JP2011049398A - レーザ照射装置及び半導体基板の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体膜の結晶性若しくは表面の平坦性、又は結晶性及び表面の平坦性を高めることのできるレーザ照射装置を提供することを目的の一とする。
【解決手段】レーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザ光を線状に成形する光学系と、光学系によって成形された線状のレーザ光が照射される被照射物を載置するステージと、を有し、ステージは、支持台上に、ヒータ、不純物吸着材及び被照射物を載置する載置台が順に固定されているレーザ照射装置を用いて、絶縁表面上に設けられた半導体膜にレーザ光を照射し、半導体膜を結晶化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板又は半導体膜などをレーザ光を用いて結晶化するためのレーザ照射装置に関する。また、そのレーザ照射装置を用いた半導体基板の作製方法に関する。

半導体製造工程において、半導体基板または絶縁表面上に設けられた半導体層の、結晶化、結晶品質の改善、または平坦化のためにレーザ光（レーザビーム）の照射が行われている。

例えば、特許文献１では、スマートカット（登録商標）法によって製造されたＳＯＩ基板の単結晶シリコン層の結晶品質を改善するために、単結晶シリコン層にレーザ光を照射する方法が開示されている。

なお、スマートカット法とは、ＳＯＩ基板の作製方法の一つであり、その作製方法の概要は以下の通りである。まず、シリコンウエハにイオン注入法を用いて水素イオンを注入することによって表面から所定の深さに微小気泡層を形成する。次に、酸化シリコン膜を介して、水素イオンを注入したシリコンウエハを別のシリコンウエハに接合させる。その後、熱処理を行うことにより、微小気泡層が劈開面となり、水素イオンが注入されたシリコンウエハの一部が微小気泡層を境に薄膜状に分離し、接合させた別のシリコンウエハ上に単結晶シリコン膜を形成することができる。ここで、スマートカット法は水素イオン注入剥離法と呼ぶこともある。

また、特許文献２では、基板上のシリコン薄膜を熱処理する方法として、レーザ光とマイクロ波を組み合わせて処理するレーザアニール装置が開示されている。特許文献２では、レーザ光で溶融したシリコンにマイクロ波を照射することで、レーザ光のみで溶融した場合より冷却時間を長くし、シリコンの結晶化深度の拡大を図る方法を開示している。

特開２００５−２５２２４４号公報 特開２００１−２２３１７５号公報

結晶性や表面の平坦性が重視される半導体試料において、レーザ処理による改質効果を十分に得るために、レーザ照射直後のシリコンの溶融時間を長くすることが望まれる。特許文献２の処理装置においては、レーザ照射領域に、マイクロ波に加え付加的な加熱手段を設けようとしても、装置構成においてマイクロ波アンテナと試料との間は２ｍｍ程度と狭く、加熱手段をこの間に設けるのは困難である。

そこで本発明の一態様は、半導体膜の結晶性若しくは表面の平坦性、又は結晶性及び表面の平坦性を高めることのできるレーザ照射装置を提供することを目的の一とする。

本発明の一態様は、レーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザ光を線状に成形する光学系と、光学系によって成形された線状のレーザ光が照射される被照射物を載置するステージと、を有し、ステージは、支持台上に、ヒータ、不純物吸着材及び被照射物を載置する載置台が順に固定されているレーザ照射装置である。

また、本発明の別の一態様は、レーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザ光を線状に成形する光学系と、上面に給気経路が、下面に排気経路がそれぞれ設けられたレーザ処理チャンバーと、レーザ処理チャンバー内に配置され、光学系によって成形された線状のレーザ光が照射される被照射物を載置するステージと、を有し、レーザ処理チャンバー内の気流は、給気経路及び排気経路によって下降流に制御され、ステージは、支持台上に、ヒータ及び被照射物を載置する載置台が順に固定されているレーザ照射装置である。

また、上述のレーザ照射装置において、被照射物表面と垂直な方向の層流である。

また、上述のレーザ照射装置において、レーザ処理チャンバー内に配置されたステージは、ヒータと載置台の間に、不純物吸着材を有していてもよい。

また、上述のレーザ照射装置において、ヒータと不純物吸着材との距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、上述のレーザ照射装置において、不純物吸着材として、シリコン純度が９８％乃至９９％の低純度シリコンからなるシリコン基板を用いることが好ましい。

