JP2003257861A - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一のレーザ照射により溶融した半導体素子
の冷却速度を均一にし、成長する結晶を均一かつ大きく
することで、デバイス特性を向上できる半導体素子およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 ガラス基板上２に下地層膜３ａ、下地膜
３ｂ、シリコン膜４の順に積み重ねられた半導体素子１
であって、下地膜３ａは下地膜３ｂよりも熱伝導度が高
く、シリコン膜４は、半導体素子１をレーザ照射するこ
とにより溶融された半導体が結晶化された層であること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを用いて非
晶質半導体材料を結晶化した半導体素子およびその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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る。

【０００３】ここで、液晶表示装置において、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、上記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。なお、従来、液晶表示装置のＴＦＴは、非
晶質シリコン膜により形成されてきた。

【０００４】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。ここで、多結晶シリコン膜
を製造する方法として、例えば、基板上に堆積している
非晶質又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
る方法がある。

【０００５】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、厚さ方向全域にわたって溶
融するのではなく、一部の半導体膜領域を残したまま溶
融する。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。

【０００６】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／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。

【０００８】そこで、特表２０００−５０５２４１号公
報では、いわゆる非晶質材料の結晶横方向成長法（ＳＬ
Ｓ，Sequential Lateral Solidification ）が提案され
ている。この方法は、図６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１００から出射したエキシマレー
ザがビームスプリッタ１０１により分離され、光透過性
を有する透明基板１０２上における半導体膜（半導体材
料）１０３の膜の両面にエキシマレーザを照射すること
ができる。ここで、半導体膜１０３は、図７に示すよう
に下地膜１０４とシリコン膜１０５とから構成される。

【０００９】以下、上記方法の手順を示す。まず、図７
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に
当たり、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
のエネルギーが熱エネルギーに変換され、半導体膜１０
３内の領域Ｃに熱を誘導することができると共に、その
厚さにわたって溶融することができる。

【００１０】つぎに、領域Ｃにて溶融されている半導体
膜１０３を冷却することにより凝固させると、図８
（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、結晶（同図中
の横線部が成長する。なお、図８（ａ）は、図７におけ
る半導体膜１０３をＥ方向に向けて写した上面図であ
る。

【００１１】さらに、図８（ｂ）に示すように、領域Ｃ
内の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
融されている半導体膜１０３を凝固させると、図８
（ｃ）に示すように、領域Ｄ内に結晶が成長する。

【００１２】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８（ｄ）に示すように、多結晶構造のシリコ
ン膜（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。

【００１３】上記方法によれば、例えば２〜１０μｍの
微細幅のレーザ照射によって、レーザ照射領域が溶融
し、未溶融領域／溶融領域界面から横方向、すなわち基
板に水平な方向に結晶成長し、溶融領域中央部において
発生した微結晶と、両側から成長した結晶が衝突し、成
長が終了する。

【００１４】

【特許文献】特表２０００−５０５２４１号公報（公開
日平成１２年４月２５日）

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなＳＬＳ法
を用いることで、１回のパルス照射で成長する結晶の長
さは、例えば、基板温度３００℃において、波長３０８
ｎｍのエキシマレーザを照射した場合には、１〜１．２
μｍ程度と、従来のＥＬＣ法に比べ非常に大きくなるこ
とが知られている（応用物理学会結晶工学分科会第１１
２回研究会テキスト、１９〜２５頁）。さらにＳＬＳ法
において、位相シフトマスクを用いるなどして照射強度
の分布（ビームプロファイル）を工夫することで、結晶
成長方向を制御し、結晶粒界の数を減らす方法もある。

【００１６】しかしながら、ＳＬＳ法において、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、ＥＬＣ法よりは大きく成
長するものの、溶融領域中央部から発生した微結晶に阻
まれてその成長が抑制されていた。このような、溶融領
域中央部に微結晶が発生し、結晶成長が抑制された状態
を図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）において、レーザ
照射されたスリット状の領域の中央部には、微結晶１０
が発生しており、結晶９の結晶成長長さ１８はスリット
の端から前記微結晶領域までの長さとなり、結晶成長が
そこで止まってしまっている。このことは、次の理由に
起因する。一般的に、冷却による結晶化は、物体の温度
がその融点を下まわった時に生じ、その時に周囲に結晶
成長の種となる結晶と、結晶成長に必要な時間があれ
ば、前記結晶を種として結晶化して結晶成長する。しか
し、逆に種となる結晶が無いか、または冷却速度が速
く、結晶成長に必要な時間が無い場合は、微結晶となっ
てしまう。上記ＳＬＳ法においては、結晶９が中央に向
けて結晶成長するとほぼ同時または結晶成長する前に中
央部の温度が融点を下回り、結晶化してしまったためと
考えられる。すなわち、結晶９の先端１９が融点を下回
るとほぼ同時または下回るより前に中央部の方が先に融
点を下回ったのである。

【００１７】ＳＬＳ法の目的からして、一回のレーザ照
射による結晶成長長さ１８はできるだけ長い方が望まし
い。しかしながら、スリットの幅を広くしても、微結晶
領域１０の幅が広くなるだけで、結晶成長長さ１８はあ
る程度以上長くなることは無い。

【００１８】本発明は、上記の問題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、ＳＬＳ法を用いて結晶
を成長させるにあたって、中央部付近での微結晶の発生
を極力抑え、結晶成長長さを伸長させることができる半
導体素子およびその製造方法を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体素子
は、上記の課題を解決するために、基板上に第１の下地
層、第２の下地層、半導体層の順に積み重ねられた半導
体素子であって、上記第１の下地層は上記第２の下地層
よりも熱伝導度が高く、上記半導体層は、上記半導体素
子をレーザ照射することにより溶融された半導体が結晶
化された層であることを特徴とする。

【００２０】また、本発明に係る半導体素子の製造方法
は、上記課題を解決するために、基板上に、第１の下地
層、第２の下地層、半導体層を順に積層させた半導体素
子の製造方法であって、上記半導体素子をレーザ照射す
ることにより半導体層を溶融し、溶融した半導体層を結
晶化する工程を備え、上記第１の下地層は上記第２の下
地層よりも高い熱伝導度を有することを特徴とする。

【００２１】上記構成または方法によれば、半導体層が
レーザ照射されるとレーザが有するエネルギーの作用に
より、上記半導体層においてレーザ照射がなされた部分
に熱が潜在することとなる。それと共に、レーザ照射な
された半導体層から第２の下地層および第１の下地層へ
と熱が伝搬する。

【００２２】ここで、第１の下地層は上記第２の下地層
よりも熱伝導度が高いので、第１の下地層は高熱伝導性
で、第２の下地層は低熱伝導性と考えることができる。
そこで、高熱伝導性の第１の下地層では、伝搬された熱
が膜全体に渡って拡散する。一方、低熱伝導性の第２の
下地層および半導体層では、伝搬された熱は拡散しにく
く、熱の潜在エリアに偏りが生じている。

【００２３】レーザ照射後、結晶化段階で、高熱伝導性
の第１の下地層では、吸熱および拡散効果が高いので、
半導体層および第２の下地層に偏って潜在している熱を
吸収して拡散する。これに伴い、半導体層および第２の
下地層では、熱が均一に潜在することになる。さらに、
第２の下地層にて均一に潜在している熱は、第２の下地
層上に積み重ねられている半導体層全体に渡って除々に
作用するので、半導体層全面における冷却速度を均一に
できる。

