JP4001645B2 - 結晶性珪素膜作製方法およびレーザー照射装置 - 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、被処理基体をアニールするためのレーザー照射を行なう方法および装置に関する。また、レーザー照射による半導体膜の結晶化または結晶化の助長を行う方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、珪素膜等の半導体膜にレーザ光を照射して、結晶化や結晶化を助長する技術が知られている。
【０００３】
例えば、ガラス基板上にプラズマＣＶＤ法等で非晶質や結晶性の珪素膜を成膜し、それに対してレーザー光を照射することにより、結晶性珪素膜に変成する技術が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体膜表面に、何らかの理由で有機物が付着した状態でレーザーアニールが行われると、有機物またはそれを構成する成分が膜中に混入してしまい、膜質が低下してしまう。
【０００５】
半導体膜は、極微量な不純物の混入で、その特性が大きく変化する。従って、有機物が付着した状態でレーザーアニールを行うと、有機物が付着していた領域の結晶性が低下したり、所望の膜特性が得られなかったり、膜面内において特性が不均一となるなどの問題が生じる。
【０００６】
この問題に対し、レーザーアニール前に種々の洗浄工程を行うことが実施されている。しかし、洗浄によっては充分な効果を得ることができないのが現状である。
【０００７】
本明細書で開示する発明は、半導体膜に対するレーザー光の照射による結晶化やアニールの工程において、半導体膜の表面に付着している有機物の影響を排除することを課題とする。
【０００８】
具体的には、レーザー光の照射により半導体膜を結晶性珪素膜に変成する工程において、半導体膜の表面に付着している有機物の影響によって、得られる膜の結晶性が阻害されたり、効果の再現性が阻害されたりすることを防ぐことを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明は、
半導体膜の表面をプラズマによって処理させながらレーザー光の照射によるアニールを行うことを特徴とする。
【００１０】
他の発明の構成は、
半導体膜の表面を酸素プラズマによって処理するとともに前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することによりアニールを行うことを特徴とする。
【００１１】
他の発明の構成は、
半導体膜の表面を水素プラズマによって処理するとともに前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することによりアニールを行うことを特徴とする。
【００１２】
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。
【００１３】
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。またプラズマを発生させる手段としては、なるべく高密度プラズマが生成できる手段が好ましい。
【００１４】
【作用】
レーザー光の照射による珪素膜の表面に対するアニールの際に雰囲気を酸素プラズマとすることにより、
・珪素膜表面における有機物の除去
・珪素膜の表面に酸化膜が形成されることによる表面の荒れの防止
といった効果を得ることができる。
【００１５】
また、レーザー光の照射による珪素膜の表面に対するアニールの際に雰囲気を水素プラズマとすることにより、
・珪素膜表面における有機物の除去
・加熱処理を併用することで水素による珪素膜に対する欠陥補償や不対結合手の補償
といった効果を得ることができる。
【００１６】
さらに酸素と水素との混合雰囲気とすることで、上記の作用による相乗効果を得ることができる。
【００１７】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例では、レーザー光の照射を酸素プラズマ雰囲気中で照射することができるレーザー照射装置について示す。
【００１８】
図１に本実施例で示す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２に示す。図１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ができる構成となっている。
【００１９】
レーザー光は発振器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３０１に照射される。
【００２０】
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。
【００２１】
被処理基板３０１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℃）に保たれる。
【００２２】
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３０１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。
【００２３】
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。
【００２４】
またレーザー照射室１０１は、一対の電極１０９と気体供給部１１０を備えている。本実施例においては、一対の電極１０９はレーザー照射室１０１の側壁に沿って、基板を挟むように置かれている。一対の電極１０９は高周波電源１１３に接続されており、電極間にプラズマを発生可能としている。
【００２５】
高周波電源１１３は、13.56 ＭＨｚの周波数の高周波を発振させる。高周波のパワーとしては２００Ｗ〜２ｋＷ程度の範囲から選択すればよい。
【００２６】
レーザー照射室１０１は、ゲイトバルブ４０１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４０１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。
【００２７】
図１及び図２に示す装置は、雰囲気を酸素または酸素を含有した減圧雰囲気とした状態で一対の電極１０９からの高周波放電によって酸素プラズマ雰囲気を形成し、この雰囲気の中で基板３０１上の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。
【００２８】
このような構成においては、酸素プラズマの作用によって半導体膜上の有機物が酸化除去され、膜中に有機物が混入することを防ぐことができる。
【００２９】
〔実施例２〕
本実施例は、実施例１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。
【００３０】
図３に、実施例の作製工程を示す。まず、被処理基板３０１として１２７ｍｍ角のコーニング１７３７ガラス基板を用意する。
【００３１】
そして基板３０１上に下地膜としての酸化珪素膜３０２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。
【００３２】
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。
【００３３】
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３（Ａ））へと変成される。
【００３４】
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。
【００３５】
このようにして結晶性珪素膜３０３が得られる。次に得られた結晶性珪素膜３０３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。
【００３６】
レーザーアニールは図１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、雰囲気を純酸素１００％（極力純度の高いものが好ましい）または適当な酸素濃度の雰囲気とし、その圧力は０．０２〜０．０３Ｔｏｒｒとする。
