JP2013197140A - 半導体薄膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶粒界がＴＦＴのチャネル領域に混入するのを防止可能で且つ平坦な半導体薄膜を提供する。
【解決手段】半導体薄膜１０は、絶縁基板上に形成された結晶シリコン薄膜２を備える。結晶シリコン薄膜２は、複数の結晶粒２１を含む。複数の結晶粒２１の各々は、短冊形の平面形状を有する。そして、複数の結晶粒２１は、短冊形の長辺方向が同じになるように配置される。その結果、結晶シリコン薄膜２をＴＦＴのチャネル層へ適用した場合、結晶粒界が存在しないチャネル層を形成できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体薄膜およびその製造方法に関するものである。

石英基板上に形成されたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜へ大気圧マイクロ熱プラズマジェット(μ−ＴＰＪ)を照射することによって固相結晶化(Solid Phase Crystallization:SPC)、もしくは溶融領域の移動に伴う高速横方向結晶化(High Speed Lateral Crystallization: HSLC)が生じることが知られている（非特許文献１）。

高速横方向結晶化によって形成したシリコン薄膜における結晶粒界は、樹状模様で形成される。

S. Hayashi et. al., Appl. Phys. Express 3 (2010) 061401.

しかし、非特許文献１に記載された高速横方向結晶化を用いてシリコン薄膜を形成した場合、結晶粒界は、樹状模様で形成されるため、結晶粒界がＴＦＴ（Thin Film Transistor）のチャネル領域内へ混入するという問題がある。また、結晶化した膜の表面凹凸が大きいため、ゲート絶縁膜の耐圧が低くなり薄膜化が困難という問題がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、結晶粒界がＴＦＴのチャネル領域に混入するのを防止可能で且つ平坦な半導体薄膜を提供することである。

また、この発明の別の目的は、結晶粒界がＴＦＴのチャネル領域に混入するのを防止可能で且つ平坦な半導体薄膜の製造方法を提供することである。

この発明の実施の形態によれば、半導体薄膜は、絶縁基板と、結晶シリコン薄膜とを備える。結晶シリコン薄膜は、絶縁基板上に形成され、複数の結晶粒からなる。そして、複数の結晶粒の各々は、短冊形の平面形状を有し、複数の結晶粒は、短冊形の長辺方向が同じ方向になるように配置されている。

また、この発明の実施の形態によれば、半導体薄膜の製造方法は、アモルファスシリコン膜を絶縁基板上に形成する第１の工程と、直流アーク放電によって熱プラズマジェットを発生するための電力とアモルファスシリコン膜を掃引する掃引速度とによって規定され、かつ、アモルファスシリコン膜から固相で結晶成長する第１の領域と、熱プラズマジェットを発生するための電力と掃引速度とによって規定され、かつ、アモルファスシリコン膜から固相で結晶成長した結晶粒を核としてアモルファスシリコン膜の完全溶融状態から結晶成長する第２の領域との間に存在する結晶成長領域においてアモルファスシリコン膜から結晶粒が成長するように熱プラズマジェットを発生するための供給電力と掃引速度とを決定する第２の工程と、第２の工程において決定した供給電力を用いた直流アーク放電によって熱プラズマジェットを発生する第３の工程と、第２の工程において決定した掃引速度でアモルファスシリコン膜を掃引しながら、第３の工程において発生した熱プラズマジェットをアモルファスシリコン膜に照射する第４の工程とを備える。

この発明の実施の形態によれば、半導体薄膜は、短冊形の平面形状を有し、短冊形の長辺方向が同じ方向になるように配置された複数の結晶粒からなる結晶シリコン薄膜を備える。その結果、結晶シリコン薄膜をＴＦＴのチャネル層に応用する場合、短冊形の長辺方向がチャネル層の長さ方向になるようにＴＦＴが作製される。

従って、結晶粒界がＴＦＴのチャネル領域に混入するのを防止できる。

また、この発明の実施の形態によれば、半導体薄膜の表面は平坦である。その結果、結晶シリコン薄膜をＴＦＴのチャネル層に応用する場合、ゲート絶縁膜の薄膜化が可能となる。

