JPH09162124A

JPH09162124A - 半導体処理方法

Info

Publication number: JPH09162124A
Application number: JP34563295A
Authority: JP
Inventors: Naoto Kusumoto; 直人楠本; Toru Takayama; 徹高山; Masahito Yonezawa; 雅人米澤; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-12-09
Filing date: 1995-12-09
Publication date: 1997-06-20
Anticipated expiration: 2015-12-09
Also published as: JP3926862B2

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体膜に対してレーザー処理を施す際の処
理工程に要する時間を短縮する。【構成】ヘリウム雰囲気中に半導体膜を配置して加熱
した後に、前記半導体膜の表面に対してレーザー光を照
射する。ヘリウム雰囲気としては、ヘリウム、またはヘ
リウムと水素、またはヘリウムと酸素、またはヘリウ
ム、水素、酸素の混合気体、またはこれらのプラズマ状
態を用いる。ヘリウムは熱伝導率が高いため、ヘリウム
雰囲気中での基板加熱は、空気等の他の気体の雰囲気よ
り短時間で行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
レーザー光の照射による各種アニールや表面変質を行う
技術（一般にレーザープロセスと称される）に関する。
特にレーザー光の照射による半導体材料に対するアニー
ル技術に関する。例えば、レーザー光の照射によって非
晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変質させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザー光の照射によって半
導体膜、例えば非晶質珪素膜を結晶化させる技術が知ら
れている。また、珪素膜に対する不純物イオンの注入の
後にレーザー光を照射して、不純物イオンの注入によっ
て損傷を受けた結晶構造を修復させたり、注入された不
純物を活性化する技術が知られている。

【０００３】レーザー光の照射によるアニール技術は、
試料全体を高温に加熱することがなく、高いアニール効
果が得られる。従って、近年アクティブマトリクス型の
ＬＣＤ装置を作製するために必要とされるガラス基板上
への薄膜トランジスタの作製プロセスに利用されてい
る。

【０００４】ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製す
る際には、ガラス基板が耐える温度範囲内でアニールを
行う必要がある。レーザー照射によるアニールプロセス
は、被照射面の表面を瞬間的に溶融させることによって
アーニルが行われ、基板への熱ダメージはほとんどない
ものとすることができる。

【０００５】従って、基板としてガラスを用いた場合の
アニール技術としては最適なものの一つとなる。

【０００６】またレーザープロセスの顕著な有意点とし
て、プロセス時間が短いという特徴がある。

【０００７】例えば、１０ｃｍ各のガラス基板上に成膜
された非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させる場合、
６００℃の温度で１２〜２４時間以上必要とされる。
（なおこの場合、ガラス基板への熱ダメージの問題が生
じるがここではそれを無視する）

【０００８】しかし、レーザー光の照射による方法で
は、数分間で非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成するこ
とができる。

【０００９】

【発明が解決しよとする課題】上述のようにレーザー光
の照射によるアニール技術は、プロセスを低温化するこ
とができるという意味で有用である。しかし、本発明者
らの研究によれば、ある程度の加熱を併用しないと、十
分なアニール効果や再現性が得られないことが判明して
いる。

【００１０】このレーザー光の照射の際に必要とされる
加熱の温度は、普通の珪素半導体を利用した半導体装置
の作製プロセスで要求される８００℃〜９００℃以上と
いうような高温ではなく、１００〜５００℃程度で充分
なことが判明している。

【００１１】一般にガラス基板は、６００℃程度まで充
分に耐えることができるので、上記の加熱は特に問題と
なるものではない。

【００１２】ここで問題となるのは、２００℃にしろ３
００℃にしろ、試料（基板）を所定の温度にまで加熱
し、さらの一定の温度に安定するには、数百秒以上（数
分以上）の時間が必要とされるということである。

【００１３】前述したようにレーザー光の照射によるプ
ロセス時間は数分である。従って、加熱時間はそれと同
じ位、またそれ以上の時間がかかるということになる。

【００１４】大量生産を前提としたことを考えると、レ
ーザープロセスにおける分単位のプロセス時間の短縮
は、生産性を数十％の割合で高めることを意味する。

【００１５】従って、上述のレーザープロセスにおける
加熱時間の短縮は、工業的に重要な事項となる。

【００１６】本明細書で開示する発明は、レーザープロ
セスにおける加熱時間を含め、レーザー処理工程を短縮
できる技術を提供することを課題とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の構成は、ヘリウム雰囲気中に半導体膜を配
置して加熱した後に、前記半導体膜の表面に対してレー
ザー光を照射することを特徴とする。

【００１８】ヘリウム雰囲気としては、ヘリウム、また
はヘリウムと水素、またはヘリウムと酸素、またはヘリ
ウム、水素、酸素の混合気体、またはこれらのプラズマ
状態を用いることができる。

【００１９】また、ヘリウム雰囲気で半導体膜を加熱し
た後、窒素等の他の雰囲気で、半導体膜の表面にレーザ
ー照射を行ってもよい。

【００２０】本発明の他の構成は、水素を含有するヘリ
ウム雰囲気中に配置された半導体膜を、所定の温度に加
熱しながら前記半導体膜の表面にレーザー光を照射する
ことを特徴とする。

【００２１】特に水素を含有する雰囲気をフラズマ状態
とすることは好ましい。またヘリウム雰囲気に酸素を含
有させてもよい。

【００２２】本発明の他の構成は、半導体膜の表面を酸
化雰囲気で処理した後に、ヘリウム雰囲気中にて前記半
導体膜をレーザーアニールすることを特徴とする。

【００２３】特にヘリウム雰囲気に水素を含有させるこ
とは好ましい。また水素を含有するヘリウム雰囲気を、
プラズマ状態とすることは好ましい。

【００２４】本明細書に開示する発明におけるレーザー
光としては、連続発振レーザー、パルスレーザー等を用
いることができる。特にパルス発振レーザーを用いるこ
とは好ましい。また半導体膜は特に非単結晶珪素膜に対
して、エキシマレーザー等のパルス発振レーザーを用い
ることは極めて好ましい。

【００２５】また、酸化雰囲気として、酸素またはオゾ
ンまたはこれらの混合気体または酸素プラズマで構成す
ることができる。

【００２６】また、プラズマを発生させる手段として
は、電磁エネルギー（一般的には高周波エネルギー）の
供給による方法を利用することが好ましい。

【００２７】

【作用】雰囲気をヘリウム雰囲気または水素とヘリウム
の混合雰囲気として基板の昇温を行うことによって、基
板の温度、即ち被照射面である珪素膜の温度が安定する
までの加熱時間を大きく短縮することができる。これは
水素やヘリウムの熱電導率が窒素や酸素に比較して６〜
７倍高いことに起因する。

【００２８】そして、このことにより、レーザープロセ
スにかかる時間を大きく短縮することができる。

【００２９】また珪素膜に対するアニール工程におい
て、上記雰囲気に酸素を含有させることによって、レー
ザー光の照射時に珪素膜の表面に保護膜として機能する
酸化膜を形成しつつアニールを行うことができ、膜表面
の荒れを防ぐことができる。

【００３０】また、上記酸素を含有した雰囲気において
珪素膜に対するアニールを行うことで、半導体膜の表面
に存在する有機物を酸素の作用によって分解除去するこ
とができ、アニール後に得られる珪素膜の膜質を高める
ことができる。

【００３１】これは、レーザー光が照射される珪素膜表
面近傍において、レーザー光のエネルギーによって雰囲
気中の酸素が活性化あるいはオゾン化され、この活性化
された酸素分子または酸素原子またはオゾンによって、
珪素膜の表面に存在している有機物が分解除去されるか
らである。

