JPH118196A

JPH118196A - 半導体薄膜および半導体装置

Info

Publication number: JPH118196A
Application number: JP17315197A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Otani; 久大谷; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Jun Koyama; 潤小山; Yasushi Ogata; 靖尾形; Shoji Miyanaga; 昭治宮永
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】極めて結晶性に優れた半導体薄膜及びそれを
用いた高性能な半導体装置を提供する。【構成】非晶質半導体薄膜を触媒元素を利用して結晶
化させた後、ハロゲン元素を含む雰囲気中で加熱処理を
行い前記触媒元素を除去する。こうして得られる結晶性
半導体薄膜は概略｛１１１｝配向を示し、結晶粒界にお
いて殆どの結晶格子に連続性を有するという特徴があ
る。この結晶粒界はキャリアの移動度向上に大きく寄与
し、非常に高性能な半導体装置を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜および
それを活性層とする半導体装置に関する。特に、半導体
薄膜として珪素を主成分とする材料を利用する場合の構
成に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、絶縁表面を有する基板上に形成さ
れた半導体薄膜（厚さ数百〜数千Å程度）を用いて薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）を構成する技術が注目されてい
る。薄膜トランジスタはＩＣや電気光学装置のような電
子デバイスに広く応用され、特に画像表示装置のスイッ
チング素子として開発が急がれている。

【０００３】例えば、液晶表示装置においてはマトリク
ス状に配列された画素領域を個々に制御する画素マトリ
クス回路、画素マトリクス回路を制御する駆動回路、さ
らに外部からのデータ信号を処理するロジック回路（プ
ロセッサ回路やメモリ回路など）等のあらゆる電気回路
にＴＦＴを応用する試みがなされている。

【０００４】現状においては、活性層として非晶質シリ
コン膜（アモルファスシリコン膜）を用いたＴＦＴが実
用化されているが、駆動回路やロジック回路などの様
に、さらなる高速動作性能を求められる電気回路には、
結晶シリコン膜（ポリシリコン膜、多結晶シリコン膜
等）を利用したＴＦＴが必要とされる。

【０００５】例えば、ガラス基板上に結晶性珪素膜を形
成する方法としては、本出願人による特開平7-130652号
公報、特開平8-78329 号公報に記載された技術が公知で
ある。これらの公報記載の技術は、非晶質シリコン膜の
結晶化を助長する触媒元素を利用することにより、500
〜600 ℃、４時間程度の加熱処理によって結晶性の優れ
た結晶シリコン膜を形成することを可能とするものであ
る。

【０００６】特に、特開平8-78329 に記載された技術は
上記技術を応用して基板面とほぼ平行な結晶成長を行わ
すものであり、発明者らは形成された結晶化領域を特に
横成長領域（またはラテラル成長領域）と呼んでいる。

【０００７】しかし、この様なＴＦＴを用いて駆動回路
を構成してもまだまだ要求される性能を完全に満たすに
は及ばない。特に、メガヘルツからギガヘルツにかけて
の極めて高速な動作を要求する高速ロジック回路を従来
のＴＦＴで構成することは不可能なのが現状である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、これま
で結晶粒界を有する結晶性珪素膜（多結晶珪素膜と呼ば
れる）の結晶性を向上させるために様々な思考錯誤を繰
り返してきた。セミアモルファス半導体（特開昭57-160
121 号公報等）やモノドメイン半導体（特開平8-139019
号公報等）などが挙げられる。

【０００９】上記公報に記載された半導体膜に共通の概
念は、結晶粒界の実質的な無害化にある。即ち、結晶粒
界を実質的になくし、キャリア（電子または正孔）の移
動を円滑に行わせることが最大の課題であった。

【００１０】しかしながら、上記公報に記載された半導
体膜をもってしてもロジック回路が要求する高速動作を
行うには不十分と言える。即ち、ロジック回路を内蔵し
たシステム・オン・パネルを実現するためには、従来に
ない全く新しい材料の開発が求められているのである。

【００１１】本願発明は、その様な要求に答えるもので
あり、従来のＴＦＴでは作製不可能であった様な高速ロ
ジック回路を構成しうる極めて高性能な半導体装置を実
現するための半導体薄膜を提供することを課題とする。
また、その様な半導体薄膜を利用した半導体装置を提供
することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
の構成は、珪素を主成分とする複数の棒状または偏平棒
状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、面方位は
概略｛１１１｝配向であり、且つ、珪素以外で膜中に存
在する元素は少なくともＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ
（酸素）及びＳ（硫黄）以外の元素から選ばれた一種ま
たは複数種の元素であることを特徴とする。

【００１３】また、他の発明の構成は、上記構成におい
て珪素以外で膜中に存在する元素とは、Ｎｉ（ニッケ
ル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｄ（パラジウ
ム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）から選ば
れた一種または複数種の元素であり、且つ、当該元素の
濃度は 5×10¹⁷atoms/cm³ 以下（または0.001atomic%以
下）であることを特徴とする。

【００１４】また、他の発明の構成は、珪素を主成分と
する複数の棒状または偏平棒状結晶の集合体からなる半
導体薄膜であって、面方位は概略｛１１１｝配向であ
り、且つ、膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ
（酸素）及びＳ（硫黄）の濃度はＳＩＭＳによる検出下
限以下であることを特徴とする。

【００１５】また、他の発明の構成は、珪素を主成分と
する複数の棒状または偏平棒状結晶の集合体からなる半
導体薄膜であって、面方位は概略｛１１１｝配向であ
り、且つ、膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）及び
Ｓ（硫黄）の濃度は 5×10¹⁸atoms/cm³ 未満（または0.
01atomic% 未満）であり、且つ、膜中に存在するＯ（酸
素）の濃度は 1.5×10¹⁹atoms/cm³ 未満（または0.03at
omic% 未満）であることを特徴とする。

【００１６】また、他の発明の構成は、珪素を主成分と
する複数の棒状または偏平棒状結晶の集合体からなる半
導体薄膜であって、面方位は概略｛１１１｝配向であ
り、且つ、任意の結晶粒界では殆どの結晶格子に連続性
があることを特徴とする。

【００１７】珪素を主成分とする複数の棒状または偏平
棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、面方位
は概略｛１１１｝配向であり、且つ、任意の結晶粒界を
横切る様にして観測される格子縞の殆どが、前記結晶粒
界を形成する異なる結晶粒間で直線的に連続しているこ
とを特徴とする。

【００１８】なお、上記全ての構成において、概略｛１
１１｝配向であることは本発明者らが定義する｛１１
１｝配向比率が０．９以上であることを意味する。

【００１９】また、上記構成の半導体薄膜を用いて作製
した半導体装置は、従来からＩＣを構成するＩＧＦＥＴ
に匹敵する或いは凌駕する極めて高い性能を有し、且
つ、高い信頼性を備えたものである。

【００２０】以上のような本発明の構成について、以下
に記載する実施例でもって詳細な説明を行うこととす
る。

【００２１】

【実施例】〔実施例１〕本実施例では、本願発明である半導体薄膜
およびそれを活性層とした半導体装置（具体的にはＴＦ
Ｔ）の作製工程について説明する。また、作製工程の説
明の後には、本願発明のＴＦＴについて、結晶構造およ
び電気特性の観点から得られた知見について説明する。

【００２２】まず、絶縁表面を有する基板として石英基
板１００上に下地膜１０１を設けた基板を準備する。下
地膜１０１はプラズマＣＶＤ法やスパッタＣＶＤ法によ
り形成すれば良い。なお、後述するが本実施例で用いる
下地膜はＬＡＬ５００というエッチャントに対するエッ
チングレートが50nm/min以上のものを用いる。

【００２３】また、石英基板の代わりにセラミックス基
板、シリコン基板またはサファイア基板などを用いるこ
とも可能である。

【００２４】１０２は非晶質珪素膜であり、最終的な膜
厚（熱酸化後の膜減りを考慮した膜厚）が10〜75nm（好
ましくは15〜45nm）となる様に調節する。成膜は減圧熱
ＣＶ法で行い、下記条件に従って行う。成膜温度：465 ℃ 成膜圧力：0.5torr 成膜ガス：Ｈｅ（ヘリウム）300sccm Ｓｉ₂ Ｈ₆ （ジシラン）250sccm

【００２５】なお、成膜に際して膜中の不純物濃度の管
理を徹底的に行うことが重要である。本実施例の場合、
非晶質珪素膜１０２中では結晶化を阻害する不純物であ
るＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｓ（硫黄）の濃度はいずれ
も 5×10¹⁸atoms/cm³ 未満、Ｏ（酸素）は 1.5×10¹⁹at
oms/cm³ 未満となる様に管理している。

【００２６】なぜならば各不純物がこれ以上の濃度で存
在すると、結晶化の際に悪影響を及ぼし、結晶化後の膜
質を低下させる原因となるからである。

【００２７】本実施例で用いる減圧熱ＣＶＤ炉は、定期
的にドライクリーニングを行い、成膜室の清浄化を図っ
ている。ドライクリーニングは、 200〜400 ℃程度に加
熱した炉内に 100〜300sccm のＣｌＦ₃ （フッ化塩素）
ガスを流し、熱分解によって生成したフッ素によって成
膜室のクリーニングを行う。

【００２８】なお、炉内温度300 ℃とし、ＣｌＦ₃ （フ
ッ化塩素）ガスの流量を300sccm とした場合、約２μｍ
厚の付着物（主に珪素を主成分する）を４時間で完全に
除去することができた。

【００２９】また、非晶質珪素膜１０２中の水素濃度も
非常に重要なパラメータであり、水素含有量を低く抑え
た方が結晶性の良い膜が得られる様である。そのため、
非晶質珪素膜１０２の成膜は減圧熱ＣＶＤ法であること
が好ましい。なお、成膜条件を最適化することでプラズ
マＣＶＤ法を用いることも可能である。

【００３０】次に、非晶質珪素膜１０２の結晶化工程を
行う。結晶化の手段としては本発明者による特開平7-13
0652号公報記載の技術を用いる。同公報の実施例１およ
び実施例２のどちらの手段でも良いが、本願発明では実
施例２に記載した技術内容（特開平8-78329 号公報に詳
しい）を利用するのが好ましい。

【００３１】特開平8-78329 号公報記載の技術は、まず
触媒元素の添加領域を選択するマスク絶縁膜１０３を形
成する。マスク絶縁膜１０３は触媒元素を添加するため
に複数箇所の開口部を有している。この開口部の位置に
よって結晶領域の位置を決定することができる。

【００３２】そして、非晶質珪素膜の結晶化を助長する
触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を含有した溶液をスピ
ンコート法により塗布し、Ｎｉ含有層１０４を形成す
る。なお、触媒元素としてはニッケル以外にも、コバル
ト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金
（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等を用いることがで
きる。（図１（Ａ））