【００３７】
そして一対の電極１０９に、高周波電源１１３により高周波エネルギーを印加する。ここでは１３．５６ＭＨｚの高周波が４００Ｗの出力で印加される。そして、一対の電極１０９間には酸素プラスマが形成される。
【００３８】
また被処理基板３０１は、４５０℃の温度に加熱される。この状態において、非晶質珪素膜３０３の表面は、酸素プラズマ３２０に曝される。そして有機物が酸化除去される。また酸素プラズマの作用によって、その表面には極薄い酸化珪素膜３０４が形成される。この酸化珪素膜３０４の膜厚は１０〜１００Å程度である。この酸化珪素膜３０４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。
【００３９】
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。
【００４０】
このレーザー光の照射は、図１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。
【００４１】
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。
【００４２】
上記の工程においては、酸素プラズマの作用によって、結晶性珪素膜の表面に付着していた有機物を除去した状態でレーザー光の照射を行うことができる。
【００４３】
即ち、結晶性珪素膜に付着していた有機物は酸素プラズマの衝撃により分離され、揮発性酸化物となって除去された状態でレーザー光の照射を行うことができる。
【００４４】
図１または図３（Ｂ）に示す一対の電極１０９は、レーザー照射室１０１の内壁側面に沿って、側壁とほぼ同じ大きさで設けられている。
【００４５】
そしてこの一対の電極１０９により、レーザー照射室１０１内部全体にプラズマが形成される。従って、レーザー光の照射によって被処理基板から飛翔した有機物がレーザー照射室１０１の内壁や窓１０４の内側に付着しても、この付着物は酸素プラズマによってレーザーアニール工程中に除去される。すなわちレーザーアニールと同時にレーザー照射室１０１内のクリーニングが同時に行われる。
【００４６】
また酸化珪素膜３０４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、酸素プラズマ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。
【００４７】
またこの酸化珪素膜３０４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。
【００４８】
また、酸素プラズマ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。
【００４９】
レーザーアニールの終了後は、結晶性珪素膜３０３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３０３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。
【００５０】
このようにして結晶性珪素膜３０３に対し、レーザーアニールが施され、その結晶性が向上される。（図３（Ｂ））
【００５１】
作製された結晶性珪素膜３０３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。
【００５２】
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３０３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３０３をエッチングして、島状領域３０５を形成する。この島状領域３０５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。
【００５３】
次に、ゲイト絶縁膜３０６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。（図３（Ｃ））
【００５４】
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３０７を形成する。（図３（Ｃ））
【００５５】
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。
【００５６】
このリンイオンの注入は、ゲイト電極３０７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。
【００５７】
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３１０と、Ｎ型の不純物領域であるソース領域３０８、さらにドレイン領域３０９が形成される。
【００５８】
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で酸素プラズマを形成させて、酸素プラズマ雰囲気中でレーザーアニールを行う。（図３（Ｅ））
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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３（Ｅ））
【００６２】
次に層間絶縁膜３１１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。
【００６３】
さらに層間絶縁膜３１１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３１２とドレイン電極３１３を形成する。
【００６４】
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３（Ｆ）に示す薄膜トランジスタを完成させる。
【００６５】
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。（図３（Ｆ））
【００６６】
〔比較例〕
ここでは、実施例１に示すような酸素プラズマ雰囲気中での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と、他の条件により得られた結晶性珪素膜との膜質を比較を示す。
【００６７】
まず、酸素プラズマ雰囲気中ではなく、他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。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。
【００６８】
なお雰囲気は大気圧とし、雰囲気以外の条件は実施例１と同じものとする。また上記比較条件においては、高周波放電は行わずにレーザーアニールを行った。
【００６９】
空気雰囲気中で作製された結晶性珪素膜は、酸素プラズマ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。
【００７０】
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。
【００７１】
酸素：窒素＝２０％：８０％雰囲気では、空気雰囲気中に比較して、移動度は向上するものの、結晶性の低い領域が点在するのとなってしまう。
【００７２】
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。
【００７３】
また酸素プラズマ雰囲気中および酸素／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。
【００７４】
特に酸素プラズマ雰囲気を利用したものは、他の比較例に比べて膜質が高く、また工程の再現性も高いものとすることができる。
【００７５】
〔実施例３〕
本実施例は、実施例１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。
【００７６】
図４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４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４におけるＡ−Ａ’断面を示す図が図１に相当する。
