(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、チャネル領域を有する結晶シリコン薄膜と、
前記結晶シリコン薄膜上に形成された半導体膜と、
前記チャネル領域の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、を備え、
前記結晶シリコン薄膜の固有のフォノンモードに対応するラマンバンド半値幅は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満であり、
前記結晶シリコン薄膜の平均結晶粒径は約５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記結晶シリコン薄膜の結晶は、（１１１）と（１００）のうち（１００）方位に対して支配的に配向されており、電子後方散乱解析像法による（１００）方位の配向強度が５以下である、
薄膜トランジスタ装置。
【請求項３】
前記結晶シリコン薄膜のラマンバンド半値幅と単結晶シリコンのラマンバンド半値幅との比は、１．５以上１．８以下である、
請求項１に記載の薄膜トランジスタ装置。
【請求項４】
前記結晶シリコン薄膜のラマンバンド半値幅と単結晶シリコンのラマンバンド半値幅の差は、１．８ｃｍ−１以上２．４ｃｍ−１以下である、
請求項１に記載の薄膜トランジスタ装置。
【請求項５】
前記結晶シリコン薄膜のラマンバンドのピーク値と結晶シリコンのラマンバンド半値幅との比は、０．１以上０．２以下である、
請求項１、３または４のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置。
【請求項６】
前記結晶シリコン薄膜のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下である、
請求項１、３〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置。
【請求項７】
前記結晶シリコン薄膜の電界効果移動度は、２０ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上５０ｃｍ２／Ｖ・ｓ以下である、
請求項１、３〜６のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置。
【請求項８】
さらに、前記チャネル領域の上方の前記半導体膜上に形成されたチャネル保護層を備える、
請求項１、３〜７のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置。
【請求項９】
さらに、前記半導体膜と前記結晶シリコン薄膜との間に形成され、前記チャネル領域を保護するチャネル保護層を備える、
請求項１、３〜７のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、以下有機ＥＬと記載）表示装置及び液晶表示装置を用いたテレビジョン受信機等の電子機器がある。この電子機器においては、有機表示装置及び液晶表示装置を構成すべくマトリックス状に配置された発光素子が、複数の薄膜トランジスタ装置（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により駆動される。【０００３】
ＴＦＴは、例えば基板上に、ソース電極及びドレイン電極と、半導体層（チャネル層）と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とが順次積層されることにより構成され、ＴＦＴに用いられるチャネル層は、薄膜状のシリコン半導体を用いるのが一般的である（例えば、特許文献１）。【０００４】
そして、シリコン半導体薄膜としては、非結晶シリコン薄膜（アモルファスシリコン：ａ−Ｓｉ）と、結晶性を有するシリコン薄膜（結晶性シリコン薄膜）とに大別される。結晶性シリコン薄膜は、さらに、多結晶シリコン薄膜、微結晶シリコン薄膜、単結晶シリコン薄膜等に分類できる。【０００５】
このうち、非結晶シリコン薄膜は化学気相成長法（ＣＶＤ法）などによって、比較的低温で、大面積の基板上に均一に作製可能であることから、現在、大画面の液晶表示素子のチャネル層として、最も一般的に用いられている。しかし、非結晶シリコン薄膜は、結晶性シリコン薄膜に比べて、キャリアの移動度等の特性が劣る。そのため、より高速駆動且つ高精細なディスプレイを実現するために、チャネル層に結晶性シリコン薄膜を用いたＴＦＴの実現が熱望されている。【０００６】
そこで、結晶性シリコン薄膜を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献２〜４）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３４２９０９号公報
【特許文献２】特開昭６１−１５３２７７号公報
【特許文献３】特許第３５３５２４１号公報
【特許文献４】特開２００８−０１６７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の方法によって作製された結晶性シリコン薄膜はそれぞれ、全く異なる膜質を有する。また、同一の方法で高移動度の結晶性シリコン薄膜を形成したとしても、膜質がばらつき、狙った移動度を有さない（移動度がばらつく）場合がある。【０００９】
本発明は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶性シリコン薄膜をチャネル層に用いる薄膜トランジスタ装置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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る薄膜トランジスタ装置の一態様は、基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、チャネル領域を有する結晶シリコン薄膜と、前記結晶シリコン薄膜上に形成された半導体膜と、前記チャネル領域の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、を備え、前記結晶シリコン薄膜の固有のフォノンモードに対応するラマンバンド半値幅は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満であり、前記結晶シリコン薄膜の平均結晶粒径は約５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【発明の効果】
【００１１】
移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶性シリコン薄膜をチャネル層に用いる薄膜トランジスタ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における基板準備工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるゲート電極形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるゲート絶縁膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における結晶シリコン層形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における非晶質シリコン層形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における絶縁層形成用膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における凸部形成工程（エッチング工程）を模式的に示した断面図である。
【図２Ｈ】図２Ｈは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるコンタクト層用膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｉ】図２Ｉは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるソースドレイン金属膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｊ】図２Ｊは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるソース電極及びドレイン電極形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２Ｋ】図２Ｋは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるパッシベーション膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１における結晶性半導体膜の膜質評価に用いるラマン分光装置の概略図である。
【図４】図４は、実施の形態１における結晶性半導体膜の膜質解析方法に用いるラマンスペクトルの解析方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、実施の形態１における結晶シリコン薄膜のラマンスペクトルとその解析結果を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との関係を示す図である。
【図７】図７は、図６の移動度の絶対値のばらつきと、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との関係を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜のオン抵抗と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との関係を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜のラマン半値幅と、結晶シリコン薄膜を形成する際のグリーンレーザ光のエネルギー密度との関係との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜のラマン半値幅と、その結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す結晶シリコン薄膜の結晶組織の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１２】図１２は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の結晶配向性を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコンのラマン半値幅に対する比との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅及び単結晶シリコンのラマン半値幅の差との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のピーク位置との関係を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜の規格化されたピーク強度との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、実施の形態１における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜の規格化されたピーク強度のラマン半値幅に対する比との関係を示す図である。
【図１８】図１８は、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における基板準備工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるゲート電極形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるゲート絶縁膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｄ】図１９Ｄは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における結晶シリコン層形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｅ】図１９Ｅは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における絶縁層形成用膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｆ】図１９Ｆは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における絶縁層形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｇ】図１９Ｇは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における非晶質シリコン層形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｈ】図１９Ｈは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるコンタクト層用膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｉ】図１９Ｉは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるソースドレイン金属膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｊ】図１９Ｊは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるソース電極及びドレイン電極形成工程を模式的に示した断面図である。
【図１９Ｋ】図１９Ｋは、実施の形態１の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法におけるパッシベーション膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２０】図２０は、実施の形態２に係る多結晶シリコン薄膜形成装置の構成を示す図である。
【図２１】図２１は、実施の形態２における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅比と、その多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図である。
【図２２】図２２は、実施の形態２における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅差と、その多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図である。
【図２３】図２３は、実施の形態２における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜の規格化強度とラマン半値幅との比と、その多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図である。
【図２４】図２４は、実施の形態２における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜の表面凹凸像の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真の一例である。
【図２５】図２５は、実施の形態２における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅差と、その多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さ（Ｒａ）との関係を示す図である。
【図２６】図２６は、実施の形態２における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅差と、その多結晶シリコン薄膜の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）との関係を示す図である。
【図２７】図２７は、実施の形態３に係る多結晶シリコン基板の構成を模式的に示す断面図である。
【図２８Ａ】図２８Ａは、実施の形態３に係る多結晶シリコン基板の製造方法における基板準備工程を模式的に示した断面図である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは、実施の形態３に係る多結晶シリコン基板の製造方法における薄膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２８Ｃ】図２８Ｃは、実施の形態３に係る多結晶シリコン基板の製造方法における結晶化工程を模式的に示した断面図である。
【図２８Ｄ】図２８Ｄは、実施の形態３に係る多結晶シリコン基板の製造方法における多結晶シリコン基板形成工程を模式的に示した断面図である。
【図２９】図２９は、実施の形態３における多結晶シリコン薄膜の結晶組織の状態を模式的に示す上面図である。
【図３０】図３０は、実施の形態４に係る薄膜トランジスタ装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図３１Ａ】図３１Ａは、実施の形態４に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法における基板準備工程を模式的に示した断面図である。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、実施の形態４に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法におけるシリコン薄膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図３１Ｃ】図３１Ｃは、実施の形態４に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法におけるシリコン薄膜結晶化工程を模式的に示した断面図である。
【図３１Ｄ】図３１Ｄは、実施の形態４に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法におけるゲート絶縁膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図３１Ｅ】図３１Ｅは、実施の形態４に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法におけるゲート電極形成工程を模式的に示した断面図である。
【図３１Ｆ】図３１Ｆは、実施の形態４に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法におけるソース・ドレイン電極形成工程を模式的に示した断面図である。
