JP2004253442A - 結晶質半導体膜の製造方法および結晶質半導体膜 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶粒のサイズを十分に大きくすることができる結晶質半導体膜の製造方法および結晶質半導体膜を提供する。
【解決手段】本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、絶縁基板９０上に形成された半導体膜９２を用意する工程と、半導体膜９２の第１領域１０２と第１領域に隣接する第２領域１０４とを含む領域にエネルギーを付与することによって、第１領域１０２と第１領域よりも温度が高い第２領域１０４とを含む溶融領域１０６を選択的に形成し、非溶融領域１００に隣接する第１領域１０２に結晶粒１０８Ａを生成させて、その結晶粒を第２領域１０４に向けて横成長させる、第１結晶化工程と、結晶粒１０８Ａの成長端１１０が第１領域または第２領域内に存在している間に、少なくとも成長端の成長方向側に存在する溶融領域の一部を含む第３領域１１２にエネルギーを付与することにより、結晶粒をさらに第３領域に横成長させる、第２結晶化工程とを包含する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶質半導体膜の製造方法に関し、特に、基板上に形成された半導体膜に熱、光または荷電粒子ビーム等のエネルギーを付与し、半導体膜を結晶化することによって得られる結晶質半導体膜の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば薄膜トランジスタに用いる半導体薄膜として、近年、結晶質シリコン膜の開発が進められている。結晶質シリコン膜の製造方法には、６００℃前後の高温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）があるが、高温のプロセスに耐えられないガラス基板を用いる場合などにおいてはレーザを用いた結晶化方法が効果的である。以下、レーザを用いた結晶質シリコン膜の製造方法を説明する。
【０００３】
大出力のエキシマレーザを用いてガラス基板上の非晶質シリコン薄膜を加熱する手法は、鮫島らによって始められた（非特許文献１参照）。当初、レーザのエネルギー密度は、シリコン薄膜の上部が部分的に溶融（部分溶融）するような値が選択された。やがて、エネルギー密度と、形成される結晶粒径との関係が詳細に調べられ、エネルギー密度の増加と共に、結晶粒径も増大していくことが明らかとなった。
【０００４】
特に、溶融深さをシリコン薄膜の膜厚と一致する直前、すなわちシリコン薄膜が下の界面（底面）まで溶融する直前となるようにエネルギー密度を設定した場合、数μｍに達する巨大な結晶粒が形成されることが見出された。これは、シリコン薄膜の底面に、わずかに溶融されずに残った結晶粒が固化時の核となり、大きな結晶粒の成長が可能となるためである（非特許文献２参照）。
【０００５】
しかし、エネルギー密度がこの値を超えて、底面まで完全な溶融（完全溶融）が起きると、急激な冷却過程でランダムな核発生が起こるため、結晶粒は非常に小さくなるか、または、非晶質化が起こる。従って、レーザのエネルギー密度は、レーザ出力の揺らぎを考慮して、完全溶融が起こるエネルギー密度よりもわずかに低い値に設定される。その結果、上記レーザ光の照射条件で得られる結晶粒の粒径は数百ｎｍ程度になる。上記の条件の下で得られた多結晶シリコン膜を用いて作製されたＴＦＴの典型的な移動度は、１５０ｃｍ^２／Ｖｓ（ｎ−ｃｈ）、８０ｃｍ^２／Ｖｓ（ｐ−ｃｈ）である。
【０００６】
近年、移動度の高い、より高性能なポリシリコンＴＦＴが求められている。また、複数のポリシリコンＴＦＴを同一基板上に高密度で作製することにより、高精細な表示装置の開発や、液晶ドライバＩＣ、コントローラー、および電源用ＩＣ等の様々な機能部品をアクティブマトリックス基板上に形成したシステム液晶表示装置の開発がなされている。多結晶シリコン膜に結晶粒界は電子移動度を低下させるので、優れた特性を有する多結晶シリコン膜を得るには、結晶粒界密度を小さくする必要がある。
【０００７】
例えばレーザビームの照射によってシリコン膜を完全溶融させ、尚且つランダムな核発生を抑制し、横方向の結晶成長を制御して結晶質シリコン膜を形成する方法が提案されている。具体的には、例えば、非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜にレーザビームをパルス状に照射しながら走査し、レーザビームの照射位置を順次ずらしていくことにより、レーザビームの走査方向に結晶粒を成長させて結晶質シリコン膜を形成する。この方法によれば、１回の溶融結晶化によって形成される結晶粒のサイズよりも大きい結晶粒を形成することができるので、結晶性に優れた結晶質膜を形成することができる。
【０００８】
あるいは、シリコン膜上に形成した反射膜（反射部および開口部で構成される）を介してレーザビームを照射することにより、シリコン膜の面内に溶融領域および非溶融領域を形成し、非溶融領域から溶融領域に結晶粒を横方向に成長させて結晶質シリコン膜を形成する（非特許文献３参照）。この方法によれば、大面積のシリコン膜に１回のレーザビームを照射することによって結晶質シリコン膜を得ることができるので、量産性に優れるという効果がある。また、反射部の配置に応じて、同一照射領域内に異なる方向に成長した結晶粒を形成できるという効果がある。
【０００９】
以下、図１５を参照しながら、反射膜を用いて結晶質シリコン膜を形成する方法を詳細に説明する（非特許文献４参照）。図１５（ａ）はこの結晶質シリコン膜の製造方法を説明するための断面図であり、図１５（ｂ）はこの方法によって得られた結晶質シリコン膜の平面図である。
【００１０】
まず、図１５（ａ）に示すように、絶縁基板２の主面に非晶質状態（アモルファス状態）のシリコン膜４を形成し、このシリコン膜４の主面にアルミニウムからなる反射膜１０を形成する。反射膜１０は、ストライプ形状を有する複数の反射部（ビーム反射部）１２および開口部１４を備えている。それぞれの開口部１４を挟んで両側に反射部１２が配置されるように、反射部１２および開口部１４は互いに隣接し、交互に配置されている。開口部１４の幅（ストライプ状の開口部１４の短辺の長さ、隣接する反射部１２の間隔）Ｄ１は、１回の溶融結晶化によって形成される結晶粒のサイズ（以下、「１回の結晶成長距離」と称する場合がある）の２倍以下になるように設定されている。
【００１１】
この反射膜１０を介してシリコン膜４にレーザビームを照射する。反射部１２の下のシリコン膜４の領域は、開口部１４の下のシリコン膜４の領域よりも、エネルギー密度のより低いレーザビームが照射される。レーザビームのエネルギー密度を調整することによって、反射部１２の下のシリコン膜４の領域を非溶融領域６とし、開口部１４の下にあるシリコン膜４の領域を溶融領域８とする。溶融領域８および非溶融領域６はそれぞれ、開口部１４および反射部１２に対応して形成されるため、交互に隣接して形成される。
【００１２】
より低温領域から結晶化（固化）が起こるため、非溶融領域６を核として、溶融領域８と非溶融領域６との境界付近から結晶粒が形成され、溶融領域８に結晶粒が横方向（図１５（ａ）の矢印の方向）に結晶成長する。溶融領域８の両側に非溶融領域６が配置されているので、図１５（ｂ）に示すように溶融領域８の非溶融領域６に接する両側から溶融領域８の中央に向かって結晶粒が成長する。この溶融領域８の両側から成長する結晶粒は、開口部１４の幅Ｄ１が１回の結晶成長距離の２倍以下になるように設定されているため、溶融領域８のほぼ中央で衝突する。この衝突により、溶融領域８のほぼ中央に粒界１８が形成される。以上により、図１５（ｂ）に示す結晶質シリコン膜が形成される。
【００１３】
また、他の結晶質シリコン膜の形成方法として、半導体膜の同一領域に、異なるエネルギー密度を有する２種類のレーザビームを順次照射する方法（ダブルパルス法）がある。この方法では、結晶成長が基板に垂直な方向に進み、基板の面内方向に成長（横成長）させることができない（例えば特許文献１）。
【００１４】
【特許文献１】
特開２０００−２１７７６号公報
【非特許文献１】
Ｔ．Ｓａｍｅｓｈｉｍａ， Ｓ．Ｕｓｕｉ ａｎｄ Ｍ．Ｓｅｋｉｙａ：“ＸｅＣｌ ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴ’ｓ，” ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ＥＤＬ−７，２７６，（１９８６）
【非特許文献２】
Ｓ．Ｂｒｏｔｈｅｒｔｏｎ，ｅｔ ａｌ．：“Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｅｌｔ ｄｅｐｔｈ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｄ ｐｏｌｙ−Ｓｉ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ” Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８２，４０８６
【非特許文献３】
