JP4353352B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、さらに詳細には、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及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（ＴＦＴ）を設け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などに適用することが可能である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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、三次元ＩＣ等を実現するために、ガラス等の絶縁性基板、絶縁膜等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。このような半導体素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的となっている。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）と結晶性を有するケイ素半導体との２つに大別される。
【０００３】
非晶質ケイ素半導体は、製造温度が低く、気相法により比較的容易に作製することができるために、量産性に優れ、最も一般的に用いられている。しかしながら、非晶質ケイ素半導体は、結晶性を有するケイ素半導体と比較すると、誘電性等の物性が劣るため、今後、さらなる高速特性を得ることができる結晶性を有するケイ素半導体の簡便な製造方法の確立が強く求められている。
【０００４】
結晶性を有するケイ素半導体を製造する方法としては、次の（１）及び（２）に示す方法が知られている。
（１）非晶質ケイ素半導体膜を成膜した後、非晶質ケイ素半導体膜にレーザ光等のエネルギービームを照射して、その光エネルギーによって、非晶質ケイ素半導体膜を結晶化して結晶性を有するケイ素半導体膜とする。
（２）非晶質ケイ素半導体膜を成膜した後、加熱して、その熱エネルギーによって、非晶質ケイ素半導体膜を結晶化して結晶性を有するケイ素半導体膜とする。
【０００５】
一般的には、上記（１）の方法が用いられる。この方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、結晶粒は小粒径となるが、結晶粒内の結晶欠陥が少なく、比較的高品質な結晶性のケイ素半導体膜が得られる。しかしながら、上記（１）の方法により作製された結晶性のケイ素半導体膜では、粒界部における欠陥密度が高くなるために、この粒界部における欠陥がキャリアに対して大きなトラップとして働き、半導体装置として十分な性能が得られない。また、例えば、レーザー光の光源として現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを使用する場合には、レーザー光の安定性が十分でないために、基板の全面にわたって均一な処理を施すことが容易でなく、同一基板上に均一な特性を有する複数の結晶性のケイ素半導体膜を成膜することができず、半導体素子間で特性のばらつきが生じるおそれがある。
【０００６】
（２）の方法は、（１）の方法と比較すると基板内の均一性、安定性に優れているが、６００℃以上の高温条件によって３０時間程度の長時間にわたる加熱処理が必要になるため、処理時間が長くなり、スループットを向上させることができないという問題がある。さらに、（２）の方法においては、結晶化される結晶構造が双晶構造となるため、数μｍ程度の比較的大きな結晶粒が得られるが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含むために、その結晶性は、上記（１）の方法により製造されたケイ素半導体膜の結晶性よりも劣るという問題がある。
【０００７】
これに対して、上記（１）及び（２）の方法をそれぞれ改善して、高品位な結晶性ケイ素膜を得る方法が開発されている。
【０００８】
まず、（１）の方法の改善方法として、マスクによって形成された露光領域にパルスレーザー光を照射して、このパルスレーザー光が照射された露光領域のケイ素膜を溶融し、溶融されたケイ素膜が、周囲の非照射領域（非溶融領域）に近接した領域から順次固化されることによって、方向性をもって結晶化が進む現象を利用して、結晶の成長方向を制御した結晶化処理方法が、特表２０００−５０５２４１号公報に開示されている。
【０００９】
この結晶化処理方法では、非晶質ケイ素膜に対して、走査しながら照射するパルスレーザーの走査ピッチを小さくすることにより、走査方向に沿った方向に結晶が成長するように制御している。さらに、マスクの形状、レーザが照射されるケイ素膜のアイランド形状を調整することにより、比較的小面積ながら結晶粒界がない単結晶に近い結晶領域が製造される。
【００１０】
また、（２）の方法の改善方法としては、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ことにより、加熱温度の低下、処理時間の短縮、結晶性の向上を図る方法が注目されている。
【００１１】
具体的には、非晶質ケイ素膜の表面に微量のニッケル等の金属元素を導入した後に加熱処理することによって結晶性のケイ素膜とする。
【００１２】
このような触媒元素を用いた方法では、非晶質ケイ素膜中において、導入された金属元素を核とした結晶核が早期に発生し、その後、この結晶核を中心として結晶化が急激に進行する。
【００１３】
この方法は、触媒元素の導入による結晶核の早期発生によって、加熱温度の低下及び処理時間の短縮を図ることができると共に、結晶成長した結晶性のケイ素膜が、通常の固相成長法（上記（２）の方法）によって成長した結晶性ケイ素膜が、結晶欠陥が多くなる双晶構造を有する場合とは異なり、複数の柱状結晶（ネットワーク）が連なる構造を有し、それぞれの柱状結晶は、小さいながらも、その内部が単結晶に近い状態になっている。
【００１４】
特開平１１−２６０７８２３号公報には、非晶質ケイ素膜の一部の領域に触媒元素を導入して加熱処理を行うことにより、触媒元素が導入された導入領域からその周辺領域に横方向に結晶を成長させる結晶成長方法が開示されている。
【００１５】
特にこの公報に記載された結晶成長方法では、触媒元素が導入される領域の導入パターンをストライプ（ライン・アンド・スペース）状とし、その導入パターンの幅と各導入パターン間の間隔とを規定することによって、横方向の結晶成長の安定化を図っている。
【００１６】
また、上記（１）の方法と、上記（２）の方法とを組み合わせた結晶成長方法として、触媒元素を導入して熱処理することにより固相結晶化した結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに向上させるために、加熱処理の後に、レーザー光等の強光を照射する工程をさらに追加する結晶成長方法が、特開平７−１６１６３４号公報に開示されている。このような光照射工程を追加して行うことにより、触媒元素存在下で加熱処理を行うことにより結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性がさらに高められ、半導体装置のさらなる高速化が図られている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特表２０００−５０５２４１号公報で得られる結晶性ケイ素膜は、レーザー光の照射により溶融した領域のケイ素膜が、周囲の非照射領域（非溶融領域）に近接した領域から順次固下されて、その方向性が制御されて結晶化されるため、成長方向が制御された柱状の結晶粒（グレイン）により構成される。図１１は、この結晶粒の状態を概略的に示す断面図である。ここで、Ｘ０１は結晶の成長方向、Ｘ０２は結晶粒界を示している。
【００１８】
しかし、この方法によって成長される結晶粒は、図１１に示すように、ほぼ同一方向に成長されて成長方向が揃った複数の柱状結晶が形成されるが、各結晶粒間及び結晶の面方位のいずれについても関連性がない。したがって、各結晶粒界部には、結晶欠陥及び不対結合手が高頻度に発生した状態となっており、半導体素子のキャリアの移動に対するトラップ障壁が大きくなる。この結果、半導体素子の活性領域に対して、キャリアの移動方向と結晶の成長方向とが平行になっている場合と、平行になっていない場合とでは、キャリアが横切る結晶粒界の数が大きき異なることとなり、キャリアが横切る結晶粒界の数が大きくなると、その特性が著しく低下して、素子間の特性のばらつきが大きくなる。
【００１９】
具体的には、上記の方法を用いることにより、その結晶成長方向に対してキャリアの移動方向が平行あるいは垂直になるようにＴＦＴを作製した場合、キャリアの移動方向が平行あるいは垂直となったＴＦＴ間で、５倍程度の大きな特性の差異が生じ、素子設計レイアウトに与えられる制約が大きくなる。
【００２０】
また、その成長方向が半導体素子のキャリアの移動方向に沿うように半導体素子を作製した場合であっても、図１１に示されるように、結晶の成長方向に沿う結晶粒の長さに限界があり、半導体素子内で、複数の結晶粒が連結された状態となる。このため、それぞれの半導体素子の活性領域内の結晶状態及びその柱状結晶が連結された状態によって、半導体素子の特性が左右されて、大きなばらつきが生じるおそれがある。
【００２１】
図１２は、特表２０００−５０５２４１号公報に記載された結晶化処理方法において、レーザ光が照射される露光領域を形成するためのマスクを、屈曲形状を含む形状としてケイ素膜を結晶化した結果を示す平面図である。Ｘ０１は結晶の成長方向、Ｘ０２は結晶粒界を示している。
【００２２】
このようにマスク形状に屈曲形状を含ませることにより、特表２０００−５０５２４１号公報に記載された結晶化処理方法でも、結晶粒界によって囲まれたＸ０３にて示す領域のように、一部に単結晶に近い領域を形成することができる。しかしながら、この領域は、この領域のみによって半導体素子の活性領域を形成するほどには大きく成長させることはできない。また、この単結晶領域Ｘ０３に対して半導体素子の活性領域を高精度にアライメント（位置合わせ）する必要があり、工程が複雑になるという問題もある。
【００２３】
また、特開平１１−２６０７２３号公報の方法で得られる結晶性のケイ素膜は、図１３に示すように、マクロ的に見れば、結晶成長状態は均一であり、比較的大きな領域で結晶面方位が一様に揃っている。ここで、Ｙ０１は結晶の成長方向、Ｙ０２は結晶粒界、Ｙ０３は触媒元素の導入領域をそれぞれ示している。
【００２４】
この方法により得られた結晶性のケイ素半導体膜の結晶粒界は、図１２のＹ０２で囲まれた領域により示されるように、図１０に示した結晶粒界に比較して、大きくなっており、半導体素子の活性領域を一つの結晶粒内に形成することも可能である。
【００２５】
しかし、この方法により得られた結晶性ケイ素膜では、結晶粒内に現れる結晶欠陥が多くなるという問題がある。触媒元素を導入し加熱することにより結晶化された結晶性ケイ素膜は、幅８００〜１０００Åの柱状結晶が相互に連結したネットワークを形成した状態で結晶粒を構成している。個々の柱状結晶の内部は単結晶状態になっているが、それぞれの柱状結晶の曲がり、分岐等により転移等の結晶欠陥が結晶粒内に多数生じることになる。したがって、この方法により得られた結晶性のケイ素半導体膜では、単一の面方位をもった一つの領域により半導体素子の活性領域を形成したとしても、結晶粒内に存在する結晶欠陥のために十分な性能を得ることができない。例えば、ＴＦＴの電界効果移動度で、高々１００ｃｍ2／Ｖｓ程度となる。
【００２６】
また、実際上は、単一の面方位をもった一つの領域に合わせて半導体素子の活性領域を形成することは非常に困難であり、結晶成長の方向をキャリア移動方向にあわせたとしても、活性領域内に結晶粒界Ｙ０２を必ず含むことになる。このため、この方法で得られた結晶性ケイ素半導体では、半導体装置の特性のばらつきを低減することができない。
【００２７】
特開平７−１６１６３４号公報に記載された方法では、触媒元素により結晶化した結晶性ケイ素膜に現れる結晶粒内の多量の結晶欠陥を消滅させるために、レーザー光等の強光を照射する工程をさらに追加している。しかし、レーザー光のレーザパワーが低すぎると、レーザー光を照射する効果が表れず、元の結晶状態をほぼ維持するだけの状態となり、レーザー光のレーザーパワーが高すぎると、元の結晶状態がリセットされてレーザー光のみにより結晶化された場合と同じ結晶状態となるため、レーザー光等の強光を適正に照射することは容易ではなく、レーザーパワーのマージンはほとんどない。
【００２８】
また、照射されるレーザー光のレーザーパワーが最適であった場合、触媒元素による結晶化工程における結晶性を維持しながら、結晶粒内の結晶欠陥を低減することができる一方で、レーザー光による再結晶化工程による結晶粒界が新たに生じることになる。このようなレーザー光照射によって発生する新たな結晶粒界は、触媒元素により固相結晶化された状態で見られる結晶粒界に比較して、半導体キャリアに対するトラップ密度が大きく、またそのエネルギーも高い。
【００２９】
この方法により得られた結晶性ケイ素半導体膜を用いた半導体装置においては、触媒元素により固相結晶化した結晶性ケイ素膜の高い均一性を引き継いで再結晶化することから、従来の非晶質ケイ素膜を直接レーザーによる結晶化する方法に比べると、結晶の均一性は格段に高くなる。また、レーザー光の照射により生じる新たな結晶粒界が、触媒元素の導入により固相結晶成長させた際に生じた結晶粒界よりも影響が少ないため、レーザー光照射工程を追加することにより、トータル的には、半導体装置の特性の向上を図ることができる。
【００３０】
しかしながら、レーザー光照射に伴う新たな結晶粒界の発生は、ランダムに起こるため、その影響により半導体装置の特性に、ばらつきが生じる。その結果、触媒元素による固相結晶化のみで作製された半導体装置に比べると、特性が不安定となり、特性上のばらつきが大きくなり、この方法により得られる結晶性のケイ素半導体膜では、高速の電流駆動能を有する高速性能の半導体装置を実現するために十分な特性を得るには至っていない。
【００３１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高速の電流駆動能を有する高速性能を有し、且つ、性能のばらつきが低減された半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に結晶性を有するケイ素膜によって活性領域が形成された半導体装置であって、該活性領域は、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する微量の触媒元素が導入された領域から一方向に沿って固相成長された領域を種結晶として、該固相成長された領域を溶融固化させることにより概略一方向に結晶成長された結晶性を有するケイ素膜によって形成されていることを特徴とするものである。
【００３３】
上記本発明の半導体装置において、前記溶融固化させることにより結晶成長された結晶性を有するケイ素膜の結晶成長方向が、前記固相成長された領域の結晶成長方向に対して、概略直交する方向であることが好ましい。
【００３４】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒群間の面方位のずれが、５°以内になっていることが好ましい。
【００３６】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒群の結晶粒界は、少なくとも８０％以上のケイ素原子が原子レベルで格子状につながっていることが好ましい。
【００３７】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒界間には、小傾角粒界が形成されていることが好ましい。
【００３８】
上記本発明の半導体装置において、前記小傾角粒界は、各結晶粒間の平面的な方位の回転角が５°以内になっていることが好ましい。
【００３９】
上記本発明の半導体装置において、前記結晶粒界は、セコエッチング法によるエッチングによりその位置が規定されることが好ましい。
【００４０】
上記本発明の半導体装置において、前記結晶粒群の面方位及び結晶粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法により測定される面であることが好ましい。
【００４１】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域は、前記活性領域を移動するキャリアの移動方向が溶融固化されることにより結晶成長された領域の結晶成長方向及び前記各ライン状の結晶粒界に沿う方向に対して概略平行になるように形成されていることが好ましい。
【００４２】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域に形成される能動領域は、触媒元素であるニッケル元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度で含有していることが好ましい。
【００４３】
また、本発明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、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する工程と、該非晶質ケイ素膜を加熱処理することにより、該触媒元素が選択的に導入された領域の近接部分から一定方向に沿って固相成長させて固相成長領域を形成する工程と、該非晶質ケイ素膜の該固相成長領域を種結晶として、該固相成長方向に対する一定の方向に走査しつつ加熱して、溶融固化により順次再結晶化する工程と、該非晶質ケイ素膜の、該再結晶化された結晶性を有する領域により、活性領域を形成する工程と、を包含することを特徴とするものである。
【００４４】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜は、レーザー光が該結晶化方向とは直交する方向に沿って走査されることにより加熱されることが好ましい。
【００４５】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記触媒元素は、前記絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜上にライン状またはストライプ状に形成された領域に導入され、前記レーザー光は、該ライン状またはストライプ状に形成された領域が延びる方向に沿って走査されることが好ましい。
【００４６】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記ライン状またはストライプ状に形成された領域のそれぞれの幅は、１〜１５μｍの範囲に形成されていることが好ましい。
【００４７】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、順次再結晶化する工程は、該結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射しながら、基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させることにより行われることが好ましい。
【００４８】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記結晶性ケイ素膜に一定方向に走査されながら照射される前記パルスレーザー光のうち少なくとも第１段目のパルスレーザー光は、前記触媒元素の導入によって結晶化された領域に照射され、この領域へのパルスレーザー光の照射が行われた後の第２段目のパルスレーザー光は、触媒元素の導入による結晶成長が行われていない領域に照射されることが好ましい。
【００４９】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光の走査ピッチは、前記パルスレーザー光の照射時に溶融する結晶性ケイ素膜の領域が、隣接する非溶融領域の結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下に設定されることが好ましい。
【００５０】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光の走査ピッチは、０．１μｍ〜１．５μｍであることが好ましい。
【００５１】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光は、走査される方向に対して垂直な方向に沿って長くなっていることが好ましい。
【００５２】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光のビーム強度の強度プロファイルは、前記パルスレーザー光の少なくとも走査方向の反対側の強度プロファイルが、一定強度から急激に０強度まで低下することが好ましい。
【００５３】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光は、その走査方向とは反対側の一部を機械的にマスクする遮蔽手段を有するレーザー照射手段を用いて照射されることが好ましい。
【００５４】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記レーザー照射手段の遮蔽手段は、照射されるパルスレーザー光を、少なくとも前記結晶性ケイ素膜の溶融に必要な強度から連続的に強度が低下する範囲を遮蔽することが好ましい。
【００５５】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光は、前記結晶性ケイ素膜が膜の全体にわたって溶融する強度で照射されることが好ましい。
【００５６】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光は、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザーが用いられ、前記結晶性ケイ素膜の表面に対するエネルギー密度が２００〜６００ｍＪ／ｃｍ2となる範囲で照射されることが好ましい。
【００５７】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、順次再結晶化する工程は、該結晶ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射しながら、基板または連続発振レーザー光を一方向に走査することにより、先に連続発振レーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させることにより行われることが好ましい。
【００５８】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記結晶性ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射する工程は、該連続発振レーザー光により照射領域のケイ素膜が溶融され、該連続発振レーザー光の走査に伴い、ケイ素膜における固体状態及び液体状態の界面を移動させながら、順次再結晶化が行われることが好ましい。
【００５９】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記連続発振レーザー光として、固体レーザーが用いられることが好ましい。
【００６０】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記活性領域は、前記レーザー光の走査方向に沿って形成されることが好ましい。
【００６１】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一つの元素であることが好ましい。
【００６２】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記レーザー光を走査することによって前記結晶性ケイ素膜を順次再結晶化する工程を行った後に、少なくとも、後の工程により能動領域となる以外の結晶性ケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、該結晶性ケイ素膜に対して第２の加熱処理を行うことにより、前記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に、前記触媒元素を移動させ、後の工程により能動領域となる結晶性ケイ素膜の領域に含まれる前記触媒元素の量を低減する工程と、をさらに行うことが好ましい。
【００６３】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第２の加熱処理により移動される前記触媒元素の移動方向は、前記レーザー光の走査方向と概略平行になっていることが好ましい。
【００６４】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記５族Ｂから選ばれる元素は、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉから選ばれた少なくとも一つの元素であることが好ましい。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の製造方法及び、この製造方法によって製造される半導体装置について、図面に基づいて説明する。
【００６６】
図１（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明に係る半導体装置の製造方法の各工程における概略について説明する半導体装置の平面図である。
【００６７】
図１（ａ）は、ストライプ状に形成された触媒元素の導入領域１に触媒元素を導入して熱処理することにより、ケイ素膜をストライプ状の導入領域１に対して一方向に結晶成長させた状態を示している。このように、触媒元素の導入領域１をストライプ状に形成することにより、ケイ素膜は、ストライプ状の導入領域１とは直行する矢印Ａの方向に概略一次的に結晶化することとなり、その結果、矢印Ａにほぼ平行なドメイン境界３に囲まれ、ほぼ単一の面方位を有する結晶ドメイン４が形成される。また、各触媒元素導入領域１から矢印Ａ方向への結晶化の速度は略等しいため、各触媒元素導入領域１から結晶成長した各結晶ドメイン４は、各触媒元素導入領域１の中間部分でぶつかり合うため、各触媒元素導入領域１の略中間部分に、成長境界５が形成される。
【００６８】
次に、触媒元素の導入によって結晶化されたケイ素膜に対して、パルスレーザー光を照射して、パルスレーザー光が照射された領域を溶融固化する。
【００６９】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の状態になっている結晶性のケイ素膜上において、ストライプ状の触媒元素導入領域１に対して垂直な方向に沿って、一回のパルスレーザー光を照射した状態を示している。このように、パルスレーザー光を照射することにより、パルスレーザー光が照射された領域６内のケイ素膜が瞬間的に溶融し、その直後に再結晶化する。この場合、非照射領域の結晶性を反映して、領域６におけるパルスレーザー光が照射されない非照射領域に近接した両端部から矢印Ｂの方向に沿って結晶成長が順次進行して、この方向に沿って横方向に結晶化した領域８が形成される。また、領域６の中央部分では、溶融したケイ素膜が過冷却状態となってランダムに結晶核が発生するため、この部分では、方向性がない結晶化が進んだ領域９が形成される。
【００７０】
次に、一回目のパルスレーザー光が照射される領域６とは、一部が重複するように、二回目のパルスレーザー光を領域６に沿って照射する。
【００７１】
図１（ｃ）は、二回目のパルスレーザー光を照射した後の状態を示している。このパルスレーザー光の照射によって、パルスレーザー光が照射された領域１０のケイ素膜が溶融し、その後に溶融したケイ素膜の固化結晶化が進む。この場合、上記の一回目のパルスレーザー光の照射の場合と同様に、隣接する非照射領域の結晶性を反映して領域１０の両側縁から結晶化が順次進む。したがって、二回目にレーザー光が照射された領域は、一回目のパルスレーザー光の照射によって結晶化された領域８の結晶成長を引き継ぐようにして結晶が成長する。この結果、新たに結晶成長される領域１１は、一回目のパルスレーザー光の照射により結晶化された領域８から延長したほぼ単結晶状態となった領域１２を形成する。
