(57)【要約】【課題】製造方法を複雑化することなく、十分なサイズの結晶粒を形成することができる結晶質半導体膜の製造方法を提供する。  【解決手段】本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法は、非晶質半導体膜２の上に堆積した絶縁膜３を用いて、屈折率が所定の方向に沿って変化する屈折率分布を有する所定の領域を有するキャップ層３Ｃ１を形成する工程と、上記所定の領域を含むキャップ層３Ｃ１を介して非晶質半導体膜２に光線を照射することにより、上記所定の領域の下の非晶質半導体膜２に、キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成して、上記所定の方向に沿って温度勾配を形成し、非晶質半導体膜２を結晶化する結晶化工程を含むことを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板の上に非晶質半導体膜を堆積する工程と、
（ｂ）前記非晶質半導体膜の上に、屈折率ｎ１を有する絶縁膜を堆積する工程と、
（ｃ）前記絶縁膜を用いて、屈折率が第１方向に沿ってｎ１から変化する屈折率分布を有する第１領域を有するキャップ層を形成する工程と、
（ｄ）前記第１領域を含む前記キャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射することにより、前記第１領域の下の前記非晶質半導体膜に、前記キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成して、前記第１方向に沿って温度勾配を形成し、前記非晶質半導体膜を結晶化する結晶化工程とを包含する、結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｃ）は、前記キャップ層の前記第１領域に前記第１方向に沿って変化する濃度分布が形成されるように、前記絶縁膜に不純物元素を付与する工程を含む、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（ｃ）は、前記第１方向に直交する第２方向に延びる矩形状の前記第１領域を形成する工程を含み、
前記第１領域内で、前記キャップ層の屈折率は前記第２方向においてほぼ一定である、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（ｃ）は、屈折率ｎ１を有する第２領域を前記第１領域に隣接して形成する工程を含む、請求項１から３のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｂ）で形成される前記絶縁膜の膜厚ｄは、ｄ＝（λ／４ｎ１）×（２ｋ＋１）（λ：入射光波長、ｋ：０以上の正の整数）で表され、
前記工程（ｄ）は、前記キャップ層の前記第１領域の下の半導体膜の領域内で前記第１方向に沿って結晶成長させる工程を含む、請求項１から４のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項６】
前記キャップ層の前記第１領域に、前記不純物元素の濃度を前記第１方向に沿って連続的に変化させるように、前記不純物元素の前記濃度分布を形成し、
前記工程（ｄ）において、前記キャップ層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る、請求項５に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｂ）で形成される前記絶縁膜の膜厚ｄは、ｄ＝（λ／２ｎ１）×（ｋ＋１）（λ：入射光波長、ｋ：ｋ：０以上の正の整数）で表され、
前記工程（ｄ）は、前記キャップ層の前記第２領域の下の半導体膜の領域から前記第１領域の下の半導体膜の領域に、前記第１方向に沿って結晶成長させる工程を含む、請求項１から４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】
前記キャップ層の前記第１領域に、前記不純物元素の濃度を前記第１方向に沿って連続的に変化させるように、前記不純物元素の前記濃度分布を形成し、
前記工程（ｄ）において、前記キャップ層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る、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（ｄ）において形成される前記温度勾配は、前記第１領域の中央に向かって温度が低くなる温度勾配である、請求項１から８のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１０】
前記キャップ層は、最大濃度と最小濃度との差が１０ａｔ％以上６７ａｔ％以下の範囲の前記不純物元素の濃度分布を有する、請求項２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）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付与する工程を含む、請求項２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のうち、少なくともいずれか一つを含む、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のうち、少なくともいずれか一つを含む、請求項１から１２のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１４】
前記絶縁膜の膜厚は５０ｎｍ以上である、請求項１から１３のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体膜はシリコンを含む、請求項１から１４のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１６】
前記半導体膜の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲である、請求項１から１５のいずれかに記載の結晶質半導体膜の作製方法。
【請求項１７】
前記光線は、波長４００ｎｍ以下のレーザ光である、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】
前記光線は、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】
前記結晶化工程は横方向成長工程を含む、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】
請求項１から１９のいずれかに記載の製造方法によって製造される結晶質半導体膜。
【請求項２１】
請求項２０に記載の結晶質半導体膜を用いた半導体装置。
【請求項２２】
請求項２１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、結晶質半導体膜の製造方法および結晶質半導体膜、ならびに結晶質半導体膜を用いて作製される半導体装置等に関する。
【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、絶縁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：化学気相成長）法等で形成し、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等を構成するものである。ＴＦＴの応用分野としては、アクティブマトリクス型の液晶表示装置が知られている。これは、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１つ以上のＴＦＴを配置し、画素電極に供給する電荷をＴＦＴによって制御するものである。
【０００３】
ＴＦＴの活性層に、成膜が容易な非晶質状態（アモルファス）の半導体を用いることは簡便であるが、電気的特性が低いという問題がある。高いＴＦＴ特性を実現するには、結晶質半導体膜を利用すればよい。
【０００４】
