜の表面に第１の熱酸化膜を形成する工程
と、前記第１の熱酸化膜を除去する工程と、前記結晶性
珪素膜の表面に第２の熱酸化膜を形成する工程と、を有
し、多数の点から放射状に結晶成長した結晶性珪素膜を
得ることを特徴とする。
【００３３】上記構成において、得られる結晶性珪素膜
の膜質を高くするには、第１及び第２の熱酸化膜の合計
を、最終的に得られる結晶性珪素膜の膜厚よりも厚くす
ることが重要となる。
【００３４】これは、熱酸化膜の形成により、結晶性珪
素膜の膜質の改善が劇的に進行するからである。
【００３５】珪素の結晶化を助長する金属元素として
は、ニッケルが再現性や効果の点で極めて好ましい。一
般にこの金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、
Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれ
た一種または複数種類のものを利用することができる。
【００３６】ニッケル元素を利用した場合、最終的に珪
素膜中に残留するニッケルの濃度は、１×１０14原子個
／ｃｍ3 〜５×１０18原子個／ｃｍ3 程度となる。熱酸
化膜のゲッタリング条件を詰めれば、この濃度の上限は
５×１０17原子個／ｃｍ3 程度にまで低減できる。この
濃度の計測は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）を利用
して計測できる。
【００３７】一般的には、上記ニッケル濃度の下限は、
１×１０16原子個／ｃｍ3 程度となる。これは、コスト
との兼ね合いを考えた場合、基板や装置に付着するニッ
ケル元素の影響を排除することが通常は困難であり、こ
の程度のニッケル元素が残留してしまうからである。し
かし、装置の洗浄の度合いや作製工程の詰めを行うこと
により、さらにその残留濃度を低減することは可能であ
る。
【００３８】よって、一般的な作製工程に従った場合、
残留するニッケル元素の濃度は、１×１０16原子個／ｃ
ｍ3 〜５×１０17原子個／ｃｍ3 程度となる。
【００３９】また、熱酸化膜の作製工程において、当該
金属元素が熱酸化膜中に移動する関係から、得られた結
晶性珪素膜の厚さ方向におけるニッケル元素の濃度分布
に勾配または分布が発生する。
【００４０】一般に結晶性珪素膜中の当該金属元素の濃
度は、熱酸化膜が形成される界面に向かって当該金属元
素の濃度が高くなる傾向が観察される。また、条件によ
っては、基板または下地膜に向かって、即ち裏面側の界
面に向かって当該金属元素の濃度が高くなる傾向も観察
される。
【００４１】また、熱酸化膜の形成時に雰囲気中にハロ
ゲン元素を含有させた場合、このハロゲン元素も上記金
属元素と同様な濃度分布を示すものとなる。即ち、結晶
性珪素膜の表面および／または裏面に向かって含有濃度
が高くなる濃度分布を示すものとなる。
【００４２】本明細書で開示する発明における結晶性珪
素膜は、その最終的な膜厚を好ましくは１００Å〜７５
０Å、より好ましくは１５０Å〜４５０Åとする。この
ような膜厚とすることにより、図６〜図８に示すような
結晶構造をより顕著に再現性良く得ることができる。
【００４３】この最終的な結晶性珪素膜の膜厚は、熱酸
化膜の成膜により膜厚を目減りすることを考慮して決定
する必要がある。
【００４４】上記のような工程を採用することにより、
本明細書で開示する結晶性珪素膜を得ることができ、さ
らにその結晶構造の特異性を利用したＭＯＳ型薄膜トラ
ンジスタを得ることができる。
【００４５】金属元素の導入方法としては、当該金属元
素を含んだ溶液を塗布する方法、ＣＶＤ法による方法、
スパッタ法や蒸着法による方法、当該金属を含んだ電極
を利用したプラズマ処理による方法、ガス吸着法による
方法を挙げることができる。
【００４６】ハロゲン元素を導入する方法としては、Ｈ
Ｃｌ、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ2 、Ｆ2、Ｂｒ2 、ＣＦ4 等
を酸化性雰囲気（例えば酸素雰囲気）中に含有させる手
段を利用することができる。
【００４７】また、熱酸化膜の形成時における雰囲気中
に水素ガスの導入を合わせて行い、ウエット酸化の作用
を利用することも有効である。
【００４８】熱酸化膜の形成するための温度は極めて重
要なものとなる。後述するような素子単体で数十ＭＨｚ
以上の動作を行わせることが可能で、Ｓ値が１００(mV/
dec)以下というようなＴＦＴを得るのであれば、熱酸化
膜の形成時における加熱温度を好ましくは８００℃以
上、より好ましくは９００°以上とすることが必要であ
る。
【００４９】なおこの加熱温度の上限は、石英基板の耐
熱温度の上限である１１００℃程度とすることが適当で
ある。
【００５０】
【発明の実施の形態】非晶質珪素膜を加熱により結晶化
