CN1739187A - 结晶半导体元件及其制造方法以及结晶装置 - Google Patents

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Abstract

用本发明的结晶半导体元件的制造方法在半导体层(2)的表面形成热传导率比基板(4)高的热扩散层(1)后，从该热扩散层(1)之上对半导体层(2)照射激光，通过这样，能制造结晶比现有长的结晶半导体元件。而且采用本发明能提供一种具有比现有晶粒直径更大的半导体层的结晶半导体元件。

Description

结晶半导体元件及其制造方法以及结晶装置
技术领域
本发明涉及利用激光制造的结晶半导体元件的制造方法以及半导体层的结晶装置。
背景技术
应用于液晶或电致发光(EL)等构成的显示装置的薄膜晶体管采用非晶质或多晶的硅作为激活层。其中，将多晶硅作为激活层的薄膜晶体管(结晶半导体元件)由于其电子迁移率比将非晶质硅作为激活层的薄膜晶体管高，所以与非晶质硅的薄膜晶体管比有相当多的优点。
具体地说，例如将多晶硅作为激活层的薄膜晶体管不仅在像素部分形成开关元件而且能将像素周围的部分的驱动电路或一部分外围电路形成在一块基板上。因此，无需将驱动IC或驱动电路基板另行安装在显示装置上，所以能提供廉价的显示装置。
另外，至于其它的优点，则由于能将晶体管的尺寸做得极其微小，所以能将像素部分形成的开关元件做得非常小，以图提高开口面积效率。由此，能提供高亮度、高清晰的显示装置。
在制造上述将多晶硅作为激活层的薄膜晶体管(结晶半导体元件)中，例如，用CVD等方法在玻璃基板上形成非晶质硅的薄膜后，另外还需要将非晶质硅变成多晶的工序。
作为将非晶质硅变成多晶(结晶)的工序例如有用大于等于600℃的高温进行退火的高温退火方法。但是，在利用上述方法制造多晶硅时，作为层叠非晶质硅的基板非得使用能耐上述高温但价格贵的玻璃基板，所以就成为阻碍显示装置降价的重要因素。但是，近些年里，采用激光以小于等于600℃的低温对非晶质硅进行结晶处理的技术已相当普及，故能以低廉的价格提供在便宜的玻璃基板上形成多晶硅晶体管的显示装置。
作为一门采用激光的结晶技术，通常的方法例如：将形成非晶质(非晶体)硅薄膜的玻璃基板加热到400℃左右，一边以一定速度使上述玻璃基板来回移动，一边对上述玻璃基板连续照射长度200～400mm、宽0.2～1.0mm左右的线状激光束。采用该方法能形成具有和非晶体硅薄膜厚度程度相同的平均晶粒直径的多晶硅薄膜。这时，被激光束照射过的部分的非晶质硅在整个厚度方向区域上不是熔融的，成保留一部分非晶质区域而熔融的状态。通过这样，在激光照射区域的整个面上都产生结晶晶核，朝着硅薄膜最表面的层结晶生长，就能在无规则的方位上形成晶粒。
但是，为了进一步获得高性能的显示装置，需要加大多晶硅的晶粒直径、控制生长中的结晶方向。以获得接近单晶硅的性能为目的正在进行为数众多的研发。
具体例如：专利文献1(特表2000-505241号公报(公开日；2000年4月25日))揭示的使结晶生长得更大用的技术。
专利文献1中揭示了一种称为超级横向生长的技术。该专利文献1所述的方法为用宽度极细的脉冲激光照射硅薄膜，使硅薄膜在激光照射区域厚度方向的整个区域上熔融、凝固进行结晶。具体为：对硅薄膜照射脉冲激光，使硅薄膜在激光照射区域厚度方向的整个区域上熔融，从熔融部分和未熔融部分的边界开始沿横向即玻璃基板上水平方向控制晶粒的生长，得到针状晶。
这样的超级横向生长具有以下的特点，即在脉冲激光一次照射后，使由该照射形成的针状晶的一部分重复，通过依次照射脉冲激光，使已生长的结晶继续生长，长的针状晶再生长，获得与结晶的生长方向方位一致的大结晶。
另外，上述专利文献1揭示的半导体元件通常为了防止杂质在玻璃基板上扩散设置二氧化硅的膜，再在其上设置非晶质的硅膜。
再有，作为多晶硅的制造方法的例子有在基板上层叠热传导率不同的膜，再在其上形成半导体层(非晶体硅膜)，从而使所得的膜的特性提高，其构成记述于专利文献2(特開2000-68520号公报(公开日；2000年3月3日))、专利文献3(特開平6-296023号公报(公开日；1994年10月21日))。即在专利文献2、3中，在基板和半导体层之间形成热传导率不同的层。
但是，根据专利文献1的发明获得的晶粒的生长距离只不过约1μm～2μm左右，为了获得大的晶粒须反复多次照射脉冲激光。特别是在结晶生长距离为1μm左右时，为了使结晶继续生长要对上次照射生成的结晶再度重迭照射脉冲激光，结果造成0.5μm左右偏差。然而，为了始终得到0.5μm的偏差量，需要送进精度为0.1μm左右的分辨率，即精度极高的进给机构，这样就加大设备费用。义因一次只能提供极少量的进给量，所以存在处理速度慢的问题。