【００７２】
このようなパルスレーザー光を、図１（ｄ）に矢印Ｃで示す方向に順次走査することにより、単結晶状態領域を、図１（ｄ）の領域１４にて示す大きな面積にわたって形成することができる。このようにして、単結晶状態の領域１４が形成されると、続けて、触媒元素導入領域１が形成されていた領域１５及び成長境界部１６を避けて、この単結晶状態の領域１４に半導体装置の活性領域１７を形成する。
【００７３】
このように、触媒元素により横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜は、その成長方向に沿って比較的大きな面積で単一の面方位の領域（ドメイン）を有し、各ドメイン間の方位のずれが互いに小さく、キャリアに対するトラップ準位も低くなっている。このような特徴を有する領域を種結晶として、パルスレーザー光照射による溶融固化により再結晶化されたケイ素半導体膜は、触媒元素による横方向結晶化によるケイ素膜のミクロ的に良好な結晶成分性と、その面方位の均一性とを引き継いで成長されるため、結晶欠陥がほとんどなく、面方位が大きな領域にわたって揃った、ほぼ単結晶に近い状態の結晶性のケイ素膜を数１０μｍ〜数１００μｍの大きさにわたって形成することができる。したがって、個々の半導体素子の活性領域をこのような結晶性に優れた領域で形成することにより、高性能で、かつ、特性のばらつきが小さい半導体装置を製造することができる。このことは、特に大電流が必要なチャネル幅の大きいＴＦＴの活性領域等を形成する場合に有効である。
【００７４】
また、本発明の半導体装置の製造方法としては、パルスレーザー光の他、連続発振レーザー光を適用することもできる。連続発振レーザー光を、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜に照射し、連続して走査することにより、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して、走査方向に結晶成長が進み、一方向に結晶粒群が並び、且つ、その隣接結晶粒間の面方位がほぼ同一とすることができる。
【００７５】
図１４は、連続発振レーザー光とケイ素膜に照射した場合のケイ素膜の状態変化を概略的に示す断面図であり、ガラス基板３００上にＳｉＯ2膜３０１を介して形成された結晶性のケイ素膜３０２に連続発振レーザー光を矢印３０３の方向に走査しながら照射した場合を示している。
【００７６】
このように連続発振レーザー光を用いた場合には、パルスレーザー光と異なり、レーザー光が照射されている領域は、常に結晶性ケイ素膜が高温となって、溶融状態となる。また、連続発振レーザー光が照射された後の部分は、溶融後の再結晶化が行われる。したがって、連続発振レーザー光が照射されたケイ素膜３０２上には、レーザー光が照射されて液状状態となった液状領域３０２ａと、レーザー光が照射された後に再結晶化された固体状態の個体領域３０２ｂとが存在している。
【００７７】
連続発振レーザー光を図１４に示す矢印３０５の方向に走査すると、図中３０４にて示す、この固体領域３０２ｂと液状領域３０２ａとの界面部分が、連続発振レーザー光の走査方向に沿って矢印３０６にて示す方向に移動し、結晶性ケイ素膜の再結晶化がこの矢印３０５方向に沿って順次進む。
【００７８】
連続発振レーザー光を用いた場合には、このようにパルスレーザー光を用いた場合とは異なり、常に、ケイ素膜に固体部分及び液状部分の界面が生じた状態であり、ケイ素膜に照射される連続発振レーザー光の強度と走査速度とにより、結晶性が制御される。したがって、連続発振レーザー光の走査速度が遅すぎると、結晶性のケイ素膜が必要以上に加熱されて、触媒元素の触媒作用により結晶化された元のケイ素膜の結晶性の情報がリセットされることになる。また、連続発振レーザー光の強度が強すぎた場合にも同様の問題が生じる。このため、連続発振レーザー光を用いる場合には、レーザー光の強度及び走査速度の最適値が存在する。
【００７９】
このような連続発振レーザー光としては、固体レーザーが好ましく、安定性に優れている。また、照射されるレーザー光の波長としては、上記のパルスレーザー光を用いる場合と異なり、６００ｎｍ以下であれば、十分に使用することができる。
【００８０】
上記の半導体装置の製造方法においては、触媒元素の導入によって横方向に結晶成長した領域は、その成長方向に沿って面方位が揃った結晶ドメインが形成されており、この結晶成長が進んだ方向に対して垂直な方向にレーザー光（パルスレーザー光、連続発振レーザー光、以下単に、「レーザー光」と表現する場合は、パルスレーザー光及び連続発振レーザー光を示しているものとする。）を走査して、溶融固化による結晶化を進めている。このため、一つの結晶ドメインを種結晶として結晶成長できるため、結晶欠陥がほとんどなく、面方位が広範囲にわたって揃った非常に結晶性に優れ、ほぼ単結晶状態に近い結晶化領域を得ることができる。したがって、触媒元素の導入による結晶成長の方向と、レーザー照射による溶融固化による結晶成長の方向とは、概略垂直になっていることが望ましい。
【００８１】
また、上記の方法により製造された半導体装置の活性領域は、レーザー光の照射による溶融固化結晶化での結晶成長方向に沿ってライン状に並んだ結晶粒群により構成されており、且つ、ライン状に並んだ結晶粒は、隣接するライン状の各結晶粒とほぼ同一な面方位を有している。このため、結晶粒界の影響を低減することができると共に、その結晶粒界における半導体キャリアに対するトラップ密度も低減され、トラップ準位のエネルギーも小さくすることができる。その結果、このような活性領域を有する半導体装置は、非常に高性能、且つ、高電流駆動能を有し、さらに、半導体素子間のばらつきが小さく、安定性に優れたものとすることができる。
【００８２】
なお、図１において、結晶粒界は、セコエッチング法によりエッチングされる位置として示されており、また、結晶粒は、結晶粒界によって囲まれた領域として示している。さらに、結晶粒間の面方位及び結晶粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法によって測定された値を示している。
【００８３】
特表２０００−５０５２４１号公報の方法によっても、見かけ上、同一方向に沿って並んだライン状の結晶粒群を得ることができる。しかし、この方法によって得られた半導体膜では、隣接する各結晶粒間の面方位に関連性がなく、それぞれが単独になっているため、キャリアに対する結晶粒界のトラップ密度が非常に大きくなり、ライン状の結晶粒を超えてキャリアが移動する半導体素子があると、その特性は著しく低下すると共に、素子間のばらつきが大きくなる。
【００８４】
実際に、隣接するライン状結晶粒の面方位に相互の関連性がない場合には、そのライン方向に対してキャリアの移動方向が平行になるＴＦＴと、垂直になるＴＦＴとで、その電界効果移動度の差は、５倍程度の大きな差が生じる。これに対して、本発明の半導体装置では、同様に電界効果移動度に差異が見られるが、電界効果移動度の差は、１．５倍程度となり、上記のＴＦＴよりもその差異が低減されている。また、本発明の半導体装置では、従来の半導体装置に比較して電界移動効果度が向上するため、従来の半導体装置に比較して、素子間の設計レイアウトに大きな制約を受けることがない。
【００８５】
また、上記のようにして製造される本発明の半導体装置において、隣接する各ライン状の結晶粒間の面方位のずれが５°以内となっている。このため、結晶粒界部での連続性が保たれ、半導体キャリアに対する結晶粒界部におけるトラップ密度及びトラップ準位のエネルギーを、半導体素子の特性を大きく低下させることがない程度まで低減することができる。
【００８６】
また、上記のようにして製造される本発明の半導体装置において、半導体装置の活性領域を構成するライン状の結晶粒群の結晶粒界は、原子レベルで連続的につながった状態となっている。このため、結晶粒界でのキャリアのトラップ密度及びエネルギー準位を最も小さいものとすることができる。本発明では、さらに、結晶粒界において、８０％以上のケイ素原子が原子レベルで連続的につながっていることが分かっており、このことにより、特性のばらつき（電界効果移動度）を±５％以内に抑え、レーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化結晶化の方向と、半導体キャリアの移動方向とが９０°異なっていても、電界効果移動度を２倍以下の差に抑えることができることが分かっている。
【００８７】
さらに、各結晶粒間で原子レベルで格子が連続的につながるということは、隣接するライン状の結晶粒界が、小傾角粒界を構成していることを意味している。小傾角粒界では、平面的にみて結晶方位のずれが微小な回転角で生じている状態になっており、格子自体の並びは、結晶粒界では、小さな角度で回転している（屈折している）が、結晶粒界で隣接する結晶粒の格子同士はつながっている状態である。このような状態になっていれば、結晶粒界でのキャリアのトラップ密度及びエネルギー準位を最も小さくすることができ、その結果、半導体装置の高速特性を最大限に高めることができると共に、各素子間における特性のばらつきを最小にすることができる。さらに、このときの隣接するライン状の結晶粒間の小傾角結晶粒界は、その回転角が５°以内になっている。このため、半導体キャリアに対する結晶粒界部におけるトラップ密度及びトラップ準位のエネルギーを、半導体装置の特性を大きく低下させることがない程度まで低減することができる。
【００８８】
また、本発明の半導体装置においては、活性領域でのキャリアの移動方向と、この活性領域を構成する結晶性ケイ素膜における概略一方向沿って並んだライン状の結晶粒のライン方向とが、概略平行となるように半導体装置を構成することが望ましい。このようにして半導体装置を製造すれば、特に高いキャリア移動度が求められる素子に対して、キャリアに対する結晶粒界の影響を極力排除することができる。ただし、本発明の半導体装置では、上記のようにライン方向とキャリアの移動方向とが平行とならない場合でも、従来の半導体装置と比較すれば、非常に高い移動度が得られる。したがって、本発明の半導体装置は、設計レイアウトの自由度を大きくすることができる。
【００８９】
また、本発明の半導体装置は、隣接するライン状の結晶粒の面方位を制御するために、非晶質ケイ素膜に結晶化を促進する触媒元素を導入している。このような結晶化を促進する触媒元素としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等のうち一種、または複数種を用いることができ、いずれを用いても、微量により非晶質のケイ素膜の結晶化を促進することができる。
【００９０】
ただし、触媒元素は、非晶質ケイ素膜中においてシリサイド化することにより結晶成長を促進するため、触媒元素のシリサイド化合物における格子定数が単結晶ケイ素の格子定数に近似していることが好ましい。Ｎｉは２原子のＳｉとシリサイド化合物であるＮｉＳｉ2を形成する。ＮｉＳｉ2は、蛍石型の結晶構造を有し、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ている。しかも、５．４３０Åの格子定数を有するダイヤモンド構造の結晶ケイ素に対して、ＮｉＳｉ2は、その格子定数が５．４０６Åであり、シリコンの格子定数に最も近くなっている。したがって、ＮｉＳｉ2は、非晶質ケイ素膜の結晶化に際して、最も優れた鋳型となり、非晶質ケイ素膜の結晶化が最も促進されるため、Ｎｉが触媒元素として好適である。
【００９１】
本発明の半導体装置を製造する際には、まず、非晶質ケイ素膜を触媒元素により横方向に固相結晶化する工程を行うので、半導体装置の活性領域における能動（チャネル）領域には、触媒元素が含まれることとなる。半導体装置の活性領域に含まれるニッケルの濃度が、５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3を超えると、ニッケルシリサイドとして能動領域中に存在する領域が多くなり、半導体装置の特性に悪影響を及ぼす。また、ニッケルの濃度が、１×１０16ａｔｏｍ／ｃｍ3より少なくなると、ニッケルの導入による触媒効果を十分に得ることができず、結晶粒の面方位に対して十分に制御することができない。したがって、ニッケルは、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3の濃度になるように導入することが望ましい。
【００９２】
また、ライン状またはストライプ状に形成された触媒元素を導入するための触媒元素導入領域の幅は、１μｍに満たない場合には、横方向の結晶成長に必要な濃度の触媒元素を導入することが容易ではなく、逆に、１５μｍを超えた場合には、導入された触媒元素が横方向の結晶成長に効率的に作用せず、導入領域に残留するものが発生し、高濃度領域からの後のレーザー走査でのオートドーピング、下地膜へのエッチングダメージ、ＴＦＴ特性への影響等の様々な問題が生じる。したがって、触媒元素導入領域の幅は、１〜１５μｍに設定することが好ましい。
【００９３】
本発明の半導体装置を製造する場合において、少なくとも第１段目のパルスレーザー光照射は、触媒元素により横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜に対して照射されるが、後に半導体装置の活性領域となる領域は、触媒元素による結晶化領域からレーザー光を照射して結晶化された領域を用いて形成するような方法が有効である。
【００９４】
触媒元素は、ニッケル等の遷移金属を主とする金属元素であり、このような触媒元素が半導体膜中に存在することは、半導体装置の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり、好ましいことではない。特に、これらの触媒元素がシリサイドとして存在していると、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。そこで、上述のような方法により半導体装置を製造することによって、種結晶となる結晶を成長させる場合にのみ触媒元素を効率的に利用し、実際の半導体装置の活性領域には、触媒元素による結晶化領域に該当しない領域（パルスレーザー光により種結晶の結晶性を反映して成長された領域）を用いれば、半導体装置の活性領域に残留する触媒元素の量を極力低減することができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００９５】
また、本発明の半導体装置を製造する場合に、触媒元素を選択的に導入することにより横方向に固相成長させた結晶性のケイ素膜に、レーザー光をパルス的にまたは連続的に照射しながら、基板に対してレーザー光を一方向に走査させることにより、前段のパルス照射により結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させることにより高性能な半導体素子を製造しており、この工程が最も重要なプロセスとなっている。特に、パルスレーザー光の走査ピッチを、パルスレーザー光を照射する際に溶融する領域が隣接している非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以上になっている場合には、通常のレーザー光照射により見られるランダムな結晶核による領域が形成されて、通常のグレイン状の結晶粒が形成されるため、パルスレーザー光の走査ピッチは、パルスレーザー光を照射する際に溶融する領域が隣接する領域が隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下にする必要がある。このような長さにすることにより、結晶粒はその成長方向に沿ってライン状に形成される。
【００９６】
図２は、本発明の半導体装置を製造する場合において、レーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化過程に使用されるレーザーアニール装置を示す概略図である。
【００９７】
このレーザーアニール装置は、所定の強度のレーザー光Ｄを発振するレーザー発振器２１を有している。このレーザー発振器２１から側方に発振されたレーザー光Ｄは、ミラー２２により反射されて、基板の上方に設置されたホモジナイザー２３に導かれる。そして、このホモジナイザー２３にて、一方向に沿った長尺形状のレーザー光Ｅが形成される。このホモジナイザー２３と基板との間には、長尺形状のレーザー光Ｅを所望の強度プロファイルにする遮蔽マスク２４が設けられている。この遮蔽マスク２４は、レーザー光Ｅの強度プロファイルにおけるトップ付近の部分のみを透過させる開口２４ａを有しており、遮蔽マスク２４の開口２４ａを透過するレーザー光Ｆが、基板上に照射される。
【００９８】
本発明では、パルスレーザー光により再結晶化する場合、前段のパルス照射により再結晶化された領域の結晶性を反映してケイ素膜を順次再結晶化させるものであるため、レーザー光の強度プロファイルが一般的なガウシアン形状のようになだらかに低下しているプロファイルとなっていれば、前段のパルスレーザー照射から結晶化された領域から徐々にレーザーエネルギーが上昇する状態となるため、再結晶化に求められるエネルギーが、前段のパルスで結晶化された領域の結晶近傍で得られない。したがって、このような強度プロファイルでは、再結晶化に求められるよりも低いパワー領域が必ず存在するため、前段のパルス照射で結晶化された領域の結晶性を引き継ぐことができず、結晶性の悪い領域として残り、十分な特性を得ることができない。このため、結晶性ケイ素膜上に照射するパルスレーザー光のビーム強度は、パルスレーザー光が走査される方向に対して少なくとも反対側の強度ファイルが、一定の強度から０まで急激に低下するような短矩形的な形状になっていることが望ましい。
【００９９】
上記のレーザーアニール装置では、このようなパルスレーザー光のビーム強度プロファイルを実現するために、パルスレーザー光の走査方向に対して、少なくとも反対側の一部を遮蔽マスク２４によって機械的にマスク等して、反対側のパルスレーザー光の強度ファイルが一定の強度から０まで急激に低下するようにしている。このため、レーザーアニール装置の光学系を大幅に変更することなく、簡便に所望の強度プロファイルを実現することができる。また、上記の遮蔽マスクによって、パルスレーザー光の照射領域を調整することが容易となる。
【０１００】
図３は、ホモジナイザー２４から照射されるパルスレーザー光Ｅの強度プロファイルと、遮蔽マスク２４の開口２４ａを透過して基板上に照射されるパルスレーザー光Ｆの強度プロファイルを示す説明図である。
【０１０１】
ホモジナイザー２４により長尺形状に成形されたパルスレーザー光Ｅは、図３に示すように、その強度プロファイル３１がガウシアン形状となっているが、遮蔽マスク２４を透過したパルスレーザー光Ｆは、遮蔽マスク２４によってそのトップ付近のエネルギーの高い部分のみが開口２４ａを透過し、エネルギーが低くなっている裾の部分は遮蔽マスク２４によってカットされて、急激に強度が０からトップに立ち上がるトップハット状の強度プロファイル３２となっている。なお、遮蔽マスク２４は、他の位置に設置されていてもよく、その形状を変更して用いてもよい。図３では、強度プロファイルの両端部分が急激な強度勾配となるプロファイルとなっているが、走査方向に対して反対側が急激に立ち上がる強度プロファイルとなっていればよい。
【０１０２】
パルスレーザー光を照射する際のパルスレーザー光の走査ピッチは、１．５μｍ以下であれば、隣接している非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できることが分かっている。また、パルスレーザー光の照射幅が０．１μｍ以上であれば、レーザー照射条件に大きな制限が課されない。したがって、パルスレーザー光の走査ピッチは、０．１〜１．５μｍの範囲であることが望ましい。ただし、パルスレーザー光を照射する工程におけるスループット（時間当たりの処理能力）を考慮すると、上記の範囲内において大きく設定するほど好ましい。
【０１０３】
また、この場合のパルスレーザー光の結晶性ケイ素膜表面に照射されるビーム形状としては、走査方法に、走査ピッチ以上の長さを有していれば十分であり、また、走査方向に対して垂直な方向の長さを長くとれば、一度のパルスレーザー光の走査により広範囲の領域にわたって結晶化を行うことができるため、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、パルスレーザー光の走査方向に対して垂直な方向に長い概略長尺矩形形状に形成されることが望ましい。このようにすれば、パルスレーザーを照射するためのレーザー光のトータルパワーを低減することができ、一度のパルスレーザーの照射により広範囲の結晶化を行えるため、本工程における処理時間を大幅に短縮することができる。
【０１０４】
パルスレーザー光の強度は、小さければケイ素膜が十分に溶融されず、触媒元素による固相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ない。本発明では、隣接する非溶融領域の結晶状態を反映してケイ素膜を結晶化しているため、少なくともパルスレーザー光が照射された結晶性ケイ素膜の領域の全体にわたって溶融するような強度範囲にして照射する必要がある。具体的には、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光が最も適している。このような波長４００ｎｍ以下のパルスレーザーを照射するエキシマレーザーを用いれば、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高く、且つ、ガラス基板に対して熱的ダメージを与えることがなく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱することができる。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。このようなエキシマレーザーのうち、特に、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光は、その出力が大きいため、基板への光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、さらに、出力が比較的安定しているため、結晶性ケイ素膜の量産化を図る上で、最も望ましい。
【０１０５】
さらに、このレーザー光を用いる場合、ケイ素膜表面に対してレーザー光の表面エネルギー密度が２００ｍＪ／ｃｍ3より小さくなると、結晶性ケイ素膜が膜全体にわたって十分に溶融されず、触媒元素による固化結晶後に存在する結晶欠陥を十分に改善することができない。また、６００ｍＪ／ｃｍ3を超えると、ケイ素膜のアブレーション（気化）が生じ、ケイ素膜の膜飛びが発生するおそれがある。このため、ケイ素膜表面に対するレーザー光の表面エネルギー密度は、２００〜６００ｍＪ／ｃｍ3となるようにして、パルスレーザー光を照射することが好ましい。
【０１０６】
図４は、基板に対してレーザー光を照射する他のレーザーアニール装置を示す概略図である。このレーザーアニール装置では、複数のライン状の開口４１ａを形成した遮蔽マスク４１を基板１０１とホモジナイザー（図４において図示せず）との間に設け、パルスレーザー光を照射する場合、１回のパルスレーザー光の照射時に、同時に複数の領域を結晶化する。このような遮蔽マスク４１に複数の開口４１ａを形成すれば、ホモジナイザー４１から照射されるパルスレーザー光Ｇが、遮蔽マスク４１を介して複数の長尺形状のパルスレーザー光Ｈに成形されて、基板の複数箇所にパルスレーザー光Ｉが照射される。
【０１０７】
半導体装置のキャリアの流れる方向（チャネル方向）とレーザー光の走査方向とが概略平行になるようにして半導体装置を製造すれば、半導体装置の活性領域でのキャリアの移動方向と、活性領域となる結晶性ケイ素膜のライン状の結晶粒のライン方向とが、概略平行になるため、キャリアに対する結晶粒界の影響を極力排除することができる。したがって、このように半導体装置に使用される活性領域を設計すれば、電流駆動能力に優れた半導体素子が得られる。
【０１０８】
また、本発明の半導体装置を製造する場合、触媒元素を導入して非晶質ケイ素膜を、横方向に結晶化する工程を含んでいる。結晶化を促進する触媒元素は、前述のように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残留していることは、半導体素子を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻害するため、好ましいことではない。そこで、触媒元素を非晶質ケイ素膜の結晶化に利用した後、このケイ素膜中に残存する触媒元素の大部分を、半導体素子領域以外の領域に移動させることにより、残存する触媒元素の低減が図られる。具体的には、少なくとも後に半導体装置の能動（チャネル）領域となる領域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、加熱処理する工程を行う方法が有効である。これにより、結晶成長を促進した触媒元素は、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）領域中の触媒元素の残存量を大幅に低減することができる。この方法は、半導体特性に対して悪影響を及ぼすシリサイド状態の触媒元素に、特に有効である。そして、５族Ｂ元素が導入されて触媒元素が導入さ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残らない。
【０１０９】
この場合、本発明の半導体装置では、レーザー光の走査方向に沿って、概略一方向に沿って並んだライン状の結晶粒が形成されており、異なる結晶粒間にわたって触媒元素を移動させるよりも、同一の結晶粒内に触媒元素を移動させるほうが触媒元素の移動効率が良好になるため、触媒元素を、レーザー光の走査方向に沿って並んだライン状の結晶粒の方向に沿って移動させるために５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に触媒元素を移動させる移動方向は、レーザー光を照射する際の走査方向と概略平行になるようにすることが望ましい。このようにすれば、結果的に、半導体装置の能動（チャネル）領域における触媒元素の残留量を大きく低減することができる。
【０１１０】
ここで、５族Ｂから選ばれる元素としては、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの少なくとも一種の元素を用いることができる。これらから選ばれた一種または複数種の元素を用いれば、半導体膜中に含まれた触媒元素を効率的に移動させることができる。このような触媒元素を移動させる際のメカニズムに関しては、未だ詳細な知見は得られていないが、上記元素の中でも、Ｐが最も効果が高いことが分かっている。
【０１１１】
図１５は、上記本発明の半導体装置の微細構造を示す写真代用写真であり、矢印４００は、レーザー光の走査方向を示している。このように、本発明の半導体装置では、結晶粒４０１がレーザー光の走査方向に長く、ライン状になっており、この間に形成される結晶粒界４０２が、レーザー走査方向に沿って形成されている。この結晶粒４０１間の結晶粒界４０２は、セコエッチングにより顕在化される粒界であり、結晶粒界４０２が見られるにもかかわらず、隣接する結晶粒４０１間の面方位は、ほぼ同一となっている。
【０１１２】
以下、本発明の半導体素子の製造方法を用いた具体的な実施例について説明する。
【０１１３】
（実施例１）
本実施例１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、一般の薄膜集積回路等に用いられる、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴを相補的に構成したＣＭＯＳ構造を有する回路をガラス基板上に製造する工程について説明する。
【０１１４】
図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本実施例１のＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補的に構成したＣＭＯＳ構造を製造する工程を工程毎に説明する半導体装置の平面図である。
