(57)【要約】  透光性基板（１）上に屈折率ｎの絶縁膜（３）と非晶質シリコン膜（４）とが順に堆積される。長さ方向に沿って延びる帯形状のビーム形状を有する波長λのレーザ光（ＬＳ）が帯形状の幅方向に帯形状の幅寸法より小さい距離（ＰＴ）だけ照射位置がずらされながら非晶質シリコン膜（４）に絶縁膜（３）の側から複数回照射されることにより、非晶質シリコン膜（４）から多結晶シリコン膜（６）が形成される。多結晶シリコン膜（６）を形成する工程は、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の長さ方向の平均間隔で配され、かつ幅方向に延びる結晶粒界（ＢＷ）と、互いに隣り合う幅方向に延びる結晶粒界の間の領域において、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の幅方向の平均間隔で配され、かつ長さ方向に延びる結晶粒界（ＢＬ）とが形成されるように行なわれる。
2008129719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する基板（１）上に屈折率ｎの絶縁膜（３）を堆積する工程と、
前記絶縁膜（３）上に非晶質薄膜（４）を堆積する工程と、
長さ方向に沿って延びる帯形状のビーム形状を有する波長λのレーザ光（ＬＳ）を前記帯形状の幅方向に前記帯形状の幅寸法より小さい距離（ＰＴ）だけ照射位置をずらしながら前記非晶質薄膜（４）に前記絶縁膜（３）の側から複数回照射することにより、前記非晶質薄膜（４）から多結晶の半導体薄膜（６）を形成する工程とを備え、
前記多結晶の半導体薄膜（６）を形成する工程は、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の前記長さ方向の平均間隔で配され、かつ前記幅方向に延びる結晶粒界（ＢＷ）と、互いに隣り合う前記幅方向に延びる結晶粒界（ＢＷ）の間の領域において、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の前記幅方向の平均間隔で配され、かつ前記長さ方向に延びる結晶粒界（ＢＬ）とが形成されるように行なわれる、半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記幅方向に伸びる結晶粒界（ＢＷ）を挟んで隣り合う前記長さ方向に延びる結晶粒界（ＢＬ）が、前記長さ方向に沿って並ぶように形成される、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記半導体薄膜（６）の膜厚が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下となるように前記非晶質薄膜（４）が堆積される、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記波長λが３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下である、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁膜（３）の屈折率ｎが１．４以上２．０以下である、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
表面の平均粗さＲａが０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下となるように前記絶縁膜（３）が堆積される、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記多結晶の半導体薄膜（６）を形成する工程の前に、前記絶縁膜（３）の表面に、前記帯形状の長さ方向および幅方向の少なくともいずれかの方向に周期λ／ｎを有する凹凸形状を設ける工程をさらに備えた、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記半導体薄膜（６）がシリコンを含むことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記絶縁膜（３）を堆積する工程が、前記絶縁膜（３）が前記屈折率ｎを有するようにＳｉＨ4とＮＨ3とＮ2Ｏとの間の流量比が調整された混合ガスを用いるＣＶＤ法により行なわれる、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
１．４以上２．０以下の屈折率ｎを有する絶縁膜（３）と、
前記絶縁膜（３）上に設けられ、かつトランジスタが形成された、膜厚が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の半導体薄膜（６）とを備えた半導体装置であって、
Λを３９０以上６４０ｎｍ以下の値として、前記半導体薄膜（６）の結晶粒（ＧＲ）が少なくとも一の方向に（Λ／ｎ）×０．９５ｎｍ以上（Λ／ｎ）×１．０５ｎｍ以下の平均間隔で並んでいる、半導体装置。
【請求項１１】
前記トランジスタが前記半導体薄膜（６）の少なくとも一部をチャネル領域として有し、前記チャネル領域のチャネル方向が、前記一の方向および前記一の方向と直交する方向のいずれかの方向とほぼ同じ方向である、請求の範囲第１０項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の製造方法および半導体装置に関するものであり、特に、レーザ光の照射により多結晶の半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造方法およびそれを用いた半導体薄膜を含む半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からの一般的な薄型パネル用デバイスのひとつである液晶表示装置（ＬＣＤ(Liquid  Crystal  Display)）は、低消費電力や小型軽量といったメリットのため、パーソナルコンピュータや携帯情報端末機器のモニタなどに広く用いられている。近年ではＬＣＤはテレビ向けの用途としても広く用いられ、液晶テレビが従来のブラウン管テレビに取って代ろうとしている。【０００３】
最近では、ＬＣＤにおける視野角およびコントラストの制限や、動画表示の際の応答速度の低さといった問題をクリアする電界発光型ＥＬ(Electroluminescence)表示装置も次世代の薄型パネル用デバイスとして用いられるようになってきている。電界発光型ＥＬ表示装置は、ＥＬ素子のような発光体が画素表示部に用いられることにより、自発光性、広視野角性、高コントラスト性および高速応答性など、ＬＣＤにはない特徴を有する。【０００４】
上記のような表示装置に用いられるＴＦＴ(Thin  Film  Transistor)としては、半導体薄膜を用いたＭＯＳ(Metal  Oxide  Semiconductor)構造が多用される。ＴＦＴの構造には逆スタガ型やトップゲート型といった種類がある。またＴＦＴに用いられる半導体薄膜には非晶質型や多結晶型といった種類がある。これらのＴＦＴの構造や半導体薄膜の種類は、表示装置の用途や性能により適宜選択される。小型の表示装置においては、ＴＦＴの小型化により表示領域の開口率を上げることができることから、半導体薄膜としては多結晶型が使用されることが多い。【０００５】
多結晶の半導体薄膜の製造方法のひとつとして、基板上に形成された非晶質半導体薄膜にレーザ光が照射されることにより、多結晶半導体薄膜が形成される方法が知られている。この方法により、約０．２〜１．０μｍの大きさの結晶を有する多結晶半導体薄膜を形成できることが知られている。【０００６】
たとえば、特開２００３−１７５０５号公報によれば、基板上に成膜された非晶質シリコン層（非晶質薄膜）にレーザ光が照射されることにより、多結晶シリコン層（多結晶の半導体薄膜）が形成される。【０００７】
また、所望の結晶の大きさを有する多結晶半導体薄膜を形成するための非晶質半導体薄膜へのレーザ光の照射方法も提案されている。【０００８】
たとえば、特開２００５−２４４２３０号公報によれば、アモルファスシリコン層（非晶質薄膜）の一部に光反射層が形成され、その後、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ、または波長５３２ｎｍのグリーンレーザが用いられたレーザアニーリングプロセスが行なわれる。このプロセスにより、光反射層に覆われていない部分からは、比較的大きいポリシリコングレインサイズ（直径約０．３〜０．４μｍ）を有するポリシリコン層（多結晶半導体薄膜）が形成される。またアモルファスシリコン層の光反射層に覆われた部分からは、比較的小さいポリシリコングレインサイズ（直径で約０．１μｍだけ小さいサイズ）を有するポリシリコン層が形成される。【０００９】
このように形成された多結晶半導体薄膜が用いられたＴＦＴを製造する方法も知られている。具体的には、まず多結晶半導体薄膜上に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜が形成される。このゲート絶縁膜上にゲート電極が形成される。このゲート絶縁膜がマスクとされて多結晶半導体薄膜にリンやボロンなどの不純物が導入されることにより、ソース・ドレイン領域が形成される。その後、ゲート電極とゲート絶縁膜とが覆われるように層間絶縁膜が形成される。その後、ソース・ドレイン領域に到達するコンタクト孔が層間絶縁膜とゲート絶縁膜とに開口される。そしてこのコンタクト孔を介してソース・ドレイン領域に接続するように金属膜が形成され、この金属膜がパターニングされてソース・ドレイン電極が形成される。これによりＴＦＴが製造される。【００１０】
また上記のＴＦＴのドレイン電極に接続されるように画素電極や自発光素子が形成されることにより、ＴＦＴが用いられた表示装置が製造される。【００１１】
また、レーザ光の照射と、この照射を受けた結晶粒の配列状態との相関の研究が行なわれている。たとえば、非特許文献１によれば、シリコン基板に対して直線偏光を有する波長５３２ｎｍのレーザ光が６０００パルス照射される。そしてこのシリコン基板が９０°回転された後、レーザ光が再度照射される。これにより、シリコン基板上に約５５０ｎｍ周期の２次元的な表面形状が得られる、とされている。【００１２】
