JP2004071832A - 半導体膜およびその形成方法、並びにその半導体膜を用いた半導体装置、ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜面に平行な結晶面が｛１００｝面に揃った結晶性の半導体膜を形成する。
【解決手段】特定のエネルギー密度を有するエネルギーをシリコン膜に付与することにより、膜面に平行に略｛１００｝面が優先的に配向した結晶シリコンが発生し、この結晶シリコンを種結晶として、続いて、結晶シリコンが発生したシリコン膜の領域に触媒物質を導入し、横方向に結晶成長させることにより、半導体膜の全体が膜面に平行に略｛１００｝面に優先的に配向した結晶性のシリコン膜を得ることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体膜及びその形成方法及びその形成方法を用いて製造された半導体装置並びにその半導体装置を用いたディスプレイ装置に関し、特に、非晶質絶縁膜上または非晶質絶縁基板上に形成された非晶質または多結晶等の半導体膜にエネルギーを加えて、結晶方位が制御された結晶性の半導体膜を得る結晶性半導体膜及びその形成方法及びその形成方法を用いて形成された半導体膜を用いた優れた性能を発揮することができる液晶ドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置、並びに、これらの半導体装置を用いたディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、基板に形成された非単結晶絶縁膜上または非単結晶絶縁基板上に非晶質または多結晶等の半導体膜を形成し、この半導体膜にエネルギーを加えることにより結晶化させる方法が知られている。この方法を用いて、結晶方位が制御された結晶性の半導体膜を得るためには、非晶質等の半導体膜中に不規則な核が発生することを抑制し、結晶方位が制御された結晶核を種結晶として結晶成長させることが重要である。
【０００３】
特開２０００−１５０３７７号公報（以下、従来例１と称する）には、図１１に示すように、絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜１を、一部にくびれ部１ａを有する島状にパターニングした後、パルスレーザービーム２を島状の非晶質半導体膜１のくびれ部１ａ側から順次照射しながら走査して、くびれ部１ａにて発生した結晶核を種結晶として、島状の非晶質半導体膜１の全体を多結晶あるいは単結晶の結晶性半導体膜に結晶化する方法が開示されている。
【０００４】
米国特許第４，５７６，６７６号（以下、従来例２と称する）には、図１２に示すように、基板１０上に形成された多結晶シリコン膜１１の薄膜化された領域に、ゾーンメルティング法の加熱部を走査する方向に対して直交する方向が小さく形成されたくびれ部１１ａを形成し、薄膜化されたシリコン膜１１を一定方向に加熱して溶融することにより結晶化する方法が開示されている。この従来例２では、溶融による結晶化方向に対して結晶方位を選択する結晶方位フィルター１２の後に、溶融方向に対して直交する方向の長さ寸法が小さく形成されたくびれ部１１ａを通過させることにより、単一の結晶粒のみが選択される。
【０００５】
また、特開平１０−４１２３４号公報（以下、従来例３と称する）には、シリコン層上に紫外線パルスレーザービームを照射しながら走査し、レーザービームの照射位置を順次ずらしていくことにより、シリコン層をレーザービームの照射位置から順次結晶化する方法が開示されている。図１３（ａ）〜（ｃ）には、従来例３の結晶性シリコン薄膜の形成方法を工程毎に説明する断面図を示している。この従来例３の方法では、まず、図１３（ａ）に示すように、石英からなる基板２０上にＳｉＮ膜２１を成膜した後、ＳｉＮ膜２１上にＳｉＯ_２からなる基体２２を成膜し、次いで、基体２２上に非晶質のシリコン層２３を成膜する。次に、図１３（ｂ）に示すように、基体２２上に形成された非晶質のシリコン層２３に紫外線ビームをパルス状として照射する。この紫外線ビームの照射時には、矢印Ａに示す方向に基板を移動させる。１回の紫外線ビームの照射では、図中Ｓで示される領域が照射され、次の照射時には、基板２０が所定距離移動することにより、図中Ｔで表される距離だけずれて紫外線が照射される。そして、この基板２０の移動により次回の紫外線照射で照射されない領域で、すでに結晶化が進められた領域の結晶シリコンを種結晶として非晶質シリコンの結晶化が進む。このような紫外線ビームの照射を基板２０の全面に対して行うことにより、図１３（ｃ）に示すように、非晶質シリコン層２３の全体が結晶化されて結晶性シリコン層２４となる。この操作により結晶化された結晶性シリコン層２４には、複数の結晶粒２５が含まれ、各結晶粒２５の間には、それぞれ結晶粒界２６が存在する。基板２０上の結晶性シリコン層２４は、各結晶粒２４の中央部分で低く、各結晶粒界２５の部分で高くなっている。この従来例３の結晶化方法を用いると、結晶化されるシリコン層の結晶方位が選択的に略〈１００〉になる結晶性シリコン層が得られる。
【０００６】
また、特開平６−２４４１０３号公報（以下、従来例４と称する）には、結晶化を助長する触媒物質を用いた結晶化方法が開示されている。図１４（ａ）及び（ｂ）は、この結晶化方法を説明する断面図である。この結晶化方法では、基板３０上にＳｉＯ_２膜３１を形成した後、このＳｉＯ_２膜３１上に非晶質シリコン膜３２を形成し、この非晶質シリコン膜３２上に、結晶化を助長する触媒物質を導入して、触媒物質膜３３を形成する。非晶質シリコン膜３２の結晶化を助長する触媒物質としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ元素またはこれらの組み合わせが用いられる。触媒物質膜３３は、非晶質シリコン膜３２上の全面にわたって形成してもよく、あるいは、非晶質シリコン膜３２上に部分的に形成してもよい。図１４（ａ）は、非晶質シリコン膜３２上の全体に触媒物質膜３３を形成した場合、図１４（ｂ）は、非晶質シリコン膜３２上に部分的に触媒物質膜３３を形成した場合をそれぞれ示している。そして、非晶質シリコン膜３２上に触媒物質膜３３を形成した後、非晶質シリコン膜３２が形成された基板３０をアニールすることにより、触媒物質膜３３の触媒物質に基づく結晶化が進む。図１４（ａ）のように、非晶質シリコン膜３２上の全体に触媒物質膜３３を形成した場合、アニールにより非晶質シリコン膜３２の膜厚方向に沿う垂直方向に結晶が成長する。また、図１４（ｂ）のように、非晶質シリコン膜３２に部分的に触媒物質膜３３を形成した場合、アニールにより、まず、触媒物質膜３３の下部の非晶質シリコン膜３２が結晶化され、この部分の結晶化に引き続いて、他の部分に結晶化が進むので、触媒物質膜３３の下部以外の部分の非晶質シリコン膜３２は、基板面に沿う横方向に結晶が成長する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来例１の結晶化方法では、くびれ部１ａで発生した結晶核を種結晶として島状の半導体膜１の全体が単結晶化されるが、基板上には、必要な半導体装置の数に応じて複数の島状の半導体膜のパターンを形成するのが通常であり、従来例１の方法では、各島状の半導体膜１のそれぞれのくびれ部１ａで発生する結晶核の膜面に平行な結晶面を揃えるように制御することはできず、発生する結晶核の膜面に平行な結晶面が各島状の半導体膜１のくびれ部１ａ毎にランダムになるため、この結晶核を種結晶として形成される各島状の半導体膜の膜面に平行な結晶面も各島毎にそれぞれ異なるものとなる。
【０００８】
上記の従来例２では、ゾーンメルティング法を用いており、基板温度が過度に上昇する。このため、ガラス基板等の軟化点が低い安価な基板を用いることができない。
【０００９】
上記の従来例３では、結晶化されたシリコン層２４における結晶粒の基体２２の表面に対する結晶方位は、選択的に略〈１００〉方位になる。しかしながら、シリコン薄膜の面内の結晶方位は制御されないため、面内方位が異なる１μｍ以下の多数の微小な結晶粒が基板面の全体にわたって敷き詰められた状態になる。
【００１０】
上記の従来例４では、触媒物質に基づいて結晶化することにより得られた結晶粒は、膜面に平行に｛１１０｝面が優先的に配向する傾向がある。しかしながら、図１４（ａ）に示すように、触媒物質膜３３を非晶質シリコン膜３２上の全体に形成した場合には、結晶核の発生が、非晶質シリコン膜３２と触媒物質膜３３との界面の全体にわたるため、膜面に平行な結晶面は略｛１１０｝面であるが膜面内の結晶方位はそれぞれ異なる多数のμｍオーダーの微小な結晶粒で敷き詰められた状態になり、結晶方位が揃った大きな結晶粒からなる領域、あるいは単一の結晶粒からなる単結晶領域を得ることは容易ではない。
【００１１】
