(57)【要約】【課題】製造工程、製造時間の大幅に増加させることなく、半導体特性の優れた結晶化シリコン膜を製造する方法を提供する。【解決手段】非晶質シリコン膜４上の二酸化シリコン膜５の所定の領域にシリコンの結晶化を助長する触媒物質８を形成し、還元性ガスのプラズマに曝すことにより、触媒物質８が形成された領域の下方に位置する二酸化シリコン膜を選択的に除去する。これにより、開口部５ａを有する二酸化シリコン膜５と開口部内に位置する触媒物質８とを非晶質シリコン膜４上に形成する。その後、全体を加熱することによって、触媒物質を非晶質シリコン膜へ拡散させ、非晶質シリコンを結晶化し、結晶性シリコン膜を得る。【選択図】図６
2005150394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性表面を有する基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程（ａ）と、
前記非晶質シリコン膜の所定の領域を露出する開口部を備えた二酸化シリコン膜および前記開口部内に位置し、シリコンの結晶化を助長する触媒物質を前記非晶質シリコン膜上にそれぞれ形成する工程（ｂ）と、
前記非晶質シリコン膜にエネルギーを印加することにより、前記触媒物質を前記非晶質シリコン膜中に拡散させて前記非晶質シリコン膜中の非晶質シリコンを結晶化し、結晶化シリコン膜を得る工程（ｃ）と、
を包含する半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｂ）は、
前記非晶質シリコン膜を全体に覆う二酸化シリコン膜を形成する工程（ｂ１）と、
前記二酸化シリコン膜の前記開口部となる領域上に前記触媒物質を堆積する工程（ｂ２）と、
前記基板全体を還元性ガスのプラズマに曝し、前記二酸化シリコン膜の前記開口部に位置する部分を選択的に除去する工程（ｂ３）と、
を含む請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ａ）において形成する二酸化シリコン膜は、１０ｎｍ以上１μｍ以下の厚さを有する請求項１または２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ２）は、前記二酸化シリコン膜上に開口を有するマスク板を配置し、前記マスク板を用いて前記触媒物質を前記二酸化シリコン膜の前記開口部となる領域に選択的に堆積する請求項１から３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記マスク板は、アルミニウムからなる請求項４に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記触媒物質は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｇｅからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素を含む請求項１から５のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｃ）のあと、前記結晶化シリコン膜にレーザを照射することにより、シリコンを再結晶させる工程（ｄ）をさらに包含する請求項１から６のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｄ）において、前記二酸化シリコン膜の少なくとも一部が存在している請求項７に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｄ）において、前記結晶化シリコン膜の少なくとも一部は溶融しないように前記レーザを照射する請求項７または８に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ）は、電気炉を用い、４００℃以上８００℃以下の温度で行う請求項１から９のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかにより特定される半導体薄膜の製造方法により製造された結晶化シリコン膜を用意する工程と、
前記結晶化シリコン膜の前記所定の領域以外の領域にチャネル領域が画定されるように、前記前記結晶化シリコン膜中にトランジスタを形成する工程と、
を包含する半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記トランジスタを形成する工程は、前記結晶化シリコン膜の前記所定の領域をアライメントパターンとして少なくとも１つ以上のフォトマスクを位置あわせする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は絶縁性表面を有する基板上に形成される半導体薄膜の製造方法に関し、特に、結晶性の半導体薄膜を製造する方法および結晶性の半導体薄膜を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＣＲＴを用いた表示装置に換えて、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置など、厚み（奥行き）の小さいフラットパネルディスプレイの需要が近年高まってきている。こうしたフラットパネルディスプレイでは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に代表される薄膜半導体素子がスイッチング素子として用いられる。たとえば、アクティブマトリクス型の液晶表示装置では、マトリクス状に配置された数十万以上の画素電極のそれぞれに１つ以上のＴＦＴを設け、画素電極に供給する電荷をＴＦＴによって制御している。
