JP2005311389A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of activating a dopant element added to a semiconductor and of performing gettering processing by a short-time heat treatment. <P>SOLUTION: An amorphous semiconductor film is formed on a substrate, and then a metal element for promoting crystallization is added into the surface of the amorphous semiconductor film. Thereafter, a first heat treatment is applied to the amorphous semiconductor film so as to crystallize the amorphous semiconductor film into a semiconductor film having a crystal structure. Using a cooling gas, a first cooling process is conducted on the semiconductor film having the crystal structure. Thereafter, a second heat treatment is conducted on the semiconductor film having the crystal structure to remove the metal element from the semiconductor film having the crystal structure; and then, by using the cooling gas, a second cooling process is applied to the semiconductor film having the crystal structure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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、加熱されたガスにより基板又は基板上の形成物を加熱する熱処理装置及びそれを用いた熱処理方法に関する。   The present invention relates to a heat treatment method and a heat treatment apparatus to which the heat treatment method is applied. In particular, the present invention relates to a heat treatment apparatus for heating a substrate or a formed product on the substrate with a heated gas, and a heat treatment method using the same.

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は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であり広く用いられている。   In the manufacturing process of a semiconductor device, heat treatment for the purpose of oxidation, diffusion, gettering, recrystallization after ion implantation, etc. is incorporated into a semiconductor or a semiconductor substrate. A typical example of an apparatus for performing these heat treatments is a hot wall type horizontal or vertical furnace annealing furnace, which is widely used.

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。   A horizontal or vertical furnace annealing furnace is a batch-type apparatus that processes a large number of substrates at once. For example, in a vertical furnace annealing furnace, a substrate is placed horizontally and in parallel on a susceptor made of quartz, and is moved into and out of a reaction tube by an elevator that is driven up and down. A heater is installed on the outer periphery of the bell jar type reaction tube, and the substrate is heated by the heater. In view of this configuration, a relatively long time is required for the temperature raising time until the predetermined heating temperature is reached and the temperature lowering time for cooling to a temperature at which it can be taken out.

ところで、集積回路に用いるMOSトランジスタなどは、素子の微細化に伴って極めて高い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。しかし、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。   By the way, MOS transistors and the like used in integrated circuits are required to have extremely high processing accuracy as elements are miniaturized. In particular, it is necessary to minimize the diffusion of impurities to form a shallow junction. However, the process that takes time to raise and lower the temperature as in the furnace annealing furnace described above makes it difficult to form a shallow junction.

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装置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が可能となっている。   The Rapid Thermal Anneal (hereinafter referred to as RTA) method has been developed as a heat treatment technique for rapid heating and rapid cooling. The RTA apparatus rapidly heats a substrate or a formed material on the substrate using an infrared lamp or the like, and can perform heat treatment in a short time.

トランジスタの他の形態として、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:以下、TFTという)が知られている。TFT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600〜700℃程度しかなく、しかも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。   As another form of transistor, a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) is known. TFTs have attracted attention as a technology that enables an integrated circuit to be formed directly on a glass substrate. The technology is being applied to new electronic devices such as liquid crystal display devices. In particular, TFTs that form impurity regions such as source and drain regions in a polycrystalline semiconductor film formed over a glass substrate require activation and heat treatment to alleviate strain. However, the glass substrate has only a strain point of about 600 to 700 ° C. and has a drawback that it is easily broken by thermal shock.

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、又はガラス又はセラミックのような絶縁材料であるかによらず、基板のサイズが大型化すると、加熱温度の均一性を確保することが難しくなる。基板面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から、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。   In a conventional vertical or horizontal furnace annealing furnace, the heating temperature is increased when the size of the substrate is increased regardless of whether the substrate for forming the integrated circuit is a semiconductor or an insulating material such as glass or ceramic. It becomes difficult to ensure uniformity. In order to ensure the uniformity of the temperature within the substrate surface and between the substrates, it is necessary to widen the interval (pitch) between the substrates to be processed placed horizontally and in parallel from the characteristics of the gas flowing in the reaction tube. is there. For example, if one side of the substrate exceeds 500 mm, the substrate interval needs to be 30 mm or more.

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。   Therefore, when the substrate to be processed is enlarged, the apparatus is necessarily enlarged. In addition, since a large number of substrates are processed in a lump, the weight increases by itself, and it is necessary to make a susceptor for placing a substrate to be processed strong. For this reason, the weight increases, and the operation of the machine for carrying in / out the substrate to be processed becomes slow. In addition to increasing the floor area occupied by the heat treatment apparatus, it also affects the construction cost of the building in order to ensure the load resistance of the floor. Thus, the enlargement of the apparatus has a vicious circle.

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、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。   On the other hand, the RTA method is premised on single-wafer processing, and the load on the apparatus does not increase extremely. However, there is a difference in the absorptance of the lamp light used as the heating means depending on the characteristics of the substrate to be processed and the formed material thereon. For example, when a metal wiring pattern is formed on a glass substrate, the metal wiring is preferentially heated, causing a phenomenon in which the glass substrate is broken due to local distortion. Therefore, complicated control such as adjusting the temperature rising rate is required for heat treatment.

本発明は上記問題点を解決することを目的とし、短時間の熱処理で半導体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と、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。   The present invention aims to solve the above-described problems, and provides a method for activating and gettering an impurity element added to a semiconductor by a short time heat treatment, and a heat treatment apparatus capable of such heat treatment. The purpose is to do.

上記問題点を解決するために本発明の熱処理装置の構成は、加熱処理を行うn個(n>2)の処理室と予備加熱室と冷却室とを備え、各処理室に対応して設けられたn個の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って、ガス供給手段が前記冷却室のガス導入口に接続し、前記冷却室の排出口が熱交換器を介して第1のガス加熱手段に接続し、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、前記第nの処理室の排出口が熱交換器に接続し、前記熱交換器の排出口が予備加熱室のガス導入口と接続している熱処理装置である。   In order to solve the above problems, the configuration of the heat treatment apparatus of the present invention includes n (n> 2) treatment chambers, preheating chambers, and cooling chambers for performing heat treatment, and is provided corresponding to each treatment chamber. A heat treatment apparatus for heating a substrate using a gas heated by the n heating means as a heat source, wherein a gas supply means is connected to a gas inlet of the cooling chamber, and an outlet of the cooling chamber is a heat exchanger And the inlet of the m-th (1 ≦ m ≦ (n−1)) processing chamber is connected to the outlet of the m-th gas heating means to connect to the first gas-heating means. An inlet of the chamber is connected to an outlet of the nth gas heating means, an outlet of the nth processing chamber is connected to a heat exchanger, and an outlet of the heat exchanger is a gas inlet of the preheating chamber It is the heat processing apparatus connected to.

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。   The number of processing chambers connected by gas pipes can be arbitrary. That is, another configuration of the heat treatment apparatus of the present invention includes n (n> 2) processing chambers and gas heating means, and introduces an m-th (1 ≦ m ≦ (n−1)) processing chamber. The inlet is connected to the outlet of the mth gas heating means, the inlet of the nth processing chamber is connected to the outlet of the nth gas heating means, and the outlet of the nth processing chamber is connected to the heat exchanger. It is a heat treatment apparatus for heating a substrate using a gas connected to and heated by a heating means as a heat source.

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。   By heating the substrate to be processed with the heated gas, the substrate can be heated with good uniformity without being affected by the material of the formed material. Accordingly, heat treatment can be performed without causing local distortion, and it becomes easy to complete the heat treatment by rapid heating even on a fragile substrate such as glass.

