(57)【要約】【課題】  結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法において、半導体膜に対するレーザーアニールの効果を高める。【解決手段】  本発明に係る結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法は、意図的に非単結晶半導体膜の表面を水素にて終端させ、少なくとも酸素を含有する雰囲気において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することにより、前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする。これにより、結晶性、均質性が大幅に向上した結晶性半導体膜を用いて、薄膜トランジスタを作製することができる。【選択図】  図１
2007110147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法であって、
意図的に非単結晶半導体膜の表面を水素にて終端させ、少なくとも酸素を含有する雰囲気において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することにより、前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項２】
結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法であって、
意図的に非単結晶半導体膜の表面を水素にて終端させ、少なくとも酸素と水素を含有する雰囲気において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することにより、前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項３】
結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法であって、
非単結晶半導体膜上に又は前記非単結晶半導体膜中に触媒元素を導入し、前記非単結晶半導体膜に対して熱アニールを行い、意図的に前記非単結晶半導体膜の表面を水素にて終端させ、少なくとも酸素を含有する雰囲気において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することにより、前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、前記非単結晶半導体膜が形成される基板温度が−１０℃〜１００℃の範囲に保たれている状態で行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、雰囲気制御可能なレーザー照射室内で行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、被照射面における断面形状がスポット状又は線状のレーザービームを走査して行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一において、
前記非単結晶半導体膜の一点に対して、１０〜５０ショットのレーザービームを照射することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一において、
前記レーザービームのエネルギー密度は、１００〜５００ｍＪ／ｃｍ２であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、パルスレーザーを光源とするものであることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、エキシマレーザーを光源とするものであることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一において、
前記非単結晶半導体膜は、非晶質半導体膜又は結晶性半導体膜であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一において、
前記非単結晶半導体膜は、非単結晶珪素膜であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか一において、
前記結晶性半導体膜の結晶のグレインサイズの分布が、σ（標準偏差）で±２０％以内に収まっていることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一において、
前記結晶性半導体膜の表面の、ＡＦＭにより測定される平均粗さの面内バラツキが±４０％以内に収まっていることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１４に記載の薄膜トランジスタの作製方法を用いて作製された薄膜トランジスタを有するモノリシック型の液晶電気光学装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１４に記載の薄膜トランジスタの作製方法を用いて作製された薄膜トランジスタを有する液晶ディスプレイ。
【請求項１７】
非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、
意図的に前記非単結晶半導体膜の表面を水素にて終端させ、
少なくとも酸素を含有する雰囲気において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項１８】
非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、
意図的に前記非単結晶半導体膜の表面を水素にて終端させ、
少なくとも酸素と水素を含有する雰囲気において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項１９】
基板上に非単結晶半導体膜を形成し、
前記非単結晶半導体膜上に又は前記非単結晶半導体膜中に触媒元素を導入し、前記非単結晶半導体膜に対して熱アニールを行い、
意図的に前記非単結晶半導体膜の表面を水素にて終端させ、
少なくとも酸素を含有する雰囲気において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２０】
請求項１７乃至１９のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、前記非単結晶半導体膜が形成される基板温度が−１０℃〜１００℃の範囲に保たれている状態で行われることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２１】
請求項１７乃至２０のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、雰囲気制御可能なレーザー照射室内で行われることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２２】
請求項１７乃至２１のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、被照射面における断面形状がスポット状又は線状のレーザービームを走査して行われることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２３】
請求項１７乃至２２のいずれか一において、
