(57)【要約】【課題】薄膜トランジスタのチャネル領域に用いた場合にそのキャリア移動度を高め、且つ、特性ばらつきを小さくする多結晶半導体薄膜の製造方法、多結晶半導体薄膜、半導体装置及び表示装置を提供する。【解決手段】多結晶半導体薄膜の製造方法は、特定のエネルギー密度の結晶化エネルギーを特定方向に走査しながら付与することにより、所定領域の非晶質珪素膜の膜面に平行に｛１０１｝面が優先配向し、結晶化エネルギーの走査方向に｛１００｝面が優先配向し、結晶化エネルギーの走査方向に対して直交する方向に｛１０１｝面が優先配向した結晶面を有する多結晶珪素の結晶核を形成する結晶核形成工程と、優先配向した結晶面に対応する領域以外の領域に非晶質珪素膜を形成する結晶核制御工程と、非晶質珪素膜に珪素膜の結晶化を助長する触媒物質を導入して膜面と略平行な方向に結晶成長させる結晶粒成長工程と、を備える。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に形成された非晶質珪素膜の所定領域に、特定のエネルギー密度の結晶化エネルギーを特定方向に走査しながら付与することにより、該非晶質珪素膜の膜面に平行に｛１０１｝面が優先配向し、該結晶化エネルギーの走査方向に｛１００｝面が優先配向し、該結晶化エネルギーの走査方向に対して直交する方向に｛１０１｝面が優先配向した結晶面を有する多結晶珪素で構成された結晶核を形成する結晶核形成工程と、
上記多結晶珪素における上記優先配向した結晶面に対応する領域以外の領域を非晶質化させて非晶質珪素膜を形成する結晶核制御工程と、
上記非晶質珪素膜に珪素膜の結晶化を助長する触媒物質を導入し、該触媒物質の該非晶質珪素膜内への拡散により、上記結晶核の結晶方位と整合して上記膜面と略平行な方向に結晶成長させる結晶粒成長工程と、
を備えた多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記非晶質珪素膜の膜厚が３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記結晶化エネルギーは、連続発振レーザ光によって付与される多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記連続発振レーザ光が固体レーザ光である多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
請求項３に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記連続発振レーザ光がＹＡＧレーザの第２高調波である多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
請求項３に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記連続発振レーザ光によって付与する結晶化エネルギーが、１０Ｗ以上２５Ｗ以下である多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
請求項３に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記多結晶珪素は薄膜トランジスタのチャネル領域に用いるものであり、
上記連続発振レーザ光を、上記チャネル領域のソース領域とドレイン領域とを結ぶように設定された所定の直線に直交する方向に走査する多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
請求項３に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記連続発振レーザ光の走査速度が１ｍ／ｓ以上３ｍ／ｓ以下である多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記非晶質珪素膜を、上記多結晶珪素における上記優先配向した結晶面に対応する領域以外の領域に、所定のイオン種のイオンを所定のイオン注入エネルギーによって注入することにより形成する多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記イオン種として、珪素、ヘリウム、アルゴン及びキセノンの少なくとも一種類の元素を含む多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１１】
請求項９に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記イオン注入エネルギーが２０ｋｅＶ以上１００ｋｅＶ以下である多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１２】
