JP3034765B2 - レーザー処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、レー
ザー光の照射によって半導体に対して各種アニールを施
す技術に関する。

【従来の技術】

【０００２】従来より、半導体に対してレーザー光を照
射することによって、各種アニールを施す技術が知られ
ている。例えば、プラズマＣＶＤ法によってガラス基板
上に成膜された非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）に対してレ
ーザー光を照射することによって結晶性珪素膜に変成す
る技術や、不純物イオン注入後のアニール技術等が知ら
れている。このようなレーザー光を用いた各種アニール
技術、およびレーザー光を照射する装置としては、本出
願人による特開平６─５１２３８号公報に記載されてい
る技術がある。

【０００３】レーザー光による各種アニール処理は、下
地の基板に対して熱的なダメージを与えないので、例え
ば基板としてガラス基板等の熱に弱い材料を用いた場合
等に有用な技術となる。しかしながら、そのアニール効
果を常に一定なものとすることが困難であるという問題
がある。またレーザー光の照射による非晶質珪素膜の結
晶化を行った場合、必要とする良好な結晶性を常に得る
ことが困難であり、安定してより結晶性の良好な結晶性
珪素膜を得る技術が求められていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本明細書で開示する発
明は、下記に示す事項の少なくとも一つ以上を解決する
ことを課題とする。 （１）レーザー光の照射による半導体へのアニール技術
において常に一定の効果が得られるようにする。 （２）非晶質珪素膜へのレーザー光の照射によって得ら
れる結晶性珪素膜の結晶性をより高くする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
の一つは、非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を
導入する工程と、加熱処理を施し前記非晶質珪素膜を結
晶化させる工程と、該工程において結晶化された珪素膜
に対してレーザー光を照射する工程と、を有し、前記レ
ーザー光の照射時において、試料は前記加熱処理時の温
度の±１００℃以内に保たれていることを特徴とする。

【０００６】上記構成（本明細書で開示する発明全て）
において、結晶化を助長する金属元素としては、Ｆｅ、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃ
ｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕから選ばれた一種または複数種類
のものが用いられる。これら金属元素の中でも最も顕著
な効果を得ることができる元素がニッケルである。

【０００７】上記構成において、加熱処理時の温度とし
ては、４５０℃〜７５０℃の温度を選択することができ
る。この温度の上限は基板の耐熱温度によって制限さ
れ、基板としてガラス基板を用いた場合には、６００℃
程度が上限とされる。また生産性を考慮するならばこの
温度が５５０℃以上であることが望ましい。従って、ガ
ラス基板を用いた場合には、５５０〜６００℃程度の温
度で加熱処理を行うことが望ましいことになる。

【０００８】レーザー光の照射時における加熱温度も、
５５０℃〜６００℃程度することが好ましいが、４５０
℃程度の温度からの加熱で実用になる。従って、５５０
℃±１００℃の温度範囲での加熱が好ましい。

【０００９】また本明細書で開示する他の発明は、非晶
質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を導入する工程
と、６００℃以下の温度で加熱処理を施し前記非晶質珪
素膜を結晶化させる工程と、該工程において結晶化され
た珪素膜に対してレーザー光を照射する工程と、を有
し、前記レーザー光の照射時において、試料は前記加熱
処理時の温度の±１００℃以内に保たれていることを特
徴とする。

【００１０】また本明細書で開示する他の発明は、非晶
質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を導入する工程
と、加熱処理を施し前記非晶質珪素膜を結晶化させる工
程と、該工程で結晶化された珪素膜の少なくとも一部に
不純物イオンの注入を行う工程と、前記不純物イオンが
注入された領域にレーザー光を照射する工程と、を有
し、前記レーザー光の照射時において、試料は前記加熱
処理時の温度の±１００℃以内に保たれていることを特
徴とする。

【００１１】また他の発明の構成は、非晶質珪素膜に結
晶化を助長する金属元素を導入する工程と、加熱処理を
施し前記非晶質珪素膜を結晶化させる工程と、該工程で
結晶化された珪素膜の少なくとも一部に不純物イオンの
注入を行う工程と、前記不純物イオンが注入された領域
にレーザー光を照射する工程と、を有し、前記レーザー
光の照射時において、試料は前記加熱処理時の温度の±
１００℃以内に保たれていることを特徴とする。

【００１２】また他の発明の構成において、結晶化を助
長する金属元素が導入された非晶質珪素膜に対して、線
状のビーム形状を有するレーザー光を前記非晶質珪素膜
の一方から他方に向かって順次移動させて照射し、レー
ザー光が照射された領域を順次結晶化させる方法であっ
て、前記レーザー光の照射は、非照射面の温度を４５０
℃以上の温度に加熱して行われることを特徴とする。

【００１３】上記構成において、線上のビームを順次移
動させて照射することで、必要とする領域に対して効果
的にレーザー光を照射することができる。また非照射面
の温度（加熱温度）の条件は普通６００℃程度に制限さ
れる。しかしこの温度は、基板の材質によって限定され
るものであり、さらに高い温度としてもよい。

【００１４】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例では、本明細書で開示する発明を
実施する際に利用されるレーザー処理装置を示す。図１
にレーザー処理装置の上面図を示す。図２に図１のＡ−
Ａ’で切った断面図を示す。図３に図１のＢ−Ｂ’で切
った断面図を示す。またこのレーザー処理装置のブロッ
ク図を図４に示す。

【００１５】図１〜図３において、１０１で示されるの
は、基板（試料）を搬入搬出するための搬送搬入室であ
り、レーザー光を照射する対象の珪素膜や作製工程途中
の状態の薄膜トランジスタが形成された基板１００が多
数枚カセット１０５に収納された状態で収められてい
る。基板の搬入搬出室１０１に基板を外部から出し入れ
する際には、基板１００を収納したカセット１０５毎移
動が行われる。

