(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁表面を有する基板上に膜厚１５０Å〜８００Åの非晶質珪素膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入する工程と、
前記金属元素が導入された前記非晶質珪素膜に加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜を形成する工程と、
前記第１の結晶性珪素膜にレーザー光を照射して第２の結晶性珪素膜を形成する工程と、
前記第２の結晶性珪素膜を覆うゲイト絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲイト絶縁膜の上にゲイト電極を形成する工程と、
を有し、
前記第２の結晶性珪素膜は、原子間力顕微鏡により測定される高低差が１００Å〜７００Åである凹凸を有していることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、前記珪素の結晶化を助長する金属元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素であり、前記非晶質珪素膜中における濃度が１×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３となるように導入されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記レーザー光を照射した後に、前記第２の結晶性珪素膜に加熱処理を施し、前記第２の結晶性珪素膜よりも欠陥が減少された第３の結晶性珪素膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
絶縁表面を有する基板上に膜厚１５０Å〜８００Åの非晶質珪素膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜の表面にニッケル酢酸塩溶液を塗布することによって前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入する工程と、
前記金属元素が導入された前記非晶質珪素膜に加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜を形成する工程と、
前記第１の結晶性珪素膜にレーザー光を照射して第２の結晶性珪素膜を形成する工程と、
前記第２の結晶性珪素膜を覆うゲイト絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲイト絶縁膜の上にゲイト電極を形成する工程と、
を有し、
第２の結晶性珪素膜は、原子間力顕微鏡により測定される高低差が１００Å〜７００Åである凹凸を有していることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項４において、前記レーザー光を照射した後に、前記第２の結晶性珪素膜に加熱処理を施し、前記第２の結晶性珪素膜の欠陥よりも欠陥が減少された第３の結晶性珪素膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、薄膜トランジスタや薄膜ダイオード等の薄膜半導体素子の構成およびその作製方法に関する。またこれら薄膜半導体素子を構成するための薄膜半導体およびその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置やイメージセンサー等の光学装置が開発されている。これは、透光性の基板としてガラス基板を用い、このガラス基板の表面に薄膜珪素半導体を形成し、この薄膜珪素半導体を用いて薄膜トランジスタの活性層を構成し、この薄膜トランジスタを用いて光学装置の駆動回路やスイッチング回路を構成するものである。
【０００３】
ガラス等の絶縁基板上に形成される薄膜珪素半導体としては、結晶性を有する珪素膜を用いる技術が知られている。この結晶性を有する薄膜珪素半導体を用いたトランジスタは、高い特性を期待することができ、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や薄膜集積回路への利用が期待されている。
【０００４】
図１に結晶性珪素膜を利用した薄膜トランジスタの作製工程の１例を示す。まず、ガラス基板１０１上に下地膜として酸化珪素膜１０２を３０００Åの厚さに形成する。さらに、その上にプラズマＣＶＤ法で非晶質珪素膜１０３を２００〜１０００Å程度の厚さに成膜する。
【０００５】
そして６００℃の加熱とレーザー光の照射を行うことによって、非晶質珪素膜１０３を結晶化させる。ここで、加熱の温度を６００℃とするのは、基板としてガラス基板を用いた場合には、一般に６００℃以上の温度で加熱処理を加えることが困難であるという理由による。
