JP3227392B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置およびその
製造方法に関し、さらに詳しく言えば、非晶質ケイ素膜
を結晶化した結晶性ケイ素膜を活性領域とする半導体装
置およびその製造方法に関する。特に、本発明は、絶縁
表面を有する基板上に設けられた薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）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、結晶成分を含む非晶質ケ
イ素、結晶性と非晶質性の中間の状態を有するセミアモ
ルファス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り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り結晶性を有せしめる。

【０００７】といった方法が知られている。しかしなが
ら、（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。また成膜温度が６００℃以上と高いので、安価
なガラス基板が使用できないというコストの問題があっ
た。

【０００８】また、（２）の方法では、熔融固化過程の
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、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、レーザー光の照射面積が小さくスループットが低
いという問題が有り、また大面積基板の全面を均一に処
理するにはレーザーの安定性が充分ではなく、次世代の
技術という感が強い。

【０００９】（３）の方法は、（１）、（２）の方法と
比較すると大面積に対応できるという利点はあるが、結
晶化に際し６００℃以上の高温にて数十時間にわたる加
熱処理が必要である。すなわち、安価なガラス基板の使
用とスループットの向上を考えると、加熱温度を下げ、
さらに短時間で結晶化させるという相反する問題点を同
時に解決する必要がある。また、（３）の方法では、固
相結晶化現象を利用するため、結晶粒は基板面に平行に
拡がり数μｍの粒径を持つものさえ現れるが、成長した
結晶粒同士がぶつかり合って粒界が形成されるため、そ
の粒界はキャリアに対するトラップ準位として働き、Ｔ
ＦＴの移動度を低下させる大きな原因となっている。

【００１０】上記の（３）の方法を利用して、前述の問
題点を解決する方法が、特開平６−２４４１０３号公報
および特開平６−２４４１０４号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
量に導入し、しかる後に加熱することで、５５０℃、４
時間程度の処理時間で結晶化を行っている。

【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
激に進行すると理解される。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。これらの触媒元素によ
り結晶化が助長されて結晶成長した結晶性ケイ素膜は、
通常の固相成長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るのに対して、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】さらに特開平６−２４４１０４号公報で
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、成長方向がほぼ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
り、半導体装置の高性能化が行える。

【００１３】また、この横方向結晶成長領域の結晶性ケ
イ素膜は、触媒元素が直接導入され結晶化された領域に
比べ、触媒元素濃度が約一桁（体積密度で）低減され
る。すなわち、非晶質ケイ素膜の結晶化後、触媒元素が
主に結晶粒界付近に局在するのに対し、横方向結晶成長
領域では意識的に結晶粒界の位置を制御でき、結晶粒界
部を素子領域より排除することが可能であるからであ
る。このような方法の一種が特開平７−５８３３９号公
報にて述べられている。該公報は、ＴＦＴ素子領域の両
端（ソース領域およびドレイン領域の端部）より結晶成
長させ、意識的にチャネル領域中央部に結晶粒界を形成
するものである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述の特開平６−２４
４１０３号公報および特開平６−２４４１０４号公報で
提案されている方法は、結晶化温度の低温化、結晶化時
間の短縮、そして結晶性の向上において非常に有効なも
のである。しかしながら、それを用いて作製したＴＦＴ
においては、素子特性として大きな問題点が存在する。

【００１５】すなわち、結晶性ケイ素膜の結晶性は非常
に良好であるが、その膜中に残留した触媒元素が素子特
性に悪影響を与えることがある。上記の触媒元素は、非
晶質ケイ素膜の結晶化には大きく貢献するが、上述した
ように、その後、主に結晶粒界に偏在し結晶性ケイ素膜
中に残留する。これら触媒元素が結晶性ケイ素膜中に多
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、もちろん
好ましいことでない。

【００１６】特に、ニッケルやパラジウムなど、非晶質
ケイ素膜の結晶化を促す触媒として効率よく作用する元
素は、ケイ素中においてバンドギャップ中央付近に不純
物準位を形成する。したがって、これら触媒元素により
結晶化したケイ素膜を用いてＴＦＴを作製する場合、そ
の影響として、主にＴＦＴオフ動作時におけるリーク電
流の増大の現象が現れる。すなわち、前記触媒元素は、
そのＴＦＴ素子において、チャネル領域の結晶性を向上
させるため、電界効果移動度やオン電流、オン電流の立
ち上がり係数（Ｓ係数）などの電流駆動能力は大きく向
上させるが、その代償として、オフ特性を悪化させるわ
けである。

【００１７】また、ＴＦＴにおける上述のオフ動作時の
リーク電流増大現象は、本発明者らが行った実験から、
該触媒元素の結晶性ケイ素膜における膜中濃度が１０¹⁶
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であるときに確認された。上述
の特開平６−２４４１０４号公報や特開平７−５８３３
９号公報のように触媒元素を選択的に導入し、その領域
をシード領域として横方向に結晶成長させる方法により
得られる横方向結晶成長領域の触媒元素濃度でさえ、ど
のようにしても１０¹⁶〜１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度
が限界であり、それ以下に抑えることはできない。した
がって、上記技術ではＴＦＴにおけるリーク電流増大の
問題は根本的に解決されない。

【００１８】本発明は、触媒元素を用いて作製されたＴ
ＦＴにおいて、上述のオン特性とオフ特性のトレードオ
フの関係を無くし、電流駆動能力に優れ、またオフ動作
時のリーク電流も小さい高性能なＴＦＴを提供するもの
である。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の問題点
を解決し、上記の目的を満足する手段を提供するもので
あり、ガラスなどの絶縁表面を有する基板上に、高性能
で高信頼性を有する半導体装置を提供するものであり、
またこの半導体装置を簡便な工程により製造する方法を
提供するものである。より具体的には、本発明は以下の
特徴を有する。

【００２０】本発明の請求項１に記載の半導体装置は、
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
イ素膜に、ソース領域、ドレイン領域およびチャネル領
域を含む活性領域が構成された薄膜トランジスタであっ
て、前記活性領域は、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長す
る触媒元素を含み、前記活性領域内において、ソース領
域あるいはドレイン領域とチャネル領域との接合部近傍
の触媒元素濃度を少なくともチャネル領域中央部より小
さくしたことを特徴とする。

【００２１】本発明の請求項２に記載の半導体装置は、
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
イ素膜に、ソース領域、ドレイン領域およびチャネル領
域を含む活性領域が構成された薄膜トランジスタであっ
て、前記活性領域内において、チャネル領域中央部は、
非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を含み結晶
化され、柱状結晶のネットワーク構造により構成されて
おり、前記ソース領域あるいはドレイン領域とチャネル
領域との接合部近傍は、前記触媒元素を含まず結晶化さ
れた結晶性ケイ素膜であることを特徴とする。

【００２２】本発明の請求項３に記載の半導体装置は、
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
イ素膜に、ソース領域、ドレイン領域およびチャネル領
域を含む活性領域が構成された薄膜トランジスタであっ
て、前記活性領域内において、チャネル領域中央部は、
非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を選択的に
導入させた領域からその周辺領域へと、前記ケイ素膜を
横方向に結晶成長させ、個々の柱状結晶の方向がほぼ一
方向に揃った結晶構造により構成されており、前記ソー
ス領域あるいはドレイン領域とチャネル領域との接合部
近傍は、前記触媒元素を含まず結晶化された結晶性ケイ
素膜であることを特徴とする。

【００２３】本発明の請求項４記載の半導体装置は、前
記請求項３記載の半導体装置において、前記薄膜トラン
ジスタのチャネル領域中央部を構成する横方向に結晶成
長させた結晶性ケイ素膜であって、その結晶成長方向
と、薄膜トランジスタにおけるキャリアの移動方向と
が、概略平行となるよう構成されたものであることを特
徴とする。

【００２４】ここで、本発明の半導体装置は、前記触媒
元素を含まないソース領域あるいはドレイン領域とチャ
ネル領域との接合部近傍は、波長５００ｎｍ以下のレー
ザー光照射により、短時間の溶融固化過程において結晶
化されたものであることが好ましい。

【００２５】本発明の請求項５に記載の半導体装置は、
前記請求項２あるいは請求項３記載の半導体装置におい
て、前記チャネル領域を構成する個々の柱状結晶の幅
が、１５０ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする。

【００２６】前記触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、
Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂから
選ばれた一種または複数種類の元素が用いられることが
好ましい。

【００２７】本発明の請求項６に記載の半導体装置は、
前記請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３記載の
半導体装置において、前記チャネル領域中央部の触媒元
素の濃度が、１０¹⁶〜１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であ
り、前記ソース領域あるいはドレイン領域とチャネル領
域との接合部近傍の上記触媒元素の濃度が、１０¹⁶ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³未満であることを特徴とする。