【図３１Ｇ】図３１Ｇは、実施の形態４に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法におけるパッシベーション膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図３１Ｈ】図３１Ｈは、実施の形態４に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法におけるソース・ドレイン電極膜形成工程を模式的に示した断面図である。
【図３２】図３２は、実施の形態５に係る太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した特許文献２〜特許文献４に開示される技術に関し、以下のような問題が生じることを見出した。
【００１４】
例えば、結晶性シリコン薄膜の形成方法の１つとして、基板上に形成されたアモルファスシリコン膜に金属触媒を添加し、熱を与えることでアモルファスシリコン膜を多結晶化させる方法がある。この方法は、低温で結晶化させることができるという利点があるが、工程数の増加によってコストが増加し、結晶化後の金属元素の完全除去が困難であるという問題がある。
【００１５】
また、例えば特許文献２には、結晶性シリコン薄膜の形成方法の１つとして、基板上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜により結晶性シリコン薄膜を直接形成する方法が開示されている。この方法では、工程数の減少によりコストを低減させることができるが、得られる結晶組織が微結晶組織のため、駆動トランジスタに要求される移動度（オン抵抗特性）を満たすことが困難であるという問題がある。
【００１６】
また、例えば特許文献３には、結晶性シリコン薄膜の形成方法の１つとして、基板上にＣＶＤ法などによってアモルファスシリコン膜を成膜し、所定のエキシマレーザのエネルギー密度でアモルファスシリコン膜をレーザ照射することにより多結晶化させる方法が開示されている。この方法は、レーザ照射時間が非常に短いためにガラス基板への負担が少なく、また、結晶組織が大きく移動度が高い溶融シリコン結晶組織の結晶性シリコン薄膜を形成することが可能となる。
【００１７】
さらに、例えば特許文献４では、結晶性シリコン薄膜の形成方法と１つとして、他の固体の変換結晶素子を用いて、１０６４ｎｍの赤外レーザ光から５３２ｎｍのグリーンレーザ光に波長変換し、このグリーンレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射することで、アモルファスシリコン膜を多結晶化する結晶性シリコン薄膜の形成方法も開示されている。
【００１８】
しかしながら、上記従来の方法によって作製された結晶性シリコン薄膜はそれぞれ、全く異なる膜質を有する。また、結晶性シリコン薄膜は、同一の方法で作製したとしても、結晶化条件によっては、異なる膜質を有してしまう場合もある。
【００１９】
一般的に、結晶性半導体膜を能動層として用いた半導体デバイスでは、その能動層の膜質（例えば、結晶性、欠陥密度など）がデバイス特性に大きな影響を及ぼすことが知られている。換言すると、結晶性シリコン薄膜をチャネル層に用いたトランジスタ素子では、結晶性シリコン薄膜の膜質は、例えば、キャリア移動度、閾値電圧、信頼性などの素子特性に大きな影響を及ぼす。そのため、同一の方法でトランジスタ素子の能動層に用いるために高移動度の結晶性シリコン薄膜を形成したとしても、膜質がばらつき、狙った移動度を有さない（移動度がばらつく）場合がある。
【００２０】
そこで、本発明の一態様は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶性シリコン薄膜をチャネル層に用いる薄膜トランジスタ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明に係る薄膜トランジスタ装置の一態様は、基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、チャネル領域を有する結晶シリコン薄膜と、前記結晶シリコン薄膜上に形成された半導体膜と、前記チャネル領域の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、を備え、前記結晶シリコン薄膜の固有のフォノンモードに対応するラマンバンド半値幅は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満であり、前記結晶シリコン薄膜の平均結晶粒径は約５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００２２】
この構成によれば、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶性シリコン薄膜をチャネル層に用いる薄膜トランジスタ装置を実現することができる。
【００２３】
ここで、例えば、前記結晶シリコン薄膜の結晶は、（１１１）と（１００）のうち（１００）方位に対して支配的に配向されている。
【００２４】
また、例えば、前記結晶シリコン薄膜のラマンバンド半値幅と単結晶シリコンのラマンバンド半値幅との比は、１．５以上１．８以下であるとしてもよい。
【００２５】
また、例えば、前記結晶シリコン薄膜のラマンバンド半値幅と単結晶シリコンのラマンバンド半値幅の差は、１．８ｃｍ−１以上２．４ｃｍ−１以下であるとしてもよい。
【００２６】
また、例えば、前記結晶シリコン薄膜のラマンバンドのピーク値と結晶シリコンのラマンバンド半値幅との比は、０．１以上０．２以下であるとしてもよい。
【００２７】
また、例えば、前記結晶シリコン薄膜のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下であるとしてもよい。
【００２８】
また、例えば、前記結晶シリコン薄膜の電界効果移動度は、２０ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上５０ｃｍ２／Ｖ・ｓであるとしてもよい。
【００２９】
また、さらに、例えば、前記チャネル領域の上方の前記半導体膜上に形成されたチャネル保護層を備えるとしてもよい。
【００３０】
ここで、さらに、例えば、前記半導体膜と前記結晶シリコン薄膜との間に形成され、前記チャネル領域を保護するチャネル保護層を備えるとしてもよい。
【００３１】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００３２】
（実施の形態１）
以下、本発明の一態様に係るに係る薄膜トランジスタ装置及びその製造方法について、説明する。以下の実施の形態における構成要素のうち、請求項に記載されていない構成要素は、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明する。なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。
【００３３】
まず、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１００の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置の構成を模式的に示す断面図である。
【００３４】
図１に示す薄膜トランジスタ装置１００は、チャネル保護型でボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、基板１０１と、基板１０１上に形成されたゲート電極１０２と、ゲート電極１０２上に形成されたゲート絶縁膜１０３と、ゲート絶縁膜１０３上に形成された結晶シリコン薄膜１０４と、結晶シリコン薄膜１０４上に形成された非晶質シリコン薄膜１０５と、非晶質シリコン薄膜１０５上に形成された絶縁層１０７と、非晶質シリコン薄膜１０５上に絶縁層１０７を挟んで形成されたソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄとを具備する。さらに、本実施の形態における薄膜トランジスタ装置１００は、結晶シリコン薄膜１０４の上方において、非晶質シリコン薄膜１０５とソース電極１０８Ｓ又はドレイン電極１０８Ｄとの間に形成された一対のコンタクト層１０６を備える。以下、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１００の各構成要素について詳述する。
【００３５】
基板１０１は、例えば、石英ガラス、無アルカリガラス又は高耐熱性ガラス等のガラス材料からなるガラス基板である。なお、ガラス基板の中に含まれるナトリウムやリン等の不純物が結晶シリコン薄膜１０４に侵入することを防止するために、基板１０１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、酸化シリコン（ＳｉＯｙ）又はシリコン酸窒化膜（ＳｉＯｙＮｘ）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。また、アンダーコート層は、レーザアニールなどの高温熱処理プロセスにおいて、基板１０１への熱の影響を緩和させる役割を担うこともある。アンダーコート層の膜厚は、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下程度である。
【００３６】
ゲート電極１０２は、基板１０１上に所定形状でパターン形成される。ゲート電極１０２は、導電性材料及びその合金等の単層構造又は多層構造とすることができる。ゲート電極１０２は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、及びモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等によって構成される。ゲート電極１０２の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度である。
【００３７】
ゲート絶縁膜１０３は、ゲート電極１０２上に形成され、本実施の形態では、ゲート電極１０２を覆うように基板１０１上の全面に形成される。ゲート絶縁膜１０３は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｙ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯｙＮｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｚ）又は酸化タンタル（ＴａＯｗ）の単層膜又はこれらの積層膜によって構成される。ゲート絶縁膜１０３の膜厚は、例えば５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００３８】
なお、本実施の形態では、チャネル層として結晶シリコン薄膜１０４が含まれているので、チャネル層との界面部分のゲート絶縁膜１０３としては酸化シリコンを用いることが好ましい。これは、薄膜トランジスタ装置１００における良好な閾値電圧特性を維持、及び、高い移動度を実現するためには結晶シリコン薄膜１０４とゲート絶縁膜１０３との界面状態を良好なものにすることが好ましく、これには酸化シリコンが適しているからである。
【００３９】
結晶シリコン薄膜１０４は、ゲート絶縁膜１０３上に形成される半導体膜からなる第１チャネル層であって、ゲート電極１０２の電圧によってキャリアの移動が制御される領域である所定のチャネル領域を有する。チャネル領域は、ゲート電極１０２の上方の領域であり、チャネル領域の電荷移動方向の長さはゲート長に対応する。結晶シリコン薄膜１０４は、例えば、非結晶性の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を結晶化することによって形成することができる。
【００４０】
ここで、結晶シリコン薄膜１０４における結晶シリコンの平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度である。結晶シリコン薄膜１０４の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度である。また、結晶シリコン薄膜１０４が示す結晶性を次のように表すことができる。すなわち、結晶シリコン薄膜１０４の固有のフォノンモードに対応するラマンバンド半値幅（以下ラマン半値幅とも表現）は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下である。ここで、結晶シリコン薄膜１０４の固有のフォノンモードとは、ＴＯ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ）フォノンモードである。
【００４１】
また、結晶シリコン薄膜１０４が示す結晶性について別の表現を用いてもよい。例えば、結晶シリコン薄膜１０４のラマン半値幅と単結晶シリコンのラマン半値幅との比は、１．５〜１．８であるとしてもよい。または、結晶シリコン薄膜１０４のラマン半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差は、１．８ｃｍ−１以上２．４ｃｍ−１以下であるとしてもよい。さらに、結晶シリコン薄膜１０４のラマンバンドのピーク値と、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との比（ピーク値／ラマン半値幅）は、０．１〜０．２であるとしてもよい。ここで、結晶シリコン薄膜１０４のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下に位置し、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅の値は、３．４ｃｍ−１である。
【００４２】
また、結晶シリコン薄膜１０４の結晶は、（１１１）方位ではなく（１００）方位に対して支配的に配向している。
【００４３】
結晶シリコン薄膜１０４の電界効果移動度は、結晶シリコン薄膜１０４が上記のように構成されることで、２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下となっている。なお、以下では、ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）をｃｍ２／ＶＳと表記する。
【００４４】
非晶質シリコン薄膜１０５は、例えば半導体膜の一例であり、チャネル領域を含む結晶シリコン薄膜１０４上に形成される第２チャネル層である。本実施の形態における非晶質シリコン薄膜１０５は、真性アモルファスシリコン膜によって構成される。なお、本実施の形態における非晶質シリコン薄膜１０５の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。この非晶質シリコン薄膜１０５の役割は、トランジスタ動作時におけるドレイン端での電界集中を緩和させることである。つまりこの非晶質シリコン薄膜１０５は、電界緩和層として機能する。
【００４５】
絶縁層１０７は、例えばチャネル保護層の一例であり、チャネル層（結晶シリコン薄膜１０４及び非晶質シリコン薄膜１０５）を保護する。絶縁層１０７は、一対のコンタクト層１０６を形成するときのエッチング処理時において、非晶質シリコン薄膜１０５がエッチングされてしまうことを防止するためのチャネルエッチングストッパ（ＣＥＳ）層として機能する。絶縁層１０７は、チャネル領域を含む結晶シリコン薄膜１０４の上方であって非晶質シリコン薄膜１０５の上に形成される。
【００４６】
また、絶縁層１０７は、シリコン、酸素及びカーボンを含む有機材料を主として含有する有機材料からなる有機材料層、あるいは、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）又は窒化シリコン（ＳｉＮｙ）等の無機材料からなる無機材料層である。なお、絶縁層１０７は、絶縁性を有し、一対のコンタクト層１０６同士は電気的に接続されていない。
【００４７】
一対のコンタクト層１０６は、不純物を高濃度に含む非晶質半導体膜からなり、結晶シリコン薄膜１０４及び非晶質シリコン薄膜１０５の上方に絶縁層１０７を介して形成される。一対のコンタクト層１０６は、例えば、アモルファスシリコンに不純物としてリン（Ｐ）をドーピングしたｎ型半導体層であって、１×１０１９［ａｔｍ／ｃｍ３］以上の高濃度の不純物を含むｎ＋層である。なお、Ｐ型のＴＦＴを作製する場合、コンタクト層１０６は、ボロン（Ｂ）などの不純物をドープしたＰ型コンタクト層を形成すればよい。
【００４８】
一対のコンタクト層１０６は、絶縁層１０７上において所定の間隔をあけて対向配置されている。一対のコンタクト層１０６のそれぞれは、絶縁層１０７の上面から非晶質シリコン薄膜１０５までを跨るようにして形成されている。本実施の形態において、一対のコンタクト層１０６のうちの一方は、絶縁層１０７の一方の端部及び非晶質シリコン薄膜１０５に跨るようにして形成されており、絶縁層１０７の一方の端部における上部と側面、及び、絶縁層１０７の一方の側面側領域における非晶質シリコン薄膜１０５の上面を覆うように形成される。また、一対のコンタクト層１０６のうちの他方は、絶縁層１０７の他方の端部及び非晶質シリコン薄膜１０５に跨るようにして形成されており、絶縁層１０７の他方の端部における上部と側面、及び、絶縁層１０７の他方の側面側領域における非晶質シリコン薄膜１０５の上面を覆うように形成される。なお、コンタクト層１０６の膜厚は、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
【００４９】
本実施の形態における一対のコンタクト層１０６は、非晶質シリコン薄膜１０５とソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄとの間に形成されているが、非晶質シリコン薄膜１０５の側面及び結晶シリコン薄膜１０４の側面には形成されていない。一対のコンタクト層１０６は、非晶質シリコン薄膜１０５及び結晶シリコン薄膜１０４と面一に形成されている。
【００５０】
なお、一対のコンタクト層１０６は、下層の低濃度の電界緩和層（ｎ−層）と上層の高濃度のコンタクト層（ｎ＋層）との２層から構成されてもよい。低濃度の電界緩和層には１×１０１７［ａｔｍ／ｃｍ３］程度のリンがドーピングされている。上記２層はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置において連続的に形成することができる。
【００５１】
一対のソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄは、結晶シリコン薄膜１０４及び非晶質シリコン薄膜１０５の上方において、所定の間隔をあけて対向配置されるとともに一対のコンタクト層１０６上に当該一対のコンタクト層１０６と面一に形成されている。
【００５２】
ソース電極１０８Ｓは、一方のコンタクト層１０６を介して、絶縁層１０７の一方の端部（一端部）及び非晶質シリコン薄膜１０５に跨るようにして形成されている。また、ドレイン電極１０８Ｄは、他方のコンタクト層１０６を介して、絶縁層１０７の他方の端部（他端部）及び非晶質シリコン薄膜１０５に跨るようにして形成されている。
【００５３】
