CN101221906A - 半导体装置的制造方法和电子仪器的制造方法 - Google Patents

半导体装置的制造方法和电子仪器的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供一种能降低对衬底的热负荷的半导体装置的制造方法。此外，提供一种能提高半导体元件的特性的半导体装置的制造方法。此外，提供一种电子仪器的制造方法。一种半导体装置的制造方法，在衬底(100)上形成硅膜后，将以氢和氧的混合气体为燃料的气体燃烧器(122)的火焰作为热源，进行硅膜的再结晶化。根据这样的火焰的处理，通过增大气体燃烧器相对于衬底的扫描速度，能降低对衬底的热负荷，此外，能使硅膜进行再结晶时的结晶粒径的偏差少的固相结晶生长，能提高半导体元件的特件。

Description

半导体装置的制造方法和电子仪器的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体装置的制造，涉及使半导体装置的制造工艺的低成本化、晶体管的元件性能的均质化和高质量化成为可能的热处理。
背景技术
在实现通过CVD(chemical vapor deposition、化学气相沉积)法等在衬底上成膜的硅的再结晶化的结晶化方法中，有基于800℃～1000℃的高温热处理的固相结晶生长法、进行激元激光器照射的激光退火法、将热等离子体作为热源的热等离子体喷射法(专利文献1、非专利文献1)等。
[专利文献1]特开平11-145148号公报
[非专利文献1]Crystallization of Si Thin Film Using Thermal Plasma Jetand Its Application to Thin-Film Transistor Fabrication，S.Higasi，AM-LCD’04Technical Digest Papers，p.179
但是，如追加详细说明的那样，本发明者们进行了研究，在所述的基于热处理(RTA：Rapid Thermal Anneal)的固相结晶生长法中，形成硅膜的衬底暴露在800℃～1000℃的高温中，对衬底的热负荷增大。另一方面，激光退火法由于能在极短时间中局部使硅膜为高温，进行结晶化，所以能降低作用于衬底整体的热负荷。因此，激光退火法也可称作结晶化的低温工艺(LTPS)。但是，在激光退火法中，熔化再结晶生长成为主流。因此，如后所述，结晶粒径的偏差增大，元件特性的偏差增大。
于是，在以往的RTA法和激光退火法中有利有弊，难以在降低对衬底的热负荷的同时，降低元件特性的偏差等，形成高性能的半导体装置。
此外，在以往的RTA法和激光退火法中，制造装置自身是高价的，其运行成本也大。此外，装置的大型化是困难的，难以一次处理大面积的衬底。
发明内容
本发明的目的在于，提供能降低对衬底的热负荷的半导体装置的制造方法等。此外，本发明的目的在于，提供能提高半导体元件的特性的半导体装置的制造方法等。此外，本发明的目的在于，降低半导体装置的制造成本。
(1)本发明的半导体装置的制造方法具有在衬底上形成半导体膜的工序；将以氢和氧的混合气体为燃料的气体燃烧器的火焰作为热源，进行所述半导体膜的再结晶化的工序。
根据这样的方法，能降低半导体膜的再结晶化时对衬底的热负荷。因此，能降低衬底的变形或破裂，能提高半导体元件的特性。此外，大面积的衬底的处理是可能的，能提高半导体装置的制造的生产能力，能降低成本。此外，与以往的RTA或激光处理相比，能降低制造装置的价格和运行成本，所以能降低半导体装置的制造成本。
例如，所述半导体膜是硅膜。根据这样的方法，能进行硅的再结晶化。
例如，所述再结晶化通过固相结晶生长来进行。根据这样的方法，通过再结晶化，能降低所形成的晶粒的偏差，能提高半导体装置的特性。
优选，通过使所述气体燃烧器的火焰相对于所述衬底上进行相对扫描，进行所述再结晶化。根据这样的方法，通过扫描速度的调整，能容易地调整热处理温度(衬底表面温度)。此外，大面积的衬底的处理是可能的，能提高半导体装置的制造的生产能力，能降低成本。
优选，通过调整所述气体燃烧器的扫描速度或所述衬底和所述火焰的距离，调整所述衬底温度，同时进行所述再结晶化。根据这样的方法，能容易地进行衬底温度的调整。
优选，所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，所述气体燃烧器的火焰的扫描速度在0.01m/s以上1.5m/s以下，且在所述玻璃衬底上扫描。更优选，扫描速度在0.02m/s以上0.5m/s以下。根据这样的方法，能在降低对玻璃衬底(整体)的热负荷的同时，在其表面确保必要的热处理温度。此外，能将热处理温度设定在发生固相结晶生长的范围中，能降低通过再结晶化形成的晶粒的偏差。
优选，所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，进行所述再结晶化的工序中的相对于所述玻璃衬底的热扩散长度是0.8～0.04mm。更优选，热扩散长度是0.5～0.08mm。根据这样的方法，能在降低对玻璃衬底(整体)的热负荷的同时，在其表面确保必要的热处理温度。此外，能将热处理温度设定在发生固相结晶生长的范围中，能降低通过再结晶化形成的晶粒的偏差。
