(57)【要約】【課題】  電気的特性が優れた大きな結晶粒を有する結晶質半導体膜の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明による結晶質半導体膜の製造方法は、結晶核形成部（２ａ）と、素子形成部（２ｂ）と、狭小部（２ｃ）とを含む半導体膜（２）が形成された基板（１）を用意する工程と、絶縁膜（３）を形成する工程と、絶縁膜（３）を用いてキャップ膜（３Ｃ）を形成する工程であって、結晶核形成部（２ａ）に対する所定の波長の光の反射率が、端部よりも中央において高くなるように、キャップ膜部分（３ａＣ）の屈折率を変化させる工程と、所定の波長の光によって、キャップ膜部分（３ａＣ）を介して結晶核形成部（２ａ）を照射して、結晶核形成部（２ａ）を結晶化する工程と、結晶核形成部（２ａ）において結晶化された結晶から、狭小部（２ｃ）を介して素子形成部（２ｂ）を結晶化する工程とを包含する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の部分と、前記第１の部分に対して第１の方向に配置された第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分とを接続する第３の部分とを含む半導体膜が形成された基板を用意する工程であって、前記第１の部分と前記第３の部分とが接触する部分において、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿った前記第３の部分の長さが、前記第２の方向に沿った前記第１の部分の長さよりも短く、前記第３の部分と前記第２の部分とが接触する部分において、前記第２の方向に沿った前記第２の部分の長さが、前記第２の方向に沿った前記第３の部分の長さよりも長い、工程と、
（ｂ）前記半導体膜のうち少なくとも前記第１の部分を覆うように絶縁膜を形成する工程と、
（ｃ）前記絶縁膜を用いてキャップ膜を形成する工程であって、前記キャップ膜は、前記第１の部分に対応するキャップ膜部分を含み、前記第１の部分に対する所定の波長の光の反射率が、前記第１の方向に沿って前記第１の部分の端部よりも前記第１の部分の中央において高くなるように、前記キャップ膜部分の屈折率を変化させる工程と、
（ｄ）前記キャップ膜部分を介して前記半導体膜の前記第１の部分を、前記所定の波長の光で照射して、前記半導体膜の前記第１の部分を結晶化する工程と、
（ｅ）前記半導体膜の前記第１の部分において結晶化された結晶から、前記半導体膜の前記第３の部分を介して前記半導体膜の前記第２の部分を結晶化する工程と
を包含する、結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｅ）は、前記所定の波長の光で、前記半導体膜の前記第３の部分および前記第２の部分を照射する工程を含む、請求項１に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｄ）に続いて前記工程（ｅ）を行う、請求項２に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｅ）は、前記所定の波長とは異なる波長の光で、前記半導体膜の前記第３の部分および前記第２の部分を照射する工程を含む、請求項１に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｅ）は、ライン状ヒータを用いて前記半導体膜の前記第３の部分および前記第２の部分を結晶化する工程を含む、請求項１に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項６】
前記工程（ｅ）は、横方向成長工程を含む、請求項１から５のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜部分に前記第１の方向に沿って変化する濃度分布を形成するように、前記絶縁膜に不純物元素を導入する工程を含む、請求項１から６のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｃ）は、連続的に変化する濃度分布を形成するように、前記絶縁膜に前記不純物元素を導入する工程を含む、請求項７に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｃ）において、前記キャップ膜部分内の前記不純物元素の最大濃度と最小濃度との差が１０ａｔ％以上６７ａｔ％以下の範囲内にある、請求項７または８に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ）は、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて前記不純物元素を前記絶縁膜に導入する工程を含む、請求項７から９のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｃ）において、前記不純物元素は、炭素、窒素、酸素、フッ素、珪素およびアルミニウムからなる群から選択される、請求項７から１０のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ｃ）において、前記キャップ膜は、前記半導体膜の前記第２の部分および前記第３の部分を覆う部分をさらに含む、請求項１から１１のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜の屈折率はｎ１であり、
前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜のうち前記キャップ膜部分以外の屈折率がｎ１になるように前記キャップ膜を形成する工程を含む、請求項１２に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜の厚さｄは、ｄ＝（λ／（２×ｎ１））×（ｋ＋１）（λ：光の波長、ｋ：０以上の整数）で表され、
前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜部分の屈折率が前記第１の方向に沿って前記キャップ膜部分の中央よりも前記キャップ膜部分の端部において高くなるように前記キャップ膜部分の屈折率を変化させる工程を含み、
前記工程（ｄ）は、前記キャップ膜部分内の前記不純物元素の濃度が高くなる方向に沿って、前記半導体膜の温度が高くなり、前記半導体膜の前記第１の部分内で前記第１の方向に沿って結晶を成長させる工程を含む、請求項１３に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜の厚さｄは、ｄ＝（λ／（４×ｎ１））×（２×ｋ＋１）（λ：光の波長、ｋ：０以上の整数）で表され、
前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜部分の屈折率が前記第１の方向に沿って前記キャップ膜部分の端部よりも前記キャップ膜部分の中央において高くなるように前記キャップ膜部分の屈折率を変化させる工程を含み、
前記工程（ｄ）は、前記キャップ膜部分内の前記不純物元素の濃度が高くなる方向に沿って、前記半導体膜の温度が低くなり、前記半導体膜の前記第１の部分内で前記第１の方向に沿って結晶を成長させる工程を含む、請求項１３に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ａ）は、前記基板を覆うように半導体膜を堆積し、前記堆積した半導体膜をパターニングすることによって、前記半導体膜を形成する工程を含む、請求項１から１５のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜部分が、前記第２の方向に延びる矩形状であり、前記キャップ膜部分の屈折率が前記第２の方向に沿ってほぼ一定になるように前記キャップ膜を形成する工程を含む、請求項１から１６のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１８】
前記工程（ｄ）において、前記半導体膜の前記第１の部分の温度は、前記第１の部分の中央から前記第１の部分の端部に向かって高くなる、請求項１から１７のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１９】
前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜は、酸化珪素化合物、窒化珪素化合物、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、窒化酸化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物からなる群から選択される、請求項１から１８のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜の厚さは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、請求項１から１９のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２１】
前記工程（ａ）において、前記半導体膜の厚さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項１から２０のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２２】
前記工程（ａ）において、前記第２の方向に沿った前記第３の部分の長さは、０．０１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１から２１のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２３】
前記工程（ｄ）において、前記光は、波長２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下のレーザ光である、請求項１から２２のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２４】
前記工程（ｄ）において、前記光は、エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ2以上５００ｍＪ／ｃｍ2以下のパルスレーザ光である、請求項１から２３のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２５】
請求項１から２４のいずれかに記載の製造方法によって製造された結晶質半導体膜。
【請求項２６】
請求項２５に記載の結晶質半導体膜を用いた半導体装置。
【請求項２７】
請求項１から２４のいずれかに記載の製造方法によって製造された結晶質半導体膜のうち、前記第２の部分に形成された結晶質半導体膜を用いた半導体装置。
【請求項２８】
請求項２６または２７に記載の半導体装置を備える表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体膜を光で照射することによって、半導体膜を結晶化する結晶質半導体膜の製造方法に関する。また、本発明は、上記結晶質半導体膜の製造方法によって製造された結晶質半導体膜、ならびに、上記結晶質半導体膜を用いた半導体装置および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表される薄膜半導体素子が広く用いられている。薄膜半導体素子は、通常、絶縁表面を有する基板上に設けられた半導体薄膜を含んでおり、半導体薄膜の厚さは、一般的に、数十ｎｍ〜数百ｎｍである。半導体薄膜は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法等で形成される。この半導体薄膜を用いて、ＴＦＴ以外の他の絶縁ゲート型電界効果半導体装置やダイオードなども作製される。
【０００３】
ＴＦＴは、例えば、アクティブマトリクス型の液晶表示装置に用いられている。液晶表示装置では、行および列（マトリクス）状に配置された数十万以上の画素電極のそれぞれに対して一つ以上のＴＦＴが配置され、画素電極に供給される電荷の量がＴＦＴによって制御される。
【０００４】
非晶質半導体膜を形成することは容易であるため、非晶質半導体膜がＴＦＴの活性層として用いられることもある。しかしながら、非晶質半導体膜には、移動度が低いという問題があるので、高い移動度を実現できる結晶質半導体膜が、ＴＦＴの活性層として用いられている。
【０００５】
多結晶半導体膜は、結晶質半導体膜の一つであり、多結晶半導体膜を形成する方法として、非晶質半導体膜を６００℃前後で熱処理することによって結晶を成長させる方法（固相成長法）、および、非晶質半導体膜をエキシマレーザ光で照射することによって、非晶質半導体膜を溶融し、非晶質半導体膜を結晶化する方法（エキシマレーザアニール法）が知られている。
【０００６】
エキシマレーザアニール法によれば、基板の温度をそれほど高くすることなく、非晶質半導体膜のみに高いエネルギーを付与することができるため、熱に比較的弱いガラス基板を使用することができる。
【０００７】
このようなエキシマレーザアニール法は、低温プロセスで形成された多結晶シリコンを用いたＴＦＴを製造するためにすでに実用化されているものの、エキシマレーザアニール法を用いて製造された結晶質半導体膜に含まれる結晶粒の大きさをさらに大きくすることが望まれており、さらなる研究が続けられている。
【０００８】
特許文献１は、非晶質半導体膜をエキシマレーザ光で照射して、非晶質半導体膜を結晶化する製造方法を開示している。この製造方法では、絶縁性基板上にシリコンを主成分とする非晶質半導体膜を堆積した後、非晶質半導体膜の一部の上に反射防止膜として機能する絶縁膜を選択的に形成する。ここで、便宜上、非晶質半導体膜のうち反射防止膜の下に位置する部分を非晶質半導体膜部分Ａと称し、非晶質半導体膜のうち反射防止膜の下に位置していない部分を非晶質半導体膜部分Ｂと称する。次いで、エキシマレーザ光で非晶質半導体膜を照射すると、非晶質半導体膜部分Ｂが結晶化されるとともに、非晶質半導体膜部分Ａが、非晶質半導体膜部分Ａの端部から非晶質半導体膜部分Ａの中央に向かって結晶化されていく。