Ｊ．Ｊｅｏｎ ｅｔ ａｌ．：“Ａ ｎｅｗ ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴ ｗｉｔｈ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ ｄｏｐｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｎｏｖｅｌ ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ．” ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ， ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ，Ｄｅｃ．（２０００）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図１５に示したように反射膜を用いて結晶質半導体膜を作製する場合、結晶粒のサイズを１回の成長距離よりも大きくすることができない。また、ダブルパルス法を用いても結晶粒のサイズを十分に大きくすることができない。
【００１６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、結晶粒のサイズを十分に大きくすることができる結晶質半導体膜の製造方法および結晶質半導体膜を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、絶縁基板上に形成された半導体膜を用意する工程と、前記半導体膜の少なくとも１つの第１領域と前記第１領域に隣接する少なくとも１つの第２領域とを含む領域にエネルギーを付与することによって、前記第１領域と前記第１領域よりも温度が高い前記第２領域とを含む溶融領域を選択的に形成し、非溶融領域に隣接する前記第１領域に複数の結晶粒を生成させて、前記複数の結晶粒を前記第２領域に向けて横成長させる、第１結晶化工程と、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記第１領域または前記第２領域内に存在している間に、少なくとも前記成長端の成長方向側に存在する前記溶融領域の一部を含む第３領域にエネルギーを付与することにより、前記複数の結晶粒をさらに前記第３領域に横成長させる、第２結晶化工程とを包含し、これにより上記の課題が解決される。
【００１８】
ある好ましい実施形態では、前記第２結晶化工程によって横成長した前記複数の結晶粒のサイズは、前記第１結晶化工程におけるエネルギー付与によって成長可能な結晶粒のサイズよりも大きい。
【００１９】
前記エネルギー付与は前記半導体膜にレーザビームを照射することにより実行されることが好ましい。
【００２０】
前記第１結晶化工程の前に、反射部および開口部を含む反射膜を前記半導体膜上に形成する工程をさらに包含し、前記第１結晶化工程は、前記反射膜を介して前記半導体膜に第１のエネルギー密度を有する前記レーザビームを照射することにより、前記反射部の下の前記半導体膜の一部に前記第１領域を形成し、前記開口部の下の前記半導体膜に前記第２領域を形成する工程を包含し、前記第２結晶化工程は、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記第１領域内に存在している間に、前記反射膜を介して前記半導体膜に第２のエネルギー密度を有する前記レーザビームを照射することにより、少なくとも前記第３領域を溶融する工程を包含してもよい。
【００２１】
前記第１結晶化工程の前に、反射防止部および開口部を含む反射防止膜を前記半導体膜上に形成する工程をさらに包含し、前記第１結晶化工程は、前記反射防止膜を介して前記半導体膜に第１のエネルギー密度を有する前記レーザビームを照射することにより、前記開口部の下の前記半導体膜の一部に前記第１領域を形成し、前記反射防止部の下の前記半導体膜に前記第２領域を形成する工程を包含し、前記第２結晶化工程は、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記第１領域内に存在している間に、前記反射防止膜を介して前記半導体膜に第２のエネルギー密度を有する前記レーザビームを照射することにより、少なくとも前記第３領域を溶融する工程を包含してもよい。
【００２２】
前記第３領域は前記第２領域の一部を含んでもよい。
【００２３】
前記反射膜の屈折率をｎ、前記レーザビームの波長をλとし、正の整数をｋとしたときに、前記反射膜の厚さが（λ／４ｎ）×２ｋであってもよい。
【００２４】
前記反射防止膜の屈折率をｎ、前記レーザビームの波長をλとし、正の整数をｋとしたときに、前記反射防止膜の厚さが（λ／４ｎ）×（２ｋ＋１）であってもよい。
【００２５】
前記第１結晶化工程の前に、複数のキャップ部と、それぞれが前記複数のキャップ部のそれぞれに隣接する複数の開口部とを備えたキャップ層を形成する工程を更に包含し、前記複数のキャップ部のそれぞれが、前記反射部または前記反射防止部に対応し、前記複数の開口部のそれぞれが前記開口部に対応してもよい。
【００２６】
前記半導体膜はシリコンを含んでもよい。
【００２７】
前記反射膜は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを含む積層膜、またはアルミニウム膜のいずれかである。
【００２８】
前記反射防止膜は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを含む積層膜のいずれかである。
【００２９】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、絶縁基板上に形成された半導体膜を用意する工程と、反射部、および前記反射部の第１方向に隣接して配置された開口部を含む反射膜を前記半導体膜上に形成する工程と、前記反射膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記半導体膜の前記開口部の下の領域に溶融領域を形成すると共に、前記反射部の下の領域に溶融領域および前記溶融領域に隣接する非溶融領域を形成し、前記非溶融領域を核として複数の結晶粒を生成させて、前記複数の結晶粒を前記第１方向に沿って横成長させる第１結晶化工程と、前記第１結晶化工程の後であって、かつ、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記反射部の下の前記溶融領域内に存在している間に、前記複数の結晶粒を完全に溶融しないように前記反射膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記複数の結晶粒を、前記開口部の下の溶融領域内に前記第１方向に沿ってさらに横成長させる第２結晶化工程とを包含し、これにより上記の課題が解決される。
【００３０】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、絶縁基板上に形成された半導体膜を用意する工程と、反射部、および前記反射部の第１方向に隣接して配置された開口部を含む反射膜を前記半導体膜上に形成する工程と、前記反射膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記半導体膜の前記開口部および前記反射部の下の領域に溶融領域を形成した後、冷却過程で、前記開口部の下の領域に固体領域を形成すると共に、前記反射部の下の領域に前記固体領域を核として第１の複数の結晶粒を生成させて、前記第１の複数の結晶粒を前記第１方向に沿って横成長させる第１結晶化工程と、前記第１結晶化工程の後であって、かつ、前記第１の複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記反射部の下の前記溶融領域内に存在している間に、前記第１の複数の結晶粒を完全に溶融しないように、かつ、前記固体領域を溶融するように、前記反射膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記第１の複数の結晶粒を、前記反射部の下の溶融領域内に前記第１方向に沿ってさらに横成長させるとともに、前記第１の複数の結晶粒を核として、前記開口部の下の領域に第２の複数の結晶粒を生成させて、前記第２の複数の結晶粒を前記第１方向と異なる第２方向に沿って横成長させる第２結晶化工程を包含し、これにより上記の課題が解決される。
【００３１】
本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、絶縁基板上に形成された半導体膜を用意する工程と、開口部、および前記開口部の第１方向に隣接して配置された反射防止部を含む反射防止膜を前記半導体膜上に形成する工程と、前記反射防止膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記半導体膜の前記反射防止部の下の領域に溶融領域を形成すると共に、前記開口部の下の領域に溶融領域および前記溶融領域に隣接する非溶融領域を形成し、前記非溶融領域を核として複数の結晶粒を生成させて、前記複数の結晶粒を前記第１方向に沿って横成長させる第１結晶化工程と、前記第１結晶化工程の後であって、かつ、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記開口部の下の前記溶融領域内に存在している間に、前記複数の結晶粒を完全に溶融しないように前記反射防止膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記複数の結晶粒を、前記反射防止部の下の溶融領域内に前記第１方向に沿ってさらに横成長させる第２結晶化工程とを包含し、これにより上記の課題が解決される。
