JP3464287B2

JP3464287B2 - 半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JP3464287B2
Application number: JP23591994A
Authority: JP
Inventors: 久大谷
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-09-05
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 2003-11-05
Anticipated expiration: 2018-11-05
Also published as: JPH0878329A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は結晶性を有する半導体を
用いた半導体装置の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ
（以下ＴＦＴ等）が知られている。このＴＦＴは、基板
上に薄膜半導体を形成し、この薄膜半導体を用いて活性
領域が構成されるものである。このＴＦＴは、各種集積
回路に利用されているが、特に電気光学装置、特にアク
ティブマトリックス型の液晶表示装置の各画素に設けら
れたスイッチング素子、周辺回路部分に形成されるドラ
イバー素子として注目されている。

【０００３】ＴＦＴに利用される薄膜半導体としては、
非晶質珪素膜を用いることが簡便であるが、その電気的
特性が低いという問題がある。ＴＦＴの特性向上を得る
ためには、結晶性を有するシリコン薄膜を利用するばよ
い。結晶性を有するシリコン膜は、多結晶シリコン、ポ
リシリコン、微結晶シリコン等と称されている。この結
晶性を有するシリコン膜を得るためには、まず非晶質珪
素膜を形成し、しかる後に加熱によって結晶化さればよ
い。

【０００４】しかしながら、加熱による結晶化は、加熱
温度が６００℃以上の温度で１０時間以上の時間を掛け
ることが必要であり、基板としてガラス基板を用いるこ
とが困難であるという問題がある。例えばアクティブ型
の液晶表示装置に用いられるコーニング７０５９ガラス
はガラス歪点が５９３℃であり、基板の大面積化を考慮
した場合、６００℃以上の加熱には問題がある。

【０００５】〔発明の背景〕本発明者らの研究によれ
ば、非晶質珪素膜の表面にニッケルやパラジウム、さら
には鉛等の元素を微量に堆積させ、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を行
なえることが判明している。

【０００６】上記のような微量な元素（結晶化を助長す
る金属元素）を導入するには、プラズマ処理や蒸着、さ
らにはイオン注入を利用すればよい。プラズマ処理と
は、平行平板型あるいは陽光柱型のプラズマＣＶＤ装置
において、電極として結晶化を助長する金属元素（例え
ばニッケル）を含んだ材料を用い、窒素または水素等の
雰囲気でプラズマを生じさせることによって非晶質珪素
膜に金属元素の添加を行なう方法である。

【０００７】しかしながら、上記のような元素が半導体
中に多量に存在していることは、これら半導体を用いた
装置の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり好ま
しいことではない。

【０００８】即ち、上記のニッケル等の結晶化を助長す
る元素（金属元素）は、非晶質珪素を結晶化させる際に
は必要であるが、結晶化した珪素中には極力含まれない
ようにすることが望ましい。この目的を達成するには、
金属元素として結晶性珪素中で不活性な傾向が強いもの
を選ぶと同時に、結晶化に必要な金属元素の量を極力少
なくし、最低限の量で結晶化を行なう必要がある。そし
てそのためには、上記金属元素の添加量を精密に制御し
て導入する必要がある。

【０００９】また、ニッケルを金属元素とした場合にお
いて、非晶質珪素膜を成膜し、ニッケル添加をプラズマ
処理法によって行ない結晶性珪素膜を作製し、その結晶
化過程等を詳細に検討したところ以下の事項が判明し
た。（１）プラズマ処理によってニッケルを非晶質珪素膜上
に導入した場合、熱処理を行なう以前に既に、ニッケル
は非晶質珪素膜中のかなりの深さの部分まで侵入してい
る。（２）結晶の初期核発生は、ニッケルを導入した表面か
ら発生している。（３）蒸着法でニッケルを非晶質珪素膜上に成膜した場
合であっても、プラズマ処理を行なった場合と同様に結
晶化が起こる。

【００１０】上記事項から、プラズマ処理によって導入
されたニッケルが全て効果的に機能していないというこ
とが結論される。即ち、多量のニッケルが導入されても
十分に機能していないニッケルが存在していると考えら
れる。このことから、ニッケルと珪素が接している点
（面）が低温結晶化の際に機能していると考えられる。
そして、可能な限りニッケルは微細に原子状に分散して
いることが必要であることが結論される。即ち、「必要
なのは非晶質珪素膜の表面近傍に低温結晶化が可能な範
囲内で可能な限り低濃度のニッケルが原子状で分散して
導入されればよい」ということが結論される。

