(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に下地膜を形成し、
前記下地膜の上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜の上に、開口部を有するマスクを形成し、
前記開口部において前記非晶質珪素膜に接して結晶化を助長する金属元素を保持して加熱処理し結晶成長させた珪素膜を形成し、
前記加熱処理後、前記マスクを除去し、
エッチングによって、前記珪素膜のうち前記金属元素が保持された領域から結晶成長した領域であり且つ結晶成長の方向がそろった領域を用いて活性層を形成すると共に、前記金属元素が保持された領域を除去し、
前記活性層の上にゲイト酸化膜を形成し、
前記ゲイト酸化膜の上にゲイト電極を形成すると共に、前記エッチングによって前記前記金属元素が保持された領域を除去したときに前記下地膜に形成された凹部にゲイト線を形成し、
前記ゲイト線を形成後、前記活性層に不純物イオンを注入してソース領域及びドレイン領域を形成し、
前記ソース領域と接続し前記ゲイト線と並列である第１の引き出し配線と、前記ドレイン領域と接続し前記ゲイト線と並列である第２の引き出し配線とをそれぞれ形成する
ことを特徴とするアナログスイッチ回路の作製方法。
【請求項２】
絶縁基板上に下地膜を形成し、
前記下地膜の上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜の上に、開口部を有するマスクを形成し、
前記開口部において前記非晶質珪素膜に接して結晶化を助長する金属元素を保持して加熱処理し結晶成長させた珪素膜を形成し、
前記加熱処理後、前記マスクを除去し、
ハロゲン元素を含む酸素雰囲気における加熱処理により前記珪素膜の酸化膜を形成後、前記酸化膜を除去し、
エッチングによって、前記珪素膜のうち前記金属元素が保持された領域から結晶成長した領域であり且つ結晶成長の方向がそろった領域を用いて活性層を形成すると共に、前記金属元素が保持された領域を除去し、
前記活性層の上にゲイト酸化膜を形成し、
前記ゲイト酸化膜の上にゲイト電極を形成すると共に、前記エッチングによって前記金属元素が保持された領域を除去したときに前記下地膜に形成された凹部にゲイト線を形成し、
前記ゲイト線を形成後、前記活性層に不純物イオンを注入してソース領域及びドレイン領域を形成し、
前記ソース領域と接続し前記ゲイト線と並列に延びた第１の引き出し配線と、前記ドレイン領域と接続し前記ゲイト線と並列に延びた第２の引き出し配線とをそれぞれ形成する
ことを特徴とするアナログスイッチ回路の作製方法。
【請求項３】
絶縁基板上に下地膜を形成し、
前記下地膜の上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜の上に、開口部を有するマスクを形成し、
前記開口部において前記非晶質珪素膜に接して結晶化を助長する金属元素を保持して加熱処理し結晶成長させた珪素膜を形成し、
前記加熱処理後、前記マスクを除去し、
エッチングによって、前記珪素膜のうち前記金属元素が保持された領域から結晶成長した領域であり且つ結晶成長の方向がそろった領域を用いて前記結晶成長の方向と交差する方向に並んだ複数の第１の活性層及び複数の第２の活性層を形成すると共に、前記金属元素が保持された領域を除去し、
前記複数の第１の活性層及び前記複数の第２の活性層の上にゲイト酸化膜を形成し、
前記ゲイト酸化膜の上に、前記複数の第１の活性層と重なる第１のゲイト電極及び前記複数の第２の活性層と重なる第２のゲイト電極を形成すると共に、前記エッチングによって前記前記金属元素が保持された領域を除去したときに前記下地膜に形成された凹部にゲイト線を形成し、
前記ゲイト線を形成後、前記複数の第１の活性層及び前記複数の第２の活性層に不純物イオンを注入してソース領域及びドレイン領域を形成し、
前記複数の第１の活性層及び前記複数の第２の活性層のソース領域と接続し前記ゲイト線と並列である第１の引き出し配線と、前記複数の第１の活性層及び前記複数の第２の活性層のドレイン領域と接続し前記ゲイト線と並列である第２の引き出し配線と、をそれぞれ形成する
ことを特徴とするアナログスイッチ回路の作製方法。
【請求項４】
絶縁基板上に下地膜を形成し、
前記下地膜の上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜の上に、開口部を有するマスクを形成し、
前記開口部において前記非晶質珪素膜に接して結晶化を助長する金属元素を保持して加熱処理し結晶成長させた珪素膜を形成した、
前記加熱処理後、前記マスクを除去し、
ハロゲン元素を含む酸素雰囲気における加熱処理により前記珪素膜の酸化膜を形成後、前記酸化膜を除去し、
エッチングによって、前記珪素膜のうち前記金属元素が保持された領域から結晶成長した領域であり且つ結晶成長の方向がそろった領域を用いて前記結晶成長の方向と交差する方向に並んだ複数の第１の活性層及び複数の第２の活性層を形成すると共に、前記金属元素が保持された領域を除去し、
前記複数の第１の活性層及び前記複数の第２の活性層の上にゲイト酸化膜を形成し、
前記ゲイト酸化膜の上に、前記複数の第１の活性層と重なる第１のゲイト電極及び前記複数の第２の活性層と重なる第２のゲイト電極を形成すると共に、前記エッチングによって前記前記金属元素が保持された領域を除去したときに前記下地膜に形成された凹部にゲイト線を形成し、
前記ゲイト線を形成後、前記複数の第１の活性層及び前記複数の第２の活性層に不純物イオンを注入してソース領域及びドレイン領域を形成し、