【００３３】また、上記触媒元素の添加工程は、レジス
トマスクを利用したイオン注入法またはプラズマドーピ
ング法を用いることもできる。この場合、添加領域の占
有面積の低減、横成長領域の成長距離の制御が容易とな
るので、微細化した回路を構成する際に有効な技術とな
る。

【００３４】次に、触媒元素の添加工程が終了したら、
450 ℃１時間程度の水素出しの後、不活性雰囲気、水素
雰囲気または酸素雰囲気中において 500〜700 ℃（代表
的には 550〜650 ℃）の温度で 4〜24時間の加熱処理を
加えて非晶質珪素膜１０２の結晶化を行う。本実施例で
は窒素雰囲気で570 ℃14時間の加熱処理を行う。

【００３５】この時、非晶質珪素膜１０２の結晶化はニ
ッケルを添加した領域１０５で発生した核から優先的に
進行し、基板１０１の基板面に対してほぼ平行に成長し
た結晶領域１０６が形成される。本発明者らはこの結晶
領域１０６を横成長領域と呼んでいる。横成長領域は比
較的揃った状態で個々の結晶が集合しているため、全体
的な結晶性に優れるという利点がある。（図１（Ｂ））

【００３６】なお、上述の特開平7-130652号公報の実施
例１に記載された技術を用いた場合も微視的には横成長
領域と呼びうる領域が形成されている。しかしながら、
核発生が面内において不均一に起こるので結晶粒界の制
御性の面で難がある。

【００３７】また、上述の結晶化温度及び結晶化時間は
非晶質珪素膜１０２の膜質を鑑みて決定されたものであ
る。減圧熱ＣＶＤ法で作製した非晶質珪素膜を特開平8-
78329 号公報記載の技術で結晶化する場合、570 ℃以上
の温度では自然核発生が生じてしまい、横成長領域の成
長を阻害してしまう恐れがある。また、この温度では少
なくとも１２時間（好ましくは１４時間）の結晶化時間
が必要である。

【００３８】ましてやプラズマＣＶＤ法により水素含有
量の多い条件で作製された非晶質珪素膜は、自然核発生
温度がさらに２０℃近くも低いため、それに応じて結晶
化温度を決定しなければならない。

【００３９】なお、これらの知見に関する報告は、本発
明者らによる特願平9-78979 号の出願明細書に記載して
ある。

【００４０】この様に、本願発明では水素含有量やＣ、
Ｎ、Ｏ、Ｓといった不純物元素の含有量を厳しく管理し
た非晶質珪素膜を出発膜として用い、且つ、その膜質を
鑑みて結晶化条件を決定している点にも特徴がある。

【００４１】結晶化のための加熱処理が終了したら、マ
スク絶縁膜１０３を除去してパターニングを行い、横成
長領域１０６のみでなる島状半導体層（活性層）１０７
を形成する。

【００４２】次に、珪素を含む絶縁膜でなるゲイト絶縁
膜１０８を形成する。ゲイト絶縁膜１０８の膜厚は後の
熱酸化工程による増加分も考慮して20〜250nm の範囲で
調節すれば良い。また、成膜方法は公知の気相法（プラ
ズマＣＶＤ法、スパッタ法等）を用いれば良い。

【００４３】次に、図１（Ｃ）に示す様に触媒元素（ニ
ッケル）を除去または低減するための加熱処理（触媒元
素のゲッタリングプロセス）を行う。この加熱処理は処
理雰囲気中にハロゲン元素を含ませ、ハロゲン元素によ
る金属元素のゲッタリング効果を利用するものである。

【００４４】なお、ハロゲン元素によるゲッタリング効
果を十分に得るためには、上記加熱処理を700 ℃を超え
る温度で行なうことが好ましい。この温度以下では処理
雰囲気中のハロゲン化合物の分解が困難となり、ゲッタ
リング効果が得られなくなる恐れがある。

【００４５】そのため本実施例ではこの加熱処理を700
℃を超える温度で行い、好ましくは800 〜1000℃（代表
的には950 ℃）とし、処理時間は 0.1〜 6hr、代表的に
は 0.5〜 1hrとする。

【００４６】なお、本実施例では酸素雰囲気中に対して
塩化水素（ＨＣｌ）を0.5 〜10体積％（本実施例では３
体積％）の濃度で含有させた雰囲気中において、950
℃、30分の加熱処理を行う例を示す。ＨＣｌ濃度を上記
濃度以上とすると、活性層１０７の表面に膜厚程度の凹
凸が生じてしまうため好ましくない。

【００４７】また、ハロゲン元素を含む化合物してＨＣ
ｌガスを用いる例を示したが、それ以外のガスとして、
代表的にはＨＦ、ＮＦ₃ 、ＨＢｒ、Ｃｌ₂ 、ＣｌＦ₃ 、
ＢＣｌ₃ 、Ｆ₂ 、Ｂｒ₂ 等のハロゲンを含む化合物から
選ばれた一種または複数種のものを用いることが出来
る。

【００４８】この工程においては活性層１０７中のニッ
ケルが塩素の作用によりゲッタリングされ、揮発性の塩
化ニッケルとなって大気中へ離脱して除去されると考え
られる。そして、この工程により活性層１０７中のニッ
ケルの濃度は 5×10¹⁷atoms/cm³ 以下にまで低減され
る。

【００４９】なお、本明細書中における各元素の濃度
は、ＳＩＭＳ測定結果から得られる最小値をもって定義
している。ただし、膜界面等の様に測定誤差の大きい領
域における濃度は測定結果として考慮しない。

【００５０】ただし、上述の 5×10¹⁷atoms/cm³ という
値はＳＩＭＳ（質量二次イオン分析）測定におけるニッ
ケルの検出下限である。本発明者らが試作したＴＦＴを
解析した結果、 1×10¹⁸atoms/cm³ 以下（好ましくは 5
×10¹⁷atoms/cm³ 以下）ではＴＦＴ特性に対するニッケ
ルの影響は確認されなかった。

【００５１】また、上記加熱処理により活性層１０７と
ゲイト絶縁膜１０８の界面では熱酸化反応が進行し、熱
酸化膜の分だけゲイト絶縁膜１０８の膜厚は増加する。
この様にして熱酸化膜を形成すると、非常に界面準位の
少ない半導体／絶縁膜界面を得ることができる。また、
活性層端部における熱酸化膜の形成不良（エッジシニン
グ）を防ぐ効果もある。

【００５２】さらに、上記ハロゲン雰囲気における加熱
処理を施した後に、窒素雰囲気中で950 ℃ 1時間程度の
加熱処理を行なうことで、ゲイト絶縁膜１０８の膜質の
向上を図ることも有効である。

【００５３】なお、ＳＩＭＳ分析により活性層１０７中
にはゲッタリング処理に使用したハロゲン元素が 1×10
¹⁵〜 1×10²⁰atoms/cm³ の濃度で残存することも確認さ
れている。また、その際、活性層１０７と加熱処理によ
って形成される熱酸化膜との間に前述のハロゲン元素が
高濃度に分布することがＳＩＭＳ分析によって確かめら
れている。

【００５４】また、他の元素についてもＳＩＭＳ分析を
行った結果、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｓ（硫黄）はい
ずれも 5×10¹⁸atoms/cm³ 未満、Ｏ（酸素）は 1.5×10
¹⁹atoms/cm³ 未満であることが確認された。

【００５５】次に、図示しないアルミニウムを主成分と
する金属膜を成膜し、パターニングによって後のゲイト
電極の原型１０９を形成する。本実施例では２wt% のス
カンジウムを含有したアルミニウム膜を用いる。なお、
これ以外にもタンタル膜、導電性を有する珪素膜等を用
いることもできる。（図１（Ｄ））

【００５６】ここで本発明者らによる特開平7-135318号
公報記載の技術を利用する。同公報には、陽極酸化によ
り形成した酸化膜を利用して自己整合的にソース／ドレ
イン領域と低濃度不純物領域とを形成する技術が開示さ
れている。

【００５７】まず、アルミニウム膜のパターニングに使
用したレジストマスク（図示せず）を残したまま３％シ
ュウ酸水溶液中で陽極酸化処理を行い、多孔性の陽極酸
化膜１１０を形成する。

【００５８】この多孔性の陽極酸化膜１１０は時間に比
例して膜厚が増加する。また、上面にレジストマスクが
残っているのでゲイト電極の原型１０９の側面のみに形
成される。なお、特開平7-135318号公報記載の技術で
は、この膜厚が後に低濃度不純物領域（ＬＤＤ領域とも
呼ばれる）の長さになる。本実施例では膜厚が700 nmと
なる様な条件で陽極酸化処理を行う。

【００５９】次に、図示しないレジストマスクを除去し
た後、エチレングリコール溶液に３％の酒石酸を混合し
た電解溶液中で陽極酸化処理を行う。この処理では緻密
な無孔性の陽極酸化膜１１１が形成される。なお、多孔
性の陽極酸化膜の内部にも電解溶液が浸透するので、そ
の内側にも形成される。

【００６０】この無孔性の陽極酸化膜１１１は印加する
電圧に応じて膜厚が決定する。本実施例では、100 nm程
度の膜厚で形成される様に印加電圧を80Ｖとして陽極酸
化処理を行う。

【００６１】そして、上述の２回に渡る陽極酸化処理の
後に残ったアルミニウム膜１１２が実質的にゲイト電極
として機能する。

【００６２】こうして図１（Ｅ）の状態が得られたら、
次にゲイト電極１１２、多孔性の陽極酸化膜１１０をマ
スクとしてゲイト絶縁膜１０８をドライエッチング法に
よりエッチングする。そして、多孔性の陽極酸化膜１１
０を除去する。こうして形成されるゲイト絶縁膜１１３
の端部は多孔性の陽極酸化膜１１０の膜厚分だけ露出し
た状態となる。（図２（Ａ））

【００６３】次に、一導電性を付与する不純物元素の添
加工程を行う。不純物元素としてはＮ型ならばＰ（リ
ン）またはＡｓ（砒素）、Ｐ型ならばＢ（ボロン）を用
いれば良い。

【００６４】本実施例では、まず１回目の不純物添加を
高加速電圧で行い、ｎ^-領域１１４、１１５を形成す
る。この時、加速電圧が80keV 程度と高いので不純物元
素は活性層表面だけでなく露出したゲイト絶縁膜の端部
の下にも添加される。このｎ^-領域１１４、１１５は不
純物濃度が 1×10¹⁸〜 1×10¹⁹atoms/cm³ となる様に調
節する。（図２（Ｂ））

【００６５】さらに、２回目の不純物添加を低加速電圧
で行い、ｎ⁺領域１１６、１１７を形成する。この時は
加速電圧が10keV 程度と低いのでゲイト絶縁膜がマスク
として機能する。また、このｎ⁺領域１１６、１１７は
シート抵抗が 500Ω以下（好ましくは 300Ω以下）とな
る様に調節する。（図２（Ｃ））

