(57)【要約】【課題】高性能な結晶性半導体膜を簡単なプロセスで低コストに形成する。【解決手段】半導体膜２を形成する工程と、半導体膜２上に、透光性絶縁膜１を、第１のレーザ光に対する反射率がベア領域半導体膜の反射率よりも２０％以上低くなるような膜厚にて形成する透光性絶縁膜形成工程と、透光性絶縁膜１および半導体膜２を加熱する第２のエネルギービーム８を照射しながら、第１のエネルギービーム９をキャップ領域完全溶融エネルギーよりも大きなエネルギーによって照射するエネルギービーム照射工程と、キャップ領域半導体膜を先に結晶化されたベア領域半導体膜に基づいて結晶化させるキャップ領域結晶化工程と、透光性絶縁膜２を半導体膜１上から除去する除去工程とを有する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体膜上に平行に形成する複数のストライプ状の透光性絶縁膜を用いて該半導体膜から結晶性半導体膜を得る結晶性半導体膜の製造方法において、
該透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域の半導体膜が完全溶融し、かつ該透光性絶縁膜に覆われていないベア領域の半導体膜は領域全体が完全溶融しないように、該透光性絶縁膜および半導体膜に第１のエネルギービームを照射するエネルギービーム照射工程と、
完全溶融した該キャップ領域半導体膜から該ベア領域半導体膜へと広げた溶融領域の位置から該キャップ領域半導体膜へと結晶成長させる結晶化工程とを有する結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１のエネルギービームの照射は、前記透光性絶縁膜および半導体膜を加熱するために第２のエネルギービームを照射しながら行う請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記結晶化工程において、加熱用の第２のエネルギービームを照射して熱伝導により広げたベア領域半導体膜の中央部の溶融領域から前記キャップ領域半導体膜の中央部に向かって結晶化させる請求項１または２に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項４】
前記結晶化工程において、熱伝導により前記半導体膜の溶融領域を広げて前記ベア領域半導体膜を溶融させた後に冷却し、結晶化された該ベア領域半導体膜に基づいて該キャップ領域半導体膜を結晶化させる請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項５】
前記結晶化工程において、前記キャップ領域半導体膜に隣接するベア領域半導体膜において熱伝導により広がった溶融領域から該キャップ領域半導体膜の中央に向かって半導体結晶粒を横方向に結晶成長させる請求項１または４に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項６】
前記エネルギービーム照射工程の前工程として、
絶縁基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
該半導体膜上に、それぞれが等しい所定膜厚で所定幅の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてそれぞれ形成する透光性絶縁膜形成工程とを更に有する請求項１、４および５の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項７】
前記結晶化工程の後工程として、前記透光性絶縁膜を前記半導体膜上から除去する除去工程を更に有する請求項１または６に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項８】
前記第２のエネルギービームは、赤外光またはＣＯ２レーザ光である請求項２に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項９】
前記第２のエネルギービームの照射を、前記第１のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から開始する請求項２または８に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項１０】
前記第２のエネルギービームの照射を、前記第１のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から開始し、かつ該第１のエネルギービームの照射終了時点よりも所定時間だけ後の時点で終了する請求項２または８に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項１１】
前記透光性絶縁膜の膜厚は、該透光性絶縁膜の前記第１のエネルギービームに対する反射率が、前記ベア領域半導体膜の該第１のエネルギービームに対する反射率よりも２０％以上低くなるように設定されている請求項１〜６の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項１２】
前記透光性絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜の何れかによって構成されている請求項１または６に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法によって製造された結晶性半導体膜。
【請求項１４】
請求項１〜６の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法によって製造された結晶性半導体薄膜をチャネル領域としてトランジスタを作製するトランジスタ作製工程を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記トランジスタ作製工程において、前記ストライプ状の透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成する請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記トランジスタ作製工程において、前記ストライプ状の透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないように前記チャネル領域を形成する請求項１４または１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記透光性絶縁膜形成工程において、前記半導体膜上の第１領域に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の第１透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成すると共に、該半導体膜上の第２領域に、該第１透光性絶縁膜と交差する方向に沿ってそれぞれが等しい所定の膜厚の複数の第２透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記トランジスタ作製工程において、前記第１領域では前記第１透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成し、前記第２領域では前記第２透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成する請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記トランジスタ作製工程において、前記第１領域では前記第１透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成し、前記第２領域では前記第２透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成する請求項１７または１８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項１４〜１９の何れかに記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非晶質絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜にレーザ光などのエネルギービームを照射することにより熱エネルギーを付与して、非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を得る結晶性半導体膜の製造方法およびこれによって製造された結晶性半導体膜、この結晶性半導体膜を用いた半導体装置の製造方法およびこれによって製造された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、非晶質絶縁基板または基板上に設けられた非晶質絶縁膜（以下、これらを絶縁基板と称する）上に非晶質半導体薄膜を形成し、この非晶質半導体薄膜に対して局所的に熱エネルギーを付与して溶融させ、溶融された部分から結晶化させることにより結晶性の半導体膜を得る結晶性半導体膜の製造方法が知られている。このような非晶質半導体膜を結晶化する技術は、既に３０年近い研究の歴史を有している。