【００２４】一方、半導体層は、結晶化段階において局
所的に冷却されずに均一に冷却されると、微結晶の発生
が抑制されるため、成長する結晶が大きくなる。そし
て、上記ＳＬＳ法で、上記第１の下地層がスリット（レ
ーザ照射領域）の端側から速やかに熱を排出することに
より、該スリットの端側の温度を早く下げるようにし、
上記端から中央部に向けて順次融点を下まわり、大きな
結晶に成長してゆく。

【００２５】したがって、上記構成によれば、半導体層
の中央部における微結晶の発生を抑え、全面に渡って、
成長する結晶を大きくすることができる。これにより、
電子の移動度が高い半導体素子を提供することができ
る。

【００２６】本発明に係る半導体素子は、上記の課題を
解決するために、上記の構成に加えて、第１の下地層は
第２の下地層よりも熱伝導度が７倍以上高く、かつ第２
の下地層は１００ｎｍ以下の厚さであることを特徴とす
る。

【００２７】上記構成によれば、第１の下地層は第２の
下地層よりも熱伝導度が７倍以上高いので、第１の下地
層は高熱伝導性材料であるといえる。また、第２の下地
層が１００ｎｍ以下の厚さであると、第１の下地層と半
導体層との間の熱の伝搬が阻害されることもない。これ
によって、上述の第１の下地層による熱の拡散効果をよ
り高めることができ、半導体膜上に成長する結晶が顕著
に大きくなることが実験的にも認められる。

【００２８】本発明に係る半導体素子は、上記の課題を
解決するために、上記の構成に加えて、第２の下地層が
二酸化シリコンを主成分とすることを特徴とする。

【００２９】上記構成によれば、第２の下地層の主成分
として従来から広く用いられている二酸化シリコンが用
いられているが、二酸化シリコンの熱伝導度は約１．４
（Ｗ／ｍＫ）である。したがって、第２の下地層の熱伝
導度は極めて低いため、該第２の下地層よりも熱伝導度
の高い第１の下地層に用いられる材料の選択幅を広める
ことができる。また、第１の下地層を従来の材料から変
更することによるマイナス面、例えばシリコンを主成分
とする半導体層との格子の不整合性等を少なくすること
もできる。

【００３０】本発明に係る半導体素子は、上記の課題を
解決するために、上記の構成に加えて、第１の下地層
は、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化セリウ
ムのいずれかが主成分であることを特徴とする。

【００３１】上記構成によれば、第１の下地層の主成分
として、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化セ
リウムのいずれかが用いられている。ここで、窒化アル
ミニウムの熱伝導度は、約３５（Ｗ／ｍＫ）であり、酸
化マグネシウムの熱伝導度は、約６０（Ｗ／ｍＫ）であ
り、酸化セリウムの熱伝導度は約１０（Ｗ／ｍＫ）であ
るため、第１の下地層は上述のような高熱伝導性を示す
ことになる。

【００３２】本発明に係る半導体素子は、上記の課題を
解決するために、上記の構成に加えて、第１の下地層が
窒化シリコンを主成分とすることを特徴とする。

【００３３】上記構成によれば、第１の下地層の主成分
として窒化シリコンが用いられているが、窒化シリコン
の熱伝導度は約１０（Ｗ／ｍＫ）であるため、第１の下
地層は高熱伝導性を示すことになる。

【００３４】一方、窒化シリコンは構成元素にシリコン
を含むため、第１の下地層上に積層されている第２の下
地層としての二酸化シリコンと整合性がよい。

【００３５】また、窒化シリコンおよび二酸化シリコン
は、いずれもＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）で
成膜することができる。さらに、第１の下地層として窒
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およ
び二酸化シリコンを成膜できる。したがって、第１の下
地層として窒化シリコン、第２の下地層として二酸化シ
リコンを用いると、上記半導体素子の製造工程を簡略化
できる。

【００３６】本発明に係る半導体素子は、上記の課題を
解決するために、上記の構成に加えて、第１の下地層が
窒化アルミニウムおよび窒化シリコンの混合物を主成分
とすることを特徴とする。

【００３７】上記構成によれば、第１の下地層の主成分
として、窒化アルミニウムおよび窒化シリコンの混合物
が用いられているが、窒化アルミニウムと窒化シリコン
とは、いずれも高熱伝導性を示すため、この混合物を主
成分とする第１の下地層も高熱伝導性を示す。

【００３８】さらに、上記構成によれば、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、第１の下地
層の熱伝導度を自由に設計することが可能である。これ
により、半導体層において、成長する結晶の大きさを調
整することができるので、レーザ発振装置に対応したデ
バイスの膜厚、構成を設計することが可能になる。

【００３９】本発明に係る半導体素子は、上記の課題を
解決するために、上記の構成に加えて、半導体層は、上
記半導体素子を局部的にレーザ照射することにより、層
の厚みに渡って溶融された半導体層を結晶化し、照射部
分を半導体層の面方向に段階的に移動させることにより
結晶領域が拡大された層であることを特徴とする。

【００４０】上記構成による半導体層は、いわゆるＳＬ
Ｓ法により結晶領域が拡大された層である。そのＳＬＳ
法によれば、上記半導体素子を局部的にレーザ照射し、
層の厚みに渡って半導体層を溶融すると、完全に溶融さ
れていない部分から層の面方向（延設方向）に向けて結
晶が成長する。さらに照射部分を半導体層の面方向に段
階的にスライドさせることで、半導体層における結晶領
域を拡大できる。

【００４１】さらに、上記構成によれば、半導体層全面
における冷却速度を均一にできる。したがって、半導体
層に形成される各結晶をより大きくできると共に、各結
晶の大きさをより均一に揃えることができる。これによ
り、例えば、多結晶構造の上記半導体がＴＦＴアレイと
して用いられる場合、各結晶から製造される各ＴＦＴ相
互間で、スイッチング特性を揃えることができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】〔実施の形態１〕本発明の実施の
一形態を、図１、図２および図１０に基づいて説明する
と以下の通りである。

【００４３】本発明の実施の一形態に係る半導体素子１
の側面図を図１に示す。半導体素子１は、透明基板（基
板）２上に、下地膜（第１の下地層）３ａ、下地膜（第
２の下地層）３ｂ、シリコン膜（半導体層）４の順に積
層した後、エキシマレーザを用いた上記ＳＬＳ法によっ
て結晶が成長されて作成される。ここで、本実施の形態
では、シリコン膜４と熱伝導度が大幅に異なる窒化アル
ミニウムを下地膜３ａとし、シリコン膜４とほぼ同等の
熱伝導度を有する二酸化シリコンを下地膜３ｂとしてい
る点に特徴がある。なお、本実施の形態では、下地膜３
ａの膜厚を１００ｎｍ、シリコン膜４の膜厚を５０ｎｍ
としているが、これらの数値に限定されるものではな
い。また、下地膜３ｂの膜厚は、１００ｎｍ以下とされ
る。