また、この発明の実施の形態によれば、半導体薄膜の製造方法は、直流アーク放電によって熱プラズマジェットを発生するための電力とアモルファスシリコン膜を掃引する掃引速度とによって規定され、かつ、アモルファスシリコン膜から固相で結晶成長する第１の領域と、熱プラズマジェットを発生するための電力と掃引速度とによって規定され、かつ、アモルファスシリコン膜から固相で結晶成長した結晶粒を核としてアモルファスシリコン膜の完全溶融状態から結晶成長する第２の領域との間に存在する結晶成長領域においてアモルファスシリコン膜から結晶粒が成長するように熱プラズマジェットを発生するための供給電力と掃引速度とを決定し、その決定した供給電力と掃引速度とを用いて結晶シリコン薄膜を製造する。その結果、短冊形の平面形状を有し、短冊形の長辺方向が同じ方向になるように配置された複数の結晶粒からなる結晶シリコン薄膜が形成される。

従って、結晶シリコン薄膜をＴＦＴのチャネル層に応用する場合、短冊形の長辺方向がチャネル層の長さ方向になるようにＴＦＴが作製されるので、結晶粒界がＴＦＴのチャネル領域に混入するのを防止できる。また、半導体薄膜の表面を平坦にできる。

この発明の実施の形態による半導体薄膜の平面図である。 図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間における半導体薄膜の断面図である。 図１に示す半導体薄膜を製造する半導体製造装置の構成図である。 図３に示す半導体製造装置の動作を説明するための概念図である。 供給電力および掃引速度によって規定される結晶成長領域を示す図である。 この発明の実施の形態による半導体薄膜を製造する製造方法を示す工程図である。 ラマン散乱スペクトルを示す図である。 Ｓｉ薄膜の光学顕微鏡写真を示す図である。 高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜の電子顕微鏡写真を示す図である。 高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜の高速度カメラで撮影した写真を示す図である。 図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜の電子顕微鏡写真を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による半導体薄膜の平面図である。また、図２は、図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間における半導体薄膜の断面図である。

図１および図２を参照して、この発明の実施の形態による半導体薄膜１０は、絶縁基板１と、結晶シリコン薄膜２とを備える。

結晶シリコン薄膜２は、絶縁基板１の一主面上に配置される。結晶シリコン薄膜２は、例えば、１００ｎｍ程度の膜厚を有する。そして、結晶シリコン薄膜２は、複数の結晶粒２１を含む。

結晶粒２１は、結晶シリコンからなり、短冊形の平面形状を有する。結晶粒２１は、結晶シリコン薄膜２の厚み方向に繋がっている。そして、複数の結晶粒２１は、短冊形の長辺方向が同じになるように配置される。

図３は、図１に示す半導体薄膜１０を製造する半導体製造装置の構成図である。図３を参照して、半導体製造装置１００は、架台１０１と、圧電素子１０２と、プラズマ源１１０と、測定装置１３０と、制御装置１４０と、ＸＹステージ１５０とを備える。

圧電素子１０２は、一方端が架台１０１に固定され、他方端がプラズマ源１１０に連結される。

プラズマ源１１０は、陽極１１１と、絶縁体１１２，１１３と、陰極１１４と、ガス導入管１１５と、給水管１１６と、排出管１１７と、電源回路１２０とを含む。

陽極１１１は、概略、中空の円筒形状からなり、ＸＹステージ１５０側に噴出口１１８を有する。また、陽極１１１は、その内部に中空部分１１９を有する。そして、陽極１１１は、例えば、熱伝導率が高い銅（Ｃｕ）からなる。

絶縁体１１２は、陽極１１１と導体１１３との間に陽極１１１および導体１１３に接して配置される。そして、絶縁体１１２は、例えば、アルミナおよびセラミックス等からなる。