させ結晶性珪素膜を得る技術において、非晶質珪素膜の
表面にニッケル元素を接して保持させた状態で加熱処理
を施すことにより、結晶性珪素膜を得、さらにその表面
に熱酸化膜を形成する。この熱酸化膜は、ハロゲン元素
を含んだ酸化性雰囲気化で８００℃〜１１００℃の加熱
処理を施すことにより形成する。
【００５１】こうすると、図６〜図８に示すような特異
な結晶状態を有する結晶性珪素膜を得ることができる。
【００５２】
【実施例】
〔実施例１〕本実施例では、非晶質珪素膜の表面全体に
珪素の結晶化を助長する金属元素を選択的に導入するこ
とにより、図６に示すような特異な結晶成長形態を有す
る結晶性珪素膜を得る方法に関する。
【００５３】図１に本実施例の作製工程を示す。まず、
石英基板２０１上に下地膜２０２として酸化珪素膜を３
０００Åの厚さに成膜する。なお、石英基板の表面の平
滑性が良く、また洗浄を十分にするのであれば、この下
地膜２０２は特に必要ない。
【００５４】なお、基板としては石英基板を利用するこ
とが現状においては好ましい選択となるが、加熱処理温
度に耐える基板であれば、石英に限定されるものではな
い。例えば、酸化膜をその表面に成膜した半導体基板を
利用することもできる。
【００５５】次に結晶性珪素膜の出発膜となる非晶質珪
素膜２０３を減圧熱ＣＶＤ法でもって、５００Åの厚さ
に成膜する。
【００５６】そして重量換算で１０ｐｐｍのニッケル元
素を含んだ酢酸ニッケル溶液を塗布する。そして図示し
ないスピナーを用いてスピンドライを行い余分な溶液を
除去する。
【００５７】こうして、ニッケル元素が図１（Ａ）の点
線２０４で示されるような状態で存在した状態が得られ
る。この状態では、ニッケル元素が開口２０５の底部に
おいて、非晶質珪素膜の一部に選択的に接して保持され
た状態が得られる。
【００５８】ニッケルの導入方法としては、上記の溶液
を用いる方法は、導入量の制御や再現性の点で優れてい
る。しかし、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法、プラズマ
処理、ガス吸着法等を利用して、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の導入を行ってもよ
い。
【００５９】次に水素を３％含有した極力酸素を含まな
い窒素雰囲気中において、６００℃、８時間の加熱処理
を行う。この加熱処理に結晶化が進行し、図１（Ｂ）に
示す結晶性珪素膜２０５を得る。
【００６０】この結晶成長のための加熱処理は、４５０
℃〜１１００℃（上限は基板の耐熱性で規制される）で
行うことができる。ある程度の横成長距離を確保するの
であれば、加熱処理の温度を６００℃以上とすることが
好ましい。しかし、それ以上に温度を上げることによる
結晶成長距離や結晶性の向上はそれ程大きくない。
【００６１】この加熱による結晶化の後にレーザー光の
照射を行なってもよい。即ち、レーザー光の照射によ
り、さらに結晶化を助長させてもよい。このレーザー光
の照射は、膜中に存在するニッケル元素の固まりを分散
させ、後にニッケル元素を除去し易くする効果を有して
いる。なお、この段階でレーザー光の照射を行っても、
さらに横成長が進行することはない。
【００６２】レーザー光としては、紫外領域の波長を有
するエキシマレーザーを利用することができる。例え
ば、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）やＸｅ
Ｃｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を利用するこ
とができる。
【００６３】結晶化のための加熱処理が終了したら、次
にＨＣｌを３体積％含んだ酸素雰囲気中において、９５
０℃の加熱処理を行う。この工程において、結晶性珪素
膜２０５の表面に熱酸化膜２０９を２００Åの厚さに成
膜する。（図１（Ｃ））
【００６４】この熱酸化膜の形成に従い、結晶性珪素膜
２０８の膜厚は１００Å程度にその膜厚が減少する。即
ち、珪素膜の膜厚は、４００Å程度となる。
【００６５】この工程においては、熱酸化膜の形成に従
い、膜中の不安定な結合状態を有する珪素元素が熱酸化
膜の形成に利用される。そして、膜中の欠陥が減少し、
より高い結晶性を得ることができる。
【００６６】また同時に熱酸化膜の形成および塩素の作
用により膜中よりニッケル元素のゲッタリングが行われ
る。
【００６７】当然、この工程で成膜される熱酸化膜２０
９中には、比較的高濃度にニッケル元素が取り込まれる
ことになる。そして相対的に珪素膜２０８中のニッケル
元素の濃度は減少する。
【００６８】熱酸化膜２０９を形成したら、この熱酸化
膜２０９を除去する。こうして、ニッケル元素の含有濃
度を減少させた結晶性珪素膜２０８を得る。（図１
（Ｄ））