【００１１】非晶質珪素膜の表面近傍のみに極微量のニ
ッケルを導入する方法、言い換えるならば、非晶質珪素
膜の表面近傍のみ結晶化を助長する金属元素を極微量導
入する方法としては、蒸着法を挙げることができるが、
蒸着法は制御性が悪く、金属元素の導入量を厳密に制御
することが困難であるという問題がある。またイオン注
入法やプラズマドーピング法を用いることも考えられる
が、生産性の点で問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、金属元素を
用いた６００℃以下の熱処理による結晶性を有する薄膜
珪素半導体の作製において、（１）金属元素の量を制御して導入し、その量を最小限
の量とする。（２）生産性の高い方法とする。（３）デバイスに利用することを目的とした結晶性珪素
薄膜を得る。といった要求を満たすことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の構成の一つは、
非晶質珪素膜の表面に選択的にマスクを形成する工程
と、前記非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長する
金属元素を接して保持させる工程と、加熱処理および／
または光照射を行うことにより前記非晶質珪素膜を結晶
化させる工程と、を有することを特徴とする。

【００１４】他の発明の構成は、非晶質珪素膜の表面に
選択的にマスクを形成する工程と、前記非晶質珪素膜の
表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を選択的に接し
て保持させる工程と、加熱処理および／または光照射を
行うことにより前記金属元素が接して保持された領域か
ら前記金属元素が接していない領域へと前記非晶質珪素
膜の結晶成長を行わす工程と、を有することを特徴とす
る。

【００１５】他の発明の構成は、絶縁表面を有する基板
上に形成された非晶質珪素膜の表面に選択的にマスクを
形成する工程と、前記非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶
化を助長する金属元素を選択的に接して保持させる工程
と、加熱処理および／または光照射を行うことにより前
記金属元素が接して保持された領域から基板に平行な方
向に結晶成長を行わす工程と、を有することを特徴とす
る。

【００１６】本発明の構成を採用することによって以下
に示すような基本的な有意性を得ることができる。（ａ）溶液中における金属元素濃度は、予め厳密に制御
し結晶性をより高めかつその元素の量をより少なくする
ことが可能である。（ｂ）溶液と非晶質珪素膜の表面とが接触していれば、
金属元素の非晶質珪素への導入量は、溶液中における金
属元素の濃度によって決まる。（ｃ）非晶質珪素膜の表面に吸着する金属元素が主に結
晶化に寄与することとなるので、必要最小限度の濃度で
金属元素を導入できる。（ｄ）マスクを用いて、選択的に金属元素を導入するこ
とにより、金属元素を導入した領域から金属元素を導入
しなかった領域へと、結晶成長を行わすことができる。

【００１７】非晶質珪素膜上に結晶化を助長する元素を
含有させた溶液を塗布する方法としては、溶液として水
溶液、有機溶媒溶液等を用いることができる。ここで含
有とは、化合物として含ませるという意味と、単に分散
させることにより含ませるという意味との両方を含む。

【００１８】金属元素を含む溶媒としては、極性溶媒で
ある水、アルコール、酸、アンモニアから選ばれたもの
を用いることができる。

【００１９】触媒としてニッケルを用い、このニッケル
を極性溶媒に含ませる場合、ニッケルはニッケル化合物
として導入される。このニッケル化合物としては、代表
的には臭化ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、炭
酸ニッケル、塩化ニッケル、沃化ニッケル、硝酸ニッケ
ル、硫酸ニッケル、蟻酸ニッケル、ニッケルアセチルア
セトネ−ト、４−シクロヘキシル酪酸ニッケル、酸化ニ
ッケル、水酸化ニッケルから選ばれたものが用いられ
る。

【００２０】また金属元素を含む溶媒として、無極性溶
媒であるベンゼン、トルエン、キシレン、四塩化炭素、
クロロホルム、エーテルから選ばれたものを用いること
ができる。

【００２１】この場合はニッケルはニッケル化合物とし
て導入される。このニッケル化合物としては代表的に
は、ニッケルアセチルアセトネ−ト、２−エチルヘキサ
ン酸ニッケルから選ばれたものを用いることができる。

【００２２】また金属元素を含有させた溶液に界面活性
剤を添加することも有用である。これは、被塗布面に対
する密着性を高め吸着性を制御するためである。この界
面活性剤は予め被塗布面上に塗布するのでもよい。

【００２３】金属元素としてニッケル単体を用いる場合
には、酸に溶かして溶液とする必要がある。

【００２４】以上述べたのは、金属元素であるニッケル
が完全に溶解した溶液を用いる例であるが、ニッケルが
完全に溶解していなくとも、ニッケル単体あるいはニッ
ケルの化合物からなる粉末が分散媒中に均一に分散した
エマルジョンの如き材料を用いてもよい。

