JP3377160B2

JP3377160B2 - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP3377160B2
Application number: JP33258496A
Authority: JP
Inventors: 直樹牧田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 2003-02-17
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: JPH10173196A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶性ケイ素膜を
活性領域とする薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴとい
う）等の薄膜半導体素子よりなる半導体装置およびその
製造方法に関する。特に、液晶表示装置用のアクティブ
マトリクス基板や薄膜集積回路一般、イメージセンサー
や三次元ＩＣなどに利用できる。

【０００２】

【従来の技術】近年、大型で高解像度の液晶表示装置
や、低コスト化のためドライバー回路を同一基板上に形
成したモノリシック型の液晶表示装置、薄膜集積回路、
高速で高解像度の密着型イメージセンサー、ドライバー
内蔵型サーマルヘッド、三次元ＩＣなどへの実現に向け
て、ガラス等の絶縁基板上や、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、薄膜状のケイ素半導体を用
いるのが一般的である。薄膜状のケイ素半導体として
は、非晶質ケイ素半導体（ａ−Ｓｉ）からなるものと結
晶性を有するケイ素半導体からなるものの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、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が、半導体膜の移動
度、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比
べて劣るため、今後より高速特性を得るためには、結晶
性を有する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た。尚、結晶性を有するケイ
素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素、結晶
成分を含む非晶質ケイ素等が知られている。

【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）成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。

【０００５】（２）非晶質の半導体膜を成膜しておき、
熱エネルギーを加えることにより結晶性を有せしめる。

【０００６】（３）非晶質の半導体膜を成膜しておき、
エネルギービームを照射することにより結晶性を有せし
める。

【０００７】といった主に３つの方法が知られている。

【０００８】しかしながら、上記（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難しく、それにはケイ素膜の厚膜化
が不可欠となる。だが、厚膜化したからといっても基本
的には膜厚と同程度の結晶粒径しか得られず、この方法
により良好な結晶性を有するケイ素膜を作製することは
原理的にまず不可能である。また、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
うコストの問題もある。

【０００９】上記（２）の方法は、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
るため、生産性に非常に乏しい。また、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、半導体膜の移動
度を低下させる大きな原因となっている。さらに、それ
ぞれの結晶粒は双晶構造を示し、一つの結晶粒内におい
ても所謂双晶欠陥と呼ばれる結晶欠陥が多量に存在して
いる。

【００１０】このため、現在は上記（３）の方法が主流
となっている。上記（３）の方法では溶融固化過程を利
用し結晶化するので個々の結晶粒内の結晶性は非常に良
好である。また、照射光の波長を選ぶことで、アニール
の対象であるケイ素膜のみを効率的に加熱し、下層のガ
ラス基板への熱的損傷を防ぐことができると共に、上記
（２）の方法のような長時間にわたる処理が必要でな
い。装置面でも高出力のエキシマレーザーアニール装置
などが開発され、大面積基板に対しても対応可能になり
つつある。上記（３）の方法を利用して半導体素子を作
製する方法が、特開平４−１１７２２号公報で提案され
ている。この公報では、下地膜＼ケイ素膜＼保護膜を積
層形成し、ケイ素膜の上層部分は溶融するが下層部分は
溶融しないような強度のレーザー光を照射して、ケイ素
膜を結晶化している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】薄膜半導体装置に現在
要求されている特性レベルを考えると、ケイ素膜の結晶
化方法としては、上記（３）の方法が最良である。しか
しながら、ケイ素膜自体を瞬時たりとも溶融させるとい
うことは、不純物汚染に対しては大きなウイークポイン
トとなる。特にガラス基板を用いた場合には、ガラス基
板中に含まれるアルカリ金属類や、アルミ、ホウ素、ヒ
素などの不純物汚染が問題となる。このため、特開平４
−１１７２２号公報でも述べられているように、ガラス
基板を用いた際には、特に下地膜としてまず酸化ケイ素
膜を形成し、その上にケイ素膜を形成してレーザー照射
により結晶化している。高純度な石英基板の場合には、
成分がＳｉＯ₂であるので従来は下地膜を必要としな
い。

【００１２】しかし、これらの方法で不純物汚染はある
程度防止できるものの、ケイ素膜がレーザー照射により
溶融した際に、ケイ素膜と接している下地ＳｉＯ₂膜の
上層部分あるいは石英基板表面部分が、同時に溶融して
しまう。この結果、特にケイ素膜下層領域においては、
下地ＳｉＯ₂、石英基板との成分が入り混じり、膜中に
多数の酸素原子が取り込まれる。

【００１３】このように多数の酸素原子が混入したケイ
素膜を活性領域に用い、半導体素子を作製すると、過飽
和の酸素原子が数個集合してクラスターとなり、これが
ドナーを形成する。イオン化したドナーは、キャリアの
散乱中心ともなるため、ケイ素膜そのものの移動度を低
下させ、素子特性を悪化させる。このように、ケイ素膜
中の酸素ドナーは半導体素子に悪影響を及ぼすため、で
きる限り低減するべきものである。単結晶シリコン基板
を用いたＩＣ製造プロセスでは、酸化膜の形成工程や不
純物の拡散工程など１０００℃以上の高温処理工程があ
るため、サーマルドナーは分解してしまう。しかし、特
にガラス基板上に半導体装置を形成する場合は、１００
０℃程度の高温プロセスが無く、最後までサーマルドナ
ーが残ってしまう。

【００１４】特開平４−１１７２２号公報では、上述の
問題点に対して、ケイ素膜結晶化の際のレーザー照射
を、ケイ素膜の下層部分は溶融しないような強度（エネ
ルギー）にて行うことで、下層の下地ＳｉＯ₂膜よりの
酸素原子の混入を防いでいる。しかしながら、結晶化の
際の照射エネルギーに対してケイ素膜の結晶性も向上す
るため、要求される素子特性が低い場合には有効である
が、より高性能な半導体装置に対する要求に対してはフ
ォローできない。その点で根本的な解決策とはなってお
らず、当面の妥協策としての意味合いが強い。

【００１５】実際に、本発明者らが、特開平４−１１７
２２号公報により提示されている範囲の結晶化エネルギ
ーにて、ＴＦＴを作製して評価したところ、液晶表示装
置のドライバー回路などの薄膜集積回路を構成する半導
体素子としては、十分な性能のものが全く得られないこ
とがわかった。したがって、本発明者らは、より高性能
な半導体装置を得るため、前記公報で述べられている範
囲外のエネルギー、すなわち、より大きなエネルギーで
のレーザー照射を行い、ＴＦＴの特性向上を試みた。こ
のとき、前記公報で述べられているような酸素ドナーが
原因と思われる移動度の低下は見られず、ケイ素膜結晶
化時のレーザー照射エネルギーを大きくしていくにした
がい、逆に移動度が向上した。

