JPH08111379A - 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Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 薄膜トランジスタに利用する結晶性珪素膜
を得る。 【構成】 薄膜トランジスタの活性層を構成する結晶
性珪素膜として、厚さ１５０Å〜８００Åであって、ま
た高低差が１００Å〜７００Åの凹凸を有するものを用
いる。このような結晶性珪素膜は、レーザー光の照射を
行うことによって得ることができる。
を得る。 【構成】 薄膜トランジスタの活性層を構成する結晶
性珪素膜として、厚さ１５０Å〜８００Åであって、ま
た高低差が１００Å〜７００Åの凹凸を有するものを用
いる。このような結晶性珪素膜は、レーザー光の照射を
行うことによって得ることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、薄膜
トランジスタや薄膜ダイオード等の薄膜半導体素子の構
成およびその作製方法に関する。またこれら薄膜半導体
素子を構成するための薄膜半導体およびその作製方法に
関する。
トランジスタや薄膜ダイオード等の薄膜半導体素子の構
成およびその作製方法に関する。またこれら薄膜半導体
素子を構成するための薄膜半導体およびその作製方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、薄膜トランジスタを用いた液晶表
示装置やイメージセンサー等の光学装置が開発されてい
る。これは、透光性の基板としてガラス基板を用い、こ
のガラス基板の表面に薄膜珪素半導体を形成し、この薄
膜珪素半導体を用いて薄膜トランジスタの活性層を構成
し、この薄膜トランジスタを用いて光学装置の駆動回路
やスイッチング回路を構成するものである。
示装置やイメージセンサー等の光学装置が開発されてい
る。これは、透光性の基板としてガラス基板を用い、こ
のガラス基板の表面に薄膜珪素半導体を形成し、この薄
膜珪素半導体を用いて薄膜トランジスタの活性層を構成
し、この薄膜トランジスタを用いて光学装置の駆動回路
やスイッチング回路を構成するものである。
【０００３】ガラス等の絶縁基板上に形成される薄膜珪
素半導体としては、結晶性を有する珪素膜を用いる技術
が知られている。この結晶性を有する薄膜珪素半導体を
用いたトランジスタは、高い特性を期待することがで
き、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や薄膜集積
回路への利用が期待されている。
素半導体としては、結晶性を有する珪素膜を用いる技術
が知られている。この結晶性を有する薄膜珪素半導体を
用いたトランジスタは、高い特性を期待することがで
き、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や薄膜集積
回路への利用が期待されている。
【０００４】図１に結晶性珪素膜を利用した薄膜トラン
ジスタの作製工程の１例を示す。まず、ガラス基板１０
１上に下地膜として酸化珪素膜１０２を３０００Åの厚
さに形成する。さらに、その上にプラズマＣＶＤ法で非
晶質珪素膜１０３を２００〜１０００Å程度の厚さに成
膜する。
ジスタの作製工程の１例を示す。まず、ガラス基板１０
１上に下地膜として酸化珪素膜１０２を３０００Åの厚
さに形成する。さらに、その上にプラズマＣＶＤ法で非
晶質珪素膜１０３を２００〜１０００Å程度の厚さに成
膜する。
【０００５】そして６００℃の加熱とレーザー光の照射
を行うことによって、非晶質珪素膜１０３を結晶化させ
る。ここで、加熱の温度を６００℃とするのは、基板と
してガラス基板を用いた場合には、一般に６００℃以上
の温度で加熱処理を加えることが困難であるという理由
による。
を行うことによって、非晶質珪素膜１０３を結晶化させ
る。ここで、加熱の温度を６００℃とするのは、基板と
してガラス基板を用いた場合には、一般に６００℃以上
の温度で加熱処理を加えることが困難であるという理由
による。
【０００６】しかし、非晶質珪素膜を加熱により結晶化
させ、良好な結晶性を有する（実用に耐える結晶性を有
する）結晶性珪素膜を得るには、８００℃以上、好まし
くは１０００℃以上の温度で加熱処理を加える必要があ
る。
させ、良好な結晶性を有する（実用に耐える結晶性を有
する）結晶性珪素膜を得るには、８００℃以上、好まし
くは１０００℃以上の温度で加熱処理を加える必要があ
る。
【０００７】そこで、レーザー光の照射を併用し、結晶
性を少しでも向上させる技術が利用される。なお、レー
ザー光の照射のみでも非晶質珪素膜の結晶化は可能であ
るが、レーザー光の照射のみで非晶質珪素膜を結晶化さ
せた場合、得られる膜質の均一性に問題があり、実用的
ではない。
性を少しでも向上させる技術が利用される。なお、レー
ザー光の照射のみでも非晶質珪素膜の結晶化は可能であ
るが、レーザー光の照射のみで非晶質珪素膜を結晶化さ
せた場合、得られる膜質の均一性に問題があり、実用的
ではない。
【０００８】即ち、レーザー光を大面積に渡って一度に
照射しようとした場合、ビームパターン内におけるレー
ザーパワー強度の不均一性が問題となり、全面に均一な
パワーでレーザー光を照射することは困難となる。ま
た、レーザー光を走査しつつ非晶質珪素膜を結晶化させ
る方法もあるが、この場合は、レーザー光の照射パワー
が時間経過に従って徐々に変化してしまうという問題が
あり、やはり大面積に渡り均一のレーザー光を照射する
ことは困難である。これらの問題は、大きな照射パワー
を有するレーザー発振装置を余裕をもって用いることに
よって解決されるが、その場合はレーザー発振装置の製
造や維持に必要となるコストが高くなるという別な問題
が生じてしまう。
照射しようとした場合、ビームパターン内におけるレー
ザーパワー強度の不均一性が問題となり、全面に均一な
パワーでレーザー光を照射することは困難となる。ま
た、レーザー光を走査しつつ非晶質珪素膜を結晶化させ
る方法もあるが、この場合は、レーザー光の照射パワー
が時間経過に従って徐々に変化してしまうという問題が
あり、やはり大面積に渡り均一のレーザー光を照射する
ことは困難である。これらの問題は、大きな照射パワー
を有するレーザー発振装置を余裕をもって用いることに
よって解決されるが、その場合はレーザー発振装置の製
造や維持に必要となるコストが高くなるという別な問題
が生じてしまう。
【０００９】そこで、上記のように加熱とレーザー光の
照射による結晶化を行うことで、得られる結晶性珪素膜
の膜質の均一性や生産性を向上させることが行われる。
照射による結晶化を行うことで、得られる結晶性珪素膜
の膜質の均一性や生産性を向上させることが行われる。
【００１０】図１（Ａ）に示す工程で非晶質珪素膜１０
３を結晶化した後、珪素膜をパターニングし、薄膜トラ
ンジスタの活性層１０４を形成する。そして、ゲイト絶
縁膜となる酸化珪素膜１０５を１０００Åの厚さにプラ
ズマＣＶＤ法で成膜する。さらにゲイト電極１０６を金
属やシリサイド、さらには一導電型を有する結晶性珪素
半導体で形成する。（図１（Ｂ））
３を結晶化した後、珪素膜をパターニングし、薄膜トラ
ンジスタの活性層１０４を形成する。そして、ゲイト絶
縁膜となる酸化珪素膜１０５を１０００Åの厚さにプラ
ズマＣＶＤ法で成膜する。さらにゲイト電極１０６を金
属やシリサイド、さらには一導電型を有する結晶性珪素
半導体で形成する。（図１（Ｂ））
【００１１】図１（Ｂ）に示す状態を得たら、一導電型
を付与する不純物イオン（例えばリンイオン）の注入を
行いソース／ドレイン領域を自己整合的に形成する。こ
の場合、ゲイト電極１０６がマスクとなり、ソース領域
１０８となるべき領域とドレイン領域となるべき領域１
１２に不純物イオンが注入される。またチャネル形成領
域１１０も自己整合的に形成される。この工程は自己整
合プロセスと称されている。（図１（Ｃ））
を付与する不純物イオン（例えばリンイオン）の注入を
行いソース／ドレイン領域を自己整合的に形成する。こ
の場合、ゲイト電極１０６がマスクとなり、ソース領域
１０８となるべき領域とドレイン領域となるべき領域１
１２に不純物イオンが注入される。またチャネル形成領
域１１０も自己整合的に形成される。この工程は自己整
合プロセスと称されている。（図１（Ｃ））
【００１２】図１（Ｃ）の工程において、不純物イオン
の注入を行った後、レーザー光の照射を行うことによっ
てソース／ドレイン領域の再結晶化と注入されたイオン
の活性化を行う。このレーザー光の照射が必要なのは、
不純物イオンが注入された領域は、注入されたイオンの
衝撃によって非晶質化しており、また注入されたイオン
はそのままでは、活性化されておらず、珪素が必要とす
る一導電型とはなっていないからである。