【００４４】下地膜３ａおよび下地膜３ｂは、蒸着、イ
オンプレーティング、又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。そして、シリコン膜４は、プ
ラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ，Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition ）、蒸着、又は
スパッタリングなどにより下地膜３ｂ上に積層される。
この時点で、シリコン膜４は、アモルファス（非晶質）
の状態である。

【００４５】次に、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４の表面に照射する。こ
の短パルスレーザのエネルギーにより、アモルファス状
態のシリコン膜４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４は、結晶化する。な
お、本実施の形態では、短パルスレーザとして、波長３
０８ｎｍ（ＸｅＣｌ），パルス幅３０ｎｓの上記エキシ
マレーザを用いているが、レーザであれば上記エキシマ
レーザに限定されない。

【００４６】ここで、本実施の形態のプロセスにより結
晶化させたシリコン膜４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う。
まず、本実施の形態の半導体素子１および従来の半導体
素子について、１回のレーザ照射によりシリコン膜４を
結晶化させ、ＳＥＣＯエッチングを行う。なお、ＳＥＣ
Ｏ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をいう。こ
のようにして処理された後のシリコン膜について、ＳＥ
Ｍにより拡大観察した結果を図２および図１０に示す。

【００４７】図１０（ａ）は、本実施の形態のプロセス
により結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭによっ
て撮影した膜表面像である。図１０（ｂ）は、従来のプ
ロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭ
によって撮影した膜表面像である。また、図２は、図１
０に示した結晶の大きさ、配置をより解りやすく模式化
した図である。すなわち、図２（ａ）は本実施の形態の
プロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面を示し
た拡大模式図であり、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示した拡大模式図で
ある。なお、本実施の形態と従来のプロセスとの相違点
は、本実施の形態では下地膜３ｂとして二酸化シリコ
ン、下地膜３ａとして窒化アルミニウムが用いられてい
るが、従来のプロセスでは下地膜として単に二酸化シリ
コンが用いられているだけである。

【００４８】図１０（ａ）と図１０（ｂ）および図２
（ａ）と図２（ｂ）とをそれぞれ比較すれば、従来のプ
ロセスよりも本実施の形態によるプロセスの方が、成長
する結晶が大きいことが理解される。

【００４９】これは、下地膜３ｂの熱伝導度が約１．４
（Ｗ／ｍＫ）、シリコン膜４の熱伝導度は１（Ｗ／ｍ
Ｋ）、透明基板２の熱伝導度が約０．８（Ｗ／ｍＫ）で
あり、下地膜３ａとしての窒化アルミニウムの熱伝導度
が約３５（Ｗ／ｍＫ）であり、下地膜３ａとしての窒化
アルミニウムの熱伝導度が大幅に高いことに起因する。

【００５０】すなわち、アモルファスシリコン膜４と接
する膜について、従来構造においては、熱伝導率が約
１．４（Ｗ／ｍＫ）の酸化シリコン膜が使用されている
ので、レーザ照射により該アモルファスシリコン膜４内
で発生した熱エネルギーは、横方向へ拡散しにくい。こ
のため、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、溶融領域中
央部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。また、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中央部へ向か
って、凝固温度を下回った領域が凝固していくのとは別
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、上記図１０（ａ）で示すように、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。

【００５１】一方、本実施形態１では、窒化アルミニウ
ム膜３ａの熱伝導率は、該窒化アルミニウム膜３ａに接
する透明基板２、および酸化シリコン膜３ｂの熱伝導率
と比べて非常に高く、また熱伝導率が低い酸化シリコン
膜３ｂは、前述のように１００ｎｍ以下と薄く、窒化ア
ルミニウム膜３ａへと拡散した熱エネルギーは該窒化ア
ルミニウム膜３ａ内を、その延設方向（図１のＧＨ方
向）に容易に拡散する。

【００５２】このように、本実施形態においては、透明
基板２の上に窒化アルミニウム膜３ａが形成され、該窒
化アルミニウム膜３ａの上に酸化シリコン膜３ｂが形成
され、酸化シリコン膜３ｂの上にアモルファスシリコン
膜４が形成された構造を有するので、レーザ照射により
生じた熱エネルギーは、酸化シリコン膜３ｂを介して該
窒化アルミニウム膜３ａに達した後、該窒化アルミニウ
ム膜３ａの高熱伝導効果により該窒化アルミニウム膜３
ａ中を横方向に拡散することができる。そのため、レー
ザ照射後の冷却過程において、従来構造では潜熱に起因
して生じていた溶融領域中央部と凝固領域との界面付近
の局所的に温度が高くなる領域が生じない。その結果、
未溶融領域と溶融領域との界面から中央部へ向かって、
非常になだらかな温度勾配が形成されるため、溶融領域
中央部から１回のパルス照射を行った際の該溶融領域中
央部における微結晶の発生を抑制することができる。こ
のため、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
では溶融領域中央部に発生した微結晶によってその成長
が抑制されたのに対して、本実施の形態では上記微結晶
の発生が抑制され、その成長が抑制されることはない。
その結果、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る。このようにして、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、上記ＳＬＳ法により結晶化するにあたって、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。

【００５３】このように本発明の実施形態１によると、
レーザ照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散
を促進することで、ＳＬＳ法を利用してさらに大粒径の
多結晶シリコン膜を得ることができる。さらに、このよ
うにして形成した膜に適当な処理を行うことで、トラン
ジスタを形成することができ、このトランジスタを液晶
パネルなどの表示素子として用いることが可能である。
その場合、本発明に従う結晶粒は、従来の結晶粒より格
段に大きいので、トランジスタのチャンネルを流れるキ
ャリアの移動度が高く、高性能の素子が得られる。

【００５４】〔実施の形態２〕本発明に係る他の実施の
一形態を、説明すると以下の通りである。なお、以下に
示す本実施の一形態の各部材は、実施の形態１で下地膜
３ａとして使用されている「窒化アルミニウム」が窒化
シリコンに変更されている以外に変更点がない。したが
って、本実施の形態では、説明の便宜上、図１、図２お
よび図１０を用いて説明する。

【００５５】本実施の形態に係る半導体素子１の側面図
を図１に示す。半導体素子１は、透明基板（基板）２上
に、下地膜（第１の下地層）３ａ、下地膜（第２の下地
層）３ｂ、シリコン膜（半導体層）４の順に積層するよ
うに構成されている。ここで、本実施の形態では、シリ
コン膜４と熱伝導度が大幅に異なる窒化シリコンを下地
膜３ａとし、シリコン膜４とほぼ同等の熱伝導度を有す
る二酸化シリコンを下地膜３ｂとしている点に特徴があ
る。なお、本実施の形態では、下地膜３ａの膜厚を１０
０ｎｍ、シリコン膜４の膜厚を５０ｎｍとしているが、
これらの数値に限定されるものではない。また、下地膜
３ｂの膜厚は、２０ｎｍとされる。

【００５６】下地膜３ａおよび下地膜３ｂは、蒸着、イ
オンプレーティング、又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。そして、シリコン膜４は、Ｐ
ＥＣＶＤ、蒸着、又はスパッタリングなどにより下地膜
３ｂ上に積層される。この時点で、シリコン膜４は、ア
モルファス（非晶質）の状態である。

