(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の結晶核から結晶成長を生じさせることにより半導体膜を形成する工程を有し、
前記工程は、プラズマＣＶＤ装置を用いて行われ、
前記プラズマＣＶＤ装置は、第１の電極と第２の電極とを有し、
前記第１の電極は複数の凸部を有し、
前記第１の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に反応ガスを供給することができる機能を有し、
前記工程において、前記反応ガスの圧力は５００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下であり、
前記工程において、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔は４ｍｍ以上１６ｍｍ以下であり、
前記工程において、供給される電力は、３ＭＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の結晶核から結晶成長を生じさせることにより半導体膜を形成する工程を有し、
前記工程は、プラズマＣＶＤ装置を用いて行われ、
前記プラズマＣＶＤ装置は、第１の電極と第２の電極とを有し、
前記第１の電極は複数の凸部を有し、
前記複数の凸部の断面形状は、テーパ形状であり、
前記第１の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に反応ガスを供給することができる機能を有し、
前記工程において、前記反応ガスの圧力は５００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下であり、
前記工程において、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔は４ｍｍ以上１６ｍｍ以下であり、
前記工程において、供給される電力は、３ＭＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、気相成長法を用いた結晶性半導体膜及び当該結晶性半導体膜を有する半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタの技術分野において、半導体膜の作製に用いられるプラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が用いられ、より良い製品を製造するために様々な改良が試みられている。
【０００３】
例えば、反応室内にプラズマを生成するための電極に筒状の凹部を設け、該凹部の径より幅の狭い溝により凹部が相互に連結されたプラズマＣＶＤ装置の電極構造が開示されている（特許文献１を参照）。
【０００４】
また、ガスを処理チャンバー内に分散させ、膜厚や膜特性を均一とするために、中心部から縁部に向かって、径、深さ及び表面積が徐々に増加するガス流路を有するガスディフューザプレート（所謂シャワー板）が開示されている（特許文献２を参照）。他の例として、より高品質な膜をより効率良く製造するために、梯子状電極を用い、４００Ｐａのガス圧力で１００ＭＨｚの超高周波電力を供給し、梯子状電極と基板との間隔を６ｍｍとした状態で成膜速度を２ｎｍ／秒として膜を成膜する技術が開示されている（特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２９６５２６号公報
【特許文献２】特開２００５−３２８０２１号公報
【特許文献３】特開２００５−２５９８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のプラズマＣＶＤ装置では、局部的に電界が集中してしまう構造的な欠陥が存在していたため、緻密な微結晶半導体膜を作製することができなかった。例えば、平板状の電極の表面に凹部又は凸部が設けられたことにより、その凹部又は凸部の角部おいて電界が集中する構造となっていた。そのため電界が集中する領域で反応ガスが激しく反応し、また気相中の反応で異常成長した粉体が堆積膜中に含まれることにより、緻密な半導体膜を形成することができなかった。
【０００７】
このような状況に鑑み、本明細書で開示される発明の一形態は、緻密な半導体膜を作製するためのプラズマＣＶＤ装置の構成を提供することを目的とする。また、本明細書で開示される発明の一形態は、結晶粒間に鬆がない緻密な結晶性半導体膜（例えば微結晶半導体膜）を作製する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一形態は、プラズマＣＶＤ装置の反応室にプラズマを生成するための電力が供給される電極を有するプラズマＣＶＤ装置である。この電極は、基板と対向する面に共通平面を有し、この共通平面には、反応室内に反応ガスを供給するガス供給口が複数設けられている。ガス供給口の周囲には、ガス供給口が設けられる共通平面から突出する凸状の構造体（凸部）が設けられている。この凸状の構造体はガス供給口を囲むように設けられている。凸状の構造体は、それぞれが孤立した配置をとり、ガス供給口を囲むように複数個設けられていても良い。
【０００９】
また、本発明の一形態は、プラズマＣＶＤ装置の反応室にプラズマを生成するための電力が供給される電極を有するプラズマＣＶＤ装置である。この電極は、基板と対向する面に共通平面を有し、この共通平面から突起する凸状の構造体が複数設けられている。複数の凸状の構造体はそれぞれが孤立している。第１のガス供給口はこの凸状の構造体の頂部若しくはその近傍にも設けられている。また、この電極の共通平面には第２のガス供給口が設けられている。凸状の構造体は第２のガス供給口を囲むように設けられている。第１のガス供給口と第２のガス供給口からは、同種のガスまたは別種のガスが供給されるようにガス系が構成されている。
【００１０】
ガス供給口が設けられる共通平面から突出するように設けられた凸状の構造体は、その近傍においてプラズマ密度が高くなるように作用する。この場合において、当該凸状の構造体の角部は鋭利な端面を有さず、なめらかな曲線形状を有していることが好ましい。すなわち、電極に設けられた凸状の構造体はガス供給口の存在する部分のプラズマ密度を高めつつ、当該凸状の構造体の角部に強電界領域が形成されないような形状を有していることが好ましい。このような作用を奏するために、凸状の構造体はテーパ形状を有し、且つ面取りされていることが好ましい。
【００１１】
プラズマを生成するための電力が供給される電極のガス供給口の近傍に高密度プラズマ領域が形成される構成とし、その領域に反応ガスを供給することで、反応ガスの分解が促進され、堆積前駆体の気相中での反応が増進する。このような作用を助長するために、当該電極は反応ガスの分解を助長するために電極の加熱手段が設けられていても良い。
【００１２】
また、本発明の一形態は、反応室に供給される反応ガスの供給口の近傍にプラズマの高密度領域を形成しつつ、その高密度プラズマ領域を含む気相中で半導体の結晶を成長させ、それを膜として堆積させる方法である。
【００１３】
気相中で半導体の結晶を成長させるためには反応圧力を高くし、電極間隔を狭くすることが好ましい。反応圧力が高い程、グロー放電によって生成されたラジカル同士、及びラジカルと反応ガス分子との衝突反応を生ずる確率が高くなり、電極間隔を狭くすることにより結晶性を有する堆積前駆体が肥大化する前に基板の堆積表面に到達させ、堆積表面で結晶核となり、当該結晶核を結晶成長させることで、緻密な結晶性を有する微結晶半導体膜を形成することができる。そして、気相中で結晶性を有する堆積前駆体を生成することで、下地が絶縁膜であっても堆積初期段階から結晶性の良い微結晶半導体膜を作製することができる。
【００１４】
また、反応ガスに希ガスを加えることは好ましい。反応ガスと共に反応室に導入された希ガスは、電子温度を下げ電子密度を高くする作用がある。それによりラジカルの生成量が増大し、成膜速度が向上し、微結晶半導体膜の結晶性が向上し、微結晶半導体膜が緻密化するように作用する。このような作用を得るためには、希ガスを準安定状態に励起させる必要があり、そのためには希ガスの励起種を生成させ、あるいは希ガスを電離させることができる程度の電界を印加する必要がある。例えば、反応ガスであるシランガスと水素ガスに加え、希ガスとしてアルゴンを加えると、水素ラジカルが増大し微結晶半導体膜の結晶性を向上させることが可能となる。
【００１５】
例えば、本発明の一形態は、プラズマＣＶＤ装置の反応室内における反応ガスの圧力を４５０Ｐａ以上１３３３２Ｐａ以下、好ましくは４５０Ｐａ以上２０００Ｐａ以下とし、当該プラズマＣＶＤ装置の第１の電極と第２の電極の間隔を１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、好ましくは４ｍｍ以上１６ｍｍ以下として、前記第１の電極に６０ＭＨｚ以下の高周波電力を供給することにより、第１の電極および第２の電極の間にプラズマ領域を形成し、プラズマ領域を含む気相中において、結晶性を有する堆積前駆体を形成し、堆積前駆体を堆積させることにより、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の結晶核を形成し、結晶核から結晶成長させることにより微結晶半導体膜を形成する、微結晶半導体膜の作製方法である。
【００１６】
なお、第１の電極または第２の電極に凸状の構造体が設けられている場合、第１の電極または第２の電極の共通平面、または凸状の構造体の頂部若しくはその近傍に設けられたガス供給口から反応ガスを供給し、高密度プラズマ領域に反応ガスが流れるようにして、堆積前駆体を生成してもよい。または、第１の電極または第２の電極の凸状の構造体の頂部若しくはその近傍に設けられた第１のガス供給口と、電極の共通平面に設けられた第２のガス供給口とから反応ガスを供給し、高密度プラズマ領域にそれぞれのガス供給口から供給された反応ガスが流れるようにして堆積前駆体を生成してもよい。
【００１７】
上記において、反応ガスに希ガスを加えることにより、高密度プラズマ領域における電子温度を下げると共に、高密度プラズマ領域における電子密度を高め、微結晶半導体膜の結晶性を向上させることができる。
【００１８】
また、基板上にゲート電極を形成し、ゲート電極を覆うゲート絶縁層を形成した後に、上記微結晶半導体膜の作製方法を用いて、ゲート絶縁層上に微結晶半導体層を形成し、微結晶半導体層に電気的に接続される配線を形成することにより、薄膜トランジスタを作製することができる。
【発明の効果】
【００１９】
ガス供給口から供給される反応ガスを高密度プラズマ領域に流すことで、気相中で堆積前駆体を生成し、その反応を促進することができる。
【００２０】
また、平板状の電極表面に構造体を設け、その構造体の角部を曲面形状とすることにより、当該角部に電界を集中させずに高密度プラズマ領域を形成することができる。
【００２１】
また、電極間隔を狭くすることでナノクリスタルとなった堆積前駆体同士の衝突は生ずることはなく、非晶質成分を生じさせない。
【００２２】
上記により、堆積される微結晶半導体膜に含まれる非晶質成分を低減することができ、緻密な微結晶半導体膜を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】微結晶半導体膜の作製方法を説明する図である。
【図２】プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する図である。
【図３】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図である。
【図４】成膜装置の一例を説明する図である。
【図５】プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する図である。
【図６】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図である。
【図７】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図である。
【図８】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図である。
【図９】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図である。
【図１０】プラズマＣＶＤ装置中のプラズマの強度を説明する図である。
【図１１】プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する図。
【図１２】プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する図。
【図１３】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図。
【図１４】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図。
【図１５】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図。
【図１６】薄膜トランジスタ構造を説明する図である。
【図１７】薄膜トランジスタの作製方法の一形態を説明する図である。
【図１８】薄膜トランジスタの作製方法の一形態を説明する図である。
【図１９】薄膜トランジスタの作製方法の一形態を説明する図である。
【図２０】薄膜トランジスタの作製方法の一形態を説明する図である。
【図２１】薄膜トランジスタの作製方法の一形態を説明する図である。
【図２２】表示装置を説明する図である。
【図２３】表示装置を説明する図である。
【図２４】薄膜トランジスタを適用した電子機器である。
【図２５】成膜装置の構成の概略を示す図である。
【図２６】水素ラジカル密度を示す図である。
【図２７】プラズマＣＶＤ装置の上部電極の形状を説明する図である。
【図２８】微結晶シリコン膜の結晶性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。なお、各図面において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。従って、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００２５】
（実施の形態１）
実施の形態では、結晶性の高い微結晶半導体膜の作製方法について、図１乃至図４を用いて説明する。
【００２６】
本実施の形態に示す微結晶半導体膜の形成方法は、図１（Ａ）に示すように、気相中で堆積前駆体４３を形成し、基板４０上に形成された下地膜４２上に当該堆積前駆体４３を堆積させ、結晶核４４を形成する。次に、図１（Ｂ）に示すように、結晶核４４上に微結晶半導体膜を形成することで、結晶核４４を結晶成長の核として、結晶成長した微結晶半導体膜４６を形成することができる。
【００２７】