さらに、特開２００５−７２１６５号公報によれば、ガラス基板上の非晶質シリコン膜にレーザ光が照射される場合、レーザ光の波長をλとし、雰囲気の屈折率をｎとし、非晶質シリコン膜の平面の法線とレーザ光とがなす角をθとすると、周期がλ／ｎ（１＋ｓｉｎθ）の凹凸を表面に有する多結晶シリコン膜が得られる、とされている。
【特許文献１】特開２００３−１７５０５号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４２３０号公報
【特許文献３】特開２００５−７２１６５号公報
【非特許文献１】Y.  Nakata,  A.  Shimoyama,  and  S.  Horita,  "Crystallization  of  an  a-Si  film  by  a  Nd:YAG  pulse  laser  beam  with  linear  polarization",  Digest  of  Technical  Papers  2000  International  Workshop  on  Active-Matrix  Liquid  Crystal  Displays  (AM-LCD2000),  pp.265-268
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特開２００３−１７５０５号公報によれば、基板上に成膜された非晶質薄膜にレーザ光が照射されることにより、多結晶の半導体薄膜を形成することができる。しかし得られる半導体薄膜の結晶粒の均一性にはばらつきが大きい。よってこの半導体薄膜が用いられたＴＦＴのチャネル内に存在する結晶粒のサイズや数に大きなばらつきが生じるため、ＴＦＴの特性ばらつきが大きくなる。【００１４】
またこのようなＴＦＴが表示装置の画素内や周辺駆動回路に使用された場合、各画素に書込まれる電圧や電流に大きなばらつきが発生し、これが表示ムラとなって視認される。すなわち表示装置の表示特性が低下するという問題がある。【００１５】
特開２００５−２４４２３０号公報のように非晶質薄膜の表面に反射層が形成されて結晶粒径が小さくされる方法では、反射層の形成および除去の工程が必要であるため、製造工程が複雑化する問題がある。またレーザ照射時に非晶質薄膜から放出されるガスの影響によりこの反射層に剥離が生じることがある。この剥離により、非晶質薄膜に照射されるレーザ光が不均一となり、得られる多結晶の半導体薄膜の粒径が不均一化する可能性がある。【００１６】
非特許文献１のようなレーザ光の照射により形成された多結晶の半導体薄膜が用いられてＴＦＴが作製された場合には、ＴＦＴのチャネル内に存在する結晶粒のサイズや数をより均一にすることが可能となるため、トランジスタ特性のばらつきを低減することができると考えられる。しかしながら、この方法では、レーザ照射後に基板の回転が行なわれ、その後にレーザの再照射が行なわれるため、工程数が増大するという問題がある。【００１７】
また非特許文献１および特開２００５−７２１６５号公報の方法で得られる結晶は、０．５３μｍ程度の大きな結晶粒径を有している。このように結晶粒径が大きいと、結晶とこの結晶が形成される下地との熱膨張率の相違などに起因する結晶の歪が大きくなり、結晶欠陥が発生しやすくなる。結晶欠陥が半導体薄膜中にランダムに多数形成されるとキャリアの移動の妨げとなる。よって、この半導体薄膜が用いられて作製されたＴＦＴの性能が劣化したり、ばらついたりするという問題がある。また特開２００５−７２１６５号公報の方法では、雰囲気の屈折率は１であり変えられないために、レーザ光の波長を変えない限り、結晶粒径は０．５μｍより小さくはならない。【００１８】
また外部から印加される電界によって加速されたキャリアがこの欠陥において衝突電離を繰り返すことにより、電子−正孔対が形成される。この電子−正孔対形成は、トランジスタの信頼性を低下させるという問題がある。【００１９】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡便な方法で、結晶粒の大きさが比較的小さく、かつ均一な多結晶の半導体薄膜を形成する方法を提供するものである。また、その多結晶の半導体薄膜が用いられることにより、特性ばらつきが抑制された半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の半導体薄膜の製造方法は以下の工程を備えている。
まず透光性を有する基板上に屈折率ｎの絶縁膜が堆積される。この絶縁膜上に非晶質薄膜が堆積される。長さ方向に沿って延びる帯形状のビーム形状を有する波長λのレーザ光が帯形状の幅方向に帯形状の幅寸法より小さい距離だけ照射位置がずらされながら非晶質薄膜に絶縁膜の側から複数回照射されることにより、非晶質薄膜から多結晶の半導体薄膜が形成される。【００２１】
上記の多結晶の半導体薄膜を形成する工程は、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の長さ方向の平均間隔で配され、かつ幅方向に延びる結晶粒界と、互いに隣り合う幅方向に延びる結晶粒界の間の領域において、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の幅方向の平均間隔で配され、かつ長さ方向に延びる結晶粒界とが形成されるように行なわれる。【００２２】
本発明の半導体装置は、絶縁膜と、半導体薄膜とを備えている。絶縁膜は１．４以上２．０以下の屈折率ｎを有している。半導体薄膜は、絶縁膜上に設けられ、かつトランジスタが形成され、かつ膜厚が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。Λを３９０以上６４０ｎｍ以下の値として、半導体薄膜の結晶粒が少なくとも一の方向に（Λ／ｎ）×０．９５ｎｍ以上（Λ／ｎ）×１．０５ｎｍ以下の平均間隔で並んでいる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、長さ方向の周期としておよそλ／ｎごとに位置する幅方向に延びる結晶粒界が形成される。また隣り合う幅方向に延びる結晶粒界の間の領域において、幅方向の周期としておよそλ／ｎごとに位置する長さ方向に延びる結晶粒界が形成される。これにより均一な結晶粒を有する多結晶半導体薄膜を得ることができる。【００２４】
本発明の半導体装置によれば、特性ばらつきが抑制された半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の構成を概略的に示す平面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＩＢ−ＩＢ線に沿った概略的な断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造工程を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造工程に用いられるレーザ光のビーム形状およびその走査方向を概略的に示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の変形例における半導体薄膜の構成を概略的に示す平面図である。
【図５Ａ】実施の形態１における半導体膜の製造方法に用いられるレーザ光のビームの強度分布を概略的に示すグラフである。
【図５Ｂ】実施の形態１の変形例における半導体膜の製造方法に用いられるレーザ光のビームの強度分布を概略的に示すグラフである。
【図６】波長５３２ｎｍのレーザ光が用いられた場合の多結晶シリコン膜の膜厚と、平均粒径およびそのばらつきとの関係を示すグラフである。
【図７】多結晶シリコン膜の膜厚が７０ｎｍの場合の、レーザ光の波長と、多結晶シリコン膜の平均粒径およびそのばらつきとの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態５における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態５における半導体装置が備える薄膜トランジスタのチャネル領域の構成を概略的に示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５における半導体装置が備える薄膜トランジスタの製造工程の第１工程を概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５における半導体装置が備える薄膜トランジスタの製造工程の第２工程を概略的に示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態５における半導体装置が備える薄膜トランジスタの製造工程の第３工程を概略的に示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態５における半導体装置が備える薄膜トランジスタの製造工程の第４工程を概略的に示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５における半導体装置が備える薄膜トランジスタの製造工程の第５工程を概略的に示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法の第２工程を示す概略断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法の第３工程を示す概略断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法の第４工程を示す概略断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法の第５工程を示す概略断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法の第６工程を示す概略断面図である。
【図２１Ａ】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造に用いられるナノインプリント法の原版を概略的に示す平面図である。
