(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁表面を有する基板上に第１の非晶質ケイ素薄膜を形成する工程と、
その後に、前記第１の非晶質ケイ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、
その後に、第１の加熱処理を行い、前記第１の非晶質ケイ素膜を結晶成長させて、第１のケイ素膜を形成する工程と、
その後に、前記第１のケイ素膜上に、該第１のケイ素膜と一部接するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成する工程と、
その後に、第２の加熱処理を行い、前記第１のケイ素膜中に存在する触媒元素を前記第２の非晶質ケイ素膜へと移動させる工程と、
その後に、前記第２の非晶質ケイ素膜を除去した後、結晶化された前記第１のケイ素膜に対し、強光照射を行い、その結晶性をさらに高める工程と、
その後に、前記第１のケイ素膜を島状に分離して、半導体装置の活性領域（素子領域）を形成する工程と、を少なくとも有し、
該活性領域を形成する工程において、前記半導体装置の活性領域におけるソースまたはドレイン領域であるコンタクト領域の一部が、前記第２の非晶質ケイ素膜と接していた前記第１のケイ素膜の領域を含むように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
絶縁表面を有する基板上に第１の非晶質ケイ素薄膜を形成する工程と、
その後に、前記第１の非晶質ケイ素膜に、その結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、
その後に、第１の加熱処理を行い、前記第１の非晶質ケイ素膜を結晶成長させて、第１のケイ素膜を形成する工程と、
その後に、前記第１のケイ素膜上に、該第１のケイ素膜と一部接するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成する工程と、
その後に、前記第２の加熱処理を行い、前記第１のケイ素膜中に存在する触媒元素を前記第２の非晶質ケイ素膜へと移動させる工程と、
その後に、第２の非晶質ケイ素膜を除去した後、第３の加熱処理を施し、結晶化された前記第１のケイ素膜の結晶性をさらに高める工程と、
その後に、前記第１のケイ素膜を島状に分離して、半導体装置の活性領域（素子領域）を形成する工程と、を少なくとも有し、
該活性領域を形成する工程において、前記半導体装置の活性領域におけるソースまたはドレイン領域であるコンタクト領域の一部が、前記第２の非晶質ケイ素膜と接していた前記第１のケイ素膜の領域を含むように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第３の加熱処理を施す工程は、酸化雰囲気中にて行われ、前記第１のケイ素膜表面が酸化されることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１のケイ素膜を島状に分離して、前記半導体装置の活性領域（素子領域）を形成する工程の際、前記第２の非晶質ケイ素膜と接していた領域以外の前記第１のケイ素膜の領域を用いて、前記活性領域における能動領域が形成されることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１のケイ素膜上に、該第１のケイ素膜と一部接するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成する工程は、前記第１のケイ素膜上に酸化ケイ素膜を形成し、該酸化ケイ素膜を一部開口して、その上に不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成することによって行われ、前記酸化ケイ素膜が開口された領域で、前記第１のケイ素膜と不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜とが接してなる状態で、第２の加熱処理が行われることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２の非晶質ケイ素膜に含有される不純物として、リンが用いられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ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請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しく言えば、非晶質ケイ素膜を結晶化した結晶性ケイ素膜を活性領域とする半導体装置の製造方法に関する。特に、本発明は、絶縁表面を有する基板上に設けられた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた半導体装置に有効であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置、密着型イメージセンサー、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、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ＩＣなどへの実現に向けて、ガラスなどの絶縁基板上や、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（ａ−Ｓｉ）半導体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、導電性など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。なお、結晶性を有するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素などが知られている。
【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、強光を照射し、そのエネルギー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、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有せしめる。
【０００７】
といった方法が知られている。しかしながら、（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にはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜することが技術上困難である。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があった。
【０００８】
また、（２）の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理され、高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、レーザー光の照射面積が小さくスループットが低いという問題がまず有る。そして、最大の問題点として、大面積基板の全面を均一に処理するにはレーザーの安定性が充分ではないため、均一な結晶性を有するケイ素膜を得ることが難しく、すなわち同一基板上に均一な特性の複数の半導体素子を形成するのが困難という問題点がある。
【０００９】
（３）の方法は、（１）、（２）の方法と比較すると大面積に対応できるという利点はあるが、結晶化に際し６００℃以上の高温にて数十時間にわたる加熱処理が必要である。すなわち、安価なガラス基板の使用とスループットの向上を考えると、加熱温度を下げ、さらに短時間で結晶化させるという相反する問題点を同時に解決する必要がある。また、（３）の方法では、固相結晶化現象を利用するため、結晶粒は基板面に平行に拡がり数μｍの粒径を持つものさえ現れるが、成長した結晶粒同士がぶつかり合って粒界が形成されるため、その粒界はキャリアに対するトラップ準位として働き、ＴＦＴの移動度を低下させる大きな原因となっている。
【００１０】
上記の（３）の方法を応用して、より低温かつ短時間の加熱処理で、高品質で均一な結晶性を有するケイ素膜を作製する方法が、特開平９−２０５２１３号公報、および特願平１０−１３５７７４号公報で開示されている。これらの公報では、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルなど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、６００℃以下の低温において、数時間程度の処理時間で結晶化を行っている。このメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を促し、結晶化が急激に進行することで理解される。そういった意味で以後これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。これらの触媒元素により結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、通常の固相成長法で結晶化した非晶質ケイ素膜が双晶構造であるのに対して、何本もの柱状結晶で構成されており、それぞれの柱状結晶内部は単結晶に近い状態となっている。
【００１１】
さらに、このような触媒元素を非晶質ケイ素膜の一部に選択的に導入し加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみを結晶化し、そして、さらに加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向（基板と平行な方向）に結晶成長を行わせている。すなわち、選択的な触媒元素導入により結晶成長方向、結晶粒界を制御している訳であり、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。そして、その良好な結晶性を有する横方向結晶成長領域のケイ素膜を活性領域として、高性能な半導体素子を得ている。
【００１２】
ここで、上記２公報では、非晶質ケイ素膜の結晶化のために用いた触媒元素を、結晶化工程後にゲッタリング除去する方法について注目している。特開平９−２０５２１３号公報では、触媒元素を用いて結晶化されたケイ素膜上に全面的に酸化ケイ素膜を設け、さらにその上にリンなどの不純物を含む新たな非晶質ケイ素膜を設けて加熱処理を行い、酸化ケイ素膜を介して上層のリンを含有する非晶質ケイ素膜へと触媒元素を移動させようとしている。また、特願平１０−１３５７７４号公報では、非晶質ケイ素に選択的に触媒元素を導入して、導入領域から横方向に結晶成長させる手法を用い、結晶成長後、ケイ素膜における触媒元素の導入領域に、さらにリンをイオンドーピングし、加熱処理を行うことで横方向結晶成長に用いられた触媒元素を元の導入領域に引き戻し、その他の横方向結晶成長領域を用いて半導体素子領域を作製している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
触媒元素を用いたケイ素膜の結晶化方法は、非常に有効なものであるが、その膜質と不純物の２点において問題点が残されている。
【００１４】
