(57)【要約】 【課題】結晶を成長させる工程が一度であって、結晶を所望の長さ寸法に成長させ、かつ所望の領域に所望の結晶成長方向を有する結晶領域を形成することができる半導体デバイスおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  ガラス基板２１には高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３が、それぞれ異なる領域に形成される。低熱伝導膜２３の熱伝導率は、高熱伝導膜２２の熱伝導率より低い。高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３を覆って半導体膜２４を形成し、結晶化させる。これによって第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜２４における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜２４を効率的に利用することができる。【選択図】      図１
2005217301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板の第１領域に形成される第１の下地膜と、
基板の前記第１領域とは異なる第２領域に形成され、第１の下地膜の熱伝導率より低い熱伝導率を有する第２の下地膜とを含むことを特徴とする半導体デバイスの前駆体。
【請求項２】
基板と、
基板の第１領域に形成される第１の下地膜と、
基板の前記第１領域とは異なる第２領域に形成され、第１の下地膜の熱伝導率より低い熱伝導率を有する第２の下地膜と、
第１および第２の下地膜を覆って形成される第３の下地膜とを含むことを特徴とする半導体デバイスの前駆体。
【請求項３】
第１の下地膜は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物、酸化マグネシウムおよび酸化セリウムのいずれか１つを主成分として含む材料から成ることを特徴とする請求項１または２記載の半導体デバイスの前駆体。
【請求項４】
請求項１記載の半導体デバイスの前駆体に、第１および第２の下地膜を覆って半導体膜が形成され、この半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域にレーザ光が照射されて、半導体膜におけるレーザ光の照射部位に、厚み方向に垂直な横方向へ成長した結晶が形成されていることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項５】
請求項２記載の半導体デバイスの前駆体に、第３の下地膜を覆って半導体膜が形成され、この半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域にレーザ光が照射されて、半導体膜におけるレーザ光の照射部位に、厚み方向に垂直な横方向へ成長した結晶が形成されていることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項６】
レーザ光は、固体状態にある半導体膜を溶融可能なエネルギーの第１レーザ光と、溶融状態にある半導体膜の溶融状態を維持可能なエネルギーの第２レーザ光を有し、固体状態にある半導体膜に第１レーザ光を照射して溶融させた後、第２レーザ光によって溶融状態を長期間維持して、半導体膜に結晶が形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の半導体デバイス。
【請求項７】
基板の第１領域に、第１の下地膜を形成する第１膜形成工程と、
基板の前記第１領域とは異なる第２領域に、第１の下地膜の熱伝導率より低い熱伝導率を有する第２の下地膜を形成する第２膜形成工程と、
第１および第２の下地膜を覆って半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域に、レーザ光を照射して、厚み方向に垂直な横方向へ成長させて結晶を形成する結晶工程とを含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
基板の第１領域に、第１の下地膜を形成する第１膜形成工程と、
基板の前記第１領域とは異なる第２領域に、第１の下地膜の熱伝導率より低い熱伝導率を有する第２の下地膜を形成する第２膜形成工程と、
第１および第２の下地膜を覆って、第３の下地膜を形成する第３膜形成工程
第３の下地膜を覆って半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域に、レーザ光を照射して、厚み方向に垂直な横方向へ成長させて結晶を形成する結晶工程とを含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
結晶工程では、レーザ光は、固体状態にある半導体膜を溶融可能なエネルギーの第１レーザ光と、溶融状態にある半導体膜の溶融状態を維持可能なエネルギーの第２レーザ光を有し、固体状態にある半導体膜に第１レーザ光を照射して溶融させた後、第２レーザ光によって溶融状態を長期間維持して、厚み方向に垂直な横方向へ成長させて結晶を形成することを特徴とする請求項７または８記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
半導体膜を覆って、レーザ光の反射を防止するキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程をさらに含むことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載の半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶が形成される半導体デバイスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高画質な表示装置として、アクティブマトリクス方式の液晶ディスプレイ（Liquid
Crystal Display：略称ＬＣＤ）装置がある。アクティブマトリクス方式のＬＣＤ装置の画素駆動素子である画素駆動用トランジスタとして、多結晶シリコン薄膜トランジスタ（Thin-Film Transistor：略称ＴＦＴ）およびアモルファスシリコンＴＦＴがある。多結晶シリコンＴＦＴは、透明絶縁基板上に形成された多結晶シリコン膜をチャネル領域に用いる。アモルファスシリコンＴＦＴは、透明絶縁基板上に形成されたアモルファスシリコン膜をチャネル領域に用いる。
【０００３】
多結晶シリコン膜の電界効果移動度は、アモルファスシリコン膜の電界効果移動度の１００倍以上大きい。したがって多結晶シリコンＴＦＴにおけるＴＦＴゲート幅の幅寸法を、アモルファスシリコンＴＦＴにおけるゲート幅の幅寸法よりも微細化しても、回路動作に必要な電流値を確保することができる。したがって表示装置の画面の解像度を上げるために画素を細かくする場合でも、ＴＦＴゲート幅の幅寸法を画素数に対応して小さくすることができる。これによって大きな開口率が得られるので、高精細かつ高輝度の表示装置を得ることができる。また多結晶シリコンＴＦＴの動作速度も、アモルファスシリコンＴＦＴの動作速度より１００倍以上大きくなる。したがって画素部だけでなく周辺駆動回路、ダイナミックランダムアクセスメモリ（Dynamic Random Access Memory：略称ＤＲＡＭ）ならびにスタティックランダムアクセスメモリ（Static Random Access Memory：略称ＳＲＡＭ）などのメモリ、およびプロセッサも同一の基板上に一体に実装することができる。これによって複数の基板を用いて、ドライバ集積回路(Integrated Circuit：略称ＩＣ)および駆動回路基板などを表示装置に実装する必要がなくなるので、製造コストを低減することができる。
【０００４】
図１５は、第１の従来技術の半導体デバイスの製造方法に用いられる半導体デバイスの前駆体１の正面図である。半導体デバイスを構成する多結晶シリコン膜は、たとえば堆積しているアモルファスシリコンまたは微結晶シリコンから成る半導体膜２を、エキシマレーザで結晶化（Excimer Laser Anneal：略称ＥＬＡ）する方法によって得ることができる。ＥＬＡ法の１つである第１の従来技術の製造方法は、絶縁性基板３、下地膜４および半導体膜２から構成される半導体デバイスの前駆体１に対し、照射領域５が長さ寸法２００〜４００ｍｍおよび幅寸法０．２〜１．０ｍｍ程度の線状のレーザ光６を、一定速度でレーザ光６の横方向に走査させ、半導体膜２の厚み方向の表面部に連続的に照射する方法である。このときレーザ光６が照射された領域の半導体膜２は、その厚み方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の半導体膜２領域を残したまま溶融する。これによって未溶融領域と溶融領域との界面全面において、いたるところに結晶核が発生し、半導体膜２の厚み方向の表面部に向かって結晶核から結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されるので、結晶粒径は１００〜２００ｎｍと非常に小さくなる。このようにして得られた半導体デバイスを用いて、多結晶シリコンＴＦＴを形成する。
【０００５】