又如专利文献2、3所揭示，在基板和半导体层之间设置热传导率不同的层(热扩散层)的构成中，与其它的层相比该热扩散层的热传导率高，所以热容易从已变成高温的热扩散层向基板方向(与基板垂直的方向)扩散。因此，半导体层就急速冷却，阻碍半导体层的结晶生长。
本发明基于上述问题而提出，其目的在于提供一种能更加简单地使半导体层的晶粒直径增大的结晶半导体层的制造方法以及结晶装置。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的结晶半导体元件的制造方法，包括在基板上形成半导体层的工序；以及对上述半导体层照射激光使该半导体层结晶的结晶工序，其特点是，包括在上述半导体层的表面设置热传导率比基板高的热扩散层的热扩散层形成工序，在上述结晶工序中，从上述热扩散层之上对半导体层照射激光。
采用上述的构成，在半导体层的表面形成热扩散层后，就从该热扩散层之上对半导体层照射激光。通过半导体层表面设置该热扩散层，从而就能使因激光熔化的半导体层的冷却速度比现有的慢。具体为，在对半导体层照射激光时，也对热扩散层照射激光。
通过这样，热扩散层所蓄的热流入相邻的半导体层。另外，来自所述热扩散层的热由于传给半导体层，所以能使熔融的半导体层的温度分布与现有的相比更加均匀。因此，在熔融的半导体层结晶时，能使生成的结晶长度比现有的更长。另外，由于能使通过一次激光照射生成的结晶长度比现有的更长，故能缩短结晶所要的时间。
通过这样，以图能提高用该制造方法制造的结晶半导体元件形成的器件的特性，同时，用较低的成本制造器件。
另外，为了解决上述问题，其特点是，本发明的结晶半导体元件利用本发明相关的制造方法制造。
采用上述的构成，由于利用上述制造方法进行半导体层的结晶，所以能提供具有晶粒直径比现有更大的半导体层的结晶半导体元件。
为了解决上述问题，本发明的结晶装置，具有结晶手段，该结晶手段通过对形成在设在基板上的半导体层表面的、具有热传导率比该基板高的热扩散层的半导体元件照射激光从而使该半导体层结晶，其特点是，所述结晶手段照射波长小于等于550nm的激光。
采用上述构成，对于具有形成在半导体层表面的热扩散层的未结晶半导体元件，就从热扩散层之上对半导体层照射波长小于等于550nm的激光。
而且，上述结晶手段由于从热扩散层之上对半导体层照射激光，故能使由于该激光而熔化的半导体层的温度降低比现有的慢。具体为，一部分透过热扩散层的激光积累在热扩散层上，通过该积累的热传给半导体层，从而就能制止半导体层的温度降低。由此，能在半导体层上生成比现有大的结晶。
另外，本发明能提供一种结晶装置，该结晶装置通过从热扩散层之上对半导体层照射波长小于等于550nm的激光，从而在减少热扩散层中激光的吸收之同时，还能大大吸收半导体层中的激光。通过这样，能提高结晶半导体元件的结晶效率并力求缩短制造时间降低生产成本。
本发明的其它目的、特征、及优点根据以下所述将会充分理解。另外，本发明的长处通过以下的说明亦会进一步明白。
附图说明
图1为表示利用本发明一实施方式相关的结晶半导体元件制造方法制造的结晶半导体元件的概要构成的侧视图。
图2为表示本发明一实施方式相关的结晶装置概要构成的平面图。
图3为表示上述结晶半导体元件的半导体层结晶状态的主视图。
图4为表示对现有的半导体元件中非晶体硅膜照射激光使其熔化后冷却继续结晶的状态中，该非晶体硅膜的温度分布曲线图。
图5为表示随着现有的半导体元件中非晶体硅膜14的冷却，其温度分布相应变化的曲线图。
图6为表示对本实施方式相关的未结晶半导体元件照射激光时熔融区域附近的温度分布曲线图。
图7为表示本实施方式的构成中随着半导体层2的冷却，其温度分布相应变化的曲线图。
图8表示结晶半导体元件的其它概要构成的侧视图。
具体实施方式
(实施方式1)
参照图1至图8对本发明一实施方式说明如下。
本实施方式相关的结晶半导体元件的制造方法，包括在基板上形成半导体层的半导体层形成工序：以及对上述半导体层照射激光使该半导体层结晶的结晶工序，该方法还包括在上述半导体层表面设置热传导率比基板高的热扩散层的热扩散层形成工序，在所述结晶工序中从上述热扩散层之上照射激光。
而且，半导体层中未结晶的未结晶半导体元件的构成为：设置在基板上并在非晶质状态或微晶状态的半导体层表面形成热传导率比该基板高的热扩散层。
