JPWO2006098513A1 - Heat treatment method and semiconductor crystallization method - Google Patents

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俊之 鮫島
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Abstract

本発明は、半導体材料の結晶成長方向や結晶粒界形成の制御を正確に行い、トランジスタ内の欠陥密度を均一にし、閾値、移動度、リーク電流等の特性のばらつきを軽減すること目的としている。この目的を達成するため、加熱処理をする半導体材料に伝熱層と発熱体としてのカーボン層を積層し、カーボン層にレーザ照射または電圧印加を行って、カーボン層を発熱させ、伝熱層を介して半導体材料を加熱するようにした。An object of the present invention is to accurately control the crystal growth direction and grain boundary formation of a semiconductor material, to uniform the defect density in the transistor, and to reduce variations in characteristics such as threshold value, mobility, and leakage current. . In order to achieve this purpose, a heat transfer layer and a carbon layer as a heating element are laminated on a semiconductor material to be heat-treated, and laser irradiation or voltage application is performed on the carbon layer to generate heat, and the heat transfer layer is formed. The semiconductor material was heated through the gap.

Description

本発明は、被処理材料を熱処理する方法に関し、特に、半導体材料またはデバイスなどを短時間に効率よく熱処理する方法とその熱処理によって半導体を結晶化する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for heat-treating a material to be processed, and more particularly to a method for efficiently heat-treating a semiconductor material or device in a short time and a method for crystallizing a semiconductor by the heat treatment.

電子デバイスを構成する素子として単結晶シリコンを用いたバイポーラおよびＭＯＳ型トランジスタ、さらには、多結晶シリコン薄膜トランジスタが広く用いられている。トランジスタ作製は結晶性半導体上に形成されるので、結晶性半導体の形成は極めて重要である。
特に、絶縁体および絶縁膜層上に形成される薄膜トランジスタにとって結晶化技術は重要である。従来の薄膜結晶化技術として、電気炉を用いて６００〜１０００℃の高温で２〜２０時間加熱する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
あるいは、パルスレーザを用いて薄膜を短時間溶融して固化結晶化する技術、および半導体表面のリッジの形成を抑制しながらレーザアニ−ルを行う技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら上述の結晶化技術は、大面積にわたって良質の多結晶シリコン膜の形成を実現するが、結晶成長方向および結晶粒界形成のコントロールが困難であった。それゆえ、トランジスタ内の欠陥密度にばらつきが生じ、しきい値、移動度、リーク電流等トランジスタ特性のばらつきを生じる欠点があった。さらには、特許文献１記載の技術では高温長時間の加熱を必要とし、エネルギー消費が大きいという問題もあった。
特開２００４−２２２４３号公報 特開２００４−３１１６１５号公報 Bipolar and MOS transistors using single crystal silicon as elements constituting electronic devices, and polycrystalline silicon thin film transistors are widely used. Since transistor fabrication is formed on a crystalline semiconductor, the formation of the crystalline semiconductor is extremely important.
In particular, a crystallization technique is important for a thin film transistor formed on an insulator and an insulating film layer. As a conventional thin film crystallization technique, a method of heating at a high temperature of 600 to 1000 ° C. for 2 to 20 hours using an electric furnace is known (for example, see Patent Document 1).
Alternatively, a technique for melting and solidifying a thin film for a short time using a pulse laser and a technique for performing laser annealing while suppressing formation of a ridge on a semiconductor surface are known (for example, see Patent Document 2). .
However, although the above-described crystallization technique realizes the formation of a high-quality polycrystalline silicon film over a large area, it is difficult to control the crystal growth direction and the formation of crystal grain boundaries. Therefore, there is a defect that the defect density in the transistor varies, resulting in variations in transistor characteristics such as threshold value, mobility, and leakage current. Furthermore, the technique described in Patent Document 1 requires heating at a high temperature for a long time, resulting in a problem of high energy consumption.
JP 2004-22243 A JP 2004-311615 A

本発明の目的は、かかる問題を解決し、被処理材料の微小部分を瞬間的に効率よく熱処理する方法、特に、良好な特性のトランジスタ等電子デバイス作製を可能にする瞬間的熱処理の方法および装置を提供することである。特に、従来の技術ではごく限られた領域に加熱を限定し、局所的に加熱処理を行うことは困難であったが、本発明の目的は、かかる問題を解決するものである。
上記の目的を達成するために、請求の範囲１に記載の本発明は、カーボン層またはカーボンを含む層を薄膜発熱体として用い、該薄膜発熱体を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して被処理材料に重ねて形成し、前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的なエネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により被処理材料である半導体材料をその表面側から加熱処理することを特徴とするものである。
また、請求の範囲２に記載の発明は、さらに、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層において１０−１０ｃｍ２から１０−２ｃｍ２までの領域にパルス幅１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のエネルギーを与えることにより短時間に限定された領域を加熱処理することを特徴とするものである。
請求の範囲３の発明では、さらに、１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅を有し、かつ波長０．２μｍ以上２０μｍ以下の電磁波を薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層に照射し、当該層に電磁波を吸収させて電磁波のエネルギーを熱エネルギーに変換し、発熱させることを特徴とするものである。
また、請求の範囲４に記載の発明では、パルス幅１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス電流を薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層に流すことにより当該層に発生するジュール熱を用いて加熱することを特徴としている。
特に針状の電極を発熱層であるカーボン層もしくはカーボンを含む層に接触させることにより、針状の電極から供給される電流によるジュール熱を用いて針状電極接触部分のみの局所的加熱を可能にする。
さらに請求の範囲５に記載の発明では、カーボン層もしくはカーボンを含む層を薄膜発熱体として、直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体材料に重ねて形成し、該薄膜発熱体である前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的なエネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により前記非晶質半導体材料をその表面側から加熱処理する熱処理方法を特徴とするものである。
さらに、請求の範囲６に記載の発明では、カーボン層もしくはカーボンを含む層を薄膜発熱体として、直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して不純物を含む非晶質半導体材料に重ねて形成し、該薄膜発熱体である前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的なエネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により前記不純物を含む非晶質半導体材料の不純物を活性化させ、前記半導体層を導電体にすることを特徴とする。
また、請求の範囲７記載の発明は、被加熱処理材料として複数の層構造を含む半導体素子を用い、半導体素子を加熱し、半導体素子の電気的特性を改善することを特徴とするものである。
さらに、請求の範囲８記載の発明は、カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体上に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的に、すなわちトランジスタとしての機能を有する部分に局所的にパルス的エネルギーを与えて当該層を発熱させ、この発熱した熱により上記非晶質半導体を加熱処理することを特徴とする半導体の結晶化方法である。
さらに、請求の範囲９に記載の発明では、上記非晶質半導体について不純物を含むものとして限定したものである。
本発明の熱処理方法を用いることにより、結晶性半導体薄膜の形成を行うことができる。被処理材料として非晶質半導体を用い、本発明の熱処理方法により加熱処理を行うことにより当該非晶質半導体は熱により溶融結晶化させることができる。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve such a problem and to instantaneously and efficiently heat a minute portion of a material to be processed, and more particularly to a method and apparatus for instantaneous heat treatment that enables fabrication of electronic devices such as transistors having good characteristics. Is to provide. In particular, in the conventional technique, it has been difficult to limit the heating to a very limited region and perform the heat treatment locally, but the object of the present invention is to solve such a problem.
In order to achieve the above object, the present invention described in claim 1 uses a carbon layer or a layer containing carbon as a thin film heating element, and the thin film heating element is used directly or 10 nm to 100 μm in thickness. Is formed on the material to be treated through heating, locally heated by applying pulse energy to the carbon layer or the layer containing carbon, and the semiconductor material as the material to be treated is transferred from the surface side by heat transfer. It is characterized by heat treatment.
The invention described in claim 2 further has a pulse width of 10 −7 s or more and 10 −10 s in a region from 10 −10 cm 2 to 10 −2 cm 2 in a carbon layer or a layer containing carbon that is a thin film heating element. it is characterized in that the heat-treating region defined in a short time by providing the following energy -2 s.
In the invention of claim 3, a carbon layer or a layer containing carbon that has a pulse width of 10 −7 s or more and 10 −2 s or less and has an electromagnetic wave with a wavelength of 0.2 μm or more and 20 μm or less as a thin film heating element , And the layer absorbs the electromagnetic wave, converts the energy of the electromagnetic wave into heat energy, and generates heat.
Further, in the invention described in claim 4, a Joule generated in the layer by flowing a pulse current having a pulse width of 10 −7 s or more and 10 −2 s or less to a carbon layer or a layer containing carbon as a thin film heating element. It is characterized by heating using heat.
In particular, by bringing the needle-shaped electrode into contact with the carbon layer or carbon-containing layer that is the heat generation layer, only the needle-shaped electrode contact portion can be locally heated using Joule heat generated by the current supplied from the needle-shaped electrode. To.
Furthermore, in the invention described in claim 5, a carbon layer or a layer containing carbon is formed as a thin film heating element directly or overlaid on an amorphous semiconductor material via a heat transfer layer having a thickness of 10 nm to 100 μm, Characterized by a heat treatment method in which the carbon layer or the layer containing carbon that is a thin film heating element is locally heated by applying pulsed energy, and the amorphous semiconductor material is heat-treated from the surface side by heat transfer. To do.
Furthermore, in the invention described in claim 6, the carbon layer or the layer containing carbon is used as a thin film heating element and is superimposed on the amorphous semiconductor material containing impurities directly or via a heat transfer layer having a thickness of 10 nm to 100 μm. Forming and locally heating the thin film heating element by applying pulsed energy to the carbon layer or the carbon-containing layer, and activating the impurities of the amorphous semiconductor material containing the impurities by heat transfer. The semiconductor layer is a conductor.
The invention described in claim 7 is characterized in that a semiconductor element including a plurality of layer structures is used as a material to be heated, and the semiconductor element is heated to improve the electrical characteristics of the semiconductor element. .
Furthermore, in the invention described in claim 8, the carbon layer or the carbon-containing layer is formed on the amorphous semiconductor directly or via a heat transfer layer having a thickness of 10 nm to 100 μm, and the carbon layer or the carbon-containing layer is formed. The semiconductor is characterized in that the layer is heated locally by applying pulse energy locally to a portion having a function as a transistor, and the amorphous semiconductor is heated by the generated heat. It is a crystallization method.
Furthermore, in the invention described in claim 9, the amorphous semiconductor is limited as containing an impurity.
By using the heat treatment method of the present invention, a crystalline semiconductor thin film can be formed. By using an amorphous semiconductor as a material to be processed and performing heat treatment by the heat treatment method of the present invention, the amorphous semiconductor can be melted and crystallized by heat.