【００３２】また、ヘリウムに酸素または水素またはそ
の両方を含有させた雰囲気中で、電磁エネルギー例えば
高周波を印加してプラズマ状態とすることで、水素プラ
ズマや酸素プラズマの作用をヘリウムプラズマにより助
長させることができる。

【００３３】特に、３００〜６００℃、さらに好ましく
は３００〜３５０℃の加熱状態で水素プラズマ中でレー
ザアニールを行うことで、珪素膜の表面及び膜中に存在
する欠陥や不対結合手の補償を行うことができる。すな
わち、水素熱処理をレーザーアニールと同時に行うこと
ができるため、レーザープロセスをより短縮できる。ま
た、有機物の分解除去作用も奏する。

【００３４】また、酸素プラズマにより、上記した酸素
雰囲気における作用である、有機物の分解除去や酸化膜
の形成を、より効率よく短時間で行うことができる。

【００３５】また、ヘリウムに酸素や水素を含有させて
プラズマを発生させると、寿命の長いプラズマ状態のヘ
リウムにより、酸素や水素の活性が助長され、上記酸素
プラズマや水素プラズマの作用がより増大する。

【００３６】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例では、実際にレーザー光の照射が
行われる装置内にガラス基板を搬入し、それから基板が
所定の温度まで昇温される時間を計測した例を示す。

【００３７】図１に装置内に基板を搬入してからの経過
時間と基板温度との関係を示す。図１に示すデータを得
るのに利用したレーザー照射装置の構成を図２に示す。
なお図２に示す装置の詳細については実施例２で示す。

【００３８】図１に示すデータは、雰囲気を窒素（Ｎ
₂ ）１００％雰囲気とヘリウム（Ｈe）１００％雰囲気
とにした場合、基板の加熱時間にどのような違いが出る
かを調べたものである。なお、データの採取において
は、基板の加熱条件と基板の種類は同じとし、雰囲気以
外に条件に違いがないようにした。また雰囲気圧力は常
圧として実験を行った。

【００３９】図１から明らかなように、雰囲気としてヘ
リウムを用いた場合には、所定の温度（ここでは１６５
℃）に安定するのに６００秒程度かかる。一方、雰囲気
として窒素を用いた場合には、所定の温度に達するのに
１０００秒程度かかる。

【００４０】すなわち、ヘリウム雰囲気の方が窒素雰囲
気より約４割程度加熱時間を短縮することができる。

【００４１】窒素と酸素の熱電導率は、それぞれ２６０
(10 ^-4Ｗｍ^-1Ｋ^-1) と２６７(10 ^-4Ｗｍ^-1Ｋ^-1) である
から、雰囲気を空気とした場合の状態は、窒素雰囲気と
ほぼ同じと仮定できる。従って、窒素雰囲気の代わりに
雰囲気を空気とした場合も図１に示すデータと同様の結
果が得られると推定される。

【００４２】なお、ヘリウムの熱伝導率１４９９(10 ^-4
Ｗｍ^-1Ｋ^-1) よりもさらに高い熱電導率を有する基体と
して、水素（熱電導率は１８１５(10 ^-4Ｗｍ^-1Ｋ^-1))を
挙げることができる。しかし、水素は爆発限界の関係か
ら、不活性雰囲気中においても３％以上混合することは
危険であり、熱電導率に関係する作用を得ることは困難
である。（この点ヘリウムは非常に安全である）

【００４３】図１に示すデータは、常圧の場合である
が、減圧雰囲気とした場合はさらにその傾向が助長した
ものとなる。即ち、ヘリウムを用いることによる効果は
減圧雰囲気の方が高いものとなる。

【００４４】なお、図１において、ヒーターに密着とい
うのは、ヒーターを有するステージ上に基板が配置され
た状態を示す。

【００４５】〔実施例２〕実施例２では、実施例１で示
したデータを得るのに利用した、レーザー照射室の詳細
を説明する。

【００４６】図２にレーザー照射装置の断面の概要を示
す。またその上面図を図３に示す。図２において、１０
１はレーザー照射室である。レーザー照射室１０１は外
部から遮蔽され、減圧状態に保つこともできる構成とな
っている。

【００４７】レーザー光はレーザー照射装置１０２で発
振され、光学系１１２により断面形状が線状に加工され
る。そしてミラー１０３で反射され、石英で構成された
窓１０４を介して被処理基板４０１に照射される。

【００４８】レーザー発振装置１０２としては、ＸｅＣ
ｌ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２４８
ｎｍ）を用いることができる。

【００４９】被処理基板４０１は、台１０６上に設けら
れたステージ１１１上に配置され、台１０６内に設置さ
れたヒーターによって、所定の温度（室温〜７００℃、
好ましくは１００〜５００℃）に保たれる。

【００５０】台１０６は、移動機構１０７によって、線
状レーザー光の線方向に対して直角の方向に移動され、
被処理基板４０１上面に対しレーザービームを走査しな
がら照射することを可能としている。

【００５１】レーザー照射室１０１は、真空排気ポンプ
１０８を備えており、必要に応じて内部を減圧状態また
は真空状態にすることができる。

【００５２】レーザー照射室１０１は、気体供給部１０
９を有している。気体供給部１０９は、図示しないガス
ボンベに接続されており、レーザー照射室内にヘリウム
ガスを供給する。

【００５３】必要に応じて、酸素や他の不活性気体を導
入するための別の気体供給部１１０を設けてもよい。

【００５４】レーザー照射室１０１は、ゲイトバルブ５
０１を有し、他の処理室との接続を可能なものとしてい
る。また必要に応じて、ゲイトバルブ５０１を介して基
板（試料）の出し入れを行うことができる構成となって
いる。

【００５５】図２及び図３に示す装置は、雰囲気をオゾ
ンを含有した雰囲気またはその減圧雰囲気とした状態
で、基板４０１上の非単結晶半導体膜に対してレーザー
光の照射を行うことができる。

【００５６】このような構成により、ヘリウム雰囲気に
おける加熱を行うことができ、試料を加熱し始めてから
所定の温度に安定するまでの時間を、空気や窒素雰囲気
に比較して６割程度に短縮てきる。

【００５７】〔実施例３〕本実施例は、実施例２に示し
たレーザー照射装置を用いてガラス基板上に薄膜トラン
ジスタを作製する場合の例を示す。

【００５８】図４に、実施例の作製工程を示す。まず、
被処理基板４０１として１２７ｍｍ角のコーニング１７
３７ガラス基板を用意する。

【００５９】そして基板４０１上に下地膜としての酸化
珪素膜４０２を２０００Åの厚さに成膜する。成膜方法
は、プラズマＣＶＤ法を用いる。次に図示しない非晶質
珪素膜を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法により成膜
する。

【００６０】次に１０ｐｐｍ程度の酢酸ニッケル水溶液
をスピンコート法により、非晶質珪素膜上に塗布し、ニ
ッケル元素が非晶質珪素膜の表面に接して保持された状
態とする。このニッケルを用いた結晶化技術の詳細につ
いては、特開平６−２４４１０４号に記載されている。

【００６１】この状態において、６００℃、４時間の加
熱処理を水素含有雰囲気（即ち還元雰囲気）中で行う。
この加熱処理により、非晶質珪素膜は結晶化し結晶性珪
素膜３０３（図４（Ａ））へと変成される。

【００６２】なお、最終的に膜中に残留するニッケル元
素の濃度は、１×１０¹⁵〜５×１０¹⁹原子／ｃｍ³ の範
囲内に収まることが望ましい。

【００６３】このようにして結晶性珪素膜４０３が得ら
れる。次に得られた結晶性珪素膜４０３の結晶性をさら
に高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーア
ニールを行う。