优选，所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，进行所述再结晶化的工序中的相对于所述玻璃衬底的热扩散长度是所述玻璃衬底的厚度的75％以下。更优选，热扩散长度是所述玻璃衬底的厚度的40％以下。根据这样的方法，能在降低对玻璃衬底(整体)的热负荷的同时，在其表面确保必要的热处理温度。此外，能将热处理温度设定在发生固相结晶生长的范围中，能降低通过再结晶化形成的晶粒的偏差。
优选，所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，进行所述再结晶化的工序中的所述玻璃衬底的表面温度是670～750℃。根据这样的方法，能在降低对玻璃衬底(整体)的热负荷的同时，在其表面确保必要的热处理温度。此外，能将热处理温度设定在发生固相结晶生长的范围中，能降低通过再结晶化形成的晶粒的偏差。
(2)本发明的电子仪器的制造方法是具有半导体装置的电子仪器的制造方法，其具有所述半导体装置的制造方法。电子仪器是指具有本发明的半导体装置并起到一定功能的仪器，其结构没有特别限定，例如包含具有所述半导体装置的普通计算机装置、便携电话、PHS、PDA、电子笔记本、IC卡等需要半导体装置的所有装置。
附图说明
图1是表示本实施方式的半导体装置的制造中使用的半导体制造装置的构成例的图。
图2是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的构成例的俯视图。
图3是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的构成例的剖视图。
图4是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的第一构成例的图。
图5是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的第二构成例的图。
图6是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的第三构成例的图。
图7是表示喷嘴的高度和流出气体的压力的关系的图。
图8是表示喷嘴的形状以及角度和流出气体的压力的关系的图。
图9是表示喷嘴和导气管的距离与流出气体的压力的关系的图。
图10是表示氢火焰处理装置(半导体制造装置)的构成例的立体图。
图11是表示氢火焰处理装置(半导体制造装置)的构成例的剖视图。
图12是表示硅的结晶状态和电子的移动性的关系的图表。
图13是表示各种处理方法中的退火时间[s]和热扩散长度Lth[m]的关系的曲线图。
图14是表示硅膜的温度[℃]和退火时间[s]的关系的图。
图15是表示本实施方式的半导体装置(TFT)的制造方法的工序剖视图。
图16是表示本实施方式的半导体装置(TFT)的制造方法的工序剖视图。
图17是表示台架速度[m/sec]和衬底表面的最高温度[℃]的关系的图。
图18是表示台架速度[m/sec]和衬底的上升温度ΔT[℃]的关系的图。
图19是关于A～E的样品，表示再结晶化后的硅膜厚、氧化硅膜厚和结晶化率等的图。
图20是表示氢火焰处理和测定位置的图。
图21是表示使用了电光装置的电子仪器的例子的图。
图中：11-水箱；12-电解槽；15-气体控制器；21-室(处理室)；22-气体燃烧器；22a-导气管；22b-遮蔽器；22c-燃烧室；22d-喷嘴；22e-流出口；51-台架部；100-玻璃衬底(衬底)；101-基底保护膜；102-硅膜；103-栅绝缘膜；104a、104b-源、漏区域；105-层间绝缘膜；106a、106b-源、漏电极；500-电光装置；530-便携电话；531-天线部；532-声音输出部；533-声音输入部；534-操作部；540-摄像机；541-显像部；542-操作部；543-声音输入部；550-电视；560-卷起式电视；G-栅电极。
具体实施方式
1)半导体制造装置
首先，参照图1～图9说明本实施方式的半导体装置的制造中使用的半导体制造装置。
图1是表示本实施方式的半导体装置的制造中使用的半导体制造装置的构成例的图。在图1中，在水箱11中存储着纯水，对电解槽(电解装置)12供给水。水由电解槽12电解，分离为氢气和氧气。分离的氢气和氧气供给于气体控制器15。气体控制器15由计算机系统和调压阀、流量调整阀、各种传感器等构成，按照预先设定的程序，调整向下游的气体燃烧器22供给的氢气和氧气(混合气体)的供给量、供给压力、两种气体的混合比等。
此外，气体控制器15将从未图示的气体贮藏容器供给的氢气(H2)、氧气(O2)进一步向所述的混合气体中导入，向气体燃烧器22供给。由此，将混合气体的氢和氧的混合比(混合比率)从水(H2O)的化学计算组成比(H2∶O2＝2mol∶1mol)错开，取得氢过剩(富含氢)或氧过剩(富含氧)的混合气体。
此外，气体控制器15能将从未图示的气体贮藏容器供给的氩(Ar)、氦(He)、氮(N2)等惰性气体进一步向所述混合气体中导入。由此，进行气体燃烧器22的火焰温度(燃烧温度)或火焰状态的控制。
所述的水箱11、电解槽12和气体控制器15构成燃料(原料)供给部。
在气体控制器15的下游配置有形成封闭空间的室(处理室)21。在室21中配置产生热处理的火焰的气体燃烧器22、安放处理对象的衬底(半导体衬底或玻璃衬底等)100并且相对于气体燃烧器22能相对移动的台架部51等。
室21内的气氛并不局限于此，例如采用内部压力能设定为大气压～0.5MPa左右、内部温度能设定为室温～100℃的结构。为了将室21内的气压保持为所希望状态，可向室21内导入所述的氩等惰性气体。
