(57)【要約】【課題】電気特性の良好な薄膜トランジスタを有し、同一面積のチャネル領域を有する薄膜トランジスタ間の電気特性のばらつきを抑制する半導体装置、半導体装置の製造方法、液晶表示装置及び多結晶ケイ素膜を提供する。【解決手段】半導体装置は、チャネル領域に多結晶ケイ素膜が用いられると共に、該チャネル領域に含まれるケイ素の結晶粒数が２〜９９個である薄膜トランジスタを備える。【選択図】図１２
2008172150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネル領域に多結晶ケイ素膜が用いられると共に、該チャネル領域に含まれるケイ素の結晶粒数が２〜９９個である薄膜トランジスタを備えた半導体装置。
【請求項２】
チャネル領域に多結晶ケイ素膜が用いられると共に、該チャネル領域に含まれるケイ素の結晶粒数が２〜９９個である薄膜トランジスタを液晶表示素子に備えた液晶表示装置。
【請求項３】
絶縁性基板上に非晶質ケイ素膜を形成する膜形成ステップと、
上記絶縁性基板上に形成された非晶質ケイ素膜の所定領域に水素をドープする水素ドープステップと、
上記非晶質ケイ素膜に非晶質ケイ素の結晶化を促進させる触媒元素をドープする触媒元素ドープステップと、
上記触媒元素をドープした非晶質ケイ素膜に加熱処理を施す第１結晶化ステップと、
上記加熱処理を施した非晶質ケイ素膜にレーザ光を照射する第２結晶化ステップと、
を備えた薄膜トランジスタを有する半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記膜形成ステップで形成する非晶質ケイ素膜の水素濃度が、１．０×１０２０〜５．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記膜形成ステップにおける非晶質ケイ素膜の形成を、モノシランガス及びアルゴンガスの混合気体を用いたプラズマＣＶＤ法により行う半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記膜形成ステップと上記水素ドープステップとの間に、上記水素をドープする所定領域を規定するためのフォトレジストのパターニングを上記非晶質ケイ素膜上に行うパターニングステップをさらに備えた半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記水素ドープステップで水素をドープした非晶質ケイ素膜の上記所定領域における水素濃度が、１．０×１０２２〜２．５×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記水素ドープステップにおける水素のドープを、上記非晶質ケイ素膜への水素イオンの注入により行う半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記水素ドープステップにおける水素のドープを、上記非晶質ケイ素膜を水素プラズマ雰囲気中に曝すことにより行う半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記水素ドープステップで水素をドープする所定領域は、薄膜トランジスタのチャネル領域の少なくとも一部を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素ドープステップでドープする触媒は、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、イリジウム、白金、銅及び金のうちの少なくとも１種類の元素を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素ドープステップで触媒元素をドープした非晶質ケイ素膜表面における触媒元素濃度が、１．０×１０１０〜１．０×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記第１結晶化ステップにおける非晶質ケイ素膜の加熱処理を、５００〜８００℃の温度範囲で行う半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記第２結晶化ステップで照射するレーザ光の波長が１２６〜３７０ｎｍである半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記第２結晶化ステップで照射するレーザ光がパルス発振エキシマレーザビームである半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記第２結晶化ステップで照射するレーザ光として上記非晶質ケイ素膜表面を線状に照射する線状レーザビームを用いると共に、該線状レーザビームをその短軸方向にステップ走査することで照射する半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項３に記載された半導体装置の製造方法において、
上記第２結晶化ステップにおけるレーザ光を、上記触媒元素をドープした非晶質ケイ素膜を加熱処理して得られた結晶構造を部分的に溶融するエネルギー密度で照射する半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
含有するケイ素の結晶粒数が１×１０４〜１×１０８〔個／ｍｍ２〕である多結晶ケイ素膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法、液晶表示装置及び多結晶ケイ素膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させ、その結晶構造を有する半導体膜（以下、結晶性半導体膜という）を形成する技術が広く研究されている。半導体膜の結晶化法としては、ファーネスアニール炉を用いた熱アニール法や、瞬間熱アニール法（ＲＴＡ法）、又はレーザアニール法などが検討されている。結晶化に際してはこれらの方法の内、いずれか一つまたは複数を組み合わせて行うことが可能である。
