JP2004265897A - 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
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】 図１
【解決手段】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。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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びに半導体層の結晶化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）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。
【０００３】
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、表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
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イッ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。
【０００５】
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ＣＶＤ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。
【０００６】
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、６００℃以上の高温でアニールする高温アニール法等がある。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６００℃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っている。
【０００７】
レーザ光を用いた結晶化技術としては、例えば、非晶質（アモルファス）シリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃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２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ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、ア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っ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。これによって、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。
【０００８】
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。
【０００９】
具体的には例えば、特許文献１に結晶をより大きくするための技術が開示されている。
【００１０】
その中でも特に、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に記載の方法は、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って溶融させ、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、特許文献３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っている。
【００１４】
【特許文献１】
特表２０００−５０５２４１号公報（公表日；２０００年４月２５日）
【００１５】
【特許文献２】
特開２０００−６８５２０号公報（公開日；２０００年３月３日）
【００１６】
【特許文献３】
特開平６−２９６０２３号公報（公開日；１９９４年１０月２１日）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
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１μｍ〜２μｍ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１μｍ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ーザを、前回の照射によって生成した結晶にオーバーラップさせて照射する必要があり、結果的に０．５μｍ程度ずらせることになる。ところが、常に０．５μｍのずらせ量を得るためには、送り精度が０．１μｍ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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
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している。
【００２１】
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っている。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ことができる。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、半導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っ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バ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。
【００２２】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、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方法がより好ましい。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、上記結晶化工程では、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射する方法がより好ましい。
【００２７】
上記の構成によれば、結晶化工程で、半導体層に対して、５５０ｎｍ以下の波長のレーザ光を照射するようになっている。より好ましくは、３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射するようになっている。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。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。
【００２８】
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方法がより好ましい。
【００２９】
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。
【００３０】
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、上記製造方法によって製造されることを特徴としている。
【００３１】
上記の構成によれば、上記製造方法によって半導体層の結晶化を行っているので、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。
【００３２】
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って、上記結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射するようになっていることを特徴としている。
【００３３】
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５５０ｎｍ以下の波長のレーザ光を照射するようになっている。
【００３４】
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、該レーザ光によっ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。
【００３５】
また、波長が５５０ｎｍ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。
【００３６】
本発明の結晶化装置は、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。
【００３７】
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って製造コストの低減を行うことが可能となる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
〔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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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良い。拡散防止層３として二酸化シリコン膜を用いる場合、該二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、ＣＶＤ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、０．０５〜１μｍの範囲内が好適である。
【００４３】
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、ＣＶＤ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ｎｍ〜数百ｎｍの範囲内がより好ましく、３０〜１００ｎｍの膜厚（層厚）が特に好ましい。
【００４４】
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成すると、前記トランジスタの電子移動度は低くなってしまう。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。
【００４５】
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。
【００４６】
さらに、熱拡散層１は、後述するレーザアニール処理（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７０％以上であることがより好ましい。透過率が７０％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。
【００４７】
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。
【００４８】
また、熱拡散層１の材料としては、窒化シリコン、窒化アルミニウム等の窒化物、および、酸化アルミニウム等の酸化物等が適している。熱拡散層１の厚さとしては、半導体層２の厚さを１００％としたとき、５０％〜４００％の範囲内がより好ましい。具体的には、５ｎｍ〜２００ｎｍ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５０％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４００％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ある。
【００４９】
次に、上記半導体素子の製造方法について説明する。
【００５０】
本実施の形態にかかる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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。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。
【００５３】
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、レーザアニール処理（結晶化工程）を施す。
【００５４】
以下に、レーザア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１１、対物レンズ９、および、ステージ１０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。
【００５５】
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。
【００５６】
ステージ１０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１０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っている。
【００５７】
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、該エキシマレーザーは、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、該エキシマレーザーのパルス幅は１０〜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。
【００５８】
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、Ｎｄ−ＹＡＧ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、装置大きさがエキシマレーザやフラッシュランプの固体レーザに比べて、大幅な低減が可能である。
【００５９】
また、固体レーザは非線形光学結晶を励起することで１．０６μｍ近辺の波長のレーザ光を得ることができる。しかし、１．０６μｍ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を構成しているアモルファスシリコンの吸収係数が小さく、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、Ｎｄ−ＹＡＧ、Ｎｄ−ＶＯ４等を用いることができる。そして、１．０６μｍ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５３２ｎｍ近辺の可視光に変換されることとなる。この約５３２ｎｍ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、結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射することが好ましい。そして、特に、結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下の可視光領域のレーザ光を照射することが好ましい。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。
【００６０】
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１１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１１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ア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。
【００６１】
フォトマスク１１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。