【０１１５】
図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図５（ａ）の構造を製造する工程を工程毎に説明しており、図５（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。図７（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、図５（ｂ）〜（ｄ）に示す構造を製造する工程をその工程毎に説明しており、図５（ｂ）〜（ｄ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。
【０１１６】
本実施例１のＣＭＯＳ構造を製造する場合には、まず、図６（ａ）に示すように、後の工程によりガラス基板から不純物が拡散することを防止するため、ガラス基板１０１上に、例えば、スパッタリング法あるいはプラズマＣＶＤ法によって３００〜５００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば５０ｎｍの厚さに真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３を成膜する。本実施例１では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、材料ガスとして、ＳｉＨ4ガス及びＨ2ガスを用いた。そして、ＲＦパワーのパワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ2、例えば、８０ｍＷ・ｃｍ2としてプラズマを発生させた。このときの基板の加熱温度は、４００℃以下であることが望ましく、本実施例では、３００℃とした。
【０１１７】
次いで、ａ−Ｓｉ膜１０３上の全面にわたって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た後、パターニングすることによりマスク１０４を形成する。本実施例では、ａ−Ｓｉ膜１０３上に、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料として、酸素共存下でＲＦプラズマＣＶＤ法により分解・堆積することにより酸化ケイ素膜を堆積した。この場合の酸化ケイ素膜の膜厚は、１００〜４００ｎｍの範囲であることが望ましく、本実施例では、酸化ケイ素膜の膜厚を１５０ｎｍとした。このマスク１０４に形成されたスルーホールによって、図２（ａ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜１０３が露呈した領域１００がスリット状に形成され、領域１００以外の部分はマスク１０４によってａ−Ｓｉ膜１０３が露呈していない状態になっている。この場合、ａ−Ｓｉ膜１０３が露呈している各領域１００のライン幅Ｌは、１〜１５μｍの範囲に設定されていることが望ましく、本実施例１では、領域１００のライン幅Ｌを１０μｍとした。
【０１１８】
次に、ａ−Ｓｉ膜１０３及びマスク１０４の表面上に微量のニッケル１０５を添加する。添加されるニッケル１０５として、純ニッケル（９９．０％以上）のターゲットを用い、ＤＣスパッタリング法によりニッケルを添加した。具体的には、ＤＣパワーを５０Ｗ程度の極低パワーとして、基板を２０００ｍｍ／ｍｉｎの高速回転した状態で、スパッタリング処理を行なった。本実施例では、このスパッタリング処理に用いられるガスとして、アルゴンを用い、スパッタリング時のガス圧力を１０Ｐａ以上の高圧条件として、極低濃度条件下でのニッケルのスパッタリングを行なった。スパッタリングされたニッケル１０５は、図６（ａ）では、図面を見やすくするため薄膜状として表示しているが、実際には、単原子層程度またはそれ以下の状態に形成されている。実際に、ＤＣパワーを６０Ｗ、アルゴンガス圧を１８Ｐａの条件としてスパッタリングを行なったところ、領域１００で露呈しているａ−Ｓｉ膜１０３上のニッケル濃度は、６×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度（ＴＲＩＸＲＦ測定値）となった。
【０１１９】
次に、図６（ｂ）に示すように、ニッケルが低濃度にスパッタされた状態で、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素ガス雰囲気下で、加熱温度を５３０〜６００℃、例えば、５８０℃として、１１時間にわたってアニールする。
【０１２０】
この際、ニッケルがａ−Ｓｉ膜１０３の表面上に添加された領域１００では、ａ−Ｓｉ膜１０３表面に存在するニッケル１０５のシリサイド化が起こり、この領域１００において、シリサイドを核として結晶成長した領域１０３ａが形成される。そして、引き続いて、領域１０３ａの周辺領域において、図５（ａ）及び図６（ｂ）のそれぞれにおいて矢印Ｊで示すように、領域１０３ａから横方向（基板に平行な方向）に結晶が成長して、横方向に結晶が成長した領域１０３ｂが形成される。
【０１２１】
このように横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜の領域１０３ｂは、隣接する他の領域１０３ａより成長した結晶性ケイ素膜の領域１０３ｂとぶつかり合って結晶成長が終了し、両方向から結晶成長した結晶性ケイ素膜同士がぶつかり合った部分に結晶境界１０３ｃが形成される。
【０１２２】
横方向に結晶成長した領域１０３ｂには、図５（ａ）に示すように、結晶の成長方向に沿って面方位がそれぞれ揃ったドメイン１０３ｄが形成される。図５（ａ）中の点線１０３ｅは、各ドメイン１０３ｄを形成するドメイン境界を示しており、このドメイン境界１０３ｅで囲まれた領域が、一つのドメインとなっている。この場合、マスク１０４上にスパッタされたニッケル１０５は、マスク１０４によってマスクされるために下層のａ−Ｓｉ膜１０３には到達せず、ａ−Ｓｉ膜１０３の結晶化には、領域１００にて露呈されたａ−Ｓｉ膜１０３上に添加されたニッケル１０５のみが関与する。このような横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度は、５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3程度であり、直接ニッケルが添加されて結晶成長した領域１０３ａ中のニッケル濃度は、１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。また、上記の結晶成長に際し、矢印Ｊで示される基板と平行な方向の結晶成長された長さは、最長の部分で１３０μｍ程度であった。
【０１２３】
次に、図６（ｃ）に示すように、マスク１０４をエッチング除去する。本実施例１では、エッチャントとしては、下層のケイ素膜１０３とで十分なエッチングの選択性がある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによりマスク１０４を除去した。
【０１２４】
次に、図５（ｂ）及び図７（ａ）に示すライン状の領域１０７にパルスレーザー光Ｋを照射して、この領域１０７の結晶性ケイ素膜を溶融状態とする。溶融されたケイ素膜は、その直後に、再結晶化される。
【０１２５】
このときのレーザー光として、本実施例１では、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、照射時に基板を２００〜４５９℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度２００〜６００ｍＪ／ｃｍ3、例えば４００ｍＪ／ｃｍ3で照射する照射条件とした。
【０１２６】
パルスレーザー光を照射すると照射された領域１０７のケイ素膜が瞬間的に溶融した後、パルスレーザー光が照射される領域１０７に対する周辺の非照射領域から、図５（ｂ）で矢印Ｍで示す方向に再結晶化する。このとき、隣接する非照射領域１０３ｂのケイ素結晶が種結晶となり、その結晶性を反映して、矢印Ｍで示す横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜１０３ｆ及び１０３ｈが領域１０７の両端側から形成される。中央部１０３ｇは、矢印Ｍ方向の結晶成長が始まる前に過冷却状態となってランダムに結晶核が発生して結晶化した領域となっている。本実施例では、矢印Ｍで示される横方向への結晶成長距離は、１．５μｍ程度であった。
【０１２７】
ここで、本実施例１では、図４に示すレーザーアニール装置を用いてパルスレーザー光を照射した。このときの遮蔽マスクに形成された開口は、１０μｍ×５ｍｍの大きさとした。したがって、ガラス基板１０１上の領域１０３ｂ上に照射されるレーザー光Ｋの領域１０７も、１０μｍ×５ｍｍの長尺矩形状となる。
【０１２８】
図５及び図７では、遮蔽マスク４１に複数形成された開口４１ａのうちの一つから照射されるパルスレーザー光によってケイ素膜が固化される場合について説明した。
【０１２９】
そして、図４に示すように、パルスレーザー光Ｋが照射された状態で、ガラス基板１０１をＣ’の方向に一定速度にて移動させることにより、ガラス基板１０１に対するパルスレーザー光Ｋの走査が行なわれる。このときのパルスレーザー光が照射されないパルス時間においてガラス基板１０１の移動距離が走査ピッチＰとなる。本実施例では、ガラス基板１０１のＣ’方向への移動速度と、パルスレーザー光Ｋの発振周波数により、走査ピッチＰが規定される。図４に示すレーザーアニール装置では、ガラス基板１０１を移動させるので、ガラス基板１０１から見た場合には、パルスレーザー光Ｋの走査方向とガラス基板１０１の移動方向Ｃとは逆方向になる。
【０１３０】
図５（ｃ）は、２回目のパルスレーザー光を照射したときのガラス基板１０１の状態を示している。２回目のパルスレーザー光が照射される領域１０７’は、１回目のパルスレーザー光Ｋの照射から矢印Ｃの方向に走査ピッチＰだけ走査されて、図５（ｃ）に示すように、１回目の照射領域から走査ピッチＰだけ下方にずれた領域１０７’にパルスレーザー光Ｋが照射される。
【０１３１】
そして、パルスレーザー光Ｋが照射された領域１０７’が溶融された後、隣接する非照射領域の結晶性を反映して矢印Ｍ’の方向に沿って再結晶化する。その結果、横方向に再結晶化した一対の領域１０３ｆ’及び１０３ｈ’と、その中央部においてランダムな核発生により結晶化した領域１０３ｇ’が形成される。このとき、走査方向Ｃとは反対側の領域１０３ｆ’は、１回目のパルスレーザー光の照射により結晶化された領域１０３ｆの結晶を引き継ぐように結晶化され、この領域１０３ｆ’は、領域１０３ｆが走査方向Ｃに結晶成長が延長した状態となったほぼ単結晶の領域１０３ｉを形成する。
【０１３２】
このように、パルスレーザ光Ｋの照射を図中矢印Ｃで示す方向に走査ピッチＰにて順次走査していけば、図５（ｄ）及び図７（ｂ）に示すように、ほぼ単結晶状態となった領域１０３ｉをさらに延長して、広範囲にわたって単結晶領域が形成される。
【０１３３】
本実施例１では、パルスレーザー光の発振周波数を２００Ｈｚとし、１回目のパルスレーザー光の照射と２回目のパルスレーザー光の照射との間の時間間隔を、５ｍｓｅｃとした。また、パルスレーザー光の走査ピッチＰとしては、０．１〜１．５μｍの範囲において、例えば、０．５μｍとした。このとき、パルスレーザー光の走査方向に対するレーザービームの幅を１０μｍとすると、領域１０３ｂの任意の一点においては、計２０回のパルスレーザー照射が行われることになる。しかし、この場合、最終回のパルスレーザー光の照射時にて結晶化されたときの結晶状態を反映して領域１０３ｉの結晶状態が規定されるので、最終回のパルスレーザー光の照射が最も重要となる。
【０１３４】
このようにして形成された領域１０３ｉは、ミクロ的に見るとパルスレーザー光を照射する際の走査方向Ｃに沿った図５（ｄ）及び図７（ｂ）でＮにて示すライン状の結晶粒を構成している。この結晶粒は、ＥＢＳＰ法を用いた２次元的な結晶面方位の観察によると、それぞれのライン状の結晶粒は独立ではなく、ほぼ同一の面方位で並列した、ほぼ単結晶状態となっており、ライン状結晶粒の粒界部では、５°以内の小傾角粒界を形成している。また、格子の連続性もほぼ保たれており、各粒界部において８０％以上の原子がつながっている状態となっている。
【０１３５】
次に、図７（ｆ）に示すように、ほぼ単結晶状態に結晶化された領域１０３ｉを用いて、不要な部分のケイ素膜を除去することにより素子間分離を行い、後にＮ型ＴＦＴの活性領域となる結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び後にＰ型ＴＦＴの活性領域となる、所望の島状の形状の結晶性ケイ素膜１１１ｐを形成する。本実施例１では、この結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐを、後のＴＦＴのキャリアの移動方向と、レーザー光走査による結晶の成長方向とが概略平行になるように形成した。
【０１３６】
次に、図７（ｄ）に示すように、活性領域となる結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐ上をそれぞれ覆うように、２０〜１５０ｎｍの膜厚、例えば、１００ｎｍの膜厚にゲート絶縁膜である酸化ケイ素膜１１２を成膜する。この酸化ケイ素膜１１２の形成には、本実施例１では、ＴＥＯＳを原料として、酸素共存下に基板温度を１５０〜６００℃、好ましくは、３００〜４５０℃に加温して、ＲＦプラズマＣＶＤ法により堆積した。続いて、スパッタリング法によって、酸化ケイ素膜１１２上に高融点メタルを堆積し、これをパターニングして、結晶性ケイ素膜１０３上の所定部分に位置するゲート電極１１３を形成する。ゲート電極１１３を形成するために用いられる高融点メタルとしては、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）が望ましい。本実施例１では、微量の窒素が添加されたＴａと純Ｔａとを積層した２層構造物を用い、２層合わせた厚さが３００〜６００ｎｍ、例えば４５０ｎｍになるようにゲート電極１１３を形成した。
【０１３７】
続いて、イオンドーピング法を用いて、リン（Ｐ）１１５を注入する。この場合、ゲート電極１１３がマスクとなり、ゲート電極１１３の下の部分の結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐ中には、リン１１５は注入されない。本実施例１では、リン１１５をドーピングする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。
【０１３８】
この工程により、ゲート電極１１３にマスクされてリン１１５が注入されない結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐの領域は、後の工程を経てＴＦＴのチャネル領域１１８ｎ及び１１８ｐとなる。また、ゲート電極１１３にマスクされずにリン１１５が注入された結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐの領域は、後の工程を経てＴＦＴのソース領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレイン領域１２０ｎ、１２０ｐとなる。この工程では、リン１１５が注入されたことにより、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型の不純物領域となる。すなわち、この工程では、Ｎチャネル型ＴＦＴに相補的に設置されるＰチャネル型ＴＦＴにおいても、ソース／ドレイン領域にリン１１５が注入されており、Ｎ型の不純物領域１１９ｎ’、１２０ｎ’となっている。
【０１３９】
次に、図７（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ工程により、Ｎ型チャネルＴＦＴとなる結晶性ケイ素膜１１１ｎ上のゲート絶縁膜１１２及びゲート電極１１３ｎ上を覆うフォトレジスト１２１を設け、Ｐ型の不純物が注入されないための選択ドーピング用のマスクとする。
【０１４０】
そして、この状態で、イオンドーピング法によって、ホウ素１１６を注入する。本実施例１では、ホウ素１１６を注入するためのドーピングガスとして、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用い、１×１０16〜５×１０16ｃｍ-2、例えば２×１０16ｃｍ-2の高ドーズ量にて、４０〜８０ｋＶ、例えば、６５ｋＶの加速電圧を印加することによりドーピングを行った。
【０１４１】
この工程において、ゲート電極１１３ｐの下の部分の結晶性ケイ素膜１１１ｐ中には、ゲート電極１１３ｐがマスクとなるためホウ素１１６は注入されない。また、ゲート電極１１３ｐが形成されていない領域の結晶性ケイ素膜１１１ｐ中には、ゲート絶縁膜１１２越しにホウ素１１６がドーピングされる。この結果、先の工程でＮ型の不純物であるリンが注入されてＮ型になっているソース領域１１９ｎ’及びドレイン領域１２０ｎ’は、過剰なホウ素１１６が注入されることにより、所謂カウンタードーピングがなされる結果、特性が反転し、Ｐ型不純物領域１１９ｐ及び１２０ｐとなる。このようにして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴを、それぞれ同一基板上に形成することができる。
【０１４２】
次に、図７（ｆ）に示すように、選択ドーピングのためのマスクとして設けられたフォトレジスト１２１を除去した後、不活性雰囲気下、例えば、窒素雰囲気下にて、５００〜６００℃の温度条件として、数時間〜数十時間にわたる加熱処理を行うことにより、Ｎ型及びＰ型のそれぞれのＴＦＴのソース／ドレイン領域に含まれるリンにより、この領域に含まれるニッケルをトラップする。そして、図７（ｆ）に矢印１２２ｑに示すように、チャネル領域に存在しているニッケルを隣接するソース領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレイン領域１２０ｎ、１２０ｐにそれぞれ移動させる。この結果、チャネル領域に存在するニッケルの濃度を大幅に低減することができる。
【０１４３】
ここで、各ＴＦＴは、図５（ｄ）に示す方向になるように配置した。すなわち、パルスレーザー光を照射する際のパルスレーザー光の走査方向Ｃと、ニッケルを移動させる方向Ｑとが概略平行となるようする。このようにＴＦＴを配置にすることにより、チャネル領域内のライン状結晶の結晶粒の方向Ｎと、ニッケルの移動方向Ｑとが同方向となり、ソース領域及びドレイン領域へのニッケルの移動が、異なる結晶粒界を超えることなく行なわれる。その結果、ニッケルの移動効率が向上し、チャネル領域内のニッケルの残存量を大幅に低減することができる。
【０１４４】
このときのチャネル領域中に残存するニッケルの濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定すると、この工程を行なう前に５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であったチャネル領域内のニッケルの濃度は、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減された。
【０１４５】
一方、この加熱処理によって、ソース領域及びドレイン領域の活性化が同時に行なわれる。この工程により製造されたＮ型不純物領域のシート抵抗値は、０．５〜１ｋΩ／□、Ｐ型不純物領域１１９ｐ、１２０ｐのシート抵抗値は、１〜２ｋΩ／□となった。さらには、この加熱処理工程により、ゲート絶縁膜の焼成処理が同時に行なわれ、ゲート絶縁膜自体のバルク特性及び結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜との間の界面特性の向上が図られる。
【０１４６】
次に、図７（ｇ）に示すように、層間絶縁膜１２３として、９００ｎｍの膜厚の酸化ケイ素膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。そして、層間絶縁膜１２３のそれぞれのＴＦＴの結晶性ケイ素膜上のソース領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレイン領域１２０ｎ、１２０ｐに該当する部分に、それぞれコンタクトホール１２１を形成する。層間絶縁膜１２３に形成されたコンタクトホール１２１には、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムとの二層膜によって、ＴＦＴのソース／ドレイン領域に電気的に接続される電極・配線１２４を形成する。その後、１気圧の水素雰囲気下、３５０℃の温度条件として、１時間にわたるアニールを行うことにより、Ｎチャネル型ＴＦＴ１２５とＰチャネル型ＴＦＴ１２６とが完成する。さらに、必要に応じて、Ｎ型及びＰ型のＴＦＴ１２５及び１２６を保護するために、この上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【０１４７】
以上説明した工程を経て得られるＣＭＯＳ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ＴＦＴ１２５で４５０〜５００ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐ型ＴＦＴ１２６で１５０〜２００ｃｍ2／Ｖｓという高い値が得られ、また、閾値電圧は、Ｎ型ＴＦＴ１２５で１．０Ｖ程度、Ｐ型ＴＦＴ１２６で−１．５Ｖ程度と非常に良好な特性が得られた。しかも、従来の結晶化方法により得られる半導体装置で問題となっている特性のばらつきについても、電界効果移動度で±１０％程度、閾値電圧で±０．２Ｖ程度に抑えることができた。なお、以上の特性は、４００ｍｍ×３２０ｍｍの大きさの基板において３０点の測定を行なうことによって得られたものである。
【０１４８】
また、触媒元素の残存が特に問題となるＴＦＴのオフ領域でのリーク電流の増大及びばらつきについても、異常点がみられず、触媒元素を用いない場合と同程度のレベルにまで低減することができた。このため、製造歩留まりを大きく向上することができる。さらに、繰り返し測定、バイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行なっても、特性劣化はほとんど見られず、従来の結晶化方法により得られたＴＦＴに比較して信頼性が高く、電気特性が安定した回路が得られた。
【０１４９】
（実施例２）
本実施例２では、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、画素部分、薄膜集積回路に用いられる、Ｎチャネル型ＴＦＴをガラス基板上に製造する工程について説明する。
【０１５０】
図８は、本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を説明するための半導体装置の平面図である。
【０１５１】
図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。また、図１０（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。
【０１５２】
本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造するには、まず、図９（ａ）に示すように、後の工程によりガラス基板２０１から不純物が拡散することを防止するため、ガラス基板２０１上に、例えば、スパッタリング法、あるいはプラズマＣＶＤ法によって、３００〜５００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化ケイ素からなる下地膜２０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば、４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を成膜する。
【０１５３】
次いで、ａ−Ｓｉ膜２０３上の全面にわたって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たマスク２０４を形成する。本実施例２では、ａ−Ｓｉ膜２０３上にＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料として、酸素共存下でＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて堆積することにより酸化ケイ素膜を堆積した。この場合の酸化ケイ素膜の膜厚は、１００〜４００ｎｍの範囲であることが望ましく、本実施例２では、酸化ケイ素膜の膜厚を１５０ｎｍとした。このマスク２０４には、スリット状のスルーホールが形成され、スルーホールが形成された領域２００において、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈される。このマスク２０４に形成されたスルーホールによって、図８に示すように、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈した領域２００がスリット状となる。領域２００以外の部分はマスク２０４によってａ−Ｓｉ膜２０３が露呈していない状態になっている。この場合、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈している各領域のライン幅Ｌは、１〜１５μｍの範囲に設定されていることが望ましく、本実施例２では、８μｍとした。
【０１５４】
次に、ａ−Ｓｉ膜２０３及びマスク２０４の表面上に微量のニッケル２０５を添加する。ニッケル２０５の添加は、ニッケル２０５を溶解した溶液をａ−Ｓｉ膜２０３及びマスク２０４上に保持し、スピナーによりニッケル溶液を基板上に延ばし乾燥させることにより行った。本実施例２では、溶質として酢酸ニッケル、溶媒としてエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度が１０ｐｐｍとなるように調整した。添加されたニッケル２０５の濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法を用いた測定により、５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１５５】
次に、図９（ｂ）に示すように、この状態で、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素雰囲気下で、加熱温度を５３０〜６００℃、例えば、５８０℃として、１１時間にわたってアニールする。
【０１５６】
この際、ニッケル２０５がａ−Ｓｉ膜２０３の表面上に添加された領域では、ａ−Ｓｉ膜２０３の表面に存在するニッケル２０５のシリサイド化が起こり、このシリサイドを核として、ａ−Ｓｉ膜２０３が結晶化し、この領域２００において、結晶性ケイ素膜の領域２０３ａが形成される。そして、引き続いて、領域２００の周辺領域において、矢印Ｒで示すように、領域２００から横方向（基板に平行な方向）に結晶が成長した結晶性ケイ素膜の領域２０３ｂが形成される。また、領域２０３ｂの外側には、非晶質ケイ素膜が残った領域２０３ｄとして残っている。
【０１５７】
各領域２００から横方向に結晶化が進むことにより、各領域２００の略中央部分には、各領域から横方向に成長した結晶がぶつかり合った境界部２０３ｃが形成される。
【０１５８】
マスク上に添付されたニッケル２０５は、マスク２０４によってマスクされるために下層のａ−Ｓｉ膜２０３には到達せず、ａ−Ｓｉ膜２０３の結晶化には関与しない。このような横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜の領域２０３ｂ中のニッケル濃度は、５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であり、直接、ニッケル２０５が添加されて結晶成長した結晶性ケイ素膜の領域２０３ａ中のニッケル濃度は、１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。また、上記の結晶成長に際し、矢印Ｒで示されるガラス基板２０１と平行な方向の結晶成長された長さは、最長の部分で１３０μｍ程度であった。