【０００６】
しかし、非晶質珪素膜を加熱により結晶化させ、良好な結晶性を有する（実用に耐える結晶性を有する）結晶性珪素膜を得るには、８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の温度で加熱処理を加える必要がある。
【０００７】
そこで、レーザー光の照射を併用し、結晶性を少しでも向上させる技術が利用される。なお、レーザー光の照射のみでも非晶質珪素膜の結晶化は可能であるが、レーザー光の照射のみで非晶質珪素膜を結晶化させた場合、得られる膜質の均一性に問題があり、実用的ではない。
【０００８】
即ち、レーザー光を大面積に渡って一度に照射しようとした場合、ビームパターン内におけるレーザーパワー強度の不均一性が問題となり、全面に均一なパワーでレーザー光を照射することは困難となる。また、レーザー光を走査しつつ非晶質珪素膜を結晶化させる方法もあるが、この場合は、レーザー光の照射パワーが時間経過に従って徐々に変化してしまうという問題があり、やはり大面積に渡り均一のレーザー光を照射することは困難である。これらの問題は、大きな照射パワーを有するレーザー発振装置を余裕をもって用いることによって解決されるが、その場合はレーザー発振装置の製造や維持に必要となるコストが高くなるという別な問題が生じてしまう。
【０００９】
そこで、上記のように加熱とレーザー光の照射による結晶化を行うことで、得られる結晶性珪素膜の膜質の均一性や生産性を向上させることが行われる。
【００１０】
図１（Ａ）に示す工程で非晶質珪素膜１０３を結晶化した後、珪素膜をパターニングし、薄膜トランジスタの活性層１０４を形成する。そして、ゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜１０５を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。さらにゲイト電極１０６を金属やシリサイド、さらには一導電型を有する結晶性珪素半導体で形成する。（図１（Ｂ））
【００１１】
図１（Ｂ）に示す状態を得たら、一導電型を付与する不純物イオン（例えばリンイオン）の注入を行いソース／ドレイン領域を自己整合的に形成する。この場合、ゲイト電極１０６がマスクとなり、ソース領域１０８となるべき領域とドレイン領域となるべき領域１１２に不純物イオンが注入される。またチャネル形成領域１１０も自己整合的に形成される。この工程は自己整合プロセスと称されている。（図１（Ｃ））
【００１２】
図１（Ｃ）の工程において、不純物イオンの注入を行った後、レーザー光の照射を行うことによってソース／ドレイン領域の再結晶化と注入されたイオンの活性化を行う。このレーザー光の照射が必要なのは、不純物イオンが注入された領域は、注入されたイオンの衝撃によって非晶質化しており、また注入されたイオンはそのままでは、活性化されておらず、珪素が必要とする一導電型とはなっていないからである。
【００１３】
次に層間絶縁膜として、酸化珪素膜１１３を７０００の厚さにプラズマＣＶＤ法で形成し、さらにコンタクトホールの形成を行った後、ソース領域１１４とドレイン領域１１５を形成する。こうして薄膜トランジスタが完成する。（図１（Ｄ））
【００１４】
図１に示すようなガラス基板上に形成される結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタは、ＯＦＦ電流特性が大きな問題となる。ＯＦＦ電流とは、薄膜トランジスタがＯＦＦの状態において、ソース／ドレイン間を流れてしまう電流のことをいう。
【００１５】
薄膜トランジスタをアクティブマトリクス型の液晶表示装置の各画素に配置した場合、上記ＯＦＦ電流の存在が大きな問題となる。即ち、各画素に配置された薄膜トランジスタは、画素電極に電荷を保持するためのスイッチとして機能するのであるが、ＯＦＦ電流が大きいと、画素に保持した電荷が流出してしまい、必要とする時間で画像データを維持することができなくなってしまう。
【００１６】
このＯＦＦ電流の問題は、結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタを用いてメモリーを構成したりする場合にも大きな問題となる点であり、改善が求められている点である。
【００１７】
また一般に結晶性珪素膜は多結晶構造または微結晶構造を有しており、結晶という観点から見た場合、必ずしも結晶性が良好でない場合が多い。従って、膜中に非晶質成分やトラップ準位が多数存在している。特に結晶性が十分でない場合、無視できない密度でトラップ準位が存在しており、これは薄膜トランジスタの特性の経時変化（しきい値の変動や特性の劣化）の大きな要因となる。
【００１８】
【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、以下に示す課題の少なくとも一つを解決することを目的とする。