【図２１Ｂ】図２１ＡのＸＸＩＢ−ＸＸＩＢ線に沿った概略断面図である。
【図２２】本発明の実施の形態４の第１の変形例における半導体薄膜の製造に用いられるナノインプリント法の原版を概略的に示す平面図である。
【図２３】図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線に沿った概略断面図である。
【図２４】図２２のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線に沿った概略断面図である。
【図２５】本発明の実施の形態４の第２の変形例における半導体薄膜の製造に用いられるナノインプリント法の原版を概略的に示す断面図である。
【図２６】本発明の実施の形態５における半導体装置のトランジスタのチャネル領域の構成を模式的に示す平面図である。
【図２７】本発明の実施の形態５における半導体装置のトランジスタのチャネル領域の構成を模式的に示す平面図である。
【図２８】本発明の実施の形態５における半導体装置のトランジスタのチャネル領域の構成を模式的に示す平面図である。
【図２９】本発明の実施の形態５における半導体装置のトランジスタのチャネル領域の構成を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
ＢＬ，ＢＷ，ＢＷ１〜ＢＷ５  結晶粒界、ＧＲ  結晶粒、１  透光性基板、２  拡散防止膜、３，３１  絶縁膜、４  非晶質シリコン膜、６  多結晶シリコン膜。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態においては、本発明の半導体薄膜として多結晶シリコン膜が形成される。【００２８】
最初に、本実施の形態の半導体薄膜の製造方法により得られる多結晶の半導体薄膜の構成について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の構成を概略的に示す平面図である。また図１Ｂは、図１ＡのＩＢ−ＩＢ線に沿った概略的な断面図である。【００２９】
図１Ａおよび図１Ｂを参照して、多結晶シリコン膜（多結晶の半導体薄膜）６は、絶縁膜３上に形成されている。絶縁膜３は、拡散防止膜２上に形成されている。拡散防止膜２は、透光性基板１上に形成されている。【００３０】
多結晶シリコン膜６は、多数の結晶粒ＧＲを有している。ここで、結晶粒ＧＲとは、多結晶シリコン膜６がレーザ光照射により多結晶化されて形成された際に、成長する結晶と結晶とが互いに衝突して生じた結晶粒界に囲まれた部分のことを示す。【００３１】
多結晶シリコン膜６は、一の方向（図中矢印ＳＣの方向）に延びる複数の結晶粒界ＢＷと、他の方向（図中矢印ＳＣの方向に直交する方向）に延びる複数の結晶粒界ＢＬとを有している。【００３２】
結晶粒界ＢＷは、他の方向（図中矢印ＳＣの方向に直交する方向）の周期としておよそ長さλ／ｎごとに位置している。この周期の平均値はλ／ｎ±５％の範囲内にある。すなわち結晶粒界ＢＷは、他の方向（図中矢印ＳＣの方向に直交する方向）の平均間隔が（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下となるように配されている。λ／ｎは、たとえば約３８０ｎｍである。なおλは多結晶シリコン膜６の多結晶化のために用いられるレーザの波長であり、ｎは絶縁膜３の屈折率である。また図１Ａおよび図１Ｂにおいては、結晶粒界ＢＷとして、互いに並走する複数の結晶粒界ＢＷ１〜ＢＷ５が例示されている。【００３３】
結晶粒界ＢＬは、隣り合う一の方向（図中矢印ＳＣの方向）に延びる結晶粒界ＢＷの間の領域において隣り合う一の方向（図中矢印ＳＣの方向）の周期としておよそ長さλ／ｎごとに位置している。この周期の平均値はλ／ｎ±５％の範囲内にある。すなわち結晶粒界ＢＬは、互いに隣り合う結晶粒界ＢＷの間の領域において、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の一の方向（図中矢印ＳＣの方向）の平均間隔で配されている。なお図１Ａにおいて、図を見やすくするために結晶粒界ＢＬの符合ＢＬは代表して結晶粒界ＢＷ４と結晶粒界ＢＷ５との間の領域においてのみ付されているが、結晶粒界ＢＬは他の隣り合う結晶粒界ＢＷの間の領域においても形成されている。【００３４】
多結晶シリコン膜６の表面は、結晶粒界ＢＬ，ＢＷの部分に透光性基板１の上方に向かって結晶粒界部突起７を有している。好ましくは、多結晶シリコン膜６の表面の平均粗さＲａは３ｎｍ以下である。【００３５】
絶縁膜３としては、たとえば屈折率ｎ＝１．４の酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜を用いることができる。酸化シリコン膜の膜厚は、たとえば１００〜４００ｎｍであり、より具体的には、たとえば２９０ｎｍである。拡散防止膜２は透光性を有する膜であり、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を用いることができる。窒化シリコン膜の膜厚は、たとえば膜厚が４０〜１５０ｎｍであり、より具体的には、たとえば９０ｎｍである。透光性基板１としては、たとえばガラス基板や石英基板を用いることができる。【００３６】
次に、本実施の形態の半導体薄膜の製造方法の概要について説明する。
図２は、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造工程を概略的に示す断面図である。図２を参照して、ガラス基板や石英基板などの絶縁性の透光性基板１上にＣＶＤ(Chemical  Vapor  Deposition)法を用いて、たとえば膜厚が４０〜１５０ｎｍの窒化シリコン膜である拡散防止膜２が成膜される。なお拡散防止膜２はガラス基板からのＮａ（ナトリウム）などの可動イオンが多結晶シリコン膜６へ拡散することを防止する目的で設けられるものであり、上記の条件に限るものではない。【００３７】
この拡散防止膜２の上にＣＶＤ法を用いて、たとえば膜厚が１００〜４００ｎｍの酸化シリコン膜である絶縁膜３が堆積される。【００３８】
次に絶縁膜３の上に、非晶質シリコン膜４がＣＶＤ法により成膜される。非晶質シリコン膜４の膜厚は、たとえば６０〜１５０ｎｍであり、好ましくは６０〜８０ｎｍである。ＣＶＤ法で成膜された非晶質シリコン膜４は膜中に水素を多量に含有するため、水素含有量を低減するための処理として高温中でアニールされることが好ましい。たとえば窒素雰囲気の低真空状態に保持されたチャンバ内において、非晶質シリコン膜４に対して４８０℃程度で４５分間のアニールが行なわれる。【００３９】
なお拡散防止膜２、絶縁膜３および非晶質シリコン膜４は、同一装置あるいは同一チャンバ内にて連続的に成膜されることが好ましい。【００４０】
また拡散防止膜２および絶縁膜３の材質は、非晶質シリコン膜４の融点１４２０℃よりも高い融点を有する材質とされる。【００４１】
次に非晶質シリコン膜４の表面に形成された自然酸化膜がフッ酸などでエッチング除去される。次に非晶質シリコン膜４の表面に窒素などの不活性ガスが吹き付けられて、表面から酸素を排除された状態とされる。この状態で、非晶質シリコン膜４に対してパルスレーザ光ＬＳの照射が透光性基板１の側から行なわれる。【００４２】
図３は、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造工程に用いられるレーザ光のビーム形状およびその走査方向を概略的に示す平面図である。【００４３】
図２および図３を参照して、パルスレーザ光ＬＳは、レーザ光源から発せられた光が所定の光学系を経由して形状が帯形状のビームに変換された光である。光源としては、好ましくはＹＡＧレーザの第２高調波（発振波長λ＝５３２ｎｍ）が用いられる。ビームの帯形状は、幅方向に短く、長さ方向に長い。すなわちこの帯形状は長さ方向に沿って延びている。この帯形状は、たとえば、幅寸法Ｗが６０μｍ、長さ寸法Ｌが１００ｍｍのほぼ線状の形状を有している。【００４４】
この帯形状のパルスレーザ光ＬＳが複数パルスにわたって非晶質シリコン膜４に照射されることにより、非晶質シリコン膜４が多結晶化されて、多結晶シリコン膜６が形成される。パルスレーザ光ＬＳは各パルスごとに、非晶質シリコン膜４上において、ビーム形状の幅方向と同一方向の走査方向ＳＣに沿って送りピッチＰＴだけ位置がずらされながら照射される。送りピッチＰＴは、ビームの帯形状の幅寸法Ｗより小さく、たとえば２μｍである。各パルスのレーザパワー密度は、たとえば２５０ｍＪ/ｃｍ2である。【００４５】
上記の様に非晶質シリコン膜４に対してパルスレーザ光ＬＳが走査されながら複数パルス照射されることにより、広い面積にわたって多結晶シリコン膜６を形成することができる。非晶質シリコン膜４に対して１回の上記走査が行なわれることにより、図１に示す多結晶シリコン膜６が得られる。すなわち、走査方向ＳＣに沿って延びる複数の結晶粒界ＢＷと、走査方向ＳＣの方向に直交する方向に沿って延びる複数の結晶粒界ＢＬとが形成される。【００４６】
結晶粒界ＢＷは、走査方向ＳＣに直交する方向の周期としておよそ長さλ／ｎごとに形成される。また結晶粒界ＢＬは、走査方向ＳＣに延びる結晶粒界ＢＷの間の領域において隣り合う一の方向（図中矢印ＳＣの方向）の周期としておよそ長さλ／ｎごとに形成される。たとえば波長λ＝５３２ｎｍ、屈折率ｎ＝１．４の条件の下では、λ／ｎ＝３８０ｎｍとなる。【００４７】
次に、上記のような結晶粒ＧＲが得られることについて、本発明者らが推定する原理について説明する。【００４８】
文献：Zhou  Guosheng,  P.  M.  Fauchet,  and  A.  E.  Siegman,  "Growth  of  spontaneous  periodic  surface  structures  on  solids  during  laser  illumination",  Physical  Review  B,  vol.26,  No.10,  15  November  1982,  pp.5366-5382  によれば、波長λのレーザ光が非晶質半導体層側から照射された場合、溶融半導体が結晶化する際に粒界部は隆起する。この隆起部が回折格子として作用し、半導体層の中に入射したレーザ光の回折光のうち０次光及び±１次光が干渉を起こして波長λのピッチで熱分布が形成される。この熱分布のうち温度が高い部分が隆起部と一致するために、繰り返しパルスレーザ光の照射がされると波長λのピッチで隆起部が生成されやすくなる。【００４９】
