(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜の一部の領域に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進するための触媒元素を導入する触媒導入工程と、
加熱処理を施して、上記触媒元素が導入された領域の非晶質ケイ素膜を結晶化して結晶性ケイ素膜にする加熱工程と、
光を照射して、上記加熱工程で結晶化された領域から上記基板と平行な横方向へ上記非晶質ケイ素膜の結晶化を進める光照射工程と、
上記光照射工程で結晶化された領域の結晶性ケイ素膜が、半導体装置を構成する能動領域の少なくとも一部になるように加工を行う素子化工程と、
を有し、
上記触媒導入工程で触媒元素が導入される領域は、上記非晶質ケイ素膜のうち触媒元素が導入されない領域を挟むかまたは囲む配置になっており、
上記加熱工程で残された未結晶化領域の形状は帯状または矩形状であり、
上記未結晶化領域の帯幅または短辺方向の幅は、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性が上記光照射工程で結晶化される領域の結晶性に引き継がれるように６μｍ以下に設定されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記加熱工程で、上記触媒元素が導入された領域の横方向に隣接した領域まで結晶化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記加熱工程で残された未結晶化領域の帯幅方向または短辺方向を、上記能動領域を通してキャリアが流れる方向と平行に設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記加熱工程での加熱処理の温度を、非晶質ケイ素膜自体による結晶核の自然発生が起こらず、触媒元素による結晶核が発生してこの結晶核からの結晶成長が進行するような温度に設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
上記加熱工程での加熱処理の温度を５２０℃から５８０℃までの範囲内に設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記光照射工程での光照射の強度を、上記加熱工程で残された未結晶化領域が完全に溶融する一方、上記加熱工程で結晶化された領域が元の結晶状態を維持するような範囲の強度に設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記光照射工程で照射する光として４００ｎｍ以下の波長を持つエキシマレーザ光を用い、このエキシマレーザ光の上記ケイ素膜の表面でのエネルギ密度を２００ｍＪ／ｃｍ2から４５０ｍＪ／ｃｍ2までの範囲内に設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素としてＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕのうちの少なくとも一つの元素を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法おいて、
上記光照射工程後に、上記結晶性ケイ素膜のうち半導体装置の能動領域となる領域以外の領域に、上記触媒元素をゲッタリングするための５族Ｂ元素を導入するゲッタ導入工程と、
加熱処理を行って、上記５族Ｂ元素が導入された領域に上記結晶性ケイ素膜中の触媒元素を移動させるゲッタリング工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置の製造方法おいて、
上記５族Ｂ元素としてＰ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一つの元素を用いることを特徴とする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】
この発明は、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して備えた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）に適し、さらには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、三次元ＩＣなどに利用される。
【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、三次元ＩＣなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶縁膜上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の半導体素子を形成する試みがなされている。これらの半導体素子には、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は、非晶質ケイ素半導体（アモルファスシリコン）からなるものと、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素等のように結晶性を有するケイ素半導体からなるもの（これを「結晶性ケイ素膜」と呼ぶ。）との２つに大別される。非晶質ケイ素半導体は、気相法で比較的低温で容易に作製することが可能で量産性に富むが、結晶性を有するケイ素半導体に比べて導電性等の物性が劣る。このため、高性能な半導体素子を得るために、結晶性ケイ素膜を利用することが強く求められている。
【０００３】
従来、高品質な結晶性ケイ素膜を得るために、次のような方法が提案されている（特開平９−４５９３１公報）。すなわち、まず図１２（ａ）に示すように、ガラス基板３０１上に、下地膜３０２と、アモルファスシリコン膜３０３と、窓（厚さ方向に貫通した開口）３０５を有するマスク層３０４とを順に形成する。次に、アモルファスシリコン膜３０３のうち上記窓３０５に対応した領域３０３ａに結晶化を促進するための触媒元素（ニッケルやパラジウム等の金属元素）３０６を導入する。図１２（ｂ）に示すように、５５０℃の加熱処理を行って、アモルファスシリコン膜３０３のその領域３０３ａを結晶化させるとともに、横方向（図中に矢印で示すように、基板３０１と平行方向を指す。）ヘの結晶化の進行によってその近傍領域を結晶化させて、上記領域３０３ａよりも広い結晶性シリコン領域３０７ａを得る。次に図１２（ｃ）に示すように、上記マスク層３０４を除去した後、レーザ光Ｌを照射することによって、上記結晶性シリコン領域３０７ａの結晶性を向上するとともに、残されたアモルファスシリコン領域３０３ｂを結晶化させる。この方法では、非晶質ケイ素（アモルファスシリコン）膜の結晶化を助長する触媒元素を利用することで、加熱温度の低温化および処理時間の短縮、そして結晶性の向上を図っている。その結果、特に高速動作が必要なＴＦＴを高性能化しようとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記加熱処理後レーザ光照射前の結晶化ケイ素領域３０７ａでは、ケイ素の柱状結晶（幅８００Å〜１０００Å）が横方向に延びて網状（ネットワーク状態）になっている。個々の柱状結晶内部は単結晶状態であるが、これらの柱状結晶の曲がりや分岐などにより転位などの結晶欠陥が多数存在する。上記従来法で、加熱処理後にレーザ光を照射している理由は、良好な結晶性を有する柱状結晶成分を元に、結晶粒内の欠陥を消滅させるためである。
【０００５】
しかしながら現実には、単にレーザ光を照射しただけでは、高品質で均一性に優れた結晶性ケイ素膜を得ることはできない。
【０００６】
実際にレーザ光照射を行うと、低いレーザパワーでは、上記加熱処理後の結晶化ケイ素領域３０７ａは、元の結晶状態をほぼ維持するだけであり、膜質は殆ど改善されない。一方、高いレーザパワーでは、元の結晶状態がリセットされてしまい、レーザ光照射による溶融固化のみで結晶化されたのと同様な状態になる。
【０００７】
また、上記加熱処理後に残されたアモルファスシリコン領域３０３ｂでは、非晶質から直接結晶成長する部分が現れる。なぜなら、レーザ光照射は、ケイ素膜における瞬時の溶融固化過程を利用して結晶化しているため、結晶化ケイ素領域３０７ａから或る程度以上の距離が離れていれば、結晶化ケイ素領域３０７ａからの横方向の結晶成長が到達するより先に、溶融固化による結晶化が生じるからである。
【０００８】
このため、レーザ光照射後に得られた結晶性ケイ素膜を用い、その結晶性ケイ素膜を活性領域とするＴＦＴを作製した場合、そのＴＦＴの特性は、触媒元素を導入した加熱処理による結晶化のみ（レーザ光照射無し）の膜を用いた場合と殆ど差のない電流駆動能力が低いものになるか、または電流駆動能力は或る程度高くなっているが特性ばらつきが大きいものになるか、のいずれかとなる。
【０００９】
このように、上記加熱処理後の結晶性ケイ素膜に、単にレーザ光を照射しただけでは、高品質で均一性に優れた結晶性ケイ素膜を得ることはできない。従来は、そのような結晶性ケイ素膜をそのままチャネル領域等に用いているため、高性能な半導体装置を歩留まり良く製造することができなかった。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、結晶性ケイ素膜を活性領域として備えた高性能な半導体装置を、歩留まり良く製造できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、触媒元素を用い結晶化されたケイ素膜のミクロ的な結晶性の良さに注目し、それを上手く引き出すことで、より高品質で均一性に優れた結晶性ケイ素膜が得られないかと考え、日夜研究を重ねた。そして、ついにそのような結晶性ケイ素膜を得る方法を実現した。その結晶性ケイ素膜を用いることによって高性能で特性ばらつきの少ない半導体装置が得られる。また、高性能な半導体装置を歩留まり良く製造できる。以下、この発明の半導体装置の製造方法について説明する。
【００１２】
上記目的を達成するため、この発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜の一部の領域に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進するための触媒元素を導入する触媒導入工程と、加熱処理を施して、上記触媒元素が導入された領域の非晶質ケイ素膜を結晶化して結晶性ケイ素膜にする加熱工程と、光を照射して、上記加熱工程で結晶化された領域から上記基板と平行な横方向へ上記非晶質ケイ素膜の結晶化を進める光照射工程と、上記光照射工程で結晶化された領域の結晶性ケイ素膜が、半導体装置を構成する能動領域の少なくとも一部になるように加工を行う素子化工程と、を有し、上記触媒導入工程で触媒元素が導入される領域は、上記非晶質ケイ素膜のうち触媒元素が導入されない領域を挟むかまたは囲む配置になっており、上記加熱工程で残された未結晶化領域の形状は帯状または矩形状であり、上記未結晶化領域の帯幅または短辺方向の幅は、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性が上記光照射工程で結晶化される領域の結晶性に引き継がれるように６μｍ以下に設定されていることを特徴とする。
【００１３】
なお、「能動領域」とは、上記活性領域のうちキャリア（電荷担体）が流れて半導体装置の電気特性を実質的に定める部分を指す。特に、半導体装置が薄膜トランジスタである場合は、チャネル領域を指す。