堆積前駆体４３はプラズマ中で原料ガスと電子の反応により形成されるものであり、成膜室内の圧力を従来の微結晶半導体膜の成膜圧力３００Ｐａより高い圧力、代表的には４５０Ｐａ以上１３３３２Ｐａ以下、好ましくは４５０Ｐａ以上２０００Ｐａ以下、より好ましくは５００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下とすることで生成することができる。堆積前駆体は、大きさが数ｎｍであり、複数のラジカルが逐次反応し、ある程度秩序性を有する高次ラジカル（ＳｉＨｎ）ｘ（ｎ＝１、２、３）ともいえる。原料ガスがシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の場合、堆積前駆体４３は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムで形成される。このため、下地膜４２上に堆積した堆積前駆体４３は結晶核４４となる。または、下地膜４２上に堆積した堆積前駆体４３にプラズマ中で解離された活性なラジカルが結合し、結晶核４４となる。結晶核４４は、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、粒子内に単結晶とみなせる微小結晶である結晶子を有するため、秩序性を有する。このため、結晶核４４にプラズマ中で解離された活性なラジカルが到達すると、結晶核４４を核として結晶成長するため、下地膜との界面から結晶性の高い微結晶半導体膜４６を形成することができる。
【００２８】
本実施の形態では、反応室の圧力を従来の微結晶半導体膜の成膜圧力より高い圧力、代表的には４５０Ｐａ以上１３３３２Ｐａ以下、好ましくは４５０Ｐａ以上２０００Ｐａ以下、好ましくは５００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下とすることで、結晶核４４を下地膜４２上に緻密に堆積させることが可能である。即ち、隣接する結晶核４４が密に接した状態で下地膜４２上に堆積させることが可能である。このため、結晶核４４を核として結晶成長させると、結晶粒が緻密となり、結晶粒の間における非晶質半導体や低密度領域が低減するため、結晶性の高い微結晶半導体膜４６を形成することができる。
【００２９】
なお、下地膜４２とは、微結晶半導体膜４６が形成される被形成面を有する膜をいう。基板４０及び下地膜４２は適宜用いることができる。
【００３０】
ここで、本実施の形態の特徴である堆積前駆体４３及び結晶核４４を作製することが可能なプラズマＣＶＤ装置について図２乃至図４を用いて説明する。
【００３１】
図２はプラズマＣＶＤ装置の反応室の一構成を示す。反応室１００ｂはアルミニウム又はステンレスなど剛性のある素材で形成され、内部を真空排気できるように構成されている。本実施の形態で示す反応室１００ｂは、機械的強度を高めるためにチャンバーの素材をステンレスとし、内面にアルミニウム溶射を施したものである。また、本実施の形態で示すプラズマＣＶＤ装置は、メンテナンスのため分解が可能なチャンバー構成とし、定期的に再度のアルミニウム溶射を施すことが可能な構成とするとよい。反応室１００ｂには第１の電極１０１（上部電極とも呼ぶ。）と、第１の電極１０１と対向する第２の電極１０２（下部電極とも呼ぶ。）が備えられている。
【００３２】
第１の電極１０１には高周波電力供給手段１０３が連結されている。第２の電極１０２は接地され、基板４０を載置できるように構成されている。第１の電極１０１は絶縁材１１６により反応室１００ｂと絶縁分離されることで、高周波電力が漏洩しないように構成されている。絶縁材１１６として、例えばセラミック材料を用いる場合には、上部電極のシールにナイフエッジ型メタルシールフランジを用いることが困難であるため、Ｏリングシールを用いるとよい。
【００３３】
なお、図２では、第１の電極１０１と第２の電極１０２を有する容量結合型（平行平板型）の構成を示しているが、これに限定されない。高周波電力を供給して反応室１００ｂの内部にグロー放電プラズマを発生させることができるものであれば、誘導結合型など他の構成を適用してもよい。
【００３４】
第１の電極１０１と第２の電極１０２は、その一表面が略平行となるように設けられている。第１の電極１０１には、ガス供給手段１０８に接続される中空部１４４が設けられている。中空部１４４は、ガスライン１４６を介してガス供給手段１０８のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が充填されたシリンダ１１０ａに接続されている。このため、中空部１４４のガス供給口からは、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が反応室１００ｂに供給される。
【００３５】
ガス供給手段１０８は、ガスが充填されたシリンダ１１０、圧力調整弁１１１、ストップバルブ１１２、マスフローコントローラ１１３などで構成されている。また、ガス供給手段１０８は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が充填されたシリンダ１１０ａと、水素が充填されたシリンダ１１０ｂと、希釈ガスが充填されたシリンダ１１０ｃとを有する。なお、ここでは、希釈ガスが充填されたシリンダ１１０ｃを設けたが、必ずしも必要としない。
【００３６】
シリンダ１１０ａに充填されたシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体として、代表的には、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス、ゲルマン（ＧｅＨ４）ガス、ジゲルマン（Ｇｅ２Ｈ６）ガス等があるが、他の堆積性気体を用いることもできる。
【００３７】
シリンダ１１０ｃに充填された希釈ガスとしては、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガスがある。
【００３８】
ヒータコントローラ１１５により温度制御される基板加熱ヒータ１１４は、第２の電極１０２内に設けられている。基板加熱ヒータ１１４が第２の電極１０２内に設けられる場合、熱伝導加熱方式が採用される。基板加熱ヒータ１１４は、例えばシーズヒータで構成される。
【００３９】
高周波電力供給手段１０３には、高周波電源１０４、整合器１０６、高周波カットフィルタ１２９が含まれている。高周波電源１０４から供給される高周波電力は、第１の電極１０１に供給される。
【００４０】
高周波電源１０４は、６０ＭＨｚ以下の高周波電力を供給する。また、第２の電極１０２上に載置される基板が第７世代以上の大面積基板の場合には、高周波電源１０４として、波長が概ね１０ｍ以上の高周波電力を供給することが好ましい。代表的には、１３．５６ＭＨｚ以下、例えば３ＭＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下の高周波電力を供給することが好ましい。高周波電源１０４が、上記範囲の高周波電力を供給することで、第７世代以上の大面積基板を第２の電極１０２上に載置してグロー放電を行っても、表面定在波の影響を受けることなく均一なプラズマを発生させることができるため、基板が大面積であっても基板全体に均質で良質な膜を形成することができる。
【００４１】
また、高周波電源１０４として周波数１３．５６ＭＨｚを発振する電源を用いる場合、高周波カットフィルタ１２９として１０ｐＦ〜１００ｐＦの可変コンデンサを用いるとよい。
【００４２】
また、高周波カットフィルタ１２９として、さらにコイルを用いて、コイルと可変コンデンサとを用いる並列共振回路を構成してもよい。
【００４３】
反応室１００ｂに接続されている排気手段１０９には真空排気する機能と、反応ガスを流す場合に反応室１００ｂ内を所定の圧力に保持するように制御する機能が含まれている。排気手段１０９の構成としては、バタフライバルブ１１７、バタフライバルブ１１８、ストップバルブ１１９〜１２４、ターボ分子ポンプ１２５、ターボ分子ポンプ１２６、ドライポンプ１２７などが含まれる。なお、ターボ分子ポンプ１２６はストップバルブ１２４を介してドライポンプ１２７と連結されている。
【００４４】
反応室１００ｂ内を真空排気する場合には、まず、粗引き用のストップバルブ１１９と粗引き用のストップバルブ１２１を開き、反応室１００ｂ内をドライポンプ１２７で排気した後、ストップバルブ１１９を閉じて、バタフライバルブ１１７、ストップバルブ１２０を開き、真空排気を行う。さらに、反応室１００ｂ内を１０−５Ｐａよりも低い圧力の超高真空まで排気する場合には、反応室１００ｂ内をドライポンプによって排気した後、バタフライバルブ１１７、ストップバルブ１２０およびストップバルブ１２１を閉じ、バタフライバルブ１１８からストップバルブ１２２、１２３、１２４を開き、直列接続されたターボ分子ポンプ１２５、ターボ分子ポンプ１２６およびドライポンプ１２７による排気を行って真空排気する。また、真空排気を行った後に、反応室１００ｂ内を加熱処理して内壁からの脱ガス処理を行うことが好ましい。
【００４５】
第１の電極１０１と第２の電極１０２の間隔（ギャップ間隔とも呼ぶ）は適宜変更できるように構成されている。このギャップ間隔の調節は、反応室１００ｂ内で第２の電極１０２の高さの調整により行うことができる。ベローズ１０７を用いることで、反応室１００ｂ内を真空に保持しつつ、ギャップ間隔の調節を行うことができる。
【００４６】
ここで、第１の電極１０１の形状の一形態について、図３に示す。図３（Ａ）は第１の電極１０１を第２の電極１０２側からみた平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。
【００４７】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、第１の電極１０１には中空部１４４のガス供給口が規則的に、好ましくは等間隔で配置される。ガス供給口の口径は、第１の電極１０１の全面において均一であっても良いし、異なっていても良い。なお、図に示すガス供給口の配置は一例にすぎず、開示する発明の一態様がこれに限定して解釈されるものではない。例えば、ガス供給口を第１の電極１０１の中央部のみに設けても良い。
【００４８】
図４は、複数の反応室を備えたマルチ・チャンバ・プラズマＣＶＤ装置の一形態の概略図を示す。この装置は、共通室１３０、ロード／アンロード室１３１、第１の反応室１００ａ、第２の反応室１００ｂ、第３の反応室１００ｃ、及び第４の反応室１００ｄを備えている。ロード／アンロード室１３１は、カセットに装填される基板が共通室１３０の搬送機構１３４によって各反応室に搬出入される枚葉式の構成である。共通室１３０と各室の間にはゲートバルブ１３３が備えられ、各反応室で行われる処理が、相互に干渉しないように構成されている。
【００４９】
各反応室は、形成する薄膜の種類によって区分されている。勿論、反応室の数はこれに限定されるわけではなく、必要に応じて任意に増減させることができる。また、一の反応室で一の膜を成膜するようにしてもよいし、一の反応室で複数の膜を成膜するように構成しても良い。
【００５０】
各反応室には、排気手段１０９が接続されている。排気手段は図２及び図４に示す真空ポンプの組み合わせに限定されるものではなく、概略１０−５Ｐａから１０−１Ｐａの真空度にまで排気できるものであれば他の真空ポンプを適用してもよい。
【００５１】
なお、ロード／アンロード室１３１に、ドライポンプ１３６の他に超高真空まで真空排気が可能なクライオポンプ１３５を連結してもよい。クライオポンプ１３５を用いることで、ロード／アンロード室１３１の圧力を１０−５Ｐａよりも低い圧力の超高真空とすることができ、反応室中の基板に堆積される膜の不純物濃度を低減することができる。また、クライオポンプ１３５は、ターボ分子ポンプ及びドライポンプと比較して排気速度が速いため、開閉頻度の高いロード／アンロード室１３１にクライオポンプ１３５を設けることで、スループットを向上させることができる。
【００５２】
ガス供給手段１０８は、ガスが充填されたシリンダ１１０、圧力調整弁１１１、ストップバルブ１１２、マスフローコントローラ１１３などで構成されている。ここでは図示しないが、ガスが充填されたシリンダは、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が充填されたシリンダ、水素が充填されたシリンダ、希釈ガスが充填されたシリンダ、反応性ガス（酸化性ガス、窒化性ガス、ハロゲンガス等）が充填されたシリンダ、一導電型を付与する不純物元素を有するガスが充填されたシリンダ等を有する。
【００５３】
各反応室にはプラズマを形成するための高周波電力供給手段が連結されている。高周波電力供給手段には、少なくとも高周波電源１０４と整合器１０６が含まれる。
【００５４】
各反応室は形成する薄膜の種類によって使い分けることが可能である。それぞれの薄膜には最適な成膜温度があるので、反応室を個別に分けておくことで成膜温度を形成する膜ごとに管理することが容易となる。さらに、同じ膜種を繰り返し成膜することができるので、前に形成された膜に起因する残留不純物の影響を排除することができる。
【００５５】
図２に示すプラズマＣＶＤ装置の反応室１００ｂにおいて、反応室の圧力を従来の微結晶半導体膜の成膜圧力より高い圧力、代表的には４５０Ｐａ以上１３３３２Ｐａ以下、好ましくは４５０Ｐａ以上２０００Ｐａ以下、より好ましくは５００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下とし、原料ガスとしてシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体及び水素を反応室に導入し、第１の電極１０１に高周波電力を供給して、グロー放電させると、分子の平均自由行程が短くなり、プラズマ中において電子が気体分子に衝突する確率が高くなり、反応確率が増加する。このため、プラズマ中で活性なラジカルが生成されやすい。特に、プラズマ密度の高い領域では寿命の短い活性なラジカルが生成され、これが気相中で反応して核が形成される。核が形成されると気相中で逐次反応が進みナノメートルサイズの堆積前駆体の成長が促進される。このような従来の微結晶半導体膜の成膜圧力より高い圧力での放電は、第１の電極１０１及び第２の電極１０２の距離が短く、代表的には１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、好ましくは４ｍｍ以上１６ｍｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の場合に発生させやすい。なお、ここでは、第１の電極１０１及び第２の電極１０２の距離とは、第１の電極１０１及び第２の電極１０２の間隔をいう。
【００５６】
堆積前駆体の核が発生すると、活性なラジカルが核に付着して堆積前駆体が成長する。核発生に必要なラジカルは核成長で消費されるので、新たな核の生成は抑制される。よって、反応室の圧力と共に、第１の電極１０１に供給する電力の供給時間（例えば、パルス波電力におけるパルス幅、パルス周波数）、ガス流量、ガスの排気速度を制御することで、堆積前駆体のサイズ及び生成量を制御することが可能である。
【００５７】
