JP3586558B2

JP3586558B2 - 薄膜の改質方法及びその実施に使用する装置

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Publication number: JP3586558B2
Application number: JP10823998A
Authority: JP
Inventors: 浩田邉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JPH11307450A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶性シリコン薄膜トランジスタを構成するシリコン薄膜等の半導体薄膜を形成するのに有効な薄膜の改質方法及びその実施に使用する装置に関し、特にエキシマレーザにより薄膜を結晶化する薄膜の改質方法及びその実施に使用する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する代表的な技術として、水素化アモルファス半導体ＴＦＴ技術及び多結晶シリコンＴＦＴ技術がある。前者は作製プロセスにおける最高温度が３００℃程度であり、移動度１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ程度のキャリア移動度を実現している。後者は、例えば石英基板を使用して１０００℃程度のＬＳＩと類似した高温プロセスを使用することにより、キャリア移動度が３０〜１００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃという性能を得ることができる。このような高いキャリア移動度の実現は、例えば上記ＴＦＴを液晶ディスプレイに応用した場合、各画素を駆動する画素ＴＦＴと同時に、周辺駆動回路部までも同一ガラス基板上に同時に形成することが可能になり、コスト上及び小型化を図る上での利点が極めて大きい。
【０００３】
しかしながら、後者の多結晶シリコンＴＦＴ技術において、上述のような高温プロセスを使用する場合、前者の水素化アモルファス半導体ＴＦＴ技術のプロセスが使用できるような安価な低軟化点ガラスを使用することができない。そこで、多結晶シリコンＴＦＴプロセスの温度の低減が要望されており、このため、レーザ結晶化技術を応用した多結晶シリコン膜の低温形成技術が研究開発されている（特開平６−８９９０５号公報、特開平７−１０６２４７号公報、特開平９−２３５１７２号公報）。
【０００４】
図１１はこの多結晶シリコン膜のレーザ結晶化に使用する従来のパルスレーザ照射装置の一例を示す模式図である。ガラス基板１５上に被照射体であるシリコン薄膜１６が形成されており、このガラス基板１５はｘｙステージ１７上に設置されている。パルスレーザ光源１１から供給されるレーザ光はミラー１２及び空間的な強度の均一化を行うべく設置されるビームホモジナイザ１４等の光学素子群によって規定される光路１７を介して、ガラス基板１５上のシリコン薄膜１６に入射される。ガラス基板全体に比べて１照射あたりの領域が小さいため、ｘｙステージ１７上のガラス基板１５を移動させることにより基板上の任意の位置へのレーザ照射が可能である。レーザ光の照射後、基板１５は基板搬送機構１９によりカセット１８内に収納される。
【０００５】
このようなレーザ照射によりシリコン薄膜を結晶化する際に、スポット状のレーザ光をステップ移動させながら照射すると、膜質の不均一が生じるので、この膜質の不均一化を防止するために、３００〜５００℃に基板を加熱する技術が特許第２５２５１０１号に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような３００乃至５００℃に基板を加熱する方法では、基板の膨張及びそり等が発生してしまい、所望の位置へレーザ光を照射するための位置精度と、照射されるレーザ光に大きな焦点深度が要求され、μｍオーダに照射サイズを加工した光を焦点ずれを起こすことなく照射することが困難であるという問題点があった。また、５００℃という高温に基板を加熱することは、基板材料への制約が大きく、軟化点の低い材料を使用できないという問題点があった。例えば、上記従来技術を液晶ディスプレイ用薄膜トランジスタの製造に使用した場合、μｍオーダの加工がフォトリソグラフィに要求されており、基板加熱による基板収縮が後工程での目合わせずれ等を引き起こすからである。
