JP4584953B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、動作半導体膜を有する薄膜型の半導体装置の製造方法に関し、特に、動作半導体膜にソース／ドレインが形成され、チャネル領域上にゲート電極が形成されてなる薄膜トランジスタに適用して好適である。

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）は、極めて薄く微細な動作半導体膜に形成されるものであるため、近時の大面積化の要請を考慮して大画面の液晶パネル等への搭載が期待されている。

ＴＦＴの動作半導体膜としては、非晶質シリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）に比してキャリア移動度が高く熱的に安定なことから、多結晶シリコン膜の使用が検討されている。現在のところ、多結晶シリコン膜を用いた動作半導体膜の形成方法としては、以下に示す手法が利用されている。

（１）ａ−Ｓｉ膜に６００℃〜１１００℃程度の熱処理を加えて結晶化し、多結晶シリコン膜を形成する方法が採用されている。この手法は、熱処理の初期段階に結晶の核を形成させ、これを成長させることにより結晶化を図る。
（２）ａ−Ｓｉ膜をレーザのエネルギーを加えて熔融させ、冷却時に結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する。
（３）６００℃以上の温度において化学気相成長法、または物理蒸着法により直接多結晶シリコン膜を形成する。

ここでは、ガラス基板上に半導体薄膜を形成する方法を例に採り、従来の技術の問題点を論ずる。基板材料にはガラスを利用するために、基板の温度は６００℃以下に限定される。

（１）に述べた結晶成長方法では、６００℃という熱処理温度を必要とするが、この温度はガラスにとって高温度で熱処理することに相当し、ガラスに変形が生じる。また、成長した結晶内には積層欠陥や双晶を多量に含んでおり、結晶性の良い多結晶シリコン膜の形成は望めない。
（３）に述べた結晶成長方法では、柱状結晶が形成され、結晶粒径も小さいために結晶性が十分ではなく、高い移動度を示す結晶を形成できない。

（２）に述べたレーザアニールを利用する方法では、基板の温度を上昇させないことを考慮して使用できるレーザはエキシマレーザに限定される。エキシマレーザを利用した場合には、溶融相を経由して結晶が成長されるため高品質な多結晶シリコン膜が得られる。しかし、高品質の多結晶シリコン膜が得られるエネルギー領域が非常に狭いという問題点がある。また、エキシマレーザを利用した場合には、表層のシリコン薄膜領域のみが溶融して高温度になるが、ガラス自身の温度は低い。そのためシリコン融液の冷却速度が大きくなる。

そのため、過冷却状態での融液成長となり、多量の結晶核が形成され、結晶粒径が小さい。通常、３００ｎｍから６００ｎｍ程度の結晶粒径となる。結晶性が最も良いエキシマレーザを利用して多結晶シリコン薄膜を形成した場合、薄膜トランジスタの移動度は２００ｃｍ²／Ｖｓ程度であり、単結晶シリコンの移動度６００ｃｍ²／Ｖｓと比較して遥かに小さい。この原因は、結晶粒径が小さく結晶粒界部分がキャリアの強い散乱体として作用するためである。

このように従来では、動作半導体膜を多結晶シリコン膜から構成するも、結晶粒界による移動度の低下を抑えることができず、高品質の動作半導体膜を確実に得ることが困難であるという深刻な問題がある。

そこで本発明は、結晶粒界の影響が無視し得るほど小さい半導体薄膜から動作半導体膜を形成し、極めて高い移動度を実現する薄膜型の半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、基板と、前記基板の上方にパターン形成された動作半導体膜とを備えてなる薄膜型の半導体装置の製造方法であって、前記基板の上方に前記動作半導体膜となる半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜を、幅広領域と幅狭領域とが連結され、且つ前記幅狭領域が前記動作半導体膜の長手方向と平行となる形状に加工する工程と、前記半導体膜を加工した後、前記幅狭領域の側部位を覆うように、分離膜を介して当該幅狭領域の保温膜を形成する工程と、ビームスポットの走査面を前記半導体膜の長手方向に直交する位置から傾斜させて前記半導体膜に対して前記幅広領域から前記幅狭領域へ向かって、時間に対して連続的にエネルギーを出力するＣＷレーザ光であるエネルギービームを照射し、前記半導体膜を結晶化する工程とを含む。

この場合、前記半導体膜にエネルギービームを照射するに際して、前記半導体膜の長手方向に沿って前記ビームスポットを走査することが好ましい。

上記の考察から、移動度の低下を引き起こす結晶粒界の発生を抑制することができれば、移動度は向上し、半導体素子の性能が向上する。このためには、動作半導体膜を粒径の大きい結晶粒から構成すればよく、完全な単結晶半導体であることが究極の姿である。

本発明の半導体装置の製造方法では、動作半導体膜が、幅広領域では結晶粒の大きいフローパターンの結晶状態、幅狭領域ではほぼ単結晶状態とされて構成される。ここで、幅狭領域にはフローパターンによる結晶粒界は実質的に存在せず、従って幅狭領域をチャネルとして用いれば、必然的に高移動度の半導体装置を実現できる。

本発明によれば、結晶粒界の影響が無視し得るほど小さい半導体薄膜から動作半導体膜を形成し、極めて高い移動度の薄膜型の半導体装置が実現する。

以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態では、半導体装置として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を例示し、その構成を製造方法とともに説明する。

−動作半導体膜の構造−
当該製造方法を述べるにあたって、先ず本発明の特徴であるＴＦＴの動作半導体膜の構造について説明する。

本発明の特徴である動作半導体膜に要求される最重要ポイントは、当該動作半導体膜のチャネル部位をほぼ単結晶構造とすることである。種結晶が存在しない基板上にかかる構成の動作半導体膜を形成するには、以下のメカニズムを実現することが重要となる。
（１）１つの結晶粒を形成するためのメカニズム
（２）成長方向を制御するメカニズム
（３）成長中に他の結晶粒の発生を抑えるメカニズム