導体１１３は、略十字形状を有する。そして、導体１１３のうち、水平方向ＤＲ１に配置された部分は、絶縁体１１２に接して配置される。また、導体１１３のうち、上下方向ＤＲ２に配置された部分は、陽極１１１の噴出口１１８の方向へ突出するとともに、一方端が尖っており、他方端が圧電素子１０２に連結されている。さらに、導体１１３は、陰極１１４を挿入するための孔を有する。そして、導体１１３は、例えば、Ｃｕからなる。

絶縁体１１２が陽極１１１および導体１１３に接するように配置されることによって、内部空間１２１が形成される。

陰極１１４は、導体１１３に挿入されるとともに、一方端側が導体１１３から露出する。また、陰極１１４は、その一方端が噴出口１１８に向かって尖っている。そして、陰極１１４は、例えば、タングステン、タンタル、ルテニウム、およびジルコニウム等の熱陰極金属材料からなる。

ガス導入管１１５は、その一方端側が陽極１１１を貫通して内部空間１２１に達するように陽極１１１に固定される。そして、ガス導入管１１５は、アルゴン（Ａｒ）ガスを保持するガスボンベ（図示せず）に連結されている。給水管１１６は、その一方端側が陽極１１１を貫通して中空部分１１９に達するように陽極１１１に固定される。排出管１１７は、その一方端側が陽極１１１を貫通して中空部分１１９に達するように陽極１１１に固定される。

噴出口１１８は、例えば、８００μｍφの直径を有する。電源回路１２０は、陽極１１１と陰極１１４との間に電気的に接続される。測定装置１３０は、その底面１３０Ａが陽極１１１の底面１１１Ａに一致するように陽極１１１の外周面に設置される。ＸＹステージ１５０は、支持部材（図示せず）によって架台１０１に固定される。

圧電素子１０２は、制御装置１４０から電圧が印加されると、上下方向ＤＲ２に伸縮し、プラズマ源１１０を上下方向ＤＲ２へ移動させる。

プラズマ源１１０は、電源回路１２０から直流電圧が印加され、ガス導入口１１５からＡｒガスが内部空間１２１へ供給されると、直流アーク放電によって熱プラズマジェットを発生する。そして、プラズマ源１１０は、その発生した熱プラズマジェットを噴出口１１８から放射する。

ガス導入管１１５は、Ａｒガスをガスボンベ（図示せず）からプラズマ源１１０の内部空間１２１へ供給する。この場合、内部空間１２１は、大気圧に設定される。

給水管１１６は、冷却水を陽極１１１の中空部分１１９へ供給する。排出管１１７は、陽極１１１の中空部分１１９から冷却水を排出する。

電源回路１２０は、陽極１１１がプラスになり、陰極１１４がマイナスになるように、直流電圧を陽極１１１−陰極１１４間に印加する。

測定装置１３０は、制御装置１４０からの制御に従って、ＸＹステージ１５０に設置された基板１と噴出口１１８との距離を測定する。より具体的には、測定装置１３０は、レーザ変位計からなり、レーザ光を基板１に照射したときに発生するレーザ光の干渉に基づいて基板１と噴出口１１８との距離ｄを測定する。距離ｄが半波長分変わると、干渉波が１振動するので、測定装置１３０は、干渉波の振動数を検出して距離ｄを測定する。そうすると、測定装置１３０は、その測定した距離ｄを制御装置１４０へ出力する。

制御装置１４０は、信号ＤＳを測定装置１３０へ出力する。また、制御装置１４０は、距離Ｌを測定装置１３０から受け、その受けた距離Ｌに基づいて、基板１と噴出口１１８との距離が所望の距離に設定されるように、圧電素子１０２に電圧を印加する。

半導体製造装置１００においては、基板１と噴出口１１８との距離は、例えば、１ｍｍに設定される。制御装置１４０は、測定装置１３０によって測定された距離Ｌが１ｍｍになるように電圧を圧電素子１０２に印加する。

