JP2004055906A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスおよびその製造方法に関する。さらに詳しくは、半導体膜における結晶成長長さを著しく長くすることができる半導体デバイスおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、アクティブマトリクス方式の液晶ディスプレイ(LCD;Liquid Crystal Display)が高画質な表示装置として注目されている。そのアクティブマトリクス方式LCDの画素駆動素子(画素駆動用トランジスタ)として、透明絶縁基板上に形成された多結晶シリコン膜をアクティブチャネル領域に用いた多結晶シリコンTFTの開発が進められている。
【0003】
多結晶シリコンTFTは、アモルファスシリコン膜をアクティブチャネル領域に用いたアモルファスシリコンTFTに比べ、以下のような利点がある。
【0004】
まず、多結晶シリコン膜の電界効果移動度はアモルファスシリコン膜に比べて二桁以上大きいので、TFTゲート幅を小さく微細化しても十分な画素書き込みができる。このため、画面の解像度を上げ画素を細かくしても大きな開口率が得られるので、高精細かつ高輝度な表示装置を提供することができる。
【0005】
またTFTの動作速度も二桁以上速くなるので画素部(表示部)だけでなく、周辺駆動回路(ドライバ)、DRAM、SRAMなどのメモリやプロセッサまでも同一基板上に一体にして形成することができる。このため、別にドライバICや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるのでコスト低減が可能となる。
【0006】
この多結晶シリコン膜は、たとえば堆積しているアモルファス又は微結晶シリコンからなる半導体膜をエキシマレーザで結晶化(ELA:Excimer Laser Anneal)することにより得られる。ELA法は、図5に示すような絶縁性の基板2、酸化シリコンからなる絶縁膜7、半導体膜5から構成された構造(この構造を以下従来構造1と呼ぶ)のサンプルに対し、一定速度で走査しながら長さ200〜400mm、幅0.2〜1.0mm程度の線状のレーザ8を半導体膜5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するとともに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。
【0007】
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。
【0008】
しかしながら、従来のELA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く電界効果移動度の高いTFTを得ることが困難であった。
【0009】
そこで、特表2000−505241公報に記載されているように、図4に示すようなレーザ加工装置を用いることによって「基板上の半導体材料の膜に横方向に延在する結晶領域を形成するに当たり、(a)半導体材料中に熱を誘導するパルス状の放射を用い、前記膜の第1の部分を露光してその厚さにわたって第1の部分の半導体材料を溶融し、(b)前記第1の部分の半導体を凝固させ、前記第1の部分の境界部分に少なくとも1個の半導体結晶を形成し、この第1の部分を次の処理に対する以前の部分とし、(c)前記以前の部分からステップ移動方向にステップ移動すると共に少なくとも1個の半導体結晶と部分的に重なり合う半導体の別の部分を露光し、(d)前記別の部分の溶融した半導体材料を凝固させ、半導体結晶をステップ移動方向に成長させることにより半導体結晶を拡大させ、(e)工程(c)と(d)の組合せを繰り返し、所望の結晶領域が形成されるまで、各工程の別の部分を次の工程に対して以前の部分とする方法。」、いわゆる連続横方向結晶成長(SLS:Sequential Lateral Solidification)法が提案されている。前記公表公報に記載の方法は、微細幅のパルスレーザを半導体膜に照射し、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。
【0010】
上記従来構造1の半導体デバイス(図5)に対し1回のパルス照射で形成された針状結晶組織の模式図を図2(b)に示す。たとえば、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、未溶融領域と溶融領域との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とが衝突し成長が終了する。
【0011】
SLS法において1回のパルス照射で成長する結晶の長さは、たとえば基板温度300℃において波長308nmのエキシマレーザを照射した場合には、1〜1.2μm程度と従来のELA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112回研究会テキストp.19〜25)。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放射照度の分布(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。
【0012】
また、従来のELA法でレーザ照射後の半導体膜の凝固速度を低下させることで大きな結晶粒を得る手法も考案されている(特開平10−150200号公報)。
【0013】
この特開平10−150200号公報に記載の方法は、図6に示すように絶縁性の基板2上に耐熱性高分子膜3を形成し、この耐熱性高分子膜3の上に絶縁膜6を形成し、この絶縁膜6の上に半導体膜5を形成し(この構造を以下従来構造2と呼ぶ)、この半導体膜5にレーザ8を照射して半導体膜を溶融し結晶化させる構成である。耐熱性高分子膜3の熱伝導率が絶縁性の基板2としてよく用いられる石英ガラスの熱伝導率よりも小さいため、耐熱性高分子膜3の断熱効果により、レーザ照射により溶解した半導体膜5の熱エネルギがほとんど絶縁膜6に蓄積され、これにより半導体膜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半導体結晶を得ることができる。
【0014】
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、ELA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(図2(b))。図2(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領域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っている。
【0015】
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できなかった。
【0016】
つまり、結晶成長長さ18を長くするためには図2(a)のように中央の微結晶10を発生させないか、あるいはその発生量をできるだけ少なくし、その代わりに結晶成長長さ18が長くなる方法を考案しなければならなかった。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、SLS法を利用して形成される半導体膜を有する半導体デバイスであって、該半導体膜のレーザ照射領域中央部における微結晶の発生を軽減し結晶成長長さを長くすることにより、その半導体膜が大粒径の多結晶膜で構成されていることを特徴とする半導体デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、基板上に、少なくとも低熱伝導率薄膜、高熱伝導率薄膜および半導体膜が該順序にて積層形成された半導体デバイスであって、該低熱伝導率薄膜の熱伝導率が該基板の熱伝導率よりも低く、かつ該高熱伝導率薄膜の熱伝導率が該低熱伝導率薄膜の熱伝導率よりも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。
【0019】
また、本発明の半導体デバイスは、該低熱伝導率薄膜が耐熱性高分子膜であるものとすることができる。
【0020】
さらに、本発明の半導体デバイスは、該高熱伝導率薄膜が高熱伝導率絶縁膜であるものとすることができる。
【0021】
ここで、上記の高熱伝導率薄膜は窒化アルミニウムとすることができる。
また、該高熱伝導率薄膜は窒化シリコンとすることもできる。
【0022】
また、該高熱伝導率薄膜は窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物とすることもできる。
【0023】
また、該高熱伝導率薄膜は酸化マグネシウムとすることもできる。
また、該高熱伝導率薄膜は酸化セリウムとすることもできる。
【0024】
一方、本発明の半導体デバイスは、該低熱伝導率薄膜と該高熱伝導率薄膜との間にこれら両者のいずれとも異なる薄膜を形成することができる。
【0025】
また、本発明の半導体デバイスの高熱伝導率薄膜は、その膜厚が10〜150nmとすることが好ましい。
【0026】
またさらに、本発明は、基板上に少なくとも低熱伝導率薄膜、高熱伝導率薄膜および半導体膜が該順序にて積層形成された半導体デバイスの製造方法であって、基板上に該基板の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導率薄膜を形成する工程と、該低熱伝導率薄膜上に該低熱伝導率薄膜の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導率薄膜を形成する工程と、該高熱伝導率薄膜上に半導体膜を形成する工程と、該半導体膜上にパルス放射するスリット状エネルギビームを照射することによって該半導体膜を結晶化する工程と、を包含する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。
【0027】
また、本発明は、基板上に少なくとも低熱伝導率薄膜、薄膜、高熱伝導率薄膜および半導体膜が該順序にて積層形成された半導体デバイスの製造方法であって、基板上に該基板の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導率薄膜を形成する工程と、該低熱伝導率薄膜上に該低熱伝導率薄膜と該高熱伝導率薄膜の両者のいずれとも異なる薄膜を形成する工程と、該薄膜上に該低熱伝導率薄膜の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導率薄膜を形成する工程と、該高熱伝導率薄膜上に半導体膜を形成する工程と、該半導体膜上にパルス放射するスリット状エネルギビームを照射することによって該半導体膜を結晶化する工程と、を包含することを特徴とする半導体デバイスの製造方法をも提供している。