【００２５】なおこれらのことは、金属元素としてニッ
ケル以外の材料を用いた場合であっても同様である。

【００２６】結晶化を助長する金属元素としてニッケル
を用い、このニッケルを含有させる溶液溶媒として水の
如き極性溶媒を用いた場合において、非晶質珪素膜にこ
れら溶液を直接塗布すると、溶液が弾かれてしまうこと
がある。この場合は、１００Å以下の薄い酸化膜をまず
形成し、その上に金属元素を含有させた溶液を塗布する
ことで、均一に溶液を塗布することができる。また、界
面活性剤の如き材料を溶液中に添加する方法により濡れ
を改善する方法も有効である。

【００２７】また、溶液として２−エチルヘキサン酸ニ
ッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いること
で、非晶質珪素膜表面に直接塗布することができる。こ
の場合にはレジスト塗布の際に使用されている密着剤の
如き材料を予め塗布することは有効である。しかし塗布
量が多過ぎる場合には逆に非晶質珪素中への金属元素の
添加を妨害してしまうために注意が必要である。

【００２８】溶液に含ませる金属元素の量は、その溶液
の種類にも依存するが、概略の傾向としてはニッケル量
として溶液に対して２００ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、好ましく
は５０ｐｐｍ〜１ｐｐｍ（重量換算）とすることが望ま
しい。これは、結晶化終了後における膜中のニッケル濃
度や耐フッ酸性に鑑みて決められる値である。

【００２９】上記金属元素の溶液中における濃度は、非
晶質珪素膜中に導入される金属元素の量（最終的に得ら
れる結晶性珪素膜中におけるニッケル濃度で評価され
る）が１×１０¹⁶〜５×１０¹⁹atoms ｃｍ-³となるよう
に決定すればよい。また、非晶質珪素膜中に導入される
金属元素の濃度は、溶液の保持時間によっても制御可能
である。なお、本明細書中における金属元素の濃度はＳ
ＩＭＳ（２次イオン分析法）で評価される最小値のこと
をいう。

【００３０】また、金属元素を含んだ溶液を選択的に塗
布することにより、結晶成長を選択的に行なうことがで
きる。特にこの場合、溶液が塗布されなかった領域に向
かって、溶液が塗布された領域から珪素膜の面に概略平
行な方向（珪素膜が形成された基板と平行な方向）に結
晶成長を行なわすことができる。この珪素膜の面に概略
平行な方向に結晶成長が行なわれた領域を本明細書中に
おいては横方向に結晶成長した領域ということとする。

【００３１】またこの横方向に結晶成長が行なわれた領
域は、金属元素の濃度が低いことが確かめられている。
半導体装置の活性層領域として、結晶性珪素膜を利用す
ることは有用であるが、活性層領域中における不純物の
濃度は一般に低い方が好ましい。従って、上記横方向に
結晶成長が行なわれた領域を用いて半導体装置の活性層
領域を形成することはデバイス作製上有用である。

【００３２】またこの横方向に結晶成長した領域は、結
晶性の成長方向に沿って結晶粒界が存在しているので、
結晶成長に沿ってキャリアが移動するような構成とした
場合、結晶粒界によるキャリアの散乱や捕獲を少なくす
ることができる。即ち、デバイスとしての特性をより高
くすることができる。

【００３３】本発明においては、金属元素としてニッケ
ルを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる
が、その他利用できる金属元素の種類としては、Ｆｅ、
Ｃｏ、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元素を用いること
ができる。

【００３４】また、金属元素の導入方法は、水溶液やア
ルコール等の溶液を用いることに限定されるものではな
く、金属元素を含んだ物質を広く用いることができる。
例えば、金属元素を含んだ金属化合物や酸化物を用いる
ことができる。

【００３５】本発明によって得られた結晶性珪素膜を用
いることによって、ＰＮ、ＰＩ、ＮＩその他の電気的接
合を少なくとも１つ有する活性領域を構成する半導体装
置を得ることができる。このような半導体装置として
は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、ダイオード、光セン
サを挙げることができる。

【００３６】

【実施例】

〔実施例１〕

【００３７】本実施例では、結晶化を助長する金属元素
を水溶液に含有させて、非晶質珪素膜上に塗布し、しか
る後に加熱により結晶化させる例である。まず図１を用
いて、金属元素（ここではニッケルを用いる）を導入す
るところまでを説明する。本実施例においては、基板と
してコーニング７０５９ガラスを用いる。またその大き
さは１００ｍｍ×１００ｍｍとする。

【００３８】まず、非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法や
ＬＰＣＶＤ法によって非晶質珪素膜を１００Å〜１５０
０Åの厚さに成膜する。ここでは、プラズマＣＶＤ法に
よって非晶質珪素膜１２を１０００Åの厚さに成膜す
る。（図１（Ａ））