【００３２】
前記第２結晶化工程によって横成長した前記複数の結晶粒のサイズは、前記第１結晶化工程におけるレーザビームの照射によって成長可能な結晶粒のサイズよりも大きいことが好ましい。
【００３３】
前記第２結晶化工程によって横成長した前記第１の複数の結晶粒のサイズは、前記第１結晶化工程におけるレーザビームの照射によって成長可能な結晶粒のサイズよりも大きいことが好ましい。
【００３４】
本発明の結晶質半導体膜は、上記に記載の方法で製造されることが好ましい。
【００３５】
本発明の半導体装置は、上記に記載の結晶質半導体膜を備えることが好ましい。
【００３６】
本発明の半導体装置は、上記結晶質半導体膜を備える半導体装置であって、キャリアの移動方向が前記成長方向に略平行であるように構成されていることが好ましい。
【００３７】
本発明の半導体装置は、チャネル方向が前記成長方向に略平行に配置されたトランジスタを備えることが好ましい。
【００３８】
本発明の表示装置は、上記に記載の半導体装置を備えることが好ましい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照しながら本発明の一実施形態の結晶質半導体膜の製造方法を説明する。
【００４０】
まず、図１（ａ）に示すように、絶縁基板９０上に形成された半導体膜９２を用意する。
【００４１】
次に、半導体膜９２の少なくとも１つの第１領域１０２と、第１領域１０２に隣接する少なくとも１つの第２領域１０４とを含む領域にエネルギーを付与（１回目のエネルギー付与）することによって、第１領域１０２と、第１領域１０２よりも温度が高い第２領域１０４とを含む溶融領域１０６を選択的に形成する。第１領域１０２に隣接し、かつ、第１領域１０２を挟んで第２領域１０４と反対側に存在する領域１００は、非溶融領域であり、固体状態にある。なお、固体領域１００、第１領域１０２および第２領域１０４は、半導体膜９２の面内で隣接している。
【００４２】
溶融領域のうち、固体領域（非溶融領域）に接した温度の低い領域から結晶化が起こるので、上記１回目のエネルギー付与により、固体領域１００を核として第１領域１０２に結晶粒１０８Ａを生成させて、第２領域１０４に向けて横成長させることができる（第１結晶化工程）。図１（ｂ）で結晶粒１０８Ａ中に示されている矢印は、結晶粒１０８Ａの成長方向を示している。
【００４３】
次に、図１（ｃ）に示すように、結晶粒１０８Ａの成長端１１０が第１領域１０２または第２領域１０４内に存在している間に、成長端１１０の成長方向側に存在する溶融領域１０６の少なくとも一部を含む第３領域１１２にエネルギーを付与（２回目のエネルギー付与）することにより、図１（ｄ）に示すように第３領域１１２に結晶粒１０８Ａをさらに横成長させて結晶粒１０８Ｂを形成することができる（第２結晶化工程）。図１（ｄ）で結晶粒１０８Ｂ中に示されている矢印は、結晶粒１０８Ｂの成長方向を示している。なお、半導体膜９２において、第３領域は、上記第１領域１０２および第２領域１０４と同一面内に存在している。また第３領域は、本実施形態の場合、例えば第１領域１０２の一部と第２領域１０４の一部とを含んでいる。
【００４４】
本実施形態の結晶質半導体膜は、以上の工程によって作製される。
【００４５】
上述した本実施形態の結晶質半導体膜の製造方法は、第２回目のエネルギー付与に主な特徴を有している。
【００４６】
第１回目のエネルギー付与の後に第２回目のエネルギーを付与しない場合、図２（ａ）に示すように、固体領域１００を核として生成した結晶粒１２０は矢印方向に成長し、第２領域１０４内の一部にまでしか横成長できない。すなわち、１回のエネルギー付与によって得られる結晶粒１２０は上記結晶粒１０８Ｂよりも小さい。
【００４７】
本実施形態では、結晶粒が成長している間、すなわち、上記結晶粒１２０が形成される前の時点で、第２回目のエネルギー付与（図１（ｃ））を行う。より詳細に説明すると、第１結晶化工程で生成および成長された結晶粒１０８Ａが成長端１１０を備えており、成長端１１０の成長方向側の領域（図１（ｂ）の溶融領域１０６）が未だ固化しておらず溶融状態にあるときに、図１（ｃ）に示すように第２回目のエネルギー付与を行う。第２回目のエネルギーが付与される第３領域１１２には、結晶粒１０８Ａの成長端１１０の成長方向側に存在する溶融領域１０６の少なくとも一部が含まれる。
【００４８】
上記のタイミングで第２回目のエネルギー付与を行うことにより、第１回目のエネルギー付与による溶融領域１０６のうちの少なくとも一部の領域が溶融状態にある時間を長時間化させている。すなわち、第１回目のエネルギー付与による溶融領域１０６のうちの少なくとも一部の領域が、Ｔｃ（結晶粒が形成される温度）以下の温度まで冷却されるのを抑制し、上記領域がＴｃを超える温度にある時間を長くしている。上記第１結晶化工程と第２結晶化工程とは、１つの連続した成長過程にある。
【００４９】
このため本実施形態では、第１結晶化工程で生成された結晶粒１０８Ａを、第２結晶化工程で、成長端１１０の成長方向側の溶融領域を含む第３領域１１２内に成長させることができる。第２結晶化工程後に得られる結晶粒の先端１１１の位置は、図２（ａ）に示した結晶粒１２０の先端１２１の位置に比べて、より成長方向側に形成される。従って本実施形態によると、結晶粒の１回の成長距離（結晶粒１２０の粒径）よりも大きい粒径を有する結晶粒１０８Ｂを形成することができる。また、結晶性が高く、より単結晶に近い結晶質半導体膜が形成される。従って、本実施形態の結晶質半導体膜を用いれば、閾値電圧のバラつきが小さく、オン電流の低下が抑制された高性能な半導体装置を作製することができる。
【００５０】
上記第２結晶化工程で、結晶粒１０８Ｂが成長端を備えている間に、上記第２結晶化工程と同様の工程を繰り返し行えば、結晶粒の粒径をより大きくすることができる。
【００５１】
なお、図２（ａ）に示したように結晶粒１２０が形成された後（全ての溶融領域が固化した後）に、図２（ｂ）に示すように結晶粒１２０の先端１２１を含む固体領域１２２に２回目のエネルギーを付与し、この領域１２２を再度溶融すると、溶融領域１２２に結晶粒１２４を形成することができる。しかしこの場合、本実施形態のように１回目のエネルギー付与によって生成された結晶粒がさらに成長するのではない。図２（ｃ）に示すように、２回目のエネルギー付与によって再度溶融された領域１２２に、領域１２２に隣接する固体領域（結晶粒１２０）を核として、新たな結晶粒１２４が形成される。この結晶粒１２４は、１回目のエネルギー付与によって形成された結晶粒１２０と異なる成長過程で成長するため、結晶粒１２４の成長のための核が形成された領域に粒界４０が形成される場合がある。従って、本実施形態のように結晶粒のサイズを十分に大きくすることができず、また、結晶性が低い。
【００５２】
また、第１領域に選択的に１回目のエネルギー付与を行い、結晶粒１２０が形成された後（全ての溶融領域が固化した後）に、レーザビームをステップ移動させて結晶粒１２０の先端１２１を含む固体領域１２２に選択的に２回目のエネルギーを付与し、結晶粒を横成長させる結晶化方法がある（ＳＬＳ法）。しかしこの方法で得られる結晶粒も、１回目のエネルギー付与によって形成された結晶粒と異なる成長過程で成長するため、本実施形態に比べて結晶性が低い。
【００５３】
第１結晶化工程で、半導体膜の面内に、互いに隣接しかつ、温度の異なる第１領域１０２、第２領域１０４を含む溶融領域を形成し、また、第２結晶化工程でエネルギーを付与する第３領域を形成するには、例えばキャップ膜を用いて半導体膜にレーザビーム照射する方法が簡易である。キャップ膜は、反射部および／または反射防止部（キャップ部）と、開口部とを有する。
【００５４】
例えば、反射部と開口部とを有するキャップ膜（反射膜）を介して半導体膜にレーザビームを照射すると、反射部の下の半導体膜の領域は、開口部の下の半導体膜の領域よりもエネルギー密度の低いレーザビームが照射される。従って、例えば反射部の下の半導体膜の領域を部分的に溶融させて非溶融領域および溶融領域を形成するとともに、開口部の下の半導体膜の全領域を溶融させることができる。開口部の下の半導体膜の溶融領域は、反射部の下の半導体膜の溶融領域よりも温度が高いので、反射部の下の半導体膜の溶融領域が上記第１領域１０２に対応し、かつ、開口部の下の半導体膜の溶融領域が上記第２領域１０４を対応する。また、第２結晶化工程で、上記反射膜を介して、上記反射部の下の第１領域１０２が完全に溶融されないエネルギー密度のレーザビームを照射すれば、少なくとも開口部の下の第２領域にレーザビームが照射される。従って、少なくとも第２領域に、上記第３領域を形成することができる。
【００５５】
一方、反射防止部と開口部とを有するキャップ膜（反射防止膜）を介して半導体膜にレーザビームを照射すると、反射防止部の下の半導体膜の領域は、開口部の下の半導体膜の領域よりもエネルギー密度の高いレーザビームが照射される。従って、例えば開口部の下の半導体膜の領域を部分的に溶融させて非溶融領域および溶融領域を形成するとともに、反射防止部の下の半導体膜の全領域を溶融させることができる。反射防止部の下の半導体膜の溶融領域は、開口部の下の半導体膜の溶融領域よりも温度が高いので、開口部の下の半導体膜の溶融領域が上記第１領域１０２に対応し、かつ、反射防止部の下の半導体膜の溶融領域が上記第２領域１０４を対応する。また、第２結晶化工程で、上記反射防止膜を介して、上記開口部の下の第１領域１０２が完全に溶融されないエネルギー密度のレーザビームを照射すれば、少なくとも反射防止部の下の第２領域にレーザビームが照射される。従って、少なくとも第２領域に、上記第３領域を形成することができる。
