JP3927634B2 - Laser annealing method and thin film transistor manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質(アモルファス)珪素膜や結晶性シリコン膜に対し、レーザーアニールを施して、結晶化させる、あるいは結晶性を向上させる方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質珪素膜や結晶性珪素膜(単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する珪素膜)、すなわち、非単結晶珪素膜に対し、レーザーアニールを施して、結晶化させたり、結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。
【0003】
レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度有するため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ(TFT)を形成し、例えば、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のTFTを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。
【0004】
また、出力の大きい、エキシマレーザー等のパルスレーザービームを、被照射面において、数cm角の四角いスポットや、数ミリ幅×数10cmの線状となるように光学系にて加工し、レーザービームを走査させて(レーザービームの照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて)、レーザーアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。
【0005】
特に、線状レーザービームを用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザービームを用いた場合とは異なり、線方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザー照射を行うことができるため、高い量産性が得られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
パルスレーザービームを光源とする、スポット状、あるいは線状のレーザービームを走査させて、非単結晶珪素膜に対してレーザーアニールを施すに際し、いくつかの問題が生じている。
【0007】
例えば、空気中にてレーザーアニールすると、空気に含まれる炭素やその他の不純物が被膜に混入しやすく、アニール後の結晶性珪素膜の膜質や結晶性、移動度等の諸特性が低下するなどの問題がある。
【0008】
また、真空や窒素等の不活性気体雰囲気中にて、被照射面における形状がスポット状または線状のレーザービームを走査して、レーザーアニールを施すと、空気中のアニールに比較して、以下の問題点がある。
【0009】
▲1▼結晶性が悪い。すなわち、空気中のアニールに比較して、レーザーのエネルギー密度を大幅に高めないと、高い結晶性が得られない。
【0010】
▲2▼結晶の膜面内における均質性が悪い。結晶性の良い場所と悪い場所が、膜面内に分布して生じる。例えば、線状レーザービームを、該ビームの線方向に対して直角方向に走査する場合においては、膜面内において、縞模様状に、結晶性の良い場所と悪い場所が現れてしまう。したがって、作製された結晶性珪素膜を用いて複数の薄膜トランジスタを作製すると、薄膜トランジスタの基板上の位置により、しきい値や移動度等の諸特性が異なってしまう。
【0011】
▲3▼エネルギーの利用効率が悪い。結晶性を上げるために、レーザーのエネルギー密度を高くする必要があり、エネルギー密度を高めると消費電力も増加し、加えてレーザー発振器や回路、ガス、光学系を含むレーザー照射装置全体の消耗も激しくなり、作製するデバイスのコスト高を招く。他方、レーザーのエネルギー密度が高くなると、結晶性は高まるものの、レーザーアニール後の膜全体が激しく荒れ、該膜を加工してデバイスを作製することは困難となる。
【0012】
本発明は、上記課題を解決するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本明細書で開示する主要な構成の一つは、
基板上に形成された非単結晶珪素膜を洗浄する第1の工程と、
前記非単結晶珪素膜に対し、酸素を含有する雰囲気中でレーザーアニールする第2の工程とを有し、
前記第1の工程と前記第2の工程は、大気に曝されずに連続して行われることを特徴とするレーザーアニール方法である。
【0014】
上記構成において、前記第2の工程は、前記酸素を含有する雰囲気中にて前記非単結晶珪素膜上面が酸化された後に行われることは好ましい。
【0015】
また、他の構成の一つは、
基板上に形成された非単結晶珪素膜を洗浄する第1の工程と、
前記非単結晶珪素膜の上面を酸化して酸化珪素膜を形成する第2の工程と、
前記非単結晶珪素膜に対し、レーザーアニールする第3の工程とを有し、
前記各工程のうち少なくとも第1の工程と第2の工程は、大気に曝されずに連続して行われることを特徴とするレーザーアニール方法である。
【0016】
上記構成において、前記第3の工程は、窒素雰囲気中で行われることは好ましい。
【0017】
また、他の構成の一つは、
洗浄室、レーザー照射室を少なくとも有し、
被処理基板は、前記各室間を大気に曝されずに搬送されることを特徴とするレーザーアニール装置である。
【0018】
また、他の構成の一つは、
洗浄室、予備加熱室、レーザー照射室を少なくとも有し、
被処理基板は、前記洗浄室と前記予備加熱室の間を、大気に曝されずに搬送されることを特徴とするレーザーアニール装置である。
【0019】
本明細書において、連続とは、上記第1の工程と第2の工程との間に、非単結晶珪素膜に不純物その他不所望な物質が付着するような工程を含まないことを意味する。
【0020】
したがって例えば、第1の工程と第2の工程との間に、基板搬送工程、アライメント工程、徐冷工程、第2の工程に必要な温度まで基板を加熱する工程、加熱による脱水素工程等を有することは、本明細書における連続の範囲にあるといえる。
【0021】
他方、非単結晶珪素膜を膜質を変化させる特定の雰囲気に曝す工程、イオンドーピング、成膜、エッチング、プラズマ処理、被膜の塗布といった工程が第1の工程と第2の工程との間にある場合、本明細書でいう連続の定義に当てはまらない。
【0022】
本発明は、非単結晶珪素膜にレーザーアニールを施して、結晶化また結晶性を向上させるに際し、酸素を含有する雰囲気中にて非単結晶珪素膜の上面を酸化させて、特に100Å以下の膜厚の酸化珪素膜を形成し、その後に、レーザービームを照射するものである。
【0023】
また、酸素を含有する雰囲気中に配置した状態で、非単結晶珪素膜に対してレーザー照射を行うものである。
【0024】
さらに、非単結晶珪素膜を洗浄して自然酸化膜や不純物を除去する工程と、非単結晶珪素膜を酸素を含有する雰囲気中でレーザー照射する工程または酸素を含有する雰囲気中にて非単結晶珪素膜の上面に酸化珪素膜を形成する工程を、大気に曝さずに連続的に行うものである。
【0025】
非単結晶珪素膜の上面を酸化させて、膜厚100Å以下の酸化珪素膜を形成し、この状態でレーザーアニールを行うと、空気中でのレーザーアニールより純な結晶性珪素膜が得られるのみでなく、空気を含め、他の雰囲気でレーザーアニールを行う場合に比較して、以下の点で優れた特性を生じる。
▲1▼結晶性珪素膜の結晶性が向上する。
▲2▼結晶性珪素膜の結晶性が、膜面内において均一化される。
▲3▼結晶化に必要なレーザーのエネルギー密度が低下する。
【0026】
この極薄い膜厚の酸化珪素膜を設けることで、非単結晶珪素膜に照射されるレーザービームのエネルギーの反射・放出を抑え、与えられたエネルギーを膜内に保つ作用を奏すると考えられる。このために、非単結晶珪素膜に酸化珪素膜を設けない場合よりも、多くのエネルギーを与えることができ、結晶性が向上する。
【0027】
同時に、レーザービームのパルス毎のエネルギー密度のムラ・バラツキが均質化されるため、結晶性も膜面内において均質化する。
【0028】
さらに、レーザーエネルギーの雰囲気中への反射・放出が減少し、エネルギーが結晶化に有効に使われるため、照射するレーザービームのエネルギー密度を低下させることができる。
【0029】
非単結晶珪素膜上に酸化珪素膜が設けられた状態で、レーザービームのエネルギー密度を、酸化珪素膜を設けない状態と同様の高いものにすると、エネルギーの損失が少ない分、余計なエネルギーが与えられてしまうため、結晶性は高まるものの、膜全体がひどく荒れてしまう。そのような膜を用いて薄膜トランジスタ等のデバイスを作製することは極めて困難である。
【0030】
また、レーザーアニールを施す前に、HF水溶液や、HF、H2 O2 とを含有する水溶液にて非単結晶珪素膜上面を洗浄して、自然酸化膜を除去することは好ましい。この後の酸化珪素膜作製工程あるいは酸素含有雰囲気中でのレーザーアニール工程は、基板を加熱しながら行うと、酸化珪素膜の形成速度が向上し、好ましい。紫外線を照射しながらでも良い。
【0031】
特に、この洗浄工程と、その後の酸素雰囲気中でのレーザーアニール工程とを大気に曝さずに連続して行う、あるいは洗浄工程と酸素雰囲気中での加熱(酸化膜珪素膜形成)工程、レーザーアニール工程とを大気に曝さずに連続的して行うことは好ましい。
【0032】
このようにすることで、非単結晶珪素膜の極めて清浄な上面を酸化珪素膜とすることができる。その結果、形成される酸化珪素膜の膜厚、膜質はより均一になり、レーザーアニールにより結晶化された膜の基板面内における膜質均一性が向上する。
【0033】
さらには、レーザーアニール時の不純物の非単結晶珪素膜内部への侵入がより低減される。その結果、該膜を用いて作製される薄膜トランジスタ等のデバイスの、移動度、しきい値といった諸特性を、基板面内においても、ロット間においてもより安定させることができる。
【0034】
酸素を含有する雰囲気としては、酸素のみ、あるいは酸素と、窒素、ヘリウム、アルゴン、等の不活性気体との混合気体が好ましい。混合気体においては、酸素は大気圧下において1%以上、さらに好ましくは5%以上含有されていることが望ましい。酸素含有量が1%未満になると、十分な酸化珪素膜の形成に要する時間が極めて長くなる、あるいは形成されなくなり、本発明の効果が十分に得られず、実用的ではない。酸素含有量が5%以上であれば、本発明の効果が安定して得られる。
【0035】
酸化珪素膜を形成する際の酸素を含有する雰囲気として、空気を用いた場合、空気中の炭素等の不純物がアニールされる膜中に混入し、結晶性珪素膜の移動度その他の諸特性を低下、あるいはロット毎の特性が不安定となることが多い。
ただし、他の雰囲気中にて酸化珪素膜を作製した後、空気雰囲気中にてレーザーアニールを施すことは有効である。
【0036】
また、酸素を含有する雰囲気を構成する酸素や不活性気体は、その純度が、99.9%(3N)以上、99.99999%(7N)以下のものが、特に好ましい。このような純度の気体を用いた雰囲気とすることで、炭素、水、炭化水素、その他の不純物が結晶性珪素膜中に混入することを防ぎ、膜質や膜特性が安定し、かつ優れた特性の結晶性珪素膜が得られる。雰囲気を構成する酸素や不活性気体の純度が3N未満であると、空気雰囲気を用いた場合との差がほとんどなくなり、不純物により膜特性が不安定になりやすい。また、7Nより大きい高純度のものを用いても、7N以下の場合に比べて効果に大差なく、コストが高くなるだけであるので、好ましくない。
【0037】
また、前記酸化珪素膜の膜厚は100Å以上とすると、レーザー照射により結晶性珪素膜中への酸化珪素膜の混入量が増加し、結晶性珪素膜の結晶性や移動度等の諸特性が低下してしまう。一方、膜厚を5Å以下程度とあまりに薄くすると、上記に示した本発明の効果が著しく低下する。酸化珪素膜の膜厚としては、5〜100Å、好ましくは、10〜50Å、さらに好ましくは、20〜40Åが適当である。
【0038】
レーザーアニール時の圧力は、大気圧でよい。また、レーザーアニール時の圧力を、大気圧以下、特に0.01Torr以上、700Torr以下に減圧して行う場合、パルスレーザーの複数回の照射による、結晶性珪素膜の上面や膜全体の荒れが少なくなり、好ましい。すなわち、結晶性珪素膜の耐パルスレーザー照射性が向上し、荒れの少ない膜が得られる。レーザーアニール時の圧力が、700Torrより大きいと、膜の荒れ方が大気圧とほとんど変わらなくなる。圧力が0.01Torr未満となると、酸素含有雰囲気を用いることによる、結晶性や均質性、エネルギー効率の向上といった効果は著しく低下する。
【0039】
レーザービームの照射は、被照射面における断面形状が、スポット状または線状のレーザービームを走査して行われることは好ましい。
