(57)【要約】【課題】  薄膜半導体デバイスに含まれる半導体膜をレーザ照射で溶融した後の冷却温度分布を制御し、成長する結晶を均一かつ大きくすることによって、改善された特性を有する薄膜半導体デバイスを提供する。【解決手段】  薄膜半導体デバイスは、透明基板２上に順次積層された第一下地膜６、第二下地膜３ａ、第三下地膜４、およびシリコン膜５を含み、第一下地膜６は基板２より低い熱伝導度を有し、第二下地膜３ａは第一下地膜６および第三下地膜４よりも高い熱伝導度を有し、半導体膜５はレーザ照射よって溶融させられて結晶化された層であることを特徴としている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に順に積層された第一下地膜、第二下地膜、第三下地膜、および半導体膜を含む薄膜半導体デバイスであって、前記第一下地膜は前記基板よりも低い熱伝導度を有し、前記第二下地膜は前記第一下地膜および前記第三下地膜よりも高い熱伝導度を有することを特徴とする薄膜半導体デバイス。
【請求項２】
前記第一下地膜は耐熱性高分子を主成分として含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体デバイス。
【請求項３】
前記第二下地膜は、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と窒化シリコンの混合物のいずれかを主成分として含むことを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜半導体デバイス。
【請求項４】
前記第三下地膜は、二酸化シリコンを主成分として含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜半導体デバイス。
【請求項５】
前記第一下地膜と前記第二下地膜との間に、それらと異なる薄膜が挿入されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜半導体デバイス。
【請求項６】
前記半導体膜は、局部的にレーザ照射された領域の全厚にわたって溶融かつ凝固させられて結晶化し、横方向に結晶成長していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜半導体デバイス。
【請求項７】
前記半導体膜は、横方向に結晶成長する領域を半導体膜の面方向に段階的に移動させることによって結晶領域が拡大されていることを特徴とする請求項６に記載の薄膜半導体デバイス。
【請求項８】
前記半導体膜は、１回の照射においてその半導体膜を溶融させ得る照射面積あたりのエネルギー量を有する第一レーザ光と、１回の照射においてその半導体膜を溶融させ得ない照射面積あたりのエネルギー量を有する第二レーザ光を用いて、その半導体薄膜の所定領域にレーザ照射することにより、前記半導体薄膜の前記所定領域の全厚にわたって溶融させかつ結晶化し、さらに前記所定領域を半導体膜の面方向に段階的に移動させ、これらのレーザ照射と結晶化を繰り返すことによって針状結晶領域が延長されていることを特徴とする請求項７に記載の薄膜半導体デバイス。
【請求項９】
基板上に順次積層した第一下地膜、第二下地膜、第三下地膜、および半導体膜を含む薄膜半導体デバイスの製造方法であって、前記基板上にその基板よりも熱伝導度が低い前記第一下地膜を積層する工程と、前記第一下地膜上にその第一下地膜および前記第三下地膜よりも熱伝導度が高い前記第二下地膜を積層する工程と、前記第二下地膜上に前記第三下地膜を形成する工程と、前記第三下地膜上に前記半導体膜を積層する工程と、前記半導体膜の所定領域にレーザ照射することによって固体状態の前記半導体膜の前記所定領域内の全厚にわたって溶融させた後に凝固させて結晶化する工程とを含むことを特徴とする薄膜半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記レーザ照射の前記所定領域を段階的に移動させながら前記結晶化する工程を繰り返すことによって結晶化領域を延長させることを特徴とする請求項９に記載の薄膜半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記レーザ照射において、１回の照射で固体状態の前記半導体膜の全厚にわたって溶融させ得る照射面積あたりのエネルギー量を有する第一レーザ光を照射することによって固体状態の前記半導体膜を全厚にわたって溶融させるとともに、１回の照射で固体状態の前記半導体膜の全厚にわたって溶融させ得ない照射面積あたりのエネルギー量を有する第二レーザ光をも照射し、溶融状態の前記半導体膜の凝固結晶化は前記第二レーザ光の照射中に生じることを特徴とする請求項９または１０に記載の薄膜半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記第一下地膜上にその第一下地膜および前記第二下地膜のいずれとも異なる付加的異種薄膜を積層する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の薄膜半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記結晶化する工程の前に、前記レーザ光の反射を防止するキャップ層を前記半導体膜上に形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の薄膜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、レーザ光を用いて非晶質から結晶化された半導体層を含む薄膜半導体デバイスと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ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いる製造方法がある。ガラス基板上のシリコン薄膜を用いて製造される薄膜半導体デバイスは、例えばイメージセンサやアクティブマトリクス型液晶表示装置の一部として用いられる。
【０００３】
液晶表示装置においては、薄膜半導体デバイスは、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）として用いられる。そして、各ＴＦＴは、液晶表示装置における画素コントローラとして働く。従来では、液晶表示装置のＴＦＴは、おもに非晶質シリコン膜を利用して形成されている。
【０００４】
しかし、近年では、電子の移動度の低い非晶質シリコン膜の代わりに移動度の高い多結晶シリコン膜を用いることによって、ＴＦＴのスイッチング特性が改善されて表示速度が高められたＴＦＴ液晶表示装置も製造されている。多結晶シリコン膜を製造する方法としては、例えば、基板上に堆積された非晶質または微結晶のシリコン膜にエキシマレーザを照射して結晶化するＥＬＣ（Excimer Laser Crystallization）法がある。
【０００５】
ＥＬＣ法では、長さ２００〜４００ｍｍで幅０．２〜１．０ｍｍ程度の断面の線分状レーザビームをその線分に直交する方向に一定速度で走査しながら半導体膜上に連続的に照射するのが一般的である。このとき、レーザ光が照射されている領域の半導体膜は、その厚さ方向の全域にわたって溶融するのではなく、底部において未溶融の固相が残される。そして、未溶融領域（固相）と溶融領域との界面におけるいたるところで結晶核が発生し、半導体膜の最表層に向かって結晶が成長して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のように非常に小さくなる。
