(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを加熱する加熱手段を備え、前記加熱手段により加熱されたガスを熱源として被処理基板を加熱する熱処理装置であって、
熱交換器を介して第１の加熱手段の導入口側と接続する第１のガス供給手段と、
前記第１の加熱手段の排出口側と接続する第１の処理室と、
前記第１の処理室の排出口側と接続する第２の加熱手段と、
前記第２の加熱手段の排出口側と接続する第２の処理室と
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
ガスを加熱する加熱手段を備え、前記加熱手段により加熱されたガスを熱源として被処理基板を加熱する熱処理装置であって、
熱交換器を介して第１の加熱手段の導入口側と接続する第１のガス供給手段と、
前記第１の加熱手段の排出口側と接続する第１の処理室と、
前記第１の処理室の排出口側と接続する第２の加熱手段と、
前記第２の加熱手段の排出口側と接続する第２の処理室と、
前記第１の処理室及び前記第２の処理室のそれぞれに冷却用ガスを供給する第２のガス供給手段と
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記熱交換器は、フィンがそれぞれ設けられた第１及び第２の配管を備え、
前記第１の配管には第１のガスが導入され、前記第２の配管には前記第１のガスより低温の第２のガスが導入されることを特徴とする熱処理装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記第１の加熱手段は、シリンダーと、前記シリンダーの外側に設けられた光源と、前記シリンダーの内側に設けられた吸熱体とを有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項５】
加熱手段により加熱されたガスを熱源として処理室に配置された基板を加熱する熱処理方法であって、
ガス供給手段から熱交換器を介して第１の加熱手段にガスを供給し、
第１の加熱手段によりガスを加熱し、
前記加熱されたガスを第１の処理室に供給し、
前記第１の処理室から排出されたガスを第２の加熱手段により加熱し、
前記加熱されたガスを第２の処理室に供給し、
前記第２の処理室から排出された排出されたガスを前記熱交換器に供給する
ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記熱交換器は、フィンがそれぞれ設けられた第１及び第２の配管を備え、
前記第１の配管に第１のガスを導入し、前記第２の配管に第２のガスを導入することにより、前記第１のガスを冷却し、前記第２のガスを加熱することを特徴とする熱処理方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６において、
前記第１の加熱手段は、シリンダーと、前記シリンダーの外側に設けられた光源と、前記シリンダーの内側に設けられた吸熱体とを有し、
前記光源からの輻射熱を前記吸熱体が吸収し、前記シリンダーに導入されるガスを加熱することを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理方法及びそれを適用した熱処理装置に関する。特に本発明は、ランプなどを用いた発熱体からの輻射によりガスを加熱し、加熱されたガスにより被処理基板又は被処理基板上の形成物を加熱する熱処理方法及び熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程には、半導体又は半導体基板に対する酸化、拡散、ゲッタリング、イオン注入後の再結晶化などを目的とした熱処理が組み込まれている。これらの熱処理を行う装置の代表例として、ホットウオール型の横型又は縦型のファーネスアニール炉が知られている。
【０００３】
横型又は縦型のファーネスアニール炉は、多数の基板を一括して処理するバッチ型の装置である。例えば、縦型のファーネスアニール炉は、石英で形成されたサセプタに基板を水平かつ平行に載置して、上下駆動するエレベータにより反応管への出し入れを行っている。ベルジャー型の反応管の外周部にはヒーターが設置され、当該ヒーターにより基板を加熱する構成となっている。その構成上、所定の加熱温度に達するまでの昇温時間及び、取り出し可能な温度まで冷却する降温時間は比較的長い時間が必要となっている。
【０００４】
しかしながら、集積回路に用いるＭＯＳトランジスタなどは、その微細化に伴って極めて精密な加工精度が要求されている。特に、浅い接合の形成には不純物の拡散を最低限にとどめる必要がある。前述のファーネスアニール炉のように昇温及び降温に時間がかかる工程は、浅い接合の形成を困難にしている。
【０００５】
瞬間熱アニール（Rapid Thermal Anneal:以下、ＲＴＡと記す）法は急速加熱及び急速冷却を行う熱処理技術として開発されたものである。ＲＴＡ法は赤外線ランプなどを用いて基板又は基板上の形成物を急速に加熱し、短時間で熱処理を行うことを可能としている。
【０００６】
一方、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor:以下、ＴＦＴという）は、ガラス基板上に直接集積回路形成することが可能な技術として注目されている。その技術は、液晶表示装置など新しい電子装置への応用開発が進められている。特に、ガラス基板上に形成した多結晶半導体膜にソース及びドレイン領域などの不純物領域を形成するＴＦＴは、活性化や、歪みを緩和するための熱処理が必要となっている。しかし、ガラス基板は歪み点がせいぜい６００〜７００℃程度であり、耐熱性が悪く、熱衝撃により簡単に割れてしまうという欠点を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の縦型又は横型のファーネスアニール炉では、集積回路を形成するための基板が半導体であれ、ガラス又はセラミックのような材料であれ、基板のサイズが大型化すると、熱処理温度の均一性を確保することが難しくなる。基板内及び基板間の温度の均一性を確保するためには、反応管内に流すガスの流体としての特性を考えて水平かつ平行に載置する被処理基板の間隔（ピッチ）を広くする必要がある。例えば、基板の一辺が５００mmを超えると、基板間隔は３０mm以上開ける必要があるとされている。
【０００８】
従って、被処理基板が大型化すると、必然的に装置が大型化してしまう。また、大量の基板を一括して処理するため、それだけで重量が増し、被処理基板を載置するためのサセプタも強固なものとする必要がある。そのために、さらに重量が増し、被処理基板を搬出入する機械の動作も遅くなる。さらに、熱処理装置が占める床面積の増大のみでなく、床の耐荷重を確保するために建物の建築コストにまで影響を及ぼす。このように、装置の大型化は悪循環を及ぼす。
【０００９】
一方、ＲＴＡ法は枚葉式の処理が前提であり、装置の荷重が極端に増すということはない。しかし、被処理基板及びその上の形成物の特性により、加熱手段として用いるランプ光の吸収率に差異が生じる。例えば、ガラス基板上に金属配線のパターンが形成されている場合には、金属配線が優先的に加熱され、局所的に歪みが生じて、ひいてはガラス基板が割れてしまうといった現象が発生する。そのために、熱処理に当たっては、昇温速度を調整するなど複雑な制御が要求される。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決することを目的とし、ガラスなど耐熱性の低い基板を用いた半導体装置の製造工程において基板を変形させることなく、短時間の熱処理で半導体膜に添加した不純物元素の活性化やゲッタリング処理をする方法及び、そのような熱処理を可能とする熱処理装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明における第１の構成の熱処理装置は、反応管の上流側からガスを供給する手段と、反応管の上流側においてガスを加熱する手段と、反応管の下流側において被処理基板を保持する手段と、ガスを反応管の下流側から上流側へ循環させる手段とを備えている。
【００１２】
上記構成の他に、ガスを吸入する吸気部と、吸入したガスを排気する排気部とを備えた反応管と、反応管内において吸入したガスを加熱する加熱手段と、加熱されたガスを反応管内に配置される被処理基板に供給する手段と、排気部から排出したガスを吸気部へ循環させる手段とを備えていても良い。
【００１３】
反応管は内壁からの汚染を防ぐため、石英又はセラミックで形成する。加熱手段はハロゲンランプ、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、キセノンランプから選ばれた一種又は複数種を適用するが、当該ランプからの輻射光で直接ガスを加熱すると効率が悪くなる。好ましくは、加熱手段を発熱手段と、該発熱手段からの熱輻射を吸収する吸熱体とを組み合わせて形成する。この組合せにより、吸熱体に輻射光を吸収させて加熱することにより、そこからの熱伝導によってガスを加熱することができる。吸熱体がガスと接する面積を大きくすることにより、熱の伝達効率を良くすることができる。
