(57)【要約】  本発明の島状結晶質半導体膜は、上面１と傾斜した側面２とを有しており、上面１と傾斜した側面２との間は、曲面３で連結されているとともに、上面１を有する本体部１１における結晶粒の平均粒径、および傾斜した側面２を有する端部１２における結晶粒の平均粒径は、いずれも０．２μｍを超えている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された島状結晶質半導体膜を備えた結晶質半導体膜であって、
前記島状結晶質半導体膜は、上面と傾斜した側面とを有しており、前記上面と前記傾斜した側面との間は、曲面で連結されているとともに、
前記上面を有する本体部における結晶粒の平均粒径、および前記傾斜した側面を有する端部における結晶粒の平均粒径は、いずれも０．２μｍを超えている結晶質半導体膜。
【請求項２】
前記本体部における結晶粒の平均粒径、および前記端部における結晶粒の平均粒径は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である請求項１に記載の結晶質半導体膜。
【請求項３】
前記本体部における結晶粒の平均粒径と、前記端部における結晶粒の平均粒径とは、実質的に同じ大きさである請求項１または２に記載の結晶質半導体膜。
【請求項４】
前記上面は、実質的に平坦である請求項１から３のいずれかに記載の結晶質半導体膜。
【請求項５】
前記上面の中心線平均粗さ（Ｒａ）は５ｎｍ以下である請求項４に記載の結晶質半導体膜。
【請求項６】
（ａ）基板の上に第１の結晶質半導体膜を形成する工程と、
（ｂ）前記第１の結晶質半導体膜をパターニングすることにより、第１の島状結晶質半導体膜を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の島状結晶質半導体膜を溶融再結晶化し、第２の島状結晶質半導体膜を得る工程と、
を包含する結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ａ）は、基板の上に非晶質半導体膜を形成する工程（ａ１）と、前記非晶質半導体膜を結晶化し、前記第１の結晶質半導体膜を得る工程（ａ２）とを含む請求項６に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ａ２）は、前記非晶質半導体膜に光線を照射する工程を含む請求項７に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ａ１）と前記工程（ａ２）との間に、前記非晶質半導体膜に結晶化を促進する触媒元素を付与する工程（ａ３）を含む請求項７に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ａ２）は、前記非晶質半導体膜を加熱処理する工程を含む請求項９に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ａ３）において、前記触媒元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＡｌおよびＳｂよりなる群から選択される少なくとも一種である、請求項９または１０に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ａ３）において、前記触媒元素はＮｉである請求項１１に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ａ３）は、前記触媒元素の半導体化合物を結晶核として結晶成長する過程を含む請求項９から１２のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１４】
前記非晶質半導体膜は実質的にシリコンから構成され、前記触媒元素の前記半導体化合物はシリサイドである、請求項１３に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ｂ）を行う前に、前記工程（ａ）で得られた前記第１の結晶質半導体膜を溶融再結晶化する工程（ｄ）をさらに含む請求項６から１４のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｃ）は、前記第１の島状結晶質半導体膜に光線を照射することによって行われる請求項６から１５のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ｃ）は、実質的に、真空中または不活性ガスを含む雰囲気下で行われる請求項１６に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１８】
前記不活性ガスは、希ガスまたは窒素ガスである請求項１７に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項１９】
前記工程（ｄ）は、前記工程（ａ）で得られた前記第１の結晶質半導体膜に光線を照射する工程を含む請求項１５から１８のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（ｄ）は、酸素を含む雰囲気下で行われる請求項１９に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２１】
前記光線は、レーザ光である請求項８、１６から２０のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
【請求項２２】
請求項６から２１のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法によって製造された結晶質半導体膜。
【請求項２３】
請求項１から５、および２２のいずれかに記載の結晶質半導体膜を備える半導体装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の半導体装置を備える表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶質半導体膜の製造方法および結晶質半導体膜、ならびに結晶質半導体膜を用いて作製される半導体装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大型で高解像度の液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置、高速で高解像度の密着型イメージセンサー、三次元ＩＣなどへの実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や、絶縁膜上に高性能な半導体素子を形成する試みがなされている。特に、同一基板上に画素部と駆動回路が設けられた液晶表示装置はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）向けのモニターとしてだけでなく、一般家庭の中に進出し始めている。例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ−ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）のかわりにテレビジョンとして液晶ディスプレイが、また、娯楽として映画を観たりゲームをしたりするためのフロントプロジェクターが、一般家庭に導入されるようになり、液晶表示装置の市場規模はかなりの勢いで大きくなってきている。さらに、ガラス基板上にメモリ回路やクロック発生回路等のロジック回路を内蔵したシステムオンパネルの開発もさかんに進められている。【０００３】
高解像度な画像表示を行うために画素に書き込む情報量が増え、さらにその情報は短時間で書き込まれなければ、高精細な表示のための膨大な情報量を有する画像を動画表示したりすることは不可能である。そこで、駆動回路に用いられる薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）には、高速動作が求められている。高速動作を可能にするためには、高い電界効果移動度を得られる良質な結晶性を有する結晶質半導体層を用いてＴＦＴを実現することが求められている。【０００４】
ガラス基板上に良好な結晶質半導体膜を得る方法としては、非晶質半導体膜にエキシマレーザ等のレーザ光を照射し、瞬間的に溶融固化させることで結晶化する方法（レーザアニール法）と、非晶質半導体膜が溶融する温度までは加熱せずに６００℃前後で熱処理することによって結晶成長させる方法（固相成長法）とが知られている。また、これら以外には、非晶質半導体膜に結晶化を促進する作用を有する金属元素（触媒元素）を添加した後、加熱処理を施すことにより、従来より低温・短時間の加熱処理で、結晶の配向性が揃った良好な半導体膜を得る技術も開発されている。この技術の場合でも、より結晶性を高めるために、加熱処理で得られた結晶質半導体膜に対して、さらにレーザ光を照射し、部分的に溶融固化させ再結晶化することで結晶欠陥を低減し、より高品質な結晶質半導体膜を得るような方法がしばしば用いられる。【０００５】
