JP2649325B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、
あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けら
れた非単結晶珪素膜を有する半導体装置、例えば、薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）や薄膜ダイオード（ＴＦＤ）、
またはそれらを応用した薄膜集積回路、特にアクティブ
型液晶表示装置（液晶ディスプレー）用薄膜集積回路の
作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを
有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用い
るアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が開
発されている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪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、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められて
いた。

【０００４】結晶性を有する薄膜状の珪素半導体を得る
方法としては、長時間、熱エネルギーを印加（熱アニー
ル）することにより結晶性を有せしめる方法が知られて
いる。しかし、加熱温度として６００℃以上の高温にす
ることが必要であり、また、結晶化に要する加熱時間が
数十時間以上にも及ぶので、量産性の点で問題があっ
た。

【０００５】このような問題に対し、ある種の金属元素
が非晶質珪素膜中に添加されると、触媒的な作用によっ
て結晶化が助長され、結晶化温度を下げ、結晶化時間を
短縮できることがわかった。結晶化を助長させる金属元
素（触媒性元素）としては、８族元素であるＦｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔを用い
ることができる。また３ｄ元素であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎも利用することができる。さら
に、実験によれば、Ａｕ、Ａｇ、においても結晶化の作
用が確認されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
に鑑みて、これら珪素膜中に添加された結晶化を助長す
る金属元素（触媒性金属元素）を低減、または除去する
手段を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１は、結晶化
を助長する金属元素によって結晶化された珪素膜の表面
を露出した状態で、塩化水素（ＨＣｌ）、四塩化炭素
（ＣＣｌ₄ ）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ₄ ）等の塩化物気
体あるいは三フッ化窒素（ＮＦ₃ ）、六フッ化二炭素
（Ｃ₂ Ｆ₆ ）等のフッ化物気体を１０〜９０％含む雰囲
気において、強光を照射し、結晶化した珪素膜を選択的
に加熱するものである。強光照射の際に、マイクロ波ま
たは高周波の励起によってプラズマを生じさせておく
と、反応がより促進されるので効果的である。

【０００８】本発明において、強光を照射する場合に
は、例えば、近赤外光から可視光にかけての光、好まし
くは波長が４μｍ〜０．５μｍの光（例えば波長１．３
μｍにピークを有する赤外光）を用いる場合には、１０
〜１０００秒程度の比較的短い時間照射し、珪素膜の表
面の温度を９００〜１２００℃に上昇させることが望ま
しい。この波長の光は、珪素膜には吸収され、基板では
実質的に吸収されないので、上記の照射時間であれば、
基板に影響を与えずに、珪素膜のみを選択的に加熱でき
る。

【０００９】特に真性または実質的に真性の非晶質珪素
は可視光、特に０．５μｍ未満の波長の光ではよく吸収
され、光を熱に変換できる。一方、真性または実質的に
真性（燐またはホウ素が１０¹⁷ｃｍ^-3以下）の珪素膜は
０．５〜４μｍの可視光および近赤外光に対し、有効に
光を吸収し、熱に変換できる。また、１０μｍ以上の波
長の遠赤外光はガラス基板に吸収され、加熱されるが、
４μｍ以下の波長が大部分の場合はガラスの吸収が極め
て少ない。すなわち、ガラス基板上に形成された結晶化
された珪素膜を選択的に加熱するには０．５〜４μｍの
波長の可視光または近赤外光が適当である。

【００１０】波長がより短い紫外線を用いる場合には、
珪素膜だけでなく、多くの基板材料にも吸収されるの
で、最適な光の持続時間はより短くなる。例えば、２４
８ｎｍの波長では１μｓｅｃ以下とすることが望まれ
る。それより長い時間の照射をおこなえば、基板にも相
当な量の光が吸収され、基板に変形をもたらす。このよ
うに、極めて短時間の光の照射においては瞬間的に珪素
膜表面の温度が１０００℃を越えるような高温となるよ
うな光量を選択する必要がある。また、瞬間的な温度上
昇と下降であるので、１回の照射では酸化が十分に進行
しないので、複数回の照射をおこなうことが必要であ
る。この場合、得られる酸化膜の厚さは照射回数に依存
する。紫外線を光源として、このような極めて短い時間
の照射をおこなうには、エキシマーレーザーのようなパ
ルス発振レーザーを用いるのが理想的である。各種エキ
シマーレーザーはパルス幅が１００ｎｓｅｃ以下であ
る。なお、本発明においては、強光の照射の際には、基
板を６００℃以下、好ましくは４００℃以下に加熱する
と効果が増大した。

【００１１】このようにして得られる高温によって、わ
ずかな時間ではあるが、珪素膜中の金属元素が雰囲気の
塩化物気体もしくはフッ化物気体と反応し、塩化物金
属、フッ化物金属を珪素膜表面に生成する。これらは沸
点が低いので雰囲気中に蒸発する。さらに、強光照射工
程の終了した後、珪素膜を十分に清浄な水で洗浄しても
生成した塩化物金属、フッ化物金属を除去することがで
きる。なお、本工程によって珪素膜に含まれる他の異元
素（ソディウムやポタジウム等のアルカリ元素）も同時
に除去される。