【００１６】しかし、ここで新たな問題が生じた。照射
エネルギーを大きくし、半導体膜の移動度が向上するに
したがい、トランジスタ特性がマイナス側にシフトする
現象が現れた。この現象は、特開平４−１１７２２号公
報で提示されているような低エネルギー照射で結晶化を
行った場合には、全く見られなかった現象であり、ケイ
素膜結晶化のためのエネルギーをある一定値以上にした
ときに初めて顕在化する。このときのケイ素膜を調べた
ところ、結晶化のための照射エネルギーを大きくするに
したがい、その結晶性は向上するのであるが、ケイ素膜
自身がＮ型化していることがわかった。ＴＦＴの活性領
域がＮ型化すると、閾値電圧Ｖ_THがマイナス方向にず
れ、オフ動作領域でのリーク電流が増大する。しかし、
トレードオフの関係で活性領域の結晶性が向上するので
オン特性は向上し、電流駆動能力は増すといった上記の
矛盾した現象が見られた訳である。このため、より結晶
性を向上させるために、さらなる照射エネルギービーム
の出力アップを行うことはできず、ケイ素膜のＮ型化防
止のため、比較的低エネルギーでビーム照射を行わざる
を得ない。よって、要求される素子特性を満足するだけ
の十分な高品質結晶性ケイ素膜、そして高性能半導体装
置を実現することができなかった。

【００１７】さらに、エネルギービーム照射による結晶
化工程の残る課題として、得られる結晶性ケイ素膜の膜
質（結晶性）不均一性がある。すなわち、光源として、
基板上のケイ素膜を一括照射できるだけの高出力のもの
が無く、小面積のビームを順次走査することで対応して
いるのが一般的である。したがって、当然のことなが
ら、順次走査に伴う結晶性の不均一性が存在し、それが
素子特性にそのまま反映され、素子間の特性ばらつきを
生じさせる原因となる。このとき、本来の活性領域結晶
性に起因する素子間特性ばらつきにプラスして、活性領
域のＮ型化によるばらつきが加算される訳である。その
結果、ＴＦＴにおいては、特に閾値電圧Ｖ_THが安定せず
に素子間で大きくばらつくことになる。このＴＦＴを画
素スイッチング素子としたアクティブマトリクス型液晶
表示装置においては、結晶化のためのエネルギービーム
順次走査に起因するばらつきが、活性領域のＮ型化によ
り強調されるため、表示（コントラスト）むらが不良と
して現れていた。

【００１８】本発明は、上述のような問題点に鑑みて創
出されたものであり、絶縁表面を有する基板上に、高性
能で高安定性、且つ高信頼性を有する半導体装置を提供
することを目的としたものである。また、複数の結晶性
ケイ素ＴＦＴを有するアクティブマトリクス基板などの
半導体装置においては、上述の順次走査により結晶化さ
れる際の素子特性ばらつきを低減し、低コスト化が図れ
る簡便なプロセスにて、均一性が良好な半導体装置を実
現するものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、より大型でよ
り高解像度のアクティブマトリクス液晶表示装置や、同
一基板上に駆動用のドライバを作り込むドライバモノリ
シック型アクティブマトリクス液晶表示装置、高速で高
解像度の密着イメージセンサ、ドライバー内蔵型サーマ
ルヘッド、三次元ＩＣなどを実現するために、エネルギ
ービーム順次走査により結晶化された結晶性ケイ素を活
性領域に用いた際に生じる、素子特性の不安定性および
不均一性の問題点を解決するものである。具体的には、
本発明は以下の特徴を有する。

【００２０】（１）基板上に構成され、絶縁性を有する
下地膜と接して成る、結晶性を有するケイ素膜を活性領
域として構成された薄膜半導体装置において、該活性領
域は、エネルギービーム照射による溶融固化過程にて結
晶化された結晶性ケイ素膜であり、前記下地膜は、組成
的に酸素を含まない絶縁膜であることを特徴とする。

【００２１】（２）前記（１）記載の下地膜は、膜中の
酸素濃度が１５％以下となる絶縁膜であることを特徴と
する。

【００２２】（３）基板上に構成され、絶縁性を有する
下地膜と接して成る、結晶性を有するケイ素膜に構成さ
れた複数の薄膜トランジスタよりなる半導体装置におい
て、該複数の薄膜トランジスタのチャネル領域は、パル
スレーザー光の順次走査照射により結晶化された結晶性
ケイ素膜よりなり、該チャネル領域と接して下層に形成
された下地膜は、組成的に酸素を含まない絶縁膜である
ことを特徴とする。

【００２３】（４）前記（３）記載の下地膜は、膜中の
酸素濃度が１５％以下となる絶縁膜であることを特徴と
する。

【００２４】（５）前記複数の薄膜トランジスタは、画
素電極を有するアクティブマトリクス基板にて、各画素
電極に接続されてなる画素スイッチング用の薄膜トラン
ジスタであることを特徴とする。

【００２５】（６）前記下地膜の主成分が、ＳｉＮ_Xで
あることを特徴とする。

【００２６】（７）前記ＳｉＮ_Xに含まれるＮＨ基の膜
中濃度が、６×１０²¹個／ｃｍ³以下であることを特徴
とする。

【００２７】（８）基板上に、組成的に酸素を含まない
絶縁膜よりなる下地膜を形成する工程と、該絶縁膜上に
ケイ素膜を形成する工程と、該ケイ素膜にエネルギービ
ームを照射し、溶融固化過程において結晶化させる工程
と、該ケイ素膜を活性領域に用いて、薄膜半導体装置を
完成させる工程と、を少なくとも有することを特徴とす
る。

【００２８】（９）前記下地膜の形成を、膜中の酸素濃
度が１５％以下となるようにして行うことを特徴とす
る。

【００２９】（１０）前記下地膜は、スパッタリング法
により形成されたＳｉＮ_X膜であることを特徴とする。

【００３０】（１１）前記下地膜は、ＣＶＤ法により形
成され、その後の加熱処理により緻密化されたＳｉＮ_X
であることを特徴とする。

【００３１】ここで、前記加熱処理時の基板加熱温度
は、５００℃以上であることが好ましい。

【００３２】（１２）前記下地膜上に非晶質ケイ素膜を
形成し、加熱することにより固相状態において結晶化さ
せる工程と、該結晶化されたケイ素膜に対し、エネルギ
ービームを照射して溶融固化させることで、該ケイ素膜
を再結晶化する工程と、を少なくとも有することを特徴
とする。