【００６４】レーザーアニールは図２に示す装置を用い
て行う。レーザーアニールを行うに当たっては、ヘリウ
ム雰囲気とし、大気圧下で処理を行う。大気圧以下、例
えば０．０２〜０．５Ｔｏｒｒとしてもよい。

【００６５】ヘリウム雰囲気は、ヘリウム１００％の
他、酸素（極力純度の高いものが望ましい）、水素、オ
ゾン、または他の不活性気体との混合気体を用いてもよ
い。また、酸素、水素、オゾンのうちの少なくとも２種
を、ヘリウムと混合させてもよい。

【００６６】ここでは、ヘリウム８０％、酸素２０％の
雰囲気とする。

【００６７】ここで被処理基板４０１は、１００℃〜６
００℃、例えば３５０℃の温度に加熱される。被処理基
板４０１をステージに配置してから３５０℃に到達する
までに要する時間は、約１０００秒であった。

【００６８】この状態において、結晶性珪素膜４０３の
表面は、酸素により極薄い酸化珪素膜４０４が形成され
る。この酸化珪素膜４０４の膜厚は１０〜１００Å程度
である。この酸化珪素膜４０４は、不純物がほとんど混
入されない、極めて良質な膜である。

【００６９】この状態でレーザー光の照射を行う。照射
される線状レーザー光は、照射面上で幅０．３４ｍｍ×
長さ１３５ｍｍの大きさを有する。エネルギー密度は１
００ｍＪ／ｃｍ² 〜５００ｍＪ／ｃｍ² 、例えば２６０
ｍＪ／ｃｍ² とする。

【００７０】このレーザー光の照射は、図２の台１０６
を２．５ｍｍ／ｓで一方向に移動させながら行う。こう
することで、線状レーザー光を走査させながら被照射面
に照射することができる。

【００７１】レーザーの発振周波数は２００Ｈｚとす
る。上記の条件でレーザー光の照射を行うと、照射面の
一点において１０〜５０ショットのレーザー光が照射さ
れることになる。

【００７２】上記の工程においては、酸素がレーザー光
によりオゾン化あるいは活性化され、オゾンや活性酸素
の作用によって、結晶性珪素膜の表面に付着していた有
機物を、揮発性酸化物として除去することができる。

【００７３】また酸化珪素膜４０４は極めて薄いため、
複数回のパルスレーザー照射によりほとんどが飛散して
しまう。飛散した後に、雰囲気中の酸素により新たに極
薄い酸化珪素膜が形成されることもある。

【００７４】この酸化珪素膜４０４の形成に際しては、
その膜中に珪素膜の表面に残存している有機物が取り込
まれた状態となる。従って、レーザー光の照射によって
酸化珪素膜が飛散してしまうことにより、有機物が珪素
膜中に取り込まれることを抑制することができる。

【００７５】また、レーザー光照射後に酸素の作用によ
って形成される極薄い酸化膜は、レーザー光の照射時に
膜の内部から水素等が噴出して、膜の表面に凹凸が形成
されてしまうことを防ぐ役割も有している。

【００７６】レーザーアニールの終了後は、結晶性珪素
膜４０３上面に酸化珪素膜が残ったり形成されたりし易
い。そこで次の工程に移る前に、ＨＦ水溶液やＨＦとＨ
₂ Ｏ₂ の混合水溶液で、結晶性珪素膜４０３の上面を還
元させ、酸化珪素膜を除去することは好ましい。

【００７７】このようにして結晶性珪素膜４０３に対
し、ヘリウム雰囲気４２０中にてレーザーアニールが施
され、その結晶性が向上される。（図４（Ｂ））

【００７８】作製された結晶性珪素膜４０３は、結晶
性、膜質の均質性、また移動度等の電気的特性いずれも
優れたものとすることができる。

【００７９】次に、レーザーアニールによってその結晶
性が助長された結晶性珪素膜４０３を用いて薄膜トラン
ジスタ（ＴＦＴ）を作製する。まず結晶性珪素膜４０３
をエッチングして、島状領域４０５を形成する。この島
状領域４０５は後に薄膜トランジスタの活性層を構成す
ることとなる。

【００８０】次に、ゲイト絶縁膜４０６となる酸化珪素
膜をプラズマＣＶＤ法によって厚さ１２００Åの厚さに
成膜する。ここではこの酸化珪素膜を成膜するための原
料ガスとして、ＴＥＯＳおよび酸素を用いる。

【００８１】次に、ゲイト電極を作製する。ここではま
ず図示しないアルミニウム膜をスパッタ法により、６０
００Åの厚さに成膜する。なおアルミニウム膜中にスカ
ンジウムまたは珪素を０．１〜２重量％含有させる。そ
してこのアルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極
４０７を形成する。（図４（Ｃ））

【００８２】次にソース／ドレイン領域を形成するため
の不純物イオンの注入を行う。ここではＮチャネル型の
ＴＦＴを作製するためにＰ（リン）イオンの注入をイオ
ンドーピング法によって行う。

【００８３】このリンイオンの注入は、ゲイト電極４０
７をマスクとして行われる。ドーピング条件は、ドーピ
ングガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃ ）を用い、加速
電圧を８０ｋＶ、ドーズ量を１×１０¹⁵原子／ｃｍ² と
して行う。また基板温度は室温とする。

【００８４】このドーピング工程においては、自己整合
的にチャネル形成領域４１０と、Ｎ型の不純物領域であ
るソース領域４０８、さらにドレイン領域４０９が形成
される。（図４（Ｄ））

【００８５】次に、ドーピングされた不純物を活性化す
るために、再び図１に示すレーザーアニール装置を用い
て、線状レーザー光によりレーザーアニールを行う。こ
こで前記した条件のヘリウム／酸素雰囲気中でレーザー
アニールを行う。

【００８６】照射面におけるレーザー光のエネルギー密
度は、１００ｍＪ／ｃｍ² 〜３５０ｍＪ／ｃｍ² の範囲
で行う。ここでは１６０ｍＪ／ｃｍ² とする。

【００８７】前述したように線状レーザービームを走査
させながら照射を行う。このようにして被照射物の一点
において２０〜４０ショットのレーザービームが照射さ
れるようにする。

【００８８】このレーザーアニールにより、不純物が活
性化されると共に、先の不純物イオンの注入時における
損傷がアニールされる。このレーザーアニールの終了
後、窒素雰囲気中にて２時間、４５０℃の熱アニールを
行う。（図４（Ｅ））

【００８９】次に層間絶縁膜４１１として酸化珪素膜を
プラズマＣＶＤ法で６０００Åの厚さに成膜する。

【００９０】さらに層間絶縁膜４１１にコンタクトホー
ルを形成し、金属材料、例えば、チタンとアルミニウム
の多層膜でもってソース電極４１２とドレイン電極４１
３を形成する。

【００９１】最後に、１気圧の水素雰囲気で、２００〜
３５０℃の熱アニール処理を行い図４（Ｆ）に示す薄膜
トランジスタを完成させる。

【００９２】このようにして、複数のＮおよび／または
Ｐチャネル型の結晶性ＴＦＴが形成される。これらのＴ
ＦＴは、Ｎチャネル型で７０〜１２０ｃｍ² ／Ｖｓ、Ｐ
チャネル型で６０〜９０ｃｍ² ／Ｖｓの移動度を有する
優れたものとすることができる。

【００９３】〔比較例〕ここでは、実施例３で示したレ
ーザーアニール時の雰囲気を、ヘリウム以外の気体によ
り構成した場合の例を示す。

【００９４】ここでは、（Ａ）空気（Ｂ）酸素：窒素＝２０％：８０％（Ｃ）窒素１００％の３種類の雰囲気中でレーザー光の照射を行った場合の
例を示す。なお雰囲気は大気圧とし、雰囲気以外の条件
は実施例３と同じものとする。