請求項９に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記イオンの総注入量が、１ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１３】
請求項１に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記結晶粒成長工程における結晶成長が固相成長である多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１４】
請求項１に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記多結晶珪素は薄膜トランジスタのチャネル領域に用いるものであり、
上記結晶粒成長工程における結晶成長の方向は、上記チャネル領域のソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向に沿っている多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１５】
請求項１に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記珪素膜の結晶化を助長する触媒物質が、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、イリジウム、白金、銅及び金の少なくとも一種類の元素で構成される多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１６】
請求項１に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記珪素膜の結晶化を助長する触媒物質を、上記非晶質珪素膜表面における濃度が、１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下となるように該非晶質珪素膜内へ導入する多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１７】
請求項１に記載された多結晶半導体薄膜の製造方法において、
上記結晶粒成長工程で、電気炉を用いて５００℃以上８００℃以下の温度で加熱処理を行うことにより上記結晶成長をさせる多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれかに記載された多結晶半導体薄膜の製造方法によって製造された多結晶半導体薄膜。
【請求項１９】
請求項１８に記載された多結晶半導体薄膜を薄膜トランジスタのチャネル領域に備えた半導体装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載された半導体装置を備えた表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶半導体薄膜の製造方法、多結晶半導体薄膜、半導体装置及び表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス等の絶縁性基板上に形成された非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶構造を有する半珪素膜（以下、結晶性珪素膜という）を形成する技術が広く研究されている。その結晶化法としては、ファーネスアニール炉を用いた熱アニール法や、瞬間熱アニール法（ＲＴＡ法）、又は、レーザアニール法などが検討されている。結晶化に際してはこれらの方法のうち、いずれか一つ又は複数を組み合わせて行うことが可能である。
【０００３】
結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜と比較すると移動度が非常に高い。このため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、例えば、１枚のガラス基板上に、画素部用、または、画素部用と駆動回路用のＴＦＴを形成したアクティブマトリクス型の液晶表示装置等に利用されている。
【０００４】
通常、ファーネスアニール炉で非晶質珪素膜を結晶化させるには、６００℃以上で１０時間以上の熱処理を必要としていた。この結晶化に適用できる基板材料は石英であるが、石英基板は高価で、特に大面積に加工するのは非常に困難であった。しかし、生産効率を上げるためには基板を大面積化する必要が不可欠であり、近年においては一辺が１ｍを越えるサイズの基板の使用も考慮されるようになっている。
【０００５】
一方、特許文献１に開示されている非晶質珪素の結晶化を助長する触媒元素を用いる熱結晶化法は、従来問題とされていた結晶化温度を低温化すること、および処理時間を短くすることを可能としている。その方法は、非晶質珪素膜に、ニッケル、パラジウム、又は、鉛等の元素を微量に添加し、その後６００℃にて１時間の熱処理で結晶性珪素膜の形成を可能にしている。本法によると、場合によってはトランジスタのチャネル領域に対して充分な大きさの結晶粒を得ることが可能となる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の方法では、結晶方位の制御は行えない。