【００２８】本発明の請求項７に記載の半導体装置の製
造方法は、基板上に非晶質ケイ素膜を形成する工程と、
前記工程の前または後において、前記非晶質ケイ素膜の
結晶化を助長する触媒元素を選択導入する工程と、前記
触媒元素が導入された領域の非晶質ケイ素膜を加熱処理
により、選択的に結晶化させる工程と、強光照射によ
り、その他の領域の非晶質ケイ素膜を結晶化させる工程
と、前記触媒元素が導入され加熱処理により結晶化され
た領域を用いて薄膜トランジスタのチャネル領域の一部
を、強光照射により結晶化されたその他の領域を用いて
薄膜トランジスタのソース領域あるいはドレイン領域と
チャネル領域との接合領域をそれぞれ作製する工程とを
有することを特徴とする。

【００２９】本発明の請求項８に記載の半導体装置の製
造方法は、基板上に第１の非晶質ケイ素膜を形成する工
程と、前記工程の前または後において、前記非晶質ケイ
素膜の結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、前
記触媒元素が導入された第１の非晶質ケイ素膜を加熱処
理により、結晶化させ、第１の結晶性ケイ素膜とする工
程と、前記第１の結晶性ケイ素膜をパターニングし、後
の薄膜トランジスタのチャネル領域の一部となる島状領
域を形成する工程と、前記島状領域を覆うように第２の
非晶質ケイ素膜を形成し、強光照射により結晶化して、
第２の結晶性ケイ素膜とする工程と、前記第２の結晶性
ケイ素膜のみの領域を用いて、薄膜トランジスタのソー
ス領域あるいはドレイン領域とチャネル領域の接合領域
を作製する工程とを有することを特徴とする。

【００３０】本発明の請求項９に記載の半導体装置の製
造方法は、基板上に第１の非晶質ケイ素膜を形成する工
程と、前記工程の前または後において、前記非晶質ケイ
素膜の結晶化を助長する触媒元素を一部に選択的に導入
する工程と、前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り、選択的に結晶化させ
る工程と、加熱処理をさらに継続することにより、前記
非晶質ケイ素膜が選択的に結晶化された領域からその周
辺部へと、前記非晶質ケイ素膜を基板表面に対し概略平
行な方向に結晶成長させ、第１の結晶性ケイ素膜とする
工程と、前記第１の結晶性ケイ素膜をパターニングし、
前記結晶性ケイ素膜内の基板表面に対し概略平行な方向
に結晶成長させた領域を用いて、後の薄膜トランジスタ
のチャネル領域の一部となる島状領域を形成する工程
と、前記島状領域を覆うように第２の非晶質ケイ素膜を
形成し、強光照射により結晶化して、第２の結晶性ケイ
素膜とする工程と、前記第２の結晶性ケイ素膜のみの領
域を用いて、薄膜トランジスタのソース領域あるいはド
レイン領域とチャネル領域の接合領域を作製する工程と
を有することを特徴とする。

【００３１】ここで、本発明の半導体装置の製造方法
は、前記非晶質ケイ素膜が選択的に結晶化された領域か
らその周辺部へと、上記非晶質ケイ素膜を基板表面に対
し概略平行な方向に結晶成長させ、第１の結晶性ケイ素
膜とする工程に際し、その結晶成長方向と、作製される
薄膜トランジスタにおけるキャリアの移動方向とが、概
略平行となるよう予め設計を行うことが好ましい。

【００３２】また、強光照射による前記非晶質ケイ素膜
の結晶化を、波長５００ｎｍ以下のレーザー光照射にて
行うことが好ましい。波長５００ｎｍ以下のレーザー光
の中でも、特に波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレー
ザー光を用いることが好ましい。

【００３３】本発明の請求項１０に記載の半導体装置の
製造方法は、前記請求項７あるいは請求項８あるいは請
求項９記載の半導体装置の製造方法において、前記触媒
元素の導入は、真空蒸着法によって前記非晶質ケイ素膜
表面に触媒元素を薄膜蒸着することにより行われること
を特徴とする。

【００３４】本発明の請求項１１に記載の半導体装置の
製造方法は、前記請求項７あるいは請求項８あるいは請
求項９記載の半導体装置の製造方法において、前記触媒
元素の導入は、該触媒元素を含有した溶液を前記非晶質
ケイ素膜表面にスピンコートすることにより行われるこ
とを特徴とする。

【００３５】本発明の請求項１２に記載の半導体装置の
製造方法は、前記請求項１１記載の半導体装置の製造方
法において、前記触媒元素を含有した溶液の溶質とし
て、触媒元素の硝酸塩あるいは酢酸塩を用いることを特
徴とする。

【００３６】本発明の請求項１３に記載の半導体装置の
製造方法は、前記請求項１１記載の半導体装置の製造方
法において、前記触媒元素を含有した溶液の溶媒とし
て、エタノールなどのアルコール類を用いることを特徴
とする。

【００３７】本発明の請求項１４に記載の半導体装置の
製造方法は、前記請求項１０あるいは請求項１１記載の
半導体装置の請求項において、前記触媒元素導入工程
は、非晶質ケイ素膜への該触媒元素の導入濃度が、全反
射蛍光Ｘ線分光測定により、非晶質ケイ素膜表面におけ
る面密度として管理されることを特徴とする。

【００３８】ここで請求項１４において、前記工程にて
管理される該触媒元素の非晶質ケイ素膜表面の面密度と
して、１０¹²〜１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²であることが
好ましい。

【００３９】本発明の請求項１５に記載の半導体装置の
製造方法は、前記請求項７あるいは請求項８あるいは請
求項９記載の半導体装置の製造方法において、前記触媒
元素を導入し結晶化する前記非晶質ケイ素膜の厚さを、
２５〜５０ｎｍの範囲内とすることを特徴とする。

【００４０】本発明の請求項１６に記載の半導体装置の
製造方法は、前記請求項８あるいは請求項９記載の半導
体装置の製造方法において、ソース電極あるいはドレイ
ン電極と接するコンタクト領域は、第１の結晶性ケイ素
膜および第２の結晶性ケイ素膜の積層構造により形成す
ることを特徴とする。

【００４１】ここで前記触媒元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、
Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓ
ｂから選ばれた一種または複数種類の元素を用いること
が好ましい。前記種類の触媒元素の中でも、特にＮｉ元
素を少なくとも用いることが好ましい。

【００４２】上述のように、触媒元素を用いた結晶性ケ
イ素膜は非常に高品質な結晶性を有し、それをチャネル
に用いたＴＦＴは高い電流駆動能力を持つ、一方、この
ＴＦＴの問題点である、オフ動作時のリーク電流を解決
し、優れたＴＦＴを実現すべく日夜研究を積み重ねた。
その結果、オフ動作時のリーク電流発生の原因を究明し
た。そのメカニズムを図８に示す。

【００４３】図８は、Ｎ型ＴＦＴにおけるチャネル領域
からドレイン領域へかけてのバンド図である。ここで
は、チャネル領域からドレイン領域へと正バイアスが印
加されており、ＴＦＴのオン動作時にチャネル領域から
ドレイン領域へ電流が流れる場合を考える。図８（ａ）
は、ゲート電圧Ｖｇ＞０でＴＦＴがオン動作していると
きのバンド図であり、図８（ｂ）は、Ｖｇ＝０のときの
バンド図である。図８（ｃ）は、Ｖｇ＜０すなわちオフ
動作時のバンド図である。共に、向かって右側がドレイ
ン領域、左側がチャネル領域であり、ライン８０１は伝
導帯、ライン８０２は価電子帯、ライン８０３はフェル
ミレベルを表す。Ｖｇ＝０の際に、ライン８０３で示す
ように、フェルミレベルは、チャネル領域、ドレイン領
域において同一となっている。

【００４４】ここで注目すべきは、図８（ｃ）に示され
たＶｇ＜０の際のバンド図である。ＴＦＴがオフ動作時
に、このようにチャネル領域とドレイン領域の接合部に
おいて、伝導帯８０１ｃおよび価電子帯８０２ｃが大き
くうねることになる。このとき、該接合部に８０４のよ
うな何らかのトラップ準位があれば、８０５の位置にい
るキャリアは該トラップ準位８０４を介して、すなわち
矢印８０７で示されたようなパスを通って、伝導帯８０
１ｃ上の位置８０６に移動する。すなわち、オフ動作時
のリーク電流の機構は、トラップ準位８０４を介した一
種のトンネル電流現象として理解される。図８において
は、チャネル領域とドレイン領域の接合部において説明
したが、実際のＴＦＴ素子は交流駆動されるため、チャ
ネル領域とソース領域との接合部に対しても同様のこと
が言える。

【００４５】ＴＦＴの電流駆動能力すなわちオン特性
は、主にそのチャネル領域の結晶性により決定される。
それに対して、ＴＦＴのオフ動作時のリーク電流は、上
述のようにチャネル領域とソース領域あるいはドレイン
領域の接合部近傍のトラップ準位密度に起因する。ここ
で、本発明者らは、ＴＦＴチャネル領域の大部分を触媒
元素による結晶性ケイ素膜で作製し、チャネル領域とソ
ース領域あるいはドレイン領域の接合部近傍は、触媒元
素を用いない従来の結晶性ケイ素膜で作製することで、
目的とするリーク電流の小さい高性能ＴＦＴを実現でき
るのではないかと考えた。すなわち、リーク電流発生の
原因となる接合部近傍での触媒元素によるトラップ準位
を低減しようと考え、実際にＮ型ＴＦＴを作製してみ
た。その結果を図７に示す。

