(57)【要約】【課題】電気特性を高め、かつ電気特性のばらつきを抑制した半導体薄膜の製造方法、薄膜トランジスタの製造方法、半導体薄膜、薄膜トランジスタ及び表示装置を提供する。【解決手段】基板上に半導体薄膜を製造する方法であって、上記製造方法は、基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、該非晶質珪素膜の膜面内の一方位に結晶化エネルギーを付与していくことにより、｛１０１｝面が膜面と平行でありかつ〈１００〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第一結晶粒、及び、｛１１４｝面が膜面と平行でありかつ〈１２２〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行な第二結晶粒で構成された多結晶珪素膜を形成する結晶化工程と、上記多結晶珪素膜に結晶成長エネルギーを付与することにより、第一結晶粒を消失させ、第二結晶粒を大きくする結晶成長工程とを含む半導体薄膜の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体薄膜を製造する方法であって、
該製造方法は、基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、該非晶質珪素膜の膜面内の一方位に結晶化エネルギーを付与していくことにより、｛１０１｝面が膜面と平行でありかつ〈１００〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第一結晶粒、及び、｛１１４｝面が膜面と平行でありかつ〈１２２〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第二結晶粒で構成された多結晶珪素膜を形成する結晶化工程と、
該多結晶珪素膜に結晶成長エネルギーを付与することにより、第一結晶粒を消失させ、第二結晶粒を大きくする結晶成長工程とを含むことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記結晶化工程は、連続発振レーザ光を照射することで結晶化エネルギーを付与していくものであることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記連続発振レーザ光は、固体レーザ光であることを特徴とする請求項２記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記固体レーザ光は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザの第２高調波であることを特徴とする請求項３記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記連続発振レーザ光は、強度が１０．０〜２５．０Ｗであることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記結晶化工程は、結晶化エネルギーを付与していく速度が１．０〜３．０ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記半導体薄膜は、薄膜トランジスタの半導体層に用いられるものであり、
前記結晶化工程は、結晶化エネルギーを付与していく方位が、半導体層のソース領域、チャネル領域及びドレイン領域をこの順に結ぶ直線方位と平行なものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記結晶成長工程は、連続発振レーザ光を照射することによって結晶成長エネルギーを付与するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記結晶成長工程に用いる連続発振レーザ光は、固体レーザ光であることを特徴とする請求項８記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
前記結晶成長工程に用いる固体レーザ光は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザの第２高調波であることを特徴とする請求項９記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１１】
前記結晶成長工程に用いる連続発振レーザ光は、強度が３．０〜９．５Ｗであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１２】
前記結晶成長工程は、基板上に形成された多結晶珪素膜に対して、該多結晶珪素膜の面内の一方位に結晶成長エネルギーを付与していくものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１３】
前記結晶成長工程は、結晶成長エネルギーを付与していく速度が０．５〜２．０ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１２記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１４】
前記非晶質珪素膜は、膜厚が３０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法を用いることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項１７】