【００１４】
また、被処理基板の加熱に用いたガスを循環させることにより、ガスを加熱する電力を節約することができる。循環するガスの一部は排気されても良いが、新たに導入されるガスを予熱するための熱源として利用することができる。
【００１５】
加熱され、循環するガスによる予熱効果を積極的に利用する構成として、反応管の上流側から熱交換器を介してガスを供給する手段と、反応管の上流側にてガスを加熱する手段と、反応管の下流側にて被処理基板を保持する手段と、ガスを反応管の下流側から熱交換器へ供給する手段とを備えた熱処理装置とすることもできる。
【００１６】
また、上記構成の他に、ガスを吸入する吸気部と、吸入したガスを排気する排気部とを有する反応管と、吸気部の前段に設けられた熱交換器と、熱交換器を通してガスを供給する手段と、反応管内において、吸入したガスを加熱する加熱手段と、加熱手段により加熱されたガスを反応管内に配置される被処理基板に供給する手段と、排気部から排出したガスを熱交換器に供給する手段とを備えていても良い。
【００１７】
複数の処理室を設け、加熱されたガスを熱効率良く利用する形態としては、基板を保持して熱処理を行う処理室が設けられ、加熱手段により加熱されたガスを処理室に供給して基板を加熱する熱処理装置であって、処理室を複数個設け、該処理室に順次加熱されたガスを流すことにより複数枚の基板を同時に熱処理することが可能な熱処理装置である。複数の処理室間を順次流れるガスは、その温度が一定となるように各処理室間に補助的な加熱手段を設けても良い。循環する加熱されたガスは熱交換器を介して新たに導入されるガスを加熱する熱源として利用することもできる。
【００１８】
このような機能を有する第２の構成の熱処理装置は、ガス供給手段が熱交換器を介して第１のガス加熱手段の導入口と接続し、第１の処理室の導入口が第１のガス加熱手段の排出口と接続し、第１の処理室の排出口が第２のガス加熱手段と導入口と接続し、第２の処理室の導入口が第２のガス加熱手段の排出口と接続し、第２の処理室の排出口が熱交換器に接続し、加熱手段により加熱されたガスを熱源として基板を加熱するものである。
【００１９】
上記構成の他に、ガス供給手段から供給されるガスを熱交換器を介して第１の加熱手段に供給し、第１の加熱手段により加熱したガスを第１の処理室に供給し、第１の処理室に供給したガスを第２の加熱手段に供給し、第２の加熱手段により加熱したガスを第２の処理室に供給し、第２の処理室に供給したガスを熱交換器に供給してガス供給手段から供給されるガスを加熱するための熱源として用い、加熱手段により加熱されたガスを熱源として基板を加熱するものである。
【００２０】
処理室は内壁からの汚染を防ぐため石英又はセラミックで形成する。第１の処理室と第２の処理室とをガス管で接続し、加熱手段により加熱されたガスを第１の処理室から第２の処理へ流すことにより、ガスを加熱するためのエネルギーを節約することができる。勿論、この間にガスの温度は低下するので、第１の処理室と第２の処理室との間にはガス加熱手段を設け、処理室間に流れるガスの温度が一定となるようにする。
【００２１】
ガス管で接続する処理室の数は任意なものとすることができる。即ち、本発明の熱処理装置の他の構成は、ｎ個（ｎ＞２）の処理室とガス加熱手段とを有し、第ｍ（１≦ｍ≦（ｎ−１））の処理室の導入口が第ｍのガス加熱手段の排出口と接続し、第ｎの処理室の導入口が第ｎのガス加熱手段の排出口と接続し、第ｎの処理室の排出口が熱交換器に接続し、加熱手段により加熱されたガスを熱源として基板を加熱する熱処理装置である。
【００２２】
上記構成の他に、ｎ個（ｎ＞２）の処理室とガス加熱手段とを有し、第ｍ（１≦ｍ≦（ｎ−１））の加熱手段により加熱したガスを第ｍの処理室に供給し、第ｍの処理室に供給したガスを第ｍ＋１の加熱手段により加熱して第ｍ＋１の処理室に供給し、第ｎの処理室に供給したガスを熱交換器に供給し、ガス供給手段から供給されるガスを加熱するための熱源として用い、加熱手段により加熱されたガスを熱源として基板を加熱する熱処理装置である。
【００２３】
また、ガス供給手段は、加熱用のガスとして、ガス加熱手段に接続する第１のガス供給手段と、冷却用のガスとして各処理室に接続する第２のガス供給手段とを備えた構成とすることができる。加熱用のガスと、冷却用のガスとを別系統として供給することにより、被処理体の加熱に要する時間と、冷却に要する時間とを短縮することができ、スループットを向上させることができる。
【００２４】
このような本発明の熱処理装置の構成は、第１のガス供給手段と、ガス加熱手段と、複数の処理室を有し、第１のガス供給手段はガス加熱手段を介して複数の処理室を直列に連結する配管に接続し、第２のガス供給手段は、複数の処理室のそれぞれに並列に連結する配管に接続し、加熱手段により加熱されたガスを熱源として基板を加熱するものである。
【００２５】
加熱したガスで被処理基板を加熱することにより、被処理基板上に形成物の材質に影響されず、均一性良く加熱することができる。それにより、局所的な歪みを発生させることなく熱処理をすることが可能で、ガラスなども脆い基板でも急速加熱による熱処理を完遂することが容易となる。
【００２６】
本発明における第１の構成の熱処理装置を用いた熱処理方法は、反応管の上流側からガスを供給し、その上流側に設けられた加熱手段によりガスを加熱して下流側に流し、当該ガスを反応管の下流側から上流側へ循環させながら反応管の下流側に設けられた被処理基板を加熱する方法である。
【００２７】
また、上記方法の他に、反応管の吸気部からガスを供給し、反応管内に設けられた加熱手段によりガスを加熱して下流側へ流し、反応管の排気部から当該ガスを排気した後再度吸気部から供給し、ガスを循環させながら反応管内に配置された被処理基板を加熱する方法である。
【００２８】
加熱したガスで被処理基板を加熱することにより、被処理基板上に形成物の材質に影響されず、均一性良く加熱することができる。それにより、局所的な歪みを発生させることなく熱処理をすることが可能で、ガラスなども脆い基板でも急速加熱による熱処理を完遂することが容易となる。
【００２９】
本発明の第２の構成を備えた熱処理装置による熱処理方法は、ガス供給手段から熱交換器を介して第１のガス加熱手段にガスを供給し、第１のガス加熱手段によりガスを加熱し、加熱された当該ガスを第１の処理室に供給し、第１の処理室から排出されたガスを第２のガス加熱手段により加熱し、加熱された当該ガスを第２の処理室に供給し、第２の処理室から排出された排出されたガスを熱交換器に供給する、加熱手段により加熱されたガスを熱源として処理室に配置された基板を加熱する熱処理方法である。
【００３０】
また、上記方法の他に、ｎ個（ｎ＞２）の処理室とガス加熱手段によって、第ｍ（１≦ｍ≦（ｎ−１））の加熱手段により加熱したガスを第ｍの処理室に供給し、第ｍの処理室に供給したガスを第ｍ＋１の加熱手段により加熱して第ｍ＋１の処理室に供給し、第ｎの処理室に供給したガスを熱交換器に供給し、ガス供給手段から供給されるガスを加熱するための熱源として用い、ｎ個の処理室に配置された基板を加熱する熱処理方法である。
【００３１】
また、上記方法の他に、第１のガス供給手段から熱交換器を介して第１のガス加熱手段にガスを供給し、第１のガス加熱手段によりガスを加熱し、加熱された当該ガスを第１の処理室に供給し、第１の処理室から排出されたガスを第２のガス加熱手段により加熱し、加熱された当該ガスを第２の処理室に供給する加熱期間と、第２のガス供給手段から加熱手段を介さずに第１の処理室及び第２の処理室にガスを供給して、当該処理室に配置された基板を冷却する冷却期間とを有する熱処理方法である。
【００３２】
また、上記方法の他に、ｎ個（ｎ＞２）の処理室とガス加熱手段によって、第１のガス供給手段から供給される加熱用ガスを、第ｍ（１≦ｍ≦（ｎ−１））の加熱手段により加熱したガスを第ｍの処理室に供給し、第ｍの処理室に供給したガスを第ｍ＋１の加熱手段により加熱して第ｍ＋１の処理室に供給し、第ｎの処理室に供給したガスを熱交換器に供給し、ガス供給手段から供給されるガスを加熱するための熱源として用い、ｎ個の処理室に配置された基板を加熱する加熱期間と、第２のガス供給手段から供給される冷却用ガスを、ｎ個の処理室に供給して、当該処理室に配置された基板を冷却する冷却期間とを有する熱処理方法である。
【００３３】
上記発明の構成にあるように加熱されたガスを用いることで、金属、半導体、絶縁体などで所定のパターンが形成されたガラス基板であっても、局所的な熱歪みを生じさせることなく均一に加熱することが可能となる。さらに、加熱されたガスを循環させることで熱効率が向上し、熱処理に要する消費エネルギーを低減することができる。
【００３４】