（１）について
１つの結晶粒を形成するには、余分な結晶粒界を単結晶を形成したい領域から排除すればよい。

（２）について
エキシマレーザ結晶化（ＥＬＣ）は高速の溶融・凝固の過程による。結晶は融液シリコンと下地との界面で偶然に形成された結晶核から成長する。この結晶核の位置を制御することは極めて困難である。結晶核の数が少ない場合には、結晶粒径はシリコン膜厚よりもはるかに大きく、距離は短いながらもラテラル成長が生じていると見なすことができる。その結晶サイズは隣の結晶核から成長してきた結晶粒の衝突で決まる。このラテラル成長は人為的に制御されたものではなく自然現象による。これに対して、時間に対して連続的にエネルギーを出力するエネルギービーム、ここではＣＷレーザを利用した結晶化過程では、エネルギービームをスキャンすることによりフローパターンを形成し、成長方向をある程度の距離にわたって制御することが可能である。

（３）について
目的とする結晶粒以外の成長を抑制するには、半導体膜の温度勾配を制御すればよい。

チャネル領域を単結晶で形成するには、フローパターンの境界となる結晶粒界がチャネル領域に進入することを防止する必要がある。そこで本発明では、後述するように、前記（１）〜（３）のメカニズムを踏まえ、結晶粒界のチャネル領域への進入を防止するメカニズムを提起する。

−動作半導体膜の形成方法−
次に、動作半導体膜の形成方法について説明する。

［第１の形成方法］
初めに第１の形成方法について説明する。図１及び図２は、動作半導体膜の第１の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１上に膜厚４００ｎｍ程度にバッファー層となるシリコン酸化膜２を形成した後、半導体膜として膜厚２００ｎｍ程度に、ここではアモルファスシリコンからなる非晶質シリコン膜３をＰＥＣＶＤ法で形成する。非晶質シリコン膜３の膜厚は、後述する保温膜の膜厚との関係から、４００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とする。次に、水素出しのためにガラス基板１に４５０℃で２時間の熱処理を加える。

続いて、図１（ｂ）に示すように、非晶質シリコン膜３を島状に加工する。本実施形態では、図３に示すように、幅広領域３ａと幅狭領域３ｂとを有し、幅狭領域３ｂが幅広領域３ａに対して非対称に位置するように連結されてなる形状となるように、フォトリソグラフィー及びドライエッチングによりパターニングする。ここで、幅広領域３ａと幅狭領域３ｂとの境界近傍がネッキング領域となる。

続いて、図１（ｃ）に示すように、非晶質シリコン膜３の全面（側面及び上面）を覆うように、分離膜となるシリコン酸化膜４をＰＥＣＶＤ法により膜厚５０ｎｍ程度となるように形成する。

続いて、図１（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜４を介して非晶質シリコン膜３を覆うように非晶質シリコン膜を膜厚２５０ｎｍ程度に形成し、ニッケル（Ｎｉ）を利用した金属誘起固相成長により非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜５に変化させる。固相成長を誘起する金属不純物にはＮｉ以外のものを用いてもよい。このとき、固相成長温度を５７０℃、熱処理時間を８時間とする。この処理により、膜厚３００ｎｍ程度の非晶質シリコン膜は多結晶シリコン膜５に変化するが、分離膜であるシリコン酸化膜４に覆われた非晶質シリコン膜３はシリコン酸化膜４がＮｉの拡散を防止するために、非晶質シリコンの状態に保たれる。

ここで、化学気相成長法又は物理蒸着法により非晶質シリコン膜３を覆うように当初から多結晶シリコン膜５を形成するようにしてもよい。また、アモルファス状のシリコンを利用しても好適である。

続いて、図２（ａ）及び図４に示すように、多結晶シリコン膜５を幅狭領域３ｂの側部位を覆う島状にパターニングし、続いて露出したシリコン酸化膜４をＨＦ溶液を用いて除去する。このとき、幅狭領域３ｂの表面は側部位を除き露出している。

続いて、図２（ｂ）に示すように、幅狭領域３ｂをシリコン酸化膜４を介して多結晶シリコン膜５が保温膜として側面から囲む状態で、上面からＣＷレーザ光、ここでは半導体励起（ＬＤ励起）の固体レーザ（ＤＰＳＳレーザ）を照射し、非晶質シリコン膜３を結晶化させ、動作半導体膜１１を形成する。

ここで一例として、上記の固体レーザは、波長が５３２ｎｍの第２高調波を用いた半導体ＬＤ励起のＮｄ：ＹＶＯ₄レーザであり、出力は１０Ｗである。半導体ＬＤ励起の固体レーザは、そのエネルギービームの不安定性を示すノイズ（光ノイズ）が、１０Ｈｚ〜２ＭＨｚの領域で０．１ｒｍｓ％以下、エネルギービームの出力不安定性が±１％／時間より小とされており、他のエネルギービームに比べて格段に優れている。

なお、ＣＷレーザ光照射部位は基板表面側に限定したものではなく、裏面側から行っても良い。

ＣＷレーザ光の照射方向（走査（スキャン）方向）としては、図５に示すように、面積の大きい幅広領域３ａから面積の小さい幅狭領域３ｂへ向かって、幅狭領域３ｂの長手方向に平行に走査する。このとき、幅が急激に狭くなる部位であるネッキング領域がいわゆるフィルター効果を奏し、多くの結晶粒界がこの領域で消滅し、結晶粒界の幅狭領域３ｂへの進入が抑止されるために、単結晶シリコンが形成される。なお、ＣＷレーザ光の照射に際して、幅狭領域３ｂに整合させて、連続的にエネルギーを出力するＣＷレーザ光をパルス変調にして照射するようにしても良い。

