JP4428685B2 - 半導体膜の形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体膜の形成方法に関し、特に、非単結晶絶縁膜上または非単結晶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の形成方法に関する。
【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発生が生じることを抑制し、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１２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１３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の長さ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１４（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１４（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１４（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にて照射する。この紫外線ビームの照射完了後に、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。そして、このような紫外線ビームの照射を基板の全面に対して行うことにより、図１４（ｃ）に示すように非晶質シリコン膜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。基板上の結晶性シリコン層２４は、各結晶粒２５の中央部分で低く、各結晶粒界２６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薄膜２４が得られる。
【０００６】
また、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．８，ｐｐ．７４７〜７４９（以下、従来例４と称する）には、図１５に示すように、基板上に形成されたＳｉ膜に対して、一端において幅方向の寸法が狭小になる狭小形状が形成された複数の島状パターン３１（図面では、簡単のため一つのみを表記している）を形成し、レーザービームを矢印Ｂに示すように島状パターンのＳｉ膜の幅方向に直交する方向に走査する方法が開示されている。この従来例４の方法を用いると、Ｓｉ膜中の狭小形状にて形成された結晶シリコンを種結晶として、島状パターンの全体が単一の結晶性を有する結晶性シリコン膜とされる。
【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結晶方位を制御することはできず、発生する結晶核の結晶方位が各島状の半導体膜のくびれ部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１の結晶方位も、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２５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、パターニングした島状のＳｉ膜３１の中央部に、レーザービームの移動方向に沿った細長い単結晶の領域が得られるが、他の領域は、多結晶の状態で残ったままになる。
【００１１】
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が揃っており、且つ、各結晶粒の結晶方位が揃った結晶性の半導体膜を得ることはできない。
【００１２】
このような膜面に平行な結晶面、及び結晶方位の双方が揃っていない結晶性の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。
【００１３】
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揃っており、且つ、各結晶粒の膜面に平行な結晶方位も揃っている結晶性半導体膜の形成方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【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成長させて結晶性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、該結晶化工程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ビームを照射して、結晶面が膜面に平行に優先配向した結晶半導体を形成する結晶半導体形成工程と、該結晶半導体を種結晶として、該半導体膜を溶融するエネルギービームを所定の方向に走査しながら照射して、特定の結晶方位が該エネルギービームの走査方向に沿うように結晶成長させる結晶成長工程とを包含し、該結晶半導体形成工程におけるエネルギービームの照射により、膜面に平行な結晶面が｛１００｝面の結晶半導体が発生し、該結晶成長工程におけるエネルギービームを走査しながら照射することにより、膜面に平行な結晶面が｛１００｝面であり、且つ、該エネルギービームの走査方向に沿って〈００１〉方位である結晶粒が形成されることを特徴とするものである。
【００２１】
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用いられるエネルギービームのエネルギー密度は、３５０〜３９０ｍＪ／ｃｍ ^２ であることが好ましい。
【００２３】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶化工程を行う前に、前記基板上に形成された半導体膜を、前記結晶成長工程におけるエネルギービームを走査しながら照射することにより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。
【００２４】
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、前記エネルギービームの走査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。
【００２５】