膜質に関しては、本発明者らが行った実験から、個々の柱状結晶の結晶性は良好であるが、全体としてはかなり高密度の結晶欠陥（転位）を含んでいることがわかっている。したがって、半導体装置の活性領域がおおよそ一つの結晶方位で形成されるために、比較的高い移動度が得られる一方、欠陥密度が高いため閾値電圧やリーク電流は下がりにくい結果となる。実際に、触媒元素を使用して結晶化した結晶性ケイ素膜を用い、Ｎチャネル型ＴＦＴを作製した場合には電界効果移動度で８０〜１００ｃｍ２／Ｖｓ程度のものが得られており、この値は、従来の触媒元素を用いない固相成長によるケイ素膜に比べて２倍程度は向上しているが、薄膜集積回路などへの応用を考えると未だ十分な値でない。
【００１５】
もう一方の問題点、不純物に関しては、触媒元素そのものが問題となる。すなわち、上記のような触媒元素は、非晶質ケイ素膜の結晶化には大きく貢献するが、その後、主に結晶粒界に偏在し結晶性ケイ素膜中に残留する。半導体装置の活性領域（素子領域）を構成する結晶性ケイ素膜中にこれら触媒元素が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、もちろん好ましいことでない。
【００１６】
特に、ニッケルやコバルト、白金など、非晶質ケイ素膜の結晶化を促す触媒として効率よく作用する元素は、ケイ素中においてバンドギャップ中央付近に不純物準位を形成する。したがって、これら触媒元素により結晶化したケイ素膜を用いＴＦＴを作製すると、その影響として、主にＴＦＴオフ動作時におけるリーク電流の増大、信頼性の低下などの現象が現れる。すなわち、触媒元素は、そのＴＦＴ素子において、チャネル領域の結晶性を向上させるため、電界効果移動度やオン電流、オン電流の立ち上がり係数（Ｓ係数）などの電流駆動能力は向上させるが、その代償として、オフ特性および信頼性を悪化させるわけである。
【００１７】
これらの問題点を解決する方法として、特開平９−２０５２１３号公報、および特願平１０−１３５７７４号公報が提案されている。第１の問題点に関して、特開平９−２０５２１３号公報、特願平１０−１３５７７４号公報共に、触媒元素を用いて結晶化された結晶性ケイ素膜に対して、レーザー光などの強光を照射することにより、その結晶性をさらに向上させて、上記膜質が十分でないという第一の問題点の解決を図っている。結晶性ケイ素膜にレーザー光を照射した場合、結晶性ケイ素膜と非晶質ケイ素膜との融点の相違から結晶粒界部が集中的に処理される訳であるが、通常の固相成長法で形成した結晶性ケイ素膜では、結晶構造が双晶状態であるため、レーザー光照射後も結晶粒内部は双晶欠陥として残る。それに比べ、触媒元素を導入し結晶化した結晶性ケイ素膜は、柱状結晶で形成されており、その内部は単結晶状態であるため、レーザー光あるいは強光の照射により結晶粒界部が処理されると基板全面にわたって単結晶状態に近い良質の結晶性ケイ素膜が得られ、結晶性の観点からは、その有効性は高い。
【００１８】
また、触媒元素を用いて結晶化された結晶性ケイ素膜に対するその他の結晶性向上策として、酸化雰囲気での熱処理がある。この方法は、一般的に石英基板を用いた高温プロセスでの多結晶ケイ素半導体プロセスに使用されているが、上記レーザー照射法と同様、触媒元素を用い結晶化されたケイ素膜に対する相性が良い。該方法によっても、結晶粒内および粒界部の欠陥が大きく低減できる。
【００１９】
第２の問題点であるケイ素膜中の残存触媒元素の低減については、２公報では、リン原子による強制的なゲッタリング除去工程を用い、触媒元素を素子領域外へ除去しようとしている。すなわち、結晶化のために利用した触媒元素を、不要になったところでケイ素膜から除去してしまおうという発想である。この際、特開平９−２０５２１３号公報では、触媒元素により結晶化されたケイ素膜とリンを含む非晶質ケイ素膜の間に酸化ケイ素膜を介して配置され、リンを含む非晶質ケイ素膜の方へ触媒元素を移動させようとしているが、本発明者らが行った実験では、酸化ケイ素膜を介して触媒元素を移動させ、ゲッタリングすることは不可能であった。ここで、酸化ケイ素膜は、上層のリンを含んだ非晶質ケイ素膜をエッチングする際のエッチングストッパーのために設けられているが、代表的な触媒元素であるニッケルを例にとると、酸化ケイ素膜中での拡散係数は、ケイ素膜中に比べてはるかに小さく（５桁小さい）、実際に酸化ケイ素膜を介してのゲッタリング除去は不可能と考えられる。しかしながら、特願平１０−１３５７７４号公報のように、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の一部にリンをドーピングするような方法では、リンドーピング領域への触媒元素の移動が確認でき、目的とするゲッタリング効果が得られている。但し、イオンドーピングによりケイ素膜に導入することのできるリンの濃度は限られており、非常に高濃度とすることは難しい。そのため、多量の触媒元素が用いられた場合などは、十分にゲッタリングできず、プロセスマージンが十分に広い安定したプロセスとは言い難い。
【００２０】
ここで、特願平１０−１３５７７４号公報のような技術に、第１の問題点を解決する結晶性向上のための手段を組み合わせるとなると、新たな問題点が生じてくる。なぜなら、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の一部の領域に触媒元素およびリンが多量に存在しており、この状態で結晶性向上策であるレーザー照射工程や、酸化雰囲気での熱処理を行うと、触媒元素やリンの再拡散、オートドープ、あるいは触媒元素の析出や、触媒元素偏析領域での異常酸化などが起こり、素子領域として用いるはずの領域が汚染され、使用できなくなる。したがって、特願平１０−１３５７７４号公報では、触媒元素およびリンが多量に存在している領域を除去する工程を兼ねて、ケイ素膜を素子領域に島状分離した後に、レーザー照射による結晶性改善工程を行っている。しかしながら、島状分離されたアイランド状態のケイ素膜にレーザー照射を行うと、アイランド形状、サイズによる結晶性の差異が生じると共に、アイランドのエッジ部分での膜剥がれや膜飛びなどが発生して形状が崩れ易い。また、アイランド内でも周辺部と中央部とで結晶性が異なり、半導体素子として用いた場合、エッジ部でリーク電流が発生し易くなり、信頼性も低下する。また、特願平１０−１３５７７４号公報には述べられていないが、この状態（Ｓｉアイランド状態）で酸化雰囲気での熱処理を行った場合には、周辺部で酸化作用が異常に進み、アイランドエッジ部で基板からの浮き上がりが見られるようになる。このような状態では到底半導体素子として使用することはできない。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、触媒元素を用いケイ素膜を結晶化したときに生ずる上記問題点を解決するために成されたものであり、絶縁表面を有する基板上に、非常に高性能で高信頼性を有する半導体装置を歩留まりよく作製する製造方法を提供するものである。
【００２２】
本発明の主旨は、ガラスなどの絶縁基板上に形成した第１の非晶質ケイ素薄膜に、その結晶化を助長する触媒元素を導入し、第１の加熱処理により第１の非晶質ケイ素膜を結晶成長させる。その後、第１のケイ素膜上に、一部接するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成し、第２の加熱処理を行って、第１のケイ素膜中に存在する触媒元素を第２の非晶質ケイ素膜へと移動させる。そして、第２の非晶質ケイ素膜を除去し、第１のケイ素膜を島状に分離して、半導体装置の活性領域（素子領域）を形成するものである。すなわち、本発明では、結晶化に用いられた触媒元素の濃度低減策として、特願平１０−１３５７７４号公報のように、後に半導体装置の活性領域となる第１のケイ素膜の一部の領域に触媒元素を移動させるのではなく、上層に存在する第２の非晶質ケイ素膜中へと触媒元素の移動を行わせる訳である。この点が特願平１０−１３５７７４号公報と全く異なる点である。また、上層の第２の非晶質ケイ素膜へと触媒元素をゲッタリングする方法という意味では、特開平９−２０５２１３号公報と同じであるが、本発明では、第２の非晶質ケイ素膜を一部、触媒元素により結晶化された第１のケイ素膜に接触させ、そのパスを通って触媒元素を移動させている。したがって、酸化ケイ素膜を介して上層の第２の非晶質ケイ素膜へと触媒元素を移動させる方法に比べて、はるかに効率的に触媒元素の移動が行われ、活性領域となる第１のケイ素膜中の触媒元素濃度が大幅に低減される。
【００２３】
触媒元素の効率的なゲッタリング（ゲッタリング領域への移動）という点では、第１のケイ素膜中の一部の領域に触媒元素を移動させる特願平１０−１３５７７４号公報も同様の効果が見られるが、第１のケイ素膜の一部にリンをイオンドーピングするような方法では、リンの濃度が制限され、高濃度の触媒元素に対しては対応できない。本発明では、第２の非晶質ケイ素膜を堆積する際にリンなどの不純物を直接同時に導入できるため、非常に高濃度な不純物濃度の非晶質ケイ素膜が作製できる。また、触媒元素は結晶性ケイ素領域から非晶質ケイ素領域へと移動しようとする性質をもっているため、これらの相乗効果により、第１のケイ素膜中の触媒元素濃度がより高い場合にもゲッタリング可能であり、該工程におけるプロセスマージンが大幅に向上する。
【００２４】
そして、本発明の最大のメリットとしては、上層の第２の非晶質ケイ素膜へと触媒元素を移動させるため、その後、第２の非晶質ケイ素膜を除去することで、べた状態（島状分離されていない基板全面にわたって膜が存在している状態）にて、触媒元素およびリンを含まない、触媒元素により結晶成長した高品質結晶性ケイ素膜（第１のケイ素膜）が得られることである。これは、非常に大きなポイントで、さらに結晶性を高めるための手段が、問題なく行えるようになる。その結果、活性領域を形成する結晶性ケイ素膜の結晶性はさらに高められ、非常に高性能な半導体が高い歩留まりで得られるようになる。
【００２５】
さらに本発明においては、第１の非晶質ケイ素膜の所定の領域に、その結晶化を助長する触媒元素を選択的に導入し、第１の加熱処理を行い、前記第１の非晶質ケイ素膜を触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと、横方向（基板表面に対して平行な方向）に結晶成長を行わせる後、第１のケイ素膜上に、一部接するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成し、第２の加熱処理を行い、第１のケイ素膜中に存在する触媒元素を第２の非晶質ケイ素膜へと移動させる方法がより有効である。そして、その後、第２の非晶質ケイ素膜を除去し、横方向に結晶成長させた領域の第１のケイ素膜を島状に分離して、半導体装置の活性領域（素子領域）を形成する。この方法では、結晶成長方向を制御し、横方向に一次元的に結晶成長させた、より高品質な結晶性ケイ素膜が得られ、半導体装置の一層の高性能化が図れる。特に半導体装置におけるキャリアの移動方向と該ケイ素膜の結晶成長方向を概略平行と配置することで、特に電流駆動能力が大きく向上する。
【００２６】
また、該方法においては、不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜が、第１のケイ素膜と接する領域は、第１のケイ素膜に選択的に触媒元素が導入された領域であるようにすることが望ましい。このようにすることで、最も触媒元素濃度が高い触媒元素の導入領域においては、垂直方向に上層の第２の非晶質ケイ素膜へと触媒元素の移動が行われるため効率が良い。また、後に活性領域として形成する高品質な横方向結晶成長ケイ素膜には、不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜が直接接触しないため、第２の非晶質ケイ素膜からの不純物汚染も抑えることができる。さらに、このような触媒元素の選択導入方法では、選択的に触媒元素を導入するためにマスクが必要となるが、このマスクを第２の非晶質ケイ素膜においても適用でき、第１のケイ素膜の結晶化工程後、触媒元素導入領域で第２の非晶質ケイ素膜と接するように構成することで、マスク形成工程を１回分削減することができ、プロセスの簡略化が図れる。
