JP3926862B2 - Semiconductor processing method and thin film transistor manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、レーザー光の照射による各種アニールや表面変質を行う技術(一般にレーザープロセスと称される)に関する。特にレーザー光の照射による半導体材料に対するアニール技術に関する。例えば、レーザー光の照射によって非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変質させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、レーザー光の照射によって半導体膜、例えば非晶質珪素膜を結晶化させる技術が知られている。また、珪素膜に対する不純物イオンの注入の後にレーザー光を照射して、不純物イオンの注入によって損傷を受けた結晶構造を修復させたり、注入された不純物を活性化する技術が知られている。
【0003】
レーザー光の照射によるアニール技術は、試料全体を高温に加熱することがなく、高いアニール効果が得られる。従って、近年アクティブマトリクス型のLCD装置を作製するために必要とされるガラス基板上への薄膜トランジスタの作製プロセスに利用されている。
【0004】
ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製する際には、ガラス基板が耐える温度範囲内でアニールを行う必要がある。レーザー照射によるアニールプロセスは、被照射面の表面を瞬間的に溶融させることによってアーニルが行われ、基板への熱ダメージはほとんどないものとすることができる。
【0005】
従って、基板としてガラスを用いた場合のアニール技術としては最適なものの一つとなる。
【0006】
またレーザープロセスの顕著な有意点として、プロセス時間が短いという特徴がある。
【0007】
例えば、10cm各のガラス基板上に成膜された非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させる場合、600℃の温度で12〜24時間以上必要とされる。(なおこの場合、ガラス基板への熱ダメージの問題が生じるがここではそれを無視する)
【0008】
しかし、レーザー光の照射による方法では、数分間で非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成することができる。
【0009】
【発明が解決しよとする課題】
上述のようにレーザー光の照射によるアニール技術は、プロセスを低温化することができるという意味で有用である。しかし、本発明者らの研究によれば、ある程度の加熱を併用しないと、十分なアニール効果や再現性が得られないことが判明している。
【0010】
このレーザー光の照射の際に必要とされる加熱の温度は、普通の珪素半導体を利用した半導体装置の作製プロセスで要求される800℃〜900℃以上というような高温ではなく、100〜500℃程度で充分なことが判明している。
【0011】
一般にガラス基板は、600℃程度まで充分に耐えることができるので、上記の加熱は特に問題となるものではない。
【0012】
ここで問題となるのは、200℃にしろ300℃にしろ、試料(基板)を所定の温度にまで加熱し、さらの一定の温度に安定するには、数百秒以上(数分以上)の時間が必要とされるということである。
【0013】
前述したようにレーザー光の照射によるプロセス時間は数分である。従って、加熱時間はそれと同じ位、またそれ以上の時間がかかるということになる。
【0014】
大量生産を前提としたことを考えると、レーザープロセスにおける分単位のプロセス時間の短縮は、生産性を数十%の割合で高めることを意味する。
【0015】
従って、上述のレーザープロセスにおける加熱時間の短縮は、工業的に重要な事項となる。
【0016】
本明細書で開示する発明は、レーザープロセスにおける加熱時間を含め、レーザー処理工程を短縮できる技術を提供することを課題とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の構成は、
ヘリウム雰囲気中に半導体膜を配置して加熱した後に、前記半導体膜の表面に対してレーザー光を照射することを特徴とする。
【0018】
ヘリウム雰囲気としては、ヘリウム、またはヘリウムと水素、またはヘリウムと酸素、またはヘリウム、水素、酸素の混合気体、またはこれらのプラズマ状態を用いることができる。
【0019】
また、ヘリウム雰囲気で半導体膜を加熱した後、窒素等の他の雰囲気で、半導体膜の表面にレーザー照射を行ってもよい。
【0020】
本発明の他の構成は、
水素を含有するヘリウム雰囲気中に配置された半導体膜を、所定の温度に加熱しながら前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする。
【0021】
特に水素を含有する雰囲気をフラズマ状態とすることは好ましい。またヘリウム雰囲気に酸素を含有させてもよい。
【0022】
本発明の他の構成は、
半導体膜の表面を酸化雰囲気で処理した後に、ヘリウム雰囲気中にて前記半導体膜をレーザーアニールすることを特徴とする。
【0023】
特にヘリウム雰囲気に水素を含有させることは好ましい。また水素を含有するヘリウム雰囲気を、プラズマ状態とすることは好ましい。
【0024】
本明細書に開示する発明におけるレーザー光としては、連続発振レーザー、パルスレーザー等を用いることができる。特にパルス発振レーザーを用いることは好ましい。また半導体膜は特に非単結晶珪素膜に対して、エキシマレーザー等のパルス発振レーザーを用いることは極めて好ましい。
【0025】
また、酸化雰囲気として、酸素またはオゾンまたはこれらの混合気体または酸素プラズマで構成することができる。
【0026】
また、プラズマを発生させる手段としては、電磁エネルギー(一般的には高周波エネルギー)の供給による方法を利用することが好ましい。
【0027】
【作用】
雰囲気をヘリウム雰囲気または水素とヘリウムの混合雰囲気として基板の昇温を行うことによって、基板の温度、即ち被照射面である珪素膜の温度が安定するまでの加熱時間を大きく短縮することができる。これは水素やヘリウムの熱電導率が窒素や酸素に比較して6〜7倍高いことに起因する。
【0028】
そして、このことにより、レーザープロセスにかかる時間を大きく短縮することができる。
【0029】
また珪素膜に対するアニール工程において、上記雰囲気に酸素を含有させることによって、レーザー光の照射時に珪素膜の表面に保護膜として機能する酸化膜を形成しつつアニールを行うことができ、膜表面の荒れを防ぐことができる。
【0030】
また、上記酸素を含有した雰囲気において珪素膜に対するアニールを行うことで、半導体膜の表面に存在する有機物を酸素の作用によって分解除去することができ、アニール後に得られる珪素膜の膜質を高めることができる。
【0031】
これは、レーザー光が照射される珪素膜表面近傍において、レーザー光のエネルギーによって雰囲気中の酸素が活性化あるいはオゾン化され、この活性化された酸素分子または酸素原子またはオゾンによって、珪素膜の表面に存在している有機物が分解除去されるからである。
【0032】
また、ヘリウムに酸素または水素またはその両方を含有させた雰囲気中で、電磁エネルギー例えば高周波を印加してプラズマ状態とすることで、水素プラズマや酸素プラズマの作用をヘリウムプラズマにより助長させることができる。
【0033】
特に、300〜600℃、さらに好ましくは300〜350℃の加熱状態で水素プラズマ中でレーザアニールを行うことで、珪素膜の表面及び膜中に存在する欠陥や不対結合手の補償を行うことができる。すなわち、水素熱処理をレーザーアニールと同時に行うことができるため、レーザープロセスをより短縮できる。また、有機物の分解除去作用も奏する。
【0034】
また、酸素プラズマにより、上記した酸素雰囲気における作用である、有機物の分解除去や酸化膜の形成を、より効率よく短時間で行うことができる。
【0035】
また、ヘリウムに酸素や水素を含有させてプラズマを発生させると、寿命の長いプラズマ状態のヘリウムにより、酸素や水素の活性が助長され、上記酸素プラズマや水素プラズマの作用がより増大する。
【0036】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例では、実際にレーザー光の照射が行われる装置内にガラス基板を搬入し、それから基板が所定の温度まで昇温される時間を計測した例を示す。
【0037】
図1に装置内に基板を搬入してからの経過時間と基板温度との関係を示す。図1に示すデータを得るのに利用したレーザー照射装置の構成を図2に示す。なお図2に示す装置の詳細については実施例2で示す。
【0038】
図1に示すデータは、雰囲気を窒素(N2 )100%雰囲気とヘリウム(He )100%雰囲気とにした場合、基板の加熱時間にどのような違いが出るかを調べたものである。なお、データの採取においては、基板の加熱条件と基板の種類は同じとし、雰囲気以外に条件に違いがないようにした。また雰囲気圧力は常圧として実験を行った。
【0039】
図1から明らかなように、雰囲気としてヘリウムを用いた場合には、所定の温度(ここでは165℃)に安定するのに600秒程度かかる。一方、雰囲気として窒素を用いた場合には、所定の温度に達するのに1000秒程度かかる。
【0040】
すなわち、ヘリウム雰囲気の方が窒素雰囲気より約4割程度加熱時間を短縮することができる。
【0041】
窒素と酸素の熱電導率は、それぞれ260(10 -4Wm-1K-1) と267(10 -4Wm-1K-1) であるから、雰囲気を空気とした場合の状態は、窒素雰囲気とほぼ同じと仮定できる。従って、窒素雰囲気の代わりに雰囲気を空気とした場合も図1に示すデータと同様の結果が得られると推定される。
【0042】
なお、ヘリウムの熱伝導率1499(10 -4Wm-1K-1) よりもさらに高い熱電導率を有する基体として、水素(熱電導率は1815(10 -4Wm-1K-1))を挙げることができる。しかし、水素は爆発限界の関係から、不活性雰囲気中においても3%以上混合することは危険であり、熱電導率に関係する作用を得ることは困難である。(この点ヘリウムは非常に安全である)
【0043】
図1に示すデータは、常圧の場合であるが、減圧雰囲気とした場合はさらにその傾向が助長したものとなる。即ち、ヘリウムを用いることによる効果は減圧雰囲気の方が高いものとなる。
【0044】
なお、図1において、ヒーターに密着というのは、ヒーターを有するステージ上に基板が配置された状態を示す。
【0045】
〔実施例2〕
実施例2では、実施例1で示したデータを得るのに利用した、レーザー照射室の詳細を説明する。
【0046】
図2にレーザー照射装置の断面の概要を示す。またその上面図を図3に示す。図2において、101はレーザー照射室である。レーザー照射室101は外部から遮蔽され、減圧状態に保つこともできる構成となっている。
【0047】
レーザー光はレーザー照射装置102で発振され、光学系112により断面形状が線状に加工される。そしてミラー103で反射され、石英で構成された窓104を介して被処理基板401に照射される。
【0048】
レーザー発振装置102としては、XeClエキシマレーザー(波長308nm)を発振するものを用いる。他に、KrFエキシマレーザー(波長248nm)を用いることができる。
【0049】
被処理基板401は、台106上に設けられたステージ111上に配置され、台106内に設置されたヒーターによって、所定の温度(室温〜700℃、好ましくは100〜500℃)に保たれる。
【0050】
台106は、移動機構107によって、線状レーザー光の線方向に対して直角の方向に移動され、被処理基板401上面に対しレーザービームを走査しながら照射することを可能としている。
【0051】
レーザー照射室101は、真空排気ポンプ108を備えており、必要に応じて内部を減圧状態または真空状態にすることができる。
【0052】
レーザー照射室101は、気体供給部109を有している。気体供給部109は、図示しないガスボンベに接続されており、レーザー照射室内にヘリウムガスを供給する。
【0053】
必要に応じて、酸素や他の不活性気体を導入するための別の気体供給部110を設けてもよい。
【0054】
レーザー照射室101は、ゲイトバルブ501を有し、他の処理室との接続を可能なものとしている。また必要に応じて、ゲイトバルブ501を介して基板(試料)の出し入れを行うことができる構成となっている。
【0055】
図2及び図3に示す装置は、雰囲気をオゾンを含有した雰囲気またはその減圧雰囲気とした状態で、基板401上の非単結晶半導体膜に対してレーザー光の照射を行うことができる。
【0056】
このような構成により、ヘリウム雰囲気における加熱を行うことができ、試料を加熱し始めてから所定の温度に安定するまでの時間を、空気や窒素雰囲気に比較して6割程度に短縮てきる。
【0057】
〔実施例3〕
本実施例は、実施例2に示したレーザー照射装置を用いてガラス基板上に薄膜トランジスタを作製する場合の例を示す。
【0058】
図4に、実施例の作製工程を示す。まず、被処理基板401として127mm角のコーニング1737ガラス基板を用意する。
【0059】
そして基板401上に下地膜としての酸化珪素膜402を2000Åの厚さに成膜する。成膜方法は、プラズマCVD法を用いる。次に図示しない非晶質珪素膜を500Åの厚さにプラズマCVD法により成膜する。
【0060】
次に10ppm程度の酢酸ニッケル水溶液をスピンコート法により、非晶質珪素膜上に塗布し、ニッケル元素が非晶質珪素膜の表面に接して保持された状態とする。このニッケルを用いた結晶化技術の詳細については、特開平6−244104号に記載されている。
【0061】
この状態において、600℃、4時間の加熱処理を水素含有雰囲気(即ち還元雰囲気)中で行う。この加熱処理により、非晶質珪素膜は結晶化し結晶性珪素膜303(図4(A))へと変成される。
【0062】
なお、最終的に膜中に残留するニッケル元素の濃度は、1×1015〜5×1019原子/cm3 の範囲内に収まることが望ましい。
【0063】
このようにして結晶性珪素膜403が得られる。次に得られた結晶性珪素膜403の結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【0064】
レーザーアニールは図2に示す装置を用いて行う。レーザーアニールを行うに当たっては、ヘリウム雰囲気とし、大気圧下で処理を行う。大気圧以下、例えば0.02〜0.5Torrとしてもよい。
【0065】
ヘリウム雰囲気は、ヘリウム100%の他、酸素(極力純度の高いものが望ましい)、水素、オゾン、または他の不活性気体との混合気体を用いてもよい。また、酸素、水素、オゾンのうちの少なくとも2種を、ヘリウムと混合させてもよい。
【0066】
ここでは、ヘリウム80%、酸素20%の雰囲気とする。
【0067】
ここで被処理基板401は、100℃〜600℃、例えば350℃の温度に加熱される。被処理基板401をステージに配置してから350℃に到達するまでに要する時間は、約1000秒であった。