【０００７】
また、レーザアニール法は、基板の温度をあまり上昇させずに、珪素膜にのみ高いエネルギーを与えることが出来るため、歪点の低いガラス基板には勿論、プラスチック基板等にも用いることが出来る点で注目されている技術である。
【０００８】
レーザアニール法の一例は、エキシマレーザに代表されるパルスレーザ光を、照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、長さ１００ｍｍ以上の線状となるように光学系にて整形し、レーザ光を移動させて(あるいはレーザ光の照射位置を被照射体に対し相対的に移動させて)アニールを行う方法である。なお、ここでいう「線状」は、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比の大きい長方形（もしくは長楕円形）を意味する。例えば、アスペクト比が２以上（好ましくは１０〜１００００）のもの指すが、照射面における形状が矩形状であるレーザ光（矩形状ビーム）に含まれることに変わりはない。なお、線状とするのは被照射体に対して充分なアニールを行うためのエネルギー密度を確保するためであり、矩形状や面状であっても被照射体に対して充分なアニールを行えるのであれば構わない。例えば特許文献２によると、結晶化される珪素の盤面結晶方位が選択的に〈１００〉になる多結晶珪素膜が得られる。ここで、〈１００〉は、ミラー指数で表示する結晶面｛１００｝に垂直な方位を示している。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に開示の方法では、多結晶珪素膜の面内の結晶方位は制御されないため、面内方位が異なる１μｍ以下の多数の微小な結晶粒が基板面の全体にわたって敷き詰められた状態になり、充分な大きさの結晶粒は得られない。
【００１０】
そこで、これらを組み合わせた技術として、特許文献３には、非晶質珪素膜にレーザ光を照射して、結晶化される珪素の盤面結晶方位が選択的に〈１００〉になった結晶粒を製造し、該結晶粒が形成された結晶性珪素膜の領域に非晶質珪素の結晶化を助長する触媒物質を導入し、該触媒物質の該珪素膜中への拡散により、レーザ光照射によって製造した盤面結晶方位が選択的に〈１００〉になった結晶粒を結晶核として横方向に結晶成長させる方法が開示されている。
【特許文献１】特開平７-１８３５４０号公報
【特許文献２】特開平１０−４１２３４号公報
【特許文献３】特開２００４−７１８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献３に開示された方法では、盤面結晶方位が〈１００〉になったある程度の大きさを有する結晶粒を含む多結晶珪素膜を製造することは可能であるが、珪素膜面内の結晶方位を制御することは不可能である。このため特許文献３に開示された方法で製造した結晶性珪素膜で薄膜トランジスタを製造すると、その電気特性のばらつきが大きくなるという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、薄膜トランジスタのチャネル領域に用いた場合にそのキャリア移動度を高め、且つ、特性ばらつきを小さくする多結晶半導体薄膜の製造方法、多結晶半導体薄膜、半導体装置及び表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、絶縁性基板上に形成された非晶質珪素膜の所定領域に、特定のエネルギー密度の結晶化エネルギーを特定方向に走査しながら付与することにより、非晶質珪素膜の膜面に平行に｛１０１｝面が優先配向し、結晶化エネルギーの走査方向に｛１００｝面が優先配向し、結晶化エネルギーの走査方向に対して直交する方向に｛１０１｝面が優先配向した結晶面を有する多結晶珪素で構成された結晶核を形成する結晶核形成工程と、多結晶珪素における優先配向した結晶面に対応する領域以外の領域を非晶質化させて非晶質珪素膜を形成する結晶核制御工程と、非晶質珪素膜に珪素膜の結晶化を助長する触媒物質を導入し、触媒物質の非晶質珪素膜内への拡散により、結晶核の結晶方位と整合して膜面と略平行な方向に結晶成長させる結晶粒成長工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
ここで、上述の｛１０１｝、｛１００｝或いは｛１０１｝等は、ミラー指数で表示する結晶面方位を示している。
【００１５】
また、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、非晶質珪素膜の膜厚が３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよい。