結晶質半導体膜の１つに多結晶半導体膜がある。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成長させる方法（固相成長法）、または、非晶質半導体膜をエキシマレーザ照射することによって溶融（再）結晶化させる方法（エキシマレーザニール法）が知られている。エキシマレーザニール法による多結晶半導体膜の形成は、基板の温度を大きく上昇させずに、非晶質半導体膜のみに高いエネルギーを与えることができるため、ガラス基板を使用できる。そのため、大面積基板による低温プロセスの多結晶シリコンＴＦＴの製造に実用化されている。
【０００５】
エキシマレーザニール法を用いた様々な結晶質半導体膜の製造方法が研究されている。例えば特許文献１は、非晶質半導体膜の一部分の上に反射防止膜を形成し、レーザ照射を行って結晶化を行う方法を開示している。反射防止膜を介して非晶質半導体膜にレーザ照射すると、反射防止膜の下の半導体膜の領域に入射する光の照射エネルギー密度を選択的に大きくできる。
【０００６】
特許文献１には、反射防止膜を介して非晶質半導体膜にレーザ照射を行うので、反射防止膜の下の半導体膜の領域を選択的に高温領域にでき、さらに、反射防止膜が半導体膜の保温層としても機能するので、反射防止膜の下の半導体膜の領域の冷却速度が遅くなり、従来よりも大きな結晶粒を形成できると記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２６０７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法では、半導体膜に形成される結晶粒のサイズは０．８μｍから１μｍであり、１μｍを超える結晶粒を形成できない。また、反射防止膜を形成するためにエッチング工程が必要であるため、製造方法が複雑である。さらに、反射防止膜の膜厚の制御が困難で、所望の反射防止膜を得にくいという問題がある。
【０００８】
本発明は、製造方法を複雑化することなく、十分なサイズの結晶粒を形成することができる結晶質半導体膜の製造方法等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】
【０００９】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、（ａ）基板の上に非晶質半導体膜を堆積する工程と、（ｂ）前記非晶質半導体膜の上に、屈折率ｎ１を有する絶縁膜を堆積する工程と、（ｃ）前記絶縁膜を用いて、屈折率が第１方向に沿ってｎ１から変化する屈折率分布を有する第１領域を有するキャップ層を形成する工程と、（ｄ）前記第１領域を含む前記キャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射することにより、前記第１領域の下の前記非晶質半導体膜に、前記キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成して、前記第１方向に沿って温度勾配を形成し、前記非晶質半導体膜を結晶化する結晶化工程とを包含することを特徴とする。
【００１０】
ある実施形態では、前記工程（ｃ）は、前記キャップ層の前記第１領域に前記第１方向に沿って変化する濃度分布が形成されるように、前記絶縁膜に不純物元素を付与する工程を含む。
【００１１】
ある実施形態では、前記工程（ｃ）は、前記第１方向に直交する第２方向に延びる矩形状の前記第１領域を形成する工程を含み、前記第１領域内で、前記キャップ層の屈折率は前記第２方向においてほぼ一定である。
【００１２】
ある実施形態では、前記工程（ｃ）は、屈折率ｎ１を有する第２領域を前記第１領域に隣接して形成する工程を含む。
【００１３】
ある実施形態では、前記工程（ｂ）で形成される前記絶縁膜の膜厚ｄは、ｄ＝（λ／４ｎ１）×（２ｋ＋１）（λ：入射光波長、ｋ：０以上の正の整数）で表され、前記工程（ｄ）は、前記キャップ層の前記第１領域の下の半導体膜の領域内で前記第１方向に沿って結晶成長させる工程を含む。
【００１４】
ある実施形態では、前記キャップ層の前記第１領域に、前記不純物元素の濃度を前記第１方向に沿って連続的に変化させるように、前記不純物元素の前記濃度分布を形成し、
前記工程（ｄ）において、前記キャップ層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る。
【００１５】
ある実施形態では、前記工程（ｂ）で形成される前記絶縁膜の膜厚ｄは、ｄ＝（λ／２ｎ１）×（ｋ＋１）（λ：入射光波長、ｋ：ｋ：０以上の正の整数）で表され、前記工程（ｄ）は、前記キャップ層の前記第２領域の下の半導体膜の領域から前記第１領域の下の半導体膜の領域に、前記第１方向に沿って結晶成長させる工程を含む。
【００１６】
ある実施形態では、前記キャップ層の前記第１領域に、前記不純物元素の濃度を前記第１方向に沿って連続的に変化させるように、前記不純物元素の前記濃度分布を形成し、前記工程（ｄ）において、前記キャップ層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る。
【００１７】
ある実施形態では、前記工程（ｄ）において形成される前記温度勾配は、前記第１領域の中央に向かって温度が低くなる温度勾配である。
【００１８】
ある実施形態では、前記キャップ層は、最大濃度と最小濃度との差が１０ａｔ％以上６７ａｔ％以下の範囲の前記不純物元素の濃度分布を有する。
【００１９】
ある実施形態では、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付与する工程を含む。
【００２０】
ある実施形態では、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のうち、少なくともいずれか一つを含む。
【００２１】
ある実施形態では、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のうち、少なくともいずれか一つを含む。
【００２２】
前記絶縁膜の膜厚は５０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２３】
ある実施形態では、前記半導体膜はシリコンを含む。
【００２４】
ある実施形態では、前記半導体膜の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００２５】
ある実施形態では、前記光線は、波長４００ｎｍ以下のレーザ光である。
【００２６】
ある実施形態では、前記光線は、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。
【００２７】
前記結晶化工程は横方向成長工程を含む。
【００２８】
本発明の結晶質半導体膜は上記製造方法によって製造されることが好ましい。
【００２９】
本発明の半導体装置は上記結晶質半導体膜を用いて作製される。
【００３０】
本発明の表示装置は上記半導体装置を用いて作製される。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、屈折率が所定の方向に沿って変化する屈折率分布を有する所定の領域を有するキャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射するので、キャップ層の所定の領域の下の非晶質半導体膜に、キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成できる。このため、半導体膜に従来よりも緩やかな温度勾配を形成できるので、光照射後の冷却過程で結晶化する時間を長くでき、従来よりも大きい結晶粒を形成できる。
【００３２】