图1为表示利用本实施方式相关的结晶半导体元件制造方法制造的结晶半导体元件的概要构成的侧视图。上述结晶半导体元件的构成如图1所示，在玻璃基板(基板)4上依次层叠扩散防止层(低热传导率层)3、半导体层2、热扩散层1。即热扩散层1的构成为形成在半导体层2之表面，从半导体层2看设置在与设置基板的一侧相反的一侧。而且，热扩散层1的与半导体层2相接的相反一侧的表面与空气接触。
扩散防止层3能防止来自玻璃基板4的杂质扩散。本实施方式中用二氧化硅作为扩散防止层3，但无特别限定，只要能防止来自玻璃基板4的杂质扩散可以是由其它材料组成的膜。采用二氧化硅膜作为扩散防止层3时，该二氧化硅膜例如可以采用蒸镀、溅射成膜、CVD等形成方法来形成。具体是其厚度最好在0.05～1μm的范围内。
而且，本实施方式中，在扩散防止层3之上设半导体层2。半导体层2采用通常的非晶体硅。另外，作为半导体层2的成膜(形成层)的方法可以列举CVD法、溅射法、蒸镀法等。半导体层2的厚度可以根据所要的晶体管特性或工艺条件等适当设定，最好在数十nm～数百nm的范围内，30～100nm的膜厚(层厚)则更佳。
成膜后的半导体层2通常是非晶体，没有结晶。根据成膜方法能获得非常小的结晶的集合(微晶)，但不管怎样，反正要获得如此大的晶粒是件困难的事。因而，若在刚成膜后的半导体层2上直接形成晶体管，则所述晶体管的电子迁移率降低。所以，最终得到的半导体元件要使上述非晶体的半导体层2结晶。也就是，本实施方式的半导体层2要进行结晶处理。具体的结晶方法将在以后叙述。
本实施方式中，在半导体层2上设热扩散层1。具体为在半导体层2的表面形成热扩散层1。热扩散层1采用热传导率比玻璃基板4大的材料。另外，热扩散层1采用热传导率比扩散防止层3大的材料则更好。
再有，热扩散层1最好是在后述的激光退火处理(结晶工序)中相对所照射的激光透过率高的一层。具体为：最好相对上述激光透过率大于等于70％。在透过率低于70％时，照射的激光就难以透过到达半导体层2，有时该半导体层2的结晶效率降低。
另外，上述热扩散层1的对于上述激光的光吸收率最好比半导体层2的光吸收率小。即为了使半导体层2结晶，热扩散层1对于所照射的激光的光吸收率最好比半导体层2对于上述激光的光吸收率小。在热扩散层1对于上述激光的光吸收率比半导体层2的光吸收率大的情况下，有时照射的激光不能被半导体层2有效地吸收，结晶效率降低。
另外，作为热扩散层1的材料最好为硅或铝的氮化物或氧化物。作为这样的化合物，具体可举出氮化硅、氮化铝、氧化铝等材料。热扩散层1的厚度若将半导体层2的厚度作为100％，则最好在50％～400％的范围内。具体为：厚度最好在5nm～200nm的范围内。热扩散层1的厚度在比半导体层2的厚度50％薄的情况下，热扩散效果减弱，在后述的结晶工序中，有时失去促进半导体层2结晶生长的效果。另一方面，在热扩散层1的厚度比半导体层2的厚度的400％还要厚的情况下，就需要加热热扩散层1自身用的能量，有时就要增加照射的激光的能量。
以下，说明上述半导体元件的制造方法。
本实施方式相关的半导体元件的制造方法，包括在玻璃基板4上形成半导体层2的半导体层形成工序；在上述半导体层2的表面设置热传导率比玻璃基板4高的热扩散层2的热扩散层形成工序；以及从上述热扩散层1之上照射激光使该半导体层2结晶的结晶工序。
上述半导体层形成工序中，在玻璃基板4上形成半导体层2。本实施方式中，具体为在玻璃基板4上预先形成扩散防止层3，再在该扩散防止层3之上形成半导体层2。也就是，依次在玻璃基板4上层叠扩散防止层3、半导体层2。作为在扩散防止层3之上形成上述半导体层2的方法人们均已知道故不再详细进行说明。
热扩散层形成工序中，在半导体层2的表面形成热扩散层1。具体为，可以采用溅射、真空蒸镀、热CVD、等离子CVD等方法来形成，另外，能根据材料相应采用其它薄膜形成方法。还有，在现有的半导体元件上，利用与在半导体层和基板间设置热扩散层时同样的方法在半导体层2表面形成本实施方式相关的热扩散层1。
而且，在半导体层2表面形成热扩散层1后，通过从热扩散层1之上照射激光从而使半导体层2结晶(结晶工序)。具体为，对表面形成热扩散层1的半导体层2实施激光退火处理(结晶工序)。
以下，参照图2说明用于激光退火处理的结晶装置的构成。图2为表示本实施方式相关的结晶装置的概要构成的平面图。上述结晶装置如图2所示，包括激光光源5、形成照射图形的光掩模11、物镜9、及工作台10。另外，结晶装置可以按需再配备均化器、扩展器等光学元件组6及场透镜8。
还有，上述结晶装置只要是能对半导体元件的规定位置按照规定的图形照射规定放射照度的光的装置则均可，并不限于前述的构成。