【００１６】
さらに、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、結晶化エネルギーが、連続発振レーザ光によって付与されてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、連続発振レーザ光が固体レーザ光であってもよい。
【００１８】
さらに、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、連続発振レーザ光がＹＡＧレーザの第２高調波であってもよい。
【００１９】
また、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、連続発振レーザ光によって付与する結晶化エネルギーが、１０Ｗ以上２５Ｗ以下であってもよい。
【００２０】
さらに、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、多結晶珪素は薄膜トランジスタのチャネル領域に用いるものであり、連続発振レーザ光を、チャネル領域のソース領域とドレイン領域とを結ぶように設定された所定の直線に直交する方向に走査してもよい。
【００２１】
また、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、連続発振レーザ光の走査速度が１ｍ／ｓ以上３ｍ／ｓ以下であってもよい。
【００２２】
さらに、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、非晶質珪素膜を、多結晶珪素における優先配向した結晶面に対応する領域以外の領域に、所定のイオン種のイオンを所定のイオン注入エネルギーによって注入することにより形成してもよい。
【００２３】
また、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、イオン種として、珪素、ヘリウム、アルゴン及びキセノンの少なくとも一種類の元素を含んでもよい。
【００２４】
さらに、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、イオン注入エネルギーが２０ｋｅＶ以上１００ｋｅＶ以下であってもよい。
【００２５】
また、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、イオンの総注入量が、１ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であってもよい。
【００２６】
さらに、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、結晶粒成長工程における結晶成長が固相成長であってもよい。
【００２７】
また、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、多結晶珪素が薄膜トランジスタのチャネル領域に用いるものであり、結晶粒成長工程における結晶成長の方向がチャネル領域のソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向に沿っていてもよい。
【００２８】
さらに、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、珪素膜の結晶化を助長する触媒物質が、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、イリジウム、白金、銅及び金の少なくとも一種類の元素で構成されてもよい。
【００２９】
また、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、珪素膜の結晶化を助長する触媒物質を、非晶質珪素膜表面における濃度が、１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下となるように該非晶質珪素膜内へ導入してもよい。
【００３０】
さらに、本発明に係る多結晶半導体薄膜の製造方法は、結晶粒成長工程で、電気炉を用いて５００℃以上８００℃以下の温度で加熱処理を行うことにより結晶成長をさせてもよい。
【００３１】
本発明に係る多結晶半導体薄膜は、上述の多結晶半導体薄膜の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【００３２】
本発明に係る半導体装置は、上述の多結晶半導体薄膜を薄膜トランジスタのチャネル領域に備えたことを特徴とする。
【００３３】
