(57)【要約】【課題】 所望の領域に結晶粒界がない高品質の結晶性薄膜を形成する。【解決手段】  基板１上にパターニングされた細線部５を含む非晶質シリコン薄膜４の周囲に、非晶質シリコン薄膜４から分離した島状態で非晶質シリコン薄膜４と同じ材料の薄膜部６を形成して、パルスレーザ光を、１回のレーザ光照射毎の移動量が、１回の照射により非晶質シリコン薄膜４が横方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定して繰り返し照射すると共に、パルスレーザ光を細線部５の長手方向に略平行に移動させながら繰り返し照射する。この場合、同じレーザ光照射条件で、各種形状、大きさのパターンに対しても、いずれも良好な溶融状態が得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の非晶質薄膜を結晶化させて結晶性薄膜を形成する結晶性薄膜形成方法において、
一または平行な複数の細線部を有すると共に、該細線部の周囲に、該細線部から所定距離だけ分離した状態で、該細線部と同じ材料からなる薄膜部を有する所定形状に該非晶質薄膜をパターニングするステップと、
パターニングされた非晶質薄膜にエネルギーを付与して当該非晶質薄膜を溶融させた後に結晶成長させて結晶性薄膜を形成するステップとを有する結晶性薄膜形成方法。
【請求項２】
前記エネルギー付与は、エネルギービームの照射により行う請求項１に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項３】
前記エネルギービームは、前記非晶質薄膜による吸収係数が、前記基板による吸収係数よりも大きいビームを用いる請求項２に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項４】
前記エネルギービームはパルス状エネルギービームである請求項２または３に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項５】
前記エネルギービームは光である請求項２または３に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項６】
前記光はレーザ光である請求項５に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項７】
前記光はパルス光である請求項５に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項８】
前記パルス光はパルスレーザ光である請求項７に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項９】
前記エネルギービームの１回の照射毎の移動量が、該１回の照射により該非晶質薄膜が基板面に平行な方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定されている請求項２〜５のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１０】
前記エネルギービームを前記細線部の長手方向に平行な方向に移動させながら照射する請求項２〜５および９のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１１】
前記細線部を含む非晶質薄膜と、該非晶質薄膜の周囲に形成された前記薄膜部との間隔が、１００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内に設定されている請求項１〜１０のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１２】
前記細線部の幅が１０ｎｍ以上２μｍ以下の範囲内に設定されている請求項１、１０および１１のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１３】
前記細線部の幅は結晶粒界が生じない幅に設定されている請求項１、１０〜１２のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１４】
前記細線部は、前記非晶質薄膜の二つの幅広部間を該非晶質薄膜で連結するように形成されている請求項１および１０〜１３のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１５】
前記細線部は一方の幅広部から他方の幅広部に連なってパターンニングされ、前記薄膜部は、該細線部から所定間隔を空けて該幅広部の幅方向両端部までの各間をそれぞれ幅寸法としてそれぞれパターンニングされる請求項１および１０〜１３のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１６】
前記細線部は一方の幅広部から他方の幅広部に複数本平行に連なってパターンニングされ、前記薄膜部は、該複数本の細線部のうち最も外側の両細線部から所定間隔を空けて前記幅広部の幅方向両端部までの各間をそれぞれ幅寸法としてそれぞれパターンニングされる請求項１および１０〜１３のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１７】
前記細線部は一方の幅広部から他方の幅広部に連なってパターンニングされ、前記薄膜部は、外周一辺が前記幅広部の幅よりも広い幅で、外周他辺が両幅広部間の長さよりも長い平面視矩形状にパターンニングされ、内周部が該細線部および両幅広部の外周部と所定間隔を空けてパターンニングされる請求項１および１０〜１３のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１８】
前記細線部は一方の幅広部から他方の幅広部に複数本平行に連なってパターンニングされ、前記薄膜部は、外周一辺が前記幅広部の幅よりも広い幅で、外周他辺が両幅広部間の長さよりも長い平面視矩形状にパターンニングされ、内周部が最も外側の両細線部および両幅広部の外周部と所定間隔を空けてパターンニングされる請求項１および１０〜１３のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項１９】
前記細線部間の間隔が１０μｍを超える場合にのみ、該細線部の間にも前記薄膜部がパターンニングされる請求項１６または１８に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項２０】
前記非晶質薄膜は非晶質半導体薄膜である請求項１、３、９、１１および１４のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項２１】
前記非晶質半導体薄膜はシリコン材料からなる請求項２０に記載の結晶性薄膜形成方法。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性薄膜。
【請求項２３】
請求項２０または２１に記載の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性薄膜を用いた結晶性薄膜半導体装置。
【請求項２４】
前記細線部の結晶性薄膜を用いた請求項２３に記載の結晶性薄膜半導体装置。
【請求項２５】
前記細線部の結晶性薄膜内にｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を有する結晶性薄膜ダイオードを備えた請求項２４に記載の結晶性薄膜半導体装置。
【請求項２６】
前記細線部の結晶性薄膜にチャネル領域を有する結晶性薄膜トランジスタを備えた請求項２４に記載の結晶性薄膜半導体装置。
【請求項２７】
請求項２０または２１に記載の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性半導体薄膜を用いた結晶性薄膜半導体装置が設けられているディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にパターニングされた非晶質薄膜に対してエネルギーを付与して結晶化させる結晶性薄膜形成方法、この結晶性薄膜形成方法を用いて作製された結晶性薄膜、その結晶性薄膜を用いて優れた性能を発揮することが可能な結晶性薄膜ダイオードや結晶性薄膜トランジスタなどの結晶性薄膜半導体装置、およびそれらの結晶性薄膜半導体装置を備えたディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、基板上に形成された非晶質薄膜に対してエネルギーを加えることにより結晶化させる結晶性薄膜形成方法が知られている。この方法を用いて、結晶粒界が少ない結晶性薄膜を得るためには、エネルギーの印加方法や試料構造などを工夫して結晶粒界の発生を制御することが重要である。