工作台10为承载半导体层2未结晶状态的半导体元件用的台。而且该工作台10能使半导体元件沿承载该半导体元件的面的方向驱动。
激光光源(结晶手段)5最好能进行脉冲照射，例如能采用激态复合物激光器。采用激态复合物激光器作为激光光源5时，该激态复合物激光器射出的激光波长位于紫外线区域，由于能被半导体层2非常容易地吸收所以相当理想。另外，该激态复合物激光器的脉宽为10～数十ns，所以能使半导体层2几乎在瞬间熔融。还有，由该激光光源5熔化的半导体层2其后急速冷却，在该冷却的过程中结晶。
另外，作为激光光源5也可采用固体激光器。作为固体激光器通过利用闪光灯或半导体元件激光器等照射Nd-YAG等非线性光学结晶而激励，进行激光振荡。该固体激光器由于不需要激态复合物激光器所需的氦气，所以其优点是维护方便。另外，也有用半导体元件激光器进行激励代替使用闪光灯的方法，这时，由于半导体元件激光器的振荡效率高，并能使半导体元件激光器的振荡波长和固体激光器的非线性光学结晶的吸收区域一致，所以激光能高效地进行振荡。因此，与激态复合物激光器或闪光灯的固体激光器相比能大大减少功耗及装置的大小。
另外，固体激光器通过激励非线性光学结晶能得到1.06μm附近波长的激光。但是在将1.06μm附近波长的激光照射半导体层2时，该波长的激光由于构成半导体层2的非晶体硅的吸收系数小，所以光不易被非晶体硅吸收，并难以使其熔融。因此，最好利用非线性光学结晶将该波长的激光变换成可见光。
可以例如采用Nd-YAG、Nd-V04等作为非线性光学结晶。而且，1.06μm波长的激光例如通过上述举例示出的非线性光学结晶就能变换成约532nm附近的可见光作为第2高次谐波波长。只要是小于等于该532nm附近的波长，非晶体硅的吸收系数就变大通过照射激光半导体层2就能熔融。即，为了使非晶质的(未结晶)半导体层2结晶，最好从结晶手段所设的激光光源5射出波长小于等于550nm的激光。而且，特别理想的是从激光光源5射出波长小于等于550nm的可见光区域的激光。还有，关于激光光源5射出的激光波长的详细内容将在以后阐述。
激光光源5射出的光束(激光)利用扩展器变换成合适的光束尺寸，再利用均化器以使光束断面内的放射照度均匀，并照射光掩模11。这里所谓光束扩展器是有望远系统或缩小系统的光学系统，是决定光掩模11上照射区域大小的构件。均化器由透镜阵列或圆柱透镜阵列构成，通过分割光束再合成，从而力求在掩模上的照射区域内照射强度均一。
光掩模11在掩模基板上有遮光部和开口部，开口部是让激光光源5射出的光通过的构件。作为掩模基板例如可以采用石英、玻璃等材料，作为遮光部例如可以采用铬、镍、铝等金属薄膜或由多层电介质层叠膜构成的反射或者吸收膜。
光掩模11上形成的开口部做成宽1～100μm范围内的狭缝形状，最好为宽3～50μm范围内的狭缝形状，狭缝的数量可以是单根或多根。但是光掩模11的形状并无特别限定。
物镜9是使通过对光掩模11的开口部照射通过均化器的激光而形成的像在半导体元件的表面上成像。也就是，开口部的像在半导体元件上成像。具体是，变成这样一种状态，即从激光光源5射出的激光从热扩散层1之上对半导体元件上的部分半导体层2进行照射，并其它的部分未被照射。这时，上述激光最好只照射设置热扩散层1的半导体层2的区域。这一点能通过在整个玻璃基板4上构成热扩散层1并将开口部的像成像于其上而做到，也可以在玻璃基板4的一部分表面上设热扩散层1，使开口的像成像于该热扩散层1的区域的另外一部分，进行处理。
此时，使像成像于半导体元件时的光学倍率最好设定成从相等倍率至1/10。即其结构最好做成：掩模上开口部的大小从相等倍率像缩小成1/10的大小而进行成像。物镜9的解像能力设定成在设于光掩模11上的开口部的像成像于半导体元件上时，上述开口部的像作为在半导体元件上形成的像能分解的解像能力。即通常能在半导体元件上成像的像，也就是，设定成能分解狭缝宽度的解像能力。具体为，设物镜9的数值口径为NA、使用的波长为λ，则解像能力大致能用λ/NA表示。由此，设定开口部的宽度或使解像能力与开口部宽度相等使得上述开口部近似为该值(λ/NA)，或者，设定物镜的数值口径取更小的值。
当利用物镜9使开口部的像成像于半导体元件上的半导体层2时，即，当照射激光光源5射出的激光时，被激光照射的部分的半导体层2就吸收上述激光能量而熔融。其后，激光的照射(脉冲照射)一结束，处于熔融状态的半导体层2就急速冷却至熔点以下进行结晶。此时，结晶的半导体层2如图3所示，结晶13沿开口部的宽度方向D即被照射的激光的宽度方向生长成为柱状晶。还有，图3为表示半导体层2结晶状态的主视图。另外，如图3所示，形成在半导体层2上的开口部的像以外的部分12即激光未能照射到的部分没有熔融，依旧是非晶体状态。