【００４６】図７において、（Ａ）は、素子領域全体に
触媒元素を含む従来の特性であり、（Ｂ）が本発明によ
るものである。共に、ソース・ドレイン間に１４Ｖの電
圧を印加した際の、ドレイン電流Ｉｄとゲート電圧Ｖｇ
の関係、すなわちＴＦＴのＶｇ−Ｉｄ特性曲線を示す。
横軸がゲート電圧Ｖｇであり、縦軸が対数スケールにて
ドレイン電流Ｉｄを表す。図７より、従来例（Ａ）で
は、ゲート電圧Ｖｇをマイナス方向に加えるにしたがっ
て、リーク電流が大きくなっているのがわかる。それに
対して、（Ｂ）に示す本発明によるＴＦＴ特性は、Ｖｇ
をプラス方向に加えた際のＩｄすなわちオン特性におい
ては、従来例（Ａ）と遜色なく良好であるが、Ｖｇがマ
イナス方向に加えられた際のリーク電流は、従来例
（Ａ）と比較して大きく減少している。すなわち、本発
明が、触媒元素を用いた高性能ＴＦＴにおいて、そのリ
ーク電流低減に非常に効果的であり、本発明により、目
的とするリーク電流の少ない高性能ＴＦＴが実現できる
ことが判明した。

【００４７】よって、本発明の主旨としては、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
に、チャネル領域及びソース領域、ドレイン領域を含む
活性領域が構成されたＴＦＴにおいて、前記活性領域
は、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を含
み、活性領域内において、ソース領域あるいはドレイン
領域とチャネル領域との接合部近傍の触媒元素濃度を、
少なくともチャネル領域中央部よりも小さくした構成と
することである。このような構成のＴＦＴは、図７
（Ｂ）に示すような電気特性を有し、上記問題点を全て
解決することができる。

【００４８】また、本発明において、チャネル領域中央
部は、触媒元素を含み加熱により結晶化され、柱状結晶
のネットワーク構造により構成されており、ソース領域
あるいはドレイン領域とチャネル領域との接合部近傍
は、触媒元素を含まず結晶化された結晶性ケイ素膜であ
ることにより、ソースあるいはドレイン領域接合部の結
晶性がある程度良好なため、結晶欠陥などに伴うトラッ
プ準位が減少でき、リーク電流をさらに低減することが
できる。

【００４９】さらに、本発明において、チャネル領域中
央部を、触媒元素を選択的に導入させた領域からその周
辺領域へと非晶質ケイ素膜を横方向に結晶成長させ、個
々の柱状結晶の方向が、ほぼ一方向に揃った結晶構造を
もつ結晶性ケイ素膜により構成することで、ＴＦＴのオ
ン特性を主に決定するチャネル領域の結晶性をさらに向
上させることができる。その結果、リーク電流が少な
く、より電流駆動能力の大きなＴＦＴが得られる。特
に、この際、横方向へ結晶成長させた結晶性ケイ素膜の
成長方向と、ＴＦＴにおけるキャリアの移動方向とを、
概略平行に構成することで、キャリアは散乱中心となる
結晶粒界を横切ることなく移動できるため、さらに電界
効果移動度などのオン特性を向上できる。

【００５０】本発明において、ソース領域あるいはドレ
イン領域とチャネル領域との接合部近傍は、波長５００
ｎｍ以下のレーザー光照射により、短時間の溶融固化過
程において結晶化されたものであれば、ソース領域ある
いはドレイン領域とチャネル領域との接合部近傍の結晶
性はさらに良好なものとなり、リーク電流をさらに低減
することができる。従来、このようなレーザー光照射を
用い短時間の内に溶融固化させる結晶化工程は、ケイ素
膜を短時間でその融点１４１４℃以上に加熱する必要が
あるため、高出力のレーザー発振器が必要であるが、ニ
ーズに見合ったものは未だ開発されておらず、現状は小
さなビームサイズに絞ることで単位面積当たりの出力を
上げ、それを基板面に対して順次走査することで対応し
ている。これが結晶性の不均一性をもたらす原因とな
り、レーザー結晶化技術の実用化を困難なものとしてい
る。本発明では、ソース領域あるいはドレイン領域とチ
ャネル領域との接合部近傍に対してのみ、レーザー照射
による結晶性ケイ素膜を用い、大部分のチャネル領域は
均一性の良好な触媒元素による固相結晶化法により形成
されているので、上記レーザー走査による不均一性の影
響をほとんど受けない。

【００５１】また、チャネル領域を構成する個々の柱状
結晶の幅は、ストレスフリーの状態では８０ｎｍであ
る。チャネル領域の結晶性は、この柱状結晶の幅に依存
しており、８０ｎｍのままでは本発明が目的とする高性
能なＴＦＴを得ることは難しい。本発明は、レーザー照
射による結晶性ケイ素膜をチャネルとして用いたＴＦＴ
よりも、さらに高い電流駆動能力をもつＴＦＴを目指し
ており、その電界効果移動度において１５０ｃｍ²／Ｖ
ｓを目標値としている。なぜなら、ドライバモノリシッ
ク型の液晶表示装置においては、そのドライバ回路部
（特にシフトレジスタ部）において上記目標値の電界効
果移動度が必要とされるからである。柱状結晶の幅は、
ストレスを加えることにより変化し、ある程度はその幅
を広げることができる。上記電界効果移動度の値を達成
するためには、１５０ｎｍ以上の幅の柱状結晶にてその
チャネル領域を構成する必要がある。

【００５２】チャネル領域中央部の触媒元素の濃度とし
ては、１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であれば、触媒元
素が非晶質ケイ素膜の結晶化に寄与し、良好な結晶性ケ
イ素膜が得られる。しかしながら、１０¹⁹ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³を超えると、触媒元素の析出が見られ、エッチン
グ時のダメージも顕著になる。したがって、チャネル領
域中央部の触媒元素の濃度の範囲としては、１０¹⁶〜１
０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であればよい。

【００５３】それに対して、ソース領域あるいはドレイ
ン領域とチャネル領域との接合部近傍の前記触媒元素の
濃度としては、触媒元素によるリーク電流への影響を無
くすため、１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であることが
必要である。本発明者らが調べた結果、上記の濃度以下
であれば、明らかに触媒元素の影響と思われるリーク電
流の増加は無く、一般に言われるコンタミネーションレ
ベルである。

【００５４】本発明によるＴＦＴを実際に作製する際の
製造方法として、以下の３つの方法が特に有効である。

【００５５】第１の方法としては、まず、非晶質ケイ素
膜に触媒元素を選択導入し、加熱処理により、該触媒元
素が導入された領域の非晶質ケイ素膜を選択的に結晶化
させた後、強光照射により、残りの非晶質ケイ素領域を
結晶化させる。そして、前記触媒元素が選択導入され加
熱処理により結晶化された領域を用いてＴＦＴのチャネ
ル領域中央部を、強光照射により結晶化されたその他の
領域を用いてソース領域あるいはドレイン領域とチャネ
ル領域との接合領域をそれぞれ作製する。この製造方法
によれば、工程数が少なく、簡便なプロセスにて、本発
明による高性能ＴＦＴを製造することができる。

【００５６】第２の方法としては、第１の非晶質ケイ素
膜を形成し、その全面に触媒元素を導入して、加熱処理
により、第１の非晶質ケイ素膜を結晶化させた後、第１
のケイ素膜をパターニングし、後のＴＦＴのチャネル領
域中央部となる島状領域を形成する。その後、上記島状
領域を覆うように第２の非晶質ケイ素膜を形成し、強光
照射により結晶化し、第２のケイ素膜のみの領域を用
い、ＴＦＴのソース領域あるいはドレイン領域とチャネ
ル領域の接合領域を作製する。この製造方法では、チャ
ネル領域中央部は、第１および第２のケイ素膜の積層構
造により構成され、ソース領域あるいはドレイン領域と
チャネル領域の接合領域は、第２のケイ素膜単層で構成
されることになる。この製造方法は、触媒元素により結
晶化されるケイ素膜と、ソース領域あるいはドレイン領
域とチャネル領域の接合領域を構成するケイ素膜とを、
上記のように分離することで、触媒元素結晶化のための
加熱時に発生する前記接合領域へ触媒元素の拡散を完全
に防止することができ、第１の製造方法に比較して、よ
り安定した製造方法を実現できる。