【００３９】そして、汚れ及び自然酸化膜を取り除くた
めにフッ酸処理を行い、その後酸化膜１３を１０〜５０
Åに成膜する。汚れが無視できる場合には、この工程を
省略しても良いことは言うまでもなく、酸化膜１３の代
わりに自然酸化膜をそのまま用いれば良い。なお、この
酸化膜１３は極薄のため正確な膜厚は不明であるが、２
０Å程度であると考えられる。ここでは酸素雰囲気中で
のＵＶ光の照射により酸化膜１３を成膜する。成膜条件
は、酸素雰囲気中においてＵＶを５分間照射することに
おって行う。この酸化膜１３の成膜方法としては、熱酸
化法を用いるのでもよい。また過酸化水素による処理に
よるものでもよい。

【００４０】この酸化膜１３は、後のニッケルを含んだ
酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜の表面全体
に酢酸塩溶液を行き渡らせるため、即ち濡れ性の改善の
為のものである。例えば、非晶質珪素膜の表面に直接酢
酸塩溶液を塗布した場合、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾
いてしまうので、非晶質珪素膜の表面全体にニッケルを
導入することができない。即ち、均一な結晶化を行うこ
とができない。

【００４１】つぎに、酢酸塩溶液中にニッケルを添加し
た酢酸塩溶液を作る。ニッケルの濃度は１００ｐｐｍと
する。そしてこの酢酸塩溶液を非晶質珪素膜１２上の酸
化膜１３の表面に２ｍｌ滴下し、この状態を５分間保持
する。そしてスピナーを用いてスピンドライ（２０００
ｒｐｍ、６０秒）を行う。（図１（Ｃ）、（Ｄ））

【００４２】酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は、１
ｐｐｍ以上好ましくは１０ｐｐｍ以上であれば実用にな
る。また、溶液として２−エチルヘキサン酸ニッケルの
トルエン溶液の如き無極性溶媒を用いる場合、酸化膜１
３は不要であり、直接非晶質珪素膜上に金属元素を導入
することができる。

【００４３】このニッケル溶液の塗布工程を、１回〜複
数回行なうことにより、スピンドライ後の非晶質珪素膜
１２の表面に数Å〜数百Åの平均の膜厚を有するニッケ
ルを含む層を形成することができる。この場合、この層
のニッケルがその後の加熱工程において、非晶質珪素膜
に拡散し、結晶化を助長することとなる。なお、この層
というのは、完全な膜になっているとは限らない。この
ようにして、ニッケル元素が非晶質珪素膜に対して導入
される。

【００４４】上記溶液の塗布の後、５分間その状態を保
持させる。この保持させる時間によっても、最終的に珪
素膜１２中に含まれるニッケルの濃度を制御することが
できるが、最も大きな制御因子は溶液の濃度である。

【００４５】そして、加熱炉において、窒素雰囲気中に
おいて５５０度、４時間の加熱処理を行う。この結果、
基板１１上に形成された結晶性を有する珪素薄膜１２を
得ることができる。

【００４６】上記の加熱処理は４５０℃〜７５０℃の温
度範囲において行うことができるが、温度が低いと加熱
時間を長くしなけらばならず、生産効率が低下する。ま
た、６００度以上とすると基板として用いるガラス基板
の耐熱性の問題が表面化してしまう。従って、基板とし
てガラス基板を用いた場合には、上記加熱処理工程の温
度は、４５０℃〜６００℃の範囲で行うことが好まし
い。

【００４７】ここでは加熱処理を行う例を示したが、加
熱処理に併用して、または加熱処理の代わりにレーザー
光の照射や強光の照射を行うのでもよい。例えば、加熱
処理の前または後にレーザー光または強光の照射を行う
方法、レーザー光または強光の照射の後に加熱処理を行
う方法、加熱処理の後にレーザー光または強光を照射
し、さらに加熱処理を行う方法、レーザー光または強光
の照射と同時に加熱を行う方法、等を挙げることができ
る。なお、ここでいう加熱処理とは、４５０℃〜７５０
℃、ガラス基板の耐熱性を考慮するならば４５０℃〜６
００℃の温度で行うことが望ましい。

【００４８】本実施例においては、非晶質珪素膜上に金
属元素を導入する方法を示したが、非晶質珪素膜下に金
属元素を導入する方法を採用してもよい。この場合は、
非晶質珪素膜の成膜前に金属元素を含有した溶液を用い
て、下地膜上に金属元素を導入すればよい。そして、金
属元素が導入された下地膜上に非晶質珪素膜を成膜し、
しかる後に加熱処理やレーザー光の照射を行えばよい。

【００４９】〔実施例２〕本実施例は、実施例１に示す
作製方法において、ニッケルを選択的に導入するための
マスクを設ける例に関する。具体的には、１２００Åの
酸化珪素膜を選択的に設け、この酸化珪素膜をマスクと
して選択的にニッケルを導入する例である。

