(57)【要約】【課題】単一ドメインを形成するとともに、残留する触媒物質を除去する。【解決手段】非晶質珪素膜２を、触媒物質が添加される結晶化促進領域５ａと、触媒物質を移動させるゲッタリング元素が添加される結晶成長促進領域５ｂと、結晶化促進領域および結晶成長促進領域を接続する連結領域５ｃとを有するようにパターニングする工程と、結晶成長促進領域５ｂにゲッタリング元素添加領域８を形成しゲッタリング元素を添加する工程と、結晶化促進領域５ａに触媒物質添加領域１０を形成し触媒物質を添加する工程と、触媒物質およびゲッタリング元素が添加された非晶質珪素膜５を加熱処理して、結晶化促進領域５ａから選択された結晶核に基づいて、結晶成長促進領域５ｂの結晶成長領域１３に単一結晶粒の結晶性半導体薄膜を結晶成長させるとともに、触媒物質をゲッタリング元素添加領域８に移動させる工程と、を包含する。【選択図】　図２
2004119723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板または絶縁膜上に形成された半導体膜に、該半導体膜の結晶化を助長する触媒物質を添加し、加熱処理を行うことによって、半導体薄膜を成長させる半導体薄膜の作製方法において、
該半導体膜を、該触媒物質が添加され、一方の始端部から他方の終端部にかけて結晶化が促進される結晶化促進領域と、該触媒物質を移動させるゲッタリング元素が添加され、該結晶化促進領域の終端部に一方の始端部が隣接して配置されて該始端部から他方の終端部にかけて、該結晶化促進領域の結晶化方向と同方向に結晶成長される結晶成長促進領域と、該結晶化促進領域の終端部および結晶成長促進領域の始端部を接続する連結領域とを有するようにパターニングする工程と、
該結晶成長促進領域にゲッタリング元素添加領域を形成し該ゲッタリング元素を添加する工程と、
該結晶化促進領域に触媒物質添加領域を形成し該触媒物質を添加する工程と、
該触媒物質および該ゲッタリング元素が添加された該半導体膜を加熱処理して、
該結晶化促進領域から選択された結晶核に基づいて、該結晶成長促進領域の結晶成長領域に単一結晶粒の結晶性半導体薄膜を結晶成長させるとともに、該触媒物質を該ゲッタリング元素添加領域に移動させる工程と、
を包含することを特徴とする半導体薄膜の作製方法。
【請求項２】
前記結晶成長領域と前記ゲッタリング元素添加領域との間隔が５μｍ以上、５００μｍ以下である請求項１に記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項３】
前記半導体膜の厚さは、１０〜２００ｎｍである請求項１または２に記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項４】
前記半導体膜がシリコン（Ｓｉ）材料である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項５】
前記触媒物質には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一種類の元素を用いる請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項６】
前記結晶成長領域には、濃度１×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３の前記触媒物質が添加されている請求項１〜５のいずれかに記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項７】
前記ゲッタリング元素には、Ｐ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｅから選ばれた少なくとも一種類の元素を用いる請求項１〜６のいずれかに記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項８】
前記ゲッタリング元素添加領域には、濃度１×１０１５ｃｍ−２〜１×１０１８ｃｍ−２の前記ゲッタリング元素が添加されている請求項１〜７のいずれかに記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項９】
前記加熱処理は、温度５５０℃〜６５０℃にて行われる請求項１〜８のいずれかに記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項１０】
前記ゲッタリング元素を添加する前に、前記ゲッタリング元素添加領域を除いて前記半導体膜の表面をフォトレジストで被覆する請求項１〜９のいずれかに記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項１１】