台架部51为了防止微粒，设置有以一定速度移动安放了衬底的台的机构。此外，为了防止急剧的温度差等引起的衬底100的热冲击，设置有对衬底100的安放台进行加热(预热)或冷却的机构，通过外部的温度调节部52进行该温度控制。在加热中使用电加热机构，在冷却中使用利用冷却气体或冷却水的冷却机构等。
图2是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的构成例的俯视图。如图2所示，图1的半导体制造装置的气体燃烧器22由比台架部51的宽度(图示的上下方向)大的纵向构件形成，能放射宽度比台架部51的宽度宽的火焰。通过在与气体燃烧器22的纵向正交的方向(图中的箭头方向)上移动台架部51，或者移动气体燃烧器22，气体燃烧器22对衬底100进行扫描。
图3是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的构成例的剖视图。如图3所示，气体燃烧器22由设置将混合气体向燃烧室导出的气体的出口孔的导气管22a、包围导气管22a的遮蔽器22b、由遮蔽器22b包围并且混合气体燃烧的燃烧室22c、作为燃烧气体从遮蔽器22b向外方出去的出口的喷嘴22d、设置在导气管22a中的混合气体的流出口22e等构成。
如果喷嘴22d和衬底100的间隔(距离)设定得宽，则燃烧气体在从喷嘴放出时，压力降低。如果喷嘴22d和衬底100的间隔设定得窄(缩小)，则能抑制燃烧气体的压力下降，压力提高。因此，通过调整间隔，就能调整气体压力。通过加压，能促进水蒸气退火、氢富含退火、氧富含退火等。根据混合气体的设定，能选择各种退火。在图中表示水蒸气(H2O蒸气)的喷出的状态。
如后所述，通过将混合气体的流出口22e形成为多个或线状，能将气体燃烧器22的燃烧室22c的火焰(焰炬)形状变为线状(长火焰)、多个焰炬状等。根据流出口22e或遮蔽器22b的喷嘴22d等的设计，气体燃烧器22附近的温度曲线优选设定为在火焰的扫描方向成为矩形。
图4是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的第一构成例的图。图4(A)是气体燃烧器22的横向的剖视图，图4(B)表示气体燃烧器22的纵向的局部剖视图，图4(C)是示意地表示气体燃烧器部的立体图。在这些图中，对与图3对应的部分标注相同的符号。
在该例子中，以包围导气管22a的方式形成遮蔽器22b。遮蔽器22b的下方成为喷嘴22d，在导气管22a的下方(喷嘴22d侧)，将气体流出口22e设置为线状(长孔)。还有，为了使直线状的气体流出口22e的各部位的流出量相同，也可以按照位置改变孔的宽度。
图5是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的第二构成例的图，表示气体燃烧器22的其他构成例。图5(A)是气体燃烧器22的横向的剖视图，图5(B)表示气体燃烧器22的纵向的局部剖视图。在两个图中，对与图3对应的部分标注相同的符号。
在该例子中，以包围导气管22a的方式形成遮蔽器22b。遮蔽器22b的下方成为喷嘴22d，在导气管22a的下方(喷嘴22d侧)，以等间隔设置多个气体流出口22e。在该结构中，为了使燃烧室的气体密度一样，使从喷嘴22d流到外部的气体流量均匀，可使导气管22a例如在图示的左右方向上适宜移动。还有，也可以固定导气管22a，为了使气体流出口22e的各部位的流出量相同，根据需要，按照位置改变气体流出口22e的间隔。
图6是表示半导体制造装置的气体燃烧器部的第三构成例的图。图6(A)表示气体燃烧器22的横向的剖视图，图6(B)表示气体燃烧器22的纵向的局部剖视图。在两个图中，对与图3对应的部分标注相同的符号。
在该例子中，以包围导气管22a的方式形成遮蔽器22b。遮蔽器22b的下方成为喷嘴22d，在导气管22a的侧面以等间隔将多个气体流出口22e设置为螺旋状。在该结构中，为了使燃烧室的气体密度一样，使从喷嘴22d流到外部的气体流量均匀，而使导气管22a能如图中的箭头那样旋转。
图7是表示喷嘴的高度和流出气体的压力的关系的图。如图7(A)所示，通过使喷嘴22d从衬底100的表面离开，能降低流出燃烧气体的压力。此外，如图7(B)所示，通过使喷嘴22d接近衬底100的表面，能提高流出燃烧气体的压力。
图8是表示喷嘴的形状以及角度和流出气体的压力的关系的图。如图8所示，根据喷嘴22d的形状或姿势的调整(例如，流出口的形状或相对于衬底的角度的调整)，能调整流出气体压力。在该例子中，如图8(A)所示，喷嘴22d的流出口形状为在单侧开放的形状。因此，在气体燃烧器22直立的状态下，能降低流出燃烧气体的压力。此外，如图8(B)所示，如果使气体燃烧器22转动或倾斜，则喷嘴22d的流出口接近衬底100的表面，能提高流出燃烧气体的压力。
图9是表示喷嘴和导气管的距离与流出气体的压力的关系的图。如图9所示，导气管22a和遮蔽器22b的相对的位置关系为可变的，能调整从喷嘴22d流出的燃烧气体的温度。例如，采用导气管22a在遮蔽器22b内能向喷嘴22d进退的构造，移动燃烧室22c，能改变热源和喷嘴22d之间的距离。此外，能调整热源和衬底之间的距离。
因此，如图9(A)所示，导气管22a相对接近喷嘴22d时，从喷嘴22d流出的燃烧气体相对变为高温。此外，如图9(B)所示，在导气管22a从喷嘴22d相对离开时，从喷嘴22d流出的燃烧气体相对变为低温。
