(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上に非晶質珪素膜を成膜し、
珪素の結晶化を助長する金属元素を前記非晶質珪素膜の表面に接して保持させ、
前記非晶質珪素膜に第１の加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜とし、
前記第１の結晶性珪素膜に５５０℃±３０℃で加熱をするとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第２の結晶性珪素膜とし、
前記第２の結晶性珪素膜に第２の加熱処理を施して第３の結晶性珪素膜とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
ガラス基板上に非晶質珪素膜を成膜し、
珪素の結晶化を助長する金属元素を前記非晶質珪素膜の表面に接して保持させ、
前記非晶質珪素膜に第１の加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜とし、
前記第１の結晶性珪素膜に５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第２の結晶性珪素膜とし、
前記ガラス基板を回転させた後、５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第３の結晶性珪素膜とし、
前記第３の結晶性珪素膜に第２の加熱処理を施して第４の結晶性珪素膜とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
ガラス基板上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、
マスクを形成して前記酸化珪素膜の一部を露呈させ、
珪素の結晶化を助長する金属元素を前記露呈させた酸化珪素膜の表面に接して保持させ、前記マスクを除去し、
前記非晶質珪素膜に第１の加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜とし、
前記第１の結晶性珪素膜に５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第２の結晶性珪素膜とし、
前記第２の結晶性珪素膜に第２の加熱処理を施して、第３の結晶性珪素膜とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
ガラス基板上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、
マスクを形成して前記酸化珪素膜の一部を露呈させ、
珪素の結晶化を助長する金属元素を前記露呈させた酸化珪素膜の表面に接して保持させ、前記マスクを除去し、
前記非晶質珪素膜に第１の加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜とし、
前記第１の結晶性珪素膜に５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第２の結晶性珪素膜とし、
前記ガラス基板を回転させた後、５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第３の結晶性珪素膜とし、
前記第３の結晶性珪素膜に第２の加熱処理を施して、第４の結晶性珪素膜とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
ガラス基板上に下地膜を成膜し、
前記下地膜上に非晶質珪素膜を成膜し、
珪素の結晶化を助長する金属元素を前記非晶質珪素膜の表面に接して保持させ、
前記非晶質珪素膜に第１の加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜とし、
前記第１の結晶性珪素膜に５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第２の結晶性珪素膜とし、
前記第２の結晶性珪素膜に第２の加熱処理を施して第３の結晶性珪素膜とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
ガラス基板上に下地膜を成膜し、
前記下地膜上に非晶質珪素膜を成膜し、
珪素の結晶化を助長する金属元素を前記非晶質珪素膜の表面に接して保持させ、
前記非晶質珪素膜に第１の加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜とし、
前記第１の結晶性珪素膜に５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第２の結晶性珪素膜とし、
前記ガラス基板を回転させた後、５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第３の結晶性珪素膜とし、
前記第３の結晶性珪素膜に第２の加熱処理を施して第４の結晶性珪素膜とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
ガラス基板上に下地膜を成膜し、
前記下地膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、
マスクを形成して前記酸化珪素膜の一部を露呈させ、
珪素の結晶化を助長する金属元素を前記露呈させた酸化珪素膜の表面に接して保持させ、前記マスクを除去し、
前記非晶質珪素膜に第１の加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜とし、
前記第１の結晶性珪素膜に５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第２の結晶性珪素膜とし、