【0068】
この状態において、結晶性珪素膜403の表面は、酸素により極薄い酸化珪素膜404が形成される。この酸化珪素膜404の膜厚は10〜100Å程度である。この酸化珪素膜404は、不純物がほとんど混入されない、極めて良質な膜である。
【0069】
この状態でレーザー光の照射を行う。照射される線状レーザー光は、照射面上で幅0.34mm×長さ135mmの大きさを有する。エネルギー密度は100mJ/cm2 〜500mJ/cm2 、例えば260mJ/cm2 とする。
【0070】
このレーザー光の照射は、図2の台106を2.5mm/sで一方向に移動させながら行う。こうすることで、線状レーザー光を走査させながら被照射面に照射することができる。
【0071】
レーザーの発振周波数は200Hzとする。上記の条件でレーザー光の照射を行うと、照射面の一点において10〜50ショットのレーザー光が照射されることになる。
【0072】
上記の工程においては、酸素がレーザー光によりオゾン化あるいは活性化され、オゾンや活性酸素の作用によって、結晶性珪素膜の表面に付着していた有機物を、揮発性酸化物として除去することができる。
【0073】
また酸化珪素膜404は極めて薄いため、複数回のパルスレーザー照射によりほとんどが飛散してしまう。飛散した後に、雰囲気中の酸素により新たに極薄い酸化珪素膜が形成されることもある。
【0074】
この酸化珪素膜404の形成に際しては、その膜中に珪素膜の表面に残存している有機物が取り込まれた状態となる。従って、レーザー光の照射によって酸化珪素膜が飛散してしまうことにより、有機物が珪素膜中に取り込まれることを抑制することができる。
【0075】
また、レーザー光照射後に酸素の作用によって形成される極薄い酸化膜は、レーザー光の照射時に膜の内部から水素等が噴出して、膜の表面に凹凸が形成されてしまうことを防ぐ役割も有している。
【0076】
レーザーアニールの終了後は、結晶性珪素膜403上面に酸化珪素膜が残ったり形成されたりし易い。そこで次の工程に移る前に、HF水溶液やHFとH2 O2 の混合水溶液で、結晶性珪素膜403の上面を還元させ、酸化珪素膜を除去することは好ましい。
【0077】
このようにして結晶性珪素膜403に対し、ヘリウム雰囲気420中にてレーザーアニールが施され、その結晶性が向上される。(図4(B))
【0078】
作製された結晶性珪素膜403は、結晶性、膜質の均質性、また移動度等の電気的特性いずれも優れたものとすることができる。
【0079】
次に、レーザーアニールによってその結晶性が助長された結晶性珪素膜403を用いて薄膜トランジスタ(TFT)を作製する。まず結晶性珪素膜403をエッチングして、島状領域405を形成する。この島状領域405は後に薄膜トランジスタの活性層を構成することとなる。
【0080】
次に、ゲイト絶縁膜406となる酸化珪素膜をプラズマCVD法によって厚さ1200Åの厚さに成膜する。ここではこの酸化珪素膜を成膜するための原料ガスとして、TEOSおよび酸素を用いる。
【0081】
次に、ゲイト電極を作製する。ここではまず図示しないアルミニウム膜をスパッタ法により、6000Åの厚さに成膜する。なおアルミニウム膜中にスカンジウムまたは珪素を0.1〜2重量%含有させる。そしてこのアルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極407を形成する。(図4(C))
【0082】
次にソース/ドレイン領域を形成するための不純物イオンの注入を行う。ここではNチャネル型のTFTを作製するためにP(リン)イオンの注入をイオンドーピング法によって行う。
【0083】
このリンイオンの注入は、ゲイト電極407をマスクとして行われる。ドーピング条件は、ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を80kV、ドーズ量を1×1015原子/cm2 として行う。また基板温度は室温とする。
【0084】
このドーピング工程においては、自己整合的にチャネル形成領域410と、N型の不純物領域であるソース領域408、さらにドレイン領域409が形成される。(図4(D))
【0085】
次に、ドーピングされた不純物を活性化するために、再び図1に示すレーザーアニール装置を用いて、線状レーザー光によりレーザーアニールを行う。ここで前記した条件のヘリウム/酸素雰囲気中でレーザーアニールを行う。
【0086】
照射面におけるレーザー光のエネルギー密度は、100mJ/cm2 〜350mJ/cm2 の範囲で行う。ここでは160mJ/cm2 とする。
【0087】
前述したように線状レーザービームを走査させながら照射を行う。このようにして被照射物の一点において20〜40ショットのレーザービームが照射されるようにする。
【0088】
このレーザーアニールにより、不純物が活性化されると共に、先の不純物イオンの注入時における損傷がアニールされる。このレーザーアニールの終了後、窒素雰囲気中にて2時間、450℃の熱アニールを行う。(図4(E))
【0089】
次に層間絶縁膜411として酸化珪素膜をプラズマCVD法で6000Åの厚さに成膜する。
【0090】
さらに層間絶縁膜411にコンタクトホールを形成し、金属材料、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜でもってソース電極412とドレイン電極413を形成する。
【0091】
最後に、1気圧の水素雰囲気で、200〜350℃の熱アニール処理を行い図4(F)に示す薄膜トランジスタを完成させる。
【0092】
このようにして、複数のNおよび/またはPチャネル型の結晶性TFTが形成される。これらのTFTは、Nチャネル型で70〜120cm2 /Vs、Pチャネル型で60〜90cm2 /Vsの移動度を有する優れたものとすることができる。
【0093】
〔比較例〕
ここでは、実施例3で示したレーザーアニール時の雰囲気を、ヘリウム以外の気体により構成した場合の例を示す。
【0094】
ここでは、
(A)空気
(B)酸素:窒素=20%:80%
(C)窒素100%
の3種類の雰囲気中でレーザー光の照射を行った場合の例を示す。なお雰囲気は大気圧とし、雰囲気以外の条件は実施例3と同じものとする。
【0095】
それぞれの雰囲気での、被処理基板401がレーザー照射室のステージに配置されてから、所定の温度、ここでは350℃に到達して安定するまでに要する時間は、いずれも約1600秒前後であった。
【0096】
また、空気雰囲気中で作製された結晶性珪素膜は、実施例3に示すヘリウム/酸素雰囲気中で形成されたものに比べてやや低い結晶性を有する。また、結晶性が不均一なものとなる傾向が見られる。また移動度が低く、しかも膜面内において移動度のバラツキが大きい。さらに複数毎の基板を処理した場合、基板毎の膜特性のバラツキが大きい。
【0097】
これらの原因は、基板表面の有機物が十分に除去されず、また空気中の不純物が膜中に混入するためと思われる。
【0098】
酸素:窒素=20%:80%雰囲気で得られる結晶性珪素膜は、空気雰囲気中に比較して、移動度は向上し、実施例3のヘリウム:酸素=20%:80%とほぼ同等の特性が得られる。しかし、前述のように基板加熱時間は酸素/窒素雰囲気の方が長時間が必要となる。
【0099】
また窒素100%雰囲気では、膜全体の結晶性が低い。また移動度や膜質の面内均質性も低いものとなってしまう。
【0100】
また、酸素を含有したヘリウム雰囲気または窒素雰囲気で形成された結晶性珪素膜は、他の雰囲気で作製されたものに比較して、同一エネルギー密度では高い結晶性が得られる。
【0101】
〔実施例4〕
実施例4は、実施例2に示すレーザー照射装置をマルチチャンバー方式の装置へと発展させた構成を示す。
【0102】
図5に、本実施例におけるレーザーアニール装置の上面図を示す。ここでは、図5に示すマルチチャンバー型のレーザーアニール装置を用いる。図5におけるA−A’断面を示す図が図2に相当する。
【0103】
図5に示す装置は、ロード/アンロード室506とレーザー照射室101と予備加熱室508と徐冷室510とが、基板搬送室502を介して接続された構成となっている。
【0104】
各室は気密性を有しており、必要とする雰囲気や圧力にすることができる。また各室は、ゲイトバルブ501、511、509、507によって基板搬送室502と連結されている。
【0105】
図5に示す装置において、506はロード/アンロード室であり、処理せんとする基板(試料)の出し入れが行われる室である。処理せんとする基板は、ロード/アンロード室506に多数枚(例えば20枚)が収納されたカセット毎搬入される。
【0106】
カセット毎搬入された基板は、基板搬送室502内に配置されたロボットアーム505により、一枚づつアライメント室503に移送される。
【0107】
アライメント室503には、被処理基板504とロボットアーム505との位置関係を修正するための、アライメント機構が配置されている。アライメント室503は、ロード/アンロード室506とゲイトバルブ507を介して接続されている。
【0108】
アライメント室503において位置調整がなされた基板504は、ロボットアーム505によって予備加熱室508に移送される。移送後はゲイトバルブ509を閉鎖し気密性を維持させる。なお、装置の動作中は全ての室を同じ圧力とし、各室間における基板の移送に際して圧力調整をしないで済むようにすることが望ましい。
【0109】
予備加熱室508においては、レーザーアニールされる基板を所定の温度まで予備的に加熱する。これはレーザー照射室101において基板加熱に要する時間を短縮させ、スループットの向上を図るためである。
【0110】
また、予備的に加熱させることで膜中の水素を離脱させ、レーザー光の照射による効果を高めるためでもある。この水素を離脱させる効果はアニールする膜として非晶質珪素膜を用いる場合に顕著なものとなる。
【0111】
予備加熱室508は、その内部が円筒状の石英で構成されている。円筒状の石英はヒーターで囲まれていて、その内部を加熱できる構成となっている。
【0112】
また予備加熱室508は、石英で構成された基板ホルダーを備えている。基板ホルダーには、基板が多数枚収容可能なサセプターが備えられている。基板ホルダーは、エレベーターにより上下される。また予備加熱室508と、基板搬送室502とは、ゲイトバルブ509によって連結されている。
【0113】
また、予備加熱室508内に、気体供給部や、排気用の真空ポンプを設けて、基板ホルダー内をヘリウム雰囲気として、基板を予備加熱することは極めて有効である。
【0114】
予備加熱をヘリウム雰囲気で行うことで、
▲1▼予備加熱時間が空気雰囲気より短くなる。
▲2▼空気雰囲気での珪素膜上面の酸化膜形成を防ぎ、空気中の不純物が膜中に混入されない。
といった効果が得られる。
【0115】
予備加熱室508において、所定の時間予熱された基板は、ロボットアーム505によって基板搬送室502に引き戻され、アライメント室503にて再度アライメント調整がなされる。そしてロボットアーム505によって、レーザー照射室101に移送される。
【0116】
レーザー照射終了後、被処理基板504はロボットアーム505によって基板搬送室502に引き出され、徐冷室510に移送される。
【0117】
徐冷室510は、ゲイトバルブ511を介して、基板搬送室502と接続されており、石英製のステージ上に配置された被処理基板が、ランプ、反射板からの赤外光を浴びながら、徐々に冷却される。
【0118】
徐冷室510で徐冷された被処理基板は、ロボットアーム505によって、ロード/アンロード室506に移送され、カセット512に収納される。
【0119】
こうして、1枚の基板に対するレーザーアニール工程が実施される。このようにして、上記工程を繰り返すことにより、多数の基板に対して、連続的に一枚づつ処理が行われる。
【0120】
図5に示すレーザーアニール装置において、レーザー照射室や予備加熱室のみならず、ロード/アンロード室、基板搬送室、徐冷室にもヘリウムガスを供給して、ヘリウム雰囲気とすることは有効である。このようにすると被処理基板が空気に触れることがなくなり、珪素膜中に空気中の不純物が混入することを防ぐことができる。
【0121】
〔実施例5〕
本実施例は、非晶質珪素膜に対してレーザーアニールを施し、結晶性珪素膜を得る構成に関する。本実施例においても実施例3と同様に、図2に示すレーザー照射装置を用いる。
【0122】
まず、基板として127mm角、1.1mm厚のコーニング1737基板を用意する。この基板上にプラズマCVD法により酸化珪素膜を2000Åの厚さに形成し、下地膜とする。
【0123】
さらに公知のプラズマCVD法で非晶質珪素膜を500Åの厚さに形成する。その後、この基板をレーザー照射室101(図2)内に配置する。
【0124】
基板が置かれたレーザー照射室101に、ヘリウム80%、酸素20%の混合気体を気体供給部109より導入する。レーザー照射室101内の圧力を大気圧、または減圧下例えば0.02〜0.5Torrに保つ。なお基板の加熱温度は100〜600℃例えば350℃とする。
【0125】
すると、雰囲気中の酸素により、基板上の非晶質珪素膜はその表面が酸化され、10〜100Åの酸化珪素膜が形成される。
【0126】
同時に、非晶質珪素膜表面に付着した有機物は活性化またはオゾン化した酸素により揮発性酸化物となって除去される。
【0127】
レーザー照射室101内をヘリウム雰囲気とした状態で、台106を移動させながら、線状レーザー光を非晶質珪素膜に照射する。
【0128】
線状レーザー光は、照射面上で、幅0.34mm×長さ135mmの大きさを有する。エネルギー密度は、100mJ/cm2 〜400mJ/cm2 、例えば200mJ/cm2 とする。台106を2.5mm/sで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザー光を走査させる。レーザーの発振周波数は200Hzとする。
【0129】
この場合、照射面の一点に注目すると、10〜50ショットのレーザー光が照射される。
【0130】
このようにして、ヘリウム/酸素雰囲気中で線状レーザー光を走査して照射することにより、非晶質珪素膜は結晶化され、結晶性珪素膜となる。
【0131】
作製された結晶性珪素膜は、清浄な膜質を有し、かつ、結晶性、膜の均質性に優れたものとすることができる。
【0132】
〔実施例6〕
本実施例は、ヘリウム雰囲気でプラズマ発生させ、このプラズマ雰囲気中にてレーザーアニールを行う例を示す。
【0133】
実施例6で使用するレーザーアニール装置の断面図を図6に示す。図6の上面図を図7に示す。図6、図7において、図2、図3と同じものは、同符号で示す。
【0134】
レーザー照射室101に対して気体供給部110から、ヘリウム、水素、酸素の混合気体を供給する。各気体の混合比は必要に応じて適宜設定する。ここでは、ヘリウム77%、水素3%、酸素20%とした。レーザー照射室101内の圧力は、真空排気ポンプ108により0.02〜0.03Torrに保たれる。また、予備加熱室、徐冷室、基板搬送室も同様に減圧される。
【0135】
