(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結晶性を有するケイ素膜を能動領域として構成される半導体装置において、
上記能動領域は、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、上記第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とからなる結晶性ケイ素膜によって構成され、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記線状の第２の結晶化領域の幅は、６μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
上記能動領域は、少なくとも複数本の線状の第２の結晶化領域を含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記能動領域は、上記触媒元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3の濃度で含有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置において、
上記能動領域が含有している触媒元素は、ニッケルであることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
絶縁表面を有する基板上に、結晶性を有するケイ素膜を能動領域とする複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、
上記複数の薄膜トランジスタは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、この第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とによって構成された能動領域を有する第１種の薄膜トランジスタと、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を導入してから、加熱処理によって固相成長により結晶化された第１の結晶化領域のみによって構成されている能動領域を有する第２種の薄膜トランジスタとを含んでおり、
上記第１種の薄膜トランジスタは、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
絶縁表面を有する基板上に、画素電極をスイッチングする画素電極スイッチング用薄膜トランジスタと、上記画素電極スイッチング用薄膜トランジスタを駆動するドライバー回路を構成するドライバー回路用薄膜トランジスタとが設けられたドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置において、
上記ドライバー回路用薄膜トランジスタの少なくとも一つは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、この第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とによって構成された能動領域を有し、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されており、
上記画素電極スイッチング用の薄膜トランジスタは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を導入してから、加熱処理によって固相成長により結晶化された第１の結晶化領域のみによって構成されている能動領域を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
絶縁表面を有する基板上に、結晶性を有するケイ素膜を能動領域とする複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、
上記複数の薄膜トランジスタは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、この第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とによって構成された能動領域を有する第１種の薄膜トランジスタと、
触媒元素を用いることなく、非晶質ケイ素膜を強光照射による溶融固化過程のみによって結晶化させた第３の結晶化領域によって構成されてなる能動領域を有する第３種の薄膜トランジスタとを含んでおり、
上記第１種の薄膜トランジスタは、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
絶縁表面を有する基板上に、画素電極をスイッチングする画素電極スイッチング用薄膜トランジスタと、上記画素電極スイッチング用薄膜トランジスタを駆動するドライバー回路を構成するドライバー回路用薄膜トランジスタが設けられたドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置において、
上記ドライバー回路用薄膜トランジスタの少なくとも一つは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、この第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とによって構成された能動領域を有し、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されており、
上記画素電極スイッチング用の薄膜トランジスタは、
触媒元素を用いることなく、非晶質ケイ素膜を強光照射による溶融固化過程のみによって結晶化させた第３の結晶化領域によって構成されてなる能動領域を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
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に、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が選択的に導入された領域の非晶質ケイ素膜を、固相成長により選択的に結晶成長させる第１結晶成長工程と、
強光を照射し、上記選択的に結晶成長させた領域から上記基板と平行な横方向へと、上記選択的に結晶化させた領域の隣接領域を溶融固化過程において結晶成長させる第２結晶成長工程と、
上記触媒元素を導入し加熱処理によって結晶成長させた第１の結晶化領域と、強光照射によって横方向に結晶成長させた第２の結晶化領域とを用いて、半導体装置の能動領域を形成する能動領域形成工程とを少なくとも有し、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
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に、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が選択的に導入された領域の非晶質ケイ素膜を固相成長により選択的に結晶成長させ、さらにその領域から上記基板と平行な横方向へと、その周辺領域を結晶成長させる第１結晶成長工程と、
強光を照射し、上記加熱処理によって横方向に結晶成長させた領域から、さらに上記横方向へと、上記加熱処理によって横方向に結晶化させた領域の隣接領域を溶融固化過程において結晶成長させる第２結晶成長工程と、
上記触媒元素を導入し、加熱処理によって結晶成長させた第１の結晶化領域と、強光照射によって横方向に結晶成長させた第２の結晶化領域とを用いて、半導体装置の能動領域を形成する能動領域形成工程とを少なくとも有し、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記非晶質ケイ素膜への選択的な触媒元素の導入は、
非晶質ケイ素膜上に、選択的に触媒元素が導入される領域が開口されてなるマスクを形成した後に行われ、
上記マスクの平面的な形状は、所定間隔を隔てて並列に並んでいる複数の線状の形状であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０または１２に記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素導入工程で、線状のマスクを用いて、上記触媒元素を上記非晶質ケイ素膜に選択的に導入し、
上記第１結晶成長工程で、加熱処理によって、上記マスクに覆われていない領域の非晶質ケイ素膜を結晶化する一方、上記マスクに覆われた領域は非晶質状態のままとし、
上記第２結晶成長工程で、強光を照射して、上記マスクに覆われた非晶質領域を結晶化するに際し、
上記マスクのパターンの短辺方向の幅を、上記マスクに覆われていた非晶質領域が、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
上記線状のマスクは、そのパターンの短辺方向の幅が、６μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１または１２に記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素導入工程で、上記非晶質ケイ素膜上に設けられた線状のマスクを用いて、上記非晶質ケイ素膜に上記触媒元素を選択的に導入し、
上記第１結晶成長工程で、上記触媒元素が選択的に導入された領域の非晶質ケイ素膜を、加熱処理によって、選択的に結晶成長させ、さらにその領域から基板と平行な横方向へとマスク下の周辺領域を結晶成長させ、このマスク下の領域で、非晶質領域が一部残存した状態で、上記結晶成長を停止させ、
上記第２結晶成長工程で、強光を照射して、上記残存した非晶質領域を結晶化させるに際し、
上記加熱処理で横方向に結晶成長した領域に挟まれて存在する線状の非晶質領域の短辺方向の線幅を、上記非晶質領域が、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記加熱処理で横方向に結晶成長した領域に挟まれて存在する線状の非晶質領域の短辺方向の線幅を、６μｍ以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１０乃至１６のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
所定間隔を隔てた複数の線状マスクでもって、上記触媒元素を上記非晶質ケイ素膜へ選択的に導入し、
この所定間隔を隔てた複数の線状マスクは、その線方向が、能動領域において、半導体装置としてのキャリアが流れる方向と、略平行となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１０乃至１７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素を導入し加熱処理によって結晶成長させた領域と、強光照射によってその領域をシードとして横方向に結晶成長させた領域とを用いて、半導体装置の能動領域を形成する能動領域形成工程において、
それぞれの結晶化領域は、所定間隔を隔てた複数の線状に隣接しており、強光照射によって結晶成長させた線状の領域が、少なくとも２本以上、上記半導体装置の能動領域に含まれるように、半導体装置のチャネル幅およびそれぞれの結晶化領域の短辺方向の線幅を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１９】
請求項１０乃至１８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第１結晶成長工程における加熱処理の温度を、
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のみが発生し、触媒元素による結晶成長のみ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２０】
請求項１９に記載の半導体装置の製造方法において、
上記加熱処理は、５２０℃から５８０℃の範囲の温度で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
請求項１０乃至１８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２結晶成長工程における強光の強度を、
非晶質領域は完全に溶融する一方、触媒元素によって結晶化された領域は完全に溶融せず、少なくとも元の結晶状態が失われない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２２】
請求項２１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２結晶成長工程で、
強光として、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用い、ケイ素膜表面に対するエネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ/ｃｍ2となる範囲内で、強光を照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
請求項１０乃至２２のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた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２４】
請求項１０乃至２３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第２結晶成長工程の後に、
少なくとも、後に半導体装置の能動領域となる以外のケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する５族Ｂ元素導入工程と、
第２の加熱処理を行い、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させ、半導体装置の能動領域中の触媒元素量を低減する触媒元素低減工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の半導体装置の製造方法において、
上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉのうちから選ばれた少なくとも一つの元素が用いられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２６】
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に、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が選択的に導入された領域の非晶質ケイ素膜を、固相成長により選択的に結晶成長させる第１結晶成長工程と、
強光を照射し、上記選択的に結晶成長させた領域から上記基板と平行な横方向へと、上記選択的に結晶化させた領域の隣接領域を溶融固化過程において結晶成長させる第２結晶成長工程と、
上記触媒元素を導入し加熱処理によって結晶成長させた第１の結晶化領域と、強光照射によって横方向に結晶成長させた第２の結晶化領域とを用いて、第１種の薄膜トランジスタの能動領域を形成し、第２種の薄膜トランジスタの能動領域を上記第１の結晶化領域のみで形成する能動領域形成工程とを有し、
上記第１種の薄膜トランジスタの能動領域内に、上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合うストライプ状であり、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部には、結晶成長境界が上記第２の結晶化領域の延在方向と平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置す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、半導体装置およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、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する半導体装置およびその製造方法に関する。特に、この発明は、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)を用いた半導体装置に有効であり、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ー、三次元ＩＣなどに利用できる。
【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ー、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、絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みがなされている。これらの装置に用いられる半導体素子には、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としては、非晶質ケイ素半導体(ａ−Ｓｉ)からなるものと結晶性を有するケイ素半導体からなるものの２つに大別される。
【０００３】
非晶質ケイ素半導体は、作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられているが、導電性等の物性が結晶性を有するケイ素半導体に比べて劣る。このため、今後、より高速特性を得るためには、結晶性を有するケイ素半導体からなる半導体装置の作製方法の確立が強く求められていた。尚、結晶性を有するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ素等が知られている。
【０００４】
これら結晶性を有する薄膜状のケイ素半導体を得る方法としては、
(１) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。
【０００５】
(２) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光のエネルギーによって結晶性を有せしめる。
【０００６】
(３) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることによって結晶性を有せしめる。といった方法が知られている。
【０００７】
しかしながら、上記(１)の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素を得るにはケイ素膜の厚膜化が不可欠であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上に全面に渡って均一に成膜することが技術上困難である。
【０００８】
また、上記(２)の方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理され、比較的高品質な結晶性ケイ素膜が得られるが、現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、未だ十分な安定性のものが得られておらず、半導体装置の性能面でも十分ではない。
【０００９】
また、上記(３)の方法は、上記(１)、(２)の方法と比較すると、基板内の均一性、安定性においては有利であるが、６００℃で３０時間程の長時間にわたる加熱処理が必要であり、処理時間が長く、スループットが低いという問題点がある。また、この方法では、結晶構造が双晶構造となるので、―つの結晶粒は数μｍと比較的大きいが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含み、上記(２)の方法に比べて結晶性は劣る。この結晶性を向上させる手段としては、さらに１０００℃程度で酸素雰囲気にて加熱処理を施すような手法も用いられているが、この場合には安価なガラス基板が使用できるプロセスでは無く、それでも素子特性としてもＴＦＴにおいて電界効果移動度１００ｃｍ2/Ｖｓ程度の低い特性しか得られていない。
【００１０】
これらの方法に対して、上記(３)の方法を改善し、高品質な結晶性ケイ素膜を得る方法が特開平９−４５９３１公報で提案されている。これらの方法では、非晶質ケイ素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。具体的には、非晶質ケイ素膜の表面にニッケルやパラジウム等の金属元素を微量に導入させ、しかる後に加熱を行うものである。
【００１１】
この低温結晶化のメカニズムは、まず金属元素を核とした結晶核発生が早期に起こり、その後その金属元素が触媒となって結晶成長を助長し、結晶化が急激に進行することで理解される。そういった意味で、以後、これらの金属元素を触媒元素と呼ぶ。通常の固相成長法(上記(３)の方法)で結晶化した結晶性ケイ素膜の一つの粒内が双晶構造であり、多数の結晶欠陥を有しているのに対して、これらの触媒元素によって結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、その粒内は何本もの柱状結晶ネットワークで構成されており、それぞれの柱状結晶内部はほぼ理想的な単結晶状態となっている。
【００１２】
さらに、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に触媒元素を導入して加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみを結晶化し、そして、さらに加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長を行わせる。この横方向結晶成長領域の内部では、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、この横方向結晶成長領域の結晶性ケイ素膜を半導体装置の活性領域に用いることによって、半導体装置を高性能化できる。
【００１３】
特開平９−４５９３１公報に記載の方法では、高速動作が必要なＴＦＴに対して、その活性領域を構成する結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに高めるため、上記触媒元素によって結晶化した後、さらにレーザー光などの強光を照射する工程を追加している。すなわち、この工程によって、触媒元素を用い加熱処理で結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに高め、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。
【００１４】