の注入を行った後、レーザー光の照射を行うことによっ
てソース／ドレイン領域の再結晶化と注入されたイオン
の活性化を行う。このレーザー光の照射が必要なのは、
不純物イオンが注入された領域は、注入されたイオンの
衝撃によって非晶質化しており、また注入されたイオン
はそのままでは、活性化されておらず、珪素が必要とす
る一導電型とはなっていないからである。
【００１３】次に層間絶縁膜として、酸化珪素膜１１３
を７０００の厚さにプラズマＣＶＤ法で形成し、さらに
コンタクトホールの形成を行った後、ソース領域１１４
とドレイン領域１１５を形成する。こうして薄膜トラン
ジスタが完成する。（図１（Ｄ））
を７０００の厚さにプラズマＣＶＤ法で形成し、さらに
コンタクトホールの形成を行った後、ソース領域１１４
とドレイン領域１１５を形成する。こうして薄膜トラン
ジスタが完成する。（図１（Ｄ））
【００１４】図１に示すようなガラス基板上に形成され
る結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタは、ＯＦＦ電
流特性が大きな問題となる。ＯＦＦ電流とは、薄膜トラ
ンジスタがＯＦＦの状態において、ソース／ドレイン間
を流れてしまう電流のことをいう。
る結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタは、ＯＦＦ電
流特性が大きな問題となる。ＯＦＦ電流とは、薄膜トラ
ンジスタがＯＦＦの状態において、ソース／ドレイン間
を流れてしまう電流のことをいう。
【００１５】薄膜トランジスタをアクティブマトリクス
型の液晶表示装置の各画素に配置した場合、上記ＯＦＦ
電流の存在が大きな問題となる。即ち、各画素に配置さ
れた薄膜トランジスタは、画素電極に電荷を保持するた
めのスイッチとして機能するのであるが、ＯＦＦ電流が
大きいと、画素に保持した電荷が流出してしまい、必要
とする時間で画像データを維持することができなくなっ
てしまう。
型の液晶表示装置の各画素に配置した場合、上記ＯＦＦ
電流の存在が大きな問題となる。即ち、各画素に配置さ
れた薄膜トランジスタは、画素電極に電荷を保持するた
めのスイッチとして機能するのであるが、ＯＦＦ電流が
大きいと、画素に保持した電荷が流出してしまい、必要
とする時間で画像データを維持することができなくなっ
てしまう。
【００１６】このＯＦＦ電流の問題は、結晶性珪素膜を
用いた薄膜トランジスタを用いてメモリーを構成したり
する場合にも大きな問題となる点であり、改善が求めら
れている点である。
用いた薄膜トランジスタを用いてメモリーを構成したり
する場合にも大きな問題となる点であり、改善が求めら
れている点である。
【００１７】また一般に結晶性珪素膜は多結晶構造また
は微結晶構造を有しており、結晶という観点から見た場
合、必ずしも結晶性が良好でない場合が多い。従って、
膜中に非晶質成分やトラップ準位が多数存在している。
特に結晶性が十分でない場合、無視できない密度でトラ
ップ準位が存在しており、これは薄膜トランジスタの特
性の経時変化（しきい値の変動や特性の劣化）の大きな
要因となる。
は微結晶構造を有しており、結晶という観点から見た場
合、必ずしも結晶性が良好でない場合が多い。従って、
膜中に非晶質成分やトラップ準位が多数存在している。
特に結晶性が十分でない場合、無視できない密度でトラ
ップ準位が存在しており、これは薄膜トランジスタの特
性の経時変化（しきい値の変動や特性の劣化）の大きな
要因となる。
【００１８】
【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、以下に示す課題の少なくとも一つを解決すること
を目的とする。 （１）結晶性が良好で薄膜トランジスタ等に利用した際
に高い特性が期待できる結晶性珪素膜を提供する。 （２）ＯＦＦ電流の極力少ない薄膜トランジスタを得
る。 （３）結晶性珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタの特性
をなるべく高いものとする。 （４）特性の経時変化の無い薄膜トランジスタを提供す
る。
明は、以下に示す課題の少なくとも一つを解決すること
を目的とする。 （１）結晶性が良好で薄膜トランジスタ等に利用した際
に高い特性が期待できる結晶性珪素膜を提供する。 （２）ＯＦＦ電流の極力少ない薄膜トランジスタを得
る。 （３）結晶性珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタの特性
をなるべく高いものとする。 （４）特性の経時変化の無い薄膜トランジスタを提供す
る。
【００１９】
【課題を解決しようとする手段】まず本明細書で開示す
る発明に至る経緯を説明する。本発明者らの研究によれ
ば、レーザー光の照射によって得られた結晶性珪素膜を
用いて薄膜トランジスタを構成した場合、結晶性珪素膜
の厚さを１０００Å以下、好ましくは８００Å以下とす
ることが好ましいことが判明している。この根拠とし
て、以下に示す３つの要因を挙げることができる。
る発明に至る経緯を説明する。本発明者らの研究によれ
ば、レーザー光の照射によって得られた結晶性珪素膜を
用いて薄膜トランジスタを構成した場合、結晶性珪素膜
の厚さを１０００Å以下、好ましくは８００Å以下とす
ることが好ましいことが判明している。この根拠とし
て、以下に示す３つの要因を挙げることができる。
【００２０】（１）第１の要因 図１（Ａ）や図１（Ｃ）に示すレーザー光の照射を行う
場合、一つ問題となる点がある。それは、非晶質珪素膜
に対してレーザー光を照射した場合、非晶質珪素膜の表
面（数十Å〜数百Åの深さ）においてレーザー光が吸収
されてしまうので、非晶質珪素膜の膜厚が厚い場合、そ
の表面でしかレーザー光の照射による効果を得ることが
できないという問題である。この問題は、特に良好な効
果を得ることができる紫外領域のレーザー光（概略４０
０ｎｍ以下の波長）を用いる場合に顕著となる。なお、
ここでいうレーザー光の照射による効果というのは、結
晶性の向上やトラップ密度を減少させるといった効果、
さらに注入された不純物の活性化といった効果のことを
いう。
場合、一つ問題となる点がある。それは、非晶質珪素膜
に対してレーザー光を照射した場合、非晶質珪素膜の表
面（数十Å〜数百Åの深さ）においてレーザー光が吸収
されてしまうので、非晶質珪素膜の膜厚が厚い場合、そ
の表面でしかレーザー光の照射による効果を得ることが
できないという問題である。この問題は、特に良好な効
果を得ることができる紫外領域のレーザー光（概略４０
０ｎｍ以下の波長）を用いる場合に顕著となる。なお、
ここでいうレーザー光の照射による効果というのは、結
晶性の向上やトラップ密度を減少させるといった効果、
さらに注入された不純物の活性化といった効果のことを
いう。
【００２１】また、上記のように非晶質珪素膜の厚さが
厚く、その表面にしかレーザー光の照射による効果を及
ぼせない場合、最終的に得られる薄膜トランジスタの特
性もも悪いという実験事実がある。これは、非晶質珪素
膜の厚さが厚く、その表面にしかレーザー光の照射によ
る効果を及ぼせない場合、 （Ａ）膜全体としてのトラップ準位密度は高くなってし
まう。 （Ｂ）レーザー光のエネルギーが分散してしまうため、
膜の表面といえども良好な結晶性が得られていない。 （Ｃ）非晶質として残存する膜の下層部分の影響で膜表
面の結晶性はそれ程高くならない。 （Ｄ）結晶性を有する上層部分を伝導するキャリアの移
動は、非晶質として残存する膜の下層部分によって、ト
ラップや散乱がなされ、薄膜トランジスタとしての特性
も低いものとなってしまう。 といったことが原因であると考えられる。
厚く、その表面にしかレーザー光の照射による効果を及
ぼせない場合、最終的に得られる薄膜トランジスタの特
性もも悪いという実験事実がある。これは、非晶質珪素
膜の厚さが厚く、その表面にしかレーザー光の照射によ
る効果を及ぼせない場合、 （Ａ）膜全体としてのトラップ準位密度は高くなってし
まう。 （Ｂ）レーザー光のエネルギーが分散してしまうため、
膜の表面といえども良好な結晶性が得られていない。 （Ｃ）非晶質として残存する膜の下層部分の影響で膜表
面の結晶性はそれ程高くならない。 （Ｄ）結晶性を有する上層部分を伝導するキャリアの移
動は、非晶質として残存する膜の下層部分によって、ト
ラップや散乱がなされ、薄膜トランジスタとしての特性
も低いものとなってしまう。 といったことが原因であると考えられる。
【００２２】このように結晶性珪素膜をレーザー光の照
射を用いて作製しようとする場合、膜厚方向の結晶性を
均一なものとするために、活性層を構成する結晶性珪素
膜をなるべく薄くする必要がある。具体的には、活性層
の厚さを１０００Å以下、好ましくは８００Å以下とす
る必要があることが実験により判明している。（第１の