这样的构造不改变气体燃烧器22和衬底100之间的间隔，就能调整流出燃烧气体的温度，很方便。当然，也可以改变气体燃烧器22和衬底之间的间隔，调整衬底温度。当然，也可以采用改变气体燃烧器22和衬底之间的间隔，进而调整导气管22a和遮蔽器22b的相对的位置关系，从而调整气体温度的结构。此外，通过改变气体燃烧器22相对于衬底的扫描速度，能调整衬底温度。
还有，就图4～图9所示的气体燃烧器的构造而言，能适宜将其组合。
例如，能将图7所示的结构和图9所示的结构组合。形成为使图7所示的气体燃烧器22整体相对于衬底100接近或离开的结构，能调整喷嘴22d和衬底100之间的间隔，调节衬底100的温度(例如，表面温度)。进而，如图9所示，通过使气体燃烧器22内的导气管22a向喷嘴22d能进退，来微调衬底100的温度。由此，更容易将衬底100的温度形成为作为目标的热处理温度。
此外，能组合图7和图8所示的结构。形成为使气体燃烧器22整体相对于衬底100接近或离开的结构，能调整喷嘴22d和衬底100之间的间隔(参照图7)，调节衬底100的表面温度或火焰的压力。通过调整气体燃烧器22整体相对于衬底的姿势，能调节衬底100的表面温度或火焰的压力(参照图8)。
此外，能组合图7、图8和图9所示的结构。形成为使气体燃烧器22整体相对于衬底100接近或离开的结构，能调整喷嘴22d和衬底100之间的间隔，粗调衬底100的表面温度或火焰的压力(参照图7)。进而，通过调整气体燃烧器22整体相对于衬底100的姿势，调节衬底100表面的火焰的压力(参照图8)。进而，通过使气体燃烧器22内的导气管22a向喷嘴22d能进退，微调衬底100的表面温度(参照图9)。根据这样的结构，更正确的热处理成为可能。
此外，虽然未图示，但是可使气体燃烧器22的遮蔽板22b为可动式，将喷嘴22d的开口(流出口、节流孔)在气体燃烧器22的扫描方向变更宽窄。由此，能调整气体燃烧器22的扫描方向的衬底100的被处理部分的暴露时间、衬底100的热处理的温度曲线、热处理温度、火焰压力等。
在以上说明的半导体制造装置中，具有横切衬底的长的气体燃烧器，所以能进行窗玻璃那样的大面积的衬底的热处理。此外，通过水的电解，能取得作为燃料的氢和氧，所以容易取得气体材料，运行成本廉价。
此外，在所述的半导体制造装置中，气体燃烧器22设置有遮蔽器22b，但是也可以不使用遮蔽器22b，而在将气体燃烧器22暴露在外部气体中的状态下，即从导气管22a直接放射火焰，进行处理。此外，在所述半导体制造装置中，说明了从遮蔽器22b喷出燃料气体的情形，但是也可以调整为从遮蔽器22b喷出火焰。
此外，对衬底的处理可以是基于燃烧气体的处理，也可以是使火焰直接接触的处理。按各处理的各条件，能适宜设定这些处理的控制。
特别是火焰具有还原性强的内焰(还原焰)和氧化性强的外焰(氧化焰)，通过使任意一个与衬底接触，能进行与处理条件对应的设定。此外，内焰比较低温(500℃左右)，外焰是高温(1400～1500℃左右)。内焰和外焰之间更高温，为1800℃左右。因此，能进行与处理条件对应的设定。
此外，在热处理工序中，通过适宜设定氢和氧的混合比和供给量，能容易地设定还原气氛(富含氢)或氧化气氛(富含氧)。
此外，通过水的电解，取得作为燃料的氢和氧，所以能容易地取得作为水(H2O)的化学计算组成比的2mol∶1mol的氢和氧的混合气体，通过在该混合气体中另外添加氧或氢，能容易地设定还原气氛(富含氢)或氧化气氛(富含氧)。
此外，火焰温度的调整也容易。进而，根据需要，导入惰性气体，或调整原料气体的流量，从而能调整火焰状态(温度、气体压力等)。
此外，通过调整气体燃烧器的喷嘴形状等，容易取得所希望的温度曲线。
使用这样的气体燃烧器的处理，其生产性高，能廉价进行处理。此外，火焰的原料气体是氢和氧等清洁的能量，主生成物是水，所以能降低环境负荷(环境破坏)。
以下，有时将以所述氢和氧的混合气体为燃料的气体燃烧器的火焰作为热源的热处理称作“氢火焰处理”，其装置称作“氢火焰处理装置”。
图10是表示本实施方式的氢火焰处理装置(半导体制造装置)的构成例的立体图。还有，对与图1所示的装置相同的部位标注相同的符号，省略其详细的说明。
在图10中，通过使用了直线燃烧器122的氢火焰处理，将衬底100上的非晶体硅100a变换(再结晶化、结晶化)为多晶硅100b。从直线燃烧器122对衬底100放射火焰。
根据本实施方式，通过加长直线燃烧器122，能比较容易地与处理衬底的大面积化对应。
图11是表示本实施方式的氢火焰处理装置(半导体制造装置)的构成例的装置剖视图。还有，对与图1以及图10所示的装置相同的部位标注相同的符号，省略其详细的说明。
在图11中，通过使用了气体燃烧器22的氢火焰处理，将衬底100上的非晶体硅100a变换为多晶硅。即，使台架部51沿箭头方向移动，施以气体燃烧器22的火焰。图中的虚线部表示台架部51等的处理后的位置。
在该装置中，除了将氢向室(气体燃烧器22)21供给的电解槽12之外，还设置用于调整氧或氢的供给组成比的附加气体供给部或调整室21内的气压的稀有气体或氮供给部，此外，设置室21内的气体的排气部和作为生成物的水的排出部(排水部)。此外，火焰的放射区域为凹部，在其外周，作为冷却方法，导入冷却水，防止室内或室外壁的高温化。