前記触媒物質を添加する前に、前記触媒物質添加領域を除いて前記半導体膜の表面を厚さ１０ｎｍ以上の窒化珪素膜、酸化珪素膜、炭化珪素膜のうち少なくとも１種類で被覆する請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体薄膜の作製方法。
【請求項１２】
活性層に用いる前記結晶成長領域以外の前記結晶性半導体薄膜をエッチング処理によって除去する請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体薄膜の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体薄膜の作製方法に関し、特に、基板上に形成された半導体膜に触媒物質を添加し、加熱処理等の熱エネルギーを印加することにより結晶化させた半導体薄膜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（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ、以下、ＴＦＴと記述する）に代表される薄膜半導体素子は、絶縁性表面を有する基板上に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって厚さ数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの半導体薄膜を形成し、この半導体薄膜を活性層として用いて、絶縁ゲート型電界効果型半導体素子、ダイオード等を構成するものである。
【０００３】
このような絶縁ゲート型電界効果型半導体素子等の応用分野としては、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ装置が知られている。アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ装置は、マトリクス状に配置された数１０万以上の画素電極のそれぞれに１つ以上の絶縁ゲート型電界効果型半導体素子から成るＴＦＴを配置し、画素電極に供給する電荷をＴＦＴによって制御するようになっている。
【０００４】
ＴＦＴの活性層に用いられる半導体薄膜としては、成膜が容易な非晶質珪素膜が挙げられる。しかしながら、非晶質珪素膜は、キャリアの移動度が小さいという電気的特性を有し、スイッチング速度が遅いという問題がある。非晶質珪素膜を用いたＴＦＴの電気的特性の向上を図るには、結晶性を有する珪素薄膜を利用すればよい。結晶性を有する珪素膜は、多結晶珪素、微結晶珪素等と称されている。
【０００５】
結晶性を有する珪素膜は、基板上に非晶質珪素膜を形成し、その非晶質珪素膜に結晶化を助長する触媒物質を添加し、その後に加熱処理を行うことにより作製することができる。さらに、結晶化された珪素膜にゲッタリング元素を添加して加熱処理を行い、触媒物質をゲッタリング元素の添加された領域に移動させ、その領域を除去して結晶化された珪素膜内に残留する触媒物質濃度を低減することによって、結晶化された珪素膜の結晶性の向上が図れる。ここで、ゲッタリング元素は、ゲッタリング元素の添加領域に触媒物質を移動（ゲッタリング）させる作用を有する。
【０００６】
また、非晶質珪素膜に触媒物質を添加して結晶化を行う加熱処理工程と、結晶化された珪素膜にゲッタリング元素を添加して触媒物質をゲッタリング元素の添加領域に集める加熱処理工程とを同一工程にて行うことによって、工程の簡略化を図り、結晶化された珪素膜内に残留する触媒物質濃度を低減する技術もある。
【０００７】
非晶質珪素膜から結晶性珪素膜を作製する従来技術の構成は、特開２０００−２１６０８９号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００８】
特開２０００−２１６０８９号公報に開示される構成は、まず、基板上に形成した非晶質珪素膜の表面にフォトレジストをパターニングし、フォトレジストをマスクとしてイオン注入等によってゲッタリング元素を非晶質珪素膜の表面の露出した領域内にドーピングする。次に、非晶質珪素膜上のフォトレジストを剥離し、ゲッタリング元素を所定領域に含んでいる非晶質珪素膜の表面全体に珪素の結晶化を助長する触媒物質を含む溶液を回転塗布法により添加する。その後、加熱処理（アニール処理）を行うことによって、触媒物質のシリサイドが核となって結晶化が進行するとともに、この触媒物質のシリサイドはゲッタリング元素に引き寄せられ、ゲッタリング元素の添加領域に集まる。最後に、触媒物質のシリサイドが集められたゲッタリング元素の添加領域をエッチングによって除去し、結晶性珪素膜が得られる。
【０００９】
