(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に非晶質半導体薄膜を成膜する工程と、該非晶質半導体薄膜の表面に設けた酸化膜の膜厚を０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の範囲に制御する工程と、
レーザ光を前記酸化膜を介して前記非晶質半導体薄膜に照射して加熱する工程を備え、
前記レーザ光を用いて前記非晶質半導体薄膜の少なくとも一部の領域を結晶化することを特徴とする薄膜半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記酸化膜の膜厚を制御する工程が、前記非晶質半導体薄膜に少なくともＨＦを含む水溶液を供給することにより、前記非晶質半導体薄膜の表面に形成された酸化膜を除去する工程と、かつ、前記非晶質半導体薄膜に少なくとも酸素供与性原子を含む水溶液を供給することにより、前記非晶質半導体薄膜の表面に酸化膜を形成する工程とを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記酸化膜の膜厚を制御する工程が、前記非晶質半導体薄膜に少なくともＨＦを含む水溶液を供給することにより、前記非晶質半導体薄膜の表面に形成された酸化膜を除去する工程と、かつ、前記非晶質半導体薄膜の表面に少なくとも酸素を含む雰囲気中でＵＶ光を照射することにより、前記非晶質半導体薄膜の表面に酸化膜を形成する工程とを備えてなることを特徴する請求項１に記載の薄膜半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜半導体素子、特に低温処理による結晶性シリコンを用いた薄膜トランジスタ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非晶質シリコンの薄膜トランジスタ素子を用いた液晶ディスプレイパネルがパーソナルコンピュータや情報端末機器等の表示装置として広く活用されている。
【０００３】
しかしながら、表示装置の高精細化や増大する情報量の迅速な処理に伴って、より高速で駆動可能な薄膜トランジスタ素子の開発が望まれていた。
【０００４】
上記した薄膜トランジスタ素子として、例えば、（１）‘９９最新液晶プロセス技術（日経ＢＰ社刊，１９９９年）の５４頁に記載されているように、ガラス基板上にＰＥ−ＣＶＤ法（Plasma Enhancement-Chemical Vapor Deposition Method）を用いて非晶質シリコン膜を形成した後、脱水素アニールの処理を行ない、その後、チャンネル領域に対してボロン原子を添加してからエキシマレーザアニール処理を施すことによって非晶質シリコン膜の多結晶化を行い、結晶性シリコンの薄膜トランジスタ素子を形成していた。
【０００５】
また、例えば（２）特開平１１−３５４８０１号公報によれば、オゾン含有の溶液を用いて非晶質シリコン膜を洗浄することによってその表面に酸化膜を形成した後、改めてフッ酸水を用いてその酸化膜を除去してから、レーザアニールを施すことによって非晶質シリコン膜の結晶化を行なうことが報告されている。
【０００６】
そして、例えば（３）特開平１１−１６８６６号公報によれば、非晶質シリコン膜を湿式のエッチングで自然酸化膜を除去した後、オゾン水あるいは過酸化水素水で洗浄することによってその表面に酸化膜を形成した後、レーザアニールを施すことによって非晶質シリコン膜の結晶化を行なうことが報告されている。
【０００７】
更にまた、例えば（４）特開平１０−６４８１９号公報に記載された半導体装置及びその作製方法では、基板上に非晶質シリコン膜を形成する際に、選択的に結晶化を助長させる金属を添加することによって、特定の結晶成長方向における成長を促し、その結果として結晶性シリコン膜を形成していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した結晶性シリコン膜を用いた薄膜トランジスタ素子において、一般にシリコン膜は多結晶シリコン膜であって、その結晶粒径と電子移動度との間には密接な関係があり、結晶粒径が小さくなるに従って、電子移動度も減少する。この原因の一つは、多結晶シリコン膜中を移動するキャリア、即ち電子が多結晶シリコン膜中に存在する粒界において散乱されるためと考えられている。
【０００９】
従って、非晶質シリコン膜にレーザアニール処理を施すことによって多結晶シリコン膜を形成する場合、レーザの照射エネルギー密度が小さい場合には十分な結晶の成長が行なわれず、形成された多結晶シリコンの粒径が１００ｎｍ以下である場合が多いとされている。
【００１０】
そこで、上記した従来技術（１）を用いれば、非晶質シリコン膜へ照射するレーザのエネルギー密度を大きくすることによって、１００ｎｍ以上の結晶粒を形成させることは可能であるが、結晶粒径の増大とともに結晶粒径のばらつきが大きくなり、その結果として作製した多結晶シリコン膜の電気特性にばらつきが生じてしまうという問題があった。
【００１１】
また、レーザアニール法を用いて多結晶シリコン膜を成長させる場合、結晶粒界から５０ｎｍ以上の異常な突起が発生するという、プロセス上の大きな問題があった。