本形成方法におけるＣＷレーザ光照射による単結晶シリコン形成のメカニズムを以下で説明する。
この非晶質シリコン膜３は、幅狭領域３ｂの側部位のみが保温膜となる厚い多結晶シリコン膜５で覆われているために、側面の多結晶シリコン膜５が熱浴として作用する。その結果、幅狭領域３ｂの側面から結晶核が発生することはない。この場合、幅狭領域３ｂの中心部分から温度低下が進行して結晶化してゆくが、幅狭領域３ｂの側部位のみが多結晶シリコン膜５で選択的に覆われていることにより、当該側部位が最も温度低下し難くなり、効率的な結晶化が実現する。ネッキング領域で選択された単一結晶粒は、幅狭領域３ｂの結晶化の際における種結晶として作用する（図６（ａ））。ＣＷレーザ光は幅狭領域３ｂに平行に走査されるので固液界面も幅狭領域３ｂに平行に移動する。結晶化はただ１つの種結晶から進行するために、幅狭領域３ｂには単結晶シリコンが形成されることになる（図６（ｂ））。

幅広領域３ａにおける結晶成長は、幅広領域３ａのエッジにて結晶核が形成され、内部へ向かって成長が進行する。

そして、幅広領域３ａでは、図７（ａ）に示すように、結晶粒径が５μｍ以上、即ちエキシマレーザ結晶化（ＥＬＣ）による結晶粒径の１０倍〜１００倍の大きさに相当する大粒径の走査方向に流れるような形状（フローパターン）に結晶成長がなされる。このとき、結晶粒界は幅広領域３ａの中心に向かって進行する。
実際にＳＥＭにより観測した結果を図７（ｂ）に示す。この画像ではセコエッチングを行い、結晶粒界を顕在化させた様子を示す。

ここで、本例との比較のため、幅狭領域３ｂを幅広領域３ａに対して対称となるように形成した一例を図７（ｃ）に示す。このように、幅広領域３ａで形成されたフローパターンの結晶粒界は幅広領域３ａの中心に向かって進行する傾向にあるので、幅広領域３ａの中央部分に幅狭領域３ｂを設定すると、結晶粒界が幅狭領域３ｂに多量に進入する。この場合、幅狭領域３ｂにおける単結晶成長の可能性は極めて低くなる。

これに対して本例では、幅狭領域３ｂが幅広領域３ａに対して非対称となるように形成されているため、結晶粒界は幅狭領域３ｂへ向かって斜めに走ることになり、幅狭領域３ｂの幅広領域３ａとの境界部位では結晶粒界が幅狭領域３ｂの壁と衝突し消滅し、幅狭領域３ｂの内部まで進入することが抑止される。これにより幅狭領域３ｂは極めて単結晶状態になり易い。

また、ＣＷレーザ光は面積の大きい幅広領域３ａから面積の小さい幅狭領域３ｂへ向けて走査されるため、結晶粒は走査距離が長いほど大きく成長する傾向があることによる。大きな結晶粒が形成されると幅狭領域３ｂに結晶粒界が入りこむ確率も減少する。従って、幅狭領域３ｂの幅は結晶粒の幅よりも狭いことが望ましい。

また、幅狭領域３ｂにおいては、ＣＷレーザ光による溶融の後の固化時に、中央部位で低温度、周辺部位で高温度に温度分布が形成される。このため、中央部位から周辺部位に向かって温度勾配が形成され、幅狭領域３ｂに結晶粒界が混入しても成長中に外に向かって逃げてゆく。即ち、走査距離が長くなれば欠陥部分は全て外部に逸れてゆき、これにより単結晶の形成が助長される。
以上のメカニズムにより、幅狭領域３ｂが単結晶化される。

続いて、図２（ｃ）及び図８に示すように、形成された動作半導体膜１１のシリコン酸化膜４及び多結晶シリコン膜５が存在しない部分をレジスト膜１２で覆う。

そして、図２（ｄ）に示すように、レジスト膜１２をマスクとして多結晶シリコン膜５をドライエッチングして除去した後、レジスト膜１２を灰化処理等により除去し、次いでシリコン酸化膜４をＨＦ溶液により除去する。
以上により、動作半導体膜（シリコン島）１１を完成させる。

完成した動作半導体膜１１の結晶状態のＳＥＭ写真を図１０に示す。
ここでは、欠陥を明瞭化させるためにセコエッテングを行っており、幅狭領域１１ｂのみを残すマスクパターンを利用して幅狭領域１１ｂの結晶性を調べた。そのために幅広領域１１ａの一部が消失している。この写真からも、幅狭領域１１ｂが単結晶状態となっていることが確認される。

このようにして形成したシリコン島を利用して、図９に示すように、更に新たなパターニングにより、幅広領域１１ａに対して幅狭領域１１ｂが対称となる形状のＴＦＴの動作半導体膜１１を形成しても良い。ここで、膜の剥離等の欠陥はシリコン島の周縁部位に発生しがちであるため、当該パターニングにより周縁部位を除去することで欠陥の無いより良好な動作半導体膜が形成される。