前記複数の第１の活性層及び前記複数の第２の活性層のソース領域と接続し前記ゲイト線と並列である第１の引き出し配線と、前記複数の第１の活性層及び前記複数の第２の活性層のドレイン領域と接続し前記ゲイト線と並列である第２の引き出し配線と、をそれぞれ形成する
ことを特徴とするアナログスイッチ回路の作製方法。
【請求項５】
前記開口部の短手方向の延長線と、前記活性層の前記延長線に近い方の端部とがなす距離は、結晶成長距離の５０％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアナログスイッチ回路の作製方法。
【請求項６】
前記開口部の短手方向の延長線と、前記結晶成長の方向と交差する方向に並んだ複数の複数の第１の活性層及び複数の第２の活性層のうち前記延長線に最も近くに配置された活性層の前記延長線に近い方の端部とがなす距離は、結晶成長距離の５０％以上であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のアナログスイッチ回路の作製方法。
【請求項７】
前記金属元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のアナログスイッチ回路の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜トランジスタ回路及び薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置に関する。特にガラスや石英等の絶縁基板、あるいは単結晶上に絶縁層を設けたＳＯＩなどに設けられた薄膜トランジスタ回路の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス基板や石英基板上に結晶性を有する珪素膜を成膜し、その珪素膜でもって、薄膜トランジスタを作製する技術が知られている。
現在、ＬＳＩの代わりに基板上画素マトリクス周辺にＴＦＴで液晶表示装置の駆動回路を一体形成する周辺駆動回路一体化が進められている。
この駆動回路一体化により、液晶表示装置の小型化ができるとともにコストダウンが可能となった。
このような構成において、周辺駆動回路のさらなる高速動作が必要とされるようになった。
しかし、これまでの高温ポリシリコンＴＦＴ及び低温ポリシリコンＴＦＴで形成された回路では、必要な高速動作を得ることが困難であった。
【０００３】
そこで、非晶質半導体層の結晶性を助長させるための金属元素を添加する工程を加えることで、必要な高速駆動を得られることが見出された。
しかし、まだこの工程を用いた個々の薄膜トランジスタは、その駆動速度および電気特性が不均一である等の問題が生じていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書で開示する発明は、上記のような高速動作（一般に数十ＭＨｚ以上の動作速度）が要求される薄膜トランジスタ回路を作製することを課題とする。
【０００５】
従来、結晶性を助長させるための金属元素は、薄膜トランジスタにとっては不純物であり、結晶化後の工程で除去しても、完全には除去できないため、必要最低限な量を添加するのが望ましいとされていた。
そのため、結晶性を助長させるために形成した金属元素添加領域１０５は、図１（ｂ）に示すように、半導体の島領域１０１と比較して同じか、それ以下の形状を有していた。
【０００６】
添加された金属元素は、加熱工程により、図１（ｂ）に示すように、楕円状に拡散して半導体領域を結晶化を助長する。
しかし、図１（ｂ）のような従来方法で結晶化された半導体の島領域１０１は、金属元素拡散領域内に半導体領域１０１が存在し、結晶化が助長されているのにかかわらず、各々のトランジスタの特性にばらつきが見られた。
【０００７】
本発明人は、そのトランジスタの特性のばらつきの原因を調べた。そして、半導体の島領域１０１の結晶成長の方向が、金属元素添加領域１０５と離れるにしたがって、薄膜トランジスタを構成する半導体の島領域のキャリアの移動方向と一致していないことが判明した。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
絶縁基板上に下地膜を形成し、
前記下地膜の上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜の上に、開口部を有するマスクを形成し、
前記開口部において前記非晶質珪素膜に接して結晶化を助長する金属元素を保持して加熱処理し結晶成長させた珪素膜を形成し、
前記加熱処理後、前記マスクを除去し、
エッチングによって、前記珪素膜のうち前記金属元素が保持された領域から結晶成長した領域であり且つ結晶成長の方向がそろった領域を用いて活性層を形成すると共に、前記金属元素が保持された領域を除去し、
前記活性層の上にゲイト酸化膜を形成し、
前記ゲイト酸化膜の上にゲイト電極を形成すると共に、前記エッチングによって前記前記金属元素が保持された領域を除去したときに前記下地膜に形成された凹部にゲイト線を形成し、
前記ゲイト線を形成後、前記活性層に不純物イオンを注入してソース領域及びドレイン領域を形成し、
前記ソース領域と接続し前記ゲイト線と並列である第１の引き出し配線と、前記ドレイン領域と接続し前記ゲイト線と並列である第２の引き出し配線とをそれぞれ形成する
ことを特徴とするアナログスイッチ回路の作製方法である。
【０００９】