その他、上記公報のように、触媒元素による結晶化に加えて、レーザーなどの強光照射工程を組み合わせる例として、特開平７−２２１０１７公報がある。この公報に記載の方法では、触媒元素を非晶質ケイ素膜に導入した後、わずかな時間の加熱処理を行い、結晶核のみを形成し、その後、レーザー光を照射して結晶化を行わせている。すなわち、上記公報に記載の方法では、メインの結晶化をレーザー照射で行っている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記触媒元素を用いて結晶化されたケイ素膜は、良好な結晶性を有してはいるが、各結晶粒内には欠陥が多い。したがって、本発明の目的とする高性能半導体装置の活性層に用いるケイ素膜としては、より結晶欠陥を低減させた高品質な結晶性ケイ素膜が望まれる。結晶性をより高めるためには、触媒元素を用いて結晶化した後に、さらに高温(８００〜１１００℃)で酸化雰囲気で熱処理する方法と、レーザー光を照射する方法とがある。前者では、いわゆる高温プロセスになり、安価なガラス基板を使用することはできない。
【００１６】
このため、安価なガラス基板を用いることを前提とすれば、後者の方法を用いることになる。触媒元素を導入して加熱することによって結晶化された結晶性ケイ素膜は、幅８００〜１０００Åの柱状結晶のネットワーク状態によって、それぞれの結晶粒が構成されている。個々の柱状結晶の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って転位などの結晶欠陥が結晶粒内に多数存在する。レーザー照射は、この良好な結晶性を有する柱状結晶成分を基に、結晶粒内の欠陥を消滅させることを目的とするが、現実には、非常に難しい。
【００１７】
実際に、触媒元素によって結晶化された結晶性ケイ素膜にレーザー照射すると、低いレーザーパワーでは、ほとんど効果がなく、元の結晶状態をほぼ維持するだけで大きくは改善されない状態となる。一方、高いレーザーパワーでは、元の結晶状態がリセットされ、レーザーのみによって結晶化されたのと同様の状態になる。その中間状態を形成するのは非常に難しく、レーザーパワーのマージンが全く無い。
【００１８】
その結果、触媒元素によって結晶化された結晶性ケイ素膜に、さらにレーザー光を照射して結晶性を改善したつもりで、ＴＦＴの活性領域を形成した場合、そのＴＦＴの特性は、触媒元素による結晶化のみ(レーザー照射無し)で形成した場合とほとんど差のない電流駆動能力の低い特性、もしくは、レーザー照射のみで結晶化した場合と同様に、電流駆動能力はそこそこあるが特性ばらつきが大きな特性になる。すなわち、従来法のまま、触媒元素によって結晶化されたケイ素膜にさらにレーザー光を照射しても、それ以上の大きな改善を行うことはできなかった。
【００１９】
また、特開平７−２２１０１７公報に記載の方法では、触媒元素を非晶質ケイ素膜に導入した後、わずかな時間の加熱処理を行い、結晶核のみを形成し、その後レーザー光を照射して結晶化を行わせている。すなわち、メインの結晶化はレーザー光の照射によって行うもので、レーザー照射による効果を十分に引き出すのは適している。しかしながら、上記公報の方法では、触媒元素を非晶質ケイ素膜に対して全面的に導入し、結晶核を形成しているので、その結晶核の形成を十分に制御することは困難である。すなわち、結晶核の発生は全くランダムであり、どの位置に生じるか予測できない。結晶核の位置が十分に制御できないと、レーザー照射による結晶化の際、場所によっては触媒元素によって形成された結晶核から成長をする領域もあれば、非晶質から直接結晶成長する(すなわち、従来のレーザー照射の結晶成長)領域も現れる。なぜなら、レーザー照射は、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、触媒元素によって形成された結晶核からある程度以上の距離が離れたところでは、結晶核からの結晶成長が到達するより先に、自然固化による従来の結晶化が生じるからである。このような結晶性ケイ素膜を用いて半導体装置を作製した場合、各素子領域における結晶状態が大きくばらつく。したがって、その結果、半導体装置における特性が不安定となり、特性ばらつきが非常に大きくなる。
【００２０】
そこで、この発明の目的は、上述の問題点を全て解決すべく、絶縁表面を有する基板上に作製された高性能でばらつきの少ない半導体装置、および、そのような半導体装置を歩留まりよく、簡便な方法で作製できる製造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】
本発明者らは、触媒元素を用いて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、この利点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、ついにそれを実現し、非常に高性能で安定性の高い半導体装置と、そのような半導体装置を作製する方法を見出した。
【００２２】
すなわち、この発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に形成された結晶性を有するケイ素膜を能動(チャネル)領域として構成される半導体装置において、
上記能動(チャネル)領域は、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶化された第１の結晶化領域と、上記第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とからなる結晶性ケイ素膜によって構成され、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されていることを特徴としている。
【００２３】
この発明では、上記選択的に触媒元素を導入し結晶成長させたケイ素膜領域をシードとして、溶融固化過程において成長させた上記第２の結晶化領域は、特開平９−４５９３１公報の従来法によって結晶化されたケイ素膜とは、大きく異なり、非常に高品質な結晶性ケイ素膜となっている。
【００２４】
一方、従来行われていた方法(特開平９−４５９３１公報)では、触媒元素を用いて完全に非晶質ケイ素膜を結晶化した後、その後にレーザー光などの強光照射を行い、その領域の結晶性の向上を図っていたが、この方法では、前述のように、触媒元素による結晶化後に存在する結晶欠陥を十分に改善することができず、その改善効果を高めるため、強光の強度を上げると、触媒元素による結晶化状態がリセットされてしまう。
【００２５】
これに対して、本発明の半導体装置における第２の結晶化領域は、非晶質状態から、触媒元素による結晶化領域の結晶性を反映して、溶融固化で結晶成長したものであるので、触媒元素による結晶化領域のミクロ的に良好な結晶成分(柱状結晶成分)を効率的に引き継ぎ、非晶質状態から結晶成長される。したがって、通常の溶融固化による結晶化と同様、その領域には欠陥も非常に少ない。すなわち、本発明における上記第２の結晶化領域は、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、強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となっている。
【００２６】
ところで、この非常に高品質な第２の結晶化領域は、触媒元素を非晶質ケイ素膜に選択的に導入して結晶成長させたケイ素膜領域をシードとして、溶融固化過程において成長させて、得られるものである。したがって、この第２結晶化領域を、基板上に大面積にわたって形成することは非常に難しく、ミクロンオーダーの微小領域しか得られない。したがって、非晶質ケイ素膜に触媒元素を導入して加熱処理で結晶成長させた第１の結晶化領域と、それをシードとして溶融固化過程において成長させた第２の結晶化領域との両者でもって、半導体装置の能動(チャネル)領域を構成している。
【００２７】
この構成の半導体装置において、キャリアは、この非常に良好な結晶性を有する第２の結晶化領域を用いて主に移動することになり、半導体装置の能動(チャネル)領域の一部をこの第２の結晶化領域で構成することで、今までにない非常に高性能な(特に電流駆動能力の高い)半導体装置を実現できる。
【００２８】
具体的に、本発明によれば、従来法の特開平９−４５９３１公報によって作製されたＴＦＴと比べて、電界効果移動度として、２〜３倍程の非常に大きな向上が見られた。
【００２９】
また、本発明は、レーザー光によって結晶化を行っている特開平７−２２１０１７公報に記載のものとも異なる。つまり、この特開平７−２２１０１７公報では、非晶質ケイ素膜全面に触媒元素を導入した後、わずかな時間の加熱処理を行い、結晶核のみを形成し、その後レーザー光を照射して結晶化を行わせている。これに対し、本発明では、触媒元素の導入領域を制御し、結晶核ではなく、きっちりとした結晶化領域をまず形成している。
【００３０】
本発明では、結晶核ではなく、シード領域として、結晶性が安定した状態の広範囲な結晶化領域を形成することで、後の強光照射による結晶化状態を安定させることが大きなポイントである。さらに、非晶質ケイ素膜を、触媒元素によって、選択的に結晶化して、その第１結晶化領域の結晶性を選択的に反映し、溶融固化で結晶化された第２の結晶化領域を得る。したがって、その溶融固化による第２の結晶化領域の位置を制御することは容易であり、半導体装置の能動(チャネル)領域との位置関係をコントロールできる。よって、この発明によれば、特開平７−２２１０１７公報とは異なり、全ての半導体素子において能動(チャネル)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。
【００３１】
また、一実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが概略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっている状態の結晶性ケイ素膜によって、能動(チャネル)領域が構成されている。
【００３２】
この実施形態では、第２の結晶化領域は、線状の第１の結晶化領域から一次元的に結晶成長されることで、その結晶成長方向や結晶成長境界ができ、また、比較的大きな面積の第２の結晶化領域が得られる。また、このときの第１の結晶化領域の幅と第２の結晶化領域との幅をコントロールすることで、半導体装置の特性をコントロールすることも可能である。
【００３３】
さらに、また、本実施形態において、溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域の大きさが、最も重要なパラメーターである。この第２の結晶化領域の大きさは、上述のような線状の第１結晶化領域の領域間の幅として、コントロールできる。
【００３４】
本実施形態における第２の結晶化領域は、隣接する第１の結晶化領域の結晶性を引き継いで結晶成長されたものでないと意味がない。よって、第２の結晶化領域の線幅(短辺方向の幅)は、隣接する第１の結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下であることが必要である。
【００３５】
また、他の実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記線状の第２の結晶化領域の幅は、６μｍ以下である。
【００３６】
この実施形態では、第２の結晶化領域は、その線幅(短辺方向の幅)が６μｍ以下であるから、隣接する第１の結晶化領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる。したがって、その第２の結晶化領域内は、全て、第１の結晶化領域をシードとして溶融固化過程において結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜となる。
【００３７】
また、一実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動(チャネル)領域でのキャリアの移動方向(チャネル方向)に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置されている。
【００３８】
この実施形態では、上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とを、それぞれ略線状とし、それぞれが隣接し合うストライプ状とした。この場合、線状の第２の結晶化領域の中央部には、両脇の第１の結晶化領域からそれぞれ挟まれるように結晶成長してきた領域がぶつかり合って形成された結晶成長境界が現れる。この結晶境界は、第２の結晶化領域の中央に、その線状領域と平行に、線状に存在する。この成長境界は、それぞれの結晶領域が全く逆の方向から進行し、ぶつかり合ってできたものであり、Ｓｉ原子の結合が完全に途絶え、半導体装置におけるキャリアに対して、非常に大きなトラップあるいは散乱中心となっている。
【００３９】
したがって、本実施形態では、半導体装置の能動(チャネル)領域でのキャリアの移動方向(チャネル方向)に対して、上記線状の成長境界が少なくとも横切らないように配置されている。これにより、キャリアは、この成長境界をまたぐことなくチャネルを移動することができるから、この成長境界による影響を防ぎ、高い電流駆動力をもつ高性能な半導体装置を実現できる。
【００４０】
また、一実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記線状の第２の結晶化領域の中央部には、結晶成長境界が上記第２の結晶化領域の延在方向と平行に線状に存在しており、
上記能動(チャネル)領域でのキャリアの移動方向(チャネル方向)と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されている。
【００４１】
この実施形態では、半導体装置の能動(チャネル)領域でのキャリアの移動方向(チャネル方向)と、上記線状の成長境界のその線方向とが、略平行となるように配置されている。これにより、全てのキャリアが、最短距離でチャネル内を移動できるようになり、この成長境界による影響を完全に防ぎ、より高い電流駆動力をもつ高性能な半導体装置を実現できる。
【００４２】
なお、チャネル方向に対して、成長境界が斜めに存在している場合には、成長境界を避けるようにして優先的にキャリアが流れるから、そのパスが長くなる。
【００４３】
ところで、この実施形態では、第２の結晶化領域における溶融固化過程での結晶成長方向に対して、能動(チャネル)領域でのキャリアの移動方向が垂直となるから、キャリアの移動を阻害するように思われる。
【００４４】
確かに、この実施形態では、触媒元素によって結晶化された領域の結晶性を反映して、溶融固化における結晶化の際、横方向(基板と平行な方向)に結晶成長する。このとき、成長方向に対して垂直方向には、シード領域である触媒元素による結晶化領域の結晶状態の違いを反映して、結晶粒界が生じている。
【００４５】
しかしながら、半導体装置におけるキャリアに対するそのトラップ効果と散乱効果は、上記結晶粒界に比べて、第２の結晶化領域中央に形成される前述の結晶境界部の方が、はるかに大きいから、結晶境界部を避けることを優先した構成にしている。
【００４６】
また、他の実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記能動(チャネル)領域は、少なくとも複数本の線状の第２の結晶化領域を含んでいる。
【００４７】
この実施形態では、上記能動(チャネル)領域は、少なくとも複数本の線状の第２の結晶化領域を含んでいる。チャネル領域に含まれる線状の第２の結晶化領域の本数は多ければ多いほど良く、電流駆動能力が向上し、素子間での特性ばらつきが低減される。
【００４８】
特に、電流駆動能力が要求される半導体素子はチャネル幅が大きく、線状の第２の結晶化領域を多数含むことが可能であるが、チャネル幅が小さい半導体素子における最低条件として、少なくとも複数本の線状の第２の結晶化領域が、そのチャネル領域に含まれる必要がある。これによって、個々の半導体素子における特性の均一性と、高性能でばらつきの少ない半導体装置を確保できる。
【００４９】
また、他の実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記能動(チャネル)領域は、上記触媒元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3の濃度で含有している。
【００５０】
また、一実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記能動(チャネル)領域が含有している触媒元素は、ニッケルである。
【００５１】
さて、この実施形態の半導体装置は、その能動(チャネル)領域を、触媒元素を用いて加熱処理で結晶化された第１の結晶化領域と、それをシード領域として溶融固化過程で結晶成長させた第２の結晶化領域とによって、構成されるものである。したがって、この実施形態によって得られる半導体装置では、その能動領域に触媒元素を幾分か含んでおり、それが、本発明の半導体装置を特定化できる根拠となる。本発明において利用できる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または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果があり、半導体(結晶性ケイ素)中で、比較的不活性な傾向が強く、半導体装置における電気的な悪影響を抑制できる。したがって、この発明の半導体装置では、これらの元素の内の何れかが、能動(チャネル)領域にある程度の量だけ含まれている。
【００５２】
そして、特に、これらの触媒元素の中でも、とりわけＮｉを用いた場合に最も顕著な効果が得られることがわかっている。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、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ＮｉＳｉ2のシリサイドを形成する。ＮｉＳｉ2は螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、ＮｉＳｉ2はその格子定数が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に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、得られる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。
【００５３】
本実施形態の半導体装置においても、溶融固化による結晶化の際のシード領域である触媒元素による結晶化領域の結晶性は、非常に重要であり、これが半導体装置の特性を大きく左右する。したがって、本実施形態の半導体装置においては、Ｎｉを触媒元素として用い、その能動領域にはＮｉがある程度の量残存していることが、本実施形態の効果を最も有効に引き出した結果および証拠となる。
【００５４】
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、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3であることが望ましい。ニッケルが５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3を越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)中に偏在する領域が多数現れだし、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすようになる。一方、ニッケルが５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3以下の量では、ほとんどシリサイドとして析出せず、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ていない。このように、ニッケルシリサイドが析出し出した時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よりも少ない場合には、ニッケルの触媒効果を用いて非晶質ケイ素膜が十分に結晶化されたとは考えられない。この場合、シード領域の結晶性が低く、本発明の効果は得られないと考えられる。
【００５５】
例えば、結晶化後の後の工程において、活性領域のニッケル量を低減するような方法を用いたとしても、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、１×１０16ａｔｏｍｓ/ｃｍ3以下の量にまで低下させることはできず、これ以上の量のニッケルが必ず残る。したがって、この実施形態の半導体装置においては、能動(チャネル)領域中に含まれているニッケルの濃度が、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3であるときに、本発明の効果を最も引き出した状態となっている。
【００５６】
また、他の実施形態の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に、結晶性を有するケイ素膜を能動(チャネル)領域とする複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、
上記複数の薄膜トランジスタは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、この第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とによって構成された能動(チャネル)領域を有する第１種の薄膜トランジスタと、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を導入してから、加熱処理によって固相成長により結晶化された第１の結晶化領域のみによって構成されている能動(チャネル)領域を有する第２種の薄膜トランジスタとを含んでおり、
上記第１種の薄膜トランジスタは、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されている。
【００５７】
また、一実施形態の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に、画素電極をスイッチングする画素電極スイッチング用薄膜トランジスタと、上記画素電極スイッチング用薄膜トランジスタを駆動するドライバー回路を構成するドライバー回路用薄膜トランジスタとが設けられたドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置において、
上記ドライバー回路用薄膜トランジスタの少なくとも一つは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、この第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とによって構成された能動(チャネル)領域を有し、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されており、