加熱処理をする処理室の他に、予備加熱室と冷却室を設けることにより、無駄なエネルギー消費を削減することができる。即ち、ガス供給手段から供給される冷たい(室温程度)のガスを冷却室に導入することにより、加熱処理の終わった基板を冷却することができる。それによりガスの温度は上昇するが、これを熱交換器を介してガス加熱手段に供給することにより、ガスを加熱するための熱エネルギーを節約することがでできる。また、熱交換器から排出される、温度の高いガスを予備加熱室に導入し、冷えた基板(室温程度)を加熱することにより、処理室で加熱に要する時間を短縮でき、また、加熱ガスの温度変化を小さくすることができる。それにより、ガス加熱に必要とする熱エネルギーを節約することができる。   By providing a preheating chamber and a cooling chamber in addition to the heat treatment chamber, useless energy consumption can be reduced. That is, by introducing a cold (approximately room temperature) gas supplied from the gas supply means into the cooling chamber, the substrate after the heat treatment can be cooled. As a result, the temperature of the gas rises, but by supplying this to the gas heating means via the heat exchanger, the thermal energy for heating the gas can be saved. In addition, by introducing high temperature gas discharged from the heat exchanger into the preheating chamber and heating the cooled substrate (about room temperature), the time required for heating in the processing chamber can be shortened, and the heating gas Temperature change can be reduced. Thereby, the thermal energy required for gas heating can be saved.

上記構成を備えた熱処理装置による熱処理方法は、加熱処理を行うn個(n>2)の処理室と、予備加熱室と、冷却室を備え、n個の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方法であって、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、前記第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、前記n個の処理室に配置された基板を加熱をし、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、ガス供給手段から供給されるガスを冷却室に供給し、冷却室から排出されるガスを熱交換器を介して第1のガス加熱手段に供給し、前記熱交換器から排出されるガスを予備加熱室に供給することを特徴とする熱処理方法である。   The heat treatment method using the heat treatment apparatus having the above-described structure includes n (n> 2) treatment chambers for performing heat treatment, a preheating chamber, and a cooling chamber, and the gas heated by the n heating means is used as a heat source. A heat treatment method for heating a substrate as follows: a gas heated by an m-th (1 ≦ m ≦ (n−1)) heating means by n (n> 2) processing chambers and gas heating means The gas supplied to the m-th processing chamber is heated by the (m + 1) -th heating means and supplied to the (m + 1) -th processing chamber, and the substrate disposed in the n-th processing chamber is heated. The gas supplied to the nth processing chamber is supplied to the heat exchanger, used as a heat source for heating the gas supplied from the gas supply means, and the gas supplied from the gas supply means is supplied to the cooling chamber. The first gas heating hand passes the gas discharged from the cooling chamber through the heat exchanger. It is supplied to a heat treatment method characterized by supplying a gas discharged from the heat exchanger in the preheating chamber.

予備加熱室と、冷却室を設けることにより、加熱処理に要する時間を短縮することができる。また、複数枚の基板を一括して処理するバッチ型の処理方式と組み合わせることにより、多量の基板を効率良く処理することができる。   By providing the preheating chamber and the cooling chamber, the time required for the heat treatment can be shortened. In addition, a large number of substrates can be processed efficiently by combining with a batch-type processing method that processes a plurality of substrates at once.

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。   As the gas applied in the present invention, an inert gas such as nitrogen or a rare gas, a reducing gas such as hydrogen, or an oxidizing gas such as oxygen, nitrous oxide, or nitrogen dioxide can be used.

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。   If an inert gas such as nitrogen or a rare gas is used, heat treatment for crystallization of the amorphous semiconductor film, heat treatment for gettering, ion implantation or ion doping (method of implanting ions without mass separation) It can be applied to heat treatment for the purpose of subsequent recrystallization and activation.

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。   When hydrogen diluted with hydrogen or an inert gas is used as a reducing gas such as hydrogen, hydrogenation treatment for compensating for defects (dangling bonds) in the semiconductor can be performed.

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。   When an oxidizing gas such as oxygen, nitrous oxide, or nitrogen dioxide is used, an oxide film can be formed over the semiconductor substrate or the semiconductor film.

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しないで済む。また、予備加熱室と冷却室とを設けることにより、予備加熱と冷却とを同時に行うことも可能となり、単位時間当たりの処理枚数を増加させることができる。   As described above, according to the present invention, the heat treatment of the substrate to be processed is not restricted by the shape or size of the substrate to be processed, and a robust susceptor is not required even if the substrate to be processed is enlarged. Therefore, the size can be reduced accordingly. The heat treatment method of the present invention and the heat treatment apparatus to which the heat treatment method is applied are a batch processing method, and a method of heating a substrate to be processed by a heated gas. Therefore, even if the substrate size is increased, heat treatment can be performed with good uniformity. It can also be applied to heat treatment of a substrate having a side length exceeding 1000 mm. Therefore, it is not necessary to use a large-scale heating means. Further, by providing the preheating chamber and the cooling chamber, it is possible to perform the preheating and cooling at the same time, thereby increasing the number of processed sheets per unit time.

また、本発明の熱処理方法は、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を形成する大型のマザーガラス基板の熱処理に適用することができる。基板を保持する治具を大型化する必要もない。さらに、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短時間で行うことができる。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もできる。   The heat treatment method of the present invention can be applied to heat treatment of a semiconductor substrate forming an integrated circuit, heat treatment of an insulating substrate on which a TFT is formed, heat treatment of a metal substrate, and the like. For example, it can be applied to heat treatment of a large mother glass substrate on which a TFT is formed. There is no need to increase the size of the jig for holding the substrate. Furthermore, crystallization of an amorphous semiconductor film, gettering, impurity activation, hydrogenation, semiconductor surface oxidation, and the like can be performed in a short time. Such processing can also be incorporated into the manufacturing process of the semiconductor element.

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。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と、予備加熱室と、冷却室とが備えられている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a heat treatment apparatus to which the heat treatment method of the present invention is applied. The heat treatment apparatus of the present invention includes a plurality of gas supply means, a plurality of gas heating means, a plurality of processing chambers, a heat exchanger, a preheating chamber, and a cooling chamber.

ガス供給手段107から供給されるガスは冷却室に導入される。冷却室には加熱処理の終わった基板が一定期間配置されている。供給されたガスは基板の温度を下げるのに寄与し、それにより室温程度の温度で供給されたガスの温度は上昇する。加熱処理の終わった基板が無い場合には、そのままガスはこの室を通過する。   The gas supplied from the gas supply means 107 is introduced into the cooling chamber. In the cooling chamber, the substrate after the heat treatment is arranged for a certain period. The supplied gas contributes to lowering the temperature of the substrate, thereby increasing the temperature of the supplied gas at a temperature of about room temperature. If there is no substrate after the heat treatment, the gas passes through this chamber as it is.

冷却室から排出したガスは、熱交換器108を通過して、第1のガス加熱手段111a又は112aに供給される。第1のガス加熱手段111aでは所定の温度にガスを加熱する。   The gas discharged from the cooling chamber passes through the heat exchanger 108 and is supplied to the first gas heating means 111a or 112a. The first gas heating means 111a heats the gas to a predetermined temperature.

第2のガス加熱手段111bの排出口はガス管により第1の処理室101a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101a内には基板保持手段、基板に加熱されたガスを吹き付けるシャワー板などが設けられている。そして、供給されたガスは基板を加熱して第1の処理室101aに設けられた排出口から排出される。   The discharge port of the second gas heating means 111b is connected to an introduction port provided in the first processing chamber 101a by a gas pipe and supplies heated gas. In the first processing chamber 101a, there are provided a substrate holding means, a shower plate for spraying heated gas to the substrate, and the like. The supplied gas heats the substrate and is discharged from an outlet provided in the first processing chamber 101a.

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101aに供給されたガスは、シャワー板を通過して基板に吹き付けられる。シャワー板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。   The treatment chamber is formed using quartz or ceramic in order to prevent contamination from the wall material when the heated gas is introduced. Further, when the size of the substrate is increased, it is difficult to form a processing chamber with quartz according to the size, and in this case, ceramic may be applied. The structure of the holding means is configured to minimize the contact area with the substrate. The gas supplied to the processing chamber 101a passes through the shower plate and is blown onto the substrate. Fine openings are formed in the shower plate at predetermined intervals so that the heated gas can be sprayed uniformly on the substrate. By providing the shower plate, the substrate can be heated with good uniformity even if the area of the substrate is increased.