前記非単結晶半導体膜の一点に対して、１０〜５０ショットのレーザービームを照射することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項２４】
請求項１７乃至２３のいずれか一において、
前記レーザービームのエネルギー密度は、１００〜５００ｍＪ／ｃｍ２であることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２５】
請求項１７乃至２４のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、パルスレーザーを光源とするものであることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２６】
請求項１７乃至２５のいずれか一において、
前記レーザービームの照射は、エキシマレーザーを光源とするものであることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２７】
請求項１７乃至２６のいずれか一において、
前記非単結晶半導体膜は、非晶質半導体膜又は結晶性半導体膜であることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２８】
請求項１７乃至２７のいずれか一において、
前記非単結晶半導体膜は、非単結晶珪素膜であることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項２９】
結晶のグレインサイズの分布が、σ（標準偏差）で±２０％以内に収まっている多結晶半導体膜を作製することを特徴とする請求項１７乃至２８のいずれか一に記載のレーザーアニール方法。
【請求項３０】
多結晶で構成される半導体膜表面の、ＡＦＭにより測定される平均粗さの面内バラツキが±４０％以内に収まっている多結晶半導体膜を作製することを特徴とする  請求項１７乃至２９のいずれか一に記載のレーザーアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質（アモルファス）珪素膜や結晶性シリコン膜に対し、レーザーアニールを施して、結晶化させる、あるいは結晶性を向上させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜（単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜）、すなわち、非単結晶珪素膜に対し、レーザーアニールを施して、結晶化させたり、結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。
【０００３】
ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作成できる利点を持っているからである。また、結晶化に好んでレーザーが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザーは基板の温度をあまり変えずに非単結晶膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。
【０００４】
レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有している。そしてこの結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する技術が研究されている。この技術を用いると、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置を得ることができる。結晶性珪素膜は多くの結晶粒からできているため、一般的には、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれれている。  
【０００５】
また、出力の大きい、エキシマレーザー等のパルスレーザービームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、数ミリ幅×数１０ｃｍの線状となるように光学系にて加工し、レーザービームを走査させて（レーザービームの照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて）、レーザーアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。
【０００６】
特に、線状レーザービームを用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザービームを用いた場合とは異なり、線方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザー照射を行うことができるため、高い量産性が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
パルスレーザービームを光源とする、スポット状、あるいは線状のレーザービームを走査させて、非単結晶珪素膜に対してレーザーアニールを施すに際し、いくつかの問題が生じている。
【０００８】
特に深刻な問題は、レーザー照射効果の基板面内での不均一であった。パルスレーザーの特徴として、大きなエネルギーが得られるのが最大の長所として挙げられるが、その一方でパルス一発ごとのエネルギーのバラツキが数％と大きいという欠点がある。この欠点により、例えば、アモルファスシリコン膜をエキシマレーザーで結晶化して液晶ディスプレイを作成した場合、レーザーのパルスのあとがそのまま映像に出てしまう不都合が生じた。
【０００９】
このような映像不良は、美しい映像が求められている今日、致命的な欠陥である。本発明はこの欠陥を目立たなくし、あるいは完全に消去する目的でなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するべく、本発明人はレーザー照射時の基板雰囲気に注目し、様々な雰囲気にてレーザー照射を行いその違いを調べた。
【００１１】
レーザー照射の対象は水素濃度が制御されたアモルファスシリコン膜とした。該膜の水素濃度は１０20原子／ｃｍ3 オーダー程度とした。レーザーにはエキシマレーザーを使用した。その結果を以下に示す。
【００１２】
窒素のような熱伝導性の低い気体雰囲気下でレーザー照射を行うと結晶化をさせるのにより高いエネルギーを要した。一方、水素、ヘリウムのような熱伝導性の高い気体雰囲気に基板をさらした状態でレーザー照射を行うと、比較的低いエネルギーで高い結晶性をもつ膜が得られた。なお、上記レーザー照射時の基板温度は２００℃から４００℃の範囲で変えている。温度が高ければレーザーエネルギーが比較的低く済んだが、均質性は悪くなった。
【００１３】
上記気体雰囲気下でのレーザー照射は、結晶化のための最適レー
ザーエネルギーが変動するに留まり、均質性を向上させるものではなかった。
ところが、上記雰囲気に酸素を混入または単独で使用すると状況は一変した。結晶化の為の最適エネルギーが著しく減少し、かつ、レーザー照射後の膜の均質性も向上した。
【００１４】
以上の実験から酸素は均質性の向上及び結晶化の為の最適レーザーエネルギーの低減に大変効果があることがわかった。図２はラマン半値半幅から見た基板の結晶性を雰囲気とレーザーエネルギーを変えて調べたものである。ラマン半値半幅は値が低いほど結晶性がよいので、酸素混入の効果がよくわかる。また、上記実験より温度の低い方がより均質性が向上するということがわかった。
【００１５】
