(57)【要約】【課題】  レーザ照射により溶融した半導体デバイスの冷却速度を制御し、成長する結晶の大きさを大きくした半導体デバイスおよびその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】  基板２上に、第一の下地膜３、第二の下地膜４、半導体膜５の順に積み重ねられた半導体デバイス１であって、第一の下地膜３は、基板２および第二の下地膜４よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体デバイス。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第一の下地膜、第二の下地膜、半導体膜をこの順に積層させた半導体デバイスであって、前記第一の下地膜は、前記基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
前記半導体膜が、常法により一旦形成された非晶質，微結晶または多結晶のシリコン系半導体膜であり、この半導体膜がさらにレーザ光の照射による熱処理に付される際、前記第一の下地膜が半導体膜の結晶の成長を助長する役割を果たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記第一の下地膜が、前記半導体膜の上方から照射されたレーザ光の熱を第一の下地膜の面内方向に拡散することにより、前記半導体膜の結晶の成長を助長することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第一の下地膜が、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、窒化シリコンまたは、窒化アルミニウムおよび窒化シリコンの混合物のいずれか１つを主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第一の下地膜は、窒化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化セリウム，窒化シリコン，または窒化アルミニウムおよび窒化シリコンの混合物のいずれか一つを主成分とする膜であり、前記基板および第二の下地膜は、絶縁性を有する材料で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記第二の下地膜が、酸化シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記半導体膜は、半導体膜上から照射されたレーザ光により溶融される領域で、結晶化されかつ面内方向に結晶成長されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項８】
前記レーザ光の照射により溶融される領域を、面内方向に段階的に移動させることにより、前記半導体膜の結晶化された領域が拡大されたことを特徴とする請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記レーザ光が、固体状態にある前記半導体膜を溶融させることが可能なエネルギー量を有する第１のレーザ光と、固体状態にある前記半導体膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光からなることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
基板上に、第一の下地膜、第二の下地膜、半導体膜をこの順に積層させた半導体デバイスの製造方法であって、
基板上に、基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高い第一の下地膜を積層する工程と、前記第一の下地膜の上に、第二の下地膜を積層する工程と、前記第二の下地膜の上に、非晶質，微結晶または多結晶の半導体膜を積層する工程と、前記半導体膜にレーザ光を照射することによって、照射領域の半導体膜を溶融化後結晶化し、さらに面内方向に結晶成長させる工程と、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１１】
基板上に、第一の下地膜、第二の下地膜、半導体膜をこの順に積層させた半導体デバイスの製造方法であって、基板上に、基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高い第一の下地膜を積層する工程と、前記第一の下地膜の上に、第二の下地膜を積層する工程と、前記第二の下地膜の上に、非晶質，微結晶または多結晶の半導体膜を積層する工程と、前記半導体膜にレーザ光を照射することによって、照射領域の半導体膜を溶融化後結晶化し、さらにレーザ光の照射領域を半導体膜の面内方向に段階的に移動させることにより結晶化領域を拡大する工程と、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１２】
基板上に、第一の下地膜、第二の下地膜、半導体膜をこの順に積層させた半導体デバイスの製造方法であって、基板上に、基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高い第一の下地膜を積層する工程と、前記第一の下地膜の上に、第二の下地膜を積層する工程と、前記第二の下地膜の上に、非晶質，微結晶または多結晶の半導体膜を積層する工程と、固体状態にある前記半導体膜を溶融させることが可能なエネルギー量を有する第一のレーザ光を半導体膜に照射することにより、半導体膜を液体状態にする工程と、固体状態にある前記半導体膜を溶融させないエネルギー量を有する第二のレーザ光を半導体膜に照射することにより、前記液体状態の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デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記半導体膜を積層した後レーザ光を照射する前に、前記半導体膜の表面上に、前記第一のレーザ光の反射を防止するためのキャップ層を形成する工程を有することを特徴とする請求項１１または１２のいずれか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、レーザを用いて半導体材料を結晶化した半導体デバイスおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体デバイスの製造方法として、単結晶シリコン（Ｓｉ）材料を用いる方法があるが、この製造方法の他にもガラス基板上にシリコン薄膜を形成したシリコン薄膜を用いる製造方法がある。ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いることによって製造された半導体デバイスは、イメージセンサやアクティブマトリクス液晶表示装置の一部として用いられている。
液晶表示装置において、透明な基板上に規則的なアレイとして配列されるＴＦＴ（Thin Film Transistor，薄膜トランジスタ）に、半導体デバイスが用いられている。液晶表示装置のＴＦＴは、非晶質シリコン膜により形成され、ＴＦＴの各トランジスタは、液晶表示装置における画素コントローラとして作用する。
【０００３】
ところが、近年、電子の移動度の低い非晶質シリコン膜の代わりに、電子の移動度の高い多結晶シリコン膜を用いて、ＴＦＴのスイッチング特性を増強し、表示速度を高速化したＴＦＴ液晶表示装置が製造されるようになってきている。例えば、基板上に堆積している非晶質または微結晶シリコン膜にエキシマレーザを照射して結晶化（ＥＬＣ，Excimer Lazer Crystalization）することにより、多結晶シリコン膜を製造する方法がある。
上記ＥＬＣ法は、サンプルに対し、一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームを半導体膜上に連続的に照射する方法が一般的である。このときレーザを照射した部分の半導体膜は、厚さ方向全域に亘って溶融するのではなく、一部の半導体膜領域を残したまま溶融される。このため、未溶融領域／溶融領域界面全面において、いたるところに結晶核が発生し、半導体膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されるため、結晶粒径は１００〜２００ｎｍと非常に小さくなる。
多結晶シリコン膜の結晶粒界には、不対電子が多数存在するため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。従って結晶粒界が少ない、つまり結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜で形成されたＴＦＴほど、一般に電界効果移動度は高くなり、好ましい。
【０００４】