【０００３】
結晶性半導体膜は、非晶質半導体膜と比較し、非常に高い移動度を有する。このため、この結晶性半導体膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、例えば、１枚のガラス基板上に、画素部用、または、画素部用と駆動回路用のＴＦＴを形成したアクティブマトリクス型の液晶表示装置等に利用されている。
【０００４】
通常、ファーネスアニール炉で非晶質半導体膜を結晶化させるには、６００℃以上で１０時間以上の熱処理を必要としていた。この結晶化に適用できる基板材料は石英であるが、石英基板は高価で、特に大面積に加工するのは非常に困難であった。しかし、生産効率を上げるためには基板を大面積化する必要が不可欠であり、近年においては一辺が１ｍを越えるサイズの基板の使用も考慮されるようになっている。
【０００５】
一方、特許文献１に開示されている非晶質ケイ素の結晶化を助長する触媒元素を用いる熱結晶化法は、従来問題とされていた結晶化温度を低温化すること、および処理時間を短くすることを可能としている。その方法は、非晶質半導体膜にニッケルまたは、パラジウム、または鉛等の元素を微量に添加し、その後６００℃にて１時間の熱処理で結晶性半導体膜の形成を可能にしている。
【０００６】
また、レーザアニール法は、基板の温度をあまり上昇させずに、半導体膜にのみ高いエネルギーを与えることが出来るため、歪点の低いガラス基板には勿論、プラスチック基板等にも用いることが出来る点で注目されている技術である。
【０００７】
レーザアニール法の一例は、エキシマレーザに代表されるパルスレーザ光を、照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、長さ１００ｍｍ以上の線状となるように光学系にて成形し、レーザ光を移動させて(あるいはレーザ光の照射位置を被照射体に対し相対的に移動させて)アニールを行う方法である。なお、ここでいう「線状」は、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比の大きい長方形（もしくは長楕円形）を意味する。例えば、アスペクト比が２以上（好ましくは１０〜１００００）のもの指すが、照射面における形状が矩形状であるレーザ光（矩形状ビーム）に含まれることに変わりはない。なお、線状とするのは被照射体に対して充分なアニールを行うためのエネルギー密度を確保するためであり、矩形状や面状であっても被照射体に対して充分なアニールを行えるのであれば構わない。
【０００８】
これらを組み合わせ、非晶質ケイ素の結晶化を助長する触媒元素を用いて熱結晶化した後、結晶化膜の結晶性を向上させるためにレーザアニールを行う方法も、例えば特許文献２等に開示されている。
【０００９】
さらに、特許文献３には、表示部の薄膜トランジスタのチャネル層と駆動用ドライバー回路用の薄膜トランジスタのチャネル層の多結晶ケイ素膜の結晶粒径を変える手法が考案されている。
【特許文献１】特開平７-１８３５４０号公報
【特許文献２】特開２０００−２１６０８９号公報
【特許文献３】特開平５-１９０８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
例えば、前記特許文献２等に開示されている方法では、前記触媒元素を用いて熱結晶化した固相結晶粒が直径数μｍから１００μｍを超えるものまであり、この大きな結晶粒を更にレーザアニールを行うことで結晶性を向上させる。この方法で製造された結晶性ケイ素膜を活性層に用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は良好なＴＦＴ特性となることが可能となる場合がある。
【００１１】
しかしながら、前記非晶質ケイ素の結晶化を助長する触媒元素を用いて熱結晶化した後、結晶化膜の結晶性を向上させるためにレーザアニールを行う方法では、前記触媒元素を用いて熱結晶化した固相結晶粒が直径数μｍから１００μｍを超えるものまで製造することは可能であるが、基板全面がほぼ均一な大きさの結晶粒となる。例えば表示媒体として液晶等を用いたアクティブマトリクス方式の表示装置等の場合、様々な大きさのチャネル領域を有する電界効果薄膜トランジスタを造り込む必要があり、均一な大きさの結晶粒では種々の大きさの電界効果薄膜トランジスタについて、要求される電気特性を満足することはできない。なぜなら、例えば、結晶粒径がチャネル領域よりもやや大きい場合、チャネル領域内に存在する結晶粒数が１個のものと複数個のものがあり、即ちチャネル領域内に結晶粒界を含むものと含まないものが存在するために、同一面積のチャネル領域を有する電界効果薄膜トランジスタであっても移動度などの電気特性のばらつきが大きくなる問題が発生する。このような場合、チャネル領域に比べて結晶粒径をある程度小さくし、全ての電界効果薄膜トランジスタのチャネル領域内複数個の結晶粒が存在するようにすることで、移動度は低下するものの、同一面積のチャネル領域を有する電界効果薄膜トランジスタ間の電気特性のばらつきを抑えることが可能である。
【００１２】
一方、チャネル領域に比べて結晶粒径があまりにも小さい場合は、移動度が低下したり、ＯＮ電流不足となり望ましくない。
【００１３】
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電気特性の良好な薄膜トランジスタを有し、同一面積のチャネル領域を有する薄膜トランジスタ間の電気特性のばらつきを抑制する半導体装置、半導体装置の製造方法、及び、液晶表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る半導体装置は、チャネル領域に多結晶ケイ素膜が用いられると共に、チャネル領域に含まれるケイ素の結晶粒数が２〜９９個である薄膜トランジスタを備えたことを特徴とする。
【００１５】