本発明の結晶質半導体膜は結晶粒のサイズが従来よりも大きいので、本発明の結晶質半導体膜を用いれば、電気特性が良好で、特性のばらつきが少ない信頼性に優れた薄膜トランジスタなどの半導体素子、半導体装置および表示装置を作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法は、非晶質半導体膜の上に堆積した絶縁膜を用いて、屈折率が所定の方向に沿って変化する屈折率分布を有する所定の領域を有するキャップ層を形成する工程と、上記所定の領域を含むキャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射することにより、上記所定の領域の下の非晶質半導体膜に、キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成して、上記所定の方向に沿って温度勾配を形成し、非晶質半導体膜を結晶化する結晶化工程を含むことを特徴としている。
【００３４】
キャップ層は、所定の領域において、屈折率が所定の方向に沿って変化する屈折率分布を有する。このキャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射するので、キャップ層の所定の領域の下の非晶質半導体膜に、キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成できる。半導体膜の照射エネルギー密度を大きくするほど温度を高くできるので、キャップ層の屈折率が変化する上記所定の方向に沿って、半導体膜に温度勾配を形成できる。この温度勾配は、例えば屈折率が面内で略等しい反射防止膜を介して光照射を行う場合（上記特許文献１）に半導体膜に形成される温度勾配に比べて緩やかである。したがって、本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法では、従来よりも、光照射後の冷却過程で半導体膜の冷却速度を遅くして、溶融時間を長くし（より長い時間、溶融領域として維持でき）、結晶化する時間を長くできる。このため、従来よりも大きい結晶粒を形成できる。
【００３５】
後で図４を参照しながら説明するが、特許文献１の製造方法では、半導体膜に形成される温度勾配は、反射防止膜の中央部の下ではほぼ一定であるが、反射防止膜の端部の下では急激に温度が低下するため急である。本実施形態の製造方法では、半導体膜の所定の領域に形成される温度勾配が特許文献１よりも小さいため、光照射後の冷却過程で冷却速度を遅くして、結晶化する時間を長くできる。
【００３６】
所定の屈折率分布を有するキャップ層を形成するには、例えば、キャップ層に所定の濃度分布が形成されるように不純物元素を付与すればよい。照射光のエネルギーパターンを制御することによっても、本発明と同様の緩やかな温度勾配を半導体膜に形成することが可能であると考えられるが、照射光のエネルギーパターンを制御するのは困難であり、キャップ層を用いる本発明の製造方法の方が容易である。
【００３７】
膜厚を変化させたキャップ層を用いることによっても、半導体膜に温度勾配を形成することが可能であると考えられるが、例えばエッチング法を用いて膜厚を制御するのは、製造工程数が増加し、製造方法が複雑になる。特に、膜厚を連続的に変化させるのは製造方法が極めて困難であり、膜厚を不連続に変化させれば、本実施形態のような緩やかな温度勾配を半導体膜に形成できない。
【００３８】
また、本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法では、半導体膜の全面に形成したキャップ層を用いることができるので、上記特許文献１とは異なり、キャップ層をパターニングするためにエッチング工程が不要で、製造方法が容易である。
【００３９】
さらに、本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法では、キャップ層の屈折率が変化する所定の領域の位置を制御することによって、半導体膜に温度勾配を形成する位置を制御できる。光照射時に、より低温であった領域に結晶核が生成されるので、キャップ層の屈折率が変化する上記所定の領域の位置を制御することによって、結晶粒の生成位置も制御できる。
【００４０】
以下、図１から図７を参照しながら、本実施形態の結晶質半導体膜の製造方法をより詳細に説明する。本実施形態の結晶質半導体膜の製造方法は、非晶質半導体膜の上に形成する絶縁膜３の性質により、２つのタイプに分類できる。すなわち、反射膜として機能する絶縁膜を用いてキャップ層を形成する第１のタイプの製造方法と、反射防止膜として機能する絶縁膜を用いてキャップ層を形成する第２のタイプの製造方法とに分類できる。
【００４１】
まず、反射膜と反射防止膜を説明する。
【００４２】
絶縁膜３の屈折率をｎ１、絶縁膜３の膜厚をｄ１、入射光波長をλとすると、下記の式（１）を満たす絶縁膜３は、絶縁膜３の下の半導体膜２の領域における入射光の反射率を最も大きくでき、半導体膜２の上に絶縁膜３を設けないで光照射する場合に比べて、より照射エネルギー密度の低い光線を絶縁膜３の下の半導体膜に照射できる。ここで、反射率は、照射光強度（絶縁膜を照射する光の強度）に対する、照射光強度と半導体膜に入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絶縁膜を反射膜という。
ｎ１・ｄ１＝（ｋ＋１）・（λ／２）・・・式（１）
（ｋ＝０，１，２・・・（０以上の正の整数））
【００４３】
これに対して、下記の式（２）を満たす絶縁膜３は、絶縁膜３の下の半導体膜領域における入射光の反射率を最も小さくでき、半導体膜の上に絶縁膜３を設けないで光照射する場合に比べて、より照射エネルギー密度の高い光線を絶縁膜３の下の半導体膜に照射できる。上記のような作用を有する絶縁膜を反射防止膜という。
ｎ１・ｄ１＝（２ｋ＋１）λ／４・・・式（２）
（ｋ＝０，１，２・・・（０以上の正の整数））
【００４４】
第１のタイプの結晶質半導体膜の製造方法では、上記式（１）を満たすように絶縁膜３の厚さを設定し、反射膜として機能する絶縁膜を用いてキャップ層３Ｃ１を形成する。第２のタイプの結晶質半導体膜の製造方法では、上記式（２）を満たすように絶縁膜３の厚さを設定し、反射防止膜として機能する絶縁膜を用いてキャップ層３Ｃ２を形成する。
【００４５】
以下、第１のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明する。
【００４６】
図１（ａ）および（ｂ）は、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、非晶質半導体膜２等が積層された基板の断面図を示している。
【００４７】
図１（ａ）に示すように、基板１の上に非晶質半導体膜２を堆積し、その上に絶縁膜３を形成する。上述したように絶縁膜３の膜厚ｄ１は、上記の式（１）を満たすように設定する。
【００４８】
次に、絶縁膜３を用いて、屈折率が所定の領域Ｆ１（第１領域）において所定の方向（第１方向）に沿って変化する屈折率分布を有するキャップ層３Ｃ１を形成する。
【００４９】
図２（ａ）は図１（ｂ）の基板１の上面図である。
【００５０】
図１（ｂ）および図２（ａ）に示すように、具体的には、キャップ層３Ｃ１の所定の領域Ｆ１において、所定の方向Ｄ１に沿って変化する濃度分布が形成されるように、絶縁膜３に不純物元素５２を付与する。所定の方向Ｄ１（第１方向）と交差する第２方向方向Ｄ２では、不純物元素５２の濃度がほぼ一定になるようにする。
【００５１】
第１領域Ｆ１以外の領域Ｓ１（第２領域）には不純物元素を付与しないので、キャップ層３Ｃ１の第２領域Ｓ１は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しい屈折率を有する。
【００５２】
図２（ｂ）は、図１（ｂ）および図２（ａ）に示したキャップ層３Ｃ１の第１方向Ｄ１における不純物元素５２の濃度分布の一例を模式的に示すグラフである。Ｘ軸は、図１（ｂ）および図２（ａ）のキャップ層３Ｃ１の第１方向Ｄ１における位置を表す。
【００５３】
図２（ｂ）に示すように、キャップ層３Ｃ１の不純物元素５２の濃度分布は、例えば第１方向Ｄ１に沿って連続的に変化し、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の中央から両端に、第１方向Ｄ１に沿って、徐々に不純物元素５２の濃度が増加する。図１（ｂ）および図２（ａ）において、不純物元素５２を示す矢印の長さが長いほど、不純物元素５２の導入量が多いことを示す。
【００５４】