【００１２】
また、上記従来技術（２）においては、フッ酸水を用いてその酸化膜を除去してからレーザアニールを施すことによって、このレーザアニール処理に起因した結晶粒界に関連した結晶の突起を防ぐことは可能である。通常の場合においては、フッ酸水処理を行った後に引き続き純水等を用いた洗浄処理を行なうことが必要である。
【００１３】
しかしながら、表面酸化膜を除去した後の非晶質シリコン表面は撥水性であるため、上記した洗浄処理後の表面には数μｍ以下の細かい水滴が残留する。そして、この水滴によって表面からシリコン原子が溶出して、少なくとも５０ｎｍ以上の突起を形成する。
【００１４】
この突起はレーザアニールを行なって多結晶シリコンを形成した後にもそのまま残留するため、次工程であるフォトリソグラフィー工程において、この突起が原因となってフォーカスずれを引き起こしたり、多結晶シリコン膜上に積層させた絶縁膜の絶縁不良等の信頼性を損ねる結果をもたらす。
【００１５】
また、上記従来技術（３）においては、オゾン水あるいは過酸化水素水を用いて非晶質シリコン膜上に１〜３ｎｍなる膜厚の酸化膜を施し、乾燥させた後にレーザアニールを施すことが示されている。しかしながら、表面に形成された酸化膜の膜厚が大きいため、そのままレーザアニールを行なって多結晶シリコンを形成しても、結晶粒界から５０ｎｍ以上の異常な突起が発生するという大きな問題があった。
【００１６】
更にまた、上記従来技術（４）においては、結晶化を助長させる金属の添加よって、高い移動度特性を示す（１１１）面配向の多結晶シリコン膜の形成が可能である。しかしながら、上記した方法においては新たに金属を添加するためのプロセスが必要であって、製造工程がより複雑にならざるを得ないばかりでなく、一般的には４５０℃以下という低温における結晶成長プロセスでは、結晶の成長速度が極端に遅くなって、多結晶シリコン薄膜トランジスタを用いた液晶ディスプレイの実現という社会の要望にもかかわらず、その生産性の低下が大きな問題であった。
【００１７】
本発明の目的は、結晶粒径のばらつきが少なく、かつ表面に突起の発生が抑制され、更に（１１１）結晶配向性に優れた高電子移動度を有する多結晶ポリシリコン膜を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、基板面に平行な方向である（１１１）面に優先配向させた結晶粒子の集合体よりなる薄膜を作成し、また、この結晶粒子の薄膜表面における平均結晶粒径が３００ｎｍ以下である薄膜Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ半導体素子を形成することにより達成される。
【００１９】
優先配向性の指標として、例えば結晶面のＸ線回折強度比を利用することが可能であり、基板面に平行な面のＸ線回折測定を行った際の（１１１）面及び（２２０）面におけるＸ線回折強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（２２０）が３０以上とすることにより達成される。
【００２０】
また、結晶粒子の粒径の標準偏差を平均粒径の３０％以下とすることにより、結晶粒子の特性ばらつきが小さく、安定な粒界を得ることが出来る。
【００２１】
そして、表面凹凸の標準偏差を平均粒径の１０％以下に制御することによって、結晶粒界における突起の形成を抑制した多結晶薄膜を形成することが出来る。
【００２２】
更にまた、基板面に平行な方向に略（１１１）面に配向させた柱状結晶の集合体を形成することにより、結晶粒界における突起の小さいは多結晶薄膜を得ることが可能である
本発明における上記した多結晶シリコン薄膜の平均電子移動度を２００ｃｍ2／ｖ・ｓ以上とし、上記した薄膜を基板面に平行な方向に（１１１）面に優先配向させた結晶粒子の集合体で構成し、この結晶粒子の薄膜表面における平均結晶粒径がトランジスタのチャネル長の２％以上とすることによって、高移動度を有する多結晶シリコン薄膜トランジスタが実現する。
【００２３】
上記した結晶性半導体薄膜は、基板上に非晶質半導体薄膜を成膜し、薄膜表面の酸化膜厚を０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下に制御し、更に上記非晶質薄膜をレーザ光により加熱して一部分乃至全部を結晶化することによって、結晶性が高いにも係らず表面突起が抑制された結晶性半導体薄膜を形成することが可能である。
【００２４】
そして、上記した酸化膜厚を０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下に制御するためには、非晶質半導体薄膜をＨＦを含む溶液に浸漬し、更に、Ｈ2Ｏ2を含む水溶液に浸漬することによって達成される。
【００２５】
更にまた、非晶質半導体薄膜を少なくともＨＦを含む水溶液に浸漬させて非晶質半導体薄膜の表面に形成された酸化膜を除去し、更に酸素を含む雰囲気中においてにＵＶ光を照射する、または、オゾン水に浸漬させることによって達成される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、シリコンの場合を例にとって図面を用いて具体的に説明する。
【００２７】