【００５６】
キャップ膜に代えて、例えば波長依存性を有するマスクを用いても良い。例えば第１の波長を有する光を選択的に透過する第１の透光部および、第２の波長を有する光を選択的に透過する第２の透光部が所定のパターンで配置されたマスクを用いることができる。第１結晶化工程で、第１の波長を有するレーザビームをマスクを介して半導体膜の全面に照射することにより、第１の透光部の下の半導体膜の領域を部分的に溶融させて、非溶融領域と溶融領域とを形成する。溶融領域のうち、非溶融領域から離間した溶融領域は、非溶融領域に隣接する領域よりも温度が高い。従って、非溶融領域に隣接する領域が上記第１領域１０２に対応し、かつ、非溶融領域から離間した、より温度の高い溶融領域が上記第２領域１０４に対応する。また、第２結晶化工程で、第２の波長を有するレーザビームをマスクを介して半導体膜の全面に照射することにより、第２の透光部の下の半導体膜の領域にレーザビームを照射できる。従って、第２の透光部の下の半導体膜の領域に、上記第３領域を形成することができる。
【００５７】
あるいは、キャップ膜またはマスクを用いる方法に代えて、シリコン薄膜の膜厚を部分的に変化させてもよい。半導体膜の所定の領域の膜厚を他の領域よりも大きくして、半導体膜の面内に膜厚の大きい領域および小さい領域を形成する（Ｈｕａｎｇ−Ｃｈｕｎｇ Ｃｈｅｎｇ ｅｔ ａｌ．“Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ＴＦＴｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｅｃｅｓｓｅｄ−ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”ＡＭ−ＬＣＤ ２０００ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ２８１参照）。膜厚の小さい領域を完全に溶融することができるが、膜厚の大きい領域は部分的にしか溶融できないエネルギー密度のレーザビームを、半導体膜の全面に照射することにより、膜厚の大きい領域を部分的に溶融させて、非溶融領域と溶融領域とを形成するとともに、膜厚の小さい領域に溶融領域を形成する。膜厚の小さい領域に存在する溶融領域は、膜厚の大きい領域に存在する溶融領域よりも温度が高い。従って、膜厚の大きい領域に存在する溶融領域が上記第１領域１０２に対応し、膜厚の小さい領域に存在する溶融領域が上記第２領域１０４に対応する。また、第２結晶化工程で上記膜厚の大きい領域が完全に溶融されないエネルギー密度のレーザビームを照射すれば、少なくとも膜厚の小さい領域に上記第３領域を形成することができる。
【００５８】
以上説明したようにキャップ膜またはマスクを用いる方法および、半導体膜の膜厚を部分的に変化させる方法を用いると、照射領域の強度分布が均一であるレーザビームを半導体膜の全面に照射すれば上記第１、第２および第３領域を容易に形成することができる。従って、例えば矩形状の照射領域を有するレーザビームをステップ移動させて結晶化させるＳＬＳ法に比べて製造方法が容易で、量産性に優れるという利点が得られる。
【００５９】
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、所定の領域を選択的に照射できるレーザビームを用いて、照射領域および照射のタイミングを調整し、上記第１領域および第２領域を含む溶融領域を形成するための第１回目のレーザビーム照射と、それに続く第３領域を形成するための第２回目のレーザビームを実行しても、上述の実施形態と同様に結晶粒のサイズの大きい結晶質シリコン薄膜を形成することができる。
【００６０】
本実施形態で得られた結晶質半導体膜を用いて半導体装置を作製する場合、キャリアの移動方向が結晶粒の成長方向に略平行であるように構成することが好ましい。これにより、電子移動度の高い半導体装置を作製することができる。
【００６１】
次に図３および図４を参照しながら、反射膜を用いて本実施形態の結晶質半導体膜を形成する方法を説明する。以下の説明では、半導体膜としてシリコン薄膜を用いる場合を例示する。
【００６２】
（実施形態１）
まず、図３に示すように、絶縁基板（例えばガラス基板）２２上に、下地膜２４を形成する。下地膜２４は例えば厚さ３００ｎｍのシリコン酸化膜であり、例えばスパッタリング法によって形成される。この下地膜２４は、ガラス基板２２からの不純物の拡散を防ぐために設けられる。
【００６３】
次に、例えばプラズマＣＶＤ法により、膜厚４５ｎｍの非晶質状態のシリコン薄膜２６を形成する。このシリコン薄膜２６をあらかじめ多結晶化および脱水素化するために、例えば電気炉を用いて加熱温度を６００℃とし、窒素雰囲気中で２４時間アニールする。上記のように、あらかじめシリコン薄膜２６を多結晶化しておくことにより、より結晶性の高い結晶質シリコン薄膜が得られる。
【００６４】
次に、シリコン薄膜２６上に、複数の反射部３０および開口部３２を有する反射膜２８を形成する。本実施形態では反射膜２８として、例えばシリコン酸化膜を形成している。反射膜２８の厚さｄは、反射膜の屈折率ｎとし、レーザビームの波長をλとし、正の整数をｋとしたときに、ｄ＝（λ／４ｎ）×２ｋとすることが好ましい。反射膜２８がこの膜厚のときに、シリコン薄膜２６（シリコン薄膜２６と反射部３０との界面）の表面におけるレーザビームの反射率を最も高くすることができる。従って、反射部３０の下のシリコン薄膜２６の領域と、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域とに対して照射されるレーザビームのエネルギー密度の差を大きくし、それらの領域の間の温度差を大きくすることができる。なお、反射膜２８にアルミニウム膜などの金属膜を用いても良い。
【００６５】
図６は、シリコン薄膜２６上に形成されたシリコン酸化膜の膜厚を変化させた場合に、シリコン薄膜２６を完全に溶融するのに必要とされるエネルギー密度の測定結果を示している。シリコン薄膜２６に対するエネルギーの付与は、ＸｅＣｌレーザ（波長：３０８ｎｍ）の照射によって行っている。
【００６６】
図６に示すように、シリコン薄膜２６上にシリコン酸化膜が形成されていない場合、すなわち、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域は、エネルギー密度４４０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームの照射によって完全溶融する。また、シリコン薄膜２６上に形成されるシリコン酸化膜（反射部３０）の厚さが例えば２０３ｎｍの場合、反射部３０の下のシリコン薄膜２６の領域は、エネルギー密度が５６０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームの照射によって完全溶融する。
【００６７】
本実施形態では反射膜２８（反射部３０）の厚さを２０３ｎｍとしている。また、反射部２８および開口部３２がストライプ状を有し、互いに隣接して配置されるようにパターニングを行っている。反射部２８の短辺Ａ１、および隣接する反射部２８の間隔Ａ２は、例えばそれぞれ３．５μｍ、および４μｍである。
【００６８】
以下、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、反射膜２８を備えるシリコン薄膜２６にレーザビームの照射を行い、シリコン薄膜２６を結晶化させる。図３に示したように本実施形態では、複数の反射部３０のそれぞれの両側に開口部３２が形成されているので、反射部３０から、その両側の開口部３２に向かう方向に沿ってシリコン薄膜２６の結晶化が起こるが、説明を簡単にするために、主として一方向（図４（ａ）の矢印６０方向）の結晶化の説明を行う。
【００６９】
まず、図４（ａ）に示すように、反射膜２８を介してシリコン薄膜２６に第１のエネルギー密度を有するレーザビーム３６を照射する（第１回目のレーザビーム照射）。本実施形態では、第１のエネルギー密度を５３０ｍＪ／ｃｍ^２としている。
【００７０】
図６を参照して上述したように、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融するにはエネルギー密度が４４０ｍＪ／ｃｍ^２以上のレーザビームを照射する必要があり、反射部３０の下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融するには、エネルギー密度が５６０ｍＪ／ｃｍ^２以上のレーザビームを照射する必要がある。エネルギー密度が５３０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームを、反射膜２８を介してシリコン薄膜２６に照射すると、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域は完全に溶融するが、反射部３０の下のシリコン薄膜２６の領域は部分的に溶融し、一部に非溶融領域が残存する。
【００７１】