【０００３】
ＴＦＴは、ＣＶＤ法などにより形成される厚さ数十ｎｍ〜数百ｎｍの半導体薄膜を備えている。非晶質シリコン膜は、ＴＦＴに用いることのできる薄膜半導体の１つであり、形成が容易であるという利点を備える。しかし、非晶質シリコン膜の半導体特性は十分ではなく、非晶質シリコン膜を用いて形成されるＴＦＴのトランジスタ特性は低いという問題があった。
【０００４】
ＴＦＴの特性を向上させるためには、多結晶シリコン、微結晶シリコン等の結晶性を有するシリコン薄膜を用いることが知られており、まず非晶質シリコン膜を形成し、その後加熱して結晶化することにより、良好な特性を備えた結晶性シリコン薄膜を製造する方法が研究されている。
【０００５】
たとえば、特許文献１は、非晶質シリコン膜の表面にシリコンの結晶化を助長する触媒物質を添加し、その後、アニールによって結晶化させることにより、結晶化シリコン膜を得る方法を開示している。この方法により得られた結晶化シリコン膜には触媒物質を高濃度で含む領域が不均一に分布しており、トランジスタのＯＦＦ電流を増大させるなどの電気的特性上の問題を引き起こすため、トランジスタのチャンネル領域と触媒物質を高濃度で含む領域とが重ならないようにする必要がある。しかし、特許文献１の方法によれば、触媒物質を高濃度で含む領域は結晶化シリコン膜中に不均一に分布するため、得られた結晶化シリコン膜におけるトランジスタの配置を調整することによって、トランジスタのチャンネル領域と触媒物質を高濃度で含む領域とが重ならないようにすることは困難である。このため、この方法は、実用的な結晶化シリコン膜を作製するのに適していない。
【０００６】
この問題を解決するために特許文献２は、上述のように触媒物質を添加し、シリコンを結晶化した後、結晶化シリコン膜中にリンケイ酸ガラスからリンを導入し、リンによって触媒物質を捕捉することを提案している。この方法によれば、残留する触媒物質の濃度を低下させることは可能であるが、トランジスタに適した半導体特性を得るためには、触媒物質を捕捉する際に、長時間、結晶化シリコン膜をアニールする必要がある。このため、ＴＦＴの製造に要する時間が長くなってしまう。
【０００７】
特許文献３は、非晶質シリコン膜上に二酸化シリコン膜を形成し、二酸化シリコン膜の一部をパターニングにより除去した開口部から触媒物質を非晶質シリコン膜表面に添加する方法を開示している。この方法では、触媒物質が非晶質シリコン膜上の二酸化シリコン膜の全体および、開口部内の非晶質シリコン膜に添加される。しかし、二酸化シリコン膜がマスクとして機能し、実際に非晶質シリコン膜の結晶化に寄与するのは、開口部内の触媒物質のみとなる。
【０００８】
本願発明者が検討した結果、この方法により得られた結晶化シリコン膜では、最初に開口部として露出した領域および、結晶化領域と非晶質領域との境界に触媒物質が高濃度に含まれることが判明した。したがって、二酸化シリコン膜に設ける開口部の位置を制御することによって高濃度の触媒物質が分布する領域を制御することができる。
【０００９】
このように触媒物質を用いて結晶化したシリコン膜は、通常、内部に結晶欠陥を多く含む。このため、結晶欠陥を低減し、トランジスタ特性を向上させるために、エネルギーをシリコン膜に与え、シリコン膜中のシリコンを再結晶させる。この際、結晶化シリコン膜をガラス基板上に形成する場合、ガラス基板が変形する可能性があるため、結晶化シリコン膜が設けられた基板全体を加熱するような高温炉を用いたアニールは好ましくなく、レーザ照射などにより、シリコン膜のみに選択的にエネルギーを与えることが好ましい。この際、トランジスタ特性を低下させるような不純物がシリコン膜内に混入しないようにする必要がある。たとえば、シリコン膜の表面に不純物を含まない二酸化シリコン膜を形成し、レーザを照射すればよい。
【００１０】
しかしながら、特許文献３の方法において、触媒物質を選択的に導入するためのマスクとして用いる二酸化シリコン膜はこの目的に用いることはできない。二酸化シリコン膜の表面に触媒物質が存在するため、この状態でレーザを照射して再結晶を行おうとすれば、二酸化シリコン膜からシリコン膜中へ触媒物質が拡散し、得られる結晶化シリコン膜全体に高い濃度で触媒物質を含んでしまうからである。
【００１１】
これを避けるには、レーザによる再結晶化工程を行う前に、触媒物質を選択的に導入するために用いた二酸化シリコン膜を除去し、新たに二酸化シリコン膜を成膜することが考えられる。しかし、これにより新たな製造工程が必要となり、製造時間および製造コストが増大する。また、二酸化シリコン膜を除去するために、フッ化水素溶液を用いる場合シリコン膜もエッチングされる恐れがある。
【特許文献１】特開平６−２４４１０３号公報
【特許文献２】特開平８−３４０１２７号公報