図１Ａは、実施例１を説明するための多結晶シリコン薄膜の平面図であり、また図１Ｂは、その断面図である。図１Ａにおいて、多角形状のアイランド領域は基板面に対して（１１１）面に優先配向させた多結晶シリコン粒子１であって、その平均粒径が３００ｎｍ以下であり、かつその平均粒径の標準偏差が平均粒径の３０％以下になるように、後述の成長条件を制御して形成されている。
【００２８】
また、図１Ｂから明らかのように、多結晶シリコン薄膜４は柱状の多結晶シリコン粒子１からなる集合体であって、各多結晶シリコン粒子１とが重なり合う領域、即ち結晶粒界２において突起３が形成される。そして、この突起３を含めて多結晶シリコン薄膜４の表面における凹凸の標準偏差が、多結晶シリコン粒子１の平均粒径の１０％以下であるように制御されている。
【００２９】
図２に、上記した実施例１の多結晶シリコン薄膜４を形成するための概略工程を示す。
【００３０】
先ず、実施例１では、一例として基板にコーニング７０５９ガラスを用いた。このガラス基板上に、良く知られた方法であるプラズマＣＶＤ法を用いて、非晶質シリコン膜（膜厚５０ｎｍ）を成膜する。
【００３１】
次に、例えば４５０℃に雰囲気が制御された炉体中に上記した基板を設置し、例えば約３０分間のアニール処理を施すことによって、非晶質シリコン膜の脱水素処理を行う。
【００３２】
その後、非晶質シリコン膜の表面に形成されている自然酸化膜を完全に除去するために、例えば良く知られた濃度約１％のフッ酸水溶液中に基板を約１分間浸す。
【００３３】
通常のシリコン関連プロセスにおいては、ここで純水による洗浄処理を施すことが多い。しかしながら、非結晶質シリコン表面は撥水性であるため、純水による洗浄を行うことによってその表面に数ミクロン以下の水滴が発生する。そして、従来技術（２）で問題が発生したように、多結晶シリコン薄膜の形成プロセスにおいては、この水滴に起因した突起が発生することがある。
【００３４】
そこで実施例１においては、上記したフッ酸水溶液での処理後、引続き、例えば約２％Ｈ2Ｏ2溶液中に約１分間浸漬させて、非晶質シリコン膜の表面に改めて極薄酸化膜を生成させ、表面を撥水性から親水性に変化させてから通常の純水による洗浄処理を行った。
【００３５】
ここで、約２％Ｈ2Ｏ2溶液中への浸漬時間と非晶質シリコン膜の表面に形成される酸化膜の膜厚の関係を、図３に示す。尚、形成した酸化膜の膜厚を良く知られた分光エリプソメトリを用いて測定した。
【００３６】
この結果、通常のプラズマＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン膜を成膜し、大気中に晒された直後では、その表面に約１〜２ｎｍ程度の自然酸化膜が形成されている。そして、この自然酸化膜を約１％のフッ酸水溶液中に約１分間浸すことによって完全に除去することが出来るので、非晶質シリコン膜上には酸化膜は存在しないことになる。
【００３７】
そして、図３から明らかのように、Ｈ2Ｏ2溶液中へ浸漬させた時間の経過の伴って非晶質シリコン膜上には新たな酸化膜が徐々に形成され、室温中にて約０．１〜３０分間の浸漬によって、表面酸化膜の膜厚は約０．１〜０．４ｎｍとなる。
【００３８】
表面酸化膜の膜厚が上記した数値範囲であってもその表面は十分な親水性を保ち、その後の純水洗浄を施しても表面に水滴が残らないことを、良く知られた顕微鏡観察によって確認した。
【００３９】
次に、上記の極薄表面酸化処理を行った非晶質シリコン膜に対してＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ）を照射して、非晶質シリコン膜のレーザ結晶化を行い、多結晶シリコン薄膜を形成した（図２参照）。尚、実施例１において、レーザのエネルギー密度は３００〜５００ｍＪ／ｃｍ2とした。
【００４０】
図２に示した工程に従って作製された多結晶シリコン薄膜について、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）観察法を用いて測定した結晶粒径と照射したレーザのエネルギー密度との関係を図４に示す。
【００４１】
ここで、結晶粒径は、ＳＥＭ観察法によって明らかになった結晶粒子の長軸と短軸を測長し、その平均値をその結晶粒子における結晶粒径と定義した。また、平均結晶粒径は、１０μｍ×１０μｍの範囲内に観察された全ての結晶粒子の粒径を測定して、その平均値として定義した。
【００４２】
図４から明らかのように、非晶質シリコン膜に照射したレーザのエネルギー密度を増加させるに従って、平均結晶粒径が増加する傾向を示している。詳細に調べた結果、レーザエネルギー密度が４００ｍＪ／ｃｍ2以下の場合、平均結晶粒径が高々１００ｎｍに満たないが、４００ｍＪ／ｃｍ2を超えたところからレーザエネルギー密度の増加に伴って結晶粒径が著しく増大し始める。
【００４３】
そして、照射したレーザのエネルギー密度が同一であれば、レーザ照射前に行う表面処理の有無によって、形成される結晶粒径の大きさが著しく変化する。即ち、上記した実施例１におけるレーザアニールを行なう前に、非晶質シリコン膜の表面を１％のフッ酸溶液への１分間の浸漬、及び２％のＨ2Ｏ2溶液へ１分間浸漬した後に純水洗浄を行うことによって、形成された多結晶シリコン薄膜の結晶粒径が著しく増大する。この場合、５００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度に対して、平均結晶粒径は約２７８ｎｍであった。