【００６２】
フォトマスク１１上に形成する開口部は、幅が１〜１００μｍの範囲内であるスリット状の形状、望ましくは幅が３〜５０μｍ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１１の形状としては、特に限定されるものではない。
【００６３】
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１１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。
【００６４】
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１／１０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１／１０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１１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ＮＡ、使用する波長をλとすると、解像力はおおむねλ／ＮＡで表されるので、略この値になるように、開口部の幅を設定するか、解像力を開口部の幅に等しい、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。
【００６５】
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１３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１２、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。
【００６６】
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（レーザアニール処理）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。
【００６７】
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、１〜１．５μｍ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、５μｍ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２〜３μｍ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。
【００６８】
図４は、従来の構成における、ガラス基板１６上の拡散防止層１５上のアモルファスシリコン膜１４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１４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。
【００６９】
レーザ光を照射してアモルファスシリコン膜１４を溶解させたとき、レーザ光の照射領域の中央には、アモルファスシリコン膜１４が融解した状態の融解領域１８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１９が存在することとなる。このとき、融解領域１８と結晶領域１９との境界付近、すなわち現在、結晶化しつつある領域１７の温度は高くなっている。これは、いったん溶融したアモルファスシリコン膜１４が結晶化するときに、潜熱を放出するためである。
【００７０】
図５は、従来の構成における、アモルファスシリコン膜１４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２２は、アモルファスシリコン膜（シリコン）１４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１４の温度が、上記温度レベル２２を下回った場合に、該アモルファスシリコン膜１４を構成しているシリコンが結晶化（固化）するようになっている。
【００７１】
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２１から中央部に向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２１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２１と中央部との間には、上記結晶化しつつある領域１７が存在することとなり、この領域１７は、上記温度レベル２２よりも高い温度になっている。従って、外縁部２１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２２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２３が生成することとなる。そして、外縁部２１から中央部に向かって結晶化した結晶２４は、中央部で生じた結晶粒２３によってその成長を阻害される。このために、従来の構成では、中央部まで結晶２４が成長しない場合がある。
【００７２】
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、２〜４μｍ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倍以上に設定して場合でも、中央部が微結晶またはアモルファスとなることが無い、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。
【００７３】
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構成である。従って、図６に示すように、結晶領域２７と溶融領域３０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２５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。
【００７４】
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グラフである。
【００７５】
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１／２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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、キャリア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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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５〜１０倍以上であり、かつ窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウムを熱拡散層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。
【００８２】
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が損傷する場合がある
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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、５５０ｎｍ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（アモルファス状態を含む）である場合、該シリコンは、波長が５５０ｎｍ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５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射することがより好ましい。
【００８５】
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、３５０ｎｍ以上であることがより好ましい。熱拡散層１を構成する材料のうち、多くの材料（可視域で透明である材料を含む）では３５０ｎｍ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、３５０ｎｍ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、３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内がより好ましい。
【００８６】
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。
【００８７】
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、Ｎｄ−ＹＡＧ等の固体レーザの第２高調波を用いると５３２ｎｍの発振波長が得られるため好適である。
【００８８】
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。
【００８９】
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（除去工程）、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ア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、かつレーザア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（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ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。
【００９０】
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、レーザアニールに必要な照射面積あたりのレーザ光のエネルギー量を若干増加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。
【００９１】
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２０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２０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２０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２０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２０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。
【００９２】
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っている。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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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良い。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、以上のように、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構成である。
【００９７】
それゆえ、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っ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という効果を奏する。
【００９８】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、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方法とすることにより、従来と同様な半導体素子の構成、かつ、従来と比べて結晶の大きな結晶化半導体素子とすることができる。
【００９９】
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。
【０１００】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、上記結晶化工程では、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射する方法とすることにより、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。
【０１０１】
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方法とすることにより、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。
【０１０２】
本発明の結晶化半導体素子は、以上のように、上記製造方法によって製造される構成である。
【０１０３】
それゆえ、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という効果を奏する。
【０１０４】
本発明の結晶化装置は、以上のように、上記結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射するようになっている構成である。
【０１０５】
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という効果を奏する。また、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という効果を併せて奏する。
【０１０６】
本発明の結晶化装置は、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とすることにより、結晶化の効率を高くでき、結晶化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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】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】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】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】従来の半導体素子における、アモルファスシリコン膜１４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】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】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】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。
【符号の説明】
１ 熱拡散層
２ 半導体層
３ 拡散防止層
４ ガラス基板（基板）
５ レーザ光源
２０ 低熱伝導率層
【発明の属する技術分野】
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びに半導体層の結晶化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）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。