【００１２】なお、かような熱処理においては、珪素膜
と基板の間の熱膨張率の違い、珪素膜表面と基板と珪素
膜界面との温度の違いなどから、珪素膜が剥離すること
も多々ある。特にこれは、膜の面積が基板全面にわたる
ような大きな場合に顕著である。したがって、より好ま
しくは、膜を十分に小さな面積に分断し、また、余分な
熱を吸収しないように膜と膜との間隔を十分に広くする
ことによって、膜の剥離等を防止する。また、このよう
にすれば基板全面が珪素膜を通じて加熱されることがな
いので、基板が熱的に収縮することは最低限に抑えられ
る。

【００１３】本発明の副次的な効果として、強光照射に
よって温度が上昇するために、珪素膜の結晶性の一段の
向上も同時に進行する。ニッケルを添加して結晶化され
た珪素膜は針状の結晶が膜厚方向ではなく、基板表面に
沿った方向に成長することが観察されている。しかも、
針状結晶の幅は珪素膜厚の０．５〜３倍程度であり、横
方向への、すなわち、結晶の側面への成長は少ない。こ
のため、結晶と結晶の間に非晶質もしくはそれと同程度
の結晶性の低い領域が取り残される。前記非晶質領域は
長時間の熱アニールでも結晶化が完成せず、これをＴＦ
Ｔに用いた場合には特性の向上が十分でないことが問題
となった。

【００１４】本発明の強光照射の工程は、６００℃以上
の高温を実現できるので、このような低度の結晶化領域
をさらに結晶化を助長させるのに寄与する。すなわち、
針状の結晶の側面からエピタキシャル状に結晶が成長
し、非晶質部分を結晶化させるからである。

【００１５】本発明によって強光を照射すると熱的なエ
ネルギーによって珪素の不対結合手が多く形成される場
合がある。これらの不対結合手は２００〜４５０℃の水
素雰囲気中でのアニールによって低減でき、よって、各
種半導体素子、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や
薄膜ダイオード（ＴＦＤ）の特性を向上させ、信頼性を
高めることができる。

【００１６】本発明の第２は、触媒性金属元素によって
結晶化させた珪素膜を塩化物気体またはフッ化物を１０
〜９０％含む酸化性雰囲気において、加熱し、結晶化し
た珪素膜表面に酸化物を形成させることである。酸化の
温度に関しては、基板がそったり縮んだりしない温度で
あることが望ましい。例えば、５５０℃では４０〜１０
０Åの厚さの酸化膜が表面に形成される。

【００１７】このときマイクロ波または高周波の励起に
よってプラズマを生じさせておくと、反応がより促進さ
れるので効果的である。また、加熱によって酸化物を形
成するだけでなく、上記雰囲気において強光を照射する
ことによっても酸化物を形成できる。上記の酸化膜の形
成によって、珪素膜中の特に表面近傍に多量に存在する
金属元素が選択的に酸化物に吸収される。その後、酸化
膜をエッチング除去することによって金属元素を除去す
ることができる。本工程においては、熱酸化を用いて
も、あるいは強光照射による酸化を用いても珪素膜に熱
エネルギー、光エネルギーが与えられることとなり、同
時に珪素膜の結晶性を改善できる。また、このような強
光照射工程の後に、再び、熱アニールをおこなうと、本
発明の効果をさらに増大させることができた。

【００１８】

【作用】本発明では、上記の説明のごとく、珪素膜中の
触媒性金属元素を塩化物、フッ化物として珪素膜表面に
析出させ、蒸発させ、あるいは酸化物中に多量にトラッ
プし、これをエッチングする。この結果、珪素膜中の金
属元素の濃度を処理以前の１／５以下にまで減少させる
ことができる。また、同時に強光照射あるいは酸化の際
の加熱により珪素膜を加熱することができ、結晶性を向
上させることができる。強光照射の際には、ガラス基板
等の赤外光の吸収は十分小さいので、ガラス基板を軟化
させたり、収縮させたりして工学的に使用できなくする
ほどの加熱することなしに光アニールを行うことができ
る。

【００１９】

【実施例】〔実施例１〕本実施例はガラス基板上に形成
された結晶性珪素膜を用いたＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴ
ＦＴという）とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴという）
とを相補型に組み合わせた回路を形成する例である。本
実施例の構成は、アクティブ型の液晶表示装置の画素電
極のスイッチング素子や周辺ドライバー回路、さらには
イメージセンサや集積回路に利用することができる。

【００２０】図１に本実施例の作製工程の断面図を示
す。まず、基板（コーニング７０５９）１０１上にスパ
ッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地
膜１０２を形成した。基板は、下地膜の成膜の前もしく
は後に、歪み温度よりも高い温度でアニールをおこなっ
た後、０．１〜１．０℃／分で歪み温度以下まで徐冷す
ると、その後の温度上昇を伴う工程（本発明の近赤外光
照射を含む）での基板の収縮が少なく、マスク合わせが
用意となる。コーニング７０５９基板では、６２０〜６
６０℃で１〜４時間アニールした後、０．１〜１．０℃
／分、好ましくは、０．１〜０．３℃／分で徐冷し、４
５０〜５９０℃まで温度が低下した段階で取り出すとよ
い。