【０００３】
その中でも、熱エネルギー源としてレーザ光を非晶質半導体膜に照射する方法は、１９８０年代にＳＯＩ基板を形成するために研究が進められ、１９９０年代に入ってからは、低温ポリシリコン技術による液晶パネルの製造方法の開発およびその量産化に用いられており、最も実績のある方法であると言える。特に、ガラス基板などのように、高温プロセスに耐えることができない安価な基板を用いる場合には、極めて短時間内に熱エネルギーを付与する必要があるため、このような熱エネルギー源としては、パルス発振のレーザ光が用いられている。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、大出力のエキシマレーザを、ガラス基板上に形成された非晶質シリコン薄膜上に照射して結晶化させる方法が開示されている。この非特許文献１に開示された非晶質シリコン薄膜の結晶化方法は、鮫島らによって始められたものであり、この非特許文献１の中で、非晶質シリコン薄膜に照射されるレーザ光のエネルギー密度は、シリコン薄膜の上部が部分的に溶融するような値に選択されている。その後の研究により、照射されるレーザ光のエネルギー密度と、形成される結晶半導体膜の結晶粒径との関係が詳細に検討され、レーザ光のエネルギー密度が増加すると、これに伴って結晶粒径が増大することが明らかにされている。
【０００５】
このような結晶粒径の増大については、例えば非特許文献２において詳細に検討されている。この非特許文献２によると、特に、レーザ光の照射によって非晶質半導体膜が溶融される深さは、シリコン薄膜の膜厚と一致する直前、即ち、シリコン薄膜が下層の基板などに達する界面まで溶融する直前である場合に、数ミクロンに達する巨大な結晶粒が形成されるということが報告されている。これは、シリコン薄膜の下層との界面にわずかに残存する結晶粒が、結晶固化を開始する際の結晶核となり、大粒径の結晶粒の成長が可能となるからである。
【０００６】
しかしながら、上記非特許文献２に記載された結晶化方法では、レーザ光のエネルギー密度が、シリコン薄膜の界面直前まで溶融される値を超えて、シリコン薄膜の下層に達するまで完全に溶融されると、急激な冷却過程が生じて、ランダムな核発生が起こり、結晶粒は非常に小さいものとなるか、あるいは、再非晶質化が起こる。したがって、実際上は、レーザ光の出力の揺らぎを考慮して、照射されるレーザ光は、完全溶融が起こるエネルギー密度よりわずかに小さい値のエネルギーに設定される。このため、このようなレーザ光の照射条件に応じて、得られる結晶粒の粒径も、数百ｎｍ程度になる。
【０００７】
この非特許文献２に基づいたレーザ光の照射条件によって、現在、低温ポリシリコン形成技術として結晶性シリコン膜の量産が行われている。この非特許文献２の技術に基づいて製造されたＴＦＴの典型的なキャリアの移動度としては、ｎチャネル型ＴＦＴにおいて、１５０ｃｍ２／Ｖｓ、ｐチャネル型チャネルＴＦＴで８０ｃｍ２／Ｖｓが得られている。
【０００８】
上述したように、パルスレーザ光の照射によって結晶化されたポリシリコン半導体膜を用いた半導体装置を有する液晶パネルが実現されると、ポリシリコンの半導体薄膜をより高性能にして、さらなる多機能な回路素子を集積したアクティブマトリックスＴＦＴ基板を実現するという要望が高くなってきている。
【０００９】
このような要望に対して、レーザ光の照射による結晶化を行う際に、非晶質シリコン膜を完全に溶融させ、かつ、結晶化に際してランダム核が発生することを抑制しつつ、横方向成長を制御することにより、単結晶基板に匹敵するＴＦＴ特性を得る方法が報告されている。
【００１０】
研究段階レベルでは、多種多様な方法が提案されているが、これらは、シリコン薄膜において、完全に溶融された領域に接するように、部分的に溶融された領域を存在させ、部分溶融された領域に存在する結晶核を、完全溶融領域の溶融されたシリコン膜が結晶化を開始する際の核とすることが、基本的な考え方として共通している。以下に、実用レベルに適用可能な方法の例として、二つの方法について説明する。
【００１１】
第一の方法として、アスペクト比が極めて高いレーザビームを形成し、このレーザビームが照射される照射領域の半導体膜を完全に溶融させ、その後、レーザビームの照射領域に隣接する、レーザビームが照射されない未照射領域に存在する結晶性の半導体膜から横方向成長の結晶成長を誘起する方法（例えば非特許文献３）が提案されている。
【００１２】
この第一の方法では、レーザ光を、一回の溶融によって結晶が横方向成長できる距離と同程度の距離だけずらした領域に走査しながら照射することにより、レーザ光の走査方向に沿って一方向に成長された結晶粒が得られる。このことから、この結晶化方法は、非特許文献３を記載したＪ．Ｉｍらによって、ＳＬＳ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と名づけられている。
【００１３】
この第一の方法を用いた場合には、任意の長さの結晶粒を全面に隙間なく形成することができるという利点がある。
【００１４】
第二の方法として、例えば非特許文献４には、非晶質シリコン薄膜上にビーム反射膜であるアルミニウム膜をストライプ状に形成する方法が記載されており、これを図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示している。
【００１５】
図１４（ａ）は、非特許文献５に記載された従来の結晶成長方法を示す断面図であり、図１４（ｂ）は、この方法により得られる結晶性の半導体膜を示す平面図である。
【００１６】
この非特許文献４の方法において、図１４（ａ）に示すように、絶縁ガラス基板５の表面に形成されたアモルファスシリコン薄膜（以下、「ａ−Ｓｉ膜」と称する）２上の全面にわたってレーザビームを照射した場合に、ビーム反射膜２１が設けられていない領域２５では、照射されるレーザ光に対して露出された状態になっているために、レーザ光の照射によって非晶質シリコン膜が完全に溶融される完全溶融領域となり、また、ビーム反射膜２１が設けられている領域２６では、レーザ光が照射されないため、非晶質シリコン膜２が溶融されない未溶融部となる。
【００１７】
このような完全溶融部と未溶融部とは、ビーム反射膜２１がストライプ状に設けられていることによって、互いに繰り返して隣接するように配置される。完全溶融される領域２５にて溶融されたシリコンは、溶融されない領域２６に存在する結晶核に基づいて横方向に結晶成長がなされ、その結果、図１４（ｂ）に示すように、溶融領域２５において未溶融領域２６に接する両端側から、溶融領域２５の中央部に向かって、それぞれ結晶成長がなされ、略中央部でそれぞれの結晶粒がぶつかり合った形状に結晶粒が形成される。
【００１８】
また、非特許文献５には、ビーム反射膜を設ける代わりに、シリコン薄膜が部分的に厚く形成された領域を形成する方法が記載されている。この非特許文献４の方法では、シリコン薄膜の薄く形成された部分が完全溶融部となり、厚く形成された部分が、部分的に溶融された部分溶融部となる。完全溶融部にて完全溶融されたシリコン薄膜は、部分溶融部に存在する結晶核に基づいて横方向の結晶成長がなされる。
【００１９】