図１は、本発明の熱処理方法において、被処理材料を熱処理する方法の説明図である。
図２は、本発明の熱処理をパルスレーザにより行う場合の説明図である。
図３は、黒色体であるカーボン膜の光反射率の周波数特性を示すグラフである。
図４は、本発明の熱処理をエキシマレーザ照射により加熱処理を行う説明図である。
図５は、本発明を使用しない場合のエキシマレーザ照射による加熱処理を行う説明図である。
図６は、レーザ照射の加熱によって結晶化が促進された結果を示すグラフである。
図７は、パルス電流により発生するジュール熱により行う加熱を行う場合の説明図である。
図８は、ジュール熱により局所加熱を行う方法の説明図である。
図９は、本発明を用いる前処理で、イオン注入を説明する図である。
図１０は、イオン注入の後、被処理材料層に伝熱層とカーボン層を堆積させたことを示す図である。
図１１は、本発明の光照射よる熱処理で、不純物を活性化させる方法の説明図である。
図１２は、本発明のジュール熱による熱処理で、不純物を活性化させる方法の概念図である。
図１３は、本発明の熱処理法による層構造である絶縁膜と半導体界面の特性改質の対象とした被処理材料を示す図である。
図１４は、図１３で示す被処理材料の上にカーボン層を作製したことを示す図である。
図１５は、図１４で示す被処理材料を熱処理した後、カーボン層を除去した形態を示す図である。
図１６は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法による光照射による加熱処理を施す説明図である。
図１７は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法によるジュール熱による加熱処理を施す説明図である。
図１８は、ジュール熱による加熱後のシリコンの結晶化の度合いを示すグラフである。FIG. 1 is an explanatory diagram of a method for heat treating a material to be treated in the heat treatment method of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram when the heat treatment of the present invention is performed by a pulse laser.
FIG. 3 is a graph showing frequency characteristics of light reflectance of a carbon film that is a black body.
FIG. 4 is an explanatory view of performing heat treatment of the heat treatment of the present invention by excimer laser irradiation.
FIG. 5 is an explanatory diagram for performing heat treatment by excimer laser irradiation when the present invention is not used.
FIG. 6 is a graph showing a result of promoting crystallization by heating with laser irradiation.
FIG. 7 is an explanatory diagram when heating is performed by Joule heat generated by a pulse current.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a method of performing local heating by Joule heat.
FIG. 9 is a diagram for explaining ion implantation in the pretreatment using the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing that a heat transfer layer and a carbon layer are deposited on the material layer to be processed after ion implantation.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a method for activating impurities by the heat treatment by light irradiation according to the present invention.
FIG. 12 is a conceptual diagram of a method for activating impurities by heat treatment using Joule heat according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a material to be processed which is a target of property modification between an insulating film and a semiconductor interface having a layer structure by the heat treatment method of the present invention.
FIG. 14 is a view showing that a carbon layer is formed on the material to be processed shown in FIG.
FIG. 15 is a view showing a form in which the carbon layer is removed after the material to be treated shown in FIG. 14 is heat-treated.
FIG. 16 is an explanatory view of manufacturing a thin film transistor as a semiconductor element including a layer structure, and then performing heat treatment by light irradiation according to the method of the present invention.
FIG. 17 is an explanatory diagram in which a thin film transistor is manufactured as a semiconductor element including a layer structure, and then heat treatment by Joule heat according to the method of the present invention is performed.
FIG. 18 is a graph showing the degree of crystallization of silicon after heating by Joule heat.

符号の説明Explanation of symbols

００１・・・ガラス基板
００２・・・被処理材料層（酸化膜、半導体層）
００３・・・伝熱層
００４・・・薄膜発熱体（カーボン層）
００５・・・レーザ光
００６・・・電極
００７・・・電極
００８・・・電圧印加手段
００９・・・ゲート絶縁膜
０１１・・・半導体膜
０１２・・・格子欠陥
０１３・・・ゲート電極
０１４・・・ソース領域
０１５・・・ドレイン領域
０１６・・・ソース電極
０１７・・・ドレイン電極
０１８・・・パッシベーション層001 ... Glass substrate 002 ... Processed material layer (oxide film, semiconductor layer)
003 ... Heat transfer layer 004 ... Thin film heating element (carbon layer)
005 ... Laser beam 006 ... Electrode 007 ... Electrode 008 ... Voltage applying means 009 ... Gate insulating film 011 ... Semiconductor film 012 ... Lattice defect 013 ... Gate electrode 014 ..Source region 015 ... Drain region 016 ... Source electrode 017 ... Drain electrode 018 ... Passivation layer

