(57)【要約】本発明は、半導体材料の結晶成長方向や結晶粒界形成の制御を正確に行い、トランジスタ内の欠陥密度を均一にし、閾値、移動度、リーク電流等の特性のばらつきを軽減すること目的としている。この目的を達成するため、加熱処理をする半導体材料に伝熱層と発熱体としてのカーボン層を積層し、カーボン層にレーザ照射または電圧印加を行って、カーボン層を発熱させ、伝熱層を介して半導体材料を加熱するようにした。【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して被処理材料に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的にパルス的エネルギーを与えて上記カーボン層を発熱させ、この発熱した熱により上記被処理材料を加熱処理することを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
カーボン層もしくはカーボンを含む層にエネルギーを与える一回あたりの面積が１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下であり、一つのパルスエネルギー持続時間が１０−７ｓ以上、１０−２ｓ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の熱処理方法。
【請求項３】
上記カーボン層もしくはカーボンを含む層にエネルギーを与える手段として、波長０．２μｍ以上２０μｍ以下の電磁波を照射させて、上記カーボン層もしくはカーボンを含む層に吸収させることにより発熱させることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の熱処理方法。
【請求項４】
上記カーボン層もしくはカーボンを含む層に、導電体を接触させ、パルス電流を流すことにより、当該層にジュール熱を発生させることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の熱処理方法。
【請求項５】
上記被処理材料として非晶質半導体を用い、この非晶質半導体を結晶化させることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の熱処理方法。
【請求項６】
上記被処理材料は不純物を含む非晶質半導体であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の熱処理方法。
【請求項７】
被処理材料として複数の層構造を含む半導体素子を用い、上記半導体素子を加熱し、上記半導体素子の電気的特性を改善することを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の熱処理方法。
【請求項８】
カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体上に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的にパルス的エネルギーを与えて当該層を発熱させ、この発熱した熱により上記非晶質半導体を加熱処理することを特徴とする半導体の結晶化方法。
【請求項９】
上記非晶質半導体は、不純物を含むものであることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の半導体の結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理材料を熱処理する方法に関し、特に、半導体材料またはデバイスなどを短時間に効率よく熱処理する方法とその熱処理によって半導体を結晶化する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスを構成する素子として単結晶シリコンを用いたバイポーラおよびＭＯＳ型トランジスタ、さらには、多結晶シリコン薄膜トランジスタが広く用いられている。トランジスタ作製は結晶性半導体上に形成されるので、結晶性半導体の形成は極めて重要である。
特に、絶縁体および絶縁膜層上に形成される薄膜トランジスタにとって結晶化技術は重要である。従来の薄膜結晶化技術として、電気炉を用いて６００〜１０００℃の高温で２〜２０時間加熱する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
あるいは、パルスレーザを用いて薄膜を短時間溶融して固化結晶化する技術、および半導体表面のリッジの形成を抑制しながらレーザアニ−ルを行う技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら上述の結晶化技術は、大面積にわたって良質の多結晶シリコン膜の形成を実現するが、結晶成長方向および結晶粒界形成のコントロールが困難であった。それゆえ、トランジスタ内の欠陥密度にばらつきが生じ、しきい値、移動度、リーク電流等トランジスタ特性のばらつきを生じる欠点があった。さらには、特許文献１記載の技術では高温長時間の加熱を必要とし、エネルギー消費が大きいという問題もあった。
【特許文献１】特開２００４−２２２４３号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１６１５号公報
【発明の開示】
【０００３】
本発明の目的は、かかる問題を解決し、被処理材料の微小部分を瞬間的に効率よく熱処理する方法、特に、良好な特性のトランジスタ等電子デバイス作製を可能にする瞬間的熱処理の方法および装置を提供することである。特に、従来の技術ではごく限られた領域に加熱を限定し、局所的に加熱処理を行うことは困難であったが、本発明の目的は、かかる問題を解決するものである。