本発明において適用されるガスは、窒素または希ガスによる不活性気体、或いは水素などの還元性気体、或いは酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素などの酸化性気体を適用することができる。
【００３５】
窒素または希ガスによる不活性気体を用いれば、非晶質半導体膜の結晶化のための熱処理、ゲッタリングを目的とした熱処理、イオン注入又はイオンドーピング（質量分離することなくイオンを注入する方法）後の再結晶化及び活性化を目的とした熱処理に適用することができる。
【００３６】
水素などの還元性気体として、水素又は不活性気体で希釈された水素を用いると、半導体の欠陥（ダングリングボンド）を補償することを目的とした水素化処理を行うことができる。
【００３７】
酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素などの酸化性気体を用いると、半導体基板又は半導体膜に酸化膜を形成することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
[実施の形態１]
以下、本発明の実施の形態を図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す断面図であり、図２はそれに対応する上面図を示している。対応を明瞭にするために、図１及び図２において共通する符号を用いている。
【００３９】
図１及び図２に示す熱処理装置は、反応管１１０１に発熱体１１０２と吸熱体１１０４から成る加熱手段１１０５、発熱体の制御装置１１０３、ガス供給手段１１０９、１１１０、圧力制御弁１１１１が備えられている。
【００４０】
反応管は内壁からの汚染を防ぐため、石英又はセラミックを用いる。石英は反応管材質として通常よく用いられる部材である。また、基板のサイズが大型化した場合には、そのサイズに合わせて石英で反応管を形成するのは難しいので、その場合にはセラミックを適用すれば良い。
【００４１】
加熱手段１１０５において、発熱体１１０２にはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、キセノンランプなどを用いる。発熱体の制御装置１１０３はこの発熱体１１０２を所定の温度、又は所定の熱輻射が得られるように制御するためのものである。ガスはこの発熱体１１０２の輻射を吸収して、または発熱体１１０２とガスが接して加熱される。また、同図にあるように、発熱体１１０２の周囲に石英、ＳｉＣ、Ｓｉなどで形成される吸熱体１１０４を設け、発熱体１１０２からの輻射を一旦吸熱体１１０４で吸収し、吸熱体１１０４からの熱伝導によりガスを加熱しても良い。この時、吸熱体１１０４の表面にフィンを設け、ガスとの接触面積を大きくするような構造としておくことが望ましい。このように、加熱手段１１０５は反応管１１０１の上流側に設けられる。
【００４２】
オリフィス板１１０６、１１０７は、発熱体１１０２が設けられた領域と、基板１１２０が設置される領域との間に設けられる。これらのオリフィス板１１０６、１１０７には細孔が設けられ、ガスの流速及び流れる方向を制御する目的で設けられている。オリフィス板１１０６はガスを発熱体１１０２が設置された領域に滞留させる目的をもって設置され、オリフィス板１１０７は基板１１０２と垂直方向からガスを流入させるために設けている。
【００４３】
ガスはガス供給手段１１０９からノズル１１０８により熱交換器１１１９を介して吸気部１１１２に導かれ、反応管１１０１内に導入される。反応管１１０１に導入されたガスは発熱体１１０２が設けられた領域、オリフィス板１１０６、１１０７を通過して、反応管１１０１の下流側に位置する排気部１１１３から排出される。排出されたガスは、連結間管１１１４により上流側に戻され、熱交換器１１１９を通って吸気部１１１２から再度反応管１１０１に流入する。こうして循環するようになっている。また、一部は圧力制御弁１１１１から外部へ放出される。圧力制御弁１１１１は所定の圧力に反応管１１０１内を保持するために設ける。
【００４４】
熱交換器１１１９では加熱されたガスが循環し、ノズル１１０８を加熱することにより、ガス供給手段１１０９から供給されるガスをあらかじめ予熱することができる。吸気部１１１２において、ノズル１１０８の先端からガスを噴射することにより、同図で示す矢印の方向に対流が発生し、循環して熱交換器１１１９に戻ってきた加熱されたガスの一部が再度吸気部１１１２から反応管１１０１に流入する。
【００４５】
勿論、循環するガスは当初の温度よりも低くなるが、このような閉じた系とすることで熱効率を高め、消費する電力を節約することができる。連結管１１１４の外周にはヒーター１１１６を設けておいても良い（１１１５はヒーターの電源である）。
【００４６】
被処理基板１１２０は反応管内で保持手段１１１７上に設置する。保持手段１１１７の構造は被処理基板１１２０との接触面積を極力小さくする構成とする。反応管１１０１の一端はゲートバルブ１１１８が設けられ、開閉させることにより被処理基板の出し入れを行っている。被処理基板１１２０はカセット１１２２に載置され、反応管１１０１への搬出入は搬送手段１１２１により行う。搬送手段１１２１、カセット１１２２は、周辺環境から被処理基板１１２０が汚染されるのを防ぐため、清浄な空気を送風するクリーンユニット１１２３の下に設置することが望ましい。
【００４７】
以下に、熱処理の手順の一例を示す。被処理基板が保持手段１１１７にセットされ、ゲートバルブを閉じた後、ガス供給手段から加熱用のガスを供給する。反応管内に供給したガスを充満させ置換するまで保持した後、加熱手段１１０５によりガスを加熱する。加熱されたガスはオリフィス板１１０６、１１０７を通過して、被処理基板１１２０に照射され加熱する。その後、ガスを排気部１１１３から熱交換器１１１９を通過して再度吸気部１１１２から反応管１１０１内に供給される。この加熱されたガスに循環により被処理基板１１２０の熱処理を行う。
【００４８】
所定の時間が経過した後、加熱手段１１０５によるガスの加熱を終了させる。そして、被処理基板１１２０を冷却するために冷却用のガスをガス供給手段１１１０からガスを供給する。この冷却用ガスを流入させることにより、反応管内のガスの温度が低下して、被処理基板１１２０の温度を低下させることができる。その後、ゲートバルブ１１１８を開け、搬送手段により被処理基板１１２０を取り出す。以上のようにして、被処理基板１１２０の熱処理を短時間で行うことができる。
【００４９】
本発明の熱処理方法及びそれを適用した熱処理装置はバッチ処理を前提としているが、ガスを加熱して被処理基板を直接加熱するため比較的短時間で昇温させ、また、高温状態の被処理基板を室温程度のガスで冷却することにより速やかに降温させることができる。勿論、ガラスなど熱衝撃に弱い基板を用いる場合には注意が必要であるが、従来のＲＴＡにおけるように、ランプ光により数マイクロ秒〜数秒の瞬間加熱とは異なり、急激な加熱により基板を破壊してしまうことはない。
【００５０】
加熱又は冷却に用いるガスは、熱処理の用途によって選択することができる。窒素または希ガスによる不活性気体を用いれば、非晶質半導体膜の結晶化のための熱処理、ゲッタリングを目的とした熱処理、イオン注入又はイオンドーピング（質量分離することなくイオンを注入する方法）後の再結晶化及び活性化を目的とした熱処理に適用することができる。水素などの還元性気体として、水素又は不活性気体で希釈された水素を用いると、半導体の欠陥（ダングリングボンド）を補償することを目的とした水素化処理を行うことができる。酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素などの酸化性気体を用いると、半導体基板又は半導体膜に酸化膜を形成することができる。
【００５１】
処理能力を向上させるためには、図３に示す構成を適用することができる。図３において、反応管１２０１〜１２０４は図１と同様なものとする。加熱手段１２０８及びその制御装置１２０７、圧力制御弁１２１２、ガス供給手段１２０９、１２１１が備えられている。
【００５２】
熱交換器は反応管と１対１で対応させる必要はなく、同図で示すように、熱交換器１２０５に反応管１２０１、１２０２を、熱交換器１２０６に反応管１２０３、１２０４を対応させても良い。複数の反応管において同じ温度で熱処理を行うことを前提にすれば、このような構成も可能である。それぞれの反応管にはガス供給手段１２０９からノズル１２１０を介してガスが供給される。その他、搬送手段１２１３、カセット１２１４は図１と同様なものが採用される。
【００５３】
図３に示す構成の熱処理装置は、反応管１２０１、１２０２と反応管１２０３、１２０４とで異なる温度で、かつ、異なる時間で熱処理をすることを可能にしている。
【００５４】