【０００７】
また、Ｊ．Ｓ．Ｉｍｅｔａｌ．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｉｓｉｃｓＬｅｔｔｅ，ｖｏｌ．６４，（１９９４），ｐｐ．２３０３には、基板温度を５００℃以上、例えば６００℃とか、８００℃とすることにより、レーザ結晶化時に粒径が拡大することが示唆されている。しかしながら、前述のごとく、実用上５００℃を超える温度に基板を加熱することは困難である。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、基板加熱による基板収縮及び基板のそりを防止し、機械的に制御可能な所望の位置への精密なレーザ照射を可能にすると共に、線幅１μｍ程度の微細パターンの基板への照射を可能にし、更に、基板の収縮及びそりを抑制しつつ基板を５００℃以上に加熱することを可能とする薄膜の改質方法及びその実施に使用する装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る薄膜の改質方法は、二酸化シリコンを主成分とする基板上のシリコン薄膜にエキシマレーザを照射して改質する際に、前記エキシマレーザよりも前記シリコン薄膜を透過しやすい炭酸ガスレーザを照射して前記基板と前記シリコン薄膜との界面近傍の基板部分を選択的に加熱する薄膜の改質方法であって、前記基板と前記シリコン薄膜との界面近傍の基板部分を選択的に加熱する炭酸ガスレーザの照射は、エキシマレーザの照射後であることを特徴とする。
【００１１】
前記薄膜の上に、絶縁膜が形成されているものであってもよく、また、前記絶縁膜として二酸化シリコン薄膜を形成することもできる。これらの薄膜の改質において、改質とは、例えば、非晶質シリコン膜から多結晶シリコン膜への結晶化、小粒径シリコン膜から大粒径シリコン膜への結晶粒粗大化、結晶欠陥が多い膜から結晶欠陥が少い膜への欠陥低減というように、シリコン薄膜の性質を所望のものにする処理である。
【００１２】
本発明に係る薄膜の改質装置は、シリコン薄膜が形成された二酸化シリコンを主成分とする基板が設置される基板ステージと、波長が４００ｎｍ以下の紫外線パルスを発生する第１のエキシマレーザ光源と、波長が９乃至１１μｍの連続光又はパルス光を発生する第２の炭酸ガスレーザ光源と、前記第１及び第２の光源からの光を所定の照射形状及び強度分布に加工して、前記第１の光源の照射後に前記第２の光源を照射するタイミングで前記基板ステージ上の前記基板に照射する光学素子群とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、例えば、絶縁性基板上の半導体薄膜をエキシマレーザにより結晶化する際に、例えば、ＣＯ_２レーザ光を照射することにより、基板と半導体薄膜との界面近傍の基板部分を選択的に加熱する。このように、半導体薄膜よりも基板に効率よく吸収される光をエキシマレーザと共に照射することによって、基板全体でなく半導体薄膜に接する界面近傍を選択的に加熱できる。これにより、基板に反り及び収縮を生じさせることなく、基板の所要部分のみを選択的に加熱し、膜質を均一化することができる。
【００１４】
一般にある膜厚ｄを透過する光のエネルギーＩは、照射光のエネルギーＩ_０及び吸収係数αを用いて下記数式１にて表される。
【００１５】
【数１】Ｉ＝Ｉ_０ｅ−αｄ