【0028】
ここで、本発明が上記の各構成を採用することにより、図2(a)のような結晶成長長さ18が長い状態になる理由を以下に説明する。
【0029】
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起きる。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結晶成長する。逆に種となる結晶が存在しないかあるいは冷却速度が早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。
【0030】
したがって図2(a)のように結晶成長長さ18を長い状態に結晶化させるためには、スリットの端から結晶化が始まり、そこから中央に向けて順次結晶成長が進行し中央が最後に結晶化する必要がある。そのためにはスリットの端が最初に融点を下回り、そこから中央に向けて順次融点を下まわり中央部が最後に融点を下回るように冷却されなければならない。
【0031】
これに対して従来のSLS法では、図2(b)に示す如く中央部に微結晶領域10が存在し結晶成長がそこで止まっている。これは結晶9が中央に向けて結晶成長する前に、あるいは結晶が成長するのとほぼ同時に中央部の温度が融点を下回り、その部分で結晶化してしまったためと考えられる。すなわち、結晶の先端19が融点を下回るより前に、あるいはこれとほぼ同時に中央部の方が先に融点を下回ったのである。
【0032】
したがって図2(a)のように結晶成長長さ18を長くするように結晶成長をさせるためには、スリットの端側から速やかに廃熱することによりスリットの端側の温度を早く下げるようにし、且つ端から中央に向けて順次融点を下まわるようにすることが必要となる。
【0033】
本発明の上記各構成は、このような廃熱条件を制御可能としたものであり、より具体的には、半導体膜(たとえばアモルファスシリコン膜)の下地膜として高熱伝導率薄膜を配置し、半導体膜の熱が前記高熱伝導率薄膜を通じて速やかに廃熱されるようにしたところをひとつの技術的特徴点としている。
【0034】
またさらに、本発明においてはかかる高熱伝導率薄膜を適切な厚さとするとともに、その下方に耐熱性高分子膜等の熱伝導率の低い物質で構成される低熱伝導率薄膜を配置することによって高熱伝導率薄膜から基板方向に向かって熱が逃げるのを抑止するようにしており、この点も本発明における技術的特徴点である。
【0035】
本発明においては、このような構成を採用することにより、熱は主に高熱伝導率薄膜の側方から(すなわち高熱伝導率薄膜から基板へ向かう方向と垂直をなす方向へと)廃熱されるようになり、スリット中央部における冷却速度を遅くすることに成功したものである。
【0036】
すなわち、本発明の半導体デバイスは、その半導体膜を結晶化させる際にスリットの端が最初に融点を下回り、そこから中央に向けて順次融点を下回り中央部が最後に融点を下回ることとなるため、図2(a)のように半導体膜の結晶成長長さ18を著しく長くすることが可能となったものである。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【0038】
本発明の半導体デバイスは図1に示すように、基板2上に低熱伝導率薄膜3を形成し、低熱伝導率薄膜3上に高熱伝導率薄膜4を形成し、高熱伝導率薄膜4上に半導体膜5を形成した構成を有し、この半導体膜5をSLS法によりレーザ8で結晶化することを特徴としている。
【0039】
<薄膜積層形成方法>
以下、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。
【0040】
まず、基板2上に低熱伝導率薄膜3を形成する。ここで基板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が、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点でガラス基板を用いることが好適である。
【0041】
また、低熱伝導率薄膜3は、膜厚が100nm〜500nmとなるように、塗布法やプラズマエンハンスド化学気相堆積(PECVD)などにより積層することができる。かかる低熱伝導率薄膜3としては、熱伝導率が1.0(W/mK)以下、好ましくは0.3(W/mK)以下であれば特に限定されないが、通常耐熱性高分子膜とすることが好ましい。ここで耐熱性高分子膜とは、後述の半導体膜5を結晶化する際にかけられる熱により劣化しない高分子膜をいい、300℃以上、好ましくは400℃以上の耐熱性を有する高分子膜が好ましい。たとえばエチル(C2H5)基、プロピル(C3H7)基、ブチル(C4H9)基、ビニル(C2H3)基、フェニル(C6H5)基、CF3基のいずれかを含有する、耐熱性が高く熱伝導率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適である。なお、このような低熱伝導率薄膜3はポーラス構造とすることにより、熱伝導率をさらに低下させることが可能となるので好ましい。
【0042】
次に、低熱伝導率薄膜3上に高熱伝導率薄膜4を形成する。高熱伝導率薄膜4は、膜厚が望ましくは10〜150nmとなるように、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。かかる高熱伝導率薄膜4としては、上記の低熱伝導率薄膜3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、通常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。また、高熱伝導率薄膜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く、このため高熱伝導率絶縁膜とすることが特に好ましい。このような高熱伝導率絶縁膜としては、たと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、酸化セリウムなどを用いることが好適である。
【0043】
次に、高熱伝導率薄膜4上に半導体膜5を形成する。半導体膜5は、膜厚が10nm〜100nmとなるように、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により積層される。かかる半導体膜5としては、半導体特性を示す従来公知のものであれば特に限定されないが、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とすることが好ましい。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。
【0044】
なお、本発明においては、所望により低熱伝導率薄膜3と高熱伝導率薄膜4との間にこれら両者のいずれとも異なる薄膜6を形成することができる。薄膜6は、膜厚が10nm〜100nmとなるように、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により積層される。かかる薄膜6としては、絶縁性を示すものが好ましく、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化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。
【0045】
<半導体膜結晶化方法>
次に、半導体膜5の側から半導体膜5に対し、パルス放射するスリット状エネルギビームを照射し、半導体膜5を結晶化する。パルス放射するスリット状エネルギビームとしては、2〜10μmの微細幅の短パルスレーザが好ましく、当該照射は通常室温において行なうことができる。なお、以下の実施の形態では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ているが、レーザであればエキシマレーザに限定されることはなく、各種のレーザ8を用いることができる。
【0046】
図4は半導体膜5を結晶化するための装置の概念図を示しており、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およびいくつかのミラーを含んでいる。さらにこれらはコントローラ17により制御されている。このレーザ加工装置を用いることにより、ステージ16上の半導体デバイス1に放射パルスを供給することができる。
【0047】
以上のようにして本発明の半導体デバイス、すなわち半導体膜の結晶成長長さを著しく長くした半導体デバイスを製造することができる。なお、本発明にいう結晶成長長さ18とは、図2に示すように半導体膜5中の横方向に成長する結晶の長さをいい、照射されるスリット状エネルギビームのスリット端からその成長が停止した結晶の先端19までの長さをいう。
【0048】
<作用>
本発明においては前述の構成を採用したことにより半導体膜5における結晶成長は非常に大きなものとなる。本発明がこのように優れた作用を奏するのは、以下のようにその構成と密接に関係している。
【0049】
すなわち、本発明の高熱伝導率薄膜4の熱伝導率は非常に高く,たとえば窒化アルミニウムの場合その熱伝導率は約35(W/mK)という数値を示す。このように高熱伝導率薄膜4に接する低熱伝導率薄膜3の熱伝導率と比べて非常に高いため、レーザ照射により生じた熱エネルギは高熱伝導率薄膜4内を速やかに横方向に拡散することとなる。しかも、本発明の低熱伝導率薄膜3の熱伝導率は、低熱伝導率薄膜3に接する基板2の熱伝導率(たとえばガラス基板の場合その熱伝導率は0.8(W/mK)である)および高熱伝導率薄膜4の熱伝導率と比べて非常に低いため、高熱伝導率薄膜4に拡散してきた熱エネルギが基板方向へ拡散することを抑制できる。
【0050】