請求項１６記載の半導体薄膜を半導体層として備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１８】
請求項１７記載の薄膜トランジスタを備えることを特徴とする表示装置。
【請求項１９】
基板上に配置された半導体薄膜であって、
該半導体薄膜は、｛１１４｝面が膜面と平行でありかつ〈１２２〉方位が膜面内の一方位を向く結晶粒で構成されることを特徴とする半導体薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の製造方法、薄膜トランジスタの製造方法、半導体薄膜、薄膜トランジスタ及び表示装置に関する。より詳しくは、絶縁基板上に薄膜トランジスタを備える半導体装置に好適な半導体薄膜の製造方法、薄膜トランジスタの製造方法、半導体薄膜、薄膜トランジスタ及び表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス等の絶縁性基板上に形成された非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶構造を有する半導体珪素膜（以下、結晶性珪素膜という）を形成する技術が広く研究されている。その結晶化法としては、ファーネスアニール炉を用いた熱アニール法、高速昇温熱処理（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）法、レーザアニール法等が検討されている。
【０００３】
結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜と比較して移動度が高い。このため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、例えば、１枚のガラス基板上に、画素のスイッチングを行うためのＴＦＴ、画素を駆動するための駆動回路用のＴＦＴ等を形成したアクティブマトリクス型の液晶表示装置等に利用されている。
【０００４】
従来、ファーネスアニール炉で非晶質珪素膜を結晶化させるには、６００℃以上で１０時間以上の熱処理を必要としていた。この場合、結晶化に適用できる基板材料は石英であるが、石英基板は高価であり、また、大面積に加工するのは困難であった。
【０００５】
そこで、非晶質珪素膜を結晶化する方法としては、非晶質珪素膜に紫外線、短パルスのエキシマレーザ等を照射することで多結晶珪素膜を得る方法が主流となっている。レーザアニール法は、歪点の低いガラス基板には勿論、プラスチック基板等にも用いることができる技術である。ガラス、プラスチック等の基板は、安価で大面積に加工することが比較的容易であり、近年においては、一辺が１ｍを越えるサイズのガラス基板が使用されてきている。
【０００６】
また、レーザアニール法を用いて高移動度の半導体薄膜を形成する手法としては、非晶質珪素膜にパルスレーザを照射して、膜面に平行に｛１００｝面に優先配向した多結晶半導体薄膜を形成したのち、連続発振のレーザ光を照射することによって｛１００｝面に優先配向させた結晶粒を大粒径化させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−１５１９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、多結晶半導体薄膜の膜面内方位には結晶方位の制御を行うことができず、この多結晶半導体薄膜で複数の薄膜トランジスタを製造した場合、それぞれの薄膜トランジスタで電気特性のばらつきが大きくなるおそれがあった。
【０００８】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、電気特性を高め、かつ電気特性のばらつきを抑制した半導体薄膜の製造方法、ＴＦＴの製造方法、半導体薄膜、ＴＦＴ及び表示装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、キャリア移動度等の電気特性を高め、かつ電気特性のばらつきを抑制した半導体薄膜の製造方法について種々検討したところ、半導体薄膜において膜面内方位の結晶方位を制御することに着目した。そして、基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、該非晶質珪素膜の膜面内の一方位に結晶化エネルギーを付与していくことにより、｛１０１｝面が膜面と平行でありかつ〈１００〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第一結晶粒、及び、｛１１４｝面が膜面と平行でありかつ〈１２２〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第二結晶粒で構成される多結晶珪素膜を形成する結晶化工程と、上記多結晶珪素膜に結晶成長エネルギーを付与することにより、第一結晶粒を消失させ、第二結晶粒を大きくする結晶成長工程とを行うことにより、膜面外の方位（膜面に対して垂直な方位）及び膜面内の方位（膜面に対して平行な方位）の結晶方位を揃えることができ、半導体薄膜の電気特性を向上させ、かつ電気特性のばらつきを抑制することができることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、基板上に半導体薄膜を製造する方法であって、上記製造方法は、基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、該非晶質珪素膜の膜面内の一方位に結晶化エネルギーを付与していくことにより、｛１０１｝面が膜面と平行でありかつ〈１００〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第一結晶粒、及び、｛１１４｝面が膜面と平行でありかつ〈１２２〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第二結晶粒で構成された多結晶珪素膜を形成する結晶化工程と、上記多結晶珪素膜に結晶成長エネルギーを付与することにより、第一結晶粒を消失させ、第二結晶粒を大きくする結晶成長工程とを含む半導体薄膜の製造方法である。
