(57)【要約】【課題】  優れた特性の結晶性膜を得る。【解決手段】  結晶化したい薄膜の作製時に、下地の絶縁膜に予め所望のパターンで膜の熱伝導率を変化させる不純物元素を導入しておく。この薄膜中で結晶化が起こる際に、この薄膜内で温度分布が形成される。エネルギービームを照射したときに下地の絶縁膜の熱伝導が高い領域から先に固化し始め、熱伝導が低い領域が最後に固化される。その結果、リッジ位置を積極的に制御することが可能となり、所望の領域に平滑な表面を有する結晶性薄膜を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程と、
該第１絶縁膜に所定パターンで部分的に不純物元素を導入する不純物元素導入工程と、
該第１絶縁膜上に非単結晶膜を形成する非単結晶膜形成工程と、
該非単結晶膜上にエネルギービームを照射して結晶性膜を形成する結晶性膜形成工程とを有する結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２】
前記不純物元素導入工程において、前記不純物元素として、前記第１絶縁膜の熱伝導率を変化可能な材料を用いる請求項１に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項３】
前記不純物元素導入工程において、前記不純物元素として、前記第１絶縁膜に該不純物元素が導入された部分が、該不純物元素が導入されていない部分と比較して、熱伝導率が高いか、または熱伝導率が低くなる材料を用いる請求項１または２に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項４】
前記不純物元素導入工程において、前記第１絶縁膜に、イオン注入法またはイオンドーピング法により前記不純物元素を導入する請求項１〜３のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項５】
前記第１絶縁膜は酸化珪素化合物膜である請求項１〜４のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項６】
前記第１絶縁膜に導入される不純物元素は、窒素、アルミニウムおよび炭素のうちの少なくとも一つを含む請求項５に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項７】
前記第１絶縁膜は窒化珪素化合物膜である請求項１〜４のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項８】
前記第１絶縁膜に導入される不純物元素は、酸素、アルミニウムおよび炭素のうちの少なくとも一つを含む請求項７に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項９】
前記第１絶縁膜は酸化アルミニウム化合物膜である請求項１〜４のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１０】
前記第１絶縁膜に導入される不純物元素は、窒素、珪素および炭素のうちの少なくとも一つを含む請求項９に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１１】
前記第１絶縁膜は窒化アルミニウム化合物膜である請求項１〜４のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１２】
前記第１絶縁膜に導入される不純物元素は、酸素、珪素および炭素のうちの少なくとも一つを含む請求項１１に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１３】
前記不純物元素導入工程と前記非単結晶膜形成工程の間に、前記第１絶縁膜上に第２絶縁膜を形成する第２絶縁膜形成工程を更に有する請求項１に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１４】
前記第２絶縁膜の膜厚を前記第１絶縁膜の膜厚よりも薄く設定する請求項１３に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１５】
前記第２絶縁膜の膜厚は、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下に設定する請求項１３または１４に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１６】
前記第２絶縁膜は、前記第１絶縁膜よりも前記結晶性膜との界面順位密度が小さい膜である請求項１３〜１５のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１７】
前記第２絶縁膜は酸化珪素化合物膜である請求項１３〜１６のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１８】
前記非単結晶薄膜は半導体膜である請求項１〜１７のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項１９】
前記非単結晶薄膜は珪素膜である請求項１〜１８のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２０】
前記第１絶縁膜内に不純物元素が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）の差と、該第１絶縁膜の膜厚（ｍ）との積を５×１０−８（Ｗ／Ｋ）以上１．２×１０−５（Ｗ／Ｋ）以下に設定する請求項１に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２１】
前記非単結晶薄膜の膜厚を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下に設定する請求項１〜２０のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２２】
前記エネルギービームは光である請求項１〜２１のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２３】
前記光は、レーザ光である請求項２２に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２４】
前記レーザ光は、その波長が４００ｎｍ以下である請求項２２に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２５】
前記レーザ光は、そのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２以上５００ｍＪ／ｃｍ２以下のパルスレーザである請求項２３または２４に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２６】
前記所定パターンは、結晶性薄膜として用いる部分またはその周囲の部分である請求項１に記載の結晶性薄膜の作製方法。
【請求項２７】
請求項１〜２６のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法によって作製された結晶性薄膜。
【請求項２８】
請求項１８または１９に記載の結晶性薄膜の作製方法によって作製された半導体薄膜。
【請求項２９】
請求項１８または１９に記載の結晶性薄膜の作製方法によって作製された半導体薄膜を用いた半導体装置。
【請求項３０】
請求項１８または１９に記載の結晶性薄膜の作製方法によって作製された半導体薄膜を用いた半導体装置を備えたディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成される結晶性薄膜の作製方法、この方法によって作製された結晶性薄膜および半導体薄膜、この半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体装置、およびこれを用いた液晶表示装置などのディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に代表される薄膜半導体素子が注目されている。薄膜半導体素子は、絶縁性表面を有する基板上に数十ｎｍ〜数百ｎｍの半導体薄膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学的気相成長）法などで形成し、この半導体薄膜を活性層として、絶縁ゲート型電界効果半導体装置やダイオードなどを構成する。
【０００３】
その中でも、キャリア移動度が高い結晶性半導体薄膜が注目されている。この結晶性半導体薄膜を形成する方法としては、従来から、基板上に形成された非単結晶膜を熱処理したり、エネルギービームを照射して結晶化する方法などが知られている。特に、ライン状エネルギービームを用いた結晶化法の研究は各機関で盛んに行われており、ライン状エネルギービームを走査しながら非単結晶膜に断続的に照射してその非単結晶膜を溶融固化させることを繰り返すことにより結晶性半導体薄膜を形成させる方法が挙げられる。