実施例3と同様にして非晶質珪素膜が形成された被処理基板401を、レーザー照射室101内のステージ上に配置する。すると基板は台106内に配設されたヒーターにより加熱され、所定の温度、例えば350℃に到達する。
【0136】
被処理基板401を、予備加熱をせずにレーザー照射室内にて加熱した場合、約1000秒で350℃まで加熱される。
【0137】
このとき、雰囲気中の酸素の作用により、基板上の非晶質珪素膜はその表面が酸化され、10〜100Åの薄い酸化珪素膜が形成される。
【0138】
次に、一対の電極601に、高周波電源602から高周波エネルギー(13.56 MHz)を400Wの出力で印加する。すると、ヘリウム、酸素、水素いずれもプラズマにより活性化される。特に活性化されたヘリウムは、活性状態が比較的長く保たれるため、この影響で酸素や水素の活性も助長される。
【0139】
酸素プラズマの作用により、基板表面に付着した有機物は、衝撃により分離され、揮発性酸化物となって除去される。または、残存した有機物が薄い酸化珪素膜中に取り込まれる。
【0140】
また水素プラズマも有機物除去作用を有している。酸素プラズマと水素プラズマとが除去作用をする対象は、異なる炭素の結合を有した有機物である。したがって、酸素プラズマと水素プラズマを形成することで、被処理基板の表面に存在する有機物の除去をより効果的に行うことができる。
【0141】
また、レーザー光の照射の際に、300℃〜600℃、特に好ましくは300〜350℃程度の加熱を行うことで、レーザー光の照射によるアニール効果を助長するとともに、水素プラスマによる水素熱処理も同時に行うことができる。これは、珪素膜の表面及び膜中に存在する欠陥や不対結合手を補償する作用を奏する。
【0142】
さらに、図6においては、一対の電極601がレーザー照射室の側面とほぼ同じ大きさで設けられているため、プラズマはレーザー照射室内全体に形成される。したがって、酸素および水素のプラズマの作用により、レーザー照射室の内部に付着した有機物を除去し、クリーニングできる。
【0143】
また、上記の酸素プラスマ、水素プラズマの種々の作用は、プラズマ状態のヘリウムにより、それぞれ助長される。
【0144】
上記工程において、被処理基板の加熱を予備加熱室で行なって、被処理基板をレーザー照射時の加熱温度または加熱温度に近い温度に昇温させておくと、レーザー照射室内に基板を配置してからレーザー照射が可能となるまでの時間が大幅に短縮される。予備加熱の温度は、必要に応じてレーザー照射時の加熱温度に対して高くしたり低くしたりする。
【0145】
この場合、予備加熱室での加熱をヘリウム雰囲気で行っておくと、予備加熱中に空気雰囲気による酸化膜が珪素膜上面に形成されないため、レーザーアニール後の珪素膜に空気中の不純物が混入することを防ぐことができる。
【0146】
また、工程の順序を、初めにレーザー照射室内に酸素、水素、ヘリウム混合雰囲気のプラズマを形成しておき、その状態のレーザー照射室内に予備加熱された被処理基板を搬入してレーザー処理を行うようにしてもよい。このようにすると、レーザー照射室内での基板加熱時間の短縮に加え、酸素プラズマの酸化作用により、数秒〜数10秒という極めて短い時間で珪素膜上に薄い酸化珪素膜を形成させてレーザー照射を行うことができる。したがって、レーザー照射工程をさらに短縮できる。
【0147】
実施例6で示した工程は、ヘリウムと、水素または酸素の何れか一方のみとの混合気体で行ってもよいことはいうまでもない。
【0148】
〔実施例7〕
本実施例は、1つのレーザー照射室内において、ヘリウム雰囲気で昇温し、酸化雰囲気に曝しながらレーザー照射を行う構成であって、ヘリウム雰囲気に混入する酸化気体の量を極力少なくして、ヘリウム雰囲気の熱伝導率の低下を極力少なくする構成に関する。
【0149】
図8に本実施例で示すレーザー照射装置の横断面図を示す。図9には図8の上面図を示す。図8、図9において、図2および図3と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【0150】
図8、図9において、レーザー照射室101内に、気体供給部109よりヘリウムが供給され、100%ヘリウム雰囲気が形成される。
【0151】
レーザー照射室101内には、フード801が線状レーザー光照射位置802の周囲近傍を囲んで設けられている。
【0152】
このレーザー照射室内に被処理基板401が配置され、被処理基板はヘリウム雰囲気中で所定の温度まで高速に加熱される。
【0153】
被処理基板の加熱終了後、フード801内に、気体供給部803より酸化気体として、オゾンまたはオゾン含有気体としてオゾン/酸素混合気体、または酸素が供給される。この構成により酸化気体が、被処理基板上のレーザー光照射位置802の近傍にのみ供給され、部分的に酸化雰囲気を形成する。
【0154】
酸化雰囲気の作用により、被処理基板上の有機物が酸化除去される。また、被処理基板上の珪素膜上面に100Å以下の厚さの酸化珪素膜が形成される。この薄い酸化珪素膜が形成された状態でレーザーアニールを行うことで、アニール後の結晶性珪素膜の結晶性や均質性が向上する。
【0155】
被処理基板が酸化気体に曝される時間は、基板移動方向に対するフード801内部の大きさと台106の移動速度で制御できる。
【0156】
レーザー照射工程が終了したら、フード801内への酸化気体の供給を停止する。
【0157】
実施例7に示す構成においては、レーザー照射室内は、真空排気ポンプ108により、レーザー照射中または照射後に、所定の圧力を保ちながら排気される。そして、ヘリウムは常にまたは必要に応じてレーザー照射室内に供給される。
【0158】
他方、フードにより基板表面近傍に極微量の酸化気体が供給され、部分的にのみ酸化雰囲気を形成する。酸化気体の供給量は、ヘリウムの供給量よりはるかに少ない量で充分である。
【0159】
このことにより、酸化気体により被処理基板上面を処理しているにもかかわらず、レーザー照射室内のヘリウム雰囲気への酸化気体の混入量を極めて少なくすることが可能となる。
【0160】
その結果、1つの被処理基板の処理を終了してレーザー照射室から取り出して、その直後に、次に処理する被処理基板をレーザー照射室内に搬送しても、ヘリウム雰囲気は100%近いヘリウム濃度で維持されている。したがって、酸化雰囲気によるレーザーアニールの効果を充分に得ながら、ヘリウム雰囲気による高速な昇温という効果を最大限に得ることできる。これにより複数基板を連続的に処理する場合において、高いスループットを得ることができる。
【0161】
実施例7の構成においては、フード801内にオゾンを含まない純酸素のみを供給して、紫外光であるレーザー光を照射することで、フード内の酸素をオゾン化し、被処理基板上面にオゾンを供給することも可能である。特に、フード801の内部を、線幅が数mmの線状レーザー光の周囲を囲む程度の小さい面積とすれば、レーザー照射によりフード内部の酸素は十分にオゾン化される。このようにすると、オゾン生成するための装置を不要とすることもできる。
【0162】
図8、図9に示すレーザー照射室の構成において、オゾンやオゾン含有気体をフード801の上方から下方に向けて流れるように供給することで、レーザー照射により被処理基板から飛翔する有機物や無機物がレーザー照射窓104に付着することも防ぐことができる。加えて、フードの下端が被処理基板上面から数mm程度と近接していれば、有機物や無機物のフード外部への飛翔が妨げられる。したがって、レーザー照射室内の洗浄工程も不要となる。
【0163】
〔実施例8〕
実施例8では、被処理基板を酸化雰囲気で処理した後、ヘリウム雰囲気でレーザー光の照射を行うための、他の構成に関する。
【0164】
まず、1つの処理室内において、被処理基板上面を、酸素、オゾンやオゾン含有気体、あるいは酸素プラズマで酸化処理して、有機物の除去、薄い酸化膜の形成を行なう。
【0165】
次に、清浄な雰囲気を維持したまま被処理基板をレーザー照射室に搬送し、ヘリウム雰囲気でレーザー照射を行う。
【0166】
酸化処理する工程を、レーザー照射とは別の容器内で行う場合、被処理基板を外気に曝さないようにし、清浄な雰囲気を維持する機能が必要となる。
【0167】
例えば、酸化処理室とレーザー照射室とを、ゲイトバルブを介して接続する、いわゆるマルチチャンバー構成とする必要がある。基板を移動する際の室間の清浄な雰囲気をヘリウム雰囲気とすると、レーザー照射室内に基板搬入直後からヘリウム雰囲気による高速な昇温が可能となるため、好ましい。
【0168】
この場合、レーザー照射時の雰囲気をヘリウムに水素または水素と酸素を含有した雰囲気、またはそれらのプラズマ雰囲気とすると、水素熱処理も同時に行うことができる。またこの場合は、基板を300〜600℃程度、特に好ましくは、300〜350℃に加熱することが重要となる。
【0169】
〔実施例9〕
実施例9では、実施例8で示した被処理基板の被照射部を酸化処理し、その後にレーザー光の照射を行う工程を、レーザー照射室内で行う構成を示す。
【0170】
図10に本実施例で示す装置の断面図を示す。また図11に上面図を示す。図10、図11において、図2および図3と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【0171】
図10、図11に示すように、フード1001は、レーザー光が走査されて照射される位置の手前側に配置されている。即ち、移動機構107により搬送される基板の、フード1001下部を通過した領域にレーザー光照射位置1002がある構成となっている。
【0172】
フード1001には、実施例7と同様に、酸化気体として、オゾンまたはオゾン含有気体例えばオゾンと酸素との混合気体、あるいは酸素が、気体供給部1003より供給される。
【0173】
また、気体供給部109、110より、ヘリウムや水素が供給され、レーザー照射室内はヘリウム雰囲気となる。
【0174】
このような構成とすると、レーザー照射室内に搬入された被処理基板は、ヘリウム雰囲気の作用により高速に昇温され、所定の温度となる。
【0175】
被処理基板の加熱終了後、フード1001内に、気体供給部1003よりオゾン等の酸化気体が供給される。すると、被処理基板上のレーザー光が照射される前の領域に、部分的に酸化雰囲気が形成される。
【0176】
被処理基板上面は、まずフード1001下で酸化処理されて、有機物が除去され、薄い酸化珪素膜が形成される。この酸化処理された領域に対して、ヘリウム雰囲気またはヘリウムと水素、あるいは他の気体との混合雰囲気中にてレーザー光が照射されるものとすることができる。
【0177】
この場合、基板移動方向に対するフード1001内部の大きさと台106の移動速度で、被処理基板がオゾンに曝される時間を制御することができる。
【0178】
実施例9の構成は、実施例7と同様に、酸化処理を行いつつ、ヘリウム雰囲気の作用による高速な昇温を、複数枚の基板の処理にわたっても同様に行なうことができ、高品質な結晶性珪素膜を高いスループットで得ることができる。
【0179】
さらにヘリウムに水素を混入して、300〜600℃、好ましく300〜350℃で加熱することで、水素熱処理をも同時に行なうことができ、より高いスループットを実現し、作製工程を短縮化できる。
【0180】
〔実施例10〕
実施例10では、レーザーアニール時の試料加熱方法の他の構成を示す。
図12に本実施例で示す装置の断面図を示す。また図13に図12の上面図を示す。図12、図13において、図2および図3と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【0181】
実施例10では、図12、図13に示すように、ヘリウム雰囲気中において、試料である基板401をステージ111上のピン1201で支えることにより、基板401をステージ111上面には密着させず、ステージ111上面から浮かせて配置する。すると、台106内に設けられたヒーターで基板とステージとの間のヘリウムまたはヘリウムと他の気体との混合気体が加熱される。そして、加熱された気体により基板301が加熱される。
【0182】
このように、基板をヒータに対して所定の間隙を有して配置し、基板の加熱を気体を介して行う。このようにすることで、基板における熱の拡散が均一化され、基板面内の温度分布をより均一なものとすることができる。その結果、レーザーアニール後に得られる結晶性珪素膜の面内均質性を、向上させることができる。
【0183】
この構成では、気体の比熱が高いと好ましい結果が得られる。したがって比熱の高いヘリウムによる雰囲気は、極めて好ましい。
【0184】
基板401とステージ111との間隙は、0.1〜5.0mm程度、好ましくは0.5〜2.0mm程度とする。この間隔により、加熱効率が向上する。この間隔が広くなりすぎると、加熱効率が低下するので注意が必要である。
【0185】
ここでは、基板401をピンで支える構成を図2、図3に対応する例で示したが、他の図6〜図11に対応する構成においても実施できることは明らかである。
【0186】
〔実施例11〕
本実施例は、基板搬入直後の加熱時のみをヘリウム雰囲気とし、レーザー照射時は他の雰囲気とする構成に関する。
【0187】
基板加熱時の雰囲気をヘリウム雰囲気として、高速に昇温し、かつレーザ照射時の雰囲気をヘリウム以外、例えば窒素または窒素に酸素や水素が混入された雰囲気が要求される場合もある。窒素雰囲気でレーザーアニールすることにより、ヘリウム雰囲気に比較してレーザー照射による膜表面のリッジ(荒れ)が少なくなるという効果がある。
【0188】
このような場合、例えば図2に示す装置を用いて、気体供給部109よりヘリウムを導入してヘリウム雰囲気とし、高速に昇温して基板加熱温度を所定の温度に安定させる。その後、あるいは一度レーザ照射室内を減圧状態としてから気体供給部110より窒素等の気体を導入すれば、実現は可能である。
【0189】
このとき、気体の導入によって基板温度が低下しないように、導入される気体やレーザー照射室内をある程度加熱しておく必要がある。
【0190】
他方、気体の排気、供給は、レーザー照射室の容積にもよるが、速くても数分〜10数分の時間を要する。特に、基板を連続して処理する場合、基板1枚毎に雰囲気を入れ換えていては、ヘリウム雰囲気による高速昇温のメリットが薄れてしまう。
【0191】
そこで、被処理基板の加熱を行う領域とレーザー照射を行う領域で、あらかじめ異なる雰囲気を形成し、双方の雰囲気間を被処理基板が移動するような構成とする。
【0192】
図14に本実施例で示すレーザー照射装置の横断面図を示す。図14において、図2と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【0193】
図14のレーザー照射装置は、被処理基板の加熱を行う加熱室1401とレーザー照射室1402間に、シャッター1403が設けられている。すなわち、加熱室とレーザー照射室が隣接して設けられている。
【0194】
昇降手段1408は、被処理基板401を、加熱室1401とレーザー照射室との間を移動させる。
【0195】
シャッター1403が閉じているときは、加熱室1401とレーザー照射室1402とで、双方の雰囲気が極力混じらないように、互いに隔てられている。
【0196】
ステージ111は、加熱室へ基板が搬入される前は、ヒータを内部に有する台106と共に昇降手段1408によって加熱室1401内に配置されている。