【０００３】
例えば特許文献１の第３実施例および非特許文献１には、シリコン膜に対するエキシマパルスレーザ光照射において、１回のエキシマパルスレーザ光の照射によりシリコン膜が横方向（基板面に平行な方向）に結晶成長する長さよりも短い距離だけレーザ光の照射位置を移動させて、次のエキシマパルスレーザ光を照射することを繰り返すことにより、順次横方向への結晶成長を続けさせる方法が示されている。
【０００４】
特許文献２には、基板上に形成された半導体薄膜をパターニングしてサブアイランドを形成し、このサブアイランドに連続発振レーザ光を走査しながら照射することにより、サブアイランドを結晶性半導体膜とする方法が示されている。
【０００５】
さらに、非特許文献２には、シェブロン（山形）形状にパターニングされた非晶質シリコン膜にエキシマパルスレーザ光を照射して、シェブロン形状の中央部に単結晶領域を形成する方法が示されている。
【特許文献１】特開２００１−２７４０８８号公報（第３実施例）
【特許文献２】特開２００３−２８９０８０号公報
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．１９，ｐｐ．２８６４〜２８６６
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．２５，ｐｐ．３４３４〜３４３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、非晶質薄膜上にエネルギービームを照射して結晶化を行うに際して、非晶質薄膜をパターニングした後でエネルギービーム照射を行うと、非晶質薄膜が形成されている領域と、非晶質薄膜が形成されていない領域とで、エネルギービームの吸収状態や放熱状態が異なる。このため、非晶質薄膜パターンの形状や大きさにより非晶質薄膜内に大きな温度差が生じ、一定のエネルギービーム照射条件で非晶質薄膜の全領域を全て良好な溶融状態とすることは困難である。
【０００７】
また、単結晶を用いた場合の特性に近く、かつ、特性が揃った結晶性薄膜半導体装置を作製するためには、ダイオードのｐ−ｎ接合やｐ−ｉ−ｎ接合、またはトランジスタのチャネルを形成する各領域に結晶粒界がない結晶性半導体薄膜を形成する必要がある。
【０００８】
さらに、エネルギービームの走査のために高精度な位置合わせを必要とせず、単純なステップ送りだけでエネルギービームを走査できることは、装置のコスト低減や生産性向上にとって重要である。
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１および非特許文献１のように、単純に１回のパルスレーザ光の照射によりシリコン膜が横方向に結晶成長される長さよりも短い距離だけレーザ光の照射位置を移動させて、次のパルスレーザ光を照射することを繰り返す方法では、前のレーザ光照射により形成された結晶を種として、次のレーザ光照射によりレーザ光の移動方向に結晶成長が進む。この場合、移動方向と垂直な方向には結晶成長が進まないため、レーザ光の移動方向に長く伸びた細長い結晶粒からなる結晶性薄膜が形成される。
【００１０】
このような結晶性薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成すると、チャネル長方向がレーザ光の移動方向と平行な場合には、結晶粒界が伸びた方向にチャネル長が配置されるため、比較的キャリア移動度が高く、かつ、不純物ドープがない状態で閾値電圧の絶対値（以下、単に│Ｖｔｈ（ｉｎｔ）│と記す）がｎ型トランジスタとｐ型トランジスタとでほぼ等しい薄膜トランジスタを作製することができる。これに対して、チャネル長方向がレーザ光の移動方向と垂直な場合は、結晶粒界がチャネル幅方向を横切るため、キャリア移動度が低く、かつ、ｎ型トランジスタとｐ型トランジスタとで│Ｖｔｈ（ｉｎｔ）│が大きく異なる薄膜トランジスタが作製されてしまう。
【００１１】
また、結晶粒界はレーザ光の移動方向に長く伸びているが、完全にレーザ光の移動方向に平行ではなく、隣の結晶粒界と合体したり、分岐したりする部分がある。このため、チャネル長方向がレーザ光の移動方向と平行な場合でも、チャネル幅方向に横切る結晶粒界が常に０ではないので、キャリア移動度が低く、かつ、ｎ型トランジスタとｐ型トランジスタとで│Ｖｔｈ（ｉｎｔ）│が大きく異なる薄膜トランジスタも作製されて、特性ばらつきの原因となる。
【００１２】
また、チャネル長方向に伸びた結晶粒界は、キャリア移動度の低下やｎ型トランジスタとｐ型トランジスタとで│Ｖｔｈ（ｉｎｔ）│が大きく異なる原因にはならないが、結晶粒界に不純物の偏析などが生じるとリーク電流のパス（経路）となるため、結晶性薄膜ダイオードの接合リーク電流が大きくなったり、結晶性薄膜トランジスタのオフ時のリーク電流が大きくなったりするという悪影響をもたらす。
【００１３】
次に、上記従来の非特許文献２では、非晶質シリコン膜をシェブロン形状にパターニングし、エキシマパルスレーザ光を照射することにより、シェブロン形状の中央部に単結晶領域を形成することができるが、それ以外の部分では多結晶が形成され、半導体装置を作製可能な領域が限定されてしまう。また、異なる大きさのシェブロン形状を同じエキシマパルスレーザ光照射条件により溶融させようとすると、上述したように、シェブロン形状の大きさによって大きな温度差が生じてしまい、各種大きさのシェブロン形状を全て良好な溶融状態とすることは困難である。さらに、単結晶を形成可能な間隔がシェブロン形状の間隔で規定されてしまうため、近接して単結晶領域を形成することができない。
【００１４】
次に、上記従来の特許文献２では、半導体薄膜をパターニングしてサブアイランドを形成し、このサブアイランドに連続発振レーザ光を走査しながら照射することにより、サブアイランドを結晶性半導体膜とする方法では、サブアイランドの位置とレーザ光の照射位置とを高精度に合わせてレーザ光を走査する必要がある。また、幅が狭いサブアイランド部とそれにつながる幅が広い部分とでは、上述したようにレーザ光の吸収状態および放熱状態が異なるため、大きな温度差が生じてしまい、同じレーザ光照射条件によって両領域を共に良好な溶融状態にすることは困難である。さらに、連続発振レーザ光を照射するため、ガラスなどの安価な材料を基板に用いる場合には、レーザ光を高速に走査しないと、基板への熱的なダメージを生じてしまう。
【００１５】
したがって、特許文献２では、連続発振レーザ光を高速で、かつ、高位置精度で走査する必要があり、その制御性と安定性とを維持することが課題である。また、サブアイランドの位置に沿ってレーザ光を位置精度良く走査する必要があるため、単純な繰り返しパターンである回路を作製する場合には問題ないが、各種形状、大きさおよびチャネル長方向のＴＦＴを備えた回路などを作製したい場合には、膨大なサブアイランドの位置情報とレーザ光の走査方向等のデータに基づいてレーザ光を走査するための複雑な制御系および走査系が必要となる。さらに、幅が狭いサブアイランド部とそれにつながる幅が広い部分とでは、同じレーザ光照射条件によって良好な溶融状態にすることが困難である。
【００１６】
さらに、連続発振レーザでは大きな出力を得難いため、１本のレーザチューブでは大きな幅のライン状レーザビームを形成することができない。
【００１７】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、各種の形状や大きさのパターンの非晶質薄膜に対して、大きな出力のエネルギービームを、基板上での高精度な位置合わせを必要とせずに、単純に一方向のみにステップ送りして繰り返し照射することにより、非晶質薄膜を全て良好な溶融状態にして、所望の領域に結晶粒界がない高品質の結晶性薄膜を形成することができる結晶性薄膜形成方法、この結晶性薄膜形成方法により形成された結晶性薄膜、その結晶性薄膜を用いて優れた性能を有する結晶性薄膜ダイオードや結晶性薄膜トランジスタなどの結晶性薄膜半導体装置、およびこの結晶性薄膜半導体装置を備えたディスプレイ装置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】
【００１８】