【０００４】
しかしながら、非単結晶膜にエネルギービームを照射した場合、得られる結晶性薄膜において、最後に固化される領域の表面に凸部（リッジ）が形成されてしまうという問題がある。特に、非単結晶膜の膜厚を１００ｎｍ以下と薄くした場合に、この傾向が顕著になる。
【０００５】
半導体薄膜を用いて薄膜トランジスタを構成する場合には、半導体薄膜の表面状態が非常に重要になる。これは、半導体薄膜の表面をキャリアが伝導するため、半導体薄膜の表面に凹凸が存在すると、移動するキャリアが散乱されたり、トラップされたりしてしまうからである。また、半導体薄膜に接してゲート絶縁膜やその他の絶縁膜を形成する必要があるが、半導体薄膜の表面に凹凸が存在すると、それらの絶縁膜のカバレッジが悪くなり、絶縁不良や特性の不安定さの原因となってしまう。したがって、半導体薄膜の表面は、なるべく平滑である方が好ましい。
【０００６】
そこで、特許文献１には、表面に凹凸を有する結晶性半導体膜に対して、膜表面の平坦部にマスク材料を堆積した後にエッチングを行うことにより、リッジを除去して結晶性半導体膜の表面を平坦化させる方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、酸化雰囲気中にてレーザ照射により表面にリッジを有する結晶性半導体膜を形成した後、表面酸化珪素膜をエッチングで除去し、次に１回目のレーザ照射時よりも酸素量が少ない雰囲気で再度レーザ照射を行うことにより結晶性半導体膜のリッジを小さくし、表面を平坦化させる方法が開示されている。
【０００８】
さらに、特許文献３には、窒化珪素膜をフォトリソグラフィ法によりストライプ状またはモザイク状のパターンに除去した後、酸化珪素膜を堆積させることにより熱伝導率の差を形成する方法が開示されている。この方法によれば、酸化珪素膜よりも熱伝導率が高い窒化珪素膜の方が熱が逃げ易いため、レーザ照射により非晶質珪素膜がほぼ均等に加熱されても、窒化珪素膜上の非晶質珪素膜の温度が酸化珪素膜上の非晶質珪素膜の温度に比べて低温となる。その結果、高温領域に存在する結晶核からの結晶成長速度が低温領域に存在する結晶核からの結晶成長速度よりも速くなり、高温領域から成長された結晶粒が低温領域まで広がってグレインサイズが大きくなると共にリッジ位置を制御することができる。
【特許文献１】特開平８−１７２０７９号公報
【特許文献２】特開２００１−６０５５１号公報
【特許文献３】特開平６−１４０３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１の従来技術では、平坦部のみならず、凸部にもマスク材料が堆積することが十分考えられるため、凸部のみを選択的に除去することは困難であった。
【００１０】
特許文献２の従来技術では、２回のレーザ処理が必要とされることから、生産性の低下およびコストアップの要因となる。
【００１１】
特許文献３の従来技術では、絶縁膜内に熱伝導率の差を形成するために２度の膜堆積が行われるため、窒化珪素膜のパターン上にも酸化珪素膜が堆積して絶縁膜の表面に凹凸が形成されると考えられる。また、絶縁膜の材料が窒化珪素膜および酸化珪素膜に限定されていることから、熱伝導率が高い部分が窒化珪素膜部分に限られてしまう。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、非単結晶膜にエネルギービームを照射して結晶性薄膜を形成する際に表面凹凸発生位置の制御を積極的に行って、素子形成領域、特にトランジスタのチャネル領域などが形成される領域の表面が平滑な結晶性薄膜を作製することが可能な結晶性薄膜の作製方法、その方法により作製された良好な結晶性薄膜と半導体薄膜、その半導体薄膜を用いた性能、信頼性および安定性に優れた半導体装置およびその半導体装置を備えたディスプレイ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】
【００１３】
本発明の結晶性薄膜の作製方法は、基板上に第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程と、該第１絶縁膜に所定パターンで部分的に不純物元素を導入する不純物元素導入工程と、  該第１絶縁膜上に非単結晶膜を形成する非単結晶膜形成工程と、該非単結晶膜上にエネルギービームを照射して結晶性膜を形成する結晶性膜形成工程とを有し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１４】
また、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における不純物元素導入工程において、前記不純物元素として、前記第１絶縁膜の熱伝導率を変化可能な材料を用いる。
【００１５】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における不純物元素導入工程において、前記不純物元素として、前記第１絶縁膜に該不純物元素が導入された部分が、該不純物元素が導入されていない部分と比較して、熱伝導率が高いか、または熱伝導率が低くなる材料を用いる。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における不純物元素導入工程において、前記第１絶縁膜に、イオン注入法またはイオンドーピング法により前記不純物元素を導入する。
【００１７】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第１絶縁膜は酸化珪素化合物膜である。
【００１８】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第１絶縁膜に導入される不純物元素は、窒素、アルミニウムおよび炭素のうちの少なくとも一つを含む。
【００１９】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第１絶縁膜は窒化珪素化合物膜である。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第１絶縁膜に導入される不純物元素は、酸素、アルミニウムおよび炭素のうちの少なくとも一つを含む。
【００２１】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第１絶縁膜は酸化アルミニウム化合物膜である。
【００２２】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第１絶縁膜に導入される不純物元素は、窒素、珪素および炭素のうちの少なくとも一つを含む。
【００２３】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第１絶縁膜は窒化アルミニウム化合物膜である。
【００２４】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第１絶縁膜に導入される不純物元素は、酸素、珪素および炭素のうちの少なくとも一つを含む。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における不純物元素導入工程と前記非単結晶膜形成工程の間に、前記第１絶縁膜上に第２絶縁膜を形成する第２絶縁膜形成工程を更に有する。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第２絶縁膜の膜厚を前記第１絶縁膜の膜厚よりも薄く設定する。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第２絶縁膜の膜厚は、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下に設定する。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第２絶縁膜は、前記第１絶縁膜よりも前記結晶性膜との界面順位密度が小さい膜である。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における第２絶縁膜は酸化珪素化合物膜である。
【００３０】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における非単結晶薄膜は半導体膜である。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における非単結晶薄膜は珪素膜である。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法において、前記第１絶縁膜内に不純物元素が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）の差と、該第１絶縁膜の膜厚（ｍ）との積を５×１０−８（Ｗ／Ｋ）以上１．２×１０−５（Ｗ／Ｋ）以下に設定する。