【0040】
またレーザービームは、パルスレーザーを光源とするものが好ましい。
【0041】
本発明を実施するには、非単結晶珪素膜を酸素含有雰囲気に曝す、あるいは、曝した状態で加熱または紫外線の照射を行って、非単結晶珪素膜上面を酸化させ、その状態でレーザーアニールする。
【0042】
1つの容器内にて、酸素含有雰囲気中で、非単結晶珪素膜上面を酸化させた後、他の容器内にて、酸素含有雰囲気または他の雰囲気中にてレーザーアニールを行ってもよい。
【0043】
また、雰囲気制御の可能な容器内にて、酸素含有雰囲気中で、レーザーアニールを行うと、1つの容器内にて酸化とレーザーアニールを行うことができ、作製工程が短縮される。この場合、レーザーアニール時に、基板を加熱することは好ましい。
【0044】
本発明における酸化珪素膜は、従来のレーザーアニール工程にて用いられたキャップ層(主に出力の小さい連続発振レーザーを用いたレーザーアニールの際に、非晶質珪素膜の上に酸化珪素膜や窒化珪素膜を数1000Å成膜し、該膜の機械的強度により、レーザーアニールの際の珪素膜表面の荒れ(リッジ)を防ぐもの)とは全く異なる。
【0045】
このような厚い酸化珪素膜は、本発明のようにエキシマレーザーの如き出力の大きいパルスレーザーを用いた場合、前述のようにレーザーアニールの際、珪素膜中に酸化珪素を多量に混入させ、形成される結晶性珪素膜の膜質、特性の低下を招く。
【0046】
また、非晶質珪素膜表面にキャップ層を設けた状態でレーザアニールを行うと、キャップ層により押さえ込まれた状態で結晶化がなされる。その結果、結晶の成長が抑えられてしまい、形成される結晶性珪素膜の結晶性が低くなる。また、結晶性珪素膜の内部に応力が強く残ってしまう。
【0047】
本発明においては、酸化珪素膜が極めて薄いため、結晶成長を抑えることはほとんどなく、キャップ層に比較して高い結晶性が得られ、また、内部応力も極めて小さくできる。
【0048】
したがって、本発明における酸化珪素膜は、リッジを抑制できる程度の機械的強度の出る膜厚は適さない。本発明における酸化珪素膜は100Å以下と極めて薄いため、複数回のパルスレーザー照射により、ほとんどの酸化珪素膜が飛散して除去されてしまう。
【0049】
【実施例】
〔実施例1〕
実施例1では、非単結晶珪素膜に対し、酸素含有雰囲気中でレーザーアニールを行う例を示す。
図2に、実施例の作製工程を示す。まず、基板201として、127mm角のコーニング1737上に、下地膜としての酸化珪素膜202が2000Å、その上に非晶質珪素膜が、500Å、共にプラズマCVD法にて、連続的に成膜される。
【0050】
次に、10ppmの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、非晶質珪素膜上に塗布され、酢酸ニッケル層が形成される。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。酢酸ニッケル層は、極めて薄いので、膜状となっているとは限らないが、以後の工程における問題はない。
【0051】
次に、上記のようにして各膜が積層された基板201に、600℃で4時間の熱アニールが施され、非晶質珪素膜が結晶化し、結晶性珪素膜203が形成される。(図2(A))
【0052】
このとき、触媒元素であるニッケルが結晶成長の核の役割を果たし、結晶化を促進させる。600℃、4時間という低温、短時間で結晶化を行うことができるのは、ニッケルの機能による。詳細については、特開平6−244104号に記載されている。
【0053】
触媒元素の濃度は、1×1015〜1019原子/cm3 であると好ましい。1×1019原子/cm3 以上の高濃度では、結晶性珪素膜に金属的性質が現れ、半導体としての特性が消滅する。本実施例において、結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度は、膜中のおける最小値で、1×1017〜5×1018原子/cm3 である。これらの値は、2次イオン質量分析法(SIMS)により分析、測定したものである。
【0054】
このようにして得られる結晶性珪素膜203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。
【0055】
図1に、実施例におけるレーザー照射室を示す。図1は、レーザー照射室の側断面図である。
【0056】
図3に、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3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3におけるA−A’断面を示す図が図1に相当する。
【0057】
図1において、レーザー照射室101は、レーザー発振装置102から照射され、光学系112により断面形状が線状に加工されたパルスレーザービームを、ミラー103で反射させ、石英で構成された窓104を介して被処理基板105に照射される機能を有している。
【0058】
レーザー発振装置102は、ここでは、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)を用いてもよい。
【0059】
被処理基板105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(100〜700℃)に保たれる。
【0060】
台106は、移動機構107によって、線状レーザービームの線方向に対して直角方向に移動され、被処理基板105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する。
【0061】
雰囲気制御が可能なレーザー照射室101は、減圧、排気手段として、真空排気ポンプ108を有する。また、気体供給手段として、バルブを介して水素ボンベに接続された、気体供給管109と、バルブを介して窒素やその他の気体のボンベに接続された、気体供給管110を有する。
【0062】
レーザー照射室101は、ゲイトバルブ301を介して、基板搬送室302に連結されている。
【0063】
図3において、図1のレーザー照射室101がゲイトバルブ301を介して基板搬送室302に連結されている。
【0064】
図3に示す装置の説明をする。ロード/アンロード室306に、被処理基板105が多数枚、例えば20枚収納されたカセット312が配置される。ロボットアーム305により、カセット312から一枚の基板がアライメント室に移動される。
【0065】
アライメント室303には、被処理基板105とロボットアーム305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303は、ロード/アンロード室306とゲイトバルブ307を介して接続されている。
【0066】
予備加熱室308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して、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のものである。
【0067】
予備加熱室308は、その内部は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る。更に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。基板はヒーターで加熱される。予備加熱室308は、基板搬送室302とは、ゲイトバルブ309によって連結されている。
【0068】
予備加熱室308において、所定の時間予熱された基板は、ロボットアーム305によって基板搬送室302に引き戻され、アライメント室303にて再度アライメントされた後、ロボットアーム305によって、レーザー照射室101に移送される。
【0069】
レーザー照射終了後、被処理基板105はロボットアーム305によって基板搬送室302に引き出され、徐冷室310に移送される。
【0070】
徐冷室310は、ゲイトバルブ311を介して、基板搬送室302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105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。
【0071】
徐冷室310で徐冷された被処理基板105は、ロボットアーム305によって、ロード/アンロード室306に移送され、カセット312に収納される。
【0072】
こうして、レーザーアニール工程が終了する。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できる。
【0073】
図1、図3に示す装置を用いてレーザーアニールを行う工程を説明する。まず、被処理基板105(結晶性珪素膜203を有する基板201)は、HF水溶液、またはHFとH2 O2 の混合水溶液で洗浄されて自然酸化膜が除去された後、カセット312に納められ、カセット312がロード/アンロード室306に配置される。
【0074】
図3において、本実施例においては、ロード/アンロード室306から搬送される被処理基板105は、予備加熱室における空気による酸化を防ぐため、アライメントされた後、予備加熱室308には搬送されず、直接レーザー照射室101に搬送される。ただし、予備加熱室308にて、結晶性珪素膜203上面が酸化されない程度に加熱することは有効である。
【0075】
レーザー照射室101内は、真空排気ポンプ108により真空引きされた後、気体供給管109から酸素が、気体供給管110から窒素がそれぞれ供給され、酸素20%、窒素80%の雰囲気となる。レーザー照射室内に供給される酸素、窒素とも、その純度は、ここでは、99.99999%(7N)である。このとき、圧力は大気圧とする。
【0076】
レーザー照射室101に搬送された被処理基板105は、ステージ111上に載置された状態で、台106内のヒータにより、レーザーアニールに適した温度、ここでは200℃に到達するために、約5分間加熱される。加熱されている間に、結晶性珪素膜203の上面は、雰囲気中の酸素により酸化され、炭素等の空気中の不純物の混入の無い純な酸化珪素膜204が形成される。膜厚は、10〜50Åここでは30Åである。
【0077】
また、図1において、被処理基板105上に照射される線状レーザービームは、幅0.34mm×長さ135mmとする。被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は、100mJ/cm2 〜500mJ/cm2 の範囲で、例えば260mJ/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、線状レーザービームを走査させる。レーザーの発振周波数は200Hzとし、被照射物の一点に注目すると、10〜50ショットのレーザービームが照射される。
【0078】
このようにして結晶性珪素膜203に対し、レーザーアニールが施され、結晶性が向上される。(図2(B))
【0079】
酸化珪素膜204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。
【0080】
その後、被処理基板105が徐冷室310に搬送され、徐冷の後、ロード/アンロード室306のカセット312に収納される。
【0081】
徐冷工程中が空気雰囲気であるので、徐冷工程中に、結晶性珪素膜203上面は酸化されやすい。また、酸素含有雰囲気でのレーザーアニールでは、複数回のレーザー照射により酸化珪素膜204が飛散しても、結晶化された珪素膜の上面が、雰囲気中の酸素により新たに酸化されることもある。また、レーザー照射されても、酸化珪素膜204がすべては飛散しない場合もある。このように、レーザーアニール工程終了後に結晶性珪素膜203上面に酸化珪素膜が残り易いため、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203の上面を還元して、酸化珪素膜を除去することは好ましい。
【0082】
次に、上記工程にて形成された結晶性珪素膜と、他の雰囲気にて形成された結晶性珪素膜との比較を行う。上記した方法と同様にして、レーザーアニール時の雰囲気、およびレーザービームのエネルギー密度を変化させて、結晶性珪素膜を作製する。雰囲気は、N2 /H2 (3%)、N2 100%である。各気体はいずれも、純度99.99999%(7N)以上、また気圧は大気圧とする。
【0083】
図4に、各種雰囲気でのレーザーアニールにおける、レーザービームのエネルギー密度と、レーザーアニールされた結晶性珪素膜のラマン半値半幅との関係を示す。ラマン半値半幅とは、ラマン半値幅の2分の1の値をいう。図4において、結晶性珪素膜は、酸素含有雰囲気として上記工程で用いたN2 /O2 (20%)雰囲気で作製されたものを◇、N2 /H2 (3%)雰囲気で作製されたものを〇、N2 100%雰囲気で作製されたものを□で示す。
【0084】