一方、従来例４の方法において、図１４（ｂ）に示すように、触媒物質膜３３を非晶質シリコン膜３２上に部分的に形成した場合には、触媒物質膜３３の下部の非晶質シリコン膜３２に発生した結晶核に基づいて、触媒物質膜３３下でない領域に向かって基板面に対して横方向に結晶成長が進む。触媒物質膜３３下部の半導体膜３２の領域では、膜面に平行な結晶面は、略｛１１０｝面に揃っている。しかしながら、この場合も、触媒物質膜３３の下部では、膜面に平行な結晶面は略｛１１０｝面であるが膜面内の結晶方位がそれぞれ異なる結晶核が多数発生し、このような結晶方位がそれぞれ異なる結晶核に基づいて、横方向に結晶成長が進むため、図１４（ａ）に示すように触媒物質膜３３を形成した場合に比較すると、より横方向に長い結晶粒からなる結晶領域が得られるが、各結晶粒の幅はμｍオーダーであり、この場合でも結晶方位が揃った大きな結晶粒からなる領域、あるいは単一の結晶粒からなる単結晶領域を得ることは容易ではない。
【００１２】
上記に説明したように、従来例１〜４の結晶化方法では、いずれの場合においても、膜面に平行な結晶面及び膜面内の結晶方位がともに揃っており、且つ、微小な結晶粒によって敷き詰められた状態ではない、大きな結晶粒からなる、あるいは、単一の結晶粒からなる結晶性のシリコン膜を得ることはできない。
【００１３】
このような結晶方位の揃っていない微小な結晶粒によって敷き詰められた状態の結晶性半導体膜を用いて液晶ドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置（例えば、トランジスタ）を作製した場合、キャリアの移動度が小さい、閾値電圧が大きい等の問題が生じ、さらに、液晶ドライバー等に多数形成された各半導体装置のキャリアの移動度、閾値電圧のバラツキが各半導体装置間で大きくなるという問題もある。
【００１４】
さらに、膜面に平行な結晶面が｛１１０｝面である結晶性半導体膜を用いてＭＯＳトランジスタを作製した場合、膜面に平行な結晶面が｛１００｝面である結晶性半導体膜を用いてＭＯＳトランジスタを作製した場合に比較して、ゲートＳｉＯ_２膜との界面準位密度が大きく、トランジスタ特性が良好でないという問題もある。
【００１５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、膜面に平行な結晶面が｛１００｝面で揃っており、微結晶の状態ではない、大きな結晶粒、あるいは単結晶により形成された結晶性の半導体膜及びこのような半導体膜をガラス等のシリコンの溶融温度より低い温度で軟化する軟化点が低い基板上に形成する半導体膜の形成方法、及びその形成方法を用いて製造された半導体装置並びにその半導体装置を用いたディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の半導体膜は、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面で揃っている結晶粒により形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
上記本発明の半導体膜において、単一の結晶粒により全体が形成されていることが好ましい。
【００１８】
上記本発明の半導体膜において、前記半導体膜は、シリコン材料であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体膜を用いたものである。
【００２０】
また、本発明のディスプレイ装置は、上記本発明の半導体装置を備えたものである。
【００２１】
また、本発明の半導体膜の形成方法は、基板上に形成された半導体膜に、該半導体膜を溶融するエネルギーを付与し、溶融後の結晶化により結晶化させて結晶性の半導体膜とする結晶化工程を包含する半導体膜の形成方法であって、該結晶化工程は、該結晶化を行う前の半導体膜の所定の領域に、特定のエネルギー密度のエネルギーを付与して、膜面に平行に略｛１００｝面が優先的に配向した結晶面の結晶半導体を形成する結晶半導体形成工程と、該結晶半導体が形成された半導体膜の領域に該半導体膜の結晶化を助長する触媒物質を導入し、該触媒物質の該半導体膜中の拡散により、該結晶半導体を種結晶として横方向に結晶成長させる結晶成長工程とを包含することを特徴とするものである。
【００２２】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶半導体を種結晶とする結晶成長は、固相成長により行われることが好ましい。
【００２３】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶半導体形成工程における特定のエネルギー密度のエネルギーは、パルス状エネルギービームによって付与されることが好ましい。
【００２４】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶半導体形成工程におけるエネルギーのエネルギー密度は、３８０ｍＪ／ｃｍ^２近傍であることが好ましい。
【００２５】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶化工程により結晶化される結晶性の半導体膜は、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であることが好ましい。
【００２６】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶化工程を行う前に、前記基板上に形成された半導体膜に発生する結晶半導体から横成長される複数の結晶粒から一つの結晶粒を選択するための選択領域を有するように前記半導体膜をパターニングする選択領域形成工程をさらに包含することが好ましい。
【００２７】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記選択領域形成工程により形成される選択領域は、前記結晶半導体形成工程での結晶半導体を形成する種結晶形成領域を含む第一領域と、前記結晶成長工程の後に半導体装置として用いられる第二領域とを連結するように配置され、前記結晶半導体の横成長の方向に直交する方向が狭小になった連結領域であることが好ましい。
【００２８】
この場合、前記連結領域は、前記横方向の成長方向に直交する幅方向が０．１μｍ以上、１０μｍ以下であることが好ましく、また、前記横方向の成長方向に沿う方向が０．５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記選択領域形成工程により形成される選択領域は、前記結晶半導体形成工程での結晶半導体を形成する種結晶形成領域を含む第一領域と、前記結晶成長工程の後に半導体装置として用いられる第二領域とを連結するように配置され、前記結晶半導体の横成長の方向に直交する方向が狭小になった連結領域であり、該種結晶形成領域は、該連結領域が延びる方向に一致しないように該第一領域に配置されていることが好ましい。
【００３０】
この場合、前記連結領域は、前記横方向の成長方向に直交する幅方向が０．１μｍ以上、２０μｍ以下であることが好ましく、また、前記横方向の成長方向に沿う方向が０．５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記選択領域形成工程により形成される選択領域は、前記結晶半導体形成工程での結晶半導体を形成する種結晶形成領域を含む第一領域と、前記結晶成長工程の後に半導体装置として用いられる第二領域とが、前記結晶半導体の横方向の成長方向に沿って一部において接している連結領域であることが好ましい。
【００３２】
この場合、前記連結領域は、前記横方向の成長方向に沿う方向の長さが、２０μｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記触媒物質は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕから選択される金属単体、または、これら金属を含む化合物、または、該金属単体及び該金属化合物から選択された複数の組み合わせであることが好ましい。
【００３４】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶半導体形成工程におけるエネルギーのエネルギー密度は、前記半導体膜の膜厚の全体が溶融するエネルギー密度に達しない範囲に設定されることが好ましい。
【００３５】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶化工程を行った後、結晶化された半導体膜に対して、該半導体膜の膜厚の全体が溶融するエネルギー密度に達しない範囲に設定されたエネルギーを付与する工程をさらに包含することが好ましい。