上記構成において、結晶化工程で、前記金属元素の添加領域から金属元素が１次元的に拡散する領域内に、活性層を配置することが重要となる。即ち、図１（ｂ）に示すような結晶成長が放射状に（即ち２次元的に）成長する領域を利用せずに、（ａ）に示すように結晶成長方向が平行にそろった１次元的な、一つの方向に結晶成長の向きがそろった領域を利用して活性層を形成することが重要である。
【００１０】
珪素の結晶化を助長する金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類のものを利用することができる。
【００１１】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に非晶質珪素膜を成膜する工程と、
前記非晶質珪素膜の上に、長手形状を有する珪素の結晶化を助長する金属元素の添加領域を形成する工程と、
加熱処理を施し、前記金属元素の添加領域から基板に平行な方向に結晶成長を行わす工程と、
を有し、
前記金属元素の添加領域は、後の工程で形成される半導体の活性層パターンの端部よりも所定の距離だけ長手方向に延在して形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本明細書で開示する発明では、図１（ａ）で示すような金属元素添加領域１０５を設ける。
【００１３】
即ち、
絶縁基板上に形成された少なくとも１つの薄膜トランジスタを有する回路であって、
金属元素添加領域１０５は、前記薄膜トランジスタを形成する半導体の島領域１０１と距離ｙの間隔をもって配置されていて、
ｗの幅を有し、
半導体の島領域１０１の端部よりも距離ｘだけ長手方向に延在するようにする。
【００１４】
本発明は、非晶質珪素膜の一部に珪素の結晶化を助長する金属元素を選択的に導入する工程において、開口部を有するマスクにより形成された金属元素添加領域１０５は、半導体の島領域１０１と距離ｙの間隔をもって配置されていて、ｗの幅と、半導体の島領域１０１の端部よりも距離ｘだけ長手方向に長い形状を有している。
【００１５】
本発明における金属元素添加領域１０５が半導体の島領域１０１の端部よりも長手方向に延在した距離ｘは、少なくとも１００μｍ以上が望ましい。
しかし、回路の配線の都合上１００μｍ以上とできない場合には、可能な限りで良い。
【００１６】
次に、半導体の島領域１０１から金属元素添加領域１０５の間隔距離ｙは、１０μｍ以上が望ましい。しかし、回路の配線の都合上１０μｍ以上とできない場合には、可能な限りで良い。
また、金属元素添加領域１０５の幅ｗは、１０〜２０μｍ程度が望ましいとされている。
【００１７】
上記構成とすることで、金属元素添加領域形成後の非晶質珪素膜結晶化工程により、金属元素が図２（ａ）のように、拡散して非晶質珪素膜の結晶化を助長する。
【００１８】
上記構成とすることで、結晶化が助長された珪素膜全体は、図２（ａ）中の矢印の方向に、連続して直線的な結晶粒界を有する結晶構造を有している。
また、図２（ａ）ｂ−ｂ’断面図である図２（ｂ）で示されるように基板に平行な方向へ結晶成長が進行する。
【００１９】
この結晶成長は、金属元素添加領域４０５から周囲に向かって矢印方向に直線的に進行する。本発明は、この結晶成長が直線的に進行する領域を広くして、半導体の島領域全体の結晶粒界を金属元素添加領域に対して同一な方向にするというものである。
この基板に平行な方向への結晶成長を横成長またはラテラル成長と称する。
【００２０】
そして、金属元素が直線的に拡散する領域内に、半導体の島領域１０１が、配置されるよう金属元素添加領域１０５を配置するようにすることが望ましい。
【００２１】
また距離ｘを結晶成長距離の５０％以上とすると、半導体の島領域１０１が形成される領域を、結晶成長が直線的に進行する領域とすることができる。
【００２２】
また、薄膜トランジスタを構成する半導体の島領域１０１のキャリアの移動方向（全体として見た場合のキャリアの移動方向）と結晶構造の連続性の方向を概略一致させるとさらなる高速動作を期待できる。
【００２３】
なお、複数の薄膜トランジスタが連続して直列または並列に配置されている場合は、最も端に位置する薄膜トランジスタの半導体の島領域の端部よりも間隔ｙ、距離ｘだけ長手方向に延在した、ｗの幅の金属添加領域を設ければよい。
【００２４】
本発明の金属添加領域は、結晶化後の金属元素の除去工程により、除去される。
しかし、開口部付近は、金属元素が添加され、エッチングされやすくなるため、オーバーエッチングされて、図３（Ｃ）で示すように金属添加領域の形状の跡が残る。
【００２５】
この開口部の形状を有する跡の付近には、結晶性を助長させるための金属元素が、他の場所と比較して多く残存していると思われる。金属元素除去後、この跡の上に配線を形成することによって、金属元素除去後の工程による拡散を防ぐことができる。
【００２６】
本発明で開示する発明における結晶性珪素膜を得る１方法として、以下の方法が推奨される。即ち、非晶質珪素膜に対してニッケルに代表される珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、さらに加熱処理を施し、さらにハロゲン元素を含んだ雰囲気中での加熱処理を行うこにより、結晶性珪素膜を得る。
【００２７】
上記金属元素としては、ニッケルが再現性や効果の点で極めて好ましい。一般にこの金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類のものを利用することができる。
【００２８】