図4に示すように、結晶性珪素膜は、本発明の酸素含有雰囲気でレーザーアニールされたものは、エネルギー密度を上げていくとラマン半値半幅が低下する、すなわち結晶性が向上していることがわかる。
【0085】
もっとも、酸素含有雰囲気でレーザーアニールを行っても、レーザーエネルギー密度をあまり高くすると、結晶性は向上するものの、膜全体が大きく荒れてしまい、薄膜トランジスタ等のデバイス用として用いることは困難となる。ここでは、レーザーエネルギー密度は270mJ/cm2 以下が好ましい。
【0086】
一方、他の雰囲気においては、図4に示す範囲のエネルギー密度においては、いずれも低い結晶性に止まっている。
【0087】
上記酸素含有雰囲気でのレーザーアニールを、大気圧ではなく、それ以下、特に、0.01Torr以上、700Torr以下の減圧下で行ってもよい。このような減圧下でレーザーアニールを行うことで、アニールされた結晶性珪素膜の表面や膜全体のあれを少なくすることができる。
【0088】
次に、作製された結晶性珪素膜203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203をエッチングして、島状領域205が形成される。
【0089】
次に、ゲイト絶縁膜206となる酸化珪素膜が、プラズマCVD法によって厚さ1200Åに形成される。原料ガスとして、TEOSおよび酸素を用いる。成膜時の基板温度は、250℃〜380℃、例えば、300℃とする。(図2(C))
【0090】
次に、ゲイト電極を作製する。アルミニウム膜をスパッタ法により、厚さ3000Å〜8000Å、例えば6000Å堆積させる。アルミニウム膜中に0.1〜2%の珪素を含有させてもよい。該膜をエッチングして、ゲイト電極207が作製される。
【0091】
次に、不純物を添加する。Nチャネル型のTFTを作製する場合、燐イオンが、ゲイト電極をマスクとしてイオンドーピング法により、島状領域205に打ち込まれる。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用いる。加速電圧は10〜90kV、例えば80kV、ドーズ量は、1×1014〜5×1015原子/cm2 、例えば、1×1015原子/cm2 とする。基板温度は室温とする。この結果、チャネル形成領域210と、N型の不純物領域として、ソース208、ドレイン209が形成される。
【0092】
また、Pチャネル型のTFTを作製する場合、硼素イオンが、ゲイト電極207をマスクとしてイオンドーピング法により、島状領域205に打ち込まれる。ドーピングガスとして、水素で1〜10%、例えば5%に希釈されたジボラン(B2 H6 )を用いる。加速電圧は60〜90kV、例えば65kV、ドーズ量は、2×1015〜5×1015原子/cm2 、例えば、3×1015原子/cm2 とする。基板温度は室温とする。この結果、チャネル形成領域210と、P型の不純物領域として、ソース208、ドレイン209が形成される。(図2(D))
【0093】
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及び図3に示すレーザーアニール装置を用いて、線状レーザービームによりレーザーアニールを行う。レーザー照射室101内の雰囲気は、空気(大気圧)とする。被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は、100mJ/cm2 〜350mJ/cm2 の範囲で、例えば160mJ/cm2 とする。線状レーザービームを走査させる。被照射物の一点に注目すると、20〜40ショットのレーザービームが照射される。基板温度は200℃とする。その後、窒素雰囲気中にて2時間、450℃の熱アニールを行う。(図2(E))
【0094】
続いて、酸化珪素膜が厚さ6000Å、プラズマCVD法により形成され、層間絶縁膜211が形成される。次に、エッチングにより層間絶縁膜211にコンタクトホールが開孔される。さらに、金属材料、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜が形成、エッチングされることで、コンタクトホールを介して、ソース電極・配線212、ドレイン電極・配線213が形成される。
【0095】
最後に、1気圧の水素雰囲気で、200〜350℃の熱アニール処理が行われる。
【0096】
このようにして、複数のN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である。(図2(F))
【0097】
〔実施例2〕
実施例2では、酸素雰囲気中にて非単結晶珪素膜上面に酸化珪素膜を形成した後、窒素雰囲気中にてレーザーアニールを施す例を示す。実施例2では、図5に示すレーザーアニール装置を用いる。図5におけるレーザー照射室101のA−A’断面に、図1は、対応する。
【0098】
実施例1と同様にして、図2に示す基板201上に、下地膜202、熱アニールにより結晶化された結晶性珪素膜203を形成された被処理基板105が、HF水溶液、またはHFとH2 O2 の混合水溶液で洗浄されて自然酸化膜が除去された後、カセット312に納められ、カセット312がロード/アンロード室306に配置される。
【0099】
ロード/アンロード室306から搬送される被処理基板105は、アライメントされた後、予備加熱室501に搬送される。
【0100】
予備加熱室501には、図5に示すように、基板が載置される空間を減圧させる真空排気ポンプ502や、基板が載置される空間に酸素やその他の気体を供給できる気体供給管503、504が設けられている。
【0101】
予備加熱室501に接続された真空排気ポンプ502により、基板が載置される空間が真空引きされた後、気体供給管503から酸素が供給され、気体供給管504から窒素が供給され、基板ホルダー内部に、酸素5%、窒素95%(共に純度99.99999(7N))(大気圧)の雰囲気が形成される。そして、50〜300℃例えば、200℃で、予備加熱を施すと、同時に酸化珪素膜204が20〜40Å、例えば30Å形成される。
【0102】
図1に示す、レーザー照射室101内は、真空排気ポンプ108により真空引きされた後、気体供給管110から窒素が供給され、窒素(純度99.99999%(7N))100%の雰囲気となる。このとき、圧力は大気圧とする。
【0103】
予備加熱室501にて酸化珪素膜204が形成された被処理基板は、アライメントの後、レーザー照射室101に搬送される。搬送された被処理基板105は、200℃近くに加熱されており、ステージ111上に載置された状態においては、台106内のヒータによる極短時間(数分)の加熱で、レーザアニールに適した温度、ここでは200℃に到達する。
【0104】
この後、雰囲気以外は、実施例1と同様の条件として、レーザーアニールが施される。このようにして結晶性珪素膜203に対し、レーザーアニールが施され、結晶性が向上される。(図2(B))
【0105】
酸化珪素膜204は、極めて薄いため、レーザー照射によりほとんどが飛散してしまう。
【0106】
その後、被処理基板105が徐冷室310に搬送され、徐冷の後、ロード/アンロード室306のカセット312に収納される。
【0107】
次の工程に移る前に、HF水溶液や、HF、H2 O2 混合水溶液で、結晶性珪素膜203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。
【0108】
この後、実施例1と同様にして図2(C)〜(F)に従い、薄膜トランジスタが形成される。
【0109】
実施例2の場合、予備加熱室501と同じまたは異なる雰囲気のレーザー照射室101内に、被処理基板105を搬入して、酸化珪素膜の形成時間を不要とする、または処理時間を短縮させてレーザーアニールを施すことができ、作製工程の短縮を図ることができる。
【0110】
また、実施例2において、レーザー照射室101内の雰囲気は、窒素雰囲気としたが、窒素雰囲気としたが、他の雰囲気、例えば、実施例1と同じく、酸素20%、窒素80%でもよい。
【0111】
ただし、窒素雰囲気でのレーザーアニールは、他の空気や、酸素含有雰囲気、水素含有雰囲気等と比較すると、レーザーアニールによるリッジ(レーザーアニール後の結晶性珪素膜の表面の荒れ)の発生を抑える効果がある。
【0112】
〔実施例3〕
実施例3では、実施例2と同様に、図5の予備加熱室501で結晶性珪素膜203上面に酸化珪素膜204が形成された後、特に雰囲気制御は行わず、空気中(大気圧)にてレーザーアニールを行う例を示す。
【0113】
空気中でのレーザーアニールであるが、酸化珪素膜204が形成されているので、酸化珪素膜204を形成せずに、単に空気中にてレーザーアニールを行う場合に比較して、結晶性、均質性、エネルギーの利用効率とも優れたレーザーアニールを行うことができる。
【0114】
特に雰囲気制御を行わないのであれば、雰囲気制御可能な容器であるレーザー照射室101は無くてもよい。
【0115】
〔実施例4〕
実施例1において、熱結晶化により結晶性珪素膜203を形成する工程(図2(A))では、熱結晶化後の徐冷工程(空気雰囲気)により、結晶性珪素膜203上面が酸化されて酸化珪素膜が、やはり数10Å程度形成される。
実施例1では、レーザーアニール工程前に、洗浄によりこの酸化珪素膜を除去しているが、実施例4では、この酸化珪素膜を除去せず、そのまま、図3に示すレーザーアニール装置にてレーザーアニールを施す。
【0116】
実施例2と同様な、窒素雰囲気中にて、結晶性珪素膜203に対してレーザーアニールが施されると、酸化珪素膜を形成しないで、窒素雰囲気中にレーザーアニールを行った場合に比較して、結晶性やその均質性、レーザーエネルギーの利用効率は大幅に向上する。
【0117】
〔実施例5〕
実施例5では、実施例6で使用する連続処理装置の例を示す。この連続処理装置は、非単結晶珪素膜の洗浄工程と、レーザーアニール工程または加熱(酸化珪素膜形成)工程が大気に曝されずに連続して実施することができる。
図6に実施例における連続処理装置の上面図を示す。図6の装置は、図3に示した装置に、基板洗浄室を加えた構成を有する。
【0118】
図6において、基板搬送室601には、レーザー照射室602、予備加熱室603、徐冷室604、洗浄室607が、ゲイトバルブ608〜611を介して連結されている。また、基板搬送室601には、アライメント室606、ゲイトバルブ612を介してロード/アンロード室605が連結されている。
【0119】
基板搬送室601には、基板600を搬送する基板搬送手段としてロボットアーム613が配置されている。ロード/アンロード室605には、複数枚の基板が納められるカセット615が配置される。
【0120】
図6に示す構成のうち、基板搬送室601、レーザー照射室602、予備加熱室603、徐冷室604、ロード/アンロード室605、アライメント室606に関する説明は、実施例1で説明した図3に示す装置と同様の構成なので省略する。
【0121】
また、図6に示す装置は、各室および各室間の気密性が保たれている。また、各室には図示しない気体供給手段および排気手段が設けられ、各室の雰囲気や圧力は任意に制御できる。このような装置によって処理される基板は、外部の雰囲気から遮断されるため大気に触れることを防ぐことができる。
【0122】
図6において、洗浄室607には、ステージ616、カップ617、洗浄液流出用ノズル618が配置されている。ステージ616は、洗浄室607内に搬送されてきた基板の裏面を真空吸着して固定し、基板を水平回転させる。洗浄液流出用ノズル618は、洗浄液を基板回転面の中心部に流出させる。
【0123】
洗浄液としては、HFとH2 O2 とが0.5wt%づつ混合された水溶液等が好ましい。他にHFの水溶液を用いてもよい。この洗浄液により、非単結晶珪素膜上面の自然酸化膜や不純物等が除去される。
【0124】
カップ617は、基板回転時に基板の周囲を囲うように配置される。基板の搬送時には、搬送の邪魔にならないように、ステージ上面の基板固定位置より下側に配置される。カップ617は、基板の回転により周囲に飛散する洗浄液を受け止め、それを下側に排出する。
【0125】
図6に示す装置による洗浄工程について説明する。基板614が洗浄室内に搬送され、ステージ616の上面に真空吸着して固定された後、基板が所定の回転数で回転する。このとき、洗浄液流出用ノズル618からは、洗浄液が基板回転面の中心部に流出される。
【0126】
流出された洗浄液は、遠心力で基板の中心から外側へ同心円状に広がり、基板の周辺に到達した後、カップ617へ飛散した後、排出される。
【0127】
このような状態を数10秒〜数分維持した後、洗浄液の流出を止め、基板の回転数を上げて、洗浄液を乾燥させる。
【0128】
このようにして洗浄工程が終了する。その後基板604を搬送手段613により予備加熱室やレーザー照射室といった他の室に移動する。
【0129】
図6に示す装置により、基板洗浄工程すなわち非単結晶珪素膜上面の自然酸化膜や不純物、ゴミ等を除去する工程と、非単結晶珪素膜に対する酸素雰囲気でのレーザーアニール工程または酸素雰囲気での加熱工程(酸化膜形成工程)とを、大気に曝すことなく連続的に行うことができる。