【００２１】さて、下地膜成膜後、窒化珪素膜等によっ
て形成されたマスク１０３を設けた。このマスク１０３
は、スリット状に下地膜１０２を露呈させる。即ち、図
１（Ａ）の状態を上面から見ると、スリット状に下地膜
１０２は露呈しており、他ぼ部分はマスクされている状
態となっている。上記マスク１０３を設けた後、スパッ
タリング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Å
のニッケル膜を１００の領域に選択的に成膜した。この
状態で、ニッケルが１００の領域に選択的に導入される
ことになる。（図１（Ａ））

【００２２】つぎに、マスク１０３を取り除き、プラズ
マＣＶＤ法によって、厚さ３００〜１５００Å、例えば
５００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜１０４を成膜し
た。そして、不活性雰囲気下（窒素もしくはアルゴン、
大気圧），５５０℃、で４〜８時間アニールして結晶化
させた。この際、ニッケル膜が選択的に成膜された１０
０の領域においては、基板１０１に対して垂直方向に結
晶性珪素膜１０４の結晶化が進行した。そして、領域１
００以外の領域では、矢印で示すように、領域１００か
ら横方向（基板と平行な方向）に結晶成長が進行した。
ＳＩＭＳ分析やＴＥＭの観察から、ニッケルの濃度は、
最初にニッケルが添加された領域や結晶化の先端の領域
（図の斜線部１０５）で大きいことが明らかになった。
（図１（Ｂ））

【００２３】この工程の後に、珪素膜をパターニングし
て、ＴＦＴの島状の活性層１０４’を形成した。この
際、チャネル形成領域となる部分に結晶成長の先端部
（すなわち、結晶珪素領域と非晶質珪素領域の境界で、
ニッケルの濃度が大きい）が存在しないようにすること
が重要である。こうすることで、ソース／ドレイン間を
移動するキャリアがチャネル形成領域において、ニッケ
ル元素の影響を低減することができる。活性層１０４’
の大きさはＴＦＴのチャネル長とチャネル幅を考慮して
決定される。小さなものでは、５０μｍ×２０μｍ、大
きなものでは１００μｍ×１０００μｍであった。

【００２４】このような活性層を基板上に多く形成し
た。そして、塩化水素を１０〜９０％、例えば３０％含
む水素雰囲気中に基板を置き、０．５〜４μｍここでは
０．８〜１．４μｍにピークをもつ可視・近赤外光を３
０〜１８０秒照射した。塩化水素の代わりに四塩化炭
素、四塩化珪素、三フッ化窒素、六フッ化二炭素等でも
よかった。（図１（Ｃ））

【００２５】可視・近赤外線の光源としてはハロゲンラ
ンプを用いた。可視・近赤外光の強度は、モニターの単
結晶シリコンウェハー上の温度が８００〜１３００℃、
代表的には９００〜１２００℃の間にあるように調整し
た。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱電対
の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィード
バックさせた。本実施例では、昇温・降温は、図４
（Ａ）もしくは（Ｂ）のようにおこなった。昇温速度
は、一定で速度は５０〜２００℃／秒、降温は自然冷却
で２０〜１００℃であった。

【００２６】図４（Ａ）は一般的な温度サイクルで、昇
温時間ａ、保持時間ｂ、降温時間ｃの３つの過程からな
る。しかし、この場合には試料は室温から１０００℃も
の高温へ、さらに高温状態から室温へと急激に加熱・冷
却されるので、珪素膜や基板に与える影響が大きく、珪
素膜の剥離の可能性も高い。この問題を解決するために
は、図４（Ｂ）のように、保持に達する前に、プレヒー
ト時間ｄやポストヒート時間ｆを設け、保持時間に達す
る前に２００〜５００℃の基板や膜に大きな影響を与え
ない温度に保持しておくことが望ましい。

【００２７】この可視・近赤外光照射は、結晶化した珪
素膜を選択的に加熱することになるので、ガラス基板へ
の加熱を最小限に抑えることができる。そして、水素雰
囲気中であるので、珪素膜中の欠陥や不体結合手を減少
させるのに非常に効果がある。可視・近赤外光照射後、
珪素膜を純水で洗浄した。

【００２８】このようにして、島状活性層１０４’に含
有されるニッケルの除去をおこなった。ＳＩＭＳによる
分析では、このような可視・近赤外光の照射をおこなわ
なかった場合にはＴＦＴのチャネル形成領域の部分のニ
ッケルの濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上も存在した。しか
し、本実施例の可視・近赤外光の照射によって、その濃
度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3（測定限界）以下であった。

【００２９】この工程の後に、珪素膜を１０〜１０００
μｍの大きさにパターニングし、エッチングした。例え
ば、１００μｍ角にパターニングし、基板上に多くの島
状珪素膜１０４’を形成した。そして、０．５〜４μｍ
ここでは０．８〜１．４μｍにピークをもつ可視・近赤
外光を３０〜６００秒照射し、珪素膜１０４’の結晶化
をさらに助長させた。（図１（Ｃ））