（１）結晶性が良好で薄膜トランジスタ等に利用した際に高い特性が期待できる結晶性珪素膜を提供する。
（２）ＯＦＦ電流の極力少ない薄膜トランジスタを得る。
（３）結晶性珪素薄膜を用いた薄膜トランジスタの特性をなるべく高いものとする。
（４）特性の経時変化の無い薄膜トランジスタを提供する。
【００１９】
【課題を解決しようとする手段】
まず本明細書で開示する発明に至る経緯を説明する。
本発明者らの研究によれば、レーザー光の照射によって得られた結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタを構成した場合、結晶性珪素膜の厚さを１０００Å以下、好ましくは８００Å以下とすることが好ましいことが判明している。この根拠として、以下に示す３つの要因を挙げることができる。
【００２０】
（１）第１の要因
図１（Ａ）や図１（Ｃ）に示すレーザー光の照射を行う場合、一つ問題となる点がある。それは、非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射した場合、非晶質珪素膜の表面（数十Å〜数百Åの深さ）においてレーザー光が吸収されてしまうので、非晶質珪素膜の膜厚が厚い場合、その表面でしかレーザー光の照射による効果を得ることができないという問題である。この問題は、特に良好な効果を得ることができる紫外領域のレーザー光（概略４００ｎｍ以下の波長）を用いる場合に顕著となる。なお、ここでいうレーザー光の照射による効果というのは、結晶性の向上やトラップ密度を減少させるといった効果、さらに注入された不純物の活性化といった効果のことをいう。
【００２１】
また、上記のように非晶質珪素膜の厚さが厚く、その表面にしかレーザー光の照射による効果を及ぼせない場合、最終的に得られる薄膜トランジスタの特性もも悪いという実験事実がある。これは、非晶質珪素膜の厚さが厚く、その表面にしかレーザー光の照射による効果を及ぼせない場合、
（Ａ）膜全体としてのトラップ準位密度は高くなってしまう。
（Ｂ）レーザー光のエネルギーが分散してしまうため、膜の表面といえども良好な結晶性が得られていない。
（Ｃ）非晶質として残存する膜の下層部分の影響で膜表面の結晶性はそれ程高くならない。
（Ｄ）結晶性を有する上層部分を伝導するキャリアの移動は、非晶質として残存する膜の下層部分によって、トラップや散乱がなされ、薄膜トランジスタとしての特性も低いものとなってしまう。
といったことが原因であると考えられる。
【００２２】
このように結晶性珪素膜をレーザー光の照射を用いて作製しようとする場合、膜厚方向の結晶性を均一なものとするために、活性層を構成する結晶性珪素膜をなるべく薄くする必要がある。具体的には、活性層の厚さを１０００Å以下、好ましくは８００Å以下とする必要があることが実験により判明している。（第１の要因）
【００２３】
（２）第２の要因
図２（Ａ）に図１にその作製工程を示す薄膜トランジスタの上面図を示す。図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ’で切った断面が図１（Ｄ）に相当する。また図２（Ａ）におけるＡ−Ａ’で切った断面が図２（Ｂ）に相当する。
【００２４】
一般にゲイト絶縁膜１０５の厚さは５００Å〜２０００Å、一般に１０００Å程度（酸化珪素膜または酸化珪素を主成分とした膜を用いた場合）である。活性層の厚さがゲイト絶縁膜の厚さと同程度またはそれより厚い場合、活性層１０４の側面に図２（Ｂ）に示すようにステップカバレージ（段差被覆性）良くゲイト絶縁膜を形成することは困難である。従って、活性層の厚さを１０００Å以上とし、ゲイト絶縁膜の厚さを１０００Å程度とした場合、２０１で示される部分のゲイト絶縁膜は薄くなり、所々において成膜されていない領域が存在してしまう。即ち、所々活性層１０４が所々において露呈してしまう。また、活性層１０４が露呈しないまでもピンホールが形成されてしまう。
【００２５】
ゲイト絶縁膜を十分厚くできれば、上記問題を解決することができるのであるが、ゲイト絶縁膜の厚さは薄膜トランジスタの特性を決める重要な要素であり、無闇に厚くすることはできない。また、自己整合技術を用いる場合、図１（Ｃ）に示すようにゲイト絶縁膜１０５を通して不純物イオンの注入を行う必要があるが、ゲイト絶縁膜を１５００Åさらには２０００Å以上の厚さとした場合、ゲイト絶縁膜を通しての不純物イオンの注入が困難になってしまう。従ってこの自己整合技術を用いるという観点からもゲイト絶縁膜の厚さは１５００Å程度以下とすることが求められている。
【００２６】