【００９５】それぞれの雰囲気での、被処理基板４０１
がレーザー照射室のステージに配置されてから、所定の
温度、ここでは３５０℃に到達して安定するまでに要す
る時間は、いずれも約１６００秒前後であった。

【００９６】また、空気雰囲気中で作製された結晶性珪
素膜は、実施例３に示すヘリウム／酸素雰囲気中で形成
されたものに比べてやや低い結晶性を有する。また、結
晶性が不均一なものとなる傾向が見られる。また移動度
が低く、しかも膜面内において移動度のバラツキが大き
い。さらに複数毎の基板を処理した場合、基板毎の膜特
性のバラツキが大きい。

【００９７】これらの原因は、基板表面の有機物が十分
に除去されず、また空気中の不純物が膜中に混入するた
めと思われる。

【００９８】酸素：窒素＝２０％：８０％雰囲気で得ら
れる結晶性珪素膜は、空気雰囲気中に比較して、移動度
は向上し、実施例３のヘリウム：酸素＝２０％：８０％
とほぼ同等の特性が得られる。しかし、前述のように基
板加熱時間は酸素／窒素雰囲気の方が長時間が必要とな
る。

【００９９】また窒素１００％雰囲気では、膜全体の結
晶性が低い。また移動度や膜質の面内均質性も低いもの
となってしまう。

【０１００】また、酸素を含有したヘリウム雰囲気また
は窒素雰囲気で形成された結晶性珪素膜は、他の雰囲気
で作製されたものに比較して、同一エネルギー密度では
高い結晶性が得られる。

【０１０１】〔実施例４〕実施例４は、実施例２に示す
レーザー照射装置をマルチチャンバー方式の装置へと発
展させた構成を示す。

【０１０２】図５に、本実施例におけるレーザーアニー
ル装置の上面図を示す。ここでは、図５に示すマルチチ
ャンバー型のレーザーアニール装置を用いる。図５にお
けるＡ−Ａ’断面を示す図が図２に相当する。

【０１０３】図５に示す装置は、ロード／アンロード室
５０６とレーザー照射室１０１と予備加熱室５０８と徐
冷室５１０とが、基板搬送室５０２を介して接続された
構成となっている。

【０１０４】各室は気密性を有しており、必要とする雰
囲気や圧力にすることができる。また各室は、ゲイトバ
ルブ５０１、５１１、５０９、５０７によって基板搬送
室５０２と連結されている。

【０１０５】図５に示す装置において、５０６はロード
／アンロード室であり、処理せんとする基板（試料）の
出し入れが行われる室である。処理せんとする基板は、
ロード／アンロード室５０６に多数枚（例えば２０枚）
が収納されたカセット毎搬入される。

【０１０６】カセット毎搬入された基板は、基板搬送室
５０２内に配置されたロボットアーム５０５により、一
枚づつアライメント室５０３に移送される。

【０１０７】アライメント室５０３には、被処理基板５
０４とロボットアーム５０５との位置関係を修正するた
めの、アライメント機構が配置されている。アライメン
ト室５０３は、ロード／アンロード室５０６とゲイトバ
ルブ５０７を介して接続されている。

【０１０８】アライメント室５０３において位置調整が
なされた基板５０４は、ロボットアーム５０５によって
予備加熱室５０８に移送される。移送後はゲイトバルブ
５０９を閉鎖し気密性を維持させる。なお、装置の動作
中は全ての室を同じ圧力とし、各室間における基板の移
送に際して圧力調整をしないで済むようにすることが望
ましい。

【０１０９】予備加熱室５０８においては、レーザーア
ニールされる基板を所定の温度まで予備的に加熱する。
これはレーザー照射室１０１において基板加熱に要する
時間を短縮させ、スループットの向上を図るためであ
る。

【０１１０】また、予備的に加熱させることで膜中の水
素を離脱させ、レーザー光の照射による効果を高めるた
めでもある。この水素を離脱させる効果はアニールする
膜として非晶質珪素膜を用いる場合に顕著なものとな
る。

【０１１１】予備加熱室５０８は、その内部が円筒状の
石英で構成されている。円筒状の石英はヒーターで囲ま
れていて、その内部を加熱できる構成となっている。

【０１１２】また予備加熱室５０８は、石英で構成され
た基板ホルダーを備えている。基板ホルダーには、基板
が多数枚収容可能なサセプターが備えられている。基板
ホルダーは、エレベーターにより上下される。また予備
加熱室５０８と、基板搬送室５０２とは、ゲイトバルブ
５０９によって連結されている。

【０１１３】また、予備加熱室５０８内に、気体供給部
や、排気用の真空ポンプを設けて、基板ホルダー内をヘ
リウム雰囲気として、基板を予備加熱することは極めて
有効である。

【０１１４】予備加熱をヘリウム雰囲気で行うことで、予備加熱時間が空気雰囲気より短くなる。空気雰囲気での珪素膜上面の酸化膜形成を防ぎ、空気
中の不純物が膜中に混入されない。といった効果が得られる。

【０１１５】予備加熱室５０８において、所定の時間予
熱された基板は、ロボットアーム５０５によって基板搬
送室５０２に引き戻され、アライメント室５０３にて再
度アライメント調整がなされる。そしてロボットアーム
５０５によって、レーザー照射室１０１に移送される。

【０１１６】レーザー照射終了後、被処理基板５０４は
ロボットアーム５０５によって基板搬送室５０２に引き
出され、徐冷室５１０に移送される。

【０１１７】徐冷室５１０は、ゲイトバルブ５１１を介
して、基板搬送室５０２と接続されており、石英製のス
テージ上に配置された被処理基板が、ランプ、反射板か
らの赤外光を浴びながら、徐々に冷却される。

【０１１８】徐冷室５１０で徐冷された被処理基板は、
ロボットアーム５０５によって、ロード／アンロード室
５０６に移送され、カセット５１２に収納される。

【０１１９】こうして、１枚の基板に対するレーザーア
ニール工程が実施される。このようにして、上記工程を
繰り返すことにより、多数の基板に対して、連続的に一
枚づつ処理が行われる。

【０１２０】図５に示すレーザーアニール装置におい
て、レーザー照射室や予備加熱室のみならず、ロード／
アンロード室、基板搬送室、徐冷室にもヘリウムガスを
供給して、ヘリウム雰囲気とすることは有効である。こ
のようにすると被処理基板が空気に触れることがなくな
り、珪素膜中に空気中の不純物が混入することを防ぐこ
とができる。

【０１２１】〔実施例５〕本実施例は、非晶質珪素膜に
対してレーザーアニールを施し、結晶性珪素膜を得る構
成に関する。本実施例においても実施例３と同様に、図
２に示すレーザー照射装置を用いる。

【０１２２】まず、基板として１２７ｍｍ角、１．１ｍ
ｍ厚のコーニング１７３７基板を用意する。この基板上
にプラズマＣＶＤ法により酸化珪素膜を２０００Åの厚
さに形成し、下地膜とする。

【０１２３】さらに公知のプラズマＣＶＤ法で非晶質珪
素膜を５００Åの厚さに形成する。その後、この基板を
レーザー照射室１０１（図２）内に配置する。

【０１２４】基板が置かれたレーザー照射室１０１に、
ヘリウム８０％、酸素２０％の混合気体を気体供給部１
０９より導入する。レーザー照射室１０１内の圧力を大
気圧、または減圧下例えば０．０２〜０．５Ｔｏｒｒに
保つ。なお基板の加熱温度は１００〜６００℃例えば３
５０℃とする。