多結晶シリコン膜の結晶粒界に多数存在する不対電子は、ポテンシャル障壁を形成し、キャリアの強い散乱体として作用する。したがって結晶粒界が少ない多結晶シリコン膜、換言すると結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜で形成された多結晶シリコンＴＦＴほど、電界効果移動度は大きくなる。したがって多結晶シリコンＴＦＴは、理想的には、チャネル領域に全く結晶粒界が含まれないように形成することが好ましい。
【０００６】
第１の従来技術の半導体デバイスの製造方法は、未溶融領域と溶融領域との界面のランダムな位置において結晶化が起こる縦方向結晶成長であるので、大粒径の結晶を得ることは困難である。したがって電界効果移動度の大きい多結晶シリコンＴＦＴを得ることが困難である。またランダムに結晶化することに起因して、多結晶シリコンＴＦＴの構造に不均一性が生じると共に、多結晶シリコンＴＦＴアレイにスイッチング特性の不均一性が生じる。このような不均一性が生じると、ＬＣＤにおいて、１つの表示画面中に表示速度の速い画素と表示速度の遅い画素とが並存するという問題が生じる。
【０００７】
したがって高性能なＬＣＤを得るためには、多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくし、結晶の方位を制御することなどが必要である。このような第１の従来技術の問題点を解決する第２の従来技術の半導体デバイスの製造方法として、ラテラル成長法に分類されるレーザ結晶化技術がある。ラテラル成長法は、結晶の結晶成長方向の方位が揃った長結晶が得られる。
【０００８】
ラテラル成長法は、レーザ光が照射された部分の半導体膜２を、レーザ光の照射領域の厚み方向全域にわたって溶融および凝固させるものである。ラテラル成長法は、ＳＬＳ法およびキャッピング法がある。ＳＬＳ（Sequential Lateral Solidification ）法は、微細幅のパルスレーザ光を半導体膜２に照射し、照射された部分の溶融および凝固を繰返して結晶化を行う方法である（たとえば特許文献１参照）。キャッピング法は、半導体膜２上に結晶化に用いるレーザ光に対する反射防止膜もしくは反射膜を形成し、選択的に前記半導体膜２を溶融および凝固させて結晶化を行う方法である（たとえば特許文献２および特許文献３参照）。
【０００９】
図１６は、第２の従来技術に用いられる半導体デバイス７を示す平面図であって、その製造方法を段階的に示す平面図である。第２の従来技術に用いられる半導体デバイスの前駆体１は、前述の第１の従来技術に用いられる半導体デバイスの前駆体１と同様の構成である。
【００１０】
ＳＬＳ法を詳述すると、まず、絶縁性基板３上の半導体膜２の横方向に沿って結晶領域を形成するにあたり、半導体膜２内の一部の領域Ｃに熱を誘導する。半導体膜２の領域Ｃ以外の残余の領域をマスキングした後、半導体膜２に対しレーザ光６を照射して熱を誘導する。したがって領域Ｃに照射されたレーザ光６のエネルギーが熱エネルギーに変換され、その領域Ｃの厚み方向にわたって溶融することができる。
【００１１】
次に、領域Ｃにて溶融されている半導体膜２を冷却し、凝固させると、図１６（ａ）に示すように、領域Ｃである溶融領域と残余の領域である未溶融領域との境界から、横方向に沿って、横方向の中央部に向かって結晶８が成長する。成長している結晶８は、その先端部が、溶融領域中央部において発生した微結晶と衝突し、成長が終了する。結晶８が成長した領域を、本発明では結晶領域という。
【００１２】
ＳＬＳ法において、たとえば基板温度が摂氏３００度、波長３０８ｎｍおよび幅寸法２〜１０μｍの微細幅のエキシマレーザ光を照射した場合、１回のレーザ照射で成長する結晶８の長さ寸法は、１〜１．２μｍ程度である。
【００１３】
次に、図１６（ｂ）に示すように、領域Ｃ内の結晶８が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｃと隣接する新たな領域Ｄを設定し、前述と同様に領域Ｄを溶融する。領域Ｄにて溶融されている半導体膜２を凝固させると、図１６（ｃ）に示すように、領域Ｄ内に結晶８が成長する。
【００１４】
このような手順を繰り返し、所望の結晶８を半導体膜２の横方向に沿って段階的に形成させることで、図１６（ｄ）に示すように、結晶粒の大きい結晶８を有する半導体膜２を形成することができる。このようにＳＬＳ法によって大きく結晶成長させた結晶領域にチャネル領域を形成することで、ＥＬＡ法の場合より、ＴＦＴの電界効果移動度を飛躍的に大きくすることができる。
【００１５】
ＳＬＳ法において、１回のレーザ照射を行った際に未溶融領域と溶融領域との界面から横方向に成長する結晶８は、ＥＬＡ法よりは大きく成長する。ＳＬＳ法は、ＥＬＡ法と同様に、溶融領域の横方向中央部に発生した微結晶に阻まれてその成長が抑制される。
【００１６】
結晶化は、物体の温度がその凝固温度より小さくなった時に生じ、その時に結晶成長の種となる結晶と、結晶成長に必要な時間とがあれば、前記結晶を種として結晶成長する。この時、結晶成長の種となる結晶が無いか、または冷却速度が速すぎて、結晶成長に必要な時間が無い場合は、結晶が大きく成長することができず微結晶となる。
【００１７】
ＳＬＳ法では、半導体デバイスの下地膜が、熱伝導率が比較的小さい二酸化シリコンから成るので、レーザ照射によって半導体膜内で発生した熱エネルギーは、横方向へ拡散しにくい。特に溶融領域中央部では、熱エネルギーが横方向へ拡散しにくいので、ほとんど横方向に対して熱勾配が形成されない。したがってレーザ照射後の冷却過程において、未溶融領域と溶融領域との界面から溶融領域中央部へ向かって、温度が凝固温度より小さくなった領域とは別に、溶融領域中央部でも凝固温度より小さくなり凝固が起こる領域が生じる。この溶融領域中央部では、広範囲の溶融領域がほぼ同時に凝固温度より小さくなるので、発生した結晶核の成長が別に発生した結晶核に阻害され、結晶粒径の非常に小さい微結晶が大量に発生する。その結果、１回のレーザ照射を行った際に未溶融領域と溶融領域との界面から横方向に成長する結晶は、溶融領域中央部において発生した微結晶に成長を阻まれて、あまり大きく成長することができない。
【００１８】
したがって１回のレーザ照射で得られる結晶の長さ寸法はＥＬＡ法よりは大きいものの、結晶中にチャネル領域を形成できるほど大きくない。したがってＳＬＳ法によってレーザ照射を複数回繰返して、結晶をさらに大きく成長させることが必要である。レーザ照射を複数回繰返すので、スループットに大きな問題がある。
【００１９】
キャッピング法の場合、ＳＬＳ法を併用するラテラル成長法とはレーザの照射方法が異なるだけで、結晶成長の原理は同じである。したがってキャッピング法とＳＬＳ法とは、レーザ光の照射条件および半導体膜の膜厚などの条件が同じあれば、１回のレーザ照射によって同等の長さ寸法の結晶を得ることができる。
【００２０】
高性能なＴＦＴを形成するためには、多結晶シリコンのうちキャリアの移動方向に結晶粒界のない部分を使用する必要がある。前述のキャッピング法を併用するラテラル成長法では、１回のレーザ照射によって成長する結晶の長さ寸法が小さいので、ＴＦＴのチャネル長は結晶の長さ寸法以上となる。チャネル長が結晶の長さ寸法より大きいＴＦＴを形成すれば、キャリアの移動方向に結晶粒界を含む。したがって前述のキャッピング法を併用するラテラル成長法によって製造したＴＦＴでは、高性能が得られないという問題がある。
【００２１】
このような第２の従来技術の問題を解決する第３の従来技術の半導体デバイスの製造方法として、１回のレーザ照射での結晶の長さ寸法を大きくするために、半導体デバイスの前駆体１を構成する下地膜４を、高熱伝導性を有する材料を用いる技術がある。第３の従来技術に用いられる半導体デバイスの前駆体１は、前述の第１および第２の従来技術に用いられる半導体デバイスの前駆体１と類似する構成である。
【００２２】
第３の従来の技術では、下地膜４は、高熱伝導性を有し、たとえば窒化アルミニウムから成る。下地膜４は高熱伝導性を有するので、下地膜４に拡散した熱エネルギーは、その膜内を容易に横方向に拡散し、溶融領域と未溶融領域との界面から未溶融領域へ廃熱される。これによって半導体膜４中に溶融領域中央部から未溶融領域に向かって温度勾配ができる。したがって溶融領域端部が最初に凝固温度より小さくなり、溶融領域端部から溶融領域中央部に向けて順次、凝固温度より小さくなり、溶融領域中央部が最後に凝固温度より小さくなるように冷却することができる。これによって半導体膜の結晶化は、溶融領域端部から始まり、溶融領域端部から溶融領域中央部に向けて順次、結晶８が成長し、溶融領域中央部で終結するようになる。
【００２３】
図１７は、第３の従来技術の半導体デバイスの製造方法によって得られる半導体デバイス７の平面図である。図１７に示すように、前述の第２の従来技術で生じていた溶融領域中央部の微結晶が、第３の従来技術では発生しにくくなる。したがって溶融領域の幅寸法が同じである場合、１回のレーザ照射によって得られる結晶８の長さ寸法が、第２の従来技術によって得られる結晶８の長さ寸法よりも大きくなる。これによってＴＦＴのチャネル長によっては、１回のレーザ照射でチャネル領域を形成するために充分な長さの結晶を得ることができる。したがってチャネル領域を形成するためのスループットを飛躍的に改善することができる。また第３の従来技術は得られる結晶の長さ寸法が大きいので、キャリアの移動方向に結晶粒界を含まないＴＦＴを形成することができる。