【０１５９】
次に、図９（ｃ）に示すように、マスク２０４をエッチング除去する。本実施例２では、エッチャントとしては、下層のケイ素膜２０３との間で十分なエッチングの選択性がある１：１０のバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによりマスク２０４を除去した。
【０１６０】
次に、図１０（ｄ）に示すように、領域２００に直交する方向にライン状にパルスレーザー光を照射して、パルスレーザー光が照射された領域を溶融状態として、その後、再結晶化することにより結晶性ケイ素膜を形成する。
【０１６１】
このときのパルスレーザー光として、本実施例２では、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、パルスレーザー光の照射時に基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度を２００〜６００ｍＪ／ｃｍ2、例えば４００ｍＪ／ｃｍ2で照射する照射条件とした。
【０１６２】
実施例２でも、実施例１と同様に、長尺形状のパルスレーザー光Ｓを図４中の矢印Ｕの方向に順次走査することにより、前段のパルスレーザー光Ｓの照射によって結晶化された領域の結晶性を引き継いだ領域２０３ｊの成長が行われる。
【０１６３】
実施例１の場合と異なっているのは、ニッケル２０５により横方向に結晶成長した領域２０３ｂを越えて、その外側の非晶質ケイ素膜領域２０３ｄにもパルスレーザー光Ｓの照射による結晶化が行われる点である。この場合にも、最初のパルスレーザー光Ｓの照射によるケイ素膜の溶融固化は、領域２０３ｂに対して行われるため、その際の結晶性を引き継いでその後のパルスレーザー光Ｓの照射によるケイ素膜の溶融固化が進むため、非晶質ケイ素膜となっている領域２０３ｃにおいても、高品質な結晶性ケイ素膜２０３ｊが形成される。
【０１６４】
本実施例２では、パルスレーザー光Ｓの走査ピッチ幅Ｐは、０．１〜１．５μｍ、例えば、０．５μｍとした。また、パルスレーザー光Ｓの走査方向に対するレーザービーム光Ｓの幅を１０μｍとした。この場合、ケイ素膜上の任意の一点について、計２０回のパルスレーザー光Ｓの照射が行われることになる。しかし、実際には、ケイ素膜上の各位置に対して複数回照射されるパルスレーザー光Ｓの照射のうち、最終回のパルスレーザー光Ｓの照射により、その前段のパルスレーザー光Ｓの照射により結晶化された隣接領域の結晶性を反映して結晶化されることから、最終回のパルスレーザー光Ｓの照射が結晶性ケイ素膜の結晶性を規定する上で最も重要である。
【０１６５】
このようなパルスレーザー光Ｓを順次走査することにより形成された領域２０３ｊは、パルスレーザー光の走査方向に沿ったライン状の結晶粒により構成されている。この結晶粒は、ＥＢＳＰ法を用いた２次元的な結晶面方位の観察によると、それぞれのライン状の結晶粒は、結晶粒界を挟んでほぼ同一の面方位となった、ほぼ単結晶状態となっており、ライン状の結晶粒の粒界部では、５°以内の小傾角粒界を形成している。
【０１６６】
次に、図１０（ｃ）に示すように、ほぼ単結晶状態に結晶化された領域２０３ｊを用いて、ニッケル２０５により成長された領域２０３ｂから形成されたほぼ単結晶状態となった領域２０３ｊを用い、他の不要な部分のケイ素膜を除去することにより素子間分離を行い、所望の島状に形成された結晶性ケイ素膜２１１を形成する。
【０１６７】
次に、図１０（ｃ）に示すように、活性領域となる結晶性ケイ素膜２１１上を覆うように、２０〜１５０ｎｍの膜厚、例えば、１００ｎｍの膜厚にゲート絶縁膜である酸化ケイ素膜２１２を成膜する。この酸化ケイ素膜２１２の形成には、本実施例２では、ＴＦＯＳを原料として、酸素共存下に基板温度を１５０〜６００℃、好ましくは、３００〜４５０℃に加温して、ＲＦプラズマＣＶＤ法により分解・堆積した。あるいは、ＴＥＯＳを原料として、オゾンガス共存下に基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０℃に加温して、減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法により、酸化ケイ素膜２１２を形成してもよい。酸化ケイ素膜２１２の成膜後、酸化ケイ素膜２１２自体のバルク特性、結晶性ケイ素膜２１１と酸化ケイ素膜２１２との界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で、４００〜６００℃の温度条件で、１〜４時間にわたる熱処理を行った。続いて、スパッタリング法によって、４００〜８００ｎｍの膜厚、例えば、６００ｎｍの膜厚にアルミニウムを成膜し、これをパターニングして、結晶性ケイ素膜２１２上となる所定の部分に位置するゲート電極２１３を形成する。次いで、このアルミニウムからなるゲート電極２１３の表面を陽極酸化することにより、表面上に酸化物層２１４を形成する。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、最初に一定電流を流した後に２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持することにより得られる。得られた酸化物層２１４の厚さは２００ｎｍであった。なお、この酸化物層２１４は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート電極を形成する厚さとなるため、オフセットゲート領域の長さを上記の陽極酸化工程により決定することができる。
【０１６８】
続いて、イオンドーピング法を用いて、不純物であるリンを注入する。この場合、酸化ケイ素膜２１２上に形成されたゲート電極２１３及び酸化物層２１４がマスクとなり、ゲート電極２１３の下の部分に該当する結晶性ケイ素膜２１１中にはリンは注入されない。本実施例２では、リンをドーピングする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１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば２×１０15ｃｍ-2とした。
【０１６９】
この工程により、ゲート電極２１３にマスクされてリンが注入されない結晶性ケイ素膜２１１の領域は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。また、ゲート電極２１３にマスクされずにリンが注入された結晶性ケイ素膜２１１の領域は、後にＴＦＴのソース領域２１９及びドレイン領域２２０となる。この工程では、リンが注入されたことにより、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型の不純物領域が形成される。
【０１７０】
このとき、図８に示すようにＴＦＴを配置することにより、ＴＦＴの動作に対して、キャリアが流れる方向（ソース領域２１９→ドレイン領域２２０の方向）と、チャネル領域２１８を構成するライン状の結晶粒のライン方向（成長方向Ｔ）とが、平行となっているため、より高い移動度を有するＴＦＴが得られる。
【０１７１】
次に、図１０（ｃ）に示すように、レーザー光Ｖを照射してアニールを行うことにより、イオン注入した不純物を活性化すると同時に、上記の不純物の導入工程により結晶性が劣化した部分の結晶性を改善する。
【０１７２】
この際、レーザー光Ｖとしては、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、エネルギー密度を１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2とした。このようにして形成されたＮ型不純物領域のシート抵抗は、２００〜５００Ω／□となった。
【０１７３】
次に、図１０（ｄ）に示すように、６００ｎｍ程度の膜厚の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を形成して層間絶縁膜２２３とする。層間絶縁膜２２３として酸化ケイ素膜を形成する場合は、ＴＥＯＳを原料として、酸素共存下でのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾン共存下での減圧ＣＶＤ法を用いることにより、段差被覆性に優れた良好な酸化ケイ素膜が形成される。また、層間絶縁膜２２３として窒化ケイ素膜を形成する場合は、ＳｉＨ4及びＮＨ3を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法を用いることにより窒化ケイ素膜が形成される。この窒化ケイ素膜は、活性領域とゲート絶縁膜との界面に水素原子を供給して、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減することができる。
【０１７４】
次いで、層間絶縁膜２２３のＴＦＴの結晶性ケイ素膜２１１上のソース領域２１９及びドレイン領域２２０に該当する部分に、これらの領域に到達するコンタクトホール２２３ａを形成する。層間絶縁膜２２３に形成されたコンタクトホール２２３ａには、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムとの二層膜によって、ＴＦＴのソース領域２１９及びドレイン領域２２０に電気的に接続される電極・配線２２４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ことを防止するためのバリア膜として設けられる。また、このＴＦＴを液晶表示装置の画素スイッチング用等に用いる場合には、ドレイン電極２２０には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極を用いればよい。さらに、このＴＦＴ２２５を薄膜集積回路等に用いる場合には、ゲート電極２１３上にもコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールに必要とする配線を設ければよい。
【０１７５】
最後に、１気圧の水蒸気雰囲気下、３５０℃の温度条件として１時間にわたるアニールを行い、所望のＴＦＴ２２５を完成する。なお、ＴＦＴ２２５を保護するために、さらに、窒化ケイ素膜等の保護膜を設けてもよい。
【０１７６】
以上説明した工程を経て製造されるＴＦＴ２２５は、電界効果移動度が４５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．０Ｖ程度となり、性能が著しく向上された。さらに、電界効果移動度で±１０％程度、閾値電圧で±０．２Ｖ程度にそれぞれ抑えることができた。なお、以上の特性は、４００ｍｍ×３２０ｍｍの大きさの基板において、３０点の測定を行うことによって得られたものである。
【０１７７】
また、上記特性は、ＴＦＴのキャリアの移動方向と、パルスレーザー光の照射の走査による結晶の成長方向とが、互いに平行になるように設計したＴＦＴについて得られたものであるが、ＴＦＴのキャリアの移動方向と、結晶の成長方向とが互いに垂直方向になるように設計したＴＦＴにおいても、電界効果移動度が３５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．２Ｖ程度となり、従来の方法により得られるＴＦＴに比較して十分に高性能になり、また、基板内での特性のばらつきも同様に小さく抑えることができた。
【０１７８】
さらに、本実施例２のＴＦＴは、繰り返し測定、バイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても特性劣化はほとんどみられず、信頼性が高い。また、触媒元素の残留が特に問題となるＴＦＴのオフ領域でのリーク電流の増大及びばらつきについても、異常点がなく、触媒元素を用いない場合と同程度の数ｐＡ程度のレベルまで低減することができた。このため、製造歩留まりを大きく向上することができる。
【０１７９】
さらに、本実施例２のＴＦＴを用いて液晶パネルを製造すれば、従来の製造方法により製造されたＴＦＴを用いた液晶パネルに比較して、表示ムラが小さく、ＴＦＴリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比が高い、表示品位が高い液晶パネルを製造することができる。
【０１８０】
（実施例３）
本実施例３では、ケイ素膜に照射するレーザー光として、連続発振レーザー光を用いた場合について説明する。なお、本実施例３では、連続発振レーザー光を用いた他は、上記実施例１及び２と概略同様であるので、実施例１及び２に用いた図面を参照するとして、その図示は省略する。
【０１８１】
まず、実施例１及び２と同様に、ガラス基板上に、酸化ケイ素膜等からなる下地絶縁膜を形成し、その下地絶縁膜上に、非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）を成膜する。
【０１８２】
次に、この非晶質ケイ素膜上の全面にわたって酸化ケイ素幕または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積した後、パターニングすることにより所定の部分に開口部を有するマスクを形成する。そして、このマスクが形成された非晶質ケイ素膜上に、マスクの開口部を利用して選択的に触媒元素を導入する（このときの非晶質ケイ素膜が形成されたガラス基板の状態は、図６（ａ）参照するものとし、触媒元素の導入方法については、実施例１中の説明を参照するものとする）。
【０１８３】
次に、この状態で、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素ガス雰囲気下で、加熱温度を５３０〜６００ドとして、アニールして、触媒元素が導入された非晶質ケイ素膜の領域から横方向に結晶成長させる。このときの状態は、図６（ｃ）及び図９（ｃ）が参照される。また、平面的には、図１（ａ）及び図５（ａ）が参照される。
【０１８４】
次に、この状態の結晶性ケイ素膜に対して、連続発振レーザー光を連続的に照射しながら走査する。これにより、この結晶性ケイ素膜を、レーザー光の走査方向に沿って結晶化させる。このレーザー光の走査方向は、実施例１及び２のパルスレーザー光の走査方法と同様である。結晶性ケイ素膜に照射される連続発振レーザー光としては、ダイオード励起の連続発振ＹＡＧレーザー光を用いた。また、波長は、５３２ｎｍであり、パワー変動は１％以下であった。さらに、連続発振ＹＡＧレーザーの出力は、１０Ｗであり、走査速度は、基板に対して５０〜２００ｃｍ／ｓｅｃ、例えば、１００ｃｍ／ｓｅｃとした。結晶性ケイ素膜において、連続発振レーザー光の照射により照射された部分は溶融し、レーザー光の照射領域と非照射領域との境界において、固体状態のケイ素と液状状態のケイ素との界面が生じ、その界面が、レーザー光の走査に伴って連続的に移動することにより、元の結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して一方向に沿った結晶粒界が成長する。
【０１８５】
その後、結晶性ケイ素膜の不要な部分を除去して素子間分離を行い、後にＴＦＴの活性領域（ソース及びドレイン領域、チャネル領域）となる島状にパターニングを行う。以下の工程は、前述の実施例１及び２と同様の工程を経て、ＴＦＴが完成される。
【０１８６】
本実施例３では、このように連続発振レーザー光を用いて結晶性ケイ素膜を横方向（レーザー光走査方向）に再結晶化を行っている。本実施例３では、パルスレーザー光を用いた実施例１及び２に比較して、より高いＴＦＴ特性が得られることが明らかとなった。具体的には、Ｎチャネル型ＴＦで６００ｃｍ2／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られた。
【０１８７】
以上、本発明に基づく半導体装置について、３つの実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上記３つ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。
【０１８８】
例えば、上記の３つの実施例においては、非晶質ケイ素膜の表面にニッケル塩の水溶液を塗布する方法、低パワーのＤＣスパッタリング法を採用しているが、非晶質ケイ素膜を形成する前に、下地膜の表面に選択的にニッケルを導入することにより、上層の非晶質ケイ素膜を結晶化することもできる。すなわち、非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素は、非晶質ケイ素膜の上側から導入して非晶質ケイ素膜の表面側から結晶成長させてもよく、下側に導入しておいて、非晶質ケイ素膜の裏面側から結晶成長させてもよい。
【０１８９】
また、ニッケルの導入方法として、上記実施例の方法のほか、種々の方法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶解させる溶媒として、ＳＯＧ（スピンオングラス）材料を用い、ＳｉＯ2膜より拡散させる方法、イオンドーピング法により直接導入する方法、蒸着法、メッキ法により薄膜形成する方法等を利用することができる。
【０１９０】
さらに、触媒元素として、ニッケルのほか、コバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いることができる。
【０１９１】
また、上記実施例１及び２において、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜を溶融固化させるパルスレーザー光としては、上記実施例１及び２に用いた波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーの他、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長１９８ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー等を使用してもよい。また、可視領域の波長となるが、ＹＡＧレーザーを使用することも可能である。また、照射されるパルスレーザー光の照射形状に関しても、上記の長尺矩形状以外の形状としても同様の効果が得られる。
【０１９２】
また、本発明の半導体装置が適用される装置としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板のほか、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または表示素子、三次元ＩＣ等に適用しても、これらの素子を高速、高解像度化を実現することができる。
【０１９３】
さらに、本発明の半導体装置は、上記の実施例１で説明したＭＯＳ型トランジスタに限られず、結晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタ、静電誘導トランジスタ等、幅広く半導体プロセスの全般に応用することができる。
【０１９４】
【発明の効果】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する微量の触媒元素が導入されて基板に対して横方向に固相成長された領域を種結晶として、この固相成長された領域に対して光照射することによる溶融固化過程により概略一方向に結晶成長された領域を、活性領域とするため、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することができ、集積度の高い高性能半導体装置を、簡便な製造プロセスにて製造することができる。
【０１９５】
さらに、本発明の製造方法を用いた製造工程において、良品率を大きく向上することができ、商品の低コスト化を図ることができる。特に、アクティブマトリクス基板の画素スイッチング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の高性能化・高集積化が要求される液晶表示装置においては、これらの特性の向上が同時に満足され、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することができ、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明の半導体装置の製造方法を工程毎に説明する平面図である。
【図２】本発明の半導体装置を製造する場合において、パルスレーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化過程に使用されるレーザーアニール装置を示す概略図である。
【図３】遮蔽マスクを透過して基板上に照射されるパルスレーザー光の強度プロファイルを示す説明図である。
【図４】本発明の半導体装置を製造する場合において、パルスレーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化過程に使用される他のレーザーアニール装置を示す概略図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例１のＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補的に構成したＣＭＯＳ構造を製造する工程を工程毎に説明する平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図５（ａ）の構造を製造する工程を工程毎に説明しており、図５（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。
【図７】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、図５（ｂ）〜（ｄ）に示す構造を製造する工程をその工程毎に説明しており、図５（ｂ）〜（ｄ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。
【図８】実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を説明するための平面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図８に示すＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。
【図１１】特表２０００−５０５２４１号公報の方法により得られる結晶性ケイ素膜の結晶粒の状態を概略的に示す断面図である。
【図１２】特表２０００−５０５２４１号公報に記載された結晶化処理方法であって、レーザ光が照射される露光領域を形成するためのマスクの形状に屈曲形状を含む形状として結晶化した結果を示す平面図である。
【図１３】特開平１１−２６０７２３号公報の方法で得られる結晶性のケイ素膜を示す平面図である。
【図１４】連続発振レーザー光とケイ素膜に照射した場合のケイ素膜の状態変化を概略的に示す断面図である。
【図１５】本発明の半導体装置の微細構造を示す写真代用の概略図である。
【符号の説明】
１ 各触媒元素導入領域
３ ドメイン境界
４ 結晶ドメイン
６ 領域
８ 領域
９ 領域
１０ 領域
１１ 領域
１２ 領域
１４ 領域
１５ 領域
１６ 成長境界部
１７ 活性領域
１００ 領域
１０１ ガラス基板
１０２ 下地膜
１０３ 非晶質ケイ素膜
１０４ マスク
１０５ ニッケル
１０７ 領域
１０７’ 領域
１１１ｎ、１１１ｐ 結晶性ケイ素膜
１１８ｎ、１１８ｐ チャネル領域
１１９ｎ、１１９ｐ ソース領域
１２０ｎ、１２０ｐ ドレイン領域
１２５ Ｎチャネル型ＴＦＴ
１２６ Ｐチャネル型ＴＦＴ
２００ 領域
２０１ ガラス基板
２０２ 下地膜
２０３ 非晶質ケイ素膜
２０４ マスク
２０５ ニッケル
２１１ 結晶性ケイ素膜
２１３ ゲート電極
２１４ 酸化物層
２１８ チャネル領域
２１９ ソース領域
２２０ ドレイン領域
２２３ 層間絶縁膜
２２４ 電極・配線
２２５ ＴＦＴ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、さらに詳細には、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及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（ＴＦＴ）を設け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などに適用することが可能である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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、三次元ＩＣ等を実現するために、ガラス等の絶縁性基板、絶縁膜等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。このような半導体素子には、薄膜状のケイ素半導体を用いるのが一般的となっている。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）と結晶性を有するケイ素半導体との２つに大別される。
【０００３】
非晶質ケイ素半導体は、製造温度が低く、気相法により比較的容易に作製することができるために、量産性に優れ、最も一般的に用いられている。しかしながら、非晶質ケイ素半導体は、結晶性を有するケイ素半導体と比較すると、誘電性等の物性が劣るため、今後、さらなる高速特性を得ることができる結晶性を有するケイ素半導体の簡便な製造方法の確立が強く求められている。
【０００４】
結晶性を有するケイ素半導体を製造する方法としては、次の（１）及び（２）に示す方法が知られている。
（１）非晶質ケイ素半導体膜を成膜した後、非晶質ケイ素半導体膜にレーザ光等のエネルギービームを照射して、その光エネルギーによって、非晶質ケイ素半導体膜を結晶化して結晶性を有するケイ素半導体膜とする。
（２）非晶質ケイ素半導体膜を成膜した後、加熱して、その熱エネルギーによって、非晶質ケイ素半導体膜を結晶化して結晶性を有するケイ素半導体膜とする。
【０００５】
一般的には、上記（１）の方法が用いられる。この方法では、溶融固化過程の結晶化現象を利用するため、結晶粒は小粒径となるが、結晶粒内の結晶欠陥が少なく、比較的高品質な結晶性のケイ素半導体膜が得られる。しかしながら、上記（１）の方法により作製された結晶性のケイ素半導体膜では、粒界部における欠陥密度が高くなるために、この粒界部における欠陥がキャリアに対して大きなトラップとして働き、半導体装置として十分な性能が得られない。また、例えば、レーザー光の光源として現在最も一般的に使用されているエキシマレーザーを使用する場合には、レーザー光の安定性が十分でないために、基板の全面にわたって均一な処理を施すことが容易でなく、同一基板上に均一な特性を有する複数の結晶性のケイ素半導体膜を成膜することができず、半導体素子間で特性のばらつきが生じるおそれがある。
【０００６】
（２）の方法は、（１）の方法と比較すると基板内の均一性、安定性に優れているが、６００℃以上の高温条件によって３０時間程度の長時間にわたる加熱処理が必要になるため、処理時間が長くなり、スループットを向上させることができないという問題がある。さらに、（２）の方法においては、結晶化される結晶構造が双晶構造となるため、数μｍ程度の比較的大きな結晶粒が得られるが、結晶粒内に多数の双晶欠陥を含むために、その結晶性は、上記（１）の方法により製造されたケイ素半導体膜の結晶性よりも劣るという問題がある。
【０００７】
これに対して、上記（１）及び（２）の方法をそれぞれ改善して、高品位な結晶性ケイ素膜を得る方法が開発されている。
【０００８】
まず、（１）の方法の改善方法として、マスクによって形成された露光領域にパルスレーザー光を照射して、このパルスレーザー光が照射された露光領域のケイ素膜を溶融し、溶融されたケイ素膜が、周囲の非照射領域（非溶融領域）に近接した領域から順次固化されることによって、方向性をもって結晶化が進む現象を利用して、結晶の成長方向を制御した結晶化処理方法が、特表２０００−５０５２４１号公報に開示されている。
【０００９】