ニッケル元素を利用した場合、最終的に珪素膜中に残留するニッケルの濃度は、現状では１×１０14原子個／ｃｍ3 〜５×１０18原子個／ｃｍ3 程度となるが、低いほど好ましい。熱酸化膜のゲッタリング条件を詰めれば、この濃度の上限は５×１０17原子個／ｃｍ3 程度にまで低減できる。この濃度の計測は、ＳＩＭＳ（２次イオン分析方法）を利用して計測できる。
【００２９】
一般的には、上記ニッケル濃度の下限は、１×１０16原子個／ｃｍ3 程度となる。これは、コストとの兼ね合いを考えた場合、基板や装置に付着するニッケル元素の影響を排除することが通常は困難であるからである。
【００３０】
よって、一般的な作製工程に従った場合、残留するニッケル元素の濃度は、１×１０16原子個／ｃｍ3 〜５×１０17原子個／ｃｍ3 となる。
【００３１】
また、熱酸化膜の作製工程において、当該金属元素が熱酸化膜中に移動する関係から、得られた結晶性珪素膜の厚さ方向におけるニッケル元素の濃度分布に勾配または分布が発生する。
【００３２】
一般に結晶性珪素膜中の当該金属元素の濃度は、熱酸化膜が形成される界面に向かって当該金属元素の濃度が高くなる傾向が観察される。また、条件によっては、基板または下地膜に向かって、即ち裏面側の界面に向かって当該金属元素の濃度が高くなる傾向も観察される。
【００３３】
また、熱酸化膜の形成時に雰囲気中にハロゲン元素を含有させた場合、このハロゲン元素も上記金属元素と同様な濃度分布を示すものとなる。即ち、結晶性珪素膜の表面および／または裏面に向かって含有濃度が高くなる濃度分布を示すものとなる。
【００３４】
本明細書で開示する発明における結晶性珪素膜は、その最終的な膜厚を好ましくは１００Å〜７５０Å、より好ましくは１５０Å〜４５０Åとする。このような膜厚とすることにより、直線的方向に結晶性が連続した特異な結晶構造をより顕著な形で再現性良く得ることができる。
【００３５】
この最終的な結晶性珪素膜の膜厚は、熱酸化膜の成膜により膜厚を目減りすることを考慮して決定する必要がある。
【００３６】
金属元素の導入方法としては、当該金属元素を含んだ溶液を塗布する方法、ＣＶＤ法による方法、スパッタ法や蒸着法による方法、当該金属を含んだ電極を利用したプラズマ処理による方法、ガス吸着法による方法を挙げることができる。
【００３７】
ハロゲン元素を導入する方法としては、ＨＣｌ、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｃｌ2 、Ｆ2 、Ｂｒ2 、ＣＦ4 等を酸化性雰囲気（例えば酸素雰囲気）中に含有させる手段を利用することができる。
【００３８】
また、熱酸化膜の形成時における雰囲気中に水素ガスの導入を合わせて行い、ウエット酸化の作用を利用することも有効である。
【００３９】
熱酸化膜の形成するための温度は極めて重要なものとなる。後述するような素子単体で数十ＭＨｚ以上の動作を行わせることが可能で、Ｓ値が１００(mV/dec)以下というようなＴＦＴを得るのであれば、熱酸化膜の形成時における加熱温度を好ましくは８００℃以上、より好ましくは９００°以上とすることが必要である。
【００４０】
なおこの加熱温度の上限は、石英基板の耐熱温度の上限である１１００℃程度とすることが適当である。
【００４１】
【実施例】
〔実施例１〕図３（Ａ）に薄膜トランジスタを使って構成したスイッチ回路を液晶表示装置の駆動回路に応用した場合の本発明の実施例を示す。ここではアナログスイッチ回路及び映像信号線周辺の配線構造の一部を例示する。
【００４２】
アナログスイッチ等のスイッチ回路は、短時間で映像信号をデータ線に書き込まなければならず、このためにも、高速動作させる必要がある。
従来の高温ポリシリコンＴＦＴ及び低温ポリシリコンＴＦＴでは、単結晶ＭＯＳＦＥＴと比較して結晶性が悪いためアナログスイッチ等のスイッチ回路を構成した場合、必要な高速動作を得ることは困難であった。
【００４３】
本発明の薄膜トランジスタ回路における半導体領域は、金属添加領域を半導体領域よりも距離ｘだけ延在させることで、半導体領域全体の結晶粒界をより直線方向にすることを特徴としている。
【００４４】
本実施例においては、距離ｘ＝１００μｍ、間隔距離ｙ＝１０μｍ、幅ｗ＝１０μｍとした。
図３（Ａ）におけるｘは、ｙ及びｗにの長さに比べてほぼ同程度であるが、作図上短縮したにすぎない。
【００４５】
本発明の半導体領域は、従来の高温ポリシリコンＴＦＴ及び低温ポリシリコンＴＦＴよりも結晶化の方向が一方向となっているため、単結晶ＭＯＳＦＥＴと同等の高速動作を得ることができる。
【００４６】
図３（Ａ）は、データ線駆動回路の映像信号線周辺の基板上でのレイアウトの一部の上面図を例示している。
図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のａ−ａ’の断面図である。
映像信号線Ｖは、引き出し配線ＳＬ１、ＳＬ２及びＰ型またはＮ型半導体領域を介してデータ線ＤＬ１に接続される。
映像信号線Ｖは、引き出し配線ＳＬ１は、コンタクトホールを通して半導体を介し、必要な映像信号とのみ配線ＤＬ１に導電接続される。
【００４７】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の等価回路図である。
本実施例では、Ｐチャネル型ＴＦＴを２つを直列に接続し、Ｎチャネル型ＴＦＴを２つを直列に接続し、Ｐチャネル型ＴＦＴ群とＮチャネル型ＴＦＴ群を並列に組み合わせて図３（Ｂ）のように接続している。
こうすることで、一方のトランジスタ群がＯＮになると、他方はＯＦＦになるという具合に相補的に動作するアナログスイッチ回路である。
【００４８】