【００２４】
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特開昭５８−１８４７２０号公報
【特許文献３】特開２０００−２６０７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
第３の従来技術によって得られる半導体デバイス７は、溶融領域の両端部から同時に横方向に結晶が成長する。一方の端部から成長した結晶は、他方の端部から成長した結晶８と溶融領域中央付近で衝突する。したがって衝突によって半導体膜２の膜厚の１〜２倍程度の高さ寸法を有するリッジ部が生じる。このようなリッジ部を有する半導体膜２を用いてゲート絶縁膜を形成すると、リッジ部の上部のゲート絶縁膜は薄くなる。したがって局所的なゲート絶縁膜の薄膜化が生じ、リッジ部の上部のゲート絶縁膜には電界が集中する。これによって半導体膜２のリッジ部には、リッジ部が形成されていない残余の半導体膜に比べて、低い電圧でリーク電流が流れるという問題がある。
【００２６】
したがって第３の従来技術によって、１回のレーザ照射を行った際の結晶の長さ寸法が大きくなると、結晶化した領域を同一のチャネル領域に使用することは、デバイス特性および製造プロセス上困難である。したがって一方の溶融領域端部から成長した結晶に第１チャネル領域を形成し、他方の溶融領域端部から成長した結晶には別の第２チャネル領域を形成する必要がある。
【００２７】
このような横方向に成長した結晶を用いてチャネル領域を形成する場合、結晶が成長する方向（以下、「結晶成長方向」ということがある）と、ＴＦＴ動作時にチャネル領域中を電子が移動する方向（以下、「チャネル方向」ということがある）のなす角の小さい方の角度（以下、「チャネル角度」ということがある）が、小さくなると、換言すると、結晶成長方向とチャネル方向とが平行となる配置に近づくと、高電界効果移動度のＴＦＴを得られる。つまりチャネル角度が大きい場合、高電界効果移動度のＴＦＴを得ることができない。この原因は、ラテラル成長法では、複数の結晶が同一の結晶成長方向に成長し、針状の結晶となるため、結晶成長方向には電子散乱の要因となる結晶粒界が少なく、結晶成長方向を除く残余の方向は、電子散乱の要因となる結晶粒界が多いことである。したがってラテラル成長法によって成長させた結晶を用いて、できるだけ高電界効果移動度のＴＦＴを得ることを目的とした場合、チャネル方向と結晶成長方向とを一致させる必要がある。
【００２８】
図１８は第３の従来技術に用いられる半導体デバイス７を簡略化して示す平面図であり、図１９は第３の従来技術に用いられる半導体デバイス７の他の例を簡略化して示す平面図である。図１８に示すように、１回のレーザ照射によって、半導体デバイスの横方向中央部を境界として、第１結晶領域９および第２結晶領域１０が得られる。第１結晶領域９の横寸法および第２結晶領域１０の横寸法は、成長した結晶８の長さ寸法に相当する。各結晶領域９，１０の横寸法は、チャネル領域を形成するのに必要な長さ寸法以上の結晶８の長さ寸法が得られるように設定されている。
【００２９】
各結晶領域９，１０の各結晶は、横方向である結晶成長方向１１に伸びる針状体である。したがって各結晶領域９，１０は、結晶成長方向１１と同一方向であるチャネル方向１２を有する各チャネル領域１３を形成することができる。しかし図１９に示すように、各結晶領域９，１０には結晶成長方向１１以外の、たとえば結晶成長方向１１と垂直なチャネル方向１２を有するチャネル領域１３を形成することができない。したがって各結晶領域９，１０には、互いに同じチャネル方向１２を有するチャネル領域１３だけそれぞれ形成することができる。各結晶領域９，１０に、互いに異なるチャネル方向１２を有するチャネル領域１３を形成するには、新たに一方の結晶領域にだけレーザ光を照射し、新たに結晶を成長させる必要がある。
【００３０】
一方の結晶領域９だけ、複数回レーザ光を照射すると、得られる結晶８の特性が他方の結晶領域１０とは異なってしまい、ＴＦＴの特性の均一性に問題がある。したがって半導体デバイス７には、互いに異なる結晶成長方向１１を有する結晶８を形成することができない領域ができる。したがって第３の従来技術では、チャネル領域１３とチャネル方向１２の両方が強制的に決定され、ＴＦＴの作成の自由度が低下する。
【００３１】
このように、前述の従来技術では、半導体デバイスに１回のレーザ照射によって電解効果移動度の大きいＴＦＴを、自由な方向および自由な位置に形成することができないという問題がある。
【００３２】
したがって本発明の目的は、結晶を成長させる工程が一度であって、結晶を所望の長さ寸法に成長させ、かつ所望の領域に所望の結晶成長方向を有する結晶領域を形成することができる半導体デバイスおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明は、基板と、
基板の第１領域に形成される第１の下地膜と、
基板の前記第１領域とは異なる第２領域に形成され、第１の下地膜の熱伝導率より低い熱伝導率を有する第２の下地膜とを含むことを特徴とする半導体デバイスの前駆体である。
【００３４】
本発明に従えば、基板には第１および第２の下地膜が、それぞれ異なる領域に形成される。第２の下地膜の熱伝導率は、第１の下地膜の熱伝導率より低い。したがって第１および第２の下地膜を一様に加熱した後、加熱を停止して、自然に放熱させると、第１および第２の下地膜は互いに同時刻における温度分布が異なる。第１の下地膜の方が、第２の下地膜よりも、各下地膜における同時刻の温度分布の差が大きい。また第１の下地膜は、第２の下地膜よりも温度が低下するのが速い。
【００３５】
半導体デバイスを製造する場合、第１および第２の下地膜を覆って半導体膜を形成し、半導体膜を一様に加熱した後、加熱を停止して、自然に放熱させる。第１の下地膜に当接する半導体膜の第１領域は、第１の下地膜に当接しているので温度分布の差が大きい。したがって第１領域では、半導体膜内の結晶を、第２領域より速く成長させることができる。また第１領域の半導体膜は、第１の下地膜に当接しているので、第２領域の半導体膜よりも温度が低下するのが速い。したがって第１領域では、結晶化が始まる時刻を第２領域より早くすることができる。
【００３６】
これによって第１および第２領域の大きさを変更することによって、第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜を効率的に利用することができる。
【００３７】
また本発明は、基板と、
基板の第１領域に形成される第１の下地膜と、
基板の前記第１領域とは異なる第２領域に形成され、第１の下地膜の熱伝導率より低い熱伝導率を有する第２の下地膜と、
第１および第２の下地膜を覆って形成される第３の下地膜とを含むことを特徴とする半導体デバイスの前駆体である。
【００３８】
本発明に従えば、基板には第１および第２の下地膜が、それぞれ異なる領域に形成される。第３の下地膜は、第１および第２の下地膜を覆って形成される。第２の下地膜の熱伝導率は、第１の下地膜の熱伝導率より低い。したがって第１および第２の下地膜を一様に加熱した後、加熱を停止して、自然に放熱させると、互いに同時刻における温度分布が異なる。第１の下地膜の方が、第２の下地膜よりも、各下地膜における同時刻の温度分布の差が大きい。また第１の下地膜は、第２の下地膜よりも温度が低下するのが速い。
【００３９】
半導体デバイスを製造する場合、第３の下地膜を覆って半導体膜を形成し、半導体膜を一様に加熱した後、加熱を停止して、自然に放熱させる。第１の下地膜に当接する半導体膜の第１領域は、第１の下地膜に当接しているので温度分布の差が大きい。したがって第１領域では、半導体膜内の結晶を、第２領域より速く成長させることができる。また第１領域の半導体膜は、第１の下地膜に当接しているので、第２領域の半導体膜よりも温度が低下するのが速い。したがって第１領域では、結晶化が始まる時刻を第２領域より早くすることができる。
【００４０】
これによって第１および第２領域の大きさを変更することによって、第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜を効率的に利用することができる。
【００４１】
また半導体膜は、第３の下地膜を覆って形成される。半導体膜を加熱したことによって第１および第２の下地膜が溶融する場合がある。この場合、第３の下地膜が、半導体膜に溶融した第１および第２の下地膜が不純物として侵入することを防ぐことができる。
【００４２】
さらに本発明は、第１の下地膜は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物、酸化マグネシウムおよび酸化セリウムのいずれか１つを主成分として含む材料から成ることを特徴とする。
【００４３】
本発明に従えば、第１の下地膜は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物、酸化マグネシウムおよび酸化セリウムのいずれか１つを主成分として含む材料から成る。このように第１の下地膜は、熱伝導率が比較的大きい材料から成るので、半導体膜を好適に結晶化することができる。
【００４４】