このように本発明においては、高熱伝導率薄膜4と低熱伝導率薄膜3とを接するように積層させた構成を有しているため、従来構造が有していた問題点を更に相乗的に一掃させた作用を有する。すなわち、従来構造1および2においては、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は基板方向へ拡散しにくくなるばかりではなく横方向へも拡散しにくくなるため、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一方、溶融領域中央部では熱エネルギ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存した。このため、これらの従来構造においては、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、これらの従来構造においては、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ところ、本発明においてはこの問題点を一掃した作用を有している。
【0051】
以上要するに、本発明の半導体デバイス1は、基板2の上に低熱伝導率薄膜3が形成され、低熱伝導率薄膜3の上に高熱伝導率薄膜4が形成され、高熱伝導率薄膜4の上に半導体膜5が形成された構造を有するため、レーザ8照射により半導体膜5に生じた熱エネルギは高熱伝導率薄膜4に達した後低熱伝導率薄膜3の断熱効果により基板方向には拡散することができないとともに、高熱伝導率薄膜4の高い熱伝導効果により高熱伝導率薄膜4中を横方向に拡散することとなる。
【0052】
本発明においては、このような低熱伝導率薄膜3と高熱伝導率薄膜4との相乗効果により、レーザ照射後の冷却過程において高熱伝導率薄膜4に接した半導体膜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、溶融領域中央部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構造1および2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な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。すなわち、たとえば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および2に対してSLS法により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。
【0053】
以下、具体的な実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0054】
<実施の形態1>
本発明の実施の形態1について、図1、図2を用いて以下に詳細に説明する。
【0055】
本実施の形態1では、高熱伝導率薄膜4として高熱伝導率絶縁膜である窒化アルミニウム膜4を用いることを特徴としており、ガラスの基板2上に低熱伝導率薄膜3として耐熱性高分子膜3を積層形成し、該低熱伝導率薄膜3上にこの高熱伝導率薄膜4を積層形成し、該高熱伝導率薄膜4上に半導体膜5としてアモルファスシリコン膜5を積層形成させることにより半導体デバイス1(図1)としたものである。
【0056】
そしてこの半導体膜5であるアモルファスシリコン膜5に対しレーザを1回照射した後にSECOエッチングを行ないSEM観察した。そのSEM観察結果を模式的に示したものが図2(a)である。図2(a)より明らかなように、半導体膜5中のシリコンの結晶成長長さ18が従来構造1(図2(b))のものや従来構造2(図2(c))のものと比べ非常に長く成長しており、結晶粒が大きく成長していることがわかる。この結晶成長長さ18は、たとえば4μmのスリット幅であるレーザを照射した場合、約2μmの長さとなりレーザ照射中央部で衝突して成長が完了する。
【0057】
窒化アルミニウム膜4の熱伝導率は約35(W/mK)という数値を示し、窒化アルミニウム膜4に接する低熱伝導率薄膜3である耐熱性高分子膜3の熱伝導率(約0.3(W/mK))と比べて非常に高い。このため、レーザ照射により生じた熱エネルギは窒化アルミニウム膜4に達した後、耐熱性高分子膜3の断熱効果により基板方向には拡散せずに、窒化アルミニウム膜4の高い熱伝導効果により窒化アルミニウム膜4中を横方向に拡散する。したがって、レーザ照射後の冷却過程において窒化アルミニウム膜4に接したアモルファスシリコン膜5は、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ため、1回のパルス照射を行な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、溶融領域中央部において従来構造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る。
【0058】
図8に窒化アルミニウム膜4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。図8中結晶成長長さ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8から明らかなように、窒化アルミニウム膜4の膜厚が10〜150nmであるとき大きく結晶成長していることがわかる。
【0059】
このように本発明の実施の形態1によると、レーザ8照射により生じた熱エネルギ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(半導体膜5)を得ることができる。
【0060】
このようにして形成した膜について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、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。
【0061】
この場合、本発明によれば結晶粒が従来の場合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く、高性能の素子が得られる。
【0062】
<実施の形態2>
本発明の実施の形態2について、図1、図2を用いて以下に詳細に説明する。
【0063】
本実施の形態2では、高熱伝導率薄膜4として高熱伝導率絶縁膜である窒化シリコン膜4を用いることを特徴としており、ガラスの基板2上に低熱伝導率薄膜3として耐熱性高分子膜3を積層形成し、該低熱伝導率薄膜3上にこの高熱伝導率薄膜4を積層形成し、該高熱伝導率薄膜4上に半導体膜5としてアモルファスシリコン膜5を積層形成させることにより半導体デバイス1(図1)としたものである。
【0064】
そしてこの半導体膜5であるアモルファスシリコン膜5に対しレーザを1回照射した後にSECOエッチングを行ないSEM観察した。そのSEM観察結果を模式的に示したものが図2(a)である。図2(a)より明らかなように、半導体膜5中のシリコンの結晶成長長さ18が従来構造1(図2(b))のものや従来構造2(図2(c))のものと比べ非常に長く成長しており、結晶粒が大きく成長していることがわかる。この結晶成長長さ18は、たとえば4μmのスリット幅であるレーザを照射した場合、約2μmの長さとなりレーザ照射中央部で衝突して成長が完了する。
【0065】
窒化シリコン膜4の熱伝導率は約10(W/mK)という数値を示し、窒化シリコン膜4に接する低熱伝導率薄膜3である耐熱性高分子膜3の熱伝導率(約0.3(W/mK))と比べて非常に高い。このため、レーザ照射により生じた熱エネルギは窒化シリコン膜4に達した後、耐熱性高分子膜3の断熱効果により基板方向には拡散せずに、窒化シリコン膜4の高い熱伝導効果により窒化シリコン膜4中を横方向に拡散する。したがって、レーザ照射後の冷却過程において窒化シリコン膜4に接したアモルファスシリコン膜5は、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。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、溶融領域中央部において従来構造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る。
【0066】
図8に窒化シリコン膜4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。図8中結晶成長長さ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8から明らかなように、窒化シリコン膜4の膜厚が10〜150nmであるとき大きく結晶成長していることがわかる。
【0067】
窒化シリコンは窒化アルミニウムより熱伝導率は低いものの、構成元素がシリコンであり積層するアモルファスシリコンとの整合性がよいこと、プロセス的に窒化シリコンもアモルファスシリコンもともにCVDで成膜できること、あるいは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通常のスパッタリングによりアモルファスシリコンを作成する等簡略化が可能となる。
【0068】
このように本発明の実施の形態2によると、レーザ8照射により生じた熱エネルギ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(半導体膜5)を得ることができる。
【0069】
このようにして形成した膜について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、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。
【0070】
この場合、本発明によれば結晶粒が従来の場合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く、高性能の素子が得られる。
【0071】
<実施の形態3>
本発明の実施の形態3について、図1、図2を用いて以下に詳細に説明する。
【0072】
本実施の形態3では、高熱伝導率薄膜4として高熱伝導率絶縁膜である窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4を用いることを特徴としており、ガラスの基板2上に低熱伝導率薄膜3として耐熱性高分子膜3を積層形成し、該低熱伝導率薄膜3上にこの高熱伝導率薄膜4を積層形成し、該高熱伝導率薄膜4上に半導体膜5としてアモルファスシリコン膜5を積層形成させることにより半導体デバイス1(図1)としたものである。
【0073】