ここでは、ＴＦＴを２つを直列に接続しているが、２つ以上多数でも、１つでもよく、特性の劣化に耐えうる大きさと数で配置するのが望ましいことはいうまでもない。
【００４９】
アナログスイッチ回路は、駆動タイミング制御部から出力されたビット信号が印加されたスイッチ回路駆動用ゲイト線ＧＬ１、ＧＬ２に印加されるタイミングに従って高抵抗と低抵抗の切り換え動作をする。
このような相補的に動作するアナログスイッチ回路を介して、映像信号線Ｖに入力された必要な映像信号とのみデータ配線ＤＬ１に導電接続される。
その後、信号は、各画素に伝達されて画面表示される。
【００５０】
〔実施例２〕
上記実施例を構成するための作製工程を以下に示す。
【００５１】
まず、石英基板４０１上に下地膜４０２として酸化珪素膜を３０００Åの厚さに成膜する。なお、石英基板の表面の平滑性が良く、また洗浄を十分にするのであれば、この下地膜４０２は特に必要ない。
【００５２】
なお、基板としては石英基板を利用することが現状においては好ましい選択となるが、加熱処理温度に耐える絶縁基板であれば、石英に限定されない。
【００５３】
次に結晶性珪素膜の出発膜となる非晶質珪素膜４０３を減圧熱ＣＶＤ法でもって、６００Åの厚さに成膜する。この非晶質珪素膜の厚さは、２０００Å以下とすることが好ましい。
【００５４】
次に図示しない酸化珪素膜を１５００Åの厚さに成膜し、それをパターニングすることにより、４０４で示されるマスクを形成する。このマスクは４０５で示される領域に開口が形成されている。この開口４０５が形成されている領域においては、非晶質珪素膜４０３が露呈する。
【００５５】
開口４０５は、図面の奥行及び手前方向に長手方向を有する細長い長方形を有している。この開口４０５の幅は１０μｍ以上とするのが適当である。またその端部は、後の工程で形成しようとする活性層領域よりも距離ｘだけ離れるように設計する。
【００５６】
そして重量換算で１０ｐｐｍのニッケル元素を含んだ酢酸ニッケル溶液を塗布する。そして図示しないスピナーを用いてスピンドライを行い余分な溶液を除去する。
【００５７】
こうして、ニッケル元素が図４（Ａ）の点線４０６で示されるような状態で存在した状態が得られる。この状態では、ニッケル元素が開口４０５の底部において、非晶質珪素膜の一部に選択的に接して保持された状態が得られる。
【００５８】
なお、ニッケル元素の導入をイオン注入法を用いて行ってもよい。この場合、ニッケル元素の溶液を塗布する場合に比較して、導入位置をより精度よく制御することができる。したがって、ニッケル元素の導入領域の幅が数μｍあるいはそれ以下の極めて狭い場合や、導入領域の形状が複雑な場合に特に有効である。
【００５９】
次に水素を３％含有した極力酸素を含まない窒素雰囲気中において、５００℃〜６３０℃、例えば６００℃、８時間の加熱処理を行う。すると、図４（Ｂ）の４０７で示されるように基板４０１に平行な方向への結晶成長が進行する。
【００６０】
この結晶成長は、ニッケル元素が導入された開口４０５の領域（金属元素添加領域）から周囲に向かって進行する。
【００６１】
この結晶成長により得られる横成長した結晶性珪素膜の表面は、従来の低温ポリシリコンや高温ポリシリコンに比較して非常に平滑性の良いものが得られる。これは、結晶粒界の延在する方向が概略そろっていることに起因すると考えられる。
【００６２】
一般の多結晶珪素やポリシリコンと呼ばれる珪素膜は、その表面の凹凸は±１００Å以上ある。しかし、本実施例で示すような横成長をさせた場合は、その表面の凹凸は±３０Å以下であることが観察されている。この凹凸は、ゲイト絶縁膜との間の界面特性を悪化させるものであり、極力小さいものであることが好ましい。
【００６３】
上記の結晶化のために加熱処理条件においては、この横成長を１００μｍ以上にわたって行わすことができる。こうして横成長した領域を有する結晶性珪素膜４０８を得る。
【００６４】
この結晶成長のための加熱処理は、４５０℃〜１１００℃（上限は基板の耐熱性で規制される）で行うことができる。ある程度の横成長距離を確保するのであれば、加熱処理の温度を６００℃以上とすることが好ましい。しかし、それ以上に温度を上げることによる結晶成長距離や結晶性の向上はそれ程大きくない。
【００６５】
そしてニッケル元素を選択的に導入するための酸化珪素膜でなるマスク４０４を除去する。こうして、図４（Ｃ）に示す状態を得る。
【００６６】
この状態においては、ニッケル元素が結晶性珪素膜４０８中に偏在している。特に、開口４０５が形成されていた領域と、４０７で示される結晶成長の先端部分においては、ニッケル元素が比較的高濃度に存在している。
前記ニッケル元素が膜中に偏在している領域は、結晶成長の方向が乱れている。
従って、活性層の形成においては、それらの領域を避けることが重要となる。即ち、活性層中に上記ニッケル元素が偏在した領域が存在しないようにすることが重要である。
また、開口４０５が形成されていた領域上に配線を形成するように、設計する。
【００６７】
図４（Ｃ）に示す状態を得た後、レーザー光の照射を行なってもよい。即ち、レーザー光の照射により、さらに結晶化を助長させてもよい。このレーザー光の照射は、膜中に存在するニッケル元素の固まりを分散させ、後にニッケル元素を除去し易くする効果を有している。なお、この段階でレーザー光の照射を行っても、さらに横成長が進行することはない。
【００６８】
レーザー光としては、紫外領域の波長を有するエキシマレーザーを利用することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）やＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を利用することができる。