上記の触媒物質を用いた半導体薄膜の結晶化方法は、低温および短時間にて半導体薄膜を結晶化できるという点において有効である。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−２１６０８９号公報（第８―１０頁、第２図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術の構成に基づいて作製された結晶性珪素膜を用いたＴＦＴは、電気的特性の安定性および信頼性に問題がある。この原因として、次の２点の要因が考えられる。
【００１２】
第１の要因は、結晶性珪素膜内の結晶粒界の存在が挙げられる。上記従来技術の構成に基づいて作製された結晶性珪素膜は、隣接点間の結晶方位のずれの大きな傾角粒界が多数存在する。結晶方位のずれの大きな傾角粒界の結晶性珪素膜内での発生位置を制御することは困難である。
【００１３】
このような結晶性珪素膜を用いてＴＦＴを作製すると、ＴＦＴの活性層であるチャネル領域に大きな傾角粒界が発生する可能性が多くなる。ＴＦＴのチャネル領域に大きな傾角粒界が存在すると、チャネル領域のキャリア移動度が低下しＴＦＴの電気的特性が悪化するとともに、ＴＦＴの電気的特性にばらつきが生じる原因となる。
【００１４】
第２の要因は、結晶性珪素膜内の残留不純物の存在が挙げられる。残留不純物としては、非晶質珪素膜に添加される触媒物質自体が挙げられる。上記の触媒物質は、加熱処理工程において非晶質珪素膜の結晶化を促進し、その後、触媒物質の一部が結晶粒界にトラップされて、結晶性珪素膜内の結晶粒界の付近に残留する。
【００１５】
ＴＦＴの活性層であるチャネル領域を形成する結晶性半導体珪素膜内に、触媒物質が多量に存在することは、ＴＦＴの電気的特性の安定性および信頼性を阻害する。ＴＦＴは、このような触媒物質を用いて結晶化した結晶性半導体珪素膜にて作製されると、残留した触媒物質の影響によって、主に、ＴＦＴオフ動作時におけるリーク電流の増大等の現象が現れる。このように、触媒物質は、ＴＦＴの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、オン電流の立ち上がり係数（Ｓ係数）等のＴＦＴの電流駆動能力を向上させるが、その一方で、ＴＦＴのオフ動作特性、電気的特性の安定化および信頼性を悪化させる原因となる。
【００１６】
ＴＦＴ等の半導体素子の微細化および電気的特性の安定化には、結晶性の良好な半導体薄膜を用いることが不可欠である。特に、単一ドメインを形成している結晶は、非常に結晶性が良いために、高性能が要求される薄膜半導体素子にも利用することができる。ここで、単一ドメインとは、結晶内での結晶方位のずれが５°以上である大きな傾角粒界が存在しない領域のことである。尚、単一ドメイン内には、結晶方位のずれが数°以下である小さな傾角粒界は存在している。
【００１７】
大きな傾角粒界は、通常、不純物原子をトラップしやすいが、触媒物質を用いて非晶質半導体薄膜の結晶化を行い、単一ドメインになるように結晶性半導体薄膜を成膜すれば、触媒物質をトラップする大きな傾角粒界が存在しないため、結晶性半導体膜内に残留する触媒物質を所定の領域に移動（ゲッタリング）させ除去することが可能となる。
【００１８】
このことから、ＴＦＴ等の薄膜半導体素子の電気的特性を向上させるには、活性層（チャネル領域）に用いる半導体薄膜の結晶状態が単一ドメインになるように結晶成長を行うとともに、結晶化された結晶性半導体薄膜内に残留する触媒物質を除去すれば良い。
【００１９】
ところが、特開２０００−２１６０８９号公報に開示される構成では、触媒物質を非晶質珪素膜上の全面に添加するため、多数の結晶核が非晶質珪素膜内に発生し、そのまま成長するため、単一ドメインになるように結晶性半導体薄膜を成膜することができない。また、上記公報の構成では、ゲッタリング効果によって、ゲッタリング元素の添加領域に触媒物質を移動させて集め、集められた触媒物質を除去しているが、実際には、結晶化した直後に拡散してくる触媒物質の一部が結晶粒界にトラップされて残留してしまう。
【００２０】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、単一ドメインを形成するとともに、残留する触媒物質を除去した半導体薄膜の作製方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体薄膜の作製方法は、絶縁性基板または絶縁膜上に形成された半導体膜に、半導体膜の結晶化を助長する触媒物質を添加し、加熱処理を行うことによって、半導体薄膜を成長させる半導体薄膜の作製方法において、半導体膜を、触媒物質が添加され、一方の始端部から他方の終端部にかけて結晶化が促進される結晶化促進領域と、触媒物質を移動させるゲッタリング元素が添加され、結晶化促進領域の終端部に一方の始端部が隣接して配置されて始端部から他方の終端部にかけて、結晶化促進領域の結晶化方向と同方向に結