【００１６】１０２で示されるのは、基板を装置内にお
いて搬送するための搬送室であり、基板を一枚づつ搬送
するためのロボットアーム１０６を備えている。このロ
ボットアーム１０６は加熱手段を内蔵しており、基板を
搬送中においても基板の温度（試料の温度）を一定に保
つ工夫がなされている。

【００１７】また１２５は基板の位置合わせ用のアライ
メント手段であり、ロボットアームと基板との位置合わ
せを正確に行うための機能を有する。

【００１８】１０３で示される室は、レーザー光を基板
に対して照射するための室である。この室では、レーザ
ー照射装置１０７から照射されたレーザー光１０８を合
成石英の窓１５０を介して、基板が置かれるステージ１
０９上に配置された基板上に照射することができる。ス
テージ１０９は、基板を加熱する手段を備えており、矢
印で示されるように、１次元方向に移動する機能を有し
ている。

【００１９】レーザー照射装置１０７は、例えばＫｒＦ
エキシマレーザーを発振する機能を有し、図５に示すよ
うな光学系を内蔵している。この図５に示す光学系を通
ることにより、レーザー光は、幅数ミリ〜数センチ、長
さ数十センチの線状ビームに成形される。

【００２０】１０４で示される室は、基板（試料）を加
熱するための加熱室であり、基板１００が多数枚収納さ
れる。多数枚収納された基板１００は加熱手段（抵抗加
熱手段）１１０によって所定の温度に加熱される。基板
１００はリフト１１１上に収納されており、必要なとき
にリフト１１１を上下させ、搬送室１０２内のロボット
アーム１０６によって、基板１００を搬送させることが
できる。

【００２１】各室は密閉された構造を有し、排気系１１
５〜１１８によって減圧状態、あるいは高真空状態とす
ることができる。各排気系には、独立して真空ポンプ１
１９〜１２２が備えられている。また各室には、必要と
する気体（例えば不活性気体）を供給するためのガス供
給系１１２〜１１４、１２１を備えている。また各室
は、ゲイトバルブ１２２〜１２４を備えており、各室の
気密性を独立して高める構成となっている。

【００２２】〔実施例２〕本実施例においては、本明細
書で開示するレーザー処理方法を用いて薄膜トランジス
タを作製する例を示す。図６に結晶性珪素膜を得るまで
の工程を示す。まず（Ａ）に示すようにガラス基板６０
１を用意し、その表面に下地膜として酸化珪素膜６０２
を３０００Åの厚さにスパッタ法を用いて成膜する。ガ
ラス基板としては、例えばコーニング７０５９ガラス基
板を用いることができる。

【００２３】次に非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ膜）６０３を
プラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法によって５００
Åの厚さに成膜する。そして酸化性雰囲気中でのＵＶ光
の照射によって極薄い酸化膜６０４を成膜する。この酸
化膜６０４は、後の溶液塗布工程において、溶液の濡れ
性を改善するためのものである。この酸化膜６０４の厚
さは数十Å程度とすればよい。（図６（Ａ））

【００２４】次に非晶質珪素膜６０３の結晶化を助長す
る金属元素であるニッケル（Ｎｉ）の導入を行う。ここ
では、ニッケル酢酸塩溶液を用いて、ニッケル元素を非
晶質珪素膜６０１の表面に導入する。具体的には、ま
ず、所定のニッケル濃度となるように調整したニッケル
酢酸塩溶液を滴下し水膜６０５を形成する。そしてスピ
ナー６０６を用いてスピンドライを行い、非晶質珪素膜
の表面にニッケル元素が接した状態を実現する。ニッケ
ルの導入量は、ニッケル酢酸塩溶液中におけるニッケル
元素の濃度を調整することによって制御される。（図６
（Ｂ））

【００２５】次に加熱処理を施し、非晶質珪素膜６０３
を結晶化させ、結晶性珪素膜６０７を得る。このときの
加熱温度は、４５０℃〜７５０℃程度の温度で行えばよ
い。しかし、ガラス基板の耐熱性の問題を考慮した場
合、６００℃以下の温度で行うことが必要である。また
５００℃以下の温度であると、結晶化に要する時間が数
十時間以上となるので、生産性の観点から不利となる。
ここでは、ガラス基板の耐熱性の問題、さらに加熱処理
時間の問題に鑑み、５５０℃で４時間の加熱処理を行
う。こうして結晶性珪素膜６０７が得られる。（図６
（Ｃ））

【００２６】加熱処理により結晶性珪素膜６０７を得た
ら、図１〜図３に示すレーザー処理装置を用いてレーザ
ー光を照射し、結晶性珪素膜６０７の結晶化をさらに助
長させる。以下にこのレーザー処理工程の概要を示す。

【００２７】まず図６（Ｃ）の状態を有する基板（試
料）が多数枚収納されたカセット１０５を基板の搬入搬
出室１０１に収納する。そして各室を高真空状態とす
る。またゲイトバルブは全て閉鎖されている状態とす
る。そして、ゲイトバルブ１２２を開け、ロボットアー
ム１０６によって、１枚の基板１００をカセット１０５
から取り出し、搬送室１０２に移送する。そしてゲイト
バルブ１２４を開けロボットアーム１０６に保持された
基板を加熱室１０４に移送する。この際、加熱室１０４
は所定の温度に基板を加熱するように予め加熱された状
態とする。

【００２８】加熱室１０４に基板を搬入後、再びロボッ
トアーム１０６によって、次の基板をカセット１０５か
ら取り出し、加熱室１０４に移送する。以上の動作を所
定の回数繰り返すことにより、カセット１０５に収納さ
れた基板の全てを加熱室１０４に収納する。カセット１
０５に収納された基板の全てを加熱室１０４に収納した
後、ゲイトバルブ１２２と１２４とを閉鎖する。

