(57)【要約】【課題】  電子移動度とスイッチング特性を向上させた半導体デバイスとその製造方法を提供する。【解決手段】  基板２上に、半導体層５と、保護層４と、をこの順序で積層し、保護層４を介して半導体層５に局部的にレーザ光８を照射し、半導体層５を層の厚みに亘って溶融させた後に固化することによって横方向に結晶を成長させてなる半導体デバイスであって、保護層４の厚みが５ｎｍ以上レーザ光８の反射防止膜となる厚み未満である半導体デバイスとその製造方法である。【選択図】        図２
2005209720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、半導体層と、保護層と、をこの順序で積層し、前記保護層を介して前記半導体層に局部的にレーザ光を照射し、前記半導体層を層の厚みに亘って溶融させた後に固化することによって横方向に結晶を成長させてなる半導体デバイスであって、前記保護層の厚みが５ｎｍ以上前記レーザ光の反射防止膜となる厚み未満であることを特徴とする、半導体デバイス。
【請求項２】
基板上に、下地層と、半導体層と、保護層と、をこの順序で積層し、前記保護層を介して前記半導体層に局部的にレーザ光を照射し、前記半導体層を層の厚みに亘って溶融させた後に固化することによって横方向に結晶を成長させてなる半導体デバイスであって、前記保護層の厚みが５ｎｍ以上前記レーザ光の反射防止膜となる厚み未満であり、前記下地層と前記保護層とが同じ材料からなることを特徴とする、半導体デバイス。
【請求項３】
前記保護層が酸化シリコンの熱伝導度よりも高い熱伝導度を有する材料からな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４】
前記レーザ光の照射領域を前記半導体層の面方向に段階的に移動させ、前記半導体層の溶融および固化を繰り返して結晶の成長領域を拡大することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項５】
１回の照射で前記半導体層を溶融することができる照射面積あたりのエネルギ量を有する第１のレーザ光の照射により半導体層を溶融させ、前記半導体層を溶融することができる照射面積あたりのエネルギ量を有しない第２のレーザ光を照射しながら固化させることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項６】
基板上に半導体層を積層する工程と、前記半導体層上に保護層を積層する工程と、前記保護層を介して前記半導体層に局部的にレーザ光を照射して前記半導体層を層の厚みに亘って溶融させた後に固化することによって横方向に結晶を成長させる工程と、を含む半導体デバイスの製造方法であって、前記保護層の厚みが５ｎｍ以上前記レーザ光の反射防止膜となる厚み未満であることを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記レーザ光の照射領域を前記半導体層の面方向に段階的に移動させ、前記半導体層の溶融および固化を繰り返して結晶の成長領域を拡大することを特徴とする、請求項６に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
１回の照射で前記半導体層を溶融することができる照射面積あたりのエネルギ量を有する第１のレーザ光の照射により前記半導体層を溶融させ、前記半導体層を溶融することができる照射面積あたりのエネルギ量を有しない第２のレーザ光を照射しながら固化させることを特徴とする、請求項６または７に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
結晶を成長させた後に、前記保護層を除去する工程を含む、請求項６から８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】
本発明は半導体デバイスと半導体デバイスの製造方法に関し、特に電子移動度およびスイッチング特性を向上させた半導体デバイスとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体デバイスの製造方法として、単結晶シリコン材料を用いる方法があるが、ガラス基板上にシリコン薄膜を形成して製造する方法もある。ガラス基板上にシリコン薄膜を形成して製造された半導体デバイスは、たとえば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る。
【０００３】
ここで、アクティブマトリクス液晶表示装置において、半導体デバイスは、透明なガラス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）として用いられ、ＴＦＴは画素コントローラとして作用する。
【０００４】
従来、アクティブマトリクス液晶表示装置に用いられるＴＦＴには、非晶質シリコン薄膜が用いられていた。しかしながら、近年、電子移動度の低い非晶質シリコン薄膜の代わりに、電子移動度の高い多結晶シリコン薄膜を用いることによって、ＴＦＴのスイッチング特性を増強し、表示速度を向上させたＴＦＴ液晶表示装置が製造されるようになってきている。多結晶シリコン薄膜を形成する方法としては、たとえば、ガラス基板上に形成された非晶質または微結晶シリコン薄膜にエキシマレーザ光を照射して溶融させた後に結晶化（ＥＬＣ；Excimer Lazer Crystalization）する方法がある。
【０００５】