半導体製造装置１００は、プラズマ源１１０によって熱プラズマジェットを発生し、その発生した熱プラズマジェットを基板１上に形成されたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜に照射することによって、ａ−Ｓｉ膜を結晶化する。

この場合、半導体製造装置１００は、基板１と噴出口１１８との距離ｄを１ｍｍに設定することによってａ−Ｓｉ膜を結晶化する。

なお、図３においては、図示されていないが、陰極１１４も、陽極１１１と同じ方法によって冷却されている。

半導体製造装置１００における動作について説明する。図４は、図３に示す半導体製造装置１００の動作を説明するための概念図である。

図４を参照して、ａ−Ｓｉ膜２０が形成された基板１をＸＹステージ１５０に設置する。このａ−Ｓｉ膜２０は、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）ガスを用いたプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって形成された水素化アモルファスシリコンを４５０℃で１時間熱処理した水素を脱離したものである。なお、ａ−Ｓｉ膜２０の膜厚は、例えば、１００ｎｍである。

そして、ａ−Ｓｉ膜２０を結晶化する場合、制御装置１４０は、測定装置１３０によって測定された距離ｄが１ｍｍになるように電圧を圧電素子１０２に印加する。これによって、基板１と噴出口１１８との距離が１ｍｍに設定される。

その後、ガス導入管１１５は、内部空間１２１の圧力が大気圧になるように、Ａｒガスをガスボンベ（図示せず）からプラズマ源１１０の内部空間１２１へ供給する。この場合、Ａｒガスの流量は、例えば、１．０〜１０．０リットル／分である。また、給水管１１６は、冷却水を陽極１１１の中空部分１１９に供給するとともに、排出管１１７は、陽極１１１の中空部分１１９から冷却水を排出する。これによって、陽極１１１は、冷却される。

引き続いて、電源回路１２０は、例えば、１．２ｋＷの直流電力を陽極１１１−陰極１１４間に印加する。そうすると、陰極１１４は、先端部から熱プラズマジェットＴＰＪを発生し、その発生した熱プラズマジェットＴＰＪを噴出口１１８を介してａ−Ｓｉ膜２０に照射する。この場合、移動機構（図示せず）によってプラズマ源１１０を８００〜１８００ｍｍ／ｓの速度で移動させる。

その結果、ａ−Ｓｉ膜２０のうち、熱プラズマジェットＴＰＪが照射された部分の近傍が結晶化され、結晶シリコン２０１が形成される。この結晶シリコン２０１は、短冊形の平面形状を有し、短冊形の長辺方向の長さが数十μｍ以上である。

図５は、供給電力および掃引速度によって規定される結晶成長領域を示す図である。図５において、縦軸は、熱プラズマジェットＴＰＪを発生するための供給電力を表し、横軸は、プラズマ源１１０の掃引速度（＝ａ−Ｓｉ膜２０の掃引速度）を表す。

また、直線ｋ１よりも右側の領域ＲＥＧ１は、剥離によって結晶シリコン薄膜が成長しない領域である。直線ｋ１と直線ｋ２との間の領域ＲＥＧ２は、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶シリコン薄膜が成長する領域である。より具体的には、領域ＲＥＧ２は、アモルファスシリコン膜から固相で結晶成長した結晶粒を核としてアモルファスシリコン膜の完全溶融状態から結晶成長する領域である。直線ｋ２と直線ｋ３との間の領域ＲＥＧ３は、短冊形の結晶粒からなる結晶シリコン薄膜が成長する領域である。直線ｋ３と直線ｋ４との間の領域ＲＥＧ４は、固相で結晶が成長する領域である。直線ｋ４よりも右側の領域ＲＥＧ５は、結晶化しない領域である。そして、領域ＲＥＧ１〜ＲＥＧ５の各々は、熱プラズマジェットＴＰＪを発生するための供給電力と、ａ−Ｓｉ膜２０の掃引速度とによって規定される領域である。