采用上述构成的结晶装置，使半导体层2结晶(激光退火处理)。具体为：如上所述，激光光源5射出的激光从热扩散层1之上对着半导体层2进行照射。由此，透过该热扩散层1的激光就能照射半导体层2。而且半导体层2的被激光照射到的部分就熔融，激光一不照射，半导体层2熔融区域的温度就降低，处于熔融状态的半导体层2就结晶。关于该半导体层2的结晶现详述如下。
在现有的半导体元件的场合，即在基板和半导体层之间形成扩散防止层的半导体元件的场合，处于熔融状态的半导体层结晶时，结晶的生长距离L停留于1～1.5μm的水平上。具体为，例如设定在基板上成像的开口部宽度D(照射半导体元件的激光的宽度)为5μm时，经历熔融、结晶的过程，结晶就从激光的端部开始生长，但在中央部残余2～3μm变成微晶或非晶体，无法在整个开口部上结晶。其理由现说明如下。
图4为表示现有的构成中，对设置在玻璃基板16上的扩散防止层15上的非晶体硅膜14照射激光使其熔融后冷却再结晶的状态下该非晶体硅14温度分布的曲线图。也就是，在图4示出的构成中不设热扩散层。
在照射激光使非晶体硅膜14熔化时，激光照射区域中央存在非晶体硅膜14熔化的熔化区域18，在其周围存在已冷却、已结晶的结晶区域19。此时，熔化区域18和结晶区域19的边界附近，即现在正在结晶的区域17的温度升高。这是由于熔融的非晶体硅膜14一旦结晶时，就会释放结晶潜热的缘故。
图5为表示现有构成中，随着非晶体硅膜14的冷却，其温度分布相应变化的曲线图。图5中，温度水平线22表示非晶体硅膜(硅)14的凝固点。熔化的非晶体硅膜14的温度低于上述温度水平线22时构成该非晶体硅膜14的硅就结晶(固化)。
上述现有的构成中，随着硅被冷却、温度下降，从熔融区域的外缘21向中央依次进行结晶。而且，在从该外缘21开始进行结晶之同时，在熔融区域的中央硅的温度也下降，并进行结晶。这时，在外缘21和中央之间存在正在进行上述结晶的区域17，该区域17变成高于上述温度水平线22的温度。因此，中央比依次从外缘向中央的结晶更早低于温度水平线22而进行结晶，形成微晶或非晶体的晶粒23。而且，从外缘21向中央进行结晶的结晶由于中央形成的晶粒23阻碍其生长。因此，现有的构成中，有时结晶24生长不到中央部。
本实施方式相关的半导体元件的构成，即如图1所示，在采用将扩散防止层3、半导体层2、热扩散层1依序层叠于玻璃基板4上的构成(在半导体层2表面上设置热扩散层1的构成)时，结晶的生长距离L与现有的相比扩大至2到3倍。即通过照射一次激光能使半导体层2熔融结晶时生长的结晶长度大于等于2～4μm。因此，在将开口部的像的宽度(照射半导体元件的激光宽度)D设定在现有的2至3倍及其以上时，能防止中央变成微晶或非晶体，另外，能使中央的微晶或非晶体的宽度缩得比现有的结构小。关于其原因现说明如下。
本实施方式中，对由玻璃基板4上依序层叠扩散防止层3、半导体层(非晶体硅层)2及热扩散层1构成的未结晶半导体元件照射激光。因而，如图6所示，结晶区域27和熔融区域30的边界区域的温度并没有变得特别高，温度分布变成从中央向外缘缓缓降低。这是由于在半导体层2的表面设置热扩散层1，通过该热扩散层1沿横向(基板面方向)热容易流动，上述边界区域温度快速下降。即通过在半导体层2的表面设置热扩散层1能促进横向的热流动，随着结晶潜热的释放使有现有的有凸起的温度分布变得平坦。另外，图6为对本实施方式相关的未结晶半导体元件照射激光的情况下，熔融区域附近温度分布的曲线图。
由此，如图7所示，在熔融区域全体温度降低下去时，不会产生中央与外缘一起也结晶的现象，从外缘向中央结晶顺利地生长。通过这样，从外缘向中央生成比现有长的结晶。还有，图7为表示本实施方式的构成中，随着半导体层2的冷却，其温度分布相应变化的曲线图。
而且，本实施方式的情况下，开口部的像，即在对半导体元件照射激光过的部分结晶后，通过移动该激光的照射部分，再次对别的未结晶的部分或已结晶的部分照射上述激光使该激光的一部分重叠，从而能使玻璃基板4上的半导体层2的结晶更长。通过反复上述操作，能使玻璃基板4上形成的半导体层2的一部分或全部结晶。也就是，在包括巳结晶的部分在内的状态下再照射激光，即，通过照射激光使巳结晶的区域的一部分重合，从而将已结晶的结晶作为晶种使其生长。具体为，若将该激光的重合量在宽度方向上设定为例如结晶生长距离L的1/2左右，则能使生长的结晶接连不断地继续结晶，并且在玻璃基板4的面内方向，并且沿开口部的宽度方向形生长长的结晶。
