JPH1012889A - 半導体薄膜および半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 実質的に単結晶と見なせる半導体履薄膜を形
成し、かかる半導体薄膜を用いて高性能な半導体装置を
作製することを目的とする。 【構成】 加熱処理等により形成した結晶性珪素膜に対
して、さらに高い熱酸化工程を行うことで実質的に単結
晶と見なせる領域を有する結晶性珪素膜を得ることがで
きる。かかる珪素膜はエネルギーバンドギャップ（Ｅ
ｇ）が1.3 〜1.9eVであり、単結晶珪素膜とは異なるＥ
ｇを有していることに大きな特徴がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
絶縁表面を有する基体上に形成された半導体薄膜および
その半導体薄膜を利用して形成した半導体装置に関す
る。特に、半導体薄膜としては、結晶性を有する珪素膜
に関する。

【０００２】また、上記半導体装置として代表的には薄
膜トランジスタ（ＴＦＴ）が知られており、前記薄膜ト
ランジスタは液晶表示装置ならびにＥＬ装置、ＣＬ装置
等を構成することができる。

【０００３】

【従来の技術】SOI 技術を用いて単結晶珪素膜の上にＴ
ＦＴの活性層を構成する技術が知られているが、その単
結晶の膜厚は均一性および制御性の問題から1 μｍまた
はそれ以上が必要であった。また、この様なSOI 技術を
用いて形成した珪素膜のエネルギーバンドギャップ（以
後、単にＥｇと記載する）は単結晶珪素膜のバルクＥｇ
とほぼ等しく約1.1eV である。

【０００４】ここで例えば、図２（Ａ）に示す様にSOI
技術を用いたＴＦＴの活性層が導電層（Ｎ型層２０１ま
たはＰ型層２０２）とチャネルを形成するＩ層（真性半
導体層）２０３とで構成される場合を考える。この時、
破線で示したフェルミレベルを合わせるために接合部の
バンドが曲がり、Ｉ層２０３と導電層２０１、２０２と
の間にバンド差が生じる。

【０００５】この場合、導電層２０１、２０２とＩ層２
０３との間のエネルギーバンド差は例えば0.5eV 前後と
小さいため、ゲイト電極に電圧が印加されていない時
（無電界時）にもキャリアの移動が比較的容易に行われ
る。

【０００６】即ち、横軸にゲイト電圧（Ｖｇ）、縦軸に
ソース／ドレイン間を流れる電流（Ｉｄ）をとったグラ
フを見ると、Ｎチャネル型ＴＦＴのId-Vg 特性２０４は
マイナス側に、Ｐチャネル型ＴＦＴのId-Vg 特性２０５
はプラス側にしきい値がシフトしてノーマリオンの状態
となっている。

【０００７】ＴＦＴの電気特性がノーマリオンの状態と
なる場合、いわゆるデプレッション型ＴＦＴとなる。こ
の様なデプレッション型ＴＦＴは常にＴＦＴがオン状態
にあるという特徴がある。逆に、ＴＦＴが常にオフ状
態、即ちノーマリオフのタイプをエンハンスメント型Ｔ
ＦＴと呼ぶ。しかし上述の理由により、SOI 構造におい
てチャネル形成領域を真性半導体で形成しようとする
と、必然的にデプレッション型ＴＦＴとなってしまって
いた。

【０００８】そのため、エンハンスメント型ＴＦＴを作
製するためには、図４（Ｂ）に示す様に、導電層がＮ型
層２０６ならばＰ型の、導電層がＰ型層２０７ならばＮ
型の導電性を付与する不純物をチャネル領域２０８に対
して注入し、しきい値制御を行うことがなされてきた。

【０００９】その結果、図４（Ｂ）に示す様に、導電層
２０６、２０７とＩ層２０８との間のエネルギーバンド
差は例えば0.7eV 前後と広がり、キャリアの移動にとっ
て十分な障壁とすることができる。即ち、Ｎチャネル型
ＴＦＴのId-Vg 特性２０９はプラス側に、Ｐチャネル型
ＴＦＴのId-Vg 特性２１０はマイナス側にしきい値がシ
フトしてノーマリオフの状態とすることができる。

【００１０】以上の様に、SOI 技術を利用してエンハン
スメント型ＴＦＴを作製する場合、チャネル領域に不純
物を注入する必要があるためイオン注入工程が増えるな
どの多少のデメリットは止むを得ないのが現状であっ
た。

【００１１】また、活性層の膜厚が厚い場合にはパンチ
スルー現象や短チャネル効果などによりＴＦＴの特性が
劣化し易いことが知られている。これを解決するために
は活性層の膜厚を薄くすることが効果的であるという報
告もなされているが、そのためには500 Å程度以下の膜
厚にする必要があり、前述の様にSOI 技術での達成は極
めて困難なことであった。

【００１２】

【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、SOI 技術以外の方法で単結晶に匹敵する結晶性を
有する半導体薄膜を形成し、上記問題点の解決を図るこ
とを課題とする。また、前記半導体薄膜を利用して、優
れた電気特性を有する高性能な半導体装置を形成する技
術を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
の構成は、絶縁性を有する基板上に形成された半導体薄
膜であって、前記半導体薄膜は実質的に単結晶と見なせ
る領域を有する珪素膜であり、前記珪素膜のエネルギー
バンドギャップは室温で1.3 〜1.9eV であることを特徴
とする。また、その珪素膜の膜厚は100 〜850 Åの範囲
である。

【００１４】上記の様な半導体薄膜を利用して形成され
た活性層は、従来例で述べた様なSOI 技術の問題点を解
決し得る優れた性能を有するものとなる。その理由につ
いて以下に説明する。

【００１５】まず第１に、本発明が示す様な構成でなる
結晶性を有する珪素膜（結晶性珪素膜）の膜厚は100 〜
850 Åの薄膜として形成することができる点である。結
晶性珪素膜を得るには、非晶質珪素膜を結晶化しても良
いし、結晶性珪素膜を直接基板上に成膜しても良い。

【００１６】本発明は100 〜850 Å厚の珪素薄膜に、実
質的に単結晶と見なせる領域を形成することが可能であ
るので、SOI 技術における問題であった膜厚に起因する
パンチスルー現象や短チャネル効果を低減することがで
きる。

【００１７】なお、実質的に単結晶と見なせる領域とい
う意味は、その領域においてキャリアの移動を妨げる様
な障壁が存在しないということである。即ち、実質的に
粒界が存在しないとも言い換えられる。

【００１８】また、本発明の注目すべき特徴は珪素膜の
エネルギーバンドギャップ（Ｅｇ）に着目した点であ
る。室温（10〜30℃) においてＥｇが1.3 〜1.9eV （好
ましくは、1.4 〜1.7eV ) であることは次の様な利点を
奏する。

【００１９】図１（Ａ）に示す様に、本発明によるＴＦ
Ｔの活性層が導電層（Ｎ型層１０１またはＰ型層１０
２）とチャネルを形成するＩ層（真性半導体層）１０３
とで構成される場合を考える。ただし、図２に示した従
来例とは異なり、珪素膜のＥｇが1.3 〜1.9eV の間、例
えば1.4eV であるとする。

【００２０】この場合、導電層１０１、１０２Ｉ層１０
３との間のエネルギーバンド差は、例えば0.7eV 前後と
従来例で述べたSOI 技術を利用した場合と比べて大きい
ため、無電界時においてもキャリアの移動は行われな
い。

【００２１】即ち、チャネルを形成する領域がＩ層（真
性半導体層）であってもノーマリオフの状態を確保する
ＴＦＴを実現することが可能となる。本発明者らの知見
によると、Ｅｇが1.3eV 以上、好ましくは1.4eV 以上で
あればこの様な効果を得ることができる。