しかしながら、このようなレーザ光を照射し、非晶質半導体膜または結晶質半導体膜を溶融固化させ、結晶化または再結晶化を行なう方法では、結晶質半導体膜の表面に表面凹凸が生じることが知られている。この表面凹凸は、レーザ光照射によって結晶質半導体膜が一旦溶融した後、結晶核が生じ、その結晶核から順次固化する際に、溶融状態と固体状態との体積膨張率の違いにより、最後に固化が行なわれる結晶粒界部が山脈状に盛り上がったり、三つ以上の結晶の境界となる三重点以上の点（多重点）では山状に盛り上がったりすることによって形成される。本明細書では、結晶質半導体膜表面における、上記の山脈状または山状に盛り上がった部分を「リッジ」と呼ぶ。【０００６】
リッジの生成は、ＴＦＴの特性に極めて大きな影響を及ぼすことが知られている。例えば、リッジの頂上部（先端部）は急峻であるために電界が集中しやすく、リーク電流の発生源となってゲート絶縁膜の耐圧特性が低下し、ホットキャリア耐性も含めて素子としての信頼性全般が損なわれる。また、リッジが存在すると、スパッタ法やＣＶＤ法によって堆積されるゲート絶縁膜の段差被膜性（ステップカバレッジ）が低下し、絶縁不良等を招く。さらに、トップゲート型の薄膜トランジスタの場合、リッジは、ゲート絶縁膜とのチャネル界面に存在することになるため、界面特性や電界効果移動度の低下を引き起こすこともある。ＴＦＴの電界効果移動度は、ＴＦＴの活性層とゲート絶縁膜との界面の平坦性によって大きく影響されることが知られており、界面が平坦であるほど高い電界効果移動度が得られるからである。【０００７】
そこで、ＴＦＴの特性に悪影響を及ぼす結晶質半導体膜表面のリッジ（凸部）を低減させるため、様々な方法が提案されている。【０００８】
例えば特許文献１には、非晶質半導体膜を島状とし、その端部に傾斜を持たせた後、酸化性雰囲気下でレーザ光の照射を行なうことにより、多結晶半導体膜表面の凸部の形成を防止する方法が開示されている。特許文献１に開示された方法によれば、良好な多結晶半導体膜を得ることができるが、端部と本体部（端部以外の部分）との間で冷却速度が異なるため、島状非晶質半導体膜の端部から結晶化がすすみ、端部に高いリッジが形成されるとともに、特許文献１の場合には、端部の結晶粒径が大きくなって端部と本体部との粒径が異なってしまう。あるいは、後記する特許文献５に開示された方法によれば、端部の結晶粒径が小さくなって端部と本体部との粒径が異なってしまう。【０００９】
特許文献２から４には、いずれも、レーザ照射を２回行うことによって結晶質半導体膜表面のリッジを低減させる方法が開示されている。具体的には、まず、酸化性雰囲気中で非晶質半導体膜に１回目のレーザ照射を行って多結晶シリコン膜を形成した後、端部に形成されたリッジをなくす目的で、真空中または不活性ガス中で２回目のレーザ照射を行っている。
【特許文献１】特開平８−２１３６３７号公報
【特許文献２】特開２００１−６０５５１号公報
【特許文献３】特開２０００−３４０５０３号公報
【特許文献４】特開２００３−１４２４０２号公報
【特許文献５】特開２０００−１０１０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、結晶質半導体膜に対して、真空中または不活性ガス中でレーザ照射を行うことにより、リッジが低減されて表面が平坦な結晶質半導体膜が得られる。しかしながら、特許文献１〜４の方法によって得られた結晶質半導体膜を用いて作製されたＴＦＴ（半導体素子）は、ゲート絶縁膜の耐圧特性や段差被膜性などが未だ不充分であり、ゲート電圧が大きくなるとリーク電流が発生することが本願発明者の検討結果によって明らかになった。【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、リーク電流の発生などに起因するゲート絶縁膜の耐圧特性や段差被膜性の低下、さらにはチャネル界面特性や電界効果移動度の低下などを防ぐことが可能な結晶質半導体膜およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の結晶質半導体膜は、基板の上に形成された島状結晶質半導体膜を備えた結晶質半導体膜であって、前記島状結晶質半導体膜は、上面と傾斜した側面とを有しており、前記上面と前記傾斜した側面との間は、曲面で連結されているとともに、前記上面を有する本体部における結晶粒の平均粒径、および前記傾斜した側面を有する端部における結晶粒の平均粒径は、いずれも０．２μｍを超えている。【００１３】
ある好ましい実施形態において、前記本体部における結晶粒の平均粒径、および前記端部における結晶粒の平均粒径は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である。【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記本体部における結晶粒の平均粒径と、前記端部における結晶粒の平均粒径とは、実質的に同じ大きさである。【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記上面は、実質的に平坦である。【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記上面の中心線平均粗さ（Ｒａ）は５ｎｍ以下である。【００１７】
本発明による結晶質半導体膜の製造方法は、（ａ）基板の上に第１の結晶質半導体膜を形成する工程と、（ｂ）前記第１の結晶質半導体膜をパターニングすることにより、第１の島状結晶質半導体膜を形成する工程と、（ｃ）前記第１の島状結晶質半導体膜を溶融再結晶化し、第２の島状結晶質半導体膜を得る工程とを包含する。【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、基板の上に非晶質半導体膜を形成する工程（ａ１）と、前記非晶質半導体膜を結晶化し、前記第１の結晶質半導体膜を得る工程（ａ２）とを含む。【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ２）は、前記非晶質半導体膜に光線を照射する工程を含む。【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ１）と前記工程（ａ２）との間に、前記非晶質半導体膜に結晶化を促進する触媒元素を付与する工程（ａ３）を含む。【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ２）は、前記非晶質半導体膜を加熱処理する工程を含む。【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ３）において、前記触媒元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＡｌおよびＳｂよりなる群から選択される少なくとも一種である。【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ３）において、前記触媒元素はＮｉである。【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ３）は、前記触媒元素の半導体化合物を結晶核として結晶成長する過程を含む。【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記非晶質半導体膜は実質的にシリコンから構成され、前記触媒元素の前記半導体化合物はシリサイドである。【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）を行う前に、前記工程（ａ）で得られた前記第１の結晶質半導体膜を溶融再結晶化する工程（ｄ）をさらに含む。【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、前記第１の島状結晶質半導体膜に光線を照射することによって行われる。【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、実質的に、真空中または不活性ガスを含む雰囲気下で行われる。【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記不活性ガスは、希ガスまたは窒素ガスである。【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）は、前記工程（ａ）で得られた前記第１の結晶質半導体膜に光線を照射する工程を含む。【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）は、酸素を含む雰囲気下で行われる。【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記光線は、レーザ光である。【００３３】
本発明の結晶質半導体膜は、上記のいずれかの結晶質半導体膜の製造方法によって製造される。【００３４】
本発明の半導体装置は、上記のいずれかの結晶質半導体膜を備えている。【００３５】