【００６６】以上の工程で形成された不純物領域は、ｎ
⁺領域がソース領域１１６、ドレイン領域１１７とな
り、ｎ^-領域が低濃度不純物領域１１８となる。また、
ゲイト電極直下の領域は不純物元素が添加されず、実質
的に真性なチャネル形成領域１１９となる。

【００６７】なお、低濃度不純物領域１１８はチャネル
形成領域１１９とドレイン領域１１７との間にかかる高
電界を緩和する効果があり、ＬＤＤ（ライトドープドレ
イン）領域とも呼ばれる。

【００６８】以上の様にして活性層が完成したら、ファ
ーネスアニール、レーザーアニール、ランプアニール等
の組み合わせによって不純物元素の活性化を行う。それ
と同時に添加工程で受けた活性層の損傷も修復される。

【００６９】次に、層間絶縁膜１２０を500 nmの厚さに
形成する。層間絶縁膜１２０としては酸化珪素膜、窒化
珪素膜、酸化窒化珪素膜、有機性樹脂膜、或いはそれら
の積層膜を用いることができる。

【００７０】なお、有機性樹脂膜としてはポリイミド、
アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド等が用いられ
る。有機性樹脂膜の利点は、成膜方法が簡単である
点、容易に膜厚を厚くできる点、比誘電率が低いの
で寄生容量を低減できる点、平坦性に優れている点な
どが挙げられる。

【００７１】次に、コンタクトホールを形成した後、ソ
ース電極１２１、ドレイン電極１２２を形成する。最後
に、基板全体を350 ℃の水素雰囲気で１〜２時間加熱
し、素子全体の水素化を行うことで膜中（特に活性層
中）のダングリングボンド（不対結合手）を終端する。

【００７２】以上の工程によって、図２（Ｄ）に示す様
な構造のＴＦＴを作製することができる。以下に、こう
して得られたＴＦＴの特徴について述べる。

【００７３】（活性層中に含まれる不純物に関する知
見）本実施例の活性層（半導体薄膜）には結晶化を阻害
する元素であるＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）及
びＳ（硫黄）が存在しない、或いは実質的に存在しない
点に特徴がある。これは徹底的な不純物（汚染物）管理
によってなしうる構成である。

【００７４】前述の様に、少なくともＣ（炭素）、Ｎ
（窒素）、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）のいずれか一つの
元素が結晶化の際に膜中に存在すると、触媒元素を利用
した結晶化機構に悪影響を与える。

【００７５】これら不純物元素の代表的な混入経路は基
板上への非晶質珪素膜の成膜時が考えられるので、初期
成膜時にこれら不純物元素の濃度を極力抑える（好まし
くは完全に排除する）ことが、良好な結晶性を確保する
ためには重要となる。勿論、成膜時以外にも注意を払う
ことは言うまでもない。

【００７６】本実施例の場合、非晶質珪素膜の成膜にあ
たってＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）及びＳ（硫
黄）の混入を徹底的に避けるので、必然的に最終的な半
導体膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）及びＳ（硫
黄）の濃度は少なくとも 5×10¹⁸atoms/cm³ 未満（0.01
atomic% 未満）、Ｏ（酸素）の濃度は少なくとも 1.5×
10¹⁹atoms/cm³ 未満（0.03atomic% 未満）となる。

【００７７】なお、純粋に珪素だけからなる半導体膜で
は珪素の濃度が約 5×10²²atoms/cm³ であるので、例え
ば 5×10¹⁸atoms/cm³ の不純物元素は約0.01atomic% の
濃度で存在することに相当する。従って、例えば珪素に
数％のゲルマニウムを含有させた半導体薄膜などでは
「atomic% 」による表示は多少変わってくるが、 5×10
¹⁸atoms/cm³ という絶対的な濃度は変わるものではな
い。

【００７８】また、望ましくは最終的な半導体膜中に存
在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）及びＳ（硫
黄）の濃度をＳＩＭＳ分析における検出下限以下、さら
に望ましくは完全に存在しない状態とすることが優れた
結晶性を得るためには必要であると考える。

【００７９】（活性層の結晶構造に関する知見）上記作
製工程に従って形成した活性層は、微視的に見れば複数
の棒状または偏平棒状結晶が互いに概略平行に特定方向
への規則性をもって並んだ結晶構造を有する。このこと
はＴＥＭ（透過型電子顕微鏡法）による観察で容易に確
認することができる。

【００８０】本発明者らは棒状または偏平棒状結晶同士
が接して形成する結晶粒界を 800万倍に拡大したＨＲ−
ＴＥＭ写真で確認した。なお、本明細書中において結晶
粒界とは、棒状または偏平棒状結晶が接した境界に形成
される粒界を指すものと定義する。従って、例えば横成
長領域がぶつかりあって形成される様なマクロな意味あ
いでの粒界とは区別して考える。

【００８１】ところで前述のＨＲ−ＴＥＭ（高分解能透
過型電子顕微鏡法）とは、試料に対して垂直に電子線を
照射し、透過電子や弾性散乱電子の干渉を利用して原子
・分子配列を評価する手法である。

【００８２】ＨＲ−ＴＥＭでは結晶格子の配列状態を格
子縞として観察することが可能である。従って、結晶粒
界を観察することで、結晶粒界における原子同士の結合
状態を推測することができる。

【００８３】本発明者らが得たＴＥＭ写真によれば、異
なる二つの結晶粒が結晶粒界で接した状態が明瞭に観察
された。またこの時、二つの結晶粒は結晶軸に多少のず
れが含まれているものの概略｛１１１｝配向であった。
この事は複数の結晶粒を電子線回折により調べて確認し
た。

【００８４】なお、多数観察した中には（１−１１）面
や（−１１−１）面（書式の都合上（１−１１）などと
表記するが、−１の（−）記号は反転を表す論理記号の
代わりとして用いている）などもあるはずだが、それら
等価な面はまとめて｛１１１｝面と表すことにする。こ
の事について図２を用いて説明する。

【００８５】図１７（Ａ）は結晶面が｛１１１｝面であ
る結晶粒（結晶軸は〈１１１〉となる）を模式的に表し
た例である。｛１１１｝である結晶面内には〈１１０〉
軸が多方向に含まれる。

【００８６】図１７（Ａ）に示す様な表記方法は集合的
な指数表記の例である。これを厳密な指数表記にすると
図１７（Ｂ）、（Ｃ）の様になる。例えば、図１７
（Ｂ）に示される結晶軸［１１１］と図１７（Ｃ）に示
される結晶軸［−１１１］はどちらも等価であり、〈１
１１〉でまとめられる。

【００８７】以上の様に、厳密な結晶方位（結晶軸）で
議論すると様々な捉え方ができるので、簡略化を図るた
めに以下の記載は全て集合的な指数表記で表す。勿論、
等価な全ての結晶面では同様の物性が得られる。

【００８８】ところで、前述の様なＴＥＭ写真による格
子縞観察では｛１１１｝面内に｛１１０｝面に対応する
格子縞が観察された。なお、｛１１０｝面に対応する格
子縞とは、その格子縞に沿って結晶粒を切断した場合に
断面に｛１１０｝面が現れる様な格子縞を指している。
格子縞がどの様な面に対応するかは、簡易的に格子縞と
格子縞の間隔から確認できる。

【００８９】この時、本発明者らは本願発明の半導体薄
膜のＴＥＭ写真を詳細に観察した結果、非常に興味深い
知見を得た。写真に見える異なる二つの結晶粒ではどち
らにも｛１１０｝面に対応する格子縞が見えていた。そ
して、互いの格子縞が明らかに平行に走っているのが観
察されたのである。

【００９０】さらに、結晶粒界の存在と関係なく、結晶
粒界を横切る様にして異なる二つの結晶粒の格子縞が繋
がっている。即ち、結晶粒界を横切る様にして観測され
る格子縞の殆どが、異なる結晶粒の格子縞であるにも拘
らず直線的に連続していることが確認できた。これは任
意の結晶粒界で同様であった。

【００９１】この様な結晶構造は本願発明の結晶性珪素
膜の大きな特徴であり、本発明者らが求めた結晶粒界を
実現する結晶構造である。

【００９２】この様な結晶構造（正確には結晶粒界の構
造）は、結晶粒界において異なる二つの結晶粒が極めて
整合性よく接合していることを示している。即ち、結晶
粒界において結晶格子が連続的に連なり、結晶欠陥等に
起因するトラップ準位を非常に作りにくい構成となって
いる。換言すれば、結晶粒界において結晶格子に連続性
があるとも言える。

【００９３】なお、本発明者らはリファレンスとして従
来の高温ポリシリコン膜についても電子線回折およびＨ
Ｒ−ＴＥＭ観察による解析を行った。その結果、結晶面
には規則性がなく、｛１１１｝面、｛１１０｝面｛３１
１｝面などが不規則に現れる様なランダムな配向であっ
た。

【００９４】また、ＴＥＭ写真により異なる二つの結晶
粒の格子縞を観察した結果、互いの格子縞は全くバラバ
ラに走っており、結晶粒界で整合性よく連続する様な接
合は見つけられなかった。なお、この観察ではちょうど
｛１１１｝配向の結晶粒が並ぶ結晶粒界を探し、｛１１
０｝に対応する格子縞が見える様な条件で撮影したＴＥ
Ｍ写真を調べた。

【００９５】また、従来の高温ポリシリコンの場合、結
晶粒界では格子縞が途切れた部分が多数確認できた。こ
の様な部分では未結合手（結晶欠陥と呼べる）が存在す
ることになり、トラップ準位としてキャリアの移動を阻
害する可能性が高い。

【００９６】なお、上述の様に本願発明の結晶性珪素膜
は結晶粒界においても格子が連続性を有しており、この
様な結晶欠陥は殆ど確認することができなかった。この
点からも本願発明の結晶性珪素膜が従来の高温ポリシコ
ンとは明らかに異なる半導体膜であることが証明されて
いる。

【００９７】ところで、前述の電子線回折による解析で
は興味ある知見が得られている。本願発明の半導体薄膜
の場合、〈１１１〉入射に対応する回折斑点が比較的き
れいに現れ、結晶面が｛１１１｝配向であることは明ら
かであった。

【００９８】この時、各斑点は同心円状の広がりを僅か
にもっていたが、これは結晶軸まわりにある程度の回転
角度の分布をもつためと予想される。その広がりの程度
はパターンから見積もっても５°以内であった。

【００９９】また、多数観測するうちには回折斑点が部
分的に見えない場合があった。おそらくは概略｛１１
１｝配向であるものの、わずかに結晶軸がずれているた
めに回折パターンが見えなったものと思われる。

【０１００】本発明者らは、結晶面内に殆ど必ず｛１１
０｝面が含まれるという事実を踏まえ、おそらく〈１１
０〉軸まわりの回転角のずれがその様な現象の原因であ
ろうと推測している。