【０００９】
特許文献１に開示された製造方法によれば、非晶質半導体膜部分Ａは反射防止膜を介してエキシマレーザ光で照射されるのに対して、非晶質半導体膜部分Ｂは反射防止膜を介さずにエキシマレーザ光で照射されるので、非晶質半導体膜部分Ａは、非晶質半導体膜部分Ｂよりも大きな照射エネルギー密度で照射される。また、反射防止膜は、非晶質半導体膜部分Ａの保温膜として機能する。よって、この製造方法によれば、非晶質半導体膜を光で照射した後の冷却過程において非晶質半導体膜部分Ａの冷却速度が遅くなり、非晶質半導体膜部分Ａから形成された結晶粒は、非晶質半導体膜部分Ｂから形成された結晶粒よりも大きくなる。
【特許文献１】特開２０００−２６０７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示された製造方法では、非晶質半導体膜を光で照射する場合、非晶質半導体膜部分Ａの温度はほぼ一定であるが、非晶質半導体膜部分Ｂの温度が非晶質半導体膜部分Ａの温度よりも低いため、非晶質半導体膜を光で照射した後の冷却過程では、非晶質半導体膜部分Ａの温度は非晶質半導体膜部分Ａの端部から急速に低下していく。結果として、非晶質半導体膜部分Ａから形成された結晶粒の大きさは０．８μｍ〜１μｍとなり、それほど大きい結晶粒を形成することができない。
【００１１】
また、特許文献１に開示された製造方法では、非晶質半導体膜部分Ａは、非晶質半導体膜部分Ａの端部から非晶質半導体膜部分Ａの中央に向かって結晶化されるので、非晶質半導体膜部分Ａの中央において結晶粒が衝突してしまい、非晶質半導体膜部分Ａから大きな結晶粒を形成することができない。
【００１２】
また、特許文献１に開示された製造方法を用いて大面積の結晶質半導体膜を作製する場合、非晶質半導体膜を光で照射することによって複数の結晶核が形成され、複数の結晶核から複数の小さな結晶粒が形成される。結晶粒の電気的特性は結晶粒ごとにばらつくので、複数の小さな結晶粒を含む半導体膜を用いて多数のＴＦＴを製造すると、一部のＴＦＴが誤作動することがある。
【００１３】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電気的特性が優れた大きな結晶粒を有する結晶質半導体膜を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、
（ａ）第１の部分と、前記第１の部分に対して第１の方向に配置された第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分とを接続する第３の部分とを含む半導体膜が形成された基板を用意する工程であって、前記第１の部分と前記第３の部分とが接触する部分において、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿った前記第３の部分の長さが、前記第２の方向に沿った前記第１の部分の長さよりも短く、前記第３の部分と前記第２の部分とが接触する部分において、前記第２の方向に沿った前記第２の部分の長さが、前記第２の方向に沿った前記第３の部分の長さよりも長い、工程と、
（ｂ）前記半導体膜のうち少なくとも前記第１の部分を覆うように絶縁膜を形成する工程と、
（ｃ）前記絶縁膜を用いてキャップ膜を形成する工程であって、前記キャップ膜は、前記第１の部分に対応するキャップ膜部分を含み、前記第１の部分に対する所定の波長の光の反射率が、前記第１の方向に沿って前記第１の部分の端部よりも前記第１の部分の中央において高くなるように、前記キャップ膜部分の屈折率を変化させる工程と、
（ｄ）前記キャップ膜部分を介して前記半導体膜の前記第１の部分を、前記所定の波長の光で照射して、前記半導体膜の前記第１の部分を結晶化する工程と、
（ｅ）前記半導体膜の前記第１の部分において結晶化された結晶から、前記半導体膜の前記第３の部分を介して前記半導体膜の前記第２の部分を結晶化する工程と
を包含する。
【００１５】
好ましい実施形態において、前記工程（ｅ）は、前記所定の波長の光で、前記半導体膜の前記第３の部分および前記第２の部分を照射する工程を含む。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）に続いて前記工程（ｅ）を行う。
【００１７】
好ましい実施形態において、前記工程（ｅ）は、前記所定の波長とは異なる波長の光で、前記半導体膜の前記第３の部分および前記第２の部分を照射する工程を含む。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記工程（ｅ）は、ライン状ヒータを用いて前記半導体膜の前記第３の部分および前記第２の部分を結晶化する工程を含む。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記工程（ｅ）は、横方向成長工程を含む。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜部分に前記第１の方向に沿って変化する濃度分布を形成するように、前記絶縁膜に不純物元素を導入する工程を含む。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、連続的に変化する濃度分布を形成するように、前記絶縁膜に前記不純物元素を導入する工程を含む。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）において、前記キャップ膜部分内の前記不純物元素の最大濃度と最小濃度との差が１０ａｔ％以上６７ａｔ％以下の範囲内にある。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて前記不純物元素を前記絶縁膜に導入する工程を含む。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）において、前記不純物元素は、炭素、窒素、酸素、フッ素、珪素およびアルミニウムからなる群から選択される。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）において、前記キャップ膜は、前記半導体膜の前記第２の部分および前記第３の部分を覆う部分をさらに含む。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜の屈折率はｎ１であり、前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜のうち前記キャップ膜部分以外の屈折率がｎ１になるように前記キャップ膜を形成する工程を含む。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜の厚さｄは、ｄ＝（λ／（２×ｎ１））×（ｋ＋１）（λ：光の波長、ｋ：０以上の整数）で表され、前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜部分の屈折率が前記第１の方向に沿って前記キャップ膜部分の中央よりも前記キャップ膜部分の端部において高くなるように前記キャップ膜部分の屈折率を変化させる工程を含み、前記工程（ｄ）は、前記キャップ膜部分内の前記不純物元素の濃度が高くなる方向に沿って、前記半導体膜の温度が高くなり、前記半導体膜の前記第１の部分内で前記第１の方向に沿って結晶を成長させる工程を含む。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜の厚さｄは、ｄ＝（λ／（４×ｎ１））×（２×ｋ＋１）（λ：光の波長、ｋ：０以上の整数）で表され、前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜部分の屈折率が前記第１の方向に沿って前記キャップ膜部分の端部よりも前記キャップ膜部分の中央において高くなるように前記キャップ膜部分の屈折率を変化させる工程を含み、前記工程（ｄ）は、前記キャップ膜部分内の前記不純物元素の濃度が高くなる方向に沿って、前記半導体膜の温度が低くなり、前記半導体膜の前記第１の部分内で前記第１の方向に沿って結晶を成長させる工程を含む。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、前記基板を覆うように半導体膜を堆積し、前記堆積した半導体膜をパターニングすることによって、前記半導体膜を形成する工程を含む。
【００３０】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、前記キャップ膜部分が、前記第２の方向に延びる矩形状であり、前記キャップ膜部分の屈折率が前記第２の方向に沿ってほぼ一定になるように前記キャップ膜を形成する工程を含む。
【００３１】
好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）において、前記半導体膜の前記第１の部分の温度は、前記第１の部分の中央から前記第１の部分の端部に向かって高くなる。
【００３２】
好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜は、酸化珪素化合物、窒化珪素化合物、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、窒化酸化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物からなる群から選択される。
【００３３】
好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）において、前記絶縁膜の厚さは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００３４】
好ましい実施形態において、前記工程（ａ）において、前記半導体膜の厚さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００３５】
好ましい実施形態において、前記工程（ａ）において、前記第２の方向に沿った前記第３の部分の長さは、０．０１μｍ以上５μｍ以下である。
【００３６】
好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）において、前記光は、波長２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下のレーザ光である。
【００３７】
好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）において、前記光は、エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ2以上５００ｍＪ／ｃｍ2以下のパルスレーザ光である。
【００３８】
本発明の結晶質半導体膜は、上記に記載の製造方法によって製造される。
【００３９】
本発明の半導体装置は、上記に記載の結晶質半導体膜を用いている。
【００４０】
本発明の半導体装置は、上記に記載の製造方法によって製造された結晶質半導体膜のうち、前記第２の部分に形成された結晶質半導体膜を用いている。
【００４１】
本発明の表示装置は、上記に記載の半導体装置を備える。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、電気的特性が優れた大きな結晶粒を有する結晶質半導体膜を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
まず、図１を参照して、本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造方法を説明する。
【００４５】
本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造方法は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１の部分２ａと、第１の部分２ａに対して方向Ｄ１に配置された第２の部分２ｂと、第１の部分２ａと第２の部分２ｂとを接続する第３の部分２ｃとを含む半導体膜２が形成された基板１を用意する工程を含む。第１の部分２ａと第３の部分２ｃとが接触する部分において、方向Ｄ１と直交する方向Ｄ２に沿った第３の部分２ｃの長さが、方向Ｄ２に沿った第１の部分２ａの長さよりも短く、第３の部分２ｃと第２の部分２ｂとが接触する部分において、方向Ｄ２に沿った第２の部分２ｂの長さが、方向Ｄ２に沿った第３の部分２ｃの長さよりも長い。本明細書の以下の説明において、半導体膜２の第１の部分２ａ、第２の部分２ｂ、第３の部分２ｃをそれぞれ、半導体膜部分２ａ、半導体膜部分２ｂ、半導体膜部分２ｃと称する。なお、本明細書の以下の説明において、方向Ｄ１を第１の方向と称し、方向Ｄ２を第２の方向と称する。つまり、半導体膜２の半導体膜部分２ａ、半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂは、方向Ｄ１に沿ってこの順番に配置されている。
【００４６】
本実施形態では、半導体膜２が予め設けられた基板１を用いてもよいし、あるいは、基板１の上に半導体膜を堆積した後、堆積した半導体膜をパターニングすることによって半導体膜２を形成してもよい。
【００４７】
本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造方法は、図１（ｃ）に示すように、半導体膜２のうち少なくとも半導体部分２ａを覆うように絶縁膜３を形成する工程をさらに含む。図１（ｃ）では、絶縁膜３が、半導体部分２ａだけでなく、半導体２の全体を覆うように示されている。本明細書の以下の説明において、絶縁膜３のうち、半導体膜部分２ａの上に配置された部分３ａを絶縁膜部分３ａと称する。
【００４８】
本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造方法は、図１（ｄ）に示すように、絶縁膜３を用いてキャップ膜３Ｃを形成する工程をさらに含む。キャップ膜３Ｃは、半導体膜部分２ａに対応するキャップ膜部分３ａＣを含み、本明細書の以下の説明において、キャップ膜３Ｃの部分３ａＣをキャップ膜部分３ａＣと称する。
【００４９】
