薄膜トランジスタおよび半導体装置の作製方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けられた非単結晶珪素膜を有する絶縁ゲイト型トランジスタ（すなわち、薄膜トランジスタ、ＴＦＴ）に関するものである。本発明のＴＦＴは、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレーやその他の電子回路に利用される。
【０００２】
【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が開発されている。これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）からなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの２つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められていた。
【０００３】結晶性を有する薄膜状の珪素半導体を得る方法としては、非晶質の珪素膜を成膜しておき、長時間、熱エネルギーを印加（アニール）することにより結晶性を有せしめるという方法が知られている。しかしながら、アニール温度として６００℃以上の高温にすることが必要であるため、安価なガラス基板を用いることが困難であること、さらに、アニール時間が数十時間にも及ぶためにスループットが低いことが問題であった。
【０００４】このような問題に対し、ある種の金属元素を珪素膜に添加すると、この金属元素が触媒作用を示して、結晶化がより低温・短時間に進行することが発見された。このような結晶化を助長させる金属元素（触媒元素）としては、８族元素であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔや３ｄ元素であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、あるいはＡｕ、Ａｇが挙げられる。中でも顕著な効果が得られるのがＮｉである。
【０００５】このような金属元素を用いてＴＦＴを作製する例を図３を用いて説明する。基板３０１としては、コーニング７０５９等の無アルカリのホウ珪酸ガラスが使用される。そして、通常はこの基板上に厚さ５００〜５０００Å、例えば２０００Åの酸化珪素膜が下地膜３０２として形成される。そして、その上に厚さ２００〜５０００Å、例えば８００Åの非晶質珪素膜３０４がプラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等の手段によって堆積される。そして、スパッタ法等の手段によって、非常に薄い触媒元素を含む膜３０４が一様に形成される。なお、この触媒元素を含む膜の厚さは、珪素膜に含まれる触媒元素の濃度を決定するので、通常は５〜１００Åといった薄いものである。あまりに薄い場合には、膜という形態を示さない。（図３（Ａ））
【０００６】その後、酸化珪素等で保護膜３０６を形成して、アニールをおこなう。保護膜の厚さは１００〜１０００Å、例えば３００Åである。アニールの温度は４５０〜６００℃、例えば５５０℃である。アニール時間は１〜１０時間、例えば４時間である。このアニール工程によって、非晶質珪素膜は結晶化する。そして、結晶化した珪素膜をパターニングして、島状の珪素膜領域３０５を形成する。この島状の領域はＴＦＴの活性層として利用される。（図３（Ｂ））
その後、ゲイト絶縁膜３０７、ゲイト電極３０８を形成し、これをマスクとして公知のセルフアライン法によって不純物を導入して、ソース３０９、ドレイン３１０を形成する。不純物の活性化には、図に示すようなレーザー照射や熱アニールが用いられる。（図３（Ｃ））
【０００７】その後、層間絶縁膜３１１を形成し、コンタクトホールを開け、ソース、ドレインに電極３１２、３１３を形成して、ＴＦＴが完成する。（図３（Ｄ））
このようにして形成されたＴＦＴでは、触媒元素が活性層に一様に拡散し、半導体内に準位を形成しているため、特に高い電界が生じるドレインとチャネル形成領域の境界においてリーク電流が発生した。すなわち、ゲイト電極に逆の電圧（すなわち、Ｎチャネル型のＴＦＴであれば負の電圧、Ｐチャネル型のであれば正の電圧）が印加されている場合に、印加電圧の絶対値が大きくなるほどソース／ドレイン間のリーク電流が増加するという減少をもたらした。また、ＴＦＴのしきい値電圧も高くなった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題を解決する手段を提供するものである。本発明では、特に高い電界が生じるドレインとチャネル形成領域の境界部分の触媒元素の濃度を選択的に低くすることによって、上記の課題を解決する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来のように一様に触媒元素を珪素膜に導入するのではなく、選択的に導入することを特長とする。このため、最初に導入された部分から結晶化が進行し、周囲に拡大してゆく。そして、本発明人の知見によると、結晶化された部分よりも結晶化の先端部分の方が約１桁程度、触媒元素の濃度が高い。そして、異なる部分から結晶化が進行した２つの結晶領域がぶつかる部分には粒界が発生し、結晶成長はその部分で停止し、触媒元素の濃度も粒界で最も高いままに保たれることが明らかになった。
【００１０】このようにして形成された粒界は触媒元素の濃度が非常に高く、したがって、粒界がドレインとチャネル形成領域の境界に来るような配置は避けるべきである。逆に、常に粒界がチャネル形成領域の中央部に存在すれば、ドレインとチャネル形成領域の境界に粒界が存在することはなく、したがって、その部分の触媒元素の濃度は極端に低い。その結果、ゲイト電極に逆電圧印加時のリーク電流を低減し、しきい値電圧を低下させることができる。