要因）
射を用いて作製しようとする場合、膜厚方向の結晶性を
均一なものとするために、活性層を構成する結晶性珪素
膜をなるべく薄くする必要がある。具体的には、活性層
の厚さを１０００Å以下、好ましくは８００Å以下とす
る必要があることが実験により判明している。（第１の
要因）
【００２３】（２）第２の要因 図２（Ａ）に図１にその作製工程を示す薄膜トランジス
タの上面図を示す。図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ’で切っ
た断面が図１（Ｄ）に相当する。また図２（Ａ）におけ
るＡ−Ａ’で切った断面が図２（Ｂ）に相当する。
タの上面図を示す。図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ’で切っ
た断面が図１（Ｄ）に相当する。また図２（Ａ）におけ
るＡ−Ａ’で切った断面が図２（Ｂ）に相当する。
【００２４】一般にゲイト絶縁膜１０５の厚さは５００
Å〜２０００Å、一般に１０００Å程度（酸化珪素膜ま
たは酸化珪素を主成分とした膜を用いた場合）である。
活性層の厚さがゲイト絶縁膜の厚さと同程度またはそれ
より厚い場合、活性層１０４の側面に図２（Ｂ）に示す
ようにステップカバレージ（段差被覆性）良くゲイト絶
縁膜を形成することは困難である。従って、活性層の厚
さを１０００Å以上とし、ゲイト絶縁膜の厚さを１００
０Å程度とした場合、２０１で示される部分のゲイト絶
縁膜は薄くなり、所々において成膜されていない領域が
存在してしまう。即ち、所々活性層１０４が所々におい
て露呈してしまう。また、活性層１０４が露呈しないま
でもピンホールが形成されてしまう。
Å〜２０００Å、一般に１０００Å程度（酸化珪素膜ま
たは酸化珪素を主成分とした膜を用いた場合）である。
活性層の厚さがゲイト絶縁膜の厚さと同程度またはそれ
より厚い場合、活性層１０４の側面に図２（Ｂ）に示す
ようにステップカバレージ（段差被覆性）良くゲイト絶
縁膜を形成することは困難である。従って、活性層の厚
さを１０００Å以上とし、ゲイト絶縁膜の厚さを１００
０Å程度とした場合、２０１で示される部分のゲイト絶
縁膜は薄くなり、所々において成膜されていない領域が
存在してしまう。即ち、所々活性層１０４が所々におい
て露呈してしまう。また、活性層１０４が露呈しないま
でもピンホールが形成されてしまう。
【００２５】ゲイト絶縁膜を十分厚くできれば、上記問
題を解決することができるのであるが、ゲイト絶縁膜の
厚さは薄膜トランジスタの特性を決める重要な要素であ
り、無闇に厚くすることはできない。また、自己整合技
術を用いる場合、図１（Ｃ）に示すようにゲイト絶縁膜
１０５を通して不純物イオンの注入を行う必要がある
が、ゲイト絶縁膜を１５００Åさらには２０００Å以上
の厚さとした場合、ゲイト絶縁膜を通しての不純物イオ
ンの注入が困難になってしまう。従ってこの自己整合技
術を用いるという観点からもゲイト絶縁膜の厚さは１５
００Å程度以下とすることが求められている。
題を解決することができるのであるが、ゲイト絶縁膜の
厚さは薄膜トランジスタの特性を決める重要な要素であ
り、無闇に厚くすることはできない。また、自己整合技
術を用いる場合、図１（Ｃ）に示すようにゲイト絶縁膜
１０５を通して不純物イオンの注入を行う必要がある
が、ゲイト絶縁膜を１５００Åさらには２０００Å以上
の厚さとした場合、ゲイト絶縁膜を通しての不純物イオ
ンの注入が困難になってしまう。従ってこの自己整合技
術を用いるという観点からもゲイト絶縁膜の厚さは１５
００Å程度以下とすることが求められている。
【００２６】このようにゲイト絶縁膜の厚さが制限さ
れ、その厚さをあまり厚くできない状況においては、ゲ
イト電極１０６と活性層１０４とが直接接触してしまう
部分が存在することになる。そして、多数の薄膜トラン
ジスタを作製した場合、ソース領域１０８とドレイン領
域１１２とが、ゲイト電極１０６によって短絡されたも
のが形成されてしまう。すると、チャネル形成領域を通
らずにソース／ドレイン間を移動するキャリアが存在す
ることになるので、当然ＯＦＦ電流は大きなものとな
る。
れ、その厚さをあまり厚くできない状況においては、ゲ
イト電極１０６と活性層１０４とが直接接触してしまう
部分が存在することになる。そして、多数の薄膜トラン
ジスタを作製した場合、ソース領域１０８とドレイン領
域１１２とが、ゲイト電極１０６によって短絡されたも
のが形成されてしまう。すると、チャネル形成領域を通
らずにソース／ドレイン間を移動するキャリアが存在す
ることになるので、当然ＯＦＦ電流は大きなものとな
る。
【００２７】このゲイト電極１０６によって、ソース／
ドレイン間が短絡してしまう問題は、活性層１０４の側
面２０１において、ゲイト絶縁膜１０５のステップカバ
レージが悪いという点に第１の原因がある。そしてこの
原因は、活性層の厚さに比較してゲイト絶縁膜の厚さを
十分厚くできないということにも起因する。
ドレイン間が短絡してしまう問題は、活性層１０４の側
面２０１において、ゲイト絶縁膜１０５のステップカバ
レージが悪いという点に第１の原因がある。そしてこの
原因は、活性層の厚さに比較してゲイト絶縁膜の厚さを
十分厚くできないということにも起因する。
【００２８】一般的にゲイト絶縁膜の厚さが１０００Å
程度であることを考慮すれば、活性層の厚さを１０００
Å程度以下、好ましくは８００Å以下の厚さとすれば、
上記ゲイト絶縁膜のステップカバレージの悪さに起因す
る問題をある程度防ぐことができる。（第２の要因）
程度であることを考慮すれば、活性層の厚さを１０００
Å程度以下、好ましくは８００Å以下の厚さとすれば、
上記ゲイト絶縁膜のステップカバレージの悪さに起因す
る問題をある程度防ぐことができる。（第２の要因）
【００２９】（３）第３の要因 活性層を形成するには、得られた結晶性珪素膜をエッチ
ングによってパターニングする高低が必要になる。一般
に活性層のパターニングには、異方性を有したドライエ
ッチング（例えばＲＩＥ法）が用いられるが、この際、
活性層の端部側面には多数の欠陥が形成されてしまう。
すると、薄膜トランジスタを完成させた状態において、
この活性層の側面の欠陥（当然トラップ準位を構成す
る）を経由したのキャリアの移動が行ってしまい、ＯＦ
Ｆ電流が増大することになる。
ングによってパターニングする高低が必要になる。一般
に活性層のパターニングには、異方性を有したドライエ
ッチング（例えばＲＩＥ法）が用いられるが、この際、
活性層の端部側面には多数の欠陥が形成されてしまう。
すると、薄膜トランジスタを完成させた状態において、
この活性層の側面の欠陥（当然トラップ準位を構成す
る）を経由したのキャリアの移動が行ってしまい、ＯＦ
Ｆ電流が増大することになる。
【００３０】この活性層の側面を経由したキャリアの移
動は、活性層側面の面積に当然比例する。従って、活性
層の厚さが薄い方がＯＦＦ電流の値は小さくなる。そし
て、このことは実験的に確かめられている。具体的に
は、結晶性珪素膜で構成された厚さ１２００Åの活性層
を有する薄膜トランジスタのＯＦＦ電流に比較して、結
晶性珪素膜で構成された厚さ２００Åの活性層を有する
薄膜トランジスタのＯＦＦ電流は、１桁程度低いことが
確かめられている。このように、ＯＦＦ電流の低減を目
的とするなら、活性層の厚さをできる限り薄くすること
が望まれる。
動は、活性層側面の面積に当然比例する。従って、活性
層の厚さが薄い方がＯＦＦ電流の値は小さくなる。そし
て、このことは実験的に確かめられている。具体的に
は、結晶性珪素膜で構成された厚さ１２００Åの活性層
を有する薄膜トランジスタのＯＦＦ電流に比較して、結
晶性珪素膜で構成された厚さ２００Åの活性層を有する
薄膜トランジスタのＯＦＦ電流は、１桁程度低いことが
確かめられている。このように、ＯＦＦ電流の低減を目
的とするなら、活性層の厚さをできる限り薄くすること
が望まれる。
【００３１】以上に示したような知見に基づいて、本明
細書で開示する発明は行われたものである。
細書で開示する発明は行われたものである。
【００３２】本明細書で開示する主要な発明の一つは、
結晶性を有する珪素膜を用いた半導体装置であって、前
記珪素膜の平均膜厚は１５０Å〜８００Åであり、前記
珪素膜の表面は凹凸を有し、前記凹凸は高低差が１００
Å〜７００Åであることを特徴とする。
結晶性を有する珪素膜を用いた半導体装置であって、前
記珪素膜の平均膜厚は１５０Å〜８００Åであり、前記
珪素膜の表面は凹凸を有し、前記凹凸は高低差が１００
Å〜７００Åであることを特徴とする。
【００３３】上記構成において、結晶性を有する珪素膜
は、ガラス等の絶縁表面を有する基板上に形成されてい
る。この結晶性を有する珪素膜は、非晶質珪素膜または
加熱により結晶化された珪素膜に対してレーザー光を照