【００３０】その後、プラズマＣＶＤ法によって厚さ１
０００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜
した。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エ
トキシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₄ ）と酸素を用
い、成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４０
０℃とした。

【００３１】このゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜１０６
の成膜後に、可視・近赤外光の照射による光アニールを
再度行なってもよい。このような光アニールによって、
主に酸化珪素膜１０６と珪素膜１０４との界面及びその
近傍における準位を消滅させることができた。これは、
ゲイト絶縁膜とチャネル形成領域との界面特性が極めて
重要である絶縁ゲイト型電界効果半導体装置にとっては
極めて有用である。

【００３２】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ６０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を
成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極１０７、１０９を形成した。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１０８、１１０を形成した。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
った。得られた酸化物層１０８、１１０の厚さは２００
０Åであった。なお、この酸化物１０８と１１０とは、
後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト
領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域
の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。

【００３３】次に、イオンドーピング法（プラズマドー
ピング法とも言う）によって、活性層領域（ソース／ド
レイン、チャネルを構成する）にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極１０７とその周囲の酸化層１０８、ゲイト
電極１０９とその周囲の酸化層１１０をマスクとして、
自己整合的にＰもしくはＮ導電型を付与する不純物を添
加した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ
₃ ）およびジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用い、前者の場合
は、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者
の場合は、４０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとした。ド
ース量は１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、燐を
２×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ素を５×１０¹⁵とした。ドーピ
ングに際しては、一方の領域をフォトレジストで覆うこ
とによって、それぞれの元素を選択的にドーピングし
た。この結果、Ｎ型の不純物領域１１４と１１６、Ｐ型
の不純物領域１１１と１１３が形成され、Ｐチャネル型
ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）の領域とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴ
ＦＴ）との領域を形成することができた。

【００３４】その後、レーザー光の照射によって光アニ
ール行った。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレー
ザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用い
たが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射
条件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ
² 、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき２〜
１０ショット、例えば２ショット照射した。このレーザ
ー光の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱する
ことによって、効果を増大せしめてもよい。（図１
（Ｄ））

【００３５】また、この工程は、可視・近赤外光による
光アニールによる方法でもよい。可視・近赤外線は結晶
化した珪素、または燐またはホウ素が１０¹⁹〜１０²¹ｃ
ｍ^-3添加された非晶質珪素へは吸収されやすく、１００
０℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを
行うことができる。燐またはホウ素が添加されている
と、その不純物散乱により、近赤外線でも十分光が吸収
される。その反面、ガラス基板へは吸収されにくいの
で、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時
間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工
程においては最適な方法であるといえる。

【００３６】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１
８を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。層間絶縁物としてはポリイミドまたは酸化珪素とポ
リイミドの２層膜を利用してもよい。さらにコンタクト
ホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとア
ルミニウムの多層膜によってＴＦＴの電極・配線１１
７、１２０、１１９を形成した。最後に、１気圧の水素
雰囲気で２００〜４５０℃、例えば、３５０℃で３０分
のアニールを行い、ＴＦＴを相補型に構成した半導体回
路を完成した。（図１（Ｅ））

【００３７】特に本発明では、可視・近赤外光による光
アニールの工程で生じた不対結合手を、その後の工程
で、水素雰囲気において、２５０〜４００℃で加熱する
ことによって中和することが重要である。

【００３８】上記に示す回路は、ＰＴＦＴとＮＴＦＴと
を相補型に設けたＣＭＯＳ構造であるが、上記工程にお
いて、２つのＴＦＴを同時に作り、中央で切断すること
により、独立したＴＦＴを２つ同時に作製することも可
能である。

【００３９】本実施例においては、ニッケルを導入する
方法として、非晶質珪素膜１０４下の下地膜１０２上に
選択的にニッケルを薄膜（極めて薄いので、膜として観
察することは困難である）として形成し、この部分から
結晶成長を行なう方法を採用したが、非晶質珪素膜１０
４を形成後に、選択的にニッケル膜を成膜する方法でも
よい。即ち、結晶成長は非晶質珪素膜の上面から行って
もよいし、下面から行ってもよい。また、予め非晶質珪
素膜を成膜し、さらにイオンドーピング法を用いて、ニ
ッケルイオンをこの非晶質珪素膜１０４中に選択的に注
入する方法を採用してもよい。この場合は、ニッケル元
素の濃度を細かく制御することができるという特徴を有
する。またプラズマ処理やＣＶＤ法による方法でもよ
い。

【００４０】〔実施例２〕本実施例は、アクティブ型の
液晶表示装置において、Ｎチャネル型ＴＦＴをスイッチ
ング素子として各画素に設けた例である。以下において
は、一つの画素について説明するが、他に多数（一般に
は数十万）の画素が同様な構造で形成される。また、Ｎ
チャネル型ＴＦＴではなくＰチャネル型ＴＦＴでもよい
ことはいうまでもない。また、液晶表示装置の画素部分
に設けるのではなく、周辺回路部分にも利用できる。ま
た、イメージセンサや他の装置に利用することもでき
る。即ち薄膜トランジタと利用するのであれば、特にそ
の用途が限定されるものではない。