ここで注意すべきは、隆起部の周期は非晶質半導体層上部の窒素雰囲気中でのレーザ光の波長で決定されることである。窒素雰囲気の屈折率はほぼ１であるため、隆起部の周期はレーザ光の波長を窒素雰囲気の屈折率で割った値すなわちλ／１（＝５３２ｎｍ）になる。【００５０】
ところが本実施の形態ではレーザ光ＬＳが透光性基板１側から照射されるため（図２）、多結晶シリコン膜６に形成される結晶粒界部突起７（図１Ｂ）は回折格子としては作用しない。本発明者らは、レーザ光ＬＳが透光性基板１側から照射された場合は、半導体層に接している絶縁膜３（たとえばＳｉＯ2膜）の界面の凹凸が回折格子として作用することを見出した。【００５１】
非晶質シリコン膜４が堆積されない状態で、絶縁膜３として用いられるＳｉＯ2膜が基板上に堆積された直後の表面の凹凸が評価された。なお評価にはＡＦＭ(Atomic  Force  Microscope)が用いられた。その結果、最小間隔０．１μｍで平均粗さＲａは０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であった。なおＡＦＭは基板内の３μｍ四方という微小領域しか測定できないため、ＳｉＯ2膜の平均粗さＲａは基板内で異なる。【００５２】
上記のＳｉＯ2膜の凹凸のうちＳｉＯ2膜中のレーザ光の波長と同程度の間隔の凹凸が回折格子として作用し、半導体膜中に周期的な熱分布を形成する。溶融したシリコンは周期的な熱分布のうち温度の低いところから固化し、温度の高いところで固化が終了する。その結果周期的な熱分布において温度の高いところに結晶粒界粒界ＢＬ，ＢＷができ、ＳｉＯ2膜中のレーザ光の波長と同じ長さの粒径の多結晶シリコン膜６が出来る。ＳｉＯ2膜の屈折率ｎは１．４であるために、結局、ＹＡＧ−２ωの波長λ＝５３２ｎｍの１／１．４である３８０ｎｍピッチで結晶粒界ＢＬ，ＢＷが生成される。【００５３】
なお、上記文献のようにレーザ光が非晶質半導体層側から照射された場合は、周期的熱分布すなわち周期的隆起部の周期の半分の位置にも結晶粒界ができる現象が生じる。すなわち結晶粒径はレーザ光の波長の１／２になる。これは、シリコン膜中の０次及び±１次の回折光に加えて±２次の回折光も存在し（上記文献の（６）式）、この±２次の回折光による熱分布が隆起部の周期の２倍（長さは半分）になるために隆起部の周期の半分の位置にも結晶粒界ができるのである。【００５４】
上記の周期的熱分布は、レーザ光が透光性基板側から照射されても発生する。すなわちＳｉＯ2膜中のレーザ光の波長の半分の周期的熱分布が形成される。ところがレーザ光が透光性基板側から照射された場合は、前述したようにＳｉＯ2膜中のレーザ光の波長は３８０ｎｍであるため、波長の半分の長さは１９０ｎｍと短くなる。一方結晶の成長速度と冷却時間、膜厚の関係から、結晶粒径０．３μｍ近辺のものができやすいこと、および波長の半分の周期の熱分布の振幅が小さいことにより、波長の半分の長さの１９０ｎｍのサイズの結晶は出現しない。【００５５】
本発明者らが見出したところによると、図３に示すような長軸と短軸とを有する矩形状のビーム形状のレーザ光が用いられた場合、この周期的熱分布は長軸方向に平行な方向（図中横方向）に強く現れる。これにより、図１Ａに示すように、レーザ光ＬＳのビーム形状の長さ方向（長軸方向）に垂直な方向、すなわち幅方向（短軸方向）（図中、方向ＳＣ）に長く延びる結晶粒界が周期的に並ぶ傾向が強く出る。【００５６】
さらに、本発明者らが見出したところによると、レーザ光ＬＳのビーム内の強度分布が調整されることにより、本実施の形態の変形例として、ビーム形状の長さ方向（図１Ａにおける方向ＳＣに直交する方向）にも長く延びる結晶粒界を有する多結晶シリコン膜６を形成することができる。以下においてこの変形例について説明する。【００５７】
図４は、本発明の実施の形態１の変形例における半導体薄膜の構成を概略的に示す平面図である。主に図４を参照して、本実施の形態の変形例の半導体薄膜である多結晶シリコン膜６は、照射されるレーザ光ＬＳのビーム形状の長さ方向（走査方向ＳＣに直交する方向）に複数個の結晶粒ＧＲに沿って長く延びる複数の結晶粒界ＢＬを有している。すなわち、図１に示す結晶粒界ＢＬはビーム形状の長さ方向（図中横方向）に沿っては整列していないが、本変形例の結晶粒界ＢＬは、結晶粒界ＢＷを挟んで隣り合う結晶粒界ＢＬが長さ方向（図中横方向）に沿って並ぶように形成されている。なお、図４においては、結晶粒界ＢＬとして結晶粒界ＢＬ１〜ＢＬ５が例示されている。【００５８】
図５Ａは、実施の形態１における半導体膜の製造方法に用いられるレーザ光のビームの強度分布を概略的に示すグラフである。図５Ｂは、実施の形態１の変形例における半導体膜の製造方法に用いられるレーザ光のビームの強度分布を概略的に示すグラフである。なお分布はビーム形状の幅方向、すなわち走査方向ＳＣに沿って表されている。図５Ａおよび図５Ｂを参照して、ビームの強度Ｉがガウス型の強度分布（図５Ａ）であるレーザ光ＬＳではなく、領域ＴＦに示すようにフラット状に最大強度を有するトップフラット型の強度分布（図５Ｂ）のレーザ光ＬＳが用いられることにより、図４に示す結晶粒界ＢＬ１〜ＢＬ５（ＢＬ）が得られる。領域ＴＦの幅は、たとえば１０μｍである。【００５９】
次に、トップフラット型のレーザ光ＬＳが用いられることにより、ビーム形状の長さ方向にも長く延びる結晶粒界ＢＬ１〜ＢＬ５（図４）が形成されることについて、本発明者らが推定する原理について以下に説明する。【００６０】
図１Ｂに示すように、結晶粒界ＢＬ，ＢＷの部分の多結晶シリコン膜６の膜厚は結晶粒内の膜厚よりも厚くなっている。これは液体シリコンの密度は２．５３ｇ／ｃｍ3であり、固体シリコンの密度は２．３０ｇ／ｃｍ3であり、シリコンが水と同じように液体の方が固体より密度が大きい物質であることに起因している。【００６１】
１回目のパルスレーザ光ＬＳの照射により溶融したシリコンは、密度の低下すなわち体積の増大をともないながら固化していく。この体積の増大により、周囲の液体シリコンが押しのけられるため、最後に固化する領域は両側から固体シリコンに押されるために盛り上がった状態で固化する。この最後に固化した領域は、両側から結晶が成長（固化）したところであるので、この領域に結晶粒界が形成される。【００６２】
２回目のパルスレーザ光ＬＳが照射されたとき、たとえば波長５３２ｎｍのレーザ光ＬＳのシリコンへの侵入長（光強度が１／ｅになるシリコンの深さ）は１０００ｎｍ程度と長いために厚さ１００ｎｍ前後のシリコン膜に照射されたレーザ光はほとんどが透過する。この際、膜厚が厚い領域は薄い領域より多くの光を吸収し、温度が高くなる。温度が高い領域は最後に固化するので、いったん膜厚が厚くなったシリコン膜の結晶粒界の領域は、以降のパルス照射によっても位置が変わらなくなる作用が生じる。【００６３】
上記の作用と、シリコンとその下地である絶縁膜３との界面の凹凸によるレーザ光ＬＳの干渉で形成されたレーザ光の周期的強度分布が一致することで、周期的結晶粒界ＢＷが形成される。ここで、レーザ光ＬＳのビーム形状の長さ方向の方が幅方向よりも強度が均一であるため、この長さ方向に周期的強度分布が形成されやすい。この結果、最初に、ビーム形状の長さ方向に周期的に、かつビーム形状の長さ方向に垂直な方向（幅方向）に延びるように結晶粒界ＢＷが形成される（図１に相当する状態）。【００６４】
ビーム形状の幅方向の強度分布がガウス型（図５Ａ）であると、幅方向に周期的温度分布が形成されにくい。このため、上記の結晶粒界ＢＷの形成の後に、さらにビーム形状の幅方向に周期的に結晶粒界ＢＬ１〜ＢＬ５（図４）が形成されることは困難となる。【００６５】
しかしシリコン膜とその下地の絶縁膜３との界面の凹凸はランダムで方向性を持たないことと、レーザ光ＬＳの干渉による周期的強度分布はレーザ光ＬＳの偏光状態によらないことから、ビーム形状の幅方向の強度分布がトップフラット型（図５Ｂ）とされることで、幅方向にも周期的温度分布を形成することができる。これにより、ビーム形状の幅方向に周期的に、かつビーム形状の長さ方向に延びるように結晶粒界ＢＬ１〜ＢＬ５（図４）が形成される。【００６６】
ただし、トップフラット型においても強度が平坦な幅は１０μｍ程度しかないため、この長さ方向に延びる結晶粒界ＢＬ１〜ＢＬ５は、幅方向に延びる結晶粒界ＢＷの形成の後に形成される。【００６７】
次に、本実施の形態の半導体薄膜の製造方法に適したレーザ波長λおよび形成される多結晶シリコン膜６の膜厚の検討結果について説明する。【００６８】
上述したように本発明の原理は半導体層と接する絶縁膜３の微小凹凸が回折格子として作用することで半導体層の中に周期的熱分布を形成することであると推定される。半導体層の中にレーザ光ＬＳが回折し、干渉することで周期的熱分布が形成される。この周期的熱分布が工業的マージンを持って形成されるためには、半導体膜の膜厚およびレーザ光ＬＳの波長λに適正な範囲が存在する。すなわち半導体層の中でレーザ光ＬＳの回折光がある程度の長さをもつことにより干渉を起こす必要があり、これに応じた膜厚を半導体層が有する必要がある。【００６９】
表１に、図１または図４を用いて説明されたような周期的結晶粒を形成することができた多結晶シリコン膜の膜厚およびレーザ光の波長λの組み合わせについて示す。なお、表１において、周期的結晶粒が形成された場合を○で、されなかった場合を×で示している。【００７０】
【表１】
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【００７１】
表１に示すように、多結晶シリコン膜６の膜厚が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲で周期的結晶粒が得られる。またレーザ光の波長λが３４０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下の範囲で周期的結晶粒が得られる。【００７２】