【００４４】
尚、比較例としてＨ2Ｏ2溶液へ１００分間浸漬した後に純水洗浄を行った場合の平均結晶粒径は２２０ｎｍであり（図示せず）、またフッ酸溶液への浸漬を行なった後、純水洗浄を行なった場合の平均結晶粒径は約２３９ｎｍであり（図示せず）、また、レーザアニール前にフッ酸溶液への浸漬を行なわなかった場合では、平均結晶粒径は約２０４ｎｍであった。
【００４５】
上記した結果は、非晶質シリコン膜の表面に形成された自然酸化膜を一旦完全に除去した後、改めて極薄膜の酸化膜を用いて非晶質シリコン膜の表面を覆うことによってその表面を極めて清浄な状態にすることが可能となり、このことが後のレーザアニール処理の際に発生する異常結晶成長を抑制すると推察される。
【００４６】
照射したレーザのエネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ2である場合の、結晶粒径ばらつきを図５、図６、図７、図８に示した。ここで、図５はレーザアニール前に１％のフッ酸溶液に１分間の浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液に１分間の浸漬なる処理を行った場合であり、また図６は１％のフッ酸溶液に１分間の浸漬という処理のみを行った場合であり、また図７は、フッ酸溶液への浸漬という処理も行わなかった場合であり、更に図８は１％フッ酸溶液に１分間の浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液に１００分間の浸漬なる処理を行った場合、即ち非晶質シリコン膜の表面に意図的に極めて厚い酸化膜（約２〜３ｎｍ）を形成した場合をそれぞれ表わしている。
【００４７】
この結果、レーザアニール前にフッ酸溶液への浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液への１分間浸漬なる処理を施した場合、結晶粒径のばらつきが最も小さく、その結晶粒径の標準偏差は約５５ｎｍであって、フッ酸溶液への浸漬のみの場合（標準偏差：約６３ｎｍ）、あるいは全く処理を行なわなかった場合（標準偏差：約８８ｎｍ）、更にはフッ酸溶液への浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液への１００分間浸漬なる処理を施して、極めて厚い酸化膜を形成した場合（標準偏差：約６８ｎｍ）に比較して、遥かに均一な結晶粒子の形成が可能であることが明白である。
尚、ここで用いた標準偏差は正規分布による統計解析で用いられるσを表わしている。
【００４８】
更に、形成した多結晶薄膜の善し悪しを判断する指針として、平均結晶粒径に対する粒径ばらつきを示す指数を用いた。
【００４９】
ここで、結晶粒径ばらつきの指数（％）＝結晶粒径の標準偏差／平均結晶粒径で定義した。
【００５０】
この結果、上記した結晶粒径の標準偏差の場合と同様に、実施例１におけるフッ酸溶液への浸漬及びＨ2Ｏ2溶液への１分間浸漬なる処理を施した場合の指数が２０％であって、フッ酸溶液への浸漬のみの場合（指数：約２６％）、あるいは全く処理を行なわなかった場合（指数：約４３％）、更にはフッ酸溶液への浸漬及びＨ２Ｏ２溶液への１００分間浸漬なる処理を施した場合（指数：約３１％）に比較して遥かに小さく、実施例１における結晶化方法が粒径の揃った結晶粒子の集合体を形成する場合に極めて有効であると言うことが出来る。
【００５１】
図５から図８に示した一連の実験結果において、最も大きな効果を示していることは、非晶質シリコン膜の表面に形成されている自然酸化膜を完全に除去し、かつ新たに形成した酸化膜の膜厚である。
【００５２】
通常、レーザアニールによって結晶成長を行なう場合、先ず非晶質シリコン膜が部分的に溶融し、その固相−液相の界面において結晶成長核が発生し、その結晶核を中心として結晶成長が促進される。しかしながら、この時に非晶質シリコン膜の表面に存在した酸化膜が厚い場合には、表面酸化膜自身が結晶成長核の一部となって、これが寧ろ結晶成長を妨げる要因になり易い。
【００５３】
実施例１に示したように、非晶質シリコン膜の表面を覆う酸化膜の膜厚を１〜２原子層レベルに制御することによって、非晶質シリコン膜及びその表面酸化膜の界面における結晶核の発生確率を少なくすることが可能である。
【００５４】
これによって、結晶成長がより促進され、その結果として平均結晶粒径が大きく、かつ結晶粒径の標準偏差も、またその指数も小さい結晶粒子の形成が可能になると推察される。
【００５５】
図９に、図３の工程に従って形成された多結晶シリコン膜のＸ線回折測定結果を示す。図９の回折パターンは、３００ｍＪ／ｃｍ2なるエネルギー密度を照射して結晶化を行った場合を表わしている。この照射エネルギー密度の条件では、十分な結晶粒径に成長していないが（図４参照）、結晶化によって（１１１）面及び（２２０）面に配向を示す明瞭なピークが観察された。
【００５６】