そしてこの半導体膜5であるアモルファスシリコン膜5に対しレーザを1回照射した後にSECOエッチングを行ないSEM観察した。そのSEM観察結果を模式的に示したものが図2(a)である。図2(a)より明らかなように、半導体膜5中のシリコンの結晶成長長さ18が従来構造1(図2(b))のものや従来構造2(図2(c))のものと比べ非常に長く成長しており、結晶粒が大きく成長していることがわかる。この結晶成長長さ18は、たとえば4μmのスリット幅であるレーザを照射した場合、約2μmの長さとなりレーザ照射中央部で衝突して成長が完了する。
【0074】
窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4の熱伝導率は約20(W/mK)という数値を示し、窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4に接する低熱伝導率薄膜3である耐熱性高分子膜3の熱伝導率(約0.3(W/mK))と比べて非常に高い。このため、レーザ照射により生じた熱エネルギは窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4に達した後、耐熱性高分子膜3の断熱効果により基板方向には拡散せずに、窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4の高い熱伝導効果により窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4中を横方向に拡散する。したがって、レーザ照射後の冷却過程において窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4に接したアモルファスシリコン膜5は、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。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、溶融領域中央部において従来構造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る。
【0075】
図8に窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4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。図8中結晶成長長さ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8から明らかなように、窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4の膜厚が10〜150nmであるとき大きく結晶成長していることがわかる。
【0076】
窒化アルミニウムと窒化シリコンの混合物からなる膜4は、そ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ためレーザ発振装置に対応したデバイスの膜厚や構成等を設計することが可能になる。
【0077】
このように本発明の実施の形態3によると、レーザ8照射により生じた熱エネルギ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(半導体膜5)を得ることができる。
【0078】
このようにして形成した膜について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、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。
【0079】
この場合、本発明によれば結晶粒が従来の場合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く、高性能の素子が得られる。
【0080】
<実施の形態4>
本発明の実施の形態4について、図1、図2を用いて以下に詳細に説明する。
【0081】
実施の形態4では、高熱伝導率薄膜4として高熱伝導率絶縁膜である酸化マグネシウム膜4を用いることを特徴としており、ガラスの基板2上に低熱伝導率薄膜3として耐熱性高分子膜3を積層形成し、該低熱伝導率薄膜3上にこの高熱伝導率薄膜4を積層形成し、該高熱伝導率薄膜4上に半導体膜5としてアモルファスシリコン膜5を積層形成させることにより半導体デバイス1(図1)としたものである。
【0082】
そしてこの半導体膜5であるアモルファスシリコン膜5に対しレーザを1回照射した後にSECOエッチングを行ないSEM観察した。そのSEM観察結果を模式的に示したものが図2(a)である。図2(a)より明らかなように、半導体膜5中のシリコンの結晶成長長さ18が従来構造1(図2(b))のものや従来構造2(図2(c))のものと比べ非常に長く成長しており、結晶粒が大きく成長していることがわかる。この結晶成長長さ18は、たとえば4μmのスリット幅であるレーザを照射した場合、約2μmの長さとなりレーザ照射中央部で衝突して成長が完了する。
【0083】
酸化マグネシウム膜4の熱伝導率は約60(W/mK)という数値を示し、酸化マグネシウム膜4に接する低熱伝導率薄膜3である耐熱性高分子膜3の熱伝導率(約0.3(W/mK))と比べて非常に高い。このため、レーザ照射により生じた熱エネルギは酸化マグネシウム膜4に達した後、耐熱性高分子膜3の断熱効果により基板方向には拡散せずに、酸化マグネシウム膜4の高い熱伝導効果により酸化マグネシウム膜4中を横方向に拡散する。したがって、レーザ照射後の冷却過程において酸化マグネシウム膜4に接したアモルファスシリコン膜5は、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。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、溶融領域中央部において従来構造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。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。
【0084】
図8に酸化マグネシウム膜4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。図8中結晶成長長さ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8から明らかなように、酸化マグネシウム膜4の膜厚が10〜150nmであるとき大きく結晶成長していることがわかる。
【0085】
酸化マグネシウムは、熱伝導率が高いだけでなく多結晶ながら非常に結晶配向性が高く、図3に示すようにたとえば(111)方向のみに配向させることが可能である。このため、レーザ照射した際酸化マグネシウムの配向性の影響を受けてシリコンが同一方向に結晶化され、結晶性に優れた多結晶シリコン膜を得ることができる可能性が高くなる。従って、得られた結晶化領域をチャネルとして使用すればより移動度の高いものが得られる可能性がある。
【0086】
このように本発明の実施の形態4によると、レーザ8照射により生じた熱エネルギ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(半導体膜5)を得ることができる。
【0087】
このようにして形成した膜について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、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。
【0088】
この場合、本発明によれば結晶粒が従来の場合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く、高性能の素子が得られる。
【0089】
<実施の形態5>
本発明の実施の形態5について、図1、図2を用いて以下に詳細に説明する。
【0090】
実施の形態5では、高熱伝導率薄膜4として高熱伝導率絶縁膜である酸化セリウム膜4を用いることを特徴としており、ガラスの基板2上に低熱伝導率薄膜3として耐熱性高分子膜3を積層形成し、該低熱伝導率薄膜3上にこの高熱伝導率薄膜4を積層形成し、該高熱伝導率薄膜4上に半導体膜5としてアモルファスシリコン膜5を積層形成させることにより半導体デバイス1(図1)としたものである。
【0091】
そしてこの半導体膜5であるアモルファスシリコン膜5に対しレーザを1回照射した後にSECOエッチングを行ないSEM観察した。そのSEM観察結果を模式的に示したものが図2(a)である。図2(a)より明らかなように、半導体膜5中のシリコンの結晶成長長さ18が従来構造1(図2(b))のものや従来構造2(図2(c))のものと比べ非常に長く成長しており、結晶粒が大きく成長していることがわかる。この結晶成長長さ18は、たとえば4μmのスリット幅であるレーザを照射した場合、約2μmの長さとなりレーザ照射中央部で衝突して成長が完了する。
【0092】
酸化セリウム膜4の熱伝導率は約10(W/mK)という数値を示し、酸化セリウム膜4に接する低熱伝導率薄膜3である耐熱性高分子膜3の熱伝導率(約0.3(W/mK))と比べて非常に高い。このため、レーザ照射により生じた熱エネルギは酸化セリウム膜4に達した後、耐熱性高分子膜3の断熱効果により基板方向には拡散せずに、酸化セリウム膜4の高い熱伝導効果により酸化セリウム膜4中を横方向に拡散する。したがって、レーザ照射後の冷却過程において酸化セリウム膜4に接したアモルファスシリコン膜5は、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。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、溶融領域中央部において従来構造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る。
【0093】
図8に酸化セリウム膜4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。図8中結晶成長長さ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8から明らかなように、酸化セリウム膜4の膜厚が10〜150nmであるとき大きく結晶成長していることがわかる。
【0094】