これら第二の方法では、シリコン薄膜上に反射膜を所望の形状にパターニングすることにより、または、シリコン薄膜に、厚膜に形成された領域を所望の形状にパターニングすることによって、レーザービームの走査方向とは関係なく、結晶粒が伸長する方向を決めることができ、結晶粒が伸長する方向が互いに直交したシリコン膜を同一基板上に混在して形成することが可能であるという利点がある。
【００２０】
しかしながら、上述した第一の方法および第二の方法には、以下に述べるような問題がある。
【００２１】
まず、第一の方法では、一回のレーザ光の照射によって、結晶粒が成長する横方向成長の長さが、０．５〜４μｍと微細になるため、この程度の長さに合わせた高精細なレーザ光の走査が必要になる。その結果、結晶化のための処理時間が長くなり、また、レーザ光を照射するための特殊な構造を有する装置を準備する必要がある。
【００２２】
また、この第一の方法では、レーザ光の走査方向に沿って長くなった極めて細長い結晶粒が得られる。このような結晶粒を有する結晶性のシリコン膜によってＴＦＴを構成した場合に、ＴＦＴのチャネルにおいて、キャリアが流れる方向と結晶粒が延びる方向とが一致する場合には、キャリアの移動度が非常に高くなるものの、キャリアが流れる方向が結晶粒が延びる方向に直交する場合には、キャリアが流れる方向と結晶粒が延びる方向とが一致している場合に比較して、キャリアの移動度は、約１／３程度に劣化することが知られている。この第一の方法では、レーザビームの走査方向によって、結晶粒が伸長する方向が決まるため、高い特性が得られるのは一方向のみであり、他の方向に伸長する結晶粒を同一の基板上に混在させることができない。したがって、この第一の方法では、回路素子の設計上の制約を受けるので好ましくない。
【００２３】
一方、第二の方法では、結晶粒の長さが、一回の横方向成長距離に限られるという問題がある。
【００２４】
また、第二の方法では、未溶融領域に残存する結晶核に基づいて結晶成長が開始されるため、溶融領域に隣接して、所定間隔毎に未溶融領域を形成する必要がある。完全溶融部において横方向成長された結晶粒が、未溶融部を挟んで隣接する他の完全溶融部の結晶粒と可能な限り近接するように、未溶融部を微小に形成し過ぎると、完全溶融部における結晶成長開始時に必要な未溶融部の初期核がレーザ光照射によって消失し、ランダムな核発生による微小な結晶核が形成されるおそれがあるため、未溶融部は、ある程度の大きさに形成する必要がある。このため、この第二の結晶化方法では、未溶融部を形成するために要する面積のために素子寸法が増大するという問題がある。
【００２５】
このような問題を解決するための構成が、例えば特許文献１に開示されている。図１５および図１６は、この特許文献１に開示されている従来の結晶性半導体膜の形成方法を説明するための断面図である。
【００２６】
図１５に示すように、まず、ガラス基板５上にベースコート膜６を形成する。ベースコート膜６の上にａ−Ｓｉ膜２を形成する。その後、ａ−Ｓｉ膜２の上に、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に複数の反射防止膜２２を形成する。各反射防止膜２２の上に反射膜２３を積層する。
【００２７】
次に、反射膜２３側からａ−Ｓｉ膜２へ１回目のレーザ光を照射する。反射防止膜２２によって覆われない反射防止膜２２の間のベア領域ａ−Ｓｉ膜４は、照射された１回目のレーザ光によって完全溶融される。このとき、反射防止膜２２によって覆われたキャップ領域ａ−Ｓｉ膜３は、反射膜２３によって１回目のレーザ光が反射されるために溶融されない。
【００２８】
照射された１回目のレーザ光によって完全溶融されたベア領域ａ−Ｓｉ膜４は、反射防止膜２２によって覆われているために溶融されていないキャップ領域ａ−Ｓｉ膜３を核として、ベア領域ａ−Ｓｉ膜４の両端からベア領域ａ−Ｓｉ膜４の中央部に向かって横方向に結晶成長されて、結晶粒が形成される。
【００２９】
その後、図１６に示すように、反射膜２３を除去する。さらに、反射防止膜２２側からａ−Ｓｉ膜２へ２回目のレーザ光を照射する。照射された２回目のレーザ光は、反射防止膜２２によって反射が防止され、反射防止膜９２によって覆われたキャップ領域ａ−Ｓｉ膜３を完全溶融させる。完全溶融したキャップ領域ａ−Ｓｉ膜３は、１回目のレーザ光を照射したときに形成されたベア領域ａ−Ｓｉ膜４における結晶粒を核として、キャップ領域ａ−Ｓｉ膜３の両側から中央に向かって横方向に結晶成長されて、結晶粒が形成される。
【００３０】
このように、上記特許文献１に記載されている従来技術によれば、１回の横方向成長距離の２倍の長さを有する結晶粒を、隙間を空けることなく形成させることができると共に、素子寸法の増大を招くことなく、異なる方向に沿って伸長された結晶粒を同一基板上に形成することが可能となる。
【００３１】
【非特許文献１】
ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ＥＤＬ−７，２７６，１９８６（鮫島ら）
【非特許文献２】
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８２，４０８６
【非特許文献３】
Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ６９，２８６４
【非特許文献４】
ＩＥＥＥ  Ｅｌｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  ２０００，Ｓａｎ  Ｆｒｎｃｉｓｃｏ
【非特許文献５】
ＡＭ−ＬＣＤ  ２０００  Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ２８１
【特許文献１】
特願２００１−２９２５３８号
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１の従来技術においては、反射防止膜２２の上にさらに反射膜２３を積層する必要があるため、プロセスが複雑になり、コストが増大するという問題がある。
【００３３】
また、上記特許文献１の方法では、１回目のレーザ光を照射した後、２回目のレーザ光を照射する前に、反射防止膜２２の上に積層された反射膜２３を除去する必要がある。このため、レーザ照射装置からガラス基板５を取り出し、反射膜２３を除去した後、反射膜２３が除去されたガラス基板５を再びレーザ照射装置内へセットする必要がある。したがって、プロセスがさらに複雑になり、その分、生産時間もかかってコストがさらに増大するという問題がある。
【００３４】
さらに、上記特許文献１の方法では、１回目のレーザ光を照射したときに、金属によって構成された反射膜２３が溶融されてベア領域ａ−Ｓｉ膜４上に流れ落ち、または反射膜２３が蒸発、気化されてベア領域ａ−Ｓｉ膜４上に付着するために、ａ−Ｓｉ膜２が汚染されることがある。その結果、このような結晶性半導体膜を用いて作製された薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」と称する）の特性が低下し、または特性のばらつきが増大するという問題がある。
【００３５】
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り、高性能な結晶性半導体膜を簡単なプロセスで低コストに形成できる結晶性半導体膜の製造方法およびこの方法を用いて製造された結晶性半導体膜、これを用いた半導体装置の製造方法およびこの方法を用いて製造された半導体装置を提供することを目的とする。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶性半導体膜の形成方法は、半導体膜上に平行に形成する複数のストライプ状の透光性絶縁膜を用いて該半導体膜から結晶性半導体膜を得る結晶性半導体膜の製造方法において、該透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域の半導体膜が完全溶融し、かつ該透光性絶縁膜に覆われていないベア領域の半導体膜は領域全体が完全溶融しないように、該透光性絶縁膜および半導体膜に第１のエネルギービームを照射するエネルギービーム照射工程と、完全溶融した該キャップ領域半導体膜から該ベア領域半導体膜へと広げた溶融領域の位置から該キャップ領域半導体膜へと結晶成長させる結晶化工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。ここで、完全溶融とは、膜がその厚さ方向に全て溶融することをいう。ここでは、第１のエネルギービームのみを照射した場合でも、ベア領域の幅方向には部分的（領域境界部からベア領域の中央部に至る途中まで）に完全溶融していてもよい。