−変形例−
ここで、良好な結晶成長を考慮し、パターニング形状の異なる動作半導体膜を形成する変形例について説明する。
本例では、非晶質シリコン膜３を島状に加工するに際して、図１１に示すように、幅狭領域３ｂに、後のレーザ光照射工程において幅広領域３ａのフローパターンの結晶粒界の一部が差し掛かる一端部に切り欠き部１３を形成しておく。これにより、フローパターンの結晶粒界の幅狭領域３ｂ内への進入が更に抑止され、より確実な単結晶化が実現する。

［第２の形成方法］
次に、第２の形成方法について説明する。図１２及び図１３は、動作半導体膜の第１の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図１２（ａ）に示すように、ガラス基板１上に膜厚４００ｎｍ程度にバッファー層となるシリコン酸化膜２を形成した後、半導体膜として膜厚２００ｎｍ程度に、ここではアモルファスシリコンからなる非晶質シリコン膜３１をＰＥＣＶＤ法で形成する。非晶質シリコン膜３１の膜厚は、保温膜の膜厚との関係から、４００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とする。次に、水素出しのためにガラス基板１に５５０℃で２時間の熱処理を加える。

続いて、図１２（ｂ）及び図１４に示すように、非晶質シリコン膜３１を、幅広領域３１ａ及び幅狭領域３１ｂを有し、幅狭領域３１ｂが幅広領域３１ａに対して対称に位置するように連結されてなる形状となるように、フォトリソグラフィー及びドライエッチングによりパターニングする。ここで、幅広領域３１ａと幅狭領域３１ｂとの境界近傍がネッキング領域となる。

続いて、図１２（ｃ）に示すように、非晶質シリコン膜３１の全面（側面及び上面）を覆うように、分離膜となるシリコン酸化膜４をＰＥＣＶＤ法により膜厚５０ｎｍ程度となるように形成する。

続いて、図１２（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜４を介して非晶質シリコン膜３１を覆うように非晶質シリコン膜を膜厚２５０ｎｍ程度に形成し、ニッケル（Ｎｉ）を利用した金属誘起固相成長により非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜５に変化させる。固相成長を誘起する金属不純物にはＮｉ以外のものを用いてもよい。このとき、固相成長温度を５７０℃、熱処理時間を８時間とする。この処理により、膜厚３００ｎｍ程度の非晶質シリコン膜は多結晶シリコン膜５に変化するが、分離膜であるシリコン酸化膜４に覆われた非晶質シリコン膜３１はシリコン酸化膜４がＮｉの拡散を防止するために、非晶質シリコンの状態に保たれる。

ここで、化学気相成長法又は物理蒸着法により非晶質シリコン膜３１を覆うように当初から多結晶シリコン膜５を形成するようにしてもよい。また、アモルファス状のシリコンを利用しても好適である。

続いて、図１３（ａ）及び図１５に示すように、多結晶シリコン膜５を幅狭領域３１ｂの側部位を覆う島状にパターニングし、続いて露出したシリコン酸化膜４をＨＦ溶液を用いて除去する。このとき、幅狭領域３１ｂの表面は側部を除き露出している。

続いて、図１３（ｂ）に示すように、幅狭領域３ｂをシリコン酸化膜４を介して多結晶シリコン膜５が保温膜として側面から囲む状態で、上面からＣＷレーザ光、ここでは半導体励起（ＬＤ励起）の固体レーザ（ＤＰＳＳレーザ）を照射し、非晶質シリコン膜３１を結晶化させ、動作半導体膜３２を形成する。

ここで一例として、上記の固体レーザ、ここではＣＷレーザは、波長が５３２ｎｍの第２高調波を用いた半導体ＬＤ励起のＮｄ：ＹＶＯ₄レーザであり、出力は１０Ｗである。半導体ＬＤ励起の固体レーザは、そのエネルギービームの不安定性を示すノイズ（光ノイズ）が、１０Ｈｚ〜２ＭＨｚの領域で０．１ｒｍｓ％以下、エネルギービームの出力不安定性が±１％／時間より小とされており、他のエネルギービームに比べて格段に優れている。

なお、ＣＷレーザ光照射部位は基板表面側に限定したものではなく、裏面側から行っても良い。

本形成方法では、ＣＷレーザ光を非晶質シリコン膜３１に照射するに際して、図１６に示すように、ＣＷレーザ光のビームスポット４１の走査面４２を非晶質シリコン膜３１の長手方向（図中、Ｘ軸で示す）に直交する位置（図中、Ｙ軸で示す）から所定角度だけ傾斜させ（傾斜角φ）、非晶質シリコン膜３１の長手方向に直交する方向（図中、Ｙ軸及び矢印Ｍで示す）にビームスポット４１を走査する。ここで、ビームスポット４１としては、走査面４２が帯形状又は楕円形状とされたものを用いることが好ましい。このとき、幅が急激に狭くなる部位はネッキング領域として作用するために、単結晶シリコンが形成される。

本形成方法におけるＣＷレーザ光照射による単結晶シリコン形成のメカニズムを以下で説明する。
図１７に示すように、ＴＦＴのチャネルとなる幅狭領域３１ｂを単結晶で形成するには、幅狭領域３１ｂにおける結晶核の発生を抑止するとともに、幅広領域３１ａにおける面積の大きい領域Ａで成長した結晶粒の境界となる結晶粒界が幅狭領域３１ｂに侵入することを防止する必要がある。本形成方法では、幅狭領域３１ｂの幅広領域３１ａとの境界部分に対してビームスポット４１を傾斜させながらスキャン照射しており、結晶粒界はビームスポット４１の走査面４２の境界と直交する方向に形成されるために、結晶粒界がＸ軸方向に対してビームスポット４１を傾斜させた割合だけ斜めに形成させる。このことにより、ある結晶核から成長した単一結晶粒の結晶粒界が幅狭領域３１ｂに侵入しても、結晶粒界は幅狭領域３１ｂへ向かって斜めに走ることになり、幅狭領域３１ｂの幅広領域３１ａとの境界部位では結晶粒界が幅狭領域３１ｂの壁と衝突して殆ど消滅するため、結晶粒界が幅狭領域３１ｂの内部まで進入することが抑止される。これにより幅狭領域３１ｂは極めて単結晶状態になり易い。