ＥＬＣ法は、非晶質または微結晶シリコン薄膜に対し、一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｎｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザ光を連続的に照射する方法が一般的である。このときレーザ光を照射した部分のシリコン薄膜は厚み方向全域に亘って溶融するのではなく、一部の領域を残したまま溶融する。このため、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、シリコン薄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。
【０００６】
多結晶シリコン薄膜の結晶粒界には不対電子が多数存在してポテンシャル障壁を形成しているため、電子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、つまり結晶粒径が大きい多結晶シリコン薄膜で形成されたＴＦＴほど、一般的に電子移動度が高くなる。
【０００７】
しかしながら、従来のＥＬＣ法では、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成長であるため、大粒径の多結晶シリコン薄膜を得ることは困難であり、電子移動度の高いＴＦＴを得ることは困難であった。また、ランダムに結晶化するため、ＴＦＴ相互間に構造の不均一性が生じると共に、ＴＦＴ液晶表示装置におけるスイッチング特性にも不均一性が生じるという問題があった。このようなスイッチング特性の不均一性は、ＴＦＴ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を生じさせていた。
【０００８】
そこで、さらに高性能なＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることや、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薄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。なかでも、特に、「ラテラル成長法」に分類されるレーザ光による結晶化技術は、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。
【０００９】
ラテラル成長法としては、たとえば特許文献１に記載されているように、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み方向全体に亘って溶融、凝固を繰り返して結晶化を行なう（ＳＬＳ；Sequential Lateral Solidification）方法が代表的である。
【００１０】
ＳＬＳ法は、たとえば以下のようにして行なわれる。まず、図９の模式的側面図に示す透明基板１０２上に順次形成された、二酸化シリコンからなる下地層１０４と、シリコン薄膜からなる半導体層１０３とから構成された積層体を用意する。次に、半導体層１０３の横方向（図中のＡＢ方向）に沿って結晶領域を形成するにあたり、半導体層１０３の領域Ｃに熱を誘導する。熱の誘導は、半導体層１０３の領域Ｃ以外の領域をマスキングした後、半導体層１０３にレーザ光８を照射することによって行なわれる。これにより、領域Ｃに照射されたレーザ光のエネルギが熱エネルギに変換され、半導体層１０３の領域Ｃに熱を誘導することができると共に、その厚み方向全体に亘って溶融させる。
【００１１】
次いで、領域Ｃにて溶融している半導体層１０３を冷却することにより凝固させると、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結晶が成長する。
【００１２】
さらに、結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｃと一部が重複する新たな領域を設定し、領域Ｃのときと同様にレーザ光を照射することにより新たな領域における半導体層１０３を溶融する。そして、新たな領域にて溶融している半導体層１０３を固化させると、この新たな領域内に結晶が成長する。
【００１３】
このような手順を繰り返し、所望の結晶を半導体層の１０３の横方向に沿って段階的に成長させることで、横方向に成長方向の方位が揃った結晶粒径の大きい針状の多結晶シリコン薄膜の半導体デバイスが製造される。
【００１４】
このような針状のシリコン結晶を形成するためには、１回のパルスレーザ光の照射で成長する結晶の長さ（本明細書において、ラテラル成長距離と記載することもある）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、パルスレーザ光の照射が繰り返し行なわれる。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来のＳＬＳ法においては、シリコンの針状結晶を形成することができるため、電子移動度を飛躍的に大きくすることができ、非晶質シリコン薄膜の百倍から千倍の電子移動度が得られた。しかしながら、さらなるスイッチング特性の向上のためには、サブスレッショルド領域の傾き、いわゆるＳ値（ドレイン電流が一桁変化するのに必要な電圧；ｄ（ｌｏｇ（ドレイン電流））／ｄ（ゲート電圧）の最大値の逆数）を下げる必要があるという問題点を有していた。