【００３３】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における非単結晶薄膜の膜厚を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下に設定する。
【００３４】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法におけるエネルギービームは光である。
【００３５】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における光は、レーザ光である。
【００３６】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法におけるレーザ光は、その波長が４００ｎｍ以下である。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法におけるレーザ光は、そのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２以上５００ｍＪ／ｃｍ２以下のパルスレーザである。
【００３８】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜の作製方法における所定パターンは、結晶性薄膜として用いる部分またはその周囲の部分である。
【００３９】
本発明の結晶性薄膜は、請求項１〜２６のいずれかに記載の結晶性薄膜の作製方法によって作製されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４０】
本発明の半導体薄膜は、請求項１８または１９に記載の結晶性薄膜の作製方法によって作製されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４１】
本発明の半導体装置は、請求項１８または１９に記載の結晶性薄膜の作製方法によって作製された半導体薄膜を用いており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４２】
本発明のディスプレイ装置は、請求項１８または１９に記載の結晶性薄膜の作製方法によって作製された半導体薄膜を用いた半導体装置有しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４３】
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
【００４４】
本発明にあっては、非単結晶膜にエネルギービームを照射して結晶性薄膜を作製する方法において、冷却温度の違いによりリッジ発生位置の制御を積極的に行い、素子形成領域、特にトランジスタのチャネル領域などが形成される領域の表面が平滑された結晶性薄膜を作製する。
【００４５】
このため、基板上に第１絶縁膜を形成した後、イオン注入法やイオンドーピング法などにより所望の所定パターンで部分的に不純物元素を導入する。この所定パターンは、結晶性薄膜として用いる部分（トランジスタのチャネル領域などの平坦な部分）またはその周囲の部分（トランジスタのチャネル領域などの平坦な部分）とする。
【００４６】
この第１絶縁膜上に非単結晶膜を堆積させて、非単結晶膜上からエネルギービームを照射する。このとき、非単結晶膜下層の上記第１絶縁膜中には不純物元素が所望の所定パターンで導入されており、不純物元素が導入された領域と不純物限度が導入されていない領域とで熱伝導率が相対的に異なる。
【００４７】
このことから、エネルギービームの照射後、熱伝導率が高い領域では基板への熱伝導が大きく、温度が下がりやすいため、この領域から優先的に結晶化が進行し、熱伝導率が低い領域が最後に固化される。その結果、熱伝導率が高い領域では表面に凹凸（リッジ）形成が起こりにくくなり、平滑な表面が得られることから、この領域にトランジスタのチャネル領域を形成することにより、表面の凹凸に起因して生じる特性低下や絶縁不良を防ぐことが可能となる。
【００４８】
上記特許文献１に開示されている従来技術では、平坦部のみならず、凸部にもマスク材料が堆積されることが十分考えられるため、凸部のみを選択的に除去することは困難であった。また、特許文献２に開示されている従来技術では、２回のレーザ処理が必要とされることから、生産性の低下およびコストアップの要因となっていた。
【００４９】
これに対して、本発明によれば、第１絶縁膜に不純物元素を導入する領域をマスクで任意にパターニングすることができるため、キャリアが伝導するチャネル領域などが形成される個所に平滑な表面を作製することができる。例えば平滑性が必要とされる領域をマスクし、不純物元素が導入された箇所の熱伝導率が未導入の領域と比べて相対的に低くなるようにすることによって、未導入領域から先に結晶化が行われ、導入領域が最後に固化される。その結果、最も結晶化が遅い領域の表面に形成されるリッジが、マスクされた領域の表面には形成されず、平滑な表面が得られる。
【００５０】
また、平滑性が必要とされる領域以外をマスクし、不純物元素が導入された箇所の熱伝導率が未導入の領域と比べて相対的に高くなるようにすることによって、導入領域から先に結晶化が行われ、未導入領域が最後に固化される。その結果、最も結晶化が遅い領域の表面に形成されるリッジが、マスクされていない領域の表面には形成されず、平滑な表面が得られる。
【００５１】
さらに、上記特許文献３に開示されている従来技術では、絶縁膜内に熱伝導率の差を形成するために２度の膜堆積が行われるため、窒化珪素膜のパターン上にも酸化珪素膜が堆積して絶縁膜の表面に凹凸が形成されると考えられる。また、絶縁膜の材料が窒化珪素膜および酸化珪素膜に限定されていることから、熱伝導率が高い部分が窒化珪素膜部分に限られてしまうという問題があった。
【００５２】
これに対して、本発明では、第１絶縁膜内に熱伝導率の差を形成するための不純物元素をイオンドーピング法やイオン注入法により導入することによって、第１絶縁膜の表面平坦性は保たれる。また、第１絶縁膜に導入される不純物元素を変えることによって、パターニングされた領域の熱伝導率を用途に合わせて相対的に高くすることも低くすることも可能である。
【００５３】
不純物元素が導入された箇所の熱伝導率が未導入の領域と比べて相対的に低くなるようにする場合には、例えば第１絶縁膜として窒化珪素化合物膜を形成し、不純物元素として酸素などを導入することができる。また、第１絶縁膜として酸化アルミニウム化合物膜を形成し、不純物元素として珪素などを導入することができる。さらに、第１絶縁膜として窒化アルミニウム化合物膜を形成し、不純物元素として、酸素および珪素などを導入することができる。
【００５４】
また、不純物元素が導入された箇所の熱伝導率が未導入の領域と比べて相対的に高くなるようにする場合には、例えば第１絶縁膜として酸化珪素化合物膜を形成し、不純物元素として窒素、アルミニウムおよび炭素などを導入することができる。また、第１絶縁膜として窒化珪素化合物膜を形成し、不純物元素としてアルミニウムおよび炭素などを導入することができる。さらに、第１絶縁膜として酸化アルミニウム化合物膜を形成し、不純物元素として窒素および炭素などを導入することができる。さらに、第１絶縁膜として窒化アルミニウム化合物膜を形成し、不純物元素として炭素などを導入することができる。
【００５５】
さらに、不純物元素が導入された酸化珪素化合物膜や、窒化珪素化合物膜、酸化アルミニウム化合物膜、窒化アルミニウム化合物膜などは、結晶性珪素膜との界面順位密度が大きく、特性低下の原因となることが考えられることから、上記第１絶縁膜上に、結晶性珪素膜との界面順位密度が小さい酸化珪素化合物膜などからなる第２絶縁膜を形成することが好ましい。この場合、第２絶縁膜の膜厚は、上記絶縁膜の膜厚より薄くすることが好ましい。
【００５６】
第２絶縁膜の膜厚が上記第１絶縁膜の膜厚よりも厚い場合、上記第１絶縁膜内で熱伝導率に差が生じにくくなり、非単結晶膜の溶融時間を制御することが困難になる。
【００５７】
さらに、上記第１絶縁膜において不純物元素が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）の差と、上記第１絶縁膜の膜厚（ｍ）との積が５×１０−８（Ｗ／Ｋ）以上１．２×１０−５（Ｗ／Ｋ）以下であることが好ましい。上記第１絶縁膜において不純物元素が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率の差と、上記第１絶縁膜の膜厚との積が５×１０−８（Ｗ／Ｋ）よりも小さい場合には、上記第１絶縁膜内で十分な熱伝導率の差を形成することができないからである。また、第１絶縁膜の不純物元素が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）の差と、膜厚（ｍ）との積が１．２×１０−５（Ｗ／Ｋ）よりも大きい場合にはレーザ照射時に、非単結晶膜内の熱伝導率の高い領域（熱の逃げやすい領域）が十分溶解するようにレーザパワーを上げた場合、熱伝導率の低い領域（熱の逃げにくい領域）において蒸発気化が起こる可能性があるからである。上記第１絶縁膜において不純物元素が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率の差と、上記第１絶縁膜の膜厚との積が５×１０−８（Ｗ／Ｋ）以上１．２×１０−５（Ｗ／Ｋ）以下にすることによって、非単結晶膜を一様に溶解できるうえ、絶縁膜内に十分な熱伝導率の差を生じさせて、結晶化の進行速度を制御することが可能となり、熱伝導率が高い領域において平滑な表面形状が得られる。