液晶ディスプレイ等に使用される薄膜トランジスタの場合、ガラス基板の厚さが０．５ｍｍ〜１．１ｍｍ程度であり、使用されるシリコン薄膜の厚さは１０〜２００ｎｍ、より理想的には３０〜１００ｎｍ程度である。波長が約１０．６μｍの光に対するシリコンの吸収係数は１．５（１／ｃｍ）、二酸化シリコンの吸収係数は１．２２×１０^３（１／ｃｍ）であるので、これにより比較すると、波長１０．６μｍの光を、表面に存在するシリコン薄膜（例えば、厚さ１００ｎｍ）は９９．９９％以上透過し、二酸化シリコン基板はその表面の１０μｍで７０％以上の光を吸収する。波長が約９．３μｍの場合は材質による光吸収係数の選択性がより一層顕著になり、シリコンの吸収係数が０．６４（１／ｃｍ）、二酸化シリコンの吸収係数が３．０５×１０^４（１／ｃｍ）となり、表面に存在するシリコン（例えば、厚さ１００ｎｍ）は９９．９９９％以上透過し、二酸化シリコンは表面の１μｍで９５％以上の光を吸収することになる。
【００１６】
従って、例えば９〜１１μｍの波長領域で５０本以上の発振線が得られる炭酸ガスレーザを使用し、所望の波長を選択することによって、基板と半導体薄膜との界面近傍の基板部分を選択的に加熱することが可能になる。
【００１７】
また、絶縁性基板上のシリコン薄膜上に、選択的に絶縁膜（例えば、二酸化シリコン膜）を配置した構造の半導体装置をパルスレーザの照射により結晶化する場合において、パルスレーザの照射の前後又は照射と同時に、波長９乃至１１μｍの光を照射することにより、シリコン薄膜の上下両方向からの加熱が可能になり、パルスレーザ結晶化過程における冷却速度の低減による結晶粒径の拡大等の新たな効果が得られる。更に、シリコン薄膜の上部に二酸化シリコン膜を選択的に配置することによって、その部分の熱容量が増大し、二酸化シリコン膜下方のシリコンの再結晶化が周辺に比べて先行すると共に、良好な結晶が形成されるために、そこを核として二酸化シリコンを上部に有しない領域に向かって横方向の成長が進む。
【００１８】
また、波長９〜１１μｍの連続光を用いパルスレーザが照射される領域を走査することにより、パルスレーザ照射領域に温度分布（勾配）を形成できる。基板側にできた温度勾配によってパルスレーザ照射後の再結晶化時に結晶化の方向を制御することが可能になり、粒径の拡大と結晶粒の位置制御が可能になる。
【００１９】
また、シリコン薄膜及び絶縁膜（二酸化シリコン薄膜）の積層物に波長９〜１１μｍの光を照射することにより、基板にダメージを与えることなくシリコン薄膜と絶縁膜との界面を１０００℃以上の高温にすることができるため、良好なＭＯＳ界面を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施例を示す模式図である。本実施例は、二酸化シリコンを主成分とするガラス基板１０１（厚さ０．７ｍｍ）上に形成されたシリコン薄膜１０２（厚さ１００ｎｍ）にＸｅＣｌエキシマレーザ１０３を照射するものである。このＸｅＣｌエキシマレーザ１０３の照射と同時、又はその前後に、ＣＯ_２レーザ１０４を基板１０１に向けて照射する。
【００２１】
この場合に、例えば、ガラス基板１０１とシリコン薄膜１０２との間に、ガラス基板より二酸化シリコンの純度が高い二酸化シリコン層等が存在していても、又はシリコンに価電子制御を目的とした不純物が添加されていてもよい。このようなシリコン薄膜にＸｅＣｌエキシマレーザ１０３を照射すると、シリコン薄膜１０２の膜厚に比べて十分高い照射強度で照射を行うことにより、シリコン薄膜の溶融再結晶化による改質を行うことができる。即ち、例えば、非晶質シリコン膜から多結晶シリコン膜への結晶化、小粒径シリコン膜から大粒径シリコン膜への結晶粒粗大化、結晶欠陥が多い膜から結晶欠陥が少い膜への欠陥低減というように、シリコン薄膜１０２の改質が可能である。
【００２２】
そして、本実施例では、このようなエキシマレーザ１０３による結晶化プロセス中にＣＯ_２レーザ１０４を照射するので、シリコン薄膜１０２とガラス基板１０１との間の界面が高温に加熱され、基板再結晶化過程の冷却速度の低減及び得られる多結晶シリコンの粒径の増大が可能になる。