本発明の表示装置は、上記の半導体装置を備えている。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、島状結晶質半導体膜の肩部（本体部と端部との連結部分）がなだらかな形状を有しているため、このような結晶質半導体膜を備えたＴＦＴを用いることにより、リーク電流の発生が抑制されてゲート絶縁膜の耐圧特性や段差被膜性などが高められた高性能半導体素子が実現できる。【００３７】
さらに本発明によれば、本体部に存在する結晶粒の平均粒径も端部に存在する結晶粒の平均粒径も、ともに０．２μｍを超えており、好ましくは、実質的に同じ平均粒径を有していて結晶質半導体膜全体で均一な粒径が得られるため、このような結晶質半導体膜を備えたＴＦＴを用いることにより、前述した効果に加えて、電界効果移動度やＴＦＴのオフ電流が均一になるという効果も得られる。その結果、低い消費電力で高機能の半導体素子が実現できる。【００３８】
さらに本発明によれば、結晶化を促進する触媒元素が添加された非晶質半導体膜を用いることにより、結晶の配向性が揃った良好な結晶質半導体膜が得られる。このような結晶質半導体膜を用いてＴＦＴを用いることにより、ＴＦＴ特性のバラツキが少ない安定した高性能半導体素子が実現できる。【００３９】
したがって、本発明の結晶質半導体膜を用いることによって高性能半導体素子が実現できる。特に液晶表示装置においては、アクティブマトリクス基板に要求される画素スイッチングＴＦＴのスイッチング特性の向上、周辺駆動回路部を構成するＴＦＴに要求される高性能化を同時に満足し、同一基板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成するドライバモノリシック型アクティブマトリクス基板において、モジュールのコンパクト化、高性能化が可能になる。【００４０】
本発明は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置、密着型イメージセンサー、三次元ＩＣなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（Ａ）は、本発明における島状結晶質半導体膜を模式的に示す断面図であり、（Ｂ）は、特許文献５に開示された方法によって得られる島状結晶質半導体膜を模式的に示す断面図である。
【図２】（Ａ）から（Ｆ）は、本発明の実施形態による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図３】（Ａ）は、図２（Ｆ）において、ゲート電極を上方からみた平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ−Ｘ'線に沿った断面図である。
【図４】非晶質半導体膜に触媒元素を添加して結晶化させた場合における、（Ａ）は結晶成長を示す図であり、（Ｂ）は〈１１１〉晶帯面を示す図であり、（Ｃ）は結晶方位の標準三角形を示す図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は触媒元素を利用することによって得られた結晶質半導体膜の面方位分布を示す図であり、（Ｃ）は結晶方位の標準三角形を示す図である。
【図６】実験例で得られた本発明のＴＦＴおよび比較例のＴＦＴにおけるトランジスタ耐圧特性の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１  上面
２  側面
３  上面と側面２との間が連結された曲面
１１  上面を有する本体部
１２  側面を有する端部
９１  下地絶縁体
９２  未結晶化領域の非晶質半導体層
９３  結晶質半導体層
９４  触媒元素の半導体化合物
１０１    基板
１０２    第１下地膜
１０３    第２下地膜
１０４    非晶質半導体膜（ａ−Ｓｉ膜）
１０４ａ  第１の結晶質半導体膜（結晶質シリコン膜）
１０４ｂ  高品質な第１の結晶質半導体膜（結晶質シリコン膜）
１０５    触媒元素（ニッケル）
１０６    レーザ光
１０７    第１の島状結晶質半導体膜（島状結晶質シリコン膜）
１０７ａ  第２の島状結晶質半導体膜（島状結晶質シリコン膜）
１０８    ゲート絶縁膜
１０９    ゲート電極
１１０    ｎ型不純物（リン）
１１１    ゲート電極にマスクされてリンが注入されない領域
１１２    ゲート電極に覆われていない領域
１１６    絶縁膜
１１９    層間絶縁膜
１２０    ＴＦＴの電極・配線
１２１    ＴＦＴ
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本願発明者は、リーク電流の発生が抑制され、ゲート絶縁膜の耐圧特性や段差被膜性などに優れたＴＦＴ（半導体素子）を実現するため、まず、前述した特許文献２から４に開示された方法では、なぜ、所望のＴＦＴ特性が得られないのか、その理由を探求した。これらの方法によって得られる結晶質半導体膜の表面は、リッジが低減されて平坦化されているため、理論的には、ゲート絶縁膜の耐圧特性なども充分改善されると考えられるからである。その結果、所望の特性を備えたＴＦＴを得るためには、結晶質半導体膜の表面を平坦にするだけでは不充分であり、本体部と端部とが曲面で連結されており、なだらかな形状を有するとともに、結晶質半導体膜全体が均一な結晶粒径を有する島状の結晶質半導体膜を形成することが重要であることを突き止めた。【００４４】
この点について、もう少しくわしく説明する。前述したとおり、特許文献１に開示された方法のように、島状の非晶質半導体膜に酸化性雰囲気下でレーザ照射を行うと、結晶質半導体膜の端部に高いリッジが形成されるとともに、端部の結晶粒径は著しく大きくなってしまう。このようなリッジの形成は、前述したようにゲート絶縁膜の耐圧特性の低下などをもたらす。また、端部の粒径と本体部の粒径とが異なって結晶膜全体で均一な粒径が得られないことは、電界効果移動度やオフ電流が不均一になるなどの弊害を招く。また、ＴＦＴのサイズによってＴＦＴ特性が変化するなど、ＴＦＴ特性のトランジスタサイズ依存性が大きくなる。【００４５】
これに対し、特許文献２から４に開示されたようにレーザ照射を２回行い、１回目の酸素雰囲気下でのレーザ照射によって得られた、端部にリッジが形成された結晶質半導体膜に対して、真空中または不活性ガス中で２回目のレーザ照射を行うことにより、リッジは低減されて表面が平坦な結晶質半導体膜が得られる。しかしながら、上記の方法では、その後に当該結晶質半導体膜をパターニングしているため、パターニング後の島状結晶質半導体膜は、上面と側面との連結部分（肩部）が鋭くとがった台形形状を有している。その結果、この肩部に電界が集中してリーク電流が発生しやすくなるために所望の特性が得られないと考えられる。【００４６】
したがって、所望の特性を備えたＴＦＴを実現するためには、パターニング後の島状結晶質半導体膜が上述したようななだらかな形状を有しており、好ましくは、当該結晶質半導体膜全体が均一な結晶粒径を有していることが必要であるという知見に到達し、本発明を完成した。【００４７】
本発明の結晶質半導体膜は、基板の上に形成された島状結晶質半導体膜を備えている。本発明における島状結晶質半導体膜は、上面と傾斜した側面とを有しており、上面と傾斜した側面との間は、曲面で連結されているとともに、上面を有する本体部における結晶粒の平均粒径、および傾斜した側面を有する端部における結晶粒の平均粒径は、いずれも０．２μｍを超えており、好ましくは、本体部における結晶粒の平均粒径と、端部における結晶粒の平均粒径とは、実質的に同じ大きさであることを特徴としている。このような構成を備えた結晶質半導体膜を用いることにより、リーク電流の発生が抑制され、ゲート絶縁膜の耐圧特性やゲート絶縁膜の段差被膜性などに優れたＴＦＴが実現できる。【００４８】
以下、本発明による結晶質半導体膜の実施形態の特徴を一層明らかにする目的で、本発明における島状結晶質半導体膜と、特許文献５に開示された方法によって得られる島状結晶質半導体膜とを対比させながら説明する。特許文献５は、ゲート電圧に対するドレイン電流の出力特性（Ｉ−Ｖ特性）を改善するためになされたものである。詳細には特許文献５では、島状の非晶質シリコン膜に対してレーザ光を照射して多結晶質シリコン膜を形成するにあたり、「従来のように端部（周縁部）における結晶粒の平均粒径が本体部における結晶粒の平均粒径とほぼ等しくすると、周辺部では、低いゲート電圧でもキャリアが発生し、ドレイン電流が流れてしまう。」という知見に基づき、端部に照射されるレーザビームの照射強度に比べ、本体部に照射されるレーザビームの照射強度を大きくしており、これにより、端部と本体部における結晶粒の平均粒径を積極的に変化させている。【００４９】
図１（Ａ）は、本発明における島状結晶質半導体膜の実施形態を模式的に示す断面図であり、図１（Ｂ）は、特許文献５に開示された方法によって得られる島状結晶質半導体膜を模式的に示す断面図である。【００５０】