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、前記エネルギービームの走査方向に直交する方向が狭小になった連結領域であり、前記結晶成長工程は、該第一領域から該連結領域を経て該第二領域に至る方向とは異なる方向にエネルギービームを走査して、前記種結晶形成領域の複数の結晶半導体を成長させる第一のエネルギービーム照射工程と、該第一領域から該連結領域を経て該第二領域に至る方向にエネルギービームを走査して、第一領域の第一のエネルギービーム照射工程により形成された複数の結晶粒から一つを選択して、該連結領域を経て該第二領域に結晶成長させる第二のエネルギービーム照射工程とからなることが好ましい。
【００２６】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記第一のエネルギービーム照射工程によるエネルギービームの走査方向は、前記第二のエネルギービーム照射工程によるエネルギービームの走査方向に概略直交していることが好ましい。
【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が、前記結晶成長工程でのエネルギービームの走査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。
【００２８】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記連結領域は、前記第一領域から前記連結領域を経て前記第二方向に走査されるエネルギービームの走査方向に直交する幅方向が０．０５μｍ以上、５μｍ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、前記連結領域は、前記第一領域から前記連結領域を経て前記第二方向に走査されるエネルギービームの走査方向に直交する幅方向が０．０５μｍ以上、２０μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記連結領域は、前記第一領域から前記連結領域を経て前記第二方向に走査されるエネルギービームの走査方向に沿う長さが、２０μｍ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、前記半導体膜は、シリコン材料であることが好ましい。
【００３２】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶形成工程に用いられるエネルギービーム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。
【００３３】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶成長工程に用いられるエネルギービーム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以上に設定されることが好ましい。
【００３４】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶成長工程に用いられるエネルギービームのエネルギー密度は、前記結晶形成工程に用いられるエネルギー密度より大きいことが好ましい。
【００３５】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶形成工程に用いられるエネルギービームはパルス状エネルギービームであることが好ましい。
【００３６】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶成長工程に用いられるエネルギービームはパルス状エネルギービームであることが好ましい。
【００３７】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶形成工程に用いられるパルス状のエネルギービームのエネルギー密度分布は、そのピーク位置が、前回のパルス状のエネルギービームの照射領域の内部に位置するように設定されることが好ましい。
【００３８】
上記本発明の半導体膜の形成方法において、前記結晶形成工程に用いられるパルス状のエネルギービームの１回の照射毎の移動量は、１０μｍより小さくなるように設定されることが好ましい。
【００３９】
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半導体膜を用いたものである。
【００４０】
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。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００４２】
ここで、本明細書の記載において、｛ｈｋｌ｝または（ｈｋｌ）は、結晶の結晶面を表わしているが、｛ｈｋｌ｝と表記した場合には、ｈ、ｋ、ｌを互いに入れ替え、または正負の符号を変更しても等価である場合を示しており、個々の結晶面を区別して表記する場合は、（ｈｋｌ）として表している。また、〈ｈｋｌ〉または［ｈｋｌ］は、結晶方位を表しているが、〈ｈｋｌ〉と表記した場合には、ｈ、ｋ、ｌを互いに入れ替えた場合、正負の符号を変更したも等価である場合を示しており、個々の結晶面を区別して表記する場合は、［ｈｋｌ］として表している。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、立方晶の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。
【００４６】
図１０に示すグラフを参照すると、３８０ｍＪ／ｃｍ^２近傍の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｝面に配向した結晶性シリコン膜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。
【００４７】
一方、半導体膜に対して、特定のエネルギー密度範囲及び移動速度の範囲でレーザーを照射しながら移動させると、レーザー光の移動方向に沿って、結晶方位が優先的に配向するという現象が発生する。半導体膜としてシリコンを用いた場合には、この結晶方位は略〈００１〉方位になる。
【００４８】
したがって、基板上に形成された非晶質等の所定の領域に対して、上記の３８０ｍＪ／ｃｍ^２付近のエネルギー密度のレーザー光を照射すれば、この領域には、膜面に平行に｛１００｝面が優先配向した結晶シリコンが発生される。そして、この領域で発生された結晶シリコンを種結晶として、特定のエネルギー密度範囲及び移動速度範囲で、レーザー光を照射しながら所定の方向に走査して、非晶質シリコン膜の全面にわたって結晶化を進める。このような結晶化により得られる結晶性のシリコン膜は、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝になり、且つ、レーザー光の走査方向に沿って結晶方位が略〈００１〉方位になる。
【００４９】