以下に本発明を詳述する。
【００１１】
本発明は、基板上に半導体薄膜を製造する方法である。上記基板は、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、ステンレス基板を用いることができるが、特に限定されるものではない。表示装置に用いる場合には、光を透過することができる観点から、ガラス基板、透明プラスチック基板等の透明基板であることがより好ましい。基板上に半導体薄膜を製造することによって、例えば、大面積の基板上においても所望の場所に薄膜トランジスタ等の半導体素子を形成することができ、生産性の向上を図ることができる。上記半導体薄膜は、珪素（シリコン）から構成されるものであり、ダイヤモンド構造の結晶構造を有する結晶からなるものであり、通常、多結晶の珪素膜であるが、単結晶であってもよい。また、半導体薄膜中には、例えば、正孔、電子等のキャリアを生じる不純物元素等を含んでいてもよい。
【００１２】
上記半導体薄膜の製造方法は、基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、該非晶質珪素膜の膜面内の一方位に結晶化エネルギーを付与していくことにより、｛１０１｝面が膜面と平行でありかつ〈１００〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第一結晶粒、及び、｛１１４｝面が膜面と平行でありかつ〈１２２〉方位が結晶化エネルギーを付与していく方位と平行である第二結晶粒で構成される多結晶珪素膜を形成する結晶化工程を含む。これによれば、多結晶珪素膜中に形成された結晶粒の結晶方位を２つに揃えることができる。第一結晶粒と第二結晶粒とは、互いに双晶の関係にあるため、多結晶珪素膜を形成する結晶化工程中に、第一結晶粒から第二結晶粒が、逆に第二結晶粒から第一結晶粒が、容易に成長することが可能で、結晶化エネルギーを付与する条件を制御することにより、第一結晶粒及び第二結晶粒のみの多結晶珪素膜を得ることができる。
まず、この二種類の結晶粒のみの多結晶珪素膜を形成することが可能となったことから、後述する結晶成長工程において、半導体薄膜中の結晶の方位を制御することができる。
結晶粒は、規則正しい原子配列からなる結晶構造を有する粒子のことであり、個々の結晶粒は単結晶からなるものである。
【００１３】
上記結晶化工程は、非晶質珪素膜の膜面内の一方位に結晶化エネルギーを付与していくものであり、通常、非晶質珪素膜に結晶化エネルギーを付与する位置を上記一方位に沿ってずらしながら行うものである。例えば、レーザ光を照射することで結晶化エネルギーを付与する場合には、レーザ光が照射される部位を、膜面に平行な一方位に走査しながらレーザ照射を行う。このような場合、レーザ光の照射源を移動させながら、結晶化エネルギーを付与していってもよいし、非晶質珪素膜が配置された基板を移動させながら、レーザ光が照射される部位を移動させていってもよい。なお、この場合の一方位は、膜面内の任意の一つの方位に平行な逆向きの方位も含むものとする。
【００１４】
上記結晶化工程は、第二結晶粒を結晶化エネルギーを付与していく方位に伸びたラテラル結晶として形成することができる。膜面内の一方位に伸びた結晶が形成されることによって、後述する結晶成長工程において、多結晶珪素膜中の結晶の膜面内の方位を制御することができることとなる。
【００１５】
上記多結晶珪素膜は、第一結晶粒及び第二結晶粒で構成されるが、それ以外の結晶方位の異なる結晶粒を僅かに含んでいてもよい。また、第一結晶粒及び第二結晶粒以外の含んでいてもよい結晶粒の結晶方位は、その膜面外方位が〈１００〉から２５°の範囲内ではないことが好ましい。膜面外方位が〈１００〉から２５°の範囲内の結晶粒の場合、後述する結晶成長工程において、この方位制御されていない結晶粒も成長してしまうためである。また、後述する結晶成長工程において、第二結晶粒のみを成長させて、第二結晶粒のみの半導体薄膜を得るためには、この時点（結晶化工程後、結晶成長工程前の時点）での第二結晶粒の割合が１０％以上であることが好ましく、第二結晶粒以外の結晶粒の割合は第一結晶粒を含んで９０％未満であることが好ましい。第二結晶粒の多結晶珪素膜中の割合は、ＴＳＬ社製の電子線回折装置を用いた後方散乱電子回折像（ＥＢＳＰ）法により容易に測定することができる。
【００１６】
上記半導体薄膜の製造方法は、上記多結晶珪素膜に結晶成長エネルギーを付与することにより、第一結晶粒を消失させ、第二結晶粒を大きくする結晶成長工程とを含む。これによれば、第二結晶粒を優先的に含んで構成される半導体薄膜とすることができるため、半導体薄膜のキャリア移動度等の電気特性を高めるとともに、膜面内方位の電気特性のばらつきを抑制することができる。この場合、結晶成長エネルギーの付与により上記多結晶珪素膜は溶融し、直ちに固化（結晶化）するが、膜面外方位が〈１００〉から２５°の範囲内の結晶粒の方が結晶化速度が速く、第二結晶粒の結晶方位を持つ結晶粒が優先的に成長する。