晶成長される結晶成長促進領域と、結晶化促進領域の終端部および結晶成長促進領域の始端部を接続する連結領域とを有するようにパターニングする工程と、結晶成長促進領域にゲッタリング元素添加領域を形成しゲッタリング元素を添加する工程と、結晶化促進領域に触媒物質添加領域を形成し触媒物質を添加する工程と、触媒物質および該ゲッタリング元素が添加された半導体膜を加熱処理して、結晶化促進領域から選択された結晶核に基づいて、結晶成長促進領域の結晶成長領域に単一結晶粒の結晶性半導体薄膜を結晶成長させるとともに、触媒物質を該ゲッタリング元素添加領域に移動させる工程と、を包含するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２２】
また、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法は、結晶成長領域とゲッタリング元素添加領域との間隔が５μｍ以上、５００μｍ以下である。
【００２３】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、半導体膜の厚さは、１０〜２００ｎｍである。
【００２４】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、半導体膜がシリコン（Ｓｉ）材料である。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、触媒物質には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一種類の元素を用いる。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、結晶成長領域には、濃度１×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３の前記触媒物質が添加されている。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、ゲッタリング元素には、Ｐ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｅから選ばれた少なくとも一種類の元素を用いる。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、ゲッタリング元素添加領域には、濃度１×１０１５ｃｍ−２〜１×１０１８ｃｍ−２の前記ゲッタリング元素が添加されている。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、加熱処理は、温度５５０℃〜６５０℃にて行われる。
【００３０】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、ゲッタリング元素を添加する前に、ゲッタリング元素添加領域を除いて半導体膜の表面をフォトレジストで被覆する。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法において、触媒物質を添加する前に、触媒物質添加領域を除いて半導体膜の表面を厚さ１０ｎｍ以上の窒化珪素膜、酸化珪素膜、炭化珪素膜のうち少なくとも１種類で被覆する。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の作製方法は、活性層に用いる結晶成長領域以外の結晶性半導体薄膜をエッチング処理によって除去する。
【００３３】
上記構成により、以下、その作用を説明する。
【００３４】
本発明の半導体薄膜の作製方法は、絶縁性基板または絶縁性膜上に半導体膜である非晶質珪素膜を積層した後、この非晶質珪素膜を、触媒物質が添加され、一方の始端部から他方の終端部にかけて結晶化が促進される結晶化促進領域と、ゲッタリング元素が添加され、結晶化促進領域の終端部に一方の始端部が隣接して配置されて始端部から他方の終端部にかけて、結晶化促進領域の結晶化方向と同方向に結晶成長される結晶成長促進領域と、結晶化促進領域の終端部および結晶成長領域の始端部を接続する連結領域とを有するようにパターニングし、その後、結晶成長促進領域のゲッタリング元素添加領域にゲッタリング元素を添加し、さらに、結晶化促進領域の触媒物質添加領域に触媒物質を添加し、その後、加熱処理を行うことによって、結晶化促進領域の触媒物質添加領域から選択された結晶核に基づいて、触媒物質が添加されていない結晶成長促進領域の結晶成長領域に、単一結晶粒の単一ドメインを有する結晶性半導体薄膜を形成するように非晶質珪素膜を結晶化する。
【００３５】
すなわち、上記加熱処理工程において、選択された一つの結晶核に基づいて結晶化が進むために大きな傾角粒界が生じないとともに、ゲッタリング元素添加領域内のゲッタリング元素によって、触媒物質がトラップされることなくゲッタリング元素添加領域に引き寄せられる。