【００４１】本実施例の作製工程の概略を図２に示す。
本実施例において、基板２０１としてはコーニング７０
５９ガラス基板（厚さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍ
ｍ）を使用した。まず、下地膜２０２（酸化珪素）をプ
ラズマＣＶＤ法で２０００Åの厚さに形成した。ＣＶＤ
の原料ガスとしてはＴＥＯＳと酸素を用いた。さらに、
ＬＰＣＶＤ法によって厚さ３００〜１５００Å、例えば
８００Åの珪素膜２０５を形成した。そして、選択的に
ニッケルを導入するために、窒化珪素膜により、マスク
２０３を形成した。そして、スパッタリング法によりニ
ッケル膜を成膜した。このニッケル膜は、スパッタリン
グ法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Åの厚さ
に形成した。このようにして、選択的に領域２０４にお
いて珪素膜とニッケル膜が密着するよう形成された。
（図２（Ａ））

【００４２】そして、４５０℃で１時間脱水素化を行っ
た後、加熱アニールによって結晶化を行った。このアニ
ール工程は、窒素雰囲気下、６００℃で４時間行った。
このアニール工程において、非晶質珪素膜２０５上の２
０４の領域には、ニッケル膜が形成されているので、こ
の部分から結晶化が起こった。この結晶化の際、図２
（Ｂ）の矢印で示すように、ニッケルが成膜されていな
い領域（領域２０４以外の領域）においては、基板に対
し、平行な方向に結晶成長が進行した。そして、領域２
０４の直下と結晶化の先端の部分にニッケルの濃度の高
い領域２０６が形成された。（図２（Ｂ））

【００４３】この熱アニール工程の後、結晶化した珪素
膜をパターニングしてＴＦＴの島状活性層２０５’のみ
を残存させ、その他を除去した。この際、結晶成長した
結晶の先端部が活性層、なかでもチャネル形成領域に存
在しないようにすることが重要である。具体的には、図
２（Ｂ）の珪素膜２０５のうち、少なくとも結晶化の先
端部とニッケルが導入された２０４の部分をエッチング
で除去し、結晶性珪素膜２０５の基板に平行な方向に結
晶成長した中間部分を活性層として利用することが好ま
しい。これは、ニッケルが結晶成長先端部および導入部
に集中して存在している事実を踏まえ、この先端部に集
中したニッケルがＴＦＴの特性に悪影響を及ぼすことを
防ぐためである。

【００４４】その後、基板を塩化水素と酸素の混合気体
（１気圧、塩化水素／酸素＝１／４）中に置き、島状活
性層２０５’を５５０〜６５０℃、例えば６００℃で１
時間熱酸化した。塩化水素の代わりに四塩化炭素、四塩
化珪素、三フッ化窒素、六フッ化二炭素等でもよかっ
た。この結果、島状珪素膜２０５’の表面に酸化珪素の
膜（厚さ約１００Å）２０６が形成された。この熱酸化
工程においては、雰囲気の圧力を適当に調節し、マイク
ロ波もしくはラジオ波（ＲＦ波）によって、プラズマを
生じさせてもよかった。（図２（Ｃ））

【００４５】その後、基板を、フッ酸に緩衝液としてフ
ッ化アンモニウムを混合した緩衝フッ酸溶液（ＨＦ／Ｎ
Ｈ₄ Ｆ＝１／１０）に３〜７秒浸し、酸化珪素膜２０６
をエッチング除去した。そしてテトラ・エトキシ・シラ
ン（ＴＥＯＳ）を原料として、酸素雰囲気中のプラズマ
ＣＶＤ法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７０
〜１２０ｎｍ、典型的には１２０ｎｍ）２０７を形成し
た。基板温度は３５０℃とした。そして公知の多結晶珪
素を主成分とした膜をＣＶＤ法で形成し、パターニング
を行うことによって、ゲイト電極２０８を形成した。多
結晶珪素には導電性を向上させるために不純物として燐
を０．１〜５％導入した。

【００４６】その後、Ｎ型の不純物として、燐をイオン
ドーピング法で注入し、自己整合的にソース領域／ドレ
イン領域２１０、チャネル形成領域２０９を形成した。
そして、ＫｒＦレーザー光を照射することによって、イ
オン注入のために結晶性の劣化した珪素膜の結晶性を改
善させた。このときにはレーザー光のエネルギー密度は
２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ² とした。このレーザー照射
によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシート抵抗
は３００〜８００Ω／ｃｍ² となった。また、この工程
は可視・近赤外光のランプアニールによって行ってもよ
い。（図２（Ｄ））

【００４７】その後、酸化珪素またはポリイミドによっ
て層間絶縁物２１１を形成し、さらに、画素電極２１２
をＩＴＯによって形成した。そして、コンタクトホール
を形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／
アルミニウム多層膜で電極２１３、２１４を形成し、こ
のうち一方の電極２１４はＩＴＯ２１２にも接続するよ
うにした。最後に、水素中で２００〜４５０℃、例えば
３５０℃で１時間アニールして、水素化をおこなった。
このようにして、ＴＦＴを完成した。この工程は、同時
に他の多数の画素領域においても同時に行われる。ま
た、より耐湿性を向上させるために、全面に窒化珪素等
でパッシベーション膜を形成してもよい。（図２
（Ｅ））