本発明の結晶性薄膜形成方法は、基板上の非晶質薄膜を結晶化させて結晶性薄膜を形成する結晶性薄膜形成方法において、一または平行な複数の細線部を有すると共に、少なくとも該細線部の周囲に、少なくとも該細線部から所定距離だけ分離した状態で、該細線部と同じ材料からなる薄膜部を有する所定形状に該非晶質薄膜をパターニングするステップと、パターニングされた非晶質薄膜にエネルギーを付与して当該非晶質薄膜を溶融させた後に結晶成長させて結晶性薄膜を形成するステップとを有しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１９】
また、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法におけるエネルギー付与は、エネルギービームの照射により行う。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法におけるエネルギービームは、前記非晶質薄膜による吸収係数が、前記基板による吸収係数よりも大きいビームを用いる。
【００２１】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法におけるエネルギービームはパルス状エネルギービームである。
【００２２】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法におけるエネルギービームは光である。
【００２３】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における光はレーザ光である。
【００２４】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における光はパルス光である。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法におけるパルス光はパルスレーザ光である。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法におけるエネルギービームの１回の照射毎の移動量が、該１回の照射により該非晶質薄膜が基板面に平行な方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定されている。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法におけるエネルギービームを前記細線部の長手方向に平行な方向に移動させながら照射する。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法において、前記細線部を含む非晶質薄膜と、該非晶質薄膜の周囲に形成された前記薄膜部との間隔が、１００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における細線部の幅が１０ｎｍ以上２μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００３０】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における細線部の幅は結晶粒界が生じない幅に設定されている。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における細線部は、前記非晶質薄膜の二つの幅広部間を該非晶質薄膜で連結するように形成されている。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における前記細線部は一方の幅広部から他方の幅広部に連なってパターンニングされ、前記薄膜部は、該細線部から所定間隔を空けて該幅広部の幅方向両端部までの各間をそれぞれ幅寸法としてそれぞれパターンニングされる。
【００３３】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における細線部は一方の幅広部から他方の幅広部に複数本平行に連なってパターンニングされ、前記薄膜部は、該複数本の細線部のうち最も外側の両細線部から所定間隔を空けて前記幅広部の幅方向両端部までの各間をそれぞれ幅寸法としてそれぞれパターンニングされる。
【００３４】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における細線部は一方の幅広部から他方の幅広部に連なってパターンニングされ、前記薄膜部は、外周一辺が前記幅広部の幅よりも広い幅で、外周他辺が両幅広部間の長さよりも長い平面視矩形状にパターンニングされ、内周部が該細線部および両幅広部の外周部と所定間隔を空けてパターンニングされる。
【００３５】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における細線部は一方の幅広部から他方の幅広部に複数本平行に連なってパターンニングされ、前記薄膜部は、外周一辺が前記幅広部の幅よりも広い幅で、外周他辺が両幅広部間の長さよりも長い平面視矩形状にパターンニングされ、内周部が最も外側の両細線部および両幅広部の外周部と所定間隔を空けてパターンニングされる。
【００３６】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における細線部間の間隔が１０μｍを超える場合にのみ、該細線部の間にも前記薄膜部がパターンニングされる。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における非晶質薄膜は非晶質半導体薄膜である。
【００３８】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜形成方法における非晶質半導体薄膜はシリコン材料からなる。
【００３９】
本発明の結晶性薄膜は、請求項１〜２１のいずれかに記載の結晶性薄膜形成方法により作製されたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の結晶性薄膜半導体装置において、請求項２０または２１に記載の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性薄膜を用いている。
【００４０】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜半導体装置において、前記細線部の結晶性薄膜内にｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を有する結晶性薄膜ダイオードを備える。
【００４１】
また、好ましくは、本発明の結晶性薄膜半導体装置において、前記細線部の結晶性薄膜にチャネル領域を有する結晶性薄膜トランジスタを備える。
【００４２】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性薄膜半導体装置において、一方の前記細線部の結晶性薄膜内に、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を有する結晶性薄膜ダイオードを備え、他方の前記細線部の結晶性薄膜内に、チャネル領域を有する結晶性薄膜トランジスタを備える。
【００４３】
本発明のディスプレイ装置は、請求項２０または２１に記載の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性半導体薄膜を用いた結晶性薄膜半導体装置が設けられており、そのことにより上記目的が達成される。  
【００４４】
上記構成により、以下、本発明の作用について説明する。
【００４５】
本発明にあっては、パターニングされた細線部を含む非晶質薄膜の周囲に、その非晶質薄膜から分離して、非晶質薄膜と同じ材料からなる薄膜部を形成する。非晶質薄膜の形状や大きさなどによってエネルギーの吸収状態や放熱状態が異なり、パターン形状によっては非晶質薄膜内に大きな温度差が生じるが、その周囲の薄膜部でもエネルギーが吸収されるため、周囲に熱が逃げるのを防いで非晶質薄膜を良好な溶融状態にできて、結晶粒界がない高品質の結晶性薄膜を得ることが可能となる。
【００４６】
更に説明すると、基板上に所定形状にパターニングされた非晶質薄膜に、エネルギーを付与して溶融させた後に結晶化させる際に、非晶質薄膜の少なくとも細線部の周囲に、その非晶質薄膜から例えば１００ｎｍ以上１０μｍ以下の間隔で分離した島状態で、その非晶質薄膜と同じ材料からなる薄膜部を形成し、この薄膜部および非晶質薄膜にエネルギーを付与して結晶化させる。これにより、各種形状および大きさの非晶質薄膜のパターンおよび、非晶質薄膜の周囲の薄膜部にもエネルギーが吸収されるため、いずれも良好な溶融状態が得られ、その結果、パターンの形状および大きさによらずに高品質の結晶性薄膜を形成することが可能となる。