【0130】
その結果、非単結晶珪素膜上面に形成される薄い酸化珪素膜を不純物のない良質なものとし、レーザーアニールによる良好な結晶化が可能となる。
【0131】
さらに、図6に示す装置により、レーザーアニール工程終了後の、結晶性珪素膜上面の洗浄を連続的に行うことも可能である。その結果レーザーアニール工程後の工程に対し、清浄な表面を有する結晶性珪素膜をより短時間で提供することができ、製造所要時間の短縮に寄与する。
【0132】
なお本実施例では、基板の洗浄を洗浄液を用いて基板を回転させる方式とした。この方式は、基板の裏面側に洗浄液が付着する可能性が極めて少ないため、洗浄液によるガラス基板のくもりや汚染を防ぐことができる。さらに洗浄液の乾燥を基板の回転のみで行うことができるため、洗浄工程全体を短時間とすることができる。また設備がコンパクトかつ簡素であるため、図6のようなマルチャンバー型の連続処理装置に使用することは、装置の設置面積を小さくし、かつ設計を容易とするため有効である。
【0133】
しかし、本実施例の基板洗浄方式はこれに限られるものではない。例えば、基板を回転させずに、基板上面に洗浄液を流出させる構成であってもよい。
【0134】
また、非単結晶珪素膜を還元性の気体雰囲気に曝すものであってもよい。
【0135】
〔実施例6〕
実施例6では、図6の装置を用い、基板洗浄工程とレーザーアニール工程を大気に曝さずに連続的に行う例を示す。
【0136】
実施例6の薄膜トランジスタの作製工程を図2を用いて示す。まず、実施例1と同様にして、基板201として、127mm角のコーニング1737上に、下地膜としての酸化珪素膜202が2000Å、その上に非晶質珪素膜が、500Å、共にプラズマCVD法にて、連続的に成膜される。
【0137】
次に、実施例1と同様の酢酸ニッケル水溶液を塗布した後、600℃、4時間の熱アニールを施し、結晶性珪素膜203が形成される。((図2(A))
【0138】
次に、図6に示す連続処理装置により、結晶性珪素膜の洗浄と酸素雰囲気中でのレーザーアニール工程とを連続的に行う。
【0139】
図6に示す連続処理装置の各室は、大気から遮断されており、雰囲気は清浄化されて不純物等が除去された、清浄な気体により構成される。例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性気体やこれらに酸素を混入したもの等が好ましい。また、清浄化された空気を用いてもよい。
【0140】
まず、結晶性珪素膜203が形成された被処理基板は、カセット615に納められ、カセット615がロード/アンロード室606に配置される。
【0141】
ロード/アンロード室606から搬送される被処理基板は、アライメント室605にてアライメントされた後、洗浄室607に搬送され、結晶性珪素膜203の上面の自然酸化膜や不純物などが除去される。
【0142】
洗浄室607において、基板614はステージ616に固定され、回転しながら洗浄液による洗浄が行われる。
【0143】
洗浄するための洗浄液は、ノズル618より基板回転面の中心部分に流出される。洗浄液は基板回転による遠心力により、基板の中心から周辺に向かって同心円状に移動する。その後、洗浄液は基板の周囲に飛散し、カップ617にあたった後、排出される。洗浄液としては、ここではHFとH2 O2 が0.5wt%づつ混入された水溶液を用いる。他にHF水溶液を用いてもよい。
【0144】
基板は、洗浄液を受けながら、10秒〜5分、ここでは1分間、100〜1000rpm、例えば300rpmの回転数で回転される。その後、洗浄液の流出を止め、基板上面の乾燥のため、基板回転数を上げて約30秒間回転させる。乾燥時の基板回転数は、2500〜4000rpm、ここでは3000rpmとした。
【0145】
その後、基板の回転が止められ、基板が洗浄室607から基板搬送手段613により搬出される。
【0146】
このようにして、基板上の結晶性珪素膜203上面は洗浄され、自然酸化膜や不純物が除去される。
【0147】
次に、結晶性珪素膜203に対しレーザーアニールを施す。洗浄室607より搬出された基板は、レーザー照射室602に直接、あるいは予備加熱室603で加熱された後に搬送される。
【0148】
その結果洗浄後の結晶性珪素膜が大気に触れることなく、洗浄工程に連続してレーザー照射室602に搬送される。
【0149】
また、予備加熱室603を用いて、所定の温度まで加熱した後、レーザー照射室へ搬送することで、レーザー照射室内での基板加熱時間を短縮できる。
【0150】
次に、酸素雰囲気中でのレーザーアニールを行う。レーザー照射室602は、酸素20%、窒素80%の雰囲気が構成されている。そして、実施例1と同様の条件により酸素雰囲気中で結晶性珪素膜203に対しレーザーアニールが行われ、結晶性が向上される。(図2(B))
【0151】
本実施例において、被処理基板は、図6の連続処理装置を用いたことで、先の洗浄工程からレーザーアニール工程まで全く大気に触れず、不純物のない清浄な雰囲気のみに触れる。そのため、レーザーアニール工程において結晶性珪素膜203上面に形成される薄い酸化珪素膜204およびその近傍において、大気中で形成された自然酸化膜や大気中の不純物が相当程度除去されている。その結果、酸化珪素膜204は極めて純な酸化珪素膜となり、実施例1と比較して、レーザーアニールをより効果的に行うことができる。
【0152】
すなわち、形成される薄い酸化珪素膜204の膜厚、膜質は、実施例1の場合に比較して、結晶性珪素膜203上面においてより均一になり、その結果、レーザーアニールにより結晶化された膜の、基板面内における膜質均一性が向上する。
【0153】
さらには、レーザーアニール時の不純物の結晶性珪素膜203内部へ侵入がより低減される。その結果、作製される薄膜トランジスタの、移動度、しきい値といった諸特性を、基板面内においても、ロット間においてもより安定させることができる。
【0154】
レーザーアニール工程終了後、必要に応じて基板は徐冷室604に搬送され徐冷される。
【0155】
この後、基板をロード/アンロード室へ搬送してもよいが、レーザーアニール工程終了後では結晶性珪素膜203上面に酸化珪素膜が残り易い。
【0156】
すなわち、酸素含有雰囲気でのレーザーアニールでは、複数回のレーザー照射により酸化珪素膜204が飛散しても、結晶化された珪素膜の上面が、雰囲気中の酸素により新たに酸化されることもある。また、レーザー照射されても、酸化珪素膜204全てが飛散しない場合もある。
【0157】
そこで、レーザーアニール工程終了後に基板を再び洗浄室に搬送し、洗浄を行うことは極めて有効である。
【0158】
工程としては、基板をレーザー照射室602または徐冷室604から搬出した後、洗浄室607に搬入して結晶性珪素膜203の上面を洗浄し、酸化珪素膜や不純物等を除去する。条件は、レーザーアニール工程前の洗浄工程と同様とする。
【0159】
このように、レーザーアニール工程と洗浄工程は、または徐冷工程と洗浄工程を大気に曝さずに連続して行うことにより、結晶性珪素膜上面の高い清浄性を短時間で得ることができる。
【0160】
その後、洗浄工程が終了した基板は、基板搬送手段613により洗浄室607からロード/アンロード室606へ搬送され、カセット615に収納される。
【0161】
その後、実施例1と同様の工程により、薄膜トランジスタを完成させる。(図2(C)〜図2(F))
【0162】
このようにして作製された薄膜トランジスタは、諸特性が向上し、基板面内およびロット間において安定な特性を有するものとなる。
【0163】
〔実施例7〕
実施例7では、図6の連続処理装置を用い、酸素雰囲気中にて非単結晶珪素膜上面に酸化珪素膜を形成した後、窒素雰囲気中にてレーザーアニールを施す例を示す。
【0164】
実施例6と同様にして図2に従い薄膜トランジスタを作製する。基板201上に、下地膜としての酸化珪素膜202、非晶質珪素膜が連続的に成膜され、酢酸ニッケル水溶液を塗布した後、600℃、4時間の熱アニールを施し、結晶性珪素膜203が形成される。((図2(A))
【0165】
次に、図6に示す連続処理装置を用いて、実施例6と同様にして洗浄室607において結晶性珪素膜203上面の洗浄を行う。これにより、結晶性珪素膜203上面の自然酸化膜や不純物が除去される。
【0166】
次に、基板が予備加熱室603に搬送される。予備加熱室603内は、酸素5%、窒素95%(共に純度99.99999(7N))(大気圧)の雰囲気が形成されている。そして、50〜300℃例えば、200℃で、予備加熱を施すと、結晶性珪素膜203上面に薄い酸化珪素膜204が20〜40Å、例えば30Å形成される。
【0167】
ここで形成される酸化珪素膜204は、先の洗浄工程によって結晶性珪素膜203の上面が洗浄され、かつ大気に曝されていないため、不純物の混入が少ない極めて純な膜となる。
【0168】
予備加熱終了後、被処理基板は予備加熱室603からレーザー照射室602に大気に曝されずに搬送される。レーザー照射室602内は、ここでは窒素雰囲気である。
【0169】
そして、雰囲気以外は実施例6と同様の条件によりレーザーアニールを行い、結晶性珪素膜203の結晶性が向上される。(図2(B))
【0170】
レーザーアニール後の結晶性珪素膜203は、実施例2で得られるものに比較して、レーザーアニールによる結晶化の、基板面内における均一性が向上する。また作製される薄膜トランジスタの、移動度、しきい値といった諸特性が、基板面内においても、ロット間においてもより安定する。
【0171】
また、レーザーアニール時の雰囲気を窒素雰囲気としたことで、酸素雰囲気に比較して、リッジの発生が抑えられる。その結果、洗浄工程とレーザーアニール工程を基板を大気に曝さずに連続して行うことによって得られる、結晶性珪素膜の結晶性、膜質の向上に加え、リッジが抑制され、結晶性珪素膜の膜質をより優れたものとすることができる。
【0172】
この後、実施例6と同様にして図2(C)〜(F)に従い、薄膜トランジスタが形成される。
【0173】
本実施例の工程では、実施例2と同様にレーザー照射室内での酸化珪素膜204の形成に要する時間が不要となる。したがって、作製工程時間の短縮を図ることができる。
【0174】
本実施例において、レーザーアニール時の雰囲気は窒素雰囲気以外であっても、清浄な雰囲気であれば実施は可能である。
【0175】
【発明の効果】
本発明により、空気を含め、他の雰囲気でレーザーアニールを行う場合に比較して、結晶性、均質性が大幅に向上し、またエネルギー利用効率を大きく向上させることができる。
【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】 実施例の作製工程を示す図。
【図3】 実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。
【図4】 各種雰囲気でのレーザーアニールにおける、レーザービームのエネルギー密度と、レーザーアニールされた結晶性珪素膜のラマン半値半幅との関係を示す図。
【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】 実施例における連続処理装置の上面図。
【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
105 被処理基板
106 台
107 移動機構
108 真空排気ポンプ
109、110 気体供給管
111 ステージ
112 光学系
201 基板
202 酸化珪素膜(下地膜)
203 結晶化珪素膜
204 酸化珪素膜
205 島状領域
206 ゲイト絶縁膜
207 ゲイト電極
208 ソース
209 ドレイン
210 チャネル形成領域
211 層間絶縁膜
212 ソース電極・配線
213 ドレイン電極・配線
301 ゲイトバルブ
302 基板搬送室
303 アライメント室
305 ロボットアーム
306 ロード/アンロード室
307 ゲイトバルブ
308 予備加熱室
309 ゲイトバルブ
310 徐冷室
311 ゲイトバルブ
312 カセット
501 予備加熱室
502 真空排気ポンプ
503、504 気体供給管
601 基板搬送室
602 レーザー照射室
603 予備加熱室
604 徐冷室
605 ロード/アンロード室
606 アライメント室
607 洗浄室
608〜612
613 ロボットアーム
614 基板
615 カセット
616 ステージ
617 カップ
618 ノズル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of crystallizing or improving crystallinity by applying laser annealing to an amorphous silicon film or a crystalline silicon film formed on an insulating substrate such as glass.
