WO2004066372A1 - 結晶化半導体素子およびその製造方法ならびに結晶化装置 - Google Patents

結晶化半導体素子およびその製造方法ならびに結晶化装置 Download PDF

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WO2004066372A1
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Tetsuya Inui
Hiroshi Tsunazawa
Shinya Okazaki
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Sharp Kabushiki Kaisha
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    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state

Definitions

  • Patent application title Crystallized semiconductor device, method for manufacturing the same, and crystallizer
  • the present invention relates to a method for manufacturing a crystallized semiconductor device manufactured using laser light, and also to a semiconductor layer crystallization apparatus.
  • Thin-film transistors used in display devices that apply liquid crystal, electroluminescence (EL), and the like use amorphous or polycrystalline silicon as an active layer.
  • thin-film transistors (crystallized semiconductor devices) using polycrystalline silicon as the active layer have higher electron mobilities than thin-film transistors using amorphous silicon as the active layer. It has many advantages over silicon thin film transistors.
  • a thin film transistor using polycrystalline silicon as an active layer not only forms a switching element in a pixel portion, but also integrates a driving circuit and some peripheral circuits in a pixel peripheral portion. It can be formed on a single substrate. For this reason, it is not necessary to separately mount a driver IC or a drive circuit board on the display device, so that the display device can be provided at a low price.
  • Another advantage is that the size of the transistor can be reduced, so that a switching element formed in a pixel portion can be reduced, and a high aperture ratio can be achieved. Therefore, a high-brightness, high-definition display device can be provided.
  • a thin film transistor crystallized semiconductor element
  • polycrystalline silicon as an active layer as described above
  • an amorphous silicon thin film is formed on a glass substrate by a CVD method or the like, and then separately. A process for polycrystallizing amorphous silicon is required.
  • a glass substrate on which an amorphous (amorphous) silicon thin film is formed is heated to about 400 ° C., and the glass substrate is heated at a constant speed.
  • a linear laser beam having a length of about 200 to 400 mm and a width of about 0.2 to 1.0 mm is continuously irradiated on the glass substrate while scanning.
  • the amorphous silicon in the portion irradiated with the laser beam does not melt over the entire region in the thickness direction, but melts while leaving a part of the amorphous region.
  • crystal nuclei are generated everywhere over the entire laser irradiation region, crystals grow toward the outermost layer of the silicon thin film, and crystal grains with random orientation are formed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Publication No. 2000-5005241 (published date: April 25, 2000) discloses a technique for making crystals larger. The art is disclosed.
  • Patent Document 1 discloses a technique called super lateral growth.
  • the method described in Patent Literature 1 irradiates a silicon thin film with a pulse laser having a fine width, and melts and solidifies the silicon thin film over the entire area in the thickness direction of the laser irradiation region to perform crystallization. .
  • a pulsed laser is irradiated on the silicon thin film, and the silicon thin film is melted over the entire area of the laser irradiation area in the thickness direction.
  • the growth of crystal grains is controlled in the direction parallel to the substrate, and needle-like crystals are obtained.
  • the already grown crystal is taken over and a longer needle-shaped crystal grows, and the crystal grows. It has the feature that large crystals with uniform orientation can be obtained.
  • the semiconductor device disclosed in Patent Document 1 described above generally has a silicon dioxide film provided on a glass substrate to prevent diffusion of impurities, and further has an amorphous silicon film provided thereon. Furthermore, as an example of a method for manufacturing polycrystalline silicon, a film having a different thermal conductivity is laminated on a substrate, and a semiconductor layer (amorphous silicon film) is formed thereon to improve the characteristics of the obtained film.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-68020 (publication date; March 3, 2000)
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-296600. No. 23 (publication date; October 21, 1994)). In other words, in Patent Documents 2 and 3, layers having different thermal conductivity are formed between the substrate and the semiconductor layer.
  • the growth distance of crystal grains according to the invention of Patent Document 1 is only about 1 ⁇ m to 2 ⁇ m, and it is necessary to repeat pulsed laser irradiation many times to obtain large crystal grains.
  • the crystal growth distance is about 1 ⁇ m
  • the pulse laser to be re-irradiated must be overlapped with the crystal generated by the previous irradiation and irradiated. As a result, it is shifted by about 0.5 ⁇ m.
  • a resolution with a feed accuracy of about 0.5 ⁇ that is, an extremely high-precision feed mechanism, is required, and the cost of the equipment increases.
  • the thermal diffusion layer has a higher thermal conductivity than other layers. Due to the high diffusivity, heat is easily diffused from the hot diffusion layer toward the substrate (in the direction perpendicular to the substrate). For this reason, the semiconductor layer is rapidly cooled, and the crystal growth of the semiconductor layer is hindered.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a crystallized semiconductor layer and a crystallizer capable of easily increasing the crystal grain size of a semiconductor layer. Disclosure of the invention
  • a method for manufacturing a crystallized semiconductor device includes: a semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer on a substrate; and irradiating the semiconductor layer with a laser beam to form the semiconductor layer.
  • the semiconductor layer is irradiated with laser light from above the thermal diffusion layer.
  • the cooling rate of the semiconductor layer melted by the laser light can be reduced as compared with the conventional case.
  • the heat diffusion layer is also irradiated with laser light.
  • the heat accumulated in the heat diffusion layer flows to the adjacent semiconductor layer. Further, by applying heat from the heat diffusion layer to the semiconductor layer, the temperature distribution of the molten semiconductor layer can be equalized as compared with the conventional case. Therefore, when the molten semiconductor layer is crystallized, the length of the generated crystal can be made longer than before. In addition, since the length of the crystal generated by one laser beam irradiation can be made longer than before, the time required for crystallization can be shortened. You.
  • the characteristics of the device formed on the crystallized semiconductor device manufactured by this manufacturing method can be improved, and the device can be manufactured at low cost.
  • a crystallized semiconductor device according to the present invention is characterized by being manufactured by the manufacturing method according to the present invention in order to solve the above-mentioned problems.
  • the semiconductor layer is crystallized by the above manufacturing method, it is possible to provide a crystallized semiconductor element having a semiconductor layer having a larger crystal grain size as compared with the related art. it can.
  • a crystallization apparatus of the present invention provides a semiconductor element having a heat diffusion layer formed on a surface of a semiconductor layer provided on a substrate and having a higher thermal conductivity than the substrate.
  • an apparatus for crystallizing a semiconductor layer comprising crystallization means for crystallizing the semiconductor layer by irradiating a laser beam, wherein the crystallization means comprises a laser beam having a wavelength of not more than 550 nm. It is characterized by the fact that it comes to be irradiated.
  • the laser light having a wavelength of 550 nm or less from the top of the heat diffusion layer to the semiconductor layer is applied to the uncrystallized semiconductor element having the heat diffusion layer formed on the surface of the semiconductor layer. Is illuminated.
  • the crystallization means irradiates the semiconductor layer with laser light from above the thermal diffusion layer, the temperature of the semiconductor layer melted by the laser light is reduced as compared with the conventional method. It can be slower than that. Specifically, a part of the laser light transmitted through the heat diffusion layer is accumulated in the heat diffusion layer, and the accumulated heat is given to the semiconductor layer, thereby suppressing a decrease in the temperature of the semiconductor layer. can do. As a result, the connection generated in the semiconductor layer The crystal can be made larger than before.
  • the semiconductor layer by irradiating the semiconductor layer with laser light having a wavelength of 550 nm or less from above the heat diffusion layer, it is possible to reduce the absorption of laser light in the heat diffusion layer and to reduce the laser light in the semiconductor layer.
  • a crystallization apparatus capable of greatly absorbing light can be provided. As a result, the crystallization efficiency of the crystallized semiconductor element can be increased, and the production time can be shortened to reduce the production cost.
  • FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a crystallized semiconductor device manufactured by a method for manufacturing a crystallized semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a crystallization apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a front view showing a state of crystallization of a semiconductor layer in the crystallized semiconductor device.
  • Fig. 4 is a graph showing the temperature distribution of an amorphous silicon film in a conventional semiconductor device in a state where the amorphous silicon film is irradiated with laser light, melted, cooled, and crystallized. It is.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in temperature distribution accompanying cooling of the amorphous silicon film 14 in a conventional semiconductor device.
  • FIG. 6 is a graph showing a temperature distribution in the vicinity of a melting region when a non-crystallized semiconductor device according to the present embodiment is irradiated with laser light.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in temperature distribution due to cooling of semiconductor layer 2 in the configuration of the present embodiment.
  • FIG. 8 is a side view showing another schematic configuration of the crystallized semiconductor device. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the method of manufacturing a crystallized semiconductor device includes a semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer on a substrate, and a crystallizing step of irradiating the semiconductor layer with laser light to crystallize the semiconductor layer.
  • the uncrystallized semiconductor element in which the semiconductor layer has not been crystallized is provided on the substrate, and the surface of the amorphous or microcrystalline semiconductor layer has a higher thermal conductivity than the substrate.
  • FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a crystallized semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a crystallized semiconductor device according to the present embodiment.
  • the above-mentioned crystallized semiconductor element is composed of a glass substrate (substrate) 4, a diffusion prevention layer (low thermal conductivity layer) 3, a semiconductor layer 2, and a thermal diffusion layer 1. It is the structure laminated
  • the diffusion prevention layer 3 prevents diffusion of impurities from the glass substrate 4.
  • a silicon dioxide film is used as the diffusion prevention layer 3, but is not particularly limited, and a film made of another material can be used as long as the diffusion of impurities from the glass substrate 4 can be prevented. There may be.
  • the silicon dioxide film may be formed, for example, by a method such as vapor deposition, sputtering, and CVD.
  • the thickness of the diffusion prevention layer 3 may be any thickness as long as it prevents impurities from the glass substrate 4 from diffusing into the semiconductor layer 2, and more specifically, ranges from 0.05 to 1 ⁇ m. Is preferred.
  • the semiconductor layer 2 is provided on the diffusion preventing layer 3.
  • the semiconductor layer 2 usually uses amorphous silicon.
  • Examples of the method for forming the semiconductor layer 2 (layer formation) include a CVD method, a sputtering method, and a vapor deposition method.
  • the thickness of the semiconductor layer 2 may be appropriately set depending on the required transistor characteristics, process conditions, and the like, and is more preferably in the range of several tens to several hundreds of nm, and is preferably in the range of 30 to 100 nm. Thickness (layer thickness) is particularly preferred.
  • the semiconductor layer 2 immediately after film formation is usually amorphous and not crystallized. According to the film forming method, a very small crystal aggregate (microcrystal) can be obtained, but in any case, it is difficult to obtain such a large crystal grain. Therefore, a transistor is formed directly on the semiconductor layer 2 immediately after film formation. 0
  • the semiconductor element finally obtained has the amorphous semiconductor layer 2 crystallized. That is, the semiconductor layer 2 according to the present embodiment is crystallized. The crystallization method will be described later.
  • heat diffusion layer 1 is provided on semiconductor layer 2. Specifically, the heat diffusion layer 1 is formed on the surface of the semiconductor layer 2. As the thermal diffusion layer 1, a material having a higher thermal conductivity than the glass substrate 4 is used. Further, it is more preferable that the thermal diffusion layer 1 be made of a material having a higher thermal conductivity than the diffusion preventing layer 3.
  • the thermal diffusion layer 1 has a high transmittance to laser light irradiated in a laser annealing process (crystallization step) described later. Specifically, it is more preferable that the transmittance with respect to the laser beam is about 0% or more. If the transmittance is lower than 70%, the emitted laser light is difficult to transmit to the semiconductor layer 2 and the crystallization efficiency of the semiconductor layer 2 may be reduced.