【００７７】
図４に示す装置は、ロード／アンロード室４０６とレーザー照射室１０１と予備加熱室４０８と徐冷室４１０とが、基板搬送室４０２を介して接続された構成となっている。
【００７８】
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４０１、４１１、４０９、４０１によって基板搬送室４０２と連結されている。
【００７９】
図４に示す装置において、４０６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４０６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。
【００８０】
カセット毎搬入された基板は、基板搬送室４０２内に配置されたロボットアーム４０５により、一枚づつアライメント室４０３に移送される。
【００８１】
アライメント室４０３には、被処理基板４０４とロボットアーム４０５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４０３は、ロード／アンロード室４０６とゲイトバルブ４０７を介して接続されている。
【００８２】
アライメント室４０３において位置調整がなされた基板４０４は、ロボットアーム４０５によって予備加熱室４０８に移送される。移送後はゲイトバルブ４０９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。
【００８３】
予備加熱室４０８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。
【００８４】
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。
【００８５】
予備加熱室４０８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。
【００８６】
また予備加熱室４０８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４０８と、基板搬送室４０２とは、ゲイトバルブ４０９によって連結されている。
【００８７】
予備加熱室４０８において、所定の時間予熱された基板は、ロボットアーム４０５によって基板搬送室４０２に引き戻され、アライメント室４０３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４０５によって、レーザー照射室１０１に移送される。
【００８８】
レーザー照射終了後、被処理基板４０４はロボットアーム４０５によって基板搬送室４０２に引き出され、徐冷室４１０に移送される。
【００８９】
徐冷室４１０は、ゲイトバルブ４１１を介して、基板搬送室４０２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て、徐々に冷却される。
【００９０】
徐冷室４１０で徐冷された被処理基板は、ロボットアーム４０５によって、ロード／アンロード室４０６に移送され、カセット４１２に収納される。
【００９１】
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。
【００９２】
〔実施例４〕
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１と同様に、図１に示すレーザー照射装置を用いる。
【００９３】
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。
【００９４】
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１）内に配置する。
【００９５】
基板が置かれたレーザー照射室１０１に対して、気体供給部１１０から酸素を導入して照射室内の圧力を０．０２〜０．０３Ｔｏｒｒに保つ。そして一対の電極１０９に、高周波電源１１３から高周波エネルギー（13.56 ＭＨｚ）を４００Ｗの出力で印加する。なお基板に加熱温度は４５０℃とする。
【００９６】
すると、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。
【００９７】
同時に、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、この酸化膜中に残存した有機物が取り込まれる。
【００９８】
酸素プラズマを発生させた状態で、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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
このようにして、酸素プラスマ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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
〔実施例５〕
本実施例は、実施例１に示す装置とは異なる電極の配置をした構成に関する。図５に本実施例の構成を示す。また、図６に図５の上面図を示す。なお図５及び図６において、図１および図２と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【０１０４】
図５、６に示すように、本実施例においては一対の電極が基板に平行になるように配置されている。即ち、一対の電極の一方５０１は、被処理基板３０１の上方に存在し、他方の対向電極５０２は基板の下方に位置している。
【０１０５】
ミラー１０３で反射されたレーザー光は、電極５０１に設けられたスリットを介して照射される。なお、動作の方法については、実施例１に示したものと同じである。
【０１０６】
〔実施例６〕
本実施例は、実施例１に示す構成をさらに改良し、レーザーアニールが施される被照射面に対して効果的に酸素プラズマを供給する構成に関する。
【０１０７】
図７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８には図７の上面図を示す。図７、図８において、図１および図２と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【０１０８】
本実施例で示すプラズマを発生するための一対の電極７０１は、線状レーザー光に対して平行、かつ線状レーザー光が電極間を通過するように設けられている。この構成により酸素プラズマは、被処理基板上のレーザー光照射位置７０２の近傍にのみ形成される。
【０１０９】
この場合、一対の電極７０１の間隔と台１０６の移動速度で、被処理基板がプラズマに曝される時間を制御できる。
【０１１０】
このような構成とした場合、レーザー処理の最中において、同時にチャンバー内の洗浄を行うという効果は低いものとなる。しかし、レーザー光が照射される領域およびその近傍において効果的に酸素プラズマを発生させることができるので、被照射面の有機物を除去するという効果は最大限得ることができる。
【０１１１】
〔実施例７〕
これまでの実施例においては、レーザー光の照射を、被処理基板が酸素プラズマに曝されている状態で行った例を示した。他方、被処理基板を酸素プラズマに曝す工程を実施したあとにレーザー光の照射を行ってもよい。
【０１１２】
例えば、レーザー照射室において、まず被処理基板を酸素プラズマに十分に曝す。その後、プラズマの発生を停止し、レーザーアニールを行う。
【０１１３】
この場合、被処理面に有機物が付着しないような清浄な雰囲気または高真空な雰囲気を維持する必要がある。
【０１１４】
また、プラズマ処理室を設けて、この中で被処理基板を所定の時間酸素プラスマに曝し、その後、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てレーザー照射を行ってもよい。
【０１１５】
酸素プラズマに曝す工程を、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、清浄な浄囲気を維持する機能が必要となる。