射することによって得ることができる。レーザー光の照
射によって結晶性珪素膜を得るには、前述のように出発
膜である珪素膜の膜厚が８００Å以下である必要があ
る。またその厚さが１５０Å以下であるとピンホールの
存在や膜として形成されない場合があるので、薄膜とし
て実用にならない。なお、上記構成において、平均膜厚
というのは、凹凸をならした状態における
は、ガラス等の絶縁表面を有する基板上に形成されてい
る。この結晶性を有する珪素膜は、非晶質珪素膜または
加熱により結晶化された珪素膜に対してレーザー光を照
射することによって得ることができる。レーザー光の照
射によって結晶性珪素膜を得るには、前述のように出発
膜である珪素膜の膜厚が８００Å以下である必要があ
る。またその厚さが１５０Å以下であるとピンホールの
存在や膜として形成されない場合があるので、薄膜とし
て実用にならない。なお、上記構成において、平均膜厚
というのは、凹凸をならした状態における
【００３４】レーザー光の照射によって８００Å以下の
膜厚を有する珪素膜（この珪素膜は非晶質または結晶性
を有している）を結晶化させた場合、得られる珪素膜
（当然結晶化されている）の表面は、図４に示すように
凹凸形状を有するものとなる。このような表面状態を有
する結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜を単なる加熱によっ
て結晶化させた場合や、１０００Å以上の膜厚を有する
珪素膜に対するレーザー光の照射では得ることができな
い。
膜厚を有する珪素膜（この珪素膜は非晶質または結晶性
を有している）を結晶化させた場合、得られる珪素膜
（当然結晶化されている）の表面は、図４に示すように
凹凸形状を有するものとなる。このような表面状態を有
する結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜を単なる加熱によっ
て結晶化させた場合や、１０００Å以上の膜厚を有する
珪素膜に対するレーザー光の照射では得ることができな
い。
【００３５】即ち、図４に示すような表面状態を有する
結晶性珪素膜の状態は、８００Å以下の膜厚を有する珪
素膜に対して、レーザー光を照射し、結晶性珪素膜を得
た場合において始めて得られるものであるといえる。
結晶性珪素膜の状態は、８００Å以下の膜厚を有する珪
素膜に対して、レーザー光を照射し、結晶性珪素膜を得
た場合において始めて得られるものであるといえる。
【００３６】膜厚と凹凸の高低差との関係の好ましい関
係は、凹凸の高低差の平均が平均膜厚の５０％〜１００
％となるようにすることが望ましい。勿論、ここにおい
ても膜厚の平均の厚さは１５０Å〜８００Åとすること
が必要である。
係は、凹凸の高低差の平均が平均膜厚の５０％〜１００
％となるようにすることが望ましい。勿論、ここにおい
ても膜厚の平均の厚さは１５０Å〜８００Åとすること
が必要である。
【００３７】図４に示すような結晶性珪素膜は、表面の
凹凸の凸部の先端が概略１０Å以上の曲率半径を有した
丸みを有しているので、活性層とした利用し、その表面
にゲイト絶縁膜を形成した場合に、電界集中により静電
破壊が生じにくいという有用性がある。
凹凸の凸部の先端が概略１０Å以上の曲率半径を有した
丸みを有しているので、活性層とした利用し、その表面
にゲイト絶縁膜を形成した場合に、電界集中により静電
破壊が生じにくいという有用性がある。
【００３８】また、上記のように凸部の先端が丸みを有
していることで、凸部の影響で結晶性珪素膜の表面を伝
導するキャリアの移動が阻害されることが少なく、高移
動度を有せしめることができる。
していることで、凸部の影響で結晶性珪素膜の表面を伝
導するキャリアの移動が阻害されることが少なく、高移
動度を有せしめることができる。
【００３９】図４に示すような凹凸を有する結晶性珪素
膜を得るための出発膜として、珪素の結晶化を助長する
金属元素の作用によって結晶化された結晶性珪素膜を用
いることは有用である。この結晶性珪素膜は、ニッケル
等の金属元素を非晶質珪素膜に微量に導入し、５５０℃
程度の加熱処理を施すことにより得ることができる。
膜を得るための出発膜として、珪素の結晶化を助長する
金属元素の作用によって結晶化された結晶性珪素膜を用
いることは有用である。この結晶性珪素膜は、ニッケル
等の金属元素を非晶質珪素膜に微量に導入し、５５０℃
程度の加熱処理を施すことにより得ることができる。
【００４０】この金属元素の作用によって得られた結晶
性珪素膜に対して、さらにレーザー光を照射することに
よってその結晶性を助長させることによって得られる結
晶性珪素膜は、極めて安定した電気特性を有している。
この場合、レーザー発振装置の不安定等の影響をあまり
受けずに良好な結晶性を有する結晶性珪素膜を得ること
ができる。
性珪素膜に対して、さらにレーザー光を照射することに
よってその結晶性を助長させることによって得られる結
晶性珪素膜は、極めて安定した電気特性を有している。
この場合、レーザー発振装置の不安定等の影響をあまり
受けずに良好な結晶性を有する結晶性珪素膜を得ること
ができる。
【００４１】上記の珪素の結晶化を助長する金属元素の
導入量は、１×１０16ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3、好ま
しくは１×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3とする必要
がある。従って、特に金属元素の除去やゲッタリングを
行わない場合には、最終的に得られる結晶性珪素膜中に
おける金属元素の濃度は、１×１０16ｃｍ-3〜５×１０
19ｃｍ-3、好ましくは１×１０18ｃｍ-3〜５×１０ｃｍ
-3とする必要がある。なおここでいう濃度は、ＳＩＭＳ
（２次イオン分析方法）で計測される値の最小値として
定義される。
導入量は、１×１０16ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3、好ま
しくは１×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3とする必要
がある。従って、特に金属元素の除去やゲッタリングを
行わない場合には、最終的に得られる結晶性珪素膜中に
おける金属元素の濃度は、１×１０16ｃｍ-3〜５×１０
19ｃｍ-3、好ましくは１×１０18ｃｍ-3〜５×１０ｃｍ
-3とする必要がある。なおここでいう濃度は、ＳＩＭＳ
（２次イオン分析方法）で計測される値の最小値として
定義される。
【００４２】金属元素の導入量が上記範囲に限定される
のは、その導入量が少ないと結晶化を助長する作用が低
く、またその導入量が多いと膜中にシリサイドが形成さ
れて、半導体としての特性が損なわれてしまうからであ
る。
のは、その導入量が少ないと結晶化を助長する作用が低
く、またその導入量が多いと膜中にシリサイドが形成さ
れて、半導体としての特性が損なわれてしまうからであ
る。
【００４３】上記のような珪素の結晶化を助長する金属
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
複数種類の元素を用いることができる。特にその効果の
顕著に大きな元素としてニッケルを挙げることができ
る。
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
複数種類の元素を用いることができる。特にその効果の
顕著に大きな元素としてニッケルを挙げることができ
る。
【００４４】この珪素の結晶化を助長する金属元素の特
筆すべき作用として、基板に平行（膜の面に平行な方
向）に結晶化を行わす作用を挙げることができる。これ
は、絶縁表面を有する基板に形成された非晶質珪素膜の
一部に選択的に金属元素を導入し、しかる後に加熱処理
を施すことにより、前記金属元素を導入した領域より、
周囲に向かって数十μｍ以上の結晶成長（以下横成長と
いう）が行われる現象である。
筆すべき作用として、基板に平行（膜の面に平行な方
向）に結晶化を行わす作用を挙げることができる。これ
は、絶縁表面を有する基板に形成された非晶質珪素膜の
一部に選択的に金属元素を導入し、しかる後に加熱処理
を施すことにより、前記金属元素を導入した領域より、
周囲に向かって数十μｍ以上の結晶成長（以下横成長と
いう）が行われる現象である。
【００４５】上記横成長領域は、基板に平行な方向に向
かって行なわれるものであり、結晶成長は、柱状あるい
は針状にの形態を以て行なわれる。そしてこの柱状ある
いは針状に行なわれた結晶性成長は、その隙間に非晶質
成分を残存した状態となる。従って、加熱処理によって
横成長した領域に対して、さらにレーザー光を照射する
ことによって、残存した非晶質成分を結晶化させること