前記第２の結晶性珪素膜に第２の加熱処理を施して、第３の結晶性珪素膜とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
ガラス基板上に下地膜を成膜し、
前記下地膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、
マスクを形成して前記酸化珪素膜の一部を露呈させ、
珪素の結晶化を助長する金属元素を前記露呈させた酸化珪素膜の表面に接して保持させ、前記マスクを除去し、
前記非晶質珪素膜に第１の加熱処理を施して第１の結晶性珪素膜とし、
前記第１の結晶性珪素膜に５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第２の結晶性珪素膜とし、
前記ガラス基板を回転させた後、５５０℃±３０℃で加熱するとともに、線状のレーザー光を走査しながら照射して第３の結晶性珪素膜とし、
前記第３の結晶性珪素膜に第２の加熱処理を施して、第４の結晶性珪素膜とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項９】
請求項１、３、５または７のいずれか一項において、前記第２の加熱処理は、前記第３の結晶性珪素膜の欠陥密度を前記第２の結晶性珪素膜の欠陥密度よりも減少させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項２、４、６または８のいずれか一項において、前記第２の加熱処理は、前記第４の結晶性珪素膜の欠陥密度を前記第３の結晶性珪素膜の欠陥密度よりも減少させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
請求項１、３、５または７のいずれか一項において、前記第２の加熱処理は、前記第３の結晶性珪素膜のスピン密度を前記第２の結晶性珪素膜のスピン密度よりも減少させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項２、４、６または８のいずれか一項において、前記第２の加熱処理は、前記第４の結晶性珪素膜のスピン密度を前記第３の結晶性珪素膜のスピン密度よりも減少させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、前記珪素の結晶化を助長する金属元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素が用いられることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１４】
請求項５乃至請求項８のいずれか一項において、前記非晶質珪素膜に接する前記下地膜は酸化珪素膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、レーザー光の照射によって半導体に対して各種アニールを施す技術、およびその装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
従来より、半導体に対してレーザー光を照射することによって、各種アニールを施す技術が知られている。例えば、プラズマＣＶＤ法によってガラス基板上に成膜された非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）に対してレーザー光を照射することによって結晶性珪素膜に変成する技術や、不純物イオン注入後のアニール技術等が知られている。このようなレーザー光を用いた各種アニール技術、およびレーザー光を照射する装置としては、本出願人による特開平６─５１２３８号公報に記載されている技術がある。
【０００３】
レーザー光による各種アニール処理は、下地の基板に対して熱的なダメージを与えないので、例えば基板としてガラス基板等の熱に弱い材料を用いた場合等に有用な技術となる。しかしながら、そのアニール効果を常に一定なものとすることが困難であるという問題がある。またレーザー光の照射による非晶質珪素膜の結晶化を行った場合、必要とする良好な結晶性を常に得ることが困難であり、安定してより結晶性の良好な結晶性珪素膜を得る技術が求められていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書で開示する発明は、下記に示す事項の少なくとも一つ以上を解決することを課題とする。
（１）レーザー光の照射による半導体へのアニール技術において常に一定の効果が得られるようにする。
（２）非晶質珪素膜へのレーザー光の照射によって得られる結晶性珪素膜の結晶性をより高くする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する主要な発明の一つは、
ガラス基板上に形成された珪素膜に対してレーザー光を照射する方法であって、
レーザー光を照射する際に４５５℃以上の温度で、かつガラス基板の歪点以下の温度で加熱を行うことを特徴とする。
【０００６】
上記構成において、ガラス基板上に形成された珪素膜としては、ガラス基板上に直接非晶質珪素膜や結晶性珪素膜が形成された状態、あるいはガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜や窒化珪素膜等の絶縁膜が形成された上に非晶質珪素膜や結晶性珪素膜が形成された状態を挙げることができる。
【０００７】
レーザー光を照射する際に４５５℃以上の温度で加熱するのは、レーザー光の照射によるアニール効果を高めるためである。珪素膜にレーザー光を照射するのは、珪素膜に対してエネルギーを与え、そのエネルギーによって、珪素膜を結晶化させたり、珪素膜の結晶性を向上させたり、珪素膜中に含まれる不純物の活性化を行うためである。この際、単にレーザー光を照射するのみではなく、加熱を併用することによって、レーザー光を照射することの効果を高くすることができる。