また、図４で示す熱処理装置は、熱交換器を省略した形態を示している。ここでは、反応管１３０１、１３０２において、加熱手段１３０５、制御装置１３０７、を共通なものとしている。また、反応管１３０３、１３０４において加熱手段１３０６、制御装置１３０７を共通にしている。その他、圧力制御弁１３１２、ガス供給手段１３１０、１３１１が備えられている。
【００５５】
図４では熱交換器が省略されて示されているが、ガス供給手段１３１０から加熱用にガスを供給し、加熱手段１３０５、１３０６内の発熱体１３０８、１３０９で加熱されたガスを循環させる構成は、図１と同様である。その他、搬送手段１３１３、カセット１３１４は図１と同様なものが採用される。
【００５６】
図５は複数の反応管を備えた熱処理装置の構成を示している。反応管１４０１、加熱手段１４１１、制御装置１４１０、ガス供給手段１４１２、１４１４、熱交換器１４１３は図１又は図３、図４で説明する構成のいずれか一つを採用することが可能である。同様に反応管１４０２、加熱手段１４１６、制御装置１４１５、ガス供給手段１４１７、１４１９、熱交換器１４１８が備えられている。搬送手段１４０３はカセット１４０４から被処理体を各反応管に搬出入するためのものである。１４０６ａ〜１４０６ｃも被処理体を備えたカセットであり、搬送手段１４０５によりカセット１４０４に被処理体を供給する。
【００５７】
図５は大量バッチ処理方式による熱処理装置の構成の一例を示したが、この構成及び配置に限定される必要はなく、その他任意の配置をとることも可能である。本実施の形態で示す熱処理装置は、バッチ処理の方式であり、加熱したガスにより被処理基板を加熱する方式なので、基板のサイズが大型化しても均一性良く熱処理をすることができる。例えば、一辺の長さが１０００mmを超える基板の熱処理に対しても適用することができる。
【００５８】
このような本発明の熱処理方法及びそれを用いた熱処理装置の特徴は、被処理基板の形態や大きさの制約を受けない。枚葉処理により、被処理基板が大型化しても頑強なサセプタを必要とせず、その分だけ小型化を図ることができる。また、加熱手段も大規模なものは必要とせず、消費電力を節約することができる。
【００５９】
[実施の形態２]
図１０は本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す断面図である。本発明の熱処理装置には複数のガス供給手段と、複数のガス加熱手段と、複数の処理室と熱交換器が備えられている。
【００６０】
第１のガス供給手段１０６と熱交換器１１３と第１のガス加熱手段１０８はガス管１０、１１により接続されている。第１のガス供給手段１０６から供給されたガスは熱交換器１１３であらかじめ予熱をして第１の加熱手段１０８に供給する。第１に加熱手段１０８では所定の温度にガスを加熱する。
【００６１】
第１の加熱手段１０８の排出口はガス管１２により第１の処理室１０１に設けられた導入口に接続され、加熱されたガスを供給する。第１の処理室１０１内には基板保持手段１１５と、基板に加熱されたガスを吹き付けるシャワー板１１６が設けられている。また、供給されたガスは第１の処理室１０１に設けられた排出口から排出される。
【００６２】
処理室は加熱したガスを導入した際に壁材からの汚染を防ぐため、石英又はセラミックを用いて形成する。また、基板のサイズが大型化した場合には、そのサイズに合わせて石英で処理室を形成するのは難しいので、その場合にはセラミックを適用すれば良い。保持手段１１５の構造は基板との接触面積を極力小さくする構成とする。処理室１０１に供給されたガスは、シャワー板１１６を通過して基板に吹き付けられる。シャワー板１１６には細かい開口が所定の間隔で形成され、加熱されたガスが均一に基板に吹き付けられるようにされている。シャワー板１１６を設けることで基板の面積が大きくなっても均一性良く加熱することができる。
【００６３】
このような処理室の構成は、第２の処理室１０２、第３の処理室１０３、第４の処理室１０４、第５の処理室１０５において同様である。
【００６４】
第１の処理室１０１に供給された加熱されたガスは基板保持手段１１５上に置かれた基板１１７の加熱に利用され、その後、第２の処理室１０２に供給して再び基板の加熱に用いる。この過程でガスの温度は低下するので、第２の加熱手段１０９により所定の温度となるように制御する。ガス管１３は第１の処理室１０１に設けられた排出口と第２の加熱手段１０９の導入口と接続し、ガス管１４は第２の加熱手段１０９の排出口と第２の処理室１０２に設けられた導入口とを接続している。図示しないが、これらのガス管には保温手段が設けられていても良い。
【００６５】
同様にして、第２の処理室１０２に供給された加熱されたガスは、基板の加熱に利用された後、ガス管１５により第３のガス加熱手段１１０に供給され、ガス管１６により第３の処理室１０３に供給される。第３の処理室１０３に供給された加熱されたガスは、ガス管１７により第４のガス加熱手段１１１に供給され、ガス管１８により第４の処理室１０４に供給される。第４の処理室１０４に供給された加熱されたガスは、ガス管１９により第５のガ加熱手段１１２に供給され、ガス管２０により第５の処理室１０５に供給される。
【００６６】
ここで、第２の処理室１０２と第３の処理室１０３の間には第３のガス加熱手段１１０を間に挿んでガス管１５、１６により接続されている。第３の処理室１０３と第４の処理室１０４の間には第４のガス加熱手段１１１を間に挿んでガス管１７、１８により接続されている。第４の処理室１０４と第５の処理室１０５の間には第５のガス加熱手段１１２を間に挿んでガス管１９、２０により接続されている。
【００６７】
このように、第１のガス供給手段１０６から供給されたガスは、ガス加熱手段により加熱され、第１の処理室から第５の処理室まで連続的に供給される。各処理室の間にはガス加熱手段が設けられ、各処理室に供給するガスの温度が同じになるようにしている。勿論、処理室の数は必要に応じて任意の数を設置すれば良く、本実施の形態で示す数に限定されるものではない。
【００６８】
基板は一つの処理室に一枚づつ設置する。各処理室をガス管で直列に接続して、連続的に加熱されたガスを流すことにより、使用するガスの量を節約することができ、また加熱に必要とするエネルギーを節約することができる。
【００６９】
第２のガス供給手段１０７は複数個配置された各処理室に並列にガスを供給する配管２２に接続されている。第２のガス供給手段１０７は加熱された処理室又は処理基板を冷却するために供給する。供給するのに適した温度は任意に設定するが、室温程度であっても構わない。供給されたガスはドレイン管２３により処理室の外部へ排出される。
【００７０】
熱交換器１１３は、第１のガス供給手段１０６により供給されるガスをあらかじめ予熱するために設けたものである。第５の処理室１０５から排出されたガスの熱により、第１のガス供給手段から供給されるガスを加熱する。第５の処理室１０５の設けられた排出口からガス管２１により熱交換器１１３に接続されている。第５の処理室１０５から排出されたガスは排出されるが、この熱交換器を通すことにより冷却される。その熱により供給するガスを加熱する。こうして、ガスを加熱するために必要とするエネルギーを節約することができる。
【００７１】
この熱交換器の一例を図１３に示す。熱交換器には高温のガスが流れ込み、図示するようなフィンが設けられた配管４０２と、冷えた（通常は室温程度）ガスが流れ込み、同様にフィンが設けられた配管４０１とが設置してある。その筐体４００内には熱を伝達する媒質としてオイル４０３が充填されている。フィンは熱交換効率を向上させるために設けられ、このような構成により、高温のガスはオイル４０３に熱を伝達し、低温化されて排出される。その熱により低温のガスは熱交換器を通過することにより加熱される。ここでは、熱交換器の簡単な一例を示したが、本発明に熱処理装置に適用可能な熱交換器の構成は、図１３に限定されず他の構成を採用しても良い。
【００７２】
図１２は、ガス加熱手段の構成の一例を示す。図１２において、ガスを通過させるシリンダー３０１の内側に吸熱体３０３が設けられている。吸熱体３０３は、高純度のチタンやタングステン、又は炭化珪素や石英、珪素で形成されたものが採用される。シリンダー３０１は透光性の石英などで形成され、その外側に設けられた光源３０２の輻射により吸熱体３０３を加熱する。ガスは吸熱体３０３に接触して加熱されるが、光源をシリンダー３０１の外部に設けることにより汚染が防止され、通過させる気体の純度を維持することができる。筐体３００の内側は真空に排気し、断熱効果を高めても良い。
【００７３】
次に、図１０に示す構成の熱処理装置を用いた熱処理の手順の一例を示す。第１の処理室１０１〜第５の処理室１０５のそれぞれに基板が保持手段上に配置された後、第１のガス供給手段１０６からガスを供給する。各処理室内や配管内を置換するまでガスは加熱することなく暫く流す。その後、第１のガス加熱手段１０８、第２のガス加熱手段１０９、第３のガス加熱手段１１０、第４のガス加熱手段１１１、第５のガス加熱手段１１２によりガスを加熱する。加熱された処理室内のガスはシャワー板を介して基板に吹き付けられ、基板を加熱する。加熱されたガスは各処理室を一巡して熱交換器に供給される。そして、第１のガス供給手段１０６から供給されるガスを暖める熱源として利用する。