【００５７】第３の方法としては、第１の非晶質ケイ素
膜の一部に選択的に触媒元素を導入し、加熱処理によ
り、触媒元素が選択導入された領域を結晶化した後、そ
の領域から周辺部へと、該非晶質ケイ素膜を基板表面に
対し概略平行な方向に結晶成長させる。その後、該結晶
性ケイ素膜の中でも結晶性の良好な横方向結晶成長させ
た領域を用いて、ＴＦＴのチャネル領域となる島状領域
を形成し、さらに該島状領域を覆うように第２の非晶質
ケイ素膜を形成し、強光照射により結晶化する。そし
て、第２のケイ素膜のみの領域を用い、ＴＦＴのソース
領域あるいはドレイン領域とチャネル領域の接合領域を
作製する。この製造方法では、上述の第２の製造方法と
同様の利点を有し、チャネル領域をさらに結晶性の良好
な横成長した結晶性ケイ素膜で構成することができるの
で、上記第１の方法および第２の方法に比較して、より
電流駆動能力の高いＴＦＴが得られる。

【００５８】上記３つの製造方法において、強光照射に
よる非晶質ケイ素膜の結晶化を、波長５００ｎｍ以下の
レーザー光照射にて行えば、製造上のメリットとして、
ケイ素膜に対する吸収係数が高いため、ガラス基板に熱
的ダメージを与えることなく、ケイ素膜のみを瞬時に加
熱することができる。その中でも、特に波長３０８ｎｍ
のＸｅＣｌエキシマレーザー光は、出力が大きいため、
基板照射時のビームサイズを大きくでき、大面積基板に
対応しやすく、また出力安定性も比較的安定している。

【００５９】また、触媒元素の導入は、真空蒸着法によ
って非晶質ケイ素膜表面に該触媒元素を薄膜蒸着するこ
とにより行われるか、あるいは、触媒元素を含有した溶
液を非晶質ケイ素膜表面にスピンコートすることにより
行われるのが望ましい。本発明者らの実験から、触媒元
素は非晶質ケイ素膜の最表面に存在するのが最も効率よ
く作用することがわかっている。実際には、イオンドー
ピング法は勿論、スパッタリングによる薄膜成膜におい
ても、若干量の触媒元素は非晶質ケイ素膜の膜中に打ち
込まれ、このような触媒元素は結晶化に寄与せず、結晶
化後もその位置に留まる。したがって、導入された触媒
元素全てを結晶化に効率よく作用させるためには、触媒
元素の導入法として、上記２種の方法が最も適してい
る。

【００６０】触媒元素を含有した溶液を非晶質ケイ素膜
表面にスピンコートする方法においては、該触媒元素を
含有した溶液の溶質として、触媒元素の硝酸塩あるいは
酢酸塩を用いることが望ましい。本発明者らの実験で
は、同量の触媒元素量とした場合に、これらの溶質を用
いた際に特に結晶化が効率よく行われた。また、これら
の溶質であれば、触媒元素以外に半導体に対して大きな
影響を与える元素を含有していない。また、触媒元素を
含有した溶液の溶媒としては、エタノールなどのアルコ
ール類を用いることが望ましい。スピンコート法は、フ
ォトレジスト塗布などの従来のスピンコートとは本質的
に異なり、イメージ的には、触媒元素を非晶質ケイ素表
面に均一に置いていくようなものである。本発明者らが
溶媒として水を用いた場合には、その乾きむらがそのま
ま結晶化に反映され、均一な結晶性ケイ素膜が得られな
かった。そして、より揮発性の高い溶媒として、エタノ
ールなどのアルコール類を用いると、均一な結晶性ケイ
素膜が得られることがわかった。さらに、揮発性の高い
アセトンなどの有機溶剤の使用が考えられるが、そのよ
うな有機溶剤は概して上記の硝酸塩および酢酸塩に対し
ては不溶であると共に、安全性が低く、本発明に用いる
のは好ましくない。

【００６１】触媒元素の導入工程は、非晶質ケイ素膜へ
の触媒元素の導入量を結晶化に最適な値に制御して行う
必要があるが、それはごく微量であり、管理するのが非
常に困難である。この管理法としては、非晶質ケイ素膜
の最表面に触媒元素を導入した後、全反射蛍光Ｘ線分光
測定により非晶質ケイ素膜表面における面密度を測定す
る方法が特に有効である。全反射蛍光Ｘ線分光測定で
は、本発明にて利用される触媒元素種全てにおいて、面
密度としての測定限界が１０¹¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上
であり、本発明において正確な、そして十分な導入量の
管理が行える。

【００６２】上記工程にて管理される触媒元素の非晶質
ケイ素膜表面の面密度は、１０¹²〜１０¹⁴ａｔｏｍｓ／
ｃｍ²であることが望ましい。すなわち、１０¹²ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ²以下では、絶対的な触媒元素量の不足によ
り十分な結晶化が行われず、反対に１０¹⁴ａｔｏｍｓ／
ｃｍ²以上では、結晶化した際に上述したような触媒元
素の析出や、プロセス上のエッチングダメージが顕著に
なる。

【００６３】本発明において、触媒元素を導入し結晶化
される非晶質ケイ素膜の厚さとしては、２５〜５０ｎｍ
の範囲内であることが望ましい。上述したように、チャ
ネル領域を構成する結晶性ケイ素膜の柱状結晶の幅は、
ストレスにより決定されており、膜厚を８０ｎｍより薄
膜化することで横方向へ拡がろうとする。本発明者らが
実験した結果、膜厚５０ｎｍ以下の時に上記柱状結晶の
幅が１５０ｎｍ以上となる。しかし、さらに非晶質ケイ
素膜を薄膜化し、その膜厚が２５ｎｍ以下となった場合
には、触媒元素の導入量をたとえ増やしても、十分な結
晶化が起こらなかった。

【００６４】本発明における上記第２及び第３の製造方
法においては、チャネル領域中央部に加えて、ソース領
域あるいはドレイン領域の一部のソース電極あるいはド
レイン電極と接するコンタクト領域を、第１の結晶性ケ
イ素膜および第２の結晶性ケイ素膜の積層構造により形
成することがさらに望ましい。上記コンタクト領域は、
上層の膜に対してコンタクトホールを開口する際、同時
にエッチングにさらされる。すなわち、上記コンタクト
領域は、エッチング工程でのオーバーエッチングによ
り、薄膜化される可能性が大きく、最悪の場合にはケイ
素膜が無くなることも考えられる。したがって、少しで
もこの領域の膜厚を厚く構成することは、プロセス全体
の安定化につながり、良品率の向上が期待できる。

【００６５】また、本発明に利用できる触媒元素の種類
としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａ
ｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂを利用することができる。
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る。

【００６６】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、未だよくわかっていないが、一応次のようなモデル
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、非晶質ケイ素膜の結晶化時に一
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ＮｉＳｉ
₂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、ＮｉＳｉ
₂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、
本発明における触媒元素としては、特にＮｉを用いるの
が最も望ましい。

【００６７】上記工程にて管理される触媒元素の非晶質
ケイ素膜表面の面密度は、１０¹²〜１０¹⁴ａｔｏｍｓ／
ｃｍ²であることが望ましい。すなわち、１０¹²ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ²以下では、絶対的な触媒元素量の不足によ
り十分な結晶化が行われず、反対に１０¹⁴ａｔｏｍｓ／
ｃｍ²以上では、結晶化した際に上述したような触媒元
素の析出や、プロセス上のエッチングダメージが顕著に
なる。

【００６８】本発明において、触媒元素を導入し結晶化
される非晶質ケイ素膜の厚さとしては、２５〜５０ｎｍ
の範囲内であることが望ましい。上述したように、チャ
ネル領域を構成する結晶性ケイ素膜の柱状結晶の幅は、
ストレスにより決定されており、膜厚を８０ｎｍより薄
膜化することで横方向へ拡がろうとする。本発明者らが
実験した結果、膜厚５０ｎｍ以下の時に上記柱状結晶の
幅が１５０ｎｍ以上となる。しかし、さらに非晶質ケイ
素膜を薄膜化し、その膜厚が２５ｎｍ以下となった場合
には、触媒元素の導入量をたとえ増やしても、十分な結
晶化が起こらなかった。

【００６９】本発明における上記第２及び第３の製造方
法においては、チャネル領域中央部に加えて、ソース領
域あるいはドレイン領域の一部のソース電極あるいはド
レイン電極と接するコンタクト領域を、第１の結晶性ケ
イ素膜および第２の結晶性ケイ素膜の積層構造により形
成することがさらに望ましい。上記コンタクト領域は、
上層の膜に対してコンタクトホールを開口する際、同時
にエッチングにさらされる。すなわち、上記コンタクト
領域は、エッチング工程でのオーバーエッチングによ
り、薄膜化される可能性が大きく、最悪の場合にはケイ
素膜が無くなることも考えられる。したがって、少しで
もこの領域の膜厚を厚く構成することは、プロセス全体
の安定化につながり、良品率の向上が期待できる。

【００７０】また、本発明に利用できる触媒元素の種類
としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａ
ｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂを利用することができる。
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る。

【００７１】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、未だよくわかっていないが、一応次のようなモデル
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、非晶質ケイ素膜の結晶化時に一
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ＮｉＳｉ
₂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、ＮｉＳｉ
₂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、
本発明における触媒元素としては、特にＮｉを用いるの
が最も望ましい。