【００１６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電子移動度とスイッチング特性を向上させた半導体デバイスとその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、基板上に、半導体層と、保護層と、をこの順序で積層し、保護層を介して半導体層に局部的にレーザ光を照射し、半導体層を層の厚みに亘って溶融させた後に固化することによって横方向に結晶を成長させてなる半導体デバイスであって、保護層の厚みが５ｎｍ以上レーザ光の反射防止膜となる厚み未満である半導体デバイスである。
【００１８】
また、本発明は、基板上に、下地層と、半導体層と、保護層と、をこの順序で積層し、保護層を介して半導体層に局部的にレーザ光を照射し、半導体層を層の厚みに亘って溶融させた後に固化することによって横方向に結晶を成長させてなる半導体デバイスであって、保護層の厚みが５ｎｍ以上レーザ光の反射防止膜となる厚み未満であり、下地層と保護層とが同じ材料からなる半導体デバイスである。
【００１９】
ここで、本発明の半導体デバイスにおいては、保護層が酸化シリコンの熱伝導度よりも高い熱伝導度を有する材料からなることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の半導体デバイスにおいては、レーザ光の照射領域を半導体層の面方向に段階的に移動させ、半導体層の溶融および固化を繰り返して結晶の成長領域を拡大することが好ましい。
【００２１】
また、本発明の半導体デバイスにおいては、１回の照射で半導体層を溶融することができる照射面積あたりのエネルギ量を有する第１のレーザ光の照射により半導体層を溶融させ、半導体層を溶融することができる照射面積あたりのエネルギ量を有しない第２のレーザ光を照射しながら固化させることが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明は、基板上に半導体層を積層する工程と、半導体層上に保護層を積層する工程と、保護層を介して半導体層に局部的にレーザ光を照射して半導体層を層の厚みに亘って溶融させた後に固化することによって横方向に結晶を成長させる工程と、を含む半導体デバイスの製造方法であって、保護層の厚みが５ｎｍ以上レーザ光の反射防止膜となる厚み未満である半導体デバイスの製造方法である。
【００２３】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法においては、レーザ光の照射領域を半導体層の面方向に段階的に移動させ、半導体層の溶融および固化を繰り返して結晶の成長領域を拡大することが好ましい。
【００２４】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法においては、１回の照射で半導体層を溶融することができる照射面積あたりのエネルギ量を有する第１のレーザ光の照射により半導体層を溶融させ、半導体層を溶融することができる照射面積あたりのエネルギ量を有しない第２のレーザ光を照射しながら固化させることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法においては、結晶を成長させた後に、保護層を除去する工程を含むことが好ましい。
【００２６】
なお、本発明の半導体デバイスの製造方法は、たとえば基板と半導体層との間に下地層などの層が積層される場合、または半導体層と保護層との間に他の層が積層される場合も含む。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、電子移動度とスイッチング特性を向上させた半導体デバイスとその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２９】
図１に、本発明に用いられるレーザ光の照射前の積層体の好ましい一例の模式的な側面図を示す。本発明に用いられる積層体１は、基板２上に積層された半導体層５と、半導体層５上に積層された保護層４とを含む。
【００３０】
基板２は絶縁性であることが好ましく、基板２としてはたとえばガラス基板や石英基板などを用いることができる。なかでも、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点から、ガラス基板を用いることが好適である。
【００３１】
半導体層５は、層の厚みがたとえば１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように、基板２上にプラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法、蒸着法またはスパッタリング法などの方法により積層される。ここで、半導体層５は、半導体特性を示す従来公知のものであれば特に限定はされないが、結晶成長長さを長くすることにより電子移動度、Ｓ値またはＶｔｈ（閾値電圧）などに代表されるＴＦＴ特性が顕著に向上するアモルファスシリコン膜からなることが好ましい。ただし、半導体層５は、アモルファスシリコン膜のように非晶質のものばかりに限らず、半導体層５は微結晶や多結晶などの結晶性の半導体膜であってもよい。また、半導体層５の材料は、シリコンのみからなる材料に限られるものではなく、ゲルマニウムなどのシリコン以外の材料を含んだシリコンを主成分とする材料であってもよい。
【００３２】