【００３３】（１３）前記非晶質ケイ素膜を加熱するこ
とにより固相状態において結晶化させる工程は、該非晶
質ケイ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を導入し
た後、行われることを特徴とする。

【００３４】（１４）前記エネルギービームは、波長４
００ｎｍ以下のエキシマレーザー光であって、ケイ素膜
に照射されるエネルギー密度が２５０〜４００ｍＪ／ｃ
ｍ²のパルスレーザーであることを特徴とする。

【００３５】（１５）前記非晶質ケイ素膜を加熱するこ
とにより固相状態において結晶化させる工程は、該非晶
質ケイ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を選択的
に導入し、加熱処理により、該触媒元素が選択的に導入
された領域から、その周辺部へと横方向に結晶成長させ
ることにより行われることを特徴とする。

【００３６】前記触媒元素として、Ｎｉ元素を用いるこ
とが好ましい。

【００３７】また、前記ケイ素膜を結晶化するためのエ
ネルギービームとして、波長４００ｎｍ以下のエキシマ
レーザー光を用いることが好ましい。

【００３８】（１６）前記エネルギービームはエキシマ
レーザー光であって、そのビーム形状が照射面（ケイ素
膜表面）において長尺形状となるように設計されてお
り、該ビーム形状の長尺方向に対して垂直方向に順次走
査することで、複数の半導体素子の活性領域を同時に結
晶化することを特徴とする。

【００３９】以下に上記特徴による作用を説明する。

【００４０】本発明者らが、レーザー照射により溶融結
晶化された結晶性ケイ素膜の抵抗値、キャリア濃度を調
べたところ、下地膜による依存性が大きいことがわかっ
た。より深く調べると、図４に示すように、下地膜の酸
素濃度により結晶性ケイ素膜の抵抗値（キャリア濃度）
が変化するのがわかった。このときのキャリアタイプを
ホール効果測定にて調べると明らかにＮタイプであり、
Ｎタイプキャリアの発生原因は、ケイ素膜へのレーザー
光照射のため下地膜より溶出しケイ素膜中に拡散した酸
素クラスターによるサーマルドナーであることが判明し
た。すなわち、下地膜から来る酸素ドナーは、特開平４
−１１７２２号公報で述べられているケイ素膜そのもの
の移動度の低下現象よりもむしろ、薄膜トランジスタに
おいて閾値電圧Ｖ_THをマイナス方向にシフトさせ、オフ
動作領域でのリーク電流を増大させるといった非常に大
きな悪影響を及ぼしていることがわかった。

【００４１】特に、基板上に複数のＴＦＴを有する液晶
表示用アクティブマトリクス基板のような半導体装置で
は、上記の酸素ドナーはＴＦＴ特性をばらつかせる大き
な原因ともなる。すなわち、酸素ドナーを発生させる一
次原因は、ケイ素膜の溶融固化による結晶化工程であ
り、上述のように課題として、得られる結晶性ケイ素膜
の膜質（結晶性）不均一性がある。特に、ケイ素膜中に
取り込まれる上記酸素ドナーの数は、結晶化工程に大き
く依存し、より高エネルギーが与えられ結晶化された局
所領域では、酸素ドナー濃度が相対的に高くなるため、
本来の素子間の特性ばらつきにプラスして、酸素ドナー
によるばらつきが加算される。その結果、特に閾値電圧
Ｖ_THが大きくばらつき、ＴＦＴを画素スイッチング素子
としたアクティブマトリクス型液晶表示装置において
は、結晶化のためのエネルギービーム順次走査に起因す
る素子間特性ばらつきが強調されるため、表示（コント
ラスト）むらが不良として現れることがわかった。

【００４２】本発明の大まかな主旨は、エネルギービー
ム照射による溶融固化過程にて結晶化された結晶性ケイ
素膜を活性領域とする薄膜半導体装置で、該活性領域と
接して下層に形成された下地膜を、組成的に酸素を含ま
ない絶縁膜で構成することである。このような構成でＴ
ＦＴなどの半導体装置を作成すると、素子特性を向上す
るためにエネルギー密度が２５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²
にエネルギービームの出力アップを図っても、活性領域
のケイ素膜はＮ型化せず、素子特性も非常に安定する。
したがって、ケイ素膜に十分なエネルギーを与え結晶化
することができるため、活性領域の結晶性が大きく向上
し、電流駆動能力を電界移動度で８０〜２００ｃｍ²／
Ｖｓに飛躍的に向上できる。ＴＦＴにおいては閾値電圧
Ｖ_THのマイナスシフト、オフ動作時のリーク電流の増大
などの弊害を生じず、従来両立できなかった高性能で且
つ高信頼性、高安定性の半導体装置を実現することがで
きる。

【００４３】また、下地膜としては、上述のように組成
的に全く酸素を含まない絶縁膜で構成することが一番い
いのであるが、実際には酸素の混入が少なからず見られ
る。下地膜中に混入している酸素濃度としては、原子濃
度で１５％以下であることが望ましい。図４に、下地膜
の膜中酸素濃度に対するケイ素膜の抵抗値の関係を示
す。横軸が酸素濃度で、縦軸がケイ素膜抵抗値である。
ケイ素膜の結晶化には、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキ
シマレーザーを用い、ケイ素膜の結晶性がほぼ飽和する
ような程度の高パワー（〜４００ｍＪ／ｃｍ²）で結晶
化を行った。図４から、下地膜の酸素濃度が上がるにつ
れ、ケイ素膜の抵抗値は減少することがわかる。酸素濃
度が低い領域においては、ケイ素膜の抵抗値はほぼ飽和
しており、その境界としては酸素濃度が約１５％の点で
あることがわかる。よって、下地膜の酸素濃度が１５％
以下０までであれば、ケイ素膜の抵抗値はほぼ飽和し、
一定である。これは、イントリンシックに近い状態とな
り、膜中のキャリア濃度が極めて少なくなっていること
を意味している。

【００４４】本発明は、特に、複数のＴＦＴを有する半
導体装置において有効である。すなわち、パルスレーザ
ー光の順次走査照射により結晶化された結晶性ケイ素膜
によりチャネル領域が形成された複数個のＴＦＴにおい
ては、上述のように、パルスレーザー光の順次走査照射
に起因する結晶性ばらつきが存在するが、これにプラス
して、下地膜よりケイ素膜中に混入した酸素ドナーによ
るばらつきが加算されるからである。したがって、本発
明を複数個のＴＦＴを有する半導体装置に適用し、チャ
ネル領域下層の下地膜を組成的に酸素を含まない絶縁膜
で構成することにより、高性能で且つ信頼性の高いＴＦ
Ｔが得られるだけでなく、ＴＦＴの素子間での特性ばら
つきが大きく低減できる。このときも、下地膜中に混入
している酸素濃度としては、原子濃度で１５％以下であ
ることが望ましい。