このようにゲイト絶縁膜の厚さが制限され、その厚さをあまり厚くできない状況においては、ゲイト電極１０６と活性層１０４とが直接接触してしまう部分が存在することになる。そして、多数の薄膜トランジスタを作製した場合、ソース領域１０８とドレイン領域１１２とが、ゲイト電極１０６によって短絡されたものが形成されてしまう。すると、チャネル形成領域を通らずにソース／ドレイン間を移動するキャリアが存在することになるので、当然ＯＦＦ電流は大きなものとなる。
【００２７】
このゲイト電極１０６によって、ソース／ドレイン間が短絡してしまう問題は、活性層１０４の側面２０１において、ゲイト絶縁膜１０５のステップカバレージが悪いという点に第１の原因がある。そしてこの原因は、活性層の厚さに比較してゲイト絶縁膜の厚さを十分厚くできないということにも起因する。
【００２８】
一般的にゲイト絶縁膜の厚さが１０００Å程度であることを考慮すれば、活性層の厚さを１０００Å程度以下、好ましくは８００Å以下の厚さとすれば、上記ゲイト絶縁膜のステップカバレージの悪さに起因する問題をある程度防ぐことができる。（第２の要因）
【００２９】
（３）第３の要因
活性層を形成するには、得られた結晶性珪素膜をエッチングによってパターニングする高低が必要になる。一般に活性層のパターニングには、異方性を有したドライエッチング（例えばＲＩＥ法）が用いられるが、この際、活性層の端部側面には多数の欠陥が形成されてしまう。すると、薄膜トランジスタを完成させた状態において、この活性層の側面の欠陥（当然トラップ準位を構成する）を経由したのキャリアの移動が行ってしまい、ＯＦＦ電流が増大することになる。
【００３０】
この活性層の側面を経由したキャリアの移動は、活性層側面の面積に当然比例する。従って、活性層の厚さが薄い方がＯＦＦ電流の値は小さくなる。そして、このことは実験的に確かめられている。具体的には、結晶性珪素膜で構成された厚さ１２００Åの活性層を有する薄膜トランジスタのＯＦＦ電流に比較して、結晶性珪素膜で構成された厚さ２００Åの活性層を有する薄膜トランジスタのＯＦＦ電流は、１桁程度低いことが確かめられている。このように、ＯＦＦ電流の低減を目的とするなら、活性層の厚さをできる限り薄くすることが望まれる。
【００３１】
以上に示したような知見に基づいて、本明細書で開示する発明は行われたものである。
【００３２】
本明細書で開示する主要な発明の一つは、
結晶性を有する珪素膜を用いた半導体装置であって、
前記珪素膜の平均膜厚は１５０Å〜８００Åであり、
前記珪素膜の表面は凹凸を有し、
前記凹凸は高低差が１００Å〜７００Åであることを特徴とする。
【００３３】
上記構成において、結晶性を有する珪素膜は、ガラス等の絶縁表面を有する基板上に形成されている。この結晶性を有する珪素膜は、非晶質珪素膜または加熱により結晶化された珪素膜に対してレーザー光を照射することによって得ることができる。レーザー光の照射によって結晶性珪素膜を得るには、前述のように出発膜である珪素膜の膜厚が８００Å以下である必要がある。またその厚さが１５０Å以下であるとピンホールの存在や膜として形成されない場合があるので、薄膜として実用にならない。なお、上記構成において、平均膜厚というのは、凹凸をならした状態における
【００３４】
レーザー光の照射によって８００Å以下の膜厚を有する珪素膜（この珪素膜は非晶質または結晶性を有している）を結晶化させた場合、得られる珪素膜（当然結晶化されている）の表面は、図４に示すように凹凸形状を有するものとなる。このような表面状態を有する結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜を単なる加熱によって結晶化させた場合や、１０００Å以上の膜厚を有する珪素膜に対するレーザー光の照射では得ることができない。
【００３５】
即ち、図４に示すような表面状態を有する結晶性珪素膜の状態は、８００Å以下の膜厚を有する珪素膜に対して、レーザー光を照射し、結晶性珪素膜を得た場合において始めて得られるものであるといえる。
【００３６】
膜厚と凹凸の高低差との関係の好ましい関係は、凹凸の高低差の平均が平均膜厚の５０％〜１００％となるようにすることが望ましい。勿論、ここにおいても膜厚の平均の厚さは１５０Å〜８００Åとすることが必要である。
【００３７】
図４に示すような結晶性珪素膜は、表面の凹凸の凸部の先端が概略１０Å以上の曲率半径を有した丸みを有しているので、活性層とした利用し、その表面にゲイト絶縁膜を形成した場合に、電界集中により静電破壊が生じにくいという有用性がある。
【００３８】
また、上記のように凸部の先端が丸みを有していることで、凸部の影響で結晶性珪素膜の表面を伝導するキャリアの移動が阻害されることが少なく、高移動度を有せしめることができる。
【００３９】
図４に示すような凹凸を有する結晶性珪素膜を得るための出発膜として、珪素の結晶化を助長する金属元素の作用によって結晶化された結晶性珪素膜を用いることは有用である。この結晶性珪素膜は、ニッケル等の金属元素を非晶質珪素膜に微量に導入し、５５０℃程度の加熱処理を施すことにより得ることができる。