本実施の形態において、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄは、それぞれ導電性材料又はこれらの合金等からなる単層構造又は多層構造とすることができ、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）等の材料により構成される。本実施の形態では、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄは、ＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造によって形成されている。なお、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄの膜厚は、例えば、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度とすることができる。
【００５４】
以上のように、薄膜トランジスタ装置１００は構成される。
【００５５】
この薄膜トランジスタ装置１００では、チャネル層として構成される結晶シリコン薄膜１０４は、固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下を満たし、かつ、平均結晶粒径が約５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下を満たしている。
【００５６】
それにより、この薄膜トランジスタ装置１００は、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜をチャネル層として有することができる。
【００５７】
なお、薄膜トランジスタ装置１００は、後述する製造工程において、少なくとも固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下を満たす結晶シリコン薄膜１０４が選別され、選別された結晶シリコン薄膜１０４を用いて形成される。
【００５８】
次に、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１００の製造方法について、図２Ａ〜図２Ｋを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｋは、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における各工程の構成を模式的に示す断面図である。
【００５９】
まず、図２Ａに示すように、基板１０１を準備する。基板１０１としては、例えば、ガラス基板を用いる。なお、ゲート電極１０２を形成する前に、プラズマＣＶＤ等によって基板１０１上にシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、及びシリコン酸窒化膜などからなるアンダーコート層を形成するとしてもよい。
【００６０】
次に、図２Ｂに示すように、基板１０１の上方に所定形状のゲート電極１０２をパターン形成する。例えば、基板１０１上に全面にモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等からなるゲート金属膜をスパッタによって成膜する。そして、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことにより、ゲート金属膜をパターニングして所定形状のゲート電極１０２を形成する。ＭｏＷのウェットエッチングは、例えば、リン酸（ＨＰＯ４）、硝酸（ＨＮＯ３）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）及び水を所定の配合で混合した薬液を用いて行う。
【００６１】
次に、図２Ｃに示すように、基板１０１の上方にゲート絶縁膜１０３を形成する。例えば、ゲート電極１０２を覆うようにして、基板１０１の上方の全面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１０３をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。ここで、酸化シリコンは、例えば、シランガス（ＳｉＨ４）と亜酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）とを所定の濃度比で導入することで成膜することができる。
【００６２】
次に、図２Ｄに示すように、ゲート絶縁膜１０３の上に、結晶性シリコンからなる結晶シリコン薄膜１０４を形成する。具体的には、まず、ゲート絶縁膜１０３上に、例えばアモルファスシリコン（非晶質シリコン）からなる非結晶シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ等によって成膜し、脱水素アニール処理を行った後に、非結晶シリコン薄膜をレーザアニールして結晶化させることにより結晶シリコン薄膜１０４を形成する。なお、非結晶シリコン薄膜は、例えば、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）とを所定の濃度比で導入することで成膜することができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、グリーンレーザを用いたレーザアニールによって非結晶シリコン薄膜を結晶化させたが、結晶化の方法としては、波長が３７０ｎｍ以上９００ｎｍ以下程度のパルスレーザを用いたレーザアニール法、波長が３７０ｎｍ以上９００ｎｍ以下程度の連続発振レーザを用いたレーザアニール法を用いるとしてもよい。
【００６４】
その後、結晶シリコン薄膜１０４に対して水素プラズマ処理を行うことにより、結晶シリコン薄膜１０４のシリコン原子に対して水素化処理を行う。水素プラズマ処理は、例えばＨ２、Ｈ２／アルゴン（Ａｒ）等の水素ガスを含むガスを原料として高周波（ＲＦ）電力により水素プラズマを発生させて、当該水素プラズマを結晶シリコン薄膜１０４に照射することにより行われる。この水素プラズマ処理によって、シリコン原子のダングリングボンド（欠陥）が水素終端され、結晶シリコン薄膜１０４の結晶欠陥密度が低減して結晶性が向上する。
【００６５】
本実施の形態では、続いて、結晶シリコン薄膜の固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下を満たし、かつ、平均結晶粒径が約５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下を満たすかを検査する。そして、検査の際、上記条件をクリアした結晶シリコン薄膜１０４のみを選別する。このようにして、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜１０４のみを選別して後の工程に送ることができる。なお、このように選別された結晶シリコン薄膜１０４の平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度である。
【００６６】
また、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜１０４のみを選別する方法としては、上記に限られない。すなわち、結晶シリコン薄膜１０４のラマン半値幅と単結晶シリコンのラマン半値幅との比が１．５以上１．８以下を満たすものを選別するとしてもよいし、結晶シリコン薄膜１０４のラマン半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差が、１．８ｃｍ−１以上２．４ｃｍ−１以下を満たすものを選別するとしてもよい。また、結晶シリコン薄膜１０４のラマンバンドのピーク値と、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との比（ピーク値／ラマン半値幅）が、０．１〜０．２を満たすものを選別するとしてもよい。ここで、結晶シリコン薄膜１０４のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下に位置し、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅の値は、３．４ｃｍ−１である。
【００６７】
次に、図２Ｅに示すように、結晶シリコン薄膜１０４上に、非晶質シリコン薄膜１０５を形成する。具体的には、結晶シリコン薄膜１０４を形成した後に、プラズマＣＶＤ等を用いて、所定の成膜条件（形成条件）によってアモルファスシリコン膜からなる非晶質シリコン薄膜１０５を成膜する。
【００６８】
次に、図２Ｆに示すように、非晶質シリコン薄膜１０５上に、絶縁層１０７を形成するための絶縁層形成用膜１０７ａを形成する。絶縁層形成用膜１０７ａは、無機材料を用いて形成される。例えば、絶縁層形成用膜１０７ａが酸化シリコン等の無機材料によって形成される場合、絶縁層形成用膜１０７ａの上に、所定形状の絶縁層１０７を規定するフォトマスクとして、所定幅のレジスト（不図示）を形成する。
【００６９】
次に、レジストをマスクとしてドライエッチングを施すことによって、図２Ｇに示すように、絶縁層形成用膜１０７ａをパターニングして所定形状の絶縁層１０７を形成する。次いで、絶縁層１０７上に形成されているレジストを除去する。これにより、絶縁層１０７の上面が露出する。
【００７０】
次に、図２Ｈに示すように、絶縁層１０７を覆うようにして非晶質シリコン薄膜１０５上に、コンタクト層１０６となるコンタクト層用膜１０６ａを形成する。具体的に、絶縁層１０７の上面から非晶質シリコン薄膜１０５の平坦部までを跨るようにして、例えばプラズマＣＶＤによって、リン等の５価元素の不純物をドープしたアモルファスシリコンからなるコンタクト層用膜１０６ａを成膜する。
【００７１】
なお、コンタクト層用膜１０６ａは低濃度の電界緩和層と高濃度のコンタクト層との２層から構成されてもよい。低濃度の電界緩和層は１×１０１７［ａｔｍ／ｃｍ３］程度のリンをドーピングすることによって形成することができる。上記２層はＣＶＤ装置において連続的に形成することができる。
【００７２】
次に、図２Ｉに示すように、コンタクト層用膜１０６ａを覆うようにして、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄとなるソースドレイン金属膜１０８を形成する。例えば、スパッタによって、ＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造のソースドレイン金属膜１０８を成膜する。
【００７３】
その後、図示しないが、所定形状のソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄを形成するために、ソースドレイン金属膜１０８上にレジスト材料を塗布し、露光及び現像を行って、所定形状にパターニングされたレジストを形成する。
【００７４】
次に、このレジストをマスクとしてウェットエッチングを施してソースドレイン金属膜１０８をパターニングすることにより、図２Ｊに示すように、所定形状のソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄを形成する。なお、このとき、コンタクト層用膜１０６ａがエッチングストッパとして機能する。その後、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄ上のレジストを除去する。また、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、コンタクト層用膜１０６ａをパターニングして所定形状の一対のコンタクト層１０６を形成する。なお、ドライエッチングの条件としては、塩素系ガスを用いることができる。
【００７５】
このようにして、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１００を製造することができる。
【００７６】
なお、その後、図２Ｋに示すように、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄの上から全体を覆うようにして、ＳｉＮ等の無機材料からなるパッシベーション膜１０９を形成してもよい。
【００７７】
また、上記では、説明を簡便にするため、一つの薄膜トランジスタ装置の製造方法について説明したが、それに限らない。一つの薄膜トランジスタ装置ではなく、複数の薄膜トランジスタ装置をアレイ状に製造するとしてもよい。その場合には、図２Ｄに示す工程において、アレイ状に形成された複数の結晶シリコン薄膜１０４うちの一つの結晶シリコン薄膜１０４を代表して検査すればよい。そして、検査後、上記条件をクリアした結晶シリコン薄膜１０４を含むアレイのみを選別するとすればよい。それにより、複数の薄膜トランジスタ装置を、ばらつきの少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜で構成することができるので、この薄膜トランジスタ装置を大画面に用いられる有機ＥＬパネル等に用いることができるという効果を奏する。
【００７８】
続いて、図２Ｄにおいて、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜１０４のみを選別する方法について説明する。
【００７９】
図３は、本実施の形態における結晶シリコン薄膜の膜質評価に用いるラマン分光装置２００の概略図である。例えば結晶シリコン薄膜１０４における固有のフォノンモードに対応するラマン半値幅などの結晶シリコン薄膜１０４の評価（検査）は、例えば図３に示すラマン分光装置を用いて行われる。以下、図３に示すラマン分光装置２００について説明する。
【００８０】
図３に示すラマン分光装置２００は、光源２０１と、アッテネーター２０２と、フィルター２０３と、ミラー２０４と、ビームスプリッター２０５と、対物レンズ２０６と、ステージ２０８と、スリット２０９と、分光器２１０と、検出器２１１とを備え、試料２０７に対してラマン分光測定を行う。ここで、試料２０７は、上述の製造方法にてゲート電極上に結晶シリコン薄膜が形成されたものまたはそれに相当するものである。
【００８１】
光源２０１には、波長４７０ｎｍ以上７００ｎｍ以下程度レーザ光が用いられる。例えば、光源２０１は、波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザ、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザなどが用いられる。
【００８２】
アッテネーター２０２は、光源２０１から出射されたレーザ光を、試料２０７に影響が生じない程度に減光する。
【００８３】
フィルター２０３は、アッテネーター２０２で減光された光を、所望の波長以外の光を徐光して通過させる。
【００８４】
なお、本実施の形態では、レーザパワーは、光源２０１及びアッテネーター２０２に構成される各対物レンズの倍率によって、試料２０７のスペクトルの変化がないように調整している。例えば、各対物レンズの倍率を５０倍とする場合、試料２０７上におけるレーザパワーを１ｍＷ〜２０ｍＷに調整する。
【００８５】
ミラー２０４は、フィルター２０３を通過した光の進行方向を制御する。
【００８６】
ビームスプリッター２０５は、ミラー２０４により進行方向が制御された光を、顕微鏡システムの対物レンズ２０６まで導く。また、ビームスプリッター２０５は、試料２０７の試料面で散乱した散乱光であって対物レンズ２０６で集光された散乱光を、スリット２０９を介して分光器２１０に導く。
【００８７】
対物レンズ２０６は、ビームスプリッター２０５を介して導かれた光を集光し、ステージ２０８上の試料２０７に照射する。ここで、対物レンズ２０６は、その倍率を変化させることで、試料２０７面に照射されるレーザ光の照射スポット（空間分解能）を変化させることができる。例えば、この対物レンズ２０６の倍率を１００倍とした場合、試料２０７の試料面でのレーザ光の照射スポット径を、約０．６μｍとする。
【００８８】
また、対物レンズ２０６は、試料２０７の試料面で散乱した散乱光を集光して、ビームスプリッター２０５に導く。
【００８９】
スリット２０９は、その幅（スリット幅）により通過する光のスペクトル分解能を向上させる。ここで、スリット幅は、狭い場合にはスペクトル分解能を向上させるものの、散乱光の強度が減少する。このため、分解能とＳ／Ｎの兼ね合いで、装置毎に適切に設定する必要がある。本実施の形態では、例えば、２０μｍ以上２００μｍ以下程度に設定される。
【００９０】
分光器２１０は、光を波長の違いに従って分解し、スペクトル（分散された光）を得るための装置である。分光器２１０は、スリット２０９を介して導かれた光を分散する。分光器２１０は、一般的に、シングルモノクロメーターが用いられる。分光器２１０に構成されるグレーティングの数を増加させると、分解能は向上するものの、スペクトルの取得領域が減少し、散乱光強度が減少する。そのため、測定対象によってグレーティングの数（溝数）を適切に選択する必要がある。本実施の形態では、例えば１８００Ｇ／ｍｍ以上３０００Ｇ／ｍｍ以下程度の溝数のものを用いる。
【００９１】
検出器２１１は、分光器２１０で分散された光を、シグナルとして検出することで、ラマンスペクトルを得る。検出器２１１は、例えば光電子倍増管やＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて構成される。ここで、分光器２１０と検出器２１１との距離は、焦点距離と呼ばれる。焦点距離が長いと、スペクトルの波数分解能は向上するものの、散乱光強度が減衰する。そのため、本実施の形態では、焦点距離２５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下程度としている。
【００９２】
以上のように、ラマン分光装置２００は構成される。そして、このラマン分光装置２００を用いて得られたラマンスペクトルは、解析プログラムが組み込まれたコンピューターに導かれて解析される。
【００９３】
次に、上記ラマン分光装置２００を用いて得られたラマンスペクトルを解析する方法について説明する。
【００９４】
図４は、本実施の形態におけるラマンスペクトルの解析方法を説明するためのフローチャートである。図５は、本実施の形態における結晶シリコン膜のラマンスペクトルとその解析結果を示す図である。
【００９５】
まず、ラマン分光装置２００を用いて、ラマンスペクトルを測定する（Ｓ２０１）。具体的には、結晶シリコン薄膜の固有のフォノンモードに対応するラマンバンドのピーク波形をラマン分光法により測定する。ここで、ラマン分光法は、ラマンシフトが物質に固有であることを利用する測定方法であり、試料にレーザ光を照射し、発生するラマン散乱光を測定することによって、非破壊・非接触測定で微視的な物性を知ることができる。測定条件としては、測定位置をゲート電極上の結晶シリコン薄膜とし、励起波長を５３２ｎｍとする。また、測定スポット径は１．３μｍΦであり、波数分解能は１．５ｃｍ−１である。
【００９６】
結晶シリコン薄膜の固有のフォノンモードに対応するラマンバンドのピークは、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下の範囲に観測される。なお、結晶性シリコン膜は、４５０ｃｍ−１以上５５０ｃｍ−１以下の領域にシリコンの固有のフォノンに対応するラマンバンドのピークが観測され、微結晶シリコン膜の固有のフォノンに対応するラマンバンドのピークは５００ｃｍ−１以上５１０ｃｍ−１以下付近、ａ−Ｓｉ膜の固有のフォノンに対応するラマンバンドのピークは４８０ｃｍ−１付近に観測される。本実施の形態では、測定したスペクトル（ラマンスペクトル）のうち、結晶シリコン薄膜の固有のフォノンモードに対応するラマンバンドのピーク波形に対して解析を行った。
