(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出発薄膜を溶融再固化させる工程を含む結晶性薄膜の製造方法であって、
小領域と前記小領域とは状態の異なる周囲の領域とが少なくとも連続して共存する非晶質薄膜を上記出発薄膜として用い、
前記小領域と前記周囲の領域の両方を溶融して、少なくとも前記周囲の領域を完全溶融させる溶融過程と、
前記小領域において単一の結晶粒を周囲の領域に対して優先的に成長させる冷却固化過程と、
を有することを特徴とする結晶性薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記出発薄膜の溶融再固化過程において、最大溶融時に前記小領域において単一の結晶粒もしくは結晶性クラスターが未溶融で残留する請求項１に記載の結晶性薄膜の製造方法。
【請求項３】
上記出発薄膜が結晶粒もしくは結晶性クラスターを含む薄膜であり、前記出発薄膜の溶融再固化において未溶融で残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が、前記小領域と前記周囲の領域との状態の違いによって決定する請求項２に記載の結晶性薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記状態の違いが、結晶粒もしくは結晶性クラスターのバルク部分、表面、隣接する結晶粒もしくは結晶性クラスター間の粒界の各融点である請求項３に記載の結晶性薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記状態の違いが、該出発薄膜の溶融再固化において溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさである請求項２に記載の結晶性薄膜の製造方法。
【請求項６】
上記結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが、出発薄膜の元素組成比、含有不純物濃度、表面吸着物質、出発物質が接している基体との界面状態のいずれかによって制御された請求項５に記載の結晶性薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記状態の違いが、液相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさである請求項１に記載の結晶性薄膜の製造方法。
【請求項８】
上記結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが、出発薄膜の元素組成比、含有不純物濃度のいずれかによって制御された請求項７に記載の結晶性薄膜の製造方法。
【請求項９】
上記出発薄膜における前記小領域と前記周囲の領域の空間的位置を制御することによって、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置を制御する請求項１〜８のいずれかに記載の結晶性薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラットパネルディスプレイやイメージセンサ、磁気記録装置、情報処理装置など高い空間的均質性を要する大規模集積回路に用いられる結晶性薄膜及びその製造方法、該結晶性薄膜を用いた素子、該素子を用いた回路、該素子もしくは該回路を含む装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイ等に代表されるフラットパネルディスプレイは、画素駆動用の回路のパネルへのモノリシックな実装とその高性能化によって、画像表示の高精細化、高速化、及び多階調化を図ってきた。単純マトリクス駆動のパネルは画素毎にスイッチングトランジスタを備えたアクティヴマトリクス駆動に発展し、さらにそのアクティヴマトリクス駆動に用いるシフトレジスタ回路を同一パネル上周辺に作製することによって、今日、動画像にも対応するフルカラーの高精細液晶ディスプレイが提供されている。
【０００３】
このような周辺駆動回路まで含めたモノリシック実装が実用的な製造コストで可能となったのは、電気的特性に優れた多結晶シリコン薄膜の安価なガラス基体上への形成技術に負うところが大きい。即ち、ガラス基体上に堆積した非晶質シリコン薄膜をエキシマレーザーなどの紫外域の短時間パルス光によって、ガラス基体を低温に保ったままを溶融再固化させて多結晶シリコン薄膜を得る技術である。同じ非晶質シリコン薄膜を出発材料としてこれを固相で結晶化させた多結晶薄膜を構成する結晶粒に比べて、溶融再固化法によって得られる結晶粒は内部の結晶欠陥密度が低く、該薄膜を活性領域として用いて構成した薄膜トランジスタは高いキャリア移動度を示す。そのためサブミクロン程度の平均粒径を持つ多結晶シリコン薄膜でも、対角数インチ程のサイズで高々１００ｐｐｉ以下の精細度の液晶ディスプレイには十分な性能を示すアクティヴマトリクス駆動用モノリシック回路を製造することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、次世代に望まれるより大画面或いは高精細な液晶ディスプレイに対して、現行の溶融再固化多結晶シリコン薄膜を用いる薄膜トランジスタは性能が不足していることが明らかとなっている。また、液晶ディスプレイよりも高電圧或いは大電流での駆動を要するプラズマディスプレイやエレクトロルミネッセンスディスプレイの駆動回路用素子、或いは医療用大画面Ｘ線イメージセンサの高速駆動回路用の素子など、今後発展が期待されている用途においても上記多結晶シリコン薄膜は性能不足である。いかに結晶粒内の欠陥密度が低いとは言え、多結晶シリコン薄膜の平均粒径が高々サブミクロン程度ではこれらの高性能素子は得られない。なぜなら、ミクロン程度のサイズを有する素子の活性領域内に、電荷移動の大きな障害となる結晶粒界が多く含まれるからである。
【０００５】
結晶粒界の密度を低減させるためには、これと逆比例関係にある平均結晶粒径を拡大することが極めて有効である。非晶質シリコン薄膜の短時間溶融再固化法においても、平均粒径をミクロン程度かそれ以上に増大させる方法がこれまでにいくつか提案されて来た。しかしそれらの方法では、平均粒径は拡大したものの粒径分布は広範囲に亙っており〔例えば、Ｊ．Ｓ．Ｉｍ，Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ．６３，１９６９（１９９３），Ｈ．Ｋｕｒｉｙａｍａ，Ｔ．Ｈｏｎｄａ，Ｓ．Ｉｓｈｉｄａ，Ｔ．Ｋｕｗａｈａｒａ，Ｓ．Ｎｏｇｕｃｈｉ，Ｓ．Ｋｉｙａｍａ，Ｓ．Ｔｓｕｄａ，ａｎｄ  Ｓ．Ｎａｋａｎｏ，Ｊｐｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３２，６１９０（１９９３）〕，粒界の空間的位置が制御されていない〔例えば、Ｔ．Ｓａｍｅｓｈｉｍａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３２，Ｌ１４８５（１９９３），Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍ  ａｎｄ  Ｊ．Ｓ．Ｉｍ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８，１５１３（１９９６）〕ために、平均粒径の拡大によって素子の活性領域に含まれる粒界密度の複数素子間でのバラツキが反って増大し、ひいては素子特性の大きなバラツキを招いてしまう。或いは、方法そのものがあまりにトリッキー過ぎる〔例えばＤ．Ｈ．Ｃｈｏｉ，Ｋ．Ｓｈｉｍｉｚｕ，Ｏ．Ｓｕｇｉｕｒａ  ａｎｄ  Ｍ．Ｍａｔｓｕｍｕｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３１，４５４５（１９９２），Ｈ．Ｊ．Ｓｏｎｇ  ａｎｄ  Ｊ．Ｓ．Ｉｍ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ  ６８，３１６５（１９９６）〕ために製造に適さず実用に供さない。
【０００６】
これら問題のうち、後者に関しては改善の見込みがないが、前者には解決に向けた方法論が存在する。それは結晶粒の形成位置を制御することにより、結晶粒界の位置と粒径分布を制御するというアイデアであり、これまでに多結晶薄膜の化学気相堆積や薄膜の固相結晶化などにおいて実証されてきた〔例えば、Ｈ．Ｋｕｍｏｍｉ  ａｎｄ  Ｔ．Ｙｏｎｅｈａｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６，１３８３（１９９７），Ｈ．Ｋｕｍｏｍｉ  ａｎｄ  Ｆ．Ｇ．Ｓｈｉ，”Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ”Ｖｏｌｕｍｅ  １，Ｃｈａｐｔｅｒ  ６，”Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ，Ｇｒｏｗｔｈ，ａｎｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ”ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｈ．Ｓ．Ｎａｌｗａ（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，２００１）を参照のこと〕。
【０００７】
また、溶融再固化による結晶性薄膜形成においても、同じアイデアを実現しようとする試みがこれまでいくつか報告されている。Ｎｏｇｕｃｈｉ（特開平５−１０２０３５号公報）及びＩｋｅｄａ〔Ｔ．Ｎｏｇｕｃｈｉ  ａｎｄ  Ｙ．Ｉｋｅｄａ，Ｐｒｏｃ．Ｓｏｎｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｆｏｒｕｍ，２００（Ｓｏｎｙ  ｃｏｒｐ．，Ｔｏｋｙｏ，１９９３）〕は、エキシマレーザーアニールによる非晶質シリコン薄膜の溶融再固化において、非晶質シリコン薄膜上層に設けた遮光膜の一部に開口部を開け、エキシマレーザービームを照射している。これにより開口部の非晶質シリコンのみが選択的に溶融再固化し、薄膜面内に優先的な結晶化領域が形成される。Ｔｏｅｔ等〔Ｄ．Ｔｏｅｔ，Ｐ．Ｖ．Ｓａｎｔｏｓ，Ｓ．Ｅｉｔｅｌ，ａｎｄ  Ｍ．Ｈｅｉｎｔｚｅ，Ｊ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓ  １９８／２００，８８７（１９９６）；Ｄ．Ｔｏｅｔ，Ｂ．Ｋｏｏｐｍａｎｓ，Ｐ．Ｖ．Ｓａｎｔｏｓ，Ｒ．Ｂ．Ｂｅｒｇｍａｎｎ，ａｎｄ  Ｂ．Ｒｉｃｈａｒｄｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９，３７１９（１９９６）；Ｄ．Ｔｏｅｔ，Ｂ．Ｋｏｏｐｍａｎｓ，Ｒ．Ｂ．Ｂｅｒｇｍａｎｎ，Ｂ．Ｒｉｃｈａｒｄ，Ｐ．Ｖ．Ｓａｎｔｏｓ，Ｍ．Ａｒｂｒｅｃｈｔ，ａｎｄ  Ｊ．Ｋｒｉｎｋｅ，Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ２９６，４９（１９９７）〕は、非晶質シリコン薄膜に直径約１μｍまで集束させたＡｒレーザービームを照射し、その照射領域のみに溶融再固化を限定している。
【０００８】
しかしながら、上記した方法では、結晶化領域に多くの結晶粒が含まれ、領域内での結晶粒の位置はランダムであり、且つ領域に形成された結晶粒の数は複数の領域間で大きくばらついていた。
【０００９】
また、ＩｓｈｉｈａｒａとＷｉｌｔ〔Ｒ．Ｉｓｈｉｈａｒａ  ａｎｄ  Ｐ．Ｃｈ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｌｔ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３７，Ｌ１５（１９９８）；Ｐ．Ｃｈ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｌｔ  ａｎｄ  Ｒ．Ｉｓｈｉｈａｒａ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ  Ｓｏｌ．（Ａ）１６６，６１９（１９９８）〕は、酸化膜で覆われたシリコン単結晶基体上の非晶質シリコン薄膜のエキシマレーザーアニールによる溶融再固化において、ヒロック形状を設けたシリコン単結晶基体に酸化膜を堆積し、これを平坦化する方法を報告している。ヒロック直上の部分では下地酸化膜の厚さが他に比べて局所的に薄くなっているために、溶融シリコン薄膜から基体への熱流出が速く冷却が速い。その結果、領域を中心として優先的に固化が始まり、結晶粒が成長する。発案者らは、ヒロックの投影面積とその直上の酸化膜膜厚を最適化することによって、ヒロック部に単一の結晶粒を成長させる可能性にも言及しているが、その成否は未確認である上に、最適条件の窓は極めて狭い。また、この方法は熱伝導性の高い下地基体を用いる必要があり、ガラス基体を用いる場合には適用不能である。さらにその下地基体の微細加工と酸化膜の平坦化という大面積加工には困難な工程も必要であり、実用性に乏しい。
【００１０】
このように、溶融再固化による結晶性薄膜形成における結晶粒形成位置の制御は甚だ困難である。しかし、もしこれが実現されるなら、前術の通り、溶融再固化結晶性薄膜は結晶粒内の欠陥密度が低いために、他の薄膜形成方法にも増して、薄膜の特性向上に対して多大な効果が期待できる。
【００１１】