従ってエネルギー密度が５３０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームの照射により、図４（ａ）に示すように、各反射部３０の下のシリコン薄膜２６の一部に非溶融領域（固体領域）２６Ｓを残したまま、その他の領域に溶融領域２６Ｍが形成される。このとき、溶融領域２６Ｍのうち、開口部３２の下の領域は反射部３０の下の領域よりも温度が高い。従って、シリコン薄膜２６の溶融領域２６Ｍの中に、非溶融領域２６Ｓに隣接する第１領域２６Ａと、第１領域２６Ａに隣接し、かつ第１領域２６Ａよりも温度の高い第２領域２６Ｂとが形成される。
【００７２】
溶融領域のうち、固体領域に接した温度の低い領域から結晶化が起こるので、上記第１回目のレーザビーム照射により、図４（ｂ）に示すように、固体領域２６Ｓを核として第１領域２６Ａに結晶粒２６Ｃ１を生成させて、結晶粒２６Ｃ１を第２領域２６Ｂに向けて横方向（シリコン薄膜２６の面内）に成長させることができる（第１結晶化工程）。
【００７３】
この第１結晶化工程では、反射部３０と開口部３２との境界よりも反射部３０側にあるシリコン薄膜２６の領域に、結晶成長のための核が形成されている。第１結晶化工程で照射するレーザビームのエネルギー密度が、反射部３０の下のシリコン薄膜２６の全領域を溶融するエネルギー密度よりも小さく、かつ、開口部の下のシリコン薄膜２６の領域を溶融するエネルギー密度よりも大きい範囲内に設定されているため、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の全領域と共に反射部３０の下のシリコン薄膜２６の一部の領域が溶融され、上記の位置に核が形成された。例えば、レーザビームのエネルギー密度を６００ｍＪ／ｃｍ^２とすれば、シリコン薄膜２６の全領域が溶融されてしまい、溶融と同時には核が形成されない。一方、レーザビームのエネルギー密度を４４０ｍＪ／ｃｍ^２とすれば、反射部３０の下のシリコン薄膜２６の領域が全く溶融されず、反射部３０の下のシリコン薄膜２６の全領域が核となり、反射部３０と開口部３２との境界付近を起点として結晶粒が形成される。反射部３０の内側に核を形成する場合、第１結晶化工程で照射されるレーザビームのエネルギー密度は、４４０ｍＪ／ｃｍ^２よりも大きく、５６０ｍＪ／ｃｍ^２よりも小さい範囲内に設定される。反射部３０の下に形成される核の位置は、照射するレーザビームのエネルギー密度を上記エネルギー密度の範囲内で制御することによって調整可能である。
【００７４】
なお、本実施形態では、上記第１結晶化工程および後述する第２結晶化工程において行うエネルギーの付与は、例えばＸｅＣｌレーザ（波長：３０８ｎｍ）を用いて行っている。レーザビーム照射の条件は、ビームサイズ０．５ｍｍ×１００ｍｍ、Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ８０Ｈｚ、ステージ送り速度４０ｍｍ／秒である。また、第１および第２結晶化工程で、例えばＣＯ_２レーザを用いて基板を温めておくと、より結晶性の高い結晶質シリコン薄膜が得られる。
【００７５】
後述する第２結晶化工程を行わない場合、上記第１回目のレーザビーム照射により、図７（ａ）に示すように、反射部３０の端部（ストライプ形状の反射部３０長辺）から反射部３０の内側に（反射部３０の短辺とほぼ平行方向）１．５μｍの位置から開口部３２に向かって１．８μｍ伸びる結晶粒２６Ｃが形成される。
【００７６】
本実施形態では図４（ｂ）に示すように、上記結晶粒２６Ｃが形成されてしまう前の時点で、結晶粒２６Ｃ１の成長端が溶融領域２６Ｍのうち、例えば第１領域２６Ａ内に存在している間に、第２のエネルギー密度を有するレーザビーム３８を照射する（第２回目のレーザビーム照射）。第２のエネルギー密度は、例えば４５０ｍＪ／ｃｍ^２である。
【００７７】
ここで、第２のエネルギー密度は、第１結晶化工程で生成された結晶粒２６Ｃを完全に溶融させるエネルギー密度を下回るように決められる。反射膜を用いると、上記結晶粒２６Ｃを完全に溶融させるエネルギー密度が、シリコン薄膜２６を完全に溶融させるエネルギー密度（開口部下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融させるエネルギー密度４４０ｍＪ／ｃｍ^２に対応）を上回る。従って、反射膜を用いないで結晶質半導体膜を形成する場合に比べて、第２のエネルギー密度の選択の幅が広いという利点がある。第２のエネルギー密度を大きくすることができれば、第２結晶化工程による結晶成長距離を従来のダブルパルス法よりも長くすることができる。
【００７８】
第２回目のレーザビームの照射により、結晶粒２６Ｃ１の成長端の成長方向側に存在する溶融領域（第３領域）にエネルギーを付与する。本実施形態では、第３領域は、開口部３２の下に配置されている第２領域２６Ｂに対応する。
【００７９】
結晶粒２６Ｃ１の成長端の成長方向側に存在する溶融領域２６Ｄおよび２６Ｂが冷却される過程で結晶化が進み、図４（ｃ）に示すように結晶粒２６Ｃ１が溶融状態にある第３領域２６Ｂ内に横成長し、結晶粒２６Ｃ２が形成される（第２結晶化工程）。第２結晶化工程では、第１結晶化工程で生成された結晶粒２６Ｃ１の成長方向側にエネルギーを付与することにより、結晶粒２６Ｃ１をさらに成長させて、その結晶粒径をさらに大きくすることができる。
【００８０】
以上の説明では、一方向６０に進む結晶粒の成長について説明したが、複数の反射部３０のそれぞれの両側に開口部３２が形成されているので、実際には、方向６０に対向する方向にも上記と同様の結晶粒の成長が起こっている。従って、第２結晶化工程において、向かい合う方向に成長する複数の結晶粒は、開口部３２の中央付近（開口部３２と反射部３０との境界から２μｍの位置）で衝突する。衝突位置には粒界４０が形成される。以上により、結晶質シリコン薄膜が得られる。
【００８１】
なお、第１の結晶化工程を行わず、第２のエネルギー密度のレーザビームを反射膜２８を介してシリコン薄膜２６に照射すると、図７（ｂ）に示すように反射部３０と開口部３２との境界近傍から、開口部３２の中央に向かって結晶粒２６Ｃが成長し、開口部３２の中央（開口部３２と反射部３０との境界から２μｍの位置）で衝突する。すなわち、開口部３２の幅Ａ２は、１回の溶融結晶化によって形成される結晶粒のサイズの２倍以下になるように設定されている。
【００８２】
本実施形態によって得られた結晶質シリコン薄膜から反射膜２８を除去し、膜表面を観察した結果を図５に模式的に示す。本実施形態では、反射部の下のシリコン薄膜の領域の一部にも結晶粒が形成され、結晶粒径（開口部の短辺方向の長さ）が３．５μｍの結晶粒を形成することができた。
【００８３】
図１５を参照して説明した従来の製造方法を用いて結晶質シリコン薄膜を形成すると、結晶粒径は結晶粒の１回の成長サイズ未満であるため、２μｍ未満である。従って本実施形態の製造方法によると、上記従来の製造方法に比べて結晶粒径を１．５μｍ大きくすることができる。
【００８４】
本実施形態によって得られた結晶性シリコン薄膜を用い、公知の方法により、ｎ−ｃｈＴＦＴを作製した。チャネル長を２μｍとし、チャネル方向は、結晶成長方向（開口部の短辺方向）に平行な方向とした。このｎ−ｃｈＴＦＴによると、移動度は３２０ｃｍ^２／Ｖｓであり、また、閾値電圧のバラつきの大きい不良品の発生率は０／７８（７８個のＴＦＴを測定した結果、規定値を外れたものが０個）であった。
【００８５】
比較例として、第１回目のレーザビームの照射によって結晶粒２６Ｃ（図７（ａ））が形成された後（全ての溶融領域が固化した後）、結晶粒２６Ｃの先端側にある固化領域を再度溶融するように第２回目のレーザビームの照射を行う（図８参照）以外は、上記実施形態と同様の方法で結晶質シリコン薄膜を形成した。
【００８６】
得られた結晶質シリコン薄膜から反射膜を除去し、膜表面を観察した結果を図９に模式的に示す。図９に示すように、反射部と開口部との境界の下のシリコン薄膜の領域に粒界４０が形成された。また、この比較例の製造方法では、第１回目のレーザビームの照射によって溶融した領域が完全に固化した後に、結晶粒２６Ｃの先端側にある固化領域を再度溶融することにより、結晶成長させている。従って、第１回目のレーザビームの照射によって生成された結晶粒２６Ｃが第２回目のレーザビームの照射による結晶成長の核となる。
【００８７】
比較例によって得られた結晶性シリコン薄膜を用い、上記と同様の方法でｎ−ｃｈＴＦＴを作製した。移動度は３００ｃｍ^２／Ｖｓであったが、閾値電圧のバラつきの大きい不良品の発生率は８／７８（７８個のＴＦＴを測定した結果、規定値を外れたものが８個）であった。
【００８８】
以上説明したように、本実施形態により、結晶粒のサイズの大きい結晶質半導体膜を得ることができる。また、１つの連続した成長過程で結晶粒の粒径を大きくすることができるので、より結晶性の高い結晶質半導体膜が得られる。この結晶質半導体膜を用いて、閾値電圧のばらつきの小さい高性能な半導体装置を作製することができる。
【００８９】
なお、反射膜２８を用いて結晶質半導体膜を形成する場合、レーザビームのエネルギー密度を調整することにより、第２結晶化工程で、第１回目のレーザビームの照射によって生成された結晶粒２６Ｃ１を成長方向側に成長させると共に、その成長方向と異なる方向に新たな結晶粒を成長させることができる。以下、図１０（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。なお、図１０に示すシリコン薄膜２６および反射膜の構成は図３と同様である。