【特許文献３】特開平７−１３０６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記従来技術の問題点を解決し、優れた半導体特性を備えた半導体薄膜を製造する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の半導体薄膜の製造方法は、絶縁性表面を有する基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程（ａ）と、前記非晶質シリコン膜の所定の領域を露出する開口部を備えた二酸化シリコン膜および前記開口部内に位置し、シリコンの結晶化を助長する触媒物質を前記非晶質シリコン膜上にそれぞれ形成する工程（ｂ）と、前記非晶質シリコン膜にエネルギーを印加することにより、前記触媒物質を前記非晶質シリコン膜中に拡散させて前記非晶質シリコン膜中の非晶質シリコンを結晶化し、結晶化シリコン膜を得る工程（ｃ）とを包含する。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、前記非晶質シリコン膜を全体に覆う二酸化シリコン膜を形成する工程（ｂ１）と、前記二酸化シリコン膜の前記開口部となる領域上に前記触媒物質を堆積する工程（ｂ２）と、前記基板全体を還元性ガスのプラズマに曝し、前記二酸化シリコン膜の前記開口部に位置する部分を選択的に除去する工程（ｂ３）とを含む。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ）において形成する二酸化シリコン膜は、１０ｎｍ以上１μｍ以下の厚さを有する。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ２）は、前記二酸化シリコン膜上に開口を有するマスク板を配置し、前記マスク板を用いて前記触媒物質を前記二酸化シリコン膜の前記開口部となる領域に選択的に堆積する。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記マスク板は、アルミニウムからなる。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記触媒物質は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｇｅからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素を含む。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、半導体薄膜の製造方法は、前記工程（ｃ）のあと、前記結晶化シリコン膜にレーザを照射することにより、シリコンを再結晶させる工程（ｄ）をさらに包含する。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）では、前記二酸化シリコン膜の少なくとも一部が存在している。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）では、前記結晶化シリコン膜の少なくとも一部は溶融しないように前記レーザを照射する。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、電気炉を用い、４００℃以上８００℃以下の温度で行う。
【００２３】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、上記いずれかにより特定される半導体薄膜の製造方法により製造された結晶化シリコン膜を用意する工程と、前記結晶化シリコン膜の前記所定の領域以外の領域にチャネル領域が画定されるように、前記前記結晶化シリコン膜中にトランジスタを形成する工程とを包含する。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記トランジスタを形成する工程は、前記結晶化シリコン膜の前記所定の領域をアライメントパターンとして少なくとも１つ以上のフォトマスクを位置あわせする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、非晶質シリコン膜の所定の領域を露出する開口部を備えた二酸化シリコン膜および開口部内に位置し、シリコンの結晶化を助長する触媒物質を非晶質シリコン膜上にそれぞれ形成するので、非晶質シリコン膜の特定の領域にのみ触媒物質を導入して非晶質シリコン膜を結晶化させるとともに、結晶化したシリコン膜中に触媒物質が高濃度で含まれる領域を限定できる。このため、触媒物質を用いた結晶化によって、電子移動度の高い優れた半導体特性を備えつつ、触媒物質を高濃度で含有することによるリーク電流を低減した優れた結晶化シリコン膜が得られる。
【００２６】
また、非晶質シリコン膜は二酸化シリコン膜に覆われており、二酸化シリコン膜の開口部内以外には触媒物質が堆積されていないので、非晶質シリコン膜あるいは非晶質シリコン膜から得られる結晶化シリコン膜内へ不純物が拡散するのを二酸化シリコン膜によって防止することができる。このため、得られる結晶化シリコン膜が不純物によって汚染することを防止することができる。この二酸化シリコン膜は、結晶欠陥を低減するための再結晶化工程にも用いることができるため、製造工程および製造コストが増加するのを防ぎつつ、優れた結晶化シリコン膜が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
まず、本発明の半導体薄膜および半導体装置の製造方法を概括的に説明する。図１に示すように、基板１上に非晶質シリコン膜４を形成する。基板１は非晶質シリコン膜４を支持するとともに、非晶質シリコン膜４から形成される結晶化シリコン膜および結晶化シリコン膜を用いて形成される半導体装置を支持する。基板１は、非晶質シリコン膜４に施される熱処理等を含む種々の半導体装置製造工程の最高温度において実質的に変形しないことが好ましい。また、結晶化シリコン膜を用いて形成される半導体装置の電気的特性に悪影響を与えないよう、非晶質シリコン膜４が形成される基板１の表面は絶縁性を備えており、半導体装置製造工程において曝される温度において非晶質シリコン膜４と反応したり、基板１から非晶質シリコン膜４へ、基板１に含まれる物質が拡散しないことが好ましい。