そこで、結晶成長の程度を表す指数として、結晶配向率を（１１１）回折強度／（２２０）回折強度の比と定義し、この結晶配向率と照射したエネルギー密度との関係を、図１０に例示した。
【００５７】
一般に、多結晶シリコン膜が完全にランダムに配向している場合、結晶配向率は約１．８である。
【００５８】
図１０の結果から、レーザアニール前に非晶質シリコン膜の表面処理を実施しなかった場合には、レーザのエネルギー密度を増大させても、（１１１）配向率に殆ど変化が見られず、その値はランダム配向に近い値を示している。
【００５９】
しかしながら、レーザアニール前に非晶質シリコン膜の表面を処理することによって、特にレーザアニール前に非晶質シリコン膜の表面に対してフッ酸溶液への浸漬及び短時間のＨ2Ｏ2溶液への浸漬なる処理を施すことによって、例えば、約４００ｍＪ／ｃｍ2以上のエネルギー密度を照射領域において、著しい（１１１）結晶配向率を示すようになる。
【００６０】
一例として、レーザアニール前にフッ酸溶液への浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液への１分間浸漬なる処理を行った場合、４３０ｍＪ／ｃｍ2以上のレーザエネルギー密度に対して多結晶シリコン膜の配向率が３０以上を示し、さらに、５００ｍＪ／ｃｍ2の場合には、その配向率が６０を示した。
【００６１】
上記したように、非晶質シリコン膜表面に形成されていた自然酸化膜を完全に除去した後、改めてその表面に１〜２原子層レベルに制御された酸化膜を形成し、その酸化膜を介してレーザアニールによる結晶化を行なうことによって、（１１１）配向率の高い多結晶シリコン膜を得ることが出来る。この理由は、先の結晶粒径あるいはその標準偏差のところで説明した場合と同一である。
【００６２】
更に、上記で形成された多結晶シリコン膜について、その表面における凹凸の度合いを調べるために、ＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）を用いて評価を行った。ＡＦＭによる測定は、試料である多結晶シリコン膜表面における任意の領域（約２０μｍ×２０μｍの領域）を走査して行なわれ、その測定領域における凹凸の標準偏差を表面粗さの指標として用いた。また、この時の標準偏差は測定値が正規分布に従うとして統計解析で用いられるσを表わしている。
【００６３】
５００ｍＪ／ｃｍ2のレーザエネルギー密度を用いてレーザアニール処理を施した時の結晶表面形状について、ＡＦＭ測定を行った結果を、図１１、図１２、図１３及び図１４に示した。
【００６４】
ここで、図１１はレーザアニール処理を施す前に非晶質シリコン膜に対してフッ酸溶液への浸漬及び１％のＨ2Ｏ2溶液への１分間浸漬からなる処理を行った場合（酸化膜の膜厚：約０．１〜０．４ｎｍ）であり、図１２はフッ酸溶液への浸漬なる処理のみを行った場合であり、図１３は洗浄処理を行わなかった場合であり、また図１４はフッ酸溶液への浸漬及び１％のＨ2Ｏ2溶液への１００分間浸漬からなる処理を行った場合（酸化膜の膜厚：約２〜３ｎｍ）である。
【００６５】
また、各図において、横軸はＡＦＭ測定での原子プローブの走査幅を表わし、縦軸は結晶表面における凹凸の大きさを表わしている。
【００６６】
その結果、レーザアニール処理後の多結晶シリコン膜に対して、その表面における凹凸の標準偏差が最も小さい処理方法は、図１１に示したフッ酸溶液への浸漬及び１％のＨ2Ｏ2溶液への１分間浸漬からなる処理を行った場合であり、その値は６．７ｎｍであった。
【００６７】
そして、この値はフッ酸溶液への浸漬なる処理のみを行った場合（凹凸の標準偏差は２４．０ｎｍ、図１２参照）、全く洗浄処理を施さなかった場合（凹凸の標準偏差は２４．３ｎｍ、図１３参照）及びフッ酸溶液への浸漬及び１％のＨ2Ｏ2溶液への１００分間浸漬からなる処理を行った場合（凹凸の標準偏差は２３．５ｎｍ、図１４参照）に比較して際立って小さい値であり、前述の平均結晶粒径やその標準偏差の場合と同様の傾向を示した。
また、平均結晶粒径に対する表面粗さのばらつきを示す指数として、表面における凹凸の標準偏差／平均結晶粒径の比率を用いた評価を試みた。その結果、上記した表面粗さを表わす指数は、図１１に示した場合で約２％、図１２、図１３及び図１４に示した場合で、各々１１％、１２％及び１１％であった。
【００６８】
ところで、図１２に例示したように、非晶質シリコン膜に対してフッ酸溶液への浸漬なる処理のみを行った場合、結晶粒界に起因した凹凸は比較的小さいが、その後の純水洗浄において残留した水滴に起因したと考えられる１００ｎｍ以上の異常な突起が出現し、その結果、表面における凹凸の標準偏差は２４．０ｎｍとなって、極めて大きな値を示す。
【００６９】
また、図１３及び図１４に例示したように、非晶質シリコン膜上に１ｎｍ以上の酸化膜が施された状態でレーザアニールを行うと、結晶粒界に起因した凹凸が大きく、その結果、表面における凹凸の標準偏差は極めて大きな値を示すことが明らかである。
【００７０】
以上で説明したように、非晶質シリコン膜の表面をフッ酸溶液への浸漬処理によって自然酸化膜を完全に除去し、引続き短時間のＨ2Ｏ2溶液処理を施すことによって、表面に０．１〜０．４ｎｍの酸化膜を形成した後、レーザアニール処理による結晶化を行うことによって、結晶粒界に起因した表面の凹凸形成を抑制することが出来る。