[0002]
[Prior art]
In recent years, an amorphous silicon film or a crystalline silicon film (a silicon film having crystallinity such as polycrystalline or microcrystalline) that is formed over an insulating substrate such as glass, that is, a non-single-crystal silicon film is used. On the other hand, a technique for performing laser annealing to crystallize or improve crystallinity has been widely studied.
[0003]
Since the crystalline silicon film formed by laser annealing has high mobility, a thin film transistor (TFT) is formed using this crystalline silicon film. For example, on a single glass substrate, for driving a pixel. It is actively used in monolithic liquid crystal electro-optical devices and the like for producing TFTs for driving circuits.
[0004]
In addition, a laser beam is produced by processing a pulse laser beam such as an excimer laser having a high output with an optical system so that a square spot of several centimeters square or a line of several millimeters wide × several tens of centimeters is formed on the irradiated surface. The method of performing laser annealing by moving the laser beam (moving the irradiation position of the laser beam relative to the surface to be irradiated) is preferable because it is excellent in mass productivity and industrially excellent.
[0005]
In particular, when a linear laser beam is used, the entire irradiated surface is irradiated by scanning only in a direction perpendicular to the linear direction, unlike when using a spot laser beam that requires scanning in the front, rear, left, and right directions. Therefore, high mass productivity can be obtained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Several problems have arisen when laser annealing is performed on a non-single-crystal silicon film by scanning a spot-like or linear laser beam using a pulsed laser beam as a light source.
[0007]
For example, when laser annealing is performed in the air, carbon and other impurities contained in the air are likely to be mixed into the coating, and various properties such as film quality, crystallinity, and mobility of the crystalline silicon film after annealing are reduced. There's a problem.
[0008]
In addition, in an inert gas atmosphere such as vacuum or nitrogen, scanning with a laser beam with a spot-like or linear shape on the irradiated surface and performing laser annealing, compared to annealing in air, the following There are problems.
[0009]
(1) Poor crystallinity. That is, high crystallinity cannot be obtained unless the energy density of the laser is significantly increased as compared with annealing in air.
[0010]
(2) The homogeneity of the crystal within the film surface is poor. Places with good crystallinity and places with poor crystallinity are distributed in the film plane. For example, when a linear laser beam is scanned in a direction perpendicular to the linear direction of the beam, a place with good crystallinity and a place with bad crystallinity appear in a striped pattern in the film surface. Accordingly, when a plurality of thin film transistors are manufactured using the manufactured crystalline silicon film, characteristics such as a threshold value and mobility vary depending on the position of the thin film transistor on the substrate.
[0011]
(3) Energy use efficiency is poor. In order to increase crystallinity, it is necessary to increase the energy density of the laser. When the energy density is increased, the power consumption increases, and in addition, the entire laser irradiation device including the laser oscillator, circuit, gas, and optical system is heavily consumed. Therefore, the cost of the device to be manufactured is increased. On the other hand, when the energy density of the laser increases, the crystallinity increases, but the entire film after laser annealing is severely roughened, and it becomes difficult to fabricate a device by processing the film.
[0012]
The present invention solves the above problems.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, one of the main configurations disclosed in this specification is as follows:
A first step of cleaning the non-single-crystal silicon film formed on the substrate;
A second step of laser annealing the non-single crystal silicon film in an atmosphere containing oxygen;
The laser annealing method is characterized in that the first step and the second step are continuously performed without being exposed to the atmosphere.
[0014]
In the above structure, the second step is preferably performed after the upper surface of the non-single-crystal silicon film is oxidized in the oxygen-containing atmosphere.
[0015]
One of the other configurations is
A first step of cleaning the non-single-crystal silicon film formed on the substrate;
A second step of forming a silicon oxide film by oxidizing the upper surface of the non-single-crystal silicon film;
A third step of laser annealing the non-single-crystal silicon film,
Of the steps, at least the first step and the second step are continuously performed without being exposed to the atmosphere.
[0016]
In the above structure, the third step is preferably performed in a nitrogen atmosphere.
[0017]
One of the other configurations is
Having at least a cleaning chamber and a laser irradiation chamber,
In the laser annealing apparatus, the substrate to be processed is transported between the chambers without being exposed to the atmosphere.
[0018]
One of the other configurations is
Having at least a cleaning chamber, a preheating chamber, and a laser irradiation chamber;
In the laser annealing apparatus, the substrate to be processed is transported between the cleaning chamber and the preheating chamber without being exposed to the atmosphere.
[0019]
In this specification, “continuous” means that there is no step between the first step and the second step in which impurities or other undesirable substances adhere to the non-single-crystal silicon film.
[0020]
Therefore, for example, between the first step and the second step, the substrate transfer step, the alignment step, the slow cooling step, the step of heating the substrate to the temperature required for the second step, the dehydrogenation step by heating, etc. Having can be said to be in the continuous range herein.
[0021]
On the other hand, the steps of exposing the non-single crystal silicon film to a specific atmosphere that changes the film quality, steps such as ion doping, film formation, etching, plasma treatment, and coating are between the first step and the second step. In this case, the definition of continuity in this specification does not apply.
[0022]
In the present invention, when laser annealing is performed on a non-single crystal silicon film to improve crystallization or crystallinity, the upper surface of the non-single crystal silicon film is oxidized in an oxygen-containing atmosphere, and is particularly less than 100 mm. A silicon oxide film having a thickness is formed, and then a laser beam is irradiated.
[0023]
In addition, laser irradiation is performed on the non-single crystal silicon film in a state where the film is arranged in an atmosphere containing oxygen.
[0024]
Further, the step of cleaning the non-single-crystal silicon film to remove a natural oxide film and impurities, the step of irradiating the non-single-crystal silicon film with a laser in an atmosphere containing oxygen, or the non-single crystal in an atmosphere containing oxygen. The step of forming the silicon oxide film on the upper surface of the crystalline silicon film is continuously performed without being exposed to the atmosphere.
[0025]
When the upper surface of the non-single crystal silicon film is oxidized to form a silicon oxide film having a thickness of 100 mm or less, and laser annealing is performed in this state, a pure crystalline silicon film can be obtained only by laser annealing in air. In addition, as compared with the case where laser annealing is performed in another atmosphere including air, excellent characteristics are produced in the following points.
(1) The crystallinity of the crystalline silicon film is improved.
(2) The crystallinity of the crystalline silicon film is made uniform in the film plane.
(3) The energy density of the laser necessary for crystallization is lowered.
[0026]
By providing this extremely thin silicon oxide film, it is considered that the reflection / release of the energy of the laser beam applied to the non-single crystal silicon film is suppressed and the applied energy is maintained in the film. For this reason, more energy can be given than in the case where a non-single-crystal silicon film is not provided with a silicon oxide film, and crystallinity is improved.
[0027]
At the same time, since unevenness and variation in energy density for each pulse of the laser beam are homogenized, the crystallinity is also homogenized in the film plane.
[0028]
Furthermore, since the reflection / release of laser energy into the atmosphere is reduced and the energy is effectively used for crystallization, the energy density of the irradiated laser beam can be reduced.
[0029]
If the energy density of the laser beam is set to a high value similar to the state without the silicon oxide film in a state where the silicon oxide film is provided on the non-single-crystal silicon film, the extra energy is reduced due to less energy loss. However, although the crystallinity is increased, the entire film is severely roughened. It is extremely difficult to manufacture a device such as a thin film transistor using such a film.
[0030]
In addition, before laser annealing, HF aqueous solution, HF, H 2 O 2 It is preferable to clean the upper surface of the non-single-crystal silicon film with an aqueous solution containing and remove the natural oxide film. The subsequent silicon oxide film preparation step or laser annealing step in an oxygen-containing atmosphere is preferably performed while heating the substrate, because the formation rate of the silicon oxide film is improved. You may irradiate with ultraviolet rays.
[0031]
In particular, this cleaning process and the subsequent laser annealing process in an oxygen atmosphere are performed continuously without exposure to the air, or the cleaning process and the heating (oxygen film silicon film formation) process in an oxygen atmosphere, laser annealing. It is preferable to perform the process continuously without exposure to the atmosphere.
[0032]
By doing so, the extremely clean upper surface of the non-single-crystal silicon film can be a silicon oxide film. As a result, the film thickness and film quality of the formed silicon oxide film become more uniform, and the film quality uniformity in the substrate surface of the film crystallized by laser annealing is improved.
[0033]
Furthermore, the penetration of impurities into the non-single-crystal silicon film during laser annealing is further reduced. As a result, various characteristics such as mobility and threshold value of a device such as a thin film transistor manufactured using the film can be more stabilized both in the substrate surface and between lots.
[0034]
As the atmosphere containing oxygen, oxygen alone or a mixed gas of oxygen and an inert gas such as nitrogen, helium, or argon is preferable. In the mixed gas, it is desirable that oxygen is contained at 1% or more, more preferably 5% or more under atmospheric pressure. When the oxygen content is less than 1%, the time required to form a sufficient silicon oxide film becomes very long or no longer formed, and the effects of the present invention cannot be obtained sufficiently, which is not practical. If the oxygen content is 5% or more, the effects of the present invention can be obtained stably.
[0035]
When air is used as the atmosphere containing oxygen when forming the silicon oxide film, impurities such as carbon in the air are mixed in the annealed film, and the mobility and other characteristics of the crystalline silicon film are In many cases, the deterioration or characteristics of each lot becomes unstable.
However, it is effective to perform laser annealing in an air atmosphere after forming a silicon oxide film in another atmosphere.
[0036]
The purity of the oxygen or inert gas constituting the atmosphere containing oxygen is particularly preferably 99.9% (3N) or more and 99.99999% (7N) or less. By using an atmosphere using such a purity gas, carbon, water, hydrocarbons, and other impurities are prevented from entering the crystalline silicon film, and the film quality and film characteristics are stable and have excellent characteristics. A crystalline silicon film is obtained. If the purity of oxygen or inert gas constituting the atmosphere is less than 3N, there is almost no difference from the case where an air atmosphere is used, and the film characteristics are likely to be unstable due to impurities. Also, using a material having a purity higher than 7N is not preferable because the effect is not much different from that in the case of 7N or less and only the cost is increased.