【００２３】
下記表１は、各波長でのシリコンと二酸化シリコンの光学定数を示す。なお、この表１のデータはＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＯｐｔｉｃａｌＣｏｎｓｔａｎｔｓｏｆＳｏｌｉｄｓ，Ｅ．Ｐａｌｉｋ編，１９８５，ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ刊より引用したものである。
【００２４】
【表１】

【００２５】
即ち、この表１に示すように、照射波長が約１０．６μｍ及び約９．３μｍの場合のシリコンと二酸化シリコンの光学定数と、それから得られた吸収係数をもとに、各膜中での吸収深さを求めると、波長が１０．６μｍの光を、表面に存在するシリコン（例えば厚さ１００ｎｍ）は９９．９９％以上透過し、二酸化シリコンは表面の１０μｍで７０％以上の光を吸収する。波長が約９．３μｍの場合はこのような光吸収又は透過の選択性がより顕著になり、表面に存在するシリコン（例えば厚さ１００ｎｍ）は９９．９９９％以上透過し、二酸化シリコンは表面の１μｍで９５％以上の光を吸収することになる。
【００２６】
一方、波長が３５１ｎｍのＸｅＦエキシマレーザよりも短波長のエキシマレーザ、例えばＸｅＣｌ及びＫｒＦレーザ等のシリコンへの吸収係数は１０^６ｃｍ^−１にも達する。従って、ガラス基板への吸収はほとんど生じない。
【００２７】
以上のようなことから、エキシマレーザ１０３によるシリコン薄膜の溶融再結晶化と、ＣＯ_２レーザ１０４による基板加熱を同時に行うことができる。しかも、ＣＯ_２レーザ１０４による基板加熱は上述のとおり、１乃至１０μｍ程度であるため、５０ｎｓｅｃ乃至１００μｓｅｃに制御されるパルス発振のＣＯ_２レーザを使用することにより、基板の反り及び収縮を引き起こすことなく、ガラス基板の最表面を１０００℃以上の高温にすることができる。
【００２８】
このときのレーザ照射のタイミングとしては、図７乃至９に示すように、種々の態様がある。図７乃至９において、実線はエキシマレーザ、破線はＣＯ_２レーザである。図７に示すように、エキシマレーザの照射よりもＣＯ_２レーザの照射を遅延させる方法と、図８及び９に示すように、ＣＯ_２レーザを照射した後、所定の遅延時間をもって、エキシマレーザを照射する方法とがある。また、一般に３５１ｎｍ程度の波長の光を透過しやすい基板、例えば日本電気硝子製ＯＡ−２ガラスなどを用い、エキシマレーザを基板裏面から照射し、ＣＯ_２レーザを基板表面から照射するといった方法も可能である。もちろん、所望の加熱条件によってはＣＷタイプのＣＯ_２レーザを用いても良い。
【００２９】
図２（ａ）乃至（ｇ）及び（ｄ′）乃至（ｆ′）は本第１実施例を薄膜トランジスタの製造方法に適用した場合を工程順に示す断面図である。なお、図２の（ｄ′）乃至（ｆ′）は（ｄ）乃至（ｆ）の断面に垂直な方向の断面図である。図２（ａ）に示すように、表面が平坦なガラス基板５０１（例えば日本電気硝子社製ＯＡ−２ガラス、又はコーニング社製１７３７ガラス、石英基板も含む）を酸又はアルカリを使用して洗浄した後、基板上に二酸化シリコン膜５０８を形成する。この形成方法としては、ＬＰＣＶＤ法、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ，テオス）法、シラン、酸素又はオゾン等を用いたプラズマＣＶＤ法、及び常圧ＣＶＤ法が使用可能である。また、高次シラン及び有機シリカ等の塗布膜を加熱焼成することにより、二酸化シリコン膜を形成することもできる。
【００３０】
次に、再度、上記基板を洗浄した後、ジシランガスを原料とするＬＰＣＶＤ法を使用して、４５０℃にて非晶質シリコン薄膜を７５ｎｍ堆積する。堆積後、次工程を行う直前に再び洗浄する。
【００３１】