【００１４】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜の一部の領域に、その結晶化を促進するための触媒元素を導入し（触媒導入工程）、加熱処理を施して、上記触媒元素が導入された領域の非晶質ケイ素膜を結晶化して結晶性ケイ素膜にする（加熱工程）。続いて、光を照射して、上記加熱工程で結晶化された領域から上記基板と平行な横方向へ上記非晶質ケイ素膜の結晶化を進める（光照射工程）。そして、上記光照射工程で結晶化された領域の結晶性ケイ素膜が、半導体装置を構成する能動領域の少なくとも一部になるように加工を行う（素子化工程）。上記光照射工程では、上記加熱工程で結晶化された領域（これを適宜「触媒加熱結晶化領域」という。）の結晶性を反映して、溶融固化現象により横方向に結晶成長が生じる。すなわち、触媒加熱結晶化領域のミクロ的に良好な結晶成分（柱状結晶成分）を効率的に引き継いで結晶成長が生じる。したがって、この光照射工程では、触媒元素による結晶化で得られるミクロ的に良好な結晶状態と、固相成長結晶化法の特徴である結晶状態の基板内での良好な均一性と、光照射による溶融固化結晶化での低い粒内欠陥密度とを、全て盛り込んだ状態の非常に高品質な結晶性ケイ素膜が形成される。そして、この結晶性ケイ素膜が、半導体装置を構成する能動領域の少なくとも一部になるように加工を行うので、今までにない非常に高性能（特に電流駆動能力の高い）で、非常に素子間ばらつきの少ない安定した特性を示す半導体装置が得られる。
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法では、上記加熱工程で結晶化された領域（触媒加熱結晶化領域）が光照射工程における結晶成長のシードとされるから、上記触媒加熱結晶化領域の結晶性が重要である。なぜなら、シードとされる触媒加熱結晶化領域の結晶性が低ければ、光照射工程により得られる結晶性ケイ素膜の結晶性も、これを反映して低いものとなり、半導体装置の特性を低下させることになるからである。したがって、上記触媒加熱結晶化領域の結晶性を、さらに高めるのが望ましい。
【００１６】
そこで、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記加熱工程で、上記触媒元素が導入された領域の横方向に隣接した領域まで結晶化することを特徴とする。
【００１７】
すなわち、加熱工程では、或る時間だけ加熱することで、まず上記触媒導入工程で触媒元素が導入された領域のみを結晶化し、さらに加熱時間を延長することで、その領域から基板と平行な横方向に隣接した領域（これを「隣接領域」と呼ぶ。）まで結晶成長を行わせる。つまり、上記触媒導入工程で触媒元素が導入された領域だけでなく隣接領域をも結晶化して、触媒加熱結晶化領域にする。この隣接領域の内部では、成長方向が概略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、結晶性がさらに良好な領域となっている。よって、この隣接領域をシードとすることにより、光照射工程により得られる結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに高めることができ、半導体装置のさらなる高性能化が行える。
【００１８】
また、本発明においては、触媒導入工程で触媒元素が導入された領域に応じて、加熱工程で結晶性ケイ素膜になる領域（触媒加熱結晶化領域）が定まり、さらに、この触媒加熱結晶化領域に応じて、光照射工程で結晶化される領域が定まることから、上記触媒導入工程で触媒元素が導入される領域の配置が重要となる。
【００１９】
そこで、上述のように、本発明の半導体装置の製造方法では、上記触媒導入工程で触媒元素が導入される領域は、上記非晶質ケイ素膜のうち触媒元素が導入されない領域を挟むかまたは囲む配置になっていることを特徴とする。
【００２０】
このようにした場合、上記触媒導入工程で触媒元素が導入されない領域の両側または周囲に相当する領域が、上記加熱工程で結晶化されて結晶性ケイ素膜になる。続いて、光照射工程では、上記加熱工程で結晶化された領域から上記基板と平行な横方向へ上記非晶質ケイ素膜の結晶化が進む。つまり、上記加熱工程後に非晶質のまま残存している領域（これを「未結晶化領域」と呼ぶ。）は、両側または周囲から中央へ向かって上記基板と平行な横方向に結晶化される。したがって、光照射工程では、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性を効率良く、旦つ広面積にわたって反映することができ、高品質な結晶性ケイ素膜を比較的広面積の領域に形成することができる。この結果、半導体装置を高性能化できるだけでなく、基板上形成される各半導体素子のレイアウトが容易となる。
【００２１】
また、上述のように、本発明の半導体装置の製造方法は、上記加熱工程では上記非晶質ケイ素膜のうち上記触媒導入工程で触媒元素が導入されなかった領域に未結晶化領域を残し、上記光照射工程でその未結晶化領域を上記横方向に結晶化させることを特徴とする。
【００２２】
このようにした場合、上記光照射工程で高品質な結晶性ケイ素膜を比較的広面積の領域に形成できるだけでなく、半導体装置の能動領域の少なくとも一部（最も良いのは全域であるが）を、確実に、上記光照射工程で横方向に結晶化して得られた高品質な結晶性ケイ素膜を用いて形成することができる。
【００２３】
ここで、もう一つ重要なポイントとなるのは、上記加熱工程で残された未結晶化領域の形状と大きさである。未結晶化領域の形状に特に広い部分があると、その広い部分に、上記加熱工程で結晶化された領域からの横方向の結晶化が到達するより先に、溶融固化による結晶化が生じてしまう。すると、上記光照射工程で得られる結晶性ケイ素膜には、上記加熱工程で結晶化された領域から横方向に結晶化した領域と、非晶質状態から直接溶融固化して結晶化された領域とが混在することになる。これでは、半導体装置の特性を低下させるだけでなく、特性ばらつきをも増大させることになる。
【００２４】
そこで、上述のように、本発明の半導体装置の製造方法では、上記加熱工程で残された未結晶化領域の形状は帯状または矩形状であり、上記未結晶化領域の帯幅または短辺方向の幅は、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性が上記光照射工程で結晶化される領域の結晶性に引き継がれるような幅以下に設定されていることを特徴とする。
【００２５】
これにより、上記光照射工程で横方向に結晶化する際、上記未結晶化領域の帯幅方向または短辺方向に沿って一次元的な結晶成長が行われ、結晶成長が安定すると共に結晶粒界の制御が行い易くなる。さらに、上記未結晶化領域の帯幅または短辺方向の幅は、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性が上記光照射工程で結晶化される領域の結晶性に引き継がれるような幅以下に設定されているので、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性が上記光照射工程で横方向に結晶化される領域の結晶性に引き継がれて、上記光照射工程で高品質な結晶性ケイ素膜が形成される。
【００２６】
また、上述のように、本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法では、上記未結晶化領域の帯幅または短辺方向の幅は６μｍ以下に設定されていることを特徴とする。
【００２７】
このように未結晶化領域の帯幅または短辺方向の幅が６μｍ以下であれば、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性が上記光照射工程で結晶化される領域の結晶性に引き継がれる。この６μｍという値は、図１０および図１１に示すような、本発明者らが実際に行った実験結果から得られた値である。
【００２８】
図１０は、上記光照射工程で結晶化された領域の結晶性をラマン分光法により調べた結果を示している。横軸は上記加熱工程で残された未結晶化領域の幅、縦軸はその未結晶化領域を上記光照射工程で結晶化して得られた結晶性ケイ素膜のラマンシフトの波数をそれぞれ表している。具体的には、上記加熱工程後の未結晶化領域の形状を矩形パターンとし、その長辺の長さを１００μｍに固定し、短辺の長さを２μｍから１６μｍまで可変して設定した。そして、上記光照射工程後にその矩形パターンの中央部を直径１μｍφの空間分解能をもつラマン分光器を用いて測定した。図１０から分かるように、未結晶化領域の短辺方向の幅が６μｍ以下であれば、ラマンシフト波数が５１８ｃｍ-1程度になるが、未結晶化領域の短辺方向の幅が６μｍを超えると、ラマンシフト波数は急激に低下して５１６ｃｍ-1程度になる。この５１６ｃｍ-1というラマンシフト波数は、触媒元素を用いず非晶質状態から直接溶融固化して結晶化された状態に相当する。これに対して、５１８ｃｍ-1というラマンシフト波数は、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性を引き継いで上記光照射工程で結晶化された結晶性ケイ素膜に相当する。すなわち、未結晶化領域の短辺方向の幅が６μｍ以下であれば、その中央部まで、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性を反映した結晶化が行われていることが分かる。言い換えれば、上記加熱工程で結晶化された領域から片側３μｍの距離であれば、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性を反映した結晶成長が行われるのである。
【００２９】
図１１は、上記光照射工程後の結晶性ケイ素膜を用いて作製されたＴＦＴの電界効果移動度を示している。上の場合と同様に、上記加熱工程後の未結晶化領域の形状を矩形パターンとし、その長辺の長さを１００μｍに固定し、短辺の長さを２μｍから１６μｍまで可変して設定した。そして、その未結晶化領域を上記光照射工程で結晶化して得られた結晶性ケイ素膜が、ＴＦＴを構成するチャネル領域になるようにパターン加工を行った。具体的には、形成すべきＴＦＴのチャネル長を２μｍに固定した上で、チャネル方向を上記矩形パターン（上記加熱工程で残された未結晶化領域のパターン）の短辺方向に一致させ、チャネル領域が上記矩形パターンの中央部に配置されるようにした。図１１から分かるように、未結晶化領域の短辺方向の幅が６μｍ以下であれば、電界効果移動度が２００ｃｍ2／Ｖｓ以上の高いレベルになるが、未結晶化領域の短辺方向の幅が６μｍを超えると、電界効果移動度は急激に低下してばらつきも大きくなっている。この原因は、勿論、図１０に関して述べたように、未結晶化領域の短辺方向の幅が６μｍを超えると、触媒元素を用いず非晶質状態から直接溶融固化して結晶化された状態が現れるからである。
【００３０】
なお、この実験結果から、実際の半導体装置におけるチャネル長が６μｍ以上必要とされる場合であっても、上記加熱工程後の未結晶化領域の幅は６μｍを超えるべきではない、ということが言える。この場合は、上記触媒導入工程で触媒元素が導入されない領域の幅をそのチャネル長以上に設定し、上記触媒元素が導入されない領域のうち触媒元素が導入された領域の隣接領域まで上記加熱工程で結晶化して、上記加熱工程後の未結晶化領域の幅を６μｍにするのが望ましい。これにより、能動領域内の触媒元素濃度を抑えて半導体装置の電気特性に悪影響を及ぼすのを防止できるとともに、能動領域を、上記加熱処理で横方向に結晶化された領域（隣接領域）と上記光照射工程で横方向に結晶化された領域とで構成でき、高品質な結晶性ケイ素膜で構成できる。
【００３１】
一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記加熱工程で残された未結晶化領域の帯幅方向または短辺方向を、上記能動領域を通してキャリアが流れる方向と平行に設定することを特徴とする。