【0197】
加熱室1401は、気体供給部1404からヘリウムが導入され、ヘリウム雰囲気となる。また加熱室1401内は真空排気ポンプ1405により、大気圧または減圧、例えば0.02〜0.5Torrの所定の圧力に維持される。
【0198】
また、レーザー照射室1402は、気体供給部1404からレーザー照射用雰囲気、例えば、窒素、酸素、水素の混合気体が導入される。
【0199】
レーザー照射室1402内の雰囲気を、窒素と酸素の混合雰囲気とする場合、酸素は5〜50%(大気圧)程度含有されていることが好ましい。5%以下では酸素を加えることによる結晶性の向上や有機物の除去等の効果は得づらくなる。また50%以上になると、窒素雰囲気を用いるメリットが薄れる。
【0200】
窒素と水素の混合雰囲気とする場合、水素は3%またはそれ以下含有されていることが好ましい。水素が3%を越えると爆発する可能性がある。
【0201】
窒素、水素、酸素の混合気体とする場合、窒素に対する水素と酸素を合わせた気体の割合は3〜50%程度が好ましい。3%以下では混合の効果が得られず、50%以上では窒素雰囲気を用いるメリットが薄れる。またこのとき水素は酸素の0.1〜10%程度が好ましい。0.1%以下では水素を含有することの効果が得られず、また10%を越えると爆発の危険がある。
【0202】
またレーザー照射室1402内は真空排気ポンプ1407により、大気圧または減圧、例えば0.02〜0.5Torrの所定の圧力に維持される。
【0203】
まず、被処理基板401は、基板搬送室からゲイトバルブ501を介して搬送され、加熱室1401内のステージ111上に配置される。
【0204】
ゲイトバルブ501を閉じた後、被処理基板401は台106内のヒータにより加熱され、ヘリウム雰囲気の作用により高速に昇温され、所定温度に安定する。
【0205】
次に、シャッター1403を開けて、所定温度に安定した被処理基板401、およびステージ111、台106を、昇降手段1408によりレーザー照射室1402に移動する。ここでは台106は、移動手段107に固定され、水平方向の移動を可能とする。シャッター1403は、被処理基板のレーザー照射室内に移動後、直ちに閉じられる。
【0206】
なお、レーザー照射室内の雰囲気を予め加熱しておき、レーザー照射室内に移動されてきた基板の温度を下げないようにすることは好ましい。
【0207】
台106は、レーザー照射室1402内で移動手段107により所定の速度で移動する。そして台106、ステージ111上の被処理基板401に対して、酸素、水素を含有した窒素雰囲気中にて線状レーザービームによるアニールが行われる。
【0208】
レーザーアニールが終了後、台106は加熱室の下部に移動する。そしてシャッター1403を開けて、被処理基板を載せた台106を昇降手段1408により再びヘリウム雰囲気の加熱室1401へ移動し、シャッターを閉じる。その後、ゲイトバルブ501を介して基板搬送室に移動する。
【0209】
このような構成とすることにより、ヘリウム雰囲気で基板を加熱昇温し、窒素雰囲気でレーザーアニールする工程を、より短時間で行うことができる。そして、ヘリウム雰囲気での高速昇温によるスループットの向上と、ヘリウム以外の雰囲気でのレーザーアニールによる優れた膜質を、共に得ることができる。
【0210】
なお、ここでは加熱室をレーザー照射室の上に設け、基板の加熱室とレーザー照射室間の移動手段として昇降手段を用いた構成を示した。しかし、加熱室をシャッターを介してレーザー照射室の側部に設け、基板(および台、ステージ)を水平方向に移動させてもよい。また、ロボットアーム等を用いて、加熱室とレーザー照射室間で基板のみを搬送してもよい。
【0211】
上記した、加熱室とレーザー照射室がシャッターを介して隣接する構成においては、加熱室とレーザ照射室間で、台、ステージ、基板の移動により、両室の雰囲気が若干混合する場合がある。
【0212】
これを防ぐための方法として、基板を加熱室からレーザー照射室へ移動する場合には、気体の供給量や排気量を制御して、レーザー照射室内の圧力を加熱室内の圧力より高く設定する。同様に、基板をレーザー照射室から加熱室へ移動する場合には、加熱室の圧力をレーザー照射室の圧力より高く設定する。これにより、移動先の室内へ、移動前の室の雰囲気が混入することを防ぐことができる。
【0213】
この場合、移動前の室には移動先の室の雰囲気が若干混入する。しかし、シャッターを閉じている間に、移動前の室、すなわち現在基板が配置されていない室において、雰囲気を構成する気体が新たに供給されることにより雰囲気を維持することができる。
【0214】
他の方法としては、レーザー照射室と加熱室との間に、開閉可能なシャッターで両室から隔てられたバッファ室を設ける方法がある。すなわち、基板を一方の室から他方の室への移動するに際し、一旦バッファ室に基板(およびステージ、台)を移動してシャッターを閉じ、バッファ室内を双方の室の雰囲気から遮蔽する。
【0215】
バッファ室内に基板を載せた台が移動することにより、移動前の室の雰囲気がバッファ室内に混入する。バッファ室内は予め移動先の室の雰囲気と同じ雰囲気としておいてもよい。
【0216】
ここで、バッファ室内の雰囲気を、移動先の室と同じ雰囲気となるように、気体をバッファ室内へ導入する。このとき、真空排気ポンプで排気しながら圧力を制御する。
【0217】
このようにしてバッファ室内の雰囲気が移動先の室の雰囲気と同雰囲気となったら、移動先の側のシャッターを開けて、基板を載せた台を、移動先の室内へ移動する。その後シャッターを閉じる。
【0218】
このようにすると、レーザー照射室と加熱室との間での基板の移動による雰囲気の混合を完全に防ぐことができる。
【0219】
本実施例において、レーザー処理前の基板とレーザー処理後の基板を、同一室(加熱室1401)を介してレーザー照射装置と基板搬送室間を移送する構成とした。このようにすると装置構成は簡単であるが、レーザー処理終了後に、基板を一旦加熱室に戻してから基板搬送室に搬送させるため、加熱室から基板が搬送されないと、新たに処理する基板を搬入することができない。
【0220】
そこで、レーザー処理前の基板とレーザー処理後の基板とが配置される室を異ならせて、基板の搬出と搬入を異なる部屋で行ってもよい。すなわち、これからレーザー処理される基板をヘリウム雰囲気の第1の室内に配置して高速昇温して加熱し、レーザー照射室内でレーザ処理する。そして処理の終了した基板をヘリウムまたは他の雰囲気の第2の室内に配置し、その後基板を基板搬送室へ搬出する構成としてもよい。
【0221】
このようにすることで、1つの被処理基板をレーザー照射室で処理している間に、次の基板を加熱しておくことができ、スループットが更に向上する。
【0222】
本実施例において、レーザー照射室の構成として、本明細書の他の実施例に示す他のレーザー照射室の構成を使用することも可能である。
【0223】
【発明の効果】
レーザー光の照射による半導体膜に対するアニール工程を、ヘリウム雰囲気で行うことにより、半導体膜あるいは半導体膜が設けられた基板の加熱昇温時間を短縮し、スループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 装置内に基板を搬入してからの経過時間と基板温度との関係を示す図。
【図2】 実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図3】 図2の上面図。
【図4】 実施例の作製工程を示す図。
【図5】 実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。
【図6】 レーザー照射装置の例の横断面図。
【図7】 図6の上面図。
【図8】 レーザー照射装置の例の横断面図。
【図9】 図8の上面図。
【図10】レーザー照射装置の例の横断面図。
【図11】図10の上面図。
【図12】レーザー照射装置の例の横断面図。
【図13】図12の上面図。
【図14】レーザー照射装置の例の横断面図。
【符号の説明】
101 レーザー照射室
102 レーザー発振装置
103 ミラー
104 窓
106 台
107 移動機構
108 真空排気ポンプ
109、110 気体供給部
111 ステージ
112 光学系
401 基板
402 酸化珪素膜(下地膜)
403 結晶化珪素膜
404 酸化珪素膜
405 島状領域
406 ゲイト絶縁膜
407 ゲイト電極
408 ソース
409 ドレイン
410 チャネル形成領域
411 層間絶縁膜
412 ソース電極・配線
413 ドレイン電極・配線
420 ヘリウム雰囲気
501 ゲイトバルブ
502 基板搬送室
503 アライメント室
504 基板
505 ロボットアーム
506 ロード/アンロード室
507 ゲイトバルブ
508 予備加熱室
509 ゲイトバルブ
510 徐冷室
511 ゲイトバルブ
512 カセット
601 一対の電極
602 高周波電源
801 フード
802 レーザー光照射位置
803 気体供給部
1001 フード
1002 レーザー光照射位置
1003 気体供給部
1201 ピン
1401 加熱室
1402 レーザー照射室
1403 シャッター
1404、1406 気体供給部
1405、1407 真空排気ポンプ
1408 昇降手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention disclosed in the present specification relates to a technique (generally referred to as a laser process) for performing various annealing and surface alteration by laser light irradiation. In particular, the present invention relates to an annealing technique for semiconductor materials by laser light irradiation. For example, the present invention relates to a technique for transforming an amorphous silicon film into a crystalline silicon film by laser light irradiation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a technique for crystallizing a semiconductor film, for example, an amorphous silicon film by laser light irradiation is known. Also known is a technique of irradiating a laser beam after implanting impurity ions into a silicon film to repair a crystal structure damaged by the implantation of impurity ions or activating the implanted impurities.
[0003]
The annealing technique by laser light irradiation does not heat the entire sample to a high temperature, and a high annealing effect can be obtained. Accordingly, in recent years, it has been used in a thin film transistor manufacturing process on a glass substrate, which is required for manufacturing an active matrix LCD device.
[0004]
When a thin film transistor is manufactured over a glass substrate, it is necessary to perform annealing within a temperature range that the glass substrate can withstand. In the annealing process by laser irradiation, anilil is performed by instantaneously melting the surface of the irradiated surface, and the substrate can be hardly damaged by heat.
[0005]
Therefore, this is one of the most suitable annealing techniques when glass is used as the substrate.
[0006]
Further, as a significant point of the laser process, there is a feature that the process time is short.
[0007]
For example, when an amorphous silicon film formed on each 10 cm glass substrate is crystallized by heating, it is required to be at a temperature of 600 ° C. for 12 to 24 hours or more. (In this case, there is a problem of thermal damage to the glass substrate, but it is ignored here.)
[0008]
However, in the method using laser light irradiation, an amorphous silicon film can be transformed into a crystalline silicon film within a few minutes.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the annealing technique by laser light irradiation is useful in the sense that the process can be performed at a low temperature. However, according to studies by the present inventors, it has been found that sufficient annealing effect and reproducibility cannot be obtained unless a certain amount of heating is used in combination.