【０１１６】
例えば、プラズマ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。
【０１１７】
この場合、レーザー照射時の雰囲気を水素または水素を含有した雰囲気とすると、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℃程度に加熱することが重要となる。
【０１１８】
〔実施例８〕
本実施例では、被処理基板の被照射部を酸素プラズマに曝し、その後にレーザー光の照射を行う構成を示す。
【０１１９】
図９に本実施例で示す装置の断面図を示す。また図１０に上面図を示す。図９、図１０において、図１および図２と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【０１２０】
図９、図１０に示すように、一対の電極９０１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、一対の電極９０１間を通過した領域にレーザー光が照射される構成となっている。
【０１２１】
このような構成とすると、まず一対の電極９０１間で生じるプラズマに曝された領域に対して、その後にレーザー光が照射されるものとすることができる。
【０１２２】
この場合、一対の電極９０１の間隔と台１０６の移動速度で、被処理基板がプラズマに曝される時間を制御することができる。
【０１２３】
〔実施例９〕
本実施例は、より高い密度で酸素プラズマを発生させる構成に関する。図１１に本実施例で示すレーザー照射装置の断面図を示す。また図１２にその上面図を示す。なお図１および図２と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【０１２４】
本実施例においては、１１０１〜１１０４で示される４つの電極によって、処理室１０１内に高密度プラズマを生成させる構成となっている。
【０１２５】
本実施例においては、高周波発振器１１３から供給される高周波電力が、位相制御回路１１０５〜１１０８を通過することによって、それぞれその位相が制御される。そして、各電極から個々に位相が制御された高周波電力が処理室１０１内にそれぞれの電極から供給される。
【０１２６】
例えば、処理室１０１内においてリサージュ波形が描かれるように各電極に供給される高周波電力の位相を制御することで、生成される酸素プラズマの密度を高めることができる。
【０１２７】
〔実施例１０〕
本実施例は、実施例１に示す構成において、レーザー処理室１０１内の雰囲気を酸素と水素との混合雰囲気とすることを特徴とする。
【０１２８】
酸素プラズマと水素プラズマとは、それぞれ有機物に対する除去作用を有している。２つのプラズマ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。
【０１２９】
従って、酸素と水素の混合雰囲気においてプラズマを生成させることにより、珪素膜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。
【０１３０】
また、レーザー光の照射の際に３００℃〜６００℃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得るとともに、水素プラズ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という顕著な効果を有している。
【０１３１】
また本実施例においては、酸素のプラズマも生成されるので、レーザー光の照射時に酸化膜が保護膜として形成されるという効果も同時に得ることができる。
【０１３２】
なお、酸素と水素の他に適当な希釈ガス、例えばヘリウム等を加えてもよい。また酸素と水素の混合比は、必要とする効果が得られるように適時設定すればよい。
【０１３３】
【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において、酸素プラズマおよび／または水素プラズマによって被処理面の有機物を除去することにより、レーザー光の照射による効果を高めることができる。
【０１３４】
具体的には、不純物が膜中に混入することを防ぐことができ、得られる膜質の向上、工程の再現性の向上、といった効果を得ることができる。
【０１３５】
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図２】 図１の上面図。
【図３】 実施例の作製工程を示す図。
【図４】 実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。
【図５】 レーザー照射装置の例の横断面図。
【図６】 図５の上面図。
【図７】 レーザー照射装置の例の横断面図。
【図８】 図７の上面図。
【図９】 レーザー照射装置の例の横断面図。
【図１０】図９の上面図。
【図１１】レーザー照射装置の例の横断面図。
【図１２】図１１の上面図。
【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 一対の電極
１１０ 気体供給部
１１１ ステージ
１１２ 光学系
１１３ 高周波発振器
３０１ 基板
３０２ 酸化珪素膜（下地膜）
３０３ 結晶化珪素膜
３０４ 酸化珪素膜
３０５ 島状領域
３０６ ゲイト絶縁膜
３０７ ゲイト電極
３０８ ソース
３０９ ドレイン
３１０ チャネル形成領域
３１１ 層間絶縁膜
３１２ ソース電極・配線
３１３ ドレイン電極・配線
３２０ 酸素プラズマ
４０１ ゲイトバルブ
４０２ 基板搬送室
４０３ アライメント室
４０４ 基板
４０５ ロボットアーム
４０６ ロード／アンロード室
４０７ ゲイトバルブ
４０８ 予備加熱室
４０９ ゲイトバルブ
４１０ 徐冷室
４１１ ゲイトバルブ
４１２ カセット
５０１ 電極
５０２ 電極
７０１ 一対の電極
７０２ レーザー光照射位置
９０１ 一対の電極
９０２ レーザー光照射位置
１１０１〜１１０４ 電極
１１０５〜１１０８ 位相制御回路
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、被処理基体をアニールするためのレーザー照射を行なう方法および装置に関する。また、レーザー照射による半導体膜の結晶化または結晶化の助長を行う方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、珪素膜等の半導体膜にレーザ光を照射して、結晶化や結晶化を助長する技術が知られている。
【０００３】
例えば、ガラス基板上にプラズマＣＶＤ法等で非晶質や結晶性の珪素膜を成膜し、それに対してレーザー光を照射することにより、結晶性珪素膜に変成する技術が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体膜表面に、何らかの理由で有機物が付着した状態でレーザーアニールが行われると、有機物またはそれを構成する成分が膜中に混入してしまい、膜質が低下してしまう。
【０００５】
半導体膜は、極微量な不純物の混入で、その特性が大きく変化する。従って、有機物が付着した状態でレーザーアニールを行うと、有機物が付着していた領域の結晶性が低下したり、所望の膜特性が得られなかったり、膜面内において特性が不均一となるなどの問題が生じる。
【０００６】
この問題に対し、レーザーアニール前に種々の洗浄工程を行うことが実施されている。しかし、洗浄によっては充分な効果を得ることができないのが現状である。
【０００７】
本明細書で開示する発明は、半導体膜に対するレーザー光の照射による結晶化やアニールの工程において、半導体膜の表面に付着している有機物の影響を排除することを課題とする。
【０００８】
具体的には、レーザー光の照射により半導体膜を結晶性珪素膜に変成する工程において、半導体膜の表面に付着している有機物の影響によって、得られる膜の結晶性が阻害されたり、効果の再現性が阻害されたりすることを防ぐことを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明は、
半導体膜の表面をプラズマによって処理させながらレーザー光の照射によるアニールを行うことを特徴とする。