【００１１】すなわち、本発明は、選択的に少なくとも２か所から触媒元素を珪素膜中に導入することによって、結晶化をおこなうと同時に粒界を意図的に形成し、この粒界上にゲイト電極を形成することを特色とする。粒界はゲイト電極を形成するのに適するように線状であることが望ましい。そして、ゲイト電極をマスクとしてセルフアライン法を用いて、ソース、ドレインを形成すれば、粒界は概略、チャネル形成領域の中央に位置することとなる。触媒元素の導入方法としては、実施例１のように非晶質珪素膜をマスク材で覆っておき、これに選択的に導入箇所を設けてもよいし、あるいは、実施例２のように島状珪素領域を形成して、この側面のみを露出させ、これを覆って、触媒元素を含む被膜を形成してもよい。
【００１２】
【作用】本発明では、触媒元素の濃度の高い粒界は常にチャネル形成領域の概略中央に存在し、必然的にドレインとチャネル形成領域の境界部の触媒元素の濃度が低くなるので、ゲイト電極に逆電圧が印加された場合もリーク電流が小さく、また、しきい値電圧も低い。このため、ＴＦＴのＯＮ／ＯＦＦ比を高め、特に、アクティブマトリクスに用いられるＴＦＴのように電荷を保持する特性にすぐれたものとなる。しきい値電圧が低いということは低いゲイト電圧であっても電流駆動能力の高いＴＦＴということである。このことはまた、高いＯＮ／ＯＦＦ比を意味する。
【００１３】
【実施例】〔実施例１〕図１に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）１０１上にスパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜１０２を形成した。基板は、下地膜の成膜の前もしくは後に、歪み温度よりも高い温度でアニールをおこなった後、０．１〜１．０℃／分で歪み温度以下まで徐冷すると、その後の温度上昇を伴う工程での基板の収縮が少なく、マスク合わせが用意となる。コーニング７０５９基板では、６２０〜６６０℃で１〜４時間アニールした後、０．１〜１．０℃／分、好ましくは、０．１〜０．３℃／分で徐冷し、４５０〜５９０℃まで温度が低下した段階で取り出すとよい。
【００１４】さて、下地膜成膜後、窒化珪素膜等によって形成されたマスク１０３を設けた。このマスク１０３は、１００で示される部分が穴となっており、スリット状に下地膜１０２を露呈させる。即ち、図１（Ａ）の状態を上面から見ると、スリット状に下地膜１０２は露呈しており、他ぼ部分はマスクされている状態となっている。上記マスク１０３を設けた後、スパッタリング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Åの金属ニッケル膜を全面に形成した。金属ニッケル膜の代わりに珪化ニッケル膜（化学式ＮｉＳｉx 、０≦ｘ≦４、例えば、ｘ＝２．０）を用いてもよい。この状態で、ニッケルが１００の領域に選択的に導入されることになる。（図１（Ａ））
【００１５】つぎに、マスク１０３のみを取り除き、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ３００〜１５００Å、例えば５００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜を成膜した。そして、不活性雰囲気下（窒素もしくはアルゴン、大気圧）、５５０℃、で４〜８時間アニールして結晶化させた。この際、ニッケル膜が選択的に残存した１００の領域の上の領域１０５はニッケルの濃度の極めて高い領域であり、この領域１０５から横方向に結晶化が進行した。この結晶領域１０４は比較的、ニッケルの濃度の低い領域である。また、２つの領域から生じた結晶成長がぶつかった部分は粒界１０５’となり、ニッケルの濃度が高い。この粒界は、紙面に垂直に存在する。したがって、ちょうど、ゲイト電極と同様に線状になっている。（図１（Ｂ））
【００１６】この工程の後に、珪素膜をパターニングして、ＴＦＴの島状の活性層１０４’を形成した。活性層１０４’の大きさはＴＦＴのチャネル長とチャネル幅を考慮して決定される。小さなものでは、５０μｍ×２０μｍ、大きなものでは１００μｍ×１０００μｍであった。（図１（Ｃ））
【００１７】つぎにプラズマＣＶＤ法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜した。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エトキシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 ）と酸素を用い、成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４００℃とした。
【００１８】引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ６０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電極１０７を形成した。ゲイト電極は粒界１０５’の真上に位置するようにパターニングをおこなった。さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層１０８を形成した。この陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコール溶液中で行った。得られた酸化物層１０８の厚さは２０００Åであった。なお、この酸化物１０８は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
【００１９】次に、イオンドーピング法（プラズマドーピング法とも言う）によって、活性層１０４’にゲイト電極部（ゲイト電極１０７とその周囲の酸化層１０８）をマスクとして、自己整合的にＰもしくはＮ導電型を付与する不純物を添加した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ3 ）またはジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）を用い、前者の場合は、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとする。ドース量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば、燐を２×１０15ｃｍ-2とした。この結果、Ｎ型の不純物領域１０９と１１１が形成され、２つの不純物領域の間にチャネル形成領域１１０が残った。チャネル形成領域１１０の概略中央部には粒界１０５’が存在した。
