(57)【要約】【課題】結晶性が高く、優れた特性を備えた結晶性膜の製造方法を提供する。【解決手段】第１の方向Ａに向かって熱伝導率が小さくなっている表面領域５ａを含む主面２ａを備えた支持基板４１を用意する工程（ａ）と、第１の方向Ａにそって、結晶核形成領域８、くびれ領域９および素子形成領域１０をこの順で含む非単結晶層７を表面領域５ａが結晶核形成領域８と重なるように支持基板４１の主面上２ａに形成する工程（ｂ）と、エネルギービーム１１を結晶核形成領域８に照射して非単結晶層を構成する物質を融解させ、エネルギービームを第１の方向に移動させることにより、結晶核形成領域８に物質の結晶粒を成長させる工程（ｃ）と、エネルギービームをさらに第１の方向に移動させることにより、結晶粒をくびれ領域９を介して素子形成領域１０で成長させる工程（ｄ）とを包含する結晶性膜の製造方法。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に沿った位置に応じて熱伝導率が変化している表面領域を含む主面を備えた支持基板を用意する工程（ａ）と、
前記第１の方向に伸びており、前記第１の方向を横切るように狭くなったくびれ領域と、前記くびれ領域によって分断された結晶核形成領域および素子形成領域とを含む非単結晶層を前記支持基板の主面上に形成する工程であって、前記表面領域が前記結晶核形成領域と重なり、前記結晶核形成領域、前記くびれ領域および前記素子形成領域をこの順で第１の方向に向かって配列させる工程（ｂ）と、
エネルギービームを前記結晶核形成領域に照射して前記非単結晶層を構成する物質を融解させ、前記エネルギービームを前記第１の方向に移動させることにより、前記エネルギービームの移動にともなって溶融した物質を冷却し、前記結晶核形成領域に前記物質の結晶粒を成長させる工程（ｃ）と、
前記エネルギービームをさらに前記第１の方向に移動させることにより、前記くびれ領域および前記素子結晶領域の前記物質を順に融解し、前記結晶粒を前記くびれ領域を介して前記素子形成領域で成長させる工程（ｄ）と、
を包含する結晶性膜の製造方法。
【請求項２】
前記表面領域は前記第１の方向に向かって熱伝導率が小さくなっている請求項１に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ａ）は、
前記第１の主面を有する絶縁膜が設けられた前記支持基板を用意する工程（ａ１）と、
前記絶縁膜の所定の領域に不純物を選択的に導入して前記表面領域を前記第１の主面に形成する工程（ａ２）と、
を含む請求項１に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ａ２）において、前記第１の方向に沿って前記表面領域の熱伝導率が小さくなるように、前記第１の方向に濃度勾配を設けて前記不純物を前記絶縁膜に導入する請求項３に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁膜中の前記不純物の濃度は１０ａｔ％から８０ａｔ％の範囲の値であり、前記範囲内で前記不純物濃度が前記第１の方向に向かって減少している請求項４に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項６】
前記工程（ａ２）において、前記不純物は、イオン注入法またはイオンドーピング法によって導入される請求項３から５のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項７】
前記不純物は、炭素、窒素、酸素、フッ素、シリコンおよびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも一つを含む請求項３から６のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁膜は、酸化シリコン化合物、窒化シリコン化合物、窒化酸化シリコン化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、フッ化酸化シリコン化合物、フッ化酸化窒化シリコン化合物および酸化炭化シリコン化合物からなる群から選択される少なくとも１つを含む請求項３から７のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項９】
前記表面領域における熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲で第１の方向に沿って変化している請求項１から８のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｂ）は、
前記第１の主面上に非単結晶膜を形成する工程（ｂ１）と、
前記非単結晶膜をパターニングして、前記結晶核形成領域、前記くびれ領域、および前記素子形成領域を有する非単結晶層を形成する工程（ｂ２）と、
を含む請求項１に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１１】
前記素子形成領域および前記くびれ領域は、前記第１の主面の前記表面領域以外の領域上に位置している請求項１から１０のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１２】
前記くびれ領域の前記第１の方向に垂直な方向の幅は、１μｍ以上５０μｍ以下である請求項１から１１のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１３】
前記素子形成領域の面積は１ｍｍ2以下である請求項１から１２のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１４】
前記絶縁膜の厚さは、５０ｎｍ以上である請求項１から１３のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１５】
前記非単結晶層の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１から１４のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１６】