【００９７】
次に、測定したラマンスペクトルのベースラインを補正する（Ｓ２０２）。具体的には、結晶シリコン薄膜の固有のフォノンモードに対応するラマンバンドのピーク波形を測定後、測定したピーク波形のベースラインを補正する。例えば、ラマンスペクトルを解析した領域に対して直線近似を行なう方法によりベースラインの補正を行う。ラマンスペクトルは、サンプル（ここでは試料２０７）や測定環境の影響を受けて、ベースラインが傾斜してしまうからである。なお、ベースラインが傾斜していない場合もあり、その場合には、ベースラインの補正を行う必要はない。
【００９８】
次に、ガウス関数を用いて測定したラマンスペクトルのフィッティングを行う（Ｓ２０３）。
【００９９】
具体的には、ガウス関数（ガウス分布）を用いてラマンピーク波形解析モデルを生成し、生成したラマンピーク波形解析モデルを高さ方向についてフィッティング（ラマンスペクトルの再現）を行い、強度（ピーク値）を抽出する。本実施の形態では、ガウス関数（ガウス分布）を用いて結晶シリコン薄膜のラマンバンドのラマンピーク波形解析モデルを生成する。そして、ベースラインを補正したラマンスペクトルのうち、結晶シリコン薄膜の成分すなわち５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下に観察されるラマンバンドのピークに対してフィッティングを行い、強度（ピーク値）を抽出する。
【０１００】
次に、抽出したピーク値を用いて、ローレンツ関数によりラマンスペクトルのフィッティングを行う（Ｓ２０４）。
【０１０１】
具体的には、ローレンツ関数を用いて、ラマンピーク波形解析モデルを生成する。生成したラマンピーク波形解析モデルを用いて、結晶シリコン薄膜のラマンバンドの幅方向についてフィッティングを行う。
【０１０２】
つまり、本実施の形態では、ベースラインを補正した結晶シリコン薄膜のラマンバンドに対して、まず、ガウス関数から生成したラマンピーク波形解析モデルを用いてピーク値をフィッティングした後に、ローレンツ関数から生成したラマンピーク波形解析モデルを用いて、さらに幅方向に対してフィッティングを行う。その解析結果を示したものが図５である。
【０１０３】
次に、Ｓ２０４でのラマンスペクトルのフィッティング結果から、パラメータを抽出し、出力する。具体的には、スペクトル解析すなわちＳ２０４でフィティングして得られたラマンピーク波形解析モデルから、パラメータとして各成分におけるピーク位置、半値幅（ラマン半値幅）、ピーク値（ピーク強度）または体積分率（結晶化率）などを抽出して、出力する（Ｓ２０５）。
【０１０４】
次に、例えば予めルックアップテーブルに保存されているパラメータとＳ２０５で出力されたパラメータとを比較し、結晶シリコン薄膜の結晶性を示す値を取得する（Ｓ２０６）。
【０１０５】
ここで、結晶シリコン薄膜の結晶性を示す値とは、例えば、結晶シリコン薄膜１０４のラマンバンドの半値幅（ラマン半値幅）である。また、結晶シリコン薄膜１０４のラマン半値幅と単結晶シリコンのラマン半値幅との比の値であってもよく、結晶シリコン薄膜１０４の半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差の値でもよい。また、例えば、結晶シリコン薄膜１０４のラマンバンドのピーク値と、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との比（ピーク値／ラマン半値幅）の値であってもよい。
【０１０６】
以上のようにして、ラマン分光装置２００で得られたラマンスペクトルを解析して、結晶シリコン薄膜の結晶性を示す値を取得する。
【０１０７】
次に、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１００の結晶シリコン薄膜１０４における好ましい膜質条件（好ましい結晶性を示す値）について説明する。
【０１０８】
図６は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との関係を示す図である。ここで、図６に示す各データ点は、上述の製造方法にてゲート電極上に結晶シリコン薄膜が形成された複数の試料２０７それぞれに対するものである。また、縦軸は、移動度（ｃｍ２／ＶＳ）を示しており、横軸は５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下に観察されるラマンバンドの半値幅（ｃｍ−１）すなわちラマン半値幅を示している。また、図７は、図６の移動度の絶対値のばらつきを示すものである。つまり、図７は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度（図６）の絶対値のばらつきと、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との関係を示す図である。ここで、縦軸は、結晶シリコン薄膜の移動度のばらつき（％）を示しており、横軸は、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示している。
【０１０９】
図７に示すように、移動度のばらつきが少ない範囲は、ラマン半値幅は、５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲Ｆ２であるのがわかる。
【０１１０】
それにより、図６において、移動度のばらつきが比較的少ない範囲は、移動度が２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下を示す範囲Ｆ１であるのがわかる。つまり、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲Ｆ１では、移動度は２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下を示すことがわかる。
【０１１１】
ここから、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜が、そのラマン半値幅として５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下を満たす場合に結晶シリコン薄膜は移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有すると予測される。
【０１１２】
なお、図７から結晶シリコン薄膜のラマン半値幅は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満であることがより望ましいことがわかる。このことからも、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす場合に、結晶シリコン薄膜は移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有することがわかる。
【０１１３】
これは、ラマン半値幅が５ｃｍ−１より小さい場合には、結晶シリコン薄膜の粒径が大きく（大粒径）なり、移動度のばらつきが大きくなると解することができる。一方、ラマン半値幅が６ｃｍ−１以上である場合には、結晶シリコン薄膜の粒径は小さいものの、Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅの結晶状態（微結晶組織と部分的に溶融した組織の混晶）が混ざることで、移動度のばらつきが大きくなると解することができる。
【０１１４】
なお、従来は、エネルギー密度が低いレーザ光によって結晶化された微結晶やＥｘｐｌｏｓｉｖｅ結晶、又はエネルギー密度が高いレーザ光によって結晶化されたポリシリコン結晶をトランジスタに用いることが好ましいと考えられていた。その理由は次の通りである。すなわち、ラマン半値幅が５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満である場合、結晶シリコンの結晶状態は溶融結晶状態であると考えられる。そして、溶融結晶化した結晶組織は、突起の形成や、グレインバウンダリーの界面準位などの影響により、移動度のばらつきが大きくなると考えられていたためである。
【０１１５】
しかし、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１未満を満たす場合には、突起の形成が抑制され、また結晶の配向性が弱くなることによりグレインバウンダリーにおけるエネルギー障壁が小さくなる。つまり、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１〜５．８ｃｍ−１を満たす結晶シリコン薄膜をトランジスタに用いることで、移動度のばらつきを抑制することができる。なお、結晶組織の配向性については後述する。
【０１１６】
図８は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜のオン抵抗と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との関係を示す図である。ここで、縦軸は、結晶シリコン薄膜を用いて作製されたＴＦＴのオン抵抗（ｋΩ）を示しており、横軸は、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示している。
【０１１７】
図８に示すように、オン抵抗のばらつきが少ない範囲は、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲Ｆ３であるのがわかる。
【０１１８】
したがって、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす場合に、結晶シリコン薄膜はばらつきの少ないオン抵抗を有することがわかる。
【０１１９】
図９は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜のラマン半値幅と、結晶シリコン薄膜を形成する際のグリーンレーザ光のエネルギー密度との関係との関係を示す図である。ここで、縦軸は、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示しており、横軸は、結晶シリコン薄膜を形成する際のグリーンレーザ光のエネルギー密度（ｍＪ／ｃｍ２）を示している。
【０１２０】
図９に示すように、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲では、結晶シリコン薄膜を形成する際のグリーンレーザ光のエネルギー密度（ｍＪ／ｃｍ２）は、６．８ｍＪ／ｃｍ２以上９ｍＪ／ｃｍ２以下をとることができる。
【０１２１】
つまり、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上〜５．８ｃｍ−１以下を満たす結晶シリコン薄膜を作成するためのグリーンレーザ光のエネルギー密度（ｍＪ／ｃｍ２）には、プロセスマージンがあることがわかる。
【０１２２】
図１０は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜のラマン半値幅と、その結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図である。ここで、縦軸は、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示しており、横軸は、結晶シリコン薄膜の結晶粒径（ｎｍ）を示している。図１１は、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１〜５．８ｃｍ−１を示す結晶シリコン薄膜の結晶組織の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【０１２３】
図１０に示すように、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲では、結晶シリコン薄膜の結晶粒径は、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となることがわかる。
【０１２４】
つまり、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす場合、結晶シリコン薄膜の粒径は、図１１に示すように３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で形成されている。
【０１２５】
図１２は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の結晶配向性を示す図である。ここで、図１２に示す結晶配向性は、ＴＥＭと同じ原理に基づき，より広範な領域を容易に評価できるＥＢＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ−Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎ：背面反射電子線回折パターン）法を用いて取得されたものである。具体的には、まず、試料２０７の表面上で電子線を走査し、試料２０７の表面上の点に照射された電子線の非弾性散乱によってできたパターンを読み取ることで、２次元的な試料の方位マップすなわち結晶の方位を示す結晶配向性を得る。
【０１２６】
図１２に示すように、結晶シリコン薄膜の結晶は、支配的には、（１１１）方位ではなく（１００）方位で形成されている。
【０１２７】
したがって、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす場合、その結晶シリコン薄膜のシリコン結晶は、支配的に（１１１）方位ではなく（１００）方位で形成される。
【０１２８】
なお、結晶シリコン薄膜を、グリーンレーザ光ではなく、エキシマレーザ光で形成した場合には、結晶シリコン薄膜は、支配的に（１１１）方位で形成される。また、結晶シリコン薄膜を、ＣＶＤ等で堆積して形成した場合には、支配的に（１１０）方位で形成される。
【０１２９】
なお、図１０の結晶シリコン薄膜の特性は、パワー密度、スキャン速度などのレーザアニール条件を適切に調整することで得ることができる。図１０の結晶シリコン薄膜を形成するためのレーザアニール条件は、例えば、パワー密度：５０ｋＷ／ｃｍ２以上９０ｋＷ／ｃｍ２以下、スキャン速度：４００ｍｍ／ｓ以上６００ｍｍ／ｓ以下である。レーザアニール条件が最適条件から乖離すると、形成される結晶シリコン薄膜は図１０に示すようなラマン半値幅と結晶粒径の条件を満たさなくなるため、アニール条件の最適化が必要となる。
【０１３０】
なお、結晶シリコン薄膜の結晶配向性は、ＥＢＳＰ法を用いて測定した場合に配向強度が５以下の範囲にあり、配向性は（１００）方位で支配的に形成されるものの、比較的弱い配向性を示す。一方、強い結晶配向性を示す結晶の場合、ＥＢＳＰ法の測定結果は少なくとも１０以上を示す。結晶配向性を比較的低い範囲で保つことにより、粒界間の結晶の自由度が広がり、移動度のばらつきを低減することができる。
【０１３１】
以上のように、薄膜トランジスタ装置１００では、好ましい膜質条件として固有のフォノンモードに対応するラマン半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たしている結晶シリコン薄膜１０４をチャネル層として用いて構成される。さらに、好ましい膜質条件としてラマン半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たす結晶シリコン薄膜１０４では、その平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度であり、その結晶は、（１１１）方位ではなく（１００）方位に対して支配的に配向している。
【０１３２】
なお、上記では、好ましい膜質条件すなわち移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜の結晶性を示す値を、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅を用いて示したが、それに限らない。結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比で示すとしてもよいし、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコンのラマン半値幅の差の値で評価するとしてもよい。以下、その例について図１３及び図１４を用いて説明する。
【０１３３】
図１３は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比との関係を示す図である。ここで、縦軸は、移動度（ｃｍ２／ＶＳ）を示しており、横軸は、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比を示している。また、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値値は、３．４ｃｍ−１であり、ラマンシフトが５２０ｃｍ−１付近のラマンバンドの半値値である。
【０１３４】
図１３において、範囲Ｆ４は、移動度が２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下を示す範囲である。この範囲Ｆ４では、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比は、１．５以上１．８以下を示す。
【０１３５】
したがって、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比が、１．５以上１．８以下を満たす場合に、結晶シリコン薄膜は移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する。
【０１３６】
図１４は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅及び単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅の差との関係を示す図である。ここで、縦軸は、移動度（ｃｍ２／ＶＳ）を示しており、横軸は結晶シリコン薄膜のラマン半値幅から単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅を引いた値（ｃｍ−１）を示している。ここで、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）ののラマン半値幅の値は、３．４ｃｍ−１である。
【０１３７】
図１４において、範囲Ｆ５は、移動度が２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下を示す範囲である。この範囲Ｆ５では、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅と単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅との差は、１．８ｃｍ−１以上２．４ｃｍ−１以下を示す。
