JPH11329970A

JPH11329970A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH11329970A
Application number: JP13577498A
Authority: JP
Inventors: Naoki Makita; 直樹牧田; Muneyuki Motohashi; 宗之本橋; Masao Moriguchi; 正生守口; Hiromi Sakamoto; 弘美坂本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1998-05-18
Publication date: 1999-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】高性能で高い信頼性を有し、かつ歩留まりが
良好な半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁
表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を形成する工程
と；非晶質ケイ素膜の所定の領域に、触媒元素を選択的
に導入する工程と；第１の加熱処理により、触媒元素が
導入された領域からその周辺領域へ、基板表面に対して
平行な方向に、非晶質ケイ素膜を結晶成長させる工程
と；第２の加熱処理により、触媒元素を、触媒元素が導
入された領域に戻す工程と；戻された触媒元素を含む領
域のケイ素膜を除去する工程と；残されたケイ素膜に強
光を照射し、ケイ素膜をさらに結晶化させる工程と；得
られたケイ素膜を用いて、半導体装置の活性領域を形成
する工程と；を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、詳細には、非晶質ケイ素膜を結晶化した結
晶性ケイ素膜から構成された活性領域を有する半導体装
置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大型で高解像度の液晶表示装置、
高速かつ高解像度の密着型イメージセンサー、三次元Ｉ
Ｃなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上、また
は絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みがなさ
れている。これらの装置に用いられる半導体素子には、
一般に、薄膜状のケイ素半導体が用いられる。薄膜状の
ケイ素半導体は、非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ）と結晶性を
有するケイ素との２つに大別される。

【０００３】非晶質ケイ素半導体は作製温度が低く、か
つ気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に
富むため、最も一般的に用いられている。しかし、導電
性等の物性が、結晶性ケイ素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得るためには、結晶性ケイ素半導体
からなる半導体装置の作製方法の確立が強く求められて
いる。尚、結晶性ケイ素半導体としては、多結晶ケイ素
半導体、微結晶ケイ素半導体等が知られている。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導
体を得る方法としては、（１）結晶性を有するケイ素膜を直接成膜する。（２）非晶質ケイ素の半導体膜を成膜し、強光を照射し
てこのケイ素膜を結晶化させる。（３）非晶質ケイ素の半導体膜を成膜し、熱エネルギー
を加えることによりこのケイ素膜を結晶化させる。といった方法が知られている。しかし、（１）の方法で
は、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の
結晶性ケイ素を得ることが困難である。このため、この
方法で大粒径の結晶性ケイ素を得ようとすれば、ケイ素
膜の膜厚を大きくしなければならない。従って、良好な
半導体物性を有するケイ素を基板全面にわたって成膜す
ることが技術上困難である。さらに、この方法において
は、成膜温度が６００℃以上と高いので、安価なガラス
基板が使用できないというコスト上の問題がある。

【０００５】（２）の方法では、溶融固化過程の結晶化
現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理さ
れ、高品質な結晶性ケイ素膜が得られる。しかし、現在
最も一般的に使用されているエキシマレーザーは、以下
の問題を有する：（a）レーザーの安定性が、大面積基
板の全面を均一に処理するに充分ではないため、均一な
結晶性を有するケイ素膜を得ることが難しく、同一基板
上に均一な特性を有する複数の半導体素子を形成するの
が困難である；（b）レーザー光の照射面積が小さくス
ループットが低い。

【０００６】（３）の方法は、（１）および（２）の方
法と比較すると大面積に対応できるという利点はある
が、結晶化に際し６００℃以上の高温にて数十時間にわ
たる加熱処理が必要である。すなわち、安価なガラス基
板の使用とスループットの向上を考えると、加熱温度を
下げ、さらに短時間で結晶化させなければならないとい
う相反する問題点を同時に解決する必要がある。また、
（３）の方法では、固相結晶化現象を利用するため、結
晶粒は基板面に平行に拡がり数μｍの粒径を持つものさ
え現れるが、成長した結晶粒同士がぶつかり合って粒界
が形成されるため、その粒界はキャリアに対するトラッ
プ準位として働き、ＴＦＴの移動度を低下させる大きな
原因となっている。

【０００７】上記の（３）の方法を応用して、より低温
かつ短時間の加熱処理で、高品質で均一な結晶性を有す
るケイ素膜を作成する方法が、特開平６−３３３８２４
号公報、特開平６−３３３８２５号公報および特開平８
−３３０６０２号公報で提案されている。これらの公報
では、非晶質ケイ素膜の表面に、微量のニッケル等の金
属元素を導入し、その後に加熱することで、６００℃以
下の低温において、数時間程度の処理時間で、非晶質ケ
イ素膜を結晶化させている。この結晶化のメカニズム
は、まず金属元素を核とした結晶核発生が起こり、その
後金属元素が触媒となって結晶成長を促し、結晶化を急
激に進行させるものである。そういった意味で、本明細
書中の以後、このような金属元素を触媒元素と呼ぶ。通
常の固相成長法で結晶化した非晶質ケイ素膜が双晶構造
であるのに対して、これらの触媒元素により結晶成長し
た結晶性ケイ素膜は、何本もの柱状結晶で構成されてお
り、それぞれの柱状結晶内部は単結晶に近い状態となっ
ている。

【０００８】特に特開平６−３３３８２４号公報では、
このような触媒元素を非晶質ケイ素膜の一部に選択的に
導入し加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状
態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領
域のみを結晶化し、そして、さらに加熱時間を延長する
ことで、その導入領域から基板と平行な方向に結晶成長
させている。すなわち、この公報に記載の技術は、選択
的な触媒元素導入により結晶成長の方向および結晶粒界
を制御する。この結晶成長領域の内部は、成長方向がほ
ぼ一方向に揃った柱状結晶がひしめき合っており、触媒
元素が直接導入されランダムに結晶核の発生が起こった
領域に比べて、結晶性が良好である。この良好な結晶性
を有する結晶成長領域のケイ素膜を活性領域として、高
性能な半導体素子を得ることが試みられている。

【０００９】上記３公報では、非晶質ケイ素膜の結晶化
のために用いた触媒元素を、結晶化工程後にゲッタリン
グ除去する方法について注目している。例えば、特開平
６−３３３８２４号公報および特開平６−３３３８２５
号公報では、リンシリサイドガラス（ＰＳＧ）膜を、ケ
イ素膜の下層および上層にそれぞれ配置し、熱処理を施
すことで触媒元素をゲッタリングしている。特開平８−
３３０６０２号公報では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
作製工程において、素子領域内のソース／ドレイン領域
にリンイオンをドーピングし、その後に熱処理すること
で、触媒元素をゲッタリングしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】触媒元素を用いたケイ
素膜の結晶化方法は、非常に有効であるが、以下のよう
な問題点が残されている。

【００１１】第１の問題点は、膜質である。膜質に関し
ては、膜中の個々の柱状結晶の結晶性は良好であるが、
膜全体としてはかなり高密度の結晶欠陥（転位）を含ん
でいることが、本発明者らが行った実験からわかってい
る。半導体装置の活性領域がおおよそ一つの結晶方位で
形成されるために、比較的高い移動度が得られる一方、
欠陥密度が高いため閾値電圧やリーク電流は下がりにく
い。実際に、触媒元素を使用して結晶化した結晶性ケイ
素膜を用い、Ｎチャネル型ＴＦＴを作製した場合には電
界効果移動度が６０〜８０ｃｍ²／Ｖｓ程度のＴＦＴが
得られる。このような電界効果移動度は、従来の触媒元
素を用いない固相成長によるケイ素膜の電界効果移動度
に比べて、２倍程度は向上しているが、薄膜集積回路な
どへの応用を考えると未だ十分ではない。

【００１２】第２の問題は、不純物である。上記のよう
な触媒元素は、非晶質ケイ素膜の結晶化には大きく貢献
するが、その後、主に結晶粒界に偏在し結晶性ケイ素膜
中に残留する。すなわち、触媒元素そのものが不純物と
なる。半導体装置の活性領域を構成する結晶性ケイ素膜
中に、このような触媒元素が多量に存在していること
は、これらの半導体を用いた装置の信頼性および電気的
安定性を阻害するので、もちろん好ましいことではな
い。