【０００６】
多結晶シリコン膜の結晶粒界は、不対電子（ダングリングボンド）を多数含むのでポテンシャル障壁を形成し、キャリアに対して強い散乱体として作用する。したがって、結晶粒界の少ないすなわち結晶粒径の大きい多結晶シリコン膜で形成されたＴＦＴにおいて、一般に電界効果によるキャリアの移動度が高くなる。
【０００７】
しかしながら、従来のＥＬＣ法では、前述のように未溶融領域と溶融領域との界面のランダムな位置における核生成から縦方向（厚さ方向）に結晶成長が起こるので、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることが難しくて、キャリア移動度の高いＴＦＴを得ることが困難である。また、ランダムに結晶化が生じる場合に、複数のＴＦＴの相互間で結晶組織の不均一性が生じると共に、ＴＦＴアレイにおいてスイッチング特性の不均一性が生じるという不具合が起こり得る。さらに、このような不具合が生じれば、ＴＦＴ液晶表示装置の１つの表示画面中において、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。
【０００８】
したがって、さらに高性能のＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、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望まれる。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。例えば、「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ので、注目を集めている（例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３参照）。
【０００９】
ラテラル成長法は、ＳＬＳ（Sequential Lateral Solidification：順次横方向凝固）法やキャッピング法などに分類され得る。ＳＬＳ法においいては、特許文献１に開示されているように、微細幅のパルスレーザ光をシリコン薄膜に照射し、その照射領域内でシリコン薄膜の全厚について溶融と結晶化の凝固とを生じさせ、そのような照射領域を横方向に段階的に変位させることによって結晶化領域が拡大される。キャッピング法においては、特許文献２または特許文献３に開示されているように、レーザ光に対する反射防止膜（光吸収膜）または反射膜を半導体薄膜上に形成し、部分的にその半導体薄膜を溶融させた後に凝固させて結晶化が行われる。しかし、いずれに分類されるラテラル成長法においても基本的な結晶化の原理は同じであり、ここでは従来のＳＬＳ法が例として説明される。
【００１０】
このＳＬＳ方法では、図８に示されているようなレーザ処理装置において、微細幅のパルスレーザを半導体膜に照射して、その照射領域の半導体膜の厚さ方向全域にわたって溶融させた後に凝固させて結晶化を行う。すなわち、このレーザ処理装置において、レーザ発振器１１から出射したエキシマレーザが、図９に示されているような透明基板１０２上の多層膜１０３の上面に照射される（以下、図９の構造を従来構造１と称す）。ここで、多層膜１０３は、下地膜（例えばＳｉＯ2膜）１０４とその上のシリコン膜１０５とを含んでいる。
【００１１】
まず、図９に示されているように、透明基板１０２上の多層膜１０３の延設方向（矢印ＡＢ方向）に沿って結晶領域を形成するに際して、多層膜１０３内の領域Ｃ内に熱を誘導する。熱の誘導は、多層膜１０３の領域Ｃ以外の領域をマスキングした後に、多層膜１０３をレーザ露光することにより行われる。すなわち、領域Ｃに照射されたレーザ光のエネルギーが熱エネルギーに変換され、多層膜１０３内の領域Ｃに熱を誘導することができ、シリコン膜１０５の全厚さにわたって溶融させることができる。
【００１２】
つぎに、領域Ｃにて溶融しているシリコン膜１０５を冷却して凝固させれば、図１０（ａ）に示されているように、領域Ｃとそれ以外の領域との境界から、領域Ｃの中心線に向かうように針状結晶が成長する。なお、図１０（ａ）は、図９におけるシリコン膜１０５の上面図に対応している。
【００１３】
さらに、図１０（ｂ）に示されているように、領域Ｃ内で針状結晶ではなくて微粒結晶が形成されている中央部分を含むようにその領域Ｃと隣り合う新たな領域Ｄを設定し、領域Ｃの場合と同様の手順で領域Ｄを溶融させる。そして、領域Ｄにて溶融しているシリコン膜１０５を凝固させれば、図１０（ｃ）に示すように、領域Ｄ内で結晶が成長する。
【００１４】
このような手順を繰り返して、シリコン膜１０５の延設方向に沿って針状結晶を段階的に成長させることによって、図１０（ｄ）に示されているように多結晶構造の半導体領域を拡大させることができる。すなわち、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
【特許文献４】特開平１０−１５０２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来のラテラル成長法に関して、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は、例えば特許文献３の段落［００３４］および［００３７］に記載のキャッピング法では、基板温度が室温状態において波長３０８ｎｍのエキシマレーザを３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー量で厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン薄膜に照射した場合に、ラテラル成長距離は０．８〜１．０μｍ程度になると述べられている。
【００１６】
ところで、キャッピング法を用いるラテラル成長法によって得られた多結晶シリコン膜をトランジスタの活性層に利用する場合、高性能の薄膜トランジスタを形成するためには、多結晶シリコン膜のうちでキャリアの移動方向に結晶粒界のない部分を使用することが望まれる。
【００１７】
しかし、上述のように、従来のキャッピング法を利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程度である。したがって、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おいて結晶粒界を含むことになる。すなわち、従来のキャッピング法を用いるラテラル成長法を利用して作製したトランジスタにおいても、チャネルが粒界を含むことによって極端に性能が低下する場合がある。
【００１８】
換言すれば、キャッピング法を用いるラテラル成長法では、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いほど、種々のサイズの高性能薄膜トランジスタが形成され得ることになる。そうなれば、薄膜トランジスタとともに様々な機能を有する回路をガラス基板上に一体的に形成することが可能になる。
【００１９】
上述のようなキャッピング法を用いるラテラル成長法に比較して、従来のＳＬＳ法では、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ので、プロセス条件と半導体膜厚などが同じであれば同等の長さの結晶が成長し得る。
【００２０】
