JP2003037061A

JP2003037061A - 半導体薄膜およびその形成方法並びに半導体装置

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Publication number: JP2003037061A
Application number: JP2001222986A
Authority: JP
Inventors: Shinji Maekawa; 真司前川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】一つの単結晶領域内の結晶欠陥がほとんど存
在しないような半導体薄膜を提供すると共に、粒界の位
置制御、直線性の改善することができる半導体薄膜の形
成方法を提供することにある。そして、上記半導体薄膜
を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】非晶質シリコン薄膜にエネルギービーム
の照射により鋸歯状の溶融領域１を形成する。この溶融
領域１の頂部１ａの内角θは略９０度になっている。そ
して、非晶質シリコン薄膜をエネルギービームで走査し
て、非晶質シリコン薄膜を結晶化させる。このようにし
て得られるシリコン結晶薄膜は、平面状の亜粒界で接す
る矩形の複数の粒から構成される。そして、その複数の
粒の法線方向は全て［００１］方向になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜および
その形成方法並びに半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非晶質基板上あるいは非晶質絶縁膜上
に、高性能ポリシリコン薄膜を形成し、薄膜トランジス
タ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）を作製する技術
は、液晶ディスプレイヘの応用や、ＳＲＡＭ（スタティ
ック・ランダム・アクセス・メモリ）の負荷デバイス、
ＩＣ（集積回路）の配線遅延を防ぐためのリピーター、
３次元ＩＣへの応用等利用範囲が極めて広く、活発に研
究されている。近年技術の進歩と共に、単結晶基板ある
いは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に匹敵する
高い移動度をねらえる結晶化技術が熱心に研究されてい
る。その結果、いわゆるＳＯＩ技術と、高性能多結晶シ
リコン形成技術との境界がやや曖昧になってきている。

【０００３】ＳＯＩ技術としては、ＳＯＳ（Silicon On
Sapphire）に始まり、ＳＩＭＯＸ（Separation by Imp
lanted Oxygen）、及びウエハー貼り合わせ技術があ
り、３０年以上の研究開発の歴史がある。これに対し、
レーザ光や電子ビームあるいはヒーター加熱により、局
所的にシリコン薄膜を溶融させた後、結晶化させる手法
（以下、これらを総称して“局所溶融結晶化法”と言
う）も広く研究されているが、一般的には、ＳＩＭＯ
Ｘ、貼り合わせ技術に比べて、結晶の完全性、均一性は
劣る。局所溶融結晶化法のなかでは、ＺＭＲ（Zone Mel
ting Recrystallization）法と呼ばれる手法が、最も欠
陥密度が低く、均一性も高いため、一部実用化されてい
る。しかし、基本的にＺＭＲ法は、基板全体が高温にさ
らされるため、石英等の高価な基板が要求され、大面積
基板が必要な応用には適用できない。これに対し、連続
発振レーザや電子ビームを用いる手法は、ヒーター加熱
と比較して、溶融時間が短いため、基板の温度上昇は軽
減されるが、それでもガラス基板にはダメージがある。
これに対して、パルスレーザを用いて結晶化する手法
は、溶融時間が極めて短時間のため、局所的に溶融され
た領域の温度が基板には伝わらず、安価なガラス基板が
利用できるから、大面積エレクトロニクスヘの応用には
最も適している。特に多結晶シリコン液晶ディスプレイ
の付加価値を高め、さまざまなシステムをパネル上に搭
載するための手法として、より高性能の多結晶シリコン
をガラス基板上に形成する技術が強く求められており、
エキシマレーザ等のパルスレーザを用いた手法が熱心に
研究されている。いずれにしても、基板全体が高温に曝
されるか、断熱的な加熱により比較的低温に保たれるか
の区別はあるとしても、レーザ、電子ビーム、ヒーター
等のエネルギービームを照射して溶融、結晶化させる手
法は、局所溶融結晶化法として、いくつかの共通点を持
っている。

【０００４】従来より、局所溶融結晶化法では、スタン
フォード大学のＴ．Ｊ．Ｓｔｕｌｔｚらによって、図１
１（ａ），（ｂ），…に示すように、溶融領域１０１，
１１１，１２１，１３１のトレーリングエッジ（traili
ng edge）１０２，１１２，１２２，１３２の形状が、
形成される結晶粒の形状を決定する重要な要因であるこ
とが指摘されている。すなわち、図１１（ｂ），（ｄ）
のトレーリングエッジ１１２，１３２のように、溶融領
域（走査方向）側に窪んだ形状のトレーリングエッジで
あると、結晶成長がビーム幅の中央部から外側へ向かっ
て起こり、ランダムな核発生が抑制されるため、大きな
単結晶領域が形成される。以下、上記トレーリングエッ
ジ１１２，１３２のように溶融領域側に窪んだ形状のト
レーリングエッジを“凹トレーリングエッジ（concave
trailing edge）”と言う。

【０００５】その後、１９８０年代にはいり、日本の通
産省の後援のもとにスタートした３次元回路素子の研究
開発において、活性層の形成手法として活発に研究さ
れ、連続発振レーザや電子ビームを用いた結晶化法で
は、この認識に基づいて凹トレーリングエッジを形成す
る数多くの手法が開発された。例えば、一本のビームを
光学的な手法で２本に分割し、中央部が周囲より強度分
布を形成する手法が開発された。また、特開昭５８−３
９０１２号公報では、図１２に示すように、くの字型ビ
ーム２００を用いた手法が提案されている。この時代に
用いられたレーザは、安定性の観点から主として連続発
振のものであって、局所的な溶融時間がｍｓｅｃオーダ
ーに及んでいたため、ガラスのような低歪点の基板に使
用できなかった。また、ＺＭＲ法においては、ヒーター
による加熱領域は、細長い矩形状であるが、局所的に
は、固液界面のファセット形成により、くの字型の凹ト
レーリングエッジが形成され、この範囲内で粒界のない
結晶が形成されている。