キャップ膜３Ｃでは、半導体膜部分２ａに対する所定の波長の光の反射率が、方向Ｄ１に沿って半導体膜部分２ａの端部よりも半導体膜部分２ａの中央において高くなるように、キャップ膜部分３ａＣの屈折率を変化させている。ここで、半導体膜部分２ａに対する光の反射率Ｒとは、キャップ膜部分３ａＣに入射する光の強度をＩ0とし、キャップ膜部分３ａＣを通過して半導体膜部分２ａを到達する光の強度をＩtとするとき、Ｒ＝（Ｉ0−Ｉt）／Ｉ0×１００（％）で表される。反射光強度（Ｉ0−Ｉt）は、キャップ膜部分３ａＣの表面で反射される光の強度と、キャップ膜部分３ａＣと半導体膜部分２ａとの界面で反射される光の強度とを含んでおり、反射光強度（Ｉ0−Ｉt）は、キャップ膜部分３ａＣの屈折率および厚さに依存する。
【００５０】
キャップ膜部分３ａＣの屈折率を変化させるためには、例えば、キャップ膜部分３ａＣに所定の濃度分布を形成するように、絶縁膜部分３ａに不純物元素Ｉを導入すればよい。
【００５１】
本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造方法は、図１（ｅ）に示すように、キャップ膜部分３ａＣを介して半導体膜２の半導体膜部分２ａを、所定の波長の光Ｌで照射して、半導体膜２の半導体膜部分２ａを結晶化する工程をさらに含む。半導体膜部分２ａは、光Ｌによって、反射率に対応した照射エネルギー密度で照射される。詳細には、半導体膜部分２ａに対する所定の波長の光の反射率は、方向Ｄ１に沿って半導体膜部分２ａの端部よりも半導体膜部分２ａの中央において高いので、半導体膜部分２ａは、光Ｌによって、方向Ｄ１に沿って半導体膜部分２ａの中央よりも半導体膜部分２ａの端部において大きな照射エネルギー密度で照射される。なお、ここでは、光Ｌのエネルギー分布は一定としている。基本的に、半導体膜部分２ａに対する照射エネルギー密度が大きいほど半導体膜部分２ａの温度は高くなるので、半導体膜部分２ａの温度は、方向Ｄ１に沿って半導体膜部分２ａの中央よりも半導体膜部分２ａの端部において高い。
【００５２】
ここで、半導体膜の温度と半導体膜の結晶化との関係を説明する。
【００５３】
半導体膜を光で照射して、半導体膜の温度が溶融温度よりも高くなると、半導体膜は溶融する。次いで、光の照射を停止すると、溶融した半導体膜のうち温度の低い部分から固化が始まり、半導体膜を照射した時に、より低温である部分に結晶核が形成され、その結晶核から結晶が成長していく。このように、半導体膜は、半導体膜を光で照射した時により低温の部分から結晶化していく。
【００５４】
本発明の実施形態では、半導体膜部分２ａを光Ｌで照射すると、半導体膜部分２ａの温度は方向Ｄ１に沿って半導体膜部分２ａの中央よりも半導体膜部分２ａの端部において高くなるので、半導体膜部分２ａは、方向Ｄ１に沿って半導体膜部分２ａの中央から半導体膜部分２ａの端部に向かって結晶化していく。よって、本発明の実施形態によれば、上述した特許文献１に開示された製造方法によって結晶質半導体膜を製造する場合とは異なり、半導体膜部分２ａの中央で衝突することなく半導体膜部分２ａに結晶粒を形成することができる。
【００５５】
また、本発明の実施形態では、キャップ膜部分３ａＣの屈折率に応じて半導体膜部分２ａに対する照射エネルギー密度を変化させているため、この屈折率の変化（屈折率分布）に応じて半導体膜部分２ａの温度分布を制御することができる。半導体膜部分２ａを光で照射した後、半導体膜部分２ａに緩やかな温度勾配を形成するように半導体膜部分２ａの温度分布を制御すると、半導体膜部分２ａを光で照射した後の冷却過程における半導体膜部分２ａの冷却速度が遅くなり、半導体膜部分２ａの溶融時間が長くなる。つまり、より長い時間、半導体膜部分２ａが溶融した状態を維持できるので、溶融してから結晶化するまでの時間を長くすることができる。したがって、本発明の実施形態によれば、大きな結晶粒を半導体膜部分２ａに形成することができる。
【００５６】
なお、例えば、上述した特許文献１に開示された製造方法では、屈折率および厚さが面内でほぼ一定の反射防止膜を介して非晶質半導体膜を光で照射しているので、非晶質半導体膜に緩やかな温度勾配を形成することができない。
【００５７】
上述しており、また、図１０を参照して後述もするが、特許文献１に開示された製造方法では、非晶質半導体膜を光で照射する場合、非晶質半導体膜部分Ａの温度はほぼ一定であるが、非晶質半導体膜部分Ｂの温度が非晶質半導体膜部分Ａの温度よりも低いため、非晶質半導体膜を光で照射した後の冷却過程では、非晶質半導体膜部分Ａの温度は非晶質半導体膜部分Ａの端部から急速に低下していき、非晶質半導体膜部分Ａの温度の勾配は急である。
【００５８】
これに対して、本発明の実施形態によれば、半導体膜部分２ａの温度の勾配が、特許文献１に開示された製造方法によって結晶質半導体膜を製造する場合の温度の勾配よりも緩やかになるように半導体膜部分２ａの温度分布を制御することができるので、半導体膜部分２ａを光Ｌで照射した後の冷却過程で、冷却速度を遅くして、結晶化するまでの時間を長くし、結果として、大きな結晶を形成することができる。
【００５９】
なお、半導体膜部分２ａへの光の照射では、図２に示すように、半導体膜部分２ａの全体を光Ｌで照射する。図２では、図面を過度に複雑しないように、キャップ膜３Ｃを示していない。
【００６０】
ここで、再び、図１を参照する。
【００６１】
本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造方法は、半導体膜２の半導体膜部分２ａにおいて結晶化された結晶から、半導体膜２の半導体膜部分２ｃを介して半導体膜２の半導体膜部分２ｂを結晶化する工程をさらに含む。図１（ｆ）に示すように、半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂに順次エネルギーＥを付与することによって、半導体膜部分２ａの結晶粒を横方向に成長させることができる。
【００６２】
次に、図３を参照して、半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂにエネルギーＥを付与することを説明する。
【００６３】
図３に示すように、半導体膜部分２ａの一部と、半導体膜部分２ｃのうち半導体膜部分２ａに近接した部分との両方にエネルギーＥを付与する。エネルギーＥが付与された部分の温度が溶融温度よりも高くなると、エネルギーＥが付与された部分は溶融する。次いで、エネルギーＥの付与を停止すると、溶融した部分が固化する。これにより、半導体膜部分２ａの一部が再結晶化され、半導体膜部分２ｃの一部が結晶化される。
【００６４】
次いで、エネルギーＥが付与される部分を、方向Ｄ１に沿って半導体膜部分２ｂの方に向かって連続的に移動させて、半導体膜部分２ｃのうちエネルギーＥによって先に結晶化された部分と、半導体膜部分２ｃのうちまだ結晶化されていない部分との両方にエネルギーＥを付与する。エネルギーＥを付与することにより、上述したように、先に結晶化された部分は再結晶化され、まだ結晶化されていない部分は結晶化される。このように、エネルギーＥが付与される部分を、半導体膜部分２ａから方向Ｄ１に沿って半導体膜部分２ｂの方に向かって順次移動させることで、半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂを順次、溶融および固化する。
【００６５】
本発明の実施形態によれば、半導体膜部分２ａと半導体膜部分２ｃとが接触する部分において、方向Ｄ２に沿った半導体膜部分２ｃの長さは方向Ｄ２に沿った半導体膜部分２ａの長さよりも短いので、半導体膜部分２ａで複数の結晶粒が形成された場合でも、半導体膜部分２ｃは、半導体膜部分２ａで形成された複数の結晶粒のうち、半導体膜部分２ｃに最も速く到達した単一または少数の結晶粒に占有される。また、本発明の実施形態によれば、半導体膜部分２ｃと半導体膜部分２ｂとが接触する部分において、方向Ｄ２に沿った半導体膜部分２ｂの長さは方向Ｄ２に沿った半導体膜部分２ｃの長さよりも長いので、半導体膜部分２ｂでは、半導体膜部分２ｃにおいて占有された単一または少数の結晶粒から、大きい結晶粒を形成することができる。つまり、半導体膜部分２ｃによって、半導体膜部分２ａで形成された複数の結晶粒のうち単一または少数の結晶粒が選択され、選択された結晶粒から大きな結晶粒を半導体膜部分２ｂで形成することができる。このようにして、半導体膜部分２ａの結晶粒を横方向に成長させることによって、半導体膜部分２ａの結晶粒よりも大きな結晶粒を半導体膜部分２ｂに形成することができる。
【００６６】
なお、エネルギーＥの付与には、光を用いてもよい。その場合、半導体膜部分２ａを結晶化するために用いた光Ｌを用いれば、光Ｌを半導体膜２に対して走査するだけでよいので容易にエネルギーＥを付与することができる。あるいは、半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂを結晶化するための光として、半導体膜部分２ａを結晶化するために用いた光Ｌとは別の光を用いてもよい。例えば、半導体膜部分２ａを結晶化するために用いた光Ｌとは別の波長の光を用いてもよい。あるいは、例えばライン状ヒータなどの熱源を用いてエネルギーＥを付与してもよい。
【００６７】
また、半導体膜部分２ａを結晶化するために用いた光Ｌを用いて、半導体膜部分２ａに続いて半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂにエネルギーＥを付与して、半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂを結晶化してもよい。あるいは、半導体膜部分２ａを結晶化した後、所定の時間が経過した後、半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂにエネルギーＥを付与してもよい。この場合、半導体膜部分２ａにおいて結晶化された結晶を種結晶として、半導体膜部分２ｃおよび半導体膜部分２ｂは結晶化される。
【００６８】
なお、ここでは、図１（ｄ）に示すように、半導体膜部分２ａの温度分布を制御するために、絶縁膜部分３ａに不純物元素Ｉを導入して、キャップ膜部分３ａＣの屈折率を変化させているが、原理的には、光Ｌのエネルギー分布を制御することによっても、半導体膜部分２ａの温度分布を制御することが可能である。しかしながら、光Ｌのエネルギー分布を制御することは困難であり、キャップ膜部分３ａＣの屈折率を変化させて、温度分布を制御する方が容易である。
【００６９】
また、原理的には、キャップ膜３Ｃの厚さを変化させることによって、半導体膜２の温度分布を制御することも可能である。しかしながら、例えばエッチング法を用いて厚さを制御することは困難である。特に、半導体膜部分２ａに緩やかな温度勾配を形成するためにはキャップ膜３Ｃの厚さを連続的に変化させることが必要となるが、このようにキャップ膜３Ｃの厚さを連続的に変化させることは極めて困難である。
【００７０】
本発明の実施形態によれば、半導体膜部分２ａにおいて複数の結晶核が形成され、複数の結晶核のそれぞれから結晶粒が形成されても、それらの結晶粒を半導体膜部分２ｃに成長させると、半導体膜部分２ｃにおいて、単一または少数の結晶粒が選択され、選択された結晶粒を半導体膜部分２ｂに成長させることができるので、電気的特性が優れた大きな結晶粒を有する結晶質半導体膜を製造することができる。
【００７１】
また、本発明によれば、このような結晶質半導体膜を用いて、半導体素子を作製すること、および、そのような半導体素子を用いて半導体装置および表示装置を作製することができる。
【００７２】
以下、図４から図１２を参照して、本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造方法をより詳細に説明する。
【００７３】
本発明の実施形態による結晶質半導体膜の製造方法は、半導体膜の上に設けられる絶縁膜の性質により、２つのタイプに分類できる。第１のタイプの結晶質半導体膜の製造方法は、反射増加膜として機能する絶縁膜を用いるものであり、以下の説明において、これを、第１のタイプの製造方法と称する。第２のタイプの結晶質半導体膜の製造方法は、反射防止膜として機能する絶縁膜を用いるものであり、以下の説明において、これを、第２のタイプの製造方法と称する。
【００７４】
ここで、反射増加膜および反射防止膜について説明する。
【００７５】
絶縁膜の屈折率をｎ１、絶縁膜の厚さをｄ１、入射する光の波長をλとすると、絶縁膜が下記の式（１）の関係を満たす場合、反射率は最も大きくなり、絶縁膜の下に位置する半導体膜は、半導体膜の上に絶縁膜を設けない状態で光によって照射される場合よりも小さい照射エネルギー密度で照射される。ここで、反射率は、入射する光の強度に対する、その光の強度とある膜を介してその下に位置する膜を照射する光の強度との差の比率に等しい。上記のような作用を有する膜を反射増加膜という。
【００７６】
ｎ１×ｄ１＝（ｋ＋１）×（λ／２）・・・式（１）
（ｋ＝０，１，２・・・（０以上の整数））
【００７７】
これに対して、絶縁膜が下記の式（２）の関係を満たす場合、反射率は最も小さくなり、絶縁膜の下に位置する半導体膜は、半導体膜の上に絶縁膜を設けない状態で光によって照射される場合よりも大きい照射エネルギー密度で照射される。上記のような作用を有する絶縁膜を反射防止膜という。
【００７８】
ｎ１×ｄ１＝（２×ｋ＋１）×λ／４・・・式（２）
（ｋ＝０，１，２・・・（０以上の整数））
【００７９】
第１のタイプの製造方法では、反射増加膜として機能するように、絶縁膜の屈折率および光の所定の波長に対して上記式（１）の関係を満たすように絶縁膜の厚さが設定され、その絶縁膜を用いてキャップ膜３Ｃ１を形成する。
【００８０】
一方、第２のタイプの製造方法では、反射防止膜として機能するように、絶縁膜の屈折率および光の所定の波長に対して上記式（２）の関係を満たすように絶縁膜の厚さが設定され、その絶縁膜を用いてキャップ膜３Ｃ２を形成する。
【００８１】
以下、図４〜図６を参照して、第１のタイプの製造方法について説明する。なお、以下の説明では、半導体膜２を非晶質半導体膜２としている。
【００８２】