【００４８】本実施例で作製したＴＦＴは、ソース領
域、チャネル形成領域、ドレイン領域を構成する活性層
として、キャリアの流れる方向に結晶成長させた結晶性
珪素膜を用いているので、結晶粒界をキャリアが横切る
ことがなく、即ちキャリアが針状の結晶の結晶粒界に沿
って移動することになるから、キャリアの移動度の高い
ＴＦＴを得ることができる。本実施例で作製したＴＦＴ
はＮチャネル型であり、その移動度は、９０〜１３０
（ｃｍ² ／Ｖｓ）であった。従来の６００℃、４８時間
の熱アニールによる結晶化によって得られた結晶珪素膜
を用いたＮチャネル型ＴＦＴに移動が、５０〜７０（ｃ
ｍ² ／Ｖｓ）であったことと比較すると、これは大きな
特性の向上である。さらに６００℃のアニールによる結
晶化の工程の後に塩化水素雰囲気中での酸化を行わない
と、概して移動度が低く、オンオフ比も低いものしか得
られなかった。これは、酸化膜形成とそのエッチングの
工程によるニッケルの除去の効果と結晶性改善の効果の
ためであると考えられる。このことから本実施例に示し
た強光照射の工程はＴＦＴの信頼性向上の上で有益であ
ることがわかった。

【００４９】〔実施例３〕図３を用いて、本実施例を説
明する。まずガラス基板３０１上にスパッタ法もしくは
プラズマＣＶＤ法によって下地膜３０２を形成し、さら
に、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３００〜８００Åの
非晶質珪素膜３０４を成膜した。そして、厚さ１０００
Åの酸化珪素膜３０３を形成した後、これを選択的にパ
ターニング・除去して、珪素膜３０４の一部を露出させ
た。そして、これらを覆って、スパッタ法によって厚さ
５００〜２０００Å、例えば１０００Åのニッケル膜３
００を形成した。次に、窒素雰囲気中で４５０℃、１時
間のアニールをおこない、ニッケル膜３００に密着した
珪素膜の一部に珪化ニッケル層３０５を形成した。（図
３（Ａ））

【００５０】その後、ニッケル膜を硝酸もしくは硝酸に
酢酸を加えた溶液によってエッチングした。そして、窒
素雰囲気で５５０℃、８時間の加熱アニールを行い、珪
素膜３０４の結晶化を行った。この際、図中の矢印で示
されるように、基板に対して平行な方向に結晶成長が進
行した。また、珪化ニッケルの存在した近辺と結晶化の
先端の部分にはニッケルの濃度の高い領域３０５が形成
された。（図３（Ｂ））

【００５１】次に、珪素膜３０４をパターニングして、
島状の活性層領域３０６および３０７を形成した。この
際、図３（Ｂ）で３０５で示された領域がニッケルが高
濃度に存在する領域である。これらの領域は、その間の
結晶化している領域に比較してニッケルの濃度が１桁近
く高いことが判明している。したがって、本実施例にお
いては、アクティブ素子、例えばＴＦＴを形成するため
の領域である活性層領域３０６、３０７はこれらのニッ
ケル濃度の高い領域を避けてパターニングし、ニッケル
の高濃度領域を意図的に除去した。活性層のエッチング
は垂直方向に異方性を有するＲＩＥ法によって行った。
この状態の活性層中でのニッケル濃度は、１×１０¹⁹〜
１×１０²⁰ｃｍ^-3程度であった。

【００５２】本実施例では、活性層３０６と３０７とを
利用して相補型に構成されたＴＦＴ回路を得る。すなわ
ち、本実施例の回路はＰＴＦＴとＮＴＦＴが分断されて
いる点で、実施例１の図１（Ｄ）に示す構成と異なる。
すなわち、図１（Ｄ）に示す構造においては、２つのＴ
ＦＴの活性層が連続してつながっており、その中間領域
においてニッケル濃度が高いが、本実施例では、どの部
分を取ってみてもニッケル濃度は低いという特色を有す
る。しかしながら、十分な信頼性を得るという観点から
はさらなるニッケルの濃度の低減化が必要である。

【００５３】そこで、本発明の強光照射をおこなった。
基板を酸素で希釈された塩化水素雰囲気（１０％）に放
置し、これに波長０．８〜１．４μｍを中心とする可視
・近赤外光を照射した。塩化水素の代わりに四塩化炭
素、四塩化珪素、三フッ化窒素、六フッ化二炭素等でも
よかった。このときの温度は例えば、１１００℃（珪素
ウェハーのモニターの温度）とした。また、照射時間は
３０秒とした。この工程によって、活性層表面に厚さ１
５０Åの酸化珪素膜３０８が形成された。（図３
（Ｃ））