【００６９】こうして得られた結晶性珪素膜は図６に示
すような多数の局所領域（多数の点）から、放射状に結
晶成長した状態を有している。図６は、光学顕微鏡によ
る拡大像を撮影した写真である。
【００７０】図６の一部をさらに拡大したものを図７に
示す。図７は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により撮影
した写真である。
【００７１】この結晶構造は、放射状に結晶成長した方
向に結晶粒界が延在し、かつその方向に結晶構造が連続
したものとなっている。この結晶構造が連続した方向に
おいては、結晶格子の連続性がほぼ保たれていることが
確認されている。
【００７２】図８は図７の一部をさらに拡大したもので
ある。図８もＴＥＭにより観察した像を写した写真であ
る。また図３に示すのは、膜全体における結晶成長状態
を模式的に示したものである。
【００７３】こうして得られた結晶性珪素膜は、図６ま
たは図７に示すように一方向に結晶構造が延在した（こ
の方向は結晶成長方向に一致する）構造を有している。
即ち、細長い柱状の結晶体が複数の一方向に延在した結
晶粒界を介して、複数平行に並んでいるような構造を有
している。
【００７４】この特定の方向に結晶構造が延在した柱状
の結晶体の幅は膜厚程度〜２０００Å程度を有してい
る。そしてそれらが特定の方向（この方向は上記結晶構
造の連続した方向に概略一致する）に延在した結晶粒界
を境にして微視的に見て多数平行に配列された構造とな
っている。
【００７５】熱酸化膜２０９の除去が完了し、図１
（Ｄ）に示すように結晶性珪素膜２０８を得たら、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３０２を形成する。この島状の領域３０２が後にＴ
ＦＴの活性層となる。
【００７６】そして、図２（Ａ）に示すように、３０２
でなるパターンを形成後にプラズマＣＶＤ法により、酸
化珪素膜３０４を１０００Åの厚さに成膜する。この酸
化珪素膜３０４は、後にゲイト絶縁膜として機能する。
【００７７】酸化珪素膜３０４を成膜したら、ＨＣｌを
３％含有した酸素雰囲気中において、９５０℃の加熱処
理を行うことにより、熱酸化膜３０３を３００Åの厚さ
に成膜する。この熱酸化膜は、図２（Ａ）に示すように
活性層となるパターン３０２の表面に形成される。
【００７８】熱酸化膜２１１を成膜することにより、活
性層となるパターン３０２の膜厚は２５０Åとなる。
【００７９】より高い性能を有するＴＦＴを得るのであ
れば、活性層を構成する結晶性珪素膜の膜厚よりも熱酸
化膜３０３の膜厚を厚くすることが好ましい。
【００８０】一般に、最終的に得られる活性層の膜厚よ
り、熱酸化膜２０９と熱酸化膜３０３の合計した膜厚を
厚くすることが重要な要件となる。
【００８１】この熱酸化膜２１１は、ゲイト絶縁膜の一
部を構成する。こうして図２（Ａ）に示す状態を得る。
【００８２】次にゲイト電極を形成するためのアルミニ
ウム膜をスパッタ法で４０００Åの厚さに成膜する。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。
【００８３】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
カーというのは、加熱の際のアルミニウムの異常成長に
起因する針状あるいは刺状の突起部のことである。
【００８４】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、アルミニウム膜を陽極、白金を陰極として行う。こ
の工程においては、アルミニウム膜上に緻密な膜質を有
する陽極酸化膜を１００Åの厚さに成膜する。
【００８５】この図示しない陽極酸化膜は、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。
【００８６】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。
【００８７】次にレジストマスク３０６を形成する。そ
してこのレジストマスクを利用して、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２（Ｂ）に示す状態を得る。
【００８８】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。（図２（Ｃ））
【００８９】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。
【００９０】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。
【００９１】そしてレジストマスク３０６を除去する。