このような処理室の構成は、第2の処理室101b、第3の処理室101c、第4の処理室101d、第5の処理室101eにおいて同様である。   The structure of such a processing chamber is the same in the second processing chamber 101b, the third processing chamber 101c, the fourth processing chamber 101d, and the fifth processing chamber 101e.

第1の処理室101aから排出されたガスは、その後第2の処理室101b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のガス加熱手段111bにより所定の温度となるように制御する。第1の処理室101aに設けられた排出口と第2の加熱手段111bの導入口とはガス管により接続し、第2の加熱手段111bの排出口と第2の処理室101bに設けられた導入口とガス管により接続されている。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。   The gas discharged from the first processing chamber 101a is then supplied to the second processing chamber 101b and used again for heating the substrate. In this process, the temperature of the gas is lowered, so that the second gas heating means 111b controls the temperature so as to reach a predetermined temperature. The discharge port provided in the first processing chamber 101a and the introduction port of the second heating unit 111b are connected by a gas pipe, and the discharge port of the second heating unit 111b and the second processing chamber 101b are provided. It is connected to the inlet by a gas pipe. Although not shown, these gas pipes may be provided with heat retaining means.

同様にして、第2の処理室101b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、第3のガス加熱手段111cを介して第3の処理室101cに供給される。第3の処理室101cに供給され加熱に利用されたガスは、4のガス加熱手段111dを介して第4の処理室101dに供給される。第4の処理室101dに供給された加熱に利用されたガスは、第5のガ加熱手段111eを介して第5の処理室101eに供給される。   Similarly, the heated gas supplied to the second processing chamber 101b is used for heating the substrate, and then supplied to the third processing chamber 101c via the third gas heating means 111c. The gas supplied to the third processing chamber 101c and used for heating is supplied to the fourth processing chamber 101d via the four gas heating means 111d. The gas used for heating supplied to the fourth processing chamber 101d is supplied to the fifth processing chamber 101e through the fifth gas heating means 111e.

第5の処理室101eから排出されたガスは熱交換器108に供給され、冷却室106から、第1のガス加熱手段111aに供給されるガスを加熱するために用いられる。さらに、その後、予備加熱室105に供給され、そこに配置されている基板の加熱に用いられる。   The gas discharged from the fifth processing chamber 101e is supplied to the heat exchanger 108, and is used to heat the gas supplied from the cooling chamber 106 to the first gas heating means 111a. Further, it is then supplied to the preheating chamber 105 and used to heat the substrate disposed there.

図1では熱処理室101が、第1の処理室〜第5の処理室がガス加熱手段を介して連結されている。熱処理室102、103、104の構成も同様なものとしている。このような構成とすることで、熱処理室毎に加熱温度の異なる熱処理を行うことも可能となる。勿論、連結する数に限定はなく任意なものとすることができる。   In FIG. 1, a heat treatment chamber 101 is connected to a first treatment chamber to a fifth treatment chamber via a gas heating means. The configuration of the heat treatment chambers 102, 103, and 104 is the same. With such a configuration, it is possible to perform heat treatment with different heating temperatures for each heat treatment chamber. Of course, the number to be connected is not limited and can be arbitrary.

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。   The substrates are installed one by one in one processing chamber. By connecting each processing chamber in series with a gas pipe and flowing a continuously heated gas, the amount of gas used can be saved, and the energy required for heating can be saved. .

熱交換器108は、第1のガス供給手段107から第1のガス加熱手段111aに供給するガスをあらかじめ予熱するために設けたものである。各処理室から排出されたガスの熱により予めガスを加熱することができる。   The heat exchanger 108 is provided to preheat the gas supplied from the first gas supply means 107 to the first gas heating means 111a in advance. The gas can be heated in advance by the heat of the gas discharged from each processing chamber.

この熱交換器の一例を図5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5に限定されず他の構成を採用しても良い。   An example of this heat exchanger is shown in FIG. A high-temperature gas flows into the heat exchanger, and a pipe provided with fins as shown in the figure and a cold (usually about room temperature) gas flow in and pipes similarly provided with fins are installed. The casing 400 is filled with oil 403 as a medium for transferring heat. The fins are provided in order to improve the heat exchange efficiency. With such a configuration, the high-temperature gas transmits heat to the oil 403 and is discharged at a low temperature. The heat causes the cold gas to be heated by passing through the heat exchanger. Here, a simple example of the heat exchanger is shown, but the configuration of the heat exchanger applicable to the heat treatment apparatus according to the present invention is not limited to FIG. 5, and other configurations may be adopted.

図4は、ガス加熱手段及の構成の一例を示す。図4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。   FIG. 4 shows an example of the configuration of the gas heating means. In FIG. 4, an endothermic body 303 is provided inside a cylinder 301 through which gas passes. The heat absorber 303 is made of high-purity titanium or tungsten, or silicon carbide, quartz, or silicon. The cylinder 301 is formed of translucent quartz or the like, and heats the heat absorbing body 303 by radiation of a light source 302 provided on the outside thereof. The gas is heated in contact with the endothermic body 303. However, by providing a light source outside the cylinder 301, contamination is prevented and the purity of the gas to be passed can be maintained. The inside of the housing 300 may be evacuated to increase the heat insulating effect.

次に、図1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。予備加熱室105に配置された基板は熱交換器108から供給されるガスにより所定の温度まで加熱される。加熱温度は100〜450℃程度まで可能である。例えば、450℃まで加熱すれば、基板上に形成された非晶質シリコン膜の脱水素処理も可能である。そして、予備加熱室105で加熱された基板は、熱処理室101の各処理室101a〜101eに移動しそこで加熱処理が行われる。加熱温度は、第1〜第5のガス加熱手段111a〜111eにより所定の温度に加熱される。   Next, an example of a heat treatment procedure using the heat treatment apparatus having the configuration shown in FIG. 1 will be described. The substrate placed in the preheating chamber 105 is heated to a predetermined temperature by the gas supplied from the heat exchanger 108. The heating temperature can be up to about 100 to 450 ° C. For example, when heated to 450 ° C., dehydrogenation treatment of the amorphous silicon film formed on the substrate is possible. Then, the substrate heated in the preheating chamber 105 is moved to each of the processing chambers 101a to 101e of the heat treatment chamber 101, where heat treatment is performed. The heating temperature is heated to a predetermined temperature by the first to fifth gas heating means 111a to 111e.

一定時間の熱処理が終了した後、基板は冷却室106に移される。冷却室106にはガス供給手段107から供給される室温程度のガスが供給され、それにより基板は冷却されることになる。従って、冷却室106に配置された熱処理後の基板は急速に冷却することが可能となる。またあ、ガスは基板の熱を吸収し、室温以上の温度に上昇する。このガスが、さらに熱交換機108で加熱された後、第1の加熱手段111aに供給される。所定の温度まで冷却した基板は回収される。   After the heat treatment for a certain time is completed, the substrate is moved to the cooling chamber 106. A room temperature gas supplied from the gas supply means 107 is supplied to the cooling chamber 106, whereby the substrate is cooled. Accordingly, the heat-treated substrate disposed in the cooling chamber 106 can be rapidly cooled. Also, the gas absorbs the heat of the substrate and rises to a temperature above room temperature. This gas is further heated by the heat exchanger 108 and then supplied to the first heating means 111a. The substrate cooled to a predetermined temperature is collected.

予備加熱室と冷却室とを設けることにより、予備加熱と冷却とを同時に行うことも可能となり、単位時間当たりの処理枚数を増加させることができる。   By providing the preheating chamber and the cooling chamber, it is possible to perform preheating and cooling at the same time, and the number of processed sheets per unit time can be increased.