【００１７】
本発明の半導体薄膜の製造方法は、上記結晶化工程及び結晶成長工程を構成要素として含むものである限り、その他の工程を構成要素として含んでいてもいなくてもよく、特に限定されるものではない。例えば、非晶質珪素膜を形成する前に、基板上に基板側からの不純物の拡散を抑制するためのベースコート膜を形成する工程を含んでいてもよいし、結晶化工程の前に、非晶質珪素膜上に該非晶質珪素膜又それが結晶化した膜が飛散することを防ぐための膜を形成する工程を含んでいてもよく特に限定されない。
なお、上述の｛１０１｝、｛１１４｝、｛１００｝又は｛１２２｝は、ミラー指数で表示する等価な面群を示し、例えば、｛１０１｝面の場合には、（１０１）面だけではなく、（１１０）面、（０１１）面等の等価な面を含むものである。また、〈１０１〉、〈１００〉、〈１１４〉又は〈１２２〉は、ミラー指数で表示する面に対応する法線方位の等価な方位群を示しており、例えば、〈１０１〉方位の場合には、〔１０１〕方位だけではなく、〔１１０〕方位、〔０１１〕方位等の等価な面を含むものである。
また、本明細書中の多結晶珪素膜及び半導体薄膜は、いずれもシリコンからなる膜であるが、結晶化工程で非晶質珪素膜を結晶化した多結晶のシリコンからなる膜を「多結晶珪素膜」とし、該多結晶珪素膜に対して結晶成長工程を行った後の多結晶のシリコンからなる膜を「半導体薄膜」として区別している。
本発明の半導体薄膜の製造方法における好ましい形態について以下に詳しく説明する。
【００１８】
上記結晶化工程は、連続発振レーザ光を照射することで結晶化エネルギーを付与していくものであることが好ましい。これによれば、連続発振レーザ光を用いることで、エネルギーを一定に付与することができるためより結晶化を安定させることができる。例えば、パルスレーザ光を照射することで結晶化エネルギーを付与する場合には多結晶珪素膜表面に凹凸が生じるおそれがある。
【００１９】
上記連続発振レーザ光は、固体レーザ光であることが好ましく、該固体レーザ光は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザの第２高調波であることがより好ましい。ＹＡＧレーザの第２高調波（λ＝５３２ｎｍ）は、珪素膜に吸収されやすいため、非晶質珪素膜から多結晶珪素膜への結晶化をより促進することができる。また、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ光は、発振部の構造が簡素で、長期間メンテナンスが不要であることから、稼働時間が長く、ランニングコストが安価で、製造装置として非常に有利である。
【００２０】
上記連続発振レーザ光は、強度が１０．０〜２５．０Ｗであることが好ましい。１０Ｗ未満である場合には、珪素膜が結晶化しないおそれがあり、２５Ｗを超える場合には、結晶方位制御ができない、又は、珪素膜が蒸発するおそれがある。
上記結晶化工程は、結晶化エネルギーを付与していく速度が１．０〜３．０ｍ／ｓであることが好ましい。１．０ｍ／ｓ未満である場合には、結晶方位制御ができない、又は、珪素膜が蒸発するおそれがあり、３．０ｍ／ｓを超える場合には、珪素膜が結晶化しないおそれがある。
レーザ光の照射条件を、このような条件に設定することによって、より多結晶珪素膜中の結晶方位の制御を行うことができ、結晶成長工程を経た後の半導体膜において、より電気特性の向上、電気特性のばらつきの抑制等を図ることができる。
【００２１】
上記半導体薄膜は、薄膜トランジスタの半導体層に用いられるものであり、上記結晶化工程は、結晶化エネルギーを付与していく方位が、半導体層のソース領域、チャネル領域及びドレイン領域をこの順に結ぶ直線方位と平行なものであることが好ましい。上記多結晶珪素膜中の第二結晶粒は、結晶化エネルギーを付与していく方位に長いラテラル結晶となる傾向にあるため、ソース領域からドレイン領域に向けて長い結晶となることで、より薄膜トランジスタの半導体層のソース領域からドレイン領域にかけての導電率、キャリア移動度等を向上させることができ、より高性能な薄膜トランジスタとすることができる。
【００２２】
上記結晶成長工程は、連続発振レーザ光を照射することによって結晶成長エネルギーを付与するものであることが好ましい。これによれば、パルスレーザ光を照射することで結晶化エネルギーを付与する場合よりも、エネルギーを一定に付与することができるためより結晶化を安定させることができる。
【００２３】
上記結晶成長工程に用いる連続発振レーザ光は、固体レーザ光であることが好ましく、該固体レーザ光は、ＹＡＧレーザの第２高調波であることがより好ましい。ＹＡＧレーザの第２高調波（λ＝５３２ｎｍ）は、珪素膜に吸収されやすいため、多結晶珪素膜から半導体薄膜への結晶化をより促進することができる。
【００２４】
上記結晶成長工程に用いる連続発振レーザ光は、強度が３．０〜９．５Ｗであることが好ましい。３．０Ｗ未満である場合には、多結晶珪素膜が溶融せず、結晶成長しないおそれがあり、９．５Ｗを超える場合には、結晶方位制御ができないおそれがある。上記結晶成長工程は、基板上に形成された多結晶珪素膜に対して、該多結晶珪素膜の面内の一方位に結晶成長エネルギーを付与していくものであることが好ましく、上記結晶成長工程は、結晶成長エネルギーを付与していく速度が０．５〜２．０ｍ／ｓであることが好ましい。０．５ｍ／ｓ未満である場合には、珪素膜が蒸発するおそれがあり、２．０ｍ／ｓを超える場合には、結晶方位制御ができないおそれがある。