前記非単結晶層を構成する物質が半導体である請求項１から１５のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１７】
前記半導体はシリコンである請求項１６に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１８】
前記エネルギービームは、波長４００ｎｍ以下のレーザビームである請求項１から１７のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１９】
前記エネルギービームは、エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ2以上５００ｍＪ／ｃｍ2以下のパルスレーザーである請求項１８に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項２０】
請求項１６により特定される結晶性膜の製造方法によって製造された結晶性膜からなる活性層を備えた半導体装置。
【請求項２１】
前記半導体装置は薄膜トランジスタである請求項２０に記載の半導体装置。
【請求項２２】
マトリクス状に配置された複数の画素電極および前記画素電極にそれぞれ接続された請求項２１により特定される複数の半導体装置を有するアクティブマトリクス基板と、
対向電極を有し、前記対向電極が前記画素疎電極と対向するように前記アクティブマトリクス基板に対して所定の間隔を隔てて保持された対向基板と、
前記アクティブマトリクス基板と対向基板との間設けられた表示媒体と、
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、基板上に形成された非単結晶膜にエネルギービームを照射することにより、結晶性膜を製造する方法に関し、特に、結晶性半導体膜を製造する方法およびその結晶性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】
従来のＣＲＴを用いた表示装置に換えて、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置など、厚み（奥行き）の小さいフラットパネルディスプレイの需要が近年高まってきている。こうしたフラットパネルディスクプレイでは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に代表される薄膜半導体素子がスイッチング素子として用いられる。たとえば、アクティブマトリクス型の液晶表示装置では、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を設け、画素電極に供給する電荷をＴＦＴによって制御している。
【０００３】
ＴＦＴは、ＣＶＤ法などにより形成される厚さ数十ｎｍ〜数百ｎｍの半導体薄膜を備えている。非晶質シリコン膜は、ＴＦＴに用いることのできる薄膜半導体の１つであり、形成が容易であるという利点を備える。しかし、非晶質シリコン膜の半導体特性は十分ではなく、非晶質シリコン膜を用いて形成されるＴＦＴのトランジスタ特性は低いという問題があった。
【０００４】
ＴＦＴのトランジスタ特性を向上させるためには、非晶質シリコン膜に換えて、結晶性を有するシリコン薄膜を用いればよいことが知られている。ここで結晶性を有するシリコン薄膜（以下結晶性シリコン膜と称する）は、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよび微結晶シリコンからなる薄膜を意味している。また、種々の物質の結晶性薄膜を得るためには、非晶質あるいは結晶性の低い薄膜（以下、低結晶性薄膜と称する）を基板上に形成し、薄膜にエネルギーを加えることによりその物質を溶融し、その後結晶化させ、結晶性を高める方法が知られている。
【０００５】
たとえば、低結晶性薄膜をレーザビームの照射によって溶融・結晶化させる方法は、薄膜が設けられる基板の温度を大きく上昇させることなく、低結晶性薄膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。このため、安価なガラス基板上に結晶性半導体薄膜を形成することができる。また、ライン状（線状）のレーザビームを用い、レーザビームの長手方向に垂直な方向にビームを走査させることによって、広い面積にレーザビームを効率よく照射することができ、量産性にも優れている。したがって、このようなレーザビームを用いて結晶性を高める方法が主流になっており、各機関で盛んに研究されている。
【０００６】
例えば、ライン状のレーザビームを断続的に照射しつつ、ビームの長手方向と直交する方向にレーザビームを走査することによって、半導体の溶融・結晶化を基板の所定領域毎に繰り返し、結晶半導体薄膜を形成する方法が開発されている。この方法によれば、広い面積にわたって効率よく結晶性半導体薄膜を形成することができる。
【０００７】
しかしながら、通常、この方法で製造される結晶性半導体薄膜は、１μｍ以下の大きさの多数の結晶粒からなる。このような結晶性半導体薄膜を用いてＴＦＴを製造した場合、チャネル領域に多数の結晶粒界が含まれ、電気的特性の低下、特性のばらつき等の原因となる。このように結晶粒が小さくなる原因の一つは、レーザビームの照射によって溶融した半導体の冷却時間が短いことにある。
【０００８】
パルスレーザーでは、１パルス当りのレーザビームの照射時間が通常数十ｎｓ程度と短い。このような短い時間では基板が十分に加熱されないため、結晶化する半導体と基板との間に大きな温度差が生じる。その結果、溶融した半導体が急速に冷却され、結晶化されることにより、得られる結晶粒径が小さくなって結晶粒界密度が大きくなると共に、結晶粒と結晶粒との間において多くの結晶欠陥が発生する。
【０００９】
この問題を解決するために、特許文献１には、半導体薄膜と基板との間に保温層を形成し、半導体薄膜上にも保温層を形成することによって、レーザビームの照射時に、溶融した半導体を緩やかに冷却し、結晶成長時間を長くすることにより、結晶粒を大きくすることを開示している。
【００１０】