使用するガスの量を節約し、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。   In order to save the amount of gas used and improve the thermal efficiency, it is desirable to reduce the internal volume of the processing chamber as much as possible. The dimensions in the processing chamber are determined by the size of the substrate and the operating range of the transfer means for taking in and out the substrate. Since the transfer means requires an operation range of about 10 mm in order to take in and out the substrate, one dimension of the processing chamber is determined by the thickness of the substrate and the minimum operation range of the transfer means.

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。   The heat treatment method of the present invention and the heat treatment apparatus to which the heat treatment method is applied are premised on batch-type treatment, but the substrate to be treated is heated directly by heating the gas. The substrate to be processed can be quickly cooled by cooling it with a gas at room temperature. Of course, care must be taken when using a substrate that is vulnerable to thermal shock, such as glass, but unlike in the case of conventional RTA, the substrate is destroyed by rapid heating, unlike instantaneous heating of several microseconds to seconds. There is no end to it.

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。   The gas used for heating or cooling can be selected depending on the application of heat treatment. If an inert gas such as nitrogen or a rare gas is used, heat treatment for crystallization of the amorphous semiconductor film, heat treatment for gettering, ion implantation or ion doping (method of implanting ions without mass separation) It can be applied to heat treatment for the purpose of subsequent recrystallization and activation. When hydrogen diluted with hydrogen or an inert gas is used as a reducing gas such as hydrogen, hydrogenation treatment for compensating for defects (dangling bonds) in the semiconductor can be performed. When an oxidizing gas such as oxygen, nitrous oxide, or nitrogen dioxide is used, an oxide film can be formed over the semiconductor substrate or the semiconductor film.

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。   The heat treatment apparatus to which the heat treatment method of the present invention described above is applied can be applied to heat treatment of various objects to be processed. For example, the present invention can be applied to a heat treatment of a semiconductor substrate forming an integrated circuit, a heat treatment of an insulating substrate on which a TFT is formed, a heat treatment of a metal substrate, and the like. For example, it can be applied to heat treatment of a glass substrate on which a TFT is formed. Even if the substrate size is not only 600 × 720 mm but also 1200 × 1600 mm, the substrate can be heated with good uniformity. Further, it is not necessary to increase the size of the jig for holding the substrate.

図2は本発明の熱処理装置の一実施例を示す。図2において第1の処理室201には第1のガス加熱手段208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209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210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211が対応して設けられ、第5の処理室205には第5のガス加熱手段212が対応して設けられている。また、第1のガス供給手段206、第2のガス供給手段207、熱交換器213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。   FIG. 2 shows an embodiment of the heat treatment apparatus of the present invention. In FIG. 2, a first gas heating means 208 is provided corresponding to the first processing chamber 201, and a second gas heating means 209 is provided corresponding to the second processing chamber 202. The processing chamber 203 is provided with a third gas heating means 210 correspondingly, the fourth processing chamber 204 is provided with a fourth gas heating means 211 and the fifth processing chamber 205 is provided with a Five gas heating means 212 are provided correspondingly. In addition, a first gas supply unit 206, a second gas supply unit 207, and a heat exchanger 213 are provided, and these pipes have the same configuration as the heat treatment apparatus described in the embodiment.

第1のガス供給手段206は加熱用のガスを供給し、ここでは図示しない冷却室を介して熱交換器213に供給される。また、熱交換器213から排出されるガスが図示しない予備加熱室に供給される。   The first gas supply means 206 supplies a gas for heating, and is supplied to the heat exchanger 213 through a cooling chamber (not shown) here. Further, the gas discharged from the heat exchanger 213 is supplied to a preheating chamber (not shown).

各処理室にはカセット217に保持された基板218が搬送手段216により搬送され、保持手段215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。   In each processing chamber, the substrate 218 held in the cassette 217 is transferred by the transfer means 216 and placed on the holding means 215. Each processing chamber takes in and out the substrate by opening and closing the gate valve.

図3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。熱処理室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。熱処理室501、502は複数段重ねられていて、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2を参照すれば良い。また、熱処理室501、502の間には、予備加熱室520、冷却室530が縦置きで配置されている。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、予備加熱室520、冷却室530間を移動させるために用いる。   FIG. 3 shows a configuration of a heat treatment apparatus having a plurality of treatment chambers. Heat treatment chambers 501 and 502, first gas supply means 506 and 509, second gas supply means 507 and 510, and gas heating means 508 and 511 are provided. The heat treatment chambers 501 and 502 are stacked in a plurality of stages, and gas heating means are provided correspondingly. Such a configuration may be referred to FIG. A preheating chamber 520 and a cooling chamber 530 are vertically arranged between the heat treatment chambers 501 and 502. The cassettes 505a to 505c are applied when holding and transporting the substrate. The substrate is used to move between the cassettes 505 a to 505 c, the processing chambers 501 and 502, the preheating chamber 520, and the cooling chamber 530 by the transport unit 504.

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。   The number of processing chambers can be determined by the time required for the heat treatment and the operation speed of the transfer means (that is, the speed at which the substrate can be moved). If the tact time is about 10 minutes, 3 to 10 stages can be installed in the processing chambers 501 and 502.

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。本実施例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。   FIG. 5 shows an example of the configuration of the heat treatment apparatus based on the mass batch processing method, but it is not necessary to be limited to this configuration and arrangement, and any other arrangement can be adopted. Since the heat treatment apparatus shown in this embodiment is a batch processing method and heats a substrate to be processed with a heated gas, heat treatment can be performed with good uniformity even if the size of the substrate is increased. For example, the present invention can be applied to a heat treatment of a substrate having a side length exceeding 1000 mm.

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。   Such a heat treatment method and a heat treatment apparatus using the heat treatment method of the present invention are not limited by the form and size of the substrate to be processed. The single wafer processing does not require a robust susceptor even if the substrate to be processed is enlarged, and the size can be reduced accordingly. Further, the heating means does not need a large scale, and power consumption can be saved.

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8を用いて説明する。   An example in which heat treatment accompanying crystallization and gettering of a semiconductor film is performed using the heat treatment method of the present invention and a heat treatment apparatus to which the heat treatment method is applied will be described with reference to FIG.

図8(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。 In FIG. 8A, the material of the substrate 600 is not particularly limited; however, barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, quartz, or the like can be preferably used. An inorganic insulating film having a thickness of 10 to 200 nm is formed on the surface of the substrate 600 as the blocking layer 601. An example of a suitable blocking layer is a silicon oxynitride film manufactured by a plasma CVD method, and a first silicon oxynitride film manufactured from SiH 4 , NH 3 , and N 2 O is formed to a thickness of 50 nm, A second silicon oxynitride film formed from SiH 4 and N 2 O and having a thickness of 100 nm is applied. The blocking layer 601 is provided so that the alkali metal contained in the glass substrate does not diffuse into the semiconductor film formed thereon, and can be omitted when quartz is used as the substrate.

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(電解研磨処理)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。
For the semiconductor film (first semiconductor film) 602 having an amorphous structure formed over the blocking layer 601, a semiconductor material containing silicon as a main component is used. Typically, an amorphous silicon film, an amorphous silicon germanium film, or the like is applied, and the film is formed to a thickness of 10 to 100 nm by a plasma CVD method, a low pressure CVD method, or a sputtering method. In order to obtain high-quality crystals, the concentration of impurities such as oxygen and nitrogen contained in the semiconductor film 502 having an amorphous structure is preferably reduced to 5 × 10 18 / cm 3 or less. These impurities interfere with the crystallization of the amorphous semiconductor, and also increase the density of trapping centers and recombination centers even after crystallization. For this purpose, it is desirable not only to use a high-purity material gas, but also to use an ultrahigh vacuum-compatible CVD apparatus equipped with a mirror surface treatment (electropolishing treatment) in the reaction chamber and an oil-free vacuum exhaust system.

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。   After that, a catalytic metal element that promotes crystallization is added to the surface of the semiconductor film 602 having an amorphous structure. Metal elements having a catalytic action for promoting crystallization of semiconductor films include iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), and osmium (Os). , Iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), etc., and one or more selected from these can be used. Typically, nickel is used, and a catalyst-containing layer 603 is formed by applying a nickel acetate salt solution containing 1 to 100 ppm of nickel in terms of weight with a spinner. Crystallization can be performed in a shorter time as the nickel content increases.

