(57)【要約】【課題】結晶成長した薄膜内の膜面に平行な結晶面が一定であり、結晶面の結晶方位も一定の方向を有する。【解決手段】非晶質Ｓｉ膜３が種結晶成長領域６と、結合部４によって結合された結晶成長領域７を有し、種結晶成長領域６の一辺６ａおよび結晶成長領域７の一辺７ａが直線状になるように結合して結晶成長領域７のコーナー部が鋭角になるように非晶質Ｓｉ膜３をパターニングし、第１エネルギー密度のエネルギービームを照射し、非晶質Ｓｉ膜３に所定の結晶面を持つ種結晶形成領域５を形成し、その後、第２エネルギー密度および所定の移動量に設定されたエネルギービームを照射し、所定の結晶方位が配向した種結晶成長領域６を形成し、続いて、結晶成長領域７に、種結晶成長領域６から選択された結晶粒に基づいて所定の結晶方位に配向した単一ドメイン結晶１２を横方向に結晶成長させる。【選択図】　図１
2004095666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板または絶縁膜上に形成された半導体膜に、ビーム照射領域が直線状になったエネルギービームを、そのビーム照射領域とは直交する方向に移動させつつ照射することによって、半導体薄膜を成長させる結晶成長工程を包含する半導体薄膜の成長方法であって、
該半導体膜を、該エネルギービームの移動方向上流側に配置された長方形状の第１島状領域と、該第１島状領域に対してエネルギービームの移動方向下流側に配置されて結合部によって、それぞれのコーナー部同士が結合された第２島状領域とを有し、該結合部にて該第１島状領域の一辺および該第２島状領域の一辺が一直線状に結合するとともに、該結合部における該第２島状領域のコーナー部が鋭角になるように、該半導体膜をパターニングする工程と、
該第１島状領域に、該エネルギービームを移動させることなく第１エネルギー密度で照射して、所定の結晶面が優先的に配向した種結晶形成領域を形成する工程と、
その後、第２エネルギー密度および所定の移動量に設定された該エネルギービームを、該種結晶形成領域から該第１島状領域内に繰り返し照射し、エネルギービームの移動方向に沿って、所定の結晶方位が配向した種結晶成長領域を該第１島状領域内に形成する工程と、
該第２島状領域に、第２エネルギー密度および所定の移動量に設定された該エネルギービームを繰り返し照射し、エネルギービームの移動方向に沿って、該種結晶成長領域から選択された結晶粒に基づいて、所定の結晶方位に配向した結晶性半導体薄膜を横方向に結晶成長させる工程と、
を包含する半導体薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記結晶面および前記結晶方位は、それぞれ略｛１００｝面および略＜００１＞方位である請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記第２エネルギー密度は、第１エネルギー密度より大きい請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項４】
前記第１エネルギー密度は、３６０〜４００ｍＪ／ｃｍ２である請求項１または３に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項５】
前記第２エネルギー密度は、４００〜５００ｍＪ／ｃｍ２である請求項１または３に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項６】
前記エネルギービームの移動方向におけるエネルギー密度分布のピーク位置は、繰り返し照射時の前回の照射領域の内側にある請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項７】
前記エネルギービームの１回の移動量は、１０μｍ以下である請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項８】
前記半導体膜の膜厚は、１０〜２００ｎｍである請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項９】
前記結合部の幅は、２０μｍ以下に設定する請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項１０】
前記少なくとも第２島状領域のコーナー部は、直線状の前記第１島状領域の一辺および前記第２島状領域の一辺に対して垂直方向を基準として、垂直方向から１０〜８０°傾斜する請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項１１】
前記半導体膜は、Ｓｉ（シリコン）である請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項１２】
絶縁性基板または絶縁膜上に形成され、結晶面が略｛１００｝面であるとともに、結晶方位が略＜００１＞方位をもった結晶粒から形成されることを特徴とする半導体薄膜。
【請求項１３】
前記結晶粒は、単一ドメインを形成する請求項１２に記載の半導体薄膜。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体薄膜の形成方法によって形成された半導体薄膜を用いた半導体装置。
【請求項１５】
請求項１２または１３に記載の半導体薄膜を用いた半導体装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の半導体装置を用いたディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性基板上に形成された非晶質半導体膜等にエネルギービームを照射し、その熱エネルギーによって非晶質半導体膜等を結晶化させた半導体薄膜、その半導体薄膜の形成方法、その半導体薄膜を用いた半導体装置およびディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ、以下、ＴＦＴと記述する）に代表される薄膜半導体素子は、絶縁性表面を有する基板上に、ＣＶＤ法等によって厚さ数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの半導体薄膜を形成し、この半導体薄膜を活性層として用いて、絶縁ゲート型電界効果型半導体素子、ダイオード等を構成するものである。
【０００３】
このような絶縁ゲート型電界効果型半導体素子等の応用分野としては、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ装置が知られている。アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ装置は、マトリクス状に配置された数１０万以上の画素電極のそれぞれに１つ以上の絶縁ゲート型電界効果型半導体素子から成るＴＦＴを配置し、画素電極に供給する電荷をＴＦＴによって制御するようになっている。
【０００４】
ＴＦＴを形成するために用いられる半導体薄膜は、製造において非晶質Ｓｉ膜を用いることが簡便であるが、非晶質Ｓｉ膜は、キャリアの移動度が小さいという電気的特性を有し、スイッチング速度が遅いという問題がある。非晶質Ｓｉ膜を用いたＴＦＴの電気的特性の向上を図るには、結晶性を有するＳｉ薄膜を利用すればよい。結晶性を有するＳｉ薄膜は、多結晶Ｓｉ、微結晶Ｓｉ等と称されている。
【０００５】
従来から、基板に形成された非単結晶絶縁膜上、または、絶縁性基板上に非晶質Ｓｉ膜または多結晶Ｓｉ膜を形成し、非晶質Ｓｉ膜または多結晶Ｓｉ膜に、エネルギービーム等の照射による熱エネルギーを加えて非晶質Ｓｉ膜または多結晶Ｓｉ膜を結晶化させる方法が知られている。
【０００６】
例えば、絶縁性基板上に形成された非晶質Ｓｉ膜または多結晶Ｓｉ膜に、ビームの照射領域が直線状になったエネルギービームをパルス状に断続的に照射して、直線状の照射領域に対して直行する方向に走査することにより、非晶質Ｓｉ膜または多結晶Ｓｉ膜の溶融固化を繰り返して、非晶質Ｓｉ膜または多結晶Ｓｉ膜を結晶化させる。この方法では、パルス状エネルギービームの移動方向に沿って、結晶方位が略＜００１＞方位である結晶性Ｓｉ膜が形成されることが知られている。