[0010]
The heating temperature required for the laser light irradiation is not as high as 800 ° C. to 900 ° C. or higher, which is required in the manufacturing process of a semiconductor device using a normal silicon semiconductor, but 100 to 500 ° C. It has been found that the degree is sufficient.
[0011]
In general, a glass substrate can sufficiently withstand up to about 600 ° C., so that the heating is not particularly problematic.
[0012]
The problem here is that it takes several hundred seconds or more (several minutes or more) to heat the sample (substrate) to a predetermined temperature and stabilize it at a certain temperature, whether it is 200 ° C. or 300 ° C. Is that time is needed.
[0013]
As described above, the process time by laser light irradiation is several minutes. Therefore, the heating time is as long as that or longer.
[0014]
Considering the premise of mass production, shortening the process time in minutes in the laser process means increasing productivity at a rate of several tens of percent.
[0015]
Therefore, shortening the heating time in the above laser process is an industrially important matter.
[0016]
An object of the invention disclosed in this specification is to provide a technique capable of shortening a laser processing step including a heating time in a laser process.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the configuration of the present invention is as follows.
After the semiconductor film is arranged and heated in a helium atmosphere, the surface of the semiconductor film is irradiated with laser light.
[0018]
As the helium atmosphere, helium, helium and hydrogen, helium and oxygen, helium, hydrogen, oxygen mixed gas, or a plasma state thereof can be used.
[0019]
Alternatively, after the semiconductor film is heated in a helium atmosphere, the surface of the semiconductor film may be irradiated with laser in another atmosphere such as nitrogen.
[0020]
Other configurations of the present invention include:
The semiconductor film placed in a helium atmosphere containing hydrogen is irradiated with laser light on the surface of the semiconductor film while being heated to a predetermined temperature.
[0021]
In particular, it is preferable that the atmosphere containing hydrogen is in a plasma state. Further, oxygen may be contained in the helium atmosphere.
[0022]
Other configurations of the present invention include:
After the surface of the semiconductor film is treated in an oxidizing atmosphere, the semiconductor film is laser annealed in a helium atmosphere.
[0023]
In particular, it is preferable to contain hydrogen in a helium atmosphere. Moreover, it is preferable to make the helium atmosphere containing hydrogen into a plasma state.
[0024]
As the laser light in the invention disclosed in this specification, a continuous wave laser, a pulse laser, or the like can be used. It is particularly preferable to use a pulsed laser. In addition, it is extremely preferable to use a pulsed laser such as an excimer laser for the semiconductor film, particularly for a non-single crystal silicon film.
[0025]
The oxidizing atmosphere can be composed of oxygen, ozone, a mixed gas thereof, or oxygen plasma.
[0026]
As a means for generating plasma, it is preferable to use a method by supplying electromagnetic energy (generally, high frequency energy).
[0027]
[Action]
By raising the temperature of the substrate by setting the atmosphere to be a helium atmosphere or a mixed atmosphere of hydrogen and helium, the heating time until the temperature of the substrate, that is, the temperature of the silicon film that is the irradiated surface is stabilized can be greatly shortened. This is due to the fact that the thermal conductivity of hydrogen or helium is 6 to 7 times higher than that of nitrogen or oxygen.
[0028]
As a result, the time required for the laser process can be greatly reduced.
[0029]
In addition, in the annealing process for the silicon film, by adding oxygen to the atmosphere, annealing can be performed while forming an oxide film functioning as a protective film on the surface of the silicon film when irradiated with laser light. Can be prevented.
[0030]
Further, by annealing the silicon film in the oxygen-containing atmosphere, organic substances present on the surface of the semiconductor film can be decomposed and removed by the action of oxygen, and the film quality of the silicon film obtained after annealing can be improved. it can.
[0031]
This is because the oxygen in the atmosphere is activated or ozonized by the energy of the laser light near the surface of the silicon film irradiated with the laser light, and the surface of the silicon film is activated by the activated oxygen molecules, oxygen atoms or ozone. This is because the organic substances present in the are decomposed and removed.
[0032]
In addition, by applying electromagnetic energy such as high frequency to a plasma state in an atmosphere containing helium containing oxygen and / or hydrogen, the action of hydrogen plasma or oxygen plasma can be promoted by helium plasma.
[0033]
In particular, by performing laser annealing in a hydrogen plasma in a heated state of 300 to 600 ° C., more preferably 300 to 350 ° C., the surface of the silicon film and defects existing in the film and compensation of dangling bonds are performed. Can do. That is, since the hydrogen heat treatment can be performed simultaneously with the laser annealing, the laser process can be further shortened. In addition, the organic substance is decomposed and removed.
[0034]
In addition, with the use of oxygen plasma, decomposition and removal of organic substances and formation of an oxide film, which are the effects in the oxygen atmosphere described above, can be performed more efficiently and in a short time.
[0035]
In addition, when plasma is generated by containing helium with oxygen or hydrogen, the activity of oxygen or hydrogen is promoted by helium in a plasma state having a long lifetime, and the action of the oxygen plasma or hydrogen plasma is further increased.
[0036]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, an example is shown in which a glass substrate is carried into an apparatus that is actually irradiated with laser light, and then the time during which the substrate is heated to a predetermined temperature is measured.
[0037]
FIG. 1 shows the relationship between the elapsed time after the substrate is loaded into the apparatus and the substrate temperature. FIG. 2 shows the configuration of the laser irradiation apparatus used to obtain the data shown in FIG. Details of the apparatus shown in FIG.