図４（ａ）に示すように、基板１には非晶質半導体膜２が形成されており、非晶質半導体膜２を覆うようにキャップ膜３Ｃ１が設けられている。キャップ膜３Ｃ１は、絶縁膜３を用いて形成されたものであり、絶縁膜３の厚さｄ１は、上述したように、絶縁膜３の屈折率ｎ１および光の所定の波長に対して上記式（１）の関係を満たすように設定されている。
【００８３】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、非晶質半導体膜２は、非晶質半導体膜部分２ａと、非晶質半導体膜部分２ａに対して方向Ｄ１に配置された非晶質半導体膜部分２ｂと、非晶質半導体膜部分２ａと非晶質半導体膜部分２ｂとを接続する非晶質半導体膜部分２ｃとを含む。非晶質半導体部分２ａと非晶質半導体部分２ｃとが接触する部分において、方向Ｄ１と直交する方向Ｄ２に沿った非晶質半導体部分２ｃの長さが、方向Ｄ２に沿った非晶質半導体部分２ａの長さよりも短く、非晶質半導体部分２ｃと非晶質半導体部分２ｂとが接触する部分において、方向Ｄ２に沿った非晶質半導体部分２ｂの長さが、方向Ｄ２に沿った非晶質半導体部分２ｃの長さよりも長い。また、非晶質半導体膜２の非晶質半導体膜部分２ａ、非晶質半導体膜部分２ｃおよび非晶質半導体膜部分２ｂは、方向Ｄ１に沿って、この順番に配置されている。このような非晶質半導体膜２は、非晶質半導体膜を堆積した後、堆積した非晶質半導体膜をパターニングすることによって形成される。
【００８４】
非晶質半導体膜部分２ａは、結晶核を形成する結晶核形成部として機能し、非晶質半導体膜部分２ｂは、半導体素子の活性層として使用するための素子形成部として利用される。本明細書の以下の説明において、非晶質半導体膜部分２ａ、非晶質半導体膜部分２ｂ、非晶質半導体膜部分２ｃを、それぞれ、結晶核形成部２ａ、素子形成部２ｂ、狭小部２ｃと称する。
【００８５】
第１のタイプの製造方法では、絶縁膜３に不純物元素Ｉ１を選択的に導入することによって、キャップ膜３Ｃ１を形成する。図４（ａ）に示した矢印は、その長さが長いほど、不純物元素Ｉ１の導入量が多いことを示している。
【００８６】
以下に、図５および図６を参照して、キャップ膜部分３ａＣ１を含むキャップ膜３Ｃ１の形成およびキャップ膜部分３ａＣ１を介して結晶核形成部２ａを光で照射する場合の結晶核形成部２ａの温度分布について説明する。
【００８７】
図５（ａ）に示すように、基板１の上に非晶質半導体膜２を形成し、次いで、非晶質半導体膜２の上に絶縁膜３を形成する。図５（ａ）には、非晶質半導体膜２として、結晶核形成部２ａおよび狭小部２ｃを示している。
【００８８】
絶縁膜３は、非晶質半導体膜２の結晶核形成部２ａの上に配置された絶縁膜部分３ａを含む。絶縁膜部分３ａは、結晶核形成部２ａの上に配置されており、また、絶縁膜３のうち絶縁膜部分３ａ以外の部分は、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂの上に配置されている。
【００８９】
次いで、絶縁膜３を用いて、図５（ｂ）に示すように、キャップ膜部分３ａＣ１を含むキャップ膜３Ｃ１を形成する。詳細には、絶縁膜部分３ａに不純物元素Ｉ１を選択的に導入することによって、不純物元素Ｉ１が導入されたキャップ膜部分３ａＣ１と不純物元素Ｉ１が導入されていない部分Ｓ１とを含むキャップ膜３Ｃ１を形成する。なお、本明細書の以下の説明において、部分Ｓ１を、キャップ膜部分Ｓ１ともいう。キャップ膜部分３ａＣ１は、結晶核形成部２ａの上に配置されており、キャップ膜部分Ｓ１は、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂの上に配置されている。
【００９０】
図５（ｂ）および図６（ａ）に示した矢印は、その長さが長いほど、不純物元素Ｉ１の導入量が多いことを示している。キャップ膜部分３ａＣ１内の不純物元素Ｉ１の濃度は、方向Ｄ１に沿ってキャップ膜部分３ａＣ１の中央よりもキャップ膜部分３ａＣ１の端部において高く、方向Ｄ１とほぼ直交に交差する方向Ｄ２に沿ってほぼ一定になるように、絶縁膜部分３ａに不純物元素Ｉ１を選択的に導入する。したがって、キャップ膜部分３ａＣ１の屈折率は、方向Ｄ１に沿って変化しており、方向Ｄ２に沿ってほぼ一定である。なお、絶縁膜３のうち絶縁膜部分３ａ以外には不純物元素Ｉ１を導入していないので、キャップ膜部分Ｓ１は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しい屈折率を有している。
【００９１】
キャップ膜部分３ａＣ１内の不純物元素Ｉ１の濃度分布８は、図６（ｂ）に示すように、方向Ｄ１に沿って連続的に変化している。詳細には、キャップ膜部分３ａＣ１内の不純物元素Ｉ１の濃度は、方向Ｄ１に沿ってキャップ膜部分３ａＣ１の中央からキャップ膜部分３ａＣ１の両端に向かって徐々に増加している。
【００９２】
このような濃度分布は、例えば、基板１を移動させながら、不純物元素Ｉ１を導入することによって得られる。所定の量の不純物元素Ｉ１をライン状に導入しながら、基板１の移動速度を変化させることによって、不純物元素Ｉ１の濃度分布を所望に形成することができる。
【００９３】
キャップ膜部分Ｓ１の厚さは絶縁膜３の厚さｄ１と等しい。また、キャップ膜部分Ｓ１には、不純物元素Ｉ１が導入されておらず、キャップ膜部分Ｓ１の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しい。したがって、キャップ膜部分Ｓ１は、上記式（１）の関係を満たすので、所定の波長の光に対して完全な反射増加膜として機能し得る。
【００９４】
一方で、キャップ膜部分３ａＣ１の厚さは絶縁膜３の厚さｄ１と等しいものの、キャップ膜部分３ａＣ１には不純物元素Ｉ１が導入されているため、キャップ膜部分３ａＣ１の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１とは異なる。したがって、キャップ膜部分３ａＣ１は、上記式（１）の関係を満たさない。キャップ膜部分３ａＣ１内の不純物元素Ｉ１の濃度が高くなると、キャップ膜部分３ａＣ１の屈折率と絶縁膜３の屈折率ｎ１との差が大きくなり、ある範囲内では不純物元素Ｉ１の濃度が高くなるほど反射率が小さくなる。
【００９５】
図６（ｃ）に示すように、非晶質半導体膜２に対する反射率分布９は、図６（ｂ）に示した濃度分布８に対応して、方向Ｄ１に沿って連続的に変化する。なお、反射率は、方向Ｄ２に沿ってほぼ一定である。
【００９６】
キャップ膜部分３ａＣ１を介して結晶核形成部２ａを所定の波長の光で照射すると、結晶核形成部２ａは、反射率に対応した照射エネルギー密度で照射される。結晶核形成部２ａに対する反射率が大きいほど、結晶核形成部２ａに対する照射エネルギー密度は小さいため、結晶核形成部２ａに対する照射エネルギー密度は、方向Ｄ１に沿って結晶核形成部２ａの中央から結晶核形成部２ａの両端に向かって徐々に大きくなる。
【００９７】
したがって、キャップ膜部分３ａＣ１を介して結晶核形成部２ａを所定の波長の光で照射すると、図６（ｄ）に示すように、結晶核形成部２ａには、照射エネルギー密度分布に対応する温度分布１０が形成される。結晶核形成部２ａの温度は、結晶核形成部２ａの中央において最も低く、方向Ｄ１に沿って結晶核形成部２ａの中央から結晶核形成部２ａの両端に向かって連続的に高くなる。
【００９８】
このように、第１のタイプの製造方法によれば、光の強度分布を変更することなく、結晶核形成部２ａに対する光の反射率を変更して、結晶核形成部２ａの温度分布を制御することができる。
【００９９】
なお、例えば、長さ５μｍ程度の結晶粒を結晶核形成部２ａに形成するためには、キャップ膜部分３ａＣ１の長さＬＦ１を１０μｍ程度に設定すればよい。また、絶縁膜３をＳｉＯ2（屈折率１．５）で形成し、不純物元素Ｉ１として窒素を用いる場合、キャップ膜３Ｃ１の屈折率は、１．５から２（ＳｉＮの屈折率）までの範囲内で変化させることができる。あるいは、絶縁膜３をＳｉＮ（屈折率２）で形成し、不純物元素Ｉ１として酸素を用いる場合、キャップ膜３Ｃ１の屈折率は、２から１．５（ＳｉＯ2の屈折率）までの範囲内で変化させることができる。
【０１００】
以下に、図７を参照して、比較例の製造方法を説明する。
【０１０１】
この比較例の製造方法では、基板８１の上に、部分８２Ｆと部分８２Ｓとを含む非晶質半導体膜８２を形成し、非晶質半導体膜８２の部分８２Ｆの上に選択的に反射増加膜８３Ｃを形成する。なお、以下の説明において、便宜上、非晶質半導体膜８２の部分８２Ｆを非晶質半導体膜部分８２Ｆと称し、非晶質半導体膜８２の部分８２Ｓを非晶質半導体膜部分８２Ｓと称する。次いで、非晶質半導体膜８２を光で照射する。
【０１０２】
この比較例の製造方法では、反射増加膜８３Ｃの屈折率および厚さがほぼ一定であるため、非晶質半導体膜８２を光で照射すると、非晶質半導体膜部分８２Ｆはほぼ一定の照射エネルギー密度で照射され、非晶質半導体膜部分８２Ｆの温度はほぼ一定である。また、非晶質半導体膜部分８２Ｆの上には反射増加膜８３Ｃが設けられているのに対して、非晶質半導体膜部分８２Ｓの上には反射増加膜８３Ｃが設けられていないので、非晶質半導体膜部分８２Ｆは、非晶質半導体膜部分８２Ｓよりも小さい照射エネルギー密度で照射される。よって、非晶質半導体膜部分８２Ｆの温度は、非晶質半導体膜部分８２Ｓの温度よりも低くなる。
【０１０３】
このように比較例の製造方法では、非晶質半導体膜部分８２Ｆの温度が非晶質半導体膜部分８２Ｓの温度よりも低いので、非晶質半導体膜８２を光で照射した後の冷却過程で、非晶質半導体膜部分８２Ｆの温度は、非晶質半導体膜部分８２Ｆの端部から急速に上昇していく。したがって、比較例の製造方法では、非晶質半導体膜８２は、非晶質半導体膜８２を光で照射した後の冷却過程で、非晶質半導体膜部分８２Ｆの中央から非晶質半導体膜部分８２Ｆの端部に向かって結晶化されていく。図７に示した矢印Ｃは、結晶粒が成長する方向を示している。半導体膜部分８２Ｆの温度勾配が急である場合、半導体膜部分８２Ｆの溶融時間が短くなり、十分な大きさの結晶粒を形成することができない。
【０１０４】
それに対して、第１のタイプの製造方法によれば、結晶核形成部２ａの温度勾配が比較例よりも緩やかになるように結晶核形成部２ａの温度分布を制御することができるので、結晶核形成部２ａを照射した後の冷却過程で、結晶核形成部２ａのより広い面積が溶融した状態を、より長い時間維持することができ、結晶粒の成長速度を遅くすることができる。したがって、第１のタイプの製造方法によれば、比較例の製造方法によって製造された結晶粒よりも大きな結晶粒を形成することができる。
【０１０５】
ここで、再び、図４（ｂ）を参照する。
【０１０６】
上述したように、結晶核形成部２ａに結晶核を形成して、その結晶核から結晶粒を成長させる。次いで、この結晶粒から、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂを結晶化する。
【０１０７】
ここでは、ＳＬＳ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）で、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂを結晶化する。
【０１０８】
詳細には、結晶核形成部２ａを結晶化した後、続いて、結晶核形成部２ａを結晶化するために用いた光Ｌを方向Ｄ１に沿って素子形成部２ｂの方に向けて走査して、狭小部２ｃを光Ｌで照射する。この場合、結晶核形成部２ａ内で形成された複数の大粒径の結晶粒のうち、狭小部２ｃに最も速く到達した結晶粒が狭小部２ｃを占有する。方向Ｄ２に沿った狭小部２ｃの長さに応じて、狭小部２ｃによって単一の結晶粒が選択される。
【０１０９】
さらに引き続いて光Ｌを方向Ｄ１に沿って走査して、素子形成部２ｂを光Ｌで照射する。その結果、素子形成部２ｂは、狭小部２ｃを占有した結晶粒のみで構成される結晶質半導体膜へと結晶化される。
【０１１０】
以上のように、第１のタイプの製造方法によれば、結晶核形成部２ａの結晶粒を、狭小部２ｃを介して横方向に成長させることによって、電気的特性が優れた大きな結晶粒を素子形成部２ｂに形成することができる。
【０１１１】
また、第１のタイプの製造方法によれば、パターニングによって、素子形成部２ｂを所望の位置に形成することができるので、結晶粒を生成する位置を制御することができる。
【０１１２】
次いで、図８および図９を参照して、第２のタイプの製造方法について説明する。
【０１１３】
図８（ａ）に示すように、基板１の上には非晶質半導体膜２が設けられており、非晶質半導体膜２の上には、非晶質半導体膜２を覆うようにキャップ膜３Ｃ２が設けられている。キャップ膜３Ｃ２は、絶縁膜３を用いて形成されたものであり、絶縁膜３の厚さｄ１は、上述したように、絶縁膜３の屈折率ｎ１および光の所定の波長に対して上記式（２）の関係を満たすように設定されている。
【０１１４】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、第２のタイプの製造方法でも、非晶質半導体膜２は、第１のタイプの製造方法において説明したのと同様に形成されている。
【０１１５】
第２のタイプの製造方法では、絶縁膜３に不純物元素Ｉ２を選択的に導入することによって、キャップ膜３Ｃ２を形成する。図８（ａ）に示した矢印は、その長さが長いほど、不純物元素Ｉ２の導入量が多いことを示している。
【０１１６】
以下に、図９を参照して、キャップ膜部分３ａＣ２を含むキャップ膜３Ｃ２の形成およびキャップ膜部分３ａＣ２を介して結晶核形成部２ａを光で照射する場合の結晶核形成部２ａの温度分布について説明する。
【０１１７】
図９（ａ）に示すように、基板１の上に非晶質半導体膜２を形成し、次いで、非晶質半導体膜２の上に絶縁膜３を形成する。図９（ａ）には、非晶質半導体膜２として、結晶核形成部２ａおよび狭小部２ｃを示している。
【０１１８】
絶縁膜３は、非晶質半導体膜２の結晶核形成部２ａの上に配置された絶縁膜部分３ａを含む。絶縁膜部分３ａは、結晶核形成部２ａの上に配置されており、また、絶縁膜３のうち絶縁膜部分３ａ以外の部分は、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂの上に配置されている。
【０１１９】