【００３６】
これにより、結晶成長促進領域の結晶成長領域には、残留する触媒物質のほとんどない単一の結晶粒のみの単一ドメインを有する結晶性珪素膜を形成することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００３８】
図１（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ本発明の実施形態である半導体薄膜の作製方法における各工程を説明するための断面図、図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の実施形態である半導体薄膜の作製方法における各工程を説明するための概略平面図である。
【００３９】
まず、図１（ａ）に示すように、基板１上に減圧ＣＶＤ法によってＳｉ２Ｈ６ガスを用いて厚さ１００ｎｍの非晶質珪素膜２を形成する。ここで、基板１には、石英基板またはガラス基板などの絶縁性の表面を有する基板、または、表面に絶縁膜であるＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等を形成したシリコンウエハが用いられる。
【００４０】
次に、図１（ｂ）に示すように、常圧ＣＶＤ法によってＳｉＨ４ガスおよびＯ２ガスを用いて非晶質珪素膜２上の全体を覆うように厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２膜３を形成する。
【００４１】
次に、図１（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜３上にレジスト４を塗布し、露光および現像のフォトリソグラフィの各工程を経て、ドライエッチングによって、所定形状にパターニングする。この場合、例えば、図２（ａ）に示すように、パターニングされた非晶質珪素膜５は、触媒物質が添加され、一方の始端部から他方の終端部にかけて結晶化が促進される矩形状の結晶化促進領域５ａと、ゲッタリング元素が添加され、結晶化促進領域５ａの終端部に一方の始端部が隣接して配置されて始端部から他方の終端部にかけて、結晶化促進領域５ａの結晶化方向と同方向に結晶成長される矩形状の結晶成長促進領域５ｂと、結晶化促進領域５ａの終端部および結晶成長促進領域５ｂの始端部を接続する連結領域５ｃとを有する。ここで、結晶成長促進領域５ｂには、活性層が形成される。また、結晶化促進領域５ａおよび結晶成長促進領域５ｂの形状は、矩形状に限定されない。
【００４２】
次に、レジスト４を剥離し、非晶質珪素膜５上のＳｉＯ２膜３を全面除去する。
その後、図１（ｄ）に示すように、非晶質珪素膜５および基板上を覆うように常圧ＣＶＤ法によってＳｉＨ４ガスおよびＯ２ガスを用いて厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２膜６を形成し、さらに、ＳｉＯ２膜６上にレジスト膜７を塗布する。
【００４３】
次に、図１（ｅ）に示すように、露光および現像のフォトリソグラフィの各工程を経て、ＳｉＯ２膜６およびレジスト膜７の一部にドライエッチングによって非晶質珪素膜５の結晶成長促進領域５ｂの所定の領域に、結晶成長促進領域５ｂの表面が露出した開口部を形成する。この開口部から露出した結晶成長促進領域５ｂがゲッタリング元素添加領域８となる。図２（ｂ）に示すように、ゲッタリング元素添加領域８は、結晶成長促進領域５ｂの連結領域５ｃ側とは反対側の端部近傍に、例えば矩形状で形成される。
【００４４】
次に、レジスト膜７および非晶質珪素膜のゲッタリング元素添加領域８にイオン注入等によってＰ（リン）をドーピングする。ここで、Ｐ（リン）は、ＳｉＯ２膜６およびレジスト膜７に覆われた非晶質珪素膜５には添加されずに、ゲッタリング元素添加領域８内に選択的に注入される。ドーピング条件は、ドーピングガスとしてＰＨ３（ホスフィン）を用い、加速電圧を５〜３０ｋＶ、例えば１０ｋＶとし、ドーズ量を１×１０１５ｃｍ−２〜１×１０１８ｃｍ−２、例えば、１×１０１６ｃｍ−２である。本実施形態では、このＰ（リン）がゲッタリング元素となる。
【００４５】
次に、図１（ｆ）に示すように、基板１および非晶質珪素膜５上のレジスト膜７を剥離するとともに、ＳｉＯ２膜６も全面除去する。
【００４６】