【００１３】特に、ニッケル、コバルト、および白金な
ど、非晶質ケイ素膜の結晶化を促す触媒として効率よく
作用する元素は、ケイ素膜中においてバンドギャップ中
央付近に不純物準位を形成する。従って、これら触媒元
素により結晶化したケイ素膜を用いてＴＦＴを作製した
場合、残留した触媒元素に起因して、主にＴＦＴオフ動
作時におけるリーク電流が増大し、信頼性が低下する。
すなわち、上記触媒元素は、ＴＦＴ素子においてチャネ
ル領域の結晶性を向上させるため、電界効果移動度やオ
ン電流、オン電流の立ち上がり係数（Ｓ係数）などの電
流駆動能力は向上させるが、その代償として、オフ特性
および信頼性を悪化させる。

【００１４】これら上記の問題点を解決するために、上
記の特開平６−３３３８２４号公報、特開平６−３３３
８２５号公報および特開平８−３３０６０２号公報は以
下の技術を提案している。

【００１５】第１の問題点（膜質）に関して、特開平８
−３３０６０２号公報では、触媒元素を用いて結晶化さ
れたケイ素膜に対して、レーザー光などの強光を照射
し、結晶化されたケイ素膜をさらに結晶成長させること
により、膜質の改善を図っている。結晶性ケイ素膜にレ
ーザー光を照射した場合、結晶性ケイ素膜と非晶質ケイ
素膜との融点の相違から結晶粒界部が集中的に処理され
る。通常の固相成長法で形成した結晶性ケイ素膜では、
結晶構造が双晶状態であるため、レーザー光照射後も結
晶粒内部は双晶欠陥として残る。それに比べ、触媒元素
を導入し結晶化した結晶性ケイ素膜は、柱状結晶で構成
されており、その内部は単結晶状態であるため、レーザ
ー光あるいは強光の照射により結晶粒界部が処理される
と基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶性ケ
イ素膜が得られる。従って、結晶性の観点からは、レー
ザー照射の有効性は高い。しかし、特開平８−３３０６
０２号公報では、触媒元素を用いた結晶化直後にレーザ
ー光照射を行っている。すなわち、ケイ素膜中には、結
晶化に用いられた触媒元素が多量に残存している。レー
ザー光照射により、ケイ素膜はその融点付近まで加熱さ
れ結晶化されるが、この際、残存する触媒元素がケイ素
膜中に再び拡散し、触媒元素が析出する。析出した触媒
元素は、シリサイド化している。このシリサイド化した
触媒元素は、リーク電流を増大させ、その結果、半導体
装置の信頼性を大きく損なう。

【００１６】第２の問題点については、前記３公報で
は、リン原子によるゲッタリング除去工程により、結晶
化のために利用した触媒元素を、不要になったところで
ケイ素膜から除去している。しかし実際には、多量の触
媒元素を完全にゲッタリング除去することは大変難し
い。特開平６−３３３８２４号公報および特開平６−３
３３８２５号公報ではＰＳＧ膜を用いている。ここで、
ＰＳＧ膜とケイ素膜とが直接接していると、リンがケイ
素膜にも拡散導入されるため、ケイ素膜とＰＳＧ膜との
間に酸化ケイ素膜が配置されている。しかし、代表的な
触媒元素であるニッケルを例にとると、酸化ケイ素膜中
での拡散速度はケイ素膜中での拡散速度に比べて約５桁
も小さな値である。そのため、特開平６−３３３８２４
号公報および特開平６−３３３８２５号公報に記載され
ているような酸化ケイ素膜を介して触媒元素をゲッタリ
ングする方法では、実際には、触媒元素をほとんどゲッ
タリングできない。

【００１７】特開平８−３３０６０２号公報では、ＴＦ
Ｔ活性領域のソース／ドレイン領域にドーピングされた
リンを用いるため、ケイ素膜中において、ある程度のゲ
ッタリング効果は得られる。しかし、この方法では、素
子領域形成内に触媒元素がゲッタリングされ、触媒元素
が集まった領域が残るため、ＴＦＴ素子の信頼性の観点
からは不十分である。さらに、この方法においては、ド
レイン領域とチャネル領域との接合部に触媒元素が存在
するので、ＴＦＴリーク電流が増大するという問題点を
全く解決することはできない。

【００１８】本発明は、上記従来の課題を解決するため
になされたものであり、その目的とするところは、高性
能で高い信頼性を有し、かつ歩留まりが良好な半導体装
置の製造方法を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、絶縁表面を有する基板上に非晶質ケイ素膜を
形成する工程と；該非晶質ケイ素膜の所定の領域に、触
媒元素を選択的に導入する工程と；第１の加熱処理によ
り、該触媒元素が導入された領域からその周辺領域へ、
該基板表面に対して平行な方向に、該非晶質ケイ素膜を
結晶成長させる工程と；第２の加熱処理により、該触媒
元素を、該触媒元素が導入された領域に戻す工程と；該
戻された触媒元素を含む領域の該ケイ素膜を除去する工
程と；残されたケイ素膜に強光を照射し、該ケイ素膜を
さらに結晶化させる工程と；得られたケイ素膜を用い
て、半導体装置の活性領域を形成する工程と、を含む。

【００２０】好適な実施形態では、上記第１の加熱処理
工程の後かつ、上記第２の加熱処理工程の前に、上記触
媒元素を引き寄せる元素を、上記触媒が導入された領域
に選択的に導入する工程をさらに含む。

【００２１】好適な実施形態では、上記触媒元素が、上
記非晶質ケイ素膜上の少なくとも２つの導入領域に選択
的に導入され、上記第１の加熱処理において、異なる導
入領域から成長した結晶の先端が互いにぶつかり合うよ
うに、該非晶質ケイ素膜を結晶成長させる。

【００２２】好適な実施形態では、上記触媒元素が、上
記非晶質ケイ素膜上に配置されかつ所定の部分に開口部
を有するマスク膜を介して選択的に導入され、かつ上記
触媒元素を引き寄せる元素が、該マスク膜を介して選択
的に導入される。

【００２３】好適な実施形態では、上記戻された触媒元
素を含む領域の上記非晶質ケイ素膜を除去する際に、上
記半導体装置の活性領域をパターニングする。

【００２４】好適な実施形態では、上記戻された触媒元
素を含む導入領域の上記非晶質ケイ素膜を除去する工程
が、該ケイ素膜と、該触媒元素およびそのシリサイド化
合物とを同時に除去するエッチング工程を含む。

【００２５】好適な実施形態では、上記第１の加熱処理
が、上記非晶質ケイ素膜中を上記触媒元素が拡散する
が、該非晶質ケイ素膜中で自然核が発生しないような温
度および時間で行われ、上記第２の加熱処理が、上記結
晶化ケイ素膜中を該触媒元素が拡散するが、上記触媒元
素を引き寄せる元素は拡散しないような温度および時間
で行われる。

【００２６】好適な実施形態では、上記第１の加熱処理
における、上記非ケイ素膜の結晶成長方向が、半導体装
置におけるキャリアの移動方向とほぼ平行である。

【００２７】好適な実施形態では、上記残されたケイ素
膜に強光を照射し、上記ケイ素膜をさらに結晶化させる
工程において、上記強光が、上記ケイ素膜の一部は溶融
するが、上記ケイ素膜の結晶性が完全に失われない範囲
の表面エネルギー密度を有する強光である。

【００２８】好適な実施形態では、上記触媒元素がニッ
ケルであり、かつ、上記触媒を引き寄せる元素がリンで
ある。

【００２９】以下、本発明の作用について説明する。

【００３０】本発明によれば、触媒元素を非晶質ケイ素
膜に選択的に導入し、第１の加熱により、この導入領域
から周辺領域へと非晶質ケイ素膜を結晶成長させた後、
第２の加熱により、触媒元素を導入領域に戻す。導入領
域は、触媒元素濃度が非常に高いので、本来、活性領域
としては使用できない。本発明においては、この導入領
域に、非晶質ケイ素膜を結晶成長させるのに用いた触媒
元素を戻し、さらにこの導入領域を触媒元素と共にエッ
チングすることにより、触媒元素が多量に存在する領域
を完全に除去することができる。さらに、この導入領域
はケイ素膜の一部分であるので、効果的に触媒元素を移
動させることができる。従って、本発明の方法において
は、触媒元素をゲッタリングするための非晶質ケイ素膜
上の特別なスペースを必要としない。よって、本発明の
方法によれば、従来と同様のレイアウトを有し、かつ活
性領域に存在する触媒元素の濃度が大幅に少ない半導体
装置が得られる。