这里，氢是在空气中、20℃、1气压下，其爆炸临界浓度为4～75％的非常危险的气体。因此，用于防爆的结构和处理工序是重要的。例如，在该装置中，成为分离生成氢和氧，分别向装置导入的结构，所以能防止逆火。逆火有可能传入氧的导入部。因此，将氢和氧在气体燃烧器的内部或其之前混合，能防止逆火。此外，在气体燃烧器内部，也优选在其顶端部(火口)附近使气体混合。此外，优选采取在直至气体燃烧器的配管途中设置安全阀等措施。
根据所述实施方式(图1、图10和图11等所示的氢火焰处理装置和使用了该装置的处理)，通过增大扫描速度，能使衬底表面为高温，进行硅的再结晶化，同时降低作用于衬底整体的热负荷。例如与以往的RTA相比，能降低作用于衬底的热负荷。因此，能降低衬底的热所引起的变形或破裂。
此外，能将衬底的表面温度设定得比以往的激光退火法低。根据激光退火法，照射部的温度变为1000℃以上。因此，如上所述，发生熔化再结晶生长，最大结晶粒径增大，但是其偏差增大。图12是表示硅的结晶状态和电子的移动性的关系的图表。如图所示，在非晶体硅状态，电子的移动性为0.5cm2/Vs，非常小。相对于此，在RTA法等高温工艺(HTPS)中，通过固相结晶生长，结晶粒径(结晶粒度)变为0.2μm，电子移动性也增大到30cm2/Vs左右。此外，在激光退火法那样的低温工艺(LTPS)中，如上所述，发生熔化再结晶生长，结晶粒径(结晶粒度)为0.3～1.0μm左右，增大，电子移动性也增大到100cm2/Vs左右。但是，如图所示，由于结晶粒径的偏差，难以将各元件的电子的移动性等特性均一化。图中的黑圈表示电子，箭头表示电子的移动方向。此外，移动路线中的波状线表示晶界散射的状态。
相对于此，根据本实施方式，通过调整火焰和衬底的距离、气体供给量、火焰的扫描速度，能容易地调整衬底表面温度。因此，能通过固相结晶生长，抑制结晶粒径的偏差。考虑到固相结晶生长在衬底表面温度为650～900℃时发生。还有，考虑到固相结晶生长在衬底的照射部温度为1000℃以上时发生。
图13是表示各种处理方法中的退火时间[s]和热扩散长度Lth[m]的关系的曲线图。热扩散长度Lth由(a×τ)1/2表示。a是热扩散率(OA-10玻璃衬底)，τ是退火时间(脉冲宽度)。在RTA法中，退火时间是1s～10s，热扩散长度是1～数mm(正确地说，是0.8mm～3.2mm)(参照曲线d))。在激光退火法中，使用了CW激光时，在退火时间1μs～100μs，热扩散长度为0.2μm～数μm，使用了激元激光器(EL)时，在退火时间10ns～数百ns，热扩散长度为数十nm～数百nm(参照曲线a)和b))。还有，曲线e)表示Furnace的情形。Furnace表示炉内的热处理。这时，退火时间是数百s以上，热扩散长度为10mm以上。
这里，在本实施方式的氢火焰处理中，(1)能在衬底表面温度670～750℃进行固相结晶生长。此外，(2)通过使衬底扫描速度为0.01～1.5m/s(退火时间：1～0.0067s)，(3)能将热扩散长度抑制在0.8～0.04mm(参照曲线c))。因此，根据这样的范围中的热处理，能将衬底的整体温度设为600℃以下，同时进行基于硅膜的固相结晶生长的再结晶化。其结果，不仅能将耐热性高但高价的石英玻璃作为衬底材料使用，还能将耐热性低且廉价的钠玻璃作为衬底材料使用。
当然，通过增大退火时间，即减少衬底扫描速度等的控制，或者调整气体燃烧器的顶端和衬底的距离(Gap)等，能进行更高温(例如，接近RTA)的处理。还有，在激光退火法中，在原理上也能通过缩短其照射时间(增大激光的扫描速度)，降低衬底的表面温度。但是，根据本发明者的研究，这时，扫描速度变为3×104mm/s～3×107mm/s，在这样的高速下，不可能使衬底或激光扫描。相对于此，如果是本实施方式的氢火焰处理，则如上所述，能在可实现的速度范围中使衬底或燃烧器扫描。
此外，根据所述的氢火焰处理，不仅图13的曲线c)所示的范围，在包含曲线c)～e)的范围，退火时间0.6s～数百秒以上、热扩散长度0.08mm～数十mm的范围中，也能进行实用的热处理。这时，衬底表面温度变为650～900℃左右，发生硅膜的固相结晶生长。因此，如上所述，能降低晶粒的偏差，能提高TFT(薄膜晶体管)等半导体元件的特性。此外，不能将钠玻璃作为衬底材料使用，但是能降低作用在石英衬底上的热负荷，能减少衬底的变形或破裂的发生。即，在氢火焰处理中，能在短时间中只加热衬底的表面附近，所以能降低作用在衬底整体(整体)的热负荷。因此，与衬底材料无关，能降低热负荷，能提高TFT特性。
通过以上的考察将优选的条件总结如下。还有，“a～b”表示“a以上b以下”。
衬底的扫描速度优选为0.01以上1.5m/s以下。这时的退火时间(照射时间)为1～0.0067s。更优选是0.02以上0.5m/s以下。这时的退火时间是0.5～0.02s。退火时间是每一点的长度(火焰照射面积)的照射时间。例如一点的长度是10mm。因此，为“一点的长度÷扫描速度＝退火时间”。此外，相对于衬底的热扩散长度优选为0.8～0.04mm。更优选是0.5～0.08mm。如果是这样的条件，则能抑制衬底的整体温度，能降低对衬底的热负荷。例如，能将衬底的整体温度抑制在670～750℃左右。这时，能使用耐热性低的玻璃衬底。
此外，玻璃衬底的厚度为1.1mm时，热扩散长度0.8mm成为玻璃衬底厚度的73％左右。此外，热扩散长度0.4mm成为玻璃衬底厚度的37％左右。因此，热扩散长度优选是玻璃衬底的厚度的75％以下。此外，更优选是40％以下。
根据本实施方式，通过增大扫描速度，能降低对衬底的热负荷。此外，能选择结晶粒径的偏差少的固相结晶生长的温度范围。由此，能降低元件偏差。