次いで、絶縁膜３を用いて、図９（ｂ）に示すように、キャップ膜部分３ａＣ２を含むキャップ膜３Ｃ２を形成する。詳細には、絶縁膜部分３ａに不純物元素Ｉ２を選択的に導入することによって、不純物元素Ｉ２が導入されたキャップ膜部分３ａＣ２と不純物元素Ｉ２が導入されていない部分Ｓ２とを含むキャップ膜３Ｃ２を形成する。なお、本明細書の以下の説明において、部分Ｓ２を、キャップ膜部分Ｓ２ともいう。
【０１２０】
キャップ膜部分３ａＣ２は、結晶核形成部２ａの上に配置されており、キャップ膜部分Ｓ２は、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂの上に配置されている。
【０１２１】
図９（ｂ）に示した矢印は、その長さが長いほど、不純物元素Ｉ２の導入量が多いことを示している。キャップ膜部分３ａＣ２内の不純物元素Ｉ２の濃度は、方向Ｄ１に沿ってキャップ膜部分３ａＣ２の端部よりもキャップ膜部分３ａＣ２の中央において高く、方向Ｄ１とほぼ直交に交差する方向Ｄ２に沿ってほぼ一定になるように、絶縁膜部分３ａに不純物元素Ｉ２を選択的に導入する。したがって、キャップ膜部分３ａＣ２の屈折率は、方向Ｄ１に沿って変化しており、方向Ｄ２に沿ってほぼ一定である。なお、絶縁膜３のうち絶縁膜部分３ａ以外には不純物元素Ｉ２を導入していないので、キャップ膜部分Ｓ２は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しい屈折率を有している。
【０１２２】
キャップ膜部分３ａＣ２内の不純物元素Ｉ２の濃度分布１１は、図９（ｃ）に示すように、方向Ｄ１に沿って連続的に変化している。詳細には、キャップ膜部分３ａＣ２内の不純物元素Ｉ２の濃度は、方向Ｄ１に沿ってキャップ膜部分３ａＣ２の中央からキャップ膜部分３ａＣ２の両端に向かって徐々に減少している。
【０１２３】
このような濃度分布は、例えば、基板１を移動させながら、不純物元素Ｉ２を導入することによって得られる。所定の量の不純物元素Ｉ２をライン状に導入しながら、基板１の移動速度を変化させることによって、不純物元素Ｉ２の濃度分布を所望に形成することができる。
【０１２４】
キャップ膜部分Ｓ２の厚さは絶縁膜３の厚さｄ１と等しい。また、キャップ膜部分Ｓ２には、不純物元素Ｉ２が導入されておらず、キャップ膜部分Ｓ２の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しい。したがって、キャップ膜部分Ｓ２は、上記式（２）の関係を満たすので、所定の波長の光に対して完全な反射防止膜として機能し得る。
【０１２５】
一方で、キャップ膜部分３ａＣ２の厚さは絶縁膜３の厚さｄ１と等しいものの、キャップ膜部分３ａＣ２には不純物元素Ｉ２が導入されているため、キャップ膜部分３ａＣ２の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１とは異なる。したがって、キャップ膜部分３ａＣ２は、上記式（２）の関係を満たさない。キャップ膜部分３ａＣ２内の不純物元素Ｉ２の濃度が高くなると、キャップ膜部分３ａＣ２の屈折率と絶縁膜３の屈折率ｎ１との差が大きくなり、ある範囲内では不純物元素Ｉ２の濃度が高くなるほど反射率が大きくなる。
【０１２６】
図９（ｄ）に示すように、非晶質半導体膜２に対する反射率分布１２は、方向Ｄ１に沿って、図９（ｃ）に示した濃度分布１１に対応して連続的に変化する。なお、反射率は、方向Ｄ２に沿ってほぼ一定である。
【０１２７】
キャップ膜部分３ａＣ２を介して結晶核形成部２ａを所定の波長の光で照射すると、結晶核形成部２ａは、反射率分に対応した照射エネルギー密度で照射される。結晶核形成部２ａに対する反射率が大きいほど、結晶核形成部２ａに対する照射エネルギー密度は小さいため、結晶核形成部２ａに対する照射エネルギー密度は、方向Ｄ１に沿って結晶核形成部２ａの中央から結晶核形成部２ａの両端に向かって徐々に大きくなる。
【０１２８】
したがって、キャップ膜部分３ａＣ２を介して結晶核形成部２ａを所定の波長の光で照射すると、図９（ｅ）に示すように、結晶核形成部２ａには、照射エネルギー密度分布に対応する温度分布１３が形成される。結晶核形成部２ａの温度は、結晶核形成部２ａの中央において最も低く、方向Ｄ１に沿って結晶核形成部２ａの中央から結晶核形成部２ａの両端に向かって連続的に高くなる。
【０１２９】
このように、第２のタイプの製造方法によれば、光の強度分布を変更することなく、結晶核形成部２ａに対する光の反射率を変更して、結晶核形成部２ａの温度分布を制御することができる。
【０１３０】
なお、例えば、長さ５μｍ程度の結晶粒を結晶核形成部２ａに形成するためには、キャップ膜部分３ａＣ２の長さを１０μｍ程度に設定すればよい。また、第２のタイプの製造方法において、絶縁膜３をＳｉＯ2（屈折率１．５）で形成し、不純物元素Ｉ２として窒素を用いる場合、キャップ膜３Ｃ２の屈折率は、１．５から２（ＳｉＮの屈折率）までの範囲内で変化させることができる。あるいは、絶縁膜３をＳｉＮ（屈折率２）で形成し、不純物元素Ｉ２として酸素を用いる場合、キャップ膜３Ｃ２の屈折率は、２から１．５（ＳｉＯ2の屈折率）までの範囲内で変化させることができる。
【０１３１】
以下に、図１０を参照して、特許文献１に開示された製造方法を説明する。
【０１３２】
上述した特許文献１に開示された製造方法では、基板７１の上に、部分７２Ｆと部分７２Ｓとを含む非晶質半導体膜７２を形成し、非晶質半導体膜７２の部分７２Ｆの上に選択的に反射防止膜７３Ｃを形成する。なお、以下の説明において、便宜上、非晶質半導体膜７２の部分７２Ｆを非晶質半導体膜部分７２Ｆと称し、非晶質半導体膜７２の部分７２Ｓを非晶質半導体膜部分７２Ｓと称する。次いで、非晶質半導体膜７２を光で照射する。
【０１３３】
特許文献１に開示された製造方法では、反射防止膜７３Ｃの屈折率および厚さが一定であるので、非晶質半導体膜７２を光で照射すると、非晶質半導体膜部分７２Ｆはほぼ一定の照射エネルギー密度で照射され、非晶質半導体膜部分７２Ｆの温度はほぼ一定である。また、非晶質半導体膜部分７２Ｆの上に反射防止膜７３Ｃが設けられているのに対して、非晶質半導体膜部分７２Ｓの上には反射防止膜７３Ｃが設けられていないので、非晶質半導体膜部分７２Ｆは、非晶質半導体膜部分７２Ｓよりも大きな照射エネルギー密度で照射される。よって、非晶質半導体膜部分７２Ｆの温度は、非晶質半導体膜部分７２Ｓの温度よりも高くなる。
【０１３４】
このように特許文献１に開示された製造方法では、非晶質半導体膜部分７２Ｆの温度は非晶質半導体膜部分７２Ｓの温度よりも高いので、非晶質半導体膜７２を照射した後の冷却過程で、非晶質半導体膜部分７２Ｆの温度は、非晶質半導体膜部分７２Ｆの端部から急速に低下していく。したがって、特許文献１に開示された製造方法では、非晶質半導体膜７２は、非晶質半導体膜７２を光で照射した後の冷却過程で、非晶質半導体膜部分７２Ｆの端部から非晶質半導体膜部分７２Ｆの中央に向かって結晶化されていく。図１０に示した矢印Ｃは、結晶粒が成長する方向を示す。
【０１３５】
これに対して、第２のタイプの製造方法によれば、結晶核形成部２ａの温度の勾配が、特許文献１に開示された結晶質半導体膜を製造する場合の温度の勾配よりも緩やかになるように結晶核形成部２ａの温度分布を制御することができるので、結晶核形成部２ａを光で照射した後の冷却過程で、結晶核形成部２ａのより広い面積が溶融した状態を、より長い時間維持することができ、結晶粒の成長速度を遅くすることができる。したがって、第２のタイプの製造方法によれば、特許文献１に開示された製造方法によって製造された結晶質半導体膜の結晶粒よりも大きな結晶粒を形成することができる。
【０１３６】
ここで、再び、図８（ｂ）を参照する。
【０１３７】
第２のタイプの製造方法でも、第１のタイプの製造方法と同様に、結晶核形成部２ａに結晶核を形成して、その結晶核から結晶粒を成長させ、次いで、この結晶粒から、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂを結晶化する。
【０１３８】
ここでは、ＳＬＳで、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂを結晶化する。
【０１３９】
詳細には、結晶核形成部２ａを結晶化した後、続いて、結晶核形成部２ａを結晶化するために用いた光Ｌを方向Ｄ１に沿って素子形成部２ｂの方に向けて走査して、狭小部２ｃを光Ｌで照射する。この場合、結晶核形成部２ａ内で形成された複数の大粒径の結晶粒のうち、狭小部２ｃに最も速く到達した結晶粒が狭小部２ｃを占有する。方向Ｄ２に沿った狭小部２ｃの長さに応じて、狭小部２ｃによって単一の結晶粒が選択される。
【０１４０】
さらに引き続いて光Ｌを方向Ｄ１に沿って走査して、素子形成部２ｂを光Ｌで照射する。その結果、素子形成部２ｂは、狭小部２ｃを占有した結晶粒のみで構成される結晶質半導体膜へと結晶化される。
【０１４１】
以上のように、第２のタイプの製造方法によれば、結晶核形成部２ａの結晶粒を横方向に成長させることによって、電気的特性が優れた大きな結晶粒を素子形成部２ｂに形成することができる。
【０１４２】
なお、第２のタイプの製造方法によっても、パターニングによって、素子形成部２ｂを所望の位置に形成することができるので、結晶粒を生成する位置を制御することができる。
【０１４３】
なお、本発明による結晶質半導体薄膜の製造方法によれば、複数の非晶質半導体膜が設けられた基板を用いて複数の結晶質半導体膜を製造することができる。
【０１４４】
以下に、上述した第１のタイプの製造方法を用いて、複数の非晶質半導体膜が設けられた基板を用いて、複数の結晶質半導体膜を製造する実施形態を説明する。しかしながら、第１のタイプの製造方法だけでなく、第２のタイプの製造方法を用いる場合にも同様の効果が得られることに留意されたい。
【０１４５】
図１１に示すように、基板の上に複数の非晶質半導体膜２を形成し、次いで、複数の非晶質半導体膜２を覆うように、キャップ膜３Ｃ１を形成している。キャップ膜３Ｃ１は、複数のキャップ膜部分３ａＣ１と、複数のキャップ膜部分Ｓ１とを含み、一つのキャップ膜部分３ａＣ１が、複数の結晶核形成部２ａと対応するように、キャップ膜３Ｃ１を形成している。上述したように、不純物元素Ｉ１が、キャップ膜部分３ａＣ１に導入されている。
【０１４６】
キャップ膜部分３ａＣ１およびキャップ膜部分Ｓ１は、それぞれ、方向Ｄ１に延びる短辺と、方向Ｄ１に対してほぼ直交する方向Ｄ２に延びる長辺とを有する矩形状であり、キャップ膜部分３ａＣ１およびキャップ膜部分Ｓ１は、方向Ｄ１に沿って交互に配置されている。
【０１４７】
複数の非晶質半導体膜２は、例えば、非晶質半導体膜を堆積した後、堆積した非晶質半導体膜をパターニングすることによって、形成される。また、複数の非晶質半導体膜２のそれぞれについて、結晶核形成部２ａ、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂが、方向Ｄ１に沿って、この順番に配置されている。
【０１４８】
また、キャップ膜部分３ａＣ１の屈折率は、上述したように、方向Ｄ１に沿って変化しており、方向Ｄ２に沿ってほぼ一定である。キャップ膜部分Ｓ１の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しく、キャップ膜部分Ｓ１は、反射増加膜として機能する。
【０１４９】
非晶質半導体膜２の結晶核形成部２ａがキャップ膜３Ｃ１のキャップ膜部分３ａＣ１を介して光Ｌで照射されると、結晶核形成部２ａで結晶核が形成され、その結晶核から結晶粒が形成される。結晶粒は、結晶核形成部２ａにおいて、方向Ｄ１に沿って結晶核形成部２ａの中央から結晶核形成部２ａの両端に向かって成長する。
【０１５０】
次いで、方向Ｄ１に沿って狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂの順に光Ｌを走査することにより、結晶核形成部２ａで形成された結晶粒は、狭小部２ｃにおいて選択され、選択された結晶粒によって素子形成部２ｂは結晶化される。
【０１５１】
このように、本発明による結晶質半導体膜の製造方法によれば、複数の非晶質半導体膜が設けられた基板を用いて複数の結晶質半導体膜を製造することができる。
【０１５２】
また、本発明による結晶質半導体膜の製造方法には、図１２に示すように、さらに別の実施形態がある。
【０１５３】
図１２（ａ）に示されるように、基板の上に、部分Ｐをエッチングによって取り除いた非晶質半導体膜２を形成してもよい。基板１は、部分Ｐを介して露出されている。なお、図１２（ａ）では、図面を過度に複雑にするのを防ぐ目的で、キャップ膜３Ｃ１を示していない。
【０１５４】
図１２（ａ）の破線に示すように、非晶質半導体膜２のうち二つの部分Ｐによって挟まれた部分を非晶質半導体膜部分２ｃとし、非晶質半導体膜２のうち非晶質半導体膜部分２ｃの両側部分をそれぞれ非晶質半導体膜部分２ａおよび非晶質半導体膜部分２ｂとする。この場合、非晶質半導体膜２は、非晶質半導体膜部分２ａと、非晶質半導体膜部分２ｂと、非晶質半導体膜部分２ｃとを含んでいるといえる。
【０１５５】
この場合も、非晶質半導体膜部分２ａを結晶化し、次いで、非晶質半導体膜部分２ａの結晶から、非晶質半導体膜部分２ｃを介して非晶質半導体膜部分２ｂを結晶化することによって、上述した効果を得ることができる。
【０１５６】
あるいは、図１２（ｂ）に示すように、基板の上に複数の部分Ｐをエッチングによって取り除いた非晶質半導体膜２Ａが設けられており、非晶質半導体膜２Ａが複数の非晶質半導体膜２を含んでいてもよい。キャップ膜３Ｃ１は、非晶質半導体膜２Ａを覆うように、設けられており、基板は、部分Ｐを介して露出されている。
【０１５７】
図１２（ｂ）の破線に示すように、複数の部分Ｐのうち対となる二つの部分Ｐによって挟まれた部分を非晶質半導体膜部分２ｃとし、非晶質半導体膜２のうち非晶質半導体膜部分２ｃの両側部分をそれぞれ非晶質半導体膜部分２ａおよび非晶質半導体膜部分２ｂとし、非晶質半導体膜部分２ａと、非晶質半導体膜部分２ｂと、非晶質半導体膜部分２ｃとを含む非晶質半導体膜を非晶質半導体膜２とすると、非晶質半導体膜２Ａは、複数の非晶質半導体膜２を含んでいるといえる。
【０１５８】
キャップ膜３Ｃ１は、複数のキャップ膜部分３ａＣ１と、複数のキャップ膜部分Ｓ１とを含み、一つのキャップ膜部分３ａＣ１が複数の結晶核形成部２ａと対応するように、キャップ膜３Ｃ１は形成されている。