また、特許文献２は、絶縁性基板上にＳｉ膜を形成し、このＳｉ膜を幅が狭小な狭小領域と、それに続く縁部がある角度をもって拡大する形状をなす領域とにパターニングして、これらの領域に熱エネルギーを照射する方法を開示している。これにより、その狭小領域に種結晶を導入し、半導体を単結晶化することができると記載されている。また、この狭小領域の種結晶としては、狭小領域にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕおよびこれらを含む化合物のうち少なくとも一種類を導入し、その導入部で発生する結晶核を種として横方向に結晶が成長すると記載している。
【特許文献１】特開２００２−２６３３１号公報
【特許文献２】特開２００１−１７６７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示されている方法では、基板全体にわたって保温層を形成しているために、基板全体にわたって結晶粒の粒径を大きくすることはできる。しかし、結晶核が領域内の任意の位置において複数発生し、生成する結晶粒の配向などを制御することが困難であるという問題が生じる。
【００１２】
また、特許文献２に示されている方法では、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕおよびこれらを含む化合物のうち少なくとも一種類を導入して発生した結晶核を横方向に結晶成長させるため、結晶中に金属原子が残留してしまう。このため、残留した金属原子により、半導体の特性が劣化したり、このようにして形成した半導体薄膜を用いた半導体素子は正常に動作しないものの割合が高くなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、特性、信頼性および安定性に優れた結晶性膜を製造方法およびその結晶性膜を用いた半導体装置および表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の結晶性膜の製造方法は、第１の方向に沿った位置に応じて熱伝導率が変化している表面領域を含む主面を備えた支持基板を用意する工程（ａ）と、前記くびれ領域によって分断された結晶核形成領域および素子形成領域とを含む非単結晶層を前記支持基板の主面上に形成する工程であって、前記表面領域が前記結晶核形成領域と重なり、前記結晶核形成領域、前記くびれ領域および前記素子形成領域をこの順で第１の方向に向かって配列させる工程（ｂ）と、エネルギービームを前記結晶核形成領域に照射して前記非単結晶層を構成する物質を融解させ、前記エネルギービームを前記第１の方向に移動させることにより、前記エネルギービームの移動にともなって溶融した物質を冷却し、前記結晶核形成領域に前記物質の結晶粒を成長させる工程（ｃ）と、前記エネルギービームをさらに前記第１の方向に移動させることにより、前記くびれ領域および前記素子結晶領域の前記物質を順に融解し、前記結晶粒を前記くびれ領域を介して前記素子形成領域で成長させる工程（ｄ）とを包含する。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記表面領域は前記第１の方向に向かって熱伝導率が小さくなっている。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、前記第１の主面を有する絶縁膜が設けられた前記支持基板を用意する工程（ａ１）と、前記絶縁膜の所定の領域に不純物を選択的に導入して前記表面領域を前記第１の主面に形成する工程（ａ２）とを含む。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ２）において、前記第１の方向に沿って前記表面領域の熱伝導率が小さくなるように、前記第１の方向に濃度勾配を設けて前記不純物を前記絶縁膜に導入する。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記絶縁膜中の前記不純物の濃度は１０ａｔ％から８０ａｔ％の範囲の値であり、前記範囲内で前記不純物濃度が前記第１の方向に向かって減少している。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ２）において、前記不純物は、イオン注入法またはイオンドーピング法によって導入される。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記不純物は、炭素、窒素、酸素、フッ素、シリコンおよびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも一つを含む。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記絶縁膜は、酸化シリコン化合物、窒化シリコン化合物、窒化酸化シリコン化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、フッ化酸化シリコン化合物、フッ化酸化窒化シリコン化合物および酸化炭化シリコン化合物からなる群から選択される少なくとも１つを含む。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、  前記表面領域における熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲で第１の方向に沿って変化している。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、前記第１の主面上に非単結晶膜を形成する工程（ｂ１）と、前記非単結晶膜をパターニングして、前記結晶核形成領域、前記くびれ領域、および前記素子形成領域を有する非単結晶層を形成する工程（ｂ２）と、を含む。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記素子形成領域および前記くびれ領域は、前記第１の主面の前記表面領域以外の領域上に位置している。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記くびれ領域の前記第１の方向に垂直な方向の幅は、１μｍ以上５０μｍ以下である。