特定のエネルギー密度のレーザー光を照射して種結晶を形成した領域では、膜面に平行に｛１００｝面が優先して配向するが、他の膜面に平行に他の結晶面が配向した結晶粒も一部に形成される。しかし、これらの結晶粒は安定ではなく、レーザー光を照射しながら走査することにより横方向に結晶成長させる際に安定して結晶成長することがなく、結果的に、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝である結晶粒が成長した結晶性シリコン膜でシリコン膜の全体が占められることになる。
【００５０】
このようにして形成された、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であり、且つ、結晶方位がエネルギービームの移動方向に沿って略〈００１〉である結晶性シリコン膜は、エネルギービームの走査方向に沿って長い細長い結晶粒で敷き詰められた状態となるが、各結晶粒の結晶方位の相違が微小であるため、この半導体膜を用いて半導体装置を製造した場合に、結晶粒界がその半導体装置のデバイス特性に及ぼす影響は小さい。
【００５１】
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、レーザー光を走査して種結晶を成長させるときに種結晶から成長する複数の結晶粒のうちの一つだけを選択するための領域を設け、この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｝面であり、且つ、エネルギービームの移動方向に沿って略〈００１〉方位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。
【００５２】
具体的には、種結晶を形成するための領域で成長した複数の結晶粒のうちの一つを選択するための領域として、レーザー光の走査方向に直交する方向の寸法が狭小になったくびれ領域がパターニングにより設けられる。このようなくびれ領域を設ければ、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領域を通過する際に、一つの結晶粒が選択される。
【００５３】
また、上記の複数の結晶粒のうちの一つを選択するための領域としては、半導体膜を、レーザー光の走査方向が屈曲される屈曲領域を設けてもよい。このような屈曲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屈曲領域を通過して、一つの結晶粒が選択される。
【００５４】
また、上記の複数の結晶粒のうちの一つを選択するための領域としては、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して、この接する部分を両領域を連結する連結部とするようにしてもよい。このような連結部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部を通過して、一つの結晶粒が選択される。
【００５５】
以上に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、且つ、エネルギービームの移動方向に沿って略〈００１〉方位になっており、さらに、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。
【００５６】
以下、本発明の結晶性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。
【００５７】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の結晶性半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。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１の結晶性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上の全面にわったって非晶質シリコン膜４３を５０ｎｍの膜厚に形成する。
【００５９】
次に、非晶質シリコン膜４３における一部の領域を種結晶形成領域４４として、３８０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス状エキシマレーザー光を繰り返して照射する。このパルス状エキシマレーザー光の照射により、種結晶形成領域４４に、｛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。
【００６０】
次に、種結晶形成領域４４に発生した結晶シリコンを種結晶として非晶質シリコン膜の全面を結晶化するためのレーザー光Ｃを、非晶質シリコン膜の表面に対して、図１に矢印Ｄに示すように、一定方向に走査させながら照射する。本実施の形態１では、このレーザー光Ｃとして、エネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス状エキシマレーザー光を用い、レーザー光の移動方向に沿う長さが２μｍ（非晶質シリコンを溶融できる長さが２μｍである）とする矩形状のレーザースポットとした。このレーザー光Ｃを、種結晶形成領域４４上を走査の開始位置として、１回のパルス状エキシマレーザー光の照射毎に０．５μｍずつ移動しながら照射する。このように、パルスレーザー光を照射しながら一定方向に走査することにより、種結晶形成領域４４に発生した結晶シリコンを種結晶として、レーザー光の走査方向に沿った横方向に結晶粒が成長する。このようにして成長した結晶粒は、種結晶が有する結晶面の性質を引き継いで成長するので、｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向する。また、結晶方位は、パルスレーザー光の移動方向に沿って略〈００１〉となる。したがって、本実施の形態１の結晶性半導体膜の形成方法により形成された結晶性シリコン膜は、膜面に平行な結晶面及び結晶方位が共に全面にわたって揃った結晶性のシリコン膜となり、このように形成された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。
【００６１】
（実施の形態２）
図２は、本実施の形態２の結晶性半導体膜の形成方法を説明する斜視図である。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。
【００６２】
本実施の形態２の結晶性半導体膜の形成方法では、まず、実施の形態１の結晶性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を順次堆積する。本実施の形態２の結晶性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、第一領域５４及び第二領域５５と、この第一及び第二領域５４及び５５の間に、幅方向寸法が狭小になっている連結領域５６を有するようにパターニングする。本実施の形態２では、連結部５６の寸法として、長手方向の寸法Ｌが１０μｍ、幅方向の寸法Ｗが１μｍの長さとした。