しかしながら、従来のＥＬＣ法では、前述のように、未溶融領域／溶融領域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、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることは難しいため、電界効果移動度の高いＴＦＴを得ることが困難であった。また、ランダムに結晶化するため、このような場合、各ＴＦＴ相互間で構造の不均一性が生じると共に、ＴＦＴアレイにスイッチング特性の不均一性が生じてしまうという不具合が生じる。また、このような不具合が生じると、ＴＦＴを用いた液晶表示装置において、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。
【０００５】
そこで、さらに高性能なＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、上記の多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすることや、シリコン結晶の方位を制御することなどが必要である。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされている。
その中でも特に、「ラテラル成長法」に分類されるレーザ結晶化技術は、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られるため、注目を集めている（たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）。
【０００６】
ラテラル成長法は、特許文献１に記載の方法のように、微細幅のパルスレーザ光をシリコン薄膜に照射し、照射された部分のシリコン薄膜をレーザ光の照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融、凝固を繰返して結晶化を行う方法（ＳＬＳ（Sequential Lateral Solidification ）法と記載する）と、特許文献２および特許文献３に記載の方法のように、半導体薄膜上に結晶化に用いるレーザ光に対する反射防止膜（光吸収膜）もしくは反射膜を形成し、部分的に前記半導体薄膜を溶融、凝固させて結晶化を行う方法（キャッピング法と記載する）に分類できる。
上記のラテラル成長法においては、いずれの方法でも基本的な結晶化の原理は同じであり、ここでは、従来のラテラル成長法のうちＳＬＳ法について説明する。
【０００７】
図１０に、半導体膜５を結晶化するためのレーザ加工装置を示す。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１１、可変減衰器１２、フィールドレンズ１３、マスク１４、結像レンズ１５、サンプルステージ１６及びいくつかのミラーを備え、これらの要素は、コントローラ１７により制御されている。
ＳＬＳ方法は、図１０に示すようなレーザ加工装置によって、微細幅のパルスレーザを半導体に照射し、半導体膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行うものである。このレーザ加工装置によれば、光源１１から出射されたエキシマレーザが、ステージ１６上の半導体デバイス１に照射される。
図１１に、従来のラテラル成長法における半導体デバイス１の従来構造１を示す。図１１に示すように、光透過性を有する透明基板１０２上に半導体膜（半導体材料）１０３上が形成されており、半導体膜１０３は、下地膜１０４とその上に形成されるシリコン膜１０５とから構成される。
【０００８】
以下、ＳＬＳ方法の製造手順を示す。まず、図１１に示すように、透明基板１０２上の半導体膜１０３の延設方向（図中ＡＢ方向）に沿って結晶領域を形成するために、半導体膜１０３内の領域Ｃに熱を誘導する。熱の誘導は、半導体膜１０３の領域Ｃ以外の領域をマスキングした後、半導体膜１０３をレーザ露光することにより行われる。これにより、領域Ｃに照射されたレーザ光８のエネルギーが熱エネルギーに変換され、半導体膜１０３内の領域Ｃに熱を誘導することができると共に、半導体膜１０３の上層部分であるシリコン膜１０５の厚さにわたって、シリコン膜１０５を溶融することができる。
【０００９】
次に、領域Ｃにて溶融されているシリコン膜１０５を冷却することにより凝固させる。これにより、図１２（ａ）に示すように、領域Ｃとそれ以外の領域との境界から、領域Ｃの中心に向かうようにして、針状の結晶が成長する。図１２（ａ）は、図１１における半導体膜１０３の上面図である。図１２（ａ）において、領域Ｃの中央部分は、微結晶領域を示しており、領域Ｃの左右両側の部分は成長した針状結晶領域を示している。
さらに、図１２（ｂ）に示すように、領域Ｃ内の針状結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｃと隣り合う新たな領域Ｄを設定し、上記手順と同様に領域Ｄを溶融する。そして、上記同様、領域Ｄにて溶融されているシリコン膜１０５を凝固させると、図１２（ｃ）に示すように、領域Ｄ内に結晶が成長する。
【００１０】
このような手順を繰り返し、所望の結晶を半導体膜１０３の延設方向に沿って段階的に形成させることで、図１２（ｄ）に示すように、多結晶構造の半導体結晶を拡大させることができる。これにより、結晶粒の大きい多結晶シリコン膜を形成することができる。
【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】
【００１１】
従来のラテラル成長法のうちキャッピング法では、基板温度を室温として、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを、３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー量で、厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン薄膜に照射した場合には、１回のレーザパルス照射で成長するシリコン結晶の長さ、すなわち、ラテラル成長距離は０．８〜１．０μｍ程度になる（特許文献３，段落３４，３７）。
また、キャッピング法を併用するラテラル成長法によって得られた、多結晶シリコンを活性層とするトランジスタを形成する場合、高性能な薄膜トランジスタ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。
【００１２】
しかし、上述した通り、従来のキャッピング法を併用するラテラル成長法では、１回のレーザパルス照射によって成長するシリコン結晶の長さは、０．８〜１．０μｍ程度であり、比較的小さい。そのため、チャネル長がこの長さを超えるトランジスタを形成すれば、キャリアの移動方向に結晶粒界を含むことになる。したがって、１回のレーザパルス照射で得られるラテラル成長距離が長ければ長いほど、種々のサイズの高性能薄膜トランジスタが形成できることとなり、その結果、様々な機能を有する回路を薄膜トランジスタとともにガラス基板上に一体的に形成できるが、キャッピング法を併用するラテラル成長法により作製したトランジスタは、ラテラル成長距離が比較的小さいので、極端に性能が低下する場合があるという問題がある。
【００１３】
一方、従来のＳＬＳ法の場合、キャッピング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ため、上記のプロセス条件と半導体層膜厚などが同じであれば、同等の長さの結晶が成長する。
したがって、従来のＳＬＳ法においては、図１２（ｄ）に示すような針状のシリコン長結晶を形成するためには、１回のレーザパルス照射で成長する結晶の長さ（ラテラル成長距離）の１／２〜２／３程度の送りピッチ、すなわち０．４〜０．７μｍ程度の極めて微小な送りピッチで、レーザパルス照射を繰返し行うことが必要である。
このため、従来のＳＬＳ法を用いて、表示装置などに用いる基板複合体の全面にわたってシリコンを結晶化するには、極めて長い時間が必要であり、製造効率が極めて悪いという問題がある。
【００１４】
本発明は上記のような点を考慮してなされたものであり、ラテラル成長法を利用して形成される半導体層を有する半導体デバイスにおいて、レーザ光の照射による半導体層の１回の溶融再結晶化により得られる多結晶シリコン結晶のラテラル成長距離を長くすることにより、その半導体層が大粒径の多結晶シリコン膜で構成されるようにした半導体デバイスおよびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明は、基板上に、第一の下地膜、第二の下地膜、半導体膜の順に積層させた半導体デバイスであって、前記第一の下地膜は、前記基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体デバイスを提供するものである。