その後、上述のように形成されたＳｉ膜付き基板をレーザアニール装置内に配置する。一旦、プロセスチャンバ内を真空排気（１０^−２〜１０^−６ｔｏｒｒ程度）した後、ガス導入口よりＡｒガスを導入し、７００ｔｏｒｒを維持できるように、ガス流量計及び排気バルブを制御する。７００ｔｏｒｒに達するまでは、このＡｒガス圧力を維持するためのガス導入口の代わりに、流量をより大きくとることができる別の導入口を使用してＡｒガスを導入してもよい。Ａｒガスの圧力が７００ｔｏｒｒに達した後、エキシマレーザを稼働し、基板へのレーザ照射を開始する。パルスレーザ光源としてはＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）等の使用が可能である。このとき、同時にパルス型ＣＯ_２レーザを照射する。照射範囲としてはエキシマレーザの照射領域よりも若干広い領域であることが望ましく、このため、そのビーム強度プロファイルを適切に選択する。
【００３２】
図２（ｂ）に示すように、このレーザ照射により、非晶質シリコン膜が結晶化されて、多結晶シリコン膜５０２が形成される。
【００３３】
その後、図２（ｃ）に示すように、二酸化シリコン膜５０３を１０ｎｍ形成する。この二酸化シリコン膜５０３の形成には、二酸化シリコン膜５０８の形成に使用した成膜法と同様の作成手段を採ることができる。この場合に、多結晶シリコン膜５０２の形成後、大気にさらすことなく、二酸化シリコン膜の形成室に搬送し、二酸化シリコン膜５０３の形成処理を行うことがより望ましい。
【００３４】
その後、図２（ｄ）に示すように、多結晶シリコン膜５０２と二酸化シリコン膜５０３をアイランドパターン化する。このとき、二酸化シリコン膜５０３の方をやや小さめにパターン化することによって、ゲートリークの発生を抑制することが可能である。
【００３５】
次に、図２（ｅ）に示すように、二酸化シリコン膜５０４を形成し、多結晶シリコン膜を被覆した後、ｎ^＋シリコン膜を、プラズマＣＶＤ法により形成するか、又はリンをドープした非晶質シリコン膜を形成した後これをレーザ又はランプ加熱等により活性化すること等によって形成し、その後、Ａｌ層をスパッタリングにより形成した後、これらのＡｌ／ｎ^＋シリコン膜の積層体をパターン化してゲート電極５０５とする。なお、Ａｌに限らず、タングステン、モリブデン、タンタル、銅等の金属、そのタングステンシリサイド、モリブデンシリサイド等のシリサイド膜、又はそれらの積層体を使用してもよい。Ａｌ／ｎ^＋シリコン積層膜からなるゲート電極５０５を形成した後、これをマスクとして下層の二酸化シリコン膜５０４及び５０３をパターニングし、更に質量分離を行わないイオンドーピング法、プラズマドーピング法又は質量分離法により、所望のイオンのみを選択できるイオン注入法等によってソースドレイン領域５０９を形成する。
【００３６】
その後、図２（ｇ）に示すように、層間絶縁膜５０６を形成し、この層間絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、Ａｌ配線５０７を形成し、ＴＦＴを形成する。
【００３７】
以上のような方法で、ＴＦＴ及びＴＦＴを能動素子として使用した液晶ディスプレイ又はイメージセンサ等を形成することにより、レーザ照射時のプロセス再現性及び長期安定性を確保し、製品歩留りを向上させることができる。
【００３８】
次に、本発明の第２実施例について説明する。図３（ａ）に示すように、ガラス基板１０１（厚さ１．１ｍｍ）上にシリコン薄膜１０２（厚さ７５ｎｍ）を堆積し、更にその上に二酸化シリコン膜１０５（厚さ１００ｎｍ）を堆積し、所望の形状にパターン化する。このような積層物に対して上記と同様の手段によりエキシマレーザ１０３とＣＯ_２レーザ１０４を照射する。二酸化シリコン膜１０５が存在する領域はその分だけ熱容量が大きくなるため、両レーザ照射によるシリコン薄膜１０２の温度上昇は周辺部に比べて小さくなると共に、再結晶化時の固化も周辺に比べて早く始まるため、シリコン薄膜１０２においては、二酸化シリコン膜１０５の下部の小粒径領域１０６を核とした結晶成長が横方向に進み、大粒径領域１０７を形成する。しかも、ＣＯ_２レーザによる基板加熱を行わないときに比べ、二酸化シリコン膜１０５の下部のシリコン薄膜１０２の部分の結晶成長も促進されるため、核となる結晶粒径が大きく、結果として周辺に成長する結晶サイズが大きくなるという利点がある。