还有，在图13中，说明了对衬底的热扩散，但是在图14中表示硅膜的温度[℃]和退火时间[s]的关系。如图所示，在可实现的10-2～100s的退火时间中，固相结晶生长(SPC)成为可能。当然，也可以退火时间为100s以上(包含RTA或Fur的范围)，进行固相结晶生长。还有，图中LPC表示熔化再结晶生长区域。此外，FLA表示闪光灯退火(Flash Lamp Anneal)，α表示在非晶体状态下不变的温度范围。
此外，根据本实施方式，能比较便宜地制造半导体制造装置自身，此外，也能降低运行成本。此外，装置的大型化也容易，能一次处理大面积的衬底。根据本发明者的研究，与已经存在的RTA装置相比，其原始成本降低30％，此外运行成本也降低30％。此外，能减少构件的更换等维护时间，所以其运转率也提高10％。此外，生产能力也提高。此外，与已经存在的激光退火装置比较，原始成本降低50％，此外，运行成本降低70％。
2)半导体装置的制造方法
下面参照图15和图16说明使用了所述氢火焰处理装置(半导体制造装置)的半导体装置(TFT)的制造方法。图15和图16是表示本实施方式的半导体装置(TFT)的制造方法的工序剖视图。
首先，如图15(A)所示，在玻璃衬底(石英衬底、衬底、透明衬底、绝缘性衬底)100上，作为基底保护膜(基底氧化膜、基底绝缘膜)101，形成100nm左右的氧化硅膜。将TEOS(tetra ethyl ortho silicate，四乙氧基硅烷)和氧气等作为原料气体，例如使用等离子体CVD(chemical vapordeposition，化学气相沉积)法，形成该氧化硅膜。还有，使用的衬底也可以是硅衬底。
接着，在基底保护膜101上形成作为半导体膜(半导体层)的例如硅膜(硅层)102。例如，由使用了SiH4(硅烷)气体的CVD法，形成该硅膜。这时，硅膜例如是非晶形状态。
接着，如图15(B)所示，在图1等所示的半导体制造装置的台架部51上搭载衬底100，通过将气体燃烧器22在衬底100(硅膜102)上扫描，进行热处理(火焰退火)，将硅膜再结晶化(氢火焰处理1)。即，多结晶化。多结晶是指形成多个由单晶构成的晶粒的状态。向气体燃烧器22供给的氢气(H2)、氧气(O2)的比率例如为化学计算组成的2mol∶1mol。
这里，在本实施方式中，通过以所述的条件进行所述热处理，能降低对衬底100的热负荷，能减少玻璃衬底的变形或破裂。此外，能进行基于固相结晶生长的再结晶化，能减少晶粒的偏差。因此，能提高TFT的特性。此外，根据所述的工序，即使是对大衬底的处理，短时间中的处理也是可能的，能提高TFT的生产能力。此外，根据所述的工序，能降低装置自身的成本或其运行成本。
还有，这时，硅膜102的表面被氧化，形成氧化硅膜。也可以将该氧化硅膜作为后面描述的栅氧化膜使用。此外，为了防止对硅膜102的污染，可以在硅膜102上预先形成帽状膜(保护膜、覆盖膜)，通过这样的帽状膜而对硅膜102实施氢火焰处理。作为帽状膜，可使用TEOS膜那样的氧化硅膜、氮化硅膜等。
此外，在所述再结晶化工序(氢火焰处理1)之后，也可以进行使用了富含氢的混合气体的氢火焰处理(氢火焰处理2)。即，使作为供给气体的氢气(H2)、氧气(O2)的比率与水(H2O)的化学计算组成的2mol∶1mol相比，氢的组成比增大，火焰中的氢或氢原子团增多。其剩余的氢等与硅的自由键结合，由此，减少成为电荷陷阱的自由键，TFT的载流子移动性提高。通过剩余氢等来修复硅的结晶缺陷，由此能提高TFT特性。还有，该氢火焰处理2不需要是与再结晶化工序(氢火焰处理1)不同的处理，可以是一系列的处理。
接着，如图15(C)所示，除去硅膜102表面的氧化膜，将硅膜构图为所希望的形状后，在硅膜上，通过例如CVD法形成作为栅氧化膜(栅绝缘膜)103的氧化硅膜。这里，为了用氧(或氧原子团)修复该氧化硅膜的结晶缺陷，也可以进行使用了富含氧的混合气体的氢火焰处理(氢火焰处理3)。即，使作为供给气体的氢气(H2)、氧气(O2)的比率与水(H2O)的化学计算组成的2mol∶1mol相比，氧的组成比增大，火焰中的氧或氧原子团增多。其剩余氧等与氧化硅膜中的结晶缺陷、氧化硅膜和硅膜102的界面中存在的结晶缺陷结合。其结果，氧化硅膜的膜质提高，进而，氧化硅膜的界面能级降低，能提高TFT特性。
接着，如图16(A)所示，在栅绝缘膜103上，例如通过溅射法，形成作为导电性膜的例如Al(铝)等金属材料。接着，将导电性膜构图为所希望的形状，形成栅电极(栅电极布线)G。作为导电性膜，除了Al，也可以使用Ta(钽)等高熔点金属。
接着，将栅电极G作为掩模，在硅膜102中打入(掺杂、注入)杂质离子，进而进行热扩散，形成源、漏区域104a、104b。还有，104a、104b中的任意一个为源区域，另一个为漏区域。此外，杂质离子在形成n型半导体膜时，例如离子注入PH3(磷化氢：Phosphine)，在形成p型半导体膜时，例如离子注入B2H6(乙硼烷)。
这里，也可以用氢火焰处理进行用于使所述杂质活性化的热处理(氢火焰处理4)。即，对源、漏区域104a、104b施以氢火焰，进行杂质的活性化。进而，也可以进行使用了富含氧的混合气体的氢火焰处理(氢火焰处理5)。通过这样的处理，能修复由于杂质离子的打入或热扩散等而在栅绝缘膜103中产生的缺陷。此外，进行该处理时，也可以省略先前的氧缺陷的修复工序(氢火焰处理3)。此外，也可以通过富含氧的氢火焰处理，同时进行热扩散和杂质离子注入所引起的栅氧化膜的缺陷修复(氢火焰处理4和5)。还有，在这些氢火焰处理中，为了不对栅电极G作用热负荷，而在栅电极G上形成氧化硅膜等保护膜，通过该保护膜进行氢火焰处理。此外，也可以在形成后面描述的层间绝缘膜105后，通过该膜进行氢火焰处理。