このような構成の半導体デバイスは、半導体膜の結晶粒径を従来よりも大きなものとすることができる。したがって、この半導体デバイスを利用して形成されたトランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
【００１６】
ここで、前記半導体膜が、常法により一旦形成された非晶質，微結晶または多結晶のシリコン系半導体膜であり、この半導体膜がさらにレーザ光の照射による熱処理に付される際、前記第一の下地膜が半導体膜の結晶の成長を助長する役割を果たすようにしてもよい。
また、前記第一の下地膜は、前記半導体膜の上方から照射されたレーザ光の熱を第一の下地膜の面内方向に拡散することにより、前記半導体膜の結晶の成長を助長するように機能するものである。
この発明において、積層された直後の半導体膜は、非晶質，微結晶または多結晶のいずれの構造であってもよい。ただし、レーザ光による熱処理がされた後の半導体膜は多結晶構造を有する。
【００１７】
また、第一の下地膜は、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、窒化シリコン、または窒化アルミニウムおよび窒化シリコンの混合物のいずれか１つを主成分としてもよい。
また、第一の下地膜は、窒化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化セリウム，窒化シリコン，または窒化アルミニウムおよび窒化シリコンの混合物のいずれか一つを主成分とする膜であり、前記基板および第二の下地膜は、絶縁性を有する材料で形成されるようにしてもよい。
さらに、基板は、ガラスまたは石英基板を用い、前記第二の下地膜としては、酸化シリコンを主成分とするものを用いてもよい。
積層される半導体膜としては、非晶質膜あるいは微結晶や多結晶の結晶性半導体膜が用いられる。たとえば、アモルファスシリコンの他、シリコンを主成分とするシリコン系半導体膜が用いられる。
【００１８】
この発明において、前記半導体膜は、半導体膜上から照射されたレーザ光により溶融される領域で、結晶化されかつ面内方向に結晶成長されたことを特徴とする。
また、前記レーザ光の照射により溶融される領域を、面内方向に段階的に移動させることにより、前記半導体層の結晶化された領域が拡大されたことを特徴とする。
さらに、前記レーザ光が、固体状態にある前記半導体膜を溶融させることが可能なエネルギー量を有する第１のレーザ光と、固体状態にある前記半導体膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光からなることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明は、基板上に、第一の下地膜、第二の下地膜、半導体膜をこの順に積層させた半導体デバイスの製造方法であって、基板上に、基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高い第一の下地膜を積層する工程と、前記第一の下地膜の上に、第二の下地膜を積層する工程と、前記第二の下地膜の上に、半導体膜を積層する工程と、前記半導体膜にレーザ光を照射することによって、照射領域の半導体膜を溶融かつ結晶化し、さらに面内方向に結晶成長させる工程と、を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法を提供するものである。
これによれば、レーザ照射により成長する半導体膜の結晶粒径を大きくすることができる。また、第一の下地膜は、基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高いので、大きな結晶粒径の半導体膜を有する半導体デバイスを効率的に製造することができる。
ここで、積層工程で形成される半導体膜は、非晶質，微結晶または多結晶のいずれの構造であってもよい。結晶成長された後は、多結晶の半導体膜となる。
【００２０】
さらに、この発明は、基板上に、第一の下地膜、第二の下地膜、半導体膜をこの順に積層させた半導体デバイスの製造方法であって、基板上に、基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高い第一の下地膜を積層する工程と、前記第一の下地膜の上に、第二の下地膜を積層する工程と、前記第二の下地膜の上に、半導体膜を積層する工程と、前記半導体膜にレーザ光を照射することによって、照射領域の半導体膜を溶融かつ結晶化し、さらにレーザ光の照射領域を半導体膜の面内方向に段階的に移動させることにより結晶化領域を拡大する工程と、を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法を提供するものである。
【００２１】
また、基板上に、第一の下地膜、第二の下地膜、半導体膜をこの順に積層させた半導体デバイスの製造方法であって、基板上に、基板および第二の下地膜よりも熱伝導率が高い第一の下地膜を積層する工程と、前記第一の下地膜の上に、第二の下地膜を積層する工程と、前記第二の下地膜の上に、半導体膜を積層する工程と、固体状態にある前記半導体膜を溶融させることが可能なエネルギー量を有する第一のレーザ光を半導体膜に照射することにより、半導体膜を液体状態にする工程と、固体状態にある前記半導体膜を溶融させないエネルギー量を有する第二のレーザ光を半導体膜に照射することにより、前記液体状態の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デバイスの製造方法を提供するものである。
ここで、前記半導体膜を積層した後、前記半導体膜の表面上に、前記第一のレーザ光の反射を防止するためのキャップ層を形成するようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図に示す実施例に基づいて本発明を詳述する。なお、本発明はこれによって限定されるものではない。
図１に、本発明の半導体デバイスの構成断面図を示す。
本発明の半導体デバイス１は、基板２上に第一の下地膜３を形成し、第一の下地膜３の上に第二の下地膜４を形成し、第二の下地膜４上に半導体膜５を形成した構成を有する。また、半導体膜５は、ＳＬＳ法、キャッピング法などのラテラル成長法により、レーザ光８で結晶化される。ここで、第一の下地膜３は、基板および第二の下地膜４よりも熱伝導率が高いことを特徴とする。
このような半導体デバイス１は、主として次のような２つの工程（薄膜積層形成工程、半導体膜結晶化工程）により製造される。また、第一の下地膜を備えることにより、積層時には非晶質，微結晶または多結晶であった半導体膜は、レーザ光照射後に結晶粒径の大きさが従来よりも大きな膜となる。
【００２３】
＜薄膜積層形成工程＞
以下、この発明の半導体デバイスにおいて、基板２上に、前記複数の薄膜を順次積層形成する方法について説明する。
（ステップ１：第一下地膜３の形成）
まず、基板２上に、第一の下地膜３を形成する。
基板２としては、絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板等を用いることができる。ただし、安価であることおよび大面積基板を容易に製造できることなどの観点から、ガラス基板を用いることが好適である。また、ガラス基板の熱伝導率は０．８であり、石英基板の熱伝導率は１．４（W／ｍK）であり、後述する第一の下地膜の熱伝導率よりも十分低いものである。
【００２４】
第一の下地膜３は、蒸着やイオンプレーティング、あるいはスパッタリングなどを用いて、膜厚が望ましくは１０〜１５０ｎｍとなるように積層される。膜厚が１０ｎｍ未満の場合には十分な熱伝導効果が得られない場合がある一方、膜厚が１５０ｎｍを超える場合には逆に半導体膜５の結晶成長を阻害することになる場合があるからである。かかる第一の下地膜３としては、上記の基板２および第二の下地膜４の熱伝導率より高い熱伝導率を有するものであれば特に限定されないが、１０（Ｗ／ｍＫ）以上、好ましくは２０（Ｗ／ｍＫ）以上の熱伝導率を有していることが好ましい。ここで、熱伝導率とは、通常用いられているような値（物体内部の等温面の単位面積を通って単位時間に垂直に流れる熱量と、この方向における温度勾配との比）を意味する。
また、第一の下地膜３は、このような熱伝導率を有するとともに絶縁性を示すものが好ましい。このような第一の下地膜３としては、例えば窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物、酸化マグネシウム、あるいは酸化セリウムなどを主成分とするものを用いることが好適である。一例として、ガラス基板２の熱伝導率は０．８であり、第二の下地膜４である酸化シリコンの熱伝導率は１．４であるのに対し、第一の下地膜３である窒化アルミニウムの熱伝導率は３５である（図８参照）。
【００２５】