ここで周期的結晶粒が形成されたか否かの判定は以下のように行なわれた。
まず、３００ｎｍ前後の結晶粒径が得られるようにレーザパワー密度（ｍＪ/ｃｍ2）が調整された。この調整は２００ｍＪ/ｃｍ2から４００ｍＪ/ｃｍ2まで１０ｍＪ/ｃｍ2刻みで行なわれた。各レーザパワー密度でレーザ光ＬＳが非晶質シリコン膜４に照射され、この照射により得られた結晶粒ＧＲの結晶粒径が評価された。【００７３】
結晶粒径（結晶粒界）の評価方法については様々な方法があるが、結晶粒界の観察に通常使用されるセコエッチ法が用いられた。なおセコエッチ法とは重クロム酸カリウム（Ｋ2Ｃｒ2Ｏ7）の水溶液と弗酸との混合液にサンプルが浸潤されて結晶粒界が選択的にエッチングされる方法である。次に、セコエッチにより結晶粒界が顕在化された多結晶シリコン膜６がＳＥＭ(Scanning  Electron  Microscope)（走査型電子顕微鏡）で観察された。【００７４】
得られたＳＥＭ像に画像処理が行なわれた。この画像処理は市販のソフトＰｏｐＩｍａｇｉｎｇ（登録商標）が使用されて、ＳＥＭ像の内、５μｍ×５μｍの範囲で行なわれた。このソフトは各結晶粒ＧＲの画像上の面積Ｓに基づき面積Ｓ＝πＲ2の関係式を用いて円相当径Ｒの平均値およびＲの標準偏差を出力する。【００７５】
出力された円相当径Ｒの平均値のデータが用いられて、πＲ2＝Ｘ2の式により、正方形の辺の長さＸに相当する粒径が算出された。この算出された粒径が本実施の形態における粒径の値とされた。またＲの標準偏差の平均値に対するパーセンテージが算出されて、本実施の形態におけるばらつき（％）の値とされた。予備検討としてこのばらつきの値とＳＥＭ像とが比較されたところ、ＳＥＭ像として周期的結晶粒が確認される場合は、上記のばらつきの値は３０％以下であることが判明した。そこで、ばらつきの値が３０％以下である場合は周期的結晶粒が形成されたと判定することとされた。【００７６】
図６は、波長５３２ｎｍのレーザ光が用いられた場合の多結晶シリコン膜の膜厚と、平均粒径およびそのばらつきとの関係を示すグラフである。多結晶シリコン膜６に接する絶縁膜３は屈折率ｎ＝１．４のＳｉＯ2膜とされた。なおグラフにおける実線はグラフを見やすくするために付されたものである。【００７７】
図６を参照して、多結晶シリコン膜６の膜厚が６０ｎｍから１５０ｎｍの範囲で、平均粒径が０．３８μｍで、かつバラツキが３０％以下になった。これは多結晶シリコン膜６の膜厚が６０ｎｍから１５０ｎｍの範囲で、粒径がλ／ｎ（＝５３２ｎｍ／１．４＝３８０ｎｍ＝０．３８μｍ）の周期的結晶粒が得られていることを示している。【００７８】
なお多結晶シリコン膜６の膜厚が５０ｎｍの場合はばらつきが５１％と大きくなり、周期的結晶粒が得られなかった。また多結晶シリコン膜６の膜厚が２００ｎｍの場合は、ばらつきが５５％と大きくなって周期的結晶粒が得られず、また平均粒径も０．０８μｍと小さかった。【００７９】
図７は、多結晶シリコン膜の膜厚が７０ｎｍの場合の、レーザ光の波長と、多結晶シリコン膜の平均粒径およびそのばらつきとの関係を示すグラフである。多結晶シリコン膜６に接する絶縁膜３は屈折率ｎ＝１．４のＳｉＯ2膜とされた。【００８０】
図７を参照して、レーザ光ＬＳの波長λが３９０ｎｍから６４０ｎｍまでの範囲は、平均粒径が０．２８μｍから０．４６μｍまでの範囲となっており、粒径がλ／ｎの関係（図中、斜めの破線の関係）を満たした。またばらつきも３０％以下になっており、波長が３９０ｎｍから６４０ｎｍの範囲で周期的結晶粒が得られた。これ以外の波長λでは、粒径がλ／ｎの関係を満たさず、またばらつきも３０％以上になり、周期的結晶粒が得られなかった。表１で周期的結晶粒が得られた波長３４０ｎｍでは、５μｍから１０μｍ四方の狭い範囲で周期的結晶粒が得られるものの、より広い範囲では均一な結晶粒は得られなかった。【００８１】
表１、図６および図７の結果は、以下のように説明される。レーザ光ＬＳの波長λが短くなるとシリコン膜への侵入長が短くなる。波長λ＝３０８ｎｍにおける侵入長は１ｎｍになるために回折光が干渉を起こす長さ（深さ）が短くなり、周期的結晶粒が形成される熱分布が形成されなくなる。逆にレーザ光ＬＳの波長λが長くなると侵入長が長くなる。これはレーザ光がシリコン膜に吸収されなくなることを意味し、周期的結晶粒を作るために膜厚の厚いシリコン膜が必要になる。【００８２】
また、平面において周期的熱分布が形成されても、結晶成長が１周期分持続しなければ周期的結晶粒は得られない。シリコン膜厚が厚いと、横方向の熱流などにより膜厚方向の温度分布が乱れて結晶成長が持続せず、周期的結晶粒が得られなくなる。このためシリコン膜の膜厚が２００ｎｍ以上では周期的結晶粒が得られなくなるのである。【００８３】
なお、結晶粒径のばらつきは、レーザ光ＬＳのビームがガウス型の強度分布（図５Ａ）に比してトップフラット型（図５Ｂ）の方が低くなった。【００８４】
本実施の形態によれば、図１に示すように、長さ方向の周期としておよそλ／ｎごとに位置する幅方向に延びる結晶粒界ＢＷが形成される。また隣り合う幅方向に延びる結晶粒界ＢＷの間の領域において、幅方向の周期としておよそλ／ｎごとに位置する長さ方向に延びる結晶粒界ＢＬが形成される。これにより均一な結晶粒ＧＲを有する多結晶シリコン膜６を得ることができる。【００８５】
好ましくは、上記長さ方向および幅方向の周期の平均値はλ／ｎ±５％の範囲内にある。これにより、より確実に、均一な結晶粒ＧＲを有する多結晶シリコン膜６を得ることができる。【００８６】
また、図５Ｂに示すように、トップフラット型のレーザ光ＬＳが用いられる。これにより、図４に示すように結晶粒界ＢＬはビーム形状の長さ方向（図中横方向）に沿って並ぶように形成され、より均一な結晶粒ＧＲを有する多結晶シリコン膜６を得ることができる。【００８７】
また多結晶シリコン膜６の膜厚が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下となるように非晶質シリコン膜４が堆積される。これにより、図６に示すように、粒径のばらつきが小さい多結晶シリコン膜６を得ることができる。また平均粒径が０．３μｍ程度以上の、比較的大きな結晶粒ＧＲを得ることができる。【００８８】
またレーザ光ＬＳの波長λが３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下とされる。これにより図７に示すように、平均粒径＝λ／ｎの関係（図中斜め破線の関係）が満たされ、粒径のばらつきが抑制される。【００８９】
また絶縁膜３の表面の平均粗さＲａが０．５ｎｍ以上とされる。これにより結晶粒ＧＲの周期構造を得るために十分な強度の回折光を生じさせることができる。また絶縁膜３の表面の平均粗さＲａが２．０ｎｍ以下とされる。これにより絶縁膜３の上に形成される多結晶シリコン膜６の凹凸を抑えることができる。【００９０】
また多結晶の半導体薄膜として多結晶シリコン膜６が形成される。これにより広い用途を有する半導体薄膜が得られる。たとえば、多結晶シリコン膜６をチャネル領域とする薄膜トランジスタを形成することができる。【００９１】
またレーザ光ＬＳが絶縁膜３の側から非晶質シリコン膜４に入射されるため、透光性基板１、拡散防止膜２および絶縁膜３の少なくともいずれかが反射防止膜として機能することができる。これにより、レーザ光が非晶質シリコン膜４の表面側から入射される場合に比して、効率的に非晶質シリコン膜４にレーザ光照射を行なうことができる。【００９２】
またレーザ光ＬＳの照射位置が各パルスごとにずらされながら照射される。これにより、固定された位置に多重パルスの照射が行なわれる場合に比して、同一パルス数でより広い面積の照射を行なうことができる。よって高い量産性で半導体薄膜の形成を行なうことができる。【００９３】
また窒素ガスが半導体膜に吹き付けられながらレーザ光ＬＳが照射されることにより、結晶粒界部突起７（図１Ｂ）の隆起高さを抑制することができる。これにより、得られる多結晶シリコン膜６の表面平均粗さＲａを３ｎｍ以下にまで小さくすることが可能となる。なおこのように表面粗さＲａが十分に小さくされた場合、多結晶化後の表面凹凸を低減するための平坦化処理を行なう必要がなくなる。【００９４】
また拡散防止膜２、絶縁膜３および非晶質シリコン膜４は、同一装置あるいは同一チャンバ内にて連続的に成膜される。これにより、大気雰囲気中に存在するボロンなどの汚染物質が各膜の界面に取り込まれることを防止することができる。【００９５】
また非晶質シリコン膜４は高温中でアニールされる。これにより、結晶化される際の温度上昇にともなう水素の急激な脱離による多結晶シリコン膜６の表面の荒れを抑制することができる。【００９６】
また非晶質シリコン膜４の膜厚は１５０ｎｍ以下であるため、膜の面内方向の熱伝導が抑制される。これにより、レーザ光ＬＳの０次光と±１次光との干渉で形成される周期的熱分布の振幅（強度の最大と最小との差）の熱伝導による低下が抑制され、周期的結晶粒を得ることができるパワーマージンを広くすることができる。なお特に非晶質シリコン膜４の膜厚が重要であるのは、Ｓｉの熱伝導率が１６８Ｗ／ｍＫであり、ＳｉＯ2の１．３〜１．９Ｗ／ｍＫやＳｉＮの３Ｗ／ｍＫに比べて非常に大きいためである。【００９７】
また拡散防止膜２および絶縁膜３の材質は、非晶質シリコン膜４よりも融点が高い材質とされる。これにより、レーザ光ＬＳのレーザパワー密度（ｍＪ／ｃｍ2）を、非晶質シリコン膜４が溶融し、拡散防止膜２および絶縁膜３が溶融しないように調整することができる。【００９８】
またレーザ光ＬＳの光源として、ＹＡＧレーザの第２高調波（発振波長λ＝５３２ｎｍ）が用いられる。これにより大出力のレーザ光源を用いることができる。よって１回の照射当たりに形成される多結晶シリコン膜６の面積を大きくすることができ、プロセスコストを抑えることができる。【００９９】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、本発明の半導体薄膜として多結晶シリコン膜が形成される。図２を参照して、ガラス基板などの透光性基板１上に、拡散防止膜２としてＳｉＯ2膜が１００〜４００ｎｍの膜厚で成膜される。この拡散防止膜２の上に、絶縁膜３としてＳｉＮ膜が４０〜１５０ｎｍの膜厚で成膜される。【０１００】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。【０１０１】