【０００６】これらの研究に対し、液晶ディスプレイヘ
の応用を考えた多結晶形成ではガラス基板の利用が前提
となり、連続発振のレーザのかわりにパルス発振のエキ
シマレーザを用いた手法が鮫島らにより始められた。連
続発振レーザを用いた場合の一定箇所での溶融時間はｍ
ｓｅｃオーダーにも及んでいたが、パルスレーザを用い
た場合の一定箇所での溶融時間はたかだが１００ｎｓｅ
ｃオーダーであるので、パルスレーザではガラス基板に
ダメージが生じない。さらに、その約１０年後には、パ
ルスレーザを用いた手法は実際に量産技術として実現す
ることとなる。しかし、そこでは凹トレーリングエッジ
の考え方は取り入れておらず、レーザによる溶融結晶化
は粒径の増大の目的で行なわれている。この場合、粒径
は量産レベルで０．３〜０．５μｍ、研究レベルで、１
〜２μｍ程度であり、ｎ‐ｃｈＴＦＴの移動度で、量産
レベルで〜１００ｃｍ^２／ｖｓ、研究レベルで２００〜
３００ｃｍ^２／ｖｓの値が得られている。

【０００７】そして、パルス発振のエキシマレーザを用
いた手法に、１９８０年代に開発された単結晶領域形成
手法をより積極的に取り組んでいこうとするアプローチ
が、１９９０年代に活発になってきた。考え方として
は、パルスレーザを用いながら、連続発振レーザの場合
と同じように、膜厚全体を溶融させるレーザパワーを投
入し、ラテラル成長を制御することにより、結晶粒の拡
大を図ろうとするものである。東京工業大学の松村ら
は、位相シフトマスクを用いてレーザの強度分布を加工
し、凹トレーリングエッジの原理に従って単結晶領域を
形成すると共に、基板への熱伝導を制御して、単結晶領
域の拡大を図っている。また、コロンビア大学のＪ．
Ｓ．Ｉｍらは、金属マスクで整形したパルスレーザによ
る完全溶融照射を繰り返すことにより、一方向に細長く
成長した結晶粒を得て、結晶粒の長手方向にＴＦＴのチ
ャネルを配置した場合、３００〜５００ｃｍ^２／ｖｓと
極めて高い特性が得られることを見出している（ただし
これと直交する方向では、特性は１／３程度になる）。
彼らは、この手法をＳＬＳ（Sequential Lateral Solid
ification）法と呼んでいる。このＳＬＳ法は、基本的
には、既存のパルスレーザによる結晶化とラテラル成長
というモードを組み合わせたものといえるが、パルスレ
ーザの１ショットによるラテラル成長の２〜３倍程度の
非常に細い状態にレーザ光を絞った所に新規性があるも
のと考えられる。さらに、Ｊ．Ｓ．Ｉｍらは、シェブロ
ン形のアパーチャ（chevron-shaped aperture）を用い
たり、鋸歯形状のマスクを用いてビームを整形し、ラテ
ラル成長と共に、良く知られた凹トレーリングエッジの
考え方を取り入れて、この領域を単結晶化する方法を見
出している。しかし、鋸歯ビームを用いた実験結果や、
具体的な鋸歯ビームあるいは、鋸歯形状溶融領域の数値
は規定されていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、ガ
ラス基板上により多くの回路素子を集積しようとするよ
うな応用において、より高性能の多結晶シリコンを形成
しようとした場合、パルスレーザを用いて、ラテラル成
長を制御することにより、単結晶領域を形成するアプロ
ーチが極めて有望と考えられる。しかし、現存する手法
では、粒界位置の制御性が十分でないことや、結晶方位
を制御する方法が無い事が問題となっている。

【０００９】以下、特に、Ｊ．Ｓ．Ｉｍらが提案してい
るＳＬＳ法を例にとり、問題点を詳細に述べる。

【００１０】通常のラインビームを用いたＳＬＳ法で
は、図１３に示すように、ラインビームにより形成した
ライン形状の溶融領域３０１を矢印方向に走査して、結
晶粒３０２を得ている。この場合、粒界がレーザ走査方
向に概ね平行に形成されるが、厳密には平行ではなく、
１０度前後の角度を持っていることが多く、平面状から
かなり乱れていることが多い。このようなＳＬＳ法を用
いてＴＦＴを作製すると、場所により、ＴＦＴ特性にば
らつきが生じてしまう。そのため、まずその粒界の直線
性を高め、粒界の位置を制御することが望まれる。その
ためには、適当な大きさの凹トレーリングエッジが連続
した形の固液界面を形成するのが有効であることが、１
９８０年代に培われた公知の事実から明らかである。ま
た、Ｊ．Ｓ．Ｉｍらの特許出願にも、図１４に示すよう
に、鋸歯形状のマスクを用いて鋸歯形状の溶融領域を形
成して結晶粒４０２を得る手法が記載されているが、そ
の特許出願には、具体的な鋸歯ビームあるいは、鋸歯状
溶融領域の数値は規定されていない。さらに、Ｊ．Ｓ．
Ｉｍらの文献（J.S.Im,R.S.Sposili and M.A.Crowder,A
ppl.Phys.Lett.,70,3434(1997),"Single-crystal Si fi
lms for thin -film transistor devices"）には、単独
の凹トレーリングエッジを形成して、単結晶領域を形成
したと主張されているが、文献内のＴＥＭ（透過型電子
顕微鏡）写真から、実際には粒内に多数の亜粒界が発生
しており、その粒に対して適切な値が選定されていない
ことがわかる。