（ステップ２：第二下地膜４の形成）
第一の下地膜３の上に、第二の下地膜４を形成する。
第二の下地膜４は、蒸着やイオンプレーティング、あるいはスパッタリングなどを用いて、膜厚が望ましくは１０〜１００ｎｍとなるように積層される。膜厚が１０ｎｍ未満の場合には、表面の平坦性が悪く、均一なレーザ照射効果が得られない場合がある一方、膜厚が１００ｎｍを超える場合には十分な熱伝導効果が得られない場合があるからである。かかる第二の下地膜４としては、上記の第一の下地膜３の熱伝導率より低い熱伝導率を有するものを用いる。また、第二の下地膜４は、このような熱伝導率を有するとともに絶縁性を示すものが好ましい。このような第二の下地膜４としては、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンなどを主成分とするものを用いることが好適である。また、第二の下地膜４はその下層である基板２の物質がレーザ照射により溶融した半導体膜中に溶け込み、不純物として半導体の物性に悪影響をおよぼすことを防ぐためのバリアとしても、好適である。また、絶縁性であるため、半導体膜に回路を形成する際に好都合である。
【００２６】
（ステップ３：半導体膜５の形成）
次に、第二の下地膜４上に半導体膜５を形成する。
半導体膜５は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、又はスパッタリングなどを用いて、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように積層される。かかる半導体膜５としては、半導体特性を示す材料を用いればよい。ただし、結晶成長長さを長くすることにより種々の特性が顕著に向上するアモルファスシリコン膜を用いることが好ましい。しかし、アモルファスシリコンのように非晶質のものばかりに限らず、レーザ照射により結晶化される前の半導体膜５は、微結晶や多結晶などの結晶性半導体膜であってもよい。半導体膜５の材質は、シリコンのみからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質（シリコン系半導体膜またはシリコン系材質と呼ぶ）であってもよい。
以上により、図１に示すようなこの発明の半導体デバイスを構成する各薄膜層が形成される。
【００２７】
この発明の半導体デバイスを構成する「基板２／第一の下地膜３／第２の下地膜４／半導体膜５」の各材料の組合せとしては、たとえば次のようなものが挙げられる。
なお、材料名の後の括弧内の数値は、熱伝導率（W／ｍK）を示している。
（ａ）ガラス（0.8）／窒化アルミニウム（35）／酸化シリコン（1.4）／シリコン
（ｂ）ガラス（0.8）／窒化シリコン（10）／酸化シリコン（1.4）／シリコン
（ｃ）ガラス（0.8）／ＡｌＳｉＮ（20）／酸化シリコン（1.4）／シリコン
（ｄ）ガラス（0.8）／酸化マグネシウム（60）／酸化シリコン（1.4）／シリコン
（ｅ）ガラス（0.8）／酸化セリウム（10）／酸化シリコン（1.4）／シリコン
【００２８】
＜半導体膜結晶化工程＞
上記のように薄膜層が形成された後、半導体膜５の所定の領域を結晶化する。
半導体デバイスの積層された膜のうち半導体膜５を結晶化する方法について説明する。
結晶化は、次のようなレーザ光を照射することにより行う。
図３に、この発明の半導体デバイスの半導体膜５を結晶化するためのレーザ加工装置を示す。このレーザ加工装置は、図１０に示したものと同様に、第１レーザ発振器９３、可変減衰器１２、フィールドレンズ１３、マスク１４、結像レンズ１５、サンプルステージ１６、いくつかのミラーおよびコントローラ１７を備え、さらに第二のレーザ光８１を出射する第２レーザ発振器９４を有する。
第１レーザ発振器９３は、第一のレーザ光８０を出射するものとする。また、第一のレーザ光８０は、第二のレーザ光８１よりも固体状態にある半導体膜への吸収率が高い範囲の波長を有し、かつ固体状態にある半導体膜５を溶融させることが可能なエネルギー量を有するものを用い、第二のレーザ光８１は、第一のレーザ光８０よりも液体状態にある半導体膜５への吸収率が高い範囲の波長を有し、かつ固体状態にある半導体膜５を溶融させないエネルギー量を有するものを用いる。
【００２９】
ここで、第一のレーザ光８０は、第二のレーザ光８１よりも固体状態にある半導体膜５への吸収率が高い範囲の波長を有することが必要であるが、紫外域の波長を有することが好ましく、たとえば、波長３０８ｎｍのXeCLエキシマレーザパルスがあげられる。
また、第一のレーザ光８０は、１回のパルス照射あたり固体状態にある半導体膜を溶融させる照射面積あたりのエネルギー量を有することが必要であるが、このエネルギー量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化領域の面積などにより異なるので、一義的に定めることはできない。ただし、第一のレーザ光８０のエネルギー量としては、半導体膜５を、全膜厚におい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とすることが好ましい。
【００３０】
一方、第二のレーザ光８１は、第一のレーザ光８０よりも液体状態にあるこの半導体膜への吸収率が高い範囲の波長を有することが必要であるが、可視域から赤外域の波長を有することが好ましく、たとえば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、あるいは波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザなどがあげられる。
また、第二のレーザ光８１は、１回のパルス照射あたり固体状態にある半導体膜５を溶融させないような照射面積あたりのエネルギー量を有することが必要であるが、このエネルギー量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化領域の面積などにより異なるので、一義的に定めることはできない。ただし、第二のレーザ光を単独で照射した場合には、第二のレーザ光のエネルギー量としては、半導体膜５を融点以上の温度に加熱することのできないエネルギー量とすることが好ましい。
【００３１】
本実施の形態においては、たとえば、第一のレーザ光８０を基板表面に対して垂直方向から入射させ、第二のレーザ光８１を斜方向から入射させるようにしてもよい。
以上のような第一のレーザ光８０（たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルス）は、半導体膜５を溶融させるために用いられる。また、第二のレーザ光８１（たとえば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ）は、半導体膜５の凝固を制御するために用いられる。
ここで、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５上に形成し、図５に示すような照射領域７ａに、第一のレーザ光８０を縮小投影するように照射してもよい。この場合、第二のレーザ光８１の照射領域７ｂ（図５参照）は、第一のレーザ光８０の照射領域７ａを包含するように、より広い面積を有する照射領域とすることが好ましい。
さらに、半導体膜５の温度低下速度を低下させ、固化するまでの時間を延長させるため、第二のレーザ光８１は、少なくとも半導体膜５が溶融している間に照射することが望ましい。
【００３２】
図３において、第一のレーザ発振器９３は、シリコンを溶融することが可能であるレーザビームを放出するレーザ発振器であり、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなどの紫外域の波長を有するレーザ発振器を用いることが好ましい。特に、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ発振器が好ましい。
第二のレーザ発振器９４は、溶融シリコンをはじめとする溶融状態の半導体膜に吸収される波長を有するレーザ光８１を放射できる発振器を用いることが好ましい。
特に波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザを連続放射する第二のレーザ発振器９４を用いて、外部変調器（図には記載していない）で、第二のレーザ光８１をパルス化するようにしてもよい。
また、コントローラ１７は、第一のレーザ発振器９３およびサンプルステージ１６を制御し、レーザの照射タイミングおよびサンプルステージ１６の位置を調整する。これにより、サンプルステージ１６を図中矢印方向に移動させることができるので、レーザ光が照射されるエリアを移動させることができる。
【００３３】
＜キャッピング法の併用＞
レーザ光を照射する場合、キャッピング法を併用してもよい。