【００３２】
既に述べたように、上記光照射工程で横方向に結晶化する際には、上記未結晶化領域の帯幅方向または短辺方向に沿って一次元的な結晶成長が行われる。したがって、上記加熱工程で残された未結晶化領域の帯幅方向または短辺方向を、上記能動領域を通してキャリアが流れる方向と平行に設定することによって、上記光照射工程で結晶化された領域の結晶成長方向と上記能動領域を通してキャリアが流れる方向とが実質的に平行になる。これにより、上記能動領域を流れるキャリアに対する粒界でのトラップ密度が減少して、半導体装置の電気特性の向上、特に高移動度化を図ることができる。また、素子特性のばらつきに関して言えば、上記光照射工程での結晶成長方向と能動領域におけるキャリアの移動方向とが平行に設定されることによって、能動領域を流れるキャリアに対する粒界数が０または１つなど、完全にその数を制御可能になる。したがって、特性ばらつきが小さい半導体装置が得られる。なお、上記光照射工程での結晶成長方向と能動領域におけるキャリアの移動方向とが垂直となる場合には、シード領域の結晶状態のばらつきのため、能動領域を流れるキャリアに対する結晶粒界がどの程度の数になるか予測できず、特性ばらつきが必然的に大きくなる。
【００３３】
さて本発明は、上記加熱工程で未結晶化領域を残し、上記光照射工程でその未結晶化領域を結晶化して結晶性ケイ素膜を得ている。ここで、上記加熱工程での加熱処理の温度があまりに高いと、未結晶化領域で非晶質ケイ素膜自体の自然核発生が起こり、この自然発生核から結晶成長が始まる。このような結晶は、触媒元素によって制御されたものではなく、欠陥の多い双晶構造を作る。このため、光照射工程において、触媒元素を用いて上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性を引き継いで未結晶化領域を結晶化する前に、未結晶化領域にそれら自然発生核からの結晶成長が生じてしまい、高品質な結晶性ケイ素膜が得られない。一方、上記加熱工程での加熱処理の温度は、最低でも、触媒元素による結晶核が発生してこの結晶核からの結晶成長が進行するような温度に設定する必要がある。
【００３４】
そこで、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記加熱工程での加熱処理の温度を、非晶質ケイ素膜自体による結晶核の自然発生が起こらず、触媒元素による結晶核が発生してこの結晶核からの結晶成長が進行するような温度に設定することを特徴とする。
【００３５】
実際に、触媒元素による結晶成長が起こり始める温度は５２０℃程度である。一方、非晶質ケイ素膜に触媒元素によらない自然核発生が生じる温度は、非晶質ケイ素膜の膜質にも大きく左右されるが、本発明に有効なプラズマＣＶＤ法による非晶質ケイ素膜を想定した場合、ほぼ５８０℃となる。
【００３６】
そこで、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記加熱工程での加熱処理の温度を５２０℃から５８０℃までの範囲内に設定することを特徴とする。
【００３７】
このように上記加熱工程での加熱処理の温度を設定した場合、実際に、非晶質ケイ素膜自体による結晶核の自然発生が起こらず、触媒元素による結晶核のみが発生して、触媒元素による結晶成長のみが進行する。
【００３８】
さて、上記光照射工程では、光照射の強度が非常に重要である。光照射の強度が小さすぎれば、ケイ素膜は殆ど溶融されず、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性を反映した結晶成長が行われない。一方、光照射の強度が大きすぎれば、上記加熱工程で結晶化された領域の良好な結晶性が完全に失われ、すなわちリセットされてしまい、レーザ光照射による溶融固化のみで結晶化されたのと同様な結晶状態になってしまい、性能が低下するだけでなく、レーザ結晶化が本来有している不均一性の問題が発生する。
【００３９】
そこで、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記光照射工程での光照射の強度を、上記加熱工程で残された未結晶化領域が完全に溶融する一方、上記加熱工程で結晶化された領域が元の結晶状態を維持するような範囲の強度に設定することを特徴とする。
【００４０】
具体的には、上記光照射工程で使用される光としては、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザ光が最も適している。波長４００ｎｍ以下であれば、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高く、したがって、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、エキシマレーザ光は発振出力が大きく、大面積基板を処理するのに適している。その中でも、特に波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光は、出力が大きいので、基板照射時のビームサイズを大きくでき、大面積基板に適用し易い。また、出力も比較的安定しており、量産用の光照射装置として最も望ましい。そして、上記光照射工程での光照射の強度を、ケイ素膜表面でのレーザ光のエネルギ密度が２００ｍＪ／ｃｍ2〜４５０ｍＪ／ｃｍ2となるように設定するのが望ましい。仮に、ケイ素膜表面でのレーザ光のエネルギ密度が２００ｍＪ／ｃｍ2より小さければ、ケイ素膜は殆ど溶融されず、未結晶化領域が十分には結晶化されない。一方、ケイ素膜表面でのレーザ光のエネルギ密度が４５０ｍＪ／ｃｍ2よりも大きければ、上記加熱工程で結晶化された領域の良好な結晶性が完全に失われ、すなわちリセットされてしまい、レーザ光照射による溶融固化のみで結晶化されたのと同様な結晶状態になってしまい、性能が低下するだけでなく、レーザ結晶化が本来有している不均一性の問題が発生する。
【００４１】
そこで、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記光照射工程で照射する光として４００ｎｍ以下の波長を持つエキシマレーザ光を用い、このエキシマレーザ光の上記ケイ素膜の表面でのエネルギ密度を２００ｍＪ／ｃｍ2から４５０ｍＪ／ｃｍ2までの範囲内に設定することを特徴とする。
【００４２】
このようなエネルギ密度範囲であれば、実際に、上記加熱工程で結晶化された領域が完全には溶融せず、少なくとも元の結晶状態を維持する一方、上記加熱工程で残された未結晶化領域が完全に溶融して結晶化される。したがって、上記加熱工程で結晶化された領域の結晶性を反映した結晶成長が行われ、高品質な結晶性ケイ素膜が得られる。
【００４３】
一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記触媒元素としてＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕのうちの少なくとも一つの元素を用いることを特徴とする。
【００４４】
上記触媒元素がＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕのうちの少なくとも一つの元素であれば、微量でも結晶化を助長する効果がある。既述のように、これらの元素の中でも、特にＮｉを用いた場合に、結晶化を助長する効果が顕著になる。
【００４５】
さて、触媒元素として主に金属元素が用いられることに関して一つの問題がある。上記加熱工程での触媒元素による非晶質ケイ素膜の結晶化過程では、まず触媒元素と非晶質ケイ素とのシリサイド反応が起こり、このシリサイドがケイ素の結晶化を引き起こす。すなわち、成長する結晶の先端に常に触媒元素のシリサイドが存在し、このシリサイドが前方にある非晶質ケイ素を次々と結晶化してゆく。この結果、成長する結晶同士がぶつかり合って生じた成長境界には、それぞれの結晶の先端に存在する触媒元素のシリサイドが非常に高濃度で存在する。この発明に従って、上記加熱工程で残された未結晶化領域が、上記光照射工程で両側または周囲から中央へ向かって横方向に結晶化される場合、得られた結晶性ケイ素膜の中央部に触媒元素が高濃度に残存することになる。この結晶性ケイ素膜を半導体装置の能動領域として用いると、触媒元素が半導体装置の信頼性や電気的安定性を阻害するおそれがある。特に、半導体装置がＴＦＴである場合には、オフ動作時のリーク電流増大という大きな問題を引き起こす。このため、上記光照射工程後に、半導体装置の能動領域となる領域の触媒元素濃度を低減するのが望ましい。
【００４６】
そこで、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記光照射工程後に、上記結晶性ケイ素膜のうち半導体装置の能動領域となる領域以外の領域に、上記触媒元素をゲッタリングするための５族Ｂ元素を導入するゲッタ導入工程と、加熱処理を行って、上記５族Ｂ元素が導入された領域に上記結晶性ケイ素膜中の触媒元素を移動させるゲッタリング工程と、を有することを特徴とする。
【００４７】
これにより、半導体装置の能動領域となる領域の触媒元素濃度を低減できる。したがって、残存する触媒元素によって半導体装置の信頼性が損なわれるおそれが少なくなる。この方法は、半導体装置の電気特性に悪影響が大きいシリサイド状態の触媒元素に対して、特に有効である。
【００４８】
なお、上記５族Ｂ元素が導入された領域に触媒元素がゲッタリングされるので、その領域の結晶性ケイ素膜をエッチング等によって除去するのが望ましい。このようにした場合、基板上には触媒元素の高濃度領域は全く残らない。したがって、残存する触媒元素によって半導体装置の信頼性が損なわれるおそれが皆無になる。
【００４９】
さらに、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記５族Ｂ元素としてＰ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一つの元素を用いることを特徴とする。
【００５０】
上記５族Ｂ元素がＰ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一つの元素であれば、上記能動領域となる領域以外の領域に触媒元素を効率的に移動させることができ、十分なゲッタリング効果が得られる。このゲッタリングのメカニズムに関しては、未だ詳しい知見は得られていないが、これらの元素の中でも、最もゲッタリング効果が高いのはＰであることが分かっている。
【００５１】
本発明により製造された好ましい半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性ケイ素膜を活性領域として備えた半導体装置において、上記活性領域のうち少なくとも能動領域の一部は、非晶質ケイ素膜の一部の領域に結晶化を促進するための触媒元素を導入して加熱処理によりその領域を結晶化し、この加熱処理により結晶化された領域をシードとして溶融固化過程において結晶成長させた結晶性ケイ素膜からなる。
【００５２】
また、本発明により製造された好ましい半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性ケイ素膜を活性領域として備えた半導体装置において、上記活性領域のうち少なくとも能動領域は、非晶質ケイ素膜の一部の領域に結晶化を促進するための触媒元素を導入して加熱処理によりその領域を結晶化し、この加熱処理により結晶化された領域をシードとして溶融固化過程において結晶成長させた結晶性ケイ素膜からなる。
【００５３】