【０００７】
このような結晶成長の方法において、基板上の結晶成長領域全体に、結晶方位が制御された結晶性Ｓｉ膜を形成するためには、不規則な結晶核の発生を抑制して、制御された結晶核を種結晶として結晶成長を促進させ、最終的に単一ドメインを形成させることが重要である。単一ドメインとは、結晶方位のずれが５°以上である大きな傾角粒界が存在しない領域のことである。尚、単一ドメイン内には、結晶方位のずれが数°以下である小さな傾角粒界は存在している。
【０００８】
図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来の結晶成長を説明する模式図である。
【０００９】
図８（ａ）では、基板上に形成された非晶質Ｓｉ膜３１を、所定形状にパターニングして照射領域のビーム形状が直線状のエネルギービームを一方向に移動させ（この移動方向を矢印３５によって示す）、その移動方向に沿って結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜に成長させている。
【００１０】
この場合、まず、基板上に形成された非晶質Ｓｉ膜３１を、所定形状にパターニングする。非晶質Ｓｉ膜３１は、エネルギービームの移動方向上流側に位置する長方形状の第１島状領域３２と、エネルギービームの移動方向下流側に位置する第２島状領域３３とが相互に結合された形状にパターニングされる。第２島状領域３３は、エネルギービームの移動方向上流側に位置する一方のコーナー部が鋭角になっており、そのコーナー部が、第１島状領域３２の一つのコーナー部に対向するように配置されて、相互に対向する各コーナー部同士が結合部３４によって連結されている。この場合、結合部３４にて連結された第１島状領域３２の一辺３２ａと第２島状領域３３の一辺３３ｂとが一直線状に配置されており、第２島状領域３３の鋭角のコーナー部を形成する他の辺３３ａが、一直線状の各辺３２ａおよび３３ｂに対して傾斜している。
【００１１】
次に、第１島状領域３２から第２島状領域３３にビームの照射領域が直線状になったエネルギービームをパルス状に断続的に照射して、エネルギービームを矢印３５で示す方向に沿って走査することにより、非晶質Ｓｉ膜３１を溶融固化させることを繰り返す。これにより、第１島状領域３２では、矢印３５で示すエネルギービームの移動方向に沿って、結晶方位が略＜００１＞方位の種結晶となる結晶性Ｓｉ膜が成長する。第１島状領域３２にて、成長される結晶性Ｓｉ膜は、結合部３４において、一つの結晶領域の結晶粒のみが選択される。第２島状領域３３では、その選択された結晶性Ｓｉ膜の結晶粒を種結晶として、ランダムな結晶核の発生を抑制しながら、矢印３５で示すエネルギービームの移動方向に沿って、結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜が成長する。ここで、矢印３５で示すエネルギービームの移動方向は、第１島状領域３２の一辺３２ａおよび第２島状領域３３の一辺３３ａとそれぞれ平行となる。このように、第２島状領域３３は、エネルギービームの移動方向上流側の一辺が、その移動方向に対して傾斜しているために、第２島状領域３３の領域の全体にわたって、結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜を成長させることができる。
【００１２】
図８（ｂ）は、第２島状領域３３を、エネルギービームの移動方向上流側に位置する一辺がエネルギービームの移動方向に対して垂直になるように形成した場合を示している。この場合、ビームの照射領域が直線状になったエネルギービームは、矢印３５で示すエネルギービームの移動方向に対して垂直である辺３３ｃ上を通過する際に、エネルギービームの直線状になったビームの照射領域と、エネルギービームの移動方向に対して垂直である辺３３ｃとが互いに平行になる。このため、第２島状領域３３における辺３３ｃ沿って結合部３４から離れた領域では、結合部３４にて選択された結晶性Ｓｉ膜の結晶粒が成長する前に、エネルギービームが照射されるので、結晶方位のランダムな結晶核３６が発生する。これにより、第２島状領域３３には、結晶方位のランダムな結晶核３６を種結晶として成長した結晶粒３６ａが生じ、単一ドメインの結晶性Ｓｉ膜が得られなくなる。
【００１３】
半導体素子の微細化および電気特性の安定化には、結晶性の良好な半導体薄膜を用いることが不可欠である。特に、結晶面の結晶方位が制御されているとともに、単一ドメインが形成されている結晶は、非常に結晶性がよいため、良好な電気的特性が要求される薄膜半導体装置のＴＦＴにも利用することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このことから、図８（ａ）に示すように第２島状領域３３を上記のようにパターニングして、エネルギービームを照射することが好ましい。図８（ａ）に示す結晶成長では、直線状のエネルギービームの移動方向３５に沿って細長い複数の結晶領域が第１島状領域３２で形成され、結合部３４にてそのうちの一つの結晶領域の結晶粒のみが選択され、図８（ｂ）に示すのようなランダムな結晶核３６の発生を抑制しながら第２島状領域３３の結晶成長領域に結晶性Ｓｉ膜の結晶成長を行うことができる。しかし、その結晶性Ｓｉ膜では、結晶性Ｓｉ膜表面に対する結晶面の選択された結晶方位は略＜００１＞方位であるが、結晶性Ｓｉ膜内の膜面に平行な結晶面内の結晶方位は、全く制御されていない。このため、結晶性Ｓｉ膜の内部は、異なる結晶方位を有する１μｍ以下の多数の微小な結晶粒が敷き詰められた状態であり、結晶方位の揃った単一ドメインの状態になっていない。
【００１５】
このように、前述した図８（ａ）に示す従来の結晶成長でも、膜面に平行な結晶面が一定であり、結晶面の結晶方位も揃った単一ドメインを有する結晶性Ｓｉ膜が得られない。
【００１６】
また、第１島状領域３２にて形成された結晶性Ｓｉ膜の結晶粒が結合部３４にて選択され、第２島状領域３３の種結晶となる結晶核の結晶面内の結晶方位はランダムであるため、成長した各島状の結晶性Ｓｉ膜毎に結晶方位が異なる。
【００１７】
このような結晶面の結晶方位が揃っていない結晶性Ｓｉ膜を用いて液晶ドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置を作製した場合には、その半導体装置に設けられるＴＦＴのキャリア移動度が小さくなるとともに、閾値電圧が大きくなり、また、ＴＦＴのキャリア移動度および閾値電圧のバラツキが大きくなるというおそれがある。
【００１８】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、結晶成長した薄膜内の膜面に平行な結晶面が一定であり、結晶面の結晶方位も一定の方向となる半導体薄膜、その半導体薄膜の形成方法、その半導体薄膜を用いた半導体装置およびディスプレイ装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体薄膜の形成方法は、絶縁性基板または絶縁膜上に形成された半導体膜に、ビーム照射領域が直線状になったエネルギービームを、そのビーム照射領域とは直交する方向に移動させつつ照射することによって、半導体薄膜を成長させる結晶成長工程を包含する半導体薄膜の成長方法であって、半導体膜を、エネルギービームの移動方向上流側に配置された長方形状の第１島状領域と、第１島状領域に対してエネルギービームの移動方向下流側に配置されて結合部によって、それぞれのコーナー部同士が結合された第２島状領域とを有し、結合部にて第１島状領域の一辺および第２島状領域の一辺が一直線状に結合するとともに、結合部における第２島状領域のコーナー部が鋭角になるように、半導体膜をパターニングする工程と、第１島状領域に、エネルギービームを移動させることなく第１エネルギー密度で照射して、所定の結晶面が優先的に配向した種結晶形成領域を形成する工程と、その後、第２エネルギー密度および所定の移動量に設定されたエネルギービームを、種結晶形成領域から第１島状領域内に繰り返し照射し、エネルギービームの移動方向に沿って、所定の結晶方位が配向した種結晶成長領域を該第１島状領域内に形成する工程と、