したがって、従来のＳＬＳ法において、図１０（ｄ）に示されているように１回のレーザパルス照射で成長する長さ以上の針状シリコン結晶を形成するためには、１回のレーザパルス照射で結晶成長する長さ（以下、「ラテラル成長距離」とも称す）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、照射領域のシフトを繰返して行うことになる。換言すれば、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膜を従来のＳＬＳ法で結晶化するには極めて長時間を要し、製造効率が極めて悪いという問題がある。
【００２１】
他方、従来のＥＬＡ（Excimer Laser Anneal）法において、レーザ照射後の半導体膜の凝固速度を低下させることによって大きな結晶粒を得る手法も提案されている（例えば、特許文献４参照）。この方法においては、図１１に示すように絶縁性の石英ガラス基板２上に耐熱性高分子の第一下地膜６、二酸化シリコンの第二下地膜３、および半導体膜５を順次形成し（以下、この構造を従来構造２と称す）、この半導体膜５にレーザ光８を矢印Ｆ方向に照射して半導体膜５を溶融させた後に凝固させて結晶化させる。第一下地膜６を構成する耐熱性高分子膜の熱伝導度が基板２としてよく用いられる石英ガラスに比べて小さいので、レーザ照射により溶融した半導体膜５の熱エネルギーのほとんどが第一下地膜６の断熱効果によって第二下地膜３中に蓄積され、これによって半導体膜５の凝固速度が従来より低下し、その結果として大きな結晶粒の多結晶半導体膜を得ることができる。
【００２２】
しかしながら、特許文献４に開示の方法によって１回のパルス照射を行う場合、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従来のＥＬＡ法に比べれば大きく成長するが、それはラテラル成長法ではないので、方向のそろった大きな結晶を得ることはできない。また、従来構造２に対して単にラテラル成長法を適応した場合、溶融領域中央部から発生する微結晶に阻まれてそのラテラル成長が抑制される（図２（ｃ）参照）。すなわち、図２（ｃ）においてレーザ照射されたスリット状領域の中央部には微結晶領域１０が発生し、針状結晶９の成長長さ１８はスリットの端から微結晶領域１０までの長さとなる。このように、依然として、結晶成長距離が短いという問題は解決されない。
【００２３】
上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明の目的は、改善されたラテラル成長法を利用して、レーザ光の照射による半導体膜の１回の溶融と結晶化により得られる半導体結晶の成長距離を長くすることにより、大粒径の多結晶半導体膜を含む高性能の薄膜半導体デバイスと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】
【００２４】
本発明によれば、薄膜半導体デバイスは、基板上に順に積層された第一下地膜、第二下地膜、第三下地膜、および半導体膜を含み、第一下地膜は基板よりも低い熱伝導度を有し、第二下地膜は第一下地膜および第三下地膜よりも高い熱伝導度を有することを特徴としている。なお、第一下地膜は、耐熱性高分子を主成分として含むことが好ましい。
【００２５】
また、第二下地膜は、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と窒化シリコンの混合物のいずれを主成分として含んでいてもよい。第三下地膜は、二酸化シリコンを主成分として含むことが好ましい。第一下地膜と第二下地膜との間には、それらと異なる付加的薄膜が挿入されていてもよい。
【００２６】
また、半導体膜は、局部的にレーザ照射された領域の全厚にわたって溶融かつ凝固させられて結晶化し、横方向に結晶成長していることが望ましい。さらに、半導体膜は、横方向に結晶成長する領域を半導体膜の面方向に段階的に移動させることによって結晶領域が拡大されていることが望ましい。
【００２７】
１回の照射においてその半導体膜を溶融させ得る照射面積あたりのエネルギー量を有する第一レーザ光と、１回の照射においてその半導体膜を溶融させ得ない照射面積あたりのエネルギー量を有する第二レーザ光を用いて、半導体薄膜の一領域にレーザ照射することにより、そのレーザ照射した半導体薄膜の領域の全厚にわたって溶融させかつ結晶化し、さらに照射領域を半導体膜の面方向に段階的に移動させ、これらのレーザ照射と結晶化を繰り返すことによって結晶領域が延長され得る。
【００２８】
本発明によれば、基板上に順次積層した第一下地膜、第二下地膜、第三下地膜、および半導体膜を含む薄膜半導体デバイスの製造方法は、基板上にその基板よりも熱伝導度が低い第一下地膜を積層する工程と、第一下地膜上にその第一下地膜および第三下地膜よりも熱伝導度が高い第二下地膜を積層する工程と、第二下地膜上に第三下地膜を形成する工程と、第三下地膜上に半導体膜を積層する工程と、半導体膜の所定領域にレーザ照射することによって固体状態の半導体膜のその所定領域内の全厚にわたって溶融させた後に凝固させて結晶化する工程とを含むことを特徴としている。なお、レーザ照射の所定領域を段階的に移動させながら結晶化する工程を繰り返すことによって結晶化領域を延長させることできる。
【００２９】
レーザ照射において、１回の照射で固体状態の半導体膜の全厚にわたって溶融させ得る照射面積あたりのエネルギー量を有する第一レーザ光を照射することにって固体状態の半導体膜を全厚にわたって溶融させるとともに、１回の照射で固体状態の半導体膜の全厚にわたって溶融させ得ない照射面積あたりのエネルギー量を有する第二レーザ光をも照射し、溶融状態の半導体膜の凝固結晶化は第二レーザ光の照射中に生じることが好ましい。
【００３０】
望まれる場合には、第一下地膜上にその第一下地膜および第二下地膜のいずれとも異なる付加的異種薄膜を積層する工程をさらに含んでいてもよい。また、結晶化する工程の前に、レーザ光の反射を防止するキャップ層を半導体膜上に形成する工程をさらに含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、レーザ照射後の冷却過程において、半導体膜の溶融部分が凝固する際に放出する潜熱が第二下地膜を介して横方向へ拡散するので、溶融領域中央部と凝固領域との界面付近で局所的に温度が高くなることがなく、溶融領域中央部から未溶融領域と溶融領域との界面まで緩やかに減少する温度勾配となる。したがって、１回のレーザ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。すなわち、本発明においては、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、従来構造１と２で溶融領域中央部に発生する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。その結果、１回のレーザパルス照射を行な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が非常に大きくなるので、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明による薄膜半導体デバイスは、図１に示されているように、基板２上に第一下地膜６、第二下地膜３ａ、第三下地膜４、および半導体膜５を順次積層した構造を含み、ＳＬＳ法やキャッピング法などのラテラル成長法によって、その半導体膜５がレーザ光８で結晶化されることを特徴としている。
【００３３】
＜薄膜堆積方法＞
まず、基板２上に第一下地膜６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。しかし、安価でありかつ大面積の基板を容易に入手し得る観点から、ガラス基板を用いることが好ましい。