【０００８】
図８に示すのは、酸化珪素膜の下地膜が形成されたガラス基板上に形成された非晶質珪素膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を照射し、結晶化させた場合の、珪素膜のラマン強度（相対値）とレーザー光の照射エネルギー密度との関係を示したものである。ラマン強度（相対値）は、単結晶ウエハーのラマン強度との比率を示したものであり、その値が大きい程結晶性が優れていることを意味する。
【０００９】
図８を見ると、基板（試料）を加熱した状態でレーザー光を照射することによって、同じレーザー光の照射であっても、結晶性の高い珪素膜が得られることが分かる。
【００１０】
図９に示すのは、ラマンスペクトルの半値幅（相対値）と照射エネルギー密度との関係である。ラマンスペクトルの半値幅は、ラマン強度は半分の場所におけるラマンスペクトルの幅を単結晶ウエハーの場合と比較した比率である。この比率が小さい程、得られた珪素膜の結晶性が優れていることを意味する。
【００１１】
図９を見ても分かるように、レーザー光の照射と同時に加熱を行うことで、結晶性の優れた珪素膜が得られることが分かる。実験によれば、レーザー光と同時に行う加熱の温度は、少なくも４５５℃以上、好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは５５０℃以上とすることがよい。特に５００℃以上の加熱においてはその効果は顕著なものがある。
【００１２】
なお加熱の方法は、基板を保持するホルダーやステージ内に配置されたヒーターによって行う方法や、赤外線ランプ等でレーザー光が照射される被照射面を加熱する方法を挙げることができる。また加熱温度はレーザー光が照射される被照射面の温度を計測とするのが正しいが、若干の誤差を許容するならば、基板の温度で計測してもよい。
【００１３】
また上記レーザー光の照射と同時に行われる加熱は、ガラス基板の歪点以下の温度で行うことが望ましい。これは、加熱によって基板が湾曲したり、縮んだりすることを防ぐためである。例えば、一般にアクティブマトリクス型の液晶表示装置の基板として多用されるコーニング７０５９ガラス基板の歪点は５９３℃であり、この場合は、５９３℃以下の温度で加熱処理を行うことが望ましい。
【００１４】
また実験によれば、レーザー光を照射する際に５５０℃±３０℃の温度で基板を加熱することは効果があることが判明している。
【００１５】
またレーザー光が照射される前に、加熱処理により、予め珪素膜を結晶化させておくことは有効である。この場合、非晶質珪素膜に対して珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を導入し、しかる後に加熱処理を加えて結晶化をさせる方法が有効である。
【００１６】
このような金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類の元素を挙げることができる。特にＮｉ（ニッケル）を用いた場合には、５５０℃±３０℃の温度で４時間程度の加熱処理を行うことで結晶性珪素膜を得ることができる。
【００１７】
また、上記元素の導入方法は、非晶質珪素膜の表面に接して、スパッタ法や蒸着法あるいはＣＶＤ法によって、上記金属元素の層または上記金属元素を含む層を形成すればよい。また上記金属元素含んだ溶液を非晶質珪素膜の表面に塗布し、上記金属元素が非晶質珪素膜の表面に接して保持された状態とする方法を用いるのでもよい。
【００１８】
また、上記金属元素の導入量は、珪素膜中における金属元素の濃度が１×１０16ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3となるように導入することが必要である。これは、金属元素の濃度が１×１０16ｃｍ-3以下であると、その効果が得られず、また金属元素の濃度が５×１０19ｃｍ-3以上であると、得られる結晶性珪素膜の半導体としての電気的な特性が阻害されてしまう（金属としての電気特性が表れてしまう）からである。
【００１９】
本明細書で開示する他の発明は、
ガラス基板上に非晶質珪素膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜に対して第１の加熱処理を施し結晶化させる工程と、
該工程において結晶化された珪素膜に対してレーザー光を照射する工程と、
該工程においてレーザー光が照射された珪素膜に対して第２の加熱処理を施す工程と、
を有し、
前記第１および／または第２の加熱処理は５００℃以上であって、かつガラス基板の歪点以下の温度であって、
前記レーザー光の照射は、４５５℃以上であって、かつガラス基板の歪点以下の温度で加熱した状態で行われることを特徴とする。
【００２０】
上記構成は、ガラス基板上に形成された非晶質珪素膜を加熱処理によりまず結晶化させ、しかる後にレーザー光の照射によってさらにその結晶性を向上させ、さらに加熱処理を加えることにより、得られた珪素膜中の欠陥密度を減少させることを特徴とする。
【００２１】
図１０に示すのは、非晶質珪素膜に対してニッケル元素を導入し、さらに加熱処理を加えることによって結晶化させ、結晶性珪素膜を得た場合の膜中におけるスピン密度を調べた結果である。スピン密度は、膜中の欠陥密度を示す指標として理解することができる。
【００２２】
図１０において、Ｎｏ１、２、５は、ニッケル元素の導入後に加熱処理を行っただけの試料である。Ｎｏ３は、加熱処理の後にＬＣ（レーザー光の照射）を行った試料である。Ｎｏ４は、加熱処理の後にＬＣ（レーザー光の照射）を行い、さらに加熱処理を行った試料である。図１０を見れば明らかなように、レーザー光の照射後にさらに加熱処理を加えた試料（Ｎｏ４）のスピン密度が一番小さいことが分かる。
【００２３】