【００２２】ただし、ここで言うエネルギーバンドギャ
ップ（Ｅｇ）は、光学吸収スペクトルを測定することに
より珪素膜の実効透過率の光波長依存性を求め、前記実
効透過率が減少し始める吸収端における光波長の値をＥ
＝ｈｃ／λで表される式を用いてエネルギー値に変換し
て算出される値で定義される。

【００２３】また、他の発明の構成は、絶縁性を有する
基板上に形成された半導体装置であって、前記半導体装
置の活性層を構成する半導体薄膜は実質的に単結晶と見
なせる領域を有する珪素膜であり、前記珪素膜のエネル
ギーバンドギャップは室温で1.3 〜1.9eV であることを
特徴とする。

【００２４】この様な半導体装置の概略の構造は図１
（Ｂ）に示す様になる。半導体装置の詳細な構造の説明
は実施例に譲るとして、注目すべきは活性層の膜厚が10
0 〜850 Åの範囲である点である。勿論、それ以上の膜
厚で構成することも可能なのだが、好ましくは500 Å以
下の膜厚に抑えると良い。

【００２５】この活性層はソース／ドレイン領域となる
Ｎ型層またはＰ型層１０４、１０５とでチャネル形成領
域となるＩ層１０６を挟み込んだ構造となっている。本
発明が示す半導体装置は、単結晶に匹敵する結晶性を有
する珪素膜を、100 〜850 Åという薄さで形成して活性
層とするものであるため、極めて優れた電気特性を有す
る特徴がある。

【００２６】また、チャネル形成領域となるＩ層１０６
のエネルギーバンドギャップ（Ｅｇ）が1.3 〜1.9eV と
単結晶珪素膜と比較して大きいため、SOI 技術によった
場合に問題となるしきい値制御を行うことなくノーマリ
オフの薄膜トランジスタを形成することができる。

【００２７】以上に示した構成でなる本発明について、
以下に記載する実施例でもって詳細な説明を行うことと
する。

【００２８】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例では単結晶に匹敵する結晶性を有
する半導体薄膜の形成およびその物性に関しての説明を
行う。具体的には結晶性に優れた結晶性珪素膜に関して
本発明者らが得た知見についての説明を行う。

【００２９】なお、本発明者らは単結晶に匹敵する結晶
性を有する半導体薄膜の形成方法として既に特開平6-64
834 号公報記載の技術を開示している。本実施例で作製
する方法はその技術に比較的高温の熱酸化工程を加える
ことで別の付加価値を与えてさらに結晶性を向上させる
ものである。

【００３０】まず、半導体薄膜の形成過程を図３を用い
て説明する。図３（Ａ）において、３０１は絶縁表面を
有する基板である。ただし、後の結晶化工程の際の加熱
工程を考慮して耐熱性に優れた石英基板などを用いるこ
とが好ましい。また、石英基板３０１上には下地膜３０
２として酸化珪素膜を成膜しておく。

【００３１】次に、非晶質珪素膜３０３を減圧熱ＣＶＤ
法により1000Åの厚さに成膜する。後の熱酸化工程にお
いて膜減りが起こるので、その辺りを計算に入れて所望
の膜厚よりも厚めに形成しておくと良い。

【００３２】こうして図３（Ａ）に示す状態が得られ
る。図３（Ａ）に示す状態が得られたら、加熱処理また
はレーザーアニール処理もしくは両者を併用した手段に
より前記非晶質珪素膜の結晶化を行う。

【００３３】本実施例では、本発明者らによる特開平6-
232059号公報や特開平7-321339号公報記載の技術を用い
て結晶化を行う。これらの技術は金属元素（例えばニッ
ケル元素）を保持した状態で500 〜700 ℃、代表的には
600 〜650 ℃の温度範囲で、1 〜24hr、代表的には4 〜
12程度の加熱処理を行うことで結晶性に優れた珪素膜を
得るものである。

【００３４】まず、図３（Ａ）に示す状態において、非
晶質珪素膜３０３の表面に対してＵＶ光の照射を行い、
図示しない薄い酸化膜を形成する。この酸化膜は後のニ
ッケル塩溶液を塗布する際に膜面の濡れ性を改善する目
的がある。

【００３５】そして、図示しない酸化膜上に重量換算で
10ppm のニッケル元素を含む様に調節した酢酸ニッケル
塩溶液を滴下し、スピンコート法により薄いニッケル含
有層２０４を形成する。（図３（Ｂ））

【００３６】図３（Ｂ）に示す状態が得られたら、加熱
処理を行って非晶質珪素膜３０３の結晶化を行い、結晶
性珪素膜３０５を得る。本実施例ではこの加熱処理の温
度は600 ℃、処理時間は4hr とする。（図３（Ｃ））

【００３７】この様にして得られた結晶性珪素膜３０５
は、上記公報に記載の技術を用いない場合に比べて優れ
た結晶性を有する。また、本発明者らの知見によると、
加熱処理により結晶化させた後にレーザーアニール処理
を行うことで、さらに結晶性を向上させることが可能で
ある。

【００３８】しかし、本発明はさらに結晶性を高める手
段として比較的高い温度による加熱処理工程を行う。具
体的には、酸素に対して塩素を３％含有させた酸化性雰
囲気において、800 〜1000 ℃、好ましくは950 ℃30mi
n の熱酸化処理を行う。

【００３９】こうして形成された結晶性珪素膜３０６は
個々の結晶粒が大きくなり、その結晶の粒内は極めて優
れた結晶性を有するものとなる。そしてその結晶性は実
質的に単結晶と同等のものであり、本発明者らはこの領
域をモノドメイン領域と呼んでいる。なお、図示してい
ないが結晶性珪素膜３０６の表面には500 Åの厚さに熱
酸化膜が形成される。（図３（Ｄ））

【００４０】この熱酸化処理が結晶性珪素膜３０５に対
して与える効果としては以下の内容が期待できる。 （１）膜中または膜表面に存在する金属元素（ニッケル
等）等の除去 （２）結晶欠陥等の除去による結晶性改善 （３）珪素膜の薄膜化

【００４１】（１）は加熱雰囲気に含まれる塩素のゲッ
タリング効果によるものであり、金属元素の存在に起因
する格子歪や転移などの結晶欠陥の除去に寄与する。ま
た、（２）は比較的高い温度の加熱処理によりシリコン
（珪素）原子の再配列が起こり、格子間の整合性が改善
されることによる。また、（３）は珪素膜が薄膜化する
ことによる様々な利点（短チャネル効果抑制等）に寄与
する効果である。

【００４２】本発明者らが、以上の様にして得られた結
晶性珪素膜を調べた結果、以下に記載する事実が判明し
たので説明する。

【００４３】図４に示したグラフは、本実施例で示した
形成過程を経て得られた結晶性珪素膜の光学吸収スペク
トルを測定した際の実験データを示すものである。図４
において、横軸は通常の可視光領域の光波長であり、縦
軸は膜内を透過する前後における光強度の比をとった実
効透過率（膜面における反射光成分を排除して計算した
透過率）である。なお、珪素膜の膜厚は400 Åと600 Å
の２種類を測定した。

【００４４】本発明者らは、珪素膜内を光が透過する際
には珪素膜のエネルギーバンドギャップ（Ｅｇ）に相当
するエネルギー損失があると考え、Ｅｇ以上のエネルギ
ーを持たない波長領域の光は珪素膜を透過できず、その
結果として透過率は小さくなると推測した。換言すれ
ば、透過率が下がり始める波長領域にある光が、ちょう
ど珪素膜のＥｇに相当するエネルギーを持っていると予
想される。

【００４５】図３において、透過率が下がり始めるのは
光波長が約800nm 以下の領域であり、この800nm という
波長からＥｇを求めると約1.5eV であった。この計算は
アインシュタインの光子エネルギーの式、Ｅｇ＝ｈｃ／
λ（ｈ：プランク定数、ｃ：光速、λ：光波長）から求
めた。