【００１１】そこで、本発明の目的は、粒内（一つの単
結晶領域内）の結晶欠陥がほとんど存在しないような半
導体薄膜を提供すると共に、粒界の位置制御、直線性の
改善することができる半導体薄膜の形成方法を提供する
ことにある。そして、上記半導体薄膜を備えた半導体装
置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】以下、本発明者が行った
考察（１），（２），（３）について述べる。（１）ＴＦＴ特性の方向依存性ＳＬＳ法でシリコン薄膜を形成し、図１５（ａ）に示す
ように、そのシリコン薄膜においてＴＦＴを形成するた
めの素子形成領域５１５Ａのチャネル部を亜粒界５０３
に平行に形成する場合と、図１５（ｂ）に示すように、
ＴＦＴを形成するための素子形成領域５１５Ｂのチャネ
ル部を亜粒界５０３に直角に形成する場合とでは、ＴＦ
Ｔ特性が大きく異なることが明らかになっている。例え
ば、粒界に平行にチャネルを形成したｎ―ｃｈのＴＦＴ
で最大移動度が４５０ｃｍ^２／ｖｓであるようなプロセ
スで、チャネル部を粒界に直角に形成すると、最大移動
度が１５０ｃｍ^２／ｖｓ以下の値となることが知られて
いる。その理由として、一つには、平行なチャネルで
は、粒界を横切る確率が、直角の場合に比べて低いた
め、キャリアの散乱が起こりにくいことがある。

【００１３】図１５（ａ），（ｂ）では、簡単化のた
め、亜粒界を完全な平面として図示しているが、実際に
は図４に示したように、亜粒界が完全に互いに平行とい
うことはあり得ず、傾いている。そのため、平行な配
置、つまり図１５（ａ）の状態でも亜粒界によるキャリ
アの散乱は起きているはずであり、亜粒界の配置の仕方
だけでは、この大きな特性差は説明しにくい。そこで本
発明者がＳＬＳ薄膜の結晶方位を詳細に解析したとこ
ろ、以下のような事実が発見された。すなわち、図１６
に示すように、粒界に平行な方向（Ｘ方向）は、ほとん
どの粒が、＜１００＞に揃っているのに比べて、粒界に
直角な方向（Ｙ方向）では、＜１００＞の晶帯軸上の方
位がランダムに揺らいでいることが判明した。これによ
り、粒界に対して平行方向では極めて電子の移動度が高
くなり、粒界に対して直角方向では電子の移動度が低く
なることの大きな要因となっていることが判明した。

【００１４】すなわち、上記ＳＬＳ法では、結晶薄膜の
１軸が極めて高く配向しているため、この方向におい
て、一般的なレーザ結晶化薄膜に比べて、極めて高い特
性のＴＦＴが得られるが、それに直角な方向ではこのよ
うな配向が実現されていないため、高い特性が得られな
いことが判明した。シリコン基板を用いたＩＣの回路設
計では、トランジスタのチャネルの方向（ソース領域か
らドレイン領域に向かう方向）は、一方向とこれに直角
な方向との両方を用いている。これは、トランジスタの
占める領域の面積をなるべく小さくするためである。

【００１５】一般にＭＯＳトランジスタの作製において
は、シリコンウエハの表面は（００１）面であり、チャ
ネルは、［１１０］あるいは［−１１０］方向に配置さ
れる。この２方向は、立方晶構造の結晶においては等価
な方向であるため、この２方向で特性は全く変わらな
い。従って、ＳＬＳ薄膜では、方向により特性が大きく
違うことは、回路設計上の大きな障害となる。一つの回
避策として、素子のレイアウトはこの２方向に自由に行
うが、素子単位に、結晶粒を成長させる方向を変えるよ
うな結晶化の方法も考えられている。しかしこのような
手法では、試料ステージを走査するにしろ、マスクを含
む光学系の走査をするにせよ、直交する２方向の走査が
混在するため、結晶化装置としては、極めて複雑な対応
を余儀なくされる。（２）粒内結晶欠陥ＳＬＳ法に限らず、局所溶融結晶化法に共通に見られる
現象であるが、結晶粒内の結晶欠陥の種類、密度がその
結晶粒の結晶方位に密接に関連していることが多いこと
が、本発明者らの解析により判明している。局所溶融結
晶化法によって形成されたシリコン結晶薄膜中では、転
位積層欠陥、双晶等が頻繁に観察される結晶欠陥である
が、例えば薄膜表面に垂直ではない｛１１１｝面上で双
晶が発生すると、結晶薄膜の表面方位も突然変化し、そ
れに伴い粒内の欠陥密度も突然変化することは、よく観
察される。このことは、結晶欠陥の発生が、照射するレ
ーザの揺らぎ等で発生するのみならず、形成される結晶
粒の結晶方位そのものに依存していることを示唆してい
る。これは、局所溶融結晶化法では、一般的に極めて大
きな温度勾配のため、形成された直後の結晶には、大き
なストレスがかかり、加熱に用いられたエネルギービー
ムの揺らぎがない状態においても、結晶方位により、特
定のすべり面に大きな分解せん断応力がかかり、結晶欠
陥が発生するものと考えられる。実験的には、あらゆる
方位の中で｛１００｝面が最も結晶欠陥の発生が少ない
ことが確認されており、高品質な膜を形成する観点から
は、できるだけ｛１００｝面に配向した膜の形成が望ま
れる。現在までに、シードを用いずに非晶質絶縁膜基板
上に、｛１００｝面に配向したシリコン薄膜を形成する
ことは、ＺＭＲ法という高温を用いる手法によってのみ
実現されており、特にガラス基板の使用が可能な、低温
プロセスでは、実現されていない。（３）ユニバーサルカーブ（Universal Curve）結晶化手法に拘わらず、シリコンそのものが持つ結晶構
造の異方性から、薄膜の表面が｛１００｝面であること
が、特に高い電界効果移動度を得るためには必要である
ことが指摘されている（N.Sasaki,Y.Mishima,A.Hara an
d M.Takei,"Poly-Si TFTs to realize a system panel
with a clock frequency above 100MHz",IDW'00,p223(2
00)参照）。