【００４７】
また、エネルギービームとして例えばパルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光を繰り返して照射する際に、１回の照射毎の移動量を、１回の照射により非晶質薄膜が横方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定すると、特許文献１および非特許文献１に示されているように、パルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光の移動方向に細長く成長した結晶粒からなる結晶性薄膜が得られる。
【００４８】
さらに、この非晶質薄膜を１０ｎｍ以上２μｍ以下の幅の細線部を有する形状にパターニングして、エネルギービームとして例えばパルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光の１回の照射毎の移動量を、１回の照射により非晶質薄膜が横方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定して細線部の長手方向に略平行な方向に移動させながら繰り返して照射すると、この細線部内に結晶粒界がない高品質の結晶性薄膜を形成することが可能となる。この細線部は、細線部が平行に密に並んだ複数の状態とすることが可能である。
【００４９】
なお、細線部の幅とは、図７（ａ）および図７（ｂ）に矢印Ｗで示す幅である。また、細線部の長手方向とは、図７（ａ）および図７（ｂ）に矢印３０で示す方向である。この図７（ａ）では、基板上にに形成された二酸化シリコン膜３上に細線部５を有する非晶質薄膜４が設けられ、その周囲に非晶質薄膜４と分離して非晶質薄膜４と同じ材料からなる薄膜部６が形成されている。また、図７（ｂ）では、基板上に形成された二酸化シリコン膜３上に複数の細線部５が平行な方向に並んで設けられている。
【００５０】
この非晶質半導体薄膜を結晶性半導体薄膜とした、結晶粒界がない高品質の細線部に、結晶性薄膜ダイオードのｐ−ｎ接合やｐ−ｉ−ｎ接合、または結晶性薄膜トランジスタのチャネル領域を形成することにより、単結晶を用いたものに特性が近く、かつ、特性が揃った結晶性薄膜ダイオードや結晶性薄膜トランジスタを作製することが可能となる。
【００５１】
また、この細線部は、結晶性薄膜ダイオードや結晶性薄膜トランジスタなどの半導体装置を形成したい任意の場所にパターン形成することが可能となる。また、細線部の本数や細線部間の間隔についても任意に設定することが可能である。
【００５２】
パルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光は、細線部の位置とは無関係に、細線部の長手方向に走査しながら照射すればよいため、従来のような高精度な位置合わせは不要である。
【００５３】
また、細線部において、並列に接続される細線部の本数は、結晶性薄膜ダイオードや結晶性薄膜トランジスタなどに流したい電流量によって適宜決定することが可能である。
【発明の効果】
【００５４】
以上説明したように、本発明によれば、大きな出力のパルスレーザ光などのエネルギーを、基板上での高精度な位置合わせを必要とせずに、単純にステップ送りして繰り返し照射することにより、各種の形状や大きさのパターン全領域を全て良好な溶融状態にして、細線部に結晶粒界がない良好な結晶状態の結晶性薄膜を得ることができる。
【００５５】
この細線部に結晶性薄膜ダイオードのｐ−ｎ接合やｐ−ｉ−ｎ接合、または結晶性薄膜トランジスタのチャネル領域を形成すれば、単結晶を用いた場合に近い特性で、かつ、特性が揃った結晶性薄膜ダイオードや結晶性薄膜トランジスタなどの高性能な結晶性薄膜半導体装置を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下に、本発明の結晶性薄膜形成方法およびこれにより製造された結晶性薄膜の実施形態１〜３、これを用いた本発明の結晶性薄膜半導体装置の実施形態４，５および、これを用いた本発明のディスプレイ装置の実施形態６について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
本実施形態１では、ガラス基板上に形成された薄膜として非晶質シリコン膜を、非晶質薄膜の細線部と、この細線部から分離した状態で細線部の周囲に設けられた非晶質薄膜と同じ材料の薄膜部とを有する形状にパターニングして、これにエネルギーを付与することにより、細線部を含む非晶質シリコン膜を結晶化させる結晶性薄膜形成方法について説明する。
【００５７】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の実施形態１の結晶性薄膜形成方法について説明するための要部断面図およびその平面図である。
【００５８】
図１（ａ）に示すように、まず、例えばＳｉＨ４ガス、ＮＨ３ガスおよびＮ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ（化学気相成長）法によって、ガラス基板１上の全面にわたって窒化シリコン膜２を２００ｎｍの膜厚に均一に形成する。
【００５９】
次に、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法によって、二酸化シリコン膜３を窒化シリコン膜２上の全面にわたって１００ｎｍの膜厚に形成する。
【００６０】
続いて、Ｓｉ２Ｈ６ガスおよびＨ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、二酸化シリコン膜３上の全面にわたって非晶質シリコン膜４を５０ｎｍの膜厚に形成する。
【００６１】
さらに、フォトリソグラフィー工程と、ＣＦ４ガス及びＯ２ガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によって、図１（ｂ）に示すように、両幅広部と、一方の幅広部から他方の幅広部に設けられた幅１０ｎｍ以上２μｍ以下の範囲内、結晶粒界が生じない例えば幅５００ｎｍの細線部５と、細線部５および両幅広部に囲まれた範囲であって細線部５の両側に、１００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内、例えば２μｍの間隔で細線部５から分離した状態で、両幅広部の幅に、非晶質薄膜部として非晶質シリコン膜部６とを有する形状に、非晶質シリコン膜４をパターニングする。
【００６２】
その後、走査方向の長さが５μｍで、それと垂直な方向の長さが３０ｃｍのライン状エキシマパルスレーザ光７を、細線部５の長手方向に略平行な走査方向８に移動させながら照射して非晶質シリコン膜４を溶融再結晶化させて、結晶性シリコン膜を形成する。
【００６３】
このときのレーザ光７は、非晶質シリコン膜４による吸収係数がガラス基板１による吸収係数よりも大きいものが用いられ、また、１回の照射毎の移動量は、１回のパルスレーザ光７の照射により非晶質シリコン膜４が基板面に平行な方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定され、例えば０．５μｍピッチで繰り返しレーザ光照射される。
【００６４】
本実施形態１のように、両幅広部間に細線部５を有する形状にパターニングした非晶質シリコン膜４に、非晶質シリコン膜４を溶融するエネルギーを付与して結晶化させる際に、細線部５の周囲に、細線部５から分離した島状態で、非晶質シリコン膜４と同じ材料からなる非晶質シリコン膜部６を形成し、これらにライン状エキシマパルスレーザ光７を照射する。これにより、細線部５の周囲に設けられた非晶質シリコン膜部６にもエネルギーが吸収されるため、両幅広部と同様に、細線部５においても良好な溶融状態が得られて、高品質の結晶性シリコン膜を形成することができる。
【００６５】
また、パルス状エキシマパルスレーザ光７を繰り返して照射する際に、１回のレーザ光照射毎の移動量を、１回のパルスレーザ光７の照射により非晶質シリコン膜４が横方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定することにより、パルスレーザ光７の移動方向８に細長く成長した結晶粒からなる結晶性シリコン膜が得られる。
【００６６】