[0037]
If the thickness of the silicon oxide film is 100 mm or more, the amount of silicon oxide film mixed into the crystalline silicon film is increased by laser irradiation, and various characteristics such as crystallinity and mobility of the crystalline silicon film are exhibited. It will decline. On the other hand, if the film thickness is too thin, such as about 5 mm or less, the effects of the present invention described above are significantly reduced. The film thickness of the silicon oxide film is 5 to 100 mm, preferably 10 to 50 mm, and more preferably 20 to 40 mm.
[0038]
The pressure during laser annealing may be atmospheric pressure. In addition, when the pressure during laser annealing is reduced to atmospheric pressure or less, particularly 0.01 Torr or more and 700 Torr or less, the upper surface of the crystalline silicon film or the entire film is less rough due to multiple irradiations of the pulse laser. It is preferable. That is, the pulsed laser irradiation resistance of the crystalline silicon film is improved, and a film with less roughness can be obtained. If the pressure at the time of laser annealing is larger than 700 Torr, the roughness of the film hardly changes from atmospheric pressure. When the pressure is less than 0.01 Torr, the effects of improving the crystallinity, homogeneity, and energy efficiency due to the use of the oxygen-containing atmosphere are significantly reduced.
[0039]
The laser beam irradiation is preferably performed by scanning a laser beam having a spot-like or linear cross-sectional shape on the irradiated surface.
[0040]
The laser beam preferably uses a pulse laser as a light source.
[0041]
In carrying out the present invention, the non-single crystal silicon film is exposed to an oxygen-containing atmosphere, or heated or irradiated with ultraviolet rays in the exposed state to oxidize the upper surface of the non-single crystal silicon film, and laser annealing is performed in that state. To do.
[0042]
After oxidizing the upper surface of the non-single crystal silicon film in an oxygen-containing atmosphere in one container, laser annealing may be performed in an oxygen-containing atmosphere or another atmosphere in another container.
[0043]
Further, when laser annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere in a container in which atmosphere control is possible, oxidation and laser annealing can be performed in one container, and the manufacturing process is shortened. In this case, it is preferable to heat the substrate during laser annealing.
[0044]
The silicon oxide film according to the present invention is a cap layer used in a conventional laser annealing process (mainly a silicon oxide film or an oxide film on an amorphous silicon film during laser annealing using a continuous wave laser with a small output). Thousands of silicon nitride films are formed, and the mechanical strength of the film is completely different from that for preventing the roughness (ridge) of the silicon film surface during laser annealing.
[0045]
Such a thick silicon oxide film is formed by mixing a large amount of silicon oxide in the silicon film during laser annealing as described above when a pulse laser having a high output such as an excimer laser is used as in the present invention. The film quality and characteristics of the crystalline silicon film are reduced.
[0046]
Further, when laser annealing is performed in a state where a cap layer is provided on the surface of the amorphous silicon film, crystallization is performed while being pressed down by the cap layer. As a result, crystal growth is suppressed and the crystallinity of the formed crystalline silicon film is lowered. Also, a strong stress remains in the crystalline silicon film.
[0047]
In the present invention, since the silicon oxide film is extremely thin, crystal growth is hardly suppressed, high crystallinity is obtained as compared with the cap layer, and internal stress can be extremely reduced.
[0048]
Accordingly, the silicon oxide film according to the present invention is not suitable for a film thickness that provides sufficient mechanical strength to suppress ridges. Since the silicon oxide film according to the present invention is extremely thin at 100 mm or less, most of the silicon oxide film is scattered and removed by multiple times of pulse laser irradiation.
[0049]
【Example】
[Example 1]
Example 1 shows an example in which laser annealing is performed on a non-single-crystal silicon film in an oxygen-containing atmosphere.
FIG. 2 shows a manufacturing process of the example. First, as a
[0050]
Next, a 10 ppm nickel acetate aqueous solution is applied onto the amorphous silicon film by a spin coating method to form a nickel acetate layer. It is more preferable to add a surfactant to the nickel acetate aqueous solution. Since the nickel acetate layer is extremely thin, it is not always a film, but there is no problem in the subsequent steps.
[0051]
Next, the
[0052]
At this time, the catalytic element nickel serves as a nucleus for crystal growth and promotes crystallization. The reason that crystallization can be performed at 600 ° C. for 4 hours at a low temperature is due to the function of nickel. Details are described in JP-A-6-244104.
[0053]
The concentration of the catalytic element is 1 × 10 15 -10 19 Atom / cm Three Is preferable. 1 × 10 19 Atom / cm Three At the above high concentration, metallic properties appear in the crystalline silicon film and the characteristics as a semiconductor disappear. In this embodiment, the concentration of the catalytic element in the crystalline silicon film is the minimum value in the film and is 1 × 10. 17 ~ 5x10 18 Atom / cm Three It is. These values are analyzed and measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
[0054]
In order to further improve the crystallinity of the
[0055]
FIG. 1 shows a laser irradiation chamber in the embodiment. FIG. 1 is a side sectional view of a laser irradiation chamber.
[0056]
FIG. 3 shows a top view of the laser annealing apparatus in the embodiment. Here, a multi-chamber laser annealing apparatus shown in FIG. 3 is used. The figure which shows the AA 'cross section in FIG. 3 corresponds to FIG.
[0057]
In FIG. 1, a
[0058]
Here, the
[0059]
The
[0060]
The
[0061]
The
[0062]
The
[0063]
In FIG. 3, the
[0064]
The apparatus shown in FIG. 3 will be described. In the load / unload
[0065]
In the
[0066]
The preheating
[0067]
The preheating
[0068]
In the preheating
[0069]
After the laser irradiation, the substrate to be processed 105 is pulled out to the
[0070]
The
[0071]
The substrate to be processed 105 that has been gradually cooled in the
[0072]
Thus, the laser annealing process is completed. In this way, by repeating the above steps, a large number of substrates can be successively processed one by one.
[0073]
A process of performing laser annealing using the apparatus shown in FIGS. 1 and 3 will be described. First, the substrate to be processed 105 (the
[0074]
In FIG. 3, in this embodiment, the substrate to be processed 105 transferred from the load / unload
[0075]
The inside of the
[0076]
The
[0077]
Further, in FIG. 1, the linear laser beam irradiated onto the substrate to be processed 105 has a width of 0.34 mm and a length of 135 mm. The energy density of the laser beam on the irradiated surface is 100 mJ / cm. 2 ~ 500mJ / cm 2 For example, 260 mJ / cm 2 And A linear laser beam is scanned by moving the
[0078]
In this way, the
[0079]
Since the
[0080]
Thereafter, the substrate to be processed 105 is transferred to the
[0081]
Since the slow cooling process is an air atmosphere, the upper surface of the
[0082]
Next, the crystalline silicon film formed in the above process is compared with the crystalline silicon film formed in another atmosphere. In the same manner as described above, the crystalline silicon film is manufactured by changing the atmosphere during laser annealing and the energy density of the laser beam. The atmosphere is N 2 / H 2 (3%), N 2 100%. Each gas has a purity of 99.99999% (7N) or more and the atmospheric pressure is atmospheric pressure.
[0083]
FIG. 4 shows the relationship between the energy density of the laser beam and the Raman half-value half width of the laser-annealed crystalline silicon film in laser annealing in various atmospheres. The Raman half-width refers to a half value of the Raman half-width. In FIG. 4, the crystalline silicon film is an N-containing atmosphere used in the above process as an oxygen-containing atmosphere. 2 / O 2 (20%) ◇, N 2 / H 2 (3%) ○, N 2 Those produced in a 100% atmosphere are indicated by □.
[0084]
As shown in FIG. 4, when the crystalline silicon film is laser-annealed in the oxygen-containing atmosphere of the present invention, the Raman half-width decreases as the energy density is increased, that is, the crystallinity is improved. I understand.
[0085]
However, even if laser annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere, if the laser energy density is too high, the crystallinity is improved, but the entire film is greatly roughened, making it difficult to use for devices such as thin film transistors. Here, the laser energy density is 270 mJ / cm. 2 The following is preferred.
[0086]
On the other hand, in other atmospheres, all of the energy density in the range shown in FIG.
[0087]
The laser annealing in the oxygen-containing atmosphere may be performed not under atmospheric pressure but under a reduced pressure, particularly 0.01 Torr or more and 700 Torr or less. By performing laser annealing under such reduced pressure, the surface of the annealed crystalline silicon film or the entire film can be reduced.
[0088]
Next, a thin film transistor (TFT) is manufactured using the manufactured
[0089]
Next, a silicon oxide film to be the
[0090]
Next, a gate electrode is produced. An aluminum film is deposited by sputtering to a thickness of 3000 to 8000 mm, for example 6000 mm. The aluminum film may contain 0.1 to 2% silicon. The
[0091]
Next, impurities are added. In the case of manufacturing an N-channel TFT, phosphorus ions are implanted into the
[0092]
In the case of manufacturing a P-channel TFT, boron ions are implanted into the island-shaped
[0093]
Next, in order to activate the doped impurities, laser annealing is again performed with a linear laser beam using the laser annealing apparatus shown in FIGS. The atmosphere in the
[0094]
Subsequently, a silicon oxide film is formed by a plasma CVD method with a thickness of 6000 mm, and an interlayer insulating film 211 is formed. Next, a contact hole is opened in the interlayer insulating film 211 by etching. Further, by forming and etching a metal material, for example, a multilayer film of titanium and aluminum, the source electrode /
[0095]
Finally, a thermal annealing process at 200 to 350 ° C. is performed in a 1 atmosphere hydrogen atmosphere.
[0096]
In this way, a plurality of N or P channel type crystalline TFTs are formed. These TFTs are N-channel type, 70-120 cm 2 / Vs, P-channel type 60-90cm 2 It has excellent mobility with / Vs. (Fig. 2 (F))
[0097]
[Example 2]
Example 2 shows an example in which after a silicon oxide film is formed on an upper surface of a non-single-crystal silicon film in an oxygen atmosphere, laser annealing is performed in a nitrogen atmosphere. In Example 2, the laser annealing apparatus shown in FIG. 5 is used. FIG. 1 corresponds to the AA ′ cross section of the
[0098]
In the same manner as in Example 1, a substrate to be processed 105 in which a
[0099]
The to-
[0100]
As shown in FIG. 5, the preheating
[0101]
After the space in which the substrate is placed is evacuated by the
[0102]
The inside of the
[0103]
The substrate to be processed on which the
[0104]
Thereafter, laser annealing is performed under the same conditions as in Example 1 except for the atmosphere. In this way, the
[0105]
Since the
[0106]
Thereafter, the substrate to be processed 105 is transferred to the
[0107]
Before moving on to the next step, HF aqueous solution, HF, H 2 O 2 It is preferable to reduce the upper surface of the
[0108]
Thereafter, in the same manner as in Example 1, a thin film transistor is formed according to FIGS.
[0109]
In the case of the second embodiment, the substrate to be processed 105 is carried into the
[0110]
In Example 2, the atmosphere in the
[0111]
However, laser annealing in a nitrogen atmosphere has the effect of suppressing the generation of ridges (roughness of the surface of the crystalline silicon film after laser annealing) due to laser annealing compared to other air, oxygen-containing atmospheres, hydrogen-containing atmospheres, etc. There is.