【００４６】即ち、本実施例に従って形成された結晶性
珪素膜のＥｇは約1.5eV であり、それ以上のエネルギー
を持つ波長領域にある光のみが容易に透過することが可
能であると考えられる。

【００４７】この様に、実質的に単結晶と見なせる結晶
性珪素膜のＥｇに着目した点が本発明の注目すべき特徴
となっている。なお、Ｅｇ＝1.3eV （前述の様に、この
値ならば活性層の膜厚が薄くともノーマリオフのＴＦＴ
を実現できる) の場合、先程の光子エネルギーの式から
光波長を求めると約950nm である。そこで本発明者らは
前述の光波長800nm ±150nm の範囲において本発明が有
効であると定義し、本発明のＥｇの上限を1.9eV(光波長
650nm に相当) とした。

【００４８】即ち、本発明の結晶性珪素膜は実質的に単
結晶と見なせるが、そのＥｇが単結晶珪素膜のＥｇ（＝
1.1eV ）よりも大きい、具体的には1.3 〜1.9eV である
点で単結晶とは異なると言えるのである。また、確実に
ノーマリオフを実現できて、なおかつ、しきい値を最小
限に抑えるためには、好ましくは1.4 〜1.7eV であるこ
とが好ましい。

【００４９】従って、本発明が示す様な構成でなる珪素
膜は、絶縁基板上に単結晶に匹敵する結晶性を有する珪
素膜を得るに際して、従来のSOI 技術以上の効果をもた
らすものであり、半導体産業に大きく貢献するものと言
える。

【００５０】〔実施例２〕本実施例では実施例１で示し
た手段により単結晶に匹敵する結晶性を有する半導体薄
膜を形成し、それを活性層として利用した薄膜トランジ
スタの形成過程を図５を用いて説明する。なお、本実施
例では形成過程の一例を示すのみであり、構造および数
値は本実施例に限ったものではない。

【００５１】まず、絶縁性を有した基板５０１の上に、
下地膜５０２として2000Å厚の絶縁膜を成膜する。本実
施例では基板５０１として石英基板を用い、絶縁膜は酸
化珪素（ＳｉＯ₂ ）、酸化窒化珪素（ＳｉＯ_X Ｎ_Y ）、
窒化珪素膜（ＳｉＮ）等をプラズマＣＶＤ法、減圧熱Ｃ
ＶＤ法、スパッタ法等により成膜する。

【００５２】この下地膜５０２の上に実施例１の手段に
従って、実質的に単結晶と見なせる領域（モノドメイン
領域）を有する結晶性珪素膜５０３を形成する。この形
成方法は実施例１で詳細に説明したのでここでの説明は
省略する。こうして図５（Ａ）に示す状態が得られる。

【００５３】なお、５０４で示されるのは950 ℃30min
の熱酸化により形成された500 Å厚の熱酸化膜である。
従って、この時点で珪素膜５０３の膜厚は熱酸化膜５０
４となった分（約250 Å）だけ薄くなっている。

【００５４】次に、熱酸化膜５０４を除去した後、結晶
性珪素膜５０３をパターニングして後に活性層の原型と
なる図示しない島状半導体層を形成する。そして、島状
半導体層を形成したら、塩素を含む酸化性雰囲気におい
て再度の加熱処理（熱酸化工程）を行う。なお、この条
件は実施例１における条件と同じとする。

【００５５】この加熱処理により図示しない島状半導体
層の表面には、後にゲイト絶縁膜として機能する500 Å
の厚さの熱酸化膜５０５が形成される。また、同時に活
性層５０６が画定する。活性層５０６の膜厚はこれまで
行われた２回の熱酸化工程によって薄くなり、最終的な
膜厚は500 Åとなっている。

【００５６】なお、本実施例ではこの熱酸化膜５０５の
みをゲイト絶縁膜として利用するが、この上にさらに酸
化珪素膜や窒化珪素膜等の他の絶縁膜を積層してゲイト
絶縁膜を積層構造とすることも可能である。

【００５７】また、先に活性層５０６を覆って酸化珪素
膜や窒化珪素膜でなるゲイト絶縁膜を成膜し、その後に
塩素を含む酸化性雰囲気における加熱処理を行っても良
い。この場合、ゲイト絶縁膜下の活性層表面で熱酸化が
行われるので極めて良好なSi/SiO₂ 界面を形成できる点
で効果的である。勿論、ゲイト絶縁膜の膜質改善効果も
期待できる。

【００５８】次に、図示しない導電性被膜を2000〜2500
Åの厚さに成膜する。本実施例では、0.2 wt％のスカン
ジウムを含有したアルミニウム膜を用いる。スカンジウ
ムは加熱処理等の際にアルミニウム表面に発生するヒロ
ックやウィスカーといった突起物を抑える効果を持つ。

【００５９】この状態で電解溶液中においてアルミニウ
ム膜の陽極酸化を行う。電解溶液としては、３％の酒石
酸のエチレングリコール溶液をアンモニア水で中和し
て、ＰＨ＝６．９２に調整したものを使用する。また、
白金を陰極として化成電流５ｍＡ、到達電圧１０Ｖとし
て処理する。

【００６０】こうして形成される図示しない薄く緻密な
陽極酸化膜は、後に図示しないアルミニウム膜をパター
ニングする際にフォトレジストとの密着性を高める効果
がある。また、電圧印加時間を制御することで膜厚を制
御できる。

【００６１】次に、図示しないアルミニウム膜をパター
ニングして、ゲイト電極の原型となるアルミニウム膜の
パターン５０７を形成する。こうして図５（Ｂ）に示す
状態が得られる。

【００６２】次に、図５（Ｃ）に示す様に２度目の陽極
酸化を行い、多孔質の陽極酸化膜５０８を形成する。電
解溶液は３％のシュウ酸水溶液とし、白金を陰極として
化成電流２〜３ｍＡ、到達電圧８Ｖとして処理する。こ
の時、パターン５０７上にはパターニングに使用した図
示しないレジストマスクが存在するため、陽極酸化は基
板に対して平行な方向に進行する。また、電圧印加時間
を制御することで多孔質の陽極酸化膜５０８の長さを制
御できる。

【００６３】さらに、アルミニウム膜のパターニングに
使用した図示しないフォトレジストを専用の剥離液で除
去した後、３度目の陽極酸化を行う。この陽極酸化に
は、電解溶液は３％の酒石酸のエチレングリコール溶液
をアンモニア水で中和して、ＰＨ＝６．９２に調整した
ものを使用する。そして、白金を陰極として化成電流５
〜６ｍＡ、到達電圧40〜100 Ｖとして処理する。

【００６４】この際形成される陽極酸化膜５０９は、非
常に緻密、かつ、強固である。そのため、ド−ピング工
程などの後工程で生じるダメージや熱からゲイト電極５
１０を保護する効果を持つ。また、その膜厚は500 〜15
00Åとなる。こうして図５（Ｃ）に示す状態が得られ
る。

【００６５】次いで、イオンドーピング法により、活性
層５０６に対して不純物の注入を行う。例えば、Ｎチャ
ネル型ＴＦＴを作製するならば、不純物としてＰ（リ
ン）イオンを、Ｐチャネル型ＴＦＴを作製するならば、
不純物としてＢ（ボロン）イオンを注入すれば良い。

【００６６】この時、イオン注入は２回に分けて行う。
まず、１回目のイオン注入を図５（Ｃ）に示した状態で
行う。このイオン注入工程では多孔質の陽極酸化膜５０
８等がマスクとなり、後にソース／ドレインとなる領域
５１１、５１２が自己整合的に形成される。