【００１０】
他の発明の構成は、
半導体膜の表面を酸素プラズマによって処理するとともに前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することによりアニールを行うことを特徴とする。
【００１１】
他の発明の構成は、
半導体膜の表面を水素プラズマによって処理するとともに前記半導体膜の表面にレーザー光を照射することによりアニールを行うことを特徴とする。
【００１２】
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。
【００１３】
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。またプラズマを発生させる手段としては、なるべく高密度プラズマが生成できる手段が好ましい。
【００１４】
【作用】
レーザー光の照射による珪素膜の表面に対するアニールの際に雰囲気を酸素プラズマとすることにより、
・珪素膜表面における有機物の除去
・珪素膜の表面に酸化膜が形成されることによる表面の荒れの防止
といった効果を得ることができる。
【００１５】
また、レーザー光の照射による珪素膜の表面に対するアニールの際に雰囲気を水素プラズマとすることにより、
・珪素膜表面における有機物の除去
・加熱処理を併用することで水素による珪素膜に対する欠陥補償や不対結合手の補償
といった効果を得ることができる。
【００１６】
さらに酸素と水素との混合雰囲気とすることで、上記の作用による相乗効果を得ることができる。
【００１７】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例では、レーザー光の照射を酸素プラズマ雰囲気中で照射することができるレーザー照射装置について示す。
【００１８】
図１に本実施例で示す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２に示す。図１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ができる構成となっている。
【００１９】
レーザー光は発振器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３０１に照射される。
【００２０】
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。
【００２１】
被処理基板３０１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℃）に保たれる。
【００２２】
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３０１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。
【００２３】
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。
【００２４】
またレーザー照射室１０１は、一対の電極１０９と気体供給部１１０を備えている。本実施例においては、一対の電極１０９はレーザー照射室１０１の側壁に沿って、基板を挟むように置かれている。一対の電極１０９は高周波電源１１３に接続されており、電極間にプラズマを発生可能としている。
【００２５】
高周波電源１１３は、13.56 ＭＨｚの周波数の高周波を発振させる。高周波のパワーとしては２００Ｗ〜２ｋＷ程度の範囲から選択すればよい。
【００２６】
レーザー照射室１０１は、ゲイトバルブ４０１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４０１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。
【００２７】
図１及び図２に示す装置は、雰囲気を酸素または酸素を含有した減圧雰囲気とした状態で一対の電極１０９からの高周波放電によって酸素プラズマ雰囲気を形成し、この雰囲気の中で基板３０１上の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。
【００２８】
このような構成においては、酸素プラズマの作用によって半導体膜上の有機物が酸化除去され、膜中に有機物が混入することを防ぐことができる。
【００２９】
〔実施例２〕
本実施例は、実施例１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。
【００３０】
図３に、実施例の作製工程を示す。まず、被処理基板３０１として１２７ｍｍ角のコーニング１７３７ガラス基板を用意する。
【００３１】
そして基板３０１上に下地膜としての酸化珪素膜３０２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。
【００３２】
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。
【００３３】
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３（Ａ））へと変成される。
【００３４】
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。
【００３５】
このようにして結晶性珪素膜３０３が得られる。次に得られた結晶性珪素膜３０３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。
【００３６】
レーザーアニールは図１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、雰囲気を純酸素１００％（極力純度の高いものが好ましい）または適当な酸素濃度の雰囲気とし、その圧力は０．０２〜０．０３Ｔｏｒｒとする。
【００３７】
そして一対の電極１０９に、高周波電源１１３により高周波エネルギーを印加する。ここでは１３．５６ＭＨｚの高周波が４００Ｗの出力で印加される。そして、一対の電極１０９間には酸素プラスマが形成される。
【００３８】
また被処理基板３０１は、４５０℃の温度に加熱される。この状態において、非晶質珪素膜３０３の表面は、酸素プラズマ３２０に曝される。そして有機物が酸化除去される。また酸素プラズマの作用によって、その表面には極薄い酸化珪素膜３０４が形成される。この酸化珪素膜３０４の膜厚は１０〜１００Å程度である。この酸化珪素膜３０４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。
【００３９】
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。
【００４０】
このレーザー光の照射は、図１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。
【００４１】
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。
【００４２】
上記の工程においては、酸素プラズマの作用によって、結晶性珪素膜の表面に付着していた有機物を除去した状態でレーザー光の照射を行うことができる。
【００４３】
即ち、結晶性珪素膜に付着していた有機物は酸素プラズマの衝撃により分離され、揮発性酸化物となって除去された状態でレーザー光の照射を行うことができる。
【００４４】
図１または図３（Ｂ）に示す一対の電極１０９は、レーザー照射室１０１の内壁側面に沿って、側壁とほぼ同じ大きさで設けられている。
【００４５】
そしてこの一対の電極１０９により、レーザー照射室１０１内部全体にプラズマが形成される。従って、レーザー光の照射によって被処理基板から飛翔した有機物がレーザー照射室１０１の内壁や窓１０４の内側に付着しても、この付着物は酸素プラズマによってレーザーアニール工程中に除去される。すなわちレーザーアニールと同時にレーザー照射室１０１内のクリーニングが同時に行われる。
【００４６】
また酸化珪素膜３０４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、酸素プラズマ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。