キャッピング法を併用する場合、上記の薄膜積層工程を実施した後、半導体膜５上に、第一のレーザ光もしくは第二のレーザ光の反射を防止するキャップ層９０を形成する。図４に、この発明の半導体デバイスにキャップ層９０を形成した断面図を示す。ここで、キャップ層９０の材質や膜厚は、レーザ光の波長に対して反射防止効果を有するように、半導体膜の材質、半導体膜の膜厚、レーザ光の種類などに応じて変化させることができるが、たとえば、レーザ発振器として波長３０８ｎｍのエキシマレーザ発振器を用い、半導体膜として膜厚５０ｎｍのアモルファスシリコン膜を用いた場合、キャップ層９０として、蒸着やイオンプレーティング、あるいはスパッタリングなどにより積層した、膜厚５０ｎｍの酸化シリコンを用いることができる。
【００３４】
図７に、この発明のキャップ層を形成した半導体デバイスにおいて、膜厚５０ｎｍのシリコン上に形成したキャップ層（二酸化シリコン膜）の膜厚に対する、エキシマレーザの反射率の変化のグラフを示す。
このグラフによれば、膜厚が増加するにつれて周期的に反射率が変化するが、キャップ層がどんな膜厚であってもキャップ層を形成しない場合と比べて、反射防止効果を奏する。
ただし、最適な反射防止効果を得るためには、キャップ層の膜厚は、反射率が最小となる膜厚（５０ｎｍ、１５０ｎｍ、２５０ｎｍ等）に設定することが好ましい。
また、このキャップ層９０は、ＴＦＴを形成する位置に選択的に形成する。
【００３５】
＜レーザ光の照射方法＞
図６に、この発明の第一のレーザ光８０および第二のレーザ光８１の照射時間ｔと出力（エネルギー量）との関係の一実施例を説明するグラフを示す。ただし、図６に示すような関係があることを限定するものではない。
図６において、パルス波形９１は、第一のレーザ光の出力波形を示しており、時刻ｔ＝０に第一のレーザ光の照射を開始することを示している。パルス波形９２は、第二のレーザ光の出力波形を示しており、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２を除く時間では比較的低出力で放射され、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２において比較的高出力で放射されることを示している。なお、時刻ｔ０では半導体膜５は固体状態であるが、時刻ｔ１において、半導体膜５は溶融状態になるものとする。
この溶融状態にある半導体膜５に対して、時刻ｔ１において第一のレーザ光に加えて第二のレーザ光の照射を行うことにより、半導体膜５の温度低下速度を低下させ、固化するまでの時間を延長させる。したがって固化するまでの時間が延長されるので、溶融状態にある半導体膜５の固化により生成される半導体多結晶のラテラル成長距離を大幅に延ばすことができる。
【００３６】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の形態１を、図１、図２、図８および図９に基づいて説明する。
本発明の実施形態１に係る半導体デバイス１は、図１に示すような層構成を有し、透明基板２上に、窒化アルミニウム膜３、二酸化シリコン膜４、シリコン膜５の順に積層されて構成される。ここで、本実施の形態１では、シリコン膜５および透明基板２に比べて熱伝導率が大幅に異なる窒化アルミニウムが第一の下地膜３として用いられている点に特徴がある。また、本実施の形態１の一例として、窒化アルミニウム膜３の膜厚を１００ｎｍ、二酸化シリコン膜４の膜厚を２０ｎｍ、シリコン膜５の膜厚を５０ｎｍとする。
【００３７】
前記したように、窒化アルミニウム膜３は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより透明基板２上に積層される。また、二酸化シリコン膜４は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより、窒化アルミニウム膜３上に積層される。そして、半導体膜であるシリコン膜５は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ，Plasuma Enhanced Chemical Vapor Deposition）、蒸着、またはスパッタリングなどにより窒化アルミニウム膜３上に積層される。この場合、積層された状態では、シリコン膜５は、アモルファス（非晶質）の状態である。
【００３８】
次に、室温において、短パルスレーザ８０を図中Ｆ方向へ向けて、シリコン膜５の表面に照射する。この短パルスレーザ８０のエネルギーにより、アモルファス状態のシリコン膜５は一旦溶融する。その後、冷却することにより、溶融したシリコン膜５は、結晶化する。本実施の形態１では、短パルスレーザ８０として、波長３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ），パルス幅３０ｎｓのエキシマレーザを用いる。
【００３９】
本実施の形態１のプロセスにより結晶化させたシリコン膜５と従来のプロセスにより結晶化させたシリコン膜とを比較するため、ＳＥＭ（Scaning Electron Microscope ）により結晶表面の観察を行った。本実施の形態１の半導体デバイス１および従来の半導体デバイスについて、１回のレーザ照射によりシリコン膜を結晶化させ、ＳＥCＣＯエッチングを行い、このようにして処理された後のシリコン膜について、ＳＥＭにより拡大観察した結果を、図２に示す。
図２（ａ）は本実施の形態１のプロセスにより結晶化したシリコン膜５の膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、図２（ｂ）は従来のプロセスにより結晶化したシリコン膜の膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像である。なお、本実施の形態１と従来のプロセスとの相違点は、本実施の形態１では、従来のプロセスにおける基板２と下地膜４との間に、第一の下地膜３として窒化アルミニウムが用いられている点である。
【００４０】
図２（ａ）と図２（ｂ）とを比較すれば、従来のプロセスよりも本実施の形態１（図２（ａ））によるプロセスの方が、成長する結晶の結晶成長長さ１８が大きいことがわかる。このちがいは、次のような原理によるものと考えられる。
従来のプロセスにおいては、基板１０２の上に二酸化シリコン膜１０４が形成され、二酸化シリコン膜１０４の上に半導体膜５が形成された構造を有しており、下地膜４としての二酸化シリコンの熱伝導率は、図８に示すように１．４（Ｗ／ｍＫ）程度と小さい。したがって、レーザ照射によりアモルファスシリコン膜５内で発生した熱エネルギーは、横方向へ拡散しにくいため、レーザ照射後の冷却過程において溶融した部分が凝固する際に放出する潜熱に起因して、溶融領域と凝固領域との界面付近には局所的に温度が高くなる領域が生じる一方、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ためほとんど熱勾配が形成されないという問題点があった。
【００４１】
このため、従来のプロセスにおいては、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凝固温度を下回った領域が順次凝固していくとともに、これとは別に溶融領域中央部でも凝固温度を下回って凝固が起こる領域が生じていた。したがって、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を下回ることになるため、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ることとなり、結晶粒径の非常に小さい微結晶が大量に発生する原因となっていた。その結果、従来のプロセスにおいては、１回のパルス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当該微結晶により成長を阻害されることとなりあまり大きく成長することができなかった。
【００４２】
一方、本発明の実施の形態１においては、基板２の上に窒化アルミニウム膜３が形成され、窒化アルミニウム膜３の上に二酸化シリコン膜４が形成され、二酸化シリコン膜の上に半導体膜５が形成された構造を有している。また、第一の下地膜３としての窒化アルミニウムの熱伝導率が図８で示すように３５（Ｗ／ｍＫ）程度であり、透明基板（ガラス）２の熱伝導率が図８で示すように０．８（Ｗ／ｍＫ）程度である。したがって、第一の下地膜３としての窒化アルミニウムの熱伝導率が透明基板２および二酸化シリコン膜４に比べて大幅に高いため、レーザ照射により生じた熱エネルギーは、二酸化シリコン膜４を通過して窒化アルミニウム膜３に達した後、窒化アルミニウム膜３内を速やかに横方向に拡散することとなる。
【００４３】