本形成方法の場合、前述した第１の形成方法と異なり、幅広領域３ａと幅狭領域３ｂとの境界部位で結晶粒界が確実に斜めに進入する。即ち本形成方法によれば、幅狭領域３１ｂの壁への結晶粒界の衝突を、言わば偶発性に依存することなく確実に惹起させることができる。

上記の説明内容を踏まえれば、ビームスポット４１の走査面４２の傾斜角φとしては、＋１５°〜＋７５°又は−７５°〜−１５°とすることが好ましい。＋１５°以下（−１５°以上）であると、幅狭領域３１ｂの壁への結晶粒界の衝突が困難となり、＋７５°以上（−７５°以下）であると、幅狭領域３１ｂの単結晶化率が低下するために、ＣＷレーザ光の非晶質シリコン膜３１への実効的な照射を確保することが困難となるからである。

また、非晶質シリコン膜３１は、幅狭領域３１ｂの側部位のみが保温膜となる厚い多結晶シリコン膜５で覆われているために、側面の多結晶シリコン膜５が熱容量の大きい熱浴として機能し、融液の冷却速度を小さくし、且つ非晶質シリコン膜３１の温度分布を制御して、核形成位置及び結晶成長方向を制御する。この場合、幅狭領域３１ｂの中心部分から温度低下が進行して結晶化してゆくが、幅狭領域３１ｂの側部位のみが多結晶シリコン膜５で選択的に覆われていることにより、当該側部位が最も温度低下し難くなり、効率的な結晶化が実現する。その結果、幅狭領域３１ｂの側壁から結晶核が発生することなく、確実に大粒径の結晶状態を実現することができる。

また、結晶粒はレーザ走査距離が長いほど大きく成長する傾向があることから、斜め方向に結晶成長させることは有益である。更に、第１の形成方法のように、幅狭領域３１ｂを幅広領域３１ａに対して非対称に形成すること、並びに幅広領域３１ａを大きく形成することにより、更にレーザ走査距離を伸ばすことが可能となる。巨大結晶粒が形成されると幅狭領域３１ｂに結晶粒界の入り込む確率もより減少する。

幅狭領域３１ｂにおいては、ＣＷレーザ光による溶融の後の固化時に、中央部位で低温度、周辺部位で高温度に温度分布が形成される。このため、中央部位から周辺部位に向かって温度勾配が形成され、幅狭領域３１ｂに結晶粒界が混入しても成長中に外に向かって逃げてゆく。即ち、走査距離が長くなれば欠陥部分は全て外部に逸れてゆき、これにより単結晶の形成が助長される。
以上のメカニズムにより、幅狭領域３１ｂが単結晶化される。

しかる後、第１の形成方法と同様に、図１３（ｃ）に示すように、形成された動作半導体膜３２のシリコン酸化膜４及び多結晶シリコン膜５が存在しない部分をレジスト膜１２で覆う。

そして、図１３（ｄ）に示すように、レジスト膜１２をマスクとして多結晶シリコン膜５をドライエッチングして除去した後、レジスト膜１２を灰化処理等により除去し、次いでシリコン酸化膜４をＨＦ溶液により除去する。
以上により、動作半導体膜３２（シリコン島）を完成させる。

完成した動作半導体膜３２の結晶状態の光学顕微鏡による写真を図１８に示す。
ここでは、ビームスポットに傾斜角φを付与して結晶化した時の一例として、傾斜角φ＝４５°としたものを例示する。幅狭領域には大きな結晶粒界は無く単一結晶粒となっていることが確認できる。また、幅狭領域の膜の干渉色にも大きな色の変化が見えないことから、平坦な膜が得られていることが判る。動作半導体膜の平坦性としては、表面粗さＲａが７程度以下であれば充分に平坦であるとみなせる。実際、この幅狭領域の表面粗さＲａをＡＦＭ観察像により調べたところ、Ｒａ＝６．１ｎｍであった。

次に、図１８の光学顕微鏡写真（傾斜角φ：４５度）と同一領域の幅狭領域をＴＥＭにより観察した結果を図１９に示す。
電子回折像では転位などの無いきれいなパターンが見られ、５μｍ×２０μｍほどの幅狭領域には結晶粒界が全く見られず、単一結晶粒であることが判る。また、電子回折像からこの幅狭領域の単結晶状態は（１１０）配向であることが判る。また同様に、単結晶状態として（１００）配向に制御することも可能である。実際、本発明者が幅狭領域の単結晶状態を調べたところ、傾斜角φが１５°〜４５°、好ましくは３０°〜４５°であれば（１００）配向、傾斜角φが４５°〜７５°、好ましくは４５°〜６０°であれば（１１０）配向となり易い傾向にあることが判った。

以上のことから、本形成方法によれば、非晶質シリコン膜３１の幅狭領域３１ｂを結晶化するに際して、結晶性の優れた単一結晶粒の形成、及び結晶の配向性の制御が可能である。

このようにして形成したシリコン島を利用して、図２０に示すように、更に新たなパターニングにより、幅広領域３２ａ及び幅狭領域３２ｂを有するＴＦＴの動作半導体膜３２を形成しても良い。ここで、膜の剥離等の欠陥はシリコン島の周縁部位に発生しがちであるため、当該パターニングにより周縁部位を除去することで欠陥の無い良好な動作半導体膜が形成される。