【００９０】
まず図１０（ａ）に示すように、反射膜２８を介して例えば６００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するレーザビームをシリコン薄膜２６に照射する（第１回目のレーザビーム照射）。第１回目のレーザビームのエネルギー密度は、反射部３０および開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融させるエネルギー密度に決められる。第１回目のレーザビーム照射により、シリコン薄膜２６の全領域が溶融領域となる。
【００９１】
上記レーザビームの照射後、溶融領域が冷却される過程で、図１０（ｂ）に示すように、反射部３０の下のシリコン薄膜２６の領域よりも開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域の方が先に冷却される。開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域が選択的に固体領域となり、この固体領域を核として、結晶粒２６Ｃ１を生成および成長させることができる（第１結晶化工程）。結晶粒２６Ｃ１の成長方向を第１の方向６０とする。
【００９２】
上記第１結晶化工程の後、結晶粒２６Ｃ１の成長端が反射部３０の下の溶融領域内に存在している間に、図１０（ｃ）に示すように例えば４５０ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するレーザビームを照射する（第２回目のレーザビーム照射）。第２回目のレーザビームのエネルギー密度は、上記結晶粒２６Ｃ１を完全に溶融しないように、かつ、開口部３２の下の固体領域を溶融するように決められる。
【００９３】
第２回目のレーザビームの照射により、図１０（ｄ）に示すように、結晶粒２６Ｃ１を、反射部３０の下の溶融領域内に第１方向６０に沿ってさらに成長させて、結晶粒２６Ｃ２を生成できる。さらにこれと同時に、結晶粒２６Ｃ１を核として、開口部３２の下の領域に結晶粒２６Ｃ３を生成させて、この結晶粒を上記第１方向６０と異なる第２方向に沿って成長させることができる。
【００９４】
次に、反射防止膜を用いて本実施形態の結晶質半導体膜を形成する方法を説明する。
【００９５】
（実施形態２）
図１１に示すように、実施形態１と同様に、絶縁基板２２上に下地膜２４およびシリコン薄膜２６（膜厚４５ｎｍ）を形成する。
【００９６】
次に、シリコン薄膜２６上に、複数の反射防止部５０および開口部３２を有する反射防止膜５２を形成する。本実施形態では反射防止膜５２として、例えばシリコン酸化膜を形成している。反射防止膜５２の厚さｄは、反射防止膜５２の屈折率ｎとし、レーザビームの波長をλとし、正の整数をｋとしたときに、ｄ＝（λ／４ｎ）×（２ｋ＋１）とすることが好ましい。反射防止膜５２がこの膜厚のときに、シリコン薄膜２６（シリコン薄膜２６と反射防止部５０との界面）の表面におけるレーザビームの反射率を最も低くすることができる。従って、反射防止部５０の下のシリコン薄膜２６の領域と、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域とに対して照射されるレーザビームのエネルギー密度の差を大きくし、それらの領域の間の温度差を大きくすることができる。
【００９７】
本実施形態では反射防止膜５２（反射防止部５０）の厚さを５３ｎｍとしている。また、反射防止部５０および開口部３２がストライプ状を有し、互いに隣接して配置されるようにパターニングを行っている。反射防止部５０の短辺Ａ３、および隣接する開口部３２の間隔Ａ４は、例えばそれぞれ４．０μｍ、および３．５μｍである。
【００９８】
以下、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、反射防止膜５２を備えるシリコン薄膜２６にレーザビームの照射を行い、シリコン薄膜２６を結晶化させる。本実施形態では、複数の開口部３２のそれぞれの両側に反射防止部５０が形成されているので、開口部３２から、その両側の反射防止部５０に向かう方向に沿ってシリコン薄膜２６の結晶化が起こるが、説明を簡単にするために、主として一方向（図１２（ａ）の矢印６０方向）の結晶化の説明を行う。
【００９９】
まず、図１２（ａ）に示すように、反射防止膜５２を介してシリコン薄膜２６に第１のエネルギー密度を有するレーザビーム３６を照射する（第１回目のレーザビーム照射）。本実施形態では、第１のエネルギー密度を４２０ｍＪ／ｃｍ^２としている。
【０１００】
図６に示したように、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融するにはエネルギー密度が４４０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームを照射する必要があり、反射防止部５０の下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融するには、エネルギー密度が３５０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームを照射する必要がある。エネルギー密度が４２０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームを、反射防止膜５２を介してシリコン薄膜２６に照射すると、反射防止部５０の下のシリコン薄膜２６の領域は完全に溶融するが、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域は部分的に溶融し、一部に非溶融領域が残存する。
【０１０１】
従ってエネルギー密度が４２０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームの照射により、図１２（ａ）に示すように、各開口部３２の下のシリコン薄膜２６の一部に非溶融領域（固体領域）２６Ｓを残したまま、その他の領域に溶融領域２６Ｍが形成される。このとき、溶融領域２６Ｍのうち、反射防止部５０の下の領域は開口部３２の下の領域よりも温度が高い。従って、シリコン薄膜２６の溶融領域２６Ｍの中に、非溶融領域２６Ｓに隣接する第１領域２６Ａと、第１領域２６Ａに隣接し、かつ第１領域２６Ａよりも温度の高い第２領域２６Ｂとが形成される。
【０１０２】
溶融領域のうち、固体領域に接した温度の低い領域から結晶化が起こるので、上記第１回目のレーザビーム照射により、図１２（ｂ）に示すように、固体領域２６Ｓを核として第１領域２６Ａに結晶粒２６Ｃ１を生成させて、結晶粒２６Ｃ１を第２領域２６Ｂに向けて横方向（シリコン薄膜２６の面内）に成長させることができる（第１結晶化工程）。
【０１０３】
この第１結晶化工程では、反射防止部５０と開口部３２との境界よりも開口部３０の内側にあるシリコン薄膜２６の領域に、結晶成長のための核が形成されている。第１結晶化工程で照射するレーザビームのエネルギー密度が、開口部３２の下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融するエネルギー密度よりも小さく、反射防止部５０の下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融するエネルギー密度よりも大きい範囲に設定されているため、反射防止部５０の下のシリコン薄膜２６の全領域と共に開口部３２の下のシリコン薄膜２６の一部の領域が溶融され、上記の位置に核が形成された。
【０１０４】
なお、本実施形態でも実施形態１と同様のＸｅＣｌレーザ（波長：３０８ｎｍ）が用いられる。
【０１０５】
後述する第２結晶化工程を行わない場合、上記第１回目のレーザビーム照射により、図１３（ａ）に示すように、反射防止部５０の端部（ストライプ形状の反射防止部５０の長辺）から開口部３２の内側に（反射防止部５０の短辺とほぼ平行方向）１．４μｍの位置から反射防止部５０に向かって１．６μｍ伸びる結晶粒２６Ｃが形成される。
【０１０６】
本実施形態では図１２（ｂ）に示すように、上記結晶粒２６Ｃが形成されてしまう前の時点で、結晶粒２６Ｃ１の成長端が溶融領域２６Ｍのうち、例えば第１領域２６Ａ内に存在している間に、第２のエネルギー密度を有するレーザビーム３８を照射する（第２回目のレーザビーム照射）。第２のエネルギー密度は、例えば３６０ｍＪ／ｃｍ^２である。
【０１０７】
ここで、第２のエネルギー密度は、第１結晶化工程で生成された結晶粒２６Ｃ１を完全に溶融させるエネルギー密度（開口部下のシリコン薄膜２６の領域を完全に溶融させるエネルギー密度４４０ｍＪ／ｃｍ^２に対応）を下回るように決められる。
【０１０８】
第２回目のレーザビームの照射により、結晶粒２６Ｃ１の成長端の成長方向側に存在する溶融領域（第３領域）にエネルギーを付与する。本実施形態では、第３領域は、反射防止部５０の下に配置されている第２領域２６Ｂに対応する。
【０１０９】
結晶粒２６Ｃ１の成長端の成長方向側に存在する溶融領域２６Ｄおよび２６Ｂが冷却される過程で結晶化が進み、図１２（ｃ）に示すように結晶粒２６Ｃ１が溶融状態にある第３領域２６Ｂ内に横成長し、結晶粒２６Ｃ２が形成される（第２結晶化工程）。第２結晶化工程では、第１結晶化工程で生成された結晶粒２６Ｃ１の成長方向側にエネルギーを付与することにより、結晶粒２６Ｃ１をさらに成長させて、その結晶粒径をさらに大きくすることができる。