酸素は、基板温度を室温まで下げてのレーザー結晶化に特に有効であった。酸素を含まない気体雰囲気下、室温では、結晶化に多大なレーザーエネルギーを必要とし著しく生産性をおとしめた。また、２００℃以下の温度領域においても、温度が低い方が均質性がより良くなった。このデータを図４に示す。
【００１６】
図４の見方は以下の通りである。図４は、雰囲気を大気とし、基板温度を、室温、２００℃、４００℃とした場合のレーザーエネルギーによる膜荒れの状態を AFM  により評価したものである。基板温度が低くなるにつれ結晶化に必要なレーザーエネルギーは高くなるので、基板温度が室温、２００℃、４００℃いずれの膜も同程度の結晶性を得られるようにレーザーエネルギーを変えている。よって、基板温度が低いものほど高いエネルギーでレーザーを照射している。
【００１７】
本データから、基板温度が高いほど、レーザーエネルギーの変動による膜表面の平均粗さの変化が大きいことが読みとれる。よって、レーザーエネルギーの変動の激しいレーザー（例えばパルスレーザーのごときもの）を膜の結晶化に使用する場合、基板温度が低いほど膜表面の平均粗さの面内バラツキが減少した。膜表面の粗さは膜の結晶性と相関があり、粗さが均質であれば、結晶性も均質となった。
【００１８】
図７に、その様子がわかる写真を用意した。レーザー照射により膜面があれると、膜は明るくなる。その明るさの程度と膜の荒れの程度とは相関しており、明るさの程度が同じであれば、膜面の荒れの程度も同じである。図７のA 、B 、C は、線状にビームを加工したエキシマレーザーによりアモルファスシリコン膜をレーザーアニールしたものの表面の写真である。線状レーザーは写真上方から下方へ走査させながら膜に打たれている。
【００１９】
結晶化の為の最適エネルギーを探すため、レーザーエネルギーは基板の上（紙面に対して上。）ほど高くしている。（５ｍＪ/ ｃｍ２ずつ変化させている。）膜に見られる縦縞はレーザービームを線状に加工するレンズ群（図８参照。）による光干渉縞である。これが目立たないほど結晶の均質性がよい。
【００２０】
図７A は、珪素膜表面をＨＦ、Ｈ2 Ｏ2 とを含有する水溶液にて洗浄し、該膜表面を水素で積極的に終端した状態で、大気雰囲気、基板温度４００℃にてレーザー処理を施したものである。レーザーエネルギーは、２５５〜３１０ｍＪ/ ｃｍ２の範囲で振っている。（５ｍＪ/ ｃｍ2 ずつ変化させている。）
【００２１】
図７Ｂは、図７A と同じ膜表面状態で、大気雰囲気、室温にてレーザー処理を施したものである。レーザーエネルギーは、３１５〜３７０ｍＪ/ ｃｍ２の範囲で振っている。（５ｍＪ/ ｃｍ2 ずつ変化させている。）
【００２２】
図７Ｃは、珪素膜表面に極薄い自然酸化膜がついた状態、つまり、珪素膜表面を特に加工せずに、大気雰囲気、室温にてレーザー処理を施したものである。レーザーエネルギーは、３００〜３５５ｍＪ/ ｃｍ２の範囲で振っている。（５ｍＪ/ ｃｍ2 ずつ変化させている。）
【００２３】
写真A 、B 、C で、レーザーエネルギーの範囲が異なるのは、膜面の状態により結晶化の為の最適エネルギーが変わるからである。
【００２４】
写真A 、B 、C を比較すると、最も膜表面の明るさを均質にするレーザーエネルギー領域を有しているのは写真B である（即ち、膜質のムラが少ない。）。
【００２５】
写真B の上から６番目の領域がそうである。写真B の膜は、膜表面を水素で積極的に終端した状態で、大気、室温にてレーザー照射している。
【００２６】
本実験は、レーザー結晶化の均質性の向上には酸素を含む雰囲気が有効であり、さらに該雰囲気下で珪素膜表面を積極的に水素で終端すると効果が上がり、基板温度は、室温から４００℃の温度範囲で選べば、室温が最適であるという結果を出した。
【００２７】
酸素は熱伝導率が気体の中でも比較的悪く、窒素の熱伝導率とほとんどかわらない。しかしながら、これほどの違いをもたらすのはなぜか。何らかの化学変化が起きているのでは、と本発明人は考え、以下の仮説をたてた。
【００２８】
レーザーでの結晶化の前のシリコン膜表面は一般的に水素で終端されている。その為、酸素を含む雰囲気中（大気中でもよい）で、レーザー結晶化を行うと、レーザーエネルギーにより酸素がシリコン表面の水素と反応して水分子が形成される。
【００２９】
形成された水分子は、気体、液体または気体と液体の共存した状態で、薄い層状に基板表面に分布し、レーザー結晶化時の基板からの熱の拡散スピードを抑制する断熱層の役割を果たしている。基板を加熱してレーザー結晶化を行う場合は、水分子層が形成されても、すぐに拡散してしまうため水分子層の断熱効果が起きにくい。水分子層は発生しては消えまた発生することをレーザー照射とともに繰り返している。
【００３０】
以上の仮説が正しいと仮定して、本発明人は、レーザー結晶化の際、意図的に水分子層をシリコン膜直上に設け、レーザー照射を行なった。水分子層の形成方法は以下のようにした。
【００３１】
第一の方法。シリコン表面を意図的に水素で終端することを積極的に行う。
例えば、レーザー結晶化を施す前に、ＨＦ水溶液や、ＨＦ、Ｈ2 Ｏ2 とを含有する水溶液にて非単結晶珪素膜上面を洗浄してやると、シリコン膜表面の水素による終端率が著しく増加する。上記仮説が正しければ、シリコン表面の水素の増加により、レーザー照射の際の水分子の生成量が増加し、保温効果が上がるはずである。もちろん、この場合、酸素を含む雰囲気中でレーザー照射する。本方法の効果は図７で、実証済である。
【００３２】
第二の方法。窒素パージに水分を添加して、パージしながらレーザー結晶化を行う。具体的には、窒素ガスの一部もしくはすべてを水のバブリングに通してから、レーザー照射室に送り込んでやるとよい。本方法で均質性向上の効果が確認できれば、水分子層の保温効果が確認できたことになる。
【００３３】
第三の方法。窒素パージに酸素と水素を添加して、パージしながらレーザー結晶化を行う。水素の量は安全性を考え、０. １％から１０％程度までとした。本方法はレーザーエネルギーで気体の酸素と水素とを合成し水分子を得ようとするものである。
【００３４】
上記第二、第三の方法はいずれも、第一の方法と同様又はそれ以上の効果があった。よって、水分子の層を半導体膜直前に設けることは結晶の均質性の向上に効果的であることがわかった。
【００３５】
上記レーザー結晶化のレーザーとして線状にレーザービームを加工しもちいた場合、上記パージガスでエアナイフ状のガス流（以下エアナイフと記載する。）を形成し、今まさにレーザーが当たっている部分にあてながら、レーザー照射を行うとより水分子が多く供給され効果が向上した。エアナイフはレーザー照射部分に直接当てなくても、エアナイフのエアが、レーザーが膜に当たっている部分の上に十分供給されるようにさえしてやれば、同様の効果があった。しかし、
第二、第三の方法に於いては、添加する水分の量あるいは酸素と水素の量が多すぎると逆効果をもたらした。
【００３６】
一般に、水はエキシマレーザーのごとき短波長の光はある深さ以上は通さないので、上記水分子層の水分子がある密度を越えた集団を形成した場合に、著しくレーザー照射の効果が低減することが予想される。上記逆効果は、この現象をよく説明できる。
【００３７】
上記方法は、いずれの方法も結晶性の基板面内均質性を著しく向上させ、レーザーのパルス跡がほとんど目立たなくなった。本方法の特に優れた点は、結晶のグレインサイズが２０００Å〜３０００Åのあたりで揃ったことにあった。前記結晶のグレインサイズの大きさのバラツキはσ（標準偏差）で±２０％以内と小さかった。その様子が見て取れる写真を図９に示す。