【０１５９】
キャップ膜部分３ａＣ１には不純物元素Ｉ１が選択的に導入されて、キャップ膜部分３ａＣ１の屈折率が方向Ｄ１に沿って変化している一方で、キャップ膜部分Ｓ１の屈折率は絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しい。
【０１６０】
結晶核形成部２ａがキャップ膜部分３ａＣ１を介して光で照射されると、結晶核形成部２ａで結晶核が形成され、その結晶核から結晶粒が形成される。結晶粒は、結晶核形成部２ａにおいて、方向Ｄ１に沿って結晶核形成部２ａの中央から結晶核形成部２ａの両端に向かって成長する。
【０１６１】
次いで、光を方向Ｄ１に沿って走査することにより、結晶核形成部２ａで形成された結晶粒は、狭小部２ｃにおいて選択されて、選択された結晶粒によって素子形成部２ｂは結晶化される。
【０１６２】
このように、本発明による結晶質半導体膜の製造方法では、複数の非晶質半導体膜がそれぞれ分離されていなくてもよく、ある非晶質半導体膜と他の非晶質半導体膜とが連続していてもよい。
【０１６３】
なお、本発明の実施形態において、絶縁膜３として、ＳｉＯ2（酸化珪素）膜、またはＳｉＮ（窒化珪素）膜を用いることができる。あるいは、絶縁膜３として、上記以外の酸化珪素化合物または窒化珪素化合物、その他、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、窒化酸化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物などを用いてもよい。
【０１６４】
また、絶縁膜３に導入する不純物元素Ｉとして、例えば、窒素、酸素、炭素、フッ素、珪素およびアルミニウムなどを用いてもよい。これらの元素は、単独で絶縁膜に導入してもよいし、複数の元素を混合して絶縁膜３に導入してもよい。
【０１６５】
キャップ膜部分３ａＣ内の不純物元素Ｉは、最大濃度と最小濃度との差が１０ａｔ％以上６７ａｔ％以下の範囲内にあるように設定することが好ましい。ここで「濃度」とは、全組成に対する不純物元素のａｔ％を指す。１０ａｔ％未満では、反射率が十分変化せず、６７ａｔ％よりも大きいと膜の作製が困難になるからである。
【０１６６】
方向Ｄ２に沿った狭小部２ｃの長さは、０．０１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。この長さが０．０１μｍよりも短いと、素子形成部２ｂへと結晶を成長させることが困難となるからであり、また、この長さが５μｍよりも長いと、素子形成部２ｂへと成長する結晶粒を単一に選択できなくなる場合があるからである。
【０１６７】
絶縁膜３の厚さは、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。絶縁膜３の厚さが５０ｎｍよりも薄いと、絶縁膜３に導入した不純物元素Ｉが非晶質半導体膜２内に入り込んでしまう可能性があるためである。絶縁膜３の厚さが５０ｎｍ以上であれば、絶縁膜３に導入した不純物元素Ｉが非晶質半導体膜２に入り込む可能性がほとんどなくなり、キャップ膜部分３ａＣ内の不純物元素Ｉの濃度分布に応じて、半導体膜２の温度の勾配を十分に緩やかにすることができる。また、絶縁膜３の厚さが３００ｎｍよりも厚いと光を透過することができなくなるからである。
【０１６８】
絶縁膜３に不純物元素Ｉを導入する方法として、イオン注入法あるいはイオンドーピング法等を用いることができる。
【０１６９】
なお、上述した第１のタイプまたは第２のタイプの製造方法では、光の所定の波長に対して絶縁膜３が上記式（１）または（２）の関係を満たす場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。不純物元素Ｉの濃度分布、光の波長またはエネルギーなどのパラメータを制御することによって、所望の反射率分布を形成できれば、絶縁膜３はこれらの式を満たさなくてもよい。
【０１７０】
また、キャップ膜３Ｃを介して非晶質半導体膜２を照射するための光として、例えば、紫外線を用いてもよい。非晶質半導体膜２を、紫外線の波長を有するレーザ光で照射してもよい。レーザ光は、波長２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、エネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ2以上５００ｍＪ／ｃｍ2以下であることが好ましい。エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ2よりも小さいと、非晶質半導体膜２を十分に溶融できない可能性があるからである。また、エネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ2よりも大きいと、エネルギー密度が大きすぎるため、非晶質半導体膜２の一部が飛散する可能性があるからである。
【０１７１】
また、非晶質半導体膜２として、珪素（Ｓｉ）膜の他に、ＳｉＧｅ膜、ＧａＡｓ膜、ＧａＰ膜、ＩｎＰ膜等を用いてもよい。
【０１７２】
非晶質半導体膜２の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。非晶質半導体膜２の厚さが１０ｎｍよりも薄いと、レーザ光のエネルギーが充分吸収されないため、非晶質半導体膜２を溶融することが困難となるからである。また、非晶質半導体膜２の厚さが２００ｎｍよりも厚いと、非晶質半導体膜２を溶融するために過剰なエネルギーが必要となり、半非晶質半導体膜２を安定して溶融することができず、結晶化する部分の温度の勾配を緩やかにすることが困難になるからである。非晶質半導体膜２の厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であれば、非晶質半導体膜２を安定して溶融することができ、非晶質半導体膜２に緩やかな温度勾配を形成することができる。
【０１７３】
なお、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂを結晶化するための光の波長は、結晶核形成部２ａで結晶核を形成した光の波長と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【０１７４】
また、光として、パルス状エキシマレーザ光や、他のパルス状レーザ光、パルス光を用いてもよい。
【０１７５】
また、レーザ光を方向Ｄ１に沿って１μｍ走査する毎にレーザ光のオンオフを切り替えてもよい。
【０１７６】
また、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂを結晶化するために、レーザ光を用いる代わりに、ライン状ヒータを用いて、非晶質半導体膜２にエネルギーを付与してもよい。
【０１７７】
なお、上述した説明では、キャップ膜部分３ａＣを非晶質半導体膜２の結晶核形成部２ａと対応させた形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、キャップ膜部分３ａＣが結晶核形成部２ａの少なくとも一部の上に配置されている形態にも適用可能である。また、キャップ膜部分３ａＣが結晶核形成部２ａを覆う場合であっても、キャップ膜部分３ａＣのうち結晶核形成部２ａと重なる部分の屈折率が変化していれば、本発明は適用可能である。
【０１７８】
なお、いずれの場合でも、エネルギーを付与される領域が、結晶核形成部２ａ、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂのすべてに対して方向Ｄ２に沿った長さをカバーすることが好ましい。それにより、一度の走査によって、結晶核形成部２ａ、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂの全体をカバーすることができる。
【０１７９】
なお、上記説明では、基板１を移動させながら不純物元素Ｉを導入する形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。基板１を固定したまま、不純物元素Ｉの導入源を移動させて不純物元素Ｉを導入してもよい。
【０１８０】
また、上記説明では、基板１を固定した状態で光源（たとえば、レーザ光源）を移動させながら光で照射する形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。光源（たとえば、レーザ光源）を固定した状態で基板１を移動させて、光で照射してもよい。
【０１８１】
また、上述した説明では、非晶質半導体膜を結晶質半導体膜に結晶化する形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、多結晶半導体膜を溶融して、再結晶化する形態にも適用可能である。
【０１８２】
また、上述した説明では、結晶核を形成する際に、結晶核形成部２ａのみを光で照射する場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。結晶核を形成するための光で非晶質半導体膜２の全体を照射した後、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂにエネルギーＥを付与して、狭小部２ｃおよび素子形成部２ｂを再結晶化してもよい。
【０１８３】
以上に説明したように、本発明によれば、電気的特性に優れた大きな結晶粒を有する結晶質半導体膜を製造することができる。
【０１８４】
したがって、本発明の結晶質半導体膜を用いて半導体装置を製造すれば、キャリアの移動度が高く、しきい値電圧の低い、高性能な半導体装置を得ることができる。したがって、例えば、本発明の結晶質半導体膜を用いてトランジスタを製造すると、高性能のトランジスタを得ることができる。また、１枚の結晶質半導体膜を用いて、電気的特性のばらつきが抑制された、高性能な複数の半導体素子を高密度で作製することができる。この結晶質半導体膜は、例えば表示装置に好適に利用される。この結晶質半導体膜は、アクティブマトリクス型液晶表示装置の画素電極のＴＦＴや、駆動回路のＴＦＴなどを作製するために好適に用いられる。
【０１８５】
以下、本発明の実施形態をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
【０１８６】
（実施形態１）
図１３および図１４を参照して、本発明の実施形態１による結晶質半導体膜の製造方法を説明する。
【０１８７】
図１３（ａ）に示すように、８０ｃｍ×６０ｃｍのガラス基板２１上に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜２１ａを形成する。ＳｉＯ2膜２１ａは、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ3ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成される。
【０１８８】
次いで、図１３（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜２１ａの全面に、厚さ５０ｎｍの非晶質珪素膜２０を形成する。非晶質珪素膜２０は、例えばＳｉ2Ｈ6ガスとＨ2ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成される。
【０１８９】
次いで、図１３（ｃ）に示すように、非晶質珪素膜２０に対して、レジスト塗布工程と露光工程と現像工程とを含むフォトリソグラフィー工程を行うことにより、非晶質珪素膜２０をパターニングして、ＳｉＯ2膜２１ａ上に非晶質珪素膜２２を形成する。
【０１９０】
この非晶質珪素膜２２は、図１３（ｄ）に示すように、結晶核形成部２２ａと、素子形成部２２ｂと、結晶核形成部２２ａと素子形成部２２ｂとを接続する狭小部２２ｃとを含み、結晶化する方向に沿って結晶核形成部２２ａ、狭小部２２ｃ、素子形成部２２ｂの順番に配置されている。
【０１９１】
次いで、図１３（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪素膜２２を覆うようにＳｉＯ2膜２３を形成する。なお、後の工程で、ＳｉＯ2膜２３を用いてキャップ膜２３Ｃ２を形成する。
【０１９２】
ＳｉＯ2膜２３の厚さは、反射防止膜として機能させるために上述した式（２）の関係を満たすように、１５５ｎｍである。ここでは、ＳｉＯ2の屈折率を１．５、結晶化に使用するエキシマレーザ光の波長λを３０８ｎｍとしている。
【０１９３】
次いで、ＳｉＯ2膜２３の部分２３ａに、図１４（ａ）に示すように、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素として窒素Ｉ２を導入する。本明細書の以下の説明において、ＳｉＯ2膜２３の部分２３ａを、ＳｉＯ2膜部分２３ａと称する。
【０１９４】
ＳｉＯ2膜部分２３ａに窒素Ｉ２を導入することによって、部分２３ａＣ２を含むキャップ膜２３Ｃ２を形成する。本明細書の以下の説明において、キャップ膜２３Ｃ２の部分２３ａＣ２をキャップ膜部分２３ａＣ２と称する。
【０１９５】
ここでは、基板１を移動させながら、ライン状に窒素Ｉ２を導入して、ＳｉＯ2膜２３をドーピングする。基板１の移動速度を変化させることによって、ドーピング濃度を制御し、所望の濃度分布を形成することができる。
【０１９６】
本実施形態１では、ＳｉＯ2膜部分２３ａを含む１０μｍ×３０ｃｍの領域に、窒素Ｉ２を導入する。
【０１９７】
以下に、非晶質半導体膜２２の結晶核形成部２２ａの温度分布について、図１４（ｂ）〜図１４（ｅ）を参照して説明する。
【０１９８】
本実施形態１では、図１４（ｂ）に示すような濃度分布２４をキャップ膜２３Ｃ２に形成するように、窒素Ｉ２をＳｉＯ2膜部分２３ａに導入する。ここでは、最大濃度（５８ａｔ％）と最小濃度（１０ａｔ％）との差が４８ａｔ％で、４．８ａｔ％／μｍ程度の濃度勾配が形成されるように、窒素Ｉ２をＳｉＯ2膜部分２３ａに導入する。
【０１９９】
窒素Ｉ２の濃度を高くするほど、キャップ膜部分２３ａＣ２の屈折率は高くなり、キャップ膜２３Ｃ２には、図１４（ｃ）に示すような屈折率分布２５が形成される。これは、ＳｉＯ2膜２３への窒素Ｉ２の導入量が増えるほど、キャップ膜部分２３ａＣ２の屈折率がＳｉＯ2よりも高いＳｉＮに近づくためである。