このような構成によれば、チャネル領域内に２〜９９個（約数個から数１０個程度）の結晶粒を含むような電界効果薄膜トランジスタを有するため、移動度などの電気特性が良好で、かつ同一面積のチャネル領域を有する電界効果薄膜トランジスタ間での特性ばらつきを抑制することができる。本発明者によると、多結晶ケイ素膜を薄膜トランジスタのチャネル領域として用いる場合において、薄膜トランジスタのチャネル領域の大きさに合わせて結晶粒の大きさを変えて、２〜９９個（約数個から数１０個程度）の結晶粒を含むようにすることで上記の効果が奏されることが検証された。
【００１６】
本発明に係る液晶表示装置は、チャネル領域に多結晶ケイ素膜が用いられると共に、チャネル領域に含まれるケイ素の結晶粒数が２〜９９個である薄膜トランジスタを液晶表示素子に備えたことを特徴とする。
【００１７】
このような構成によれば、上述した効果を有する半導体装置を備えた液晶表示装置を得ることができる。
【００１８】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶縁性基板上に非晶質ケイ素膜を形成する膜形成ステップと、絶縁性基板上に形成された非晶質ケイ素膜の所定領域に水素をドープする水素ドープステップと、非晶質ケイ素膜に非晶質ケイ素の結晶化を促進させる触媒元素をドープする触媒元素ドープステップと、触媒元素をドープした非晶質ケイ素膜に加熱処理を施す第１結晶化ステップと、加熱処理を施した非晶質ケイ素膜にレーザ光を照射する第２結晶化ステップと、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
このような構成によれば、薄膜トランジスタの移動度などの電気特性を良好にし、かつ同一面積のチャネル領域を有する電界効果薄膜トランジスタ間での特性ばらつきを抑制することができる。
【００２０】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、膜形成ステップで形成する非晶質ケイ素膜の水素濃度が、１．０×１０２０〜５．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であってもよい。
【００２１】
このような構成によれば、非晶質ケイ素膜の水素濃度が上記範囲のときに、同一濃度の非晶質ケイ素の結晶化を促進させる触媒元素を用いて熱結晶化を行う際の、生成する結晶粒径が最も小さくなる。
【００２２】
さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法は、膜形成ステップにおける非晶質ケイ素膜の形成を、モノシランガス及びアルゴンガスの混合気体を用いたプラズマＣＶＤ法により行ってもよい。
【００２３】
このような構成によれば、容易に大面積絶縁基板に均一な膜厚で、且つ、前記水素濃度範囲の非晶質ケイ素膜を成膜できる。
【００２４】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、膜形成ステップと水素ドープステップとの間に、水素をドープする所定領域を規定するためのフォトレジストのパターニングを非晶質ケイ素膜上に行うパターニングステップをさらに備えてもよい。
【００２５】
このような構成によれば、非晶質ケイ素膜内の所望の領域に効率よく水素をドープすることができる。
【００２６】
さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法は、水素ドープステップで水素をドープした非晶質ケイ素膜の所定領域における水素濃度が、１．０×１０２２〜２．５×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であってもよい。
【００２７】
このような構成によれば、同一濃度の非晶質ケイ素膜の結晶化を促進させる触媒元素を用いて熱結晶化を行う際に生成する結晶粒径が、水素濃度が１．０×１０２０〜５．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の非晶質ケイ素膜を熱結晶化した場合の数倍から数十倍に大きくなる。
【００２８】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、水素ドープステップにおける水素のドープを、非晶質ケイ素膜への水素イオンの注入により行ってもよい。
【００２９】
このような構成によれば、容易に大面積基板の特定領域に水素をドープすることができる。
【００３０】
さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法は、水素ドープステップにおける水素のドープを、非晶質ケイ素膜を水素プラズマ雰囲気中に曝すことにより行ってもよい。
【００３１】
このような構成によれば、容易に大面積基板の特定領域に水素をドープすることができる。
【００３２】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、水素ドープステップで水素をドープする所定領域が、薄膜トランジスタのチャネル領域の少なくとも一部を含んでも良い。
【００３３】
さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法は、触媒元素ドープステップでドープする触媒が、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、イリジウム、白金、銅及び金のうちの少なくとも１種類の元素を含んでもよい。
【００３４】
このような構成によれば、非晶質ケイ素膜の結晶化を良好に促進させることができる。
【００３５】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、触媒元素ドープステップで触媒元素をドープした非晶質ケイ素膜表面における触媒元素濃度が、１．０×１０１０〜１．０×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であってもよい。
【００３６】