上記画素電極スイッチング用の薄膜トランジスタは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を導入すると共に加熱処理によって固相成長により結晶化された第１の結晶化領域のみによって構成されている能動(チャネル)領域を有している。
【００５８】
上記２つの実施形態は、複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置に適用する場合である。通常は、基板上に複数の薄膜トランジスタ素子が設けられ、半導体装置が構成されているのであるが、それぞれの薄膜トランジスタに求められる特性は一様ではなく、それぞれがどのような目的で使用されているかによって違っている。一般には、電流駆動能力が求められる薄膜トランジスタに対しては、チャネル幅を大きくすることで対応し、メモリー素子など高い電荷保持能力(低リーク電流)が求められる薄膜トランジスタについては、チャネル幅を小さくすることでリーク電流の低減を図っている。
【００５９】
この発明は、薄膜トランジスタのチャネル領域を構成する結晶性ケイ素膜の結晶性をより高め、より高い電流駆動能力を達成することを一つの目的としている。
【００６０】
このようにそれぞれ異なった特性が求められる薄膜トランジスタを同時形成する場合においては、本発明による効果を使い分け、それぞれの特性に応じた薄膜トランジスタを得ることが有効である。特に、電流駆動能力が求められる薄膜トランジスタでは、チャネル幅が広いから、本発明を適用するのに適している。すなわち、高い結晶性を有する多数の第２の結晶化領域を、チャネル内に含ませることは容易である。
【００６１】
これに対し、低リーク電流が求められ、特に、チャネル幅が小さい薄膜トランジスタにおいては、第２の結晶化領域を用いず、触媒元素によって結晶化された第１の結晶化領域のみで、そのチャネル領域を構成すればよい。
【００６２】
また、他の実施形態の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に、結晶性を有するケイ素膜を能動(チャネル)領域とする複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置において、
上記複数の薄膜トランジスタは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、この第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とによって構成された能動領域(チャネル)を有する第１種の薄膜トランジスタと、
触媒元素を用いることなく、非晶質ケイ素膜を強光照射による溶融固化過程のみによって結晶化させた第３の結晶化領域によって構成されてなる能動領域(チャネル)を有する第３種の薄膜トランジスタとを含んでおり、
上記第１種の薄膜トランジスタは、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されている。
【００６３】
この実施形態では、触媒元素の導入を全く行わずに、チャネル全体が完全にマスクされた状態で非晶質状態のまま残し、直接強光照射による溶融固化過程のみで第３の結晶化領域を結晶化させ、この第３結晶化領域でもって、チャネル領域を形成した。これは、低リーク電流が要求されるチャネル幅が小さい薄膜トランジスタに有効である。
【００６４】
低リーク電流が要求されるチャネル幅が小さい薄膜トランジスタに、第２の結晶化領域を適用すると、それぞれの素子において、第２の結晶化領域の数および面積が少しばらつくと、大きな特性差となって現れることになる。したがって、この場合、むしろ、第１の結晶化領域あるいは溶融固化過程のみで結晶化された第３の結晶化領域のみで、そのチャネル領域を構成することが好適である。
【００６５】
また、一実施形態の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に、画素電極をスイッチングする画素電極スイッチング用薄膜トランジスタと、上記画素電極スイッチング用薄膜トランジスタを駆動するドライバー回路を構成するドライバー回路用薄膜トランジスタが設けられたドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置において、
上記ドライバー回路用薄膜トランジスタの少なくとも一つは、
非晶質ケイ素膜に、その非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入してから、加熱処理によって固相成長により選択的に結晶化され結晶成長された第１の結晶化領域と、この第１の結晶化領域をシードとして、強光照射による溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域とによって構成された能動(チャネル)領域を有し、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置されており、
上記画素電極スイッチング用の薄膜トランジスタは、
触媒元素を用いることなく、非晶質ケイ素膜を強光照射による溶融固化過程のみによって結晶化させた第３の結晶化領域によって構成されてなる能動(チャネル)領域を有している。
【００６６】
この実施形態は、特に、前述のような同一基板上に全く異なる特性の薄膜トランジスタが多数構成される半導体装置として、画素電極をスイッチングする薄膜トランジスタと、上記画素電極スイッチング用の薄膜トランジスタを駆動するドライバー回路を構成する薄膜トランジスタが設けられたドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置である。
【００６７】
このドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置は、液晶表示装置やイメージセンサーなどに一般的に用いられる。このドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置は、特に、それぞれの薄膜トランジスタの目的、特徴が明確であり、この発明を用いてそれぞれの目的に合った薄膜トランジスタを作り分けるのに適している。
【００６８】
したがって、前述のような理由から、ドライバー回路を構成する薄膜トランジスタの少なくとも一部(特に高い電流駆動能力が求められるＴＦＴ)は、そのチャネル領域が、第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とによって構成される。一方、画素電極スイッチング用の薄膜トランジスタは、そのチャネル領域が、触媒元素を用いることなく、非晶質ケイ素膜を溶融固化過程のみによって結晶化させた第３の結晶化領域によって構成されている。
【００６９】
また、他の実施形態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に、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が選択的に導入された領域の非晶質ケイ素膜を、固相成長により選択的に結晶成長させる第１結晶成長工程と、
強光を照射し、上記選択的に結晶成長させた領域から横方向(基板と平行な方向)へと、上記選択的に結晶化させた領域の隣接領域を溶融固化過程において結晶成長させる第２結晶成長工程と、
上記触媒元素を導入し加熱処理によって結晶成長させた第１の結晶化領域と、強光照射によって横方向に結晶成長させた第２の結晶化領域とを用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する能動領域形成工程とを少なくとも有し、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置する。
【００７０】
この実施形態の製造方法では、触媒元素を導入し、加熱処理によって結晶成長させた領域と、強光照射によって横方向に結晶成長させた領域とを用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成している。
【００７１】
このとき、強光を照射する第２結晶成長工程において、触媒元素によって結晶化された領域の結晶性を反映して、溶融固化現象によって、横方向に結晶成長が生じている。すなわち、強光照射によって、触媒元素による結晶化領域のミクロ的に良好な結晶成分(柱状結晶成分)を効率的に引き継ぎ、非晶質状態から結晶成長する。これにより、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、強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。
【００７２】
そして、この結晶化領域が、半導体装置の能動(チャネル)領域に確実に含まれるようにアライメントして形成する結果、今までにない非常に高性能(特に電流駆動能力の高い)で、素子間ばらつきの非常に少ない安定した特性を示す半導体装置が得られる。
【００７３】
また、一実施形態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に、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入する触媒元素導入工程と、
加熱処理を施し、上記触媒元素が選択的に導入された領域の非晶質ケイ素膜を選択的に固相成長により結晶成長させ、さらにその領域から横方向(基板と平行な方向)へと、その周辺領域を結晶成長させる第１結晶成長工程と、
強光を照射し、上記加熱処理によって横方向に結晶成長させた領域から、さらに横方向(基板と平行な方向)へと、上記加熱処理によって横方向に結晶化させた領域の隣接領域を溶融固化過程において結晶成長させる第２結晶成長工程と、
上記触媒元素を導入し、加熱処理によって結晶成長させた第１の結晶化領域と、強光照射によって横方向に結晶成長させた第２の結晶化領域とを用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する能動領域形成工程とを少なくとも有し、
上記能動領域内に上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域の両方が含まれ、
上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっており、
上記線状の第２の結晶化領域の中央部に、結晶成長境界が、第２の結晶化領域が線状に延在している方向と略平行に線状に存在しており、
上記線状の結晶成長境界は、能動領域でのキャリアの移動方向に延びる線分に対して少なくとも横切らないように、配置され、かつ、上記能動領域でのキャリアの移動方向と、上記線状の結晶成長境界の線状延在方向とが、略平行になるように配置する。
【００７４】
この実施形態の製造方法では、強光照射によって、上記加熱処理によって横方向に結晶成長させた領域から、さらに横方向(基板と平行な方向)へと、上記加熱処理によって横方向に結晶化させた領域の隣接領域を結晶成長させる。その後、この強光照射によって横方向に結晶成長させた領域が含まれるようにして、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する。
【００７５】
この実施形態の半導体装置の製造方法においても、触媒元素を導入し加熱処理によって結晶化された領域の結晶性ケイ素膜の結晶性が、溶融固化による結晶化の際のシード領域であり、重要である。なぜなら、シード領域の結晶性が低ければ、強光照射による溶融固化で得られる結晶性も、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。
【００７６】
このシード領域(すなわち触媒元素によって加熱処理で結晶化される結晶性ケイ素膜)の結晶性を、さらに高める方法として、上記方法が有効なのである。
【００７７】
すなわち、この実施形態では、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に触媒元素を導入し加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみを結晶化し、そして、さらに加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長を行わせている。この横方向結晶成長領域の内部では、成長方向が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。
【００７８】
よって、この実施形態において、この横方向結晶成長領域の結晶性ケイ素膜を、強光照射に際のシード領域とすることによって、さらに強光照射による結晶成長領域の結晶性を高めることができ、半導体装置をさらに高性能化できる。
【００７９】
また、他の実施形態の半導体装置の製造方法は、上記半導体装置の製造方法において、
上記非晶質ケイ素膜への選択的な触媒元素の導入は、
非晶質ケイ素膜上に、選択的に触媒元素が導入される領域が開口されてなるマスクを形成した後に行われ、
上記マスクの平面的な形状は、所定間隔を隔てて並列に並んでいる複数の線状の形状である。
【００８０】
この実施形態の製造方法では、強光照射によって、触媒元素を導入し加熱処理によって結晶化された領域をシード領域として、その隣接領域を結晶化するので、触媒元素によって結晶化されたシード領域と、強光照射によって結晶化される領域との位置関係(配置)が重要となる。すなわち、先の工程で行われる非晶質ケイ素膜への選択的な触媒元素の導入パターンがポイントとなる。
【００８１】
この実施形態では、非晶質ケイ素膜への選択的な触媒元素の導入は、非晶質ケイ素膜上に、選択的に触媒元素が導入される領域が開口されてなるマスクを形成した後に行われ、そのマスクの平面的な形状は、それぞれが線状であり、かつ、それぞれが並列に並んでいるライン＆スペース形状である。この実施形態のように、例えば、フォトリソグラフィーによって形成されたマスクを設けることで、そのライン幅およびスペース幅を正確に制御することが可能となり、後に、半導体装置の能動(チャネル)領域に対する位置合わせを精度よく行える。
【００８２】
また、このときのマスクの平面的な形状が、それぞれ線状であり、かつ、それぞれが並列に並んでいるライン＆スペース形状であるから、非晶質ケイ素膜への触媒元素の選択的な導入が線状に行われる。その後、加熱処理によって、非晶質ケイ素膜を線状に選択的に結晶成長させると共に、残存する非晶質(未結晶化)領域も線状となる。
【００８３】
この実施形態では、触媒元素を用いて線状に結晶化した領域によって両側から挟まれるように、線状の非晶質(未結晶化)領域を存在させ、それに強光を照射して、隣接する結晶化領域から、横方向(基板と平行な方向)へと結晶成長させる。すなわち、強光照射によって結晶化される残存非晶質(未結晶化)領域が、触媒元素による結晶化領域によって、線状に挟まれて配置される。このことで、強光照射の際に、上記残存非晶質(未結晶化)領域の両脇の結晶化領域から(すなわち２方向から)、横方向結晶成長が行われる。
【００８４】
これにより、隣接する触媒元素によって結晶化された領域の結晶性を効率良く、かつ、広面積にわたって反映することが可能となる。
【００８５】
また、このような形状であれば、強光照射による横方向の結晶化の際、その線幅方向あるいは短辺方向に沿った方向での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。
【００８６】
また、このときのマスクの線幅と線状マスク間のスペース幅との設定によって、シード領域(触媒元素によって結晶化された領域)の幅を小さくして、強光照射によってそこから横方向に結晶成長させた領域の面積比を大きくすることが可能である。したがって、強光照射によって触媒元素の結晶化領域の結晶性を反映して形成された高品質な結晶性ケイ素膜を、比較的広面積の領域として得ることができ、半導体装置を高性能化できるだけでなく、その素子領域のレイアウトが容易となる。
【００８７】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素導入工程で、線状のマスクを用いて、上記触媒元素を上記非晶質ケイ素膜に選択的に導入し、
上記第１結晶成長工程で、加熱処理によって、上記マスクに覆われていない領域の非晶質ケイ素膜を結晶化する一方、上記マスクに覆われた領域は非晶質状態のままとし、
上記第２結晶成長工程で、強光を照射して、上記マスクに覆われた非晶質領域を結晶化するに際し、
上記マスクのパターンの線幅(短辺方向の幅)を、上記マスクに覆われていた非晶質領域が、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる幅の最大値以下とする。
【００８８】
この実施形態で、重要なポイントとなるのは、上記触媒元素による加熱処理での選択的な結晶成長後において、上記選択的に結晶成長した領域に挟まれて、あるいは囲まれて残存している線状の非晶質(未結晶化)領域の幅である。この線幅(短辺方向の幅)は、強光照射において、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる幅以下であることが必要である。これによって、強光照射によって触媒元素の結晶化領域をシードとして結晶化された高品質結晶性ケイ素膜で、その領域内が満たされる。
【００８９】
強光照射による結晶化でもって、非晶質領域が優先的に溶融し、それらが結晶化領域の良好な結晶成分のみを反映して結晶化されるが、残存している非晶質領域の大きさが大きいところでは、結晶化領域の良好な結晶成分を引き継ぐ前に、その領域が固化結晶化してしまう。もしも、上記線幅あるいは短辺方向の幅が、上記幅の最大値以上であると、その領域内には、非晶質状態から強光照射によって直接的に結晶化された従来の強光照射のみによる結晶性ケイ素膜が、混在することになる。このことは、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。
【００９０】
こういった点から、この実施形態の製造方法においては、触媒元素の導入のための線状のマスクの線幅を、この線状のマスクに覆われていた非晶質領域が、隣接する触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下とした。
【００９１】
また、他の実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記線状のマスクは、そのパターンの線幅(短辺方向の幅)が、６μｍ以下である。
【００９２】
この実施形態では、上記触媒元素による加熱処理での選択的な結晶成長後において、選択的に結晶成長した領域に挟まれて(あるいは囲まれて)残存している略線状の非晶質(未結晶化)領域の線幅(あるいは短辺方向の幅)が、６μｍ以下である。
【００９３】
上記線幅が６μｍ以下であれば、強光照射において、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われ、その領域内は全て、強光照射によって触媒元素の結晶化領域をシードとして結晶化された高品質結晶性ケイ素膜で満たされる。この線幅の値６μｍは、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。
【００９４】
ここで、図１６に、上記実験の結果データーを示す。図１６(Ａ)は、ラマン分光法によって、結晶性ケイ素膜の結晶性そのものを調べた実験結果を示している。また、図１６(Ｂ)は、その結晶性ケイ素膜で作製されたＴＦＴの電界効果移動度を示している。この実験では、具体的に、長辺の長さを５００μｍに固定し、短辺の長さを２μｍから１６μｍに振った矩形状パターンに、非晶質ケイ素膜を残存させた。そして、その非晶質ケイ素膜の中央部を、１μｍφの空間分解能のラマン分光を用いて測定した。
【００９５】
ＴＦＴの場合には、チャネル方向を短辺方向に合わせ、チャネル長を２μｍと固定して、上記残存非晶質領域の矩形パターンの中央部に配置した。図１６(Ａ)の縦軸は、ラマンシフトの波数である。この図１６(Ａ)では、短辺方向の長さが、６μｍを境として、それ以上ではラマンシフト波数が５１６ｃｍ-1へと低下している。これは、強光照射によって、非晶質状態から直接、溶融固化で結晶化した状態を示している。
【００９６】
これに対して、本実施形態の触媒元素による結晶化領域の結晶性を反映して横方向に結晶化したケイ素膜は、ラマンシフト波数が、約５１８ｃｍ-1程度の比較的高波数であり、短辺方向の幅が６μｍ以下の場合には、その中央部まで、触媒元素による結晶化領域をシード領域とした結晶成長が行われていることがわかる。すなわち、片側より３μｍ以内の長さであれば、隣接結晶化領域の結晶性や反映した結晶成長が行われている訳である。
【００９７】
図１６(Ｂ)は、その結晶性ケイ素膜で作製したＴＦＴの電界効果移動度を示す特性で、やはり非晶質領域の短辺方向の長さが６μｍを越えると、電界効果移動度の低下が見られ、ばらつきも大きくなっているのがわかる。その原因は、もちろん、図１６(Ａ)に示すように、従来の強光照射による結晶が現れ出すからである。したがって、この実施形態の製造方法においては、触媒元素の導入のためのそれぞれの線状のマスクパターンの線幅を、６μｍ以下にしている。
【００９８】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素導入工程で、上記非晶質ケイ素膜上に設けられた線状のマスクを用いて、上記非晶質ケイ素膜に上記触媒元素を選択的に導入し、
上記第１結晶成長工程で、上記触媒元素が選択的に導入された領域の非晶質ケイ素膜を、加熱処理によって、選択的に結晶成長させ、さらにその領域から横方向(基板と平行な方向)へとマスク下の周辺領域を結晶成長させ、このマスク下の領域で、非晶質領域が一部残存した状態で、上記結晶成長を停止させ、
上記第２結晶成長工程で、強光を照射して、上記残存した非晶質領域を結晶化させるに際し、
上記加熱処理で横方向に結晶成長した領域に挟まれて存在する線状の非晶質領域の線幅(短辺方向の幅)を、上記非晶質領域が、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下とする。
【００９９】
この実施形態では、先述の実施形態での説明と同じ理由によって、上記加熱処理で横方向に結晶成長した領域に挟まれて存在する線状の非晶質領域の線幅(短辺方向の幅)を、上記非晶質領域が、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下とした。これにより、強光照射によって触媒元素の結晶化領域をシードとして結晶化された高品質結晶性ケイ素膜で、非晶質であった領域内が満たされる。
【０１００】
また、他の実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記加熱処理で横方向に結晶成長した領域に挟まれて存在する線状の非晶質領域の線幅(短辺方向の幅)を、６μｍ以下とする。