【０１０１】（本願発明の半導体薄膜の配向性に関する
知見）本発明者らが開示した特開平7-321339号公報によ
れば、非晶質珪素膜が結晶化する際、基板と概略平行に
成長する棒状または偏平棒状結晶（針状または柱状結晶
と呼ぶ場合もある）の成長方向は〈１１１〉軸である。

【０１０２】即ち、Ｎｉ（ニッケル）を触媒元素として
非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ）を結晶化する場合、ＮｉＳｉ
₂ 析出体を媒介として〈１１１〉軸方向に沿って結晶成
長する。これはＮｉＳｉ₂ とＳｉの結晶面において｛１
１１｝面同士が構造的に整合性が良いためと考えられ
る。

【０１０３】この時、〈１１１〉軸方向に沿って成長し
た棒状または偏平棒状結晶の側面（成長方向に対して平
行な面）には様々な面が形成されうるが、最も現れやす
い面が｛１１０｝面である。これは、側面に形成されう
るいくつかの面のうち、｛１１０｝面が最も原子密度が
高いためと考えられる。

【０１０４】こうした理由から、本願発明の様に｛１１
１｝面を先頭に成長した結晶粒（〈１１１〉軸方向に沿
って成長した結晶粒）では、｛１１０｝面が表面（観察
面を意味する）に現れることになる。以上の見解は本発
明者らによる平成９年６月６日付けで出願した明細書に
記載してある。

【０１０５】以上の様に、特開平7-130652号公報記載の
技術を用いて形成した結晶性珪素膜は、本来ならば概略
｛１１０｝配向を示すはずである。ところが、本願発明
の結晶性珪素膜は主たる配向面が｛１１１｝面であっ
た。その理由について本発明者らは以下に示す様なモデ
ルを考えた。

【０１０６】前述の平成９年６月６日付けで出願した明
細書に記載された結晶性珪素膜と、本願発明の結晶性珪
素膜の最も顕著な相違点は、下地の性質である。即ち、
下地がどの様なものであるかが結晶面の配向性を決定す
る上で非常に重要なパラメータとなっていると考えられ
る。

【０１０７】まず、一般的にはSi/SiO₂ （珪素／二酸化
珪素）界面では｛１１１｝面の安定度が特に高いとされ
ている。これは、界面における珪素膜側の結合手の数に
起因していると考えられる。ここで表１に示すのは各面
指数に対応する結晶面上において二酸化珪素との結合に
預かると思われる結合手の密度である。

【０１０８】

【表１】

【０１０９】表１によれば、｛１１１｝面は最も結晶面
上に結合手密度が小さい。即ち、結合手密度が大きいと
二酸化珪素と接合する際に界面付近の結合角がひずみや
すく、エネルギー的に不利なため、結合手密度の小さい
｛１１１｝面がSi/SiO₂ 界面に現れるのである。

【０１１０】しかしながら、石英基板上で特開平7-1306
52号公報記載の技術を用いて形成した結晶性珪素膜は概
略｛１１１｝配向を示しており（平成９年６月６日付け
出願の明細書参照）、珪素膜側の結合手密度だけで一義
的に配向性が決めるのではない様である。

【０１１１】そこで、本発明者らは珪素膜側の結合手密
度だけでなく、下地側の結合手密度も配向性の決定に大
きく関与していると考えた。言うまでもなく下地側の結
合手密度は下地の緻密性と密接に関係する。即ち、下地
の緻密性とその上に形成される結晶性珪素膜の配向性と
の間には何らかの相関関係があると推測される。

【０１１２】本発明者らは下地の緻密性を評価する手段
として下地のエッチングレートを調べ、下地の緻密性と
その上に形成された半導体薄膜の配向性との相関関係を
調べた。なお、下地のエッチングレートは市販のエッチ
ャントであるＬＡＬ５００（フッ化水素酸とフッ化アン
モニウムと界面活性剤の混合物、橋本化成製）を用い
て、室温で測定した。その結果を表２に示す。

【０１１３】

【表２】

【０１１４】表２に示す様に、熱酸化膜、石英、窒化珪
素膜といった一般的に緻密と考えられている下地の場合
には概略｛１１０｝配向を示す傾向にあった。逆にスパ
ッタ法やプラズマＣＶＤ法で成膜した二酸化珪素膜を下
地とした場合には概略｛１１１｝配向を示す傾向が観測
された。この傾向はエッチングレートの差がそのまま反
映した結果と思われる。

【０１１５】即ち、下地のエッチングレートが少なくと
も40〜50nm/min以下と小さい場合は、その上の結晶性珪
素膜が概略｛１１０｝配向を示す傾向にあると言える。
逆に言えば、エッチングレートがその値以上（50nm/min
以上）であれば本願発明に示す様な概略｛１１１｝配向
の結晶性珪素膜が得られると言える。

【０１１６】下地が緻密であるという事は下地表面にお
ける結合手密度が高いことを意味しており、珪素膜の結
合手とひずみの小さい接合をなし易い。即ち、下地が緻
密である場合には、特に｛１１１｝面で下地と接する必
要がなく、珪素膜の配向性に対して下地の束縛力（配向
規制力）が緩いと考えられる。

【０１１７】そのため、下地が石英などの様に非常に緻
密な絶縁物である場合、珪素膜は結晶成長の際に下地か
らの束縛を受けず、本来の配向である概略｛１１０｝配
向となると考えられる。

【０１１８】逆に、本願発明の様にＬＡＬ５００でエッ
チングレートが50nm/min以上（室温）である様な下地膜
の上に結晶性珪素膜を形成した場合、各結晶粒は成長過
程において下地の束縛力を受け、最も安定な面で下地と
接する様に振る舞う。その結果、結晶性珪素膜の表面
（または界面）には、最もひずみの小さい接合をなしう
る｛１１１｝面が現れる。

【０１１９】ここで下地からの束縛を受けた結晶粒が
｛１１１｝配向に変化する様子を図２０を用いて説明す
る。なお、図２０において、棒状または偏平棒状結晶の
粒内は実質的に単結晶と見なせるため、ｃ−Ｓｉと記載
することにする。

【０１２０】図２０（Ａ）の場合、結晶成長面（先端の
結晶面）は概略〈１１１〉軸に沿っているため、結晶成
長面の直後における結晶面（表面または界面）の結晶軸
は概略〈１１０〉軸となっていると考えられる。

【０１２１】ところが、この状態で下地からの束縛を受
けると結晶粒が転移（約３５°の回転と予想される）
し、結晶面には概略｛１１１｝面が現れる様になる（結
晶軸は〈１１１〉軸が現れる）。

【０１２２】また、図２０（Ｂ）の場合、成長過程にお
いて下地からの束縛を受け、基板と平行な方向に対して
結晶成長面が約７０°傾いた状態で成長している。この
場合、結晶成長面の直後の表面に現れる結晶面は結晶方
位の関係から必然的に概略｛１１１｝面となる。

【０１２３】以上に示してきた様に、特開平7-130652号
公報に記載の技術で形成された結晶性珪素膜は下地から
の束縛力が緩い強いかという要素のせめぎ合いで、その
配向性が決定されると推測される。

【０１２４】また、ここでは下地に着目して説明を進め
たが、特開平7-130652号公報の実施例２に記載された様
に横成長領域を形成する場合、非晶質半導体薄膜上に形
成されるマスク絶縁膜も配向性に影響を与えると思われ
る。その場合においても、下地と同様のモデルで配向性
が決まると考えられる。

【０１２５】なお、本発明者らの経験では、これまでの
議論は膜厚は80nm程度までの非晶質半導体薄膜に適用し
うる。これ以上の膜厚では下地界面やマスク界面からの
束縛力を受けにくくなり、ランダムな配向を示す傾向に
ある。

【０１２６】また、本発明者らは特開平7-321339号公報
に記載した手法に従ってＸ線回折を行い、本願発明の結
晶性珪素膜について配向比率を算出した。同公報では下
記数１に示す様な算出方法で配向比率を定義している。

【０１２７】

【数１】

【０１２８】なお、測定では｛２２０｝面として観察さ
れるが、これは｛１１０｝面と等価であることは言うま
でもない。上記測定の結果、｛１１１｝面が主たる配向
であり、配向比率は０．７以上（典型的には０．９以
上）であることが判明した。

【０１２９】以上に示してきた通り、本願発明の結晶性
珪素膜と従来のポリシリコン膜とは全く異なる結晶構造
（結晶構成）を有していることが判る。この点からも本
願発明の結晶性珪素膜は全く新しい半導体膜であると言
える。

【０１３０】（ＴＦＴの電気特性に関する知見）上述の
様な結晶性珪素膜を活性層として作製したＴＦＴは図４
に示す様な電気特性を示す。図４に示すのは横軸にゲイ
ト電圧（Ｖｇ）、縦軸にドレイン電圧（Ｉｄ）の対数を
とってプロットしたＮチャネル型ＴＦＴのId-Vg 曲線
（Id-Vg 特性）である。なお、電気特性の測定は市販の
装置（ヒューレットパッカード社製：型番４１４５Ｂ）
を用いて行った。

【０１３１】図１３において、１０５０は上記工程で得
られた活性層を利用したＴＦＴの電気特性であり、１０
５１は従来のＴＦＴの電気特性を示している。ここでは
従来のＴＦＴとして実施例１においてゲイト絶縁膜形成
後の熱処理（ゲッタリングプロセス）を行わなかったＴ
ＦＴを挙げている。

【０１３２】両方のトランジスタ特性を比較すると、ま
ず同じゲイト電圧でも１０５０で示される特性の方が１
桁近く大きいオン電流が流れることが確認できる。な
お、オン電流とはＴＦＴがオン状態（図１３においてゲ
イト電圧が約０〜２０Ｖの範囲）にある時に流れるドレ
イン電流のことを指す。

【０１３３】また、１０５０で示される特性の方が優れ
たサブスレッショルド特性を有していることも確認でき
る。サブスレッショルド特性とはＴＦＴのスイッチング
動作の急峻性を示すパラメータであり、ＴＦＴがオン又
はオフ状態にスイッチングする際のId-Vg 曲線の立ち上
がりが急峻である程、サブスレッショルド特性は良いと
言える。

【０１３４】なお、本発明で得られるＴＦＴの代表的な
電気特性は次に示す様なものであった。（１）ＴＦＴのスイッチング性能（オン／オフ動作の切
り換えの俊敏性）を示すパラメータであるサブスレッシ
ョルド係数が、Ｎ型ＴＦＴおよびＰ型ＴＦＴともに60〜
100mV/decade（代表的には60〜85mV/decade ）と小さ
い。なお、このデータ値は単結晶シリコンを用いた絶縁
ゲイト型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）の場合と
ほぼ同等である。（２）ＴＦＴの動作速度の速さを示すパラメータである
電界効果移動度（μ_FE）が、Ｎ型ＴＦＴで200 〜650cm²
/Vs （代表的には250 〜300cm²/Vs ）、Ｐ型ＴＦＴで10
0 〜300cm²/Vs （代表的には150 〜200cm²/Vs ）と大き
い。（３）ＴＦＴの駆動電圧の目安となるパラメータである
しきい値電圧（Ｖ_th）が、Ｎ型ＴＦＴで-0.5〜1.5 Ｖ、
Ｐ型ＴＦＴで-1.5〜0.5 Ｖと小さい。この事は小さい電
源電圧で駆動して消費電力を小さくできることを意味し
ている。