本発明に係る表示装置は、上述の半導体装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、薄膜トランジスタのチャネル領域に用いた場合にそのキャリア移動度を高め、且つ、特性ばらつきを小さくする多結晶半導体薄膜の製造方法、多結晶半導体薄膜、半導体装置及び表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００３６】
本発明は、非晶質珪素膜に対して、特定のエネルギー密度範囲のエネルギービームを照射すると、その膜面の盤面方位、及び、エネルギービーム走査方向に特定の結晶面が優先的に配向した結晶が形成されることに着目してなされたものである。
【００３７】
さらに、優先配向していない結晶粒を非晶質化し、結晶成長時の結晶核となることを抑制することに着目してなされたものである。
【００３８】
図１〜３は、ガラス基板上に形成された７５ｎｍの厚さを有する非晶質珪素膜に対して、５３２ｎｍの波長を有し、縦×横が３００μｍ×２０μｍの矩形状に整形され、エネルギーが１７．５ＷのＹＡＧレーザ光を、その短軸方向に２ｍ／ｓの速度で走査しながら照射することにより（結晶核形成工程）、結晶化された結晶性珪素膜の結晶方位分布をＥＢＳＰ法を用いて評価した結果である。
【００３９】
ここで、図１は盤面方位、図２はレーザ光走査方位、図３は膜面内のレーザ光走査方向に対して直交する方位における結晶化された結晶性珪素膜の結晶方位分布をそれぞれ示し、各図に掲げた０〜２４までの数値は結晶方位分布度数を示す。
【００４０】
図４は、同ＥＢＳＰ法により、結晶性珪素膜の結晶粒界を表したものである。
【００４１】
図１〜４より、レーザ光照射によって結晶化された結晶粒は、レーザ光走査方向に長さ１０μｍ程度に伸びた細長い形状で、盤面結晶方位が選択的に〈１０１〉、且つ、レーザ光走査方向に選択的に〈１００〉、且つ、膜面内のレーザ光走査方向に対して直交する方位が選択的に〈１０１〉に配向していることがわかる。
【００４２】
上述のように、非晶質珪素膜の所定の領域に対して、特定のエネルギー範囲のレーザ光を特定方向に走査しながら照射すれば、盤面方向（膜面に平行な方向）に、｛１０１｝面が優先配向し、且つ、レーザ光走査方向に｛１００｝面が優先配向し、且つ、膜面内のレーザ光走査方向に対して直交する方向に｛１０１｝面が優先的に配向した結晶面を有する結晶性珪素が得られる。このようにして特定方向に優先配向した結晶性珪素を形成した後、この結晶性珪素を結晶核として、基板上の珪素に対して膜面と略平行な方向に結晶成長させることにより、盤面方向に｛１０１｝面、且つ、ビーム走査方向を変えることにより面内の所定の方向に｛１００｝面或いは｛１０１｝面を有する方位制御された多結晶半導体薄膜を得ることができる。
【００４３】
ここで、図５は、レーザ光が照射されなかった領域近辺の結晶化珪素膜の結晶粒界をＥＢＳＰ法を用いて分析した結果である。図５において、Ａはレーザ光が照射された領域を、Ｂはレーザ光が照射されていない領域をそれぞれ示す。
【００４４】
図５より、レーザ光が照射された領域の、レーザ光が照射されなかった領域との境界から約２０μｍの領域は微小結晶粒となることがわかる。また、この微小結晶粒領域の結晶方位は、図１〜４に示す領域内とは異なり、配向性は認められなかった。
【００４５】
このような方位制御されていない結晶粒が、結晶粒成長工程で成長しないように、結晶粒成長工程の前に非晶質化させる必要がある（結晶核制御工程）。
【００４６】
結晶核制御工程では、通常のフォトレジスト工程で不要な結晶粒を暴露した上で、トランジスタ特性に影響を及ぼさない珪素やアルゴンなどをイオン注入する方法が簡便である。
【００４７】
次に、結晶核制御工程により特定の結晶方位に制御された結晶核制御領域内の結晶核を膜面と略平行な方向に、通常の結晶化温度よりも低い温度で結晶成長させるために、この結晶核形成領域に結晶成長を助長する触媒物質を導入する。触媒物質を導入した後、基板を加熱すると、触媒物質が導入された結晶核形成領域から周辺の領域へ触媒物質が拡散し、この触媒物質の拡散に伴って、基板の膜面と略平行な方向に順次結晶成長が進む（結晶粒成長工程）。この触媒物質を用いた結晶化では、加熱温度が通常の結晶化に要する温度よりも低くなるので、軟化点が低いガラス基板等を基板として用いることが可能となる。
【００４８】
このとき、結晶粒成長工程において成長した結晶粒がレーザ光走査方向に伸びた細長い形状であることから、レーザ光を走査した方向に対して膜面内で直交する方向に結晶粒を成長させた方が大きな単結晶が得られることとなる。
【００４９】
以上説明したようにして得られる盤面方向に｛１０１｝面が、レーザ光走査方向に｛１００｝面が、膜面内のレーザ光走査方向に対して直交する方向に｛１０１｝面がそれぞれ優先配向するように制御された結晶性珪素膜（多結晶半導体薄膜）を用いて半導体装置を製造すれば、その装置特性の向上を図ることができる。例えば、半導体装置としてトランジスタを製造すると、キャリア移動度を大きくすることができ、また、閾値電圧を小さくすることが可能である。さらに、同一基板上に複数のトランジスタを製造した場合に、各トランジスタ間の特性のばらつきを小さくすることが可能である。