第２島状領域に、第２エネルギー密度および所定の移動量に設定されたエネルギービームを繰り返し照射し、エネルギービームの移動方向に沿って、該種結晶成長領域から選択された結晶粒に基づいて、所定の結晶方位に配向した結晶性半導体薄膜を横方向に結晶成長させる工程と、を包含するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２０】
また、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、結晶面および結晶方位は、それぞれ略｛１００｝面および略＜００１＞方位である。
【００２１】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、第２エネルギー密度は、第１エネルギー密度より大きい。
【００２２】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、第１エネルギー密度は、３６０〜４００ｍＪ／ｃｍ２である。
【００２３】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、第２エネルギー密度は、４００〜５００ｍＪ／ｃｍ２である。
【００２４】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、エネルギービームの移動方向におけるエネルギー密度分布のピーク位置は、繰り返し照射時の前回の照射領域の内側にある。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、エネルギービームの１回の移動量は、１０μｍ以下である。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、半導体膜の膜厚は、１０〜２００ｎｍである。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、前記結合部の幅は、２０μｍ以下に設定する。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、前記第２島状領域のコーナー部は、直線状の前記第１島状領域の一辺および前記第２島状領域の一辺に対して垂直方向を基準として、垂直方向から１０〜８０°傾斜する。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の形成方法において、半導体膜は、Ｓｉ（シリコン）である。
【００３０】
本発明の半導体薄膜は、絶縁性基板または絶縁膜上に形成され結晶面が略｛１００｝面であるとともに、結晶方位が略＜００１＞方位をもった結晶粒から形成されるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３１】
また。好ましくは、本発明の半導体薄膜において、前記結晶粒は、単一ドメインを形成する。
【００３２】
本発明の半導体装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体薄膜の形成方法によって形成された半導体薄膜を用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３３】
本発明の半導体装置は、請求項１２または１３に記載の半導体薄膜を用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３４】
本発明のディスプレイ装置は、請求項１４または１５に記載の半導体装置を用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３５】
上記構成により、以下、その作用を説明する。
【００３６】
本発明の半導体薄膜の形成方法は、半導体薄膜の第１島状領域内の種結晶形成領域に、第１エネルギー密度のエネルギービームをパルス状に照射して、特定の結晶面が膜面に平行に優先的に配向した結晶粒から成る種結晶を形成し、次に、エネルギビームを、種結晶成長領域の一辺および結晶成長領域の一辺とそれぞれ平行となる方向に移動させ、種結晶の特定の結晶方位がエネルギービームの移動する方向に優先的に配向するように、エネルギービームの第２エネルギー密度および所定の移動量を設定し、種結晶からエネルギービームの照射位置を移動させながら、エネルギービームを第１島状領域内の種結晶成長領域から第２島状領域の結晶成長領域にパルス状に繰り返し照射して、種結晶の特定の結晶方位を受け継いだ半導体薄膜を横方向に結晶成長させる。これにより、本発明の半導体薄膜の形成方法では、種結晶の膜面に平行に特定の結晶面を持つともに、エネルギービームの移動する方向に特定の結晶方位を持つ半導体薄膜が形成できる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００３８】
図１は、本発明の実施形態である半導体薄膜の形成方法を説明する斜視図である。
【００３９】
図１に示すように、まず、ガラス基板等の絶縁性基板１上に、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスおよびＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ（化学気相成長）法によって、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜２を形成する。
【００４０】
次に、ＳｉＯ２膜２上に、Ｓｉ２Ｈ６ガスおよびＨ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、厚さ５０ｎｍの非晶質Ｓｉ膜３を形成する。さらに、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法によって、非晶質Ｓｉ膜３を、所定の形状にパターニングする。非晶質Ｓｉ膜３は、エキシマーレーザー光１０の移動方向上流側に位置する種結晶形成領域５を含む種結晶成長領域６である長方形状の第１島状領域と、エキシマーレーザー光１０の移動方向下流側に位置する結晶成長領域７である第２島状領域とが相互に結合された形状にパターニングされる。結晶成長領域７は、エキシマーレーザー光１０の移動方向上流側に位置する一方のコーナー部が鋭角になっており、そのコーナー部が、種結晶成長領域６の一つのコーナー部に対向するように配置されて、相互に対向する各コーナー部同士が幅５μｍ結合部４によって連結されている。この場合、結合部４に連結された種結晶成長領域６の一辺６ａおよび結晶成長領域７の一辺７ａとが一直線状に配置されており、結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａに対して垂直方向を基準にして、垂直方向から３０°傾斜している。
【００４１】
次に、第１島状領域の種結晶形成領域５に、エネルギー密度が３８０ｍＪ／ｃｍ２のエキシマーレーザー光１０を照射すると、結晶面の｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向した結晶性Ｓｉ膜が得られる。エキシマーレーザー光１０は、照射領域が形状が直線状になったエキシマーレーザーからパルス状に断続的に照射され、直線状の照射領域は、矢印８で示すエキシマーレーザー光１０の移動方向と直交している。
【００４２】
次に、エキシマーレーザー光１０の直線状の照射領域の幅（非晶質Ｓｉ膜３の溶融幅）が２μｍで、エキシマーレーザー光１０の照射位置を０．５μｍずつ矢印８の方向に移動させながら、エネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ２のエキシマーレーザー光１０を種結晶成長領域６に繰り返し照射する。これにより、種結晶成長領域６では、種結晶形成領域５で形成された結晶性Ｓｉ膜が種結晶となり、結晶性Ｓｉ膜内の膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であるとともに、エキシマーレーザー光１０が移動する矢印８の方向に沿って結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜が横方向に結晶成長する。この場合、種結晶成長領域６には、図２（ａ）に示すように、種結晶形成領域５から成長した結晶性Ｓｉ膜の膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であるとともに、エキシマーレーザー光１０の移動する矢印８の方向に沿って結晶方位が略＜００１＞方位の細長い複数の結晶粒１１が形成される。ここで、矢印８で示すエキシマーレーザー光１０の移動方向は、種結晶成長領域６の一辺６ａおよび結晶成長領域７の一辺７ａとそれぞれ平行となる。