【００５７】次に、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４の表面に照射する。こ
の短パルスレーザのエネルギーにより、アモルファス状
態のシリコン膜４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４は、結晶化する。な
お、本実施の形態では、短パルスレーザとして、波長３
０８ｎｍ（ＸｅＣｌ），パルス幅３０ｎｓのエキシマレ
ーザを用いているが、レーザであれば上記エキシマレー
ザに限定されない。

【００５８】ここで、本実施の形態のプロセスにより結
晶化させたシリコン膜４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により結晶
表面の観察を行う。まず、本実施の形態の半導体素子１
および従来の半導体素子について、１回のレーザ照射に
よりシリコン膜４を結晶化させ、ＳＥＣＯエッチングを
行う。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および図１０
に示す。

【００５９】図１０（ａ）は、本実施の形態のプロセス
により結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭによっ
て撮影した膜表面像である。図１０（ｂ）は、従来のプ
ロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭ
によって撮影した膜表面像である。また、図２は、図１
０に示した結晶の大きさ、配置をより解りやすく模式化
した図である。すなわち、図２（ａ）は本実施の形態の
プロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面を示し
た拡大模式図であり、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示した拡大模式図で
ある。なお、本実施の形態と従来のプロセスとの相違点
は、本実施の形態では下地膜３ｂとして二酸化シリコ
ン、下地膜３ａとして窒化シリコンが用いられている
が、従来のプロセスでは下地膜として単に二酸化シリコ
ンが用いられているだけである。

【００６０】図１０（ａ）と図１０（ｂ）および図２
（ａ）と図２（ｂ）とをそれぞれ比較すれば、従来のプ
ロセスよりも本実施の形態によるプロセスの方が、成長
する結晶が大きいことが理解される。

【００６１】これは、下地膜３ｂの熱伝導度が約１．４
（Ｗ／ｍＫ）、シリコン膜４の熱伝導度が１（Ｗ／ｍ
Ｋ）であり、下地膜３ａとしての窒化シリコンの熱伝導
度が約１０（Ｗ／ｍＫ）であり、下地膜３ａとしての窒
化シリコンの熱伝導度が大幅に高いことに起因する。

【００６２】すなわち、アモルファスシリコン膜４と接
する膜について、従来構造においては、熱伝導率が約
１．４（Ｗ／ｍＫ）の酸化シリコン膜が使用されている
ので、レーザ照射によりアモルファスシリコン膜４内で
発生した熱エネルギーは、横方向へ拡散しにくい。この
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、溶融領域中央
部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。また、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中央部へ向かっ
て、凝固温度を下回った領域が凝固していくのとは別
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、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。

【００６３】一方、本実施形態２では、窒化シリコン膜
３ａの熱伝導率は、該窒化シリコン膜３ａに接する透明
基板２、および酸化シリコン膜３ｂの熱伝導率と比べて
非常に高いので、窒化シリコン膜３ａへと拡散した熱エ
ネルギーは窒化シリコン膜３ａ内を容易に横方向に拡散
する。

【００６４】このように、本実施形態においては、透明
基板２の上に窒化シリコン膜３ａが形成され、窒化シリ
コン膜３ａの上に酸化シリコン膜３ｂが形成され、酸化
シリコン膜３ｂの上にアモルファスシリコン膜４が形成
された構造を有するので、レーザ照射により生じた熱エ
ネルギーは、酸化シリコン膜３ｂを介して窒化シリコン
膜３ａに達した後、窒化シリコン膜３ａの高熱伝導効果
により窒化シリコン膜３ａ中を横方向に拡散することが
できる。そのため、レーザ照射後の冷却過程において、
従来構造では潜熱に起因して生じていた溶融領域中央部
と凝固領域との界面付近の局所的に温度が高くなる領域
が生じない。その結果、未溶融領域と溶融領域との界面
から中央部へ向かって、非常になだらかな温度勾配が形
成されるため、溶融領域中央部から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。このため、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、従来構造では溶融領域中央部に発生した微
結晶によってその成長が抑制されたのに対して、本実施
の形態では上記微結晶の発生が抑制され、その成長が抑
制されることはない。その結果、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
る。このようにして、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、ＳＬＳ法により結晶化す
ることによる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。

【００６５】このように本発明の実施形態２によると、
レーザ照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散
を促進することで、ＳＬＳ法を利用してさらに大粒径の
多結晶シリコン膜を得ることができる。さらに、このよ
うにして形成した膜に適当な処理を行うことで、トラン
ジスタを形成することができ、このトランジスタを液晶
パネルなどの表示素子として用いることが可能である。
その場合、本発明に従う結晶粒は、従来の結晶粒より格
段に大きいので、トランジスタのチャンネルを流れるキ
ャリアの移動度が高く、高性能の素子が得られる。

【００６６】また、下地膜３ａとしての窒化シリコン
は、実施の形態１の下地膜である窒化アルミニウムより
熱伝導度は低いものの、構成元素がシリコンであること
から、積層する下地膜３ｂとしての二酸化シリコンおよ
びシリコン膜４との整合性がよい。

【００６７】さらに、下地膜３ａとしての窒化シリコ
ン、下地膜３ｂとしての二酸化シリコンおよびシリコン
膜４は、いずれもＣＶＤで成膜することができる。ま
た、下地膜３ａ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および二酸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
シリコン膜４を成膜できる。したがって、下地膜３ａ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、下地膜３ａの熱伝導度が下がるものの、製造プロセ
スを簡略化できる。

【００６８】〔実施の形態３〕本発明に係る他の実施の
一形態を、説明すると以下の通りである。なお、以下に
示す本実施の一形態の各部材は、実施の形態１で下地膜
３ａとして使用されている「窒化アルミニウム」が、窒
化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物に変更されて
いる以外に変更点がない。したがって、本実施の形態で
は、説明の便宜上、図１、図２および図１０を用いて説
明する。

【００６９】本実施の形態に係る半導体素子１の側面図
を図１に示す。半導体素子１は、透明基板（基板）２上
に、下地膜（第１の下地層）３ａ、下地膜（第２の下地
層）３ｂ、シリコン膜（半導体層）４の順に積層するよ
うに構成されている。ここで、本実施の形態では、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と
窒化シリコンとの混合物を下地膜３ａとし、シリコン膜
４とほぼ同等の熱伝導度を有する二酸化シリコンを下地
膜３ｂとしている点に特徴がある。なお、本実施の形態
では、下地膜３ａの膜厚を１００ｎｍ、シリコン膜４の
膜厚を５０ｎｍとしているが、これらの数値に限定され
るものではない。また、下地膜３ｂの膜厚は、５０ｎｍ
である。

【００７０】下地膜３ａおよび下地膜３ｂは、蒸着、イ
オンプレーティング、又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。そして、シリコン膜４は、Ｐ
ＥＣＶＤ、蒸着、又はスパッタリングなどにより下地膜
３ｂ上に積層される。この時点で、シリコン膜４は、ア
モルファス（非晶質）の状態である。

【００７１】次に、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４の表面に照射する。こ
の短パルスレーザのエネルギーにより、アモルファス状
態のシリコン膜４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４は、結晶化する。な
お、本実施の形態では、短パルスレーザとして、波長３
０８ｎｍ（ＸｅＣｌ），パルス幅３０ｎｓのエキシマレ
ーザを用いているが、レーザであれば上記エキシマレー
ザに限定されない。