【００２７】
ここで、本発明の効果を十分に得るためには、第１の非晶質ケイ素膜の所定の領域に触媒元素を選択的に導入する工程において、複数（少なくとも２個以上）の触媒元素の導入領域を設けて行い、第１の加熱処理にて、非晶質ケイ素膜を触媒元素が導入された領域からその周辺領域へと、横方向に結晶成長を行わせ、異なる触媒元素導入領域から進行してきた横方向の結晶成長を、互いにぶつからせるようようにし、互いにぶつかり合うように横方向結晶成長した領域のケイ素膜を用いて、半導体装置の活性領域（素子領域）を形成することが望ましい。なぜなら、本発明は触媒元素の導入領域にさらにリンを導入し、一旦成長のために拡散した触媒元素を元の位置に引き戻すものである。触媒元素は、ケミカルポテンシャルの相違から、非晶質ケイ素領域／結晶化領域の境界に存在するのが最もエネルギーが得な状態であり、ここに存在しようとする。すなわち、横方向の結晶成長後、成長先端部が非晶質ケイ素領域／結晶化領域の境界で形成されてる場合には、導入領域にリンをドープし、引き戻そうとしても触媒元素は戻ってはくれず、さらに非晶質領域へと拡散する。したがって、横方向の結晶成長後の成長先端部は、異なる導入領域から成長してきた横成長結晶化領域とぶつかり合って、結晶化領域／結晶化領域の境界で形成されるのが最も望ましく、この際に本発明において最も大きな触媒元素のゲッタリング効果が得られる。
【００２８】
さて、本発明においては、上層の第２の非晶質ケイ素膜へと触媒元素を移動させるため、その後、第２の非晶質ケイ素膜を除去することで、べた状態（島状分離されていない基板全面にわたって膜が存在している状態）にて、触媒元素およびリンを含まない、触媒元素により結晶成長した高品質結晶性ケイ素膜（第１のケイ素膜）が得られる。したがって、第２の非晶質ケイ素膜を除去する工程の後、第１のケイ素膜を島状に分離する前に、結晶化された第１のケイ素膜に対し、強光照射を行い、その結晶性をさらに高める工程を行うことが望ましい。従来、島状分離されたケイ素膜に対して、強光照射を行うと、サイズや形状による結晶性の差異やエッジ部での膜剥がれなどが見られていたが、これらの問題を全く起こさずに最適な条件での強光照射工程が行える。また、このときの第１のケイ素膜中には触媒元素あるいはリンが多量に存在している領域がないため、このときの強光照射工程における触媒元素やリンの再拡散や汚染、析出などを抑えることができる。したがって、本発明においては、ケイ素膜の島状分離工程前に、その結晶性を高める手段として強光照射工程を行っても全く問題が生じず、この組み合わせとして非常に相性がよい。該強照射工程により、第１のケイ素膜において、結晶粒内および結晶粒界の欠陥が低減され、より良質の結晶性ケイ素膜が得られる。
【００２９】
ここで、強光照射工程は、結晶化された第１のケイ素膜において、初期の結晶成分が完全に失われない（リセットされない）状態にて行われる必要がある。すなわち、触媒元素により結晶成長した第１のケイ素膜は、柱状結晶で構成されており、個々の柱状結晶内部は単結晶に近い結晶状態となっていると共に、膜全体としての結晶方位は極めて良好でよく揃っている。強光照射工程は、このベースとなる結晶状態をさらに高める、具体的には結晶欠陥を低減することが目的であるから、少なくとも初期の結晶状態が失われない、すなわりリセットされないように行われる必要がある。
【００３０】
このためには、強光としては、波長４００ｎｍ以下のレーザー光を用いることが望ましい。なぜなら、波長４００ｎｍ以下の強光を用いれば、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高く、ガラス基板に熱的ダメージを与えることなく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱することができる。また、レーザー光を用いることで、ケイ素膜を瞬時に、融点１４１４℃に加熱するだけの高出力化が可能となる。さらに、波長４００ｎｍ以下のレーザー光の中でも、特に波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光は出力が大きいため、基板照射時のビームサイズを大きくでき、大面積基板に対応しやすく、また出力も比較的安定しており、量産装置に適用する上で最も望ましい。そして、該レーザー光を用いて、ケイ素膜表面に対して、該レーザー光の表面エネルギー密度が２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ２となるようにして、照射工程を行うことで、触媒元素により結晶化されたケイ素膜の結晶性が失われることなく、助長され、非常に高品質な結晶性ケイ素膜が得られる。ここでレーザー光の表面エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２より小さければ、ケイ素膜はほとんど溶融されず、十分な結晶性助長が図れない。また、４５０ｍＪ／ｃｍ２よりも大きければ、触媒元素により得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、リセットされてしまい、従来のレーザー結晶化における不均一性の問題点が発生する。
【００３１】
また、本発明において、強光方法以外の触媒元素により結晶化された第１のケイ素膜の結晶性をさらに高める手段としては、第２の非晶質ケイ素膜を除去する工程の後、第１のケイ素膜を島状に分離する前に、第３の加熱処理を施し、結晶化された第１のケイ素膜の結晶性をさらに高める方法が望ましい。この第３の熱処理は、第１および第２の熱処理よりもより高い温度で処理することが必要であり、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜中における微小な結晶欠陥を低減できる。また、強光照射方法に比べて、初期の結晶状態が失われることはないので、プロセスマージンが広い。
【００３２】
さらに、第３の加熱処理をより有効とするためには、該熱処理は酸化雰囲気中にて行われ、第１のケイ素膜の表面が酸化された状態となることがより望ましい。ケイ素膜の酸化工程においては、酸化により生じるＳｉ＼ＳｉＯ２界面で過剰なＳｉ原子が放出され、これらがケイ素膜中へと移動し、Ｓｉの不対結合手（ダングリングボンド）をターミネートし、消滅させる効果をもつ。その結果、不活性ガス雰囲気下の熱処理に比べて、結晶欠陥の改善効果がより大きくなる。しかしながら、従来、島状分離されたケイ素膜に対して、酸化雰囲気での熱処理を行うと、アイランドのエッジ部で異常に酸化が進み、エッジ部が基板上より浮き上がるような状態の膜剥がれが発生していた。また、ケイ素膜中に触媒元素やリンが存在していると、触媒元素やリンが再拡散しケイ素膜全体を汚染すると共に、触媒元素が局在している領域で異常に酸化が進み、ケイ素膜にピンホールが生じる。しかし、本発明では、このときの第１のケイ素膜中には触媒元素あるいはリンが多量に存在している領域がなく、かつ、島状分離前のべた状態であるため、このような問題は一切起こらず、十分な酸化雰囲気での熱処理を行うことができ、ケイ素膜中の欠陥を大きく低減できる。その結果、非常に高品質な結晶性ケイ素膜が得られ、高性能で信頼性の高い半導体装置が実現できる。具体的な第３の熱処理工程としては、酸素雰囲気では８５０〜１１００℃、水蒸気雰囲気では６００〜７００℃での熱処理が望ましい。
【００３３】
第１の加熱処理は、ケイ素膜中を触媒元素が拡散するが、ケイ素膜に自然核発生が生じないような温度および時間で行われることが望ましい。なぜなら、触媒元素がシリサイドとなり拡散することによって十分な結晶成長が生じる訳であるが、その時の温度があまり高いと、ケイ素膜自身の自然核が発生する。触媒元素により導入領域から成長してきた横成長は柱状結晶で構成されているが、自然核発生が生じると、成長してきた柱状結晶がぶつかり、成長が阻害され、曲がりや分岐が生じて結晶性が悪化する。また、触媒元素がその市で深くトラップされてしまい、後の工程において十分なゲッタリングができなくなる。具体的な第１の加熱処理の温度としては、５４０℃〜６２０℃の範囲内であることが望ましく、この温度範囲内なら上記目的を達することができる。
【００３４】
続いて、第２の加熱処理は、ケイ素膜中を触媒元素が拡散するが、リンは拡散しないような温度および時間で行われることが望ましい。なぜなら、触媒元素がケイ素膜中を拡散移動することにより十分なゲッタリング効果が生じる訳であるが、その時の温度があまり高いと、ケイ素膜中において同時にリンの拡散が生じる。リンがケイ素膜中に拡散すると、触媒元素がリン注入領域に十分に集められないだけでなく、ケイ素膜に対して大きな悪影響を及ぼす。すなわち、リンは言わずと知れたドナー元素であり、ＴＦＴ素子のチャネル領域などに存在すると閾値電圧がシフトし不安定となる。具体的な第２の加熱処理の温度としては、５８０℃〜７００℃の範囲内であることが望ましく、この温度範囲内なら上記目的を達することができる。
【００３５】
次に、本発明における第１の非晶質ケイ素薄膜の厚さであるが、２５〜８０ｎｍの範囲内であることが望ましい。２５ｎｍよりも薄いと、十分な結晶成長が生じず、残存非晶質領域が生じる。また、触媒元素による結晶性ケイ素膜を構成する柱状結晶は、ストレスフリーの状態で約８０ｎｍ×８０ｎｍの断面構造をもつ。ケイ素膜の膜厚がこれより厚いと、柱状結晶が２層構造となってしまい、結晶性が悪化すると共に、触媒元素の残留量も増え、ゲッタリングが困難となる。また、ＴＦＴ素子におけるリーク電流の観点や、膜厚が増えるとその分必要な触媒元素量も増えることから、ケイ素膜の厚さは、十分な結晶成長が得られ、その他のプロセス的にも問題がなければ薄いほどよい。以上の理由から、本発明におけるケイ素膜の厚さの上限は８０ｎｍである。
【００３６】
さて、本発明において、第１のケイ素膜を島状に分離して、半導体装置の活性領域（素子領域）を形成する工程の際、第２の非晶質ケイ素膜と接していた領域以外の第１のケイ素膜の領域を用いて、活性領域が形成することが望ましい。なぜなら、不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜と接していた第１のケイ素膜の領域においては、若干ながらも、第２のケイ素膜中の不純物が逆拡散している可能性があり、触媒元素もまた、この領域を介して上層へと移動して行くため、他の領域に比べて残存触媒元素濃度が若干高い。さらに上層第２のケイ素膜を除去するエッチング工程の際に、どうしても同組成の物質であるため、第２のケイ素膜とダイレクトに接している領域の第１のケイ素膜も若干表面が削られ、他の領域に比べて膜厚が小さくなる傾向にある。これらの事情を考慮して、半導体素子となる活性領域としては、第１のケイ素膜において全く問題のない領域を用いることが最善であり、第２の非晶質ケイ素膜と接していた領域以外の第１のケイ素膜の領域を用いて、活性領域が形成することが望ましい。
【００３７】