【００７４】
所定の時間が経過した後、ガス加熱手段１０８〜１１２によるガスの加熱を終了させる。そして、基板を冷却するために冷却用のガスを第２のガス供給手段１０７からガスを供給する。この冷却用ガスを流入させることにより、処理室内のガスの温度が低下して、基板の温度を下げることができる。その後、基板を取り出すことにより本発明の熱処理装置を用いた熱処理が終了する。
【００７５】
処理室と基板の大きさにより、処理室に挿入することができる基板の枚数は変化するが、一つの処理室に一枚の基板を挿入することを基本とすると、１回の熱処理で処理できる基板の枚数は処理室の数で決まる。
【００７６】
また、使用するガスを節約し、熱効率を向上させるためには、処理室の内容積を可能な限り小さくすることが望ましい。処理室内の寸法は、基板の大きさと、基板を出し入れする搬送手段の動作範囲により決定される。搬送手段が基板を出し入れするためには１０mm程度の動作範囲を要求されるので、処理室の一方の寸法は、基板の厚さと搬送手段の最低動作範囲により決定される。
【００７７】
本発明の熱処理方法及びそれを適用した熱処理装置はバッチ式の処理を前提としているが、ガスを加熱して被処理基板を直接加熱するため比較的短時間で昇温させ、また、高温状態の被処理基板を室温程度のガスで冷却することにより速やかに降温させることができる。勿論、ガラスなど熱衝撃に弱い基板を用いる場合には注意が必要であるが、従来のＲＴＡにおけるように、ランプ光により数マイクロ秒〜数秒の瞬間加熱とは異なり、急激な加熱により基板を破壊してしまうことはない。
【００７８】
加熱又は冷却に用いるガスは、熱処理の用途によって選択することができる。窒素または希ガスによる不活性気体を用いれば、非晶質半導体膜の結晶化のための熱処理、ゲッタリングを目的とした熱処理、イオン注入又はイオンドーピング（質量分離することなくイオンを注入する方法）後の再結晶化及び活性化を目的とした熱処理に適用することができる。水素などの還元性気体として、水素又は不活性気体で希釈された水素を用いると、半導体の欠陥（ダングリングボンド）を補償することを目的とした水素化処理を行うことができる。酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素などの酸化性気体を用いると、半導体基板又は半導体膜に酸化膜を形成することができる。
【００７９】
以上説明した、本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置は、さまざまな被処理物の熱処理に適用することができる。例えば、集積回路を形成する半導体基板の熱処理、ＴＦＴを形成した絶縁基板の熱処理、金属基板の熱処理などに適用することができる。例えば、ＴＦＴを形成するガラス基板の熱処理に適用することができる。その基板のサイズは、６００×７２０mmのみでなく１２００×１６００mmなどを適用したとしても、均一性よく基板を加熱することができる。また、基板を保持する治具を大型化する必要もない。
【００８０】
[実施の形態３]
図８を用いて本発明の熱処理方法の一態様を説明する。図１で示す熱処理装置を用い、熱処理における時間経過（手順）を図８に示す。加熱用及び冷却用ガスとして窒素（Ｎ2）を用いる。また、発熱体にはハロゲンランプを用いる。
【００８１】
被処理基板は搬送手段によりカセットから反応管内にセットされ、その後ゲートバルブを閉じる。その間、反応管内にはガス供給手段から窒素が供給され続け、外気の混入が最小限となるよう配慮しておく。ゲートバルブを閉じた後、その窒素流量を増加させ、反応管内を窒素で充満させ置換する。
【００８２】
そして、窒素流量を増加させ、発熱体であるハロゲンランプを点灯させ、窒素を加熱する。加熱する温度は発熱体に供給する電力、或いはその電力と窒素の供給量により調節することができる。加熱温度は概略１００〜１０００℃程度まで可能である。
【００８３】
加熱した窒素で反応管の下流側に置かれた被処理基板を加熱し、熱処理を行う。その時間は任意なものとする。排気部に達した窒素の温度は低下するが、循環させて再度発熱体により加熱し、被処理体の加熱に用いる。その後、ハロゲンランプを消灯するまでの期間が実質的な熱処理期間となる。
【００８４】
ハロゲンランプを消灯した後、ガス供給手段より冷却用窒素を供給し、被処理基板の温度を下げる。この時、加熱用窒素の流量はそのまま一定を保つか、或いは低下させても良い。いずれにしても、ハロゲンランプは消灯しているので、反応管内の窒素の温度は低下し、それと伴に被処理基板の温度も低下する。降温の速度は最初急激であり、その後除々に低下する。凡そ２００℃以下となれば、ゲートバルブを開けて被処理基板を取り出す。その段階になれば、冷却用窒素の供給は止めても良い。
【００８５】
このような一連の処理を一サイクルとし、繰り返すことで多数の基板を連続して処理することができる。
【００８６】
[実施の形態４]
図１１は本発明の熱処理装置の一態様を示す。図１１において第１の処理室２０１には第１のガス加熱手段２０７が対応して設けられ、第２の処理室２０２には第２のガス加熱手段２０８が対応して設けられ、第３の処理室２０３には第３のガス加熱手段２０９が対応して設けられ、第４の処理室２０４には第４のガス加熱手段２１０が対応して設けられている。また、第１のガス供給手段２０５、第２のガス供給手段２０６、熱交換器２１１、除害手段２１２が設けられ、これらの配管は実施の形態で説明する熱処理装置と同様な構成となっている。
【００８７】
第１のガス供給手段２０５は加熱用のガスを供給する。第２のガス供給手段２０６は冷却用のガスを供給するものである。
【００８８】
各処理室にはカセット２１４に保持された基板２１５が搬送手段２１３により搬送され、保持手段２１６上に載置される。各処理室はゲートバルブの開閉により基板を出し入れする。
【００８９】
図１４は複数の処理室を備えた熱処理装置の構成を示している。処理室５０１、５０２、第１のガス供給手段５０６、５０９、第２のガス供給手段５０７、５１０、ガス加熱手段５０８、５１１が設けられている。処理室５０１、５０２は複数段重ねられていても良く、それに対応してガス加熱手段が設けられている。そのような構成は図１１を参照すれば良い。バッファーカセット５０３は処理室から搬出した熱処理済みの基板を一端保持するものであり、ここで基板をさらに冷却する。カセット５０５a〜５０５ｃは基板を保持及び輸送に際し適用されるものである。基板は搬送手段５０４により、カセット５０５a〜５０５ｃ、処理室５０１、５０２、バッファーカセット５０３間を移動させるために用いる。
【００９０】
処理室の段数は、熱処理に要する時間と、搬送手段の動作速度（即ち基板を移動させられる可能な速度）により決めることができる。タクトタイムが１０分程度であれば、処理室５０１、５０２には３〜１０段を設置することができる。
【００９１】
図１４は大量バッチ処理方式による熱処理装置の構成の一例を示したが、この構成及び配置に限定される必要はなく、その他任意の配置をとることも可能である。ここで示す熱処理装置は、バッチ処理の方式であり、加熱したガスにより被処理基板を加熱する方式なので、基板のサイズが大型化しても均一性良く熱処理をすることができる。例えば、一辺の長さが１０００mmを超える基板の熱処理に対しても適用することができる。
【００９２】
このような本発明の熱処理方法及びそれを用いた熱処理装置の特徴は、被処理基板の形態や大きさの制約を受けない。枚葉処理により、被処理基板が大型化しても頑強なサセプタを必要とせず、その分だけ小型化を図ることができる。また、加熱手段も大規模なものは必要とせず、消費電力を節約することができる。
【００９３】
[実施の形態５]
半導体膜の結晶化及びゲッタリングに伴う熱処理を、本発明の熱処理方法及びそれを適用した熱処理装置を用いて行う一例を図６を用いて説明する。
【００９４】
図６（Ａ）において、基板６００はその材質に特段の限定はないが、好ましくはバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラス、或いは石英などを用いることができる。基板６００の表面には、ブロッキング層６０１として無機絶縁膜を１０〜２００nmの厚さで形成する。好適なブロッキング層の一例は、プラズマＣＶＤ法で作製される酸化窒化シリコン膜であり、ＳｉＨ4、ＮＨ3、Ｎ2Ｏから作製される第１酸化窒化シリコン膜を５０nmの厚さに形成し、ＳｉＨ4とＮ2Ｏから作製される第２酸化窒化シリコン膜を１００nmの厚さに形成したものを適用する。ブロッキング層６０１はガラス基板に含まれるアルカリ金属がこの上層に形成する半導体膜中に拡散しないために設けるものであり、石英を基板とする場合には省略することも可能である。
【００９５】