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の熱処理方法の概念図である。動作原理は、基板００１として例えばガラス基板を用い、その上に被処理材料層００２を形成する。被処理材料層としては例えばシリコンが挙げられる。そしてその上に伝熱層００３を形成する。伝熱層材料としてはＳｉＯ２が例示できる。このＳｉＯ２の伝熱層上に薄膜発熱体００４としてカーボン膜もしくはカーボンを含む膜を形成する。そして、薄膜発熱体であるカーボン膜もしくはカーボンを含む膜００４にパルスエネルギーを局所的に与え、発熱させる。発熱した熱で被処理材料００２を加熱するものである。
発熱体００４と被処理材料００２とを伝熱層００３で隔てることは、加熱用薄膜発熱体００４のカーボン等の汚染等の影響が被処理材料００２に及ぶのを抑制する上で好ましい。伝熱層００３の厚さは１０ｎｍ以上あればよく、１００μｍ以下であれば熱は速やかに伝熱層００３を伝搬し、被処理材料００２を加熱することができる。この場合は、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層は１００μｍ以下の伝熱層と被加熱材料を合わせて加熱することになる。薄膜発熱体のカーボン層もしくはカーボンを含む層の厚みが厚いと、カーボン層もしくはカーボンを含む層自身を高温に加熱するための熱量が必要となり、被加熱材料を加熱するのに要する総熱量が増え、加熱効率が悪くなる。したがって、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層の厚さは、加熱効果を十分発揮するためには１００μｍ程度以下が好ましい。
図２は、本発明の熱処理をパルスレーザ光により行う場合の説明図である。１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅のレーザ光００５を発熱層００４に照射する。レーザ光００５を発熱層００４に照射することにより、発熱層００４はレーザ光を吸収し、熱エネルギーに変換される。発生した熱は伝熱層００３を介し、被処理材料００２に伝熱される。このとき照射光の面積を１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２に限定すれば、小さいパルス光のエネルギーで加熱処理を行うことができる。
薄膜発熱体であるカーボンまたはカーボンを含む層からなるカーボン層は図３に示すように光反射率を、レーザ光の波長が０．２μｍ以上２０μｍの広範囲で極めて低く且つ不透明の黒色体に形成することが可能である。従ってレーザ光の波長が０．２μｍ以上２０μｍの広範囲の光を効率よく吸収することができる。
また、エネルギー供給のための光として単一波長のレーザ光のみならず、波長０．２μｍ以上２０μｍの広範囲の光を効率よく用いることができる。例えばキセノンランプを用いることができる。
上記の処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
図４は、パルスレーザ光をもちいた本発明の熱処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用した実施例である。試料はガラス基板００１上に被処理材料としての２５ｎｍのアモルファスシリコン膜００２を形成し、その上に伝熱層として５ｎｍのＳｉＯ２膜００３を形成し、その上に１００ｎｍ厚のカーボン層００４をスパッタで形成した。比較のために、図５にシリコン膜のみの試料で作成した例を示す。これらの試料に波長３０８ｎｍパルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザ００５を照射した。レーザを照射した後、図４に示す試料については、カーボン膜００４、ＳｉＯ２膜００３を除去してシリコン表面の結晶化率を分光測定法により評価した。
図６は、カーボン層にレーザを照射した場合とシリコン膜に直接レーザ照射した場合の、シリコン膜の結晶化率のレーザエネルギー依存性を示す図である。図６から、カーボン層にレーザを照射した場合は、シリコン膜に直接レーザ照射した場合に比べて高い結晶化率が得られ、また、２００ｍＪ／ｃｍ２の小さいエネルギーで結晶化率０．８を得ることができたことがわかる。レーザ波長３０８ｎｍにおけるカーボンの光反射率は１５％とシリコン膜の光反射率５５％に比べて小さく、カーボン膜００４はレーザ光を効率よく吸収し、下層のシリコン膜をより高温に加熱したことが、シリコン膜が高い結晶化率を示していることからも理解できる。
図７は、本発明の熱処理をパルス電流により発生するジュール熱により行う場合の説明図である。基板００１として例えばガラス基板を用い、その上に被処理材料層００２を形成する。被熱処理材料層としては例えばシリコンが挙げられる。そしてその上に伝熱層００３を形成する。伝熱層材料としてはＳｉＯ２が例示できる。その上に薄膜発熱体００４としてカーボン膜もしくはカーボンを含む膜を形成する。電流を供給するため、電極００６と電極００７を形成する。電極００６と００７はそれぞれ抵抗値が十分低い材料ならよく、金属が適している。
上記の構造を有する試料の電極００６と００７間に１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅の電圧を印加する。電圧を印加することにより発熱層００４に電流が流れジュール熱が発生する。発生した熱は伝熱層００３を介し、被処理材料層００２に伝熱される。電極間に電流が流れる実効的面積を１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下にすれば少ない電力で効率的にジュール熱加熱を行うことができる。
上記のような処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
図８は、図７の方法を応用した加熱法の一例であり、局所的加熱を行うに好適な例である。基板００１としてガラス基板を用い、その上に形成した被処理材料層００２であるシリコン膜上に伝熱層００３としてＳｉＯ２膜を形成し、その上に薄膜発熱層００４としてカーボン膜もしくはカーボンを含む膜を形成する。電流を供給するため、電極００６と００７を形成する。電極００６を非常に小さい面積にすることにより電極００６付近は電流の密度が非常に大きくなる。したがって、大きなジュール熱密度が発生し、比較的少ない投入エネルギーで効率的な加熱が可能となる。
この、ジュール加熱を用いてシリコン膜を結晶化した例を示す。被処理材料００２のシリコン膜として２５ｎｍ厚非晶質アモルファスシリコン膜をガラス基板００１上に形成した。その上に５ｎｍのＳｉＯ２伝熱層００３形成した。電極００６と００７として直径１００μｍの金属プローブを用い、カーボン膜００４に接触させた。電極間の抵抗は６００Ωであった。電極００６と００７間に１２０Ｖの電圧を２ｍｓ印加した。電圧印加後、プローブ電極下のシリコン膜は約１００μｍ径の範囲で結晶化した。
この結果を図１８に示す。図１８には、結晶化した部分と、初期膜のラマン散乱スペクトルが示されている。すなわち、ジュール熱を加えて結晶化した部分は、５１６ｃｍ−１に非常に強い結晶シリコンのＴＯフォノンピークが観測され、初期膜に見られる低波数域のブロードなピークは、結晶化後は非常に小さくなったことがわかる。この結果はカーボン膜を用いたジュール熱加熱によりシリコン膜が良好に結晶化したことを示しているものである。
なお、図８では電極００６の形状を円状にしてあるが、形状は円形に限定されず、適宜変更することができる。電極接触面積を１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下にすれば大きな電力を投入することなく電極の下部領域の局所的加熱処理を達成できる。
また図８では電極００７の形状を長方形でかつ電極００６よりも大きな面積を有するように表されているが、必要に応じて、両方の電極の形状を、例えば電極００６のように非常に小さい面積、例えば１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下とすることは可能である。
上記のような構造を有する試料の電極００６と００７間に１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅の電圧を印加する。電圧を印加することにより発熱層００４に電流が流れジュール熱が発生する。発生した熱は伝熱層００３を介し、被処理材料層００２に伝熱される。
上記の処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
本発明の熱処理方法は、結晶化のみでなく、また不純物の活性化にも用いることができる。図９は、本加熱の熱処理方法による不純物活性化の概念図である。まず、図９に示すように、基板００１のガラス基板上に半導体膜０１１を形成する。半導体膜０１１形成後、イオン注入法で不純物を注入する。
次に、図１０に示すように、不純物が注入された半導体膜０１１上に伝熱層００３を、さらに伝熱層００３の上に発熱層００４としてカーボン層もしくはカーボンを含む層を形成する。エネルギー照射に光を使用する場合、図１１に示すようにパルス光を照射して００４を発熱させ、０１１を加熱処理し不純物活性化処理を行う。
熱処理にパルス電流によるジュール加熱を使用する場合、図１２に示すように図８−ｂの発熱層００４上に電流を供給するための電極００６、００７を形成し、パルス電流を流し加熱処理を行い、不純物活性化処理を行う。
本発明の熱処理方法を用いれば、層構造をなす絶縁膜と半導体界面の特性改質を実現することができる。例えば、図１３は、その方法の概念図である。図１３に示すように、基板０１１である半導体表面に被処理材料層である酸化膜００２を形成すると界面に格子欠陥０１２が発生する。この欠陥を低減するために、酸化膜００２の上に、図１４に示すように、カーボン層の薄膜発熱体を重ねて本発明の熱処理方法により高温例えば１０００度、短時間例えば１０μｓの熱処理を行う。これにより、図１５に示すように、半導体界面および酸化膜中の欠陥０１２が低減し、良好な電気的特性を持つ界面を得ることができる。なお、図１５においては、熱処理した後、カーボン層を除去したものを示してある。
さらに、結晶性半導体膜を用いた場合、本発明の熱処理方法により、欠陥の低減、半導体／絶縁体界面の改質を実現できる。さらに、本発明の熱処理方法は、半導体基体上に形成されたＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、レーザダイオードなどの熱処理による特性向上にも有効である。
さらに、本発明の熱処理方法を用いれば、被加熱処理材料として複数の層構造を含む半導体素子を加熱し、半導体素子の電気的特性を改善することが可能である。図１６は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法による光照射により加熱処理を施す概念図である。基板００１上に半導体層００２を形成し、その上にゲート絶縁膜００９を形成し、ゲート電極０１３を形成後、イオン注入方等でソース領域０１４とドレイン領域０１５に不純物を注入する。さらに、ソース電極０１６とドレイン電極０１７を形成する。パッシベーション層０１８を形成後、発熱層００４としてカーボン層もしくはカーボンを含む層を形成し、本発明の熱処理方法を行う。なお、００４に流れる電流により発生するジュール熱を用いて加熱処理を行う場合は、図１７のように電極００６、００７を形成して加熱処理を行う。
本発明の熱処理方法によれば、結晶性半導体薄膜を形成することができる。そして、この結晶性半導体薄膜を、チャネル層に用いて結晶性薄膜トランジスタを作製できる。この結晶性薄膜トランジスタ作製法を一部あるいは全部用いて複数個の薄膜トランジスタを搭載した電子デバイスを形成できる。
本発明の熱処理方法を用いて不純物を含んだ半導体層を加熱し、当該不純物を活性化して、ｎ型あるいはｐ型半導体層を形成することができる。ｎ型半導体の一部にホールキャリヤを生成する不純物を混入させたり、ｐ型半導体の一部にエレクトロンキャリヤを生成する不純物を混入させたりすれば、本発明の熱処理方法を用いて不純物を含んだ該半導体層を加熱することにより半導体ｐｎ接合を形成することができる。
さらに、本発明の熱処理方法を用いて絶縁膜を熱処理することにより、該絶縁膜を改質することができる。
改質した絶縁膜を用いて基体表面を良質の絶縁膜で保護することができる。改質した絶縁膜を用いて電界効果型トランジスタを作製することができる。また改質した絶縁膜を用いて半導体表面保護絶縁膜を作製することができる。本発明の熱処理方法を用いて絶縁膜／半導体界面を熱処理することにより、該界面特性を改善することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram of the heat treatment method of the present invention. As an operation principle, for example, a glass substrate is used as the substrate 001, and a processing material layer 002 is formed thereon. Examples of the material layer to be processed include silicon. A heat transfer layer 003 is formed thereon. An example of the heat transfer layer material is SiO2. A carbon film or a film containing carbon is formed as the thin film heating element 004 on the heat transfer layer of SiO2. Then, pulse energy is locally applied to the carbon film or carbon-containing film 004 that is a thin film heating element to generate heat. The material to be processed 002 is heated with the generated heat.
Separating the heating element 004 and the material to be processed 002 with the heat transfer layer 003 is preferable in order to suppress the influence of contamination of the heating thin film heating element 004 such as carbon on the material to be processed 002. The thickness of the heat transfer layer 003 may be 10 nm or more, and if it is 100 μm or less, heat can quickly propagate through the heat transfer layer 003 and heat the material to be processed 002. In this case, the carbon layer or the carbon-containing layer as the thin film heating element is heated by combining the heat transfer layer of 100 μm or less and the material to be heated. If the thickness of the carbon layer or carbon-containing layer of the thin film heating element is large, the amount of heat required to heat the carbon layer or carbon-containing layer itself to a high temperature is required, and the total amount of heat required to heat the heated material increases. , Heating efficiency deteriorates. Therefore, the thickness of the carbon layer or the layer containing carbon that is the thin film heating element is preferably about 100 μm or less in order to sufficiently exhibit the heating effect.
FIG. 2 is an explanatory diagram when the heat treatment of the present invention is performed by pulsed laser light. The heat generation layer 004 is irradiated with laser light 005 having a pulse width of 10 −7 s to 10 −2 s. By irradiating the heat generating layer 004 with the laser light 005, the heat generating layer 004 absorbs the laser light and is converted into thermal energy. The generated heat is transferred to the material to be processed 002 through the heat transfer layer 003. At this time, if the area of the irradiation light is limited to 10 −10 cm 2 or more and 10 −2 cm 2 , the heat treatment can be performed with the energy of small pulsed light.
As shown in FIG. 3, a carbon layer made of carbon or a layer containing carbon, which is a thin film heating element, is formed into a very low and opaque black body with a wide range of laser light wavelength of 0.2 μm to 20 μm. It is possible. Accordingly, it is possible to efficiently absorb a wide range of light with a laser light wavelength of 0.2 μm to 20 μm.
Moreover, not only a single wavelength laser beam but also a wide range of light having a wavelength of 0.2 μm or more and 20 μm can be efficiently used as light for energy supply. For example, a xenon lamp can be used.
The above treatment can be applied to heat crystallization of a silicon film.
FIG. 4 shows an embodiment in which the heat treatment of the present invention using pulsed laser light is applied to heat crystallization of a silicon film. As a sample, a 25 nm amorphous silicon film 002 as a material to be processed is formed on a glass substrate 001, a 5 nm SiO2 film 003 is formed thereon as a heat transfer layer, and a 100 nm thick carbon layer 004 is formed thereon by sputtering. Formed. For comparison, FIG. 5 shows an example in which a sample made of only a silicon film is used. These samples were irradiated with a XeCl excimer laser 005 having a wavelength of 308 nm and a pulse width of 30 ns. After the laser irradiation, for the sample shown in FIG. 4, the carbon film 004 and the SiO 2 film 003 were removed, and the crystallization rate on the silicon surface was evaluated by spectroscopic measurement.
FIG. 6 is a diagram showing the laser energy dependence of the crystallization rate of the silicon film when the carbon layer is irradiated with laser and when the silicon film is directly irradiated with laser. 6, when irradiated with a laser to the carbon layer, a high crystallization rate as compared with the case of directly laser irradiation to the silicon film can be obtained and the crystallization ratio 0.8 with a small energy of 200 mJ / cm 2 You can see that I was able to get it. The light reflectance of carbon at a laser wavelength of 308 nm is 15%, which is smaller than the light reflectance of 55% of the silicon film. The carbon film 004 efficiently absorbs the laser light and the underlying silicon film is heated to a higher temperature. It can also be understood from the fact that the silicon film shows a high crystallization rate.