【０１０１】
この実施形態では、先述の実施形態での説明と同じ理由によって、上記加熱処理で横方向に結晶成長した領域に挟まれて存在する線状の非晶質領域の線幅(短辺方向の幅)を、６μｍ以下とした。これにより、強光照射によって触媒元素の結晶化領域をシードとして結晶化された高品質結晶性ケイ素膜で、非晶質であった領域内が満たされる。
【０１０２】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、所定間隔を隔てた複数の線状マスクでもって、上記触媒元素を上記非晶質ケイ素膜へ選択的に導入し、この所定間隔を隔てた複数の線状マスクは、その線方向(ラインに平行な方向)が、能動(チャネル)領域において、半導体装置としてのキャリアが流れる方向(チャネル方向)と、略平行となるように形成する。
【０１０３】
強光照射による横方向への結晶成長は、上記ライン＆スペース形状の線状マスクのパターンにおいて、その線方向(ラインに平行な方向)に対して、垂直方向に生じる。したがって、強光照射によって、それぞれ両脇のシードとなる結晶化領域より結晶成長してきた領域(第２結晶化領域)が、その中央部においてぶつかり合い、結晶成長境界が形成される。すなわち、上記のようなライン＆スペース形状の線状マスクのパターンを用い、触媒元素を選択導入した場合、強光照射によって結晶成長された線状領域の中央部において、その線方向に平行に結晶成長境界が形成される訳である。この成長境界は、全く逆の方向からそれぞれの結晶領域が進行しぶつかり合ったものであり、Ｓｉ原子の結合が完全に途絶え、半導体装置におけるキャリアに対して、非常に大きなトラップあるいは散乱中心となっている。したがって、本実施形態の製造方法では、触媒元素の導入を行うライン＆スペース形状の線状マスクのパターンの線方向(ラインに平行な方向)に対して、後の能動(チャネル)領域におけるキャリアの流れる方向(チャネル方向)を、概略平行となるようにした。これによって、キャリアは、この成長境界をまたぐことなくチャネルを移動することができるようになり、この成長境界による悪影響を防ぐことができ、より高い電流駆動力をもつ高性能な半導体装置を実現できる。
【０１０４】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、
上記触媒元素を導入し加熱処理によって結晶成長させた領域と、強光照射によってその領域をシードとして横方向に結晶成長させた領域とを用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する能動領域形成工程において、
それぞれの結晶化領域は、所定間隔を隔てた複数の線状に隣接しており、強光照射によって結晶成長させた線状の領域が、少なくとも２本以上、上記半導体装置の能動(チャネル)領域に含まれるように、半導体装置のチャネル幅およびそれぞれの結晶化領域の線幅(短辺方向の幅)を設定する。
【０１０５】
この実施形態では、強光照射によって結晶成長させた線状の領域が、少なくとも２本以上、上記半導体装置の能動(チャネル)領域に含まれるように、半導体装置のチャネル幅およびそれぞれの結晶化領域の線幅(短辺方向の幅)を設定した。
【０１０６】
本実施形態の半導体装置においては、触媒元素による結晶化領域をシードとして強光照射によって形成される高品質な結晶化領域によって半導体装置の高性能化を図る。しかしながら、前述のようにこれらの領域は大面積にわたって形成できるものではないため、本実施形態では、触媒元素による結晶化領域と、それをシードとして強光照射によって形成される高品質な結晶化領域とによって能動(チャネル)領域が形成される。よって、強光照射による高品質な結晶化領域は、チャネル領域に多く含まれるほど良いが、その面積比がばらつくと特性ばらつきが生じる原因となる。このばらつきは、本実施形態のような配置では、強光照射によって結晶化された線状領域の本数という形でコントロールできる。
【０１０７】
したがって、半導体素子に要求される電流駆動能力を考慮に入れて、能動(チャネル)領域に含まれる線状の結晶成長領域を、少なくとも２本以上にすることで、特性ばらつきを実用的なレベルに抑えることができ、最低限の特性安定性と半導体装置の高性能化を確保できる。
【０１０８】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記第１結晶成長工程における加熱処理の温度を、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のみが発生し、触媒元素による結晶成長のみが進行するような温度に設定する。
【０１０９】
この実施形態では、非晶質ケイ素膜に触媒元素を選択的に導入した後、結晶化させるため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のみが発生し、進行するような温度とした。
【０１１０】
本実施形態では、触媒元素による加熱処理での結晶化後も非晶質ケイ素膜領域を残存させ、そこに強光を照射して、結晶成長させる。しかし、上記加熱処理の温度があまりに高いと、非晶質ケイ素膜自体の自然核発生が起こり、結晶成長が始まる。自然発生核は、触媒元素に依存せず、その結晶状態も従来の触媒元素を用いない固相成長によって得られた欠陥の多い双晶構造になる。
【０１１１】
したがって、触媒元素による結晶化時に、その非晶質領域に熱処理によって自然発生した結晶核が存在すると、強光照射工程において、隣接する触媒元素による結晶化領域の結晶性を引き継いで結晶成長する前に、それら自然発生核の結晶を引き継いだ結晶成長が生じてしまう。このため、本発明の効果が得られなくなる。
【０１１２】
さらに、本実施形態は、触媒元素を用い結晶化された領域におけるミクロ的に良好な結晶状態を利用するものである点を考えても、このときの加熱処理温度としては、最低でも触媒元素による結晶核が発生し、触媒元素による結晶成長が進行する温度以上である必要がある。
【０１１３】
また、他の実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記加熱処理は、５２０℃から５８０℃の範囲の温度で行なう。
【０１１４】
具体的に、触媒元素による結晶成長が起こり始める温度としては、５２０℃程度であり、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約５８０℃である。後者は、非晶質ケイ素膜の膜質にも大きく左右されるが、本実施形態に有効なプラズマＣＶＤ法による非晶質ケイ素膜を考えた場合、ほぼ上記値となる。したがって、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、触媒元素による結晶成長のみが進行するような加熱処理温度としては、５２０℃から５８０℃の範囲が最も適している。
【０１１５】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記第２結晶成長工程における強光の強度を、非晶質(未結晶化)領域は完全に溶融する一方、触媒元素によって結晶化された領域は完全に溶融せず、少なくとも元の結晶状態が失われないような範囲の強度に設定する。
【０１１６】
強光を照射する工程について、この強光の強度が小さければ、ケイ素膜はほとんど溶融されず、残存非晶質領域が結晶化領域の結晶性を反映して十分に結晶成長されない。また、このときの強光の強度が大きければ、結晶化領域において触媒元素によって得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、リセットされてしまう。こうなると、全面的に従来のレーザー結晶化で得られる結晶性ケイ素膜と同等になっていしまい、性能が低下するだけでなく、本来、レーザー結晶化が有している不均一性の問題点が発生する。すなわち、どちらにしても、この強光を照射する工程における強光の強度次第で、本発明の効果が全く得られなくなってしまう。したがって、本発明における強光照射の強度は非常に重要である。
【０１１７】
したがって、本実施形態の製造方法において、上記隣接領域を結晶成長させる工程における強光の強度を、非晶質(未結晶化)領域が完全に溶融するが、触媒元素によって結晶化された領域は完全に溶融せず、少なくとも元の結晶状態が失われないような範囲の強度とした。このような範囲内でないと、本実施形態の効果が大きく損なわれる。
【０１１８】
また、他の実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記第２結晶成長工程で、強光として、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用い、ケイ素膜表面に対するエネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ/ｃｍ2となる範囲内で、強光を照射する。
【０１１９】
本実施形態において、具体的に使用される強光としては、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー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、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できる。また、エキシマレーザー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。
【０１２０】
その中でも、特に、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光は出力が大きいから、基板照射時のビームサイズを大きくでき、大面積基板に対応し易く、また、出力も比較的安定しており、量産装置に適用する上で最も望ましい。
【０１２１】
そして、上記レーザー光を用いて、ケイ素膜表面に対して、上記レーザー光の表面エネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ/ｃｍ2となるようにして、照射工程を行うことが望ましい。ここで、レーザー光の表面エネルギー密度が２００ｍＪ/ｃｍ2より小さければ、ケイ素膜はほとんど溶融されず、残存非晶質領域が結晶化領域の結晶性を反映して十分に結晶成長されない。
【０１２２】
また、上記表面エネルギー密度が、４５０ｍＪ/ｃｍ2よりも大きければ、結晶化領域において触媒元素によって得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、リセットされてしまう。こうなると、全面的に従来のレーザー結晶化で得られる結晶性ケイ素膜と同等になってしまい、性能が低下するだけでなく、本来レーザー結晶化が有している不均一性の問題点が発生する。すなわち、この実施形態でのエネルギー密度範囲は、上述の非晶質領域が結晶化領域の結晶性を反映して結晶化されると共に、結晶化領域の元の結晶性が失われないような範囲に相当する。
【０１２３】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一つの元素を用いる。
【０１２４】
この実施形態で選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果があるが、それらの中でも、特にＮｉを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。この理由については、前述の通りである。
【０１２５】
また、他の実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記第２結晶成長工程の後に、少なくとも、後に半導体装置の能動(チャネル)領域となる以外のケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する５族Ｂ元素導入工程と、
第２の加熱処理を行い、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に、上記触媒元素を移動させ、半導体装置の能動(チャネル)領域中の触媒元素量を低減する触媒元素低減工程とを行う。
【０１２６】
触媒元素による非晶質ケイ素膜の結晶成長では、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、シリサイドがその結晶成長を引き起こす。すなわち、結晶成長の先端には、常に触媒元素のシリサイドが存在しており、それが前方にある非晶質ケイ素を次々と結晶化していく訳である。最終的に結晶成長がぶつかり合った成長境界というのは、その成長過程で常に先端に存在する触媒元素のシリサイドが吹きだまりとなり、非常に高濃度で存在している領域である。触媒元素は金属類を主としており、このような元素が半導体中に多量に存在していることは、これら半導体を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり、決して好ましいことでない。特に、これらのシリサイドは、ＴＦＴにおいて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。
【０１２７】
そこで、本実施形態では、触媒元素を用い、加熱処理によって結晶化されたケイ素膜をシード領域として、強光照射によって、そこから横方向に結晶成長させるものである。このため、強光照射工程において、触媒元素が拡散し、特にその結晶成長境界に高濃度に局在する。したがって、チャネル領域内において、成長境界などに高濃度で局在している触媒元素を如何にして低減するかが大きな課題となる。
【０１２８】
これに対して、本実施形態では、触媒元素を非晶質ケイ素膜の結晶化処理に利用した後、上記ケイ素膜中に残存する触媒元素の大部分を、半導体素子形成領域以外の領域に移動させることで、この問題を解決している。
【０１２９】
具体的には、強光照射によって、触媒元素によって選択的に結晶成長させた領域から横方向へと結晶成長させ、次に、半導体装置の能動(チャネル)領域となる以外のケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入し、第２の加熱処理を行う工程を追加した。この方法は、非常に有効であって、結晶成長に使われ、主に、成長境界に残存する触媒元素は、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に移動し、結果として、半導体装置の能動(チャネル)領域中の触媒元素量を大きく低減できる。この方法は、半導体特性に対して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。そして、５族Ｂ元素を導入され、触媒元素が集められた領域を除去して、最終的な半導体素子領域を形成すれば、基板上には触媒元素の高濃度領域は全く残らない。
【０１３０】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉのうちから選ばれた少なくとも一つの元素が用いられる。
【０１３１】
この実施形態では、上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉから選ばれた少なくとも一つの元素を用いている。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、上記触媒元素を効率的に移動させることができ、十分な効果が得られる。こ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、最も効果が高いのはＰであることがわかっている。
【０１３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態に基いて詳細に説明する。
【０１３３】
〔第１の実施の形態〕
この発明の半導体装置の製造方法の第１実施形態を説明する。この第１実施形態では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の半導体装置の製造工程において、この発明が適用されている。
【０１３４】
この第１実施形態で作製された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ー回路や画素部分はもちろん、薄膜集積回路を構成する素子としても利用できる。
【０１３５】
図１(Ａ)→(Ｂ)→(Ｃ)の順に、この第１実施形態で製作するＮチャネル型ＴＦＴの作製工程の概要を平面図で示す。また、図２(Ａ)→(Ｄ)の順に、上記作製工程を、図１におけるＡ−Ａ’線断面図で示す。さらに、図３(Ｄ)→(Ｇ)の順に、図２に引き続いて、順次進行する作製工程を、図１においてＢ−Ｂ’のラインで切ったときの断面図で示す。この図１、図２、図３に示した製造工程によって、Ｎ型ＴＦＴ１２７が完成される。
【０１３６】
まず、図２(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３００〜５００ｎｍ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法あるいは減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ(例えば、４５ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３を成膜する。
【０１３７】
この第１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、１０〜２００ｍＷ/ｃｍ2(例えば、８０ｍＷ/ｃｍ2)とした。
【０１３８】
次に、非晶質ケイ素膜(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、フォトリソ工程によって、パターニングしてマスク１０４を形成する。この第１実施形態においては、マスク１０４を酸化ケイ素膜とした。すなわち、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料として、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解、堆積した。マスク１０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましい。この第１実施形態では、上記酸化ケイ素膜からなるマスク１０４の厚さを１５０ｎｍとした。
【０１３９】
このマスク１０４の平面的なパターン形状は、図１(Ａ)に示すように、複数の線状となっており、ライン＆スペース状になっている。ここで、マスク１０４の線幅βは、６μｍ以下であることが望ましい。この第１実施形態では、マスク１０４の線幅βを４μｍとした。また、マスク１０４で覆われていない領域１００においては、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３が露呈されており、そのスペース幅αを２μｍとした。
【０１４０】
次に、図２(Ａ)に示すように、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３およびマスク１０４の表面上に、ニッケル１０５を微量添加する。このニッケル１０５の微量添加では、ニッケルを溶かした溶液を、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ)１０３上、および、マスク１０４上に保持し、この溶液を、スピナーによって基板１０１上に均一に延ばして乾燥させた。この第１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が２ｐｐｍとなるようにした。
【０１４１】
このようにして添加された非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ)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)法によって測定すると、１×１０13ａｔｏｍｓ/ｃｍ2程度であった。
【０１４２】
ここで、図１(Ａ)において、平面的に見ると、ニッケル１０５は、マスク１０４とマスク１０４との間で、ライン状に延在している領域において、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３に添加された状態になっている。
【０１４３】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気下(例えば、窒素雰囲気下)で、加熱温度５２０〜５８０℃(例えば、５５０℃)で１時間だけアニールして結晶化させる。このとき、マスク１０４で覆われていない領域１００の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３には、ニッケル１０５が直接に添加され、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３の表面に添加されたニッケル１０５のシリサイド化が起こる。すると、そのシリサイド化したニッケル１０５を核として、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３の結晶化が進行する。
【０１４４】
その結果、図２(Ｂ)に示すように、マスク１０４から露呈している領域１００においてのみ、結晶性ケイ素膜１０３ａが形成され、一方、マスク１０４下の領域は非晶質状態のまま残される。ここで、ある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おいては、ニッケル１０５が導入され、結晶化された領域である結晶性ケイ素膜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、この第１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下の領域へ横方向の結晶成長が生じないようにしている。この状態は、図１(Ａ)に示す状態に相当する。このとき、マスク１０４上に存在するニッケル１０５は、マスク膜１０４に阻まれ、下層の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３へは到達せず、上記領域の結晶性ケイ素膜１０３ａにおいて導入されたニッケル１０５のみによって非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)１０３の結晶化が行われる。
【０１４５】
次に、酸化ケイ素膜からなるマスク１０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層の非晶質ケイ素膜１０３に対して十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングを行った。そして、この状態で、図２(Ｃ)に示すように、レーザー光１０７を照射して、結晶化領域１０３ａから、その結晶性を反映させて、隣接して矢印１０８で示す方向に残存している領域の非晶質ケイ素膜１０３を結晶化させる。