しかしながら、第１のケイ素膜において、第２の非晶質ケイ素膜と接していた領域は素子領域として用いないとなると、スペースユーティリティー面で不利であり、レイアウト上も大きな制限を受ける。さらには素子間隔を狭くして集積度を上げることが困難となる。したがって、半導体装置として絶縁ゲート型の薄膜トランジスタを作製する場合に限っては、少なくとも第２の非晶質ケイ素膜と接していた領域以外の第１のケイ素膜の領域を用いて、活性領域における能動（チャネル）領域を形成し、第２の非晶質ケイ素膜と接していた領域の第１のケイ素膜の領域も含めて、残りの領域で活性領域中のコンタクト（ソース・ドレイン）領域を形成することが望ましい。コンタクト領域は、主にリンやホウ素などがドーピングされたＮ型あるいはＰ型のケイ素膜で形成されるため、この領域にリンがあっても問題とはならない。また、触媒元素が、素子特性に主に影響を与えるのはチャネル領域であり、コンタクト領域に微量で存在する触媒元素の影響は、ほとんど無視できるレベルである。したがって、絶縁ゲート型の薄膜トランジスタを作製する場合にはこのように構成することで、第２のケイ素膜との接触領域も素子領域の一部として使用できるため、レイアウトの制限を受けることなく、また集積度を犠牲にすることなく、本発明の優れた効果を同様に享受できる。
【００３８】
本発明において、第１のケイ素膜上に、一部接するようにして不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成する工程は、第１のケイ素膜上に酸化ケイ素膜を形成し、該酸化ケイ素膜を一部開口して、その上に不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜を形成することによって行われ、酸化ケイ素膜が開口された領域で、第１のケイ素膜と不純物を含んだ第２の非晶質ケイ素膜とが接してなる状態で、第２の加熱処理が行われることが望ましい。このようにすることで、結晶化された第１のケイ素膜において、活性領域として後に使用しようとしている領域は、酸化ケイ素膜に覆われ、上層の第２の非晶質ケイ素膜からの不純物拡散を完全に防止でき、結晶化工程全体にわたってクリーンな状態を保つことができる。また、触媒元素を第１の非晶質ケイ素膜に選択導入し横方向に結晶成長させる方法では、酸化ケイ素膜からなる同一のマスク膜を用いて、触媒元素の選択導入と第２の非晶質ケイ素膜との接触が行え、ゲッタリングのための余分なフォト工程が全くなくなり、プロセスを簡略化することができる。酸化ケイ素膜は、リンや触媒元素の拡散に対して十分なバリアとなると共に、半導体であるケイ素膜に与える影響も最も少なくて済む。
【００３９】
さて、本発明の目的の一つは、半導体装置活性領域における触媒元素濃度の大幅な低減を図ることであり、上記手段により、最終的な半導体装置活性領域中の触媒元素の濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となるように管理されることが望ましい。従来法により作製した活性領域中の触媒元素濃度は、１×１０１７〜１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であり、実際にＴＦＴ素子においてリーク電流増大や特性劣化などの影響が確認される。本発明者らが、代表的な触媒元素であるニッケルを用い、実際にＴＦＴ活性領域の濃度を強制的に変化させ、その影響の確認実験を行ったところ、活性領域中の触媒元素の濃度が、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の場合には、その影響が見られず、リーク電流や信頼性は、触媒元素を導入しないものと同程度であった。したがって、本発明において得られる最終的な半導体装置活性領域中の触媒元素の濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である必要があり、本発明の製造方法により十分にその値を達成することができる。
【００４０】
本発明における第２の非晶質ケイ素膜に含有される不純物としては、リンを用いられることが最も望ましい。第２の非晶質ケイ素膜に含有される不純物としては、第２の加熱処理に際し、第１のケイ素膜の結晶成長に用いられた触媒元素を引き集める効果が要求される。このメカニズムについては、未だ詳しくはわかっていないが、このような効果をもつ元素として、リン、硫黄、ヒ素、セレンなどが使用可能である。それらの元素の中でも、特にリンが最も触媒元素を集める効果が大きく、より低濃度で効率的に触媒元素を引き戻すことができるため、触媒元素を集める効果のある元素として、リンを用いるのが最も望ましい。
【００４１】
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、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂを利用することができる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果がある。
【００４２】
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、次のようなモデルを考えられる。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。
【００４３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態について説明する。本実施の形態では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の工程において、本発明を利用した場合についての説明を行う。本実施の形態のＴＦＴはアクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。しかし、本実施の形態では、それらの代表として、基板上に数十万から数百万のＮ型ＴＦＴを特に均一に作製する必要がある液晶表示装置用アクティブマトリクス基板の画素駆動用ＴＦＴを例にとって説明を行う。
【００４４】
図１は、本実施の形態で説明するアクティブマトリクス基板上の画素ＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。実際には前述のように数十万個以上のＴＦＴによる構成されるが、本実施の形態では３行×４列の１２個のＴＦＴに簡略して説明を行う。図２は、図１における任意のＴＦＴの断面図であり、（Ａ）から（Ｆ）の順にしたがって作製工程が順次進行する。
【００４５】
まず、図２（Ａ）に示すように、ガラス基板１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜２を形成する。この酸化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。次に、減圧ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法によって、厚さ２５〜８０ｎｍ、例えば４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）３を成膜する。
【００４６】
次に、さらにａ−Ｓｉ膜３表面上に触媒元素（ニッケル）５の微量添加を行う。このニッケル５の微量添加は、ニッケルを溶かせた水溶液をａ−Ｓｉ膜３上に保持し、スピナーにより溶液をガラス基板１上に均一に延ばし乾燥させることにより行った。本実施の形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、水溶液中のニッケル濃度は１０ｐｐｍとなるようにした。このようにして添加されたａ−Ｓｉ膜３表面上のニッケル濃度を全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法により測定すると、２〜８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２程度であった。そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５２０〜６２０℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。本実施の形態では、一例として５５０℃にて４時間の処理を行った。この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜表面に添加されたニッケル５のシリサイド化が起こり、それを核としてａ−Ｓｉ膜３の結晶化が行われ、結晶性ケイ素膜３ａが形成される。
【００４７】
次に、図２（Ｂ）に示すように、結晶性ケイ素膜３ａ上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜などの絶縁性薄膜を堆積し、パターニングしてマスク４を形成する。マスク４の形成は、本実施の形態においては、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｏｘｙ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。マスクの厚さは、５０ｎｍ〜２５０ｎｍであることが望ましく、本実施の形態では、酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。このときの状態を基板上方より見ると、図１（Ａ）のように、結晶性ケイ素膜３ａの一部がマスク４により島状にマスクされた状態となっている。
【００４８】
次に、結晶性ケイ素膜３ａおよびマスク４を覆うようにリンを含んだ非晶質ケイ素膜７を堆積する。リンを含んだａ−Ｓｉ膜の形成は、シラン（ＳｉＨ４）とフォスフィン（ＰＨ３）を材料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって行った。この際、ａ−Ｓｉ膜７中のリンの濃度は、フォスフィンガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実施の形態では、ＰＨ３／ＳｉＨ４流量比を３／１００として行った。このときのａ−Ｓｉ７膜中のリン濃度は１％程度であった。このときの状態を基板上方より見ると、図１（Ｂ）のような状態となっており、全面がリンを含むａ−Ｓｉ膜７で覆われている。なお、図１（Ｂ）では、後のＴＦＴ素子領域とマスク４との関係を明確にするために、後のＴＦＴ活性領域１１を示してある。後に形成されるＴＦＴ活性領域１１は、この段階ではマスク４に完全に覆われた状態となっている。
【００４９】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５８０〜７００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。本実施の形態では、一例として６００℃にて１２時間の処理を行った。この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜７中のリンが結晶性ケイ素膜３ａ中に拡散したニッケル５を引き寄せる。すなわち、図１（Ｂ）および図２（Ｂ）に示すように、矢印８で示すような方向にニッケルが移動し、上層のリンを含むＳｉ膜７へとゲッタリングされる。その結果、下層の結晶性ケイ素膜３ａのニッケル濃度は大幅に低減する。このときの実際の結晶性ケイ素膜３ａ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定したところ１〜５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度にまで低減されていた。ちなみにこの工程前の結晶性ケイ素膜３ａの膜中ニッケル濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であった。