【００２８】
非晶質シリコン膜４は、プラズマＣＶＤ法などによって形成される。非晶質シリコン膜４のサイズや厚さは作製する半導体装置の構造やサイズに合わせて、適宜最適な値を選択し得る。薄膜トランジスタを作製する場合には、非晶質シリコン膜４は、たとえば、３０ｎｍから１００ｎｍの厚さを有する。
【００２９】
図２に示すように、非晶質シリコン膜４上に二酸化シリコン膜５を形成する。二酸化シリコン膜５は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの公知の方法によって形成することが可能である。以下において詳細に説明するように、二酸化シリコン膜５は触媒物質によって非晶質シリコン膜４を結晶化シリコン膜へ変換した後、結晶化シリコン膜を再結晶化する際、結晶化シリコン膜への不純物の混入を防止する。このため、厚さが１０ｎｍよりも小さいと不純物の混入を防止する機能が不十分となり、好ましくない。また、二酸化シリコン膜５の一部は還元により除去されるため、厚さが１μｍよりも大きいと、二酸化シリコン膜５の除去に要する時間が長くなりすぎ、好ましくない。
【００３０】
非晶質シリコン膜４の表面に不純物が付着すると、以下の工程において不純物が非晶質シリコン膜４内へ拡散し、結晶化シリコン膜の半導体特性を劣化させる可能性があるため、非晶質シリコン膜４と二酸化シリコン膜５とは連続的に形成することが好ましい。また、非晶質シリコン膜を形成し、形成した非晶質シリコン膜の表面から所定の厚さ達するまで非晶質シリコン膜を酸化することによって二酸化シリコン膜５を形成してもよい。この場合、酸化しなかった部分は非晶質シリコン膜４となる。
【００３１】
次にシリコンの結晶化を助長する触媒物質８を二酸化シリコン膜５上に堆積する。図３に示すように、非晶質シリコン膜４の所定の領域４ａに触媒物質を導入する場合には、二酸化シリコン膜５上の領域４ａと対応する位置に選択的に触媒物質を堆積する。領域４ａの形状および大きさは、作製する半導体装置の構造やサイズに合わせて適宜選択し得る。シリコンの結晶化を助長する触媒物質には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｇｅを含む物質を用いることができる。これらの元素は単体の状態で含まれていてもよいし、化合物の状態で含まれていてもよい。しかし、化合物の状態で含まれている場合には、以下で説明する結晶化工程において、少なくとも、これらの元素が非晶質シリコン膜４へ拡散し得ることが必要である。これらの元素はシリコンと結合して、シリサイドを形成しやすく、形成したシリサイドを核としてシリコンの結晶が成長する。
【００３２】
選択的に触媒物質を形成することができれば、その形成方法に特に制限はなく、たとえば、触媒物質を含む薄膜を二酸化シリコン膜５上に形成し、その後フォトリソフラフィによって、形成した薄膜をパターニングし、触媒物質８を形成してもよい。また、インクジェットプリンタを用いて、二酸化シリコン膜５上の領域４ａと重なる領域にのみ選択的に触媒物質８を堆積させてもよい。
【００３３】
あるいは、図４に示すように、マスク板６を用いて触媒物質８を形成してもよい。具体的には、領域４ａと等しい形状の開口部６ａを有するマスク板６を用い、開口部６ａが領域４ａと一致するようにマスク板６を二酸化シリコン膜５上に配置する。二酸化シリコン膜５に不純物が付着しないように、マスク板６は、次に図５に示すように、真空蒸着法やスパッタリング法などにより、マスク板６上および開口部６ａに上記元素のいずれかからなる薄膜７を形成する。その後、マスク板６を取り外すことによって図３に示すように触媒物質８が所定の領域４ａ上に形成される。マスク板６を用いることにより、簡便に触媒物質８を所望の領域に形成することができる。
【００３４】
次に基板１全体を還元性ガスのプラズマに曝し、二酸化シリコンの還元を行う。この工程には、還元性ガスのプラズマを生成する種々のプラズマ処理装置を用いることができる。還元反応が実用的な速度で進行するよう、プラズマ処理装置は、好ましくは、３００℃から６００℃の温度で基板を加熱するための加熱機構を備えている。たとえば、保持した基板を加熱するための加熱機構を備え、マイクロ波によって、チャンバに導入する還元性ガスをプラズマ状態に分解することが可能なマイクロ波プラズマ処理装置を用いることができる。還元性ガスとしては、Ｈ2、ＣＯ、Ｈ2Ｓなどを用いることが可能であり、シリコンと結合した化合物の沸点が低く、二酸化シリコンを還元して除去するのに適しているという理由から、Ｈ2を用いることが好ましい。
【００３５】
還元処理を開始すると、まず、触媒物質８が二酸化シリコン膜５内に拡散し、触媒物質８が拡散した二酸化シリコンの領域が生成する。上述したように、触媒物質はシリコンと結合してシリサイドを形成しやすいため、この領域と接する還元性ガスのプラズマから水素プラズマの供給を受けて二酸化シリコンの酸素が水素プラズマと結合し、水（水蒸気）として脱離するとともに、シリサイドへの変換が促進される。シリサイドはさらに水素プラズマと反応して、シランとして取り除かれる。この過程において、二酸化シリコンの一部はシリコンに還元されるが、還元されたシリコンはさらに水素化され、脱離する。このように、シリサイド化合物を形成する触媒物質８は、二酸化シリコンの還元反応を促進する触媒としても機能する。