また、上述のレーザ照射装置において、ヒータとして、グラファイトヒータを用いることが好ましい。

また、本発明の一態様は、絶縁表面上に設けられた半導体膜に、上述のレーザ照射装置を用いて、レーザ光を照射し、半導体膜を結晶化する半導体基板の作製方法である。

なお、本明細書において単結晶とは、ある結晶軸に注目した場合、その結晶軸の方向が試料のどの部分において同じ方向を向いている結晶のことをいい、かつ結晶と結晶の間に結晶粒界が存在しない結晶である。なお、本明細書では、結晶欠陥やダングリングボンドを含んでいても、上記のように結晶軸の方向が揃っており、粒界が存在していない結晶であるものは単結晶とする。

また、本明細書において結晶化とは、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術や、半導体基板または半導体膜に形成された結晶欠陥を修復して再結晶化する技術を含む。さらには、半導体基板または半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる。

本発明の一態様のレーザ照射装置を用いることで、結晶性及び平坦性の良好な半導体膜を有する半導体基板を作製することができる。

本発明の一態様のレーザ照射装置の概略図。 本発明の一態様のレーザ照射装置に設けられた光学系の一例を示す図。 本発明の一態様のレーザ照射装置の概略図。 本発明の一態様の半導体基板の作製工程を示す図。 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す図。 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す図。 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す図。 電子機器を示す図。 電子機器を示す図。

以下に本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなく、その形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は実施形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、異なる図面間で同じ参照符号が付されている要素は同じ要素を表しており、材料、形状、作製方法等について繰り返しになる説明は省略している。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様のレーザ照射装置の構成について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態のレーザ照射装置の構成の一例を説明する概略図である。本実施の形態のレーザ照射装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器３０１と、被照射物である基板１００を載置するステージ３０３を有する。レーザ発振器３０１にはコントローラ３０４が接続されている。コントローラ３０４の制御により、レーザ発振器３０１から発振するレーザ光のエネルギーや、繰り返し周波数などを変化させることが可能となる。また、ステージ３０３は、基板１００を載置する載置台３０７と、基板１００を加熱することが可能なヒータ３０６と、不純物吸着材３０８と、が設けられており、これらがピン３１０によって支持台３１２に固定されている。

レーザ発振器３０１とステージ３０３の間には、レンズやミラー等を含む光学系３０５が配置されている。レーザ発振器３０１から射出されたレーザ光は、光学系３０５によりそのエネルギー分布が均一化され、且つその断面形状が線状に成形される。光学系３０５を通過したレーザ光は、ステージ上に載置された基板１００に照射される。

なお、図示していないが、基板を載置するステージ３０３をチャンバー内に配置して、レーザ光を照射する工程での圧力または照射雰囲気等を制御することも可能である。この場合、レーザ発振器３０１及び光学系３０５は、チャンバー内に配置しても良いし、チャンバー外に配置し、窓を通過させてステージ上の基板１００にレーザ光を照射しても良い。窓はレーザ光が通過できればよく、使用するレーザ光の強度に耐えうる耐熱性が高い材料、例えば石英板で形成することができる。

図２に光学系３０５の構成の一例を示す。図２（Ａ）に示す光学系３０５はレーザビーム３００の断面形状を線状に加工し、かつそのエネルギー分布を均一にするための光学系である。なお、光学系３０５の構成は図２の構成に限られない。

光学系３０５には、レーザ発振器３０１側から、シリンドリカルレンズアレイ３５１、シリンドリカルレンズアレイ３５２、シリンドリカルレンズアレイ３５３、シリンドリカルレンズ３５４、シリンドリカルレンズ３５５、ミラー３５６、ダブレットシリンドリカルレンズ３５７が配置されている。なお、一点鎖線で囲った領域３５８は光学系３０５の部分的な領域である。図２（Ｂ）には、光路を中心にシリンドリカルレンズアレイ３５１からシリンドリカルレンズ３５５までの各光学素子を９０度回転した平面図を示している。