【０１１０】
以上の説明では、一方向６０に進む結晶粒の成長について説明したが、複数の開口部３２のそれぞれの両側に反射防止部５０が形成されているので、実際には、方向６０に対向する方向にも上記と同様の結晶粒の成長が起こっている。従って、第２結晶化工程において、向かい合う方向に成長する複数の結晶粒は、反射防止部５０の中央付近（開口部３２と反射防止部５０との境界から２．０μｍの位置）で衝突する。衝突位置には粒界４０が形成される。以上により、結晶質シリコン薄膜が得られる。
【０１１１】
なお、第１の結晶化工程を行わず、第２のエネルギー密度のレーザビームを、反射防止膜５２を介してシリコン薄膜２６に照射すると、図１３（ｂ）に示すように反射防止部５０と開口部３２との境界近傍から、反射防止部５０の中央に向かって結晶粒２６Ｃが成長し、反射防止部５０の中央（開口部３２と反射防止部５０との境界から２μｍの位置）で衝突する。すなわち、反射防止部５０の幅Ａ３は、１回の溶融結晶化によって形成される結晶粒のサイズの２倍以下になるように設定されている。
【０１１２】
本実施形態によって得られた結晶質シリコン薄膜から反射防止膜５２を除去し、膜表面を観察すると、反射防止部５０が形成されていた領域と、開口部３２に対応する領域の一部とに亘って伸びる、結晶粒径（開口部の短辺方向の長さ）が３．４μｍの結晶粒を観察できた。
【０１１３】
図１５を参照して説明した従来の製造方法を用いて結晶質シリコン薄膜を形成すると、結晶粒径は結晶粒の１回の成長サイズ未満であるため、２μｍ未満である。従って本実施形態の製造方法によると、上記従来の製造方法に比べて結晶粒径を１．４μｍ大きくすることができる。
【０１１４】
本実施形態によって得られた結晶性シリコン薄膜を用い、公知の方法により、ｎ−ｃｈＴＦＴを作製した。チャネル長を２μｍとし、チャネル方向は、結晶成長方向（開口部の短辺方向）に平行な方向とした。このｎ−ｃｈＴＦＴによると、移動度は３２０ｃｍ^２／Ｖｓであり、また、閾値電圧のバラつきの大きい不良品の発生率は０／７８（７８個のＴＦＴを測定した結果、規定値を外れたものが０個）であった。
【０１１５】
比較例として、第１回目のレーザビームの照射によって結晶粒２６Ｃ（図１３（ａ））が形成された後（全ての溶融領域が固化した後）、結晶粒２６Ｃの先端側にある固化領域を再度溶融するように第２回目のレーザビームの照射を行う（図１４参照）以外は、上記実施形態と同様の方法で結晶質シリコン薄膜を形成した。
【０１１６】
得られた結晶質シリコン薄膜から反射防止膜を除去し、膜表面を観察した結果、反射防止部と開口部との境界の下のシリコン薄膜の領域に粒界４０が形成されたことがわかった。また、この比較例の製造方法では、第１回目のレーザビームの照射によって溶融した領域が完全に固化した後に、結晶粒２６Ｃの先端側にある固化領域を再度溶融することにより、結晶成長させている。従って、第１回目のレーザビームの照射によって生成された結晶粒２６Ｃが第２回目のレーザビームの照射による結晶成長の核となるため、結晶性を十分高くすることができない。
【０１１７】
比較例によって得られた結晶性シリコン薄膜を用い、上記と同様の方法でｎ−ｃｈＴＦＴを作製した。移動度は２９０ｃｍ^２／Ｖｓであったが、閾値電圧のバラつきの大きい不良品の発生率は９／７８（７８個のＴＦＴを測定した結果、規定値を外れたものが９個）であった。
【０１１８】
以上説明したように、本実施形態によっても、結晶粒のサイズの大きい結晶質半導体膜を得ることができる。また、１つの連続した成長過程で結晶粒の粒径を大きくすることができるので、より結晶性の高い結晶質半導体膜が得られる。また、この結晶質半導体膜を用いて、閾値電圧のバラつきの小さい高性能な半導体装置を作製することができる。
【０１１９】
半導体膜としてシリコン薄膜を用いる場合を例示してきたが、本発明は、シリコン薄膜に限らず、ゲルマニウム、またはガリウムなどを含む様々な半導体膜に広く適用することができる。また、レーザビームを用いて半導体膜にエネルギーを付与する場合を例示したが、これに限らず、他の光源（例えば紫外線ランプ）や荷電粒子ビーム（例えば電子線）などを用いることもできる。
【０１２０】
【発明の効果】
本発明によると、結晶粒のサイズを十分に大きくすることができる結晶質半導体膜の製造方法が提供される。特にキャップ膜を用いる結晶質半導体膜の製造方法に本発明を採用すると、高い量産性で結晶質半導体膜を生産することができる。
【０１２１】
本発明によると、結晶粒のサイズが大きい結晶質半導体膜が得られるので、アクティブマトリクス型表示装置の画素ＴＦＴや、駆動回路のＴＦＴをはじめ、ダイオード、メモリなど半導体膜を用いる種々の素子の特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は本発明の実施形態の結晶質シリコン薄膜の製造方法を説明するための図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は本発明の実施形態の結晶質シリコン薄膜の製造方法を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の結晶質シリコン薄膜の製造方法を説明するための図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、第１の実施形態の結晶質シリコン薄膜の製造方法を説明するための図である。
【図５】第１の実施形態によって得られた結晶質シリコン薄膜の膜表面の観察結果を模式的に示す図である。
【図６】シリコン酸化膜の膜厚を変化させた場合に、シリコン薄膜を完全に溶融するのに必要とされるエネルギー密度の測定結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）はエネルギー密度が５３０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームを照射した場合における結晶成長を模式的に示す図であり、（ｂ）はエネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームを照射した場合における結晶成長を模式的に示す図である。
【図８】比較例の結晶成長を模式的に示す図である。
【図９】比較例で得られた結晶質シリコン薄膜の膜表面の観察結果を模式的に示す図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、本発明の第１の実施形態の結晶質シリコン薄膜の製造方法の改変例を説明するための図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の結晶質シリコン薄膜の製造方法を説明するための図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、第２の実施形態の結晶質シリコン薄膜の製造方法を説明するための図である。
【図１３】（ａ）はエネルギー密度が４２０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームを照射した場合における結晶成長を模式的に示す図であり、（ｂ）はエネルギー密度が３６０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザビームを照射した場合における結晶成長を模式的に示す図である。
【図１４】比較例の結晶成長を模式的に示す図である。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、従来の結晶質シリコン薄膜の製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
２ 絶縁基板
４ シリコン膜
６ 非溶融領域
８ 溶融領域
１０ 反射膜
１２ 反射部
１４ 開口部
１８ 粒界
２２ 絶縁基板
２４ 下地膜
２６ シリコン薄膜
２６Ａ 第１領域
２６Ｂ 第２領域
２６Ｃ１ 結晶粒
２６Ｃ２ 結晶粒
２６Ｃ 結晶粒
２６Ｅ 第３領域
２６Ｓ 非溶融領域
２６Ｍ 溶融領域
２８ 反射膜
３０ 反射部
３２ 開口部
３６ 第１回目のレーザビーム
３８ 第２回目のレーザビーム
４０ 粒界
５０ 反射防止部
５２ 反射防止膜

Claims (22)

1. 絶縁基板上に形成された半導体膜を用意する工程と、
   前記半導体膜の少なくとも１つの第１領域と前記第１領域に隣接する少なくとも１つの第２領域とを含む領域にエネルギーを付与することによって、前記第１領域と前記第１領域よりも温度が高い前記第２領域とを含む溶融領域を選択的に形成し、非溶融領域に隣接する前記第１領域に複数の結晶粒を生成させて、前記複数の結晶粒を前記第２領域に向けて横成長させる、第１結晶化工程と、
   前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記第１領域または前記第２領域内に存在している間に、少なくとも前記成長端の成長方向側に存在する前記溶融領域の一部を含む第３領域にエネルギーを付与することにより、前記複数の結晶粒をさらに前記第３領域に横成長させる、第２結晶化工程とを包含する、結晶質半導体膜の製造方法。
2. 前記第２結晶化工程によって横成長した前記複数の結晶粒のサイズは、前記第１結晶化工程におけるエネルギー付与によって成長可能な結晶粒のサイズよりも大きい、請求項１に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