【０１３５】以上の様に、本発明で得られるＴＦＴは極
めて優れたスイッチング特性および高速動作特性を有し
ている。

【０１３６】（本発明のＴＦＴで構成した回路の特性）
次に、本発明者らが本発明で得られるＴＦＴを用いて作
製したリングオシレータによる周波数特性を示す。リン
グオシレータとはＣＭＯＳ構造でなるインバータ回路を
奇数段リング状に接続した回路であり、インバータ回路
１段あたりの遅延時間を求めるのに利用される。実験に
使用したリングオシレータの構成は次の様になってい
る。段数：９段、１９段、５１段ＴＦＴのゲイト絶縁膜（ＧＩ）の膜厚：50nm ＴＦＴのゲイト長： 0.6μｍＴＦＴのゲイト幅：ＮＴＦＴは10μｍ、ＰＴＦＴは20μ
ｍ

【０１３７】上記リングオシレータの発振周波数をスペ
クトラムアナライザーで測定した結果を図１４に示す。
図１４において、横軸は電源電圧（Ｖ_DD）、縦軸は発振
周波数（ｆ_osc）である。図１４が示す様に、ゲイト絶
縁膜が９段のリングオシレータにおいて１ＧＨｚ近い発
振周波数を実現している。

【０１３８】図１５に示すのは電源電圧５Ｖで1.042 Ｇ
Ｈｚの発振周波数を達成した際のスペクトラムアナライ
ザーの出力スペクトルである。横軸には 10 ＭＨｚ〜1.
2 ＧＨｚまでの発振周波数をとり、縦軸にはログスケー
ルでとった電圧（出力振幅）をとっている。

【０１３９】また、実際にＬＳＩ回路のＴＥＧの一つで
あるシフトレジスタを作製して動作周波数を確認した。
その結果、ゲイト絶縁膜の膜厚50nm、ゲイト長 0.6μ
ｍ、電源電圧５Ｖ、段数５０段のシフトレジスタ回路に
おいて動作周波数100 ＭＨｚの出力パルスが得られた。

【０１４０】以上の様なリングシレータおよびシフトレ
ジスタの驚異的なデータは、本発明のＴＦＴが単結晶シ
リコンを利用したＩＧＦＥＴに匹敵する、若しくは凌駕
する性能を有していることを示している。

【０１４１】それを裏付ける証拠として次の様なデータ
がある。図１６に示すデータは横軸に電源電圧
（Ｖ_DD）、縦軸にＦ／Ｏ＝１（ファンアウト比が１）の
インバータの１段当たりの遅延時間（τ_pd）をとったグ
ラフである（ロジックＬＳＩ技術の革新，前口賢二他，
ｐ１０８，株式会社サイエンスフォーラム，1995）。

【０１４２】なお、図中の様々な曲線（点線で示される
もの）は、単結晶シリコンを利用したＩＧＦＥＴを様々
なデザインルールで作製した時のデータであり、いわゆ
るスケーリング則を示している。

【０１４３】この図に上述のリングオシレータを用いて
得たインバータの遅延時間と電源電圧との関係を当ては
めると、図１６において実線で示される曲線となる。注
目すべきはチャネル長が 0.5μｍ、ゲイト絶縁膜の膜厚
（ｔ_OX）が11nmのＩＧＦＥＴで作製したインバータより
も、チャネル長が 0.6μｍ、ゲイト絶縁膜の膜厚が50nm
のＴＦＴで作製したインバータの方が優れた性能を有し
ている点である。

【０１４４】この事は本発明者で得られるＴＦＴがＩＧ
ＦＥＴよりも優れた性能を有していることを如実に示し
ている。例えば、上記ＴＦＴを構成するゲイト絶縁膜の
膜厚をＩＧＦＥＴの５倍以上としても、性能的に同等も
しくはそれ以上のものが得られるのである。即ち、本発
明のＴＦＴは同等の特性を動作性能を有するＩＧＦＥＴ
よりも優れた絶縁耐圧を有していると言える。

【０１４５】また同時に、本発明のＴＦＴがスケーリン
グ則に従って微細化されればさらに高い性能を実現する
ことが可能である。例えば、リングオシレータを0.2 μ
ｍルールで作製すればスケーリング則によると９ＧＨｚ
の動作周波数を実現しうると予想される（動作周波数ｆ
がチャネル長Ｌの二乗に反比例するため）。

【０１４６】以上の様に、本発明のＴＦＴは極めて優れ
た特性を有し、そのＴＦＴを用いて形成した半導体回路
は１０ＧＨｚ以上の高速動作を実現しうる全く新しいＴ
ＦＴであることが確認された。

【０１４７】〔実施例２〕実施例１では半導体膜として
珪素膜を用いる例を示したが、Ｓｉ_XＧｅ_1-X（０＜Ｘ
＜１、好ましくは0.9 ≦Ｘ≦0.99）で示される様にゲル
マニウムを１〜１０％含有した珪素膜を用いることも有
効である。

【０１４８】この様な化合物半導体膜を用いた場合、Ｎ
型ＴＦＴおよびＰ型ＴＦＴを作製した際にしきい値電圧
を小さくできる。また、電界効果移動度（モビリティと
呼ばれる）を大きくできる。

【０１４９】〔実施例３〕実施例１では活性層に対して
意図的に不純物を添加しないのでチャネル形成領域が真
性または実質的に真性となる。なお、実質的に真性であ
るとは、珪素膜の活性化エネルギーがほぼ1/2 である
（フェルミレベルが禁制体のほぼ中央に位置する）こ
と、スピン密度よりも不純物濃度が低いこと、意図
的に不純物を添加していないこと、のいずれかを満たす
ことである。

【０１５０】しかし、本願発明のＴＦＴは公知のチャネ
ルドープ技術を利用することも可能である。チャネルド
ープ技術とは、しきい値制御のために少なくともチャネ
ル形成領域に対して不純物を添加する技術である。

【０１５１】本願発明はもともとしきい値が非常に小さ
いので不純物を添加する濃度は非常に微量なもので良
い。添加濃度が微量ですむということは、キャリアの移
動度を落とさずにしきい値制御が可能となるため非常に
好ましい。

【０１５２】〔実施例４〕本実施例では、実施例１に示
したハロゲン元素によるゲッタリング効果に加えてリン
元素によるゲッタリング効果を得るための構成について
説明する。説明には図３を用いる。

【０１５３】まず、実施例１の工程に従ってハロゲン元
素によるゲッタリングプロセスまで行い、図１（Ｃ）の
状態を得る。次に、タンタルまたはタンタルを主成分と
する材料でなるゲイト電極１１を形成する。

【０１５４】次に、ゲイト電極１１の表面を陽極酸化す
ることによって陽極酸化膜１２を形成する。陽極酸化膜
１２は保護膜として機能する。（図３（Ａ））

【０１５５】次に、ゲイト電極１１をマスクとしてゲイ
ト絶縁膜１０８をドライエッチング法によりエッチング
する。そして、その状態でリンまたは砒素イオン注入法
により添加して不純物領域１３、１４を形成する。（図
３（Ｂ））

【０１５６】次に、窒化珪素膜を厚く形成した後、ドラ
イエッチング法によるエッチバックを行い、サイドウォ
ール１５を形成する。そして、サイドウォール１５を形
成した後、再びリンまたは砒素イオンを添加してソース
領域１６、ドレイン領域１７を形成する。（図３
（Ｃ））

【０１５７】なお、サイドウォール１５の下は２度目の
リン元素が添加されず、ソース領域およびドレイン領域
よりも低濃度にリン元素を含む一対の低濃度不純物領域
１８となる。また、ゲイト電極１１の下は真性または実
質的に真性、或いはしきい値制御のために微量の不純物
が添加されたチャネル形成領域１９となる。

【０１５８】こうして図３（Ｃ）の状態が得られたら、
４５０〜６５０℃（代表的には６００℃）で８〜２４時
間（代表的には１２時間）の加熱処理を行う。

【０１５９】この加熱処理はリン元素による触媒元素
（ここではニッケル）のゲッタリングを目的とした工程
であるが、同時に不純物の活性化、活性層が受けたイオ
ン注入時の損傷の回復が行われる。

【０１６０】この工程では、加熱処理を行うことでチャ
ネル形成領域１９に残存するニッケルがソース／ドレイ
ン領域１６、１７に移動し、そこでゲッタリングされて
不活性化する。即ち、チャネル形成領域１９内部に残存
するニッケルを除去することが可能である。

【０１６１】なお、ソース／ドレイン領域１６、１７は
導電性を有していれば電極としての機能を果たすのでニ
ッケルの有無が電気特性に影響を与える恐れがない。そ
のため、ゲッタリングサイトとして機能させうるのであ
る。

【０１６２】以上の様にして図３（Ｄ）の状態が得られ
たら、実施例１と同様に層間絶縁膜２０、ソース電極２
１、ドレイン電極２２を形成して図３（Ｅ）に示す薄膜
トランジスタが完成する。

【０１６３】なお、本実施例ではゲイト電極としてタン
タルを用いているが、導電性を有する結晶性珪素膜を用
いても良い。また、低濃度不純物領域の形成方法は本実
施例の手段に限定されるものではない。

【０１６４】本実施例で最も重要な構成は、チャネル形
成領域に残存する触媒元素をソース領域およびドレイン
領域に移動させてゲッタリングすることにある。これ
は、リンまたは砒素による金属元素のゲッタリング効果
に着目した発明である。

【０１６５】なお、本実施例ではＮ型ＴＦＴの例を示し
たが、Ｐ型ＴＦＴの場合、ボロン元素だけではゲッタリ
ング効果が得られないので、リン元素とボロン元素の両
方をソース／ドレイン領域に添加することが必要であ
る。

【０１６６】〔実施例５〕本実施例では、実施例１と異
なる構造の薄膜トランジスタに本願発明を適用した場合
の例について説明する。説明には図４を用いる。

【０１６７】まず、石英基板３１上にゲイト電極３２を
形成する。ゲイト電極３２は後の熱酸化工程に耐えられ
る様にタンタル、シリコン等の耐熱性の高い電極を利用
することが必要である。

【０１６８】次に、ゲイト電極３２を覆う様にしてゲイ
ト絶縁膜３３を形成する。ゲイト絶縁膜３３はスパッタ
法またはプラズマＣＶＤ法で形成する。この際、概略
｛１１１｝配向の結晶性珪素膜を得るためには、ゲイト
絶縁膜３３の膜質を表２を用いて説明した条件に合わせ
ることが必要である。