光学系３０５に入射したレーザ光は、シリンドリカルレンズアレイ３５１、シリンドリカルレンズアレイ３５２、シリンドリカルレンズアレイ３５３を通過することで、レーザ光の幅方向のエネルギープロファイルがガウシアン分布から長方形状に変化する。線状ビームは、シリンドリカルレンズ３５４、３５５を通過することで、長さ方向のビーム長が長くされ、且つ幅方向に集光される。レーザ光はミラー３５６で反射される。ダブレットシリンドリカルレンズ３５７により、レーザ光はビームの幅方向に集光される。その結果、線状のレーザ光が基板１００へ照射される。

レーザ発振器３０１には、連続発振レーザ、疑似連続発振レーザおよびパルス発振レーザを用いることができる。なお、基板１００上に設けられた半導体膜を部分溶融させるためパルス発振レーザが好ましい。パルス発振レーザの場合は、繰り返し周波数１ＭＨｚ以下、パルス幅１０ｎ秒以上５００ｎ秒以下とすることができる。代表的なパルス発振レーザは、４００ｎｍ以下の波長のビームを発振するエキシマレーザである。例えば、繰り返し周波数１０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、パルス幅２５ｎ秒、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザを用いることができる。

レーザ光の波長は、半導体膜１０１に吸収される波長であり、レーザ光の表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）等を考慮して決定することができる。例えば、波長は２５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲とすることができる。また、レーザ光のエネルギーも、レーザ光の波長、レーザ光の表皮深さ、半導体膜１０１の膜厚等を考慮して決定することができる。レーザ光のエネルギーは、例えば、３００ｍＪ／ｃｍ^２以上８００ｍＪ／ｃｍ^２以下の範囲とすることができる。またレーザ光の照射は、大気雰囲気のような酸素を含む雰囲気、または窒素雰囲気のような不活性雰囲気で行うことができる。窒素などの不活性雰囲気のほうが、大気雰囲気よりも半導体膜１０１の平坦性を向上させる効果が高く、またクラックの発生を抑える効果が高い。

次に、図１のレーザ照射装置によって、基板１００に設けられた半導体膜にレーザ光を照射する方法を説明する。

まず、半導体膜１０１を有する基板１００を載置台３０７上に配置する。載置台３０７上の基板１００は、載置台３０７下方に設けられたヒータ３０６によって加熱される。

レーザ発振器３０１から射出されたレーザ光は、光学系３０５により断面が線状の線状ビームに形成される。図１では、紙面に垂直な方向が線状のレーザ光の長軸方向である。

線状に加工されたレーザ光は、基板１００に照射され、基板１００に設けられた半導体膜１０１を溶融する。そして、図１の白抜き矢印に沿って、ステージ３０３またはレーザ光を走査しながら、且つ、ヒータ３０６によって基板１００を加熱しながら、レーザ光を半導体膜１０１に照射する。図１において、白抜き矢印の方向は、線状のレーザ光の短軸方向に相当する。

半導体膜１０１にレーザ光を照射することにより、半導体膜１０１を溶融させることができる。半導体膜１０１は、レーザ光によって溶融させた部分が冷却し、固化するため、平坦性が向上される。また、レーザ光の照射により平坦性の向上と共に、半導体膜の結晶欠陥が減少し、半導体膜１０１の結晶性を向上させることができる。

なお、レーザ光の照射による半導体膜１０１の溶融は部分溶融とすることが好ましい。完全溶融させた場合には、液相となった後の無秩序な核発生により微結晶化し、結晶性が低下する可能性が高いためである。一方で、部分溶融させることにより、溶融されていない固相部分から結晶成長が進行する。これにより、半導体膜中の結晶欠陥を減少させることができる。ここで、完全溶融とは、半導体膜１０１が下部界面付近まで溶融されて、液体状態になることをいう。他方、部分溶融とは、この場合、半導体膜１０１の上部は溶融して液相となるが、下部は溶融せずに固相のままであることをいう。

また、本実施の形態で示すレーザ照射装置は、ステージ３０３に設けられたヒータ３０６により、基板１００を加熱しながら、レーザ光を照射することが可能である。これによって、溶融した半導体膜１０１が冷却される速度を遅くする（すなわち、半導体膜１０１が溶融している時間を延長する）ことができる。半導体膜１０１の溶融時間を溶融している時間を延長することにより、シリコン原子の移動の制限が小さくなる。溶融時、表面張力が原子の移動に作用するが、溶融時間の延長により被照射面の平坦性が格段に向上する。また、半導体膜中のダングリングボンドや、半導体膜と下地膜との界面の欠陥などのミクロな欠陥を除去することができ、より高品質の半導体膜を得ることができる。なお、ヒータの加熱温度は２００℃〜１２００℃程度が好ましい。適切な温度は、下地の支持基板の耐熱性や、スループットを鑑みて決定すればよい。