【００７１】
しかも、純水洗浄処理時に結晶表面に残留する水滴に起因した突起の発生をも低減することが出来るため、表面に形成される凹凸の標準偏差は１０ｎｍ以下に押さえることが可能である。また、結晶粒径に対する表面に形成された凹凸の標準偏差は約２％程度であって、極めて平坦で良好な表面モフォロジーを実現させることが出来る。
【００７２】
尚、上記した実施例１において、非晶質シリコン表面に極薄の酸化膜形成をＨ2Ｏ2溶液に短時間浸漬させることによって行ったが、例えばフッ酸溶液に浸漬させて非晶質シリコン膜の表面に存在する自然酸化膜を除去した後に、酸素雰囲気中でＵＶ光を照射する方法やオゾン水に浸漬させる方法等を用いることによって、或いは１％フッ酸溶液の替わりに２／１０００以下に希釈したフッ酸水溶液を用いることによって、非晶質シリコン膜上の極薄の酸化膜（膜厚：０．１ｎｍ〜０．４ｎｍ）を形成しても、上記した場合と同様な結果を得ることが可能である。
【００７３】
上記した結晶化プロセスにおいて最も重要なことは、レーザアニール処理を施す前の非晶質シリコン膜の表面に形成した酸化膜の膜厚を０．１ｎｍ〜０．４ｎｍに制御することである。そして、例えば、この膜厚が０．１ｎｍ未満であるような場合、純水による洗浄処理の際に表面に残留した水滴が原因となって異常な突起が発生したり、また、膜厚が０．４ｎｍより厚い場合には、この酸化膜がレーザアニール時の結晶核の発生を妨げて、結果的には表面に大きな凹凸を形成することになる。
【００７４】
尚、実施例１では基板としてコーニング７０５９ガラスを用いたが、石英やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の透明基板を用いても良い。
【００７５】
更に、非晶質シリコン膜を通常のプラズマＣＶＤ法を用いて成膜した後、温度を４５０℃に制御した炉体中で非晶質シリコン膜をアニールすることによって、非晶質シリコン膜中に含まれる水素の除去を行っているが、この非晶質シリコン膜はＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法やスパッタリング法、あるいは蒸着法等を用いて作製することも可能である。
【００７６】
また、上記した実施例１では、シリコン薄膜の例を示したが、これに限らず、例えばゲルマニウム薄膜あるいはシリコンとゲルマニウムからなる混合物の薄膜であっても、何ら差し支えることはない。
【００７７】
更にまた、実施例１におけるレーザアニール処理の方法として、ＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ）を用いたが、これに限定されることがなく、例えばＫｒＦを用いたエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）やＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ等を用いても良い。
【００７８】
次に、上記した多結晶シリコン膜を用いた薄膜トランジスタの一例について説明する。
【００７９】
図１５は、実施例２である多結晶シリコン薄膜トランジスタを説明するための断面図である。
【００８０】
先ず、例えばガラス基板１１上に、良く知られたプラズマＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン膜１２を約５０ｎｍの厚さに成膜する。
【００８１】
次に、温度が約４５０℃で、窒素雰囲気に制御された炉体中に上記の基板１１挿入し、約３０分間のアニール処理を施すことによって、非晶質シリコン膜１２中に含まれる水素の脱離処理を行う。
【００８２】
このとき、非晶質シリコン膜１２の表面には少なからず自然酸化膜が形成されているので、この自然酸化膜を完全に除去するために、例えば約１％のフッ酸溶液中に約１分間浸漬させる。そして引続き、約２％のＨ2Ｏ2溶液中に約１分間浸漬させて、非晶質シリコン膜１２の表面に改めて極薄膜の酸化膜（膜厚約０．１５ｎｍ、図示せず）を形成する。その後、ガラス基板１１を純水を用いた水洗を行う。
【００８３】
次に、上記した酸化膜を介して非晶質シリコン膜１２上に例えばＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、非晶質シリコン膜１２の結晶化を行い、多結晶シリコン膜２２を形成した。使用したレーザのエネルギー密度は４６０ｍＪ／ｃｍ2である。
【００８４】
そして、良く知られたフォトリソグラフィー法を用いて、多結晶シリコン膜２２上にフォトレジスト膜を形成した後、続いて露光及び現像を行い、多結晶シリコン膜２２上に所定の寸法なるパターンを形成する。その後、このレジストパターンをマスクとして、例えば良く知られたプラズマエッチング法を用いて島状の多結晶シリコン膜２２を形成する。
【００８５】
次に、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、この島状の多結晶シリコン膜２２上に絶縁膜として酸化シリコン膜１３（膜厚１００ｎｍ）を成膜する。
【００８６】
そして、ゲート電極となるＴｉＷ電極層１４（膜厚２００ｎｍ）を、例えばスパッタリング法を用いて形成した。