酸化セリウムは、熱伝導率が高いだけでなく酸化マグネシウムと同じように同一方向のみに配向させることが可能であり、さらにその格子定数が5.41Åとシリコンの格子定数5.43Åに非常に近いため、シリコンと整合性よく成長させられる可能性がある。このため、結晶性に優れた多結晶シリコン膜を得ることができる可能性が高くなる。従って、得られた結晶化領域をチャネルとして使用すればより移動度の高いものが得られる可能性がある。
【0095】
このように本発明の実施の形態5によると、レーザ8照射により生じた熱エネルギ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(半導体膜5)を得ることができる。
【0096】
このようにして形成した膜について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、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。
【0097】
この場合、本発明によれば結晶粒が従来の場合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く、高性能の素子が得られる。
【0098】
<実施の形態6>
本発明の実施の形態6について、図2、図7を用いて以下に詳細に説明する。
【0099】
実施の形態6では図7に示すように、絶縁性の基板2上に低熱伝導率薄膜3である耐熱性高分子膜3を積層形成し、耐熱性高分子膜3上に薄膜6である絶縁膜6を積層形成し、絶縁膜6上に高熱伝導率薄膜4である高熱伝導率絶縁膜4を積層形成し、高熱伝導率絶縁膜4上に半導体膜5であるアモルファスシリコン膜5を積層形成した後、アモルファスシリコン膜5をSLS法によりレーザ結晶化することを特徴としている。
【0100】
ここで耐熱性高分子膜3の上に10nm〜100nmの膜厚で形成される薄膜6である絶縁膜6としては、該低熱伝導率薄膜3と該高熱伝導率薄膜4の両者のいずれとも異なるものであれば特に限定されることはなく、通常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により積層された酸化シリコン、窒化シリコン、酸化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。
【0101】
また、絶縁膜6上に高熱伝導率絶縁膜4を形成するには、高熱伝導率絶縁膜4の膜厚が望ましくは10〜150nmとなるように、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積層形成する。
【0102】
次に、高熱伝導率絶縁膜4上にアモルファスシリコン膜5を形成するには、アモルファスシリコン膜5の膜厚が10nm〜100nmとなるように、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により積層形成する。
【0103】
以上のように作成した半導体デバイスのアモルファスシリコン膜(半導体膜)5に対し前述の方法でレーザを1回照射した後にSECOエッチングを行ないSEM観察した。そのSEM観察結果を模式的に示したものが図2(a)である。図2(a)より明らかなように、半導体膜5中のシリコンの結晶成長長さ18が従来構造1(図2(b))のものや従来構造2(図2(c))のものと比べ非常に長く成長しており、結晶粒が大きく成長していることがわかる。この結晶成長長さ18は、たとえば4μmのスリット幅であるレーザを照射した場合、約2μmの長さとなりレーザ照射中央部で衝突して成長が完了する。
【0104】
本実施の形態6では、耐熱性高分子膜3上に絶縁膜6が形成されているため、デバイス形成時の耐熱性高分子膜3に対するダメージが抑制されるとともに耐熱性高分子膜3の耐熱性をさらに向上させることができ、耐熱性高分子膜3の断熱効果が増加する。その結果、レーザ照射により生じた熱エネルギの横方向への拡散をさらに促進することができるので、より大粒径の結晶を得ることができる。
【0105】
このように本発明の実施の形態6によると、レーザ8照射により生じた熱エネルギ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(半導体膜5)を得ることができる。
【0106】
このようにして形成した膜について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、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。
【0107】
この場合、本発明によれば結晶粒が従来の場合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く、高性能の素子が得られる。
【0108】
<実施の形態7>
本発明の実施の形態7について、図4を用いて説明する。
【0109】
半導体デバイス1の構成は、実施の形態1〜6記載の何れかのものと同様であるのでここでは説明を省略する。
【0110】
図4はアモルファスシリコン膜5を結晶化するための装置の概念図を示しており、レーザ発振器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およびいくつかのミラーを含んでいる。さらにこれらはコントローラ17により制御されている。このレーザ加工装置を用いることにより、ステージ16上の半導体デバイス1に放射パルスを供給することができる。なお本実施の形態ではレーザ発振器として、波長308nm(XeCl),パルス幅30nsのエキシマレーザを用いているが、レーザ発振器であれば上記エキシマレーザに限定されない。
【0111】
この装置により、1回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を引継いでさらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶を得ることが可能となる。
【0112】
さらに、本実施の形態の手順によれば高熱伝導率薄膜4は、絶縁性の基板2上の全面に渡って成膜されるので、高熱伝導率薄膜4を部分的に成膜する工程を含んだ技術よりも製造工程(結晶化プロセス)を短縮化できる。
【0113】
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。
【0114】
【発明の効果】
本発明の半導体デバイス1は、基板2上に低熱伝導率薄膜(耐熱性高分子膜)3が形成され、低熱伝導率薄膜3の上に高熱伝導率薄膜(高熱伝導率絶縁膜)4が形成され、高熱伝導率薄膜4の上に半導体膜(アモルファスシリコン膜)5が形成された構造を有するため、レーザ照射により半導体膜5中に生じた熱エネルギは、高熱伝導率薄膜4に達した後低熱伝導率薄膜3の断熱効果により基板2方向には拡散せずに、高熱伝導率薄膜4の高い熱伝導効果により高熱伝導率薄膜4中を横方向に拡散することとなる。この低熱伝導率薄膜3と高熱伝導率薄膜4との相乗効果により、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構造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。このため、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。したがって、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って大粒径の多結晶シリコン膜(半導体膜5)を効率よく得ることができる。
【0115】
このようにして形成した膜について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、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。この場合、本発明によれば結晶粒が従来の場合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く、高性能の素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体デバイスの概略断面図である。
【図2】半導体デバイスの半導体膜の表面結晶状態を示す概略図である。(a)は本発明の半導体デバイス、(b)は従来構造1の半導体デバイス、(c)は従来構造2の半導体デバイスをそれぞれ表す。
【図3】実施の形態4の酸化マグネシウムの結晶方位を説明するXRD測定結果である。
【図4】半導体膜を結晶化するためのレーザ加工装置の概念図である。
【図5】従来構造1の半導体デバイスの概略断面図である。
【図6】従来構造2の半導体デバイスの概略断面図である。
【図7】実施の形態6の半導体デバイスの概略断面図である。
【図8】レーザ照射した際の結晶成長長さの高熱伝導率薄膜の膜厚依存性を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体デバイス、2 基板、3 低熱伝導率薄膜、4 高熱伝導率薄膜、5 半導体膜、6 薄膜、7 絶縁膜、8 レーザ、9 結晶、10 微結晶領域、11 レーザ発振器、12 可変減衰器、13 フィールドレンズ、14 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、19 結晶の先端。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device capable of significantly increasing a crystal growth length in a semiconductor film, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, an active matrix type liquid crystal display (LCD) has attracted attention as a high-quality display device. As a pixel driving element (pixel driving transistor) of the active matrix type LCD, a polycrystalline silicon TFT using a polycrystalline silicon film formed on a transparent insulating substrate for an active channel region is being developed.