上記半導体装置では、活性領域のうち能動領域の全域または少なくとも一部は、非晶質ケイ素膜の一部の領域に結晶化を促進するための触媒元素を導入して加熱処理によりその領域を結晶化し、この加熱処理により結晶化された領域（触媒加熱結晶化領域）をシードとして溶融固化過程において結晶成長させた結晶性ケイ素膜からなる。したがって、半導体装置の能動領域を構成するケイ素膜の結晶性が、非常に高品質な結晶性ケイ素膜となっている。すなわち、本発明の半導体装置における、能動領域の全域または少なくとも一部を構成する結晶性ケイ素膜は、触媒加熱結晶化領域をシードとして溶融固化で結晶成長したものであるため、触媒加熱結晶化領域のミクロ的に良好な結晶成分（柱状結晶成分）を効率的に引き継いで結晶成長される訳であるから、欠陥が非常に少ない。すなわち、本発明は、触媒元素による結晶化で得られるミクロ的に良好な結晶状態と、固相成長結晶化法の特徴である結晶状態の基板内での良好な均一性と、光照射による溶融固化結晶化での低い粒内欠陥密度とを、全て盛り込んだ状態の非常に高品質な結晶性ケイ素膜を実現し、そのような結晶性ケイ素膜により半導体装置の能動領域を構成する訳である。その結果、今までにない非常に高性能な（特に電流駆動能力の高い）半導体装置が実現できる。具体的に、従来法（特開平９−４５９３１公報）による結晶性ケイ素膜を用いたＴＦＴと本発明によるＴＦＴとを比較した場合、電界効果移動度について２〜３倍程の非常に大きな向上が見られている。
【００５４】
また、この半導体装置では、結晶性が良好な触媒加熱結晶化領域をシードとしているので、後の光照射による結晶化状態が安定する。さらに、非晶質ケイ素膜のうち触媒元素を導入した領域に応じて触媒加熱結晶化領域が定まり、この触媒加熱結晶化領域に応じて溶融固化により結晶性ケイ素膜を得る訳であるから、基板上でその結晶性ケイ素膜が形成される領域は特定されている。したがって、その溶融固化により得られた結晶性ケイ素膜を、半導体素子の能動領域として用いることは容易に行える。したがって、基板上に作製される全ての半導体素子において能動領域の結晶性を均一とすることができ、素子間ばらつきの非常に少ない安定した特性の高性能半導体装置を実現できる。
【００５５】
また、好ましい半導体装置では、上記能動領域のうち、上記溶融固化過程において結晶成長させた結晶性ケイ素膜以外の部分は、上記加熱処理により触媒元素を用いて結晶化した結晶性ケイ素膜からなる。
【００５６】
本発明により製造された半導体装置において、最も良いのは、勿論、能動領域の全域を、上記溶融固化過程において結晶成長させた高品質な結晶性ケイ素膜で構成することである。しかしながら、能動領域のサイズや素子レイアウトなどにより、能動領域全域を上記溶融固化過程において結晶成長させた高品質な結晶性ケイ素膜で構成できない場合には、その一部を構成するだけでも良く、これでも従来法による結晶性ケイ素膜を用いた場合に比べて十分な効果が得られている。その場合、能動領域は、触媒加熱結晶化領域の結晶性ケイ素膜と、その結晶性を反映して上記溶融固化過程において結晶成長させた高品質な結晶性ケイ素膜とで構成される状態が望ましい。すなわち、非晶質状態から直接溶融固化して形成された溶融固化結晶が含まれないようにすることが望ましい。この理由は、そのような溶融固化結晶よりは、触媒元素を用いて加熱処理で結晶化された結晶の方がまだ高品質で、安定性が高いからである。
【００５７】
また、好ましい半導体装置では、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記能動領域の少なくとも一部を構成する結晶性ケイ素膜の上記溶融固化過程における結晶成長方向とが、実質的に平行になっている。
【００５８】
このように本発明により製造された半導体装置においては、能動領域でのキャリアの移動方向と、能動領域の少なくとも一部を構成する結晶性ケイ素膜の上記溶融固化過程における結晶成長方向とが、実質的に平行になっていることがより望ましい。溶融固化における結晶化の際、本発明では、触媒加熱結晶化領域の結晶性を反映して非晶質ケイ素膜を横方向（基板と平行方向）に結晶化するのであるが、このとき、成長方向に対して垂直な方向には、シード領域である触媒加熱結晶化領域の結晶状態を反映して、結晶粒界が生じている。これに対して、結晶成長方向には、結晶粒界が存在していない。したがって、この結晶成長方向を半導体装置の能動領域でのキャリアの移動方向と概略一致させることで、キャリアに対する粒界でのトラップ密度が減少して、半導体装置の電気特性の向上、特に高移動度化を図ることができる。また、素子特性のばらつきに関して言えば、仮に、溶融固化による成長方向と能動領域におけるキャリアの移動方向とが垂直となる場合には、シード領域の結晶状態のばらつきのため、能動領域を流れるキャリアに対する結晶粒界がどの程度の数になるか予測できず、特性ばらつきが必然的に大きくなる。これに対して溶融固化による成長方向と能動領域のキャリアの移動方向とが平行に配置された場合、能動領域を流れるキャリアに対する粒界数が０または１つなど、完全にその数を制御可能になる。したがって、特性ばらつきが小さい半導体装置が得られる。
【００５９】
さて、本発明により製造された半導体装置は基本的に、その能動領域が、触媒加熱結晶化領域をシードとして溶融固化過程で結晶成長させた結晶性ケイ素膜により構成されるものである。したがって、その半導体装置では、能動領域に触媒元素を幾分か含む。本発明に使用可能な触媒元素の種類としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕが挙げられる。これらから選ばれた一種類または複数種類の元素であれば、微量でも結晶化を助長する効果があり、しかも、半導体（結晶性ケイ素）中での不活性な傾向が強く、半導体装置の電気特性に対する悪影響が比較的少ない。また、これらの元素の中でも、特にＮｉが顕著な触媒効果を示すことが分かっている。この理由については、以下のようなモデルが考えられる。触媒元素は単独では作用せず、ケイ素膜と結合して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と結合してＮｉＳｉ2というシリサイドを形成する。このＮｉＳｉ2は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似した螢石型の結晶構造を示し、しかも、ＮｉＳｉ2の格子定数は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と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、実際に、得られた結晶性ケイ素膜の結晶性およびその結晶化促進の触媒効果を見ても、触媒元素としてＮｉが最も良いのは間違いない。このように触媒元素としてＮｉを用いれば、触媒加熱結晶化領域の結晶性が良好になり、この結果、この触媒加熱結晶化領域をシードとして溶融固化過程で結晶成長させた結晶性ケイ素膜の結晶性も良好になって、半導体装置の特性を大きく高める。
【００６０】
そこで、好ましい半導体装置では、上記能動領域が含有している触媒元素は、ニッケルである。
【００６１】
本発明により製造された半導体装置においては、触媒元素として用いられたＮｉは、能動領域に或る程度残存している。このとき、実際に半導体装置の能動領域中に含まれているニッケル元素の濃度としては、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが望ましい。ニッケル元素の濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超えるような量であれば、ニッケルシリサイドとして能動領域（ケイ素膜）中に析出する箇所が多数現れて、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすようになる。ニッケル元素の濃度が５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば、ニッケル元素は、殆どシリサイドとして析出はせず、ケイ素膜中に固溶し、また結晶欠陥に組み込まれているような状態になっていると思われる。このような状態では、半導体装置への悪影響は見られない。すなわち、ニッケルシリサイドが析出し出したときに特性上の悪影響が見られている。また、逆に、能動領域中の残存ニッケル濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3よりも少ないようでは、ニッケルの触媒効果を用いて十分に結晶化されたとは考えられず、この場合、シード領域の結晶性は低く、半導体装置の高特性化はできないと考えられる。例えば、触媒として十分な量のニッケルを導入し結晶成長させた場合、結晶化後の後の工程において、能動領域中のニッケル量を低減するような処理を行ったとしても、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の濃度にまで低下させることはできず、これ以上の濃度のニッケルが必ず残るからである。したがって、能動領域中に含まれているニッケルの濃度が、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるときに、触媒効果によりシード領域の結晶性を高めるとともに半導体装置の電気特性を高められることが分かる。
【００６２】
そこで、好ましい半導体装置では、上記能動領域は、上記触媒元素を１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3乃至５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の範囲内の濃度で含んでいる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６４】
（第１の実施形態）
この実施形態では、ガラス基板上にＮチャネル型ＴＦＴを作製する製造方法について説明する。この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される。この実施形態では、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を作製するものとする。
【００６５】
図２乃至図３は、本実施形態の作製工程を示す平面図であり、図２（Ａ）→図３（Ｅ）の順に作製工程が進行する。なお、実際には前述のように数十万個以上のＴＦＴが作製されるが、ここでは簡略して、３行×３列の９個のＴＦＴを含む領域を図示している。図１は、その内の一つのＴＦＴの拡大図であり、本実施形態における結晶性ケイ素膜とＴＦＴとの位置関係を示している。図４乃至図５は、本実施形態の作製工程を示す断面図（図１、図２および図３におけるＹ−Ｙ′線矢視断面に相当する）であり、図４（Ａ）→図５（Ｈ）の順に作製工程が進行する。
【００６６】
まず、図４（Ａ）に示すように、ガラス基板１０１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３００ｎｍ〜５００ｎｍ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１０２は、ガラス基板１０１からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。次にプラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内、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。本実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、加熱温度を３００℃とし、ＳｉＨ4ガスとＨ2ガスを材料ガスに用いた。そして、ＲＦパワーのパワー密度を１０ｍＷ／ｃｍ2〜２００ｍＷ／ｃｍ2の範囲内、例えば８０ｍＷ／ｃｍ2として行った。