【００７２】

【発明の実施の形態】

〔実施例１〕本発明を用いた第１の実施例について説明
する。本実施例では、ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製
する際の工程において、本発明を利用した場合について
の説明を行う。本実施例のＴＦＴは、アクティブマトリ
クス型の液晶表示装置の画素部分は勿論、ドライバー回
路や同一基板上にＣＰＵを構成する素子としても用いる
ことができる。なお、ＴＦＴの応用範囲としては、液晶
表示装置のみではなく、一般に言われる薄膜集積回路に
利用できることは言うまでもない。

【００７３】以下において、図１は、本実施例で説明す
るＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。図２
は、図１のＡ−Ａ'線の断面図を示し、（Ａ）→（Ｆ）
の順にしたがって作製工程が順次進行する。

【００７４】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３０
０ｎｍ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。次に減圧ＣＶＤ法あるいは
プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２５〜５０ｎｍ、例え
ば５０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ
膜）１０３を成膜する。

【００７５】次に、ａ−Ｓｉ膜１０３上に酸化ケイ素膜
または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積し、パターニ
ングすることでマスク膜１０４を設ける。ここで、図２
（Ａ）のように、このマスク膜１０４のスルーホールを
介して、領域１００でスリット状にａ−Ｓｉ膜１０３が
露呈される。即ち、図２（Ａ）の状態を上面から見る
と、図１のようにａ−Ｓｉ膜１０３が領域１００におい
てスリット状に露呈しており、他の部分はマスクされて
いる状態となっている。なお図１において、１１５がソ
ース領域、１１６がドレイン領域、１１４がチャネル領
域を示す。

【００７６】上記マスク膜１０４を設けた後、ａ−Ｓｉ
膜１０３表面が露呈している領域１００に触媒元素膜１
０５を形成するためニッケルを溶かせた水溶液が接する
ように基板を保持する。本実施例では、溶質としては硝
酸ニッケル、溶媒としてエチルアルコールを用い、水溶
液中のニッケル濃度は１０ｐｐｍとなるようにした。そ
の後、スピナーにより水溶液を基板上に均一に延ばし乾
燥させる。この工程により領域１００で露呈している部
分のａ−Ｓｉ膜１０３に選択的にニッケルが導入された
ことになる。このときの基板表面におけるニッケルの面
密度は、全反射蛍光Ｘ線分光不純物分析を行った結果、
平均して１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度であった。そし
て、これを不活性雰囲気下、例えば加熱温度５５０℃で
２時間アニールして結晶化させる。

【００７７】上記アニール工程により、領域１００にお
いて露呈している領域のａ−Ｓｉ膜１０３のみが結晶化
され、結晶性ケイ素領域１０３ａとなり、それ以外のマ
スク膜１０４で覆われた領域は、ａ−Ｓｉ領域１０３ｄ
として残る。本実施例においては、さらに上記アニール
工程を継続した場合、ニッケルが結晶性ケイ素領域１０
３ａより横方向に拡散してしまうため、上記アニール時
間の制御が非常に重要となる。このようにして得られた
結晶性ケイ素領域１０３ａ中のニッケル濃度は、２次イ
オン質量分析法（ＳＩＭＳ）で確認した結果、２×１０
¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であった。また、結晶性ケイ
素領域１０３ａは柱状結晶のネットワーク構造により構
成されており、このときの個々の柱状結晶の幅は１５０
〜２００ｎｍであった。そして、マスク膜１０４を除去
して、図２（Ｂ）を得る。

【００７８】次に、図２（Ｃ）に示すように、レーザー
光１０８を照射することで、ａ−Ｓｉ領域１０３ｄを結
晶化すると共に、ニッケル導入された結晶性ケイ素領域
１０３ａの結晶性を助長する。このときのレーザー光１
０８としては、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８
ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）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２００〜３５０ｍＪ
／ｃｍ²、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ²で照射した。この工
程により、ａ−Ｓｉ領域１０３ｄは結晶性ケイ素膜１０
３ｃに、ニッケル導入された結晶性ケイ素領域１０３ａ
は、より結晶性が良好な結晶性ケイ素膜１０３ａ'とな
る。結晶性ケイ素膜１０３ｃ中のニッケル濃度は、測定
限界値以下であり、このレーザー照射工程による結晶性
ケイ素領域１０３ａからのニッケルの拡散は、ほとんど
無い。

【００７９】そして、図２（Ｄ）に示すように、不要な
部分のａ−Ｓｉ膜１０３を除去して素子間分離を行い、
後にＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネ
ル領域）１０９となる島状の結晶性ケイ素膜を形成す
る。したがって、ＴＦＴの活性領域１０９は、触媒元素
による結晶性ケイ素膜１０３ａ'とレーザー照射による
結晶性ケイ素膜１０３ｃの２種の結晶性ケイ素膜により
構成される。この状態を基板上方より見ると、図１のよ
うな状態となっている。すなわち、ＴＦＴの活性領域１
０９において、チャネル領域１１４の中央部、すなわち
大部分のチャネル領域は触媒元素による結晶性ケイ素膜
１０３ａ'で構成され、チャネル領域１１４とソース領
域１１５あるいはドレイン領域１１６の接合部は、レー
ザー照射のみによる結晶性ケイ素膜１０３ｃで構成され
る。

【００８０】次に、上記活性領域１０９となる結晶性ケ
イ素膜を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは１
００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜１１０として成
膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ
（Ｔｅｔｒａ ＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａ
ｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６０
０℃、好ましくは３００〜４５０℃で、ＲＦプラズマＣ
ＶＤ法で分解・堆積した。あるいは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
法によって、基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは
４００〜５５０℃として形成してもよい。

【００８１】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３００〜６００ｎｍ、例えば４００ｎｍ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１１１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１１２を形成する。この状態を図１（Ｅ）に示す。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１１２の厚さは２００ｎｍである。なお、この酸
化物層１１２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。

【００８２】次に、イオンドーピング法によって、ゲー
ト電極１１１とその周囲の酸化物層１１２をマスクとし
て活性領域に不純物（リン）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１×１０
¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2とす
る。この工程により、不純物が注入された領域は後にＴ
ＦＴのソース領域１１５とドレイン領域１１６となり、
ゲート電極１１１およびその周囲の酸化物層１１２にマ
スクされ不純物が注入されない領域は、後にＴＦＴのチ
ャネル領域１１４となる。

【００８３】その後、図１（Ｅ）に示すように、レーザ
ー光１１３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４０ｎｓｅｃ）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）が注入されたソー
ス領域１１５、ドレイン領域１１６のシート抵抗は、２
００〜８００Ω／□であった。

【００８４】続いて、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１１７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。

【００８５】次に、層間絶縁膜１１７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１１８、１
１９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時間程度のアニールを行い、図１（Ｆ）に示すＴ
ＦＴを完成させる。

【００８６】以上のようにして作製されたＴＦＴを、画
素電極をスイッチングする素子として用いる場合には電
極・配線１１８または１１９をＩＴＯなど透明導電膜か
らなる画素電極に接続し、もう一方の電極より信号を入
力する。また、本発明による上記ＴＦＴを薄膜集積回路
に用いる場合には、ゲート電極１１１上にもコンタクト
ホールを形成し、必要とする配線を施す。

【００８７】以上の通り作製したＮ型ＴＦＴは、電界効
果移動度μ_FEが１００〜１５０ｃｍ²／Ｖｓ、しきい値
電圧Ｖ_THが２〜３Ｖ、サブスレッシュ領域での立ち上が
り係数（Ｓ係数）が０．３Ｖ／桁程度と、非常に良好な
オン特性を示す。さらに、触媒元素が特に問題となるＴ
ＦＴオフ領域でのリーク電流においても、Ｖｄｓ＝１４
Ｖ、Ｖｇ＝５Ｖ時において、従来の１０〜１５ｐＡに比
べ数ｐＡ程度にまで大きく低減できた。

【００８８】〔実施例２〕本発明を用いた第２の実施例
について説明する。本実施例でも、第１実施例と同様、
ガラス基板上にＮ型ＴＦＴを作製する際の工程におい
て、本発明を利用した場合についての説明を行う。

【００８９】以下において、図３は、本実施例で説明す
るＴＦＴの作製工程の概要を示す平面図である。図４
は、図３のＢ−Ｂ'線の断面図を示し、（Ａ）→（Ｆ）
の順にしたがって作製工程が順次進行する。

【００９０】まず、図４（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３０
０ｎｍ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。次に減圧ＣＶＤ法あるいは
プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２５〜５０ｎｍ、例え
ば３０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ
膜）２０３を成膜する。

【００９１】さらにａ−Ｓｉ膜２０３表面に触媒元素膜
２０５を形成するため、ニッケルを溶かせた水溶液が接
するようにガカラス基板２０１を保持する。本実施例で
は、溶質としては硝酸ニッケル、溶媒としてエチルアル
コールを用い、水溶液中のニッケル濃度は３ｐｐｍとな
るようにした。その後、スピナーにより水溶液を基板上
に均一に延ばし乾燥させる。このときの基板表面におけ
るニッケルの面密度は、全反射蛍光Ｘ線分光不純物分析
を行った結果、平均して５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ²
程度であった。そして、これを不活性雰囲気下、例えば
加熱温度５５０℃で４時間程度アニールして結晶化させ
る。