前記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進させる触媒元素の膜表面での濃度が、１．０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満の場合、触媒元素の効果が小さく、結晶化に要する時間が長くなり、製造効率が悪くなる等、製造上の問題が生じる。また、膜表面での濃度が、１．０×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２より高い場合、結晶化されたケイ素膜中に触媒元素が高濃度に残留し、ＴＦＴ特性が悪化する。このため、本発明のように非晶質ケイ素膜表面における触媒元素濃度が、１．０×１０１０〜１．０×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であれば、これらの問題を抑制することができる。
【００３７】
例えば、前記水素濃度が１×１０２０〜５．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である非晶質ケイ素膜表面に、１．０×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２のニッケルを添加し、６００℃・１時間の熱結晶化を行った場合、結晶粒径が約１μｍとなる結晶粒が多い。
【００３８】
一方、前記水素を含むイオンを注入する、或いは、水素プラズマ雰囲気中に前記基板を曝すことで水素がドープされて、水素濃度が１×１０２２〜２．５×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である非晶質ケイ素膜表面に、１．０×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２のニッケルを添加し、６００℃・１時間の熱結晶化を行った場合、結晶粒径が約１０μｍとなる結晶粒が多い。
【００３９】
これは、ケイ素が固相結晶成長する際の第一段階としてできる結晶核の発生が、水素によって阻害されることによると考えられる。
【００４０】
さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１結晶化ステップにおける非晶質ケイ素膜の加熱処理を、５００〜８００℃の温度範囲で行ってもよい。
【００４１】
非晶質ケイ素膜の加熱処理は、５００℃未満で行う場合、固相結晶成長速度が遅く、製造効率が悪くなる等、製造上の問題が生じる。また、加熱処理を８００℃より高い温度で行う場合、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進させる触媒元素に起因しない、例えば０．２μｍ以下の小さい粒径の結晶粒が成長し、ＴＦＴ特性が悪化する。このため、本発明のように５００〜８００℃の温度範囲で非晶質ケイ素膜の加熱処理を行うことで、これらの問題を抑制することができる。
【００４２】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第２結晶化ステップで照射するレーザ光の波長が１２６〜３７０ｎｍであってもよい。
【００４３】
さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第２結晶化ステップで照射するレーザ光がパルス発振エキシマレーザビームであってもよい。
【００４４】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第２結晶化ステップで照射するレーザ光として非晶質ケイ素膜表面を線状に照射する線状レーザビームを用いると共に、線状レーザビームをその短軸方向にステップ走査することで照射してもよい。
【００４５】
このような構成によれば、線状レーザビームをその短軸方向にステップ走査することで照射するため、大面積のケイ素膜を効率良く簡便に処理することができる。
【００４６】
さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第２結晶化ステップにおけるレーザ光を、触媒元素をドープした非晶質ケイ素膜を加熱処理して得られた結晶構造を部分的に溶融するエネルギー密度で照射してもよい。
【００４７】
このような構成によれば、第２結晶化ステップにおけるレーザ光を、触媒元素をドープした非晶質ケイ素膜を加熱処理して得られた結晶構造を部分的に溶融するエネルギー密度で照射するため、ほぼ全面が十分な結晶性を有する結晶化ケイ素膜が得られる。尚、第１結晶化ステップで得られた結晶を完全に溶融するエネルギー密度でレーザ光を照射すると、ＴＦＴ特性が悪化するおそれがある。
【００４８】
また、本発明に係る多結晶ケイ素膜は、含有するケイ素の結晶粒数が１×１０４〜１×１０８〔個／ｍｍ２〕であることを特徴とする。
【００４９】
このような構成によれば、当該多結晶ケイ素膜を電界効果薄膜トランジスタのチャネル領域に用いることによって、移動度などの電気特性が良好で、かつ同一面積のチャネル領域を有する電界効果薄膜トランジスタ間での特性ばらつきを抑制することができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、電気特性の良好な薄膜トランジスタを有し、同一面積のチャネル領域を有する薄膜トランジスタ間の電気特性のばらつきを抑制する半導体装置、半導体装置の製造方法、及び、液晶表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置及びそれを備えた液晶表示装置を図面に基づいて詳細に説明する。また、半導体装置として、液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を備えたアレイ基板を例に挙げて説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００５２】
（実施形態）
（薄膜トランジスタの製造方法）