接着，如图16(B)所示，在栅电极G上形成作为层间绝缘膜105的例如TEOS膜。
接着，如图16(C)所示，对层间绝缘膜105进行构图，由此，在源、漏区域104a、104b上形成接触孔。
接着，在包含该接触孔的内部的层间绝缘膜105上，使用溅射法，形成作为导电性膜106的例如ITO(铟锡氧化膜)。作为导电性膜106，除了ITO之外，还可以使用例如Al、Mo(钼)或Cu(铜)等金属材料。接着，将导电性膜106构图为所希望的形状，形成源、漏电极(源、漏引出电极、引出布线)106a、106b。还有，106a、106b中的任意一个为源电极，另一个为漏电极。
通过以上的工序，TFT大致完成。
还有，在本实施方式中，将硅膜102再结晶化后进行构图，但是也可以将硅膜102构图后进行再结晶化。
此外，在本实施方式中，以TFT为例进行了说明，但是并不局限于这样的元件，所述氢火焰处理(装置)能广泛应用于需要硅膜等半导体膜的再结晶化的半导体装置的制造方法中。
此外，在本实施方式中，以硅膜的固相结晶生长为例进行了说明，但是也可以在硅膜的熔化再结晶生长中使用所述的氢火焰处理或装置。例如，显示装置中使用的TFT等，为了将TFT的特性均一化，而优选在宽范围的硅膜(半导体膜)中进行结晶粒径的偏差少的固相生长，但是也有优选进行熔化再结晶生长的元件。例如，在高速动作的要求大的元件中，有时熔化再结晶生长是适合的。这时，通过设定衬底温度提高的各种条件，熔化再结晶生长是可能的。
3)实验结果
接着，说明根据具体的实验结果，提高结晶特性的方法。
首先，图17表示台架速度[m/sec]和衬底表面的最高温度[℃]的关系。(a)表示在石英衬底上堆积非晶体硅，实施氢火焰处理时，气体燃烧器的顶端和衬底的距离(Gap)为50mm的情况；(b)表示在石英衬底上的非晶体硅上再堆积氧化硅膜，实施氢火焰处理时，Gap为50mm的情况；(c)表示在石英衬底上堆积非晶体硅，实施氢火焰处理时，Gap为30mm的情况；(d)表示在石英衬底上的非晶体硅上再堆积氧化硅膜，实施氢火焰处理时，Gap为30mm的情况。
如图所示，关于(a)～(d)的处理，都能确保硅的结晶化(再结晶化)所需要的670℃以上的衬底温度，通过这些处理，能确认硅的结晶化是可能的。此外，从图17可知，通过使扫描速度为0.03以上0.13m/s以下，能确保衬底的最高表面温度为670～900℃。
此外，Gap小，台架速度(火焰的扫描速度)小时，能观察到衬底表面温度提高的倾向。
图18是表示台架速度[m/sec]和衬底的上升温度ΔT[℃]的关系的曲线图。处理条件(a)～(d)与图17相同，图17的纵轴为衬底的上升温度ΔT[℃]。在图18中，Gap小，台架速度(火焰的扫描速度)小时，能观察到衬底表面温度提高的倾向。
接着，关于在各种条件下实施了氢火焰处理的A～E的5个样品，测定再结晶化后的硅膜厚、氧化硅膜厚和结晶化率等。图19表示其结果。结晶化率是硅膜中的结晶相所占的比例(体积比)。
关于各种样品，在以下所示的条件下进行氢火焰处理后，在图20(A)所示的x方向，在30mm之间，以0.3mm间隔设定测定位置，测定该点的结晶化率。还有，使从设置多个如图20(B)所示的孔状的气体流出口22e的导气管22a放射的火焰在图20(A)的y方向上扫描，从而进行氢火焰处理(热处理、再结晶化处理)。图20是表示氢火焰处理和测定位置的图。
样品A表示Gap为50mm、扫描速度为62mm/s的情况，样品B表示Gap为50mm、扫描速度为50mm/s的情况，样品C表示Gap为30mm、扫描速度为98mm/s的情况，此外，样品D表示Gap为30mm、扫描速度为65mm/s的情况，样品E表示Gap为30mm、扫描速度为38mm/s的情况。
如图19所示，衬底温度在样品E变为最高，是889℃。关于硅膜的膜厚，在样品A～D中几乎都是0.051μm左右，此外，其表面的氧化硅膜的膜厚大致是0.004μm左右。该氧化硅膜是空气中或火焰中的氧和硅膜反应形成的。结晶化率在样品A～D中是0.87～0.89左右。在样品E中，结晶化率是0.94(94％)左右，为最高，取得良好的结晶。这时，硅膜是0.04μm，氧化硅膜是0.009μm左右。在该样品E中，硅膜的表面的氧化程度比其他样品大。
从所述的数据可知，通过减小Gap，比较慢地扫描，从而衬底表面的温度升高，结晶化率提高。
作为Gap，低于50mm是良好的。在Gap低于50mm的样品D(Gap30mm)中，取得结晶化率0.89的比较良好的数值。此外，例如这时，火焰距燃烧器焰口的长度是15cm左右，所以认为优选将气体燃烧器和所述衬底的间隔设定为火焰距焰口(燃烧器的顶端)的长度的30％以下。
此外，作为火焰的扫描速度，40mm/s以下是良好的。根据这样的条件，能使结晶化率为90％以上。
此外，图19表示样品A～E的硅膜的喇曼散射光谱分析结果的半宽度(FWHM)[cm-1]。
喇曼散射光谱法根据对结晶入射的光的散射光的频谱，评价结晶性，散射光的频谱越尖锐(半宽度小)，结晶性越良好。如图所示可知，样品A～D中，半宽度比较大，另外，对它们的结晶性难以付与优劣。相对于此，在样品E中，半宽度小，结晶性良好。