【００９２】上記アニール工程により、ａ−Ｓｉ膜２０
３が結晶化され、結晶性ケイ素領域２０３ａとなる。本
実施例においては、第１実施例のように厳密な上記アニ
ール時間制御が必要でなく、結晶化が十分に行われる時
間以上にアニール時間を延長しても問題は生じない。こ
のようにして得られた結晶性ケイ素領域２０３ａ中のニ
ッケル濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で確
認した結果、２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であっ
た。また、この結晶性ケイ素領域２０３ａは、柱状結晶
のネットワークにより構成されており、このときの個々
の柱状結晶の幅は２００〜３００ｎｍであった。そし
て、図４（Ｂ）に示すように、ソース領域あるいはドレ
イン領域とチャネル領域との接合領域近傍を除き、活性
領域を島状に該結晶性ケイ素領域２０３ａをパターニン
グする。

【００９３】次に図４（Ｃ）に示すように、上記島状に
パターニングされた結晶性ケイ素領域２０３ａを覆うよ
うに、第２のケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０７を形成す
る。第２のａ−Ｓｉ膜２０７は、ＳｉＨ₄を原料ガスと
したプラズマＣＶＤ法により、厚さ３０ｎｍとして形成
した。そして、さらに図４（Ｃ）に示すように、レーザ
ー光２０８を照射することで、第２のａ−Ｓｉ膜２０７
を結晶化する。このときのレーザー光２０８としては、
ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅
４０ｎｓｅｃ）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２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ²、例え
ば２５０ｍＪ／ｃｍ²で照射した。この工程により、第
２のａ−Ｓｉ膜２０７は結晶性ケイ素膜２０７ｃとな
る。特に、島状の結晶性ケイ素領域２０３ａ上の第２の
ａ−Ｓｉ膜２０７においては、下層の結晶性ケイ素領域
２０３ａの良好な結晶性を反映して結晶化が進み、融合
化してその界面境界がほぼ消滅する。その結果、島状の
結晶性ケイ素領域２０３ａは全体として、さらに結晶性
が良好な結晶性ケイ素膜２０３ａ'となる。また、結晶
性ケイ素膜２０７ｃ中のニッケル濃度は、測定限界値以
下であり、上記レーザー照射工程による結晶性ケイ素領
域２０３ａからのニッケルの拡散は、ほとんど無い。

【００９４】そして、図４（Ｄ）に示すように、不要な
部分の結晶性ケイ素膜２０７ｃを除去して素子間分離を
行い、後にＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、
チャネル領域）２０９となる島状の結晶性ケイ素膜を形
成する。したがって、ＴＦＴの活性領域２０９は、主に
触媒元素による結晶性ケイ素膜２０３ａ'とレーザー照
射のみによる結晶性ケイ素膜２０７ｃの２種の結晶性ケ
イ素膜により構成される。この状態を基板上方より見る
と、図３のような状態となっている。すなわち、ＴＦＴ
の活性領域２０９において、チャネル領域２１４の中央
部、すなわち大部分のチャネル領域と、後に電極とのコ
ンタクト領域となる大部分のソース領域２１５とドレイ
ン領域２１６は、触媒元素による結晶性ケイ素膜２０３
ａ'で構成され、チャネル領域２１４とソース領域２１
５あるいはドレイン領域２１６の接合部のみが、レーザ
ー照射のみによる結晶性ケイ素膜２０７ｃで構成され
る。

【００９５】次に、上記の活性領域２０９となる結晶性
ケイ素膜を覆うように厚さ２０〜１５０ｎｍ、ここでは
１００ｎｍの酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜２１０として
成膜する。酸化ケイ素膜の形成には、ここではＴＥＯＳ
（Ｔｅｔｒａ ＥｔｈｏｘｙＯｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａ
ｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６０
０℃、好ましくは３００〜４５０℃で、ＲＦプラズマＣ
ＶＤ法で分解・堆積した。

【００９６】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３００〜６００ｎｍ、例えば４００ｎｍ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２１１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２１２を形成する。この状態を図４（Ｅ）に示す。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２１２の厚さは２００ｎｍである。なお、この酸
化物層２１２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。

【００９７】次に、イオンドーピング法によって、ゲー
ト電極２１１とその周囲の酸化物層２１２をマスクとし
て活性領域に不純物（リン）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１×１０
¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2とす
る。この工程により、不純物が注入された領域は後にＴ
ＦＴのソース領域２１５とドレイン領域２１６となり、
ゲート電極２１１およびその周囲の酸化物層２１２にマ
スクされ不純物が注入されない領域は、後にＴＦＴのチ
ャネル領域２１４となる。

【００９８】その後、図４（Ｅ）に示すように、レーザ
ー光２１３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４０ｎｓｅｃ）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）が注入されたソー
ス領域２１５、ドレイン領域２１６のシート抵抗は、２
００〜８００Ω／□であった。

【００９９】続いて、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２１７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。

【０１００】次に、層間絶縁膜２１７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２１８、２
１９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時間程度のアニールを行い、図４（Ｆ）に示すＴ
ＦＴを完成させる。

【０１０１】以上のようにして作製されたＴＦＴを、画
素電極をスイッチングする素子として用いる場合には電
極・配線２１８または２１９をＩＴＯなど透明導電膜か
らなる画素電極に接続し、もう一方の電極より信号を入
力する。また、本発明による上記ＴＦＴを薄膜集積回路
に用いる場合には、ゲート電極２１１上にもコンタクト
ホールを形成し、必要とする配線を施す。

【０１０２】以上の通り作製したＮ型ＴＦＴは、電界効
果移動度μ_FEが１００〜１５０ｃｍ²／Ｖｓ、しきい値
電圧Ｖ_THが２〜３Ｖ、サブスレッシュ領域での立ち上が
り係数（Ｓ係数）が０．３Ｖ／桁程度と、非常に良好な
オン特性を示す。さらに、触媒元素が特に問題となるＴ
ＦＴオフ領域でのリーク電流においても、Ｖｄｓ＝１４
Ｖ、Ｖｇ＝５Ｖ時において、従来の１０〜１５ｐＡに比
べ数ｐＡ程度にまで大きく低減できた。

【０１０３】〔実施例３〕本発明を用いた第３の実施例
について説明する。本実施例では、アクティブマトリク
ス型の液晶表示装置の周辺駆動回路や、一般の薄膜集積
回路を形成するＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴを相補型に構成
したＣＭＯＳ構造の回路をガラス基板上に作製する工程
について、説明を行う。

【０１０４】図５は、本実施例で説明するＴＦＴの作製
工程の概要を示す平面図である。図６は、図５のＣ−
Ｃ'線の断面図を示し、（Ａ）→（Ｆ）の順にしたがっ
て工程が順次進行する。以下、本実施例の作製工程につ
いての説明を行う。

【０１０５】まず、図６（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によって厚さ３０
０ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜３０２を形成す
る。次にプラズマＣＶＤ法あるいは減圧ＣＶＤ法によっ
て、厚さ２５〜５０ｎｍ、例えば３０ｎｍの真性（Ｉ
型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０３を成膜す
る。

【０１０６】次に、ａ−Ｓｉ膜３０３上に感光性樹脂
（フォトレジスト）を塗布し、露光・現像してマスク膜
３０４とする。フォトレジストのマスク膜３０４のスル
ーホールにより、領域３００においてスリット状にａ−
Ｓｉ膜３０３が露呈される。即ち、図６（Ａ）の状態を
上面から見ると、図５のように領域３００でａ−Ｓｉ膜
３０３が露呈しており、他の部分はフォトレジストのマ
スク膜３０４によりマスクされている状態となってい
る。

【０１０７】上記マスク膜３０４を設けた後、図６
（Ａ）に示すように、触媒元素膜３０５を形成するた
め、ニッケルを薄膜蒸着する。本実施例では、蒸着ソー
スと基板間の距離を通常より大きくして、蒸着レートを
低下させることで、ニッケル膜の厚さが１ｎｍ程度とな
るように制御した。このときの基板上におけるニッケル
の面密度を実際に測定すると、４×１０¹³ａｔｏｍｓ／
ｃｍ²程度であった。そして、図６（Ｂ）に示すよう
に、フォトレジストのマスク膜３０４を除去すること
で、マスク膜３０４上の触媒元素膜３０５がリフトオフ
され、領域３００で示すａ−Ｓｉ膜３０３においての
み、選択的に触媒元素膜３０５、即ちニッケルの微量導
入が行われたことになる。そして、これを不活性雰囲気
下、例えば加熱温度５５０℃で８時間アニールして結晶
化させる。