【００４７】
またこの酸化珪素膜３０４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。
【００４８】
また、酸素プラズマ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。
【００４９】
レーザーアニールの終了後は、結晶性珪素膜３０３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３０３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。
【００５０】
このようにして結晶性珪素膜３０３に対し、レーザーアニールが施され、その結晶性が向上される。（図３（Ｂ））
【００５１】
作製された結晶性珪素膜３０３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。
【００５２】
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３０３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３０３をエッチングして、島状領域３０５を形成する。この島状領域３０５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。
【００５３】
次に、ゲイト絶縁膜３０６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。（図３（Ｃ））
【００５４】
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３０７を形成する。（図３（Ｃ））
【００５５】
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。
【００５６】
このリンイオンの注入は、ゲイト電極３０７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。
【００５７】
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３１０と、Ｎ型の不純物領域であるソース領域３０８、さらにドレイン領域３０９が形成される。
【００５８】
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で酸素プラズマを形成させて、酸素プラズマ雰囲気中でレーザーアニールを行う。（図３（Ｅ））
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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３（Ｅ））
【００６２】
次に層間絶縁膜３１１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。
【００６３】
さらに層間絶縁膜３１１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３１２とドレイン電極３１３を形成する。
【００６４】
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３（Ｆ）に示す薄膜トランジスタを完成させる。
【００６５】
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。（図３（Ｆ））
【００６６】
〔比較例〕
ここでは、実施例１に示すような酸素プラズマ雰囲気中での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と、他の条件により得られた結晶性珪素膜との膜質を比較を示す。
【００６７】
まず、酸素プラズマ雰囲気中ではなく、他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。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。
【００６８】
なお雰囲気は大気圧とし、雰囲気以外の条件は実施例１と同じものとする。また上記比較条件においては、高周波放電は行わずにレーザーアニールを行った。
【００６９】
空気雰囲気中で作製された結晶性珪素膜は、酸素プラズマ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。
【００７０】
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。
【００７１】
酸素：窒素＝２０％：８０％雰囲気では、空気雰囲気中に比較して、移動度は向上するものの、結晶性の低い領域が点在するのとなってしまう。
【００７２】
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。
【００７３】
また酸素プラズマ雰囲気中および酸素／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。
【００７４】
特に酸素プラズマ雰囲気を利用したものは、他の比較例に比べて膜質が高く、また工程の再現性も高いものとすることができる。
【００７５】
〔実施例３〕
本実施例は、実施例１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。
【００７６】
図４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４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４におけるＡ−Ａ’断面を示す図が図１に相当する。
【００７７】
図４に示す装置は、ロード／アンロード室４０６とレーザー照射室１０１と予備加熱室４０８と徐冷室４１０とが、基板搬送室４０２を介して接続された構成となっている。
【００７８】
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４０１、４１１、４０９、４０１によって基板搬送室４０２と連結されている。
【００７９】
図４に示す装置において、４０６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４０６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。
【００８０】
カセット毎搬入された基板は、基板搬送室４０２内に配置されたロボットアーム４０５により、一枚づつアライメント室４０３に移送される。
【００８１】
アライメント室４０３には、被処理基板４０４とロボットアーム４０５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４０３は、ロード／アンロード室４０６とゲイトバルブ４０７を介して接続されている。
【００８２】
アライメント室４０３において位置調整がなされた基板４０４は、ロボットアーム４０５によって予備加熱室４０８に移送される。移送後はゲイトバルブ４０９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。
【００８３】
予備加熱室４０８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。
【００８４】
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。
【００８５】
予備加熱室４０８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。
【００８６】
また予備加熱室４０８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４０８と、基板搬送室４０２とは、ゲイトバルブ４０９によって連結されている。
【００８７】