【００３６】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記半導体膜はシリコン材料により形成されることが好ましい。
【００３７】
また、本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体膜の形成方法により形成されたものである。
【００３８】
また、本発明のディスプレイ装置は、上記本発明の半導体装置を備えたものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００４０】
本発明は、非晶質半導体膜に対して、特定のエネルギー密度範囲のパルス状エネルギービームを照射すると、その膜面に平行に特定の結晶面が優先的に配向した結晶が形成されることに着目してなされたものである。
【００４１】
図１０は、ガラス基板上に形成された５０ｎｍの厚さを有する非晶質シリコン膜に対して、種々のエネルギー密度のパルス状のエキシマレーザー光を照射して、結晶化された結晶性シリコン膜の面内の結晶方位をＸ線対称反復回折を用いて評価したグラフである。
【００４２】
図１０に示すグラフにおいて、縦軸の規格化強度は、結晶性シリコン膜に対してＸ線を照射したときの回折強度を無配向のＳｉパウダーに対してＸ線を照射したときの回折強度で除算することによって求めており、規格化強度が大きい程、その面の配向が強いことを意味している。また、立法晶のＳｉ結晶のＸ線回折では、｛１００｝面及び｛２００｝面の回折は消滅則のために観測されないため、｛１００｝面の配向は、｛４００｝の回折ピークとして観察される。
【００４３】
図１０に示すグラフを参照すると、３８０ｍＪ／ｃｍ^２近傍のレーザーエネルギー密度のレーザー光を非晶質シリコン膜に照射すると、膜面に平行に｛１００｝面が配向した結晶性シリコンが優先的に得られることが明らかになっている。非晶質シリコン膜に照射されるレーザー光のエネルギー密度が低過ぎる場合には、半導体膜の溶融が不足し、逆にエネルギー密度が高過ぎる場合には、半導体膜が下層に達する界面まで溶融し、いずれの場合にも膜面に平行に｛１００｝面が優先的に配向した膜が得られないということが考えられる。
【００４４】
上記のように、非晶質シリコン膜の所定の領域に対して、特定のエネルギー密度範囲のレーザー光を照射すれば、膜面に平行に｛１００｝面が優先的に配向した結晶性シリコンが得られる。このようにして膜面に平行に｛１００｝面が優先配向した結晶性シリコンを形成した後、この結晶シリコンを種結晶として、基板上のシリコン膜に対して横方向に結晶成長させることにより、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に制御された結晶半導体膜を得ることができる。
【００４５】
膜面に平行に｛１００｝面が優先配向した結晶シリコンが発生した領域を種結晶形成領域とし、この種結晶形成領域中の種結晶である結晶シリコンを横方向に、通常の結晶化温度よりも低い温度で結晶成長させるために、この種結晶形成領域に結晶成長を助長する触媒物質を導入する。触媒物質を導入した後、基板を加熱すると、触媒物質が導入された種結晶形成領域から周辺の領域へ触媒物質が拡散し、この触媒物質の拡散に伴って、基板面の横方向に順次結晶成長が進む。この触媒物資を用いた結晶化では、加熱温度が通常の結晶化に要する温度よりも低くなるので、軟化点温度が低いガラス基板等を基板として用いることが可能となる。
【００４６】
また、このような半導体膜の形成方法において、膜面に平行に｛１００｝面が優先的に配向した種結晶を形成するための半導体膜の領域と、トランジスタ等の半導体装置を形成するための領域との間に、種結晶から成長する複数の結晶粒のうち一つだけを選択するための選択領域を設け、この選択領域にて選択された一つの結晶粒に基づいて半導体装置となる領域が結晶化するようにすれば、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であることに加えて、さらに、結晶粒界のない単結晶からなる結晶性の半導体膜を得ることができる。
【００４７】
具体的には、上記複数の結晶粒のうちの一つを選択するための選択領域として、結晶粒の成長方向に沿う方向に直交する方向の寸法が狭小になったくびれ状の連結領域を形成する。このような連結領域を形成すれば、種結晶から成長した複数の結晶粒は、結晶の成長方向に直交する方向に狭小になったくびれ状の連結領域を通過する際に、一つの結晶粒が選択される。
【００４８】
また、上記複数の結晶粒のうちの一つを選択するための選択領域として、膜面に平行に｛１００｝面が優先的に配向した種結晶を形成するための半導体膜の領域と、トランジスタ等の半導体装置を形成するための領域との間を連結する連結領域を設けると共に、種結晶が形成された領域から連結領域を経て半導体装置を形成するための領域に結晶が成長する結晶成長方向が屈曲するように、種結晶が形成される領域及び連結領域を配置するようにしてもよい。
【００４９】
また、上記複数の結晶粒のうち一つを選択するための選択領域としては、種結晶を形成するための領域と、半導体装置を形成するための領域とが、一部分において互いに接するように配置されて、この接する部分を両領域を連結する連結領域とするようにしてもよい。このような連結領域が設けられていれば、種結晶から成長する複数の結晶粒のうち一つだけが連結領域を通過して、一つの結晶粒が選択される。
【００５０】
以上説明したようにして得られる膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に制御された結晶性半導体膜、あるいは、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に制御され、且つ、結晶粒界のない単結晶により形成された結晶性半導体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バラツキを小さくすることが可能である。
【００５１】
以下、本発明の半導体膜の形成方法の具体的な形態について、図面に基づいて説明する。
【００５２】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の半導体膜の形成方法を説明するための斜視図である。なお、以下の説明では、シリコン膜を半導体膜の例として説明する。
【００５３】
本実施の形態１の半導体膜の形成方法では、まず、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガス及びＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ（化学気相成長）法によって、ガラス基板等の絶縁基板４１上の全面にわたってＳｉＯ_２膜４２を２００ｎｍの膜厚に均一に形成し、続いて、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス及びＨ_２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ_２膜４２上の全面にわたって非晶質シリコン膜４３を５０ｎｍの膜厚に形成し、さらに、ＴＥＯＳガス及びＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ_２膜４４を１００ｎｍの膜厚に形成する。次に、ＣＦ_４ガス及びＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によって、ＳｉＯ_２膜４４の一部に開口部４４ａを形成し、非晶質シリコン膜４３を開口部４４ａの部分で外部に露出させる。
【００５４】
次に、ＳｉＯ_２膜４４に形成された開口部４４ａの部分の非晶質シリコン膜４３の領域を種結晶形成領域４５として、３８０ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するパルス状のエキシマレーザー光を照射する。このパルス状のエキシマレーザー光の照射により、種結晶形成領域４５に、略｛１００｝面が膜面に平行に優先配向した結晶シリコンが発生する。
【００５５】