[0038]
The data shown in FIG. 1 shows that the atmosphere is nitrogen (N 2 The difference in the heating time of the substrate when the 100% atmosphere and the helium (He) 100% atmosphere are used. In collecting data, the heating conditions of the substrate and the type of the substrate were the same, and there was no difference in conditions other than the atmosphere. The experiment was conducted under atmospheric pressure.
[0039]
As is apparent from FIG. 1, when helium is used as the atmosphere, it takes about 600 seconds to stabilize at a predetermined temperature (165 ° C. here). On the other hand, when nitrogen is used as the atmosphere, it takes about 1000 seconds to reach a predetermined temperature.
[0040]
That is, the heating time can be shortened by about 40% in the helium atmosphere than in the nitrogen atmosphere.
[0041]
The thermal conductivities of nitrogen and oxygen are 260 (10 -Four Wm -1 K -1 ) And 267 (10 -Four Wm -1 K -1 Therefore, it can be assumed that the air atmosphere is almost the same as the nitrogen atmosphere. Therefore, it is estimated that the same result as the data shown in FIG. 1 can be obtained even when the atmosphere is air instead of the nitrogen atmosphere.
[0042]
Note that the thermal conductivity of helium is 1499 (10 -Four Wm -1 K -1 ) As a substrate having a higher thermal conductivity than that of hydrogen (the thermal conductivity is 1815 (10 -Four Wm -1 K -1 )). However, it is dangerous to mix 3% or more of hydrogen even in an inert atmosphere due to the explosion limit, and it is difficult to obtain an action related to the thermal conductivity. (At this point helium is very safe)
[0043]
The data shown in FIG. 1 is for normal pressure, but the tendency is further promoted when a reduced pressure atmosphere is used. That is, the effect of using helium is higher in a reduced pressure atmosphere.
[0044]
In FIG. 1, the close contact with the heater indicates a state where the substrate is disposed on the stage having the heater.
[0045]
[Example 2]
In the second embodiment, details of the laser irradiation chamber used for obtaining the data shown in the first embodiment will be described.
[0046]
FIG. 2 shows an outline of a cross section of the laser irradiation apparatus. A top view thereof is shown in FIG. In FIG. 2, 101 is a laser irradiation chamber. The
[0047]
The laser light is oscillated by the
[0048]
As the
[0049]
The
[0050]
The
[0051]
The
[0052]
The
[0053]
If necessary, another
[0054]
The
[0055]
2 and 3 can irradiate the non-single-crystal semiconductor film over the
[0056]
With such a configuration, heating in a helium atmosphere can be performed, and the time from the start of heating a sample until the sample is stabilized at a predetermined temperature is reduced to about 60% as compared with an air or nitrogen atmosphere.
[0057]
Example 3
This embodiment shows an example in which a thin film transistor is formed over a glass substrate using the laser irradiation apparatus shown in Embodiment 2.
[0058]
FIG. 4 shows a manufacturing process of the example. First, a 127 mm square Corning 1737 glass substrate is prepared as the
[0059]
Then, a silicon oxide film 402 as a base film is formed on the
[0060]
Next, an aqueous nickel acetate solution of about 10 ppm is applied onto the amorphous silicon film by spin coating so that the nickel element is held in contact with the surface of the amorphous silicon film. Details of the crystallization technique using nickel are described in JP-A-6-244104.
[0061]
In this state, heat treatment at 600 ° C. for 4 hours is performed in a hydrogen-containing atmosphere (that is, a reducing atmosphere). By this heat treatment, the amorphous silicon film is crystallized and transformed into a crystalline silicon film 303 (FIG. 4A).
[0062]
The concentration of nickel element finally remaining in the film is 1 × 10 15 ~ 5x10 19 Atom / cm Three It is desirable to be within the range.
[0063]
In this way, a
[0064]
Laser annealing is performed using the apparatus shown in FIG. In performing laser annealing, a helium atmosphere is used, and processing is performed under atmospheric pressure. It is good also as atmospheric pressure or less, for example, 0.02-0.5 Torr.
[0065]
As the helium atmosphere, in addition to 100% helium, oxygen (preferably having a purity as high as possible), hydrogen, ozone, or a mixed gas with other inert gas may be used. Further, at least two of oxygen, hydrogen, and ozone may be mixed with helium.
[0066]
Here, the atmosphere is 80% helium and 20% oxygen.
[0067]
Here, the substrate to be processed 401 is heated to a temperature of 100 ° C. to 600 ° C., for example, 350 ° C. The time required to reach 350 ° C. after placing the
[0068]
In this state, an extremely thin
[0069]
In this state, laser light irradiation is performed. The irradiated linear laser beam has a size of 0.34 mm width × 135 mm length on the irradiation surface. Energy density is 100mJ / cm 2 ~ 500mJ / cm 2 For example, 260 mJ / cm 2 And
[0070]
This laser light irradiation is performed while moving the table 106 of FIG. 2 in one direction at 2.5 mm / s. By doing so, it is possible to irradiate the irradiated surface while scanning the linear laser beam.
[0071]
The oscillation frequency of the laser is 200 Hz. When laser light irradiation is performed under the above conditions, 10 to 50 shots of laser light are irradiated at one point on the irradiated surface.
[0072]
In the above process, oxygen is ozonized or activated by laser light, and organic substances adhering to the surface of the crystalline silicon film can be removed as volatile oxides by the action of ozone or active oxygen. .
[0073]
Further, since the
[0074]
When the
[0075]
In addition, the ultra-thin oxide film formed by the action of oxygen after laser light irradiation also prevents the formation of irregularities on the surface of the film due to hydrogen erupting from the inside of the film during laser light irradiation. Have.
[0076]
After the laser annealing is finished, the silicon oxide film tends to remain or be formed on the upper surface of the
[0077]
In this way, the
[0078]
The produced
[0079]
Next, a thin film transistor (TFT) is manufactured using the
[0080]
Next, a silicon oxide film to be the
[0081]
Next, a gate electrode is produced. Here, an aluminum film (not shown) is first formed to a thickness of 6000 mm by sputtering. The aluminum film contains scandium or silicon in an amount of 0.1 to 2% by weight. Then, this aluminum film is etched to form a
[0082]
Next, impurity ions are implanted to form source / drain regions. Here, in order to fabricate an N-channel TFT, P (phosphorus) ions are implanted by an ion doping method.
[0083]
This phosphorus ion implantation is performed using the
[0084]
In this doping step, a channel formation region 410, a
[0085]
Next, in order to activate the doped impurities, laser annealing is again performed with linear laser light using the laser annealing apparatus shown in FIG. Here, laser annealing is performed in a helium / oxygen atmosphere under the above-described conditions.
[0086]
The energy density of laser light on the irradiated surface is 100 mJ / cm. 2 ~ 350mJ / cm 2 Perform in the range. Here, 160mJ / cm 2 And
[0087]
As described above, irradiation is performed while scanning with a linear laser beam. In this way, a laser beam of 20 to 40 shots is irradiated at one point of the irradiated object.
[0088]
By this laser annealing, the impurities are activated and the damage during the previous implantation of impurity ions is annealed. After the laser annealing, thermal annealing is performed at 450 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. (Fig. 4 (E))
[0089]
Next, a silicon oxide film is formed as an
[0090]
Further, contact holes are formed in the
[0091]
Finally, thermal annealing is performed at 200 to 350 ° C. in a hydrogen atmosphere at 1 atm to complete the thin film transistor shown in FIG.
[0092]
In this way, a plurality of N and / or P channel type crystalline TFTs are formed. These TFTs are N-channel type, 70-120 cm 2 / Vs, P-channel type 60-90cm 2 It can be excellent with a mobility of / Vs.
[0093]
[Comparative Example]
Here, an example in which the atmosphere at the time of laser annealing shown in Example 3 is composed of a gas other than helium is shown.
[0094]
here,
(A) Air
(B) Oxygen: nitrogen = 20%: 80%
(C) Nitrogen 100%
An example in which laser light irradiation is performed in the three types of atmospheres shown in FIG. The atmosphere is atmospheric pressure, and the conditions other than the atmosphere are the same as in Example 3.
[0095]
In each atmosphere, the time required for the
[0096]
Further, the crystalline silicon film produced in the air atmosphere has a slightly lower crystallinity than that formed in the helium / oxygen atmosphere shown in Example 3. There is also a tendency for the crystallinity to be non-uniform. Further, the mobility is low, and the mobility variation is large in the film plane. Further, when a plurality of substrates are processed, there is a large variation in film characteristics between the substrates.
[0097]
These causes seem to be because organic substances on the substrate surface are not sufficiently removed, and impurities in the air are mixed into the film.
[0098]
The crystalline silicon film obtained in an oxygen: nitrogen = 20%: 80% atmosphere has improved mobility compared to the air atmosphere, and is almost equivalent to the helium: oxygen = 20%: 80% in Example 3. Characteristics are obtained. However, as described above, the substrate heating time is longer in the oxygen / nitrogen atmosphere.
[0099]
In the 100% nitrogen atmosphere, the crystallinity of the entire film is low. In addition, the in-plane uniformity of mobility and film quality will be low.
[0100]
In addition, a crystalline silicon film formed in a helium atmosphere containing nitrogen or a nitrogen atmosphere can have higher crystallinity at the same energy density as compared with those formed in other atmospheres.
[0101]
Example 4
Example 4 shows a configuration in which the laser irradiation apparatus shown in Example 2 is developed into a multi-chamber apparatus.
[0102]
FIG. 5 shows a top view of the laser annealing apparatus in the present embodiment. Here, a multi-chamber laser annealing apparatus shown in FIG. 5 is used. The figure which shows the AA 'cross section in FIG. 5 corresponds to FIG.
[0103]
The apparatus shown in FIG. 5 has a configuration in which a load / unload
[0104]
Each chamber is airtight and can be set to the required atmosphere and pressure. Each chamber is connected to the
[0105]
In the apparatus shown in FIG. 5,
[0106]
The substrates loaded for each cassette are transferred to the
[0107]
An alignment mechanism for correcting the positional relationship between the substrate to be processed 504 and the
[0108]
The
[0109]
In the preheating
[0110]
Further, it is also for preliminarily heating to release hydrogen in the film and enhancing the effect of laser light irradiation. This effect of releasing hydrogen becomes remarkable when an amorphous silicon film is used as the film to be annealed.
[0111]
The preheating
[0112]
The preheating
[0113]
In addition, it is extremely effective to preheat the substrate by providing a gas supply unit and an exhaust vacuum pump in the preheating
[0114]
By performing preheating in a helium atmosphere,
(1) The preheating time is shorter than the air atmosphere.
(2) The formation of an oxide film on the upper surface of the silicon film in an air atmosphere is prevented, and impurities in the air are not mixed in the film.
The effect is obtained.
[0115]
In the preheating
[0116]
After the laser irradiation is completed, the substrate to be processed 504 is pulled out to the
[0117]
The
[0118]
The substrate to be processed that has been gradually cooled in the
[0119]
Thus, the laser annealing process is performed on one substrate. In this way, by repeating the above process, a number of substrates are processed one by one continuously.
[0120]
In the laser annealing apparatus shown in FIG. 5, it is effective to supply helium gas not only to the laser irradiation chamber and the preheating chamber, but also to the load / unload chamber, the substrate transfer chamber, and the slow cooling chamber to form a helium atmosphere. is there. If it does in this way, a to-be-processed substrate will not touch air, and it can prevent that the impurity in air mixes in a silicon film.
[0121]
Example 5
This embodiment relates to a configuration in which a crystalline silicon film is obtained by performing laser annealing on an amorphous silicon film. In the present embodiment as well, the laser irradiation apparatus shown in FIG.