さらに本発明は、前記半導体デバイスの前駆体に、第１および第２の下地膜を覆って半導体膜が形成され、この半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域にレーザ光が照射されて、半導体膜におけるレーザ光の照射部位に、厚み方向に垂直な横方向へ成長した結晶が形成されていることを特徴とする半導体デバイスである。
【００４５】
本発明に従えば、第１および第２の下地膜を覆って半導体膜が形成され、この半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域にレーザ光が照射される。半導体膜におけるレーザ光の照射部位に、厚み方向に垂直な横方向へ成長した結晶が形成されている。したがって成長した結晶を、半導体素子に用いられるチャネルとして用いることができる。これによって電界効果移動度の大きい半導体素子を形成することができる。
【００４６】
さらに本発明は、前記半導体デバイスの前駆体に、第３の下地膜を覆って半導体膜が形成され、この半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域にレーザ光が照射されて、半導体膜におけるレーザ光の照射部位に、厚み方向に垂直な横方向へ成長した結晶が形成されていることを特徴とする半導体デバイスである。
【００４７】
本発明に従えば、第３の下地膜を覆って半導体膜が形成され、この半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域にレーザ光が照射される。半導体膜におけるレーザ光の照射部位に、厚み方向に垂直な横方向へ成長した結晶が形成されている。したがって半導体膜は、第３の下地膜によって、第１および第２の下地膜からの不純物の侵入を防ぐことができる。これによって形成される結晶は、第１および第２の下地膜の不純物が侵入することが防がれている。したがって形成される結晶は、半導体素子に用いられるチャネルとして用いることによって、電界効果移動度のより大きい半導体素子を形成することができる。
【００４８】
さらに本発明は、レーザ光は、固体状態にある半導体膜を溶融可能なエネルギーの第１レーザ光と、溶融状態にある半導体膜の溶融状態を維持可能なエネルギーの第２レーザ光を有し、固体状態にある半導体膜に第１レーザ光を照射して溶融させた後、第２レーザ光によって溶融状態を長期間維持して、半導体膜に結晶が形成されていることを特徴とする。
【００４９】
本発明に従えば、第１レーザ光を半導体膜に照射し、固体状態から溶融状態にする。溶融状態にある半導体膜に、第２レーザ光を照射し、溶融状態を長時間維持して、半導体膜に結晶が形成されている。このように第１および第２レーザ光が照射されるので、半導体膜の温度が低下する速さを小さくすることができる。したがって半導体膜が結晶化する時間を長くすることができる。これによって成長する結晶の長さ寸法を大きくすることができる。
【００５０】
さらに本発明は、基板の第１領域に、第１の下地膜を形成する第１膜形成工程と、
基板の前記第１領域とは異なる第２領域に、第１の下地膜の熱伝導率より低い熱伝導率を有する第２の下地膜を形成する第２膜形成工程と、
第１および第２の下地膜を覆って半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域に、レーザ光を照射して、厚み方向に垂直な横方向へ成長させて結晶を形成する結晶工程とを含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。
【００５１】
本発明に従えば、基板に第１および第２の下地膜が形成される。第１および第２の下地膜を覆って半導体膜が形成される。半導体膜は、レーザ光が照射され、結晶が形成される。第２の下地膜の熱伝導率は、第１の下地膜の熱伝導率より小さいので、レーザ光が照射されると、第１の下地膜に当接する半導体膜の第１領域は、第１の下地膜に当接しているので温度分布の差が大きい。したがって第１領域では、半導体膜内の結晶を、第２領域より速く横方向に成長させることができる。また第１領域の半導体膜は、第１の下地膜に当接しているので、第２領域の半導体膜よりも温度が低下するのが速い。したがって第１領域では、結晶化が始まる時刻を第２領域より早くすることができる。
【００５２】
これによって第１および第２領域の大きさを変更することによって、第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜を効率的に利用することができる。
【００５３】
さらに本発明は、基板の第１領域に、第１の下地膜を形成する第１膜形成工程と、
基板の前記第１領域とは異なる第２領域に、第１の下地膜の熱伝導率より低い熱伝導率を有する第２の下地膜を形成する第２膜形成工程と、
第１および第２の下地膜を覆って、第３の下地膜を形成する第３膜形成工程
第３の下地膜を覆って半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
半導体膜の第１および第２の下地膜が形成される領域に、レーザ光を照射して、厚み方向に垂直な横方向へ成長させて結晶を形成する結晶工程とを含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。
【００５４】
本発明に従えば、基板に第１および第２の下地膜が形成される。第３の下地膜は、第１および第２の下地膜を覆って形成される。半導体膜は、第３の下地膜を覆って形成される。半導体膜は、レーザ光が照射され、結晶が形成される。第２の下地膜の熱伝導率は、第１の下地膜の熱伝導率より小さいので、レーザ光が照射されると、第１の下地膜に当接する半導体膜の第１領域は、第１の下地膜に当接しているので温度分布の差が大きい。したがって第１領域では、半導体膜内の結晶を、第２領域より速く横方向に成長させることができる。また第１領域の半導体膜は、第１の下地膜に当接しているので、第２領域の半導体膜よりも温度が低下するのが速い。したがって第１領域では、結晶化が始まる時刻を第２領域より早くすることができる。
【００５５】
これによって第１および第２領域の大きさを変更することによって、第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜を効率的に利用することができる。
【００５６】
また半導体膜は、第３の下地膜を覆って形成される。半導体膜にレーザ照射すると第１および第２の下地膜が溶融する場合がある。この場合、第３の下地膜が、半導体膜に溶融した第１および第２の下地膜が不純物として侵入することを防ぐことができる。
【００５７】
さらに本発明は、結晶工程では、レーザ光は、固体状態にある半導体膜を溶融可能なエネルギーの第１レーザ光と、溶融状態にある半導体膜の溶融状態を維持可能なエネルギーの第２レーザ光を有し、固体状態にある半導体膜に第１レーザ光を照射して溶融させた後、第２レーザ光によって溶融状態を長期間維持して、厚み方向に垂直な横方向へ成長させて結晶を形成することを特徴とする。
【００５８】
本発明に従えば、結晶工程では、第１レーザ光を半導体膜に照射し、固体状態から溶融状態にする。溶融状態にある半導体膜に、第２レーザ光を照射し、溶融状態を長時間維持して、半導体膜に結晶が形成されている。このように第１および第２レーザ光が照射されるので、半導体膜の温度が低下する速さを小さくすることができる。したがって半導体膜が結晶化する時間を長くすることができる。これによって成長する結晶の長さ寸法をより大きくすることができる。
【００５９】
さらに本発明は、半導体膜を覆って、レーザ光の反射を防止するキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程をさらに含むことを特徴とする。
【００６０】
本発明に従えば、半導体膜を覆って、レーザ光の反射を防止するキャップ膜を形成する。キャップ膜はレーザ光の反射を防止する。したがってレーザ光をキャップ膜に照射することによって、半導体膜におけるキャップ膜が形成される領域を溶融することができる。したがってキャップ膜が形成される領域を選択的に加熱することができる。これによってキャップ膜を形成する位置を制御することによって、結晶化する領域の位置を高精度に選択することができる。
【発明の効果】
【００６１】
本発明によれば、第１および第２領域の大きさを変更することによって、第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜を効率的に利用することができる。また結晶が形成された半導体膜を用いて、高性能のＴＦＴを形成することができる。また半導体膜に複数のＴＦＴを形成しても、個体差が生じることを防ぐことができる。したがって高性能の表示装置を製造することができる。
【００６２】
また本発明によれば、第１および第２領域の大きさを変更することによって、第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜を効率的に利用することができる。また結晶が形成された半導体膜を用いて、高性能のＴＦＴを形成することができる。また半導体膜に複数のＴＦＴを形成しても、個体差が生じることを防ぐことができる。したがって高性能の表示装置を製造することができる。また第３の下地膜が、半導体膜に溶融した第１および第２の下地膜が不純物として侵入することを防ぐことができる。
【００６３】
さらに本発明によれば、熱伝導率が比較的大きい材料から成るので、半導体膜を好適に結晶化することができる。
【００６４】