次に、スパッタリング法を用いて基板４１上にＮｉを１ｎｍの厚さに蒸着する。蒸着されたＮｉは、ＳｉＯ_２膜４４に形成された開口部４４ａの部分では、非晶質シリコン膜４３上に蒸着され、他の部分では、ＳｉＯ_２膜４４上に蒸着される。続いて、Ｎｉが表面に蒸着された基板を加熱炉に搬入して５６０℃になるように均一に加熱する。この加熱により、ＳｉＯ_２膜４４に形成された開口部４４ａにより非晶質シリコン膜４３上に蒸着されたＮｉが、非晶質シリコン膜４３中を横方向に拡散する。このようなＮｉの横方向の拡散により、ＳｉＯ_２膜４４の開口部４４ａに対応して形成された非晶質シリコン膜４３の種結晶形成領域４５に発生している、膜面に平行に略｛１００｝面が優先的に配向した結晶シリコンが横方向に結晶成長する。この結晶成長により非晶質シリコン膜４３の全体が、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に揃った結晶性のシリコン膜となる。ＳｉＯ_２膜４４上に蒸着されたＮｉは、ＳｉＯ_２膜４４中での拡散速度が遅いため、ＳｉＯ_２を通過して非晶質シリコン膜４３に達するまでに、種結晶形成領域４５から横方向の結晶成長が終了するので、ＳｉＯ_２膜４４上に蒸着されたＮｉは、非晶質シリコン膜４３の結晶化に関与しない。
【００５６】
この結晶化は、ＳｉＯ_２膜４４に形成された開口部４４ａに対応して形成された非晶質シリコン膜４３の種結晶形成領域４５に蒸着したＮｉの触媒的な作用に基づいているので、通常の加熱による結晶化に用いられる加熱温度よりも低い温度で結晶化が進められる。このため、非晶質シリコン膜４３における種結晶形成領域４５以外の領域で種結晶以外の他の結晶核が発生することが抑制される。種結晶形成領域４５から横方向に成長する結晶粒は、種結晶形成領域４５に発生した、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面である結晶シリコンの結晶方位を引き継いで成長するので、非晶質シリコン膜４３の全体が膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に揃った結晶性のシリコン膜となる。したがって、本実施の形態１の半導体膜の形成方法により形成された結晶性のシリコン膜を用いれば、特性に優れた半導体装置を形成することができる。
【００５７】
（実施の形態２）
図２は、本実施の形態２の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。なお、以下の説明では、シリコン膜を半導体膜の例として説明する。
【００５８】
本実施の形態２の半導体膜の形成方法では、まず、実施の形態１の半導体膜の形成方法と同様にして、ガラス基板等の絶縁基板５１上に２００ｎｍの膜厚のＳｉＯ_２膜５２及び５０ｎｍの膜厚の非晶質シリコン膜５３を順次形成する。本実施の形態２の半導体膜の形成方法では、続いて、ＣＦ_４ガス及びＯ_２ガスを用いたＲＩＥ法を用いて、非晶質シリコン膜５３をエッチングし、図２に示すように、絶縁基板５１の長手方向に対して直交する幅方向の寸法が一定になっている主領域５６及び第二領域５７と、この第一領域５６及び第二領域５７の間に、幅方向の寸法が狭小になっているくびれ状の連結領域５８とを有するようにパターニングする。尚、絶縁基板５１の長手方向に対して直交する幅方向の寸法は、必ずしも一定である必要はない。
【００５９】
本実施の形態２では、連結領域５８の寸法として、長手方向の寸法Ｌが１０μｍ、幅方向の寸法Ｗが２μｍの長さとした。続いて、実施の形態１と同様にして、ＳｉＯ_２膜５４を１００ｎｍの膜厚に形成し、このＳｉＯ_２膜５４に、ＣＦ_４ガス及びＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ法によって、ＳｉＯ_２膜５４における下層の非晶質シリコン膜５３の第一領域５６に対応する一部に開口部５４ａを形成し、非晶質シリコン膜５３を開口部の部分で外部に露出させる。
【００６０】
次に、ＳｉＯ_２膜５４に形成された開口部５４ａの部分の非晶質シリコン膜５３の領域を種結晶形成領域５５として、３８０ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するパルス状のエキシマレーザー光を照射する。このパルス状のエキシマレーザー光の照射により、種結晶形成領域５５に、略｛１００｝面が膜面に優先配向した結晶シリコンが発生する。
【００６１】
次に、スパッタリング法を用いて基板上にＮｉを１ｎｍの厚さに蒸着する。蒸着されたＮｉは、ＳｉＯ_２膜５４に形成された開口部５４ａの部分では、非晶質シリコン膜５３上に蒸着され、他の部分では、ＳｉＯ_２膜５４上に蒸着される。続いて、Ｎｉが表面に蒸着された基板を加熱炉に搬入して５６０℃になるように均一に加熱する。この加熱により、ＳｉＯ_２膜５４に形成された開口部５４ａにより非晶質シリコン膜５３上に蒸着されたＮｉが、非晶質シリコン膜５３中を横方向に拡散する。このようなＮｉの横方向の拡散により、ＳｉＯ_２膜５４の開口部５４ａに対応して形成された非晶質シリコン膜５３の種結晶形成領域５５に発生している膜面に平行に略｛１００｝面が優先的に配向した結晶シリコンが横方向に結晶成長する。この結晶成長により非晶質シリコン膜５３の全体が、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に揃った結晶性のシリコン膜となる。ＳｉＯ_２膜５４上に蒸着されたＮｉは、ＳｉＯ_２膜５４中での拡散速度が遅いため、ＳｉＯ_２を通過して非晶質シリコン膜５３に達するまでに、種結晶形成領域５５から横方向の結晶成長が終了するので、ＳｉＯ_２膜５４上に蒸着されたＮｉは、非晶質シリコン膜５３の結晶化に関与しない。
【００６２】
この結晶化は、ＳｉＯ_２膜５４に形成された開口部５４ａに対応して形成された非晶質シリコン膜５３の種結晶形成領域５５に蒸着したＮｉの触媒的な作用に基づいているので、通常の加熱による結晶化に用いられる加熱温度よりも低い温度で結晶化が進められる。このため、非晶質シリコン膜５３における種結晶形成領域５５以外の領域で種結晶以外の他の結晶核が発生することが抑制される。種結晶形成領域５５から横方向に成長する結晶粒は、種結晶形成領域５５に発生した膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面である結晶シリコンの結晶方位を引き継いで成長するので、非晶質シリコン膜５３の全体が膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に揃った結晶性のシリコン膜となる。
【００６３】
さらに、本実施の形態２では、非晶質シリコン膜５３の第一領域５６における種結晶形成領域５５の結晶シリコンを種結晶とする結晶化が、第一領域５６から連結領域５８を通過する際に、図３に示すように、種結晶形成領域５５にて発生した結晶シリコンに基づいて成長する複数の結晶粒のうちから一つが選択されて、第二領域５７では、選択された一つの結晶粒に基づいて結晶化が進む。この結果、第二領域５７は、単結晶により形成された単結晶領域となる。
【００６４】
くびれ状の連結領域５８は、上記のように結晶成長が第一領域５６から連結領域５８を通過する際に、第一領域５６に形成された複数の結晶粒のうちから一つを選択するために用いられるので連結領域５８の幅方向及び長手方向の寸法を適切に設定することは重要であり、具体的には、くびれ状の連結領域５８の幅方向の寸法が０．１μｍより狭い場合、長さ方向の寸法が１００μｍ以上である場合には、第一領域５６で成長した結晶粒が連結領域５８を通過して第二領域５７で種結晶の結晶方位を引き継いで成長することができなくなる。
【００６５】
一方、連結領域５８の幅方向の寸法が１０μｍより長く、あるいは、長さ方向の寸法が０．５μｍ以下である場合には、連結領域５８での結晶粒の選択効果が低下し、種結晶形成領域５５にて形成された種結晶から成長された複数の結晶粒が連結領域５８を通過して第二領域５７まで成長し、第二領域５７を単一の結晶粒に基づいた単結晶領域とすることができなくなるおそれがある。
【００６６】
以上のように形成された本実施の形態２の結晶性のシリコン膜は、連結領域５８を経た第二領域５７において、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝に揃っており、さらに、結晶粒界のない単結晶により形成されるので、この領域の結晶性シリコン膜を用いれば、特性に優れた半導体装置を形成することができる。
【００６７】
（実施の形態３）
図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施の形態３の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。なお、以下の説明では、シリコン膜を半導体膜の例として説明する。
【００６８】