本発明の課題は、上記したように、ガラス基体等へも適用可能な汎用性の高い溶融再固化による結晶性薄膜の製造方法において結晶粒位置を高度に制御する新たな方法を実現し、該製造方法によって結晶粒位置を高度に制御した結晶性薄膜を提供し、さらには該薄膜を用いて高性能な素子、回路、並びに装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、出発薄膜を溶融再固化させる工程を含む結晶性薄膜の製造方法であって、
小領域と前記小領域とは状態の異なる周囲の領域とが少なくとも連続して共存する非晶質薄膜を上記出発薄膜として用い、
前記小領域と前記周囲の領域の両方を溶融して、少なくとも前記周囲の領域を完全溶融させる溶融過程と、
前記小領域において単一の結晶粒を周囲の領域に対して優先的に成長させる冷却固化過程と、
を有することを特徴とする結晶性薄膜の製造方法である。
【００１３】
上記本発明の結晶性薄膜の製造方法においては、前記出発薄膜の溶融再固化過程において、最大溶融時に前記小領域において単一の結晶粒もしくは結晶性クラスターが未溶融で残留することを好ましい態様として含む。また、当該態様においては下記の構成をさらに好ましい態様として含む。
【００１４】
上記出発薄膜が結晶粒もしくは結晶性クラスターを含む薄膜であり、前記出発薄膜の溶融再固化において未溶融で残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が、前記小領域と前記周囲の領域との状態の違いによって決定する。
【００１５】
前記状態の違いが、結晶粒もしくは結晶性クラスターのバルク部分、表面、隣接する結晶粒もしくは結晶性クラスター間の粒界の各融点である。
【００２０】
前記状態の違いが、該出発薄膜の溶融再固化において溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさであり、特に、上記結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが、出発薄膜の元素組成比、含有不純物濃度、表面吸着物質、出発物質が接している基体との界面状態のいずれかによって制御されている。
【００２１】
また、上記本発明の結晶性薄膜の製造方法は、前記状態の違いが、液相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさであり、特に、上記結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが、出発薄膜の元素組成比、含有不純物濃度のいずれかによって制御されたことを好ましい態様として含む。
【００２２】
さらに、上記本発明の結晶性薄膜の製造方法は、上記出発薄膜における前記小領域と前記周囲の領域の空間的位置を制御することによって、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置を制御すること、を好ましい態様として含む。
【００２６】
本発明が解決しようとする第一の課題は、溶融再固化における結晶粒形成位置の精密制御である。再び上述の従来方法に目を転ずると、それらはいずれも薄膜の面内に熱的な分布を与えることによる優先的な再固化に頼っていることが分かる。確かに薄膜の溶融もしくは溶融後の核形成及び成長による結晶粒形成は薄膜の温度に強く支配されるので、薄膜面内の温度分布を空間的且つ時間的に精密制御できるなら、これは有望なアプローチかもしれない。しかしながら実際には、溶融の前後を問わず薄膜内の熱伝導は思いのほか速く、二次元熱解析シミュレーション〔Ｇｕｐｔａ，Ｓｏｎｇ，ａｎｄ  Ｉｍ，Ｍａｔ  Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．３９７，４６５（１９９６）〕が示唆する通り、例え短時間溶融再固化であっても急峻な温度差を特定の領域に限定することは難しい。また、エキシマレーザーのような短波長光を用いる短時間アニールの場合、上述の熱解析シミュレーション及びその場観察の結果〔Ｈａｔａｎｏ，Ｍｏｏｎ，Ｌｅｅ，Ｓｕｚｕｋｉ，ａｎｄ  Ｇｒｉｇｏｒｏｐｏｕｌｏｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８７，３６（２０００）〕が明らかにした通り、薄膜の溶融と再固化は膜厚方向にも時間的に変化し、結晶粒形成の過程を通じて一定の温度分布条件を与えることなど元来不可能である。本発明者等は、これら原因こそが従来方法において単一結晶粒の形成位置もしくは形成される結晶粒の数密度の制御を困難にしていることを洞察し、薄膜面内に熱的な分布を与えるアプローチではその実現は望めないと結論するに至った。そして鋭意研究の末に、熱的分布による従来アプローチとは全く異なる、下記の手段による新方法を発明した。
【００２７】
即ち本発明においては、溶融再固化されるべき出発材料たる薄膜において、互いに状態の異なる領域を設けたことに特徴を有する。本発明において、出発薄膜内の異なる領域の存在が溶融再固化過程に与える効果を考察するために、先ず、近年ようやく明らかになりつつある溶融再固化の動的過程について説明する。
【００２８】
溶融再固化による結晶性薄膜形成は、出発薄膜の温度上昇に伴う溶融に始まる。溶融直前の薄膜が例えば多結晶体であったり、或いは結晶性クラスターを含む非晶質体であるような不均質な構造を有する場合、薄膜の融点もまた、薄膜の構成要素に応じて不均質となる。ここで、多結晶薄膜を構成する結晶粒もしくは結晶性クラスター内部のバルク領域の融点をＴC、その表面の融点をＴS、隣接する結晶粒が接する結晶粒界の融点をＴB、そして非晶質領域の融点をＴAとすれば、一般にＴC＞ＴS〜ＴB＞ＴAであることが知られている。溶融直前の薄膜がこのような要素から構成されているとき、その溶融過程のヴァリエーションは、溶融のための到達温度ＴM、温度上昇速度ｄＴ／ｄｔ、到達温度保持時間、出発薄膜の構造に応じて、下記表１〜表４のように分類、要約することができる。
【００２９】
【表１】
0004310076.tif 000002
【００３０】
【表２】
0004310076.tif 000003
【００３１】
【表３】
0004310076.tif 000004
【００３２】
【表４】
0004310076.tif 000005
【００３３】
エキシマレーザーのような短波長光を用いるアニールの場合、レーザー光の薄膜への進入深さが浅く、薄膜表面近傍が専ら加熱される。その下部は表面近傍からの熱伝導によって加熱されるために、溶融の動的過程には薄膜深さ方向の遷移過程も上記表１〜表４の分類に加わる。即ち、溶融は表面近傍から始まり、薄膜の下地基体との界面へ向けて伝播する。しかし、各深さにおける溶融状態は表１〜表４に遵う。
【００３４】
表１〜表４にまとめた溶融過程のうち、薄膜のいずれの部位も溶融しない系は溶融再固化の対象とならないので、本発明が考慮すべき対象からは除外してよい。従って、到達温度、温度上昇速度、到達温度保持時間、及び出発薄膜の構造の様々なヴァリエーションに関わらず、溶融状態は（１）薄膜全体が液相にある完全溶融（ｃｏｍｐｌｅｔｅ  ｍｅｌｔｉｎｇ）状態か、（２）液相中に結晶性固相領域が分散共存する不完全溶融状態（ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ  ｍｅｌｔｉｎｇ）に大別される。次に、これら二種の溶融状態にある薄膜に対する加熱を終了し、薄膜が冷却される時の再固化過程について考察する。
【００３５】
完全溶融状態の薄膜が固化するには、液相中で自発的な結晶核形成が生じる必要がある。古典的核形成理論に遵えば、液相中単位時間単位体積あたりに発生する結晶核の数、即ち核形成頻度Ｊ∝ｅｘｐ（−Ｗ*／ｋＴ）は結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ*と系の絶対温度Ｔによって決定され、さらに結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ*∝ＴC／ΔＴは結晶バルクの融点ＴCと過冷却度ΔＴ＝Ｔ−ＴCによって決定されるので、ＪはＴの低下と共に複合指数関数的に増大する。そのため、溶融薄膜の温度が融点ＴCを下回っても直ぐに核形成は起こらず、溶融薄膜はしばらく液相のままその温度をＴCより大きく下げた後、爆発的な自発的結晶核形成によって急速に固化する。従って、自発的核形成が観測し得る過冷却度と最終的な結晶粒濃度は、溶融薄膜の冷却速度ｄＴ／ｄｔと結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ*の大きさに支配される。後者は上述の通り過冷却度に依存するばかりでなく、出発材料の様々な状態にも左右される。
【００３６】
一方、不完全溶融状態の薄膜では、冷却の開始と同時に液相中に分散残留している結晶粒もしくは結晶性クラスターを種結晶として液相エピタキシャル成長が始まる。そのため、溶融時に残留した結晶粒もしくは結晶性クラスターは先行して成長し、過冷却度が大きくなった時点で残っている溶融領域にのみ高速な自発的結晶核形成による微小な結晶粒群が形成される。薄膜がゆっくりと冷却されるか、或いは、溶融時に残留した結晶粒もしくは結晶性クラスターの濃度が十分高いか、またはそのサイズが大きければ、自発的な結晶核形成を待たずして、薄膜全体は残留結晶粒もしくは結晶性クラスターの成長のみにより固化することもできる。逆に、薄膜が急冷されるか、或いは、溶融時に残留した結晶粒もしくは結晶性クラスターの濃度が低いか、またはそのサイズが小さければ、残留結晶粒もしくは結晶性クラスターが大きく成長する前に、溶融領域の過冷却度が増大し、爆発的な自発的結晶核形成が生じることによって、薄膜の多くの領域が微小な結晶粒群によって占められる。従って、最終的な結晶粒濃度及びそのサイズ分布は、溶融薄膜の冷却速度ｄＴ／ｄｔと溶融時の残留結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布によって支配される。後者はさらに、表１〜表４に示した通り、到達温度ＴM、温度上昇速度ｄＴ／ｄｔ、到達温度保持時間など薄膜の温度条件と、出発薄膜に含まれる結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布により記述される出発薄膜の結晶性に関する構造、出発薄膜が溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁、結晶粒もしくは結晶性クラスター内部のバルク領域の融点ＴC、その表面の融点ＴS、隣接する結晶粒が接する結晶粒界の融点ＴB、そして非晶質領域を含むならその融点ＴAなどの熱力学的特性、という出発薄膜の状態により決定される。
【００３７】
尚、本発明において、「結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布」とは、あるサイズ、ｇ、の結晶粒もしくは結晶性クラスターの単位体積当たりの個数、ｆ（ｇ）をｇの関数として定義する物理量である。従って、二つの「結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布」を比較するに際して、サイズ空間全域（ｇ＞０）にわたる全てのｇにおいてｆ（ｇ）が等しくない限り、それらは異なる「結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布」である。
【００３８】
言い換えれば、薄膜中の二つの領域について、単位体積当たりに含まれる結晶粒もしくは結晶性クラスターについて、その粒径、及び、各粒径における結晶粒もしくは結晶性クラスターの個数の絶対値が一致して初めてこれら領域は「結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布」が同じであると言える。
【００３９】
以上の議論を総合すると、溶融再固化による多結晶薄膜の結晶粒構造は、溶融状態の完全／不完全を問わず、溶融のための加熱、及び固化のための冷却における温度条件か、或いは構造や熱力学的特性を含めた出発薄膜の状態によって決定されるという一般化された結論を導くことができる。結晶粒の形成位置制御という観点からこの結論を眺めた場合、前者の温度条件を薄膜面内で空間的に制御することは従来から試みられてきたことであり、その困難さも既に述べた通りである。本発明者等はこのように詳細な考察の末、後者の出発薄膜の状態を空間的に制御するという手段により、結晶粒の形成位置制御を実現する可能性を合理的に洞察した。即ち、本発明において課題を解決するための手段とは、出発薄膜の状態を空間的に制御することである。以下に、その作用を本発明実施の形態に即して説明する。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の最も基本的な実施形態を図１及び図２に、そしてそれらの発展形態を図３〜図９に示す。図中、薄膜はその表面もしくは界面に鉛直な方向に薄膜の一部を切り出した断面によって模式的に表されている。尚、本発明にかかる薄膜はその上下に設けた別の層と接していてもよいが、図１〜図９においては便宜上それらを省略し、薄膜のみを図示する。尚、図１〜図９中、１は小領域、２は周囲の領域、３は出発薄膜、４は溶融再固化のための投与エネルギー、５は結晶性クラスター、６は結晶粒、７は未再固化領域、８はランダムな結晶性クラスター群、９は結晶粒界である。
【００４１】
出発薄膜の状態を空間的に制御するためには、互いに状態の異なる領域を連続して薄膜に共存させればよい。図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、小領域１と周囲の領域２が連続して共存する出発薄膜３を設け、これに図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように出発薄膜３を加熱溶融するためのエネルギー４を与える。ここで、小領域１と周囲の領域２では薄膜の状態が以下のように異なっている。