【００３７】
また、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における第１のエネルギービームの照射は、前記透光性絶縁膜および半導体膜を加熱するために第２のエネルギービームを照射しながら行う。
【００３８】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における結晶化工程において、加熱用の第２のエネルギービームを照射して熱伝導により広げたベア領域半導体膜の中央部の溶融領域から前記キャップ領域半導体膜の中央部に向かって結晶化させる。
【００３９】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における前記結晶化工程において、熱伝導により前記半導体膜の溶融領域を広げて前記ベア領域半導体膜を溶融させた後に冷却し、結晶化された該ベア領域半導体膜に基づいて該キャップ領域半導体膜を結晶化させる。
【００４０】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における結晶化工程において、前記キャップ領域半導体膜に隣接するベア領域半導体膜において熱伝導により広がった溶融領域から該キャップ領域半導体膜の中央に向かって半導体結晶粒を横方向に結晶成長させる。
【００４１】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法におけるエネルギービーム照射工程の前工程として、絶縁基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、該半導体膜上に、それぞれが等しい所定膜厚で所定幅の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてそれぞれ形成する透光性絶縁膜形成工程とを更に有する。
【００４２】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における結晶化工程の後工程として、前記透光性絶縁膜を前記半導体膜上から除去する除去工程を更に有する。
【００４３】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における第２のエネルギービームはＣＯ２レーザ光または赤外光である。
【００４４】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における第２のエネルギービームの照射を、前記第１のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から開始する。
【００４５】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法において、第２のエネルギービームの照射を、前記第１のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から開始し、かつ該第１のエネルギービームの照射終了時点よりも所定時間だけ後の時点で終了する。
【００４６】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における透光性絶縁膜の膜厚は、該透光性絶縁膜の前記第１のエネルギービームに対する反射率が、前記ベア領域半導体膜の該第１のエネルギービームに対する反射率よりも２０％以上低くなるように設定されている。
【００４７】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における透光性絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜の何れかによって構成されている。
【００４８】
本発明の結晶性半導体膜は、請求項１〜１２の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法によって製造されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４９】
本発明の半導体装置の製造方法は、請求項１〜５の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法によって製造された結晶性半導体薄膜をチャネル領域としてトランジスタを作製するトランジスタ作製工程を有しており、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法におけるトランジスタ作製工程において、前記ストライプ状の透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成する。
【００５０】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法におけるトランジスタ作製工程において、前記ストライプ状の透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないように前記チャネル領域を形成する。
【００５１】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法における透光性絶縁膜形成工程において、前記半導体膜上の第１領域に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の第１透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成すると共に、該半導体膜上の第２領域に、該第１透光性絶縁膜と交差する方向に沿ってそれぞれが等しい所定の膜厚の複数の第２透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する。
【００５２】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法におけるトランジスタ作製工程において、前記第１領域では前記第１透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成し、前記第２領域では前記第２透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成する。
【００５３】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法におけるトランジスタ作製工程において、前記第１領域では前記第１透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成し、前記第２領域では前記第２透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成する。
【００５４】
本発明の半導体装置は、請求項１４〜１９の何れかに記載の半導体装置の製造方法によって製造されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００５５】
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
【００５６】
本発明の結晶性半導体膜の製造方法にあっては、絶縁基板上に半導体膜を形成し、その上にストライプ状の透光性絶縁膜を形成して、第２のエネルギービームにより透光性絶縁膜および半導体膜を予め加熱しながら、第１のエネルギービームを透光性絶縁膜側から半導体膜へ照射して透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域の半導体膜を完全溶融し、熱伝導によって半導体膜の溶融領域を広げて透光性絶縁膜に覆われていないベア領域の半導体膜を溶融させた後、冷却（自然冷却）して、結晶化されたベア領域半導体膜に基づいてキャップ領域半導体膜を結晶化させることによって結晶性半導体膜を得る。
【００５７】