【００３１】さらに、本発明の方法では、触媒元素を戻
した導入領域を完全にエッチング除去した後（すなわ
ち、触媒元素が基板上に全く存在しない状態で）、ケイ
素膜に強光照射を行うので、触媒元素による半導体装置
の活性領域の再汚染、析出、およびオートドープなどの
不良が全く発生しない。その結果、半導体装置の性能、
製造歩留まり、および信頼性を大きく向上させることが
できる。

【００３２】好ましくは、触媒元素を引き寄せる元素
が、第１の加熱処理工程の後かつ第２の加熱処理工程の
前に、触媒が導入された領域に選択的に導入される。こ
れにより、第２の加熱処理工程において、触媒元素を引
き寄せる元素が作用し、結晶成長に使用されたケイ素膜
中の触媒元素を導入領域に戻すことがさらに改善され
る。

【００３３】好ましい実施形態によれば、この触媒元素
を、非晶質ケイ素膜上の少なくとも２つの導入領域に選
択的に導入し、そして、第１の加熱処理において、異な
る導入領域から成長した結晶の先端が互いにぶつかり合
うようにこの非晶質ケイ素膜を結晶成長させる。これ
は、次の理由による。触媒元素は、ケミカルポテンシャ
ルの相違から、非晶質ケイ素領域／結晶化領域の境界に
存在するのが最もエネルギー的に安定な状態であり、こ
こに存在しようとする。すなわち、成長した結晶の先端
部が非晶質ケイ素領域／結晶化領域の境界を形成する場
合には、ここに存在する触媒元素は導入領域に戻らず、
さらに非晶質領域へと拡散しやすくなる。一方、異なる
導入領域から成長した結晶の先端が互いにぶつかり合っ
て、結晶化領域／結晶化領域の境界を形成する場合に
は、触媒元素はこの境界にとどまるよりもむしろ導入領
域に戻りやすくなる。従って、このように結晶成長させ
ることにより、触媒元素を最も効果的にゲッタリングす
ることができる。

【００３４】好ましくは、触媒元素は、非晶質ケイ素膜
上に配置されかつ所定の部分に開口部を有するマスク膜
を介して選択的に導入され、触媒元素を引き寄せる元素
は、触媒元素を導入するのに用いたマスク膜と同一のマ
スク膜を介して選択的に導入される。このようにするこ
とで、ゲッタリングのためのフォト工程を省くことがで
きるので、プロセスを大幅に簡略化し得る。さらに、触
媒元素を導入する領域と、ゲッタリングにより触媒元素
を戻す領域とが同一であるため、後のケイ素膜除去工程
において、触媒元素が存在する領域を基板上から完全に
除去することが可能となる。

【００３５】好ましくは、戻された触媒元素を含む領域
の非晶質ケイ素膜を除去する際に、同時に半導体装置の
活性領域をパターニングする。このような方法により、
半導体の製造工程を短縮し得る。また、触媒元素を含む
領域を全て除去し得るので、触媒元素による素子領域の
汚染を低減し得る。

【００３６】触媒元素が戻された領域のケイ素膜を除去
する工程および活性領域を形成する工程において、ケイ
素膜および触媒元素のエッチング耐性（エッチング選択
性）が重要である。例えば、ケイ素膜がエッチングによ
り除去されても、触媒元素がエッチングされずに残存し
ている場合、残存している触媒元素が基板表面を再拡散
して、得られた半導体装置の活性領域を汚染する。さら
に、残存する触媒元素は、下層へのダメージを与える、
および下層上に形成されるバスラインを断線させるなど
によって、半導体素子の信頼性を低下させる原因にもな
り得る。さらに、本発明者らが調べたところによれば、
多くの触媒元素は、シリサイド化合物としてケイ素膜中
に存在していることがわかっている。従って、戻された
触媒元素を含む導入領域の非晶質ケイ素膜を除去する工
程は、ケイ素膜と、触媒元素およびそのシリサイド化合
物とを同時に除去するエッチング工程であることが好ま
しい。

【００３７】好ましくは、第１の加熱処理は、非晶質ケ
イ素膜中を触媒元素が拡散するが、非晶質ケイ素膜中で
自然核が発生しないような温度および時間で行われる。
なぜなら、結晶成長時の温度が高すぎると、ケイ素自身
の自然核が発生し、この自然核が、導入領域から成長し
てきた柱状結晶の成長を阻害し、その結果、柱状結晶の
曲がりおよび分岐が生じて結晶性が悪化するからであ
る。さらに、このことにより、触媒元素が結晶の曲がり
および分岐の位置で深くトラップされるので、後のゲッ
タリング工程において触媒元素を導入領域に戻すことが
できなくなる場合がある。

【００３８】さらに、好ましくは、第２の加熱処理は、
結晶化ケイ素膜中を触媒元素が拡散するが、触媒元素を
引き寄せる元素は拡散しないような温度および時間で行
われる。なぜなら、触媒元素がケイ素膜中を拡散移動す
る時の温度が高すぎると、ケイ素膜中において、同時
に、触媒元素を引き寄せる元素が拡散するからである。
例えば、触媒を引き寄せる代表的な元素であるリンがケ
イ素膜中に拡散すると、触媒元素が導入領域に十分に戻
らないだけでなく、ケイ素膜に対しても大きな悪影響を
及ぼす（例えば、ドナー元素であるリンがＴＦＴ素子の
チャネル領域などに存在すると、閾値電圧がシフトし不
安定となる）。

【００３９】好ましくは、第１の加熱処理における非ケ
イ素膜の結晶成長方向が、半導体装置におけるキャリア
の移動方向とほぼ平行である。このように構成すること
で、キャリアの移動に際しトラップとなる結晶粒界が、
その移動方向には理論上存在しないことになり、従って
より移動度が高い半導体装置が得られる。実際には、非
ケイ素膜の結晶成長領域では、ある程度の柱状結晶の曲
がりや分岐が生じているが、上記のように構成すること
により、結晶粒界がキャリアをトラップする量が、確実
に激減する。

【００４０】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本発明の第１の実
施形態では、ガラス基板上へのＮ型ＴＦＴの作製におい
て、本発明を適用する場合について説明する。本実施形
態では、基板上に数十万から数百万のＮ型ＴＦＴを均一
に作製する必要がある、液晶表示装置用アクティブマト
リクス基板の画素駆動用ＴＦＴを例にとって説明する。
しかし、本実施形態により得られるＴＦＴは、アクティ
ブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路および
画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成する素子としても
使用し得る。

【００４１】図１（Ａ）〜（Ｅ）は、本実施形態のアク
ティブマトリクス基板上に画素ＴＦＴを作製する工程を
示す平面図である。実際には、アクティブマトリクス型
の液晶表示装置は、数十万個以上のＴＦＴにより構成さ
れるが、本実施形態では３行×４列の１２個のＴＦＴに
簡略して説明する。図２は、図１（Ｅ）の１つのＴＦＴ
を、II−II線からみた断面図であり、（Ａ）→（Ｆ）の
順に従って作製工程が進行する。図２において、触媒元
素導入部１００ならびにＴＦＴのチャネルおよびソース
・ドレイン領域の配置が図１のＴＦＴ配置と比べて９０
度異なっているが、これは、本発明のＴＦＴを説明しや
すくするためであり、実際にＴＦＴの方向が９０度異な
っていても、本発明の効果を損なうことはない。

【００４２】まず、図２（Ａ）に示すように、絶縁性基
板（例えば、ガラス基板）１０１上に、厚さ３００ｎｍ
程度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を、例えばスパ
ッタリング法によって形成する。この酸化ケイ素膜は、
ガラス基板から不純物が拡散するのを防ぐために設けら
れる。次に、減圧ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法に
よって、真性（Ｉ型）非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）１
０３を成膜する。非晶質ケイ素膜の厚みは、好ましくは
２５〜８０ｎｍ（例えば４０ｎｍ）である。ケイ素膜の
厚さが２５ｎｍよりも薄いと、十分に結晶成長せず、残
存非晶質領域が生じることがある。一方、８０ｎｍを越
えると、以下の問題が生じる場合がある。触媒元素によ
る結晶性ケイ素膜を構成する柱状結晶は、ストレスフリ
ーの状態で約８０ｎｍ×８０ｎｍの断面構造を有する。
ケイ素膜の膜厚がこれより厚いと、柱状結晶が２層構造
となるので、結晶性が悪化する。さらに、これにより触
媒元素の残留量が増え、ゲッタリングが困難となる。従
って、ＴＦＴ素子におけるリーク電流および触媒元素使
用量を考慮すると、十分な結晶成長が得られ、かつその
他のプロセスにおいて問題がなければ、ケイ素膜の厚さ
は、２５ｎｍを下限として薄いほど好ましい。