【００５０】
（実施形態）
以下に、図を参照して、本発明の実施形態に係る多結晶半導体薄膜２１の製造方法、多結晶半導体薄膜２１、半導体装置及び表示装置を説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００５１】
本実施形態では、チャネル領域の大きさが、４μｍ×４μｍの薄膜トランジスタを製造する場合を例に挙げて説明する。
【００５２】
まず、図６に示すように、ガラス基板１１上に厚さ約１００ｎｍの酸化珪素膜１２（例えば、テトラエチルオルソシリケート（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：ＴＥＯＳ）を堆積し、次いで、ＳｉＨ４ガスとＡｒガスとの混合ガスを用いたＲＦプラズマ化学気相成長（プラズマＣＶＤ）法により、酸化珪素膜１２上に厚さ７５ｎｍの非晶質珪素膜１３を形成する。
【００５３】
次に、非晶質珪素膜１３上に、厚さ約２０ｎｍのＴＥＯＳ酸化珪素膜１４を成膜する。これは、レーザ光照射の際に珪素膜が飛散するのを防ぐためである。
【００５４】
次に、図７に示すように、ＴＥＯＳ酸化珪素膜１４に、５３２ｎｍの波長を有し、縦×横が３００μｍ×２０μｍの矩形状に整形され、エネルギーが１７．５ＷのＹＡＧレーザ光を、その短軸方向に２ｍ／ｓの速度で走査しながら照射し、結晶核を有する結晶化珪素２０を形成する（結晶核形成工程）。
【００５５】
この結晶核形成工程により、図４及び図５に示すように、レーザ光照射領域（結晶化珪素２０が形成された領域）の、レーザ光が照射されなかった領域との境界から約２０μｍの領域を除き、盤面方向（非晶質珪素膜の膜面に平行な方向）に｛１０１｝面が優先配向し、且つ、レーザ光走査方向に｛１００｝面が優先配向し、且つ、膜面内のレーザ光走査方向に対して直交する方向に｛１０１｝面が優先配向した結晶性珪素が発生する。このとき、結晶粒はレーザ光走査方向に長さ１０μｍ程度に伸びた細長い形状をしている。
【００５６】
次に、ＴＥＯＳ酸化珪素膜１４を除去する。
【００５７】
次に、レーザ光照射領域のうち、配向性が制御できていないレーザ光が照射されなかった領域との境界から約２０μｍの領域内の結晶粒が、結晶粒成長工程で成長しないように制御を行う。
【００５８】
すなわち、まず、結晶核製造工程で結晶化した領域の、レーザ光が照射されなかった領域との境界から、それぞれ両側２０μｍ以内の領域を除き、通常のフォト工程によりパターニングでレジスト１５を形成する。
【００５９】
次に、基板上面からエネルギーが５０ｋｅＶの珪素イオンを１ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２となるように注入する。これにより、レジスト１５に被覆されていなかった領域の結晶性珪素は非晶質化されて非晶質珪素膜が生じる（結晶核制御工程）。
【００６０】
次に、図８に示すように、レジスト１５を通常の剥離工程で剥離した後、表面に厚さ１００ｎｍのＴＥＯＳ酸化珪素膜１６を形成する。
【００６１】
さらに、ＴＥＯＳ酸化珪素膜１６上に、結晶核制御工程で結晶粒を残した領域のみが開口するようにレジストをパターニングした後、ドライエッチング工程によりＴＥＯＳ酸化珪素膜１６を除去し、レジストを除去することにより開口部１７を形成する。この所定の箇所が開口したＴＥＯＳ酸化珪素膜１６を、非晶質珪素膜１３の結晶化を助長する触媒元素の添加領域を指定するマスクとする。
【００６２】
次に、図９に示すように、スパッタリング法を用いて、珪素膜表面濃度が１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２となるように基板上にＮｉ１８を蒸着する。蒸着されたＮｉ１８は、ＴＥＯＳ酸化珪素膜１６に形成された開口部１７では、結晶核制御工程で残した結晶化珪素２０上に蒸着される。続いて、Ｎｉ１８が表面に蒸着された基板を加熱炉に搬入して６００℃になるように均一に１時間加熱する。この加熱により、ＴＥＯＳ酸化珪素膜１６に形成された開口部１７に蒸着されたＮｉ１８が結晶化珪素２０から非晶質珪素膜１３へ拡散し、非晶質珪素膜１３が結晶化珪素２０を結晶核として整合した方位で結晶化していく（結晶粒成長工程）。これにより、多結晶珪素膜（多結晶半導体薄膜２１）が作製される。
【００６３】
図１０は、結晶核制御領域から非晶質珪素領域に成長した多結晶珪素膜（多結晶半導体薄膜２１）の多結晶珪素Ｃの結晶粒界をＥＢＳＰ法を用いて分析した結果である。ここで、領域Ｄは図７で示したレジスト１５下部のイオン注入されなかった領域を示す。図１０から、結晶核制御領域と非晶質珪素領域との境界に接する結晶粒が非晶質珪素領域に膜面と略平行な方向に成長（横成長）していることがわかる。
【００６４】