透光性絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などによって構成され、その膜厚は、透光性絶縁膜の第１のエネルギービームに対する反射率が、ベア領域半導体膜の反射率よりも２０％以上低くなるように設定されている。
【００５８】
この透光性絶縁膜は、反射防止膜として機能し、ＫｒＦレーザ光などの第１のエネルギービームを照射したときに、ベア領域半導体膜が完全溶融されるエネルギーよりもキャップ領域半導体膜が完全溶融されるエネルギーの方が小さくなる。これによって、第１のエネルギービームを照射したときには、ベア領域半導体膜は完全に溶融されず、キャップ領域半導体膜が完全に溶融された状態となる。
【００５９】
結晶化工程において、熱容量が大きな透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域半導体膜では、ベア領域半導体膜に比べて温度低下が遅くなるため、キャップ領域半導体膜に隣接するベア領域半導体膜において熱伝導により広がった溶融領域からキャップ領域半導体膜の中央に向かって半導体結晶粒が横方向成長される。したがって、半導体膜上に透光性絶縁膜を所望の形状にパターニングすることにより、結晶粒が伸長する方向を決定することができ、結晶粒が伸長する方向が互いに直交した半導体膜を同一基板上に混在して形成することができる。
【００６０】
第１のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から、ＣＯ２レーザ光などの赤外光を照射することにより、第１のエネルギービーム照射前に半導体膜が加熱されているため、熱伝導でベア領域に広がる溶融領域幅を広くすることができる。また、熱容量が大きな透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域半導体膜は、ベア領域半導体膜に比べて温度低下が遅くなるため、横方向成長距離を長くすることができる。
【００６１】
第２のエネルギービームの照射を、第１のエネルギービームの照射終了時点よりも後の時点まで照射し続けることにより、溶融領域の冷却速度が低下するため、横方向成長距離を長くすることができる。
【００６２】
透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向でかつ基板表面に平行な方向にソース領域およびドレイン領域を形成し、透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成することによって、キャリア移動度が高いトランジスタとしての例えば薄膜トランジスタを作製することができる。
【００６３】
また、透光性絶縁膜形成工程において、第１領域と第２領域で透光性絶縁膜を互いに交差する方向（または互いに直交する方向）に沿って形成することによって、第１領域と第２領域とで結晶粒が伸長する方向を互いに交差した方向（または互いに直交する方向）とすることができる。
【００６４】
この場合、第１領域および第２領域においてそれぞれ、透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成し、透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成することによって、第１領域および第２領域のそれぞれにおいて、キャリア移動度が高い例えば薄膜トランジスタを作製することができる。
【００６５】
本発明にあっては、特許文献１に記載されている従来技術のように、反射防止膜の上に反射膜を設けていないためにプロセスを簡略化することができる。また、１回目のレーザ光照射後に２回目のレーザ光照射前に反射膜を除去する工程が必要がないためにプロセスを簡略化することができる。さらに、レーザ光照射時に反射膜が溶融または蒸発・気化してベア領域半導体膜に付着することが無いために、トランジスタとしての薄膜トランジスタの特性低下や特性ばらつきを抑制することができる。
【００６６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の結晶性半導体薄膜およびこれを用いた半導体装置の実施形態１〜３について、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態１〜３では、ガラス基板上に結晶性半導体薄膜として多結晶シリコン膜を形成する場合、およびこの多結晶シリコン膜を用いてチャネル領域を形成する半導体装置として薄膜トランジスタを形成する場合について説明する。
【００６７】
（実施形態１）
以下に、本実施形態１の結晶性半導体薄膜とその形成方法（結晶性半導体薄膜の製造方法）について説明する。
【００６８】
本実施形態１の結晶性半導体膜は、ガラス基板上にａ−Ｓｉ膜を形成し、ａ−Ｓｉ膜上にそれぞれが一定の間隔を空けてストライプ状に配置される複数の透光性絶縁膜を形成して、ａ−Ｓｉ膜および透光性絶縁膜を加熱する第２のレーザ光を照射しながら透光性絶縁膜で覆われるキャップ領域ａ−Ｓｉ膜が完全溶融されるように第１のレーザ光を透光性絶縁膜側からａ−Ｓｉ膜へ照射し、熱伝導によりａ−Ｓｉ膜の溶融領域を広げて透光性絶縁膜に覆われないベア領域ａ−Ｓｉ膜を溶融させた後、冷却、結晶化されたベア領域Ｓｉ膜に基づいてキャップ領域Ｓｉ膜を結晶化させ、透光性絶縁膜をａ−Ｓｉ膜上から除去することによって形成される。
【００６９】
まず、半導体膜形成工程について説明する。
【００７０】
図１は、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態１において、アモルファスシリコン膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【００７１】
図１において、まず、絶縁基板としてのガラス基板５上に、シリコン酸化膜によって構成されるベースコート膜６をＰ−ＣＶＤ法によって３００ｎｍの厚さに形成する。ガラス基板５は、Ｃｏｕｒｎｉｎｇ１７３７によって構成されている。
【００７２】
ベースコート膜６上に、半導体膜としてのａ−Ｓｉ膜２をＰ−ＣＶＤ法によって４５ｎｍの厚さに形成する。
【００７３】
ａ−Ｓｉ膜２およびベースコート膜６が形成されたガラス基板５を電気炉の中の窒素雰囲気中において５００℃で１時間加熱することによって、ａ−Ｓｉ膜２の脱水素を行う。
【００７４】
次に、透光性絶縁膜形成工程について説明する。
【００７５】
図２は、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態１において、透光性絶縁膜を形成する工程を説明するための断面図であり、図３は、その斜視図である。
【００７６】
図２において、脱水素処理が行われたａ−Ｓｉ膜２上に、透光性絶縁膜１としてのシリコン酸化膜をＰ−ＣＶＤ法によって形成する。
【００７７】
その後、ａ−Ｓｉ膜２上に形成された透光性絶縁膜１としてのシリコン酸化膜をＢＨＦ１１０（バッファードフッ酸）を用いたエッチングによりパターニングすることによって、膜幅１５μｍの複数の透光性絶縁膜１をそれぞれ３μｍの間隔（平行状態）を空けてストライプ状に形成する。
【００７８】
なお、透光性絶縁膜１によって覆われた領域におけるａ−Ｓｉ膜２をキャップ領域ａ−Ｓｉ膜３と称し、透光性絶縁膜１によって覆われない透光性絶縁膜１の間のａ−Ｓｉ膜２をベア領域ａ−Ｓｉ膜４と称することにする。
【００７９】
図４は、図２の透光性絶縁膜の一種であるシリコン酸化膜の膜厚とその反射率との関係を示すグラフである。なお、横軸はａ−Ｓｉ膜２上に形成されたシリコン酸化膜１の膜厚を示しており、縦軸はシリコン酸化膜１としてのシリコン酸化膜の反射率である。
【００８０】
図４に示すように、透光性絶縁膜１の反射率はその膜厚によって周期的に変化するため、透光性絶縁膜側からａ−Ｓｉ膜２にレーザ光を照射した場合に、透光性絶縁膜１によって覆われたキャップ領域ａ−Ｓｉ膜３に到達するレーザ光のエネルギーは、透光性絶縁膜１の膜厚によって変化し、その反射率が小さくなるほど大きくなる。
【００８１】
ａ−Ｓｉ膜２上に形成される透光性絶縁膜１の膜厚は、その透光性絶縁膜１の反射率がベア領域半導体膜４の反射率よりも２０％以上小さくなる膜厚とすることが好ましい。例えば、透光性絶縁膜１としてシリコン酸化膜を用いる場合には、約１１５ｎｍの厚さにて形成することができる。
【００８２】
次に、エネルギービーム照射工程について説明する。
【００８３】