ができ、さらに結晶性を上げることができる。そして得
られた結晶性珪素膜の表面は、図４に示すようなものと
なる。
かって行なわれるものであり、結晶成長は、柱状あるい
は針状にの形態を以て行なわれる。そしてこの柱状ある
いは針状に行なわれた結晶性成長は、その隙間に非晶質
成分を残存した状態となる。従って、加熱処理によって
横成長した領域に対して、さらにレーザー光を照射する
ことによって、残存した非晶質成分を結晶化させること
ができ、さらに結晶性を上げることができる。そして得
られた結晶性珪素膜の表面は、図４に示すようなものと
なる。
【００４６】図４に示すような結晶性珪素膜は、その膜
厚が１５０Å〜８００Åであると同時にその凹凸の高低
差が１００Å〜７００Åであることが特徴である。
厚が１５０Å〜８００Åであると同時にその凹凸の高低
差が１００Å〜７００Åであることが特徴である。
【００４７】なお、本明細書に開示するような結晶性珪
素膜の膜厚とその表面の凹凸を規定した先行技術とし
て、特公平２−１２６７号公報に記載された技術を挙げ
ることができる。この公報には、ＲＦ放電を利用したプ
ラズマＣＶＤ法で形成された４０００Å厚の結晶性珪素
膜（多結晶珪素膜）の表面の凹凸が８００Å以下である
ものについて記載されている。
素膜の膜厚とその表面の凹凸を規定した先行技術とし
て、特公平２−１２６７号公報に記載された技術を挙げ
ることができる。この公報には、ＲＦ放電を利用したプ
ラズマＣＶＤ法で形成された４０００Å厚の結晶性珪素
膜（多結晶珪素膜）の表面の凹凸が８００Å以下である
ものについて記載されている。
【００４８】しかし、プラズマＣＶＤ法で形成された結
晶性珪素膜は、膜中の欠陥が多く実用にならない。また
膜厚を４０００Åもの厚さにした場合、良好な結晶性を
有する珪素膜を得ることは不可能である。さらに、４０
００Åもの厚さを有する結晶性珪素膜を用いて薄膜トラ
ンジスタの活性層を構成した場合、前述の活性層の側面
におけるリーク電流の存在が顕著になり、実用性を有す
る薄膜トランジスタを得ることができない。
晶性珪素膜は、膜中の欠陥が多く実用にならない。また
膜厚を４０００Åもの厚さにした場合、良好な結晶性を
有する珪素膜を得ることは不可能である。さらに、４０
００Åもの厚さを有する結晶性珪素膜を用いて薄膜トラ
ンジスタの活性層を構成した場合、前述の活性層の側面
におけるリーク電流の存在が顕著になり、実用性を有す
る薄膜トランジスタを得ることができない。
【００４９】
〔実施例１〕図３に本実施例で示す結晶性を有する結晶
性珪素膜の作製工程を示す。まずガラス基板１０１（コ
ーニング７０５９ガラス）上にスパッタ法によって酸化
珪素膜１０２を３０００Åの厚さに成膜する。
性珪素膜の作製工程を示す。まずガラス基板１０１（コ
ーニング７０５９ガラス）上にスパッタ法によって酸化
珪素膜１０２を３０００Åの厚さに成膜する。
【００５０】次にプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ
法によって、非晶質珪素膜１０３を５００Åの厚さに成
膜する。なお減圧熱ＣＶＤ法を用いる場合には、加熱温
度を５５０℃以下とすることが好ましい。これは、コー
ニング７０５９ガラス基板の歪点が５９３℃であり、余
裕をみた場合、５５０℃以上の温度での加熱は、許容で
きない縮みや変形を引き起こすからである。なおこのこ
とは、加熱を従う全ての工程においていえることである
ので注意が必要である。
法によって、非晶質珪素膜１０３を５００Åの厚さに成
膜する。なお減圧熱ＣＶＤ法を用いる場合には、加熱温
度を５５０℃以下とすることが好ましい。これは、コー
ニング７０５９ガラス基板の歪点が５９３℃であり、余
裕をみた場合、５５０℃以上の温度での加熱は、許容で
きない縮みや変形を引き起こすからである。なおこのこ
とは、加熱を従う全ての工程においていえることである
ので注意が必要である。
【００５１】次に非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を
助長する金属元素であるニッケルを含んだ溶液（ニッケ
ル酢酸塩溶液）を塗布し、水膜３０２を形成する。そし
て、スピナー３０１を用い、スピンコートを行う。（図
３（Ａ））
助長する金属元素であるニッケルを含んだ溶液（ニッケ
ル酢酸塩溶液）を塗布し、水膜３０２を形成する。そし
て、スピナー３０１を用い、スピンコートを行う。（図
３（Ａ））
【００５２】図３（Ａ）に示すようにニッケル酢酸塩溶
液をスピンコート法によって塗布することによって、非
晶質珪素膜の表面には、ニッケルまたはニッケルを含ん
だ層３０３が形成される。この層３０３は数十Å〜数百
Åの厚さを有し、膜として観察することは困難である。
この状態で、非晶質珪素膜１０３の表面に接してニッケ
ル元素が保持された状態が実現される。（図３（Ｂ））
液をスピンコート法によって塗布することによって、非
晶質珪素膜の表面には、ニッケルまたはニッケルを含ん
だ層３０３が形成される。この層３０３は数十Å〜数百
Åの厚さを有し、膜として観察することは困難である。
この状態で、非晶質珪素膜１０３の表面に接してニッケ
ル元素が保持された状態が実現される。（図３（Ｂ））
【００５３】図３（Ｂ）の状態で加熱処理を施し、非晶
質珪素膜１０３を結晶化させる。ここでは、窒素雰囲気
中において５５０℃、４時間の加熱処理を施す。普通、
非晶質珪素膜に対して５５０℃の加熱処理を加えた場
合、数百時間以上の時間をかけてようやく結晶化が始ま
る程度である。しかし、本実施例に示すように、結晶化
を助長する金属元素を導入した場合、５５０℃、４時間
の加熱処理で結晶性珪素膜３０４を得ることができる。
質珪素膜１０３を結晶化させる。ここでは、窒素雰囲気
中において５５０℃、４時間の加熱処理を施す。普通、
非晶質珪素膜に対して５５０℃の加熱処理を加えた場
合、数百時間以上の時間をかけてようやく結晶化が始ま
る程度である。しかし、本実施例に示すように、結晶化
を助長する金属元素を導入した場合、５５０℃、４時間
の加熱処理で結晶性珪素膜３０４を得ることができる。
【００５４】なお本実施例のように結晶化を助長する金
属元素であるニッケルを導入した場合には、４５０℃以
上の温度であれば結晶化を行わすことができる。しか
し、４５０℃の温度では数十時間以上の時間をかける必
要があり実用的ではない。またこの加熱温度の上限は、
ガラス基板の耐熱温度によって決まる。一般的にガラス
基板を用いた場合には、ガラス基板の縮みや変形の程度
に鑑み、この加熱温度の上限をガラス基板の歪点以下の
温度とすることが好ましい。
属元素であるニッケルを導入した場合には、４５０℃以
上の温度であれば結晶化を行わすことができる。しか
し、４５０℃の温度では数十時間以上の時間をかける必
要があり実用的ではない。またこの加熱温度の上限は、
ガラス基板の耐熱温度によって決まる。一般的にガラス
基板を用いた場合には、ガラス基板の縮みや変形の程度
に鑑み、この加熱温度の上限をガラス基板の歪点以下の
温度とすることが好ましい。
【００５５】次にレーザー光を照射し、先の加熱処理に
おいて結晶化した結晶性珪素膜３０４をアニールする。
ここでは、線状にビーム形成されたＫｒＦエキシマレー
ザー光を用いる。即ち、光学系により、幅数ｍｍ、長さ
数十ｃｍに成形されたレーザー光を長手方向に直角な方
向に移動させながら結晶性珪素膜３０４に照射する。こ
の工程で、結晶性珪素膜の結晶性が向上し、膜中の欠陥
や準位や減少される。
おいて結晶化した結晶性珪素膜３０４をアニールする。
ここでは、線状にビーム形成されたＫｒＦエキシマレー
ザー光を用いる。即ち、光学系により、幅数ｍｍ、長さ
数十ｃｍに成形されたレーザー光を長手方向に直角な方
向に移動させながら結晶性珪素膜３０４に照射する。こ
の工程で、結晶性珪素膜の結晶性が向上し、膜中の欠陥
や準位や減少される。
【００５６】またレーザー光の照射の終了後に、加熱処
理を施すことにより、膜中に欠陥を減少させることがで
きる。この加熱処理は４５０℃以上の温度であれば効果
を得るとができる。なおこの加熱処理の温度の上限もガ
ラス基板の歪点によって制限される。
理を施すことにより、膜中に欠陥を減少させることがで
きる。この加熱処理は４５０℃以上の温度であれば効果
を得るとができる。なおこの加熱処理の温度の上限もガ
ラス基板の歪点によって制限される。
【００５７】こうして、図３（Ｄ）に示す結晶性珪素膜
３０５を得ることができる。本実施例では、出発膜であ
る非晶質珪素膜１０３の厚さを５００Åとした。従っ
て、加熱処理によって結晶化された結晶性珪素膜の厚さ
も約５００Åである（実際には結晶化の際、膜は縮むが
無視できる）。このような薄い珪素膜にレーザー光を照
射した場合、膜の下層領域までレーザー光のエネルギー
が十分に供給され、膜厚方向においてそれ程バラツキの