  • the light absorption rate of the heat diffusion layer 1 with respect to the laser beam is smaller than the light absorption rate of the semiconductor layer 2. That is, it is more preferable that the light absorption rate of the thermal diffusion layer 1 for the laser light irradiated to crystallize the semiconductor layer 2 is smaller than the light absorption rate of the semiconductor layer 2 for the laser light. If the light absorptivity of the heat diffusion layer 1 with respect to the laser light is larger than the light absorptivity of the semiconductor layer 2, the irradiated laser light will not be efficiently absorbed by the semiconductor layer 2, and In some cases, the efficiency of the thermal diffusion layer 1 may be reduced. Compounds or oxides are preferred.
  • the thickness of the thermal diffusion layer 1 is more preferably in the range of 50% to 400%. Specifically, a thickness in the range of 5 nm to 200 nm is suitable.
  • the thickness of the thermal diffusion layer 1 is smaller than 50% of the thickness of the semiconductor layer 2, the effect of thermal diffusion is reduced, and the crystal growth of the semiconductor layer 2 is reduced in a crystallization step described later. There may be no promoting effect.
  • the thickness of the thermal diffusion layer 1 is greater than 400% of the thickness of the semiconductor layer 2, energy for heating the thermal diffusion layer 1 itself is required, and the laser light to be irradiated is In some cases, extra energy is needed.
  • the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present embodiment includes a semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer 2 on a glass substrate 4, and a heat diffusion layer 2 having a higher thermal conductivity than the glass substrate 4. And a crystallization step of irradiating a laser beam from above the thermal diffusion layer 1 to crystallize the semiconductor layer 2.
  • the semiconductor layer 2 is formed on the glass substrate 4.
  • the diffusion preventing layer 3 is formed on the glass substrate 4 in advance, and the semiconductor layer 2 is formed on the diffusion preventing layer 3. That is, the diffusion preventing layer 3 and the semiconductor layer 2 are sequentially laminated on the glass substrate 4.
  • a method for forming the semiconductor layer 2 on the diffusion prevention layer 3 is known, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the thermal diffusion layer 1 is formed on the surface of the semiconductor layer 2.
  • the heat diffusion layer 1 may be formed on the surface of the semiconductor layer 2 by the same method as when a heat diffusion layer is provided between a semiconductor layer and a substrate. .
  • the semiconductor layer 2 is crystallized by irradiating a laser beam from above the thermal diffusion layer 1 (crystallization step). Specifically, a semiconductor layer having a heat diffusion layer 1 formed on its surface
  • FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of the crystallization apparatus according to the present embodiment.
  • the crystallization apparatus includes a laser light source 5, a photomask 11 on which an irradiation pattern is formed, an objective lens 9, and a stage 10.
  • the crystallization apparatus may include an optical element group 6 such as a homogenizer and an expander, and a field lens 8 as necessary.
  • the above-described crystallization apparatus is not limited to the above-described configuration, as long as it can irradiate a predetermined position of the semiconductor element with light of a predetermined irradiance in a predetermined pattern.
  • the stage 10 is for mounting a semiconductor element where the semiconductor layer 2 is not crystallized. Then, the stage 10 can drive the semiconductor element in the surface direction on which the semiconductor element is mounted.
  • pulse irradiation can be performed.
  • an excimer laser can be used, for example.
  • the excimer laser is preferable because the wavelength of the emitted laser light is in the ultraviolet region and is very easily absorbed by the semiconductor layer 2.
  • the pulse width of the excimer laser is 10 to several tens ns, and the semiconductor layer 2 can be melted almost instantaneously.
  • the semiconductor layer 2 dissolved by the laser light source 5 is rapidly cooled thereafter, and is crystallized in the process.
  • a solid-state laser can be used as the laser light source 5.
  • a solid-state laser a non-linear optical crystal such as Nd-YAG is excited by being irradiated with a flash lamp, a semiconductor device laser or the like, and performs laser oscillation.
  • the solid-state laser has an advantage that maintenance is easy because a halogen gas required for an excimer laser is not required.
  • a flash lamp instead of using a flash lamp, there is a method in which a semiconductor device laser is used to excite the laser. By matching the band, laser oscillation can be performed with high efficiency. For this reason, the size of the power consumption device can be significantly reduced compared to the solid-state laser of the excimer laser / flash lamp.
  • a solid-state laser can excite a nonlinear optical crystal to obtain laser light having a wavelength near 1.06 ⁇ .
  • the laser light of the wavelength has a small absorption coefficient of the amorphous silicon constituting the semiconductor layer 2. Light is hardly absorbed by amorphous silicon, and melting hardly occurs. Therefore, laser light of this wavelength is converted to visible light by a nonlinear optical crystal. It is desirable to do.
  • the nonlinear optical crystal for example, Nd-YAG, Nd-V04 and the like can be used. Then, the laser beam having a wavelength of 1.06 ⁇ m is converted into visible light having a wavelength of about 532 nm as a second harmonic wavelength by passing through the above-described nonlinear optical crystal, for example.
  • the Rukoto If the wavelength is less than about 532 nm, the absorption coefficient of the amorphous silicon increases, and the semiconductor layer 2 can be melted by laser light irradiation. That is, in order to crystallize the amorphous (non-crystallized) semiconductor layer 2, the laser light source 5 provided in the crystallization means emits a laser beam having a wavelength of 550 nm or less.
  • the laser light source 5 emits laser light in the visible light region having a wavelength of not more than 550 nm. The details of the wavelength of the laser light emitted from the laser light source 5 will be described later.
  • the beam (laser light) emitted from the laser light source 5 is converted into an appropriate beam size by an expander, the irradiance in the beam cross section is made uniform by a homogenizer, and the photomask 11 is irradiated.
  • the beam expander is an optical system having a telephoto system or a reduction system, and determines the size of an irradiation area on the photomask 11.
  • the homogenizer is composed of a lens array or a cylindrical lens array. The homogenizer divides the beam and recombines it to make the irradiance uniform within the irradiation area on the mask.
  • the photomask 11 has a light-shielding portion and an opening on a mask substrate, and the opening allows light emitted from the laser light source 5 to pass therethrough.
  • a material such as quartz or glass is used.
  • a metal thin film of chromium, nickel, aluminum or the like, or a reflection or absorption film by a dielectric multilayer film can be used.
  • the opening formed on the photomask 11 has a slit-like shape having a width in a range of 1 to 10 Oim, and preferably a slit having a width in a range of 3 to 50 ⁇ m. It is preferable that the shape is a single shape or a plurality of shapes are formed. However, the shape of the photomask 11 is not particularly limited. .
  • the objective lens 9 forms an image formed by irradiating the opening of the photomask 11 with the laser light having passed through the homogenizer, on the surface of the semiconductor element. That is, an image of the opening is formed on the semiconductor element.
  • the laser light emitted from the laser light source 5 is illuminated from above the thermal diffusion layer 1 to a part of the semiconductor layer 2 on the semiconductor element, and the other parts are not illuminated.
  • the processing may be performed by forming an aperture image on a part of the region of the diffusion layer 1.
  • the optical magnification when forming an image on the semiconductor element is 1: 1 to 1/10. That is, it is more preferable that the size of the opening on the mask is reduced from a 1: 1 image to a size of 1/10 so as to form an image.
  • the resolving power of the objective lens 9 is determined when the image of the opening provided on the photomask 11 is formed on the semiconductor element.
  • a resolution in which the image of the opening can be decomposed as an image formed on the semiconductor element 6
  • the resolution is usually set to a resolution that can resolve the image formed on the semiconductor element, that is, the width of the slit.
  • the numerical aperture of the objective lens 9 is N A and the wavelength to be used is L
  • the resolving power is approximately expressed by INO NA. Therefore, the width of the opening is set so that the above-mentioned opening is approximately this value (; LZNA), or the resolution is set to be equal to the width of the opening, or set to a smaller value.
  • the portion of the semiconductor layer 2 irradiated with the laser light is However, the energy of the laser light is absorbed and melted.
  • the laser beam irradiation pulse irradiation
  • the melted semiconductor layer 2 becomes lower than the melting point, and is rapidly cooled and crystallized.
  • the crystal 13 of the semiconductor layer 2 to be crystallized grows in the width direction D of the opening, that is, in the width direction of the irradiated laser light, and becomes a columnar crystal.
  • FIG. 3 is a front view showing a state of crystallization of the semiconductor layer 2.
  • the portion 12 of the semiconductor layer 2 other than the image of the opening that is, the portion not irradiated with the laser beam, does not melt and remains in an amorphous state.
  • the crystallization (laser annealing process) of the semiconductor layer 2 is performed using the crystallization apparatus having the above-described configuration. Specifically, as described above, the laser light emitted from the laser light source 5 is emitted toward the semiconductor layer 2 from above the thermal diffusion layer 1. As a result, the semiconductor layer 2 is irradiated with the laser beam transmitted through the thermal diffusion layer 1. Then, the portion of the semiconductor layer 2 irradiated with the laser light is dissolved, and when the laser light is no longer irradiated, the semiconductor 7
  • the temperature of the melted region of the body layer 2 decreases, and the melted semiconductor layer 2 is crystallized.
  • the crystallization of the semiconductor layer 2 will be described in detail below.
  • the crystal growth distance L is 1 It will be about 1.5 ⁇ m. More specifically, if the width D of the opening formed on the substrate (the width of the laser beam applied to the semiconductor element) is set to, for example, 5 m, the laser beam will pass through the process of melting and crystallization. The crystal grows from the end of the hole, but the remaining 2-3 ⁇ m in the center becomes microcrystalline or amorphous, and the entire opening cannot be crystallized.
  • Figure 4 shows a conventional configuration in which an amorphous silicon film 14 on a diffusion prevention layer 15 provided on a glass substrate 16 was irradiated with laser light and melted.
  • 6 is a graph showing a temperature distribution of the amorphous silicon film 14 in a state where the amorphous silicon film 14 is being cooled and crystallized. That is, in the configuration shown in FIG. 4, the thermal diffusion layer is not provided.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in temperature distribution accompanying cooling of the amorphous silicon film 14 in the conventional configuration.
  • the temperature level 22 indicates the freezing point of the amorphous silicon film (silicon) 14.
  • the silicon constituting the amorphous silicon film 14 becomes crystallized (solidified). ing.
  • the configuration of the semiconductor element according to the present embodiment that is, a configuration in which a diffusion prevention layer 3, a semiconductor layer 2, and a thermal diffusion layer 1 are sequentially stacked on a glass substrate 4, as shown in FIG.
  • the thermal diffusion layer 1 is provided on the surface
  • the crystal growth distance L can be increased two to three times as compared with the conventional case. In other words, by irradiating the laser light once, the semiconductor layer 9
  • the length of the growing crystal at the time of melting and crystallizing 2 can be 2-4 / im or more. For this reason, even if the width of the image at the opening (the width of the laser beam applied to the semiconductor element) D is set to, for example, two to three times or more than that of the related art, it is considered that the center becomes microcrystalline or amorphous. The width of the crystallite or amorphous portion at the center can be reduced as compared with the conventional structure. The reason will be described below.
  • laser light is applied to an uncrystallized semiconductor element having a structure in which a diffusion prevention layer 3, a semiconductor layer (amorphous silicon layer) 2 and a thermal diffusion layer 1 are sequentially stacked on a glass substrate 4. Is irradiated. Therefore, as shown in FIG. 6, the temperature in the boundary region between the crystal region 27 and the melting region 30 does not become particularly high, and the temperature distribution 25 gradually decreases from the center to the outer edge. It has become. This is because the heat diffusion layer 1 provided on the surface of the semiconductor layer 2 makes it easier for heat to flow laterally (in the direction of the substrate) through the heat diffusion layer 1, and the temperature of the boundary region falls rapidly. It is.