次に、図１（ｇ）に示すように、基板１および非晶質珪素膜５上の全体に常圧ＣＶＤ法によってＳｉＨ４ガスおよびＯ２ガスを用いて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２マスク層９を形成する。その後、フォトリソグラフィの各工程を経て、レジスト膜にてパターニングされたＳｉＯ２マスク層９の一部に１０：１ＢＨＦを用いたエッチングによって、非晶質珪素膜５の結晶化促進領域５ａの所定の領域に、結晶化促進領域５ａの表面が露出した開口部を形成する。この開口部から露出した結晶化促進領域５ａが触媒物質添加領域１０となる。図２（ｃ）に示すように、触媒物質添加領域１０は、結晶化促進領域５ａの連結領域５ｃ側と反対側の端部近傍に、例えば矩形状で形成される。
【００４７】
次に、図１（ｈ）に示すように、レジスト膜を剥離すると、結晶化促進領域５ａの触媒物質添加領域１０上のＳｉＯ２マスク層９に、触媒物質添加領域１０の表面が露出した窓１１が形成される。
【００４８】
次に、ＳｉＯ２マスク層９および非晶質珪素膜５の触媒物質添加領域１０にスパッタリング法等によって厚さ１ｎｍのニッケル薄膜を形成し、その後、温度６００℃にて加熱処理を行うと、図２（ｄ）に示すように、結晶化促進領域５ａの触媒物質添加領域１０内で結晶核１２の発生が起こり、露出していない領域へと触媒物質が拡散して結晶成長を促進する。触媒物質添加領域１０内で発生した複数の結晶核は、それらのいくつかの結晶核が非晶質珪素膜５の結晶化促進領域５ａの終端部および連結領域５ｃの端に追いやられて成長が止まり、最終的に成長を続ける一つの結晶核が連結領域５ｃを経て結晶成長促進領域５ｂにおいて選択される。これにより、結晶成長促進領域５ｂでは、選択された一つの結晶核に基づいて結晶化が進み結晶成長領域１３が形成される。この結果、結晶成長促進領域５ｂの結晶成長領域１３には、単一ドメイン１４が形成される。
【００４９】
同時に、ゲッタリング元素添加領域８内のゲッタリング元素によって、触媒物質が、結晶成長促進領域５ｂの結晶成長領域１３を経てゲッタリング元素添加領域８に引き寄せられる。結晶成長領域１３に形成された結晶性珪素膜は、大きな傾角粒界のない単一ドメイン１４であるため、触媒物質が結晶成長領域１３にてトラップされずにゲッタリング元素添加領域８まで拡散する。その後、活性層の形成に用いる結晶成長領域１３以外の触媒物質が集められたゲッタリング元素添加領域８および触媒物質添加領域１０を含む結晶化促進領域５ａの結晶性珪素膜をエッチング処理等によって除去する。
【００５０】
これにより、上記の結晶成長領域５ｂに不純物である触媒物質の極めて少ない単一結晶粒の結晶性珪素膜を作製することができる。
【００５１】
このような構成により、本発明の半導体薄膜の作製方法は、基板上に非晶質珪素膜を積層した後、この非晶質珪素膜を、触媒物質が添加され、一方の始端部から他方の終端部にかけて結晶化が促進される矩形状の結晶化促進領域５ａと、ゲッタリング元素が添加され、結晶化促進領域５ａの終端部に一方の始端部が隣接して配置されて始端部から他方の終端部にかけて、結晶化促進領域５ａの結晶化方向と同方向に結晶成長される矩形状の結晶成長促進領域５ｂと、結晶化促進領域５ａの終端部および結晶成長領域５ｂの始端部を接続する連結領域５ｃとを有するようにパターニングし、その後、結晶成長促進領域５ｂのゲッタリング元素添加領域８にゲッタリング元素を添加し、さらに、結晶化促進領域５ａの触媒物質添加領域１０に触媒物質を添加し、その後、加熱処理を行うことによって、結晶化促進領域５ａの触媒物質添加領域１０から選択された結晶核に基づいて、触媒物質が添加されていない結晶成長促進領域５ｂの結晶成長領域１３に、単一結晶粒の単一ドメイン１４を有する結晶性珪素膜を形成するように非晶質珪素膜を結晶化する。
【００５２】
すなわち、上記加熱処理工程において、選択された一つの結晶核に基づいて結晶化が進むために大きな傾角粒界が生じないとともに、ゲッタリング元素添加領域８内のゲッタリング元素によって、触媒物質がトラップされることなくゲッタリング元素添加領域に引き寄せられる。
【００５３】
これにより、結晶成長促進領域５ｂの結晶成長領域１３には、残留する触媒物質のほとんどない単一の結晶粒のみの単一ドメイン１４を有する結晶性珪素膜を形成することができる。
【００５４】
したがって、上記結晶成長領域１３を、例えば、ＴＦＴ等の半導体装置の活性領域に用いることによって、電気的特性に優れた半導体装置を作製することが可能となる。
【００５５】
以下、本発明の半導体薄膜の作製方法におけるプロセス条件の設定について説明する。
【００５６】
本発明の半導体薄膜の作製方法は、結晶成長領域１３とゲッタリング元素添加領域８との間隔が５μｍ以上、５００μｍ以下に設定する。結晶成長領域１３とゲッタリング元素添加領域８との間隔が５μｍよりも小さいと、加熱処理工程における加熱条件（加熱温度および加熱時間）によって、ゲッタリング元素が結晶成長領域１３に拡散し、結晶成長領域１３の結晶性珪素膜内の不純物となり、この結晶性珪素膜をＴＦＴ等に用いる場合、ＴＦＴの電気的特性が悪化する。また、結晶成長領域１３とゲッタリング元素添加領域８との間隔が５００μｍよりも大きいと、触媒物質をゲッタリング元素添加領域８に引き寄せるゲッタリング効果が得られない。本実施形態では、結晶成長領域１３とゲッタリング元素添加領域８との間隔が５μｍ以上、５００μｍ以下であるので、触媒物質をゲッタリング元素添加領域８に引き寄せるゲッタリング効果が得られる。