−変形例−
上述した第２の形成方法では、ＣＷレーザ光を非晶質シリコン膜３１に照射するに際して、ビームスポット４１の走査面４２を傾斜角φだけ傾斜させ非晶質シリコン膜３１の長手方向に直交する方向にビームスポット４１を走査する旨を開示したが、本変形例では、図２１に示すように、ビームスポット４１の走査面４２を傾斜角φだけ傾斜させ、当該傾斜角φの方向（図中、矢印Ｎで示す）にビームスポット４１を走査する。なお、本変形例では、ビームスポット４１の走査方向のみが第２の形成方法と異なり、動作半導体膜３２の形状や結晶化の態様及びそのメカニズム、及びＣＷレーザの構成やその使用態様（走査方向を除く）等については、第２の形成方法と同様である。

完成した動作半導体膜３２の結晶状態の光学顕微鏡による写真を図２２に示す。
ここでは、ビームスポットに傾斜角φを付与して結晶化した時の各例として、傾斜角φ及び走査方向＝−４５°、３０°、４５°、６０°としたものをそれぞれ図２２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に例示する。各々の写真において、幅狭領域には大きな結晶粒界は無く単一結晶粒となっていることが確認できる。また、幅狭領域の膜の干渉色にも大きな色の変化が見えないことから、平坦な膜が得られていることが判る。

次に、図２２の光学顕微鏡による写真（傾斜角φ及び走査方向＝３０°、４５°、６０°）と同一の幅狭領域をＥＢＳＤ（Electron Back Scattered Diffraction）装置により観察したマッピング解析結果を図２３に示す。図（ａ），（ｂ），（ｃ）がそれぞれ傾斜角φ及び走査方向＝３０°、４５°、６０°に対応している。各図中、結晶粒表面の方位が（１００）に対してどの方向を示しているかを基本三角形の色で表している。

結晶方位の指標を示すＩＰＦ（Inverse Pole Figure）マップ解析では、幅狭領域の全域で大きな色変化は無く同一色で示されていることから、単一結晶粒であることが判る。また、ＥＢＳＤ装置における鮮明さの指標を示すＩＱ（Image Quality）マップ解析でも、幅狭領域の結晶粒を鮮明に確認できることから、幅狭領域では結晶粒界や表層歪の無い結晶性の非常に優れた結晶粒が形成されていることが判る。

また、同一の傾斜角φ及び走査方向によるレーザ走査で形成した幅狭領域の部分をそれぞれ任意に選択してＥＢＳＤ解析したところ、同一の傾斜角φ及び走査方向では各々の結晶の配向性が（１００）に比較的近いことが示された。このことから、傾斜角φ及び走査方向を調節することにより結晶の配向性をある程度制御可能であることが判る。具体的に、本発明者が幅狭領域の単結晶状態を調べたところ、傾斜角φが１５°〜４５°、好ましくは３０°〜４５°であれば（１００）配向、傾斜角φが４５°〜７５°、好ましくは４５°〜６０°であれば（１１０）配向となり易い傾向にあることが判明した。

本変形例においても、第２の形成方法と同様に、幅狭領域３１ｂの壁への結晶粒界の衝突を、言わば偶発性に依存することなく確実に惹起させることが可能であり、幅狭領域３１ｂを確実に大粒径の単結晶状態とすることができる。

−ＴＦＴの作製−
上記の如く形成された動作半導体膜１１又は３２を用いて、ＴＦＴ（ｎチャネルＴＦＴ）を製造する。図２４〜図２７は、本実施形態に係るＴＦＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。以下、第１の形成方法による動作半導体膜１１を用いるものとして説明する。

先ず、図２４（ａ）に示すように、ガラス基板２１上にバッファーとなるシリコン酸化膜２２を介して上記の手法により形成された動作半導体膜１１を用意する。ここでは、動作半導体膜１１の幅狭領域１１ｂがチャネルとして機能することになる。

続いて、図２４（ｂ）に示すように、動作半導体膜１１上に膜厚１２０ｎｍ程度にゲート酸化膜となるシリコン酸化膜２３をＰＥＣＶＤ法により形成する。このとき、他の手法、例えばＬＰＣＶＤ法又はスパッタリング法等を利用しても良い。

続いて、図２４（ｃ）に示すように、膜厚３５０ｎｍ程度となるようにアルミニウム膜（又はアルミニウム合金膜）２４をスパッタリング法により成膜形成する。

続いて、図２５（ａ）に示すように、アルミニウム膜２４をフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより電極形状にパターニングし、ゲート電極２４を形成する。

続いて、図２５（ｂ）に示すように、パターニングされたゲート電極２４をマスクとしてシリコン酸化膜２３をパターニングし、ゲート電極２４の形状に倣った形状のゲート酸化膜２３を形成する。

続いて、図２５（ｃ）に示すように、ゲート電極２４をマスクとして動作半導体膜１１のゲート電極２４の両側部位にイオンドープする。具体的には、ｎ型不純物、ここではリン（Ｐ）を加速エネルギー１０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０¹⁵／ｃｍ²の条件でイオンドープし、ソース／ドレイン領域を形成する。

続いて、図２６（ａ）に示すように、ソース／ドレイン領域のリンを活性化するためにエキシマレーザ照射を行った後、図２６（ｂ）に示すように、全面を覆うように膜厚３００ｎｍ程度にＳｉＮを堆積し、層間絶縁膜２５を形成する。

続いて、図２７（ａ）に示すように、ゲート電極２４上、動作半導体膜１１のソース／ドレイン領域上をそれぞれ露出させる各コンタクトホール２６を層間絶縁膜２５に開口形成する。