以下に、本発明による結晶質半導体膜を備えた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を、図を用いて説明する。
【００５３】
また、本実施形態では、チャネル領域の大きさが２μｍ×２μｍの薄膜トランジスタ５０と、３０μｍ×３０μｍの薄膜トランジスタ６０とを同一基板上に作製する場合について説明する。
【００５４】
（膜形成工程）
まず、図１に示すように、ガラス基板（絶縁性基板）１０上に、例えばテトラエチルオルソシリケート（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：ＴＥＯＳ）等で構成される厚さ約１００ｎｍの酸化ケイ素膜１１を形成する。
【００５５】
次いで、ＳｉＨ４（モノシラン）ガス及びＡｒ（アルゴン）ガスの混合ガスを用いたＲＦプラズマ化学気相成長（プラズマＣＶＤ）法により、酸化ケイ素膜１１上に厚さが例えば５０ｎｍで、膜中の水素濃度が例えば１．０×１０２０〜５．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の非晶質ケイ素膜１２を形成する。
【００５６】
（パターニング工程）
次に、ガラス基板１０上に堆積された非晶質ケイ素膜１２の表面全面にフォトレジストを塗布したあと、図２及び図３に示すように、３０μｍ×３０μｍのチャネル領域を有する薄膜トランジスタ６０のチャネル領域１３を含む領域のみ開口部１４を設けるように現像し、パターニングする。開口部１４は、後述する水素ドープの対象領域となる位置に形成する。フォトレジスト層１５の厚さは、例えば、２．０μｍである。
【００５７】
（水素ドープ工程）
次に、フォトレジスト層１５の表面から水素イオンを加速電圧１０ｋｅＶで注入する。使用したイオンドープ装置は、タングステンフィラメントによりイオン源で発生させた水素プラズマから、イオンを引き出し、加速したあと、質量分離することなくガラス基板１０に注入されるため、単原子水素イオンだけではなく、水素原子が複数個結合したクラスタイオンも注入される。従って、短時間で効率よく、フォトレジスト層の開口部１４から非晶質ケイ素膜１２に水素をドープすることが可能である。水素ドープは、例えば、非晶質ケイ素膜１２の所定領域における水素濃度が、１．０×１０２２〜２．５×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるように行うのがよい。
【００５８】
（触媒元素ドープ工程）
次に、フォトレジスト層１５を通常のフォトレジスト剥離工程で剥離したあと、図４に示すように、一部水素濃度が異なる非晶質ケイ素膜１６の表面全面に触媒元素１７を添加する。触媒元素１７は、後述する加熱処理において非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する元素であり、例えば、Ｎｉである。Ｎｉは例えば抵抗加熱法によって非晶質ケイ素膜１６上に蒸着された後、拡散される。なお、図４では触媒元素１７を膜状に示しているが、実際には、触媒元素１７は非晶質ケイ素膜１６の表面付近に分散されている。
【００５９】
（第１結晶化工程）
次に、非晶質ケイ素膜１６を加熱処理することにより、非晶質ケイ素膜１６を結晶化して、図５に示した結晶質ケイ素膜（多結晶ケイ素膜１８）を得る。加熱処理により、固相結晶成長（Ｓｏｌｉｄ  ｐｈａｓｅ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ：ＳＰＣ）することによって、非晶質ケイ素膜１６が結晶化される。以下、このように加熱処理によって結晶化を行うことを第１結晶化と称する。
【００６０】
上述したように、非晶質ケイ素膜１６には触媒元素１７が添加されているので、窒素雰囲気の電気炉において非晶質ケイ素膜１６を６００℃で１時間加熱すると、容易に結晶化される。
【００６１】
次に、結晶化時に多結晶ケイ素膜１８の表面に形成された自然酸化膜を除去する。酸化膜の除去は、例えば、多結晶ケイ素膜１８の表面に１％のフッ酸溶液を９０秒間浸漬させ、スピン乾燥させるウェットエッチングよって行われる。このようなウェットエッチングは、簡便で量産性にも優れている。酸化膜を除去した基板を乾燥させて直ちにチャンバに導入する。チャンバにはレーザビーム照射機構が設けられており、チャンバは、例えば、酸素濃度が２０％、窒素濃度が８０％で満たされており、気圧は１気圧である。
【００６２】
（第２結晶化工程）
次に、多結晶ケイ素膜１８にレーザビーム１９（パルス発振エキシマレーザビーム）を照射する。以下、このようにレーザビームによって結晶化を行うことを第２結晶化と称する。図６は、多結晶ケイ素膜１８に対してレーザビーム１９を相対的に走査している様子を示す図である。レーザビーム１９は、多結晶ケイ素膜１８を部分的に溶融するエネルギー密度で照射される。レーザビーム１９が多結晶ケイ素膜１８を部分的に溶融することにより、結晶は溶融されなかった結晶粒を種結晶として成長し、結果として、粒径の大きな結晶粒を得ることができる。レーザビーム１９として、例えば、エネルギー密度３４０ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅３０ｎｓおよび波長３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザビームが用いられる。
【００６３】
図６に示すように、レーザビーム１９は、多結晶ケイ素膜１８の表面においてエネルギー分布が一様となるように長さ１００ｍｍ以上の線状に成形されており、ガラス基板１０上を短軸方向に２０μｍ／パルスのステップで紙面下方から上方に走査するレーザビーム１９を走査することにより、ほぼ全面で十分な結晶性を有する多結晶ケイ素膜２０が得られる。なお、ここでいう「線状」とは、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比の大きい長方形または長楕円形を意味する。線状のレーザビームは、例えば、アスペクト比は、２以上、より好ましくは１０〜１００００であり、照射面における形状が矩形状であるレーザビーム（矩形状ビーム）を含んでいる。例えば、レーザビーム１９は１２５ｍｍ×０．４ｍｍの線状に成形されている。なお、レーザビーム１９を線状に成形するのは被照射体に対して充分なアニールを行うためのエネルギー密度を確保するためであり、被照射体に対して充分なアニールを行うことができるのであれば、レーザビーム１９の照射面は、線状以外の矩形状であっても、あるいは、数ｃｍ角の四角であってもよい。