【００３８】
図９A は、水素終端をアモルファスシリコン膜表面に意図的に施した基板を、室温（ＲＴ）大気中にて、レーザー照射した該シリコン膜表面のSEM 写真（走査型電子顕微鏡写真）である。
【００３９】
図９B は、基板温度を４００℃としたことを除いて、図９A と同一条件でレーザー照射した膜表面のSEM 写真である。基板温度が４００℃と高い状態でレーザー照射された膜は、グレインサイズがμｍオーダーの大きいものから、数百Åと微少なものまで広い範囲の分布を持った。その一方、基板温度が室温でレーザー照射された膜は、グレインサイズが２０００Å〜３０００Åの比較的狭い範囲でピークを持つ分布を持った。このことは、レーザー照射により形成される水分子の層の発散しにくい条件でレーザー結晶化を行う方が、グレインサイズが揃うことを示唆している。
【００４０】
また、レーザー照射により生じる半導体膜表面の凹凸の高さのバラツキが従来と比較し少なくなった。このことは、図４より見て取れる。パルスレーザーのエネルギーは、エキシマレーザーで±５％振れることが知られているが、図４で実際に照射されているエネルギー密度の５％はほぼ１０〜２０ｍＪ/ ｃｍ２に相当し、１０〜２０ｍＪ/ ｃｍ２の幅で該エネルギー密度が変動した場合、平均粗さは基板温度４００℃で±７０％以上も振れるのに対し、基板温度室温では±４０％以下に収まっている。これらの数値は、基板の凹凸を統計処理し算出したσの値とほぼ一致している。
【００４１】
本明細書で開示する発明は、上記の実験結果から得られたものである。
本発明の第一は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、レーザー光の照射面側に気体又は液体の熱の保温層を造りつつ、レーザービームを照射することを特徴とする。
【００４２】
上記保温層は、上記非単結晶半導体膜を保温することにより、該非単結晶半導体膜の結晶化を助長させるものである。上記保温層は、水又は水蒸気からなるものであると効果が大である。なぜなら、水は流体のなかで最も熱容量が大きい物質の１つだからである。上記保温層は、非単結晶半導体膜の結晶化を助長させる、水又は水蒸気からなるものであることが望ましい。
【００４３】
本発明の第二は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、少なくとも半導体膜表面内外近傍に酸素と水素とを分布させた状態でレーザー光を照射し、前記酸素と水素とを該レーザー光により反応せしめて水を半導体膜結晶化と同時に形成することを特徴とする。
【００４４】
本発明の第三は、非単結晶半導体膜に対して線状に加工されたレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、レーザー光の照射面側に気体又は液体の熱の保温層を造りつつ、レーザービームを照射することを特徴とする。
【００４５】
上記保温層は、上記非単結晶半導体膜を保温することにより、該非単結晶半導体膜の結晶化を助長させるものである。
【００４６】
上記保温層は、水又は水蒸気からなるものであると効果が大である。なぜなら、水は流体のなかで最も熱容量が大きい物質の１つだからである。上記保温層は、非単結晶半導体膜の結晶化を助長させる、水又は水蒸気からなるものであることが望ましい。
【００４７】
本発明の第四は、  非単結晶半導体膜に対して線状に加工されたレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、少なくとも半導体膜表面内外近傍に酸素と水素とを分布させた状態でレーザー光を照射し、前記酸素と水素とを該レーザー光により反応せしめて水を半導体膜結晶化と同時に形成することを特徴とする。
【００４８】
本発明の一〜四に使用されるレーザーは、パルスレーザーが効果的であった。本発明の一〜四に使用されるレーザーは、パルスレーザーの中で特に大出力をもつエキシマレーザーが効果的であった。
【００４９】
本発明の第五は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、意図的に、該非単結晶半導体膜表面を水素にて終端させた状態にし、  少なくとも酸素を含有する雰囲気とし、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービーム
を照射することを特徴とする。
【００５０】
本発明の第六は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、雰囲気制御の可能なレーザー照射室内を、少なくとも水分子を含有する雰囲気とし、前記レーザー照射室内において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することを特徴とする。
【００５１】
本発明の第七は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、雰囲気制御の可能なレーザー照射室内を、少なくとも酸素と水素を含有する雰囲気とした状態で、  前記レーザー照射室内において、前記非単結晶半導体膜に対してレーザー光を照射し、前記酸素と水素とを該レーザー光により反応せしめて水を半導体膜結晶化と同時に形成することを特徴とする。
【００５２】
前述の非単結晶半導体膜は、レーザー光照射前に、意図的に該非単結晶半導体膜表面を水素にて終端させた状態にすると、よりレーザー結晶化が膜面内で均質に行われた。これは、より膜面近傍での水合成が行われたためで、保温効果が促進された結果である。
【００５３】
本発明の第八は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、水分子で構成された層を該非単結晶半導体膜表面上から該表面の極近傍までの範囲に形成しつつ、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービーム
を照射することを特徴とする。
【００５４】
本発明の第九は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、水分子で構成された層を該非単結晶半導体膜表面上から該表面の極近傍までの範囲に形成した状態で、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービーム
を照射することを特徴とする。
【００５５】
上記いずれのレーザーアニールも、基板温度−１０℃〜１００℃の範囲に保たれている状態で行われると、より膜の結晶性の均質化が進んだ。
【００５６】
本発明の第十は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、水分子を含んだガスを前記非単結晶半導体膜に吹き付けつつ、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することを特徴とする。
【００５７】
本発明の第十一は、非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、酸素と水素とを含んだガスを前記非単結晶半導体膜に吹き付けつつ、前記非単結晶半導体膜に対してレーザービームを照射することを特徴とする。
【００５８】
本発明十または十一において、レーザーアニールは、基板温度−１０℃〜１００℃の範囲に保たれている状態で行われると、より膜の結晶性の均質化を進んだものとすることができる。
【００５９】