【００５０】図２に本実施例における作製工程の概略を
示す。まず、ガラス基板（コーニング７０５９、１０ｃ
ｍ角）上にマスクとなる酸化珪素膜２１を１０００Å以
上、ここでは１２００Åの厚さに成膜する。この酸化珪
素膜２１の膜厚については、発明者等の実験によると５
００Åでも問題がないことを確認しており、膜質が緻密
であれば更に薄くても良いと思われる。

【００５１】そして通常のフォトリソパターニング工程
によって、必要とするパターンに酸化珪素膜２１をパー
ニングする。そして、酸素雰囲気中における紫外線の照
射で薄い酸化珪素膜２０を成膜する。この酸化珪素膜２
０の作製は、酸素雰囲気中でＵＶ光を５分間照射するこ
とによって行なわれる。なおこの酸化珪素膜２０の厚さ
は２０〜５０Å程度と考えられる（図２（Ａ））。尚、
この濡れ性を改善するための酸化珪素膜については、溶
液とパターンのサイズが合致した場合には、マスクの酸
化珪素膜の親水性のみによっても丁度よく添加される場
合がある。しかしながらこの様な例は特殊であり、一般
的には酸化珪素膜２０を使用したほうが安全である。

【００５２】この状態において、実施例１と同様に１０
０ｐｐｍのニッケルを含有した酢酸塩溶液を５ｍｌ滴下
（１０ｃｍ角基板の場合）する。またこの際、スピナー
で５０ｒｐｍで１０秒のスピンコートを行い、基板表面
全体に均一な水膜を形成させる。さらにこの状態を５分
間保持した後スピナーを用いて２０００ｒｐｍ、６０秒
のスピンドライを行う。なおこの保持は、スピナー上に
おいて０〜１５０ｒｐｍの回転をさせながら行なっても
よい。（図２（Ｂ））

【００５３】そして５５０度（窒素雰囲気）、４時間の
加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜１２の結晶化
を行う。この際、ニッケルが導入された２２で示される
領域から矢印２３で示されるように、ニッケルが導入さ
れなった領域へと横方向に結晶成長が行われる。図２
（Ｃ）において、２４がニッケルが直接導入され結晶化
が行われた領域であり、２５が横方向に結晶化が行われ
た領域である。なお２５の領域は、概略〈１１１〉軸方
向に結晶成長が行われていることが確認されている。

【００５４】本実施例において、溶液濃度、保持時間を
変化させることにより、ニッケルが直接導入された領域
におけるニッケルの濃度を任意の範囲で制御可能であ
る。また同様に横成長領域の濃度をそれ以下に制御する
ことが可能である。珪素膜中に残留する金属元素の濃度
は、１×１０¹⁶atoms ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹atoms ｃｍ^-3
の範囲内とすることが好ましい。これは、１×１０¹⁶at
oms ｃｍ^-3以下の濃度であると、結晶化を助長する効果
を得ることができず、５×１０¹⁹atoms ｃｍ^-3以上の濃
度であると、金属元素の影響によって、半導体としての
特性が阻害されてしまうからである。

【００５５】以上述べたように、横方向に結晶が成長し
た領域は金属元素の濃度が小さく、しかも結晶性が良好
であるので、この領域を半導体装置の活性領域として用
いることは有用である。特に結晶成長方向にキャリアが
移動するような構成とすることによって、例えば高移動
度を有する薄膜トランジスタを得ることができる。

【００５６】本実施例においては、ニッケルを非晶質珪
素膜に選択的に導入する際に利用するマスクとして、酸
化珪素膜を用いる例を示した。しかしマスクとしては、
窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、レジ
スト等の樹脂材料、その他絶縁材料を用いることができ
る。勿論、金属元素を選択的に導入するためのマスク材
料であるから、緻密でピンホールのない材質であること
が必要とされる。またマスクとしては、単層膜ではな
く、例えば酸化膜と窒化珪素膜の多層膜や、膜の厚さ方
向で成分を変化させた膜を用いてもよい。

【００５７】〔実施例３〕本実施例は、金属元素である
ニッケルを非水溶液であるアルコールに含有させ、非晶
質珪素膜上に塗布する例である。本実施例では、ニッケ
ルの化合物としてニッケルアセチルアセトネートを用
い、該化合物をアルコールに含有させる。ニッケルの濃
度は必要とする濃度になるようにすればよい。

【００５８】後の工程は、実施例１または実施例２に示
したのと同様である。また、このニッケルを含有したア
ルコール溶液は、非晶質珪素膜下に塗布するのでもよ
い。この場合、非晶質珪素膜の形成前にこの溶液をスピ
ナーを用いて塗布すればよい。またアルコールを用いた
場合、非晶質珪素膜上に直接塗布することが可能であ
る。