さらに、細線部５の幅を１０ｎｍ以上２μｍ以下に設定して、ライン状エキシマパルスレーザ光７の１回の照射毎の移動量を、１回のパルスレーザ光７の照射により非晶質シリコン膜４が横方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定して細線部５の長手方向に略平行な方向に移動させながら繰り返して照射すると、細線部５内に結晶粒界がない高品質の結晶性シリコン膜を形成することができる。
【００６７】
さらに、ライン状エキシマパルスレーザ光６は、細線部５の位置とは無関係に、細線部５の長手方向に走査しながら照射すればよいため、高精度な位置合わせは不要である。
（実施形態２）
本実施形態２では、互いに平行に並んだ複数の細線部を二つの幅広部間に接続すると共に、幅広部の幅で、細線部の周囲にも非晶質薄膜部を島状に形成した形状にパターニングし、これにエネルギーを付与することにより、細線部を含む非晶質シリコン膜を結晶化させる結晶性薄膜形成方法について説明する。
【００６８】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、本発明の結晶性薄膜形成方法の実施形態２における二つの事例について説明するための平面図である。
【００６９】
上記実施形態１の場合と同様に、例えば、ガラス基板１上に窒化シリコン膜２と二酸化シリコン膜３とをこの順に形成し、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、二酸化シリコン膜３上に非晶質シリコン膜４を成膜し、両幅広部と、一方の幅広部から他方の幅広部に連なって設けられ、互いに平行に並んだ複数の幅５００ｎｍの細線部５と、複数の細線部５の周囲に、細線部５から２μｍの間隔で分離した島状態の非晶質シリコン膜部６Ａまたは６Ｂとを有する形状に非晶質シリコン膜４をパターニングする。即ち、非晶質シリコン膜４をパターニングして、二つの幅広部と、これらの間の複数の細線部５と、細線部５の周囲の島状態の非晶質シリコン膜部６Ａまたは６Ｂとを形成する。この非晶質シリコン膜部６Ａまたは６Ｂは非晶質シリコン膜４と同じ材料である。
【００７０】
例えば、隣接する細線部５の間隔が１０μｍ以下の場合には、図２（ａ）に示すように、最も外側の両細線部５の両外側にそれぞれ、その細線部５から２μｍの間隔で分離した島状態の非晶質シリコン膜部６Ａをそれぞれ有する形状に非晶質シリコン膜４をパターニングする。
【００７１】
また、隣接する細線部５の間隔が１０μｍを超える場合は、図２（ｂ）に示すように、隣接する細線部５間にも、その細線部５から１００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内、例えば２μｍの間隔で分離した島状態の非晶質シリコン膜部６Ｂを有する形状に非晶質シリコン膜４をパターニングする。
【００７２】
その後、上記実施形態１の場合と同様にして、ライン状エキシマパルスレーザ光７を、細線部５の長手方向８に、１回のレーザ光照射毎の移動量が１回のパルスレーザ光７の照射により非晶質シリコン膜４が基板面に平行な方向に結晶成長する長さよりも短くなるように移動させながら、例えば０．５μｍピッチで繰り返しレーザ光照射して非晶質シリコン膜４を溶融結晶化させて結晶性シリコン膜を形成する。
【００７３】
本実施形態２のように、互いに略平行に並んだ複数の細線部５を形成した場合でも、細線部５の周囲に、細線部５から分離した島状態で、非晶質シリコン膜４と同じ材料からなる非晶質シリコン膜部６Ａまたは６Ｂを形成して、ライン状エキシマパルスレーザ光７を照射することにより、細線部５の周囲および細線部５間の非晶質シリコン膜部６Ａまたは６Ｂにもエネルギーが吸収されるため、細線部５においても幅広部と同様に良好な溶融状態が得られ、複数の細線部５内に結晶粒界がない高品質の結晶性シリコン膜を形成することができる。
（実施形態３）
本実施形態３では、上記実施形態１，２のように細線部の周囲のみではなく、細線部以外の領域を含む非晶質シリコン膜の周囲全体に、この非晶質シリコン膜から分離した状態で、非晶質薄膜部を形成した形状にパターニングし、これにエネルギーを付与することにより、細線部を含む非晶質シリコン膜を結晶化させる結晶性薄膜形成方法について説明する。
【００７４】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の結晶性薄膜形成方法の実施形態３における三つの事例について説明するための平面図である。
【００７５】
上記実施形態１，２の場合と同様に、例えば、ガラス基板１上に窒化シリコン膜２と二酸化シリコン膜３をこの順に形成し、図３（ａ）に示すように、二酸化シリコン膜３上に非晶質シリコン膜４を成膜する。次に、両幅広部と、一方の幅広部から他方の幅広部に連結して設けられた１本の幅５００ｎｍの細線部５と、この細線部５および両幅広部の周囲全体に、細線部５および両幅広部から２μｍの間隔で分離した島状態の非晶質シリコン膜部６Ｃの形状に非晶質シリコン膜４をパターニングする。このとき、細線部５の周囲だけでなく、細線部５以外のパターニングされた非晶質シリコン膜４の周囲（両幅広部の周囲）にも、２μｍの間隔で分離した状態で非晶質シリコン膜部６Ｃを形成する。
【００７６】
また、互いに平行に並んだ複数の細線部５の間隔が１０μｍ以下である場合には、図３（ｂ）に示すように、隣接する細線部５の間には島状の非晶質シリコン膜部６は形成しない。この場合、図３（ａ）の場合と同様に、最も外側の両細線部５の外側だけでなく、細線部５以外のパターニングされた非晶質シリコン膜４の周囲（両幅広部の周囲）にも、２μｍの間隔で分離した状態で非晶質シリコン膜部６Ｄを形成する。
【００７７】
さらに、互いに平行に並んだ複数の細線部５の間隔が１０μｍを超える場合には、図３（ｃ）に示すように、隣接する細線部５の間にも細線部５から２μｍの間隔で分離した島状態で非晶質シリコン膜６Ｂを形成する。また、図３（ａ）および図３（ｂ）の場合と同様に、最も外側の両細線部５の外側だけでなく、細線部５以外のパターニングされた非晶質シリコン膜４の周囲（両幅広部の周囲）にも、２μｍの間隔で分離した状態で非晶質シリコン膜部６Ｅを形成する。なお、これらの非晶質シリコン膜部６Ｃ〜６Ｅの外周形状は矩形状である。
【００７８】
その後、実施形態１，２と同様にして、ライン状エキシマパルスレーザ光７を、細線部５の長手方向８に、１回の照射毎の移動量が１回のパルスレーザ光７の照射により非晶質シリコン膜４が基板面に平行な方向に結晶成長される長さよりも短くなるように移動させながら、例えば０．５μｍピッチで繰り返し照射して非晶質シリコン膜４を溶融結晶化させて結晶性シリコン膜を形成する。
【００７９】
本実施形態３のように、細線部５および細線部５以外の領域を含む非晶質シリコン膜４の周囲全体に、非晶質シリコン膜４と同じ材質の非晶質シリコン膜部６を形成することによって、これらにライン状エキシマパルスレーザ光７が照射されて吸収される領域の加熱状態を揃えることができるため、多様な形状および大きさのパターンに対しても、同じライン状エキシマパルスレーザ光７の照射条件によって、良好な状態で非晶質シリコン膜４を溶融結晶化させることができて、細線部５内に結晶粒界がない高品質の結晶性シリコン膜を形成することができる。
（実施形態４）
本実施形態４では、本発明の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性半導体薄膜において、細線部５内にｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合が形成される結晶性薄膜ダイオードおよびその製造方法について説明する。
【００８０】
図４Ａ（ａ）〜図４Ａ（ｃ）はそれぞれ、本発明の実施形態４の結晶性薄膜半導体装置として結晶性薄膜ダイオードを作製する方法について説明するための各工程（その１）の平面図であり、図４Ｂ（ｄ）および図４Ｂ（ｅ）はそれぞれ、本発明の実施形態４の結晶性薄膜半導体装置として結晶性薄膜ダイオードを作製する方法について説明するための各工程（その２）の平面図である。
【００８１】
まず、上記実施形態１の場合と同様にして、ガラス基板１上に窒化シリコン膜２および二酸化シリコン膜３をこの順に形成し、この二酸化シリコン膜３上に、両幅広部と、一方の幅広部から他方の幅広部に連結された細線部５と、幅広部の幅でこの細線部の周囲に島状の非晶質シリコン膜部６とを有する非晶質シリコン膜４を形成した後、これらにライン状エキシマパルスレーザ光７を照射して、図４Ａ（ａ）に示すような結晶性シリコン膜９を形成する。なお、図４Ａ（ａ）では、上記実施形態１の場合と同様に、細線部５の周囲に非晶質シリコン膜部６を設けた構成を例として示しているが、ライン状エキシマパルスレーザ光７の照射により、細線部５を含む非晶質シリコン膜４が溶融結晶化して結晶性シリコン膜９を形成すると共に、非晶質シリコン膜部６も溶融結晶化して結晶性シリコン膜９を形成する。