  • FIG. 6 is a graph showing a temperature distribution in the vicinity of a melting region when a non-crystallized semiconductor device according to the present embodiment is irradiated with laser light.
  • FIG. 7 shows the configuration of the present embodiment.
  • 5 is a graph showing a change in temperature distribution accompanying cooling of the semiconductor layer 2 during the formation.
  • the irradiated portion of the laser light is moved and another crystallization is performed again.
  • the semiconductor layer 2 on the glass substrate 4 can be crystallized longer. it can.
  • a part or the entire surface of the semiconductor layer 2 formed on the glass substrate 4 can be crystallized.
  • the laser light is further radiated in a state including the crystallized portion, that is, a part of the already crystallized region is irradiated with the laser light in a superimposed manner, so that the already crystallized crystal is used as a seed crystal.
  • the amount of superposition of the laser beam is set in the width direction, for example, about 1Z2, which is the growth distance L of the crystal, the grown crystal can be successively taken over and crystallized. It is possible to form a crystal that is long in the in-plane direction of the glass substrate 4 and in the width direction of the opening.
  • the crystallized region formed by one pulse irradiation can be twice or more the area of the conventional semiconductor.
  • the time required for crystallization of layer 2 can be reduced by half, and a low-cost semiconductor device can be obtained.
  • the crystallization process can be performed in a shorter time than before. Then, laser light is applied to include a part of the crystal once formed. By irradiation, the growth distance of the crystal can be made longer. Also, for example, when a transistor having a structure in which carriers flow in the crystal growth direction (in the width direction of the opening) is formed, the carrier is less scattered at the crystal grain boundaries, and the mobility is extremely high. A transistor can be obtained.
  • the atmosphere is a gas, and the thermal conductivity of the atmosphere is extremely small as compared with the solid glass substrate 4, so that the heat escaping into the atmosphere can be neglected.
  • a nitride such as aluminum nitride or silicon nitride is preferably used as a material constituting the thermal diffusion layer 1 on the surface of the semiconductor layer 2.
  • a nitride such as aluminum nitride or silicon nitride is preferably used as a material constituting the thermal diffusion layer 1 on the surface of the semiconductor layer 2.
  • many of these nitrides have high thermal conductivity, high heat resistance, and are substantially transparent at the wavelength of the laser beam used for melting.
  • many materials such as aluminum oxide, which have high thermal conductivity and high heat resistance, and are substantially transparent at the wavelength of the laser beam used for melting are also thermally diffusive. It can be used as a layer 1 material.
  • the thermal conductivity of aluminum nitride, silicon nitride, and aluminum oxide is 5 to 10 times or more of the thermal conductivity of the glass substrate 4, and Experiments have shown that using aluminum nitride, silicon nitride, and aluminum oxide as the thermal diffusion layer 1 increases the crystal growth distance. For this reason, it is possible to select a material for the heat diffusion layer 1 that is higher than the glass substrate 4. More preferably, if the thermal conductivity is set to 5 times or more, an effect of promoting crystal growth can be obtained.
  • the thermal diffusion layer 1 may absorb the laser light applied to the semiconductor element to a considerable extent.
  • the laser light emitted from the laser light source '5 may be absorbed by the heat diffusion layer 1 to some extent.
  • the heat diffusion layer 1 on the surface of the semiconductor layer 2 absorbs the laser light in the ultraviolet region, and the heat may not be sufficiently applied to the semiconductor layer 2 thereunder.
  • the temperature of the heat diffusion layer 1 rises, and the heat diffusion layer 1 may be damaged.
  • the light transmittance of the thermal diffusion layer 1 is preferably at least smaller than the absorptivity of the underlying semiconductor layer 2. That is, it is more preferable that the light absorption rate of the heat diffusion layer 1 with respect to the laser light emitted from the laser light source 5 is smaller than the light absorption rate of the semiconductor layer 2.
  • a method for making the light absorptivity of the heat diffusion layer 1 with respect to the laser light smaller than the light absorptivity of the semiconductor layer 2 for example, 1) changing the wavelength of the laser light emitted from the laser light source 5, 2) irradiating the laser
  • a method of using a heat diffusion layer having a light absorption rate for light smaller than that of the semiconductor layer may be used.
  • the thermal diffusion layer 1 may increase the energy of the emitted laser light depending on the type of the material constituting the thermal diffusion layer 1. In some cases. For this reason, depending on the type of material constituting the heat diffusion layer 1, it is preferable to change the wavelength of the light to be irradiated, such as using laser light in the visible light range instead of laser light in the ultraviolet light range.
  • the semiconductor layer 2 can be sufficiently heated.
  • the wavelength of the laser beam is desirably shorter than 550 nm. This is because, when the material forming the semiconductor layer 2 is silicon (including an amorphous state), the silicon does not sufficiently absorb laser light having a wavelength longer than 55 O nm. Therefore, when the material constituting the semiconductor layer 2 contains silicon, it is more preferable to irradiate a laser beam having a wavelength of 550 nm or less.
  • the lower limit of the wavelength of the laser beam applied to the semiconductor layer 2 is more preferably not less than 35 Onm.
  • the materials constituting the thermal diffusion layer 1 for many materials (including materials that are transparent in the visible region), the absorption of laser light to be irradiated sharply increases in the wavelength region smaller than 350 nm. Therefore, for example, only limited materials such as silicon dioxide and calcium fluoride can be selected. However, in the visible region of 350 nHi or more, a material having high transmittance, such as silicon nitride, aluminum nitride, and aluminum oxide, can be selected. Therefore, the wavelength region of the laser beam applied to the semiconductor layer 2 is more preferably in the range of 350! 111 to 55011111.
  • the use of the visible light is particularly preferable because it is easy to suppress the absorption in the thermal diffusion layer 1 while efficiently melting the silicon.
  • laser light source 5 As a light source (laser light source 5) of a laser beam having a wavelength range within the above range, for example, the above-described solid-state laser and the like can be mentioned. Therefore, it is preferable.
  • the second harmonic of a solid-state laser such as Nd—YAG is used, 5 3
  • the processing equipment can be made smaller and lighter, and no gas is required for maintenance (maintenance) of the equipment, and equipment that reduces maintenance costs by lowering maintenance costs. It is possible to obtain.
  • the manufacturing cost can be significantly reduced compared to the conventional method because the apparatus cost and maintenance cost are low.
  • the heat diffusion layer 1 when the heat diffusion layer 1 is provided on the surface of the semiconductor layer 2 and crystallization is performed by irradiating a laser beam, After removing the diffusion layer 1 (removal step), a subsequent step may be performed.
  • the removal of the thermal diffusion layer 1 facilitates the subsequent steps of forming a gate portion and forming semiconductor devices such as electrode wiring and doping.
  • the structure after removing the heat diffusion layer 1 formed on the surface 2 of the semiconductor layer 2, the structure becomes the semiconductor layer 2, the diffusion prevention layer 3, and the glass substrate 4, so that the structure is the same as that of the conventional semiconductor element. Therefore, the conventional processing steps can be used as they are.
  • one embodiment of the method of manufacturing a semiconductor device includes a step of providing a heat diffusion film between the step of providing the semiconductor layer 2 and the laser annealing process in the conventional method of manufacturing a semiconductor element.
  • a step of removing the thermal diffusion film may be inserted between the laser annealing process and the subsequent process, and there are few changes to the conventional method, and it can be said that transition from the conventional method is easy.
  • a method of removing the thermal diffusion layer 1 for example, oxygen or an inert gas (He, Ne, Ar, Kr, etc.) is turned into a plasma and these ions are deposited on the glass substrate 4.
  • a so-called dry etching method of causing the thermal diffusion layer 1 to collide with the thermal diffusion layer 1 and removing the thermal diffusion layer 1 by its energy may be used.
  • the heat spreading layer 1 having a high thermal conductivity is provided on the surface of the semiconductor layer 2, the crystal growth distance can be extended thereby.
  • the thermal conductivity of the thermal diffusion layer 1 on the surface is high, heat escapes to the glass substrate 4, so that the amount of energy of the laser light per irradiation surface ⁇ necessary for laser annealing is slightly increased. It may be necessary. In other words, if the amount of energy of laser light emitted by one pulse of laser light is the same as before, the beam converted by an expander or the like is used to increase the amount of laser light energy per irradiated area.
  • the method for manufacturing a crystallized semiconductor according to the present embodiment includes a method of forming a low thermal conductivity layer having a lower thermal conductivity between the glass substrate 4 and the semiconductor layer 2 than the substrate. It is more preferable to include a rate layer forming step. Specifically, in order to manufacture a crystallized semiconductor device, an uncrystallized semiconductor device having a low thermal conductivity layer 20 formed between a glass substrate 4 and a semiconductor layer 2 as shown in FIG. 8 is used. Is more preferred. More specifically, as shown in FIG.
  • a material having a lower thermal conductivity than the glass substrate 4 is used under the diffusion prevention layer 3 provided below the semiconductor layer 2.
  • a porous silicon dioxide, an organic material film, or the like can be used as the low thermal conductivity layer 20 .
  • the low thermal conductivity layer 20 it is possible to prevent diffusion of heat to the glass substrate 4 so that heat loss can be prevented, and uneven heat distribution due to the effect of the heat diffusion layer 1 on the surface. And promote good growth.
  • the low thermal conductivity layer 20 it is possible to prevent a rapid change in the temperature of the semiconductor layer 2 being melted, and it is possible to further increase the size of generated crystals. As a result, the uneven heat distribution can be diffused in the lateral direction (substrate direction), so that the temperature distribution of the molten semiconductor layer 2 can be further leveled.
  • the uncrystallized semiconductor element according to the present embodiment is provided on a glass substrate 4 and has a higher thermal conductivity than the glass substrate 4 on the surface of the semiconductor layer 2 in an amorphous state or a microcrystalline state.
  • the configuration may be such that the thermal diffusion layer 1 having a high density is formed.
  • the heat diffusion layer 1 is formed on the surface of the semiconductor layer 1.
  • the thermal diffusion layer 1 has a higher thermal conductivity than the glass substrate 4. Thereby, when the semiconductor layer 2 is crystallized, the molten semiconductor layer 2 is not rapidly cooled. That is, since the thermal diffusion layer 1 is formed on the surface of the semiconductor layer 2, the size (length) of the generated crystal can be made larger in the crystallization of the semiconductor layer 2 than in the conventional case. .
  • another heat diffusion layer may be formed between the semiconductor layer 1 and the glass substrate 4. .
  • the method for manufacturing a crystallized semiconductor device includes a semiconductor layer formation step of providing the semiconductor layer 2 on the glass substrate 4, and a crystallization step of irradiating a laser beam to crystallize the semiconductor layer 2.
  • a method for producing a crystallized semiconductor device comprising: providing a heat diffusion layer 1 having a higher thermal conductivity than the glass substrate 4 on the semiconductor layer 2; and A method of irradiating a laser beam may be used.
  • the crystallization apparatus irradiates the semiconductor substrate 2 on the glass substrate 4 and the glass substrate 4 having the heat diffusion layer 1 with high thermal conductivity formed thereon with laser light.
  • a crystallization apparatus including crystallization means for crystallizing the semiconductor layer 2, wherein the crystallization means may perform a laser irradiation process from above the thermal diffusion layer 1.
  • the configuration in which the heat diffusion layer 1 is formed on the surface of the semiconductor layer 2 is described. Another layer may be provided between them.
  • the configuration of the semiconductor element is the same as the conventional one, and the crystallized semiconductor element having a larger crystal grain size than the conventional one. It can be. Therefore, for example, by removing the thermal diffusion layer, even when various devices are manufactured using the above-mentioned crystallized semiconductor element, the same steps as those in the related art can be used. Costs can be reduced.
