JP4264968B2 - 半導体薄膜の製造方法、半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体薄膜及び半導体装置の製造方法に関する。特に、略単結晶状態の珪素膜（結晶性珪素膜）を好適に形成させることのできる半導体薄膜の形成方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今まで、多結晶珪素薄膜トランジスタ（ｐ−ＳｉＴＦＴ）に代表される薄膜半導体装置を比較的低温にて製造する方法として、非晶質珪素膜をレーザで熱処理し多結晶珪素膜を形成し、この多結晶珪素膜を半導体膜としてゲート電極、金属薄膜にて配線を形成して薄膜半導体装置を製造する方法が提案されていた。しかしこの方法では、レーザ光のエネルギー制御が難しく、製造される半導体膜の性質にばらつきが生じるため、これに代わり、このような問題の生じない略単結晶珪素膜を成長させる技術が提案されていた。このような技術は、例えば、文献「Single Crystal Thin Film Transistors；IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Aug.1993 pp257-258」（非特許文献１）や、文献「Advanced Excimer-Laser Crystallization Techniques of Si Thin-Film For Location Control of Large Grain on Glass；R.Ishihara 等, proc.SPIE 2001, vol.4295 p.14〜23」（非特許文献２）などの文献に記載されている。
【０００３】
これら文献には、基板上の絶縁膜に穴（微細孔）を開けて、この絶縁膜上及び微細孔内に非晶質珪素膜を形成した後、この非晶質珪素膜にレーザを照射して、前記穴の底部内の非晶質珪素を非溶融状態に保持しながら、その他の部分の非晶質珪素膜を溶融状態にすることにより、非溶融状態に保持された非晶質珪素を結晶核とした結晶成長を生じさせて、略単結晶状態の珪素膜を形成することが開示されている。
【０００４】
【非特許文献１】
「Single Crystal Thin Film Transistors」, IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Aug.1993 pp257-258
【非特許文献２】
「Advanced Excimer-Laser Crystallization Techniques of Si Thin-Film For Location Control of Large Grain on Glass 」, R.Ishihara等, proc.SPIE 2001, vol.4295, p.14〜23
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の方法では、微細孔を形成した基板上に非晶質珪素膜を形成する際に、当該微細孔の内部に非晶質珪素膜を確実に堆積させることが重要である。しかしながら従来の方法では、微細孔の内部に十分に非晶質シリコン膜が堆積する前に微細孔の上部（開口部）が塞がって微細孔内にボイド（空孔）が生じてしまうなど、微細孔内に非晶質珪素膜を十分に堆積させることができない場合があった。
【０００５】
そこで、本発明は、微細孔を結晶成長の起点として半導体膜の溶融結晶化を行う場合において当該微細孔内に半導体膜を確実に堆積させることを可能とする技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に微細孔を形成する工程と、絶縁膜上に半導体材料を含む液体材料を塗布すると共に微細孔内に上記液体材料を充填し、熱処理を加えて非単結晶半導体膜を形成する工程と、非単結晶半導体膜を溶融結晶化させて結晶性半導体膜を形成する工程と、を備える。
【０００７】
基板上及び微細孔に半導体膜（例えば非晶質珪素膜など）を堆積させる場合に、減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）を用いると、比較的に微細孔への埋め込みを良好に行うことができるものの、微細孔の上側の部分において半導体膜にへこみ（凹部）が生じ、半導体膜の平坦性が確保できない場合が多い。このような微細孔上の凹部は、その後の溶融結晶化のためのレーザ照射を行った際に、レーザ光の照射量が場所によって不均一となることから、半導体膜の結晶性を改善する効果を十分に得られないことになる。またＬＰＣＶＤ法は大型基板の処理には適さないという事情もある。一方、半導体膜の堆積をプラズマ励起ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）によって行う場合には、比較的に大型基板に適するものの、微細孔への半導体膜の埋め込みを良好に行うことが難しく、微細孔内にボイド（空孔）が生じてしまう場合があった。このようなボイドが生じると、微細孔による作用を十分に発揮させて半導体膜の結晶性の改善を行うことが難しくなる。
【０００８】
そこで、本発明では、半導体材料を含有する液体材料を用いて半導体膜（非単結晶半導体膜）の形成を行うこととしている。液体の流動性を利用することにより、微細孔内へ当該液体材料を確実に充填して非単結晶半導体膜を形成することが可能となる。これにより、略単結晶状態の半導体膜（結晶性半導体膜）を確実に得ることが可能となる。また、液体材料を用いていることから、微細孔上に凹部が生じることを回避し、当該微細孔部分を含めて全体的に表面がほぼ完全に平坦な非単結晶半導体膜を形成することが可能となる。これにより、レーザ照射等による熱処理の均一化が図られ、溶融結晶化後に得られる結晶性半導体膜の均質化を図ることが可能となる利点も生じる。
【０００９】
なお、本発明において「略単結晶」とは、結晶粒が単一である場合のみならずこれに近い状態、すなわち、複数の結晶が組合わさっていてもその数が少なく、半導体薄膜の性質の観点からほぼ単結晶により形成された半導体薄膜と同等の性質を備えている場合も含む。
【００１０】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に微細孔を形成する微細孔形成工程と、微細孔内に半導体材料を含む液体材料を充填し、熱処理を加えて第１の非単結晶半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、絶縁膜上及び第１の非単結晶半導体膜上に第２の非単結晶半導体膜を形成する工程と、第１及び第２の非単結晶半導体膜を溶融結晶化させて結晶性半導体膜を形成する工程と、を備える。
【００１１】
半導体材料を含有する液体材料を用いて半導体膜（第１の非単結晶半導体膜）の形成を行っているので、液体の流動性により、微細孔内へ当該液体材料を確実に充填することが可能となる。これにより、略単結晶状態の半導体膜（結晶性半導体膜）を確実に得ることが可能となる。また、微細孔内が第１の非単結晶半導体膜で埋められるので、その後に第２の非単結晶半導体膜の形成を行う際には、微細孔が埋められた状態の基板上、すなわち、ほぼ平坦と見なせる基板面に成膜を行うことが可能となる。したがって、微細孔への埋め込み性を考慮する必要がなくなることから、大面積の処理に有利な成膜法（例えばＰＥＣＶＤ法など）を用いて第２の非単結晶半導体膜の形成を行うことが可能となる利点も生じる。
【００１２】
上述した液体材料は、珪素化合物及びドーパント源を含有するものであることが好ましい。珪素化合物の具体例としては、シクロペンタシラン（Ｓｉ５Ｈ１０）など、１個以上の環状構造を持ったものに、紫外線を照射することによって光重合させて高次シランとしたものが挙げられる。また、ドーパント源の具体例としては、リンなどの５族元素あるいはホウ素などの３族元素を含有する物質が挙げられる。このような珪素化合物及びドーパント源を含有する液体材料を使用することにより、ドーパントが高濃度にドーピングされた珪素膜を容易に形成することができる。
【００１３】