【０２００】
また、本実施形態１では、ＳｉＯ2膜２３が反射防止膜になっているため、窒素Ｉ２をＳｉＯ2膜２３に導入する前は、非晶質珪素膜２２に対する光の反射率は最小になっているが、ある範囲内で窒素濃度が高くなるほど、結晶核形成部２２ａに対する反射率は大きくなる。
【０２０１】
図１４（ｄ）に示すように、非晶質珪素膜２２に対する反射率分布２６は、図１４（ｃ）に示した屈折率分布２５に対応している。
【０２０２】
結晶核形成部２２ａがキャップ膜部分２３ａＣ２を介して波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光で照射されると、図１４（ｅ）に示すような温度分布２７が非晶質珪素膜２２に形成される。結晶核形成部２２ａの温度の低い部分で結晶核が形成され、その結晶核から、温度のより低い部分から順に結晶粒が成長し、結晶核形成部２２ａに大きな結晶粒が形成される。
【０２０３】
その後、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を方向Ｄ１に沿って狭小部２２ｃおよび素子形成部２２ｂの順に走査することにより、結晶核形成部２２ａで形成された結晶粒は、狭小部２２ｃで選択され、素子形成部２２ｂで大きな結晶粒が形成される。ここで、結晶粒のサイズは、約１０μｍである。
【０２０４】
このように、本実施形態１によれば、電気的特性が優れた大きな結晶粒を有する結晶質珪素膜を製造することができる。
【０２０５】
また、本実施形態１によれば、パターニングによって素子形成部２２ｂを形成しているので、結晶粒を形成する位置を制御することができる。
【０２０６】
また、このようにして形成された素子形成部２２ｂを、薄膜トランジスタ等の半導体素子に使用することができる。また、そのような半導体素子を、液晶表示装置の駆動回路、半導体メモリ、半導体論理回路等の半導体装置に使用することができる。
【０２０７】
（実施形態２）
図１３および図１５を参照して、本発明の実施形態２による結晶質半導体膜の製造方法を説明する。
【０２０８】
図１３について、上記実施形態１と重複する説明を省略する。
【０２０９】
まず、実施形態１において説明したのと同様に、図１３（ａ）から図１３（ｃ）に示すように、ガラス基板２１上にＳｉＯ2膜２１ａを形成し、次いで、結晶核形成部２２ａと、素子形成部２２ｂと、結晶核形成部２２ａと素子形成部２２ｂとを接続する狭小部２２ｃとを含む非晶質珪素膜２２を形成する。
【０２１０】
次いで、図１３（ｅ）に示すように、非晶質珪素膜２２上にプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ2膜２３を形成する。なお、後の工程で、ＳｉＯ2膜２３を用いてキャップ膜２３Ｃ１を形成する。
【０２１１】
ただし、ＳｉＯ2膜２３の厚さは、反射増加膜として機能させるために上記式（１）の関係を満たすように１０３ｎｍとする。ここでは、ＳｉＯ2の屈折率を１．５、結晶化に使用するエキシマレーザ光の波長λを３０８ｎｍとしている。
【０２１２】
次いで、図１５（ａ）に示すように、ＳｉＯ2膜部分２３ａに、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素として窒素Ｉ１を導入する。本明細書の以下の説明において、ＳｉＯ2膜２３の部分２３ａを、ＳｉＯ2膜部分２３ａと称する。
【０２１３】
ＳｉＯ2膜部分２３ａに窒素Ｉ１をＳｉＯ2膜２３に導入することによって、部分２３ａＣ１を含むキャップ膜２３Ｃ１を形成する。本明細書の以下の説明において、キャップ膜２３Ｃ１の部分２３ａＣ１をキャップ膜部分２３ａＣ１と称する。
【０２１４】
本実施形態２では、ＳｉＯ2膜部分２３ａを含む１０μｍ×３０ｃｍの領域に、窒素Ｉ１を導入する。
【０２１５】
以下に、非晶質半導体膜２２の結晶核形成部２２ａの温度分布について図１５（ｂ）〜（ｅ）を参照して説明する。
【０２１６】
本実施形態２では、図１５（ｂ）に示すような濃度分布３０をキャップ膜２３Ｃ１に形成するように、窒素Ｉ１をＳｉＯ2膜部分２３ａに導入する。ここでは、最大濃度（５８ａｔ％）と最小濃度（１０ａｔ％）との差が４８ａｔ％で、４．８ａｔ％／μｍ程度の濃度勾配が形成されるように、窒素Ｉ１をＳｉＯ2膜部分２３ａに導入する。
【０２１７】
窒素Ｉ１の濃度を高くするほど、キャップ膜部分２３ａＣ１の屈折率は高くなり、キャップ膜２３Ｃ１には、図１５（ｃ）に示すような屈折率分布３１が形成される。これは、ＳｉＯ2膜２３への窒素Ｉ１の導入量が増えるほど、キャップ膜部分２３ａＣ１の屈折率がＳｉＯ2よりも高いＳｉＮ膜に近づくためである。
【０２１８】
また、本実施形態２では、ＳｉＯ2膜２３が反射増加膜になっているため、窒素Ｉ１をＳｉＯ2膜２３に導入する前は、非晶質珪素膜２２に対する光の反射率は最小になっているが、ある範囲内で窒素濃度が高くなるほど、結晶核形成部２２ａに対する反射率は小さくなる。
【０２１９】
図１５（ｄ）に示すように、非晶質珪素膜２２に対する反射率分布３２は、図１５（ｃ）に示した屈折率分布３１に対応している。
【０２２０】
結晶核形成部２２ａがキャップ膜部分２３ａＣ１を介して波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光で照射されると、図１５（ｅ）に示すような温度分布３３が非晶質珪素膜２２に形成される。結晶核形成部２２ａの温度の低い部分で結晶核が形成され、その結晶核から、温度のより低い部分から順に結晶粒が成長し、結晶核形成部２２ａに大きな結晶粒が形成される。
【０２２１】
その後、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を方向Ｄ１に沿って狭小部２２ｃおよび素子形成部２２ｂの順に走査することにより、結晶核形成部２２ａで形成された結晶粒は、狭小部２２ｃで選択され、素子形成部２２ｂで大きな結晶粒が形成される。ここで、結晶粒のサイズは、約１０μｍである。
【０２２２】
このように、本実施形態２によれば、電気的特性が優れた大きな結晶粒を有する結晶質珪素膜を製造することができる。
【０２２３】
また、本実施形態２によれば、パターニングによって素子形成部２２ｂを形成しているので、結晶粒を任意の位置に生成するように制御することができる。
【０２２４】
また、このようにして形成された素子形成部２２ｂを、薄膜トランジスタ等の半導体素子に使用することができる。また、そのような半導体素子を、液晶表示装置の駆動回路、半導体メモリ、半導体論理回路等の半導体装置に使用することができる。
【０２２５】
（実施形態３）
図１６および図１７を参照して、本発明の実施形態３による結晶質半導体膜の製造方法を説明する。
【０２２６】
まず、図１６（ａ）に示すように、ガラス基板４１上に例えば厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜４１ａを形成する。ＳｉＯ2膜４１ａは、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ3ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成される。
【０２２７】
次いで、図１６（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜４１ａの全面に、厚さ５０ｎｍの非晶質珪素膜４０を形成する。非晶質珪素膜４０は、例えば、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＨ2ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、形成される。
【０２２８】
次いで、図１６（ｃ）に示すように、非晶質珪素膜４０に対して、レジスト塗布工程と露光工程と現像工程とを含むフォトリソグラフィー工程を行うことにより、非晶質珪素膜４０をパターニングして、ＳｉＯ2膜４１ａ上に非晶質珪素膜４２を形成する。
【０２２９】
この非晶質珪素膜４２は、図１６（ｄ）に示すように、結晶核形成部４２ａと、素子形成部４２ｂと、結晶核形成部４２ａと素子形成部４２ｂとを接続する素子形成部４２ｂとを含み、結晶化方向に沿って結晶核形成部４２ａ、狭小部４２ｃ、素子形成部４２ｂの順番に配置されている。
【０２３０】
次いで、図１６（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪素膜４２を覆うようにＳｉＮ膜４３を形成する。なお、後の工程で、このＳｉＮ膜４３を用いてキャップ膜４３Ｃ２を形成する。
【０２３１】
ＳｉＮ膜４３の厚さは、反射防止膜として機能させるため上述した式（２）の関係を満たすように、１１５ｎｍとする。ここでは、ＳｉＮの屈折率を２、結晶化に使用するエキシマレーザ光の波長λを３０８ｎｍとしている。
【０２３２】
次いで、図１７（ａ）に示すように、ＳｉＮ膜４３の部分４３ａに、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素として酸素Ｉ２を導入する。本明細書の以下の説明において、ＳｉＮ膜４３の部分４３ａを、ＳｉＮ膜部分４３ａと称する。
【０２３３】
ＳｉＮ膜部分４３ａに酸素Ｉ２を導入することによって、部分４３ａＣ２を含むキャップ膜４３Ｃ２を形成する。本明細書の以下の説明において、キャップ膜４３Ｃ２の部分４３ａＣ２をキャップ膜部分４３ａＣ２と称する。
【０２３４】
ここでは、基板１を移動させながら、ライン状に酸素Ｉ２を導入して、ＳｉＮ膜４３をドーピングする。基板１の移動速度を変化させることによって、ドーピング濃度を制御し、所望の濃度分布を形成することができる。
【０２３５】
本実施形態３では、ＳｉＮ膜部分４３ａを含む１０μｍ×３０ｃｍの領域に、酸素Ｉ２を導入する。
【０２３６】
以下に、非晶質半導体膜４２の結晶核形成部４２ａの温度分布について、図１７（ｂ）〜図１７（ｅ）を参照して説明する。
【０２３７】
本実施形態３では、図１７（ｂ）に示す濃度分布４４をキャップ膜４３Ｃ２に形成するように、酸素Ｉ２をＳｉＮ膜部分４３ａに導入する。ここでは、最大濃度（６７ａｔ％）と最小濃度（１０ａｔ％）との差が５７ａｔ％で、５．７ａｔ％／μｍ程度の濃度勾配が形成されるように、酸素Ｉ２をＳｉＮ膜部分４３ａに導入する。
【０２３８】
酸素Ｉ２の濃度を高くするほど、キャップ膜部分４３ａＣ２の屈折率は低くなり、キャップ膜４３Ｃ２には、図１７（ｃ）に示すような屈折率分布４５が形成される。これは、ＳｉＮ膜４３への酸素Ｉ２の導入量が増えるほど、キャップ膜４３Ｃ２の屈折率がＳｉＮよりも低いＳｉＯ2に近づくためである。
【０２３９】
また、本実施形態３では、ＳｉＮ膜４３が反射防止膜になっているため、酸素Ｉ２をＳｉＮ膜４３に導入する前は、非晶質珪素膜４２に対する光の反射率は最小になっているが、ある範囲内で酸素濃度が高くなるほど、結晶核形成部４２ａに対する反射率は大きくなる。
【０２４０】
図１７（ｄ）に示すように、非晶質珪素膜４２に対する反射率分布４６は、図１７（ｃ）に示した屈折率分布４５に対応している。
【０２４１】
結晶核形成部４２ａがキャップ膜部分４３ａＣ２を介して波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光で照射されると、図１７（ｅ）に示すような温度分布４７が非晶質珪素膜４２に形成される。結晶核形成部４２ａの温度の低い部分で結晶核が形成され、その結晶核から、温度のより低い部分から順に結晶粒が成長し、結晶核形成部４２ａに大きな結晶粒が形成される。
【０２４２】
その後、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を方向Ｄ１に沿って狭小部４２ｃおよび素子形成部４２ｂの順に走査することにより、結晶核形成部４２ａで形成された結晶粒は、狭小部４２ｃで選択され、素子形成部４２ｂで大きな結晶粒が形成される。ここで、結晶粒のサイズは、約１０μｍである。
【０２４３】
このように、本実施形態３によれば、電気的特性が優れた大きな結晶粒を有する結晶質珪素膜を製造することができる。
【０２４４】
また、本実施形態３によれば、パターニングによって素子形成部４２ｂを形成しているので、結晶粒を生成する位置を制御することができる。
【０２４５】
また、このようにして形成された素子形成部４２ｂを、薄膜トランジスタ等の半導体素子に使用することができる。そのような半導体素子は、液晶表示装置の駆動回路、半導体メモリ、半導体論理回路等の半導体装置に使用することができる。
【０２４６】
（実施形態４）
図１８を参照して、本発明の実施形態４による半導体装置７０を説明する。
【０２４７】
半導体装置７０は、上述した実施形態１で作製された結晶質珪素膜を含む薄膜トランジスタを用いた半導体装置である。ここでは、結晶質珪素膜の素子形成部を薄膜トランジスタの活性層として用いている。
【０２４８】
まず、上述したように、ガラス基板２１およびＳｉＯ2膜２１ａの上に結晶質珪素膜４８を作製し、結晶質珪素膜４８の上部のＳｉＯ2をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法でパターニングする。
【０２４９】
次いで、一般的な薄膜トランジスタと同様、ＴＥＯＳガスとＯ3ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2を堆積する。次いで、スパッタリング法でＷＳｉ2／多結晶Ｓｉを堆積した後、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとを用いたＲＩＥ法でパターニングする。次いで、ソース・ドレインにイオンドーピング法でＰ（リン）またはＢ（ボロン）を注入し、ＴＥＯＳガスとＯ3ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2を形成した後、ＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスとを用いたＲＩＥ法でエッチングによってコンタクトホールを形成する。その結果、ゲートＳｉＯ2膜４９、ＷＳｉ2／多結晶Ｓｉゲート電極５０、および、ＳｉＯ2膜５１が形成される。