更に、図５における丸印は、実験ポイントである。

図５を参照して、図１に示す半導体薄膜１０の結晶シリコン薄膜２は、領域ＲＥＧ２と領域ＲＥＧ４との間に存在する領域ＲＥＧ３における結晶成長によって生成される。即ち、領域ＲＥＧ３内に入るように、熱プラズマジェットＴＰＪを発生するための供給電力と、ａ−Ｓｉ膜２０の掃引速度とを決定し、その決定した供給電力で発生した熱プラズマジェットＴＰＪをａ−Ｓｉ膜２０に照射し、その決定した掃引速度でａ−Ｓｉ膜２０を掃引することによって、短冊形の平面形状を有する結晶粒２１からなる結晶シリコン薄膜２がａ−Ｓｉ膜２０から生成される。

図６は、この発明の実施の形態による半導体薄膜１０を製造する製造方法を示す工程図である。

図６を参照して、半導体薄膜１０の製造が開始されると、絶縁基板１上にａ−Ｓｉ膜２０を形成する（工程Ｓ１）。このａ−Ｓｉ膜２０は、１×１０^１８ｃｍ^−３以下の水素濃度を有する。従って、ａ−Ｓｉ膜２０は、プラズマＣＶＤ法によって水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜を形成し、その後、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を４５０℃程度の温度で熱処理して形成してもよく、３００〜５００℃の基板温度で熱ＣＶＤ法によって形成されてもよく、水素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下になる形成方法であれば、どのような形成方法を用いて形成されてもよい。

工程Ｓ１の後、直流アーク放電によって熱プラズマジェットＴＰＪを発生するための電力とａ−Ｓｉ膜を掃引する掃引速度とによって規定され、かつ、ａ−Ｓｉ膜から固相で結晶成長する第１の領域（ＲＥＧ４）と、熱プラズマジェットＴＰＪを発生するための電力と掃引速度とによって規定され、かつ、ａ−Ｓｉ膜から固相で結晶成長した結晶粒を核として結晶成長する第２の領域（ＲＥＧ２）との間に存在する結晶成長領域（ＲＥＧ３）においてａ−Ｓｉ膜２０から結晶粒が成長するように熱プラズマジェットＴＰＪを発生するための供給電力と掃引速度とを決定する（工程Ｓ２）。

そして、工程Ｓ２で決定した供給電力を用いた直流アーク放電によって熱プラズマジェットＴＰＪを発生する（工程Ｓ３）。

その後、工程Ｓ２で決定した掃引速度でａ−Ｓｉ膜２０を掃引しながら、工程Ｓ３で発生した熱プラズマジェットＴＰＪをａ−Ｓｉ膜２０に照射する（工程Ｓ４）。

これによって、半導体薄膜１０が製造される。

図７は、ラマン散乱スペクトルを示す図である。図７において、縦軸は、強度を表し、横軸は、ラマンシフトを表す。

また、曲線ｋ５は、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜のラマン散乱スペクトルを示し、曲線ｋ６は、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２のラマン散乱スペクトルを示し、曲線ｋ７は、固相で結晶成長させた結晶シリコン薄膜のラマン散乱スペクトルを示し、曲線ｋ８は、ａ−Ｓｉ膜２０のラマン散乱スペクトルを示し、曲線ｋ９は、ｃ−Ｓｉのラマン散乱スペクトルを示す。

なお、図７に示すラマン散乱スペクトルは、基板１と噴出口１１８との距離ｄが１．０ｍｍであり、Ａｒガスの流量が２．８リットル／分である条件を用いて作製した結晶シリコン薄膜のラマン散乱スペクトルである。

図７を参照して、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２は、結晶シリコンに起因するピークを有し、ａ−Ｓｉに起因するピークを有さない（曲線ｋ６，ｋ８参照）。

また、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２は、固相で結晶成長させた結晶シリコン薄膜よりも鋭いピークを有する（曲線ｋ６，ｋ７参照）。

更に、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２は、ｃ−Ｓｉのピークよりも低波数側にピークを有する（曲線ｋ６，ｋ９参照）。