【０１６９】次に、その上には後に活性層となる非晶質
珪素膜を50nmの厚さに形成する。そして、実施例１と同
様に開口部を有するマスク絶縁膜３５を形成した後、ニ
ッケル含有層３６を形成する。（図４（Ａ））

【０１７０】こうして図４（Ａ）の状態が得られたら、
結晶化のための加熱処理を行い、横成長領域でなる結晶
性珪素膜３７を得る。（図４（Ｂ））

【０１７１】次に、マスク絶縁膜３５を除去してハロゲ
ン元素を含む雰囲気中で加熱処理を行う。条件は実施例
１に従えば良い。この工程によって結晶性珪素膜３７中
からニッケルがゲッタリングされ、気相中へと除去され
る。（図４（Ｃ））

【０１７２】こうしてゲッタリングプロセスが完了した
ら、パターニングにより横成長領域のみでなる活性層３
８を形成し、その上に窒化珪素膜でなるチャネルストッ
パー３９を形成する。（図４（Ｄ））

【０１７３】図４（Ｄ）の状態が得られたら、Ｎ型を呈
する結晶性珪素膜を形成してパターニングを施し、ソー
ス領域４０、ドレイン領域４１を形成する。さらに、ソ
ース電極４２、ドレイン電極４３を形成する。

【０１７４】最後に、素子全体に対して水素雰囲気中で
加熱処理を行い、図４（Ｅ）に示す様な構造の逆スタガ
型ＴＦＴが完成する。なお、本実施例に示した構造は逆
スタガ型ＴＦＴの一例であり、本実施例の構造に限定さ
れるものではない。また、他のボトムゲイト型ＴＦＴに
適用することも可能である。

【０１７５】以上の様なボトムゲイト型ＴＦＴの場合、
活性層の下地となる絶縁物はゲイト絶縁膜（通常は二酸
化珪素膜が用いられる）であるので、必然的に束縛力を
受けて｛１１１｝配向になりやすい。

【０１７６】〔実施例６〕本実施例では絶縁表面を有す
る基板上に本発明によるＴＦＴを形成し、画素マトリク
ス回路と周辺回路とをモノリシックに構成する例を図５
〜７に示す。なお、本実施例ではドライバー回路やロジ
ック回路等の周辺回路の例として、基本回路であるＣＭ
ＯＳ回路を示す。

【０１７７】まず、石英基板５０上に酸化珪素膜でなる
下地膜５１をプラズマＣＶＤ法により形成する。そし
て、その上に75nm厚の非晶質珪素膜５２、マスク絶縁膜
５３を形成し、スピンコート法によりニッケル含有層５
４を形成する。これらの工程は実施例１に示した通りで
ある。（図５（Ａ））

【０１７８】次に、450 ℃１時間程度の水素出しの後、
窒素雰囲気中において590 ℃ 8時間の加熱処理を行い、
結晶性領域５５〜５８を得る。なお、５５、５６はニッ
ケル添加領域であり、５７、５８は横成長領域である。
（図５（Ｂ））

【０１７９】結晶化のための加熱処理が終了したら、マ
スク絶縁膜５３を除去してパターニングを行い、横成長
領域５７、５８のみでなる島状半導体層（活性層）５９
〜６１を形成する。（図５（Ｃ））

【０１８０】ここで５９はＣＭＯＳ回路を構成するＮ型
ＴＦＴの活性層、６０はＣＭＯＳ回路を構成するＰ型Ｔ
ＦＴの活性層、６１は画素マトリクス回路を構成するＮ
型ＴＦＴ（画素ＴＦＴ）の活性層である。

【０１８１】活性層５９〜６１を形成したら、その上に
珪素を含む絶縁膜でなるゲイト絶縁膜６２を成膜する。
そして、次に触媒元素のゲッタリングプロセスを行う。
この工程の条件は実施例１に従えば良い。（図５
（Ｄ））

【０１８２】次に、図示しないアルミニウムを主成分と
する金属膜を成膜し、パターニングによって後のゲイト
電極の原型６３〜６５を形成する。本実施例では２wt%
のスカンジウムを含有したアルミニウム膜を用いる。
（図６（Ａ））

【０１８３】次に、実施例１と同様に特開平7-135318号
公報記載の技術により多孔性の陽極酸化膜６６〜６８、
無孔性の陽極酸化膜６９〜７１、ゲイト電極７２〜７４
を形成する。（図６（Ｂ））

【０１８４】こうして図６（Ｂ）の状態が得られたら、
次にゲイト電極７２〜７４、多孔性の陽極酸化膜６６〜
６８をマスクとしてゲイト絶縁膜６２をエッチングす
る。そして、多孔性の陽極酸化膜６６〜６８を除去して
図６（Ｃ）の状態を得る。なお、７５〜７７で示される
のは加工後のゲイト絶縁膜である。

【０１８５】次に、実施例１と同様の手順に従ってＮ型
を付与する不純物イオンを２回に分けて添加する。まず
１回目の不純物添加を高加速電圧で行い、ｎ^-領域を形
成し、次に２回目の不純物添加を低加速電圧で行い、ｎ
⁺領域を形成する。

【０１８６】以上の工程を経て、ＣＭＯＳ回路を構成す
るＮ型ＴＦＴのソース領域７８、ドレイン領域７９、低
濃度不純物領域８０、チャネル形成領域８１が形成され
る。また、画素ＴＦＴを構成するＮ型ＴＦＴのソース領
域８２、ドレイン領域８３、低濃度不純物領域８４、チ
ャネル形成領域８５が画定する。（図６（Ｄ））

【０１８７】なお、図６（Ｄ）に示す状態ではＣＭＯＳ
回路を構成するＰ型ＴＦＴの活性層もＮ型ＴＦＴの活性
層と同じ構成となっている。

【０１８８】次に、Ｎ型ＴＦＴを覆ってレジストマスク
８６を設け、Ｐ型を付与する不純物イオン（本実施例で
はボロンを用いる）の添加を行う。

【０１８９】この工程も前述の不純物添加工程と同様に
２回に分けて行うが、Ｎ型をＰ型に反転させる必要があ
るため、前述のＰイオンの添加濃度の数倍程度の濃度の
Ｂ（ボロン）イオンを添加する。

【０１９０】こうしてＣＭＯＳ回路を構成するＰ型ＴＦ
Ｔのソース領域８７、ドレイン領域８８、低濃度不純物
領域８９、チャネル形成領域９０が形成される。（図７
（Ａ））

【０１９１】以上の様にして活性層が完成したら、ファ
ーネスアニール、レーザーアニール、ランプアニール等
の組み合わせによって不純物イオンの活性化を行う。そ
れと同時に添加工程で受けた活性層の損傷も修復され
る。

【０１９２】次に、層間絶縁膜９１として酸化珪素膜と
窒化珪素膜との積層膜を形成し、コンタクトホールを形
成した後、ソース電極９２〜９４、ドレイン電極９５、
９６を形成して図７（Ｂ）に示す状態を得る。

【０１９３】なお、本実施例では画素ＴＦＴのドレイン
電極９６を補助容量の下部電極として利用するので、そ
れに対応する様な形状に加工しておく。

【０１９４】次に、10〜50nmの厚さの窒化珪素膜９７を
形成し、その上に補助容量を形成するための容量電極９
８を 100nmの厚さに形成する。本実施例では容量電極９
８としてチタン膜を用い、ドレイン電極９６との間で補
助容量を形成する。

【０１９５】前述の窒化珪素膜９７は比誘電率が高いの
で誘電体として好適である。また、容量電極９８として
はチタン膜以外にもアルミニウム膜やクロム膜等を用い
ても構わない。

【０１９６】なお、本実施例は反射型液晶表示装置のア
クティブマトリクス基板（ＴＦＴ側基板）を作製する例
であるので、透過型と違って後に形成される画素電極の
下を自由に利用できる（開口率を気にする必要がな
い）。それ故に上述の様な補助容量の形成が可能とな
る。

【０１９７】次に、有機性樹脂膜でなる第２の層間絶縁
膜９９を 0.5〜3 μｍの厚さに形成する。そして、層間
絶縁膜９９上に導電膜を形成してパターニングにより画
素電極１０を形成する。本実施例は反射型の例であるた
め画素電極１０を構成する導電膜としてアルミニウムを
主成分とする材料を用い、画素電極１０に反射膜として
の機能を持たせる。

【０１９８】次に、基板全体を350 ℃の水素雰囲気で１
〜２時間加熱し、素子全体の水素化を行うことで膜中
（特に活性層中）のダングリングボンド（不対結合手）
を補償する。以上の工程を経て同一基板上にＣＭＯＳ回
路および画素マトリクス回路を作製することができる。

【０１９９】〔実施例７〕本実施例では、実施例６とは
異なるＴＦＴ構造を採用した場合の例について説明す
る。まず、図８（Ａ）は低濃度不純物領域を形成するに
あたってサイドウォールを利用する例である。

【０２００】この場合、図６（Ａ）に示す状態で無孔性
の陽極酸化膜を形成し、ゲイト電極とその陽極酸化膜を
マスクとしてゲイト絶縁膜をエッチングする。その状態
でｎ^-領域およびｐ^-領域を形成するための不純物添加
を行う。

【０２０１】次に、サイドウォール１００１〜１００３
をエッチバック法で形成した後、ｎ⁺領域およびｐ⁺領
域を形成するための不純物添加を行う。この様な工程で
サイドウォール１００１〜１００３の下には低濃度不純
物領域（ｎ^-領域およびｐ^-領域）が形成される。

【０２０２】また、図８（Ａ）では公知のサリサイド技
術を利用して金属シリサイド１００４〜１００６を形成
している。シリサイド化するための金属としてはチタ
ン、タンタル、タングステン、モリブデン等を用いるこ
とができる。

【０２０３】また、図８（Ｂ）に示す構成は、ゲイト電
極１００７〜１００９が一導電性を付与した結晶性珪素
膜で形成されている点に特徴がある。通常、Ｎ型導電性
を持たせるが、Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとで導電性を異
ならせるデュアルゲイト型ＴＦＴとすることも可能であ
る。

【０２０４】さらに、図８（Ｂ）に示す構造でもサリサ
イド構造を適用しているが、この場合、ゲイト電極１０
０７〜１００９の上面にも金属シリサイド１０１０〜１
０１２が形成される。

【０２０５】本実施例に示した構造は、動作速度の速い
ＴＦＴに適した構造となる様に設計されている。特に、
サリサイド構造は数ＧＨｚレベルの動作周波数を実現す
る上で非常に有効な技術である。

【０２０６】〔実施例８〕本実施例では、実施例６とは
異なる構成で補助容量を形成する場合の例について説明
する。

【０２０７】まず、図９（Ａ）は活性層のドレイン領域
１０２０を大きめに形成しておき、その一部を補助容量
の下部電極として活用する。この場合、ドレイン領域１
０２０の上にはゲイト絶縁膜１０２１があり、その上に
容量電極１０２２が形成される。この容量電極１０２２
はゲイト電極と同一材料で形成される。