【００７２】ここで、本実施の形態のプロセスにより結
晶化させたシリコン膜４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により結晶
表面の観察を行う。まず、本実施の形態の半導体素子１
および従来の半導体素子について、１回のレーザ照射に
よりシリコン膜４を結晶化させ、ＳＥＣＯエッチングを
行う。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および図１０
に示す。

【００７３】図１０（ａ）は、本実施の形態のプロセス
により結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭによっ
て撮影した膜表面像である。図１０（ｂ）は、従来のプ
ロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭ
によって撮影した膜表面像である。また、図２は、図１
０に示した結晶の大きさ、配置をより解りやすく模式化
した図である。すなわち、図２（ａ）は本実施の形態の
プロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面を示し
た拡大模式図であり、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示した拡大模式図で
ある。なお、本実施の形態と従来のプロセスとの相違点
は、本実施の形態では下地膜３ｂとして二酸化シリコ
ン、下地膜３ａとして窒化アルミニウムと窒化シリコン
との混合物膜が用いられているが、従来のプロセスでは
下地膜として単に二酸化シリコンが用いられているだけ
である。

【００７４】図１０（ａ）と図１０（ｂ）および図２
（ａ）と図２（ｂ）とをそれぞれ比較すれば、従来のプ
ロセスよりも本実施の形態によるプロセスの方が、成長
する結晶が大きいことが理解される。

【００７５】これは、下地膜３ｂの熱伝導度が約１．４
（Ｗ／ｍＫ）、シリコン膜４の熱伝導度が１（Ｗ／ｍ
Ｋ）である一方、本実施の形態では、下地膜３ａとして
の窒化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物の熱伝導
度を２０（Ｗ／ｍＫ）と設定し、下地膜３ａとしての窒
化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物の熱伝導度が
大幅に高いことに起因する。

【００７６】すなわち、アモルファスシリコン膜４と接
する膜について、従来構造においては、熱伝導率が約
１．４（Ｗ／ｍＫ）の酸化シリコン膜が使用されている
ので、レーザ照射によりアモルファスシリコン膜４内で
発生した熱エネルギーは、横方向へ拡散しにくい。この
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、溶融領域中央
部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。また、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中央部へ向かっ
て、凝固温度を下回った領域が凝固していくのとは別
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、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。

【００７７】一方、本実施形態３では、窒化アルミニウ
ムと窒化シリコンとの混合物膜３ａの熱伝導率は、該窒
化アルミニウムと窒化シリコンとの混合物膜３ａに接す
る透明基板２、および酸化シリコン膜３ｂの熱伝導率と
比べて非常に高いので、該混合物膜３ａへと拡散した熱
エネルギーは該混合物膜３ａ内を容易に横方向に拡散す
る。

【００７８】このように、本実施形態においては、透明
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
物膜３ａが形成され、該混合物膜３ａの上に酸化シリコ
ン膜３ｂが形成され、酸化シリコン膜３ｂの上にアモル
ファスシリコン膜４が形成された構造を有するので、レ
ーザ照射により生じた熱エネルギーは、酸化シリコン膜
３ｂを介して上記混合物膜３ａに達した後、該混合物膜
３ａの高熱伝導効果により該混合物膜３ａ中を横方向に
拡散することができる。そのため、レーザ照射後の冷却
過程において、従来構造では潜熱に起因して生じていた
溶融領域中央部と凝固領域との界面付近の局所的に温度
が高くなる領域が生じない。その結果、未溶融領域と溶
融領域との界面から中央部へ向かって、非常になだらか
な温度勾配が形成されるため、溶融領域中央部から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。このため、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、従来構造では溶融領域中央
部に発生した微結晶によってその成長が抑制されたのに
対して、本実施の形態では上記微結晶の発生が抑制さ
れ、その成長が抑制されることはない。その結果、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
非常に大きくなる。このようにして、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、ＳＬＳ法
により結晶化することによる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。

【００７９】このように本発明の実施形態３によると、
レーザ照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散
を促進することで、ＳＬＳ法を利用してさらに大粒径の
多結晶シリコン膜を得ることができる。さらに、このよ
うにして形成した膜に適当な処理を行うことで、トラン
ジスタを形成することができ、このトランジスタを液晶
パネルなどの表示素子として用いることが可能である。
その場合、本発明に従う結晶粒は、従来の結晶粒より格
段に大きいので、トランジスタのチャンネルを流れるキ
ャリアの移動度が高く、高性能の素子が得られる。

【００８０】また、本実施の形態では、窒化アルミニウ
ムと窒化シリコンの混合物からなる下地膜３ａの熱伝導
度を２０（Ｗ／ｍＫ）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度を自
由に設計することが可能である。これにより、成膜され
る結晶の大きさを調整することができるので、レーザ発
振装置に対応したデバイスの膜厚、構成を設計すること
が可能になる。

【００８１】〔実施の形態４〕本発明に係る他の実施の
一形態を、説明すると以下の通りである。なお、以下に
示す本実施の一形態の各部材は、実施の形態１で下地膜
３ａとして使用されている「窒化アルミニウム」が、酸
化マグネシウムまたは酸化セリウムに変更されている以
外に変更点がない。したがって、本実施の形態では、説
明の便宜上、図１、図２および図１０を用いて説明す
る。

【００８２】本実施の形態に係る半導体素子１の側面図
を図１に示す。半導体素子１は、透明基板（基板）２上
に、下地膜（第１の下地層）３ａ、下地膜（第２の下地
層）３ｂ、シリコン膜（半導体層）４の順に積層するよ
うに構成されている。ここで、本実施の形態では、シリ
コン膜４と熱伝導度が大幅に異なる酸化マグネシウムも
しくは酸化セリウムを下地膜３ａとし、シリコン膜４と
ほぼ同等の熱伝導度を有する二酸化シリコンを下地膜３
ｂとしている点に特徴がある。なお、本実施の形態で
は、下地膜３ａの膜厚を１００ｎｍ、シリコン膜４の膜
厚を５０ｎｍとしているが、これらの数値に限定される
ものではない。また、下地膜３ｂの膜厚は、６０ｎｍで
ある。

【００８３】下地膜３ａおよび下地膜３ｂは、蒸着、イ
オンプレーティング、又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。そして、シリコン膜４は、Ｐ
ＥＣＶＤ、蒸着、又はスパッタリングなどにより下地膜
３ｂ上に積層される。この時点で、シリコン膜４は、ア
モルファス（非晶質）の状態である。

【００８４】次に、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４の表面に照射する。こ
の短パルスレーザのエネルギーにより、アモルファス状
態のシリコン膜４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４は、結晶化する。な
お、本実施の形態では、短パルスレーザとして、波長３
０８ｎｍ（ＸｅＣｌ），パルス幅３０ｎｓのエキシマレ
ーザを用いているが、レーザであれば上記エキシマレー
ザに限定されない。

【００８５】ここで、本実施の形態のプロセスにより結
晶化させたシリコン膜４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により結晶
表面の観察を行う。まず、本実施の形態の半導体素子１
および従来の半導体素子について、１回のレーザ照射に
よりシリコン膜４を結晶化させ、ＳＥＣＯエッチングを
行う。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および図１０
に示す。