【００４３】さらに、非晶質ケイ素膜１０３上に、絶縁
性薄膜（酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜など）を堆積
する。この絶縁性薄膜は、後の触媒元素導入時のマスク
膜１０４となる。本実施形態においては、ＴＥＯＳ（テ
トラエトキシオルトケイ酸)を原料とし、酸素とともにＲ
ＦプラズマＣＶＤ法で分解および堆積して、酸化ケイ素
膜を得た。酸化ケイ素膜の厚さは、５０ｎｍ〜２５０ｎ
ｍであることが好ましい。本実施形態では、上記酸化ケ
イ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。

【００４４】次に、非晶質ケイ素膜１０３が露呈するよ
うに酸化ケイ素膜を任意の適切な方法でパターニングし
て、マスク１０４を形成する。領域１００では、非晶質
ケイ素膜１０３が、マスク膜１０４のスルーホールを介
してスリット状に露呈している。領域１００以外の部分
はマスク膜１０４によりマスクされている。

【００４５】その後、図２（Ａ）に示すように、領域１
００上で露呈している非晶質ケイ素膜１０３の表面に、
触媒元素１０５を含有する溶液を接触させる。触媒元素
としては、ニッケル、コバルト、パラジウム、白金、
銅、銀、金、インジウム、スズ、アルミニウム、アンチ
モンなどの元素が使用され得る。これらから選択される
１つ以上の元素は、微量で、結晶化ケイ素膜をさらに結
晶化する効果を有する。これら触媒元素の中で、ニッケ
ルが特に好ましい。これは以下の理由による。触媒元素
は、単独では結晶成長に作用せず、ケイ素膜と結合しシ
リサイド化することで作用する。このシリサイド化した
触媒元素が、非晶質ケイ素膜を結晶化するときに一種の
鋳型のように作用し、非晶質ケイ素膜の結晶化を促す。
ニッケルは２つのケイ素とＮｉＳｉ₂のシリサイドを形
成する。ＮｉＳｉ₂は螢石型の結晶構造を示し、この結
晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類
似している。しかも、ＮｉＳｉ₂はその格子定数が５．
４０６Åであり、結晶シリコンのダイヤモンド構造での
格子定数５．４３０Åに非常に近い値をもつ。よって、
ＮｉＳｉ₂は、非晶質ケイ素膜を結晶化させるための鋳
型として最適である。従って、本実施形態の触媒元素溶
液では、溶質として、触媒元素であるＮｉを含む酢酸ニ
ッケル、および溶媒としてエタノールを用いた。溶質の
濃度は１０ｐｐｍであった。

【００４６】次いで、触媒元素溶液を、基板１０１の表
面全体（酸化ケイ素マスク膜１０４の表面および領域１
００上で露呈している非晶質ケイ素膜１０３の表面）に
塗布して、微量の触媒元素１０５を導入する。触媒元素
を基板上に導入する方法としては、様々な手法が用いら
れ得る。例えば、触媒元素の塩を、ＳＯＧ（スピンオン
グラス）材料に溶解させ、これをＳｉＯ₂膜から拡散さ
せる方法が用いられ得る。さらに、スパッタリング法お
よびメッキ法などにより触媒元素の薄膜を基板上に形成
する方法、ならびにイオンドーピング法により触媒元素
を基板上に直接導入する方法なども利用し得る。本実施
形態では、触媒元素溶液を、スピナーにより基板１０１
上に均一に塗布し、そして乾燥させることにより、非晶
質ケイ素膜１０３の表面に、選択的に触媒元素１０５を
導入した。

【００４７】触媒元素を導入する別の方法としては、非
晶質ケイ素膜を成膜する前に、下地膜表面に触媒元素を
選択的に導入しておき、非晶質ケイ素膜下層から触媒元
素を拡散させる方法が用いられ得る。すなわち、触媒元
素は、非晶質ケイ素膜の上面側から導入してもよいし、
下面側から導入してもよい。

【００４８】次いで、基板１０１を、不活性雰囲気下
（例えば、窒素雰囲気下）にて、５４０℃〜６２０℃の
温度で、数時間〜数十時間にわたって加熱処理する。本
実施形態では、基板を５８０℃にて４時間処理した。こ
の加熱処理では、図２（Ｂ）に示すように、まず、領域
１００で非晶質ケイ素膜表面に添加された触媒元素１０
５のシリサイド化が起こる。次いで、このシリサイド化
触媒元素を核として、ケイ素膜１０３が選択的に結晶化
され、シ一ド領域１０３ａが形成される。続いて、図２
（Ｂ）において矢印１０６で示すように、結晶化領域１
０３ａの周辺領域から、基板と平行な方向に結晶成長が
進行する。

【００４９】ここで、図１（Ａ）を参照すると、隣接す
る２つの線状領域１００に挟まれた間の領域では、基板
と平行な方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜１０３ｂが
形成されている。結晶性ケイ素膜１０３ｂの先端同士
は、ぶつかり合って、結晶粒界１０３ｅを形成する。一
方、最も外側に存在する線状導入領域１００の外側の領
域においても、結晶性ケイ素膜１０３ｃが形成される
が、その成長が到達しない外側の領域は、そのまま非晶
質ケイ素膜領域１０３ｄとして残る。従って、結晶化ケ
イ素膜１０３ｃと非晶質領域１０３ｄとの境界に、成長
端１０３ｆが生じる。図２に示すＴＦＴ１２３は、図１
（Ｅ）の最も右側のラインのＴＦＴ１２３を断面II−II
から見たものである。図２（Ｂ）における導入領域１０
０は、図１（Ａ）における最も右側の導入領域１００に
対応する（左側には別の導入領域が存在するが、右側に
は導入領域が存在しない）。ここで、図２（Ｂ）では、
少なくとも２つの導入領域に挟まれ、結晶化ケイ素膜１
０３ｃの先端同士がぶつかり合って形成された内側領域
を１０３ｂとし、そして、結晶化ケイ素膜１０３ｃの先
端と非晶質領域との境界で形成される外側領域を１０３
ｃとして区別した。なぜなら、内側領域１０３ｂと、外
側領域１０３ｃとでは、続いて行われるゲッタリングの
効果が大きく異なるためである。

【００５０】本実施形態の加熱処理で得られる結晶成長
距離（矢印１０６で示される、基板と平行な方向の結晶
成長の距離）は、約７０μｍである。

【００５１】次いで、図２（Ｃ）に示すように、非晶質
ケイ素膜の結晶化に用いたマスク膜１０４を再度利用し
て、触媒元素を引き寄せる元素１０７を領域１００に選
択的にドーピングする。触媒元素を引き寄せる元素とし
ては、リン、硫黄、ヒ素、セレンなどが使用可能であ
る。このような元素の中では、リンが最も望ましい。な
ぜなら、リンは、触媒元素を集める効果が最も大きいの
で、低濃度で効率的に触媒元素を導入領域へ戻すことが
できるためである。

【００５２】触媒元素としてニッケルを用いた場合、触
媒元素を引き寄せる元素としてはリンが最も好ましいと
いうことが、本発明者らの実験より明らかになってい
る。従って、本実施形態では、触媒元素を引き寄せる元
素としてリンを用いた。