レーザ光の照射条件を、このような条件に設定することによって、より半導体薄膜中の結晶方位の制御を行うことができ、電気特性の向上、電気特性のばらつきの抑制等を図ることができる。
【００２５】
上記半導体薄膜の製造方法は、結晶化エネルギーを付与していく方位と、結晶成長エネルギーを付与していく方位とが平行であることが好ましい。これによれば、結晶化工程において結晶化エネルギーを付与していく方位に伸びた第二結晶粒をより効率よく成長させることができる。
【００２６】
上記非晶質珪素膜は、膜厚が３０〜１００ｎｍであることが好ましい。非晶質珪素膜の膜厚が３０〜１００ｎｍであれば、充分に結晶化エネルギー及び結晶成長エネルギーを膜全体に伝達することができるため、より半導体薄膜を形成したときに該半導体薄膜中の結晶の方位を制御することができる。３０ｎｍ未満になると上記結晶成長工程の結晶成長の選択性が充分ではなくなり、結晶方位制御ができないおそれがあり、１００ｎｍを超えると充分に膜全体を結晶化させることができないおそれがある。
【００２７】
本発明はまた、上記半導体薄膜の製造方法を用いる薄膜トランジスタの製造方法でもある。これによれば、半導体薄膜の膜面内及び膜面外の方位の両方に結晶の方位が制御されたものを薄膜トランジスタの半導体層とすることができるため、キャリア移動度等の電気特性が向上し、電気特性のばらつきが抑制された薄膜トランジスタを製造することができる。なお、本発明の薄膜トランジスタについては、基板上に形成された薄膜トランジスタであればよく、例えば、基板上に形成された薄膜トランジスタが他の基板上に移されて（転写されて）形成されたものでもよく、特に限定されない。
【００２８】
本発明は更に、上記半導体薄膜の製造方法を用いて製造された半導体薄膜でもある。上記半導体薄膜は、半導体薄膜の膜面外方位及び膜面内方位の両方に結晶の方位が制御されたものであるため、キャリア移動度の向上、電気特性のばらつきを抑制したものとすることができる。
【００２９】
本発明はそして、上記半導体薄膜を半導体層として備える薄膜トランジスタでもある。上記薄膜トランジスタは、半導体薄膜の膜面と平行に｛１０１｝面が優先配向し、薄膜トランジスタのソース領域、チャネル領域及びドレイン領域をこの順に結ぶ直線方位に｛１１４｝面が優先配向している半導体薄膜を備えることが好ましく、これによりキャリア移動度等の電気特性が向上し、電気特性のばらつきが抑制された薄膜トランジスタとすることができる。なお、薄膜トランジスタは、通常、基板側から、ソース領域、チャネル領域及びドレイン領域を有する半導体層、ゲート絶縁膜、ゲート電極をこの順に備えるトップゲート型の薄膜トランジスタ、基板側から、ゲート電極、ゲート絶縁膜及び半導体層をこの順に備えるボトムゲート型の薄膜トランジスタ等が挙げられる。
【００３０】
本発明はまた、上記薄膜トランジスタを備える表示装置でもある。上記薄膜トランジスタは、キャリア移動度が高く、電気特性のばらつきが抑制されたのとなっているため、例えば、表示装置において画像を表示する基本単位となる画素のスイッチング素子、又は、ドライバ回路等の回路を構成する薄膜トランジスタとして設ける場合、より安定した表示を行うことができる。表示装置は、例えば、上記薄膜トランジスタを備える薄膜トランジスタ基板とカラーフィルタ基板とが対向して配置され、対向して配置された一対の基板の間に液晶層が配置された液晶表示パネルに偏光板、バックライト、画素を駆動するドライバ回路等を備えた液晶表示装置、上記薄膜トランジスタをスイッチング素子として用いた有機エレクトロルミネッセンス表示パネルにドライバ回路等を備えた有機ＥＬ表示装置等が挙げられる。
【００３１】
本発明は更に、基板上に配置された半導体薄膜であって、上記半導体薄膜は、｛１１４｝面が膜面と平行でありかつ〈１２２〉方位が膜面内の一方位を向く結晶粒で構成される半導体薄膜でもある。半導体薄膜の膜面外方位及び面内方位について結晶方位が揃っていることから、半導体薄膜のキャリア移動度等の電気特性の向上とともに、電気特性のばらつきを抑制したものとなる。半導体薄膜中には、ほぼ全ての結晶粒が｛１１４｝面が膜面と平行でありかつ〈１２２〉方位が膜面内の一方位を向くものであるが、僅かに他の結晶方位を有する結晶粒が存在していてもよく、上記基板面と平行に｛１１４｝面を有しかつ〈１２２〉方位が膜面内の一方位を向く結晶粒は、半導体薄膜中に１０％以上の割合で含まれていることが好ましく、４０％以上の割合で含まれていることがより好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、キャリア移動度等の電気特性を高め、かつ電気特性のばらつきを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に実施形態を掲げ、本発明を図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
【００３４】
（実施形態１）
以下に、図１〜１２を用いて実施形態１に係る半導体薄膜の製造方法、多結晶半導体薄膜、半導体装置及び表示装置について説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３５】
実施形態１では、チャネル領域の大きさが縦が４μｍ、横が４μｍの正方形である薄膜トランジスタを製造する場合について説明する。図１は、基板上に半導体薄膜を製造する工程中の断面模式図であり、図１（ａ）は結晶化工程前の構成を示すものであり、（ｂ）は結晶化工程後、結晶成長工程前の構成を示すものであり、（ｃ）は結晶成長工程後の構成を示すものである。