【００２９】そして、所定の時間が経過した後、ゲイト
バルブ１２４を開け、所定の温度（ここでは５００℃）
になった基板をロボットアームによって搬送室１０２に
引き出す。この際、ロボットアーム内に内蔵された加熱
手段によって、移送中も基板は５００℃に保たれる。そ
してゲイトバルブ１２４閉める。さらにゲイトバルブ１
２３を開け、この加熱された基板をレーザー光を照射す
るための室１０３に移送する。そしてゲイトバルブ１２
３を閉める。

【００３０】レーザー光は線状を有するものを用い、そ
の線状のレーザー光の幅方向に基板ステージ１０９を動
かすことにより、所定の面積に対してレーザー光を照射
する。ここでは、図６（Ｄ）の状態において、図面の基
板右端から左端へと、レーザー光がスイープされるよう
に基板ステージ１０９を移動させレーザー光を照射す
る。ここでの基板ステージ１０９の移動速度は１０ｃｍ
／分とする。本実施例においては、基板ステージ１０９
の温度を５００℃に保った状態でレーザー光の照射を行
う。

【００３１】レーザー光の照射終了後、ゲイトバルブ１
２３を開け、基板ホルダーに保持された基板をロボット
アーム１０６によって搬送室１０２に移送する。そして
ゲイトバルブ１２３を閉める。そしてゲイトバルブ１２
２を開け、基板を搬入搬出室１０１内のカセット１０５
に収納する。この後ゲイトバルブ１２２は閉鎖する。

【００３２】上記の動作を繰り返すことにより、加熱室
に収納された複数の基板全てに対してレーザー光の照射
を行うことができる。そして全ての基板に対するレーザ
ー光の照射が終了後、カセット１０５に収納された基板
をカセット毎基板の搬入搬出室１０１から装置の外部に
取り出す。

【００３３】図６（Ｄ）に示すように、レーザー光の照
射により、結晶性珪素膜の結晶性を助長させた後、パタ
ーニングを行うことにより、薄膜トランジスタの活性層
７０１を形成する。なおこの際、極薄い酸化膜６０４は
除去する。（図７（Ａ））

【００３４】次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素
膜７０２をスパッタ法またはプラズマＣＶＤ法で１００
０Åの厚さに成膜する。次にスカンジウムを0.18ｗｔ％
含有したアルミニウム膜を６０００Åの厚さに蒸着法で
形成する。そしてパターニングを施すことにより、ゲイ
ト電極７０３を形成する。ゲイト電極７０３を形成した
ら５％酒石酸が含まれたエチレングルコール溶液中にお
いてゲイト電極７０３を陽極として陽極酸化を行い、ア
ルミニウムの酸化物層７０４を形成する。この酸化物層
の厚さは２５００Å程度とする。この酸化物層７０４の
厚さで、後の不純物イオン注入工程において形成される
オフセットゲイト領域領域の長さが決定される。

【００３５】さらに不純物イオン（ここではリンイオ
ン）の注入をイオンドーピング法またはプラズマドーピ
ング法によって活性層に注入する。この際、ゲイト電極
７０３とその周囲の酸化物層７０４とがマスクとなっ
て、７０５と７０９の領域に不純物イオンが注入される
こととなる。こうしてソース領域７０５とドレイン領域
７０９とが自己整合的に形成される。さらにチャネル形
成領域７０７とオフセットゲイト領域７０６、７０８が
やはり自己整合的に形成される。

【００３６】そして、レーザー光の照射を行い、ソース
領域７０５とドレイン領域７０９の再結晶化と注入され
た不純物の活性化を行う。このレーザー光の照射の代わ
りに強光の照射を行ってもよい。ここで行うソース／ド
レイン領域へのレーザー光の照射を図１〜図３に示す装
置で行う。またこのレーザー光の照射においては、基板
を５００℃の温度に加熱した状態で行う。

【００３７】レーザー光の照射によるアニールの終了
後、層間絶縁膜として酸化珪素膜７１０をプラズマＣＶ
Ｄ法で７０００Åの厚さに成膜する。そして孔開け工程
を経て、ソース電極７１１とドレイン電極７１２を適当
な金属（例えばアルミニウム）やその他適当な導電材料
を用いて形成する。最後に水素雰囲気中において、３５
０℃の加熱処理を１時間施すことにより、図７（Ｃ）に
示す薄膜トランジスタを完成させる。

【００３８】〔実施例３〕本実施例は、非晶質珪素膜の
結晶化を助長する金属元素を非晶質珪素膜の表面の一部
に選択的に導入することにより、結晶成長を基板に平行
な方向に行わせ、この基板に平行に結晶成長した珪素膜
を用いて薄膜トランジスタを作製する例である。

【００３９】図８に結晶性珪素膜を得るまでの工程を示
す。まずガラス基板６０１上に下地膜として酸化珪素膜
６０２をスパッタ法により３０００Åの厚さに成膜す
る。さらに非晶質珪素膜６０３を５００Åの厚さにプラ
ズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法で成膜する。そして
酸化性雰囲気中においてＵＶ光の照射を行い、非晶質珪
素膜６０３の表面に極薄い酸化膜６０４を形成する。そ
してレジストを用いてレジストマスク８０１を形成す
る。レジストマスク８０１は、８０２で示される領域の
非晶質珪素膜表面（酸化膜６０４が形成されている）を
露呈させるように構成されている。８０２で示される領
域は、図面の奥行き方向に長手方向を有する長方形（ス
リット形状）を有している。（図８（Ａ））

【００４０】次ぎにニッケル酢酸塩溶液を塗布し、水膜
６０５を形成した後、スピナー６０６を用いてスピンド
ライを行う。こうして、レジストマスク８０１によって
部分的に露呈された非晶質珪素膜の表面の一部分８０２
にニッケルが接して配置された状態が実現される。（図
８（Ｂ））