【００８２】
次に、全面にリン（Ｐ）を結晶性シリコン膜９の膜厚方向の平均濃度が１×１０１７個/ｃｍ３になるようにイオンドーピング法によって注入する。
【００８３】
さらに、図４Ａ（ｂ）に示すように、ＴＥＯＳガスおよびＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、全面に２００ｎｍの膜厚に二酸化シリコン膜１０を形成する。次に、その上にレジスト１１を成膜し、フォトリソグラフィー工程によってレジスト１１をパターニングして、細線部５の一部（図４Ａ（ｂ）中の左側半分）を含むように細線部５の片側上の二酸化シリコン膜１０を露出させる。このレジスト１１をマスクとして、二酸化シリコン膜１０を通して結晶性シリコン膜９にボロン（Ｂ）を膜厚方向の平均濃度が１×１０２０個/ｃｍ３になるようにイオンドーピング法によって注入し、レジスト１１を除去する。
【００８４】
その後、二酸化シリコン膜１０上にレジスト１２を成膜し、再度、フォトリソグラフィー工程によってレジスト１２を所定形状にパターニングして、図４Ａ（ｃ）に示すように、細線部５の一方側に配置された幅が広い結晶性シリコン膜の領域（幅広部）上に所定サイズの開口部１３を形成し、この開口部１３の領域にリン（Ｐ）を結晶性シリコン膜９の膜厚方向の平均濃度が１×１０２０個/ｃｍ３になるようにイオンドーピング法によって注入する。レジスト１２を除去した後、炉で５５０℃および１時間の加熱処理を行って、注入された不純物を活性化させる。
【００８５】
さらに、フォトリソグラフィー工程と、ＣＦ４ガスおよびＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によって、二酸化シリコン膜１０の一部をエッチングして、図４Ｂ（ｄ）に示すように、コンタクトホール１４を両幅広部の領域にそれぞれ形成する。
【００８６】
さらに、図４Ｂ（ｅ）に示すように、スパッタリング法によって、Ａｌ（アルミニュウム）材料を６００ｎｍの膜厚に全面に形成し、フォトリソグラフィー工程と、ＢＣｌ３ガスおよびＣｌ２ガスを用いたＲＩＥ法によって所定形状にパターニングして、両幅広部の各結晶性シリコン膜９上にコンタクトホール１４を介して電極１５をそれぞれ形成して、結晶性薄膜ダイオードを作製する。その後は、必要に応じて、多層配線を形成したり、保護膜を形成して、結晶性薄膜半導体装置を作製する。
【００８７】
本実施形態４のように、本発明の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性シリコン膜９を用いて、細線部５の結晶性シリコン膜９にｐ−ｎ接合やｐ−ｉ−ｎ接合を形成することによって、単結晶を用いた場合に特性が近く、かつ、特性が揃った高品質の結晶性薄膜ダイオードを作製することができる。
【００８８】
なお、本実施形態４では、上記実施形態１の細線部５の結晶性シリコン膜９にｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を形成することによって、高品質の結晶性薄膜ダイオードを作製したが、これに限らず、上記実施形態２，３の複数の細線部５の結晶性シリコン膜９にｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合をそれぞれ形成することによって、高電流容量で高品質の結晶性薄膜ダイオードを作製してもよい。この場合には各細線部５の結晶性薄膜ダイオードに流す電流量を低減することができる。
【００８９】
（実施形態５）
本実施形態５では、本発明の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性半導体薄膜において、細線部５内にチャネル領域が形成されている結晶性薄膜トランジスタおよびその製造方法について説明する。
【００９０】
図５（ａ）〜図５（ｄ）はそれぞれ、本発明の実施形態５の結晶性薄膜半導体装置として結晶性薄膜トランジスタを作製する方法について説明するための各工程の平面図である。
【００９１】
まず、実施形態１の場合と同様にして、ガラス基板１上に窒化シリコン膜２および二酸化シリコン膜３をこの順に形成し、この二酸化シリコン膜３上に、両幅広部と、一方の幅広部から他方の幅広部に連結された細線部５と、幅広部の幅でこの細線部の周囲に島状の非晶質シリコン膜部６とを有する非晶質シリコン膜４を形成した後、これらにライン状エキシマパルスレーザ光７を照射して、図５（ａ）に示すような結晶性シリコン膜９を形成する。なお、図５（ａ）では、上記実施形態１の場合と同様に、細線部５の周囲に非晶質シリコン膜部６を設けた構成を例として示しているが、ライン状エキシマパルスレーザ光７の照射により、細線部５を含む非晶質シリコン膜４が溶融結晶化して結晶性シリコン膜９を形成すると共に、非晶質シリコン膜部６も溶融結晶化して結晶性シリコン膜９を形成する。
【００９２】
次に、図５（ｂ）に示すように、ＴＥＯＳガスおよびＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって全面に７０ｎｍの膜厚に二酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜１６を形成し、その上にスパッタリング法によって膜厚１００ｎｍの多結晶シリコン膜と膜厚４００ｎｍのＷＳｉ２膜との積層膜を形成する。この積層膜を、フォトリソグラフィー工程と、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いたＲＩＥ法によってエッチングして、細線部５上を直角に交差するゲート電極１７を形成する。このゲート電極１７をマスクとして、イオンドーピング法によりリンＰ（ｎ型トランジスタの場合）、またはボロンＢ（ｐ型トランジスタの場合）を結晶性シリコン膜９の膜厚方向の平均濃度が１×１０２０個/ｃｍ３になるようにイオン注入を行う。
【００９３】
さらに、図５（ｃ）に示すように、ＴＥＯＳガスおよびＯ３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって二酸化シリコン膜１８（図５（ｃ）では図示していないが、図６（ａ）にて図示）を１００ｎｍの膜厚に形成し、この二酸化シリコン膜１８上に、ＳｉＨ４ガス、ＮＨ３ガスおよびＮ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜１９を５００ｎｍの膜厚に形成する。炉内で５５０℃および１時間の加熱処理を行って、注入された不純物の活性化を行う。
【００９４】
その後、フォトリソグラフィー工程と、ＣＦ４ガスおよびＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によって、窒化シリコン膜１９、二酸化シリコン膜１８およびゲート絶縁膜１６の一部領域をエッチングして、細線部５の両側に配置された幅が広い結晶性シリコン膜９の領域（両幅広部）上に各コンタクトホール２０をそれぞれ形成する。
【００９５】
さらに、図５（ｄ）に示すように、スパッタリング法によって配線用金属材料のアルミニュウムＡｌを６００ｎｍの膜厚に全面に形成し、フォトリソグラフィー工程と、ＢＣｌ３ガスおよびＣｌ２ガスを用いたＲＩＥ法によって所定形状にパターニングしてソース電極２１およびドレイン電極２２を形成して、結晶性薄膜トランジスタを作製する。その後は、必要に応じて、多層配線を形成したり、これらの上に保護膜を形成して結晶性薄膜半導体装置を作製する。
【００９６】
本実施形態５のように、本発明の結晶性薄膜形成方法により作製された結晶性シリコン膜９を用いて、細線部５の結晶性シリコン膜９にチャネル領域を形成することによって、単結晶を用いた場合に特性が近く、かつ、特性が揃った高品質の結晶性薄膜トランジスタを作製することができる。
【００９７】
なお、本実施形態５では、上記実施形態１の１本の細線部５の結晶性シリコン膜９にチャネル領域を形成することによって、高品質の結晶性薄膜トランジスタを作製したが、これに限らず、上記実施形態２，３の複数本の細線部５の結晶性シリコン膜９に各チャネル領域をそれぞれ形成することによって、高電流容量で高品質な結晶性薄膜トランジスタをそれぞれ作製してもよい。
（実施形態６）