【００５０】
次に、リンを含むＳｉ膜７の全面除去を行う。このとき、マスク４のない領域で接している下層の結晶性ケイ素膜３ａと、十分に選択性をもったエッチング方法により行うのが望ましいが、実際には同じような材料であるため難しい。本実施の形態では、ＣＦ４と酸素を用いたドライエッチング法によりこの工程を行った。下層のマスクである酸化ケイ素膜４との選択性は十分にあるため、プラズマの発光スペクトルを用いて終点を検出し、オーバーエッチングの時間を極力抑えた。その結果、マスク４のない領域における下層の結晶性ケイ素膜３ａでは１０ｎｍ程度の膜減りが見られたが、実際にＴＦＴの活性領域を形成するのはマスク４に覆われた領域であるため、大きな問題とはならない。後に行われるレーザー照射工程において問題とならない程度の膜減り量であればよい。
【００５１】
次にマスクとして用いた酸化ケイ素膜４をエッチング除去する。エッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜３と選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用い、ウェットエッチングにより行った。
【００５２】
そして、引き続いて、図２（Ｃ）に示すように、レーザー光９を照射することで結晶性ケイ素膜３ａの結晶性を助長する。このとき、結晶性ケイ素膜３ａの膜中にはほとんどニッケルが存在しない状態となっているため、従来法でレーザー照射時に発生していたニッケルの析出や、再拡散やオートドープを完全に防ぐことができる。また、従来法では、ニッケルの偏在した領域を結晶性ケイ素膜３ａ中に作り、この領域を除去した後、すなわちケイ素膜３ａをパターニングした後にこの工程を行っていた。したがって、パターニングに伴うレーザー照射時のパターン崩れや膜飛び、パターンサイズによる結晶性の違いなどの問題点が生じていたが、本実施の形態では上層のケイ素膜へとニッケルを除去したため、結晶性ケイ素膜３ａは全面的にニッケルのないような状態で存在でき、上記の問題点を全て解決できた。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。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ２、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ２で照射した。ビームサイズは、基板１表面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に０．１ｍｍのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、島状結晶性ケイ素膜３ａの任意の一点において、計１０回のレーザー照射が行われることになる。
【００５３】
その後、不要な部分のケイ素膜３ａを除去して素子間分離を行う。すなわち、この工程により、図１（Ｃ）に示すような配置で、後にＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領域）となる島状の結晶性ケイ素膜１１が形成され、図１（Ｃ）および図２（Ｄ）の状態が得られる。
【００５４】
次に、上記の活性領域となる結晶性ケイ素膜１１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１２として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｏｘｙ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ）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。成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で４００〜６００℃で３０〜６０分アニールを行った。
【００５５】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍ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１３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１４を形成する。この状態が図２（Ｅ）に相当する。ゲート電極１３は、平面的にはゲートバスラインを同時構成しており、この状態を平面的に見ると図１（Ｄ）のような状態となっている。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１２０Ｖ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１４の厚さは２００ｎｍである。なお、この酸化物層１４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。
【００５６】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極１３とその周囲の酸化物層１４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１×１０１５〜８×１０１５ｃｍ−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１６と１７は後にＴＦＴのソース／ドレイン領域となり、ゲート電極１３およびその周囲の酸化層１４にマスクされ不純物が注入されない領域１５は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。
【００５７】
その後、図２（Ｅ）に示すように、レーザー光１８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）領域１６、１７のシート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。
【００５８】
続いて、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１９として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、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。また、ＳｉＨ４とＮＨ３を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、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。
【００５９】
次に、層間絶縁膜１９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２０を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。本ＴＦＴは、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透明導電膜からなる画素電極２１を設ける。すなわち、図１（Ｅ）において、ソースバスライン２０を介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン１３のゲート信号に基づいて画素電極２１に必要な電荷が書き込まれる。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールを行い、図２（Ｆ）に示すＴＦＴを完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴを保護する目的で、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【００６０】
以上の実施の形態にしたがって作製したＴＦＴは、電界効果移動度が１５０ｃｍ２／Ｖｓ程度、閾値電圧が２Ｖ程度と非常に高性能であるにもかかわらず、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高い。また、触媒元素が特に問題となるＴＦＴオフ領域でのリーク電流は、従来の１０〜１５ｐＡに比べ、触媒元素を用いない場合と同などの数ｐＡ程度にまで低減でき、製造歩留まりを大きく向上することができた。そして、本実施の形態に基づいて作製された液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、ＴＦＴリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。なお、本実施の形態によるＴＦＴ工程は、アクティブマトリクス基板の画素電極を対象に説明を行ったが、本ＴＦＴは薄膜集積回路などにも簡単に応用でき、その場合にはゲート電極１３上にもコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。
【００６１】
（実施の形態２）
本発の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の工程において、本発明を利用した場合についての説明を行う。本実施の形態のＴＦＴはアクティブマトリクス型の液晶表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。しかし、本実施の形態においても、それらの代表として、基板上に数十万から数百万のＮ型ＴＦＴを特に均一に作製する必要がある液晶表示装置用アクティブマトリクス基板の画素駆動用ＴＦＴを例にとって説明を行う。
【００６２】
また、図３は本実施の形態で説明するアクティブマトリクス基板上の画素ＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。実際には前述のように数十万個以上のＴＦＴによる構成されるが、本実施の形態では３行×４列の１２個のＴＦＴに簡略して説明を行う。図４は、図３における任意の一ＴＦＴの断面図であり、（Ａ）から（Ｇ）の順にしたがって作製工程が順次進行する。図４において、触媒元素導入部１００とＴＦＴのチャネルおよびソース・ドレイン方向の配置が図３のＴＦＴ配置と比べて９０゜異なっているが、これは説明を行いやすくするためであり、実際にＴＦＴの方向が９０゜異なっていても、本発明の効果を損なうことはない。
【００６３】
まず、図４（Ａ）に示すように、ガラス基板１０１上に例えばＣＶＤ法によって厚さ３００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成する。この酸化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。次に減圧ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法によって、厚さ２５〜８０ｎｍ、例えば３５ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３を成膜する。そして、さらにその上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜などの絶縁性薄膜１０４を堆積する。絶縁性薄膜１０４は、後の触媒元素導入時のマスク膜となるものであり、本実施の形態においては、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｏｘｙ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。マスク酸化ケイ素膜１０４の厚さは、５０ｎｍ〜２５０ｎｍであることが望ましく、本実施の形態では、酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。