【００３６】
一方、二酸化シリコン膜５の触媒物質８と接触していない表面も還元性ガスのプラズマに曝される。しかし、触媒物質８がないため、還元反応の速度は非常に遅く、触媒物質８が形成されていない領域では還元反応は実質的に進行しない。その結果、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、触媒物質が二酸化シリコン膜５内へ拡散して上述の反応が生じることにより、二酸化シリコン膜５の触媒物質８が形成されていた部分のみが除去され、二酸化シリコン膜５に開口部５ａが形成されるとともに、開口部５ａ内において、触媒物質８が非晶質シリコン膜４と接触する。このとき、上述したように、二酸化シリコン膜５の厚さが１μmより大きいと触媒物質８の下方に位置する二酸化シリコン膜４を全て還元する処理時間が長くなるため、製造工程上、好ましくない。また、触媒物質８は二酸化シリコン膜５の横方向にも多少拡散するが、二酸化シリコン膜４の厚さが上述した範囲にある限り、横方向への拡散は無視し得る。開口部５ａ内に設けるべき触媒物質８自体が、開口部５ａを形成する位置を決定しているという点で、触媒物質８が自己整合的に開口部５ａを形成し、その開口部５ａ内に形成される。
【００３７】
次に、非晶質シリコンの結晶化を行うため、非晶質シリコン膜８にエネルギーを印加する。エネルギーの印加には種々の熱処理装置を用いることができる。電気炉を用いてエネルギーの印加を行う場合には、加熱温度は４００℃以上８００℃以下であることが好ましい。この範囲より低い温度では、結晶化速度が非常に遅くなり、半導体薄膜の製造に要する時間が長くなるため、好ましくない。一方、この範囲より高い温度では、結晶化したシリコンの結晶品質が悪く、トランジスタ特性が悪化する。また、非晶質シリコン膜４の触媒物質８が添加される領域４ａ以外の領域において、触媒物質によらずに形成した多数の結晶粒が発生する。このため、得られる結晶化シリコン膜は多数の微結晶を含み、作製したＴＦＴの移動度や電気的特性が悪くなる。熱処理に要する時間は、結晶化させたい領域の面積やシリコン膜の厚さなどに依存する。
【００３８】
また、二酸化シリコン膜８の一部を還元によって除去する工程において、あるいは、除去する工程に引き続いて、非晶質シリコンを結晶化する工程を同時に、あるいは、引き続いて行うことも可能である。しかし、二酸化シリコン膜８の一部を還元によって除去する工程は、基板１枚当たりの処理時間は短いものの一般的に枚葉式装置が用いられる。これに対して、非晶質シリコンを結晶化する工程では、電気炉などを用いるため、比較的処理時間が長いが、バッチ処理によって一度に複数枚の処理を行うことが可能である。このため、二酸化シリコンの還元工程で用いる装置によって、これら２つの工程を同時あるいは連続的に行う場合、２つの工程に要する時間が長くなってしまう。このため、二酸化シリコン膜８の一部を還元によって除去する工程と非晶質シリコンを結晶化する工程とは、分離して行うほうが効率的である。
【００３９】
図７（ａ）に示すように、電気炉などによって非晶質シリコン膜４にエネルギーを印加すると、触媒物質８が、まず隣接する非晶質シリコン膜４の領域４ａへ拡散する。そして領域４ａにおいてシリサイドを形成する。生成したシリサイドを核として固相結晶成長により非晶質シリコンが結晶化シリコンへ変換し、シリコンの結晶が成長する。このとき、生成したシリサイドの一部は、結晶の成長にともなって矢印に示すように非晶質シリコン膜４内を平行に移動する。その結果、図７（ｂ）に示すように触媒物質８が最初に拡散した領域１７を中心として放射状に広がった結晶化領域１８が生成する。結晶化領域１８の外側には触媒物質８が結晶化領域１８に比べて高い濃度で含まれる領域１８ａが生じている。結晶化領域１８中の触媒物質の濃度はおおよそ１×１０18atoms/ｃｍ3以下になっている。
【００４０】
結晶化領域１８の大きさは、非晶質シリコン膜４にエネルギーを印加する時間や温度に依存する。結晶化したシリコン膜を用いて形成する半導体装置の種類や用途に応じて適切な大きさの結晶化領域１８を形成することにより、製造に要する時間や消費する電力などを最適化し、効率的に半導体薄膜を製造することができる。たとえば、結晶化したシリコン膜を用いてＴＦＴを形成する場合には、少なくとも結晶化領域１８はＴＦＴのチャネル領域よりも大きいことが好ましい。
【００４１】
このようにして得られた結晶化シリコン膜は、内部に結晶欠陥を多く含むため、半導体特性が良好ではない。このため、結晶化シリコンを再結晶させ、結晶欠陥を低減させる。このとき、半導体特性を低下させる不純物がシリコン膜中に混入しないように、二酸化シリコン膜５でシリコン膜４’を覆っておくことが好ましい。言い換えれば、二酸化シリコン膜５は再結晶化する前に除去しないほうが好ましく、少なくともＴＦＴのチャネルとなる領域は二酸化シリコン膜５で覆っておくことが好ましい。また、上述したように、不純物の混入を防止するために、二酸化シリコン膜５は１０ｎｍ以上の厚さを有していることが好ましい。
【００４２】
結晶化シリコンの再結晶は、結晶化したシリコンの少なくとも一部は溶融させないようにして行う。結晶化したシリコンのすべてを溶融させた場合、再結晶化後に得られる結晶化シリコン膜は、触媒物質によって得られた結晶とは整合性のない多数の微結晶シリコンを含んでしまうからである。このような微結晶シリコンの半導体特性は触媒物質を用いて作製した結晶化シリコンよりも劣っている。このような理由から、この工程では、電気炉などシリコン膜４’の全体を加熱する装置を用いるのは好ましくなく、レーザビームなどを照射することによってシリコン膜４’の一部分を加熱することが好ましい。