所以，利用本实施方式的结晶半导体的制造方法，由于能使1次脉冲照射形成的结晶区域为现有的两倍及两倍以上的面积，故能使半导体层2结晶所需时间减半，能制成廉价的半导体元件器件。
另外，通过采用本实施方式的未结晶半导体元件使半导体层2结晶，从而能以比现有短的时间进行结晶处理。而且，通过如将一次形成的一部分结晶包括在内那样地照射激光，能使结晶生长距离更长。
另外，若构成例如沿结晶的生长方向(开口部的宽度方向)使载流子流动那样结构的晶体管，则能获得载流子不会散布于结晶的晶界上、迁移率极高的晶体管。
还有，本实施方式的情况下，可以考虑通过热扩散层1向上(即向大气中)散热的路径作为从热扩散层1向垂直方向散热的路径。但由于大气是气体，大气的热传导率与固体的玻璃基板4相比极小，所以散发至大气中的热可以忽略不计。
另外，构成半导体层2表面的热扩散层1的材料如上所述，最好用氮化铝、氮化硅等氮化物。这是由于上述多种氮化物具有导热好而且又耐热的特性，另外，在用于熔融的激光波长上几乎是透明的。此外，出于同样的理由，例如氧化铝等导热好而且又耐热，在用于熔融的激光波长上几乎是透明的，具有这样特性的材料大多都能作为热扩散层1的材料使用。
根据实验证实以下事实：即构成热扩散层1的材料中，例如氮化铝、氮化硅、及氧化铝的热传导率是玻璃基板4的5～10倍及其以上，而且通过将氮化铝、氮化硅、及氧化铝作为热扩散层1使用，从而能使结晶生长距离更长。由此，最好选择热传导率比玻璃基板4高的材料作为构成热扩散层1的材料，更好的为若设定5倍及5倍以上的热传导率，则能获得促进结晶生长的效果。
另外，通过将构成热扩散层1的材料和激光光源5的种类组合在一起，有时上述热扩散层1吸收对半导体元件照射的激光的程度可以勿略不计。例如在采用具有紫外线区域的波长的激态复合物激光器作为激光光源5时，从激光光源5射出的激光有时在热扩散层1中有某种程度吸收。这时，利用半导体层2表面上的热扩散层1吸收紫外线区域的激光，有时热不能充分地传到位于其下部的半导体层2。另外，若利用热扩散层1吸收大量的光变成热，则热扩散层1的温度上升，有时会损坏该热扩散层1。
因此，最好热扩散层1的光透过率至少比其下的半导体层2的吸收率小。即热扩散层1对于激光光源5射出的激光的光吸收率最好比半导体层2的光吸收率小。作为使热扩散层1对于上述激光的光吸收率比半导体层2的光吸收率小的方法可以列举以下几种：(1)改变激光光源5射出的激光波长，(2)对于照射的激光的光吸收率采用比半导体层的光吸收率小的热扩散层。
例如，在激光光源5射出的激光波长在紫外线区域时，有时利用构成热扩散层1的材料的种类，该热扩散层1以较大的比例吸收所照射的激光能量。
因此，最好利用构成热扩散层1的材料种类，改变采用可见光区域的激光代替紫外线区域等的照射的光的波长。若采用发出对于热扩散层1透过率高(吸收率低)，并对于半导体层2吸收率高的波长的光的激光光源5，则因大部分激光透过热扩散层1被半导体层2吸收，故热能充分地传给半导体层2。还有，作为半导体层2例如在用非晶体硅或硅时，最好激光的波长比550nm还短。这是由于在构成半导体层2的材料是硅(包括非晶体状态)时，该硅不能充分吸收波长长于550nm的激光。因此，构成半导体层2的材料在含硅的情况下，照射波长小于等于550nm的激光则更好。
另一方面，作为照射半导体层2的激光波长下限值大于等于350nm则更好。构成热扩散层1的材料之中，大多的材料(包括在可见区域为透明的材料)在比350nm更小的波长区域中，由于对照射的激光吸收急剧增加，所以例如只能选择二氧化硅、氟化钙等有限的材料。但是，在大于等于350nm的可见区域可选择氮化硅、氮化铝、氧化铝等透过率高的物质。因而，作为对上述半导体层2照射的激光的波长区域最好在大于等于350nm小于等于550nm的范围内。
所以，在熔融设有热扩散层1的硅时，如用上述范围内的可见光，则由于能容易地做到边高效地熔融硅，边抑制热扩散层1上的吸收，所以特别理想。
作为具有上述范围内的波长区域的激光的光源(激光光源5)，例如可举出上述固体激光器等例子。由于用该固体激光器照射可见光区域的激光容易做到所以较适合。其中尤其是如采用Nd-YAG等固体激光器的第2高次谐波则能得到532nm的振荡波长所以相当合适。
特别是在采用固体激光器的情况下，处理装置能做得既小又轻，而且对于装置的维护(维持生产)不需要气体，所以可以得到维修费用降低、维持制造设备运转的费用降低的装置。另外，如使用这一装置，由于装置费用、维修费用低，所以是一种费用比现有的方法更加低的制造方法。