【００８６】図１０（ａ）は、本実施の形態のプロセス
により結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭによっ
て撮影した膜表面像である。図１０（ｂ）は、従来のプ
ロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭ
によって撮影した膜表面像である。また、図２は、図１
０に示した結晶の大きさ、配置をより解りやすく模式化
した図である。すなわち、図２（ａ）は本実施の形態の
プロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面を示し
た拡大模式図であり、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示した拡大模式図で
ある。なお、本実施の形態と従来のプロセスとの相違点
は、本実施の形態では下地膜３ｂとして二酸化シリコ
ン、下地膜３ａとして酸化マグネシウムまたは酸化セリ
ウムが用いられているが、従来のプロセスでは下地膜と
して単に二酸化シリコンが用いられているだけである。

【００８７】図１０（ａ）と図１０（ｂ）および図２
（ａ）と図２（ｂ）とをそれぞれ比較すれば、従来のプ
ロセスよりも本実施の形態によるプロセスの方が、成長
する結晶が大きいことが理解される。

【００８８】これは、下地膜３ｂの熱伝導度が約１．４
（Ｗ／ｍＫ）、シリコン膜４の熱伝導度が１（Ｗ／ｍ
Ｋ）である一方、本実施の形態では、下地膜３ａとして
酸化マグネシウムが用いられている場合の熱伝導度は約
６０（Ｗ／ｍＫ）であり、酸化セリウムが用いられてい
る場合の熱伝導度は約１０（Ｗ／ｍＫ）であり、下地膜
３ａとしての酸化マグネシウムまたは酸化セリウムの熱
伝導度が、シリコン膜４および下地膜３ｂより大幅に高
いことに起因する。

【００８９】すなわち、アモルファスシリコン膜４と接
する膜について、従来構造においては、熱伝導率が約
１．４（Ｗ／ｍＫ）の酸化シリコン膜が使用されている
ので、レーザ照射によりアモルファスシリコン膜４内で
発生した熱エネルギーは、横方向へ拡散しにくい。この
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、溶融領域中央
部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。また、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中央部へ向かっ
て、凝固温度を下回った領域が凝固していくのとは別
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、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。

【００９０】一方、本実施形態４では、酸化マグネシウ
ムまたは酸化セリウム膜３ａの熱伝導率は、該酸化マグ
ネシウムまたは酸化セリウム膜３ａに接する透明基板
２、および酸化シリコン膜３ｂの熱伝導率と比べて非常
に高いので、該酸化マグネシウムまたは酸化セリウム膜
３ａへと拡散した熱エネルギーは該酸化マグネシウムま
たは酸化セリウム膜３ａ内を容易に横方向に拡散する。

【００９１】このように、本実施形態においては、透明
基板２の上に酸化マグネシウムまたは酸化セリウム膜３
ａが形成され、該酸化マグネシウムまたは酸化セリウム
膜３ａの上に酸化シリコン膜３ｂが形成され、酸化シリ
コン膜３ｂの上にアモルファスシリコン膜４が形成され
た構造を有するので、レーザ照射により生じた熱エネル
ギーは、酸化シリコン膜３ｂを介して上記酸化マグネシ
ウムまたは酸化セリウム膜３ａに達した後、該酸化マグ
ネシウムまたは酸化セリウム膜３ａの高熱伝導効果によ
り該酸化マグネシウムまたは酸化セリウム膜３ａ中を横
方向に拡散することができる。そのため、レーザ照射後
の冷却過程において、従来構造では潜熱に起因して生じ
ていた溶融領域中央部と凝固領域との界面付近の局所的
に温度が高くなる領域が生じない。その結果、未溶融領
域と溶融領域との界面から中央部へ向かって、非常にな
だらかな温度勾配が形成されるため、溶融領域中央部か
ら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。このため、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、従来構造では溶融領
域中央部に発生した微結晶によってその成長が抑制され
たのに対して、本実施の形態では上記微結晶の発生が抑
制され、その成長が抑制されることはない。その結果、
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る。このようにして、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、ＳＬ
Ｓ法により結晶化することによる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。

【００９２】このように本発明の実施形態４によると、
レーザ照射により生じた熱エネルギーの横方向への拡散
を促進することで、ＳＬＳ法を利用してさらに大粒径の
多結晶シリコン膜を得ることができる。さらに、このよ
うにして形成した膜に適当な処理を行うことで、トラン
ジスタを形成することができ、このトランジスタを液晶
パネルなどの表示素子として用いることが可能である。
その場合、本発明に従う結晶粒は、従来の結晶粒より格
段に大きいので、トランジスタのチャンネルを流れるキ
ャリアの移動度が高く、高性能の素子が得られる。

【００９３】なお、上記の実施の形態１〜４では、下地
膜３ａとして、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
ウムまたは酸化セリウムが用いられ、下地膜３ｂとして
二酸化シリコンが用いられているがこれらの材料に限定
されない。ここで、下地膜３ａおよび下地膜３ｂに用い
ることのできる材料を図３（ａ）（ｂ）に記載するが、
下地膜３ａの熱伝導度をＫｈ、下地膜３ｂの熱伝導度を
Ｋｌとしたとき、Ｋｈの値が、Ｋｌの７倍以上で、かつ
下地膜３ｂの膜厚が１００ｎｍ以下であれば、上記した
効果を期待できる。

【００９４】〔実施の形態５〕本発明に係る他の実施の
一形態を、説明すると以下の通りである。なお、以下に
示す本実施の一形態の各部材は、実施の形態１で使用さ
れている各部材と同一の部材が用いられているので、各
部材の部材番号も同一の番号を用いて説明する。

【００９５】本実施の形態に係る半導体素子１の側面図
を図５に示す。半導体素子１は、透明基板（基板）２上
に、下地膜（第１の下地層）３ａと下地膜（第２の下地
層）３ｂとを組み合わせた層を２層重ねて、その上にシ
リコン膜（半導体層）４が積層するように構成されてい
る。ここで、本実施の形態では、シリコン膜４と大幅に
熱伝導度が異なる窒化アルミニウムを下地膜３ａとし、
シリコン膜４とほぼ同等の熱伝導度を有する二酸化シリ
コンを下地膜３ｂとしている。なお、本実施の形態で
は、下地膜３ａの膜厚を５０ｎｍシリコン膜４の膜厚を
５０ｎｍとしているが、これらの数値に限定されるもの
ではない。また、下地膜３ｂの膜厚は、２０ｎｍであ
る。

【００９６】下地膜３ａおよび下地膜３ｂは、蒸着、イ
オンプレーティング、又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。そして、シリコン膜４は、Ｐ
ＥＣＶＤ、蒸着、又はスパッタリングなどにより下地膜
３ｂ上に積層される。この時点で、シリコン膜４は、ア
モルファス（非晶質）の状態である。

【００９７】次に、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４の表面に照射する。こ
の短パルスレーザのエネルギーにより、アモルファス状
態のシリコン膜４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４は、結晶化する。な
お、本実施の形態では、短パルスレーザとして、波長３
０８ｎｍ（ＸｅＣｌ），パルス幅３０ｎｓのエキシマレ
ーザを用いているが、レーザであれば上記エキシマレー
ザに限定されない。

【００９８】ここで、本実施の形態のプロセスにより結
晶化させたシリコン膜４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により結晶
表面の観察を行う。まず、本実施の形態の半導体素子１
および従来の半導体素子について、１回のレーザ照射に
よりシリコン膜を結晶化させ、ＳＥＣＯエッチングを行
う。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および図１０
に示す。