【００５７】
また、本発明の半導体薄膜の作製方法は、半導体膜である非晶質珪素膜の厚さが１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下に設定する。非晶質珪素膜の厚さが１０ｎｍよりも薄いと、結晶成長時に成長不良等の問題が起こりやすくなる。また、非晶質珪素膜の厚さが２００ｎｍよりも厚いと、結晶成長領域１３に単一ドメインが形成されにくい。本実施形態では、非晶質珪素膜の厚さが１００ｎｍであるので、加熱処理工程における結晶成長時に成膜不良などの問題が発生せず、結晶成長領域１３に単一の結晶粒のみの単一ドメイン１４を有する結晶性珪素膜を形成することができる。
【００５８】
さらに、本発明の半導体薄膜の作製方法は、非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒物質としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一種類の元素を用いるように設定する。
【００５９】
さらに、本発明の半導体薄膜の作製方法は、触媒物質であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一種類の元素が、結晶成長領域１３内に濃度１×１０１５ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下で含まれるように設定する。結晶成長領域１３内に存在する触媒物質の濃度が１×１０１５ｃｍ−３よりも少ないと、非晶質珪素膜の結晶化が起こりにくい。また、結晶成長領域１３内に存在する触媒物質の濃度が１×１０１９ｃｍ−３よりも多くなると、ゲッタリング元素によって触媒物質をゲッタリング元素添加領域に十分に引き寄せることができず、結晶成長領域１３の結晶性半導体膜に残留する触媒物質が過大となる。このため、この結晶性珪素膜をＴＦＴ等に用いる場合、ＴＦＴの電気的特性が悪化する。本実施形態では、結晶成長領域１３内の触媒物質の濃度が１×１０１５ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下であるので、非晶質珪素の結晶化が起こりやすいとともに、触媒物質をゲッタリング元素添加領域に引き寄せるゲッタリング効果も得られる。
【００６０】
さらに、本発明の半導体薄膜の作製方法は、触媒物質を引き寄せるゲッタリング元素としてＰ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｅから選ばれた少なくとも一種類の元素を用いるように設定する。
【００６１】
さらに、本発明の半導体薄膜の作製方法は、ゲッタリング元素添加領域８に、Ｐ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｅから選ばれた少なくとも一種類のゲッタリング元素が濃度１×１０１５ｃｍ−２以上、５×１０１８ｃｍ−２以下になるように設定する。ゲッタリング元素添加領域８内に存在するゲッタリング元素の濃度が１×１０１５ｃｍ−２よりも少ないと、触媒物質をゲッタリング元素添加領域８に十分に引き寄せるゲッタリング効果が得られない。また、ゲッタリング元素添加領域８内に存在するゲッタリング元素の濃度が５×１０１８ｃｍ−２よりも多くなると、加熱処理工程における加熱条件（加熱温度および加熱時間）によって、ゲッタリング元素が結晶成長領域１３に拡散し、結晶成長領域１３の結晶性珪素膜内の不純物となり、この結晶性珪素膜をＴＦＴ等に用いる場合、ＴＦＴの電気的特性が悪化する。本実施形態では、ゲッタリング元素添加領域８内のゲッタリング元素の濃度が１×１０１６ｃｍ−２であるので、触媒物質が結晶成長領域１３にほとんど残留することなく結晶成長させることができる。
【００６２】
さらに、本発明の半導体薄膜の作製方法は、結晶成長の加熱処理を温度５５０℃以上、６５０℃以下で行うように設定する。結晶成長の加熱処理の温度が５５０℃よりも低いと、非晶質珪素膜の結晶化が急激に進行することが難くなり、結晶化に時間がかかる。また、結晶成長の加熱処理の温度が６５０℃よりも高いと、触媒物質を添加していない領域においても非晶質珪素膜の結晶化が始まり結晶性珪素膜の結晶粒が微小になってしまい、結晶成長領域１３に単一の結晶粒のみの単一ドメイン１４を成長させることができないとともに、ゲッタリング元素が結晶成長領域１３に拡散し、結晶成長領域１３の結晶性珪素膜内の不純物となり、この結晶性珪素膜をＴＦＴ等に用いる場合、ＴＦＴの電気的特性が悪化する。本実施形態では、加熱処理を温度６００℃で行うことによって、所定の時間にて結晶成長させることができるとともに、結晶成長領域１３に単一の結晶粒のみの単一ドメイン１４を成長させることができる。