上記の目的を達成するために、請求の範囲１に記載の本発明は、カーボン層またはカーボンを含む層を薄膜発熱体として用い、該薄膜発熱体を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して被処理材料に重ねて形成し、前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的なエネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により被処理材料である半導体材料をその表面側から加熱処理することを特徴とするものである。
また、請求の範囲２に記載の発明は、さらに、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層において１０−１０ｃｍ２から１０−２ｃｍ２までの領域にパルス幅１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のエネルギーを与えることにより短時間に限定された領域を加熱処理することを特徴とするものである。
請求の範囲３の発明では、さらに、１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅を有し、かつ波長０．２μｍ以上２０μｍ以下の電磁波を薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層に照射し、当該層に電磁波を吸収させて電磁波のエネルギーを熱エネルギーに変換し、発熱させることを特徴とするものである。
また、請求の範囲４に記載の発明では、パルス幅１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス電流を薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層に流すことにより当該層に発生するジュール熱を用いて加熱することを特徴としている。
特に針状の電極を発熱層であるカーボン層もしくはカーボンを含む層に接触させることにより、針状の電極から供給される電流によるジュール熱を用いて針状電極接触部分のみの局所的加熱を可能にする。
さらに請求の範囲５に記載の発明では、カーボン層もしくはカーボンを含む層を薄膜発熱体として、直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体材料に重ねて形成し、該薄膜発熱体である前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的なエネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により前記非晶質半導体材料をその表面側から加熱処理する熱処理方法を特徴とするものである。
さらに、請求の範囲６に記載の発明では、カーボン層もしくはカーボンを含む層を薄膜発熱体として、直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して不純物を含む非晶質半導体材料に重ねて形成し、該薄膜発熱体である前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的なエネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により前記不純物を含む非晶質半導体材料の不純物を活性化させ、前記半導体層を導電体にすることを特徴とする。
また、請求の範囲７記載の発明は、被加熱処理材料として複数の層構造を含む半導体素子を用い、半導体素子を加熱し、半導体素子の電気的特性を改善することを特徴とするものである。
さらに、請求の範囲８記載の発明は、カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体上に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的に、すなわちトランジスタとしての機能を有する部分に局所的にパルス的エネルギーを与えて当該層を発熱させ、この発熱した熱により上記非晶質半導体を加熱処理することを特徴とする半導体の結晶化方法である。
さらに、請求の範囲９に記載の発明では、上記非晶質半導体について不純物を含むものとして限定したものである。
本発明の熱処理方法を用いることにより、結晶性半導体薄膜の形成を行うことができる。被処理材料として非晶質半導体を用い、本発明の熱処理方法により加熱処理を行うことにより当該非晶質半導体は熱により溶融結晶化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明の熱処理方法において、被処理材料を熱処理する方法の説明図である。
図２は、本発明の熱処理をパルスレーザにより行う場合の説明図である。
図３は、黒色体であるカーボン膜の光反射率の周波数特性を示すグラフである。
図４は、本発明の熱処理をエキシマレーザ照射により加熱処理を行う説明図である。
図５は、本発明を使用しない場合のエキシマレーザ照射による加熱処理を行う説明図である。
図６は、レーザ照射の加熱によって結晶化が促進された結果を示すグラフである。
図７は、パルス電流により発生するジュール熱により行う加熱を行う場合の説明図である。
図８は、ジュール熱により局所加熱を行う方法の説明図である。
図９は、本発明を用いる前処理で、イオン注入を説明する図である。
図１０は、イオン注入の後、被処理材料層に伝熱層とカーボン層を堆積させたことを示す図である。
図１１は、本発明の光照射よる熱処理で、不純物を活性化させる方法の説明図である。
図１２は、本発明のジュール熱による熱処理で、不純物を活性化させる方法の概念図である。