【００４５】さらに本発明の適用装置としては、数１０
万個以上の非常に多数のＴＦＴをマトリクスに配置する
半導体装置、特に液晶表示用のアクティブマトリクス基
板に対して有効である。液晶表示用のアクティブマトリ
クス基板は、各画素電極に接続されてなる画素スイッチ
ング用ＴＦＴにて構成されているが、その特性がばらつ
くと表示むら（コントラストむら）を引き起こす。人間
の目は非常にシビアであり、微妙なＴＦＴ特性の違いが
あったとしても、表示むらとして識別される。したがっ
て、素子間のＴＦＴ特性の均一性は、非常に高いレベル
が要求される。本発明は、このような高い均一性が求め
られる複数のＴＦＴ素子に対して非常に有効であり、液
晶表示装置で従来見られていたパルスレーザー光の順次
走査照射に起因する縞状のコントラストむらを大きく低
減することができた。

【００４６】前記下地膜の主成分としては、ＳｉＮ
_X（窒化ケイ素）膜であることが最も望ましい。なぜな
ら、活性領域となるケイ素膜と同組成を主成分とし、窒
素は酸素ほど活性ではなく反応性が低い。したがって、
活性領域ケイ素膜に対する悪影響を最小限に抑えること
ができる。また、ＳｉＮ_Xは、そのＸ比にもよるが、一
般に酸化ケイ素膜よりも融点が５００℃近く高い。した
がって、エネルギービーム照射により上層のケイ素膜が
溶融した際、酸化ケイ素膜に比べて溶融しにくく、窒素
がケイ素膜中に取り込まれることはほとんど無い。

【００４７】また、ＳｉＮ_X膜に含まれるＮＨ基の膜中
濃度としては、６×１０²¹個／ｃｍ³以下０であること
が望ましい。図５に、ＮＨ基のＳｉＮ_X膜中濃度と、そ
の上に形成されレーザー照射により結晶化されたケイ素
膜の抵抗値との関係を示す。横軸はＮＨ基のＳｉＮ_X膜
中濃度、縦軸はケイ素膜の抵抗値を表す。図５からわか
るように、ＮＨ基の膜中濃度が６×１０²¹個／ｃｍ³以
上になれば急激にケイ素膜の抵抗値が低下する。この理
由は不明であるが、本発明者らはＮＨ基が固定電荷を形
成し、ケイ素膜中にキャリアを誘起するのではないかと
考えている。

【００４８】このようなＮＨ基の膜中濃度を有するＳｉ
Ｎ_X膜の形成方法としては、スパッタリング法を用いる
ことが望ましい。スパッタリング法は、量産性に富み大
型基板も対応可能である。また、緻密で理想比（Ｓｉ₃
Ｎ₄）に近いＳｉＮ_X膜が得られる。また、その他の方法
として、ＣＶＤ法により形成した後、加熱処理を施して
もよい。ＣＶＤ法では、一般にシラン（ＳｉＨ₄）とア
ンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いるのでＮＨ基の濃度は高
くなるが、これを加熱処理することでＮＨ基を大きく低
減できる。但し、このときの基板加熱温度としては、Ｎ
−Ｈの結合エネルギーに相当する熱処理が必要であり、
具体的には５００℃以上である必要がある。ＣＶＤ法は
不純物の面では、スパッタリング法よりも有利であり、
純度の高いＳｉＮ_X膜が得られる。

【００４９】本発明は、半導体装置の高性能化と高信頼
性、安定性、素子間均一性の両立を目的とするが、より
その効果を高めるために、本発明による下地膜上にまず
非晶質ケイ素膜を形成し、加熱することにより固相状態
において結晶化させ、その後、エネルギービーム照射し
溶融固化させることで、ケイ素膜を再結晶化する方法が
より有効である。非晶質ケイ素膜を加熱処理により固相
結晶化した結晶性ケイ素膜は、結晶性が悪く、そのまま
ではＴＦＴのチャネル領域としては不適であるが、均一
性が良好なため、溶融固化結晶化時の種結晶を作ってお
くという意味で有効である。次に、この結晶性ケイ素膜
にエネルギービームを照射した場合には、その結晶情報
をある程度は残した状態で再結晶化され、固相結晶化に
よる良好な均一性が反映される。また、種結晶から再結
晶化されるため、非晶質ケイ素膜を直接エネルギービー
ム照射により結晶化する場合よりも、個々の結晶粒径を
より大きくすることができ、半導体装置の高性能化が行
える。

【００５０】前記固相結晶化工程は、非晶質ケイ素膜
に、その結晶化を助長する触媒元素を導入した後、行わ
れることが望ましい。この方法により、加熱温度の低温
化および処理時間の短縮、そして結晶性の向上が図れ
る。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパ
ラジウム等の金属元素を微量に導入させ、しかる後に加
熱することで、５５０℃、４時間程度の処理時間で結晶
化が終了する。これに対し、通常の触媒元素を用いない
固相結晶化には、６００℃以上で数十時間にわたる熱処
理が必要である。また、触媒元素により結晶化した結晶
性ケイ素膜は、通常の固相成長法で結晶化した結晶性ケ
イ素膜の一つの粒内が双晶構造であるのに対して、その
粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されてお
り、それぞれの柱状結晶内部はほぼ単結晶状態となって
いる。

【００５１】この触媒元素により結晶化された結晶性ケ
イ素膜は、エネルギービーム照射による再結晶化工程と
非常に相性が良い。エネルギービーム照射による再結晶
化工程では、最初の結晶性がある程度反映され、通常の
固相結晶化による結晶性ケイ素膜では、双晶構造を反映
して、結晶欠陥の多い結晶性ケイ素膜となる。これに対
して、触媒元素による固相結晶化ケイ素膜の場合は、エ
ネルギービーム照射による再結晶化によって、それぞれ
の柱状結晶が結合し、広範囲にわたって非常に結晶性が
良好な結晶性ケイ素膜が得られる。

【００５２】さらに、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に
触媒元素を導入し加熱することで、まず選択的に触媒元
素が導入された領域のみが結晶化し、その後、その導入
領域から横方向（基板と平行な方向）に結晶成長を行わ
せることができる。この横方向結晶成長領域の内部で
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、結晶性が良好な領域と
なっている。よって、この横方向結晶成長領域の結晶性
ケイ素膜を、ＴＦＴのチャネル領域など半導体素子の能
動領域に用いることにより、より半導体装置の高性能化
が行える。