【００４３】
次に、エキシマーレーザー光１０の直線状の照射領域の幅（非晶質Ｓｉ膜３の溶融幅）が２μｍで、エキシマーレーザー光１０の照射位置を０．５μｍずつ矢印８の方向に移動させながら、エネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ２のエキシマーレーザー光１０を結晶成長領域７に繰り返し照射する。これにより、上記の複数の結晶粒１１のうち、種結晶成長領域６と結晶成長領域７との境界の結合部４に最も近い単一の結晶粒１１のみが結合部４にて選択され、その結晶粒１１を種結晶として、結晶成長領域７の全体に、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であるとともに、エキシマーレーザー光１０が移動する矢印８の方向に沿って結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜である単一ドメイン結晶１２が形成される。
【００４４】
図２（ｂ）は、結晶成長領域７を、矢印８のエキシマーレーザー光１０の移動方向上流側に位置する一辺がのエキシマーレーザー光１０の移動方向に対して垂直になるように形成した場合を示している。この場合、照射領域が直線状のエキシマーレーザー光１０は、矢印８で示すエキシマーレーザー光１０の移動方向に対して垂直である辺９ａ上を通過する際に、エキシマーレーザー光１０の直線状の照射領域と、エキシマーレーザー光１０の移動する矢印８の方向に対して垂直である辺９ａとが互いに平行になる。このため、結晶成長領域７における辺９ａ沿って結合部４から離れた領域では、結合部３４にて選択された結晶性Ｓｉ膜の結晶粒１１が成長する前に、エキシマーレーザー光１０が照射されてしまうので、結晶方位のランダムな結晶核１３が発生する。これにより、結晶成長領域７には、この結晶方位のランダムな結晶核１３を種結晶として成長した結晶粒１４が生じ、単一ドメイン結晶１２が得られなくなる。
【００４５】
これに対して、本発明の半導体薄膜の形成方法は、結合部４に結合された種結晶成長領域６の一辺６ａおよび結晶成長領域７の一辺７ａとが一直線状に配置されており、結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａに対して垂直方向を基準にして、垂直方向から３０°傾斜し、矢印８で示すエキシマーレーザー光１０の移動方向が、種結晶成長領域６の一辺６ａおよび結晶成長領域７の一辺７ａとそれぞれ平行であることにより、図２（ｂ）のように結晶成長領域７の辺９ａに沿って結合部４から離れた領域にてエキシマーレーザー光１０の照射による結晶方位のランダムな結晶核１３の発生を防止し、確実に結合部４を通過した単一の結晶粒１１のみを単一ドメイン結晶１２に結晶成長させることができる。
【００４６】
このような構成により、本発明の半導体薄膜の形成方法は、半導体薄膜の種結晶形成領域に、特定のエネルギー密度のエネルギービームをパルス状に照射して、特定の結晶面が膜面に平行に優先的に配向した種結晶を形成し、次に、エネルギビームを、種結晶成長領域の一辺６ａおよび結晶成長領域の一辺７ａとそれぞれ平行となる方向に移動させ、種結晶の特定の結晶方位がエネルギービームの移動方向に優先的に配向するように、エネルギービームのエネルギー密度および移動量を設定し、種結晶からエネルギービームの照射位置を移動させながら、エネルギービームを種結晶成長領域から結晶成長領域にパルス状に繰り返し照射して、種結晶の特定の結晶方位を受け継いだ半導体薄膜を横方向に結晶成長させる。これにより、本発明の半導体薄膜の形成方法では、種結晶の膜面に平行に特定の結晶面を持つとともに、エネルギービームの移動方向に特定の結晶方位を持つ半導体薄膜が形成できる。
【００４７】
以下、本発明の半導体薄膜の形成方法におけるプロセス条件の設定ついて詳細に説明する。
【００４８】
絶縁性基板上に形成された非晶質Ｓｉ膜に、所定範囲のエネルギー密度のエネルギービームをパルス状に繰り返し照射すると、非晶質Ｓｉ膜の膜面に平行に特定の結晶面が優先的に配向した結晶が形成される。
【００４９】
図６は、ガラス基板上に形成された厚さ５０ｎｍの非晶質Ｓｉ膜に、パルス状エキシマーレーザー光のエネルギー密度を変化させ繰り返し照射して結晶化させた結晶性Ｓｉ膜をＸ線対称反射回折によって評価した結果を示す。
【００５０】
図６に示す縦軸の規格化強度は、上記結晶化した結晶性Ｓｉ膜に対してＸ線を照射した場合の回折強度を、無配向のＳｉパウダーに対してＸ線を照射した場合の回折強度で除算することにより求めており、大まかに各回折面の規格化強度が強い程、その回折面の配向が強いことを意味している。尚、立方晶のＳｉ結晶のＸ線回折において、結晶面の｛１００｝面および｛２００｝面の回折は、消滅則のため観察されず、結晶面の｛１００｝面の配向は、結晶面の｛４００｝面の回折ピークとして観察される。
【００５１】
図６に示すように、３８０ｍＪ／ｃｍ２付近のレーザーエネルギー密度のパルス状エキシマーレーザー光を非晶質Ｓｉ膜に照射することによって、膜面に平行に結晶面の｛１００｝面が非常に強く配向していることが分かる。また、パルス状エキシマーレーザー光のエネルギー密度が低すぎると非晶質Ｓｉ膜の溶融が不足し、反対にパルス状エキシマーレーザー光のエネルギー密度が高すぎると非晶質Ｓｉ膜の下地界面まで非晶質Ｓｉ膜が溶融して、膜面に平行に結晶面の｛１００｝面が優先的に配向した結晶性Ｓｉ膜が得られない。
【００５２】
一方、絶縁性基板上に形成された非晶質Ｓｉ膜に、所定範囲のエネルギー密度および所定範囲の移動量を設定し、エネルギービームを移動させながらパルス状に繰り返し照射すると、エネルギービームの移動する方向に特定の結晶方位が優先的に配向するという現象が生じる。Ｓｉ（シリコン）の場合は、この結晶方位が＜００１＞方位になる。
【００５３】
上記の構成において、まず、種結晶を形成したい領域（種結晶形成領域５）の非晶質Ｓｉ膜に、所定範囲のエネルギー密度のエネルギービームをパルス状に繰り返し照射して、非晶質Ｓｉ膜の膜面に平行に結晶面の｛１００｝面が優先的に配向した種結晶を形成する。
【００５４】
次に、種結晶成長領域６において、所定範囲のエネルギー密度および所定範囲の移動量に設定されたエネルギービームの照射位置を、種結晶から移動させながらパルス状に繰り返し照射して横方向に結晶成長させることにより、種結晶の膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であるとともに、パルス状エネルギービームの移動する方向に結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜を得ることが可能となる。この場合、エネルギビームの移動方向は、種結晶成長領域の一辺６ａと平行となる。上記の種結晶形成領域５にて、結晶面の｛１００｝面以外の結晶面が種結晶の膜面に平行な結晶粒も一部形成されるが、これらの結晶粒は、不安定であり横方向の結晶成長時にて安定して成長できず、結晶面の｛１００｝面が種結晶の膜面に平行な他の結晶粒に吸収されてしまう。
【００５５】
このようにして、種結晶成長領域６全体に種結晶の膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であるとともに、パルス状エネルギービームの移動する矢印８の方向に結晶方位が略＜００１＞方位の細長い複数の結晶粒が結晶成長方向に形成される。
【００５６】