FIG. 7 is an explanatory diagram when the heat treatment of the present invention is performed by Joule heat generated by a pulse current. For example, a glass substrate is used as the substrate 001, and a processing material layer 002 is formed thereon. An example of the heat-treated material layer is silicon. A heat transfer layer 003 is formed thereon. An example of the heat transfer layer material is SiO2. A carbon film or a film containing carbon is formed thereon as the thin film heating element 004. In order to supply current, an electrode 006 and an electrode 007 are formed. The electrodes 006 and 007 may be any material having a sufficiently low resistance value, and metal is suitable.
A voltage having a pulse width of 10 −7 s to 10 −2 s is applied between the electrodes 006 and 007 of the sample having the above structure. By applying a voltage, current flows in the heat generating layer 004 and Joule heat is generated. The generated heat is transferred to the material layer 002 through the heat transfer layer 003. If the effective area where current flows between the electrodes is 10 −10 cm 2 or more and 10 −2 cm 2 or less, Joule heating can be performed efficiently with a small amount of electric power.
The above treatment can be applied to heat crystallization of a silicon film.
FIG. 8 is an example of a heating method applying the method of FIG. 7 and is an example suitable for performing local heating. A glass substrate is used as the substrate 001, a SiO 2 film is formed as the heat transfer layer 003 on the silicon film which is the material layer 002 to be processed thereon, and a carbon film or carbon is included as the thin film heating layer 004 thereon. A film is formed. Electrodes 006 and 007 are formed to supply current. By making the electrode 006 have a very small area, the current density in the vicinity of the electrode 006 becomes very large. Therefore, a large Joule heat density is generated, and efficient heating is possible with relatively little input energy.
An example in which the silicon film is crystallized using Joule heating will be described. A 25 nm thick amorphous amorphous silicon film was formed on the glass substrate 001 as the silicon film of the material to be processed 002. A 5 nm SiO 2 heat transfer layer 003 was formed thereon. A metal probe having a diameter of 100 μm was used as the electrodes 006 and 007 and brought into contact with the carbon film 004. The resistance between the electrodes was 600Ω. A voltage of 120 V was applied between the electrodes 006 and 007 for 2 ms. After voltage application, the silicon film under the probe electrode was crystallized in the range of about 100 μm diameter.
The result is shown in FIG. FIG. 18 shows the crystallized portion and the Raman scattering spectrum of the initial film. That is, in the portion crystallized by applying Joule heat, a very strong TO phonon peak of crystalline silicon is observed at 516 cm −1 , and the broad peak in the low wavenumber region seen in the initial film is very high after crystallization. You can see that it has become smaller. This result shows that the silicon film was well crystallized by Joule heating using a carbon film.
In FIG. 8, the shape of the electrode 006 is circular, but the shape is not limited to a circle and can be changed as appropriate. When the electrode contact area is set to 10 −10 cm 2 or more and 10 −2 cm 2 or less, the local heat treatment of the lower region of the electrode can be achieved without applying large electric power.
Further, in FIG. 8, the shape of the electrode 007 is shown to be rectangular and has a larger area than the electrode 006. However, if necessary, the shape of both electrodes may be reduced to a very small area such as the electrode 006. , for example, it is possible to 10 -10 cm 2 or more 10 -2 cm 2 or less.
A voltage having a pulse width of 10 −7 s to 10 −2 s is applied between the electrodes 006 and 007 of the sample having the above structure. By applying a voltage, current flows in the heat generating layer 004 and Joule heat is generated. The generated heat is transferred to the material layer 002 through the heat transfer layer 003.
The above treatment can be applied to heat crystallization of a silicon film.
The heat treatment method of the present invention can be used not only for crystallization but also for activation of impurities. FIG. 9 is a conceptual diagram of impurity activation by the heat treatment method of the main heating. First, as illustrated in FIG. 9, a semiconductor film 011 is formed over a glass substrate of the substrate 001. After the semiconductor film 011 is formed, impurities are implanted by an ion implantation method.
Next, as shown in FIG. 10, a heat transfer layer 003 is formed over the semiconductor film 011 into which impurities are implanted, and a carbon layer or a layer containing carbon is formed as a heat generation layer 004 over the heat transfer layer 003. When light is used for energy irradiation, as shown in FIG. 11, pulse light is irradiated to generate 004 heat, and 011 is heat-treated to perform impurity activation treatment.
When Joule heating by pulse current is used for heat treatment, electrodes 006 and 007 for supplying current are formed on the heat generating layer 004 of FIG. 8B as shown in FIG. 12, and heat treatment is performed by supplying pulse current. Impurity activation treatment is performed.
By using the heat treatment method of the present invention, it is possible to realize characteristic modification between the insulating film having a layer structure and the semiconductor interface. For example, FIG. 13 is a conceptual diagram of the method. As shown in FIG. 13, when an oxide film 002 that is a material layer to be processed is formed on a semiconductor surface that is a substrate 011, lattice defects 012 are generated at the interface. In order to reduce this defect, as shown in FIG. 14, a thin film heating element of a carbon layer is overlaid on the oxide film 002 and heat treatment is performed at a high temperature, for example, 1000 ° C. for a short time, for example, 10 μs by the heat treatment method of the present invention. . As a result, as shown in FIG. 15, defects 012 in the semiconductor interface and oxide film are reduced, and an interface having good electrical characteristics can be obtained. In FIG. 15, the carbon layer is removed after the heat treatment.
Furthermore, when a crystalline semiconductor film is used, defects can be reduced and the semiconductor / insulator interface can be modified by the heat treatment method of the present invention. Furthermore, the heat treatment method of the present invention is also effective for improving characteristics by heat treatment of MOSFETs, bipolar transistors, laser diodes and the like formed on a semiconductor substrate.
Furthermore, by using the heat treatment method of the present invention, it is possible to heat a semiconductor element including a plurality of layer structures as a material to be heated and improve the electrical characteristics of the semiconductor element. FIG. 16 is a conceptual diagram in which a thin film transistor is manufactured as a semiconductor element including a layer structure, and then heat treatment is performed by light irradiation according to the method of the present invention. A semiconductor layer 002 is formed over the substrate 001, a gate insulating film 009 is formed thereon, a gate electrode 013 is formed, and then impurities are implanted into the source region 014 and the drain region 015 by ion implantation or the like. Further, a source electrode 016 and a drain electrode 017 are formed. After the formation of the passivation layer 018, a carbon layer or a layer containing carbon is formed as the heat generating layer 004, and the heat treatment method of the present invention is performed. Note that in the case where heat treatment is performed using Joule heat generated by current flowing in 004, the heat treatment is performed by forming electrodes 006 and 007 as shown in FIG.
According to the heat treatment method of the present invention, a crystalline semiconductor thin film can be formed. A crystalline thin film transistor can be manufactured using this crystalline semiconductor thin film as a channel layer. An electronic device including a plurality of thin film transistors can be formed by using part or all of this crystalline thin film transistor manufacturing method.
An n-type or p-type semiconductor layer can be formed by heating a semiconductor layer containing an impurity by using the heat treatment method of the present invention and activating the impurity. If impurities that generate hole carriers are mixed in a part of an n-type semiconductor, or impurities that generate electron carriers are mixed in a part of a p-type semiconductor, impurities are included using the heat treatment method of the present invention. A semiconductor pn junction can be formed by heating the semiconductor layer.
Furthermore, the insulating film can be modified by heat-treating the insulating film using the heat treatment method of the present invention.
Using the modified insulating film, the surface of the substrate can be protected with a good quality insulating film. A field effect transistor can be manufactured using the modified insulating film. In addition, a semiconductor surface protective insulating film can be manufactured using the modified insulating film. The interface characteristics can be improved by heat-treating the insulating film / semiconductor interface using the heat treatment method of the present invention.
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the specific structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.