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。   In this case, in order to improve the familiarity of the solution, as the surface treatment of the semiconductor film 602 having an amorphous structure, an extremely thin oxide film is formed with an ozone-containing aqueous solution, and the oxide film is formed using hydrofluoric acid and hydrogen peroxide solution. After etching with the mixed solution, a clean surface is formed, and then an ultrathin oxide film is formed again by treatment with an aqueous solution containing ozone. Since the surface of the semiconductor film such as silicon is inherently hydrophobic, the nickel acetate salt solution can be uniformly applied by forming the oxide film in this way.

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。   Needless to say, the catalyst-containing layer 603 is not limited to such a method, and may be formed by sputtering, vapor deposition, plasma treatment, or the like. Further, the catalyst-containing layer 603 may be formed before forming the semiconductor film 602 having an amorphous structure, that is, on the blocking layer 601.

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1で示す構成の熱処理装置を用いる。図6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。   A heat treatment for crystallization is performed while the semiconductor film 602 having an amorphous structure and the catalyst-containing layer 603 are kept in contact with each other. For the heat treatment, a heat treatment apparatus having the structure shown in FIG. 1 is used. FIG. 6 is a graph for explaining the heat treatment process. Hereinafter, the heat treatment process will be described with reference to the graph.

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予備加熱室に移され、予め所定の温度に加熱しておく。その後、処理室に移されゲートバルブを閉じる。ゲートバルブを閉じた後、加熱された窒素を流し反応管内を窒素で充満させながら加熱する。   Nitrogen, argon, or the like can be used as the heating gas. The substrate 600 on which the amorphous semiconductor film is formed is transferred from the cassette to the preheating chamber by the transfer means, and heated to a predetermined temperature in advance. Then, it moves to a processing chamber and closes a gate valve. After the gate valve is closed, heated nitrogen is flowed and the reaction tube is heated while being filled with nitrogen.

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6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。   Then, the nitrogen flow rate is increased, and the nitrogen gas supplied by the gas heating means is heated to the first temperature. The heating temperature can be adjusted by the power supplied to the heating element or the supply amount of the power and nitrogen. Here, the substrate is heated to 550 ± 50 ° C. as the first temperature (step of temperature increase 1 shown in FIG. 6). The time required to raise the temperature is only 2 minutes.

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6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6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6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。   When the substrate reaches the first temperature, the state is maintained for 3 minutes. At this stage, crystal nuclei are formed in the amorphous semiconductor film (nucleation stage shown in FIG. 6). Thereafter, it is heated to a second temperature for crystallization. The substrate is heated by setting the heating nitrogen gas to 675 ± 25 ° C. (step of temperature increase 2 shown in FIG. 6). When the second temperature is reached, the temperature is maintained for 5 minutes to perform crystallization (crystallization stage shown in FIG. 6). Of course, the nitrogen gas for heating is continuously supplied for the period up to now.

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6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、冷却室に基板を移載する。ここでさらに150℃以下にまで基板を冷却する図6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。   When the predetermined time has passed, the supply of the heating nitrogen gas is stopped, and the cooling nitrogen gas is supplied. It may be nitrogen gas at room temperature. Then, the substrate is rapidly cooled (step of temperature decrease shown in FIG. 6). This time is about 3 minutes. When the substrate cools to about 300 ° C., the substrate is taken out of the processing chamber by the transfer means and transferred to the cooling chamber. Here, the substrate is further cooled to 150 ° C. or lower, and the transfer stage shown in FIG. 6). Then, the heat treatment for crystallization is completed by transferring the substrate to the cassette.

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。   The time from carrying the substrate into the heat treatment apparatus and taking it out after heat treatment is 13 minutes. Thus, by using the heat treatment apparatus and heat treatment method of the present invention, the heat treatment for crystallization can be performed in a very short time.

こうして、図8(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。   In this manner, a semiconductor film (first semiconductor film) 604 having a crystal structure illustrated in FIG. 8B can be obtained.

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8(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。 In order to further increase the crystallization rate (the ratio of crystal components in the total volume of the film) and repair defects remaining in the crystal grains, a semiconductor film 604 having a crystal structure as shown in FIG. It is also effective to irradiate with laser light. As the laser, excimer laser light having a wavelength of 400 nm or less, and second and third harmonics of a YAG laser are used. In any case, a pulse laser beam having a repetition frequency of about 10 to 1000 Hz is used, and the laser beam is condensed to 100 to 400 mJ / cm 2 by an optical system and has a crystal structure with an overlap ratio of 90 to 95%. Laser treatment may be performed on the semiconductor film 604.

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。 A catalytic element (nickel here) remains in the semiconductor film (first semiconductor film) 605 having a crystal structure thus obtained. Although it is not uniformly distributed in the film, it remains at a concentration exceeding 1 × 10 19 / cm 3 if it is an average concentration. Of course, various semiconductor elements including TFTs can be formed even in such a state, but the element is removed by gettering by the method described below.

まず、図8(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。   First, as shown in FIG. 8D, a thin barrier layer 606 is formed on the surface of a semiconductor film 605 having a crystal structure. Although the thickness of a barrier layer is not specifically limited, You may substitute for the chemical oxide formed simply by processing with ozone water. Similarly, chemical oxide can be formed by treatment with an aqueous solution in which sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid or the like and hydrogen peroxide are mixed. As another method, the oxidation treatment may be performed by generating ozone by plasma treatment in an oxidizing atmosphere or ultraviolet irradiation in an oxygen-containing atmosphere. Alternatively, a thin oxide film may be formed by heating to about 200 to 350 ° C. using a clean oven to form a barrier layer. Alternatively, a barrier layer may be formed by depositing an oxide film of about 1 to 5 nm by plasma CVD, sputtering, vapor deposition, or the like.

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。   A semiconductor film (second semiconductor film) 607 is formed thereon with a thickness of 25 to 250 nm by plasma CVD or sputtering. Typically, an amorphous silicon film is selected. Since this semiconductor film 607 is removed later, it is desirable that the semiconductor film 607 be a film having a low density in order to increase the selection ratio between the semiconductor film 605 having a crystal structure and etching. For example, when an amorphous silicon film is formed by a plasma CVD method, the substrate temperature is set to about 100 to 200 ° C., and 25 to 40 atomic% of hydrogen is contained in the film. The same applies to the case where the sputtering method is employed, and a large amount of hydrogen can be contained in the film by sputtering with a mixed gas of argon and hydrogen at a substrate temperature of 200 ° C. or lower. In addition, when a rare gas element is added during film formation by sputtering or plasma CVD, the rare gas element can be simultaneously incorporated into the film. A gettering site can be formed even with the rare gas element thus taken in.

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1×1020〜3×1022/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。 Thereafter, a rare gas element is added to the semiconductor film 607 at a concentration of 1 × 10 20 to 3 × 10 22 / cm 3 by ion doping or ion implantation. Although the acceleration voltage is arbitrary, since it is a rare gas element, ions of the rare gas implanted may pass through the semiconductor film 607 and the barrier layer 606 and partly reach the semiconductor film 605 having a crystal structure. Absent. Since the rare gas element itself is inactive in the semiconductor film, even if there is a region containing a concentration of about 1 × 10 13 to 1 × 10 20 / cm 3 near the surface of the semiconductor film 605, There is no significant effect on device characteristics. Further, a rare gas element may be added at the stage of forming the semiconductor film 607.

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。   As the rare gas element, one or more selected from helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe) are used. In the present invention, in order to form a gettering site, these rare gas elements are used as an ion source and implanted into a semiconductor film by an ion doping method or an ion implantation method. There are two meanings of implanting ions of these rare gas elements. One is to form a dangling bond by implantation to give distortion to the semiconductor film, and the other is to give distortion by implanting the ions between the lattices of the semiconductor film. Implanting inert gas ions can satisfy both of these simultaneously, but the latter is particularly noticeable when using an element with a larger atomic radius than silicon, such as argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe). It is done.