【００５９】以下具体的な条件を説明する。まず、ニッ
ケル化合物として、ニッケルアセチルアセトネートを用
意する。この物質は、アルコールに可溶であり、分解温
度が低いため、結晶化工程における加熱の際に容易に分
解させることができる。

【００６０】また、アルコールとしてはエタノールを用
いる。まずエタノールに前記のニッケルアセチルアセト
ネートをニッケルの量に換算して１００ｐｐｍになるよ
うに調整し、ニッケルを含有した溶液を作製する。

【００６１】そしてこの溶液を非晶質珪素膜上に塗布す
る。なお、非晶質珪素膜は、酸化珪素の下地膜（２００
０Å厚）が形成された１００ｍｍ角のガラス基板上に１
０００Åの厚さでプラズマＣＶＤ法で形成したものであ
る。

【００６２】上記非晶質珪素膜上への溶液の塗布は、実
施例１や実施例２の水溶液を用いた場合より、少なくて
すむ。これは、アルコールの接触角が水のそれよりも小
さいことに起因する。ここでは、１００ｍｍ角の面積に
対し、２ｍｌの滴下とする。

【００６３】そして、この状態で５分間保持する。その
後、スピナーを用い乾燥を行う。この際、スピナーは１
５００ｒｐｍで１分間回転させる。この後は、５５０
℃、４時間の加熱を行ない結晶化を行う。こうして結晶
性を有する珪素膜を得る。

【００６４】〔実施例４〕本実施例は、金属元素である
ニッケル単体を酸に溶かし、このニッケル単体が溶けた
酸を非晶質珪素膜上に塗布する例である。

【００６５】本実施例においては、酸として０．１ｍｏ
ｌ／ｌの硝酸を用いる。この硝酸の中にニッケルの濃度
が５０ｐｐｍとなるように、ニッケルの粉末を溶かし、
これを溶液として用いる。この後の工程は、実施例１の
場合と同様である。

【００６６】〔実施例５〕本実施例においては、実施例
２に示すようにニッケルを選択的に導入し、その部分か
ら横方向（基板に平行な方向）に結晶成長した領域を用
いて電子デバイスを形成する例を示す。このような構成
を採用した場合、デバイスの活性層領域におけるニッケ
ル濃度をさらに低くすることができ、デバイスの電気的
安定性や信頼性の上から極めて好ましい構成とすること
ができる。また、結晶成長の方向をキャリアが移動する
方向と一致または概略一致させることによって、キャリ
アの移動が結晶粒界の存在に影響されにくい構成とする
ことができ、高性能なデバイスを得ることができる。

【００６７】本実施例は、アクティブマトリクスの画素
の制御に用いられるＴＦＴの作製工程に関するものであ
る。図３に本実施例の作製工程を示す。まず、基板２０
１を洗浄し、ＴＥＯＳ（テトラ・エトキシ・シラン）と
酸素を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって厚さ２
０００Åの酸化珪素の下地膜２０２を形成する。

【００６８】そして、プラズマＣＶＤ法または減圧熱Ｃ
ＶＤ法によって、厚さ５００〜１５００Å、例えば１０
００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜２０３を成膜す
る。次に連続的に厚さ５００〜２０００Å、例えば１０
００Åの窒化珪素膜２０５をプラズマＣＶＤ法によって
成膜する。ここで窒化珪素膜は後の結晶化を助長する金
属元素（ニッケルを用いる）の導入の際にマスクとして
機能する。

【００６９】そして、酸化珪素膜２０５を選択的にエッ
チングして、非晶質珪素の露出した領域２０６を形成す
る。即ちマスクを形成する。

【００７０】そして結晶化を助長する金属元素であるニ
ッケル元素を含んだ溶液（ここでは酢酸塩溶液）を塗布
する。酢酸溶液中におけるニッケルの濃度は１００ｐｐ
ｍである。その他、詳細な工程順序や条件は実施例２で
示したものと同一である。ニッケル酢酸塩溶液を塗布す
ることにより、水膜２０７が得られる。

【００７１】この後、窒素雰囲気下で４５０〜６００
℃、ここでは５５０℃、４時間の加熱アニールを行い、
珪素膜３０３の結晶化を行う。結晶化は、ニッケルと珪
素膜が接触した領域２０６を出発点として、矢印で示さ
れるように基板に対して平行な方向に結晶成長が進行す
る。この横方向への結晶成長は、２５μｍ程度である。
またその結晶成長方向は概略〈１１１〉軸方向であるこ
とが確認されている。（図３（Ａ））

【００７２】次に、マスクとして機能している窒化珪素
膜２０５を除去する。この際、領域２０６の表面に形成
される酸化膜も同時に除去する。そして、珪素膜２０４
をパターニング後、ドライエッチングして、島状の活性
層領域２０８を形成する。