上記約１１５ｎｍの厚さのシリコン酸化膜からなる透光性絶縁膜１によって覆われたキャップ領域ａ−Ｓｉ膜３が完全溶融されるレーザエネルギー（キャップ領域完全溶融エネルギー）は、ベア領域ａ−Ｓｉ膜４が完全溶融されるレーザエネルギー（ベア領域完全溶融エネルギー）よりも小さくなる。
【００８４】
ここで、第２のエネルギービームとしてＣＯ２レーザなどによって赤外光を照射しながら、第１のエネルギービームとしてキャップ領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーのＫｒＦレーザ光を照射する場合に、ＫｒＦレーザ光が照射される前にＣＯ２レーザ光によりａ−Ｓｉ膜２を加熱しておくことによって、ＫｒＦレーザ光単独で照射した場合よりも熱伝導でベア領域に広がる溶融領域幅を広くすることができる。
【００８５】
図５は、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態１において、レーザ光を照射する工程を説明するための断面図である。
【００８６】
図５に示すように、まず、４．０Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する波長１０．６μｍのＣＯ２レーザにより透光性絶縁膜１およびａ−Ｓｉ膜２を加熱する第２のレーザ光９を第１のレーザ光８の照射を開始するよりも前の時点から、例えば３．８４ｍｓｅｃ前から透光性絶縁膜１側の面上からＳｉ膜２へ照射しておく。このように、第２のレーザ光９を照射しながら、ベア領域完全溶融エネルギーよりは小さいがキャップ領域完全溶融エネルギーよりも大きな１５０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する第１のレーザ光８を２４８ｎｍの波長を有するＫｒＦレーザ光によって透光性絶縁膜１側からＳｉ膜２に照射する。
【００８７】
第１のレーザ光８のビームサイズは、０．５ｍｍ×１００ｍｍであり、Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  Ｒａｔｅは８０Ｈｚであり、ステージ送り速度は４０ｍｍ／秒である。
【００８８】
次に、結晶化工程について説明する。
【００８９】
冷却、結晶化過程においては、ＣＯ２レーザ光によって加熱された熱容量の大きなシリコン酸化膜（透光性絶縁膜１）で覆われたキャップ領域はベア領域よりも温度低下が遅くなり、また、ＫｒＦレーザ停止後もＣＯ２レーザ光を照射し続ければ、溶融されたＳｉ膜の冷却速度が低下する。したがって、キャップ領域中央に向かって横方向成長される距離が長くなる。予備実験によれば、ａ−Ｓｉ膜上に約１１５ｎｍのストライプ状シリコン酸化膜が形成されたサンプルに対して、エネルギー４．０Ｊ／ｃｍ２、パルス幅４．０ｍｓｅｃのＣＯ２レーザ光を照射しながら、エネルギー１５０ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅約２０ｎｓｅｃのＫｒＦレーザ光をＣＯ２レーザ照射開始３．８４ｍｓｅｃ後に照射した場合に、横方向成長距離は約１０μｍ、ベア領域側に広がる溶融領域幅は約２μｍであった。
【００９０】
図６は、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態１において、結晶化工程を説明するための斜視図であり、図７は、図６の平面図である。
【００９１】
図５〜図７に示すように、上記第１のレーザ光８および第２のレーザ光９が照射されると、キャップ領域Ｓｉ膜３は完全溶融され、それと共に熱伝導によってベア領域Ｓｉ膜４側に溶融領域が広がる。この溶融領域の広がりは、上記レーザ照射条件では約２μｍであるので、透光性絶縁膜１の間隔が３μｍであれば、ベア領域Ｓｉ膜４は全て溶融される。
【００９２】
第１のレーザ光８の照射が終わった後、Ｓｉ膜２の冷却が始まるが、ベア領域Ｓｉ４は、熱容量の大きなシリコン酸化膜からなる透光性絶縁膜１で覆われたキャップ領域Ｓｉ３に比べて、温度低下が早くなる。また、ベア領域Ｓｉ４では、キャップ領域から離れるほど冷却速度が大きくなるため、ベア領域Ｓｉ４の中央部から結晶化が始まる。Ｓｉ膜２は、結晶化されたベア領域Ｓｉ４を結晶核として、キャップ領域Ｓｉ膜３の中央に向かって横方向に結晶成長されて結晶化される。
【００９３】
横方向結晶成長距離は、ＫｒＦレーザ停止後もＣＯ２レーザ光を照射し続けることによって、ＫｒＦレーザ光単独で照射した場合よりも長くなる。例えば、上記照射条件に加えて、ＫｒＦレーザ光停止後もＣＯ２レーザ光を０．１２ｍｓｅｃ照射し続けると、横方向結晶成長距離は約１０μｍとなる。これに対して、１５０ｍＪ／ｃｍ２のＫｒＦレーザ光単独で照射した場合には、横方向結晶成長距離は約１μｍである。したがって、キャップ領域Ｓｉ３の幅を２０μｍ以下、例えば１５μｍに設定すれば、キャップ領域Ｓｉ３の中央に向かって成長された結晶粒がキャップ領域Ｓｉ３の中央部で衝突する。
【００９４】
その後、ＢＨＦ１１０を用いたエッチングによって透光性絶縁膜１をＳｉ膜２上から除去する。
【００９５】
このようにして形成された本実施形態１の結晶性半導体膜の平面図を図８に示している。
【００９６】
図８は、本発明の結晶性半導体膜の実施形態１を模式的に示す平面図である。ここでは、透光性絶縁膜１が除去された後、ＳＥＭによって観察した結晶性シリコン膜の結晶状態を示している。
【００９７】
結晶性シリコン膜を構成する結晶粒は、ベア領域Ｓｉ膜４の中央付近からキャップ領域Ｓｉ膜３の中央に向かってそれぞれ横方向成長されており、キャップ領域Ｓｉ膜３の中央において互いにぶつかり合っている。キャップ領域Ｓｉ膜３の中央において、キャップ領域Ｓｉ膜３の長手方向に沿って結晶粒界が形成されている。
【００９８】
その結果、結晶性シリコン膜には、横方向に成長され、長さが結晶成長距離のほぼ２倍の結晶粒が、隙間なく形成されている。
【００９９】
上記構成の本実施形態１の結晶性シリコン膜を用いて、半導体装置およびその製造方法について説明する。
【０１００】
以上のようにして形成された本実施形態１の結晶性シリコン膜を用いて、結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置されたｎチャネル薄膜トランジスタ、および結晶粒の幅方向に沿ってチャネル領域が配置されたｎチャネル薄膜トランジスタを作製する。
【０１０１】
本実施形態１の結晶性シリコン膜では、結晶成長方向における結晶粒の長さが長く、例えば、キャップ領域Ｓｉ４の幅を１５μｍ、ベア領域Ｓｉ３の幅を３μｍとした場合には結晶粒の長さが約１８μｍとなる。このため、結晶成長方向に沿ってソース領域およびドレイン領域を設けて結晶成長方向に沿ってチャネル領域を配置することによって、チャネル領域内にキャップ領域Ｓｉ膜３の長手方向に沿って生成される結晶粒界を含まない薄膜トランジスタを作製することが可能である。
【０１０２】
結晶粒の幅方向に沿ってチャネル領域が配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が１１０ｃｍ２／Ｖｓであった。また、結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置され、かつ、チャネル領域内にキャップ領域Ｓｉ膜３の長手方向に沿って生成される結晶粒界を含まないｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が４００ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１０３】
閾値電圧のばらつきによって定義される不良率は、０／１００であり、結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置された１００個のｎチャネル薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、不良は生じていなかった。
【０１０４】