堆積前駆体の組成は、供給するガスの選択によって制御することができる。ガスの種類によって、プラズマ中で生成されるラジカルが異なるからである。よって、堆積前駆体の成長の途中で堆積性気体の種類を切り替えることによって、多層構造の堆積前駆体の生成も可能である。なお、原料ガスがシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の場合、堆積前駆体は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムで形成される。
【００５８】
プラズマ中で堆積前駆体は負に帯電しやすいため、クーロン力により堆積前駆体同士の凝集は抑制される性質がある。よって、本実施の形態により、単分散に近い堆積前駆体を高密度に得ることができる。
【００５９】
堆積前駆体の構造は、成長に寄与するラジカルの種類の他に、堆積前駆体の温度が重要である。堆積前駆体の温度は、その表面（堆積前駆体の表面）に入射するイオン、電子の運動エネルギー、表面における化学反応によるエネルギーの放出又は吸収、中性ガス分子の衝突による加熱又は冷却などの影響を受けて決まる。
【００６０】
例えば、シリコンの堆積前駆体を生成する場合、シラン（ＳｉＨ４）を水素で希釈することで結晶構造とすることができる。これは、微結晶シリコン膜を堆積する場合に起こる表面反応と同様なメカニズムであると考えられ、シランが解離して生成されたラジカルと水素との反応が、結晶構造を有するシリコンの堆積前駆体の生成に主として寄与しているためと考えられる。
【００６１】
このことにより、気相中で形成された秩序性を有する堆積前駆体を基板表面に堆積させ、結晶核とし、当該結晶核を基板上での結晶成長の核として使用することができる。また、堆積する膜中に結晶性の堆積前駆体を含ませることができる。更に、結晶核上に微結晶半導体膜を堆積すると、秩序性を有する結晶核を結晶成長の核として下地膜との界面から結晶成長するため、下地膜界面から結晶性の高い微結晶半導体膜を形成することができる。さらには、反応室の圧力を従来の微結晶半導体膜の成膜圧力より高い圧力、代表的には４５０Ｐａ以上１３３３２Ｐａ以下、好ましくは４５０Ｐａ以上２０００Ｐａ以下、より好ましくは５００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下とすることで、堆積前駆体の生成速度が増加するため、隣接する結晶核４４が密に接した状態で下地膜４２上に形成させることが可能であると共に、結晶粒の間における非晶質半導体や低密度領域（鬆ともいう。）が低減するため、結晶性の高い微結晶半導体膜の成膜速度を高めることができる。
【００６２】
（実施の形態２）
【００６３】
本実施の形態では、実施の形態１に示すプラズマＣＶＤ装置において、第１の電極に適用可能な構造について、図５乃至図１０を用いて説明する。
【００６４】
図５に示すプラズマＣＶＤ装置の反応室の一構成において、第１の電極１０１は、凸部１４１及び凹部１４３が規則的に、好ましくは等間隔で配置された凹凸電極である。即ち、凸状の構造体で形成される凸部１４１が規則的に、好ましくは等間隔で配置されている。また、第１の電極１０１の凹部１４３には、ガス供給手段１０８に接続される中空部１４４が設けられている。即ち、ガス供給口が設けられる共通平面が凹部１４３である。なお、ここでは、第２の電極１０２の表面との距離が近いガス供給口を有する領域を凸部１４１とし、第２の電極１０２の表面との距離が遠いガス供給口を有する領域を凹部１４３として示す。
【００６５】
また、中空部１４４は、ガスライン１４６を介してガス供給手段１０８のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が充填されたシリンダ１１０ａに接続されている。このため、凹部１４３に設けられている中空部１４４のガス供給口からは、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が反応室１００ｂに供給される。
【００６６】
ここで、第１の電極１０１の形状の一形態について、図６及び図７を用いて説明する。図６（Ａ）及び図７（Ａ）は、第１の電極１０１を第２の電極１０２側からみた平面図であり、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）は、図６（Ａ）及び図７（Ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。なお、図６（Ａ）及び図７（Ａ）において、凹凸の様子を分かりやすくするため、窪んでいる領域（即ち、凹部）を間隔の狭いハッチパターンで示す。
【００６７】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、凹部１４３に形成される中空部１４４のガス供給口が、規則的に、好ましくは等間隔で配置される。また、凹部１４３には中空部１４４のガス供給口が設けられている。複数の凸部１４１のそれぞれは分離されており、凹部１４３は繋がった一の平面（共通平面）である。即ち、ガス供給口が設けられる共通平面から突出するように設けられた凸状の構造体を有し、該凸状の構造体はそれぞれ孤立している。ここでは、凸部１４１を四角錐台としている。なお、凸部１４１はこれに限定されず、適宜、三角錐台、五角錐台、六角錐台その他の多角錐台としてもよい。また、凸部１４１の稜及び角に丸み面取りを施して、角丸の多角錐台とすることが好ましい。凸部１４１及び凹部１４３の稜及び角に丸み面取りを施すことにより、過剰な電界集中を低減することが可能である。このため、局所的なアーク放電を低減することが可能であり、パーティクルの発生を低減することができる。
【００６８】
また、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、凸部１４１が円錐台となっていてもよい。また、凹部１４３には中空部１４４のガス供給口が設けられている。なお、凸部１４１の稜に丸み面取りを施して、角丸の円錐台とすることが好ましい。凸部１４１を円錐台とし、凸部１４１及び凹部１４３の稜に丸み面取りを施すことにより、過剰な電界集中を低減することが可能である。このため、局所的なアーク放電を低減することが可能であり、パーティクルの発生を低減することができる。
【００６９】
また、図６及び図７に示す凸部１４１においては、角丸の多角錐台または円錐台を示したが、図８（Ａ）に示すように、多角錐台または円錐台の稜及び角に丸みを帯びないように面取りを施すことができる。代表的には、凸部１４１をテーパ形状とし角１４７を面取りすることができる。また、凹部１４３をテーパ形状とし角１４９を面取りすることができる。凸部１４１及び凹部１４３において、角１４７、１４９を面取りすることで、当該領域の電界集中を低減することが可能であり、パーティクルの発生を低減することができる。
【００７０】
また、図６及び図７に示す凹部１４３において、図８（Ｂ）に示すように、中空部１４４のガス供給口周辺の１５５または角を丸めてもよい。さらには、図示しないが、中空部１４４のガス供給口周辺に丸みを帯びないように面取りを施してもよい。この結果、ガス供給口付近における電界集中を低減することが可能であり、パーティクルの発生を低減することができる。
【００７１】
ここで、第１の電極１０１の断面形状と電界の強度について、図１０を用いて説明する。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）はそれぞれ、計算に用いた第１の電極１０１の断面形状を示し、図１０（Ｃ）及び図１０（Ｄ）はそれぞれ、電界シミュレーターによって計算した電界の強度を示す。
【００７２】
図１０（Ａ）は第１の電極１０１の凸部の側面が凹部の表面と垂直な形状（第１の形状）を示し、図１０（Ｂ）は第１の電極１０１の凸部の断面形状がテーパ形状（第２の形状）を示す。即ち、第１の電極１０１の凸部の側面と凹部の表面が凸部内でなす角をθとし、凸部の頂部の表面と側面がなす角をγとすると、θが９０°未満であり、γが９０°より大きい形状である。なお、凸部の断面形状がテーパ形状である場合（図１０（Ｂ）の場合）には、頂部に向かうにつれ断面積が単調に小さくなる。
【００７３】
図１０（Ａ）においては、凹部の深さｄ１を４０ｍｍ、隣接する凸部の間隔ｄ２を２０ｍｍ、第１の電極１０１及び第２の電極１０２の間隔ｄ３を２０ｍｍとした。
【００７４】
図１０（Ｂ）においては、凹部の深さｄ４を４０ｍｍ、隣接する凸部において第２の電極１０２側の頂部の間隔ｄ５を６０ｍｍ、第１の電極１０１及び第２の電極１０２の間隔ｄ６を２０ｍｍとした。なお、凹部においてガス供給口が形成される平面の直径ｄ７を２０ｍｍとした。また、凸部の稜及び角の曲率半径Ｒを１０ｍｍとした。
【００７５】
また、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）のそれぞれにおいて、ガス供給口近傍をＡ、凹部の中央近傍をＢ、凹部の第２の電極１０２近傍をＣ、第１の電極１０１の凸部の極近傍をＤとし、これらの電界の強度について計算した結果を表１に示す。なお、表１は、図１０（Ａ）に示す第１の電極１０１の凸部の近傍Ｄの電界強度を１として、その他の領域の電界強度を規格化したものである。このとき、第１の電極１０１に供給した電力の周波数は１３．５６ＭＨｚである。
【００７６】
【表１】
0005530860.tif 000002
【００７７】
図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）について計算した電界強度の分布を示し、図１０（Ｄ）は、図１０（Ｂ）について計算した電界強度の分布を示す。
【００７８】
図１０（Ｃ）において、隣接する凸部の間の凹部表面の近傍（Ａの近傍）には電界が極端に弱い領域１８１が形成され、凸部とプラズマ１８７の間（第１の電極１０１の凸部の近傍（Ｄの近傍））には電界の強い領域１８５が形成される。
【００７９】
一方、図１０（Ｄ）において、テーパ角θが小さいほど凹部の表面まで電界が回り込むため、凹部では電界が弱い領域１９１が形成され、凸部の頂部表面近傍では中程度の電界の領域１９３が形成される。
【００８０】
図１０（Ｃ）と図１０（Ｄ）を比較すると、図１０（Ｂ）の形状では、凸部の頂部、特に凸部の稜及び角近傍における電界を緩和することができ、基板４０表面へのプラズマダメージを低減すると共に、アーク放電が原因のパーティクルの発生を低減することができる。また、凸部の頂部の表面の領域を小さくするほど、凸部の頂部近傍に高密度プラズマ領域を形成することができる。
【００８１】
本実施の形態に示す第１の電極は、凸部１４１及び凹部１４３を有するため、凸部１４１の頂部に高密度プラズマ領域を形成することが可能である。このため、高密度プラズマ領域において反応性が高まり、核及び堆積前駆体の生成を促進させることができる。この結果、実施の形態１と同様に、気相中で形成された秩序性を有する堆積前駆体を基板表面に堆積させ結晶核とし、当該結晶核を基板上での結晶成長の核として使用することができる。また、堆積する膜中に結晶性の堆積前駆体を含ませることができる。更に、結晶核上に微結晶半導体膜を堆積すると、秩序性を有する結晶核を結晶成長の核として下地膜との界面から結晶成長するため、下地膜界面から結晶性の高い微結晶半導体膜を作製することができる。さらには、反応室の圧力を従来の微結晶半導体膜の成膜圧力より高い圧力、代表的には４５０Ｐａ以上１３３３２Ｐａ以下、好ましくは４５０Ｐａ以上２０００Ｐａ以下、好ましくは５００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下とすると共に、凸部近傍において高密度プラズマ領域を形成することで、堆積前駆体の生成速度が増加するため、隣接する結晶核４４が密に接した状態で下地膜４２上に形成させることが可能であると共に、結晶粒の間における非晶質半導体や低密度領域（鬆ともいう。）が低減するため、結晶性の高い微結晶半導体膜の成膜速度を高めることができる。
【００８２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１に示すプラズマＣＶＤ装置において、第１の電極に適用可能な構造について、図９を用いて説明する。図９（Ａ）は第１の電極１０１を第２の電極１０２側からみた平面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。なお、図９（Ａ）において、凹凸の様子を分かりやすくするため、窪んでいる領域（即ち、凹部）を間隔の狭いハッチパターンで示す。
【００８３】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、凸部１４１に形成される中空部１４２のガス供給口が規則的に、好ましくは等間隔で配置される。また、図９（Ｂ）に示すように、凸部１４１には中空部１４２のガス供給口が設けられている。複数の凸部１４１のそれぞれは分離されており、凹部１４３は繋がった一の平面（共通平面）である。ここでは、凸部１４１を四角錐台としている。なお、凸部１４１はこれに限定されず、適宜、三角錐台、五角錐台、六角錐台その他の多角錐台としてもよい。また、凸部１４１の稜及び角を丸めて、角丸の多角錐台とすることが好ましい。また、凸部１４１が円錐台となっていてもよい。更には、凸部１４１の稜を丸めて、角丸の円錐台とすることが好ましい。
【００８４】
グロー放電により、凸部１４１の頂部において高密度プラズマ領域が形成されるため、凸部１４１のガス供給口から反応室に導入された原料ガスの反応が更に促進される。このため、堆積前駆体４３の生成が進み、下地膜上により多くの結晶核４４を緻密に堆積することができる。
【００８５】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１に示すプラズマＣＶＤ装置において、第１の電極に適用可能な構造について、図１１乃至図１５を参照して説明する。
【００８６】
図１１に示すプラズマＣＶＤ装置の反応室の一構成において、第１の電極１０１は、凸部１４１および凹部１４３が規則的に、好ましくは等間隔で配置された凹凸電極である。即ち、凸状の構造体で形成される凸部１４１が規則的に、好ましくは等間隔で配置されている。また、第１電極１０１の凸部１４１には、ガス供給手段１０８に接続される中空部１４２が設けられており、第１の電極１０１の凹部１４３には、ガス供給手段１０８に接続される中空部１４４が設けられている。即ち、ガス供給口が設けられる共通平面が凹部１４３である。このような構造とすることにより、凸部１４１と凹部１４３から反応室１００ｂに供給されるガス種を異ならせることができる。なお、ここでは、第２の電極１０２の表面との距離が近いガス供給口を有する領域を凸部１４１とし、第２の電極１０２の表面との距離が遠いガス供給口を有する領域を凹部１４３として示す。
【００８７】