【０１４６】
その結果、残存する非晶質領域は、非常に高品質な結晶性ケイ素膜１０３ｃとなる。すなわち、このレーザー照射によって、非晶質領域が優先的に溶融し、結晶化領域である結晶性ケイ素膜１０３ａの良好な結晶成分のみを反映して結晶化される。そして、双方の結晶化領域である結晶性ケイ素膜１０３ａから横方向１０８に結晶成長し、ぶつかった境界(成長境界)１０３ｄが、高品質な結晶性ケイ素膜１０３ｃの中央部に形成される。また、このレーザー光１０７の照射工程によって、ニッケルによる結晶化領域である結晶性ケイ素膜１０３ａもその結晶性が改善され、結晶性ケイ素膜１０３ａ’となる。このときの平面的な状態が、図１(Ｂ)に相当する。
【０１４７】
すなわち、幅α＝２μｍの結晶性ケイ素膜１０３ａ’と、幅β＝４μｍの高品質な結晶性ケイ素膜１０３ｃとが、ストライプ状に形成される。このときのレーザー光１０７としては、ＸｅＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ナノ秒)を用いた。レーザー光の照射条件としては、照射時に基板を２００〜４５０℃(例えば、４００℃)に加熱し、エネルギー密度２００〜４５０ｍＪ/ｃｍ2(例えば、３５０ｍＪ/ｃｍ2)で照射した。ビームサイズは、基板１０１表面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成形されており、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、非晶質ケイ素膜１０３の任意の一点において、計２０回のレーザー照射が行われることになる。
【０１４８】
次に、図１(Ｃ)、図２(Ｄ)に示すように、結晶性ケイ素膜１０３ｃ、１０３ａ’を用い、その他の不要な部分のケイ素膜を除去して素子間分離を行い、ＴＦＴの活性領域となる島状の結晶性ケイ素を形成する。ここで、ＴＦＴのチャネル幅Ｗが決定される。また、図１(Ｃ)に示すように、最終的に、ＴＦＴにおいてキャリアが流れる方向１３０(チャネル方向)が、高品質な結晶性ケイ素領域１０３ｃの中央部に形成された結晶成長境界１０３ｄの線方向と概略平行となるように配置した。すなわち、上記チャネルが結晶成長境界１０３ｄを横切らないようにした。
【０１４９】
この第１実施形態では、ＴＦＴのチャネル幅Ｗを３４μｍとしたため、図１(Ｃ)および図２(Ｄ)に示すように、そのチャネル１２０内に、チャネル方向１３０に沿って、幅β＝４μｍの高品質な結晶性ケイ素膜１０３ｃが６本含まれ、幅α＝２μｍのシードとなった結晶性ケイ素膜１０３ａ’が５本含まれている。これらが、チャネル領域を構成している。
【０１５０】
この状態は、図１(Ｃ)に示され、Ｂ−Ｂ’面で切った断面が、図３(Ｄ)に示されている。この図３(Ｄ)と図２(Ｄ)とは同じ工程であり、図２(Ｄ)に示す構成を、９０゜だけ回転させた方向から見た断面が図３(Ｄ)である。
【０１５１】
図３(Ｄ)に示すような島状のケイ素膜１１２を用い、さらにＴＦＴを作製していく上で、説明の便宜上、以降は、工程を説明するための断面を、図１におけるＢ−Ｂ’面で切った断面に切り換えて、図３を用いて説明を続ける。
【０１５２】
次に、図３(Ｅ)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜１１２を覆うように、厚さ２０〜１５０ｎｍ(ここでは、１００ｎｍ)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１３として成膜する。ここでは、この酸化ケイ素膜の形成において、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃(好ましくは、３００〜４５０℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解、堆積した。なお、ＴＥＯＳを原料として、オゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法を使用して、基板温度を３５０〜６００℃(好ましくは、４００〜５５０℃)として形成してもよい。
【０１５３】
上記成膜後、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/ゲート絶縁膜の界面特性を向上させるために、不活性ガス雰囲気下で、４００〜６００℃で、１〜４時間のアニールを行った。
【０１５４】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ(例えば、６００ｎｍ)のアルミニウムを成膜する。そして、このアルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極１１４を形成する。さらに、このアルミニウムからなる電極１１４の表面を陽極酸化して、上記表面に酸化物層１１５を形成する。この状態が図３(Ｅ)に相当する。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は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。この状態が図３(Ｅ)の状態に相当する。
【０１５５】
次に、図３(Ｆ)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、活性領域に不純物(リン)１１７を注入する。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６０〜９０ｋＶ(例えば、８０ｋＶ)、ドーズ量を１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば、２×１０15ｃｍ-2)とする。この工程によって、不純物が注入された領域１２１と１２２は、後に、ＴＦＴのソース/ドレイン領域となる。一方、ゲート電極１１４およびその周囲の酸化層１１５にマスクされ、不純物が注入されない領域１２０は、後に、ＴＦＴのチャネル領域となる。すなわち、チャネル領域１２０、ソース領域１２１、ドレイン領域１２２は、平面的には、図１(Ｃ)に示すような配置となっている。
【０１５６】
その後、レーザー光の照射によってアニールを行い、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、使用するレーザーとしては、ＸｅＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ナノ秒)を用い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ/ｃｍ2(好ましくは、２００〜２５０ｍＪ/ｃｍ2)で照射を行った。こうして形成されたＮ型不純物(リン)領域１２１、１２２のシート抵抗は、２００〜８００Ω/□であった。
【０１５７】
続いて、図３(Ｇ)に示すように、厚さ６００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１２３として形成する。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(もしくは、オゾンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法)によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。また、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/ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【０１５８】
次に、層間絶縁膜１２３にコンタクトホールを形成して、金属材料(例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜)によって、ＴＦＴの電極配線１２４を形成する。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目的のバリア膜として設けられる。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、１時間のアニールを行い、図３(Ｇ)に示すＮチャネル型ＴＦＴ１２７を完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ１２７を保護する目的で、ＴＦＴ１２７上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。また、このＴＦＴが用いられる回路によっては、ゲート電極１１４上にもコンタクトホールを設け、電極１２４と接続することで、配線を形成すれば良い。
【０１５９】
以上の第１実施形態にしたがって作製したＴＦＴは、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、閾値電圧で±０.２Ｖ程度と非常に良好であった。なお、これは、基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内２００点測定の結果である。
【０１６０】
これに対して、従来法によって作成された場合には、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は±５０％程度と非常に大きく、閾値電圧も２±０.５〜１.０Ｖの範囲で大きくばらつく。
【０１６１】
したがって、この第１実施形態によれば、ＴＦＴの高性能化に対してだけでなく、特性ばらつき改善に対しても大きな効果があることがわかる。
【０１６２】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明の第２実施形態の製造方法を説明する。この第２実施形態では、ガラス基板上にドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス基板を作製する。この第２実施形態で作製するドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス基板は、液晶表示装置やイメージセンサーなどに適用される。この第２実施形態で作製するドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス基板では、画素電極をスイッチングする画素ＴＦＴと、ドライバー回路を構成するドライバーＴＦＴとが同時に形成される。この第２実施形態においては、ドライバーＴＦＴとして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴを相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路を代表例として用いた。
【０１６３】
図４および図５に、(Ａ)→(Ｄ)の順に、この第２実施形態での作製工程の概要を平面図で示す。図４、図５は、この第２実施形態で作製するドライバーモノリシックアクティブマトリクス基板におけるドライバー回路部でのＣＭＯＳ構造(Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴ)素子の作製工程を示している。
【０１６４】
また、図６に、(Ａ)→(Ｅ)の順に、この第２実施形態での上記画素ＴＦＴの作製工程の概要を平面図で示す。実際のアクティブマトリクス基板は、数十万個以上のＴＦＴで構成されるが、この第２実施形態では、３行×３列の９個のＴＦＴに簡略化して説明する。
【０１６５】
また、図７は、図５(Ｄ)および図６(Ｅ)において、Ａ−Ａ’のラインで切ったときの断面を示し、図７では任意の一ＴＦＴを示している。また、図８は、図４(Ｄ)および図５(Ｅ)においてＢ−Ｂ’のラインで切ったときの断面を示している。図７では、(Ａ)→(Ｆ)の順に、作製工程が進行し、引き続いて、図８、図９の(Ｄ)→(Ｊ)の順にしたがって、Ｎ型ＴＦＴ２２７、Ｐ型ＴＦＴ２２８、画素ＴＦＴ２２９が完成される。なお、図７の(Ｄ)→(Ｆ)に示した工程と、図８の(Ｄ)→(Ｆ)に示した工程とは、それぞれ同一工程である。
【０１６６】
この第２実施形態では、まず、図７(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３００〜５００ｎｍ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２０２は、ガラス基板２０１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法あるいは減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ(例えば、３５ｎｍ)の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３を成膜する。
【０１６７】
次に、非晶質ケイ素膜(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、フォトリソ工程によってパターニングしてマスク２０４を形成する。マスク２０４の形成は、この第２実施形態においては、酸化ケイ素膜を用い、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解、堆積した。マスク２０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第２実施形態では、上記酸化ケイ素膜からなるマスク２０４の厚さを１５０ｎｍとした。マスク２０４の平面的なパターン形状は、ドライバー回路部においては、図４(Ａ)に示すように、複数の線状となっており、ライン＆スペース状になっている。
【０１６８】
ここで、マスク２０４の線幅βは、６μｍ以下であることが望ましく、この第２実施形態では、５μｍとした。また、マスク２０４で覆われていない領域２００においては、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３が露呈されており、そのスペース幅αは２μｍとなるようにした。このとき、画素部では、図６(Ａ)に示すように、全面がマスク２０４から露呈している。すなわち、画素部上には、マスク２０４を設けない。
【０１６９】
次に、図７(Ａ)に示すように、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３およびマスク膜２０４表面上にニッケル２０５の微量添加を行う。このニッケル２０５の微量添加は、ニッケルを溶かせた溶液を、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３、マスク２０４上に保持し、スピナーによって、上記溶液を基板２０１上に均一に延ばして乾燥させることによって行った。この第２実施形態では、溶質として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が２ｐｐｍとなるようにした。このようにして添加された非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３およびマスク２０４表面上のニッケル濃度を全反射蛍光Ｘ線分析(ＴＲＸＲＦ)法によって測定すると、１×１０13ａｔｏｍｓ/ｃｍ2程度であった。
【０１７０】
ここで、ニッケル２０５は、ドライバー部では、平面的に見ると、図４(Ａ)において線状のマスク２０４で挟まれている領域２００において、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３に選択的に添加された状態となっている。一方、画素部では、図６(Ａ)に示すように、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３に全面的に添加された状態となっている。
【０１７１】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気下(例えば、窒素雰囲気下)で、加熱温度５２０〜５８０℃(例えば、５５０℃)で、１時間アニールして結晶化させる。この際、マスク２０４で覆われていないために、ニッケル２０５が直接に添加された領域２００の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３では、非晶質ケイ素膜(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る。このシリサイド化したニッケルを核として、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)２０３の結晶化が進行する。その結果、図４(Ｂ)に示すように、ドライバー部では、マスク２０４から露呈している領域２００においてのみ、結晶性ケイ素膜２０３ａが形成され、その他のマスク２０４下の領域は非晶質状態のまま残される。
【０１７２】
ここで、あるニッケルの添加濃度とアニール温度と時間の組み合わせにおいては、ニッケルが導入され結晶化された領域である結晶性ケイ素膜２０３ａから、マスク２０４下の領域へと、横方向に結晶成長が引き起こされる場合があるが、この第２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２０４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。この状態が、図４(Ａ)に示す状態に相当する。一方、画素部では、全面的に結晶性ケイ素膜２０３ａが形成される。
【０１７３】
次に、酸化ケイ素膜からなるマスク２０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層の非晶質ケイ素膜２０３に対して十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングを行った。そして、この状態で、ドライバー部では、図７(Ｃ)に示すように、レーザー光２０７を照射することで、結晶化領域である結晶性ケイ素膜２０３ａから矢印２０８に示すような方向に、その結晶性を反映させて結晶化させ、隣接して残存している非晶質ケイ素膜２０３を結晶化する。その結果、残存する非晶質領域は、非常に高品質な結晶性ケイ素膜２０３ｃとなる。すなわち、このレーザー照射によって、非晶質領域が優先的に溶融し、結晶化領域である結晶性ケイ素膜２０３ａの良好な結晶成分のみを反映して結晶化される訳である。そして、双方の結晶化領域である結晶性ケイ素膜２０３ａから横方向２０８に結晶成長し、ぶつかった境界(成長境界)２０３ｄが、高品質な結晶性ケイ素膜２０３ｃの中央部に形成される。
【０１７４】
また、このレーザー光２０７の照射工程によって、ニッケルによる結晶化領域である結晶性ケイ素膜２０３ａもその結晶性が改善され、結晶性ケイ素膜２０３ａ’となる。すなわち、画素部においては、全面的に、この結晶性ケイ素膜２０３ａ’が形成される。このときのドライバー部における平面的な状態を、図４(Ｂ)に示す。すなわち、幅α＝２μｍの結晶性ケイ素膜２０３ａ’と、幅β＝５μｍの高品質な結晶性ケイ素膜２０３ｃとが、ストライプ状に形成される。このときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ナノ秒)を用いた。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃(例えば、４００℃)に加熱し、エネルギー密度２００〜４５０ｍＪ/ｃｍ2(例えば、３５０ｍＪ/ｃｍ2)とした。また、レーザー光のビームサイズは、基板１０１表面で、１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成形されており、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、非晶質ケイ素膜２０３の任意の一点において、計２０回のレーザー照射が行われることになる。
【０１７５】
次に、図７(Ｄ)に示すように、結晶性ケイ素膜２０３ａ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、パターニングしてマスク２０９を形成する。この第２実施形態においては、マスク２０９は酸化ケイ素膜とし、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解、堆積した。また、マスク２０９の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第２実施形態では、上記酸化ケイ素膜２０９の厚さを１５０ｎｍとした。このときの状態を基板上方より見ると、図５(Ｃ)、図６(Ｂ)に示すように、ドライバー部、画素部共に、後に、ＴＦＴの活性領域となるべき領域の結晶性ケイ素膜２０３ａが、マスク２０９によって島状にマスクされた状態となっている。この状態を、図４、５および図６におけるＢ−Ｂ’面で切った断面を、図８(Ｄ)に示す。すなわち、図７(Ｄ)に示したのと同じ状態で、９０゜回転した方向から見た断面が図８(Ｄ)に示されている。
【０１７６】
次に、この状態で、図７(Ｄ)、図８(Ｄ)に示すように、基板２０１上方よりリン２１０を全面にイオンドーピングする。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５〜１０ｋＶとし、ドーズ量を５×１０15〜１×１０16ｃｍ-2とした。このイオンドーピング工程によって、露呈している領域の結晶性ケイ素膜２０３ａにリンが注入され、リンドープされた結晶性ケイ素領域２０３ｆが形成される。一方、マスク２０９によって覆われている領域の結晶性ケイ素膜２０３ｃおよび２０３ａ’には、リンはドーピングされない。このときの状態を基板上方より見ると、ドライバー部は、図５(Ｃ)に示され、画素部は、図６(Ｂ)に示されるような状態となっており、線(図５(Ｃ)では一点鎖線)で囲まれた四角いマスク２０９の外側領域に、リン２１０がドーピングされている。
【０１７７】
そして、この状態で、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。この第２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。この加熱処理において、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。そしてさらに、図５(Ｃ)、図６(Ｂ)、図７(Ｅ)、図８(Ｅ)に示すように、マスク２０９下の結晶性ケイ素膜２０３ｃおよび２０３ａ’に存在しているニッケル２０５、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に示すような方向に引き出す。すなわち、上記ニッケル２０５は、マスク２０９に覆われた領域から外側の領域２０３ｆに向かって四方八方に引き出される。
【０１７８】