本実施の形態３の半導体膜の形成方法では、まず、実施の形態１の半導体膜の形成方法と同様にして、ガラス基板等の絶縁基板６１上に２００ｎｍの膜厚のＳｉＯ_２膜６２及び５０ｎｍの膜厚の非晶質シリコン膜６３を順次形成する。本実施の形態３の半導体膜の形成方法では、続いて、実施の形態２の半導体膜の形成方法と同様に、ＣＦ_４ガス及びＯ_２ガスを用いたＲＩＥ法によって、非晶質シリコン膜６３をエッチングする。本実施の形態３では、略｛１００｝面が膜面に平行に優先配向した種結晶となる結晶シリコンが形成される第一領域６６と、結晶化の後に半導体装置として使用される第二領域６７とを有し、第一領域６６及び第二領域６７の間に配置される連結領域６８によって第一領域６６及び第二領域６７を連結するようにパターニングする。第一領域６６は、絶縁基板６１の長手方向及び長手方向に直交する幅方向にそれぞれ所定の寸法を有する矩形状に形成し、第二領域６７は、絶縁基板６１の長手方向に対して直交する幅方向の寸法が一定になるように長手方向に沿って長い矩形状に形成する。尚、第一領域６６は、絶縁基板６１の長手方向及び長手方向に直交する幅方向の寸法が必ずしも一定である必要はなく、矩形状である必要もない。また、第二領域６７は、絶縁基板６１の長手方向に対して直交する幅方向の寸法が必ずしも一定である必要はなく、矩形状である必要もない。第一領域６６及び第二領域６７を連結する連結領域６８は、長手方向に直交する幅方向の寸法が狭小に形成する。本実施の形態３では、連結領域６８を、絶縁基板６１の長手方向に直交する幅方向の寸法Ｗが２μｍ、長手方向の長さ寸法Ｌが１０μｍの大きさになるように形成した。
【００６９】
連結領域６８に対する第一領域６６及び第二領域６７のそれぞれの位置関係は任意でよく、図４（ａ）〜（ｃ）では、連結領域６８に対する第一領域６６及び第二領域６７の位置関係の例をそれぞれ示しており、図４（ａ）では、第一領域６６及び第二領域６７は、絶縁基板６１の幅方向において同一側の各端部で連結領域６８に連結しており、図４（ｂ）では、第一領域６６及び第二領域６７は、絶縁基板６１の幅方向の異なる側の各端部で連結領域６８に連結している。図４（ｃ）では、第一領域６６は、一端部において連結領域６８に連結しており、第二領域６７は、幅方向中間部で連結領域６８に連結している。
【００７０】
次に、実施の形態１の半導体膜の形成方法と同様にして、ＴＥＯＳガス及びＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ_２膜６４を１００ｎｍの膜厚に形成する。次いで、ＣＦ_４ガス及びＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ法によって、ＳｉＯ_２膜６４における下層の非晶質シリコン膜６３の第一領域６６に対応する一部に開口部６４ａを形成し、非晶質シリコン膜６３をこの開口部６４ａの部分で外部に露出させる。この開口部６４ａは、第一領域６６と第二領域６７とを連結する連結領域６８が延びる方向上と一致しないように形成される。本実施の形態３では、第一領域６６における連結領域６８と連結した側に近い端部と反対側の端部に開口部６４ａを形成した。
【００７１】
次に、ＳｉＯ_２膜６４に形成された開口部６４ａの部分の非晶質シリコン膜６３の領域を種結晶形成領域６５として、３８０ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するパルス状のエキシマレーザー光を照射する。このパルス状のエキシマレーザー光の照射により、種結晶形成領域６５に、略｛１００｝面が膜面に平行に優先配向した結晶シリコンが発生する。
【００７２】
次に、スパッタリング法を用いて基板上にＮｉを１ｎｍの厚さに蒸着する。蒸着されたＮｉは、ＳｉＯ_２膜６４に形成された開口部６４ａの部分では、非晶質シリコン膜６３上に蒸着され、他の部分では、ＳｉＯ_２膜６４上に蒸着される。続いて、Ｎｉが表面に蒸着された基板を加熱炉に搬入して５６０℃になるように均一に加熱する。この加熱により、ＳｉＯ_２膜６４に形成された開口部６４ａにより非晶質シリコン膜６３上に蒸着されたＮｉが、非晶質シリコン膜６３中を横方向に拡散する。このようなＮｉの横方向の拡散により、ＳｉＯ_２膜６４の開口部６４ａに対応して形成された非晶質シリコン膜６３の種結晶形成領域６５に発生している膜面に平行に略｛１００｝面が優先的に配向した結晶シリコンが横方向に結晶成長する。この結晶成長により非晶質シリコン膜６３の全体が、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に揃った結晶性のシリコン膜となる。ＳｉＯ_２膜６４上に蒸着されたＮｉは、ＳｉＯ_２膜６４中での拡散速度が遅いため、ＳｉＯ_２膜６４を通過して非晶質シリコン膜６３に達するまでに、種結晶形成領域６５から横方向の結晶成長が終了するので、ＳｉＯ_２膜６４上に蒸着されたＮｉは、非晶質シリコン膜６３の結晶化に関与しない。
【００７３】
この結晶化は、ＳｉＯ_２膜６４に形成された開口部６４ａに対応して形成された非晶質シリコン膜６３の種結晶形成領域６５に蒸着したＮｉの触媒的な作用に基づいているので、通常の加熱による結晶化に用いられる加熱温度よりも低い温度で結晶化が進む。このため、非晶質シリコン膜６３における種結晶形成領域６５以外の領域で種結晶以外の他の結晶核が発生することが抑制される。種結晶形成領域６５から横方向に成長する結晶粒は、種結晶形成領域６５に発生した、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面である結晶シリコンの結晶方位を引き継いで成長するので、非晶質シリコン膜６３の全体が膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に揃った結晶性のシリコン膜となる。
【００７４】
さらに、本実施の形態３では、連結領域６６が延びる方向に一致しないようにＳｉＯ_２膜６４に開口部６４ａを設けている。これにより、この開口部６４ａの位置に対応して形成される非晶質シリコン膜６３の種結晶形成領域６５から成長される複数の結晶粒のうち、結晶の成長方向を屈曲して連結領域６８を通過し得る結晶粒が選択されて、第二領域６７内に成長する。この結果、連結領域６８を経て第二領域６７に成長される結晶粒は単一となり、第二領域６７は単結晶により形成される単結晶領域となる。本実施の形態３では、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、第一領域６６の種結晶形成領域６５に発生した複数の結晶粒は、他の結晶粒が隣接して存在しているため、その結晶成長方向は、絶縁基板６１の幅方向に同一方向に沿う方向に成長し、各結晶粒は、第一領域内６６において、幅方向の端部に達するまで成長される。第一領域６６内に成長した各結晶粒のうち、連結領域６８に最も近い位置に形成された結晶粒のみが連結領域６８内に成長することができ、結果として、この位置の結晶粒が連結領域６８内に結晶成長する結晶粒として選択される。本実施の形態３では、連結領域６８に最も近い位置に形成された結晶粒のみが成長される結晶粒として選択されるので、結晶成長方向に直交する方向の寸法が狭小になったくびれ状の連結部で結晶粒を選択する実施の形態２よりも、単一の結晶粒を選択することを確実に行うことができる。
【００７５】
連結領域６８は、上記のように結晶成長が第一領域６６から連結領域６８を通過する際に、第一領域６６に形成された複数の結晶粒のうちから一つを選択するために用いられるので連結領域６８の幅方向及び長手方向の寸法を適切に設定することが重要であり、具体的には、連結領域６８の幅方向の寸法が０．１μｍより狭い場合、あるいは、長さ方向の寸法が１００μｍ以上である場合には、第一領域６６にて形成された種結晶から成長した結晶粒が連結領域６８を通過して第二領域６７で種結晶の結晶方位を引き継いで成長することができなくなる。
【００７６】
一方、連結領域６８の幅方向の寸法が２０μｍより長く、あるいは、長さ方向の寸法が０．５μｍ以下である場合には、連結領域６８での結晶粒の選択効果が低下し、種結晶形成領域６５にて形成された種結晶から成長された複数の結晶粒が連結領域６８を通過して第二領域６７まで成長し、第二領域６７を単一の結晶粒に基づいた単結晶領域とすることができなくなるおそれがある。
【００７７】
以上のように形成された本実施の形態３の結晶性のシリコン膜は、連結領域６８を経た第二領域６７において、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝に揃っており、さらに、単一の結晶粒により形成された単結晶領域となっている。したがって、本実施の形態３の半導体膜の形成方法により形成された結晶性の半導体膜を用いれば、より一層特性に優れた半導体装置を形成することができる。
【００７８】
（実施の形態４）
図６は、本実施の形態４の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。なお、以下の説明では、シリコン膜を半導体膜の例として説明する。
【００７９】