【００６７】
次に、ａ−Ｓｉ膜１０３上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、この絶縁性薄膜をパターン加工（フォトリソグラフィおよびエッチング）してマスク１０４を形成する。本実施形態においては、マスク１０４の材料として、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｏｘｙ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積してなる酸化ケイ素膜を用いた。マスク１０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。マスク１０４の平面的なパターン形状は、図２（Ａ）中に示すように、図において左右方向に延び、かつ上下方向に等間隔で複数並ぶ帯状とした。図１には最終的なＴＦＴの配置と、マスク１０４との位置関係を示しているが、このときの各帯状マスク１０４の幅αは５μｍとした。図２（Ａ）から分かるように、後に作成される９個のＴＦＴに対して、帯状マスク１０４が３本設けられている。マスク１０４で覆われていない領域においては、ａ−Ｓｉ膜１０３が露出している。
【００６８】
次に、図４（Ａ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜１０３およびマスク膜１０４の露出した表面上にニッケル１０５の微量添加を行う（触媒導入工程）。このニッケル１０５の微量添加は、ニッケルを溶かせた溶液をａ−Ｓｉ１０３およびマスク１０４上に供給し、その溶液をスピナーによって基板１０１上に均一に延ばし、乾燥させることにより行った。本実施形態では、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としてはエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度は２ｐｐｍとなるようにした。このようにして添加されたａ−Ｓｉ膜１０３およびマスク１０４の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、１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。ここで、平面的に見ると、ニッケル１０５は、図２（Ａ）中に多数の点で示すように基板上の全域に広がった状態になっている。
【００６９】
そして、図４（Ｂ）に示すように、この状態のものを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気下で、加熱温度５２０℃〜５８０℃の範囲内、例えば５５０℃で２時間アニールする（加熱工程）。この際、ａ−Ｓｉ膜１０３のうち、マスク１０４に覆われておらず、直接ニッケル１０５が添加された領域においては、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、それを核としてａ−Ｓｉ膜１０３の結晶化が進行する結果、結晶性ケイ素膜１０３ａが形成される。ここで、ニッケルの添加濃度とアニール温度・時間の組み合わせによっては、ニッケルが導入され結晶化された領域１０３ａから、マスク１０４下の領域へ横方向に結晶成長が引き起こされる場合があるが、本実施形態では、ニッケル濃度とアニール温度・時間を上記のように設定することで、マスク１０４下の領域への横方向の結晶成長が生じないようにしている。また、マスク１０４上に存在するニッケル１０５は、マスク層１０４に阻まれて、下層のａ−Ｓｉ膜へは到達しない。したがって、本実施形態では、直接ニッケルが導入された領域１０３ａのみａ−Ｓｉ膜１０３の結晶化が行われ、ａ−Ｓｉ膜１０３のうちマスク１０４に覆われた領域（ニッケルが導入されなかった領域）は非晶質のまま未結晶化領域１０３ｅとして残る。
【００７０】
次に、図４（Ｃ）に示すように、マスクとして用いた酸化ケイ素膜１０４をエッチングして除去する。本実施形態では、このエッチングは、下層のケイ素膜１０３ｅ，１０３ａ′と十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）をエッチャントとして用い、ウェットエッチングにより行った。そして、この状態で、レーザ光１０７を照射することで、残存している未結晶化領域１０３ｅを、上記加熱工程で結晶化された領域（触媒加熱結晶化領域）１０３ａから、矢印１０８で示すように基板と平行な横方向に結晶化させる（光照射工程）。その結果、未結晶化領域１０３ｅは、非常に高品質な結晶性ケイ素膜１０３ｃとなる（以下、この層全体をＣＧＳと呼ぶ。）。すなわち、このレーザ光照射により、未結晶化領域１０３ｅが優先的に溶融し、触媒加熱結晶化領域１０３ａの良好な結晶成分を反映して横方向１０８に結晶成長する。そして、両側の触媒加熱結晶化領域１０３ａから横方向１０８に成長する結晶同士がぶつかり合って、結晶成長が止まる。このとき、成長する結晶同士がぶつかり合って生じた成長境界１０３ｄが、結晶性ケイ素膜１０３ｃの中央部に形成される。なお、このレーザ光照射により、触媒加熱結晶化領域１０３ａもその結晶性が幾分改善される（それを１０３ａ′と表す）。この光照射工程では、レーザ光１０７としてＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用いた。レーザ光照射時には、基板１０１を２００℃〜４５０℃の範囲内、例えば４００℃に加熱した。また、レーザ光のエネルギ密度を２００ｍＪ／ｃｍ2〜４５０ｍＪ／ｃｍ2の範囲内、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2に設定した。また、ビームサイズを基板表面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成形し、その長尺方向に対して垂直方向に０．０５ｍｍのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、ケイ素膜の任意の一点において、計２０回のレーザ光照射が行われたことになる。
【００７１】
次に、図４（Ｄ）に示すように、結晶性ケイ素膜ＣＧＳ上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、この絶縁性薄膜をパターン加工してマスク１０９を形成する。本実施形態においては、マスク１０９の材料として、ＴＥＯＳを酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積してなる酸化ケイ素膜を用いた。マスク１０９の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。平面的に見ると、図２（Ｂ）中に示すように、マスク１０９は、図において上下方向に長い矩形のパターン形状に設定されている。各マスク１０９は、それぞれ同一寸法を持ち、互いに等間隔で行列状に、かつ各マスク１０９の中央部が光照射工程で結晶化された領域１０３ｃと交差するように配置されている。
【００７２】
次に、この状態で、図４（Ｄ）に示すように、基板１０１上方より、ニッケルをゲッタリングするための５族Ｂ元素としてリン１１０を全面にイオンドーピングする（ゲッタ導入工程）。このときのリン１１０のドーピング条件としては、加速電圧を５ｋＶ〜１０ｋＶとし、ドーズ量を５×１０15ｃｍ-2〜１×１０16ｃｍ-2とした。このゲッタ導入工程により、図２（Ｂ）中に示すように、結晶性ケイ素膜ＣＧＳのうちマスク１０９から露出している領域にリン１１０が注入され、リンドープされた結晶性ケイ素領域１０３ｆ（図中に斜線で示す）が形成される。このとき、結晶性ケイ素膜ＣＧＳのうちマスク１０９によって覆われている領域には、リンはドーピングされない。なお、この段階では、後に形成されるＴＦＴの活性領域１１２（図２（Ｃ）参照）は、マスク１０９によって完全に覆われた状態となっている。
【００７３】
次に、図５（Ｅ）に示すように、この状態のものに、不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５５０℃〜６５０℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す（ゲッタリング工程）。本実施形態では、一例として６００℃にて６時間の加熱処理を行う。この加熱処理により、領域１０３ｆにドーピングされたリン１１０がその領域に存在するニッケル１０５をまずトラップする。そして、図２（Ｂ）に示すように、さらにマスク１０９下の結晶性ケイ素膜ＣＧＳ、そして特に結晶成長境界１０３ｄに存在しているニッケル１０５を矢印１１１に示すような方向、すなわち、マスク１０９に覆われた領域から四方八方に外側の領域１０３ｆへ向かって引き出させる。その結果、マスク１０９下の結晶性ケイ素膜領域ＣＧＳにおけるニッケル濃度は大きく低減される。実際に、このゲッタリング工程後の結晶性ケイ素膜１０３ｃ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５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。ちなみに、このゲッタリング工程前の結晶性ケイ素膜１０３ｃ中のニッケル濃度は５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。したがって、このゲッタリング工程により、結晶性ケイ素膜１０３ｃ中のニッケル濃度を１桁程度低減できたことが分かる。
【００７４】
次に、図５（Ｆ）に示すように、マスクとして用いた酸化ケイ素膜１０９をエッチングして除去する。本実施形態では、このエッチングは、下層の結晶性ケイ素膜ＣＧＳと十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）をエッチャントとして用い、ウェットエッチングにより行った。その後、図２（Ｃ）に示すように、結晶性ケイ素膜ＣＧＳをパターン加工して、各マスク１０９を左右方向および上下方向に縮小した領域に相当する矩形の島状にするとともに、素子間分離を行う。この島状の結晶性ケイ素膜ＣＧＳが、次工程以降でＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領域）１１２として用いられる。図５（Ｆ）から分かるように、活性領域１１２は、光照射工程で結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜領域１０３ｃと、その結晶性ケイ素膜領域１０３ｃの両側を挟むように配置された触媒加熱結晶化領域１０３ａ′とからなっている。
【００７５】
次に、図５（Ｇ）に示すように、結晶性ケイ素膜ＣＧＳからなる活性領域１１２を覆うように厚さ２０ｎｍ〜１５０ｎｍ、ここでは厚さ１００ｎｍのゲート絶縁膜１１３を成膜する。本実施形態においては、このゲート絶縁膜１１３の材料として、ＴＥＯＳを酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積してなる酸化ケイ素膜を用いた。成膜条件としては、基板温度を１５０℃〜６００℃、好ましくは３００℃〜４５０℃に設定する。なお、このゲート絶縁膜１１３の材料として、ＴＥＯＳを原料とし、オゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法で分解・堆積してなる酸化ケイ素膜を用いても良い。そのとき、成膜条件としては、基板温度を３５０℃〜６００℃、好ましくは４００℃〜５５０℃に設定する。このようにしてゲート絶縁膜１１３を成膜した後、ゲート絶縁膜１１３自身のバルク特性、および結晶性ケイ素膜ＣＧＳとゲート絶縁膜１１３との間の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で温度４００℃〜６００℃、１時間〜４時間のアニールを行う。