その結果、マスク２０９下の結晶性ケイ素膜２０３ｃおよび２０３ａ’におけるニッケル濃度は大きく低減する。このとき、実際の結晶性ケイ素膜２０３ｃ中のニッケル濃度を二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)によって測定したところ、５×１０16ａｔｏｍｓ/ｃｍ3程度にまで低減されていた。ちなみに、上記加熱処理工程前では、結晶性ケイ素膜２０３ｃの膜中ニッケル濃度は、５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3程度であった。
【０１７９】
次に、酸化ケイ素膜からなるマスク２０９をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層の結晶性ケイ素膜２０３ａ’、２０３ｃに対して十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングを行った。
【０１８０】
その後、図７(Ｆ)および図８(Ｆ)に示すように、マスク２０９に覆われていた領域のケイ素膜２０３ｃ、２０３ａ’を用い、その他の不要な部分のケイ素膜を除去して素子間分離を行う。
【０１８１】
すなわち、上記工程によって、ドライバー部では、図５(Ｄ)に示すような配置で、また、画素部では図６(Ｃ)に示すような配置で、ＴＦＴの活性領域(ソース/ドレイン領域、チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜２１２ｎ、２１２ｐ、２１２ｇを形成する。図５(Ｄ)および図６(Ｃ)には、その活性化領域２１２ｎ、２１２ｐと、リンの導入マスク２０９との位置関係を示している。この工程で、ＴＦＴのチャネル幅Ｗが決定される。
【０１８２】
また、ドライバー部においては、最終的に、ＴＦＴにおいてキャリアが流れる方向(チャネル方向)が、高品質な結晶性ケイ素領域２０３ｃの中央部に形成された結晶成長境界２０３ｄの線方向を横切らないように概略平行に配置した。
【０１８３】
この第２実施形態では、ドライバーＴＦＴのチャネル幅Ｗを３５μｍとした。これにより、図５(Ｄ)および図７(Ｆ)に示すように、そのチャネル２２０ｎ、２２０ｐ内に、チャネル方向に沿って、幅β＝５μｍの高品質な結晶性領域２０３ｃが５本含まれ、幅α＝２μｍのシードとなった結晶性領域２０３ａ’が４本含まれている。これらが、チャネル領域を構成することになる。
【０１８４】
次に、図８(Ｇ)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜２１２ｎ、２１２ｐおよび２１２ｇを覆うように、厚さ８０ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１３として基板全面に成膜する。この第２実施形態でのゲート絶縁膜２１３の成膜工程において、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃(好ましくは、３００〜４５０℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解、堆積した。なお、上記成膜工程において、ＴＥＯＳを原料とし、オゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法を用い、基板温度を３５０〜６００℃(好ましくは、４００〜５５０℃)としてもよい。
【０１８５】
上記成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜/ゲート絶縁膜の界面特性を向上させるために、不活性ガス雰囲気下で４００〜６００℃で１〜４時間のアニールを行った。
【０１８６】
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ４００〜８００ｎｍ(例えば、６００ｎｍ)のアルミニウムを成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲート電極２１４ｎ、２１４ｐ、２１４ｇを形成する。さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層２１５ｎ、２１５ｐ、２１５ｇを形成する。この状態が、図８(Ｇ)に相当する。このとき、画素部においては、ゲート電極２１４ｇは、平面的にはゲートバスラインを同時構成しており、この状態を図６(Ｄ)に平面的に示す。
【０１８７】
上記陽極酸化は、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２１５の厚さは２００ｎｍである。なお、この酸化物層２１５は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
【０１８８】
次に、図９(Ｈ)に示すように、フォトレジストによって、ドライバー部において、Ｐ型ＴＦＴを覆うようにマスク２１６を形成する。その後、イオンドーピング法によって、ゲート電極２１４ｎ、２１４ｇとその周囲の酸化物層２１５ｎ、２１５ｇをマスクとして、Ｎ型ＴＦＴの活性領域２１２ｎ、２１２ｇに、不純物(リン)２１７を注入する。
【０１８９】
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６０〜９０ｋＶ(例えば、８０ｋＶ)とし、ドーズ量を１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば、２×１０15ｃｍ-2)とする。この工程によって、リン２１７が注入された領域２２１ｎと２２２ｎは、後に、ドライバー部のＮ型ＴＦＴのソース/ドレイン領域となる。一方、ゲート電極２１４ｎおよびその周囲の酸化層２１５ｎにマスクされて、不純物が注入されない領域２２０ｎは、後に、ドライバーＮ型ＴＦＴのチャネル領域となる。
【０１９０】
また、画素ＴＦＴにおいても、不純物が注入された領域２２１ｇと２２２ｇが、後の画素ＴＦＴのソース/ドレイン領域となる。一方、ゲート電極２１４ｇおよびその周囲の酸化層２１５ｇにマスクされて不純物が注入されない領域２２０ｇは、後に、画素ＴＦＴのチャネル領域となる。このとき、Ｐ型ＴＦＴの活性領域２１２ｐには、マスク２１６によって、リン２１７は全くドーピングされない。
【０１９１】
次に、フォトレジストマスク２１６を除去した後、フォトレジストによって、新たに、ドライバー部においてＮ型ＴＦＴと画素ＴＦＴとを覆うように、マスク２１８を形成する。そして、図９(Ｉ)に示すように、イオンドーピング法によって、Ｐ型ＴＦＴの活性領域２２０ｐに、ゲート電極２１４ｐおよびその周囲の酸化物層２１５ｐをマスクとして、不純物(ホウ素)２１９を注入する。ここで、ドーピングガスとしてはジボラン(Ｂ2Ｈ6)を用い、加速電圧を４０ｋＶ〜８０ｋＶ(例えば、６５ｋＶ)とし、ドーズ量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば、５×１０15ｃｍ-2)とした。
【０１９２】
この工程によって、ホウ素２１９が注入された領域２２１ｐと２２２ｐは、後に、ドライバー部のＰ型ＴＦＴのソース/ドレイン領域となる。一方、ゲート電極２１４ｐおよびその周囲の酸化層２１５ｐにマスクされて、不純物が注入されない領域２２０ｐは、後に、ドライバーＰ型ＴＦＴのチャネル領域となる。このとき、マスク２１８によって、ドライバーＮ型ＴＦＴの活性領域２２０ｎおよび画素ＴＦＴの活性領域２２０ｇには、ホウ素２１９は全くドーピングされない。
【０１９３】
このようにして、Ｎ型の不純物領域２２１ｎと２２２ｎ、２２１ｇと２２２ｇ、並びに、Ｐ型の不純物領域２２１ｐと２２２ｐが、それぞれ選択的に形成され、図５(Ｄ)および図９(Ｉ)に示すように、Ｎチャネル型ＴＦＴ２２７とＰチャネル型ＴＦＴ２２８とを形成することができる。
【０１９４】
その後、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。このとき、使用するレーザーとしては、ＸｅＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ナノ秒)を用い、エネルギー密度１５０〜４００ｍＪ/ｃｍ2(好ましくは、２００〜２５０ｍＪ/ｃｍ2)で照射を行った。こうして形成されたＮ型不純物(リン)領域２２１ｎ、２２２ｎ、２２１ｇ、２２２ｇのシート抵抗は、２００〜８００Ω/□であった。また、Ｐ型不純物(ホウ素)領域２２１ｐ、２２２ｐのシート抵抗は、５００Ω/□〜１ｋΩ/□であった。
【０１９５】
続いて、図９(Ｊ)に示すように、厚さ９００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜２２３として形成する。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(もしくは、オゾンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法)によって形成すれば、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜２２３が得られる。また、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/ゲート絶縁膜の界面へ水素原子を供給し、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。
【０１９６】
次に、層間絶縁膜２２３にコンタクトホールを形成して、金属材料(例えば、窒化チタンとアルミニウム)の二層膜によって、ドライバーＴＦＴ部の電極配線２２４と、画素ＴＦＴのソース電極ＴＦＴのソース電極配線２２５を形成する。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目的のバリア膜として設けられる。画素ＴＦＴ２２９は、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極としては、ＩＴＯなど透明導電膜からなる画素電極２２６を設ける。すなわち、図６(Ｅ)において、ソースバスライン２２５を介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン２１４のゲート信号に基づいて画素電極２２６に必要な電荷が書き込まれる訳である。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、１時間のアニールを行い、図５(Ｄ)、図６(Ｅ)、図９(Ｊ)に示すように、ドライバー部でＮチャネル型ＴＦＴ２２７とＰチャネル型ＴＦＴ２２８を、画素部で画素ＴＦＴ２２９を完成させる。さらに必要に応じて、これらのＴＦＴを保護する目的で、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【０１９７】
以上の第２実施形態にしたがって作製したドライバー部のＣＭＯＳ構造回路においては、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度はＮチャネル型ＴＦＴ２２７で２５０〜３００ｃｍ2/Ｖｓ、Ｐチャネル型ＴＦＴ２２８で１２０〜１５０ｃｍ2/Ｖｓ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す。
【０１９８】
また、従来問題となっていた特性ばらつきについては、電界効果移動度において±１０％程度に抑えられ、閾値電圧において±０.２Ｖ程度に抑えることができた(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内２００点測定の結果)。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、ほとんど特性劣化が見られず、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。また、画素ＴＦＴ２２９では、電界効果移動度が１２０ｃｍ2/Ｖｓ程度であり、閾値電圧が２Ｖ程度であり、画素ＴＦＴとしては十分な特性であった。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させることができた。
【０１９９】
そして、この第２実施形態に基づいて作製された液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、従来法によって作成したものに比べて表示むらが小さく、ＴＦＴリーク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の液晶パネルが得られた。
【０２００】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明の第３実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。この第３実施形態は、第２実施形態と同様に、ガラス基板上にドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス基板を作製する場合について、この発明を採用したものである。この第３実施形態で作製するドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス基板は、液晶表示装置やイメージセンサーなどに適用される。この第３実施形態でドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス基板を作製するに際し、画素電極をスイッチングする画素ＴＦＴと、ドライバー回路を構成するドライバーＴＦＴとが同時形成される。この第３実施形態においても、ドライバーＴＦＴとして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴを相補型に構成したＣＭＯＳ構造の回路を代表例として用いた。
【０２０１】
図１０、図１１に、(Ａ)→(Ｄ)の順に、この第３実施形態で作製するドライバーモノリシックアクティブマトリクス基板におけるドライバー回路部でのＣＭＯＳ構造(Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴ)素子の作製工程の概要を平面図で示す。また、図１２に、(Ａ)→(Ｅ)の順に、画素ＴＦＴの作製工程の進行概要を平面図で示す。実際のアクティブマトリクス基板では、数十万個以上のＴＦＴで構成されるが、この第３実施形態では、３行×３列の９個のＴＦＴに簡略化して説明を行う。
【０２０２】
また、図１３は、図１１および図１２においてＡ−Ａ’のラインで切ったときの断面を示し、図１３においては、任意の一ＴＦＴを示している。また、図１４は、図１１および図１２においてＢ−Ｂ’のラインで切ったときの断面を示す。
【０２０３】
図１３の(Ａ)→(Ｅ)の順にしたがって作製工程が順次進行し、引き続いて、図１４、１５の(Ｅ)→(Ｊ)の順にしたがってＮ型ＴＦＴ３２７、Ｐ型ＴＦＴ３２８、画素ＴＦＴ３２９が完成される。図１３(Ｅ)の工程と、図１４(Ｅ)の工程とは、同一工程である。
【０２０４】
この第３実施形態では、まず、図１３(Ａ)に示すように、ガラス基板３０１上に、例えば、スパッタリング法などによって、厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜３０２を形成する。この酸化ケイ素膜からなる下地層３０２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法あるいは減圧ＣＶＤ法によって、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば４５ｎｍの真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３を成膜する。この第３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。
【０２０５】
次に、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３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、パターニングしてマスク３０４を形成する。この第３実施形態では、マスク３０４を酸化ケイ素膜とし、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料として、酸素とともにＲＦプラズマＣＶＤ法で分解、堆積した。このマスク３０４の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが望ましく、この第３実施形態では、上記酸化ケイ素膜からなるマスク３０４の厚さを１５０ｎｍとした。
【０２０６】
マスク３０４の平面的なパターン形状は、ドライバー回路部においては、図１０(Ａ)に示すように、複数の線状となっており、ライン＆スペース状に形成されている。この第３実施形態では、マスク３０４の線幅βを、８μｍとした。また、マスク３０４で覆われていない領域３００においては、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３が露呈されており、そのスペース幅αは２μｍとなるようにした。このとき、画素部では、図１２(Ａ)に示すように、全面がマスク３０４によって覆われている状態となっている。
【０２０７】
上記マスク３０４を設けた後、この上からニッケル３０５の微量添加を行う。このニッケル３０５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って行った。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/分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３０５は、図１３(Ａ)では、薄膜のように表示してはいるが、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ったところ、基板表面上(マスク３０４と露呈している非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３)のニッケル濃度は、２×１０13ａｔｏｍｓ/ｃｍ2程度(ＴＲＸＲＦ測定値)であった。このとき、ニッケル３０５は、平面的に見ると、ドライバー部では、線状のマスク３０４によって、図１０(Ａ)において示される領域３００において、選択的に非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３に添加された状態となっている。これに対して、画素部は、図１２(Ａ)に示すように、全面的にマスク３０４に覆われ、ニッケル３０５が添加されていない状態にある。
【０２０８】
そして、この状態で、これを不活性雰囲気下(例えば、窒素雰囲気下)で、加熱温度５２０〜５８０℃(例えば、５５０℃)で１時間アニールして結晶化させる。このとき、マスク３０４で覆われておらず、ニッケル３０５が直接添加された領域３００の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３においては、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３表面に添加されたニッケル３０５のシリサイド化が起こる。このシリサイド化したニッケル３０５を核として、非晶質ケイ素膜３０３の結晶化が進行する。その結果、図１３(Ｂ)に示すように、ドライバー部では、マスク３０４から露呈している領域３００においてのみ、結晶性ケイ素膜３０３ａが形成される。
【０２０９】
引き続いて、マスク３０４下の領域では、図１０(Ｂ)および図１３(Ｃ)に、矢印３０６で示すように、マスク３０４の中央に向かって、先に結晶化された領域の結晶性ケイ素膜３０３ａから横方向(基板と平行な方向)に結晶成長が行われ、横方向結晶成長領域３０３ｂが形成される。ここで、この第３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、時間を上記値に制御することによって、横方向結晶成長領域３０３ｂで、マスク３０４下の領域が完全に埋めつくせられないようにしている。その結果、横方向結晶成長領域３０３ｂに挟まれて、非晶質領域である非晶質ケイ素膜３０３が残存する。このときの矢印３０６に示す横方向結晶成長距離(すなわち、矢印３０６方向の領域３０３ｂの長さｘ)は、それぞれ１μｍであった。また、この成長距離ｘに合わせ、横方向結晶成長領域３０３ｂに挟まれて残存する非晶質ケイ素膜３０３の幅ｙは、６μｍ以下であることが望ましい。
【０２１０】
この第３実施形態でも、残存する非晶質ケイ素膜３０３の幅ｙが６μｍとなるように、マスク３０４の線幅β、スペース幅αおよび、横方向結晶成長距離ｘを設定した。この状態を、図１０(Ｂ)および図１３(Ｃ)に示す。このとき、マスク３０４上に存在するニッケル３０５は、マスク膜３０４に阻まれ、下層の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３へは到達せず、ニッケルが直接添加された領域３００において導入されたニッケル３０５のみによって、非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓｉ膜)３０３が結晶化される。したがって、画素部では、結晶化が生じず、全面的に非晶質ケイ素膜状態のままとなっている。
【０２１１】
次に、マスクとして用いた酸化ケイ素膜３０４をエッチング除去する。エッチャントとしては、下層の非晶質ケイ素膜３０３に対して十分に選択性のある１：１０バッファードフッ酸(ＢＨＦ)を用い、ウェットエッチングを行った。そして、この状態で、図１３(Ｄ)に示すように、ドライバー部では、レーザー光３０７を照射することで、結晶化領域である結晶性ケイ素膜３０３ｂから、その結晶性を反映させて、矢印３０８に示すような方向に、隣接する残存している非晶質領域３０３を結晶化させる。その結果、幅ｙの非晶質領域３０３は、非常に高品質な結晶性ケイ素膜３０３ｃとなる。
【０２１２】
すなわち、このレーザー照射によって、非晶質領域３０３が優先的に溶融し、結晶化領域である結晶性ケイ素膜３０３ｂの良好な結晶成分のみを反映して結晶化される訳である。そして、双方の結晶性ケイ素膜３０３ｂから、さらに横方向３０８に結晶成長し、ぶつかった境界(成長境界)３０３ｄが、高品質な結晶性ケイ素膜３０３ｃの中央部に形成される。また、このレーザー光３０７の照射工程によって、ニッケルによる結晶化領域である結晶性ケイ素膜３０３ａとその横成長領域３０３ｂもその結晶性が幾分か改善され、結晶性ケイ素膜３０３ａ’、３０３ｂ’となる。この状態が、図１３(Ｄ)に示されている。すなわち、幅α＝２μｍのニッケルが直接導入されて結晶化された結晶性ケイ素領域３０３ａ’を挟んで、幅ｘ＝１μｍの横方向結晶成長領域である結晶性ケイ素膜３０３ｂ’が形成され、それと幅β＝６μｍの高品質な結晶性ケイ素領域である結晶性ケイ素膜３０３ｃとがストライプ状に形成される。上記工程において、レーザー照射によって結晶化される高品質な結晶性ケイ素膜３０３ｃは、前述の第１、第２実施形態の１０３ｃ、２０３ｃに比べて、より高い結晶性を有している。なぜなら、この第３実施形態では、その結晶化の際のシード領域として、ニッケルが直接導入され結晶化された領域よりも、より結晶性が高いニッケルによる横方向結晶成長領域を用いているからである。