【００５３】本発明に利用できる触媒元素の種類として
は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉ
ｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂを利用することができるが、それ
らの中でも、特にＮｉを用いた場合に最も顕著な効果を
得ることができる。この理由については、未だよくわか
っていないが、一応次のようなモデルを考えている。触
媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合しシリサイ
ド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構
造が、非晶質ケイ素膜結晶化時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といったモデルで
ある。Ｎｉは２つのＳｉ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、その結
晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類
似したものである。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
めの鋳型としては最高のものであり、本発明における触
媒元素としては、特にＮｉを用いるのが最も望ましい。

【００５４】本発明におけるケイ素膜を結晶化するため
のエネルギービームとしては、波長４００ｎｍ以下のエ
キシマレーザー光を用いることが望ましい。波長が４０
０ｎｍ以下であれば、ケイ素膜がその波長域に対して大
きな吸収係数を持つため、そのエネルギーを効率的にケ
イ素膜に与えられ、良好な結晶性ケイ素膜が得られると
ともに、下層のガラス基板などへの熱的ダメージも比較
的小さくて済む。また、エキシマレーザー光であれば、
発振出力が高く、安定性が高いため、そのビームサイズ
をある程度拡げることができ、大面積基板のケイ素膜の
アニール手段としては最も適している。

【００５５】さらに、前記エキシマレーザー光は、その
ビーム形状が照射面において長尺形状となるように設計
されたものを用い、ビーム形状の長尺方向に対して垂直
方向に順次走査することで、複数の半導体素子の活性領
域を同時に結晶化することが望ましい。なぜなら、走査
照射においては、走査方向に対して垂直方向の均一性は
比較的良好なため、その方向へとビームサイズを拡げる
ことで、大型基板などに対して、より均一な処理が可能
となり、該工程の処理効率も高くなるからである。

【００５６】

【発明の実施の形態】

（実施例１）本発明を用いた第１の実施例について説明
する。本実施例では、本発明を利用し、ガラス基板上に
液晶表示装置用のアクティブマトリクス基板を作製する
際の工程について説明を行う。このアクティブマトリク
ス基板においては、各画素をスイッチングするための素
子としてＮ型ＴＦＴが形成される。

【００５７】図１は本実施例のアクティブマトリクス基
板において、任意のＴＦＴの作製工程を示す断面図であ
り、（Ａ）→（Ｅ）の順にしたがって作製工程が順次進
行する。図１（Ｅ）に示すのが、本実施例にて作製した
アクティブマトリクス基板での画素ＴＦＴ１２１の完成
図である。実際には、画素ＴＦＴ１２１と同様の工程に
て、複数個の画素ＴＦＴが基板上に同時形成される。

【００５８】まず、図１（Ａ）に示すように、ガラス基
板１０１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３０
０ｎｍ程度の窒化ケイ素からなる下地膜１０２を形成す
る。本実施例では、このときのスパッタリング条件とし
て、単結晶シリコンをターゲットとし窒素ガス中にて、
所謂反応性スパッタリング法にてＳｉＮ_X膜を形成し
た。基板加熱温度は２００℃とした。このときのＳｉＮ
_X膜中の混入酸素による膜中酸素濃度は０．１％以下、
ＮＨ基の膜中濃度は２×１０²⁰個／ｃｍ³程度であっ
た。

【００５９】次に、減圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法な
どによって、厚さ２０〜１００ｎｍ、例えば３０ｎｍの
非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ）膜１０３を成膜する。プラズ
マＣＶＤ法により前記ａ−Ｓｉ膜１０３を成膜した場合
には、その膜中に多量の水素を含有し、後のレーザー照
射時の膜剥がれの原因となるため、ここで４５０℃程度
の温度で数時間熱処理を行い、膜中の水素を放出してお
く必要がある。

【００６０】その後、図１（Ｂ）に示すように、レーザ
ー光１０７を照射し、ａ−Ｓｉ膜１０３を結晶化する。
このときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエキシマレー
ザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い
た。レーザー光１０７の照射条件は、照射時に基板を２
００〜５００℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー
密度２５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²、例えば３５０ｍＪ／
ｃｍ²とした。レーザー光１０７は、基板表面における
ビームサイズが１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺矩形状となる
ように、ホモジナイザーによって成型されており、その
長辺方向に対して垂直方向に順次走査した。このときの
順次走査に伴うビームのオーバーラップ量は、９０％と
設定したため、ａ−Ｓｉ膜１０３の任意の一点に対し
て、それぞれ１０回レーザー照射されることになる。こ
の工程により、ａ−Ｓｉ膜１０３はその融点以上に加熱
され、溶融し固化することで良好な結晶性を有する結晶
性ケイ素膜１０３ａとなる。

【００６１】次に、前記結晶性ケイ素膜１０３ａの不要
な部分を除去することで、図１（Ｃ）に示すような素子
間分離を行って、後にＴＦＴの活性領域（ソース領域、
ドレイン領域、チャネル領域）を構成する島状の結晶性
ケイ素膜１０８を形成する。

【００６２】引き続いて、図１（Ｄ）に示すように、活
性領域となる上記島状の結晶性ケイ素膜１０８を覆うよ
うに厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１００ｎｍの酸化
ケイ素膜をゲート絶縁膜１０９として成膜する。酸化ケ
イ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥ
ｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）を原料と
し、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃、好ましく
は３００〜４５０℃で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・
堆積した。あるいはＴＥＯＳを原料としてオゾンガスと
ともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法によって、基
板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０
℃として形成してもよい。

【００６３】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３００〜６００ｎｍ、例えば４００ｎｍのアルミニ
ウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニン
グして、ゲート電極１１０を形成する。さらに、このア
ルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物
層１１１を形成する。この状態が図１（Ｄ）に相当す
る。陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレング
リコール溶液中で行い、最初一定電流で２２０Ｖまで電
圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させる。得ら
れた酸化物層１１１の厚さは２００ｎｍである。なお、
この酸化物層１１１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の
で、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化工程で
決めることができる。

【００６４】次に、イオンドーピング法によって、ゲー
ト電極１１０とその周囲の酸化物層１１１をマスクとし
て活性領域に不純物（リン）を注入する。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
６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量を１×１０
¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2とす
る。この工程により、不純物が注入された領域は後にＴ
ＦＴのソース領域１１４とドレイン領域１１５となり、
ゲート電極１１０およびその周囲の酸化物層１１１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１１３となる。