【００７６】
引き続いて、ゲート絶縁膜１１３上の全域に、スパッタリング法によって、厚さ４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内、例えば６００ｎｍのアルミニウムを成膜し、図５（Ｇ）に示すように、このアルミニウム膜をパターン加工してゲート電極１１４を形成する。さらに、陽極酸化を行って、このゲート電極１１４の表面に酸化物層１１５を形成する。この陽極酸化は、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１１５の厚さは２００ｎｍである。なお、この酸化物層１１５の厚さは、次に述べるイオンドーピング工程においてオフセットゲート領域の長さを定める。図３（Ｄ）に示すように、平面的には、各ゲート電極１１４は、活性領域１１２に沿って図において上下方向に延びるゲートバスライン１３０につながっている。
【００７７】
次に、図５（Ｇ）に示すように、イオンドーピング法によって、ゲート電極１１４とその周囲の酸化物層１１５をマスクとして活性領域１１２に不純物（リン）を注入して、ＴＦＴのソース領域１１７およびドレイン領域１１８を形成する（イオンドーピング工程）。このとき、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６０ｋＶ〜９０ｋＶの範囲内、例えば８０ｋＶとし、ドーズ量を１×１０15ｃｍ-2〜８×１０15ｃｍ-2の範囲内、例えば２×１０15ｃｍ-2とする。活性領域１１２のうちゲート電極１１４およびその周囲の酸化層１１５にマスクされて不純物（リン）が注入されない領域１１６は、ＴＦＴのチャネル領域１１６となる。
【００７８】
ここで、活性領域１１２におけるチャネル領域１１６と、高品質結晶性ケイ素領域１０３ｃとの位置関係は、図１によって最も良く理解される。すなわち、チャネル領域１１６は、光照射工程で結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜領域１０３ｃと、加熱工程で結晶化された触媒加熱結晶化領域１０３ａ′とによって構成される。高品質結晶性ケイ素膜領域１０３ｃの幅αは、触媒元素（ニッケル）の導入に用いたマスク１０４の幅と一致し、本実施形態では５μｍとしている。また、ＴＦＴのチャネル領域１１６の長さ（チャネル長）βは、７μｍとしている。よって、チャネル領域１１６において、図１でγで表される幅が触媒加熱結晶化領域１０３ａ′で構成される。この結果、本実施形態におけるＴＦＴでは、チャネル領域１１６は、チャネル長方向に関して、５μｍの高品質結晶性領域１０３ｃと、その両側にある（１μｍ＋１μｍ）の触媒加熱結晶化領域１０３ａ′とで構成される。また、既に述べたように、チャネル領域１１６の中央部には、光照射工程で両側からの横方向結晶成長で生じた成長境界１０３ｄが存在する。さらに、光照射工程での横方向結晶成長方向１０８と、本ＴＦＴのキャリアの移動方向すなわちチャネル方向１２７とは、平行になるように設定されている。ソース領域１１７、ドレイン領域１１８は、それぞれチャネル領域１１６を挟んだ触媒加熱結晶化領域１０３ａ′，１０３ａ′内に存在する。
【００７９】
その後、図５（Ｇ）に示すように、レーザ光１１９を照射してアニールを行い、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、使用するレーザとしてはＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、エネルギ密度を１５０ｍＪ／ｃｍ2〜４００ｍＪ／ｃｍ2、好ましくは２００ｍＪ／ｃｍ2〜２５０ｍＪ／ｃｍ2の範囲内に設定する。こうして形成されたＮ型不純物（リン）領域１１７、１１８のシート抵抗は、２００Ω／□〜８００Ω／□であった。
【００８０】
続いて、図５（Ｈ）に示すように、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１２０として形成する。層間絶縁膜１２０の材料として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、またはオゾンとの減圧ＣＶＤ法若しくは常圧ＣＶＤ法によって形成すれば、層間絶縁膜１２０の段差被覆性を優れたものにすることができる。また、層間絶縁膜１２０の材料として、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１１２とゲート絶縁膜１１３との界面へ水素原子を供給することができ、その結果、ＴＦＴの特性を劣化させる不対結合手を低減することができる。
【００８１】
次に、図５（Ｈ）に示すように、層間絶縁膜１２０にコンタクトホール１２０ａ，１２０ｂを形成する。この上に、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜を用いて、ソース領域１１７につながるソース電極１２１を形成する。なお、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ためのバリア膜として設けられる。また、ＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）などの透明導電膜を用いて、ドレイン領域１１８につながる画素電極１２２を設ける。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で温度３５０℃、１時間のアニールを行ってＴＦＴ１２４を完成させる。なお、必要に応じて、ＴＦＴ１２４を保護する目的で、ＴＦＴ１２４上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けても良い。
【００８２】
図３（Ｅ）に示すように、ソース電極１２１は、図において左右方向に延びるソースバスライン１３１につながっている。したがって、このソースバスライン１３１を介してソース電極１２１にビデオ信号が供給される。そして、ゲートバスライン１３０のゲート信号に基づいてＴＦＴがオンまたはオフして、画素電極１２２に必要な電荷が書き込まれる。この画素電極１２２と図示しない対向電極によって、上記ビデオ信号に応じた電界が図示しない液晶層に印加される。
【００８３】
以上の製造工程によって作製したアクティブマトリクス基板（基板サイズは４００×３２０ｍｍ）のＴＦＴの電気特性を基板内で２００点について測定した。その測定の結果、電界効果移動度が２００ｃｍ2／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、基板内での特性ばらつきが、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０．２Ｖ程度と非常に良好であった。これに対して、従来法により作製されたものは、各素子間で結晶性のばらつきが大きいため、電界効果移動度のばらつきが±５０％程度と非常に大きく、しきい値電圧も２Ｖ±（０．５〜１．０）Ｖの範囲で大きくばらつく。したがって、本発明は、高性能化だけでなく、特性ばらつき改善にも大きな効果があることが分かる。また、本発明のものは、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、殆ど特性劣化は見られず、信頼性も問題ない。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の増大およびばらつきは、異常点が無く、触媒元素を用いない場合と同等の数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、本実施形態に基づいて作製されたアクティブマトリクス基板を備えた液晶パネルを実際に点灯評価したところ、従来法により作成したものに比べて表示むらが小さく、ＴＦＴオフ領域でのリーク電流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が得られた。
【００８４】
なお、本実施形態では、アクティブマトリクス基板のＴＦＴ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る。その場合には、ゲート電極１１４上にもコンタクトホールを形成し、必要とされる配線を施せばよい。
【００８５】
（第２の実施形態）
この実施形態では、ガラス基板上に、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとを直列に備えたＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）回路を作製するものとする。このＣＭＯＳ回路は、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構成するのに利用される。
【００８６】
図６乃至図７は、本実施形態の作製工程を示す平面図であり、図６（Ａ）→図７（Ｄ）の順に作製工程が進行する。図８乃至図９は、本実施形態の作製工程を示す断面図（図６および図７におけるＸ−Ｘ′線矢視断面に相当する）であり、図８（Ａ）→図９（Ｈ）の順に作製工程が進行する。
【００８７】
まず、図８（Ａ）に示すように、ガラス基板２０１上に例えばスパッタリング法によって厚さ３００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜２０２を形成する。この酸化ケイ素膜１０２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。次にプラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内、例えば４５ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を成膜する。本実施形態では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、加熱温度を３００℃とし、ＳｉＨ4ガスとＨ2ガスを材料ガスに用いた。
【００８８】
次に、ａ−Ｓｉ膜２０３上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、この絶縁性薄膜をパターン加工してマスク２０４を形成する。本実施形態においては、マスク２０４の材料として、ＴＥＯＳを酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積してなる酸化ケイ素膜を用いた。マスク２０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。マスク２０４の平面的なパターン形状は、図６（Ａ）中に示すように、図において上下方向に延び、かつ左右方向に複数並ぶ帯状とした。
【００８９】