さらに本発明によれば、成長した結晶を、半導体素子に用いられるチャネルとして用いることができる。これによって電界効果移動度の大きい半導体素子を形成することができる。
【００６５】
さらに本発明によれば、形成される結晶は、第１および第２の下地膜の不純物が侵入することが防がれている。したがって形成される結晶は、半導体素子に用いられるチャネルとして用いることによって、電界効果移動度のより大きい半導体素子を形成することができる。
【００６６】
さらに本発明によれば、第１および第２レーザ光が照射されるので、半導体膜の温度が低下する速さを小さくすることができる。したがって半導体膜が結晶化する時間を長くすることができる。これによって成長する結晶の長さ寸法を大きくすることができる。
【００６７】
さらに本発明によれば、第１および第２領域の大きさを変更することによって、第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜を効率的に利用することができる。
【００６８】
また本発明によれば、第１および第２領域の大きさを変更することによって、第１領域に所望の結晶の長さ寸法を有する領域を形成することができる。また第２領域を小さくすることによって、半導体膜における第１および第２領域を除く残余の領域に、同様に所望の結晶の長さ寸法を有する結晶領域を形成することができる。したがって半導体膜を効率的に利用することができる。また結晶が形成された半導体膜を用いて、高性能のＴＦＴを形成することができる。また半導体膜に複数のＴＦＴを形成しても、個体差が生じることを防ぐことができる。したがって高性能の表示装置を製造することができる。また第３の下地膜が、半導体膜に溶融した第１および第２の下地膜が不純物として侵入することを防ぐことができる。
【００６９】
さらに本発明によれば、半導体膜が結晶化する時間を長くすることができる。これによって成長する結晶の長さ寸法をより大きくすることができる。
さらに本発明によれば、キャップ膜が形成される領域を選択的に加熱することができる。これによってキャップ膜を形成する位置を制御することによって、結晶化する領域の位置を高精度に選択することができる。したがって所望の位置を結晶化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７０】
図１は、本発明の実施の一形態の半導体デバイスの前駆体２０の一部を示す正面図である。レーザ光が照射される領域を、仮想線で示す。半導体デバイスの前駆体（以下、単に「前駆体」ということがある）２０は、ガラス基板２１、高熱伝導膜２２、低熱伝導膜２３および半導体膜２４を含んで構成される。
【００７１】
ガラス基板２１は、基板であって、電気絶縁性を有する。ガラス基板２１は、たとえば略平板状に形成される。ガラス基板２１の熱伝導率は、約０．８Ｗ／ｍＫである。
【００７２】
高熱伝導膜２２は、第１の下地膜であって、たとえば窒化アルミニウムを主成分として含む材料から成る。本発明では、主成分は、全体のたとえば５０％以上を占める材料を意味する。窒化アルミニウムの熱伝導率は、約３５Ｗ／ｍＫである。高熱伝導膜２２は、ガラス基板２１の第１領域に形成される。第１領域は、ガラス基板の一部の領域であって、結晶化される領域に対応して形成される。高熱伝導膜２２は、ガラス基板２１に当接するように配置される。高熱伝導膜２２は、たとえば略平板状であって、ガラス基板２１の厚み方向に積層される。
【００７３】
低熱伝導膜２３は、第２の下地膜であって、高熱伝導膜２２より低い熱伝導率を有する。低熱伝導膜２３は、たとえば二酸化シリコンから成る。二酸化シリコンの熱伝導率は、約１．４Ｗ／ｍＫである。したがって低熱伝導膜２３の熱伝導率は、高熱伝導膜２２の熱伝導率未満である。低熱伝導膜２３は、ガラス基板２１の前記第１領域とは異なる第２領域に形成される。低熱伝導膜２３は、高熱伝導膜２２を除く残余の領域に形成される。したがって低熱伝導膜２３は、ガラス基板２１に当接し、かつ高熱伝導膜２２に隣接するように配置される。低熱伝導膜２３は、たとえば略平板状であって、ガラス基板２１の厚み方向に積層される。
【００７４】
半導体膜２４は、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３を覆って形成される。半導体膜２４は、ガラス基板２１とは反対側に形成される。半導体膜２４は、たとえばアモルファスシリコンから成る。半導体膜２４は、たとえば略平板状であって、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３の厚み方向に積層される。
【００７５】
図２は、前駆体２０にレーザ光を照射するレーザ加工装置２５を簡略化して示す正面図である。レーザ加工装置２５は、レーザ発振器２６、可変減衰器２７、フィールドレンズ２８、マスク２９、結像レンズ３０、ステージ３１、ミラー３２およびコントローラ３３を含んで構成される。
【００７６】
レーザ発振器２６は、レーザ光３４を発振する。本実施の形態では、レーザ光３４としてエキシマレーザ光を用い、波長は３０８ｎｍ、エネルギー密度は２００ｍＪ／ｃｍ２、照射時間は約５０ｎｓｅｃに設定される。前駆体２０は、ステージ３１に配置される。
【００７７】
レーザ発振器２６から発振されたレーザ光３４は、順次、可変減衰器２７、ミラー３２、フィールドレンズ２８、マスク２９、結像レンズ３０およびミラー３２を介して、前駆体２０に導かれる。マスク２９は、矩形形状の透光部を有する。結像レンズ３０は、マスク２９の透光部を透光したレーザ光３４を、ステージ３１に配置されている前駆体２０の表面部に矩形形状の像として結像させる。コントローラ３３は、レーザ発振器２６のレーザ光３４の発振状態およびステージ３１の位置を制御する。
【００７８】
前駆体２０に導かれるレーザ光３４は、図１で仮想線で示すように、半導体膜２４の表面の領域であって、高熱伝導膜２２に当接する半導体膜２４および低熱伝導膜２３に当接する半導体膜２４の両方を含む領域に対して照射するように制御される。これによって半導体膜２４を溶融させ、その後に冷却することによって結晶化させる。また本実施の形態においては、レーザ光３４が照射される照射領域を除く残余の領域におけるガラス基板２１の温度を、室温、たとえば摂氏２５度と略同一の温度に維持する。
【００７９】
図３は、前駆体２０の一部を示す平面図であって、レーザ光３４が照射される領域の周辺を示す平面図である。理解を容易にするため、半導体膜２４を省略して示す。高熱伝導膜２２は、たとえばガラス基板２１の一部の領域に矩形状にパターニングされる。低熱伝導膜２３は、たとえばガラス基板２１の一部の領域に矩形状にパターニングされる。レーザ光３４が照射される領域である照射領域３５は、矩形状であって、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３を含むように設定される。照射領域３５であって、高熱伝導膜２２の領域を第１照射領域３６とし、照射領域３５であって、低熱伝導膜２３の領域を第２照射領域３７とする。したがって第１照射領域３６と第２照射領域３７とを含む領域が、照射領域３５である。第１照射領域３６の横寸法Ｗ１、第２照射領域３７の横寸法Ｗ２および高熱伝導膜２２の横寸法Ｗ５が、少なくとも次式（１）を満たすようにする。
０＜Ｗ２＜Ｗ１≦Ｗ５                                            …（１）
【００８０】
本実施の形態では、照射領域３５の長さ寸法Ｗ３が１０μｍ、第１照射領域３６の横寸法Ｗ１が５μm、第２照射領域３５の横寸法Ｗ２が１μｍに設定され、高熱伝導膜２２の一部の長さ寸法Ｗ４が１５μｍおよび横寸法が６μｍである。これらの寸法の設定は、成長した結晶の長さ寸法（以下、「結晶寸法」ということがある）が５μｍに設定される場合の寸法であり、結晶寸法を５μｍから変更する場合、変更された結晶寸法に基づいて関連する寸法が変更される。高熱伝導膜２２の各寸法は、結晶領域内にチャネル領域を形成できるのに充分な寸法であればよい。
【００８１】
図４は本実施の形態の半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートであり、図５は半導体デバイスの製造方法の工程を段階的に示す正面図である。図５では、レーザ光が照射される領域を仮想線で示す。ステップａ０にて、図５（ａ）に示すように、ガラス基板２１が所定の位置に配置され、ステップａ１に進む。
【００８２】
ステップａ１では、図５（ｂ）に示すように第１膜形成工程が行われ、ステップａ２に進む。第１膜形成工程は、ガラス基板２１の第１領域に、高熱伝導膜２２を形成する工程である。高熱伝導膜２２は、ガラス基板２１の厚み方向に積層されて形成される。高熱伝導膜２２の前駆体２０は、厚み寸法である膜厚が２０ｎｍとなるように積層方法、たとえば蒸着、イオンプレーティングおよびスパッタリングによって積層される。高熱伝導膜２２の前駆体の形状を、フォトリソグラフィー法によって矩形状に形成し、高熱伝導膜２２が形成される。
【００８３】
ステップａ２では、図５（ｃ）に示すように第２膜形成工程が行われ、ステップａ３に進む。第２膜形成工程は、ガラス基板２１の前記第１領域とは異なる第２領域に、高熱伝導膜２２の熱伝導率より低い熱伝導率を有する低熱伝導膜２３を形成する工程である。ガラス基板２１の高熱伝導膜２２が形成されている表面部であって、高熱伝導膜２２が形成されていない第２領域に低熱伝導膜２３を形成する。低熱伝導膜２３は、高熱伝導膜２２の膜厚と同じ２０ｎｍとなるように、積層方法、たとえばプラズマエンハンスド化学気相堆積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition：略称ＰＥＣＶＤ）、蒸着およびスパッタリングによって積層される。