無いアニールを施すことができる。即ち、厚さ方向に均
一に結晶化を行うことができる。
３０５を得ることができる。本実施例では、出発膜であ
る非晶質珪素膜１０３の厚さを５００Åとした。従っ
て、加熱処理によって結晶化された結晶性珪素膜の厚さ
も約５００Åである（実際には結晶化の際、膜は縮むが
無視できる）。このような薄い珪素膜にレーザー光を照
射した場合、膜の下層領域までレーザー光のエネルギー
が十分に供給され、膜厚方向においてそれ程バラツキの
無いアニールを施すことができる。即ち、厚さ方向に均
一に結晶化を行うことができる。
【００５８】また、このような５００Åという薄い珪素
膜にレーザー光を照射した場合、レーザー光の照射後、
その表面が図４に示すような凹凸になることが確かめら
れている。図４は図３（Ｃ）に示すレーザー光の照射後
（図３（Ｄ）に示す状態）にＡＦＭ（Atomic force Mic
roscope)（原子間力顕微鏡）によって結晶性珪素膜３０
５の表面を観察した場合の写真である。また図５は図４
に示される結晶性珪素膜の表面を移したＳＥＭ(Scannig
Electron Microscope) （走査型電子顕微鏡）の写真で
ある。
膜にレーザー光を照射した場合、レーザー光の照射後、
その表面が図４に示すような凹凸になることが確かめら
れている。図４は図３（Ｃ）に示すレーザー光の照射後
（図３（Ｄ）に示す状態）にＡＦＭ（Atomic force Mic
roscope)（原子間力顕微鏡）によって結晶性珪素膜３０
５の表面を観察した場合の写真である。また図５は図４
に示される結晶性珪素膜の表面を移したＳＥＭ(Scannig
Electron Microscope) （走査型電子顕微鏡）の写真で
ある。
【００５９】図４に示される結晶性珪素膜３０５の表面
写真によると、凹凸の工程差は１００Å〜７００Å程度
であることが分かる。また凸の先端（頂上部分）は丸
く、凡そ１０Å以上の曲率半径を有し、さらに凹部の底
部（窪みの部分）が凸部の先端部に比較してさらに大き
な曲率半径を有している（凸部の先端部よりまるい）こ
とが分かる。
写真によると、凹凸の工程差は１００Å〜７００Å程度
であることが分かる。また凸の先端（頂上部分）は丸
く、凡そ１０Å以上の曲率半径を有し、さらに凹部の底
部（窪みの部分）が凸部の先端部に比較してさらに大き
な曲率半径を有している（凸部の先端部よりまるい）こ
とが分かる。
【００６０】図４に示されるような表面を有する結晶性
珪素薄膜で薄膜トランジスタを構成すると、高い特性を
得られることが判明している。
珪素薄膜で薄膜トランジスタを構成すると、高い特性を
得られることが判明している。
【００６１】〔実施例２〕本実施例は、実施例１で得ら
れた結晶性珪素膜を用いてＮチャネル型の薄膜トランジ
スタを作製する例を示す。
れた結晶性珪素膜を用いてＮチャネル型の薄膜トランジ
スタを作製する例を示す。
【００６２】まず図３に示す工程に従って、下地膜１０
２が形成されたガラス基板１０１（コーニング７０５
９）上に厚さ５００Åの結晶性珪素膜３０５を形成す
る。（図６（Ａ））
２が形成されたガラス基板１０１（コーニング７０５
９）上に厚さ５００Åの結晶性珪素膜３０５を形成す
る。（図６（Ａ））
【００６３】そして、ゲイト絶縁膜として機能する酸化
珪素膜１０５を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で
成膜する。さらにスカンジウムを含有したアルミニウム
膜を６０００Åの厚さに成膜し、パターニングを施すこ
とにより、アルミニウムを主成分とするゲイト電極６０
１を形成する。ゲイト電極６０１を形成したら、電解溶
液中においてゲイト電極６０１を陽極とした陽極酸化を
行い酸化物層６０２を２０００Åの厚さに形成する。こ
の酸化物層６０２は、後の不純物イオン工程においてオ
フセット領域を形成するためのマスクとなる。（図６
（Ｂ））
珪素膜１０５を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で
成膜する。さらにスカンジウムを含有したアルミニウム
膜を６０００Åの厚さに成膜し、パターニングを施すこ
とにより、アルミニウムを主成分とするゲイト電極６０
１を形成する。ゲイト電極６０１を形成したら、電解溶
液中においてゲイト電極６０１を陽極とした陽極酸化を
行い酸化物層６０２を２０００Åの厚さに形成する。こ
の酸化物層６０２は、後の不純物イオン工程においてオ
フセット領域を形成するためのマスクとなる。（図６
（Ｂ））
【００６４】次にソース／ドレイン領域を形成するため
の不純物イオンとして、リンイオンの注入をプラズマド
ーピング法またはイオン注入法によって行う。この工程
において、ソース領域１０８とドレイン領域１１２とが
自己整合的に形成される。また同時にチャネル形成領域
１１０とオフセットゲイト領域１０９、１１１とが形成
される。オフセットゲイト領域１０９、１１１は、ゲイ
ト電極６０１の周囲の酸化物層６０２がマスクとなるこ
とによって形成される。
の不純物イオンとして、リンイオンの注入をプラズマド
ーピング法またはイオン注入法によって行う。この工程
において、ソース領域１０８とドレイン領域１１２とが
自己整合的に形成される。また同時にチャネル形成領域
１１０とオフセットゲイト領域１０９、１１１とが形成
される。オフセットゲイト領域１０９、１１１は、ゲイ
ト電極６０１の周囲の酸化物層６０２がマスクとなるこ
とによって形成される。
【００６５】さらにレーザー光の照射を行うことによっ
て、不純物イオンが注入されたソース領域１０８とドレ
イン領域１１２との再結晶化（不純物イオンの注入によ
って非晶質化されている）と注入された不純物の活性化
を行う。（図６（Ｃ））
て、不純物イオンが注入されたソース領域１０８とドレ
イン領域１１２との再結晶化（不純物イオンの注入によ
って非晶質化されている）と注入された不純物の活性化
を行う。（図６（Ｃ））
【００６６】この工程においても、活性層１０４の厚さ
が５００Åと薄いので、レーザー光の照射によって、効
果的にソース／ドレイン領域の再結晶化と不純物の活性
化とを行うことができる。この工程において、試料を４
５０℃〜５５０℃程度の温度に加熱しつつ、レーザー光
を照射するは効果的である。また、レーザー光の照射で
なはく、強光（例えば赤外光）を照射するのでもよい。
しかし、レーザー光を照射する場合に比較して、その効
果は低いものとなる。
が５００Åと薄いので、レーザー光の照射によって、効
果的にソース／ドレイン領域の再結晶化と不純物の活性
化とを行うことができる。この工程において、試料を４
５０℃〜５５０℃程度の温度に加熱しつつ、レーザー光
を照射するは効果的である。また、レーザー光の照射で
なはく、強光（例えば赤外光）を照射するのでもよい。
しかし、レーザー光を照射する場合に比較して、その効
果は低いものとなる。
【００６７】次に層間絶縁膜として酸化珪素膜１１３を
プラズマＣＶＤ法により、６０００Åの厚さに成膜す
る。さらにコンタクトホールの形成を行い、ソース電極
１１４とドレイン電極１１５を形成する。最後に３５０
℃の水素雰囲気中において加熱処理を行い、薄膜トラン
ジスタを完成させる。（図６（Ｄ））
プラズマＣＶＤ法により、６０００Åの厚さに成膜す
る。さらにコンタクトホールの形成を行い、ソース電極
１１４とドレイン電極１１５を形成する。最後に３５０
℃の水素雰囲気中において加熱処理を行い、薄膜トラン
ジスタを完成させる。（図６（Ｄ））
【００６８】本実施例において作製された薄膜トランジ
スタＮチャネル型であり、移動度がバラツキなく１００
ｃｍ2 ／Ｖｓ以上得られるという高性能及び高歩留りを
有し、また作製に際する歩留りも高いことが判明してい
る。これは、実施例１に示したような方法によって得ら
れた結晶性珪素膜を用いた活性層の結晶性が良好である
ことを第１の要因として挙げることができる。また、凹
凸の凹部の底部分が丸みを有しているので、キャリアの
移動に際しての散乱等がないことも他の要因として挙げ
ることができる。
スタＮチャネル型であり、移動度がバラツキなく１００
ｃｍ2 ／Ｖｓ以上得られるという高性能及び高歩留りを
有し、また作製に際する歩留りも高いことが判明してい
る。これは、実施例１に示したような方法によって得ら
れた結晶性珪素膜を用いた活性層の結晶性が良好である
ことを第１の要因として挙げることができる。また、凹
凸の凹部の底部分が丸みを有しているので、キャリアの
移動に際しての散乱等がないことも他の要因として挙げ
ることができる。
【００６９】また、実施例１で得られた薄膜珪素半導体
膜は、その凹凸を有する表面の凸部の頂上が尖っておら
ず、１０Å程度以上の曲率を有す丸みを有しているの
で、凸部の頂上に電界が集中することがなく、薄膜トラ
ンジスタの活性層として場合に、ゲイト絶縁膜を通して