また、溶融している時間を延長することにより、半導体膜がレーザビームの照射によって溶融してから固化するまでに、次のレーザビームを照射できるため、ショット数を低減することができる。別言すると、ショット数を低減しても十分な表面の平坦性が得られる。また、ショット数を低減することは生産性の向上に寄与する。レーザビームの走査において、１回のショットと次のショットとを一部重ねてオーバーラップさせる割合をオーバーラップ率と呼ぶが、溶融している時間を延長することにより、オーバーラップ率も十分の一程度にまで低減でき、さらに０％とすることもできる。

不純物吸着材３０８は、半導体膜１０１へ不純物が混入するのを抑制するための汚染物除去機構として設けられている。具体的には、不純物吸着材３０８として、例えば、シリコン基板を用いることができる。ヒータ３０６による加熱時に、当該ヒータから排出される炭素化合物等の不純物を不純物吸着材３０８によってゲッタリングすることで、レーザ光によって溶融した半導体膜１０１と接触しないように除去する。これによって、結晶化された半導体膜の結晶性が不純物によって低下するのを抑制することができる。

不純物吸着材３０８として、シリコン基板を用いる場合には、シリコン純度が９８％乃至９９％の低純度シリコン（いわゆる金属シリコン）からなる基板、またはシリコン純度が１１Ｎ（イレブンナイン）以上の半導体グレードの単結晶シリコン基板の双方を用いることができる。ただし、レーザ照射装置の作製コストを低減するために、金属シリコンからなる基板を用いるのが好ましい。または、シリコン基板に代えて、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶縁体でなる基板、金属やステンレスなどの導電体でなる基板等の支持基板の表面を覆うように厚み１００〜２００００μｍ程度のシリコン層を設けた基板を用いてもよい。また、不純物吸着材３０８の形状は、板状に限られるものではなく、例えば、ヒータの周囲を囲むように加工することも可能である。

ヒータ３０６としては、室温から１２００℃程度まで加熱が可能なヒータを用いるのが好ましい。なお、ヒータとしてグラファイトヒータを用いると、電気抵抗が温度によって大きく変化しないため、ヒータパワーがコントロールしやすく、また、形状成形も容易であるため、ヒータプロファイルの調整も容易であるため、グラファイトヒータを用いるのが好ましい。さらに、グラファイトヒータは、Ｗ（タングステン）ヒータのように再結晶化してヒータ特性が劣化することがなく、高温において機械的にも安定している。

しかしながら、ヒータとしてグラファイトヒータを用いた場合、加熱時にグラファイト材から一酸化炭素または二酸化炭素等の発生ガスが排気される。また、グラファイトヒータの表面コーティングに炭化珪素が用いられている場合、加熱時に炭化珪素から炭素化合物が排出されることがある。レーザ光照射により溶融した半導体膜にこれらの炭酸ガス、または炭素化合物等が付着すると、溶融した膜中に不純物として取り込まれ、半導体膜が炭素汚染されるため、半導体膜の結晶性が低下してしまう。

本実施の形態で示すレーザ照射装置は、ヒータ３０６と基板１００との間に不純物吸着材３０８としてシリコン基板を有している。このシリコン基板によって、ヒータから発生した炭素化合物等の不純物をゲッタリングすることができる。よって、レーザ光照射による半導体膜の溶融と、ヒータによる基板の加熱を同時に行った場合にも、ヒータから発生した不純物による半導体膜の汚染を防止することができる。また、ヒータ３０６としてグラファイトヒータを好適に用いることが可能である。

なお、ヒータから排出される不純物を効率よく除去するために、ヒータと対向する不純物吸着材の面積は、ヒータの上面積（不純物吸着材と対向する面積）よりも大きいことが好ましい。また、ヒータと不純物吸着材とは、近接させるのが好ましく、その距離を１ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度とするのが好ましい。