【００４２】
即ち、薄膜の溶融過程の最終段階〔図１（ｃ）〕からエネルギー４の投与終了後〔図１（ｄ）〕において、小領域１には１個以上で一定数の結晶粒もしくは結晶性クラスター５が未溶融で残留し、一方周囲の領域２には小領域１に結晶粒もしくは結晶性クラスターが残留している濃度よりも十分低い濃度で結晶粒もしくは結晶性クラスターが残留するか、或いは全く残留せずに周囲の領域２が完全溶融するように、小領域１と周囲の領域２では薄膜の状態が異なっている。
【００４３】
或いは、薄膜の溶融過程の最終段階〔図２（ｃ）〕において小領域１と周囲の領域２は共に完全溶融するものの、エネルギー４の投与終了後の冷却固化過程〔図２（ｄ）〕において小領域１内の結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ*が周囲の領域２内のそれよりも低く、その結果、溶融薄膜の過冷却度が小さいうちに小領域１に優先的な結晶粒もしくは結晶性クラスター５の核形成が生じるように、小領域１と周囲の領域２では薄膜の状態が異なっていればよい。
【００４４】
このように互いに状態の異なる小領域１と周囲の領域２が共存する出発薄膜３を加熱溶融させた後、再固化させると、結晶粒もしくは結晶性クラスター５を種結晶として成長が進行し、周囲の液相薄膜を固化させて結晶粒６となる〔図１（ｅ）、２（ｅ）〕。
【００４５】
その後、結晶粒６は小領域１を越えて連続する周囲の領域２をも漸次固化させて成長を続ける〔図１（ｆ）、２（ｆ）〕。但し、結晶粒６は無限に大きく成長できるわけではない。未だ結晶粒６の成長によって再固化されていない未再固化領域７では、過冷却度の増大と共に結晶粒もしくは結晶性クラスター群８の爆発的な自発的核形成がランダムに生じる〔図１（ｇ）、２（ｇ）〕。周囲の領域２から成長してきた結晶粒６はこれら位置制御されていない結晶粒もしくは結晶性クラスター群８にその成長を阻まれ、両者の間に結晶粒界９が形成される〔図１（ｈ）、２（ｈ）〕。その結果、本実施形態においては、小領域１を中心として結晶粒６の位置が制御された溶融再固化による結晶性薄膜を形成することができる。
【００４６】
図１に示したように小領域１が不完全溶融する場合、小領域１に残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター５の数は、溶融前の小領域１に含まれる結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布、小領域１の体積、及び溶融加熱のために投与されるエネルギー４の条件によって精密に制御することができる。
【００４７】
或いは、図２に示したように小領域１及び周囲の領域２ともに完全溶融する場合、小領域１に優先的に核形成する結晶粒もしくは結晶性クラスター５の数は結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ*のみによって決定され、該結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ*は溶融前の小領域１の状態、及び固化時の温度によって精密に制御することができる。
【００４８】
従って、小領域１が不完全溶融する場合及び小領域１及び周囲の領域２ともに完全溶融する場合のいずれにおいても、図１及び図２に示したように小領域１を中心として単一の結晶粒６を成長させることはもちろん、図３に示す小領域１が不完全溶融する場合の例のように２個以上の所望の数だけ結晶粒６を成長させることも可能である。
【００４９】
図１〜図３においては、結晶粒６の形成位置を規定する小領域１が、周囲の領域２に囲まれた単一のドメインである場合の実施形態を示した。本発明においては、当該形態に限らず、小領域１を不連続且つ離散的に複数設けてもよい。
【００５０】
図４〜図６に、図１に対応する、小領域１が不完全溶融する場合の他の実施形態を示した。この時、隣接する小領域１が互いに遠く離れていると〔図４（ａ）〕、それぞれの小領域１の位置に形成される結晶粒６の間には、ランダム且つ爆発的な自発的核形成によって生じた微小な結晶粒もしくは結晶性クラスター群８が挟まれて形成されることになる〔図４（ｈ）〕。しかしながら、隣接する小領域１の間の距離が十分小さければ〔図５（ａ）〕、それらから成長してきた結晶粒６は、両領域間の未再固化領域７において位置制御されていない結晶粒もしくは結晶性クラスター群８の爆発的な自発的核形成がランダムに生じる前に、それらの成長端を衝突させ結晶粒界９を形成させることもできる〔図５（ｈ）〕。
【００５１】
また、多数の小領域１を薄膜全域に亙って配し、それらの間の最大距離が上述のような距離以下であるならば〔図６（ａ）〕、薄膜全域を位置制御された結晶粒６によって構成することも可能である〔図６（ｈ）〕。さらに、小領域１を等間隔で周期的に配するならば、位置制御された結晶粒６の大きさもほぼ等しい結晶性薄膜を形成することができる。
【００５２】
尚、図４〜図６には小領域１が不完全溶融する場合の例を示したが、図２で説明したような小領域１が完全溶融する場合でも同様の工程が可能である。
【００５３】
また、図１〜図６に示した実施形態では、小領域１及び周囲の領域２を出発薄膜３の面内方向に二次元的に設けた例を示した。本発明においては、出発薄膜３の厚さ方向の次元も加えた三次元的な構成も可能である。例えば、図７に示す通り、小領域１を薄膜の半分の厚さに設け、その上部及び周囲を周囲の領域２で覆う構成を採っても同様の溶融再固化が可能である。尚、図７では、図６で説明したような短い間隔で周期的に配した小領域１が不完全溶融する場合の例を示したが、図１〜図５に示したような他の構成或いは小領域１が完全溶融する場合においても、同様に小領域１の三次元的な構成が可能である。また、小領域１の三次元的な構成は図７に示す形態ばかりでなく、様々な形態を与えることも可能である。
【００５４】
図１〜図７に示した実施形態では、出発薄膜３がその面内方向に連続している範囲が、少なくとも小領域１もしくは結晶粒６或いは複数の小領域１の間隔より遥かに広い場合の例を示した。一方、両者を比較し得る大きさに設定することも可能である。例えば、図８に示す通り、図中に収まるほどの広さの出発薄膜３において周囲の領域２に囲まれた小領域１を設け〔図８（ａ）〕、小領域１が不完全溶融する溶融再固化を施すならば、ランダムな自発的核形成過程により生じた位置制御されていない結晶粒もしくは結晶性クラスター群８に囲まれた結晶粒６からなる再固化薄膜を得る〔図８（ｈ）〕。ここで、図９に示すように出発薄膜３の面内方向の大きさがさらに小さければ〔図９（ａ）〕、未再固化領域７において位置制御されていない結晶粒もしくは結晶性クラスター群８の爆発的な自発的核形成がランダムに生じる前に、結晶粒６の成長が出発薄膜３全域に及び、結晶粒６のみからなる再固化薄膜を得ることも可能である〔図９（ｈ）〕。図８及び図９に示した溶融再固化は、図２に示したように小領域１が完全溶融する場合にも、図３に示したように小領域１に複数の結晶粒６が成長する場合にも、図４〜図６に示したように出発薄膜３が複数の小領域１を含む場合にも、図７に示したように小領域１が三次元的構成を採る場合にも適用可能である。また、図８及び図９に示した出発薄膜３は、それら図中では省略されている基体上もしくは基体中に離散的に複数設けられていてもよい。
【００５５】
図１〜図９に示した実施形態では、出発薄膜３において互いに状態の異なる二種の小領域１及び周囲の領域２が共存する場合を挙げたが、状態の異なる領域は三種以上共存してもよい。例えば、図１における結晶粒６が一つ優先形成される小領域１と、図３における複数の結晶粒６が小領域１に優先形成される小領域１が、共通する周囲の領域２と共存する出発薄膜３を用いることも可能である。或いは、小領域１の二次元的及び三次元的形状と大きさに関して異なる複数種の小領域１を出発薄膜３に共存させることも可能である。
【００５６】
ここで、これまで説明した溶融再固化工程において小領域１と周囲の領域２を出発薄膜３に共存させる方法について、その基本的な実施形態を説明する。
【００５７】
小領域１が不完全溶融する場合、薄膜の溶融過程の最終段階において、小領域１には１個以上で一定数の結晶粒もしくは結晶性クラスター５が未溶融で残留し、一方周囲の領域２には小領域１に結晶粒もしくは結晶性クラスターが残留している濃度よりも十分低い濃度で結晶粒もしくは結晶性クラスターが残留するか、或いは全く残留せずに周囲の領域２が完全溶融するように、小領域１と周囲の領域２では薄膜の状態が異なっている。先に述べた通り、未溶融の残留結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布は、出発薄膜に含まれる結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布により定義される出発薄膜の結晶性に関する構造、出発薄膜が非晶質領域を含む場合には、出発薄膜の溶融再固化において溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁、結晶粒もしくは結晶性クラスター内部のバルク領域の融点、その表面の融点、隣接する結晶粒が接する結晶粒界の融点、出発薄膜が非晶質領域を含む場合には該非晶質領域の融点などの熱力学的特性によって決定される。従って、それら因子に関して小領域１と周囲の領域２の間に差異を設ければよい。
【００５８】
例えば、小領域１の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が周囲の領域２のそれよりも大きなサイズ領域に偏移している（粒径の大きな粒子が多い）、或いは高い濃度を有して（粒子の個数が多い）おり、出発薄膜が固相結晶化を経ずして溶融するならば、溶融過程の最終段階において小領域１に選択的に未溶融の結晶粒もしくは結晶性クラスターを残留させることができる。出発薄膜が固相結晶化を経て溶融する場合でも、結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布の両領域間における差異は固相結晶化後のサイズ分布に直接反映され、溶融時には小領域１に選択的に未溶融の結晶粒もしくは結晶性クラスターを残留させることができる。出発薄膜溶融前の固相結晶化が、出発薄膜に含まれる結晶核形成臨界サイズ以上の結晶粒の成長ではなく、主として結晶核形成過程に支配される場合は、小領域１の固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが周囲の領域２のそれと異なるように設ければよい。固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさは、薄膜の元素組成比、含有不純物濃度、表面吸着物質、もしくは薄膜と接する基体との界面状態などによって変化する。従って小領域１と周囲の領域２を同じ薄膜内に設けるには、両領域でこれら因子のいずれかが異なるように構成すればよい。これにより、溶融直前では小領域１の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が周囲の領域２のそれよりも大きなサイズ領域に属し、結果として小領域１に選択的に未溶融の結晶粒もしくは結晶性クラスターを残留させることができる。或いは、結晶粒もしくは結晶性クラスター内部のバルク領域、その表面、隣接する結晶粒が接する結晶粒界、或いはその周囲の非晶質領域の融点を小領域１において周囲の領域２よりも高く設けるならば、溶融過程の最終段階において小領域１に選択的に未溶融の結晶粒もしくは結晶性クラスターを残留させることができる。
【００５９】
一方、小領域１が完全溶融する場合、薄膜の溶融過程の最終段階において小領域１と周囲の領域２は共に完全溶融するものの、続く冷却固化過程において小領域１内の結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ*が周囲の領域２内のそれよりも低く、その結果、溶融薄膜の過冷却度が小さいうちに小領域１に優先的な結晶粒もしくは結晶性クラスターの核形成が生じるように、小領域１と周囲の領域２では薄膜の状態が異なっている。先に述べた通り、自発的核形成により生じる結晶粒もしくは結晶性クラスターの濃度は結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ*のみによって決定され、さらにＷ*は前記出発薄膜の元素組成比、含有不純物濃度、表面吸着物質、もしくは該薄膜と接する基体との界面状態などの小領域１の状態、及び固化時の温度に応じて変化する。従って、それら因子のいずれかに関して小領域１と周囲の領域２の間に差異を設ければよい。
【００６０】
次に、以上のような溶融再固化工程によって形成された結晶性薄膜を用いる、本発明の素子の実施形態を図１０〜図１３に示す。図１０〜図１３も、図１〜図９までと同様、薄膜はその表面もしくは界面に鉛直な方向の部分断面によって表されている。尚、図１０〜図１３において、図１〜図５及び８に示したランダムな自発的核形成の結果生じる結晶粒もしくは結晶性クラスター群８は省略し、位置制御された結晶粒６のみを記した。また、必要に応じて薄膜を支持する基体１００を付記している。
【００６１】