【０１３８】
したがって、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜のラマン半値幅と単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅との差が、１．８ｃｍ−１以上２．４ｃｍ−１以下を満たす場合に、結晶シリコン薄膜は移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する。
【０１３９】
また、上記では、好ましい膜質条件すなわち移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜の結晶性を示す値を、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅を用いて算出した値を用いて示したが、それに限らない。以下、例示として、結晶シリコン薄膜のラマンバンドのピーク位置またはピーク値（ピーク強度）を用いる場合について説明する。
【０１４０】
まず、図１５を用いて、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下にラマンバンドのピークが観察される結晶シリコン薄膜の移動度について示す。
【０１４１】
図１５は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のピーク位置との関係を示す図である。ここで、縦軸は、ピーク位置（ｃｍ−１）を示しており、横軸は結晶シリコン薄膜の移動度（ｃｍ２／ＶＳ）を示している。
【０１４２】
図１５に示すように、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下にラマンバンドのピークが観察される結晶シリコン薄膜では、１５０ｃｍ２／ＶＳ以下の高移動度を有することがわかる。
【０１４３】
次に、結晶シリコン薄膜のラマンバンドのピーク位置またはピーク値（ピーク強度）を用いた結晶シリコン薄膜１０４における好ましい膜質条件を説明する。
【０１４４】
図１６は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜の規格化されたピーク強度との関係を示す図である。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜の移動度（ｃｍ２／ＶＳ）を示しており、横軸は、移動度４０ｃｍ２／ＶＳにおける結晶シリコン薄膜のピーク強度で規格化されたピーク強度を示している。
【０１４５】
図１６に示すように、移動度が２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下を示す範囲では、結晶シリコン薄膜の規格化されたピーク強度は、０．５以上１．２以下を示しているのがわかる。
【０１４６】
したがって、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜の規格化されたピーク強度が、０．５以上１．２以下を満たす場合に、結晶シリコン薄膜は移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有するのがわかる。
【０１４７】
図１７は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜の規格化されたピーク強度のラマン半値幅に対する比との関係を示す図である。ここで、縦軸は、結晶シリコン薄膜の移動度（ｃｍ２／ＶＳ）を示しており、横軸は、移動度４０ｃｍ２／ＶＳにおける結晶シリコン薄膜のピーク強度で規格化されたラマン半値幅を示している。
【０１４８】
図１７に示すように、移動度が２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下を示す範囲では、結晶シリコン薄膜の規格化されたラマン半値幅は、０．１〜０．２を示す。
【０１４９】
したがって、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜の規格化されたピーク強度のラマン半値幅に対する比が０．１〜０．２を満たす場合に、結晶シリコン薄膜は移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する。
【０１５０】
以上のように、本実施の形態によれば、好ましい膜質条件満たす結晶シリコン薄膜１０４をチャネル層として用いて薄膜トランジスタ装置を構成する。それにより、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜をチャネル層に用いる薄膜トランジスタ装置を実現することができる。
【０１５１】
なお、本実施の形態の薄膜トランジスタ装置では、チャネル保護層が、非結晶質シリコン薄膜上にされているとして説明したがそれに限られない。結晶質シリコン薄膜上に形成され、チャネル保護層上に非晶質シリコン薄膜が形成されるとしてもよい。以下、それを変形例として説明する。
【０１５２】
（変形例）
図１８は、本実施の形態の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の構成を模式的に示す断面図である。なお、図１と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１５３】
図１８に示す薄膜トランジスタ装置１５０は、実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１００に対して、非晶質シリコン薄膜１５５と絶縁層１５７との構成が異なる。
【０１５４】
絶縁層１５７は、例えばチャネル保護層の一例であり、チャネル層（結晶シリコン薄膜１０４）を保護する。絶縁層１５７は、一対の非晶質シリコン薄膜１５５とコンタクト層１５６を形成するときのエッチング処理時において、非晶質シリコン薄膜１５５がエッチングされてしまうことを防止するためのチャネルエッチングストッパ（ＣＥＳ）層として機能する。絶縁層１５７は、チャネル領域を含む結晶シリコン薄膜１０４の上に形成される。なお、絶縁層１５７の材料等は、絶縁層１０７と同様であるため、説明を省略する。
【０１５５】
一対の非晶質シリコン薄膜１５５は、例えば半導体膜の一例であり、チャネル領域を含む結晶シリコン薄膜１０４と絶縁層１５７との上方に形成される。一対の非晶質シリコン薄膜１５５は、絶縁層１５７上において所定の間隔をあけて対向配置されている。一対の非晶質シリコン薄膜１５５のそれぞれは、絶縁層１５７の上面から結晶シリコン薄膜１０４までを跨るようにして形成されている。本変形例において、一対の非晶質シリコン薄膜１５５のうちの一方は、絶縁層１５７の一方の端部及び結晶シリコン薄膜１０４に跨るようにして形成されており、絶縁層１５７の一方の端部における上部と側面、及び、絶縁層１５７の一方の側面側領域における結晶シリコン薄膜１０４の上面を覆うように形成される。また、一対の非晶質シリコン薄膜１５５のうちの他方は、絶縁層１５７の他方の端部及び結晶シリコン薄膜１０４に跨るようにして形成されており、絶縁層１５７の他方の端部における上部と側面、及び、絶縁層１５７の他方の側面側領域における結晶シリコン薄膜１０４の上面を覆うように形成される。なお、一対の非晶質シリコン薄膜１５５の材料等は、非晶質シリコン薄膜１０５と同様であるため、説明を省略する。
【０１５６】
一対のコンタクト層１５６は、絶縁層１５７上において所定の間隔をあけて対向配置されている。一対のコンタクト層１５６のそれぞれは、非晶質シリコン薄膜１５５上に形成されている。なお、一対のコンタクト層１５６の材料等は、コンタクト層１０６と同様であるため、説明を省略する。
【０１５７】
以上のように、薄膜トランジスタ装置１５０は構成される。
【０１５８】
次に、以上のように構成される薄膜トランジスタ装置１５０の製造方法について説明する。図１９Ａ〜図１９Ｋは、本実施の形態の変形例に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法における各工程の構成を模式的に示した断面図である。
【０１５９】
図１９Ａ〜図１９Ｄは、図２Ａ〜図２Ｄと同じ工程であるため、説明を省略する。
【０１６０】
次に、図１９Ｅに示すように、結晶シリコン薄膜１０４上に、絶縁層１５７を形成するための絶縁層形成用膜１５７ａを形成する。絶縁層形成用膜１５７ａは、無機材料を用いて形成される。ここでは、例えば、絶縁層形成用膜１５７ａが酸化シリコン等の無機材料によって形成されるとする。
【０１６１】
次に、絶縁層形成用膜１５７ａの上に、所定形状の絶縁層１５７を規定するフォトマスクとして、所定幅のレジストを形成する。その後、レジストをマスクとしてドライエッチングを施すことによって、絶縁層形成用膜１５７ａをパターニングして所定形状の絶縁層１５７を形成する。次いで、絶縁層１５７上に形成されているレジストを除去する。これにより、図１９Ｆに示すように、絶縁層１５７の上面を露出させる。
【０１６２】
次に、図１９Ｇに示すように、絶縁層１５７及び結晶シリコン薄膜１０４上に、非晶質シリコン薄膜１５５を形成する。具体的には、絶縁層１５７を形成した後に、プラズマＣＶＤ等を用いて、所定の成膜条件（形成条件）によってアモルファスシリコン膜からなる非晶質シリコン薄膜１５５を成膜する。
【０１６３】
次に、図１９Ｈに示すように、非晶質シリコン薄膜１５５上に、コンタクト層１５６となるコンタクト層用膜１５６ａを形成する。具体的には、非晶質シリコン薄膜１５５上に、例えばプラズマＣＶＤによって、リン等の５価元素の不純物をドープしたアモルファスシリコンからなるコンタクト層用膜１５６ａを成膜する。
【０１６４】
なお、コンタクト層用膜１５６ａは低濃度の電界緩和層と高濃度のコンタクト層との２層から構成されてもよい。低濃度の電界緩和層は１×１０１７［ａｔｍ／ｃｍ３］程度のリンをドーピングすることによって形成することができる。上記２層はＣＶＤ装置において連続的に形成することができる。
【０１６５】
次に、図１９Ｉに示すように、コンタクト層用膜１５６ａを覆うようにして、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄとなるソースドレイン金属膜１０８を形成する。例えば、スパッタによって、ＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造のソースドレイン金属膜１０８を成膜する。
【０１６６】
その後、図示しないが、所定形状のソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄを形成するために、ソースドレイン金属膜１０８上にレジスト材料を塗布し、露光及び現像を行って、所定形状にパターニングされたレジストを形成する。
【０１６７】
次に、図１９Ｊに示すように、レジストをマスクとしてウェットエッチングを施してソースドレイン金属膜１０８をパターニングすることにより、所定形状のソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄを形成する。なお、このとき、コンタクト層用膜１０６ａがエッチングストッパとして機能する。その後、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄ上のレジストを除去する。続いて、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、コンタクト層用膜１５６ａと非晶質シリコン薄膜１５５をパターニングして所定形状の一対のコンタクト層１５６と非晶質シリコン薄膜１５５を形成する。なお、ドライエッチングの条件としては、塩素系ガスを用いることができる。
【０１６８】
このようにして、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１５０を製造することができる。
【０１６９】
なお、その後、図１９Ｋに示すように、ソース電極１０８Ｓ及びドレイン電極１０８Ｄの上から全体を覆うようにして、ＳｉＮ等の無機材料からなるパッシベーション膜１０９を形成してもよい。
【０１７０】
以上のようにして、好ましい膜質条件満たす結晶シリコン薄膜１０４をチャネル層として用いて薄膜トランジスタ装置を構成する。それにより、移動度のばらつきが少ない高移動度の特性を有する結晶シリコン薄膜をチャネル層に用いる薄膜トランジスタ装置を実現することができる。
【０１７１】
なお、本実施の形態の薄膜トランジスタ装置は、有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬ表示装置だけでなく、液晶表示装置等、アクティブマトリクス基板が用いられる他の表示装置にも適用することができる。また、このように構成される表示装置については、フラットパネルディスプレイとして利用することができ、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのあらゆる表示パネルを有する電子機器に適用することができる。
【０１７２】
以上、本発明に係る薄膜トランジスタ装置及びその製造方法について、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明に係る薄膜トランジスタ装置及びその製造方法は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
【０１７３】
例えば、上記の実施の形態では、絶縁層（チャネル保護膜）を用いたチャネル保護型の薄膜トランジスタ装置について説明したが、それに限定されない。絶縁層（チャネル保護膜）を用いないチャネルエッチング型の薄膜トランジスタ装置にも適用することができる。
【０１７４】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【０１７５】
（実施の形態２）
実施の形態２において、多結晶シリコン基板、その製造方法、及び多結晶シリコン基板を用いた電子デバイスについて説明する。
【０１７６】
なお、実施の形態１で説明したシリコン基板の膜質評価方法、結晶シリコン薄膜の特性は全て本実施の形態に含まれるものとし、以下、実施の形態１で述べていない部分について説明する。また、本実施の形態では、実施の形態１の結晶シリコン薄膜１０４を多結晶シリコン薄膜であるとして説明する。
【０１７７】
図２０は、本実施の形態に係る多結晶シリコン薄膜形成装置２０００の構成を示す図である。
【０１７８】
本実施の形態に係る多結晶シリコン薄膜形成装置２０００は、所定の光強度分布を有するレーザ光ＬＢを成形して、非晶質シリコンからなる非晶質シリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に結晶化するための装置である。
【０１７９】
図２０において、レーザ光ＬＢ及び試料２０７０（非晶質シリコン薄膜が形成された基板１０１）の少なくともいずれか一方を移動させることで、非晶質シリコン薄膜に対してレーザ光ＬＢを相対走査させる。本実施の形態では、レーザ光ＬＢを固定し、試料２０７０（非晶質シリコン薄膜が形成された基板１０１）を走査した。また、本実施の形態で用いるレーザは、連続発振型のレーザ（ＣＷレーザ）であることが望ましい。ＣＷレーザは、連続的にレーザ光が発振されるため、パルスレーザよりも高速化が可能である。また、ＣＷレーザは、パルスレーザよりも走査速度が１桁以上速いため、スループットを容易に向上させることができる。
【０１８０】
図２０に示すように、多結晶シリコン薄膜形成装置２０００は、ＣＷレーザ光を用いた非晶質シリコン薄膜の結晶化装置であって、試料保持部２１００と、レーザ光発振部２２００と、光学系部２３００と、走査制御部２４１０及びレーザ光強度分布調整部２４２０を含む制御部２４００とを備える。
【０１８１】
試料保持部２１００は、結晶化対象である非晶質シリコン薄膜が形成された試料２０７０を保持するステージである。レーザ光ＬＢの照射面である試料２０７０の表面２０７０Ｓには、非晶質シリコン薄膜として、例えばアモルファスシリコン膜（非晶質シリコン膜）が形成されている。なお、本実施の形態では、試料２０７０として、基板１０１上にゲート絶縁膜１０３が形成されており、そのゲート絶縁膜１０３の表面に非晶質シリコン薄膜が形成されている。
【０１８２】
レーザ光発振部２２００は、非晶質シリコン薄膜を結晶化させるためのレーザ光ＬＢを発振するレーザ光源である。本実施の形態におけるレーザ光発振部２２００には、半導体レーザ装置が設けられている。半導体レーザ装置としては、例えば、４９５ｎｍ以上５９０ｎｍ以下の波長帯域であるグリーンレーザ光を、例えば１０μｓｅｃ以上１００μｓｅｃ以下のマイクロセカンドオーダーで連続発振するものを用いることができる。
【０１８３】
光学系部２３００は、複数のビーム成形レンズからなり、レーザ光発振部２２００から発振させたレーザ光ＬＢを、所定の強度分布にビーム成形するともに非晶質シリコン薄膜（試料２０７０の表面２０７０Ｓ）の所定の領域に照射させるように構成されている。本実施の形態において、光学系部２３００は、ホモジナイザー２３１０、コンデンサレンズ２３２０及びＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ：回折光学素子）レンズ２３３０によって構成されている。なお、ビーム成形レンズとしては、長軸方向のビームプロファイルを成形するレンズと、短軸方向のビームプロファイルを成形するレンズとを別々に設けても構わない。
【０１８４】
制御部２４００において、走査制御部２４１０は、非晶質シリコン薄膜に照射するレーザ光ＬＢが当該非晶質シリコン薄膜に対して相対的にビームスキャンされるように、試料保持部２１００又は光学系部２３００を制御する。本実施の形態における走査制御部２４１０は、試料保持部２１００を所定の位置に移動するように制御して、試料２０７０を移動させる。
【０１８５】
また、レーザ光強度分布調整部２４２０は、所定の強度分布となるようにレーザ光ＬＢを成形する。本実施の形態におけるレーザ光強度分布調整部２４２０は、光学系部２３００を構成するレンズを調整することによりレーザ光発振部２２００から発振されたレーザ光ＬＢを成形し、所定の光強度分布を有するレーザ光ＬＢとなるようにビーム成形する。
【０１８６】
なお、多結晶シリコン薄膜形成装置２０００は、その他に、ミラーや集光レンズ等の光学部品を備えていてもよいし、レーザ光のビームプロファイルを測定するためのビームビームプロファイラーを備えていてもよい。ビームプロファイラーによってビームプロファイルを測定することにより、この測定結果に基づいて、非晶質シリコン薄膜に照射するレーザ光が所望の光強度分布となるように、レーザ光強度分布調整部２４２０によって光学系部２３００のレンズの位置等を調整することができる。
【０１８７】
次に、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１００の結晶シリコン薄膜１０４における好ましい膜質条件（好ましい結晶性を示す値）について説明する。
【０１８８】