キャップ層３Ｃ１の膜厚は絶縁膜３の膜厚ｄ１と等しいが、不純物元素５２が付与されたキャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の屈折率は絶縁膜３の屈折率ｎ１からずれる。すなわち、不純物元素５２を含まないキャップ層３Ｃの第２領域Ｓ１の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しく、上記式（１）を満たすので完全な反射層として機能し得るが、不純物元素５２を含むキャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１とは異なるため、上記式（１）を満たさない。不純物元素５２の濃度が高い領域ほど、絶縁膜３の屈折率ｎ１との差が大きくなり、反射率が小さくなる。
【００５５】
図３は、例えば、キャップ層３Ｃ１（絶縁膜）の膜厚ｄ１＝１０３ｎｍと一定値にしたときに、キャップ層３Ｃ１の屈折率ｎの変化に対応する反射率Ｒの変化を示すグラフである。なお、入射光の波長はλ＝３０８ｎｍとする。図３に示すように、屈折率ｎ＝ｎａのときに式（１）を満たす反射膜として機能するとした場合、ｎ＝約１．５ｎａのときに式（２）を満たす反射防止膜として機能するので、例えば、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１に、ｎａ超かつ１．５ｎａ以下の範囲で屈折率分布が形成されるように、不純物元素を付与すればよい。
【００５６】
図２（ｃ）はキャップ層３Ｃ１の第１方向Ｄ１における反射率分布を模式的に示すグラフである。Ｘ軸は、図１（ｂ）および図２（ａ）のキャップ層３Ｃ１の第１方向Ｄ１における位置を表す。
【００５７】
図２（ｃ）に示すように、キャップ層３Ｃ１は、図２（ｂ）に示した濃度分布に対応して、第１方向Ｄ１に沿って連続的に変化する反射率分布を形成する。なお、第２方向Ｄ２では、反射率はほぼ一定である。
【００５８】
上記反射率分布を有するキャップ層３Ｃ１を介して半導体膜２に光照射を行うと、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の下の半導体膜２の領域に、照射エネルギー密度分布が形成される。この照射エネルギー密度分布は、キャップ層３Ｃ１の反射率分布（図２（ｃ））に対応する。キャップ層３Ｃ１の反射率が大きい領域ほど、その下の半導体膜２の領域の照射エネルギー密度は小さくなるため、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の下の半導体膜２の領域では、中央から両側に、所定の方向Ｄ１に沿って照射エネルギー密度が徐々に大きくなる。
【００５９】
半導体膜２に照射エネルギー密度分布が形成されることにより、温度勾配が形成される。図２（ｄ）は半導体膜２の第１方向Ｄ１における温度分布を模式的に示すグラフである。Ｘ軸は、図１（ｂ）および図２（ａ）の半導体膜２の第１方向Ｄ１における位置を表す。
【００６０】
図２（ｄ）に示すように、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の下の半導体膜２の領域では、上記照射エネルギー密度分布に対応して、第１方向Ｄ１に沿って連続的に変化する温度勾配が形成される。すなわち、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１に対応する半導体膜２領域では、中央の温度が最も低く、中央から両側に、所定の方向Ｄ１に離れるほど連続的に温度が高くなる。例えば５μｍ程度の結晶粒を形成するには、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の短辺の長さＬＦ１を１０μｍ程度に設定すればよい。
【００６１】
なお、半導体膜２に形成する温度勾配は上記に限らず、例えば上記とは逆に、第１領域Ｆ１の中央から両端に温度が低下するように形成しても良いが、図２（ｄ）に示す温度勾配を形成すると、第１領域Ｆ１の中央から両端に向かって結晶粒を成長させることができるので、より大きいサイズの結晶粒を形成できるという効果がある。
【００６２】
上記式（１）において、絶縁膜３をＳｉＯ2（屈折率１．５）で形成し、不純物元素５２に窒素を用いた場合、キャップ層３Ｃ１の屈折率は例えば１．５から２（ＳｉＮの屈折率）までの範囲で変化させればよい。また、絶縁膜３をＳｉＮ（屈折率２）で形成し、不純物元素５２に酸素を用いた場合、キャップ層３Ｃ１の屈折率は例えば２から１．５（ＳｉＯ2の屈折率）までの範囲で変化させればよい。
【００６３】
これに対して上記特許文献１の製造方法では、図４に示すように、基板６１上に形成した非晶質半導体膜６２の所定の領域６２Ｆのみに選択的に反射防止膜６３Ｃを形成し、反射防止膜６３Ｃを介して非晶質半導体膜６２に光照射を行う。反射防止膜６３Ｃの下の半導体膜６２の領域６２Ｆは、反射防止膜６３Ｃが形成されていない半導体膜６２の領域６２Ｓよりも照射エネルギー密度が大きい。しかしながら、本発明の実施形態とは異なり、半導体膜６２の領域６２Ｆのほぼ全領域は、略等しい照射エネルギー密度を有する。したがって、半導体膜６２の領域６２Ｆのほぼ全領域が略等しい温度（高温）になり、領域６２Ｆのうち領域６２Ｓ（低温領域）近傍で急激に低下する温度勾配が形成される。
【００６４】
光照射後の冷却過程で、半導体膜６２の領域６２Ｆの端部から、領域６２Ｆの中央に向かって結晶化が進むが、光照射時に半導体膜６２の領域６２Ｆのほぼ全領域が略等しい温度（高温）であったため、半導体膜６２の領域６２Ｆのほぼ全領域がほぼ一定に急速に冷却されてしまう。図４に、結晶粒の成長方向を矢印Ｃで示す。
【００６５】
本発明の実施形態では、半導体膜２の所定の領域（キャップ層の第１領域Ｆ１の下の領域）に、特許文献１よりも緩やかな温度勾配を形成できるので、光照射後の冷却過程において、半導体膜２の所定の領域において、より広い面積の溶融領域を、より長い時間維持でき、結晶粒の成長速度を遅くできる。したがって、特許文献１よりも大きな結晶粒を形成できる。図１（ｂ）に結晶粒の成長方向を矢印Ｃで示すように、結晶粒は、半導体膜２の面内方向に（横方向に）成長する。
【００６６】
また、本発明の実施形態では、キャップ層の第２領域Ｓ１、すなわち、反射膜として機能するキャップ層の下の半導体膜２の領域に、結晶核を生成させることができるので、結晶粒の生成位置を制御することもできる。
【００６７】
次に第２のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明する。
【００６８】
図５（ａ）および（ｂ）は、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、非晶質半導体膜２等が積層された基板の断面図を示している。
【００６９】
図５（ａ）に示すように、基板１の上に非晶質半導体膜２を堆積し、その上に絶縁膜３を形成する。絶縁膜３の膜厚ｄ１は、上記の式（２）を満たすように設定する。
【００７０】
次に、絶縁膜３を用いて、屈折率が所定の領域Ｆ２（第１領域）において所定の方向（第１方向）Ｄ１に沿って変化する屈折率分布を有するキャップ層３Ｃ２を形成する。
【００７１】
図５（ｂ）に示すように、具体的にはキャップ層３Ｃ２の所定の領域Ｆ２において、所定の方向Ｄ１に沿って変化する濃度分布が形成されるように、絶縁膜３に不純物元素５２を付与する。所定の方向Ｄ１（第１方向）と交差する第２方向Ｄ２では、不純物元素５２の濃度がほぼ一定になるようにする。
【００７２】
第１領域Ｆ１以外の領域Ｓ１（第２領域）には不純物元素を付与しないので、キャップ層３Ｃ２の第２領域Ｓ２は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しい屈折率を有する。
【００７３】
図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示したキャップ層３Ｃ２の第１方向Ｄ１における不純物元素５２の濃度分布の一例を模式的に示すグラフである。Ｘ軸は、図５（ｂ）のキャップ層３Ｃ２の第１方向Ｄ１における位置を表す。