再有，在本实施方式相关的结晶半导体元件的制造方法中，在热扩散层1设置在半导体层2的表面，通过照射激光进行结晶的情况下，在结晶后除去热扩散层1后(除去工序)，也可进行后道工序。通过除去热扩散层1，后道工序即栅极部分的制作、电极配线、掺杂等半导体器件的形成就容易。这时，除去在半导体层2的表面上形成的热扩散层1后，由于变成半导体层2、扩散防止层3、玻璃基板4的构成，所以与现有的半导体元件的结构相同，故能原样地使用现有的处理工序。另外，关于扩散防止层3由于能用现有的二氧化硅，对此在现有的工序中都能进行所以相当方便。特别是扩散防止层3是具有防止来自玻璃基板4的杂质扩散的重要功能的一层，其如沿袭采用现有的材料，则不必再对其工序作研讨，变得极其方便。即本实施方式相关的半导体元件的制造方法的一种方式是在现有的半导体元件的制造方法中设置半导体层2的工序和激光退火处理工序之间插入设置热扩散膜的工序，并也可在激光退火处理工序和后道工序之间插入除去热扩散膜的工序，可以说对于现有的方法须改变的地方较少，容易过渡到现有的方法。还有，作为一种除去上述热扩散层1的方法例如将氧气、惰性气体(He、Ne、Ar、Kr等)等离子化使它们的离子撞击玻璃基板4上的热扩散层1，靠其能量除去该热扩散层1。也可以用所谓的干蚀法。
另外，本实施方式的情况下，由于在半导体层2的表面设置热传导率高的热扩散层1，所以能指望利用其延长结晶生长距离。但是，为了提高表面的热扩散层的热传导率，向玻璃基板4散发的热增多，有时要使需要激光退火的单位面积的激光能量有某些增加。也就是在一次激光脉冲照射发出的激光能量和现有的相同的情况下，为了使单位照射面积的激光能量增加，要利用扩展器等进行变换缩小光束尺寸。即，最好采用缩小照射半导体元件的激光面积(照射面积)等方法。
另外，本实施方式相关的结晶半导体元件的制造方法除了上述方法外，最好包括在玻璃基板4和半导体层2之间形成热传导率比基板低的低热传导率层的低热传导率层形成工序。具体为，为了制造结晶半导体元件，如图8所示，最好采用在玻璃基板4和半导体层2之间形成低热传导率层20的结晶半导体元件。更具体为，如图8所示，通过设置在半导体层2的下部的扩散防止层3之下采用热传导率比玻璃基板4低的材料构成低热传导率层20从而能防止热的损耗。可以用多孔的二氧化硅、有机材料膜等作为低热传导率层20。如设置低热传导率层20，则由于防止向玻璃基板4的散热故能防止热的损失，同时，利用表面的热扩散层1的效果防止不均与的热分布，能促进结晶良好的生长。特别是通过设置低热传导率层20，从而能防止正熔融的半导体层2急剧的温度变化。并进一步增大生成的结晶。通过这样，由于能使不均匀的热分布沿横向(基板方向)扩散，所以能使正熔融的半导体层2的温度分布更加均匀。
另外，本实施方式相关的未结晶半导体元件其结构可以为：设置在玻璃基板4上并在非晶质状态或微晶状态的半导体层2的表面上形成热传导率比该玻璃基板4高的热扩散层1。
采用上述构成，在半导体层2的表面形成热扩散层1。而且热扩散层1热传导率比玻璃基板4高，通过这样，在半导体层2结晶时，熔融的半导体层2不会急剧冷却。也就是，通过在半导体层2表面形成热扩散层1，在半导体层2的结晶上，与现有的相比能增大生成的结晶大小(长度)。另外，本实施方式相关的未结晶半导体元件除了上述构成外，还可在半导体层2和玻璃基板4之间形成别的热扩散层。利用这样的构成，通过在半导体层2表面设置热扩散层1，从而能促进横向热的流动，更加进一步提高随着结晶潜热的释放使现有的有凸起存在的温度分布变得均匀的效果。
另外本实施方式相关的结晶半导体元件的制造方法，实施在玻璃基板4上设置半导体层2的半导体层形成工序；以及照射激光使所述半导体层2结晶的结晶工序的半导体元件，也可以是在所述半导体层2上设置热传导率比玻璃基板4高的热扩散层1，在结晶工序中，从所述热扩散层之上照射激光的方法。
另外本实施方式相关的结晶装置，具有结晶手段，该结晶手段用于对具有玻璃基板4上的半导体层2及形成在其上的热传导率高的热扩散层1的玻璃基板4照射激光使所述半导体层2结晶，所述结晶手段的构成为能从所述热扩散层1之上进行激光照射处理。
还有，上述说明中，对在半导体层2表面形成热扩散层1的构成进行了说明，但也可以例如在热扩散层1和半导体层2之间设置其它的层。
另外，本发明的结晶半导体元件的制造方法最好在上述结晶工序后，进行除去热扩散层的除去工序。
采用上述的构成，通过除去形成在半导体层表面的热扩散层，从而以和现有的半导体元件同样的构成，而且和现有的相比可以得到晶粒直径大的结晶半导体元件。因而，例如，通过除去热扩散层，即使在采用上述结晶半导体元件制作各种各样器件时，能利用和现有相同的工序，能抑制设备投资、降低制造成本。