【００４３】
たとえば、図８に示すように、結晶化領域１８のうち、基板１との界面近傍に位置する領域１８ｃは溶融しないようなパワーで基板１の表面側からレーザビームをシリコン膜４’に照射する。この過程において、領域１８ｄにある結晶化シリコンが溶融し、結晶欠陥が消失したあと、溶融したシリコンが、領域１８ｃに存在する触媒物質を用いて作製した結晶化シリコンを母結晶として再度結晶化する。その結果、図９（ａ）に示すように、結晶欠陥の少ない結晶化シリコン領域１８ｄ’を含む結晶化シリコン膜４’’が得られる。得られる結晶化シリコン領域１８ｄ’は複数のグレイを含み、グレインの配向方向ではシリコン単結晶のような優れた特性を示す。特に、結晶化シリコン領域１８ｄ’は高い電子移動度を備える。
【００４４】
このようにして得られた結晶化シリコン膜４’’に、公知の半導体製造プロセスを施して種々の半導体装置を作製する。抵抗やキャパシタを同時に、または、その後に形成し、各種の駆動回路やメモリ、論理回路などを構成してもよい。この際、触媒物質が導入された領域１７をアライメントパターンとし、半導体装置を製造するためのフォトマスクの位置あわせを行うことによって、結晶化シリコン膜４’’に対して形成すべき半導体装置の位置あわせを正確に行うことができる。上述したように、結晶化シリコン膜４’’中、結晶化シリコン領域１８ｄの半導体特性は優れているのに対して、触媒物質が導入された領域１７は触媒物質を比較的多く含み、半導体特性において劣る。このため、優れた半導体特性が求められる半導体装置の主要部は、結晶化シリコン領域１８ｄ内に形成することが好ましい。たとえば、結晶化シリコン膜４’’を用いてＴＦＴを作製する場合、少なくともＴＦＴのチャネル領域は、触媒物質が導入された領域１７には位置しないようにし、結晶化シリコン領域１８ｄ中に形成する。液晶表示装置など広い面積にわたって結晶化シリコン膜４’’が連続的、あるいは、断続的に必要な場合には、触媒物質８を拡散させる領域１７を所定の間隔で複数設け、それぞれの領域１７から結晶化シリコンを成長させることが好ましい。
【００４５】
なお、このようにして得られた結晶化シリコン膜４’’では、領域１７中にのみ触媒物質が導入されているため、結晶化シリコン領域１８ｄの触媒物質の濃度は低い。本願発明者の詳細な検討によれば、結晶化シリコン領域１８ｄの触媒物質の濃度はおおよそ１×１０18atoms/cm3以下になっている。この程度の濃度であれば、Ｐなどの触媒物質をゲッタリングする物質を用い、比較的短時間で触媒物質の濃度をさらに低下させることができる。したがって、結晶化シリコン膜４’’を用いてＴＦＴを作製する場合には、ソース領域およびドレイン領域を形成するために導入されるＰを触媒物質をゲッタリングする物質として用い、チャネル領域の触媒物質をソース領域およびドレイン領域に移動させ、チャネル領域の触媒物質の濃度をさらに低減させてもよい。
【００４６】
このように、本発明によれば、結晶化を助長する触媒物質の濃度を低減し、半導体特性の悪化を引き起こす不純物等の混入を防止することによって、優れた半導体特性を有する結晶化シリコン薄膜が得られる。
【００４７】
以下本発明による半導体薄膜の製造方法および半導体装置の製造方法の実施形態をより具体的に説明する。
【００４８】
まず図１０に示すようにガラスからなる基板１上に、たとえば、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５００ｎｍ程度の酸窒化シリコンからなる下地膜２を形成する。この酸窒化シリコン膜２は、基板１からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。基板１は、以下の工程におけるプロセス温度において変形しないことが好ましい。本実施形態では、基板１は６００℃でも変形しないガラスによって構成されている。酸窒化シリコン膜２上に、たとえば、スパッタリング法によって、厚さ１０００ｎｍ程度の二酸化シリコンからなる下地膜３をさらに形成する。
【００４９】
次に、プラズマＣＶＤ法あるいは減圧ＣＶＤ法によって、厚さ５０ｎｍの真性(ｉ型)の非晶質シリコン膜(ａ−Ｓｉ膜)４を下地膜３上に形成する。本実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、３００℃の基板加熱温度およびを８０ｍＷ／ｃｍ2のＲＦパワー密度で、ＳｉＨ4ガスおよびＨ2ガスを材料ガスに用いた。その後、たとえば、スパッタリング法によって、厚さ２０００ｎｍ程度の二酸化シリコン膜５を形成する。
【００５０】
図１１に示すように、開口部６ａを有し、アルミニウムからなるマスク板６を二酸化シリコン膜５に接触するように重ねる。この状態で、図１１に示すように、マスク板６が保持されている側から触媒物質を真空蒸着する。これにより、マスク板６上および開口部６ａ内の二酸化シリコン膜５上に、触媒物質が堆積される。本実施例では、開口部７の形状を１辺が５０μmの正方形とした。また、触媒物質８としてニッケルからなるターゲットおよびＡｒをスパッタガスとして用い、スパッタリング法によって厚さ２nmのニッケル膜８を形成する。図１２に示すように、マスク板６を取り外すと、二酸化シリコン膜５上の所定の領域に触媒物質８が形成される。この領域は、非晶質シリコン膜４中に触媒物質８が導入される領域４ａの上方に位置している。