【００６３】
次に、前述の実施の形態１の結晶性半導体膜の形成方法と同様にして、非晶質シリコン膜５３の第一領域５４の一部の領域を種結晶形成領域５７として、この種結晶形成領域５７に対して、３８０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス状エキシマレーザー光を繰り返して照射する。このパルス状エキシマレーザー光の照射により、種結晶形成領域５７には、｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向した結晶シリコンが発生する。
【００６４】
次に、種結晶形成領域５７に発生した結晶シリコンを種結晶として非晶質シリコン膜５３の全面を結晶化するためのレーザー光Ｃを、非晶質シリコン膜５３の第一領域５４から連結領域５６を介して第二領域５５に順に照射されるように走査させながら照射する。本実施の形態２では、このレーザー光Ｃとして、エネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス状エキシマレーザー光を用い、レーザ光の移動方向に沿う長さが２μｍとする矩形状のレーザースポットとした。このレーザー光Ｃを、種結晶形成領域５７上を走査の開始位置として、１回のパルス状エキシマレーザー光の照射毎に０．５μｍずつ移動させながら照射する。このように、パルスレーザー光Ｃを照射しながら一定方向に走査することにより、種結晶形成領域５７に発生した結晶シリコンを種結晶として、レーザー光の走査方向に沿った横方向の結晶粒が成長する。このようにして成長した結晶粒は、種結晶が有する結晶面の性質を引き継いで成長するので、｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向する。また、結晶方位は、パルスレーザー光の移動方向に沿って、略〈００１〉となる。したがって、本実施の形態２の結晶性半導体膜の形成方法により形成された結晶性半導体膜は、膜面に平行な結晶面及び結晶方位が共に揃った結晶性のシリコン膜となる。さらに、本実施の形態２では、パルスレーザー光Ｃの走査により進められる結晶化が、第一領域５４から連結領域５６を通過する際に、図３に示すように、種結晶形成領域５７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５５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５５は、単結晶により形成された単結晶領域となる。以上のように形成された本実施の形態２の結晶性シリコン膜は、連結領域５６を経た第二領域５５において、膜面に平行な結晶面及び結晶方位が揃っており、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。
【００６５】
（実施の形態３）
図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施の形態３の結晶性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。
【００６６】
本実施の形態３の結晶性半導体膜の形成方法では、まず、実施の形態１の結晶性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の結晶性半導体膜の形成方法では、続いて、実施の形態２の結晶性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、｛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６４と、結晶化の後に半導体装置として使用される第二領域６５とが形成され、第一領域６４及び第二領域６５との間に形成される連結領域６６によって第一領域６４及び第二領域６５が連結されるようにパターニングされる。第一領域６４及び第二領域６５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ように形成され、第一領域６４及び第二領域６５を連結する連結領域６６は、長手方向に直交する幅方向の寸法が狭小になるように形成される。本実施の形態３では、連結領域６６を、絶縁基板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。
【００６７】
連結領域６６に対する第一領域６４及び第二領域６５のそれぞれの位置関係は任意でよく、図４（ａ）〜（ｂ）では、連結領域６６に対する第一領域６４及び第二領域６５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６４及び第二領域６５は、絶縁基板６１の幅方向において同一側の各端部側で連結領域６６に連結しており、図４（ｂ）では、第一領域６４及び第二領域６５は、絶縁基板６１の幅方向の異なる側の各端部で連結領域６６に連結している。図４（ｃ）では、第一領域６４は、一端部において連結領域６６に連結しており、第二領域６５は、幅方向中間部で連結領域６６に連結している。
【００６８】
次に、前述の実施の形態１の結晶性半導体膜の形成方法と同様にして、非晶質シリコン膜６３の第一領域６４の一部を種結晶形成領域６７として、この種結晶形成領域６７に対して、３８０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス状エキシマレーザー光を繰り返して照射する。このパルス状エキシマレーザー光の照射により、種結晶形成領域６７には、｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向した結晶シリコンが発生する。本実施の形態３では、このパルス状エキシマレーザーは、絶縁基板６１の長手方向に沿って長い矩形状のビームスポットとされ、これにより、パルス状エキシマレーザーを照射することにより形成される種結晶形成領域６７もパルス状エキシマレーザ光の矩形状のビームスポットに対応して、絶縁基板６１の長手方向に沿って長い矩形状となる。
【００６９】