この結晶化処理方法では、非晶質ケイ素膜に対して、走査しながら照射するパルスレーザーの走査ピッチを小さくすることにより、走査方向に沿った方向に結晶が成長するように制御している。さらに、マスクの形状、レーザが照射されるケイ素膜のアイランド形状を調整することにより、比較的小面積ながら結晶粒界がない単結晶に近い結晶領域が製造される。
【００１０】
また、（２）の方法の改善方法としては、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ことにより、加熱温度の低下、処理時間の短縮、結晶性の向上を図る方法が注目されている。
【００１１】
具体的には、非晶質ケイ素膜の表面に微量のニッケル等の金属元素を導入した後に加熱処理することによって結晶性のケイ素膜とする。
【００１２】
このような触媒元素を用いた方法では、非晶質ケイ素膜中において、導入された金属元素を核とした結晶核が早期に発生し、その後、この結晶核を中心として結晶化が急激に進行する。
【００１３】
この方法は、触媒元素の導入による結晶核の早期発生によって、加熱温度の低下及び処理時間の短縮を図ることができると共に、結晶成長した結晶性のケイ素膜が、通常の固相成長法（上記（２）の方法）によって成長した結晶性ケイ素膜が、結晶欠陥が多くなる双晶構造を有する場合とは異なり、複数の柱状結晶（ネットワーク）が連なる構造を有し、それぞれの柱状結晶は、小さいながらも、その内部が単結晶に近い状態になっている。
【００１４】
特開平１１−２６０７８２３号公報には、非晶質ケイ素膜の一部の領域に触媒元素を導入して加熱処理を行うことにより、触媒元素が導入された導入領域からその周辺領域に横方向に結晶を成長させる結晶成長方法が開示されている。
【００１５】
特にこの公報に記載された結晶成長方法では、触媒元素が導入される領域の導入パターンをストライプ（ライン・アンド・スペース）状とし、その導入パターンの幅と各導入パターン間の間隔とを規定することによって、横方向の結晶成長の安定化を図っている。
【００１６】
また、上記（１）の方法と、上記（２）の方法とを組み合わせた結晶成長方法として、触媒元素を導入して熱処理することにより固相結晶化した結晶性ケイ素膜の結晶性をさらに向上させるために、加熱処理の後に、レーザー光等の強光を照射する工程をさらに追加する結晶成長方法が、特開平７−１６１６３４号公報に開示されている。このような光照射工程を追加して行うことにより、触媒元素存在下で加熱処理を行うことにより結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性がさらに高められ、半導体装置のさらなる高速化が図られている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特表２０００−５０５２４１号公報で得られる結晶性ケイ素膜は、レーザー光の照射により溶融した領域のケイ素膜が、周囲の非照射領域（非溶融領域）に近接した領域から順次固下されて、その方向性が制御されて結晶化されるため、成長方向が制御された柱状の結晶粒（グレイン）により構成される。図１１は、この結晶粒の状態を概略的に示す断面図である。ここで、Ｘ０１は結晶の成長方向、Ｘ０２は結晶粒界を示している。
【００１８】
しかし、この方法によって成長される結晶粒は、図１１に示すように、ほぼ同一方向に成長されて成長方向が揃った複数の柱状結晶が形成されるが、各結晶粒間及び結晶の面方位のいずれについても関連性がない。したがって、各結晶粒界部には、結晶欠陥及び不対結合手が高頻度に発生した状態となっており、半導体素子のキャリアの移動に対するトラップ障壁が大きくなる。この結果、半導体素子の活性領域に対して、キャリアの移動方向と結晶の成長方向とが平行になっている場合と、平行になっていない場合とでは、キャリアが横切る結晶粒界の数が大きき異なることとなり、キャリアが横切る結晶粒界の数が大きくなると、その特性が著しく低下して、素子間の特性のばらつきが大きくなる。
【００１９】
具体的には、上記の方法を用いることにより、その結晶成長方向に対してキャリアの移動方向が平行あるいは垂直になるようにＴＦＴを作製した場合、キャリアの移動方向が平行あるいは垂直となったＴＦＴ間で、５倍程度の大きな特性の差異が生じ、素子設計レイアウトに与えられる制約が大きくなる。
【００２０】
また、その成長方向が半導体素子のキャリアの移動方向に沿うように半導体素子を作製した場合であっても、図１１に示されるように、結晶の成長方向に沿う結晶粒の長さに限界があり、半導体素子内で、複数の結晶粒が連結された状態となる。このため、それぞれの半導体素子の活性領域内の結晶状態及びその柱状結晶が連結された状態によって、半導体素子の特性が左右されて、大きなばらつきが生じるおそれがある。
【００２１】
図１２は、特表２０００−５０５２４１号公報に記載された結晶化処理方法において、レーザ光が照射される露光領域を形成するためのマスクを、屈曲形状を含む形状としてケイ素膜を結晶化した結果を示す平面図である。Ｘ０１は結晶の成長方向、Ｘ０２は結晶粒界を示している。
【００２２】
このようにマスク形状に屈曲形状を含ませることにより、特表２０００−５０５２４１号公報に記載された結晶化処理方法でも、結晶粒界によって囲まれたＸ０３にて示す領域のように、一部に単結晶に近い領域を形成することができる。しかしながら、この領域は、この領域のみによって半導体素子の活性領域を形成するほどには大きく成長させることはできない。また、この単結晶領域Ｘ０３に対して半導体素子の活性領域を高精度にアライメント（位置合わせ）する必要があり、工程が複雑になるという問題もある。
【００２３】
また、特開平１１−２６０７２３号公報の方法で得られる結晶性のケイ素膜は、図１３に示すように、マクロ的に見れば、結晶成長状態は均一であり、比較的大きな領域で結晶面方位が一様に揃っている。ここで、Ｙ０１は結晶の成長方向、Ｙ０２は結晶粒界、Ｙ０３は触媒元素の導入領域をそれぞれ示している。
【００２４】
この方法により得られた結晶性のケイ素半導体膜の結晶粒界は、図１２のＹ０２で囲まれた領域により示されるように、図１０に示した結晶粒界に比較して、大きくなっており、半導体素子の活性領域を一つの結晶粒内に形成することも可能である。
【００２５】
しかし、この方法により得られた結晶性ケイ素膜では、結晶粒内に現れる結晶欠陥が多くなるという問題がある。触媒元素を導入し加熱することにより結晶化された結晶性ケイ素膜は、幅８００〜１０００Åの柱状結晶が相互に連結したネットワークを形成した状態で結晶粒を構成している。個々の柱状結晶の内部は単結晶状態になっているが、それぞれの柱状結晶の曲がり、分岐等により転移等の結晶欠陥が結晶粒内に多数生じることになる。したがって、この方法により得られた結晶性のケイ素半導体膜では、単一の面方位をもった一つの領域により半導体素子の活性領域を形成したとしても、結晶粒内に存在する結晶欠陥のために十分な性能を得ることができない。例えば、ＴＦＴの電界効果移動度で、高々１００ｃｍ2／Ｖｓ程度となる。
【００２６】
また、実際上は、単一の面方位をもった一つの領域に合わせて半導体素子の活性領域を形成することは非常に困難であり、結晶成長の方向をキャリア移動方向にあわせたとしても、活性領域内に結晶粒界Ｙ０２を必ず含むことになる。このため、この方法で得られた結晶性ケイ素半導体では、半導体装置の特性のばらつきを低減することができない。
【００２７】
特開平７−１６１６３４号公報に記載された方法では、触媒元素により結晶化した結晶性ケイ素膜に現れる結晶粒内の多量の結晶欠陥を消滅させるために、レーザー光等の強光を照射する工程をさらに追加している。しかし、レーザー光のレーザパワーが低すぎると、レーザー光を照射する効果が表れず、元の結晶状態をほぼ維持するだけの状態となり、レーザー光のレーザーパワーが高すぎると、元の結晶状態がリセットされてレーザー光のみにより結晶化された場合と同じ結晶状態となるため、レーザー光等の強光を適正に照射することは容易ではなく、レーザーパワーのマージンはほとんどない。
【００２８】
また、照射されるレーザー光のレーザーパワーが最適であった場合、触媒元素による結晶化工程における結晶性を維持しながら、結晶粒内の結晶欠陥を低減することができる一方で、レーザー光による再結晶化工程による結晶粒界が新たに生じることになる。このようなレーザー光照射によって発生する新たな結晶粒界は、触媒元素により固相結晶化された状態で見られる結晶粒界に比較して、半導体キャリアに対するトラップ密度が大きく、またそのエネルギーも高い。
【００２９】
この方法により得られた結晶性ケイ素半導体膜を用いた半導体装置においては、触媒元素により固相結晶化した結晶性ケイ素膜の高い均一性を引き継いで再結晶化することから、従来の非晶質ケイ素膜を直接レーザーによる結晶化する方法に比べると、結晶の均一性は格段に高くなる。また、レーザー光の照射により生じる新たな結晶粒界が、触媒元素の導入により固相結晶成長させた際に生じた結晶粒界よりも影響が少ないため、レーザー光照射工程を追加することにより、トータル的には、半導体装置の特性の向上を図ることができる。
【００３０】
しかしながら、レーザー光照射に伴う新たな結晶粒界の発生は、ランダムに起こるため、その影響により半導体装置の特性に、ばらつきが生じる。その結果、触媒元素による固相結晶化のみで作製された半導体装置に比べると、特性が不安定となり、特性上のばらつきが大きくなり、この方法により得られる結晶性のケイ素半導体膜では、高速の電流駆動能を有する高速性能の半導体装置を実現するために十分な特性を得るには至っていない。
【００３１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高速の電流駆動能を有する高速性能を有し、且つ、性能のばらつきが低減された半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の半導体装置は、絶縁表面を有する基板上に結晶性を有するケイ素膜によって活性領域が形成された半導体装置であって、該活性領域は、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する微量の触媒元素が導入された領域から一方向に沿って固相成長された領域を種結晶として、該固相成長された領域を溶融固化させることにより概略一方向に結晶成長された結晶性を有するケイ素膜によって形成されていることを特徴とするものである。
【００３３】
上記本発明の半導体装置において、前記溶融固化させることにより結晶成長された結晶性を有するケイ素膜の結晶成長方向が、前記固相成長された領域の結晶成長方向に対して、概略直交する方向であることが好ましい。
【００３４】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒群間の面方位のずれが、５°以内になっていることが好ましい。
【００３６】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒群の結晶粒界は、少なくとも８０％以上のケイ素原子が原子レベルで格子状につながっていることが好ましい。
【００３７】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、該各ライン状の結晶粒界間には、小傾角粒界が形成されていることが好ましい。
【００３８】
上記本発明の半導体装置において、前記小傾角粒界は、各結晶粒間の平面的な方位の回転角が５°以内になっていることが好ましい。
【００３９】
上記本発明の半導体装置において、前記結晶粒界は、セコエッチング法によるエッチングによりその位置が規定されることが好ましい。
【００４０】
上記本発明の半導体装置において、前記結晶粒群の面方位及び結晶粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法により測定される面であることが好ましい。
【００４１】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域は、前記活性領域を移動するキャリアの移動方向が溶融固化されることにより結晶成長された領域の結晶成長方向及び前記各ライン状の結晶粒界に沿う方向に対して概略平行になるように形成されていることが好ましい。
【００４２】
上記本発明の半導体装置において、前記活性領域に形成される能動領域は、触媒元素であるニッケル元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度で含有していることが好ましい。
【００４３】
また、本発明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、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する工程と、該非晶質ケイ素膜を加熱処理することにより、該触媒元素が選択的に導入された領域の近接部分から一定方向に沿って固相成長させて固相成長領域を形成する工程と、該非晶質ケイ素膜の該固相成長領域を種結晶として、該固相成長方向に対する一定の方向に走査しつつ加熱して、溶融固化により順次再結晶化する工程と、該非晶質ケイ素膜の、該再結晶化された結晶性を有する領域により、活性領域を形成する工程と、を包含することを特徴とするものである。
【００４４】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜は、レーザー光が該結晶化方向とは直交する方向に沿って走査されることにより加熱されることが好ましい。
【００４５】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記触媒元素は、前記絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜上にライン状またはストライプ状に形成された領域に導入され、前記レーザー光は、該ライン状またはストライプ状に形成された領域が延びる方向に沿って走査されることが好ましい。
【００４６】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記ライン状またはストライプ状に形成された領域のそれぞれの幅は、１〜１５μｍの範囲に形成されていることが好ましい。
【００４７】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、順次再結晶化する工程は、該結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射しながら、基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させることにより行われることが好ましい。
【００４８】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記結晶性ケイ素膜に一定方向に走査されながら照射される前記パルスレーザー光のうち少なくとも第１段目のパルスレーザー光は、前記触媒元素の導入によって結晶化された領域に照射され、この領域へのパルスレーザー光の照射が行われた後の第２段目のパルスレーザー光は、触媒元素の導入による結晶成長が行われていない領域に照射されることが好ましい。
【００４９】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光の走査ピッチは、前記パルスレーザー光の照射時に溶融する結晶性ケイ素膜の領域が、隣接する非溶融領域の結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下に設定されることが好ましい。
【００５０】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光の走査ピッチは、０．１μｍ〜１．５μｍであることが好ましい。
【００５１】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光は、走査される方向に対して垂直な方向に沿って長くなっていることが好ましい。
【００５２】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光のビーム強度の強度プロファイルは、前記パルスレーザー光の少なくとも走査方向の反対側の強度プロファイルが、一定強度から急激に０強度まで低下することが好ましい。
【００５３】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光は、その走査方向とは反対側の一部を機械的にマスクする遮蔽手段を有するレーザー照射手段を用いて照射されることが好ましい。
【００５４】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記レーザー照射手段の遮蔽手段は、照射されるパルスレーザー光を、少なくとも前記結晶性ケイ素膜の溶融に必要な強度から連続的に強度が低下する範囲を遮蔽することが好ましい。
【００５５】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光は、前記結晶性ケイ素膜が膜の全体にわたって溶融する強度で照射されることが好ましい。
【００５６】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記パルスレーザー光は、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザーが用いられ、前記結晶性ケイ素膜の表面に対するエネルギー密度が２００〜６００ｍＪ／ｃｍ2となる範囲で照射されることが好ましい。
【００５７】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、順次再結晶化する工程は、該結晶ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射しながら、基板または連続発振レーザー光を一方向に走査することにより、先に連続発振レーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させることにより行われることが好ましい。
【００５８】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記結晶性ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射する工程は、該連続発振レーザー光により照射領域のケイ素膜が溶融され、該連続発振レーザー光の走査に伴い、ケイ素膜における固体状態及び液体状態の界面を移動させながら、順次再結晶化が行われることが好ましい。
【００５９】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記連続発振レーザー光として、固体レーザーが用いられることが好ましい。
【００６０】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記活性領域は、前記レーザー光の走査方向に沿って形成されることが好ましい。
【００６１】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一つの元素であることが好ましい。
【００６２】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記レーザー光を走査することによって前記結晶性ケイ素膜を順次再結晶化する工程を行った後に、少なくとも、後の工程により能動領域となる以外の結晶性ケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、該結晶性ケイ素膜に対して第２の加熱処理を行うことにより、前記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に、前記触媒元素を移動させ、後の工程により能動領域となる結晶性ケイ素膜の領域に含まれる前記触媒元素の量を低減する工程と、をさらに行うことが好ましい。
【００６３】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第２の加熱処理により移動される前記触媒元素の移動方向は、前記レーザー光の走査方向と概略平行になっていることが好ましい。
【００６４】
上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記５族Ｂから選ばれる元素は、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉから選ばれた少なくとも一つの元素であることが好ましい。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の製造方法及び、この製造方法によって製造される半導体装置について、図面に基づいて説明する。
【００６６】
図１（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明に係る半導体装置の製造方法の各工程における概略について説明する半導体装置の平面図である。
【００６７】
図１（ａ）は、ストライプ状に形成された触媒元素の導入領域１に触媒元素を導入して熱処理することにより、ケイ素膜をストライプ状の導入領域１に対して一方向に結晶成長させた状態を示している。このように、触媒元素の導入領域１をストライプ状に形成することにより、ケイ素膜は、ストライプ状の導入領域１とは直行する矢印Ａの方向に概略一次的に結晶化することとなり、その結果、矢印Ａにほぼ平行なドメイン境界３に囲まれ、ほぼ単一の面方位を有する結晶ドメイン４が形成される。また、各触媒元素導入領域１から矢印Ａ方向への結晶化の速度は略等しいため、各触媒元素導入領域１から結晶成長した各結晶ドメイン４は、各触媒元素導入領域１の中間部分でぶつかり合うため、各触媒元素導入領域１の略中間部分に、成長境界５が形成される。
【００６８】
次に、触媒元素の導入によって結晶化されたケイ素膜に対して、パルスレーザー光を照射して、パルスレーザー光が照射された領域を溶融固化する。
【００６９】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の状態になっている結晶性のケイ素膜上において、ストライプ状の触媒元素導入領域１に対して垂直な方向に沿って、一回のパルスレーザー光を照射した状態を示している。このように、パルスレーザー光を照射することにより、パルスレーザー光が照射された領域６内のケイ素膜が瞬間的に溶融し、その直後に再結晶化する。この場合、非照射領域の結晶性を反映して、領域６におけるパルスレーザー光が照射されない非照射領域に近接した両端部から矢印Ｂの方向に沿って結晶成長が順次進行して、この方向に沿って横方向に結晶化した領域８が形成される。また、領域６の中央部分では、溶融したケイ素膜が過冷却状態となってランダムに結晶核が発生するため、この部分では、方向性がない結晶化が進んだ領域９が形成される。
【００７０】
次に、一回目のパルスレーザー光が照射される領域６とは、一部が重複するように、二回目のパルスレーザー光を領域６に沿って照射する。
【００７１】
図１（ｃ）は、二回目のパルスレーザー光を照射した後の状態を示している。このパルスレーザー光の照射によって、パルスレーザー光が照射された領域１０のケイ素膜が溶融し、その後に溶融したケイ素膜の固化結晶化が進む。この場合、上記の一回目のパルスレーザー光の照射の場合と同様に、隣接する非照射領域の結晶性を反映して領域１０の両側縁から結晶化が順次進む。したがって、二回目にレーザー光が照射された領域は、一回目のパルスレーザー光の照射によって結晶化された領域８の結晶成長を引き継ぐようにして結晶が成長する。この結果、新たに結晶成長される領域１１は、一回目のパルスレーザー光の照射により結晶化された領域８から延長したほぼ単結晶状態となった領域１２を形成する。
【００７２】
このようなパルスレーザー光を、図１（ｄ）に矢印Ｃで示す方向に順次走査することにより、単結晶状態領域を、図１（ｄ）の領域１４にて示す大きな面積にわたって形成することができる。このようにして、単結晶状態の領域１４が形成されると、続けて、触媒元素導入領域１が形成されていた領域１５及び成長境界部１６を避けて、この単結晶状態の領域１４に半導体装置の活性領域１７を形成する。
【００７３】
このように、触媒元素により横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜は、その成長方向に沿って比較的大きな面積で単一の面方位の領域（ドメイン）を有し、各ドメイン間の方位のずれが互いに小さく、キャリアに対するトラップ準位も低くなっている。このような特徴を有する領域を種結晶として、パルスレーザー光照射による溶融固化により再結晶化されたケイ素半導体膜は、触媒元素による横方向結晶化によるケイ素膜のミクロ的に良好な結晶成分性と、その面方位の均一性とを引き継いで成長されるため、結晶欠陥がほとんどなく、面方位が大きな領域にわたって揃った、ほぼ単結晶に近い状態の結晶性のケイ素膜を数１０μｍ〜数１００μｍの大きさにわたって形成することができる。したがって、個々の半導体素子の活性領域をこのような結晶性に優れた領域で形成することにより、高性能で、かつ、特性のばらつきが小さい半導体装置を製造することができる。このことは、特に大電流が必要なチャネル幅の大きいＴＦＴの活性領域等を形成する場合に有効である。
【００７４】
また、本発明の半導体装置の製造方法としては、パルスレーザー光の他、連続発振レーザー光を適用することもできる。連続発振レーザー光を、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜に照射し、連続して走査することにより、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して、走査方向に結晶成長が進み、一方向に結晶粒群が並び、且つ、その隣接結晶粒間の面方位がほぼ同一とすることができる。
【００７５】
図１４は、連続発振レーザー光とケイ素膜に照射した場合のケイ素膜の状態変化を概略的に示す断面図であり、ガラス基板３００上にＳｉＯ2膜３０１を介して形成された結晶性のケイ素膜３０２に連続発振レーザー光を矢印３０３の方向に走査しながら照射した場合を示している。
【００７６】
このように連続発振レーザー光を用いた場合には、パルスレーザー光と異なり、レーザー光が照射されている領域は、常に結晶性ケイ素膜が高温となって、溶融状態となる。また、連続発振レーザー光が照射された後の部分は、溶融後の再結晶化が行われる。したがって、連続発振レーザー光が照射されたケイ素膜３０２上には、レーザー光が照射されて液状状態となった液状領域３０２ａと、レーザー光が照射された後に再結晶化された固体状態の個体領域３０２ｂとが存在している。
【００７７】
連続発振レーザー光を図１４に示す矢印３０５の方向に走査すると、図中３０４にて示す、この固体領域３０２ｂと液状領域３０２ａとの界面部分が、連続発振レーザー光の走査方向に沿って矢印３０６にて示す方向に移動し、結晶性ケイ素膜の再結晶化がこの矢印３０５方向に沿って順次進む。
【００７８】
連続発振レーザー光を用いた場合には、このようにパルスレーザー光を用いた場合とは異なり、常に、ケイ素膜に固体部分及び液状部分の界面が生じた状態であり、ケイ素膜に照射される連続発振レーザー光の強度と走査速度とにより、結晶性が制御される。したがって、連続発振レーザー光の走査速度が遅すぎると、結晶性のケイ素膜が必要以上に加熱されて、触媒元素の触媒作用により結晶化された元のケイ素膜の結晶性の情報がリセットされることになる。また、連続発振レーザー光の強度が強すぎた場合にも同様の問題が生じる。このため、連続発振レーザー光を用いる場合には、レーザー光の強度及び走査速度の最適値が存在する。
【００７９】
このような連続発振レーザー光としては、固体レーザーが好ましく、安定性に優れている。また、照射されるレーザー光の波長としては、上記のパルスレーザー光を用いる場合と異なり、６００ｎｍ以下であれば、十分に使用することができる。
【００８０】