【００２０】その後、レーザー光の照射によってドーピングされた不純物の活性化をおこなった。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いたが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ2 、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ2 とし、一か所につき２〜１０ショット、例えば２ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。（図１（Ｄ））
【００２１】また、この工程は、可視・近赤外光によるランプアニールによる方法でもよい。可視・近赤外線は結晶化した珪素、または燐またはホウ素が１０19〜１０21ｃｍ-3添加された非晶質珪素へは吸収されやすく、１０００℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行うことができる。燐またはホウ素が添加されていると、その不純物散乱により、近赤外線でも十分光が吸収される。その反面、ガラス基板へは吸収されにくいので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工程においては最適な方法であるといえる。
【００２２】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１２を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成した。この層間絶縁物としてはポリイミドまたは酸化珪素とポリイミドの２層膜を利用してもよい。さらにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴの電極・配線１１３、１１４を形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールをおこない、ＴＦＴを完成した。（図１（Ｅ））
【００２３】上記に示す回路は、１つのＴＦＴ（Ｎチャネル型ＴＦＴ）だけであるが、複数の異種のＴＦＴを組み合わせて、例えば、ＰＴＦＴとＮＴＦＴとを相補型に設けたＣＭＯＳ構造としてもよい。
【００２４】本実施例においては、ニッケルを導入する方法として、非晶質珪素膜下の下地膜１０２上に選択的にニッケルを薄膜として形成し、この部分から結晶成長をおこなう方法を採用したが、非晶質珪素膜を形成後に、選択的にニッケル膜を成膜する方法でもよい。即ち、結晶成長は非晶質珪素膜の上面から行ってもよいし、下面から行ってもよい。また、予め非晶質珪素膜を成膜し、さらにイオンドーピング法を用いて、ニッケルイオンをこの非晶質珪素膜１０４中に選択的に注入する方法を採用してもよい。この場合は、ニッケル元素の濃度を細かく制御することができるという特徴を有する。またプラズマ処理やＣＶＤ法による方法でもよい。
【００２５】図４には、本実施例で得られたＴＦＴの特性（ａ）と従来の方法によって得られたＴＦＴの特性（ｂ）（いずれも、ＶG −ＩD 特性）を示す。測定時のソース−ドレイン電圧は１Ｖである。前者（ａ）は、ゲイトに負の電圧が印加された際のリーク電流（ＩOFF a ）が小さく、また、正の電圧が印加された際の立ち上がり（Ｓa ）が急峻であり、ＯＮ／ＯＦＦ比も９桁で理想的な電界効果トランジスタであることがわかる。一方、後者（ｂ）も電界効果トランジスタとして機能することは示されているが、リーク電流（ＩOFF b ）が前者に比べ大きく、正の電圧が印加された際の立ち上がり（Ｓb ）が緩やかで、ＯＮ／ＯＦＦ比も６桁程度である。しきい値電圧も前者の方が小さい。このように、本発明によって、ＴＦＴの特性を改善できることが明らかになった。
【００２６】〔実施例２〕本実施例の作製工程の概略を図２に示す。本実施例において、基板２０１としてはコーニング７０５９ガラス基板（厚さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍｍ）を使用した。基板は実施例１と同様に、６４０℃で４時間アニールしたのち、０．２℃／分で５５０℃まで徐冷したものを用いた。まず、下地膜２０２（酸化珪素）をプラズマＣＶＤ法で２０００Åの厚さに形成した。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳと酸素を用いた。下地膜形成後に、再び、５５０℃で１時間アニールした。
【００２７】その後、ＬＰＣＶＤ法もしくはプラズマＣＶＤ法で非晶質珪素膜を５００Åの厚さに堆積した。さらに、プラズマＣＶＤ法によって厚さ２００Åの酸化珪素膜を堆積した。その上にフォトレジストもしくは感光性ポリイミドを塗布し、これを公知のフォトリソグラフィー法によって露光した。そして、このとき残ったフォトレジスト等のマスク材２０５を用いて、ウェトエッチングおよびドライエッチングによって、酸化珪素膜と非晶質珪素膜をエッチングし、島状の珪素膜２０３とその上に密着している酸化珪素膜２０４を得た。そして、スパッタ法によって厚さ１００〜１０００Å、例えば５００Åのニッケル膜２０６を全面に形成した。（図２（Ａ））
【００２８】そして、４５０℃で１時間脱水素化を行った後、加熱アニールによって結晶化を行った。このアニール工程は、窒素雰囲気下、５５０℃で８時間行った。このアニール工程において、非晶質珪素膜２０３の側面はニッケル膜と接触しているので、この部分２０７のニッケル濃度は極めて高かった。そして、この部分２０７から矢印に示すように結晶化が進行した。さらに、島状珪素膜の側面から結晶化が進行したために、概略中央で結晶がぶつかり合って、粒界２０８が形成された。この粒界は紙面に垂直に存在し、上面から見ると、ゲイト電極と同様に線状に存在する。（図２（Ｂ））