【００３４】
第一下地膜６は、塗布法やプラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）などによって、その厚さが１００ｎｍ〜５００ｎｍになるように形成され得る。第一下地膜６の材料としては、その熱伝導度が１．０（Ｗ／ｍＫ）以下で好ましくは０．３（Ｗ／ｍＫ）以下であれば特に限定されないが、通常は耐熱性高分子であることが好ましい。この耐熱性高分子膜は、半導体膜５を結晶化する際に印加される熱によって劣化してはならず、３００℃以上で好ましくは４００℃以上の耐熱性を有することが望まれる。例えばエチル（Ｃ2Ｈ5）基、プロピル（Ｃ3Ｈ7）基、ブチル（Ｃ4Ｈ9）基、ビニル（Ｃ2Ｈ3）基、フェニル（Ｃ6Ｈ5）基、およびＣＦ3基のいずれかを含有していて耐熱性が高くて熱伝導度の低い有機置換基含有シリコン酸化物を用いることが好ましい。なお、このような第一下地膜６をポーラス構造にすれば、その熱伝導度をさらに低下させることができるので好ましい。
【００３５】
第一下地膜６上には、第二下地膜３ａが形成される。第二下地膜３ａ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って、その厚さが望ましくは１０〜１５０ｎｍになるように堆積される。第二下地膜３ａに関して、膜厚が１０ｎｍ未満では十分な熱伝導効果が得られない場合があり、膜厚が１５０ｎｍを超えれば半導体膜５の結晶成長を阻害する場合がある。かかる第二下地膜３ａとしては、基板２の熱伝導度より高い熱伝導度を有するものであれば特に限定されないが、１０（Ｗ／ｍＫ）以上で好ましくは２０（Ｗ／ｍＫ）以上の熱伝導度を有していることが好ましい。また、第二下地膜３ａは絶縁性をも有することが好ましく、すなわち高熱伝導度を有する絶縁膜であることが特に好ましい。このような高熱伝導度絶縁膜としては、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、または酸化セリウムなどが好ましく用いられ得る。
【００３６】
第二下地膜３ａ上には、第三下地膜４が形成される。第三下地膜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って、その膜厚が望ましくは１０〜１００ｎｍになるように堆積される。第三下地膜４の熱伝導度は１０Ｗ／ｍＫ以下であり、好ましくは２Ｗ／ｍＫ以下の範囲にある。このような熱伝導度を有する材料として、酸化シリコン膜、窒化シリコン、酸化窒化シリコンなどを利用することができる。本発明においては酸化シリコン膜が好適に使用され、その熱伝導度は約１．４Ｗ／ｍＫである。また、酸化シリコンの第三下地膜４は、その下の第二下地膜３ａなどの物質がレーザ照射で溶融した半導体膜５に不純物として溶け込んで半導体物性に悪影響を及ぼすことを防止するバリア層としても好ましく作用し得る。さらに、酸化シリコンの第三下地膜４は絶縁性であるので、半導体膜５に回路を形成する際に、好ましい絶縁性下地層としても作用し得る。
【００３７】
第三下地膜４上には、半導体膜５が形成される。半導体膜５は、ＰＥＣＶＤ、蒸着、またはスパッタリングなどによって、その厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍになるように堆積され得る。堆積される半導体膜５は、半導体特性を示す従来公知の任意の薄膜であり得るが、結晶成長長さを長くすることによって種々の特性が顕著に改善され得る非晶質シリコン膜であることが好ましい。しかし、レーザ照射によって結晶化される前の半導体膜５は非晶質に限られず、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ず、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であってもよい。
【００３８】
なお、本発明において望まれる場合には、第一下地膜６と第二下地膜３ａとの間に、それらと異なる付加的薄膜４ａを挿入してもよい（図４参照）。そような付加的異種薄膜は、ＰＥＣＶＤ、蒸着、またはスパッタリングなどによって、その厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍになるように堆積され得る。かかる異種薄膜としては絶縁性を示すことが好ましく、酸化シリコン、窒化シリコン、酸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ることができる。
【００３９】
＜半導体膜結晶化方法＞
図８は、半導体膜５を結晶化するために利用し得るレーザ処理装置の概念的ブロック図である。この処理装置は、レーザ発振器１１、可変減衰器１２、フィールドレンズ１３、投影マスク１４、結像レンズ１５、サンプルステージ１６および複数のミラーを含んでいる。そして、これらの要素は、コントローラ１７によって制御されている。このレーザ処理装置を用いることによって、ステージ１６上の薄膜半導体デバイス１にレーザ放射パルスを供給することができる。レーザ発振器１１としては半導体膜を溶融させ得るレーザビームを放出可能であれば特に限定されず、例えば紫外域の波長を有するエキシマレーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器などが好ましく用いられ得る。なお、これらの発振器中でも、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ発振器が特に好ましい。
【００４０】
なお、レーザ処理装置は、図５のブロック図に示されているように、第一レーザ光源９３および第二レーザ光源９４を備えていることがより望ましい。第一レーザ光は、第二レーザ光に比べて固体状態の半導体膜への吸収率が高い波長を有している。具体的には、第一レーザ光用のレーザ発振器９３としては、例えば紫外域の波長を有するエキシマレーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器を用いることが望ましい。なお、これらの発振器中でも、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ発振器が特に好ましい。
【００４１】
また、第一レーザ光は、１回のパルス照射において固体状態の半導体膜を溶融させ得る照射面積あたりのエネルギー量を有している。このエネルギー量は、半導体膜における材質、膜厚、および結晶化領域の面積などの条件に依存し、一義的に定めることはできないので、それらの条件に合わせて適当なエネルギー量を有する第一レーザ光を選択することが望ましい。具体的には、レーザ照射領域内で半導体膜をその全厚において融点以上の温度に加熱し得るエネルギー量を有する第一レーザ光を用いることを要する。
【００４２】
第二レーザ光は、第一レーザ光に比べて液体状態の半導体膜への吸収率が高い波長を有している。具体的には、第二レーザ光は、可視域から赤外域の範囲内の波長を有することが好ましい。例えば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザなどが用いられ得る。
【００４３】
また、第二レーザ光は、一回のレーザ照射において固体状態の半導体膜を溶融させ得ない照射面積あたりのエネルギー量を有している。そのエネルギー量は、半導体膜における材質、膜厚、および結晶化領域の面積などの条件に依存し、一義的に定めることはできないので、それらの条件に合わせて適当なエネルギー量を有する第二レーザ光を選択することが望ましい。具体的には、第二レーザ光を単独で照射した場合に半導体膜を融点以上の温度に加熱し得ないエネルギー量を有する第二レーザ光を用いることが推奨される。