次に、最も結合部４に近い単一の結晶粒のみが結合部４にて選択され、その結晶粒を種結晶として、結晶成長領域７全体に、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であるとともに、パルス状エネルギービームの移動する矢印８の方向に結晶方位が略＜００１＞方位の単一ドメイン結晶１２が形成される。
【００５７】
この場合、結合部４に結合された種結晶成長領域６の一辺６ａおよび結晶成長領域７の一辺７ａとが一直線状に配置されており、結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａに対して垂直方向を基準にして、垂直方向から所定の角度だけ傾斜し、エネルギービームの移動方向が一直線状の各辺６ａおよび７ａと平行であることにより、結晶成長領域７の結合部４近傍から離れたコーナー部にてパルス状エネルギービームの照射による結晶方位のランダムな結晶核１３の発生が防止でき、より確実に結合部４を通過した単一の結晶粒１１のみを種結晶として結晶成長を行うことができる。
【００５８】
本発明の半導体薄膜の形成方法では、結晶性Ｓｉ膜の種結晶の形成に用いるパルス状エネルギービームのエネルギー密度が３６０〜４００ｍＪ／ｃｍ２に設定されている。種結晶の形成に用いるパルス状エネルギービームのエネルギー密度が３６０ｍＪ／ｃｍ２よりも小さい場合には、種結晶が非晶質Ｓｉ膜の膜面に平行に結晶面の｛１００｝面が優先的に配向しない。また、種結晶の形成に用いるパルス状エネルギービームのエネルギー密度が４００ｍＪ／ｃｍ２よりも大きい場合には、結晶化させたい非晶質Ｓｉ膜が下地界面まで溶融してしまい、種結晶が非晶質Ｓｉ膜の膜面に平行に結晶面の｛１００｝面が配向しない。本実施形態では、種結晶の形成に用いるパルス状エネルギービームのエネルギー密度が３８０ｍＪ／ｃｍ２であるので、非晶質Ｓｉ膜の膜面に平行に結晶面の｛１００｝面が優先的に配向した種結晶が得られる。
【００５９】
また本発明の半導体薄膜の形成方法では、横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームのエネルギー密度が４００〜５００ｍＪ／ｃｍ２に設定されている。横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームのエネルギー密度が４００ｍＪ／ｃｍ２よりも小さい場合には、パルス状エネルギービームの移動する方向に結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜となる結晶粒が成長しない。また、横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームのエネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ２よりも大きい場合にも、パルス状エネルギービームの移動する方向に結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜となる結晶粒が成長しない。本実施形態では、横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームのエネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ２であるので、パルス状エネルギービームの移動する方向に結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜となる細長い結晶粒を成長させることができる。
【００６０】
さらに、本発明の半導体薄膜の形成方法では、横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームの移動する方向のエネルギービームのエネルギー密度分布のピーク位置が繰り返し照射時の前回のエネルギービームの照射領域内に設定されている。図７（ｂ）に示すように、横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームの移動する方向のエネルギービームのエネルギー密度分布３０のピーク位置が、繰り返し照射時の前回のエネルギービームの照射領域２９の外側になると、前回のパルス状エネルギービームの照射にて形成された結晶を種結晶にした横方向の結晶成長がうまく進まず、不規則な結晶核が形成されてしまい、その結果、結晶方位が制御されない結晶が成長してしまう。本実施形態では、横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームの移動方向８のエネルギービームのエネルギー密度分布３０のピーク位置が、図７（ａ）に示すように、繰り返し照射時の前回のエネルギービームの照射領域２９の内側にあるので、結晶方位が制御された結晶を成長させることができる。
【００６１】
さらに、本発明の半導体薄膜の形成方法では、横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームの１回の移動量が１０μｍ以下に設定されている。横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームの１回の移動量が１０μｍよりも大きい場合には、パルス状エネルギービームの移動する方向のエネルギービームのエネルギー密度分布３０のピーク位置が繰り返し照射時の前回のエネルギービームの照射領域２９の内側でも、溶融部分の固化速度の関係で移動距離分の横方向の結晶成長が不可能となるため、結晶面の結晶方位が制御されない結晶が成長することになる。本実施形態では、横方向の結晶成長に用いるパルス状エネルギービームの１回の移動量が０．５μｍであるので、結晶面の結晶方位が制御された結晶を成長させることができる。
【００６２】
さらに、本発明の半導体薄膜の形成方法では、半導体薄膜である結晶性Ｓｉ膜の膜厚が１０〜２００ｎｍに設定されている。半導体薄膜である結晶性Ｓｉ膜の膜厚が１０ｎｍよりも薄いと、成長不良等の問題が起こりやすくなる。また、半導体薄膜である結晶性Ｓｉ膜の膜厚が２００ｎｍよりも厚いと、パルス状レーザーの移動する方向に結晶方向が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜となる結晶粒が成長しにくくなり、さらに単一ドメインも形成されなくなる。本実施形態では、半導体薄膜である結晶性Ｓｉ膜の膜厚が５０ｎｍであるので、成膜不良などの問題が発生せず、結晶成長領域７に単一の結晶粒のみを成長させることができる。
【００６３】
さらに、本発明の半導体薄膜の形成方法では、種結晶成長領域６と結晶成長領域７とを接続する結合部４の幅が２０μｍ以下に設定されている。種結晶成長領域６と結晶成長領域７とを接続する結合部４の幅が２０μｍよりも大きい場合には、結合部４における結晶粒の結晶方位の選択効果が低下して、種結晶成長領域６で成長した複数の細長い結晶粒が結合部を通過して、結晶成長領域７まで成長してしまい、単一ドメイン結晶１２を形成することができなくなる。本実施形態では、種結晶成長領域６と結晶成長領域７とを接続する結合部４の幅が５．０μｍであるので、種結晶成長領域６にて最も結合部４に近い単一の結晶粒のみが結合部を通過して結晶成長領域７へと成長し、単一ドメイン結晶１２を形成することができる。
【００６４】
さらに、本発明の半導体薄膜の形成方法では、結合部４に結合された種結晶成長領域６の一辺６ａおよび結晶成長領域７の一辺７ａとが一直線状に配置されており、少なくとも結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａに対して垂直方向を基準にして、垂直方向から１０〜８０°傾斜し、エネルギービームが一直線状の各辺６ａおよび７ａと平行に移動するように設定されている。これにより、少なくとも結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９は、エネルギービームの移動方向に対しても垂直方向を基準にして、垂直方向から１０〜８０°傾斜している。少なくとも結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａに対して垂直方向を基準にして、垂直方向から１０°の傾斜よりも小さい場合には、結合部４から離れた結晶成長領域７のコーナー部にてパルス状エネルギービームの照射による結晶方位のランダムな結晶核１３が発生する。また、少なくとも結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａに対して垂直方向を基準にして、垂直方向から８０°の傾斜よりも大きい場合には、大面積の結晶成長領域７に広がるまでに長い距離を必要とするため、設計上の問題があり、半導体装置および液晶ディスプレイ装置への応用が難しくなる。本実施形態では、少なくとも結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａに対して垂直方向を基準にして、垂直方向から３０°傾斜しているために、結合部４から離れた結晶成長領域７のコーナー部にてパルス状エネルギービームの照射による結晶方位のランダムな結晶核１３の発生を防止し、結晶成長領域７に単一ドメイン結晶１２を形成することができる。