【００１６】以上のことを鑑みて、本発明者は、上記課
題を解決するための本発明を創作した。

【００１７】すなわち、上記課題を解決するため、本発
明の半導体薄膜は、平面状の亜粒界で接する矩形の複数
の粒から構成され、その複数の粒の法線方向は全て［０
０１］方向になるように結晶化されていることを特徴と
している。

【００１８】上記構成の半導体薄膜は、上記複数の粒の
法線方向が全て［００１］方向になるように結晶化され
ているから、その複数の粒内では結晶欠陥がほとんど存
在しない。

【００１９】本明細書において、亜粒界とは、任意の結
晶方位を持つ２つの結晶粒の間で、共通の結晶軸を１つ
選択することが可能で、この２つの結晶粒の間のミスオ
リエンテーションを、この共通の結晶軸のまわりを回転
させて求められるものである。今、２つの結晶粒が粒界
で接しており、そこでのミスオリエンテーションが１５
度以下のものを亜粒界と呼び、それより大きいいわゆる
大傾角粒界と区別する。粒界ではキヤリアの散乱がおこ
り、移動度等の特性が劣化するが、亜粒界ではその効果
が小さいことが確認されている。

【００２０】一実施形態の半導体薄膜は、上記亜粒界が
［１１０］方向に平行であり、膜厚が３５ｎｍより厚く
なっている。

【００２１】一実施形態の半導体薄膜は、上記亜粒界が
［１００］方向に平行であり、膜厚が３５ｎｍ以下にな
っている。

【００２２】一実施形態の半導体薄膜は、上記亜粒界の
間隔が１５μｍ以下である。

【００２３】上記実施形態の半導体薄膜によれば、例え
ば転位等の結晶欠陥が結晶粒内に形成されるのを防ぐ観
点上、上記亜粒界の間隔が１５μｍ以下が望ましい。

【００２４】本発明者は、上記亜粒界の間隔が１５μｍ
を越える場合、ストレスにより、転位が発生しはじめ結
晶粒の完全性が劣化していくことを実験により確認して
いる。

【００２５】また、上記課題を解決するため、本発明の
半導体薄膜の形成方法は、非晶質半導体薄膜をエネルギ
ービームで走査して、上記非晶質半導体薄膜を結晶化す
る半導体薄膜の形成方法において、上記エネルギービー
ムの照射により、上記非晶質半導体薄膜に鋸歯形状の溶
融領域を形成し、上記溶融領域の頂部の内角が略９０度
である。

【００２６】上記構成の半導体薄膜の形成方法によれ
ば、上記溶融領域の頂部の内角は、粒界の位置制御と共
に、後に述べる結晶方位制御の観点から、略９０度に設
定する。

【００２７】上記亜粒界を所定の位置にかつ平面状に規
定するためだけなら、溶融領域の頂部の内角を３０〜１
２０度に設定してもよいが、その溶融領域の周辺部で転
位等の欠陥が発生しやすくなってしまう。

【００２８】また、上記溶融領域の頂部の内角が略９０
度であるから、結晶粒の結晶方位は全て同一になり、結
晶方位を完全に制御することができる。

【００２９】また、上記溶融領域における頂部と頂部と
の間隔は、間に形成される結晶粒内に、転位が集積した
ものが形成されない範囲として、１５μｍ以下が望まし
い。上記間隔が１５μｍを越えると、ストレスにより、
転位が発生しはじめ結晶粒の完全性が劣化していくこと
が、本発明者らの実験により判明している。

【００３０】また、上記溶融領域の頂部と頂部の間に位
置する谷部では依然として粒界が発生するが、隣り合う
結晶粒の結晶方位のズレは１０゜以下の小さな値となる
ため、これらの粒界はすべて亜粒界となる。従って、粒
界は存在するものの、ＴＦＴの電気特性に対する悪影響
は、一般の粒界(大傾角粒界)に比べて小さいことが判明
している。

【００３１】また、上記構成の半導体薄膜の形成方法を
用いて、例えば非晶質絶縁膜基板上に３５ｎｍより厚い
結晶薄膜を形成した場合、その結晶薄膜の表面がほぼ
｛１００｝に揃っており、幅が最大１５μｍにも及ぶ細
長い複数の単結晶領域が（長さには、原理的な制限は無
い）、＜１１０＞方向（膜厚が３５ｎｍ以下の場合は、
＜１００＞方向）に直線的に走る亜粒界を介して接す
る。この場合、上記亜粒界に平行な方向と、上記亜粒界
に直交する方向とは、共に＜１１０＞（膜厚が３５ｎｍ
より薄い場合は、＜１００＞方向）に揃っている。

【００３２】また、上記結晶薄膜を用いてＴＦＴを形成
する場合、亜粒界はＴＦＴ特性にほとんど影響を及ぼさ
ないことから、ＴＦＴのチャネル方向（ソースからゲー
トへ向かう方向）を、亜粒界と平行あるいは直角にして
も、極めて高いＴＦＴ特性が得られ、方向の依存性が解
消される。通常の回路設計では、上記ＴＦＴのチャネル
部は、互いに直行する２つの方向に配置されるため、従
来のＳＬＳ法が持っていた、１方向のみＴＦＴ特性が高
くなるという制限を取り除くことができるという大きな
利点が得られる。

【００３３】また、レーザ光等のエネルギービームの走
査方法も、単純な１方向のシフトの繰り返しでよく、簡
単に実行できる。もちろん、必要があれば、ブロックご
とに走査方向を、互いに直交する方向へ変更することは
自由にできる。

【００３４】また、上記鋸歯状の溶融領域の頂部の内角
が略９０度であることより、非晶質半導体薄膜を結晶化
させた結晶薄膜の表面を｛１００｝面に規定することが
できる。このように、上記結晶薄膜の表面を｛１００｝
面に制御できることは、結晶粒内の結晶欠陥の発生を防
ぐのに著しい効果があることが、本発明者らの解析で判
明している。｛１００｝面は、あらゆる方位の中で唯
一、４種類の｛１１１｝面が、薄膜表面に対して等価な
配置となっており、ストレスが均等に分散される。従っ
て、転位、積層欠陥、双晶等の結晶欠陥が少ない高品質
の結晶粒の形成が可能となる。