【００６７】さらに、多孔質の陽極酸化膜５０８を除去
して、２回目のドーピングを行う。このイオン注入工程
ではゲイト電極５１０がマスクとなり、ソース領域５１
１、ドレイン領域５１２と比較して不純物濃度の低い、
低濃度不純物領域５１３、５１４が自己整合的に形成さ
れる。また、ゲイト電極３０７の直下は不純物が全く注
入されないため、チャネル形成領域５１５が自己整合的
に形成される。

【００６８】このようにして形成される低濃度不純物領
域５１４は特にＬＤＤ領域と呼ばれ、チャネル領域５１
５とドレイン領域５１２との間に高電界が形成されるの
を抑制する効果を持つ。また、チャネル形成領域５１５
と低濃度不純物領域５１３、５１４との間には、厳密に
は緻密な陽極酸化膜５０９の膜厚分だけのオフセット領
域が形成されるが、その幅が1000Å以下である時は実質
的に機能しない。

【００６９】次いで、ＫｒＦエキシマレーザーを200 〜
300mJ/cm² のエネルギー密度で照射することによって、
イオン注入された不純物イオンの活性化を行なう。な
お、活性化は300 〜450 ℃2hr の熱アニールによっても
良いし、レーザーアニールと熱アニールとを併用しても
良い。

【００７０】以上の様な不純物イオンの注入および活性
化を経て、図５（Ｄ）に示す状態が得られる。次に、層
間絶縁膜５１６をプラズマＣＶＤ法により成膜する。層
間絶縁膜５１６としては、酸化珪素膜、酸化窒化珪素
膜、窒化珪素膜等を用いることができる。また、その膜
厚は0.5 〜1.0 μｍもあれば良い。

【００７１】また、層間絶縁膜５１６としてポリイミド
に代表される有機性樹脂材料を用いることも可能であ
る。このような有機性樹脂材料は被膜形成が簡便であ
り、容易に膜厚を稼ぐことができる上、デバイス形状に
よる凹凸を緩和して優れた平坦表面を実現することが可
能である。

【００７２】第１の層間絶縁膜５１６を成膜したら、ソ
ース領域５１１、ドレイン領域５１２にコンタクトホー
ルを形成して、図示しないアルミニウム膜を3000Åの厚
さに成膜する。次いで、図示しないアルミニウム膜をパ
ターニングして、ソース電極５１７、ドレイン電極５１
８を形成する。

【００７３】最後に、水素雰囲気中において350 ℃1hr
程度の加熱処理を行い、未結合手の水素終端処理を施し
て半導体装置の水素化を行う。こうして図５（Ｅ）に示
す様な構造の半導体装置が完成する。

【００７４】本発明が示す様な図５（Ｅ）に示される半
導体装置は、活性層が実質的に単結晶珪素膜で構成され
ており、Ｅｇが1.3 〜1.9eV 以上と単結晶珪素膜のバル
クＥｇよりも大きいので、極めて優れたスイッチング機
能を備えたものとなる。また、その膜厚が100 〜850 Å
と極めて薄いため、パンチスルーや短チャネル効果など
の劣化を抑制することができる。

【００７５】本実施例に従って本発明者らが作製した図
５（Ｅ）に示される半導体装置の電気特性を図６に示
す。図６（Ａ）はＮチャネル型ＴＦＴの電気特性（Id-V
g 特性) 、図６（Ｂ）はＰチャネル型ＴＦＴの電気特性
を示している。なお、横軸のＶＧはゲイト電圧値、縦軸
のＩＤはソース／ドレイン間を流れる電流値である。ま
た、６０１、６０３で示されるId-Vg 曲線はドレイン電
圧ＶＤ＝１Ｖの時の特性を示し、６０２、６０４で示さ
れるId-Vg 曲線はドレイン電圧ＶＤ＝５Ｖの時の特性を
示している。

【００７６】まず、注目すべきはしきい値のシフトが極
めて小さい点である。６０５、６０６で示される領域は
電流値ＩＤの立ち上がり部分であるが、Ｎチャネル型Ｔ
ＦＴは曲線６０１、６０２のどちらもＶＧ＝−0.5V程度
で立ち上がっている。これは、ゲイト電圧ＶＧ＝０Ｖの
時には殆ど電流が流れず、ノーマリオフの状態となって
いることを示すものである。

【００７７】また、同様に６０６で示される領域におい
て、Ｐチャネル型ＴＦＴでは曲線６０３、６０４のどち
らもＶＧ＝０〜−0.5V程度で立ち上がっている。即ち、
ノーマリオフの状態となっていることが明らかである。

【００７８】ここで、図６（Ａ）、（Ｂ）に示される電
気特性から求めた、薄膜トランジスタの代表的な特性パ
ラメータを表１に示す。なお、パラメータ値は40ポイン
ト測定の平均値でもって表し、そのばらつきを標準偏差
σを用いて示す。また、表１において、L/W ＝8/8 μｍ
とはチャネル長Ｌ、チャネル幅Ｗを表しており、Tox＝5
60 Åとは活性層の膜厚が560 Åであることを示してい
る。

【００７９】

【表１】

【００８０】表１に示したデータはＶＤ＝１Ｖの時の測
定データであるが、オフ電流（Ioff) がＮ型で0.03pA、
Ｐ型で1.65pAと極めて小さい。オフ電流が小さいことは
スイッチング素子としての機能に優れると共に消費電力
が小さいことを示唆している。また、しきい値(Vth) は
Ｎ型で-0.25V、Ｐ型で-1.36Vと小さく、ほぼ問題なくノ
ーマリオフとなっていることが判る。

【００８１】また、本発明が示す半導体装置が実質的に
単結晶でなる活性層を有している事を、サブスレッシュ
ホールド値（Ｓ値）と電界効果移動度（μFE) が明らか
にしている。Ｓ値はＮ型、Ｐ型ともに80mV/decであり、
μFEはＮ型で200cm²/Vs 、Ｐ型で160cm²/Vs である。こ
れらの値は本発明が示す薄膜トランジスタが極めて優れ
た特性を有していることの証拠であり、本発明の効果を
顕著に示していると言える。

【００８２】実際には、Ｓ値が60mV/dec付近の単結晶珪
素と殆ど変わらない特性を有するＴＦＴも存在した。こ
の極めて優れたＳ値を有することも本発明の構成でなる
半導体薄膜の特徴の一つであり、Ｓ値が85mV/dec以下、
好ましくは75mV/dec以下という特徴を有していると言え
る。

【００８３】なお、本発明者らはId-Vg 曲線を測定する
際にゲイト電圧ＶＧを-3V 〜3Vの範囲で変化させ、その
ゲイト電圧を変化させるステップ幅を細かくすることで
精度の高い測定を実現している。この事を前述のＳ値を
例にとって説明しておく。

【００８４】図１６に示すのは、図１６（Ａ）〜（Ｄ）
がＮチャネル型ＴＦＴについて、図１６（Ｅ）〜（Ｈ）
がＰチャネル型ＴＦＴについてゲイト電圧ＶＧのステッ
プ幅を４条件振った時のId-Vg 曲線( 電気特性) であ
る。

【００８５】図１６（Ａ）を見ると、ステップ幅は0.5V
であり、その時に計算から求めたＳ値は139mV/dec であ
った。またこの時、Id-Vg 曲線はステップ幅が荒いので
直線的な形状となっている。そして、ＶＧステップ幅を
0.25V （図１６（Ｂ））、0.1V（図１６（Ｃ））、0.05
V （図１６（Ｄ））と細かくしていくと、それにつれて
Id-Vg 曲線も滑らかなものとなり、Ｓ値も小さくなって
いく傾向にある。最終的には、図１６（Ｄ）に示す様
に、ステップ幅0.05V の時にＳ値は83mVにまで小さくな
っている。