【００５８】
さらに、上記第２絶縁膜の膜厚は５ｎｍ以上２００ｎｍ以下にすることが好ましい。第２絶縁膜の膜厚が２００ｎｍよりも厚いと、エネルギービーム照射による上記非単結晶膜の溶融・結晶化の際に、上記第１絶縁膜中にパターニングされた熱伝導率の差を第２絶縁膜を介して非単結晶膜内に反映させて溶融時間を変化させることが困難になるからである。第２絶縁膜の膜厚を２００ｎｍ以下にすることによって、エネルギービームを照射した際に、上記絶縁膜に形成されたパターン通りに熱伝導率の差を溶融時間の差として非単結晶膜に反映させることができる。第２絶縁膜の膜厚は薄ければ薄いほど良いが（≠０ｎｍ）、本発明では第２の絶縁膜をCVDにより作製している為、CVDによる均一膜の作製限界と考えられる５ｎｍ以上の膜厚を下限値に設定している。
【００５９】
さらに、上記非単結晶膜の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。非単結晶膜の膜厚が１０ｎｍよりも薄いと、エネルギービームが充分吸収されないため、非単結晶膜の溶融が困難となる。また、非単結晶膜の膜厚が２００ｎｍよりも厚いと、非単結晶膜を溶融させるために過大なエネルギーが必要となり、安定して溶融させることができず、非単結晶膜内に溶融時間の差を形成することが困難となる。上記非単結晶膜の膜厚を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下にすることによって、非単結晶膜を安定して溶融させることが可能となり、かつ、上記第１絶縁膜に形成されたパターン通りに熱伝導率の差を溶融時間の差として非単結晶膜に反映させることができる。
【００６０】
さらに、上記エネルギービームとして、波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザ光であって、上記非単結晶膜に照射されるエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２以上〜５００ｍＪ／ｃｍ２以下のパルスレーザーであることが好ましい。上記エネルギービームのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２よりも小さいと、エネルギーが小さいため、非単結晶膜を充分に溶融させることができないからである。また、エネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ２よりも大きいと、エネルギーが大きいため、非単結晶膜中の一部に飛散が生じたりするからである。上記エネルギービームのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２以上５００ｍＪ／ｃｍ２以下のパルスレーザ光にすることによって、非単結晶膜を充分に溶融させることが可能であり、かつ、飛散が生じない。
【００６１】
なお、波長４００ｎｍ以下が好ましい理由については、実験データに基づいて設定した値ではあるが、吸収係数を考慮した上での熱効率の良い波長範囲であると考える。この場合、波長が短いほど熱効率は高くなると考えられるので下限値については、ここでは敢えて設定していない。
【発明の効果】
【００６２】
以上により、本発明によれば、基板上に形成された非単結晶膜にエネルギービームを照射して結晶化を行うに際して、下層に形成された第１絶縁膜に所望の所定パターンで不純物元素を導入することによって、不純物元素が導入された領域と導入されていない領域とで熱伝導率が相対的に異なるようにすることにより、非単結晶膜のエネルギービーム照射による溶解の際に温度勾配が形成され、熱伝導率が高い領域から優先的に結晶化が生じることから、熱伝導率が高い領域に平滑な表面を得ることができる。この平滑な表面が形成された領域にトランジスタのチャネル領域などを形成することによって、特性低下や絶縁不良が生じることなく、良好な特性の半導体装置を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
以下に、本発明の結晶性薄膜の作製方法の実施形態１〜６、これらを用いた本発明の半導体装置の実施形態７および、これを用いた本発明のディスプレイ装置の実施形態８について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
本実施形態１では、基板上に酸化珪素（ＳｉＯ２）膜を形成し、所望のパターンで部分的に不純物元素として窒素を導入した後、その上に非単結晶膜として非晶質珪素膜を形成し、非晶質珪素膜の下層の熱伝導率を各領域毎に異ならしめた状態でエネルギービームを照射することにより結晶性膜として結晶性珪素膜を作製する方法について説明する。
【００６４】
図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明の実施形態１に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程の積層構造を示す断面図であり、図２は、図１（ｅ）の外観を示す斜視図である。
【００６５】
まず、図１（ａ）に示すように、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、基板１上に絶縁膜としてＳｉＯ２膜２を膜厚２００ｎｍに形成する。基板１としては、石英基板またはガラス基板などの絶縁性の表面を有する基板、または珪素のウエハなどが用いられる。
【００６６】
次に、図１（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜２上にフォトレジスト膜３を膜面全体に一様に作製し、さらにその上を所望のパターンが形成されたフォトマスク４で覆って、光５にてフォトレジスト膜３を露光する。その後、図１（ｃ）に示すように、現像およびリンス洗浄を行って、ＳｉＯ２膜２上にフォトレジスト膜３に所望のパターンを形成する。
【００６７】
さらに、図１（ｄ）に示すよう、フォトレジスト膜３をマスクとしてＳｉＯ２膜２にイオン注入法またはイオンドーピング法を用いて不純物元素として窒素６を導入してＳｉＯ２膜２ａとした後に、フォトレジスト膜３を剥離する。このときの窒素６の導入量は、窒素６が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率の差と、ＳｉＯ２膜２の膜厚との積が５×１０−８（Ｗ／Ｋ；ワット／ケルビン）以上になるように設定される。
【００６８】
さらに、図１（ｅ）に示すように、ＳｉＯ２膜２ａ上に、減圧ＣＶＤ法によりＳｉ２Ｈ６ガスを用いて非単結晶膜として非晶質珪素膜７を膜厚１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、例えば５０ｎｍに形成する。
【００６９】
次に、図２に示すように、この非晶質珪素膜７に対して、エネルギービームとして、波長４００ｎｍ以下でエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２の以上５００ｍＪ／ｃｍ２以下のレーザ光、例えばレーザ幅が４００μｍでエネルギー密度が４００ｍＪ／ｃｍ２のエキシマレーザ光８を、照射位置２０μｍずつ移動方向９に移動させながら繰り返し照射する。これによって、非晶質珪素膜７の結晶化が進行し、結晶性膜として結晶性珪素膜１０が得られる。
【００７０】
このとき、非晶質珪素膜７にエネルギーが与えられるため、非晶質珪素膜７は溶融され、ＳｉＯ２膜２ａ中の窒素導入の有無による熱伝導率の面内分布に依存して、非晶質珪素膜７内に温度分布が形成される。本実施形態１では、窒素６が導入された領域において、窒素６が導入されていない領域と比較して、熱伝導率が高くなっており、非晶質珪素膜７面内に温度分布が生じる。
【００７１】
このため、レーザ照射された部分の非晶質珪素膜７内において、ＳｉＯ２膜２ａに窒素６が導入された領域の溶融時間が、導入されていない領域よりも短くなる。これは、窒素６が導入された領域の熱伝導率が相対的に大きくなっているため、非晶質珪素膜７に与えられた熱が直ちに基板１側へ拡散され、窒素６が導入されていない領域が最後に結晶化されるためである。
【００７２】
図３（ａ）は、従来の方法によりレーザ照射されたＳｉＯ２膜２中の熱伝導率分布１１の模式図を示し、図３（ｂ）は、本実施形態１によりレーザ照射されたＳｉＯ２膜２ａ中の熱伝導率分布１２の模式図を示している。また、図３（ｃ）に、非晶質珪素膜７を溶融・結晶化させた結晶性珪素膜１０の表面凹凸の形成状態の模式図を示している。