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記素子形成領域の面積は１ｍｍ2以下である。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記絶縁膜の厚さは、５０ｎｍ以上である。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記非単結晶層の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記非単結晶層を構成する物質が半導体である。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記半導体はシリコンである。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、  前記エネルギービームは、波長４００ｎｍ以下のレーザビームである。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記エネルギービームは、エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ2以上５００ｍＪ／ｃｍ2以下のパルスレーザーである。
【００３３】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかによって特定される結晶性膜の製造方法によって製造された結晶性膜からなる活性層を備えている。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記半導体装置は薄膜トランジスタである。
また、本発明の表示装置は、マトリクス状に配置された複数の画素電極および前記画素電極にそれぞれ接続された請求項２１により特定される複数の半導体装置を有するアクティブマトリクス基板と、対向電極を有し、前記対向電極が前記画素疎電極と対向するように前記アクティブマトリクス基板に対して所定の間隔を隔てて保持された対向基板と、前記アクティブマトリクス基板と対向基板との間設けられた表示媒体とを備えた。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、結晶核を生成する領域に接する絶縁膜の熱伝導率が、エネルギービームが走査する方向に向かって変化しており、非単結晶層の結晶核を生成する領域をエネルギービームによって溶融させると、溶融した部分において、走査する方向に向かって緩やかで単調に増加する温度勾配を形成することができる。このため、遅い結晶化速度で結晶成長を行うことができ、結晶核を生成する領域に大きい結晶粒の結晶核を成長させることができる。さらに、生成した結晶核を用い、優れた特性の結晶性膜を容易に形成することができる。
【００３６】
また、結晶核形成領域と素子形成領域との間に狭い幅のくびれ領域を設けることによって、結晶核形成領域から素子形成領域へ向って成長する結晶粒がくびれ領域において１つに選択される。このため、素子形成領域に成長する結晶性膜は単結晶構造を備える。
【００３７】
このようにして製造された結晶性膜を活性層として備える半導体素子は優れた特性を備え、また、特性のばらつきが少ない。したがって、優れた特性および信頼性を備えた半導体装置および表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
（第１の実施形態）
以下、本発明による結晶性薄膜の製造方法の実施形態を説明する。本実施形態では、結晶性薄膜として、結晶性シリコン膜を例にあげて説明するが、本発明はＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどの半導体からなる結晶性薄膜に適用できる。また、明細書中で用いる「非単結晶」という用語は、単結晶以外の、非晶質、微結晶または多結晶構造を有する膜や層を意味している。本発明は、これらの非単結晶構造を有する膜からより結晶性の高い膜を形成する方法を提供する。
【００３９】
まず、図１に示すように、基板１上に絶縁膜２を形成する。基板１には、ガラス基板、石英基板等の絶縁性表面を有する基板、あるいは、シリコンウエハ等の半導体基板を用いることができる。以下で詳細に説明する工程において、エネルギービームが基板１上に形成される非単結晶層に照射されるので、基板１はエネルギービームによる熱によって変形しないことが好ましい。
【００４０】
絶縁膜２には、二酸化シリコン化合物、窒化シリコン化合物、窒化酸化シリコン化合物、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、フッ化酸化シリコン化合物フッ化酸化窒化シリコン化合物、酸化炭化シリコン化合物などからなる膜を用いることができる。本実施形態では、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、厚さ２００ｎｍの二酸化シリコンからなる絶縁膜２を形成する。形成した絶縁膜２の主面２ａにおける熱伝導率は、全体にわたってほぼ均一であり、約１．４Ｗ／ｍ・Ｋになっている。基板１および絶縁膜２は結晶性薄膜を形成するための支持基板４１となる。
【００４１】
絶縁膜２の厚さは、５０ｎｍ以上であることが好ましい。絶縁膜２が５０ｎｍよりも薄いと、エネルギービームが照射された際に、十分緩やかな温度勾配を形成することができないからである。絶縁膜の厚さが５０ｎｍ以上であれば、以下で説明する不純物元素の濃度勾配によって、結晶性薄膜と接する表面における熱伝導率を所望のプロファイルに調節することが可能となり、これにより、エネルギービームが照射された場合の照射領域の温度勾配を緩やかにして結晶化速度を小さくし、結晶粒が大きい結晶性層を得ることができる。
【００４２】