次に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
解溶液とした陽極酸化を再び行う。
【００９２】この工程においては、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。
【００９３】この緻密な陽極酸化膜３０９の膜厚は１０
００Åとする。この膜厚の制御は印加電圧によって行
う。
【００９４】次に、露呈した酸化珪素膜３０４をエッチ
ングして除去する。また同時に熱酸化膜３０３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。
【００９５】ここで、３１０が残存したＣＶＤ法で成膜
された酸化珪素膜である。この残存した酸化珪素膜下に
同様な形状の熱酸化膜が残存した状態となる。
【００９６】こうして図２（Ｃ）に示す状態を得る。
そして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２
（Ｄ）に示す状態を得る。
【００９７】図２（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。
【００９８】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。
【００９９】そしてレーザー光（またはランプを用いた
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３１
１、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。
【０１００】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２（Ｄ））
【０１０１】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。
【０１０２】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。
【０１０３】なお、緻密な膜質を有する陽極酸化膜を２
０００Å以上というように厚く形成するのには、２００
Ｖ以上の印加電圧が必要とされるので、再現性や安全性
に関して、注意が必要である。
【０１０４】図２（Ｄ）に示す状態を得たら、層間絶縁
膜として窒化珪素膜３００をプラズマＣＶＤ法で成膜
し、さらにポリイミド樹脂膜３１６スピンコート法を利
用して成膜する。
【０１０５】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２（Ｅ）に示すＴＦＴが完成する。
【０１０６】本実施例に示すＴＦＴは、その特性として
従来には得られなかった極めて高いものを得ることがで
きる。
【０１０７】例えば、ＮＴＦＴ（Ｎチャネル型のＴＦ
Ｔ）で、移動度が２００〜３００(cm2/Vs)、Ｓ値が７５
〜９０(mV/dec)(VD ＝１Ｖ）という高性能なものが得ら
れる。ＰＴＦＴ（Ｐチャネル型のＴＦＴ）で１２０〜１
８０(cm2/Vs)、Ｓ値が７５〜１００(mV/dec)(VD ＝１
Ｖ）という高性能なものを得ることができる。
【０１０８】特にＳ値は、従来の高温ポリシリコンＴＦ
Ｔ及び低温ポリシリコンＴＦＴの値に比較して、１／２
以下という驚異的に良い値である。
【０１０９】このようなＴＦＴを利用して石英基板上に
ＯＰアンプ、メモリー回路、各種延在回路や増幅アンプ
を形成することができる。
【０１１０】〔実施例２〕本実施例は、アクティブマト
リクス型の液晶表示装置のアクティブマトリクス回路部
分の作製工程を示す。
【０１１１】図４に本実施例の作製工程の概略を示す。
実施例１に示した作製工程に従って、結晶性珪素膜を液
晶表示装置を得る。さらに図１及び図２に示す作製工程
に従って、図２（Ｄ）（図４（Ａ））に示す状態を得
る。
【０１１２】図４（Ａ）に示す状態を得たら、第１の層
間絶縁間膜として、窒化珪素膜４０１を２０００Åの厚
さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。さらにポリイミド樹
脂膜４０２をスピンコート法で成膜する。こうして、図
４（Ｂ）に示す状態を得る。なお、樹脂材料としては、
ポリイミド以外にポリアミドやポリイミドアミドを利用
することができる。
【０１１３】次にソース領域３１１とドレイン領域３１
５に達するコンタクトホールの形成を行い、ソース電極
４０３とドレイン電極４０３を形成する。これらの電極
は、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜との積層膜で
もって形成する。なお、ソース電極４０３は、ソース線
から延在したものとして形成される。（図４（Ｃ））
【０１１４】ドレイン電極４０３は、その一部が補助容
量を形成するための電極として利用される。