本実施形態６では、上記実施形態４または５で作製された本発明の結晶性薄膜半導体装置を用いた液晶ディスプレイ装置およびその製造方法について説明する。
【００９８】
図６は、本発明の実施形態６のディスプレイ装置として液晶ディスプレイ装置を作製する方法について説明するための図であって、（ａ）および（ｂ）は、液晶層を挟んで対向配置される一対の基板部（素子側基板と対向基板）を示す要部断面図である。
【００９９】
図６（ａ）に示すように、一方の基板部（素子側基板）は、ガラス基板１上に窒化シリコン膜２および二酸化シリコン膜３がこの順に設けられ、その上に、結晶性シリコン膜９をチャネル領域とする結晶性薄膜トランジスタが作製されている。
【０１００】
この結晶性薄膜トランジスタは、結晶性シリコン膜９上にゲート絶縁膜１６を介してゲート電極１７が設けられ、その上を覆うように二酸化シリコン膜１８および窒化シリコン膜１９が順次積層されている。
【０１０１】
これらの二酸化シリコン膜１８および窒化シリコン膜１９上にはソース電極２１およびドレイン電極２２が設けられ、ソース電極２１およびドレイン電極２２はそれぞれ、二酸化シリコン膜１８および窒化シリコン膜１９に設けられたコンタクトホール２０をそれぞれ介して結晶性シリコン膜９の両端部とそれぞれ接続されている。
【０１０２】
このソース電極２１およびドレイン電極２２上を覆うように樹脂膜２３が設けられ、その上にＩＴＯ膜２４が設けられている。ＩＴＯ膜２４は、樹脂膜２３に設けられスルーホールを介してドレイン電極２２と接続されている。このＩＴＯ膜２４上を覆うように、配向膜となるポリイミド膜２５が設けられている。
【０１０３】
一方、図６（ｂ）に示すように、他方の基板部（対向基板）は、ガラス基板２６上にカラーフィルタ２７、ＩＴＯ膜２８およびポリイミド膜２９がこの順に設けられている。両基板部（素子側基板と対向基板）は、配向膜となる両ポリイミド膜２５，２９を内側に向けた状態で、所定の間隔を開けて対向配置されて外周端部をシール材などにより貼り合せられ、両基板部の間隙に表示媒体としての図示しない液晶材料（液晶層）が封入されている。
【０１０４】
本実施形態６の液晶ディスプレイ装置は、例えば以下のようにして作製される。
【０１０５】
まず、上記実施形４または５のいずれかの方法によって、ガラス基板１上に結晶性薄膜半導体装置を作製する。図６（ａ）の例では、結晶性薄膜トランジスタを作製している。ソース電極２１およびドレイン電極２２の上を覆うように、基板部全面に樹脂膜２３を形成し、その樹脂膜２３にスルーホールを形成する。このスルーホールを介してドレイン電極２２と接続されるようにスパッタリング法によってＩＴＯ膜２４を形成し、フォトリソグラフィー工程と、ＨＣＬおよびＦｅＣｌ３を用いたエッチングによってＩＴＯ膜２４をパターニングする。このＩＴＯ膜２４上に、配向膜となるポリイミド膜２５をオフセット印刷法を用いて形成し、これにラビング処理を行う。
【０１０６】
一方、図６（ｂ）に示すように、別のガラス基板２６上に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の各感光性樹脂膜を付したフィルムを熱圧着により転写した後、フォトリソグラフィ工程によってパターニングを行い、さらに、Ｒ、ＧおよびＢの各感光性樹脂が転写された部分の間に遮光性を有するブラックマトリクス部を形成して、カラーフィルタ２７を作製する。このカラーフィルタ２７上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜２８を基板の全面にわたって形成し、対向電極とする。さらに、このＩＴＯ膜２８上に、配向膜となるポリイミド膜２９をオフセット印刷法によって形成し、これにラビング処理を行う。
【０１０７】
以上のようにして作製された図６（ｂ）に示すカラーフィルタ２７などが形成されたガラス基板２６側の他方の基板部と、図６（ａ）に示す結晶性薄膜トランジスタなどの結晶性薄膜半導体装置が形成されたガラス基板１側の一方の基板部とを、ラビング処理を施したポリイミド膜２５，２９の面同士が互いに対向するように配置して、これらの両基板部をシール樹脂によって貼り合わせる。
【０１０８】
この際に、２枚の基板部間の間隔が一定になるように、基板部間に真球状のシリカを散布する。さらに、両基板部間に表示媒体となる液晶材料を封入した後、両ガラス基板１，２６の両外側に偏光板などを貼り付けて液晶ディスプレイ装置が完成される。
【０１０９】
本実施形態６の液晶ディスプレイ装置によれば、各画素部にそれぞれ設けられたトランジスタの電流駆動能力を、単結晶を用いたトランジスタに近い値とすることができるため、トランジスタサイズを小さくして、液晶ディスプレイ装置の開口率を向上させることができる。また、周辺回路として、ゲートドライバやソースドライバ以外にも、この結晶性シリコン膜を用いた各種回路をガラス基板上に同時に作製することができる。
【０１１０】
以上により、本実施形態１〜６によれば、基板上にパターニングされた非晶質シリコン薄膜４の周囲に、非晶質シリコン薄膜４から分離した島状態で非晶質シリコン薄膜４と同じ材料の薄膜部６を形成して、パルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光を、１回のレーザ光照射毎の移動量が、１回の照射により非晶質シリコン薄膜４が横方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定して繰り返し照射する。同じレーザ光照射条件で、各種形状、大きさのパターンに対して、いずれも良好な溶融状態が得られ、高品質の結晶性薄膜を形成することができる。さらに、非晶質シリコン薄膜４を、細線部５を有する形状にパターニングして、パルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光を細線部５の長手方向に略平行に移動させながら繰り返し照射することにより、細線部５に結晶粒界がない高品質の結晶性薄膜を形成することができる。この細線部５の結晶性薄膜９にダイオードのｐ−ｎ接合やｐ−ｉ−ｎ接合、またはトランジスタのチャネル領域を形成することにより、単結晶を用いた場合の特性に近く、かつ、特性が揃った高性能の結晶性薄膜半導体装置を作製することができる。
【０１１１】
なお、上記実施形態１〜５では、上記細線部５をフォトリソグラフィー工程とエッチング工程により形成したが、レーザビームによる光ＣＶＤ法のように成膜時に細線部５を有するように非晶質薄膜を成膜してもよい。
【０１１２】
また、上記実施形態１〜６では、基板としてガラス基板を用いたが、エネルギービームを透過可能な材料であれば、石英基板やシリコン基板、セラミック基板などを用いてもよい。また、これらの基板にエネルギービームを透過可能な他の膜を形成したものでもよい。ただし、実施形態６では、少なくともいずれか一方の基板は可視光を透過する材料からなることが必要である。
【０１１３】
さらに、エネルギービームの薄膜（実施形態１〜６では非晶質シリコン膜）による吸収係数が、基板による吸収係数よりも大きいと、エネルギービームが薄膜によって多く吸収され、基板ではあまり吸収されないため、基板温度が上昇しにくくなり、ガラス等の歪温度が低い材料や低融点の材料を基板として用いることが可能となる。したがって、エネルギービームの薄膜による吸収係数は、基板による吸収係数よりも大きいことが好ましい。
【０１１４】
さらに、上記実施形態５では、チャネル領域にＢ（ボロン）やＰ（リン）などの不純物注入を行わなかったが、トランジスタの閾値電圧を制御するために必要な量だけＢやＰのイオン注入を行ってもよい。
【０１１５】
さらに、上記実施形態５では、単純にゲート電極１７をマスクとしてＢやＰのイオン注入を行ったが、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）構造やＧＯＬＤ（Ｇａｔｅ  Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ  Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）構造などの構成にしてもよい。
【０１１６】
さらに、上記実施形態１〜５では、エキシマパルスレーザ光を照射する際に非晶質シリコン膜４が露出された状態で行ったが、必要に応じて二酸化シリコン膜等でキャップした後でレーザ光照射を行ってもよい。
【０１１７】