このように、レーザー光の照射の後に加熱処理を加えることは、膜中の欠陥密度を減少させるために極めて有効である。なおこのレーザー光の照射後に行われる加熱処理の温度は、５００℃以上とすることが有効である。またその温度の上限はガラス基板の歪点によって制限される。
【００２４】
本明細書で開示する他の発明は、
基板を搬送する手段を有した搬送室と、
基板を加熱する手段を有した第１及び第２の加熱室と、
レーザー光を照射する手段を有したレーザー処理室とを少なくとも含み、
前記第１及び第２の加熱室とレーザー処理室とは、前記搬送室を介して連結されており、
前記第１の加熱室は基板を所定の温度まで加熱し、
前記レーザー処理室は前記第１の加熱室で加熱された基板を加熱しつつレーザー光を照射し、
前記第２の加熱室は前記レーザー処理室においてレーザー光が照射された基板に対して加熱処理を加えることを特徴とする。
【００２５】
上記構成を有した装置の例を図１に示す。図１において、３０１が基板３１５を搬送する手段３１４（ロボットアーム）を有した搬送室である。また、３０５と３０２が基板を加熱する手段を有する加熱室である。また、３０４がレーザー光を照射する手段を有するレーザー処理室である。
【００２６】
他の発明の構成は、
レーザー光を照射する手段と、
基板を９０度回転させる手段と、
を少なくとも含んだレーザー処理装置であって、
レーザー光は線状を有していることを特徴とする。
【００２７】
上記構成を有した装置の例を図１に示す。図１に示す装置は、レーザー処理室３０４においてレーザー光を照射する手段（図３に示す３３１がレーザー光を発振する装置）を有し、また３０３で示される室で基板を９０度回転させる手段を有している。また、レーザー照射装置３３１からのレーザー光は図３の紙面手前側から向う側に向かって長手方向を有する線状を有している。
【００２８】
レーザー光の照射は、図３に示される基板が置かれるステージ３５３を３５４で示される方向に移動させることによって、線状のビームがその長手方向とは直角の方向に走査されるようにして行われる。図３においては、基板側を移動させることによって、相対的にレーザービームを走査する構成となっているが、勿論レーザービーム側を移動させるのでもよい。
【００２９】
ここで線状のレーザービームの走査方向を９０度異ならせて、少なくとも２回以上のレーザー光の照射を行うことで、レーザー光の照射による効果を被照射面全体で均一なものとすることができる。
【００３０】
そこで、１回目のレーザー光の照射の後に、３０３で示される室において基板を９０度回転させ、さらに２回目のレーザー光の照射を行うことで、レーザー光の照射による効果の均一性を高めることができる。勿論、この走査を複数回繰り返して行うのでもよい。
【００３１】
また、基板の回転を３０度として、３回に分けてレーザー光の照射を行うのでもよい。勿論さらにレーザー光の照射回数を多くしてもよい。この基板の角度の設定は、レーザー光の照射の均一性に鑑み任意に設定することができる。
【００３２】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例では、本明細書で開示する発明を実施する際に利用されるレーザー処理装置を示す。図１に本実施例に示すレーザー処理装置の上面図を示す。図２に図１のＡ−Ａ’で切った断面図を示す。図３に図１のＢ−Ｂ’で切った断面図を示す。
【００３３】
図１〜図３において、３０６で示されるのは、基板（試料）を搬入するための搬入室（ロード室）であり、レーザー光を照射する対象の珪素膜や作製工程途中の状態の薄膜トランジスタが形成された基板（試料）が多数枚カセット３３０に収納された状態で外部から搬入される。基板の搬入室３０６に基板を外部から出し入れする際には、基板を収納したカセット毎移動が行われる。
【００３４】
３０１で示されるのは、基板を装置内において搬送するための搬送室であり、３１５で示される基板を一枚づつ搬送するためのロボットアーム３１４を備えている。このロボットアームの先端部（基板を載せる部分）は、３６０度の円周方向、及ぶ上下方向に動かすことができる。また、このロボットアーム３１４は加熱手段を内蔵しており、基板３１５を搬送中においても基板の温度（試料の温度）を一定に保つ工夫がなされている。
【００３５】
また３００は基板の位置合わせ用のアライメント手段であり、ロボットアームと基板との位置合わせを正確に行うための機能を有する。即ち、ロボットアームと基板との位置関係が常に一定なものとなるようにする機能を有する。
【００３６】
３０５で示されるのは、加熱室であり、レーザー光が照射される前に基板を予め加熱しておく機能を有する。加熱室３０５には、図２に示すように３１５で示される基板が多数枚重ねられるようにして収納される。多数枚収納された基板３１５は加熱手段（抵抗加熱手段）３１７によって所定の温度に加熱される。基板３１５はリフト３１６上に収納されており、必要なときにリフト３１６を上下させ、搬送室３０１内のロボットアーム３１４によって、必要とする基板を一枚ずつ加熱室３０５に出し入れすることができる。
【００３７】
また３０４で示される室は、レーザー光を基板に対して照射するためのレーザー処理室である。この室では、レーザー照射装置３３１から照射されたレーザー光をミラー３３２で反射させて合成石英の窓３５２を介して、基板が置かれるステージ３５３上に配置された基板上に照射することができる。ステージ３５３は、基板を加熱する手段を備えており、また矢印３５４で示されるように１次元方向に移動する機能を有している。
【００３８】
レーザー照射装置３３１は、例えばＫｒＦエキシマレーザーを発振する機能を有し、幅数ミリ〜数センチ、長さ数十センチの線状ビームに成形されたレーザー光を基板（試料）に向かって照射する。
【００３９】