ここで、中空部１４２と中空部１４４から流すガスの種類は必要に応じて決定すればよい。例えば、中空部１４２から堆積性ガスを流し、中空部１４４から水素ガスを流してもよい。または、中空部１４２から水素ガスを流し、中空部１４４から堆積性ガスを流してもよい。または、中空部１４２から堆積性ガスと水素ガスの混合ガスを流し、中空部１４４から堆積性ガスを流してもよい。または、中空部１４２から堆積性ガスを流し、中空部１４４から堆積性ガスと水素ガスの混合ガスを流してもよい。または、中空部１４２から堆積性ガスと水素ガスの混合ガスを流し、中空部１４４から水素ガスを流してもよい。最も好ましくは、中空部１４２から水素ガスを流し、中空部１４４から堆積性ガスと水素ガスの混合ガスを流すことである。中空部１４２から水素ガスを流し、中空部１４４から堆積性ガスと水素ガスの混合ガスを流すことで、形成される微結晶半導体膜の結晶性を向上させることができる。
【００８８】
なお、成膜途中でガスの流量比を変えてもよい。例えば、成膜初期には堆積性ガスの流量比を高くし、成膜後期には希釈率を高くすることで、結晶性を向上させることができる。
【００８９】
また、第１の電極１０１は、複数の拡散板を有してもよい（図１２を参照）。図１２では、ガスライン１４５から供給されたガスは、拡散板１５１で拡散した後、拡散板１５１の貫通孔１５３を通過して、凸部１４１に設けられる中空部１４２の導入口から、反応室１００ｂに供給される。また、ガスライン１４６から供給されたガスは、拡散板１５２で拡散した後、拡散板１５２の貫通孔１５４を通過して、凹部１４３に設けられた中空部１４４の導入口から、反応室１００ｂに供給される。図１２に示すように、第１の電極１０１は拡散板１５１および拡散板１５２を有することにより、ガスライン１４５およびガスライン１４６から導入されたガスが第１の電極１０１内で十分に拡散され、均質なガスを反応室１００ｂに供給することができるため、基板上に均質で良質な膜を形成することができる。
【００９０】
ここで、第１の電極１０１の形状の一形態について、図１３および図１４を参照して説明する。図１３（Ａ）および図１４（Ａ）は、第１の電極１０１を第２の電極１０２側からみた平面図であり、図１３（Ｂ）および図１４（Ｂ）は、図１３（Ａ）および図１４（Ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。なお、図１３（Ａ）および図１４（Ａ）において、凹凸の様子を分かりやすくするため、窪んでいる領域（即ち、凹部）を間隔の狭いハッチパターンで示す。
【００９１】
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示すように、凸部１４１に形成される中空部１４２のガス供給口と、凹部１４３に形成される中空部１４４のガス供給口が規則的に、好ましくは等間隔で配置される。また、凸部１４１には中空部１４２のガス供給口が設けられており、凹部１４３には中空部１４４のガス供給口が設けられている。複数の凸部１４１のそれぞれは分離されており、凹部１４３は繋がった一の平面（共通平面）である。即ち、ガス供給口が設けられる共通平面から突出するように設けられた凸状の構造体を有し、該凸状の構造体はそれぞれ孤立している。ここでは、凸部１４１を四角錐台としている。なお、凸部１４１はこれに限定されず、適宜、三角錐台、五角錐台、六角錐台その他の多角錐台としてもよい。また、凸部１４１の稜および角に丸み面取りを施して、角丸の多角錐台とすることが好ましい。凸部１４１および凹部１４３の稜および角に丸み面取りを施すことにより、過剰な電界集中を低減することが可能である。このため、局所的なアーク放電を低減することが可能であり、パーティクルの発生を低減することができる。
【００９２】
また、図１４（Ａ）に示すように、凸部１４１が円錐台となっていてもよい。また、図１４（Ｂ）に示すように、凸部１４１には中空部１４２のガス供給口が設けられており、凹部１４３には中空部１４４のガス供給口が設けられている。なお、凸部１４１の稜に丸み面取りを施して、角丸の円錐台とすることが好ましい。代表的には、凸部１４１をテーパ形状とし、角１５６、１５８を面取りすることができる。また、凹部１４３をテーパ形状とすることができる。凸部１４１および凹部１４３をテーパ形状とし、角１５６、１５８を面取りすることで、当該領域の電界集中を低減することが可能であり、パーティクルの発生を低減することができる（図１５（Ａ）を参照）。凸部１４１を円錐台とし、凸部１４１および凹部１４３の稜に丸み面取りを施すことにより、過剰な電界集中を低減することが可能である。このため、局所的なアーク放電を低減することが可能であり、パーティクルの発生を低減することができる。
【００９３】
また、図１３および図１４に示す凸部１４１においては、角丸の多角錐台または円錐台を示したが、多角錐台または円錐台の稜および角に丸みを帯びないように面取りを施してもよい。
【００９４】
また、中空部１４４のガス供給口周辺の稜および角１５７を丸めてもよい（図１５（Ｂ）を参照）。さらには、図示しないが、中空部１４４のガス供給口周辺に丸みを帯びないように面取りを施してもよい。この結果、ガス供給口付近における電界集中を低減することが可能であり、パーティクルの発生を低減することができる。
【００９５】
なお、シリコンの堆積前駆体を生成する場合、シラン（ＳｉＨ４）を水素で希釈することで結晶構造とすることができる。これは、微結晶シリコン膜を堆積する場合に起こる表面反応と同様なメカニズムであると考えられ、シランが解離して生成されたラジカルと水素との反応が、結晶構造を有するシリコンの堆積前駆体の生成に主として寄与しているためと考えられる。
【００９６】
この場合、例えば、凹部に設けられた中空部１４４のガス供給口から供給するガスをシランガスまたは水素希釈のシランガスとすれば、堆積前駆体の成長が促進され、基板４０に堆積する膜の堆積速度を向上させることができる。一方、凹部に設けられた中空部１４４のガス供給口から供給するガスをキセノン、クリプトン、アルゴンなどの希ガスにすれば、希ガスの励起種によりシランの分解が促進され高次ラジカルの生成に寄与するものとなる。
【００９７】
本実施の形態に示す第１の電極は、凸部１４１及び凹部１４３を有するため、凸部１４１の頂部に高密度プラズマ領域を形成することが可能である。このため、高密度プラズマ領域において反応性が高まり、核及び堆積前駆体の生成を促進させることができる。この結果、実施の形態１と同様に、気相中で形成された秩序性を有する堆積前駆体を基板表面に堆積させ結晶核とし、当該結晶核を基板上での結晶成長の核として使用することができる。また、堆積する膜中に結晶性の堆積前駆体を含ませることができる。更に、結晶核上に微結晶半導体膜を堆積すると、秩序性を有する結晶核を結晶成長の核として下地膜との界面から結晶成長するため、下地膜界面から結晶性の高い微結晶半導体膜を形成することができる。さらには、反応室の圧力を従来の微結晶半導体膜の成膜圧力より高い圧力、代表的には４５０Ｐａ以上１３３３２Ｐａ以下、好ましくは４５０Ｐａ以上２０００Ｐａ以下、好ましくは５００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下とすると共に、凸部近傍において高密度プラズマ領域を形成することで、堆積前駆体の生成速度が増加するため、隣接する結晶核４４が密に接した状態で下地膜４２上に形成させることが可能であると共に、結晶粒の間における非晶質半導体や低密度領域（鬆ともいう。）が低減するため、結晶性の高い微結晶半導体膜の成膜速度を高めることができる。
【００９８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態４より更に結晶性の高い微結晶半導体膜の形成方法について説明する。
【００９９】
本実施の形態では、図１の堆積前駆体４３及び微結晶半導体膜４６の原料ガスとして、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体及び水素の他、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガスを用いることを特徴とする。
【０１００】
原料ガスとして、アルゴン、キセノン、クリプトンのような励起エネルギーが小さく、且つシラン及び水素の解離エネルギーに近い準安定エネルギーを有する希ガスを用いることで、プラズマ中における電子密度及び水素ラジカル量が増加する。また、電子温度が低下するため、プラズマ電位差が減少し、微結晶半導体膜へのダメージが低減し、結晶性の高い微結晶半導体膜４６を形成することができる。また、希ガスを原料ガスに用いることで、プラズマが安定し、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体、及び水素の解離が促進され、活性なラジカルの量が増加する。このため、活性なラジカル同士の反応が促進され、堆積前駆体４３の生成速度及び微結晶半導体膜４６の成膜速度が高まる。また、成膜速度が高まると、微結晶半導体膜４６の堆積時間が短くなり、堆積中に取り込まれる反応室内の不純物量が低減するため、微結晶半導体膜４６に含まれる不純物量が低減し、微結晶半導体膜４６の結晶性を高めることができる。
【０１０１】
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態５で示す形成方法を用いた微結晶半導体膜を有する薄膜トランジスタの構造について、図１６を用いて説明する。
【０１０２】
実施の形態１乃至実施の形態５に示す形成方法を用いた微結晶半導体膜は、薄膜トランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。薄膜トランジスタとしては、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ及びトップゲート型の薄膜トランジスタの両方に用いることができるが、特にボトムゲート型の薄膜トランジスタに用いることで、薄膜トランジスタの特性を向上させることができる。ここでは、代表的はボトムゲート型の薄膜トランジスタの構造について、図１６を用いて説明する。
【０１０３】
図１６（Ａ）に示す薄膜トランジスタは、チャネルエッチ型の薄膜トランジスタである。基板２０１上にゲート電極２０３が形成され、基板２０１及びゲート電極２０３を覆うゲート絶縁膜２０４が形成される。ゲート絶縁膜２０４上には、微結晶半導体膜２０７が形成される。微結晶半導体膜２０７上には、一対の不純物半導体膜２０９が形成される。また、一対の不純物半導体膜２０９それぞれに接して、一対の配線２１１が形成される。微結晶半導体膜２０７を、実施の形態１乃至実施の形態５に示す微結晶半導体膜を用いて形成することで、チャネル形成領域を結晶性の高い微結晶半導体膜で形成することができる。実施の形態１乃至実施の形態５により作製される微結晶半導体膜は結晶粒が隣接しており、結晶粒間の接触面積が大きいため、チャネル形成領域においてキャリアが移動しやすくなり、薄膜トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。
【０１０４】
基板２０１は、ガラス基板、セラミック基板の他、本作製工程の処理温度に耐えうる程度の耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。また、基板に透光性を要しない場合には、ステンレス合金等の金属の基板の表面に絶縁膜を設けたものを用いてもよい。ガラス基板としては、例えば、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス若しくはアルミノケイ酸ガラス等の無アルカリガラス基板を用いるとよい。また、基板２０１として、第３の世代（５５０ｍｍ×６５０ｍｍ）、第３．５世代（６００ｍｍ×７２０ｍｍ、または６２０ｍｍ×７５０ｍｍ）、第４の世代（６８０ｍｍ×８８０ｍｍ、または７３０ｍｍ×９２０ｍｍ）、第５の世代（１１００ｍｍ×１３００ｍｍ）、第６の世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７の世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８の世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９の世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等のガラス基板を用いることができる。
【０１０５】
ゲート電極２０３は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、またはこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層でもしくは積層して形成することができる。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体膜やＡｇＰｄＣｕ合金を用いてもよい。
【０１０６】
ゲート電極２０３の２層の積層構造としては、アルミニウム膜上にモリブデン膜が積層した二層構造、銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、または窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。ゲート電極２０３の三層構造としては、タングステン膜または窒化タングステン膜と、アルミニウム及びシリコンの合金またはアルミニウムとチタンの合金と、窒化チタン膜またはチタン膜とを積層した三層構造とすることが好ましい。電気的抵抗が低い膜上にバリア膜として機能する金属膜が積層されることで、電気的抵抗が低く、且つ金属膜から半導体膜への金属元素の拡散を防止することができる。
【０１０７】
なお、ゲート電極２０３及び基板２０１との密着性向上として、上記の金属材料の窒化物膜を、基板２０１とゲート電極２０３との間に設けてもよい。
【０１０８】
ゲート絶縁膜２０４は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜を、単層若しくは積層して形成することができる。
【０１０９】
なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、好ましくは、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）及び水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合に、組成範囲として酸素が５０〜７０原子％、窒素が０．５〜１５原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、好ましくは、ＲＢＳ及びＨＦＳを用いて測定した場合に、組成範囲として酸素が５〜３０原子％、窒素が２０〜５５原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が１０〜３０原子％の範囲で含まれるものをいう。ただし、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを構成する原子の合計を１００原子％としたとき、窒素、酸素、シリコン及び水素の含有比率が上記の範囲内に含まれるものとする。
【０１１０】