【００９９】図１０（ａ）は、本実施の形態のプロセス
により結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭによっ
て撮影した膜表面像である。図１０（ｂ）は、従来のプ
ロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面をＳＥＭ
によって撮影した膜表面像である。また、図２は、図１
０に示した結晶の大きさ、配置をより解りやすく模式化
した図である。すなわち、図２（ａ）は本実施の形態の
プロセスにより結晶化したシリコン膜４の膜表面を示し
た拡大模式図であり、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示した拡大模式図で
ある。なお、本実施の形態と従来のプロセスとの相違点
は、本実施の形態では下地膜３ｂとして二酸化シリコ
ン、下地膜３ａとして窒化アルミニウムが用いられてい
るが、従来のプロセスでは下地膜として単に二酸化シリ
コンが用いられているだけである。

【０１００】図１０（ａ）と図１０（ｂ）および図２
（ａ）と図２（ｂ）とをそれぞれ比較すれば、従来のプ
ロセスよりも本実施の形態によるプロセスの方が、成長
する結晶が大きいことが理解される。

【０１０１】これは、下地膜３ｂの熱伝導度が約１．４
（Ｗ／ｍＫ）である一方、本実施の形態では、下地膜３
ａとしての窒化アルミニウムの熱伝導度が約３５（Ｗ／
ｍＫ）であり、下地膜３ａとしての窒化アルミニウムの
熱伝導度が大幅に高いことに起因する。

【０１０２】すなわち、透明基板２の上に窒化アルミニ
ウム膜３ａが形成され、窒化アルミニウム膜３ａの上に
酸化シリコン膜３ｂが形成され、酸化シリコン膜３ｂの
上にアモルファスシリコン膜４が形成された構造を有す
るので、レーザ照射により生じた熱エネルギーは、酸化
シリコン膜３ｂを介して窒化アルミニウム膜３ａに達し
た後、該窒化アルミニウム膜３ａの高熱伝導効果により
該窒化アルミニウム膜３ａ中を横方向に拡散することが
できる。その結果、レーザ照射後の冷却過程において、
アモルファスシリコン膜４は、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。このため、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、従来構造において発生していた溶融領域中央
部の微結晶によって、その成長が抑制されることがな
い。その結果、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る。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、ＳＬＳ
法により結晶化することによる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。

【０１０３】なお、本実施の形態では、透明基板（基
板）２とシリコン膜４との間に、下地膜（第１の下地
層）３ａと下地膜（第２の下地層）３ｂとを組み合わせ
た層を２層重ねている構成である。本実施の形態のよう
に、上記組み合わせた層を複数設けることにより、下地
層３ａおよび下地層３ｂの膜厚を薄く設計することが可
能となる。なお、本実施の形態では、上記組み合わせた
層を２層重ねている構成であるが、複数であれば２層に
限定されない。

【０１０４】〔実施の形態６〕本発明の実施の形態６に
ついて、図４を用いて簡単に説明すると以下の通りであ
る。

【０１０５】本実施の形態に係る半導体素子１の構成
は、上述の実施の形態１〜５記載のものと同様であるの
で、説明を省略する。図４はシリコン膜４を結晶化する
ための装置の概念図を示しており、エキシマレーザ１
１、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及び複数のミラーから構成される。このレー
ザ加工装置を用いることにより、ステージ１６上の半導
体素子１に放射パルスを供給することができる。なお、
エキシマレーザ１１には、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエ
キシマレーザが用いられる。

【０１０６】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により制御されてい
て、レーザの照射タイミングおよびサンプルステージ１
６の位置を調整することができる。これにより、上記装
置において、サンプルステージを図中矢印方向に移動さ
せることで、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。

【０１０７】ここで、本実施の形態では、結晶を成長さ
せる手順としてＳＬＳ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
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素子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。

【０１０８】さらに、本発明の半導体素子では、下地膜
３がレーザ照射により生じた熱エネルギーを横方向に拡
散させる役割を担うので、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
素子によれば、レーザ照射１回あたりに成長させること
ができる結晶を従来よりも大きくすることができるの
で、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。

【０１０９】さらに、本実施の形態の手順によれば、下
地層３は、透明基板２上の全面に渡って成膜されるの
で、下地膜３を部分的に成膜する工程を含んだ特開平１
０−１６３１１２号公報記載の技術よりも製造工程（結
晶化プロセス）を短縮化できる。

【０１１０】なお、多結晶構造の半導体素子１が形成さ
れる具体的手順については、従来技術で説明したので、
ここでは省略する。

【０１１１】また、上記の実施の形態１〜６では、下地
膜３ａの膜厚を１００ｎｍとして説明したが、これらの
数値に限定されるものではない。図９に、実施の形態１
において、下地膜３ａの厚さを２ｎｍ〜２００ｎｍに変
化させてみて、従来構造の結晶成長長さより大きくなっ
たものに○印を付して示す。４ｎｍ〜１２０ｎｍではほ
ぼ同じ結果が得られており、さらに４ｎｍ〜５０ｎｍで
は、より効果が顕著であった。

【０１１２】さらに、本発明の半導体素子は、基板上
に、高熱伝導度誘電体材料、低熱伝導度誘電体材料、非
晶質半導体材料の順に積層した半導体素子であって、前
記高熱伝導度誘電体材料の熱伝導度は該低熱伝導度誘電
体材料の熱伝導度の７倍より大きいことを特徴としても
よい。

【０１１３】また、上記高熱伝導度誘電体材料は、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、酸化セリウム
のいずれかを主成分とすることを特徴としてもよい。

【０１１４】さらに、上記低熱伝導度誘電体材料の主成
分が二酸化シリコンであることを特徴としてもよい。

【０１１５】また、上記半導体素子は、レーザ照射によ
り上記非晶質半導体材料を結晶化する領域を順次横方向
にステップ移動することで結晶粒を拡大したことを特徴
としてもよい。

【０１１６】最後に、上述した実施の形態１〜６は、本
発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲内で
種々の変更が可能である。

【０１１７】

【発明の効果】本発明に係る半導体素子は、以上のよう
に、基板上に第１の下地層、第２の下地層、半導体層の
順に積み重ねられた半導体素子であって、上記第１の下
地層は上記第２の下地層よりも熱伝導度が高く、上記半
導体層は、上記半導体素子をレーザ照射することにより
溶融された半導体が結晶化された層であることを特徴と
する。

【０１１８】また、本発明に係る半導体素子の製造方法
は、以上のように、基板上に、第１の下地層、第２下地
層、半導体層を順に積層させた半導体素子の製造方法で
あって、上記半導体素子をレーザ照射することにより半
導体層を溶融し、溶融した半導体層を結晶化する工程を
備え、上記第１の下地層は上記第２の下地層よりも高い
熱伝導度を有することを特徴とする。

【０１１９】それゆえ、レーザ照射により生じた熱エネ
ルギーは、第２の下地層を介して第１の下地層に達した
後、該第１の下地層の高熱伝導効果により該第１の下地
層中を横方向に拡散することができる。その結果、レー
ザ照射後の冷却過程において、半導体層は、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。このため、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、従来構造では溶融領域中央部に発
生した微結晶によってその成長が抑制されたのに対し
て、本発明では上記微結晶の発生が抑制され、その成長
が抑制されることはない。その結果、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
なる。こうして、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、ＳＬＳ法により結晶化するこ
とによる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。