【０００３】
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、表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
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イッ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。
【０００５】
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ＣＶＤ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。
【０００６】
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、６００℃以上の高温でアニールする高温アニール法等がある。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６００℃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っている。
【０００７】
レーザ光を用いた結晶化技術としては、例えば、非晶質（アモルファス）シリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃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２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ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、ア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っ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。これによって、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。
【０００８】
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。
【０００９】
具体的には例えば、特許文献１に結晶をより大きくするための技術が開示されている。
【００１０】
その中でも特に、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に記載の方法は、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って溶融させ、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、特許文献３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っている。
【００１４】
【特許文献１】
特表２０００−５０５２４１号公報（公表日；２０００年４月２５日）
【００１５】
【特許文献２】
特開２０００−６８５２０号公報（公開日；２０００年３月３日）
【００１６】
【特許文献３】
特開平６−２９６０２３号公報（公開日；１９９４年１０月２１日）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
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１μｍ〜２μｍ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１μｍ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ーザを、前回の照射によって生成した結晶にオーバーラップさせて照射する必要があり、結果的に０．５μｍ程度ずらせることになる。ところが、常に０．５μｍのずらせ量を得るためには、送り精度が０．１μｍ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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
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している。
【００２１】
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っている。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ことができる。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、半導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っ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バ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。
【００２２】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、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方法がより好ましい。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、上記結晶化工程では、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射する方法がより好ましい。
【００２７】
上記の構成によれば、結晶化工程で、半導体層に対して、５５０ｎｍ以下の波長のレーザ光を照射するようになっている。より好ましくは、３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射するようになっている。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。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。
【００２８】
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方法がより好ましい。
【００２９】
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。
【００３０】
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、上記製造方法によって製造されることを特徴としている。
【００３１】
上記の構成によれば、上記製造方法によって半導体層の結晶化を行っているので、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。
【００３２】
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って、上記結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射するようになっていることを特徴としている。
【００３３】
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５５０ｎｍ以下の波長のレーザ光を照射するようになっている。
【００３４】
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、該レーザ光によっ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。
【００３５】
また、波長が５５０ｎｍ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。
【００３６】
本発明の結晶化装置は、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。
【００３７】
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って製造コストの低減を行うことが可能となる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
〔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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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良い。拡散防止層３として二酸化シリコン膜を用いる場合、該二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、ＣＶＤ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、０．０５〜１μｍの範囲内が好適である。
【００４３】
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、ＣＶＤ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ｎｍ〜数百ｎｍの範囲内がより好ましく、３０〜１００ｎｍの膜厚（層厚）が特に好ましい。
【００４４】
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成すると、前記トランジスタの電子移動度は低くなってしまう。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。
【００４５】
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。
【００４６】
さらに、熱拡散層１は、後述するレーザアニール処理（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７０％以上であることがより好ましい。透過率が７０％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。
【００４７】
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。
【００４８】
また、熱拡散層１の材料としては、窒化シリコン、窒化アルミニウム等の窒化物、および、酸化アルミニウム等の酸化物等が適している。熱拡散層１の厚さとしては、半導体層２の厚さを１００％としたとき、５０％〜４００％の範囲内がより好ましい。具体的には、５ｎｍ〜２００ｎｍ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５０％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４００％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ある。
【００４９】
次に、上記半導体素子の製造方法について説明する。
【００５０】
本実施の形態にかかる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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。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。
【００５３】
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、レーザアニール処理（結晶化工程）を施す。
【００５４】
以下に、レーザア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１１、対物レンズ９、および、ステージ１０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。
【００５５】
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。
【００５６】
ステージ１０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１０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っている。
【００５７】
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、該エキシマレーザーは、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、該エキシマレーザーのパルス幅は１０〜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。
【００５８】
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、Ｎｄ−ＹＡＧ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、装置大きさがエキシマレーザやフラッシュランプの固体レーザに比べて、大幅な低減が可能である。
【００５９】
また、固体レーザは非線形光学結晶を励起することで１．０６μｍ近辺の波長のレーザ光を得ることができる。しかし、１．０６μｍ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を構成しているアモルファスシリコンの吸収係数が小さく、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、Ｎｄ−ＹＡＧ、Ｎｄ−ＶＯ４等を用いることができる。そして、１．０６μｍ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５３２ｎｍ近辺の可視光に変換されることとなる。この約５３２ｎｍ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、結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射することが好ましい。そして、特に、結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下の可視光領域のレーザ光を照射することが好ましい。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。
【００６０】
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１１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１１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ア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。
【００６１】
フォトマスク１１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。
【００６２】
フォトマスク１１上に形成する開口部は、幅が１〜１００μｍの範囲内であるスリット状の形状、望ましくは幅が３〜５０μｍ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１１の形状としては、特に限定されるものではない。
【００６３】
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１１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。
【００６４】