3. 前記エネルギー付与は前記半導体膜にレーザビームを照射することにより実行される、請求項１または２に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
4. 前記第１結晶化工程の前に、反射部および開口部を含む反射膜を前記半導体膜上に形成する工程をさらに包含し、
   前記第１結晶化工程は、前記反射膜を介して前記半導体膜に第１のエネルギー密度を有する前記レーザビームを照射することにより、前記反射部の下の前記半導体膜の一部に前記第１領域を形成し、前記開口部の下の前記半導体膜に前記第２領域を形成する工程を包含し、
   前記第２結晶化工程は、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記第１領域内に存在している間に、前記反射膜を介して前記半導体膜に第２のエネルギー密度を有する前記レーザビームを照射することにより、少なくとも前記第３領域を溶融する工程を包含する、請求項３に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
5. 前記第１結晶化工程の前に、反射防止部および開口部を含む反射防止膜を前記半導体膜上に形成する工程をさらに包含し、
   前記第１結晶化工程は、前記反射防止膜を介して前記半導体膜に第１のエネルギー密度を有する前記レーザビームを照射することにより、前記開口部の下の前記半導体膜の一部に前記第１領域を形成し、前記反射防止部の下の前記半導体膜に前記第２領域を形成する工程を包含し、
   前記第２結晶化工程は、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記第１領域内に存在している間に、前記反射防止膜を介して前記半導体膜に第２のエネルギー密度を有する前記レーザビームを照射することにより、少なくとも前記第３領域を溶融する工程を包含する、請求項４に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
6. 前記第３領域は前記第２領域の一部を含む、請求項４または５に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
7. 前記反射膜の屈折率をｎ、前記レーザビームの波長をλとし、正の整数をｋとしたときに、前記反射膜の厚さが（λ／４ｎ）×２ｋである、請求項４に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
8. 前記反射防止膜の屈折率をｎ、前記レーザビームの波長をλとし、正の整数をｋとしたときに、前記反射防止膜の厚さが（λ／４ｎ）×（２ｋ＋１）である、請求項５に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
9. 前記第１結晶化工程の前に、複数のキャップ部と、それぞれが前記複数のキャップ部のそれぞれに隣接する複数の開口部とを備えたキャップ層を形成する工程を更に包含し、
   前記複数のキャップ部のそれぞれが、前記反射部または前記反射防止部に対応し、前記複数の開口部のそれぞれが前記開口部に対応する、請求項４から８のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
10. 前記半導体膜はシリコンを含む、請求項１から９のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
11. 前記反射膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを含む積層膜、またはアルミニウム膜のいずれかである、請求項４または７に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
12. 前記反射防止膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを含む積層膜のいずれかである、請求項５または８に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
13. 絶縁基板上に形成された半導体膜を用意する工程と、
    反射部、および前記反射部の第１方向に隣接して配置された開口部を含む反射膜を前記半導体膜上に形成する工程と、
    前記反射膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記半導体膜の前記開口部の下の領域に溶融領域を形成すると共に、前記反射部の下の領域に溶融領域および前記溶融領域に隣接する非溶融領域を形成し、前記非溶融領域を核として複数の結晶粒を生成させて、前記複数の結晶粒を前記第１方向に沿って横成長させる第１結晶化工程と、
    前記第１結晶化工程の後であって、かつ、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記反射部の下の前記溶融領域内に存在している間に、前記複数の結晶粒を完全に溶融しないように前記反射膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記複数の結晶粒を、前記開口部の下の溶融領域内に前記第１方向に沿ってさらに横成長させる第２結晶化工程とを包含する、結晶質半導体膜の製造方法。
14. 絶縁基板上に形成された半導体膜を用意する工程と、
    反射部、および前記反射部の第１方向に隣接して配置された開口部を含む反射膜を前記半導体膜上に形成する工程と、
    前記反射膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記半導体膜の前記開口部および前記反射部の下の領域に溶融領域を形成した後、冷却過程で、前記開口部の下の領域に固体領域を形成すると共に、前記反射部の下の領域に前記固体領域を核として第１の複数の結晶粒を生成させて、前記第１の複数の結晶粒を前記第１方向に沿って横成長させる第１結晶化工程と、
    前記第１結晶化工程の後であって、かつ、前記第１の複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記反射部の下の前記溶融領域内に存在している間に、前記第１の複数の結晶粒を完全に溶融しないように、かつ、前記固体領域を溶融するように、前記反射膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記第１の複数の結晶粒を、前記反射部の下の溶融領域内に前記第１方向に沿ってさらに横成長させるとともに、前記第１の複数の結晶粒を核として、前記開口部の下の領域に第２の複数の結晶粒を生成させて、前記第２の複数の結晶粒を前記第１方向と異なる第２方向に沿って横成長させる第２結晶化工程を包含する、結晶質半導体膜の製造方法。
15. 絶縁基板上に形成された半導体膜を用意する工程と、
    開口部、および前記開口部の第１方向に隣接して配置された反射防止部を含む反射防止膜を前記半導体膜上に形成する工程と、
    前記反射防止膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記半導体膜の前記反射防止部の下の領域に溶融領域を形成すると共に、前記開口部の下の領域に溶融領域および前記溶融領域に隣接する非溶融領域を形成し、前記非溶融領域を核として複数の結晶粒を生成させて、前記複数の結晶粒を前記第１方向に沿って横成長させる第１結晶化工程と、
    前記第１結晶化工程の後であって、かつ、前記複数の結晶粒のそれぞれの成長端が前記開口部の下の前記溶融領域内に存在している間に、前記複数の結晶粒を完全に溶融しないように前記反射防止膜を介して前記半導体膜にレーザビームを照射することによって、前記複数の結晶粒を、前記反射防止部の下の溶融領域内に前記第１方向に沿ってさらに横成長させる第２結晶化工程とを包含する、結晶質半導体膜の製造方法。
16. 前記第２結晶化工程によって横成長した前記複数の結晶粒のサイズは、前記第１結晶化工程におけるレーザビームの照射によって成長可能な結晶粒のサイズよりも大きい、請求項１３または１５に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
17. 前記第２結晶化工程によって横成長した前記第１の複数の結晶粒のサイズは、前記第１結晶化工程におけるレーザビームの照射によって成長可能な結晶粒のサイズよりも大きい、請求項１４に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
18. 請求項１から１７のいずれかに記載の方法で製造された結晶質半導体膜。
19. 請求項１８に記載の結晶質半導体膜を備える、半導体装置。
20. 請求項１８に記載の結晶質半導体膜を備える半導体装置であって、キャリアの移動方向が前記成長方向に略平行であるように構成されている、半導体装置。
21. チャネル方向が前記成長方向に略平行に配置されたトランジスタを備える、請求項２０に記載の半導体装置。
22. 請求項１９から２１のいずれかに記載の半導体装置を備える、表示装置。

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