本発明の結晶性薄膜では、結晶粒６の位置が小領域１を設ける位置によって決定され、そのサイズもまた既知である。従って、結晶粒６を活性領域とする素子を形成するに際して、結晶粒６を用いる素子の活性領域を結晶粒６の位置と容易に関係させることができる。例えば、図１０に示すように、素子の活性領域１０を結晶粒６の内部に限定することが可能である。この場合、素子の活性領域１０内に結晶粒界は含まれないために、素子特性が向上するばかりでなく、複数の素子間のバラツキを抑制することができる。
【００６２】
また、図５〜図７に示した複数の小領域１を設ける工程により得られた結晶性薄膜において、図１１に示すように所望の数の結晶粒６を含む領域に素子の活性領域１０を設けることも可能である。この場合も、複数の小領域１の位置が既知であるために、素子の活性領域１０に含まれる結晶粒６の数、もしくは結晶粒界９の密度を制御することができる。従って、複数の素子間のバラツキを抑制することが可能である。
【００６３】
尚、図１０及び図１１に示した素子の活性領域１０は、しかるべき入出力端子を結晶粒６に対して設けることにより形成される。素子の種類に応じて、入出力端子は結晶粒６からなる薄膜の上面、下面、端面などいずれの場所に設けてもよい。また、入出力端子は素子の活性領域に入出力される信号の形態に応じて、結晶粒６に接していてもよいし、離れていてもよい。
【００６４】
本発明の素子の典型的な例の一つとして、ＭＯＳ型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を半導体材料からなる結晶性薄膜に設けた例を図１２及び図１３に示す。図中、１１はゲート絶縁膜、１２はゲート電極、１３はソース電極、１４はドレイン電極、１００は基体である。
【００６５】
図１２に示す素子は、図９に示した工程によって基体１００上に孤立して設けた単一の結晶粒６を用いるＭＯＳ型ＴＦＴである。結晶粒６の表面には、ゲート絶縁膜１１を介したゲート電極１２、ソース電極１３、及びドレイン電極１４が設けてあり、各電極下の結晶粒６の領域には伝導型の制御によりそれぞれチャネル領域、ソース領域、及びドレイン領域が形成されている。本素子の場合、素子全体が単一の結晶粒６の内部に形成されており結晶粒界を含まないために、高い素子性能が期待できる。また、図１２に示した素子を同一の基体１００上に複数形成した場合、それら複数の素子間で性能のバラツキを小さくすることができる。或いは、図１３の例に示す通り、図１もしくは図２に示した工程で基体１００に設けた結晶性薄膜において、小領域１を中心として成長した単一の結晶粒６の内部にはゲート領域のみを設け、ソース領域またはドレイン領域は結晶粒６に隣接して成長した位置制御されていない結晶粒もしくは結晶性クラスター群８を含む領域に形成してもよい。このようなＭＯＳ型ＴＦＴでは素子特性が主として活性領域たるチャネル領域における電荷の移動に支配されるので、図１３に示した素子の場合も図１２の素子と同様に高い性能と複数素子間の小さい特性ばらつきが得られる。
【００６６】
尚、図１２及び１３では、素子の活性領域が全く結晶粒界を含まない場合を例示したが、図３や図５〜図７に示した工程によって得られる、位置制御された結晶粒界９を有する結晶性薄膜では、素子活性領域に結晶粒界９を含めることも可能である。この場合、素子特性の絶対値こそは結晶粒界を含まない素子に劣るものの、活性領域に含まれる結晶粒界の密度を制御することができるので、複数素子間のバラツキは小さくすることが可能である。
【００６７】
次に、上記に例示したような本発明の素子を用いて構成した、本発明の回路の一例を図１４に示す。図中、１５は第一のＴＦＴのゲート配線電極、１６は第二のＴＦＴのゲート電極、１７は絶縁層である。本回路は図１２に示したような、小領域１を中心として成長した単一の結晶粒６からなる同一基体１００上の二つのＭＯＳ型ＴＦＴをその一部として含んでいる。ゲート電極１２により制御される第一のＴＦＴのドレイン電極１４は配線を介して第二のＴＦＴのゲート電極１６に接続され、それら電極や配線は絶縁層１７によって互いに絶縁されている。即ちゲート電極１６により制御される第二のＴＦＴは、第一のＴＦＴのドレイン電圧によって制御される。このような回路では、第一及び第二のＴＦＴの素子特性が精密に制御されていることが肝要であり、活性領域に結晶粒界を含まない素子からなる本回路はその条件を満たすことができる。
【００６８】
最後に、上記した本発明の回路を含む、本発明の装置の一例として画像表示装置の一部を図１５に示す。図中、１８は電極、１９は発光層もしくは光透過度可変層、２０は上部電極である。本装置は図１４に示したような、連結された二つのＴＦＴをその一部として含んでいる。第二のＴＦＴのドレイン電極は素子上部の電極１８に接続される。電極１８上には発光層もしくは光透過度可変層１９が設けられ、さらにその上には上部電極２０が設けられている。即ち、電極１８及び上部電極２０によって発光層もしくは光透過度可変層１９に印加される電圧もしくは注入される電流は、第一のＴＦＴのドレイン電圧によって制御される第二のＴＦＴのドレイン電圧もしくは電流によって決定される。そして、発光層もしくは光透過度可変層１９の発光強度もしくは光透過度はそこに印加される電圧もしくは注入される電流によって制御される。本例の画像表示装置は、このような素子構成を一画素の表示単位とし、これを格子状に複数個配することで構成されている。画像表示装置として均一な光強度及び時間応答を得るためには、各画素間の特性のバラツキを抑制することが肝要であり、活性領域に結晶粒界を含まない素子からなる回路を用いる本装置はその条件を満たすことができる。
【００６９】
【実施例】
［実施例１］
本発明第一の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第一の例を記す。
【００７０】
はじめに、酸化シリコンなどを含む非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により結晶性シリコンクラスターを含む膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン薄膜を設けた。次に、この結晶性シリコンクラスターを含む非晶質シリコン薄膜に対して、その表面から直径約１μｍの小領域を除いて局所的にエネルギービームを照射することで、被照射領域の薄膜中に含まれる結晶性シリコンクラスターの一部を非晶質化し、出発薄膜とした。
【００７１】
次に、この出発薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザー光を約２００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で３０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００７２】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約１μｍの小領域を中心として、直径約２μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００７３】
本実施例の出発薄膜において、エネルギービームを照射されなかった直径約１μｍの小領域では、それ以外の領域より結晶性クラスター濃度のサイズ分布の平均値と濃度が高い。この結晶性クラスター濃度のサイズ分布の差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約１μｍの小領域が図１における「小領域１」をなしている。実際、エネルギービームを照射した薄膜と照射しない薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において前者は完全溶融したのに対して、後者では不完全溶融であることが確認された。
【００７４】
即ち、本実施例では、出発薄膜が結晶性クラスターを含む非晶質薄膜であり、該出発薄膜の非晶質母材中に含まれる結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域により異なり、よって、該出発薄膜を溶融再固化させた際に未溶融で残留した結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【００７５】
［実施例２］
本発明第二の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第二の例を記す。
【００７６】
実施例１と同様に、酸化シリコンなどを含む非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により結晶性シリコンクラスターを含む膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン薄膜を設けた。次いで、該薄膜の表面から直径約０．７μｍの小領域を除いて局所的にエネルギービームを照射し、出発薄膜とした。但し、実施例１とは異なり、エネルギービームの被照射領域では、本実施例では薄膜中に含まれる結晶性シリコンクラスターを完全に非晶質化した。
【００７７】
次に、この出発薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザー光を約１８０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で３０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００７８】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約０．７μｍの小領域を中心として直径約１．５μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。また、その周囲は平均直径約４０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００７９】
本実施例の出発薄膜において、エネルギービームを照射されなかった直径約０．７μｍの小領域では、結晶性クラスターが存在するのに対して、それ以外の領域には存在しない。この結晶性クラスター濃度のサイズ分布の差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約０．７μｍの小領域が図１の「小領域１」をなしている。実際、エネルギービーム照射によって完全に非晶質化された薄膜と照射しない薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において前者は完全溶融したのに対して、後者では不完全溶融であることが確認された。また、前者は後者よりも低い温度において溶融した。
【００８０】
即ち、本実施例では、出発薄膜が結晶性クラスターを含む非晶質薄膜であり、該出発薄膜の非晶質母材中に含まれる結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域により異なり、よって、該出発物質を溶融再固化させた際に未溶融で残留したクラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【００８１】
［参考実施例３］
本発明の参考実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第三の例を記す。
【００８２】
はじめに、シリコン無機化合物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚８０ｎｍの多結晶シリコン薄膜を設け、出発薄膜とした。但し、選択堆積手段を用いて、薄膜面内の約２μｍ角の小領域では平均直径が３００ｎｍ程度、それ以外の領域では１００ｎｍ程度となるように出発薄膜は堆積されている。
【００８３】
次に、この出発薄膜に対して、ＸｅＣｌエキシマレーザー光を約３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で４０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００８４】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、約２μｍ角の小領域を中心として直径約３μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約１００ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００８５】
本実施例の出発薄膜において、約２μｍ角の小領域では、それ以外の領域より、結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布の平均値が高い。この結晶粒濃度のサイズ分布の差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、約２μｍ角の小領域が図１の「小領域１」をなしている。実際、平均直径が１００ｎｍ程度及び３００ｎｍ程度の多結晶シリコン薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において前者は完全溶融したのに対して、後者では不完全溶融であることが確認された。
【００８６】
即ち、本実施例は、出発薄膜が多結晶薄膜であり、結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域により異なり、よって、該出発薄膜を溶融固化させた際に未溶融で残留した結晶粒もしくは結晶性クラスターのサイズ分布が異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【００８７】