本実施の形態４の半導体膜の形成方法では、まず、実施の形態１の半導体膜の形成方法と同様にして、ガラス基板等の絶縁基板７１上に２００ｎｍの膜厚のＳｉＯ_２膜７２及び５０ｎｍの膜厚の非晶質シリコン膜７３を順次形成する。本実施の形態４の半導体膜の形成方法では、続いて、実施の形態２の半導体膜の形成方法と同様にして、ＣＦ_４ガス及びＯ_２ガスを用いたＲＩＥ法を用いて、非晶質シリコン膜７３をエッチングする。本実施の形態４では、略｛１００｝面が膜面に平行に優先配向した種結晶となる結晶シリコンを形成するための第一領域７６と、結晶化の後に半導体装置として使用される第二領域７７とが形成され、この第一領域７６及び第二領域７７が、一部分において互いに接している連結領域７８が形成されるようにパターニングする。第一領域７６は、絶縁基板７１の長手方向及びこの長手方向に直交する幅方向にそれぞれ所定の寸法を有する矩形状に形成し、第二領域７７は、絶縁基板７１の長手方向に対して直交する幅方向の寸法が一定になるように長手方向に沿って長い矩形状に形成する。尚、第一領域７６、第二領域７７ともに、絶縁基板７１の長手方向及びこの長手方向に直交する幅方向の寸法が一定である必要もなく、矩形状である必要もない。第一領域７６及び第二領域７７が接することにより形成される連結領域７８は、絶縁基板７１の長手方向に沿って所定の長さにわたって接するように形成される。本実施の形態４では、接触する長さＤを２μｍとした。
【００８０】
次に、実施の形態１の半導体膜の形成方法と同様にして、ＴＥＯＳガス及びＯ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ_２膜７４を１００ｎｍの膜厚に形成し、次いで、ＣＦ_４ガス及びＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ法によって、ＳｉＯ_２膜７４の一部に開口部７４ａを形成し、非晶質シリコン膜７３を開口部７４ａの部分で外部に露出させる。
【００８１】
次に、ＳｉＯ_２膜７４に形成された開口部７４ａの部分の非晶質シリコン膜７３の領域を種結晶形成領域７５として、３８０ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するパルス状のエキシマレーザー光を照射する。このパルス状のエキシマレーザー光の照射により、種結晶形成領域７５に、略｛１００｝面が膜面に優先配向した結晶シリコンが発生する。
【００８２】
次に、スパッタリング法を用いて基板上にＮｉを１ｎｍの厚さに蒸着する。蒸着されたＮｉは、ＳｉＯ_２膜７４に形成された開口部７４ａの部分では、非晶質シリコン膜７３上に蒸着され、他の部分では、ＳｉＯ_２膜７４上に蒸着される。続いて、Ｎｉが表面に蒸着された基板を加熱炉に搬入して５６０℃になるように均一に加熱する。この加熱により、ＳｉＯ_２膜７４に形成された開口部７４ａにより非晶質シリコン膜７３上に蒸着されたＮｉが、非晶質シリコン膜７３中を横方向に拡散する。このようなＮｉの横方向の拡散により、ＳｉＯ_２膜７４の開口部７４ａに対応して形成された非晶質シリコン膜７３の種結晶形成領域７５に発生している膜面に平行に略｛１００｝面が優先的に配向した結晶シリコンが横方向に結晶成長する。この結晶成長により非晶質シリコン膜７３の全体が、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に揃った結晶性のシリコン膜となる。ＳｉＯ_２膜７４上に蒸着されたＮｉは、ＳｉＯ_２膜７４中での拡散速度が遅いため、ＳｉＯ_２を通過して非晶質シリコン膜７３に達するまでに、種結晶形成領域７５から横方向の結晶成長が終了するので、ＳｉＯ_２膜７４上に蒸着されたＮｉは、非晶質シリコン膜７３の結晶化に関与しない。
【００８３】
この結晶化は、ＳｉＯ_２膜７４に形成された開口部７４ａに対応して形成された非晶質シリコン膜７３の種結晶形成領域７５に蒸着したＮｉの触媒的な作用に基づいているので、通常の加熱による結晶化に用いられる加熱温度よりも低い温度で結晶化が進む。このため、非晶質シリコン膜７３における種結晶形成領域７５以外の領域で種結晶以外の他の結晶核が発生することが抑制される。種結晶形成領域７５から横方向に成長する結晶粒は、種結晶形成領域７５に発生した膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面である結晶シリコンの結晶方位を引き継いで成長するので、非晶質シリコン膜７３の全体が膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面に揃った結晶性のシリコン膜となる。
【００８４】
さらに、本実施の形態４の半導体膜の形成方法では、触媒物質の拡散により進められる結晶化が、第一領域７６及び第二領域７７を連結する連結領域７８を通過する際に、図７に示すように、種結晶形成領域７５にて発生した結晶シリコンに基づいて成長する複数の結晶粒のうち、連結領域７８に最も近い結晶粒が選択されて、第二領域７７では、選択された一つの結晶粒に基づいて結晶化が進む。この結果、第二領域７７では、単結晶により形成された単結晶領域となる。本実施の形態４では、第一領域７６にて成長する複数の結晶粒のうち、連結領域７８に最も近傍する結晶粒が選択されるので、結晶の成長方向に直交する方向の寸法が狭小になったくびれ状の連結領域で結晶粒を選択する実施の形態２よりも、単一の結晶粒を選択することを確実に行うことができる。
【００８５】
連結領域は、上記のように結晶成長が第一領域７６から連結領域７８を通過する際に、第一領域７６に形成された複数の結晶粒のうちから一つを選択するために用いられるので連結領域７８の幅方向及び長手方向の寸法を適切に設定することが重要であり、具体的には、連結領域７８の長さ寸法が２０μｍ以上である場合には、連結領域７８での結晶粒の選択効果が低下し、種結晶形成領域７５にて形成された種結晶から成長された複数の結晶粒が連結領域７８を通過して第二領域７７まで成長し、第二領域７７を単一の結晶粒に基づいた単結晶領域とすることができなくなるおそれがある。
【００８６】
以上説明したように、本実施の形態４の半導体膜の形成方法により形成された結晶性の半導体膜を用いれば、より一層、特性に優れた半導体装置を形成することができる。
【００８７】
（実施の形態５）
本実施の形態４の半導体膜の形成方法では、上述の実施の形態１〜４の半導体膜の形成方法を用いて結晶性のシリコン膜を形成した後、この結晶性のシリコン膜に対して、シリコン膜が下層の下地膜までは溶融せず、結晶性のシリコン膜が下地膜との界面近傍に残存するような範囲のエネルギー密度のパルス状のエネルギービームを照射し、結晶性のシリコン膜を溶融化した後に再度結晶化させることにより、結晶性シリコン膜の結晶性をさらに改善するものである。
【００８８】
具体的には、上述の実施形態１〜４のいずれかの半導体膜の形成方法を用いて形成した結晶性のシリコン膜に対して、４００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するパルス状のエキシマレーザー光を照射し、結晶性のシリコン膜の溶融後の再結晶化を進める。
【００８９】
本実施の形態５の半導体膜の形成方法は、パルス状のエキシマレーザー光を照射し、再結晶化させることにより、結晶性の改善を実現することができる。このことは、透過電子顕微鏡を用いて、パルスレーザー光を照射する前後で結晶性のシリコン膜の結晶性を比較した場合に、パルスレーザー光の照射後に結晶欠陥が減少したことにより確認している。また、パルスレーザー効を照射する前後の結晶性のシリコン膜に対してＸ線回折測定を行った場合に、回折ピークの半減値がレーザ光の照射後で狭くなっていることによっても確認している。
【００９０】
（実施の形態６）
図８は、本実施の形態６の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００９１】
本実施の形態６では、上述した実施の形態１〜５のいずれかにおいて説明した結晶性の半導体膜によって薄膜トランジスタ等の半導体装置を製造する方法について説明する。本実施の形態６の製造方法により製造された半導体装置は、液晶ドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等に用いることが可能である。
【００９２】
以下、具体的に図８を参照しながら説明する。
【００９３】
まず、ＳｉＯ_２膜８２を２００ｎｍの膜厚に形成したガラス基板等の絶縁基板８１上に、上述した実施の形態１〜５のいずれかに記載の半導体膜の形成方法により、結晶性のシリコン膜８３を４５ｎｍの膜厚に形成し、続いて、この結晶性のシリコン膜８３をＣＦ_４ガス及びＯ_２ガスを用いたＲＩＥ法によって、所定形状を有する島状にパターニングする。その後、この結晶性のシリコン膜８３が形成された基板面の全体にわたって、通常の薄膜トランジスタの形成工程と同様に、ＴＥＯＳガスとＯ_３ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ゲートＳｉＯ_２膜８４を形成する。