次に、種結晶形成領域６７に発生した結晶シリコンを種結晶として非晶質シリコン膜６３の全面を結晶化するためのレーザー光を照射する。本実施の形態３では、種結晶形成領域６７を有する第一領域６４内において絶縁基板６１の幅方向に沿って（矢印Ｆの方向）走査する１回目のレーザー光Ｅの照射を行い、続いて、第一領域６４で成長した結晶粒を、連結領域６６を介して第二領域６５に成長させるための２回目のレーザー光Ｇの照射を絶縁基板６１の長手方向に沿って行う（矢印Ｈの方向）。したがって、１回目のレーザー光Ｅの照射の走査方向と２回目のレーザー光Ｇの走査方向とは互いに概略垂直になっている。種結晶形成領域６７にて発生された種結晶である結晶シリコンは、１回目のレーザー光Ｅの照射により絶縁基板６１の幅方向に沿って結晶成長され、２回目のレーザー光Ｇの照射により絶縁基板６１の長手方向に沿って結晶成長されるので、連結領域６７は、結晶の成長方向が屈曲した領域となる。したがって、この連結領域６７は、結晶の成長方向が屈曲する屈曲領域となっている。本実施の形態３では、１回目及び２回目のレーザー光として、エネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス状エキシマレーザーを用い、レーザー光の移動方向に沿う長さが２μｍとなる矩形状のビームスポットとした。
【００７０】
１回目のレーザー光Ｅの照射は、第一領域６４内の種結晶形成領域６７上を走査の開始位置として、１回のパルス状エキシマレーザー光の照射毎に０．５μｍずつ移動させながら第一領域６４の端部まで照射する。このように、パルスレーザー光を照射しながら、絶縁基板６１の幅方向に沿って走査することにより、種結晶形成領域６７に発生した結晶シリコンを種結晶として、レーザー光の走査方向である絶縁基板６１の幅方向に沿った横方向の結晶粒が成長する。このようにして成長した結晶粒は、種結晶が有する結晶面の性質を引き継いで成長するので、｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向する。また、結晶方位は、パルスレーザー光Ｅの走査方向である幅方向に沿って、略〈００１〉となる。１回目のパルスレーザー光を照射した後に行われる２回目のレーザー光Ｇの照射では、第一領域６４から連結領域６６を経て第二領域６５に向けてパルスレーザー光を走査する。これにより、１回目のレーザービームＥの照射により種結晶形成領域６７の種結晶から成長された結晶粒に基づいて、２回目のレーザー光Ｇの走査方向に沿った横方向の結晶粒が成長する。このようにして成長した結晶粒は第一領域６４に成長された結晶粒の結晶面の性質を引き継いで成長するので、｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向する。
【００７１】
絶縁基板６１の幅方向に沿って走査する１回目のレーザー光Ｅの照射により成長した結晶粒は、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であり、レーザー光の走査方向である幅方向に略〈００１〉の結晶方位になっている。２回目のパルスレーザー光Ｇは絶縁基板６１の長手方向に沿って走査され、１回目のパルスレーザー光Ｅの走査方向とは略垂直になっている。このため、２回目のパルスレーザー光Ｇの走査方向は、結晶粒の他の〈００１〉方位に対応する。すなわち、面内に平行な結晶面を｛１００｝面、１回目のパルスレーザー光の走査方向である絶縁基板６１の幅方向を［００１］方位とすると、２回目のパルス状エキシマレーザー光の走査方向は、［０１０］方位となる。
【００７２】
２回目のパルスレーザー光を照射しながら絶縁基板６１の長手方向に走査すると、図５（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示すように、第一領域６４にて結晶成長された複数の結晶粒のうち、最も連結領域６６に近い結晶粒が選択され、この結晶粒を種結晶としてパルスレーザー光の走査方向に沿って結晶成長が進み、連結領域６６を経た第二領域６５では、連結領域６６にて選択された結晶粒がパルスレーザー光の走査方向に沿って成長し、第二領域６５の全体が、選択された結晶粒に基づいた単結晶領域となる。ここで、シリコン結晶の［０１０］方位もパルス状エネルギービームの走査方向に揃いやすくなっているので、第二領域６５に成長された結晶粒の結晶方位は、略［０１０］方位となる。以上のように形成された本実施の形態３の結晶性シリコン膜は、連結領域６６を経た第二領域６５において、膜面に平行な結晶面及び結晶方位が揃っており、さらに、結晶粒界のない単結晶により形成される。本実施の形態３では、１回目及び２回目のレーザー光の走査方向が互いに概略垂直になっており、これにより、結晶の成長方向が連結領域６６で屈曲される。そして、連結領域６６を通過し得る結晶粒として、１回目のレーザー光照射で成長された結晶粒のうち、連結部に最も近傍する結晶粒が選択される。このため、本実施の形態３では、レーザ光の走査方向に直交する方向の寸法が狭小になったくびれ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。したがって、本実施の形態３の結晶性半導体膜の形成方法により形成された結晶性半導体膜を用いれば、より一層特性に優れた半導体措置を形成することができる。
【００７３】
（実施の形態４）
図６は、本実施の形態４の結晶性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。
【００７４】
本実施の形態４の結晶性半導体膜の形成方法では、まず、実施の形態１の結晶性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の結晶性半導体膜の形成方法では、続いて、実施の形態２の結晶性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、｛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７４と、結晶化の後に半導体装置として使用される第二領域７５とが形成され、この第一領域７４及び第二領域７５が、一部分において互いに接している連結領域７６が形成されるようにパターニングされる。第一領域７４及び第二領域７５は、絶縁基板７１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ように形成され、第一領域７４及び第二領域７５が接することにより形成される連結領域７６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。
【００７５】
次に、前述の実施の形態１の結晶性半導体膜の形成方法と同様にして、非晶質シリコン膜７３の第一領域７４を種結晶形成領域７７として、この種結晶形成領域７７に対して、３８０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス状エキシマレーザー光を繰り返して照射する。このパルス状エキシマレーザー光の照射により、種結晶形成領域７７には、｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向した結晶シリコンが発生する。
【００７６】