本発明は、半導体材料を熱処理する方法に関し、特に、半導体材料またはデバイスなどを短時間に効率よく熱処理する方法とその熱処理によって半導体を結晶化する方法に関するものである。  The present invention relates to a method for heat-treating a semiconductor material, and more particularly to a method for efficiently heat-treating a semiconductor material or device in a short time and a method for crystallizing a semiconductor by the heat treatment.

電子デバイスを構成する素子として単結晶シリコンを用いたバイポーラおよびＭＯＳ型トランジスタ、さらには、多結晶シリコン薄膜トランジスタが広く用いられている。トランジスタ作製は結晶性半導体上に形成されるので、結晶性半導体の形成は極めて重要である。
特に、絶縁体および絶縁膜層上に形成される薄膜トランジスタにとって結晶化技術は重要である。従来の薄膜結晶化技術として、電気炉を用いて６００〜１０００℃の高温で２〜２０時間加熱する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
あるいは、パルスレーザを用いて薄膜を短時間溶融して固化結晶化する技術、および半導体表面のリッジの形成を抑制しながらレーザアニールを行う技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら上述の結晶化技術は、大面積にわたって良質の多結晶シリコン膜の形成を実現するが、結晶成長方向および結晶粒界形成のコントロールが困難であった。それゆえ、トランジスタ内の欠陥密度にばらつきが生じ、しきい値、移動度、リーク電流等トランジスタ特性のばらつきを生じる欠点があった。さらには、特許文献１記載の技術では高温長時間の加熱を必要とし、エネルギー消費が大きいという問題もあった。
特開２００４−２２２４３号公報 特開２００４−３１１６１５号公報 Bipolar and MOS transistors using single crystal silicon as elements constituting electronic devices, and polycrystalline silicon thin film transistors are widely used. Since transistor fabrication is formed on a crystalline semiconductor, the formation of the crystalline semiconductor is extremely important.
In particular, a crystallization technique is important for a thin film transistor formed on an insulator and an insulating film layer. As a conventional thin film crystallization technique, a method of heating at a high temperature of 600 to 1000 ° C. for 2 to 20 hours using an electric furnace is known (for example, see Patent Document 1).
Alternatively, a technique for melting and solidifying a thin film for a short time using a pulsed laser and a technique for performing laser annealing while suppressing formation of a ridge on a semiconductor surface are known (for example, see Patent Document 2).
However, although the above-described crystallization technique realizes the formation of a high-quality polycrystalline silicon film over a large area, it is difficult to control the crystal growth direction and the formation of crystal grain boundaries. Therefore, there is a defect that the defect density in the transistor varies, resulting in variations in transistor characteristics such as threshold value, mobility, and leakage current. Furthermore, the technique described in Patent Document 1 requires heating at a high temperature for a long time, resulting in a problem of high energy consumption.
JP 2004-22243 A JP 2004-311615 A

本発明の目的は、かかる問題を解決し、半導体材料の微小部分を瞬間的に効率よく熱処理する方法、特に、良好な特性のトランジスタ等電子デバイス作製を可能にする瞬間的熱処理の方法および装置を提供することである。特に、従来の技術ではごく限られた領域に加熱を限定し、局所的に加熱処理を行うことは困難であったが、本発明の目的は、かかる問題を解決するものである。
上記の目的を達成するために、請求の範囲１に記載の本発明は、カーボン層またはカーボンを含む層を薄膜発熱体として用い、該薄膜発熱体を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して半導体材料に重ねて形成し、前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的な光エネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により半導体材料をその表面側から加熱処理することを特徴とするものである。
また、請求の範囲２に記載の発明は、さらに、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層において１０−１０ｃｍ２から１０−２ｃｍ２までの領域にパルス幅１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下の光エネルギーを与えることにより短時間に限定された領域を加熱処理することを特徴とするものである。
請求の範囲３の発明では、さらに、１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅を有し、かつ波長０．２μｍ以上２０μｍ以下の光を薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層に照射し、当該層に光を吸収させて光のエネルギーを熱エネルギーに変換し、発熱させることを特徴とするものである。
さらに請求の範囲５に記載の発明では、カーボン層もしくはカーボンを含む層を薄膜発熱体として、直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体材料に重ねて形成し、該薄膜発熱体である前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的な光エネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により前記非晶質半導体材料をその表面側から加熱処理する熱処理方法を特徴とするものである。
さらに、請求の範囲６に記載の発明では、カーボン層もしくはカーボンを含む層を薄膜発熱体として、直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して不純物を含む非晶質半導体材料に重ねて形成し、該薄膜発熱体である前記カーボン層もしくはカーボンを含む層にパルス的な光エネルギーを与えることにより局所的に加熱し、熱伝達により前記不純物を含む非晶質半導体材料の不純物を活性化させ、前記半導体層を導電体にすることを特徴とする。
また、請求の範囲７記載の発明は、複数の層構造を含む半導体素子を用い、半導体素子を加熱し、半導体素子の電気的特性を改善することを特徴とするものである。
さらに、請求の範囲８記載の発明は、カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体上に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的に、すなわちトランジスタとしての機能を有する部分に局所的にパルス的光エネルギーを与えて当該層を発熱させ、この発熱した熱により上記非晶質半導体を加熱処理することを特徴とする半導体の結晶化方法である。
さらに、請求の範囲９に記載の発明では、上記非晶質半導体について不純物を含むものとして限定したものである。
本発明の熱処理方法を用いることにより、結晶性半導体薄膜の形成を行うことができる。半導体材料として非晶質半導体を用い、本発明の熱処理方法により加熱処理を行うことにより当該非晶質半導体は熱により溶融結晶化させることができる。An object of the present invention is to provide a method for solving such a problem and instantaneously and efficiently heat-treating a minute portion of a semiconductor material, and more particularly, a method and apparatus for instantaneous heat treatment that enables fabrication of an electronic device such as a transistor having good characteristics. Is to provide. In particular, in the conventional technique, it has been difficult to limit the heating to a very limited region and perform the heat treatment locally, but the object of the present invention is to solve such a problem.
In order to achieve the above object, the present invention described in claim 1 uses a carbon layer or a layer containing carbon as a thin film heating element, and the thin film heating element is used directly or 10 nm to 100 μm in thickness. The semiconductor material is overlaid on the carbon layer, heated locally by applying pulsed light energy to the carbon layer or the layer containing carbon, and the semiconductor material is heated from the surface side by heat transfer. It is a feature.
The invention described in claim 2 further has a pulse width of 10 −7 s or more and 10 −10 s in a region from 10 −10 cm 2 to 10 −2 cm 2 in a carbon layer or a layer containing carbon that is a thin film heating element. A region limited to a short time is heated by applying light energy of −2 s or less.
In the invention of claim 3, a carbon layer or a layer containing carbon which has a pulse width of 10 −7 s or more and 10 −2 s or less and which has a wavelength of 0.2 μm or more and 20 μm or less as a thin film heating element , And the layer absorbs light, converts light energy into heat energy, and generates heat.
Furthermore, in the invention described in claim 5, a carbon layer or a layer containing carbon is formed as a thin film heating element directly or overlaid on an amorphous semiconductor material via a heat transfer layer having a thickness of 10 nm to 100 μm, A heat treatment method characterized by locally heating the carbon layer or the layer containing carbon, which is a thin film heating element, by applying pulsed light energy and heat-treating the amorphous semiconductor material from the surface side by heat transfer It is what.
Furthermore, in the invention described in claim 6, the carbon layer or the layer containing carbon is used as a thin film heating element and is superimposed on the amorphous semiconductor material containing impurities directly or via a heat transfer layer having a thickness of 10 nm to 100 μm. Forming and locally heating the thin film heating element by applying pulsed light energy to the carbon layer or carbon-containing layer, and activating the impurities of the amorphous semiconductor material containing the impurity by heat transfer The semiconductor layer is a conductor.
The invention described in claim 7 is characterized in that a semiconductor element including a plurality of layer structures is used, the semiconductor element is heated, and the electrical characteristics of the semiconductor element are improved.
Furthermore, in the invention described in claim 8, the carbon layer or the carbon-containing layer is formed on the amorphous semiconductor directly or via a heat transfer layer having a thickness of 10 nm to 100 μm, and the carbon layer or the carbon-containing layer is formed. The semiconductor is characterized in that the layer is heated locally by applying pulsed light energy locally to the part having a function as a transistor, and the amorphous semiconductor is heated by the generated heat. This is a crystallization method.
Furthermore, in the invention described in claim 9, the amorphous semiconductor is limited as containing an impurity.
By using the heat treatment method of the present invention, a crystalline semiconductor thin film can be formed. By using an amorphous semiconductor as a semiconductor material and performing heat treatment by the heat treatment method of the present invention, the amorphous semiconductor can be melted and crystallized by heat.