続いて、図２７（ｂ）に示すように、各コンタクトホール２６を埋め込むようにアルミニウム等の金属膜２７を形成した後、図２７（ｃ）に示すように、金属膜２７をパターニングし、それぞれコンタクトホール２６を通じてゲート電極２４、動作半導体膜１１のソース／ドレイン領域と導通する配線２７を形成する。
しかる後、全面を覆う保温膜の形成等を経て、ｎ型ＴＦＴを完成させる。

実際に、本実施形態のｎ型ＴＦＴを、動作半導体膜１１がチャネル長５μｍ程度、チャネル幅３μｍ程度となるように作製し、その移動度を測定した結果、５６０ｃｍ²／Ｖｓという高移動度が達成された（図２８（ａ））。なお、同様の手法によりｐ型ＴＦＴを作製して移動度を測定した結果、２００ｃｍ²／Ｖｓを実現した（図２８（ｂ））。

また、第２の形成方法による動作半導体膜３２を用い、図２４〜図２７と同様にしてｎ型ＴＦＴ（チャネル長５μｍ程度、チャネル幅３μｍ程度）を作製し、その移動度を測定した結果、５８０ｃｍ²／Ｖｓという高移動度が達成された（図２９（ａ））。なお、同様の手法によりｐ型ＴＦＴを作製して移動度を測定した結果、２３４ｃｍ²／Ｖｓを実現した（図２９（ｂ））。

以上説明したように、本実施形態によれば、結晶粒界の影響が無視し得るほど小さい優れた動作半導体膜１１又は３２を形成し、極めて高い移動度のＴＦＴを実現することができる。

なお、本実施形態では、半導体膜として非晶質シリコンを利用したが、非晶質シリコン以外に多結晶シリコンを利用しても良い。また、この多結晶シリコンは金属誘起固相成長で形成しても良い。また結晶化の際には、基板温度を上昇させて結晶品質を改良したり、熱歪みを緩和しても好適である。また、シリコンとゲルマニウムの混合物（化合物）を利用してもよい。

本実施形態で説明した半導体装置は、ＴＦＴを備えた周辺回路一体型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）やシステムオンパネル、システムオンガラス、更にはＳＯＩ素子として適用することが可能である。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）基板と、
前記基板の上方にパターン形成された動作半導体膜と
を含み、
前記動作半導体膜は、幅広領域と幅狭領域とが連結されてなる形状とされており、
前記幅広領域は、結晶粒の大きいフローパターンの状態であり、前記フローパターンの結晶粒界の方向が前記幅狭領域の長手方向と非平行であるとともに、
前記幅狭領域は、ほぼ単結晶状態であることを特徴とする半導体装置。

（付記２）前記幅狭領域がチャネルとして機能することを特徴とする付記１に記載の半導体装置。

（付記３）前記幅狭領域は、前記フローパターンの前記結晶粒界の一部が差し掛かる一端部に切り欠きが形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。

（付記４）前記幅狭領域の幅は結晶粒の幅より狭いことを特徴とする付記１に記載の半導体装置。

（付記５）基板と、
前記基板の上方にパターン形成された動作半導体膜と
を備えてなる薄膜型の半導体装置の製造方法であって、
前記基板の上方に前記動作半導体膜となる半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜を、幅広領域と幅狭領域とを有し、前記幅狭領域が前記幅広領域に対して非対称に位置するように連結されてなる形状に加工する工程と、
前記半導体膜を加工した後、前記幅狭領域の側部位を選択的に覆うように、分離膜を介して当該幅狭領域の保温膜を形成する工程と、
前記保温膜が形成された状態で、前記半導体膜に対して前記幅広領域から前記幅狭領域へ向かい前記幅狭領域の長手方向に沿ってエネルギービームを照射し、前記半導体膜を結晶化する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記６）前記半導体膜を加工するに際して、前記幅狭領域に切り欠きを形成することを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。

（付記７）前記半導体膜を結晶化した後、前記半導体膜を前記幅狭領域が前記幅広領域に対して対称に位置する形状となるように前記半導体膜の周縁部位を除去し、前記動作半導体膜を形成することを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。

（付記８）前記エネルギービームは、時間に対して連続的にエネルギーを出力するものであることを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。

（付記９）時間に対する連続的にエネルギーを出力する前記エネルギービームがＣＷレーザ光であることを特徴とする付記８に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１０）前記ＣＷレーザ光が半導体励起の固体レーザ光であることを特徴とする付記９に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１１）前記エネルギービームの出力不安定性が±１％／時間より小値であることを特徴とする付記８に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１２）前記半導体膜を厚みが４００ｎｍ以下となるように形成することを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１３）前記幅狭領域を前記動作半導体膜のチャネルとなるように形成することを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１４）前記幅狭領域をその幅が結晶粒の幅より狭くなるように形成することを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１５）前記ビームスポットは、帯形状又は楕円形状で前記走査面がほぼ平坦面とされたものであることを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１６）基板と、前記基板の上方にパターン形成された動作半導体膜とを備えてなる薄膜型の半導体装置の製造方法であって、前記基板の上方に前記動作半導体膜となる半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜を、幅広領域と幅狭領域とが連結された形状に加工する工程と、前記半導体膜を加工した後、前記幅狭領域の側面から表面の一部を含む部位を選択的に覆うように、分離膜を介して当該幅狭領域の保温膜を形成する工程と、ビームスポットの走査面を前記半導体膜の長手方向に直交する位置から傾斜させて前記半導体膜に対して前記幅広領域から前記幅狭領域へ向かって、時間に対して連続的にエネルギーを出力するＣＷレーザ光であるエネルギービームを照射し、前記半導体膜を結晶化する工程とを含む。