図１（Ａ）に示すように、本実施形態における島状結晶質半導体膜は、上面１と傾斜した側面２とを有しており、上面１と傾斜した側面２との間は、曲面３で連結されているとともに、上面１を有する本体部１１における結晶粒の平均粒径（Ｒ１）、および傾斜した側面２を有する端部１２における結晶粒の平均粒径（Ｒ２）は、いずれも０．２μｍを超えており、好ましくは、Ｒ１とＲ２とは、実質的に同じ大きさを有している。ここで「本体部１１」は、島状結晶質半導体膜において、上面１を有する部分（領域）であって、傾斜した側面２を有する端部１２を除く部分（領域）を意味する。図１（Ａ）では、便宜上、上面１は平坦な形状を有しているが、これに限定されない。【００５１】
一方、特許文献５に開示された方法によって得られる島状結晶質半導体膜は、図１（Ｂ）に示すように、上面１と傾斜した側面２とを有している。ここで、上面１と傾斜した側面２との間は、おそらく、曲面３で連結されていると考えられるため、本発明における島状結晶質半導体膜の形状と非常に近いと推察される。しかしながら、特許文献５における島状結晶質半導体膜では、上面１を有する本体部１１における結晶粒の平均粒径（Ｒ１、Ｒ１≧０．３μｍ）に比べて、傾斜した側面２を有する端部１２における結晶粒の平均粒径（Ｒ２）は０．２μｍ以下と小さくなっている点で、本体部１１の平均粒径（Ｒ１）および端部１２の平均粒径（Ｒ２）が、いずれも０．２μｍを超えており、好ましくは、本体部１１も端部１２も実質的に同じ平均粒径を有している本発明とは相違する。【００５２】
このような両者の相違は、主に、両者のプロセス上の相違に起因すると思料される。【００５３】
前述したとおり、特許文献５では、非晶質半導体膜をパターニングし、得られた島状の非晶質膜を溶融再結晶化して結晶質半導体膜を作製している。このように島状の非晶質半導体膜を溶融再結晶化させた場合、本体部と端部との温度分布が異なるなどの理由により、本体部と端部との結晶粒の平均粒径は異なることが多い。【００５４】
これに対し、本発明では、特許文献５とは異なり、パターニングの前に結晶質半導体膜を形成しているため、特許文献５のように本体部と端部との間に温度分布の差などは見られず、その結果、結晶質半導体膜全体で均一な粒径が得られると考えられる。本発明では、その後、この結晶質半導体膜をパターニングしているが、パターニング後に得られる島状の結晶質半導体膜は、パターニング前の結晶粒の形状をそのまま保持できるように制御しているため、端部と本体部との結晶粒の平均粒径は実質的に同じままである。【００５５】
本明細書において、「上面１と傾斜した側面２との間は、曲面３で連結されている。」とは、例えば結晶質半導体膜をエッチングなどによってパターニングしたときに得られるような、急峻な肩部（上面と傾斜した側面との連結部分）を備えた台形形状ではなく、なだらかな形状を有していることを意味する。【００５６】
ここで「上面」は、実質的に平坦であることが好ましい。本発明によれば、少なくとも、上面１と傾斜した側面２との間が曲面３で連結されていればゲート絶縁膜の耐圧特性などが改善されるため、上面は、必ずしも、実質的に平坦である必要はないが、より優れた特性を得るためには、実質的に平坦であることが好ましい。本明細書において「実質的に平坦である」とは、触針式の粗度計を用い、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に基づいて上面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を測定したとき、Ｒａが５ｎｍ以下に低減されていることを意味する。【００５７】
また、「リッジ」とは、前述したように結晶質半導体膜表面に形成された、結晶粒界部が山脈状または山状に盛り上がった部分を意味し、本明細書において「リッジが低減された」とは、上面が実質的に平坦であること（すなわち、上面のＲａが５ｎｍ以下に低減されていること）を意味する。【００５８】
本明細書において、「本体部における結晶粒の平均粒径（Ｒ１）と、端部における結晶粒の平均粒径（Ｒ２）とは、実質的に同じ大きさである。」とは、Ｒ１とＲ２との差（絶対値、ΔＲ）が、Ｒ１の±３０％の範囲に制御されていることを意味する。【００５９】
本実施形態において、本体部１１における結晶粒の平均粒径（Ｒ１）、および端部１２における結晶粒の平均粒径（Ｒ２）は、いずれも０．２μｍを超えており、好ましくは、１μｍ以上１０μｍ以下である。このように大きな平均粒径は、例えば、固相成長法を用いて第１の結晶質半導体膜を作製する際、高温で長時間のアニール処理を行うことによって得られる。あるいは、結晶粒の平均粒径は、非晶質半導体膜に結晶化を促進する触媒元素を添加し、触媒元素の濃度をできるだけ低く制御することによって大きくすることもできる（詳細は後記する）。【００６０】
本発明による結晶質半導体膜の製造方法は、（ａ）基板の上に第１の結晶質半導体膜を形成する工程と、（ｂ）第１の結晶質半導体膜をパターニングすることにより、第１の島状結晶質半導体膜を形成する工程と、（ｃ）第１の島状結晶質半導体膜を溶融再結晶化し、第２の島状結晶質半導体膜を得る工程とを包含している。本発明の製造方法は、工程（ａ）によって得られた第１の結晶質半導体膜をパターニングし、第１の島状結晶質半導体膜を形成した（工程（ｂ））後、当該第１の島状結晶質半導体膜を溶融再結晶化し、第２の島状結晶質半導体膜を形成した（工程（ｃ））ことに特徴がある。前述した特許文献２から４に開示された方法と本発明の製造方法とを対比すると、前者は、いずれも、第１の結晶質半導体膜に対して、（パターニングせずに）直接、レーザ照射を行うことによって溶融再結晶化し、その後、パターニングしている点で、後者（本発明の製造方法）と相違している。その結果、上記の特許文献に開示された方法では、前述した本発明の特徴を備えた島状結晶質半導体膜が形成されず、そのため、リーク電流が発生してゲート絶縁膜の耐圧特性などが低下する。これに対し、本発明の製造方法によれば、前述した特徴を備えた島状結晶質半導体膜が形成されるため、リーク電流の発生が防止され、ゲート絶縁膜の耐圧特性などに優れた半導体装置が得られる（後記する実験例を参照）。【００６１】
以下、各工程の概要を説明する。【００６２】
上記工程（ａ）は、基板の上に非晶質半導体膜を形成する工程（ａ１）と、非晶質半導体膜を結晶化し、第１の結晶質半導体膜を得る工程（ａ２）とを包含している。【００６３】
ここで、上記工程（ａ２）は、非晶質半導体膜に光線を照射し、溶融再結晶化させる方法と、非晶質半導体膜が溶融する温度までは加熱せずに６００℃前後で熱処理することによって結晶成長させる方法（固相成長法）とを含む。【００６４】
前者の光線照射方法は、非晶質半導体膜を瞬間的に溶融再結晶化することができるという利点を有している。ここでは、エキシマレーザ光などのレーザ光を照射することが好ましく、このようにして得られた結晶質半導体膜は、レーザ照射による溶融固化過程によって結晶欠陥が低減され、より高品質な結晶質半導体膜となる。レーザ光としてはパルスレーザ光を用い、非晶質半導体膜の任意の一点につき、複数回、連続的に照射することが好ましい。これにより、基板に熱的損傷を与えることなく、良好な結晶性を有する結晶質半導体膜が得られる。【００６５】
後者の固相成長法は、低温での熱処理によって容易に再結晶化できるなどの利点を有している。この方法は、上記工程（ａ１）によって得られた非晶質半導体膜に、結晶化を促進する触媒元素を付与して（工程（ａ３））第１の結晶質半導体膜を製造する場合に、好ましく用いられる。【００６６】
非晶質半導体膜に上記の触媒元素を添加する場合、第１の結晶質半導体膜をパターニングする（工程（ｂ））前に、当該第１の結晶質半導体膜を溶融再結晶化する工程（ｄ）をさらに含むことが好ましい。これにより、第１の結晶質半導体膜は再結晶化され、結晶性が一層向上する。【００６７】
上記工程（ｄ）は、第１の結晶質半導体膜に対し、エキシマレーザ光などの光線を照射することによって行うことが好ましい。詳細には、レーザ光としてはパルスレーザ光を用い、非晶質半導体膜の任意の一点につき、複数回、連続的に照射する。上記工程（ｄ）におけるレーザ照射は、酸素を含む雰囲気下で行われることが好ましい。これにより、第１の結晶質半導体膜の表面にはリッジが形成されるが、良好な結晶特性が得られる。具体的な条件は、シリコンやその下に設けた絶縁膜の膜質・膜厚などによって相違するが、例えば、光線のエネルギー密度を約３００〜５００ｍＪ／ｃｍ2の範囲に制御することが好ましい。【００６８】
このように結晶化を促進する触媒元素を用い、上記のように加熱処理によって結晶化された結晶質半導体膜に対して溶融再結晶化を行なうことにより、前述した効果に加えて、さらに面方位の揃ったより良好な結晶質半導体膜を得ることができる。この場合、非晶質半導体膜を直接溶融再結晶化し、結晶化する方法に比べて、ＴＦＴの電界効果移動度で２倍以上の高い電流駆動能力が得られる。しかしながら、この場合には、触媒元素として用いる金属元素の半導体への悪影響が懸念される。そのため、このような製造方法を用いた場合には、結晶成長させた後、触媒元素を、チャネル領域やチャネル領域とソース・ドレイン領域との接合部近傍から取り除く（移動させる）ことが好ましい。上記の触媒元素は、ｎ型を付与する５族Ｂに属する元素（例えばリン）や、ｐ型を付与する３族Ｂ元素（例えばホウ素）が存在している領域に集まり易いという性質があり、それらの元素が導入された領域を形成し、そこに触媒元素を移動させるという手法が用いられる。【００６９】