なお、図６は、実施の形態１と同様に、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜の移動度と、その多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との関係を示す図でもある。ここで、図６に示す各データ点は、上述の製造方法にてゲート電極上に多結晶シリコン薄膜が形成された複数の試料２０７０それぞれに対するものである。また、縦軸は、移動度（ｃｍ２／ＶＳ）を示しており、横軸は５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下の範囲に観察されるラマンバンドの半値幅（ｃｍ−１）すなわちラマン半値幅を示している。また、図７は、図６の移動度の絶対値のばらつきを示すものである。つまり、図７は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜の移動度（図６）の絶対値のばらつきと、その多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅との関係を示す図である。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜の移動度のばらつき（％）（３σ/平均値×１００）を示しており、横軸は、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示している。
【０１８９】
図７に示すように、移動度のばらつきが少ない範囲は、ラマン半値幅は、５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲Ｆ２であるのがわかる。
【０１９０】
また、図６において、移動度のばらつきが比較的少ない範囲は、移動度が２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以上を示す範囲Ｆ１であるのがわかる。つまり、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲Ｆ１では、移動度は２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下を示すことがわかる。
【０１９１】
したがって、好ましい膜質条件として多結晶シリコン薄膜が、そのラマン半値幅として５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下である場合にも、多結晶シリコン薄膜は移動度のばらつきもなく高移動度の特性を有すると推測される。なお、図７から、ラマン半値幅が５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満であることがより好ましい。
【０１９２】
このことから、好ましい膜質条件として多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす場合に、多結晶シリコン薄膜は移動度のばらつきの少ない高移動度の特性を有することがわかる。
【０１９３】
これは、ラマン半値幅が５ｃｍ−１より小さい場合には、多結晶シリコン薄膜の粒径が大きく（大粒径）なり、移動度のばらつきが大きくなると解することができる。一方、ラマン半値幅が６ｃｍ−１より以下である場合には、多結晶シリコン薄膜の粒径は小さいものの、Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅの結晶状態（微結晶組織と部分的に溶融した組織の混晶）が混ざることで、移動度のばらつきが大きくなると解することができる。
【０１９４】
また、図９は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅と、多結晶シリコン薄膜を形成する際のグリーンレーザ光のエネルギー密度との関係との関係を示す図でもある。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示しており、横軸は、多結晶シリコン薄膜を形成する際のグリーンレーザ光のエネルギー密度（ｍＪ／ｃｍ２）を示している。
【０１９５】
図９に示すように、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲では、多結晶シリコン薄膜を形成する際のグリーンレーザ光のエネルギー密度（ｍＪ／ｃｍ２）は、６．８ｍＪ／ｃｍ２以上９ｍＪ／ｃｍ２以下をとることができる。
【０１９６】
つまり、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす多結晶シリコン薄膜を作成するためのグリーンレーザ光のエネルギー密度（ｍＪ／ｃｍ２）には、プロセスマージンがあることがわかる。
【０１９７】
また、図１０は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅と、その多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図でもある。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示しており、横軸は、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径（ｎｍ）を示している。図１１は、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す多結晶シリコン薄膜の結晶組織の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真でもある。
【０１９８】
図１０に示すように、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す範囲では、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径は、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となることがわかる。
【０１９９】
つまり、好ましい膜質条件として多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす場合、多結晶シリコン薄膜の粒径は、図１１に示すように３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で形成されている。
【０２００】
また、図１２は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅比と、その多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図でもある。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜のラマン半値比すなわち結晶シリコン薄膜１０４のラマン半値幅の単結晶シリコンのラマン半値幅に対する比を示している。横軸は、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径（ｎｍ）を示している。
【０２０１】
図２１に示すように、ラマン半値比が１．４以上１．７以下を示す範囲Ｆ６において、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっていることがわかる。
【０２０２】
ここから、好ましい膜質条件として多結晶シリコン薄膜のラマン半値比が１．４以上１．７以下を満たす場合、多結晶シリコン薄膜の粒径は、図１１に示すように３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で形成されているのがわかる。
【０２０３】
図２２は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅差と、その多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図である。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜のラマン半値差（ｃｍ−１）すなわち結晶シリコン薄膜１０４のラマン半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差（ｃｍ−１）を示している。横軸は、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径（ｎｍ）を示している。
【０２０４】
図２２に示すように、多結晶シリコン薄膜のラマン半値差が１．５ｃｍ−１以上２．３ｃｍ−１以下を満たす範囲Ｆ６において、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっていることがわかる。
【０２０５】
ここから、好ましい膜質条件として多結晶シリコン薄膜のラマン半値差が１．５ｃｍ−１以上２．３ｃｍ−１以下を満たす場合、多結晶シリコン薄膜の粒径は、図１１に示すように３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で形成されているのがわかる。
【０２０６】
図２３は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜の規格化強度とラマン半値幅との比と、その多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との関係を示す図である。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜の規格化強度とラマン半値幅との比すなわち結晶シリコン薄膜１０４のラマン半値幅に対する結晶シリコン薄膜１０４のラマンバンドの規格化ピーク強度の比を示している。規格化ピーク強度は、粒径１５０ｎｍの結晶シリコン薄膜１０４におけるラマンバンドのピーク値である。また、横軸は、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径（ｎｍ）を示している。
【０２０７】
図２３に示すように、多結晶シリコン薄膜の規格化強度とラマン半値幅との比が０．０８以上０．２２以下を満たす範囲Ｆ７において、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっていることがわかる。
【０２０８】
ここから、好ましい膜質条件として多結晶シリコン薄膜の規格化強度とラマン半値幅との比が０．０８以上０．２２以下を満たす場合、多結晶シリコン薄膜の粒径は、図１１に示すように３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で形成されているのがわかる。
【０２０９】
次に、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ装置１００の結晶シリコン薄膜１０４が好ましい膜質条件（好ましい結晶性を示す値）を満たす場合の結晶シリコン薄膜１０４の表面ラフネスについて説明する。
【０２１０】
図２４は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜の表面凹凸像の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真の一例である。
【０２１１】
ここで、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）；以後ＡＦＭという）は、鋭く尖った探針を先端に有する片持ち梁（以後、カンチレバーという）を力検出器として用いて、試料表面の微細な凹凸像を得る装置である。
【０２１２】
図２５は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅差と、その多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さ（Ｒａ）との関係を示す図である。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さＲａ（ｎｍ）を示している。横軸は、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示している。なお、多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さＲａ（ｎｍ）は、図２４に示すような多結晶シリコン薄膜のＡＦＭ写真から算出している。
【０２１３】
図２５に示すように、多結晶シリコン薄膜が好ましい膜質条件すなわち多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす範囲Ｆ８において、多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さＲａが３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下となっていることがわかる。
【０２１４】
つまり、好ましい膜質条件として多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす場合、多結晶シリコン薄膜の結晶性のばらつきは少なく、表面ラフネスが低減されている。
【０２１５】
図２６は、本実施の形態における製造方法によって形成された多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅差と、その多結晶シリコン薄膜の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）との関係を示す図である。ここで、縦軸は、多結晶シリコン薄膜の最大表面粗さＲｍａｘ（ｎｍ）を示している。横軸は、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅（ｃｍ−１）を示している。なお、多結晶シリコン薄膜の最大表面粗さＲｍａｘ（ｎｍ）は、図２４に示すような多結晶シリコン薄膜のＡＦＭ写真から算出している。
【０２１６】
図２６に示すように、多結晶シリコン薄膜が好ましい膜質条件すなわち多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす範囲Ｆ８において、多結晶シリコン薄膜の最大表面粗さＲｍａｘが５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下と一定の範囲内となっていることがわかる。
【０２１７】
つまり、好ましい膜質条件として多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を満たす場合、多結晶シリコン薄膜の結晶性のばらつきは少なく、表面ラフネスが低減されているのがわかる。
【０２１８】
なお、多結晶シリコン薄膜の配向方向は、実施の形態１の図１２で説明したのと同様であるため説明を省略する。
【０２１９】
以上のように、薄膜トランジスタ装置１００では、好ましい膜質条件として固有のフォノンモードに対応するラマン半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下を満たしている結晶シリコン薄膜１０４をチャネル層として用いて構成される。さらに、好ましい膜質条件としてラマン半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たす結晶シリコン薄膜１０４では、その平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度であり、その結晶は、（１１１）方位ではなく（１００）方位に対して支配的に配向している。また、その結晶シリコン薄膜１０４の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）は５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下（または平均表面粗さ（Ｒａ）が３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下）である。
【０２２０】
なお、上記では、好ましい膜質条件すなわち結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜という好ましい結晶性を示す値を、多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅を用いて示したが、それに限らない。多結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比で示すとしてもよい。
【０２２１】
ここで、図１３は、本実施の形態における製造方法によって形成された結晶シリコン薄膜の移動度と、その結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比との関係を示す図でもある。図において、縦軸は、移動度（ｃｍ２／ＶＳ）を示しており、横軸は、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比を示している。また、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値値は、３．４ｃｍ−１であり、ラマンシフトが５２０ｃｍ−１付近のラマンバンドの半値値である。
【０２２２】
図１３において、範囲Ｆ４は、移動度が２０ｃｍ２／ＶＳ以上５０ｃｍ２／ＶＳ以下を示す範囲である。この範囲Ｆ４では、結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比は、１．４以上１．７以下を示す。
【０２２３】
したがって、好ましい膜質条件として結晶シリコン薄膜のラマン半値幅の単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅に対する比が、１．４以上１．７かを満たす場合に、結晶シリコン薄膜は結晶性のばらつきが小さい。
【０２２４】
以上のように、本実施の形態によれば、好ましい膜質条件満たす結晶シリコン薄膜１０４をチャネル層として用いて薄膜トランジスタ装置を構成する。それにより、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜をチャネル層に用いる薄膜トランジスタ装置を実現することができる。
【０２２５】
なお、本実施の形態の薄膜トランジスタ装置では、チャネル保護層が、非結晶質シリコン薄膜上にされているとして説明したがそれに限られない。結晶質シリコン薄膜上に形成され、チャネル保護層上に非晶質シリコン薄膜が形成されるとしてもよい。
【０２２６】
（実施の形態３）
上記では、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有する電子デバイスの例として、ボトムゲート型薄膜トランジスタの例について説明したが、それに限らない。結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有する多結晶シリコン基板であってもよい。以下、それについて説明する。
【０２２７】
図２７は、実施の形態３に係る多結晶シリコン基板４００の構成を模式的に示す断面図である。なお、図１と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０２２８】