また、この結晶粒が膜面と略平行な方向に成長した結晶粒は、結晶核と同様に、盤面方向に｛１０１｝面、かつレーザ光走査方向に｛１００｝面、かつ膜面内のレーザ光走査方向に対して直交する方向に｛１０１｝面であった。
【００６５】
本実施形態では、非晶質珪素膜１３を７５ｎｍとしたが、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下でも方位制御は可能である。
【００６６】
本実施形態では、波長が５３２ｎｍ、エネルギーが１７．５ＷのＹＡＧレーザ光を２ｍ／ｓの速度で走査したが、他の連続発振レーザ光で、エネルギーが１０Ｗ以上２５Ｗ以下で、走査速度が１ｍ／ｓ以上３ｍ／ｓ以下でも方位制御が可能である。
【００６７】
本実施形態では、結晶核制御工程において、５０ｋｅＶの珪素イオンを１ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２イオン注入したが、これに限定されない。例えば、ヘリウム、アルゴン、キセノンでも可能である。注入エネルギーも２０ｋｅＶ以上１００ｋｅＶ以下でも可能である。また、注入量も１ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下でも可能である。
【００６８】
本実施形態では、触媒元素はＮｉであり、珪素膜表面の触媒元素の表面濃度は１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であったが、本発明はこれに限定されない。触媒元素は、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、イリジウム、白金、銅及び金からなる群から選択された少なくとも１種類の元素を含んでいればよい。また、非晶質珪素膜１３における触媒元素の表面濃度は、１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることが好ましい。表面濃度が１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満である場合、触媒元素の効果が小さく、結晶化に要する時間が長くなり、製造工程上好ましくない。一方、表面濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２よりも高い場合、結晶化された珪素膜中に触媒元素が高濃度に残留し、ＴＦＴ特性が悪化する。
【００６９】
また、本実施形態では、熱処理における加熱温度は６００℃であったが、本発明はこれに限定されない。ただし、加熱温度は５００℃以上８００℃以下であることが好ましい。処理温度が５００℃未満の場合、固相結晶成長速度が遅く、製造工程上好ましくない。一方、加熱温度が８００℃よりも高い場合、非晶質珪素膜１３内に結晶核が結晶粒が成長するよりも先に任意の方位の微小結晶粒が形成され、それにより、高いキャリア移動度を得ることができない。
【００７０】
以上の方法に従って製造された多結晶珪素膜（多結晶半導体薄膜２１）を活性層に使用した電界効果薄膜トランジスタは、キャリア移動度が高くなり、電気特性のばらつきが小さくなる。
【００７１】
次に、多結晶半導体薄膜２１を活性層として用いたｎチャネル型電界効果薄膜トランジスタ（以下、「ｎチャネル型ＴＦＴ」という。）３０の製造方法を説明する。
【００７２】
図１１及び１２に示すように、まず、ガラス基板１１上に配置された酸化珪素膜１２の上に作製された多結晶半導体薄膜２１を、４μｍ×４μｍのチャネル領域３２、ソース領域３３及びドレイン領域３４に対応する形状にパタ−ニングする。このときソース領域３３とドレイン領域３４とを結ぶように設定した所定の直線（例えば、図１１の直線Ｅ）とレーザ光走査方向（例えば、図１１の直線Ｆ）とを直交させる。図１２に示すように、パターニングされた多結晶半導体薄膜２１を覆うように常圧化学気相成長（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＰＣＶＤ）法により、厚さ１００ｎｍ程度の酸化膜からなるゲート絶縁膜３５を形成する。
【００７３】
次に、図１３に示すように、ゲート絶縁膜３５上に、導電膜として厚さ３００ｎｍ程度のアルミニウム膜３６を形成し、図１４に示すように、アルミニウム膜３６を所定形状にパターニングしてゲート電極３７を形成する。このゲート電極３７をマスクとして、ソース領域３３およびドレイン領域３４となる領域にリンイオンを注入し、ゲート電極３７直下のチャネル領域３２の両側にソ−ス領域３３及びドレイン領域３４を形成する。
【００７４】
その後、図１５に示すように、ＡＰＣＶＤ法によって、ガラス基板１１上の全面にゲート電極３７を覆うように厚さ５００ｎｍの酸化膜を堆積して層間絶縁膜３８を形成する。
【００７５】