図１３は、本発明の熱処理法による層構造である絶縁膜と半導体界面の特性改質の対象とした被処理材料を示す図である。
図１４は、図１３で示す被処理材料の上にカーボン層を作製したことを示す図である。
図１５は、図１４で示す被処理材料を熱処理した後、カーボン層を除去した形態を示す図である。
図１６は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法による光照射による加熱処理を施す説明図である。
図１７は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法によるジュール熱による加熱処理を施す説明図である。
図１８は、ジュール熱による加熱後のシリコンの結晶化の度合いを示すグラフである。
【符号の説明】
【０００５】
００１・・・ガラス基板
００２・・・被処理材料層（酸化膜、半導体層）
００３・・・伝熱層
００４・・・薄膜発熱体（カーボン層）
００５・・・レーザ光
００６・・・電極
００７・・・電極
００８・・・電圧印加手段
００９・・・ゲート絶縁膜
０１１・・・半導体膜
０１２・・・格子欠陥
０１３・・・ゲート電極
０１４・・・ソース領域
０１５・・・ドレイン領域
０１６・・・ソース電極
０１７・・・ドレイン電極
０１８・・・パッシベーション層
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の熱処理方法の概念図である。動作原理は、基板００１として例えばガラス基板を用い、その上に被処理材料層００２を形成する。被処理材料層としては例えばシリコンが挙げられる。そしてその上に伝熱層００３を形成する。伝熱層材料としてはＳｉＯ２が例示できる。このＳｉＯ２の伝熱層上に薄膜発熱体００４としてカーボン膜もしくはカーボンを含む膜を形成する。そして、薄膜発熱体であるカーボン膜もしくはカーボンを含む膜００４にパルスエネルギーを局所的に与え、発熱させる。発熱した熱で被処理材料００２を加熱するものである。
発熱体００４と被処理材料００２とを伝熱層００３で隔てることは、加熱用薄膜発熱体００４のカーボン等の汚染等の影響が被処理材料００２に及ぶのを抑制する上で好ましい。伝熱層００３の厚さは１０ｎｍ以上あればよく、１００μｍ以下であれば熱は速やかに伝熱層００３を伝搬し、被処理材料００２を加熱することができる。この場合は、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層は１００μｍ以下の伝熱層と被加熱材料を合わせて加熱することになる。薄膜発熱体のカーボン層もしくはカーボンを含む層の厚みが厚いと、カーボン層もしくはカーボンを含む層自身を高温に加熱するための熱量が必要となり、被加熱材料を加熱するのに要する総熱量が増え、加熱効率が悪くなる。したがって、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層の厚さは、加熱効果を十分発揮するためには１００μｍ程度以下が好ましい。
図２は、本発明の熱処理をパルスレーザ光により行う場合の説明図である。１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅のレーザ光００５を発熱層００４に照射する。レーザ光００５を発熱層００４に照射することにより、発熱層００４はレーザ光を吸収し、熱エネルギーに変換される。発生した熱は伝熱層００３を介し、被処理材料００２に伝熱される。このとき照射光の面積を１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２に限定すれば、小さいパルス光のエネルギーで加熱処理を行うことができる。
薄膜発熱体であるカーボンまたはカーボンを含む層からなるカーボン層は図３に示すように光反射率を、レーザ光の波長が０．２μｍ以上２０μｍの広範囲で極めて低く且つ不透明の黒色体に形成することが可能である。従ってレーザ光の波長が０．２μｍ以上２０μｍの広範囲の光を効率よく吸収することができる。
また、エネルギー供給のための光として単一波長のレーザ光のみならず、波長０．２μｍ以上２０μｍの広範囲の光を効率よく用いることができる。例えばキセノンランプを用いることができる。
上記の処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
図４は、パルスレーザ光をもちいた本発明の熱処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用した実施例である。試料はガラス基板００１上に被処理材料としての２５ｎｍのアモルファスシリコン膜００２を形成し、その上に伝熱層として５ｎｍのＳｉＯ２膜００３を形成し、その上に１００ｎｍ厚のカーボン層００４をスパッタで形成した。比較のために、図５にシリコン膜のみの試料で作成した例を示す。これらの試料に波長３０８ｎｍパルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザ００５を照射した。レーザを照射した後、図４に示す試料については、カーボン膜００４、ＳｉＯ２膜００３を除去してシリコン表面の結晶化率を分光測定法により評価した。
図６は、カーボン層にレーザを照射した場合とシリコン膜に直接レーザ照射した場合の、シリコン膜の結晶化率のレーザエネルギー依存性を示す図である。図６から、カーボン層にレーザを照射した場合は、シリコン膜に直接レーザ照射した場合に比べて高い結晶化率が得られ、また、２００ｍＪ／ｃｍ２の小さいエネルギーで結晶化率０．８を得ることができたことがわかる。レーザ波長３０８ｎｍにおけるカーボンの光反射率は１５％とシリコン膜の光反射率５５％に比べて小さく、カーボン膜００４はレーザ光を効率よく吸収し、下層のシリコン膜をより高温に加熱したことが、シリコン膜が高い結晶化率を示していることからも理解できる。