保護層４は絶縁性であることが好ましく、保護層４としてはたとえばＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4；Tetraethylorthosilicate）ガスを用いて成膜された酸化シリコン（ＳｉＯ2）などを用いることもできるが、保護層４は酸化シリコンの熱伝導度（１．４Ｗ／ｍＫ）よりも高い熱伝導度を有する材料からなることが好ましく、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の材料からなることがさらに好ましい。これらの場合には、保護層４から半導体層５へレーザ光の照射により生じた熱が伝わりやすくなるため結晶の成長長さが長くなる傾向にあり、また、レーザ光の照射回数も減少させることができるため半導体デバイスの製造コストも低減することができる。酸化シリコンの熱伝導度よりも高い熱伝導度を有する材料としては、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ；熱伝導率３５Ｗ／ｍＫ）、窒化シリコン（ＳｉＮ；熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ）、窒化シリコンと窒化アルミニウムとの混合物（ＡｌＳｉＮ；熱伝導率２０Ｗ／ｍＫ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ；熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ）または酸化セリウム（ＣｅＯ2；熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ）などがある。また、保護層４は、酸化シリコンなどからなる低熱伝導度膜と、酸化シリコンの熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するたとえば上記の材料からなる高熱伝導度膜とが組み合わされた積層体から構成されていてもよい。
【００３３】
また、保護層４の厚みは、５ｎｍ以上レーザ光の反射防止膜となる厚み未満であることが好ましい。保護層４の厚みを５ｎｍ以上とした場合には、本発明の半導体デバイスのスイッチング特性を従来に比較して格段に向上させることができる傾向にある。また、保護層４の厚みをレーザ光の反射防止膜となる厚みとした場合には、保護層４に必要以上にレーザ光が吸収されることに起因する結晶欠陥が増加して電子移動度が悪化するため、保護層４の厚みはレーザ光の反射防止膜となる厚み未満とすることが好ましい。
【００３４】
ここで、保護層４の厚みの上限は、たとえば以下のようにして算出することができる。図２に、保護層４の厚みの上限の算出方法について説明するための積層体の模式的な側面図を示す。
【００３５】
この積層体１において、複素屈折率がＮ1（＝ｎ1−ｉｋ1；ｎ1は保護層４の屈折率、ｋ1は保護層４の消衰係数）である保護層４に波長λのレーザ光８を法線角度θで入射させるとき、保護層４の位相厚みδ1は、求める保護層４の厚みをｄ1とすると、下記（１）式で表わされる。
【００３６】
【数１】
2005209720.tif 000003
【００３７】
このとき、保護層４の特性マトリクスＭ１は下記式（２）で表わされる。
【００３８】
【数２】
2005209720.tif 000004
【００３９】
また、同様にして、複素屈折率がＮ2（＝ｎ2−ｉｋ2；ｎ2は半導体層５の屈折率、ｋ2は半導体層５の消衰係数）である厚みｄ2の半導体層５の特性マトリクスＭ２は、半導体層５の位相厚みをδ2（＝２πＮ2ｄ2ｃｏｓθ／λ）とすると、下記式（３）で表わされる。
【００４０】
【数３】
2005209720.tif 000005
【００４１】
さらに、複素屈折率がＮｓ（＝ｎs−ｉｋs；ｎsは基板２の屈折率、ｋsは基板２の消衰係数）である基板２の特性マトリクスＭｓは下記式（４）で表わされる。
【００４２】
【数４】
2005209720.tif 000006
【００４３】
保護層４の反射率を計算するには、レーザ光８の入射する媒質からみた積層体１の特性マトリクスＭを求めればよく、積層体１の特性マトリクスＭは下記式（５）のように、保護層４の特性マトリクスＭ１と半導体層５の特性マトリクスＭ２と基板２の特性マトリクスＭｓの積で求めることができる。
【００４４】
【数５】
2005209720.tif 000007
【００４５】
ここで、光学アドミッタンスＹは下記式（６）のように表わされる。
【００４６】
【数６】
2005209720.tif 000008
【００４７】
この光学アドミッタンスＹを用いることにより、レーザ光８の反射率はアドミッタンスη0を持つ入射媒質（たとえば空気）と光学アドミッタンスＹを持つ媒質（積層体１）との境界面での反射率を求めればよくなり、反射係数ｒは下記式（７）で表わされる。
【００４８】
【数７】
2005209720.tif 000009
【００４９】
よって、反射率Ｒは下記式（８）で表わされることから、反射率Ｒが最小となる保護層４の最小厚みをｄ1として、保護層４の厚みの上限（ｄ1）が算出される。
【００５０】
【数８】
2005209720.tif 000010
【００５１】
なお、保護層４は、半導体層５上に、たとえばＰＥＣＶＤ法、ＣＶＤ法、蒸着法、イオンプレーティング法またはスパッタリング法などの方法により積層される。
【００５２】