【００４１】次にレジストマスク８０１を取り除き、５
５０℃、４時間の加熱処理を施す。この工程において、
８０２の領域からニッケルが拡散し、それと同時に矢印
８０３で示すように基板に平行な方向へと結晶成長が進
行していく。この結晶化は、針状あるいは柱状あるいは
枝状に結晶が進行していくことによって行われる。この
結晶化の結果、基板に平行な方向に１次元的あるいは２
次元的に結晶成長した結晶性珪素膜を得ることができ
る。ここでは、８０２で示される領域が図面の奥手方向
に長手方向を有するスリット状を有しているので、結晶
成長は、矢印８０３で示す方向にほぼ１時限的に進行し
ていく。なおこの結晶成長は、５０〜２００μｍ程度行
わすことができる。（図８（Ｃ））

【００４２】加熱による結晶成長は、結晶成長が針状あ
るいは柱状あるいは枝状に進行するのであるが、その結
晶成長した枝の間（隙間）には非晶質成分が残存してい
ることがＴＥＭ（透過電子線顕微鏡）の写真観察から判
明している。ここで、レーザー光の照射によるアニール
を行うことにより、上記残存している非晶質成分を結晶
化させ、さらに結晶性を向上させることができる。

【００４３】このレーザー光の照射によるアニールは、
実施例と同様にして行う。こうして結晶性の助長された
結晶性珪素膜６０７が得られる。（図８（Ｄ））

【００４４】次にパターニングを施し、図７（Ａ）に示
すように活性層７０１を得る。この時、活性層７０１内
に、結晶成長の起点（８０２で示された領域）と結晶成
長終点とが存在しないようにすることが重要である。こ
れは、結晶成長の起点と終点においては、導入された金
属元素（この場合はニッケル）の濃度が高いので、この
金属濃度の高い領域を避けて活性層を形成するためであ
る。こうすることで、金属元素の影響によるデバイスの
不安定性を避けることができる。（図９（Ａ））

【００４５】次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素
膜７０２をスパッタ法またはプラズマＣＶＤ法で１００
０Åの厚さに成膜する。次にスカンジウムを0.18ｗｔ％
含有したアルミニウム膜を６０００Åの厚さに電子ビー
ム蒸着法で形成する。そしてパターニングを施すことに
より、ゲイト電極７０３を形成する。ゲイト電極７０３
を形成したら５％酒石酸が含まれたエチレングルコール
溶液中においてゲイト電極７０３を陽極として陽極酸化
を行い、アルミニウムの酸化物層７０４を形成する。こ
の酸化物層の厚さは２５００Å程度とする。この酸化物
層７０４の厚さで、後の不純物イオン注入工程において
形成されるオフセットゲイト領域領域の長さが決定され
る。

【００４６】さらに不純物イオン（ここではリンイオ
ン）の注入をイオンドーピング法またはプラズマドーピ
ング法によって活性層に注入する。この際、ゲイト電極
７０３とその周囲の酸化物層７０４とがマスクとなっ
て、７０５と７０９の領域に不純物イオンが注入される
こととなる。こうしてソース領域７０５とドレイン領域
７０９とが自己整合的に形成される。さらにチャネル形
成領域７０７とオフセットゲイト領域７０６、７０８が
やはり自己整合的に形成される。（図９（Ｂ））

【００４７】そして、図１〜図３に示すレーザー処理装
置を用いてレーザー光の照射を行い、ソース領域７０５
とドレイン領域７０９の再結晶化と注入された不純物の
活性化を行う。

【００４８】レーザー光の照射によるアニールの終了
後、層間絶縁膜として酸化珪素膜７１０をプラズマＣＶ
Ｄ法で７０００Åの厚さに成膜する。そして孔開け工程
を経て、ソース電極７１１とドレイン電極７１２を適当
な金属（例えばアルミニウム）やその他適当な導電材料
を用いて形成する。最後に水素雰囲気中において、３５
０℃の加熱処理を１時間施すことにより、図９（Ｃ）に
示す薄膜トランジスタを完成させる。

【００４９】本実施例に示す薄膜トランジスタは、針状
または柱状または枝状に１次元的に結晶成長した結晶の
結晶成長方向に沿ってキャリアが移動することになるの
で、キャリアの移動に際して結晶粒界の影響を受けるこ
とが少なく、移動度の大きいものを得ることができる。

【００５０】〔実施例４〕本実施例では、非晶質珪素膜
の結晶化を助長する金属元素の作用を利用したレーザー
光の照射を行うことによって、単結晶あるいは単結晶に
極めて近いと見なせる結晶性を有する領域を形成し、そ
の領域を利用して薄膜トランジスタの活性層を形成する
ことを特徴とする。

【００５１】図１０に単結晶あるいは単結晶に極めて近
いと見なせる結晶性を有する領域を形成する工程を示
す。まずガラス基板６０１上に下地膜として酸化珪素膜
６０２をスパッタ法により３０００Åの厚さに成膜す
る。さらに非晶質珪素膜６０３を５００Åの厚さにプラ
ズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法で成膜する。そして
酸化性雰囲気中においてＵＶ光の照射を行い、非晶質珪
素膜６０３の表面に極薄い酸化膜６０４を形成する。そ
してレジストを用いてレジストマスク８０１を形成す
る。レジストマスク８０１は、８０２で示される領域の
非晶質珪素膜表面（酸化膜６０４が形成されている）を
露呈させるように構成されている。８０２で示される領
域は、図面の奥行き方向に長手方向を有する長方形（ス
リット形状）を有している。（図１０（Ａ））

【００５２】次にニッケル酢酸塩溶液を塗布し、水膜６
０５を形成した後、スピナー６０６を用いてスピンドラ
イを行う。こうして、レジストマスク８０１によって部
分的に露呈された非晶質珪素膜の表面の一部分８０２に
ニッケルが接して配置された状態が実現される。なおこ
こではレジストマスク８０１を用いた例を示すが、酸化
珪素等をマスクとして利用してもよい。（図１０
（Ｂ））