ラマン散乱スペクトルにおけるピーク位置、ピークの半値幅および結晶化率を表１に示す。

表１に示すように、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２は、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜とほぼ同じ位置にピークを有する。

また、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２は、１００％の結晶化率を有し、完全に結晶化していることが解る。

更に、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２は、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜よりも半値幅が小さく、ｃ−Ｓｉとほぼ同じ半値幅を有する。

従って、結晶シリコン薄膜２は、高品質な結晶シリコンからなることが解る。

図８は、Ｓｉ薄膜の光学顕微鏡写真を示す図である。図８の（ａ）は、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜の光学顕微鏡写真を示し、図８の（ｂ）は、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２の光学顕微鏡写真を示し、。図８の（ｃ）は、固相で結晶成長させた結晶シリコン薄膜の光学顕微鏡写真を示す。なお、図８において、熱プラズマジェットＴＰＪは、右側から左側へ走査された。

高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜は、樹状の結晶粒が形成されていることが解る（図８の（ａ）参照）。

一方、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２および固相で結晶成長させた結晶シリコン薄膜は、平坦な表面モフォロジーを有する。

図９は、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜の電子顕微鏡写真を示す図である。

なお、図９に示す電子顕微鏡写真は、結晶シリコン薄膜をセコエッチした後の電子顕微鏡写真である。また、（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大したものである。

図９を参照して、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜は、表面は凹凸が大きく、樹状の結晶粒からなることが解る。

図１０は、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）によって結晶成長させた結晶シリコン薄膜の高速度カメラで撮影した写真を示す図である。

図１０において、黒い部分が熱プラズマジェットＴＰＪによってＳｉが溶融した領域である。

熱プラズマジェットＴＰＪの照射によって、ａ−Ｓｉ膜は、最初、固相成長し、融点以上に達した溶融領域が形成される。Ｓｉの溶融領域は、ａ−Ｓｉ膜が走査されているので、楕円形状になっている。

溶融領域が通過した後に、Ｓｉ結晶は、固相成長によって形成された結晶粒を核としてＨＳＬＣ領域端から中央に向かう結晶成長が誘起された。従って、結晶成長した結晶の幅は、ＨＳＬＣ領域端では、小さく、中心に近づくとともに拡大される。この場合、結晶粒は、固液界面に対し、垂直に結晶成長し、溶融領域が移動することによって、樹状模様の形状になる。

このように、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）においては、熱プラズマジェットＴＰＪの照射によって溶融領域が形成され、その形成された溶融領域に垂直な方向に結晶粒が結晶成長する。

図１１は、図６に示す製造方法によって製造した結晶シリコン薄膜２の電子顕微鏡写真を示す図である。

なお、図１１に示す電子顕微鏡写真は、結晶シリコン薄膜２をセコエッチした後の電子顕微鏡写真である。また、（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大したものである。

図１１を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪが楕円形状に照射されている痕跡が観測されており、中心部においては、図１１の紙面上、横方向に配列された結晶粒が観測された（（ａ）参照）。

この中央部分を拡大した（ｂ）においては、短冊形の結晶粒が多数観測され、複数の結晶粒は、短冊形の長辺方向がほぼ同じ方向になるように配列されている。

このように、結晶シリコン薄膜２においては、図９および図１０に示した高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）による結晶シリコン薄膜と異なる結晶粒が成長している。そして、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）においては、溶融領域に垂直な方向に結晶粒が結晶成長し（図１０参照）、結晶粒は、樹状の形状を有する（図９参照）。

一方、図６に示す製造方法による結晶成長においては、熱プラズマジェットＴＰＪが楕円形状に照射された痕跡が残っており、結晶シリコン薄膜２は、短冊形の結晶粒を含む。図６に示す製造方法による結晶成長の領域（ＲＥＧ４）は、高速横方向結晶化（ＨＬＳＣ）による結晶成長の領域（ＲＥＧ２）と固相による結晶成長の領域（ＲＥＧ４）との間に存在する。