図３は、本発明に用いられるレーザ光照射装置の構成図を示しており、このレーザ光照射装置は、レーザ光発振器１１と、可変減衰器１２と、フィールドレンズ１３と、投影マスク１４と、結像レンズ１５と、サンプルステージ１６と、ミラー１０ａ、１０ｂ、１０ｃとを含んでいる。レーザ光発振器１１およびサンプルステージ１６は、コントローラ１７により制御されていて、第１のレーザ光８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とができる。これにより、サンプルステージ１６を図３中の矢印の方向に移動させることによって、第１のレーザ光８の照射領域を移動させることができる。
【００５３】
このレーザ光照射装置において、レーザ光発振器１１から発振された第１のレーザ光８は可変減衰器１２を通過した後に、ミラー１０ａ、１０ｂによって反射される。その後、第１のレーザ光８はフィールドレンズ１３と投影マスク１４とを通過する。そして、投影マスク１４を通過した第１のレーザ光８は、結像レンズ１５によって、投影マスク１４の像として結像させられ、保護層４を介して半導体層５に照射される。
【００５４】
そして、第１のレーザ光８が照射された半導体層５は層の厚みに亘って溶融して液体状態となり、その後、液体状態にある半導体層５は冷却されて固化することによって結晶化する。
【００５５】
ここで、第１のレーザ光８は、１回の照射および照射面積あたり、固体状態にある半導体層５を溶融させることができるエネルギ量を有している。具体的には、第１のレーザ光８は、半導体層５を、全層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量を有していることが推奨される。
【００５６】
第１のレーザ光８は、半導体層５を溶融することが可能であれば特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ光、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザから発振されるレーザ光の三倍波などの紫外領域の波長を有することが好ましい。第１のレーザ光８が紫外領域の波長を有する場合には、第１のレーザ光８のエネルギ量が大きくなるため、容易に半導体層５を溶融させることができる傾向にあるためである。なかでも、第１のレーザ光８は、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光であることが特に好ましい。第１のレーザ光８がエキシマレーザ光である場合には、高エネルギ密度および短パルスであるため、短時間で半導体層を溶融および凝固することができることから、半導体層へのコンタミが少なく高品質な半導体デバイスを製造することができ、また固体レーザ光と比較すると、はるかに高出力であり量産に適している傾向にあるためである。
【００５７】
また、第１のレーザ光８の照射領域を半導体層５の面方向（半導体層５の積層面に平行な方向）に段階的に移動させ、半導体層５の溶融および固化を繰り返して結晶の成長領域を拡大することが好ましい。第１のレーザ光８の照射による溶融後に半導体層５を冷却することによって固化させると、図４（Ａ）の模式的拡大上面透視図に示すように、第１のレーザ光の照射領域Ｃとそれ以外の領域との境界から、第１のレーザ光の照射領域の中心に向かうようにして、横方向に結晶が成長する。次いで、図４（Ｂ）に示すように、第１のレーザ光の照射領域Ｃと一部重複する新たな領域Ｄを設定し、この新たな領域Ｄに第１のレーザ光を照射して溶融させた後に固化させると、図４（Ｃ）に示すように、この新たな領域Ｄに結晶が成長する。このような手順を繰返し、第１のレーザ光の照射領域を半導体層５の面方向に段階的に移動させ、半導体層５の溶融および固化を繰り返すと、図４（Ｄ）に示すように、結晶の成長領域を拡大することができる。これにより、成長方向が揃った、粒径の大きい結晶を成長させることができる。ここで、１回の第１のレーザ光の照射で成長する結晶の長さの１／２〜２／３程度の送りピッチ、たとえば０．４〜０．７μｍ程度の極めて微小な送りピッチで、第１のレーザ光の照射が繰り返し行なわれる。
【００５８】
図５に本発明に用いられるレーザ光照射装置の他の好ましい一例の構成図を示す。このレーザ光照射装置は、第１のレーザ光発振器１１とともに第２のレーザ光発振器２１を備えていることに特徴がある。
【００５９】
すなわち、図５に示すレーザ光照射装置において、第１のレーザ光発振器１１から発振された第１のレーザ光８が保護層４を介して半導体層５に照射され、半導体層５を溶融させて液体状態にするとともに、液体状態にある半導体層５の固化による結晶化の際に、第２のレーザ光発振器２１から、半導体層５を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第２のレーザ光９が発振され、第２のレーザ光９はエキスパンダやホモジナイザなどから構成される光学素子群２０を通過してミラー１０ｄによって反射された後に半導体層５に照射される。これにより、液体状態にある半導体層５の降温速度を低下させることができ、固化するまでの時間を長くすることができるため、液体状態にある半導体層５の固化により形成される結晶の成長長さを大幅に伸ばすことができる。
【００６０】
ここで、第２のレーザ光９は、第１のレーザ光８よりも、固体状態にある半導体層５への吸収率が低い範囲の波長を有することが好ましい。この場合には、第２のレーザ光９は、半導体層５を溶融することに寄与せず、半導体層５の降温速度を低下させることにのみ寄与する傾向が大きくなるためである。
【００６１】
また、第２のレーザ光９は、第１のレーザ光８よりも、液体状態にある半導体層５への吸収率が高い範囲の波長を有することが好ましい。この場合には、液体状態にある半導体層５の降温速度をより効率的に低下させることができる傾向が大きくなるためである。