また、上記液体材料は、液滴吐出法によって絶縁膜上あるいは微細孔内に供給されることが好ましい。ここで、本発明において「液滴吐出法」とは、圧電素子等を含んで構成される吐出ヘッドを用いて液滴を所望の領域に吐出する方法であり、インクジェット法と呼ばれる場合もある。但し、この場合、吐出対象となる液滴は、印刷物に用いられる所謂インクではなく、半導体膜を構成する材料物質を含む液状体であり、乾燥、固化することによって半導体として機能し得る物質を含むものである。さらに、液滴吐出とは、吐出時に噴霧されるものに限らず、液状体の１滴１滴が連続するように吐出される場合も含む。液滴吐出法を採用することにより、滴下位置及び滴下量を適切に制御し、かつ高速に液体材料の供給を行うことが可能となる。
【００１４】
また、上述した第２の非単結晶半導体膜は、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって形成されることが好ましい。特に、ＰＥＣＶＤ法を用いることが好適である。
【００１５】
上述した非単結晶半導体膜の溶融結晶化は、微細孔以外の領域にある非単結晶半導体膜を略完全溶融状態にすると共に、微細孔内の非単結晶半導体膜を部分溶融状態にする条件にして行われることが好ましい。かかる条件により、溶融結晶化をより良好に行うことができる。
【００１６】
また、上記溶融結晶化は、レーザ照射によって行われることが好ましい。これにより、溶融結晶化を効率よく行うことが可能となる。用いるレーザとしては、エキシマレーザ、固体レーザ、ガスレーザなど種々のものが考えられる。
【００１７】
また、本発明は、上述した半導体薄膜の製造方法によって製造される結晶性半導体膜を使用して半導体装置を形成する素子形成工程を備える半導体装置の製造方法でもある。ここで、本発明において「半導体装置」とは、本発明に係る結晶性半導体膜を備える装置をいい、トランジスタ、ダイオード、抵抗、インダクタ、キャパシタ、その他能動素子・受動素子を問わない単体の素子を含む。上述した本発明に係る結晶性半導体膜を使用することにより、特性の優れた半導体装置を得ることが可能となる。
【００１８】
また、上述した半導体装置の製造方法においては、結晶性半導体膜の微細孔を含まない部分を使用して半導体装置の形成を行うと更に好適である。微細孔近傍では結晶性が若干劣る部分が形成される場合があるため、この部分を含まないようにして半導体装置を形成すると、半導体装置の特性を更に向上させることが可能となる。
【００１９】
また、上述した半導体装置の製造方法において、半導体装置として薄膜トランジスタを形成する場合には、微細孔を当該薄膜トランジスタを形成する位置に対応させて設けることが好ましい。これにより、薄膜トランジスタの形成対象となる領域を的確に選択して当該領域に結晶性半導体膜を形成することが可能となる。
【００２０】
また、本発明は、上述した製造方法を適用して製造される半導体装置でもある。更に、本発明は、上記本発明に係る半導体装置を備える集積回路であり、電気光学装置であり、また電子機器でもある。
【００２１】
ここで「集積回路」とは、一定の機能を奏するように半導体装置及び関連する配線等が集積され配線された回路（チップ）をいう。
【００２２】
本発明は、電気光学装置において、複数の画素領域と、画素領域毎に設けられた半導体装置と、半導体装置により制御される電気光学素子と、を備え、半導体装置は、本発明に係る半導体装置の製造方法により製造されるものでもある。
【００２３】
ここで「電気光学装置」とは、本発明に係る半導体装置を備えた、電気的作用によって発光するあるいは外部からの光の状態を変化させる電気光学素子を備えた装置一般をいい、自ら光を発するものと外部からの光の通過を制御するもの双方を含む。例えば、電気光学素子として、液晶素子、電気泳動粒子が分散した分散媒体を有する電気泳動素子、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子、電界の印加により発生した電子を発光板に当てて発光させる電子放出素子を備えたアクティブマトリクス型の表示装置等をいう。
【００２４】
ここで「電子機器」とは、本発明に係る半導体装置を備えた一定の機能を奏する機器一般をいい、例えば電気光学装置やメモリを備えて構成される。その構成に特に限定が無いが、例えば、ＩＣカード、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、リア型またはフロント型のプロジェクター、さらに表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ等が含まれる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における半導体薄膜の製造方法を説明する図である。
【００２６】
（微細孔形成工程）
先ず、図１（ａ）に示すように、基板１０上に絶縁膜としての酸化珪素膜１２を形成する。基板１０上への酸化珪素膜１２の形成方法としては、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）や低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）、あるいはスパッタリング法等の物理気相堆積法が挙げられる。例えば、ＰＥＣＶＤ法により厚さ数１００ｎｍの酸化珪素膜１２を形成できる。
【００２７】
次に、図１（ａ）に示すように、酸化珪素膜１２の所定位置に微細孔１４を形成する。例えば、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行うことにより、酸化珪素膜１２の面内の所定位置に、断面が直径０．１μｍ程度の円形である微細孔１４を開口できる。例えば、エッチング方法としてＣＨＦ３ガスのプラズマを用いた反応性イオンエッチングにより行うことができる。上記微細孔１４の直径が０．５μｍ程度の場合は、該微細孔１４を有する基板全面に新たな酸化硅素膜を堆積することにより、微細孔１４の直径を０．１μｍ程度にすることができる。
【００２８】
（成膜工程）
次に、図１（ｂ）に示すように、酸化珪素膜１２上に半導体材料を含有する液体材料を塗布すると共に微細孔１４内に当該液体材料を充填し、その後に熱処理（例えば、３００℃〜４００℃程度）を加えて非晶質珪素膜１６を形成する。本実施形態では、上述した液体材料として、リンなどの５族元素あるいはホウ素などの３族元素を含有する物質をドーパント源として添加した珪素化合物を含有する溶液、または上述した３族又は５族元素で変性された珪素化合物と変性されていない珪素化合物とを含有する溶液を液滴吐出法（インクジェット法）によって供給する。なお、液滴吐出法以外の方法（例えばスピンコート法など）によって液体材料を供給してもよい。また、ドーパント源となる物質の濃度は、薄膜トランジスタの電気的特性（特にしきい値Ｖｔｈ）を制御するために適宜加えられるものである。
【００２９】
ここで、上述した液体材料に含まれる珪素化合物としては、例えば、シクロペンタシラン（Ｓｉ５Ｈ１０）など、１個以上の環状構造をもったものに紫外線を照射することによって光重合させて高次シランとしたものを用いることが好適である。この場合には、リン化合物やホウ素化合物を混合した後に紫外線を照射し、重合時にこれらを取り込んだ形で高次シラン化合物とすることが更に好ましい。また、液体材料を形成するための溶媒としては、珪素化合物を溶解し、かつ珪素化合物と反応しないものであれば特に限定されないが、室温での蒸気圧が０．００１〜２００ｍｍＨｇのものが好適である。このような溶媒の具体例としては、ベンゼンやトルエンなどの炭素水素系溶媒が挙げられる。
【００３０】
（溶融結晶化工程）
次に、図１（ｃ）に示すように、非晶質珪素膜１６にレーザを照射して部分的に溶融させる。例えば、ＸｅＣｌパルスエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を用い、エネルギー密度：０．４〜１．５Ｊ／ｃｍ２（非晶質珪素膜１６の膜厚５０ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ〜２５０ｎｍに対応）でレーザ照射を行うことにより、部分的溶融が達成できる。
【００３１】
ここで、照射されたＸｅＣｌパルスエキシマレーザは非晶質珪素膜１６の表面近傍でほとんどが吸収される。これはＸｅＣｌパルスエキシマレーザの波長（３０８ｎｍ）における非晶質珪素および結晶性珪素の吸収係数が其々０．１３９ｎｍ−１と０．１４９ｎｍ−１と大きいためである。また、酸化珪素膜１２は、上記レーザに対して略透明であって、このレーザのエネルギーを吸収しないため、レーザ照射によって溶融しない。これにより、微細孔１４以外の領域にある非晶質珪素膜１６は、膜厚方向全域に渡ってほぼ完全に溶融した状態となる。また、微細孔１４内にある非晶質珪素膜１６は表面が溶融し微細孔１４の底部では溶融しない状態（部分溶融状態）となる。