【００３５】また、上記結晶薄膜の表面が｛１１１｝や
｛１１０｝に揃うよりも、｛１００｝面に揃う方が、よ
り大きな電界効果移動度が得られる。

【００３６】また、｛１００｝面が表面である結晶薄膜
は、より多くの機能を例えばガラス基板上に集積しよう
場合や、高いＴＦＴ特性が要求される場合の利用に適し
ている。

【００３７】一実施形態の半導体薄膜の形成方法は、上
記溶融領域において走査方向と反対側のエッジであるト
レーリングエッジは、［１００］方向に進行する部分
と、［０１０］方向に進行する部分とから構成され、上
記トレーリングエッジに隣接する領域の亜粒界と、上記
トレーリングエッジとが１３５度の角度で交わる。

【００３８】上記実施形態の半導体薄膜の形成方法で得
られる結晶薄膜の膜厚が３５ｎｍよりも厚い場合、上記
溶融領域のトレーリングエッジが、［１００］方向に進
行する部分と、［０１０］方向に進行する部分とから構
成されていることにより、結晶薄膜の法線方向は必然的
に［００１］方向に安定化する。すなわち、上記結晶薄
膜の法線方向を[００１]方向に規定することができる。

【００３９】本明細書において、トレーリングエッジと
は次のようようなものである。図１７に示すように、局
所溶融結晶化法において、局所的な溶融領域１００１
が、移動していくことにより、固化、結晶化が起こる
が、この固液界面のうち、移動していく側の部分（これ
から溶融する領域１２００と接している部分）がリーデ
ィングエッジ（leading edge）１００３、既に結晶化し
た部分１１００と接している側の部分がトレーリングエ
ッジ１００２である。また、パルス的な加熱方法の場合
は、図１８（ａ）に示すように、１ショットの溶融領域
２００１での、トレーリングエッジとリーディングエッ
ジとの区分は明確ではないが、図１８（ｂ）に示すよう
に、次のショットによる加熱溶融、固化が終了した後も
保存される側の界面２００２を、連続加熱の場合と同様
に、トレーリングエッジと定義することができる。

【００４０】一実施形態の半導体薄膜の形成方法は、上
記溶融領域の走査方向と反対側のエッジであるトレーリ
ングエッジは、［１１０］方向に進行する部分と、［１
−１０］方向に進行する部分とから構成され、上記トレ
ーリングエッジに隣接する領域の亜粒界と、上記トレー
リングエッジとが１３５度の角度で交わる。

【００４１】上記実施形態の半導体薄膜の形成方法で得
られる結晶薄膜の膜厚が３５ｎｍ以下の場合、上記溶融
領域のトレーリングエッジが、［１１０］方向に進行す
る部分と、［１−１０］方向に進行する部分とから構成
されていることにより、結晶薄膜の法線方向は必然的に
［００１］方向に安定化する。すなわち、上記結晶薄膜
の法線方向を［００１］方向に規定することができる。

【００４２】また、結晶粒間に形成される平面状の境界
も、膜厚が厚い場合と同様、結晶方位のズレが小さいた
め、亜粒界となる。

【００４３】また、上記課題を解決するため、本発明の
半導体装置は、上記半導体薄膜を備えたことを特徴とし
ている。

【００４４】上記構成の半導体装置によれば、上記半導
体薄膜を備えているから、高い電界効果移動度を得るこ
とができる。

【００４５】一実施形態の半導体装置は、上記半導体薄
膜は、非晶質絶縁膜基板上に形成されて（００１）面の
表面を有し、上記亜粒界が＜１１０＞方向と平行に存在
していて、上記半導体薄膜を用いて形成され、ソースお
よびドレインを有するトランジスタを備え、上記ソース
から上記ドレインへ向かう方向が＜１００＞方向と平行
になるように、上記トランジスタが形成されている。

【００４６】一実施形態の半導体装置は、上記半導体薄
膜は、非晶質絶縁膜基板上に形成されて（００１）面の
表面を有し、上記亜粒界が＜１００＞方向と平行に存在
していて、上記半導体薄膜を用いて形成され、ソースお
よびドレインを有するトランジスタを備え、上記ソース
から上記ドレインへ向かう方向が＜１１０＞方向と平行
になるように、上記トランジスタが形成されている。

【００４７】一実施形態の半導体装置は、上記ソースか
ら上記ドレインへ向かうチャネル方向が互いに直交する
いくつかの上記トランジスタを有し、上記チャネル方向
が直交する上記トランジスタの特性は統計的な差がな
い。

【００４８】上記実施形態の半導体装置によれば、上記
チャネル方向が互いに直交するいくつかのトランジスタ
の特性は統計的な差がないので、回路設計の自由度を大
きくすることができる。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体薄膜および
その形成方法並びに半導体装置を図示の実施の形態によ
り詳細に説明する。

【００５０】（実施の形態１）非晶質絶縁膜上に、非晶
質半導体薄膜の一例である非晶質シリコン薄膜を堆積さ
せる。膜厚は、３０ｎｍ〜１００ｎｍがＴＦＴの作製に
好都合である。波長３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザ装置の
出力を、ビームホモジナイザにより均一化した後、矩形
のエネルギービームに整形する。そして、上記エネルギ
ービームは、鋸歯形状のスリットが形成されたメタルマ
スクを経由して一部がカットされた後、集光レンズによ
って非晶質シリコン薄膜上に集光される。これにより、
上記非晶質シリコン薄膜において、図１に示すように、
スリットに相似な鋸歯状の溶融領域１が形成される。こ
の溶融領域１の頂部１ａの内角θは略９０度になってい
る。また、上記溶融領域１における頂部１ａと頂部１ａ
の間隔ｐは１５μｍ以下に設定されている。また、上記
溶融領域１のトレーリングエッジ２は複数の凹トレーリ
ングエッジからなっていて、１つの凹トレーリングエッ
ジの幅が１５μｍ以下になるよう調節されている。