多結晶シリコン基板４００は、基板１０１と多結晶シリコン薄膜４０２とを備える。
【０２２９】
多結晶シリコン薄膜４０２は、例えば多結晶シリコン薄膜の一例であり、例えば、非結晶性の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を結晶化することによって形成することができる。
【０２３０】
ここで、多結晶シリコン薄膜４０２における結晶シリコンの平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度である。多結晶シリコン薄膜４０２の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度である。また、多結晶シリコン薄膜４０２が示す結晶性を次のように表すことができる。すなわち、多結晶シリコン薄膜４０２の固有のフォノンモードに対応するラマンバンド半値幅（以下ラマン半値幅とも表現）は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下である。ここで、多結晶シリコン薄膜４０２の固有のフォノンモードとは、ＴＯ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ）フォノンモードである。
【０２３１】
なお、上述のように、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下という範囲は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満であることがより好ましい。
【０２３２】
また、多結晶シリコン薄膜４０２が示す結晶性について別の表現を用いてもよい。例えば、多結晶シリコン薄膜４０２のラマン半値幅と単結晶シリコンのラマン半値幅との比は、１．４〜１．７であるとしてもよい。または、多結晶シリコン薄膜４０２のラマン半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差は、１．５ｃｍ−１以上２．３ｃｍ−１以下であるとしてもよい。さらに、多結晶シリコン薄膜４０２のラマンバンド半値幅に対する前記多結晶シリコン薄膜のラマンバンドのピーク値の比（ピーク値／ラマン半値幅）は、０．０８以上０．２２以下であるとしてもよい。ここで、結晶シリコン薄膜１０４のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下であり、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅の値は、３．４ｃｍ−１である。
【０２３３】
また、多結晶シリコン薄膜４０２の結晶は、（１１１）方位ではなく（１００）方位に対して支配的に配向している。多結晶シリコン薄膜の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）は、５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さ（Ｒａ）は、３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下であり、表面ラフネスが低減されている。
【０２３４】
以上のように、多結晶シリコン基板４００は構成される。
【０２３５】
つまり、多結晶シリコン薄膜４０２は、固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たし、かつ、平均結晶粒径が約５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下を満たしている。それにより、多結晶シリコン基板４００は、多結晶シリコン薄膜の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下（または多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さ（Ｒａ）が３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下）となり、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有することができる。
【０２３６】
なお、多結晶シリコン基板４００は、後述する製造工程において、実施の形態１と同様に、少なくとも固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たす多結晶シリコン薄膜４０２が選別（選択）され、選別（選択）された多結晶シリコン薄膜４０２を用いて形成される。
【０２３７】
次に、本実施の形態に係る多結晶シリコン基板４００の製造方法について、図２８Ａ〜図２８Ｄを用いて説明する。図２８Ａ〜図２８Ｄは、本実施の形態に係る多結晶シリコン基板４００の製造方法における各工程を模式的に示す断面図である。
【０２３８】
まず、図２８Ａに示すように、基板１０１を準備する（基板準備工程）。基板１０１としては、例えばガラス基板を用いることができる。ここで、基板１０１の準備には、例えばガラス基板の表面に付着した付着物等を除去する洗浄工程、ガラス基板表面のアルカリ金属成分を除去するためのガラス基板表面エッチング工程、あるいはガラス基板に含まれているアルカリ金属成分が半導体膜などに無拡散することを防止するためにＳｉＮ膜などのアンダーコート層をガラス基板表面に形成する工程、などが一例として含まれていても構わない。
【０２３９】
次に、図２８Ｂに示すように、基板１０１の上方に、非晶質シリコン薄膜４０１を形成する（薄膜形成工程）。例えば、基板１０１の上方に、アモルファスシリコン膜からなる非結晶のシリコン薄膜１３を形成する。
【０２４０】
次に、図２８Ｃに示すように、レーザ光ＬＢが照射された領域の非晶質シリコン薄膜４０１を結晶化することにより、多結晶シリコンからなる多結晶シリコン薄膜４０２を形成する（結晶化工程）。
【０２４１】
具体的には、まず、非晶質シリコン薄膜４０１を結晶化させるために所定の波長の光線を準備し、非晶質シリコン薄膜４０１に対して所定の光を照射する準備を行う。
【０２４２】
次いで、図２０に示す結晶性半導体薄膜形成装置を用いて、非晶質シリコン薄膜４０１を結晶化させる。すなわち、所定の光強度分布を有するレーザ光ＬＢを非晶質シリコン薄膜４０１表面に照射することで、非晶質シリコン薄膜４０１を結晶化させる。より具体的には、非晶質シリコン薄膜４０１に対してレーザ光ＬＢを所定の速度で走査方向に相対走査させて、非晶質シリコン薄膜４０１にレーザ光ＬＢを照射する。レーザ光ＬＢが照射された非晶質シリコン薄膜４０１の領域は、レーザ光ＬＢによる熱エネルギーによってアニールされて結晶化し、多結晶シリコン薄膜４０２となる。
【０２４３】
その後、非晶質シリコン薄膜４０１へのレーザ光ＬＢの照射を所定の位置まで続けることにより、図２８Ｄに示すように、多結晶シリコン薄膜４０２を形成する。
【０２４４】
次に、形成した多結晶シリコン薄膜４０２に対して水素プラズマ処理を行うことにより、結晶シリコン薄膜１０４のシリコン原子に対して水素化処理を行う。水素プラズマ処理は、例えばＨ２、Ｈ２／アルゴン（Ａｒ）等の水素ガスを含むガスを原料として高周波（ＲＦ）電力により水素プラズマを発生させて、当該水素プラズマを結晶シリコン薄膜１０４に照射することにより行われる。この水素プラズマ処理によって、シリコン原子のダングリングボンド（欠陥）が水素終端され、結晶シリコン薄膜１０４の結晶欠陥密度が低減して結晶性が向上する。
【０２４５】
本実施の形態では、続いて、多結晶シリコン薄膜４０２の固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１以下を満たすかを検査する。そして、検査の際、上記条件をクリアした多結晶シリコン薄膜４０２のみを選別（選択）する。このようにして、結晶性のばらつきが小さい薄膜からなる多結晶シリコン薄膜４０２のみを選別することができる。なお、このように選別された多結晶シリコン薄膜４０２の平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度であり、その最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下（または平均表面粗さ（Ｒａ）が３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下）である。
【０２４６】
ここで、多結晶シリコン薄膜４０２の結晶組織について、図２９を用いて説明する。図２９は、本実施の形態における多結晶シリコン薄膜４０２の結晶組織の状態を模式的に示す上面図である。
【０２４７】
図２９に示すように、多結晶シリコン薄膜４０２は、結晶粒径が異なる複数の結晶粒（結晶粒子）によって構成されており、結晶粒の境界は結晶粒界を形成している。つまり、ラマン半値幅が５．２ｃｍ−１以上５．８ｃｍ−１以下を示す多結晶シリコン薄膜では、その結晶粒径は、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で多結晶シリコンとして組織されている。
【０２４８】
このように、本実施の形態によれば、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下（または多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さ（Ｒａ）が３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下）となるような、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有する多結晶シリコン基板４００を実現することができる。
【０２４９】
なお、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜４０２のみを選別する方法としては、ラマン半値幅を用いる方法に限られない。すなわち、多結晶シリコン薄膜４０２のラマン半値幅と単結晶シリコンのラマン半値幅との比が１．４以上１．７以下を満たすものを選別するとしてもよいし、多結晶シリコン薄膜４０２のラマン半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差が、１．５ｃｍ−１以上２．３ｃｍ−１以下を満たすものを選別するとしてもよい。また、多結晶シリコン薄膜４０２のラマンバンドのピーク値と、多結晶シリコン薄膜４０２のラマンバンド半値幅に対する多結晶シリコン薄膜４０２のラマンバンドのピーク値の比（ピーク値／ラマン半値幅）が、０．０８以上０．２２以下を満たすものを選別するとしてもよい。ここで、多結晶シリコン薄膜４０２のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下であり、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅の値は、３．４ｃｍ−１である。
【０２５０】
（実施の形態４）
実施の形態２では、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有する電子デバイスとして、ボトムゲート型薄膜トランジスタの例について説明したが、それに限らない。結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有する電子デバイスとして、トップゲート型薄膜トランジスタであってもよい。以下、それについて説明する。
【０２５１】
図３０は、実施の形態４に係る薄膜トランジスタ装置の構成を模式的に示す断面図である。
【０２５２】
図３０に示す薄膜トランジスタ５００は、ガラス基板からなる基板５０１と、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるアンダーコート膜５０２と、多結晶シリコン薄膜５０４と、二酸化シリコン等の絶縁膜からなるゲート絶縁膜５０５と、モリブデンタングステン（ＭｏＷ）等のゲート電極５０６と、ＬＤＤ領域５０７と、ソース・ドレイン電極５０８と、二酸化シリコン等の絶縁膜からなるパッシベーション膜５０９と、ソース・ドレイン電極膜５１０とを備える。
【０２５３】
ＬＤＤ領域５０７は、多結晶シリコン薄膜５０４の両端部に位置し、多結晶シリコン薄膜５０４の両端部に不純物をライトドープすることにより形成される。
【０２５４】
ソース・ドレイン電極５０８は、ＬＤＤ領域５０７の両端部に位置し、ＬＤＤ領域５０７の両端部にさらに不純物をドープすることにより形成される。
【０２５５】
多結晶シリコン薄膜５０４は、例えば多結晶シリコン薄膜の一例であり、例えば、非結晶性の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を結晶化することによって形成することができる。
【０２５６】
ここで、多結晶シリコン薄膜５０４における結晶シリコンの平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度である。多結晶シリコン薄膜５０４の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度である。また、多結晶シリコン薄膜５０４が示す結晶性を次のように表すことができる。すなわち、多結晶シリコン薄膜５０４の固有のフォノンモードに対応するラマンバンド半値幅（以下ラマン半値幅とも表現）は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満である。ここで、多結晶シリコン薄膜５０４の固有のフォノンモードとは、ＴＯ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ）フォノンモードである。
【０２５７】
また、多結晶シリコン薄膜５０４が示す結晶性について別の表現を用いてもよい。例えば、多結晶シリコン薄膜５０４のラマン半値幅と単結晶シリコンのラマン半値幅との比は、１．４〜１．７であるとしてもよい。または、多結晶シリコン薄膜５０４のラマン半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差は、１．５ｃｍ−１以上２．３ｃｍ−１以下であるとしてもよい。さらに、多結晶シリコン薄膜５０４のラマンバンド半値幅に対する多結晶シリコン薄膜５０４のラマンバンドのピーク値の比（ピーク値／ラマン半値幅）は、０．０８以上０．２２以下であるとしてもよい。ここで、多結晶シリコン薄膜５０４のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下であり、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅の値は、３．４ｃｍ−１である。
【０２５８】
また、多結晶シリコン薄膜５０４の結晶は、（１１１）方位ではなく（１００）方位に対して支配的に配向している。多結晶シリコン薄膜５０４の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）は、５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、多結晶シリコン薄膜５０４の平均表面粗さ（Ｒａ）は、３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下である。
【０２５９】
以上のように、薄膜トランジスタ５００は構成される。
【０２６０】
つまり、多結晶シリコン薄膜５０４は、固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たし、かつ、平均結晶粒径が約５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下を満たしている。それにより、薄膜トランジスタ５００は、多結晶シリコン薄膜５０４の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下（または多結晶シリコン薄膜５０４の平均表面粗さ（Ｒａ）が３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下）となり、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有することができる。
【０２６１】
なお、薄膜トランジスタ５００は、後述する製造工程において、実施の形態１および２と同様に、少なくとも固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たす多結晶シリコン薄膜５０４が選別され、選別された多結晶シリコン薄膜４０２を用いて形成される。
【０２６２】
次に、本実施の形態に係るトップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法について、図３１Ａから図３１Ｈまでを用いて説明する。図３１Ａから図３１Ｈは、本実施の形態に係るトップゲート型の薄膜トランジスタ５００の製造方法における各工程を模式的に示す断面図である。
【０２６３】
図３１Ａに示すように、まず、基板５０１を準備する（基板準備工程）。基板５０１としては、例えば、ガラス基板を用いることができる。
【０２６４】
次に、図３１Ｂに示すように、基板５０１上に、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるアンダーコート膜５０２を形成する。その後、同図に示すように、基板５０１の上方に、非晶質シリコン薄膜５０３を形成する（シリコン薄膜形成工程）。例えば、アンダーコート膜５０２の上に、非晶質シリコン薄膜５０３としてアモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。
【０２６５】
次に、図３１Ｃに示すように、非晶質シリコン薄膜５０３に対してレーザ光を相対走査させつつ、レーザ光を非晶質シリコン薄膜５０３の所定領域に照射することにより、非晶質シリコン薄膜５０３を結晶化して多結晶シリコン薄膜５０４を形成する（シリコン薄膜結晶化工程）。この工程は、上述の薄膜形成基板の製造方法における結晶化工程と同様の方法、すなわち、図２Ｄに示すようにボトムゲート型の薄膜トランジスタ装置１００の製造方法におけるシリコン薄膜結晶化工程や、図２８Ｃに示すように多結晶シリコン基板４００の製造方法における結晶化工程と同様の方法によって行う。
【０２６６】
具体的には、まず、非晶質シリコン薄膜５０３を結晶化させるために所定の波長の光線を準備し、非晶質シリコン薄膜５０３に対して所定の光を照射する準備を行う。ここで、所定の光とは、例えばグリーンレーザ光である。
【０２６７】
次いで、図２０に示す結晶性半導体薄膜形成装置を用いて、非晶質シリコン薄膜５０３を結晶化させる。すなわち、所定の光強度分布を有するレーザ光ＬＢを非晶質シリコン薄膜５０３表面に照射することで、非晶質シリコン薄膜５０３を結晶化させる。
【０２６８】