本発明十または十一においてレーザーアニールは、雰囲気制御可能なレーザー照射室内で行われると汚染防止に効果があった。特に本発明十一においては、水素を使用するので、安全のためにはレーザー照射室が必要である。
【００６０】
本発明の五〜十一のいずれも、レーザービームの照射は、被照射面における断面形状が、スポット状または線状のレーザービームを走査して行われるとよかった。本発明の五〜十一に使用されるレーザーは、パルスレーザーが効果的であった。本発明の五〜十一に使用されるレーザーは、パルスレーザーの中で特に大出力をもつエキシマレーザーが効果的であった。
【００６１】
本発明の十二は、非単結晶半導体膜に対して線状に加工されたレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、水分子を含んだガスでエアナイフ状のガス流を形成し、前記非単結晶半導体膜に該エアナイフ状のガス流を吹き付けつつ、前記非単結晶半導体膜の該エアナイフ状のガス流吹き付け部分に対してレーザービームを照射することを特徴とする。
【００６２】
本発明の十三は、非単結晶半導体膜に対して線状に加工されたレーザービームを照射してレーザーアニールを行うに際し、酸素と水素とを含んだガスでエアナイフ状のガス流を形成し、前記非単結晶半導体膜に該エアナイフ状のガス流を吹き付けつつ、前記非単結晶半導体膜の該エアナイフ状のガス流吹き付け部分に対してレーザービームを照射することを特徴とする。
【００６３】
本発明十二、十三において、エアナイフ状のガス流を形成する理由は、該エアナイフの断面が線状レーザービームのビーム型とにているので、レーザー照射部分に効率よくガスを供給できるからである。本発明十二、十三において、レーザーアニールは、基板温度−１０℃〜１００℃の範囲に保たれている状態で行われると、より膜の結晶性の均質化が進んだ。
【００６４】
本発明十二、十三において、レーザーアニールは、雰囲気制御可能なレーザー照射室内で行われると、汚染防止に効果があった。特に本発明十三においては、水素を使用するので、安全のためにはレーザー照射室が必要である。
【００６５】
本発明の十二、十三に使用されるレーザーは、パルスレーザーが効果的であった。本発明の十二、十三に使用されるレーザーは、パルスレーザーの中で特に大出力をもつエキシマレーザーが効果的であった。
【００６６】
本発明の一〜十三に使用される非単結晶半導体膜は、非単結晶珪素膜が適当であった。
【００６７】
本発明の十四は、雰囲気制御可能なレーザー照射室内において、非単結晶半導体膜にレーザーアニールを施すレーザーアニール装置であって、前記レーザー照射室内へ、少なくとも水分子を含むガスを供給する手段を有することを特徴とする。
【００６８】
本発明の十五は、雰囲気制御可能なレーザー照射室内において、非単結晶半導体膜にレーザーアニールを施すレーザーアニール装置であって、前記レーザー照射室内へ、少なくとも水素と酸素とを含むガスを供給する手段を有することを特徴とする。
【００６９】
本発明の十六は、非単結晶半導体膜にレーザーアニールを施すレーザーアニール装置であって、少なくとも水分子を含むガスを、該レーザーアニール装置の形成するレーザービームが該非単結晶半導体膜に照射されている部分に、供給する手段を有することを特徴とする。
【００７０】
本発明の十七は、非単結晶半導体膜にレーザーアニールを施すレーザーアニール装置であって、少なくとも水素と酸素を含むガスを、該レーザーアニール装置の形成するレーザービームが該非単結晶半導体膜に照射されている部分に、供給する手段を有することを特徴とする。
【００７１】
本発明の十八は、非単結晶半導体膜にレーザーアニールを施すための線状に加工されたレーザービームを形成するレーザーアニール装置であって、少なくとも水分子を含むガスでエアナイフ状のガス流を形成する手段と、該レーザーアニール装置の形成するレーザービームが該非単結晶半導体膜に照射されている部分に、前記エアナイフ状のガス流を形成しているガスを供給する手段と、を有することを特徴とする。
【００７２】
本発明の十九は、非単結晶半導体膜にレーザーアニールを施すための線状に加工されたレーザービームを形成するレーザーアニール装置であって、少なくとも水素と酸素とを含むガスでエアナイフ状のガス流を形成する手段と、該レーザーアニール装置の形成するレーザービームが該非単結晶半導体膜に照射されている部分に、前記エアナイフ状のガス流を形成しているガスを供給する手段と、を有することを特徴とする。
【００７３】
本発明の十四〜十九のレーザーは、パルスレーザーが適当であった。本発明の十八、十九のレーザーは、パルスレーザーの中で特に大出力をもつエキシマレーザーが適当であった。本発明の十四〜十九に使用される非単結晶半導体膜は、非単結晶珪素膜が適当であった。
【００７４】
上記いずれかの発明において、記載のガスのその他の成分はコスト、反応性の低さ等を鑑みて、窒素ガスが適当であった。  
【発明の効果】
【００７５】
本発明により、従来のあらゆるレーザーアニール技術と比較して、結晶性、均質性が大幅に向上し、さらにまたエネルギー利用効率を大きく向上させることができる。
（作用）
本発明は、非単結晶半導体膜にレーザーアニールを施して、結晶化また結晶性を向上させるに際し、水分子の層を該非単結晶半導体膜とレーザービームとの間に形成するものである。前記水分子層が保温層として該非単結晶半導体膜に作用し、結晶性の膜面内での均質性を著しく向上させる。
【００７６】
前述のように、水分子層の効果は水分子の密度によって大きく変わる。液体の水は短波長の光をある深さ以上通さないからである。エキシマレーザーは紫外光であるから短波長である。
【実施例１】
【００７７】
実施例の作製工程で、まず、レーザー照射される膜の作成方法を示す。レーザー照射される膜は、本明細書中で３種類である。いずれの膜に対しても、本発明は効果的である。
【００７８】
まず、３種類いずれの膜も、基板として、１２７ｍｍ角のコーニング１７３７上に、下地膜としての酸化珪素膜が２０００Å、その上に非晶質珪素膜が、５００Å、共にプラズマＣＶＤ法にて、連続的に成膜される。該膜を今後、出発膜と呼ぶ。
【００７９】
膜Ａの作成手順。まず、出発膜を、４５０℃の熱浴に１時間さらす。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザーエネルギーに対して耐えきれないので本工程をいれた。
【００８０】
該膜内の水素の密度は１０の２０乗atoms/cm3 オーダーが適当であった。この膜を非単結晶珪素膜Ａと呼ぶ。  
【００８１】
膜Ｂの作成手順。まず、１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、出発膜上に塗布され、酢酸ニッケル層が形成される。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。酢酸ニッケル層は、極めて薄いので、膜状となっているとは限らないが、以後の工程において問題はない。
【００８２】
次に、上記のようにして各膜が積層された基板に、６００℃で４時間の
熱アニールが施され、非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜B が形成される。
【００８３】
このとき、触媒元素であるニッケルが結晶成長の核の役割を果たし、結晶化を促進させる。６００℃、４時間という低温、短時間で結晶化を行うことができるのは、ニッケルの機能による。詳細については、特開平６−２４４１０４号に記載されている。
【００８４】