すなわち、レーザ照射後の冷却過程において窒化アルミニウム膜３に接した二酸化シリコン膜４上の半導体膜５は、溶融した部分が凝固する際に放出する潜熱が横方向へ拡散されるため、溶融領域と凝固領域との界面付近に局所的に温度が高くなる領域が生じることがなく、溶融領域中央部から未溶融領域と溶融領域との界面に渡って緩やかに減少する温度勾配となる。このため、１回のパルス照射を行った際の溶融領域中央部における微結晶の発生を抑制することができる。したがって、溶融領域の凝固過程において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従来のプロセスで発生していたような微結晶によってその成長を抑制されることがない。この結果、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非常に大きくなり、このように１回のパルス照射を行った際に成長する結晶が大きくなるので、大粒径の多結晶シリコン膜を効率よく得ることができる。
例えば、４μｍのスリット幅であるレーザを照射した場合、従来構造１では結晶成長させた場合にはその結晶成長長さはせいぜい１〜１．２μｍ程度であったが、本発明の構造を採用することにより結晶成長長さを２μｍ以上とすることができる。
【００４４】
図９に、窒化アルミニウム膜３の膜厚を様々に変えたサンプルに対して、４μｍのスリット幅であるレーザを照射した際の結晶成長長さ１８の測定結果を示す。結晶成長長さ１８が２μｍ以上と大きく成長した場合については「○」を記入してある。図９によれば、窒化アルミニウム膜３の膜厚が１０〜１５０ｎｍのとき大きく結晶成長していることがわかる。
【００４５】
このように本発明の実施の形態１の構造において、レーザ光８の照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散が促進されるので、さらに大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜５)を得ることができる。
実施の形態１の半導体デバイスについて既存の手法によりトランジスタを形成することができ、液晶パネルなどの表示素子として用いることが可能である。また、本発明の半導体デバイスは、結晶粒が従来より格段に大きいためトランジスタのチャネルを流れるキャリアの移動度が高い素子が得られる。
【００４６】
〔実施の形態２〕
本発明に係る他の実施の一形態として、実施の形態１で第一の下地膜３として使用した「窒化アルミニウム」を、「窒化シリコン」に変更したものを説明する。
本実施の形態２の半導体デバイス１は、透明基板２上に、窒化シリコン膜３、二酸化シリコン膜４、シリコン膜５の順に積層されて構成される。ここで、本実施の形態２では、第一の下地膜３として用いられている窒化シリコン膜３の膜厚を１００ｎｍ程度とする。他の膜（４，５）の膜厚は実施の形態１と同一とする。
【００４７】
また、窒化シリコン膜３は、蒸着、イオンプレーティングまたはスパッタリングなどにより透明基板２上に積層される。他の膜は、実施の形態１と同様の方法で形成すればよい。
また、この実施の形態２でも、室温において、短パルスレーザを図中Ｆ方向へ向けて、シリコン膜５の表面に照射する。本実施の形態２でも、短パルスレーザとして、波長３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ），パルス幅３０ｎｓのエキシマレーザを用いればよい。
ＳＥＭにより拡大観察した結果は、上述の実施の形態１で示した図２（ａ）と同様であり、従来のプロセスよりも本実施の形態２によるプロセスの方が、成長する結晶が大きいことがわかる。
【００４８】
本発明の実施の形態２においては、第一の下地膜３としての窒化シリコンの熱伝導率が図８で示すように１０（Ｗ／ｍＫ）程度であり、透明基板（ガラス）２の熱伝導率が図８で示すように０．８（Ｗ／ｍＫ）程度である。したがって、第一の下地膜３としての窒化シリコンの熱伝導率が透明基板２に比べて大幅に高いため、レーザ照射により生じた熱エネルギーは、二酸化シリコン膜４を通過して、窒化シリコン膜３に達した後、窒化シリコン膜３内を速やかに横方向に拡散することとなるからである。
４μｍのスリット幅であるレーザを照射した場合、実施の形態２の構造を採用することにより、半導体膜５の結晶成長長さ１８を２μｍ以上とすることができる。
また、窒化アルミニウム膜と同様に、窒化シリコン膜３の膜厚が１０〜１５０ｎｍであるとき、結晶成長長さ１８が大きく成長する。
このように本発明の実施の形態２の構造でも、レーザ光８の照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散が促進されるので、さらに大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜５)を得ることができる。
【００４９】
さらに、第一の下地膜３としての窒化シリコン、二酸化シリコン膜４、およびシリコン膜５は、いずれもＣＶＤで成膜することもできる。また、第一の下地膜３として窒化シリコンを用いた場合、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り窒化シリコンを成膜すると共に、通常のスパッタリングによりアモルファス状態のシリコンを成膜できる。したがって、第一の下地膜３として窒化アルミニウムを用いずに窒化シリコンを用いると、第一の下地膜３の熱伝導率が下がるものの、製造プロセスを簡略化できる。
【００５０】
〔実施の形態３〕
実施の形態１で第一の下地膜３として使用されている「窒化アルミニウム」の代わりに、「窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物」を用いてもよい。この場合も、実施の形態２および３と同様に、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることができる。
【００５１】
本発明の実施の形態３に係る半導体デバイス１は、透明基板２上に、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物３、二酸化シリコン膜４、シリコン膜５の順に積層されて構成される。ここで、本実施の形態３では、第一の下地膜３として用いられている窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物３の膜厚を１００ｎｍ程度とする。
窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物３は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより透明基板２上に積層される。他の製造プロセスは、上記実施の形態１と同様の方法を用いればよい。
【００５２】
このようにして処理された後のシリコン膜は、ＳＥＭにより拡大観察した結果は、上述の実施の形態１，２と同様に、図２（ａ）に示す表面像となるので、従来のプロセスよりも本実施の形態３によるプロセスの方が、成長する結晶が大きいことがわかる。
【００５３】
本発明の実施の形態３においては、基板２の上に窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物３が形成されることを特徴とするが、第一の下地膜３としての窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物の熱伝導率が図８で示すように２０（Ｗ／ｍＫ）程度であり、透明基板２の熱伝導率が図８で示すように０．８（Ｗ／ｍＫ）程度である。したがって、第一の下地膜３としての窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物の熱伝導率が透明基板２に比べて大幅に高いため、レーザ照射により生じた熱エネルギーは、二酸化シリコン膜４を通過して、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物３に達した後、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物３内を速やかに横方向に拡散することとなるからである。
【００５４】
したがって、例えば４μｍのスリット幅であるレーザを照射した場合、本発明の構造を採用することにより、半導体膜５の結晶成長長さ１８を２μｍ以上とすることができる。
また、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物３の膜厚が１０〜１５０ｎｍであるとき、結晶成長長さ１８が大きく成長する。
このように本発明の実施の形態３の構造でも、レーザ８の照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散が促進されるので、大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜５)を得ることができる。