【００７３】
図３（ａ）に示すように、従来の方法によりレーザ照射されたＳｉＯ２膜２中の熱伝導率分布１１は一様である。これに対して、図３（ｂ）に示すように、本実施形態１によりレーザ照射されたＳｉＯ２膜２ａ中の熱伝導率分布１２は、窒素が導入された領域と、窒素が導入されていない領域とを比較して、窒素が導入された領域の熱伝導率が、窒素が導入されていない領域の熱伝導率よりも高くなっている。
【００７４】
このように、ＳｉＯ２膜２ａにおいて窒素６が導入された領域と窒素６が導入されていない領域とで熱伝導率に差が現れることにより、窒素６が導入されていない領域において非晶質珪素膜７の溶融時間を相対的に長くすることができる。
【００７５】
したがって、図３（ｃ）に示すように、結晶化完了の際に、結晶性珪素膜１０において、下層のＳｉＯ２膜２ａに窒素６が導入されていない領域上にリッジが形成され、窒素６が導入された領域上に平滑な表面が得られる。
【００７６】
なお、上記実施形態１では、ＳｉＯ２膜２ａに不純物元素として窒素を導入したが、アルミニウムまたは炭素などを用いても同様の効果が得られた。
【００７７】
（実施形態２）
本実施形態２では、基板上に窒化珪素（ＳｉＮ）膜を形成し、所望のパターンで部分的に不純物元素として酸素を導入した後、窒化珪素（ＳｉＮ）膜上に非晶質珪素膜を形成し、非晶質珪素膜の下層の熱伝導率を各領域毎に異ならしめた状態でエネルギービームを照射することにより結晶性珪素膜を作製する方法について説明する。
【００７８】
図４（ａ）〜図４（ｅ）は、本発明の実施形態２に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程の積層構造を示す断面図である。
【００７９】
まず、図４（ａ）に示すように、基板１上に、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＮＨ３ガスおよびＮ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により絶縁膜としてＳｉＮ膜１３を膜厚２００ｎｍに形成する。基板１としては、石英基板またはガラス基板などの絶縁性の表面を有する基板、または珪素のウエハなどが用いられる。
【００８０】
次に、上記実施形態１の場合と同様に、図４（ｂ）に示すように、ＳｉＮ膜１３上にフォトレジスト膜３を膜面全体に一様に作製し、さらにその上を所望のパターンが形成されたフォトマスク４で覆って、フォトマスク４をマスクとして光５にてフォトレジスト膜３を露光する。その後、図４（ｃ）に示すように、現像およびリンス洗浄を行って、ＳｉＮ膜１３上に上記フォトレジスト膜３によって所望のパターンを形成する。
【００８１】
さらに、図４（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜３をマスクとしてＳｉＮ膜１３にイオン注入法またはイオンドーピング法を用いて不純物元素として酸素１４を導入してＳｉＮ膜１３ａとした後に、フォトレジスト膜３を剥離する。このときの酸素１４の導入量は、酸素１４が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率の差と、ＳｉＮ膜１３の膜厚との積が５×１０−８（Ｗ／Ｋ）以上になるように設定される。
【００８２】
さらに、図４（ｅ）に示すように、ＳｉＮ膜１３ａ上に、減圧ＣＶＤ法によりＳｉ２Ｈ６ガスを用いて非単結晶膜として非晶質珪素膜７を膜厚１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、例えば５０ｎｍに形成する。
【００８３】
さらに、上記実施形態１の場合と同様に、エキシマレーザ光を繰り返し照射することによって、非晶質珪素膜７の結晶化が進行し、結晶性膜として結晶性珪素膜１０が得られる。
【００８４】
このとき、非晶質珪素膜７にエネルギーが与えられるため、非晶質珪素膜７は溶融され、ＳｉＮ膜１３ａ中の酸素導入の有無による熱伝導率の面内分布に依存して、非晶質珪素膜７内に温度分布が形成される。本実施形態２では、酸素１４が導入された領域は、酸素１４が導入されていない領域と比較して、熱伝導率が低くなっており、非晶質珪素膜７面内に温度分布が生じる。
【００８５】
このため、レーザ照射された部分の非晶質珪素膜７内において、ＳｉＮ膜１３ａに酸素１４が導入されていない領域の溶融時間が、導入された領域よりも短くなる。これは、酸素１４が導入されていない領域の熱伝導率が相対的に大きくなっているため、非晶質珪素膜７に与えられた熱が直ちに基板１側へ拡散され、酸素１４が導入された領域が最後に結晶化されるためである。
【００８６】
図５（ａ）は、本実施形態２によりレーザ照射されたＳｉＮ膜１３ａ中の熱伝導率分布１５の模式図を示し、図５（ｂ）は、非晶質珪素膜７を溶融・結晶化させた結晶性珪素膜１０の表面凹凸の形成状態の模式図を示している。
【００８７】
図５（ａ）に示すように、本実施形態２によりレーザ照射されたＳｉＮ膜１３ａ中の熱伝導率分布１５は、酸素が導入されていない領域が、酸素が導入された領域と比較して、熱伝導率が高くなっている。
【００８８】
このように、ＳｉＮ膜１３ａにおいて酸素１４が導入された領域と導入されていない領域とで熱伝導率に差が現れることにより、酸素１４が導入された領域において非晶質珪素膜７の溶融時間を相対的に長くすることができる。
【００８９】
したがって、図５（ｂ）に示すように、結晶化完了の際に、ＳｉＮ膜１３ａにおいて酸素１４が導入された領域上の結晶性珪素膜１０の表面部にリッジが形成され、酸素１４が導入されていない領域上の結晶性珪素膜１０では平滑な表面が得られる。
【００９０】
なお、上記実施形態２では、ＳｉＮ膜１３に不純物元素として酸素を導入したが、アルミニウムまたは炭素などを用いた場合には上記実施形態１の場合と同様の効果が得られ、結晶性珪素膜１０において、下層のＳｉＮ膜１３にアルミニウムまたは炭素などが導入された領域に平滑な表面が得られた。
【００９１】
（実施形態３）
本実施形態３では、基板上に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜を形成し、所望のパターンで部分的に不純物元素として窒素を導入した後、絶縁膜上に非単結晶膜として非晶質珪素膜を形成し、非晶質珪素膜の下層の熱伝導率を各領域毎に異ならしめた状態でエネルギービームを照射することにより結晶性珪素膜を作製する方法について説明する。
【００９２】
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、本発明の実施形態３に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程の積層構造を示す断面図である。
【００９３】
まず、図６（ａ）に示すように、まず、スパッタリング法により基板１上にＡｌ２Ｏ３膜１６を膜厚２００ｎｍに形成する。
【００９４】
次に、上記実施形態１の場合と同様にして、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、Ａｌ２Ｏ３膜１６上にフォトレジスト膜３によって所望のパターンを形成し、図６（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜３をマスクとしてＡｌ２Ｏ３膜１６にイオン注入法またはイオンドーピング法を用いて不純物元素として窒素を導入してＡｌ２Ｏ３膜１６ａとした後に、フォトレジスト膜３を剥離する。このときの窒素の導入量は、窒素が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率の差と、Ａｌ２Ｏ３膜１６ａの膜厚との積が５×１０−８（Ｗ／Ｋ）以上になるように設定される。
【００９５】
さらに、上記実施形態１の場合と同様にして、図６（ｅ）に示すように、Ａｌ２Ｏ３膜１６ａ上に非単結晶膜として非晶質珪素膜７を形成し、これにエキシマレーザ光を繰り返し照射することによって、非晶質珪素膜７の結晶化が進行し、結晶性膜として結晶性珪素膜１０が得られる。
【００９６】
このとき、非晶質珪素膜７にエネルギーが与えられるため、非晶質珪素膜７は溶融され、Ａｌ２Ｏ３膜１６ａ中の窒素導入の有無による熱伝導率の面内分布に依存して、非晶質珪素膜７内に温度分布が形成される。本実施形態３では、窒素が導入された領域は、窒素が導入されていない領域と比較して、熱伝導率が低くなっており、非晶質珪素膜面内に温度分布が生じる。これにより、上記実施形態１の場合と同様に、結晶性珪素膜１０において、その下層のＡｌ２Ｏ３膜１６ａに窒素が導入された領域に平滑な表面が得られた。
【００９７】
なお、上記実施形態３では、Ａｌ２Ｏ３膜１６に不純物元素として窒素を導入したが、炭素などを用いても同様の効果が得られた。また、Ａｌ２Ｏ３膜１６に不純物元素として珪素を導入した場合には、上記実施形態２の場合と同様の効果が得られ、結晶性珪素膜１０において、その下層のＡｌ２Ｏ３膜１６ａに珪素が導入されていない領域に平滑な表面が得られた。
【００９８】
（実施形態４）