【０１２５】すると、雰囲気中の酸素により、基板上の
非晶質珪素膜はその表面が酸化され、１０〜１００Åの
酸化珪素膜が形成される。

【０１２６】同時に、非晶質珪素膜表面に付着した有機
物は活性化またはオゾン化した酸素により揮発性酸化物
となって除去される。

【０１２７】レーザー照射室１０１内をヘリウム雰囲気
とした状態で、台１０６を移動させながら、線状レーザ
ー光を非晶質珪素膜に照射する。

【０１２８】線状レーザー光は、照射面上で、幅０．３
４ｍｍ×長さ１３５ｍｍの大きさを有する。エネルギー
密度は、１００ｍＪ／ｃｍ² 〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、例
えば２００ｍＪ／ｃｍ² とする。台１０６を２．５ｍｍ
／ｓで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザ
ー光を走査させる。レーザーの発振周波数は２００Ｈｚ
とする。

【０１２９】この場合、照射面の一点に注目すると、１
０〜５０ショットのレーザー光が照射される。

【０１３０】このようにして、ヘリウム／酸素雰囲気中
で線状レーザー光を走査して照射することにより、非晶
質珪素膜は結晶化され、結晶性珪素膜となる。

【０１３１】作製された結晶性珪素膜は、清浄な膜質を
有し、かつ、結晶性、膜の均質性に優れたものとするこ
とができる。

【０１３２】〔実施例６〕本実施例は、ヘリウム雰囲気
でプラズマ発生させ、このプラズマ雰囲気中にてレーザ
ーアニールを行う例を示す。

【０１３３】実施例６で使用するレーザーアニール装置
の断面図を図６に示す。図６の上面図を図７に示す。図
６、図７において、図２、図３と同じものは、同符号で
示す。

【０１３４】レーザー照射室１０１に対して気体供給部
１１０から、ヘリウム、水素、酸素の混合気体を供給す
る。各気体の混合比は必要に応じて適宜設定する。ここ
では、ヘリウム７７％、水素３％、酸素２０％とした。
レーザー照射室１０１内の圧力は、真空排気ポンプ１０
８により０．０２〜０．０３Ｔｏｒｒに保たれる。ま
た、予備加熱室、徐冷室、基板搬送室も同様に減圧され
る。

【０１３５】実施例３と同様にして非晶質珪素膜が形成
された被処理基板４０１を、レーザー照射室１０１内の
ステージ上に配置する。すると基板は台１０６内に配設
されたヒーターにより加熱され、所定の温度、例えば３
５０℃に到達する。

【０１３６】被処理基板４０１を、予備加熱をせずにレ
ーザー照射室内にて加熱した場合、約１０００秒で３５
０℃まで加熱される。

【０１３７】このとき、雰囲気中の酸素の作用により、
基板上の非晶質珪素膜はその表面が酸化され、１０〜１
００Åの薄い酸化珪素膜が形成される。

【０１３８】次に、一対の電極６０１に、高周波電源６
０２から高周波エネルギー（13.56ＭＨｚ）を４００Ｗ
の出力で印加する。すると、ヘリウム、酸素、水素いず
れもプラズマにより活性化される。特に活性化されたヘ
リウムは、活性状態が比較的長く保たれるため、この影
響で酸素や水素の活性も助長される。

【０１３９】酸素プラズマの作用により、基板表面に付
着した有機物は、衝撃により分離され、揮発性酸化物と
なって除去される。または、残存した有機物が薄い酸化
珪素膜中に取り込まれる。

【０１４０】また水素プラズマも有機物除去作用を有し
ている。酸素プラズマと水素プラズマとが除去作用をす
る対象は、異なる炭素の結合を有した有機物である。し
たがって、酸素プラズマと水素プラズマを形成すること
で、被処理基板の表面に存在する有機物の除去をより効
果的に行うことができる。

【０１４１】また、レーザー光の照射の際に、３００℃
〜６００℃、特に好ましくは３００〜３５０℃程度の加
熱を行うことで、レーザー光の照射によるアニール効果
を助長するとともに、水素プラスマによる水素熱処理も
同時に行うことができる。これは、珪素膜の表面及び膜
中に存在する欠陥や不対結合手を補償する作用を奏す
る。

【０１４２】さらに、図６においては、一対の電極６０
１がレーザー照射室の側面とほぼ同じ大きさで設けられ
ているため、プラズマはレーザー照射室内全体に形成さ
れる。したがって、酸素および水素のプラズマの作用に
より、レーザー照射室の内部に付着した有機物を除去
し、クリーニングできる。

【０１４３】また、上記の酸素プラスマ、水素プラズマ
の種々の作用は、プラズマ状態のヘリウムにより、それ
ぞれ助長される。

【０１４４】上記工程において、被処理基板の加熱を予
備加熱室で行なって、被処理基板をレーザー照射時の加
熱温度または加熱温度に近い温度に昇温させておくと、
レーザー照射室内に基板を配置してからレーザー照射が
可能となるまでの時間が大幅に短縮される。予備加熱の
温度は、必要に応じてレーザー照射時の加熱温度に対し
て高くしたり低くしたりする。

【０１４５】この場合、予備加熱室での加熱をヘリウム
雰囲気で行っておくと、予備加熱中に空気雰囲気による
酸化膜が珪素膜上面に形成されないため、レーザーアニ
ール後の珪素膜に空気中の不純物が混入することを防ぐ
ことができる。

【０１４６】また、工程の順序を、初めにレーザー照射
室内に酸素、水素、ヘリウム混合雰囲気のプラズマを形
成しておき、その状態のレーザー照射室内に予備加熱さ
れた被処理基板を搬入してレーザー処理を行うようにし
てもよい。このようにすると、レーザー照射室内での基
板加熱時間の短縮に加え、酸素プラズマの酸化作用によ
り、数秒〜数１０秒という極めて短い時間で珪素膜上に
薄い酸化珪素膜を形成させてレーザー照射を行うことが
できる。したがって、レーザー照射工程をさらに短縮で
きる。

【０１４７】実施例６で示した工程は、ヘリウムと、水
素または酸素の何れか一方のみとの混合気体で行っても
よいことはいうまでもない。

【０１４８】〔実施例７〕本実施例は、１つのレーザー
照射室内において、ヘリウム雰囲気で昇温し、酸化雰囲
気に曝しながらレーザー照射を行う構成であって、ヘリ
ウム雰囲気に混入する酸化気体の量を極力少なくして、
ヘリウム雰囲気の熱伝導率の低下を極力少なくする構成
に関する。

【０１４９】図８に本実施例で示すレーザー照射装置の
横断面図を示す。図９には図８の上面図を示す。図８、
図９において、図２および図３と同一部分を表示する場
合には同符号を用いている。

【０１５０】図８、図９において、レーザー照射室１０
１内に、気体供給部１０９よりヘリウムが供給され、１
００％ヘリウム雰囲気が形成される。

【０１５１】レーザー照射室１０１内には、フード８０
１が線状レーザー光照射位置８０２の周囲近傍を囲んで
設けられている。

【０１５２】このレーザー照射室内に被処理基板４０１
が配置され、被処理基板はヘリウム雰囲気中で所定の温
度まで高速に加熱される。

【０１５３】被処理基板の加熱終了後、フード８０１内
に、気体供給部８０３より酸化気体として、オゾンまた
はオゾン含有気体としてオゾン／酸素混合気体、または
酸素が供給される。この構成により酸化気体が、被処理
基板上のレーザー光照射位置８０２の近傍にのみ供給さ
れ、部分的に酸化雰囲気を形成する。