【００３９】
次に、本発明の第３実施例について、図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように、ＣＷタイプの所定のビームサイズのＣＯ_２レーザ１０４を、シリコン薄膜１０２が堆積されたガラス基板１０１に照射し、これを走査方向１１０で示す方向に走査する。この走査を行うことによって、図４（ｂ）に示すように、ある時間の基板上位置に対する基板表面温度が決定される。これはレーザの照射強度、シリコンの膜厚、レーザ波長及び走査速度等により、任意に設定可能である。エキシマレーザの照射に先立ち、又はエキシマレーザの照射と共に、上述のようにＣＯ_２レーザを照射することによって、エキシマレーザが照射されたシリコン薄膜中に温度勾配が生じるために、その温度勾配に沿った結晶成長が進行し、照射場所を制御することにより所望の位置に結晶粒を形成することができる。
【００４０】
次に、本発明の第４実施例について図５を参照して説明する。以上のような赤外線レーザを用いたエキシマレーザ結晶化の加熱アシスト法により、すでに再結晶化が終了したシリコン薄膜とその上部又は下部に形成されている二酸化シリコン薄膜との界面をより電気的な欠陥準位が少ない構造に変化させることが可能である。即ち、図５に示すように、ＳｉＯ_２膜１０５上からＣＯ_２レーザ１０４を照射することにより、上部ＳｉＯ_２膜１０５と同時に下部ガラス基板１０１が同時に加熱される。
【００４１】
前述のように、波長約９．３μｍでは、表面に存在するＳｉＯ₂膜１０５（厚さ１００ｎｍ）の場合、約２６％のエネルギーが吸収されると共に、シリコン（厚さ１００ｎｍ）は９９．９９９％以上透過し、二酸化シリコンからなる基板１０１部分では表面の１μｍで残りの６９％以上の光を吸収することになる。従って、５０ｎｓｅｃ〜１００μｓｅｃ程度のパルス光源を使用することにより、基板全体を加熱することなく、表面に存在するシリコン
【００４２】
図６（ａ）乃至（ｇ）及び（ｄ′）乃至（ｆ′）は本第４実施例を薄膜トランジスタの製造方法に適用した場合を工程順に示す断面図である。なお、図６において、（ｄ′）乃至（ｆ′）は（ｄ）乃至（ｆ）を側面からみた断面図である。図６（ａ）に示すように、表面が平坦なガラス基板５０１（例えば日本電気硝子社製ＯＡ−２ガラス、又はコーニング社製１７３７ガラス、石英基板も含む）を酸又はアルカリを使用して洗浄した後、基板上に二酸化シリコン膜５０８を形成する。この二酸化シリコン膜５０８の形成方法は図２（ａ）の場合と同様の方法を使用することができる。
【００４３】
次に、再度上記基板を洗浄した後、ジシランガスを原料とするＬＰＣＶＤ法により、４５０℃にて非晶質シリコン薄膜を７５ｎｍ堆積する。この堆積後、次工程を行う直前に再び洗浄する。
【００４４】
そして、上述のように形成されたＳｉ膜付き基板を図２の場合と同様にレーザアニール装置内に配置する。一旦プロセスチャンバ内を真空排気（１０^−２〜１０^−６ｔｏｒｒ程度）した後、ガス導入口よりＡｒガスを導入し、Ａｒガス圧７００ｔｏｒｒを維持できるように、ガス流量計及び排気バルブを制御する。
【００４５】
Ａｒガスの圧力が７００ｔｏｒｒに達した後、エキシマレーザを稼働し、基板へのレーザ照射を開始する。パルスレーザ光源としては、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）又はＫｒＦ（２４８ｎｍ）等の使用が可能である。