予備加熱室４０８において、所定の時間予熱された基板は、ロボットアーム４０５によって基板搬送室４０２に引き戻され、アライメント室４０３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４０５によって、レーザー照射室１０１に移送される。
【００８８】
レーザー照射終了後、被処理基板４０４はロボットアーム４０５によって基板搬送室４０２に引き出され、徐冷室４１０に移送される。
【００８９】
徐冷室４１０は、ゲイトバルブ４１１を介して、基板搬送室４０２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て、徐々に冷却される。
【００９０】
徐冷室４１０で徐冷された被処理基板は、ロボットアーム４０５によって、ロード／アンロード室４０６に移送され、カセット４１２に収納される。
【００９１】
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。
【００９２】
〔実施例４〕
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１と同様に、図１に示すレーザー照射装置を用いる。
【００９３】
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。
【００９４】
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１）内に配置する。
【００９５】
基板が置かれたレーザー照射室１０１に対して、気体供給部１１０から酸素を導入して照射室内の圧力を０．０２〜０．０３Ｔｏｒｒに保つ。そして一対の電極１０９に、高周波電源１１３から高周波エネルギー（13.56 ＭＨｚ）を４００Ｗの出力で印加する。なお基板に加熱温度は４５０℃とする。
【００９６】
すると、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。
【００９７】
同時に、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、この酸化膜中に残存した有機物が取り込まれる。
【００９８】
酸素プラズマを発生させた状態で、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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
このようにして、酸素プラスマ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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
〔実施例５〕
本実施例は、実施例１に示す装置とは異なる電極の配置をした構成に関する。図５に本実施例の構成を示す。また、図６に図５の上面図を示す。なお図５及び図６において、図１および図２と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【０１０４】
図５、６に示すように、本実施例においては一対の電極が基板に平行になるように配置されている。即ち、一対の電極の一方５０１は、被処理基板３０１の上方に存在し、他方の対向電極５０２は基板の下方に位置している。
【０１０５】
ミラー１０３で反射されたレーザー光は、電極５０１に設けられたスリットを介して照射される。なお、動作の方法については、実施例１に示したものと同じである。
【０１０６】
〔実施例６〕
本実施例は、実施例１に示す構成をさらに改良し、レーザーアニールが施される被照射面に対して効果的に酸素プラズマを供給する構成に関する。
【０１０７】
図７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８には図７の上面図を示す。図７、図８において、図１および図２と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【０１０８】
本実施例で示すプラズマを発生するための一対の電極７０１は、線状レーザー光に対して平行、かつ線状レーザー光が電極間を通過するように設けられている。この構成により酸素プラズマは、被処理基板上のレーザー光照射位置７０２の近傍にのみ形成される。
【０１０９】
この場合、一対の電極７０１の間隔と台１０６の移動速度で、被処理基板がプラズマに曝される時間を制御できる。
【０１１０】
このような構成とした場合、レーザー処理の最中において、同時にチャンバー内の洗浄を行うという効果は低いものとなる。しかし、レーザー光が照射される領域およびその近傍において効果的に酸素プラズマを発生させることができるので、被照射面の有機物を除去するという効果は最大限得ることができる。
【０１１１】
〔実施例７〕
これまでの実施例においては、レーザー光の照射を、被処理基板が酸素プラズマに曝されている状態で行った例を示した。他方、被処理基板を酸素プラズマに曝す工程を実施したあとにレーザー光の照射を行ってもよい。
【０１１２】
例えば、レーザー照射室において、まず被処理基板を酸素プラズマに十分に曝す。その後、プラズマの発生を停止し、レーザーアニールを行う。
【０１１３】
この場合、被処理面に有機物が付着しないような清浄な雰囲気または高真空な雰囲気を維持する必要がある。
【０１１４】
また、プラズマ処理室を設けて、この中で被処理基板を所定の時間酸素プラスマに曝し、その後、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てレーザー照射を行ってもよい。
【０１１５】
酸素プラズマに曝す工程を、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、清浄な浄囲気を維持する機能が必要となる。
【０１１６】
例えば、プラズマ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。
【０１１７】
この場合、レーザー照射時の雰囲気を水素または水素を含有した雰囲気とすると、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℃程度に加熱することが重要となる。
【０１１８】
〔実施例８〕
本実施例では、被処理基板の被照射部を酸素プラズマに曝し、その後にレーザー光の照射を行う構成を示す。
【０１１９】
図９に本実施例で示す装置の断面図を示す。また図１０に上面図を示す。図９、図１０において、図１および図２と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【０１２０】
図９、図１０に示すように、一対の電極９０１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、一対の電極９０１間を通過した領域にレーザー光が照射される構成となっている。
【０１２１】
このような構成とすると、まず一対の電極９０１間で生じるプラズマに曝された領域に対して、その後にレーザー光が照射されるものとすることができる。
【０１２２】
この場合、一対の電極９０１の間隔と台１０６の移動速度で、被処理基板がプラズマに曝される時間を制御することができる。
【０１２３】
〔実施例９〕
本実施例は、より高い密度で酸素プラズマを発生させる構成に関する。図１１に本実施例で示すレーザー照射装置の断面図を示す。また図１２にその上面図を示す。なお図１および図２と同一部分を表示する場合には同符号を用いている。
【０１２４】
本実施例においては、１１０１〜１１０４で示される４つの電極によって、処理室１０１内に高密度プラズマを生成させる構成となっている。
【０１２５】
本実施例においては、高周波発振器１１３から供給される高周波電力が、位相制御回路１１０５〜１１０８を通過することによって、それぞれその位相が制御される。そして、各電極から個々に位相が制御された高周波電力が処理室１０１内にそれぞれの電極から供給される。
【０１２６】
例えば、処理室１０１内においてリサージュ波形が描かれるように各電極に供給される高周波電力の位相を制御することで、生成される酸素プラズマの密度を高めることができる。