【００７３】ここで、図３（Ａ）の２０６で示された領
域は、ニッケルが直接導入された領域であり、ニッケル
が高濃度に存在する領域である。また、結晶成長の先端
にも、やはりニッケルが高濃度に存在することが確認さ
れている。これらの領域では、その中間の領域に比較し
てニッケルの濃度が高いことが判明している。したがっ
て、本実施例においては、活性層２０８において、これ
らのニッケル濃度の高い領域がチャネル形成領域と重な
らないようにする。

【００７４】その後、プラズマＣＶＤ法により、ゲイト
絶縁膜として機能する酸化珪素膜２０９を１０００Åの
厚さに形成する。（図３（Ｂ））

【００７５】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を
成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極２１０を形成する。（図３（Ｃ））

【００７６】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２１１を形成する。この
陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコ
ール溶液中でゲイト電極２１０を陽極として行う。得ら
れる酸化物層２１１の厚さは２０００Åである。なお、
この酸化物２１１は、後のイオンドーピング工程におい
て、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、
オフセットゲイ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。（図３（Ｄ））

【００７７】次に、イオンドーピング法（プラズマドー
ピング法とも言う）によって、活性層領域（ソース／ド
レイン、チャネルを構成する）にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極２１０とその周囲の酸化層２１１をマスク
として、自己整合的にＮ導電型を付与する不純物（ここ
では燐）を添加する。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とする。ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×１０
¹⁵ｃｍ^-2、例えば、４×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。この結
果、Ｎ型の不純物領域２１２と２１３を形成される。図
からも明らかなように不純物領域とゲイト電極とは距離
ｘだけ放れたオフセット状態となる。このようなオフセ
ット状態は、特にゲイト電極に逆電圧（ＮチャネルＴＦ
Ｔの場合はマイナス）を印加した際のリーク電流（オフ
電流ともいう）を低減する上で有効である。特に、本実
施例のようにアクティブマトリクスの画素を制御するＴ
ＦＴにおいては良好な画像を得るために画素電極に蓄積
された電荷が逃げないようにリーク電流が低いことが望
まれるので、オフセットを設けることは有効である。

【００７８】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行う。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザ
ー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いる
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、
例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき２〜１０
ショット、例えば２ショット照射する。このレーザー光
の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱すること
によって、効果を増大せしめてもよい。（図３（Ｅ））

【００７９】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜２１
４を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成す
る。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリ
イミド膜２１５を形成し、表面を平坦化する。このよう
にして形成された平面上にスパッタ法によって厚さ８０
０Åの透明導電性膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、これをパタ
ーニングして画素電極２１６を形成する。

【００８０】そして、層間絶縁物２１４、２１５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多層膜によってＴＦＴの電極・配線
２１７、２１８を形成する。最後に、１気圧の水素雰囲
気で３５０℃、３０分のアニールを行い、ＴＦＴを有す
るアクティブマトリクスの画素回路を完成する。（図３
（Ｆ））

【００８１】〔実施例６〕本実施例はアクティブマトリ
クス型の液晶表示装置に本発明を利用する場合の例を示
す。図４のアクティブマトリクス型の液晶表示装置の一
方の基板の概要を示した上面図を示す。

【００８２】図において、６１はガラス基板であり、６
２はマトリクス状に構成された画素領域であり、画素領
域には数百×数百の画素が形成されている。この画素の
一つ一つにはスイッチング素子としてＴＦＴが配置され
ている。この画素領域のＴＦＴを駆動するためのドライ
バーＴＦＴが配置されているのが周辺ドライバー領域６
２である。画素領域６３とドライバー領域６２とは同一
基板６１上に一体化されて形成されている。

【００８３】ドライバー領域６２に配置されるＴＦＴは
大電流を流す必要があり、高い移動度が必要とされる。
また、画素領域６３に配置されるＴＦＴは画素電極の電
荷の保持率を高める必要があるので、オフ電流（リーク
電流）が少ない特性が必要とされる。例えば、画素領域
６３に配置されるＴＦＴは、図３に示すＴＦＴを用いる
ことができる。

【００８４】

【効果】金属元素を導入して低温で短時間で結晶化させ
た結晶性珪素膜を用いて、半導体装置を作製すること
で、生産性が高く、特性のよいデバイスを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の工程を示す

【図２】実施例の工程を示す。

【図３】実施例の作製工程を示す。

【図４】実施例の構成を示す。

【符号の説明】

１１・・・・ガラス基板１２・・・・非晶質珪素膜１３・・・・酸化珪素膜１４・・・・ニッケルを含有した酢酸溶液膜１５・・・・ズピナー２１・・・・マスク用酸化珪素膜２０・・・・酸化珪素膜２０１・・・ガラス基板２０２・・・下地膜２０３・・・活性層２０４・・・珪素膜２０５・・・マスク（窒化珪素膜）２０７・・・水膜（ニッケン酢酸塩溶液）２０８・・・活性層２０９・・・ゲイト絶縁膜２１０・・・ゲイト電極２１１・・・陽極酸化物層２１２・・・ソース／ドレイン領域２１３・・・ドレイン／ソース領域２１４・・・層間絶縁膜（酸化珪素膜）２１５・・・ポリイミド膜２１６・・・画素電極（ＩＴＯ）２１７・・・電極２１８・・・電極