以上説明したように、本実施形態１の結晶性半導体膜の形成方法は、ガラス基板５上にａ−Ｓｉ膜２を形成する半導体膜形成工程と、それぞれが一定の間隔を空けてストライプ状にａ−Ｓｉ膜２上に配置される複数の透光性絶縁膜１を形成する透光性絶縁膜形成工程と、透光性絶縁膜１およびａ−Ｓｉ膜２を加熱する第２のレーザ光９を照射しながら透光性絶縁膜１で覆われるキャップ領域ａ−Ｓｉ膜３が完全溶融されるように第１のレーザ光８を透光性絶縁膜１側からａ−Ｓｉ膜２へ照射するエネルギービーム照射工程と、熱伝導によりａ−Ｓｉ膜２の溶融領域を広げて透光性絶縁膜１に覆われないベア領域ａ−Ｓｉ膜４を溶融させた後、冷却、結晶化されたベア領域Ｓｉ膜４に基づいてキャップ領域Ｓｉ膜３を結晶化させる結晶化工程と、透光性絶縁膜１をａ−Ｓｉ膜２上から除去する除去工程とを含んでいる。
【０１０５】
Ｓｉ膜２の上には透光性絶縁膜１のみを設ければよく、図１５および図１６を参照しながら上述した特許文献１の従来技術のように、反射防止膜２２と反射膜２３とをａ−Ｓｉ膜２の上に積層する必要がない。したがって、結晶性半導体膜の形成方法におけるプロセスを単純化することができ、コストを低く抑えることができる。
【０１０６】
また、特許文献１の従来技術のように、１回目のレーザ光を照射した後、２回目のレーザ光を照射する前に、反射防止膜２２の上に積層された反射膜２３を除去するために、レーザ光照射装置からガラス基板５を取り出して反射膜２３を除去し、反射膜２３が除去されたガラス基板５を再びレーザ光照射装置へセットする必要もない。したがって、結晶性半導体膜の形成方法におけるプロセスをさらに単純化することができて、コストをさらに低く抑えることができる。
【０１０７】
さらに、このようにして形成されたＳｉ膜を用いて、チャネル領域内にキャリアの移動方向に直交する結晶粒界が存在しないように、薄膜トランジスタを作製することができるため、キャリアの移動が結晶粒界によって妨げられず、高性能な薄膜トランジスタを作製することができる。
【０１０８】
なお、上記実施形態１においては、透光性絶縁膜１をシリコン酸化膜によって構成する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、透光性絶縁膜１は、シリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などによって構成してもよい。
【０１０９】
（比較例１）
以下に、比較例１の結晶性半導体膜とその形成方法について説明する。
【０１１０】
比較例１の結晶性半導体膜の形成方法と、図１〜図８を参照しながら上述した実施形態１の結晶性半導体膜の形成方法とが異なる点は、透光性絶縁膜１の膜厚をその反射率がベア領域Ｓｉ膜と同程度となる膜厚である７５ｎｍとした点、および、このために第１のレーザ光８のエネルギー密度を２００ｍＪ／ｃｍ２とした点である。その他の点は、上述した実施形態１の結晶性半導体膜の形成方法と同一であるので、その詳細な説明は省略する。
【０１１１】
このようにして形成された比較例１の結晶性シリコン膜をＳＥＭによって観察すると、キャップ領域Ｓｉ膜３においても、ベア領域Ｓｉ膜４においても、結晶粒が横方向成長されずに微結晶領域となっていた。この理由は、以下の通りである。
【０１１２】
比較例１では、キャップ領域Ｓｉ膜３およびベア領域Ｓｉ膜４の反射率が同程度となるため、透光性絶縁膜１に吸収されるレーザ光エネルギーも同程度となり、キャップ領域Ｓｉ膜３およびベア領域Ｓｉ膜４の到達温度も同程度となる。キャップ領域Ｓｉ膜３上には透光性絶縁膜としてのシリコン酸化膜（透光性絶縁膜１）が設けられているため、キャップ領域Ｓｉ膜３の冷却速度はベア領域Ｓｉ膜４に比べて遅くなるが、横方向成長を引き起こすほどの温度勾配は形成されない。これによって、微結晶領域が形成されることになる。
【０１１３】
（比較例２）
以下に、比較例２の結晶性半導体膜とその製造方法について説明する。
【０１１４】
図９および図１０は、比較例２の結晶性半導体膜の製造方法を説明するための断面図である。
【０１１５】
図９に示すように、まず、ガラス基板５上に、シリコン酸化膜によって構成されるベースコート膜６をＰ−ＣＶＤ法によって３００ｎｍの厚さに形成する。
【０１１６】
そのベースコート膜６上にａ−Ｓｉ膜２をＰ−ＣＶＤ法によって４５ｎｍの厚さに形成する。
【０１１７】
ａ−Ｓｉ膜２およびベースコート膜６が形成されたガラス基板５を電気炉の中の窒素雰囲気中において５００℃で１時間加熱することによって、ａ−Ｓｉ膜２の脱水素を行う。
【０１１８】
その後、図１０に示すように、ａ−Ｓｉ膜２の上にＰ−ＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を３２ｎｍの厚さに形成する。
【０１１９】
シリコン酸化膜２２の上にスパッタリング法によってアルミニウム膜を３００ｎｍの厚さに蒸着する。ＢＣｌ３を用いたドライエッチングによってシリコン酸化膜の上に形成されたアルミニウム膜をパターニングして反射膜２３を形成する。
【０１２０】
パターニングして形成された反射膜２３をマスクとしてＢＨＦ１１０を使用したエッチングによってシリコン酸化膜をパターニングして反射防止膜２２を形成する。このようにして、反射防止膜２２と反射膜２３との積層膜が、それぞれ２μｍの間隔を空けて２μｍの幅（平行状態）を有するストライプ状に、ａ−Ｓｉ膜２の上に形成される。
【０１２１】
次に、２００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する１回目のレーザ光を２４８ｎｍの波長を有するＫｒＦレーザ光によって反射防止膜２２と反射膜２３との積層膜側からａ−Ｓｉ膜２へ照射する。
【０１２２】
その後、燐酸と酢酸とを用いたＳＬＡエッチャントによって、反射膜２３をエッチングして除去する。
【０１２３】
１６０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する２回目のレーザ光を反射防止膜２２側からａ−Ｓｉ膜２へ照射する。１回目レーザ光および２回目のレーザ光ともに、ビームサイズは０．５ｍｍ×１００ｍｍであり、Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  Ｒａｔｅは８０Ｈｚであり、ステージ送り速度は４０ｍｍ／秒である。ＢＨＦ１１０を使用したエッチングによって反射防止膜２２をａ−Ｓｉ膜２から除去する。このようにして形成された比較例２の結晶性半導体膜を図１１に示している。
【０１２４】
図１１は、比較例２の結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。図１１では、反射防止膜２２を除去した後、ＳＥＭによって観察した結晶性シリコン膜の結晶状態を示している。
【０１２５】
図１１において、キャップ領域Ｓｉ膜３を構成する結晶粒は、キャップ領域Ｓｉ膜３の両端から中央に向かってそれぞれ横方向成長されている。ベア領域Ｓｉ膜４を構成する結晶粒は、ベア領域Ｓｉ膜４の両端から中央に向かってそれぞれ横方向成長されている。しかしながら、シミ状の斑点２４が所々に形成されている。これは、１回目のレーザ光が照射されたときに、金属によって構成された反射膜２３が溶融してベア領域Ｓｉ膜４上に流れ落ち、または反射膜２３が蒸発・気化してベア領域Ｓｉ膜４上に付着するために、Ｓｉ膜２が汚染されたものである。
【０１２６】
次に、このようにして形成された結晶性シリコン膜を用いて、幅方向に沿ってチャネル領域が配置されたｎチャネル薄膜トランジスタ、および結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置されたｎチャネル薄膜トランジスタを作製する。
【０１２７】
幅方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が１００ｃｍ２／Ｖｓであった。また、結晶成長方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が２９５ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１２８】
しかしながら、閾値電圧のばらつきは、上記実施形態１の薄膜トランジスタの閾値電圧のばらつきよりも大きく、閾値電圧のばらつきによって定義される不良率は、１３／１００であった。また、結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置された１００個のｎチャネル薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、１３個の不良があった。