触媒元素の濃度は、１×１０15〜１０19原子／ｃｍ3 であると好ましい。１×１０19原子／ｃｍ3 以上の高濃度では、結晶性珪素膜に金属的性質が現れ、半導体としての特性が消滅する。
【００８５】
本実施例において、結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度は、膜中のおける最小値で、１×１０17〜５×１０18原子／ｃｍ3 である。これらの値は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により分析、測定したものである。
【００８６】
膜C の作成手順。まず、出発膜の上からさらに酸化珪素膜を７００Å成膜する。成膜方法はプラズマＣＶＤ法を用いた。次に該酸化珪素膜の一部をフォトリソパターニング工程によって完全に開孔する。さらに、該開孔部に薄い酸化膜を形成するために酸素雰囲気中でUV光を５分間照射する。この薄い酸化膜は、後に導入するニッケル水溶液に対する上記開孔部の濡れ性改善のために形成されるものである。
【００８７】
１００ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、該膜上に塗布され、酢酸ニッケルが上記開孔部分に入る。酢酸ニッケル水溶液には、界
面活性剤を添加するとより好ましい。
【００８８】
次に、６００℃で８時間の熱アニールが施され、ニッケル導入部分から横方向に結晶が成長してゆく。このとき、ニッケルが果たす役割は膜Ｂと同様のものである。今回の条件では横成長量として４０μｍ程度が得られた。このようにして非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜C が形成される。その後、結晶性珪素膜上の酸化珪素膜をバッファーフッ酸を用い剥離除去する。
【００８９】
このようにして得られる非単結晶珪素膜A 、B 、C を結晶化させる、あるいは、結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【００９０】
図１に、実施例におけるレーザー照射室を示す。図１は、レーザー照射室の側断面図である。
【００９１】
図３に、実施例におけるレーザーアニール装置の上面図を示す。ここでは、図３に示すマルチチャンバー型のレーザーアニール装置を用いる。図３におけるＡ−Ａ’断面を示す図が図１に相当する。
【００９２】
図１において、レーザー照射室１０１は、レーザー発振装置１０２から照射され、光学系１１２により断面形状が線状に加工されたパルスレーザービームをミラー１０３で反射させ、シリンドリカルレンズ１１６にて集光されつつ、石英で構成された窓１０４を介して被処理基板１０５に照射される機能を有している。光学系１１２、ミラー１０３、及びシリンドリカルレンズ１１６は図８に示す。
【００９３】
図８のような光学系を用いるのは、線状ビーム面内のエネルギー分布の均質性が大変良いからである。エネルギーのバラツキは±５％以内であった。本発明で使用する線状レーザービームはすべて図８記載の光学系にて線状に加工されている。図８と異なる光学系にて線状レーザービームを加工してもよいが、該エネルギー分布の均質性は図８記載のものに準じていなければならない。図８のようなタイプのレンズ群の役割を以下に記述する。
【００９４】
シリンドリカルレンズ群８０１、８０３はビームを縦横に分割する役割を果たしている。該分割された光束をシリンドリカルレンズ８０２、８０４が１領域、本発明では線状の形を成す領域に集める役割を果たしている。本実施例では、元のビームを横に５分割、縦に７分割しているので３５分割されたビームを一つにすることにより、ビームのエネルギー分布を平均化している。ビームの縦横の長さの比はレンズ群の構造上自在に変えられるので、本光学系により、正方形状から線状に到るまであらゆるビームを形成できる。ただし、レンズの大きさ、焦点距離の組合せにより、造りやすいビーム形状は制限される。
【００９５】
石英窓１０４は、ヒーター１１５内蔵の治具１１３によって固定されている。該ヒーター１１５は石英窓１０４の曇り止めのためについている。これは、レーザー照射室１０１がレーザー照射時、加湿状態になるからである。石英窓のO リング１１４にはバイトンを使用した。バイトンの耐熱温度は１５０℃程度であり、本発明には十分であるが、さらに高い耐熱温度が要求される場合、カルレツを用いると２５０℃程度まで耐える。上記曇り止めにはドライ窒素を石英窓１０４に吹き付けてもよかった。
【００９６】
レーザー発振装置１０２は、ここでは、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を発振するものを用いる。他に、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を用いてもよい。
【００９７】
被処理基板１０５は、台１０６上に設けられたステージ１１１上に配置される。台１０６内にはヒーターが内蔵されており、ステージ１１１上の基板温度を所定の温度に保つ。そして、台１０６は、移動機構１０７によって、線状レーザービームの線方向に対して直角方向に移動され、被処理基板１０５上面に対しレーザービームを走査しながら照射することを可能とする。
【００９８】
雰囲気制御が可能なレーザー照射室１０１は、減圧、排気手段として、真空排気ポンプ１０８を有する。また、気体供給手段として、本実施例では、バルブを介して窒素ボンベに接続された、気体供給管１０９と、バルブを介してレーザー処理室内の湿度調節を行うための気体供給管１１０を有する。１１０から供給される気体は湿度調節された窒素が適当であった。
【００９９】
レーザー照射室１０１は、ゲイトバルブ３０１を介して、基板搬送室３０２に連結されている。
【０１００】
図３において、図１のレーザー照射室１０１がゲイトバルブ３０１を介して基板搬送室３０２に連結されている。
【０１０１】
図３に示す装置の説明をする。ロード／アンロード室３０６に、被処理基板１０５が多数枚、例えば２０枚収納されたカセット３０４が配置される。ロボットアーム３０５により、カセット３０４から一枚の基板がアライメント室に移動される。
【０１０２】
アライメント室３０３には、被処理基板１０５とロボットアーム３０５との位置関係を修正するための、アライメント機構が配置されている。アライメント室３０３は、ロード／アンロード室３０６とゲイトバルブ３０７を介して接続されている。
【０１０３】
基板は、ロボットアーム３０５によって基板搬送室３０２に運ばれ、さらに
ロボットアーム３０５によって、レーザー照射室１０１に移送される。このときステージ１１１は台１０６内のヒーターにより、所望の温度、例えば室温から３００℃程度の範囲で保たれている。ステージに配置された基板は温度が安定するまで放置される。このとき、石英窓１０４は曇り止めのため１２１内のヒーターにより適当な温度に昇温されている。また、気体供給管１０９、１１０からは窒素ガス及び湿度調整された窒素ガスが出て、レーザー照射室内の雰囲気、主に湿度を制御している。
【０１０４】
図１において、被処理基板１０５上に照射される線状レーザービームは、幅０．４ｍｍ×長さ１３５ｍｍとする。被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は、１００ｍＪ／ｃｍ2 〜５００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲で、例えば２６０ｍＪ／ｃｍ2 とする。台１０６を１. ２ｍｍ／ｓで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザービームを走査させる。レーザーの発振周波数は３０Ｈｚとし、被照射物の一点に注目すると、１０〜５０ショットのレーザービームが照射される。