また、本実施の形態３では、窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物の熱伝導率を上記のように２０（Ｗ／ｍＫ）程度と設定しているが、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの組成比率に従って熱伝導率を自由に設計することが可能である。
【００５５】
〔実施の形態４〕
実施の形態１で第一の下地膜３として使用されている「窒化アルミニウム」の代わりに、「酸化マグネシウム」を用いてもよい。この場合も、上記した実施の形態と同様に、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることができる。
【００５６】
本発明の実施の形態４に係る半導体デバイス１は、透明基板２上に、酸化マグネシウム膜３、二酸化シリコン膜４、シリコン膜５の順に積層されて構成される。ここで、本実施の形態４では、第一の下地膜３として用いられている酸化マグネシウム膜３の膜厚を１００ｎｍ程度とする。
酸化マグネシウム膜３は、蒸着、イオンプレーティングまたはスパッタリングなどにより透明基板２上に積層される。他の製造プロセスは、上記実施の形態１と同様の方法を用いればよい。
【００５７】
このようにして処理された後のシリコン膜について、ＳＥＭにより拡大観察した結果は、上述の実施の形態１〜３と同様に、図２（ａ）に示す表面像となるので、従来のプロセスよりも本実施の形態４によるプロセスの方が、成長する結晶が大きいことがわかる。
本発明の実施の形態４においては、基板２の上に酸化マグネシウム膜３が形成されることを特徴とするが、第一の下地膜３としての酸化マグネシウムの熱伝導率が図８で示すように６０（Ｗ／ｍＫ）程度であり、透明基板（ガラス）２の熱伝導率が図８で示すように０．８（Ｗ／ｍＫ）程度である。したがって、第一の下地膜３としての酸化マグネシウムの熱伝導率が透明基板２に比べて大幅に高いため、レーザ照射により生じた熱エネルギーは、二酸化シリコン膜を通過して、酸化マグネシウム膜３に達した後、酸化マグネシウム膜３内を速やかに横方向に拡散することとなるからである。
【００５８】
したがって、例えば４μｍのスリット幅であるレーザを照射した場合、本発明の構造を採用することにより、半導体膜５の結晶成長長さ１８を２μｍ以上とすることができる。
また、酸化マグネシウム膜３の膜厚が１０〜１５０ｎｍであるとき結晶成長長さ１８が大きく結晶成長する。
このように本発明の実施の形態４の構造でも、レーザ光８の照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散が促進されるので、大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜５)を得ることができる。
【００５９】
〔実施の形態５〕
実施の形態１で第一の下地膜３として使用されている「窒化アルミニウム」の代わりに、「酸化セリウム」を用いてもよい。この場合も、上記の実施の形態と同様に、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることができる。
【００６０】
本発明の実施の形態５に係る半導体デバイス１は、透明基板２上に、酸化セリウム膜３、二酸化シリコン膜４、シリコン膜５の順に積層されて構成される。ここで、本実施の形態５では、第一の下地膜３として用いられている酸化セリウム膜３の膜厚を１００ｎｍ程度とする。
酸化セリウム膜３は、蒸着、イオンプレーティングまたはスパッタリングなどにより透明基板２上に積層される。他の製造プロセスは、上記実施の形態１と同様の方法を用いればよい。
【００６１】
このようにして処理された後のシリコン膜は、ＳＥＭにより拡大観察した結果は、上述の実施の形態１〜４と同様に、図２（ａ）に示す表面像となるので、従来のプロセスよりも本実施の形態５によるプロセスの方が、成長する結晶が大きいことがわかる。
【００６２】
本発明の実施の形態５においては、基板２の上に酸化セリウム膜３が形成されることを特徴とするが、第一の下地膜３としての酸化セリウムの熱伝導率が図８で示すように１０（Ｗ／ｍＫ）程度であり、透明基板（ガラス）２の熱伝導率が図８で示すように０．８（Ｗ／ｍＫ）程度である。したがって、第一の下地膜３としての酸化セリウムの熱伝導率が透明基板２に比べて大幅に高いため、レーザ照射により生じた熱エネルギーは、二酸化シリコン膜４を通過して酸化セリウム膜３に達した後、酸化セリウム膜３内を速やかに横方向に拡散することとなるからである。
【００６３】
したがって、例えば４μｍのスリット幅であるレーザを照射した場合、本発明の構造を採用することにより半導体膜５の結晶成長長さ１８を２μｍ以上とすることができる。
また、酸化セリウム膜３の膜厚が１０〜１５０ｎｍであるとき、結晶成長長さ１８が大きく成長する。
このように本発明の実施の形態５の構造でも、レーザ光８の照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散が促進されるので、大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜５)を得ることができる。
【００６４】
〔実施の形態６〕
上記したように、この発明の半導体デバイスの製造に、図３のレーザ加工装置が用いられるが、マイクロコンピュータ等を用いたコントローラ１７を備えている。
このコントローラ１７は、前記したように、第一のレーザ発振器９３およびサンプルステージ１６を制御し、レーザの照射タイミングおよびサンプルステージ１６の位置を調整するものである。これにより、サンプルステージ１６を図中矢印方向に移動させることができるので、レーザ光が照射されるエリアを移動させることができる。
そこで、コントローラによる制御を利用することにより、結晶を成長させる手順として、従来用いられていた図１２に示すような結晶横方向成長方法を用いることもできる。この方法によれば、１回のレーザ照射で、半導体膜５における結晶を延設方向に成長させることができる。また、レーザ照射が行われる毎に、照射エリアを段階的に移動させる（ステップ移動）ことで、結晶領域を段階的に拡大できる。これにより、多結晶構造の半導体デバイスにおける各結晶の成長方向を延設方向に揃えることが可能となる。
【００６５】
また、上記したような実施の形態の半導体デバイス１の構成では、レーザ光８の照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散を促進することができるので、多結晶構造を構成する各結晶を大きくすることができる。すなわち、本発明の半導体デバイス１に対して、結晶横方向成長方法を適用すれば、レーザ照射１回あたりに成長させることができる結晶を従来よりも大きくすることができるので、サンプルステージ１６を移動して結晶が成長する方向をコントロールさせることで、さらに大きな結晶を成長させ、成長方向を揃えることも可能となる。
【００６６】
〔実施の形態７〕
ここでは、前記したキャップ層９０を備えた構成の半導体デバイスについて説明する。
図４が、キャップ層９０を備えた半導体デバイス１であるが、この半導体デバイス１は、透明基板２上に、窒化アルミニウム膜３、二酸化シリコン膜４、シリコン膜５、キャップ膜９０の順に積層されて構成されている。本実施の形態７では、実施形態１と同様に、窒化アルミニウム膜３の膜厚を１００ｎｍ、二酸化シリコン膜４の膜厚を２０ｎｍ、シリコン膜５の膜厚を５０ｎｍとし、さらにキャップ膜９０の膜厚を５０ｎｍ程度とする。
【００６７】
窒化アルミニウム膜３、二酸化シリコン膜４、シリコン膜５は、上記実施の形態と同様の方法で形成し、さらに、シリコン膜５上に、蒸着やイオンプレーティング、あるいはスパッタリングなどにより、酸化シリコンを材質とするキャップ層９０を５０ｎｍの膜厚で積層する。
次に、室温において、短パルスレーザであるレーザ光８を図中Ｆ方向へ向けて、半導体デバイス１の表面に照射する。たとえば、短パルスレーザとして、波長３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ），パルス幅３０ｎｓのエキシマレーザを用いればよい。
【００６８】
ここで、キャップ層９０を通してシリコン膜５に対してレーザ照射を行う場合、レーザの種類、キャップ層の種類、シリコン膜の膜厚などに依存して、反射率が変化する。図７に示したキャップ層９０の膜厚に対する、エキシマレーザの反射率の変化を見ればわかるように、キャップ層９０の膜厚が５０ｎｍの場合、レーザ光に対する反射率は最小となる。
この結果、レーザ光８を照射することにより、キャップ層９０の下部の半導体膜が選択的に加熱溶融され、キャップ層９０の下のアモルファス状態のシリコン膜５は一旦溶融する。その後、冷却することにより、溶融したシリコン膜５は、結晶化する。
【００６９】