【００７４】
図５（ｃ）に示すように、キャップ層３Ｃ２の不純物元素５２の濃度分布は、例えば第１方向Ｄ１に沿って連続的に変化し、キャップ層３Ｃ２の第１領域Ｆ２の中央から両端に、第１方向Ｄ１に沿って、徐々に不純物元素５２の濃度が低下する。
【００７５】
なお、図５（ｂ）において、不純物元素５２を示す矢印の長さが長いほど、不純物元素５２の導入量が多いことを示す。
【００７６】
キャップ層３Ｃ２の膜厚は絶縁膜３の膜厚ｄ１と等しいが、不純物元素５２が付与されたキャップ層３Ｃ２の第１領域Ｆ２の屈折率は絶縁膜３の屈折率ｎ１からずれる。すなわち、不純物元素５２を含まないキャップ層３Ｃ２の第２領域Ｓ２の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１と等しく、上記式（２）を満たすので完全な反射防止層として機能し得るが、不純物元素５２を含むキャップ層３Ｃ２の第１領域Ｆ２の屈折率は、絶縁膜３の屈折率ｎ１とは異なるため、上記式（２）を満たさない。不純物元素５２の濃度が高い領域ほど、絶縁膜３の屈折率ｎ１との差が大きくなり、反射率が大きくなる。図５（ｄ）に示すように、キャップ層３Ｃ２は、図５（ｃ）に示した濃度分布に対応して、第１方向Ｄ１に沿って連続的に変化する反射率分布を形成する。なお、第２方向Ｄ２では、反射率はほぼ一定である。
【００７７】
上記反射率分布を有するキャップ層３Ｃ２を介して半導体膜２に光照射を行うと、キャップ層３Ｃ２の第１領域Ｆ２の下の半導体膜２の領域に、照射エネルギー密度分布が形成される。この照射エネルギー密度分布は、キャップ層３Ｃ２の反射率分布（図５（ｄ））に対応する。キャップ層３Ｃ２の反射率が大きい領域ほど、その下の半導体膜２の領域の照射エネルギー密度は小さくなるため、キャップ層３Ｃ２の第１領域Ｆ２の下の半導体膜２の領域では、両側から中央に、所定の方向Ｄ１に沿って照射エネルギー密度が徐々に小さくなる。
【００７８】
半導体膜２に照射エネルギー密度分布が形成されることにより、温度勾配が形成される。図５（ｅ）は半導体膜２の第１方向Ｄ１における温度分布を模式的に示すグラフである。Ｘ軸は、図５（ｂ）の半導体膜２の第１方向Ｄ１における位置を表す。
【００７９】
図５（ｅ）に示すように、キャップ層３Ｃ２の第１領域Ｆ２の下の半導体膜２の領域では、上記照射エネルギー密度分布に対応して、第１方向Ｄ１に沿って連続的に変化する温度分布が形成される。すなわち、キャップ層３Ｃ２の第１領域Ｆ２に対応する半導体膜２領域では、中央の温度が最も低く、中央から両側に、所定の方向Ｄ１に離れるほど連続的に温度が高くなる。例えば５μｍ程度の結晶粒を形成するには、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の短辺の長さＬＦ１を１０μｍ程度に設定すればよい。
【００８０】
なお、半導体膜２に形成する温度勾配は上記に限らず、例えば上記とは逆に、第１領域Ｆ１の中央から両端に温度が低下するように形成しても良いが、図５（ｅ）に示す温度勾配を形成すると、第１領域Ｆ１の中央から両端に向かって結晶粒を成長させることができるので、より大きいサイズの結晶粒を形成できるという効果がある。
【００８１】
上記式（２）において、絶縁膜３をＳｉＯ2（屈折率１．５）で形成し、不純物元素に窒素を用いる場合、キャップ層３Ｃ２の屈折率は例えば１．５から２（ＳｉＮの屈折率）までの範囲で変化させればよい。また、絶縁膜３をＳｉＮ（屈折率２）で形成し、不純物元素に酸素を用いる場合、キャップ層３Ｃ２の屈折率は例えば２から１．５（ＳｉＯ2の屈折率）までの範囲で変化させればよい。
【００８２】
図６に示す比較例の製造方法では、基板７１上に形成した非晶質半導体膜７２の所定の領域７２Ｆのみに選択的に反射膜７３Ｃを形成し、反射膜７３Ｃを介して非晶質半導体膜７２に光照射を行う。反射膜７３Ｃの下の半導体膜７２の領域７２Ｆは、反射膜７３Ｃが形成されていない半導体膜７２の領域７２Ｓよりも照射エネルギー密度が小さい。しかしながら、本発明の実施形態とは異なり、半導体膜７２の領域７２Ｆのほぼ全領域は、略等しい照射エネルギー密度を有する。したがって、半導体膜７２の領域７２Ｆのほぼ全領域が略等しい温度（低温）になり、領域７２Ｆのうち領域７２Ｓ（高温領域）近傍で急激に上昇する温度勾配が形成される。
【００８３】
光照射後の冷却過程で、半導体膜７２の領域７２Ｆに結晶粒が形成されるが、光照射時に半導体膜７２の領域７２Ｆのほぼ全領域が略等しい温度であったため、半導体膜７２の領域７２Ｆのほぼ全領域がほぼ一定に急速に冷却されてしまう。図６に、結晶粒の成長方向を矢印Ｃで示す。
【００８４】
本発明の実施形態では、半導体膜２の所定の領域（キャップ層の第１領域Ｆ２の下の領域）に、上記比較例よりも緩やかな温度勾配を形成できるので、光照射後の冷却過程において、半導体膜２の所定の領域において、より広い面積の溶融領域を、より長い時間維持でき、結晶粒の成長速度を遅くできる。したがって、比較例よりも大きな結晶粒を形成できる。図５（ｂ）に結晶粒の成長方向を矢印Ｃで示すように、結晶粒は、半導体膜２の面内方向に（横方向に）成長する。
【００８５】
また、本発明の実施形態では、キャップ層の第１領域Ｆ２の下の半導体膜２の領域の中央付近（最も低温領域）に、結晶核を生成させることができるので、結晶粒の生成位置を制御することもできる。
【００８６】
本実施形態の製造方法は、図７に示す大基板に好適に適用できる。図７は、上記キャップ層および半導体膜２が積層された基板の上面図である。以下では、上記第１のタイプの製造方法を適用する場合を説明するが、第２のタイプの製造方法を適用しても同様の効果を得ることができる。
【００８７】
図７（ａ）に示すように、キャップ層３Ｃ１は、例えば、屈折率分布を有する第１領域Ｆ１と、屈折率が絶縁膜３の屈折率ｎ１に等しい第２領域Ｓ１とを複数有する。第１領域Ｆ１および第２領域Ｓ１は、例えば第１方向Ｄ１に沿って延びる短辺と、第１方向Ｄ１に略直交する第２方向Ｄ２に延びる長辺とを有する矩形状であり、第１方向Ｄ１に沿って交互に設けられている。上述したように、キャップ層３Ｃ１の第２領域Ｓ１は反射膜として機能し、第１領域Ｆ１は第１方向Ｄ１に沿って変化する屈折率分布を有する。第１領域Ｆ１内で、キャップ層３Ｃ１の屈折率は、第２方向Ｄ２においてほぼ一定である。
【００８８】
光照射には、例えば、照射領域の形状が長辺３００ｍｍ程度、短辺０．４ｍｍ程度の長方形状で、フラットな強度分布を有する（一様な強度分布を有する）ビームプロファイルを有するエキシマレーザを用いて、基板全面を１回照射する。例えば５μｍ程度の結晶粒を形成するには、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の短辺ＬＦ１の長さを１０μｍ程度に設定する。
【００８９】
上記キャップ層３Ｃ１を介して半導体膜２を光照射すると、図７（ａ）に示すように、キャップ層３Ｃ１の第１領域Ｆ１の下の半導体膜２の領域のそれぞれにおいて、第１領域Ｆ１の中央から両側に第１方向Ｄ１に沿って結晶粒Ｃを形成できる。また、第１領域Ｆ１に形成される結晶粒Ｃは、第１領域Ｆ１の中央部分で形成される結晶核から成長するので、結晶粒Ｃの生成位置が制御されている。したがって、第１領域Ｆ１の下の半導体膜２の各領域に、例えば第１方向Ｄ１をチャネル方向とするＴＦＴを、第２方向Ｄ２に沿って高密度に形成できる。レーザビームを所定の方向にステップ走査しながら半導体膜に照射して、走査方向に成長した結晶を得る方法（いわゆるＳＬＳ法）では、高精細なレーザ光の走査が必要であるが、本実施形態の方法では、一回のレーザ照射で、簡易に、多数の半導体素子を作製できるというメリットがある。
【００９０】
また、キャップ層３Ｃ１に形成する第１領域Ｆ１の位置と、第１領域Ｆ１における屈折率分布が変化する方向を適宜制御すれば、チャネル領域の方向が互いに異なる複数のＴＦＴを同一の半導体膜に形成できる。具体的には、例えば図７（ｂ）に示すように、屈折率分布が変化する方向が互いに直交するように、第１領域Ｆ１ａと第１領域Ｆ１ｂとを形成すれば、チャネル領域の方向が互いに直交する複数のＴＦＴを１枚の半導体膜の上に形成できる。
【００９１】