【００５１】また、上記非晶質シリコン薄膜上でのエネ
ルギービームの強度分布は、光学系の解像度により、い
わゆるダレが生じるが、このダレが生じる部分は、結晶
方位制御にとって撹乱要因となってしまう。そのため、
図２に示すように、図中において点線で示すメタルマス
クの形状と溶融領域１の形状との間にズレが生じてしま
う。上記溶融領域１の頂部１ａまたは谷部１ｂでのズレ
ｒが１μｍ以下となるような光学系を用いることが、良
好な結晶方位制御のためには望ましい。

【００５２】また、上記ＸｅＣｌレーザ装置のレーザ出
力は、非晶質シリコン薄膜の膜厚全体に渡り溶融するよ
う調節する。ショット間で、１ショットの溶融領域内に
形成されるラテラル成長距離よりも小さい距離だけ、非
晶質シリコン薄膜あるいはエネルギービームを一定方向
に移動させ、次々と一方向に結晶を成長させていく。こ
のとき、上記溶融領域１の頂部１ａの内角θが略９０
度、つまり、凹トレーリングエッジ２を形成する２つの
部分が略直交しているから、非晶質シリコン薄膜の各部
分において＜１００＞（シリコン膜厚が３５ｎｍより薄
い場合は、＜１１０＞）方向に結晶が成長し、結晶化し
た薄膜の表面は（００１）面に規定される。また、上記
トレーリングエッジ２の１つの凹トレーリングエッジの
幅が１５μｍ以下になるよう調節されているから、高密
度の転位が発生することなく単結晶粒が形成される。こ
のようにして、矩形の領域を、その一辺と平行に走る亜
粒界で区分された擬似単結晶薄膜を形成することができ
る。

【００５３】上述のようにして結晶化したシリコン薄膜
を用いて、ＴＦＴを作製する際、ＴＦＴのチャネル部の
配置の仕方については、いくつかのアプローチの仕方が
ある。最も単純なものは、図３に示すように、平面状の
亜粒界３で接する矩形の複数の結晶粒４からなるシリコ
ン薄膜に対して、素子形成領域５Ａ，５Ｂを形成する。
上記素子形成領域５ＡではＴＦＴのチャネル部が亜粒界
３の方向と垂直になり、素子形成領域５ＢではＴＦＴの
チャネル部が亜粒界３の方向と平行になる。本発明の半
導体薄膜の形成方法を用いて、結晶薄膜の方位制御を行
えば、素子形成領域５Ａにおいてソースからドレインへ
向かうチャネル方向と、素子形成領域５Ｂにおいてソー
スからドレインへ向かうチャネル方向とは、結晶構造上
等価な方向となるため、素子形成領域５Ａ，５Ｂに形成
するＴＦＴにおいてほぼ同等の特性が得られるという利
点がある。ここで、上記亜粒界の方向は、図３の場合、
図中上下方向に相当する。また、「チャネル部が亜粒界
３の方向と平行」とは、ＴＦＴのソースからドレインへ
向かうチャネル方向が亜粒界３の方向と平行になってい
ることを意味する。

【００５４】上述のように、亜粒界３の位置を特定せず
に方向だけを認識して、素子のレイアウトを考えるやり
方もできるが、特性のより正確な制御のために以下のよ
うなやり方もできる。すなわち、上記非晶質シリコン薄
膜にエネルギービームをを照射する段階で、その非晶質
シリコン薄膜の一部にアライメントマークを形成してお
き、エネルギービームの照射をそのアライメントマーク
に基づいて行う。このような方法により、ＴＦＴのチャ
ネル長（Ｌ）、チャネル幅（Ｗ）と、亜粒界３の間隔に
より、チャネル中に含まれる亜粒界３の数を正確に制御
することができる。例えば、上記亜粒界３を５μｍ間隔
で形成している場合、Ｌ／Ｗ＝４μｍ／４μｍのＴＦＴ
を形成する。この場合、図４に示すような素子形成領域
１５Ａ，１５Ｂすることができる。これにより、上記素
子形成領域１５Ａ，１５Ｂを用いて形成するＴＦＴのチ
ャネル部中に、亜粒界３が１本も含まれないように、素
子形成領域１５Ａ，１５Ｂをレイアウトすることができ
る。また、上記亜粒界３の間隔が５μｍ、Ｌ／Ｗ＝４μ
ｍ／２０μｍの場合は、ＴＦＴのチャネル部を亜粒界３
の方向と直角にするなら、チャネル部中に亜粒界３が含
まれないようにレイアウトできるが、ＴＦＴのチャネル
部を亜粒界３の方向と平行にするなら、チャネル部中に
数本の亜粒界が含まれることになる。しかし、上記亜粒
界３はキャリアの流れに完全に並行であり、特性の劣化
に対する影響はほとんどないことがわかっている。

【００５５】以下、例えばトップゲート型のＴＦＴの作
製プロセスを簡単に述べる。

【００５６】非晶質シリコン薄膜を結晶化させた後、素
子の活性層となる領域をエッチングにより規定する。そ
して、洗浄後、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜、あ
るいはシリコン窒化膜、あるいはこれらの積層膜を堆積
する。

【００５７】次に、タンタル、モリブデン等の電極材料
を堆積し、図５に示すようなゲート電極６Ａ，６Ｂの形
状にエッチングする。このゲート電極６Ａ，６Ｂをマス
クとして、素子形成領域２５Ａ，２５Ｂのソース・ドレ
イン領域に燐あるいはボロンを高濃度注入し、その燐あ
るいはボロンをアニールにより活性化させる。

【００５８】その後、シリコン酸化膜を堆積し、これに
コンタクトホールを形成する。ここにＡｌ、ＩＴＯ等の
電極を形成し、基本的なＴＦＴが完成する。このＴＦＴ
を液晶ディスプレイの駆動素子としての用いる場合は、
対向電極の形成や、ブラックマトリックスの形成等のプ
ロセスがこれに続くことになる。