【００８４】
ステップａ３では、図５（ｄ）に示すように、半導体膜形成工程が行われ、ステップａ４に進む。半導体膜形成工程は、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３を覆って半導体膜２４を形成する工程である。半導体膜２４は、膜厚が５０ｎｍとなるように、積層方法、たとえばＰＥＣＶＤ、蒸着、およびスパッタリングなどによって積層される。
【００８５】
ステップａ４では、図５（ｅ）に示すように、結晶工程が行われ、ステップａ５に進む。半導体膜２４の高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３が形成される領域に、レーザ光３４を照射して、厚み方向に垂直な横方向へ成長させて結晶３９を形成する工程である。前述のレーザ加工装置２５を用いて、半導体膜２４にレーザ光３４が照射される。前述の図３に示すように設定される照射領域３５にレーザ光３４を照射すると、照射領域３５の半導体膜２４が溶融し溶融領域となり、その後、冷却し、溶融領域の横方向両端部から横方向中央部に向かってラテラル成長により結晶化し、結晶領域となる。これによって図５（ｆ）に示すように、半導体膜２４に結晶３９が形成され半導体デバイス３８が製造される。ステップａ５にて、ステップａ０からの一連の製造工程が終了される。
【００８６】
図６は、半導体デバイス３８の一部を示す平面図であって、照射領域３５の周辺を示す平面図である。前述のようにレーザ光３４を１回照射し、結晶化させた半導体膜２４をＳＥＣＣＯエッチングを行い、走査線電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：略称ＳＥＭ）を用いて半導体膜２４が観察される。ＳＥＣＣＯエッチングとは、二クロム酸カリウムとフッ酸との混合液を用いて、結晶粒界エッチングする方法である。第１照射領域３６の横方向一端部からラテラル成長した結晶３９ａは、第２照射領域３７の横方向他端部からラテラル成長した結晶３９ｂと比較して非常に大きく成長している。
【００８７】
高熱伝導膜２２に当接する半導体膜２４付近で、レーザ照射によって発生した熱エネルギーは、高熱伝導膜２２に達した後、速やかに横方向に拡散し、高熱伝導膜２２側の溶融領域端部から未溶融領域へ廃熱される。低熱伝導膜２３の熱伝導率は高熱伝導膜２２の熱伝導率より小さいので、低熱伝導膜２３に当接する半導体膜２４付近でレーザ照射によって発生した熱エネルギーは、低熱伝導膜２３に達した後も横方向へ拡散しにくい。したがって低熱伝導膜２３側の溶融領域端部から未溶融領域への廃熱量が、高熱伝導膜２２側の溶融領域端部から未溶融領域への廃熱量より小さい。
【００８８】
したがって溶融領域のうち、高熱伝導膜２２側の溶融領域端部の方が、低熱伝導膜２３側の溶融領域端部よりも、レーザ照射後、早い時間で凝固温度より小さくなる。これによって高熱伝導膜２２側の溶融領域端部の方が、低熱伝導膜２３側の溶融領域端部よりも先に、溶融領域端部から横方向中央部に向かって結晶の成長が始まる。半導体膜２４の高熱伝導膜２２の高熱伝導効果に起因して、高熱伝導膜２２側の溶融領域端部から横方向に成長する結晶３９ａは、低熱伝導膜２３の溶融領域端部から横方向に成長する結晶３９ｂより小さくなる。したがって高熱伝導膜２２側の溶融領域端部から横方向に成長する結晶３９ａは、低熱伝導膜２３側の溶融領域端部から横方向に成長する結晶３９ｂに、成長を妨げられる前に非常に大きく成長することができる。
【００８９】
図７は、半導体デバイス３８の一部を簡略化して示す平面図である。理解を容易にするため、半導体膜２４を省略して示す。半導体デバイス３８は、複数の結晶領域４１が形成される。高熱伝導膜２２は、チャネル領域４３として用いられるガラス基板２１の第１領域に形成され、ガラス基板２１の残余の第２領域に低熱伝導膜２３が形成される。レーザ光３４の照射領域３５は、第１領域を含み、結晶成長方向４２に隣接する第２領域を含むように設定される。
【００９０】
前述のように１回のレーザ照射で、高熱伝導膜２２側の溶融領域端部から成長した結晶３９ａ、および低熱伝導膜２３側の溶融領域端部から成長した結晶３９ｂが半導体膜２４に形成される。高熱伝導膜２２側の溶融領域端部から成長した結晶３９ａの領域を第１結晶領域４１ａとし、低熱伝導膜２３側の溶融領域端部から成長した結晶３９ｂの領域を第２結晶領域４１ｂとする。第１結晶領域４１ａの結晶３９ａは、チャネル領域４３を形成するのに必要な結晶寸法を有する。したがって第１結晶領域４１ａには、チャネル領域４３を形成することができる。第２結晶領域４１ｂの結晶は、チャネル領域４３を形成するのに必要な結晶寸法を有しない。したがって第２結晶領域４１ｂには、チャネル領域４３を形成することができない。
【００９１】
本実施の形態では、チャネル領域４３を形成できない領域である第２結晶領域４１ｂを非常に小さくすることができる。したがって図６に示すように、互いに異なる結晶成長方向４２を有する複数の第１結晶領域４１ａを、互いに隣接した領域に形成することができる。換言すると、互いに異なるチャネル方向４４を有するチャネル領域４３を複数形成する必要がある場合、チャネル領域４３を互いにより近接させて形成することできる。したがって半導体膜２４を効率的に利用することができる。
【００９２】
本実施の形態では、照射領域３５の横寸法が約６μｍの場合、結晶長さ寸法Ｗ１が約５μｍとなるのに対し、第３の従来技術では照射領域の横寸法を約６μｍの場合、結晶長さ寸法は、照射領域の横寸法の半分程度の約３μｍである。したがって本実施の形態によって得ることができる結晶長さ寸法Ｗ１は、照射領域３５の形状および面積が従来の技術と同一であっても、従来の技術によって得られる結晶長さ寸法よりも、大きくすることができる。このように本実施の形態では、一度のレーザ照射によって得ることができる結晶長さ寸法が、チャネル領域を形成するために必要な５μｍに達している。したがってＳＬＳ法によって、結晶粒を拡大する工程は不要であり、引き続き、チャネル領域を形成する工程に移ることができる。
【００９３】
また本実施の形態では、チャネル方向の決まったチャネル領域しか形成できない領域である第２結晶領域が存在するが、このような領域を従来技術に比べて非常に小さくすることができる。本実施の形態では、前述のように第２結晶領域の横寸法は、第１結晶領域の横寸法の５分の１程度であるが、従来の技術では第１結晶領域の横寸法の２分の１程度である。
【００９４】
本実施の形態では、低熱伝導膜２３は、二酸化シリコンから成るが、これに限定されるものではない。低熱伝導膜２３は、熱伝導率が高熱伝導膜２２より小さく、好ましくは熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下、さらに好ましくは、２Ｗ／ｍＫ以下の絶縁性材料であればよい。低熱伝導膜２３は、他に窒化シリコンおよび酸化窒化シリコンなどから成る単膜、またはこれらの積層膜を用いてもよい。
【００９５】
高熱伝導膜２２を、たとえば窒化シリコンを主成分として含む材料から成るように構成してもよい。窒化シリコンは、熱伝導率が約１０Ｗ／ｍＫである。窒化シリコンは、窒化アルミニウムより熱伝導率は低いものの、構成元素にシリコンが含まれるので、積層する半導体膜２４がアモルファスシリコンから成ると、半導体膜２４との整合性がよい。またプロセス的に窒化シリコンおよびアモルファスシリコンは、ＣＶＤで成膜できる。またスパッタリングで成膜する場合、同一のシリコンターゲットを用いて反応性スパッタリングによって窒化シリコンから成る高熱伝導膜２２を形成し、通常のスパッタリングによってアモルファスシリコンから成る半導体膜２４を形成することができる。したがって製造工程の簡略化が可能となる。
【００９６】
また高熱伝導膜２２を、たとえば窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物を主成分として含む材料から成るように構成してもよい。窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物の熱伝導率は、たとえば約２０Ｗ／ｍＫである。高熱伝導膜２２を窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物から形成すると、組成比率に従って熱伝導率を自由に選択することが可能である。これによってレーザ加工装置２５に対応した半導体デバイスの膜厚および構成などを容易に選択することができる。
【００９７】
また高熱伝導膜２２を酸化マグネシウムを主成分として含む材料から成るように構成してもよい。酸化マグネシウムは、熱伝導率が約６０Ｗ／ｍＫである。酸化マグネシウムは、熱伝導率が高いだけでなく、多結晶ながら結晶配向性が非常に高く、たとえばミラー指数が（１１１）の方向のみに配向させることが可能である。これによってレーザ照射した時、酸化マグネシウムの配向性の影響を受けて、半導体膜２４が同一方向に結晶化され、結晶性に優れた結晶領域を得ることができる可能性が高くなる。したがって得られた結晶領域をチャネル領域として用いることによって、より電界効果移動度の高いＴＦＴを得ることができる。