【００３２】
レーザ照射後の珪素の凝固は、微細孔１４の内部で先に始まり、その後非晶質珪素膜１６の略完全溶融状態となっている部分（表面側の部分）に至る。このとき、微細孔１４の底部近傍ではいくつかの結晶粒が発生するが、微細孔１４の断面寸法（本実施形態では、円の直径）を１個の結晶粒と同程度か少し小さい程度にしておくことにより、微細孔１４の上部（開口部）には１個の結晶粒のみが到達するようになる。これにより、非晶質珪素膜１６の略完全溶融状態の部分では微細孔１４の上部に到達した１個の結晶粒を核として結晶成長が進行するようになり、図１（ｄ）に示すように、微細孔１４を略中心とした領域に略単結晶状態の珪素膜（結晶性珪素膜）１８が形成される。
【００３３】
この結晶性珪素膜（結晶性半導体膜）１８は、内部に欠陥が少なく、半導体膜の電気特性の点で、エネルギーバンドにおける禁制帯中央部付近の捕獲準位密度が少なくなる効果が得られる。また、結晶粒界がほぼ無いと見なせるために、電子や正孔といったキャリアが流れる際の障壁を大きく減少できる効果が得られる。この結晶性珪素膜１８を薄膜トランジスタの能動層（ソース／ドレイン領域やチャネル形成領域）に用いると、オフ電流値が小さく移動度の大きな優良な薄膜トランジスタが得られる。
【００３４】
（素子形成工程）
図２は、本実施の形態で製造する半導体装置（薄膜トランジスタ）の平面図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ’線断面に相当する断面図である。なお、上述した図１は図２のＢ−Ｂ’線断面に相当する断面図である。
【００３５】
先ず、図３（ａ）に示すように、結晶性珪素膜１８を含む珪素膜をパターニングして、薄膜トランジスタＴの形成に用いる半導体膜を形成する。ここで、説明の便宜上、パターニングがなされる以前の結晶性珪素膜１８を「結晶性珪素膜１８ａ」、パターニングがなされた後の結晶性珪素膜１８を「結晶性珪素膜１８ｂ」と、それぞれ符号を置き換える。図２においては、パターニングがなされる以前の結晶性珪素膜１８ａを点線により示し、パターニングがなされた後の結晶性珪素膜１８ｂを実線により示している。図２に示すように、結晶性珪素膜１８ａの面内で微細孔１４を含まない部分をパターニングによって切り出して、当該部分（すなわち、結晶性珪素膜１８ｂ）を薄膜トランジスタＴの能動層に割り当てることは好ましい。微細孔から遠ざかると結晶の性質がより安定するからである。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、酸化珪素膜１２および結晶性珪素膜１８ｂの上に酸化珪素膜２０を形成する。例えば、酸化珪素膜２０は、電子サイクロトロン共鳴ＰＥＣＶＤ法（ＥＣＲ−ＣＶＤ法）またはＰＥＣＶＤ法にて形成できる。この酸化珪素膜２０は薄膜トランジスタＴのゲート絶縁膜として機能するものである。
【００３７】
次に、図３（ｃ）に示すように、タンタルまたはアルミニウムの金属薄膜をスパッタリング法により形成した後、パターニングすることによって、ゲート電極２２を形成する。次に、このゲート電極２２をマスクとしてドナーまたはアクセプターとなる不純物イオンを打ち込み、ソース／ドレイン領域２４とチャネル形成領域２６をゲート電極２２に対して自己整合的に作製する。
【００３８】
ＮＭＯＳトランジスタを作製する場合、例えば、不純物元素としてリン（Ｐ）を１×１０１６ｃｍ−２の濃度でソース／ドレイン領域に打ち込む。その後、ＸｅＣｌエキシマレーザを照射エネルギー密度４００ｍＪ／ｃｍ２程度で照射するか、２５０℃〜４５０℃程度の温度で熱処理することにより不純物元素の活性化を行う。
【００３９】
次に、図３（ｄ）に示すように、酸化珪素膜２０およびゲート電極２２の上面に、酸化珪素膜２８を形成する。例えば、ＰＥＣＶＤ法で約５００ｎｍの酸化珪素膜２８を形成する。次に、ソース／ドレイン領域２４に至るコンタクトホールを酸化珪素膜２０、２８に開けて、コンタクトホール内および酸化珪素膜２８上のコンタクトホールの周縁部にソース／ドレイン電極３０を形成する。ソース／ドレイン電極３０は、例えばスパッタリング法によりアルミニウムを堆積して形成するとよい。また、ゲート電極２２に至るコンタクトホールを酸化珪素膜２８に開けて、ゲート電極２２用の端子電極３２（図２参照）を形成する。以上で、本発明に係る半導体装置としての薄膜トランジスタＴが作製できる。
【００４０】
このように、第１の実施形態では、半導体材料を含有する液体材料を用いて非晶質珪素膜１６（非単結晶半導体膜）の形成を行っているので、液体の流動性により微細孔１４内へ当該液体材料を確実に充填して非晶質珪素膜１６を形成することが可能となる。これにより、結晶性珪素膜１８（結晶性半導体膜）を確実に得ることが可能となる。また、液体材料を用いていることから、微細孔１４上にへこみ（凹部）が生じることを回避し、当該微細孔１４部分を含めて全体的に表面がほぼ完全に平坦な非晶質珪素膜を形成することが可能となる。これにより、レーザ照射による熱処理の均一化が図られ、溶融結晶化後に得られる結晶性半導体膜１８の均質化を図ることが可能となる利点もある。
＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態における半導体薄膜の製造方法を説明する図である。なお、本第２の実施形態の製造方法は、基本的には上述した第１の実施形態の製造方法と同様であるため、重複する内容については適宜省略して説明を行う。
【００４１】
（微細孔形成工程）
先ず、図４（ａ）に示すように、基板１０上に絶縁膜としての酸化珪素膜１２を形成し、当該酸化珪素膜１２の所定位置に微細孔１４を形成する。酸化珪素膜１２及び微細孔１４を形成する際の諸条件は上述した第１の実施形態の場合と同様である。
【００４２】
（第１の成膜工程）
次に、図４（ｂ）に示すように、微細孔１４内に液体材料を充填し、その後に熱処理（例えば、３００℃〜４００℃程度）を加えて非晶質珪素膜１６ａを形成する。なお、当該非晶質珪素膜１６ａが「第１の非単結晶半導体膜」に対応している。本実施形態においても、液体材料の供給は液滴吐出法によって行うことが好ましいが、他の方法を用いてもよい。また、液体材料の好適な例については上述した通りである。
【００４３】
（第２の成膜工程）
次に、図４（ｃ）に示すように、酸化珪素膜１２上及び非晶質珪素膜１６ａ上に非晶質珪素膜１６ｂを形成する。この非晶質珪素膜１６ｂは、例えば、プラズマ励起ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）や減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）によって形成することが好適である。なお、当該非晶質珪素膜１６ｂが「第２の非単結晶半導体膜」に対応している。
【００４４】
（溶融結晶化工程）
次に、図４（ｄ）に示すように、非晶質珪素膜１６ａ及び１６ｂにレーザ照射を行うことによりこれらを溶融結晶化させる。レーザ照射の好適な諸条件についても上述した通りである。これにより、図４（ｅ）に示すように、微細孔１４を略中心とした領域に略単結晶状態の珪素膜（結晶性珪素膜）１８が形成される。
【００４５】
上述したように、溶融結晶化により得られる結晶性珪素膜１８は、内部に欠陥が少なく、半導体膜の電気特性の点で、エネルギーバンドにおける禁制帯中央部付近の捕獲準位密度が少なくなる効果が得られる。また、結晶粒界がほぼ無いと見なせるために、電子や正孔といったキャリアが流れる際の障壁を大きく減少できる効果が得られる。この結晶性珪素膜１８を用いて薄膜トランジスタを形成することにより、オフ電流値が小さく移動度の大きな優良な薄膜トランジスタが得られる。なお、薄膜トランジスタの形成工程（素子形成工程）については、上述した第１の実施形態と同様（図３参照）であるため説明を省略する。
【００４６】