本发明的结晶半导体元件的制造方法最好热扩散层对上述激光的光吸收率比半导体层的光吸收率小。
采用上述构成，通过利用对于照射的激光的光吸收率比半导体层小的热扩散层，从而能提供照射半导体层的激光的大部分能量。即，更适合熔融半导体层。通过这样，能提高结晶工序的效率，力求缩短制造时间、降低生产成本。
在本发明的结晶半导体元件的制造方法中，所述结晶工序最好照射波长小于等于550nm的激光。
采用上述的构成，在结晶工序中对半导体层照射小于等于550nm波长的激光。而且，如照射大于等于350nm小于等于550nm的激光则更好。通过照射上述波长的激光，在能减少热扩散层中激光的吸收之同时，还能在半导体层中较多地吸取激光的吸收部分。由此，能提高半导体层结晶效率，所以能力求缩短半导体元件的制造时间降低生产成本。
本发明的结晶半导体元件的制造方法最好再包括在上述基板和半导体层之间形成热传导率比基板低的低热传导率层的低热传导率层形成工序。
采用上述的构成，在基板和半导体层之间形成低热传导率层。通过这样，能防止由激光照射半导体层产生的热传到基板中。也就是，由于处于熔化状态的半导体层的热不易散失，所以半导体层的冷却速度比现有的慢。通过这样，能制造出具有晶粒直径比现有更大的半导体层的结晶半导体元件。
本发明的结晶装置中，上述结晶手段的构成最好将该激光的波长设定成上述热扩散层对于照射的激光的光吸收率比半导体层的光吸收率小。
采用上述的构成，照射激光，在能减少热扩散层中激光的吸收之同时还能较多地吸取半导体层中的激光的吸收部分，故能提高结晶效率，力求缩短结晶时间、降低生产成本。
还有，在实施本发明用的具体实施方式之一中所提出的具体的实施方式归根结底是使本发明的技术内容更加容易理解，所以不应限于上述具体示例而作狭义的解释，在本发明的精神及以下所述的权利要求范围内，可以作各种变更并实施。
工业上的实用性
如上所述，采用本发明，与现有的方法相比，能制造出具有晶粒直径更大的半导体层的结晶半导体元件。因此，在力求提高由该结晶半导体元件形成的器件的特性的同时，还能以低廉的成本制作器件。

Claims (15)

1.一种结晶半导体元件的制造方法，包括
在基板上形成半导体层的半导体层形成工序，以及
对所述半导体层照射激光使该半导体层结晶的结晶工序，
其特征在于，
包括在所述半导体层表面设置热传导率比基板高的热扩散层的热扩散层形成工序，
在所述结晶工序中，从所述热扩散层之上对半导体层照射激光。
2.如权利要求1所述的结晶半导体元件的制造方法，其特征在于，
在所述结晶工序后进行除去热扩散层的除去工序。
3.如权利要求2所述的结晶半导体元件的制造方法，其特征在于，
热扩散层对于所述激光的光吸收率比半导体层的光吸收率小。
4.如权利要求1所述的结晶半导体元件的制造方法，其特征在于，
所述结晶工序中照射波长小于等于550nm的激光。
5.如权利要求4所述的结晶半导体元件的制造方法，其特征在于，
所述结晶工序中照射波长大于等于350nm的激光。
6.如权利要求5所述的结晶半导体元件的制造方法，其特征在于，
所述激光为可见光。
7.如权利要求1所述的结晶半导体元件的制造方法，其特征在于，
还包括在所述基板和半导体层之间形成热传导率比基板低的低热传导率层的低热传导率层形成工序。
8.如权利要求1所述的结晶半导体元件的制造方法，其特征在于，
热扩散层对于所述激光的光透过率大于等于70％。
9.如权利要求1所述的结晶半导体元件的制造方法，其特征在于，
所述热扩散层为硅或铝的氮化物或者氧化物。
10.一种结晶半导体元件，其特征在于，
利用权利要求1～9中任一项所述的制造方法进行制造。
11.一种半导体层的结晶装置，具有结晶手段，该结晶手段通过对形成在设置在基板上的半导体层表面的、具有热传导率比该基板高的热扩散层的半导体元件照射激光，使该半导体层结晶，
所述结晶手段中设置照射波长小于等于550nm的激光的激光光源。
12.如权利要求11所述的半导体层的结晶装置，其特征在于，
所述激光光源射出的激光波长，设定成所述热扩散层对于照射的激光的光吸收率比半导体层小。
13.如权利要求11所述的半导体层的结晶装置，其特征在于，
从所述激光光源射出的激光波长大于等于350nm。
14.如权利要求11所述的半导体层的结晶装置，其特征在于，
所述激光光源为激态复合物激光器。
15.如权利要求11所述的半导体层的结晶装置，其特征在于，
所述激光光源为固体激光器。
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