[0003]
Polycrystalline silicon TFTs have the following advantages over amorphous silicon TFTs using an amorphous silicon film for the active channel region.
[0004]
First, since the field-effect mobility of the polycrystalline silicon film is larger than that of the amorphous silicon film by two digits or more, sufficient pixel writing can be performed even if the TFT gate width is made small and fine. For this reason, a large aperture ratio can be obtained even when the resolution of the screen is increased and the pixels are made finer, so that a display device with high definition and high luminance can be provided.
[0005]
In addition, since the operation speed of the TFT is increased by two digits or more, not only the pixel portion (display portion) but also a peripheral drive circuit (driver), a memory such as a DRAM and an SRAM, and a processor can be integrally formed on the same substrate. it can. Therefore, it is not necessary to separately mount a driver IC or a drive circuit board on the display device, so that cost can be reduced.
[0006]
This polycrystalline silicon film is obtained, for example, by crystallizing a deposited semiconductor film made of amorphous or microcrystalline silicon with an excimer laser (ELA: Excimer Laser Anneal). The ELA method is performed at a constant speed on a sample having a structure including the
[0007]
Since many unpaired electrons are present at the crystal grain boundaries of the polycrystalline silicon film, they form potential barriers and act as strong carrier scatterers. Therefore, a TFT formed with a polycrystalline silicon film having a smaller number of crystal grain boundaries, that is, a larger crystal grain size, generally has a higher field-effect mobility.
[0008]
However, in the conventional ELA method, as described above, since vertical crystallization occurs in which crystallization occurs at random positions at the interface between the unmelted region and the molten region, it is not possible to obtain a polycrystalline silicon film having a large grain size. It is difficult to obtain a TFT having high field-effect mobility.
[0009]
Therefore, as described in JP-T-2000-505241, by using a laser processing apparatus as shown in FIG. 4, "when forming a laterally extending crystal region in a film of a semiconductor material on a substrate, (A) exposing a first portion of the film using pulsed radiation to induce heat in the semiconductor material to melt the semiconductor material in the first portion over its thickness; Solidifying the semiconductor of the first portion to form at least one semiconductor crystal at a boundary portion of the first portion, and making the first portion a previous portion for a next process; Exposing another portion of the semiconductor that partially overlaps with at least one semiconductor crystal while step-moving in the step-moving direction, and (d) solidifying the molten semiconductor material in the another portion to form a semiconductor crystal. The semiconductor crystal is expanded by growing in the step moving direction, and (e) the combination of steps (c) and (d) is repeated until another part of each step is formed in the next step until a desired crystal region is formed. A so-called continuous lateral crystal growth (SLS) method has been proposed. In the method described in the above publication, a semiconductor film is irradiated with a pulse laser having a fine width, and the semiconductor film is melted and solidified over the entire laser irradiation region in the thickness direction to perform crystallization.
[0010]
FIG. 2B is a schematic view of a needle-like crystal structure formed by one pulse irradiation on the semiconductor device having the above-described conventional structure 1 (FIG. 5). For example, the laser irradiation region is melted by laser irradiation with a fine width of 2 to 10 μm, crystal grows laterally from the interface between the unmelted region and the melted region, that is, in the direction parallel to the substrate, and the fine particles generated in the center of the melted region The crystal collides with the crystal grown from both sides, and the growth ends.
[0011]
The length of a crystal grown by a single pulse irradiation in the SLS method is, for example, about 1 to 1.2 μm when an excimer laser having a wavelength of 308 nm is irradiated at a substrate temperature of 300 ° C., which is much smaller than that of the conventional ELA method. It is known that it grows (text of the 112th meeting of the Society of Applied Physics, Crystal Engineering Subcommittee, pages 19-25). Further, there is a method in which the crystal growth direction is controlled by devising the irradiance distribution (beam profile) by using a phase shift mask in the SLS method or the like to reduce the number of crystal grain boundaries.
[0012]
Also, a method of obtaining large crystal grains by reducing the solidification rate of a semiconductor film after laser irradiation by a conventional ELA method has been devised (Japanese Patent Laid-Open No. 10-150200).
[0013]
According to the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-150200, a heat-
[0014]
However, the crystal that grows laterally from the interface between the unmelted region and the molten region when one pulse irradiation is performed in the SLS method is a microcrystal that grows larger than the ELA method but is generated from the center of the molten region. And its growth was suppressed (FIG. 2 (b)). In FIG. 2B, a
[0015]
For the purpose of the SLS method, it is desirable that the
[0016]
That is, in order to increase the
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a semiconductor film formed by using an SLS method, wherein the semiconductor device has a laser irradiation region central portion. A semiconductor device comprising a polycrystalline film having a large grain size by reducing the generation of microcrystals and increasing the crystal growth length in the semiconductor device, and a method for manufacturing the same. is there.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention relates to a semiconductor device in which at least a low thermal conductivity thin film, a high thermal conductivity thin film, and a semiconductor film are laminated on a substrate in this order, wherein the low thermal conductivity thin film has a thermal conductivity of the substrate. And a thermal conductivity of the high thermal conductivity thin film is higher than a thermal conductivity of the low thermal conductivity thin film.
[0019]
In the semiconductor device of the present invention, the low thermal conductivity thin film may be a heat-resistant polymer film.
[0020]
Further, in the semiconductor device of the present invention, the high thermal conductivity thin film may be a high thermal conductivity insulating film.
[0021]
Here, the high thermal conductivity thin film can be aluminum nitride.
Further, the high thermal conductivity thin film can be made of silicon nitride.