図１は、本発明の熱処理方法において、被処理材料を熱処理する方法の説明図である。
図２は、本発明の熱処理をパルスレーザにより行う場合の説明図である。
図３は、黒色体であるカーボン膜の光反射率の周波数特性を示すグラフである。
図４は、本発明の熱処理をエキシマレーザ照射により加熱処理を行う説明図である。
図５は、本発明を使用しない場合のエキシマレーザ照射による加熱処理を行う説明図である。
図６は、レーザ照射の加熱によって結晶化が促進された結果を示すグラフである５
図９は、本発明を用いる前処理で、イオン注入を説明する図である。
図１０は、イオン注入の後、被処理材料層に伝熱層とカーボン層を堆積させたことを示す図である。
図１１は、本発明の光照射よる熱処理で、不純物を活性化させる方法の説明図である。
図１３は、本発明の熱処理法による層構造である絶縁膜と半導体界面の特性改質の対象とした被処理材料を示す図である。
図１４は、図１３で示す被処理材料の上にカーボン層を作製したことを示す図である。
図１５は、図１４で示す被処理材料を熱処理した後、カーボン層を除去した形態を示す図である。
図１６は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法による光照射による加熱処理を施す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a method for heat treating a material to be treated in the heat treatment method of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram when the heat treatment of the present invention is performed by a pulse laser.
FIG. 3 is a graph showing frequency characteristics of light reflectance of a carbon film that is a black body.
FIG. 4 is an explanatory view of performing heat treatment of the heat treatment of the present invention by excimer laser irradiation.
FIG. 5 is an explanatory diagram for performing heat treatment by excimer laser irradiation when the present invention is not used.
FIG. 6 is a graph showing the result of crystallization promoted by heating with laser irradiation.
FIG. 9 is a diagram for explaining ion implantation in the pretreatment using the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing that a heat transfer layer and a carbon layer are deposited on the material layer to be processed after ion implantation.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a method for activating impurities by the heat treatment by light irradiation according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a material to be processed which is a target of property modification between an insulating film and a semiconductor interface having a layer structure by the heat treatment method of the present invention.
FIG. 14 is a view showing that a carbon layer is formed on the material to be processed shown in FIG.
FIG. 15 is a view showing a form in which the carbon layer is removed after the material to be treated shown in FIG. 14 is heat-treated.
FIG. 16 is an explanatory view of manufacturing a thin film transistor as a semiconductor element including a layer structure, and then performing heat treatment by light irradiation according to the method of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

００１・・・ガラス基板
００２・・・被処理材料層（酸化膜、半導体層）
００３・・・伝熱層
００４・・・薄膜発熱体（カーボン層）
００５・・・レーザ光
００９・・・ゲート絶縁膜
０１１・・・半導体膜
０１２・・・格子欠陥
０１３・・・ゲート電極
０１４・・・ソース領域
０１５・・・ドレイン領域
０１６・・・ソース電極
０１７・・・ドレイン電極
０１８・・・パッシベーション層001 ... Glass substrate 002 ... Processed material layer (oxide film, semiconductor layer)
003 ... Heat transfer layer 004 ... Thin film heating element (carbon layer)
005 ... Laser beam 009 ... Gate insulating film 011 ... Semiconductor film 012 ... Lattice defect 013 ... Gate electrode 014 ... Source region 015 ... Drain region 016 ... Source electrode 017 ... Drain electrode 018 ... Passivation layer