【００８６】この事は、Ｐチャネル型ＴＦＴにおいても
同様であり、図１６（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ）と
ステップ幅を細かくしていく事でＳ値はそれぞれ162mV/
dec、84mV/dec、76mV/dec、74mV/decと小さくなってい
く。

【００８７】この様に、ＶＧステップ幅を細かくするこ
とで精度の良い測定を行うことが可能であり、本明細書
中の電気特性はかかる精度の高い測定方法により得られ
た実験結果でもって示されている。

【００８８】本発明の特徴の一つとして、以上の様な精
度の高い測定により得られたＳ値が85mV/dec以下である
ことが挙げられる。この値は通常単結晶珪素膜を用いた
場合に得られる値（約60mV/dec) に非常に近く、本発明
が示す構成の珪素膜の結晶性が極めて良いものであるこ
とが判る。

【００８９】以下にその理由についての考察を説明す
る。なお、この考察は本発明が示す珪素膜を単結晶と見
なし、単結晶珪素膜の半導体物性を解析した式を利用し
て上記理由の説明を行おうとする試みである。従って、
通常のポリシリコンやアモルファスシリコンでは、以下
に記載の論理展開は適用できないと考えている。

【００９０】まず、質量作用の法則によりチャネル形成
領域における真性キャリア密度ｎiは、ｎi ＝（ＮｃＮ
ｖ）^1/2 ｅ^-Eg/2kT となる。Ｎｃは伝導帯の実効状態密
度、Ｎｖは価電子帯の実効状態密度、Ｅｇはエネルギー
バンドギャップ、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度で
ある。

【００９１】この式から、Ｅｇが大きくなると真性キャ
リア密度ｎｉが小さくなることが判る。本発明の構成で
なる珪素膜は、実質的に単結晶でありながらＥｇが1.3
〜1.9eV という特徴があるため、単結晶に比べて真性キ
ャリア密度ｎｉは小さくなる傾向にあると考えられる。

【００９２】また、ゲイト電圧を印加した際に形成され
る空乏層の幅Ｘｄは、Ｘｄ＝（２ε_s ε₀ φ_s / ｑｎi
）^1/2 で表される。ε_s は珪素の比誘電率、ε₀ は真
空の誘電率、φ_s は珪素の表面ポテンシャル、ｑはキャ
リアの電荷である。φ_s がある値に達すると空乏層の幅
はそれ以上広がらなくなる。この時点に注目して考える
と、前述の式により真性キャリア密度ｎi が小さい程、
空乏層の幅Ｘd は大きくなることが判る。

【００９３】この事は、空乏層容量Ｃd が小さくなるこ
とを意味しており、その事は空乏層容量Ｃd が、Ｃd ＝
ε_s ε₀ ／Ｘd で求められることからも明らかである。
そして、この空乏層容量Ｃd がＳ値に対して大きく影響
するパラメータの一つであることが判っている。

【００９４】一般的にＳ値とは前述のId-Vg 曲線におい
て、Idを一桁変化させるのに必要なVgの変化量でもって
定義される。そして、その値は、ｌｎ１０・ｋＴ／ｑ
〔１＋（Ｃd ＋Ｃit）／Ｃox〕で表される。ここで、Ｃ
itは界面準位の等価容量、Ｃoxはゲイト容量である。な
お、本実施例の半導体装置は熱酸化膜をゲイト絶縁膜と
して利用することにより極めて整合性の良好なSi/SiO₂
界面を実現している（界面準位が極めて少ない）のでＣ
itの項は無視することができる。

【００９５】この式からは、Ｃox＝一定として考えると
空乏層容量Ｃd が小さくなる程Ｓ値が小さくなることが
判る。従って、空乏層容量Ｃd が無視できるレベルにま
で小さくなった状態、即ちＣd ＝０と見なせる状態にお
いてＳ値は最小値をとり、この状態が単結晶珪素の理想
状態のＳ値（理想Ｓ値）であると考えられている。

【００９６】実際には、単結晶珪素の理想Ｓ値は約60mV
/decであると言われている。本実施例で示した半導体装
置のＳ値は概略60〜85mV/decの範囲内に納まっている
が、時には60mV/dec以下となる場合もあった。この現象
はSOI 技術を用いた場合にもたびたび報告されている事
実である。

【００９７】この事実について、本発明者らは次の様に
考えた。上述の理論展開に従えば、エネルギーバンドギ
ャップＥｇが大きい程（ただし、単結晶と見なせること
が仮定）、Ｓ値は小さくなると考えられる。しかし実際
には、本実施例が示す半導体装置は理想Ｓ値よりも大き
い値となってしまっている。

【００９８】これは、本実施例の半導体装置の活性層の
膜厚が500 Åと薄いことに起因していると考えられる。
なぜならば、ゲイト電圧を印加してゆくに従い空乏層の
幅Ｘd は広がっていくが、その幅が500 Å以上となって
しまうと膜厚に制限されてそれ以上空乏層が広がらな
い。即ち、空乏層容量Ｃd はそれ以上小さくなり得ない
ので、Ｓ値もそこで制限されてしまうのである。

【００９９】以上の様に推測すると、本発明が示す構成
において、何故図６、表１に示した様な極めて優れた電
気特性を有する薄膜トランジスタを作製することができ
たか、の理由に一つの説明が付くことになる。

【０１００】また、前述の理論展開の中ではゲイト容量
Ｃox＝一定として空乏層容量Ｃd とＳ値とを関連づけた
が、実際にはゲイト容量Ｃoxはゲイト絶縁膜の膜厚Ｔox
によって変化する。そこで、本発明者らはゲイト絶縁膜
の膜厚Ｔoxが100 、250 、500 Åの３条件の場合につい
て、空乏層容量Ｃd とＳ値との関係をシミュレーション
したので以下に記載する。

【０１０１】前述のＳ値の算出式において、Ｃit＝０と
考えると、Ｓ＝ln10・ｋＴ／ｑ（１＋Ｃd ／Ｃox）であ
り、室温300 Ｋにおいてｌｎ１０・ｋＴ／ｑ＝0.06であ
るのでＣd ＝（Ｓ／0.06−１）Ｃoxとなる。

【０１０２】ここで、ゲイト絶縁膜の膜厚Ｔoxが100 、
250 、500 Åの３条件の場合について、ゲイト容量Ｃox
を計算すると、Ｃox＝ε_r ε₀ Ｓ／Ｔoxにおいてε_r ＝
3.8、ε₀ ＝8.85×10^-14 （F/cm) 、Ｓ＝6.4 ×10^-7(cm
²) （チャネル領域の面積をL/W＝8/8 μｍとして算出）
であるから次の様な結果が得られる。 Ｔox＝100 Åの時：Ｃox＝3.36×10^-7（F/cm²) Ｔox＝250 Åの時：Ｃox＝1.35×10^-7（F/cm²) Ｔox＝500 Åの時：Ｃox＝6.73×10^-8（F/cm²)

【０１０３】ここで先程の式Ｃd ＝（Ｓ／0.06−１）Ｃ
oxにおいて、Ｔox＝100 Åの時のＣd をＣd,₁₀₀ 、Ｓを
Ｓ₁₀₀ としてＣoxを代入すると、 Ｃd,₁₀₀ ＝5.60×10^-6・Ｓ₁₀₀ −3.36×10^-7(F/cm²) が得られる。また同様に、Ｔox＝250 、500 Åの時の空
乏層容量Ｃd,₂₅₀ 、Ｃd,₅₀₀ は、 Ｃd,₂₅₀ ＝2.25×10^-6・Ｓ₂₅₀ −1.35×10^-7(F/cm²) Ｃd,₅₀₀ ＝1.12×10^-6・Ｓ₅₀₀ −6.73×10^-8(F/cm²) の式で求められる。