次いで、図１６に示すように、ソ−ス領域３３及びドレイン領域３４上のゲート絶縁膜３５および層間絶縁膜３８にコンタクトホ−ル部３９を形成し、スパッタリング法によって電極材料をコンタクトホ−ル部３９に堆積させ、コンタクトホール部３９を介して電極材料とソース領域３３及びドレイン領域３４との間にオ−ミック接触を実現させる。この電極材料を所定形状にパターニングすることにより、引き出し電極４０が形成される。
【００７６】
以上のようにして、ｎチャネル型ＴＦＴ３０が完成する。
【００７７】
さらに、このように作製したｎチャネル型ＴＦＴ３０をスイッチング素子として用いることにより、半導体装置及びその半導体装置を用いた表示装置を製造することができる。
【００７８】
尚、上述した説明では、ＴＦＴの例示としてｎチャネル型ＴＦＴ３０を説明したが本発明はこれに限定されない。例えば、多結晶半導体薄膜２１を用いてｐチャネル型ＴＦＴを作製してもよい。また、ｐチャネル型ＴＦＴをスイッチング素子として用いた半導体装置、及び、その半導体装置を備えた表示装置をさらに作製してもよい。
【００７９】
（実施例）
上述の製造方法によりｎチャネル型ＴＦＴを作製し、そのキャリア移動度を測定したところ、高いキャリア移動度（３５０ｃｍ２／Ｖ・ｓ）を示した。
【００８０】
さらに、同一基板上に上述の製造方法でｎチャネル型ＴＦＴを１００個ずつ作製し、それらのキャリア移動度を測定したところ、キャリア移動度のばらつきは、それぞれ±３％以内と小さかった。
【００８１】
（比較例）
比較例として、特開２００４−７１８３２号公報に開示された方法で作製した多結晶珪素膜を用いてｎチャネル型ＴＦＴを作製し、そのキャリア移動度を測定したところ、その最大値が２８０ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、キャリア移動度のばらつきは±２５％であった。
【００８２】
以上の結果により、本願発明に係る製造方法によって製造された多結晶半導体薄膜を備えたＴＦＴは、従来の製造方法で製造されたものと比べてより高い移動度を示し、且つ、キャリア移動度のばらつきもより小さくなることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
以上説明したように、本発明は、多結晶半導体薄膜の製造方法、多結晶半導体薄膜、半導体装置及び表示装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】盤面方位における結晶化された結晶性珪素膜の結晶方位分布を示す。
【図２】レーザ光走査方位における結晶化された結晶性珪素膜の結晶方位分布を示す。
【図３】膜面内のレーザ光走査方向に対して直交する方位における結晶化された結晶性珪素膜の結晶方位分布を示す。
【図４】ＥＢＳＰ法による結晶性珪素膜の結晶粒界を示す図である。
【図５】ＥＢＳＰ法によるレーザ光が照射されなかった領域近辺の結晶化珪素膜の結晶粒界を示す図である。
【図６】酸化珪素膜１２上に形成された非晶質珪素膜１３及びＴＥＯＳ酸化珪素膜１４の断面図である。
【図７】非晶質珪素膜１３上に形成された結晶化珪素２０及びレジスト１５の断面図である。
【図８】レジスト１５剥離後に非晶質珪素膜１３上に形成されたＴＥＯＳ酸化珪素膜１６の断面図である。
【図９】ＴＥＯＳ酸化珪素膜１６上に蒸着されたＮｉ１８の断面図である。
【図１０】ＥＢＳＰ法による多結晶珪素膜（多結晶半導体薄膜２１）の多結晶珪素Ｃの結晶粒界を示す図である。
【図１１】酸化珪素膜１２の上に形成された多結晶半導体薄膜２１の平面図である。
【図１２】多結晶半導体薄膜２１上に形成されたゲート絶縁膜３５の断面図である。
【図１３】ゲート絶縁膜３５上に形成されたアルミニウム膜３６の断面図である。
【図１４】ゲート絶縁膜３５上に形成されたゲート電極３７の断面図である。
【図１５】ゲート電極３７上に形成された層間絶縁膜３８の断面図である。
【図１６】ｎチャネル型ＴＦＴ３０の断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１１      ガラス基板
１２      酸化珪素膜
１３      非晶質珪素膜
１４，１６      ＴＥＯＳ酸化珪素膜
１５      レジスト
１７      開口部
１８      Ｎｉ
２０      結晶化珪素
２１      多結晶半導体薄膜
３０      ｎチャネル型ＴＦＴ
３２      チャネル領域
３３      ソース領域
３４      ドレイン領域
３５      ゲート絶縁膜
３６      アルミニウム膜
３７      ゲート電極
３８      層間絶縁膜
３９      コンタクトホ−ル部
４０      引き出し電極
【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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