  • the light absorption rate of the heat diffusion layer for the laser beam is smaller than the light absorption rate of the semiconductor layer.
  • the semiconductor layer can be more suitably melted.
  • the efficiency of the crystallization process can be increased, and the manufacturing time can be shortened and the manufacturing cost can be reduced.
  • a laser beam having a wavelength of 550 nm or less is irradiated.
  • the semiconductor layer is irradiated with a laser beam having a wavelength of 550 nm or less. More preferably, a laser beam with a wavelength of 350 nm or more and 55 O nm or less is irradiated.
  • the laser diffusion layer It is possible to reduce the absorption of laser light and to increase the absorption of laser light in the semiconductor layer. As a result, the efficiency of crystallization of the semiconductor layer can be increased, so that the manufacturing time of the crystallized semiconductor element can be shortened and the manufacturing cost can be reduced.
  • the method for producing a crystallized semiconductor device of the present invention may further include a low thermal conductivity layer forming step of forming a low thermal conductivity layer having a lower thermal conductivity than the substrate between the substrate and the semiconductor layer. More preferred.
  • the low thermal conductivity layer is formed between the substrate and the semiconductor layer.
  • the heat given by the irradiation of the semiconductor layer with the laser light can be prevented from flowing to the substrate. That is, it is possible to make it difficult for the heat of the melted semiconductor layer to escape, so that the cooling rate of the semiconductor layer can be made slower than before.
  • a crystallized semiconductor element having a semiconductor layer having a larger crystal grain size than the conventional one can be manufactured.
  • the wavelength of the laser light is set such that the light absorption rate of the heat diffusion layer with respect to the laser light to be irradiated is smaller than the light absorption rate of the semiconductor layer. Is more preferable. According to the above configuration, it is possible to reduce the absorption of laser light in the thermal diffusion layer and at the same time, to irradiate laser light so as to increase absorption of laser light in the semiconductor layer. The crystallization time can be shortened, and the production cost can be reduced.
  • the present invention it is possible to manufacture a crystallized semiconductor device having a semiconductor layer having a larger crystal grain size as compared with the related art. Therefore, the characteristics of the device formed on the crystallized semiconductor element can be improved, and the device can be manufactured at low cost.

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Abstract

発明の結晶化半導体素子の製造方法では、半導体層（２）の表面に基板（４）よりも熱伝導率が高い熱拡散層（１）を形成した後、該熱拡散層（１）の上から半導体層（２）に対してレーザ光を照射する。これにより、従来よりも長く結晶が生成する結晶化半導体素子を製造することができる。そして、本発明によれば、従来と比べて、より結晶粒径が大きい半導体層を有する結晶化半導体素子を提供することができる。

Description

明 細 書 結晶化半導体素子およびその製造方法ならびに結晶化装置
技術分野
本発明は、 レーザ光を利用して製造される結晶化半導体素子の製造方 法ならぴに半導体層の結晶化装置に関するものである。 背景技術
液晶やエレク ト口ルミネッセンス （ E L ) 等を応用した表示装置に用 いられている薄膜トランジスタは、 非晶質もしくは多結晶のシリ コンを 活性層として用いている。 このうち、 多結晶シリ コンを活性層とした薄 膜トランジスタ （結晶化半導体素子） は、 電子の移動度が非晶質シリ コ ンを活性層とした薄膜トランジスタと比べて高いために、 非晶質シリ コ ンの薄膜トランジスタに比較して、 多くの長所を有している。
具体的には、 例えば、 多結晶シリ コ ンを活性層と した薄膜トランジス タは、 画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、 画素周辺部 分に駆動回路や、 一部の周辺回路を一枚の基板上に形成することができ る。 このため、 別途ドライバ I C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、 表示装置を低価格で提供することが可能となる。
また、 その他の長所としては、 トランジスタの寸法を微細化できるの で、 画素部分に形成するスィツチング素子を小さくすることができ、 高 開口率化を図ることができる。 このため、 高輝度、 高精細な表示装置を 提供することが可能となる。 上記のような、 多結晶シリ コンを活性層とした薄膜トランジスタ （結 晶化半導体素子） を製造するには、 例えば、 ガラス基板に C V D法等で 非晶質シリ コン薄膜を形成した後、 別途、 非晶質シリ コンを多結晶化す る工程が必要となる。
非晶質シリ コンを多結晶化 （結晶化） する工程としては、 例えば、 6 0 o °c以上の高温でァニールする高温ァニール法等がある。 しかし、 上 記方法によって多結晶シリ コンを製造する場合、 非晶質シリ コンを積層 している基板として、 上記のような高温に絶えるだけの高価なガラス基 板を使用する必要があり、 表示装置の低価格化の阻害要因となっていた
。 ところが、 近年では、 レーザ光を用いて 6 0 0 °C以下の低温で非晶質 シリ コンの結晶化を行う技術が一般化されており、 安価なガラス基板に 多結晶シリコン トランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できる ようになつている。
レーザ光を用いた結晶化技術と しては、 例えば、 非晶質 （ァモルファ ス） シリ コン薄膜を形成したガラス基板を 4 0 0 °C程度に加熱して、 上 記ガラス基板を一定速度で走査させながら、 長さ 2 0 0 〜 4 0 O m m 、 幅 0 . 2 〜 1 . 0 m m程度の線状レーザビームを上記ガラス基板上に連 続的に照射する方法が一般的である。 この方法を用いると、 ァモルファ スシリ コン薄膜の厚さと同程度の平均粒径を有する多結晶シリ コン薄膜 を形成することができる。 このとき、 レーザビームが照射された部分の 非晶質シリ コンは、 厚さ方向全域にわたつて溶融するのではなく、 一部 の非晶質領域を残して溶融することとなる。 これによつて、 レーザ照射 領域全面にわたって、 いたるところに結晶核が発生し、 シリ コン薄膜最 表層に向かって結晶が成長し、 ランダムな方位の結晶粒が形成されるこ ととなる。
ところが、 さらに高性能な表示装置を得るためには、 多結晶シリ コン の結晶粒径を大きくすること、 成長する結晶の方向を制御することが必 要であり、 単結晶シリ コンに近い性能を得ることを目的と して数多くの 研究開発がなされている。
具体的には例えば、 特許文献 1 (特表 2 0 0 0— 5 0 5 2 4 1号公報 (公表日 ； 2 0 0 0年 4月 2 5 日） ） に結晶をより大きくするための技 術が開示されている。
特許文献 1にはスーパーラテラル成長と称する技術が開示されている 。 該特許文献 1に記载の方法は、 微細幅のパルス レーザをシリ コン薄膜 に照射し、 シリ コン薄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。 具体的には、 パルス レーザを シリ コン薄膜に照射し、 シリ コン薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域 にわたつて溶融させ、 溶融部分と未溶融部分の境界から横方向、 すなわ ち、 ガラス基板に水平な方向に結晶粒の成長を制御し、 針状の結晶を得 ている。
このよ うなスーパーラテラル成長は、 パルス レーザを 1回照射した後
、 この照射によって形成された針状結晶の一部に重複させて、 順次パル ス レーザを照射することにより、 既に成長した結晶を引き継いで、 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大結晶が得 られるといった特徴を有している。
また、 上記特許文献 1に開示の半導体素子は、 ガラス基板上に通常、 不純物の拡散を防ぐために二酸化シリ コンの膜を設け、 さらに、 その上 に非晶質のシリ コン膜を設けている。 さらに、 多結晶シリコンの製造方法の例としては、 基板上に熱伝導率 の異なる膜を積層し、 その上に半導体層 （アモルファスシリ コン膜） を 形成して、 得られる膜の特性を向上させる構成が、 特許文献 2 (特開 2 0 0 0 - 6 8 5 2 0号公報 （公開日 ； 2 0 0 0年 3月 3 日） ） 、 特許文 献 3 (特開平 6 - 2 9 6 0 2 3号公報 （公開日 ； 1 9 9 4年 1 0月 2 1 日） ) 等に記載されている。 つまり、 特許文献 2、 3では、 基板と半導 体層との間に熱伝導率の異なる層を形成するようになつている。