絶縁膜３には、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、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、同様の効果を得ることができる。
【００９２】
絶縁膜３に付与する不純物元素５２としては、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ることができる。これらの元素は、単独で絶縁膜３に付与してもよいし、複数の元素を混合して絶縁膜３に付与してもよい。
【００９３】
キャップ層の所定の領域に含まれる不純物元素は、最大濃度と最小濃度との差が１０ａｔ％以上６７ａｔ％以下の範囲になるように設定することが好ましい。ここで「濃度」は全組成に対する不純物元素のａｔ％を指す。１０ａｔ％未満では、反射率が十分変化しないという問題があり、６７ａｔ％超では膜の作製が困難だからである。
【００９４】
絶縁膜３の厚さは、５０ｎｍ以上であることが好ましい。絶縁膜３の膜厚が５０ｎｍより薄いと、絶縁膜３に付与した不純物元素が半導体膜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の膜厚が５０ｎｍ以上であれば、キャップ層中の不純物元素の濃度分布により、半導体膜の所定の領域における温度勾配を十分に緩やかにできる。
【００９５】
絶縁膜３に不純物元素５２を付与する方法には、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。
【００９６】
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、絶縁膜３が上記式（１）または（２）を満たす場合を説明したが、不純物元素の濃度勾配、照射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、絶縁膜３を用いて形成されるキャップ層に所望の屈折率分布を形成することにより、従来よりも緩やかな温度勾配を半導体膜に形成できれば、絶縁膜３はこれらの式を満たさなくてもよい。
【００９７】
キャップ層を介して半導体膜に照射する光線には、例えば紫外線を用いることができる。半導体膜に対する紫外線照射は、例えばレーザビームを照射することによって行われる。レーザビームには、例えば波長４００ｎｍ以下、エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ2以上５００ｍＪ／ｃｍ2以下のレーザビームが好適に利用される。レーザビームのエネルギー密度が上記の範囲内である場合、半導体膜を十分に溶融でき、半導体膜の一部に飛散が生じることもない。
【００９８】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法に、レーザビームを所定の方向にステップ走査しながら半導体膜に照射して、走査方向に成長した結晶を得る方法（ＳＬＳ）を適用してもよいが、一回のレーザ照射による結晶成長距離を特許文献１よりも大きくできるので、一回のレーザ照射による結晶成長距離で十分な場合には、結晶質半導体膜を複数回レーザ照射する必要はなく、所望の位置に十分大きな結晶粒を形成できる。
【００９９】
半導体膜２には、珪素（Ｓｉ）膜の他、ＳｉＧｅ膜、ＧａＡｓ膜、ＧａＰ膜、ＩｎＰ膜等を用いることができる。
【０１００】
半導体膜２の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。半導体膜２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、半導体膜を溶融させることが困難となるからである。また、半導体膜の膜厚が２００ｎｍよりも厚いと、半導体薄膜を溶融させるために過大なエネルギーのエネルギービームが必要となり、半導体膜を安定して溶融させることができず、結晶化領域において緩やかな温度勾配を形成させることが困難になるからである。半導体膜の膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であれば、半導体膜を安定して溶融させることができ、かつ、結晶化領域内に緩やかな温度勾配を形成させることができる。
【０１０１】
以上説明したように、本実施形態の製造方法を用いれば、屈折率分布を有するキャップ層の所定の領域の下の半導体膜の領域に、生成位置を制御しながら、サイズの大きい結晶粒を形成できる。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構成すれば、特許文献１の結晶質半導体膜を用いた場合に比べて、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。従って、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作製することによって、従来よりも高性能な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、特性のばらつきが抑制された、高性能な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。例えば、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ＴＦＴや、駆動回路のＴＦＴを作製するのに好適に用いられる。
【０１０２】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
【０１０３】
（実施形態１）
図８および図９は、それぞれ、本発明の実施形態１の結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図である。
【０１０４】
まず、図８（ａ）に示すように、８０ｃｍ×６０ｃｍのガラス基板１３上に膜厚２００ｎｍのＳｉＯ2膜１４を形成する。ＳｉＯ2膜１４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法によって形成する。
【０１０５】
次に、図８（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜１４の全面に、厚さ５０ｎｍの非晶質珪素膜１５を形成する。非晶質珪素膜１５は、例えばＳｉ2Ｈ6ガスを用いた減圧ＣＶＤ法によって形成する。
【０１０６】
次に、図８（ｃ）に示すように、非晶質珪素膜１５上にプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ2膜１６を形成する。なお、後の工程で、ＳｉＯ2膜１６を用いてキャップ層が形成される。
【０１０７】
ＳｉＯ2膜１６の膜厚は、反射防止膜として機能する式（２）を満たすように、１５５ｎｍ（ＳｉＯ2の屈折率を１．５、結晶化に使用するエキシマレーザのλを３０８ｎｍとして算出）とした。
【０１０８】
次に、ＳｉＯ2膜１６の所定の領域に、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素としての窒素１７を導入する。基板を走査してライン状にドーピングする際に、基板の走査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。
【０１０９】
不純物元素としての窒素１７は、図９（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜１６の面内において、非晶質珪素膜１５の結晶化方向に濃度勾配１８が形成されるように導入する。具体的には、ＳｉＯ2膜１６の１０μｍ×３０ｃｍの所定の領域に、窒素１７を導入する。窒素１７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、ＳｉＯ2膜１６に導入する。
【０１１０】