次に、図２に示すように、レジスト塗布、露光および現像を含むフォトリソグラフ工程を絶縁膜２に施し、窓４ｗを有するレジストパターン４を絶縁膜２上に形成する。そしてレジストパターン４を用いて、絶縁膜２に不純物３を選択的に導入し、窓４ｗの開口に対応する表面領域５ａを有し、不純物３を含む所定の領域５を絶縁膜２中に形成する。不純物元素には、窒素、炭素、酸素、フッ素、シリコン、アルミニウムなど、絶縁膜２よりも熱伝導率の大きくなる元素を用いることができる。これらの元素は２つ以上用いてもよく、単体元素を用いてもよいし、これらの元素を含む化合物であってもよい。また、不純物３の導入にはイオンドーピング法またはイオン注入法などを用いることができる。
【００４３】
不純物３は、絶縁膜２の表面領域５ａにおける熱伝導率が矢印で示す第１の方向Ａに沿った位置に応じて、変化するように領域５に導入される。具体的には、第１の方向Ａに向かって表面領域５ａの熱伝導率が小さくなるように、導入する不純物３の量が第１の方向に沿う位置に応じて調整されている。図３（ａ）は、領域５の表面領域５ａからの所定の深さにおける第１の方向Ａに沿った不純物濃度の分布を示している。図３（ａ）において、ｄ１およびｄ２は第１の方向Ａにおける表面領域５ａの両端の位置を示している。絶縁膜２中の不純物濃度が１０ａｔ％から８０ａｔ％の範囲の値となるように不純物３が絶縁膜２に導入される。また、第１の方向Ａに向かって、絶縁膜２中の不純物濃度が上記範囲内で減少する濃度勾配を絶縁膜２が有するよう、第１の方向に沿って導入する不純物の量が調整される。たとえば図３（ａ）に示すように、位置ｄ１では８０ａｔ％の不純物濃度となり、第１の方向に向かって不純物濃度が減少し、位置ｄ２では４０ａｔ％の不純物濃度となるように不純物３が絶縁膜２に導入される。
【００４４】
不純物元素を絶縁膜２に導入することによって、熱伝導率は不純物元素を含まない場合に比べて増大する。熱伝導率は、不純物濃度が高いほど大きくなるため、図３（ａ）に示す分布で不純物元素を導入した場合、図３（ｂ）に示すように、第１の方向に向かって熱伝導率は単調に減少する。
【００４５】
表面領域５ａにおける熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下となるよう、領域５に注入する不純物の量を調整することが好ましい。熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きくなると、エネルギービームによって与えられた熱が直ちに基板に拡散し、溶融状態をとる時間が短くなるため、大きな結晶粒が成長しにくい。
【００４６】
不純物元素の導入後、レジストパターン４を除去する。これにより、第１の方向に沿った位置に応じて熱伝導度が変化しており、特に第１の方向に向かって熱伝導率が単調に減少した表面領域５ａを含む主面２ａを備えた支持基板４１が得られる。
【００４７】
次に、図４に示すように、絶縁膜２上の全面に非単結晶膜６を形成する。非単結晶膜の厚さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。非単結晶膜の膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であれば、以下の工程において照射するエネルギービームによって非単結晶膜を安定して溶融させることができ、非単結晶膜の溶融した領域に緩やかな温度勾配を形成させることができる。非単結晶膜６が１０ｎｍよりも薄い場合、射するエネルギービームが非単結晶膜６に充分吸収されず、非単結晶膜６を溶融させることが困難となる。また、非単結晶膜６が２００ｎｍよりも厚いと、非単結晶膜６を溶融させるために、過大なエネルギーを有するビームを用いることが必要となる。このため、非単結晶膜６を安定して溶融させることができず、溶融領域に緩やかな温度勾配を形成させることが困難になる。
【００４８】
非単結晶膜６には、上述した半導体等の種々の物質からなり、非晶質、微結晶あるいは多結晶構造を備えた薄膜を用いることができる。本実施形態では、Ｓｉ2Ｈ6ガスを用いた減圧ＣＶＤ法によって、５０ｎｍの厚さを有する非晶シリコン膜を形成し、非単結晶膜６として用いる。
【００４９】
次に、レジスト塗布、露光および現像を含むフォトリソグラフ工程を非単結晶膜６に施し、レジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクとして、非単結晶膜６をエッチングすることにより、図５に示すように、パターニングされた非単結晶層７が絶縁膜２の主面２ａ上に形成される。非単結晶層７は、第１の方向Ａに向かって伸びており、第１の方向Ａを横切るようにくびれて細くなったくびれ領域９と、くびれ領域９によって分断された結晶核形成領域８と素子形成領域１０とを含んでいる。結晶核形成領域８、くびれ領域９および素子形成領域１０はこの順で第１の方向に向かって配列されている。結晶核形成領域８は、主面２ａの表面領域５ａと重なるように形成されており、表面領域５ａ内に結晶核形成領域８が位置していることが好ましい。
【００５０】
結晶核形成領域８はエネルギービームによって最初に溶融され、素子形成領域において結晶を成長させるための結晶核を生成する。
【００５１】
くびれ領域９は、結晶核形成領域８で生成した複数の結晶核から素子形成領域１０へ延びる結晶核を１つ選択し、素子形成領域１０で成長する結晶に結晶面を提供する。このため、くびれ領域９のサイズは、第１の方向に直行する第２の方向Ｂに１μｍ〜５０μｍであることが好ましい。くびれ領域９の幅となる第２の方向Ｂのサイズが１μｍより小さいと、結晶核形成領域８で生成した結晶核が成長し、素子形成領域１０へ達することが困難となる。また、５０μｍより大きいと、複数の結晶がくびれ領域９において成長する可能性があり、素子形成領域１０内に単一の結晶を成長させることが難しくなる。
【００５２】
素子形成領域１０は本発明により作製する結晶性薄膜となる領域である。素子形成領域１０の面積が１ｍｍ2よりも大きいと素子形成領域１０の結晶化が急激に進行しなくなり、また、単一の結晶を成長させることが難しくなる。したがって、素子形成領域１０の面積は１ｍｍ2以下であることが好ましい。
【００５３】