【００６２】
特に、第２のレーザ光９は、可視域から赤外域の波長を有することが好ましい。たとえば、第２のレーザ光９としては、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光または波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光などがある。
【００６３】
さらに、第２のレーザ光９の１回の照射および照射面積あたりのエネルギ量は、固体状態にある半導体層５を溶融させることができるエネルギ量未満である。特に、第２のレーザ光９は、半導体層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量を有していることが推奨される。また、本発明においては、第１のレーザ光８を垂直方向から入射させ、第２のレーザ光９を斜め方向から入射させることもできる。また、本発明においては、外部変調器を用いることによって第２のレーザ光９をパルス化してもよい。
【００６４】
また、第１のレーザ光８は、たとえば、所定のパターンを形成した投影マスク１４の像を、半導体層５の表面上に第１のレーザ光８の照射領域として縮小投影するように照射される。この際、第２のレーザ光９の照射領域は、第１のレーザ光８の照射領域を包含するように第１のレーザ光８の照射領域よりも広い面積を有することが好ましい。この場合には、溶融して液体状態にある半導体層５の溶融領域のすべての降温速度を低下させることができるため、均一な大きさの結晶が得られやすいためである。
【００６５】
また、第１のレーザ光８および第２のレーザ光９の照射時間と制御信号および出力との関係は、図６に示す関係と同様の関係にあることが望ましい。ここで、第１のレーザ光８のパルス波形２３は、時刻ｔ＝ｔ０の時点において第１のレーザ光８の照射が開始されることを示し、第２のレーザ光９のパルス波形２４は、第２のレーザ光９が、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２を除く時間帯では低出力で照射もしくは照射されず、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２の時間帯においてはある出力で照射されることを示している。ただし、ｔ０、ｔ１およびｔ２は制御信号の時刻を示しており、実際の出力はこれより遅延する。
【００６６】
時刻ｔ１の時点においては、第２のレーザ光９のみが照射されているため、半導体層５は溶融せず、固体状態にある。この状態にある半導体層５に対して、第２のレーザ光９に加えて第１のレーザ光８を照射することにより、半導体層５は溶融する。第２のレーザ光９が事前に照射されることで基板２および半導体層５の温度が高くなり、さらには第１のレーザ光８の照射が終了した後も第２のレーザ光９が照射されることにより、半導体層５の降温速度を低下させることができ、固化するまでの時間を長くすることができることから、結晶の成長長さを大幅に伸ばすことができる。
【００６７】
ここで、第２のレーザ光９が照射されている時間Ｔ＝ｔ２−ｔ１は、１０マイクロ秒以上５００ミリ秒以下であることが好ましい。時間Ｔが１０マイクロ秒未満である場合には、基板２および半導体層５の温度が十分に上がらず、結晶の成長長さを大幅に伸ばすことができない傾向にある。時間Ｔが５００ミリ秒よりも長い場合には、基板２の温度が上がりすぎ、基板２に損傷を与えることがある。また、第２のレーザ光９を効率的に照射する観点から、ｔ０はできるだけｔ２に近い時刻であることが好ましく、時間Ｔは短いことがより好ましい。たとえばｔ０は、ｔ１から０．６Ｔ〜１．１Ｔ経過した時刻に設定されることが好ましい。
【００６８】
また、第１のレーザ光８の照射領域を移動させた後に、その移動前の照射領域に第２のレーザ光９を照射して結晶化することを複数回繰り返すことによって、結晶成長方向の揃った、結晶粒径の大きな結晶を成長させることができる。
【００６９】
また、第１のレーザ光８と第２のレーザ光９とを照射する場合の保護層４の厚みの上限の算出は、第１のレーザ光８の法線角度と波長を用いて算出されることは言うまでもない。
【００７０】
なお、ＴＦＴを形成する際に、保護層４をそのままゲート膜として利用することで工程を省略することもできるが、ＴＦＴ特性をより向上させるためには保護層４を、半導体層５と接する側の保護膜を緻密で密着性の高い熱酸化膜とし、半導体層５と接しない側の保護膜を成膜速度の速いＴＥＯＳ膜とした、熱酸化膜／ＴＥＯＳ膜からなる二層構造としてもよい。また、保護層４が半導体層５の結晶化プロセスでのみ必要な場合には、結晶化プロセス終了後に、保護層４を除去する工程を含めてもよい。ここで、保護層４を除去する方法としては、たとえばバッファードフッ酸（希釈フッ酸）に浸漬し、エッチング除去する方法などがある。
【００７１】
また、本発明の半導体デバイスにおいては、基板と半導体層との間に下地層が積層されていてもよい。図７に、本発明に用いられるレーザ光の照射前の積層体の他の好ましい一例の模式的な側面図を示す。この積層体１は、基板２上に積層された下地層３と、下地層３上に形成された半導体層５と、半導体層５上に積層された保護層４とを含む。
【００７２】