【００４０】
この金属元素の作用によって得られた結晶性珪素膜に対して、さらにレーザー光を照射することによってその結晶性を助長させることによって得られる結晶性珪素膜は、極めて安定した電気特性を有している。この場合、レーザー発振装置の不安定等の影響をあまり受けずに良好な結晶性を有する結晶性珪素膜を得ることができる。
【００４１】
上記の珪素の結晶化を助長する金属元素の導入量は、１×１０16ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3、好ましくは１×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3とする必要がある。従って、特に金属元素の除去やゲッタリングを行わない場合には、最終的に得られる結晶性珪素膜中における金属元素の濃度は、１×１０16ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3、好ましくは１×１０18ｃｍ-3〜５×１０ｃｍ-3とする必要がある。なおここでいう濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）で計測される値の最小値として定義される。
【００４２】
金属元素の導入量が上記範囲に限定されるのは、その導入量が少ないと結晶化を助長する作用が低く、またその導入量が多いと膜中にシリサイドが形成されて、半導体としての特性が損なわれてしまうからである。
【００４３】
上記のような珪素の結晶化を助長する金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素を用いることができる。特にその効果の顕著に大きな元素としてニッケルを挙げることができる。
【００４４】
この珪素の結晶化を助長する金属元素の特筆すべき作用として、基板に平行（膜の面に平行な方向）に結晶化を行わす作用を挙げることができる。これは、絶縁表面を有する基板に形成された非晶質珪素膜の一部に選択的に金属元素を導入し、しかる後に加熱処理を施すことにより、前記金属元素を導入した領域より、周囲に向かって数十μｍ以上の結晶成長（以下横成長という）が行われる現象である。
【００４５】
上記横成長領域は、基板に平行な方向に向かって行なわれるものであり、結晶成長は、柱状あるいは針状にの形態を以て行なわれる。そしてこの柱状あるいは針状に行なわれた結晶性成長は、その隙間に非晶質成分を残存した状態となる。従って、加熱処理によって横成長した領域に対して、さらにレーザー光を照射することによって、残存した非晶質成分を結晶化させることができ、さらに結晶性を上げることができる。そして得られた結晶性珪素膜の表面は、図４に示すようなものとなる。
【００４６】
図４に示すような結晶性珪素膜は、その膜厚が１５０Å〜８００Åであると同時にその凹凸の高低差が１００Å〜７００Åであることが特徴である。
【００４７】
なお、本明細書に開示するような結晶性珪素膜の膜厚とその表面の凹凸を規定した先行技術として、特公平２−１３６７号公報に記載された技術を挙げることができる。この公報には、ＲＦ放電を利用したプラズマＣＶＤ法で形成された４０００Å厚の結晶性珪素膜（多結晶珪素膜）の表面の凹凸が８００Å以下であるものについて記載されている。
【００４８】
しかし、プラズマＣＶＤ法で形成された結晶性珪素膜は、膜中の欠陥が多く実用にならない。また膜厚を４０００Åもの厚さにした場合、良好な結晶性を有する珪素膜を得ることは不可能である。さらに、４０００Åもの厚さを有する結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタの活性層を構成した場合、前述の活性層の側面におけるリーク電流の存在が顕著になり、実用性を有する薄膜トランジスタを得ることができない。
【００４９】
【実施例】
〔実施例１〕
図３に本実施例で示す結晶性を有する結晶性珪素膜の作製工程を示す。まずガラス基板１０１（コーニング７０５９ガラス）上にスパッタ法によって酸化珪素膜１０２を３０００Åの厚さに成膜する。
【００５０】
次にプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜１０３を５００Åの厚さに成膜する。なお減圧熱ＣＶＤ法を用いる場合には、加熱温度を５５０℃以下とすることが好ましい。これは、コーニング７０５９ガラス基板の歪点が５９３℃であり、余裕をみた場合、５５０℃以上の温度での加熱は、許容できない縮みや変形を引き起こすからである。なおこのことは、加熱を従う全ての工程においていえることであるので注意が必要である。
【００５１】
次に非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケルを含んだ溶液（ニッケル酢酸塩溶液）を塗布し、水膜３０２を形成する。そして、スピナー３０１を用い、スピンコートを行う。（図３（Ａ））