この線状のレーザービームは、３５４で示される移動方向と直角な方向に長手方向を有する。即ち、図３における紙面手前方向から紙面向こう方向に向かって長手方向を有する。そして、この線状のレーザー光を照射しつつ基板をステージ３５３毎３５４で示される方向に移動させることによって、基板全体にレーザー光を走査しつつ照射することができる。
【００４０】
３０３で示されるのは、基板を９０度の角度で回転させる機能を有する室である。この室に回転可能なステージが配置されており、基板はロボットアーム３１４によってこのステージ上に移送される。そしてこのステージが９０度回転し、その後にロボットアームによって基板が取り出されることによって、基板は９０度回転した状態でロボットアームに保持されることになる。
【００４１】
この３０３で示される室の役割は、基板に対するレーザー光の照射を均一なものとするためのものである。前述したように、基板（試料）に対して照射されるレーザー光は、そのレーザービームが線状のものであり、基板を１方向に移動させながら照射を行うことにより、基板全面に対してレーザー光を照射するものである。この場合、レーザー光が基板の一辺から向かい合う他方の辺に向かって走査されるようにして照射される。そこで、基板を９０度回転させて、同じようにしてレーザー光を照射することによって、丁度レーザー光の走査方向が直角に交叉する形となり、均一にレーザー光の照射による処理を施すことができる。
【００４２】
３０２で示される室は、３０５で示される室と同じ機能を有する加熱室である。３０５で示される加熱室は、レーザー処理室３０４においてレーザー光が照射される前に予め基板（試料）を加熱するためのものであった。これに対して、３０２で示される加熱室は、レーザー処理室３０４においてレーザー光が照射された後にさらに加熱処理を加えるための室である。
【００４３】
３０７で示される室は、処理が終了した基板を装置外に搬出するための搬出室（アンロード室）であり、搬入室３０６と同様にカセット３３０に基板が収納される構造を有している。また基板はカセットに多数枚が収納された状態で扉３５５から装置外部に取り出される。
【００４４】
以上説明した各室３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７、は密閉された構造（減圧状態に耐える真空チャンバーの構造）を有し、それぞれ独立した排気系を有している。そして、全て減圧状態とすることができる構成となっている。また、各室には必要とするガス（例えば窒素ガス）を供給する系を有している。さらに各室は、排気系を有しており、必要によって減圧状態、あるいは高真空状態とすることができる。図２には、３１８〜３１９で示される排気系が、図３には、３５６、３１８、３５７で示される排気系が示されている。これらの排気系には、真空排気ポンプ３２１〜３２３、３５８、３５９が示されている。
【００４５】
また各室は、ゲイトバルブ３１０〜３１３、３０８、３０９を備えており、各室の気密性を独立して高める構成となっている。
【００４６】
図１〜図３に示す装置の動作例を以下に示す。ここでは、歪点が５９３℃のコーニング７０５９ガラス基板（１０ｃｍ角）上に形成された非晶質珪素膜に対して、レーザー光を照射し、結晶化させる場合の例を示す。ここでは、レーザー光の照射によって、非晶質珪素膜を結晶化させる例を示すが、結晶化している珪素膜に対してさらにレーザー光を照射する場合や、不純物イオンが注入された珪素膜に対してアニール処理を施す場合（ソース／ドレイン領域の形成におけるアニール処理）においても以下に示す動作手順は利用できる。
【００４７】
以下に示す動作においては、図１に示す各室の雰囲気は常圧の窒素雰囲気とする。ここでは窒素雰囲気とする例を示すが、汚染を極力低くするには、各室を減圧雰囲気とすることが最も効果的である。
【００４８】
まずゲイトバルブや外部との扉は全て閉鎖した状態とする。そして、非晶質珪素膜が成膜されたガラス基板（以下基板という）を必要とする枚数でカセット（図示せず）に収納し、カセット毎搬入室３０６に搬入する。カセットの搬入後、搬入室の扉（図示せず）を閉める。そしてゲイトバルブ３１２を開け、ロボットアーム３１４によって、搬入室３０６内のカセットに収納された１枚の基板を搬送室３０１に取り出す。この際、アライメント３００においてロボットアーム３１４と基板３１５との位置関係を調整する。
【００４９】
搬送室３０１に取り出された基板３１５は、加熱室３０５に収納される。加熱室３０５は図３に示されるように、基板３１５を多数枚収めることができる構造となっている。基板を加熱室３０５に収納するには、まずゲイトバルブ３１１を開け、ロボットアーム３１４によって基板３１５を加熱室３０５に収納する。そしてゲイトバルブ３１１を閉鎖する。
【００５０】
加熱室３０５では、基板が５５０℃の温度に加熱される。この温度は、基板（ガラス基板）の歪点以下の温度することが重要である。これは、歪点以上の温度で加熱処理を行うと、ガラス基板の縮みや変形が無視できなくなるからである。
【００５１】
加熱室３０５において基板を所定の時間加熱した後、ロボットアーム３１４によって搬送室３０１に移送する。なお、各室の気密性と洗浄度を保つためにロボットアームによる基板の移送の際には、必ずゲイトバルブの開閉を行う。
【００５２】
加熱室３０５から取り出された基板はレーザー処理室３０４に移送される。そして、基板の表面に形成された非晶質珪素膜に対してレーザー光の照射が行われる。この際、ロボットアームには、加熱手段が設けられており、基板を５５０℃の温度に保ったまま加熱室３０５からレーザー処理室３０４に移送する。またレーザー処理室３０４においては、基板が置かれるステージ３５３内に加熱手段が配置されており、基板を５５０℃の温度に保った状態でレーザー光が照射される状態とする。
【００５３】
レーザー光の照射は、レーザー照射装置３３１（レーザー照射装置３３１内には、レーザービームを成形するための光学系も備えられている）から照射される線状のレーザービームをミラー３３２に反射させ、レーザー処理室３０４に設けられた石英窓３５２を通して行われる。