【００２９】結晶化工程の後、酸化珪素膜２０４除去し、あらためてＴＥＯＳを原料とする、酸素雰囲気中のプラズマＣＶＤ法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７０〜１２０ｎｍ、典型的には１２０ｎｍ）２０９を全面に形成した。基板温度は３５０℃とした。次に公知の多結晶珪素を主成分とした膜をＣＶＤ法で形成し、パターニングを行うことによって、ゲイト電極２１０を形成した。ゲイト電極は粒界２０８の真上にあるようにパターニングした。また、ゲイト電極の多結晶珪素には導電性を向上させるために不純物として燐を０．１〜５％導入した。
【００３０】その後、Ｎ型の不純物として、燐をイオンドーピング法で注入し、自己整合的にソース領域２１１、ドレイン領域２１２を形成した。そして、ＫｒＦレーザー光を照射することによって、イオン注入のために結晶性の劣化した珪素膜の結晶性を改善させた。このときにはレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ2 とした。このレーザー照射によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシート抵抗は３００〜８００Ω／ｃｍ2 となった。また、この工程は可視・近赤外光のランプアニールによって行ってもよい。以上のようにして、チャネル形成領域のほぼ中央に粒界が存在する活性層が得られた。（図２（Ｃ））
【００３１】その後、酸化珪素またはポリイミドによって層間絶縁物２１３を形成し、さらに、コンタクトホールを形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多層膜で電極２１４、２１５を形成した。最後に、水素中で２００〜４００℃で２時間アニールして、水素化をおこなった。このようにして、ＴＦＴを完成した。さらに、より耐湿性を向上させるために、全面に窒化珪素等でパッシベーション膜を形成してもよい。（図２（Ｄ））
【００３２】
【発明の効果】本発明では、実施例からも明らかなように非晶質珪素の結晶化を助長する金属元素（触媒元素）の濃度の大きな粒界がチャネル形成領域の概略中央に位置するため、最も電界の大きなドレインとチャネル形成領域の境界は、常に触媒元素の濃度が低いという特長を有する。このため、ゲイト電極に逆電圧を印加した場合のソース／ドレイン間のリーク電流は少なく、また、しきい値電圧も低い。さらに、長期の使用による劣化も少ないという特長を有する。特に本発明のＴＦＴはＯＮ／ＯＦＦ比が大きいため、アクティブマトリクスのように電荷を保持する目的に適している。実施例では触媒元素として、ニッケルを用いる例を示したが、その他の例示した金属元素であってもよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のＴＦＴの作製工程を示す。
【図２】 実施例２のＴＦＴの作製工程を示す。
【図３】 従来法にょるＴＦＴの作製工程を示す。
【図４】 実施例１で得られたＴＦＴと従来の方法で得られたＴＦＴの特性（ＩD −ＶG 特性）を示す。
【符号の説明】
１０１ ガラス基板
１０２ 下地膜（酸化珪素膜）
１０３ マスク
１０４ 結晶性珪素膜
１０４’ 島状珪素膜（活性層）
１０５ ニッケル濃度の高い領域
１０５’ 粒界
１０６ ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）
１０７ ゲイト電極（アルミニウム）
１０８ 陽極酸化層（酸化アルミニウム）
１０９ ソース（ドレイン）領域
１１０ チャネル形成領域
１１１ ドレイン（ソース）領域
１１２ 層間絶縁物
１１３ 電極
１１４ 電極
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けられた非単結晶珪素膜を有する絶縁ゲイト型トランジスタ（すなわち、薄膜トランジスタ、ＴＦＴ）に関するものである。本発明のＴＦＴは、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレーやその他の電子回路に利用される。
【０００２】
【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が開発されている。これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）からなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの２つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められていた。
【０００３】結晶性を有する薄膜状の珪素半導体を得る方法としては、非晶質の珪素膜を成膜しておき、長時間、熱エネルギーを印加（アニール）することにより結晶性を有せしめるという方法が知られている。しかしながら、アニール温度として６００℃以上の高温にすることが必要であるため、安価なガラス基板を用いることが困難であること、さらに、アニール時間が数十時間にも及ぶためにスループットが低いことが問題であった。
【０００４】このような問題に対し、ある種の金属元素を珪素膜に添加すると、この金属元素が触媒作用を示して、結晶化がより低温・短時間に進行することが発見された。このような結晶化を助長させる金属元素（触媒元素）としては、８族元素であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔや３ｄ元素であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、あるいはＡｕ、Ａｇが挙げられる。中でも顕著な効果が得られるのがＮｉである。