従って、図６に示す製造方法による結晶成長においては、溶融領域が形成されずにａ−Ｓｉ膜２０から結晶粒が結晶成長するものと考えられる。

そして、結晶シリコン薄膜２をチャネル層に適用したＴＦＴにおいて、約５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓの移動度が得られた。

結晶シリコン薄膜２をＴＦＴへ応用する場合、チャネル層の長さ方向が短冊形の長辺方向になるように結晶シリコン薄膜２を用いてＴＦＴを作製するので、チャネル層に結晶粒界が存在しない。従って、高い移動度を得ることができる。また、結晶シリコン薄膜２の表面は、平坦であるので、結晶シリコン薄膜２をＴＦＴのチャネル層に応用する場合、ゲート絶縁膜を薄膜化できる。

このように、図６に示す製造方法を用いれば、結晶粒界がＴＦＴのチャネル領域に混入するのを防止できるとともに、結晶シリコン薄膜２の表面を平坦化できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、半導体薄膜およびその製造方法に適用される。

１ 絶縁基板、２ 結晶シリコン薄膜、１０ 半導体薄膜、２０ ａ−Ｓｉ膜、２１ 結晶粒、１００ 半導体製造装置、１０１ 架台、１０２ 圧電素子、１１０ プラズマ源、１１１ 陽極、１１２ 絶縁体、１１３ 導体、１１４陰極、１１５ ガス導入管、１１６ 給水管、１１７ 排出管、１１８ 噴出口、１１９ 中空部分、１２０ 電源回路、１２１ 内部空間、１３０ 測定装置、１４０ 制御装置、１５０ ＸＹステージ。

Claims (4)

1. 絶縁基板と、
   絶縁基板上に形成され、複数の結晶粒からなる結晶シリコン薄膜とを備え、
   前記複数の結晶粒の各々は、短冊形の平面形状を有し、
   前記複数の結晶粒は、前記短冊形の長辺方向が同じ方向になるように配置されている、半導体薄膜。
2. 前記結晶シリコン薄膜に対するラマン散乱スペクトルのシリコン−シリコン結合に起因するピークの半値幅は、直流アーク放電によって発生された熱プラズマジェットを照射して生成され、かつ、アモルファスシリコン膜から固相で結晶成長した結晶粒を核として前記アモルファスシリコン膜の完全溶融状態から結晶成長した複数の結晶粒からなる基準薄膜に対するラマン散乱スペクトルのシリコン−シリコン結合に起因するピークの半値幅よりも小さい、請求項１に記載の半導体薄膜。
3. 前記結晶シリコン薄膜に対するラマン散乱スペクトルのシリコン−シリコン結合に起因するピークの半値幅は、単結晶シリコンに対するラマン散乱スペクトルのシリコン−シリコン結合に起因するピークの半値幅とほぼ同じである、請求項１に記載の半導体薄膜。
4. アモルファスシリコン膜を絶縁基板上に形成する第１の工程と、
   直流アーク放電によって熱プラズマジェットを発生するための電力と前記アモルファスシリコン膜を掃引する掃引速度とによって規定され、かつ、前記アモルファスシリコン膜から固相で結晶成長する第１の領域と、前記熱プラズマジェットを発生するための電力と前記掃引速度とによって規定され、かつ、前記アモルファスシリコン膜から固相で結晶成長した結晶粒を核として前記アモルファスシリコン膜の完全溶融状態から結晶成長する第２の領域との間に存在する結晶成長領域において前記アモルファスシリコン膜から結晶粒が成長するように前記熱プラズマジェットを発生するための供給電力と前記掃引速度とを決定する第２の工程と、
   前記第２の工程において決定した供給電力を用いた直流アーク放電によって熱プラズマジェットを発生する第３の工程と、
   前記第２の工程において決定した掃引速度で前記アモルファスシリコン膜を掃引しながら、前記第３の工程において発生した熱プラズマジェットを前記アモルファスシリコン膜に照射する第４の工程とを備える半導体薄膜の製造方法。