【００６４】
次に、ａ−Ｓｉ膜１０３上の酸化ケイ素膜をパターニングすることでマスク１０４を形成する。ここで、マスク１０４のスルーホールを介して、スリット状にａ−Ｓｉ膜１０３が露呈される。図４（Ａ）は、任意のＴＦＴの状態を示しているが、その状態を上面から見ると、図３のようにａ−Ｓｉ膜１０３が複数本にわたり、領域１００でマスク膜１０４のスルーホールによりスリット状に露呈しており、他の部分はマスクされている状態となっている。
【００６５】
その後、図４（Ａ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜１０３表面が露呈している領域１００にニッケル１０５を溶かせたエタノール溶液が接するように基板１０１を保持する。本実施の形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、エタノール溶液中のニッケル濃度は１０ｐｐｍとなるようにした。その後、スピナーにより溶液を基板１０１上に均一に延ばし乾燥させることで、基板１０１表面（酸化ケイ素膜１０４と領域１００のａ−Ｓｉ膜１０３表面）にニッケル１０５を微量添加する。この工程により領域１００で露呈している部分のａ−Ｓｉ膜１０３に選択的にニッケル１０５が導入されたことになる。そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５４０〜６２０℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。本実施の形態では、一例として５８０℃にて６時間の処理を行った。
【００６６】
この加熱処理において、図４（Ｂ）に示すように、領域１００においては、ａ−Ｓｉ膜表面に添加されたニッケル１０５のシリサイド化が起こり、それを核としたケイ素膜１０３の選択的結晶化が行われ、シード領域とも言える結晶化領域１０３ａがまず形成される。続いて、その周辺領域から、図４（Ｂ）において、矢印１０６で示すように、領域１００から横方向（基板と平行な方向）に結晶成長が行われる。ここで、図３（Ａ）において、ニッケルが選択導入された領域１００に挟まれた間の領域では、横方向結晶成長した結晶性ケイ素膜１０３ｂが形成され、最終的には、別々の導入領域より成長してきた横成長結晶性ケイ素膜１０３ｂ同士がぶつかり合い、結晶粒界１０３ｅを形成する。最も外側に存在する線状導入領域１００の外側の領域においても、横方向結晶成長が起こり、結晶性ケイ素膜１０３ｂが形成され、その成長が到達しない外側の領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領域１０３ｄとして残る。ここで、従来ならば、横成長した領域１０３ｂは区別されないのであるが、本発明では、少なくとも２つの導入領域に挟まれ、成長先端がぶつかり合って形成された内側の領域と、成長端がａ−Ｓｉ領域との境界で形成される外側の領域１０３ｃとで、後に行われるゲッタリングの効果が大きく異なるため、ここで区別しておく必要がある。本実施の形態による加熱処理で得られた結晶成長距離（矢印６で示される基板と平行な方向の結晶成長の距離）は、７０μｍ程度である。
【００６７】
次に、この状態で図４（Ｃ）に示すように、領域１００で露呈している結晶性ケイ素膜１０３ａおよびマスク１０４を覆うようにリンを含んだ非晶質ケイ素膜１０７を堆積する。リンを含んだａ−Ｓｉ膜の形成は、シラン（ＳｉＨ４）とフォスフィン（ＰＨ３）を材料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって行った。この際、ａ−Ｓｉ膜１０７中のリンの濃度は、フォスフィンガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実施の形態では、ＰＨ３／ＳｉＨ４流量比を３／１００として行った。このときの状態を基板上方より見ると、図３（Ｂ）のような状態となっており、全面がリンを含むａ−Ｓｉ膜１０７で覆われている。なお、図２（Ｂ）では、後のＴＦＴ素子領域とマスク１０４との関係を明確にするために、後のＴＦＴ活性領域１１１を示してある。後にＴＦＴ活性領域１１１となる横方向に結晶成長したケイ素膜領域１０３ｂは、この段階ではマスク１０４に完全に覆われ、上層のリンを含むａ−Ｓｉ膜１０７とは接触していない状態となっている。そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５８０〜７００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。本実施の形態では、一例として６００℃にて１２時間の処理を行った。
【００６８】
この加熱処理において、図４（Ｃ）に示すように、領域１００において、下層の結晶性ケイ素膜１０３ａと接触しているリンを含むａ−Ｓｉ膜１０７で、膜中のリンが下層の結晶性ケイ素膜１０３中に拡散したニッケルを引き寄せる。すなわち、横成長領域１０３ｂにおいて、図４（Ｃ）に矢印１０８で示すような方向、すなわち結晶成長時とは逆方向にニッケルが移動し、さらにシード領域１０３ａから上層のリンを含むａ−Ｓｉ膜１０７へと移動してリンにトラップされる。このようにして、結晶成長時に横成長領域１０３ｂに残留していた触媒元素のほとんどはシード領域１０３ａから上層のリンを含むＳｉ膜１０７へと移動し、除去される。ところが、外側の横成長領域１０３ｃにおいては、熱処理により、さらに結晶化がａ−Ｓｉ領域１０３ｄへと進行する。すなわち、ニッケルは導入領域１０３ａの方向に引き戻されるだけでなく、一部は外側のａ−Ｓｉ領域１０３ｄへとさらに拡散する。よって、図３（Ａ）および図４（Ｃ）における外側の横成長領域１０３ｃでは、ニッケルが十分にゲッタリングできないことになる。したがって、横成長領域に挟まれた領域の横成長領域１０３ｂを用いて素子領域を作製することがより望ましい。
【００６９】
次に、リンを含むＳｉ膜１０７の全面除去を行う。このとき、領域１００で接している下層の結晶性ケイ素膜１０３ａと、十分に選択性をもったエッチング方法により行うのが望ましいが、実際には同じような材料であるため難しい。本実施の形態では、ＣＦ４と酸素を用いたドライエッチング法によりこの工程を行った。下層のマスクである酸化ケイ素膜１０４との選択性は十分にあるため、プラズマの発光スペクトルを用いて終点を検出し、オーバーエッチングの時間を極力抑えた。その結果、領域１００における下層の結晶性ケイ素膜１０３ａでは１０ｎｍ程度の膜減りが見られたが、実際にＴＦＴの活性領域を形成する横成長領域１０３ｂであるため、大きな問題とはならない。後に行われるレーザー照射工程において問題とならない程度の膜減り量であればよい。
【００７０】
次にマスクとして用いた酸化ケイ素膜１０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜１０３と選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用い、ウェットエッチングにより行った。この段階で、後の活性領域となる横成長領域１０３ｂ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定すると、その測定下限である１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であった。
【００７１】
そして、引き続いて、図４（Ｄ）に示すように、レーザー光１０９を照射することで後にＴＦＴの活性領域となる横方向結晶成長領域のケイ素膜１０３ｂの結晶性を助長する。このとき、基板上にはニッケルがほぼ存在しない状態となっているため、従来法でレーザー照射時に発生していたニッケルの析出や、再拡散やオートドープを完全に防ぐことができる。また、従来法では、領域１０３ａ中にリンを直接導入していたため、領域１０３ａにはニッケルとリンが存在し、この領域を除去した後、すなわちケイ素膜１０３をパターニングした後にこの工程を行っていた。したがって、パターニングに伴うレーザー照射時のパターン崩れや膜飛び、パターンサイズによる結晶性の違いなどの問題点が生じていたが、本実施の形態では上層のケイ素膜へとニッケルを除去したため、結晶性ケイ素膜１０３ａは全面的にニッケルのないような状態で存在でき、上記の問題点を全て解決できた。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。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度２５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ２、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ２で照射した。ビームサイズは、基板１０１表面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に０．１ｍｍのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、結晶性ケイ素膜１０３ｂの任意の一点において、計１０回のレーザー照射が行われることになる。
【００７２】
その後、不要な部分のケイ素膜１０３を除去して素子間分離を行う。すなわち、この工程により、図３（Ｂ）に示すような配置で、横方向結晶化領域１０３ｂを用いて、後にＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領域）となる島状の結晶性ケイ素膜１１１が形成され、図３（Ｃ）および図４（Ｅ）の状態が得られる。
【００７３】
次に、上記の活性領域となる結晶性ケイ素膜１１１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１１２として成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ  ＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ）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。成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜／ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で４００〜６００℃で３０〜６０分アニールを行った。
【００７４】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍ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１１３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１１４を形成する。この状態が図４（Ｆ）に相当する。ゲート電極１１３は、平面的にはゲートバスラインを同時構成しており、この状態を平面的に見ると図３（Ｄ）のような状態となっている。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１２の厚さは２００ｎｍである。なお、この酸化物層１１４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。