【０００５】このような金属元素を用いてＴＦＴを作製する例を図３を用いて説明する。基板３０１としては、コーニング７０５９等の無アルカリのホウ珪酸ガラスが使用される。そして、通常はこの基板上に厚さ５００〜５０００Å、例えば２０００Åの酸化珪素膜が下地膜３０２として形成される。そして、その上に厚さ２００〜５０００Å、例えば８００Åの非晶質珪素膜３０４がプラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等の手段によって堆積される。そして、スパッタ法等の手段によって、非常に薄い触媒元素を含む膜３０４が一様に形成される。なお、この触媒元素を含む膜の厚さは、珪素膜に含まれる触媒元素の濃度を決定するので、通常は５〜１００Åといった薄いものである。あまりに薄い場合には、膜という形態を示さない。（図３（Ａ））
【０００６】その後、酸化珪素等で保護膜３０６を形成して、アニールをおこなう。保護膜の厚さは１００〜１０００Å、例えば３００Åである。アニールの温度は４５０〜６００℃、例えば５５０℃である。アニール時間は１〜１０時間、例えば４時間である。このアニール工程によって、非晶質珪素膜は結晶化する。そして、結晶化した珪素膜をパターニングして、島状の珪素膜領域３０５を形成する。この島状の領域はＴＦＴの活性層として利用される。（図３（Ｂ））
その後、ゲイト絶縁膜３０７、ゲイト電極３０８を形成し、これをマスクとして公知のセルフアライン法によって不純物を導入して、ソース３０９、ドレイン３１０を形成する。不純物の活性化には、図に示すようなレーザー照射や熱アニールが用いられる。（図３（Ｃ））
【０００７】その後、層間絶縁膜３１１を形成し、コンタクトホールを開け、ソース、ドレインに電極３１２、３１３を形成して、ＴＦＴが完成する。（図３（Ｄ））
このようにして形成されたＴＦＴでは、触媒元素が活性層に一様に拡散し、半導体内に準位を形成しているため、特に高い電界が生じるドレインとチャネル形成領域の境界においてリーク電流が発生した。すなわち、ゲイト電極に逆の電圧（すなわち、Ｎチャネル型のＴＦＴであれば負の電圧、Ｐチャネル型のであれば正の電圧）が印加されている場合に、印加電圧の絶対値が大きくなるほどソース／ドレイン間のリーク電流が増加するという減少をもたらした。また、ＴＦＴのしきい値電圧も高くなった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題を解決する手段を提供するものである。本発明では、特に高い電界が生じるドレインとチャネル形成領域の境界部分の触媒元素の濃度を選択的に低くすることによって、上記の課題を解決する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来のように一様に触媒元素を珪素膜に導入するのではなく、選択的に導入することを特長とする。このため、最初に導入された部分から結晶化が進行し、周囲に拡大してゆく。そして、本発明人の知見によると、結晶化された部分よりも結晶化の先端部分の方が約１桁程度、触媒元素の濃度が高い。そして、異なる部分から結晶化が進行した２つの結晶領域がぶつかる部分には粒界が発生し、結晶成長はその部分で停止し、触媒元素の濃度も粒界で最も高いままに保たれることが明らかになった。
【００１０】このようにして形成された粒界は触媒元素の濃度が非常に高く、したがって、粒界がドレインとチャネル形成領域の境界に来るような配置は避けるべきである。逆に、常に粒界がチャネル形成領域の中央部に存在すれば、ドレインとチャネル形成領域の境界に粒界が存在することはなく、したがって、その部分の触媒元素の濃度は極端に低い。その結果、ゲイト電極に逆電圧印加時のリーク電流を低減し、しきい値電圧を低下させることができる。
【００１１】すなわち、本発明は、選択的に少なくとも２か所から触媒元素を珪素膜中に導入することによって、結晶化をおこなうと同時に粒界を意図的に形成し、この粒界上にゲイト電極を形成することを特色とする。粒界はゲイト電極を形成するのに適するように線状であることが望ましい。そして、ゲイト電極をマスクとしてセルフアライン法を用いて、ソース、ドレインを形成すれば、粒界は概略、チャネル形成領域の中央に位置することとなる。触媒元素の導入方法としては、実施例１のように非晶質珪素膜をマスク材で覆っておき、これに選択的に導入箇所を設けてもよいし、あるいは、実施例２のように島状珪素領域を形成して、この側面のみを露出させ、これを覆って、触媒元素を含む被膜を形成してもよい。
【００１２】
【作用】本発明では、触媒元素の濃度の高い粒界は常にチャネル形成領域の概略中央に存在し、必然的にドレインとチャネル形成領域の境界部の触媒元素の濃度が低くなるので、ゲイト電極に逆電圧が印加された場合もリーク電流が小さく、また、しきい値電圧も低い。このため、ＴＦＴのＯＮ／ＯＦＦ比を高め、特に、アクティブマトリクスに用いられるＴＦＴのように電荷を保持する特性にすぐれたものとなる。しきい値電圧が低いということは低いゲイト電圧であっても電流駆動能力の高いＴＦＴということである。このことはまた、高いＯＮ／ＯＦＦ比を意味する。
【００１３】
【実施例】〔実施例１〕図１に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）１０１上にスパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜１０２を形成した。基板は、下地膜の成膜の前もしくは後に、歪み温度よりも高い温度でアニールをおこなった後、０．１〜１．０℃／分で歪み温度以下まで徐冷すると、その後の温度上昇を伴う工程での基板の収縮が少なく、マスク合わせが用意となる。コーニング７０５９基板では、６２０〜６６０℃で１〜４時間アニールした後、０．１〜１．０℃／分、好ましくは、０．１〜０．３℃／分で徐冷し、４５０〜５９０℃まで温度が低下した段階で取り出すとよい。
【００１４】さて、下地膜成膜後、窒化珪素膜等によって形成されたマスク１０３を設けた。このマスク１０３は、１００で示される部分が穴となっており、スリット状に下地膜１０２を露呈させる。即ち、図１（Ａ）の状態を上面から見ると、スリット状に下地膜１０２は露呈しており、他ぼ部分はマスクされている状態となっている。上記マスク１０３を設けた後、スパッタリング法によって、厚さ５〜２００Å、例えば２０Åの金属ニッケル膜を全面に形成した。金属ニッケル膜の代わりに珪化ニッケル膜（化学式ＮｉＳｉx 、０≦ｘ≦４、例えば、ｘ＝２．０）を用いてもよい。この状態で、ニッケルが１００の領域に選択的に導入されることになる。（図１（Ａ））