【００５３】そして、レジストマクス８０１を取り除
き、図１〜図３に示す装置を用いてレーザー光の照射を
行う。このレーザー光の照射に際しては、試料を５００
℃の温度に加熱した状態で、線状のレーザー光８１０を
図面の奥行き方向が長手方向となるようにして、８１１
で示される方向に移動（スイープ）させていく。この移
動速度は１ｍｍ〜１０ｃｍ／分程度の極めてゆっくりと
したものとする。この時、８１２で示す領域において
は、加熱によって結晶核または結晶化した領域が形成さ
れる。この結晶核の生成や結晶化した領域が形成される
のは、ニッケル元素の作用によるものである。

【００５４】線状のレーザー光を８１１で示されるよう
に移動させていくと、ニッケルが微量に導入された領域
８１２から８１３で示されるように結晶成長が行われて
いく。この８１３で示される結晶成長は、結晶核あるい
は結晶領域が形成されている８１２の領域からエピタキ
シャル成長あるはピタキシャル成長と見なせる状態で進
行していく。（図１０（Ｃ））

【００５５】この結晶化は、レーザー光が照射された領
域が溶融し、先に結晶化した領域からこの溶融した領域
へと結晶がエピタキシャル成長（またはエピタキシャル
成長と見なせる成長）していくことによって行われる。
そして、線状のレーザー光８１０を８１１で示されるよ
うに移動させて行くことで、この結晶成長が８１３で示
されるようい順次進行していく。また結晶化を助長する
金属元素であるニッケルは、珪素が溶融した領域に偏析
するので、８１３で示される結晶化が進行していくに従
って、その結晶成長した先端部にニッケル元素が集中す
る。従って、結晶化した領域８１４の中央部において
は、ニッケル濃度を低くすることができる。

【００５６】以下においてこのレーザー光の照射工程を
説明する。まず図１０（Ｃ）の状態を有する基板（試
料）が多数枚収納されたカセット１０５を基板の搬入搬
出室１０１に収納する。そして各室を高真空状態とす
る。またゲイトバルブは全て閉鎖されている状態とす
る。そして、ゲイトバルブ１２２を開け、ロボットアー
ム１０６によって、１枚の基板１００をカセット１０５
から取り出し、搬送室１０２に移送する。そしてゲイト
バルブ１２４を開けロボットアーム１０６に保持された
基板を加熱室１０４に移送する。この際、加熱室１０４
は所定の温度（５００℃）に基板を加熱するように予め
加熱された状態とする。

【００５７】加熱室１０４に基板を搬入後、再びロボッ
トアーム１０６によって、次の基板をカセット１０５か
ら取り出し、加熱室１０４に移送する。以上の動作を所
定の回数繰り返すことにより、カセット１０５に収納さ
れた基板の全てを加熱室１０４に収納する。

【００５８】そして、所定の時間が経過した後、ゲイト
バルブ１２４を開け、所定の温度（ここでは５００℃）
になった基板をロボットアーム１０６によって搬送室１
０２に引き出す。この際、ロボットアーム内に内蔵され
た加熱手段によって、移送中も基板は５００℃に保たれ
る。そしてゲイトバルブ１２４閉める。さらにゲイトバ
ルブ１２３を開け、この加熱された基板をレーザー光を
照射するための室１０３に移送する。そしてゲイトバル
ブ１２３を閉める。

【００５９】レーザー光は線状を有するものを用い、そ
の線状のレーザー光の幅方向に基板ステージ１０９を動
かすことにより、所定の面積にレーザー光を照射する。
ここでは、図６（Ｄ）の状態において、図面の基板右側
から左側へと、レーザー光がスイープされるように基板
ステージ１０９を移動させレーザー光を照射する。ここ
での基板ステージ１０９の移動速度は１ｃｍ／分とす
る。本実施例においては、基板ステージ１０９の温度を
５００℃に保った状態でレーザー光の照射を行う。

【００６０】レーザー光の照射終了後、ゲイトバルブ１
２３を開け、基板ホルダーに保持された基板をロボット
アーム１０６によって搬送室１０２に移送する。そして
ゲイトバルブ１２３を閉める。そしてゲイトバルブ１２
２を開け、基板を搬入搬出室１０１内のカセット１０５
に収納する。この後ゲイトバルブ１２２は閉鎖する。

【００６１】上記の動作を繰り返すことにより、加熱室
に収納された複数の基板全てに対してレーザー光の照射
を行うことができる。そして全ての基板に対するレーザ
ー光の照射が終了後、カセット１０５に収納された基板
をカセット毎基板の搬入搬出室１０１から装置の外部に
取り出す。

【００６２】本実施例においては、加熱室１０４に１枚
目の基板を搬入する時から最後の基板を加熱室１０４に
搬入するまでの時間と、加熱室１０４から１枚目の基板
を取り出し、レーザー光の照射を行う室１０３へ基板を
搬送し始める時から最後の基板を加熱室１０４から取り
出し、レーザー光の照射を行う室１０３へこの基板を搬
送し始める時までの時間とを同じものとする。こうする
と、加熱室に基板が保持されている時間を全ての基板に
おいて同一なものとすることができる。

【００６３】基板上には、図１０（Ｃ）に示されるよう
に、ニッケル元素が導入された非晶質珪素膜が形成され
ており、５００℃の温度では短時間において、容易に結
晶核が生成され、ニッケル元素が導入された領域におい
ては、容易に結晶化が進行してしまう。従って、加熱室
１０４内に保持される時間は、全ての基板において極力
同じ時間とすることが均一な結晶性珪素膜を得るために
は重要となる。

【００６４】このようにして、単結晶または単結晶と見
なせる領域８１４を得ることができる。この単結晶と見
なせる領域は、水素を１０¹⁶〜１０²⁰ｃｍ^-3含んでお
り、内部の欠陥が水素でターミネイトされた構造を有し
ている。（図１０（Ｄ））