【００６４】
このようにして製造した多結晶ケイ素膜２０は、含有するケイ素の結晶粒数が１×１０４〜１×１０８〔個／ｍｍ２〕となっている。
【００６５】
尚、本実施形態では、イオン注入することで、前記フォトレジスト層１５の開口部１４領域の前記非晶質ケイ素膜１２に水素をドープしたが、水素をドープする方法はこれに限定されない。例えば、水素ガスをチャンバに導き、ＲＦにより水素プラズマを発生させ、この水素プラズマ雰囲気中に図２と同様の基板を曝すことでも、前記フォトレジスト層１５の開口部１４の前記非晶質ケイ素膜１２に水素をドープすることは可能である。
【００６６】
また、本実施形態では、触媒元素はＮｉを用い、非晶質ケイ素膜における触媒元素の表面濃度は１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であったが、本発明はこれに限定されない。触媒元素は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、イリジウム、白金、銅および金からなる群から選択された少なくとも１種類の元素を含んでいればよい。また、非晶質ケイ素膜における触媒元素の表面濃度は、１×１０１０〜１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であることが好ましい。表面濃度が１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満である場合、触媒元素の効果が小さく、結晶化に要する時間が長くなり、製造工程上好ましくない。一方、表面濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２よりも高い場合、結晶化されたケイ素膜中に前記触媒元素が高濃度に残留し、ＴＦＴ特性が悪化するためである。
【００６７】
さらに、本実施形態では、加熱処理の温度は６００℃であったが、本発明はこれに限定ない。例えば、加熱処理の温度は５００〜８００℃であることが好ましい。加熱処理の温度が５００℃未満の場合、固相結晶成長速度が遅く、製造工程上好ましくない。一方、加熱処理の温度が８００℃よりも高い場合、触媒元素に起因する、例えば直径数μｍ以上の結晶粒が形成されるのに加えて、触媒元素に起因することなく粒径の小さな（例えば、０．２μｍ以下）結晶粒が形成される。このため、高いキャリア移動度を得ることができない。
【００６８】
また、本実施形態では、加熱時間は１時間であったが、本発明はこれに限定されない。加熱時間は、ガラス基板の変形量やガラス基板からの不純物拡散量、加熱温度等に応じて異なるが、例えば１５分〜２４時間であってもよい。
【００６９】
さらに、本実施形態では、レーザビーム１９の波長は３０８ｎｍであったが、本発明はこれに限定されず、例えば、１２６〜３７０ｎｍの範囲であってもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、レーザビーム１９（パルス発振エキシマレーザビーム）の一例としてＸｅＣｌレーザビームを用いたが、本発明はこれに限定されず、他のパルス発振エキシマレーザビーム、例えば、ＫｒＦ、ＸｅＦ、ＡｒＣｌまたはＫｒＣｌレーザビーム等を用いてもよい。
【００７１】
さらに、本実施形態では、多結晶ケイ素膜１８を部分的に溶融させるレーザビーム１９のエネルギー密度として３４０ｍＪ／ｃｍ２を例示したが、本発明はこれに限定されない。ただし、本発明者の研究結果によれば、レーザビームのエネルギー密度が３７０ｍＪ／ｃｍ２以上であると、エネルギー密度が高過ぎて多結晶ケイ素膜１８が完全に溶融し、微結晶となる領域が発生する。また、レーザビームのエネルギー密度が３２０ｍＪ／ｃｍ２未満であると、Ｘ線回折分析の結果から、レーザビームのエネルギー密度が３２０ｍＪ／ｃｍ２以上である場合と比べて結晶性が低下していることがわかる。したがって、本実施形態で示すように、エネルギー密度が３４０ｍＪ／ｃｍ２であると、多結晶ケイ素膜１８を部分的に溶融させることができ、ほぼ全面が充分な結晶性を有する多結晶ケイ素膜１８を得ることができる。
【００７２】
また、第２結晶化においてレーザアニール法を用いる場合、ケイ素膜の表面で線状に成形されたパルス発振エキシマレーザビームを短軸方向にステップ走査することにより、大面積のケイ素膜を効率よく簡便に処理することができる。
【００７３】
上述の製造方法に従って製造された多結晶ケイ素膜を活性層に用いた電界効果薄膜トランジスタは、高いキャリア移動度を有し、それぞれのチャネル領域の大きさ毎に電気特性のばらつきが抑制される。
【００７４】
尚、上記特許文献３に開示されている製造方法は、結晶粒径を変えた多結晶ケイ素膜が同一平面上になく、さらに表示部の薄膜トランジスタのチャネル層の多結晶ケイ素膜が非晶質ケイ素を成膜した後結晶化するのではなく、成膜時点で結晶化したケイ素膜である点で本発明とは明らかに異なっている。
【００７５】
（薄膜トランジスタ５０，６０の製造工程）
次に、図２を参照して、上述の多結晶ケイ素膜２０を活性層として用いたｎチャネル型電界効果薄膜トランジスタ（以下、「ｎチャネル型ＴＦＴ」という。）３０の製造工程を説明する。ここで、チャネル領域の大きさは異なるが、前記開口部１４から水素をドープした薄膜トランジスタ６０のチャネル領域１３を含む領域の結晶粒径が大きいこと以外は、これ以降の工程は薄膜トランジスタ５０，６０とも同様である。
【００７６】