しかしながら、 特許文献 1の発明による結晶粒の成長距離は、 約 1 μ m〜 2 μ m程度にすぎず、 大結晶粒を得るには、 何度もパルス レーザの 照射を繰り返す必要がある。 特に、 結晶成長距離が 1 μ m程度である場 合には、 結晶を引き継いで成長させるためには、 再度照射するパルス レ 一ザを、 前回の照射によって生成した結晶にォーパーラップさせて照射 する必要があり、 結果的に 0. 5 μ m程度ずらせることになる。 ところ が、 常に 0. 5 μ mのずらせ量を得るためには、 送り精度が 0. Ι μ πα 程度の分解能、 すなわち極めて精度の高い送り機構が必要であり、 装置 のコス トが増大する。 また 1回にわずかの量しか送り量を与えられない ため、 処理速度が遅いという問題点がある。
また、 特許文献 2、 3に開示のように、 基板と半導体層との間に、 熱 伝導率の異なる層 （熱拡散層） を設ける構成では、 該熱拡散層は他の層 に比べて熱拡散率が高いので、 高温になった熱拡散層から、 容易に基板 方向に (基板に垂直方向に) 熱が拡散し易い。 このため、 半導体層が急 速に冷却されることとなり、 半導体層の結晶成長が阻害されることとな る。
本発明は、 上記従来の問題に鑑みなされたものであり、 その目的は、 より簡単に、 半導体層の結晶粒径を大きくすることができる結晶化半導 体層の製造方法ならびに結晶化装置を提供することにある。 発明の開示
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、 上記の課題を解決するため に、 基板上に半導体層を形成する半導体層形成工程と、 上記半導体層に 、 レーザ光を照射して該半導体層を結晶化させる結晶化工程とを含む結 晶化半導体素子の製造方法であって、 基板より も熱伝導率が高い熱拡散 層を上記半導体層の表面に設ける熱拡散層形成工程を含み、 上記結晶化 工程では、 上記熱拡散層め上から半導体層に対してレーザ光を照射する ことを特徴と している。
上記の構成によれば、 半導体層の表面に熱拡散層を形成したあと、 該熱拡散層の上から半導体層に対してレーザ光を照射するよ うになつ ている。 この熱拡散層を半導体層の表面に設けることにより、 レーザ 光により融解した半導体層の冷却速度を従来と比べて遅くするヒとが できる。 具体的には、 半導体層に対してレーザ光が照射されるとき、 熱拡散層にも レーザ光が照射されることとなる。
これにより、 熱拡散層が蓄積した熱は、 隣接する半導体層に流れる こと となる。 また、 上記熱拡散層からの熱が、 半 体層に与えられる ことにより、 溶融している半導体層の温度分布を従来と比べて平準に することができる。 従って、 溶融している半導体層が結晶化する際に、 従来より も生成する結晶の長さを長くすることができる。 また、 1回 のレーザ光の照射によつて生成する結晶の長さを従来と比べてより長 くすることができるので、 結晶化にかかる時間を短くすることができ る。
これにより、 この製造方法によって製造される結晶化半導体素子に 形成するデパイスの特性の向上が図れるとともに、 低コス トでデバイ スを作製することができる。
また、 本発明の結晶化半導体素子は、 上記の課題を解決するために、 本発明にかかる製造方法によって製造されることを特徴としている。
上記の構成によれば、 上記製造方法によつて半導体層の結晶化を行つ ているので、 従来と比べて、 より結晶粒径が大きい半導体層を有する結 晶化半導体素子を提供することができる。
本発明の結晶化装置は、 上記の課題を解決するために、 基板上に設け られた半導体層の表面に形成された、 該基板より も熱伝導率が高い熱拡 散層を有する半導体素子に対して、 レーザ光を照射することにより該半 導体層を結晶化させる結晶化手段を備えた半導体層の結晶化装置であつ て、 上記結晶化手段は、 波長が 5 5 0 n m以下のレーザ光を照射するよ うになつていることを特徴と している。
上記の構成によれば、 半導体層の表面に形成された熱拡散層を有する 未結晶化半導体素子に対して、 熱拡散層の上から半導体層に対して 5 5 0 n m以下の波長のレーザ光を照射するようになっている。
そして、 上記結晶化手段は、 熱拡散層の上から半導体層に対してレー ザ光を照射するようになっているので、 該レーザ光によつて溶解した半 導体層の温度の低下を従来と比べて遅くすることができる。 具体的には 、 熱拡散層を透過したレーザ光の一部は、 熱拡散層に蓄積されることと なり、 該蓄積された熱が半導体層に与えられることにより、 半導体層の 温度低下を抑制することができる。 これにより、 半導体層で生成する結 晶を従来と比べて大きくすることが出来る。
また、 波長が 5 5 0 n m以下のレーザ光を、 熱拡散層の上から半導 体層に対して照射することによって、 熱拡散層でのレーザ光の吸収を 低減できるとともに半導体層でのレーザ光の吸収を大きく取ることが できる結晶化装置を提供することができる。 これにより、 結晶化半導 体素子の、 結晶化の効率を高くでき、 かつ、 製造時間の短縮を図って 製造コス トの低減を行うことが可能となる。
本発明のさらに他の目的、 特徴、 および優れた点は、 以下に示す記 载によって十分分かるであろう。 また、 本発明の利点は、 次の説明に よって明白になるであろう。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の一形態にかかる結晶化半導体素子の製造方法 によつて製造される結晶化半導体素子の概略の構成を示す側面図である 。
図 2は、 本発明の実施の一形態にかかる結晶化装置の概略の構成を示 す平面図である。
図 3は、 上記結晶化半導体素子における半導体層の結晶化の状態を示 す正面図である。
図 4は、 従来の半導体素子における、 アモルファスシリ コン膜にレー ザ光を照射して、 融解させた後に冷却して結晶化しつつある状態におけ る、 該アモルファスシリコン膜の温度分布を示したグラフである。
図 5は、 従来の半導体素子における、 アモルファスシリ コン膜 1 4の 冷却に伴う温度分布の変化を示しているグラフである。 図 6は、 本実施の形態にかかる未結晶化半導体素子にレーザ光を照射 した場合における溶融領域付近の温度分布を示したグラフである。
図 7は、 本実施の形態の構成における、 半導体層 2の冷却に伴う温度 分布の変化を示しているグラフである。
図 8は、 結晶化半導体素子の他の概略の構成を示す側面図である。 発明を実施するための最良の形態
〔実施の形態 1〕
本発明の実施の一形態について図 1ないし図 8に基づいて説明すれば 、 以下の通りである。
本実施の形態にかかる結晶化半導体素子の製造方法は、 基板上に半導 体層を形成する半導体層形成工程と、 上記半導体層に、 レーザ光を照射 して該半導体層を結晶化させる結晶化工程とを含む半導体素子の製造方 法であって、 基板より も熱伝導率が高い熱拡散層を上記半導体層表面に 設ける熱拡散層形成工程を含み、 上記結晶化工程では、 上記熱拡散層の 上からレーザ光を照射する方法である。
そして、 半導体層の結晶化が行われていない未結晶化半導体素子は、 基板上に設けられ、 かつ、 非晶質状態または微結晶状態の半導体層の表 面に、 該基板より も熱伝導率が高い熱拡散層が形成されている構成であ る
図 1は、 本実施の形態にかかる結晶化半導体素子の製造方法によって 製造される結晶化半導体素子の概略の構成を示す側面図である。 上記結 晶化半導体素子は、 図 1に示すように、 ガラス基板 （基板） 4の上に、 拡散防止層 （低熱伝導率層） 3、 半導体層 2、 および、 熱拡散層 1が順 に積層されている構成である。 つまり、 熱拡散層 1は、 半導体層 2の表 面に形成されており、 半導体層 2から見て基板が設けられている側と反 対側に設けられている構成である。 そして、 熱拡散層 1 の半導体層 2と 接している反対側の表面は空気と接している。
拡散防止層 3は、 ガラス基板 4からの不純物の拡散を防ぐものである 。 本実施の形態では、 拡散防止層 3 として二酸化シリ コン膜を用いてい るが、 特に限定されるものではなく、 ガラス基板 4からの不純物の拡散 を防ぐことが出来れば他の材料からなる膜であってもよい。 拡散防止層 3 として二酸化シリ コン膜を用いる場合、 該ニ酸化シリ コン膜の形成方 法と しては、 例えば、 蒸着、 スパッタ成膜、 C V D等の方法により形成 すればよい。 拡散防止層 3の厚さと しては、 ガラス基板 4からの不純物 が半導体層 2に拡散することを防止できる厚さであればよく、 具体的に は、 0 . 0 5〜 1 μ mの範囲内が好適である。
そして、 本実施の形態では、 拡散防止層 3の上に、 半導体層 2を設け ている。 半導体層 2は通常アモルファスシリ コンを用いる。 また、 半導 体層 2 の成膜 （層形成） 方法としては、 C V D法、 スパッタ法、 蒸着法 等が挙げられる。 半導体層 2の厚さは、 求められる トランジスタの特性 や、 プロセス条件などにより適宜設定すればよく、 数十 ii m〜数百 n m の範囲内がより好ましく、 3 0〜 1 0 0 ii mの膜厚 （層厚） が特に好ま しい。
成膜直後の半導体層 2は、 通常はアモルファスであり、 結晶化してい ない。 成膜方法によれば、 非常に小さい結晶の集合 （微結晶） を得るこ ともできるが、 いずれにせよ、 それほど大きな結晶粒を得ることは困難 である。 したがって 、 成膜直後の半導体層 2に直接トラ ンジスタを形 0
成すると、 前記トランジスタの電子移動度は低くなつてしまう。 従って
、'最終的に得られる半導体素子は、 上記アモルファスの半導体層 2を結 晶化させている。 つまり、 本実施の形態にかかる半導体層 2は、 結晶化 されている。 なお、 結晶化の方法については後述する。
本実施の形態では、 半導体層 2の上に熱拡散層 1が設けられている。 具体的には半導体層 2の表面に熱拡散層 1が形成されている。 熱拡散層 1 としては、 ガラス基板 4 と比べて熱伝導率が大きい材料が用いられる 。 また、 熱拡散層 1は、 さらに、 拡散防止層 3に比べて熱伝導率が大き い材料を用いることがより好ましい。
さらに、 熱拡散層 1は、 後述するレーザァニール処理 （結晶化工程） において照射されるレーザ光に対する透過率が高い方が望ましい。 具体 的には、 上記レーザ光に対する透過率が Ί 0 %以上であることがより好 ましい。 透過率が 7 0 %よりも低い場合には、 照射されるレーザ光が半 導体層 2まで透過し難くなり、 該半導体層 2の結晶化の効率が悪くなる 場合がある。
また、 上記熱拡散層 1 の上記レーザ光に対する光吸収率が、 半導体層 2 の光吸収率より も小さいことがより好ましい。 つまり、 半導体層 2を 結晶化させるために照射するレーザ光に対する熱拡散層 1 の光吸収率は 、 半導体層 2の上記レーザ光に対する光吸収率よりも小さいことがより 好ましい。 上記レーザ光に対する熱拡散層 1 の光吸収率が、 半導体層 2 の光吸収率よりも大きい場合には、 照射されるレーザ光が効率よく半導 体層 2に吸収されないこととなり、 結晶化の効率が悪くなる場合がある また、 熱拡散層 1 の材料としては、 シリ コンまたはアルミ ニウムの窒 化物あるいは酸化物が好ましい。 このような化合物として、 より具体的 には、 窒化シリ コン、 窒化アルミニウム、 酸化アルミニウム等が挙げら れる。 熱拡散層 1 の厚さとしては、 半導体層 2の厚さを 1 0 0 %と した とき、 5 0 %〜 4 0 0 %の範囲内がより好ましい。 具体的には、 5 n m 〜 2 0 0 n mの範囲内の厚さが好適である。 熱拡散層 1の厚さが、 半導 体層 2の厚さの 5 0 %より も薄い場合には、 熱拡散の効果が小さくなり 、 後述する結晶化工程において、 半導体層 2の結晶成長の促進効果がな い場合がある。 一方、 熱拡散層 1の厚さが、 半導体層 2の厚さの 4 0 0 %より も厚い場合には、 熱拡散層 1 自体を加熱するためのエネルギーが 必要になり、 照射するレーザ光のエネルギーが余計に必要になる場合が める。
次に、 上記半導体素子の製造方法について説明する。