【００９４】
次に、スパッタリング法によって、ゲートＳｉＯ_２膜８４が形成された基板面の全体にわたって、ＷＳｉ_２層を成膜した後、ＣＦ_４ガスとＯ_２ガスとを用いたＲＩＥ法によって、結晶性のシリコン膜８３上の一部にＷＳｉ_２層が残るようにパターニングして、ＷＳｉ２多結晶Ｓｉゲート電極８５を形成する。
【００９５】
次に、薄膜トランジスタのソース・ドレイン領域を形成するために、結晶性のシリコン膜８３に不純物を導入する。本実施の形態６の場合、上記のＷＳｉ_２多結晶Ｓｉゲート電極８５が不純物を導入する際のマスクとなっており、ＷＳｉ_２多結晶Ｓｉゲート電極８５が設けられた以外の結晶性のシリコン膜８３に不純物が導入される。導入される不純物は、ｎ型のトランジスタを形成する場合には、リン（Ｐ）であり、ｐ型のトランジスタを形成する場合には、ホウ素（Ｂ）である。
【００９６】
次に、ＴＥＯＳガスとＯ_３ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、基板面の全面にわたって、ＳｉＯ_２膜８６を形成した後、ＣＦ_４ガスとＣＨＦ_３ガスとを用いたＲＩＥ法によって、結晶性のシリコン膜８３のソース・ドレイン領域とされる部分にコンタクトホールを形成する。
【００９７】
次に、スパッタリング法を用いて基板面の全面にＡｌを積層した後、ＢＣｌ_３ガスとＣｌ_２ガスとを用いたＲＩＥ法によって、ＳｉＯ_２膜に形成されたコンタクトホールを介して結晶性のシリコン膜８３に電気的に接続されるＡｌ配線８７とする。
【００９８】
次に、ＳｉＨ_４ガスとＮＨ_３ガス及びＮ_２ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、基板面の全体にわたって、ＳｉＮ保護膜８８を形成し、最後にＳｉＮ保護膜８８の一部をＣＦ_４ガスとＣＨＦ_３ガスとを用いたエッチングによって、Ａｌ配線８７の一部に導通可能なようにスルーホールを形成して窓開けし、半導体トランジスタ、抵抗、キャパシタ等の半導体素子からなる液晶ドライバー、半導体メモリ、半導体論理回路等の半導体装置が完成される。
【００９９】
（実施の形態７）
図９は、実施の形態６の半導体装置を用いたディスプレイ装置の製造方法を示す断面図である。
【０１００】
本実施の形態７では、上記の実施の形態６と同様の方法で作製された半導体装置を用いて液晶ディスプレイ装置等のディスプレイ装置を製造する方法を説明する。
【０１０１】
以下、本実施の形態７について、図９（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。
【０１０２】
まず、上記の実施の形態６の製造方法によりガラス基板等の絶縁基板８１上に半導体装置を製造する。なお、この絶縁基板８１上に形成される半導体装置のＡｌ配線８７までの各構成については、実施の形態６と同一の構成であり、同一の参照符号を付し、詳しい説明は省略する。
【０１０３】
実施の形態６の形成方法と同様にして、Ａｌ配線８７まで形成した半導体装置上に、ＴＥＯＳガスとＯ_３ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ_２膜９１を形成する。ＳｉＯ_２膜９１の一部をＣＦ_４ガスとＣＨＦ_３ガスとを用いたＲＩＥ法により、Ａｌ配線８７の一方側の部分に導通可能なようにスルーホールを形成する。
【０１０４】
次に、ＳｉＯ_２膜が形成された基板面の全体にわたってＩＴＯ膜を形成し、続いて、ＨＣｌとＦｅＣｌ_３ガスとを用いたエッチングによりパターニングして、ＳｉＯ_２膜に形成されたスルーホールを介して半導体装置のＡｌ配線８７に導通する画素電極９２を形成する。
【０１０５】
次に、ＳｉＨ_４ガスと、ＮＨ_３ガス及びＮ_２ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、基板面の全体にわたってＳｉＮ保護膜９３を形成する。さらに、このＳｉＮ保護膜９３上に、配向膜となるポリイミド膜９４をオフセット印刷法を用いて形成し、ラビング処理を行う。
【０１０６】
一方、図９（ｂ）に示すように、別のガラス基板等の絶縁基板１０１上にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各感光性樹脂膜を付したフィルムを熱圧着により転写した後、フォトリソグラフィ工程によるパターニングを行い、さらに、Ｒ、Ｇ、Ｂの各感光性樹脂が転写された部分間に、遮光性を有するブラックマトリクス部を形成して、カラーフィルター１０２を作製する。
【０１０７】
このカラーフィルター１０２上には、スパッタリング法によってＩＴＯ膜を基板面の全面にわたって形成し、対向電極１０３とする。さらに、この対向電極１０３上に、配向膜であるポリイミド膜１０４をオフセット印刷法によって形成し、ラビング処理を行う。
【０１０８】
以上のように形成された図９（ｂ）に示すカラーフィルター１０２等が形成された絶縁基板１０１と、図９（ａ）に示す薄膜トランジスタ等の半導体装置が形成された絶縁基板８１とを、ラビング処理を施した面同士が互いに対向するように配置して、シール樹脂によって貼り合わせる。この際、２枚の絶縁基板間のスペースが一定になるように、絶縁基板間に真球状のシリカを散布する。そして、両基板間に表示媒体となる液晶を封入した後、両絶縁基板の両外側に偏光板等を貼り付け、さらに、その周辺にドライバーＩＣ等を実装して液晶ディスプレイが完成される。
【０１０９】
（適用範囲）
上記実施の形態１〜７では、半導体膜としてシリコン膜を例として用いたが、ＳｉＧｅ膜、ＧａＡｓ膜、ＧａＰ膜、ＩｎＰ膜等にも適用することが可能である。
【０１１０】
また、上記の実施の形態１〜５では、スパッタリング法を用いた蒸着により、Ｎｉを導入したが、真空蒸着等の他の蒸着法を用いてもよく、さらに、蒸着法の他に、Ｎｉを含む溶液を散布する方法、イオン注入、ＣＶＤ等の方法を用いてもよい。
【０１１１】
また、上記の実施の形態１〜５では、結晶化を助長する触媒物質として、Ｎｉを用いたが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕの金属単体または、これら金属を含む化合物を用いてもよく、さらに、ここで挙げた金属単体及び金属を含む化合物の複数を組み合わせて用いても、同様にシリコン膜の結晶化を助長することができる。
【０１１２】
また、非晶質シリコン膜中に種結晶を形成するために、パルス状のエキシマレーザー光を用いたが、他のパルス状のレーザー光、パルス状の荷電粒子等の他の方法を用いてもよい。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体膜の形成方法では、特定のエネルギー密度のエネルギーを非晶質半導体膜に付与することにより、膜面に平行に略｛１００｝面が優先配向した結晶半導体が発生し、この結晶半導体が形成された半導体膜の領域に触媒物質を導入し、膜面に平行に略｛１００｝面が優先配向した結晶半導体を種結晶として横方向に結晶成長させることにより、半導体膜の全体を膜面に平行に略｛１００｝面が優先配向した結晶性の半導体膜とする。この横方向の結晶成長は、触媒物質の触媒的作用により通常の加熱による結晶化より低い温度で結晶化させることができるので、ガラス基板等の軟化点が低い基板を用いても問題を基板を損なうことなく非晶質半導体膜を結晶化することができる。
【０１１４】
さらに、本発明の半導体膜の形成方法では、横方向に成長される複数の結晶粒から一つの結晶粒を選択するための選択領域を有するように、基板上に形成された半導体膜をパターニングすることにより、後の工程で半導体装置となる半導体膜の領域が単一の結晶粒に基づいた単結晶の領域とすることができる。
【０１１５】
以上のように、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝に揃った結晶性の半導体膜を用いた半導体装置を製造すると、キャリアの移動度を大きくし、閾値電圧を小さくする等半導体装置の特性を向上することができ、同一基板内に同時に形成される半導体膜の特性を均一にすることができるので、同一基板上の複数の半導体装置間のキャリアの移動度、閾値電圧のバラツキを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図２】実施の形態２の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図３】実施の形態２の半導体膜の形成方法を用いた場合に、結晶粒が成長する様子を概略的に示す模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、実施の形態３の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、実施の形態３の半導体膜の形成方法を用いた場合に、結晶粒が成長する様子を概略的に示す模式図である。