【００８７】
更に、パターニングされたＴｉＷ電極層１４をマスクとして、良く知られたイオン注入法を用いて上記した島状の多結晶シリコン膜２２にチャネル領域２２ａ、ソース領域２２ｂ、ドレイン領域２２ｂを形成した。
【００８８】
ここで、Ｎ型トランジスタを形成する場合には、ソース領域２２ｂ及びドレイン領域２２ｂにＮ型の不純物であるリンを注入し、またＰ型トランジスタを形成する場合には、Ｐ型の不純物であるボロンを注入する。
【００８９】
そして、上記した不純物原子のイオン注入によってダメージを受けた多結晶シリコン膜２２の結晶性を回復させるため、所謂活性化アニールを行った。ここでは、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法を用いたが、一般的な炉体アニール法によっても活性化は可能である。
【００９０】
次に、再びプラズマＣＶＤ法によりＴｉＷ電極層１４を含む酸化シリコン膜１３上に、膜厚５００ｎｍの酸化シリコン絶縁層１５を形成した。そして、酸化シリコン膜１３及び酸化シリコン絶縁膜１５を貫き、ソース領域２２ｂ及びドレイン領域２２ｂに到達するコンタクトホール１６を形成し、ソース領域２２ｂ及びドレイン領域２２ｂにＴｉＷ／Ａｌからなる多層膜を形成した。
【００９１】
その後、フォトリソグラフィー法を用いて上記の多層膜にパターニング処理を行い、電極層１７を形成した。
【００９２】
そして最後に、水素雰囲気中で、約４００℃、６０分のアニール処理を施して図１５に例示したＮ型の多結晶シリコン薄膜トランジスタが完成する。
【００９３】
図１６は、上記した薄膜トランジスタの電子移動度特性を示したものである。縦軸は電子移動度を表わし、横軸は非晶質シリコン膜の結晶化に用いたレーザエネルギー密度を表わす。図中のエラーバーは実際に測定した電子移動度（１条件、約５０点を測定した）の最大値及び最小値であり、また折線グラフはその平均値を結線したものである。また、グラフ（Ａ）は、非晶質シリコン膜の結晶化アニール処理に先立って１％のフッ酸溶液への１分間の浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液への１分間の浸漬なる処理を行った場合であり、グラフ（Ｂ）は、その処理を実施しなかった場合を表わしている。
【００９４】
その結果、結晶化エネルギー密度に対する薄膜トランジスタの電子移動度の変化は、前述の図４に示した平均結晶粒径及び図１０に示した（１１１）結晶配向率の場合と非常に良く一致している。また、ポイントデータでの比較ではあるが、結晶化アニール処理に対する電子移動度の変化する傾向は、図５〜図８に示した結晶粒径のばらつきとも良い一致を示している。
【００９５】
このことは、多結晶シリコン薄膜トランジスタの電子移動度を増加させるには、結晶化アニール処理によって形成した多結晶シリコン膜の結晶配向を（１１１）面に優先配向させ、かつ形成した結晶の粒径を大きくすることが重要であり、また電子移動度のばらつきを押さえるには、結晶粒径のばらつきを低減させることが必要であることを示している。
【００９６】
そして、上記した電子移動度の向上に対して、結晶化アニール処理の前に、フッ酸溶液への浸漬及びＨ2Ｏ2溶液への浸漬という非晶質シリコン膜表面の清浄化処理が不可欠であることを意味している。
【００９７】
従って、図１６に例示したように、結晶化アニール処理時のレーザエネルギー密度が４００ｍＪ／ｃｍ2以下の場合には、電子移動度が高々５０ｃｍ2／ｖ・ｓ以下であるが、４００ｍＪ／ｃｍ2以上の条件で電子移動度が急激に増加する。特に、４４０ｍＪ／ｃｍ2以上の条件では、電子移動度が２００ｃｍ2／ｖ・ｓ以上に達している。更にまた、上記の清浄化処理を行わなかった場合に比較して、電子移動度のばらつきも著しく低減していることが明白である。
【００９８】
実施例２において、非晶質シリコン膜形成用の基板としてコーニング７０５９ガラスを用いたが、石英やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の透明基板であっても良い。また、非晶質シリコン膜の形成方法として、プラズマＣＶＤ法以外にＬＰＣＶＤ法やスパッタリング法、あるいは蒸着法等の成膜方法を用いても差し支えない。更にまた、上記した実施例ではひとつの例としてシリコン薄膜の場合について説明したが、シリコン薄膜に限定されることなく、例えば、ゲルマニウム薄膜あるいはシリコン及びゲルマニウムの混合物からなる薄膜の場合でも、上記で述べた実施例の場合と同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００９９】
更に、非晶質シリコン膜上への極めて薄い酸化膜の形成方法は、Ｈ2Ｏ2溶液への浸漬という処理方法以外の方法として、例えば、フッ酸洗浄処理直後に酸素雰囲気中でＵＶ光を照射させる方法、オゾン水に所定時間浸漬させる方法、あるいは非晶質シリコン膜をフッ酸溶液へ浸漬させる際、２／１０００以下に希釈したフッ酸水溶液を用いる方法等が挙げられ、これらの方法でも実施例と同様の効果を示す。
【０１００】