[0112]
Example 3
In the third embodiment, similarly to the second embodiment, after the
[0113]
Although laser annealing in air is performed, since the
[0114]
If the atmosphere control is not particularly performed, the
[0115]
Example 4
In Example 1, in the step of forming the
In Example 1, this silicon oxide film is removed by washing before the laser annealing step, but in Example 4, this silicon oxide film is not removed, and the laser annealing apparatus shown in FIG. Apply annealing.
[0116]
When laser annealing is performed on the
[0117]
Example 5
In Example 5, an example of a continuous processing apparatus used in Example 6 is shown. In this continuous processing apparatus, the cleaning process of the non-single crystal silicon film and the laser annealing process or the heating (silicon oxide film formation) process can be continuously performed without being exposed to the atmosphere.
FIG. 6 shows a top view of the continuous processing apparatus in the embodiment. The apparatus of FIG. 6 has a configuration in which a substrate cleaning chamber is added to the apparatus shown in FIG.
[0118]
In FIG. 6, a
[0119]
A
[0120]
In the configuration shown in FIG. 6, the
[0121]
In the apparatus shown in FIG. 6, the airtightness between the chambers and the chambers is maintained. Each chamber is provided with gas supply means and exhaust means (not shown), and the atmosphere and pressure in each chamber can be arbitrarily controlled. Since the substrate processed by such an apparatus is shielded from the external atmosphere, it can be prevented from being exposed to the air.
[0122]
In FIG. 6, a cleaning chamber 607 is provided with a
[0123]
As cleaning liquid, HF and H 2 O 2 An aqueous solution or the like in which 0.5 wt% is mixed is preferable. Alternatively, an aqueous solution of HF may be used. With this cleaning liquid, the natural oxide film, impurities, and the like on the upper surface of the non-single crystal silicon film are removed.
[0124]
The
[0125]
The cleaning process by the apparatus shown in FIG. 6 will be described. After the
[0126]
The washed-out cleaning liquid concentrically spreads from the center of the substrate to the outside by centrifugal force, reaches the periphery of the substrate, scatters to the
[0127]
After maintaining such a state for several tens of seconds to several minutes, the outflow of the cleaning liquid is stopped, the number of rotations of the substrate is increased, and the cleaning liquid is dried.
[0128]
In this way, the cleaning process is completed. Thereafter, the
[0129]
With the apparatus shown in FIG. 6, the substrate cleaning step, that is, the step of removing the natural oxide film, impurities, dust, etc. on the upper surface of the non-single crystal silicon film, and the laser annealing step in the oxygen atmosphere or the oxygen atmosphere for the non-single crystal silicon film The heating process (oxide film forming process) can be performed continuously without exposure to the atmosphere.
[0130]
As a result, a thin silicon oxide film formed on the upper surface of the non-single-crystal silicon film can be made of high quality without impurities, and good crystallization by laser annealing can be performed.
[0131]
Further, the upper surface of the crystalline silicon film can be continuously cleaned after the laser annealing step by the apparatus shown in FIG. As a result, a crystalline silicon film having a clean surface can be provided in a shorter time with respect to the step after the laser annealing step, which contributes to shortening the time required for manufacturing.
[0132]
In this embodiment, the substrate is cleaned using a cleaning liquid. In this method, since there is very little possibility that the cleaning liquid adheres to the back side of the substrate, clouding and contamination of the glass substrate by the cleaning liquid can be prevented. Furthermore, since the cleaning liquid can be dried only by rotating the substrate, the entire cleaning process can be shortened. Since the equipment is compact and simple, it is effective to use it in a multi-chamber type continuous processing apparatus as shown in FIG. 6 in order to reduce the installation area of the apparatus and facilitate the design.
[0133]
However, the substrate cleaning method of the present embodiment is not limited to this. For example, the cleaning liquid may be allowed to flow out to the upper surface of the substrate without rotating the substrate.
[0134]
Alternatively, the non-single crystal silicon film may be exposed to a reducing gas atmosphere.
[0135]
Example 6
Example 6 shows an example in which the apparatus of FIG. 6 is used and the substrate cleaning process and the laser annealing process are continuously performed without being exposed to the atmosphere.
[0136]
A manufacturing process of the thin film transistor of Example 6 will be described with reference to FIGS. First, in the same manner as in Example 1, as a
[0137]
Next, after applying the same nickel acetate aqueous solution as in Example 1, thermal annealing is performed at 600 ° C. for 4 hours to form a
[0138]
Next, with the continuous processing apparatus shown in FIG. 6, the cleaning of the crystalline silicon film and the laser annealing step in an oxygen atmosphere are continuously performed.
[0139]
Each chamber of the continuous processing apparatus shown in FIG. 6 is shielded from the atmosphere, and the atmosphere is made of a clean gas from which impurities and the like have been removed by cleaning. For example, an inert gas such as nitrogen, argon, or helium, or a gas in which oxygen is mixed with these is preferable. Alternatively, purified air may be used.
[0140]
First, the substrate to be processed on which the
[0141]
The substrate to be processed transferred from the load / unload
[0142]
In the cleaning chamber 607, the
[0143]
The cleaning liquid for cleaning flows out from the
[0144]
The substrate is rotated at a rotational speed of 100 to 1000 rpm, for example, 300 rpm for 10 seconds to 5 minutes, here 1 minute, while receiving the cleaning liquid. Thereafter, the outflow of the cleaning liquid is stopped, and the substrate is rotated for about 30 seconds by increasing the number of rotations of the substrate in order to dry the upper surface of the substrate. The substrate rotation speed during drying was 2500 to 4000 rpm, here 3000 rpm.
[0145]
Thereafter, the rotation of the substrate is stopped, and the substrate is carried out of the cleaning chamber 607 by the substrate transfer means 613.
[0146]
In this manner, the upper surface of the
[0147]
Next, laser annealing is performed on the
[0148]
As a result, the cleaned crystalline silicon film is transferred to the
[0149]
Further, the substrate heating time in the laser irradiation chamber can be shortened by heating the
[0150]
Next, laser annealing is performed in an oxygen atmosphere. The
[0151]
In the present embodiment, the substrate to be processed is not exposed to the atmosphere at all from the previous cleaning process to the laser annealing process by using the continuous processing apparatus of FIG. Therefore, a natural oxide film formed in the atmosphere and impurities in the atmosphere are substantially removed in the thin
[0152]
That is, the thickness and quality of the thin
[0153]
Furthermore, the penetration of impurities into the
[0154]
After completion of the laser annealing step, the substrate is transferred to the
[0155]
Thereafter, the substrate may be transferred to the load / unload chamber, but the silicon oxide film tends to remain on the upper surface of the
[0156]
That is, in laser annealing in an oxygen-containing atmosphere, even if the
[0157]
Therefore, it is very effective to transport the substrate again to the cleaning chamber after the laser annealing step and perform cleaning.
[0158]
As a process, the substrate is unloaded from the
[0159]
As described above, the laser annealing step and the cleaning step, or the slow cooling step and the cleaning step are continuously performed without being exposed to the atmosphere, whereby high cleanliness of the upper surface of the crystalline silicon film can be obtained in a short time.
[0160]
After that, the substrate after the cleaning process is transferred from the cleaning chamber 607 to the load / unload
[0161]
Thereafter, the thin film transistor is completed by the same process as in the first embodiment. (FIG. 2C to FIG. 2F)
[0162]
The thin film transistor thus manufactured has improved characteristics and has stable characteristics within the substrate surface and between lots.
[0163]
Example 7
In Example 7, an example is shown in which the continuous processing apparatus of FIG. 6 is used, and after forming a silicon oxide film on the upper surface of the non-single crystal silicon film in an oxygen atmosphere, laser annealing is performed in a nitrogen atmosphere.
[0164]
A thin film transistor is manufactured according to FIG. A
[0165]
Next, the upper surface of the
[0166]
Next, the substrate is transferred to the preheating
[0167]
The
[0168]
After the preheating is completed, the substrate to be processed is transferred from the preheating
[0169]
Then, laser annealing is performed under the same conditions as in Example 6 except for the atmosphere, and the crystallinity of the
[0170]
The
[0171]
In addition, since the atmosphere during laser annealing is a nitrogen atmosphere, generation of ridges can be suppressed as compared with an oxygen atmosphere. As a result, in addition to improving the crystallinity and film quality of the crystalline silicon film obtained by continuously performing the cleaning process and the laser annealing process without exposing the substrate to the atmosphere, ridges are suppressed, and the crystalline silicon film The film quality can be further improved.
[0172]
Thereafter, in the same manner as in Example 6, a thin film transistor is formed according to FIGS.
[0173]
In the process of the present embodiment, the time required for forming the
[0174]
In this embodiment, even if the atmosphere during laser annealing is other than a nitrogen atmosphere, it can be implemented as long as it is a clean atmosphere.
[0175]
【The invention's effect】
According to the present invention, crystallinity and homogeneity can be significantly improved and energy utilization efficiency can be greatly improved as compared with the case where laser annealing is performed in another atmosphere including air.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a laser irradiation chamber in an embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the example.
FIG. 3 is a top view of the laser annealing apparatus in the embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the energy density of a laser beam and the Raman half-value half width of a laser-annealed crystalline silicon film in laser annealing in various atmospheres.
FIG. 5 is a top view of the laser annealing apparatus in the embodiment.
FIG. 6 is a top view of the continuous processing apparatus in the embodiment.
[Explanation of symbols]
101 Laser irradiation room
102 Laser oscillator
103 mirror
104 windows
105 Substrate
106 units
107 Movement mechanism
108 Vacuum pump
109, 110 Gas supply pipe
111 stages
112 Optical system
201 substrate
202 Silicon oxide film (underlying film)
203 Crystallized silicon film
204 Silicon oxide film
205 island area
206 Gate insulation film
207 Gate electrode
208 sources
209 drain
210 Channel formation region
211 Interlayer insulation film
212 Source electrode / wiring
213 Drain electrode / wiring
301 Gate valve
302 Substrate transfer chamber
303 alignment room
305 Robot arm
306 Load / unload room
307 Gate valve
308 Preheating chamber
309 Gate valve
310 Slow cooling room
311 Gate valve
312 cassette
501 Preheating chamber
502 vacuum pump
503, 504 Gas supply pipe
601 Substrate transfer chamber
602 Laser irradiation room
603 Preheating chamber
604 Slow cooling room
605 Load / unload room
606 Alignment room
607 Washing room
608-612
613 Robot arm
614 substrate
615 cassette
616 stage
617 cups
618 nozzle
Claims (20)
前記非単結晶珪素膜に酸素を含有する雰囲気中でレーザーアニール処理を行うレーザーアニール方法であって、
前記洗浄処理と前記レーザーアニール処理は、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とするレーザーアニール方法。The non-single crystal silicon film formed on the substrate is cleaned using an HF aqueous solution or a mixed aqueous solution of HF and H 2 O 2 ,
A laser annealing method for performing a laser annealing treatment in an atmosphere containing oxygen on the non-single crystal silicon film,
The laser annealing method, wherein the cleaning treatment and the laser annealing treatment are continuously performed without being exposed to the atmosphere.