図７は、本発明の熱処理をパルス電流により発生するジュール熱により行う場合の説明図である。基板００１として例えばガラス基板を用い、その上に被処理材料層００２を形成する。被熱処理材料層としては例えばシリコンが挙げられる。そしてその上に伝熱層００３を形成する。伝熱層材料としてはＳｉＯ２が例示できる。その上に薄膜発熱体００４としてカーボン膜もしくはカーボンを含む膜を形成する。電流を供給するため、電極００６と電極００７を形成する。電極００６と００７はそれぞれ抵抗値が十分低い材料ならよく、金属が適している。
上記の構造を有する試料の電極００６と００７間に１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅の電圧を印加する。電圧を印加することにより発熱層００４に電流が流れジュール熱が発生する。発生した熱は伝熱層００３を介し、被処理材料層００２に伝熱される。電極間に電流が流れる実効的面積を１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下にすれば少ない電力で効率的にジュール熱加熱を行うことができる。
上記のような処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
図８は、図７の方法を応用した加熱法の一例であり、局所的加熱を行うに好適な例である。基板００１としてガラス基板を用い、その上に形成した被処理材料層００２であるシリコン膜上に伝熱層００３としてＳｉＯ２膜を形成し、その上に薄膜発熱層００４としてカーボン膜もしくはカーボンを含む膜を形成する。電流を供給するため、電極００６と００７を形成する。電極００６を非常に小さい面積にすることにより電極００６付近は電流の密度が非常に大きくなる。したがって、大きなジュール熱密度が発生し、比較的少ない投入エネルギーで効率的な加熱が可能となる。
この、ジュール加熱を用いてシリコン膜を結晶化した例を示す。被処理材料００２のシリコン膜として２５ｎｍ厚非晶質アモルファスシリコン膜をガラス基板００１上に形成した。その上に５ｎｍのＳｉＯ２伝熱層００３形成した。電極００６と００７として直径１００μｍの金属プローブを用い、カーボン膜００４に接触させた。電極間の抵抗は６００Ωであった。電極００６と００７間に１２０Ｖの電圧を２ｍｓ印加した。電圧印加後、プローブ電極下のシリコン膜は約１００μｍ径の範囲で結晶化した。
この結果を図１８に示す。図１８には、結晶化した部分と、初期膜のラマン散乱スペクトルが示されている。すなわち、ジュール熱を加えて結晶化した部分は、５１６ｃｍ−１に非常に強い結晶シリコンのＴＯフォノンピークが観測され、初期膜に見られる低波数域のブロードなピークは、結晶化後は非常に小さくなったことがわかる。この結果はカーボン膜を用いたジュール熱加熱によりシリコン膜が良好に結晶化したことを示しているものである。
なお、図８では電極００６の形状を円状にしてあるが、形状は円形に限定されず、適宜変更することができる。電極接触面積を１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下にすれば大きな電力を投入することなく電極の下部領域の局所的加熱処理を達成できる。
また図８では電極００７の形状を長方形でかつ電極００６よりも大きな面積を有するように表されているが、必要に応じて、両方の電極の形状を、例えば電極００６のように非常に小さい面積、例えば１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下とすることは可能である。
上記のような構造を有する試料の電極００６と００７間に１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅の電圧を印加する。電圧を印加することにより発熱層００４に電流が流れジュール熱が発生する。発生した熱は伝熱層００３を介し、被処理材料層００２に伝熱される。
上記の処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
本発明の熱処理方法は、結晶化のみでなく、また不純物の活性化にも用いることができる。図９は、本加熱の熱処理方法による不純物活性化の概念図である。まず、図９に示すように、基板００１のガラス基板上に半導体膜０１１を形成する。半導体膜０１１形成後、イオン注入法で不純物を注入する。
次に、図１０に示すように、不純物が注入された半導体膜０１１上に伝熱層００３を、さらに伝熱層００３の上に発熱層００４としてカーボン層もしくはカーボンを含む層を形成する。エネルギー照射に光を使用する場合、図１１に示すようにパルス光を照射して００４を発熱させ、０１１を加熱処理し不純物活性化処理を行う。
熱処理にパルス電流によるジュール加熱を使用する場合、図１２に示すように図８−ｂの発熱層００４上に電流を供給するための電極００６、００７を形成し、パルス電流を流し加熱処理を行い、不純物活性化処理を行う。
本発明の熱処理方法を用いれば、層構造をなす絶縁膜と半導体界面の特性改質を実現することができる。例えば、図１３は、その方法の概念図である。図１３に示すように、基板０１１である半導体表面に被処理材料層である酸化膜００２を形成すると界面に格子欠陥０１２が発生する。この欠陥を低減するために、酸化膜００２の上に、図１４に示すように、カーボン層の薄膜発熱体を重ねて本発明の熱処理方法により高温例えば１０００度、短時間例えば１０μｓの熱処理を行う。これにより、図１５に示すように、半導体界面および酸化膜中の欠陥０１２が低減し、良好な電気的特性を持つ界面を得ることができる。なお、図１５においては、熱処理した後、カーボン層を除去したものを示してある。