以上示したように、本実施の形態で示すレーザ照射装置は、半導体膜へのレーザ光照射処理において、半導体膜の不純物汚染を抑制しながら、半導体膜の溶融時間を延長することが可能である。よって、本実施の形態で示すレーザ照射装置を用いることで、結晶性および平坦性の良好な半導体膜を形成することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、図１に示したレーザ照射装置の構成の一例とは異なる例を図３に示す。

図３に示す本実施の形態のレーザ照射装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器３０１と、レーザ処理チャンバー４０１と、レーザ処理チャンバー４０１に基板を搬送するための搬送チャンバー４０３とを有している。

なお、実施の形態１と同様にレーザ発振器３０１にはコントローラ３０４が接続されている。また、レーザ発振器３０１から射出されたレーザ光は、光学系３０５によりそのエネルギー分布が均一化され、且つその断面形状が線状に成形される。

レーザ処理チャンバー４０１は、ステージ３０３を有する。ステージ３０３は、基板１００を載置する載置台３０７と、基板１００を加熱することが可能なヒータ３０６と、が設けられており、これらがピン３１０によって支持台３１２に固定されている。図２において、ステージ３０３は伸縮管４０９と接続され、伸縮管４０９を用いて白抜き矢印方向に走査される。また、伸縮管４０９はモータ４１１によって制御されている。

また、レーザ処理チャンバー４０１上面には、給気口４０５ａ及び給気ダクト４０５ｂを有する給気経路４０５が、下面には排気口４０７ａ及び排気ダクト４０７ｂを有する排気経路４０７がそれぞれ設けられている。給気口４０５ａ及び排気口４０７ａは、それぞれ複数設けられているのが好ましい。給気経路４０５を用いてレーザ処理チャンバー４０１内に気体を供給し、排気経路４０７を用いてレーザ処理チャンバー４０１から気体を排出することで、レーザ処理チャンバー内の気流を下降流（ダウンフロー）に制御することが可能である。なお、排気経路４０７は図示しない真空ポンプに接続されていることが好ましく、真空ポンプを用いることで、レーザ処理チャンバー４０１内の圧力を制御することができる。

次に、図２のレーザ照射装置によって、基板１００に設けられた半導体膜１０１にレーザ光を照射する方法を説明する。

まず、搬送ロボット４１３を用いて半導体膜１０１を有する基板１００を搬送チャンバー４０３からレーザ処理チャンバー４０１内に搬送し、載置台３０７上に配置する。載置台３０７上の基板１００は、載置台３０７下方に設けられたヒータ３０６によって加熱される。

レーザ処理チャンバー４０１には、給気口４０５ａから窒素、アルゴン等の不活性ガス、または空気が給気ダクト４０５ｂを通して供給される。給気口４０５ａから供給された気体は、レーザ処理チャンバー４０１内を下降流で流れ、排気口４０７ａ及び排気ダクト４０７ｂを通じてレーザ処理チャンバー４０１外へと排出される。また、上面（天井）に給気口４０５ａを、下面（床面）に排気口４０７ａをそれぞれ複数設けることで、レーザ処理チャンバー４０１内の気流を、被照射物である基板１００表面と垂直または概略垂直な方向の層流である下降流に精度良く制御することができる。従って、レーザ処理チャンバー４０１内に浮遊しているパーティクル（不純物）を半導体膜１０１の表面に付着させることなく下降流に乗せてレーザ処理チャンバーの下部へ誘導することができる。

なお、排気経路４０７を通じて排出された気体は、給気経路４０５へと循環させることも可能である。また、レーザ処理チャンバー４０１の天井にＨＥＰＡ（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ）フィルタ、ＵＬＰＡ（Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ Ａｉｒ）フィルタ等の高性能フィルタを配置し、給気口４０５ａから高性能フィルタを通じてレーザ処理チャンバー４０１内に清浄化された気体を供給しても良い。

なお、窒素などの不活性雰囲気でレーザ光照射処理を行うほうが、大気雰囲気よりも半導体膜の平坦性を向上させる効果は高い。また、大気雰囲気よりも不活性雰囲気のほうがクラックやリッジの発生を抑える効果が高く、レーザ光の使用可能なエネルギー密度の範囲が広くなる。なお、レーザ光の照射は、減圧雰囲気で行ってもよい。減圧雰囲気でレーザ光を照射する場合には、不活性雰囲気における照射と同等の効果を得ることができる。なお、下降流による汚染防止効果を得るために、レーザ処理チャンバー４０１内を減圧雰囲気とする場合には、分子流領域に達しない程度、つまり、約１００Ｐａ以上とすることが
とするのが好ましい。