【００４４】
そして、例えば第一レーザ光８０を半導体膜に対して垂直方向に入射させ、第二レーザ光８１を斜方向に入射させることができる（図５参照）。この場合に、第一レーザ光８０は、例えば所定のパターンを含むマスク１４の像を半導体膜上に照射領域７ａとして縮小投影するように照射されてもよい（図７参照）。その際、第二レーザ光８１の照射領域７ｂは、第一レーザ光８０の照射領域７ａを包含する広い面積を有する照射領域であることが好ましい。
【００４５】
第一レーザ光と第二レーザ光とにおけるの照射時刻と出力との関係は、図６に示す関係と同様の関係にあることが望ましい。図６において、パルス波形９１は時刻ｔ＝０に第一レーザ光の照射を開始することを示している。他方、パルス波形９２は、第二レーザ光が時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２を除く時間では低出力で放射され、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２において高出力で放射されることを示している。なお、時刻ｔ１において、半導体膜は溶融状態にある。この溶融状態の半導体膜に対して第一レーザ光に加えて第二レーザ光の照射を行うことによって、半導体膜の温度低下速度を減少させることができ、固化するまでの時間を延長させることができるので、溶融状態の半導体膜の固化により生成す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。
【００４６】
＜キャッピング法の利用＞
図７は、本発明においてキャッピング法を利用した一実施形態の概要を説明するための模式的斜視図である。キャッピング法を利用する場合、上述の薄膜積層工程に加えて、半導体膜上に、第一レーザ光または第二レーザ光の反射を防止するキャップ層９０が形成される。キャップ層９０は照射するレーザ光の波長に対して反射防止効果を有するので、レーザ光を照射した際に、キャップ層９０下の半導体膜５が選択的に加熱溶融されることとなる。
【００４７】
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５の材質、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。例えば、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て、半導体膜として膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜を用いた場合、キャップ層９０として膜厚１００ｎｍの酸化シリコンを用いることができる。なお、キャップ層９０は、ＴＦＴを形成する位置に選択的に形成されていることが好ましい（図７参照）。
【００４８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る薄膜半導体デバイスの模式的側面図を示している。この薄膜半導体デバイス１においては、透明基板２上に、耐熱性高分子膜６、窒化アルミニウム３ａ、二酸化シリコン膜４、およびシリコン膜５が順に積層されている。本実施形態１では、透明基板２と熱伝導度が大幅に異なる耐熱性高分子膜が第一下地膜６として用いられ、耐熱性高分子膜６および二酸化シリコン膜４と熱伝導度が大幅に異なる窒化アルミニウム膜が第二下地膜３ａとして用いられている点に特徴がある。なお、本実施形態１では、例えば耐熱性高分子膜６の膜厚を１００ｎｍ、窒化アルミニウム膜３ａの膜厚を１００ｎｍ、二酸化シリコン膜４の膜厚を２０ｎｍ、そしてシリコン膜５の膜厚を５０ｎｍに設定し得るが、これらの膜厚に限定されはしない。
【００４９】
耐熱性高分子膜６は、塗布法またはＰＥＣＶＤなどによって堆積され得る。窒化アルミニウム膜３ａ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って堆積され得る。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って堆積され得る。そして、シリコン膜５は、ＰＥＣＶＤ、蒸着、またはスパッタリングなどによって堆積され得る。なお、シリコン膜５は、堆積されたままの状態において非晶質である。
【００５０】
図８のレーザ処理装置を用いて、図１に示されているように短パルスレーザ８が矢印Ｆの方向に薄膜半導体デバイス１の表面へ向けて室温にて照射される。この短パルスレーザ８のエネルギーによって、非晶質状態のシリコン膜５が一旦溶融する。その後に冷却することにより、溶融したシリコン膜５が凝固する際に結晶化する。なお、本実施形態１では、短パルスレーザとして、例えば波長３０８ｎｍでパルス幅３０ｎｓのエキシマレーザ（ＸｅＣｌ）を用い得るが、他の種々のレーザを利用することも可能である。
【００５１】
本実施形態１において結晶化させたシリコン膜と従来構造１および２において結晶化させたシリコン膜とを比較するために、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって結晶膜表面の観察が行われた。まず、本実施形態１の薄膜半導体デバイスおよび従来の薄膜半導体デバイスについて、１回のレーザ照射によってシリコン膜を結晶化させ、Ｓｅｃｃｏエッチング（ＨＦ：Ｋ2ＣｒＯ3＝２：１の溶液によるエッチング）が行われた。このエッチング後のシリコン膜について、ＳＥＭにより拡大観察した結果が図２において図解されている。
【００５２】
ＳＥＭ観察像を図解している図２（ａ）は本実施形態１において結晶化したシリコン膜の表面、図２（ｂ）は従来構造１において結晶化したシリコン膜の表面、そして図２（ｃ）は従来構造２において結晶化したシリコン膜の表面をそれぞれ表している。図２（ａ）と図２（ｂ）および（ｃ）とを比較すれば、従来構造１および２に比べて本実施形態１において成長した針状結晶９の大きいことがわかる。
【００５３】
図１と比較して、図９の従来構造１においては耐熱性高分子膜６が利用されず、基板１０２上に二酸化シリコン膜１０４と半導体膜１０５が順に形成される。表１に示されているように二酸化シリコンの熱伝導度は１．４（Ｗ／ｍＫ）程度に小さいので、レーザ照射によりシリコン膜１０５内で発生した熱エネルギーは横方向へ拡散しにくい。また、図１と比較して、図１１の従来構造２においては窒化アルミニウム膜３ａが利用されず、基板２上に耐熱性高分子膜６、二酸化シリコン膜３、および半導体膜５が順に形成される。耐熱性高分子膜６の熱伝導度も、０．１〜０．３（Ｗ／ｍＫ）程度に小さいので、レーザ照射によりシリコン膜５内で発生した熱エネルギーは横方向へ拡散しにくい。したがって、従来構造１と２のいずれにおいても、レーザ照射後の冷却過程において溶融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間の固液界面付近には局所的に温度が高くなる領域が生じ、他方において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熱勾配が生じないという問題がある。
【００５４】
【表１】
2005116911.tif 000003
【００５５】