【０２１３】
一方、画素部においては、このレーザー光３０７の照射工程によって、非晶質状態から直接結晶化され、全面的に、レーザー照射のみで結晶化された結晶性ケイ素膜３０３ｅが形成され、図１２(Ｂ)に示す状態となる。このときのレーザー光としては、ＸｅＣｌエキシマレーザー(波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ナノ秒)を用いた。レーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度２００〜４５０ｍＪ/ｃｍ2、例えば３５０ｍＪ/ｃｍ2で照射した。また、ビームサイズは、基板３０１表面で１５０ｍｍ×１ｍｍの長尺形状となるように成形されており、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３０３の任意の一点において、計２０回のレーザー照射が行われることになる。
【０２１４】
その後、図１３(Ｅ)に示すように、ドライバー部では結晶性ケイ素膜３０３ｃ、３０３ｂ’，３０３ａ’に対し、また、画素部では結晶性ケイ素膜３０３ｅに対して、不要な部分のケイ素膜を除去して素子間分離を行う。すなわち、上記素子間分離工程によって、ドライバー部では図１１(Ｄ)に示すような配置で、また、画素部では図１２(Ｃ)に示すような配置で、ＴＦＴの活性領域(ソース/ドレイン領域，チャネル領域)となる島状の結晶性ケイ素膜３１２ｎ，３１２ｐ，３１２ｇを形成する。ここで、ＴＦＴのチャネル幅Ｗが決定される。また、ドライバー部においては、最終的にＴＦＴにおいてキャリアが流れる方向(チャネル方向)に延在する線が、高品質な結晶性ケイ素領域３０３ｃの中央部に形成された結晶成長境界３０３ｄと略平行となるように配置した。つまり、上記チャネル方向に延在する線が上記結晶成長境界３０３ｄを横切らないような配置とした。
【０２１５】
この第３実施形態においては、ＴＦＴのチャネル幅Ｗを４６μｍとした。これにより、図１１(Ｄ)および図１３(Ｅ)に示すように、そのチャネル３２０ｎ、３２０ｐ内に、チャネル方向に沿って、幅β＝６μｍの高品質な結晶性領域である結晶性ケイ素膜３０３ｃが５本含まれ、幅ｘ＝１μｍのそのシード領域となる横方向結晶成長領域である結晶性ケイ素膜３０３ｂ’が８本含まれ、幅α＝２μｍのニッケルが直接導入されて結晶化された結晶性領域である結晶性ケイ素膜３０３ａ’が４本含まれている。これらによって、チャネル領域が構成される。
【０２１６】
この状態を、図１１および図１２におけるＢ−Ｂ’面で切った断面を、図１４(Ｅ)に示す。この図１４(Ｅ)は、図１３(Ｅ)と同じ状態を示し、図１３(Ｅ)から９０゜回転した方向から見た断面が図１４(Ｅ)に示されている。島状のケイ素膜３１２ｎ、３１２ｐおよび３１２ｇを用いて、さらにＴＦＴを作製していく上で、説明の便宜上、以下では、その断面を、図１１および図１２におけるＢ−Ｂ’面で切った断面で示す図１４を用いて説明を続ける。
【０２１７】
次に、図１４(Ｆ)に示すように、上記活性領域となる結晶性ケイ素膜３１２ｎ、３１２ｐ、３１２ｇを覆うように、厚さ２０〜１５０ｎｍ(ここでは、１００ｎｍ)の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜３１３として成膜する。この酸化ケイ素膜は、ここではＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃(好ましくは、３００〜４５０℃)で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解、堆積して形成した。
【０２１８】
引き続いて、図１４(Ｆ)に示すように、スパッタリング法によって高融点メタルを堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極３１４ｎ、３１４ｐ、３１４ｇとする。このときの高融点メタルとしては、タンタル(Ｔａ)あるいはタングステン(Ｗ)が望ましい。この第３実施形態では、ゲート電極として、窒素が微量に添加されたＴａと純Ｔａの２層構造を用い、トータルの厚さが３００〜６００ｎｍ(例えば、４５０ｎｍ)とした。このとき、画素部においては、平面的に見ると図１２(Ｄ)のような状態となっており、ゲート電極３１４ｇは、ゲートバスラインを同時構成している。
【０２１９】
次に、図１４(Ｇ)に示すように、画素ＴＦＴにおいて、そのゲート電極３１４ｇを一回り大きく覆うようなフォトレジストからなるマスク３１６を形成する。ここでゲート電極３１４ｇ端からマスク３１６端までの距離ｒは、画素ＴＦＴのオフセット長となる。この状態で、図１４(Ｇ)に示すように、イオンドーピング法によって、ドライバー部の活性領域３１２ｎ、３１２ｐに、ゲート電極３１４ｎ、３１４ｐをマスクとして、リン３１７を注入する。また、画素部の活性領域３１２ｇに、レジストマスク３１６をマスクとして、リン３１７を注入する。ここで、ドーピングガスとしてフォスフィン(ＰＨ３)を用い、ドーピング条件としては、加速電圧を６０〜９０ｋＶ(例えば、８０ｋＶ)とし、ドーズ量を２×１０15〜８×１０15ｃｍ-2(例えば、５×１０15ｃｍ-2)とした。
【０２２０】
このイオンドーピング工程によって、ドライバー部では、ゲート電極３１４ｎ、３１４ｐにマスクされてリンが注入されない領域は、後に、ＴＦＴのチャネル領域３２０ｎ、３２０ｐとなる。また、この工程によって、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型の不純物領域３２１ｎと３２２ｎが形成される。しかし、Ｐチャネル型ＴＦＴにおいては、そのソース・ドレイン領域３２１ｎ’、３２２ｎ’は、この段階では、リン３１７がドーピングされた結果、Ｎ型の不純物領域となっている。また、画素部では、レジストマスク３１６によって、ゲート電極３１４ｇ端からマスク３１６端までの距離ｒの領域には、リンが注入されない。この距離ｒを、第３実施形態では、２μｍに設定した。すなわち、この距離ｒの領域が画素ＴＦＴにおけるオフセット領域となり、オフ動作時のリーク電流が低減される。図１４(Ｇ)では、このオフセット領域とチャネル領域(ゲート電極３１４ｇ下の領域)とを合わせて、符号３２０ｇで示している。また、マスク３１６以外の領域にはリンが注入され、ソース・ドレイン領域３２１ｇ、３２２ｇが形成される。
【０２２１】
次に、マスク３１６を除去した後、さらにフォトリソグラフィ工程によって、図１５(Ｈ)に示すように、ドライバー部のＮ型ＴＦＴおよび画素ＴＦＴ上を完全に覆うように、フォトレジストによって、選択ドーピングのためのマスク３１８を形成する。そして、この状態で、イオンドーピング法によって、Ｐ型ＴＦＴにのみ、活性領域３１２ｐに選択的に、ゲート電極３１４ｐをマスクとして、ホウ素３１９を注入する。このとき、ドーピングガスとして、ジボラン(Ｂ2Ｈ6)を用い、４０ｋＶ〜８０ｋＶ(例えば、６５ｋＶ)の加速電圧で、１×１０16〜５×１０16ｃｍ-2(例えば、２×１０16ｃｍ-2)の高ドーズ量にて、ドーピングを行った。
【０２２２】
この工程において、後のＰ型ＴＦＴのチャネル領域３２０ｐは、ゲート電極３１４ｐにマスクされ、ホウ素は注入されない。一方、ゲート絶縁膜３１３越しにホウ素３１９がドーピングされた領域３２１ｎ’、３２２ｎ’では、先にドーピングされたＮ型不純物であるリンがキャンセルされ、過剰なホウ素によって反転してＰ型の不純物領域３２１ｐと３２２ｐが形成される。いわゆる、カウンタードーピングがなされる。このようして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴとがそれぞれ形成される。
【０２２３】
そして、上記選択ドーピングのためのマスクとして用いたフォトレジストを除去した後、これを不活性雰囲気(例えば、窒素雰囲気)下にて、５００〜６００℃の温度で、数時間から数十時間の加熱処理を施す。この第３実施形態では、一例として、５５０℃にて６時間の処理を行った。この加熱処理によって、ドライバー部のＴＦＴ活性領域中において、ソース・ドレイン領域３２１ｎ、３２２ｎ、３２１ｐ、３２２ｐにドーピングされているリンが、その領域に存在するニッケルをまずトラップする。そして、図１５(Ｉ)に示すように、チャネル領域３２０ｎ、３２０ｐ中に存在しているニッケルを、矢印３１１に示すような方向に、隣接するソース・ドレイン領域３２１ｎ、３２２ｎ、３２１ｐ、３２２ｐへと移動させる。その結果、チャネル領域３２０ｎ、３２０ｐ中のニッケル濃度は大幅に低減する。このときのチャネル領域３２０ｎ、３２０ｐ中のニッケル濃度を、二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)によって測定したところ、５×１０16ａｔｏｍｓ/ｃｍ3程度にまで低減されていた。ちなみに、上記工程前の結晶性ケイ素膜３０３ｃの膜中ニッケル濃度は、５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3程度であった。また、この加熱処理によって、ソース・ドレイン領域３２１ｎ、３２２ｎ、３２１ｐ、３２２ｐ、３２１ｇ、３２２ｇの活性化も同時に行われる。上記工程によって得られたＮ型不純物領域３２１ｎ、３２２ｎ、３２１ｇ、３２２ｇのシート抵抗値は、０.５〜１ｋΩ/□であり、Ｐ型不純物領域３２１ｐ、３２２ｐのシート抵抗値は、２〜３ｋΩ/□であった。さらには、ゲート絶縁膜３１３の焼成処理も同時に行われ、ゲート絶縁膜３１３自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜/ゲート絶縁膜の界面特性の向上を図れる。
【０２２４】
続いて、図１５(Ｊ)に示すように、厚さ９００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜３２３としてプラズマＣＶＤ法によって形成し、これにコンタクトホールを形成して、金属材料(例えば、窒化チタンとアルミニウムの二層膜)によって、ドライバーＴＦＴ部の電極配線３２４と、画素ＴＦＴのソース電極ＴＦＴのソース電極配線３２５を形成する。画素ＴＦＴ３２９は、画素電極をスイッチングする素子であるので、もう一方のドレイン電極には、ＩＴＯなど透明導電膜からなる画素電極３２６を設ける。すなわち、図１２(Ｅ)において、ソースバスライン３２５を介してビデオ信号が供給され、ゲートバスライン３１４ｇのゲート信号に基づいて、画素電極３２６に必要な電荷が書き込まれる訳である。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で、３５０℃、１時間のアニールを行い、図１１(Ｄ)、図１２(Ｅ)、図１５(Ｊ)に示すように、ドライバー部でＮチャネル型ＴＦＴ３２７とＰチャネル型ＴＦＴ３２８を完成させ、画素部で画素ＴＦＴ３２９を完成させる。さらに必要に応じて、これらのＴＦＴを保護する目的で、ＴＦＴ上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。
【０２２５】
以上の第３実施形態にしたがって作製したドライバー部のＣＭＯＳ構造回路においては、それぞれのＴＦＴの電界効果移動度はＮチャネル型ＴＦＴで２５０〜３００ｃｍ2/Ｖｓであり、Ｐチャネル型ＴＦＴで１２０〜１５０ｃｍ2/Ｖｓと高くなった。また、閾値電圧は、Ｎ型ＴＦＴで１Ｖ程度であり、Ｐ型ＴＦＴで−１.５Ｖ程度となり、非常に良好な特性を示した。また、従来問題となっていた特性ばらつきが、電界効果移動度で±１０％程度に抑えられ、閾値電圧で±０.２Ｖ程度に抑えることができた(基板として４００×３２０ｍｍのサイズを用い、基板内２００点測定の結果)。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、ほとん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。
【０２２６】
また、画素ＴＦＴは、電界効果移動度が８０ｃｍ2/Ｖｓ程度、閾値電圧が２.５Ｖ程度と、画素ＴＦＴとしては十分な特性であった。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できた。そして、この第３実施形態に基づいて作製された液晶表示用アクティブマトリクス基板を実際に点灯評価したところ、従来法によって作製したものに比べて表示むらが小さく、ＴＦＴリーク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の液晶パネルであった。
【０２２７】
以上、この発明に基づく第１、第２、第３の実施形態について具体的に説明したが、この発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０２２８】
例えば、上記３つの実施形態では、レーザー光照射前のケイ素膜における残存非晶質領域の形状を、共に線状としたが、矩形状でもよく、残存非晶質領域を結晶化領域が挟むあるいは囲むような形状であれば、特に有効である。そのときの線幅あるいは短辺方向の幅としては、６μｍ以下であれば良い。また、このように残存非晶質領域を囲まなくても、レーザー照射によって、結晶化領域から横方向に結晶成長させた領域をＴＦＴのチャネル領域の一部に用いれば、本発明の効果が得られる。
【０２２９】
また、前述の３例の実施形態においては、ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面をニッケル塩を溶かせたエタノール溶液を塗布する方法(あるいはスパッタリング法によってニッケル薄膜を形成する方法)によって、選択的にニッケル微量添加を行い、結晶成長を行わす方法を採用した。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、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よいし、ＳＯＧ(スピンオングラス)材料を溶媒としてＳｉＯ2膜より拡散させる方法もある。また、蒸着法やメッキ法によって薄膜形成する方法や、イオンドーピング法によって直接導入する方法なども利用できる。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。
【０２３０】
また、第２および第３実施形態では、素子領域内のニッケルを低減する方法を追加し、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よい。
【０２３１】
また、上記実施形態では、ニッケルによって結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して、より高品質な結晶性ケイ素膜を得る手段として、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーを用いたが、より波長の短いＫｒＦやＡｒＦなどのエキシマレーザーやＹＡＧレーザーなどを用いてもよい。また、パルスレーザー以外に例えば連続発振Ａｒレーザーなどでも同様の処理が可能である。
【０２３２】
さらに、本発明の応用としては、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ー，ドライバー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ー内蔵型の光書き込み素子や表示素子、三次元ＩＣ等が考えられる。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。
【０２３３】
【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は、能動(チャネル)領域は、非晶質ケイ素膜に、その結晶化を促進する触媒元素を選択的に導入し結晶成長させたケイ素膜領域をシードとして、溶融固化過程において成長させた上記第２の結晶化領域は、非常に高品質な結晶性ケイ素膜となっている。
【０２３４】
本発明の半導体装置における第２の結晶化領域は、非晶質状態から、触媒元素による結晶化領域の結晶性を反映して、溶融固化で結晶成長したものであるので、触媒元素による結晶化領域のミクロ的に良好な結晶成分(柱状結晶成分)を効率的に引き継ぎ、非晶質状態から結晶成長される。したがって、通常の溶融固化による結晶化と同様、その領域には欠陥も非常に少ない。
【０２３５】
この構成の半導体装置において、キャリアは、この非常に良好な結晶性を有する第２の結晶化領域を用いて主に移動することになり、半導体装置の能動(チャネル)領域の一部をこの第２の結晶化領域で構成することで、今までにない非常に高性能な(特に電流駆動能力の高い)半導体装置を実現できる。
【０２３６】
本発明では、結晶核ではなく、シード領域として、結晶性が安定した状態の広範囲な結晶化領域を形成することで、後の強光照射による結晶化状態を安定させることが大きなポイントである。さらに、非晶質ケイ素膜を、触媒元素によって、選択的に結晶化して、その第１結晶化領域の結晶性を選択的に反映し、溶融固化で結晶化された第２の結晶化領域を得る。したがって、その溶融固化による第２の結晶化領域の位置を制御することは容易であり、半導体装置の能動(チャネル)領域との位置関係をコントロールできる。よって、この発明によれば、全ての半導体素子において能動(チャネル)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。
【０２３７】
また、一実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とは、平面的に見てそれぞれが略線状であり、上記線状の第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とが隣接し合い、ストライプ状になっている。この実施形態では、第２の結晶化領域は、線状の第１の結晶化領域から一次元的に結晶成長されることで、その結晶成長方向や結晶成長境界ができ、また、比較的大きな面積の第２の結晶化領域が得られる。また、このときの第１の結晶化領域の幅と第２の結晶化領域との幅をコントロールすることで、半導体装置の特性をコントロールすることも可能である。
【０２３８】
さらに、また、本実施形態において、溶融固化過程において結晶成長させた第２の結晶化領域の大きさが、最も重要なパラメーターである。この第２の結晶化領域の大きさは、上述のような線状の第１結晶化領域の領域間の幅として、コントロールできる。
【０２３９】
本実施形態における第２の結晶化領域は、隣接する第１の結晶化領域の結晶性を引き継いで結晶成長されたものでないと意味がない。よって、第２の結晶化領域の線幅(短辺方向の幅)は、隣接する第１の結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下であることが必要である。
【０２４０】
また、他の実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記線状の第２の結晶化領域は、幅が６μｍ以下であるから、隣接する第１の結晶化領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる。したがって、その第２の結晶化領域内は、全て、第１の結晶化領域をシードとして溶融固化過程において結晶化された高品質な結晶性ケイ素膜となる。
【０２４１】
また、一実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、半導体装置の能動(チャネル)領域でのキャリアの移動方向(チャネル方向)の延長線に対して、線状の成長境界が少なくとも横切らないように配置されている。これにより、キャリアは、この成長境界をまたぐことなくチャネルを移動することができるから、この成長境界による影響を防ぎ、高い電流駆動力をもつ高性能な半導体装置を実現できる。
【０２４２】
また、他の実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、半導体装置の能動(チャネル)領域でのキャリアの移動方向(チャネル方向)と、線状の成長境界のその線方向とが、略平行となるように配置されている。これにより、全てのキャリアが、最短距離でチャネル内を移動できるようになり、この成長境界による影響を完全に防ぎ、より高い電流駆動力をもつ高性能な半導体装置を実現できる。
【０２４３】
また、一実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記能動(チャネル)領域は、少なくとも複数本の線状の第２の結晶化領域を含んでいる。チャネル領域に含まれる線状の第２の結晶化領域の本数は多ければ多いほど良く、電流駆動能力が向上し、素子間での特性ばらつきが低減される。
【０２４４】
また、他の実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記能動(チャネル)領域は、上記触媒元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3の濃度で含有している。
【０２４５】
また、一実施形態の半導体装置は、上記半導体装置において、上記能動(チャネル)領域が含有している触媒元素は、ニッケルである。
【０２４６】
この実施形態の半導体装置では、その能動(チャネル)領域を、触媒元素を用いて加熱処理で結晶化された第１の結晶化領域と、それをシード領域として溶融固化過程で結晶成長させた第２の結晶化領域とによって、構成されるものである。したがって、この実施形態によって得られる半導体装置では、その能動領域に触媒元素を幾分か含んでおり、それが、本実施形態の半導体装置を特定化できる根拠となる。本実施形態において利用できる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または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果があり、半導体(結晶性ケイ素)中で、比較的不活性な傾向が強く、半導体装置における電気的な悪影響を抑制できる。したがって、この実施形態の半導体装置では、これらの元素の内の何れかが、能動(チャネル)領域にある程度の量だけ含まれている。
【０２４７】
そして、特に、これらの触媒元素の中でも、とりわけＮｉを用いた場合に最も顕著な効果が得られることがわかっている。
【０２４８】