このようにして形成された本発明の実施の形態７の半導体デバイスも、上記実施の形態と同じように、レーザ光８の照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散を促進することができるので、さらに大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜５)を得ることができる。
【００７０】
〔実施の形態８〕
上記実施の形態では、レーザビームは、図１に示すように半導体デバイスの表面に垂直な方向（図１のＦ方向）から照射していた。すなわち、図３において、第１のレーザ発振器９３から出射されたレーザビーム８０のみを用いていた。ここでは、さらに大粒径のシリコン膜を形成するために、上記したような２つのレーザビーム（８０，８１）を用いて、半導体膜５の結晶化を行う方法について、説明する。
半導体デバイス１は、たとえば実施の形態１に示した構造のデバイスを用いればよく、積層プロセスも同様の方法を用いればよい。
【００７１】
この実施形態では、図３に示す装置により、室温において、第一のレーザ光８０と、第二のレーザ光８１を図中Ｆ方向へ向けて、シリコン膜５の表面に照射する。
ここで、第二のレーザ光は、表面に垂直なＦ方向ではなく、図３，図５に示すような斜め方向から入射してもよい。たとえば、デバイス表面に対して４５度程度の角度で入射してもよい。
また、第一のレーザ光および第二レーザ光の波長，エネルギー量，照射タイミングおよび照射領域等については、前記したようなものを用いればよい。
このように、２つのレーザ光（８０，８１）を用いて半導体膜の結晶化を行えば、図２（ａ）に示すような大粒径の多結晶シリコン膜を形成できる。
【００７２】
また、本実施の形態８において、第二のレーザ光８１は、シリコン膜５が溶融している間に照射される。
このように、液体状態にあるシリコン膜に対して、第一のレーザ光に加えて第二のレーザ光の照射を行うことにより、シリコン膜の温度低下速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができるので、さらに大粒径の多結晶シリコン膜を効率よく得ることができる。
【００７３】
例えば４μｍのスリット幅であるレーザを照射した場合、従来構造１に対して結晶成長させた場合にはその結晶成長長さはせいぜい１〜１．２μｍ程度であるが、本発明の構造を採用することにより結晶成長長さを２μｍ以上とすることができる。
本発明の実施の形態８によれば、２種類のレーザ８の照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散が促進されるので、さらに大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜５)を得ることができる。
【００７４】
〔実施の形態９〕
図４に示したこの発明の半導体デバイス１に対して、２種類のレーザビーム（８０，８１）を照射してもよい。
この場合は、図３に示すような装置を用い、室温において、第一のレーザ光８０を図１のＦ方向へ向けて照射するとともに、第二のレーザ光８１を、図５に示すような方向から半導体デバイス１の表面に照射する。
第一のレーザ光および第二のレーザ光の波長，エネルギー量，照射タイミングおよび照射領域等については前記したようなものを用いればよい。
ここで、キャップ層９０を通してシリコン膜５に対してレーザ照射を行う場合、レーザの種類、キャップ層の種類、シリコン膜の膜厚などに依存して、反射率が変化する。図７のグラフを見ればわかるように、キャップ層９０の膜厚が５０ｎｍの場合、レーザ光に対する反射率は最小となる。この結果、レーザ光８を照射することにより、キャップ層９０の下部の半導体膜が選択的に加熱溶融され、キャップ層９０の下のアモルファス状態のシリコン膜５は一旦溶融する。その後、冷却することにより、溶融したシリコン膜５は、結晶化する。
【００７５】
本実施の形態９においても、第二のレーザ光８１は、シリコン膜５が溶融している間に照射される。
このように、液体状態にあるシリコン膜に対して、第一のレーザ光に加えて第二のレーザ光の照射を行うことにより、シリコン膜の温度低下速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができるので、さらに大粒径の多結晶シリコン膜を効率よく得ることができる。
【００７６】
本発明の実施の形態９によれば、２種類のレーザの照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散が促進されるので、さらに大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜５)を得ることができる。
以上のように、表面に大粒径を持つ半導体膜を形成したこの発明の半導体デバイスは、たとえばトランジスタの基礎構成として用いることができ、さらには、液晶パネルなどの表示素子として用いることもできる。
この発明の半導体デバイスを用いたトランジスタは、その半導体膜の結晶粒が従来よりも大きいので、トランジスタのチャネルを流れるキャリアの移動度が高い素子を作成することができる。
【００７７】
（発明の効果）
この発明によれば、レーザ照射後の冷却過程において第一の下地膜に接した第二の下地膜上の半導体膜は、溶融した部分が凝固する際に放出する潜熱が横方向へ拡散されるため、溶融領域と凝固領域との界面付近に局所的に温度が高くなる領域が生じることがなく、溶融領域中央部から未溶融領域と溶融領域との界面に渡って緩やかに減少する温度勾配となる。このため、１回のパルス照射を行った際の溶融領域中央部における微結晶の発生を抑制することができる。
したがって、溶融領域の凝固過程において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従来のプロセスで発生していたような微結晶によってその成長を抑制されることがない。この結果、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非常に大きくなり、１回のパルス照射を行なった際に成長する結晶が大きくなるので、大粒径の多結晶の半導体膜を効率よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の半導体デバイスの断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の半導体デバイスにおいて、結晶化した半導体膜をＳＥＭで撮影した膜表面像を示した図であり、（ｂ）は、従来の半導体デバイスにおいて、結晶化した半導体膜をＳＥＭで撮影した膜表面像を示した図である。
【図３】本発明の半導体デバイスの形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成ブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態７の半導体デバイスの側面図である。
【図５】本発明における第一のレーザ光の照射領域と、第二のレーザ光の照射領域の一実施例の説明図である。
【図６】本実施の形態における、第一のレーザ光および第二のレーザ光の照射時刻と出力との関係を説明するグラフである。
【図７】膜厚５０ｎｍのシリコン上に形成した二酸化シリコン膜からなる キャップ層の膜厚に対する、エキシマレーザの反射率の変化を示すグラフである。
【図８】各種材料の熱伝導率を示した説明図である。
【図９】第一の下地膜の膜厚を変化させた場合の結晶成長長さの良否を示す図である。
【図１０】従来用いられているレーザ加工装置の概略構成ブロック図である。
【図１１】従来の半導体デバイスの概略断面図である。
【図１２】従来の横方向結晶成長法によって、膜表面に結晶を成長させる手順を説明するための半導体デバイスの上面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１    半導体デバイス
２    透明基板（基板）
３    第一の下地膜
４    第二の下地膜
５    シリコン膜（半導体膜）
１１    レーザ発振器
１２    可変減衰器
１３    フィールドレンズ
１４    投影マスク
１５    結像レンズ
１６    サンプルステージ
１７    コントローラ
１８    結晶成長長さ
７ａ    第一のレーザ光の照射領域
７ｂ    第二のレーザ光の照射領域
８０    第一のレーザ光
８１    第二のレーザ光
９０    キャップ層
９１    第一のレーザ光のパルス波形
９２    第二のレーザ光のパルス波形
９３    第一のレーザ発振器
９４    第二のレーザ発振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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