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7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5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。   In order to reliably achieve gettering, it is necessary to perform heat treatment thereafter. FIG. 7 is a graph illustrating the heat treatment process, which will be described below with reference to the graph. Similarly, the heat treatment apparatus of the present invention is used for the heat treatment. In order to efficiently process a large number of substrates, it is desirable to use an apparatus configured as shown in FIG. Nitrogen, argon, or the like can be used as the heating gas.

図8(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。   The substrate 600 on which the structure of FIG. 8D is formed is set from the cassette into the reaction tube by the transfer means, and then the gate valve is closed. In the meantime, it is considered that nitrogen is continuously supplied from the gas supply means into the reaction tube to minimize the mixing of outside air. After closing the gate valve, the nitrogen flow rate is increased and the reaction tube is filled with nitrogen to replace it.

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7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。   Then, the nitrogen flow rate is increased, and the nitrogen gas supplied by the gas heating means is heated to the third temperature. The heating temperature can be adjusted by the power supplied to the heating element or the supply amount of the power and nitrogen. Here, the third temperature is set to 675 ± 25 ° C., and the substrate is heated (the temperature rising stage shown in FIG. 7). The time required to raise the temperature is 2 minutes.

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7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8(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。   When the substrate reaches the third temperature, the state is maintained for 3 minutes. As a result, gettering is performed (step of gettering shown in FIG. 7). In the gettering, the catalytic element in the gettering region (capture site) is released by thermal energy and moves to the gettering site by diffusion. Accordingly, the gettering depends on the processing temperature, and the gettering proceeds in a shorter time as the temperature is higher. As shown by an arrow in FIG. 8E, the direction in which the catalyst element moves is a distance of about the thickness of the semiconductor film, and gettering is completed in a relatively short time.

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7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7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。   When the predetermined time has passed, the supply of the heating nitrogen gas is stopped and the cooling nitrogen gas is supplied. It can be nitrogen gas at room temperature. Then, the substrate is rapidly cooled (step of temperature decrease shown in FIG. 7). This time is about 3 minutes. When the substrate cools to about 300 ° C., the substrate is taken out of the processing chamber by the transfer means, and the substrate is transferred to the buffer cassette. Here, the substrate is further cooled to 150 ° C. or lower, and the transfer stage shown in FIG. 7). Then, the heat treatment for gettering is completed by transferring the substrate to the cassette.

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。   It takes 9 minutes to carry the substrate into the heat treatment apparatus, heat treat it, and take it out. As described above, the heat treatment for gettering can be performed in a very short time by using the heat treatment apparatus and the heat treatment method of the present invention.

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。 Note that the semiconductor film 607 containing a rare gas element at a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 or more is not crystallized even by this heat treatment. This is presumably because the rare gas element remains in the film without being re-emitted even in the above processing temperature range and inhibits crystallization of the semiconductor film.

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(CH34NOH)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。 Thereafter, the amorphous semiconductor 607 is selectively etched and removed. As an etching method, dry etching without using plasma with ClF 3 , or an aqueous solution containing hydrazine or tetraethylammonium hydroxide (chemical formula (CH 3 ) 4 NOH) at a concentration of 20 to 30%, preferably 25%, It can be easily removed by heating to 50 ° C. At this time, the barrier layer 606 becomes an etching stopper and remains almost unetched. The barrier layer 606 may then be removed with hydrofluoric acid.

こうして図8(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。 Thus, a semiconductor film 608 having a crystal structure in which the concentration of the catalytic element is reduced to 1 × 10 17 / cm 3 or less as shown in FIG. 8F can be obtained. The thus formed semiconductor film 608 having a crystal structure is formed as a thin rod-like or thin flat rod-like crystal by the action of the catalytic element, and each crystal grows in a specific direction as viewed macroscopically. The semiconductor film 608 having such a crystal structure can be applied not only to the active layer of a TFT but also to a photoelectric conversion layer of a photosensor or a solar cell.

実施例2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9を用いて説明する。本実施例にて説明する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。   A method for manufacturing a TFT using a semiconductor film manufactured according to Embodiment 2 will be described with reference to FIGS. In the TFT manufacturing process described in this embodiment, the heat treatment method and heat treatment apparatus of the present invention can be used.

まず、図9(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上に実施例2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。   First, in FIG. 9A, semiconductor films 702 and 703 which are separated into island shapes from the semiconductor film manufactured in Example 2 over a light-transmitting substrate 700 made of aluminoborosilicate glass or barium borosilicate glass. Form. Further, between the substrate 700 and the semiconductor film, a first insulating film 701 in which one or a plurality selected from silicon nitride, silicon oxide, and silicon nitride oxide is combined is formed with a thickness of 50 to 200 nm.

その後、図9(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。 Thereafter, as shown in FIG. 9B, a second insulating film 704 is formed with a thickness of 80 nm. The second insulating film 704 is used as a gate insulating film and is formed using a plasma CVD method or a sputtering method. As the second insulating film 704, a silicon oxynitride film formed by adding O 2 to SiH 4 and N 2 O can reduce the fixed charge density in the film and is a preferable material for the gate insulating film. Needless to say, the gate insulating film is not limited to such a silicon oxynitride film, and an insulating film such as a silicon oxide film or a tantalum oxide film may be used as a single layer or a stacked structure.

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。   A first conductive film for forming a gate electrode is formed over the second insulating film 704. There is no limitation on the type of the first conductive film, but a conductive material such as aluminum, tantalum, titanium, tungsten, molybdenum, or an alloy thereof can be used. As a structure of the gate electrode using such a material, a stacked structure of tantalum nitride or titanium nitride and tungsten or molybdenum tungsten alloy, a stacked structure of tungsten and aluminum, or copper can be employed. In the case of using aluminum, a material to which 0.1 to 7% by weight of titanium, scandium, neodymium, silicon, copper, or the like is added in order to improve heat resistance is used. The first conductive film is formed with a thickness of 300 nm.

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。   Thereafter, a resist pattern is formed, and gate electrodes 705 and 706 are formed. Although not shown, a wiring connected to the gate electrode can be formed at the same time.

図9(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。 As shown in FIG. 9C, an n-type semiconductor region is formed in a self-aligning manner using this gate electrode as a mask. For doping, phosphorus is implanted by an ion implantation method or an ion doping method (herein, a method of implanting ions that are not mass-separated). The phosphorus concentration in this region is in the range of 1 × 10 20 to 1 × 10 21 / cm 3 .

続いて、図9(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。 Subsequently, as illustrated in FIG. 9D, a mask 709 that covers one semiconductor film 703 is formed, and a p-type semiconductor region 710 is formed in the semiconductor film 702. Boron is used as an impurity to be added, and is added at a concentration 1.5 to 3 times that of phosphorus in order to invert the n-type. The phosphorus concentration in this region is in the range of 1.5 × 10 20 to 3 × 10 21 / cm 3 .

その後、図9(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。   Thereafter, as shown in FIG. 9E, a third insulating film 711 made of a silicon oxynitride film or a silicon nitride film is formed to a thickness of 50 nm by plasma CVD.

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。熱処理は実施例2の図7とほぼ同様に行う。活性化に適した第4の温度は450±50℃であり、1〜10分の熱処理を行えば良い。   Then, heat treatment is performed to recover and activate the crystallinity of the n-type and p-type semiconductor regions. The heat treatment is performed in substantially the same manner as in FIG. The fourth temperature suitable for activation is 450 ± 50 ° C., and heat treatment may be performed for 1 to 10 minutes.

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500℃の温度に加熱して、3分の熱処理を行う。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。   Nitrogen, argon, or the like can be used as the heating gas. The activation is performed by heating the gas to a temperature of 500 ° C. and performing a heat treatment for 3 minutes. Alternatively, a reducing atmosphere in which hydrogen is added to the gas may be used. Hydrogenation can also be performed simultaneously with the added hydrogen.