本実施の形態にかかる半導体素干の製造方法は、 ガラス基板 4上に半 導体層 2を形成する半導体層形成工程と、 ガラス基板 4より も熱伝導率 が高い熱拡散層 2を上記半導体層 2の表面に設ける熱拡散層形成工程と 、 上記熱拡散層 1 の上からレーザ光を照射して該半導体層 2を結晶化さ せる結晶化工程とを含む方法である。
上記半導体層形成工程では、 ガラス基板 4上に半導体層 2を形成する 。 本実施の形態では、 具体的には、 ガラス基板 4上に、 予め拡散防止層 3を形成しておき、 この拡散防止層 3の上に半導体層 2を形成すること となる。 すなわち、 ガラス基板 4の上に拡散防止層 3、 半導体層 2が順 に積層されること.となる。 上記半導体層 2を拡散防止層 3の上に形成す る方法と しては公知であり、 詳細な説明は省略する。
熱拡散層形成工程では、 半導体層 2 の表面に熱拡散層 1を形成する。 2
具体的には、 スパッタ、 真空蒸着、 熱 CVD、 プラズマ CVDなどの方法を用 いて形成すればよく、 また材料に応じて他の薄膜形成方法を用いること が可能である。 なお、 従来の半導体素子において、 半導体層と基板との 間に熱拡散層を設ける場合と同様の方法により、 本実施の形態にかかる 熱拡散層 1を半導体層 2の表面に形成してもよい。
そして、 半導体層 2の表面に熱拡散層 1を形成した後、 該熱拡散層 1 の上からレーザ光を照射することにより半導体層 2を結晶化させる （結 晶化工程） 。 具体的には、 表面に熱拡散層 1が形成されている半導体層
2に対して、 レーザァニール処理 （結晶化工程） を施す。
以下に、 レーザァニール処理のために用いる結晶化装置の構成につい て、 図 2を参照して説明する。 図 2は、 本実施の形態にかかる結晶化装 置の概略の構成を示す平面図である。 上記結晶化装置は、 図 2に示すよ うに、 レーザ光源 5、 照射パターンを形成したフォ トマスク 1 1、 対物 レンズ 9、 および、 ステージ 1 0を備えている。 また、 結晶化装置は、 必要に応じて、 ホモジナイザ、 エキスパンダ等の光学素子群 6、 および フィールドレンズ 8 を備えていても良い。
なお、 上記結晶化装置は、 半導体素子の所定の位置に、 所定の放射照 度の光を所定のパターンで照射できるものであればよく、 前述した構成 に限るものではない。
ステージ 1 0は、 半導体層 2が結晶化されていない状態の半導体素子 を載置するものである。 そして、 該ステージ 1 0は、 半導体素子を、 該 半導体素子が載置されている面方向に駆動させることが出来るようにな つている。
レーザ光源 （結晶化手段） 5 としては、 パルス照射を行うことができ 3
るものがより好ましく、 例えば、 エキシマレーザを用いることができる 。 レーザ光源 5 と してエキシマレーザを用いる場合、 該エキシマレーザ は、 出射するレーザ光の波長が紫外線領域にあり、 半導体層 2に非常に 吸収されやすいため好ましい。 また、 該エキシマレーザのパルス幅は 1 0〜数十 nsであり、 ほぼ瞬時に半導体層 2を溶融させることができる。 なお、 該レーザ光源 5によって溶解した半導体層 2は、 その後急速に冷 却され、 その過程で結晶化することとなる。
また、 レーザ光源 5 と して、 固体レーザを用いることも可能であ.る。 固体レーザとしては、 N d一 Y A G等の非線形光学結晶が、 フラ ッシュ ランプ、 または、 半導体素子レーザ等により照射されることにより励起 されて、 レーザ発振を行う ものである。 該固体レーザは、 エキシマレー ザに必要なハロゲンガスが不要で、 メ ンテナンスが楽になると言う利点 がある。 また、 フラッシュランプを用いる代わりに半導体素子レーザを 用いて励起する方法もあり、 この場合は半導体素子レーザの発振効率が 良いことと、 半導体素子レーザの発振波長を、 固体レーザの非線形光学 結晶の吸収帯に一致させることで、 高効率でレーザ発振が可能となる。 このため消費電力おょぴ装置の大きさを、 エキシマレーザゃフラッシュ ランプの固体レーザに比べて、 大幅に低減させることが可能である。 また、 固体レーザは非線形光学結晶を励起するこ とで、 1 . 0 6 μ πι 近辺の波長のレーザ光を得ることができる。 しかし、 1 . 0 6 μ m近辺 の波長のレーザ光を半導体層 2に照射した場合、 該波長のレーザ光は、 半導体層 2を構成しているァモルファスシリ コンの吸収係数が小ざいた め、 アモルファスシリ コンに光が吸収されにく く、 溶融が起こり難い。 このため、 この波長のレーザ光を非線形光学結晶によって可視光に変換 することが望ましい。
非線形光学結晶としては、 例えば、 N d—Y A G、 N d— V 0 4等を 用いることができる。 そして、 1 . 0 6 μ mの波長のレーザ光は、 例え ば、 上記例示の非線形光学結晶を通過することにより、 第 2高調波波長 と して約 5 3 2 n m近辺の可視光に変換されることとなる。 この約 5 3 2 n m近辺以下の波長であれば、 アモルファスシリ コンは吸収係数が大 きくなり、 レーザ光照射により、 半導体層 2の溶融が可能となる。 すな わち、 非晶質の （結晶化していない） 半導体層 2を結晶化するためには 、 結晶化手段に設けられたレーザ光源 5からは、 波長が 5 5 0 n m以下 のレーザ光が照射されることが好ましい。 そして、 特に、 レーザ光源 5 からは、 波長が 5 5 0 n m以下の可視光領域のレーザ光が照射されるこ とが好ましい。 なお、 レーザ光源 5から出射されるレーザ光の波長の詳 細については後述する。
レーザ光源 5から出射されたビーム (レーザ光) は、 エキスパンダに より適当なビームサイズに変換され、 ホモジナイザにより、 ビーム断面 内の放射照度の一様化が図られ、 フォ トマスク 1 1に照射される。 ここ でビームエキスパンダとは、 望遠系または縮小系を有する光学系であり 、 フォ トマスク 1 1上の照射領域の大きさを決めるものである。 ホモジ ナイザは、 レンズアレイまたはシリ ン ドリ カルレンズァレイにより構成 され、 ビームを分割して再合成することで、 マスク上の照射領域内での 放射照度の一様化を図るものである。
フォ トマスク 1 1は、 マスク基板上に遮光部と開口部とを有し、 開口 部は、 レーザ光源 5から出射された光を通過させるものである。 マスク 基板としては、 例えば、 石英、 ガラス等の材料が用いられ、 遮光部とし ては、 例えば、 クロム、 ニッケル、 アルミニウム等の金属薄膜、 または 、 誘電体多層積層膜による反射もしく は吸収膜を用いることができる。
フォ トマスク 1 1上に形成する開口部は、 幅が 1〜 1 0 O i mの範囲 内であるスリ ッ ト状の形状、 望ましく は幅が 3〜 5 0 μ mの範囲内であ るスリ ッ ト状の形状とし、 これを単数、 もしくは複数形成することが好 適である。 しかし、 フォ トマスク 1 1 の形状としては、 特に限定される ものではない。 .
対物レンズ 9は、 ホモジナイザを通過したレーザ光がフォ トマスク 1 1の開口部に照射されることによって形成されたの像を半導体素子の表 面に結像させるものである。 すなわち、 半導体素子上には開口部の像が 結像されることとなる。 具体的には、 レーザ光源 5から出射されたレー ザ光は、 熱拡散層 1 の上から半導体素子上の半導体層 2の一部に照明さ れ、 その他の部分は照明されない状態となる。 このとき、 上記レーザ光 は、 熱拡散層 1が設けられている半導体層 2の領域のみに照射すること が好適である。 これは、 ガラス基板 4全体に熱拡散層 1を構成し、 それ に開口部の像を結像することで達成できるが、 ガラス基板 4の一部に表 面熱拡散層 1 を設け、 その熱拡散層 1の領域のさらに一部分に開口像を 結像させて、 処理を行っても良い。
このとき、 半導体素子に像を結像させるときの光学倍率と しては、 等 倍から 1 / 1 0に設定することがより好ましい。 すなわち、 マスク上の 開口部の大きさが、 等倍像から 1 / 1 0の大きさに縮小されて結像され るように構成することがより好ましい。 対物レンズ 9の解像力は、 フォ トマスク 1 1上に設けられた開口部の像を半導体素子に結像する場合に
、 上記開口部の像が半導体素子上に形成される像として分解できる解像 6
力に設定する。 つまり、 通常は半導体素子上に結像される像、 すなわち ス リ ッ トの幅を分解できる解像力に設定する。 具体的には、 対物レンズ 9 の開口数を N A、 使用する波長を； L とすると、 解像力はおおむね； Iノ N Aで表される。 それゆえ、 上記開口部が略この値 （； L Z N A ) になる ように、 開口部の幅を設定するか、 あるいは、 解像力を開口部の幅に等 しくする、 または、 より小さな値にするように対物レンズの開口数を設 定する。
対物レンズ 9により半導体素子上の半導体層 2に開口部の像が結像さ れると、 つまり、 レーザ光源 5からのレーザ光が照射されると、 レーザ 光が照射された部分の半導体層 2は、 上記レーザ光のエネルギーを吸収 して溶融することとなる。 その後、 レーザ光の照射 (パルス照射) が終 了すると、 溶融している半導体層 2は、 融点以下になり、 急速に冷却さ れ結晶化することとなる。 このとき、 結晶化される半導体層 2は、 図 3 に示すように、 開口部の幅方向 D、 すなわち、 照射されたレーザ光の幅 方向に結晶 1 3が成長して柱状の結晶となる。 なお、 図 3は、 半導体層 2の結晶化の状態を示す正面図である。 また、 図 3に示すように、 半導 体層 2に形成された、 開口部の像以外の部分 1 2、 すなわち、 レーザ光 が照射されない部分は溶融が生じず、 アモルファス状態のままである。
このよ うな上記構成の結晶化装置を用いて、 半導体層 2の結晶化 （レ ーザァニール処理） を行う。 具体的には、 上述したように、 レーザ光源 5から照射されたレーザ光を半導体層 2 に向かって、 熱拡散層 1 の上か ら照射する。 これにより、 該熱拡散層 1を透過したレーザ光は、 半導体 層 2に照射されることとなる。 そして、 半導体層 2の レーザ光が照射さ れた部分は溶解することとなり、 レーザ光が照射されなくなると、 半導 7
体層 2の溶融している領域の温度が下がり、 溶融している半導体層 2は 結晶化することとなる。 この半導体層 2の結晶化について以下に詳述す る。
従来の半導体素子の場合、 すなわち、 基板と半導体層との間に拡散防 止層が形成された半導体素子の場合、 溶融している半導体層が結晶化す る際、 結晶の成長距離 Lは、 1〜1 . 5 μ m程度にとどまることとなる 。 具体的には、 基板上に結像される開口部の幅 D (半導体素子に照射さ れるレーザ光の幅） を、 例えば、 5 mに設定した場合、 溶融、 結晶化 の過程を通じて、 レーザ光の端部から結晶が成長することとなるが、 中 央部の残り 2〜 3 μ mは微結晶またはアモルファスとなってしまい、 開 口部全面を結晶化する事ができない。 この理由について以下に説明する 図 4は、 従来の構成における、 ガラス基板 1 6上に設けられた拡散防 止層 1 5上のアモルファスシリ コン膜 1 4にレーザ光を照射して融解さ せた後、 冷却して結晶化しつつある状態における該アモルファスシリ コ ン膜 1 4の温度分布を示したグラフである。 つまり、 図 4に示す構成で は、 熱拡散層が設けられていない。
レーザ光を照射してァモルファスシリ コン膜 1 4を溶解させたとき、 レ一ザ光の照射領域の中央には、 アモルファスシリ コン膜 1 4が融解し た状態の融解領域 1 8があり、 その周囲には、 すでに冷却し、 すでに結 晶化した結晶領域 1 9が存在することとなる。 このと き、 融解領域 1 8 と結晶領域 1 9 との境界付近、 すなわち現在、 結晶化しつつある領域 1 7の温度は高くなつている。 これは、 いったん溶融したアモルファスシ リ コン膜 1 4が結晶化するときに、 潜熱を放出するためである。 図 5は、 従来の構成における、 アモルファスシリ コン膜 1 4の冷却に 伴う温度分布の変化を示しているグラフである。 図 5において、 温度レ ベル 2 2は、 ァモルファスシリ コン膜 （シリ コン） 1 4の凝固点を示し ている。 融解したアモルファスシリ コン膜 1 4の温度が、 上記温度レべ ル 2 2を下回った場合に、 該ァモルファスシリ コン膜 1 4を構成してい るシリ コンが結晶化 （固化） するようになつている。