【０１０５】
このとき、レーザー照射室内の水分が珪素膜の保温層の役割を果たし、結晶化の均質性を著しく向上させる。レーザー照射前に、被処理基板１０５を水洗し乾燥させた状態でレーザー結晶化を行うと、該珪素膜表面に吸着し残留した水分が、基板の保温効果を助長した。本発明では、前記該珪素膜表面に吸着し残留した水分も保温層の一部として定義する。
【０１０６】
基板温度が高すぎると該水分子の層の拡散スピードが高くなりすぎて、保温効果が減衰した。基板温度は−１０℃〜１００℃範囲で良い結果がでた。レーザー照射室内の圧力も気体供給排気のバランスをコントロールすることにより、数１００パスカルから数アトムまで振ったがいずれの圧力下においても良い結果が得られた。
【０１０７】
レーザー照射終了後、被処理基板１０５はロボットアーム３０５によって基板搬送室３０２に引き戻される。被処理基板１０５は、ロボットアーム３０５によって、ロード／アンロード室３０６に移送され、カセット３０４に収納される。
【０１０８】
こうして、レーザーアニール工程が終了する。このようにして、上記工程を繰り返すことにより、多数の基板に対して、連続的に一枚づつ処理できる。
【０１０９】
本実施例は線状レーザーを用いたが、線状から正方形状にいたるまでいずれのビーム形状を本発明に使用しても本発明が特徴とする効果があった。
【実施例２】
【０１１０】
実施例１で作成した膜A 、B 、C を本実施例で結晶化させる。もしくは、結晶性を向上させる。
【０１１１】
本実施例は、実施例１とほとんど同様の工程を踏む。異なる点はレーザー照射室に供給されるガスの種類のみである。本実施例では、バルブを介して窒素で希釈された酸素を供給する気体供給管１０９と、バルブを介して窒素で希釈された水素を供給する気体供給管１１０を有する。水素の濃度は安全性を考慮して0.1 ％〜10％までとした。酸素の濃度も水素に合わせ0.1 ％〜10％までとした。
【０１１２】
上記ガス供給管等を使って、レーザー室内の雰囲気を窒素、酸素、及び水素を主とするものとした後、レーザー照射を行なった。レーザー照射室内の酸素と水素とがレーザーエネルギーにより反応し合成された水分子の層が、珪素膜の保温層の役割を果たし、結晶化の均質性を著しく向上させる。レーザー照射前に、被処理基板１０５を水洗し乾燥させた状態でレーザー結晶化を行うと、該珪素膜表面に吸着し残留した水分が、基板の保温効果を助長した。本発明では、前記該珪素膜表面に吸着し残留した水分も保温層の一部として定義する。
【０１１３】
基板温度が高すぎると該水分子の層の拡散スピードが高くなりすぎて、保温効果が減衰した。基板温度は−１０℃〜１００℃範囲で良い結果がでた。レーザー照射室内の圧力も気体供給排気のバランスをコントロールすることにより、数１００パスカルから数アトムまで振ったがいずれの圧力下においても良い結果が得られた。
【実施例３】
【０１１４】
実施例１で作成した膜A 、B 、C を本実施例で結晶化させる。もしくは、結晶性を向上させる。本実施例は、図５に記載の装置を使う。
【０１１５】
本実施例は、実施例１とほとんど同様の工程を踏む。異なる点はレーザー照射室に供給されるガスの供給方法のみである。本実施例では、気体供給管１０９と、気体供給管１１０とに延長管５０１を接続し、気体供給管１０９、１１０から出てくる気体５０２を、該延長管５０１から吹き出させる。レーザービームが基板に当たっている部分にまんべんなく気体５０２が供給されるよう、延長管５０１を設置する。
【０１１６】
本実施例の場合、気体５０２は、湿度調整された窒素である。気体５０２中の水分子がが、珪素膜の保温層の役割を果たし、結晶化の均質性を著しく向上させる。レーザー照射前に、被処理基板１０５を水洗し乾燥させた状態でレーザー結晶化を行うと、該珪素膜表面に吸着し残留した水分が、基板の保温効果を助長した。本発明では、前記該珪素膜表面に吸着し残留した水分も保温層の一部として定義する。
【０１１７】
基板温度が高すぎると該水分子の層の拡散スピードが高くなりすぎて、保温効果が減衰した。基板温度は−１０℃〜１００℃範囲で良い結果がでた。レーザー照射室内の圧力も気体供給排気のバランスをコントロールすることにより、数１００パスカルから数アトムまで振ったがいずれの圧力下においても良い結果が得られた。
【０１１８】
本実施例の結果より、本実施例の効果はレーザー照射室の有無によらないことがわかる。レーザー照射室の効果は基板汚染防止のみである。
【０１１９】
本実施例で使用するレーザービームを線状のものとした場合、気体延長管５０１の吹き出し口の形状もレーザービーム形状にあわせて線状とし、エアナイフ状に基板に吹き付けるとより効率よく気体５０２が供給できた。（図６参照。）ガス流５０３は気体延長管５０１内のガスの流れの様子を示している。
【実施例４】
【０１２０】
実施例１で作成した膜A 、B 、C を本実施例で結晶化させる。もしくは、結晶性を向上させる。
【０１２１】
本実施例は、実施例３とほとんど同様の工程を踏む。異なる点はレーザー照射室に供給されるガスの種類のみである。本実施例は、実施例２と同様に、バルブを介して窒素で希釈された酸素を供給する気体供給管１０９と、バルブを介して窒素で希釈された水素を供給する気体供給管１１０を有する。水素の濃度は安全性を考慮して0.1 ％〜10％までとした。酸素の濃度も水素に合わせ0.1 ％〜10％までとした。
【０１２２】
本実施例の場合、気体５０２は窒素、酸素、水素の混合気体である。酸素と水素とがレーザーエネルギーにより反応し合成された水分子の層が、珪素膜の保温層の役割を果たし、結晶化の均質性を著しく向上させる。レーザー照射前に、被処理基板１０５を水洗し乾燥させた状態でレーザー結晶化を行うと、該珪素膜表面に吸着し残留した水分が、基板の保温効果を助長した。本発明では、前記該珪素膜表面に吸着し残留した水分も保温層の一部として定義する。
【０１２３】
基板温度が高すぎると該水分子の層の拡散スピードが高くなりすぎて、保温効果が減衰した。基板温度は−１０℃〜１００℃範囲で良い結果がでた。レーザー照射室内の圧力も気体供給排気のバランスをコントロールすることにより、数１００パスカルから数アトムまで振ったがいずれの圧力下においても良い結果が得られた。
【０１２４】
本実施例の結果より、本実施例の効果はレーザー照射室の有無によらないことがわかる。レーザー照射室の効果は基板汚染防止のみである。しかしながら、水素を大気中に放出することは危険を伴うため、本実施例の場合レーザー照射室はあるべきである。
【０１２５】
本実施例で使用するレーザービームを線状のものとした場合、気体延長管５０１の吹き出し口の形状もレーザービーム形状にあわせて線状とし、エアナイフ状に基板に吹き付けるとより効率よく気体５０２が供給できた。（図６参照。）ガス流５０３は気体延長管５０１内のガスの流れの様子を示している。
【実施例５】
【０１２６】
実施例１で作成方法を示した非単結晶珪素膜A 、B 、C を結晶化させる、あるいは、結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【０１２７】
図１、図３に示す装置を用いてレーザーアニールを行う工程を説明する。まず、被処理基板１０５（非単結晶珪素膜を有する基板）は、ＨＦ水溶液、またはＨＦとＨ2 Ｏ2 の混合水溶液で洗浄されて該珪素膜表面が水素で終端された後、カセット３０４に納められ、カセット３０４がロード／アンロード室３０６に配置される。