［参考実施例４］
本発明の参考実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第四の例を記す。
【００８８】
はじめに、シリコン酸化物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚８０ｎｍの多結晶シリコン薄膜を設け、実施例２と同様に、該多結晶シリコン薄膜の表面から直径約０．７μｍの小領域を除いて局所的にエネルギービームを照射し非晶質化して、これを出発薄膜とした。
【００８９】
次に、上記出発薄膜に対して、ＸｅＣｌエキシマレーザー光を約２５０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で４０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００９０】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約０．７μｍの小領域を中心として直径約２μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約６０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００９１】
本実施例の出発薄膜において、直径約０．７μｍの小領域は多結晶であるのに対し、それ以外の領域は非晶質である。この差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約０．７μｍの小領域が図１の「小領域１」をなしている。実際、非晶質化シリコン薄膜と多結晶シリコン薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において前者は完全溶融したのに対して、後者では不完全溶融であることが確認された。また、前者は後者よりも低い温度において溶融した。
【００９２】
即ち、本実施例は、結晶性薄膜が非晶質領域と多結晶領域を有し、結晶性が領域により異なり、よって、該出発薄膜を溶融再固化させた際に未溶融で残留した結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【００９３】
［参考実施例５］
本発明の参考実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第五の例を記す。
【００９４】
はじめに、実施例４と同様、シリコン酸化物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚８０ｎｍの多結晶シリコン薄膜を設けた。そして、薄膜の表面から直径約１．５μｍの小領域を除いて局所的に燐をドープして、これを出発薄膜とした。
【００９５】
次に、上記出発薄膜に対して、ＸｅＣｌエキシマレーザー光を約３５０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で４０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００９６】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約１．５μｍの小領域を中心として直径約２．５μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約１５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００９７】
本実施例の出発薄膜において、直径約１．５μｍの小領域はほとんど燐を含まないのに対し、それ以外の領域は含んでいる。この差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約１．５μｍの小領域が図１の「小領域１」をなしている。実際、燐を含む多結晶シリコン薄膜と含まない薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において前者は完全溶融したのに対して、後者では不完全溶融であることが確認された。また、前者は後者よりも低い温度において溶融した。さらに、燐を含む多結晶シリコン薄膜において、不純物たる燐が結晶粒界に多く偏析していることも確認された。
【００９８】
即ち、本実施例では、出発薄膜が不純物を含む多結晶シリコン薄膜であり、不純物濃度の差によって融点が領域によって異なり、よって、該出発薄膜を溶融固化させた際に未溶融で残留した結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域により異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【００９９】
［実施例６］
本発明第六の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第六の例を記す。
【０１００】
はじめに、シリコン酸化物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により結晶粒もしくは結晶性クラスターを含まない膜厚１００ｎｍの非晶質シリコン薄膜を設けた。次に、この非晶質シリコン薄膜に対して、その表面から直径約０．６μｍの小領域を除いて局所的にエネルギービームを照射することで、被照射領域の非晶質シリコン薄膜と下地基体の界面状態を改変し、出発薄膜とした。
【０１０１】
次に、上記出発薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザー光を約３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で３０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【０１０２】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約０．６μｍの小領域を中心として直径約３μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１０３】
本実施例の出発薄膜では、直径約０．６μｍの小領域における薄膜と下地基体の界面の状態と、それ以外の領域における界面の状態は異なっている。この差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約０．６μｍの小領域が図１の「小領域１」をなしている。このようなエネルギービーム照射による界面状態の改変は、非晶質シリコン薄膜の固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁を増大させる。その結果、出発薄膜が溶融する前の固相結晶化の段階において、直径約０．６μｍの小領域から優先的な固相結晶核形成が生じ、その結晶粒は小領域の周囲にまで大きく成長する。その後、小領域外の領域に結晶核形成が生じる頃には薄膜の温度が上昇し、そこには高い核形成頻度によって微小な結晶粒が高密度で形成される。溶融過程において直径約０．６μｍの小領域に固相結晶化で発生した大きな結晶粒は不完全溶融し、一方で高密度の微小結晶粒群からなる小領域外の領域は完全溶融する。
【０１０４】
即ち、本実施例では、出発薄膜が非晶質薄膜であり、基体との界面状態が領域により異なることから、該出発薄膜を溶融再固化させた際に、溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが領域によって異なり、よって、未溶融で残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【０１０５】
［実施例７］
本発明第七の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第七の例を記す。
【０１０６】
はじめに、シリコン酸化物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚１００ｎｍの非晶質シリコン薄膜を設けた。次に、この非晶質シリコン薄膜面内の約１μｍ角の小領域にのみ局所的に錫をドープし、これを出発薄膜とした。
【０１０７】
次に、上記出発薄膜に対して、ＸｅＣｌエキシマレーザー光を約２５０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で４０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【０１０８】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、約１μｍ角の小領域を中心として直径約２．５μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約４０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１０９】
本実施例の出発薄膜では、約１μｍ角の小領域とそれ以外の領域における不純物、錫の濃度が異なっている。この差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、約１μｍ角の小領域が図１の「小領域１」をなす。錫のような不純物は、非晶質シリコン薄膜の固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁を低下させる。その結果、出発薄膜が溶融する前の固相結晶化の段階において、約１μｍ角の小領域から優先的な固相結晶核形成が生じ、その結晶粒は小領域の周囲にまで大きく成長する。その後、小領域外の領域に結晶核形成が生じる頃には薄膜の温度が上昇し、そこには高い核形成頻度によって微小な結晶粒が高密度で形成される。溶融過程において約１．２μｍ角の小領域に固相結晶化で発生した大きな結晶粒は不完全溶融し、一方で高密度の微小結晶粒群からなる小領域外の領域は完全溶融する。
【０１１０】
即ち、本実施例では、出発薄膜が不純物を含む非晶質薄膜であり、該不純物の濃度が領域により異なることから、該出発薄膜を溶融再固化させた際に、溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが領域によって異なり、よって、未溶融で残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【０１１１】
［実施例８］
本発明第八の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコンゲルマニウム薄膜の例を記す。
【０１１２】
はじめに、シリコン無機化合物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚１００ｎｍの化学量論比の元素組成を有する非晶質シリコンゲルマニウム薄膜を設けた。次に、この非晶質シリコンゲルマニウム薄膜面内の直径約２μｍの小領域にのみ局所的にゲルマニウムを添加し、これを出発薄膜とした。
【０１１３】
次に、上記出発薄膜に対して、Ａｒ+レーザー光を約４００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で５ｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させた。この溶融再固化薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約２μｍの小領域を中心として直径約４μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約１００ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１１４】
本実施例の出発薄膜において、直径約２μｍの小領域とそれ以外の領域では元素組成比が異なっている。この差異が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約２μｍの小領域が図１の「小領域１」をなしている。非晶質シリコンゲルマニウム薄膜の固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁は、シリコンとゲルマニウムの元素組成比によって変化し、それが化学量論比の近傍で最大を示す。その結果、出発薄膜が溶融する前の固相結晶化の段階において、直径約２μｍの小領域から優先的な固相結晶核形成が生じ、その結晶粒は小領域の周囲にまで大きく成長する。その後、小領域外の領域に結晶核形成が生じる頃には薄膜の温度が上昇し、そこには高い核形成頻度によって微小な結晶粒が高密度で形成される。溶融過程において直径約２μｍの小領域に固相結晶化で発生した大きな結晶粒は不完全溶融し、一方で高密度の微小結晶粒群からなる小領域外の領域は完全溶融する。
【０１１５】
即ち、本実施例では、出発薄膜が非晶質薄膜であり、元素組成比が領域により異なることから、該出発薄膜を溶融再固化させた際に、溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが領域によって異なり、よって、未溶融で残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【０１１６】
［実施例９］
本発明第九の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第八の例を記す。