フロントページの続き (56)参考文献特開平２−305475（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−56912（ＪＰ，Ａ) 特開平６−244105（ＪＰ，Ａ) 特開平６−232059（ＪＰ，Ａ) 特開平５−67635（ＪＰ，Ａ) 特開平７−176479（ＪＰ，Ａ) 特開平７−192998（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開612102（ＥＰ，Ａ１) 欧州特許出願公開609867（ＥＰ，Ａ１) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，55 （７），Ｐ．660−662 ＪＡＰＡＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ，29（12），ｐ．2698−2704 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/336 H01L 27/12 H01L 29/786

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非晶質珪素膜上にマスクを形成して前記
非晶質珪素膜を選択的に露出させ、前記露出させた部分の非晶質珪素膜上に酸化膜を形成
し、前記マスクおよび前記酸化膜を介して前記非晶質珪素膜
上に珪素の結晶化を助長する金属元素を含む溶液を塗布
し、前記非晶質珪素膜に光照射を行い、前記酸化膜を介して
前記溶液が塗布された領域から珪素膜の表面に平行な方
向に前記非晶質珪素膜を結晶成長させ結晶性を有する珪
素膜を形成し、前記結晶性を有する珪素膜をパターニング後、エッチン
グして活性層を形成し、前記酸化膜を介して前記溶液が塗布された領域および前
記結晶成長の先端には、前記活性層のチャネル形成領域
を設けないようにする半導体装置の作製方法であって、前記マスクは窒化アルミニウムでなることを特徴とする
半導体装置の作製方法。
【請求項２】非晶質珪素膜上にマスクを形成して前記
非晶質珪素膜を選択的に露出させ、前記露出させた部分の非晶質珪素膜上に酸化膜を形成
し、前記マスクおよび前記酸化膜を介して前記非晶質珪素膜
上に珪素の結晶化を助長する金属元素を含む溶液を塗布
し、前記非晶質珪素膜に光照射を行い、前記酸化膜を介して
前記溶液が塗布された領域から珪素膜の表面に平行な方
向に前記非晶質珪素膜を結晶成長させ結晶性を有する珪
素膜を形成し、前記結晶性を有する珪素膜をパターニング後、エッチン
グして活性層を形成し、前記酸化膜を介して前記溶液が塗布された領域および前
記結晶成長の先端には、前記活性層のチャネル形成領域
を設けないようにする半導体装置の作製方法であって、前記マスクは酸化アルミニウムでなることを特徴とする
半導体装置の作製方法。
【請求項３】前記金属元素はニッケルであることを特
徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の
作製方法。
【請求項４】前記金属元素はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒ
ｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、ＣｕまたはＡｕで
あることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の
半導体装置の作製方法。
【請求項５】前記結晶性を有する珪素膜中の前記金属
元素の濃度は１×１０¹⁶atoms・cm^-3〜５×１０¹⁹atoms
・cm^-3であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
か一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項６】前記光照射は強光の照射であることを特
徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の半導体装
置の作製方法。
【請求項７】前記光照射はレーザー光の照射であるこ
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の半
導体装置の作製方法。
【請求項８】前記酸化膜の厚さは１０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の
半導体装置の作製方法。
【請求項９】スピナーを用いて前記溶液を塗布するこ
とを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の半
導体装置の作製方法。
【請求項１０】前記溶液の溶媒として極性溶媒を用い
ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一に記載
の半導体装置の作製方法。
【請求項１１】前記溶液中の前記金属元素の濃度は２
００ｐｐｍ〜１ｐｐｍであることを特徴とする請求項１
乃至１０のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項１２】前記溶液中の前記金属元素の濃度は５
０ｐｐｍ〜１ｐｐｍであることを特徴とする請求項１乃
至１０のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項１３】前記光照射の後に加熱処理を行うこと
を特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一に記載の半
導体装置の作製方法。
【請求項１４】前記光照射と同時に加熱処理を行うこ
とを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一に記載の
半導体装置の作製方法。
【請求項１５】前記半導体装置は薄膜トランジスタ、
ダイオードまたは光センサであることを特徴とする請求
項１乃至１４のいずれか一に記載の半導体装置の作製方
法。
【請求項１６】請求項１乃至１５のいずれか一に記載
の作製方法により作製した半導体装置を有することを特
徴とするアクティブマトリクス型の液晶表示装置。