次に、図８（Ａ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜２０３およびマスク２０４の露出した表面上にニッケル２０５の微量添加を行う（触媒導入工程）。このニッケル２０５の微量添加は、純ニッケル（９９．９％以上）のターゲットを用い、ＤＣスパッタリングにより行った。具体的には、ＤＣパワーが１００Ｗ以下という極低パワーにて、基板搬送速度を２０００ｍｍ／ｍｉｎにまで高めてスパッタリング処理を行った。スパッタリングガスとしてはアルゴンを用いて、純ニッケルターゲットに対してスパッタリング時のガス圧力を１０Ｐａ以上に上げることで、ニッケルの極低濃度スパッタリングが可能となる。このようにしてスパッタリングされたニッケル２０５は、図８（Ａ）では便宜上、薄膜のように描かれているが、実際には単原子層程度かそれ以下の状態で、とても連続した膜と呼べる状態ではない。具体的にＤＣパワー３０Ｗ、アルゴンガス圧２２Ｐａの条件でスパッタリングを行い、ａ−Ｓｉ膜２０３およびマスク２０４の表面上のニッケル濃度をＴＲＸＲＦ法により測定すると、２×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。こここで、ニッケル２０５は、平面的に見ると、図６（Ａ）中に多数の点で示すように基板上の全域に広がった状態となっている。
【００９０】
そして、図８（Ｂ）に示すように、この状態のものを不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気下で、加熱温度５２０℃〜５８０℃の範囲内、例えば５５０℃で３時間アニールする（加熱工程）。この際、ａ−Ｓｉ膜２０３のうち、マスク２０４に覆われておらず、直接ニッケル２０５が添加された領域においては、ａ−Ｓｉ膜表面に添加されたニッケル２０５のシリサイド化が起こり、それを核としてａ−Ｓｉ膜２０３の結晶化が進行する結果、結晶性ケイ素膜２０３ａが形成される。引き続いて、ａ−Ｓｉ膜２０３のうちマスク２０４下の領域では、ニッケルが導入され結晶化された領域２０３ａから、矢印２０６で示すようにマスク２０４の中央に向かって、基板と平行な横方向に隣接した領域２０３ｂまで結晶化が進行する。つまり、この加熱工程では、ニッケルが導入された領域２０３ａだけでなく、その横方向に隣接した領域２０３ｂをも結晶化して、触媒加熱結晶化領域にする。ここで、本実施形態では、このときのニッケルの添加濃度とアニール温度・時間を上記のように設定することで、マスク２０４下の領域が完全には結晶化されてないようにしている。また、マスク２０４上に存在するニッケル２０５は、マスク層２０４に阻まれて、下層のａ−Ｓｉ膜へは到達しない。したがって、マスク２０４下では、隣接領域２０３ｂに挟まれた位置に、非晶質のままの未結晶化領域２０３ｅが残存する。実測したところ、マスク２０４下で横方向に結晶が成長した結晶成長距離、すなわち隣接領域２０３ｂの矢印２０６方向の幅は、８μｍであった。なお、図６（Ａ）中に示すように、上記触媒導入用のマスク２０４の幅δは、残存する未結晶化領域２０３ｅの幅αが５μｍとなるように、この結晶成長距離の実測値に基づいて、予め設定されている。
【００９１】
次に、図８（Ｃ）に示すように、マスクとして用いた酸化ケイ素膜２０４をエッチングして除去する。本実施形態では、このエッチングは、下層のケイ素膜２０３ｅ，２０３ｂ，２０３ａと十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）をエッチャントとして用い、ウェットエッチングにより行った。そして、この状態で、レーザ光２０７を照射することで、残存している未結晶化領域２０３ｅを、上記加熱工程で結晶化された領域（触媒加熱結晶化領域）２０３ｂから、矢印２０８に示すように基板と平行な横方向に結晶化させる（光照射工程）。その結果、未結晶化領域２０３ｅは、非常に高品質な結晶性ケイ素膜２０３ｃとなる。すなわち、このレーザ光照射により、未結晶化領域２０３ｅが優先的に溶融し、触媒加熱結晶化領域２０３ｂの良好な結晶成分を反映して横方向２０８に結晶成長する（以下、この層全体をＣＧＳと呼ぶ。）。そして、両側の触媒加熱結晶化領域２０３ｂから横方向２０８に成長する結晶同士がぶつかり合って、結晶成長が止まる。このとき、成長する結晶同士がぶつかり合って生じた成長境界２０３ｄが、結晶性ケイ素膜２０３ｃの中央部に形成される。なお、このレーザ光照射により、触媒加熱結晶化領域２０３ａ，２０３ｂもその結晶性が幾分改善される（それぞれ２０３ａ′，２０３ｂ′と表す）。この状態が、図６（Ｂ）に相当する。この光照射工程で結晶化された結晶性ケイ素膜領域２０３ｃは、第１の実施形態における結晶性ケイ素膜領域１０３ｃに比べて、より高い結晶性を有している。なぜなら、本実施形態では、レーザ光照射による結晶化の際のシードとして、ニッケルが直接導入され結晶化された領域２０３ａよりも、横方向に結晶成長した結晶性が高い隣接領域２０３ｂを用いているからである。この光照射工程では、レーザ光２０７としてＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用いた。レーザ光照射時には、基板２０１を２００℃〜４５０℃の範囲内、例えば４００℃に加熱した。また、レーザ光のエネルギ密度を２００ｍＪ／ｃｍ2〜４５０ｍＪ／ｃｍ2の範囲内、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ2に設定した。また、ビームサイズを基板表面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成形し、その長尺方向に対して垂直方向に０．０５ｍｍのステップ幅で順次走査を行った。すなわち、ケイ素膜の任意の一点において、計２０回のレーザ光照射が行われたことになる。
【００９２】
次に、結晶性ケイ素膜ＣＧＳ上に酸化ケイ素膜または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、図８（Ｄ）に示すように、この絶縁性薄膜をパターン加工してマスク２０９を形成する。本実施形態においては、マスク２０９の材料として、ＴＥＯＳを酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積してなる酸化ケイ素膜を用いた。マスク２０９の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、本実施形態では、上記酸化ケイ素膜の厚さを１５０ｎｍとした。平面的に見ると、図７（Ｃ）中に示すように、マスク２０９は、正方形のパターン形状に設定されている。各マスク２０９は、それぞれ同一寸法を持ち、互いに等間隔で行列状に、かつ各マスク２０９の中央部が光照射工程で結晶化された領域２０３ｃを覆うように配置されている。
【００９３】
次に、この状態で、図８（Ｄ）に示すように、基板２０１上方より、ニッケルをゲッタリングするための５族Ｂ元素としてリン２１０を全面にイオンドーピングする（ゲッタ導入工程）。このときのリン２１０のドーピング条件としては、加速電圧を５ｋＶ〜１０ｋＶとし、ドーズ量を５×１０15ｃｍ-2〜１×１０16ｃｍ-2とした。このゲッタ導入工程により、図７（Ｃ）中に示すように、結晶性ケイ素膜ＣＧＳのうちマスク２０９から露出している領域にリン２１０が注入され、リンドープされた結晶性ケイ素領域２０３ｆ（図中に斜線で示す）が形成される。このとき、結晶性ケイ素膜ＣＧＳのうちマスク２０９によって覆われている領域には、リンはドーピングされない。なお、この段階では、後に形成されるＴＦＴ活性領域２１２ｎ，２１２ｐ（図７（Ｄ）参照）は、マスク２０９によって完全に覆われた状態となっている。
【００９４】
次に、図９（Ｅ）に示すように、この状態のものに、不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて５５０℃〜６５０℃の温度で数時間から数十時間の加熱処理を施す（ゲッタリング工程）。本実施形態では、一例として６００℃にて６時間の加熱処理を行った。この加熱処理により、領域２０３ｆにドーピングされたリン２１０がその領域に存在するニッケル２０５をまずトラップする。そして、図７（Ｃ）に示すように、さらにマスク２０９下の結晶性ケイ素膜ＣＧＳ、そして特に結晶成長境界２０３ｄに存在しているニッケル２０５を矢印２１１に示すような方向、すなわち、マスク２０９に覆われた領域から四方八方に外側の領域２０３ｆへ向かって引き出させる。その結果、マスク２０９下の結晶性ケイ素膜領域２０３におけるニッケル濃度は大きく低減される。実際に、このときの結晶性ケイ素膜２０３ｃ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５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。ちなみに、このゲッタリング工程前の結晶性ケイ素膜２０３ｃ中のニッケル濃度は５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。したがって、このゲッタリング工程により、結晶性ケイ素膜２０３ｃ中のニッケル濃度を１桁程度低減できたことが分かる。
【００９５】
次に、図９（Ｆ）に示すように、マスクとして用いた酸化ケイ素膜２０９をエッチングして除去する。本実施形態では、このエッチングは、下層の結晶性ケイ素膜ＣＧＳと十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）をエッチャントとして用い、ウェットエッチングにより行った。その後、図７（Ｄ）に示すように、結晶性ケイ素膜ＣＧＳをパターン加工して、各マスク２０９を左右方向および上下方向に縮小した領域に相当する矩形の島状にするとともに、素子間分離を行う。この島状の結晶性ケイ素膜ＣＧＳが、次工程以降でＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領域）２１２ｎ，２１２ｐとして用いられる。図９（Ｆ）から分かるように、各活性領域２１２ｎ，２１２ｐは、光照射工程で結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜領域２０３ｃと、その結晶性ケイ素膜領域２０３ｃの両側を挟むように配置された触媒加熱結晶化領域２０３ｂ′とからなっている。
【００９６】
次に、図９（Ｇ）に示すように、結晶性ケイ素膜ＣＧＳからなる活性領域２１２ｎおよび２１２ｐを覆うように厚さ６０ｎｍのゲート絶縁膜２１３を成膜する。本実施形態では、このゲート絶縁膜２１３の材料として、ＴＥＯＳを酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積してなる酸化ケイ素膜を用いた。成膜条件としては、基板温度を１５０℃〜６００℃、好ましくは３００℃〜４５０℃に設定する。なお、このゲート絶縁膜２１３の材料として、ＴＥＯＳを原料とし、オゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法で分解・堆積してなる酸化ケイ素膜を用いても良い。そのとき、成膜条件としては、基板温度を３５０℃〜６００℃、好ましくは４００℃〜５５０℃に設定する。このようにしてゲート絶縁膜２１３を成膜した後、ゲート絶縁膜２１３自身のバルク特性、および結晶性ケイ素膜ＣＧＳとゲート絶縁膜２１３との間の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で温度４００℃〜６００℃、１時間〜４時間のアニールを行う。
【００９７】
引き続いて、ゲート絶縁膜２１３上の全域に、スパッタリング法によって、厚さ４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内、例えば５００ｎｍのアルミニウムを成膜し、図９（Ｇ）に示すように、このアルミニウム膜をパターン加工してゲート電極２１４ｎ、２１４ｐを形成する。
【００９８】