レーザ発振器３０１から射出されたレーザ光は、光学系３０５により断面が線状の線状ビームに形成される。図１では、紙面に垂直な方向が線状のレーザ光の長軸方向である。光学系３０５を通過したレーザ光は、窓４１５を介してレーザ処理チャンバー４０１内に配置された基板１００に照射される。なお、窓４１５はレーザ光が通過できればよく、使用するレーザ光の強度に耐えうる耐熱性が高い材料、例えば石英板で形成することができる。

線状に加工されたレーザ光は、基板１００に照射され、基板１００に設けられた半導体膜１０１を溶融する。そして、図３の白抜き矢印に沿って、伸縮管４０９を用いてステージ３０３を走査しながら、且つ、ヒータ３０６によって基板１００を加熱しながら、レーザ光を半導体膜１０１に照射する。図３において、白抜き矢印の方向は、線状のレーザ光の短軸方向に相当する。なお、図３では、ステージ３０３を走査する方法を示しているが、本実施の形態はこれに限られず、レーザ光を走査しても良い。または、レーザ光とステージ３０３の双方を走査しても良い。

半導体膜１０１にレーザ光を照射することにより、半導体膜１０１を溶融させることができる。半導体膜１０１は、レーザ光によって溶融させた部分が冷却し、固化するため、平坦性が向上される。また、レーザ光の照射により平坦性の向上と共に、半導体膜の結晶欠陥が減少し、半導体膜１０１の結晶性を向上させることができる。

また、本実施の形態で示すレーザ照射装置は、ステージ３０３に設けられたヒータ３０６により、基板１００を加熱しながら、レーザ光を照射することが可能である。これによって、溶融した半導体膜１０１が冷却される速度を遅くする（すなわち、半導体膜１０１が溶融している時間を延長する）ことができる。半導体膜１０１の溶融時間を溶融している時間を延長することにより、シリコン原子の移動の制限が小さくなる。溶融時、表面張力が原子の移動に作用するが、溶融時間の延長により被照射面の平坦性が格段に向上する。また、半導体膜中のダングリングボンドや、半導体膜と下地膜との界面の欠陥などのミクロな欠陥を除去することができ、より高品質の半導体膜を得ることができる。

さらに、本実施の形態で示すレーザ照射装置は、レーザ処理チャンバー４０１を有し、当該レーザ処理チャンバー４０１は、上面に設けられた給気経路４０５及び下面に設けられた排気経路４０７によって、気流が下降流に制御されている。従って、レーザ処理チャンバー４０１内に浮遊しているパーティクルを半導体膜の表面に付着させることなく下降流に乗せてレーザ処理チャンバーの下部へ誘導した後、排気経路４０７によってレーザ処理チャンバー４０１外へと排出することができる。これによって、レーザ光によって溶融した半導体膜中へ、例えばグラファイトヒータから排出される炭素化合物などの不純物が取り込まれ、半導体膜が不純物によって汚染されるのを防ぐことができる。

また、本実施の形態で示すレーザ照射装置は、レーザ処理チャンバー４０１の上面に設けられた給気経路４０５及び下面に設けられた排気経路４０７によって、気流が下降流に制御されている。そのため、基板表面に気体を吹き付けることで吹きつけ箇所のみ不純物の付着が防止される場合と比較して、半導体膜表面全面への不純物付着の防止効果が高い。よって、より結晶性の向上した半導体膜を作製することが可能である。なお、ステージ３０３に、実施の形態１で示した不純物吸着材を設けてもよい。不純物吸着材を設けることで、半導体膜中への不純物の混入をより防止することができる。

以上示したように、本実施の形態で示すレーザ照射装置は、半導体膜へのレーザ光照射処理において、半導体膜の炭素汚染を抑制しながら、半導体膜の溶融時間を延長することが可能である。よって、本実施の形態で示すレーザ照射装置を用いることで、結晶性および平坦性の良好な半導体膜を形成することができる。

なお、本実施の形態は実施の形態１と組み合わせることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１または２で示したレーザ照射装置を用いた半導体基板の作製方法について、図４を参照して説明する。