上記従来の構成では、 シリ コンが冷却されて温度が低下するに従い、 溶融領域の外縁部 2 1から中央部に向かって順に結晶化が進行すること になる。 そして、 この外縁部 2 1からの結晶化が進行すると同時に、 溶 融領域の中央部においてもシリ コンの温度が低下し、 結晶化が進行する こと となる。 このとき、 外縁部 2 1 と中央部との間には、 上記結晶化し つつある領域 1 7が存在することとなり、 この領域 1 7は、 上記温度レ ベル 2 2よりも高い温度になっている。 従って、 外縁部 2 1から中央部 に向かって順に結晶化するより先に、 中央部では、 温度レベル 2 2を下 回ることとなり結晶化が進行して、 微結晶またはアモルファスである結 晶粒 2 3が生成することとなる。 そして、 外縁部 2 1から中央部に向か つて結晶化した結晶 2 4は、 中央部で生じた結晶粒 2 3によつてその成 長が阻害される。 このために、 従来の構成では、 中央部まで結晶 2 4が 成長しない場合がある。
本実施の形態にかかる半導体素子の構成、 すなわち、 図 1に示すよう に、 ガラス基板 4上に拡散防止層 3、 半導体層 2、 熱拡散層 1が順に積 層された構成 （半導体層 2の表面に熱拡散層 1を設けた構成） とする場 合には、 結晶の成長距離 Lを従来と比べて、 2倍から 3倍に拡大するこ とができる。 すなわち、 1回のレーザ光を照射することにより半導体層 9
2を溶融させて結晶化する際の、 成長する結晶の長さを、 2〜4 /i m以 上とすることができる。 このため、 開口部の像の幅 （半導体素子に照射 するレーザ光の幅） Dを、 例えば、 従来の 2から 3倍以上に設定した場 合でも、 中央部が微結晶またはアモルファス となることを防止する、 ま たは、 中央部の微結晶またはアモルファスの幅を従来の構造と比して狭 くすることができる。 この理由について、 以下に説明する。
本実施の形態においては、 ガラス基板 4上に拡散防止層 3、 半導体層 (アモルファスシリ コン層） 2及び熱拡散層 1が順に積層されている構 成の未結晶化半導体素子に対してレーザ光を照射する。 従って、 図 6に 示すよ うに、 結晶領域 2 7と溶融領域 3 0 との境界領域の温度は特に高 くはならず、 中央部から外縁部に向かって緩やかに低下するような温度 分布 2 5になっている。 これは、 半導体層 2 の表面に設けた熱拡散層 1 のために、 該熱拡散層 1を通して横方向 （基板面方向） に熱.が流れやす くなり、 上記境界領域の温度が早く下がるためである。 すなわち、 半導 体層 2の表面に熱拡散層 1を設けることで、 横方向の熱の流れを促進す ることができ、 潜熱の放出に伴う従来のような突起のある温度分布を平 準化することができる。 なお、 図 6は、 本実施の形態にかかる未結晶化 半導体素子にレーザ光を照射した場合における溶融領域付近の温度分布 を示したグラフである。
このため、 図 7に示すように、 溶融領域の全体の温度が降下して行く ときに、 外縁部とともに中央部でも結晶化が生じるというような現象が 生じることがなく、 外縁部から中心部に向かってスムーズに結晶が成長 することとなる。 これにより、 外縁部から中央部にかけて、 従来と比べ て長い結晶を生成することができる。 なお、 図 7は、 本実施の形態の構 成における、 半導体層 2の冷却に伴う温度分布の変化を示しているダラ フである。
そして、 本実施の形態の場合、 開口部の像、 すなわち、 半導体素子に レーザ光を照射した部分が結晶化された後に、 該レーザ光の照射部分を 移動させて、 再度別の結晶化されていない部分、 または、 すでに結晶化 された部分に上記レーザ光を、 該レーザ光の一部が重なるように照射す ることで、 ガラス基板 4上の半導体層 2を、 より長く結晶化することが できる。 そして、 これを繰り返すことにより、 ガラス基板 4上に形成さ れた半導体層 2の一部もしくは全面を結晶化することができる。 つまり 、 結晶化した部分を含む状態でさらにレーザ光を照射する、 すなわち、 既に結晶化している領域の一部とレーザ光を重ね合わせて照射すること により、 既に結晶化させた結晶を種結晶として成長させることができる 。 具体的には、 このレーザ光の重ね合わせ量を、 幅方向に、 例えば、 結 晶の成長距離 Lの 1 Z 2程度に設定すると、 成長した結晶をつぎつぎと 引き継いで結晶化する事ができ、 ガラス基板 4の面内方向であって、 か つ開口部の幅方向に長い結晶を形成することが可能である。
従って、 本実施の形態のような結晶化半導体の製造方法を行うことに より、 1回のパルス照射によって形成される結晶化領域を、 従来の 2倍 以上の面積とすることができるので、 半導体層 2 の結晶化に要する時間 を半減させることができ、 低価格の半導体素子デバイスとすることがで きる。
また、 本実施の形態にかかる未結晶半導体素子を用いて半導体層 2を 結晶化させることにより、 従来より も短時間で結晶化の処理を行うこと ができる。 そして、 一度形成された結晶の一部を含むようにレーザ光を 照射することにより、 結晶の成長距離をより長くすることができる。 また、 例えば、 結晶の成長方向に （開口部の幅方向に） キャリアを流 すような構造の トランジスタを構成すると、 キヤリァが結晶の粒界に散 乱されることが少なく、 移動度が極めて高いトランジスタを得ることが できる。
なお、 本実施の形態の場合、 熱拡散層 1から、 垂直方向へ熱が逃げる 経路としては、 熱拡散層 1を通じて上方へ （つまり大気中へ） 逃げる経 路が考えられる。 しかし、 大気は気体であり、 大気の熱伝導率は、 固体 であるガラス基板 4に比べて、 極端に小さいので、 大気中に逃げる熱に 関して無視することができる。
また、 半導体層 2の表面の熱拡散層 1 を構成する材料としては、 上述 のように、 窒化アルミニウム、 窒化シリ コンなどの窒化物が好適に用い られる。 これは、 これら多くの窒化物は、 熱伝導性が大きく、 かつ耐熱 性があり、 また、 溶融に用いるレーザ光の波長においておおむね透明で あるという特質を有するからである。 また、 同様の理由において、 例え ば、 酸化アルミニウム等の熱伝導性が大きく、 かつ耐熱性があり、 また 、 溶融に用いるレーザ光の波長においておおむね透明であるという特質 を有する材料の多く も熱拡散層 1の材料として利用可能である。
熱拡散層 1を構成する材料のうち、 例えば、 窒化アルミニウム、 窒化 シリ コン、 .および、 酸化アルミ ニウムの熱伝導率はガラス基板 4の熱伝 導率の 5〜 1 0倍以上であり、 かつ窒化アルミニウム、 窒化シリ コン、 酸化アルミ二ゥムを熱拡散層 1 と して用いることにより、 結晶の成長距 離が長くなることが実験から確認されている。 このことから、 熱拡散層 1を構成する材料を、 ガラス基板 4より も高いものを選択することがよ り好ましく、 さらに好ましくは 5倍以上の熱伝導率に設定すれば、 結晶 成長を促進する効果を得ることができる。
また、 熱拡散層 1を構成する材料とレーザ光源 5の種類との組み合せ によっては、 上記熱拡散層 1が半導体素子に対して照射されたレーザ光 を無視できない程度に吸収する場合がある。 例えば、 レーザ光源 5 とし て紫外線領域の波長を有するエキシマレーザを用いた場合、 レーザ光源 '5から照射されたレーザ光が、 熱拡散層 1にある程度、 吸収される場合 がある。 この場合、 半導体層 2の表面にある熱拡散層 1により、 紫外線 領域のレーザ光が吸収されて、 その下部にある半導体層 2に十分に熱が 与えられない場合がある。 また、 熱拡散層 1によって多くの光が吸収さ れ熱となると、 熱拡散層 1の温度が上昇して、 該熱拡散層 1が損傷す ¾ 場合がある
従って、 熱拡散層 1 の光透過率は、 少なく とも、 その下の半導体層 2 の吸収率よ りも小さいことが好ましい。 つまり、 レーザ光源 5から照射 されるレーザ光に対する熱拡散層 1 の光吸収率が、 半導体層 2の光吸収 率よりも小さいことがよ り好ましい。 上記レーザ光に対する熱拡散層 1 の光吸収率を半導体層 2 の光吸収率より も小さくする方法としては、 例 えば、 ①レーザ光源 5から照射するレーザ光の波長を変更する、 ②照射 するレーザ光に対する光吸収率が、 半導体層の光吸収率よ り も小さい熱 拡散層を用いる等の方法が挙げられる。
例えば、 レーザ光源 5から照射されるレーザ光の波長が紫外線領域の 場合には、 熱拡散層 1を構成する材料の種類によっては、 該熱拡散層 1 が、 照射されるレーザ光のエネルギーを多くの割合で吸収する場合があ る。 このため、 熱拡散層 1 を構成する材料の種類によっては、 紫外線領域 のレーザ光に代えて、 可視光領域のレーザ光を用いる等の、 照射する光 の波長を変更することが好適である。 熱拡散層 1に対する透過率が高く (吸収率が低く） 、 かつ、 半導体層 2に対する吸収率の高い波長の光を 発するレーザ光源 5を用いれば、 レーザ光の多くが熱拡散膜 1を透過し て半導体層 2に吸収されることになるので、 半導体層 2に十分に熱を与 えることが出来る。 なお、 半導体層 2 と して、 例えば、 アモルファスシ リ コン、 または、 シリ コンを用いる場合には、 5 5 0 n mより もレーザ 光の波長が短いことが望ましい。 これは、 半導体層 2を構成する材料が シリ コン (ァモルファス状態を含む) である場合、 該シリ コンは、 波長 が 5 5 O n mより長いレーザ光を十分に吸収しないからである。 従って 、 半導体層 2を構成する材料が、 シリ コンを含有する場合には、 波長が 5 5 0 n m以下のレーザ光を照射することがより好ましい。
一方、 半導体層 2に照射するレーザ光の波長の下限値としては、 3 5 O n m以上であることがより好ましい。 熱拡散層 1を構成する材科のう ち、 多くの材料 （可視域で透明である材料を含む） では 3 5 0 n mより も小さい波長領域では、 照射するレーザ光に吸収が急激に増加するため 、 例えば、 2酸化シリ コン、 フッ化カルシウム等の限られた材料しか選 択することができない。 ところが、 3 5 0 n Hi以上の可視域においては 、 窒化シリ コ ン、 窒化アルミ、 酸化アルミ ニウム等、 透過率の高い物質 を選択することができる。 従って、 上記半導体層 2に照射するレーザ光 の波長領域としては、 3 5 0 !1 111以上 5 5 0 11 111以下の範囲内がょり好 ましい。
従って、 熱拡散層 1を設けたシリ コンを溶融するときに、 上記範囲内 の可視光を用いると、 シリ コンを効率的に溶融しながら、 熱拡散層 1で の吸収を抑えることが容易となるため、 特に好ましい。
上記範囲内の波長領域を有するレーザ光の光源 （レーザ光源 5 ) とし ては、 例えば、 上記固体レーザ等が挙げられる、 該固体レーザを用いて 可視光領域のレーザ光を照射することは容易であるため好適である。 な かでも特に、 N d— Y A G等の固体レーザの第 2高調波を用いると 5 3
2 n mの発振波長が得られるため好適である。
特に、 固体レーザを用いる場合には、 処理装置が小型、 軽量にでき.、 かつ装置のメンテナンス (維持) にガスが必要なく、 メ ンテナンスコス トを引き下げて製造装置の維持コス トを引き下げる装置を得ることが可 能である。 また、 その装置を用いると、 装置コス ト、 メ ンテナンスコス トが低いために、 従来より も格段にコス トを下げる製造方法とすること が可能である。
さらに、 本実施の形態にかかる結晶化半導体素子の製造方法において 、 半導体層 2 の表面に熱拡散層 1を設け、 レーザ光を照射することによ り結晶化を行った場合、 結晶化後に熱拡散層 1を除去してから （除去ェ 程） 、 後の工程を行っても良い。 熱拡散層 1を除去することにより、 後 の工程であるゲート部分の作製、 電極配線、 ドーピングなどの半導体装 置の形成が容易となる。 この場合、 半導体層 2の表面二形成された熱拡 散層 1を除去した後は、 半導体層 2、 拡散防止層 3、 ガラス基板 4 とい う構成となるため、 従来の半導体素子の構造と同じとなるので、 従来の 処理工程をそのまま用いることができる。 また、 拡散防止層 3について は、 従来の二酸化シリ コンを用いることが可能であるので、 これについ ても従来通りの工程で行うことが可能なので好都合である。 特に、 拡散 防止層 3はガラス基板 4からの不純物の拡散を防ぐという重要な機能を 有する層であり、 これは従来から用いられている材料そのまま用いられ れば、 工程の再検討が必要なく、 極めて好都合となる。 すなわち、 本実 施の形態にかかる半導体素子の製造方法の一形態は、 従来の半導体素子 の製造方法における半導体層 2を設ける工程とレーザァニール処理工程 との間に熱拡散膜を設ける工程を挿入し、 かつレーザァニール処理工程 と後の工程の間に熱拡散膜を除去する工程を挿入すれば良く、 従来の方 法に対して変更すべき箇所が少なく、 従来方法からの移行が容易である といえる。 なお、 上記熱拡散層 1 を除去する方法と しては、 例えば、 酸 素、 不活性ガス （H e， N e， A r， K r等） をプラズマ化してこれらの イオンをガラス基板 4上の熱拡散層 1に衝突させて、 そのエネルギーに より該熱拡散層 1 を除去する、 いわゆる ドライエッチング法を用いれば よい。