【０１０４】これらの式をもとに、横軸にＳ値、縦軸に
空乏層容量Ｃd をとり、任意のＳ値に対してＣd のとる
値をシミュレーションした結果を図１７に示す。空乏層
容量Ｃd ＝0 の時、Ｓ値は理想Ｓ値（＝0.06V/dec)とな
っていることが判る。

【０１０５】また、図１７からはゲイト絶縁膜の膜厚Ｔ
ox薄い程、空乏層容量Ｃd が大きくなる傾向にあること
が確認できる。また、Ｔoxが厚い膜ほど直線の傾きが小
さい、即ちＣd の変化に対して敏感であることが推測さ
れる。従って、本発明ではＣd を小さく抑えることでＳ
値が改善されていると推測されるので、ゲイト絶縁膜の
膜厚を少なくとも500 Å以上とすることが好ましい。

【０１０６】〔実施例３〕実施例２で説明した様に、本
発明が示す半導体装置はＳ値が小さく、移動度が高いと
いう特徴があるため、高速動作を必要とする回路を構成
する際に非常に有効である。例えば、同一基板上に画素
マトリクス回路と周辺駆動回路とを備えたアクティブマ
トリクス型表示装置では、周辺駆動回路に配置されるシ
フトレジスタ等が高速動作必要とする。

【０１０７】この様な駆動回路は、通常Ｎチャネル型Ｔ
ＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとを相補的に組み合わせたＣ
ＭＯＳ回路でもって構成する。そこで、本実施例は実施
例２で示したＴＦＴでもってＣＭＯＳ構造を形成する例
を示す。図７〜図９に本実施例の作製工程を示す。な
お、本発明により形成される結晶性珪素膜の応用範囲は
広く、ＣＭＯＳ構造を形成する方法は本実施例に限った
ものではない。

【０１０８】まず実施例１に示す構成に従って、ガラス
基板７０１上に酸化珪素膜７０２を成膜し、その上にモ
ノドメイン領域を有した結晶性珪素膜を得る。そしてそ
れをパターニングすることによりモノドメイン領域のみ
で構成されたＮチャネル型ＴＦＴの活性層７０３とＰチ
ャネル型ＴＦＴの活性層７０４を得る。

【０１０９】活性層７０３、７０４を形成したら、実施
例２で説明した様に熱酸化工程を行い、ゲイト絶縁膜と
して機能する熱酸化膜７０５を形成する。厚さは熱酸化
工程の処理温度、処理時間で制御できるが、本実施例で
は実施例１、２と同様に500Åとする。

【０１１０】こうして図７（Ａ）に示す状態を得る。図
７（Ａ）に示す状態を得たら、図７（Ｂ）に示すように
後にゲイト電極を構成することになるアルミニウム膜７
０６を成膜する。このアルミニウム膜はヒロックやウィ
スカーの発生を抑制するためにスカンジウムを0.2 ｗｔ
重量％含有させる。アルミニウム膜の成膜方法はスパッ
タ法や電子ビーム蒸着法を用いて行う。

【０１１１】ヒロックやウィスカーというのは、アルミ
ニウムの異常成長に起因する刺状あるいは針状の突起物
のことである。ヒロックやウィスカーの存在は、隣合う
配線間や上限間に離間した配線間においてショートやク
ロスクトークが発生する原因となる。

【０１１２】アルミニウム膜以外の材料としてはタンタ
ル、モリブデン等の陽極酸化可能な金属を利用すること
ができる。また、アルミニウム膜の代わりに導電性を付
与した珪素膜を用いることも可能である。

【０１１３】アルミニウム膜７０６を成膜したら、電解
溶液中においてアルミニウム膜７０６を陽極とした陽極
酸化を行い、薄く緻密な陽極酸化膜７０７を成膜する。
この陽極酸化の形成条件は実施例２によれば良い。（図
７（Ｂ））

【０１１４】次にレジストマスク７０８と７０９を形成
する。そしてこのレジストマスク７０８と７０９を利用
してアルミニウム膜７０６をパターニングして、ゲイト
電極の原型となるアルミニウム膜のパターン７１０、７
１１を形成する。このようにして図７（Ｃ）に示す状態
を得る。

【０１１５】次に、実施例２と同様の条件でもってアル
ミニウム膜のパターン７１０、７１１の側面に多孔質の
陽極酸化膜７１２、７１３を形成する。本実施例ではこ
の多孔質の陽極酸化膜７１２、７１３の膜厚を0.7 μｍ
とする。こうして図７（Ｄ）に示す状態を得る。

【０１１６】次に、実施例２と同様の条件でもって緻密
で強固な陽極酸化膜７１４、７１５の形成を行う。ただ
し、本実施例ではこの膜厚が700 Åとなる様に到達電圧
を調節する。また、この工程によりゲイト電極５１、５
２が画定する。構造としては図７（Ｅ）の様な状態とな
っている。

【０１１７】次に、図７（Ｅ）に示す状態においてＮ型
を付与する不純物としてＰ（リン）イオンを全面にドー
ピングする。このドーピングは、0.2 〜５×１０¹⁵／ｃ
ｍ²、好ましくは１〜２×１０¹⁵／ｃｍ² という高いド
ーズ量で行う。ドーピング方法としてはプラズマドーピ
ング法やイオンドーピング法を用いる。

【０１１８】この図７（Ｅ）に示す工程の結果、高濃度
にＰイオンが注入された領域７１６〜７１９が形成され
る。これらの領域は後にソース／ドレイン領域として機
能する。（図７（Ｅ））

【０１１９】次に、酢酸、硝酸、リン酸を混合した混酸
溶液を用いて多孔質状の陽極酸化膜７１２と７１３を除
去する。この時、陽極酸化膜７１２、７１３の直下に位
置した活性層領域は、イオン注入されていないため実質
的に真性である。

【０１２０】次に、右側のＰチャネル型の薄膜トランジ
スタを構成する素子を覆うようにしてレジストマスク７
２０を形成する。こうして図８（Ａ）に示す状態を得
る。図８（Ａ）に示す状態を得たら、図８（Ｂ）に示す
ように再びＰイオンの注入を行う。このＰイオンの注入
は、ドーズ量を0.1 〜５×１０¹⁴／ｃｍ² 、好ましくは
0.3 〜１×１０¹⁴／ｃｍ² という低い値とする。

【０１２１】即ち、図８（Ｂ）で示す工程で行われるＰ
イオンの注入はそのドーズ量を図７（Ｅ）に示す工程に
おいて行われたドーズ量に比較して低いものとする。す
ると、この工程の結果、７２２と７２４の領域がライト
ドープされた低濃度不純物領域となる。また、７２１と
７２５の領域は、より高濃度にＰイオンが注入された高
濃度不純物領域となる。

【０１２２】この工程において、７２１の領域がＮチャ
ネル型の薄膜トランジスタのソース領域となる。そして
７２２と７２４が低濃度不純物領域、７２５がドレイン
領域となる。また、７２３で示される領域は実質的に真
性なチャネル形成領域となる。なお、７２４で示される
領域が一般にＬＤＤ（ライトドープドレイン）領域と称
される領域である。

【０１２３】また、特に図示しないが陽極酸化膜７１４
でイオン注入を遮られた領域がチャネル形成領域７２３
と低濃度不純物領域７２２、７２４との間に存在する。
この領域はオフセットゲイト領域と呼ばれ、陽極酸化膜
７１４の膜厚分の距離を有する。

【０１２４】オフセットゲイト領域はイオン注入されず
実質的に真性であるが、ゲイト電圧が印加されないため
チャネルを形成せず、電界強度を緩和し、劣化を抑制す
る抵抗成分として機能する。ただし、その距離（オフセ
ット幅）が短い場合、実効的なオフセット領域として機
能しない。本実施例ではその幅が700 Åであるのでオフ
セット領域としては機能しない。