【００６５】この領域は、非常に大きな結晶粒であると
見なすことができる。またこの領域は、さらに大きくす
ることもできる。

【００６６】図１０（Ｄ）に示すように、単結晶または
単結晶と見なせる領域８１４を得たら、この領域を用い
て薄膜トランジスタの活性層を形成する。即ち、パター
ニングを行い図１１の７０１で示す活性層を形成する。
またこのパターニングの際に、極薄の酸化膜８０２を除
去する。さらにゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜
７０２をスパッタ法またはプラズマＣＶＤ法で１０００
Åの厚さに成膜する。（図１１（Ａ））

【００６７】次にスカンジウムを0.18ｗｔ％含有したア
ルミニウム膜を６０００Åの厚さに電子ビーム蒸着法で
形成する。そしてパターニングを施すことにより、ゲイ
ト電極７０３を形成する。ゲイト電極７０３を形成した
ら５％酒石酸が含まれたエチレングルコール溶液中にお
いてゲイト電極７０３を陽極として陽極酸化を行い、ア
ルミニウムの酸化物層７０４を形成する。この酸化物層
の厚さは２５００Å程度とする。この酸化物層７０４の
厚さで、後の不純物イオン注入工程において形成される
オフセットゲイト領域の長さが決定される。

【００６８】さらに不純物イオン（ここではリンイオ
ン）の注入をイオンドーピング法またはプラズマドーピ
ング法によって活性層に注入する。この際、ゲイト電極
７０３とその周囲の酸化物層７０４とがマスクとなっ
て、７０５と７０９の領域に不純物イオンが注入される
こととなる。こうしてソース領域７０５とドレイン領域
７０９とが自己整合的に形成される。さらにチャネル形
成領域７０７とオフセットゲイト領域７０６、７０８が
やはり自己整合的に形成される。（図１１（Ｂ））

【００６９】そして、図１〜図３に示すレーザー処理装
置を用いてレーザー光の照射を行い、ソース領域７０５
とドレイン領域７０９の再結晶化と注入された不純物の
活性化を行う。

【００７０】レーザー光の照射によるアニールの終了
後、層間絶縁膜として酸化珪素膜７１０をプラズマＣＶ
Ｄ法で７０００Åの厚さに成膜する。そして孔開け工程
を経て、ソース電極７１１とドレイン電極７１２を適当
な金属（例えばアルミニウム）やその他適当な導電材料
を用いて形成する。最後に水素雰囲気中において、３５
０℃の加熱処理を１時間施すことにより、図１１（Ｄ）
に示す薄膜トランジスタを完成させる。

【００７１】本実施例に示す薄膜トランジスタは、単結
晶または単結晶と見なせる領域を利用して活性層を構成
するので、活性層内に結晶粒界が実質的に存在せず、薄
膜トランジスタの動作において結晶粒界の影響を受けな
い構成とすることができる。

【００７２】本実施例で示す構成では、一列に並んだ複
数の薄膜トランジスタを形成する際に効果的に利用でき
る。例えば、図１１（Ｄ）に示す薄膜トランジスタを図
面の奥行き方向に１列に多数個同時に作製する際に利用
することができる。このような多数個の薄膜トランジス
タが列を成して形成されている構成は、液晶電気光学装
置の周辺回路（シフトレジスタ回路等）に利用すること
ができる。またこのような単結晶または単結晶と見なせ
る結晶性珪素膜を用いた薄膜トタンジスタは、アナログ
バッファアンプ等に利用するのに有用なものとなる。

【００７３】〔実施例５〕本実施例は、レーザー光の照
射による結晶化のメカニズムを巧みに利用して、より単
結晶に近い（結晶性の良好な）結晶性珪素膜を効率よく
得る例である。

【００７４】図１２に本実施例の作製工程を示す。まず
ガラス基板６０１上に下地の酸化珪素膜６０２を３００
０Åの厚さにスパッタ法で成膜する。そして非晶質珪素
膜６０３を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法または減
圧熱ＣＶＤ法で成膜する。さらに酸化性雰囲気中におい
てＵＶ光の照射を行い、極薄い酸化膜６０４を形成す
る。さらにマスクを構成する酸化珪素膜８１５を成膜す
る。この酸化珪素膜は、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法
で成膜されるものを用いてよいが、酸化珪素系被膜形成
用塗布液を用いて形成するのでもよい。これは、溶液状
態のものを１００〜３００℃程度の加熱によって固化す
るタイプのもので、例えば東京応化のＯＣＤ(Ohka Diff
usion Source) 溶液を用いることができる。この酸化珪
素膜８１５は、８０２で示す領域において図面奥行き方
向に長手方向を有するスリット状を有しており、このス
リット状の領域８０２で非晶質珪素膜６０３の表面（酸
化膜６０４が形成されている）を露呈する構成となって
いる。このスリット状の領域は、必要とする長さで数μ
〜数十μの幅で設ければよい。（図１２（Ａ））

【００７５】次に酢酸ニッケル塩溶液を塗布し、水膜６
０５を形成する。そしてスピナー６０６を用いてスピン
ドライを行い、８０２の領域で酸化膜６０４を介して非
晶質珪素膜６０３の表面にニッケル元素が接して設けら
れ状態を実現する。（図１２（Ｂ））

【００７６】そして図１２（Ｃ）に示すように線状のレ
ーザー光を８１１で示す方向に移動（スイープ）させな
がら照射する。この線状のレーザー光は、図面の奥行き
方向に長手方向を有する形状に図５に示す光学系を用い
て成形されている。