次に、図５に示すように、非単結晶層７に対して、エネルギービーム１１を第１の方向Ａに走査し、非単結晶層７を溶融および固化させて結晶化する。エネルギービーム１１としては、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、パルス状荷電粒子ビームなどを用いることができる。また、一度の走査によって素子形成領域１０の全体が走査できるよう、エネルギービーム１１の第２の方向Ｂの長さは素子形成領域１０の第２の方向Ｂの長さよりも大きいほうが好ましい。
【００５４】
エネルギービーム１１のエネルギー密度は２５０ｍＪ／ｃｍ2以上５００ｍＪ／ｃｍ2以下であることが好ましい。この範囲のエネルギービーム１１を用いることにより、安定して非単結晶層７を溶融および固化させることができる。エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ2より小さい場合、非単結晶層７を十分に溶融できない可能性がある。また、エネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ2より大きい場合、エネルギーが大きすぎるため、非単結晶層７の一部が飛散する可能性がある。
【００５５】
本実施形態では、第２の方向に２μｍの長さを有し、４００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度を有するエキシマレーザ光を用いる。また、第１の方向Ａに１μｍ移動する毎にオンオフを繰り返すように照射する。
【００５６】
レーザビーム１１を結晶核形成領域８の端部ｄ１の位置から第１の方向に向かって走査し、非単結晶層７に照射すると、非単結晶層７のみにエネルギーが与えられて、非単結晶層７のレーザビームが照射された領域は溶融する。結晶核形成領域８が接している絶縁膜２の表面領域５ａでは上述したように、第１の方向に向かって熱伝導率が単調に減少している。このため、非単結晶層７の溶融した領域は、レーザビームの移動により溶融した領域が移動しても、つねに、素子形成領域１０に近い側ほど熱伝導率が小さい物質と接触することになる。その結果、溶融した領域において、素子形成領域１０に近い側ほど熱拡散が小さく、素子形成領域１０から遠い側ほど熱拡散が大きくなる。図６（ａ）は、非単結晶層７の溶融した領域の第１の方向における温度分布を示している。図に示すように、第１の方向に向かって熱拡散が小さくなるため、溶融した領域は高温に保たれる。つまり、第１の方向Ａであるエネルギービーム１１の走査方向において、先端部分では溶融した領域の温度が高く、終端部分では低くなっている。また、溶融した領域の両端における温度差は、比較的小さく、緩やかな温度勾配が生じている。
【００５７】
エネルギービーム１１の移動にともなって溶融した領域も移動するが、溶融した物質は緩やかな温度勾配により、広い領域で溶融状態を保つ。このため、結晶が成長する領域を広げることができ、結晶核形成領域８において、大粒径の結晶核が成長する。また、溶融した領域が広がるため、エネルギービームのショット数を低減することができる。
【００５８】
図６（ｂ）は、絶縁膜２に不純物元素を導入しないことを除いて同様の方法により、非単結晶層７にレーザビーム１１を照射した場合の非単結晶層７の溶融した領域の第１の方向における温度分布を示している。図から明らかなように、溶融した領域に接している絶縁膜の表面は均一な熱伝導率を備えているため、ビームの両端における熱の散逸が顕著となり、溶融した領域の両端において温度が低く、中央部分において、温度が高くなっている。また、中央部と両端部との温度差が大きく、温度勾配が急激になっている。このため、溶融した領域の両端から急激に結晶が析出し始め、結晶は溶融した領域の中央に向かって成長する。したがって、形成する結晶の粒径は小さくなり、また、多くの結晶が析出するため、大きな結晶に成長しにくい。
【００５９】
レーザビーム１１の走査をさらに進め、レーザビーム１１がくびれ領域９に達すると、結晶核形成領域８内で形成された大粒径の結晶粒のうち、くびれ領域９に最も速く到達した１つの結晶粒がくびれ領域９を占有し、くびれ領域９において成長する。そして、非晶質シリコン膜７のくびれ領域９へのレーザビーム照射に引き続いて、レーザビーム１１が素子形成領域１０に達すると、くびれ領域９を占有した結晶粒がさらに成長を続ける。このため、素子形成領域１０の非単結晶層７は、くびれ領域９を占有した結晶粒で構成される単結晶あるいは、非単結晶層７よりも大きな粒径からなる結晶性層となる。
【００６０】
このようにして形成された結晶性層は、単結晶構造あるいは大粒径の多結晶構造を備えている。本実施形態のように非単結晶層７を半導体で構成する場合には、薄膜トランジスタ等の半導体素子の活性層として使用することにより、優れた半導体特性を発揮する。このため、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好適に使用することができる。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、結晶核を生成する領域に接する絶縁膜の熱伝導率をエネルギービームを走査する方向に変化させ、溶融した領域を広く、かつ、領域内の温度勾配を緩やかにすることができるため、低い結晶か速度で結晶核を成長させることができ、結晶粒の大きな結晶核が生成する。このため、生成した結晶核から優れた特性の結晶性膜を成長させることが可能となる。
【００６２】
なお、本実施形態ではエネルギービーム１１によって１つの結晶核形成領域８から結晶核を成長させたが、図５に示す構造を第２の方向Ｂに複数配置するとともに、エネルギービーム１１の第２の方向Ｂの長さを大きくし、複数の素子形成領域１０を同時に照射するようにしてもよい。これにより一度に多くの結晶性層からなる素子形成領域１０を作製することができる。
【００６３】
（第２の実施形態）
以下、第１の実施形態で作製した結晶性層が用いられた薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと略す）の実施形態を説明する。
【００６４】
図７は、図８に示すアクティブマトリクス基板３１に用いられるＴＦＴ３３の断面構造を模式的に示している。ＴＦＴ３３は、絶縁膜２を有する基板１上に形成された活性層１２を備えている。基板１および絶縁膜２はそれぞれガラスおよびＳｉＯ2からなる。活性層１２は、第１の実施形態により作製された結晶性シリコン層をパターニングしたものである。