さらに、結晶性半導体膜を用いた場合、本発明の熱処理方法により、欠陥の低減、半導体／絶縁体界面の改質を実現できる。さらに、本発明の熱処理方法は、半導体基体上に形成されたＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、レーザダイオードなどの熱処理による特性向上にも有効である。
さらに、本発明の熱処理方法を用いれば、被加熱処理材料として複数の層構造を含む半導体素子を加熱し、半導体素子の電気的特性を改善することが可能である。図１６は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法による光照射により加熱処理を施す概念図である。基板００１上に半導体層００２を形成し、その上にゲート絶縁膜００９を形成し、ゲート電極０１３を形成後、イオン注入方等でソース領域０１４とドレイン領域０１５に不純物を注入する。さらに、ソース電極０１６とドレイン電極０１７を形成する。パッシベーション層０１８を形成後、発熱層００４としてカーボン層もしくはカーボンを含む層を形成し、本発明の熱処理方法を行う。なお、００４に流れる電流により発生するジュール熱を用いて加熱処理を行う場合は、図１７のように電極００６、００７を形成して加熱処理を行う。
本発明の熱処理方法によれば、結晶性半導体薄膜を形成することができる。そして、この結晶性半導体薄膜を、チャネル層に用いて結晶性薄膜トランジスタを作製できる。この結晶性薄膜トランジスタ作製法を一部あるいは全部用いて複数個の薄膜トランジスタを搭載した電子デバイスを形成できる。
本発明の熱処理方法を用いて不純物を含んだ半導体層を加熱し、当該不純物を活性化して、ｎ型あるいはｐ型半導体層を形成することができる。ｎ型半導体の一部にホールキャリヤを生成する不純物を混入させたり、ｐ型半導体の一部にエレクトロンキャリヤを生成する不純物を混入させたりすれば、本発明の熱処理方法を用いて不純物を含んだ該半導体層を加熱することにより半導体ｐｎ接合を形成することができる。
さらに、本発明の熱処理方法を用いて絶縁膜を熱処理することにより、該絶縁膜を改質することができる。
改質した絶縁膜を用いて基体表面を良質の絶縁膜で保護することができる。改質した絶縁膜を用いて電界効果型トランジスタを作製することができる。また改質した絶縁膜を用いて半導体表面保護絶縁膜を作製することができる。本発明の熱処理方法を用いて絶縁膜／半導体界面を熱処理することにより、該界面特性を改善することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【図１】
2006098513.tif 000002
【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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【図１７】
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【図１８】
2006098513.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成18年10月18日(2006.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して半導体材料に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的にパルス的光エネルギーを与えて上記カーボン層を発熱させ、この発熱した熱により上記半導体材料を加熱処理することを特徴とする半導体材料熱処理方法。
【請求項２】
カーボン層もしくはカーボンを含む層に光エネルギーを与える一回あたりの面積が１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下であり、一つのパルスエネルギー持続時間が１０−７ｓ以上、１０−２ｓ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の半導体材料熱処理方法。
【請求項３】
上記光エネルギーとして、波長０．２μｍ以上２０μｍ以下の光を照射させて、上記カーボン層もしくはカーボンを含む層に吸収させることにより発熱させることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の半導体材料熱処理方法。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
上記半導体材料として非晶質半導体を用い、この非晶質半導体を結晶化させることを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の半導体材料熱処理方法。
【請求項６】
上記半導体材料は不純物を含む非晶質半導体であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の半導体材料熱処理方法。
【請求項７】
複数の層構造を含む半導体素子を用い、上記半導体素子を加熱し、上記半導体素子の電気的特性を改善することを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の半導体材料熱処理方法。
【請求項８】
カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体上に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的にパルス的光エネルギーを与えて当該層を発熱させ、この発熱した熱により上記非晶質半導体を加熱処理することを特徴とする半導体の結晶化方法。