【００７７】このレーザー光８１０の照射は、試料を５
００℃に加熱し、移動速度を１ｍｍ〜１０ｃｍ／分程度
の極めてゆっくりとしたものとして行う。この時、８１
２で示す領域においては、加熱によって結晶核または結
晶化した領域が形成される。この結晶核の生成や結晶化
した領域が形成されるのは、ニッケル元素の作用による
ものである。レーザー光の照射工程については、実施例
４の場合と同様である。

【００７８】線状のレーザー光を８１１で示されるよう
に移動させながら照射すると、８１２で示される領域
は、その表面に酸化珪素膜が存在しないので、レーザー
光の照射後急速に冷却される。そしてレーザー光が移動
していった先の非晶質珪素膜は上下を酸化珪素膜によっ
て挟まれているので、熱の逃げ場がなく、瞬間的に高い
温度に加熱される。即ち結晶構造を有する冷たい８１２
の領域と、高熱で溶融状態にある領域とが存在すること
になる。当然その両者の間には、急激な温度勾配が生じ
ることとなる。この温度勾配の作用によって結晶成長が
促進され、８１３で示されるようにエピタキシャル成長
と見なせる結晶成長が順次進行していく。そして、単結
晶または単結晶と見なせる領域８１４を得ることができ
る。

【００７９】本実施例で示すような構成は、成長開始点
における成長の開始の容易さを実現することができ、部
分的にではあるが、単結晶または単結晶と見なせる領域
を形成することができる。

【００８０】こうして図１２（Ｄ）の８１４で示される
ような単結晶または単結晶と見なせる領域を得ることが
できる。この単結晶または単結晶と見なせる領域は数十
μｍ以上の長さに渡って形成することが可能であり、こ
の領域を用いて単結晶薄膜トランジスタを形成すること
が可能である。

【００８１】〔実施例６〕本明細書に開示する発明を用
いて、より高度なアクティブマトリクス型液晶ディスプ
レーシステムを構築する例を図１３に示す。図１３の例
は、一対の基板間に液晶を挟持した構成を有する液晶デ
ィスプレーの少なくとも一方の基板上に、通常のコンピ
ュータのメインボードに取り付けられている半導体チッ
プを固定することによって、小型化、軽量化、薄型化を
おこなった例である。

【００８２】以下、図１３について説明する。基板１５
は液晶ディスプレーの基板でもあり、その上にはＴＦＴ
１１、画素電極１２、補助容量１３を具備する画素が多
数形成されたアクティブマトリクス回路１４と、それを
駆動するためのＸデコーダー／ドライバー、Ｙデコーダ
ー／ドライバー、ＸＹ分岐回路がＴＦＴによって形成さ
れている。勿論、ＴＦＴとして本明細書で開示する発明
を利用することができる。

【００８３】そして基板１５上に、さらに他のチップを
取り付ける。そして、これらのチップはワイヤボンディ
ング法、ＣＯＧ（チップ・オン・グラス）法等の手段に
よって、基板１５上の回路に接続される。図１３におい
て、補正メモリー、メモリー、ＣＰＵ、入力ポートは、
このようにして取り付けられたチップであり、この他に
も様々なチップを取り付けてもよい。

【００８４】図１３において、入力ポートとは、外部か
ら入力された信号を読み取り、画像用信号に変換する回
路である。補正メモリーは、アクティブマトリクスパネ
ルの特性に合わせて入力信号等を補正するためのパネル
に固有のメモリーのことである。特に、この補正メモリ
ーは、各画素固有の情報を不揮発性メモリーとして有
し、個別に補正するためのものである。すなわち、電気
光学装置の画素に点欠陥のある場合には、その点の周囲
の画素にそれに合わせて補正した信号を送り、点欠陥を
カバーし、欠陥を目立たなくする。または、画素が周囲
の画素に比べて暗い場合には、その画素により大きな信
号を送って、周囲の画素と同じ明るさとなるようにする
ものである。画素の欠陥情報はパネルごとに異なるの
で、補正メモリーに蓄積されている情報はパネルごとに
異なる。

【００８５】ＣＰＵとメモリーは通常のコンピュータの
ものとその機能は同様で、特にメモリーは各画素に対応
した画像メモリーをＲＡＭとして持っている。これらの
チップはいずれもＣＭＯＳ型のものである。

【００８６】また必要とする集積回路の少なくとも一部
を本明細書で開示する発明で構成し、システムの薄膜を
さらに高めてもよい。以上のように、液晶ディスプレー
基板にＣＰＵ、メモリーまでもが形成され、１枚の基板
で簡単なパーソナルコンピュータのような電子装置を構
成することは、液晶表示システムを小型化し、その応用
範囲を広げるために非常に有用である。

【００８７】本実施例に示すようにシステム化された液
晶ディスプレーの必要とする回路に本明細書で開示する
発明を用いて作製した薄膜トランジスタを利用すること
ができる。特に、単結晶または単結晶と見なせる領域を
用いて作製された薄膜トランジスタをアナログバッファ
ー回路やその他必要とする回路に利用することは極めて
有用である。

【００８８】

【発明の効果】結晶化を助長する金属元素の導入と加熱
処理によって結晶化された結晶性珪素膜に対して、先の
加熱処理時の温度の±１００℃以内の温度に試料を加熱
した状態で、レーザー光の照射によるアニールを施すこ
とにより、結晶性をさらに高め、良好な結晶性を有する
珪素膜を得ることができる。

【００８９】また、結晶化を助長する金属元素の導入と
加熱処理によって結晶化された結晶性珪素膜に対して、
不純物イオンの注入を行い、さらに先の加熱処理時の温
度の±１００℃以内の温度に試料を加熱した状態で、レ
ーザー光の照射によるアニールを施すことにより、不純
物領域の形成を効果的に行うこができる。

【００９０】また、４５０℃以上の温度に加熱した状態
で非晶質珪素膜の一方から他方に向かって線状のレーザ
ー光を照射することによって、レーザー光の照射に従っ
て、順次結晶成長を行わすことができ、単結晶または単
結晶と見なせる領域を形成することができる。