本実施の形態によれば、ＳｉＮ膜が非晶質シリコン膜４と接している。このＳｉＮ膜の表面（ＳｉＮ膜と非晶質シリコン膜４との界面）にも、実施の形態１のＳｉＯ2膜と同様に、最小間隔０．１μｍで平均粗さＲａが０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の凹凸が存在する。このＳｉＮ膜の凹凸のうちＳｉＮ膜中のレーザ光の波長と同程度の間隔のものが回折格子として作用し、半導体膜中に周期的な熱分布を形成する。この周期的な熱分布により、結晶粒界ＢＷおよび結晶粒界ＢＬが周期的に形成される。【０１０２】
なおＳｉＮ膜の屈折率は２．０であるために、波長λのレーザ光ＬＳが照射される場合は、λ／２．０のピッチで結晶粒界ＢＷおよび結晶粒界ＢＬのそれぞれが生成される。たとえばＹＡＧレーザの第２高調波が用いられる場合は、このピッチは波長λ＝５３２ｎｍの１／２．０である２６６ｎｍとなる。【０１０３】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、本発明の半導体薄膜として多結晶シリコン膜が形成される。図２を参照して、ガラス基板などの透光性基板１上に、拡散防止膜２としてＳｉＮ膜が４０〜１５０ｎｍの膜厚で成膜される。この拡散防止膜２の上に、絶縁膜３としてＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）が１００〜４００ｎｍの膜厚で成膜される。【０１０４】
ＳｉＯＮ膜の成膜方法としては、ＳｉＨ4（シラン）とＮＨ3（アンモニア）とＮ2Ｏ（一酸化二窒素）とを原料ガスとするＣＶＤ法を用いることができる。たとえばＳｉＨ4と、ＮＨ3と、Ｎ2Ｏとの流量がそれぞれ１６０ｓｃｃｍ(Standard  Cubic  Centimeters  per  Minute)、３０００ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍとされて原料ガスが導入される。これにより得られるＳｉＯＮ膜の屈折率ｎは、たとえば１．６５である。【０１０５】
ＳｉＯＮ膜の表面（ＳｉＯＮ膜と非晶質シリコン膜４との界面）にも、実施の形態１のＳｉＯ2膜と同様に、最小間隔０．１μｍで平均粗さＲａが０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の凹凸が存在する。このＳｉＯＮ膜の凹凸のうちＳｉＯＮ膜中のレーザ光の波長と同程度の間隔のものが回折格子として作用し、半導体膜中に周期的な熱分布を形成する。【０１０６】
ＳｉＯＮ膜の屈折率ｎは、たとえば１．６５であるために、波長λのレーザ光ＬＳが照射される場合は、λ／１．６５のピッチで結晶粒界ＢＷおよび結晶粒界ＢＬのそれぞれが生成される。たとえばＹＡＧレーザの第２高調波が用いられる場合は、このピッチは波長λ＝５３２ｎｍの１／１．６５である３２２ｎｍとなる。【０１０７】
ＳｉＯＮ膜は、ＣＶＤ法における原料ガスであるＳｉＨ4とＮＨ3とＮ2Ｏとの流量比が変更されることにより種々の屈折率ｎを有することが出来る。屈折率ｎの可変範囲は１．４から２．０までである。【０１０８】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。【０１０９】
本実施の形態によれば、絶縁膜３の屈折率ｎを１．４から２．０までの範囲で連続的に変更することができる。これにより、結晶粒径として２６６ｎｍから３８０ｎｍまでの範囲で周期的な多結晶シリコン膜６を得ることができる。【０１１０】
（実施の形態４）
本実施の形態においては、本発明の半導体薄膜の製造方法について具体例を挙げて説明する。図１５〜図２０は、本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法を工程順に示す概略断面図である。【０１１１】
図１５を参照して、ガラス基板である透光性基板１上に、膜厚１００ｎｍのＳｉＮ（窒化シリコン）からなる拡散防止膜２と、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2からなる絶縁膜３とがこの順に堆積された。次に、この絶縁膜３上に膜厚１μｍのポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ(Polymetyl  methacrylate)）からなる樹脂膜１２が塗布された。【０１１２】
主に図１６を参照して、透光性基板１の上方に、ナノインプリント法を行なうための原版である石英基板１３が配置された。なお図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、石英基板１３上には、図中横方向に周期λ／ｎで形成されたストライプ状の凹凸部１４が設けられた。本実施の形態では非晶質シリコン膜（図１６において図示せず）に接する絶縁膜３がＳｉＯ2膜であり、かつレーザに波長λ＝５３２ｎｍのＹＡＧ−２ωが使用されるため、周期λ／ｎは３８０ｎｍに設定された。【０１１３】
図１７を参照して、加熱された凹凸部１４が樹脂膜１２に密着した状態で押し付けられるように、２００℃に加熱された石英基板１３が透光性基板１上に圧力１ＭＰａで５秒間押し付けられた。この結果、凹凸部１４の表面の凹凸形状が樹脂膜１２に転写された。石英基板１３の大きさは、透光性基板１よりも小さい大きさである１０ｃｍ×１０ｃｍの大きさとされた。よって透光性基板１上の樹脂膜１２全面に凹凸が転写されるために、石英基板１３が透光性基板１上で順次位置をずらされながら上記の転写が繰り返された。なお上記の転写工程のスループットを挙げるために、石英基板１３の代わりに、透光性基板１と同じ幅寸法を有し、かつ表面に凹凸が形成された金属製の円筒（ローラ）を用いることもできる。円筒が樹脂膜１２上を転がりながら樹脂膜１２に押圧されることにより、樹脂膜１２に円筒の表面の凹凸形状が転写される。【０１１４】
図１８を参照して、上記の転写により、樹脂膜１２の最も薄い部分の膜厚は２００ｎｍ、最も厚い部分の膜厚は８００ｎｍとされた。なお樹脂膜１２の膜厚はこの膜厚に限定されるものではなく、後述するエッチング量、エッチング時間などによって適宜設定されればよい。次に、この樹脂膜１２全部と、絶縁膜３の厚み方向の一部とを除去するように、異方性ドライエッチングが行なわれた。具体的には、ＣＨＦ3ガスにＯ2ガスを４０％混合したエッチングガスを用いて圧力１Ｐａで５分間のエッチングが行なわれた。【０１１５】
主に図１９を参照して、このエッチングにより、樹脂膜１２（図１８）は全てエッチング除去された。またこのエッチングの際に、図１８において樹脂膜１２の膜厚が薄かった部分の下の絶縁膜３は早期に露出するので、より深くエッチングされた。この結果、絶縁膜３から、樹脂膜１２の表面の凹凸形状に対応した凹凸形状を有する絶縁膜３１が形成された。絶縁膜３１の表面の凹部におけるエッチング量Ｄは２０ｎｍとされた。なお、エッチング前に樹脂膜１２が厚く設けられると、絶縁膜３１のエッチング量Ｄが２０ｎｍに達しても樹脂膜１２が一部残存した状態となる。この場合は、エッチングガスをＯ2ガス１００％に切り替えて樹脂膜１２の除去を行なえばよい。次に、絶縁膜３１の最表面が希釈されたフッ酸によりエッチングされることにより、絶縁膜３１の表面が清浄な表面とされた。【０１１６】
図２０を参照して、絶縁膜３１の上に、膜厚７０ｎｍの非晶質シリコン膜４がＣＶＤ法により成膜された。なお非晶質シリコン膜４の膜厚は、たとえば６０〜１５０ｎｍであり、好ましくは６０〜８０ｎｍである。次に非晶質シリコン膜４の水素含有量を低減するため４８０℃で４５分間のアニールが行なわれた。【０１１７】
次に、実施の形態１と同様に、レーザ光の照射が行なわれた。すなわちＹＡＧレーザの第２高調波の帯形状のパルスレーザ光が複数パルスにわたって透光性基板１側から非晶質シリコン膜４に照射されることにより、非晶質シリコン膜４が多結晶化されて、多結晶シリコン膜（図２０において図示せず）が形成された。レーザ光の照射は、絶縁膜３１の凹凸形状のストライプに平行な方向（図２１ＡのＸＸＩＢ−ＸＸＩＢ線に垂直な方向に対応する方向）に送りピッチＰＴ（図３）＝２μｍで走査されながら行なわれた。レーザ光のビーム形状の幅方向の強度分布はトップフラット型（図５Ｂ）とされた。また各パルスのレーザパワー密度は２５０ｍＪ/ｃｍ2とされた。【０１１８】
レーザ光が照射された際に、絶縁膜３１の凹凸形状が回折格子として作用することにより、非晶質シリコン膜４中に周期的な熱分布が形成される。非晶質シリコン膜４から溶融したシリコンは周期的な熱分布のうち温度の低いところから固化が始まり、温度の高いところで固化が終了する。その結果、周期的な熱分布において温度の高いところに結晶粒界粒界ＢＬおよびＢＷ（図４）ができ、絶縁膜３１中でのレーザ光の波長と同じ長さの粒径の多結晶シリコン膜が形成される。絶縁膜３１として用いられたＳｉＯ2膜の屈折率ｎは１．４であるために、結局、ＹＡＧ−２ωの波長λ＝５３２ｎｍの１／１．４である３８０ｎｍピッチで結晶粒界ＢＬおよびＢＷが生成された。【０１１９】
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。【０１２０】
本実施の形態によれば、レーザ光が照射される前に、ナノインプリント法により絶縁膜３１（ここではＳｉＯ2膜）にλ／ｎの周期の凹凸形状が形成されている。このため透光性基板１側から照射されたレーザ光の、絶縁膜３１の凹凸形状で発生する回折光の強度が、凹凸形状を形成しない場合に比して大きくなる。よって、０次光と充分な強度の回折光との干渉により、半導体膜中に充分大きな周期的熱分布が形成される。この大きな周期的熱分布により、周期的結晶粒界を形成するためのレーザパワーのマージンを実施の形態１よりも大きくすることができる。【０１２１】