[0122]
First, a 127 mm square and 1.1 mm thick Corning 1737 substrate is prepared as a substrate. A silicon oxide film having a thickness of 2000 mm is formed on this substrate by plasma CVD to form a base film.
[0123]
Further, an amorphous silicon film is formed to a thickness of 500 mm by a known plasma CVD method. Thereafter, this substrate is placed in the laser irradiation chamber 101 (FIG. 2).
[0124]
A mixed gas of helium 80% and oxygen 20% is introduced from the
[0125]
Then, the surface of the amorphous silicon film on the substrate is oxidized by oxygen in the atmosphere, and a silicon oxide film having a thickness of 10 to 100 mm is formed.
[0126]
At the same time, organic substances adhering to the surface of the amorphous silicon film are removed as volatile oxides by activated or ozonated oxygen.
[0127]
With the
[0128]
The linear laser beam has a size of 0.34 mm width × 135 mm length on the irradiated surface. Energy density is 100mJ / cm 2 ~ 400mJ / cm 2 For example, 200 mJ / cm 2 And A linear laser beam is scanned by moving the
[0129]
In this case, if attention is paid to one point on the irradiated surface, 10 to 50 shots of laser light are irradiated.
[0130]
In this way, by scanning and irradiating linear laser light in a helium / oxygen atmosphere, the amorphous silicon film is crystallized to become a crystalline silicon film.
[0131]
The produced crystalline silicon film has a clean film quality and is excellent in crystallinity and film homogeneity.
[0132]
Example 6
In this embodiment, plasma is generated in a helium atmosphere, and laser annealing is performed in the plasma atmosphere.
[0133]
A cross-sectional view of the laser annealing apparatus used in Example 6 is shown in FIG. A top view of FIG. 6 is shown in FIG. 6 and 7, the same components as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals.
[0134]
A gas mixture of helium, hydrogen, and oxygen is supplied from the
[0135]
A
[0136]
When the
[0137]
At this time, the surface of the amorphous silicon film on the substrate is oxidized by the action of oxygen in the atmosphere, and a thin silicon oxide film of 10 to 100 mm is formed.
[0138]
Next, high-frequency energy (13.56 MHz) is applied to the pair of
[0139]
Due to the action of oxygen plasma, organic substances adhering to the substrate surface are separated by impact and removed as volatile oxides. Alternatively, the remaining organic substance is taken into the thin silicon oxide film.
[0140]
Hydrogen plasma also has an organic substance removing action. The target from which the oxygen plasma and the hydrogen plasma are removed is an organic substance having different carbon bonds. Therefore, by forming oxygen plasma and hydrogen plasma, organic substances present on the surface of the substrate to be processed can be more effectively removed.
[0141]
Further, heating at 300 ° C. to 600 ° C., particularly preferably about 300 to 350 ° C. is performed at the time of laser light irradiation, thereby promoting the annealing effect by laser light irradiation and simultaneously performing hydrogen heat treatment with hydrogen plasma. It can be carried out. This has an effect of compensating for defects and dangling bonds existing on the surface of the silicon film and in the film.
[0142]
Further, in FIG. 6, since the pair of
[0143]
The various actions of the oxygen plasma and hydrogen plasma are promoted by helium in the plasma state.
[0144]
In the above process, when the substrate to be processed is heated in the preheating chamber and the substrate to be processed is heated to the heating temperature at the time of laser irradiation or a temperature close to the heating temperature, the substrate is disposed in the laser irradiation chamber. Time until laser irradiation becomes possible is greatly shortened. The preheating temperature is increased or decreased with respect to the heating temperature during laser irradiation as necessary.
[0145]
In this case, if the heating in the preheating chamber is performed in a helium atmosphere, an oxide film due to the air atmosphere is not formed on the upper surface of the silicon film during the preheating, so that impurities in the air are mixed into the silicon film after laser annealing. Can be prevented.
[0146]
Further, in order of the process, first, plasma in an oxygen, hydrogen, and helium mixed atmosphere is formed in the laser irradiation chamber, and the pre-heated substrate to be processed is carried into the laser irradiation chamber in that state to perform laser processing. You may do it. In this way, in addition to shortening the substrate heating time in the laser irradiation chamber, a thin silicon oxide film is formed on the silicon film in an extremely short time of several seconds to several tens of seconds by the oxidation action of oxygen plasma, and laser irradiation is performed. It can be carried out. Therefore, the laser irradiation process can be further shortened.
[0147]
Needless to say, the step shown in Example 6 may be performed with a mixed gas of helium and only one of hydrogen and oxygen.
[0148]
Example 7
In this embodiment, the temperature is raised in a helium atmosphere in one laser irradiation chamber, and laser irradiation is performed while being exposed to an oxidizing atmosphere. The amount of oxidizing gas mixed in the helium atmosphere is minimized, and the helium atmosphere The present invention relates to a configuration that minimizes a decrease in thermal conductivity.
[0149]
FIG. 8 shows a cross-sectional view of the laser irradiation apparatus shown in this embodiment. FIG. 9 shows a top view of FIG. 8 and 9, the same reference numerals are used when the same parts as those in FIGS. 2 and 3 are displayed.
[0150]
8 and 9, helium is supplied from the
[0151]
A
[0152]
A substrate to be processed 401 is disposed in the laser irradiation chamber, and the substrate to be processed is heated to a predetermined temperature in a helium atmosphere at a high speed.
[0153]
After the heating of the substrate to be processed, ozone / oxygen mixed gas or oxygen is supplied into the
[0154]
Organic substances on the substrate to be processed are oxidized and removed by the action of the oxidizing atmosphere. A silicon oxide film having a thickness of 100 mm or less is formed on the upper surface of the silicon film on the substrate to be processed. By performing laser annealing with the thin silicon oxide film formed, the crystallinity and homogeneity of the crystalline silicon film after annealing are improved.
[0155]
The time for which the substrate to be processed is exposed to the oxidizing gas can be controlled by the size of the inside of the
[0156]
When the laser irradiation process is completed, the supply of the oxidizing gas into the
[0157]
In the configuration shown in Embodiment 7, the laser irradiation chamber is evacuated by the
[0158]
On the other hand, a trace amount of oxidizing gas is supplied to the vicinity of the substrate surface by the hood to form an oxidizing atmosphere only partially. The supply amount of the oxidizing gas is much smaller than the supply amount of helium.
[0159]
This makes it possible to extremely reduce the amount of oxidant gas mixed into the helium atmosphere in the laser irradiation chamber even though the upper surface of the substrate to be processed is processed with the oxidant gas.
[0160]
As a result, even if the processing of one substrate to be processed is completed and taken out from the laser irradiation chamber, and immediately after that, the substrate to be processed next is transferred into the laser irradiation chamber, the helium atmosphere is almost 100% helium concentration. Is maintained at. Accordingly, it is possible to obtain the maximum effect of high-speed temperature rise in the helium atmosphere while sufficiently obtaining the effect of laser annealing in the oxidizing atmosphere. Thereby, high throughput can be obtained when a plurality of substrates are processed continuously.
[0161]
In the configuration of the seventh embodiment, only pure oxygen not containing ozone is supplied into the
[0162]
In the configuration of the laser irradiation chamber shown in FIGS. 8 and 9, by supplying ozone or an ozone-containing gas so as to flow downward from above the
[0163]
Example 8
Example 8 relates to another structure for performing laser light irradiation in a helium atmosphere after a substrate to be processed is processed in an oxidizing atmosphere.
[0164]
First, in one processing chamber, the upper surface of the substrate to be processed is oxidized with oxygen, ozone, an ozone-containing gas, or oxygen plasma to remove organic substances and form a thin oxide film.
[0165]
Next, the substrate to be processed is transferred to a laser irradiation chamber while maintaining a clean atmosphere, and laser irradiation is performed in a helium atmosphere.
[0166]
In the case where the oxidation process is performed in a container different from the laser irradiation, it is necessary to have a function of keeping the substrate to be processed from being exposed to the outside air and maintaining a clean atmosphere.
[0167]
For example, it is necessary to have a so-called multi-chamber configuration in which the oxidation treatment chamber and the laser irradiation chamber are connected via a gate valve. It is preferable to use a helium atmosphere as a clean atmosphere between the chambers when moving the substrate, because a high temperature increase in the helium atmosphere can be performed immediately after the substrate is carried into the laser irradiation chamber.
[0168]
In this case, if the atmosphere at the time of laser irradiation is an atmosphere containing hydrogen or hydrogen and oxygen in helium, or a plasma atmosphere thereof, hydrogen heat treatment can be performed simultaneously. In this case, it is important to heat the substrate to about 300 to 600 ° C., particularly preferably to 300 to 350 ° C.
[0169]
Example 9
Example 9 shows a configuration in which the step of oxidizing the irradiated portion of the substrate to be processed shown in Example 8 and then performing laser light irradiation is performed in a laser irradiation chamber.
[0170]
FIG. 10 shows a cross-sectional view of the apparatus shown in this embodiment. FIG. 11 shows a top view. 10 and 11, the same reference numerals are used when the same parts as those shown in FIGS. 2 and 3 are displayed.
[0171]
As shown in FIGS. 10 and 11, the
[0172]
Similarly to the seventh embodiment, ozone or an ozone-containing gas, for example, a mixed gas of ozone and oxygen, or oxygen is supplied from the
[0173]
Further, helium and hydrogen are supplied from the
[0174]
With such a configuration, the substrate to be processed carried into the laser irradiation chamber is heated at a high speed by the action of the helium atmosphere to a predetermined temperature.
[0175]
After the heating of the substrate to be processed, an oxidizing gas such as ozone is supplied from the
[0176]
The upper surface of the substrate to be processed is first oxidized under the
[0177]
In this case, the time during which the substrate to be processed is exposed to ozone can be controlled by the size of the
[0178]
The configuration of the ninth embodiment is similar to that of the seventh embodiment. While performing the oxidation process, the high-temperature temperature rise by the action of the helium atmosphere can be similarly performed over the processing of a plurality of substrates. Can be obtained with high throughput.
[0179]
Furthermore, hydrogen is mixed in helium and heated at 300 to 600 ° C., preferably 300 to 350 ° C., so that hydrogen heat treatment can be performed simultaneously, higher throughput can be realized, and the manufacturing process can be shortened.
[0180]
Example 10
Example 10 shows another configuration of the sample heating method during laser annealing.
FIG. 12 shows a cross-sectional view of the apparatus shown in this embodiment. FIG. 13 shows a top view of FIG. 12 and 13, the same reference numerals are used when the same parts as those in FIGS. 2 and 3 are displayed.
[0181]
In the tenth embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, the
[0182]
In this way, the substrate is disposed with a predetermined gap with respect to the heater, and the substrate is heated via the gas. By doing so, the diffusion of heat in the substrate is made uniform, and the temperature distribution in the substrate surface can be made more uniform. As a result, the in-plane homogeneity of the crystalline silicon film obtained after laser annealing can be improved.
[0183]
In this configuration, a favorable result is obtained when the specific heat of the gas is high. Therefore, an atmosphere of helium having a high specific heat is extremely preferable.
[0184]
The gap between the
[0185]
Here, the configuration in which the
[0186]
Example 11
The present embodiment relates to a configuration in which a helium atmosphere is set only during heating immediately after the substrate is loaded, and another atmosphere is set during laser irradiation.
[0187]
In some cases, the substrate heating atmosphere is a helium atmosphere, the temperature is increased at a high speed, and the laser irradiation atmosphere is other than helium, for example, nitrogen or an atmosphere in which oxygen or hydrogen is mixed in nitrogen. By laser annealing in a nitrogen atmosphere, there is an effect that ridges (roughness) on the film surface due to laser irradiation are reduced as compared with a helium atmosphere.
[0188]
In such a case, for example, using the apparatus shown in FIG. 2, helium is introduced from the
[0189]
At this time, it is necessary to heat the introduced gas and the laser irradiation chamber to some extent so that the substrate temperature does not decrease due to the introduction of the gas.