【００６５】その後、図１（Ｄ）に示すように、レーザ
ー光１１２の照射によってアニールを行い、イオン注入
した不純物の活性化を行うと同時に、上記の不純物導入
工程で結晶性が劣化した部分の結晶性を改善させる。こ
の際、使用するレーザーとしてはＸｅＣｌエキシマレー
ザー（波長３０８ｎｍ、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で照射を行った。こ
うして形成されたＮ型不純物（リン）が注入されたソー
ス領域１１４、ドレイン領域１１５のシート抵抗は、２
００〜８００Ω／□であった。

【００６６】そして、図１（Ｅ）に示すように、厚さ６
００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜１１６として
形成する。この酸化ケイ素膜は、ＴＥＯＳを原料とし
て、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾン
との減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって形成す
れば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られ
る。

【００６７】次に、層間絶縁膜１１６にコンタクトホー
ルを形成して、ソース電極１１７と画素電極１２０を形
成する。ソース電極１１７は、金属材料、例えば、窒化
チタンとアルミニウムの二層膜によって形成する。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
止する目的のバリア膜として設けられる。画素電極１２
０はＩＴＯなど透明導電膜により形成される。

【００６８】そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５
０℃、１時間程度のアニールを行い、図１（Ｅ）に示す
Ｎ型の画素ＴＦＴ１２１を完成させる。前記アニール処
理により、画素ＴＦＴ１２１の活性領域／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がある。なお、さらに画素ＴＦ
Ｔ１２１を保護する目的で、必要な箇所のみＳｉＨ₄と
ＮＨ₃を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成さ
れた窒化ケイ素膜でカバーしてもよい。

【００６９】以上の実施例にしたがって作製した各ＴＦ
Ｔは、パネル内において、電界効果移動度で８０〜１０
０ｃｍ²／Ｖｓ、閾値電圧２．５〜３Ｖという良好な特
性を示した。特に、パネル内でのＴＦＴ閾値電圧のばら
つきは、上記のように最大最小差で０．５Ｖ程度と非常
に良好な均一性を示した。その結果、本実施例にて作製
したアクティブマトリクス基板を用い、液晶表示パネル
を作製し、全面表示を行った結果、ＴＦＴ特性の不均一
性に起因する表示むらは大きく低減され、高表示品位の
液晶表示装置が実現できた。

【００７０】（実施例２）本発明を用いた第２の実施例
について説明する。本実施例では、アクティブマトリク
ス型液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積回
路を形成するＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴ
を相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路をガラス基板上
に作製する工程について、説明を行う。

【００７１】図２は、本実施例で説明するＴＦＴの作製
工程の概要を示す平面図である。図３は、図２のＡ−
Ａ'で切った断面図であり、（Ａ）→（Ｆ）の順にした
がって工程が順次進行する。図３（Ｆ）に示すのが、本
実施例によるＣＭＯＳ回路の完成図であり、Ｎ型ＴＦＴ
２２２とＰ型ＴＦＴ２２３により構成される。

【００７２】まず、図３（Ａ）に示すように、ガラス基
板２０１上にプラズマＣＶＤ法によって厚さ３００ｎｍ
程度の窒化ケイ素からなる下地膜２０２を形成する。こ
のときの成膜条件としては、材料ガスとして用いるシラ
ン（ＳｉＨ₄）、アンモニア（ＮＨ₃）、窒素を０．５〜
１．５Ｔｏｒｒの減圧雰囲気に設定し、基板温度３００
〜３５０℃にてＲＦプラズマにより分解堆積させた。そ
の後、不活性ガス雰囲気中にて、基板温度５００〜６０
０℃、例えば５８０℃で数時間アニール処理を行った。
このようにして得られた該ＳｉＮ_X膜２０２中の混入酸
素による膜中酸素濃度は１％程度、ＮＨ基の膜中濃度は
２×１０²¹個／ｃｍ³程度であった。

【００７３】次に、減圧ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶ
Ｄ法によって、厚さ２０〜１００ｎｍ、例えば５０ｎｍ
の真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３
を成膜する。

【００７４】次に、ａ−Ｓｉ膜２０３上に感光性樹脂
（フォトレジスト）を塗布し、露光・現像してマスク２
０４とする。フォトレジストマスク２０４のスルーホー
ルにより、領域２００においてスリット状にａ−Ｓｉ膜
２０３が露呈される。即ち、図３（Ａ）の状態を上面か
ら見ると、図２のように領域２００でａ−Ｓｉ膜２０３
が露呈しており、他の部分はフォトレジストによりマス
クされている状態となっている。

【００７５】次に、図３（Ａ）に示すように、基板２０
１表面にニッケルを触媒元素２０５として薄膜蒸着す
る。本実施例では、蒸着ソースと基板間の距離を通常よ
り大きくして、蒸着レートを低下させることで、ニッケ
ルよりなる触媒元素２０５の厚さが１〜２ｎｍ程度とな
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によるニッケルの面密度を実際に測定する
と、１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度であった。そし
て、フォトレジストマスク２０４を除去することで、マ
スク２０４上のニッケル薄膜２０５がリフトオフされ、
領域２００のａ−Ｓｉ膜２０３において、選択的にニッ
ケルのような触媒元素２０５の微量添加が行われたこと
になる。そして、これを不活性雰囲気下、例えば加熱温
度５５０℃で１６時間アニールして結晶化させる。

【００７６】この際、領域２００においては、ａ−Ｓｉ
膜２０３表面に添加されたニッケルを核として基板２０
１に対して垂直方向にケイ素膜２０３の結晶化が起こ
り、結晶性ケイ素膜２０３ｂが形成される。そして、領
域２００の周辺領域では、図２及び図３（Ｂ）におい
て、矢印２０６で示すように、領域２００から横方向
（基板と平行な方向）に結晶成長が行われ、横方向結晶
成長した結晶性ケイ素膜２０３ｃが形成される。また、
それ以外の２０３の領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領
域２０３ｄとして残る。この横方向結晶成長した結晶性
ケイ素膜２０３ｃ中のニッケル濃度は５×１０¹⁶ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³程度であった。なお、上記結晶成長に際
し、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、８０μｍ程度であった。

【００７７】その後、図３（Ｃ）に示すように、レーザ
ー光２０７を照射し、ケイ素膜２０３の再結晶化を行
う。このときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエキシマ
レーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を
用いた。レーザー光２０７の照射条件は、照射時に基板
を２００〜５００℃、例えば４００℃に加熱し、エネル
ギー密度２５０〜４００ｍＪ／ｃｍ²、例えば３５０ｍ
Ｊ／ｃｍ²とした。レーザー光２０７は、基板面に対し
て順次走査され、ケイ素膜２０３の任意の一点に対し
て、それぞれ１０回レーザー照射されるように走査ピッ
チを設定した。この工程により、結晶性ケイ素領域２０
３ｂおよび２０３ｃはその融点以上に加熱され、溶融し
固化することで、一部を種結晶として再結合し、さらに
良好な結晶性となる。また、ａ−Ｓｉ領域２０３ｄは、
結晶化され結晶性ケイ素膜２０３ａとなる。