本実施形態４では、基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を形成し、所望のパターンで部分的に不純物元素として酸素を導入した後、絶縁膜上に非晶質珪素膜を形成し、非晶質珪素膜の下層の熱伝導率を各領域毎に異ならしめた状態でエネルギービームを照射することにより結晶性珪素膜を作製する方法について説明する。
【００９９】
図７（ａ）〜図７（ｅ）は、本発明の実施形態４に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程の積層構造を示す断面図である。
【０１００】
まず、図７（ａ）に示すように、 まず、スパッタリング法により基板１上にＡｌＮ膜１７を膜厚２００ｎｍに形成する。
【０１０１】
次に、上記実施形態２の場合と同様にして、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、ＡｌＮ膜１７上に、フォトレジスト膜３に所望のパターンを形成し、図７（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜３をマスクとしてＡｌＮ膜１７にイオン注入法またはイオンドーピング法を用いて不純物元素として酸素を部分的に導入してＡｌＮ膜１７ａとした後に、フォトレジスト膜３を剥離する。このときの酸素の導入量は、酸素が導入された部分と導入されていない部分における熱伝導率の差と、ＡｌＮ膜１７ａの膜厚との積が５×１０−８（Ｗ／Ｋ）以上になるように設定される。
【０１０２】
さらに、上記実施形態２の場合と同様にして、ＡｌＮ膜１７ａ上に非単結晶膜として非晶質珪素膜７を形成し、これにエキシマレーザ光を繰り返し照射することによって、非晶質珪素膜７の結晶化が進行し、結晶性膜として結晶性珪素膜１０が得られる。
【０１０３】
このとき、非晶質珪素膜７にエネルギーが与えられるため、非晶質珪素膜７は溶融され、ＡｌＮ膜１７ａ中の酸素導入の有無による熱伝導率の面内分布に依存して、非晶質珪素膜７内に温度分布が形成される。本実施形態４では、酸素が導入された領域は、酸素が導入されていない領域と比較して、熱伝導率が低くなっており、非晶質珪素膜７の面内に温度分布が生じる。これにより、上記実施形態２の場合と同様に、結晶性珪素膜１０において、その下層のＡｌＮ膜１７ａにおいて、酸素が導入されていない領域に平滑な表面が得られた。
【０１０４】
なお、上記実施形態４では、ＡｌＮ膜１７に不純物元素として酸素を導入したが、珪素などを用いても同様の効果が得られた。また、ＡｌＮ膜１７に不純物元素として炭素を導入した場合には、上記実施形態１の場合と同様の効果が得られ、結晶性珪素膜１０において、下層のＡｌＮ膜１７ａにおいて炭素が導入された領域に平滑な表面が得られた。
（実施形態５）
本実施形態５では、基板上に絶縁膜として酸化珪素（ＳｉＯ２）膜を形成し、所望のパターンで部分的に不純物元素として窒素を導入した後、絶縁膜上に第２の絶縁膜として酸化珪素（ＳｉＯ２）膜を形成し、第２の絶縁膜上に非単結晶膜として非晶質珪素膜を形成して、非晶質珪素膜および第２の絶縁膜の下層の熱伝導率を各領域毎に異ならしめた状態でエネルギービームを照射することにより結晶性膜として結晶性珪素膜を作製する方法について説明する。
【０１０５】
図８（ａ）〜図８（ｅ）は、本発明の実施形態５に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程の積層構造を示す断面図である。 
【０１０６】
まず、上記実施形態１の場合と同様に、図８（ａ）に示すように、基板１上に絶縁膜としてＳｉＯ２膜２を形成する。
【０１０７】
次に、実施形態１と同様に、図８（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜２の上にフォトレジスト膜３を膜面全体に一様に作製し、さらにその上を所望のパターンが形成されたフォトマスク４で覆って、光５にて露光する。その後、図８（ｃ）に示すように、現像およびリンス洗浄を行って、ＳｉＯ２膜２に上記フォトレジスト膜３によって所望のパターンを形成する。
【０１０８】
さらに、上記実施形態１の場合と同様に、図８（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜３をマスクとしてＳｉＯ２膜２にイオン注入法またはイオンドーピング法を用いて不純物元素として窒素６を導入してＳｉＯ２膜２ｂとした後に、フォトレジスト膜３を剥離する。
【０１０９】
さらに、図８（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ法により第２の絶縁膜としてＳｉＯ２膜１８を膜厚２００ｎｍ以下、例えば５０ｎｍに形成する。ここで、第２の絶縁膜を形成する理由は、窒素６が導入された領域のＳｉＯ２膜２ｂと結晶性珪素膜１０との界面準位密度が大きく、特性低下の原因となるためであり、結晶性珪素膜１０との界面準位密度が小さいＳｉＯ２膜１８を形成している。
【０１１０】
次に、上記実施形態１の場合と同様に、図８（ｆ）に示すように、ＳｉＯ２膜１８上に非単結晶膜として非晶質珪素膜７を形成し、エキシマレーザ光を繰り返し照射することによって、非晶質珪素膜７の結晶化が進行し、結晶性膜として結晶性珪素膜１０が得られる。
【０１１１】
このとき、非晶質珪素膜７にエネルギーが与えられるため、非晶質珪素膜７は溶融され、ＳｉＯ２膜２ｂ中の窒素導入の有無による熱伝導率の面内分布に依存して、非晶質珪素膜７内に温度分布が形成される。本実施形態５では、窒素６が導入された領域において、窒素６が導入されていない領域と比較して、熱伝導率が高くなっており、非晶質珪素膜７面内に温度分布が生じる。これにより、図９に示すように、ＳｉＯ２膜２ｂに窒素６が導入された領域上の結晶性珪素膜１０に平滑な表面が得られる。
【０１１２】
なお、上記実施形態５では、ＳｉＯ２膜２に不純物元素として窒素を導入してＳｉＯ２膜２ｂとしたが、アルミニウムまたは炭素などを用いても同様の効果が得られた。
【０１１３】
また、上記実施形態５では絶縁膜としてＳｉＯ２膜２を用いたが、絶縁膜としてＳｉＮ膜を用いて、アルミニウムまたは炭素などを導入しても同様の効果が得られた。
【０１１４】
さらに、絶縁膜としてＡｌ２Ｏ３膜を用いて窒素または炭素などを導入したり、絶縁膜としてＡｌＮ膜を用いて炭素などを導入しても同様の効果が得られた。
（実施形態６）
本実施形態６では、基板上に絶縁膜として窒化珪素（ＳｉＮ）膜を形成し、所望のパターンで部分的に不純物元素として酸素を導入した後、この絶縁膜上に第２の絶縁膜として酸化珪素（ＳｉＯ２）膜を形成し、この第２の絶縁膜上に非単結晶膜として非晶質珪素膜を形成して、非晶質珪素膜および第２の絶縁膜の下層の熱伝導率を各領域毎に異ならしめた状態でエネルギービームを照射することにより結晶性膜として結晶性珪素膜を作製する方法について説明する。
【０１１５】
図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、本発明の実施形態６に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程の積層構造を示す断面図である。 
【０１１６】
まず、上記実施形態２の場合と同様に、図１０（ａ）に示すように、基板１上に絶縁膜としてＳｉＮ膜１３を形成する。
【０１１７】
次に、上記実施形態２の場合と同様に、図１０（ｂ）に示すように、ＳｉＮ膜１３上にフォトレジスト膜３を膜面全体に一様に作製し、さらにその上を所望のパターンが形成されたフォトマスク４で覆って、フォトマスク４をマスクとして光５にてフォトレジスト膜３を露光する。その後、図１０（ｃ）に示すように、現像およびリンス洗浄を行って、ＳｉＮ膜１３上に、フォトレジスト膜３を所望のパターンに形成する。
【０１１８】
さらに、上記実施形態２の場合と同様に、図１０（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜３をマスクとしてＳｉＮ膜１３にイオン注入法またはイオンドーピング法を用いて不純物元素として酸素１４を導入してＳｉＮ膜１３ａとした後に、フォトレジスト膜３を剥離する。
【０１１９】
さらに、図１０（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ法により第２の絶縁膜としてＳｉＯ２膜１８を膜厚２００ｎｍ以下、例えば５０ｎｍに形成する。ここで、第２の絶縁膜を形成する理由は、ＳｉＮ膜１３ａと結晶性珪素膜１０との界面準位密度が大きく、特性低下の原因となるためであり、結晶性珪素膜１０との界面準位密度が小さいＳｉＯ２膜１８を形成している。
【０１２０】
さらに、上記実施形態５の場合と同様に、図１０（ｆ）に示すように、ＳｉＯ２膜１８上に非単結晶膜として非晶質珪素膜７を形成し、これにエキシマレーザ光を繰り返し照射することによって、非晶質珪素膜７の結晶化が進行し、結晶性膜として結晶性珪素膜１０が得られる。
【０１２１】