【００４６】
レーザ照射を行い、多結晶シリコン膜５０２を形成した後、二酸化シリコン膜５０３を１０ｎｍの厚さに形成する。この場合に、前述の二酸化シリコン膜５０８の形成に使用した成膜法と同様の作成手段を採ることができる。更に、多結晶シリコン膜５０２の形成後、これを大気に曝すことなく二酸化シリコン形成室に搬送し、二酸化シリコン膜５０３を形成する。
【００４７】
そして、図６（ｃ）に示すように、パルス型ＣＯ_２レーザを照射する。照射範囲としてはエキシマレーザの照射領域よりも若干広い領域であることが望ましく、ビーム強度プロファイルを適切に設定する。連続波タイプのレーザ光でもよいが、基板へのダメージを抑制するためには、パルスタイプの方が望ましい。その後、多結晶シリコン膜５０２と二酸化シリコン膜５０３をアイランドパターン化する。このとき、二酸化シリコン膜５０３の方がやや小さくなるように、パターン化することによって、ゲートリークの発生を抑制することが可能である。
【００４８】
次に、図６（ｅ）に示すように、二酸化シリコン膜５０４を形成し、多結晶シリコンを被覆した後、ｎ^＋シリコン膜を、プラズマＣＶＤ法、又はリンをドープした非晶質シリコンを形成した後レーザ若しくはランプ加熱等の手段により活性化する方法等によって形成する。次いで、Ａｌ層をスパッタリングにより形成した後、パターン化して、Ａｌ／ｎ^＋シリコン積層膜からなるゲート電極５０５とする。なお、Ａｌに限らず、タングステン、モリブデン、タンタル及び銅等の金属、タングステンシリサイド及びモリブデンシリサイド等のシリサイド膜、又はそれらの積層体であってもよい。
【００４９】
次いで、図６（ｆ）に示すように、Ａｌ／ｎ^＋シリコン積層膜からなるゲート電極５０５を形成した後、これをマスクとして二酸化シリコン膜５０４，５０３をパターニングする。その後、質量分離を行わないイオンドーピング法、プラズマドーピング法又は質量分離により所望のイオンのみを選択できるイオン注入法等によってソースドレイン領域５０９を形成する。
【００５０】
次いで、図６（ｇ）に示すように、層間絶縁膜５０６を形成し、この層間絶縁膜５０６にコンタクトホールを形成した後、Ａｌ配線５０７を形成して、ＴＦＴが完成する。
【００５１】
前記多結晶シリコン膜を形成した時点又は前記非晶質シリコン膜を形成した時点において、炭酸ガスレーザ照射による二酸化シリコン膜の改質、不純物の活性化等への応用も可能である。
【００５２】
以上のような方法でＴＦＴ又はＴＦＴを能動素子として用いた液晶ディスプレイ若しくはイメージセンサ等を形成することにより、レーザ照射時のプロセス再現性、長期安定性を確保し、製品歩留まりを高めることができる。
【００５３】
次に、本発明装置についての実施例について、図１０を参照して説明する。エキシマレーザはパルスレーザ光源８１１からミラー８１２及びビームホモジナイザ８１４等を介して真空チャンバ８１８内に配置されたｘｙステージ８１７上のガラス基板８１５及びその上のシリコン薄膜８１６に照射される。エキシマレーザとの発振同期制御が可能な赤外パルスレーザ光源８２１は赤外用ビームホモジナイザ８２４及び赤外用ミラー８２２等を介して、エキシマレーザと同様にガラス基板８１５に向けて照射されるようになっている。パルスレーザ光源８１１は波長が４００ｎｍ以下の紫外線パルスを発生する。また、パルスレーザ光源８２１は波長が９乃至１１μｍの連続光又はパルス光を発生する。
【００５４】
このような構成とすることによって、赤外レーザによる基板最表面の加熱と紫外短パルスレーザによるシリコン薄膜８１６の溶融再結晶化が可能となる。赤外光源としてはパルスレーザに限らず連続波レーザであってもよく、ビームを走査するための機構（例えばポリゴンミラー等）を具備しても良い。また、３５１ｎｍ程度の紫外光源を用いることによって、比較的容易に基板裏面からのエキシマレーザ結晶化が可能になるため、紫外光の導入は基板下方から、赤外光の導入を基板上方から行うように構成することも可能である。