まず、図１（ａ）に示すように、テトラエチルオルソシリケート（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：ＴＥＯＳ）を原料ガスとして用いたＲＦプラズマ化学気相成長（以下「プラズマＣＶＤ」ともいう。）法を用いてガラス基板１１上に厚さ１００ｎｍの酸化珪素（ＳｉＯ２）膜を堆積し、続いて、シラン（ＳｉＨ４）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスとの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、酸化珪素膜１２上に膜厚７５ｎｍの非晶質珪素膜１３を形成する。非晶質珪素膜１３上には、ＴＥＯＳを原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法を用いて膜厚２０ｎｍの酸化珪素保護膜１６を成膜する。酸化珪素保護膜１６は、後述するレーザ光照射の際に珪素膜が飛散することを防ぐためのものである。
【００３６】
図２は、レーザを照射する工程を示す平面模式図であり、図２中の白抜きの矢印は、レーザ走査方位を示している。図２に示すように、波長５３２ｎｍ、エネルギー１７．５Ｗの連続発振のＹＡＧレーザ光を、酸化珪素膜が照射されるときの形状が縦３００μｍ、横２０μｍの矩形状の照射形状２９にして、その短軸方位（横方位）に２ｍ／ｓの速度で走査しながら照射する。その結果、図１（ｂ）に示す多結晶珪素膜１４が形成される（結晶化工程）。
【００３７】
ここで、図３（ａ）は後方散乱電子回折像（ＥＢＳＰ）法により、結晶化工程後の多結晶珪素膜の結晶粒界を表したものである。ＥＢＳＰ法には、ＴＳＬ社製の電子線回折装置を取り付けた電界放出型走査電子顕微鏡（商品名：Ｓ−４２００特ＳＥ、日立製）を用いて測定を行った。図３（ｂ）は、図３（ａ）を結晶方位によって色分けした図である。図３（ｂ）中の灰色領域Ａに含まれる結晶粒は、多結晶珪素膜の膜面と平行に｛１０１｝面を有するものであり、白色領域Ｂに含まれる結晶粒は、多結晶珪素膜の膜面と平行に｛１１４｝面を有するものである。図３（ａ）に示すように、結晶化工程により形成された多結晶珪素膜１４は、レーザ光の走査方位に１０μｍ程度に伸びた細長い形状のラテラル結晶を含んで構成されている。ここで、図４（ａ）は、図３（ｂ）中の、灰色領域Ａに含まれる結晶粒におけるシリコンの〈１０１〉方位の極点図であり、図４（ｂ）は、シリコンの〈１００〉方位の極点図である。図５（ａ）は、図３（ｂ）中の、白色領域Ｂに含まれる結晶粒におけるシリコンの〈１０１〉方位の極点図であり、図５（ｂ）は、シリコンの〈１００〉方位の極点図である。極点図の中心は膜面に垂直な方向を表し、極点図の中心を通り図中の上下に引かれた直線と円との交点は膜面内のレーザ走査方向を表し、極点図の中心を通り図中の左右に引かれた直線と円との交点は膜面内のレーザ走査方向に直角な方向を表している。これらの極点図を解析したところ、灰色領域Ａは、多結晶珪素膜の膜面方位（膜面と垂直な方位）が〈１０１〉方位で、レーザ光走査方位が〈１００〉方位であった。すなわち、灰色領域Ａは、多結晶珪素膜の膜面と平行に｛１０１｝面を有するものであり、レーザ光走査方位と垂直に｛１００｝面を有する結晶粒（第一結晶粒）で構成されている。白色領域Ｂは、多結晶珪素膜の膜面方位が〈１１４〉方位で、レーザ光走査方位が〈１２２〉方位であった。すなわち、白色領域Ｂは、多結晶珪素膜の膜面と平行に｛１１４｝面を有するものであり、レーザ光走査方位と垂直になるように｛１２２｝面を有する結晶粒（第二結晶粒）で構成されている。
【００３８】
これらのことから、多結晶珪素膜１４は、図３（ｂ）で示されるように、殆どが灰色領域Ａを形成する第一結晶粒で占められており、残りが白色領域Ｂを形成する第二結晶粒で占められていることがわかる。このように、全ての結晶粒が第一結晶粒及び第二結晶粒で占められている。多結晶珪素膜を構成する結晶粒がこのように形成されるのは、例えば、上述した条件のような、ある特定のエネルギー照射条件では、膜面方位が〈１０１〉で、かつレーザ光走査方位が〈１００〉に優先配向する傾向があるものの、ラテラルな結晶成長（膜面内方位の結晶成長）では結晶粒が成長するにつれて結晶の内部応力が増加するため、内部応力が臨界点を超えたときに双晶を形成して応力を緩和させることに起因している。
【００３９】
多結晶珪素膜１４を形成後、エネルギー９ＷのＹＡＧレーザ光を、１ｍ／ｓの速度で走査すること以外は結晶化工程と同様に酸化珪素保護膜１６上からレーザ照射を行うことで、図１（ｃ）に示す半導体薄膜１５を形成する（結晶成長工程）。
【００４０】
図６は、ＥＢＳＰ法により、半導体薄膜１５の結晶粒界を表したものである。図７（ａ）は、図６中の全領域の結晶粒を対象に測定したシリコンの〈１０１〉方位の極点図であり、図７（ｂ）は、シリコンの〈１００〉方位の極点図である。これらの極点図を解析したところ、半導体薄膜１５に含まれる結晶粒（第三結晶粒）は、半導体薄膜１５の膜面方位（膜面と垂直な方位）が〈１１４〉方位で、レーザ光走査方位が〈１２２〉方位であった。すなわち、第三結晶粒は、半導体薄膜１５の膜面方位が〈１１４〉方位で、レーザ光走査方位が〈１２２〉方位であった。すなわち、半導体薄膜１５は、半導体薄膜１５の膜面と平行に｛１１４｝面を有するものであり、レーザ光走査方位と垂直になるように｛１２２｝面を有する結晶粒で構成されていることがわかる。このように、二方位に優先配向した多結晶珪素膜１４を、膜面方位と平行に｛１１４｝面を有し、かつレーザ光走査方位と垂直に｛１２２｝面を有する結晶粒のみを選択成長させることができる。酸化珪素保護膜１６は、半導体薄膜１５を形成後（結晶成長工程後）に、フッ酸浸漬を行うことで除去する。