このとき、非晶質珪素膜７にエネルギーが与えられるため、非晶質珪素膜７は溶融され、ＳｉＮ膜１３ａ中の酸素導入の有無による熱伝導率の面内分布に依存して、非晶質珪素膜７内に温度分布が形成される。本実施形態６では、酸素１４が導入された領域は、酸素１４が導入されていない領域と比較して、熱伝導率が低くなっており、非晶質珪素膜７の面内に温度分布が生じる。これにより、図１１に示すように、酸素１４が導入されていないＳｉＮ膜１３ａの領域上の結晶性珪素膜１０で平滑な表面が得られる。
【０１２２】
なお、本実施形態６では、絶縁膜としてＳｉＮ膜１３を用いて酸素１４を導入したが、絶縁膜としてＡｌ２Ｏ３膜を用いて、珪素などを導入しても同様の効果が得られた。さらに、絶縁膜としてＡｌＮ膜を用いて、珪素または酸素などを導入しても同様の効果が得られた。
（実施形態７）
本実施形態７では、上述した実施形態１〜６のいずれかによって作製された結晶性珪素膜１０を用いて薄膜トランジスタなどによって構成される液晶ドライバーや半導体メモリ、半導体論理回路などの半導体装置を作製する方法について説明する。
【０１２３】
図１２は、本発明の実施形態７に係る半導体装置の要部構成を示す断面図である。ここでは、薄膜トランジスタ部分が示されている。
【０１２４】
図１２において、半導体装置としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２０は、基板１上に絶縁膜２１（第１絶縁膜）および非晶質珪素膜２２（第２絶縁膜）が形成され、その上に島状の半導体膜として結晶性珪素膜１０が形成されている。この絶縁膜２１は、前述したＳｉＯ２膜２、ＳｉＮ膜１３、Ａｌ２Ｏ３膜１６およびＡｌＮ膜１７のいずれかである。
【０１２５】
その結晶性珪素膜１０上を覆うようにゲート絶縁膜としてＳｉＯ２膜２３が形成され、ゲート絶縁膜２３を介して結晶性珪素膜１０において薄膜トランジスタのチャネル領域となる部分（島状の結晶性珪素膜１０の中央部部分）と重畳するようにゲート電極２４が形成されている。さらに、そのゲート電極２４上を覆うようにＳｉＯ２膜２５さらにＳｉＮ膜２６が形成されている。これらのＳｉＯ２膜２３、２５およびＳｉＮ膜２６には、結晶性珪素膜１０において薄膜トランジスタのソース領域およびドレイン領域となる部分（チャネル領域の両側部分）に達するようにコンタクトホールが形成されており、ＳｉＮ膜２６上に形成されたＡｌ配線２７がコンタクトホールを介して結晶性珪素膜１０の両側のソース領域およびドレイン領域とそれぞれ電気的に接続されている。さらにその上を覆うようにＳｉＮ保護膜２８が形成されており、ＳｉＮ保護膜２８にはＡｌ配線２７に達するスルーホール２８ａが形成されている。
【０１２６】
以下に、上記構成の半導体装置としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２０の作製方法について説明する。
【０１２７】
まず、基板１上に上記実施形態１〜６のいずれかの方法によって絶縁膜２１、非晶質珪素膜２２および結晶性珪素膜１０を作製し、この結晶性珪素膜１０をＣＦ４ガスとＯ２ガスを用いたＲＩＥ法によって所定形状の島状にパターニングする。このとき、表面が平坦化された領域がチャネル領域となるように、パターニングを行う。なお、絶縁膜２１は、上記実施形態１〜６において所望の領域に不純物元素が導入された第１絶縁膜である。
【０１２８】
その結晶性珪素膜１０上に、通常の薄膜トランジスタの作製方法と同様に、ＴＥＯＳガスとＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によってゲート絶縁膜としてＳｉＯ２膜２３を形成し、さらにスパッタリング法によってＷＳｉ２／多結晶Ｓｉを形成した後、ＣＦ４ガスとＯ２ガスを用いたＲＩＥ法によってパターニングしてゲート電極２４を形成する。
【０１２９】
次に、ゲート電極２４をマスクとして結晶性珪素膜１０の両側部のソース領域・ドレイン領域となる部分にイオンドーピング法によってＰ（リン）、Ｂ（ホウ素）を注入し、ＴＥＯＳガスとＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜２５を形成した後、ＳｉＨ４ガス、ＮＨ３ガスおよびＮ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によってＳｉＮ膜２６を形成する。
【０１３０】
さらに、ＣＦ４ガスとＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によってエッチングを行って、ＳｉＯ２膜２３、２５およびＳｉＮ膜２６の所定位置（ソース領域・ドレイン領域に対応した位置）に各コンタクトホールをそれぞれ形成する。ＳｉＮ膜２６上にスパッタリング法によりＡｌ膜を形成し、ＢＣｌ３ガスとＣｌ２ガスを用いたＲＩＥ法によってパターニングして、ソース領域およびドレイン領域にそれぞれ電気的に接続される各Ａｌ配線２７をそれぞれ形成する。
【０１３１】
その後、ＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスおよびＮ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によってＳｉＮ保護膜２８を形成し、最後にＳｉＮ保護膜２８の一部をＣＦ４ガスとＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によってエッチングして、Ａｌ配線２７の表面に達するスルーホール２８ａを形成する。
【０１３２】
これにより、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２０や抵抗、キャパシタなどの半導体素子からなる液晶ドライバーや半導体メモリ、半導体理論回路などの半導体装置が作製される。
【０１３３】
以上のようにして作製された本実施形態７の半導体装置としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２０は、結晶性珪素膜１０の表面が平坦化された部分に薄膜トランジスタのチャネル領域が形成されているため、特性劣化や絶縁不良が生じず、性能、信頼性および安定性に優れた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２０が得られた。
（実施形態８）
本実施形態８では、上述した実施形態７によって作製された半導体装置を用いて液晶ディスプレイ装置を作製する方法について説明する。
【０１３４】
図１３（ａ）は、本発明の実施形態８に係るディスプレイ装置の要部構成例を示すＴＦＴ基板の断面図、図１３（ｂ）はその対向基板の断面図である。
【０１３５】
図１３（ａ）において、ＴＦＴ基板４０は、基板１上に絶縁膜２１（第１絶縁膜）および非晶質珪素膜２２（第２絶縁膜）が形成され、その上に島状の半導体膜として結晶性珪素膜１０が形成されている。その結晶性珪素膜１０上を覆うようにゲート絶縁膜としてＳｉＯ２膜２３が形成され、ゲート絶縁膜２３を介して結晶性珪素膜１０において薄膜トランジスタのチャネル領域となる部分（島状の結晶性珪素膜１０の中央部部分）と重畳するようにゲート電極２４が形成されている。
【０１３６】
そのゲート電極２４上を覆うようにＳｉＯ２膜２５さらにＳｉＮ膜２６が形成されている。これらのＳｉＯ２膜２３、２５およびＳｉＮ膜２６には、結晶性珪素膜１０において薄膜トランジスタのソース領域およびドレイン領域となる部分（チャネル領域の両側部分）に達するようにコンタクトホールがそれぞれ形成されており、ＳｉＮ膜２６上に形成されたＡｌ配線からなるソース電極２７ａおよびドレイン電極２７ｂが各コンタクトホールをそれぞれ介して結晶性珪素膜１０のソース領域およびドレイン領域と電気的に接続されている。
【０１３７】
さらに、それらのソース電極２７ａおよびドレイン電極２７ｂ上を覆うように樹脂膜２９が形成されており、この樹脂膜２９にはドレイン電極２７ｂに達するスルーホール２９ａが形成されている。
【０１３８】
この樹脂膜２９上には画素電極としてＩＴＯ膜３０が形成されており、ＩＴＯ膜３０はスルーホール２９ａを介してドレイン電極２７ｂと電気的に接続されている。そのＩＴＯ膜３０上を覆うように配向膜としてのポリイミド膜３１が形成されている。
【０１３９】
このＴＦＴ基板４０において、ゲート電極２４は図示しない走査信号線としてのゲート配線と接続されており、ゲート電極２４に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２０をオン状態またはオフ状態に走査するための走査信号電圧が供給される。また、ソース電極２７ａは映像信号線としてのソース配線と接続されており、表示階調に応じた映像信号電圧が供給される。ゲート配線とソース配線はそれぞれ複数が互いに交差するようにして配置されており、両配線で区切られた画素領域毎に画素電極（ＩＴＯ膜３０）およびこれに接続された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２０が形成されている。
【０１４０】