【００６５】
ここで、図５は、上記の種結晶成長領域６と結晶成長領域７とを結合する結合部４の幅、および、少なくとも結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａに対して垂直方向を基準にして、垂直方向から傾斜する角度を示す模式図であり、種結晶成長領域６と結晶成長領域７とを結合する結合部４の幅はＤであり、少なくとも結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が垂直方向から傾斜する角度はαである。
【００６６】
このようにして得られる膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に制御されるとともに、パルス状エネルギービームの移動方向８に結晶方位が略＜００１＞方位の結晶性Ｓｉ膜、または、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であるとともに、パルス状エネルギービームの移動方向８に結晶方位が略＜００１＞方位の単一ドメイン結晶性Ｓｉ膜を用いれば、キャリア移動度が大きく、閾値電圧が小さく、また、キャリア移動度および閾値電圧のバラツキも小さい電気的特性の向上したＴＦＴが得られる。
【００６７】
図３は、本発明の半導体薄膜の形成方法によって形成された結晶性Ｓｉ膜を用いた半導体装置の要部の断面図である。
【００６８】
図３に示す半導体装置は、図１に示す半導体薄膜の形成方法によって形成された結晶性Ｓｉ膜に薄膜トランジスタ等が形成され、その薄膜トランジスタを用いた液晶ドライバー、半導体メモリーおよび半導体論理回路の要部を表している。
【００６９】
図３に示す半導体装置は、ガラス基板等の絶縁性基板１上には、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜２が成膜されている。ＳｉＯ２膜２上の所定の領域には、図１に示す半導体薄膜の形成方法によって結晶性Ｓｉ膜１５が形成されている。結晶性Ｓｉ膜１５の中央部は、チャネル領域１５ａが形成されており、このチャネル領域１５ａ上には、ゲートＳｉＯ２膜１６を介してＷＳｉ２／多結晶Ｓｉから成るゲート電極１７が形成されている。チャネル領域１５ａの両側には、それぞれドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃが形成されている。結晶性Ｓｉ膜１５の端部およびＳｉＯ２膜２上には、ゲートＳｉＯ２膜１６および層間絶縁膜であるＳｉＯ２膜１８が順番に形成されており、チャンネル領域１５ａ上のゲートＳｉＯ２膜１６およびゲート電極１７の周囲もＳｉＯ２膜１８によって被覆されている。ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃ上には、ゲートＳｉＯ２膜１６およびＳｉＯ２膜１８に設けられたコンタクトホールが形成されており、それらのコンタクトホール、および、チャンネル領域上のＳｉＯ２膜１８を除いたＳｉＯ２膜１８上にＡｌ配線９が形成されている。Ａｌ配線９は、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃに接続されている。Ａｌ配線９およびチャンネル領域１５ｃ上のＳｉＯ２膜１８を被覆するようにＳｉＮ保護膜２０が形成され、ＳｉＮ保護膜２０の所定の領域には、Ａｌ配線９が露出するように開口部２０ａが形成されている。
【００７０】
続いて、図３に示す半導体装置の製造方法を説明する。
【００７１】
ガラス基板等の絶縁性基板１上に、プラズマＣＶＤ法によって厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜２を形成する。さらに、ＳｉＯ２膜２上に、図１に示す半導体薄膜の形成方法によって結晶性Ｓｉ膜１５を形成し、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いたＲＩＥ法によって、結晶Ｓｉ膜１５を所定の形状にパターニングする。その後、ＳｉＯ２膜２および結晶性Ｓｉ膜１５上には、ＴＥＯＳガスおよびＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によってゲートＳｉＯ２膜１６を成膜し、さらに、ゲートＳｉＯ２膜１６上に、スパッタリング法によってＷＳｉ２／多結晶Ｓｉを形成する。その後、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いたＲＩＥ法によって、パターニングして、結晶Ｓｉ膜１５上にゲートＳｉＯ２膜１６を介してＷＳｉ２／多結晶Ｓｉから成るゲート電極１７を形成する。
【００７２】
次に、ゲート電極１７をマスクとして、イオンドーピング法によって、結晶Ｓｉ膜１５にＰ（リン）およびＢ（ボロン）を注入し、ソース領域１５ｃおよびドレイン領域１５ｂを形成する。ゲート電極１７によってマスクされたソース領域１５ｃおよびドレイン領域１５ｂ間には、チャネル領域１５ａが形成される。その後、絶縁性基板１上の全面に、ＴＥＯＳガスおよびＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、層間絶縁膜であるＳｉＯ２膜１８を形成し、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃ上のそれぞれ所定の領域にドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃの表面が露出するように、ＣＦ４ガスおよびＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によって、エッチングを行いコンタクトホールを形成する。この場合、チャンネル領域１５ａ上のゲートＳｉＯ２膜１６およびゲート電極１７の周囲は、ＳｉＯ２膜１８によって被覆されている。
【００７３】
次に、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃ上のコンタクトホールが形成された各開口部およびＳｉＯ２膜１８上には、スパッタリング法によって、Ａｌ合金層を成膜し、ＢＣｌ３ガスおよびＣｌ２ガスを用いたＲＩＥ法によって、Ａｌ合金層を所定の形状にパターニングし、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃ上のコンタクトホールが形成されたそれぞれの開口部、および、ゲート電極１７を被覆するＳｉＯ２膜１８を除いたＳｉＯ２膜１８上にＡｌ配線１９を形成する。Ａｌ配線１９は、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃとそれぞれ電気的に接続されている。
【００７４】
次に、ゲート電極１７を被覆するＳｉＯ２膜１８およびＡｌ配線１９上全体に、ＳｉＨ４ガス、ＮＨ３ガスおよびＮ２ガスを用たプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮ保護膜２０を形成する。最後に、ＳｉＮ保護膜２０の一部を、ＣＦ４ガスおよびＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によってエッチングし、ＳｉＮ保護膜２０の所定の領域にＡｌ配線９が露出するように開口部を形成する。