【００９１】特に結晶化を助長する金属元素を非晶質珪
素膜に導入した状態で上記のようなレーザー光の照射を
行うことで、結晶性がより高い領域（ほとんど単結晶と
見なせる領域）を容易に形成することができる。またこ
の時、線状のレーザー光を移動させながら照射すること
で、結晶成長した終点に金属元素を偏析させることがで
き、結晶化した領域内における金属元素濃度を極力小さ
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 レーザー処理装置の上面図。

【図２】 レーザー処理装置の断面図。

【図３】 レーザー処理装置の断面図。

【図４】 レーザー処理装置のブロック図。

【図５】 レーザー処理装置のレーザー光学系を示す
図。

【図６】 基板上に結晶性珪素膜を作製する工程図。

【図７】 薄膜トランジスタの作製工程図。

【図８】 基板上に結晶性珪素膜を作製する工程図。

【図９】 薄膜トランジスタの作製工程図。

【図１０】 基板上に結晶性珪素膜を作製する工程図。

【図１１】 薄膜トランジスタの作製工程図。

【図１２】 基板上に結晶性珪素膜を作製する工程図。

【図１３】 液晶ディスプレーの構成を示す。

【符号の説明】

６０１ ガラス基板 ６０２ 酸化珪素膜（下地膜） ６０３ 非晶質珪素膜 ６０４ 酸化膜 ６０５ ニッケル酢酸塩溶液の水膜 ６０６ スピナー ６０７ 結晶性珪素膜 ７０１ 活性層 ７０２ 酸化珪素膜（ゲイト絶縁膜） ７０３ アルミニウムを主成分とするゲイト電極 ７０４ 陽極酸化物層 ７０５ ソース領域 ７０６ オフセットゲイト領域 ７０７ チャネル形成領域 ７０８ オフセットゲイト領域 ７０９ ドレイン領域 ７１０ 層間絶縁膜 ７１１ ソース電極 ７１２ ドレイン電極 ８０２ 露呈した領域 ８０３ 結晶成長方向 ８０１ レジストマスク ８１０ 線状のレーザー光 ８１１ 線上のレーザー光の移動方向 ８１２ 結晶核または結晶性を有する領域 ８１４ 単結晶または単結晶と見なせる領域 ８１５ 酸化珪素膜で構成されるマスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/268 Ｈ０１Ｌ 27/12 Ｒ 21/336 29/78 ６２７Ｇ 27/12 21/265 ６０２Ｃ 29/786 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素
   を導入する工程と、 加熱処理を施し前記非晶質珪素膜を結晶化させる工程
   と、 該工程において結晶化された珪素膜に対してレーザー光
   を照射する工程と、 を有し、 前記レーザー光の照射時において、試料は前記加熱処理
   時の温度の±１００℃以内に保たれていることを特徴と
   するレーザー処理方法。
2. 【請求項２】非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素
   を導入する工程と、 ６００℃以下の温度で加熱処理を施し前記非晶質珪素膜
   を結晶化させる工程と、 該工程において結晶化された珪素膜に対してレーザー光
   を照射する工程と、 を有し、 前記レーザー光の照射時において、試料は前記加熱処理
   時の温度の±１００℃以内に保たれていることを特徴と
   するレーザー処理方法。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、レーザ
   ー光の照射によって、加熱処理によって結晶化された珪
   素膜の結晶性がさらに助長されることを特徴とするレー
   ザー処理方法。
4. 【請求項４】請求項１または請求項２において、結晶化
   を助長する金属元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、
   Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａ
   ｕから選ばれた一種または複数種類のものが用いられる
   ことを特徴とするレーザー処理方法。
5. 【請求項５】非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素
   を導入する工程と、 加熱処理を施し前記非晶質珪素膜を結晶化させる工程
   と、 該工程で結晶化された珪素膜の少なくとも一部に不純物
   イオンの注入を行う工程と、 前記不純物イオンが注入された領域にレーザー光を照射
   する工程と、 を有し、 前記レーザー光の照射時において、試料は前記加熱処理
   時の温度の±１００℃以内に保たれていることを特徴と
   するレーザー処理方法。
6. 【請求項６】非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素
   を導入する工程と、 加熱処理を施し前記非晶質珪素膜を結晶化させる工程
   と、 該工程で結晶化された珪素膜の少なくとも一部に不純物
   イオンの注入を行う工程と、 前記不純物イオンが注入された領域にレーザー光を照射
   する工程と、 を有し、 前記レーザー光の照射時において、試料は前記加熱処理
   時の温度の±１００℃以内に保たれていることを特徴と
   するレーザー処理方法。
7. 【請求項７】請求項５または請求項６において、レーザ
   ー光の照射によって、加熱処理によって結晶化された珪
   素膜の結晶性がさらに助長されることを特徴とするレー
   ザー処理方法。
8. 【請求項８】請求項５または請求項６において、結晶化
   を助長する金属元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、
   Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａ
   ｕから選ばれた一種または複数種類のものが用いられる
   ことを特徴とするレーザー処理方法。
9. 【請求項９】結晶化を助長する金属元素が導入された非
   晶質珪素膜に対して、線状のビーム形状を有するレーザ
   ー光を前記非晶質珪素膜の一方から他方に向かって順次
   移動させて照射し、レーザー光が照射された領域を順次
   結晶化させる方法であって、 前記レーザー光の照射は、非照射面の温度を４５０℃以
   上の温度に加熱して行われることを特徴とするレーザー
   処理方法。
10. 【請求項１０】請求項９において、結晶化を助長する金
    属元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、
    Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕから選ばれ
    た一種または複数種類のものが用いられることを特徴と
    するレーザー処理方法。
11. 【請求項１１】請求項９において、結晶化を助長する金
    属元素は、非晶質珪素膜の所定の領域に選択的に導入さ
    れていることを特徴とするレーザー処理方法。