【０１５４】酸化雰囲気の作用により、被処理基板上の
有機物が酸化除去される。また、被処理基板上の珪素膜
上面に１００Å以下の厚さの酸化珪素膜が形成される。
この薄い酸化珪素膜が形成された状態でレーザーアニー
ルを行うことで、アニール後の結晶性珪素膜の結晶性や
均質性が向上する。

【０１５５】被処理基板が酸化気体に曝される時間は、
基板移動方向に対するフード８０１内部の大きさと台１
０６の移動速度で制御できる。

【０１５６】レーザー照射工程が終了したら、フード８
０１内への酸化気体の供給を停止する。

【０１５７】実施例７に示す構成においては、レーザー
照射室内は、真空排気ポンプ１０８により、レーザー照
射中または照射後に、所定の圧力を保ちながら排気され
る。そして、ヘリウムは常にまたは必要に応じてレーザ
ー照射室内に供給される。

【０１５８】他方、フードにより基板表面近傍に極微量
の酸化気体が供給され、部分的にのみ酸化雰囲気を形成
する。酸化気体の供給量は、ヘリウムの供給量よりはる
かに少ない量で充分である。

【０１５９】このことにより、酸化気体により被処理基
板上面を処理しているにもかかわらず、レーザー照射室
内のヘリウム雰囲気への酸化気体の混入量を極めて少な
くすることが可能となる。

【０１６０】その結果、１つの被処理基板の処理を終了
してレーザー照射室から取り出して、その直後に、次に
処理する被処理基板をレーザー照射室内に搬送しても、
ヘリウム雰囲気は１００％近いヘリウム濃度で維持され
ている。したがって、酸化雰囲気によるレーザーアニー
ルの効果を充分に得ながら、ヘリウム雰囲気による高速
な昇温という効果を最大限に得ることできる。これによ
り複数基板を連続的に処理する場合において、高いスル
ープットを得ることができる。

【０１６１】実施例７の構成においては、フード８０１
内にオゾンを含まない純酸素のみを供給して、紫外光で
あるレーザー光を照射することで、フード内の酸素をオ
ゾン化し、被処理基板上面にオゾンを供給することも可
能である。特に、フード８０１の内部を、線幅が数ｍｍ
の線状レーザー光の周囲を囲む程度の小さい面積とすれ
ば、レーザー照射によりフード内部の酸素は十分にオゾ
ン化される。このようにすると、オゾン生成するための
装置を不要とすることもできる。

【０１６２】図８、図９に示すレーザー照射室の構成に
おいて、オゾンやオゾン含有気体をフード８０１の上方
から下方に向けて流れるように供給することで、レーザ
ー照射により被処理基板から飛翔する有機物や無機物が
レーザー照射窓１０４に付着することも防ぐことができ
る。加えて、フードの下端が被処理基板上面から数ｍｍ
程度と近接していれば、有機物や無機物のフード外部へ
の飛翔が妨げられる。したがって、レーザー照射室内の
洗浄工程も不要となる。

【０１６３】〔実施例８〕実施例８では、被処理基板を
酸化雰囲気で処理した後、ヘリウム雰囲気でレーザー光
の照射を行うための、他の構成に関する。

【０１６４】まず、１つの処理室内において、被処理基
板上面を、酸素、オゾンやオゾン含有気体、あるいは酸
素プラズマで酸化処理して、有機物の除去、薄い酸化膜
の形成を行なう。

【０１６５】次に、清浄な雰囲気を維持したまま被処理
基板をレーザー照射室に搬送し、ヘリウム雰囲気でレー
ザー照射を行う。

【０１６６】酸化処理する工程を、レーザー照射とは別
の容器内で行う場合、被処理基板を外気に曝さないよう
にし、清浄な雰囲気を維持する機能が必要となる。

【０１６７】例えば、酸化処理室とレーザー照射室と
を、ゲイトバルブを介して接続する、いわゆるマルチチ
ャンバー構成とする必要がある。基板を移動する際の室
間の清浄な雰囲気をヘリウム雰囲気とすると、レーザー
照射室内に基板搬入直後からヘリウム雰囲気による高速
な昇温が可能となるため、好ましい。

【０１６８】この場合、レーザー照射時の雰囲気をヘリ
ウムに水素または水素と酸素を含有した雰囲気、または
それらのプラズマ雰囲気とすると、水素熱処理も同時に
行うことができる。またこの場合は、基板を３００〜６
００℃程度、特に好ましくは、３００〜３５０℃に加熱
することが重要となる。

【０１６９】〔実施例９〕実施例９では、実施例８で示
した被処理基板の被照射部を酸化処理し、その後にレー
ザー光の照射を行う工程を、レーザー照射室内で行う構
成を示す。

【０１７０】図１０に本実施例で示す装置の断面図を示
す。また図１１に上面図を示す。図１０、図１１におい
て、図２および図３と同一部分を表示する場合には同符
号を用いている。

【０１７１】図１０、図１１に示すように、フード１０
０１は、レーザー光が走査されて照射される位置の手前
側に配置されている。即ち、移動機構１０７により搬送
される基板の、フード１００１下部を通過した領域にレ
ーザー光照射位置１００２がある構成となっている。

【０１７２】フード１００１には、実施例７と同様に、
酸化気体として、オゾンまたはオゾン含有気体例えばオ
ゾンと酸素との混合気体、あるいは酸素が、気体供給部
１００３より供給される。

【０１７３】また、気体供給部１０９、１１０より、ヘ
リウムや水素が供給され、レーザー照射室内はヘリウム
雰囲気となる。

【０１７４】このような構成とすると、レーザー照射室
内に搬入された被処理基板は、ヘリウム雰囲気の作用に
より高速に昇温され、所定の温度となる。

【０１７５】被処理基板の加熱終了後、フード１００１
内に、気体供給部１００３よりオゾン等の酸化気体が供
給される。すると、被処理基板上のレーザー光が照射さ
れる前の領域に、部分的に酸化雰囲気が形成される。

【０１７６】被処理基板上面は、まずフード１００１下
で酸化処理されて、有機物が除去され、薄い酸化珪素膜
が形成される。この酸化処理された領域に対して、ヘリ
ウム雰囲気またはヘリウムと水素、あるいは他の気体と
の混合雰囲気中にてレーザー光が照射されるものとする
ことができる。

【０１７７】この場合、基板移動方向に対するフード１
００１内部の大きさと台１０６の移動速度で、被処理基
板がオゾンに曝される時間を制御することができる。

【０１７８】実施例９の構成は、実施例７と同様に、酸
化処理を行いつつ、ヘリウム雰囲気の作用による高速な
昇温を、複数枚の基板の処理にわたっても同様に行なう
ことができ、高品質な結晶性珪素膜を高いスループット
で得ることができる。

【０１７９】さらにヘリウムに水素を混入して、３００
〜６００℃、好ましく３００〜３５０℃で加熱すること
で、水素熱処理をも同時に行なうことができ、より高い
スループットを実現し、作製工程を短縮化できる。

【０１８０】〔実施例１０〕実施例１０では、レーザー
アニール時の試料加熱方法の他の構成を示す。図１２に
本実施例で示す装置の断面図を示す。また図１３に図１
２の上面図を示す。図１２、図１３において、図２およ
び図３と同一部分を表示する場合には同符号を用いてい
る。

【０１８１】実施例１０では、図１２、図１３に示すよ
うに、ヘリウム雰囲気中において、試料である基板４０
１をステージ１１１上のピン１２０１で支えることによ
り、基板４０１をステージ１１１上面には密着させず、
ステージ１１１上面から浮かせて配置する。すると、台
１０６内に設けられたヒーターで基板とステージとの間
のヘリウムまたはヘリウムと他の気体との混合気体が加
熱される。そして、加熱された気体により基板３０１が
加熱される。