【０１２５】次に、レジストマスク７２０を除去して、
図８（Ｃ）に示すように左側のＮチャネル型の薄膜トラ
ンジスタを覆うレジストマスク７２６を形成する。そし
て、図８（Ｃ）に示す状態においてＰ型を付与する不純
物としてＢ（ボロン）イオンの注入を行う。ここでは、
Ｂイオンのドーズ量を0.2 〜１０×１０¹⁵／ｃｍ² 、好
ましくは１〜２×１０¹⁵／ｃｍ² 程度とする。このドー
ズ量は図７（Ｅ）に示す工程におけるドーズ量と同程度
とすることができる。

【０１２６】この工程により高濃度不純物領域７１８、
７１９がＮ型からＰ型へと反転してＰチャネル型ＴＦＴ
のソース領域７２７、ドレイン領域７２８が形成され
る。また、ゲイト電極７２の直下にはチャネル形成領域
７２９が形成される。

【０１２７】次に、図８（Ｃ）に示す工程の終了後、レ
ジストマスク７２６を取り除き、図８（Ｄ）に示す状態
を得る。この状態で注入された不純物の活性化と不純物
イオンが注入された領域のアニールを行うためにレーザ
ー光の照射を行う。

【０１２８】図８（Ｄ）に示す状態を得たら、図９
（Ａ）に示すように層間絶縁膜７３０を4000Åの厚さに
成膜する。層間絶縁膜７３０は酸化珪素膜、酸化窒化珪
素膜、窒化珪素膜のいずれでも良く、多層構造としても
良い。これら珪化膜の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法や
熱ＣＶＤ法を用いればよい。

【０１２９】次にコンタクトホールの形成を行い、Ｎチ
ャネル型の薄膜トランジスタ（ＮＴＦＴ）のソース電極
７３１、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタ（ＰＴＦＴ）
のソース電極７３２を形成する。また、ドレイン電極７
３３はＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとで共
有する様な構成とすることでＣＭＯＳ構造が実現され
る。（図８（Ｂ））

【０１３０】以上の様な過程を経て、図８（Ｂ）に示す
構造でなるＣＭＯＳ回路を作製することができる。ＣＭ
ＯＳ回路を直列に奇数組接続して形成した閉回路はリン
グオシレータと呼ばれ、半導体装置の動作速度を評価す
る際に用いられる。

【０１３１】ここで本実施例に従って作製したＣＭＯＳ
回路でリングオシレータを構成し、リングオシレータの
発振周波数を調べた結果を図１０に示す。測定は９、１
９、５１組（段）のＣＭＯＳ回路を接続したリングオシ
レータで行い、電源電圧と発振周波数の関係を求めた。

【０１３２】図１０によると、例えば電源電圧１０
（Ｖ）、１９段のリングオシレータは62.6MHz の発振周
波数を実現しており、極めて動作速度が速いことが判
る。なお、図１１には、実施例３において、熱酸化工程
（単結晶化工程）を含まないで作製したＣＭＯＳ回路で
構成したリングオシレータの測定結果を示す。ただし、
電源電圧６（Ｖ）未満では動作が確認できなかったので
省略した。

【０１３３】図１１において、例えば電源電圧１０
（Ｖ）、１９段のリングオシレータは6.5MHzの発振周波
数であり、本発明の構成を有するＣＭＯＳ回路は、一般
的な条件で作製した低温ポリシリコンＴＦＴに比べ約１
０倍程度の動作速度を有することが判明した。

【０１３４】この様な結果は、実施例３で述べた様にＳ
値が極めて小さいことが大きな要因の一つであることは
確かである。従って、本実施例で説明した様な高速動作
可能な回路を構成する場合、回路ＴＦＴのＳ値は85mV/d
ec以下、好ましくは75mV/dec以下であることが必要であ
る。

【０１３５】〔実施例５〕実施例１〜３に記載した陽極
酸化工程は、配線を形成した基板（陽極）と白金電極
（陰極）を電解溶液に浸漬した液相処理である。装置の
概略は図１２（Ａ）に示す様になる。

【０１３６】図１２（Ａ）において、恒温槽１２０１内
は電解溶液１２０２で満たされている。電解溶液１２０
２は、多孔質状の陽極酸化物を形成するのであれば３％
シュウ酸水溶液、緻密な陽極酸化物を形成するのであれ
ば３％酒石酸のエチレングリコール溶液などが用いられ
る。

【０１３７】そして、電解溶液１２０２には陽極となる
被処理基板１２０３および陰極となる白金電極１２０４
が浸漬され、それぞれの端子から引き出された接続線は
ポテンシオメーター１２０５へと接続される。ポテンシ
オメーター１２０５とは、電流・電圧を一定に保つため
の制御装置である。

【０１３８】図１２（Ａ）に示す様な状態で電気化学的
な回路を構成したら、最初は定電流処理を行い、基板１
２０３と白金電極１２０４との間（正確には基板１２０
３上の配線と電解溶液との間）の電圧が到達電圧に達し
たら、そのままの電圧を保持したまま定電圧処理を行
う。この時、図中矢印で示すような方向に電流が流れ、
基板上の配線は電流を供給されて陽極酸化される。

【０１３９】他の酸化物形成方法としては、プラズマ酸
化法が知られている。だが、プラズマ酸化法は被処理配
線の表面近傍に酸化物を形成する分には問題ないが、本
発明の様に配線そのものを酸化物に変成する目的には適
していない。しかし、配線を保護する目的で配線表面に
酸化物を形成する場合においては、前述の陽極酸化と同
様の効果を得ることができる。図１２（Ｂ）に、プラズ
マ酸化法を用いる場合の装置構成の一例を示す。

【０１４０】図１２（Ｂ）において、接地された処理室
１２０６内には、互いに対向した第１の電極１２０７、
第２の電極１２０８が設置されている。基板１２０９は
第１の電極１２０７に保持されており、第１の電極１２
０７は接地されている。また、第２の電極１２０８はブ
ロッキングコンデンサ１２１０を介して交流電源１２１
１に接続され、交流電圧が印加される構成となってい
る。

【０１４１】なお、１２１２で示されるのはプラズマ励
起ガスの導入口であり、１２１３で示されるのは励起ガ
スを処理室１２０６外へと排出する排出口であって図示
しない真空ポンプへ連結している。なお、本装置にマグ
ネット等を設けて磁場を形成し、いわゆるＥＣＲモード
のプラズマ装置とすることもできる。

【０１４２】図１２（Ｂ）に示すプラズマ装置におい
て、導入口１２１２からプラズマ励起ガスとして酸素を
含むガスを処理室１２０６内へ導入し、交流電圧を第２
の電極１２０８に対して印加する。すると、第１の電極
１２０７と第２の電極１２０８との間にプラズ１２１４
が発生する。そして、基板１２０９上に形成された配線
は酸素プラズマにより酸化され、その表面には配線材料
と同じ物質をその組成に含む酸化物が形成される。

【０１４３】以上の様に、配線を保護する目的に形成さ
れる酸化物は液相陽極酸化法のみでなく、プラズマ酸化
法を用いても得ることが可能である。

【０１４４】〔実施例６〕実施例１〜実施例３では、本
発明を適用する薄膜トランジスタとしてプレーナ型ＴＦ
Ｔを形成する例を示したが、場合によっては他のタイプ
のＴＦＴ、例えば図１３に示す様な構造を有する逆スタ
ガ型ＴＦＴを用いて本発明を実施することも可能であ
る。

【０１４５】逆スタガ型ＴＦＴの作製工程についての詳
細は特開平5-275452号公報等に記載してあるので、公知
の技術により作製すれば良い。従って、本実施例では詳
細な説明は省略するととし、その構造のみを図１３に示
すに留め、活性層１３０１の構成のみについて言及して
おく。