【００５１】
次に、図１２に示す断面構造が形成された基板１を、加熱機構が備えられたマイクロ波プラズマ装置内に導入し、水素プラズマに曝しながら加熱処理を行う。図１５は、このマイクロ波プラズマ装置の構造を概略的に示している。マイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波発生装置９、チャンバ１１および真空ポンプ１４を備える。マイクロ波発生装置９で発生した２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、導波路１０を通って、チャンバ１１に導かれる。チャンバ１１には真空ポンプ１１が接続されており、チャンバ１１内を所定の真空度に保つことができる。また、加熱機構を備えた試料台１３が内部に設けられている。
【００５２】
図１３に示す構造を備えた試料１２を試料台１３上に保持し、チャンバ１１内を排気する。また、配管１５から水素ガスを導入し、チャンバ１１内の真空度が１５Ｔｏｒｒになるように調節する。マイクロ波発生装置９からマイクロ波を５００Ｗのパワーで照射するとともに、加熱機構によって試料１２を４００℃に加熱し、生成した水素プラズマ１６に試料１２を１０分間曝す。生成した水素プラズマ１６により、図１２に示す触媒物質８の下に位置する二酸化シリコン膜５の一部５ｃのみが除去される。これにより図１４に示すように二酸化シリコン膜５に開口部５ａが形成され、開口部５ａ内において露出する非晶質シリコン膜４上に触媒物質８が設けられる。
【００５３】
次に、非晶質シリコンを結晶化させるため、図１４に示す構造を有する基板１を、電気炉内に導入し、窒素雰囲気中６００℃で２時間加熱する。これにより、図１５に示すように、触媒物質８が非晶質シリコン膜４内に導入された領域１７が形成される。そして、領域１７において、形成された触媒物質のシリサイドを核として非晶質シリコンが結晶化し、領域１７と中心としてほぼ円形の結晶化領域１８が形成される。本実施形態では、結晶化領域１８の半径は、約５０μmである。結晶化領域１８の大きさは、非晶質シリコンの膜質や成膜方法、熱処理時間によって調節し得る。
【００５４】
次に、結晶化領域１８の結晶欠陥を低減するために、レーザ照射を行う。本実施形態では、波長３０８nm、エネルギー密度３５０mJ/cm2のＸｅＣｌ（キセノン塩素）エキシマレーザーを２０ショット照射した。この条件においては、円形結晶化領域１８のうち、下地膜４との界面から約１nm程度深さに達する領域のシリコンは溶融せず、それより上部のシリコンが溶融し、再結晶化する。これにより、優れた半導体特性を備えた結晶化シリコンの領域を含む半導体薄膜が得られる。
【００５５】
続いて、半導体薄膜を用いて半導体装置を作製する。本実施形態ではＴＦＴを作製する。通常のＴＦＴ作製工程と同様、レジスト塗布、露光、現像によるフォトリソグラフィ工程によって、レジストパターンを作製し、図１６に示すようにソース領域１９、チャンネル領域２０およびドレイン領域２１を有するトランジスタの形状に結晶化領域１８をパターニングする。ソース領域１９およびドレイン領域２１は２０μm×１０μmの長方形に形成し、チャンネル領域２０は１０μm×１０μmの正方形に生成する。触媒物質が導入された領域１７とチャンネル領域２０の中心との距離が１０μmとなるように配置する。チャンネル領域２０の平均触媒物質濃度は、１×１０18atoms/cm3以下である。
レジストパターンの形成に用いるフォトマスクは、領域１７をアライメントマークとして使用する。これにより、ソース領域１９、チャンネル領域２０およびドレイン領域２１と領域１７あるいは結晶化領域１８との位置合わせを正確に行うことができる。その後、ソース領域１９、チャンネル領域２０およびドレイン領域２１上の二酸化シリコン膜５を除去する。
【００５６】
図１７に示すように、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ3ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、二酸化シリコン膜２２を形成し、さらにスパッタリング法により、ＷＳｉ2／多結晶Ｓｉ膜を形成する。その後、ＣＦ4ガスとＯ2ガスを用いたＲＩＥ法でこれらの膜をパターニングすることにより、ゲート絶縁膜２２およびゲート電極２３を形成する。ソース領域１９およびドレイン領域２１にイオンドーピング法でＰの注入を行った後、電気炉を用いて、５７０℃で４時間の活性化アニールを行う。この活性化アニールにより、チャンネル領域２０内の触媒物質であるニッケルは、ソース領域１９およびドレイン領域２１内のPにより捕捉（ゲッタリング）され、ソース領域１９およびドレイン領域２１内に移動する。このため、チャンネル領域２０内の平均ニッケル濃度は、１×１０14atoms/cm3となる。また、ドープされたＰが活性化し、ソース領域１９およびドレイン領域がｎ+型となる。実験によれば、チャンネル領域２０内の平均ニッケル濃度が１×１０14atoms/cm3以下であれば、良好なトランジスタ領域を得ることができる。
【００５７】
次に、ＴＥＯＳガスとＯ3ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により二酸化シリコン膜２４を形成した後、ＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスを用いたＲＩＥ法により、ソース領域１９およびドレイン領域２１上の二酸化シリコン膜２４にコンタクトホールを形成する。スパッタリング法でＡｌ膜を形成し、ＢＣｌ3ガスとＣｌ2ガスを用いたＲＩＥ法によりパターニングすることによってＡｌ配線２５を形成する。