[0190]
On the other hand, although the exhaust and supply of gas depends on the volume of the laser irradiation chamber, it takes several minutes to several tens of minutes at the fastest. In particular, when processing substrates continuously, if the atmosphere is changed for each substrate, the merit of high-speed temperature rise by the helium atmosphere is diminished.
[0191]
In view of this, a different atmosphere is formed in advance between the region where the substrate to be processed is heated and the region where laser irradiation is performed, and the substrate to be processed moves between the two atmospheres.
[0192]
FIG. 14 shows a cross-sectional view of the laser irradiation apparatus shown in this embodiment. In FIG. 14, the same reference numerals are used when the same parts as those in FIG. 2 are displayed.
[0193]
In the laser irradiation apparatus in FIG. 14, a
[0194]
The raising / lowering means 1408 moves the
[0195]
When the
[0196]
Before the substrate is carried into the heating chamber, the
[0197]
The
[0198]
In the
[0199]
When the atmosphere in the
[0200]
When a mixed atmosphere of nitrogen and hydrogen is used, it is preferable that hydrogen is contained at 3% or less. Explosion may occur when hydrogen exceeds 3%.
[0201]
When the mixed gas of nitrogen, hydrogen, and oxygen is used, the ratio of the combined gas of hydrogen and oxygen to nitrogen is preferably about 3 to 50%. If it is 3% or less, the mixing effect cannot be obtained, and if it is 50% or more, the merit of using a nitrogen atmosphere is reduced. At this time, hydrogen is preferably about 0.1 to 10% of oxygen. If it is less than 0.1%, the effect of containing hydrogen cannot be obtained, and if it exceeds 10%, there is a risk of explosion.
[0202]
Further, the inside of the
[0203]
First, the
[0204]
After the
[0205]
Next, the
[0206]
Note that it is preferable to preheat the atmosphere in the laser irradiation chamber so as not to lower the temperature of the substrate moved into the laser irradiation chamber.
[0207]
The
[0208]
After the laser annealing is completed, the
[0209]
With such a configuration, the step of heating and heating the substrate in a helium atmosphere and laser annealing in a nitrogen atmosphere can be performed in a shorter time. Further, it is possible to obtain both an improvement in throughput due to a high temperature increase in a helium atmosphere and an excellent film quality due to laser annealing in an atmosphere other than helium.
[0210]
Here, a configuration is shown in which the heating chamber is provided on the laser irradiation chamber, and the lifting means is used as the moving means between the substrate heating chamber and the laser irradiation chamber. However, the heating chamber may be provided on the side of the laser irradiation chamber via a shutter, and the substrate (and the stage and the stage) may be moved in the horizontal direction. Alternatively, only the substrate may be transferred between the heating chamber and the laser irradiation chamber using a robot arm or the like.
[0211]
In the above-described configuration in which the heating chamber and the laser irradiation chamber are adjacent to each other via the shutter, the atmosphere in both chambers may be slightly mixed due to the movement of the stage, the stage, and the substrate between the heating chamber and the laser irradiation chamber.
[0212]
As a method for preventing this, when the substrate is moved from the heating chamber to the laser irradiation chamber, the gas supply amount and the exhaust amount are controlled to set the pressure in the laser irradiation chamber higher than the pressure in the heating chamber. Similarly, when the substrate is moved from the laser irradiation chamber to the heating chamber, the pressure of the heating chamber is set higher than the pressure of the laser irradiation chamber. Thereby, it can prevent that the atmosphere of the room before a movement mixes in the room of a movement destination.
[0213]
In this case, the atmosphere of the destination room is slightly mixed in the room before the movement. However, while the shutter is closed, the atmosphere can be maintained by newly supplying the gas constituting the atmosphere in the chamber before the movement, that is, the chamber where the substrate is not currently arranged.
[0214]
As another method, there is a method in which a buffer chamber separated from both chambers by a shutter that can be opened and closed is provided between the laser irradiation chamber and the heating chamber. That is, when the substrate is moved from one chamber to the other chamber, the substrate (and the stage and the stage) is once moved to the buffer chamber, the shutter is closed, and the buffer chamber is shielded from the atmosphere of both chambers.
[0215]
By moving the table on which the substrate is placed in the buffer chamber, the atmosphere of the chamber before the movement is mixed into the buffer chamber. The buffer chamber may have the same atmosphere as that of the destination room in advance.
[0216]
Here, the gas is introduced into the buffer chamber so that the atmosphere in the buffer chamber is the same as that of the destination chamber. At this time, the pressure is controlled while exhausting with a vacuum exhaust pump.
[0217]
When the atmosphere in the buffer chamber becomes the same as the atmosphere in the destination room in this way, the shutter on the destination side is opened and the platform on which the substrate is placed is moved into the destination room. Then close the shutter.
[0218]
In this way, it is possible to completely prevent mixing of the atmosphere due to the movement of the substrate between the laser irradiation chamber and the heating chamber.
[0219]
In this embodiment, the substrate before laser processing and the substrate after laser processing are transferred between the laser irradiation apparatus and the substrate transfer chamber through the same chamber (heating chamber 1401). In this way, the apparatus configuration is simple, but after the laser processing is completed, the substrate is once returned to the heating chamber and then transferred to the substrate transfer chamber. If the substrate is not transferred from the heating chamber, a new substrate to be processed is loaded. Can not do it.
[0220]
Therefore, the substrate in which the substrate before laser processing and the substrate after laser processing are arranged may be different, and the substrate may be carried out and loaded in different chambers. That is, a substrate to be laser processed is placed in a first chamber in a helium atmosphere, heated at a high temperature and heated, and laser processing is performed in the laser irradiation chamber. The processed substrate may be placed in a second chamber of helium or another atmosphere, and then the substrate may be carried out to the substrate transfer chamber.
[0221]
By doing so, the next substrate can be heated while one substrate to be processed is processed in the laser irradiation chamber, and the throughput is further improved.
[0222]
In this embodiment, as the structure of the laser irradiation chamber, the structure of another laser irradiation chamber shown in another embodiment of this specification can be used.
[0223]
【The invention's effect】
By performing the annealing process on the semiconductor film by laser light irradiation in a helium atmosphere, the heating temperature raising time of the semiconductor film or the substrate provided with the semiconductor film can be shortened and the throughput can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a relationship between an elapsed time after loading a substrate into the apparatus and a substrate temperature.
FIG. 2 is a diagram showing a laser irradiation chamber in an example.
FIG. 3 is a top view of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of an example.
FIG. 5 is a top view of the laser annealing apparatus in the embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an example of a laser irradiation apparatus.
7 is a top view of FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of an example of a laser irradiation apparatus.
FIG. 9 is a top view of FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view of an example of a laser irradiation apparatus.
11 is a top view of FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional view of an example of a laser irradiation apparatus.
13 is a top view of FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view of an example of a laser irradiation apparatus.
[Explanation of symbols]
101 Laser irradiation room
102 Laser oscillator
103 mirror
104 windows
106 units
107 Movement mechanism
108 Vacuum pump
109, 110 Gas supply part
111 stages
112 Optical system
401 substrate
402 Silicon oxide film (underlying film)
403 Crystallized silicon film
404 Silicon oxide film
405 Island area
406 Gate insulation film
407 Gate electrode
408 source
409 drain
410 Channel formation region
411 Interlayer insulation film
412 Source electrode / wiring
413 Drain electrode / wiring
420 Helium atmosphere
501 Gate valve
502 Substrate transfer chamber
503 Alignment room
504 substrate
505 Robot arm
506 Load / unload room
507 Gate valve
508 Preheating chamber
509 Gate valve
510 annealing room
511 Gate valve
512 cassette
601 A pair of electrodes
602 High frequency power supply
801 Food
802 Laser light irradiation position
803 Gas supply unit
1001 Food
1002 Laser beam irradiation position
1003 Gas supply unit
1201 pin
1401 Heating chamber
1402 Laser irradiation room
1403 Shutter
1404, 1406 Gas supply unit
1405, 1407 Vacuum pump
1408 Lifting means
Claims (16)
前記ヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする半導体処理方法。A semiconductor film disposed in a helium atmosphere containing hydrogen is irradiated with laser light to the surface of the semiconductor film while heating to a predetermined temperature,
The semiconductor processing method , wherein the helium atmosphere is in a plasma state .
前記ヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする半導体処理方法。The semiconductor processing method, wherein the helium atmosphere is in a plasma state.
前記ヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする半導体処理方法。The semiconductor processing method, wherein the helium atmosphere is in a plasma state.
前記半導体膜を、水素又は酸素の少なくとも1つを含有する第2のヘリウム雰囲気中において、前記半導体膜の表面にレーザー光を照射し、The semiconductor film is irradiated with laser light on the surface of the semiconductor film in a second helium atmosphere containing at least one of hydrogen or oxygen,
前記第2のヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする半導体処理方法。The semiconductor processing method, wherein the second helium atmosphere is in a plasma state.
前記半導体膜を、水素又は酸素の少なくとも1つを含有する第2のヘリウム雰囲気中において加熱しながら、前記半導体膜の表面にレーザー光を照射し、While heating the semiconductor film in a second helium atmosphere containing at least one of hydrogen or oxygen, the surface of the semiconductor film is irradiated with laser light,
前記第2のヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする半導体処理方法。The semiconductor processing method, wherein the second helium atmosphere is in a plasma state.
前記第1のヘリウム雰囲気には、水素又は酸素の少なくとも1つが含有されていることを特徴とする半導体処理方法。The semiconductor processing method according to claim 1, wherein the first helium atmosphere contains at least one of hydrogen and oxygen.
前記半導体膜を、前記ヘリウム雰囲気をプラズマ状態とした雰囲気中において、前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする半導体処理方法。A semiconductor processing method, comprising: irradiating a surface of the semiconductor film with laser light in an atmosphere in which the helium atmosphere is in a plasma state.
前記半導体膜を、前記ヘリウム雰囲気をプラズマ状態とした雰囲気中において加熱しながら、前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする半導体処理方法。A semiconductor processing method comprising irradiating a surface of the semiconductor film with laser light while heating the semiconductor film in an atmosphere in which the helium atmosphere is in a plasma state.
前記ヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the helium atmosphere is in a plasma state.
前記ヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the helium atmosphere is in a plasma state.
前記ヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the helium atmosphere is in a plasma state.
前記半導体膜を、水素又は酸素の少なくとも1つを含有する第2のヘリウム雰囲気中において、前記半導体膜の表面にレーザー光を照射し、The semiconductor film is irradiated with laser light on the surface of the semiconductor film in a second helium atmosphere containing at least one of hydrogen or oxygen,
前記第2のヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the second helium atmosphere is in a plasma state.
前記半導体膜を、水素又は酸素の少なくとも1つを含有する第2のヘリウム雰囲気中において加熱しながら、前記半導体膜の表面にレーザー光を照射し、While heating the semiconductor film in a second helium atmosphere containing at least one of hydrogen or oxygen, the surface of the semiconductor film is irradiated with laser light,
前記第2のヘリウム雰囲気は、プラズマ状態であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the second helium atmosphere is in a plasma state.
前記第1のヘリウム雰囲気には、水素又は酸素の少なくとも1つが含有されていることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the first helium atmosphere contains at least one of hydrogen and oxygen.
前記半導体膜を、前記ヘリウム雰囲気をプラズマ状態とした雰囲気中において、前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。A method for manufacturing a thin film transistor, wherein the semiconductor film is irradiated with laser light on a surface of the semiconductor film in an atmosphere in which the helium atmosphere is in a plasma state.
前記半導体膜を、前記ヘリウム雰囲気をプラズマ状態とした雰囲気中において加熱しながら、前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。A method for manufacturing a thin film transistor, wherein the surface of the semiconductor film is irradiated with laser light while the semiconductor film is heated in an atmosphere in which the helium atmosphere is in a plasma state.
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