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、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3であることが望ましい。ニッケルが５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3を越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)中に偏在する領域が多数現れだし、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすようになる。一方、ニッケルが５×１０17ａｔｏｍｓ/ｃｍ3以下の量では、ほとんどシリサイドとして析出せず、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。このような状態では、半導体装置への悪影響は見られていない。逆に、能動領域中の残存ニッケル濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ/ｃｍ3よりも少ない場合には、シード領域の結晶性が低く、本発明の効果は得られない。
【０２４９】
また、一実施形態の半導体装置は、複数の薄膜トランジスタを有する半導体装置である。特に、電流駆動能力が求められる薄膜トランジスタでは、チャネル幅が広いから、本発明を適用するのに適している。すなわち、高い結晶性を有する多数の第２の結晶化領域を、チャネル内に含ませることは容易である。これに対し、低リーク電流が求められ、特に、チャネル幅が小さい薄膜トランジスタにおいては、第２の結晶化領域を用いず、触媒元素によって結晶化された第１の結晶化領域のみで、そのチャネル領域を構成すればよい。このようにそれぞれ異なった特性が求められる薄膜トランジスタを同時形成する場合においては、本発明による効果を使い分け、それぞれの特性に応じた薄膜トランジスタを得ることが有効である。
【０２５０】
また、他の実施形態の半導体装置は、触媒元素の導入を全く行わずに、チャネル全体が完全にマスクされた状態で非晶質状態のまま残し、直接強光照射による溶融固化過程のみで第３の結晶化領域を結晶化させ、この第３結晶化領域でもって、チャネル領域を形成した。これは、低リーク電流が要求されるチャネル幅が小さい薄膜トランジスタに有効である。低リーク電流が要求されるチャネル幅が小さい薄膜トランジスタに、第２の結晶化領域を適用すると、それぞれの素子において、第２の結晶化領域の数および面積が少しばらつくと、大きな特性差となって現れることになる。したがって、この場合、むしろ、第１の結晶化領域あるいは溶融固化過程のみで結晶化された第３の結晶化領域のみで、そのチャネル領域を構成することが好適である。
【０２５１】
また、一実施形態の半導体装置は、特に、前述のような同一基板上に全く異なる特性の薄膜トランジスタが多数構成される半導体装置として、画素電極をスイッチングする薄膜トランジスタと、上記画素電極スイッチング用の薄膜トランジスタを駆動するドライバー回路を構成する薄膜トランジスタが設けられたドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置である。このドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置は、液晶表示装置やイメージセンサーなどに一般的に用いられる。このドライバーモノリシック型のアクティブマトリクス半導体装置は、特に、それぞれの薄膜トランジスタの目的、特徴が明確であり、この発明を用いてそれぞれの目的に合った薄膜トランジスタを作り分けるのに適している。したがって、前述のような理由から、ドライバー回路を構成する薄膜トランジスタの少なくとも一部(特に高い電流駆動能力が求められるＴＦＴ)は、そのチャネル領域が、第１の結晶化領域と第２の結晶化領域とによって構成される。一方、画素電極スイッチング用の薄膜トランジスタは、そのチャネル領域が、触媒元素を用いることなく、非晶質ケイ素膜を溶融固化過程のみによって結晶化させた第３の結晶化領域によって構成されている。
【０２５２】
また、他の実施形態の半導体装置の製造方法は、触媒元素を導入し、加熱処理によって結晶成長させた領域と、強光照射によって横方向に結晶成長させた領域とを用いて、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成している。この強光を照射する第２結晶成長工程において、触媒元素によって結晶化された領域の結晶性を反映して、溶融固化現象によって、横方向に結晶成長が生じている。すなわち、強光照射によって、触媒元素による結晶化領域のミクロ的に良好な結晶成分(柱状結晶成分)を効率的に引き継ぎ、非晶質状態から結晶成長する。これにより、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、強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、この結晶化領域が、半導体装置の能動(チャネル)領域に確実に含まれるようにアライメントして形成する結果、今までにない非常に高性能(特に電流駆動能力の高い)で、素子間ばらつきの非常に少ない安定した特性を示す半導体装置が得られる。
【０２５３】
また、他の実施形態の半導体装置の製造方法は、強光照射によって、上記加熱処理によって横方向に結晶成長させた領域から、さらに横方向(基板と平行な方向)へと、上記加熱処理によって横方向に結晶化させた領域の隣接領域を結晶成長させる。その後、この強光照射によって横方向に結晶成長させた領域が含まれるようにして、半導体装置の能動(チャネル)領域を形成する。
【０２５４】
すなわち、この実施形態では、非晶質ケイ素膜の一部に選択的に触媒元素を導入し加熱することで、他の部分を非晶質ケイ素膜の状態として残したまま、選択的に触媒元素が導入された領域のみを結晶化し、そして、さらに加熱時間を延長することで、その導入領域から横方向(基板と平行な方向)に結晶成長を行わせている。この横方向結晶成長領域の内部では、成長方向が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、この実施形態において、この横方向結晶成長領域の結晶性ケイ素膜を、強光照射に際のシード領域とすることによって、さらに強光照射による結晶成長領域の結晶性を高めることができ、半導体装置をさらに高性能化できる。
【０２５５】
また、他の実施形態の半導体装置の製造方法では、非晶質ケイ素膜への選択的な触媒元素の導入は、非晶質ケイ素膜上に、選択的に触媒元素が導入される領域が開口されてなるマスクを形成した後に行われ、そのマスクの平面的な形状は、それぞれが線状であり、かつ、それぞれが並列に並んでいるライン＆スペース形状である。この実施形態のように、例えばフォトリソグラフィーによって形成されたマスクを設けることで、そのライン幅およびスペース幅を正確に制御することが可能となり、後に、半導体装置の能動(チャネル)領域に対する位置合わせを精度よく行える。
【０２５６】
この実施形態では、触媒元素を用いて線状に結晶化した領域によって両側から挟まれるように、線状の非晶質(未結晶化)領域を存在させ、それに強光を照射して、隣接する結晶化領域から、横方向(基板と平行な方向)へと結晶成長させる。すなわち、強光照射によって結晶化される残存非晶質(未結晶化)領域が、触媒元素による結晶化領域によって、線状に挟まれて配置される。このことで、強光照射の際に、上記残存非晶質(未結晶化)領域の両脇の結晶化領域から(すなわち２方向から)、横方向結晶成長が行われる。これにより、隣接する触媒元素によって結晶化された領域の結晶性を効率良く、かつ、広面積にわたって反映することが可能となる。
【０２５７】
また、このような形状であれば、強光照射による横方向の結晶化の際、その線幅方向あるいは短辺方向に沿った方向での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。
【０２５８】
また、このときのマスクの線幅と線状マスク間のスペース幅との設定によって、シード領域(触媒元素によって結晶化された領域)の幅を小さくして、強光照射によってそこから横方向に結晶成長させた領域の面積比を大きくすることが可能である。したがって、強光照射によって触媒元素の結晶化領域の結晶性を反映して形成された高品質な結晶性ケイ素膜を、比較的広面積の領域として得ることができ、半導体装置を高性能化できるだけでなく、その素子領域のレイアウトが容易となる。
【０２５９】
また、この実施形態で、重要なポイントとなるのは、上記触媒元素による加熱処理での選択的な結晶成長後において、上記選択的に結晶成長した領域に挟まれて、あるいは囲まれて残存している線状の非晶質(未結晶化)領域の幅である。この線幅(短辺方向の幅)は、強光照射において、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下であることが必要である。これによって、強光照射によって触媒元素の結晶化領域をシードとして結晶化された高品質結晶性ケイ素膜で、その領域内が満たされる。
【０２６０】
また、他の実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記線状のマスクは、そのパターンの線幅(短辺方向の幅)が、６μｍ以下である。上記線幅が６μｍ以下であれば、強光照射において、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われ、その領域内は全て、強光照射によって触媒元素の結晶化領域をシードとして結晶化された高品質結晶性ケイ素膜で満たされる。この線幅の値６μｍは、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。
【０２６１】
また、一実施形態では、先述の実施形態での説明と同じ理由によって、上記加熱処理で横方向に結晶成長した領域に挟まれて存在する線状の非晶質領域の線幅(短辺方向の幅)を、上記非晶質領域が、隣接する上記触媒元素による結晶成長領域の結晶性を引き継いで、結晶成長が行われる最大幅以下とした。これにより、強光照射によって触媒元素の結晶化領域をシードとして結晶化された高品質結晶性ケイ素膜で、非晶質であった領域内が満たされる。
【０２６２】
また、他の実施形態では、先述の実施形態での説明と同じ理由によって、上記加熱処理で横方向に結晶成長した領域に挟まれて存在する線状の非晶質領域の線幅(短辺方向の幅)を、６μｍ以下とした。これにより、強光照射によって触媒元素の結晶化領域をシードとして結晶化された高品質結晶性ケイ素膜で、非晶質であった領域内が満たされる。
【０２６３】
また、一実施形態では、上記半導体装置の製造方法において、ライン＆スペース形状の線状マスクでもって、上記触媒元素を上記非晶質ケイ素膜へ選択的に導入し、このライン＆スペース形状の線状マスクは、その線方向が、能動領域において、半導体装置としてのキャリアが流れる方向と、略平行となるように形成する。したがって、強光照射による横方向への結晶成長は、上記ライン＆スペース形状の線状マスクのパターンにおいて、その線方向に対して、垂直方向に生じる。
【０２６４】
したがって、強光照射によって、それぞれ両脇のシードとなる結晶化領域より結晶成長してきた領域(第２結晶化領域)が、その中央部においてぶつかり合い、結晶成長境界が形成される。この成長境界は、全く逆の方向からそれぞれの結晶領域が進行しぶつかり合ったものであり、Ｓｉ原子の結合が完全に途絶え、半導体装置におけるキャリアに対して、非常に大きなトラップあるいは散乱中心となっている。
【０２６５】
したがって、本実施形態の製造方法では、触媒元素の導入を行うライン＆スペース形状の線状マスクのパターンの線方向に対して、後の能動領域におけるキャリアの流れる方向を、概略平行となるようにした。これによって、キャリアは、この成長境界をまたぐことなくチャネルを移動することができるようになり、この成長境界による悪影響を防ぐことができ、より高い電流駆動力をもつ高性能な半導体装置を実現できる。
【０２６６】
また、他の実施形態では、強光照射によって結晶成長させた線状の領域が、少なくとも２本以上、上記半導体装置の能動(チャネル)領域に含まれるように、半導体装置のチャネル幅およびそれぞれの結晶化領域の線幅(短辺方向の幅)を設定した。
【０２６７】
本実施形態においては、触媒元素による結晶化領域をシードとして強光照射によって形成される高品質な結晶化領域によって半導体装置の高性能化を図る。よって、強光照射による高品質な結晶化領域は、チャネル領域に多く含まれるほど良いが、その面積比がばらつくと特性ばらつきが生じる原因となる。このばらつきは、本実施形態のような配置では、強光照射によって結晶化された線状領域の本数という形でコントロールできる。したがって、半導体素子に要求される電流駆動能力を考慮に入れて、能動(チャネル)領域に含まれる線状の結晶成長領域を、少なくとも２本以上にすることで、特性ばらつきを実用的なレベルに抑えることができ、最低限の特性安定性と半導体装置の高性能化を確保できる。
【０２６８】
また、一実施形態では、触媒元素による加熱処理での結晶化後も非晶質ケイ素膜領域を残存させ、そこに強光を照射して、結晶成長させる。しかし、上記加熱処理の温度があまりに高いと、非晶質ケイ素膜自体の自然核発生が起こり、結晶成長が始まる。自然発生核は、触媒元素に依存せず、その結晶状態も従来の触媒元素を用いない固相成長によって得られた欠陥の多い双晶構造になる。したがって、本実施形態では、非晶質ケイ素膜に触媒元素を選択的に導入した後、結晶化させるため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のみが発生し、進行するような温度とした。
【０２６９】
また、他の実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記加熱処理は、５２０℃から５８０℃の範囲の温度で行なう。
【０２７０】
具体的に、触媒元素による結晶成長が起こり始める温度としては、５２０℃程度であり、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約５８０℃である。したがって、加熱処理温度としては、５２０℃から５８０℃の範囲とすることで、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、触媒元素による結晶成長のみが進行する。
【０２７１】
また、一実施形態では、上記強光の強度を、非晶質(未結晶化)領域が完全に溶融する一方、触媒元素によって結晶化された領域が完全に溶融せず、少なくとも元の結晶状態が失われないような範囲の強度に設定する。これにより、強光照射によって、残存非晶質領域が結晶化領域の結晶性を反映して十分に結晶成長され、また、結晶化領域において触媒元素によって得られた結晶性が失われることもない。したがって、高性能でばらつきの少ない半導体装置を作製できる。
また、他の実施形態は、上記強光として、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光を用い、ケイ素膜表面に対するエネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ/ｃｍ2となる範囲内で、強光を照射する。
【０２７２】
上記強光としては、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー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、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できる。また、エキシマレーザー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エキシマレーザー光は出力が大きいから、基板照射時のビームサイズを大きくでき、大面積基板に対応し易く、また、出力も比較的安定しており、量産装置に適用する上で最も望ましい。そして、上記レーザー光を用いて、ケイ素膜表面に対して、上記レーザー光の表面エネルギー密度が２００〜４５０ｍＪ/ｃｍ2となるようにして、照射工程を行うことが望ましい。ここで、レーザー光の表面エネルギー密度が２００ｍＪ/ｃｍ2より小さければ、ケイ素膜はほとんど溶融されず、残存非晶質領域が結晶化領域の結晶性を反映して十分に結晶成長されない。
【０２７３】
また、上記表面エネルギー密度が、４５０ｍＪ/ｃｍ2よりも大きければ、結晶化領域において触媒元素によって得られた結晶性が完全に失われ、すなわち、リセットされてしまう。こうなると、全面的に従来のレーザー結晶化で得られる結晶性ケイ素膜と同等になってしまい、性能が低下するだけでなく、本来レーザー結晶化が有している不均一性の問題点が発生する。すなわち、この実施形態でのエネルギー密度範囲は、上述の非晶質領域が結晶化領域の結晶性を反映して結晶化されると共に、結晶化領域の元の結晶性が失われないような範囲に相当する。
【０２７４】
また、一実施形態は、上記半導体装置の製造方法において、上記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一つの元素を用いる。この実施形態で選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果があるが、それらの中でも、特にＮｉを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。
【０２７５】
また、他の実施形態では、強光照射によって、触媒元素によって選択的に結晶成長させた領域から横方向へと結晶成長させ、次に、半導体装置の能動(チャネル)領域となる以外のケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入し、第２の加熱処理を行う工程を追加した。この方法は、非常に有効であって、結晶成長に使われ、主に、成長境界に残存する触媒元素は、上記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に移動し、結果として、半導体装置の能動(チャネル)領域中の触媒元素量を大きく低減できる。この方法は、半導体特性に対して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。そして、５族Ｂ元素を導入され、触媒元素が集められた領域を除去して、最終的な半導体素子領域を形成すれば、基板上には触媒元素の高濃度領域は全く残らない。
【０２７６】
また、一実施形態は、上記５族Ｂから選ばれた元素として、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉのうちから選ばれた少なくとも一つの元素が用いられる。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、上記触媒元素を効率的に移動させることができ、十分な効果が得られる。これらの元素の中でも、最も効果が高いのはＰであることがわかっている。
【０２７７】
このように、この発明を用いることによって、非常に高性能で、ばらつきの少ない安定した特性の半導体素子を実現でき、さらに、集積度の高い高性能半導体装置が、簡便な製造プロセスにて得られる。また、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図れる。特に、液晶表示装置においては、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し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成する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、低コスト化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１(Ａ)〜(Ｃ)は、この発明の第１の実施形態の作製工程を順に示す平面図である。
【図２】  図２(Ａ)〜(Ｄ)は、第１の実施形態の作製工程(前半)を順に示す断面図である。
【図３】  図３(Ｄ)〜(Ｇ)は、第１の実施形態の作製工程(後半)を順に示す断面図である。
【図４】  図４(Ａ)、(Ｂ)は、第２実施形態のドライバー回路部の作製工程(前半)を順に示す平面図である。
【図５】  図５(Ｃ)、(Ｄ)は、第２実施形態のドライバー回路部の作製工程(前半)を順に示す平面図である。
【図６】  図６(Ａ)〜(Ｅ)は、上記第２実施形態の画素部の作製工程を順に示す平面図である。
【図７】  図７(Ａ)〜(Ｆ)は、上記第２実施形態の作製工程(前半)を順に示す断面図である。
【図８】  図８(Ｄ)〜(Ｇ)は、上記第２実施形態の作製工程(後半Ｉ)を順に示す断面図である。
【図９】  図９(Ｈ)〜(Ｊ)は、上記第２実施形態の作製工程(後半II)を順に示す断面図である。
【図１０】  図１０(Ａ)、(Ｂ)は、第３実施形態のドライバー回路部の作製工程を順に示す平面図である。
【図１１】  図１１(Ｃ)、(Ｄ)は、第３実施形態のドライバー回路部の作製工程を順に示す平面図である。
【図１２】  図１２(Ａ)〜(Ｅ)は、第３実施形態の画素部の作製工程を順に示す平面図である。
【図１３】  図１３(Ａ)〜(Ｅ)は、第３実施形態の作製工程(前半)を順に示す断面図である。
【図１４】  図１４(Ｅ)〜(Ｇ)は、第３実施形態の作製工程(後半I)を順に示す断面図である。
【図１５】  図１５(Ｈ)〜(Ｊ)は、第３実施形態の作製工程(後半II)を順に示す断面図である。
【図１６】  図１６(Ａ)および(Ｂ)は、この発明におけるラマンシフト波数および電界効果移動度が残存非晶質領域の幅によって変化する様子を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１,２０１,３０１…ガラス基板、１０２,２０２,３０２…下地膜、
１０３,２０３,３０３…非晶質ケイ素膜、
１０３ａ,２０３ａ,３０３ａ…結晶性ケイ素膜、
１０４,２０４,３０４…ニッケル導入マスク、
１０５,２０５,３０５…ニッケル、
３０６…ニッケルによる結晶成長方向、
１０７,２０７,３０７…レーザー光、
１０８,２０８,３０８…レーザー光照射による結晶成長方向、
２０９…リン導入マスク、２１０…リン、
２１１,３１１…ニッケルのゲッタリング方向、
１１２,２１２,３１２…ＴＦＴ活性領域(素子領域)、
１１３,２１３,３１３…ゲート絶縁膜、
１１４,２１４,３１４…ゲート電極、
１１５,２１５…陽極酸化層、
２１６,３１６…リン用のレジストマスク、
１１７,２１７,３１７…リン、
２１８,３１８…ホウ素用のレジストマスク、
２１９,３１９…ホウ素、１２０,２２０,３２０…チャネル領域、
１２１,２２１,３２１…ソース領域、
１２２,２２２,３２２…ドレイン領域、
１２３,２２３,３２３…層間絶縁膜、
１２４,２２４,３２４…電極配線、
２２５,３２５…ソース電極、
２２６,３２６…画素電極、
１２７,２２７,３２７…Ｎ型ＴＦＴ、
２２８,３２８…Ｐ型ＴＦＴ、
２２９…画素ＴＦＴ、１３０…チャネル方向(キャリアの移動方向)。
【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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