図１３（ｂ）において、対向基板５０は、基板３２上にカラーフィルタ３３、対向電極としてのＩＴＯ膜３４さらに配向膜としてのポリイミド膜３５がこれ順にそれぞれ形成されている。
【０１４１】
以上のＴＦＴ基板４０と対向基板５０とがポリイミド膜３１，３５を内側にして所定間隔を空けて互いに対向配設され、このＴＦＴ基板４０と対向基板５０との間隙に表示媒体である液晶層が封止される。
【０１４２】
以下に、本実施形態８のディスプレイ装置の作製方法について説明する。
【０１４３】
図１３（ａ）に示すように、上述した実施形態７の場合と同様に、結晶性珪素膜１０のソース領域とドレイン領域に対する各コンタクトホールの形成までを行い、その上にＡｌ配線によってソース電極２７ａおよびドレイン電極２７ｂを形成する。
【０１４４】
次に、全面に樹脂膜２９を形成してドレイン電極２７ｂの表面に達するスルーホールを形成する。さらに、スパッタリング法によってＩＴＯ膜３０を形成し、ＨＣｌとＦｅＣｌ３を用いて所定形状にパターニングすることによって画素電極（図示せず）を形成する。その上に配向膜としてポリイミド膜３１をオフセット印刷法によって形成し、ポリイミド膜３１に対して所定方向のラビング処理を行う。
【０１４５】
一方、図１３（ｂ）に示すように、別のガラス基板などからなる基板３２上に、赤、緑および青の各感光性樹脂薄膜が設けられたフィルムを熱圧着して転写し、フォトリソグラフィー工程によるパターニングを行い、さらに赤、緑および青の間のスペースにブラックマトリックス部を同様に形成して、カラーフィルタ３３を作製する。
【０１４６】
その上にスパッタリング法によって対向電極となるＩＴＯ膜３４を形成し、さらに配向膜としてポリイミド膜３５をオフセット印刷法で形成した後、このポリイミド膜３５に対して所定方向のラビング処理を行う。
【０１４７】
このカラーフィルタ３３が形成された対向基板５０と薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの半導体装置が形成されたＴＦＴ基板４０とをシール樹脂で張り合わせる。この際、２枚の基板間のスペースを一定にするため、真球状のシリカを散布しておく。両基板間に表示媒体の液晶を注入した後、ＴＦＴ基板４０と対向基板５０の外側に偏光板を貼り付け、周辺にドライバーＩＣなどを実装することによって、液晶ディスプレイ装置が作製される。
【０１４８】
以上のようにして作製された本実施形態８の液晶ディスプレイ装置は、結晶性珪素膜１０の表面が平坦化された部分に薄膜トランジスタのチャネル領域が形成されているため、特性劣化や絶縁不良が生じることなく、性能、信頼性および安定性に優れた液晶ディスプレイ装置を得ることができた。
【０１４９】
以上により、上記実施形態１〜８によれば、結晶化したい薄膜の作製時に、下地の絶縁膜に予め所望のパターンで膜の熱伝導率を変化させる不純物元素を導入しておく。この薄膜中で結晶化が起こる際に、この薄膜内で温度分布が形成される。エネルギービームを照射したときに下地の絶縁膜の熱伝導が高い領域から先に固化し始め、熱伝導が低い領域が最後に固化される。その結果、リッジ位置を積極的に制御することが可能となり、所望の領域に平滑な表面を有する結晶性薄膜を得ることができる。このことから、表面の凹凸が原因で発生する特性低下や絶縁不良を防ぐことができる優れた特性の結晶性膜を得ることができる。
【０１５０】
なお、上記実施形態１〜８では、半導体膜としては珪素膜を一例に挙げて説明したが、これに限らず、ＳｉＧｅ膜やＧａＡｓ膜、ＧａＰ膜、ＩｎＰ膜などであってもよい。
【０１５１】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜８を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜８に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜８の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明は、基板上に形成される結晶性薄膜およびその作製方法、この方法によって作製された半導体薄膜の分野において、下層の絶縁膜に所望のパターンで不純物元素を導入することによって、非単結晶膜のエネルギービーム照射による溶解の際に温度勾配が形成され、熱伝導率が高い領域に平滑な表面を形成することができる。半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタなどによって構成される液晶ドライバーや半導体メモリ、半導体理論回路などの半導体装置および、この半導体装置を備えた液晶ディスプレイ装置などのディスプレイ装置の分野において、この平滑な表面が形成された領域にトランジスタのチャネル領域などを形成することによって、特性低下や絶縁不良が生じることなく、良好な特性の半導体装置やディスプレイ装置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態１に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程での積層構造を示す断面図である。
【図２】図１（ｅ）の外観と共にレーザ照射工程を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は従来法における絶縁膜中の熱伝導率分布を示す模式図であり、（ｂ）は本発明の実施形態１における絶縁膜中の熱伝導率分布を示す模式図であり、（ｃ）は本発明の実施形態１により得られる結晶性珪素膜の表面凹凸を示す断面構造の模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態２に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程での積層構造を示す断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の実施形態２における絶縁膜中の熱伝導率分布を示す模式図であり、（ｂ）は本発明の実施形態２により得られる結晶性珪素膜の表面凹凸を示す断面構造の模式図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態３に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程での積層構造を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態４に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程での積層構造を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態５に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程での積層構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態５により得られる結晶性珪素膜の表面凹凸を示す断面構造の模式図である。
【図１０】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態６に係る結晶性薄膜の作製方法を説明するための各工程での積層構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態６により得られる結晶性珪素膜の表面凹凸を示す断面構造の模式図である。
【図１２】本発明の実施形態７に係る半導体装置の要部構成例を示す断面図である。
【図１３】（ａ）は、本発明の実施形態８に係るディスプレイ装置の要部構成例を示すＴＦＴ基板の断面図、（ｂ）はその対向基板の断面図である。
【符号の説明】
【０１５４】
１，３２  基板
２，２ａ  ＳｉＯ２膜
３  フォトレジスト膜
４  フォトマスク
５  光
６  窒素
７  非晶質珪素膜
８  エキシマレーザー光
９  エキシマレーザー光の移動方向
１０  結晶性珪素膜
１１  従来法を用いた下地絶縁膜の熱伝導率分布
１２，１５  本発明を用いた下地絶縁膜の熱伝導率分布
１３，１３ａ  ＳｉＮ膜
１４  酸素
１６，１６ａ  Ａｌ２Ｏ３膜
１７，１７ａ  ＡｌＮ膜
１８  ＳｉＯ２膜
２０  薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
２１  ＳｉＯ２膜
２２  結晶性半導体珪素膜
２３  ＳｉＯ２膜
２４  ゲート電極
２５  ＳｉＯ２膜
２６  ＳｉＮ膜
２７  Ａｌ配線
２８  ＳｉＮ保護膜
２９  樹脂膜
３０，３４  ＩＴＯ膜
３１，３５  ポリイミド膜
３３  カラーフィルタ
４０  ＴＦＴ基板
５０  対向基板
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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