このように、第２の実施形態では、半導体材料を含有する液体材料を用いて非晶質珪素膜１６ａ（第１の非単結晶半導体膜）の形成を行っているので、液体の流動性により、微細孔１４内へ当該液体材料を確実に充填することが可能となる。これにより、結晶性珪素膜（結晶性半導体膜）を確実に得ることが可能となる。また、微細孔１４内が非晶質珪素膜１６ａで埋められるので、その後に非晶質珪素膜１６ｂの形成を行う際には、微細孔１４が埋められた状態の基板１０上、すなわち、ほぼ略平坦と見なせる基板面に成膜を行うことが可能となる。したがって、微細孔１４への埋め込み性を考慮する必要がなくなることから、大面積の処理に有利なＰＥＣＶＤ法などの成膜法を用いて非晶質珪素膜１４ｂの形成を行うことが可能となる。
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態は、本発明の半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置等を備えた電気光学装置に関する。
【００４７】
図５に、第３の実施形態における電気光学（表示）装置１００の接続図を示す。本実施の形態の表示装置１００は、各画素領域に電界発光効果により発光可能な発光層ＯＥＬＤ、それを駆動するための電流を記憶する保持容量を備え、さらに本発明の製造方法によって製造される半導体装置、ここでは薄膜トランジスタＴ１〜Ｔ４を備えて構成されている。ドライバ領域１０１からは、走査線Ｖsel及び発光制御線Ｖgpが各画素領域に供給されている。ドライバ領域１０２からは、データ線Ｉdataおよび電源線Ｖddが各画素領域に供給されている。走査線Ｖselとデータ線Ｉdataとを制御することにより、各画素領域に対する電流プログラムが行われ、発光部ＯＥＬＤによる発光が制御可能になっている。
【００４８】
なお、上記駆動回路は、発光要素に電界発光素子を使用する場合の回路の一例であり他の回路構成も可能である。また、ドライバ領域１０１、１０２のそれぞれを構成する集積回路を本発明に係る半導体装置によって形成することも好適である。
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態は、本発明の半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置等を備えた電子機器に関する。
【００４９】
図６に、本第４の実施形態における電子機器の例を挙げる。図６（ａ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載された携帯電話の例であり、当該携帯電話２３０は、電気光学装置（表示パネル）１００、アンテナ部２３１、音声出力部２３２、音声入力部２３３及び操作部２３４を備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば表示パネル１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。図６（ｂ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載されたビデオカメラの例であり、当該ビデオカメラ２４０は、電気光学装置（表示パネル）１００、受像部２４１、操作部２４２及び音声入力部２４３を備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば表示パネル１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。
【００５０】
図６（ｃ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載された携帯型パーソナルコンピュータの例であり、当該コンピュータ２５０は、電気光学装置（表示パネル）１００、カメラ部２５１及び操作部２５２を備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば表示パネル１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。図６（ｄ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載されたヘッドマウントディスプレイの例であり、当該ヘッドマウントディスプレイ２６０は、電気光学装置（表示パネル）１００、バンド部２６１及び光学系収納部２６２を備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば表示パネル１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。
【００５１】
図６（ｅ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載されたリア型プロジェクターの例であり、当該プロジェクター２７０は、電気光学装置（光変調器）１００、光源２７２、合成光学系２７３、ミラー２７４、２７５を筐体２７１内に備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば光変調器１００や内蔵される回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。図６（ｆ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載されたフロント型プロジェクターの例であり、当該プロジェクター２８０は、電気光学装置（画像表示源）１００及び光学系２８１を筐体２８２内に備え、画像をスクリーン２８３に表示可能になっている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば画像表示源１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。
【００５２】
上記例に限らず本発明に係る半導体装置の製造方法は、あらゆる電子機器の製造に適用可能である。例えば、この他に、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ、ＩＣカードなどにも適用することができる。
【００５３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内で種々に変形、変更実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、半導体膜の一例として珪素膜を採り上げて説明していたが、半導体膜はこれに限定されるものではない。また、上述した実施形態では、本発明に係る結晶性半導体膜を用いて形成される半導体素子の一例として薄膜トランジスタを採り上げて説明していたが、半導体素子はこれに限定されるものではなく、他の素子（例えば、薄膜ダイオード等）を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態における半導体薄膜の製造方法を説明する図である。
【図２】 本実施の形態で製造する半導体装置（薄膜トランジスタ）の平面図である。
【図３】 図２におけるＡ−Ａ’線断面に相当する断面図である。
【図４】 第２の実施形態における半導体薄膜の製造方法を説明する図である。
【図５】 第３の実施の形態における電気光学装置の接続図である。
【図６】 第４の実施の形態における電子機器の例を示す図である。
【符号の説明】
１０…基板、 １２、２０、２８…酸化珪素膜、 １４…微細孔、 １６…非晶質珪素膜、 １８…結晶性珪素膜（略単結晶状態の珪素膜）、 ２２…ゲート電極、 ２４…ソース／ドレイン領域、 ２６…チャネル形成領域、 ３０…ソース／ドレイン電極、 ３２…端子電極、 １００…電気光学装置、 Ｔ…薄膜トランジスタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体薄膜及び半導体装置の製造方法に関する。特に、略単結晶状態の珪素膜（結晶性珪素膜）を好適に形成させることのできる半導体薄膜の形成方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今まで、多結晶珪素薄膜トランジスタ（ｐ−ＳｉＴＦＴ）に代表される薄膜半導体装置を比較的低温にて製造する方法として、非晶質珪素膜をレーザで熱処理し多結晶珪素膜を形成し、この多結晶珪素膜を半導体膜としてゲート電極、金属薄膜にて配線を形成して薄膜半導体装置を製造する方法が提案されていた。しかしこの方法では、レーザ光のエネルギー制御が難しく、製造される半導体膜の性質にばらつきが生じるため、これに代わり、このような問題の生じない略単結晶珪素膜を成長させる技術が提案されていた。このような技術は、例えば、文献「Single Crystal Thin Film Transistors；IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Aug.1993 pp257-258」（非特許文献１）や、文献「Advanced Excimer-Laser Crystallization Techniques of Si Thin-Film For Location Control of Large Grain on Glass；R.Ishihara 等, proc.SPIE 2001, vol.4295 p.14〜23」（非特許文献２）などの文献に記載されている。