【００９８】
また高熱伝導膜２２を酸化セリウムを主成分として含む材料から成るように構成してもよい。酸化セリウムは、熱伝導率が約１０Ｗ／ｍＫである。酸化セリウムは、熱伝導率が高いだけでなく、酸化マグネシウムと同じように同一方向のみに配向させることが可能である。また酸化マグネシウムは、格子定数が５．４１Åであり、シリコンの格子定数５．４３Åに非常に近いので、シリコンと整合性がよい。したがって結晶性に優れた半導体膜を得ることができる可能性が高くなる。これによって得られた結晶領域をチャネル領域として用いることによって、より電解効果移動度の高いＴＦＴを得ることができる。
【００９９】
このように本実施の形態によれば、１回のレーザ照射によって、高電界効果移動度のＴＦＴを形成することと、所望の結晶成長方向および所望の位置のＴＦＴを形成することの両方を満たすことが可能となる。また形成したＴＦＴは、ＬＣＤなどの駆動素子として用いることができる。ＴＦＴの電解効果移動度が高いので、高性能の表示装置を得ることができる。
【０１００】
図８は、本発明の実施の他の形態の半導体デバイスの前駆体５０を示す正面図である。図８では、レーザ光が照射される領域を仮想線で示す。本実施の形態の半導体デバイス５２は、前述の図１〜図７の半導体デバイス３８と類似しており、本実施の形態の構成には前述の半導体デバイス３８における対応する構成と同一の参照符号を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。本実施の形態の半導体デバイス５０は、保護膜５１をさらに含んで構成される。
【０１０１】
保護膜５１は、第３の下地膜であって、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３を覆って形成される。保護膜５１は、半導体膜２４、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３に当接するように配置される。保護膜５１は、たとえば二酸化シリコンから成る。
【０１０２】
図９は本実施の形態の半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートであり、図１０は半導体デバイスの製造方法の工程を段階的に示す正面図である。図１０では、レーザ光が照射される領域を仮想線で示す。ステップｂ０にて、図１０（ａ）に示すように、ガラス基板２１が所定の位置に配置され、ステップｂ１に進む。
【０１０３】
ステップｂ１およびステップｂ２は、前述の図４におけるステップａ１およびステップａ２と同様の工程であるので、説明を省略する。また図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は、図５（ｂ）および図５（ｃ）と同様の図であるので、説明を省略する。
ステップｂ３では、図１０（ｄ）に示すように、第３膜形成工程が行われ、ステップｂ４に進む。第３膜形成工程は、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３を覆って保護膜５１を形成する工程である。保護膜５１は、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３の厚み方向に積層される。保護膜５１は、ガラス基板２１とは反対側に形成される。保護膜５１の膜厚は、高熱伝導膜２３の熱伝導効果を抑制することがない大きさに設定される。保護膜５１は、たとえば膜厚が２０ｎｍとなるように形成される。保護膜５１は、積層方法、たとえばＰＥＣＶＤ、蒸着およびスパッタリングなどによって高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３を覆って積層される。
【０１０４】
ステップｂ４〜ステップｂ６は、前述の図４におけるステップａ３〜ステップａ５と同様の工程であるので、説明を省略する。また図１０（ｅ）〜図１０（ｇ）は、図５（ｄ）〜図５（ｆ）と同様の図であるので、説明を省略する。
【０１０５】
本実施の形態は、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３と半導体膜２４との間に、保護膜５１が配置されるので、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３と半導体膜２４が当接することがない。半導体膜２４にレーザ光３４が照射されると、高熱伝導膜２２の上方にて溶融した半導体膜２４が冷却し結晶化する時、熱エネルギーが保護膜５１を熱伝導し高熱伝導膜２２に達する。これによって熱エネルギーは、高熱伝導膜２２を横方向に速やかに拡散することができる。したがってその他前記実施の形態と同様の効果を、達成することができる。
【０１０６】
また本実施の形態においては、高熱伝導膜２２および低熱伝導膜２３と半導体膜２４との間に、保護膜５１が配置される。これによって保護膜５１は、高熱伝導膜２２がレーザ照射によって溶融した半導体膜２４に溶込むことを防ぐことができる。したがって保護５１膜は、高熱伝導膜２２が不純物として半導体膜２４の物性に悪影響をおよぼさないようにするためのバリアとして、好適である。
【０１０７】
図１１は、本発明の実施のさらに他の形態の半導体デバイスの前駆体６０の一部を示す正面図である。図１１では、レーザ光が照射される領域を仮想線で示す。本実施の形態の半導体デバイスは、前述の図１〜図１０の半導体デバイス３８と類似しており、本実施の形態の構成には前述の半導体デバイス３８における対応する構成と同一の参照符号を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。本実施の形態では、キャップ膜形成工程をさらに含む。キャップ膜形成工程は、半導体膜２４を覆って、レーザ光３４の反射を防止するキャップ膜６１を形成する工程である。
【０１０８】
本実施の形態では、キャッピング法によって、結晶３９が形成される。キャッピング法は、半導体膜２４上に、照射されるレーザ光３４の反射を防止するキャップ膜６１を形成し、キャップ膜６１を介して半導体膜２４にレーザ光３４を照射し、半導体膜２４を溶融および凝固させて結晶化を行う方法である。
【０１０９】
本実施の形態の半導体デバイスの前駆体６０は、キャッピング法に用いられるキャップ膜６１をさらに含んで構成される。キャップ膜６１は、半導体膜２４に当接するように配置される。キャップ膜６１は、レーザ光３４に対して反射防止効果を有する。キャップ膜６１は、たとえば二酸化シリコンから成り、たとえば膜厚５０ｎｍに形成される。
【０１１０】
図１２は、キャップ膜６１の膜厚とレーザ光３４に対する反射率との関係を示すグラフである。縦軸は、レーザ光３４に対する反射率を示し、横軸は、キャップ膜６１の膜厚を示す。アモルファスシリコンから成る膜厚５０ｎｍの半導体膜２４に、二酸化シリコンから成るキャップ膜６１を形成し、波長３０８ｎｍのエキシマレーザの反射率の変化を示す。レーザ光３４をキャップ膜６１を通して半導体膜２４に照射する場合、レーザ光３４の反射率は、たとえばレーザ光３４の波長、キャップ膜６１の材質およびキャップ膜６１の膜厚に依存して変化する。
【０１１１】
キャップ膜６１の膜厚が、たとえば１００ｎｍ、２００ｎｍおよび３００ｎｍの場合、レーザ光３４に対する反射率は最大となる。キャップ膜６１の膜厚が、たとえば５０ｎｍ、１５０ｎｍ、２５０ｎｍおよび３５０ｎｍの場合、レーザ光３４に対する反射率は最低となる。したがって半導体膜２４に膜厚が５０ｎｍのキャップ膜６１を形成した場合、反射率が最低となるため、より多くのレーザ光が吸収され、このキャップ膜６１を形成した領域を、選択的に加熱することができる。
【０１１２】
したがってレーザ光３４が照射されると、キャップ膜６１が形成されている領域の半導体膜２４は、キャップ膜６１が形成されていない領域の半導体膜２４より、多くのレーザ光３４が吸収される。したがって半導体膜２４内のキャップ膜６１が形成されている領域に熱が優先的に誘導される。これによって照射領域３５のうち、キャップ膜６１が形成されている領域の半導体膜２４だけを厚み方向全域にわたって溶融させることができる。その後、冷却し、溶融領域の横方向両端部から横方向中央部に向かってラテラル成長により結晶化し、結晶領域となる。
【０１１３】
前述の実施の形態のように、溶融領域のうち、高熱伝導膜２２側の溶融領域端部の方が、低熱伝導膜２３側の溶融領域端部よりも、レーザ照射後、早い時間で凝固温度より小さくなる。これによって高熱伝導膜２２側の溶融領域端部の方が、低熱伝導膜２３側の溶融領域端部よりも先に、溶融領域端部から横方向中央部に向かって結晶３９の成長が始まる。高熱伝導膜２２の高熱伝導効果に起因して、高熱伝導膜２２側の溶融領域端部から横方向に成長する結晶３９ａは、低熱伝導膜２３の溶融領域端部から横方向に成長する結晶３９ｂより小さくなる。したがって高熱伝導膜２２側の溶融領域端部から横方向に成長する結晶３９ａは、低熱伝導膜２３側の溶融領域端部から横方向に成長する結晶３９ｂに、成長を妨げられる前に非常に大きく成長することができる。
【０１１４】
また本実施の形態では、キャッピング法によって結晶３９を形成するので、大粒径の結晶３９を得られるとともに、所望の結晶領域４１だけにキャップ膜６１を形成することによって、所望の結晶領域４１の位置の制御をすることができる。したがって結晶領域４１の位置の制御が容易になる。したがってその他前記実施の形態と同様の効果を達成することができる。