なお本実施の形態においては樹脂膜１２の材質としてＰＭＭＡが用いられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば、ポリスチレン、またはポリスチレンとポリメタクリル酸メチルとを積層した多層膜を使用することができる。【０１２２】
また樹脂膜１２の材質として熱可塑性樹脂が用いられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば紫外線硬化樹脂を用いることもできる。この場合、凹凸部１４が密着された状態で紫外線硬化樹脂に紫外線が照射されて樹脂の硬化が行なわれる。【０１２３】
また絶縁膜３の材質としてＳｉＯ2が用いられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、絶縁膜３１の凹凸形状の周期がλ／ｎとなっていれば他の材質を用いることもでき、たとえばＳｉＮまたはＳｉＯＮを用いることができる。【０１２４】
また波長λ＝５３２ｎｍのレーザ光が用いられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、絶縁膜３１の凹凸形状の周期がλ／ｎとなっていれば他の波長を用いることもできる。【０１２５】
また、絶縁膜３１の凹凸形状の周期は厳密にλ／ｎである必要はなく、この凹凸形状の周期がλ／ｎから±５％の範囲内であれば周期的結晶粒界が形成される。【０１２６】
次に本実施の形態の第１の変形例について説明する。本変形例においては、凹凸部１４（図２１Ａおよび図２１Ｂ）の代わりに凹凸部１４１（図２２〜図２４）が石英基板１３上に形成されている。すなわち、上述した実施の形態においては一の方向（図２１Ａおよび図２１Ｂの図中の横方向）に周期λ／ｎで凹凸形状が形成されるが、本変形例では一の方向（図２２の図中の横方向）と、この一の方向に直交する方向（図２２の図中の縦方向）とのそれぞれに周期λ／ｎで凹凸形状が形成される。なお図２２の破線は、凹凸部１４１の突起の稜を表している。【０１２７】
本変形例によれば、より大きなレーザパワーマージンで周期的結晶粒界を形成することができる。【０１２８】
なお、石英基板１３上に形成される周期的な凹凸形状は、レーザ光の回折光が発生するだけの大きさがあれば、原則的にはどのような形状であってもよい。たとえば第２の変形例においては、図２５に示すように、石英基板１３上に直方体の凹凸部１４２がストライプ状すなわち溝形状で周期λ／ｎで設けられる。この凹凸部１４２は、柱状の直方体として一の方向（図中横方向）およびこの一の方向に直交する方向のそれぞれに周期λ／ｎで並ぶように形成されてもよい。【０１２９】
ただし石英基板１３上の凹凸形状の厚み方向の段差を過度に大きくすると、非晶質シリコン膜４から最終的に得られる多結晶シリコン膜の厚み方向にも大きな段差が形成され、この段差が多結晶シリコン膜の耐圧に悪影響を与える。これを防止するためには、多結晶シリコン膜の段差が１０ｎｍ以下になるように石英基板１３上の凹凸形状の段差寸法が小さくされればよい。【０１３０】
（実施の形態５）
本実施の形態においては、本発明の半導体装置として、実施の形態１で説明した多結晶シリコン膜をチャネル領域として含む薄膜トランジスタを備えた半導体装置が形成される。なお実施の形態１の構成と同一の要素については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。【０１３１】
最初に、本実施の形態の半導体装置の構成の概要について説明する。図８は、本発明の実施の形態５における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図８を参照して、本実施の形態の半導体装置は、透光性基板１と、拡散防止膜２と、絶縁膜３と、多結晶シリコン膜６と、ゲート絶縁膜８と、ゲート電極９ｇと、層間絶縁膜１０と、配線１１とを有している。【０１３２】
透光性基板１上に、拡散防止膜２および絶縁膜３がこの順に形成されている。拡散防止膜２および絶縁膜３のそれぞれは、たとえばＳｉＮ膜やＳｉＯ2膜である。【０１３３】
多結晶シリコン膜６は、絶縁膜３の上に形成されている。多結晶シリコン膜６は、不純物を含んだ導電性領域であるソース領域およびドレイン領域と、上記導電性領域に挟まれるようにして形成されているチャネル領域とを有している。また多結晶シリコン膜６の端部はテーパ−形状を有している。多結晶シリコン膜６の粒径（周期の長さλ／ｎ）は１９５ｎｍ以上４５７．１ｎｍ以下である。【０１３４】
ゲート絶縁膜８は、多結晶シリコン膜６を覆うように多結晶シリコン膜６に接して広がって形成されている絶縁層である。ゲート電極９ｇは、上記チャネル領域と対向してゲート絶縁膜８の上に形成されている。すなわち、ゲート電極９ｇを有する薄膜トランジスタが多結晶シリコン膜６に形成されている。層間絶縁膜１０は、ゲート電極９ｇを覆うようにして形成されている。配線１１は、層間絶縁膜１０およびゲート絶縁膜８に設けられたコンタクトホールを介してソース領域およびドレイン領域のそれぞれと接続されるように設けられている。これにより配線１１はソース電極とドレイン電極との機能を有している。【０１３５】
また、図示しないが、半導体装置は、上記の薄膜トランジスタの上部に、ドレイン電極上が開口された絶縁膜と、この絶縁膜上にこの開口を介してドレイン電極と接続されるように形成された画素電極とを備えた液晶表示装置であってもよい。【０１３６】
あるいは、半導体装置は、上記の薄膜トランジスタの上部に、ドレイン電極上が開口された平坦化膜と、この平坦化膜上にこの開口を介してドレイン電極と接続されるように形成されたアノード電極と、このアノード電極上に形成されたＥＬ層およびカソード電極とを備えた有機電界効果型表示装置であってもよい。【０１３７】
次に、上記の薄膜トランジスタのチャネル領域について説明する。図９は、本発明の実施の形態５における半導体装置が備える薄膜トランジスタのチャネル領域の構成を概略的に示す平面図である。図９を参照して、チャネル領域は、好ましくは、チャネル方向がレーザ光ＬＳのビーム形状の長さ方向に沿った方向ＩＬまたはビーム形状の幅方向に沿った方向ＩＷとほぼ同じになるように設けられている。すなわちチャネル方向はレーザ光ＬＳの照射時の走査方向ＳＣに沿った方向または走査方向ＳＣと直交する方向に沿った方向とほぼ同じになっている。【０１３８】
チャネル方向が方向ＩＷに沿って設けられている場合、チャネル電流は結晶粒界ＢＷにほぼ沿って流れる。よってチャネル電流は結晶粒界ＢＷに阻害されずに流れることができる。チャネル方向が方向ＩＬに沿って設けられている場合、チャネル電流は結晶粒界ＢＬにほぼ沿って流れる。よってチャネル電流は結晶粒界ＢＬに阻害されずに流れることができる。【０１３９】
なおチャネル方向が方向ＩＷおよび方向ＩＬのいずれとも交差する方向ＩＯに沿って設けられると、チャネル電流は結晶粒界ＢＷおよび結晶粒界ＢＬの両方に阻害される。トランジスタのチャネルと結晶粒との関係を表した図２６〜図２９を参照して、チャネル方向と結晶粒界の方向との関係を詳細に述べる。なお、図２６および図２７では、結晶粒界が結晶粒界ＢＷおよびＢＬのそれぞれの方向に周期的に形成されている結晶が模式的に表されている。また図２８および図２９では、結晶粒界が結晶粒界ＢＷの方向のみ周期的に形成されている結晶が模式的に表されている。また図２６および図２８では、チャネル方向すなわち電流方向（図中矢印Ｉの方向）と結晶粒界ＢＬとが平行の場合が示されている。また図２７および図２９では、電流方向と結晶粒界ＢＬおよび結晶粒界ＢＷのそれぞれとが４５°の角度をなす場合が示されている。【０１４０】
電流方向と結晶粒界ＢＬとが平行の場合、図２６と図２８とを比較すると、結晶粒界ＢＬが周期的に形成されているか否かにかかわらず電流を阻害する結晶粒界ＢＷの数は４本である。これに対し、図２６と図２７とを比較すると、電流方向と結晶粒界ＢＬとが４５°の角度をなす場合（図２７）は電流を阻害する結晶粒界の数は５本に増加する。これは前述したように電流が結晶粒界ＢＷおよび結晶粒界ＢＬの両方に阻害されるからである。一般的にチャネル方向が結晶粒界ＢＬまたはＢＷ方向と０°か９０°以外の角度になると、電流が結晶粒界ＢＷおよび結晶粒界ＢＬの両方に阻害されるようになり、シリコン膜が同じ結晶粒界の構造であっても電流特性が劣化する。したがって、チャネル方向を結晶粒界ＢＷまたは結晶粒界ＢＬの方向と平行か垂直に配置すれば、トランジスタのチャネル電流を最大にすることができる。また、図２６と図２８との比較から、チャネル方向を結晶粒界ＢＷまたは結晶粒界ＢＬの方向と平行か垂直に配置すれば、結晶粒界ＢＬが周期的に形成されていなくても、結晶粒界ＢＬおよびＢＷの両方が周期的である場合と同じチャネル電流を得ることができる。【０１４１】
なお、図２６および図２８において、チャネル方向が図中のチャネル方向に対して９０°の角度で設けられている場合でも、電流が阻害される結晶粒界がＢＷからＢＬに変わるだけであって、チャネル電流は変わらない。【０１４２】
次に、上記の薄膜トランジスタの製造方法について説明する。図１０〜図１４のそれぞれは、本発明の実施の形態５における半導体装置が備える薄膜トランジスタの製造工程の第１〜第５工程の各々を概略的に示す断面図である。【０１４３】
図１０を参照して、実施の形態１と同様の方法により、ガラス基板などの透光性基板１上に、ＳｉＮ膜などの拡散防止膜２と、ＳｉＯ2膜などの絶縁膜３と、多結晶シリコン膜６とがこの順に形成される。なお多結晶シリコン膜６は、表面粗さＲａが３ｎｍ以下となるように形成される。【０１４４】
次に多結晶シリコン膜６が公知の写真製版法を用いて所望の形状にパターニングされて、島状の形状とされる。このパターニングにともなうエッチングは、たとえばＣＦ4およびＯ2の混合ガスを用いたドライエッチング法により行なわれる。Ｏ2を含むガスがドライエッチングに用いられることにより、写真製版法で形成されたレジストの側壁が後退させられながら多結晶シリコン膜６をエッチングすることが可能となる。これによりパターニングされた多結晶シリコン膜６の端部をテーパー形状にすることができる。【０１４５】