【００６９】
次にハロゲン元素を含有した酸素雰囲気、例えばＨＣｌを３体積％含んだ酸素雰囲気中において、９５０℃の加熱処理を行い、熱酸化膜４０９を２００Åの厚さに成膜する。この熱酸化膜の形成に従い、珪素膜４０８の膜厚は１００Å程度その膜厚が減少する。即ち、珪素膜の膜厚は、５００Å程度となる。
【００７０】
この工程においては、熱酸化膜の形成に従い、膜中の不安定な結合状態を有する珪素元素が熱酸化膜の形成に利用される。そして、膜中の欠陥が減少し、より高い結晶性を得ることができる。
【００７１】
また同時に熱酸化膜の形成および塩素の作用により膜中よりニッケル元素のゲッタリングが行われる。
【００７２】
当然、熱酸化膜中には、比較的高濃度にニッケル元素が取り込まれることになる。そして相対的に珪素膜４０８中のニッケル元素は減少する。
【００７３】
熱酸化膜４０９を形成したら、この熱酸化膜４０９を除去する。こうして、ニッケル元素の含有濃度を減少させた結晶性珪素膜４０８を得る。こうして得られた結晶性珪素膜は、一方向に結晶構造が延在した（この方向は結晶成長方向に一致する）構造を有している。即ち、細長い円柱状の結晶体が複数の一方向に延在した結晶粒界を介して、複数平行に並んでいるような構造を有している。この一方向（この方向は結晶成長方向に一致する）に延在した結晶粒界には酸素と塩素とが偏析している。
【００７４】
次にパターニングを行うことにより、横成長領域でなるパターン４１０を形成する。この島状の領域４１０が後にＴＦＴの活性層となる。
この時、開口４０５が形成されていた領域は、他の領域よりニッケル元素を含んでいるためエッチングされやすくなり、図４（Ｄ）で示したように、下地膜である酸化珪素膜がオーバーエッチングされる。
【００７５】
ここでは、ソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向と結晶成長方向とが一致または概略一致するようにパターンの位置取りを行う。こうすることで、キャリアの移動する方向と結晶格子が連続して延在する方向とを合わせることができ、結果として高い特性のＴＦＴを得ることができる。
【００７６】
そして、４１０でなるパターンを形成後に熱酸化膜５１１を３００Åの厚さに成膜する。（図５（Ｅ））この熱酸化膜は、ＨＣｌを０．１〜１０体積％、例えば３％含有した酸素雰囲気中において、９５０℃の加熱処理を行うことによって得る。
【００７７】
熱酸化膜４１１を成膜することにより、パターン（活性層となるパターン）４１０の膜厚は、３５０Åとなる。
【００７８】
この工程においても熱酸化膜４０９を成膜する場合と同様の効果を得ることができる。なお、この熱酸化膜４０９は、ＴＦＴのゲイト絶縁膜の一部となる。
【００７９】
この後、熱酸化膜と共にゲイト絶縁膜を構成する酸化珪素膜５１５を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法により成膜する。（図５（Ｆ））
【００８０】
次にゲイト電極を形成するためのアルミニウム膜をスパッタ法で４０００Åの厚さに成膜する。このアルミニウム膜中には、スカンジウムを0.2 重量％含有させる。
【００８１】
アルミニウム膜中にスカンジウムを含有させるのは、後の工程において、ヒロックやウィスカーが発生することを抑制するためである。ヒロックやウィスカーというのは、加熱の際のアルミニウムの異常成長に起因する針状あるいは刺状の突起部のことである。
【００８２】
ゲイト電極を形成するための材料として、アルミウニム以外にタンタル（Ｔａ）、多量にリン（Ｐ）がドープされた多結晶シリコン、タングステンのシリサイド（ＷＳｉ）、またはリンドープされた多結晶シリコンとタングステンのシリサイドの積層また混成した構造としてもよい。
【００８３】
アルミニウム膜を成膜したら、図示しない緻密な陽極酸化膜を形成する。この陽極酸化膜は、３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液とし、アルミニウム膜を陽極、白金を陰極として行う。この工程においては、アルミニウム膜上に緻密な膜質を有する陽極酸化膜を１００Åの厚さに成膜する。
【００８４】
この図示しない陽極酸化膜は、後に形成されるレジストマスクとの密着性を向上させる役割を有している。
【００８５】
この陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化時の印加電圧によって制御することができる。
【００８６】
次にレジストマスク５２２を形成する。そしてこのレジストマスクを利用して、アルミニウム膜を５１８で示されるパターンにパターニングする。こうして図５（Ｇ）に示す状態を得る。
【００８７】
ここで再度の陽極酸化を行う。ここでは、３％のシュウ酸水溶液を電解溶液として用いる。この電解溶液中において、アルミニウムのパターン５１８を陽極とした陽極酸化を行うことにより、５１９で示される多孔質状の陽極酸化膜が形成される。
【００８８】
この工程においては、上部に密着性の高いレジストマスク５２２が存在する関係で、アルミニウムパターンの側面に選択的に陽極酸化膜５１９が形成される。
【００８９】
この陽極酸化膜は、その膜厚を数μｍまで成長させることができる。ここでは、その膜厚を６０００Åとする。なお、その成長距離は、陽極酸化時間によって制御することができる。
【００９０】