また、 本実施の形態の場合、 半導体層 2の表面に熱伝導率の高い熱拡 散層 1を設けているため、 それによる結晶成長距離の伸展を図ることが できる。 ところが、 表面の熱拡散層 1の熱伝導率が高いために、 熱のガ ラス基板 4への逃げが大きくなるため、 レーザァニールに必要な照射面 稂あたりのレーザ光のエネルギー量を若干増カロさせる必要がある場合が ある。 つまり、 1回のレーザ光のパルス照射によって発せられるレーザ 光のエネルギー量が、 従来と同一の場合には、 照射面積あたりのレーザ 光のエネルギー量を増加させるために、 エキスパンダ等により変換する ビームサイズを小さくする、 すなわち、 半導体素子に照射するレーザ光 の面積 （照射面積） を小さくする等の方法を用いることがより好ましい また、 本実施の形態にかかる結晶化半導体の製造方法は、 上記方法に 加えて、 ガラス基板 4 と半導体層 2 との間に基板より も熱伝導率が低い 低熱伝導率層を形成する低熱伝導率層形成工程を含むことがより好まし い。 具体的には、 結晶化半導体素子を製造するために、 図 8に示すよう な、 ガラス基板 4 と半導体層 2 との間に低熱伝導率層 2 0を形成した未 結晶化半導体素子を用いることがより好ましい。 より具体的には、 図 8 に示すように、 半導体層 2の下部に設けられている拡散防止層 3の下に 、 ガラス基板 4より も熱伝導率の低い材料を用いて低熱伝導率層 2 0を 構成することにより、 熱の損失を防止することが可能である。 低熱伝導 率層 2 0 と しては、 多孔質二酸化シリ コン、 有機材料膜などを用いるこ とが可能である。 低熱伝導率層 2 0を設けると、 ガラス基板 4への熱の 拡散を防止できるために熱の損失を防ぐことが可能となるとともに、 表 面の熱拡散層 1の効果により不均一な熱分布を防いで、 良好な成長を促 進することが可能である。 特に低熱伝導率層 2 0を設けることにより、 溶融している半導体層 2の急激な温度変化を防止することができる、 か つ、 生成する結晶をより一層大きくすることができる。 これにより、 不 均一な熱の分布を横方向 （基板方向） に拡散させることができるので、 溶融している半導体層 2の温度分布を、 より一層平準化することができ る。
また、 本実施の形態にかかる未結晶化半導体素子は、 ガラス基板 4上 に設けられ、 かつ、 非晶質状態または微結晶状態の半導体層 2の表面に 、 該ガラス基板 4より も熱伝導率が高い熱拡散層 1が形成されている構 成であってもよい。
上記の構成によれば、 半導体層 1の表面に熱拡散層 1が形成されてい る。 そして、 該熱拡散層 1は、 ガラス基板 4より も熱伝導率が高くなつ ている。 これにより、 半導体層 2を結晶化する際に、 溶融した半導体層 2を急激に冷却することがない。 つまり、 熱拡散層 1が半導体層 2の表 面に形成されていることにより、 半導体層 2の結晶化において、 生成す る結晶の大きさ （長さ） を従来と比べて大きくすることができる。 また. 、 本実施の形態にかかる未結.晶化半導体素子は、 さらに、 上記構成に加 えて、 半導体層 1 とガラス基板 4との間に、 別の熱拡散層が形成されて いてもよい。 このような構成とすることにより、 半導体層 2の表面に熱 拡散層 1を設けることで、 横方向の熱の流れを促進することができ、 潜 熱の放出に伴う従来のような突起のある温度分布を平準化することがで きるという効果をより一層向上させることができる。
また、 本実施の形態にかかる結晶化半導体素子の製造方法は、 ガラス 基板 4上に半導体層 2を設ける半導体層成工程と、 レーザ光を照射して 前記半導体層 2を結晶化させる結晶化工程とを実施する結晶化半導体素 子の製造方法であって、 ガラス基板 4より熱伝導度の高い熱拡散層 1を 前記半導体層 2上に設け、 結晶化工程において前記熱拡散層 1の上から レーザ光を照射する方法であってもよい。
また、 本実施の形態にかかる結晶化装置は、 ガラス基板 4上の半導体 層 2 とその上に形成された熱伝導度の高い熱拡散層 1 を有するガラス基 板 4にレーザ光を照射して、 前記半導体層 2を結晶化させる結晶化手段 を備える結晶化装置であって、 前記結晶化手段は前記熱拡散層 1 の上か らレーザ照射処理を行う構成であってもよい。
なお、 上記の説明では、 半導体層 2の表面に熱拡散層 1を形成してい る構成について説明しているが、 例えば、 熱拡散層 1 と半導体層 2 との 間に他の層が設けられていてもよい。
また、 本発明の結晶化半導体素子の製造方法では、 上記結晶化工程の 後に、 熱拡散層を除去する除去工程を行うことがより好ましい。
上記の構成によれば、 半導体層の表面に形成された熱拡散層を除去す ることにより、 従来と同様な半導体素子の構成、 かつ、 従来と比べて、 結晶粒径の大きな結晶化半導体素子とすることができる。 従って、 例え ば、 熱拡散層を除去することにより、 上記結晶化半導体素子を用いて様 々なデバイスを作製する場合でも、 従来と同等の工程を利用することが でき、 設備投資を押さえ、 製造コス トを低減することができる。
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、 上記レーザ光に対する熱拡 散層の光吸収率が、 半導体層の光吸収率より も小さいことがより好まし い。
上記の構成によれば、 照射するレーザ光に対する光吸収率が半導体層 よりも小さい熱拡散層を用いることで、 半導体層に照射されるレーザ光 のエネルギーの大部分を与えることができる。 つまり、 半導体層の溶融 をより好適に行うことができる。 これにより、 結晶化工程の効率を上げ ることができ、 製造時間の短縮を図って製造コス トの低減を行うことが 可能となる。
本発明の結晶化半導体素子の製造方法において、 上記結晶化工程では 、 波長が 5 5 0 n m以下のレーザ光を照射することがより好ましい。 上記の構成によれば、 結晶化工程で、 半導体層に対して、 5 5 0 n m 以下の波長のレーザ光を照射するようになっている。 そして、 より好ま しくは、 3 5 0 n m以上 5 5 O n m以下のレーザ光を照射するようにな つている。 上記波長のレーザ光を照射することにより、 熱拡散層でのレ 一ザ光の吸収を低減できるとともに、 半導体層におけるレーザ光の吸収 分を大きく取ることができる。 これにより、 半導体層の結晶化の効率を 高くできるので、 結晶化半導体素子の製造時間の短縮を図って製造コス トの低減を行うことが可能となる。
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、 さらに、 上記基板と半導体 層との間に、 基板より も熱伝導率が低い低熱伝導率層を形成する低熱伝 導率層形成工程を含むことがより好ましい。
上記の構成によれば、 基板と半導体層との間に低熱伝導率層を形成す るようになっている。 これにより、 レーザ光が半導体層に照射されるこ とにより与えられた熱が、 基板に流れることを防止することができる。 つまり、 溶解している半導体層の熱を逃げ難くすることができるので、 半導体層の冷却速度を従来より も遅くすることができる。 これにより、 結晶粒径が従来と比べてより一層大きい半導体層を有する結晶化半導体 素子を製造することが出来る。
本発明の結晶化装置において、 上記結晶化手段は、 照射するレーザ光 に対する上記熱拡散層の光吸収率が、 半導体層の光吸収率よりも小さく なるように、 該レーザ光の波長が設定されている構成がより好ましい。 上記の構成によれば、 熱拡散層でのレーザ光の吸収を低減できると同 時に半導体層でのレーザ光の吸収を大きく取るようにレーザ光を照射す ることができるので、 結晶化の効率を高くでき、 結晶化時間の短縮を図 つて製造コス トの低減を行う ことが可能となる。
尚、 発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実 施態様は、 あくまでも、 本発明の技術内容を明らかにするものであって、 そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、 本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、 いろいろと変更して 実施することができるものである。 産業上の利用の可能性
以上のように、 本発明によれば、 従来と比べて、 より結晶粒径が大 きい半導体層を有する結晶化半導体素子を製造することができる。 そ れゆえ、 この結晶化半導体素子に形成するデパイスの特性向上が図れ るとともに、 低コス トでデバイスを作製することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
基板上に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
上記半導体層に、 レーザ光を照射して該半導体層を結晶化させる結晶 化工程とを含む結晶化半導体素子の製造方法であって、
基板より も熱伝導率が高い熱拡散層を上記半導体層の表面に設ける熱 拡散層形成工程を含み、
上記結晶化工程では、 上記熱拡散層の上から半導体層に対してレーザ 光を照射することを特徴とする結晶化半導体素子の製造方法。
2 .
上記結晶化工程の後に、 熱拡散層を除去する除去工程を行うことを特 徴とする請求項 1記載の結晶化半導体素子の製造方法。
3 .
上記レーザ光に対する熱拡散層の光吸収率が、 半導体層の光吸収率よ り も小さいことを特徴とする請求項 2記載の結晶化半導体素子の製造方 法。
4 .
上記結晶化工程では、 波長が 5 5 0 n m以下のレーザ光を照射するこ とを特徴とする請求項 1記載の結晶化半導体素子の製造方法。
5
上記結晶化工程では、 波長が 3 5 0 n m以上のレーザ光を照射するこ とを特徴とする請求項 4記載の結晶化半導体素子の製造方法。
6 上記レーザ光は可視光であることを特徴とする請求項 5記載の結晶化 半導体素子の製造方法。
7 .
さらに、 上記基板と半導体層との間に、 基板より も熱伝導率が低い低 熱伝導率層を形成する低熱伝導率層形成工程を含むことを特徴とする請 求項 1記載の結晶化半導体素子の製造方法。
8 .
上記レーザ光に対する熱拡散層の光透過率は、 7 0 %以上であること を特徴とする請求項 1記载の結晶化半導体素子の製造方法。 '
9 .
上記熱拡散層は、 シリ コ ンまたはアルミェゥムの窒化物あるいは酸化 物であることを特徴とする請求項 1記載の結晶化半導体素子の製造方法
1 0 .
請求項 1〜 9のいずれか 1項に記載の製造方法によって製造されるこ とを特徴とする結晶化半導体素子。
1 1 .
基板上に設けられた半導体層の表面に形成された、 該基板より も熱伝 導率が高い熱拡散層を有する半導体素子に対して、 レーザ光を照射する ことにより該半導体層を結晶化させる結晶化手段を備えた半導体層の結 晶化装置であって、
上記結晶化手段には、 波長 5 5 0 n m以下のレーザ光を照射するレー ザ光源が設けられていることを特徴とする結晶化装置。 上記レーザ光源から出射されるレーザ光の波長は、 照射するレーザ光 に対する上記熱拡散層の光吸収率が、 半導体層の光吸収率より も小さく なるように設定されていることを特徴とする請求項 1 1記載の半導体層 の結晶化装置。
1 3 .
上記レーザ光源から出射されるレーザ光の波長は、 3 5 0 n m以上で あることを特徴とする請求項 1 1記載半導体層の結晶化装置。
1 .
上記レーザ光源は、 エキシマレーザであることを特徴とする請求項 1
1記載の半導体層の結晶化装置。
1 5 .
上記レーザ光源は、 固体レーザであることを特徴とする請求項 1 1記 载の半導体層の結晶化装置。
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