次に、種結晶形成領域７７に発生した結晶シリコンを種結晶として非晶質シリコン膜７３の全面を結晶化するためのレーザー光Ｉを、非晶質シリコン膜７３の第一領域７４から第二領域７５に向けて順に照射しながら走査する。本実施の形態４では、このレーザー光Ｉとして、エネルギー密度が４５０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス状エキシマレーザー光を用い、レーザー光Ｉの移動方向に沿う長さが２μｍとする矩形状にレーザースポットを形成した。このレーザー光Ｉを種結晶形成領域７７上を走査の開始位置として、１回のパルス状エキシマレーザー光の照射毎に矢印Ｊの方向に、０．５μｍずつ移動させながら照射する。このように、パルスレーザー光Ｉを照射しながら一定方向に走査することにより、種結晶形成領域７７に発生した結晶シリコンを種結晶として、レーザー光の走査方向に沿った横方向の結晶粒が成長する。このようにして成長した結晶粒は、種結晶が有する結晶面の性質を引き継いで成長するので、｛１００｝面が膜面に平行に優先的に配向する。また、結晶方位は、パルスレーザー光の走査方向に沿って、略〈００１〉となる。したがって、本実施の形態４の結晶性半導体膜の形成方法により形成された結晶性シリコン膜は、膜面に平行な結晶面及び結晶方位が共に揃った結晶性のシリコン膜となる。さらに、本実施の形態４では、パルスレーザー光の走査により進められる結晶化が、第一領域７４及び第二領域７５を連結する連結領域７６を通過する際に、図７に示すように、種結晶形成領域７７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７６に最も近い結晶粒が選択されて、第二領域７５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７５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７４にて成長する複数の結晶粒のうち、連結領域７６に最も近傍する結晶粒が選択されるので、実施の形態３と同様に、レーザー光の走査方向に直交する方向の寸法が狭小になったくびれ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。さらに、本実施の形態４の方法は、走査方向が異なる２回のパルスレーザー光の走査が必要な実施の形態３の方法とは異なり、一方向にパルスレーザー光を走査するだけでよいので、結晶化に要する操作が実施の形態３に比較して簡便である。以上に説明したように、本実施の形態４の結晶性半導体膜の形成方法により形成された結晶性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。
【００７７】
（実施の形態５）
図８は、本実施の形態５の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００７８】
本実施の形態５では、上述した実施の形態１〜４のいずれかにおいて説明した結晶性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５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、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。
【００７９】
以下、具体的に図８を参照しながら説明する。
【００８０】
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１〜４のいずれかに記載の結晶性半導体装置の形成方法により、結晶性のシリコン膜８３を５０ｎｍの膜厚に形成し、続いて、この結晶性シリコン膜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。
【００８１】
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、ＷＳｉ_２多結晶Ｓｉゲート電極８５を形成する。
【００８２】
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シリコン膜８３上に不純物を導入する。本実施の形態５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。
【００８３】
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、結晶性シリコン膜のソース・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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
（実施の形態６）
図９は、実施の形態５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。
【００８７】
本実施の形態６では、上記の実施の形態５と同様の方法で作製し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。
【００８８】
以下、本実施の形態６について、図９（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。
【００８９】
まず、上記の実施の形態５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５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。
【００９０】
実施の形態５の形成方法と同様にして、Ａｌ配線８７まで作製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ガス及びＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ法により、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する。
【００９１】
次に、ＳｉＯ_２膜９１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９１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。
【００９２】
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。
【００９３】
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を行った後、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。