【００５９】また、亜粒界を含めて、互いに直交するＴ
ＦＴを完全に等価な配置にしたい場合は、図６に示すよ
うな素子形成領域３５Ａ，３５Ｂを形成すればよい。す
なわち、平面状の亜粒界３の方向に対して、それぞれ４
５度の方向にキャリアが移動するようにＴＦＴのチャネ
ル部分を配置する。この場合は、上記素子形成領域３５
Ａ，３５ＢにおいてＴＦＴのソースからドレインへ向か
うチャネル方向は、結晶構造上等価なうえに、亜粒界３
の影響も完全に等価になる。

【００６０】上記実施の形態１では、鋸歯形状の溶融領
域１を形成するためにＸｅＣｌレーザ装置を用いたが、
ＸｅＣｌ以外のレーザ装置、例えば、ＡｒＦ、ＫｒＦ、
ＸｅＦ等のエキシマレーザ装置を用いてもよい。

【００６１】また、結晶化されたシリコン薄膜の膜厚が
３５ｎｍよりも厚い場合は、図７に示すようなトレーリ
ングエッジ４２を用いればよい。このトレーリングエッ
ジ４２は、［１００］方向に進行する部分４２ａと、
［０１０］方向に進行する部分４２ｂとからなり、トレ
ーリングエッジ４２に隣接する領域の亜粒界４３と１３
５度の角度で交わる。この場合、結晶化されたシリコン
薄膜の法線方向を[００１]方向に規定することができ
る。

【００６２】また、結晶化されたシリコン薄膜の膜厚が
３５ｎｍ以下の場合は、図８に示すようなトレーリング
エッジ５２を用いればよい。このトレーリングエッジ５
２は、［１１０］方向に進行する部分５２ａと、［１−
１０］方向に進行する部分５２ｂとからなり、トレーリ
ングエッジ５２に隣接する領域の亜粒界５３と１３５度
の角度で交わる。この場合、結晶化されたシリコン薄膜
の法線方向を[００１]方向に規定することができる。

【００６３】上記［１−１０］方向の内の「−１」は、
１のオーバーラインのことである。また、本明細書にお
ける［］内の「−１」も１のオーバーラインを示す。

【００６４】なお、図７および図８において矢印Ｓは、
エネルギービームの走査方向を示している。

【００６５】（実施の形態２）実施の形態１では、光路
に遮光マスクを挿入して、所望の溶融領域の形状を得る
手法を説明したが、本実施の形態２では、通常の細長い
ラインビームをそのまま用い、試料構造により所望の溶
融領域の形状をえる方法を説明する。まずレーザ結晶化
装置は、実施の形態１で用いたレーザ装置から遮光マス
クを除いたものでよい。

【００６６】図９（a）に示すように、非晶質絶縁膜基
板の一例であるガラス基板６０上に、非晶質半導体薄膜
の一例である非晶質シリコン薄膜６１を堆積させてい
る。そして、上記非晶質シリコン薄膜６１上にＳｉＯ_２
膜を堆積し、そのＳｉＯ_２膜をストライプ状にパターニ
ングすることにより、ＳｉＯ_２からなる反射防止膜６２
をストライプ状に配置する。上記反射防止膜６２の幅、
および、反射防止膜６２と反射防止膜６２との間の距離
は、１〜４μｍが適当である。ＳｉＯ_２膜の膜厚は、反
射防止膜となるように設定する。上記非晶質シリコン薄
膜６１に向けて照射するレーザ光の波長をλ、ＳｉＯ_２
膜の屈折率をｒ、任意の整数をｎとすると、反射防止膜
６２の膜厚はλ（２ｎ＋１）／４ｒとなる。ＸｅＣｌレ
ーザ装置を使用する場合、最も薄い反射防止膜６２の膜
厚は５４ｎｍとなる。

【００６７】そして、上記反射防止膜６２のない領域に
対して、非晶質シリコン薄膜６１が深さ方向に完全に溶
融する強度のレーザ光、例えば５０ｎｍの非晶質シリコ
ン薄膜に対して４００ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を照射す
る。そうすると、上記非晶質シリコン薄膜６１における
反射防止膜６２下の領域では、溶融領域はさらに大きく
なり、図９（ｂ）に示すよう鋸歯形状の溶融領域７０が
形成されて、所望の凹トレーリングエッジを得ることが
できる。

【００６８】また、図９（ｃ）に示すように、ガラス基
板６０上に順次、非晶質シリコン薄膜６１、全面のＳｉ
Ｏ_２反射防止膜６３を積層した後、そのＳｉＯ_２反射防
止膜６３上にさらに５０ｎｍの非晶質シリコン薄膜を堆
積し、その非晶質シリコン薄膜をストライプ状にパター
ニングしてもよい。この場合、上記ＳｉＯ_２反射防止膜
６３上のストライプシリコン膜６４が、レーザ光の吸収
膜として働き、反射防止膜６３のみの領域に対して温度
勾配を一層大きくすることができる。

【００６９】（実施の形態３）実施の形態１，２では、
結晶化したシリコン簿膜における亜粒界の方向、つまり
亜粒界が走る方向と、エネルギービームの走査方向とが
一致するような走査方法を用いることを前提としていた
が、図１０に示すように、鋸歯形状のエネルギービーム
を走査方向Ｓに対し傾斜させて、鋸歯形状の溶融領域８
１を形成してもよい。または、結晶化すべき非晶質シリ
コン薄膜上に形成するのストライプ状の反射防止膜ある
いは反射膜に対してエネルギビームの走査方向を傾斜さ
せてもよい。

【００７０】これらの場合は、亜粒界８３の走る方向
と、エネルギービームの走査方向Ｓとが一定の角度を成
す。そして、一定区間の走査が終了した後、この走査方
向Ｓと直交する方向にシフトし、エネルギービームの端
が既結晶化領域に重なるようにして、再び同じ方向に一
定区間走査を行うことを繰り返すことにより、結晶化領
域を広げていくことができる。