【００５３】ドーピングは、ドーピングガスとしてフォ
スフィン（ＰＨ₃）を用い、加速電圧を５〜２０ｋＶ
（例えば１０ｋＶ）、ドーズ量を５×１０¹⁵〜１×１０
¹⁷ｃｍ ^-2（例えば５×１０¹⁶ｃｍ^-2）として行った。こ
れにより、マスク膜１０４に覆われた外側領域１０３
ｂ、内側領域１０３ｃ、および非晶質領域１０４ｄには
元素１０７は注入されず、シード領域１０３ａにのみ元
素１０７が導入される。次いで、基板を不活性雰囲気下
（例えば窒素雰囲気下）にて、５８０〜７００℃の温度
で、数時間〜数十時間にわたって加熱処理する。本実施
形態では、６００℃にて１２時間の加熱処理を行った。
この加熱により、触媒元素が導入領域へ戻される。この
加熱処理の間、図２（Ｃ）に矢印１０８で示すように、
内側領域１０３ｂに存在している触媒元素１０５は、結
晶成長時とは逆方向に移動して、シード領域１０３ａに
おいて元素１０７にトラップされる。一方、外側領域１
０３ｃにおいては、結晶化が非晶質ケイ素領域１０３ｄ
に向かってさらに進行する。すなわち、外側領域１０３
ｃに存在する触媒元素１０５は、シード領域１０３ａに
戻ることなく、外側の非晶質ケイ素領域１０３ｄへとさ
らに拡散する。従って、外側領域１０３ｃにおいては、
触媒元素を十分にゲッタリングすることができない。

【００５４】触媒元素および触媒元素を引き寄せる元素
を選択的に導入するためのマスク膜としては、酸化ケイ
素膜または窒化ケイ素膜が好ましい。なぜなら、これら
の膜は、触媒元素が拡散することにより半導体装置中の
結晶化ケイ素膜に与える影響を低減するに十分なバリア
であるからである。

【００５５】次いで、マスク膜１０４をエッチング除去
する。マスク膜１０４のエッチングは、ケイ素膜１０３
に対して選択性を有する１：１０バッファードフッ酸
（ＢＨＦ）をエッチャントとして用い、ウェットエッチ
ングにより行った。この段階で、内側領域１０３ｂ中の
ニッケル濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によ
り測定すると、その測定下限である５×１０¹⁵ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以下であった。

【００５６】次いで、図１（Ｂ）に示すような配置で、
ケイ素膜１０３の内側領域１０３ｂのみを残し、その他
の不要な部分を除去して、後にＴＦＴの活性領域（ソー
ス／ドレイン領域、チャネル領域）となる島状の結晶性
ケイ素膜１０３ｉを形成する（すなわち、素子間分離を
行う）。これを、図１（Ｃ）および図２（Ｄ）に示す。
ここで、重要なことは、触媒元素１０５が存在する導入
領域１０３ａおよび外側領域１０３ｃを基板上から完全
に除去し、触媒元素１０５が存在しない内側領域１０３
ｂのみを島状の結晶性ケイ素膜１０３ｉとして用いてい
ることである。このことにより、後の工程において、触
媒元素が活性領域を汚染することが防止される。触媒元
素を戻した領域のケイ素膜を除去する具体的な方法とし
ては、フッ化水素酸と硝酸との混合液を用いてエッチン
グ除去する方法が望ましい。しかし、この方法は、微細
加工には不利である。微細加工が望まれる場合には、プ
ラズマによるドライエッチングが有効である。しかし、
ケイ素膜のエッチングに従来から用いられている、フロ
ン系ガス（ＣＦ₄ガスなど）と酸素系ガスとを用いるド
ライエッチング法では、ケイ素膜はエッチングされる
が、触媒元素のシリサイド化合物はエッチングされない
ので、シリサイド化合物が基板表面に残るという欠点を
有する。従って、本発明におけるエッチング法として
は、塩素ガスおよび塩素系ガス（ＢＣｌ₃、ＨＣｌな
ど）を用いたＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチン
グ）法が好ましい。この方法によれば、ケイ素膜と共に
触媒元素およびそのシリサイドも同時にエッチングされ
るので、導入領域に不純物が残らない清浄な半導体装置
を得ることができる。

【００５７】続いて、図２（Ｄ）に示すように、強光
（本実施形態では、レーザー光）１０９を照射して、島
状結晶性ケイ素膜１０３ｉをさらに結晶化させる。この
とき、基板上には触媒元素が全く存在しないので、従来
法においてレーザー照射時に発生していた触媒元素の析
出、再拡散、およびオートドープなどを完全に防ぐこと
ができる。結晶化ケイ素膜をさらに結晶化させるための
強光としては、波長４００ｎｍ以下のレーザー光を用い
ることが好ましい。これは次の理由による。波長４００
ｎｍ以下のレーザー光は、ケイ素膜に対する吸収係数が
極めて高いので、ガラス基板に熱的ダメージを与えるこ
となく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱することができる。
さらに、レーザー光を用いることで、ケイ素膜を瞬時
に、融点１４１４℃まで加熱するだけの高出力が可能と
なる。波長４００ｎｍ以下のレーザー光の中でも、特に
波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光は出力が
大きいため、基板照射時のビームサイズを大きくし得、
大面積基板に対応しやすく、かつ出力が比較的安定して
おり、量産装置に適用する上で最も望ましい。このレー
ザー光を用いて、結晶化されたケイ素膜表面に対して、
レーザー光の表面エネルギー密度が２５０〜４５０ｍＪ
／ｃｍ²となるように照射することにより、結晶化ケイ
素膜がさらに結晶化され、非常に結晶性の高いケイ素膜
が得られる。レーザー光の表面エネルギー密度が２５０
ｍＪ／ｃｍ²より小さい場合、ケイ素膜はほとんど溶融
されず、結晶化を十分に進行させることができない。一
方、レーザー光の表面エネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃ
ｍ²よりも大きい場合、触媒元素により得られた結晶性
が完全に失われる（リセットされる）ので、従来のレー
ザー結晶化でみられたような不均一性の問題点が発生す
る。本実施形態では、レーザー光として、ＸｅＣｌエキ
シマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅ
ｃ）を用いた。基板を２００〜４５０℃（例えば４００
℃）に加熱し、エネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃ
ｍ²（例えば３５０ｍＪ／ｃｍ²）で、レーザー光を照射
した。ビームサイズを、基板１０１表面で１５０ｍｍ×
１ｍｍの長尺形状となるように成型し、そして、長尺方
向に対して垂直方向に０．１ｍｍのステップ幅で順次走
査した。島状結晶化ケイ素膜１０３ｉの任意の１点に、
計１０回、レーザーを照射した。

【００５８】結晶化ケイ素膜をさらに結晶化させるため
の強光としては、本発明では、パルスレーザーであるエ
キシマレーザー照射による加熱法が用いられるが、これ
以外のレーザー（例えば連続発振Ａｒレーザーなど）で
も同様の処理が可能である。さらに、強光としては、レ
ーザー光の代わりに、赤外光およびＲＴＡ（ラピッド・
サーマル・アニール（ＲＴＰ（ラピッド・サーマル・プ
ロセス）ともいう)：フラッシュランプを使用して、短
時間に試料を１０００〜１２００℃（シリコンモニター
の温度）まで加熱する）なども用いられ得る。

【００５９】次いで、島状結晶化ケイ素膜１０３ｉを覆
うように、厚さ２０〜１５０ｎｍ（本実施形態では１０
０ｎｍ）の酸化ケイ素膜を、ゲート絶縁膜１１０として
成膜する。本実施形態では、ＴＥＯＳ（テトラエトキシ
オルトケイ酸）を、酸素存在下にて、基板温度１５０〜
６００℃（好ましくは３００〜４５０℃）で、ＲＦプラ
ズマＣＶＤ法により分解および堆積して、ゲート絶縁膜
１１０を形成した。あるいは、ＴＥＯＳを、オゾンガス
存在下にて、基板温度３５０〜６００℃（好ましくは４
００〜５５０℃）で、減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法
によって分解および堆積して、ゲート絶縁膜１１０を形
成してもよい。膜形成後、ゲート絶縁膜１１０自身のバ
ルク特性、および結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜との界
面特性を向上させるために、基板を不活性ガス雰囲気下
で、４００〜６００℃において３０〜６０分間アニーリ
ングした。

【００６０】次いで、図２（Ｅ）に示すように、厚さ４
００〜８００ｎｍ（例えば６００ｎｍ）のアルミニウム
膜を、スパッタリング法によりゲート絶縁膜１１０上に
形成し、このアルミニウム膜をパターニングすることに
より、ゲート絶縁膜１１０上にゲート電極１１１を形成
する。図１（Ｄ）に平面的に示すように、ゲート電極１
１１は、ゲートバスラインを同時構成している。