微結晶半導体膜２０７は、代表的には、微結晶シリコン膜、微結晶シリコンゲルマニウム膜、微結晶ゲルマニウム膜等を用いて形成する。また、リン、砒素、またはアンチモンを含む微結晶シリコン膜、リン、砒素、またはアンチモンを含む微結晶シリコンゲルマニウム膜、リン、砒素、またはアンチモンを含む微結晶ゲルマニウム膜等を用いて形成してもよい。なお、薄膜トランジスタのしきい値電圧を制御するため、微結晶半導体膜２０７に、ボロンを添加してもよい。
【０１１１】
微結晶半導体膜を構成する微結晶半導体とは、結晶構造（単結晶、多結晶を含む）を有する半導体である。微結晶半導体は、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する結晶質な半導体であり、結晶粒径が２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下、より好ましくは、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の柱状結晶または錐形結晶が基板表面に対して法線方向に成長している。このため、柱状結晶または錐形結晶の界面には、結晶粒界が形成される場合もある。
【０１１２】
微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマンスペクトルのピークが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低波数側に、シフトしている。即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークを示す。また、未結合手（ダングリングボンド）を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも１原子％またはそれ以上含ませてもよい。さらに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガス元素を含ませてもよく、これにより格子歪みをさらに助長させることで、微結晶の構造の安定性が増し良好な微結晶半導体が得られる。このような微結晶半導体に関する記述は、例えば、米国特許４，４０９，１３４号で開示されている。
【０１１３】
また、微結晶半導体膜に含まれる酸素及び窒素の二次イオン質量分析法によって計測される濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすることで、微結晶半導体膜２０７の結晶性を高めることができるため好ましい。
【０１１４】
不純物半導体膜２０９は、薄膜トランジスタがｎチャネル型の場合は、リンが添加されたアモルファスシリコン、またはリンが添加された微結晶シリコンで形成する。また、薄膜トランジスタがｐチャネル型の場合は、ボロンが添加されたアモルファスシリコン、またはボロンが添加された微結晶シリコンで形成する。
【０１１５】
配線２１１は、アルミニウム、銅、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデン、クロム、タンタル若しくはタングステン等により単層で、または積層して形成することができる。または、ヒロック防止元素が添加されたアルミニウム合金（ゲート電極２０３に用いることができるアルミニウム−ネオジム合金等）により形成してもよい。不純物半導体膜２０９と接する側の膜を、チタン、タンタル、モリブデン、タングステンまたはこれらの元素の窒化物により形成し、その上にアルミニウムまたはアルミニウム合金を形成した積層構造としても良い。更には、アルミニウムまたはアルミニウム合金の上面及び下面を、チタン、タンタル、モリブデン、若しくはタングステン、またはこれらの元素の窒化物で挟んだ積層構造としてもよい。
【０１１６】
図１６（Ｂ）に示す薄膜トランジスタは、チャネルストップ型の薄膜トランジスタである。基板２０１上にゲート電極２０３が形成され、基板２０１及びゲート電極２０３を覆うゲート絶縁膜２０４が形成される。ゲート絶縁膜２０４上には、微結晶半導体膜２２１が形成される。微結晶半導体膜２２１上には、チャネル保護膜２２３が形成される。また、微結晶半導体膜２２１及びチャネル保護膜２２３上には、一対の不純物半導体膜２２５が形成される。また、一対の不純物半導体膜２２５それぞれに接して、一対の配線２２７が形成される。微結晶半導体膜２２１を、実施の形態１乃至実施の形態５に示す微結晶半導体膜の形成方法を用いて形成することで、チャネル形成領域を結晶性の高い微結晶半導体膜で形成することができる。実施の形態１乃至実施の形態５により作製される微結晶半導体膜は結晶粒が隣接しており、結晶粒間の接触面積が大きいため、チャネル形成領域におけるキャリアが移動しやすくなり、薄膜トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。
【０１１７】
チャネル保護膜２２３は、ゲート絶縁膜２０４と同様に形成することができる。または、ポリイミド、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、その他の有機絶縁膜を用いて形成することができる。
【０１１８】
一対の不純物半導体膜２２５は、図１６（Ａ）に示す一対の不純物半導体膜２０９と同様の材料及び構造を用いて形成することができる。
【０１１９】
一対の配線２２７は、図１６（Ａ）に示す一対の配線２１１と同様の材料及び構造を用いて形成することができる。
【０１２０】
チャネル保護型の薄膜トランジスタは、チャネル形成領域に実施の形態１乃至実施の形態５に示す微結晶半導体膜を用いて形成すると共に、チャネル保護膜を有するため、薄膜トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めると共に、オフ電流を低減させることができる。
【０１２１】
図１６（Ｃ）に示す薄膜トランジスタは、チャネルエッチ型の薄膜トランジスタであり、微結晶半導体膜２３１と一対の不純物半導体膜２３７の間に非晶質半導体膜を有する点が図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）と異なる。
【０１２２】
基板２０１上にゲート電極２０３が形成され、基板２０１及びゲート電極２０３を覆うゲート絶縁膜２０４が形成される。ゲート絶縁膜２０４上には、微結晶半導体膜２３１が形成される。微結晶半導体膜２３１上には、非晶質半導体膜２３５が形成される。また、非晶質半導体膜２３５上には、一対の不純物半導体膜２３７が形成される。また、一対の不純物半導体膜２３７それぞれに接して、一対の配線２３９が形成される。微結晶半導体膜２３１を、実施の形態１乃至実施の形態５に示す微結晶半導体膜の形成方法を用いて形成することで、チャネル形成領域を結晶性の高い微結晶半導体膜で形成することができる。実施の形態１乃至実施の形態５により作製される微結晶半導体膜は結晶粒が隣接しており、結晶粒間の接触面積が大きいため、チャネル形成領域におけるキャリアが移動しやすくなり、薄膜トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。
【０１２３】
非晶質半導体膜２３５は、アモルファスシリコン、窒素を含むアモルファスシリコン、塩素を含むアモルファスシリコン等で形成することができる。微結晶半導体膜２３１及び一対の不純物半導体膜２３７の間に非晶質半導体膜２３５を設けることで、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０１２４】
また、非晶質半導体膜２３５として、低温フォトルミネッセンス分光によるスペクトルのピーク領域が、１．３１ｅＶ以上１．３９ｅＶ以下である半導体膜を用いることができる。当該半導体膜は、ＣＰＭ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）やフォトルミネッセンス分光測定で測定されるＵｒｂａｃｈ端のエネルギーが小さく、欠陥吸収スペクトル量が少ない半導体膜を形成することができる。即ち、従来の非晶質半導体と比較して、欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテール（裾）の傾きが急峻である秩序性の高い半導体である。当該半導体膜は価電子帯のバンド端における準位のテール（裾）の傾きが急峻であるため、バンドギャップが広くなり、トンネル電流が流れにくい。このため、当該半導体膜をバックチャネル側に設けることで、薄膜トランジスタのオフ電流を低減しつつ、オン電流と電界効果移動度を高めることが可能である。
【０１２５】
一対の不純物半導体膜２３７は、図１６（Ａ）に示す一対の不純物半導体膜２０９と同様の材料及び構造を用いて形成することができる。
【０１２６】
一対の配線２３９は、図１６（Ａ）に示す一対の配線２１１と同様の材料及び構造を用いて形成することができる。
【０１２７】
図１６（Ｃ）に示す薄膜トランジスタは、チャネル形成領域に実施の形態１乃至実施の形態４に示す微結晶半導体膜を用いて形成すると共に、非晶質半導体膜２３５を有するため、薄膜トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めると共に、オフ電流を低減させることができる。
【０１２８】
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態６に示す薄膜トランジスタの一形態である図１６（Ｃ）に示す薄膜トランジスタの作製方法について図１７乃至図２１を参照して説明する。
【０１２９】
ここでは、同一の基板上に形成する薄膜トランジスタを全て同じ導電型に統一すると、工程数を抑えることができるため好ましい。そのため、本実施の形態では、ｎチャネル型の薄膜トランジスタの作製方法について説明する。
【０１３０】
図１７（Ａ）に示すように、基板３０１上にゲート電極３０３を形成する。次に、ゲート電極３０３を覆うゲート絶縁膜３０４を形成した後に、実施の形態１乃至実施の形態４に示す方法を用いて、ゲート絶縁膜３０４上に結晶核３０５を形成する。
【０１３１】
基板３０１としては、実施の形態６に示す基板２０１を適宜用いることができる。
【０１３２】
ゲート電極３０３は、実施の形態６に示すゲート電極２０３に用いる材料及び構成を適宜用いることができる。
【０１３３】
ゲート電極３０３は、基板３０１上に、スパッタリング法または真空蒸着法を用いて導電膜を形成し、該導電膜上にフォトリソグラフィ法またはインクジェット法等によりマスクを形成し、該マスクを用いて導電膜をエッチングして形成することができる。また、銀、金または銅等の導電性ナノペーストをインクジェット法により基板上に吐出し、焼成することで形成することもできる。ここでは、基板３０１上に導電膜を形成し、第１のフォトリソグラフィ工程で形成したレジストマスクによりエッチングして、ゲート電極３０３を形成する。
【０１３４】
なお、フォトリソグラフィ工程においては、レジストを基板全面に形成してもよいが、レジストマスクを形成する領域に印刷法によりレジストを印刷した後、露光することで、レジストを節約することが可能であり、コスト削減が可能である。また、露光機を用いてレジストを露光する代わりに、レーザビーム直描装置によってレジストを露光してもよい。
【０１３５】
また、ゲート電極３０３の側面は、テーパ形状とすることで、ゲート電極３０３上に形成する半導体膜及び配線膜の、段差の箇所における切断を低減することができる。ゲート電極３０３の側面をテーパ形状にするためには、レジストマスクを後退させつつエッチングを行えばよい。
【０１３６】
また、ゲート電極３０３を形成する工程でゲート配線（走査線）及び容量配線も同時に形成することができる。なお、走査線とは画素を選択する配線をいい、容量配線とは画素の容量素子の一方の電極に接続された配線をいう。ただし、これに限定されず、ゲート配線及び容量配線の一方または双方と、ゲート電極３０３とは別工程で形成してもよい。
【０１３７】
ゲート絶縁膜３０４は、実施の形態６に示すゲート絶縁膜２０４に示す材料及び構成を適宜用いることができる。ゲート絶縁膜３０４は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法、印刷法等を適宜用いることができる。
【０１３８】
また、ゲート絶縁膜３０４の最表面として、有機シランガスを用いたＣＶＤ法により酸化シリコン膜を形成することで、後に形成する第１の半導体膜の結晶性を高めることが可能であり、薄膜トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：化学式Ｓｉ（ＣＨ３）４）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ２Ｈ５）３）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ３）２）３）等のシリコン含有化合物を用いることができる。
【０１３９】
結晶核３０５は、実施の形態１乃至実施の形態５に示す堆積前駆体４３の形成方法を用いて形成する。図２に示すプラズマＣＶＤ装置の第１の電極１０１の中空部１４４のガス供給口から、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を反応室内に導入し、高周波電源をオンとし、高周波電力を供給して形成する。なお、中空部１４４のガス供給口から反応室内に導入する気体として、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体のほかに、水素を導入してもよい。更には、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体のほかに、水素及び希ガスを導入してもよい。
【０１４０】
次に、図１７（Ｂ）に示すように、結晶核３０５を核として、結晶成長させて、第１の半導体膜３０６を形成する。
【０１４１】
第１の半導体膜３０６としては、実施の形態１乃至実施の形態５に示す微結晶半導体膜４６の形成方法を用いて形成する。
【０１４２】
第１の半導体膜３０６の厚さは、３〜１００ｎｍ、好ましくは５〜５０ｎｍとすることが望ましい。これは、第１の半導体膜３０６の厚さが薄すぎると、薄膜トランジスタのオン電流が低減する。また、第１の半導体膜３０６の厚さが厚すぎると、薄膜トランジスタが高温で動作する際に、オフ電流が上昇してしまうためである。第１の半導体膜３０６の厚さを厚さ３〜１００ｎｍ、好ましくは５〜５０ｎｍとすることで、薄膜トランジスタのオン電流及びオフ電流を制御することができる。
【０１４３】
ここでは、第１の半導体膜３０６は、図２に示すプラズマＣＶＤ装置の第１の電極１０１の中空部１４４のガス供給口から、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素とを反応室内に導入し、グロー放電プラズマにより形成する。または、図２に示すプラズマＣＶＤ装置の第１の電極１０１の中空部１４４のガス供給口から、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスとを反応室内に導入し、グロー放電プラズマにより形成する。シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対して、水素の流量を１０〜２０００倍、好ましくは１０〜２００倍に希釈して、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウム、微結晶ゲルマニウム等を形成する。このときの堆積温度は、室温〜３００℃、好ましくは２００〜２８０℃が好ましい。