【０２０８】この時、ドレイン領域１０２０のうち補助
容量を形成する部分は、予め不純物を添加して導電性を
持たせておいても良いし、容量電極１０２２に定電圧を
かけて形成される反転層を利用しても良い。

【０２０９】図９（Ａ）は反射型液晶表示装置の例であ
るため、画素電極の裏側を最大限に活用して補助容量を
形成できる。そのため、非常に大きな容量を確保するこ
とができる。勿論、透過型液晶表示装置にも適用できる
が、その場合、補助容量の占有面積を大きくしてしまう
と開口率が落ちるので注意が必要である。

【０２１０】次に、図９（Ｂ）は透過型液晶表示装置の
例である。図９（Ｂ）の構成ではドレイン電極１０２３
を補助容量の下部電極とし、その上に窒化珪素膜１０２
４、ブラックマスク１０２５を形成し、ドレイン電極１
０２３とブラックマスク１０２５との間で補助容量を形
成する。

【０２１１】この様に、図９（Ｂ）の構成ではブラック
マスク１０２５が補助容量の上部電極を兼ねる点が特徴
である。

【０２１２】また、１０２６は画素電極であり、透過型
であるので透明導電膜（例えばＩＴＯ膜）を用いる。

【０２１３】図９（Ｂ）に示す様な構成では、広い面積
を占めやすい補助容量をＴＦＴの上に形成することで開
口率を広くすることが可能である。また、誘電率の高い
窒化珪素膜を25nm程度の薄さで利用できるので、少ない
面積で非常に大きな容量を確保することが可能である。

【０２１４】〔実施例９〕本実施例では本願発明を利用
して液晶パネルを構成する場合の例を示す。図１０に示
すのはアクティブマトリクス型液晶パネルの断面を簡略
化した図であり、ドライバー回路やロジック回路を構成
する領域にはＣＭＯＳ回路を、画素マトリクス回路を構
成する領域には画素ＴＦＴを示している。

【０２１５】なお、実施例６〜８でＣＭＯＳ回路と画素
マトリクス回路の構造（ＴＦＴ構造）に関する説明を既
に行ったので、本実施例では必要な箇所のみを説明する
ことにする。

【０２１６】まず、実施例６に示した作製工程に従って
図７（Ｃ）の状態を得る。なお、画素ＴＦＴをマルチゲ
イト構造とするなどの変更は実施者の自由である。

【０２１７】そして、アクティブマトリクス基板の準備
として配向膜１０３０を形成する。次に、対向基板を用
意する。対向基板は、ガラス基板１０３１、透明導電膜
１０３２、配向膜１０３３とで構成される。なお、対向
基板側には必要に応じてブラックマスクやカラーフィル
ターが形成されるがここでは省略する。

【０２１８】こうして用意したアクティブマトリクス基
板と対向基板とを公知のセル組み工程によって貼り合わ
せる。そして、両基板の間に液晶材料１０３４を封入し
て図１０に示す様な液晶パネルが完成する。

【０２１９】液晶材料１０３４は液晶の動作モード（Ｅ
ＣＢモード、ゲストホストモード等）によって自由に選
定することができる。

【０２２０】また、図７（Ｃ）に示した様なアクティブ
マトリクス基板の外観を図１１に簡略化して示す。図１
１において、１０４０は石英基板、１０４１は画素マト
リクス回路、１０４２はソースドライバー回路、１０４
３はゲイトドライバー回路、１０４４はロジック回路で
ある。

【０２２１】ロジック回路１０４４は広義的にはＴＦＴ
で構成される論理回路全てを含むが、ここでは従来から
画素マトリクス回路、ドライバー回路と呼ばれている回
路と区別するため、それ以外の信号処理回路（メモリ、
Ｄ／Ａコンバータ、パルスジェネレータ等）を指す。

【０２２２】また、こうして形成された液晶パネルには
外部端子としてＦＰＣ（Flexible Print Circuit）端子
が取り付けられる。一般的に液晶モジュールと呼ばれる
のはＦＰＣを取り付けた状態の液晶パネルである。

【０２２３】〔実施例１０〕本願発明は実施例９に示し
た液晶表示装置以外にも、アクティブマトリクス型のＥ
Ｌ（エレクトロルミネッセンス）表示装置やＥＣ（エレ
クトロクロミクス）表示装置等の他の電気光学装置を作
製することも可能である。

【０２２４】〔実施例１１〕本実施例では、本発明を利
用した電気光学装置を利用する電子デバイス（応用製
品）の一例を図１２に示す。本発明を利用した応用製品
としてはビデオカメラ、スチルカメラ、プロジェクタ
ー、ヘッドマウントディスプレイ、カーナビゲーショ
ン、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末（モバイル
コンピュータ、携帯電話等）などが挙げられる。

【０２２５】図１２（Ａ）は携帯電話であり、本体２０
０１、音声出力部２００２、音声入力部２００３、表示
装置２００４、操作スイッチ２００５、アンテナ２００
６で構成される。本発明は表示装置２００４に適用する
ことができる。

【０２２６】図１２（Ｂ）はビデオカメラであり、本体
２１０１、表示装置２１０２、音声入力部２１０３、操
作スイッチ２１０４、バッテリー２１０５、受像部２１
０６で構成される。本発明は表示装置２１０２に適用す
ることができる。

【０２２７】図１２（Ｃ）はモバイルコンピュータ（モ
ービルコンピュータ）であり、本体２２０１、カメラ部
２２０２、受像部２２０３、操作スイッチ２２０４、表
示装置２２０５で構成される。本発明は表示装置２２０
５に適用できる。

【０２２８】図１２（Ｄ）はヘッドマウントディスプレ
イであり、本体２３０１、表示装置２３０２、バンド部
２３０３で構成される。本発明は表示装置２３０２に適
用することができる。

【０２２９】図１２（Ｅ）はリア型プロジェクターであ
り、本体２４０１、光源２４０２、表示装置２４０３、
偏光ビームスプリッタ２４０４、リフレクター２４０
５、２４０６、スクリーン２４０７で構成される。本発
明は表示装置２４０３に適用することができる。

【０２３０】図１２（Ｆ）はフロント型プロジェクター
であり、本体２５０１、光源２５０２、表示装置２５０
３、光学系２５０４、スクリーン２５０５で構成され
る。本発明は表示装置２５０３に適用することができ
る。

【０２３１】以上の様に、本発明の応用範囲は極めて広
く、あらゆる分野の表示媒体に適用することが可能であ
る。また、本発明のＴＦＴはＩＣ、ＬＳＩといった半導
体回路を構成することもできるので、その様な半導体回
路を必要とする製品であれば用途を問わない。

【０２３２】

【発明の効果】本明細書で開示する発明によれば、実質
的に単結晶半導体に匹敵する結晶性を有する半導体薄膜
を実現することができる。そして、その様な半導体薄膜
を利用することで単結晶上に作製したＩＧＦＥＴ（ＭＯ
ＳＦＥＴ）に匹敵する、或いは凌駕する高い性能を有し
たＴＦＴを実現することができる。

【０２３３】以上の様なＴＦＴを用いて構成される半導
体回路や電気光学装置およびそれらを具備した電子デバ
イスは、極めて高い性能を有し、機能性、携帯性、信頼
性の面で非常に優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図２】薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図３】薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図４】薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