【００７５】
次に、イオンドーピング法によって、ゲート電極１１３とその周囲の酸化物層１１４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１×１０１５〜８×１０１５ｃｍ−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１１６と１１７は後にＴＦＴのソース／ドレイン領域となり、ゲート電極１１３およびその周囲の酸化層１１４にマスクされ不純物が注入されない領域１１５は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。
【００７６】
その後、図４（Ｆ）に示すように、レーザー光１１８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）領域１１６、１１７のシート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。
【００７７】
続いて、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１１９として形成する。酸化ケイ素膜を用いる場合には、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。また、ＳｉＨ４とＮＨ３を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法で成膜された窒化ケイ素膜を用いれば、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。
【００７８】
次に、層間絶縁膜１１９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１２０を形成する。窒化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止する目的のバリア膜として設けられる。本ＴＦＴは、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透明導電膜からなる画素電極１２１を設ける。すなわち、図３（Ｅ）において、ソースバスライン１２０を介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン１１３のゲート信号に基づいて画素電極１２１に必要な電荷が書き込まれる訳である。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールを行い、図４（Ｇ）に示すＴＦＴを完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴを保護する目的で、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【００７９】
以上の実施の形態にしたがって作製したＴＦＴは、電界効果移動度が１５０ｃｍ２／Ｖｓ程度、閾値電圧が２Ｖ程度と非常に高性能であるにもかかわらず、繰り返し測定やバイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高い。また、触媒元素が特に問題となるＴＦＴオフ領域でのリーク電流は、従来の１０〜１５ｐＡに比べ、触媒元素を用いない場合と同などの５ｐＡ程度にまで低減でき、製造歩留まりを大きく向上することができた。そして、本実施の形態に基づいて作製された液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、ＴＦＴリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比の高い高表示品位の液晶パネルが得られた。なお、本実施の形態によるＴＦＴ工程は、アクティブマトリクス基板の画素電極を対象に説明を行ったが、本ＴＦＴは薄膜集積回路などにも簡単に応用でき、その場合にはゲート電極１１３上にもコンタクトホールを形成し、必要とする配線を施せばよい。
【００８０】
（実施の形態３）
本発明を用いた第３の実施の形態について説明する。本実施の形態では、アクティブマトリクス型の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ＮＴＦＴとＰＴＦＴを相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路を石英ガラス基板上に作製する工程について、説明を行う。
【００８１】
図５は、本実施の形態で説明するＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。図６は、図５のＡ−Ｂで切った断面図であり、（Ａ）から（Ｇ）の順にしたがって工程が順次進行する。
【００８２】
まず、石英ガラス基板２０１の表面を低濃度のフッ化水素酸で洗浄した後、減圧ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法によって、厚さ４０〜１００ｎｍ、例えば７０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を成膜する。そして、さらにその上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜などの絶縁性薄膜を堆積する。絶縁性薄膜は、後の触媒元素導入時のマスク膜となるものであり、本実施の形態においては、厚さ１５０ｎｍの酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳを原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。
【００８３】
次に、酸化ケイ素膜上に感光性樹脂（フォトレジスト）を塗布し、パターニングすることでスルーホールを開口し、マスク２０４を形成する。ここで、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６（Ａ）の状態を上面から見ると、図５のように領域３００でａ−Ｓｉ膜２０３が露呈しており、他の部分は酸化ケイ素膜によりマスクされている状態となっている。
【００８４】
上記マスク２０４を設けた後、図６（Ａ）に示すように、基板２０１表面にニッケル２０５を薄膜蒸着する。本実施の形態では、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、ニッケルの薄膜２０５の厚さが１ｎｍとなるように制御した。このときの基板２０１上におけるニッケル２０５の面密度を実際に測定すると、４×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２程度であった。そして、これを不活性雰囲気下、例えば加熱温度５８０℃で６時間アニールして結晶化させる。
【００８５】
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２０１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２０３ａが形成される。そして、領域２００の周辺領域では、図５および図６（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２０３ｂが形成される。成長が到達しない外側の領域は、そのまま非晶質ケイ素膜領域１０３ｄとして残る。本実施の形態による加熱処理で得られた結晶成長距離（矢印１０６で示される基板と平行な方向の結晶成長の距離）は、７０μｍ程度である。
【００８６】
次に、この状態で図６（Ｃ）に示すように、領域２００で露呈している結晶性ケイ素膜２０３ａおよびマスク２０４を覆うようにリンを含んだ非晶質ケイ素膜２０７を堆積する。リンを含んだａ−Ｓｉ膜の形成は、シラン（ＳｉＨ４）とフォスフィン（ＰＨ３）を材料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって行った。この際、ａ−Ｓｉ膜２０７中のリンの濃度は、フォスフィンガスの流量比で任意に変更することが可能である。本実施の形態では、ＰＨ３／ＳｉＨ４流量比を３／１００として行った。後にＴＦＴ活性領域２１１となる横方向に結晶成長したケイ素膜領域２０３ｂは、この段階ではマスク２０４に完全に覆われ、上層のリンを含むａ−Ｓｉ膜２０７とは接触していない状態となっている。そして、これを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５８０〜７００℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す。本実施の形態では、一例として６００℃にて１２時間の処理を行った。
【００８７】
この加熱処理において、図６（Ｃ）に示すように、領域２００において、下層の結晶性ケイ素膜２０３ａと接触しているリンを含むａ−Ｓｉ膜２０７で、膜中のリンが下層の結晶性ケイ素膜２０３中に拡散したニッケルを引き寄せる。すなわち、横成長領域２０３ｂにおいて、図６（Ｃ）に矢印２０８で示すような方向、すなわち結晶成長時とは逆方向にニッケルが移動し、さらにシード領域２０３ａから上層のリンを含むａ−Ｓｉ膜２０７へと移動してリンにトラップされる。このようにして、結晶成長時に横成長領域２０３ｂに残留していた触媒元素のほとんどはシード領域２０３ａから上層のリンを含むＳｉ膜２０７へと移動し、除去される。
【００８８】
次に、リンを含むＳｉ膜２０７の全面除去を行う。このとき、領域２００で接している下層の結晶性ケイ素膜２０３ａと、十分に選択性をもったエッチング方法により行うのが望ましいが、実際には同じような材料であるため難しい。本実施の形態では、ＣＦ４と酸素を用いたドライエッチング法によりこの工程を行った。下層のマスクである酸化ケイ素膜２０４との選択性は十分にあるため、プラズマの発光スペクトルを用いて終点を検出し、オーバーエッチングの時間を極力抑えた。その結果、領域２００における下層の結晶性ケイ素膜２０３ａでは１０ｎｍ程度の膜減りが見られた。
【００８９】
次にマスクとして用いた酸化ケイ素膜２０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、十分に下層のケイ素膜２０３と選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用い、ウェットエッチングにより行った。この段階で、後の活性領域となる横成長領域２０３ｂ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定すると、その測定下限である１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であった。この状態において図６（Ｄ）に示すように、ケイ素膜２０３中にニッケルがほぼ存在しない状態をケイ素膜２０３がパターニングされる（島状化する）ことなく得ることができ、ケイ素膜表面が大気中にさらされた状態となる。
【００９０】