【００５４】
ここでは、ステージ３５３を３５４で示される方向に移動させることによって、被照射面（ガラス基板上に成膜された非晶質珪素膜）全体にレーザー光が照射されるようする。即ち、図３の紙面手前側から向う側に向かって長手方向を有する線状ビームを３５４で示される方向に相対的に走査させることによって、ステージ３５３上に配置された基板の表面全体にレーザー光が走査されて照射される状態とする。
【００５５】
レーザー光としては、例えばＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を用いることができる。またＸｅＣｌエキシマレーザーやその他エキシマレーザー、またその他コヒーレント光の照射手段を用いることができる。また、レーザー光の代わりに赤外線等の強光を照射する手段を利用してもよい。
【００５６】
レーザー光の照射が終了した後、ロボットアーム３１４によって基板をレーザー処理室３０４から一旦搬送室３０１に取り出す。この際、ゲイトバルブ３１０を最初開け、その後、ロボットアーム３１４によって基板を搬送室に取り出し、基板が搬送室に取り出された後にゲイトバルブ３１０を閉鎖するという動作が行われる。
【００５７】
そして、搬送室３０１に取り出された基板を基板回転室３０３に搬入する。基板回転室３０３では、基板を単に回転させるのみであるので、ゲイトバルブ３０９は開けっ放しの状態としてよい。基板回転室３０３では基板を９０度回転させる動作が行われる。
【００５８】
基板回転室３０３で基板を９０度回転させた後、再びロボットアーム３１４で基板を搬送室３０１に取り出す。そして再び、レーザー処理室３０４に基板を搬入する。この際、１回目に基板がレーザー処理室３０４に搬入された場合と９０度異なる角度で基板がステージ３０３上に配置される。
【００５９】
そして再びステージ３５３を３５４で示される方向に移動させながら線状のレーザー光を照射する。このレーザー光の照射は、走査方向が１回目の照射と９０度異なっており、結果として均一なレーザー光を照射することができる。このようにして、ガラス基板上に形成された均一に結晶化した結晶性珪素膜を得ることができる。
【００６０】
そして、基板を再びロボットアーム３１４で搬送室３０１に取り出し、次に加熱室３０２に移送する。加熱３０２では、５５０度の温度で加熱処理が加えられる。これは、レーザー光の照射によって結晶化された珪素膜中における欠陥密度を減少させる効果がある。
【００６１】
加熱室３０２での加熱処理が終了した基板は、ロボットアーム３１４によって搬送室３０１に移送させる。そして搬出室３０７内のカセット３３０に収納される。
【００６２】
以上の動作は連続的に行われる。そして、搬出室３０７の内のカセット３３０が一杯になったら、扉３５５を開け、カセット３３０毎装置の外部に取り出す。以上の動作で一連のレーザー照射工程が終了する。
【００６３】
〔実施例２〕
本実施例においては、本明細書で開示するレーザー処理方法を用いて薄膜トランジスタを作製する例を示す。図４に結晶性珪素膜を得るまでの工程を示す。まず（Ａ）に示すようにガラス基板４０１を用意し、その表面に下地膜として酸化珪素膜４０２を３０００Åの厚さにスパッタ法を用いて成膜する。ここでは、ガラス基板４０１としてコーニング７０５９ガラス基板を用いる。
【００６４】
次に非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）４０３をプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法によって５００Åの厚さに成膜する。そして酸化性雰囲気中でのＵＶ光の照射によって極薄い酸化膜４０４を成膜する。この酸化膜４０４は、後の溶液塗布工程において、溶液の濡れ性を改善するためのものである。この酸化膜４０４の厚さは数十Å程度とすればよい。（図４（Ａ））
【００６５】
次に非晶質珪素膜４０３の結晶化を助長する金属元素であるニッケル（Ｎｉ）の導入を行う。ここでは、ニッケル酢酸塩溶液を用いて、ニッケル元素を非晶質珪素膜４０３の表面に導入する。具体的には、まず、所定のニッケル濃度となるように調整したニッケル酢酸塩溶液を滴下し水膜４０５を形成する。そしてスピナー４００を用いてスピンドライを行い、非晶質珪素膜の表面にニッケル元素が接した状態を実現する。ニッケルの導入量は、ニッケル酢酸塩溶液中におけるニッケル元素の濃度を調整することによって制御される。（図４（Ａ））
【００６６】
次に加熱処理を施し、非晶質珪素膜４０３を結晶化させ、結晶性珪素膜４０６を得る。このときの加熱温度は、単に非晶質珪素膜４０３の結晶化を考えるだけなら４５０℃〜７５０℃程度の温度で行えばよい。しかし、ガラス基板の耐熱性の問題を考慮した場合、６００℃以下の温度で行うことが必要である。ここでは歪点５９３℃のコーニング７０５９ガラス基板を用いているので、この歪点以下の温度である５５０℃の温度で４時間加熱処理を行う。こうして、結晶性珪素膜４０６が得られる。（図４（Ｂ））
【００６７】
加熱処理により結晶性珪素膜４０６を得たら、図１〜図３に示すレーザー処理装置を用いてレーザー光を照射し、結晶性珪素膜４０６の結晶化をさらに助長させる。
【００６８】
即ち、５５０℃の温度に加熱した状態で珪素膜に対して（Ｃ）に示すようにレーザー光を照射し結晶性を助長させる。さらに（Ｄ）に示すように再び加熱処理を５５０℃の温度で２時間加えることによって結晶性珪素膜４０６中の欠陥を減少させる。詳細なレーザー光の照射工程の手順は、実施例１に示したものと同様である。
【００６９】
次に結晶性珪素膜の表面に残存した酸化膜４０４を取り除く。この酸化膜４０４中にはニッケルが高濃度に含まれているので、除去することが重要である。次に図５（Ａ）に示すように結晶性珪素膜４０６（図４（Ｄ）に示されている）をパターニングし、薄膜トランジスタの活性層６０１を形成する。（図５（Ａ））