【図６】実施の形態４の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図７】実施の形態４の半導体膜の形成方法を用いた場合に、結晶粒が成長する様子を概略的に示す模式図である。
【図８】実施の形態６の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施の形態７のディスプレイ装置の製造方法を示す断面図である。
【図１０】非晶質シリコン膜に照射されるエキシマレーザー光のエネルギー密度と、結晶化される結晶性シリコン膜の結晶方位との関係を示すグラフである。
【図１１】従来例１の半導体膜の形成方法を説明する概略図である。
【図１２】従来例２の半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、従来例３の半導体膜の形成方法を説明するための断面図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来例４の半導体膜の形成方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
４１　絶縁基板
４２　ＳｉＯ_２膜
４３　非晶質シリコン膜
４４　ＳｉＯ_２膜
４５　種結晶形成領域
５１　絶縁基板
５２　ＳｉＯ_２膜
５３　非晶質シリコン膜
５４　ＳｉＯ_２膜
５５　種結晶形成領域
５６　第一領域
５７　第二領域
５８　連結領域
６１　絶縁基板
６２　ＳｉＯ_２膜
６３　非晶質シリコン膜
６４　ＳｉＯ_２膜
６５　種結晶形成領域
６６　第一領域
６７　第二領域
６８　連結領域
７１　絶縁基板
７２　ＳｉＯ_２膜
７３　非晶質シリコン膜
７４　ＳｉＯ_２膜
７５　種結晶形成領域
７６　第一領域
７７　第二領域
７８　連結領域
８１　絶縁基板
８２　ＳｉＯ_２膜
８３　結晶性シリコン膜
８４　ゲートＳｉＯ_２膜
８５　ＷＳｉ_２多結晶Ｓｉゲート電極
８６　ＳｉＯ_２膜
８７　Ａｌ配線
８８　ＳｉＮ保護膜
９１　ＳｉＯ_２膜
９２　画素電極
９３　ＳｉＮ保護膜
９４　ポリイミド膜
１０１　絶縁基板
１０２　カラーフィルター
１０３　対向電極
１０４　ポリイミド膜

Claims (25)

1. 膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面で揃っている結晶粒により形成されていることを特徴とする半導体膜。
2. 単一の結晶粒により全体が形成されている、請求項１に記載の半導体膜。
3. 前記半導体膜は、シリコン材料である、請求項１または２に記載の半導体膜。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の半導体膜を用いた半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置を備えたディスプレイ装置。
6. 基板上に形成された半導体膜に、該半導体膜を溶融するエネルギーを付与し、溶融後の結晶化により結晶化させて結晶性の半導体膜とする結晶化工程を包含する半導体膜の形成方法であって、
   該結晶化工程は、該結晶化を行う前の半導体膜の所定の領域に、特定のエネルギー密度のエネルギーを付与して、膜面に平行に略｛１００｝面が優先的に配向した結晶面の結晶半導体を形成する結晶半導体形成工程と、
   該結晶半導体が形成された半導体膜の領域に該半導体膜の結晶化を助長する触媒物質を導入し、該触媒物質の該半導体膜中の拡散により、該結晶半導体を種結晶として横方向に結晶成長させる結晶成長工程と
   を包含することを特徴とする半導体膜の形成方法。
7. 前記結晶半導体を種結晶とする結晶成長は、固相成長により行われる、請求項６に記載の半導体膜の形成方法。
8. 前記結晶半導体形成工程における特定のエネルギー密度のエネルギーは、パルス状エネルギービームによって付与される、請求項６または７に記載の半導体膜の形成方法。
9. 前記結晶半導体形成工程におけるエネルギーのエネルギー密度は、３８０ｍＪ／ｃｍ^２近傍である、請求項６〜８のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
10. 前記結晶化工程により結晶化される結晶性の半導体膜は、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面である、請求項６〜９のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
11. 前記結晶化工程を行う前に、前記基板上に形成された半導体膜に発生する結晶半導体から横成長される複数の結晶粒から一つの結晶粒を選択するための選択領域を有するように前記半導体膜をパターニングする選択領域形成工程をさらに包含する、請求項６〜１０のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
12. 前記選択領域形成工程により形成される選択領域は、前記結晶半導体形成工程での結晶半導体を形成する種結晶形成領域を含む第一領域と、前記結晶成長工程の後に半導体装置として用いられる第二領域とを連結するように配置され、前記結晶半導体の横成長の方向に直交する方向が狭小になった連結領域である、請求項１１に記載の半導体膜の形成方法。
13. 前記選択領域形成工程により形成される選択領域は、前記結晶半導体形成工程での結晶半導体を形成する種結晶形成領域を含む第一領域と、前記結晶成長工程の後に半導体装置として用いられる第二領域とを連結するように配置され、前記結晶半導体の横成長の方向に直交する方向が狭小になった連結領域であり、
    該種結晶形成領域は、該連結領域が延びる方向に一致しないように該第一領域に配置されている、請求項１１に記載の半導体膜の形成方法。
14. 前記選択領域形成工程により形成される選択領域は、前記結晶半導体形成工程での結晶半導体を形成する種結晶形成領域を含む第一領域と、前記結晶成長工程の後に半導体装置として用いられる第二領域とが、前記結晶半導体の横方向の成長方向に沿って一部において接している連結領域である、請求項１１に記載の半導体膜の形成方法。
15. 前記触媒物質は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕから選択される金属単体、または、これら金属を含む化合物、または、該金属単体及び該金属化合物から選択された複数の組み合わせである、請求項６〜１４のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
16. 前記連結領域は、前記横方向の成長方向に直交する幅方向が０．１μｍ以上、１０μｍ以下である、請求項１２に記載の半導体膜の形成方法。
17. 前記連結領域は、前記横方向の成長方向に沿う方向が０．５μｍ以上、１００μｍ以下である、請求項１２に記載の半導体膜の形成方法。
18. 前記連結領域は、前記横方向の成長方向に直交する幅方向が０．１μｍ以上、２０μｍ以下である、請求項１３に記載の半導体膜の形成方法。
19. 前記連結領域は、前記横方向の成長方向に沿う方向が０．５μｍ以上、１００μｍ以下である、請求項１３に記載の半導体膜の形成方法。
20. 前記連結領域は、前記横方向の成長方向に沿う方向の長さが、２０μｍ以下である、請求項１４に記載の半導体膜の形成方法。
21. 前記結晶半導体形成工程におけるエネルギーのエネルギー密度は、前記半導体膜の膜厚の全体が溶融するエネルギー密度に達しない範囲に設定される、請求項６〜２０のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
22. 前記結晶化工程を行った後、結晶化された半導体膜に対して、該半導体膜の膜厚の全体が溶融するエネルギー密度に達しない範囲に設定されたエネルギーを付与する工程をさらに包含する、請求項６〜２１のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
23. 前記半導体膜はシリコン材料により形成される、請求項６〜２２のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
24. 請求項６〜２３のいずれかに記載の半導体膜の形成方法により形成された半導体膜を用いた半導体装置。
25. 請求項２４に記載の半導体装置を備えたディスプレイ装置。

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