次に、このような状態で、ケイ素膜２０３に対して酸化雰囲気中での熱処理を行う。雰囲気としては、酸素や水蒸気、ＨＣｌなどの酸化雰囲気であり、本実施の形態では、１気圧の酸素雰囲気中にて行った。温度は８５０〜１００℃が好ましく、本実施の形態では９５０℃にて処理を行った。このような条件下、１００分のアニールを行うことで、ケイ素膜２０３表面に約５０ｎｍの酸化膜２１０が形成される。その結果、ケイ素膜２０３の横成長領域２０３ｂは初期の７０ｎｍから４５ｎｍに膜厚が減少する。２０３ａの領域は、エッチング工程により１０ｎｍ程膜厚が減少しているが、この酸化工程後も３５ｎｍの膜厚があり、膜が消失することはない。従来は、ニッケルが局在した領域のケイ素膜２０３ａを取り除いた（ケイ素膜を島状化した）後に、酸化工程を行っていたが、この場合には、パターンエッジ部での異常酸化が進行する。本発明では、基板全面にケイ素膜２０３が存在する状態で行うため、このような問題は全く生じない。
【００９１】
その後、酸化膜２１０を除去した後、不要な部分のケイ素膜２０３を除去して素子間分離を行う。酸化工程において、ケイ素膜２０３中の結晶欠陥は大幅に低減され、より高品質な結晶性ケイ素膜となっている。この素子間分離の工程において、本実施の形態では、図５に示すような配置で、横方向結晶化領域２０３ｂとシード領域２０３ａの一部を用いて、後にＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領域）となる島状の結晶性ケイ素膜２１１ｎ、２１１ｐが形成され、図５および図６（Ｅ）の状態が得られる。ここで、重要なことは、活性領域の島状ケイ素膜２１１ｎ、２１１ｐにおいて、後のＴＦＴのチャネル領域２１５は横成長領域２０３ｂで形成し、コンタクト領域であるソース・ドレイン領域２１６、２１７の一部にシード領域２０３ａを用いることである。従来、シード領域２０３ａはニッケルの導入部でもあるため、ＴＦＴの素子領域内には全く利用できなかったが、本発明ではシード領域２０３ａのニッケルも大幅に除去されており、１０ｎｍ程度の膜厚の減少はあるが、ソース・ドレイン領域としては十分に利用できる。よって、レイアウトの自由度が増し、従来法に比べ回路の集積化が図れる。
【００９２】
次に、上記の活性領域となる結晶性ケイ素膜２１１ｎおよび２１１ｐを覆うように厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１２として成膜する。本実施の形態では、ゲート絶縁膜２１２の成膜方法として、ＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを原料として８５０℃の温度において減圧ＣＶＤ法により成膜を行った。所謂、ＨＴＯ膜である。
【００９３】
引き続いて、図６（Ｆ）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５００ｎｍ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２１３ｎ、２１３ｐを形成する。
【００９４】
次に、イオンドーピング法によって、活性領域２１１ｎ、２１１ｐにゲート電極２１３ｎ、２１３ｐ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（Ｂ２Ｈ６）を用い、前者の場合は、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０ｋＶ〜８０ｋＶ、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２１３ｎ、２１３ｐ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２１５ｎ、２１５ｐ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型の不純物領域２１６ｎと２１７ｎ、Ｐ型の不純物領域２１６ｐと２１７ｐが形成され、図６に示すようにＮチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとを形成することができる。
【００９５】
その後、図６（Ｆ）に示すように、レーザー光２１８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、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）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１０ショット照射した。
【００９６】
続いて、図４（Ｇ）に示すように、厚さ６００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２１９としてプラズマ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の電極・配線２２２、２２３、２２４を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下で３５０℃、３０分のアニールを行い、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２５とＰチャネル型ＴＦＴ２２６とを完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ２２５、２２６を保護する目的で、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【００９７】
以上の実施の形態にしたがって作製したＣＭＯＳ構造回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度はＮ型ＴＦＴで２５０〜３００ｃｍ２／Ｖｓ、Ｐ型ＴＦＴで１５０〜１８０ｃｍ２／Ｖｓと高く、閾値電圧はＮ型ＴＦＴで０．５〜１Ｖ、Ｐ型ＴＦＴで−１〜−１．５Ｖと非常に良好な特性を示す。さらに、バイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても、ほとんど特性劣化は見られず、従来のものと比べて非常に信頼性が高い。また、ＴＦＴオフ領域でのリーク電流もＮ型ＴＦＴで５ｐＡ、Ｐ型ＴＦＴで３ｐＡ程度と従来法に比べ低い値に抑えられ、製造歩留まりを大きく向上できた。
【００９８】
以上、本発明に基づく実施の形態３例につき具体的に説明したが、本発明は上述の実施の形態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。
【００９９】
例えば、前述の２例の実施の形態においては、ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面をニッケル塩を溶かせた水溶液を塗布する方法、あるいは蒸着法によりニッケル薄膜を形成する方法により、ニッケル微量添加を行い、結晶成長を行わす方法を採用した。しかし、非晶質ケイ素膜成膜前に、下地膜表面を選択的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、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同様の効果が得られる。
【０１００】
また、結晶性ケイ素膜の結晶性を助長する手段として、パルスレーザーであるエキシマレーザー照射による加熱法を用いたが、それ以外のレーザー（例えば連続発振Ａｒレーザーなど）でも同様の処理が可能である。また、レーザー光の代わりに赤外光、フラッシュランプを使用して短時間に１０００〜２００℃（シリコンモニターの温度）まで上昇させ試料を加熱する、いわゆるＲＴＡ（ラピッド・サーマル・アニール）（ＲＴＰ、ラピッド・サーマル・プロセスともいう）などのいわゆるレーザー光と同などの強光を用いてもよい。
【０１０１】
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など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などが考えられる。本発明を用いることで、これらの素子の高速、高解像度化などの高性能化が実現される。さらに本発明は、上述の実施の形態で説明したＭＯＳ型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス全般に応用することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いることにより、リーク電流の少ない安定した特性の高性能半導体素子が実現でき、さらに、集積度の高い高性能半導体装置が、簡便な製造プロセスにて得られる。また、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化が図れる。特に液晶表示装置においては、アクティブマトリクス基板に要求される画素スィッチングＴＦＴのスィッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化・高集積化を同時に満足し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板を実現でき、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の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す平面図である。
【図２】第１の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す断面図である。
【図３】第２の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す平面図である。
【図４】第２の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す断面図である。
【図５】第３の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す平面図である。
【図６】第３の実施の形態のＴＦＴの作製工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１０１、２０１      ガラス基板
２、１０２              下地膜
３、１０３、２０３      ケイ素膜
４、１０４、２０４      マスク膜
５、１０５、２０５      触媒元素
１０６、２０６          結晶成長方向
７、１０７、２０７      不純物（リン）を含む非晶質ケイ素膜
８、１０８、２０８      ゲッタリング方向
９、１０９              レーザー光
２１０                  Ｓｉ表面酸化膜
１１、１１１、２１１    ＴＦＴ活性領域（素子領域）
１２、１１２、２１２    ゲート絶縁膜
１３、１１３、２１３    ゲート電極／バスライン
１４、１１４            陽極酸化層
１５、１１５、２１５    チャネル領域
１６、１１６、２１６    ソース領域
１７、１１７、２１７    ドレイン領域
１８、１１８、２１８    レーザー光
１９、１１９、２１９    層間絶縁膜
２０、１２０            ソース電極／バスライン
２１、１２１            画素電極
２２２、２２３、２２４  電極・配線
２２５                  Ｎチャネル型ＴＦＴ
２２６                  Ｐチャネル型ＴＦＴ
【図１】
0003587292.tif 000002
【図２】
0003587292.tif 000003
【図３】
0003587292.tif 000004
【図４】
0003587292.tif 000005
【図５】
0003587292.tif 000006
【図６】
0003587292.tif 000007