【００９４】
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。
【００９５】
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、絶縁基板間に真球上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。
【００９６】
上記実施の形態１〜６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。
【００９７】
また、非晶質シリコン膜を横方向に成長されるために照射されるレーザー光としては、上記実施の形態１〜６においては、パルス状エキシマレーザー光を用いたが、他のレーザー光や荷電粒子等の他の方法を用いてもよい。
【００９８】
実施の形態２において形成されているくびれ部の幅、及び実施の形態３において形成された屈曲部の幅が、０．０５μｍより狭い場合、くびれ部、屈曲部に対して、種結晶形成領域にて形成された種結晶から成長した結晶粒がくびれ部または屈曲部を通過することができず、第二領域まで種結晶の結晶方位を引き継いが結晶粒が成長できなくなる。したがって、くびれ部の幅及び屈曲部の幅は、０．０５μｍ以上である必要がある。
【００９９】
一方、くびれ部の幅が５μｍより長く、あるいは屈曲部、実施の形態４にて形成された連結部の幅が２０μｍより長いと、くびれ部、屈曲部、連結部での結晶粒の選択効果が低下し、種結晶形成領域にて形成された種結晶から成長した複数の結晶粒がくびれ部や屈曲部を通過して第二領域まで成長し、第二領域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。
【０１００】
上記の実施の形態１〜４の結晶性半導体薄膜の形成方法に用いられているパルス状エネルギービームは、図１１（ａ）に示すように、１回の照射時に与えられるエネルギー密度分布２００のピーク位置２０１が前回の照射領域２０２内になるような走査速度に設定される。パルス状エネルギービームの走査速度が高速化されて、図１１（ｂ）に示すように、パルス状エネルギーのエネルギー密度分布２００のピーク位置２０１が前回の照射領域２０２の内部にないと、前回のパルス状エネルギービームの照射により成長された結晶粒に基づいた横方向の成長が進まない場合があり、その結果、不規則な結晶核が形成されて、結晶方位が制御されなくなるおそれがある。
【０１０１】
また、横方向の成長に用いられるパルス状エネルギービームが走査方向に沿って広くなっている場合、図１１（ａ）に示すように、１回の照射時に与えられるエネルギー密度分布２００のピーク位置２０１が前回の照射領域内になっていても、エネルギービームの１回の照射毎の移動量が１０μｍ以上になると、固化速度との関係で移動距離分の横方向の結晶成長ができなくなるため、結晶方位が制御されない結晶が発生するおそれがあるため、エネルギービームの１回の照射毎の移動量は１０μｍより小さくなるように設定される。
【０１０２】
【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は、基板上に形成された半導体膜に、該半導体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成長させて結晶性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、該結晶化工程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ビームを照射して、結晶面が膜面に平行に優先配向した結晶半導体を形成する結晶半導体形成工程と、該結晶半導体を種結晶として、該半導体膜を溶融するエネルギービームを所定の方向に走査しながら照射して、特定の結晶方位が該エネルギービームの走査方向に沿うよう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している。
【０１０３】
このように、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ビームを照射することにより、膜面に平行に｛１００｝面が優先配向した結晶半導体が発生し、この結晶半導体を種結晶として、続いて、該半導体膜を溶融するエネルギービームを所定の方向に走査しながら照射して、特定の結晶方位が該エネルギービームの走査方向に沿うように結晶成長させることにより、エネルギーの走査方向に略〈００１〉方位を有する結晶成長される。したがって、本発明の半導体膜の形成方法では、膜面に平行な結晶面が略｛１００｝面であり、且つ、結晶方位が略〈００１〉方位で揃った結晶粒を形成することができる。
【０１０４】
さらに、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を、結晶成長工程におけるエネルギービームを走査しながら照射することにより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パターニングすれば、エネルギービームが走査される際に、選択領域を通過するときに複数の結晶粒のうち一つのみが選択され、後の工程で半導体装置となる第二領域が単一の結晶粒に基づいた単結晶の領域となる。
【０１０５】
以上のように、膜面に平行な結晶面及び結晶方位が揃った結晶性の半導体膜を用いた半導体を形成すると、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、同一基板内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５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６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】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、パルス状エネルギービームのエネルギー密度分布と、前回の照射時の照射領域との関係を示しており、（ａ）は、エネルギー密度分布のピーク位置が前回の照射領域内にある場合、（ｂ）は、エネルギー密度分布のピーク位置が前回の照射領域外にある場合を示している。
【図１２】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１３】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１４】（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断面図である。
【図１５】従来例４の半導体膜の形成方法を説明する概略平面図である。