次に、上記工程（ａ）によって得られた第１の結晶質半導体膜をパターニングし、第１の島状結晶質半導体膜を形成する（工程（ｂ））。パターニングは、通常のプラズマエッチング法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｈｉｎｇ）法、ＣＤＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｒｙ  Ｅｔｈｉｎｇ）などによって行なわれ、エッチングガスとしては、ＣＦ4やＳＦ6等の他のフロン系ガス、あるいは、これらのフロン系ガスと酸素との混合ガスなどが用いられる。これらのエッチング法のなかでも、特に、ＩＣＰエッチング法やＲＩＥ法が好ましく、これにより、側面の傾斜角（テーパ角）が様々な角度を有する結晶質シリコン膜を精度良く形成できる。テーパ角は、エッチングガスの種類や混合比によって制御することができる。【００７０】
上記のパターニングによって得られる第１の島状結晶質半導体膜は、上面（頂面）と傾斜した側面とを備えた台形形状を有しており、当該上面と側面との連結部分（肩部）はなだらかでなく、とがっている。上面を有する部分における結晶粒の平均粒径と、傾斜した側面を有する端部における結晶粒の平均粒径とは、実質的に同じ大きさである。さらに、パターニングの前に前述した工程（ｄ）を行った場合は、上面の表面にリッジが形成されている。【００７１】
次に、上記工程（ｂ）によって得られた第１の島状結晶質半導体膜を溶融再結晶化し、第２の島状結晶質半導体膜を形成する（工程（ｃ））。工程（ｃ）によって得られる第２の島状結晶質半導体膜は、第１の島状結晶質半導体膜表面のリッジが低減され、本体部と端部とが曲面で連結されてなだらかな形状を有するとともに、第１の島状結晶質半導体膜における結晶粒の平均粒径がそのまま保持されていること（すなわち、上面部分の平均粒径と端部の平均粒径とは変化せず、実質的に同じ大きさを有したままである）が必要である。上記工程に用いられる溶融再結晶化方法は、所望とする第２の島状結晶質シリコン膜を得ることができれば特に限定されず、例えば、光線を照射する方法、一般的な抵抗加熱式の熱処理炉やランプ等を熱源として用いるＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法、高温ガス吹き付け方式のＲＴＡ法などが挙げられる。ここで、基板表面に高温の不活性ガスを吹き付け、瞬時に昇降温を行うＲＴＡ装置を用いる場合、保持温度５５０〜７５０℃の範囲で、保持時間３０秒〜１０分程度が適度な条件である。昇温速度および降温速度は、共に１００℃／分以上で行うことが好ましい。上記の溶融再結晶化方法のうち、好ましくは、光線照射方法である。【００７２】
上記工程（ｃ）において、第１の島状結晶質半導体膜に光線を照射する場合、実質的に、真空中、または不活性ガス（希ガスまたは窒素ガス）を含む雰囲気下で行うことが好ましい。これにより、本体部と端部とが曲面で連結されてなだらかな形状を有する第２の島状結晶質半導体膜が形成される。ここで、「実質的に」とは、上記雰囲気において微量の酸素を含んでもよいことを意味する。前述したとおり、所望の特性を得るためには、第２の島状結晶質半導体膜の肩部が、少なくともなだらかな形状を有していることが必要であるが、微量の酸素が含まれていても、所望とするなだらかな形状は得られるからである。酸素の許容濃度は、例えば、シリコンやその下に設けた絶縁膜の膜質・膜厚、第１の島状結晶質半導体膜の製造条件などによって相違するが、おおむね、１％以下にすることが好ましい。なお、酸素を含まない、真空中または不活性ガスを含む雰囲気下で光線を照射することにより、第２の島状結晶質半導体膜は、なだらかな形状を有するだけでなく、表面のリッジも低減されるため、もっとも好ましい。【００７３】
本実施形態に用いられる希ガスは、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）、Ｒｎ（ラドン）が挙げられる。これらのうち、特に好ましいのは真空中または窒素ガス雰囲気である。【００７４】
また、第１の島状結晶質半導体膜における結晶粒の平均粒径を変化させることなく、所望とする第２の島状結晶質半導体膜を形成するためには、光線のエネルギー密度を適切に制御することが好ましい。具体的な条件は、シリコンやその下に設けた絶縁膜の膜質・膜厚などによって相違するが、例えば、光線のエネルギー密度を約３００ｍＪ／ｃｍ2から５００ｍＪ／ｃｍ2の範囲に制御することが好ましい。【００７５】
上記工程（ａ２）および上記工程（ｄ）の両方を光線を用いて行う場合、工程（ｄ）における光線のエネルギー密度は、工程（ｃ）における光線のエネルギー密度と実質的に同じ範囲に設定される。前述したとおり、工程（ｄ）および工程（ｃ）では、それぞれ、適切な第１および第２の島状結晶質半導体膜を形成するために最適な光線のエネルギー密度が照射される。両方の工程において、シリコンやその下に設けられた絶縁膜の膜質・膜厚などはほとんど変化しないため、両工程におけるエネルギー密度は、ほぼ同じ範囲に設定され得る。具体的には、工程（ｄ）および工程（ｃ）の両方において、例えば、光線のエネルギー密度を約３００ｍＪ／ｃｍ2から５００ｍＪ／ｃｍ2の範囲に制御し、且つ、工程（ｄ）における光線のエネルギー密度を、工程（ｃ）における光線のエネルギー密度に対して±１００ｍＪ／ｃｍ2の範囲で設定されることが好ましい。【００７６】
以下、図２を参照しながら、半導体の代表例であるシリコンを用いて結晶質半導体膜を製造する方法の実施形態、および半導体装置の製造方法の実施形態を説明する。ただし、本発明の製造方法はシリコン膜に限定されず、ゲルマニウム膜、ゲルマニウムとシリコンとの混成膜（シリコン・ゲルマニウム膜）などについても適用することができる。また、本実施形態では、非晶質結晶質半導体膜に触媒元素を添加して所望の結晶質半導体膜を形成しているが、これに限定されず、触媒元素を利用しなくとも所望の結晶質半導体膜が得られる。【００７７】
本実施形態では、ｎチャネル型ＴＦＴガラス基板上に作製する方法について説明する。本実施形態のＴＦＴはアクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置のドライバー回路や画素部分は勿論、薄膜集積回路を構成する素子としても利用することができる。図２は、ここで説明するｎチャネル型ＴＦＴの作製工程を示す断面図であり、（Ａ）→（Ｇ）の順にしたがって作製工程が順次進行する。【００７８】
まず、図２（Ａ）に示すように、基板１０１に非晶質シリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）１０４を形成する（工程（ａ１））。本実施形態では、基板１０１上に非晶質シリコン膜１０４を形成する前に、酸化窒化シリコンからなる第１下地膜１０２、および酸化シリコンからなる第２下地膜１０３を形成した。これにより、基板１０１中の不純物が非晶質シリコン膜１０４に拡散するのを防ぐことができる。【００７９】
基板１０１は非晶質シリコン膜１０４を支持するとともに、非晶質シリコン膜１０４から形成される結晶質シリコン膜および結晶質シリコン膜を用いて形成される半導体装置を支持する。基板１０１は、非晶質シリコン膜１０４に施される熱処理等を含む種々の半導体装置製造工程の最高温度において実質的に変形しないことが好ましい。また、結晶質シリコン膜を用いて形成される半導体装置の電気的特性に悪影響を与えないよう、非晶質シリコン膜１０４が形成される基板１０１の表面は絶縁性を備えており、半導体装置製造工程において曝される温度において非晶質シリコン膜１０４と反応したり、基板１０１から非晶質シリコン膜１０４へ、基板１０１に含まれる物質が拡散しないことが好ましい。【００８０】
基板１０１の種類は特に限定されず、ガラス基板、石英基板などが用いられる。後述するように本発明では、低温で短時間の加熱処理によって結晶化を行うことができるので、耐熱性が高く、かつ熱収縮性が殆どない高価な石英基板に換えて、安価なガラス基板を用いることができる。【００８１】
本実施形態では低アルカリガラス基板を用いた。この場合、ガラス歪み点よりも１０〜２０℃程度低い温度であらかじめ熱処理しておいても良い。この基板１０１のＴＦＴを形成する表面には、基板１０１からの不純物拡散を防ぐために、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜または酸化窒化ケイ素膜などの下地膜を形成する。本実施形態では、例えば、プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4、ＮＨ3、Ｎ2Ｏの材料ガスから作製される酸化窒化ケイ素膜を、下層の第１下地膜１０２として堆積し、その上に同様にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4、Ｎ2Ｏを材料ガスとして第２の下地膜１０３を積層形成した。このときの第１下地膜１０２の酸化窒化ケイ素膜の厚さは、２５〜２００ｎｍ、例えば１００ｎｍとし、第２下地膜１０３の酸化ケイ素膜の厚さとしては、２５〜３００ｎｍ、例えば１００ｎｍとした。本実施形態では、２層の下地膜を使用したが、例えば酸化ケイ素膜の単層でも問題ない。【００８２】