【０００３】
これら文献には、基板上の絶縁膜に穴（微細孔）を開けて、この絶縁膜上及び微細孔内に非晶質珪素膜を形成した後、この非晶質珪素膜にレーザを照射して、前記穴の底部内の非晶質珪素を非溶融状態に保持しながら、その他の部分の非晶質珪素膜を溶融状態にすることにより、非溶融状態に保持された非晶質珪素を結晶核とした結晶成長を生じさせて、略単結晶状態の珪素膜を形成することが開示されている。
【０００４】
【非特許文献１】
「Single Crystal Thin Film Transistors」, IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Aug.1993 pp257-258
【非特許文献２】
「Advanced Excimer-Laser Crystallization Techniques of Si Thin-Film For Location Control of Large Grain on Glass 」, R.Ishihara等, proc.SPIE 2001, vol.4295, p.14〜23
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の方法では、微細孔を形成した基板上に非晶質珪素膜を形成する際に、当該微細孔の内部に非晶質珪素膜を確実に堆積させることが重要である。しかしながら従来の方法では、微細孔の内部に十分に非晶質シリコン膜が堆積する前に微細孔の上部（開口部）が塞がって微細孔内にボイド（空孔）が生じてしまうなど、微細孔内に非晶質珪素膜を十分に堆積させることができない場合があった。
【０００５】
そこで、本発明は、微細孔を結晶成長の起点として半導体膜の溶融結晶化を行う場合において当該微細孔内に半導体膜を確実に堆積させることを可能とする技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に微細孔を形成する工程と、絶縁膜上に半導体材料を含む液体材料を塗布すると共に微細孔内に上記液体材料を充填し、熱処理を加えて非単結晶半導体膜を形成する工程と、非単結晶半導体膜を溶融結晶化させて結晶性半導体膜を形成する工程と、を備える。
【０００７】
基板上及び微細孔に半導体膜（例えば非晶質珪素膜など）を堆積させる場合に、減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）を用いると、比較的に微細孔への埋め込みを良好に行うことができるものの、微細孔の上側の部分において半導体膜にへこみ（凹部）が生じ、半導体膜の平坦性が確保できない場合が多い。このような微細孔上の凹部は、その後の溶融結晶化のためのレーザ照射を行った際に、レーザ光の照射量が場所によって不均一となることから、半導体膜の結晶性を改善する効果を十分に得られないことになる。またＬＰＣＶＤ法は大型基板の処理には適さないという事情もある。一方、半導体膜の堆積をプラズマ励起ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）によって行う場合には、比較的に大型基板に適するものの、微細孔への半導体膜の埋め込みを良好に行うことが難しく、微細孔内にボイド（空孔）が生じてしまう場合があった。このようなボイドが生じると、微細孔による作用を十分に発揮させて半導体膜の結晶性の改善を行うことが難しくなる。
【０００８】
そこで、本発明では、半導体材料を含有する液体材料を用いて半導体膜（非単結晶半導体膜）の形成を行うこととしている。液体の流動性を利用することにより、微細孔内へ当該液体材料を確実に充填して非単結晶半導体膜を形成することが可能となる。これにより、略単結晶状態の半導体膜（結晶性半導体膜）を確実に得ることが可能となる。また、液体材料を用いていることから、微細孔上に凹部が生じることを回避し、当該微細孔部分を含めて全体的に表面がほぼ完全に平坦な非単結晶半導体膜を形成することが可能となる。これにより、レーザ照射等による熱処理の均一化が図られ、溶融結晶化後に得られる結晶性半導体膜の均質化を図ることが可能となる利点も生じる。
【０００９】
なお、本発明において「略単結晶」とは、結晶粒が単一である場合のみならずこれに近い状態、すなわち、複数の結晶が組合わさっていてもその数が少なく、半導体薄膜の性質の観点からほぼ単結晶により形成された半導体薄膜と同等の性質を備えている場合も含む。
【００１０】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に微細孔を形成する微細孔形成工程と、微細孔内に半導体材料を含む液体材料を充填し、熱処理を加えて第１の非単結晶半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、絶縁膜上及び第１の非単結晶半導体膜上に第２の非単結晶半導体膜を形成する工程と、第１及び第２の非単結晶半導体膜を溶融結晶化させて結晶性半導体膜を形成する工程と、を備える。
【００１１】
半導体材料を含有する液体材料を用いて半導体膜（第１の非単結晶半導体膜）の形成を行っているので、液体の流動性により、微細孔内へ当該液体材料を確実に充填することが可能となる。これにより、略単結晶状態の半導体膜（結晶性半導体膜）を確実に得ることが可能となる。また、微細孔内が第１の非単結晶半導体膜で埋められるので、その後に第２の非単結晶半導体膜の形成を行う際には、微細孔が埋められた状態の基板上、すなわち、ほぼ平坦と見なせる基板面に成膜を行うことが可能となる。したがって、微細孔への埋め込み性を考慮する必要がなくなることから、大面積の処理に有利な成膜法（例えばＰＥＣＶＤ法など）を用いて第２の非単結晶半導体膜の形成を行うことが可能となる利点も生じる。
【００１２】
上述した液体材料は、珪素化合物及びドーパント源を含有するものであることが好ましい。珪素化合物の具体例としては、シクロペンタシラン（Ｓｉ５Ｈ１０）など、１個以上の環状構造を持ったものに、紫外線を照射することによって光重合させて高次シランとしたものが挙げられる。また、ドーパント源の具体例としては、リンなどの５族元素あるいはホウ素などの３族元素を含有する物質が挙げられる。このような珪素化合物及びドーパント源を含有する液体材料を使用することにより、ドーパントが高濃度にドーピングされた珪素膜を容易に形成することができる。
【００１３】
また、上記液体材料は、液滴吐出法によって絶縁膜上あるいは微細孔内に供給されることが好ましい。ここで、本発明において「液滴吐出法」とは、圧電素子等を含んで構成される吐出ヘッドを用いて液滴を所望の領域に吐出する方法であり、インクジェット法と呼ばれる場合もある。但し、この場合、吐出対象となる液滴は、印刷物に用いられる所謂インクではなく、半導体膜を構成する材料物質を含む液状体であり、乾燥、固化することによって半導体として機能し得る物質を含むものである。さらに、液滴吐出とは、吐出時に噴霧されるものに限らず、液状体の１滴１滴が連続するように吐出される場合も含む。液滴吐出法を採用することにより、滴下位置及び滴下量を適切に制御し、かつ高速に液体材料の供給を行うことが可能となる。
【００１４】
また、上述した第２の非単結晶半導体膜は、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって形成されることが好ましい。特に、ＰＥＣＶＤ法を用いることが好適である。
【００１５】