【０１１５】ソース及びドレイン電極を形成したら、第
２の層間絶縁膜としてポリイミド樹脂膜４０４を成膜す
る。こうして図４（Ｃ）に示す状態を得る。
【０１１６】次に樹脂層間絶縁膜４０４に開口を形成
し、さらにチタン膜とアルミニウム膜との積層膜でもっ
てなるブラックマトリクス（ＢＭ）４０５を形成する。
このブラックマトリクス４０５は、本来の遮光膜として
の機能以外に補助容量を形成するための電極として機能
する。
【０１１７】ブラックマトリクス４０５を形成したら、
第３の層間絶縁膜として、ポリイミド樹脂膜４０６を成
膜する。そして、ドレイン電極４０３へのコンタクトホ
ールを形成し、ＩＴＯでなる画素電極４０７を形成す
る。
【０１１８】ここで、ブラックマトリクス４０５のパタ
ーンと画素電極４０７のパターンとがポリイミド樹脂膜
４０６を介して重なり合った領域が補助容量となる。
【０１１９】〔実施例３〕本実施例は、実施例１に示す
構成において、ゲイト電極またはゲイト電極から延在し
たゲイト配線に対するコンタクトの形成の採り方を工夫
した例である。
【０１２０】実施例１に示す構成においては、ゲイト電
極の側面及び上面が緻密な膜質を有する陽極酸化膜によ
って被覆された状態となっている。
【０１２１】このような構造は、アルミニウムを材料と
した電極を形成する場合には、ヒロックの抑制、配線間
ショートの抑制という点において大きな効果を有してい
る。
【０１２２】しかしながら、その強固な膜質故にコンタ
クトの形成が比較的困難であるという問題がある。
【０１２３】本実施例は、この問題を解決する構成に関
する。図５に本実施例の作製工程を示す。他の実施例と
同じ符号箇所の詳細な作製条件等は、他の実施例と同じ
である。
【０１２４】まず図５（Ａ）に示すように、結晶性珪素
膜でなる活性層パターン２１０を得る。そして、熱酸化
膜２１１とＣＶＤ酸化膜３０４とが積層された状態を得
る。
【０１２５】ここでは、まずＣＶＤ酸化膜を成膜し、そ
の後に熱酸化膜を成膜する工程を採用する。
【０１２６】図５（Ａ）に示す状態を得たら、アルミニ
ウム膜を成膜し、さらに窒化珪素膜を５００Åの厚さに
成膜する。そして、レジストマスク３０６を用いてパタ
ーニングを施し、３０５で示されるアルミニウムパター
ンとその上の窒化珪素膜５０１が形成された状態を得
る。（図５（Ｂ））
【０１２７】図５（Ｂ）に示す状態を得たら、レジスト
マスク３０６を配置した状態で多孔質状の陽極酸化膜３
０８を形成し、さらに緻密な膜質を有する陽極酸化膜３
０９を形成する。
【０１２８】これらの陽極酸化膜は、ゲイト電極となる
アルミニウムパターン３０７の側面のみにおいて選択的
に形成される。これは、アルミニウムパターンの上面に
窒化珪素膜５０１が存在しているからである。
【０１２９】陽極酸化膜の形成が終了したら、レジスト
マスク３０６を除去する。そしてさらに露呈した酸化珪
素膜３０４を除去し、さらに熱酸化膜２１１の一部も除
去する。
【０１３０】こうして図５（Ｃ）に示す状態を得る。図
５（Ｃ）に示す状態を得たら、レジストマスク３０６を
除去し、さらに多孔質状の陽極酸化膜３０８を除去す
る。
【０１３１】そして、さらに窒化珪素膜５０１を除去す
る。こうして図５（Ｄ）に示す状態を得る。この状態で
導電型を付与する不純物のドーピングをプラズマドーピ
ング法でもって行う。
【０１３２】この結果、ソース領域３１１、低濃度不純
物領域３１２と３１４、チャネル領域３１３、ドレイン
領域３１５が自己整合的に形成される。
【０１３３】不純物のドーピング終了後、レーザー光の
照射を行うことにより、ドーピング時に生じた損傷のア
ニールと、ドーピングされた不純物の活性化とを行う。
【０１３４】こうして図５（Ｄ）に示す状態を得る。次
に層間絶縁膜５０２を形成する。そしてコンタクトホー
ルの形成を行い、ソース電極３１７、ゲイト取り出し電
極５０３、ドレイン電極３１８を形成し、図５（Ｅ）に
示す状態を得る。
【０１３５】この工程において、ゲイト電極３０７への
コンタクトホールの形成が、ゲイト電極の上面に陽極酸
化膜が存在しない関係で比較的容易に行うことができ
る。
【０１３６】なお図には、同じ断面上にソース／ドレイ
ン電極とゲイト電極とが形成されているように記載され
ているが、実際には、ゲイト取り出し電極はゲイト電極
３０７から延在した部分に形成される。
【０１３７】〔実施例４〕本実施例は、実施例３に示す
構成をさらに改良したものである。本実施例では、ゲイ
ト電極を構成するアルミニウム膜上にチタン膜を成膜
し、さらにその上に窒化珪素膜を成膜した構成とする。
【０１３８】即ち、図５（Ｂ）に示す構成において、５
０１で示される膜をチタン膜と窒化珪素膜との積層膜と
する。こうすることで、後の工程において、アルミニウ
ム電極の上面におけるヒロックの発生を抑制することが
できる。