基板は搬送手段によりカセットから予備加熱室に移され、予め所定の温度に加熱しておく。その後、処理室に移されゲートバルブを閉じる。ゲートバルブを閉じた後、加熱された窒素を流し反応管内を窒素で充満させながら加熱する。その後、基板を処理室に搬入し、熱処理してから取り出すまでの時間は、昇温に要する時間を2分、冷却に必要な時間を3分としても8〜9分程度である。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、活性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。   The substrate is transferred from the cassette to the preheating chamber by the conveying means, and heated to a predetermined temperature in advance. Then, it moves to a processing chamber and closes a gate valve. After the gate valve is closed, heated nitrogen is flowed and the reaction tube is heated while being filled with nitrogen. Thereafter, the time from when the substrate is carried into the processing chamber and after the heat treatment is taken out is about 8 to 9 minutes even if the time required for temperature rise is 2 minutes and the time required for cooling is 3 minutes. Thus, by using the heat treatment apparatus and heat treatment method of the present invention, the heat treatment for activation can be performed in a very short time.

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。   When heat treatment by the RTA method is performed in a state where the gate electrode is formed on the glass substrate, the gate electrode selectively absorbs the radiation of the lamp light and is locally heated to damage the glass substrate. There is a case. Since the heat treatment according to the present invention is heating by gas, there is no such influence.

図9(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。   The fourth insulating film 712 illustrated in FIG. 9F is formed using a silicon oxide film or silicon oxynitride. Alternatively, the surface may be planarized by forming with an organic insulating material such as polyimide or acrylic.

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9(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。   Next, a contact hole reaching the impurity region of each semiconductor film from the surface of the fourth insulating film 712 is formed, and wiring is formed using Al, Ti, Ta, or the like. In FIG. 9F, reference numerals 713 and 714 denote source lines or drain electrodes. Thus, an n-channel TFT and a p-channel TFT can be formed. Although each TFT is shown here as a single unit, a CMOS circuit, NMOS circuit, or PMOS circuit can be formed using these TFTs.

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。   In the heat treatment method of the present invention and the heat treatment apparatus to which the heat treatment method is applied, an inert gas and a kind selected from oxygen, nitrous oxide, and nitrogen dioxide are mixed into the gas to be heated to obtain an oxidizing gas. An oxide film can be formed on the surface.

図10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、700〜850℃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。   FIG. 10 shows an example. A field oxide film for element isolation or gate insulation is formed on a single crystal silicon substrate by mixing 1 to 30% of oxygen with nitrogen as a heating gas and performing heat treatment at 700 to 850 ° C. A film can be formed.

図10(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700〜850℃とする。   10A, an n well 802 and a p well 803 are formed on a substrate 801 made of single crystal silicon having a relatively high resistance (eg, n-type, about 10 Ωcm). Thereafter, the field oxide film 805 is formed by using the heat treatment method of the present invention using a mixed gas of oxygen and nitrogen as a heating gas. At this time, boron (B) may be selectively introduced into the semiconductor substrate by an ion implantation method to form a channel stopper. The heating temperature is 700 to 850 ° C.

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に示す構成の装置を用いる。   Similarly, a silicon oxide film 806 to be a gate insulating film is formed. The apparatus used for forming the field oxide film 805 and the silicon oxide film 806 is an apparatus having the structure shown in FIG.

続いて、図10(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。
Subsequently, as shown in FIG. 10B, a polycrystalline silicon film for gate is formed with a thickness of 100 to 300 nm by a CVD method. The polycrystalline silicon film for the gate may be doped with phosphorus (P) at a concentration of about 10 21 / cm 3 in advance in order to reduce the resistance, or may be concentrated after the polycrystalline silicon film is formed. An n-type impurity may be diffused. Here, in order to further reduce the resistance, a silicide film is formed with a thickness of 50 to 300 nm on the polycrystalline silicon film. As the silicide material, molybdenum silicide (MoSix), tungsten silicide (WSix), tantalum silicide (TaSix), titanium silicide (TiSix), or the like can be used. The silicide material may be formed according to a known method. Then, the polycrystalline silicon film and the silicide film are etched to form gates 807 and 808. The gates 807 and 808 are formed of polycrystalline silicon films 807a and 808a and silicide films 807b and 808b.
It has a two-layer structure.

その後、図10(C)に示すように、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700〜850℃、好ましくは850℃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。   Thereafter, as shown in FIG. 10C, the source and drain regions 820 of the n-channel MOS transistor and the source and drain regions 824 of the p-channel MOS transistor are formed by ion implantation. Of course, the heat treatment method and heat treatment apparatus of the present invention can also be applied to heat treatment for recrystallization and activation of these source and drain regions. The heating nitrogen gas is heated by a heating means so that the heating temperature is 700 to 850 ° C, preferably 850 ° C. By this heat treatment, the impurities are activated and the resistance of the source and drain regions is reduced.

このようにして、nチャネル型MOSトランジスタ831とpチャネル型MOSトランジスタ830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10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。   In this way, an n-channel MOS transistor 831 and a p-channel MOS transistor 830 are completed. The structure of the transistor described in this embodiment is merely an embodiment, and the present invention is not necessarily limited to the manufacturing process and structure illustrated in FIGS. A CMOS circuit, an NMOS circuit, or a PMOS circuit can be formed using these transistors. Various circuits such as a shift register, a buffer, sampling, a D / A converter, and a latch can be formed, and a semiconductor device such as a memory, a CPU, a gate array, and a RISC can be manufactured. Such a circuit can be operated at high speed by being composed of MOS, and can reduce power consumption by setting the drive voltage to 3 to 5V.

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。The cross-section figure which shows one Embodiment of the heat processing apparatus to which the heat processing method of this invention is applied. 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。The cross-section figure which shows one Embodiment of the heat processing apparatus to which the heat processing method of this invention is applied. 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。The layout figure which shows one Embodiment of the heat processing apparatus to which the heat processing method of this invention is applied. 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。The figure explaining an example of the gas heating means applicable to the heat processing apparatus of this invention. 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。The figure explaining an example of the heat exchanger applicable to the heat processing apparatus of this invention. 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。The graph explaining the change of the substrate temperature in the crystallization process using the heat processing method of this invention. 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。The graph explaining the change of the substrate temperature in the gettering process using the heat treatment method of the present invention. 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。Sectional drawing explaining the manufacturing process of a semiconductor film to which the heat processing method and heat processing apparatus of this invention are applied. 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。Sectional drawing explaining the manufacturing process of TFT to which the heat processing method and heat processing apparatus of this invention are applied. 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。Sectional drawing explaining the heat processing process of the semiconductor substrate to which the heat processing method and heat processing apparatus of this invention are applied.

符号の説明Explanation of symbols

101、102、103、104 熱処理室
105 予備加熱室
106 冷却室
107 ガス供給手段
108 熱交換器
111a〜111e ガス加熱手段
112a〜112e ガス加熱手段
113a〜113e ガス加熱手段
114a〜114e ガス加熱手段
101, 102, 103, 104 Heat treatment chamber 105 Preheating chamber 106 Cooling chamber 107 Gas supply means 108 Heat exchangers 111a to 111e Gas heating means 112a to 112e Gas heating means 113a to 113e Gas heating means 114a to 114e Gas heating means

Claims (12)