そしてレジストマスク５２２を除去する。次に再度の緻密な陽極酸化膜の形成を行う。即ち、前述した３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液を電解溶液とした陽極酸化を再び行う。
【００９１】
この工程においては、多孔質状の陽極酸化膜５１９中に電解溶液が進入する関係から、５２０で示されるように緻密な膜質を有する陽極酸化膜が形成される。
【００９２】
この緻密な陽極酸化膜５２０の膜厚は１０００Åとする。この膜厚の制御は印加電圧によって行う。
【００９３】
ここで、露呈した酸化珪素膜５１５をエッチングする。また同時に熱酸化膜５１１をエッチングする。このエッチングはドライエッチングを利用する。そして酢酸と硝酸とリン酸とを混合した混酸を用いて多孔質状の陽極酸化膜５１９を除去する。こうして図５（Ｈ）に示す状態を得る。
【００９４】
図５（Ｈ）に示す状態を得たら、不純物イオンの注入を行う。ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタを作製するためにＰ（リン）イオンの注入をプラズマドーピング法でもって行う。
【００９５】
この工程においては、ヘビードープがされる６３０と６３４の領域とライトドープがされる６３１と６３３の領域が形成される。これは、残存した酸化珪素膜５１５が半透過なマスクとして機能し、注入されたイオンの一部がそこで遮蔽されるからである。
【００９６】
そしてレーザー光（またはランプを用いた強光）の照射を行うことにより、不純物イオンが注入された領域の活性化を行う。こうして、ソース領域６３０、チャネル形成領域６３２、ドレイン領域６３４、低濃度不純物領域６３１と６３３が自己整合的に形成される。
【００９７】
ここで、６３３で示されるのが、ＬＤＤ（ライトドープドレイン）領域と称される領域である。（図６（Ｉ））
【００９８】
なお、緻密な陽極酸化膜５１０の膜厚を２０００Å以上というように厚くした場合、その膜厚でもってチャネル形成領域６３２の外側にオフセットゲイト領域を形成することができる。
【００９９】
本実施例においてもオフットゲイト領域は形成されているが、その寸法が小さいのでその存在による寄与が小さく、また図面が煩雑になるので図中には記載していない。
【０１００】
なお、緻密な膜質を有する陽極酸化膜を２０００Å以上というように厚く形成するのには、２００Ｖ以上の印加電圧が必要とされるので、再現性や安全性に関して、注意が必要である。
【０１０１】
次に層間絶縁膜６４０として酸化珪素膜、または窒化珪素膜、またはその積層膜を形成する。層間絶縁膜としては、酸化珪素膜または窒化珪素膜上に樹脂材料でなる層を用いてもよい。
【０１０２】
そしてコンタクトホールの形成を行い、ソース電極６４１とドレイン電極６４２の形成を行う。こうして図６（Ｊ）に示す薄膜トランジスタが完成する。
【０１０３】
本実施例に示すＴＦＴは、その特性として従来には得られなかった極めて高いものを得ることができる。
【０１０４】
例えば、ＮＴＦＴ（Ｎチャネル型のＴＦＴ）で、移動度が２００〜３００(cm2/Vs)、Ｓ値が７５〜９０(mV/dec)(VD ＝１Ｖ）という高性能なものが得られる。ＰＴＦＴ（Ｐチャネル型のＴＦＴ）で１２０〜１８０(cm2/Vs)、Ｓ値が７５〜１００(mV/dec)(VD ＝１Ｖ）という高性能なものを得ることができる。
【０１０５】
特にＳ値は、従来の高温ポリシリコンＴＦＴ及び低温ポリシリコンＴＦＴの値に比較して、１／２以下という驚異的に良い値である。
【０１０６】
このようにして作製されたＴＦＴは、駆動信号の電圧が３．３〜５Ｖにおいて、リングオシレータレベルで１ＧＨｚ、シフトレジスタレベルで１００ＭＨｚの動作を行わすことができる。
【０１０７】
また、上述したような特異な結晶構造を有する結晶性珪素膜を利用した薄膜トランジスタは、その結晶構造に起因して短チャネル効果が現れにくいという特徴がある。また基板として絶縁体を利用するので基板の容量の問題がなく、高速動作に適するという特徴もある。
【０１０８】
従来の単結晶シリコンウエハーを利用したＭＯＳ型トランジスタにおいては、スケーリング則というものがあった。これは、所定に法則に従ってトランジスタに寸法を小さくすれば、これまた所定の法則に従ってトランジスタの性能が高くなるというものである。
【０１０９】
しかし、近年の微細化大きく進行した状態においては、このスケーリング則に従って、トランジスタの性能を高めることが困難になってきている。
【０１１０】
その一つに短チャネル効果を抑制するためにチャネル長を短くすればするほど、チャネルの横に不純物のドーピングをしたりする細かな工夫が必要になり、作製工程上の困難性が増大するという点を挙げることができる。
【０１１１】
しかし、このような特異な結晶構造を有した結晶性珪素膜を用いた場合には、必要とする特性を上記のスケーリング則に従わない寸法で得ることができる。
【０１１２】
これは、以下のような事項が要因であると考えられる。
（１）チャネルにおいてキャリアの移動する方向に柱状の結晶体の延在方向を合わせることにより、短チャネル効果が抑制される。
（２）基板に絶縁体を利用することで、容量の問題が大きく抑制される。
（３）ゲイト電極にアルミニウムを利用できるので、高速動作に有利である。
【０１１３】
（１）については、以下にように考えることができる。即ち、一つ一つに柱状の結晶構造体は、不活性な結晶粒界により仕切られているが、この結晶粒界部分では、エネルギーにレベルが高いので、キャリアは結晶体の延在方向にその移動が寄生される。また同様な考え方により、ソース及びドレイン領域からのチャネル内部への空乏層の広がりも抑制される。このことが、短チャネル効果の抑制になっていると考えられる。