【００５２】
図３（Ａ）に示すようにニッケル酢酸塩溶液をスピンコート法によって塗布することによって、非晶質珪素膜の表面には、ニッケルまたはニッケルを含んだ層３０３が形成される。この層３０３は数十Å〜数百Åの厚さを有し、膜として観察することは困難である。この状態で、非晶質珪素膜１０３の表面に接してニッケル元素が保持された状態が実現される。（図３（Ｂ））
【００５３】
図３（Ｂ）の状態で加熱処理を施し、非晶質珪素膜１０３を結晶化させる。ここでは、窒素雰囲気中において５５０℃、４時間の加熱処理を施す。普通、非晶質珪素膜に対して５５０℃の加熱処理を加えた場合、数百時間以上の時間をかけてようやく結晶化が始まる程度である。しかし、本実施例に示すように、結晶化を助長する金属元素を導入した場合、５５０℃、４時間の加熱処理で結晶性珪素膜３０４を得ることができる。
【００５４】
なお本実施例のように結晶化を助長する金属元素であるニッケルを導入した場合には、４５０℃以上の温度であれば結晶化を行わすことができる。しかし、４５０℃の温度では数十時間以上の時間をかける必要があり実用的ではない。またこの加熱温度の上限は、ガラス基板の耐熱温度によって決まる。一般的にガラス基板を用いた場合には、ガラス基板の縮みや変形の程度に鑑み、この加熱温度の上限をガラス基板の歪点以下の温度とすることが好ましい。
【００５５】
次にレーザー光を照射し、先の加熱処理において結晶化した結晶性珪素膜３０４をアニールする。ここでは、線状にビーム形成されたＫｒＦエキシマレーザー光を用いる。即ち、光学系により、幅数ｍｍ、長さ数十ｃｍに成形されたレーザー光を長手方向に直角な方向に移動させながら結晶性珪素膜３０４に照射する。この工程で、結晶性珪素膜の結晶性が向上し、膜中の欠陥や準位や減少される。
【００５６】
またレーザー光の照射の終了後に、加熱処理を施すことにより、膜中に欠陥を減少させることができる。この加熱処理は４５０℃以上の温度であれば効果を得るとができる。なおこの加熱処理の温度の上限もガラス基板の歪点によって制限される。
【００５７】
こうして、図３（Ｄ）に示す結晶性珪素膜３０５を得ることができる。本実施例では、出発膜である非晶質珪素膜１０３の厚さを５００Åとした。従って、加熱処理によって結晶化された結晶性珪素膜の厚さも約５００Åである（実際には結晶化の際、膜は縮むが無視できる）。このような薄い珪素膜にレーザー光を照射した場合、膜の下層領域までレーザー光のエネルギーが十分に供給され、膜厚方向においてそれ程バラツキの無いアニールを施すことができる。即ち、厚さ方向に均一に結晶化を行うことができる。
【００５８】
また、このような５００Åという薄い珪素膜にレーザー光を照射した場合、レーザー光の照射後、その表面が図４に示すような凹凸になることが確かめられている。図４は図３（Ｃ）に示すレーザー光の照射後（図３（Ｄ）に示す状態）にＡＦＭ（Atomic force Microscope)（原子間力顕微鏡）によって結晶性珪素膜３０５の表面を観察した場合の写真である。また図５は図４に示される結晶性珪素膜の表面を移したＳＥＭ(Scannig Electron Microscope) （走査型電子顕微鏡）の写真である。
【００５９】
図４に示される結晶性珪素膜３０５の表面写真によると、凹凸の高低差は１００Å〜７００Å程度であることが分かる。また凸の先端（頂上部分）は丸く、凡そ１０Å以上の曲率半径を有し、さらに凹部の底部（窪みの部分）が凸部の先端部に比較してさらに大きな曲率半径を有している（凸部の先端部よりまるい）ことが分かる。
【００６０】
図４に示されるような表面を有する結晶性珪素薄膜で薄膜トランジスタを構成すると、高い特性を得られることが判明している。
【００６１】
〔実施例２〕
本実施例は、実施例１で得られた結晶性珪素膜を用いてＮチャネル型の薄膜トランジスタを作製する例を示す。
【００６２】
まず図３に示す工程に従って、下地膜１０２が形成されたガラス基板１０１（コーニング７０５９）上に厚さ５００Åの結晶性珪素膜３０５を形成する。（図６（Ａ））
【００６３】
そして、ゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜１０５を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。さらにスカンジウムを含有したアルミニウム膜を６０００Åの厚さに成膜し、パターニングを施すことにより、アルミニウムを主成分とするゲイト電極６０１を形成する。ゲイト電極６０１を形成したら、電解溶液中においてゲイト電極６０１を陽極とした陽極酸化を行い酸化物層６０２を２０００Åの厚さに形成する。この酸化物層６０２は、後の不純物イオン工程においてオフセット領域を形成するためのマスクとなる。（図６（Ｂ））
【００６４】