非晶質シリコン膜１０４は、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などによって形成される。好ましいのはプラズマＣＶＤ法であり、これにより、低温でしかも高速に非晶質シリコン膜を成膜できる。具体的には、ＳｉＨ4とＨ2との混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法が好ましい。非晶質シリコン膜１０４のサイズや厚さは作製する半導体装置の構造やサイズに合わせて、適宜最適な値を選択し得る。ＴＦＴを作製する場合には、非晶質シリコン膜１０４は、たとえば、３０ｎｍから１００ｎｍの厚さを有する。本実施形態では、プラズマＣＶＤ法で厚さ５０ｎｍの非晶質ケイ素膜を形成した。また、下地膜１０２、１０３と非晶質ケイ素膜１０４とは同じ成膜法で形成することが可能であるので、両者を連続形成しても良い。下地膜を形成した後、一旦大気雰囲気に晒さないことでその表面の汚染を防ぐことが可能となり、作製するＴＦＴの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減させることができる。【００８３】
続いて、ａ−Ｓｉ膜１０４に結晶化を促進する触媒元素１０５を添加する（工程（ａ３））。本実施形態では触媒元素１０５としてニッケルを用い、ａ−Ｓｉ膜１０４に対して、重量換算で１０ｐｐｍのニッケルを含む水溶液（酢酸ニッケル水溶液）をスピンコート法で塗布し、触媒元素含有層１０５を形成した。【００８４】
触媒元素１０５としては、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓｂ）から選ばれた一種または複数種の元素を用いることが望ましい。これらから選ばれた一種または複数種類の元素であれば、微量で結晶化助長の効果がある。それらの中でも、特にＮｉを用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。触媒元素１０５は単独では作用せず、非晶質シリコン膜１０４と結合してシリサイド化することで結晶成長に作用する。そのときの結晶構造が、非晶質シリコン膜１０４の結晶化時に一種の鋳型のように作用し、非晶質シリコン膜１０４の結晶化を促す。Ｎｉは２つのＳｉとＮｉＳｉ2を形成する。ＮｉＳｉ2は螢石型の結晶構造を示し、その結晶構造は、単結晶ケイ素のダイヤモンド構造と非常に類似したものである。しかも、ＮｉＳｉ2はその格子定数が５．４０６Å（０．５４０６ｎｍ）であり、結晶質シリコンのダイヤモンド構造での格子定数５．４３０Å（０．５４３０ｎｍ）に非常に近い値をもつ。よって、ＮｉＳｉ2は、非晶質シリコン膜１０４を結晶化させるための鋳型としては最適なものであり、本発明における触媒元素１０５としては、特にＮｉを用いるのが最も望ましい。【００８５】
触媒元素１０５を導入する方法としては、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、イオンドーピング法、ＣＶＤ法、スピンコート法などが挙げられる。スピンコート法は、触媒元素１０５の溶液または分散液を基板上に塗布して乾燥させる方法であり、溶液または分散液中の触媒元素の濃度を調整することによって、非晶質シリコン膜１０４に導入する触媒元素１０５の量を調整することができる。【００８６】
非晶質シリコン膜１０４中の触媒元素１０５の濃度は、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下程度が好ましい。触媒元素１０５の濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満であると、結晶成長が不十分となり、非晶質領域が多く残ってしまう。他方、触媒元素１０５の濃度が１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超えると、半導体装置のチャネル領域を形成した場合、触媒元素がリークの原因となるおそれがある。【００８７】
触媒元素１０５を非晶質シリコン膜１０４に導入する工程は、後述の結晶核形成工程の前であれば、基板１０１上に非晶質シリコン膜１０４を形成する前または後のいずれに行ってもよい。なお、通常は、本実施形態に示すように、基板１０１上に非晶質シリコン膜１０４を形成する前に、基板１０１上に酸化シリコンからなる下地膜１０３を形成して、基板１０１中の不純物が非晶質シリコン膜１０４に拡散するのを防ぐ。非晶質シリコン膜１０４の表面が疎水性であるのに対して、下地膜１０３の表面は親水性であるので、親水性の溶媒を用いてスピンコートする場合には、下地膜１０３上に塗布する方が、非晶質シリコン膜１０４上に塗布するよりも安定に塗布することができる。触媒元素１０５を基板１０１上または下地膜１０３上に導入した場合、非晶質シリコン膜１０４の下面から結晶成長が開始する。【００８８】
触媒元素１０５を含む溶液をスピンコート法によって、表面濃度が１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下となるように、基板上または非晶質シリコン膜上に塗布し、乾燥させる。表面濃度が１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満の場合、結晶成長が不十分となり非晶質領域が多く残る。表面濃度が１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を超えるとリーク電流の発生を招く。なお、触媒元素１０５の表面濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法などによって測定することができる。【００８９】
触媒元素（例えばニッケル）１０５を含む溶液は、水、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノールおよびアセトンからなる群から選ばれた少なくとも一種の溶媒を含むことが好ましい。触媒元素１０５としてニッケルを用いる場合、酢酸ニッケルを上記溶媒に溶解することにより、ニッケルを基板１０１上または非晶質シリコン膜１０４上に均一に塗布することができる。【００９０】
また低電圧でのＤＣ（直流）スパッタリング法によっても、同様にニッケルなどの触媒元素１０５を導入することができる。この際、ＤＣ電圧を低くすることによって、非常に低濃度の触媒元素１０５の導入が可能となる。例えば、ＤＣ電圧を２００Ｖ〜６００Ｖ程度にする。【００９１】
基板１０１上または非晶質シリコン膜１０４上に塗布された触媒元素１０５は、下記の結晶核形成工程での加熱によって非晶質シリコン膜１０４中に取り込まれる。【００９２】
次に、不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気にて加熱処理を行う（工程（ａ２））。この加熱処理は、５５０〜６００℃で３０分〜４時間のアニール処理を行うことが好ましい。本実施形態では、窒素雰囲気にて５８０℃で１時間の加熱処理を行った。この加熱処理において、ａ−Ｓｉ膜１０４の表面に添加されたニッケル１０５がａ−Ｓｉ膜１０４中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核としてａ−Ｓｉ膜１０４の結晶化が進行する。その結果、ａ−Ｓｉ膜１０４は結晶化され、第１の結晶質シリコン膜１０４ａとなる。なお、ここでは炉を用いた加熱処理によって結晶化を行ったが、ランプ等を熱源として用いるＲＴＡ装置で結晶化を行ってもよい。【００９３】
続いて、図２（Ｂ）に示すように、上記の加熱処理によって得られた第１の結晶質シリコン膜１０４ａに、酸化性雰囲気下でレーザ光１０６を照射する（工程（ｄ）、１回目のレーザ処理）。これにより、第１の結晶質シリコン膜１０４ａの結晶欠陥は低減されてさらに再結晶化され、結晶性を向上させた高品質の第１の結晶質シリコン膜１０４ｂが形成される。このときのレーザ光としては、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）やＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）が適用できる。このときのレーザ光のビームサイズは、基板１０１表面で長尺形状となるように成型されており、長尺方向に対して垂直方向に順次走査を行うことで、基板全面の再結晶化を行う。このとき、ビームの一部が重なるようにして走査することで、第１の結晶質シリコン膜１０４ａの任意の一点において、複数回のレーザ照射が行われ、均一性の向上が図れる。このときのレーザ光のエネルギー密度は、低すぎると良好な結晶性が得られず、高すぎると結晶性のバラツキが顕著となるため、適切な範囲に設定する必要がある。本実施形態では、レーザ光の照射エネルギー密度を３５０〜５００ｍＪ／ｃｍ2、例えば４２０ｍＪ／ｃｍ2とし、任意の一点における照射回数が１０〜４０ショット、例えば２０ショットとなるように設定することで、結晶粒径が２〜５μｍの範囲で、平均粒径が３μｍ程度の第１の結晶質シリコン膜１０４ｂが得られた。上記工程によって得られた第１の結晶性シリコン膜１０４ｂの表面には、図２（Ｂ）に示すようにリッジが形成されている。【００９４】