【０１０８】この際、領域３００においては、ａ−Ｓｉ
膜３０３の表面に添加されたニッケルを核として基板３
０１に対して垂直方向にケイ素膜の結晶化が起こり、結
晶性ケイ素膜３０３ａが形成される。そして、領域３０
０の周辺領域では、図５および図６（Ｂ）において、結
晶成長方向を矢印３０６で示すように、領域３００から
横方向（基板と平行な方向）に結晶成長が行われ、横方
向結晶成長した結晶性ケイ素膜３０３ｂが形成される。
それ以外のａ−Ｓｉ膜３０３の領域は、そのまま非晶質
ケイ素膜領域３０３ｄとして残る。この横方向結晶成長
した結晶性ケイ素膜３０３ｂ中のニッケル濃度は１０¹⁷
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であり、そのシード領域とも言
える直接ニッケルを導入し結晶成長した結晶性ケイ素膜
３０３ａ中のニッケル濃度は１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
程度であった。なお、上記結晶成長に際し、矢印３０６
で示される基板と平行な方向の結晶成長の距離は、４０
μｍ程度であった。また、該結晶性ケイ素膜３０３ｂ
は、柱状結晶が矢印３０６で示す結晶成長方向に沿って
一次元的に並んだ結晶構造を示し、個々の柱状結晶の幅
は２００〜３００ｎｍであった。そして、図６（Ｃ）に
示すように、ａ−Ｓｉ膜３０３の内、最も結晶性の良好
な結晶性ケイ素膜３０３ｂを素子として用いるようにパ
ターニングする。

【０１０９】次に図６（Ｃ）に示すように、上記島状に
パターニングされた結晶性ケイ素膜３０３ｂを覆うよう
に、第２のケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）３０７を形成する。
第２のａ−Ｓｉ膜３０７は、プラズマＣＶＤ法により、
厚さ３０ｎｍとして形成した。そして、さらに図６
（Ｃ）に示すように、レーザー光３０８を照射すること
で、第２のａ−Ｓｉ膜３０７を結晶化する。このときの
レーザー光３０８としては、ＸｅＣｌエキシマレーザー
（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用いた。
レーザー光の照射条件は、照射時に基板を２００〜４５
０℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度２００
〜３５０ｍＪ／ｃｍ²、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ²で照射
した。この工程により、第２のａ−Ｓｉ膜３０７は結晶
性ケイ素膜３０７ｃとなる。特に、島状の結晶性ケイ素
膜３０３ｂ上の第２のａ−Ｓｉ膜３０７においては、下
層の結晶性ケイ素膜３０３ｂの良好な結晶性を反映して
結晶化が進み、その界面境界がほぼ消滅する。その結
果、島状の結晶性ケイ素膜３０３ｂ領域は全体として、
さらに結晶性が良好な結晶性ケイ素膜３０３ｂ'とな
る。また、結晶性ケイ素膜３０７ｃ中のニッケル濃度
は、測定限界値以下であり、このレーザー照射工程によ
る結晶性ケイ素膜３０３ｂからのニッケルの拡散は、ほ
とんど無い。

【０１１０】その後、図６（Ｄ）に示すように、後にＴ
ＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領
域）３０９ｎ、３０９ｐとなる結晶性ケイ素膜を残し、
それ以外の領域の結晶性ケイ素膜３０７をエッチング除
去して素子間分離を行う。したがって、Ｎ型ＴＦＴの活
性領域３０９ｎおよびＰ型ＴＦＴの活性領域３０９ｐ
は、主に触媒元素により横成長した結晶性ケイ素膜３０
３ｂ'とレーザー照射のみによる結晶性ケイ素膜３０７
ｃの２種の結晶性ケイ素膜により構成される。この状態
を基板上方より見ると、図５のような状態となってい
る。すなわち、Ｎ型およびＰ型のどちらのＴＦＴにおい
ても、活性領域３０９において、チャネル領域３１４の
中央部、すなわち大部分のチャネル領域と、後に電極と
のコンタクト領域となる大部分のソース領域３１５とド
レイン領域３１６は、触媒元素による結晶性ケイ素膜３
０３ｂ'で構成され、チャネル領域３１４とソース領域
３１５あるいはドレイン領域３１６の接合部のみが、レ
ーザー照射のみによる結晶性ケイ素膜３０７ｃで構成さ
れる。ここで、ＴＦＴにおいてキャリアが移動する方向
は、ソース領域３１５からドレイン領域３１６に向かう
方向であり、結晶性ケイ素膜３０３ｂの結晶成長方向３
０６と概略平行な方向となるよう、予め設計されてい
る。

【０１１１】次に、上記の活性領域３０９ｎおよび３９
０ｐとなる結晶性ケイ素膜を覆うように厚さ１００ｎｍ
程度の酸化ケイ素膜をゲート絶縁膜３１０として成膜す
る。本実施例では、ゲート絶縁膜３１０の成膜方法とし
てＴＥＯＳを原料とし、酸素とともに基板温度３５０℃
で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。

【０１１２】引き続いて、図６（Ｅ）に示すように、ス
パッタリング法によって厚さ３００〜６００ｎｍ、例え
ば４００ｎｍのアルミニウム（０．１〜２％のシリコン
を含む）を成膜し、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲート電極３１１ｎ、３１１ｐを形成する。

【０１１３】次に、イオンドーピング法によって、活性
領域３０９ｎ、３０９ｐにゲート電極３１１ｎ、３１１
ｐをマスクとして不純物（リン、およびホウ素）を注入
する。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃）
およびジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）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、４０ｋＶ〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとし、ドーズ
量は１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えばリンを２×
１０¹⁵ｃｍ^-2、ホウ素を５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。この
工程により、ゲート電極３１１ｎ、３１１ｐにマスクさ
れ不純物が注入されない領域は後にＴＦＴのチャネル領
域３１４ｎ、３１４ｐとなる。ドーピングに際しては、
ドーピングが不要な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を行う。
この結果、Ｎ型の不純物領域が注入されたソース領域３
１５ｎとドレイン領域３１６ｎ、Ｐ型の不純物が注入さ
れたソース領域３１５ｐとドレイン領域３１６ｐが形成
され、図５および図６（Ｅ）に示すようにＮチャネル型
ＴＦＴ（ＮＴＦＴ）とＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）
とを形成することができる。

【０１１４】その後、図６（Ｅ）に示すように、レーザ
ー光３１３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。レーザー光としては、Ｘｅ
Ｃｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０
ｎｓｅｃ）を用い、レーザー光の照射条件としては、エ
ネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ²で一か所につき５ショ
ット照射した。

【０１１５】続いて、図６（Ｆ）に示すように、厚さ５
００ｎｍの酸化ケイ素膜を層間絶縁膜３１７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ＴＦＴの電極・配線３１８、３１
９、３２０を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰
囲気下で３５０℃、１時間程度のアニールを行い、図６
（Ｆ）に示すＮＴＦＴとＰＴＦＴによるＣＭＯＳ回路を
完成させる。

【０１１６】以上の実施例にしたがって作製したＣＭＯ
Ｓ構造回路において、それぞれのＴＦＴの電界効果移動
度はＮ型ＴＦＴで１５０〜２００ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐ型Ｔ
ＦＴで８０〜１００ｃｍ²／Ｖｓと高く、閾値電圧はＮ
型ＴＦＴで１．５〜２Ｖ、Ｐ型ＴＦＴで−２〜−３Ｖと
非常に良好な特性を示す。さらに、ＴＦＴオフ領域での
リーク電流もＮ型ＴＦＴ、Ｐ型ＴＦＴ共に数ｐＡ程度
と、従来法に比べ低い値に抑えることができた。

【０１１７】以上、本発明に基づく３例の実施例につき
具体的に説明したが、本発明は上述の実施例に限定され
るものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。

【０１１８】例えば、前述の３例の実施例においては、
ニッケルを導入する方法として、非晶質ケイ素膜表面に
ニッケル塩を溶かせた水溶液を塗布する方法、あるいは
蒸着法によりニッケル薄膜を形成する方法を採用した。
しかし、非晶質ケイ素膜成膜前に、下地膜表面にニッケ
ルを導入し、非晶質ケイ素膜下層よりニッケルを拡散さ
せ結晶成長を行わせる方法でもよい。即ち、結晶成長は
非晶質ケイ素膜の上面側から行ってもよいし、下面側か
ら行ってもよい。また、ニッケルの導入方法としても、
その他、様々な手法を用いることができる。例えば、ニ
ッケル塩を溶かせる溶媒として、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
もあるし、スパッタリング法やメッキ法により薄膜形成
する方法や、イオンドーピング法により直接導入する方
法なども利用できる。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（Ｎｉ）以外にコバルト
（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃ
ｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、
スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓ
ｂ）を用いても同様の効果が得られる。

【０１１９】また、上記実施例では、チャネル領域とソ
ース領域あるいはドレイン領域との接合部を形成する結
晶性ケイ素膜を作製する手段として、パルスレーザーで
あるＸｅＣｌエキシマレーザー照射による加熱法を用い
たが、それ以外のレーザー（例えば、波長２４８ｎｍの
ＫｒＦエキシマレーザーや、波長４８８ｎｍの連続発振
Ａｒレーザーなど）でも同様の処理が可能である。ま
た、レーザー光の代わりに赤外光、フラッシュランプを
使用して短時間に１０００〜１２００℃（シリコンモニ
ターの温度）まで上昇させ試料を加熱する、いわゆるＲ
ＴＡ（ラピッド・サーマル・アニール）（ＲＴＰ、ラピ
ッド・サーマル・プロセスともいう）などのいわゆるレ
ーザー光と同等の強光を用いてもよい。