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の熱処理方法の概念図である。動作原理は、基板００１として例えばガラス基板を用い、その上に被処理材料層００２を形成する。被処理材料層としては例えばシリコンが挙げられる。そしてその上に伝熱層００３を形成する。伝熱層材料としてはＳｉＯ２が例示できる。このＳｉＯ２の伝熱層上に薄膜発熱体００４としてカーボン膜もしくはカーボンを含む膜を形成する。そして、薄膜発熱体であるカーボン膜もしくはカーボンを含む膜００４にパルスエネルギーを局所的に与え、発熱させる。発熱した熱で被処理材料００２を加熱するものである。
発熱体００４と被処理材料００２とを伝熱層００３で隔てることは、加熱用薄膜発熱体００４のカーボン等の汚染等の影響が被処理材料００２に及ぶのを抑制する上で好ましい。伝熱層００３の厚さは１０ｎｍ以上あればよく、１００μｍ以下であれば熱は速やかに伝熱層００３を伝搬し、被処理材料００２を加熱することができる。この場合は、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層は１００μｍ以下の伝熱層と被加熱材料を合わせて加熱することになる。薄膜発熱体のカーボン層もしくはカーボンを含む層の厚みが厚いと、カーボン層もしくはカーボンを含む層自身を高温に加熱するための熱量が必要となり、被加熱材料を加熱するのに要する総熱量が増え、加熱効率が悪くなる。したがって、薄膜発熱体であるカーボン層もしくはカーボンを含む層の厚さは、加熱効果を十分発揮するためには１００μｍ程度以下が好ましい。
図２は、本発明の熱処理をパルスレーザ光により行う場合の説明図である。１０−７ｓ以上１０−２ｓ以下のパルス幅のレーザ光００５を発熱層００４に照射する。レーザ光００５を発熱層００４に照射することにより、発熱層００４はレーザ光を吸収し、熱エネルギーに変換される。発生した熱は伝熱層００３を介し、被処理材料００２に伝熱される。このとき照射光の面積を１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２に限定すれば、小さいパルス光のエネルギーで加熱処理を行うことができる。
薄膜発熱体であるカーボンまたはカーボンを含む層からなるカーボン層は図３に示すように光反射率を、レーザ光の波長が０．２μｍ以上２０μｍの広範囲で極めて低く且つ不透明の黒色体に形成することが可能である。従ってレーザ光の波長が０．２μｍ以上２０μｍの広範囲の光を効率よく吸収することができる。
また、エネルギー供給のための光として単一波長のレーザ光のみならず、波長０．２μｍ以上２０μｍの広範囲の光を効率よく用いることができる。例えばキセノンランプを用いることができる。
上記の処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
図４は、パルスレーザ光をもちいた本発明の熱処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用した実施例である。試料はガラス基板００１上に被処理材料としての２５ｎｍのアモルファスシリコン膜００２を形成し、その上に伝熱層として５ｎｍのＳｉＯ２膜００３を形成し、その上に１００ｎｍ厚のカーボン層００４をスパッタで形成した。比較のために、図５にシリコン膜のみの試料で作成した例を示す。これらの試料に波長３０８ｎｍパルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザ００５を照射した。レーザを照射した後、図４に示す試料については、カーボン膜００４、ＳｉＯ２膜００３を除去してシリコン表面の結晶化率を分光測定法により評価した。
図６は、カーボン層にレーザを照射した場合とシリコン膜に直接レーザ照射した場合の、シリコン膜の結晶化率のレーザエネルギー依存性を示す図である。図６から、カーボン層にレーザを照射した場合は、シリコン膜に直接レーザ照射した場合に比べて高い結晶化率が得られ、また、２００ｍＪ／ｃｍ２の小さいエネルギーで結晶化率０．８を得ることができたことがわかる。レーザ波長３０８ｎｍにおけるカーボンの光反射率は１５％とシリコン膜の光反射率５５％に比べて小さく、カーボン膜００４はレーザ光を効率よく吸収し、下層のシリコン膜をより高温に加熱したことが、シリコン膜が高い結晶化率を示していることからも理解できる。
上記の処理をシリコン膜の加熱結晶化に適用することができる。
本発明の熱処理方法は、結晶化のみでなく、また不純物の活性化にも用いることができる。図９は、本加熱の熱処理方法による不純物活性化の概念図である。まず、図９に示すように、基板００１のガラス基板上に半導体膜０１１を形成する。半導体膜０１１形成後、イオン注入法で不純物を注入する。
次に、図１０に示すように、不純物が注入された半導体膜０１１上に伝熱層００３を、さらに伝熱層００３の上に発熱層００４としてカーボン層もしくはカーボンを含む層を形成する。エネルギー照射に光を使用する場合、図１１に示すようにパルス光を照射して００４を発熱させ、０１１を加熱処理し不純物活性化処理を行う。
本発明の熱処理方法を用いれば、層構造をなす絶縁膜と半導体界面の特性改質を実現することができる。例えば、図１３は、その方法の概念図である。図１３に示すように、基板０１１である半導体表面に被処理材料層である酸化膜００２を形成すると界面に格子欠陥０１２が発生する。この欠陥を低減するために、酸化膜００２の上に、図１４に示すように、カーボン層の薄膜発熱体を重ねて本発明の熱処理方法により高温例えば１０００度、短時間例えば１０μｓの熱処理を行う。これにより、図１５に示すように、半導体界面および酸化膜中の欠陥０１２が低減し、良好な電気的特性を持つ界面を得ることができる。なお、図１５においては、熱処理した後、カーボン層を除去したものを示してある。
さらに、結晶性半導体膜を用いた場合、本発明の熱処理方法により、欠陥の低減、半導体／絶縁体界面の改質を実現できる。さらに、本発明の熱処理方法は、半導体基体上に形成されたＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、レーザダイオードなどの熱処理による特性向上にも有効である。
さらに、本発明の熱処理方法を用いれば、被加熱処理材料として複数の層構造を含む半導体素子を加熱し、半導体素子の電気的特性を改善することが可能である。図１６は、層構造を含む半導体素子として薄膜トランジスタを作製し、しかる後に本発明の方法による光照射により加熱処理を施す概念図である。基板００１上に半導体層００２を形成し、その上にゲート絶縁膜００９を形成し、ゲート電極０１３を形成後、イオン注入方等でソース領域０１４とドレイン領域０１５に不純物を注入する。さらに、ソース電極０１６とドレイン電極０１７を形成する。パッシベーション層０１８を形成後、発熱層００４としてカーボン層もしくはカーボンを含む層を形成し、本発明の熱処理方法を行う。
本発明の熱処理方法によれば、結晶性半導体薄膜を形成することができる。そして、この結晶性半導体薄膜を、チャネル層に用いて結晶性薄膜トランジスタを作製できる。この結晶性薄膜トランジスタ作製法を一部あるいは全部用いて複数個の薄膜トランジスタを搭載した電子デバイスを形成できる。
本発明の熱処理方法を用いて不純物を含んだ半導体層を加熱し、当該不純物を活性化して、ｎ型あるいはｐ型半導体層を形成することができる。ｎ型半導体の一部にホールキャリヤを生成する不純物を混入させたり、ｐ型半導体の一部にエレクトロンキャリヤを生成する不純物を混入させたりすれば、本発明の熱処理方法を用いて不純物を含んだ該半導体層を加熱することにより半導体ｐｎ接合を形成することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram of the heat treatment method of the present invention. As an operation principle, for example, a glass substrate is used as the substrate 001, and a processing material layer 002 is formed thereon. Examples of the material layer to be processed include silicon. A heat transfer layer 003 is formed thereon. An example of the heat transfer layer material is SiO2. A carbon film or a film containing carbon is formed as the thin film heating element 004 on the heat transfer layer of SiO2. Then, pulse energy is locally applied to the carbon film or carbon-containing film 004 that is a thin film heating element to generate heat. The material to be processed 002 is heated with the generated heat.
Separating the heating element 004 and the material to be processed 002 with the heat transfer layer 003 is preferable in order to suppress the influence of contamination of the heating thin film heating element 004 such as carbon on the material to be processed 002. The thickness of the heat transfer layer 003 may be 10 nm or more, and if it is 100 μm or less, heat can quickly propagate through the heat transfer layer 003 and heat the material to be processed 002. In this case, the carbon layer or the carbon-containing layer as the thin film heating element is heated by combining the heat transfer layer of 100 μm or less and the material to be heated. If the thickness of the carbon layer or carbon-containing layer of the thin film heating element is large, the amount of heat required to heat the carbon layer or carbon-containing layer itself to a high temperature is required, and the total amount of heat required to heat the heated material increases. , Heating efficiency deteriorates. Therefore, the thickness of the carbon layer or the layer containing carbon that is the thin film heating element is preferably about 100 μm or less in order to sufficiently exhibit the heating effect.
FIG. 2 is an explanatory diagram when the heat treatment of the present invention is performed by pulsed laser light. The heat generation layer 004 is irradiated with laser light 005 having a pulse width of 10 −7 s to 10 −2 s. By irradiating the heat generating layer 004 with the laser light 005, the heat generating layer 004 absorbs the laser light and is converted into thermal energy. The generated heat is transferred to the material to be processed 002 through the heat transfer layer 003. At this time, if the area of the irradiation light is limited to 10 −10 cm 2 or more and 10 −2 cm 2 , the heat treatment can be performed with the energy of small pulsed light.
As shown in FIG. 3, a carbon layer made of carbon or a layer containing carbon, which is a thin film heating element, is formed into a very low and opaque black body with a wide range of laser light wavelength of 0.2 μm to 20 μm. It is possible. Accordingly, it is possible to efficiently absorb a wide range of light with a laser light wavelength of 0.2 μm to 20 μm.
Moreover, not only a single wavelength laser beam but also a wide range of light having a wavelength of 0.2 μm or more and 20 μm can be efficiently used as light for energy supply. For example, a xenon lamp can be used.
The above treatment can be applied to heat crystallization of a silicon film.
FIG. 4 shows an embodiment in which the heat treatment of the present invention using pulsed laser light is applied to heat crystallization of a silicon film. As a sample, a 25 nm amorphous silicon film 002 as a material to be processed is formed on a glass substrate 001, a 5 nm SiO2 film 003 is formed thereon as a heat transfer layer, and a 100 nm thick carbon layer 004 is formed thereon by sputtering. Formed. For comparison, FIG. 5 shows an example in which a sample made of only a silicon film is used. These samples were irradiated with a XeCl excimer laser 005 having a wavelength of 308 nm and a pulse width of 30 ns. After the laser irradiation, for the sample shown in FIG. 4, the carbon film 004 and the SiO 2 film 003 were removed, and the crystallization rate on the silicon surface was evaluated by spectroscopic measurement.
FIG. 6 is a diagram showing the laser energy dependence of the crystallization rate of the silicon film when the carbon layer is irradiated with laser and when the silicon film is directly irradiated with laser. As shown in FIG. 6, when the carbon layer is irradiated with laser, a higher crystallization rate is obtained than when the silicon film is directly irradiated with laser, and the crystallization rate is 0.8 with a small energy of 200 mJ / cm 2. You can see that I was able to get it. The light reflectance of carbon at a laser wavelength of 308 nm is 15%, which is smaller than the light reflectance of 55% of the silicon film. The carbon film 004 efficiently absorbs the laser light and the underlying silicon film is heated to a higher temperature. It can also be understood from the fact that the silicon film shows a high crystallization rate.
The above treatment can be applied to heat crystallization of a silicon film.
The heat treatment method of the present invention can be used not only for crystallization but also for activation of impurities. FIG. 9 is a conceptual diagram of impurity activation by the heat treatment method of the main heating. First, as illustrated in FIG. 9, a semiconductor film 011 is formed over a glass substrate of the substrate 001. After the semiconductor film 011 is formed, impurities are implanted by an ion implantation method.
Next, as shown in FIG. 10, a heat transfer layer 003 is formed over the semiconductor film 011 into which impurities are implanted, and a carbon layer or a layer containing carbon is formed as a heat generation layer 004 over the heat transfer layer 003. When light is used for energy irradiation, as shown in FIG. 11, pulse light is irradiated to generate 004 heat, and 011 is heat-treated to perform impurity activation treatment.
By using the heat treatment method of the present invention, it is possible to realize characteristic modification between the insulating film having a layer structure and the semiconductor interface. For example, FIG. 13 is a conceptual diagram of the method. As shown in FIG. 13, when an oxide film 002 that is a material layer to be processed is formed on a semiconductor surface that is a substrate 011, lattice defects 012 are generated at the interface. In order to reduce this defect, as shown in FIG. 14, a thin film heating element of a carbon layer is overlaid on the oxide film 002 and heat treatment is performed at a high temperature, for example, 1000 ° C. for a short time, for example, 10 μs by the heat treatment method of the present invention. . As a result, as shown in FIG. 15, defects 012 in the semiconductor interface and oxide film are reduced, and an interface having good electrical characteristics can be obtained. In FIG. 15, the carbon layer is removed after the heat treatment.
Furthermore, when a crystalline semiconductor film is used, defects can be reduced and the semiconductor / insulator interface can be modified by the heat treatment method of the present invention. Furthermore, the heat treatment method of the present invention is also effective for improving characteristics by heat treatment of MOSFETs, bipolar transistors, laser diodes and the like formed on a semiconductor substrate.
Furthermore, by using the heat treatment method of the present invention, it is possible to heat a semiconductor element including a plurality of layer structures as a material to be heated and improve the electrical characteristics of the semiconductor element. FIG. 16 is a conceptual diagram in which a thin film transistor is manufactured as a semiconductor element including a layer structure, and then heat treatment is performed by light irradiation according to the method of the present invention. A semiconductor layer 002 is formed over the substrate 001, a gate insulating film 009 is formed thereon, a gate electrode 013 is formed, and then impurities are implanted into the source region 014 and the drain region 015 by an ion implantation method or the like. Further, a source electrode 016 and a drain electrode 017 are formed. After the formation of the passivation layer 018, a carbon layer or a layer containing carbon is formed as the heat generating layer 004, and the heat treatment method of the present invention is performed.
According to the heat treatment method of the present invention, a crystalline semiconductor thin film can be formed. A crystalline thin film transistor can be manufactured using this crystalline semiconductor thin film as a channel layer. An electronic device including a plurality of thin film transistors can be formed by using part or all of this crystalline thin film transistor manufacturing method.
An n-type or p-type semiconductor layer can be formed by heating a semiconductor layer containing an impurity by using the heat treatment method of the present invention and activating the impurity. If an impurity that generates hole carriers is mixed in a part of an n-type semiconductor, or an impurity that generates electron carriers is mixed in a part of a p-type semiconductor, the impurity is included by using the heat treatment method of the present invention. A semiconductor pn junction can be formed by heating the semiconductor layer.
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the specific structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.