【００１５】つぎに、マスク１０３のみを取り除き、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ３００〜１５００Å、例えば５００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜を成膜した。そして、不活性雰囲気下（窒素もしくはアルゴン、大気圧）、５５０℃、で４〜８時間アニールして結晶化させた。この際、ニッケル膜が選択的に残存した１００の領域の上の領域１０５はニッケルの濃度の極めて高い領域であり、この領域１０５から横方向に結晶化が進行した。この結晶領域１０４は比較的、ニッケルの濃度の低い領域である。また、２つの領域から生じた結晶成長がぶつかった部分は粒界１０５’となり、ニッケルの濃度が高い。この粒界は、紙面に垂直に存在する。したがって、ちょうど、ゲイト電極と同様に線状になっている。（図１（Ｂ））
【００１６】この工程の後に、珪素膜をパターニングして、ＴＦＴの島状の活性層１０４’を形成した。活性層１０４’の大きさはＴＦＴのチャネル長とチャネル幅を考慮して決定される。小さなものでは、５０μｍ×２０μｍ、大きなものでは１００μｍ×１０００μｍであった。（図１（Ｃ））
【００１７】つぎにプラズマＣＶＤ法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜した。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エトキシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 ）と酸素を用い、成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４００℃とした。
【００１８】引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ６０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電極１０７を形成した。ゲイト電極は粒界１０５’の真上に位置するようにパターニングをおこなった。さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層１０８を形成した。この陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコール溶液中で行った。得られた酸化物層１０８の厚さは２０００Åであった。なお、この酸化物１０８は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。
【００１９】次に、イオンドーピング法（プラズマドーピング法とも言う）によって、活性層１０４’にゲイト電極部（ゲイト電極１０７とその周囲の酸化層１０８）をマスクとして、自己整合的にＰもしくはＮ導電型を付与する不純物を添加した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ3 ）またはジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）を用い、前者の場合は、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとする。ドース量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、例えば、燐を２×１０15ｃｍ-2とした。この結果、Ｎ型の不純物領域１０９と１１１が形成され、２つの不純物領域の間にチャネル形成領域１１０が残った。チャネル形成領域１１０の概略中央部には粒界１０５’が存在した。
【００２０】その後、レーザー光の照射によってドーピングされた不純物の活性化をおこなった。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いたが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ2 、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ2 とし、一か所につき２〜１０ショット、例えば２ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。（図１（Ｄ））
【００２１】また、この工程は、可視・近赤外光によるランプアニールによる方法でもよい。可視・近赤外線は結晶化した珪素、または燐またはホウ素が１０19〜１０21ｃｍ-3添加された非晶質珪素へは吸収されやすく、１０００℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行うことができる。燐またはホウ素が添加されていると、その不純物散乱により、近赤外線でも十分光が吸収される。その反面、ガラス基板へは吸収されにくいので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工程においては最適な方法であるといえる。
【００２２】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１２を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成した。この層間絶縁物としてはポリイミドまたは酸化珪素とポリイミドの２層膜を利用してもよい。さらにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴの電極・配線１１３、１１４を形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールをおこない、ＴＦＴを完成した。（図１（Ｅ））
【００２３】上記に示す回路は、１つのＴＦＴ（Ｎチャネル型ＴＦＴ）だけであるが、複数の異種のＴＦＴを組み合わせて、例えば、ＰＴＦＴとＮＴＦＴとを相補型に設けたＣＭＯＳ構造としてもよい。