【０１２８】
図３において、本実施例においては、ロード／アンロード室３０６から搬送される被処理基板１０５は、アライメントされた後、レーザー照射室１０１に搬送される。
【０１２９】
レーザー照射室１０１に搬送された被処理基板１０５は、ステージ１１１上に載置される。この状態でゲートバルブ３０１を閉じ、レーザー照射室１０１内を真空排気ポンプ１０８により真空引きした後、
【０１３０】
気体供給管１０９から窒素で希釈された酸素が、気体供給管１１０から窒素で希釈された水素がそれぞれ供給され、例えば酸素５％、水素５％、窒素９０％の雰囲気とする。このとき、圧力は大気圧とする。  
【０１３１】
また、図１において、被処理基板１０５上に照射される線状レーザービームは、幅０．４ｍｍ×長さ１３５ｍｍとする。被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は、１００ｍＪ／ｃｍ2 〜５００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲で、例えば２６０ｍＪ／ｃｍ2 とする。台１０６を１. ２ｍｍ／ｓで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザービームを走査させる。レーザーの発振周波数は３０Ｈｚとし、被照射物の一点に注目すると、１０〜５０ショットのレーザービームが照射される。
【０１３２】
このとき、レーザー室内の酸素と、レーザー室内の水素あるいは非単結晶珪素膜表面の水素原子がレーザーエネルギーにより反応し、水分子を形成する。この水分子の集合体が非単結晶珪素膜を保温する役目を果たし、結晶化を助長し、かつ、結晶性の均質性を著しく向上させた。レーザー照射前に被処理基板１０５はＨＦ水溶液またはＨＦとＨ2 Ｏ2 の混合水溶液で洗浄されているので、該珪素膜表面には吸着し残留した水分あり、基板の保温効果を助長した。本発明では、前記該珪素膜表面に吸着し残留した水分も保温層の一部として定義する。基板温度が高ければ高いほど該水分子の集合体の拡散スピードが高くなり、保温効果が減衰した。このようにして非単結晶珪素膜A 、B 、C に対し、レーザーアニールが施され、結晶化が起こる、あるいは結晶性が向上される。
【０１３３】
本実施例におけるレーザー室内の雰囲気を、水素濃度０. １％〜１０％、酸素濃度０. １％〜１０％、レーザー処理室内の圧力を数１００パスカルから数アトム、そして、基板温度を−１０℃〜１００℃まで変化させたがいずれの雰囲気下においても良い結果が得られた。また、水素を含まない雰囲気でも酸素さえあれば水は形成されるので、水素を含まない酸素を含む雰囲気中でのレーザー結晶化でも効果的であった。その後、ロボットアーム３０５を介して、ロード／アンロード室３０６のカセット３０４に収納される。
【実施例６】
【０１３４】
本実施例では、レーザー照射により水分子が形成されている証拠を示す。図１０はレーザー照射室内のダストの数をダストカウンターで数えたものである。図１０上段の表は、レーザー照射前のダストの数である。図１０下段の表は、レーザー照射を基板を走査させながら行なった後のダストの数と、レーザー照射せずにただ基板を走査させた後のダストの数を数えたものである。図１０から、レーザー照射によりダストカウンターの数値が著しく増えていることがわかる。
【０１３５】
レーザー照射後、該ダストカウンターから検出されたダストの大多数が０. ３μｍ程度のものである。そこで、本発明人はこれらのダストを視覚的にとらえるべく、ダストカウンター１１０１の吸引口１１０２の途中に０. ２μｍピッチのフィルター１１０３を挿入し、レーザー照射後のダスト１１０４の捕獲を試みた（図１１参照）。
【０１３６】
レーザー照射後、該フィルターをSEM で観察した。ところが、ほとんど全くといってよいほどダストが観察されなかった。この事実から推し量るに、該ダストカウンターで検出されたダストは、液体の粒であることが推察できる。レーザー照射によりできそうな液体は、レーザー照射対象から推し量るに水であろう。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図２】各種雰囲気でのレーザーアニールにおける、レーザービームのエネル          ギー密度と、レーザーアニールされた結晶性珪素膜のラマン半値半幅          との関係を示す図。
【図３】実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。
【図４】各温度でのレーザーアニールにおける、レーザービームのエネルギー          密度と、レーザーアニールされた結晶性珪素膜の表面平均粗さとの関          係を示す図。
【図５】実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図６】実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図７】線状レーザーによりレーザー結晶化された珪素の薄膜を示す写真。
【図８】実施例における線状レーザーを形成する光学系を示す図。
【図９】水素終端をアモルファスシリコン膜表面に意図的に施した基板を、室          温大気中、あるいは基板温度を４００℃に昇温した状態にて、レーザ          ー照射が行われたシリコン膜表面を写した走査型電子顕微鏡写真。
【図１０】ダストカウンターにより検出されたダストの数であって、レーザー照          射室内のレーザー処理前後のダスト数を示すグラフ。
【図１１】実施例におけるダストカウンターとフィルターを示す図。
【符号の説明】
【０１３８】
１０１      レーザー照射室
１０２      レーザー発振装置
１０３      ミラー
１０４      窓
１０５      被処理基板
１０６      台
１０７      移動機構
１０８      真空排気ポンプ
１０９      １１０  気体供給管
１１１      ステージ
１１２      光学系
１１３      石英窓１０４の工程用治具
１１４      O リング
１１５      ヒーター
１１６      線状ビームを集光するためのシリンドリカルレンズ
３０１      ゲイトバルブ
３０２      基板搬送室
３０３      アライメント室
３０４      カセット
３０５      ロボットアーム
３０６      ロード／アンロード室
３０７      ゲイトバルブ
５０１      延長管
５０２      供給
５０３      延長管５０１内の供給ガス
８０１      レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
８０２      レーザー光収束のためのシリンドリカルレンズ
８０３      レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
８０４      レーザー光収束のためのシリンドリカルレンズ
１１０１    ダストカウンター
１１０２    吸引口
１１０３    フィルター
１１０４    ダスト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図７】
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【図９】
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