次いで、多結晶シリコン薄膜５０４の固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たすかを検査する。そして、検査の際、上記条件をクリアした多結晶シリコン薄膜５０４のみを選別する。このようにして、結晶性のばらつきが小さい薄膜からなる多結晶シリコン薄膜５０４のみを選別することができる。なお、このように選別された多結晶シリコン薄膜５０４の平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度であり、その最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下（または平均表面粗さ（Ｒａ）が３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下）である。
【０２６９】
次に、選別された多結晶シリコン薄膜５０４を有する基板５０１において、図３１Ｄに示すように、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施す。それにより、レーザ未照射の未結晶化領域である非晶質シリコン薄膜５０３及びレーザ照射によって結晶化された多結晶シリコン薄膜５０４を選択的にパターニングする。具体的には、非晶質シリコン薄膜５０３を除去するとともに多結晶シリコン薄膜５０４を島状にパターン形成する。
【０２７０】
その後、同図に示すように、基板５０１の上方に、ゲート絶縁膜５０５を形成する（ゲート絶縁膜形成工程）。例えば、島状の多結晶シリコン薄膜５０４を覆うようにして、基板５０１の上方の全面に、二酸化シリコン等の絶縁膜からなるゲート絶縁膜５０５をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。
【０２７１】
次に、図３１Ｅに示すように、基板５０１の上方に、ゲート電極５０６をパターン形成する（ゲート電極形成工程）。例えば、基板５０１の上方の全面にモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等のゲート金属膜をスパッタによって成膜し、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことによりゲート金属膜をパターニングして、多結晶シリコン薄膜５０４の上方にゲート絶縁膜５０５を介して所定形状のゲート電極５０６を形成する。
【０２７２】
次に、図３１Ｆに示すように、ゲート電極５０６をマスクとして多結晶シリコン薄膜５０４の両端部に不純物をライトドープすることにより、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域５０７を形成する。また、ＬＤＤ領域５０７の両端部に対してさらに不純物をドープすることにより、ＬＤＤ領域５０７の両端部に位置するソース・ドレイン電極５０８を形成する。
【０２７３】
次に、図３１Ｇに示すように、基板５０１の上方に、パッシベーション膜５０９を形成する。例えば、ゲート電極５０６及びゲート絶縁膜５０５を覆うようにして、基板５０１の上方の全面に、二酸化シリコン等の絶縁膜からなるパッシベーション膜５０９をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。その後、同図に示すように、ソース・ドレイン電極５０８を露出させるようにパッシベーション膜５０９にコンタクトホールを形成する。
【０２７４】
次に、図３１Ｈに示すように、パッシベーション膜５０９のコンタクトホールを埋めるように、パッシベーション膜５０９上に一対のソース・ドレイン電極膜５１０を形成する。これにより、図３１Ｈに示すように、トップゲート型の薄膜トランジスタ５００を製造することができる。
【０２７５】
このように、本実施の形態によれば、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下（または多結晶シリコン薄膜の平均表面粗さ（Ｒａ）が３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下）となるような、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜５０４を有する薄膜トランジスタ５００を実現することができる。
【０２７６】
なお、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜５０４のみを選別する方法としては、ラマン半値幅を用いる方法に限られない。すなわち、多結晶シリコン薄膜５０４のラマン半値幅と単結晶シリコンのラマン半値幅との比が１．４〜１．７を満たすものを選別するとしてもよいし、多結晶シリコン薄膜５０４のラマン半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差が、１．５ｃｍ−１〜２．３ｃｍ−１を満たすものを選別するとしてもよい。また、多結晶シリコン薄膜５０４のラマンバンドのピーク値と、多結晶シリコン薄膜５０４のラマンバンド半値幅に対する多結晶シリコン薄膜のラマンバンドのピーク値の比（ピーク値／ラマン半値幅）が、０．０８以上０．２２以下を満たすものを選別するとしてもよい。ここで、多結晶シリコン薄膜５０４のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下であり、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅の値は、３．４ｃｍ−１である。
【０２７７】
（実施の形態５）
実施の形態５では、電子デバイスのさらに別の例として、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有する太陽電池について説明する。
【０２７８】
図３２は、実施の形態５に係る太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。
【０２７９】
図３２に示すように、太陽電池６００は、金属電極６１１と、透明電極６１２と、光電変換ユニットであるｎ−結晶Ｓｉ層６１３、ｉ−結晶Ｓｉ層６１４及びｐ−結晶Ｓｉ層６１５と、透明電極６１６と、ガラス基板６１７とを備えている。
【０２８０】
金属電極６１１はＡｇにより形成され、透明電極６１２、６１６は、ＩＴＯにより形成されている。また、光電変換ユニットであるｎ−結晶Ｓｉ層６１３、ｉ−結晶Ｓｉ層６１４及びｐ−結晶Ｓｉ層６１５、は、例えば２０−１００ｎｍ、２−３μｍ、２０−１００ｎｍの厚さにそれぞれ形成されている。
【０２８１】
図３２に示す矢印のように太陽光がガラス基板６１７の上方から入射されると、光電変換ユニットであるｐ−結晶Ｓｉ層６１５、ｉ−結晶Ｓｉ層６１４、ｎ−結晶Ｓｉ層６１３、において、受けた光が光起電力効果により即時に電力に変換され、金属電極６１１及び透明電極６１６間の電圧として出力される。
【０２８２】
ここで、ガラス基板６１７が例えば基板の一例である。また、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５は種結晶層であり、例えば多結晶シリコン薄膜の一例である。ｉ−結晶Ｓｉ層６１４は、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５からエピタキシャル成長された層である。
【０２８３】
つまり、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５は、例えば多結晶シリコン薄膜の一例であり、例えば、非結晶性の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を結晶化することによって形成することができる。
【０２８４】
ここで、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５における結晶シリコンの平均結晶粒径は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度である。ｐ−結晶Ｓｉ層６１５の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ程以下度である。また、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５が示す結晶性を次のように表すことができる。すなわち、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５の固有のフォノンモードに対応するラマンバンド半値幅（以下ラマン半値幅とも表現）は、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満である。ここで、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５の固有のフォノンモードとは、ＴＯ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ）フォノンモードである。
【０２８５】
また、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５が示す結晶性について別の表現を用いてもよい。例えば、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５のラマン半値幅と単結晶シリコンのラマン半値幅との比は、１．４以上１．７であるとしてもよい。または、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５のラマン半値幅と単結晶シリコン基板のラマン半値幅の差は、１．５ｃｍ−１以上２．３ｃｍ−１以下であるとしてもよい。さらに、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５のラマンバンド半値幅に対するｐ−結晶Ｓｉ層６１５のラマンバンドのピーク値の比（ピーク値／ラマン半値幅）は、０．０８以上０．２２以下であるとしてもよい。ここで、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５のラマンバンドのピーク位置は、５１６ｃｍ−１以上５１８ｃｍ−１以下であり、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）のラマン半値幅の値は、３．４ｃｍ−１である。
【０２８６】
また、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５の結晶は、（１１１）方位ではなく（１００）方位に対して支配的に配向している。ｐ−結晶Ｓｉ層６１５の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）は、５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５の平均表面粗さ（Ｒａ）は、３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下である。
【０２８７】
以上のように、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５を有する太陽電池６００は構成される。
【０２８８】
つまり、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５は、固有のフォノンモードに対応するラマンバンドの半値幅が、５．０ｃｍ−１以上６．０ｃｍ−１未満を満たしている。そして、さらに平均結晶粒径が約５０ｎｍ以上３００ｎｍを満たしている。それにより、太陽電池６００では、ｐ−結晶Ｓｉ層６１５は、平均結晶粒径が約５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下を満たし、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が５０ｎｍ以上６０ｎｍ（またはｐ−結晶Ｓｉ層６１５の平均表面粗さ（Ｒａ）が３．２ｎｍ以上４ｎｍ以下）を満たす。このように、太陽電池６００は、結晶性のばらつきが小さい多結晶シリコン薄膜を有することができる。
【０２８９】
以上のようにして、好ましい膜質条件を満たすことで結晶性のばらつきの少ない多結晶シリコン薄膜を有する結晶シリコン基板、その製造方法、電子デバイスを実現することができる。
【０２９０】
なお、本発明の結晶シリコン基板は、結晶性のばらつきが少なく、表面ラフネスが低減されるから、電子デバイスが作りやすいという効果を奏する。つまり、本発明の結晶シリコン基板は、上述した薄膜トランジスタや薄膜太陽光電池だけでなく、密着型イメージセンサ、発光デバイス、弾道電子エミッタ等にも適用することができる。
【０２９１】
また、本発明の電子デバイスの具体的態様である薄膜トランジスタ装置は、有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬ表示装置だけでなく、液晶表示装置等、アクティブマトリクス基板が用いられる他の表示装置にも適用することができる。また、このように構成される表示装置については、フラットパネルディスプレイとして利用することができ、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのあらゆる表示パネルを有する電子機器に適用することができる。
【０２９２】
以上、本発明の一つまたは複数の態様に係る結晶シリコン基板、その製造方法、電子デバイスについて、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明に係る薄膜トランジスタ装置及びその製造方法は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
【０２９３】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２９４】
本発明に係る薄膜トランジスタ装置は、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などの表示装置又はその他様々な電気機器に広く利用することができる。
【符号の説明】
【０２９５】
１００、１５０  薄膜トランジスタ装置
１０１  基板
１０２  ゲート電極
１０３  ゲート絶縁膜
１０４  結晶シリコン薄膜
１０５、１５５  非晶質シリコン薄膜
１０６、１５６  コンタクト層
１０６ａ、１５６ａ  コンタクト層用膜
１０７、１５７  絶縁層
１０７ａ、１５７ａ  絶縁層形成用膜
１０８  ソースドレイン金属膜
１０８Ｓ  ソース電極
１０８Ｄ  ドレイン電極
１０９  パッシベーション膜
２００  ラマン分光装置
２０１  光源
２０２  アッテネーター
２０３  フィルター
２０４  ミラー
２０５  ビームスプリッター
２０６  対物レンズ
２０７  試料
２０８  ステージ
２０９  スリット
２１０  分光器
２１１  検出器
５０２  アンダーコート膜
５０７  ＬＤＤ領域
５０８  ソース・ドレイン電極
５０９  パッシベーション膜
５１０  ソース・ドレイン電極膜
６００  太陽電池
６１１  金属電極
６１２、６１６  透明電極
６１３  ｎ−結晶Ｓｉ層
６１４  ｉ−結晶Ｓｉ層
６１５  ｐ−結晶Ｓｉ層
６１７  ガラス基板
２０００  多結晶シリコン薄膜形成装置
２０７０  試料
２０７０Ｓ  表面
２１００  試料保持部
２２００  レーザ光発振部
２３００  光学系部
２３１０  ホモジナイザー
２３２０  コンデンサレンズ
２３３０  ＤＯＥレンズ
２４００  制御部
２４１０  走査制御部
２４２０  レーザ光強度分布調整部
【図１】
0005987174.tif 000002
【図２Ａ】
0005987174.tif 000003
【図２Ｂ】
0005987174.tif 000004
【図２Ｃ】
0005987174.tif 000005
【図２Ｄ】
0005987174.tif 000006
【図２Ｅ】
0005987174.tif 000007
【図２Ｆ】
0005987174.tif 000008
【図２Ｇ】
0005987174.tif 000009
【図２Ｈ】
0005987174.tif 000010
【図２Ｉ】
0005987174.tif 000011
【図２Ｊ】
0005987174.tif 000012
【図２Ｋ】
0005987174.tif 000013
【図３】
0005987174.tif 000014
【図４】
0005987174.tif 000015
【図５】
0005987174.tif 000016
【図６】
0005987174.tif 000017
【図７】
0005987174.tif 000018
【図８】
0005987174.tif 000019
【図９】
0005987174.tif 000020
【図１０】
0005987174.tif 000021
【図１１】
0005987174.tif 000022
【図１２】
0005987174.tif 000023
【図１３】
0005987174.tif 000024
【図１４】
0005987174.tif 000025
【図１５】
0005987174.tif 000026
【図１６】
0005987174.tif 000027
【図１７】
0005987174.tif 000028
【図１８】
0005987174.tif 000029
【図１９Ａ】
0005987174.tif 000030
【図１９Ｂ】
0005987174.tif 000031
【図１９Ｃ】
0005987174.tif 000032
【図１９Ｄ】
0005987174.tif 000033
【図１９Ｅ】
0005987174.tif 000034
【図１９Ｆ】
0005987174.tif 000035
【図１９Ｇ】
0005987174.tif 000036
【図１９Ｈ】
0005987174.tif 000037
【図１９Ｉ】
0005987174.tif 000038
【図１９Ｊ】
0005987174.tif 000039
【図１９Ｋ】
0005987174.tif 000040
【図２０】
0005987174.tif 000041
【図２１】
0005987174.tif 000042
【図２２】
0005987174.tif 000043
【図２３】
0005987174.tif 000044
【図２４】
0005987174.tif 000045
【図２５】
0005987174.tif 000046
【図２６】
0005987174.tif 000047
【図２７】
0005987174.tif 000048
【図２８Ａ】
0005987174.tif 000049
【図２８Ｂ】
0005987174.tif 000050
【図２８Ｃ】
0005987174.tif 000051
【図２８Ｄ】
0005987174.tif 000052
【図２９】
0005987174.tif 000053
【図３０】
0005987174.tif 000054
【図３１Ａ】
0005987174.tif 000055
【図３１Ｂ】
0005987174.tif 000056
【図３１Ｃ】
0005987174.tif 000057
【図３１Ｄ】
0005987174.tif 000058
【図３１Ｅ】
0005987174.tif 000059
【図３１Ｆ】
0005987174.tif 000060
【図３１Ｇ】
0005987174.tif 000061
【図３１Ｈ】
0005987174.tif 000062
【図３２】
0005987174.tif 000063