【００７０】
次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜６０２をスパッタ法またはプラズマＣＶＤ法で１０００Åの厚さに成膜する。次にスカンジウムを0.18ｗｔ％含有したアルミニウム膜を６０００Åの厚さに蒸着法で形成する。そしてパターニングを施すことにより、ゲイト電極６０３を形成する。ゲイト電極６０３を形成したら電解溶液中においてゲイト電極６０３を陽極として陽極酸化を行い、アルミニウムの酸化物層６０４を形成する。この酸化物層の厚さは２５００Å程度とする。この酸化物層６０４の厚さで、後の不純物イオン注入工程において形成されるオフセットゲイト領域の長さが決定される。
【００７１】
さらに不純物イオン（ここではリンイオン）の注入をイオンドーピング法またはプラズマドーピング法によって活性層に注入する。この際、ゲイト電極６０３とその周囲の酸化物層６０４とがマスクとなって、６０５と６０９の領域に不純物イオンが注入されることとなる。こうしてソース領域６０５とドレイン領域６０９とが自己整合的に形成される。さらにチャネル形成領域６０７とオフセットゲイト領域６０６、６０８がやはり自己整合的に形成される。
【００７２】
そして、レーザー光の照射を行い、ソース領域６０５とドレイン領域６０９の再結晶化と注入された不純物の活性化を行う。このレーザー光の照射工程は、実施例１において示した動作手順に従い、図１〜図３に示す装置を用いて行う。但し、本実施例においては、ゲイト電極としてアルミニウムを用いているので、加熱温度を４６０℃とする。（図５（Ｂ））
【００７３】
レーザー光の照射によるアニールの終了後、層間絶縁膜として酸化珪素膜６１０をプラズマＣＶＤ法で７０００Åの厚さに成膜する。そして孔開け工程を経て、ソース電極６１１とドレイン電極６１２を適当な金属（例えばアルミニウム）やその他適当な導電材料を用いて形成する。最後に水素雰囲気中において、３５０℃の加熱処理を１時間施すことにより、図５（Ｃ）に示す薄膜トランジスタを完成させる。
【００７４】
〔実施例３〕
本実施例は、非晶質珪素膜の結晶化を助長する金属元素を非晶質珪素膜の表面の一部に選択的に導入することにより、結晶成長を基板に平行な方向に行わせ、この基板に平行な方向に結晶成長した珪素膜をさらにレーザー光の照射により結晶性を向上させ、さらに加熱処理を加えることにより、この結晶性の向上した領域中における欠陥を減少させ、そしてこの結晶性が高く欠陥密度の低い領域を用いて薄膜トランジスタを構成する例である。
【００７５】
図６に結晶性珪素膜を得るまでの工程を示す。まずコーニング７０５９ガラス基板６０１上に下地膜として酸化珪素膜６０２をスパッタ法により３０００Åの厚さに成膜する。さらに非晶質珪素膜６０３を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法で成膜する。そして酸化性雰囲気中においてＵＶ光の照射を行い、非晶質珪素膜６０３の表面に極薄い酸化膜６０４を形成する。そしてレジストを用いてレジストマスク８０１を形成する。レジストマスク８０１は、８０２で示される領域の非晶質珪素膜表面（酸化膜６０４が形成されている）を露呈させるように構成されている。８０２で示される領域は、図面の奥行き方向に長手方向を有する長方形（スリット形状）を有している。（図６（Ａ））
【００７６】
次ぎにニッケル酢酸塩溶液を塗布し、水膜６０５を形成した後、スピナー６０６を用いてスピンドライを行う。こうして、レジストマスク８０１によって部分的に露呈された非晶質珪素膜の表面の一部分８０２にニッケルが接して保持された状態が実現される。（図６（Ｂ））
【００７７】
次にレジストマスク８０１を取り除き、５５０℃、４時間の加熱処理を施す。この工程において、８０２の領域からニッケルが拡散し、それと同時に矢印８０３で示すように基板に平行な方向へと結晶成長が進行していく。この結晶化は、針状あるいは柱状あるいは枝状に結晶が進行していくことによって行われる。
この結晶化の結果、基板に平行な方向に１次元的あるいは２次元的に結晶成長した結晶性珪素膜を得ることができる。ここでは、８０２で示される領域が図面の奥行き方向に長手方向を有するスリット状を有しているので、結晶成長は、矢印８０３で示す方向にほぼ１次元的に進行していく。なおこの結晶成長は、５０〜２００μｍ程度行わすことができる。（図６（Ｃ））
【００７８】
加熱による結晶成長は、結晶成長が針状あるいは柱状あるいは枝状に進行するのであるが、その結晶成長した枝の間（隙間）には非晶質成分が残存していることがＴＥＭ（透過電子線顕微鏡）の写真観察から判明している。ここで、レーザー光の照射によるアニールを行うことにより、上記残存している非晶質成分を結晶化させ、さらに結晶性を向上させることができる。
【００７９】
このレーザー光の照射によるアニールは、実施例１に示した工程手順に従って行われる。当然レーザー光の照射の後に、５５０℃での加熱処理（２時間）が行われ。この加熱処理は、膜中の欠陥を低減させることに効果がある。こうして結晶性の助長された結晶性珪素膜６０７が得られる。（図６（Ｄ））
【００８０】
次に酸化膜６０４取り除く。そしてパターニングを施し、図７（Ａ）に示すように薄膜トランジスタの活性層７０１を得る。この時、活性層７０１内に、結晶成長の始点（８０２で示された領域）と結晶成長の終点とが存在しないようにすることが重要である。これは、結晶成長の始点と終点においては、導入された金属元素（この場合はニッケル）の濃度が高いので、この金属濃度の高い領域を避けて活性層を形成するためである。こうすることで、金属元素の影響によるデバイスの不安定性を避けることができる。（図７（Ａ））
【００８１】