【００５８】
ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスおよびＮ2ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、窒化シリコン保護膜２６を形成し、最後に窒化シリコン保護膜２６の一部をＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスを用いたＲＩＥ法により、窒化シリコン保護膜２６にコンタクトホールを形成する。これにより、ＴＦＴが完成する。
【００５９】
このようにして作製されたＴＦＴは優れたトランジスタ特性を示す。特に、チャネル領域の電子移動度が高くかつ、不純物が少ないため、トランジスタのＯＮ電流を大きく、ＯＦＦ電流が小さい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によれば、結晶性が高く、不純物の含有量が少ないため、電子移動度が高く、リーク電流の小さい優れた結晶性シリコン膜が得られる。この結晶性シリコン膜は、液晶表装置や有機および無機ＥＬ表示装置などのフラットパネルディスプレイ用のＴＦＴに好適に用いることができる。また、その他の種々の半導体装置に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図である。
【図２】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図である。
【図３】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図である。
【図４】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図である。
【図５】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図および平面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図および平面図である。
【図８】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法における一工程を説明する断面図および平面図である。
【図１０】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する断面図である。
【図１１】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する断面図である。
【図１２】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する断面図である。
【図１３】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する断面図である。
【図１４】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する断面図である。
【図１５】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する平面図である。
【図１６】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する平面図である。
【図１７】本発明による半導体薄膜および半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１    基板
２、３    下地膜
４    非晶質シリコン薄膜
５    二酸化シリコン膜
６    マスク板
８    触媒物質
９    マイクロ波発生装置
１０    波導波路
１１    チャンバ
１２    試料
１３    試料台
１４    真空ポンプ
１５    配管
１６    水素プラズマ
１７    領域
１８    結晶化領域
１９    ソース領域
２０    チャンネル領域
２１    ドレイン領域
２２    ゲート絶縁膜
２３    ゲート電極
２４    二酸化シリコン膜
２５    Ａｌ配線
２６    窒化シリコン保護膜
【図１】
2005150394.tif 000003
【図２】
2005150394.tif 000004
【図３】
2005150394.tif 000005
【図４】
2005150394.tif 000006
【図５】
2005150394.tif 000007
【図６】
2005150394.tif 000008
【図７】
2005150394.tif 000009
【図８】
2005150394.tif 000010
【図９】
2005150394.tif 000011
【図１０】
2005150394.tif 000012
【図１１】
2005150394.tif 000013
【図１２】
2005150394.tif 000014
【図１３】
2005150394.tif 000015
【図１４】
2005150394.tif 000016
【図１５】
2005150394.tif 000017
【図１６】
2005150394.tif 000018
【図１７】
2005150394.tif 000019