【００６３】
さらに、本発明の半導体薄膜の作製方法は、触媒物質の添加を行う前に、触媒物質添加領域１０を除く非晶質珪素膜の表面を厚さ１０ｎｍ以上の窒化珪素膜、酸化珪素膜、炭化珪素膜のうち少なくとも１種類で被覆するように設定する。これにより、触媒物質添加領域のみに触媒物質を添加することができる。
【００６４】
さらに、本発明の半導体薄膜の作製方法は、ゲッタリング元素の添加を行う前に、ゲッタリング元素添加領域を除く非晶質珪素膜上をフォトレジストで被覆するように設定する。これにより、ゲッタリング元素添加領域のみにゲッタリング元素を添加することができる。
【００６５】
さらに、本発明の半導体薄膜の作製方法は、触媒物質添加領域を含む結晶化促進領域５ａ、触媒物質が集められたゲッタリング元素添加領域および活性層に用いる結晶成長領域１３以外の結晶性珪素膜をエッチング処理等によって除去する。
これにより、触媒物質等の不純物のない単一ドメインの結晶性半導体膜を用いてＴＦＴ等の半導体装置を作製することができる。
【００６６】
ここで、本実施形態では、露出した結晶化促進領域５ａの触媒物質添加領域１０内の非晶質珪素膜の露出した表面にスパッタリング法で触媒物質であるニッケル（Ｎｉ）を蒸着したが、スパッタリング法の代わりにスピンコーターによって濃度１〜１００ｐｐｍ、例えば、濃度２０ｐｐｍの酢酸ニッケルエタノール溶液を塗布しても同様の結果が得られた。また、ニッケルの代わりに、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕのうちの少なくとも一種類の元素を含む物質を触媒物質として用いても同様の結果が得られた。さらに、ゲッタリング元素であるリン（Ｐ）の代わりに、Ｓ、Ａｓ、Ｓｅのうちの少なくとも一種類の元素を含む物質をゲッタリング元素として用いても同様の効果が得られた。
【００６７】
以上、本発明の半導体薄膜の作成方法は、基板上に形成した非晶質珪素膜に触媒物質およびゲッタリング元素を添加し、加熱処理等の熱エネルギーを加えることによって、非晶質珪素膜を結晶化させるとともに、同時に触媒物質を所望の結晶性珪素膜から移動させることが可能となり、結晶性のよい珪素薄膜が容易に得られる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の半導体薄膜の作製方法は、絶縁性基板または絶縁膜上に形成された半導体膜に、半導体膜の結晶化を助長する触媒物質を添加し、加熱処理を行うことによって、半導体薄膜を成長させるものであり、半導体膜を、触媒物質が添加され、一方の始端部から他方の終端部にかけて結晶化が促進される結晶化促進領域と、触媒物質を移動させるゲッタリング元素が添加され、結晶化促進領域の終端部に一方の始端部が隣接して配置されて始端部から他方の終端部にかけて、結晶化促進領域の結晶化方向と同方向に結晶成長される結晶成長促進領域と、結晶化促進領域の終端部および結晶成長促進領域の始端部を接続する連結領域とを有するようにパターニングする工程と、結晶成長促進領域にゲッタリング元素添加領域を形成しゲッタリング元素を添加する工程と、結晶化促進領域に触媒物質添加領域を形成し触媒物質を添加する工程と、触媒物質およびゲッタリング元素が添加された半導体膜を加熱処理して、結晶化促進領域から選択された結晶核に基づいて、結晶成長促進領域の結晶成長領域に単一結晶粒の結晶性半導体薄膜を結晶成長させるとともに、触媒物質をゲッタリング元素添加領域に移動させる工程と、を包含することにより、単一結晶粒の単一ドメインが形成できるとともに、残留する触媒物質も除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ本発明の実施形態である半導体薄膜の作製方法における各工程を説明するための断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の実施形態である半導体薄膜の作製方法における各工程を説明するための概略平面図である。
【符号の説明】
１　　基板
２　　非晶質珪素膜
３　　ＳｉＯ２膜
４　　レジスト膜
５　　非晶質珪素膜
５ａ　結晶化促進領域
５ｂ　結晶成長促進領域
５ｃ　連結領域
６　　ＳｉＯ２膜
７　　レジスト膜
８　　ゲッタリング元素添加領域
９　　ＳｉＯ２マスク層
１０　触媒物質添加領域
１１　窓
１２　結晶核
１３　結晶成長領域
１４　単一ドメイン
【図１】
2004119723.tif 000003
【図２】
2004119723.tif 000004