ここで、下地層３は、本発明の半導体デバイスの製造コストを低減させる観点から、保護層４と同じ材料からなることが好ましい。特に、下地層３が上記高熱伝導度膜、または上記高熱伝導度膜と上記低熱伝導度膜とが組み合わされた積層体からなる場合には、１回のレーザ光照射による溶融、固化によって得られる多結晶シリコン結晶のラテラル成長距離を大きくすることができる。下地層３は、基板２上に、たとえばＰＥＣＶＤ法、ＣＶＤ法、蒸着法、イオンプレーティング法またはスパッタリング法などにより積層される。
【００７３】
下地層３の厚みは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。下地層３の厚みが１０ｎｍ未満である場合には、下地層３が薄すぎて半導体層５の結晶化に基板２から不純物が拡散して本発明の半導体デバイスの電子移動度などの特性が悪化する可能性がある。また、下地層３の厚みが１００ｎｍよりも厚い場合には、下地層３の表面の平滑性が低下することで半導体層５の平滑性が低下し、Ｓ値の悪化と後工程の歩留まり低下を招いたり、膜厚増加により本発明の半導体デバイスの製造コストが増加する傾向にある。
【００７４】
この積層体１においても、保護層４の厚みは５ｎｍ以上、保護層４がレーザ光の反射防止膜となる厚み未満であることが好ましい。この場合に、保護層４の厚みの上限は、下記式（９）に示す積層体１の特性マトリクスＭから算出される。ここで、積層体１の特性マトリクスＭは、保護層４の特性マトリクスＭ１と半導体層５の特性マトリクスＭ２と下地層３の特性マトリクスＭ３と基板２の特性マトリクスＭｓの積で求められる。なお、下記式（９）において、下地層３の複素屈折率がＮ3（＝ｎ3−ｉｋ3；ｎ3は下地層３の屈折率、ｋ3は下地層３の消衰係数）で、下地層３の厚みがｄ3で、下地層３の位相厚みがδ3（＝２πＮ3ｄ3ｃｏｓθ／λ；θは照射されるレーザ光の法線角度、λは照射されるレーザ光の波長）で表わされている。
【００７５】
【数９】
2005209720.tif 000011
【００７６】
そして、下記式（１０）で表わされる反射率Ｒが最小となる保護層４の最小厚みをｄ1として、保護層４の厚みの上限（ｄ1）が算出される。
【００７７】
【数１０】
2005209720.tif 000012
【００７８】
このように、層の数が増加するにしたがって、増加した層の特性マトリクスを掛けていくことによって積層体１の特性マトリクスＭが算出され、これから保護層４の厚みの上限が算出される。
【００７９】
その他、半導体層５へのレーザ光照射による結晶化などの工程の説明は上記と同様であるので、その説明を省略する。
【実施例】
【００８０】
（実施例１）
まず、図８の模式的側面図に示すように、ガラス基板からなる基板２上に、ＴＥＯＳガスを用いたＰＥＣＶＤ法により酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜からなる下地層３を１００ｎｍの厚みで積層した。次に、下地層３上に、ＰＥＣＶＤ法によりアモルファスシリコン膜からなる半導体層５を積層した。続いて、半導体層５上に、ＴＥＯＳガスを用いたＰＥＣＶＤ法により酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜からなる保護層４を５ｎｍの厚みで積層した。
【００８１】
次いで、室温（２５℃）において、この図８に示す積層体１に対して波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓのエキシマレーザ光８を図８中の矢印Ｆの方向に保護層４の表面に対して垂直に照射した。
【００８２】
そして、エキシマレーザ光８の照射領域を半導体層５の面方向に段階的に移動させて、たとえば図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、ＳＬＳ法を用いて半導体層５の結晶化を行なった。ここで、エキシマレーザ光８の半導体層５の面方向への送りピッチは０．４〜０．７μｍ程度の極めて微小な送りピッチであった。
【００８３】
このようにして製造された半導体デバイスの電子移動度とＳ値を算出した。また、算出した半導体デバイスの電子移動度とＳ値とから、半導体デバイスの総合評価を下記の基準で行なった。これらの結果を表１に示す。
＜総合評価の判断基準＞
○…非常に良好
△…あまり良好でない
×…全く良好でない
表１に示すように、実施例１の半導体デバイスの電子移動度は３１０（Ｖ／ｃｍ）であって、Ｓ値は０．２０Ｖであった。また、総合評価も非常に良好であった。
【００８４】
（実施例２）
保護層４の厚みを１０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして半導体デバイスを製造した。そして、実施例１と同様にして、半導体デバイスの電子移動度とＳ値を算出し、半導体デバイスの総合評価を行なった。これらの結果を表１に示す。
【００８５】
表１に示すように、実施例２の半導体デバイスの電子移動度は３２０（Ｖ／ｃｍ）であって、Ｓ値は０．１８Ｖであった。また、総合評価も非常に良好であった。
【００８６】
（実施例３）
保護層４の厚みを２０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして半導体デバイスを製造した。そして、実施例１と同様にして、半導体デバイスの電子移動度とＳ値を算出し、半導体デバイスの総合評価を行なった。これらの結果を表１に示す。
【００８７】
表１に示すように、実施例３の半導体デバイスの電子移動度は３１０（Ｖ／ｃｍ）であって、Ｓ値は０．２１Ｖであった。また、総合評価も非常に良好であった。
【００８８】
（比較例１）