【００６１】さらに、ゲート電極１１１の表面を陽極酸
化して、酸化物層１１２を形成する。陽極酸化は、酒石
酸を１〜５％含有するエチレングリコール溶液中にて、
最初一定電流で２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１
時間基板を保持することにより行う。本実施形態で得ら
れた酸化物層１１２の厚さは、２００ｎｍであった。こ
の酸化物層１１２の厚さは、後のイオンドーピング工程
において、オフセットゲート領域を形成する厚さとな
る。従って、オフセットゲート領域の長さは、この陽極
酸化工程で決定される。

【００６２】次いで、ゲート電極１１１および酸化物層
１１２をマスクとして、イオンドーピング法により、活
性領域に不純物（例えば、リン、ヒ素など）を注入す
る。リンを導入する場合には、ドーピングガスとして、
フォスフィン（ＰＨ₃）を用い、加速電圧を６０〜９０
ｋＶ（例えば８０ｋＶ）、ドーズ量を１×１０¹⁵〜８×
１０¹⁵ｃｍ^-2（例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2）として行う。
不純物が注入された領域１１４と１１５は、後にＴＦＴ
のソース／ドレイン領域となり、不純物が注入されない
領域１１３は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。

【００６３】次いで、図２（Ｅ）に示すように、レーザ
ー光１１６を照射して基板をアニーリングし、注入した
不純物を活性化すると同時に、上記の不純物導入工程に
より結晶性が劣化した部分の結晶性を改善する。ここで
は、レーザーとしてＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３
０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、エネルギー
密度１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²（好ましくは２００〜
２５０ｍＪ／ｃｍ²）で照射した。このように形成した
Ｎ型不純物領域１１４および１１５のシート抵抗は、２
００〜８００Ω／□であった。

【００６４】次いで、層間絶縁膜１１７を、ゲート絶縁
膜１１０上に、厚さ６００ｎｍ程度に形成する。層間絶
縁膜１１７には、例えば、酸化ケイ素膜または窒化ケイ
素膜が用いられ得る。例えば、ＴＥＯＳを酸素存在下で
のプラズマＣＶＤ法、あるいはオゾン存在下での減圧Ｃ
ＶＤ法または常圧ＣＶＤ法によって形成することによ
り、段差被覆性に優れた良好な酸化ケイ素層間絶縁膜が
得られる。また、ＳｉＨ ₄とＮＨ₄を原料ガスとしてプラ
ズマＣＶＤ法で成膜された窒化ケイ素膜は、活性領域／
ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を
劣化させる不対結合手を低減する効果を有する。

【００６５】次に、層間絶縁膜１１７上にコンタクトホ
ールを形成し、図１（Ｅ）に示すように、金属材料（例
えば、窒化チタンとアルミニウムとの二層膜）を用い
て、ＴＦＴのソース電極／およびソースバスライン１１
８を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体
層に拡散するのを防止するためのバリア膜として設けら
れる。本実施形態ではＴＦＴが画素電極をスイッチング
するので、ドレイン電極には、ＩＴＯなどの透明導電膜
からなる画素電極１１９を設ける。ソースバスライン１
１８を介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン
１１１のゲート信号に基づいて画素電極１１９に必要な
電荷が書き込まれる。最後に、１気圧、水素雰囲気下、
３５０℃で、３０分間アニーリングして、ＴＦＴ１２３
を完成させる（図２（Ｆ））。ＴＦＴ１２３を保護する
ために、必要に応じて、窒化ケイ素膜などからなる保護
膜をＴＦＴ１２３上に設けてもよい。

【００６６】本発明の目的の１つは、半導体装置活性領
域における触媒元素濃度の大幅な低減を図ることであ
る。従って、半導体装置の活性領域中における触媒元素
の最終的な濃度は、好ましくは１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³以下である。従来法により作製したＴＦＴ活性領
域中の触媒元素濃度は、１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³程度である。このようなＴＦＴ活性領域中
では、リーク電流増大や特性劣化などの影響が確認され
る。本発明者らは、代表的な触媒元素であるニッケルを
用い、ＴＦＴ活性領域でニッケル濃度を強制的に変化さ
せ、そのリーク電流および信頼性への影響を確認する実
験を行った。この実験の結果によると、活性領域中の触
媒元素の濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であ
る場合には、リーク電流および信頼性は、触媒元素を導
入しないＴＦＴ活性領域におけるリーク電流および信頼
性と同程度であり、触媒元素による影響は観察されなか
った。

【００６７】実施形態１に従って作製したＴＦＴは、電
界効果移動度が１５０ｃｍ²／Ｖｓ程度であり、かつ閾
値電圧が２Ｖ程度であり、非常に高性能である。さら
に、このＴＦＴは、繰り返し測定、バイアス、および温
度ストレスによる耐久性試験においてほとんど特性劣化
が観察されず、従来のＴＦＴと比べて非常に信頼性が高
い。また、このＴＦＴのオフ領域におけるリーク電流
は、触媒元素を用いない場合のリーク電流と同等の５ｐ
Ａ程度であった。この値は従来のＴＦＴにおけるリーク
電流である１０〜１５ｐＡと比較すると大きく低減され
ており、これにより製造歩留まりを大きく向上すること
ができた。さらに、このＴＦＴを用いて作製された液晶
表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価した
ところ、ＴＦＴリークによる画素欠陥が極めて少なく、
かつコントラスト比が高い、高表示品位の液晶パネルが
得られた。なお、本実施例のＴＦＴ作製工程は、アクテ
ィブマトリクス基板の画素電極を対象に説明したが、こ
のＴＦＴは薄膜集積回路などの他の目的にも簡単に応用
し得る。この場合には、ゲート電極１１１上にもコンタ
クトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。

【００６８】（実施形態２）本発明の第２の実施形態で
は、アクティブマトリクス型液晶表示装置の周辺駆動回
路、および一般の薄膜集積回路を形成するＮＴＦＴとＰ
ＴＦＴとを相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路をガラ
ス基板上に作製する場合について、説明する。

【００６９】図３は、実施形態２のＴＦＴを示す平面図
である。図４は、図３のＴＦＴをIV− IV線から見た断
面図であり、ＴＦＴを作製する工程は（Ａ）→（Ｆ）の
順に進行する。

【００７０】まず、ガラス基板２０１上に、ＣＶＤ法お
よびＰＶＤ法などにより、厚さ３００ｎｍ程度の酸化ケ
イ素からなる下地膜２０２を形成する。次いで、減圧Ｃ
ＶＤ法により、厚さ２５〜８０ｎｍ（例えば５０ｎｍ）
の真性（Ｉ型）非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を
成膜する。さらに、非晶質ケイ素膜２０３上に、絶縁性
薄膜（例えば、酸化ケイ素または窒化ケイ素の膜）を堆
積する。この絶縁性薄膜は、触媒元素を導入するときに
マスク膜２０４となるものである。本実施形態では、絶
縁性薄膜として、厚さ１５０ｎｍの酸化ケイ素膜を用い
た。酸化ケイ素膜は、ＴＥＯＳを酸素存在下においてＲ
ＦプラズマＣＶＤ法を用いて、分解・堆積することによ
り形成した。

【００７１】次に、酸化ケイ素膜上に感光性樹脂（フォ
トレジスト）を塗布し、非晶質ケイ素膜２０３が露呈さ
れるように酸化ケイ素膜をパターニングして、スルーホ
ールを有するマスク膜２０４を形成する。これにより、
図３に示すように、領域２００ｎおよび２００ｐで、ス
リット状に非晶質ケイ素膜２０３が露呈される。領域２
００ｎおよび２００ｐ以外の部分は、マスク膜２０４に
よりマスクされている。

【００７２】上記マスク膜２０４を設けた後、図４
（Ａ）に示すように、マスク膜２０４、領域２００ｎ、
および領域２００ｐの表面に、触媒元素２０５（本実施
形態では、ニッケル）を薄膜蒸着する。本実施形態で
は、蒸着ソースと基板間との距離を通常より大きくし
て、蒸着レートを低下させることで、触媒元素の薄膜２
０５の厚さが１ｎｍとなるように制御した。このときの
基板２０１上における触媒元素２０５の面密度は、４×
１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度であった。そして、この
基板２０１を不活性雰囲気下で、例えば加熱温度５８０
℃で６時間アニーリングして、非晶質ケイ素膜２０３を
結晶化させる。