また、非晶質シリコン膜の結晶化方法として、上記の実施例で用いたＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ）以外に、ＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＹＡＧレーザあるいはＡｒレーザ等を用いても良く、また結晶化の雰囲気は真空中で行っても、窒素雰囲気下で行なっても良い。
【０１０１】
実施例２で説明した多結晶シリコン薄膜トランジスタは２００ｃｍ2／ｖ・ｓ以上の高移動度を示す。従って、通常の非晶質シリコン薄膜トランジスタを画素領域に設けたアクティブマトリックス型の液晶表示装置において、画素領域の周辺部を結晶化させて多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成することによって、従来、別途設けられていたドライバー回路に代替させることも可能である。
【０１０２】
特に、実施例で述べた多結晶シリコン薄膜は、薄膜を構成する結晶粒径のばらつきが少なく、また結晶化された薄膜表面の凹凸も抑制することが出来るので、ドライバー回路への適用に好適な、電気特性ばらつきの小さい薄膜トランジスタを提供することが出来る。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明により、非晶質シリコン膜を結晶化させて作製した多結晶シリコン膜として、（１１１）面の結晶配向性が高く、かつ結晶粒径のばらつき及びその表面における突起の発生が少ない薄膜を形成することが出来る。そして、この薄膜を用いたトランジスタは、２００ｃｍ2／ｖ・ｓ以上の大きな移動度特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１を説明するための多結晶シリコン薄膜の平面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。
【図２】実施例１の多結晶シリコン薄膜を形成するためのプロセスフローである。
【図３】Ｈ2Ｏ2溶液への浸漬時間と非晶質シリコン膜上に形成される酸化膜との関係を示す説明図である。
【図４】実施例１である多結晶シリコン薄膜の平均結晶粒径と結晶化に用いたレーザのエネルギー密度との関係を表わす説明図である。
【図５】実施例１の多結晶シリコン膜であって、結晶化処理前に非晶質シリコン膜の１％のフッ酸溶液への１分間浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液への１分間浸漬なる処理を行なった場合の結晶粒径ばらつきを示す図である。
【図６】実施例１の多結晶シリコン膜であって、結晶化処理前に非晶質シリコン膜の１％のフッ酸溶液への１分間浸漬処理を行なった場合の結晶粒径ばらつきを示す図である。
【図７】実施例１の多結晶シリコン膜であって、結晶化処理前に非晶質シリコン膜の洗浄処理を行わなかった場合の結晶粒径ばらつきを示す図である。
【図８】実施例１の多結晶シリコン膜であって、結晶化処理前に非晶質シリコン膜の１％のフッ酸溶液への１分間浸漬及び２％Ｈ2Ｏ2溶液への１００分間浸漬なる処理を行なった場合の結晶粒径ばらつきを示す図である。
【図９】実施例１における多結晶シリコン薄膜のＸ線回折測定結果を示す図である。
【図１０】実施例１である多結晶シリコン薄膜において、（１１１）結晶配向率と結晶化に用いたレーザのエネルギー密度との関係を表わす説明図である。
【図１１】実施例１の多結晶シリコン膜であって、結晶化処理前に非晶質シリコン膜の１％のフッ酸溶液への１分間浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液への１分間浸漬なる処理を行なった場合の表面凹凸の状況を説明するためのＡＦＭ測定結果である。
【図１２】実施例１の多結晶シリコン膜であって、結晶化処理前に非晶質シリコン膜の１％のフッ酸溶液への１分間浸漬なる処理を行なった場合の表面凹凸の状況を説明するためのＡＦＭ測定結果である。
【図１３】実施例１の多結晶シリコン膜であって、結晶化処理前に非晶質シリコン膜の洗浄処理を行わなかった場合の表面凹凸の状況を説明するためのＡＦＭ測定結果である。
【図１４】実施例１の多結晶シリコン膜であって、結晶化処理前に非晶質シリコン膜の１％のフッ酸溶液への１分間浸漬及び２％のＨ2Ｏ2溶液への１００分間浸漬なる処理を行なった場合の表面凹凸の状況を説明するためのＡＦＭ測定結果である。
【図１５】実施例２である多結晶シリコン薄膜を用いたトランジスタの断面構造図である。
【図１６】実施例２である多結晶シリコン薄膜トランジスタの電子移動度と結晶化に用いたレーザのエネルギー密度との関係を表わす説明図である。
【符号の説明】
１…結晶シリコン粒子、２…結晶粒界、３…突起、４…多結晶シリコン薄膜、１１…基板、１２…非晶質シリコン膜、１３…酸化シリコン膜、１４…ゲート電極、１５…酸化シリコン絶縁膜、１６…コンタクトホール、１７…電極層、２２…多結晶シリコン膜、２２ａ…チャンネル領域、２２ｂ…ソースまたはドレイン領域
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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