【００４１】
結晶成長工程におけるレーザ照射条件では、膜面方位と〈１００〉方位とが２５°以内である結晶粒のみを選択的に成長させることができ、その他の結晶粒を消失させることができることを見いだした。このとき、結晶粒はラテラル結晶ではなく、粒状の多結晶である。すなわち、第２の結晶化工程により、第１の結晶化工程で得られた膜面外方位が〈１０１〉及び〈１１４〉方位である結晶粒のうち、〈１１４〉方位の結晶粒のみが成長する。膜面外方位が〈１１４〉の結晶粒はレーザ走査方位に〈１２２〉に揃っていることから、結果的に膜面外方位だけでなく、膜面内方位にも結晶方位が制御された半導体薄膜が得られる。
【００４２】
以上の方法に従って製造された半導体薄膜１５を、電界効果型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層（チャネル領域を形成する層）に使用することで、キャリア移動度が高くなり、電気特性のばらつきを小さくしたＴＦＴとすることができる。なお、本実施形態では、非晶質珪素膜の膜厚を７５ｎｍとしたが、３０〜１００ｎｍの場合には充分に本発明の効果を得ることができる。また、結晶化工程においては、波長５３２ｎｍ、エネルギー１７．５ＷのＹＡＧレーザ光を２．０ｍ／ｓの速度で走査したが、他の連続発振レーザ光で、エネルギーを１０〜２５Ｗとして、走査速度を１．０〜３．０ｍ／ｓとすることで、充分に本発明の効果を得ることができる。更に、結晶成長工程においては、波長が５３２ｎｍ、エネルギーが９ＷのＹＡＧレーザ光を１．０ｍ／ｓの速度で走査したが、他の連続発振レーザ光で、エネルギーを３．０〜９．５Ｗとして、走査速度を０．５〜２．０ｍ／ｓとすることで、充分に本発明の効果を得ることができる。
【００４３】
続いて、半導体薄膜１５を活性層として用いたｎチャネル型電界効果薄膜トランジスタ（以下、「ｎチャネル型ＴＦＴ」という。）１００の製造方法について説明する。
図８は、半導体薄膜１５をパターニングした後の基板１１上の半導体層２０を示す平面模式図である。図８に示すように、まず、ガラス基板１１上に配置された酸化珪素膜１２の上に作製された半導体薄膜１５を、４μｍ×４μｍのチャネル領域２１、ソース領域２２及びドレイン領域２３に対応する形状にパタ−ニングした半導体層２３を形成する。このとき、ソース領域２２とドレイン領域２３とを結ぶように設定した所定の線分Ａ−Ｂは、レーザ光走査方位とが平行になるようにパターニングは行っている。その後、図９に示すように、パターニングされた半導体層２０を覆うように常圧化学気相成長（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＰＣＶＤ）法により、厚さ１００ｎｍの酸化珪素からなるゲート絶縁膜２４を形成する。
【００４４】
次に、図１０（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜２４上に、膜厚３００ｎｍ程度のアルミニウム膜１５ａを形成し、更に図１０（ｂ）に示すようにアルミニウム膜２５ａを所定形状にパターニングしてゲート電極２５を形成する。このゲート電極２５をマスクとして、ソース領域２２及びドレイン領域２３に６×１０１５イオン／ｃｍ２でリンイオンを注入し、ゲート電極２５直下のチャネル領域２１の両側にソ−ス領域２２及びドレイン領域２３を形成する。
【００４５】
その後、図１１に示すように、ＡＰＣＶＤ法によって、ガラス基板１１上の全面に膜厚５００ｎｍの酸化珪素膜を堆積して層間絶縁膜２６を形成する。次いで、図１１に示すように、ソ−ス領域２２及びドレイン領域２３上のゲート絶縁膜２４および層間絶縁膜２６にコンタクトホ−ル部を形成し、スパッタリング法によって電極材料をコンタクトホ−ル部に堆積させ、コンタクトホール部を介して電極材料とソース領域２２及びドレイン領域２３との間にオ−ミック接触を実現させる。この電極材料を所定形状にパターニングすることにより、引き出し電極２８が形成される。
以上のようにして、ｎチャネル型ＴＦＴ１００が完成する。
【００４６】
このようにして作製したｎチャネル型ＴＦＴ１００をスイッチング素子として用いることにより、半導体装置及びその半導体装置を用いた表示装置を製造することができる。なお、上述の説明では、ＴＦＴの例示としてｎチャネル型ＴＦＴ１００を説明したが本発明はこれに限定されない。例えば、半導体薄膜１５を用いてｐチャネル型ＴＦＴを作製してもよい。また、ｐチャネル型ＴＦＴをスイッチング素子として用いた半導体装置、及び、その半導体装置を備えた表示装置を作製してもよい。
【００４７】
上述の製造方法によりｎチャネル型ＴＦＴを作製し、そのキャリア移動度を測定したところ、高いキャリア移動度（２７０ｃｍ２／Ｖ・ｓ）を示した。更に、同一基板上に上述の製造方法でｎチャネル型ＴＦＴを１００個ずつ作製し、それらのキャリア移動度を測定したところ、キャリア移動度のばらつきは、それぞれ±３％以内であり小さいものであった。
【００４８】
以上説明したようにして得られる膜面外方位に｛１１４｝面、レーザ光走査方位に｛１２２｝面が優先配向するように制御された多結晶珪素膜（多結晶半導体薄膜）を用いて半導体装置を製造すれば、その装置特性の向上を図ることができる。例えば、半導体装置としてトランジスタを製造すると、キャリア移動度を大きくすることができ、また、閾値電圧を小さくすることが可能である。さらに、同一基板上に複数のトランジスタを製造した場合に、各トランジスタ間の特性のばらつきを小さくすることが可能である。