【０１２０】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。

【０１２１】

【発明の効果】本発明を用いることにより、高い電流駆
動能力を持ち、かつオフ動作時のリーク電流が少なく安
定した特性の高性能半導体素子が実現できる。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、低コスト化がはか
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の概要を示す。

【図２】第１の実施例の作製工程を示す。

【図３】第２の実施例の概要を示す。

【図４】第２の実施例の作製工程を示す。

【図５】第３の実施例の概要を示す。

【図６】第３の実施例の作製工程を示す。

【図７】従来法に対する本発明の効果を示す。

【図８】リーク電流の発生機構を示す。

【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（ａ
−Ｓｉ膜） １０４、 ３０４ マスク膜 １０５、２０５、３０５ 触媒元素膜 ３０６ 矢印 ２０７、３０７ 第２のケイ素膜（ａ−Ｓｉ
膜） １０８、２０８、３０８ レーザー光 １０９、２０９、３０９ 活性領域 １１０、２１０、３１０ ゲート絶縁膜 １１１、２１１、３１１ ゲート電極 １１２、２１２ 酸化物層 １１３、２１３、３１３ レーザー光 １１４、２１４、３１４ チャネル領域 １１５、２１５、３１５ ソース領域 １１６、２１６、３１６ ドレイン領域 １１７、２１７、３１７ 層間絶縁膜 １１８、２１８、３１８ 電極・配線 １１９、２１９、３１９、３２０ 電極・配線

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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に、ソース領域、ドレイン領域お
   よびチャネル領域を含む活性領域が構成された薄膜トラ
   ンジスタであって、 前記活性領域は、非晶質ケイ素膜の結晶化を助長する触
   媒元素を含み、前記活性領域内において、ソース領域あ
   るいはドレイン領域とチャネル領域との接合部近傍の触
   媒元素濃度を少なくともチャネル領域中央部より小さく
   したことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 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に、ソース領域、ドレイン領域お
   よびチャネル領域を含む活性領域が構成された薄膜トラ
   ンジスタであって、 前記活性領域内において、チャネル領域中央部は、非晶
   質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を含み結晶化さ
   れ、柱状結晶のネットワーク構造により構成されてお
   り、前記ソース領域あるいはドレイン領域とチャネル領
   域との接合部近傍は、前記触媒元素を含まず結晶化され
   た結晶性ケイ素膜であることを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 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に、ソース領域、ドレイン領域お
   よびチャネル領域を含む活性領域が構成された薄膜トラ
   ンジスタであって、 前記活性領域内において、チャネル領域中央部は、非晶
   質ケイ素膜の結晶化を助長する触媒元素を選択的に導入
   させた領域からその周辺領域へと、前記非晶質ケイ素膜
   を横方向に結晶成長させ、個々の柱状結晶の方向がほぼ
   一方向に揃った結晶構造により構成されており、前記ソ
   ース領域あるいはドレイン領域とチャネル領域との接合
   部近傍は、前記触媒元素を含まず結晶化された結晶性ケ
   イ素膜であることを特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】 前記請求項３記載の半導体装置におい
   て、 前記薄膜トランジスタのチャネル領域中央部を構成する
   横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜であって、その
   結晶成長方向と、薄膜トランジスタにおけるキャリアの
   移動方向とが、概略平行となるよう構成されたものであ
   ることを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】 前記請求項２あるいは請求項３記載の半
   導体装置において、 前記チャネル領域を構成する個々の柱状結晶の幅が、１
   ５０ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする半導体装
   置。
6. 【請求項６】 前記請求項１あるいは請求項２あるいは
   請求項３記載の半導体装置において、 前記チャネル領域中央部の触媒元素の濃度が、１０¹⁶〜
   １０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、前記ソース領域ある
   いはドレイン領域とチャネル領域との接合部近傍の触媒
   元素の濃度が、１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であるこ
   とを特徴とする半導体装置。
7. 【請求項７】 基板上に非晶質ケイ素膜を形成する工程
   と、 前記工程の前または後において、前記非晶質ケイ素膜の
   結晶化を助長する触媒元素を選択導入する工程と、 前記触媒元素が導入された領域の非晶質ケイ素膜を加熱
   処理により、選択的に結晶化させる工程と、 強光照射により、その他の領域の非晶質ケイ素膜を結晶
   化させる工程と、 前記触媒元素が導入され加熱処理により結晶化された領
   域を用いて薄膜トランジスタのチャネル領域の一部を、
   強光照射により結晶化されたその他の領域を用いて薄膜
   トランジスタのソース領域あるいはドレイン領域とチャ
   ネル領域との接合領域をそれぞれ作製する工程と、を有
   することを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 基板上に第１の非晶質ケイ素膜を形成す
   る工程と、 前記工程の前または後において、前記非晶質ケイ素膜の
   結晶化を助長する触媒元素を導入する工程と、 前記触媒元素が導入された第１の非晶質ケイ素膜を加熱
   処理により、結晶化させ、第１の結晶性ケイ素膜とする
   工程と、 前記第１の結晶性ケイ素膜をパターニングし、後の薄膜
   トランジスタのチャネル領域の一部となる島状領域を形
   成する工程と、 前記島状領域を覆うように第２の非晶質ケイ素膜を形成
   し、強光照射により結晶化して、第２の結晶性ケイ素膜
   とする工程と、 前記第２の結晶性ケイ素膜のみの領域を用いて、薄膜ト
   ランジスタのソース領域あるいはドレイン領域とチャネ
   ル領域の接合領域を作製する工程と、を有することを特
   徴とする半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 基板上に第１の非晶質ケイ素膜を形成す
   る工程と、 前記工程の前または後において、前記非晶質ケイ素膜の
   結晶化を助長する触媒元素を一部に選択的に導入する工
   程と、 前記触媒元素が選択的に導入された領域の非晶質ケイ素
   膜を加熱処理により、選択的に結晶化させる工程と、 加熱処理をさらに継続することにより、前記非晶質ケイ
   素膜が選択的に結晶化された領域からその周辺部へと、
   前記非晶質ケイ素膜を基板表面に対し概略平行な方向に
   結晶成長させ、第１の結晶性ケイ素膜とする工程と、 前記第１の結晶性ケイ素膜をパターニングし、該第１の
   結晶性ケイ素膜内の基板表面に対し概略平行な方向に結
   晶成長させた領域を用いて、後の薄膜トランジスタのチ
   ャネル領域の一部となる島状領域を形成する工程と、 前記島状領域を覆うように第２の非晶質ケイ素膜を形成
   し、強光照射により結晶化して、第２の結晶性ケイ素膜
   とする工程と、 前記第２の結晶性ケイ素膜のみの領域を用いて、薄膜ト
   ランジスタのソース領域あるいはドレイン領域とチャネ
   ル領域の接合領域を作製する工程と、を有することを特
   徴とする半導体装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記請求項７あるいは請求項８あるい
    は請求項９記載の半導体装置の製造方法において、 前記触媒元素の導入は、真空蒸着法によって前記非晶質
    ケイ素膜表面に触媒元素を薄膜蒸着することにより行わ
    れることを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記請求項７あるいは請求項８あるい
    は請求項９記載の半導体装置の製造方法において、 前記触媒元素の導入は、触媒元素を含有した溶液を前記
    非晶質ケイ素膜表面にスピンコートすることにより行わ
    れることを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記請求項１１記載の半導体装置の製
    造方法において、 前記触媒元素を含有した溶液の溶質として、触媒元素の
    硝酸塩あるいは酢酸塩を用いることを特徴とする半導体
    装置の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記請求項１１記載の半導体装置の製
    造方法において、 前記触媒元素を含有した溶液の溶媒として、エタノール
    等のアルコール類を用いることを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記請求項１０あるいは請求項１１記
    載の半導体装置の製造方法において、 前記触媒元素導入工程は、非晶質ケイ素膜への触媒元素
    の導入濃度が全反射蛍光Ｘ線分光測定により、非晶質ケ
    イ素膜表面における面濃度として管理されることを特徴
    とする半導体装置の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記請求項７あるいは請求項８あるい
    は請求項９記載の半導体装置の製造方法において、 前記触媒元素を導入し結晶化する前記非晶質ケイ素膜の
    厚さを、２５〜５０ｎｍの範囲内とすることを特徴とす
    る半導体装置の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記請求項７あるいは請求項８記載の
    半導体装置の製造方法において、 前記ソース電極あるいはドレイン電極と接触するコンタ
    クト領域は、前記第１の結晶性ケイ素膜および第２の結
    晶性ケイ素膜の積層構造により形成することを特徴とす
    る半導体装置の製造方法。