【００６５】
活性層１２は、チャネル領域１２ａおよびチャネル領域１２ａを挟むように位置するソース領域１２ｂおよびドレイン領域１２ｃを含む。チャネル領域１２ａ上には、ゲート絶縁膜１３を介してゲート電極１４が設けられており、ゲート絶縁膜１３およびゲート電極１４を覆うように絶縁膜１５が設けられている。ゲート絶縁膜１３および絶縁膜１５には、ソース領域１２ｂおよびドレイン領域１２ｃに達するようにコンタクトホールが設けられている。ソース電極１６ｂおよびドレイン電極１６ｃは、コンタクトホールを介してソース領域１２ｂおよびドレイン領域１２ｃにそれぞれ接続されている。
【００６６】
絶縁膜１５と、ソース電極１６ｂおよびドレイン電極１６ｃとを覆うように、絶縁膜１７が設けられ、絶縁膜１７には、ソース電極１６ｂおよびドレイン電極１６ｃの一部が露出するようにスルーホール１８がそれぞれ形成されている。
【００６７】
このようなＴＦＴ３３の活性層１２は、電子移動度が大きく、結晶成長のための不純物を含まない。このため、ＯＮ電流が大きく、ＯＦＦ電流の小さいＴＦＴ３３が実現する。このＴＦＴ３３は、これらの特徴を生かし、液晶表示装置の画素電極を駆動するトランジスタや、走査線および信号線を駆動するための駆動回路を構成するトランジスタとして好適に用いられる。また、半導体メモリーや半導体論理回路等の半導体装置としても好適に使用することができる。半導体メモリーや半導体論理回路等の半導体装置として使用される場合には、基板上に、抵抗、キャパシタ等の他の受動素子も設けられる。
【００６８】
（第３の実施形態）
以下、第２の実施形態のＴＦＴを用いたアクティブマトリクス基板および液晶表示装置の実施形態を説明する。
【００６９】
図８は、本実施形態によるアクティブマトリクス基板３１の断面構造を模式的に示している。アクティブマトリクス基板３１はマトリクス状に配列された画素を含み、図８は１つの画素の主要部のみを示している。アクティブマトリクス基板３１は、ガラスからなる基板１と、ＳｉＯ2からなる絶縁膜２を介して基板１上に形成されたＴＦＴ３３とを備える。ＴＦＴ３３は第２の実施形態で説明したＴＦＴと同じ構造を備えている。ＴＦＴ３３の絶縁膜１７上には、スルーホール１８を介してドレイン電極１６ｃと接続された画素電極１９が形成されている。絶縁膜１７および画素電極１９を覆うように保護膜２０が設けられている。また、保護膜２０を覆うように配向膜２１が設けられている。アクティブマトリクス基板３１がカラー表示装置に用いられる場合には、ＴＦＴ３３は一画素あたり、たとえば３つのＴＦＴ３３を含み、図８に示す構造が所定の間隔でマトリクス状に形成される。
【００７０】
図７に示すアクティブマトリクス基板３１は、次のようにして製造される。まず、第１の実施形態で説明した方法により、基板１の絶縁膜２上に結晶性シリコン膜を形成する。第１の実施形態で説明したように、素子形成領域１０の面積は１ｍｍ2以下であることが好ましいので、画素ピッチにも依存するが、１つの素子形成領域１０から作製できるＴＦＴ３３は、数個程度となる。このため、結晶性シリコン膜を形成するための素子形成領域１０は一枚の基板１上に複数設けられる。この結晶性シリコン膜を、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとを用いたＲＩＥ法によって、パターニングし、各画素電極１９に対応するＴＦＴ３３の活性層１２をそれぞれ形成する。
【００７１】
その後、通常のＴＦＴの製造工程と同様に、ＴＥＯＳガスとＯ3ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ2からなるゲート絶縁膜１３を、活性層１２および絶縁膜２を覆うように形成する。スパッタリング法によって、ＷＳｉ2／多結晶Ｓｉ膜を形成した後、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとを用いたＲＩＥ法によってパターニングすることによって、活性層１２のチャネル領域１２ａ上にゲート電極１４をそれぞれ形成する。
【００７２】
次いで、ゲート電極１４をマスクとして、ソース領域１２ｂおよびドレイン領域１２ｃにイオンドーピング法によってＰ（リン）およびＢ（ホウ素）を注入する。その後、ＴＥＯＳガスとＯ3ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ2からなる絶縁膜１５を、ゲート電極１４およびゲート絶縁膜１３を覆うように形成する。形成した絶縁膜１５に、ＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスとを用いたＲＩＥ法によるエッチングを施し、活性層１２のソース領域１２ｂおよびドレイン領域１２ｃが露出するように、コンタクトホールをそれぞれ形成する。
【００７３】
次に、スパッタリング法によって、絶縁膜１５上および各コンタクトホール内にＡｌ膜を形成し、ＢＣｌ3ガスとＣｌ2ガスとを用いたＲＩＥ法によってＡｌ膜をパターニングすることによって、ソース電極１６ｂおよびドレイン電極１６ｃを形成する。ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとＮ2ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮからなる絶縁性の保護膜１７を、絶縁膜１５、ソース電極１６ｂおよびドレイン電極１６ｃを覆うように形成する。その後、ＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスとを用いたＲＩＥ法によって保護膜１７のエッチングを行い、配線１６の一部が露出するように開口する。これにより、ＴＦＴ３３が形成される。
【００７４】
その後、ＴＥＯＳガスとＯ3ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ2からなる絶縁層１７を形成し、ＣＦ4ガスとＣＨＦ3ガスとを用いたＲＩＥ法によってエッチングすることにより、絶縁層１７にスルーホール１８を形成する。