次に、イオンドーピング法によって、それぞれゲート電極２１４ｎ、２１４ｐをマスクとしてその周囲の活性領域２１２ｎ、２１２ｐに不純物（リンおよびホウ素）を注入して、Ｎ型の不純物領域２１７ｎ，２１８ｎと、Ｐ型の不純物領域２１７ｐ，２１８ｐとを形成する。このイオンドーピング工程は、不純物ごとに、ドーピングが不要な領域をフォトレジストでマスクして順次行う。リンを注入する場合、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６０ｋＶ〜９０ｋＶの範囲内、例えば８０ｋＶとし、ドーズ量を１×１０15ｃｍ-2〜８×１０15ｃｍ-2の範囲内、例えば２×１０15ｃｍ-2に設定する。ホウ素を注入する場合、ドーピングガスとしてジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用い、加速電圧を４０ｋＶ〜８０ｋＶの範囲内、例えば６５ｋＶとし、ドーズ量を１×１０15ｃｍ-2〜８×１０15ｃｍ-2の範囲内、例えば５×１０15ｃｍ-2に設定する。活性領域２１２ｎ、２１２ｐのうちゲート電極２１４ｎ、２１４ｐにマスクされて不純物が注入されない領域は、ＴＦＴのチャネル領域２１６ｎ、２１６ｐとなる。
【００９９】
ここで、活性領域２１２ｎ、２１２ｐにおけるチャネル領域２１６ｎ、２１６ｐと、高品質結晶性ケイ素領域２０３ｃとの位置関係は、図７（Ｄ）によって最も良く理解される。本実施形態では、Ｎチャネル型ＴＦＴ、Ｐチャネル型ＴＦＴ共に、チャネル領域２１６ｎ、２１６ｐは、光照射工程で結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜領域２０３ｃのみにより構成される。高品質結晶性ケイ素膜領域２０３ｃの幅αは、前述の未結晶化領域２０３ｅの幅と一致し、本実施形態では５μｍとしている。本ＴＦＴのチャネル領域２１６ｎ、２１６ｐの長さ（チャネル長）βは、３μｍとしている。よって、チャネル領域２１６ｎ、２１６ｐの全域が、完全に、光照射工程で結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜領域２０３ｃにより構成される。また、既に述べたように、チャネル領域２１６ｎ、２１６ｐの中央部には、それぞれ光照射工程で両側からの横方向結晶成長で生じた成長境界２０３ｄが存在する。さらに、光照射工程での横方向結晶成長方向２０８と、本ＴＦＴのキャリアの移動方向すなわちチャネル方向２２７ｎ，２２７ｐとは、平行になるように設定されている。
【０１００】
その後、図９（Ｇ）に示すように、レーザ２１９を照射してアニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行う。レーザ光としては、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、エネルギ密度を２５０ｍＪ／ｃｍ2に設定する。そして、１箇所につき２０ショット照射する。
【０１０１】
続いて、図９（Ｈ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ９００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜２２０として形成する。さらに、この層間絶縁膜２２０にコンタクトホール２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄを形成する。この上に、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜を用いて、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２５およびＰチャネル型ＴＦＴ２２６のための電極配線２２３ａ，２２３ｂ，２２３ｃを形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気下で温度３５０℃、１時間のアニールを行って、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２５とＰチャネル型ＴＦＴ２２６とを完成させる。なお、必要に応じて、ＴＦＴ２２５，２２６を保護する目的で、ＴＦＴ２２５，２２６上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【０１０２】
以上の製造工程にしたがって作製したＣＭＯＳ回路（基板サイズは４００ｍｍ×３２０ｍｍ）のＴＦＴ２２５，２２６の電気特性を基板内で２００点について測定した。その測定の結果、電界効果移動度はＮ型ＴＦＴで２５０ｃｍ2／Ｖｓ〜３００ｃｍ2／Ｖｓ程度、Ｐ型ＴＦＴで１２０ｃｍ2／Ｖｓ〜１５０ｃｍ2／Ｖｓ程度と高く、閾値電圧はＮ型ＴＦＴで１Ｖ程度、Ｐ型ＴＦＴで−１．５Ｖ程度と非常に良好な特性を示した。また、基板内での特性ばらつきは、電界効果移動度で±１０％程度、しきい値電圧で±０．２Ｖ程度と非常に良好であった。また、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、殆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く、安定した回路特性を示した。
【０１０３】
以上、本発明を第１の実施形態と第２の実施形態により具体的に説明したが、本発明は上述の実施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。
【０１０４】
例えば、上記二つの実施形態では、加熱工程後、光照射工程前の未結晶化領域１０３ｅ，２０３ｅの形状を、共に帯状としたが、矩形状としても良い。この発明は、未結晶化領域を触媒加熱結晶化領域が挟むまたは囲むような形状であれば、特に有効である。そのときの帯幅または短辺方向の幅は、６μｍ以下であれば良い（本実施形態では、マージンを見て５μｍとした）。また、このように未結晶化領域を囲まなくても、光照射工程で、触媒加熱結晶化領域から横方向に結晶化されたた領域をＴＦＴのチャネル領域の少なくとも一部に用いれば、本発明の効果が得られる。この場合、光照射工程で結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜領域の面積は小さくなるが、チャネルサイズが比較的小さい場合には、その結晶成長がチャネル内に入り込まないという利点もあり、有効な場合も考えられる。
【０１０５】
また、上記二つの実施形態では、ニッケルを導入する方法としてそれぞれ、非晶質ケイ素膜表面にニッケル塩を溶かせたエタノール溶液を塗布する方法と、スパッタリング法によりニッケル薄膜を形成する方法を採用した。しかし、ニッケルの導入方法としては、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、単純に水を用いても良い。また、ＳＯＧ（スピンオングラス）材料を溶媒として、ＳｉＯ2膜から非晶質ケイ素膜表面にニッケルを拡散させる方法もある。また、蒸着法やメッキ法によりニッケル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採用できる。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、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いても同様の効果が得られる。
【０１０６】
また、本実施形態では、素子領域内のニッケルを低減するために、ゲッタ元素導入工程とゲッタリング工程を追加したが、作製するＴＦＴの目的・用途によっては、勿論、これらの工程を除いても構わない。また、本実施形態では、ニッケルを低減する方法として５族Ｂ元素を用いたが、このときの５族Ｂ元素としては、リン以外に窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスを利用しても良い。
【０１０７】
また、本実施形態では、光照射工程において、パルスレーザであるエキシマレーザ光照射を行ったが、それ以外のレーザ（例えば連続発振Ａｒレーザなど）でも同様の光照射が可能である。また、レーザ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℃〜１２００℃（シリコンモニタの温度）まで上昇させて試料を加熱する、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光と同等の光を用いても良い。
【０１０８】
さらに、本発明は、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、ドライバ内蔵型のサーマルヘッド、有機系ＥＬ等を発光素子としたドライバ内蔵型の光書き込み素子や表示素子、三次元ＩＣ等に応用され得る。本発明を用いることで、これらの素子の高速、高解像度化等の高性能化が実現される。さらに本発明は、上述の実施形態で説明した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。
【０１０９】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体装置の製造方法によれば、結晶性ケイ素膜を活性領域として備えた高性能な半導体装置を、特性ばらつきが少なく、歩留まり良く製造できる。また、この発明は、集積度の高い高性能半導体装置を、簡便な製造プロセスで作製でき、その製造工程において良品率を大きく向上でき、商品の低コスト化を推進できる。特に、この発明が液晶表示装置の製造に適用された場合は、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチング用ＴＦＴのスイ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できる。したがって、アクティブマトリクス部と周辺駆動回路部同一基板上に備えた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、低コスト化を推進できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施形態の製造方法により作製されるＴＦＴのチャネル領域付近のパターンを示す図である。
【図２】  上記ＴＦＴの作製工程を示す平面図である。
【図３】  上記ＴＦＴの作製工程を示す平面図である。
【図４】  上記ＴＦＴの作製工程を示す断面図である。
【図５】  上記ＴＦＴの作製工程を示す断面図である。
【図６】  この発明の一実施形態の製造方法によってＣＭＯＳ回路を作製する作製工程を示す平面図である。
【図７】  上記ＣＭＯＳ回路の作製工程を示す平面図である。
【図８】  上記ＣＭＯＳ回路の作製工程を示す断面図である。
【図９】  上記ＣＭＯＳ回路の作製工程を示す断面図である。
【図１０】  加熱工程による未結晶化領域の幅を可変して設定し、光照射工程で結晶化された領域の結晶性をラマン分光法により調べた結果を示す図である。
【図１１】  加熱工程による未結晶化領域の幅を可変して設定し、光照射工程後の結晶性ケイ素膜を用いて作製されたＴＦＴの電界効果移動度を示す図である。
【図１２】  従来の結晶性ケイ素膜作製方法を説明する工程図である。
【符号の説明】
ＣＧＳ  結晶性ケイ素膜
１０１、２０１  ガラス基板
１０３、２０３  非晶質ケイ素膜
１０３ｃ，２０３ｃ  未結晶化領域
１０５、２０５  ニッケル
１１０、２１０  リン
１１２、２１２ｎ，２１２ｐ  活性領域
１１３、２１３  ゲート絶縁膜
１１６、２１６ｎ，２１６ｐ  チャネル領域
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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