【００５４】可視・近赤外光照射後、基板を緩衝フッ酸
溶液に浸し、表面に形成された酸化珪素膜３０８をエッ
チング除去した。この工程によって、活性層中のニッケ
ルの濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3（ＳＩＭＳの測定限界）以
下になった。その後は実施例１と同様にゲイト絶縁膜３
０９、ゲイト電極３１０、３１１を形成（図３（Ｄ））
し、層間絶縁物３１２を形成して、これにコンタクトホ
ールを形成し、メタル配線３１３、３１４、３１５を形
成した。このようにして、相補型ＴＦＴ回路を形成し
た。（図３（Ｅ））

【００５５】〔実施例４〕本実施例の工程の概略を図５
に示す。本実施例は、酸化雰囲気において島状珪素膜に
ＫｒＦエキシマレーザー光（波長２４８ｎｍ）を照射す
ることによって、その表面に薄い酸化膜を形成するとと
もに、珪素膜の結晶化を促進せしめる工程の例である。
以下、図５を用いて、そのように処理された珪素膜を用
いてアクティブマトリクス回路の画素のスイッチングト
ランジスタを形成する工程について述べる。

【００５６】実施例１と同様に最初に６４０℃で１時間
アニールした後、０．２℃／分で５８０℃まで徐冷した
基板５０１を用いた。基板上には下地膜５０２（酸化珪
素、厚さ２０００Å）、非晶質珪素膜５０３（厚さ５０
０Å）を形成し、また、非晶質珪素膜５０３の表面には
熱酸化もしくは過酸化水素水等の酸化剤処理によって、
厚さ１０〜１００Åの酸化珪素膜を形成しておいた。こ
の状態で、スピンコーティング法によって、極めて薄い
酢酸ニッケル層５０４を形成した。溶媒としては水もし
くはエタノールを用い、酢酸ニッケルの濃度は１０〜５
０ｐｐｍとした。（図５（Ａ））

【００５７】そして、基板を窒素雰囲気で５５０℃で４
〜８時間アニールした。この結果、ニッケルの結晶化促
進作用によって、非晶質珪素膜５０３は結晶化し、結晶
性珪素膜５０５となった。このようにして得られた結晶
性珪素膜５０５であるが、膜の一部に１〜数μｍの大き
さで非晶質状態のまま取り残される領域があることが確
認されている。（図５（Ｂ））

【００５８】次に、公知のフォトリソグラフィー法によ
って珪素膜をエッチングし、島状珪素領域５０６を得
た。珪素膜表面に残存していた酸化膜はこの段階で除去
した。次に、塩化水素を３０％含む酸素雰囲気に基板を
置き、ここに、ＫｒＦエキシマーレーザー光を照射し
た。照射エネルギー密度としては２５０〜４５０ｍＪ／
ｃｍ² 、例えば、３００ｍＪ／ｃｍ² とし、１か所に付
き１０〜５０ショットを照射した。この結果、１０〜５
０Åの厚さの酸化珪素膜５０７が得られた。レーザーの
エネルギー密度、ショット数は得るべき酸化珪素膜５０
７の厚さによって選択すればよい。また、このレーザー
照射の工程によって、上記の結晶珪素膜中に残留した非
晶質領域も結晶し、さらに、珪素膜の結晶性を改善する
ことができた。このレーザー照射工程の後に、再び、上
記の条件で熱アニールをおこなってもよかった。（図５
（Ｃ））

【００５９】上記のレーザー光照射後、珪素膜を純水で
洗浄した。そして、プラズマＣＶＤ法によって厚さ１２
００Åの酸化珪素膜５０８をゲイト絶縁膜として成膜し
た。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エト
キシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅ ）₄ ）と酸素を用い、
成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４００℃
とした。

【００６０】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を
成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極５０９を形成した。

【００６１】次に、イオンドーピング法によって、ゲイ
ト電極５０９をマスクとして、自己整合的にＰ導電型を
付与する不純物を添加した。ドーピングガスとして、ジ
ボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用い、加速電圧は４０〜８０ｋ
Ｖ、例えば６５ｋＶとした。ドーズ量は１×１０¹⁴〜５
×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、５×１０¹⁴とした。この結
果、Ｐ型の不純物領域５１０と５１１が形成された。そ
の後、レーザー光の照射によってアニールをおこなっ
た。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波
長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた。条件
等は実施例１と同じとした。（図５（Ｄ））

【００６２】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜５１
２を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成
し、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多層膜によって、Ｐ型不純
物領域５１０に電極・配線５１３を形成した。さらに、
プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０００〜５０００
Å、例えば、３０００Åの窒化珪素膜５１４をパッシベ
ーション膜として形成し、これと酸化珪素膜５１２をエ
ッチングして、不純物領域５１１にコンタクトホールを
形成した。最後に、透明導電材料であるインディウム錫
酸化物被膜（厚さ１０００Å）をスパッタ法によって形
成し、これをエッチングして画素電極５１５を形成し
た。（図５（Ｅ））

【００６３】以上の工程によってアクティブマトリクス
回路の画素トランジスタを形成することができた。この
ような素子をマトリクス状に配置すれば、アクティブマ
トリクス回路ができる。本実施例では、レーザーとし
て、ＫｒＦエキシマーレーザーを用いたが、その他のレ
ーザーを用いてもよいことはいうまでもない。