【００７５】
これにより、薄膜トランジスタ、抵抗、キャパシタ等の半導体素子から成る液晶ドライバー、半導体メモリーおよび半導体論理回路の半導体装置が作製できる。
【００７６】
図４は、図３に示す半導体装置を用いた液晶ディスプレイ装置の要部の断面図である。
【００７７】
図４に示す液晶ディスプレイ装置は、ガラス基板等の絶縁性基板１上には、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜２が成膜されている。ＳｉＯ２膜２上の所定の領域には、図１に示す半導体薄膜の形成方法によって結晶性Ｓｉ膜１５が形成されている。結晶性Ｓｉ膜１５の中央部は、チャネル領域１５ａが形成されており、このチャネル領域１５ａ上には、ゲートＳｉＯ２膜１６を介してＷＳｉ２／多結晶Ｓｉから成るゲート電極１７が形成されている。チャネル領域１５ａの両側には、それぞれドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃが形成されている。結晶性Ｓｉ膜１５の端部およびＳｉＯ２膜２上には、ゲートＳｉＯ２膜１６および層間絶縁膜であるＳｉＯ２膜１８が順番に形成されており、チャンネル領域１５ａ上のゲートＳｉＯ２膜１６およびゲート電極１７の周囲もＳｉＯ２膜１８によって被覆されている。ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃ上には、ゲートＳｉＯ２膜１６およびＳｉＯ２膜１８に設けられたコンタクトホールが形成されており、それらのコンタクトホール、および、チャンネル領域上のＳｉＯ２膜１８を除いたＳｉＯ２膜１８上にＡｌ配線９が形成されている。Ａｌ配線９は、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃに接続されている。Ａｌ配線９およびチャンネル領域１５ｃ上のＳｉＯ２膜１８を被覆するようにＳｉＯ２膜２１が形成され、ソース領域１５ｃ側に形成されているＳｉＯ２膜２１の所定の領域には、Ａｌ配線９が露出するようにスルーホールが設けられている。
【００７８】
スルーホールおよびＳｉＯ２膜２１上には、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）膜から成る画素電極２２が形成され、スルーホールにて金属配線９に接続されている。ＩＴＯ膜から成る画素電極１２は、スパッタリング法によって形成され所定の形状にパターニングされることによって、ゲート電極１７、ソース領域１５ｃおよびドレイン領域１５ｂを有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）部を覆うように配置されている。画素電極２２およびＳｉＯ２膜２１上には、ＳｉＮ保護膜２３および配向膜であるポリイミド膜２４が順番に形成されている。ＳｉＮ保護膜２３は、プラズマＣＶＤ法によって形成されており、配向膜であるポリイミド膜２４は、オフセット印刷法によって形成され、表面が平坦化されている。また、配向膜であるポリイミド膜２４には、液晶分子を所定の方向に配向させるためのラビング処理が施されている。
【００７９】
一方、ＴＦＴ部が形成された絶縁性基板１に対向するように配置されたガラス基板等の絶縁性基板２５上には、所定の光を透過させるカラーフィルタ２６が形成されている。カラーフィルタ２６は、絶縁性基板２５上に赤色、緑色、青色の各感光性樹脂薄膜の付いたフィルムを熱圧着によって転写し、さらにフォトリソグラフィによってパターニングを行い、赤色、緑色および青色のフィルムの間のスペースに、ブラックマトリックス部を同様に設けることにより形成される。カラーフィルタ２６上には、スパッタリング法によってＩＴＯ膜から成る対向電極２７が形成されており、対向電極２７上には、オフセット印刷法によって配向膜であるポリイミド膜２８が形成されている。ポリイミド膜２８には、ポリイミド膜２４と同様に、液晶分子を所定の方向に配向させるためのラビング処理が施されている。
【００８０】
そして、図４に示す液晶ディスプレイ装置は、ＴＦＴ部、画素電極２２等から成る半導体装置が形成された絶縁性基板１と、カラーフィルタ２６、対向電極２７等が形成された絶縁性基板２５とをシール樹脂で貼り合わせ、石英基板１およびガラス基板３１間に液晶が注入されている。
【００８１】
続いて、図４に示す液晶ディスプレイ装置の製造方法を説明する。
【００８２】
ガラス基板等の絶縁性基板１上に、プラズマＣＶＤ法によって厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜２を形成する。さらに、ＳｉＯ２膜２上に、図１に示す半導体薄膜の形成方法によって結晶性Ｓｉ膜１５を形成し、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いたＲＩＥ法によって、結晶Ｓｉ膜１５を所定の形状にパターニングする。その後、ＳｉＯ２膜２および結晶性Ｓｉ膜１５上には、ＴＥＯＳガスおよびＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によってゲートＳｉＯ２膜１６を成膜し、さらに、ゲートＳｉＯ２膜１６上に、スパッタリング法によってＷＳｉ２／多結晶Ｓｉを形成する。その後、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いたＲＩＥ法によって、パターニングして、結晶Ｓｉ膜１５上にゲートＳｉＯ２膜１６を介してＷＳｉ２／多結晶Ｓｉから成るゲート電極１７を形成する。
【００８３】
次に、ゲート電極１７をマスクとして、イオンドーピング法によって、結晶Ｓｉ膜１５にＰ（リン）およびＢ（ボロン）を注入し、ソース領域１５ｃおよびドレイン領域１５ｂを形成する。ゲート電極１７によってマスクされたソース領域１５ｃおよびドレイン領域１５ｂ間には、チャネル領域１５ａが形成される。その後、絶縁性基板１上の全面に、ＴＥＯＳガスおよびＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、層間絶縁膜であるＳｉＯ２膜１８を形成し、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃ上のそれぞれ所定の領域にドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃの表面が露出するように、ＣＦ４ガスおよびＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によって、エッチングを行いコンタクトホールを形成する。この場合、チャンネル領域１５ａ上のゲートＳｉＯ２膜１６およびゲート電極１７の周囲は、ＳｉＯ２膜１８によって被覆されている。
【００８４】
次に、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃ上のコンタクトホールが形成された各開口部およびＳｉＯ２膜１８上には、スパッタリング法によって、Ａｌ合金層を成膜し、ＢＣｌ３ガスおよびＣｌ２ガスを用いたＲＩＥ法によって、Ａｌ合金層を所定の形状にパターニングし、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃ上のコンタクトホールが形成されたそれぞれの開口部、および、ゲート電極１７を被覆するＳｉＯ２膜１８を除いたＳｉＯ２膜１８上にＡｌ配線１９を形成する。Ａｌ配線１９は、ドレイン領域１５ｂおよびソース領域１５ｃとそれぞれ電気的に接続されている。
【００８５】
次に、ゲート電極１７を被覆するＳｉＯ２膜１８およびＡｌ配線１９上全体に、ＴＥＯＳガスとＯ３ガスを用いたを用たプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２膜２１を形成し、ＳｉＯ２膜２１一部を、ＣＦ４ガスおよびＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によってエッチングし、ソース領域１５ｃ側に形成されているＳｉＯ２膜２１の所定の領域にＡｌ配線９が露出するようにスルーホールを形成する。