前記非単結晶珪素膜に酸素を含有する雰囲気中でレーザーアニール処理を行うレーザーアニール方法であって、
前記自然酸化膜の除去と前記レーザーアニール処理は、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とするレーザーアニール方法。The natural oxide film on the non-single crystal silicon film formed on the substrate is removed by a cleaning process,
A laser annealing method for performing a laser annealing treatment in an atmosphere containing oxygen on the non-single crystal silicon film,
The laser annealing method, wherein the removal of the natural oxide film and the laser annealing treatment are continuously performed without exposure to the atmosphere.
前記非単結晶珪素膜上に膜厚0.5〜10nmの酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を介して前記非単結晶珪素膜に酸素のみ含有する雰囲気、あるいは酸素と不活性気体との混合気体中でレーザーアニール処理を行うレーザーアニール方法であって、
前記洗浄処理と、前記酸化珪素膜の形成と、前記レーザーアニール処理とは、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とするレーザーアニール方法。The non-single crystal silicon film formed on the substrate is cleaned using an HF aqueous solution or a mixed aqueous solution of HF and H 2 O 2 ,
Forming a silicon oxide film having a thickness of 0.5 to 10 nm on the non-single-crystal silicon film;
A laser annealing method for performing a laser annealing treatment in an atmosphere containing only oxygen in the non-single-crystal silicon film through the silicon oxide film, or a mixed gas of oxygen and an inert gas,
The laser annealing method, wherein the cleaning process, the formation of the silicon oxide film, and the laser annealing process are performed continuously without being exposed to the atmosphere.
前記非単結晶珪素膜上に膜厚0.5〜10nmの酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を介して前記非単結晶珪素膜に酸素のみ含有する雰囲気、あるいは酸素と不活性気体との混合気体中でレーザーアニール処理を行うレーザーアニール方法であって、
前記自然酸化膜の除去と、前記酸化珪素膜の形成と、前記レーザーアニール処理とは、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とするレーザーアニール方法。The natural oxide film on the non-single crystal silicon film formed on the substrate is removed by a cleaning process,
Forming a silicon oxide film having a thickness of 0.5 to 10 nm on the non-single-crystal silicon film;
A laser annealing method for performing a laser annealing treatment in an atmosphere containing only oxygen in the non-single-crystal silicon film through the silicon oxide film, or a mixed gas of oxygen and an inert gas,
The laser annealing method, wherein the removal of the natural oxide film, the formation of the silicon oxide film, and the laser annealing treatment are continuously performed without exposure to the atmosphere.
前記レーザーアニール処理は0.01Torr〜700Torrの減圧下で行われることを特徴とするレーザーアニール方法。In any one of Claims 1 thru | or 4,
The laser annealing method, wherein the laser annealing treatment is performed under a reduced pressure of 0.01 Torr to 700 Torr.
前記レーザーアニール処理は、酸素のみ含有する雰囲気、あるいは酸素と不活性気体との混合気体中で行われることを特徴とするレーザーアニール方法。In claim 1 or claim 2,
The laser annealing process is performed in an atmosphere containing only oxygen or in a mixed gas of oxygen and inert gas.
前記混合気体における酸素は、大気圧下で1%以上含有されていることを特徴とするレーザーアニール方法。In claim 3, claim 4, or claim 6,
The laser annealing method according to claim 1, wherein oxygen in the mixed gas is contained at 1% or more under atmospheric pressure.
前記酸素の純度および前記不活性気体の純度は、共に99.9%以上、99.99999%以下であることを特徴とするレーザーアニール方法。In claim 6 or claim 7,
Both the purity of the oxygen and the purity of the inert gas are 99.9% or more and 99.99999% or less.
前記非単結晶珪素膜上に膜厚0.5〜10nmの酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を介して前記非単結晶珪素膜に窒素雰囲気中でレーザーアニール処理を行うレーザーアニール方法であって、
前記洗浄処理と、前記酸化珪素膜の形成と、前記レーザーアニール処理とは、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とするレーザーアニール方法。The non-single crystal silicon film formed on the substrate is cleaned using an HF aqueous solution or a mixed aqueous solution of HF and H 2 O 2 ,
Forming a silicon oxide film having a thickness of 0.5 to 10 nm on the non-single-crystal silicon film;
A laser annealing method for performing a laser annealing treatment in a nitrogen atmosphere on the non-single-crystal silicon film through the silicon oxide film,
The laser annealing method, wherein the cleaning process, the formation of the silicon oxide film, and the laser annealing process are performed continuously without being exposed to the atmosphere.
前記非単結晶珪素膜上に膜厚0.5〜10nmの酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を介して前記非単結晶珪素膜に窒素雰囲気中でレーザーアニール処理を行うレーザーアニール方法であって、
前記自然酸化膜の除去と、前記酸化珪素膜の形成と、前記レーザーアニール処理とは、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とするレーザーアニール方法。The natural oxide film on the non-single crystal silicon film formed on the substrate is removed by a cleaning process,
Forming a silicon oxide film having a thickness of 0.5 to 10 nm on the non-single-crystal silicon film;
A laser annealing method for performing a laser annealing treatment in a nitrogen atmosphere on the non-single-crystal silicon film through the silicon oxide film,
The laser annealing method, wherein the removal of the natural oxide film, the formation of the silicon oxide film, and the laser annealing treatment are continuously performed without exposure to the atmosphere.
前記非単結晶珪素膜に酸素を含有する雰囲気中でレーザーアニール処理を行って結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜の上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜の上にゲイト電極を形成する薄膜トランジスタの作製方法であって、
前記洗浄処理と前記レーザーアニール処理は、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The non-single crystal silicon film formed on the substrate is cleaned using an HF aqueous solution or a mixed aqueous solution of HF and H 2 O 2 ,
A laser annealing treatment is performed in an atmosphere containing oxygen on the non-single crystal silicon film to form a crystalline silicon film,
Forming a gate insulating film on the crystalline silicon film;
A thin film transistor manufacturing method for forming a gate electrode on the gate insulating film,
The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the cleaning treatment and the laser annealing treatment are continuously performed without being exposed to the atmosphere.
前記非単結晶珪素膜に酸素を含有する雰囲気中でレーザーアニール処理を行って結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜の上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜の上にゲイト電極を形成する薄膜トランジスタの作製方法であって、
前記自然酸化膜の除去と前記レーザーアニール処理は、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The natural oxide film on the non-single crystal silicon film formed on the substrate is removed by a cleaning process,
A laser annealing treatment is performed in an atmosphere containing oxygen on the non-single crystal silicon film to form a crystalline silicon film,
Forming a gate insulating film on the crystalline silicon film;
A thin film transistor manufacturing method for forming a gate electrode on the gate insulating film,
The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the removal of the natural oxide film and the laser annealing treatment are continuously performed without exposure to the atmosphere.
溶液を用いて洗浄処理を行い、
前記非単結晶珪素膜上に膜厚0.5〜10nmの酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を介して前記非単結晶珪素膜に酸素のみ含有する雰囲気、あるいは酸素と不活性気体との混合気体中でレーザーアニール処理を行って結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜の上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜の上にゲイト電極を形成する薄膜トランジスタの作製方法であって、
前記洗浄処理と、前記酸化珪素膜の形成と、前記レーザーアニール処理とは、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The non-single crystal silicon film formed on the substrate is cleaned using an HF aqueous solution or a mixed aqueous solution of HF and H 2 O 2 ,
Forming a silicon oxide film having a thickness of 0.5 to 10 nm on the non-single-crystal silicon film;
A crystalline silicon film is formed by performing laser annealing in an atmosphere containing only oxygen in the non-single-crystal silicon film or a mixed gas of oxygen and an inert gas through the silicon oxide film,
Forming a gate insulating film on the crystalline silicon film;
A thin film transistor manufacturing method for forming a gate electrode on the gate insulating film,
The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the cleaning treatment, the formation of the silicon oxide film, and the laser annealing treatment are performed continuously without being exposed to the atmosphere.
前記非単結晶珪素膜上に膜厚0.5〜10nmの酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を介して前記非単結晶珪素膜に酸素のみ含有する雰囲気、あるいは酸素と不活性気体との混合気体中でレーザーアニール処理を行って結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜の上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜の上にゲイト電極を形成する薄膜トランジスタの作製方法であって、
前記自然酸化膜の除去と、前記酸化珪素膜の形成と、前記レーザーアニール処理とは、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The natural oxide film on the non-single crystal silicon film formed on the substrate is removed by a cleaning process,
Forming a silicon oxide film having a thickness of 0.5 to 10 nm on the non-single-crystal silicon film;
A crystalline silicon film is formed by performing laser annealing in an atmosphere containing only oxygen in the non-single-crystal silicon film or a mixed gas of oxygen and an inert gas through the silicon oxide film,
Forming a gate insulating film on the crystalline silicon film;
A thin film transistor manufacturing method for forming a gate electrode on the gate insulating film,
The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the removal of the natural oxide film, the formation of the silicon oxide film, and the laser annealing treatment are continuously performed without exposure to the atmosphere.
前記レーザーアニール処理は0.01Torr〜700Torrの減圧下で行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。In any one of Claims 11 thru | or 14,
The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the laser annealing treatment is performed under a reduced pressure of 0.01 Torr to 700 Torr.
前記レーザーアニール処理は、酸素のみ含有する雰囲気、あるいは酸素と不活性気体との混合気体中で行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。In claim 11 or claim 12,
The method of manufacturing a thin film transistor, wherein the laser annealing treatment is performed in an atmosphere containing only oxygen or a mixed gas of oxygen and an inert gas.
前記混合気体における酸素は、大気圧下で1%以上含有されていることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。In claim 13, claim 14, or claim 16,
A method for manufacturing a thin film transistor, wherein oxygen in the mixed gas is contained at 1% or more under atmospheric pressure.
前記酸素の純度および前記不活性気体の純度は、共に99.9%以上、99.99999%以下であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。In claim 16 or claim 17,
The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the purity of the oxygen and the purity of the inert gas are both 99.9% or more and 99.99999% or less.
前記非単結晶珪素膜上に膜厚0.5〜10nmの酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を介して前記非単結晶珪素膜に窒素雰囲気中でレーザーアニール処理を行って結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜の上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜の上にゲイト電極を形成する薄膜トランジスタの作製方法であって、
前記洗浄処理と、前記酸化珪素膜の形成と、前記レーザーアニール処理とは、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The non-single crystal silicon film formed on the substrate is cleaned using an HF aqueous solution or a mixed aqueous solution of HF and H 2 O 2 ,
Forming a silicon oxide film having a thickness of 0.5 to 10 nm on the non-single-crystal silicon film;
A laser annealing treatment is performed in a nitrogen atmosphere on the non-single crystal silicon film through the silicon oxide film to form a crystalline silicon film,
Forming a gate insulating film on the crystalline silicon film;
A thin film transistor manufacturing method for forming a gate electrode on the gate insulating film,
The method for manufacturing a thin film transistor, wherein the cleaning treatment, the formation of the silicon oxide film, and the laser annealing treatment are performed continuously without being exposed to the atmosphere.
前記非単結晶珪素膜上に膜厚0.5〜10nmの酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を介して前記非単結晶珪素膜に窒素雰囲気中でレーザーアニール処理を行って結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜の上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜の上にゲイト電極を形成する薄膜トランジスタの作製方法であって、
前記自然酸化膜の除去と、前記酸化珪素膜の形成と、前記レーザーアニール処理とは、大気に曝すことなく連続して行われることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。The natural oxide film on the non-single crystal silicon film formed on the substrate is removed by a cleaning process,
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