【００６４】

【発明の効果】塩化物気体もしくはフッ化物気体雰囲気
において、可視もしくは近赤外光を短時間、照射するこ
とによって珪素膜を加熱し、膜に含まれている結晶化を
促進させる金属元素を塩化物・フッ化物として析出・蒸
発させ、あるいは、塩化物気体もしくはフッ化物を含む
酸化性雰囲気において加熱し、あるいは可視もしくは近
赤外光を短時間、照射することによって珪素膜表面に酸
化膜を形成し、これを除去することによって、珪素膜中
の金属元素濃度を低減させることができた。また、これ
らの工程によって、珪素膜の結晶性をさらに向上せしめ
るという効果も得られた。金属元素の濃度が低下したた
め、このような処理を施した珪素膜を用いて作製した薄
膜半導体素子、例えばＴＦＴやＴＦＤの信頼性は向上
し、また、結晶生が改善されたために、ＴＦＴやＴＦＤ
の特性も向上した。このように、本発明は絶縁ゲイト型
半導体装置の形成に極めて効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１のＴＦＴの作製工程を示す。

【図２】 実施例２のＴＦＴの作製工程を示す。

【図３】 実施例３のＴＦＴの作製工程を示す。

【図４】 実施例１の温度設定例を示す。

【図５】 実施例３のＴＦＴの作製工程を示す。

【符号の説明】

１００ 下地膜の露出している部分 １０１ ガラス基板 １０２ 下地膜（酸化珪素膜） １０３ マスク １０４ 珪素膜 １０４’ 島状珪素膜（活性層） １０５ ニッケル濃度の高い領域 １０６ ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜） １０７ ゲイト電極（アルミニウム） １０８ 陽極酸化層（酸化アルミニウム） １０９ ゲイト電極 １１０ 陽極酸化層 １１１ ソース（ドレイン）領域 １１２ チャネル形成領域 １１３ ドレイン（ソース）領域 １１４ ソース（ドレイン）領域 １１５ チャネル形成領域 １１６ ドレイン（ソース）領域 １１７ 電極 １１８ 層間絶縁物 １１９ 電極 １２０ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 27/12 Ｈ０１Ｌ 21/26 Ｌ (56)参考文献 特開 昭61−78120（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−116820（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−63017（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−280420（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−58338（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−176479（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に非晶質珪素膜を形成する第１の
   工程と、 前記非晶質珪素膜に結晶化を助長させる金属元素を導入
   する第２の工程と、 前記非晶質珪素膜を加熱アニールによって結晶化させる
   第３の工程と、 前記第３の工程によって結晶化した珪素膜に塩化物気体
   もしくはフッ化物気体を含む雰囲気中においてレーザー
   光もしくはそれと同等な強光を照射することより珪素膜
   中における前記金属元素濃度を低減する第４の工程と、 を有する半導体装置の作製方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、結晶化を助長させる
   金属元素はニッケルであることを特長とする半導体装置
   の作製方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、第４の工程の後、水
   素雰囲気中、２００〜４５０℃での熱アニールによって
   珪素の不対結合手を中和する工程を有することを特長と
   する半導体装置の作製方法。
4. 【請求項４】 請求項１において、第４の工程におい
   て、マイクロ波もしくは高周波により雰囲気がプラズマ
   励起されていることを特長とする半導体装置の作製方
   法。
5. 【請求項５】 基板上に非単結晶珪素膜を形成する第１
   の工程と、 前記非単結晶珪素膜に結晶化を助長させる金属元素を選
   択的に添加する第２の工程と、 前記非単結晶珪素膜を加熱アニールによって前記第２の
   工程で金属元素が選択的に添加された領域の周囲を結晶
   化させる第３の工程と、 前記第３の工程で結晶化した珪素膜のうち、金属元素が
   添加された領域を含む領域を選択的に除去する第４の工
   程と、 前記珪素膜に対して、塩化物気体またはフッ化物気体を
   含む雰囲気において、レーザー光もしくはそれと同等な
   強光を照射することによって結晶化を助長するとともに
   前記珪素膜中の前記金属元素を低減する第５の工程と、 を有する半導体装置の作製方法。
6. 【請求項６】 基板上に非晶質珪素膜を形成する第１の
   工程と、 前記非晶質珪素膜に結晶化を助長させる金属元素を導入
   する第２の工程と、 前記非晶質珪素膜を加熱アニールによって結晶化させる
   第３の工程と、 前記第３の工程によって結晶化した珪素膜を塩化物気体
   もしくはフッ化物気体を含む酸化雰囲気中にて、その表
   面に酸化膜を形成する第４の工程と、 前記酸化膜をエッチング除去することにより前記金属元
   素を低減する第５の工程と、 を有する半導体装置の作製方法。
7. 【請求項７】 請求項６において、第４の工程は、塩化
   物気体もしくはフッ化物気体を含む酸化雰囲気中にて、
   マイクロ波もしくは高周波によるプラズマ励起によって
   おこなうことを特徴とする半導体装置の作製方法。
8. 【請求項８】 請求項６において、第４の工程は、塩化
   物気体もしくはフッ化物気体を含む酸化雰囲気中にて、
   レーザー光もしくはそれと強光を照射することによって
   おこなうことを特徴とする半導体装置の作製方法。