したがって、従来構造１と２では、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間の固液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生じ得る。この溶融領域中央部では比較的広い範囲がほぼ同時に凝固温度を下回ることになるので、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こととなる。その結果、従来構造１と２においては、１回のパルス照射の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よって成長を阻害されてあまり大きく成長することができない。
【００５６】
他方、本実施形態１においては、上述のように透明基板２上に耐熱性高分子膜６、窒化アルミニウム膜３ａ、二酸化シリコン膜４、およびシリコン膜５が順次積層されている。表１に示されているように、窒化アルミニウム膜３ａの熱伝導度が３５（Ｗ／ｍＫ）程度であり、二酸化シリコン膜４の熱伝導度が１．４（Ｗ／ｍＫ）程度であり、また耐熱性高分子膜６の熱伝導度が０．３（Ｗ／ｍＫ）以下である。すなわち、窒化アルミニウム膜３ａの熱伝導度が耐熱性高分子膜６および二酸化シリコン膜４に比べて大幅に高いので、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３ａに達した後に、その膜３ａ内を速やかに横方向に拡散することとなる。しかも、本実施形態１において、耐熱性高分子膜６の熱伝導度が０．３（Ｗ／ｍＫ）以下であり、耐熱性高分子膜６の熱伝導度が透明基板２に比べても低いので、窒化アルミニウム膜３ａ内で拡散する熱エネルギーが基板方向へ拡散することを抑制し得る。
【００５７】
したがって、レーザ照射後の冷却過程において半導体膜５の溶融部分が凝固する際に放出する潜熱が二酸化シリコン膜４を介して窒化アルミニウム膜３ａに達したあとに横方向へ拡散する。その結果、溶融領域と凝固領域との界面付近で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横方向へ固液界面に向かって緩やかに減少する温度勾配が生じる。そして、１回のパルスレーザ照射の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。すなわち、溶融領域の凝固過程において溶融領域と未溶融領域との間の固液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構造１と２で発生する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。
【００５８】
その結果、例えば、４μｍのスリット幅であるレーザを照射する場合、従来構造１と２においては結晶成長長さがせいぜい１〜１．２μｍ程度であるが、図１の薄膜半導体デバイスの構造を採用することによって結晶成長長さを２μｍ以上とすることができる。このように、１回のパルス照射の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が非常に大きくなるので、ＳＬＳ法によって横方向の結晶化を段階的に繰り返すことによって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。
【００５９】
表２は、窒化アルミニウム膜３ａの膜厚を様々に変えたサンプルに関して、４μｍのスリット幅のレーザ光を照射した際の結晶成長長さ１８（図２参照）の測定結果を示している。表２において、結晶成長長さ１８が２μｍ以上に大きく成長した場合には、「○」印が付されている。表２から明らかなように、窒化アルミニウム膜３ａの膜厚が１０〜１５０ｎｍである場合に、半導体膜５において結晶が大きく成長することがわかる。
【００６０】
【表２】
2005116911.tif 000004
【００６１】
上述のように、本発明の実施形態１によれば、レーザ光８の照射により半導体層５中に生じた熱エネルギーの横方向への拡散を窒化アルミニウム膜３ａを介して促進させる（図１参照）と共に、ＳＬＳ法を利用することによって、さらに大粒径の多結晶シリコン膜を得ることができる。こうして得られた多結晶半導体膜を利用してトランジスタを形成することができ、それらのトランジスタは例えば液晶パネルなどのスイッチング素子として用いることが可能である。この場合、本発明による半導体結晶粒が従来の場合に比べて格段に大きいので、チャネルを流れるキャリアの移動度が高い高性能のトランジスタが得られる。なお、これらの効果は、第二下地膜３ａとして窒化アルミニウムの代わりに酸化マグネシウムまたは酸化セリウムを用いた場合にも同様に得られ、また以下の他の実施形態のいずれにおいても同様に得られる。
【００６２】
（実施形態２）
本発明の実施形態２においては、第二下地膜３ａとして「窒化アルミニウム」の代わりに「窒化シリコン」が利用されることのみにおいて実施形態１と異なっている（図１参照）。窒化シリコン膜３ａも、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って堆積され得る。
【００６３】
本実施形態２のプロセスにより結晶化させたシリコン膜５に関しても、図２（ａ）に図解されているのと同様のＳＥＭ像が観察された。すなわち、図２（ａ）と図２（ｂ）および図２（ｃ）とを比較すれば、従来構造１および２に比べて本実施形態２の場合の方が、成長した結晶が大きいことがわかる。
【００６４】
この理由は、実施形態１の場合と同様である。すなわち、実施形態２において、表１に示されているように窒化シリコン膜３ａの熱伝導度が１０（Ｗ／ｍＫ）程度であって、二酸化シリコン膜４の熱伝導度が１．４（Ｗ／ｍＫ）程度であり、また耐熱性高分子膜６の熱伝導度が０．３（Ｗ／ｍＫ）以下である。したがって、窒化シリコン膜３ａの熱伝導度が耐熱性高分子膜６および二酸化シリコン膜４に比べて大幅に高いので、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３ａに達した後に、その膜３ａ内を速やかに横方向に拡散する。その結果、本実施形態２においても表２と同様の結果が得られ、窒化シリコン膜３ａの膜厚が１０〜１５０ｎｍである場合に、半導体膜５において結晶が大きく成長する。
【００６５】
なお、本実施形態２における第二下地膜３ａとしての窒化シリコン膜は、実施形態１の場合の窒化アルミニウム膜に比べて熱伝導度が低いが、構成元素としてシリコンを含むことから、その上に堆積される二酸化シリコン膜４およびシリコン膜５との整合性がよい。また、第二下地膜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膜３ａおよび二酸化シリコン膜４を形成した後に、引き続いて通常のスパッタリングによって非晶質シリコン膜５を形成することができる。したがって、第二下地膜３ａとして窒化アルミニウムの代わりに窒化シリコンを用いれば、第二下地膜３ａの熱伝導度が低下するけれども、製造プロセスを簡略化することができる。
【００６６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３においては、第二下地膜３ａとして「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」が利用されることのみにおいて実施形態１と異なっている（図１参照）。窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物膜３ａも、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って堆積され得る。