ブロッキング層６０１の上に形成する非晶質構造を有する半導体膜（第１の半導体膜）６０２は、シリコンを主成分とする半導体材料を用いる。代表的には、非晶質シリコン膜又は非晶質シリコンゲルマニウム膜などが適用され、プラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法、或いはスパッタ法で１０〜１００nmの厚さに形成する。良質な結晶を得るためには、非晶質構造を有する半導体膜５０２に含まれる酸素、窒素などの不純物濃度を５×１０18/cm3以下に低減させておくと良い。これらの不純物は非晶質半導体の結晶化を妨害する要因となり、また結晶化後においても捕獲中心や再結合中心の密度を増加させる要因となる。そのために、高純度の材料ガスを用いることはもとより、反応室内の鏡面処理（電界研磨処理）やオイルフリーの真空排気系を備えた超高真空対応のＣＶＤ装置を用いることが望ましい。
【００９６】
その後、非晶質構造を有する半導体膜６０２の表面に、結晶化を促進する触媒作用のある金属元素を添加する。半導体膜の結晶化を促進する触媒作用のある金属元素としては鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）などであり、これらから選ばれた一種または複数種を用いることができる。代表的にはニッケルを用い、重量換算で１〜１００ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピナーで塗布して触媒含有層６０３を形成する。ニッケルの含有量が多い程短時間で結晶化を遂行することができる。
【００９７】
この場合、当該溶液の馴染みをよくするために、非晶質構造を有する半導体膜６０２の表面処理として、オゾン含有水溶液で極薄い酸化膜を形成し、その酸化膜をフッ酸と過酸化水素水の混合液でエッチングして清浄な表面を形成した後、再度オゾン含有水溶液で処理して極薄い酸化膜を形成しておく。シリコンなど半導体膜の表面は本来疎水性なので、このように酸化膜を形成しておくことにより酢酸ニッケル塩溶液を均一に塗布することができる。
【００９８】
勿論、触媒含有層６０３はこのような方法に限定されず、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理などにより形成しても良い。また、触媒含有層６０３は非晶質構造を有する半導体膜６０２を形成する前、即ちブロッキング層６０１上に形成しておいても良い。
【００９９】
非晶質構造を有する半導体膜６０２と触媒含有層６０３とを接触した状態を保持したまま結晶化のための熱処理を行う。熱処理は図１０で示す構成の熱処理装置を用いる。図１５はその熱処理の過程を説明するグラフであり、以下そのグラフを参照してこの熱処理過程を説明する。
【０１００】
加熱用のガスには窒素、アルゴンなどを用いることができる。非晶質半導体膜が形成された基板６００は搬送手段によりカセットから反応管内にセットされ、その後ゲートバルブを閉じる。その間、反応管内にはガス供給手段から窒素が供給され続け、外気の混入が最小限となるよう配慮しておく。ゲートバルブを閉じた後、その窒素流量を増加させ、反応管内を窒素で充満させ置換する。
【０１０１】
そして、窒素流量を増加させ、ガス加熱手段により供給される窒素ガスを第１の温度に加熱する。加熱する温度は発熱体に供給する電力、或いはその電力と窒素の供給量により調節することができる。ここでは、第１の温度として５５０±５０℃とし基板を加熱する（図１５で示す昇温１の段階）。この温度に昇温するために必要な時間は２分で済む。
【０１０２】
基板が第１の温度になったら、その状態を３分保持する。この段階で、非晶質半導体膜に結晶核が形成される（図１５で示す核形成の段階）。その後、結晶化をするために第２の温度に加熱する。加熱用の窒素ガスを６７５±２５℃にして基板を加熱する（図１５で示す昇温２の段階）。第２の温度に達したらその温度を５分間保持して結晶化を行う（図１５で示す結晶化の段階）。勿論、これまでの期間、加熱用の窒素ガスは供給を続ける。
【０１０３】
所定の時間が過ぎたら、加熱用の窒素ガスの供給を止め、冷却用の窒素ガスを供給する。それは室温程度で窒素ガスで良い。すると基板は急速に冷却される（図１５で示す降温の段階）。この時間は３分程度である。３００℃程度まで基板が冷えたら搬送手段により基板を処理室から取り出し、バッッファーカセットに基板を移載する。ここでさらに１５０℃以下にまで基板を冷却する（図１６で示す移載の段階）。その後、カセットに基板を移載することにより結晶化のための熱処理が終了する。
【０１０４】
基板を熱処理装置に搬入し、熱処理してから取り出すまでの時間は１３分である。このように本発明の熱処理装置及び熱処理方法を用いることにより、結晶化のための熱処理をきわめて短時間で行うことができる。
【０１０５】
こうして、図６（Ｂ）に示す結晶構造を有する半導体膜（第１の半導体膜）６０４を得ることができる。
【０１０６】
さらに結晶化率（膜の全体積における結晶成分の割合）を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するためには、図６（Ｃ）で示すように結晶構造を有する半導体膜６０４に対してレーザー光を照射することも有効である。レーザーには波長４００nm以下のエキシマレーザー光や、ＹＡＧレーザーの第２高調波、第３高調波を用いる。いずれにしても、繰り返し周波数１０〜１０００Hz程度のパルスレーザー光を用い、当該レーザー光を光学系にて１００〜４００mJ/cm2に集光し、９０〜９５％のオーバーラップ率をもって結晶構造を有する半導体膜６０４に対するレーザー処理を行っても良い。
【０１０７】
このようにして得られる結晶構造を有する半導体膜（第１の半導体膜）６０５には、触媒元素（ここではニッケル）が残存している。それは膜中において一様に分布していないにしろ、平均的な濃度とすれば、１×１０19/cm3を越える濃度で残存している。勿論、このような状態でもＴＦＴをはじめ各種半導体素子を形成することが可能であるが、以降に示す方法でゲッタリングにより当該元素を除去する。
【０１０８】
まず、図６（Ｄ）に示すように結晶構造を有する半導体膜６０５の表面に薄いバリア層６０６を形成する。バリア層の厚さは特に限定されないが、簡便にはオゾン水で処理することにより形成されるケミカルオキサイドで代用しても良い。また、硫酸、塩酸、硝酸などと過酸化水素水を混合させた水溶液で処理しても同様にケミカルオキサイドを形成することができる。他の方法としては、酸化雰囲気中でのプラズマ処理や、酸素含有雰囲気中での紫外線照射によりオゾンを発生させて酸化処理を行っても良い。また、クリーンオーブンを用い、２００〜３５０℃程度に加熱して薄い酸化膜を形成しバリア層としても良い。或いは、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法、蒸着法などで１〜５nm程度の酸化膜を堆積してバリア層としても良い。
【０１０９】
その上にプラズマＣＶＤ法やスパッタ法で半導体膜（第２の半導体膜）６０７を２５〜２５０nmの厚さで形成する。代表的には非晶質シリコン膜を選択する。この半導体膜６０７は後に除去するので、結晶構造を有する半導体膜６０５とエッチングの選択比を高くするため、密度の低い膜としておくことが望ましい。例えば、非晶質シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成する場合には、基板温度を１００〜２００℃程度として、膜中に水素を２５〜４０原子％含ませておく。スパッタ法を採用する場合も同様であり、基板温度を２００℃以下としてアルゴンと水素の混合ガスでスパッタすることにより水素を多量に膜中に含ませることができる。また、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法で成膜時に希ガス元素を添加させておくと、膜中に希ガス元素を同時に取り込ませることができる。こうして取り込まれる希ガス元素をもっても、ゲッタリングサイトを形成することができる。
【０１１０】
その後、イオンドープ法又はイオン注入法により、半導体膜６０７に希ガス元素が１×１０20〜２．５×１０22/cm3の濃度で含まれるように添加する。加速電圧は任意なものとするが、希ガス元素であるため注入される希ガスのイオンが半導体膜６０７とバリア層６０６を通り抜け、一部が結晶構造を有する半導体膜６０５にまで達しても構わない。希ガス元素は半導体膜中でそれ自体は不活性であるため、半導体膜６０５の表面近傍において１×１０13〜１×１０20/cm3程度の濃度で含まれている領域があっても、素子特性にさほど影響はない。また、半導体膜６０７を形成する段階で希ガス元素を添加しておいても良い。
【０１１１】