【０１２０】本発明に係る半導体素子は、以上のよう
に、第１の下地層は第２の下地層よりも熱伝導度が７倍
以上高く、かつ第２の下地層は１００ｎｍ以下の厚さで
あることを特徴とする。

【０１２１】それゆえ、第１の下地層は高熱伝導性材料
であるといえる。また、第２の下地層が１００ｎｍ以下
の厚さであると、第１の下地層と半導体層との間の熱の
伝搬が阻害されることもない。これによって、第１の下
地層が第２の下地層よりも熱伝導度が７倍以上高い場
合、半導体膜上に成長する結晶が顕著に大きくなること
が期待される。

【０１２２】本発明に係る半導体素子は、以上のよう
に、上記の構成に加えて、第２の下地層が二酸化シリコ
ンを主成分とすることを特徴とする。

【０１２３】それゆえ、第２の下地膜の熱伝導度は極め
て低いため、第２の下地層よりも熱伝導度の高い第１の
下地膜に用いられる材料の選択幅を広めることができ
る。

【０１２４】本発明に係る半導体素子は、以上のよう
に、上記の構成に加えて、第１の下地層は、窒化アルミ
ニウム、酸化マグネシウム、酸化セリウムのいずれかが
主成分であることを特徴とする。

【０１２５】それゆえ、第１の下地膜は高熱伝導度性を
示すことになる。

【０１２６】本発明に係る半導体素子は、以上のよう
に、上記の構成に加えて、第１の下地層が窒化シリコン
を主成分とすることを特徴とする。

【０１２７】それゆえ、上記構成によれば、窒化シリコ
ンは構成元素にシリコンを含むため、第１の下地膜上に
積層されている第２の下地膜としての二酸化シリコンと
整合性がよい。また、窒化シリコンおよび二酸化シリコ
ンは、いずれもＣＶＤで成膜することができる。さら
に、第１の下地膜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および二酸化シリコンを成膜でき
る。したがって、第１の下地膜として窒化シリコン、第
２の下地膜として二酸化シリコンを用いると、上記半導
体素子の製造工程を簡略化できる。

【０１２８】本発明に係る半導体素子は、以上のよう
に、上記の構成に加えて、第１の下地層が窒化アルミニ
ウムおよび窒化シリコンの混合物を主成分とすることを
特徴とする。

【０１２９】それゆえ、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、第１の下地層の熱伝導度を自
由に設計することが可能である。これにより、半導体層
において、成長する結晶の大きさを調整することができ
るので、レーザ発振装置に対応したデバイスの膜厚、構
成を設計することが可能になる。

【０１３０】本発明に係る半導体素子は、以上のよう
に、上記の構成に加えて、半導体層は、上記半導体素子
を局部的にレーザ照射することにより、層の厚みに渡っ
て溶融された半導体層を結晶化し、照射部分を半導体層
の面方向に段階的に移動させることにより結晶領域が拡
大された層であることを特徴とする。

【０１３１】それゆえ、照射部分を半導体層の面方向に
段階的にスライドさせることで、半導体層における結晶
領域を拡大できる。さらに、上記構成によれば、半導体
層全面における冷却速度を均一にできる。したがって、
半導体層に形成される各結晶をより大きくできると共
に、各結晶の大きさをより均一に揃えることができる。
これにより、例えば、多結晶構造の上記半導体がＴＦＴ
アレイとして用いられる場合、各結晶から製造される各
ＴＦＴ相互間で、スイッチング特性を揃えることができ
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る半導体素子の側面
図である。

【図２】（ａ）は、上記半導体素子において、結晶化し
た半導体膜をＳＥＭで撮影した膜表面像を示した模式図
であり、（ｂ）は、従来の半導体素子において、結晶化
した半導体膜をＳＥＭで撮影した膜表面像を示した模式
図である。

【図３】（ａ）は、上記半導体素子において高熱伝導性
を示す下地膜の熱伝導度を示した説明図であり、（ｂ）
は、上記半導体素子において低熱伝導性を示す下地膜の
熱伝導度を示した説明図である。

【図４】上記半導体素子を製造できるレーザ加工装置を
示した概略構成図である。

【図５】本発明における他の実施の一形態に係る半導体
素子の側面図である。

【図６】従来技術である横方向結晶成長法を実現できる
レーザ加工装置を示した概略構成図である。

【図７】上記横方向結晶成長法により製造される半導体
素子を示した側面図である。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は、上記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示したものであ
り、半導体素子の上面図である。

【図９】実施の形態１において、下地膜の厚さを４ｎｍ
〜１２０ｎｍとした場合の結晶成長長さの改善状況を示
した表である。

【図１０】（ａ）は、上記半導体素子において、結晶化
した半導体膜をＳＥＭで撮影した膜表面像であり、
（ｂ）は、従来の半導体素子において、結晶化した半導
体膜をＳＥＭで撮影した膜表面像である。

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ 透明基板（基板） ３ａ 下地膜（第１の下地層） ３ｂ 下地膜（第２の下地層） ４ シリコン膜（半導体層，シリコン） １１ エキシマレーザ 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BA07 BA12 BB07 CA04 DA02 DB03 DB04 DB07 EA12 FA01 JA01 5F110 AA01 AA16 BB01 BB10 DD01 DD12 DD13 DD14 DD17 GG02 GG13 GG25 GG42 GG43 GG45 PP03 PP04 PP05 PP22

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に第１の下地層、第２の下地層、半
   導体層の順に積み重ねられた半導体素子であって、 上記第１の下地層は上記第２の下地層よりも熱伝導度が
   高く、 上記半導体層は、上記半導体素子をレーザ照射すること
   により溶融された半導体が結晶化された層であることを
   特徴とする半導体素子。
2. 【請求項２】第１の下地層は第２の下地層よりも熱伝導
   度が７倍以上高く、かつ第２の下地層は１００ｎｍ以下
   の厚さであることを特徴とする請求項１に記載の半導体
   素子。
3. 【請求項３】第２の下地層が二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または２に記載の半導体
   素子。
4. 【請求項４】第１の下地層は、窒化アルミニウム、酸化
   マグネシウム、酸化セリウムのいずれかが主成分である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の
   半導体素子。
5. 【請求項５】第１の下地層が窒化シリコンを主成分とす
   ることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
6. 【請求項６】第１の下地層が窒化アルミニウムおよび窒
   化シリコンの混合物を主成分とすることを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子。
7. 【請求項７】半導体層は、上記半導体素子を局部的にレ
   ーザ照射することにより、層の厚みに渡って溶融された
   半導体層を結晶化し、照射部分を半導体層の面方向に段
   階的に移動させることにより結晶領域が拡大された層で
   あることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記
   載の半導体素子。
8. 【請求項８】基板上に、第１の下地層、第２の下地層、
   半導体層を順に積層させた半導体素子の製造方法であっ
   て、 上記半導体素子をレーザ照射することにより半導体層を
   溶融し、溶融した半導体層を結晶化する工程を備え、 上記第１の下地層は上記第２の下地層よりも高い熱伝導
   度を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。