次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜７０２をスパッタ法またはプラズマＣＶＤ法で１０００Åの厚さに成膜する。次にスカンジウムを0.18ｗｔ％含有したアルミニウム膜を６０００Åの厚さに電子ビーム蒸着法で形成する。そしてパターニングを施すことにより、ゲイト電極７０３を形成する。ゲイト電極７０３を形成したら電解溶液中においてゲイト電極７０３を陽極として陽極酸化を行い、アルミニウムの酸化物層７０４を形成する。この酸化物層の厚さは２５００Å程度とする。この酸化物層７０４の厚さで、後の不純物イオン注入工程において形成されるオフセットゲイト領域領域の長さが決定される。
【００８２】
さらに不純物イオン（ここではリンイオン）をイオンドーピング法またはプラズマドーピング法によって活性層に注入する。この際、ゲイト電極７０３とその周囲の酸化物層７０４とがマスクとなって、７０５と７０９の領域に不純物イオンが注入されることとなる。こうしてソース領域７０５とドレイン領域７０９とが自己整合的に形成される。さらにチャネル形成領域７０７とオフセットゲイト領域７０６、７０８がやはり自己整合的に形成される。（図７（Ｂ））
【００８３】
そして、図１〜図３に示すレーザー処理装置を用いてレーザー光の照射を行い、ソース領域７０５とドレイン領域７０９の再結晶化と注入された不純物の活性化を行う。
【００８４】
レーザー光の照射によるアニールの終了後、層間絶縁膜として酸化珪素膜７１０をプラズマＣＶＤ法で７０００Åの厚さに成膜する。そして孔開け工程を経て、ソース電極７１１とドレイン電極７１２を適当な金属（例えばアルミニウム）やその他適当な導電材料を用いて形成する。最後に水素雰囲気中において、３５０℃の加熱処理を１時間施すことにより、図７（Ｃ）に示す薄膜トランジスタを完成させる。
【００８５】
本実施例に示す薄膜トランジスタは、針状または柱状または枝状に１次元的に結晶成長した結晶の結晶成長方向に沿ってキャリアが移動することになるので、キャリアの移動に際して結晶粒界の影響を受けることが少なく、移動度の大きいものを得ることができる。さらにまた、特性の劣化や変動の無いものとすることができる。
【００８６】
〔実施例４〕
本実施例は、図１に示す装置の変形例を示す。図１１に本実施例の概略の構成を示す。図１１において、図１と符号が同じ箇所は実施例１で示した説明と同じ機能を有する。図１１に示す装置は、３０５で示す加熱室でまず基板を加熱し、しかる後にレーザー処理室３０４でレーザー光の照射による処理を行い、さらに３５１で示される加熱室で加熱処理を行い、レーザー光が照射された珪素膜中における欠陥を減少させる。
【００８７】
そして、加熱室３５１での加熱が終了した後、３５０で示される室で基板の徐冷を行う。徐冷の速度は、徐冷室３５０に導入される窒素ガスの導入量を調整することによって行う。徐冷室３５０で徐冷された基板は搬出室３０７に移送される。
【００８８】
本実施例で示すレーザー光の照射は、非晶質珪素膜の結晶化、加熱により結晶化した珪素膜に対するアニール（実施例２、実施例３でした場合に相当する）、不純物イオンが注入された珪素膜のアニールや活性化に利用することができる。
【００８９】
【発明の効果】
【図面の簡単な説明】
【図１】    レーザー処理装置の上面図。
【図２】    レーザー処理装置の断面図。
【図３】    レーザー処理装置の断面図。
【図４】    ガラス基板上に結晶性珪素膜を作製する工程を示す図。
【図５】    薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図６】    基板上に結晶性珪素膜を作製する工程を示す図。
【図７】    薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図８】    非晶質珪素膜に対して照射されたレーザー光の強度とレーザー光が照射された珪素膜が示すラマンスペクトルの強度（相対値）を示す図。
【図９】    非晶質珪素膜に対して照射されたレーザー光の強度とレーザー光が照射された珪素膜が示すラマンスペクトルの半値幅（相対値）を示す図。
【図１０】  結晶性珪素膜の作製条件と得られた結晶性珪素膜中のスピン密度との関係を示す図。
【図１１】  レーザー処理装置の上面図
【符号の説明】
３００・・・・・・・・・・・アライメント
３０１・・・・・・・・・・・搬送室
３０２・・・・・・・・・・・加熱室
３０３、３０５・・・・・・・基板を回転させる室
３０４・・・・・・・・・・・レーザー処理室
３０６・・・・・・・・・・・基板搬入室
３０７・・・・・・・・・・・基板搬出室
３０８〜３１３・・・・・・・ゲイトバルブ
３１４・・・・・・・・・・・ロボットアーム
３１５・・・・・・・・・・・基板
３１６・・・・・・・・・・・リフト
３１７・・・・・・・・・・・ヒータ
３１８〜３１９・・・・・・・排気系
３２１〜３２２・・・・・・・真空排気ポンプ
３５６、３５７・・・・・・・排気系
３５８、３５９・・・・・・・真空排気ポンプ
３３１・・・・・・・・・・・レーザー照射装置
３３２・・・・・・・・・・・ミラー
３５２・・・・・・・・・・・石英窓
３５５・・・・・・・・・・・扉
３３０・・・・・・・・・・・カセット
【図１】
0003683605.tif 000002
【図２】
0003683605.tif 000003
【図３】
0003683605.tif 000004
【図４】
0003683605.tif 000005
【図５】
0003683605.tif 000006
【図６】
0003683605.tif 000007
【図７】
0003683605.tif 000008
【図８】
0003683605.tif 000009
【図９】
0003683605.tif 000010
【図１０】
0003683605.tif 000011
【図１１】
0003683605.tif 000012