希ガス元素としてはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）から選ばれた一種または複数種を用いる。本発明はゲッタリングサイトを形成するためにこれら希ガス元素をイオンソースとして用い、イオンドープ法或いはイオン注入法で半導体膜に注入する。これら希ガス元素のイオンを注入する意味は二つある。一つは注入によりダングリングボンドを形成し半導体膜に歪みを与えることであり、他の一つは半導体膜の格子間に当該イオンを注入することで歪みを与えることである。不活性ガスのイオンを注入はこの両者を同時に満たすことができるが、特に後者はアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などシリコンより原子半径の大きな元素を用いた時に顕著に得られる。
【０１１２】
ゲッタリングを確実に成し遂げるにはその後熱処理をすることが必要となる。図１６はその熱処理の過程を説明するグラフであり、以下そのグラフを参照してこの熱処理過程を説明する。熱処理は同様に本発明の熱処理装置を用いる。また、多数の基板を効率良く処理するためには図１４のように構成した装置を用いることが望ましい。加熱用のガスには窒素、アルゴンなどを用いることができる。
【０１１３】
加熱用のガスには窒素、アルゴンなどを用いることができる。図６（Ｄ）の構造が形成された基板６００は搬送手段によりカセットから反応管内にセットされ、その後ゲートバルブを閉じる。その間、反応管内にはガス供給手段から窒素が供給され続け、外気の混入が最小限となるよう配慮しておく。ゲートバルブを閉じた後、その窒素流量を増加させ、反応管内を窒素で充満させ置換する。
【０１１４】
そして、窒素流量を増加させ、ガス加熱手段により供給される窒素ガスを第３の温度に加熱する。加熱する温度は発熱体に供給する電力、或いはその電力と窒素の供給量により調節することができる。ここでは、第３の温度として６７５±２５℃とし、基板を加熱する（図１６で示す昇温の段階）。この温度に昇温するのに必要な時間は２分である。
【０１１５】
基板が第３の温度になったら、その状態を３分保持する。これによりゲッタリングが成される（図１６で示すゲッタリングの段階）。ゲッタリングは、被ゲッタリング領域（捕獲サイト）にある触媒元素が熱エネルギーにより放出され、拡散によりゲッタリングサイトに移動する。従って、ゲッタリングは処理温度に依存し、より高温であるほど短時間でゲッタリングが進むことになる。図６（Ｅ）において矢印で示すように、触媒元素が移動する方向は半導体膜の厚さ程度の距離であり、ゲッタリングは比較的短時間で完遂する。
【０１１６】
所定の時間が過ぎたら、加熱用の窒素ガスの供給を止め、冷却用の窒素ガスを供給する。それは室温程度の窒素ガスで良い。すると基板は急速に冷却される（図１６で示す降温の段階）。この時間は３分程度である。３００℃程度まで基板が冷えたら搬送手段により基板を処理室から取り出し、バッッファーカセットに基板を移載する。ここでさらに１５０℃以下にまで基板を冷却する図１６で示す移載の段階）。その後、カセットに基板を移載することによりゲッタリングのための熱処理が終了する。
【０１１７】
基板を熱処理装置に搬入し、熱処理してから取り出すまでの時間は９分である。このように本発明の熱処理装置及び熱処理方法を用いることにより、ゲッタリングのための熱処理をきわめて短時間で行うことができる。
【０１１８】
尚、この熱処理によっても１×１０20/cm3以上の濃度で希ガス元素を含む半導体膜６０７は結晶化することはない。これは、希ガス元素が上記処理温度の範囲においても再放出されず膜中に残存して、半導体膜の結晶化を阻害するためであると考えられる。
【０１１９】
その後、非晶質半導体６０７を選択的にエッチングして除去する。エッチングの方法としては、ＣｌＦ3によるプラズマを用いないドライエッチング、或いはヒドラジンや、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド（化学式 （ＣＨ3）4ＮＯＨ）を２０〜３０％、好ましくは２５％の濃度含む水溶液を用い、５０℃に加熱して行うことにより容易に除去することができる。この時バリア層６０６はエッチングストッパーとなり、殆どエッチングされずに残る。バリア層６０６はその後フッ酸により除去すれば良い。
【０１２０】
こうして図６（Ｆ）に示すように触媒元素の濃度が１×１０17/cm3以下にまで減じられた結晶構造を有する半導体膜６０８を得ることができる。こうして形成された結晶構造を有する半導体膜６０８は、触媒元素の作用により細い棒状又は細い扁平棒状結晶として形成され、その各々の結晶は巨視的に見ればある特定の方向性をもって成長している。このような結晶構造を有する半導体膜６０８はＴＦＴの活性層のみでなく、フォトセンサや太陽電池の光電変換層にも適用することができる。
【０１２１】
[実施の形態６]
実施の形態５により作製される半導体膜を用いてＴＦＴを作製する方法を図７を用いて説明する。本実施の形態にて説明するＴＦＴの作製工程においても本発明の熱処理方法及び熱処理装置を用いるこができる。
【０１２２】
まず、図７（Ａ）において、アルミノホウケイ酸ガラスまたはバリウムホウケイ酸ガラスなどによる透光性の基板７００上に実施の形態４で作製された半導体膜から、島状に分離された半導体膜７０２、７０３を形成する。また、基板７００と半導体膜との間には、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコンから選ばれた一つまたは複数種を組み合わせた第１絶縁膜７０１を５０〜２００nmの厚さで形成する。
【０１２３】
その後、図７（Ｂ）に示すように、そして、第２絶縁膜７０４を８０nmの厚さで形成する。第２絶縁膜７０４はゲート絶縁膜として利用するものであり、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用いて形成する。第２絶縁膜７０４として、ＳｉＨ4とＮ2ＯにＯ2を添加させて作製する酸化窒化シリコン膜は膜中の固定電荷密度を低減させることが可能となり、ゲート絶縁膜として好ましい材料である。勿論、ゲート絶縁膜はこのような酸化窒化シリコン膜に限定されるものでなく、酸化シリコン膜や酸化タンタル膜などの絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【０１２４】
第２絶縁膜７０４上にゲート電極を形成するための第１導電膜を形成する。第１導電膜の種類に限定はないが、アルミニウム、タンタル、チタン、タングステン、モリブデンなどの導電性材料またはこれらの合金を適用することができる。このような材料をもちいたゲート電極の構造は、窒化タンタル又は窒化チタンとタングステン又はモリブデンタングステン合金の積層構造、タングステンとアルミニウム又は銅の積層構造などを採用することができる。アルミニウムを用いる場合には、耐熱性を高めるためにチタン、スカンジウム、ネオジウム、シリコン、銅などを０．１〜７重量％添加したものを用いる。第１の導電膜は３００nmの厚さで形成する。
【０１２５】
その後、レジストパターンを形成し、ゲート電極７０５、７０６を形成する。また、図示しないが、ゲート電極に接続する配線も同時に形成することができる。
【０１２６】
図７（Ｃ）に示すように、このゲート電極をマスクとして、自己整合的にｎ型半導体領域７０７、７０８を形成する。ドーピングはイオン注入法又はイオンドーピング法（ここでは、質量分離しないイオンを注入する方法をいう）で燐を注入する。この領域の燐濃度は１×１０20〜１×１０21/cm3の範囲となるようにする。
【０１２７】
続いて、図７（Ｄ）に示すように一方の半導体膜７０３を覆うマスク７０９を形成し、半導体膜７０２にｐ型半導体領域７１０を形成する。添加する不純物は硼素を用い、ｎ型を反転するために燐よりも１．５〜３倍の濃度で添加する。この領域の燐濃度は１．５×１０20〜３×１０21/cm3の範囲となるようにする。
【０１２８】
その後、図７（Ｅ）に示すように酸化窒化シリコン膜または窒化シリコン膜から成る第３絶縁膜７１１をプラズマＣＶＤ法で５０nmの厚さに形成する。
【０１２９】
そして、ｎ型及びｐ型の半導体領域の結晶性の回復と、活性化のために熱処理を行う。熱処理は、図１で示す構成の熱処理装置を用い、実施の形態３で示す手順により行うことができる。また、多数の基板を効率良く処理するためには図３又は図４の装置を用いても良いし、図１０又は図１１の構成の装置を用いても良い。
【０１３０】
加熱用のガスには窒素、アルゴンなどを用いることができる。活性化は、ガスを４５０〜７００℃の温度に加熱して、１０〜３６００秒の熱処理を行う。また、ガスに水素を添加した還元雰囲気としても良い。添加した水素により水素化を同時に行うこともできる。
【０１３１】
ガラス基板上にゲート電極が形成された状態でＲＴＡ法による熱処理を行った場合には、ゲート電極がランプ光の輻射を選択的に吸収して、局所的に加熱されガラス基板を破損してしまう場合がある。本発明による熱処理はガスによる加熱であるためそのような影響がない。
【０１３２】