【００７８】その後、図３（Ｄ）に示すように、結晶性
ケイ素膜２０３ｃ'領域が、後のＴＦＴの活性領域（ソ
ース領域、ドレイン領域、チャネル領域）を構成する島
状の結晶性ケイ素膜２０８ｎ、２０８ｐとなるように、
それ以外の結晶性ケイ素膜をエッチング除去して素子間
分離を行う。

【００７９】次に、島状の結晶性ケイ素膜２０８ｎ、２
０８ｐを覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１
００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２０９として成
膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ
（ＴｅｔｒａＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａ
ｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６０
０℃、好ましくは３００〜４００℃で、ＲＦプラズマＣ
ＶＤ法で分解・堆積した。成膜後、ゲート絶縁膜２０９
自身のバルク特性および島状の結晶性ケイ素膜２０８
ｎ、２０８ｐ＼ゲート絶縁膜２０９の界面特性を向上す
るために、不活性ガス雰囲気下で５００〜６００℃で数
時間のアニールを行った。

【００８０】次に、図３（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５０
０ｎｍのアルミニウム（０．１〜２％のシリコンを含
む）を成膜し、アルミニウム膜をパターニングして、ゲ
ート電極２１０ｎ、２１０ｐを形成する。

【００８１】次に、イオンドーピング法によって、活性
領域となる島状の結晶性ケイ素膜２０８ｎ、２０８ｐに
ゲート電極２１０ｎ、２１０ｐをマスクとして不純物
（リン、およびホウ素）を注入する。ドーピングガスと
して、フォスフィン（ＰＨ₃）およびジボラン（Ｂ
₂Ｈ₆）を用い、前者の場合は、加速電圧を６０〜９０ｋ
Ｖ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０ｋＶ〜８０ｋ
Ｖ、例えば６５ｋＶとし、ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×
１０¹⁵ｃｍ^-2、例えばリンを２×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ素
を５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。この工程により、ゲート電
極２１０ｎ、２１０ｐ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、２１３ｐ
となる。ドーピングに際しては、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を行う。この結果、Ｎ型の不純
物を注入したソース領域２１４ｎとドレイン領域２１５
ｎ、Ｐ型の不純物を注入したソース領域２１４ｐとドレ
イン領域２１５ｐが形成され、図３（Ｅ）及び（Ｆ）に
示すように、Ｎ型ＴＦＴ２２２とＰ型ＴＦＴ２２３とを
形成することができる。この状態を基板上方より見ると
図２のようになっており、ここで活性領域を構成する島
状の結晶性ケイ素膜２０８ｎおよび２０８ｐにおいて、
矢印２０６で示した結晶成長方向キャリアの移動方向
（ソース→ドレイン方向）は平行となるように配置して
ある。このような配置を採ることで、さらに高移動度を
有するＴＦＴが得られる。

【００８２】その後、図３（Ｅ）に示すように、レーザ
ー光２１２の照射によってアニールを行い、イオン注入
した不純物の活性化を行う。レーザー光としては、Ｘｅ
Ｃｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０
ｎｓｅｃ）を用い、レーザー光の照射条件としては、エ
ネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ²で一か所につき４ショ
ット照射した。

【００８３】続いて、図３（Ｆ）に示すように、厚さ６
００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２１６として、Ｔ
ＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法によって形成し、
これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例え
ば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜によってＴＦＴ
のソース電極・配線２１７、ソースとドレイン電極・配
線２１８、ドレイン電極・配線２１９を形成する。そし
て最後に、１気圧の水素雰囲気下で３５０℃、１時間程
度のアニールを行い、Ｎ型ＴＦＴ２２２とＰ型ＴＦＴ２
２３を完成させる。

【００８４】以上の実施例にしたがって作製したＣＭＯ
Ｓ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１５０〜２００ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐ型Ｔ
ＦＴで１００〜１３０ｃｍ²／Ｖｓと高く、閾値電圧は
Ｎ型ＴＦＴで１．５〜２Ｖ、Ｐ型ＴＦＴで−２〜−２．
５Ｖと非常に良好な特性を示す。さらに、繰り返し測定
に伴う特性劣化もほとんどなく、信頼性の高いＣＭＯＳ
構造回路が得られた。

【００８５】以上、本発明に基づく実施例２例につき具
体的に説明したが、本発明は上述の実施例に限定される
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。

【００８６】上記実施例では、活性領域ケイ素膜の下地
膜として主に窒化ケイ素膜を用いたが、その組成として
炭化ケイ素膜のような酸素を含まないものならその他の
膜でも同様の効果が得られるし、たとえ膜中に酸素が混
在していたとしてもその膜中酸素濃度が１５％以下な
ら、ほぼ問題はない。また、形成方法としても上記の反
応性スパッタリングやプラズマＣＶＤ法以外の方法も利
用できる。例えば高純度Ｓｉ₃Ｎ₄をターゲットとして用
いたスパッタリング法では、ほぼ理想的な膜組成が得ら
れ特に有効である。

【００８７】ａ−Ｓｉ膜の結晶化に際しては、ＸｅＣｌ
エキシマレ−ザ−を用いたが、それ以外の様々な強光照
射により結晶化された場合にも勿論、同様の効果があ
り、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーや、波長
４８８ｎｍの連続発振Ａｒレーザーなどにおいても同様
である。

【００８８】また、上記第２実施例では、固相結晶成長
法としては、触媒元素を選択的に導入し、結晶化する方
法を用いたが、触媒元素をａ−Ｓｉ膜全面に導入する方
法もプロセス簡略化の面で有効である。また、触媒元素
を用いず通常の固相結晶成長法を用いても同様の効果が
得られる。上記第２実施例では、触媒元素であるニッケ
ルを微量導入する方法として、ａ−Ｓｉ膜表面に蒸着法
によりニッケル薄膜を形成する方法を採用した。しか
し、ａ−Ｓｉ膜成膜前に、基板表面にニッケルを導入
し、非晶質ケイ素膜下層よりニッケルを拡散させ結晶成
長を行わせる方法でもよい。即ち、結晶成長は非晶質ケ
イ素膜の上面側から行ってもよいし、下面側から行って
もよい。また、ニッケルの導入方法としても、その他、
様々な手法を用いることができる。例えば、ａ−Ｓｉ膜
表面にニッケル塩を溶かせた水溶液を塗布する方法、ニ
ッケル塩を溶かせる溶媒として、ＳＯＧ（スピンオング
ラス）材料を溶媒としてＳｉＯ₂膜より拡散させる方法
も有効であるし、スパッタリング法やメッキ法により薄
膜形成する方法や、イオンドーピング法により直接導入
する方法なども利用できる。さらに、結晶化を助長する
不純物金属元素としては、ニッケル以外にコバルト、パ
ラジウム、白金、銅、銀、金、インジウム、スズ、アル
ミニウム、アンチモンを用いても効果が得られる。