[0022]
Further, the high thermal conductivity thin film may be a mixture of aluminum nitride and silicon nitride.
[0023]
Further, the high thermal conductivity thin film can be made of magnesium oxide.
Further, the high thermal conductivity thin film can be made of cerium oxide.
[0024]
On the other hand, in the semiconductor device of the present invention, a thin film different from both of these can be formed between the low thermal conductivity thin film and the high thermal conductivity thin film.
[0025]
Further, the high thermal conductivity thin film of the semiconductor device of the present invention preferably has a thickness of 10 to 150 nm.
[0026]
Still further, the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device in which at least a low thermal conductivity thin film, a high thermal conductivity thin film, and a semiconductor film are laminated on a substrate in this order, the method comprising: Forming a low thermal conductivity thin film having a lower thermal conductivity than forming a high thermal conductivity thin film having a higher thermal conductivity than the low thermal conductivity thin film on the low thermal conductivity thin film Forming a semiconductor film on the high thermal conductivity thin film; and crystallization of the semiconductor film by irradiating the semiconductor film with a slit-like energy beam that emits a pulse. And a method for manufacturing a semiconductor device.
[0027]
Further, the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which at least a low thermal conductivity thin film, a thin film, a high thermal conductivity thin film, and a semiconductor film are laminated on a substrate in this order. Forming a low thermal conductivity thin film having a thermal conductivity lower than the thermal conductivity, and forming a thin film different from both the low thermal conductivity thin film and the high thermal conductivity thin film on the low thermal conductivity thin film, Forming a high thermal conductivity thin film having a higher thermal conductivity than the low thermal conductivity thin film on the thin film; forming a semiconductor film on the high thermal conductivity thin film; Crystallizing the semiconductor film by irradiating a pulse-like slit-shaped energy beam to the semiconductor film.
[0028]
Here, the reason why the present invention adopts each of the above-described configurations to make the
[0029]
Generally, crystallization by cooling occurs when the temperature of an object falls below its melting point. At that time, if there is a crystal around the crystal as a seed for crystal growth and time required for crystal growth, the crystal is crystallized using the crystal as a seed to grow. Conversely, if there is no seed crystal or if the cooling rate is high and there is no time required for crystal growth, the crystals will be microcrystals.
[0030]
Therefore, in order to crystallize the
[0031]
On the other hand, in the conventional SLS method, as shown in FIG. 2B, a
[0032]
Therefore, in order to grow the crystal so as to increase the
[0033]
The above configurations of the present invention make it possible to control such waste heat conditions. More specifically, a high thermal conductivity thin film is arranged as a base film of a semiconductor film (for example, an amorphous silicon film). One technical feature is that the heat of the film is quickly wasted through the high thermal conductivity thin film.
[0034]
Further, in the present invention, the high thermal conductivity thin film has an appropriate thickness, and a low thermal conductivity thin film made of a material having low thermal conductivity such as a heat-resistant polymer film is disposed below the high thermal conductivity thin film. The heat is prevented from escaping from the conductive thin film toward the substrate, which is also a technical feature of the present invention.
[0035]
In the present invention, by adopting such a configuration, heat is mainly discharged from the side of the high thermal conductivity thin film (that is, in a direction perpendicular to the direction from the high thermal conductivity thin film toward the substrate). Thus, the cooling rate at the center of the slit was successfully reduced.
[0036]
That is, in the semiconductor device of the present invention, when the semiconductor film is crystallized, the end of the slit first falls below the melting point, and from there the melting point goes down to the center, and the central part falls below the melting point. 2A, the
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below.
[0038]
As shown in FIG. 1, the semiconductor device of the present invention forms a low thermal conductivity
[0039]
<Thin film lamination method>
Hereinafter, a method of sequentially forming the plurality of thin films on the
[0040]
First, a low thermal conductivity
[0041]
Further, the low thermal conductivity
[0042]
Next, the high thermal conductivity
[0043]
Next, the
[0044]
In the present invention, a
[0045]
<Semiconductor film crystallization method>
Next, the
[0046]
FIG. 4 is a conceptual diagram of an apparatus for crystallizing the
[0047]
As described above, the semiconductor device of the present invention, that is, the semiconductor device in which the crystal growth length of the semiconductor film is significantly increased can be manufactured. Note that the
[0048]
<Action>
In the present invention, the crystal growth in the
[0049]
That is, the thermal conductivity of the high thermal conductivity
[0050]
As described above, the present invention has a configuration in which the high thermal conductivity
[0051]
In short, in the
[0052]
In the present invention, due to such a synergistic effect of the low thermal conductivity
[0053]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments, but the present invention is not limited thereto.
[0054]
<
[0055]
The first embodiment is characterized in that an
[0056]
After irradiating the laser once to the
[0057]
The thermal conductivity of the
[0058]
FIG. 8 shows the measurement results of the
[0059]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the thermal energy generated by irradiation of
[0060]
By performing an appropriate treatment on the film formed in this manner, a transistor can be formed, and the film can be used as a display element of a liquid crystal panel or the like.
[0061]
In this case, according to the present invention, since the crystal grains are much larger than in the conventional case, the mobility of carriers flowing through the channel of the transistor is high, and a high-performance device can be obtained.
[0062]
<
[0063]
The second embodiment is characterized in that a
[0064]
After irradiating the laser once to the
[0065]
The thermal conductivity of the
[0066]
FIG. 8 shows the measurement results of the
[0067]
Although silicon nitride has a lower thermal conductivity than aluminum nitride, its constituent element is silicon and its compatibility with amorphous silicon to be laminated is good, and both silicon nitride and amorphous silicon can be formed by CVD in a process, or the same. For example, simplification can be achieved by forming silicon nitride by reactive sputtering using a silicon target and forming amorphous silicon by ordinary sputtering.
[0068]
As described above, according to the second embodiment of the present invention, the diffusion of the thermal energy generated by the irradiation of the
[0069]
By performing an appropriate treatment on the film formed in this manner, a transistor can be formed, and the film can be used as a display element of a liquid crystal panel or the like.
[0070]
In this case, according to the present invention, since the crystal grains are much larger than in the conventional case, the mobility of carriers flowing through the channel of the transistor is high, and a high-performance device can be obtained.
[0071]
<
[0072]
The third embodiment is characterized in that a
[0073]
After irradiating the laser once to the
[0074]
The thermal conductivity of the
[0075]
FIG. 8 shows the measurement results of the
[0076]
Since the thermal conductivity of the
[0077]
As described above, according to the third embodiment of the present invention, the thermal energy generated by the irradiation of
[0078]
By performing an appropriate treatment on the film formed in this manner, a transistor can be formed, and the film can be used as a display element of a liquid crystal panel or the like.
[0079]
In this case, according to the present invention, since the crystal grains are much larger than in the conventional case, the mobility of carriers flowing through the channel of the transistor is high, and a high-performance device can be obtained.