次にソース／ドレイン領域を形成するための不純物イオンとして、リンイオンの注入をプラズマドーピング法またはイオン注入法によって行う。この工程において、ソース領域１０８とドレイン領域１１２とが自己整合的に形成される。また同時にチャネル形成領域１１０とオフセットゲイト領域１０９、１１１とが形成される。オフセットゲイト領域１０９、１１１は、ゲイト電極６０１の周囲の酸化物層６０２がマスクとなることによって形成される。
【００６５】
さらにレーザー光の照射を行うことによって、不純物イオンが注入されたソース領域１０８とドレイン領域１１２との再結晶化（不純物イオンの注入によって非晶質化されている）と注入された不純物の活性化を行う。（図６（Ｃ））
【００６６】
この工程においても、活性層１０４の厚さが５００Åと薄いので、レーザー光の照射によって、効果的にソース／ドレイン領域の再結晶化と不純物の活性化とを行うことができる。この工程において、試料を４５０℃〜５５０℃程度の温度に加熱しつつ、レーザー光を照射するは効果的である。また、レーザー光の照射でなはく、強光（例えば赤外光）を照射するのでもよい。しかし、レーザー光を照射する場合に比較して、その効果は低いものとなる。
【００６７】
次に層間絶縁膜として酸化珪素膜１１３をプラズマＣＶＤ法により、６０００Åの厚さに成膜する。さらにコンタクトホールの形成を行い、ソース電極１１４とドレイン電極１１５を形成する。最後に３５０℃の水素雰囲気中において加熱処理を行い、薄膜トランジスタを完成させる。（図６（Ｄ））
【００６８】
本実施例において作製された薄膜トランジスタＮチャネル型であり、移動度がバラツキなく１００ｃｍ2 ／Ｖｓ以上得られるという高性能及び高歩留りを有し、また作製に際する歩留りも高いことが判明している。これは、実施例１に示したような方法によって得られた結晶性珪素膜を用いた活性層の結晶性が良好であることを第１の要因として挙げることができる。また、凹凸の凹部の底部分が丸みを有しているので、キャリアの移動に際しての散乱等がないことも他の要因として挙げることができる。
【００６９】
また、実施例１で得られた薄膜珪素半導体膜は、その凹凸を有する表面の凸部の頂上が尖っておらず、１０Å程度以上の曲率を有す丸みを有しているので、凸部の頂上に電界が集中することがなく、薄膜トランジスタの活性層として場合に、ゲイト絶縁膜を通しての絶縁破壊が起こりにくいという点もその特性の良さや高歩留りに寄与していると考えられる。
【００７０】
〔実施例３〕
本実施例は、珪素の結晶化を助長する金属元素を非晶質珪素膜の特定の領域に導入することにより、当該領域から膜に平行な方向に結晶成長（横成長またはラテラル成長という）させる例に関する。
【００７１】
図７（Ａ）にガラス基板１０１上に結晶性珪素膜を形成するまでの工程を示す。まずガラス基板１０１上に下地膜として酸化珪素膜１０２をスパッタ法により３０００Åの厚さに成膜する。次に非晶質珪素膜１０３を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法で形成する。
【００７２】
次にレジストを用いてマスク７０１を形成する。このマスク７０１は酸化珪素膜や窒化珪素膜で形成するのでもよい。このマスクは７００で示す領域で非晶質珪素膜１０３を露呈する構造となっている。この７００で示される非晶質珪素膜が露呈した領域は、図面の手前方向から奥手方向へと長手方向を有する長方形を有している。（図７（Ａ））
【００７３】
マスク７０１の形成後、珪素の結晶化を助長する金属元素を非晶質珪素膜１０３に導入する。ここでは、金属元素としてニッケルを用いる。またニッケル元素は、ニッケル酢酸塩溶液を用いて非晶質珪素膜に導入する。即ち、ニッケルを含んだ溶液を用いて、非晶質珪素膜の表面にニッケル元素の導入を行う。
【００７４】
具体的には、図７（Ａ）に示すように、まずニッケル酢酸塩溶液を滴下し水膜３０２を形成する。次にスピナー３０１を用いてスピンコートを行う。こうして７００で示される領域（非晶質珪素膜１０３が露呈した領域）に珪素の結晶化を助長する金属元素であるニッケル元素を導入する。
【００７５】
こうして図７（Ｂ）に示す状態を得ることができる。この状態においては、非晶質珪素膜１０３の一部に接して７０２で示される極薄いニッケルの層、または極薄いニッケルを含んだ層が形成された状態となる。
【００７６】
その後レジストマスク７０１を取り除く。さらに５５０℃、４時間の加熱処理を施す。この加熱処理工程において、矢印７０３で示されるような基板１０１に平行な方向に結晶成長が行われる。これは、ニッケルの層またはニッケルを含有した層７０２からニッケルが拡散していくことによって行われる。（図７（Ｃ））
【００７７】