まず、図７に示すように、ガラス基板１０及び酸化ケイ素膜１１の上に作製された多結晶ケイ素膜２０を、それぞれチャネル領域１３，３１、ソース領域３２，３３、ドレイン領域３４，３５に対応する形状にパタ−ニングする。図８に示すように、前記パターニングされた多結晶ケイ素膜２０を覆うように、常圧化学気相成長Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＰＣＶＤ）法により、厚さ１００ｎｍ程度の酸化膜からなるゲート絶縁膜４０を形成する。
【００７７】
次に、図９に示すように、ゲート絶縁膜４０上に、導電膜として厚さ３００ｎｍ程度のアルミニウム膜４１を形成し、図１０に示すように、アルミニウム膜４１を所定形状にパターニングしてゲート電極４３を形成する。このゲート電極４３をマスクとして、ソース領域３２および３３、ドレイン領域３４及び３５となる領域にリンイオンを注入し、ゲート電極４３直下のチャネル領域３１および１３の両側にソ−ス領域３２および３３、ドレイン領域３４および３５を形成する。
【００７８】
その後、図１１に示すように、ＡＰＣＶＤ法によって、ガラス基板１０上の全面にゲート電極４３を覆うように厚さ５００ｎｍの酸化膜を堆積して層間絶縁膜４６を形成する。次いで、図１２に示すように、ソ−ス領域３２および３３、ドレイン領域３４および３５上のゲート絶縁膜４０および層間絶縁膜４６にコンタクトホ−ル部を形成し、スパッタリング法によって電極材料をコンタクトホ−ル部に堆積させ、コンタクトホール部を介して電極材料とソース領域３２および３３、ドレイン領域３４及び３５との間にオ−ミック接触を実現させる。この電極材料を所定形状にパターニングすることにより、引き出し電極４７を形成する。
【００７９】
以上のようにして、チャネル領域内に２〜９９個（約数個から数１０個程度）の結晶粒を含むｎチャネル型の薄膜トランジスタ５０，６０が完成する。また、このｎチャネル型の薄膜トランジスタ５０，６０をアクティブマトリクス基板のスイッチング素子（液晶表示素子）に用いて液晶表示装置を作製する。
【００８０】
尚、本実施形態では、ＴＦＴの例示としてｎチャネル型ＴＦＴ３０を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、多結晶ケイ素膜を用いてｐチャネル型ＴＦＴを作製してもよい。また、ｎまたはｐチャネル型ＴＦＴをスイッチング素子として用いた半導体装置をさらに作製してもよい。
【００８１】
（薄膜トランジスタ５０，６０を備えた液晶表示装置９０の構成）
次に、上述の製造方法で製造された薄膜トランジスタ５０，６０を備えた液晶表示装置９０の構成について説明する。
【００８２】
液晶表示装置は、画素電極の駆動用のスイッチング素子として本実施形態の製造方法により作製された薄膜トランジスタ５０又は６０を用いるようにしたアクティブマトリクス型のものである。
【００８３】
液晶表示装置９０は、マトリクス状に配置された複数の薄膜トランジスタ５０又は６０（スイッチング素子）を有するアレイ基板９１と、色層を有していて、アレイ基板９１に貼り合わされた対向基板としてのカラーフィルタ基板（不図示）とを備えており、これらアレイ基板９１とカラーフィルタ基板との間には、液晶層及びスペーサ（いずれも不図示）が配置されている。また、アレイ基板９１の裏面にはバックライト（不図示）が配置されている。
【００８４】
本実施形態に係る液晶表示装置９０の薄膜トランジスタ５０，６０は、図１２に示すように、多結晶ケイ素膜２０を活性層として用いたｎチャネル型電界効果薄膜トランジスタ（ｎチャネル型ＴＦＴ）を構成しており、それぞれチャネル領域内に２〜９９個（約数個から数１０個程度）の結晶粒を含んでいる。
【００８５】
図１３に示すように、アレイ基板９１は、縦方向（図１３の上下方向）に延びる複数本のソース線９２（信号線）と、横方向（図１３の左右方向）に延びる複数本のゲート線９３（走査線）とが互いに交差するように配置されており、各交差部の近傍に、ソース電極９４、ドレイン電極９５及びゲート電極９６を有する薄膜トランジスタ５０又は６０と、この薄膜トランジスタ５０又は６０のドレイン電極９５に電気的に接続された画素電極９７とが配置されている。ドレイン電極９５は、薄膜トランジスタ５０又は６０の位置から画素領域の略中央位置まで延設されており、その端部は、略矩形状の補助容量用電極とされている。
【００８６】
（実施例）
上述の実施形態に係る製造方法によって製造されたｎチャネル型ＴＦＴのキャリア移動度を測定した。このとき、前記膜形成工程で作製した非晶質ケイ素膜内の水素濃度は３×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。また、前記水素ドープ工程で作製した非晶質ケイ素膜内の水素濃度は２×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。さらに、触媒元素ドープ工程で作製した非晶質ケイ素膜の表面における触媒元素の濃度（表面濃度）は１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であった。
【００８７】
このようにして製造したｎチャネル型ＴＦＴのキャリアは、チャネル領域の大きさが大きく異なる薄膜トランジスタ５０及び薄膜トランジスタ６０ともに高いキャリア移動度（３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ）を示した。
【００８８】
また、同一基板上に薄膜トランジスタ５０及び薄膜トランジスタ６０と全く同じ大きさの薄膜トランジスタを本実施形態とそれぞれ同様の方法で１００個ずつ作製したところ、キャリア移動度のばらつきは、それぞれ±３％以内と小さかった。
【００８９】
さらに、前記フォトレジスト層で覆われていた領域と、フォトレジスト層の開口部から水素がドープされた領域とでは結晶粒径が異なっていた。具体的には、前記フォトレジスト層で覆われていた領域の多結晶ケイ素膜の平均結晶粒径は約１μｍ程度であったのに対して、フォトレジスト層の開口部から水素がドープされた領域の多結晶ケイ素膜の平均結晶粒径は約１０μｍ程度であった。即ち、チャネル領域の大きさが２μｍ×２μｍの薄膜トランジスタ５０、３０μｍ×３０μｍの薄膜トランジスタ６０ともに必ずチャネル領域が数個の結晶粒で形成されたことになる。