Claims (9)

カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して被処理材料に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的にパルス的エネルギーを与えて上記カーボン層を発熱させ、この発熱した熱により上記被処理材料を加熱処理することを特徴とする熱処理方法。 A carbon layer or a carbon-containing layer is formed on a material to be treated directly or through a heat transfer layer having a thickness of 10 nm to 100 μm, and pulse energy is locally applied to the carbon layer or the carbon-containing layer to form the carbon layer. And heat-treating the material to be treated with the generated heat. カーボン層もしくはカーボンを含む層にエネルギーを与える一回あたりの面積が１０−１０ｃｍ２以上１０−２ｃｍ２以下であり、一つのパルスエネルギー持続時間が１０−７ｓ以上、１０−２ｓ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の熱処理方法。And the area per one energizing a layer containing a carbon layer or carbon 10 -10 cm 2 or more 10 -2 cm 2 or less, single pulse energy duration 10 -7 s or more, 10 -2 s or less The heat treatment method according to claim 1, wherein: 上記カーボン層もしくはカーボンを含む層にエネルギーを与える手段として、波長０．２μｍ以上２０μｍ以下の電磁波を照射させて、上記カーボン層もしくはカーボンを含む層に吸収させることにより発熱させることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の熱処理方法。 The means for imparting energy to the carbon layer or the carbon-containing layer is characterized in that an electromagnetic wave having a wavelength of 0.2 μm or more and 20 μm or less is irradiated and absorbed by the carbon layer or the carbon-containing layer to generate heat. The heat treatment method according to the first or second item. 上記カーボン層もしくはカーボンを含む層に、導電体を接触させ、パルス電流を流すことにより、当該層にジュール熱を発生させることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の熱処理方法。 The heat treatment according to claim 1 or 2, wherein Joule heat is generated in the layer by bringing a conductor into contact with the carbon layer or the layer containing carbon and passing a pulse current. Method. 上記被処理材料として非晶質半導体を用い、この非晶質半導体を結晶化させることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の熱処理方法。 5. The heat treatment method according to claim 1, wherein an amorphous semiconductor is used as the material to be processed, and the amorphous semiconductor is crystallized. 上記被処理材料は不純物を含む非晶質半導体であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の熱処理方法。 The heat treatment method according to any one of claims 1 to 4, wherein the material to be treated is an amorphous semiconductor containing impurities. 被処理材料として複数の層構造を含む半導体素子を用い、上記半導体素子を加熱し、上記半導体素子の電気的特性を改善することを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の熱処理方法。 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a semiconductor element including a plurality of layer structures is used as a material to be processed, and the semiconductor element is heated to improve electrical characteristics of the semiconductor element. A heat treatment method according to 1. カーボン層またはカーボンを含む層を直接または厚さ１０ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して非晶質半導体上に形成し、上記カーボン層またはカーボンを含む層に局所的にパルス的エネルギーを与えて当該層を発熱させ、この発熱した熱により上記非晶質半導体を加熱処理することを特徴とする半導体の結晶化方法。 A carbon layer or a carbon-containing layer is formed on an amorphous semiconductor directly or via a heat transfer layer having a thickness of 10 nm to 100 μm, and pulse energy is locally applied to the carbon layer or the carbon-containing layer. A method for crystallizing a semiconductor, wherein the layer is heated, and the amorphous semiconductor is heat-treated with the generated heat. 上記非晶質半導体は、不純物を含むものであることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の半導体の結晶化方法。 9. The semiconductor crystallization method according to claim 8, wherein the amorphous semiconductor contains an impurity.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101041139B1 (en) * 2008-11-04 2011-06-13 삼성모바일디스플레이주식회사 Thin Film Transistor, The method for Using The Same and Organic Light Emitting Display Device Comprising the TFT
KR20110097755A (en) 2008-11-28 2011-08-31 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤 Method for producing semiconductor substrate, semiconductor substrate, method for manufacturing electronic device, and reaction apparatus
KR101056427B1 (en) 2009-08-13 2011-08-11 삼성모바일디스플레이주식회사 Manufacturing method of thin film transistor and manufacturing method of organic light emitting display device comprising same
JP5471190B2 (en) * 2009-09-02 2014-04-16 トヨタ自動車株式会社 Semiconductor device, semiconductor module and manufacturing method thereof
KR101905445B1 (en) * 2016-04-27 2018-10-10 한국과학기술원 Method for recovering damage of transistor and display apparatus using the same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61145819A (en) * 1984-12-20 1986-07-03 Sony Corp Heat processing method for semiconductor thin film
JPS63297293A (en) * 1987-05-29 1988-12-05 Hitachi Ltd Method for growing crystal
JPH06140325A (en) * 1992-10-22 1994-05-20 Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd Polycrystalline silicon film and formation method thereof
JP2002057164A (en) * 2000-05-31 2002-02-22 Sony Corp Manufacturing method of semiconductor device
JP2004119406A (en) * 2002-09-20 2004-04-15 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Process for fabricating semiconductor device and method of heat treatment

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6221209A (en) * 1985-07-19 1987-01-29 Nec Corp High-frequency annealing method
JP3181105B2 (en) * 1992-08-25 2001-07-03 ティーディーケイ株式会社 Method for manufacturing thin film transistor
JP2002289520A (en) * 2001-03-23 2002-10-04 Japan Science & Technology Corp Pulse energization thermal treatment method by thin film heat generator and thermal treatment device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61145819A (en) * 1984-12-20 1986-07-03 Sony Corp Heat processing method for semiconductor thin film
JPS63297293A (en) * 1987-05-29 1988-12-05 Hitachi Ltd Method for growing crystal
JPH06140325A (en) * 1992-10-22 1994-05-20 Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd Polycrystalline silicon film and formation method thereof
JP2002057164A (en) * 2000-05-31 2002-02-22 Sony Corp Manufacturing method of semiconductor device
JP2004119406A (en) * 2002-09-20 2004-04-15 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Process for fabricating semiconductor device and method of heat treatment

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