さらに図７（Ｄ）に７０３で示されるような結晶成長が行われた領域に対してレーザー光を照射することによって、結晶性をさらに助長させる。このレーザー光の照射において、珪素膜の厚さが５００Å程度であるので、レーザー光のエネルギーが十分に供給され、その結晶化を十分なものとすることができる。得られた結晶性珪素膜の表面は、図４や図５に示すのと同様な状態を有している。
【００７８】
本実施例に示す基板に平行な方向に結晶成長した領域を用いて薄膜トランジスタを形成した場合、以下に示すような有意性を得ることができる。即ち、結晶成長の方向に沿ってキャリアが移動するように、ソース／ドレイン領域を結晶成長が行われた方向に沿って配置することにより、キャリアの移動が結晶粒界の影響を受けにくい構成とすることができ、高い特性を得ることができる。
【００７９】
〔実施例４〕
本実施例は、ガラス基板上の形成された非晶質珪素膜をレーザー光の照射のみで結晶化させる場合の例を示す。前述したように、レーザー光の照射のみで大面積の結晶性珪素薄膜を得ることは、均一性における問題があるため、あまり実用的な方法でない。しかし、基板の面積が小さい場合や、大出力のレーザー発振装置を用いた場合には実用になる。大出力のレーザー発振装置を用いる場合は、レーザーパワーを絞り、また光学系を工夫することにより、大面積に対して安定した出力でレーザー光を照射することができる。
【００８０】
本実施例では、まずガラス基板上に酸化珪素膜の下地膜を形成し、しかる後に非晶質珪素膜を８００Å以下の厚さ、例えば５００Åの厚さに成膜し。さらにレーザー光の照射を行うことによって、結晶性珪素膜を得ればよい。
【００８１】
【発明の効果】
１５０Å〜８００Åの厚さを有する珪素膜に対してレーザー光を照射することで、歩留り良く、結晶性の優れた結晶性珪素膜を得ることができる。そしてこの結晶性珪素膜を用いることで、特性に優れ、歩留りの良い薄膜トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来における薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【図２】  従来における薄膜トタンジスタの構成を示す。
【図３】  結晶珪素膜の作製工程を示す。
【図４】  薄膜を示す写真を示す。
【図５】  薄膜を示す写真を示す。
【図６】  薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【図７】  結晶性珪素膜の作製工程を示す。
【符号の説明】
１０１                      ガラス基板
１０２                      酸化珪素膜（下地膜）
１０３                      非晶質珪素膜
１０４                      活性層（結晶性珪素膜）
１０５                      ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）
１０６                      ゲイト電極
１０８                      ソース領域
１１０                      チャネル形成領域
１１２                      ドレイン領域
１１３                      層間絶縁膜（酸化珪素膜）
１１４                      ソース電極
１１５                      ドレイン電極
２０１                      ゲイト電極側面のゲイト絶縁膜
３０１                      スピナー
３０２                      水膜（ニッケル酢酸塩溶液）
３０３                      ニッケルの膜またはニッケルを含有した膜
３０４                      結晶性珪素膜
３０５                      レーザー光の照射によりさらに結晶化の助長された結晶性珪素膜
６０１                      アルミニウムを主成分とするゲイト電極
６０２                      酸化物層
７００                      非晶質珪素膜１０３が露呈した領域
７０１                      レジストマスク
７０２                      ニッケルの膜またはニッケルを含有した膜
７０３                      結晶成長方向
７０４                      結晶化した領域
７０５                      残存した非晶質領域
【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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