【０１２７】
〔実施例１０〕
本実施例は、実施例１に示す構成において、レーザー処理室１０１内の雰囲気を酸素と水素との混合雰囲気とすることを特徴とする。
【０１２８】
酸素プラズマと水素プラズマとは、それぞれ有機物に対する除去作用を有している。２つのプラズマ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。
【０１２９】
従って、酸素と水素の混合雰囲気においてプラズマを生成させることにより、珪素膜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。
【０１３０】
また、レーザー光の照射の際に３００℃〜６００℃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得るとともに、水素プラズ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という顕著な効果を有している。
【０１３１】
また本実施例においては、酸素のプラズマも生成されるので、レーザー光の照射時に酸化膜が保護膜として形成されるという効果も同時に得ることができる。
【０１３２】
なお、酸素と水素の他に適当な希釈ガス、例えばヘリウム等を加えてもよい。また酸素と水素の混合比は、必要とする効果が得られるように適時設定すればよい。
【０１３３】
【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において、酸素プラズマおよび／または水素プラズマによって被処理面の有機物を除去することにより、レーザー光の照射による効果を高めることができる。
【０１３４】
具体的には、不純物が膜中に混入することを防ぐことができ、得られる膜質の向上、工程の再現性の向上、といった効果を得ることができる。
【０１３５】
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図２】 図１の上面図。
【図３】 実施例の作製工程を示す図。
【図４】 実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。
【図５】 レーザー照射装置の例の横断面図。
【図６】 図５の上面図。
【図７】 レーザー照射装置の例の横断面図。
【図８】 図７の上面図。
【図９】 レーザー照射装置の例の横断面図。
【図１０】図９の上面図。
【図１１】レーザー照射装置の例の横断面図。
【図１２】図１１の上面図。
【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 一対の電極
１１０ 気体供給部
１１１ ステージ
１１２ 光学系
１１３ 高周波発振器
３０１ 基板
３０２ 酸化珪素膜（下地膜）
３０３ 結晶化珪素膜
３０４ 酸化珪素膜
３０５ 島状領域
３０６ ゲイト絶縁膜
３０７ ゲイト電極
３０８ ソース
３０９ ドレイン
３１０ チャネル形成領域
３１１ 層間絶縁膜
３１２ ソース電極・配線
３１３ ドレイン電極・配線
３２０ 酸素プラズマ
４０１ ゲイトバルブ
４０２ 基板搬送室
４０３ アライメント室
４０４ 基板
４０５ ロボットアーム
４０６ ロード／アンロード室
４０７ ゲイトバルブ
４０８ 予備加熱室
４０９ ゲイトバルブ
４１０ 徐冷室
４１１ ゲイトバルブ
４１２ カセット
５０１ 電極
５０２ 電極
７０１ 一対の電極
７０２ レーザー光照射位置
９０１ 一対の電極
９０２ レーザー光照射位置
１１０１〜１１０４ 電極
１１０５〜１１０８ 位相制御回路
Claims (13)
- 非晶質珪素膜の表面に酸素プラズマ処理をすると同時に前記非晶質珪素膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。
- 非晶質珪素膜の表面に酸素プラズマ処理をすると同時に前記非晶質珪素膜の表面にレーザー光を照射し、
前記酸素プラズマ処理によって前記非晶質珪素膜の表面に付着する有機物が除去され、同時に前記非晶質珪素膜上に酸化膜が形成されることを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。 - 酸素プラズマ中において非晶質珪素膜の表面に酸化膜を形成し、同時に前記非晶質珪素膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。
- 請求項２又は３において、前記レーザー光の照射後に前記酸化膜を除去することを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。
- 非晶質珪素膜の表面に酸素プラズマ処理と水素プラズマ処理をすると同時に前記非晶質珪素膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。
- 非晶質珪素膜の表面に酸素プラズマ処理と水素プラズマ処理をすると同時に前記非晶質珪素膜の表面にレーザー光を照射し、
前記水素プラズマ処理によって前記非晶質珪素膜の表面に付着する有機物が除去され、同時に前記非晶質珪素膜の欠陥や不対結合手が補償されることを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。 - 酸素と水素を含有する雰囲気のプラズマ中において、加熱しながら非晶質珪素膜の表面にレーザー光を照射することにより、前記非晶質珪素膜の表面に酸素プラズマ処理と水素プラズマ処理をするのと同時に前記レーザー光を照射することを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。
- 酸素と水素を含有する雰囲気のプラズマ中において、加熱しながら非晶質珪素膜の表面にレーザー光を照射することにより、前記非晶質珪素膜の表面に酸素プラズマ処理と水素プラズマ処理をするのと同時に前記レーザー光を照射し、
前記水素プラズマ処理によって前記非晶質珪素膜の表面に付着する有機物が除去されることを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。 - 酸素と水素を含有する雰囲気のプラズマ中において、加熱しながら非晶質珪素膜の表面にレーザー光を照射することにより、前記非晶質珪素膜の表面に酸素プラズマ処理と水素プラズマ処理をするのと同時に前記レーザー光を照射し、
前記水素プラズマ処理によって前記非晶質珪素膜の表面に付着する有機物が除去され、
前記酸素プラズマ処理によって前記非晶質珪素膜の表面に付着する有機物が除去され、同時に前記非晶質珪素膜上に酸化膜が形成されることを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。 - 請求項１乃至９のいずれか一において、前記プラズマは電磁エネルギーによって生成されたものであることを特徴とする結晶性珪素膜作製方法。
- 非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射する手段と、プラズマを発生させる手段と、を有した減圧可能な処理室を有し、
前記プラズマを発生させる手段により酸素を含有した雰囲気においてプラズマが発生され、前記非晶質珪素膜の表面を処理するとともに前記レーザー光を照射する手段により前記非晶質珪素膜の表面にレーザー光が照射されることを特徴とするレーザー照射装置。 - 非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射する手段と、プラズマを発生させる手段と、を有した減圧可能な処理室を有し、
前記プラズマを発生させる手段により酸素及び水素を含有した雰囲気においてプラズマが発生され、前記非晶質珪素膜の表面を処理するとともに前記非晶質珪素膜を３００℃から６００℃に加熱しながら前記レーザー光を照射する手段により前記非晶質珪素膜の表面にレーザー光が照射されることを特徴とするレーザー照射装置。 - 請求項１１または１２において、前記プラズマは電磁エネルギーによって発生させることを特徴とするレーザー照射装置。
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