【００４９】
（比較例１）
ガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いて膜厚２００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成し、その上に膜厚５０ｎｍの非晶質珪素膜を形成した。その後、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）を用いて１５０ｍｍ×１ｍｍの線状ビームを３００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度で、ステップピッチを１０μｍとして一方位に１ショットずつ走査する。これにより、非晶質珪素膜を結晶化させて多結晶珪素膜とする。この場合の多結晶珪素膜は、多結晶珪素膜の膜面と平行に｛１００｝面を有する結晶が優先的に形成されている。その後、Ｎｄ：ＹＶＯ４（２ω、波長５３２ｎｍ）の連続発振レーザによってエネルギー５Ｗビーム径４００μｍ×２０μｍ、走査速度２０ｃｍ／秒で基板面内方位の一方位に走査する。このようにして作成した半導体薄膜を、その後の工程は実施形態１と同様にｎチャネル型ＴＦＴを作成して、キャリア移動度を測定したところ、その最大値が２００ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、キャリア移動度のばらつきは±１５％であった。
【００５０】
以上の結果により、本願発明に係る製造方法によって製造された多結晶半導体薄膜を備えたＴＦＴは、従来の製造方法で製造されたものと比べてより高い移動度を示し、かつ、キャリア移動度のばらつきもより小さくなることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施形態１に係る半導体薄膜の製造工程において、（ａ）は結晶化工程前の構造を示す断面模式図であり、（ｂ）は結晶化工程後、結晶成長工程前の構造を示す断面模式図であり、（ｃ）は結晶成長工程後の構造を示す断面模式図である。
【図２】実施形態１に係る半導体薄膜の製造工程において、レーザ光を照射する工程を示す平面模式図である。
【図３】実施形態１に係る半導体薄膜の製造工程において、（ａ）はＥＢＳＰ法によって測定した結晶化工程後の多結晶珪素膜の結晶粒界を示す図である。（ｂ）はＥＢＳＰ法によって測定した結晶化工程後の多結晶珪素膜を結晶方位の相違によって色分けした図である。
【図４】実施形態１に係る半導体薄膜の製造工程において、（ａ）は図３（ｂ）中の灰色領域Ａに含まれる結晶粒における〈１０１〉の極点図である。（ｂ）は図３（ｂ）中の灰色領域Ａに含まれる結晶粒における〈１００〉の極点図である。
【図５】実施形態１に係る半導体薄膜の製造工程において、（ａ）は図３（ｂ）中の白色領域Ｂに含まれる結晶粒における〈１０１〉の極点図である。（ｂ）は図３（ｂ）中の白色領域Ｂに含まれる結晶粒における〈１００〉の極点図である。
【図６】実施形態１に係る半導体薄膜の製造工程において、ＥＢＳＰ法によって測定した結晶成長工程後の半導体薄膜の結晶粒界を示す図である。
【図７】実施形態１に係る半導体薄膜の製造工程において、（ａ）は半導体薄膜中に含まれる結晶粒における〈１０１〉の極点図である。（ｂ）は、半導体薄膜中に含まれる結晶粒における〈１００〉の極点図である。
【図８】実施形態１に係るｎチャネル型ＴＦＴの製造工程において、レーザ光の走査方位とＴＦＴを構成するソース領域、チャネル領域及びドレイン領域との関係を示す平面模式図である。
【図９】実施形態１に係るｎチャネル型ＴＦＴの製造工程において、ゲート絶縁膜を形成した後の構造を示す断面模式図である。
【図１０】（ａ）は、実施形態１に係るｎチャネル型ＴＦＴの製造工程において、ゲート電極を構成するアルミニウム膜をパターニングする前の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する前の構造を示す断面模式図である。（ｂ）は、ゲート電極を形成した後の構造を示す断面模式図である。
【図１１】実施形態１に係るｎチャネル型ＴＦＴの製造工程において、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する前の構造を示す断面模式図である。
【図１２】実施形態１に係るｎチャネル型ＴＦＴの構成を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１１：ガラス基板
１２：酸化珪素膜
１３：非晶質珪素膜
１４：結晶化工程後の多結晶珪素膜
１５：結晶成長工程後の多結晶珪素膜
１６：酸化珪素保護膜
２０：ｎチャネル型ＴＦＴ半導体層
２１：ｎチャネル型ＴＦＴチャンネル領域
２２：ｎチャネル型ＴＦＴソース領域
２３：ｎチャネル型ＴＦＴドレイン領域
２４：ゲート絶縁膜
２５：ゲート電極
２５ａ：アルミニウム膜
２６：層間絶縁膜
２８：引き出し電極
２９：レーザ照射形状
１００：薄膜トランジスタ
Ａ：結晶化工程後の多結晶珪素膜のうち、膜面外結晶方位が〈１０１〉で、かつレーザ光走査方位が〈１００〉である結晶粒が存在する領域。
Ｂ：結晶化工程後の多結晶珪素膜のうち、膜面外結晶方位が〈１１４〉で、かつレーザ光走査方位が〈１２２〉である結晶粒が存在する領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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