【０１３９】〔実施例５〕本実施例は、実施例１に示す
構成において、基板としてガラス基板を利用した場合の
例である。
【０１４０】本実施例では、基板として歪点が６６７℃
のコーニング１７３７ガラス基板を利用する。そして結
晶化のための加熱処理を６００℃、４時間の条件で行
い。
【０１４１】熱酸化膜の形成のための加熱処理をＨＣｌ
を３体積％含有した酸素雰囲気中での６４０℃の条件で
行う。この場合、形成される熱酸化膜の膜厚は処理時間
２時間で３０Å程度となる。この場合は、実施例１に示
すような９５０℃の加熱処理を加えた場合に比較してそ
の効果は小さなものとなる。
【０１４２】〔実施例６〕本実施例は、実施例１に示す
構成において、熱酸化膜の形成時における雰囲気中にＨ
Ｃｌを含有させない場合の例である。この場合、ＨＣｌ
を雰囲気中に含有させた場合に比較して、ニッケルのゲ
ッタリング効果は小さなものとなる。
【０１４３】〔実施例７〕本実施例は、実施例１に示す
構成において、熱酸化膜の形成後にレーザー光の照射を
する場合の例である。このようにすると、さらに結晶化
を助長することができる。 〔実施例８〕本実施例は、ＴＦＴを利用した半導体装置
の例を示すものである。図８に各種半導体装置の例を示
す。
【０１４４】図９（Ａ）に示すのは、携帯情報端末と呼
ばれるもので、本体２００１に備えられたアクティブマ
トリクス型の液晶表示装置２００５に必要とする情報を
内部の記憶装置から呼び出して表示したり、電話回線を
利用してアクセスした情報を表示することができる。
【０１４５】表示装置の形態としては、アクティブマト
リクス型のＥＬ表示装置を利用することも考えられる。
表示装置を構成するアクティブマトリクス回路と同一の
基板上には、各種情報処理回路や記憶回路が集積化回路
２００６としてＴＦＴを利用して集積化されている。
【０１４６】また、本体２００１には、カメラ部２００
２が備えられており、操作スイッチ２００４を操作する
ことにより、必要とする画像情報を取り込むことができ
る。カメラ部２００２により取り込む画像は、受像部２
００３から装置内に取り込まれる。
【０１４７】図９（Ｂ）に示すのは、ヘッドマウントデ
ィスプレイと呼ばれる表示装置である。この装置は、本
体２１０１を頭部に装着し、２つのアクティブマトリク
ス型の液晶ディスプレイ２１０２によって、目の前数ｃ
ｍの場所に画像を表示する機能を有している。この装置
では、疑似体験的に画像を見ることができる。
【０１４８】図９（Ｃ）に示すのは、カーナビゲーショ
ンシステムであり。この装置は、アンテナ２２０４で受
けた人工衛星からの信号を用いて、位置を計測する機能
を有している。そして、アクティブマトリクス型の液晶
表示装置２２０２に計測した位置が表示される。また表
示する情報の選択は、操作スイッチ２２０３によって行
われる。
【０１４９】なお、液晶表示装置の代わりにアクティブ
マトリクス型のＥＬ表示装置を利用することもできる。
【０１５０】図９（Ｄ）に示すのは、携帯電話の例であ
る。この装置は、本体２３０１にアンテナ２３０６が備
えられ、音声入力部２３０３と音声入力部２３０２とを
備えている。
【０１５１】電話を掛ける場合は、操作スイッチ２３０
５を操作することによって行う。また表示装置２３０４
には、各種画像情報が表示される。表示装置の携帯とし
ては、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表示装置が利用される。
【０１５２】図９（Ｅ）に示すのは、携帯型のビデオカ
メラである。この装置は、受像部２４０６から取り込ん
だ画像を本体２４０１内に収納した磁気テープに記憶す
る機能を備えている。
【０１５３】画像には、各種デジタル処理が集積化回路
２４０７において施される。この集積化回路２４０７
は、従来から利用されているＩＣチップを組み合わせた
もので構成してもよいし、本明細書で開示するようなＴ
ＦＴを用いて構成してもよい。またそれらの組み合わせ
でもって構成してもよい。
【０１５４】受像部２４０６で受像した画像や内部の磁
気テープに記憶された画像は、アクティブマトリクス型
の液晶表示装置２４０２に表示される。装置の操作は、
操作スイッチ２４０４によって行われる。また、装置の
電力はバッテリー２４０５によって賄われる。
【０１５５】図９（Ｆ）に示すのは、投射型の表示装置
である。この装置は、本体２５０１から投影される画像
をスクリーン上に表示する機能を有している。
【０１５６】本体２５０１には、光源２５０２とこの光
源からの光を光学変調し画像を形成するアクティブマト
リクス型の液晶表示装置２５０３、画像を投影するため
の光学系２５０４が備えられている。
【０１５７】なお、液晶表示装置の形式としては、
（Ｂ）に示す装置を除いて透過型または反射型の形式の
どちらでも利用することができる。