の絶縁破壊が起こりにくいという点もその特性の良さや
高歩留りに寄与していると考えられる。
膜は、その凹凸を有する表面の凸部の頂上が尖っておら
ず、１０Å程度以上の曲率を有す丸みを有しているの
で、凸部の頂上に電界が集中することがなく、薄膜トラ
ンジスタの活性層として場合に、ゲイト絶縁膜を通して
の絶縁破壊が起こりにくいという点もその特性の良さや
高歩留りに寄与していると考えられる。
【００７０】〔実施例３〕本実施例は、珪素の結晶化を
助長する金属元素を非晶質珪素膜の特定の領域に導入す
ることにより、当該領域から膜に平行な方向に結晶成長
（横成長またはラテラル成長という）させる例に関す
る。
助長する金属元素を非晶質珪素膜の特定の領域に導入す
ることにより、当該領域から膜に平行な方向に結晶成長
（横成長またはラテラル成長という）させる例に関す
る。
【００７１】図７（Ａ）にガラス基板１０１上に結晶性
珪素膜を形成するまでの工程を示す。まずガラス基板１
０１上に下地膜として酸化珪素膜１０２をスパッタ法に
より３０００Åの厚さに成膜する。次に非晶質珪素膜１
０３を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法または減圧熱
ＣＶＤ法で形成する。
珪素膜を形成するまでの工程を示す。まずガラス基板１
０１上に下地膜として酸化珪素膜１０２をスパッタ法に
より３０００Åの厚さに成膜する。次に非晶質珪素膜１
０３を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法または減圧熱
ＣＶＤ法で形成する。
【００７２】次にレジストを用いてマスク７０１を形成
する。このマスク７０１は酸化珪素膜や窒化珪素膜で形
成するのでもよい。このマスクは７００で示す領域で非
晶質珪素膜１０３を露呈する構造となっている。この７
００で示される非晶質珪素膜が露呈した領域は、図面の
手前方向から奥手方向へと長手方向を有する長方形を有
している。（図７（Ａ））
する。このマスク７０１は酸化珪素膜や窒化珪素膜で形
成するのでもよい。このマスクは７００で示す領域で非
晶質珪素膜１０３を露呈する構造となっている。この７
００で示される非晶質珪素膜が露呈した領域は、図面の
手前方向から奥手方向へと長手方向を有する長方形を有
している。（図７（Ａ））
【００７３】マスク７０１の形成後、珪素の結晶化を助
長する金属元素を非晶質珪素膜１０３に導入する。ここ
では、金属元素としてニッケルを用いる。またニッケル
元素は、ニッケル酢酸塩溶液を用いて非晶質珪素膜に導
入する。即ち、ニッケルを含んだ溶液を用いて、非晶質
珪素膜の表面にニッケル元素の導入を行う。
長する金属元素を非晶質珪素膜１０３に導入する。ここ
では、金属元素としてニッケルを用いる。またニッケル
元素は、ニッケル酢酸塩溶液を用いて非晶質珪素膜に導
入する。即ち、ニッケルを含んだ溶液を用いて、非晶質
珪素膜の表面にニッケル元素の導入を行う。
【００７４】具体的には、図７（Ａ）に示すように、ま
ずニッケル酢酸塩溶液を滴下し水膜３０２を形成する。
次にスピナー３０１を用いてスピンコートを行う。こう
して７００で示される領域（非晶質珪素膜１０３が露呈
した領域）に珪素の結晶化を助長する金属元素であるニ
ッケル元素を導入する。
ずニッケル酢酸塩溶液を滴下し水膜３０２を形成する。
次にスピナー３０１を用いてスピンコートを行う。こう
して７００で示される領域（非晶質珪素膜１０３が露呈
した領域）に珪素の結晶化を助長する金属元素であるニ
ッケル元素を導入する。
【００７５】こうして図７（Ｂ）に示す状態を得ること
ができる。この状態においては、非晶質珪素膜１０３の
一部に接して７０２で示される極薄いニッケルの層、ま
たは極薄いニッケルを含んだ層が形成された状態とな
る。
ができる。この状態においては、非晶質珪素膜１０３の
一部に接して７０２で示される極薄いニッケルの層、ま
たは極薄いニッケルを含んだ層が形成された状態とな
る。
【００７６】その後レジストマスク７０１を取り除く。
さらに５５０℃、４時間の加熱処理を施す。この加熱処
理工程において、矢印７０３で示されるような基板１０
１に平行な方向に結晶成長が行われる。これは、ニッケ
ルの層またはニッケルを含有した層７０２からニッケル
が拡散していくことによって行われる。（図７（Ｃ））
さらに５５０℃、４時間の加熱処理を施す。この加熱処
理工程において、矢印７０３で示されるような基板１０
１に平行な方向に結晶成長が行われる。これは、ニッケ
ルの層またはニッケルを含有した層７０２からニッケル
が拡散していくことによって行われる。（図７（Ｃ））
【００７７】さらに図７（Ｄ）に７０３で示されるよう
な結晶成長が行われた領域に対してレーザー光を照射す
ることによって、結晶性をさらに助長させる。このレー
ザー光の照射において、珪素膜の厚さが５００Å程度で
あるので、レーザー光のエネルギーが十分に供給され、
その結晶化を十分なものとすることができる。得られた
結晶性珪素膜の表面は、図４や図５に示すのと同様な状
態を有している。
な結晶成長が行われた領域に対してレーザー光を照射す
ることによって、結晶性をさらに助長させる。このレー
ザー光の照射において、珪素膜の厚さが５００Å程度で
あるので、レーザー光のエネルギーが十分に供給され、
その結晶化を十分なものとすることができる。得られた
結晶性珪素膜の表面は、図４や図５に示すのと同様な状
態を有している。
【００７８】本実施例に示す基板に平行な方向に結晶成
長した領域を用いて薄膜トランジスタを形成した場合、
以下に示すような有意性を得ることができる。即ち、結
晶成長の方向に沿ってキャリアが移動するように、ソー
ス／ドレイン領域を結晶成長が行われた方向に沿って配
置することにより、キャリアの移動が結晶粒界の影響を
受けにくい構成とすることができ、高い特性を得ること
ができる。
長した領域を用いて薄膜トランジスタを形成した場合、
以下に示すような有意性を得ることができる。即ち、結
晶成長の方向に沿ってキャリアが移動するように、ソー
ス／ドレイン領域を結晶成長が行われた方向に沿って配
置することにより、キャリアの移動が結晶粒界の影響を
受けにくい構成とすることができ、高い特性を得ること
ができる。
【００７９】〔実施例４〕本実施例は、ガラス基板上の
形成された非晶質珪素膜をレーザー光の照射のみで結晶
化させる場合の例を示す。前述したように、レーザー光
の照射のみで大面積の結晶性珪素薄膜を得ることは、均
一性における問題があるため、あまり実用的な方法でな
い。しかし、基板の面積が小さい場合や、大出力のレー
ザー発振装置を用いた場合には実用になる。大出力のレ
ーザー発振装置を用いる場合は、レーザーパワーを絞
り、また光学系を工夫することにより、大面積に対して
安定した出力でレーザー光を照射することができる。
形成された非晶質珪素膜をレーザー光の照射のみで結晶
化させる場合の例を示す。前述したように、レーザー光
の照射のみで大面積の結晶性珪素薄膜を得ることは、均
一性における問題があるため、あまり実用的な方法でな
い。しかし、基板の面積が小さい場合や、大出力のレー
ザー発振装置を用いた場合には実用になる。大出力のレ
ーザー発振装置を用いる場合は、レーザーパワーを絞
り、また光学系を工夫することにより、大面積に対して
安定した出力でレーザー光を照射することができる。
【００８０】本実施例では、まずガラス基板上に酸化珪
素膜の下地膜を形成し、しかる後に非晶質珪素膜を８０
０Å以下の厚さ、例えば５００Åの厚さに成膜し。さら
にレーザー光の照射を行うことによって、結晶性珪素膜
を得ればよい。
素膜の下地膜を形成し、しかる後に非晶質珪素膜を８０
０Å以下の厚さ、例えば５００Åの厚さに成膜し。さら
にレーザー光の照射を行うことによって、結晶性珪素膜
を得ればよい。
【００８１】
【発明の効果】１５０Å〜８００Åの厚さを有する珪素
膜に対してレーザー光を照射することで、歩留り良く、
結晶性の優れた結晶性珪素膜を得ることができる。そし
てこの結晶性珪素膜を用いることで、特性に優れ、歩留
りの良い薄膜トランジスタを得ることができる。
膜に対してレーザー光を照射することで、歩留り良く、
結晶性の優れた結晶性珪素膜を得ることができる。そし
てこの結晶性珪素膜を用いることで、特性に優れ、歩留
りの良い薄膜トランジスタを得ることができる。
【図１】 従来における薄膜トランジスタの作製工程を
示す。
示す。
【図２】 従来における薄膜トタンジスタの構成を示
す。
す。
【図３】 結晶珪素膜の作製工程を示す。
【図４】 薄膜を示す写真を示す。
【図５】 薄膜を示す写真を示す。
【図６】 薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【図７】 結晶性珪素膜の作製工程を示す。