【０１１４】
上述したスケーリング則に従わない具体的な例としては、以下のような例を挙げることができる。
【０１１５】
例えば、従来にスケーリング則に従えば、ゲイト絶縁膜の厚さが１００Åでなければならないところ、本明細書で開示するような結晶性珪素膜を用いた場合、ゲイト絶縁膜の厚さを３００Åとして、同じ特性を得ることができる。その結果、耐静電気特性を高くできる。
【０１１６】
これは、上述した（１）〜（３）に示すような要因であると理解される。
【０１１７】
また、ゲイト絶縁膜の膜厚のみではなく、チャネル長に関しても従来のスケーリング則よりも緩い条件（１ランク下の条件）でもって、所定の特性を得ることができる。
【０１１８】
これは、高速動作が可能な半導体回路を大面積にわたって低コストで作製する場合に有用なことである。
【０１１９】
〔実施例３〕
本実施例は、基板としてガラス基板を利用した場合の例である。本実施例では、高温での処理が必要な熱酸化膜の形成工程を行わず、代わりにレーザー光の照射によって、基板に平行な方向に結晶成長した結晶性珪素膜を得る。
【０１２０】
即ち、非晶質珪素膜に対する選択的なニッケル元素の導入、６００℃、８時間の加熱処理により基板に平行な方向への結晶成長、結晶成長した領域に対するレーザーアニール、といった工程を採用する。
【０１２１】
ニッケル元素の添加領域の位置と活性層の形成位置との関係は、他の実施例で説明したものと同じである。
【０１２２】
〔実施例４〕
本実施例は、実施例１〜３で示した構成を逆スタガ型の薄膜トランジスタで構成する。各実施例で示したプレナー型の薄膜トランジスタに変えて、逆スタガ型の薄膜トランジスタとしても、同様の効果を得ることができる。
【０１２３】
なお、逆スタガ型の薄膜トランジスタのゲイト電極として、ゲイト電極に耐熱性の高い材料、例えばリンが多量にドープされた多結晶シリコンを利用することは、高性能な薄膜トランジスタを得るために有効である。
【０１２４】
【発明の効果】
本明細書で開示する発明では、金属添加領域を、半導体の島領域１０１の端部よりも距離ｘだけ長手方向に長くマージンをとることによって、図２（ａ）で示すような拡散状態を得る。そして、半導体領域１０１の結晶粒界の延在方向を概略直線的（１次元的）とした領域を利用して薄膜トランジスタを作製することができる。
【０１２５】
本発明の半導体領域は、従来の高温ポリシリコンＴＦＴ及び低温ポリシリコンＴＦＴと比較して結晶化の方向が一直線方向となっているため、単結晶ＭＯＳＦＥＴと同等の高速動作を得ることができる。
【０１２６】
また、薄膜トランジスタを構成する半導体の島領域のキャリアの移動方向（全体として見た場合のキャリアの移動方向）と結晶構造の連続性の方向を概略一致させて高速動作を得ることができる。
本発明の構成により、トランジスタの特性を向上させることができ、かつ、均一な特性を有し、しいては周辺回路を形成する半導体回路において映像信号等の書込みの均一性を保つことができる。
【０１２７】
本明細書で開示した発明は、透過型、反射型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置の、アクティブマトリクス回路と同一基板に形成される周辺回路を構成するのみでなく、他にＥＬ（エレクトロルミネセンス）素子を用いた表示装置、その他薄膜トランジスタを用いた種々の回路にて利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明の模式上図及び従来例
【図２】    金属元素拡散状態図
【図３】    本発明の実施例を示す図
【図４】    薄膜トランジスタの作製工程を示す図
【図５】    薄膜トランジスタの作製工程を示す図
【図６】    薄膜トランジスタの作製工程を示す図
【符号の説明】
１０１      半導体の島領域
１０２      ソース線
１０３      ゲイト線
１０４      ドレイン線
１０５      本発明の金属添加領域
１０６      従来の金属添加領域
３０５      金属添加領域
４０１      石英基板
４０２      下地膜
４０３      非晶質珪素膜
４０４      酸化珪素膜でなるマスク
４０５      マスクに形成された開口部（ニッケル元素添加領域）
４０６      基板に接して保持されたニッケル元素
４０７      結晶成長方向
４０８      結晶性珪素膜
４０９      熱酸化膜
４１０      島状領域
５１１      熱酸化膜
５１５      酸化珪素膜（ゲイト絶縁膜）
５１８      アルミニウム膜
５１９      多孔質な酸化膜
５２０      緻密な酸化膜
５２２      レジストマスク
６３０      ソース領域
６３１      低濃度不純物領域
６３２      チャネル領域
６３３      低濃度不純物領域（ＬＤＤ領域）
６３４      ドレイン領域
６４０      層間絶縁膜
６４１      ソース電極
６４２      ドレイン電極
【図１】
0003734582.tif 000002
【図２】
0003734582.tif 000003
【図３】
0003734582.tif 000004
【図４】
0003734582.tif 000005
【図５】
0003734582.tif 000006
【図６】
0003734582.tif 000007