【００７５】
スパッタリング法によって、絶縁層１７およびスルーホール１８内にＩＴＯ膜を形成し、ＨＣｌとＦｅＣｌ3とを用いてパターニングすることにより、スルーホール１８を介してドレイン電極１６ｃに接続された画素電極１９を形成する。その後、ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとＮ2ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮからなる絶縁性の保護膜２０を、絶縁層１７および各画素電極１９を覆うように形成する。保護膜２０の上にポリイミドからなる配向膜２１をオフセット印刷法によって形成し、ラビング処理を行う。これにより、図８に示すアクティブマトリクス基板３１が形成される。
【００７６】
図９は、液晶表示装置を構成する対向基板３２の断面構造を示している。対向基板３２は、絶縁性基板であるガラス基板２２上に、カラーフィルター２３、対向電極２４、保護膜２５および配向膜２６が設けられている。
【００７７】
対向基板３２はたとえば、以下の方法によって製造される。まず、絶縁性基板２２に、赤、緑、青の各色の感光性樹脂薄膜が設けられたフィルムを熱圧着により転写する。転写されたフィルムをフォトリソグラフィー工程によってパターニングし、さらに、赤、緑および青の各着色部の間のスペースにブラックマトリクス部を同様にして形成することによって、カラーフィルター２３を形成する。その後、カラーフィルター２３の上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜からなる対向電極２４を形成し、対向電極２４上に、ポリイミドからなる配向膜２６をオフセット印刷法によって形成して、ラビング処理を行う。これにより、図８に示す対向基板３２が完成する。
【００７８】
このようにして作製されたアクティブマトリクス基板３１と対向基板３２とを、画素電極１９および対向電極２４が向かい合うよう、所定の間隔を開けて対向配置して、相互に対向する周縁部同士を、シール樹脂で貼り合わせる。この場合、アクティブマトリクス基板３１および対向基板３２間に一定のスペースが形成されるように、真球状の微細なシリカを均一に散布しておく。このような状態で、アクティブマトリクス基板３１および対向基板３２の間に液晶を注入して液晶層を形成した後に、アクティブマトリクス基板３１のガラス基板１および対向基板３２のガラス基板２２に、偏光板をそれぞれ貼り付け、さらには、アクティブマトリクス基板３１の周辺部にドライバーＩＣ等を実装することによって、液晶表示装置が製造される。
【００７９】
このようにして製造された液晶表示装置は、各画素電極１９にそれぞれ接続されたＴＦＴの活性層１２が、大きな結晶粒の結晶性半導体薄膜によって構成されている。このため、各ＴＦＴ３３は良好なトランジスタ特性を備え、しかも、各ＴＦＴ３３の特性のばらつきも小さくなっている。その結果、表示領域の全体にわたって良好な表示特性を示す液晶表示装置が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、単結晶あるいは大きな粒径を有する多結晶構造を備える半導体薄膜、絶縁膜、金属膜などの製造に好適に採用することができる。また、本発明を用いて作製された半導体薄膜はＴＦＴなど種々の半導体素子に適用可能であり、さらにこれらの半導体素子を用いて、表示装置などの半導体素を複数備える種々の装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明による結晶性薄膜の製造方法の実施形態を説明するための斜視図である。
【図２】本発明による結晶性薄膜の製造方法の実施形態を説明するための斜視図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、絶縁膜の所定の領域における不純物濃度および熱伝導率と結晶化方向における位置との関係を示すグラフである。
【図４】本発明による結晶性薄膜の製造方法の実施形態を説明するための斜視図である。
【図５】本発明による結晶性薄膜の製造方法の実施形態を説明するための斜視図である。
【図６】（ａ）は、本発明による溶融領域の温度分布を示すグラフであり、（ｂ）は従来技術による溶融領域の温度分布を示すグラフである。
【図７】本発明による薄膜トランジスタを示す断面図である。
【図８】本発明による液晶表示装置に用いられるアクティブマトリクス基板を示す断面図である。
【図９】本発明による液晶表示装置に用いられる対向基板を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
１    基板
２    絶縁膜
３    不純物
４    レジストパターン
５    領域
６    非晶質膜
７    非晶質層
８    結晶核形成領域
９    くびれ領域
１０    素子形成領域
１１    レーザビーム
１２    活性層
１３    ゲート絶縁膜
１４    ゲート電極
１５    絶縁層
１６ｂ    ソース電極
１６ｃ    ドレイン電極
１７    絶縁層
１８    スルーホール
１９    画素電極
２０    保護膜
２１    配向膜
２２    ガラス基板
２３    カラーフィルター
２４    対向電極
２５    保護膜
２６    配向膜
３１    アクティブマトリクス
３２    対向基板
３３    薄膜トランジスタ
【図１】
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【図２】
2005175257.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005175257.tif 000008
【図７】
2005175257.tif 000009
【図８】
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【図９】
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