【請求項９】
上記非晶質半導体は、不純物を含むものであることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の半導体の結晶化方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、半導体材料を熱処理する方法に関し、特に、半導体材料またはデバイスなどを短時間に効率よく熱処理する方法とその熱処理によって半導体を結晶化する方法に関するものである。
【背景技術】  電子デバイスを構成する素子として単結晶シリコンを用いたバイポーラおよびＭＯＳ型トランジスタ、さらには、多結晶シリコン薄膜トランジスタが広く用いられている。トランジスタ作製は結晶性半導体上に形成されるので、結晶性半導体の形成は極めて重要である。
特に、絶縁体および絶縁膜層上に形成される薄膜トランジスタにとって結晶化技術は重要である。従来の薄膜結晶化技術として、電気炉を用いて６００〜１０００℃の高温で２〜２０時間加熱する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
あるいは、パルスレーザを用いて薄膜を短時間溶融して固化結晶化する技術、および半導体表面のリッジの形成を抑制しながらレーザアニールを行う技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら上述の結晶化技術は、大面積にわたって良質の多結晶シリコン膜の形成を実現するが、結晶成長方向および結晶粒界形成のコントロールが困難であった。それゆえ、トランジスタ内の欠陥密度にばらつきが生じ、しきい値、移動度、リーク電流等トランジスタ特性のばらつきを生じる欠点があった。さらには、特許文献１記載の技術では高温長時間の加熱を必要とし、エネルギー消費が大きいという問題もあった。
【特許文献１】特開２００４−２２２４３号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１６１５号公報
【発明の開示】
本発明の目的は、かかる問題を解決し、半導体材料の微小部分を瞬間的に効率よく熱処理する方法、特に、良好な特性のトランジスタ等電子デバイス作製を可能にする瞬間的熱処理の方法および装置を提供することである。特に、従来の技術ではごく限られた領域に加熱を限定し、局所的に加熱処理を行うことは困難であったが、本発明の目的は、かかる問題を解決するものである。
上記の目的を達成するために、請求の範囲１に記載の本発明は、カーボン層またはカーボンを含む層を薄膜発熱体として用い、該薄膜発熱体を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して半導体材料に重ねて形成し、前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的な光エネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により半導体材料をその表面側から加熱処理することを特徴とするものである。
また、請求の範囲２に記載の発明は、さらに、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層において１０−１０ｃｍ２から１０−２ｃｍ２までの領域にパルス幅１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下の光エネルギーを与えることにより短時間に限定された領域を加熱処理することを特徴とするものである。
請求の範囲３の発明では、さらに、１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅を有し、かつ波長０．２μｍ以上２０μｍ以下の光を薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層に照射し、当該層に光を吸収させて光のエネルギーを熱エネルギーに変換し、発熱させることを特徴とするものである。
さらに請求の範囲５に記載の発明では、カーボン層もしくはカーボンを含む層を薄膜発熱体として、直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体材料に重ねて形成し、該薄膜発熱体である前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的な光エネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により前記非晶質半導体材料をその表面側から加熱処理する熱処理方法を特徴とするものである。
さらに、請求の範囲６に記載の発明では、カーボン層もしくはカーボンを含む層を薄膜発熱体として、直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して不純物を含む非晶質半導体材料に重ねて形成し、該薄膜発熱体である前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的な光エネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により前記不純物を含む非晶質半導体材料の不純物を活性化させ、前記半導体層を導電体にすることを特徴とする。
また、請求の範囲７記載の発明は、複数の層構造を含む半導体素子を用い、半導体素子を加熱し、半導体素子の電気的特性を改善することを特徴とするものである。