【００５５】
なお、ｘｙステージ８１７の代わりに、光学素子群を移動させてもよく、また光学素子群とステージを組み合わせて移動させることも可能である。レーザ照射を真空チャンバ８１８内で真空中又は高純度ガス雰囲気下で行うこともできる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板加熱による基板の収縮及び基板のそりを防止することができ、機械的に制御可能な所望の位置への精密な照射が可能となる。これにより、本発明によれば、焦点深度が小さく、線幅が１μｍ程度の微細なパターンを基板へ照射することができる。また、本発明によれば、基板の収縮及びそりを防止しつつ基板を５００℃以上に加熱することができ、結晶性シリコン薄膜トランジスタに用いるシリコン薄膜の性能を著しく向上させることができ、その薄膜トランジスタを使用する技術分野の拡大に著しい貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す模式図である。
【図２】（ａ）乃至（ｇ）及び（ｄ′）乃至（ｆ′）は本実施例を薄膜トランジスタの製造方法に適用したときの工程を順に示す断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施例を示す模式図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す模式図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示す模式図である。
【図６】（ａ）乃至（ｇ）及び（ｄ′）乃至（ｆ′）は本実施例を薄膜トランジスタの製造方法に適用したときの工程を順に示す断面図である。
【図７】エキシマレーザとＣＯ_２レーザの照射タイミングを示す模式図である。
【図８】エキシマレーザとＣＯ_２レーザの照射タイミングを示す模式図である。
【図９】エキシマレーザとＣＯ_２レーザの照射タイミングを示す模式図である。
【図１０】本発明装置の実施例を示す模式図である。
【図１１】従来装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１：ガラス基板
１０２：シリコン薄膜
１０３：ＸｅＣｌエキシマレーザ
１０４：ＣＯ_２レーザ
１０５：ＳｉＯ_２膜
５０１：ガラス基板
５０２：多結晶シリコン膜
５０３、５０４：二酸化シリコン膜
５０５：ゲート電極
８１１：パルスレーザ光源
８１２：ミラー
８１４：ビームホモジナイザ
８１５：ガラス基板
８１６：シリコン薄膜
８１７：ｘｙステージ
８２１：赤外パルスレーザ

Claims

二酸化シリコンを主成分とする基板上のシリコン薄膜にエキシマレーザを照射して改質する際に、前記エキシマレーザよりも前記シリコン薄膜を透過しやすい炭酸ガスレーザを照射して前記基板と前記シリコン薄膜との界面近傍の基板部分を選択的に加熱する薄膜の改質方法であって、前記基板と前記シリコン薄膜との界面近傍の基板部分を選択的に加熱する炭酸ガスレーザの照射は、エキシマレーザの照射後であることを特徴とする薄膜の改質方法。
前記シリコン薄膜の上に、二酸化シリコン薄膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の改質方法。
シリコン薄膜が形成された二酸化シリコンを主成分とする基板が設置される基板ステージと、波長が４００ｎｍ以下の紫外線パルスを発生するエキシマレーザ光源と、波長が９乃至１１μｍの連続光又はパルス光を発生する炭酸ガスレーザ光源と、前記エキシマレーザ光源、炭酸ガスレーザ光源それぞれからの光をそれぞれの所定の照射形状及び強度分布に加工して、前記エキシマレーザ光源の照射後に前記炭酸ガスレーザ光源を照射するタイミングで前記基板ステージ上の前記基板に照射する光学素子群とを有することを特徴とする薄膜の改質装置。