【００７１】

【発明の効果】以上より明らかなように、本発明の半導
体薄膜の形成方法を用いれば、薄膜表面が｛１００｝面
を有し、平面状の亜粒界が＜１００＞あるいは＜１１０
＞方向に形成された例えば高品質の結晶シリコン薄膜
を、ガラス等の非晶質絶縁基板上に容易な走査方法で形
成することができ、高性能の薄膜トランジスタを作製す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施の形態１の半導体薄膜の
形成方法により形成される鋸歯形状の溶融領域の形状を
説明するための図である。

【図２】図２は上記溶融領域の形状とマスク形状との
ズレを示す模式図である。

【図３】図３はＴＦＴのレイアウト例を示す図であ
る。

【図４】図４はＴＦＴのレイアウト例を示す図であ
る。

【図５】図５はＴＦＴの作製方法を説明するための図
である。

【図６】図６はＴＦＴのレイアウト例を示す図であ
る。

【図７】図７はトレーリングエッジの模式図である

【図８】図８はトレーリングエッジの模式図である。

【図９】図９（ａ）は本発明の実施の形態２の半導体
薄膜の形成方法の工程断面図であり、図９（ｂ）は図９
（ａ）の平面図であり、図９（ｃ）は上記実施の形態２
の他の半導体薄膜の形成方法の工程断面図である。

【図１０】図１０は本発明の実施の形態３の半導体薄
膜の形成方法を説明するための模式図である。

【図１１】図１１はトレーリングエッジの模式図であ
る。

【図１２】図１２は従来の半導体薄膜の形成方法を説
明するための図である。

【図１３】図１３は他の従来の半導体薄膜の形成方法
により得られた結晶を示す図である。

【図１４】図１４はさらに他の従来の半導体薄膜の形
成方法を説明するための図である。

【図１５】図１５はＴＦＴのレイアウト例を示す図で
ある。

【図１６】図１６はＳＬＳ薄膜における結晶方位分布
を示す逆極天図である。

【図１７】図１７はトレーリングエッジとリーディン
グエッジを説明するための模式図である。

【図１８】図１８はトレーリングエッジとリーディン
グエッジを説明するための模式図である。

【符号の説明】

１鋸歯形状の溶融領域２トレーリングエッジ３平面状の亜粒界５結晶粒

フロントページの続きＦターム(参考） 5F052 AA02 BA08 BA12 BB07 CA07 DA02 EA06 FA02 JA01 5F110 AA30 BB01 BB07 CC02 DD02 EE04 FF02 FF03 GG02 GG13 GG17 GG25 HJ01 HJ23 HL03 HL07 NN02 NN23 PP03 PP05 PP06 PP11 PP23 PP24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面状の亜粒界で接する矩形の複数の粒
から構成され、その複数の粒の法線方向は全て［００
１］方向になるように結晶化されていることを特徴とす
る半導体薄膜。
【請求項２】請求項１に記載の半導体薄膜において、上記亜粒界が［１１０］方向に平行であり、膜厚が３５
ｎｍより厚くなっていることを特徴とする半導体薄膜。
【請求項３】請求項１に記載の半導体薄膜において、上記亜粒界が［１００］方向に平行であり、膜厚が３５
ｎｍ以下になっていることを特徴とする半導体薄膜。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１つに記載の
半導体薄膜において、上記亜粒界の間隔が１５μｍ以下であることを特徴とす
る半導体薄膜。
【請求項５】非晶質半導体薄膜をエネルギービームで
走査して、上記非晶質半導体薄膜を結晶化する半導体薄
膜の形成方法において、上記エネルギービームの照射により、上記非晶質半導体
薄膜に鋸歯形状の溶融領域を形成し、上記溶融領域の頂
部の内角が略９０度であることを特徴とする半導体薄膜
の形成方法。
【請求項６】請求項５に記載の半導体薄膜の形成方法
において、上記溶融領域において走査方向と反対側のエッジである
トレーリングエッジは、［１００］方向に進行する部分
と、［０１０］方向に進行する部分とから構成され、上記トレーリングエッジに隣接する領域の亜粒界と、上
記トレーリングエッジとが１３５度の角度で交わること
を特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項７】請求項５に記載の半導体薄膜の形成方法
において、上記溶融領域の走査方向と反対側のエッジで
あるトレーリングエッジは、［１１０］方向に進行する
部分と、［１−１０］方向に進行する部分とから構成さ
れ、上記トレーリングエッジに隣接する領域の亜粒界と、上
記トレーリングエッジとが１３５度の角度で交わること
を特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項８】請求項１に記載の半導体薄膜を備えたこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項９】請求項８に記載の半導体装置において、上記半導体薄膜は、非晶質絶縁膜基板上に形成されて
（００１）面の表面を有し、上記亜粒界が＜１１０＞方向と平行に存在していて、上記半導体薄膜を用いて形成され、ソースおよびドレイ
ンを有するトランジスタを備え、上記ソースから上記ドレインへ向かう方向が＜１００＞
方向と平行になるように、上記トランジスタが形成され
ていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】請求項８に記載の半導体装置におい
て、上記半導体薄膜は、非晶質絶縁膜基板上に形成されて
（００１）面の表面を有し、上記亜粒界が＜１００＞方向と平行に存在していて、上記半導体薄膜を用いて形成され、ソースおよびドレイ
ンを有するトランジスタを備え、上記ソースから上記ドレインへ向かう方向が＜１１０＞
方向と平行になるように、上記トランジスタが形成され
ていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】請求項９または１０に記載の半導体装
置において、上記ソースから上記ドレインへ向かうチャネル方向が互
いに直交するいくつかの上記トランジスタを有し、上記チャネル方向が直交する上記トランジスタの特性は
統計的な差がないことを特徴とする半導体装置。