（付記１７）
前記半導体膜にエネルギービームを照射するに際して、前記半導体膜の長手方向に沿って前記ビームスポットを走査することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１８）前記ビームスポットの走査面の前記傾斜角度を＋１５°〜＋７５°又は−７５°〜−１５°とすることを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１９）前記半導体膜を加工するに際して、前記幅狭領域に切り欠きを形成することを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２０）前記半導体膜を結晶化した後、前記半導体膜を前記幅狭領域が前記幅広領域に対して対称に位置する形状となるように前記半導体膜の周縁部位を除去し、前記動作半導体膜を形成することを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２１）前記ＣＷレーザ光が半導体励起の固体レーザ光であることを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２２）前記エネルギービームの出力不安定性が±１％／時間より小値であることを特徴とする１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２３）前記半導体膜を厚みが４００ｎｍ以下となるように形成することを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２４）前記幅狭領域を前記動作半導体膜のチャネルとなるように形成することを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２５）前記幅狭領域をその幅が結晶粒の幅より狭くなるように形成することを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２６）前記ビームスポットは、帯形状又は楕円形状で前記走査面がほぼ平坦面とされたものであることを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２７）前記幅狭領域（チャネルとなる位置）に整合させて、連続的にエネルギーを出力する前記ＣＷレーザ光をパルス変調にして照射することを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

本実施形態の第１の形成方法において、動作半導体膜の形成方法を工程順に示す概略断面図である。 図１に引き続き、動作半導体膜の形成方法を工程順に示す概略断面図である。 加工された非晶質シリコン膜を示す概略平面図である。 保温膜が形成された非晶質シリコン膜の様子を示す概略平面図である。 ＣＷレーザ光の照射方向を示す概略平面図である。 結晶成長の様子を示す概略平面図である。 結晶成長の様子を比較例とともに示す概略平面図である。 レジストで一部覆われた動作半導体膜を示す概略平面図である。 パターニングされた動作半導体膜を示す概略平面図である。 完成した動作半導体膜の結晶状態を表すＳＥＭ写真を示す図である。 第１の形成方法における変形例の非晶質シリコン膜の様子を示す概略平面図である。 本実施形態の第２の形成方法において、動作半導体膜の形成方法を工程順に示す概略断面図である。 図１２に引き続き、動作半導体膜の形成方法を工程順に示す概略断面図である。 加工された非晶質シリコン膜を示す概略平面図である。 保温膜が形成された非晶質シリコン膜の様子を示す概略平面図である。 ＣＷレーザ光の照射方向を示す概略平面図である。 結晶成長の様子を示す概略平面図である。 完成した動作半導体膜の結晶状態の光学顕微鏡による写真を示す図である。 図１８の光学顕微鏡写真（傾斜角φ：４５度）と同一領域の幅狭領域を表すＴＥＭ写真を示す図である。 ＴＦＴの動作半導体膜をパターン形成する様子を示す概略断面図である。 第２の形成方法における変形例における非晶質シリコン膜へのレーザ照射の様子を示す概略平面図である。 完成した動作半導体膜の結晶状態の光学顕微鏡写真を示す図である。 図２２の光学顕微鏡による写真と同一の幅狭領域をＥＢＳＤ装置により観察したマッピング解析結果を示す図である。 本実施形態に係るＴＦＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図２４に引き続き、本実施形態に係るＴＦＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図２５に引き続き、本実施形態に係るＴＦＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図２６に引き続き、本実施形態に係るＴＦＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 第１の形成方法による動作半導体膜を用いたｎ型，ｐ型ＴＦＴの移動度をそれぞれ示す特性図である。 第２の形成方法による動作半導体膜を用いたｎ型，ｐ型ＴＦＴの移動度をそれぞれ示す特性図である。

符号の説明

１，２１ ガラス基板
２，２２ バッファーとなるシリコン酸化膜
３，３１ 非晶質シリコン膜
３ａ，１１ａ，３１ａ，３２ａ 幅広領域
３ｂ，１１ｂ，３１ｂ，３２ｂ 幅狭領域
４ 分離膜となるシリコン酸化膜
５ 保温膜となる多結晶シリコン膜
１１，３２ 動作半導体膜
１２ ネッキング部
１３ 熱吸収体
２３ ゲート酸化膜（シリコン酸化膜）
２４ ゲート電極（アルミニウム膜）
２５ 層間絶縁膜
２６ コンタクトホール
２７ 配線（金属膜）
４１ ビームスポット
４２ 走査面

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板の上方にパターン形成された動作半導体膜と
   を備えてなる薄膜型の半導体装置の製造方法であって、
   前記基板の上方に前記動作半導体膜となる半導体膜を形成する工程と、
   前記半導体膜を、幅広領域と幅狭領域とが連結され、且つ前記幅狭領域が前記動作半導体膜の長手方向と平行となる形状に加工する工程と、
   前記半導体膜を加工した後、前記幅狭領域の側部位を覆うように、分離膜を介して当該幅狭領域の保温膜を形成する工程と、
   ビームスポットの走査面を前記半導体膜の長手方向に直交する位置から傾斜させて前記半導体膜に対して前記幅広領域から前記幅狭領域へ向かって、時間に対して連続的にエネルギーを出力するＣＷレーザ光であるエネルギービームを照射し、前記半導体膜を結晶化する工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記半導体膜にエネルギービームを照射するに際して、
   前記半導体膜の長手方向に沿って前記ビームスポットを走査することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記ビームスポットは、前記走査面が帯形状又は楕円形状とされたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。

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