【００２４】本実施例においては、ニッケルを導入する方法として、非晶質珪素膜下の下地膜１０２上に選択的にニッケルを薄膜として形成し、この部分から結晶成長をおこなう方法を採用したが、非晶質珪素膜を形成後に、選択的にニッケル膜を成膜する方法でもよい。即ち、結晶成長は非晶質珪素膜の上面から行ってもよいし、下面から行ってもよい。また、予め非晶質珪素膜を成膜し、さらにイオンドーピング法を用いて、ニッケルイオンをこの非晶質珪素膜１０４中に選択的に注入する方法を採用してもよい。この場合は、ニッケル元素の濃度を細かく制御することができるという特徴を有する。またプラズマ処理やＣＶＤ法による方法でもよい。
【００２５】図４には、本実施例で得られたＴＦＴの特性（ａ）と従来の方法によって得られたＴＦＴの特性（ｂ）（いずれも、ＶG −ＩD 特性）を示す。測定時のソース−ドレイン電圧は１Ｖである。前者（ａ）は、ゲイトに負の電圧が印加された際のリーク電流（ＩOFF a ）が小さく、また、正の電圧が印加された際の立ち上がり（Ｓa ）が急峻であり、ＯＮ／ＯＦＦ比も９桁で理想的な電界効果トランジスタであることがわかる。一方、後者（ｂ）も電界効果トランジスタとして機能することは示されているが、リーク電流（ＩOFF b ）が前者に比べ大きく、正の電圧が印加された際の立ち上がり（Ｓb ）が緩やかで、ＯＮ／ＯＦＦ比も６桁程度である。しきい値電圧も前者の方が小さい。このように、本発明によって、ＴＦＴの特性を改善できることが明らかになった。
【００２６】〔実施例２〕本実施例の作製工程の概略を図２に示す。本実施例において、基板２０１としてはコーニング７０５９ガラス基板（厚さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍｍ）を使用した。基板は実施例１と同様に、６４０℃で４時間アニールしたのち、０．２℃／分で５５０℃まで徐冷したものを用いた。まず、下地膜２０２（酸化珪素）をプラズマＣＶＤ法で２０００Åの厚さに形成した。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳと酸素を用いた。下地膜形成後に、再び、５５０℃で１時間アニールした。
【００２７】その後、ＬＰＣＶＤ法もしくはプラズマＣＶＤ法で非晶質珪素膜を５００Åの厚さに堆積した。さらに、プラズマＣＶＤ法によって厚さ２００Åの酸化珪素膜を堆積した。その上にフォトレジストもしくは感光性ポリイミドを塗布し、これを公知のフォトリソグラフィー法によって露光した。そして、このとき残ったフォトレジスト等のマスク材２０５を用いて、ウェトエッチングおよびドライエッチングによって、酸化珪素膜と非晶質珪素膜をエッチングし、島状の珪素膜２０３とその上に密着している酸化珪素膜２０４を得た。そして、スパッタ法によって厚さ１００〜１０００Å、例えば５００Åのニッケル膜２０６を全面に形成した。（図２（Ａ））
【００２８】そして、４５０℃で１時間脱水素化を行った後、加熱アニールによって結晶化を行った。このアニール工程は、窒素雰囲気下、５５０℃で８時間行った。このアニール工程において、非晶質珪素膜２０３の側面はニッケル膜と接触しているので、この部分２０７のニッケル濃度は極めて高かった。そして、この部分２０７から矢印に示すように結晶化が進行した。さらに、島状珪素膜の側面から結晶化が進行したために、概略中央で結晶がぶつかり合って、粒界２０８が形成された。この粒界は紙面に垂直に存在し、上面から見ると、ゲイト電極と同様に線状に存在する。（図２（Ｂ））
【００２９】結晶化工程の後、酸化珪素膜２０４除去し、あらためてＴＥＯＳを原料とする、酸素雰囲気中のプラズマＣＶＤ法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７０〜１２０ｎｍ、典型的には１２０ｎｍ）２０９を全面に形成した。基板温度は３５０℃とした。次に公知の多結晶珪素を主成分とした膜をＣＶＤ法で形成し、パターニングを行うことによって、ゲイト電極２１０を形成した。ゲイト電極は粒界２０８の真上にあるようにパターニングした。また、ゲイト電極の多結晶珪素には導電性を向上させるために不純物として燐を０．１〜５％導入した。
【００３０】その後、Ｎ型の不純物として、燐をイオンドーピング法で注入し、自己整合的にソース領域２１１、ドレイン領域２１２を形成した。そして、ＫｒＦレーザー光を照射することによって、イオン注入のために結晶性の劣化した珪素膜の結晶性を改善させた。このときにはレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ2 とした。このレーザー照射によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシート抵抗は３００〜８００Ω／ｃｍ2 となった。また、この工程は可視・近赤外光のランプアニールによって行ってもよい。以上のようにして、チャネル形成領域のほぼ中央に粒界が存在する活性層が得られた。（図２（Ｃ））
【００３１】その後、酸化珪素またはポリイミドによって層間絶縁物２１３を形成し、さらに、コンタクトホールを形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多層膜で電極２１４、２１５を形成した。最後に、水素中で２００〜４００℃で２時間アニールして、水素化をおこなった。このようにして、ＴＦＴを完成した。さらに、より耐湿性を向上させるために、全面に窒化珪素等でパッシベーション膜を形成してもよい。（図２（Ｄ））
【００３２】
【発明の効果】本発明では、実施例からも明らかなように非晶質珪素の結晶化を助長する金属元素（触媒元素）の濃度の大きな粒界がチャネル形成領域の概略中央に位置するため、最も電界の大きなドレインとチャネル形成領域の境界は、常に触媒元素の濃度が低いという特長を有する。このため、ゲイト電極に逆電圧を印加した場合のソース／ドレイン間のリーク電流は少なく、また、しきい値電圧も低い。さらに、長期の使用による劣化も少ないという特長を有する。特に本発明のＴＦＴはＯＮ／ＯＦＦ比が大きいため、アクティブマトリクスのように電荷を保持する目的に適している。実施例では触媒元素として、ニッケルを用いる例を示したが、その他の例示した金属元素であってもよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のＴＦＴの作製工程を示す。