【符号の説明】
４１ 絶縁基板
４２ ＳｉＯ_２膜
４３ 非晶質シリコン膜
４４ 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 第一領域
５５ 第二領域
５６ 連結領域
５７ 種結晶形成領域
６１ 絶縁基板
６２ ＳｉＯ_２膜
６３ 非晶質シリコン膜
６４ 第一領域
６５ 第二領域
６６ 連結領域
６７ 種結晶形成領域
７１ 絶縁基板
７２ ＳｉＯ_２膜
７３ 非晶質シリコン膜
７４ 第一領域
７５ 第二領域
７６ 連結領域
７７ 種結晶形成領域

Claims (18)

1. 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成長させて結晶性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、該結晶化工程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ビームを照射して、結晶面が膜面に平行に優先配向した結晶半導体を形成する結晶半導体形成工程と、
   該結晶半導体を種結晶として、該半導体膜を溶融するエネルギービームを所定の方向に走査しながら照射して、特定の結晶方位が該エネルギービームの走査方向に沿うように結晶成長させる結晶成長工程と
   を包含し、
   該結晶半導体形成工程におけるエネルギービームの照射により、膜面に平行な結晶面が｛１００｝面の結晶半導体が発生し、該結晶成長工程におけるエネルギービームを走査しながら照射することにより、膜面に平行な結晶面が｛１００｝面であり、且つ、該エネルギービームの走査方向に沿って〈００１〉方位である結晶粒が形成されることを特徴とする半導体膜の形成方法。
2. 前記結晶半導体形成工程に用いられるエネルギービームのエネルギー密度は、３５０〜３９０ｍＪ／ｃｍ ^２ である、請求項１に記載の半導体膜の形成方法。
3. 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を、前記結晶成長工程におけるエネルギービームを走査しながら照射することにより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１または２に記載の半導体膜の形成方法。
4. 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、前記エネルギービームの走査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３に記載の半導体膜の形成方法。
5. 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、前記エネルギービームの走査方向に直交する方向が狭小になった連結領域であり、
   前記結晶成長工程は、該第一領域から該連結領域を経て該第二領域に至る方向とは異なる方向にエネルギービームを走査して、前記種結晶形成領域の複数の結晶半導体を成長させる第一のエネルギービーム照射工程と、該第一領域から該連結領域を経て該第二領域に至る方向にエネルギービームを走査して、第一領域の第一のエネルギービーム照射工程により形成された複数の結晶粒から一つを選択して、該連結領域を経て該第二領域に結晶成長させる第二のエネルギービーム照射工程とからなる、請求項３に記載の半導体膜の形成方法。
6. 前記第一のエネルギービーム照射工程によるエネルギービームの走査方向は、前記第二のエネルギービーム照射工程によるエネルギービームの走査方向に概略直交している、請求項５に記載の半導体膜の形成方法。
7. 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、前記結晶成長工程でのエネルギービームの走査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３に記載の半導体膜の形成方法。
8. 前記連結領域は、前記第一領域から前記連結領域を経て前記第二方向に走査されるエネルギービームの走査方向に直交する幅方向が０．０５μｍ以上、５μｍ以下である、請求項４に記載の半導体膜の形成方法。
9. 前記連結領域は、前記第一領域から前記連結領域を経て前記第二方向に走査されるエネルギービームの走査方向に直交する幅方向が０．０５μｍ以上、２０μｍ以下である、請求項５または６に記載の半導体膜の形成方法。
10. 前記連結領域は、前記第一領域から前記連結領域を経て前記第二方向に走査されるエネルギービームの走査方向に沿う長さが、２０μｍ以下である、請求項７に記載の半導体膜の形成方法。
11. 前記半導体膜は、シリコン膜である、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
12. 前記結晶形成工程に用いられるエネルギービーム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１〜１１のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
13. 前記結晶成長工程に用いられるエネルギービーム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以上に設定される、請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
14. 前記結晶成長工程に用いられるエネルギービームのエネルギー密度は、前記結晶形成工程に用いられるエネルギー密度より大きい、請求項１〜１３のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
15. 前記結晶形成工程に用いられるエネルギービームはパルス状エネルギービームである、請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
16. 前記結晶成長工程に用いられるエネルギービームはパルス状エネルギービームである、請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体膜の形成方法。
17. 前記結晶成長工程に用いられるパルス状のエネルギービームのエネルギー密度分布は、そのピーク位置が、前回のパルス状のエネルギービームの照射領域の内部に位置するように設定される、請求項１５または１６に記載の半導体膜の形成方法。
18. 前記結晶成長工程に用いられるパルス状のエネルギービームの１回の照射毎の移動量は、１０μｍより小さくなるように設定される、請求項１６または１７に記載の半導体膜の形成方法。

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