上記の半導体装置の製造方法においては、触媒元素の導入によって横方向に結晶成長した領域は、その成長方向に沿って面方位が揃った結晶ドメインが形成されており、この結晶成長が進んだ方向に対して垂直な方向にレーザー光（パルスレーザー光、連続発振レーザー光、以下単に、「レーザー光」と表現する場合は、パルスレーザー光及び連続発振レーザー光を示しているものとする。）を走査して、溶融固化による結晶化を進めている。このため、一つの結晶ドメインを種結晶として結晶成長できるため、結晶欠陥がほとんどなく、面方位が広範囲にわたって揃った非常に結晶性に優れ、ほぼ単結晶状態に近い結晶化領域を得ることができる。したがって、触媒元素の導入による結晶成長の方向と、レーザー照射による溶融固化による結晶成長の方向とは、概略垂直になっていることが望ましい。
【００８１】
また、上記の方法により製造された半導体装置の活性領域は、レーザー光の照射による溶融固化結晶化での結晶成長方向に沿ってライン状に並んだ結晶粒群により構成されており、且つ、ライン状に並んだ結晶粒は、隣接するライン状の各結晶粒とほぼ同一な面方位を有している。このため、結晶粒界の影響を低減することができると共に、その結晶粒界における半導体キャリアに対するトラップ密度も低減され、トラップ準位のエネルギーも小さくすることができる。その結果、このような活性領域を有する半導体装置は、非常に高性能、且つ、高電流駆動能を有し、さらに、半導体素子間のばらつきが小さく、安定性に優れたものとすることができる。
【００８２】
なお、図１において、結晶粒界は、セコエッチング法によりエッチングされる位置として示されており、また、結晶粒は、結晶粒界によって囲まれた領域として示している。さらに、結晶粒間の面方位及び結晶粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法によって測定された値を示している。
【００８３】
特表２０００−５０５２４１号公報の方法によっても、見かけ上、同一方向に沿って並んだライン状の結晶粒群を得ることができる。しかし、この方法によって得られた半導体膜では、隣接する各結晶粒間の面方位に関連性がなく、それぞれが単独になっているため、キャリアに対する結晶粒界のトラップ密度が非常に大きくなり、ライン状の結晶粒を超えてキャリアが移動する半導体素子があると、その特性は著しく低下すると共に、素子間のばらつきが大きくなる。
【００８４】
実際に、隣接するライン状結晶粒の面方位に相互の関連性がない場合には、そのライン方向に対してキャリアの移動方向が平行になるＴＦＴと、垂直になるＴＦＴとで、その電界効果移動度の差は、５倍程度の大きな差が生じる。これに対して、本発明の半導体装置では、同様に電界効果移動度に差異が見られるが、電界効果移動度の差は、１．５倍程度となり、上記のＴＦＴよりもその差異が低減されている。また、本発明の半導体装置では、従来の半導体装置に比較して電界移動効果度が向上するため、従来の半導体装置に比較して、素子間の設計レイアウトに大きな制約を受けることがない。
【００８５】
また、上記のようにして製造される本発明の半導体装置において、隣接する各ライン状の結晶粒間の面方位のずれが５°以内となっている。このため、結晶粒界部での連続性が保たれ、半導体キャリアに対する結晶粒界部におけるトラップ密度及びトラップ準位のエネルギーを、半導体素子の特性を大きく低下させることがない程度まで低減することができる。
【００８６】
また、上記のようにして製造される本発明の半導体装置において、半導体装置の活性領域を構成するライン状の結晶粒群の結晶粒界は、原子レベルで連続的につながった状態となっている。このため、結晶粒界でのキャリアのトラップ密度及びエネルギー準位を最も小さいものとすることができる。本発明では、さらに、結晶粒界において、８０％以上のケイ素原子が原子レベルで連続的につながっていることが分かっており、このことにより、特性のばらつき（電界効果移動度）を±５％以内に抑え、レーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化結晶化の方向と、半導体キャリアの移動方向とが９０°異なっていても、電界効果移動度を２倍以下の差に抑えることができることが分かっている。
【００８７】
さらに、各結晶粒間で原子レベルで格子が連続的につながるということは、隣接するライン状の結晶粒界が、小傾角粒界を構成していることを意味している。小傾角粒界では、平面的にみて結晶方位のずれが微小な回転角で生じている状態になっており、格子自体の並びは、結晶粒界では、小さな角度で回転している（屈折している）が、結晶粒界で隣接する結晶粒の格子同士はつながっている状態である。このような状態になっていれば、結晶粒界でのキャリアのトラップ密度及びエネルギー準位を最も小さくすることができ、その結果、半導体装置の高速特性を最大限に高めることができると共に、各素子間における特性のばらつきを最小にすることができる。さらに、このときの隣接するライン状の結晶粒間の小傾角結晶粒界は、その回転角が５°以内になっている。このため、半導体キャリアに対する結晶粒界部におけるトラップ密度及びトラップ準位のエネルギーを、半導体装置の特性を大きく低下させることがない程度まで低減することができる。
【００８８】
また、本発明の半導体装置においては、活性領域でのキャリアの移動方向と、この活性領域を構成する結晶性ケイ素膜における概略一方向沿って並んだライン状の結晶粒のライン方向とが、概略平行となるように半導体装置を構成することが望ましい。このようにして半導体装置を製造すれば、特に高いキャリア移動度が求められる素子に対して、キャリアに対する結晶粒界の影響を極力排除することができる。ただし、本発明の半導体装置では、上記のようにライン方向とキャリアの移動方向とが平行とならない場合でも、従来の半導体装置と比較すれば、非常に高い移動度が得られる。したがって、本発明の半導体装置は、設計レイアウトの自由度を大きくすることができる。
【００８９】
また、本発明の半導体装置は、隣接するライン状の結晶粒の面方位を制御するために、非晶質ケイ素膜に結晶化を促進する触媒元素を導入している。このような結晶化を促進する触媒元素としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等のうち一種、または複数種を用いることができ、いずれを用いても、微量により非晶質のケイ素膜の結晶化を促進することができる。
【００９０】
ただし、触媒元素は、非晶質ケイ素膜中においてシリサイド化することにより結晶成長を促進するため、触媒元素のシリサイド化合物における格子定数が単結晶ケイ素の格子定数に近似していることが好ましい。Ｎｉは２原子のＳｉとシリサイド化合物であるＮｉＳｉ2を形成する。ＮｉＳｉ2は、蛍石型の結晶構造を有し、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ている。しかも、５．４３０Åの格子定数を有するダイヤモンド構造の結晶ケイ素に対して、ＮｉＳｉ2は、その格子定数が５．４０６Åであり、シリコンの格子定数に最も近くなっている。したがって、ＮｉＳｉ2は、非晶質ケイ素膜の結晶化に際して、最も優れた鋳型となり、非晶質ケイ素膜の結晶化が最も促進されるため、Ｎｉが触媒元素として好適である。
【００９１】
本発明の半導体装置を製造する際には、まず、非晶質ケイ素膜を触媒元素により横方向に固相結晶化する工程を行うので、半導体装置の活性領域における能動（チャネル）領域には、触媒元素が含まれることとなる。半導体装置の活性領域に含まれるニッケルの濃度が、５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3を超えると、ニッケルシリサイドとして能動領域中に存在する領域が多くなり、半導体装置の特性に悪影響を及ぼす。また、ニッケルの濃度が、１×１０16ａｔｏｍ／ｃｍ3より少なくなると、ニッケルの導入による触媒効果を十分に得ることができず、結晶粒の面方位に対して十分に制御することができない。したがって、ニッケルは、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3の濃度になるように導入することが望ましい。
【００９２】
また、ライン状またはストライプ状に形成された触媒元素を導入するための触媒元素導入領域の幅は、１μｍに満たない場合には、横方向の結晶成長に必要な濃度の触媒元素を導入することが容易ではなく、逆に、１５μｍを超えた場合には、導入された触媒元素が横方向の結晶成長に効率的に作用せず、導入領域に残留するものが発生し、高濃度領域からの後のレーザー走査でのオートドーピング、下地膜へのエッチングダメージ、ＴＦＴ特性への影響等の様々な問題が生じる。したがって、触媒元素導入領域の幅は、１〜１５μｍに設定することが好ましい。
【００９３】
本発明の半導体装置を製造する場合において、少なくとも第１段目のパルスレーザー光照射は、触媒元素により横方向に結晶成長させた結晶性ケイ素膜に対して照射されるが、後に半導体装置の活性領域となる領域は、触媒元素による結晶化領域からレーザー光を照射して結晶化された領域を用いて形成するような方法が有効である。
【００９４】
触媒元素は、ニッケル等の遷移金属を主とする金属元素であり、このような触媒元素が半導体膜中に存在することは、半導体装置の信頼性や電気的安定性を阻害するものであり、好ましいことではない。特に、これらの触媒元素がシリサイドとして存在していると、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。そこで、上述のような方法により半導体装置を製造することによって、種結晶となる結晶を成長させる場合にのみ触媒元素を効率的に利用し、実際の半導体装置の活性領域には、触媒元素による結晶化領域に該当しない領域（パルスレーザー光により種結晶の結晶性を反映して成長された領域）を用いれば、半導体装置の活性領域に残留する触媒元素の量を極力低減することができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００９５】
また、本発明の半導体装置を製造する場合に、触媒元素を選択的に導入することにより横方向に固相成長させた結晶性のケイ素膜に、レーザー光をパルス的にまたは連続的に照射しながら、基板に対してレーザー光を一方向に走査させることにより、前段のパルス照射により結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させることにより高性能な半導体素子を製造しており、この工程が最も重要なプロセスとなっている。特に、パルスレーザー光の走査ピッチを、パルスレーザー光を照射する際に溶融する領域が隣接している非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以上になっている場合には、通常のレーザー光照射により見られるランダムな結晶核による領域が形成されて、通常のグレイン状の結晶粒が形成されるため、パルスレーザー光の走査ピッチは、パルスレーザー光を照射する際に溶融する領域が隣接する領域が隣接する非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下にする必要がある。このような長さにすることにより、結晶粒はその成長方向に沿ってライン状に形成される。
【００９６】
図２は、本発明の半導体装置を製造する場合において、レーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化過程に使用されるレーザーアニール装置を示す概略図である。
【００９７】
このレーザーアニール装置は、所定の強度のレーザー光Ｄを発振するレーザー発振器２１を有している。このレーザー発振器２１から側方に発振されたレーザー光Ｄは、ミラー２２により反射されて、基板の上方に設置されたホモジナイザー２３に導かれる。そして、このホモジナイザー２３にて、一方向に沿った長尺形状のレーザー光Ｅが形成される。このホモジナイザー２３と基板との間には、長尺形状のレーザー光Ｅを所望の強度プロファイルにする遮蔽マスク２４が設けられている。この遮蔽マスク２４は、レーザー光Ｅの強度プロファイルにおけるトップ付近の部分のみを透過させる開口２４ａを有しており、遮蔽マスク２４の開口２４ａを透過するレーザー光Ｆが、基板上に照射される。
【００９８】
本発明では、パルスレーザー光により再結晶化する場合、前段のパルス照射により再結晶化された領域の結晶性を反映してケイ素膜を順次再結晶化させるものであるため、レーザー光の強度プロファイルが一般的なガウシアン形状のようになだらかに低下しているプロファイルとなっていれば、前段のパルスレーザー照射から結晶化された領域から徐々にレーザーエネルギーが上昇する状態となるため、再結晶化に求められるエネルギーが、前段のパルスで結晶化された領域の結晶近傍で得られない。したがって、このような強度プロファイルでは、再結晶化に求められるよりも低いパワー領域が必ず存在するため、前段のパルス照射で結晶化された領域の結晶性を引き継ぐことができず、結晶性の悪い領域として残り、十分な特性を得ることができない。このため、結晶性ケイ素膜上に照射するパルスレーザー光のビーム強度は、パルスレーザー光が走査される方向に対して少なくとも反対側の強度ファイルが、一定の強度から０まで急激に低下するような短矩形的な形状になっていることが望ましい。
【００９９】
上記のレーザーアニール装置では、このようなパルスレーザー光のビーム強度プロファイルを実現するために、パルスレーザー光の走査方向に対して、少なくとも反対側の一部を遮蔽マスク２４によって機械的にマスク等して、反対側のパルスレーザー光の強度ファイルが一定の強度から０まで急激に低下するようにしている。このため、レーザーアニール装置の光学系を大幅に変更することなく、簡便に所望の強度プロファイルを実現することができる。また、上記の遮蔽マスクによって、パルスレーザー光の照射領域を調整することが容易となる。
【０１００】
図３は、ホモジナイザー２４から照射されるパルスレーザー光Ｅの強度プロファイルと、遮蔽マスク２４の開口２４ａを透過して基板上に照射されるパルスレーザー光Ｆの強度プロファイルを示す説明図である。
【０１０１】
ホモジナイザー２４により長尺形状に成形されたパルスレーザー光Ｅは、図３に示すように、その強度プロファイル３１がガウシアン形状となっているが、遮蔽マスク２４を透過したパルスレーザー光Ｆは、遮蔽マスク２４によってそのトップ付近のエネルギーの高い部分のみが開口２４ａを透過し、エネルギーが低くなっている裾の部分は遮蔽マスク２４によってカットされて、急激に強度が０からトップに立ち上がるトップハット状の強度プロファイル３２となっている。なお、遮蔽マスク２４は、他の位置に設置されていてもよく、その形状を変更して用いてもよい。図３では、強度プロファイルの両端部分が急激な強度勾配となるプロファイルとなっているが、走査方向に対して反対側が急激に立ち上がる強度プロファイルとなっていればよい。
【０１０２】
パルスレーザー光を照射する際のパルスレーザー光の走査ピッチは、１．５μｍ以下であれば、隣接している非溶融領域の結晶性を反映して再結晶化できることが分かっている。また、パルスレーザー光の照射幅が０．１μｍ以上であれば、レーザー照射条件に大きな制限が課されない。したがって、パルスレーザー光の走査ピッチは、０．１〜１．５μｍの範囲であることが望ましい。ただし、パルスレーザー光を照射する工程におけるスループット（時間当たりの処理能力）を考慮すると、上記の範囲内において大きく設定するほど好ましい。
【０１０３】
また、この場合のパルスレーザー光の結晶性ケイ素膜表面に照射されるビーム形状としては、走査方法に、走査ピッチ以上の長さを有していれば十分であり、また、走査方向に対して垂直な方向の長さを長くとれば、一度のパルスレーザー光の走査により広範囲の領域にわたって結晶化を行うことができるため、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、パルスレーザー光の走査方向に対して垂直な方向に長い概略長尺矩形形状に形成されることが望ましい。このようにすれば、パルスレーザーを照射するためのレーザー光のトータルパワーを低減することができ、一度のパルスレーザーの照射により広範囲の結晶化を行えるため、本工程における処理時間を大幅に短縮することができる。
【０１０４】
パルスレーザー光の強度は、小さければケイ素膜が十分に溶融されず、触媒元素による固相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ない。本発明では、隣接する非溶融領域の結晶状態を反映してケイ素膜を結晶化しているため、少なくともパルスレーザー光が照射された結晶性ケイ素膜の領域の全体にわたって溶融するような強度範囲にして照射する必要がある。具体的には、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザー光が最も適している。このような波長４００ｎｍ以下のパルスレーザーを照射するエキシマレーザーを用いれば、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高く、且つ、ガラス基板に対して熱的ダメージを与えることがなく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱することができる。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。このようなエキシマレーザーのうち、特に、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光は、その出力が大きいため、基板への光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、さらに、出力が比較的安定しているため、結晶性ケイ素膜の量産化を図る上で、最も望ましい。
【０１０５】
さらに、このレーザー光を用いる場合、ケイ素膜表面に対してレーザー光の表面エネルギー密度が２００ｍＪ／ｃｍ3より小さくなると、結晶性ケイ素膜が膜全体にわたって十分に溶融されず、触媒元素による固化結晶後に存在する結晶欠陥を十分に改善することができない。また、６００ｍＪ／ｃｍ3を超えると、ケイ素膜のアブレーション（気化）が生じ、ケイ素膜の膜飛びが発生するおそれがある。このため、ケイ素膜表面に対するレーザー光の表面エネルギー密度は、２００〜６００ｍＪ／ｃｍ3となるようにして、パルスレーザー光を照射することが好ましい。
【０１０６】
図４は、基板に対してレーザー光を照射する他のレーザーアニール装置を示す概略図である。このレーザーアニール装置では、複数のライン状の開口４１ａを形成した遮蔽マスク４１を基板１０１とホモジナイザー（図４において図示せず）との間に設け、パルスレーザー光を照射する場合、１回のパルスレーザー光の照射時に、同時に複数の領域を結晶化する。このような遮蔽マスク４１に複数の開口４１ａを形成すれば、ホモジナイザー４１から照射されるパルスレーザー光Ｇが、遮蔽マスク４１を介して複数の長尺形状のパルスレーザー光Ｈに成形されて、基板の複数箇所にパルスレーザー光Ｉが照射される。
【０１０７】
半導体装置のキャリアの流れる方向（チャネル方向）とレーザー光の走査方向とが概略平行になるようにして半導体装置を製造すれば、半導体装置の活性領域でのキャリアの移動方向と、活性領域となる結晶性ケイ素膜のライン状の結晶粒のライン方向とが、概略平行になるため、キャリアに対する結晶粒界の影響を極力排除することができる。したがって、このように半導体装置に使用される活性領域を設計すれば、電流駆動能力に優れた半導体素子が得られる。
【０１０８】
また、本発明の半導体装置を製造する場合、触媒元素を導入して非晶質ケイ素膜を、横方向に結晶化する工程を含んでいる。結晶化を促進する触媒元素は、前述のように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残留していることは、半導体素子を用いた装置の信頼性や電気的安定性を阻害するため、好ましいことではない。そこで、触媒元素を非晶質ケイ素膜の結晶化に利用した後、このケイ素膜中に残存する触媒元素の大部分を、半導体素子領域以外の領域に移動させることにより、残存する触媒元素の低減が図られる。具体的には、少なくとも後に半導体装置の能動（チャネル）領域となる領域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、加熱処理する工程を行う方法が有効である。これにより、結晶成長を促進した触媒元素は、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）領域中の触媒元素の残存量を大幅に低減することができる。この方法は、半導体特性に対して悪影響を及ぼすシリサイド状態の触媒元素に、特に有効である。そして、５族Ｂ元素が導入されて触媒元素が導入さ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残らない。
【０１０９】
この場合、本発明の半導体装置では、レーザー光の走査方向に沿って、概略一方向に沿って並んだライン状の結晶粒が形成されており、異なる結晶粒間にわたって触媒元素を移動させるよりも、同一の結晶粒内に触媒元素を移動させるほうが触媒元素の移動効率が良好になるため、触媒元素を、レーザー光の走査方向に沿って並んだライン状の結晶粒の方向に沿って移動させるために５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に触媒元素を移動させる移動方向は、レーザー光を照射する際の走査方向と概略平行になるようにすることが望ましい。このようにすれば、結果的に、半導体装置の能動（チャネル）領域における触媒元素の残留量を大きく低減することができる。
【０１１０】
ここで、５族Ｂから選ばれる元素としては、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの少なくとも一種の元素を用いることができる。これらから選ばれた一種または複数種の元素を用いれば、半導体膜中に含まれた触媒元素を効率的に移動させることができる。このような触媒元素を移動させる際のメカニズムに関しては、未だ詳細な知見は得られていないが、上記元素の中でも、Ｐが最も効果が高いことが分かっている。
【０１１１】
図１５は、上記本発明の半導体装置の微細構造を示す写真代用写真であり、矢印４００は、レーザー光の走査方向を示している。このように、本発明の半導体装置では、結晶粒４０１がレーザー光の走査方向に長く、ライン状になっており、この間に形成される結晶粒界４０２が、レーザー走査方向に沿って形成されている。この結晶粒４０１間の結晶粒界４０２は、セコエッチングにより顕在化される粒界であり、結晶粒界４０２が見られるにもかかわらず、隣接する結晶粒４０１間の面方位は、ほぼ同一となっている。
【０１１２】
以下、本発明の半導体素子の製造方法を用いた具体的な実施例について説明する。
【０１１３】
（実施例１）
本実施例１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、一般の薄膜集積回路等に用いられる、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴを相補的に構成したＣＭＯＳ構造を有する回路をガラス基板上に製造する工程について説明する。
【０１１４】
図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本実施例１のＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補的に構成したＣＭＯＳ構造を製造する工程を工程毎に説明する半導体装置の平面図である。
【０１１５】
図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図５（ａ）の構造を製造する工程を工程毎に説明しており、図５（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。図７（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、図５（ｂ）〜（ｄ）に示す構造を製造する工程をその工程毎に説明しており、図５（ｂ）〜（ｄ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。
【０１１６】
本実施例１のＣＭＯＳ構造を製造する場合には、まず、図６（ａ）に示すように、後の工程によりガラス基板から不純物が拡散することを防止するため、ガラス基板１０１上に、例えば、スパッタリング法あるいはプラズマＣＶＤ法によって３００〜５００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化ケイ素からなる下地膜１０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば５０ｎｍの厚さに真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）１０３を成膜する。本実施例１では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、材料ガスとして、ＳｉＨ4ガス及びＨ2ガスを用いた。そして、ＲＦパワーのパワー密度を１０〜２００ｍＷ／ｃｍ2、例えば、８０ｍＷ・ｃｍ2としてプラズマを発生させた。このときの基板の加熱温度は、４００℃以下であることが望ましく、本実施例では、３００℃とした。
【０１１７】
次いで、ａ−Ｓｉ膜１０３上の全面にわたって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た後、パターニングすることによりマスク１０４を形成する。本実施例では、ａ−Ｓｉ膜１０３上に、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料として、酸素共存下でＲＦプラズマＣＶＤ法により分解・堆積することにより酸化ケイ素膜を堆積した。この場合の酸化ケイ素膜の膜厚は、１００〜４００ｎｍの範囲であることが望ましく、本実施例では、酸化ケイ素膜の膜厚を１５０ｎｍとした。このマスク１０４に形成されたスルーホールによって、図２（ａ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜１０３が露呈した領域１００がスリット状に形成され、領域１００以外の部分はマスク１０４によってａ−Ｓｉ膜１０３が露呈していない状態になっている。この場合、ａ−Ｓｉ膜１０３が露呈している各領域１００のライン幅Ｌは、１〜１５μｍの範囲に設定されていることが望ましく、本実施例１では、領域１００のライン幅Ｌを１０μｍとした。
【０１１８】
次に、ａ−Ｓｉ膜１０３及びマスク１０４の表面上に微量のニッケル１０５を添加する。添加されるニッケル１０５として、純ニッケル（９９．０％以上）のターゲットを用い、ＤＣスパッタリング法によりニッケルを添加した。具体的には、ＤＣパワーを５０Ｗ程度の極低パワーとして、基板を２０００ｍｍ／ｍｉｎの高速回転した状態で、スパッタリング処理を行なった。本実施例では、このスパッタリング処理に用いられるガスとして、アルゴンを用い、スパッタリング時のガス圧力を１０Ｐａ以上の高圧条件として、極低濃度条件下でのニッケルのスパッタリングを行なった。スパッタリングされたニッケル１０５は、図６（ａ）では、図面を見やすくするため薄膜状として表示しているが、実際には、単原子層程度またはそれ以下の状態に形成されている。実際に、ＤＣパワーを６０Ｗ、アルゴンガス圧を１８Ｐａの条件としてスパッタリングを行なったところ、領域１００で露呈しているａ−Ｓｉ膜１０３上のニッケル濃度は、６×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度（ＴＲＩＸＲＦ測定値）となった。
【０１１９】
次に、図６（ｂ）に示すように、ニッケルが低濃度にスパッタされた状態で、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素ガス雰囲気下で、加熱温度を５３０〜６００℃、例えば、５８０℃として、１１時間にわたってアニールする。
【０１２０】
この際、ニッケルがａ−Ｓｉ膜１０３の表面上に添加された領域１００では、ａ−Ｓｉ膜１０３表面に存在するニッケル１０５のシリサイド化が起こり、この領域１００において、シリサイドを核として結晶成長した領域１０３ａが形成される。そして、引き続いて、領域１０３ａの周辺領域において、図５（ａ）及び図６（ｂ）のそれぞれにおいて矢印Ｊで示すように、領域１０３ａから横方向（基板に平行な方向）に結晶が成長して、横方向に結晶が成長した領域１０３ｂが形成される。