【００６７】
本実施形態３のプロセスによって結晶化させたシリコン膜５に関しても、図２（ａ）に図解されているのと同様のＳＥＭ像が観察された。すなわち、図２（ａ）と図２（ｂ）および図２（ｃ）とを比較すれば、従来構造１および２に比べて本実施形態３の場合の方が、成長した結晶が大きいことがわかる。
【００６８】
この理由は、実施形態１の場合と同様である。すなわち、実施形態３においては、表１に示されているように、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物膜３ａの熱伝導度が２０（Ｗ／ｍＫ）程度であって、二酸化シリコン膜４の熱伝導度が１．４（Ｗ／ｍＫ）程度であり、また耐熱性高分子膜６の熱伝導度が０．３（Ｗ／ｍＫ）以下である。したがって、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物膜３ａの熱伝導度が耐熱性高分子膜６および二酸化シリコン膜４に比べて大幅に高いので、レーザ照射により生じた熱エネルギーはその混合物膜３ａに達した後にその膜内を速やかに横方向に拡散する。その結果、本実施形態３においても表２と同様の結果が得られ、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物膜３ａの膜厚が１０〜１５０ｎｍである場合に、半導体膜５において結晶が大きく成長する。
【００６９】
なお、本実施形態３では、窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる第二下地膜３ａの熱伝導度が表２において２０（Ｗ／ｍＫ）程度に設定されているが、窒化アルミニウムと窒化シリコンとの組成比率を調整することによって、その熱伝導度を自由に設計することが可能である。
【００７０】
（実施形態４）
実施形態４では、実施形態１〜３に述べられたいずれかの構造（図１参照）を有する薄膜半導体デバイス１を用いて結晶化が行われる。図８は、シリコン膜５を結晶化するために利用し得るレーザ処理装置を模式的ブロック図で示している。このレーザ処理装置は、エキシマレーザ１１、可変減衰器１２、フィールドレンズ１３、パターン化された投影マスク１４、結像レンズ１５、サンプルステージ１６および複数のミラーを含んでいる。このレーザ処理装置を用いることにより、ステージ１６上の薄膜半導体デバイス１に放射パルスを供給することができる。エキシマレーザ１１としては、例えば波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられ得る。
【００７１】
なお、エキシマレーザ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、レーザの照射タイミングとサンプルステージ１６の位置を調整することができる。すなわち、サンプルステージを図８中の矢印方向に移動させることによって、シリコン膜５上でレーザ光が照射されるエリアを相対的に移動させることができる。
【００７２】
本実施形態４では、結晶を成長させる手順として、ＳＬＳ方法を用いる。この方法によれば、１回のレーザ照射で半導体膜における結晶を延設方向に成長させることができるので、レーザ照射が行われる回数毎に照射エリアを段階的に移動させる（ステップ移動）ことによって結晶化領域を段階的に拡大することができる。このようなステップ移動によって、多結晶構造の薄膜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。なお、レーザ照射エリアを段階的にステップ移動させる具体的手順については、従来技術に関して図１０を参照しつつすでに説明されたので、ここでは繰り返されない。
【００７３】
上述のように、本発明の薄膜半導体デバイス１によれば、レーザ照射１回あたりに成長させることができる針状結晶長を従来よりも大きくすることができ、針状結晶が成長する方向にレーザ照射エリアのステップ移動を制御することによって、さらに大きな針状結晶を成長させかつ成長方向を揃えることも可能となる。したがって、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膜を結晶化する場合でも、本発明によれば処理時間を格段に短くすることができ、製造効率を改善することができる。
【００７４】
（実施形態５）
図３は、実施形態５に係る薄膜半導体デバイス１の模式的側面図を示している。この図３の実施形態５においては、図１の実施形態１に比べて、耐熱性高分子膜６と窒化アルミニウム膜３ａとの間にそれらと異なる二酸化シリコン膜４ａが付加的に挿入されていることのみにおいて異なっている。なお、付加的二酸化シリコン膜４ａ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って例えば２０ｎｍの厚さに堆積され得る。
【００７５】
本実施形態５に関する図３においても、実施形態１に関する図１の場合と同様に、短パルスレーザ８が５薄膜半導体デバイス１の表面へ向けて室温にて照射された。そして、本実施形態５において結晶化されたシリコン膜５に関しても、図２（ａ）に図解されているのと同様のＳＥＭ像が観察された。すなわち、図２（ａ）と図２（ｂ）および図２（ｃ）とを比較すれば、従来構造１と２に比べて本実施形態７の場合の方が、成長した結晶が大きいことがわかる。
【００７６】
この理由は、実施形態１の場合と同様である。ただし、本実施形態５においては、耐熱性高分子膜６上に付加的二酸化シリコン膜４ａが形成されているので、デバイス形成時の耐熱性高分子膜６に対する熱ダメージが抑制されるとともに、実施形態１で述べられた耐熱性高分子膜６の断熱効果が高められる。
【００７７】
本実施形態５においても表２と同様の結果が得られ、窒化アルミニウム膜３ａの膜厚が１０〜１５０ｎｍである場合に、半導体膜５において結晶が大きく成長する。
【００７８】
（実施形態６）
図４は、実施形態６に係る薄膜半導体デバイス１の模式的側面図を示している。この実施形態６においては、シリコン膜５上にさらにキャップ膜９０が積層されていることのみにおいて実施形態１と異なっている。なお、例えば二酸化シリコンを材質とするキャップ層９０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って１００ｎｍの厚さに堆積し得るが、この厚さに限定されはしない。ただし、このキャップ層９０は、レーザ光８の波長に対して反射防止（光吸収）効果を有する範囲の膜厚を有することが好ましい。さらに、このキャップ層９０は、図７に示されているように、ＴＦＴを形成する位置に選択的に形成されることが好ましい。
【００７９】
本実施形態６に関する図４においても、実施形態１に関する図１の場合と同様に、短パルスレーザ８が薄膜半導体デバイス１の表面へ向けて室温にて照射される。このとき、キャップ層９０は短パルスレーザの波長に対して反射防止（光吸収）効果を有する範囲の膜厚を有するので、レーザ光８を照射した際にキャップ層９０下の半導体膜５が選択的に加熱溶融されることとなる。
【００８０】
本実施形態６において結晶化させたシリコン膜５に関しても、図２（ａ）に図解されているのと同様のＳＥＭ像が観察された。すなわち、図２（ａ）と図２（ｂ）および図２（ｃ）とを比較すれば、従来構造１と２に比べて本実施形態６の場合の方が、成長した結晶が大きいことがわかる。
【００８１】
本実施形態６においても表２と同様の結果が得られ、窒化シリコン膜３ａの膜厚が１０〜１５０ｎｍである場合に、半導体膜５において結晶が大きく成長する。
【００８２】