【００８６】
次に、スパッタリング法によって、ＩＴＯ膜から成る画素電極２２を形成し、ＨＣｌとＦｅＣｌ３を用いて、画素電極２２を所定の形状にパターニングする。画素電極２２は、ゲート電極１７、ソース領域１５ｃおよびドレイン領域１５ｂを有するＴＦＴ部を覆うようにパターニングされる。その後、画素電極２２およびＳｉＯ２膜２１上に、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保護膜２３を形成し、さらに、ＳｉＮ保護膜２３上にオフセット印刷法によって、配向膜であるポリイミド膜２４を形成し、ポリイミド膜２４上にラビング処理を行う。
【００８７】
次に、ＴＦＴ部が形成された絶縁性基板１と異なるガラス基板等の絶縁性基板２５に、赤色、緑色、青色の各感光性樹脂薄膜の付いたフィルムを熱圧着によって転写し、フォトリソグラフィによってそのフィルムをパターニングし、さらに赤色、緑色、青色の間のスペースにブラックマトリクス部を同様に形成し、カラーフィルタ２６を形成する。その後、カラーフィルタ２６上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜から成る対向電極２７を形成し、さらに、対向電極２７上にオフセット印刷法によって、配向膜であるポリイミド膜２８を形成し、ポリイミド膜２８上の表面にラビング処理を行う。
【００８８】
次に、カラーフィルタ２６および対向電極２７を形成した絶縁性基板２５と、ＴＦＴ部、画素電極２２等から成る半導体装置が形成された絶縁性基板１とをシール樹脂で貼り合わせる。この場合、２枚の絶縁性基板１および絶縁性基板２５間の間隔を一定にするため、真球状のシリカを散布する。そして、絶縁性基板１および絶縁性基板２５間に液晶を注入した後、偏光板を張り付け、周辺にドライバーＩＣ等を実装して液晶ディスプレイ装置を作製する。
【００８９】
前述した本発明の実施形態である半導体薄膜の形成方法では、半導体薄膜の例としてＳｉ膜（結晶性Ｓｉ膜）について説明したが、半導体薄膜にＳｉＧｅ膜、ＧａＡｓ膜、ＧａＰ膜、ＩｎＰ膜等を用いても同様の効果が得られる。
【００９０】
また、結晶性Ｓｉ膜の横方向成長には、パルス状エキシマーレーザー光を用いたが、他のパルス状レーザー光、パルス光、パルス状荷電粒子等、他のエネルギービームを用いても同様の効果が得られる。
【００９１】
以上詳述したように、本発明の半導体薄膜の形成方向では、非晶質または多結晶等の半導体膜に特定範囲のエネルギー密度のエネルギービームを繰り返し照射することにより、膜面に平行に｛１００｝面が優先的に配向した種結晶を形成し、次に特定範囲のエネルギー密度および特定の移動量が設定されたパルス状エネルギービームの照射位置を移動させながら繰り返し照射して、種結晶から横方向に結晶成長させることにより、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面で、かつパルス状エネルギービームの移動方向に略＜００１＞方位をもった結晶性Ｓｉ膜が基板の軟化点温度以下で得られる。また、結合部４に結合された種結晶成長領域６の一辺６ａおよび結晶成長領域７の一辺７ａとが一直線状に配置されており、結晶成長領域７の鋭角のコーナー部を形成する他の辺９が、一直線状の各辺６ａおよび７ａ対して垂直方向を基準にして、垂直方向から所定の角度だけ傾斜し、エネルギービームが一直線状の各辺６ａおよび７ａと平行に移動することにより、結晶成長領域７のコーナー部でパルス状エネルギービームの照射による結晶方位のランダムな結晶核の発生を防止し、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であるとともに、パルス状エネルギービームの移動する方向に結晶方位が略＜００１＞方位である単一ドメイン結晶性半導体膜を基板の軟化点温度以下で得られる。
【００９２】
このように結晶方位が制御された単一ドメイン結晶性半導体膜を用いることにより、半導体装置の高性能化を図ることができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明の半導体薄膜の形成方法は、半導体膜を、長方形状のエネルギービームの移動方向上流側に配置された第１島状領域と、第１島状領域に対してエネルギービームの移動方向下流側に配置されて結合部によって、それぞれのコーナー部同士が結合された第２島状領域とを有し、結合部にて第１島状領域の一辺および第２島状領域の一辺が一直線状に結合し、結合部における第２島状領域のコーナー部が鋭角になるように、半導体膜をパターニングして、次に、第１島状領域に、エネルギービームを移動させることなく第１エネルギー密度で照射して、所定の結晶面が優先的に配向した種結晶形成領域を形成し、その後、第２エネルギー密度および所定の移動量に設定されたエネルギービームを、種結晶形成領域から第１島状領域内に繰り返し照射し、エネルギービームの移動方向に沿って、所定の結晶方位が配向した種結晶成長領域を第１島状領域内に形成し、さらに、第２島状領域に、第２エネルギー密度および所定の移動量に設定されたエネルギービームを繰り返し照射し、エネルギービームの移動方向に沿って、種結晶成長領域から選択された結晶粒に基づいて、所定の結晶方位に配向した結晶性半導体薄膜を横方向に結晶成長させることにより、結晶成長した薄膜内の膜面に平行な結晶面が一定であり、結晶面の結晶方位も一定の方向となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である半導体薄膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ半導体薄膜の形成方法における結晶粒の成長の様子を示す模式図である。
【図３】本発明の半導体薄膜の形成方法によって形成された結晶性Ｓｉ膜を用いた半導体装置の要部の断面図である。
【図４】図３に示す半導体装置を用いた液晶ディスプレイ装置の要部の断面図である。
【図５】本発明における結合部の幅（Ｄ）および結合部から伸びる辺を直線状エネルギービームの移動方向に対して垂直な方向に対して傾斜させる角度（α）の定義を説明するための図である。
【図６】非晶質Ｓｉ膜にエキシマーレーザー光のエネルギー密度を変化させ、結晶化させた結晶性Ｓｉ膜のＸ線回折測定結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ繰り返し照射するエネルギービームの移動方向におけるエネルギー密度分布のピーク位置と前回照射領域との関係を示すための模式図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来の半導体薄膜の形成方法における結晶粒の成長の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１　　絶縁性基板
２　　ＳｉＯ２膜
３　　非晶質Ｓｉ膜
４　　結合部
５　　種結晶形成領域
６　　種結晶成長領域
７　　結晶成長領域
８　　エキシマーレーザー光の移動方向
９　　結晶成長領域の鋭角のコーナー部を形成する他の辺
１０　エキシマーレーザー光
１１　結晶粒
１２　単一ドメイン結晶
１３　結晶核
１４　結晶粒
１５　結晶性Ｓｉ膜
１６　ゲートＳｉＯ２膜
１７　ゲート電極
１８　ＳｉＯ２膜
１９　Ａｌ配線
２０　ＳｉＮ保護膜
２１　ＳｉＯ２膜
２２　画素電極
２３　ＳｉＮ保護膜
２４　ポリイミド膜
２５　絶縁性基板
２６　カラーフィルター
２７　対向電極
２８　ポリイミド膜
２９　エネルギービームの前回照射領域
３０　今回照射のエネルギービームのエネルギー密度分布
３１　非晶質半導体膜
３２　第一島状領域
３３　第二島状領域
３４　結合部
３５　直線状エネルギービームの移動方向
３６　結晶核
Ｄ　　結合部の幅
α　　結晶成長領域の鋭角のコーナー部を形成する辺を直線状エネルギービームの移動方向に対して垂直な方向に対して傾斜させる角度
【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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