【００９０】
比較例として、水素ドープを行わずに薄膜トランジスタを作製して同様の測定を行うと、チャネル領域の大きさが２μｍ×２μｍの薄膜トランジスタのキャリア移動度及びキャリア移動度のばらつきは同様であったが、チャネル領域の大きさが３０μｍ×３０μｍの薄膜トランジスタのキャリア移動度は１５０ｃｍ２／Ｖ・ｓ  と低い値となった。これは、３０μｍ×３０μｍのチャネル領域が数１００個もの結晶粒で形成されたためである。
【００９１】
（作用効果）
次に、作用効果について説明する。
【００９２】
本実施形態に係る半導体装置（アレイ基板９１）は、チャネル領域１３，３１に多結晶ケイ素膜が用いられると共に、チャネル領域に含まれるケイ素の結晶粒数が数個〜数十個（２〜９９個程度）である薄膜トランジスタ５０，６０を備えたことを特徴とする。また、本実施形態に係る薄膜トランジスタ５０，６０を備えた半導体装置（アレイ基板９１）の製造方法は、ガラス基板１０上に非晶質ケイ素膜１２を形成する膜形成ステップと、ガラス基板１０上に形成された非晶質ケイ素膜１２の所定領域に水素をドープする水素ドープステップと、非晶質ケイ素膜１２に非晶質ケイ素の結晶化を促進させる触媒元素１７をドープする触媒元素ドープステップと、触媒元素１７をドープした非晶質ケイ素膜１２に加熱処理を施す第１結晶化ステップと、加熱処理を施した非晶質ケイ素膜１２にレーザ光を照射する第２結晶化ステップと、を備えたことを特徴とする。
【００９３】
このような構成によれば、薄膜トランジスタの移動度などの電気特性を良好にし、かつ同一面積のチャネル領域を有する電界効果薄膜トランジスタ間での特性ばらつきを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
以上説明したように、本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法、液晶表示装置及び多結晶ケイ素膜について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施形態に係る膜形成工程における非晶質ケイ素膜１２の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るパターニング工程における非晶質ケイ素膜１２の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るパターニング工程における非晶質ケイ素膜１２の平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る触媒元素ドープ工程における非晶質ケイ素膜１６の断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る第１結晶化工程における多結晶ケイ素膜１８の断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る第２結晶化工程における多結晶ケイ素膜１８へのレーザビーム照射の様子を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るチャネル領域１３，３１、ソース領域３２，３３、ドレイン領域３４，３５に対応する形状にパタ−ニングされた多結晶ケイ素膜２０の平面図である。
【図８】本発明の実施形態に係るゲート絶縁膜４０が形成された多結晶ケイ素膜２０の断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係るアルミニウム膜４１が形成された多結晶ケイ素膜２０の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るゲート電極４３が形成された多結晶ケイ素膜２０の断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る層間絶縁膜４６が形成された多結晶ケイ素膜２０の断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る引き出し電極４７が形成された多結晶ケイ素膜２０の断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ５０，６０を備えたアレイ基板９１を用いた液晶表示装置９０の平面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０      ガラス基板
１１      酸化ケイ素膜
１２      非晶質ケイ素膜
１３，３１      チャネル領域
１４      開口部
１５      フォトレジスト層
１６      非晶質ケイ素膜
１７      触媒元素
１８      多結晶ケイ素膜
１９      レーザビーム
２０      多結晶ケイ素膜
３０      ｎチャネル型ＴＦＴ
３２，３３      ソース領域
３４，３５      ドレイン領域
４０      ゲート絶縁膜
４１      アルミニウム膜
４３      ゲート電極
４６      層間絶縁膜
４７      引き出し電極
５０，６０      薄膜トランジスタ
９０      液晶表示装置
９１      アレイ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008172150.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2008172150.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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