（実施形態７）
本発明の実施形態７においても、図１に図解されている構造を有する薄膜半導体デバイスが利用される。しかし、本実施形態７においては、図５に示されているようなレーザ処理装置を用いて、室温において第一レーザ光８０と第二レーザ光８１が薄膜半導体デバイス１の表面に対して直交する方向と傾斜する方向にそれぞれ照射される。
【００８３】
ここで、第一レーザ光８０は、第二レーザ光８１に比べて固体状態の半導体膜への吸収率が高い波長を有している。より具体的には、第一レーザ光は、紫外域内の波長を有することが好ましい。例えば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザが好ましく利用され得る。
【００８４】
また、第一レーザ光８０は、一回のレーザ照射において固体状態の半導体膜を溶融させ得る照射面積あたりのエネルギー量を有することが好ましい。このエネルギー量は半導体膜の材質、膜厚、結晶化領域の面積などによって変化し、一義的に定めることはできないので、それらの条件に応じた適当なエネルギー量を有する第一レーザ光８０を用いることが望ましい。具体的には、レーザ照射領域内で半導体膜の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を有する第一レーザ光８０を用いることを要する。
【００８５】
さらに、第二レーザ光８１は、第一レーザ光８０に比べて液体状態の半導体膜への吸収率が高い波長を有することが好ましい。具体的には、第二レーザ光８１は、可視域から赤外域までの範囲内の波長を有することが好ましい。例えば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザなどが好ましく利用され得る。
【００８６】
また、第二レーザ光８１は、１回のレーザ照射において固体状態の半導体膜を溶融させ得ない照射面積あたりのエネルギー量を有することが好ましい。このエネルギー量も、半導体膜の材質、膜厚、結晶化領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできないので、それらの条件に応じた適当なエネルギー量を有する第二レーザ光８１を用いることが望ましい。具体的には、第二レーザ光８１を単独で照射した場合にその照射領域内で半導体膜を融点以上の温度に加熱し得ないエネルギー量を有する第二レーザ光を用いることが推奨される。
【００８７】
なお、本実施形態７に関する図５において、薄膜半導体デバイス１の表面に対して第一レーザ光８０を垂直方向から入射させ、第二レーザ光８１を斜方向から入射させているが、レーザ光の入射方向は特に限定されはしない。
【００８８】
本実施形態７において、例えば所定のパターンを形成したマスク１４の像を半導体膜５上に第一レーザ光８０の照射領域７ａとして縮小投影するように照射し、第二レーザ光８１の照射領域７ｂは第一レーザ光８０の照射領域７ａを包含するように広い面積を有することが好ましい（図５および図７参照）。なお、第二レーザ光８１は、半導体膜５が溶融している間に照射される（図６参照）。
【００８９】
本実施形態７により結晶化させたシリコン膜５に関しても、図２（ａ）に図解されているのと同様のＳＥＭ像が観察された。すなわち、図２（ａ）と図２（ｂ）および図２（ｃ）とを比較すれば、従来構造１と２に比べて本実施形態９の場合の方が、成長した結晶が大きいことがわかる。
【００９０】
上述のように、本実施形態７においては、第一レーザ光８０によって溶融状態にされたシリコン膜５に対して付加的に第二レーザ光８１の照射を行うことによって、シリコン膜５の温度低下速度を減少させることができ、固化するまでの時間を延長させ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。
【００９１】
本実施形態７においても表２と同様の結果が得られ、窒化アルミニウム３ａの膜厚が１０〜１５０ｎｍである場合に、半導体膜５において結晶が大きく成長する。
【００９２】
（実施形態８）
実施形態８においても、実施形態６の場合と同様に、図５に示されているようなキャップ膜９０を含む薄膜半導体デバイス１が利用される。すなわち、このキャップ層９０は、第一レーザ光８０の波長に対して反射防止（光吸収）効果を生じる範囲内の膜厚を有している。また、このキャップ層９０は、図７に示されているように、ＴＦＴを形成する位置に選択的に形成されている。
【００９３】
また、本実施形態８では、実施形態７の場合と同様に図５に示されているようなレーザ処理装置を用いて、室温において第一レーザ光８０と第二レーザ光８１が薄膜半導体デバイス１の表面に対して直交する方向と傾斜する方向にそれぞれ照射される（図７をも参照）。
【００９４】
このような本実施形態８においては、当然のことながら、実施形態６における効果と共に実施形態７における効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明によれば、改善されたラテラル成長法を利用して、１回のレーザ照射による半導体膜の結晶化により得られる結晶成長距離を長くすることにより、その大粒径の多結晶半導体膜を含む高性能の薄膜半導体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明に係る薄膜半導体デバイスの模式的側面図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る薄膜半導体デバイスにおいて結晶化した半導体膜をＳＥＭ観察した表面像を図解する模式的平面図であり、（ｂ）と（ｃ）は従来の薄膜半導体デバイスにおいて結晶化した半導体膜をＳＥＭ観察した表面像を図解する模式的平面図である。
【図３】本発明に係るの他の薄膜半導体デバイスの模式的側面図である。
【図４】本発明においてキャップ法を適用した薄膜半導体デバイスの模式的側面図である。
【図５】本発明の薄膜半導体デバイスの製造に利用し得るレーザ処理装置を示す模式的ブロック図である。
【図６】図５のレーザ処理装置において第一レーザ光と第二レーザ光とに関する照射時刻と出力との関係の概要を説明するためのグラフである。
【図７】薄膜半導体デバイス上において第一レーザ照射領域と第二レーザ照射領域とを示す模式的斜視図である。
【図８】本発明の薄膜半導体デバイスの製造に利用し得るレーザ処理装置を示す模式的ブロック図である。
【図９】従来構造１に係る薄膜半導体デバイスの概略断面図である。
【図１０】ＳＬＳ法によって膜面方向に平行に結晶を成長させる手順を示す模式的平面図である。
【図１１】従来構造２に係る薄膜半導体デバイスの概略断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１  薄膜半導体デバイス、２  透明基板、３  下地膜、３ａ  第二下地膜、４  第三下地膜、４ａ  付加的薄膜、５  シリコン膜（半導体膜）、６  第一下地膜（低熱伝導度膜）、７ａ  第一レーザの照射領域、７ｂ  第二レーザの照射領域、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、８０  第一レーザ光、８１  第二レーザ光、９０  キャップ層、９１  第一レーザ光のパルス波形、９２  第二レーザ光のパルス波形、９３  第一レーザ発振器、９４  第二レーザ発振器。
【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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