【０１２１】
このように横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜の領域１０３ｂは、隣接する他の領域１０３ａより成長した結晶性ケイ素膜の領域１０３ｂとぶつかり合って結晶成長が終了し、両方向から結晶成長した結晶性ケイ素膜同士がぶつかり合った部分に結晶境界１０３ｃが形成される。
【０１２２】
横方向に結晶成長した領域１０３ｂには、図５（ａ）に示すように、結晶の成長方向に沿って面方位がそれぞれ揃ったドメイン１０３ｄが形成される。図５（ａ）中の点線１０３ｅは、各ドメイン１０３ｄを形成するドメイン境界を示しており、このドメイン境界１０３ｅで囲まれた領域が、一つのドメインとなっている。この場合、マスク１０４上にスパッタされたニッケル１０５は、マスク１０４によってマスクされるために下層のａ−Ｓｉ膜１０３には到達せず、ａ−Ｓｉ膜１０３の結晶化には、領域１００にて露呈されたａ−Ｓｉ膜１０３上に添加されたニッケル１０５のみが関与する。このような横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜中のニッケル濃度は、５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3程度であり、直接ニッケルが添加されて結晶成長した領域１０３ａ中のニッケル濃度は、１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。また、上記の結晶成長に際し、矢印Ｊで示される基板と平行な方向の結晶成長された長さは、最長の部分で１３０μｍ程度であった。
【０１２３】
次に、図６（ｃ）に示すように、マスク１０４をエッチング除去する。本実施例１では、エッチャントとしては、下層のケイ素膜１０３とで十分なエッチングの選択性がある１：１０バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによりマスク１０４を除去した。
【０１２４】
次に、図５（ｂ）及び図７（ａ）に示すライン状の領域１０７にパルスレーザー光Ｋを照射して、この領域１０７の結晶性ケイ素膜を溶融状態とする。溶融されたケイ素膜は、その直後に、再結晶化される。
【０１２５】
このときのレーザー光として、本実施例１では、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、照射時に基板を２００〜４５９℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度２００〜６００ｍＪ／ｃｍ3、例えば４００ｍＪ／ｃｍ3で照射する照射条件とした。
【０１２６】
パルスレーザー光を照射すると照射された領域１０７のケイ素膜が瞬間的に溶融した後、パルスレーザー光が照射される領域１０７に対する周辺の非照射領域から、図５（ｂ）で矢印Ｍで示す方向に再結晶化する。このとき、隣接する非照射領域１０３ｂのケイ素結晶が種結晶となり、その結晶性を反映して、矢印Ｍで示す横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜１０３ｆ及び１０３ｈが領域１０７の両端側から形成される。中央部１０３ｇは、矢印Ｍ方向の結晶成長が始まる前に過冷却状態となってランダムに結晶核が発生して結晶化した領域となっている。本実施例では、矢印Ｍで示される横方向への結晶成長距離は、１．５μｍ程度であった。
【０１２７】
ここで、本実施例１では、図４に示すレーザーアニール装置を用いてパルスレーザー光を照射した。このときの遮蔽マスクに形成された開口は、１０μｍ×５ｍｍの大きさとした。したがって、ガラス基板１０１上の領域１０３ｂ上に照射されるレーザー光Ｋの領域１０７も、１０μｍ×５ｍｍの長尺矩形状となる。
【０１２８】
図５及び図７では、遮蔽マスク４１に複数形成された開口４１ａのうちの一つから照射されるパルスレーザー光によってケイ素膜が固化される場合について説明した。
【０１２９】
そして、図４に示すように、パルスレーザー光Ｋが照射された状態で、ガラス基板１０１をＣ’の方向に一定速度にて移動させることにより、ガラス基板１０１に対するパルスレーザー光Ｋの走査が行なわれる。このときのパルスレーザー光が照射されないパルス時間においてガラス基板１０１の移動距離が走査ピッチＰとなる。本実施例では、ガラス基板１０１のＣ’方向への移動速度と、パルスレーザー光Ｋの発振周波数により、走査ピッチＰが規定される。図４に示すレーザーアニール装置では、ガラス基板１０１を移動させるので、ガラス基板１０１から見た場合には、パルスレーザー光Ｋの走査方向とガラス基板１０１の移動方向Ｃとは逆方向になる。
【０１３０】
図５（ｃ）は、２回目のパルスレーザー光を照射したときのガラス基板１０１の状態を示している。２回目のパルスレーザー光が照射される領域１０７’は、１回目のパルスレーザー光Ｋの照射から矢印Ｃの方向に走査ピッチＰだけ走査されて、図５（ｃ）に示すように、１回目の照射領域から走査ピッチＰだけ下方にずれた領域１０７’にパルスレーザー光Ｋが照射される。
【０１３１】
そして、パルスレーザー光Ｋが照射された領域１０７’が溶融された後、隣接する非照射領域の結晶性を反映して矢印Ｍ’の方向に沿って再結晶化する。その結果、横方向に再結晶化した一対の領域１０３ｆ’及び１０３ｈ’と、その中央部においてランダムな核発生により結晶化した領域１０３ｇ’が形成される。このとき、走査方向Ｃとは反対側の領域１０３ｆ’は、１回目のパルスレーザー光の照射により結晶化された領域１０３ｆの結晶を引き継ぐように結晶化され、この領域１０３ｆ’は、領域１０３ｆが走査方向Ｃに結晶成長が延長した状態となったほぼ単結晶の領域１０３ｉを形成する。
【０１３２】
このように、パルスレーザ光Ｋの照射を図中矢印Ｃで示す方向に走査ピッチＰにて順次走査していけば、図５（ｄ）及び図７（ｂ）に示すように、ほぼ単結晶状態となった領域１０３ｉをさらに延長して、広範囲にわたって単結晶領域が形成される。
【０１３３】
本実施例１では、パルスレーザー光の発振周波数を２００Ｈｚとし、１回目のパルスレーザー光の照射と２回目のパルスレーザー光の照射との間の時間間隔を、５ｍｓｅｃとした。また、パルスレーザー光の走査ピッチＰとしては、０．１〜１．５μｍの範囲において、例えば、０．５μｍとした。このとき、パルスレーザー光の走査方向に対するレーザービームの幅を１０μｍとすると、領域１０３ｂの任意の一点においては、計２０回のパルスレーザー照射が行われることになる。しかし、この場合、最終回のパルスレーザー光の照射時にて結晶化されたときの結晶状態を反映して領域１０３ｉの結晶状態が規定されるので、最終回のパルスレーザー光の照射が最も重要となる。
【０１３４】
このようにして形成された領域１０３ｉは、ミクロ的に見るとパルスレーザー光を照射する際の走査方向Ｃに沿った図５（ｄ）及び図７（ｂ）でＮにて示すライン状の結晶粒を構成している。この結晶粒は、ＥＢＳＰ法を用いた２次元的な結晶面方位の観察によると、それぞれのライン状の結晶粒は独立ではなく、ほぼ同一の面方位で並列した、ほぼ単結晶状態となっており、ライン状結晶粒の粒界部では、５°以内の小傾角粒界を形成している。また、格子の連続性もほぼ保たれており、各粒界部において８０％以上の原子がつながっている状態となっている。
【０１３５】
次に、図７（ｆ）に示すように、ほぼ単結晶状態に結晶化された領域１０３ｉを用いて、不要な部分のケイ素膜を除去することにより素子間分離を行い、後にＮ型ＴＦＴの活性領域となる結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び後にＰ型ＴＦＴの活性領域となる、所望の島状の形状の結晶性ケイ素膜１１１ｐを形成する。本実施例１では、この結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐを、後のＴＦＴのキャリアの移動方向と、レーザー光走査による結晶の成長方向とが概略平行になるように形成した。
【０１３６】
次に、図７（ｄ）に示すように、活性領域となる結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐ上をそれぞれ覆うように、２０〜１５０ｎｍの膜厚、例えば、１００ｎｍの膜厚にゲート絶縁膜である酸化ケイ素膜１１２を成膜する。この酸化ケイ素膜１１２の形成には、本実施例１では、ＴＥＯＳを原料として、酸素共存下に基板温度を１５０〜６００℃、好ましくは、３００〜４５０℃に加温して、ＲＦプラズマＣＶＤ法により堆積した。続いて、スパッタリング法によって、酸化ケイ素膜１１２上に高融点メタルを堆積し、これをパターニングして、結晶性ケイ素膜１０３上の所定部分に位置するゲート電極１１３を形成する。ゲート電極１１３を形成するために用いられる高融点メタルとしては、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）が望ましい。本実施例１では、微量の窒素が添加されたＴａと純Ｔａとを積層した２層構造物を用い、２層合わせた厚さが３００〜６００ｎｍ、例えば４５０ｎｍになるようにゲート電極１１３を形成した。
【０１３７】
続いて、イオンドーピング法を用いて、リン（Ｐ）１１５を注入する。この場合、ゲート電極１１３がマスクとなり、ゲート電極１１３の下の部分の結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐ中には、リン１１５は注入されない。本実施例１では、リン１１５をドーピングする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。
【０１３８】
この工程により、ゲート電極１１３にマスクされてリン１１５が注入されない結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐの領域は、後の工程を経てＴＦＴのチャネル領域１１８ｎ及び１１８ｐとなる。また、ゲート電極１１３にマスクされずにリン１１５が注入された結晶性ケイ素膜１１１ｎ及び１１１ｐの領域は、後の工程を経てＴＦＴのソース領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレイン領域１２０ｎ、１２０ｐとなる。この工程では、リン１１５が注入されたことにより、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型の不純物領域となる。すなわち、この工程では、Ｎチャネル型ＴＦＴに相補的に設置されるＰチャネル型ＴＦＴにおいても、ソース／ドレイン領域にリン１１５が注入されており、Ｎ型の不純物領域１１９ｎ’、１２０ｎ’となっている。
【０１３９】
次に、図７（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ工程により、Ｎ型チャネルＴＦＴとなる結晶性ケイ素膜１１１ｎ上のゲート絶縁膜１１２及びゲート電極１１３ｎ上を覆うフォトレジスト１２１を設け、Ｐ型の不純物が注入されないための選択ドーピング用のマスクとする。
【０１４０】
そして、この状態で、イオンドーピング法によって、ホウ素１１６を注入する。本実施例１では、ホウ素１１６を注入するためのドーピングガスとして、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用い、１×１０16〜５×１０16ｃｍ-2、例えば２×１０16ｃｍ-2の高ドーズ量にて、４０〜８０ｋＶ、例えば、６５ｋＶの加速電圧を印加することによりドーピングを行った。
【０１４１】
この工程において、ゲート電極１１３ｐの下の部分の結晶性ケイ素膜１１１ｐ中には、ゲート電極１１３ｐがマスクとなるためホウ素１１６は注入されない。また、ゲート電極１１３ｐが形成されていない領域の結晶性ケイ素膜１１１ｐ中には、ゲート絶縁膜１１２越しにホウ素１１６がドーピングされる。この結果、先の工程でＮ型の不純物であるリンが注入されてＮ型になっているソース領域１１９ｎ’及びドレイン領域１２０ｎ’は、過剰なホウ素１１６が注入されることにより、所謂カウンタードーピングがなされる結果、特性が反転し、Ｐ型不純物領域１１９ｐ及び１２０ｐとなる。このようにして、Ｎチャネル型ＴＦＴとＰチャネル型ＴＦＴを、それぞれ同一基板上に形成することができる。
【０１４２】
次に、図７（ｆ）に示すように、選択ドーピングのためのマスクとして設けられたフォトレジスト１２１を除去した後、不活性雰囲気下、例えば、窒素雰囲気下にて、５００〜６００℃の温度条件として、数時間〜数十時間にわたる加熱処理を行うことにより、Ｎ型及びＰ型のそれぞれのＴＦＴのソース／ドレイン領域に含まれるリンにより、この領域に含まれるニッケルをトラップする。そして、図７（ｆ）に矢印１２２ｑに示すように、チャネル領域に存在しているニッケルを隣接するソース領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレイン領域１２０ｎ、１２０ｐにそれぞれ移動させる。この結果、チャネル領域に存在するニッケルの濃度を大幅に低減することができる。
【０１４３】
ここで、各ＴＦＴは、図５（ｄ）に示す方向になるように配置した。すなわち、パルスレーザー光を照射する際のパルスレーザー光の走査方向Ｃと、ニッケルを移動させる方向Ｑとが概略平行となるようする。このようにＴＦＴを配置にすることにより、チャネル領域内のライン状結晶の結晶粒の方向Ｎと、ニッケルの移動方向Ｑとが同方向となり、ソース領域及びドレイン領域へのニッケルの移動が、異なる結晶粒界を超えることなく行なわれる。その結果、ニッケルの移動効率が向上し、チャネル領域内のニッケルの残存量を大幅に低減することができる。
【０１４４】
このときのチャネル領域中に残存するニッケルの濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定すると、この工程を行なう前に５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であったチャネル領域内のニッケルの濃度は、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度にまで低減された。
【０１４５】
一方、この加熱処理によって、ソース領域及びドレイン領域の活性化が同時に行なわれる。この工程により製造されたＮ型不純物領域のシート抵抗値は、０．５〜１ｋΩ／□、Ｐ型不純物領域１１９ｐ、１２０ｐのシート抵抗値は、１〜２ｋΩ／□となった。さらには、この加熱処理工程により、ゲート絶縁膜の焼成処理が同時に行なわれ、ゲート絶縁膜自体のバルク特性及び結晶性ケイ素膜とゲート絶縁膜との間の界面特性の向上が図られる。
【０１４６】
次に、図７（ｇ）に示すように、層間絶縁膜１２３として、９００ｎｍの膜厚の酸化ケイ素膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。そして、層間絶縁膜１２３のそれぞれのＴＦＴの結晶性ケイ素膜上のソース領域１１９ｎ、１１９ｐ及びドレイン領域１２０ｎ、１２０ｐに該当する部分に、それぞれコンタクトホール１２１を形成する。層間絶縁膜１２３に形成されたコンタクトホール１２１には、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムとの二層膜によって、ＴＦＴのソース／ドレイン領域に電気的に接続される電極・配線１２４を形成する。その後、１気圧の水素雰囲気下、３５０℃の温度条件として、１時間にわたるアニールを行うことにより、Ｎチャネル型ＴＦＴ１２５とＰチャネル型ＴＦＴ１２６とが完成する。さらに、必要に応じて、Ｎ型及びＰ型のＴＦＴ１２５及び１２６を保護するために、この上に窒化ケイ素膜等からなる保護膜を設けてもよい。
【０１４７】
以上説明した工程を経て得られるＣＭＯＳ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ＴＦＴ１２５で４５０〜５００ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐ型ＴＦＴ１２６で１５０〜２００ｃｍ2／Ｖｓという高い値が得られ、また、閾値電圧は、Ｎ型ＴＦＴ１２５で１．０Ｖ程度、Ｐ型ＴＦＴ１２６で−１．５Ｖ程度と非常に良好な特性が得られた。しかも、従来の結晶化方法により得られる半導体装置で問題となっている特性のばらつきについても、電界効果移動度で±１０％程度、閾値電圧で±０．２Ｖ程度に抑えることができた。なお、以上の特性は、４００ｍｍ×３２０ｍｍの大きさの基板において３０点の測定を行なうことによって得られたものである。
【０１４８】
また、触媒元素の残存が特に問題となるＴＦＴのオフ領域でのリーク電流の増大及びばらつきについても、異常点がみられず、触媒元素を用いない場合と同程度のレベルにまで低減することができた。このため、製造歩留まりを大きく向上することができる。さらに、繰り返し測定、バイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行なっても、特性劣化はほとんど見られず、従来の結晶化方法により得られたＴＦＴに比較して信頼性が高く、電気特性が安定した回路が得られた。
【０１４９】
（実施例２）
本実施例２では、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、画素部分、薄膜集積回路に用いられる、Ｎチャネル型ＴＦＴをガラス基板上に製造する工程について説明する。
【０１５０】
図８は、本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を説明するための半導体装置の平面図である。
【０１５１】
図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。また、図１０（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。
【０１５２】
本実施例２のＮ型ＴＦＴを製造するには、まず、図９（ａ）に示すように、後の工程によりガラス基板２０１から不純物が拡散することを防止するため、ガラス基板２０１上に、例えば、スパッタリング法、あるいはプラズマＣＶＤ法によって、３００〜５００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化ケイ素からなる下地膜２０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ２０〜８０ｎｍ、例えば、４０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）２０３を成膜する。
【０１５３】
次いで、ａ−Ｓｉ膜２０３上の全面にわたって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たマスク２０４を形成する。本実施例２では、ａ−Ｓｉ膜２０３上にＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料として、酸素共存下でＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて堆積することにより酸化ケイ素膜を堆積した。この場合の酸化ケイ素膜の膜厚は、１００〜４００ｎｍの範囲であることが望ましく、本実施例２では、酸化ケイ素膜の膜厚を１５０ｎｍとした。このマスク２０４には、スリット状のスルーホールが形成され、スルーホールが形成された領域２００において、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈される。このマスク２０４に形成されたスルーホールによって、図８に示すように、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈した領域２００がスリット状となる。領域２００以外の部分はマスク２０４によってａ−Ｓｉ膜２０３が露呈していない状態になっている。この場合、ａ−Ｓｉ膜２０３が露呈している各領域のライン幅Ｌは、１〜１５μｍの範囲に設定されていることが望ましく、本実施例２では、８μｍとした。
【０１５４】
次に、ａ−Ｓｉ膜２０３及びマスク２０４の表面上に微量のニッケル２０５を添加する。ニッケル２０５の添加は、ニッケル２０５を溶解した溶液をａ−Ｓｉ膜２０３及びマスク２０４上に保持し、スピナーによりニッケル溶液を基板上に延ばし乾燥させることにより行った。本実施例２では、溶質として酢酸ニッケル、溶媒としてエタノールを用い、溶液中のニッケル濃度が１０ｐｐｍとなるように調整した。添加されたニッケル２０５の濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法を用いた測定により、５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。
【０１５５】
次に、図９（ｂ）に示すように、この状態で、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素雰囲気下で、加熱温度を５３０〜６００℃、例えば、５８０℃として、１１時間にわたってアニールする。
【０１５６】
この際、ニッケル２０５がａ−Ｓｉ膜２０３の表面上に添加された領域では、ａ−Ｓｉ膜２０３の表面に存在するニッケル２０５のシリサイド化が起こり、このシリサイドを核として、ａ−Ｓｉ膜２０３が結晶化し、この領域２００において、結晶性ケイ素膜の領域２０３ａが形成される。そして、引き続いて、領域２００の周辺領域において、矢印Ｒで示すように、領域２００から横方向（基板に平行な方向）に結晶が成長した結晶性ケイ素膜の領域２０３ｂが形成される。また、領域２０３ｂの外側には、非晶質ケイ素膜が残った領域２０３ｄとして残っている。
【０１５７】
各領域２００から横方向に結晶化が進むことにより、各領域２００の略中央部分には、各領域から横方向に成長した結晶がぶつかり合った境界部２０３ｃが形成される。
【０１５８】
マスク上に添付されたニッケル２０５は、マスク２０４によってマスクされるために下層のａ−Ｓｉ膜２０３には到達せず、ａ−Ｓｉ膜２０３の結晶化には関与しない。このような横方向に結晶成長した結晶性ケイ素膜の領域２０３ｂ中のニッケル濃度は、５×１０17〜１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であり、直接、ニッケル２０５が添加されて結晶成長した結晶性ケイ素膜の領域２０３ａ中のニッケル濃度は、１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であった。また、上記の結晶成長に際し、矢印Ｒで示されるガラス基板２０１と平行な方向の結晶成長された長さは、最長の部分で１３０μｍ程度であった。
【０１５９】
次に、図９（ｃ）に示すように、マスク２０４をエッチング除去する。本実施例２では、エッチャントとしては、下層のケイ素膜２０３との間で十分なエッチングの選択性がある１：１０のバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによりマスク２０４を除去した。
【０１６０】
次に、図１０（ｄ）に示すように、領域２００に直交する方向にライン状にパルスレーザー光を照射して、パルスレーザー光が照射された領域を溶融状態として、その後、再結晶化することにより結晶性ケイ素膜を形成する。
【０１６１】
このときのパルスレーザー光として、本実施例２では、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、パルスレーザー光の照射時に基板を２００〜４５０℃、例えば４００℃に加熱し、エネルギー密度を２００〜６００ｍＪ／ｃｍ2、例えば４００ｍＪ／ｃｍ2で照射する照射条件とした。
【０１６２】
実施例２でも、実施例１と同様に、長尺形状のパルスレーザー光Ｓを図４中の矢印Ｕの方向に順次走査することにより、前段のパルスレーザー光Ｓの照射によって結晶化された領域の結晶性を引き継いだ領域２０３ｊの成長が行われる。
【０１６３】
実施例１の場合と異なっているのは、ニッケル２０５により横方向に結晶成長した領域２０３ｂを越えて、その外側の非晶質ケイ素膜領域２０３ｄにもパルスレーザー光Ｓの照射による結晶化が行われる点である。この場合にも、最初のパルスレーザー光Ｓの照射によるケイ素膜の溶融固化は、領域２０３ｂに対して行われるため、その際の結晶性を引き継いでその後のパルスレーザー光Ｓの照射によるケイ素膜の溶融固化が進むため、非晶質ケイ素膜となっている領域２０３ｃにおいても、高品質な結晶性ケイ素膜２０３ｊが形成される。
【０１６４】
本実施例２では、パルスレーザー光Ｓの走査ピッチ幅Ｐは、０．１〜１．５μｍ、例えば、０．５μｍとした。また、パルスレーザー光Ｓの走査方向に対するレーザービーム光Ｓの幅を１０μｍとした。この場合、ケイ素膜上の任意の一点について、計２０回のパルスレーザー光Ｓの照射が行われることになる。しかし、実際には、ケイ素膜上の各位置に対して複数回照射されるパルスレーザー光Ｓの照射のうち、最終回のパルスレーザー光Ｓの照射により、その前段のパルスレーザー光Ｓの照射により結晶化された隣接領域の結晶性を反映して結晶化されることから、最終回のパルスレーザー光Ｓの照射が結晶性ケイ素膜の結晶性を規定する上で最も重要である。
【０１６５】
このようなパルスレーザー光Ｓを順次走査することにより形成された領域２０３ｊは、パルスレーザー光の走査方向に沿ったライン状の結晶粒により構成されている。この結晶粒は、ＥＢＳＰ法を用いた２次元的な結晶面方位の観察によると、それぞれのライン状の結晶粒は、結晶粒界を挟んでほぼ同一の面方位となった、ほぼ単結晶状態となっており、ライン状の結晶粒の粒界部では、５°以内の小傾角粒界を形成している。
【０１６６】
次に、図１０（ｃ）に示すように、ほぼ単結晶状態に結晶化された領域２０３ｊを用いて、ニッケル２０５により成長された領域２０３ｂから形成されたほぼ単結晶状態となった領域２０３ｊを用い、他の不要な部分のケイ素膜を除去することにより素子間分離を行い、所望の島状に形成された結晶性ケイ素膜２１１を形成する。
【０１６７】
次に、図１０（ｃ）に示すように、活性領域となる結晶性ケイ素膜２１１上を覆うように、２０〜１５０ｎｍの膜厚、例えば、１００ｎｍの膜厚にゲート絶縁膜である酸化ケイ素膜２１２を成膜する。この酸化ケイ素膜２１２の形成には、本実施例２では、ＴＦＯＳを原料として、酸素共存下に基板温度を１５０〜６００℃、好ましくは、３００〜４５０℃に加温して、ＲＦプラズマＣＶＤ法により分解・堆積した。あるいは、ＴＥＯＳを原料として、オゾンガス共存下に基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０℃に加温して、減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法により、酸化ケイ素膜２１２を形成してもよい。酸化ケイ素膜２１２の成膜後、酸化ケイ素膜２１２自体のバルク特性、結晶性ケイ素膜２１１と酸化ケイ素膜２１２との界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で、４００〜６００℃の温度条件で、１〜４時間にわたる熱処理を行った。続いて、スパッタリング法によって、４００〜８００ｎｍの膜厚、例えば、６００ｎｍの膜厚にアルミニウムを成膜し、これをパターニングして、結晶性ケイ素膜２１２上となる所定の部分に位置するゲート電極２１３を形成する。次いで、このアルミニウムからなるゲート電極２１３の表面を陽極酸化することにより、表面上に酸化物層２１４を形成する。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、最初に一定電流を流した後に２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持することにより得られる。得られた酸化物層２１４の厚さは２００ｎｍであった。なお、この酸化物層２１４は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲート電極を形成する厚さとなるため、オフセットゲート領域の長さを上記の陽極酸化工程により決定することができる。
【０１６８】