【０２５０】
次いで、スパッタリング法でＡｌを堆積させて、ＢＣｌ3ガスとＣｌ2ガスとを用いたＲＩＥ法でパターニングして、Ａｌ配線５２を形成する。
【０２５１】
次いで、ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとＮ2ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＮを堆積させ、次いで、このＳｉＮの一部をＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスとを用いたＲＩＥ法でエッチングして、Ａｌ配線５２の一部を露出させて、ＳｉＮ保護膜５３を形成する。
【０２５２】
このようにして、半導体装置７０は製造される。
【０２５３】
なお、上記説明では、上述した実施形態１で作製された結晶質珪素膜を用いて、薄膜トランジスタを形成する形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、上述した実施形態１乃至実施形態３のいずれかで作製された結晶質珪素膜を用いて、薄膜トランジスタを形成する形態にも適用可能である。
【０２５４】
また、上記説明では、結晶質珪素膜を用いる形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、結晶質珪素膜以外の結晶質半導体膜を用いる形態にも適用可能である。
【０２５５】
なお、上記説明では、結晶質珪素膜を用いた薄膜トランジスタを説明したが、本発明はこれに限定されない。結晶質珪素膜の用途は薄膜トランジスタに限定されず、結晶質珪素膜を、抵抗、キャパシタ等の半導体素子に用いてもよい。
【０２５６】
また、このような半導体素子は、液晶表示装置の駆動回路、半導体メモリ、半導体論理回路等に用いることができる。
【０２５７】
（実施形態５）
図１９を参照して、本発明の実施形態５による表示装置８０を説明する。表示装置８０は、実施形態４において上述した半導体装置７０を用いたアクティブマトリクス基板７５と、対向基板７７と、アクティブマトリクス基板７５と対向基板７７との間に配置された液晶層７９とを備える液晶表示装置である。
【０２５８】
まず、アクティブマトリクス基板７５を説明する。
【０２５９】
上述した実施形態４においてＳｉＮ保護膜５３まで作製された半導体装置７０の上に全面にわたって樹脂膜を堆積し、次いで、堆積した樹脂膜にスルーホールを形成することによって、樹脂膜５４を形成する。スルーホールからＡｌ配線５２が露出される。次いで、スパッタリング法によって、スルーホールおよび樹脂膜５４の上にＩＴＯ膜を堆積し、ＨＣｌとＦｅＣｌ3とを用いてＩＴＯ膜をパターニングして、画素電極５５を形成する。画素電極５５の上にポリイミド膜をオフセット印刷法で形成し、ポリイミド膜にラビング処理を行い、配向膜５６を形成する。
【０２６０】
このようにして、アクティブマトリクス基板７５は形成される。
【０２６１】
次いで、対向基板７７を説明する。
【０２６２】
別のガラス基板５８に、赤、緑、青の各感光性樹脂薄膜の付いたフィルムを熱圧着して転写し、フォトリソグラフィーによってパターニングする。次いで、赤、緑、青の各感光性樹脂薄膜間のスペースにブラックマトリクス部を同様に形成して、カラーフィルタ５９を作製する。
【０２６３】
次いで、カラーフィルタ５９の上にスパッタリング法でＩＴＯ膜６０を形成する。次いで、ポリイミド膜をオフセット印刷法で形成した後、ラビング処理を行い、配向膜６１を形成する。
【０２６４】
このようにして、対向基板７７は形成される。
【０２６５】
アクティブマトリクス基板７５と対向基板７７とをシール樹脂で貼り合わせる。この際、アクティブマトリクス基板７５と対向基板７７との間のスペースを一定にするため、真球状のシリカを散布する。
【０２６６】
次いで、アクティブマトリクス基板７５と対向基板７７との間に液晶を注入する。
【０２６７】
次いで、アクティブマトリクス基板７５のガラス基板２１および対向基板７７のガラス基板５８に必要に応じて偏光板を貼り付け、アクティブマトリクス基板７５の上に駆動回路等を実装する。
【０２６８】
このようにして、液晶表示装置８０を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２６９】
本発明によれば、電気的特性に優れた大きな結晶粒を有する結晶質半導体膜の製造方法、その製造方法で製造された結晶質半導体膜、そのような結晶質半導体膜を用いた半導体装置および表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０２７０】
【図１】本発明による結晶質半導体膜の製造方法の実施形態を説明するための図であり、（ａ）は基板および半導体膜の断面図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）は基板、半導体膜および絶縁膜の断面図であり、（ｄ）は基板、半導体膜および絶縁膜を用いて形成されたキャップ膜の断面図であり、（ｅ）は、基板、半導体膜およびキャップ膜の断面図であり、（ｆ）は、基板、半導体膜およびキャップ膜の断面図である。
【図２】本発明の実施形態において、第１の半導体膜部分を光で照射することを説明するための図であり、半導体膜の平面図である。
【図３】本発明の実施形態において、エネルギーＥを第２の半導体膜部分に付与することを説明するための図であり、基板、半導体膜およびキャップ膜の斜視図である。
【図４】本発明の第１のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は基板、非晶質半導体膜および絶縁膜の断面図、（ｂ）はその平面図である。
【図５】本発明の第１のタイプの製造方法において結晶核形成部およびその近傍を説明するための図であり、（ａ）は、基板、非晶質半導体膜および絶縁膜の断面図であり、（ｂ）は、基板、非晶質半導体膜およびキャップ膜の断面図である。
【図６】本発明の第１のタイプの製造方法において非晶質半導体膜の結晶核形成部およびその近傍を説明するための図であり、（ａ）は、図５（ｂ）に示したキャップ膜の平面図であり、（ｂ）は、第１の方向に沿ったキャップ膜の不純物元素の濃度分布の一例を模式的に示すグラフであり、（ｃ）は、第１の方向に沿った反射率分布を模式的に示すグラフであり、（ｄ）は、第１の方向に沿った非晶質半導体膜の温度分布を模式的に示すグラフである。
【図７】比較例の製造方法を説明するための図である。
【図８】本発明の第２のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は基板、非晶質半導体膜および絶縁膜の断面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図９】本発明の第２のタイプの製造方法において非晶質半導体膜の結晶核形成部およびその近傍を説明するための図であり、（ａ）は、非晶質半導体膜および絶縁膜が形成された基板の断面図であり、（ｂ）は、非晶質半導体膜およびキャップ膜が形成された基板の断面図であり、（ｃ）は、第１の方向に沿ったキャップ膜内の不純物元素の濃度分布の一例を模式的に示すグラフであり、（ｄ）は、第１の方向に沿った反射率分布を模式的に示すグラフであり、（ｅ）は、第１の方向に沿った非晶質半導体膜の温度分布を模式的に示すグラフである。
【図１０】特許文献１に開示された製造方法を説明するための図である。
【図１１】本発明の製造方法を、複数の非晶質半導体膜が設けられた基板を用いる形態に適用した場合のキャップ膜の平面図である。
【図１２】本発明の製造方法を、さらに別の形態に適用することを説明するための図であり、（ａ）は、キャップ膜の平面図であり、（ｂ）は、本発明の製造方法を、複数の非晶質半導体膜が設けられた基板を用いたさらに別の形態に適用した場合のキャップ膜の平面図である。
【図１３】本発明の実施形態１および実施形態２による結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、ガラス基板およびＳｉＯ2膜の断面図であり、（ｂ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜および非晶質珪素膜の断面図であり、（ｃ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜および非晶質珪素膜の断面図であり、（ｄ）は、（ｃ）に示した非晶質珪素膜およびＳｉＯ2膜の平面図であり、（ｅ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜、非晶質珪素膜およびＳｉＯ2膜の断面図である。
【図１４】本発明の実施形態１による結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜、非晶質珪素膜およびキャップ膜の断面図であり、（ｂ）は、結晶化方向に沿ったキャップ膜内の不純物元素の濃度分布を示すグラフであり、（ｃ）は、キャップ膜の屈折率分布を示すグラフであり、（ｄ）は、非晶質珪素膜に対する光の反射率分布を示すグラフであり、（ｅ）は、非晶質珪素膜の温度分布を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施形態２による結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜、非晶質珪素膜およびキャップ膜の断面図であり、（ｂ）は、結晶化方向に沿ったキャップ膜内の不純物元素の濃度分布を示すグラフであり、（ｃ）は、キャップ膜の屈折率分布を示すグラフであり、（ｄ）は、非晶質珪素膜に対する光の反射率分布を示すグラフであり、（ｅ）は、非晶質珪素膜の温度分布を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施形態３による結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、ガラス基板およびＳｉＯ2膜の断面図であり、（ｂ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜および非晶質珪素膜の断面図であり、（ｃ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜および非晶質珪素膜の断面図であり、（ｄ）は、（ｃ）に示した非晶質珪素膜およびＳｉＯ2膜の平面図であり、（ｅ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜、非晶質珪素膜およびＳｉＮ膜の断面図である。
【図１７】本発明の実施形態３による結晶質半導体膜の作製方法を説明するための図であり、（ａ）は、ガラス基板、ＳｉＯ2膜、非晶質珪素膜およびキャップ膜の断面図であり、（ｂ）は、結晶化方向に沿ったキャップ膜内の不純物元素の濃度分布を示すグラフであり、（ｃ）は、キャップ膜の屈折率分布を示すグラフであり、（ｄ）は、非晶質珪素膜に対する光の反射率分布を示すグラフであり、（ｅ）は、非晶質珪素膜の温度分布を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施形態４による半導体装置の断面図である。
【図１９】本発明の実施形態５による表示装置の断面図である。
【符号の説明】
【０２７１】
１          基板
２          非晶質半導体膜
２ａ        結晶核形成部
２ｂ        素子形成部
２ｃ        狭小部
３          絶縁膜
３ａ        絶縁膜部分
３Ｃ１      キャップ膜
３ａＣ１    キャップ膜部分
３Ｃ２      キャップ膜
３ａＣ２    キャップ膜部分
８          濃度分布
９          反射率分布
１０        温度分布
１１        濃度分布
１２        反射率分布
１３        温度分布
２０        非晶質珪素膜
２１        ガラス基板
２１        ＳｉＯ2膜
２２        非晶質珪素膜
２２        非晶質半導体膜
２２ａ      結晶核形成部
２２ｂ      素子形成部
２２ｃ      狭小部
２３        ＳｉＯ2膜
２３ａ      ＳｉＯ2膜部分
２３Ｃ１    キャップ膜
２３ａＣ１  キャップ膜部分
２３Ｃ２    キャップ膜
２３ａＣ２  キャップ膜部分
２４        濃度分布
２５        屈折率分布
２６        反射率分布
２７        温度分布
３０        濃度分布
３１        屈折率分布
３２        反射率分布
３３        温度分布
４０        非晶質珪素膜
４１        ガラス基板
４１ａ      ＳｉＯ2膜
４２        非晶質半導体膜
４２ａ      結晶核形成部
４２ｂ      素子形成部
４２ｃ      狭小部
４３        ＳｉＯ2膜
４３ａ      ＳｉＯ2膜部分
４３Ｃ２    キャップ膜
４４        濃度分布
４５        屈折率分布
４６        反射率分布
４７        温度分布
４８        結晶質珪素膜
４９        ゲートＳｉＯ2膜
５０        ゲート電極
５１        ＳｉＯ2膜
５２        Ａｌ配線
５３        ＳｉＮ保護膜
５４        樹脂膜
５５        画素電極
５６        配向膜
５８        ガラス基板
５９        カラーフィルタ
６０        ＩＴＯ膜
６１        ポリイミド膜
７１        基板
７２        半導体膜
７３Ｃ      反射防止膜
７５        アクティブマトリクス基板
７７        対向基板
７９        液晶層
８０        表示装置
【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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