その後、図２（Ｃ）に示すように、第１の結晶質シリコン膜１０４ｂをパターニング（例えばエッチング）し、第１の島状結晶質シリコン膜１０７を形成する（工程（ｂ））。本実施形態ではＲＩＥ法を用い、エッチングガスとして、ＣＨＦ3を用いた。上記工程により、後にＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領域）となる半導体層が形成される。パターニングによって得られる第１の島状結晶質シリコン膜１０７は台形形状を有しており、詳細には図２（Ｃ）に示すように、表面にリッジを有する上面（頂部）と傾斜した側面とを有し、上面と側面との連結部は急峻でとがっており、なだらかな形状を有していない。【００９５】
次に、図２（Ｄ）に示すように、このようにして得られた第１の島状結晶質シリコン膜（半導体層）１０７に対し、実質的に、真空中または不活性ガス雰囲気下でレーザ光１０６を照射する（２回目のレーザ処理、工程（ｃ））。ここでは、２回目のレーザ処理後においても第１の島状結晶質シリコン膜１０７の結晶粒が保持された状態で、且つ、表面のリッジが低減されてなだらかな形状になるようにレーザ光１０６を照射する。具体的には、２回目のレーザ光の照射エネルギー密度は、１回目のレーザ処理と同様の範囲に設定し、且つ、１回目のレーザ処理におけるレーザ光のエネルギー密度に対し、±１００ｍＪ／ｃｍ2の範囲に制御することが好ましい。本実施形態では、窒素ガス雰囲気下にて、１回目のレーザ処理を行った場合と同様、例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅４０ｎｓｅｃ）やＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を適用し、レーザ光の照射エネルギー密度を３５０〜５００ｍＪ／ｃｍ2、例えば４２０ｍＪ／ｃｍ2とし、任意の一点における照射回数が１０〜４０ショット、例えば２０ショットとなるように設定することで、結晶粒径が２〜５μｍの範囲で、平均粒径が３μｍ程度の第２の島状結晶質シリコン膜１０７ａが得られた。【００９６】
このようにして得られた第２の島状結晶質シリコン膜１０７ａ（活性領域、あるいは活性領域の少なくともチャネル領域の形成に用いられる）は、その結晶の面配向が主に〈１１１〉晶帯面で構成されている。さらに具体的には、結晶質半導体膜の面配向の割合は、〈１１１〉晶帯面の中でも、特に（１１０）面配向と（２１１）面配向とで全体の５０％以上の領域が占められている。一般的に触媒元素を用いない結晶化では、半導体膜下地の絶縁体の影響（特に非晶質二酸化ケイ素の場合）の影響で、結晶質半導体膜の面配向は、（１１１）に向きやすい。これに対して、非晶質半導体膜に触媒元素を添加し結晶化させた場合に得られる結晶質半導体膜の面配向が主に〈１１１〉晶帯面で構成される様子を模式的に図４（Ａ）に示す。図４（Ａ）において、９１は下地絶縁体、９２は未結晶化領域の非晶質半導体層、９３は結晶質半導体層、９４は結晶成長のドライビングフォースとなっている触媒元素の半導体化合物である。【００９７】
図４（Ａ）に示すように、触媒元素の半導体化合物２８４が結晶成長の最前線に存在し、隣接する非晶質領域９２を紙面右方向に向かって次々と結晶化していくのであるが、このとき触媒元素の半導体化合物９４は、〈１１１〉方向に向かって強く成長する性質がある。その結果、得られる結晶質半導体膜の面方位としては、図４（Ａ）に示すように〈１１１〉晶帯面が現れる。【００９８】
図４（Ｂ）には、〈１１１〉晶帯面を示す。図４（Ｂ）において、横軸は（−１００）面からの傾斜角度で、縦軸は表面エネルギーを表す。グループ９５は、〈１１１〉晶帯面となる結晶面である。（１００）面と（１１１）面は〈１１１〉晶帯面ではないが、比較のために示してある。【００９９】
また、図４（Ｃ）には、結晶方位の標準三角形を示す。ここで、〈１１１〉晶帯面の分布は、破線のようになる。数字は代表的な極点の指数である。これらの〈１１１〉晶帯面の中でも、本発明で得られる結晶質半導体膜では、特に（１１０）面あるいは（２１１）面が優勢配向となり、これらの面が全体の５０％以上を占めるときに優位性が得られる。これらの２つの結晶面は他の面に比べてホール移動度が非常に高く、Ｎチャネル型ＴＦＴに比べ性能の劣るＰチャネル型ＴＦＴの性能を特に向上でき、ＣＭＯＳ回路においてもバランスがとり易いというメリットがある。【０１００】
本実施形態によって得られた結晶質半導体膜の面方位分布の例を図４に示す。図４はＥＢＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｐａｔｔｅｒｎ、後方散乱電子回折像）の測定結果で、個々の微小領域に分けてその結晶方位を特定し、それをつなぎ合わせてマッピングしたものである。図５（Ａ）に示すのは、本発明の結晶質半導体層における面方位分布であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のデータに基づいて、隣接する各マッピング点間の面方位の傾角が一定値以下（ここでは５°以下）のものを同色で塗り分け、個々の結晶粒（結晶粒：ほぼ同一の面方位を有する領域）の分布を浮かび上がらせたものである。また、図５（Ｃ）には、図４（Ｃ）で説明した結晶方位の標準三角形を示す。【０１０１】
図５（Ｃ）からわかるように、本実施形態による結晶質シリコン膜は、概ね〈１１１〉晶帯面に乗った面配向を示しており、特に（１１０）と（２１１）に強く配向しているのがわかる。また、本実施形態の結晶質半導体膜は、ＥＢＳＰ法によって結晶質半導体表面の結晶方位を測定したとき、方位差がすべて１０°未満の結晶からなる結晶粒から構成されている。なお、本実施形態において、結晶粒の平均粒径は、画像処理装置を用い、観察視野（５１μｍ×１０２μｍ）における、結晶方位が１０°未満の結晶領域の面積円相当径（直径）を求め、その平均を平均粒径として算出した。【０１０２】
本実施形態では、このようにレーザ照射を２回行っているが、２回目のレーザ照射工程後においても、レーザ照射前の結晶面配向及び結晶粒状態はそのまま維持され、ＥＢＳＰ測定において、実質的に大きな変化は見られない。【０１０３】
次に、このようにして得られた結晶質シリコン膜１０７ａに、公知の半導体製造プロセスを施して種々の半導体装置を作製する。抵抗やキャパシタを同時に、または、その後に形成し、各種の駆動回路やメモリ、論理回路などを構成してもよい。【０１０４】
以下では、ｎチャネル型ＴＦＴガラス基板上に作製する方法について説明する。【０１０５】
まず、第２の島状結晶質シリコン膜１０７ａを覆うゲート絶縁膜１０８を形成する。本実施形態によれば、第２の島状結晶質シリコン膜１０７ａの肩部はなだらかな形状を有しているため、ゲート絶縁膜１０８の肩部もなだらかな形状を有する（図２（Ｅ）を参照）。ゲート絶縁膜１０８としては、厚さ２０〜１５０ｎｍの酸化ケイ素膜が好ましく、ここでは１００ｎｍの酸化ケイ素膜を用いた。具体的には、酸化ケイ素膜の形成にはＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｏｘｙ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。あるいはＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法によって、基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０℃として形成してもよい。また、成膜後、ゲート絶縁膜自身のバルク特性および結晶質シリコン膜／ゲート絶縁膜の界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気下で５００〜６００℃で１〜４時間のアニールを行ってもよい。【０１０６】
代わりに、ゲート絶縁膜１０８としてＳｉＮ膜を形成し、上層の絶縁膜１１６として、スピンコートによりアクリル等の有機絶縁膜を形成してもよい。これにより、絶縁膜１１６は優れた段差被覆性を有するので、上記と同様の効果が得られる。【０１０７】