【０１２９】
（実施形態２）
本実施形態２では、上記実施形態１の結晶性半導体膜の製造方法によって製造された結晶性半導体膜をチャネル領域として構成した半導体装置としての薄膜トランジスタとその製造方法について説明する。
【０１３０】
図１２は、本発明の薄膜トランジスタの製造方法の実施形態２を説明するための平面図であり、図１３は、本実施形態２の薄膜トランジスタの構成を示す平面図である。
【０１３１】
まず、上記実施形態１と同様に、ガラス基板５上に、ベースコート膜６を形成する。ベースコート膜６上にａ−Ｓｉ膜２を形成する。次に、ａ−Ｓｉ膜およびベースコート膜が形成されたガラス基板を電気炉の中において加熱することによって、ａ−Ｓｉ膜の脱水素を行う。
【０１３２】
図１２に示すように、ａ−Ｓｉ膜は、互いに隣接するように設けられた略長方形状をした第１の領域１０および第２の領域１１を有している。第１の領域１０には、図１２における左右方向に沿って、ストライプ状に一定の間隔を空けて複数の透光性絶縁膜１を平行に形成する。また、第２の領域１１には、第１の領域１０に形成された透光性絶縁膜１の長手方向に垂直な方向である図１２の上下方向に沿って、ストライプ状に一定の間隔を空けて複数の透光性絶縁膜１を平行に形成する。
【０１３３】
このように、第１の領域１０に形成された透光性絶縁膜１の長手方向は、第２の領域１１に形成された透光性絶縁膜１の長手方向と直交している。第１の領域１０においてキャップ領域Ｓｉ膜およびベア領域Ｓｉ膜の結晶粒が成長する方向は、第１の領域１０に形成された透光性絶縁膜１の長手方向である図１２の左右方向に対して垂直な上下方向である。
【０１３４】
また、第２の領域１１におけるキャップ領域Ｓｉ膜およびベア領域Ｓｉ膜の結晶粒が成長する方向は、第２の領域１１に形成された透光性絶縁膜１の長手方向の図１２の上下方向に対して垂直な左右方向である。
【０１３５】
したがって、第１の領域１０における結晶粒は、第２の領域１１における結晶粒が成長する方向と垂直な方向に沿って成長される。
【０１３６】
このため、図１３に示すように、第１の領域１０においては結晶粒が成長する上下方向に沿ってソース領域１３およびドレイン領域１４を設け、かつ、チャネル領域内に左右方向の結晶粒界を含まないようにＴＦＴ１２を形成する。また、第２の領域１１においては結晶粒が成長する左右方向に沿ってソース領域１３およびドレイン領域１４を設け、かつ、チャネル領域内に上下方向の結晶粒界を含まないようにＴＦＴ１２を形成する。これによって、キャリア移動度が高いチャネル領域を有するＴＦＴを形成することができ、高性能なＴＦＴを得ることができる。
【０１３７】
以上により、上記実施形態１．２によれば、半導体膜２を形成する工程と、半導体膜２上に、透光性絶縁膜１を、第１のレーザ光に対する反射率がベア領域半導体膜の反射率よりも２０％以上低くなるような膜厚にて形成する透光性絶縁膜形成工程と、透光性絶縁膜１および半導体膜２を加熱する第２のエネルギービーム８を照射しながら、第１のエネルギービーム９をキャップ領域完全溶融エネルギーよりも大きなエネルギーによって照射するエネルギービーム照射工程と、キャップ領域半導体膜を先に結晶化されたベア領域半導体膜に基づいて結晶化させるキャップ領域結晶化工程と、透光性絶縁膜２を半導体膜１上から除去する除去工程とを有する。したがって、従来のように反射防止膜上に反射膜を設けていないためにプロセスを簡略化することができる。また、１回目のレーザ光照射後に２回目のレーザ光照射前に、従来のように反射膜を除去する工程が必要がないためにプロセスを簡略化することができる。さらに、従来のようにレーザ光照射時に反射膜が溶融または蒸発・気化してベア領域半導体膜に付着することがないために、薄膜トランジスタの特性低下や特性ばらつきを抑制することができる。よって、高性能な結晶性半導体膜を簡単なプロセスで低コストに形成することができる。また、この高性能な結晶性半導体膜を用いて、キャリア移動度が高いチャネル領域を有する高性能な半導体装置として、例えば薄膜トランジスタを低不良率でかつ低コストに作製することができる。
【０１３８】
なお、上記実施形態１，２では、結晶化工程において、加熱用のエネルギービーム（第２のエネルギービーム）を照射しつつ熱伝導により溶融領域を広げたベア領域Ｓｉ膜４の中央部からキャップ領域Ｓｉ膜３の中央部に向かって結晶化させるように構成したが、完全溶融したキャップ領域Ｓｉ膜３から、溶融していないかまたは不完全に溶融したベア領域Ｓｉ膜４へと広げた溶融領域の位置からキャップ領域Ｓｉ膜３へと結晶成長させるようにしてもよい。即ち、ベア領域Ｓｉ膜４とキャップ領域Ｓｉ膜３との境界部分を除くベア領域Ｓｉ膜４の中央部または、中央部までの領域（または中央部を越えた領域）からキャップ領域Ｓｉ膜３の中央位置に向かって結晶化させるようにすれば本発明の効果を得ることができる。
【０１３９】
【発明の効果】
以上により、本発明によれば、プロセスが単純な結晶性半導体膜の製造方法によって、低コストで横方向に結晶成長された高性能な結晶性半導体膜を隙間なく形成することができる。また、プロセスが単純な半導体装置の製造方法によって、キャリア移動度が高いチャネル領域を有する高性能な半導体装置を、低不良率でかつ、低コストに作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態１において、アモルファスシリコン膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【図２】本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態１において、透光性絶縁膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【図３】本実施形態１の透光性絶縁膜形成工程を説明するための斜視図である。
【図４】図２の透光性絶縁膜の一種であるシリコン酸化膜の膜厚とその反射率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態１において、レーザ光を照射する工程を説明するための断面図である。
【図６】本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態１において、結晶化工程を説明するための斜視図である。
【図７】結晶化工程を説明するための図６の平面図である。
【図８】本発明の結晶性半導体膜の実施形態１を模式的に示す平面図である。
【図９】比較例２の結晶性半導体膜の製造方法におけるａ−Ｓｉ膜形成工程を説明するための断面図である。
【図１０】比較例２の結晶性半導体膜の製造方法における反射防止膜と反射膜の積層膜形成工程を説明するための断面図である。
【図１１】比較例２の結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。
【図１２】本発明の薄膜トランジスタの製造方法の実施形態２を説明するための平面図である。
【図１３】図１２の薄膜トランジスタの平面図である。
【図１４】（ａ）は、従来の結晶性半導体膜の製造方法を説明する断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。
【図１５】従来の他の結晶性半導体膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】従来の他の結晶性半導体膜の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１  透光性絶縁膜
２  ａ−Ｓｉ膜（またはＳｉ膜）
３  キャップ領域ａ−Ｓｉ膜（またはキャップ領域Ｓｉ膜）
４  ベア領域ａ−Ｓｉ膜（またはベア領域Ｓｉ膜）
５  ガラス基板
６  ベースコート膜
８  第１のレーザ光
９  第２のレーザ光
１０    第１の領域
１１    第２の領域
１２    薄膜トランジスタ
１３    ソース領域
１４    ドレイン領域
２２  反射防止膜
２３  反射膜
２４    シミ状の斑点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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