[0080]
<
[0081]
The fourth embodiment is characterized in that a
[0082]
After irradiating the laser once to the
[0083]
The thermal conductivity of the
[0084]
FIG. 8 shows a measurement result of the
[0085]
Magnesium oxide not only has a high thermal conductivity but also has a very high crystal orientation despite being polycrystalline, and can be oriented only in, for example, the (111) direction as shown in FIG. Therefore, when laser irradiation is performed, silicon is crystallized in the same direction under the influence of the orientation of magnesium oxide, which increases the possibility of obtaining a polycrystalline silicon film having excellent crystallinity. Therefore, if the obtained crystallized region is used as a channel, a higher mobility may be obtained.
[0086]
As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, the thermal energy generated by irradiation with
[0087]
By performing an appropriate treatment on the film formed in this manner, a transistor can be formed, and the film can be used as a display element of a liquid crystal panel or the like.
[0088]
In this case, according to the present invention, since the crystal grains are much larger than in the conventional case, the mobility of carriers flowing through the channel of the transistor is high, and a high-performance device can be obtained.
[0089]
<
[0090]
The fifth embodiment is characterized in that the
[0091]
After irradiating the
[0092]
The thermal conductivity of the
[0093]
FIG. 8 shows the measurement results of the
[0094]
Cerium oxide has high thermal conductivity and can be oriented only in the same direction as magnesium oxide, and its lattice constant is 5.415, which is very close to that of silicon 5.43 定 数. Therefore, there is a possibility that it can be grown with good consistency with silicon. Therefore, there is a high possibility that a polycrystalline silicon film having excellent crystallinity can be obtained. Therefore, if the obtained crystallized region is used as a channel, a higher mobility may be obtained.
[0095]
As described above, according to the fifth embodiment of the present invention, the thermal energy generated by the irradiation of
[0096]
By performing an appropriate treatment on the film formed in this manner, a transistor can be formed, and the film can be used as a display element of a liquid crystal panel or the like.
[0097]
In this case, according to the present invention, since the crystal grains are much larger than in the conventional case, the mobility of carriers flowing through the channel of the transistor is high, and a high-performance device can be obtained.
[0098]
<
[0099]
In the sixth embodiment, as shown in FIG. 7, a heat-
[0100]
Here, the insulating
[0101]
In order to form the high thermal
[0102]
Next, in order to form the
[0103]
The amorphous silicon film (semiconductor film) 5 of the semiconductor device formed as described above was irradiated once with the laser by the above-described method, and then subjected to SECO etching and SEM observation. FIG. 2A schematically shows the result of the SEM observation. As apparent from FIG. 2A, the
[0104]
In the sixth embodiment, since the insulating
[0105]
As described above, according to the sixth embodiment of the present invention, by promoting the diffusion of the thermal energy generated by the irradiation of the
[0106]
By performing an appropriate treatment on the film formed in this manner, a transistor can be formed, and the film can be used as a display element of a liquid crystal panel or the like.
[0107]
In this case, according to the present invention, since the crystal grains are much larger than in the conventional case, the mobility of carriers flowing through the channel of the transistor is high, and a high-performance device can be obtained.
[0108]
<
[0109]
The configuration of the
[0110]
FIG. 4 is a conceptual diagram of an apparatus for crystallizing the
[0111]
When a laser pulse is sequentially irradiated by this apparatus so as to partially overlap the needle-like crystal formed by the previous laser irradiation, a longer needle-like crystal is grown by taking over the already grown crystal. Then, it is possible to obtain a long crystal having a uniform orientation in the crystal growth direction.
[0112]
Further, according to the procedure of the present embodiment, since the high thermal conductivity
[0113]
The embodiments and examples disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0114]
【The invention's effect】
In the
[0115]
By performing an appropriate treatment on the film formed in this manner, a transistor can be formed, and the film can be used as a display element of a liquid crystal panel or the like. In this case, according to the present invention, since the crystal grains are much larger than in the conventional case, the mobility of carriers flowing through the channel of the transistor is high, and a high-performance device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a surface crystal state of a semiconductor film of a semiconductor device. (A) shows the semiconductor device of the present invention, (b) shows the semiconductor device of the
FIG. 3 is an XRD measurement result illustrating a crystal orientation of magnesium oxide according to a fourth embodiment.
FIG. 4 is a conceptual diagram of a laser processing apparatus for crystallizing a semiconductor film.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a semiconductor device having a
FIG. 6 is a schematic sectional view of a semiconductor device having a
FIG. 7 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to a sixth embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing the dependence of the crystal growth length upon laser irradiation on the thickness of a high thermal conductivity thin film.
[Explanation of symbols]
Claims (12)
該低熱伝導率薄膜の熱伝導率が該基板の熱伝導率よりも低く、かつ該高熱伝導率薄膜の熱伝導率が該低熱伝導率薄膜の熱伝導率よりも高いことを特徴とする半導体デバイス。A semiconductor device in which at least a low thermal conductivity thin film, a high thermal conductivity thin film and a semiconductor film are laminated on the substrate in this order,
A semiconductor device, wherein the thermal conductivity of the low thermal conductivity thin film is lower than the thermal conductivity of the substrate, and the thermal conductivity of the high thermal conductivity thin film is higher than the thermal conductivity of the low thermal conductivity thin film. .
該低熱伝導率薄膜上に、該低熱伝導率薄膜の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導率薄膜を形成する工程と、
該高熱伝導率薄膜上に、半導体膜を形成する工程と、
該半導体膜上に、パルス放射するスリット状エネルギビームを照射することによって、該半導体膜を結晶化する工程と、
を包含することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。What is claimed is: 1. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming at least a low thermal conductivity thin film, a high thermal conductivity thin film, and a semiconductor film on a substrate in the above-described order. Forming a low thermal conductivity thin film having a thermal conductivity;
Forming a high thermal conductivity thin film having a higher thermal conductivity on the low thermal conductivity thin film than the thermal conductivity of the low thermal conductivity thin film;
Forming a semiconductor film on the high thermal conductivity thin film;
Crystallizing the semiconductor film by irradiating the semiconductor film with a slit-like energy beam that emits a pulse,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
基板上に、該基板の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導率薄膜を形成する工程と、
該低熱伝導率薄膜上に、該低熱伝導率薄膜と該高熱伝導率薄膜の両者のいずれとも異なる薄膜を形成する工程と、
該薄膜上に、該低熱伝導率薄膜の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導率薄膜を形成する工程と、
該高熱伝導率薄膜上に、半導体膜を形成する工程と、
該半導体膜上に、パルス放射するスリット状エネルギビームを照射することによって、該半導体膜を結晶化する工程と、
を包含することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。A method of manufacturing a semiconductor device in which at least a low thermal conductivity thin film, a thin film, a high thermal conductivity thin film, and a semiconductor film are laminated and formed in this order on a substrate,
Forming a low thermal conductivity thin film having a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of the substrate on the substrate;
Forming a thin film different from both the low thermal conductivity thin film and the high thermal conductivity thin film on the low thermal conductivity thin film;
Forming a high thermal conductivity thin film having a higher thermal conductivity than the low thermal conductivity thin film on the thin film;
Forming a semiconductor film on the high thermal conductivity thin film;
Crystallizing the semiconductor film by irradiating the semiconductor film with a slit-like energy beam that emits a pulse,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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