続いて、イオンドーピング法を用いて、不純物であるリンを注入する。この場合、酸化ケイ素膜２１２上に形成されたゲート電極２１３及び酸化物層２１４がマスクとなり、ゲート電極２１３の下の部分に該当する結晶性ケイ素膜２１１中にはリンは注入されない。本実施例２では、リンをドーピングする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１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば２×１０15ｃｍ-2とした。
【０１６９】
この工程により、ゲート電極２１３にマスクされてリンが注入されない結晶性ケイ素膜２１１の領域は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。また、ゲート電極２１３にマスクされずにリンが注入された結晶性ケイ素膜２１１の領域は、後にＴＦＴのソース領域２１９及びドレイン領域２２０となる。この工程では、リンが注入されたことにより、Ｎチャネル型ＴＦＴにおけるＮ型の不純物領域が形成される。
【０１７０】
このとき、図８に示すようにＴＦＴを配置することにより、ＴＦＴの動作に対して、キャリアが流れる方向（ソース領域２１９→ドレイン領域２２０の方向）と、チャネル領域２１８を構成するライン状の結晶粒のライン方向（成長方向Ｔ）とが、平行となっているため、より高い移動度を有するＴＦＴが得られる。
【０１７１】
次に、図１０（ｃ）に示すように、レーザー光Ｖを照射してアニールを行うことにより、イオン注入した不純物を活性化すると同時に、上記の不純物の導入工程により結晶性が劣化した部分の結晶性を改善する。
【０１７２】
この際、レーザー光Ｖとしては、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）を用い、エネルギー密度を１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ2、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ2とした。このようにして形成されたＮ型不純物領域のシート抵抗は、２００〜５００Ω／□となった。
【０１７３】
次に、図１０（ｄ）に示すように、６００ｎｍ程度の膜厚の酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を形成して層間絶縁膜２２３とする。層間絶縁膜２２３として酸化ケイ素膜を形成する場合は、ＴＥＯＳを原料として、酸素共存下でのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾン共存下での減圧ＣＶＤ法を用いることにより、段差被覆性に優れた良好な酸化ケイ素膜が形成される。また、層間絶縁膜２２３として窒化ケイ素膜を形成する場合は、ＳｉＨ4及びＮＨ3を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法を用いることにより窒化ケイ素膜が形成される。この窒化ケイ素膜は、活性領域とゲート絶縁膜との界面に水素原子を供給して、ＴＦＴ特性を劣化させる不対結合手を低減することができる。
【０１７４】
次いで、層間絶縁膜２２３のＴＦＴの結晶性ケイ素膜２１１上のソース領域２１９及びドレイン領域２２０に該当する部分に、これらの領域に到達するコンタクトホール２２３ａを形成する。層間絶縁膜２２３に形成されたコンタクトホール２２３ａには、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムとの二層膜によって、ＴＦＴのソース領域２１９及びドレイン領域２２０に電気的に接続される電極・配線２２４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ことを防止するためのバリア膜として設けられる。また、このＴＦＴを液晶表示装置の画素スイッチング用等に用いる場合には、ドレイン電極２２０には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極を用いればよい。さらに、このＴＦＴ２２５を薄膜集積回路等に用いる場合には、ゲート電極２１３上にもコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールに必要とする配線を設ければよい。
【０１７５】
最後に、１気圧の水蒸気雰囲気下、３５０℃の温度条件として１時間にわたるアニールを行い、所望のＴＦＴ２２５を完成する。なお、ＴＦＴ２２５を保護するために、さらに、窒化ケイ素膜等の保護膜を設けてもよい。
【０１７６】
以上説明した工程を経て製造されるＴＦＴ２２５は、電界効果移動度が４５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．０Ｖ程度となり、性能が著しく向上された。さらに、電界効果移動度で±１０％程度、閾値電圧で±０．２Ｖ程度にそれぞれ抑えることができた。なお、以上の特性は、４００ｍｍ×３２０ｍｍの大きさの基板において、３０点の測定を行うことによって得られたものである。
【０１７７】
また、上記特性は、ＴＦＴのキャリアの移動方向と、パルスレーザー光の照射の走査による結晶の成長方向とが、互いに平行になるように設計したＴＦＴについて得られたものであるが、ＴＦＴのキャリアの移動方向と、結晶の成長方向とが互いに垂直方向になるように設計したＴＦＴにおいても、電界効果移動度が３５０ｃｍ2／Ｖｓ程度、閾値電圧が１．２Ｖ程度となり、従来の方法により得られるＴＦＴに比較して十分に高性能になり、また、基板内での特性のばらつきも同様に小さく抑えることができた。
【０１７８】
さらに、本実施例２のＴＦＴは、繰り返し測定、バイアスや温度ストレスによる耐久性試験を行っても特性劣化はほとんどみられず、信頼性が高い。また、触媒元素の残留が特に問題となるＴＦＴのオフ領域でのリーク電流の増大及びばらつきについても、異常点がなく、触媒元素を用いない場合と同程度の数ｐＡ程度のレベルまで低減することができた。このため、製造歩留まりを大きく向上することができる。
【０１７９】
さらに、本実施例２のＴＦＴを用いて液晶パネルを製造すれば、従来の製造方法により製造されたＴＦＴを用いた液晶パネルに比較して、表示ムラが小さく、ＴＦＴリークによる画素欠陥も極めて少なく、コントラスト比が高い、表示品位が高い液晶パネルを製造することができる。
【０１８０】
（実施例３）
本実施例３では、ケイ素膜に照射するレーザー光として、連続発振レーザー光を用いた場合について説明する。なお、本実施例３では、連続発振レーザー光を用いた他は、上記実施例１及び２と概略同様であるので、実施例１及び２に用いた図面を参照するとして、その図示は省略する。
【０１８１】
まず、実施例１及び２と同様に、ガラス基板上に、酸化ケイ素膜等からなる下地絶縁膜を形成し、その下地絶縁膜上に、非晶質ケイ素膜（ａ−Ｓｉ膜）を成膜する。
【０１８２】
次に、この非晶質ケイ素膜上の全面にわたって酸化ケイ素幕または窒化ケイ素膜等の絶縁性薄膜を堆積した後、パターニングすることにより所定の部分に開口部を有するマスクを形成する。そして、このマスクが形成された非晶質ケイ素膜上に、マスクの開口部を利用して選択的に触媒元素を導入する（このときの非晶質ケイ素膜が形成されたガラス基板の状態は、図６（ａ）参照するものとし、触媒元素の導入方法については、実施例１中の説明を参照するものとする）。
【０１８３】
次に、この状態で、不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素ガス雰囲気下で、加熱温度を５３０〜６００ドとして、アニールして、触媒元素が導入された非晶質ケイ素膜の領域から横方向に結晶成長させる。このときの状態は、図６（ｃ）及び図９（ｃ）が参照される。また、平面的には、図１（ａ）及び図５（ａ）が参照される。
【０１８４】
次に、この状態の結晶性ケイ素膜に対して、連続発振レーザー光を連続的に照射しながら走査する。これにより、この結晶性ケイ素膜を、レーザー光の走査方向に沿って結晶化させる。このレーザー光の走査方向は、実施例１及び２のパルスレーザー光の走査方法と同様である。結晶性ケイ素膜に照射される連続発振レーザー光としては、ダイオード励起の連続発振ＹＡＧレーザー光を用いた。また、波長は、５３２ｎｍであり、パワー変動は１％以下であった。さらに、連続発振ＹＡＧレーザーの出力は、１０Ｗであり、走査速度は、基板に対して５０〜２００ｃｍ／ｓｅｃ、例えば、１００ｃｍ／ｓｅｃとした。結晶性ケイ素膜において、連続発振レーザー光の照射により照射された部分は溶融し、レーザー光の照射領域と非照射領域との境界において、固体状態のケイ素と液状状態のケイ素との界面が生じ、その界面が、レーザー光の走査に伴って連続的に移動することにより、元の結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して一方向に沿った結晶粒界が成長する。
【０１８５】
その後、結晶性ケイ素膜の不要な部分を除去して素子間分離を行い、後にＴＦＴの活性領域（ソース及びドレイン領域、チャネル領域）となる島状にパターニングを行う。以下の工程は、前述の実施例１及び２と同様の工程を経て、ＴＦＴが完成される。
【０１８６】
本実施例３では、このように連続発振レーザー光を用いて結晶性ケイ素膜を横方向（レーザー光走査方向）に再結晶化を行っている。本実施例３では、パルスレーザー光を用いた実施例１及び２に比較して、より高いＴＦＴ特性が得られることが明らかとなった。具体的には、Ｎチャネル型ＴＦで６００ｃｍ2／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られた。
【０１８７】
以上、本発明に基づく半導体装置について、３つの実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上記３つ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。
【０１８８】
例えば、上記の３つの実施例においては、非晶質ケイ素膜の表面にニッケル塩の水溶液を塗布する方法、低パワーのＤＣスパッタリング法を採用しているが、非晶質ケイ素膜を形成する前に、下地膜の表面に選択的にニッケルを導入することにより、上層の非晶質ケイ素膜を結晶化することもできる。すなわち、非晶質ケイ素の結晶化を促進する触媒元素は、非晶質ケイ素膜の上側から導入して非晶質ケイ素膜の表面側から結晶成長させてもよく、下側に導入しておいて、非晶質ケイ素膜の裏面側から結晶成長させてもよい。
【０１８９】
また、ニッケルの導入方法として、上記実施例の方法のほか、種々の方法を用いることができる。例えば、ニッケル塩を溶解させる溶媒として、ＳＯＧ（スピンオングラス）材料を用い、ＳｉＯ2膜より拡散させる方法、イオンドーピング法により直接導入する方法、蒸着法、メッキ法により薄膜形成する方法等を利用することができる。
【０１９０】
さらに、触媒元素として、ニッケルのほか、コバルト、鉄、パラジウム、白金、銅、金を用いることができる。
【０１９１】
また、上記実施例１及び２において、触媒元素により結晶化された結晶性ケイ素膜を溶融固化させるパルスレーザー光としては、上記実施例１及び２に用いた波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーの他、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長１９８ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー等を使用してもよい。また、可視領域の波長となるが、ＹＡＧレーザーを使用することも可能である。また、照射されるパルスレーザー光の照射形状に関しても、上記の長尺矩形状以外の形状としても同様の効果が得られる。
【０１９２】
また、本発明の半導体装置が適用される装置としては、液晶表示用のアクティブマトリクス型基板のほか、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または表示素子、三次元ＩＣ等に適用しても、これらの素子を高速、高解像度化を実現することができる。
【０１９３】
さらに、本発明の半導体装置は、上記の実施例１で説明したＭＯＳ型トランジスタに限られず、結晶性半導体を素子材としたバイポーラトランジスタ、静電誘導トランジスタ等、幅広く半導体プロセスの全般に応用することができる。
【０１９４】
【発明の効果】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する微量の触媒元素が導入されて基板に対して横方向に固相成長された領域を種結晶として、この固相成長された領域に対して光照射することによる溶融固化過程により概略一方向に結晶成長された領域を、活性領域とするため、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することができ、集積度の高い高性能半導体装置を、簡便な製造プロセスにて製造することができる。
【０１９５】
さらに、本発明の製造方法を用いた製造工程において、良品率を大きく向上することができ、商品の低コスト化を図ることができる。特に、アクティブマトリクス基板の画素スイッチング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の高性能化・高集積化が要求される液晶表示装置においては、これらの特性の向上が同時に満足され、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することができ、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明の半導体装置の製造方法を工程毎に説明する平面図である。
【図２】本発明の半導体装置を製造する場合において、パルスレーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化過程に使用されるレーザーアニール装置を示す概略図である。
【図３】遮蔽マスクを透過して基板上に照射されるパルスレーザー光の強度プロファイルを示す説明図である。
【図４】本発明の半導体装置を製造する場合において、パルスレーザー光の照射によるケイ素膜の溶融固化過程に使用される他のレーザーアニール装置を示す概略図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例１のＮ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとを相補的に構成したＣＭＯＳ構造を製造する工程を工程毎に説明する平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図５（ａ）の構造を製造する工程を工程毎に説明しており、図５（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。
【図７】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、図５（ｂ）〜（ｄ）に示す構造を製造する工程をその工程毎に説明しており、図５（ｂ）〜（ｄ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。
【図８】実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を説明するための平面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図８に示すＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８のＡ−Ａ’線に沿う断面図を示している。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例２のＮ型ＴＦＴを製造する工程を工程毎に説明しており、図８のＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。
【図１１】特表２０００−５０５２４１号公報の方法により得られる結晶性ケイ素膜の結晶粒の状態を概略的に示す断面図である。
【図１２】特表２０００−５０５２４１号公報に記載された結晶化処理方法であって、レーザ光が照射される露光領域を形成するためのマスクの形状に屈曲形状を含む形状として結晶化した結果を示す平面図である。
【図１３】特開平１１−２６０７２３号公報の方法で得られる結晶性のケイ素膜を示す平面図である。
【図１４】連続発振レーザー光とケイ素膜に照射した場合のケイ素膜の状態変化を概略的に示す断面図である。
【図１５】本発明の半導体装置の微細構造を示す写真代用の概略図である。
【符号の説明】
１ 各触媒元素導入領域
３ ドメイン境界
４ 結晶ドメイン
６ 領域
８ 領域
９ 領域
１０ 領域
１１ 領域
１２ 領域
１４ 領域
１５ 領域
１６ 成長境界部
１７ 活性領域
１００ 領域
１０１ ガラス基板
１０２ 下地膜
１０３ 非晶質ケイ素膜
１０４ マスク
１０５ ニッケル
１０７ 領域
１０７’ 領域
１１１ｎ、１１１ｐ 結晶性ケイ素膜
１１８ｎ、１１８ｐ チャネル領域
１１９ｎ、１１９ｐ ソース領域
１２０ｎ、１２０ｐ ドレイン領域
１２５ Ｎチャネル型ＴＦＴ
１２６ Ｐチャネル型ＴＦＴ
２００ 領域
２０１ ガラス基板
２０２ 下地膜
２０３ 非晶質ケイ素膜
２０４ マスク
２０５ ニッケル
２１１ 結晶性ケイ素膜
２１３ ゲート電極
２１４ 酸化物層
２１８ チャネル領域
２１９ ソース領域
２２０ ドレイン領域
２２３ 層間絶縁膜
２２４ 電極・配線
２２５ ＴＦＴ
Claims (32)
- 絶縁表面を有する基板上に結晶性を有するケイ素膜によって活性領域が形成された半導体装置であって、
該活性領域は、非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する微量の触媒元素が導入された領域から一方向に沿って固相成長された領域を種結晶として、該固相成長された領域を溶融固化させることにより概略一方向に結晶成長された結晶性を有するケイ素膜によって形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記溶融固化させることにより結晶成長された結晶性を有するケイ素膜の結晶成長方向が、前記固相成長された領域の結晶成長方向に対して、概略直交する方向である、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、
該各ライン状の結晶粒群間の面方位のずれが、５°以内になっている、請求項１に記載の半導体装置。 - 前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、
該各ライン状の結晶粒群の結晶粒界は、少なくとも８０％以上のケイ素原子が原子レベルで格子状につながっている、請求項１に記載の半導体装置。 - 前記活性領域は、前記溶融固化させることにより結晶成長された領域の結晶成長方向に沿って概略一方向に並んだライン状の結晶粒群により形成され、
該各ライン状の結晶粒界間には、小傾角粒界が形成されている、請求項１に記載の半導体装置。 - 前記小傾角粒界は、各結晶粒間の平面的な方位の回転角が５°以内になっている、請求項５に記載の半導体装置。
- 前記結晶粒界は、セコエッチング法によるエッチングによりその位置が規定される、請求項３〜６のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記結晶粒群の面方位及び結晶粒界での結晶方位の傾角は、ＥＢＳＰ法により測定される面である、請求項３〜６のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記活性領域は、前記活性領域を移動するキャリアの移動方向が溶融固化されることにより結晶成長された領域の結晶成長方向及び前記各ライン状の結晶粒界に沿う方向に対して概略平行になるように形成されている、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記活性領域に形成される能動領域は、触媒元素であるニッケル元素を１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度で含有している、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
- 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、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する工程と、
該非晶質ケイ素膜を加熱処理することにより、該触媒元素が選択的に導入された領域の近接部分から一定方向に沿って固相成長させて固相成長領域を形成する工程と、
該非晶質ケイ素膜の該固相成長領域を種結晶として、該固相成長方向に対する一定の方向に走査しつつ加熱して、溶融固化により順次再結晶化する工程と、
該非晶質ケイ素膜の、該再結晶化された結晶性を有する領域により、活性領域を形成する工程と、
を包含することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜は、レーザー光が該結晶化方向とは直交する方向に沿って走査されることにより加熱される、請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記触媒元素は、前記絶縁表面を有する基板上に形成された非晶質ケイ素膜上にライン状またはストライプ状に形成された領域に導入され、
前記レーザー光は、該ライン状またはストライプ状に形成された領域が延びる方向に沿って走査される、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ライン状またはストライプ状に形成された領域のそれぞれの幅は、１〜１５μｍの範囲に形成されている、請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、順次再結晶化する工程は、該結晶性ケイ素膜にパルスレーザー光を照射しながら、基板またはパルスレーザー光を一方向に走査することにより、前段のパルスレーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させることにより行われる、請求項１１〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記結晶性ケイ素膜に一定方向に走査されながら照射される前記パルスレーザー光のうち少なくとも第１段目のパルスレーザー光は、前記触媒元素の導入によって結晶化された領域に照射され、この領域へのパルスレーザー光の照射が行われた後の第２段目のパルスレーザー光は、触媒元素の導入による結晶成長が行われていない領域に照射される、請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パルスレーザー光の走査ピッチは、前記パルスレーザー光の照射時に溶融する結晶性ケイ素膜の領域が、隣接する非溶融領域の結晶性ケイ素膜の結晶性を反映して再結晶化できる長さ以下に設定される、請求項１５または１６に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パルスレーザー光の走査ピッチは、０．１μｍ〜１．５μｍである、請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パルスレーザー光は、走査される方向に対して垂直な方向に沿って長くなっている、請求項１５〜１８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パルスレーザー光のビーム強度の強度プロファイルは、前記パルスレーザー光の少なくとも走査方向の反対側の強度プロファイルが、一定強度から急激に０強度まで低下する、請求項１５〜１９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パルスレーザー光は、その走査方向とは反対側の一部を機械的にマスクする遮蔽手段を有するレーザー照射手段を用いて照射される、請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記レーザー照射手段の遮蔽手段は、照射されるパルスレーザー光を、少なくとも前記結晶性ケイ素膜の溶融に必要な強度から連続的に強度が低下する範囲を遮蔽する、請求項２１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パルスレーザー光は、前記結晶性ケイ素膜が膜の全体にわたって溶融する強度で照射される、請求項１５〜２２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パルスレーザー光は、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザーが用いられ、前記結晶性ケイ素膜の表面に対するエネルギー密度が２００〜６００ｍＪ／ｃｍ2となる範囲で照射される、請求項２３に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記触媒元素の導入によって結晶化された結晶性ケイ素膜を、所定方向に走査しつつ加熱して、順次再結晶化する工程は、該結晶ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射しながら、基板または連続発振レーザー光を一方向に走査することにより、先に連続発振レーザー光により再結晶化された領域の結晶性を反映して順次再結晶化させることにより行われる、請求項１１〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記結晶性ケイ素膜に連続発振レーザー光を照射する工程は、該連続発振レーザー光により照射領域のケイ素膜が溶融され、該連続発振レーザー光の走査に伴い、ケイ素膜における固体状態及び液体状態の界面を移動させながら、順次再結晶化が行われる、請求項２５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記連続発振レーザー光として、固体レーザーが用いられる、請求項２５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記活性領域は、前記レーザー光の走査方向に沿って形成される、請求項１２〜２７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記非晶質ケイ素膜の結晶化を促進する触媒元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた少なくとも一つの元素である、請求項１１〜２８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記レーザー光を走査することによって前記結晶性ケイ素膜を順次再結晶化する工程を行った後に、
少なくとも、後の工程により能動領域となる以外の結晶性ケイ素膜の領域に、５族Ｂから選ばれた元素を導入する工程と、
該結晶性ケイ素膜に対して第２の加熱処理を行うことにより、前記５族Ｂから選ばれた元素が導入された領域に、前記触媒元素を移動させ、後の工程により能動領域となる結晶性ケイ素膜の領域に含まれる前記触媒元素の量を低減する工程と、
をさらに行う、請求項１２〜２９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第２の加熱処理により移動される前記触媒元素の移動方向は、前記レーザー光の走査方向と概略平行になっている、請求項３０に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記５族Ｂから選ばれる元素は、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉから選ばれた少なくとも一つの元素である、請求項３０または３１に記載の半導体装置の製造方法。
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