【００７３】この際、領域２００ｎおよび領域２００ｐ
では、触媒元素２０５を核として、基板２０１に対して
垂直方向に非晶質ケイ素膜２０３の結晶化が起こり、結
晶性ケイ素膜のシード領域２０３ａが形成される。次い
で、図３および図４（Ｂ）に矢印２０６で示すように、
領域２００ｎおよび２００ｐからその周辺領域へ、基板
と平行な方向に結晶成長が進行する。ここで、図３に示
すように、触媒元素２０５が選択導入された線状領域２
００ｎと２００ｐとに挟まれた間の領域では、結晶化ケ
イ素膜の内側領域２０３ｂが形成される。隣接する２つ
の導入領域からそれぞれ成長した結晶化ケイ素膜の内側
領域２０３ｂ同士はぶつかり合って、結晶粒界２０３ｅ
を形成する。一方、最も外側に存在する導入領域の外側
においても、結晶成長が起こり、結晶性ケイ素膜の外側
領域２０３ｃを形成するが、成長したケイ素膜が到達し
ない領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領域２０３ｄとし
て残る。外側領域２０３ｃの先端は、非晶質ケイ素膜領
域２０３ｄと共に、結晶化領域／非晶質領域の境界２０
３ｆを形成する。

【００７４】従来は、このような配置のＮ型ＴＦＴとＰ
型ＴＦＴを作製する場合には、触媒導入領域をそれぞれ
のＴＦＴの間に１本だけ設け、その両側に結晶成長させ
たケイ素膜を用いて、ＴＦＴ活性領域を形成していた。
ここで、図４（Ｂ）では、少なくとも２つの導入領域に
挟まれ、結晶化ケイ素膜の先端同士がぶつかり合って形
成された内側領域を２０３ｂとし、そして、結晶化ケイ
素膜の先端と非晶質領域との境界で形成される外側領域
を２０３ｃとして区別した。なぜなら、内側領域２０３
ｂと、外側領域２０３ｃとでは、続いて行われるゲッタ
リングの効果が大きく異なるためである。

【００７５】本実施形態の加熱処理による結晶成長距離
（矢印２０６で示される、基板と平行な方向の結晶成長
の距離）は、約１００μｍであった。

【００７６】次いで、図４（Ｃ）に示すように、非晶質
ケイ素膜の結晶化に用いたマスク膜２０４を再度利用し
て、触媒元素を引き寄せる元素（本実施形態では、リ
ン）２０７を領域２００ｎおよび２００ｐに選択的にド
ーピングする。ドーピングは、ドーピングガスとしてフ
ォスフィン（ＰＨ₃）を用い、加速電圧を５〜２０ｋＶ
（例えば１０ｋＶ）、ドーズ量を５×１０¹⁵〜１×１０
¹⁷ｃｍ^-2（例えば５×１０¹⁶ｃｍ^-2）として行った。こ
れにより、マスク膜２０４に覆われた内側領域２０３
ｂ、外側領域２０３ｃ、および非晶質領域２０４ｄには
元素２０７は注入されず、シード領域２０３ａにのみ元
素２０７が導入される。次いで、これを不活性雰囲気下
（例えば窒素雰囲気下）にて、５８０〜７００℃の温度
で、数時間〜数十時間にわたって加熱処理する。本実施
形態では、６００℃にて１２時間にわたり加熱処理し
た。

【００７７】この加熱処理の間、図４（Ｃ）に矢印２０
８で示すように、内側領域２０３ｂに存在している触媒
元素２０５は、結晶成長時とは逆方向に移動して、シー
ド領域２０３ａにおいて元素２０７にトラップされる。
一方、外側領域２０３ｃにおいては、結晶化が非晶質領
域２０３ｄに向かってさらに進行する。すなわち、外側
領域２０３ｃに存在する触媒元素２０５は、シード領域
２０３ａに戻ることなく、外側の非晶質領域２０３ｄへ
とさらに拡散する。従って、外側領域２０３ｃにおいて
は、触媒元素を十分にゲッタリングすることができな
い。

【００７８】次いで、マスク膜２０４をエッチング除去
する。マスク膜２０４のエッチングは、ケイ素膜２０３
に対して選択性を有する１：１０バッファードフッ酸
（ＢＨＦ）をエッチャントとして用い、ウェットエッチ
ングにより行った。この段階で、内側領域２０３ｂ中の
ニッケル濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によ
り測定すると、その測定下限である５×１０¹⁵ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以下であった。

【００７９】次いで、図４（Ｂ）に示すような配置で、
ケイ素膜２０３の内側領域２０３ｂのみを残し、その他
の不要な部分を除去して、後にＴＦＴの活性領域（ソー
ス／ドレイン領域、およびチャネル領域）となる島状の
結晶性ケイ素膜２０３ｎおよび２０３ｐを形成する（す
なわち、素子間分離を行う）。これを、図４（Ｃ）およ
び図４（Ｄ）に示す。

【００８０】ここで、重要なことは、触媒元素２０５が
存在する導入領域２０３ａおよび外側領域２０３ｃを基
板上から完全に除去し、触媒元素２０５が存在しない内
側領域２０３ｂのみを、島状の結晶性ケイ素膜２０３ｎ
および２０３ｐとして用いていることである。このこと
により、後の工程において、触媒元素が活性領域を汚染
することが防止される。

【００８１】続いて、図４（Ｄ）に示すように、強光
（本実施形態では、レーザー光）２０９を照射して、島
状結晶性ケイ素膜２０３ｎおよび２０３ｐをさらに結晶
化させる。このとき、基板上には触媒元素が全く存在し
ないので、従来法でレーザー照射時に発生していた触媒
元素の析出、再拡散、およびオートドープなどを完全に
防ぐことができる。本実施形態では、レーザー光とし
て、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パル
ス幅４０ｎｓｅｃ）を用いた。基板を２００〜４５０℃
（例えば４００℃）に加熱し、エネルギー密度２５０〜
４５０ｍＪ／ｃｍ²（例えば３５０ｍＪ／ｃｍ²）で、レ
ーザー光を照射した。ビームサイズを、基板２０１表面
で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成型し、
そして、長尺方向に対して垂直方向に０．１ｍｍのステ
ップ幅で順次走査した。島状結晶化ケイ素膜２０３ｎお
よび２０３ｐの任意の１点において、計１０回、レーザ
ーを照射した。

【００８２】次に、結晶性ケイ素膜２０３ｎおよび２０
３ｐを覆うように、厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素膜を、
ゲート絶縁膜２１０として成膜する。本実施形態では、
ＴＥＯＳを、酸素の存在下において、基板温度３５０℃
で、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて分解・堆積して、ゲ
ート絶縁膜２１０を製膜した。ゲート絶縁膜製膜後、ゲ
ート絶縁膜自身のバルク特性、および結晶性ケイ素膜と
ゲート絶縁膜との界面特性を向上させるために、基板
を、不活性ガス雰囲気下、４００〜６００℃で３０〜６
０分間アニーリングした。

【００８３】次いで、図４（Ｅ）に示すように、スパッ
タリング法によって厚さ４００〜８００ｎｍ（例えば５
００ｎｍ）のアルミニウム（０．１〜２％のシリコンを
含む）からなる膜をゲート絶縁膜２１０上にパターニン
グして、ゲート電極２１１ｎ、２１１ｐを形成する。

【００８４】次いで、活性領域２０３ｎに、ゲート電極
２１１ｎをマスクとして、ｎ型不純物（リン、ヒ素な
ど）を、イオンドーピング法により注入する。ドーピン
グは、ドーピングガスとしてフォスフィン（ＰＨ₃）
（加速電圧：６０〜９０ｋＶ（例えば８０ｋＶ）、ドー
ズ量：１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2（例えば、リン：
２×１０¹⁵ｃｍ^-2））を用いて行った。

【００８５】次いで、活性領域２０３ｐに、ゲート電極
２１１ｐをマスクとして、ｐ型不純物（ホウ素など）
を、イオンドーピング法により注入する。ドーピング
は、ドーピングガスとしてジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）（加速電
圧：４０ｋＶ〜８０ｋＶ（例えば６５ｋＶ）、ドーズ
量：１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2（例えば、ホウ素：
５×１０¹⁵ｃｍ^-2））を用いて行った。