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１／１０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１／１０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１１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ＮＡ、使用する波長をλとすると、解像力はおおむねλ／ＮＡで表されるので、略この値になるように、開口部の幅を設定するか、解像力を開口部の幅に等しい、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。
【００６５】
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１３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１２、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。
【００６６】
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（レーザアニール処理）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。
【００６７】
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、１〜１．５μｍ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、５μｍ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２〜３μｍ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。
【００６８】
図４は、従来の構成における、ガラス基板１６上の拡散防止層１５上のアモルファスシリコン膜１４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１４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。
【００６９】
レーザ光を照射してアモルファスシリコン膜１４を溶解させたとき、レーザ光の照射領域の中央には、アモルファスシリコン膜１４が融解した状態の融解領域１８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１９が存在することとなる。このとき、融解領域１８と結晶領域１９との境界付近、すなわち現在、結晶化しつつある領域１７の温度は高くなっている。これは、いったん溶融したアモルファスシリコン膜１４が結晶化するときに、潜熱を放出するためである。
【００７０】
図５は、従来の構成における、アモルファスシリコン膜１４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２２は、アモルファスシリコン膜（シリコン）１４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１４の温度が、上記温度レベル２２を下回った場合に、該アモルファスシリコン膜１４を構成しているシリコンが結晶化（固化）するようになっている。
【００７１】
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２１から中央部に向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２１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２１と中央部との間には、上記結晶化しつつある領域１７が存在することとなり、この領域１７は、上記温度レベル２２よりも高い温度になっている。従って、外縁部２１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２２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２３が生成することとなる。そして、外縁部２１から中央部に向かって結晶化した結晶２４は、中央部で生じた結晶粒２３によってその成長を阻害される。このために、従来の構成では、中央部まで結晶２４が成長しない場合がある。
【００７２】
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、２〜４μｍ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倍以上に設定して場合でも、中央部が微結晶またはアモルファスとなることが無い、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。
【００７３】
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構成である。従って、図６に示すように、結晶領域２７と溶融領域３０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２５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。
【００７４】
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グラフである。
【００７５】
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１／２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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、キャリア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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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５〜１０倍以上であり、かつ窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウムを熱拡散層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。
【００８２】
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が損傷する場合がある
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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、５５０ｎｍ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（アモルファス状態を含む）である場合、該シリコンは、波長が５５０ｎｍ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５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射することがより好ましい。
【００８５】
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、３５０ｎｍ以上であることがより好ましい。熱拡散層１を構成する材料のうち、多くの材料（可視域で透明である材料を含む）では３５０ｎｍ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、３５０ｎｍ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、３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内がより好ましい。
【００８６】
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。
【００８７】
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、Ｎｄ−ＹＡＧ等の固体レーザの第２高調波を用いると５３２ｎｍの発振波長が得られるため好適である。
【００８８】
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。
【００８９】
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（除去工程）、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ア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、かつレーザア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（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ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。
【００９０】
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、レーザアニールに必要な照射面積あたりのレーザ光のエネルギー量を若干増加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。
【００９１】
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２０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２０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２０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２０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２０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。
【００９２】
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っている。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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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良い。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、以上のように、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構成である。
【００９７】
それゆえ、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っ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という効果を奏する。
【００９８】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、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方法とすることにより、従来と同様な半導体素子の構成、かつ、従来と比べて結晶の大きな結晶化半導体素子とすることができる。
【００９９】
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。
【０１００】
本発明の結晶化半導体素子の製造方法は、上記結晶化工程では、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射する方法とすることにより、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。
【０１０１】
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方法とすることにより、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。
【０１０２】
本発明の結晶化半導体素子は、以上のように、上記製造方法によって製造される構成である。
【０１０３】
それゆえ、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という効果を奏する。
【０１０４】
本発明の結晶化装置は、以上のように、上記結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射するようになっている構成である。
【０１０５】
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という効果を奏する。また、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という効果を併せて奏する。
【０１０６】
本発明の結晶化装置は、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とすることにより、結晶化の効率を高くでき、結晶化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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】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】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】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】従来の半導体素子における、アモルファスシリコン膜１４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】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】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】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。
【符号の説明】
１ 熱拡散層
２ 半導体層
３ 拡散防止層
４ ガラス基板（基板）
５ レーザ光源
２０ 低熱伝導率層
Claims (8)
- 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。 - 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。
- 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。
- 上記結晶化工程では、波長が５５０ｎｍ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。
- 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。
- 請求項１〜５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。
- 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、
上記結晶化手段は、波長が５５０ｎｍ以下のレーザ光を照射するようになっていることを特徴とする結晶化装置。 - 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ことを特徴とする請求項７記載の半導体層の結晶化装置。
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