ＳｉＯ2膜１６の屈折率は、窒素１７の濃度が高い領域ほど高くなり、図９（ｃ）に示すような屈折率の分布１９が形成される。これは、ＳｉＯ2膜１６に窒素１７が導入することによって、屈折率がＳｉＯ2よりも高いＳｉＮ膜に近づくためである。また、本実施形態１では、ＳｉＯ2膜１６が反射防止膜になっているため、成膜時のＳｉＯ2膜１６の反射率は最小になっており、この状態で、窒素１７を濃度勾配１８をつけて導入すると、この膜厚（１５５ｎｍ）では、ＳｉＯ2膜１６の反射率は窒素濃度が高い領域ほど大きくなり、図９（ｄ）に示すような反射率の分布２０が生じる。よって、レーザを照射した際、窒素１７の濃度が最も高い領域において非晶質珪素膜１５の温度が最も低くなり、図９（ｅ）に示すような温度分布２１が非晶質珪素膜１５中に形成され、温度の低い領域で核発生が起こり、温度の高い領域へと結晶が成長する。温度勾配は緩やかに形成されるので、非晶質珪素膜１５の溶融領域を拡大することができ、その結果、結晶粒の大きい結晶質珪素膜を作製することができる。本実施形態では、結晶粒のサイズが５μｍ程度の結晶質珪素膜を得ることができた。
【０１１１】
また、導入した窒素１７が最も高い濃度の領域で結晶核が発生するので、結晶粒の位置制御も行うことができる。
【０１１２】
このようにして形成された結晶質珪素膜は、薄膜トランジスタ等の半導体素子の活性層として使用できる。半導体素子は、液晶表示装置のドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置に使用できる。
【０１１３】
（実施形態２）
図８および図１０は、実施形態２の結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図である。
【０１１４】
まず、実施形態１と同様の方法で、図８（ａ）から図８（ｃ）に示すように、基板１３上にＳｉＯ2膜１４およびＳｉＯ2膜１６を形成する。
【０１１５】
ただし、ＳｉＯ2膜１６の膜厚は、反射膜として機能する式（１）を満たす１０３ｎｍ（ＳｉＯ2の屈折率を１．５、結晶化に使用するエキシマレーザのλを３０８ｎｍとして算出）とする。
【０１１６】
次に、図１０（ａ）に示すように、ＳｉＯ2膜１６に、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素としての窒素２１を導入する。不純物元素としての窒素２２は、図１０（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜１６の面内において、非晶質珪素膜１５の結晶化方向に濃度勾配２３が形成されるように導入する。具体的には、ＳｉＯ2膜１６の１０μｍ×３０ｃｍの所定の領域に、窒素１７を導入する。窒素２１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、ＳｉＯ2膜１６に導入する。
【０１１７】
ＳｉＯ2膜１６の屈折率は、窒素２２の濃度が高い領域ほど高くなり、図１０（ｃ）に示すような屈折率の分布２４が形成される。これは、ＳｉＯ2膜１６に窒素２２が導入することによって、屈折率がＳｉＯ2よりも高いＳｉＮ膜に近づくためである。また、本実施形態２では、ＳｉＯ2膜１６が反射膜になっているため、成膜時のＳｉＯ2膜１６の反射率は最大になっており、この状態で、窒素２２を濃度勾配２３をつけて導入すると、この膜厚（１０３ｎｍ）では、ＳｉＯ2膜１６の反射率は窒素濃度が高い領域ほど小さくなり、図１０（ｄ）に示すような反射率の分布２５が生じる。よって、レーザを照射した際、窒素２２の濃度が低い領域において非晶質珪素膜１５の温度が最も低くなり、図１０（ｅ）に示すような温度分布２６が非晶質珪素膜１５中に形成され、温度の低い領域で核発生が起こり、温度の高い領域へと結晶が成長する。温度勾配は緩やかに形成されるので、非晶質珪素膜１５の溶融領域を拡大することができ、その結果、結晶粒の大きい結晶質珪素膜を作製することができる。また、導入した窒素２２が最も低い濃度の領域で結晶核が発生するので、結晶粒の位置制御も行うことができる。
【０１１８】
このようにして形成された結晶質珪素膜は、薄膜トランジスタ等の半導体素子の活性層として使用できる。半導体素子は、液晶表示装置のドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置に使用できる。
【０１１９】
（実施形態３）
図１１および図１２は、実施形態３の結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図である。
【０１２０】
まず、図１１（ａ）に示すように、ガラス基板２７上に例えば膜厚２００ｎｍのＳｉＯ2膜２８を形成する。ＳｉＯ2膜２８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法によって形成する。
【０１２１】
次に、図１１（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜２８の全面に、非晶質珪素膜２９を形成する。非晶質珪素膜２９は、例えば、Ｓｉ2Ｈ6ガスを用いた減圧ＣＶＤ法によって、厚さ５０ｎｍに形成する。
【０１２２】
次に、図１１（ｃ）に示すように、非晶質珪素膜２９上にプラズマＣＶＤ法によってＳｉＮ膜３０を形成する。なお、後の工程で、このＳｉＮ膜３０を用いてキャップ層が形成される。
【０１２３】
ＳｉＮ膜３０の膜厚は、反射防止膜として機能する式（２）を満たす、１１５ｎｍ（ＳｉＮの屈折率を２、結晶化に使用するエキシマレーザのλを３０８ｎｍとして算出）とした。
【０１２４】
次に、図１２（ａ）に示すように、ＳｉＮ膜３０に、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素としての酸素３１を導入する。不純物元素としての酸素３１は、図１２（ｂ）に示すように、ＳｉＮ膜３０の面内において、非晶質珪素膜２９の結晶化方向に濃度勾配３２が形成されるように導入する。具体的には、ＳｉＮ膜３０の１０μｍ×３０ｃｍの所定の領域に、酸素３１を導入する。酸素３１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、ＳｉＯ2膜１６に導入する。
【０１２５】
ＳｉＮ膜３０の屈折率は、酸素３１の濃度が高い領域ほど低くなり、図１２（ｃ）に示すような屈折率の分布３３が形成される。これは、ＳｉＮ膜３０に酸素３１が導入することによって、屈折率がＳｉＮよりも低いＳｉＯ2膜に近づくためである。また、本実施形態３では、ＳｉＮ膜３０が反射防止膜になっているため、成膜時のＳｉＮ膜３０の反射率は最小になっており、この状態で、酸素３１を濃度勾配３２をつけて導入すると、この膜厚（１１５ｎｍ）では、ＳｉＮ膜３０の反射率は酸素濃度が高い領域ほど大きくなり、図１２（ｄ）に示すような反射率の分布３４が生じる。よって、レーザを照射した際、酸素３１の濃度が高い領域において非晶質珪素膜２９の温度が最も低くなり、図１２（ｅ）に示すような温度分布３５が非晶質珪素膜２９中に形成され、温度の低い領域で核発生が起こり、温度の高い領域へと結晶が成長する。温度勾配は緩やかに形成されるので、非晶質珪素膜２９の溶融領域を拡大することができ、その結果、結晶粒の大きい結晶質珪素膜を作製することができる。また、導入した酸素３１が最も高濃度の領域で結晶核が発生するので、結晶粒の位置制御も行うことができる。
【０１２６】
このようにして形成された結晶質珪素膜は、薄膜トランジスタ等の半導体素子の活性層として使用できる。半導体素子は、液晶表示装置のドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置に使用できる。
【０１２７】
（実施形態４）
図１３は、本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。実施形態４の半導体装置は、上述の実施形態１または実施形態２または実施形態３で作製された結晶質珪素膜を用いて形成される、薄膜トランジスタ等を用いた液晶ドライバーや半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置である。
【０１２８】