【０１４４】
シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の代表例としては、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ゲルマン（ＧｅＨ４）、ジゲルマン（Ｇｅ２Ｈ６）等がある。
【０１４５】
また、第１の半導体膜３０６を形成する前に、ＣＶＤ装置の反応室内の気体を排気しながら、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を導入して、反応室内の不純物を除去することで、後に形成される薄膜トランジスタのゲート絶縁膜３０４及び第１の半導体膜３０６の界面における不純物量を低減することが可能であり、薄膜トランジスタの電気特性を向上させることができる。
【０１４６】
また、第１の半導体膜３０６を形成する前に、ゲート絶縁膜３０４の表面に酸素プラズマ、水素プラズマ等を曝してもよい。
【０１４７】
次に、図１７（Ｃ）に示すように、第１の半導体膜３０６上に第２の半導体膜３０７を形成する。ここでは、第２の半導体膜３０７として、混合領域３０７ｂ及び非晶質半導体を含む領域３０７ｃを有する構造を示す。次に、第２の半導体膜３０７上に、不純物半導体膜３０９、及び導電膜３１１を形成する。次に、導電膜３１１上にレジストマスク３１３を形成する。
【０１４８】
第１の半導体膜３０６を種結晶として、部分的に結晶成長させる条件で、混合領域３０７ｂ及び非晶質半導体を含む領域３０７ｃを有する第２の半導体膜３０７を形成することができる。
【０１４９】
第２の半導体膜３０７は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素と、窒素を含む気体とを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。窒素を含む気体としては、アンモニア、窒素、フッ化窒素、塩化窒素、クロロアミン、フルオロアミン等がある。グロー放電プラズマの生成は、第１の半導体膜３０６と同様にすることができる。
【０１５０】
このとき、原料ガスに、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と窒素を含む気体を用いることで、第１の半導体膜３０６の堆積条件よりも、結晶成長を低減する条件とすることができる。この結果、第２の半導体膜３０７において、混合領域３０７ｂ、及び欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテール（裾）の傾きが急峻である秩序性の高い半導体膜で形成される非晶質半導体を含む領域３０７ｃを形成することができる。
【０１５１】
ここでは、第２の半導体膜３０７を形成する条件の代表例は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量が１０〜２０００倍、好ましくは１０〜２００倍である。なお、通常の非晶質半導体膜を形成する条件の代表例は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量は０〜５倍である。
【０１５２】
また、第２の半導体膜３０７の原料ガスに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、またはクリプトン等の希ガスを導入することで、成膜速度を高めることができる。
【０１５３】
第２の半導体膜３０７の厚さは、厚さ５０〜３５０ｎｍ、好ましくは１２０〜２５０ｎｍとすることが好ましい。
【０１５４】
第２の半導体膜３０７の堆積初期においては、原料ガスに窒素を含む気体が含まれるため、部分的に結晶成長が抑制され、錐形状の微結晶半導体領域が成長すると共に、当該錐形状の微結晶半導体領域の間を充填する非晶質半導体領域が形成される。このように、微結晶半導体領域と非晶質半導体領域が混在する領域を混合領域３０７ｂという。さらに、錐形状の微結晶半導体領域の結晶成長が停止し、微結晶半導体領域が含まれず、非晶質半導体領域のみが形成される。このように、微結晶半導体領域が含まれず、非晶質半導体領域のみが形成される領域を、非晶質半導体を含む領域３０７ｃという。なお、錐形状の微結晶半導体領域が成長する前に、第１の半導体膜３０６を種結晶として、第１の半導体膜３０６上全体に微結晶半導体膜が堆積される場合もある。
【０１５５】
ここでは、第２の半導体膜３０７の原料ガスに窒素を含む気体を含ませて、混合領域３０７ｂ及び非晶質半導体を含む領域３０７ｃを有する第２の半導体膜３０７を形成したが、他の第２の半導体膜３０７の形成方法として、第１の半導体膜３０６の表面に窒素を含む気体を曝して、第１の半導体膜３０６の表面に窒素を吸着させた後、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体及び水素を原料ガスとして用いて第２の半導体膜３０７を形成することで、混合領域３０７ｂ及び非晶質半導体を含む領域３０７ｃを有する第２の半導体膜３０７を形成することができる。
【０１５６】
不純物半導体膜３０９は、プラズマＣＶＤ装置の反応室内において、シリコンを含む堆積性気体と、水素と、ホスフィン（水素希釈またはシラン希釈）とを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。シリコンを含む堆積性気体を水素で希釈して、リンが添加されたアモルファスシリコン、またはリンが添加された微結晶シリコンを形成する。なお、ｐチャネル型の薄膜トランジスタを作製する場合は、不純物半導体膜３０９として、ホスフィンの代わりに、ジボランを用いて、グロー放電プラズマによりボロンが添加されたアモルファスシリコン、またはボロンが添加された微結晶シリコンを形成すればよい。
【０１５７】
ここで、ゲート絶縁膜３０４と、不純物半導体膜３０９との間に形成される第２の半導体膜３０７の構造について、図１９乃至図２１を参照して説明する。図１９乃至図２１は、ゲート絶縁膜３０４と、不純物半導体膜３０９との間の拡大図である。
【０１５８】
図１９（Ａ）に示されるように、混合領域３０７ｂは、第１の半導体膜３０６の表面から凸状に伸びた微結晶半導体領域３３１ａと、微結晶半導体領域３３１ａの間に充填された非晶質半導体領域３３１ｂとを有する。
【０１５９】
微結晶半導体領域３３１ａは、ゲート絶縁膜３０４から非晶質半導体を含む領域３０７ｃに向かって、先端が狭まる凸状（錐形状）の微結晶半導体である。なお、ゲート絶縁膜３０４から非晶質半導体を含む領域３０７ｃに向かって幅が広がる凸状（逆錐形状）の微結晶半導体であってもよい。
【０１６０】
また、混合領域３０７ｂに含まれる非晶質半導体領域３３１ｂに、粒径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下の半導体結晶粒を含んでいてもよい。
【０１６１】
また、図１９（Ｂ）に示すように、混合領域３０７ｂは、第１の半導体膜３０６上に一定の厚さで堆積した微結晶半導体領域３３１ｃと、ゲート絶縁膜３０４から非晶質半導体を含む領域３０７ｃに向かって先端が狭まる凸状（錐形状）の微結晶半導体領域３３１ａと、が連続的に形成される場合もある。
【０１６２】
また、図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示す混合領域３０７ｂに含まれる非晶質半導体領域３３１ｂは、非晶質半導体を含む領域３０７ｃと概略同質の半導体である。
【０１６３】
これらのことから、微結晶半導体で形成される領域と非晶質半導体で形成される領域の界面は、混合領域３０７ｂにおける微結晶半導体領域３３１ａと非晶質半導体領域３３１ｂの界面ともいえる。そのため、微結晶半導体と非晶質半導体との境界は、断面図において凹凸状またはジグザグ状であるといえる。
【０１６４】
また、混合領域３０７ｂにおいて、微結晶半導体領域３３１ａが、ゲート絶縁膜３０４から非晶質半導体を含む領域３０７ｃに向かって先端が狭まる凸状（錐形状）の半導体結晶粒である場合には、非晶質半導体を含む領域３０７ｃの近傍よりも第１の半導体膜３０６の近傍のほうが、微結晶半導体が占める割合が高い。微結晶半導体領域３３１ａは第１の半導体膜３０６の表面から膜厚方向に結晶成長する。しかし、原料ガスに窒素を含むガスを混合し、または原料ガスに窒素を含むガスを含ませつつ第１の半導体膜３０６の堆積条件よりもシランに対する水素の流量を少なくすると、微結晶半導体領域３３１ａの結晶成長が抑制され、錐形状の半導体結晶粒となるとともに、やがて非晶質半導体が堆積する。これは、微結晶半導体領域における窒素の固溶度が、非晶質半導体領域における窒素の固溶度に比べて低いためである。
【０１６５】
第１の半導体膜３０６及び混合領域３０７ｂの厚さの合計、即ち、ゲート絶縁膜３０４の界面から、微結晶半導体領域３３１ａの突起（凸部）の先端の距離は、３ｎｍ以上４１０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。第１の半導体膜３０６及び混合領域３０７ｂの厚さの合計を３ｎｍ以上４１０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることで、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０１６６】
非晶質半導体を含む領域３０７ｃは、上述したように、非晶質半導体領域３３１ｂと概略同質の半導体であり、窒素を含む。さらには、粒径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下の半導体結晶粒を含む場合もある。ここでは、非晶質半導体を含む領域３０７ｃは、従来の非晶質半導体と比較して、ＣＰＭ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）やフォトルミネッセンス分光測定で測定されるＵｒｂａｃｈ端のエネルギーが小さく、欠陥吸収スペクトル量が少ない半導体膜である。即ち、非晶質半導体を含む領域３０７ｃは、従来の非晶質半導体と比較して、欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテール（裾）の傾きが急峻である秩序性の高い半導体である。非晶質半導体を含む領域３０７ｃは、価電子帯のバンド端における準位のテール（裾）の傾きが急峻であるため、バンドギャップが広くなり、トンネル電流が流れにくい。このため、非晶質半導体を含む領域３０７ｃをバックチャネル側に設けることで、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。また、非晶質半導体を含む領域３０７ｃを設けることで、オン電流と電界効果移動度を高めることが可能である。
【０１６７】
さらに、非晶質半導体を含む領域３０７ｃは、低温フォトルミネッセンス分光によるスペクトルのピーク領域は、１．３１ｅＶ以上１．３９ｅＶ以下である。なお、微結晶半導体膜、代表的には微結晶シリコン膜を低温フォトルミネッセンス分光により測定したスペクトルのピーク領域は、０．９８ｅＶ以上１．０２ｅＶ以下であり、非晶質半導体を含む領域３０７ｃは、微結晶半導体膜とは異なるものである。
【０１６８】
なお、非晶質半導体を含む領域３０７ｃの非晶質半導体は、代表的にはアモルファスシリコンである。
【０１６９】
また、混合領域３０７ｂ及び非晶質半導体を含む領域３０７ｃに含まれる窒素は、例えばＮＨ基またはＮＨ２基として存在していてもよい。
【０１７０】
また、図２０に示すように、第１の半導体膜３０６と不純物半導体膜３０９との間がすべて混合領域３０７ｂとなる構成としてもよい。即ち、第２の半導体膜３０７が混合領域３０７ｂであってもよい。図２０に示す構造では、混合領域３０７ｂにおける微結晶半導体領域３３１ａの割合が、図１９に示す構造よりも低いことが好ましい。さらには、ソース領域とドレイン領域の間、即ちキャリアが流れる領域においては、混合領域３０７ｂにおける微結晶半導体領域３３１ａの割合が低いことが好ましい。この結果、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。また、混合領域３０７ｂにおいて、オン状態で配線３２５により構成されるソース電極及びドレイン電極に電圧を印加したときの縦方向（厚さ方向）の抵抗、即ち、半導体膜と、ソース領域またはドレイン領域との間の抵抗を下げることが可能であり、薄膜トランジスタのオン電流と電界効果移動度を高めることが可能である。
【０１７１】
なお、図２０においても、図１９（Ｂ）に示すように、混合領域３０７ｂに微結晶半導体領域３３１ｃを有していてもよい。
【０１７２】
また、図２１（Ａ）に示すように、非晶質半導体を含む領域３０７ｃと、不純物半導体膜３０９との間に、従来の非晶質半導体領域３３３ｄを設けてもよい。即ち、第２の半導体膜３０７が、混合領域３０７ｂ、非晶質半導体を含む領域３０７ｃ、及び非晶質半導体領域３３３ｄであってもよい。または、図２１（Ｂ）に示すように、混合領域３０７ｂ及び不純物半導体膜３０９の間に従来の非晶質半導体領域３３３ｄを設けてもよい。即ち、第２の半導体膜３０７が、混合領域３０７ｂ及び非晶質半導体領域３３３ｄであってもよい。図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）に示す構造を適用することにより、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０１７３】
なお、図２１においても、図１９（Ｂ）に示すように、混合領域３０７ｂに微結晶半導体領域３３１ｃを有していてもよい。
【０１７４】
混合領域３０７ｂは錐形状の微結晶半導体領域３３１ａを有するため、オン状態でソース電極及びドレイン電極の間に電圧が印加されたときの縦方向（膜厚方向）における抵抗、即ち、第１の半導体膜３０６、混合領域３０７ｂ、及び非晶質半導体を含む領域３０７ｃの抵抗を下げることが可能である。
【０１７５】
また、上述したように、混合領域３０７ｂに含まれる窒素は、代表的にはＮＨ基またはＮＨ２基として存在していてもよい。これは、微結晶半導体領域３３１ａに含まれる、複数の微結晶半導体領域間の界面、微結晶半導体領域３３１ａと非晶質半導体領域３３１ｂの界面、または第１の半導体膜３０６と非晶質半導体領域３３１ｂの界面において、ＮＨ基またはＮＨ２基がシリコン原子のダングリングボンドと結合すると、欠陥の数が減るためである。このため、第２の半導体膜３０７の窒素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３乃至１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、より好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることで、シリコン原子のダングリングボンドをＮＨ基で架橋しやすくなり、キャリアが流れやすくなる。または、上記した界面における半導体原子のダングリングボンドがＮＨ２基で終端されて、欠陥準位が消失する。この結果、オン状態でソース電極及びドレイン電極の間に電圧が印加されたときの縦方向（厚さ方向）の抵抗が低減する。即ち、薄膜トランジスタの電界効果移動度とオン電流が増加する。