１０１ ガラス基板 １０２ 酸化珪素膜（下地膜） １０３ 非晶質珪素膜 １０４ 活性層（結晶性珪素膜） １０５ ゲイト絶縁膜（酸化珪素
膜） １０６ ゲイト電極 １０８ ソース領域 １１０ チャネル形成領域 １１２ ドレイン領域 １１３ 層間絶縁膜（酸化珪素
膜） １１４ ソース電極 １１５ ドレイン電極 ２０１ ゲイト電極側面のゲイト
絶縁膜 ３０１ スピナー ３０２ 水膜（ニッケル酢酸塩溶
液） ３０３ ニッケルの膜またはニッ
ケルを含有した膜 ３０４ 結晶性珪素膜 ３０５ レーザー光の照射により
さらに結晶化の助長された結晶性珪素膜 ６０１ アルミニウムを主成分と
するゲイト電極 ６０２ 酸化物層 ７００ 非晶質珪素膜１０３が露
呈した領域 ７０１ レジストマスク ７０２ ニッケルの膜またはニッ
ケルを含有した膜 ７０３ 結晶成長方向 ７０４ 結晶化した領域 ７０５ 残存した非晶質領域
膜） １０６ ゲイト電極 １０８ ソース領域 １１０ チャネル形成領域 １１２ ドレイン領域 １１３ 層間絶縁膜（酸化珪素
膜） １１４ ソース電極 １１５ ドレイン電極 ２０１ ゲイト電極側面のゲイト
絶縁膜 ３０１ スピナー ３０２ 水膜（ニッケル酢酸塩溶
液） ３０３ ニッケルの膜またはニッ
ケルを含有した膜 ３０４ 結晶性珪素膜 ３０５ レーザー光の照射により
さらに結晶化の助長された結晶性珪素膜 ６０１ アルミニウムを主成分と
するゲイト電極 ６０２ 酸化物層 ７００ 非晶質珪素膜１０３が露
呈した領域 ７０１ レジストマスク ７０２ ニッケルの膜またはニッ
ケルを含有した膜 ７０３ 結晶成長方向 ７０４ 結晶化した領域 ７０５ 残存した非晶質領域
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｒ 29/786 21/336
Claims (14)
- 【請求項１】結晶性を有する珪素膜を用いた半導体装置
であって、 前記珪素膜の平均膜厚は１５０Å〜８００Åであり、 前記珪素膜の表面は凹凸を有し、 前記凹凸は高低差が１００Å〜７００Åであることを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項２】請求項１において、珪素膜表面の凹凸の凸
部の先端は１０Å以上の曲率半径を有した丸みを有して
いることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】請求項１において、 珪素膜中には、珪素の結晶化を助長する金属元素が１×
１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3の濃度で含まれている
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項４】請求項１において、 珪素膜中には、珪素の結晶化を助長する金属元素が１×
１０16ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3の濃度で含まれている
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項５】請求項３または請求項４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、Ａｕから
選ばれた一種または複数種類の元素が用いられているこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項６】結晶性を有する珪素膜を用いた半導体装置
であって、 前記珪素膜の平均膜厚は１５０Å〜８００Åであり、 前記珪素膜の表面は凹凸を有し、 前記凹凸は高低差が１００Å〜７００Åであり、 前記珪素膜は基板に平行な方向に結晶成長した領域を有
し、 前記半導体装置の活性層は、前記基板に平行な方向に結
晶成長した領域を用いて構成されていることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項７】請求項６において、 珪素膜中には、珪素の結晶化を助長する金属元素が１×
１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3の濃度で含まれている
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項８】請求項６において、 珪素膜中には、珪素の結晶化を助長する金属元素が１×
１０16ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3の濃度で含まれている
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項９】請求項７または請求項８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、Ａｕから
選ばれた一種または複数種類の元素が用いられているこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項１０】絶縁表面を有する基板上に１５０Å〜８
００Åの厚さを有する珪素膜を形成する工程と、 前記珪素膜にレーザー光を照射する工程と、 を有し、 前記レーザー光を照射する工程により、 高低差が１００Å〜７００Åである凹凸を有し、かつ結
晶性を有する珪素膜を得ることを特徴とする半導体装置
の作製方法。 - 【請求項１１】絶縁表面を有する基板上に１５０Å〜８
００Åの厚さを有する非晶質珪素膜を形成する工程と、 前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を
導入する工程と、 加熱処理を施す工程と、 前記珪素膜にレーザー光を照射する工程と、 を有し、 前記レーザー光を照射する工程により、 高低差が１００Å〜７００Åである凹凸を有し、かつ結
晶性を有する珪素膜を得ることを特徴とする半導体装置
の作製方法。 - 【請求項１２】請求項１１において、珪素の結晶化を助
長する金属元素は非晶質珪素膜中における濃度が１×１
０16ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3となるように導入される
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項１３】請求項１１において、珪素の結晶化を助
長する金属元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐ
ｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種ま
たは複数種類の元素が用いられることを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項１４】結晶性を有する珪素膜を用いた半導体装
置であって、 前記珪素膜の平均膜厚は１５０Å〜８００Åであり、 前記珪素膜の表面は凹凸を有し、 前記凹凸の高低差は前記平均膜厚の５０％〜１００％で
あることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27036694A JP3942651B2 (ja) | 1994-10-07 | 1994-10-07 | 半導体装置の作製方法 |
| US08/539,180 US5621224A (en) | 1994-10-07 | 1995-10-05 | Semiconductor device including a silicon film having an irregular surface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27036694A JP3942651B2 (ja) | 1994-10-07 | 1994-10-07 | 半導体装置の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08111379A true JPH08111379A (ja) | 1996-04-30 |
| JP3942651B2 JP3942651B2 (ja) | 2007-07-11 |
Family
ID=17485269
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27036694A Expired - Fee Related JP3942651B2 (ja) | 1994-10-07 | 1994-10-07 | 半導体装置の作製方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
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