【図５】アクティブマトリクス基板の作製工程を示
す図。

【図６】アクティブマトリクス基板の作製工程を示
す図。

【図７】アクティブマトリクス基板の作製工程を示
す図。

【図８】アクティブマトリクス基板の構造を示す
図。

【図９】アクティブマトリクス基板の構造を示す
図。

【図１０】液晶表示装置の断面を示す図。

【図１１】アクティブマトリクス基板を上面から見
た図。

【図１２】電子デバイス（応用製品）の一例を示す
図。

【図１３】薄膜トランジスタの電気特性を示す図。

【図１４】リングオシレータの周波数特性を示す
図。

【図１５】リングオシレータの出力スペクトルを示
す写真。

【図１６】スケーリング則を示す図。

【図１７】結晶の方位関係を模式的に表した図。

【図１８】結晶成長の様子を模式的に表した図。

フロントページの続き (72)発明者尾形靖神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者宮永昭治神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】珪素を主成分とする複数の棒状または偏平
棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、面方位は概略｛１１１｝配向であり、且つ、珪素以外で
膜中に存在する元素は少なくともＣ（炭素）、Ｎ（窒
素）、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）以外の元素から選ばれ
た一種または複数種の元素であることを特徴とする半導
体薄膜。
【請求項２】珪素以外で膜中に存在する元素とは、Ｎｉ
（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｄ
（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ
（金）から選ばれた一種または複数種の元素であり、且
つ、当該元素の濃度は 5×10¹⁷atoms/cm³ 以下（または
0.001atomic%以下）であることを特徴とする請求項１に
記載の半導体薄膜。
【請求項３】珪素を主成分とする複数の棒状または偏平
棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、面方位は概略｛１１１｝配向であり、且つ、膜中に存在
するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）及びＳ（硫
黄）の濃度はＳＩＭＳによる検出下限以下であることを
特徴とする半導体薄膜。
【請求項４】珪素を主成分とする複数の棒状または偏平
棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、面方位は概略｛１１１｝配向であり、且つ、膜中に存在
するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）及びＳ（硫黄）の濃度は 5
×10¹⁸atoms/cm³ 未満（または0.01atomic% 未満）であ
り、且つ、膜中に存在するＯ（酸素）の濃度は 1.5×10
¹⁹atoms/cm³ 未満（または0.03atomic% 未満）であるこ
とを特徴とする半導体薄膜。
【請求項５】珪素を主成分とする複数の棒状または偏平
棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、｛１１１｝配向比率が０．９以上であり、且つ、珪素以
外で膜中に存在する元素は少なくともＣ（炭素）、Ｎ
（窒素）、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）以外の元素から選
ばれた一種または複数種の元素であることを特徴とする
半導体薄膜。
【請求項６】前記珪素以外で膜中に存在する元素とは、
Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐ
ｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ
（金）から選ばれた一種または複数種の元素であり、且
つ、当該元素の濃度は 5×10¹⁷atoms/cm³ 以下（または
0.001atomic%以下）であることを特徴とする請求項５に
記載の半導体薄膜。
【請求項７】珪素を主成分とする複数の棒状または偏平
棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、｛１１１｝配向比率が０．９以上であり、且つ、膜中に
存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）及びＳ
（硫黄）の濃度はＳＩＭＳによる検出下限以下であるこ
とを特徴とする半導体薄膜。
【請求項８】珪素を主成分とする複数の棒状または偏平
棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、｛１１１｝配向比率が０．９以上であり、且つ、膜中に
存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）及びＳ（硫黄）の濃度
は 5×10¹⁸atoms/cm³ 未満（または0.01atomic% 未満）
であり、且つ、膜中に存在するＯ（酸素）の濃度は 1.5
×10¹⁹atoms/cm³ 未満（または0.03atomic% 未満）であ
ることを特徴とする半導体薄膜。
【請求項９】前記複数の棒状または偏平棒状結晶は互い
に概略平行に特定の方向性をもって並んでいることを特
徴とする請求項１、３、４、５、７または８に記載の半
導体薄膜。
【請求項１０】任意の結晶粒界を横切る様にして観測さ
れる格子縞の殆どが、前記結晶粒界を形成する異なる結
晶粒間で直線的に連続していることを特徴とする請求項
１乃至請求項８に記載の半導体薄膜。
【請求項１１】任意の結晶粒界では殆どの結晶格子に連
続性があることを特徴とする請求項１乃至請求項８に記
載の半導体薄膜。
【請求項１２】電子線回折パターンには｛１１１｝配向
による特定の規則性が観測されることを特徴とする請求
項１乃至請求項８に記載の半導体薄膜。
【請求項１３】室温のＬＡＬ５００に対するエッチング
レートが50nm/min以上である絶縁物と上面および／また
は下面で接することを特徴とする請求項１乃至請求項８
に記載の半導体薄膜。
【請求項１４】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、面方位は概略｛１１１｝配向であり、且つ、任意の結晶
粒界では殆どの結晶格子に連続性があることを特徴とす
る半導体薄膜。
【請求項１５】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、面方位は概略｛１１１｝配向であり、且つ、任意の結晶
粒界を横切る様にして観測される格子縞の殆どが、前記
結晶粒界を形成する異なる結晶粒間で直線的に連続して
いることを特徴とする半導体薄膜。
【請求項１６】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、｛１１１｝配向比率が０．９以上であり、且つ、任意の
結晶粒界では殆どの結晶格子に連続性があることを特徴
とする半導体薄膜。
【請求項１７】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜であって、｛１１１｝配向比率が０．９以上であり、且つ、任意の
結晶粒界を横切る様にして観測される格子縞の殆どが、
前記結晶粒界を形成する異なる結晶粒間で直線的に連続
していることを特徴とする半導体薄膜。
【請求項１８】前記複数の棒状または偏平棒状結晶は互
いに概略平行に特定の方向性をもって並んでいることを
特徴とする請求項１４乃至請求項１７に記載の半導体薄
膜。
【請求項１９】前記珪素以外で膜中に存在する元素は少
なくともＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫
黄）以外の元素から選ばれた一種または複数種の元素で
あることを特徴とする請求項１４乃至請求項１７に記載
の半導体薄膜。
【請求項２０】前記珪素以外で膜中に存在する元素と
は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ
（鉄）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ
（銅）、Ａｕ（金）から選ばれた一種または複数種の元
素であり、且つ、当該元素の濃度は 5×10¹⁷atoms/cm³
以下（または0.001atomic%以下）であることを特徴とす
る請求項１９に記載の半導体薄膜。
【請求項２１】膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒
素）、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫黄）の濃度はＳＩＭＳによる
検出下限以下であることを特徴とする請求項１４乃至請
求項１７に記載の半導体薄膜。
【請求項２２】膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒
素）、Ｓ（硫黄）の濃度は 5×10¹⁸atoms/cm³ 未満（0.
01atomic% 未満）であり、且つ、膜中の存在するＯ（酸
素）の濃度は 1.5×10¹⁹atoms/cm³ 未満（0.03atomic%
未満）であることを特徴とする請求項１４乃至請求項１
７に記載の半導体薄膜。
【請求項２３】膜中にはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐ
ｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種の元素
が、 5×10¹⁷atoms/cm³ 以下（または0.001atomic%以
下）の濃度で存在することを特徴とする請求項１４乃至
請求項１７に記載の半導体薄膜。
【請求項２４】電子線回折パターンには｛１１１｝配向
による特定の規則性が観測されることを特徴とする請求
項１４乃至請求項２３に記載の半導体薄膜。
【請求項２５】室温のＬＡＬ５００に対するエッチング
レートが50nm/min以上である絶縁物と上面および／また
は下面で接することを特徴とする請求項１４乃至請求項
２３に記載の半導体薄膜。
【請求項２６】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜の面方位は概略｛１１１｝配向であり、
且つ、珪素以外で膜中に存在する元素は少なくともＣ
（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）以外
の元素から選ばれた一種または複数種の元素であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項２７】前記珪素以外で膜中に存在する元素と
は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ
（鉄）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ
（銅）、Ａｕ（金）から選ばれた一種または複数種の元
素であり、且つ、当該元素の濃度は 5×10¹⁷atoms/cm³
以下（または0.001atomic%以下）であることを特徴とす
る請求項２６に記載の半導体装置。
【請求項２８】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜の面方位は概略｛１１１｝配向であり、
且つ、膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸
素）及びＳ（硫黄）の濃度はＳＩＭＳによる検出下限以
下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２９】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜の面方位は概略｛１１１｝配向であり、
且つ、膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）及びＳ
（硫黄）の濃度は 5×10¹⁸atoms/cm³ 未満（または0.01
atomic% 未満）であり、且つ、膜中に存在するＯ（酸
素）の濃度は 1.5×10¹⁹atoms/cm³ 未満（または0.03at
omic% 未満）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３０】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜の｛１１１｝配向比率が０．９以上であ
り、且つ、珪素以外で膜中に存在する元素は少なくとも
Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）以
外の元素から選ばれた一種または複数種の元素であるこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項３１】前記珪素以外で膜中に存在する元素と
は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ
（鉄）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ
（銅）、Ａｕ（金）から選ばれた一種または複数種の元
素であり、且つ、当該元素の濃度は 5×10¹⁷atoms/cm³
以下（または0.001atomic%以下）であることを特徴とす
る請求項３０に記載の半導体装置。
【請求項３２】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜の｛１１１｝配向比率が０．９以上であ
り、且つ、膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ
（酸素）及びＳ（硫黄）の濃度はＳＩＭＳによる検出下
限以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３３】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜の｛１１１｝配向比率が０．９以上であ
り、且つ、膜中に存在するＣ（炭素）、Ｎ（窒素）及び
Ｓ（硫黄）の濃度は 5×10¹⁸atoms/cm³ 未満（または0.
01atomic% 未満）であり、且つ、膜中に存在するＯ（酸
素）の濃度は 1.5×10¹⁹atoms/cm³ 未満（または0.03at
omic% 未満）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３４】前記複数の棒状または偏平棒状結晶は互
いに概略平行に特定の方向性をもって並んでいることを
特徴とする請求項２６、２８、２９、３０、３２または
３３に記載の半導体装置。
【請求項３５】前記半導体薄膜の任意の結晶粒界を横切
る様にして観測される格子縞の殆どが、前記結晶粒界を
形成する異なる結晶粒間で直線的に連続していることを
特徴とする請求項２６乃至請求項３３に記載の半導体装
置。
【請求項３６】前記半導体薄膜の任意の結晶粒界では殆
どの結晶格子に連続性があることを特徴とする請求項２
６乃至請求項３３に記載の半導体装置。
【請求項３７】前記半導体薄膜の電子線回折パターンに
は｛１１１｝配向による特定の規則性が観測されること
を特徴とする請求項２６乃至請求項３３に記載の半導体
装置。
【請求項３８】前記半導体薄膜の上面および／または下
面に接して、室温のＬＡＬ５００に対するエッチングレ
ートが50nm/min以上である絶縁物を有することを特徴と
する請求項２６乃至請求項３３に記載の半導体装置。
【請求項３９】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜の面方位は概略｛１１１｝配向であり、
且つ、任意の結晶粒界では殆どの結晶格子に連続性があ
ることを特徴とする半導体装置。
【請求項４０】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜の面方位は概略｛１１１｝配向であり、
且つ、任意の結晶粒界を横切る様にして観測される格子
縞の殆どが、前記結晶粒界を形成する異なる結晶粒間で
直線的に連続していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４１】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜は｛１１１｝配向比率が０．９以上であ
り、且つ、任意の結晶粒界では殆どの結晶格子に連続性
があることを特徴とする半導体装置。
【請求項４２】珪素を主成分とする複数の棒状または偏
平棒状結晶の集合体からなる半導体薄膜で構成される半
導体装置であって、前記半導体薄膜は｛１１１｝配向比率が０．９以上であ
り、且つ、任意の結晶粒界を横切る様にして観測される
格子縞の殆どが、前記結晶粒界を形成する異なる結晶粒
間で直線的に連続していることを特徴とする半導体装
置。
【請求項４３】前記半導体薄膜の電子線回折パターンに
は｛１１１｝配向による特定の規則性が観測されること
を特徴とする請求項３９乃至請求項４２に記載の半導体
装置。
【請求項４４】前記半導体薄膜の上面および／または下
面に接して、室温のＬＡＬ５００に対するエッチングレ
ートが50nm/min以上である絶縁物を有することを特徴と
する請求項３９乃至請求項４２に記載の半導体装置。
【請求項４５】前記複数の棒状または偏平棒状結晶は互
いに概略平行に特定の方向性をもって並んでいることを
特徴とする請求項３９乃至請求項４２に記載の半導体装
置。
【請求項４６】珪素以外で前記半導体薄膜中に存在する
元素は少なくともＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸
素）、Ｓ（硫黄）以外の元素から選ばれた一種または複
数種の元素であることを特徴とする請求項３９乃至請求
項４２に記載の半導体装置。
【請求項４７】前記珪素以外で前記半導体薄膜中に存在
する元素とは、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、
Ｆｅ（鉄）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ
（銅）、Ａｕ（金）から選ばれた一種または複数種の元
素であり、且つ、当該元素の濃度は 5×10¹⁷atoms/cm³
以下（または0.001atomic%以下）であることを特徴とす
る請求項４６に記載の半導体装置。
【請求項４８】前記半導体薄膜中に存在するＣ（炭
素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫黄）の濃度はＳ
ＩＭＳによる検出下限以下であることを特徴とする請求
項３９乃至請求項４２に記載の半導体装置。
【請求項４９】前記半導体薄膜中に存在するＣ（炭
素）、Ｎ（窒素）、Ｓ（硫黄）の濃度は 5×10¹⁸atoms/
cm³ 未満（または0.01atomic% 未満）であり、且つ、膜
中の存在するＯ（酸素）の濃度は 1.5×10¹⁹atoms/cm³
未満（または0.03atomic% 未満）であることを特徴とす
る請求項３９乃至請求項４２に記載の半導体装置。
【請求項５０】前記半導体薄膜中にはＮｉ、Ｃｏ、Ｆ
ｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複
数種の元素が、 5×10¹⁷atoms/cm³ 以下（または0.001a
tomic%以下）の濃度で存在することを特徴とする請求項
３９乃至請求項４２に記載の半導体装置。