此外，图19表示样品A～E的硅膜的喇曼散射光谱分析结果的峰值位置(Peak Center)[cm-1]。峰值位置表示反射光相对于入射光的峰值位置的偏差。如果是单晶硅，是520cm-1，接近该数值时结晶性更良好。因此，从这样的结果也可知，在样品A～D中，峰值位置比520小，另外，对它们的结晶性难以付与优劣。相对于此，在样品E中，峰值位置更接近520，结晶性良好。还有，峰值位置比520还小表示对晶格之间作用拉伸应力。因此，在样品E中，该应力小，与其他样品相比，结晶性良好。
根据喇曼散射光谱分析，也能确认基于所述条件的结晶性的提高。
<电光装置和电子仪器的说明>
下面，说明使用由所述的实施方式中说明的方法形成的半导体装置(例如TFT)的电光装置和电子仪器。
所述的半导体装置(例如TFT)例如作为电光装置(显示装置)的驱动元件使用。图21表示使用了本发明的电光装置的电子仪器的例子。图21(A)是向便携电话应用的应用例，图21(B)是向摄像机应用的应用例。此外，图21(C)是向电视(TV)应用的应用例，图21(D)是向卷起式电视应用的应用例。
如图21(A)所示，在便携电话530中具有天线部531、声音输出部532、声音输入部533、操作部534和电光装置(显示部)500。在该电光装置中可使用(嵌入)由本发明形成的半导体装置。
如图21(B)所示，摄像机540具有显像部541、操作部542、声音输入部543和电光装置(显示部)500。在该电光装置中可使用(嵌入)由本发明形成的半导体装置。
如图21(C)所示，电视550具有电光装置(显示部)500。在该电光装置中可使用(嵌入)由本发明形成的半导体装置。还有，在个人计算机等中使用的监测器装置(电光装置)中也可使用(嵌入)本发明的电光装置。
如图21(D)所示，卷起式电视560具有电光装置(显示部)500。在该电光装置中可使用(嵌入)由本发明形成的半导体装置。
还有，具有电光装置的电子仪器，除了所述之外，还包含大型屏幕、个人计算机、便携式信息仪器(所谓的PDA、电子笔记本)等、带显示功能的传真装置、数码相机的取景器、便携式TV、电光布告牌、宣传广告用显示器等各种装置。
此外，通过所述发明的实施方式说明的实施例或应用例也可以按照用途适宜组合，或加以变更或改良而使用，本发明并不局限于所述的实施方式的记载。

Claims (13)

1.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成半导体膜的工序；
将以氢和氧的混合气体为燃料的气体燃烧器的火焰作为热源，进行所述半导体膜的再结晶化的工序。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述半导体膜是硅膜。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述再结晶化通过固相结晶生长来进行。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
通过使所述气体燃烧器的火焰相对于所述衬底上进行相对扫描，进行所述再结晶化。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
通过调整所述气体燃烧器的扫描速度或所述衬底和所述火焰的距离，调整所述衬底温度，同时进行所述再结晶化。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，
所述气体燃烧器的火焰的扫描速度在0.01m/s以上1.5m/s以下，且在所述玻璃衬底上扫描。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，
所述气体燃烧器的火焰的扫描速度在0.02m/s以上0.5m/s以下，且在所述玻璃衬底上扫描。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，
进行所述再结晶化的工序中的相对于所述玻璃衬底的热扩散长度是0.8～0.04mm。
9.根据权利要求1～7中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，
进行所述再结晶化的工序中的相对于所述玻璃衬底的热扩散长度是0.5～0.08mm。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，
进行所述再结晶化的工序中的相对于所述玻璃衬底的热扩散长度是所述玻璃衬底的厚度的75％以下。
11.根据权利要求1～9中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，
进行所述再结晶化的工序中的相对于所述玻璃衬底的热扩散长度是所述玻璃衬底的厚度的40％以下。
12.根据权利要求1～11中任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述衬底是玻璃衬底，所述半导体膜是硅膜，
进行所述再结晶化的工序中的所述玻璃衬底的表面温度是670～750℃。
13.一种电子仪器的制造方法，所述电子仪器具有半导体装置，所述电子仪器的制造方法的特征在于，
具有权利要求1～12中任意一项所述的半导体装置的制造方法。
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