【０１５８】
【発明の効果】本明細書で開示する発明を利用して得ら
れたＰＴＦＴとＮＴＦＴとを組み合わせて、９段のリン
グオシレータを構成した場合、４００ＭＨｚ以上の発振
を行わせることができる。
【０１５９】一般的にリングオシレータの発振周波数の
１０％程度でもって実際の回路の設計を行うことを考慮
すると、上記のＴＦＴでもって４０ＭＨｚ程度の周波数
で動作する回路を構成できることになる。
【０１６０】このように本明細書に開示する発明を利用
することにより、高速動作（一般数十ＭＨｚ以上の動作
速度）が要求される回路を構成しうる薄膜トランジスタ
を得ることができる。
【０１６１】従って、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を分割駆動することなしに
アクティブマトクス回路と同一基板上に一体化すること
ができる。
【０１６２】また、Ｓ値に関しては、１００(mV/dec)以
下という単結晶シリコンウエハーを利用して作製したＭ
ＯＳ型トランジスタに匹敵する特性を得ることができ
る。
【０１６３】本明細書で開示する発明を利用することに
より、各種高速動作が要求される回路を同一基板上にＴ
ＦＴでもって集積化した構成を提供することができる。
またその作製方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図２】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図３】 結晶成長状態の要旨を示す模式図。
【図４】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図５】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図６】 珪素薄膜を写した電子顕微鏡写真。
【図７】 珪素薄膜を写した電子顕微鏡写真。
【図８】 珪素薄膜を写した電子顕微鏡写真。
【図９】 発明を利用した半導体装置の概要を示す図。
【符号の説明】
２０１ 石英基板 ２０２ 下地膜（酸化珪素膜） ２０３ 非晶質珪素膜 ２０４ ニッケル元素 ２０５ 結晶性珪素膜 ２０８ 結晶性珪素膜 ２０９ 熱酸化膜 ３０２ 結晶性珪素膜でなる活性層 ３０３ 熱酸化膜 ３０４ ＣＶＤ法で成膜された酸化珪素膜
（ＣＶＤ酸化膜） ３０５ アルミニウム膜でなるパターン ３０６ レジストマスク ３０７ ゲイト電極 ３０８ 多孔質状の陽極酸化膜 ３０９ 緻密な膜質を有する陽極酸化膜 ３１０ 残存した酸化珪素膜 ３１１ ソース領域 ３１２ 低濃度不純物領域 ３１３ チャネル領域 ３１４ 低濃度不純物領域 ３１５ ドレイン領域 ３１６ 層間絶縁膜を構成する酸化珪素膜 ３００ 窒化珪素膜 ３１７ ソース電極 ３１８ ドレイン電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 27/12 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６１６Ｓ ６１６Ａ (31)優先権主張番号 特願平8−32875 (32)優先日 平８(1996)１月26日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平8−32981 (32)優先日 平８(1996)１月27日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平8−58334 (32)優先日 平８(1996)２月20日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平8−88759 (32)優先日 平８(1996)３月17日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 小山 潤 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 (72)発明者 尾形 靖 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 (72)発明者 早川 昌彦 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 (72)発明者 納 光明 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内 (72)発明者 浜谷 敏次 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 (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁表面を有する基板上に複数の薄膜トラ