上述した非単結晶半導体膜の溶融結晶化は、微細孔以外の領域にある非単結晶半導体膜を略完全溶融状態にすると共に、微細孔内の非単結晶半導体膜を部分溶融状態にする条件にして行われることが好ましい。かかる条件により、溶融結晶化をより良好に行うことができる。
【００１６】
また、上記溶融結晶化は、レーザ照射によって行われることが好ましい。これにより、溶融結晶化を効率よく行うことが可能となる。用いるレーザとしては、エキシマレーザ、固体レーザ、ガスレーザなど種々のものが考えられる。
【００１７】
また、本発明は、上述した半導体薄膜の製造方法によって製造される結晶性半導体膜を使用して半導体装置を形成する素子形成工程を備える半導体装置の製造方法でもある。ここで、本発明において「半導体装置」とは、本発明に係る結晶性半導体膜を備える装置をいい、トランジスタ、ダイオード、抵抗、インダクタ、キャパシタ、その他能動素子・受動素子を問わない単体の素子を含む。上述した本発明に係る結晶性半導体膜を使用することにより、特性の優れた半導体装置を得ることが可能となる。
【００１８】
また、上述した半導体装置の製造方法においては、結晶性半導体膜の微細孔を含まない部分を使用して半導体装置の形成を行うと更に好適である。微細孔近傍では結晶性が若干劣る部分が形成される場合があるため、この部分を含まないようにして半導体装置を形成すると、半導体装置の特性を更に向上させることが可能となる。
【００１９】
また、上述した半導体装置の製造方法において、半導体装置として薄膜トランジスタを形成する場合には、微細孔を当該薄膜トランジスタを形成する位置に対応させて設けることが好ましい。これにより、薄膜トランジスタの形成対象となる領域を的確に選択して当該領域に結晶性半導体膜を形成することが可能となる。
【００２０】
また、本発明は、上述した製造方法を適用して製造される半導体装置でもある。更に、本発明は、上記本発明に係る半導体装置を備える集積回路であり、電気光学装置であり、また電子機器でもある。
【００２１】
ここで「集積回路」とは、一定の機能を奏するように半導体装置及び関連する配線等が集積され配線された回路（チップ）をいう。
【００２２】
本発明は、電気光学装置において、複数の画素領域と、画素領域毎に設けられた半導体装置と、半導体装置により制御される電気光学素子と、を備え、半導体装置は、本発明に係る半導体装置の製造方法により製造されるものでもある。
【００２３】
ここで「電気光学装置」とは、本発明に係る半導体装置を備えた、電気的作用によって発光するあるいは外部からの光の状態を変化させる電気光学素子を備えた装置一般をいい、自ら光を発するものと外部からの光の通過を制御するもの双方を含む。例えば、電気光学素子として、液晶素子、電気泳動粒子が分散した分散媒体を有する電気泳動素子、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子、電界の印加により発生した電子を発光板に当てて発光させる電子放出素子を備えたアクティブマトリクス型の表示装置等をいう。
【００２４】
ここで「電子機器」とは、本発明に係る半導体装置を備えた一定の機能を奏する機器一般をいい、例えば電気光学装置やメモリを備えて構成される。その構成に特に限定が無いが、例えば、ＩＣカード、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、リア型またはフロント型のプロジェクター、さらに表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ等が含まれる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における半導体薄膜の製造方法を説明する図である。
【００２６】
（微細孔形成工程）
先ず、図１（ａ）に示すように、基板１０上に絶縁膜としての酸化珪素膜１２を形成する。基板１０上への酸化珪素膜１２の形成方法としては、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）や低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）、あるいはスパッタリング法等の物理気相堆積法が挙げられる。例えば、ＰＥＣＶＤ法により厚さ数１００ｎｍの酸化珪素膜１２を形成できる。
【００２７】
次に、図１（ａ）に示すように、酸化珪素膜１２の所定位置に微細孔１４を形成する。例えば、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行うことにより、酸化珪素膜１２の面内の所定位置に、断面が直径０．１μｍ程度の円形である微細孔１４を開口できる。例えば、エッチング方法としてＣＨＦ３ガスのプラズマを用いた反応性イオンエッチングにより行うことができる。上記微細孔１４の直径が０．５μｍ程度の場合は、該微細孔１４を有する基板全面に新たな酸化硅素膜を堆積することにより、微細孔１４の直径を０．１μｍ程度にすることができる。
【００２８】
（成膜工程）
次に、図１（ｂ）に示すように、酸化珪素膜１２上に半導体材料を含有する液体材料を塗布すると共に微細孔１４内に当該液体材料を充填し、その後に熱処理（例えば、３００℃〜４００℃程度）を加えて非晶質珪素膜１６を形成する。本実施形態では、上述した液体材料として、リンなどの５族元素あるいはホウ素などの３族元素を含有する物質をドーパント源として添加した珪素化合物を含有する溶液、または上述した３族又は５族元素で変性された珪素化合物と変性されていない珪素化合物とを含有する溶液を液滴吐出法（インクジェット法）によって供給する。なお、液滴吐出法以外の方法（例えばスピンコート法など）によって液体材料を供給してもよい。また、ドーパント源となる物質の濃度は、薄膜トランジスタの電気的特性（特にしきい値Ｖｔｈ）を制御するために適宜加えられるものである。
【００２９】
ここで、上述した液体材料に含まれる珪素化合物としては、例えば、シクロペンタシラン（Ｓｉ５Ｈ１０）など、１個以上の環状構造をもったものに紫外線を照射することによって光重合させて高次シランとしたものを用いることが好適である。この場合には、リン化合物やホウ素化合物を混合した後に紫外線を照射し、重合時にこれらを取り込んだ形で高次シラン化合物とすることが更に好ましい。また、液体材料を形成するための溶媒としては、珪素化合物を溶解し、かつ珪素化合物と反応しないものであれば特に限定されないが、室温での蒸気圧が０．００１〜２００ｍｍＨｇのものが好適である。このような溶媒の具体例としては、ベンゼンやトルエンなどの炭素水素系溶媒が挙げられる。
【００３０】
（溶融結晶化工程）
次に、図１（ｃ）に示すように、非晶質珪素膜１６にレーザを照射して部分的に溶融させる。例えば、ＸｅＣｌパルスエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を用い、エネルギー密度：０．４〜１．５Ｊ／ｃｍ２（非晶質珪素膜１６の膜厚５０ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ〜２５０ｎｍに対応）でレーザ照射を行うことにより、部分的溶融が達成できる。
【００３１】
ここで、照射されたＸｅＣｌパルスエキシマレーザは非晶質珪素膜１６の表面近傍でほとんどが吸収される。これはＸｅＣｌパルスエキシマレーザの波長（３０８ｎｍ）における非晶質珪素および結晶性珪素の吸収係数が其々０．１３９ｎｍ−１と０．１４９ｎｍ−１と大きいためである。また、酸化珪素膜１２は、上記レーザに対して略透明であって、このレーザのエネルギーを吸収しないため、レーザ照射によって溶融しない。これにより、微細孔１４以外の領域にある非晶質珪素膜１６は、膜厚方向全域に渡ってほぼ完全に溶融した状態となる。また、微細孔１４内にある非晶質珪素膜１６は表面が溶融し微細孔１４の底部では溶融しない状態（部分溶融状態）となる。
【００３２】
レーザ照射後の珪素の凝固は、微細孔１４の内部で先に始まり、その後非晶質珪素膜１６の略完全溶融状態となっている部分（表面側の部分）に至る。このとき、微細孔１４の底部近傍ではいくつかの結晶粒が発生するが、微細孔１４の断面寸法（本実施形態では、円の直径）を１個の結晶粒と同程度か少し小さい程度にしておくことにより、微細孔１４の上部（開口部）には１個の結晶粒のみが到達するようになる。これにより、非晶質珪素膜１６の略完全溶融状態の部分では微細孔１４の上部に到達した１個の結晶粒を核として結晶成長が進行するようになり、図１（ｄ）に示すように、微細孔１４を略中心とした領域に略単結晶状態の珪素膜（結晶性珪素膜）１８が形成される。