続いて、ゲート絶縁膜１０８上に導電膜をスパッタ法またはＣＶＤ法などを用いて堆積し、これをパターニング形成して、ゲート電極１０９とする。このときの導電膜としては、各種メタル膜や高濃度にドナーやアクセプター元素がドーピングされた半導体膜等を用いることができる。本実施形態では、後のソース・ドレイン領域の活性化時に加熱処理を行うため、耐熱性の高い高融点メタル、例えばタンタル（Ｔａ）あるいはタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）チタン（Ｔｉ）から選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金か、前記元素を組み合わせた合金膜（代表的にはＭｏ−Ｗ合金膜、Ｍｏ−Ｔａ合金膜）等を用いた。アルミニウム（Ａｌ）等の低融点メタルも利用できるが、この場合は、レーザ照射による活性化等を組み合わせればよい。また、このときの厚さとしては、３００〜６００ｎｍが望ましい。本実施形態では、窒素が微量に添加されたタングステン（Ｗ）を用い、厚さが３００〜６００ｎｍ、例えば４５０ｎｍとした。このとき、低抵抗化を図るために含有する不純物濃度を低減させると良く、酸素濃度を３０ｐｐｍ以下とすることで２０μΩｃｍ以下の比抵抗値を実現することができた。そして、これをフォトリソ工程でパターニングし、エッチングすることで、ゲート電極１０９とする。本実施形態では、エッチング法としてＲＩＥ法を用い、ゲート電極１０９の側面の傾斜角が７５〜８５°となるように形成した。【０１０８】
次いで、図２（Ｅ）に示すように、ゲート電極１０９をマスクとして、イオンドーピング法によって第２の島状結晶質シリコン膜１０７ａにｎ型不純物（リン）１１０を高濃度に注入する。この工程により、第２の島状結晶質シリコン膜１０７ａにおいて、ゲート電極１０９に覆われていない領域１１２には高濃度のリン１１０が注入される。本実施形態では、ドーピングガスとしてフォスフィン（ＰＨ3）を用い、加速電圧を４０〜９０ｋＶ、例えば６０ｋＶ、ドーズ量を１×１０12〜１×１０16ｃｍ-2、例えば１×１０15ｃｍ-2とした。この工程により、ゲート電極１０９にマスクされリン１１０が注入されない領域１１１は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。【０１０９】
続いて、図２（Ｆ）に示すように、酸化ケイ素膜あるいは窒化ケイ素膜を層間絶縁膜１１９として形成し、コンタクトホールを形成して、金属材料によってＴＦＴの電極・配線１２０を形成する。【０１１０】
そして最後に、１気圧の窒素雰囲気あるいは水素混合雰囲気で３５０℃、１時間のアニールを行い、図２（Ｆ）に示すＴＦＴ１２１を完成させる。さらに必要に応じて、ＴＦＴ１２１を保護する目的で、ＴＦＴ１２１上に窒化ケイ素膜などからなる保護膜を設けてもよい。【０１１１】
図３（Ａ）は、図２（Ｆ）において、ゲート電極１０９を上方からみた平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＸ−Ｘ'線に沿った断面図である。図３（Ｂ）に示すように、本実施形態にしたがって作製したＴＦＴは、チャネル領域１１１の肩部がなだらかな形状を有しているため、ゲート絶縁膜１０８の肩部もなだらかな形状を有するようになる。このため、本実施形態によれば、チャネル領域１１１の肩部とゲート絶縁膜１０８との距離ｄは、チャネル領域１１１の肩部がとがった形状を有している従来のＴＦＴに比べ、大きくなる。その結果、リーク電流の発生が抑制されてゲート絶縁膜の耐圧特性や段差被膜性などが高められたＴＦＴを得ることができる。さらに上記実施形態にしたがって作製したＴＦＴは、電界効果移動度やＴＦＴのオフ電流が均一になるという効果も得られるため、ＴＦＴ特性のバラツキが少ない安定した高性能半導体素子が実現できる。【０１１２】
（実験例）
以下、本発明による結晶質半導体膜の製造方法の実験例を、より具体的に説明する。【０１１３】
まず、ガラス基板上にプラズマＣＶＤ法によって厚さ３００〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素からなる下地膜を形成した。【０１１４】
次に、プラズマＣＶＤ法あるいは減圧ＣＶＤ法によって、厚さ５０ｎｍの真性(ｉ型)の非晶質シリコン膜を下地膜上に形成した。本実験例では、平行平板式のプラズマＣＶＤ装置を用い、３００℃の基板加熱温度および８０ｍＷ／ｃｍ2のＲＦパワー密度で、ＳｉＨ4ガスおよびＨ2ガスを材料ガスに用いた。【０１１５】
次に、非晶質シリコン膜表面上にニッケルの微量添加を行った。ニッケルの微量添加は、ニッケルを溶解した溶液を非晶質シリコン膜上に保持し、スピナーにより溶液を基板上に均一に延ばし乾燥させることによって行った。具体的には、溶質としては酢酸ニッケルを用い、溶媒としては水を用い、溶液中のニッケル濃度は１０ｐｐｍとなるようにした。このとき、添加する触媒元素の量は極微量であり、ａ−Ｓｉ膜表面上の触媒元素濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＲＸＲＦ）法によって管理される。本実験例では、４×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であった。【０１１６】
次に、上記の非晶質シリコン膜を電気炉内に導入し、窒素雰囲気中６００℃で２時間加熱した。この加熱処理により、非晶質シリコン膜表面に添加されたニッケルが非晶質シリコン膜中に拡散すると共に、シリサイド化が起こり、それを核として非晶質シリコン膜の結晶化が進行する。その結果、非晶質シリコン膜は結晶化されて第１の結晶質シリコン膜となる。【０１１７】
次に、第１の結晶質シリコン膜の結晶欠陥を低減するために、酸化性雰囲気下でレーザ照射を行った。本実験例では、波長３０８nm、エネルギー密度３５０ｍＪ／ｃｍ2のＸｅＣｌ（キセノン塩素）エキシマレーザを２０ショット照射した。【０１１８】
次に、結晶欠陥が低減された第１の結晶質シリコン膜をパターニングし、第１の島状結晶質シリコン膜（半導体層）を形成した。パターニングはドライエッチング法によって行い、エッチングガスはＣＦ4を用いた。このようにして得られた第１の島状結晶質シリコン膜の上面のＲａは１１ｎｍであり、テーパ角は６０°であった。端部および本体部の結晶粒の平均粒径は、それぞれ、３．６μｍおよび３．５μｍであった。上記工程により、後にＴＦＴの活性領域（ソース／ドレイン領域、チャネル領域）となる第１の島状結晶質シリコン膜（半導体層）が形成される。【０１１９】
次に、第１の島状結晶質シリコン膜（半導体層）に、窒素ガス雰囲気下でレーザ光をさらに照射した（２回目のレーザ処理）。本実験例では、波長３０８nm、エネルギー密度３５０ｍＪ／ｃｍ2のＸｅＣｌ（キセノン塩素）エキシマレーザを２０ショット照射した。このようにして得られた第２の島状結晶質シリコン膜は、上面のＲａが３ｎｍ以下に低減されており、本体部と端部とが曲面で連結されてスムーズな形状になった。２回目のレーザ処理後における端部および本体部の結晶粒の平均粒径は、１回目のレーザ処理後における平均粒径が概ね保持され、それぞれ、３．６μｍおよび３．５μｍであった。【０１２０】
続いて、このようにして得られた第２の島状結晶質半導体膜を用い、前述した実施形態の方法にしたがって本発明例のＴＦＴを作製した。【０１２１】
比較のため、第１の島状結晶質シリコン膜（半導体層）をパターニングする前に、前述した２回目のレーザ処理を行ったこと以外は上記と同様にして比較例のＴＦＴを作製した。この方法は、前述した特許文献２から４の方法に対応する。この方法によれば、パターニング後に得られた島状の結晶質シリコン膜は、上面と側面との連結部分がとがった台形形状を有していた。【０１２２】
次に、このようにして得られた各ＴＦＴのトランジスタ耐圧特性を調べる目的で、ゲート−Ｓｉ間の電圧（ゲート電圧）に対するゲート絶縁膜リーク電流をそれぞれ測定した。これらの結果を図６に示す。【０１２３】
図６に示すように、比較例のＴＦＴでは、ゲート電圧が高くなるとリーク電流の発生も上昇するのに対し、本発明のＴＦＴでは、ゲート電圧が高くなってもリーク電流の発生は低く抑えられている。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明によれば、リーク電流の発生が抑制されてゲート絶縁膜の耐圧特性や段差被膜性などが高められ、電界効果移動度やＴＦＴのオフ電流が均一になるため、高性能半導体素子が実現できる。その結果、低い消費電力で高機能の半導体素子が実現できる。【０１２５】
本発明の結晶性半導体膜は、液晶表装置や有機および無機ＥＬ表示装置などのフラットパネルディスプレイ用のＴＦＴに好適に用いることができる。また、その他の種々の半導体装置に好適に用いることができる。
【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６】
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【図５】
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【国際調査報告】
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