【０１１５】
図１３は、本発明のさらに他の形態の半導体デバイスの製造方法に用いられるレーザ加工装置７０を簡略化して示す正面図である。本実施の形態の半導体デバイスの製造方法は、前述の図１〜図１２の半導体デバイスの製造方法と類似しており、本実施の形態の構成には前述の半導体デバイス３８およびその製造方法における対応する構成と同一の参照符号を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。
【０１１６】
本実施の形態の半導体デバイスの製造方法は、レーザ光３４の照射の方法が異なる。レーザ加工装置７０を構成するレーザ発振器７１は、第１レーザ発振部７２および第２レーザ発振部７３を含んで構成される。またレーザ加工装置を構成する可変減衰器７４は、第１可変減衰器７５および第２可変減衰器７６を含んで構成される。第１レーザ発振部７２は、第１レーザ光７２ａを発振する。第２レーザ発振部７３は、第２レーザ光７３ａを発振する。第１可変減衰器７５は、第１レーザ光７２ａを減衰する。第２可変減衰機７６は、第２レーザ光７３ａを減衰する。
【０１１７】
第１レーザ光７２ａは、固体状態にある半導体膜２４を溶融可能なエネルギーを有する。第１レーザ光７２ａは、第２レーザ光７３ａよりも固体状態にある半導体膜２４への吸収率が高い範囲の波長を有する。第１レーザ光７２ａは、固体レーザ発振装置、たとえばエキシマレーザ発振装置およびＹＡＧレーザ発振装置によって発振される紫外域の波長によって実現される。第１レーザ光７２ａは、好適には、パルス放射可能なエキシマレーザ光によって実現される。
【０１１８】
さらに第１レーザ光７２ａは、１回の照射によって、固体状態にある半導体膜２４を溶融させるエネルギー量を有している。このエネルギー量は、半導体膜の２４状態量、たとえば半導体膜２４の材質、半導体膜２４の膜厚および結晶領域４１の面積によって設定される。具体的には、第１レーザ光７２ａは、半導体膜２４を照射領域３５のすべての厚み方向にわたって融点以上の温度に加熱することのできるエネルギー量を有する。
【０１１９】
本実施の形態では、第１レーザ光７２ａは、エキシマレーザ光であって、波長は約３０８ｎｍ、エネルギー密度は約２００ｍＪ／ｃｍ２および照射時間は約５０ｎｓｅｃに設定される。
【０１２０】
第２レーザ光７３ａは、溶融状態にある半導体膜２４の溶融状態を維持可能なエネルギーを有する。第２レーザ光７３ａは、第１レーザ光７２ａよりも液体状態にある半導体膜２４への吸収率が高い範囲の波長を有する。具体的には、第２レーザ光７３ａは、可視域から赤外域の波長を有することが好ましい。第２レーザ光７３ａは、たとえば波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザおよび波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザによって実現される。
【０１２１】
さらに第２レーザ光７３ａは、１回の照射によって、固体状態にある半導体膜２４を溶融させるエネルギー量以下に設定される。第２レーザ光７３ａの有するエネルギー量は、半導体膜２４の状態量、たとえば半導体膜２４の材質、半導体膜２４の膜厚および結晶領域の面積によって設定される。具体的には、第２レーザ光７３ａを半導体膜２４に照射した場合、半導体膜２４を融点未満の温度に加熱するエネルギー量を有するように設定される。
【０１２２】
第２レーザ光７３ａは、二酸化炭素（ＣＯ２）レーザを用い、波長は１０．６μｍ、エネルギー密度は約５Ｊ／ｃｍ２および照射時間は約３ｍｓｅｃに設定される。本実施の形態において、第１レーザ光７２ａを光軸が半導体膜２４の厚み方向と略平行となる方向から入射させ、第２レーザ光７３ａを半導体膜２４の厚み方向に対して傾斜している斜方向から入射させる。本実施の形態においては、第１レーザ光７２ａを半導体膜２４の厚み方向一端面に対して垂直方向から入射させ、第２レーザ光７３ａを垂直方向と３０度をなす角度で入射させる。
【０１２３】
第１レーザ光７２ａは、たとえば所定のパターンを形成したマスクの像を、半導体膜２４上に第１レーザ光７２ａの照射領域３５として縮小投影するように照射してもよい。この際、第２レーザ光７３ａの照射領域３５は、第１レーザ光７２ａの照射領域３５を包含するように設定される。好適には、第２レーザ光７３ａの照射領域３５は、第１レーザ光７２ａの照射領域３５より広い面積を有する。また本実施の形態においては、半導体膜２４における照射領域３５を除く残余の領域におけるガラス基板２１の温度を、室温、たとえば摂氏２５度と同等の温度に維持し、第１レーザ光７２ａと第２レーザ光７３ａとを照射する。
【０１２４】
図１４は、第１および第２レーザ光７２ａ，７３ａの照射強度と照射時間との関係を示すグラフである。固体状態にある半導体膜２４は、第１レーザ光７２ａを照射されて溶融される。その後、第２レーザ光７３ａによって溶融状態を長期間維持して、厚み方向に垂直な横方向へ成長させて結晶を形成する。
【０１２５】
第１レーザ光７２ａは、時刻ｔ０に照射が開始される。第２レーザ光７３ａは、時刻ｔ１〜ｔ２において高出力で照射され、時刻ｔ１〜ｔ２を除く残余の時間では低出力で照射される。本実施の形態では、時刻ｔ０〜ｔ１を４０ｎｓｅｃとし、時刻ｔ１から第１レーザ光７２ａと第２レーザ光７３ａとを半導体膜２４に照射される。時刻ｔ１において、半導体膜２４は溶融し、溶融状態にある。この溶融状態にある半導体膜２４に対して、第１レーザ光７２ａに加えて第２レーザ光７３ａの照射する。
【０１２６】
このように本実施の形態では、第２レーザ光７３ａを照射することによって、半導体膜２４の温度低下速度を低下させる。したがって半導体膜２４が再び固化するまでの時間を延長することができるので、結晶３９の結晶成長長さを大幅に延ばすことができる。したがって大粒径の結晶を効率よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の実施の一形態の半導体デバイスの前駆体２０の一部を示す正面図である。
【図２】半導体デバイスの前駆体２０にレーザ光を照射するレーザ加工装置２５を簡略化して示す正面図である。
【図３】前駆体２０の一部を示す平面図であって、レーザ光３４が照射される領域の周辺を示す平面図である。
【図４】本実施の形態の半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートであ。
【図５】半導体デバイスの製造方法の工程を段階的に示す正面図である。
【図６】半導体デバイス３８の一部を示す平面図であって、照射領域３５の周辺を示す平面図である。
【図７】半導体デバイス３８の一部を簡略化して示す平面図である。
【図８】本発明の実施の他の形態の半導体デバイスの前駆体５０を示す正面図である。
【図９】本実施の形態の半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】半導体デバイスの製造方法の工程を段階的に示す正面図である。
【図１１】本発明の実施の他の形態の半導体デバイスの前駆体６０を示す正面図である。
【図１２】キャップ膜６１の膜厚とレーザ光３４に対する反射率との関係を示すグラフである。
【図１３】本発明のさらに他の形態の半導体デバイスの製造方法に用いられるレーザ加工装置７０を簡略化して示す正面図である。
【図１４】第１および第２レーザ光７２ａ，７３ａの照射強度と照射時間との関係を示すグラフである。
【図１５】第１の従来技術の半導体デバイスの製造方法に用いられる半導体デバイスの前駆体１の正面図である。
【図１６】第２の従来技術に用いられる半導体デバイス７を示す平面図であって、その製造方法を段階的に示す平面図である。
【図１７】第３の従来技術の半導体デバイスの製造方法によって得られる半導体デバイス７の平面図である。
【図１８】第３の従来技術に用いられる半導体デバイス７を簡略化して示す平面図である。
【図１９】第３の従来技術に用いられる半導体デバイス７の他の例を簡略化して示す平面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
２０  半導体デバイスの前駆体
２１  ガラス基板
２２  高熱伝導膜
２３  低熱伝導膜
２４  半導体膜
３８，５０，６０  半導体デバイス
３９  結晶
５１  保護膜
６１  キャップ膜
【図１】
2005217301.tif 000003
【図２】
2005217301.tif 000004
【図３】
2005217301.tif 000005
【図４】
2005217301.tif 000006
【図５】
2005217301.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005217301.tif 000009
【図８】
2005217301.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005217301.tif 000017
【図１６】
2005217301.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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