【０１８２】このように、基板をヒータに対して所定の
間隙を有して配置し、基板の加熱を気体を介して行う。
このようにすることで、基板における熱の拡散が均一化
され、基板面内の温度分布をより均一なものとすること
ができる。その結果、レーザーアニール後に得られる結
晶性珪素膜の面内均質性を、向上させることができる。

【０１８３】この構成では、気体の比熱が高いと好まし
い結果が得られる。したがって比熱の高いヘリウムによ
る雰囲気は、極めて好ましい。

【０１８４】基板４０１とステージ１１１との間隙は、
０．１〜５．０ｍｍ程度、好ましくは０．５〜２．０ｍ
ｍ程度とする。この間隔により、加熱効率が向上する。
この間隔が広くなりすぎると、加熱効率が低下するので
注意が必要である。

【０１８５】ここでは、基板４０１をピンで支える構成
を図２、図３に対応する例で示したが、他の図６〜図１
１に対応する構成においても実施できることは明らかで
ある。

【０１８６】〔実施例１１〕本実施例は、基板搬入直後
の加熱時のみをヘリウム雰囲気とし、レーザー照射時は
他の雰囲気とする構成に関する。

【０１８７】基板加熱時の雰囲気をヘリウム雰囲気とし
て、高速に昇温し、かつレーザ照射時の雰囲気をヘリウ
ム以外、例えば窒素または窒素に酸素や水素が混入され
た雰囲気が要求される場合もある。窒素雰囲気でレーザ
ーアニールすることにより、ヘリウム雰囲気に比較して
レーザー照射による膜表面のリッジ（荒れ）が少なくな
るという効果がある。

【０１８８】このような場合、例えば図２に示す装置を
用いて、気体供給部１０９よりヘリウムを導入してヘリ
ウム雰囲気とし、高速に昇温して基板加熱温度を所定の
温度に安定させる。その後、あるいは一度レーザ照射室
内を減圧状態としてから気体供給部１１０より窒素等の
気体を導入すれば、実現は可能である。

【０１８９】このとき、気体の導入によって基板温度が
低下しないように、導入される気体やレーザー照射室内
をある程度加熱しておく必要がある。

【０１９０】他方、気体の排気、供給は、レーザー照射
室の容積にもよるが、速くても数分〜１０数分の時間を
要する。特に、基板を連続して処理する場合、基板１枚
毎に雰囲気を入れ換えていては、ヘリウム雰囲気による
高速昇温のメリットが薄れてしまう。

【０１９１】そこで、被処理基板の加熱を行う領域とレ
ーザー照射を行う領域で、あらかじめ異なる雰囲気を形
成し、双方の雰囲気間を被処理基板が移動するような構
成とする。

【０１９２】図１４に本実施例で示すレーザー照射装置
の横断面図を示す。図１４において、図２と同一部分を
表示する場合には同符号を用いている。

【０１９３】図１４のレーザー照射装置は、被処理基板
の加熱を行う加熱室１４０１とレーザー照射室１４０２
間に、シャッター１４０３が設けられている。すなわ
ち、加熱室とレーザー照射室が隣接して設けられてい
る。

【０１９４】昇降手段１４０８は、被処理基板４０１
を、加熱室１４０１とレーザー照射室との間を移動させ
る。

【０１９５】シャッター１４０３が閉じているときは、
加熱室１４０１とレーザー照射室１４０２とで、双方の
雰囲気が極力混じらないように、互いに隔てられてい
る。

【０１９６】ステージ１１１は、加熱室へ基板が搬入さ
れる前は、ヒータを内部に有する台１０６と共に昇降手
段１４０８によって加熱室１４０１内に配置されてい
る。

【０１９７】加熱室１４０１は、気体供給部１４０４か
らヘリウムが導入され、ヘリウム雰囲気となる。また加
熱室１４０１内は真空排気ポンプ１４０５により、大気
圧または減圧、例えば０．０２〜０．５Ｔｏｒｒの所定
の圧力に維持される。

【０１９８】また、レーザー照射室１４０２は、気体供
給部１４０４からレーザー照射用雰囲気、例えば、窒
素、酸素、水素の混合気体が導入される。

【０１９９】レーザー照射室１４０２内の雰囲気を、窒
素と酸素の混合雰囲気とする場合、酸素は５〜５０％
（大気圧）程度含有されていることが好ましい。５％以
下では酸素を加えることによる結晶性の向上や有機物の
除去等の効果は得づらくなる。また５０％以上になる
と、窒素雰囲気を用いるメリットが薄れる。

【０２００】窒素と水素の混合雰囲気とする場合、水素
は３％またはそれ以下含有されていることが好ましい。
水素が３％を越えると爆発する可能性がある。

【０２０１】窒素、水素、酸素の混合気体とする場合、
窒素に対する水素と酸素を合わせた気体の割合は３〜５
０％程度が好ましい。３％以下では混合の効果が得られ
ず、５０％以上では窒素雰囲気を用いるメリットが薄れ
る。またこのとき水素は酸素の０．１〜１０％程度が好
ましい。０．１％以下では水素を含有することの効果が
得られず、また１０％を越えると爆発の危険がある。

【０２０２】またレーザー照射室１４０２内は真空排気
ポンプ１４０７により、大気圧または減圧、例えば０．
０２〜０．５Ｔｏｒｒの所定の圧力に維持される。

【０２０３】まず、被処理基板４０１は、基板搬送室か
らゲイトバルブ５０１を介して搬送され、加熱室１４０
１内のステージ１１１上に配置される。

【０２０４】ゲイトバルブ５０１を閉じた後、被処理基
板４０１は台１０６内のヒータにより加熱され、ヘリウ
ム雰囲気の作用により高速に昇温され、所定温度に安定
する。

【０２０５】次に、シャッター１４０３を開けて、所定
温度に安定した被処理基板４０１、およびステージ１１
１、台１０６を、昇降手段１４０８によりレーザー照射
室１４０２に移動する。ここでは台１０６は、移動手段
１０７に固定され、水平方向の移動を可能とする。シャ
ッター１４０３は、被処理基板のレーザー照射室内に移
動後、直ちに閉じられる。

【０２０６】なお、レーザー照射室内の雰囲気を予め加
熱しておき、レーザー照射室内に移動されてきた基板の
温度を下げないようにすることは好ましい。

【０２０７】台１０６は、レーザー照射室１４０２内で
移動手段１０７により所定の速度で移動する。そして台
１０６、ステージ１１１上の被処理基板４０１に対し
て、酸素、水素を含有した窒素雰囲気中にて線状レーザ
ービームによるアニールが行われる。

【０２０８】レーザーアニールが終了後、台１０６は加
熱室の下部に移動する。そしてシャッター１４０３を開
けて、被処理基板を載せた台１０６を昇降手段１４０８
により再びヘリウム雰囲気の加熱室１４０１へ移動し、
シャッターを閉じる。その後、ゲイトバルブ５０１を介
して基板搬送室に移動する。

【０２０９】このような構成とすることにより、ヘリウ
ム雰囲気で基板を加熱昇温し、窒素雰囲気でレーザーア
ニールする工程を、より短時間で行うことができる。そ
して、ヘリウム雰囲気での高速昇温によるスループット
の向上と、ヘリウム以外の雰囲気でのレーザーアニール
による優れた膜質を、共に得ることができる。

【０２１０】なお、ここでは加熱室をレーザー照射室の
上に設け、基板の加熱室とレーザー照射室間の移動手段
として昇降手段を用いた構成を示した。しかし、加熱室
をシャッターを介してレーザー照射室の側部に設け、基
板（および台、ステージ）を水平方向に移動させてもよ
い。また、ロボットアーム等を用いて、加熱室とレーザ
ー照射室間で基板のみを搬送してもよい。