【００８６】ゲート電極２１１ｎおよび２１１ｐにマス
クされ、不純物が注入されない領域は、後にＴＦＴのチ
ャネル領域２１３ｎおよび２１３ｐとなる。このとき、
ドーピングが不要な領域をフォトレジストで覆うことに
よって、それぞれの元素を選択的にドーピングする。こ
の結果、Ｎ型の不純物領域２１４ｎおよび２１５ｎ、な
らびにＰ型の不純物領域２１４ｐおよび２１５ｐが形成
される。

【００８７】次いで、図４（Ｅ）に示すように、レーザ
ー光２１６を照射して基板２０１をアニーリングし、イ
オン注入した不純物を活性化する。レーザー光として、
ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅
４０ｎｓｅｃ）を用いた。そして、レーザー光を、エネ
ルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ²で、１か所につき５ショ
ット照射した。

【００８８】次いで、図４（Ｆ）に示すように、プラズ
マＣＶＤ法により、厚さ６００ｎｍの酸化ケイ素膜から
なる層間絶縁膜２１７を形成した。そして、層間絶縁膜
２１７にコンタクトホールを形成し、金属材料からなる
ＴＦＴの電極・配線２２０、２２１、および２２２を形
成する。本実施形態では、金属材料として、例えば窒化
チタンとアルミニウムとの二層膜を用いた。最後に、基
板を、１気圧、水素雰囲気下において、３５０℃で３０
分間アニーリングし、基板上にＮチャネル型ＴＦＴ２２
４およびＰチャネル型ＴＦＴ２２５を形成する。さら
に、ＴＦＴ２２４および２２５を保護する目的で、必要
に応じて、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜
を設けてもよい。

【００８９】実施形態２のＴＦＴを有するＣＭＯＳ構造
回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度はＮ
型ＴＦＴで１５０〜１８０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐ型ＴＦＴで
１００〜１２０ｃｍ²／Ｖｓと高く、また、閾値電圧は
Ｎ型ＴＦＴで１．５〜２Ｖ、Ｐ型ＴＦＴで−２〜−３Ｖ
と非常に良好な特性を示す。さらに、このＴＦＴは、繰
り返し測定、バイアス、および温度ストレスによる耐久
性試験においてほとんど特性劣化が観察されず、従来の
ＴＦＴと比べて非常に信頼性が高い。また、このＴＦＴ
オフ領域におけるリーク電流は、Ｎ型ＴＦＴで５ｐＡ、
Ｐ型ＴＦＴで３ｐＡ程度と、従来のＴＦＴに比べて低
く、これにより製造歩留まりを大きく向上することがで
きた。

【００９０】以上、本発明の実施形態１および２を参照
して本発明を具体的に説明したが、本発明は上述の実施
形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思
想に基づく各種の変形が可能である。

【００９１】本発明は、絶縁表面を有する基板上に設け
られた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いる半導体装置
に有用であり、上記実施形態に記載したように、アクテ
ィブマトリクス型の液晶表示装置などに利用し得る。

【００９２】本発明の応用としては、液晶表示用のアク
ティブマトリクス型基板以外に、例えば、密着型イメー
ジセンサー、ドライバー内蔵型のサーマルヘッド、有機
系ＥＬ等を発光素子としたドライバー内蔵型の光書き込
み素子や表示素子、三次元ＩＣ等が考えられる。本発明
を用いることで、これらの素子の高速、高解像度化等の
高性能化を実現し得る。さらに本発明は、上述の実施形
態で説明したＭＯＳ型トランジスタに限らず、結晶性半
導体を素子材としたバイポーラトランジスタや静電誘導
トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス全般
に応用し得る。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば、リーク電流の少ない安
定した特性の高性能半導体素子が実現でき、さらに、集
積度の高い高性能半導体装置が、簡便な製造プロセスに
て得られる。また、その製造工程において良品率を大き
く向上でき、商品の低コスト化を図ることができる。特
に液晶表示装置においては、アクティブマトリクス基板
に要求される画素スイッチングＴＦＴのスイッチング特
性の向上、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求され
る高性能化・高集積化を同時に満足し、同一基板上にア
クティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドラ
イバモノリシック型アクティブマトリクス基板を実現し
得、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの実施形態である、ＴＦＴの製造
方法を説明するための概略平面図である。

【図２】本発明の１つの実施形態である、ＴＦＴの製造
方法を説明するための概略断面図である。

【図３】本発明の別の実施形態である、ＴＦＴの製造方
法を説明するための概略平面図である。

【図４】本発明の別の実施形態である、ＴＦＴの製造方
法を説明するための概略断面図である。

【符号の説明】

１０１，２０１基板１０２，２０２下地膜１０３，２０３ケイ素膜１０４，２０４マスク膜１０５，２０５触媒元素１０６，２０６結晶成長方向１０７，２０７触媒元素を引き寄せる元素１０８，２０８ゲッタリング方向１０９，２０９レーザー光１１０，２１０ゲート絶縁膜１１１、２１１ゲート電極／バスライン１１２陽極酸化物層１１３、２１３チャネル領域１１４、２１４ソース領域１１５、２１５ドレイン領域１１６、２１６レーザー光１１７、２１７層間絶縁膜１１８ソース電極／バスライン１１９画素電極２２０、２２１、２２２電極・配線１２３画素ＴＦＴ２２４Ｎチャネル型ＴＦＴ２２５Ｐチャネル型ＴＦＴ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本弘美大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

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ケイ素
膜を形成する工程と、該非晶質ケイ素膜の所定の領域に、触媒元素を選択的に
導入する工程と、第１の加熱処理により、該触媒元素が導入された領域か
らその周辺領域へ、該基板表面に対して平行な方向に、
該非晶質ケイ素膜を結晶成長させる工程と、第２の加熱処理により、該触媒元素を、該触媒元素が導
入された領域に戻す工程と、該戻された触媒元素を含む領域の該ケイ素膜を除去する
工程と、残されたケイ素膜に強光を照射し、該ケイ素膜をさらに
結晶化させる工程と、得られたケイ素膜を用いて、半導体装置の活性領域を形
成する工程と、を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記第１の加熱処理工程の後かつ、前記
第２の加熱処理工程の前に、前記触媒元素を引き寄せる
元素を、前記触媒元素が導入された領域に選択的に導入
する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記触媒元素が、前記非晶質ケイ素膜上
の少なくとも２つの導入領域に選択的に導入され、前記第１の加熱処理において、異なる導入領域から成長
した結晶の先端が互いにぶつかり合うように、該非晶質
ケイ素膜を結晶成長させる、請求項１または２に記載の
方法。
【請求項４】前記触媒元素が、前記非晶質ケイ素膜上
に配置されかつ所定の部分に開口部を有するマスク膜を
介して選択的に導入され、かつ前記触媒元素を引き寄せ
る元素が、該マスク膜を介して選択的に導入される、請
求項２または３に記載の方法。
【請求項５】前記戻された触媒元素を含む領域の前記
非晶質ケイ素膜を除去する際に、前記半導体装置の活性
領域をパターニングする、請求項１〜３のいずれか１項
に記載の方法。
【請求項６】前記戻された触媒元素を含む導入領域の
前記非晶質ケイ素膜を除去する工程が、該ケイ素膜と、
該触媒元素およびそのシリサイド化合物とを同時に除去
するエッチング工程を含む、請求項１〜５のいずれか１
項に記載の方法。
【請求項７】前記第１の加熱処理が、前記非晶質ケイ
素膜中を前記触媒元素が拡散するが、該非晶質ケイ素膜
中で自然核が発生しないような温度および時間で行わ
れ、前記第２の加熱処理が、前記結晶化ケイ素膜中を該触媒
元素が拡散するが、前記触媒元素を引き寄せる元素は拡
散しないような温度および時間で行われる、請求項１〜
３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】前記第１の加熱処理における、前記非ケ
イ素膜の結晶成長方向が、半導体装置におけるキャリア
の移動方向とほぼ平行である、請求項１〜３のいずれか
１項に記載の方法。
【請求項９】前記残されたケイ素膜に強光を照射し、
該ケイ素膜をさらに結晶化させる工程において、該強光が、該ケイ素膜の一部は溶融するが、該ケイ素膜
の結晶性が完全に失われない範囲の表面エネルギー密度
を有する強光である、請求項１〜３のいずれか１項に記
載の方法。
【請求項１０】前記触媒元素がニッケルであり、か
つ、前記触媒を引き寄せる元素がリンである、請求項１
〜７のいずれか１項に記載の方法。