【０１１７】
はじめに、シリコン酸化物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚１００ｎｍの非晶質シリコン薄膜を設けた。次に、この表面の直径約１μｍの小領域に蒸着法を用いて膜厚５ｎｍのパラジウム薄膜を設け、出発薄膜とした。
【０１１８】
次に、上記出発薄膜に対して、ＹＡＧレーザー光を約２５０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で１０ｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【０１１９】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約１μｍの小領域を中心として直径約５μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約４０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１２０】
本実施例の出発薄膜では、直径約１μｍの小領域の表面にはパラジウムが吸着しているが、それ以外の領域にはない。この表面吸着物質の差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約１μｍの小領域が図１の「小領域１」をなしている。非晶質シリコン薄膜の固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁は、パラジウムやアルミニウムなどの金属原子が薄膜表面に吸着することによって低下する。その結果、出発薄膜が溶融する前の固相結晶化の段階において、直径約１μｍの小領域から優先的な固相結晶核形成が生じ、その結晶粒は小領域の周囲にまで大きく成長する。その後、小領域外の領域に結晶核形成が生じる頃には薄膜の温度が上昇し、そこには高い核形成頻度によって微小な結晶粒が高密度で形成される。溶融過程において直径約１μｍの小領域に固相結晶化で発生した大きな結晶粒は不完全溶融し、一方で高密度の微小結晶粒群からなる小領域外の領域は完全溶融する。
【０１２１】
即ち、本実施例では、出発薄膜が非晶質薄膜であり、表面吸着物質の有無が領域により異なることから、該出発薄膜を溶融再固化させた際に、溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが領域によって異なり、よって、未溶融で残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【０１２２】
［実施例１０］
本発明第十の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性ゲルマニウム薄膜の例を記す。
【０１２３】
はじめに、シリコン無機化合物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚２００ｎｍの非晶質ゲルマニウム薄膜を設けた。次に、この表面の約２μｍの小領域に蒸着法を用いて膜厚１０ｎｍのインジウム薄膜を設け、出発薄膜とした。次に、この出発薄膜に対して、ＧＧＧレーザー光を約３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で１０ｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【０１２４】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約２μｍの小領域を中心として直径約５μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約８０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１２５】
本実施例の出発薄膜では、直径約２μｍの小領域の表面にはインジウムが吸着しているが、それ以外の領域にはない。この表面吸着物質の差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約２μｍの小領域が図１の「小領域１」をなしている。非晶質ゲルマニウム薄膜の固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁は、インジウムなどの金属原子が薄膜表面に吸着することによって低下する。その結果、出発薄膜が溶融する前の固相結晶化の段階において、直径約２μｍの小領域から優先的な固相結晶核形成が生じ、その結晶粒は小領域の周囲にまで大きく成長する。その後、小領域外の領域に結晶核形成が生じる頃には薄膜の温度が上昇し、そこには高い核形成頻度によって微小な結晶粒が高密度で形成される。溶融過程において直径約２μｍの小領域に固相結晶化で発生した大きな結晶粒は不完全溶融し、一方で高密度の微小結晶粒群からなる小領域外の領域は完全溶融する。
【０１２６】
即ち、本実施例では、出発薄膜が非晶質薄膜であり、表面吸着物質の有無が領域により異なることから、該出発薄膜を溶融再固化させた際に、溶融前に固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが領域によって異なり、よって、未溶融で残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【０１２７】
［実施例１１］
本発明第十一の実施例として、図２の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【０１２８】
はじめに、シリコン酸化物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚１００ｎｍの非晶質シリコン薄膜を設けた。次に、この非晶質シリコン薄膜面内の約２μｍ角の小領域にのみ局所的に錫をドープし、これを出発薄膜とした。
【０１２９】
次に、上記出発薄膜に対して、ＸｅＣｌエキシマレーザー光を約４００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で４０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。本条件では薄膜全体が完全溶融した。
【０１３０】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、約２μｍ角の小領域を中心として直径約４μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約３０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１３１】
本実施例の出発薄膜では、約２μｍ角の小領域とそれ以外の領域における不純物、錫の濃度が異なっている。この差が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、約２μｍ角の小領域が図１の「小領域１」をなす。錫のような不純物は、非晶質シリコン薄膜の固相結晶化に対する効果と同様に、溶融シリコンの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁をも低下させる。その結果、出発薄膜全体が完全に溶融した後の再固化段階において、約２μｍ角の小領域から優先的な結晶核形成が生じ、その結晶粒は小領域の周囲にまで大きく成長する。
【０１３２】
即ち、本実施例では、出発薄膜が不純物を含む非晶質薄膜であり、該不純物濃度が領域により異なり、よって、該出発薄膜を溶融再固化させた際に、液相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが領域により異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【０１３３】
［実施例１２］
本発明第十二の実施例として、図２の工程によって形成される結晶性シリコンゲルマニウム薄膜の例を記す。
【０１３４】
はじめに、実施例８と同様、シリコン無機化合物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚１００ｎｍの化学量論比の元素組成を有する非晶質シリコンゲルマニウム薄膜を設けた。次に、この非晶質シリコンゲルマニウム薄膜面内の直径約２μｍの小領域にのみ局所的にシリコンを添加し、これを出発薄膜とした。
【０１３５】
次に、上記出発薄膜に対して、ＸｅＣｌエキシマレーザー光を約３５０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で４０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。本条件では薄膜全体が完全溶融した。
【０１３６】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約２μｍの小領域を中心として直径約４μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約６０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１３７】
本実施例の出発薄膜において、直径約２μｍの小領域とそれ以外の領域では元素組成比が異なっている。この差異が、出発薄膜において連続した領域間の状態の相異をもたらし、直径約２μｍの小領域が図２の「小領域１」をなしている。非晶質薄膜の固相結晶化と同じく、溶融シリコンゲルマニウム薄膜の固化においても、液相からの結晶核形成自由エネルギー障壁はシリコンとゲルマニウムの元素組成比によって変化し、化学量論比の近傍で最大を示す。その結果、出発薄膜全体が完全に溶融した後の再固化段階において、約２μｍ角の小領域から優先的な結晶核形成が生じ、その結晶粒は小領域の周囲にまで大きく成長する。
【０１３８】
即ち、本実施例では、出発薄膜が非晶質薄膜であり、元素組成比が領域により異なり、よって、該出発薄膜を溶融再固化させた際に、液相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが領域により異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【０１３９】
［参考実施例１３］
本発明の参考実施例として、図３の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【０１４０】
実施例１に記した結晶性シリコン薄膜の例において、図１の「小領域１」をなす小領域のサイズのみを直径約１．５μｍに拡大し、他は同様にして出発薄膜の溶融再固化を行い、結晶性薄膜を得た。
【０１４１】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約１．５μｍの小領域を中心として直径約１．５μｍに達する単一の結晶粒が２個成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１４２】
本実施例の出発薄膜では、「小領域１」をなす直径約１．５μｍの小領域のサイズが拡大されたために、薄膜の溶融時ここに結晶粒もしくは結晶性クラスターが未溶融で残留する確率が「小領域１」の体積増加に比例して増大した。これにより直径約１．５μｍの小領域において複数の結晶粒が成長した。
【０１４３】
本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１と同様である。尚、「小領域１」に成長する結晶粒の数の増加と制御は、実施例２〜１２においても同様に可能である。また、「小領域１」の体積のみならず、「小領域１」における結晶粒もしくは結晶性クラスターの濃度、結晶核形成自由エネルギー障壁、或いは、融点と加熱条件などによっても可能である。
【０１４４】
［実施例１４］
本発明第十四の実施例として、図４の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【０１４５】
実施例１に記した結晶性シリコン薄膜の例において、図１の「小領域１」をなす直径約１μｍの小領域を１０μｍ離れた二個所に設け、他は同様にして出発薄膜の溶融再固化を行い、結晶性薄膜を得た。
【０１４６】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、二個所の直径約１μｍの小領域にはそれぞれ直径約２μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。それら結晶粒間の長さ約８μｍの領域を含めた周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１４７】
本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１と同様である。また、本実施例のような複数の「小領域１」を設ける溶融再固化は、実施例２〜１２の結晶性薄膜にも適用可能である。
【０１４８】
［実施例１５］
本発明第十五の実施例として、図５の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【０１４９】