【０１７６】
また、混合領域３０７ｂの酸素濃度を窒素濃度より低くすることにより、微結晶半導体領域３３１ａと非晶質半導体領域３３１ｂの界面における欠陥、または半導体結晶粒同士の界面における欠陥による、キャリアの移動を阻害する結合を少なくすることができる。
【０１７７】
このため、チャネル形成領域を第１の半導体膜３０６で形成し、チャネル形成領域と不純物半導体膜３０９の間に、非晶質半導体を含む領域３０７ｃを設けることで、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。また、混合領域３０７ｂと非晶質半導体を含む領域３０７ｃを設けることで、さらに、薄膜トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めつつ、オフ電流を低減することができる。これは、混合領域３０７ｂが錐形状の微結晶半導体領域３３１ａを有し、非晶質半導体を含む領域３０７ｃには欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテール（裾）の傾きが急峻である秩序性の高い半導体膜で形成されているからである。
【０１７８】
導電膜３１１は、実施の形態６に示す材料及び構造を適宜用いて形成することができる。
【０１７９】
導電膜３１１は、ＣＶＤ法、スパッタリング法または真空蒸着法を用いて形成する。または、導電膜３１１は、スクリーン印刷法もしくはインクジェット法等を用いて、銀、金または銅等の導電性ナノペーストを配置し、焼成することで形成してもよい。
【０１８０】
第２のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスク３１３を形成する。レジストマスク３１３は厚さの異なる領域を有する。このようなレジストマスクは、多階調マスクを用いて形成することができる。多階調マスクを用いることで、使用するフォトマスクの枚数が低減し、作製工程数が削減できるため好ましい。本実施の形態において、第１の半導体膜３０６、第２の半導体膜３０７のパターンを形成する工程と、ソース領域とドレイン領域を分離する工程において、多階調マスクを用いて形成したレジストマスクを用いることができる。
【０１８１】
多階調マスクとは、多段階の光量で露光を行うことが可能なマスクであり、代表的には、露光領域、半露光領域及び未露光領域の３段階の光量で露光を行う。多階調マスクを用いることで、一度の露光及び現像工程によって、複数（代表的には二種類）の厚さを有するレジストマスクを形成することができる。そのため、多階調マスクを用いることで、フォトマスクの枚数を削減することができる。
【０１８２】
次に、レジストマスク３１３を用いて、第１の半導体膜３０６、第２の半導体膜３０７、不純物半導体膜３０９、及び導電膜３１１をエッチングする。この工程により、第１の半導体膜３０６、第２の半導体膜３０７、不純物半導体膜３０９及び導電膜３１１を素子毎に分離し、第３の半導体膜３１５、不純物半導体膜３１７、及び導電膜３１９を形成する。なお、第３の半導体膜３１５は、第１の半導体膜３０６がエッチングされた微結晶半導体膜３１５ａ、第２の半導体膜３０７の混合領域３０７ｂがエッチングされた混合領域３１５ｂ、及び第２の半導体膜３０７の非晶質半導体を含む領域３０７ｃがエッチングされた非晶質半導体を含む領域３１５ｃを有する（図１７（Ｄ）を参照）。
【０１８３】
次に、レジストマスク３１３を後退させて、分離されたレジストマスク３２３を形成する。レジストマスクの後退には、酸素プラズマによるアッシングを用いればよい。ここでは、ゲート電極上で分離するようにレジストマスク３１３をアッシングすることで、レジストマスク３２３を形成することができる（図１８（Ａ）参照）。
【０１８４】
次に、レジストマスク３２３を用いて導電膜３１９をエッチングし、ソース電極及びドレイン電極として機能する配線３２５を形成する（図１８（Ｂ）を参照）。ここでは、ドライエッチングを用いる。配線３２５は、ソース電極またはドレイン電極のみならず信号線としても機能する。ただし、これに限定されず、信号線とソース電極及びドレイン電極とは別に設けてもよい。
【０１８５】
次に、レジストマスク３２３を用いて、第３の半導体膜３１５の非晶質半導体を含む領域３１５ｃ、及び不純物半導体膜３１７のそれぞれ一部をエッチングする。ここでは、ドライエッチングを用いる。本工程までで、表面に凹部を有する非晶質半導体を含む領域３２９ｃ、ソース領域及びドレイン領域として機能する不純物半導体膜３２７を形成する（図１８（Ｃ）参照）。この後、レジストマスク３２３を除去する。
【０１８６】
なお、ここでは、導電膜３１９、非晶質半導体を含む領域３１５ｃ、及び不純物半導体膜３１７のそれぞれ一部をドライエッチングしたため、導電膜３１９が異方的にエッチングされ、配線３２５の側面及び不純物半導体膜３２７の側面は概略一致する形状となる。
【０１８７】
なお、導電膜３１９をエッチングし、レジストマスク３２３を除去した後、不純物半導体膜３１７及び非晶質半導体を含む領域３１５ｃの一部をエッチングしてもよい。当該エッチングより、配線３２５を用いて不純物半導体膜３１７をエッチングするため、配線３２５の側面及び不純物半導体膜３２７の側面が概略一致する。
【０１８８】
また、導電膜３１９をウェットエッチングし、非晶質半導体を含む領域３１５ｃ及び不純物半導体膜３１７をドライエッチングしてもよい。ウェットエッチングにより、導電膜３１９が等方的にエッチングされるため、レジストマスク３２３よりも内側に後退した、配線３２５が形成される。また、配線３２５の側面の外側に、不純物半導体膜３２７の側面が形成される形状となる。
【０１８９】
次に、ドライエッチングを行ってもよい。ドライエッチングの条件は、露出している非晶質半導体を含む領域３２９ｃ表面にダメージが入らず、且つ非晶質半導体を含む領域３２９ｃに対するエッチングレートが低い条件を用いる。つまり、露出している非晶質半導体を含む領域３２９ｃ表面にほとんどダメージを与えず、且つ非晶質半導体を含む領域３２９ｃの露出している部分の厚さがほとんど減少しない条件を用いる。エッチングガスとしては、代表的にはＣｌ２、ＣＦ４、またはＮ２等を用いる。また、エッチング方法については特に限定はなく、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）方式、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）方式、電子サイクロトン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）方式、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）方式等を用いることができる。
【０１９０】
次に、非晶質半導体を含む領域３２９ｃの表面をプラズマ処理、代表的には水プラズマ処理、アンモニアプラズマ処理、窒素プラズマ処理等を行ってもよい。
【０１９１】
水プラズマ処理は、水蒸気に代表される、水を主成分とするガスを反応空間に導入し、プラズマを生成して、行うことができる。
【０１９２】
上記したように、不純物半導体膜３２７を形成した後に、非晶質半導体を含む領域３２９ｃにダメージを与えない条件で更なるドライエッチングを行うことで、露出した非晶質半導体を含む領域３２９ｃ表面上に存在する残渣などの不純物を除去することができる。また、プラズマ処理を行うことで、ソース領域とドレイン領域との間の絶縁を確実なものにすることができ、完成する薄膜トランジスタのオフ電流を低減し、電気的特性のばらつきを低減することができる。
【０１９３】
以上の工程により、少ないマスク数で、電気特性の良好な薄膜トランジスタを生産性高く作製することができる。
【０１９４】
（実施の形態８）
本実施の形態では、実施の形態６及び実施の形態７で示す薄膜トランジスタを用いることが可能な、素子基板、及び当該素子基板を有する表示装置について、以下に示す。表示装置としては、液晶表示装置、発光表示装置、電子ペーパー等があるが、上記実施の形態の薄膜トランジスタは他の表示装置の素子基板にも用いることができる。ここでは、上記実施の形態６及び実施の形態７で示す薄膜トランジスタを有する液晶表示装置、代表的には、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）型の液晶表示装置について、図２２及び図２３を用いて説明する。
【０１９５】
図２２において、液晶表示装置の画素部の断面構造を示す。基板４０１上に、上記実施の形態で作製される薄膜トランジスタ４０３及び容量素子４０５が形成される。また、薄膜トランジスタ４０３上に形成される絶縁膜４０８上に画素電極４０９が形成される。薄膜トランジスタ４０３のソース電極またはドレイン電極４０７と、画素電極４０９とは、絶縁膜４０８に設けられる開口部において、接続される。画素電極４０９上には配向膜４１１が形成される。
【０１９６】
容量素子４０５は、薄膜トランジスタ４０３のゲート電極４０２と同時に形成される容量配線４０４と、ゲート絶縁膜４０６と、画素電極４０９とで構成される。
【０１９７】
基板４０１から配向膜４１１までの積膜体を素子基板４１３という。
【０１９８】
対向基板４２１には、薄膜トランジスタ４０３への光の入射を遮断する遮光膜４２３と、着色膜４２５とが形成される。また、遮光膜４２３及び着色膜４２５上に平坦化膜４２７が形成される。平坦化膜４２７上に対向電極４２９が形成され、対向電極４２９上に配向膜４３１が形成される。
【０１９９】
なお、対向基板４２１上の、遮光膜４２３、着色膜４２５、及び平坦化膜４２７により、カラーフィルタとして機能する。なお、遮光膜４２３、平坦化膜４２７の何れか一方、または両方は、対向基板４２１上に形成されていなくともよい。
【０２００】
また、着色膜は、可視光の波長範囲のうち、任意の波長範囲の光を優先的に透過させる機能を有する。通常は、赤色波長範囲の光、青色波長範囲の光、及び緑色波長範囲の光、それぞれを優先的に透過させる着色膜を組み合わせて、カラーフィルタに用いることが多い。しかしながら、着色膜の組み合わせに関しては、これに限られない。
【０２０１】
基板４０１及び対向基板４２１は、シール材（図示しない）で固定され、基板４０１、対向基板４２１、及びシール材の内側に液晶層４４３が充填される。また、基板４０１及び対向基板４２１の間隔を保つために、スペーサ４４１が設けられている。
【０２０２】
画素電極４０９、液晶層４４３、及び対向電極４２９が重なり合うことで、液晶素子が形成されている。
【０２０３】
図２３に、図２２とは異なる液晶表示装置を示す。ここでは、対向基板４２１側に着色膜が形成されず、薄膜トランジスタ４０３が形成される基板４０１側に着色膜が形成されることを特徴とする。
【０２０４】
図２３において、液晶表示装置の画素部の断面構造を示す。基板４０１上に、上記実施の形態で作製される薄膜トランジスタ４０３及び容量素子４０５が形成される。
【０２０５】
また、薄膜トランジスタ４０３上に形成される絶縁膜４０８上に、着色膜４５１が形成される。また、着色膜４５１上には、着色膜４５１に含まれる不純物が液晶層４４３に混入するのを防ぐために、保護膜４５３が形成される。着色膜４５１及び保護膜４５３上に、画素電極４０９が形成される。着色膜４５１は、各画素毎に、任意の波長範囲の光（赤色、青色、または緑色）を優先的に透過させる膜で形成すればよい。また、着色膜４５１は平坦化膜としても機能するため、液晶層４４３の配向ムラを低減することができる。
【０２０６】
薄膜トランジスタ４０３のソース電極またはドレイン電極４０７と、画素電極４０９とは、絶縁膜４０８、着色膜４５１、及び保護膜４５３に設けられる開口部において、接続される。画素電極４０９上には配向膜４１１が形成される。
【０２０７】
容量素子４０５は、薄膜トランジスタ４０３のゲート電極４０２と同時に形成される容量配線４０４と、ゲート絶縁膜４０６と、画素電極４０９とで構成される。
【０２０８】
基板４０１から配向膜４１１までの積層体を素子基板４５５という。
【０２０９】
対向基板４２１には、薄膜トランジスタ４０３への光の入射を遮断する遮光膜４２３と、遮光膜４２３及び対向基板４２１を覆う平坦化膜４２７が形成される。平坦化膜４２７上に対向電極４２９が形成され、対向電極４２９上に配向膜４３１が形成される。
【０２１０】
画素電極４０９、液晶層４４３、及び対向電極４２９が重なり合うことで、液晶素子が形成されている。
【０２１１】
なお、ここでは、液晶表示装置として、ＶＡ型の液晶表示装置を示したが、これに限定されない。すなわち、実施の形態６及び実施の形態７に示す薄膜トランジスタを用いて形成した素子基板を、ＦＦＳ型の液晶表示装置、ＩＰＳ型の液晶表示装置、ＴＮ型の液晶表示装置又はその他の液晶表示装置に用いることができる。
【０２１２】
本実施の形態の液晶表示装置は、オン電流及び電界効果移動度が高くオフ電流が低い薄膜トランジスタを画素トランジスタとして用いているため、画質が良好（例えば、高コントラスト）の表示画質を高めることができる。また、薄膜トランジスタの大きさを小さくしても、薄膜トランジスタの電気特性が低減されないため、薄膜トランジスタの面積を小さくすることで、液晶表示装置の開口率を向上させることができる。または、画素の面積を小さくすることが可能であり、液晶表示装置の解像度を高めることができる。
【０２１３】
また、図２３に示す液晶表示装置は、遮光膜４２３と、着色膜４５１を同一基板上に形成しない。このため、着色膜４５１の形成におけるマスクずれを回避するため、遮光膜４２３の面積を大きくする必要がなくなるため、画素における開口率を向上させることができる。
【０２１４】
（実施の形態９）
実施の形態８で示す素子基板４１３、４５５において、配向膜４１１を形成せず、発光素子を設けることにより、当該素子基板を発光表示装置や、発光装置に用いることができる。発光表示装置や発光装置は、発光素子として代表的には、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子がある。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって大別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０２１５】
本実施の形態の発光表示装置及び発光装置は、オン電流及び電界効果移動度が高くオフ電流が低い薄膜トランジスタを画素トランジスタとして用いているため、画質が良好（例えば、高コントラスト）であり、且つ消費電力の低い発光表示装置及び発光装置を作製することができる。
【０２１６】
（実施の形態１０）