基板上に非晶質半導体膜を形成し、
前記非晶質半導体膜の表面に、結晶化を促進する金属元素を添加し、
前記非晶質半導体膜に第1の加熱処理を行うことにより、当該非晶質半導体膜を結晶化して結晶構造を有する半導体膜を形成し、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第1の冷却を行い、
前記結晶構造を有する半導体膜に第2の加熱処理を行うことにより、当該結晶構造を有する半導体膜から前記金属元素を除去し、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第2の冷却を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an amorphous semiconductor film on the substrate;
A metal element that promotes crystallization is added to the surface of the amorphous semiconductor film;
By performing a first heat treatment on the amorphous semiconductor film, the amorphous semiconductor film is crystallized to form a semiconductor film having a crystal structure,
First cooling the semiconductor film having the crystal structure using a cooling gas,
By performing a second heat treatment on the semiconductor film having a crystal structure, the metal element is removed from the semiconductor film having the crystal structure,
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that second cooling is performed on the semiconductor film having the crystal structure by using a cooling gas.
基板上に第1の非晶質半導体膜を形成し、
前記第1の非晶質半導体膜の表面に、結晶化を促進する金属元素を添加し、
前記第1の非晶質半導体膜に第1の加熱処理を行うことにより、当該第1の非晶質半導体膜を結晶化して結晶構造を有する半導体膜を形成し、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第1の冷却を行い、
前記結晶構造を有する半導体膜上に第2の非晶質半導体膜を形成し、
第2の加熱処理を行い、前記結晶構造を有する半導体膜から前記第2の非晶質半導体膜に前記結晶化を促進する金属元素を拡散により移動させ、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第2の冷却を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first amorphous semiconductor film on a substrate;
Adding a metal element that promotes crystallization to the surface of the first amorphous semiconductor film;
A first heat treatment is performed on the first amorphous semiconductor film to crystallize the first amorphous semiconductor film to form a semiconductor film having a crystal structure;
First cooling the semiconductor film having the crystal structure using a cooling gas,
Forming a second amorphous semiconductor film on the semiconductor film having the crystal structure;
A second heat treatment is performed, and the metal element that promotes crystallization is transferred from the semiconductor film having the crystal structure to the second amorphous semiconductor film by diffusion;
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that second cooling is performed on the semiconductor film having the crystal structure by using a cooling gas.
基板上に第1の非晶質半導体膜を形成し、
前記第1の非晶質半導体膜の表面に、結晶化を促進する金属元素を添加し、
前記第1の非晶質半導体膜に第1の加熱処理を行うことにより、当該第1の非晶質半導体膜を結晶化して結晶構造を有する半導体膜を形成し、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第1の冷却を行い、
前記結晶構造を有する半導体膜上にバリア層を形成し、
前記バリア層上に第2の非晶質半導体膜を形成し、
第2の加熱処理を行い、前記結晶構造を有する半導体膜から前記バリア層を介して前記第2の非晶質半導体膜に前記結晶化を促進する金属元素を拡散により移動させ、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第2の冷却を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first amorphous semiconductor film on a substrate;
Adding a metal element that promotes crystallization to the surface of the first amorphous semiconductor film;
A first heat treatment is performed on the first amorphous semiconductor film to crystallize the first amorphous semiconductor film to form a semiconductor film having a crystal structure;
First cooling the semiconductor film having the crystal structure using a cooling gas,
Forming a barrier layer on the semiconductor film having the crystal structure;
Forming a second amorphous semiconductor film on the barrier layer;
Performing a second heat treatment to move the metal element that promotes crystallization by diffusion from the semiconductor film having the crystal structure to the second amorphous semiconductor film through the barrier layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that second cooling is performed on the semiconductor film having the crystal structure by using a cooling gas.
基板上に第1の非晶質半導体膜を形成し、
前記第1の非晶質半導体膜の表面に、結晶化を促進する金属元素を添加し、
前記第1の非晶質半導体膜に第1の加熱処理を行うことにより、当該第1の非晶質半導体膜を結晶化して結晶構造を有する半導体膜を形成し、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第1の冷却を行い、
前記結晶構造を有する半導体膜にレーザを照射し、
前記結晶構造を有する半導体膜上にバリア層を形成し、
前記バリア層上に第2の非晶質半導体膜を形成し、
第2の加熱処理を行い、前記結晶構造を有する半導体膜から前記バリア層を介して前記第2の非晶質半導体膜に前記結晶化を促進する金属元素を拡散により移動させ、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第2の冷却を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first amorphous semiconductor film on a substrate;
Adding a metal element that promotes crystallization to the surface of the first amorphous semiconductor film;
A first heat treatment is performed on the first amorphous semiconductor film to crystallize the first amorphous semiconductor film to form a semiconductor film having a crystal structure;
First cooling the semiconductor film having the crystal structure using a cooling gas,
Irradiating the semiconductor film having the crystal structure with a laser,
Forming a barrier layer on the semiconductor film having the crystal structure;
Forming a second amorphous semiconductor film on the barrier layer;
Performing a second heat treatment to move the metal element that promotes crystallization by diffusion from the semiconductor film having the crystal structure to the second amorphous semiconductor film through the barrier layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that second cooling is performed on the semiconductor film having the crystal structure by using a cooling gas.
基板上に無機絶縁膜を形成し、
前記無機絶縁膜上に第1の非晶質半導体膜を形成し、
前記第1の非晶質半導体膜の表面に、結晶化を促進する金属元素を添加し、
前記第1の非晶質半導体膜に第1の加熱処理を行うことにより、当該第1の非晶質半導体膜を結晶化して結晶構造を有する半導体膜を形成し、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第1の冷却を行い、
前記結晶構造を有する半導体膜にレーザを照射し、
前記結晶構造を有する半導体膜上にバリア層を形成し、
前記バリア層上に第2の非晶質半導体膜を形成し、
第2の加熱処理を行い、前記結晶構造を有する半導体膜から前記バリア層を介して前記第2の非晶質半導体膜に前記結晶化を促進する金属元素を拡散により移動させ、
冷却用のガスを用いて前記結晶構造を有する半導体膜に第2の冷却を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an inorganic insulating film on the substrate;
Forming a first amorphous semiconductor film on the inorganic insulating film;
Adding a metal element that promotes crystallization to the surface of the first amorphous semiconductor film;
A first heat treatment is performed on the first amorphous semiconductor film to crystallize the first amorphous semiconductor film to form a semiconductor film having a crystal structure;
First cooling the semiconductor film having the crystal structure using a cooling gas,
Irradiating the semiconductor film having the crystal structure with a laser,
Forming a barrier layer on the semiconductor film having the crystal structure;
Forming a second amorphous semiconductor film on the barrier layer;
Performing a second heat treatment to move the metal element that promotes crystallization by diffusion from the semiconductor film having the crystal structure to the second amorphous semiconductor film through the barrier layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that second cooling is performed on the semiconductor film having the crystal structure by using a cooling gas.
請求項2乃至請求項5のいずれか一において、前記第2の非晶質半導体膜に、イオンドープ法又はイオン注入法により、希ガス元素を添加することを特徴とする半導体装置の作製方法。   6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein a rare gas element is added to the second amorphous semiconductor film by an ion doping method or an ion implantation method. 請求項1乃至請求項6のいずれか一において、前記冷却用のガスとして窒素ガス又は希ガスを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。   7. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein nitrogen gas or a rare gas is used as the cooling gas. 請求項1乃至請求項7のいずれか一において、前記結晶化を促進する金属元素として、Ni、Fe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu又はAuから選ばれた一種又は複数種の金属元素を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。   In any one of Claims 1 thru | or 7, As the metal element which accelerates | stimulates the crystallization, 1 type selected from Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu or Au, or A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a plurality of types of metal elements are used. 請求項1乃至請求項8のいずれか一において、前記結晶化を促進する金属元素を含む溶液を塗布することを特徴とする半導体装置の作製方法。   9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a solution containing the metal element that promotes crystallization is applied. 請求項1乃至請求項8のいずれか一において、前記結晶化を促進する金属元素を、スパッタ法、蒸着法又はプラズマ処理により添加することを特徴とする半導体装置の作製方法。   9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal element that promotes crystallization is added by a sputtering method, an evaporation method, or a plasma treatment. 請求項1乃至請求項10のいずれか一において、前記第1の加熱処理及び前記第2の加熱処理として、加熱したガスを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。   11. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a heated gas is used as the first heat treatment and the second heat treatment. 請求項11において、前記加熱したガスとして、窒素又はアルゴンガスを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。   12. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein nitrogen or argon gas is used as the heated gas.
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