実施例１４に記した結晶性シリコン薄膜の例において、図４の「小領域１」をなす二個所の小領域の間隔を約２μｍとし、他は同様にして出発薄膜の溶融再固化を行った。この溶融再固化薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、二個所の直径約１μｍの小領域にはそれぞれ直径約２μｍに達する単一の結晶粒が成長しており、それらは互いに成長端を接して結晶粒界をなしていた。それら結晶粒の周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１５０】
本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１と同様である。尚、「小領域１」に成長する結晶粒の数の増加と制御は、実施例２〜１２においても同様に可能である。また、本実施例のような複数の「小領域１」を近接して設ける溶融再固化は、実施例２〜１２の結晶性薄膜にも適用可能である。
【０１５１】
［実施例１６］
本発明第十六の実施例として、図６の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【０１５２】
実施例１に記した結晶性シリコン薄膜の例において、図１の「小領域１」をなす直径約１μｍの小領域を２μｍ間隔の正方格子点に周期的に配し、他は同様にして出発薄膜の溶融再固化を行い、結晶性薄膜を得た。
【０１５３】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、２μｍ間隔の正方格子の各格子点にはそれぞれ平均直径約２μｍの単一の結晶粒が成長しており、それらは互いに成長端を接して結晶粒界をなしていた。その結果、薄膜はそれら位置制御された結晶粒群で埋め尽くされており、ランダムな微結晶粒領域は観察されなかった。
【０１５４】
本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１と同様である。また、本実施例のような複数の「小領域１」を周期的に設ける溶融再固化は、実施例２〜１２の結晶性薄膜にも適用可能である。
【０１５５】
［参考実施例１７］
本発明の参考実施例として、図７の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【０１５６】
はじめにシリコン酸化物からなる非晶質表面を有する基体上に、気相堆積法により膜厚１０ｎｍの多結晶シリコン薄膜を設けた。次に、この多結晶シリコン薄膜を、２μｍ間隔の正方格子の各格子点に直径約１μｍの小領域を残して除去した。さらに、この表面に気相堆積法により膜厚１００ｎｍの非晶質シリコン薄膜を設け、出発薄膜とした。本実施例の構成では、２μｍ間隔の正方格子の各格子点に非晶質シリコン薄膜に覆われた直径約１μｍ、膜厚１０ｎｍの多結晶シリコン薄膜からなる小領域が図７の「小領域１」をなす。
【０１５７】
次に、上記出発薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザー光を約２５０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で３０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【０１５８】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、２μｍ間隔の正方格子の各格子点にはそれぞれ平均直径約２μｍの単一の結晶粒が成長しており、それらは互いに成長端を接して結晶粒界をなしていた。その結果、薄膜はそれら位置制御された結晶粒群で埋め尽くされており、ランダムな微結晶粒領域は観察されなかった。
【０１５９】
即ち、本実施例では、出発薄膜が多結晶領域と非晶質領域を有し、結晶性が領域により異なり、よって、該出発薄膜を溶融再固化させた際に未溶融で残留した結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。
【０１６０】
本実施例のような三次元的な「小領域１」を用いる溶融再固化は、実施例２〜１２の結晶性薄膜にも適用可能である。
【０１６１】
［実施例１８］
本発明第十八の実施例として、図８の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【０１６２】
はじめにシリコン酸化物からなる非晶質表面を有する基体上に、実施例１に記した結晶性シリコン薄膜の例における出発薄膜を設けた。次に、この薄膜において図１の「小領域１」をなす直径約１μｍの小領域を含む直径１０μｍの領域を残して、それ以外の領域の薄膜を除去し、これを本実施例の出発薄膜とした。
【０１６３】
次に、上記出発薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザー光を約２００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で３０ｎｓｅｃ間照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【０１６４】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、直径約１μｍの小領域を中心として直径約３μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。基体上に残された直径１０μｍの薄膜は直径約１μｍの小領域を中心として成長した単一の結晶粒を除いて平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【０１６５】
本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１と同様である。また、本実施例のような基体上の一部領域に形成された出発薄膜を用いる溶融再固化は、実施例２〜１７の結晶性薄膜にも適用可能である。
【０１６６】
［実施例１９]
本発明第十九の実施例として、図９の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【０１６７】
実施例１８に記した結晶性シリコン薄膜の例において、「小領域１」をなす直径約１μｍの小領域を含む領域以外の薄膜を除去するに際し、直径約１μｍの小領域を中心とした４μｍ角の領域のみを残して、他は同様にして出発薄膜の溶融再固化を行い、結晶性薄膜を得た。
【０１６８】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、４μｍ角の薄膜全域が単一の結晶粒によって占められており、結晶粒界は存在しなかった。
【０１６９】
本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１と同様である。また、本実施例のような単一の結晶粒からなる薄膜を形成する溶融再固化は、実施例２〜１７の結晶性薄膜にも適用可能である。
【０１７０】
［実施例２０］
本発明第二十の実施例として、図１０に示す構造を有する結晶性磁性薄膜を含む磁気記録素子、及び該素子を用いる装置の例を記す。
【０１７１】
はじめに、ディスク状の下地処理されたガラス基板上にスパッタ法により膜厚５０ｎｍのコバルトクロム薄膜を堆積した。次に、ディスクと中心を同じくする２ｍｍ間隔の同心円上の２ｍｍ間隔の位置にある約０．１ｍｍ角の領域にのみクロムをドープし、出発薄膜とした。このクロムをドープした小領域が図１０の「小領域１」をなす。
【０１７２】
次に、上記出発薄膜に赤外線領域に発光強度を有するパルス光を照射し、薄膜を溶融再固化させて結晶性薄膜を形成したところ、クロムをドープした約０．１ｍｍ角の領域を中心とした部分円弧状の結晶粒が成長した。
【０１７３】
このディスクを記録媒体として組み込み、部分円弧状の単一結晶粒を一つの物理セクタとするハードディスク装置を構成したところ、クロムの局所的ドープ工程を施さなかったディスクを用いる同一構成のハードディスク装置に比べて、エラーレートが半減した。
【０１７４】
本実施例では、クロムをドープした領域が図１０の小領域１であり、部分円弧状の結晶粒が結晶粒６であり、磁気ピックアップが素子の活性領域１０に相当する。
【０１７５】
即ち、本実施例では、出発薄膜が非晶質薄膜であり、元素組成比が領域により異なり、よって、出発薄膜の溶融再固化させた際に、液相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが領域により異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。さらに、本実施例は、この結晶性薄膜中の単一の結晶粒を用いて、その内部に特定の領域を持つ素子を形成し、装置を構成した例である。
【０１７６】
［参考実施例２１］
本発明の参考実施例として、図１１に示した構造を有する結晶性超伝導薄膜と、該薄膜を用いて形成した粒界ジョセフソン接合型超伝導論理回路素子の例を記す。
【０１７７】
はじめに、基板温度を２６０℃に保ったサファイア基板上にスパッタ法を用いて酸化物超伝導体ＢａＰｂ0.7Ｂｉ0.3Ｏ2多結晶薄膜を１００ｎｍの厚さで堆積した。次に、この薄膜平面内の１μｍ間隔の正方格子点上に設定した０．２５μｍ角の領域を除く領域に表面からエネルギービームを照射し、これを非晶質化して、出発薄膜とした。このエネルギービームを照射されなかった小領域が図１０の「小領域１」をなす。
【０１７８】
次に、上記出発薄膜にパルス状に加工したＹＡＧレーザーの二倍高調波を照射し、薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を形成したところ、エネルギービームを照射しなかった領域を中心とした結晶粒が成長した。これにより、結晶粒界が２μｍ間隔の正方格子状に形成された。この薄膜の体積固有抵抗の温度依存性を測定したところ、９Ｋにおいて超伝導転移が確認された。また、電流電圧特性から結晶粒界においてトンネル型のジョセフソン接合が形成されていることが確認された。
【０１７９】
次に、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて、この薄膜の１０μｍ角の正方形となる島状領域を残すようにパターニングした。そして、この正方形の島状領域の各四辺にＢａＰｂ0.75Ｂｉ0.25Ｏ2多結晶薄膜からなる電極端子を接続した。これにより、正方形島状領域の対抗する二辺に接続された一組の電極対を制御端子、これと直交する二辺に接続されたもう一組の電極対をゲート端子とする超伝導論理回路素子が構成された。
【０１８０】
本素子の基本特性を計測したところ、最大ジョセフソン電流が２００μＡ、ゲート電流がこれを越える電圧は１．８ｍＶであり、堆積したままのＢａＰｂ0.7Ｂｉ0.3Ｏ2多結晶薄膜を用いた場合よりも好ましい特性を示した。また、同形状、同サイズの複数素子間のバラツキは、堆積したままのＢａＰｂ0.7Ｂｉ0.3Ｏ2多結晶薄膜を用いた場合に比べて半減した。これは、本素子の１０μｍ角の活性領域に含まれる結晶粒界、即ちジョセフソン接合の総延長がどの素子をとっても一定であること、及び接合の位置が正方格子をなしているために結晶粒の直並列接続が一定であることに起因する優位であり、本発明の結晶性薄膜及び素子の効果を如実に表している。
【０１８１】
本実施例では、エネルギービームを照射しなかった領域が図１１の小領域１であり、１０μｍ角の正方形島状領域が素子の活性領域１０に対応している。
【０１８２】
即ち、本実施例では、結晶性薄膜が非晶質領域と多結晶領域を有し、結晶性が領域により異なり、よって、該出発薄膜を溶融再固化させた際に未溶融で残留した結晶粒濃度のサイズ分布が領域によって異なり、その結果、空間的位置が制御された結晶粒で構成された結晶性薄膜が得られた。さらに、本実施例は、この結晶性薄膜中の空間的位置を制御して形成した結晶粒を用いて素子を形成した例である。
【０１８３】
［実施例２２］
本発明第二十二の実施例として、図１２に示した構造を有するＭＯＳ型ＴＦＴの例を記す。
【０１８４】
はじめに、実施例１９に記した工程により、表面にシリコン窒化膜及び酸化膜を積層したガラス基板上に、４μｍ角の単一シリコン結晶粒を設けた。次に、通常のシリコン薄膜トランジスタの低温形成工程に従って、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜とゲート電極膜を堆積し、単一結晶粒中央部の幅１μｍの領域を除いてゲート電極膜層を除去した。次に残されたゲート電極膜をマスクとするセルフアライン方式で、それ以外の領域にボロンをドープし、ゲート領域、ソース領域及びドレイン領域を形成した。これにより、ゲート領域は全域単一結晶粒の内部に含まれることとなった。その後、絶縁膜からなるパッシベーション層を堆積し、各領域上のパッシベーション層に開口部を設けた。最後に、アルミ配線層を堆積し、これをパターニングすることによってゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を形成し、ＭＯＳ型ＴＦＴを得た。
【０１８５】
得られたＭＯＳ型ＴＦＴの動作特性を計測したところ、本発明における「小領域１」を設けないランダムな多結晶薄膜に同一工程、同一形状で形成した素子に比べて、移動度の平均値で２倍以上高速に動作することが確認された。また、素子特性のバラツキの比較では、移動度は約半分、閾値電圧に至っては約１／４に低減した。
【０１８６】
本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１９と同様であり、本例は、該結晶性薄膜の単一結晶粒内に活性領域を形成して素子を構成した例である。
【０１８７】
［実施例２３］
本発明第二十三の実施例として、図１３に示した構造を有するＭＯＳ型ＴＦＴの例を記す。
【０１８８】