【００３３】
この結晶性珪素膜（結晶性半導体膜）１８は、内部に欠陥が少なく、半導体膜の電気特性の点で、エネルギーバンドにおける禁制帯中央部付近の捕獲準位密度が少なくなる効果が得られる。また、結晶粒界がほぼ無いと見なせるために、電子や正孔といったキャリアが流れる際の障壁を大きく減少できる効果が得られる。この結晶性珪素膜１８を薄膜トランジスタの能動層（ソース／ドレイン領域やチャネル形成領域）に用いると、オフ電流値が小さく移動度の大きな優良な薄膜トランジスタが得られる。
【００３４】
（素子形成工程）
図２は、本実施の形態で製造する半導体装置（薄膜トランジスタ）の平面図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ’線断面に相当する断面図である。なお、上述した図１は図２のＢ−Ｂ’線断面に相当する断面図である。
【００３５】
先ず、図３（ａ）に示すように、結晶性珪素膜１８を含む珪素膜をパターニングして、薄膜トランジスタＴの形成に用いる半導体膜を形成する。ここで、説明の便宜上、パターニングがなされる以前の結晶性珪素膜１８を「結晶性珪素膜１８ａ」、パターニングがなされた後の結晶性珪素膜１８を「結晶性珪素膜１８ｂ」と、それぞれ符号を置き換える。図２においては、パターニングがなされる以前の結晶性珪素膜１８ａを点線により示し、パターニングがなされた後の結晶性珪素膜１８ｂを実線により示している。図２に示すように、結晶性珪素膜１８ａの面内で微細孔１４を含まない部分をパターニングによって切り出して、当該部分（すなわち、結晶性珪素膜１８ｂ）を薄膜トランジスタＴの能動層に割り当てることは好ましい。微細孔から遠ざかると結晶の性質がより安定するからである。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、酸化珪素膜１２および結晶性珪素膜１８ｂの上に酸化珪素膜２０を形成する。例えば、酸化珪素膜２０は、電子サイクロトロン共鳴ＰＥＣＶＤ法（ＥＣＲ−ＣＶＤ法）またはＰＥＣＶＤ法にて形成できる。この酸化珪素膜２０は薄膜トランジスタＴのゲート絶縁膜として機能するものである。
【００３７】
次に、図３（ｃ）に示すように、タンタルまたはアルミニウムの金属薄膜をスパッタリング法により形成した後、パターニングすることによって、ゲート電極２２を形成する。次に、このゲート電極２２をマスクとしてドナーまたはアクセプターとなる不純物イオンを打ち込み、ソース／ドレイン領域２４とチャネル形成領域２６をゲート電極２２に対して自己整合的に作製する。
【００３８】
ＮＭＯＳトランジスタを作製する場合、例えば、不純物元素としてリン（Ｐ）を１×１０１６ｃｍ−２の濃度でソース／ドレイン領域に打ち込む。その後、ＸｅＣｌエキシマレーザを照射エネルギー密度４００ｍＪ／ｃｍ２程度で照射するか、２５０℃〜４５０℃程度の温度で熱処理することにより不純物元素の活性化を行う。
【００３９】
次に、図３（ｄ）に示すように、酸化珪素膜２０およびゲート電極２２の上面に、酸化珪素膜２８を形成する。例えば、ＰＥＣＶＤ法で約５００ｎｍの酸化珪素膜２８を形成する。次に、ソース／ドレイン領域２４に至るコンタクトホールを酸化珪素膜２０、２８に開けて、コンタクトホール内および酸化珪素膜２８上のコンタクトホールの周縁部にソース／ドレイン電極３０を形成する。ソース／ドレイン電極３０は、例えばスパッタリング法によりアルミニウムを堆積して形成するとよい。また、ゲート電極２２に至るコンタクトホールを酸化珪素膜２８に開けて、ゲート電極２２用の端子電極３２（図２参照）を形成する。以上で、本発明に係る半導体装置としての薄膜トランジスタＴが作製できる。
【００４０】
このように、第１の実施形態では、半導体材料を含有する液体材料を用いて非晶質珪素膜１６（非単結晶半導体膜）の形成を行っているので、液体の流動性により微細孔１４内へ当該液体材料を確実に充填して非晶質珪素膜１６を形成することが可能となる。これにより、結晶性珪素膜１８（結晶性半導体膜）を確実に得ることが可能となる。また、液体材料を用いていることから、微細孔１４上にへこみ（凹部）が生じることを回避し、当該微細孔１４部分を含めて全体的に表面がほぼ完全に平坦な非晶質珪素膜を形成することが可能となる。これにより、レーザ照射による熱処理の均一化が図られ、溶融結晶化後に得られる結晶性半導体膜１８の均質化を図ることが可能となる利点もある。
＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態における半導体薄膜の製造方法を説明する図である。なお、本第２の実施形態の製造方法は、基本的には上述した第１の実施形態の製造方法と同様であるため、重複する内容については適宜省略して説明を行う。
【００４１】
（微細孔形成工程）
先ず、図４（ａ）に示すように、基板１０上に絶縁膜としての酸化珪素膜１２を形成し、当該酸化珪素膜１２の所定位置に微細孔１４を形成する。酸化珪素膜１２及び微細孔１４を形成する際の諸条件は上述した第１の実施形態の場合と同様である。
【００４２】
（第１の成膜工程）
次に、図４（ｂ）に示すように、微細孔１４内に液体材料を充填し、その後に熱処理（例えば、３００℃〜４００℃程度）を加えて非晶質珪素膜１６ａを形成する。なお、当該非晶質珪素膜１６ａが「第１の非単結晶半導体膜」に対応している。本実施形態においても、液体材料の供給は液滴吐出法によって行うことが好ましいが、他の方法を用いてもよい。また、液体材料の好適な例については上述した通りである。
【００４３】
（第２の成膜工程）
次に、図４（ｃ）に示すように、酸化珪素膜１２上及び非晶質珪素膜１６ａ上に非晶質珪素膜１６ｂを形成する。この非晶質珪素膜１６ｂは、例えば、プラズマ励起ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）や減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）によって形成することが好適である。なお、当該非晶質珪素膜１６ｂが「第２の非単結晶半導体膜」に対応している。
【００４４】
（溶融結晶化工程）
次に、図４（ｄ）に示すように、非晶質珪素膜１６ａ及び１６ｂにレーザ照射を行うことによりこれらを溶融結晶化させる。レーザ照射の好適な諸条件についても上述した通りである。これにより、図４（ｅ）に示すように、微細孔１４を略中心とした領域に略単結晶状態の珪素膜（結晶性珪素膜）１８が形成される。
【００４５】
上述したように、溶融結晶化により得られる結晶性珪素膜１８は、内部に欠陥が少なく、半導体膜の電気特性の点で、エネルギーバンドにおける禁制帯中央部付近の捕獲準位密度が少なくなる効果が得られる。また、結晶粒界がほぼ無いと見なせるために、電子や正孔といったキャリアが流れる際の障壁を大きく減少できる効果が得られる。この結晶性珪素膜１８を用いて薄膜トランジスタを形成することにより、オフ電流値が小さく移動度の大きな優良な薄膜トランジスタが得られる。なお、薄膜トランジスタの形成工程（素子形成工程）については、上述した第１の実施形態と同様（図３参照）であるため説明を省略する。
【００４６】
このように、第２の実施形態では、半導体材料を含有する液体材料を用いて非晶質珪素膜１６ａ（第１の非単結晶半導体膜）の形成を行っているので、液体の流動性により、微細孔１４内へ当該液体材料を確実に充填することが可能となる。これにより、結晶性珪素膜（結晶性半導体膜）を確実に得ることが可能となる。また、微細孔１４内が非晶質珪素膜１６ａで埋められるので、その後に非晶質珪素膜１６ｂの形成を行う際には、微細孔１４が埋められた状態の基板１０上、すなわち、ほぼ略平坦と見なせる基板面に成膜を行うことが可能となる。したがって、微細孔１４への埋め込み性を考慮する必要がなくなることから、大面積の処理に有利なＰＥＣＶＤ法などの成膜法を用いて非晶質珪素膜１４ｂの形成を行うことが可能となる。
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態は、本発明の半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置等を備えた電気光学装置に関する。
【００４７】