さらに、請求の範囲８記載の発明は、カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体上に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的に、すなわちトランジスタとしての機能を有する部分に局所的にパルス的光エネルギーを与えて当該層を発熱させ、この発熱した熱により上記非晶質半導体を加熱処理することを特徴とする半導体の結晶化方法である。
さらに、請求の範囲９に記載の発明では、上記非晶質半導体について不純物を含むものとして限定したものである。
本発明の熱処理方法を用いることにより、結晶性半導体薄膜の形成を行うことができる。半導体材料として非晶質半導体を用い、本発明の熱処理方法により加熱処理を行うことにより当該非晶質半導体は熱により溶融結晶化させることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の熱処理方法において、被処理材料を熱処理する方法の説明図である。
図２は、本発明の熱処理をパルスレーザにより行う場合の説明図である。
図３は、黒色体であるカーボン膜の光反射率の周波数特性を示すグラフである。
図４は、本発明の熱処理をエキシマレーザ照射により加熱処理を行う説明図である。
図５は、本発明を使用しない場合のエキシマレーザ照射による加熱処理を行う説明図である。
図６は、レーザ照射の加熱によって結晶化が促進された結果を示すグラフである５
図９は、本発明を用いる前処理で、イオン注入を説明する図である。
図１０は、イオン注入の後、被処理材料層に伝熱層とカーボン層を堆積させたことを示す図である。
図１１は、本発明の光照射よる熱処理で、不純物を活性化させる方法の説明図である。
図１３は、本発明の熱処理法による層構造である絶縁膜と半導体界面の特性改質の対象とした被処理材料を示す図である。
図１４は、図１３で示す被処理材料の上にカーボン層を作製したことを示す図である。
図１５は、図１４で示す被処理材料を熱処理した後、カーボン層を除去した形態を示す図である。
図１６は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法による光照射による加熱処理を施す説明図である。
【符号の説明】
００１・・・ガラス基板
００２・・・被処理材料層（酸化膜、半導体層）
００３・・・伝熱層
００４・・・薄膜発熱体（カーボン層）
００５・・・レーザ光
００９・・・ゲート絶縁膜
０１１・・・半導体膜
０１２・・・格子欠陥
０１３・・・ゲート電極
０１４・・・ソース領域
０１５・・・ドレイン領域
０１６・・・ソース電極
０１７・・・ドレイン電極
０１８・・・パッシベーション層
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の熱処理方法の概念図である。動作原理は、基板００１として例えばガラス基板を用い、その上に被処理材料層００２を形成する。被処理材料層としては例えばシリコンが挙げられる。そしてその上に伝熱層００３を形成する。伝熱層材料としてはＳｉＯ２が例示できる。このＳｉＯ２の伝熱層上に薄膜発熱体００４としてカーボン膜もしくはカーボンを含む膜を形成する。そして、薄膜発熱体であるカーボン膜もしくはカーボンを含む膜００４にパルスエネルギーを局所的に与え、発熱させる。発熱した熱で被処理材料００２を加熱するものである。
発熱体００４と被処理材料００２とを伝熱層００３で隔てることは、加熱用薄膜発熱体００４のカーボン等の汚染等の影響が被処理材料００２に及ぶのを抑制する上で好ましい。伝熱層００３の厚さは１０ｎｍ以上あればよく、１００μｍ以下であれば熱は速やかに伝熱層００３を伝搬し、被処理材料００２を加熱することができる。この場合は、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層は１００μｍ以下の伝熱層と被加熱材料を合わせて加熱することになる。薄膜発熱体のカーボン層もしくはカーボンを含む層の厚みが厚いと、カーボン層もしくはカーボンを含む層自身を高温に加熱するための熱量が必要となり、被加熱材料を加熱するのに要する総熱量が増え、加熱効率が悪くなる。したがって、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層の厚さは、加熱効果を十分発揮するためには１００μｍ程度以下が好ましい。
図２は、本発明の熱処理をパルスレーザ光により行う場合の説明図である。１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅のレーザ光００５を発熱層００４に照射する。レーザ光００５を発熱層００４に照射することにより、発熱層００４はレーザ光を吸収し、熱エネルギーに変換される。発生した熱は伝熱層００３を介し、被処理材料００２に伝熱される。このとき照射光の面積を１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２に限定すれば、小さいパルス光のエネルギーで加熱処理を行うことができる。
薄膜発熱体であるカーボンまたはカーボンを含む層からなるカーボン層は図３に示すように光反射率を、レーザ光の波長が０．２μｍ以上２０μｍの広範囲で極めて低く且つ不透明の黒色体に形成することが可能である。従ってレーザ光の波長が０．２μｍ以上２０μｍの広範囲の光を効率よく吸収することができる。
また、エネルギー供給のための光として単一波長のレーザ光のみならず、波長０．２μｍ以上２０μｍの広範囲の光を効率よく用いることができる。例えばキセノンランプを用いることができる。
上記の処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