【０２１１】上記した、加熱室とレーザー照射室がシャ
ッターを介して隣接する構成においては、加熱室とレー
ザ照射室間で、台、ステージ、基板の移動により、両室
の雰囲気が若干混合する場合がある。

【０２１２】これを防ぐための方法として、基板を加熱
室からレーザー照射室へ移動する場合には、気体の供給
量や排気量を制御して、レーザー照射室内の圧力を加熱
室内の圧力より高く設定する。同様に、基板をレーザー
照射室から加熱室へ移動する場合には、加熱室の圧力を
レーザー照射室の圧力より高く設定する。これにより、
移動先の室内へ、移動前の室の雰囲気が混入することを
防ぐことができる。

【０２１３】この場合、移動前の室には移動先の室の雰
囲気が若干混入する。しかし、シャッターを閉じている
間に、移動前の室、すなわち現在基板が配置されていな
い室において、雰囲気を構成する気体が新たに供給され
ることにより雰囲気を維持することができる。

【０２１４】他の方法としては、レーザー照射室と加熱
室との間に、開閉可能なシャッターで両室から隔てられ
たバッファ室を設ける方法がある。すなわち、基板を一
方の室から他方の室への移動するに際し、一旦バッファ
室に基板（およびステージ、台）を移動してシャッター
を閉じ、バッファ室内を双方の室の雰囲気から遮蔽す
る。

【０２１５】バッファ室内に基板を載せた台が移動する
ことにより、移動前の室の雰囲気がバッファ室内に混入
する。バッファ室内は予め移動先の室の雰囲気と同じ雰
囲気としておいてもよい。

【０２１６】ここで、バッファ室内の雰囲気を、移動先
の室と同じ雰囲気となるように、気体をバッファ室内へ
導入する。このとき、真空排気ポンプで排気しながら圧
力を制御する。

【０２１７】このようにしてバッファ室内の雰囲気が移
動先の室の雰囲気と同雰囲気となったら、移動先の側の
シャッターを開けて、基板を載せた台を、移動先の室内
へ移動する。その後シャッターを閉じる。

【０２１８】このようにすると、レーザー照射室と加熱
室との間での基板の移動による雰囲気の混合を完全に防
ぐことができる。

【０２１９】本実施例において、レーザー処理前の基板
とレーザー処理後の基板を、同一室（加熱室１４０１）
を介してレーザー照射装置と基板搬送室間を移送する構
成とした。このようにすると装置構成は簡単であるが、
レーザー処理終了後に、基板を一旦加熱室に戻してから
基板搬送室に搬送させるため、加熱室から基板が搬送さ
れないと、新たに処理する基板を搬入することができな
い。

【０２２０】そこで、レーザー処理前の基板とレーザー
処理後の基板とが配置される室を異ならせて、基板の搬
出と搬入を異なる部屋で行ってもよい。すなわち、これ
からレーザー処理される基板をヘリウム雰囲気の第１の
室内に配置して高速昇温して加熱し、レーザー照射室内
でレーザ処理する。そして処理の終了した基板をヘリウ
ムまたは他の雰囲気の第２の室内に配置し、その後基板
を基板搬送室へ搬出する構成としてもよい。

【０２２１】このようにすることで、１つの被処理基板
をレーザー照射室で処理している間に、次の基板を加熱
しておくことができ、スループットが更に向上する。

【０２２２】本実施例において、レーザー照射室の構成
として、本明細書の他の実施例に示す他のレーザー照射
室の構成を使用することも可能である。

【０２２３】

【発明の効果】レーザー光の照射による半導体膜に対す
るアニール工程を、ヘリウム雰囲気で行うことにより、
半導体膜あるいは半導体膜が設けられた基板の加熱昇温
時間を短縮し、スループットを向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】装置内に基板を搬入してからの経過時間と基
板温度との関係を示す図。

【図２】実施例におけるレーザー照射室を示す図。

【図３】図２の上面図。

【図４】実施例の作製工程を示す図。

【図５】実施例におけるレーザーアニール装置の上面
図。

【図６】レーザー照射装置の例の横断面図。

【図７】図６の上面図。

【図８】レーザー照射装置の例の横断面図。

【図９】図８の上面図。

【図１０】レーザー照射装置の例の横断面図。

【図１１】図１０の上面図。

【図１２】レーザー照射装置の例の横断面図。

【図１３】図１２の上面図。

【図１４】レーザー照射装置の例の横断面図。

【符号の説明】

１０１レーザー照射室１０２レーザー発振装置１０３ミラー１０４窓１０６台１０７移動機構１０８真空排気ポンプ１０９、１１０気体供給部１１１ステージ１１２光学系４０１基板４０２酸化珪素膜（下地膜）４０３結晶化珪素膜４０４酸化珪素膜４０５島状領域４０６ゲイト絶縁膜４０７ゲイト電極４０８ソース４０９ドレイン４１０チャネル形成領域４１１層間絶縁膜４１２ソース電極・配線４１３ドレイン電極・配線４２０ヘリウム雰囲気５０１ゲイトバルブ５０２基板搬送室５０３アライメント室５０４基板５０５ロボットアーム５０６ロード／アンロード室５０７ゲイトバルブ５０８予備加熱室５０９ゲイトバルブ５１０徐冷室５１１ゲイトバルブ５１２カセット６０１一対の電極６０２高周波電源８０１フード８０２レーザー光照射位置８０３気体供給部１００１フード１００２レーザー光照射位置１００３気体供給部１２０１ピン１４０１加熱室１４０２レーザー照射室１４０３シャッター１４０４、１４０６気体供給部１４０５、１４０７真空排気ポンプ１４０８昇降手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山崎舜平神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヘリウム雰囲気中に半導体膜を配置して所
定の温度に安定するまで加熱した後に、前記半導体膜の
表面に対してレーザー光を照射することを特徴とする半
導体処理方法。
【請求項２】請求項１において、前記ヘリウム雰囲気
は、ヘリウム、またはヘリウムと水素の混合雰囲気、ま
たはヘリウムと酸素の混合雰囲気、またはヘリウムと水
素と酸素の混合雰囲気であることを特徴とする半導体処
理方法。
【請求項３】請求項１において、レーザー光の照射は、
ヘリウム以外の雰囲気で行われることを特徴とする半導
体処理方法。
【請求項４】水素を含有するヘリウム雰囲気中に配置さ
れた半導体膜を、所定の温度に加熱しながら前記半導体
膜の表面にレーザー光を照射することを特徴とする半導
体処理方法。
【請求項５】請求項４において、ヘリウム雰囲気は、プ
ラズマ状態であることを特徴とする半導体処理方法。
【請求項６】請求項４において、ヘリウム雰囲気は水素
および／または酸素を含有していることを特徴とする半
導体処理方法。
【請求項７】請求項４において、レーザー光の照射は半
導体膜の温度が安定した状態で行われることを特徴とす
る半導体処理方法。
【請求項８】気密室内において加熱された半導体膜に対
してレーザー光を照射するプロセスであって、前記気密室に半導体膜が形成された基板を搬入する工程
と、前記気密室をヘリウム雰囲気とし前記試料を所定の温度
に安定するまで加熱する工程と、前記半導体膜に対してレーザー光を照射する工程と、を有することを特徴とする半導体処理方法。
【請求項９】請求項８において、加熱が行われた雰囲気
を利用してそのままレーザー光の照射を行い、前記レーザー光の照射は前記雰囲気をプラズマ状態とし
て行うことを特徴とする半導体処理方法。
【請求項１０】請求項８において、ヘリウム雰囲気の気
体を基板の裏面側にも行き渡らせることを特徴とする半
導体処理方法。