保護層４の厚みを３０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして半導体デバイスを製造した。そして、実施例１と同様にして、半導体デバイスの電子移動度とＳ値を算出し、半導体デバイスの総合評価を行なった。これらの結果を表１に示す。
【００８９】
表１に示すように、比較例１の半導体デバイスの電子移動度は２６０（Ｖ／ｃｍ）であって、Ｓ値は０．２０Ｖであった。また、総合評価はあまり良好でなかった。これは、保護層４の厚みが３０ｎｍとなった場合には、保護層４がエキシマレーザ光８の反射防止膜として作用し、必要以上のエキシマレーザ光８が保護層４に吸収されてしまうことから、半導体デバイスの結晶に欠陥が生じて、この欠陥により電子移動度が低下したためである。
【００９０】
（比較例２）
保護層４を積層しなかったこと以外は実施例１と同様にして半導体デバイスを製造した。そして、実施例１と同様にして、半導体デバイスの電子移動度とＳ値を算出し、半導体デバイスの総合評価を行なった。これらの結果を表１に示す。
【００９１】
表１に示すように、比較例２の半導体デバイスの電子移動度は３２０（Ｖ／ｃｍ）であって、Ｓ値は０．３０Ｖであった。また、総合評価はあまり良好でなかった。これは、保護層４を積層しなかったことから、半導体デバイスのＳ値を低減させることができず、半導体デバイスのスイッチング特性が良好でなかったためである。
【００９２】
【表１】
2005209720.tif 000013
【００９３】
なお、上記実施例においては下地層および保護層の材料に酸化シリコンを用いたが、酸化シリコンの代わりに熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の材料を用いても上記と同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００９４】
また、上記実施例においては下地層を積層したが、下地層を積層しなくても上記と同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００９５】
また、上記実施例において、半導体層を溶融させるエネルギ量を有する第１のレーザ光を照射して半導体層を溶融させ、半導体層を溶融させるエネルギ量を有しない第２のレーザ光を照射して半導体層を固化させても上記と同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００９６】
また、上記実施例において、結晶を成長させた後に保護層を除去した場合でも上記と同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００９７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明によれば、電子移動度とスイッチング特性を向上させた半導体デバイスとその製造方法を提供することができることから、本発明による半導体デバイスは、ＴＦＴ液晶表示装置における画素コントローラとして好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明に用いられるレーザ光の照射前の積層体の好ましい一例の模式的な側面図である。
【図２】本発明に用いられる保護層の厚みの上限の算出方法について説明するための積層体の模式的な側面図である。
【図３】本発明に用いられるレーザ光照射装置の好ましい一例の構成図である。
【図４】（Ａ）は積層体の模式的な拡大上面透視図であり、（Ｂ）は領域Ｄにレーザ光を照射する前の（Ａ）に示す積層体の模式的な拡大上面透視図であり、（Ｃ）は領域Ｄにレーザ光を照射した後の（Ａ）に示す積層体の模式的な拡大上面透視図であり、（Ｄ）はラテラル成長の終了後の（Ａ）に示す積層体の模式的な拡大上面透視図である。
【図５】本発明に用いられるレーザ光照射装置の他の好ましい一例の構成図である。
【図６】本発明に用いられる第１のレーザ光と第２のレーザ光の照射時間と制御信号および出力との関係の好ましい一例を示した図である。
【図７】本発明に用いられるレーザ光の照射前の積層体の他の好ましい一例の模式的な側面図である。
【図８】本発明の実施例で用いられた積層体の好ましい一例の模式的な側面図である。
【図９】従来のレーザ光の照射前の積層体の好ましい一例の模式的な側面図である。
【符号の説明】
【０１００】
１  積層体、２  基板、３，１０４  下地層、４  保護層、５，１０３  半導体層、８，９  レーザ光、１１，２１  レーザ光発振器、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、２０  光学素子群、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  ミラー、２３  第１のレーザ光のパルス波形、２４  第２のレーザ光のパルス波形、１０２  透明基板。
【図１】
2005209720.tif 000014
【図２】
2005209720.tif 000015
【図３】
2005209720.tif 000016
【図４】
2005209720.tif 000017
【図５】
2005209720.tif 000018
【図６】
2005209720.tif 000019
【図７】
2005209720.tif 000020
【図８】
2005209720.tif 000021
【図９】
2005209720.tif 000022