まず、実施形態１の方法で結晶Ｓｉ薄膜３６を作製し、Ｓｉ薄膜３６の上層部のＳｉＯ2を用いたＲＩＥ法でパターニングした後、通常の薄膜トランジスタと同様、ＴＥＯＳガスとＯ3ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でゲートＳｉＯ2膜３７を形成し、さらにスパッタリング法でＷＳｉ2／多結晶Ｓｉゲート電極３８を形成した後、ＣＦ4ガスとＯ2ガスを用いたＲＩＥ法でパターニングする。
【０１２９】
次に、ソース・ドレインにイオンドーピング法でＰ、Ｂの注入を行い、ＴＥＯＳガスとＯ3ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2膜３９を形成した後、ＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスを用いたＲＩＥ法でコンタクトホールエッチングを行う。これにスパッタリング法でＡｌ配線４０を形成し、ＢＣｌ3ガスとＣｌ2ガスを用いたＲＩＥ法でパターニングした後、ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガス及びＮ2ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＮ保護膜４１を形成し、最後にＳｉＮ保護膜４１の一部をＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスを用いたＲＩＥ法でエッチング窓開けして、薄膜トランジスタや抵抗、キャパシタ等の半導体素子からなる液晶ドライバーや半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置を作製する。
【０１３０】
（実施形態５）
図１４は、本発明の実施形態の半導体装置を備える表示装置の製造方法を説明するための断面図である。
【０１３１】
実施形態５の液晶表示装置は、上述の実施形態４の半導体装置を用いて作製される液晶表示装置である。
【０１３２】
具体的には、図１４（ａ）に示すように、上述した実施形態４でＡｌ配線４０まで作製した半導体装置上にＴＥＯＳガスとＯ3ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2膜４２を形成し、ＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスを用いたＲＩＥ法でスルーホールエッチングを行う。次にスパッタリング法で画素電極としてＩＴＯ膜４３を形成し、ＨＣｌとＦｅＣｌ3を用いてパターニングした後、ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガス及びＮ2ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＮ保護膜４４を形成する。その上に配向膜としてポリイミド膜４５をオフセット印刷法で形成し、ラビング処理を行う。
【０１３３】
一方、図１４（ｂ）に示すように、別のガラス基板等の絶縁基板４６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、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、青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４７を作製する。この上にスパッタリング法でＩＴＯ膜４８を形成し、さらに配向膜としてポリイミド膜４９をオフセット印刷法で形成した後、ラビング処理を行う。
【０１３４】
上記カラーフィルタ４７を形成したガラス基板等の絶縁基板４６と、薄膜トランジスタ等の半導体装置を形成したガラス基板等の絶縁基板１３をシール樹脂で張り合わせる。この際、２枚のガラス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等を実装して液晶表示装置を作製する。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本発明の結晶質半導体膜は、例えば薄膜トランジスタ等の半導体素子に使用できる。半導体素子は、液晶表示装置のドライバ、半導体メモリ、半導体論理回路等の半導体装置に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】（ａ）は図１（ｂ）の上面図であり、（ｂ）はキャップ層の第１方向Ｄ１における不純物元素の濃度分布を示すグラフであり、（ｃ）はキャップ層の第１方向Ｄ１における反射率分布を模式的に示すグラフであり、（ｄ）は半導体膜の第１方向Ｄ１における温度分布を模式的に示すグラフである。
【図３】キャップ層の屈折率ｎの変化に対応する反射率Ｒの変化を示すグラフである。
【図４】特許文献１の製造方法を説明するための図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、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、（ｃ）はキャップ層の第１方向Ｄ１における不純物元素の濃度分布を示すグラフであり（ｄ）はキャップ層の第１方向Ｄ１における反射率分布を模式的に示すグラフであり、（ｅ）は半導体膜の第１方向Ｄ１における温度分布を模式的に示すグラフである。
【図６】比較例の製造方法を説明するための図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態を大基板に適用した場合を説明するための図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、実施形態１および実施形態２の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、実施形態１の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、実施形態２の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、実施形態３の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、実施形態３の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。
【図１３】実施形態４による半導体装置の製造方法を示すための断面図である。
【図１４】（ａ）および（ｂ）は、実施形態５による液晶表示装置の製造方法を示すための断面図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１    基板
２    半導体膜
３    絶縁膜
３Ｃ１    キャップ層
３Ｃ２    キャップ層
１３    基板
１４    ＳｉＯ2膜
１５    非晶質珪素膜
１６    ＳｉＯ2膜
１７    窒素
１８    濃度勾配
１９    屈折率分布
２０    反射率の分布
２１    温度分布
２２    窒素
２３    濃度勾配
２４    屈折率分布
２５    反射率の分布
２６    温度分布
２７    基板
２８    ＳｉＯ2膜
２９    非晶質珪素膜
３０    ＳｉＮ膜
３１    酸素
３２    濃度勾配
３３    屈折率分布
３４    反射率の分布
３５    温度分布
３６    結晶質珪素膜
３７    ゲートＳｉＯ2膜
３８    ゲート電極
４０    Ａｌ配線
４１    ＳｉＮ保護膜
４３    ＩＴＯ膜
４４    ＳｉＮ保護膜
４５    ポリイミド膜
４６    ガラス基板
４７    カラーフィルタ
４８    ＩＴＯ膜
４９    ポリイミド膜
６１    基板
６２    半導体膜
６３Ｃ    反射防止膜
７１    基板
７２    半導体膜
７３Ｃ    反射膜
Ｆ１    第１領域
Ｆ２    第１領域
Ｆ１ａ    第１領域
Ｆ１ｂ    第１領域
Ｓ１    第２領域
Ｓ２    第２領域
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１０】
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