図４は、パルスレーザ光をもちいた本発明の熱処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用した実施例である。試料はガラス基板００１上に被処理材料としての２５ｎｍのアモルファスシリコン膜００２を形成し、その上に伝熱層として５ｎｍのＳｉＯ２膜００３を形成し、その上に１００ｎｍ厚のカーボン層００４をスパッタで形成した。比較のために、図５にシリコン膜のみの試料で作成した例を示す。これらの試料に波長３０８ｎｍパルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザ００５を照射した。レーザを照射した後、図４に示す試料については、カーボン膜００４、ＳｉＯ２膜００３を除去してシリコン表面の結晶化率を分光測定法により評価した。
図６は、カーボン層にレーザを照射した場合とシリコン膜に直接レーザ照射した場合の、シリコン膜の結晶化率のレーザエネルギー依存性を示す図である。図６から、カーボン層にレーザを照射した場合は、シリコン膜に直接レーザ照射した場合に比べて高い結晶化率が得られ、また、２００ｍＪ／ｃｍ２の小さいエネルギーで結晶化率０．８を得ることができたことがわかる。レーザ波長３０８ｎｍにおけるカーボンの光反射率は１５％とシリコン膜の光反射率５５％に比べて小さく、カーボン膜００４はレーザ光を効率よく吸収し、下層のシリコン膜をより高温に加熱したことが、シリコン膜が高い結晶化率を示していることからも理解できる。
上記の処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
本発明の熱処理方法は、結晶化のみでなく、また不純物の活性化にも用いることができる。図９は、本加熱の熱処理方法による不純物活性化の概念図である。まず、図９に示すように、基板００１のガラス基板上に半導体膜０１１を形成する。半導体膜０１１形成後、イオン注入法で不純物を注入する。
次に、図１０に示すように、不純物が注入された半導体膜０１１上に伝熱層００３を、さらに伝熱層００３の上に発熱層００４としてカーボン層もしくはカーボンを含む層を形成する。エネルギー照射に光を使用する場合、図１１に示すようにパルス光を照射して００４を発熱させ、０１１を加熱処理し不純物活性化処理を行う。
本発明の熱処理方法を用いれば、層構造をなす絶縁膜と半導体界面の特性改質を実現することができる。例えば、図１３は、その方法の概念図である。図１３に示すように、基板０１１である半導体表面に被処理材料層である酸化膜００２を形成すると界面に格子欠陥０１２が発生する。この欠陥を低減するために、酸化膜００２の上に、図１４に示すように、カーボン層の薄膜発熱体を重ねて本発明の熱処理方法により高温例えば１０００度、短時間例えば１０μｓの熱処理を行う。これにより、図１５に示すように、半導体界面および酸化膜中の欠陥０１２が低減し、良好な電気的特性を持つ界面を得ることができる。なお、図１５においては、熱処理した後、カーボン層を除去したものを示してある。
さらに、結晶性半導体膜を用いた場合、本発明の熱処理方法により、欠陥の低減、半導体／絶縁体界面の改質を実現できる。さらに、本発明の熱処理方法は、半導体基体上に形成されたＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、レーザダイオードなどの熱処理による特性向上にも有効である。
さらに、本発明の熱処理方法を用いれば、被加熱処理材料として複数の層構造を含む半導体素子を加熱し、半導体素子の電気的特性を改善することが可能である。図１６は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法による光照射により加熱処理を施す概念図である。基板００１上に半導体層００２を形成し、その上にゲート絶縁膜００９を形成し、ゲート電極０１３を形成後、イオン注入方等でソース領域０１４とドレイン領域０１５に不純物を注入する。さらに、ソース電極０１６とドレイン電極０１７を形成する。パッシベーション層０１８を形成後、発熱層００４としてカーボン層もしくはカーボンを含む層を形成し、本発明の熱処理方法を行う。
本発明の熱処理方法によれば、結晶性半導体薄膜を形成することができる。そして、この結晶性半導体薄膜を、チャネル層に用いて結晶性薄膜トランジスタを作製できる。この結晶性薄膜トランジスタ作製法を一部あるいは全部用いて複数個の薄膜トランジスタを搭載した電子デバイスを形成できる。
本発明の熱処理方法を用いて不純物を含んだ半導体層を加熱し、当該不純物を活性化して、ｎ型あるいはｐ型半導体層を形成することができる。ｎ型半導体の一部にホールキャリヤを生成する不純物を混入させたり、ｐ型半導体の一部にエレクトロンキャリヤを生成する不純物を混入させたりすれば、本発明の熱処理方法を用いて不純物を含んだ該半導体層を加熱することにより半導体ｐｎ接合を形成することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006098513.tif 000023
【図５】
2006098513.tif 000024
【図６】
2006098513.tif 000025
【図９】
2006098513.tif 000026
【図１０】
2006098513.tif 000027
【図１１】
2006098513.tif 000028
【図１３】
2006098513.tif 000029
【図１４】
2006098513.tif 000030
【図１５】
2006098513.tif 000031
【図１６】
2006098513.tif 000032
【国際調査報告】
2006098513.tif 000033
2006098513.tif 000034