    ンジスタが作製された構成を有し、 前記複数の薄膜トランジスタの活性層を構成する結晶性
    珪素膜は、多数の点から放射状に結晶成長した結晶性珪
    素膜を利用して構成されていることを特徴とする半導体
    装置。
  2. 【請求項２】絶縁表面を有する基板上に複数の薄膜トラ
    ンジスタが作製された構成を有し、 前記複数の薄膜トランジスタの活性層を構成する結晶性
    珪素膜は、特定の方向に結晶成長した幅が膜厚程度〜２
    ０００Åの細長い多数の構造体よりなり、 前記特定の方向は、各薄膜トランジスタにおいて異なっ
    ていることを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、 結晶性珪素膜中の表面には熱酸化膜が形成されており、
    該熱酸化膜の膜厚は前記結晶性珪素膜の膜厚より厚いこ
    とを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項４】請求項１または請求項２において、 結晶性珪素膜中には、珪素の結晶化を助長する金属元素
    が含まれており、該金属元素としてニッケル（Ｎｉ）が
    利用されており、 前記ニッケル元素は１×１０14原子個／ｃｍ3 〜５×１
    ０18原子個／ｃｍ3 の濃度で含まれていることを特徴と
    する半導体装置。
  5. 【請求項５】請求項１または請求項２において、 結晶性珪素膜中には、珪素の結晶化を助長する金属元素
    としてニッケル（Ｎｉ）が含まれており、 前記ニッケル元素は１×１０16原子個／ｃｍ3 〜５×１
    ０17原子個／ｃｍ3 の濃度で含まれていることを特徴と
    する半導体装置。
  6. 【請求項６】請求項１または請求項２において、 結晶性珪素膜中には、珪素の結晶化を助長する金属元素
    が含まれており、 該金属元素として、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利用されることを特徴とする半導
    体装置。
  7. 【請求項７】請求項１または請求項２において、 結晶性珪素膜中には、珪素の結晶化を助長する金属元素
    が含まれており、 該金属元素は結晶性珪素膜の表面および／または裏面に
    向かって含有濃度が高くなる濃度分布を有していること
    を特徴とする半導体装置。
  8. 【請求項８】請求項１または請求項２において、 結晶性珪素膜中にはハロゲン元素が含まれており、該ハ
    ロゲン元素は、結晶性珪素膜の表面および／または裏面
    に向かって含有濃度が高くなる濃度分布を有しているこ
    とを特徴とする半導体装置。
  9. 【請求項９】請求項１または請求項２において、結晶性
    珪素膜の膜厚は１００Å〜７５０Åであることを特徴と
    する半導体装置。
  10. 【請求項１０】請求項１または請求項２において、結晶
    性珪素膜の表面には熱酸化膜が形成されており、該熱酸
    化膜の膜厚は、結晶性珪素膜の膜厚よりも厚いことを特
    徴とする半導体装置。
  11. 【請求項１１】絶縁表面上に非晶質珪素膜を成膜する工
    程と、 前記非晶質珪素膜を珪素の結晶化を助長する金属元素の
    作用により結晶化させ結晶性珪素膜を得る工程と、 ハロゲン元素を含有させた酸化性雰囲気中での８００℃
    〜１１００℃での加熱処理により前記結晶性珪素膜の表
    面に第１の熱酸化膜を形成する工程と、 前記第１の熱酸化膜を除去する工程と、 前記結晶性珪素膜の表面に第２の熱酸化膜を形成する工
    程と、 を有し、 多数の点から放射状に結晶成長した結晶性珪素膜を得る
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  12. 【請求項１２】請求項１１において、第１及び第２の熱
    酸化膜の合計は、最終的に得られる結晶性珪素膜の膜厚
    よりも厚いことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  13. 【請求項１３】請求項１１において、 珪素の結晶化を助長する金属元素として、ニッケル（Ｎ
    ｉ）を利用することを特徴とする半導体装置の作製方
    法。
  14. 【請求項１４】請求項１１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、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａ
    ｕから選ばれた一種または複数種類のものを利用するこ
    とを特徴とする半導体装置の作製方法。
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