図５に、第３の実施形態における電気光学（表示）装置１００の接続図を示す。本実施の形態の表示装置１００は、各画素領域に電界発光効果により発光可能な発光層ＯＥＬＤ、それを駆動するための電流を記憶する保持容量を備え、さらに本発明の製造方法によって製造される半導体装置、ここでは薄膜トランジスタＴ１〜Ｔ４を備えて構成されている。ドライバ領域１０１からは、走査線Ｖsel及び発光制御線Ｖgpが各画素領域に供給されている。ドライバ領域１０２からは、データ線Ｉdataおよび電源線Ｖddが各画素領域に供給されている。走査線Ｖselとデータ線Ｉdataとを制御することにより、各画素領域に対する電流プログラムが行われ、発光部ＯＥＬＤによる発光が制御可能になっている。
【００４８】
なお、上記駆動回路は、発光要素に電界発光素子を使用する場合の回路の一例であり他の回路構成も可能である。また、ドライバ領域１０１、１０２のそれぞれを構成する集積回路を本発明に係る半導体装置によって形成することも好適である。
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態は、本発明の半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置等を備えた電子機器に関する。
【００４９】
図６に、本第４の実施形態における電子機器の例を挙げる。図６（ａ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載された携帯電話の例であり、当該携帯電話２３０は、電気光学装置（表示パネル）１００、アンテナ部２３１、音声出力部２３２、音声入力部２３３及び操作部２３４を備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば表示パネル１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。図６（ｂ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載されたビデオカメラの例であり、当該ビデオカメラ２４０は、電気光学装置（表示パネル）１００、受像部２４１、操作部２４２及び音声入力部２４３を備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば表示パネル１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。
【００５０】
図６（ｃ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載された携帯型パーソナルコンピュータの例であり、当該コンピュータ２５０は、電気光学装置（表示パネル）１００、カメラ部２５１及び操作部２５２を備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば表示パネル１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。図６（ｄ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載されたヘッドマウントディスプレイの例であり、当該ヘッドマウントディスプレイ２６０は、電気光学装置（表示パネル）１００、バンド部２６１及び光学系収納部２６２を備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば表示パネル１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。
【００５１】
図６（ｅ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載されたリア型プロジェクターの例であり、当該プロジェクター２７０は、電気光学装置（光変調器）１００、光源２７２、合成光学系２７３、ミラー２７４、２７５を筐体２７１内に備えている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば光変調器１００や内蔵される回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。図６（ｆ）は本発明の製造方法によって製造される半導体装置等が搭載されたフロント型プロジェクターの例であり、当該プロジェクター２８０は、電気光学装置（画像表示源）１００及び光学系２８１を筐体２８２内に備え、画像をスクリーン２８３に表示可能になっている。本発明の半導体装置の製造方法は、例えば画像表示源１００や内蔵される集積回路に設けられる半導体装置の製造に適用される。
【００５２】
上記例に限らず本発明に係る半導体装置の製造方法は、あらゆる電子機器の製造に適用可能である。例えば、この他に、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ、ＩＣカードなどにも適用することができる。
【００５３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内で種々に変形、変更実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、半導体膜の一例として珪素膜を採り上げて説明していたが、半導体膜はこれに限定されるものではない。また、上述した実施形態では、本発明に係る結晶性半導体膜を用いて形成される半導体素子の一例として薄膜トランジスタを採り上げて説明していたが、半導体素子はこれに限定されるものではなく、他の素子（例えば、薄膜ダイオード等）を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態における半導体薄膜の製造方法を説明する図である。
【図２】 本実施の形態で製造する半導体装置（薄膜トランジスタ）の平面図である。
【図３】 図２におけるＡ−Ａ’線断面に相当する断面図である。
【図４】 第２の実施形態における半導体薄膜の製造方法を説明する図である。
【図５】 第３の実施の形態における電気光学装置の接続図である。
【図６】 第４の実施の形態における電子機器の例を示す図である。
【符号の説明】
１０…基板、 １２、２０、２８…酸化珪素膜、 １４…微細孔、 １６…非晶質珪素膜、 １８…結晶性珪素膜（略単結晶状態の珪素膜）、 ２２…ゲート電極、 ２４…ソース／ドレイン領域、 ２６…チャネル形成領域、 ３０…ソース／ドレイン電極、 ３２…端子電極、 １００…電気光学装置、 Ｔ…薄膜トランジスタ
Claims (6)
- 基板上に形成された絶縁膜に穴を形成する穴形成工程と、
前記穴内に半導体材料を含む液体材料を充填し、熱処理を加えて第１の非単結晶半導体膜を形成する第１の成膜工程と、
前記絶縁膜上及び前記第１の非単結晶半導体膜上に第２の非単結晶半導体膜を形成する第２の成膜工程と、
前記第１及び第２の非単結晶半導体膜を、前記穴以外の領域にある部分は膜厚方向全域に溶融し、前記穴にある部分は表面が溶融し当該穴の底部では溶融しない状態で溶融結晶化させ、当該穴の上部に到達した１個の結晶粒を起点として結晶性半導体膜を形成する溶融結晶化工程と、
を備える半導体薄膜の製造方法。 - 前記液体材料は珪素化合物及びドーパント源を含有する、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
- 前記液体材料は液滴吐出法によって供給される、請求項１又は２に記載の半導体薄膜の製造方法。
- 前記第２の非単結晶半導体膜は化学気相堆積法によって形成される、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
- 前記溶融結晶化は、レーザ照射によって行われる、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
- 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体薄膜の製造方法によって製造される前記結晶性半導体膜を使用して半導体装置を形成する素子形成工程を備え、
前記素子形成工程は、前記結晶性半導体膜の前記穴を含まない部分を使用して前記半導体装置を形成する、
半導体装置の製造方法。
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