【００８９】さらに、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が実現される。さらに本発明は、上
述の実施例で説明した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
セス全般に応用することができる。

【００９０】

【発明の効果】本発明を用いることにより、エネルギー
ビーム照射による溶融固化過程にて結晶化された結晶性
ケイ素膜を素子材料とする半導体装置全般において、従
来の問題点を解決でき、高性能で且つ信頼性、安定性の
高く、また、複数の素子間の特性均一性が良好な薄膜半
導体装置を実現することができる。特に液晶表示装置に
おいては、パネル内において個々のＴＦＴの特性を均一
化でき、レーザー順次走査に起因する表示不良のない高
表示レベルな液晶表示装置が得られる。さらに、薄膜集
積回路を構成するＴＦＴにおいては、要求される高性能
で且つ高信頼性を満足し、特にＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴ
を有するＣＭＯＳ回路では、閾値電圧Ｖ_THの絶対値をほ
ぼ同程度にできるため、従来必要であったチャネルドー
プなどの閾値電圧Ｖ_THのコントロールプロセスを行う必
要がなくなる。

【００９１】そして、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フルドライバモノリシ
ック型のアクティブマトリクス基板を簡便な製造プロセ
スにて実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能
化、低コスト化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の作製工程を示す。

【図２】第２の実施例の概要を示す。

【図３】第２の実施例の作製工程を示す。

【図４】下地膜膜中酸素濃度とケイ素抵抗値との関係を
示す。

【図５】下地ＳｉＮ_X膜のＮＨ基濃度とケイ素抵抗値と
の関係を示す。

【符号の説明】

１０１、２０１ガラス基板１０２、２０２下地膜１０３、２０３非晶質ケイ素（ａ−
Ｓｉ）膜２０４マスク２０５触媒元素２０６矢印１０７、２０７レーザー光１０８、２０８島状の結晶性ケイ素
膜１０９、２０９ゲート絶縁膜１１０、２１０ゲート電極１１１酸化物層１１２、２１２レーザー光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層間絶縁膜１１７ソース電極２１７ソース電極・配線２１８ソースとドレイン電
極・配線２１９ドレイン電極・配線１２０画素電極１２１画素ＴＦＴ２２２Ｎ型ＴＦＴ２２３Ｐ型ＴＦＴ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に構成され、絶縁性を有する下地
膜と接して成る、結晶性を有するケイ素膜を活性領域と
して構成された薄膜半導体装置において、該活性領域
は、エネルギービーム照射による溶融固化過程にて結晶
化された結晶性ケイ素膜であり、前記下地膜の主成分が
ＳｉＮ_Xであり、前記ＳｉＮ_Xに含まれるＮＨ基の膜中濃
度が、６×１０²¹個／ｃｍ³以下であって、前記下地膜
の膜中の酸素濃度としては原子濃度で１５％以下となる
絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】基板上に構成され、絶縁性を有する下地
膜と接して成る、結晶性を有するケイ素膜に構成された
複数の薄膜トランジスタよりなる半導体装置において、
該複数の薄膜トランジスタのチャネル領域は、パルスレ
ーザー光の順次走査照射により結晶化された結晶性ケイ
素膜よりなり、該チャネル領域と接して下層に形成され
た下地膜の主成分がＳｉＮ_Xであり、前記ＳｉＮ_Xに含ま
れるＮＨ基の膜中濃度が、６×１０²¹個／ｃｍ³以下で
あって、前記下地膜の膜中の酸素濃度としては原子濃度
で１５％以下となる絶縁膜であることを特徴とする半導
体装置。
【請求項３】前記複数の薄膜トランジスタは、画素電
極を有するアクティブマトリクス基板にて、各画素電極
に接続されてなる画素スイッチング用の薄膜トランジス
タであることを特徴とする前記請求項２記載の半導体装
置。
【請求項４】基板上に、主成分がＳｉＮ_Xであり、前
記ＳｉＮ_Xに含まれるＮＨ基の膜中濃度が、６×１０²¹
個／ｃｍ³以下であって、前記膜中の酸素濃度としては
原子濃度で１５％以下となる絶縁膜である下地膜を形成
する工程と、該絶縁膜上にケイ素膜を形成する工程と、該ケイ素膜にエネルギービームを照射し、溶融固化過程
において結晶化させる工程と、該ケイ素膜を活性領域に用いて、薄膜半導体装置を完成
させる工程と、を少なくとも有することを特徴とする半導体装置の製造
方法。
【請求項５】前記下地膜は、スパッタリング法により
形成されたＳｉＮXであることを特徴とする請求項４記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記下地膜は、ＣＶＤ法により形成さ
れ、その後の加熱処理により緻密化されたＳｉＮXであ
ることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項７】前記下地膜上に非晶質ケイ素膜を形成
し、加熱することにより固相状態において結晶化させる
工程と、該結晶化されたケイ素膜に対し、エネルギービ
ームを照射して溶融固化させることで、該ケイ素膜を再
結晶化する工程と、を少なくとも有することを特徴とす
る請求項４〜６の何れかに記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項８】前記非晶質ケイ素膜を加熱することによ
り固相状態において結晶化させる工程は、該非晶質ケイ
素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を導入した後、
行われることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項９】前記非晶質ケイ素膜を加熱することによ
り固相状態において結晶化させる工程は、該非晶質ケイ
素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を選択的に導入
し、加熱処理により、該触媒元素が選択的に導入された
領域から、その周辺部へと横方向に結晶成長させること
により行われることを特徴とする請求項８記載の半導体
装置の製造方法。
【請求項１０】前記エネルギービームは、波長４００
ｎｍ以下のエキシマレーザー光であって、ケイ素膜に照
射されるエネルギー密度が２５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2
のパルスレーザーであることを特徴とする請求項４記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記エネルギービームはエキシマレー
ザー光であって、そのビーム形状がケイ素膜表面の照射
面において長尺形状となるように設計されており、該ビ
ーム形状の長尺方向に対して垂直方向に順次走査するこ
とで、複数の半導体素子の活性領域を同時に結晶化する
ことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方
法。