はじめに実施例１８に記した工程において、２μｍ×１０μｍの矩形の中央に「小領域１」をなす直径約１μｍの小領域を設けた出発薄膜を用いる溶融再結晶を行い、結晶性薄膜を得た。これにより３μｍ×１０μｍの矩形の中央には「小領域１」を中心とする矩形の長手方向に約３μｍの単一結晶粒が成長し、それ以外の領域は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒であるような結晶性薄膜を得た。
【０１８９】
次に、上記結晶性薄膜上に通常のシリコンＴＦＴの低温形成工程に従って、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜とゲート電極膜を堆積し、長手方向約３μｍの単一結晶粒中央部の「小領域１」を含む幅１μｍの領域を除いてゲート電極膜層を除去した。次に残されたゲート電極膜をマスクとするセルフアライン方式で、それ以外の領域にボロンをドープし、ゲート領域、ソース領域及びドレイン領域を形成した。これにより、ゲート領域は全域長手方向約３μｍの単一結晶粒の内部に含まれ、一方ソース領域及びドレイン領域は長手方向約３μｍの単一結晶粒の一部と平均直径約５０ｎｍの微結晶粒領域に跨ることとなった。その後、絶縁膜からなるパッシベーション層を堆積し、各領域上のパッシベーション層に開口部を設けた。但し、ソース領域及びドレイン領域上の開口部は、それぞれ矩形の結晶性薄膜の長手方向端から約３μｍまでの開口とした。最後に、アルミ配線層を堆積し、これをパターニングすることによってゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を形成し、ＭＯＳ型ＴＦＴを得た。これにより、ソース電極及びドレイン電極は専ら平均直径約５０ｎｍの微結晶粒領域に接続されることとなった。
【０１９０】
得られたＭＯＳ型ＴＦＴの動作特性を計測したところ、本発明における「小領域１」を設けないランダムな多結晶薄膜に同一工程、同一形状で形成した素子に比べて、移動度の平均値で２倍以上高速に動作することが確認された。また、多数の素子を調べた結果、移動度のバラツキは約半分、閾値電圧のバラツキに至っては約１／４に低減した。素子全域が単一結晶粒に含まれていないのに、本実施例のＭＯＳ型ＴＦＴの動作特性が実施例２２に示した素子に匹敵する向上を示した事実は、素子特性を決定する活性領域たるチャネル領域が単一結晶粒の内部に形成されていることを支持している。
【０１９１】
尚、本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１８と同様である。
【０１９２】
［実施例２４］
本発明第二十四の実施例として、図１４に示した構造を有するＴＦＴ集積回路の例を記す。
【０１９３】
はじめに実施例２２に記したＭＯＳ型ＴＦＴを、同一基板の同一平面上に２素子形成し、各電極を次のように接続した。即ち、両素子は中心間距離を６μｍとして隣接させ、第一のＴＦＴのドレイン電極は第二のＴＦＴのゲート電極と接続した。また、第二のＴＦＴのゲート電極はコンデンサ素子を介して自らのソース電極に接続した。これにより、ＴＦＴ２素子及びコンデンサ素子からなる集積回路が構成された。本回路では、第二のＴＦＴのソースに供給された電源電流がそのドレインから出力される量がコンデンサ素子の蓄積容量で制御され、一方、コンデンサ素子の蓄積容量及び蓄積のスイッチングは第一のＴＦＴのゲート電圧によって制御される。本回路は、例えばアクティブマトリクス型表示装置において各画素のスイッチングと電流量制御を担う要素回路などに用いることができる。
【０１９４】
本実施例にて形成した回路の基本動作特性を計測し、本発明における「小領域１」を設けないランダムな多結晶薄膜に同一工程、同一形状で形成した回路の特性と比較した。その結果、動作可能なスイッチング周波数に関して３倍以上高速に動作すること、そして第二のＴＦＴのドレイン電極から出力される電流量の制御可能な範囲が２倍ほど拡大することが確認された。また、複数形成した同一回路の特性バラツキの比較では、それぞれ約半分以下に低減した。これは、各回路における第一のＴＦＴ間のバラツキ、第二のＴＦＴ間のバラツキのみならず、一回路における第一のＴＦＴと第二のＴＦＴの相対特性が比較対象に対してより均一であることを意味する。
【０１９５】
尚、本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１９と同様である。
【０１９６】
［実施例２５］
本発明第二十五の実施例として、図１５に示した構造を有するＥＬ画像表示装置の例を記す。
【０１９７】
はじめに、実施例２４に記したＴＦＴ集積回路を要素回路として、ガラス基板上１００μｍ間隔の正方格子点の各点に形成し、それら正方格子の単位胞を画像表示装置の画素とすべく、要素回路に接続する配線を次のように設けた。先ず、正方格子の一軸方向を貫く走査線を一格子毎に設け、各要素回路における第一のＴＦＴのゲート電極をこれに接続した。一方、走査線と直交する方向には一格子毎に信号線及び電源線を配線し、それぞれを各要素回路における第一のＴＦＴのソース電極、及び第二のＴＦＴのソース電極に接続した。次に、これら要素回路の集積回路上に絶縁層を積層し、これに各要素回路における第二のＴＦＴのドレイン電極が露出する開口部を設けた。次いで、金属電極を積層し、この金属電極を各画素毎に絶縁分離した。最後にエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）発光層と上部透明電極層を積層した。これにより、実施例２４に記したＴＦＴ集積回路により各画素のスイッチングと注入電流量制御を行う、アクティブマトリクス型多階調ＥＬ画像表示装置が構成された。
【０１９８】
即ち、本画像表示装置では、走査線の電圧に応じた第一のＴＦＴの起動によって信号線に与える電流値に対応した電荷容量が電源線からコンデンサ素子に蓄積され、この蓄積容量に応じた第二のＴＦＴのゲート電圧に制御された電流が電源線からＥＬ発光層に注入される。
【０１９９】
本実施例にて形成した画像表示装置の基本動作特性を計測し、本発明における「小領域１」を設けないランダムな多結晶薄膜に同一工程、同一形状で形成した画像表示装置の特性と比較した。その結果、静的特性として最大輝度及び最大コントラストが２倍程度向上し、階調再現域は約１．５倍拡大していること、そして画素欠損率及び明度ムラがそれぞれ１／３及び１／２まで低減していることが確認された。また、動的特性としては、最大フレームレートが２倍ほど向上した。これら動作特性の向上は全て、実施例２４にも記した要素回路特性の向上とバラツキの低減に由来し、さらにそれらは各要素回路を構成する薄膜トランジスタ特性の向上とバラツキの低減に起因し、従って、それら薄膜トランジスタの活性領域が単一の結晶粒内に形成されていることの効果である。
【０２００】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明は、溶融再固化によって形成する結晶性薄膜において、出発薄膜に、互いに状態の異なる領域を連続して共存させたことにより、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御を容易に実現する。
【０２０１】
即ち、本発明において、出発薄膜の溶融再固化の際に、最大溶融時に該小領域において所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが未溶融で残留する小領域を出発薄膜に設けること、さらには、未溶融で残留する結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が異なる領域を出発薄膜に設けること、出発薄膜に含まれる結晶粒もしくは結晶性クラスターのバルク部分、表面、隣接する結晶粒もしくは結晶性クラスター間の粒界、或いは非晶質領域の融点が異なる領域を設けること、出発薄膜の非晶質母材中に含まれる結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布が異なる領域を設けること、出発薄膜である多結晶薄膜を構成する結晶粒濃度のサイズ分布が異なる領域を設けること、出発薄膜に非晶質領域と多結晶領域を設けること、溶融再固化時に液相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが異なる領域を設けること、或いは、出発薄膜が固相結晶化する際の結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが異なる領域を設けること、のいずれかによって、結晶性薄膜中の結晶粒の位置を制御するための、互いに状態の異なる領域を出発薄膜に形成することができる。また、本発明において、出発薄膜の元素組成比、含有不純物濃度、表面吸着物質、もしくは該薄膜と接する基体との界面状態が異なる領域を設けることにより、結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが互いに異なる領域を出発薄膜に形成することができる。
【０２０２】
本発明の結晶性薄膜は、これを構成する結晶粒の制御された位置と素子の特定の領域を空間的に関係づけるか、或いは、位置制御された単一結晶粒の内部に素子の特定の領域を形成することにより、従来のランダムな結晶粒のみからなる結晶性薄膜を用いる場合に比べて、当該素子の動作特性を著しく向上させ、そのバラツキを低減することができる。
【０２０３】
さらに、上記本発明の素子を用いて構成した回路は、従来の、位置制御されないランダムな結晶粒のみからなる結晶性薄膜を用いた素子からなる回路に比べて、その動作特性を著しく向上させ、そのバラツキを低減することができる。
【０２０４】
さらにまた、本発明の素子もしくは回路を含む本発明の装置においては、当該素子もしくは回路の動作特性の向上及びバラツキの低減によって、動作特性を著しく向上することができる。然して、本発明の装置は、位置制御されないランダムな結晶粒のみからなる結晶性薄膜を用いる場合では実現できない、高性能な装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第一の基本的な実施形態を説明するための製造工程図である。
【図２】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第二の基本的な実施形態を説明するための製造工程図である。
【図３】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の他の実施形態を説明する図である。
【図４】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の他の実施形態を説明する図である。
【図５】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の他の実施形態を説明する図である。
【図６】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の他の実施形態を説明する図である。
【図７】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の他の実施形態を説明する図である。
【図８】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の他の実施形態を説明する図である。
【図９】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の他の実施形態を説明する図である。
【図１０】本発明の素子の第一の基本的な実施形態を説明する図である。
【図１１】本発明の素子の第二の基本的な実施形態を説明する図である。
【図１２】本発明の素子の他の実施形態を説明する図である。
【図１３】本発明の素子の他の実施形態を説明する図である。
【図１４】本発明の回路の一実施形態を説明する図である。
【図１５】本発明の装置の一実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
１  小領域
２  周囲の領域
３  出発薄膜
４  溶融再固化のための投与エネルギー
５  結晶性クラスター
６  結晶粒
７  未再固化領域
８  ランダムな結晶性クラスター群
９  結晶粒界
１０  素子活性領域
１１  ゲート絶縁膜
１２  ゲート電極
１３  ソース電極
１４  ドレイン電極
１５  第一のＴＦＴのゲート配線電極
１６  第二のＴＦＴのゲート電極
１７  絶縁層
１８  電極
１９  発光層もしくは光透過度可変層
２０  上部電極
１００  基体
【図１】
0004310076.tif 000006
【図２】
0004310076.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004310076.tif 000011
【図７】
0004310076.tif 000012
【図８】
0004310076.tif 000013
【図９】
0004310076.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
0004310076.tif 000016
【図１２】
0004310076.tif 000017
【図１３】
0004310076.tif 000018
【図１４】
0004310076.tif 000019
【図１５】
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