【０１４６】実施例２で示した様な700 〜1000℃、代表
的には950 ℃の温度範囲での加熱処理を行う必要がある
場合、活性層１３０１の形成前にゲイト電極１３０２を
形成する逆スタガ型ＴＦＴへの応用は不可能である。

【０１４７】そこで、本実施例の様に逆スタガ型ＴＦＴ
へ応用する場合においては特開平6-64834 号公報記載の
技術により結晶化した結晶性珪素膜を用いて活性層１３
０１を構成すれば良い。同公報記載の技術であれば、ゲ
イト電極１３０１の耐熱性以下の温度でモノドメイン領
域を有する珪素膜を構成することが可能である。

【０１４８】〔実施例７〕本実施例では、本発明の構成
を有する半導体装置を利用して電気光学装置を構成する
例を示す。電気光学装置としては、液晶表示装置、ＥＬ
（エレクトロルミネッセンス）表示装置、ＥＣ（エレク
トロクロミックス）表示装置などが挙げられる。

【０１４９】例えば、同一基板上に画素マトリクス回路
と周辺駆動回路とを集積化した構成でなるアクティブマ
トリクス型液晶表示装置は図１４に示す様な構成とする
ことができる。なお、図１４に示す集積化回路は画素マ
トリクス回路と周辺駆動回路以外に、メモリ回路やＣＰ
Ｕ回路といったコントロール回路を備えたSOG(システム・オン
・ク゛ラス ) タイプの表示装置である。

【０１５０】図１４において、１４０１は画素マトリク
ス回路であり、通常百数十万個のＴＦＴがマトリクス状
に配置されて、液晶へ印加する電圧の制御を行ってい
る。また、１４０２は垂直走査用駆動回路、１４０３は
水平走査用駆動回路である。これらの駆動回路は、シフ
トレジスタ回路、バッファ回路、サンプリング回路等で
構成されており、ゲイト信号やビデオ信号の制御を行
う。また、１４０４はコントロール回路であり、ＣＰＵ
回路やメモリ回路等で構成される。

【０１５１】本発明の構成を有する半導体装置は、高速
動作性に極めて優れる点が最大の特徴であるので、実施
例３に示した様なＣＭＯＳ回路を構成して周辺駆動回
路、特にシフトレジスタ回路の様な高速動作性が要求さ
れる箇所に配置するのが最も好ましいと言える。

【０１５２】また、図１４に示した様な液晶表示装置
や、他のＥＬ表示装置、ＣＬ表示装置といったアクティ
ブタイプの表示装置の応用商品としてはＴＶカメラ、パ
ーソナルコンピュータ、カーナビゲーション、ＴＶプロ
ジェクション、ビデオカメラ等が挙げられる。それら奥
応用用途の簡単な説明を図１５を用いて行う。

【０１５３】図１５（Ａ）はＴＶカメラであり、本体２
００１、カメラ部２００２、表示装置２００３、操作ス
イッチ２００４で構成される。表示装置２００３はビュ
ーファインダーとして利用される。

【０１５４】図１５（Ｂ）はパーソナルコンピュータで
あり、本体２１０１、カバー部２１０２、キーボード２
１０３、表示装置２１０４で構成される。表示装置２１
０４はモニターとして利用され、対角十数インチもサイ
ズが要求される。

【０１５５】図１５（Ｃ）はカーナビゲーションであ
り、本体２２０１、表示装置２２０２、操作スイッチ２
２０３、アンテナ２２０４で構成される。表示装置２２
０２はモニターとして利用されるが、地図の表示が主な
目的なので解像度の許容範囲は比較的広いと言える。

【０１５６】図１５（Ｄ）はＴＶプロジェクションであ
り、本体２３０１、光源２３０２、表示装置２３０３、
ミラー２３０４、２３０５、スクリーン２３０６で構成
される。表示装置２３０３に映し出された画像がスクリ
ーン２３０６に投影されるので、表示装置２３０３は高
い解像度が要求される。

【０１５７】図１５（Ｅ）はビデオカメラであり、本体
２４０１、表示装置２４０２、接眼部２４０３、操作ス
イッチ２４０４、テープホルダー２４０５で構成され
る。表示装置２４０２に映し出された撮影画像は接眼部
２４０３を通してリアルタイムに見ることができるの
で、使用者は画像を見ながらの撮影が可能となる。

【０１５８】以上の様に、本発明の応用範囲は極めて広
く、半導体回路を有する様々な製造品に対して適用する
ことが可能である。

【０１５９】

【発明の効果】本発明の効果としては、 （１）膜厚が100 〜850 Åと薄く、かつ実質的に単結晶
と見なせる領域を有する珪素膜でもって活性層を構成す
ることができる。 （２）Ｅｇが1.3 〜1.9eV 、好ましくは1.4 〜1.7eV で
あることにより、真性半導体層をチャネル形成領域とし
ても良好なノーマリオフ特性を実現することができる。
即ち、エンハンスメント型ＴＦＴを容易に作製すること
ができる。

【０１６０】以上示した効果は、本発明が従来のSOI 技
術の問題点を克服し得る工業上、非常に有益な技術であ
ることを示すものである。また、図６、図１０に示した
実験データは上記効果を顕著に証明すると言える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の構成を説明するための図。

【図２】 従来の活性層のバンド状態を説明する図。

【図３】 半導体薄膜の形成工程を示す図。

【図４】 透過率測定の結果を示す図。

【図５】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図６】 薄膜トランジスタの電気特性を示す図。

【図７】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図８】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図９】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図１０】 リングオシレータの測定結果を示す図。

【図１１】 リングオシレータの測定結果を示す図。

【図１２】 陽極酸化装置およびプラズマ酸化装置の構
成を示す図。

【図１３】 逆スタガ型ＴＦＴの構造を示す図。

【図１４】 アクティブマトリクス型液晶表示装置の構
成を示す図。

【図１５】 電気光学装置の応用例を示す図。

【図１６】 薄膜トランジスタの電気特性を示す図。

【図１７】 空乏層容量とＳ値の関係を示す図。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性を有する基板上に形成された半導体
   薄膜であって、 前記半導体薄膜は実質的に単結晶と見なせる領域を有す
   る珪素膜であり、 前記珪素膜のエネルギーバンドギャップは室温で1.3 〜
   1.9eV であることを特徴とする半導体薄膜。
2. 【請求項２】請求項１において、エネルギーバンドギャ
   ップは、光学吸収スペクトルを測定することにより珪素
   膜の実効透過率の光波長依存性を求め、 前記実効透過率が減少し始める吸収端における光波長の
   値をＥ＝ｈｃ／λで表される式を用いてエネルギー値に
   変換して算出される値で定義されることを特徴とする半
   導体薄膜。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、珪素膜
   の膜厚は100 〜850 Åの範囲であることを特徴とする半
   導体薄膜。
4. 【請求項４】絶縁性を有する基板上に形成された半導体
   装置であって、 前記半導体装置の活性層を構成する半導体薄膜は実質的
   に単結晶と見なせる領域を有する珪素膜であり、 前記珪素膜のエネルギーバンドギャップは室温で1.3 〜
   1.9eV であることを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】請求項４において、エネルギーバンドギャ
   ップは、光学吸収スペクトルを測定することにより珪素
   膜の実効透過率の光波長依存性を求め、 前記実効透過率が減少し始める吸収端における光波長の
   値をＥ＝ｈｃ／λで表される式を用いてエネルギー値に
   変換して算出される値で定義されることを特徴とする半
   導体装置。
6. 【請求項６】請求項４または請求項５において、珪素膜
   の膜厚は100 〜850 Åの範囲であることを特徴とする半
   導体装置。
7. 【請求項７】請求項４または請求項５において、半導体
   装置の電気特性の一つであるＳ値が85mV/dec以下である
   ことを特徴とする半導体装置。