【図２】 実施例２のＴＦＴの作製工程を示す。
【図３】 従来法にょるＴＦＴの作製工程を示す。
【図４】 実施例１で得られたＴＦＴと従来の方法で得られたＴＦＴの特性（ＩD −ＶG 特性）を示す。
【符号の説明】
１０１ ガラス基板
１０２ 下地膜（酸化珪素膜）
１０３ マスク
１０４ 結晶性珪素膜
１０４’ 島状珪素膜（活性層）
１０５ ニッケル濃度の高い領域
１０５’ 粒界
１０６ ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）
１０７ ゲイト電極（アルミニウム）
１０８ 陽極酸化層（酸化アルミニウム）
１０９ ソース（ドレイン）領域
１１０ チャネル形成領域
１１１ ドレイン（ソース）領域
１１２ 層間絶縁物
１１３ 電極
１１４ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】島状の珪素膜を備えた薄膜トランジスタであって、前記珪素膜は結晶化を助長する金属元素を含有しており、前記珪素膜はチャネル形成領域を有し、前記チャネル形成領域には、前記結晶化を助長する金属元素濃度の高い粒界が形成されており、前記粒界は前記チャネル形成領域の概略中央に配置されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】非晶質珪素膜を形成する第１の工程と、前記非晶質珪素膜の少なくとも２か所に珪素膜の結晶化を助長する金属元素を導入する第２の工程と、前記非晶質珪素膜をアニールすることによって、結晶化させ、第２の工程によって金属元素の導入された箇所の概略中間の部分に粒界を形成させる第３の工程と、ゲイト絶縁膜を形成する第４の工程と、前記第３の工程で形成された粒界の上にゲイト電極を設ける第５の工程と、を有することを特長とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】少なくとも２つの側面の露出した島状の非晶質珪素膜とその上面を覆う保護膜とを形成する第１の工程と、前記保護膜と非晶質珪素膜を覆って珪素膜の結晶化を助長する金属元素を含む被膜を形成する第２の工程と、アニールすることによって、該島状の珪素膜を結晶化させ、その概略中央部に粒界を形成させる第３の工程と、ゲイト絶縁膜を形成する第４の工程と、前記第３の工程で形成された粒界の上にゲイト電極を設ける第５の工程と、を有することを特長とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】島状の珪素膜を備えた薄膜トランジスタであって、前記珪素膜は結晶化を助長する金属元素を含有しており、前記珪素膜はチャネル形成領域を有し、前記チャネル形成領域には、前記結晶化を助長する金属元素濃度の高い粒界が形成されており、前記粒界は前記チャネル形成領域の概略中央に配置されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】非晶質珪素膜を形成する第１の工程と、前記非晶質珪素膜の少なくとも２か所に珪素膜の結晶化を助長する金属元素を導入する第２の工程と、前記非晶質珪素膜をアニールすることによって、結晶化させ、第２の工程によって金属元素の導入された箇所の概略中間の部分に粒界を形成させる第３の工程と、ゲイト絶縁膜を形成する第４の工程と、前記第３の工程で形成された粒界の上にゲイト電極を設ける第５の工程と、を有することを特長とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】少なくとも２つの側面の露出した島状の非晶質珪素膜とその上面を覆う保護膜とを形成する第１の工程と、前記保護膜と非晶質珪素膜を覆って珪素膜の結晶化を助長する金属元素を含む被膜を形成する第２の工程と、アニールすることによって、該島状の珪素膜を結晶化させ、その概略中央部に粒界を形成させる第３の工程と、ゲイト絶縁膜を形成する第４の工程と、前記第３の工程で形成された粒界の上にゲイト電極を設ける第５の工程と、を有することを特長とする半導体装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【特許番号】第２７６２２１５号
【登録日】平成１０年（１９９８）３月２７日
【発行日】平成１０年（１９９８）６月４日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−２２０５９２
【出願日】平成５年（１９９３）８月１２日
【公開番号】特開平７−５８３３９
【公開日】平成７年（１９９５）３月３日
【審査請求日】平成６年（１９９４）１０月１４日
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【参考文献】
【文献】特開 平２−１４０９１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平７−５８３３８（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１０年（１９９８）３月２７日
【発行日】平成１０年（１９９８）６月４日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）８月１２日
【公開番号】特開平７−５８３３９
【公開日】平成７年（１９９５）３月３日
【審査請求日】平成６年（１９９４）１０月１４日
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【参考文献】
【文献】特開 平２−１４０９１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平７−５８３３８（ＪＰ，Ａ）
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