図１１を参照して、透光性基板１の表面側全体を覆うように、たとえば膜厚５０〜１００ｎｍ程度のシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜８が成膜される。成膜方法としてはＣＶＤ法を用いることができる。【０１４６】
図１２を参照して、たとえば膜厚２００〜４００ｎｍのＭｏ（モリブデン）からなるゲート電極膜９が成膜される。成膜方法としてはＤＣマグネトロンを用いたスパッタリング法を用いることができる。なお、ゲート電極膜９の材質としては、Ｍｏ以外にＣｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔａ（タンタル）が用いられてもよい。また上記各元素を主成分とする合金が用いられてもよい。【０１４７】
主に図１２および図１３を参照して、ゲート電極膜９が公知の写真製版法により所望の形状にパターニングされる。ゲート電極膜９のエッチングは、たとえばリン酸系のエッチング液を用いたウェットエッチング法により行なわれる。なおエッチングはＳＦ6（６フッ化硫黄）およびＯ2（酸素）の混合ガスを用いたドライエッチング法により行なうことも可能である。【０１４８】
このパターニングにより、ゲート電極膜９からゲート電極９ｇが形成される。ここで、ゲート電極９ｇは、図９に示すレーザ光ＬＳのビーム形状の長さ方向に沿った方向ＩＬまたはビーム形状の幅方向に沿った方向ＩＷに沿うように形成される。【０１４９】
次にゲート電極９ｇがマスクとされて多結晶シリコン膜６のソース・ドレイン領域に不純物元素が導入される。導入される不純物元素としては、Ｐ（リン）やＢ（ボロン）を用いることができる。Ｐが導入されればｎ型のトランジスタを形成することができ、Ｂが導入さればｐ型のトランジスタを形成することができる。また、ゲート電極９ｇの加工がｎ型トランジスタ用ゲート電極とｐ型トランジスタ用ゲート電極との２回に分けて行なわれれば、ｎ型とｐ型とのトランジスタを同一基板上に作り分けることができる。ＰやＢの不純物元素の導入には、イオンドーピング法を用いることができる。【０１５０】
図１４を参照して、層間絶縁膜１０が透光性基板１の表面側全体を覆うように成膜される。層間絶縁膜１０は、たとえば膜厚５００〜１０００ｎｍ程度のシリコン酸化膜である。次に多結晶シリコン膜６のソース・ドレイン領域に導入された不純物元素を活性化させる目的で、アニール炉による窒素雰囲気中での４５０℃における約１時間の熱処理が行なわれる。【０１５１】
次に、ゲート絶縁膜８および層間絶縁膜１０が公知の写真製版法を用いて所望の形状にパターニングされ、多結晶シリコン膜６のソース・ドレイン領域に到達するコンタクトホールが形成される。パターニングにおけるエッチングは、たとえばＣＨＦ3（３フッ化メタン）、Ｏ2およびＡｒ（アルゴン）の混合ガスを用いたドライエッチング法により行なうことができる。【０１５２】
図８を参照して、ソース・ドレイン電極となる配線１１を形成するための導電膜が成膜される。導電膜の材質としては、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａや、これらを主成分とする合金を用いることができ、また導電膜は異なる材質が積層された多層構造とされてもよい。たとえば、膜厚２００〜４００ｎｍのＡｌ膜が、膜厚５０〜１５０ｎｍのＭｏ膜により挟まれたＭｏ/Ａｌ/Ｍｏの多層構造を用いることができる。導電膜の成膜方法としては、ＤＣマグネトロンを用いたスパッタリング法を用いることができる。【０１５３】
次に、上記の導電膜が公知の写真製版法を用いて所望の形状にパターニングされて、ソース・ドレイン電極として機能する配線１１が形成される。パターニングにおけるエッチングは、ＳＦ6とＯ2との混合ガスおよびＣｌ２とＡｒとの混合ガスを用いたドライエッチング法により行なうことができる。以上により、図８に示す薄膜トランジスタが形成される。【０１５４】
本実施の形態によれば、実施の形態１〜４において説明した均一な結晶粒ＧＲを有する多結晶シリコン膜６が薄膜トランジスタのチャネル領域とされる。このチャネル領域の構造より、チャネル領域のチャネル特性のばらつきが抑制されるので、トランジスタ特性のばらつきの小さい薄膜トランジスタを備えた半導体装置を得ることができる。【０１５５】
好ましくは、図９に示すように、チャネル方向は、レーザ光ＬＳのビーム形状の長さ方向に沿った方向ＩＬ、またはビーム形状の幅方向に沿った方向ＩＷとほぼ同じとされる。これより結晶粒界ＢＬまたは結晶粒界ＢＷにほとんど阻害されずにチャネル電流が流れることができる。また薄膜トランジスタのチャネル領域においてチャネル方向に沿って存在する結晶粒ＧＲのサイズや数を均一にすることが可能となる。よって、チャネル内の結晶粒ＧＲの不均一が要因のトランジスタ特性ばらつきを抑制することが可能となる。【０１５６】
また結晶粒径が３８０ｎｍ程度であってあまり大きくないために、結晶内部に結晶欠陥が発生しにくくなる。このため外部から印加された電界によって加速されたキャリアの衝突電離が発生しにくく、ゲート絶縁膜８中への電子注入が軽減されるため、薄膜トランジスタの信頼性が向上する。また多結晶シリコン膜６の底部に蓄積される正孔が軽減されるため、薄膜トランジスタのソース・ドレイン耐圧が向上する。【０１５７】
また多結晶シリコン膜６の表面粗さＲａが３ｎｍ以下と小さいため、ゲート絶縁膜８の被覆性が高く、絶縁破壊による初期故障が低減される。【０１５８】
また多結晶シリコン膜６の端部はテーパー形状を有するため、ゲート絶縁膜８が多結晶シリコン膜６を良好に被覆することができる。これにより、ゲート絶縁膜８の絶縁破壊などの不良を抑制することができ、薄膜トランジスタの信頼性を向上することができる。【０１５９】
なお本実施の形態においては半導体装置が透光性基板１を有していたが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば多結晶シリコン膜６が透光性基板１上から非透明基板上に転写される技術が用いられることにより、透光性基板１を有しない半導体装置を得ることができる。【０１６０】
上記の実施の形態１〜５において、レーザ光の偏光はどのような状態であってもよい。すなわち直線偏光や円偏光が用いられてもよい。【０１６１】
また、非晶質薄膜および多結晶の半導体薄膜としてシリコンが用いられたが、他の材料を用いることもできる。【０１６２】
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
本発明は、半導体薄膜の製造方法および半導体装置に特に有利に適用され得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年10月9日(2009.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する基板（１）上に屈折率ｎの絶縁膜（３）を堆積する工程と、
前記絶縁膜（３）上に非晶質薄膜（４）を堆積する工程と、
長さ方向に沿って延びる帯形状のビーム形状を有する波長λのレーザ光（ＬＳ）を前記帯形状の幅方向に前記帯形状の幅寸法より小さい距離（ＰＴ）だけ照射位置をずらしながら前記非晶質薄膜（４）に前記絶縁膜（３）の側から複数回照射することにより、前記非晶質薄膜（４）から多結晶の半導体薄膜（６）を形成する工程とを備え、
前記多結晶の半導体薄膜（６）を形成する工程は、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の前記長さ方向の平均間隔で配され、かつ前記幅方向に延びる結晶粒界（ＢＷ）と、互いに隣り合う前記幅方向に延びる結晶粒界（ＢＷ）の間の領域において、（λ／ｎ）×０．９５以上（λ／ｎ）×１．０５以下の前記幅方向の平均間隔で配され、かつ前記長さ方向に延びる結晶粒界（ＢＬ）とが形成されるように行なわれる、半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記幅方向に伸びる結晶粒界（ＢＷ）を挟んで隣り合う前記長さ方向に延びる結晶粒界（ＢＬ）が、前記長さ方向に沿って並ぶように形成される、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記半導体薄膜（６）の膜厚が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下となるように前記非晶質薄膜（４）が堆積される、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記波長λが３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下である、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁膜（３）の屈折率ｎが１．４以上２．０以下である、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
表面の平均粗さＲａが０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下となるように前記絶縁膜（３）が堆積される、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記多結晶の半導体薄膜（６）を形成する工程の前に、前記絶縁膜（３）の表面に、前記帯形状の長さ方向および幅方向の少なくともいずれかの方向に周期λ／ｎを有する凹凸形状を設ける工程をさらに備えた、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記半導体薄膜（６）がシリコンを含むことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記絶縁膜（３）を堆積する工程が、前記絶縁膜（３）が前記屈折率ｎを有するようにＳｉＨ4とＮＨ3とＮ2Ｏとの間の流量比が調整された混合ガスを用いるＣＶＤ法により行なわれる、請求の範囲第１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
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