さらに、パルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光の１回の照射毎の移動量が、１回のパルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光の照射により薄膜が横方向に結晶成長する長さよりも長くなると、前のパルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光の照射により形成された結晶を種として結晶成長が進まないため、パルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光の各照射境界毎に結晶粒界や非晶質領域がある結晶しか得られない。よって、パルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光の１回の照射毎の移動量は、１回のパルス状エネルギービームまたはパルスレーザ光の照射により非晶質薄膜が横方向に結晶成長する長さよりも短くなるように設定することが好ましい。
【０１１８】
さらに、上記実施形態１では細線部５の幅を５００ｎｍとしたが、１０ｎｍより細くすると、パルスレーザ光を移動しながら繰り返し照射しても、細線部５で横方向結晶成長が順調に進まない。また、細線部５の幅が２μｍより太いと、細線部５内に結晶粒界が発生してしまう。したがって、細線部５または複数の細線部５の幅は、１０ｎｍ以上２μｍ以下の範囲内に設定することが好ましい。
【０１１９】
さらに、上記実施形態１〜５では、細線部５と、その周囲に細線部５から分離した状態で形成される薄膜部との間隔を２μｍとしたが、この間隔が１００ｎｍよりも小さい場合にはパルスレーザ光を照射して溶融した時に、細線部５と、その周囲に形成した薄膜部とがつながってしまう。また、この間隔を１０μｍより大きくすると、その島状の薄膜部が設けられていない部分ではパルスレーザ光が吸収されないため、細線部５の熱が周囲に逃げて温度が上がり難くなり、細線部５でない領域(幅広領域)との温度差が大きくなり過ぎて、両領域(細線部５とその両側の幅広領域)を同じパルスレーザ光照射条件で溶融させることが困難となる。即ち、細線部５を良好に溶融させる照射条件では幅広領域（幅広部）は温度が上がり過ぎて薄膜の飛散が生じ、幅広領域を良好に溶融させる条件では、細線部５は充分には溶融しない。したがって、細線部５とその周囲の薄膜部との間隔は、１００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【０１２０】
さらに、上記実施形態１〜６では、非晶質薄膜としてシリコン材料を用いたが、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰなどの材料でもよく、また、これらの混晶であってもよい。
【０１２１】
さらに、上記実施形態４ではｐ−ｎ接合を形成したが、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成してもよい。
【０１２２】
さらに、上記実施形態４および５では、結晶性薄膜半導体装置として、結晶性薄膜ダイオードまたは結晶性薄膜トランジスタを作製したが、これら以外の結晶性薄膜半導体装置であってもよく、また、これらを組み合わせて作製してもよい。
【０１２３】
さらに、上記実施形態１〜６ではエネルギービームとしてエキシマパルスレーザ光を用いたが、他のレーザ光であってもよく、また、パルス状エネルギービームであってもよい。
【０１２４】
さらに、上記実施形態６では、ディスプレイ装置として液晶ディスプレイ装置をその一例に挙げて説明したが、有機薄膜ＥＬディスプレイなど、他のディスプレイ装置にも本発明は適用可能である。
【０１２５】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜６を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜６に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜６の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。  
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明は、基板上にパターニングされた非晶質薄膜に対してエネルギーを付与して結晶化させる結晶性薄膜形成方法、この結晶性薄膜形成方法を用いて作製された結晶性薄膜、その結晶性薄膜を用いて優れた性能を発揮することが可能な結晶性薄膜ダイオードや結晶性薄膜トランジスタなどの結晶性薄膜半導体装置、およびそれらの結晶性薄膜半導体装置を備えたディスプレイ装置の分野において、各種の形状や大きさのパターンの非晶質薄膜に対して、大きな出力のエネルギービームを、基板上での高精度な位置合わせを必要とせずに、単純に一方向のみにステップ送りして繰り返し照射することにより、非晶質薄膜を全て良好な溶融状態にして、所望の領域に結晶粒界がない高品質の結晶性薄膜を形成することができる。このような高品質の結晶性薄膜を用いれば、単結晶を用いた場合に近い特性で、かつ、特性が揃った結晶性薄膜ダイオードや結晶性薄膜トランジスタなどの高品質な結晶性薄膜半導体装置を任意の領域に作製することが可能となる。このため、開口率が高い液晶ディスプレイ装置や高性能な周辺回路が内蔵されたディスプレイ装置、このようなディスプレイ装置を表示部に用いたパーソナルコンピュータなどのＯＡ機器やテレビジョン装置などのＡＶ機器などに広く利用できて、生産性向上および製造コストの低廉価化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態１の結晶性薄膜形成方法を説明するための要部断面図およびその平面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の結晶性薄膜形成方法の実施形態２における二つの事例について説明するための平面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の結晶性薄膜形成方法の実施形態３における三つの事例について説明するための平面図である。
【図４Ａ】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態４の結晶性薄膜半導体装置として結晶性薄膜ダイオードを作製する方法について説明するための各工程（その１）の平面図である。
【図４Ｂ】（ｄ）および（ｅ）は、本発明の実施形態４の結晶性薄膜半導体装置として結晶性薄膜ダイオードを作製する方法について説明するための各工程（その２）の平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態５の結晶性薄膜半導体装置として結晶性薄膜トランジスタを作製する方法について説明するための各工程の平面図である。
【図６】本発明の実施形態６のディスプレイ装置として液晶ディスプレイ装置を作製する方法について説明するための図であって、（ａ）および（ｂ）は、液晶層を挟んで対向配置される一対の基板部を示す要部断面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明の細線部の長手方向および幅を説明するための平面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１  ガラス基板
２  窒化シリコン膜
３  二酸化シリコン膜
４  非晶質シリコン膜
５  細線部
６，６Ａ〜６Ｅ  非晶質シリコン膜の周囲の非晶質シリコン膜部
７  ライン状エキシマパルスレーザ光
８  ライン状エキシマパルスレーザ光の走査方向
９  結晶性シリコン膜
１０  二酸化シリコン膜
１１  レジスト
１２  レジスト
１３  開口部
１４  コンタクトホール
１５  電極
１６  ゲート絶縁膜
１７  ゲート電極
１８  二酸化シリコン膜
１９  窒化シリコン膜
２０  コンタクトホール
２１  ソース電極
２２  ドレイン電極
２３  樹脂膜
２４  ＩＴＯ膜
２５  ポリイミド膜
２６  ガラス基板
２７  カラーフィルタ
２８  ＩＴＯ膜
２９  ポリイミド膜
３０  細線部の長手方向
Ｗ    細線部の幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
2005347580.tif 000006
【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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