図７（Ｆ）に示す第４絶縁膜７１２は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコンで形成する。または、ポリイミドまたはアクリルなどの有機絶縁物材料で形成し表面を平坦化しても良い。
【０１３３】
次いで、第４絶縁膜７１２の表面から各半導体膜の不純物領域に達するコンタクトホールを形成し、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａなどを用いて配線を形成する。図７（Ｆ）において７１３、７１４はソース線またはドレイン電極となる。こうしてｎチャネル型ＴＦＴとｐチャネル型ＴＦＴを形成することができる。ここではそれぞれのＴＦＴを単体として示しているが、これらのＴＦＴを使ってＣＭＯＳ回路やＮＭＯＳ回路、ＰＭＯＳ回路を形成することができる。
【０１３４】
[実施の形態７]
本発明の熱処理方法及それを適用した熱処理装置において、加熱するガスに不活性ガスと、酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素から選ばれた一種を混合し、酸化性ガスとすることで、半導体の表面に酸化膜を形成することが可能である。
【０１３５】
図９はその一例であり、加熱用のガスとして窒素に酸素を１〜３０％混合し、８５０〜１０００℃の熱処理を行うことにより、単結晶シリコン基板に素子分離用のフィールド酸化膜やゲート絶縁膜を形成することができる。
【０１３６】
図９（Ａ）において、比較的高抵抗（例えば、ｎ型、１０Ωcm程度）の単結晶シリコンから成る基板８０１に、ｎウエル８０２、ｐウエル８０３を形成する。その後、フィールド酸化膜８０５を加熱用のガスとして酸素と窒素の混合ガスを用い、本発明の熱処理方法を用いて形成する。このとき、ボロン（Ｂ）を選択的にイオン注入法により半導体基板に導入し、チャネルストッパーを形成しても良い。加熱温度は８００〜１０００℃とする。
【０１３７】
そして、同様にゲート絶縁膜となる酸化シリコン膜８０６の形成を行う。フィールド酸化膜８０５、酸化シリコン膜８０６の形成に用いる装置は、図１又は図３、又は図４に示す構成の装置のどれを用いても良い。
【０１３８】
続いて、図９（Ｂ）で示すようにゲート用の多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により１００〜３００nmの厚さで形成する。このゲート用の多結晶シリコン膜は、低抵抗化するために予め１０21/cm3程度の濃度でリン（Ｐ）をドープしておいても良いし、多結晶シリコン膜を形成した後で濃いｎ型不純物を拡散させても良い。ここでは、さらに低抵抗化するためにこの多結晶シリコン膜上にシリサイド膜を５０〜３００nmの厚さで形成する。シリサイド材料は、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、タンタルシリサイド（ＴａＳｉｘ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ）などを適用することが可能であり、公知の方法に従い形成すれば良い。そして、この多結晶シリコン膜とシリサイド膜をエッチングしてゲート８０７、８０８を形成する。ゲート８０７、８０８は、多結晶シリコン膜８０７ａ、８０８ａとシリサイド膜８０７ｂ、８０８ｂの２層構造を有している。
【０１３９】
その後、図９（Ｃ）に示すように、サイドウオール８１６、８１７を形成し、イオン注入法によりｎチャネル型ＭＯＳトランジスタのソース及びドレイン領域８２０、ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタのソース及びドレイン領域８２４を形成する。勿論、これらのソース及びドレイン領域の再結晶化及び活性化を目的とした熱処理にも本発明の熱処理方法及び熱処理装置を適用することができる。加熱温度は７００〜１０００℃、好ましくは９５０℃となるように加熱用の窒素ガスを加熱手段により加熱する。この熱処理によって、不純物が活性化し、ソース及びドレイン領域の低抵抗化が図られる。
【０１４０】
このようにして、ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ３３１とｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ３３０が完成する。本実施形態で説明したトランジスタの構造はあくまで一実施形態であり、図９に示した作製工程及び構造に限定される必要はない。これらのトランジスタを使ってＣＭＯＳ回路やＮＭＯＳ回路、ＰＭＯＳ回路を形成することができる。また、シフトレジスタ、バッファ、サンプリング、Ｄ／Ａコンバータ、ラッチ、などの各種回路を形成することが可能であり、メモリ、ＣＰＵ、ゲートアレイ、ＲＩＳＣなどの半導体装置を作製することができる。そしてこのような回路は、ＭＯＳで構成されることにより高速動作が可能であり、また、駆動電圧を３〜５Ｖとして低消費電力化をすることもできる。
【０１４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被処理基板の熱処理を、被処理基板の形態や大きさの制約を受けることはなく、被処理基板が大型化しても頑強なサセプタを必要とせず、その分だけ小型化を図ることができる。本発明の熱処理方法及びそれを適用した熱処理装置は、バッチ処理の方式であり、加熱したガスにより被処理基板を加熱する方式なので、基板のサイズが大型化しても均一性良く熱処理をすることができ、一辺の長さが１０００mmを超える基板の熱処理に対しても適用することができる。そのための、加熱手段も大規模なものは必要とせず、小電力化を図った熱処理装置を実現することができる。
【０１４２】
被処理基板に対する熱処理は、非晶質半導体膜の結晶化、ゲッタリング、不純物の活性化、水素化、半導体表面の酸化などを行うことができる。このような処理を半導体素子の製造工程に組み入れることにより、大面積基板に集積回路を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す断面構造図。
【図２】  本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す上面構造図。
【図３】  本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す断面構造図。
【図４】  本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す断面構造図。
【図５】  本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す断面構造図。
【図６】  本発明の熱処理方法及び熱処理装置を適用した、半導体膜を作製工程を説明する断面図。
【図７】  本発明の熱処理方法及び熱処理装置を適用した、ＴＦＴを作製工程を説明する断面図。
【図８】  本発明の熱処理方法を説明する概念図。
【図９】  本発明の熱処理方法及び熱処理装置を適用した、半導体基板の熱処理工程を説明する断面図。
【図１０】  本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す断面構造図。
【図１１】  本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示す断面構造図。
【図１２】  本発明の熱処理装置に適用可能なガス加熱手段の一例を説明する図。
【図１３】  本発明の熱処理装置に適用可能な熱交換器の一例を説明する図。
【図１４】  本発明の熱処理方法を適用した熱処理装置の一実施形態を示すレイアウト図。
【図１５】  本発明の熱処理方法を用いた結晶化工程における基板温度の変化を説明するグラフ。
【図１６】  本発明の熱処理方法を用いたゲッタリング工程における基板温度の変化を説明するグラフ。
【符号の説明】
１０１  第１の処理室、１０２  第２の処理室、１０３  第３の処理室、１０４第４の処理室、１０５  第５の処理室、
１０６  第１のガス供給手段、１０７  第２のガス供給手段、１０８  第１のガス加熱手段、１０９  第２のガス加熱手段、１１０  第３のガス加熱手段、１１１  第４のガス加熱手段、１１２  第５のガス加熱手段、
１１３  熱交換器、１１４  除害手段、１１５基板保持手段、１１６  シャワー板
１１０１  反応管、１１０５  加熱手段、１１０６、１１０７  オリフィス板、１１０９  ガス供給手段、１１１０  冷却用ガス供給手段、１１１２  吸気部、１１１３  排気部、１１１４  連結管、１１１６  ヒーター、１１２１  搬送手段
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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