上記実施の形態に係る薄膜トランジスタを有する表示装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、電子ペーパー、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。特に、実施の形態８及び実施の形態９で示したように、上記実施の形態に係る薄膜トランジスタを液晶表示装置、発光装置、電気泳動方式表示装置などに適用することにより、電子機器の表示部に用いることができる。以下に具体的に例示する。
【０２１７】
上記実施の形態に係る薄膜トランジスタを有する半導体装置は、電子ペーパーに適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、ポスター、電車などの乗り物の車内広告、デジタルサイネージ、ＰＩＤ（Ｐｕｂｌｉｃ  Ｉｎｆｏｍａｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することができる。電子機器の一例を図２４に示す。
【０２１８】
図２４（Ａ）は、電子書籍の一例を示している。図２４（Ａ）に示す電子書籍は、筐体５００および筐体５０１の２つの筐体で構成されている。筐体５００および筐体５０１は、蝶番５０４により一体になっており、開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０２１９】
筐体５００には表示部５０２が組み込まれ、筐体５０１には表示部５０３が組み込まれている。表示部５０２および表示部５０３は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図２４（Ａ）では表示部５０２）に文章を表示し、左側の表示部（図２４（Ａ）では表示部５０３）に画像を表示することができる。
【０２２０】
また、図２４（Ａ）では、筐体５００に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体５００は、電源５０５、操作キー５０６、スピーカ５０７などを備えている。操作キー５０６により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングディバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、図２４（Ａ）に示す電子書籍は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０２２１】
また、図２４（Ａ）に示す電子書籍は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０２２２】
図２４（Ｂ）は、デジタルフォトフレームの一例を示している。例えば、図２４（Ｂ）に示すデジタルフォトフレームは、筐体５１１に表示部５１２が組み込まれている。表示部５１２は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
【０２２３】
なお、図２４（Ｂ）に示すデジタルフォトフレームは、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とするとよい。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部５１２に表示させることができる。
【０２２４】
また、図２４（Ｂ）に示すデジタルフォトフレームは、無線で情報を送受信出来る構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
【０２２５】
図２４（Ｃ）は、テレビジョン装置の一例を示している。図２４（Ｃ）に示すテレビジョン装置は、筐体５２１に表示部５２２が組み込まれている。表示部５２２により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド５２３により筐体５２１を支持した構成を示している。表示部５２２は、実施の形態８及び実施の形態９に示した表示装置を適用することができる。
【０２２６】
テレビジョン装置の操作は、筐体５２１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。リモコン操作機が備える操作キーにより、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部５２２に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０２２７】
なお、テレビジョン装置は、受信機やモデムなどを備えた構成とするとよい。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２２８】
図２４（Ｄ）は、携帯電話機の一例を示している。図２４（Ｄ）に示す携帯電話機は、筐体５３１に組み込まれた表示部５３２の他、操作ボタン５３３、操作ボタン５３７、外部接続ポート５３４、スピーカ５３５、マイク５３６などを備えている。表示部５３２には、実施の形態８及び実施の形態９に示した表示装置を適用することができる。
【０２２９】
図２４（Ｄ）に示す携帯電話機は、表示部５３２がタッチパネルになっており、指などの接触により、表示部５３２の表示内容を操作することができる。また、電話の発信、或いはメールの作成は、表示部５３２を指などで接触することにより行うことができる。
【０２３０】
表示部５３２の画面は主として３つのモードがある。第１のモードは、画像の表示を主とする表示モードであり、第２のモードは、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３のモードは、表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。
【０２３１】
例えば、電話の発信、或いはメールを作成する場合は、表示部５３２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部５３２の画面の大部分の領域にキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。
【０２３２】
また、携帯電話機の内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機の向き（縦または横）を判断して、表示部５３２のモード（または表示情報）を自動的に切り替えるようにすることができる。
【０２３３】
また、画面のモードの切り替えは、表示部５３２への接触、又は筐体５３１の操作ボタン５３７の操作により行われる。また、表示部５３２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替えることができる。
【０２３４】
また、入力モードにおいて、表示部５３２の光センサで検出される信号を検知し、表示部５３２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。
【０２３５】
表示部５３２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部５３２を掌や指で触れることで、掌紋、指紋等をイメージセンサで撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。
【０２３６】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０２３７】
本実施例では、高圧条件、または、アルゴン添加条件により、微結晶半導体膜の結晶性が向上する様子について、計算機シミュレーションを用いて確認した結果を示す。具体的には、異なる圧力、異なるガス種における水素ラジカルの密度を計算し、比較した結果を示す。なお、計算には、ＣＦＤ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製のマルチフィジックス解析ソフトウェアＣＦＤ−ＡＣＥ＋を用いた。
【０２３８】
計算における成膜装置のモデルとしては、平行平板容量結合型のＣＶＤ装置を想定した。成膜装置の構成の概略を図２５に示す。上部電極１０００（ＲＦ電極と呼んでもよい）は、コンデンサ１０１０を介して高周波電源１０２０に接続される。基板ステージとして機能する下部電極１００２は接地されている。
【０２３９】
計算により求められた水素ラジカル密度を図２６に示す。図２６において、横軸は上部電極からの距離（ｍ）を示し、縦軸は水素ラジカルの密度（ｍ−３）を示す。図２６から、高圧条件（５００Ｐａ、Ｈ２）の場合には、低圧条件（１００Ｐａ、Ｈ２）と比較して、水素ラジカル密度が高くなっていることが分かる。これは、高圧条件では、低圧条件と比較して、水素の衝突解離レートが向上することに起因するものである。
【０２４０】
また、水素のみの場合（１００Ｐａ、Ｈ２）と比較して、アルゴンを添加した混合ガス（１００Ｐａ、Ｈ２＋Ａｒ）では、水素ラジカル密度が高くなっていることが分かる。アルゴンを添加することにより水素分子密度は低下するため、水素の衝突解離レートは低下するが、気相中における以下の反応により、水素の分解が促進され、水素ラジカル密度が高まっているものと考察される。
Ａｒ＋＋Ｈ２→Ｈ＋＋Ｈ＋Ａｒ             （１）
ＡｒＨ＋＋Ｈ２→Ｈ３＋＋Ａｒ              （２）
Ｈ−＋ＡｒＨ＋→Ａｒ＋２Ｈ             （３）
ｅ＋ＡｒＨ＋→Ａｒ＋Ｈ               （４）
Ｈ−＋Ａｒ＋→Ａｒ＋Ｈ                 （５）
Ａｒ（４ｓ）＋Ｈ２→２Ｈ＋Ａｒ       （６）
Ａｒ（４ｐ）＋Ｈ２→２Ｈ＋Ａｒ       （７）
【０２４１】
水素ラジカル密度が高まることにより、水素ラジカル−水素ラジカルの反応が促進される。そして、当該反応による余剰エネルギーが放出され、反応表面では加熱の効果が生じる。例えば、当該反応が高次ラジカル（ＳｉＨｎ）ｘ（ｎ＝１、２、３）の表面で生じた場合、余剰エネルギーにより、高次ラジカルの結晶性が向上することになる。
【０２４２】
このように、水素ラジカル密度は、良好な結晶性を備える結晶核の生成に大きな影響を与える。上記計算の結果より、水素ラジカル密度を高めることで、微結晶半導体膜の結晶性が向上することが理解される。
【実施例２】
【０２４３】
本実施例では、実施の形態２の図６に示すような形状の第１の電極１０１を有するプラズマＣＶＤ装置を用いて形成した微結晶シリコン膜について、図２７及び図２８を用いて説明する。
【０２４４】
はじめに、本実施例で用いた第１の電極１０１の形状の詳細について示す。図２７（Ａ）は本実施例で用いた第１の電極１０１を第２の電極側からみた斜視図を示し、図２７（Ｂ）は図２７（Ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。なお、図２７（Ａ）においては、第１の電極１０１を第２の電極側からみているため、中空部６０７が下側である。また、図２７（Ｂ）においては、中空部６０７は上側であり、ガスは矢印方向に流れる。
【０２４５】
図２７（Ａ）に示すように、共通平面である凹部６０１上において分離された凸部６０３が形成される。また、凹部６０１にガス供給口６０５が形成される。また、凹部６０１で隣接するガス供給口６０５の間隔ｄ１は３ｍｍであった。
【０２４６】
図２７（Ｂ）に示すように、凸部６０３及びガス供給口６０５が交互に配列するＡ−Ｂ断面において、ガス供給口６０５を有する平面の幅ｄ２は１．４ｍｍ、隣接する凸部６０３の頂部の間隔ｄ３は３．１ｍｍ、ガス供給口６０５の間隔ｄ４は、４．２ｍｍであった。
【０２４７】
次に、図２７に示すような第１の電極１０１を備えたプラズマＣＶＤ装置の反応室で形成した微結晶シリコン膜の結晶性の関係について、図２８に示す。
【０２４８】
ここでは、反応室に、シラン、７５０ｓｃｃｍの水素、７５０ｓｃｃｍのアルゴンを導入し、基板温度を２５０℃、反応室の圧力を１２３７Ｐａ、第１の電極１０１の凸部の表面と基板との間隔を７ｍｍとし、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を第１の電極に供給して、基板上に微結晶シリコン膜を形成した。このとき、シランの流量を３ｓｃｃｍ、４ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍ、６ｓｃｃｍと条件振りをした。また、高周波電源の電力を５０Ｗから３５０Ｗまで、５０Ｗ刻みで条件振りをした。また、微結晶シリコン膜の厚さは、サンプルにより２１ｎｍから３７ｎｍであった。
【０２４９】
ここで、比較例である従来の微結晶シリコン膜の成膜条件を以下に示す。反応室に、１０ｓｃｃｍのシラン、１５００ｓｃｃｍの水素、１５００ｓｃｃｍのアルゴンを導入し、基板温度を２８０℃、反応室の圧力を２８０Ｐａ、第１の電極１０１（平行平板）と基板間隔を２４．５ｍｍとし、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を第１の電極に供給して、基板上に微結晶シリコン膜を形成した。このとき、高周波電源の電力を５０Ｗとした。
【０２５０】
次に、微結晶シリコン膜の結晶性（Ｉｃ／Ｉａ；結晶ピークの高さとアモルファスピークの高さの比）をラマン分光分析により測定した。ラマン分光分析としては、ＬａｂＬＡＭ  ＨＲ−ＰＬ（堀場製作所製）を用いた。また、測定条件としては、焦点距離８００ｍｍ、グレーティング：６００ｇｒ／ｍｍ、励起光：ＹＡＧ固体レーザ光（λ＝５３２ｎｍ）とし、−７０℃における検出波長範囲が２００ｎｍ〜１０００ｎｍのＣＣＤ検出器を用いた。また、励起光のスポット径を約０．７５μｍとした。
【０２５１】
図２８は、シラン流量を３ｓｃｃｍとしたときの微結晶シリコン膜の結晶性をひし形で示し、シラン流量を４ｓｃｃｍとしたときの微結晶シリコン膜の結晶性を四角で示し、シラン流量を５ｓｃｃｍとしたときの微結晶シリコン膜の結晶性を三角で示し、シラン流量を６ｓｃｃｍとしたときの微結晶シリコン膜の結晶性を丸で示した。
【０２５２】
また、比較例である従来の微結晶シリコン膜の結晶性（Ｉｃ／Ｉａ）を破線６１１で示した。
【０２５３】
図２８から、高周波電源の電力に対して微結晶シリコン膜の結晶性は極大値を取る傾向があり、そのピーク位置はシランの流量によって異なる。シラン流量の少ない高希釈条件ほどＩｃ／Ｉａの極大値は低パワー側となり、微結晶シリコン膜の結晶性が高くなる。また、従来の微結晶シリコン膜の成膜条件と比較して、圧力を高くし、高周波電源の電力を高くすることで、微結晶シリコン膜の結晶性を高めることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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２１】
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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２８】
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【図２７】
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