はじめに、基板１００を用意する（図４（Ａ）参照）。基板１００には、透光性を有するガラス基板を好ましく用いることができる。ガラス基板としては、歪み点が５８０℃以上６８０℃以下（好ましくは、６００℃以上６８０℃以下）であるものを用いると良い。また、ガラス基板は無アルカリガラス基板であることが好ましい。無アルカリガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている。

なお、基板１００としては、ガラス基板の他、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶縁体でなる基板、珪素などの半導体でなる基板、金属やステンレスなどの導電体でなる基板などを用いることもできる。

本実施の形態においては示さないが、基板１００の表面に絶縁層を形成しても良い。該絶縁層を設けることにより、基板１００に不純物（アルカリ金属やアルカリ土類金属など）が含まれている場合には、当該不純物が半導体層へ拡散することを防止できる。絶縁層は単層構造でも良いし積層構造でも良い。絶縁層を構成する材料としては、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素などを挙げることができる。

次に、単結晶半導体基板１１０を用意する。単結晶半導体基板１１０としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコンなどの第４属元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。もちろん、ガリウムヒ素、インジウムリンなどの化合物半導体でなる基板を用いてもよい。本実施の形態においては、単結晶半導体基板１１０として、単結晶シリコン基板を用いることとする。単結晶半導体基板１１０の形状やサイズに制限は無いが、例えば、８インチ（２００ｍｍ）、１２インチ（３００ｍｍ）、１８インチ（４５０ｍｍ）といった円形の半導体基板を、矩形に加工して用いることができる。

単結晶半導体基板１１０を洗浄した後、単結晶半導体基板１１０表面に絶縁層を形成する。絶縁層を設けない構成とすることもできるが、後のイオン打ち込みの際の単結晶半導体基板１１０の汚染及び表面の損傷を防ぐためには、絶縁層を設けることが好ましい。

次に、上記絶縁層を介して、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを単結晶半導体基板１１０に照射し、単結晶半導体基板１１０の表面から所定の深さの領域に、脆化層１０２を形成する。脆化層１０２が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの入射角によって制御することができる。ここで、脆化層１０２は、イオンの平均侵入深さと同程度の深さの領域に形成されることになる。

上述の脆化層１０２が形成される深さにより、単結晶半導体基板１１０から分離される半導体層の厚さが決定される。脆化層１０２が形成される深さは、単結晶半導体基板１１０の表面から５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

イオンを単結晶半導体基板１１０に打ち込む際には、イオン注入装置又はイオンドーピング装置を用いることができる。イオン注入装置では、ソースガスを励起してイオン種を生成し、生成されたイオン種を質量分離して、所定の質量を有するイオン種を被処理物に注入する。イオンドーピング装置は、プロセスガスを励起してイオン種を生成し、生成されたイオン種を質量分離せずに被処理物に打ち込む。なお、質量分離装置を備えているイオンドーピング装置では、イオン注入装置と同様に、質量分離を伴うイオンの注入を行うこともできる。本明細書において、イオン注入装置又はイオンドーピング装置のいずれか一方を特に用いる必要がある場合にのみそれを明記し、特に明記しないときは、いずれの装置を用いてイオンの打ち込みを行っても良いこととする。

イオンドーピング装置を用いる場合のイオンの打ち込み工程は、例えば、以下の条件で行うことができる。
・加速電圧 １０ｋＶ以上１００ｋＶ以下（好ましくは３０ｋＶ以上８０ｋＶ以下）
・ドーズ量 １×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上４×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下
・ビーム電流密度 ２μＡ／ｃｍ^２以上（好ましくは５μＡ／ｃｍ^２以上、より好ましくは１０μＡ／ｃｍ^２以上）

イオンドーピング装置を用いる場合、イオンの打ち込み工程のソースガスには水素を含むガスを用いることができる。該ガスを用いることによりイオン種としてＨ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋を生成することができる。該ガスをソースガスとして用いる場合には、Ｈ_３ ^＋を多く打ち込むことが好ましい。具体的には、イオンビームに、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋の総量に対してＨ_３ ^＋イオンが７０％以上含まれるようにすることが好ましい。また、Ｈ_３ ^＋イオンの割合を８０％以上とすることがより好ましい。このようにＨ_３ ^＋の割合を高めておくことで、脆化層１０２に１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の濃度で水素を含ませることが可能である。これにより、脆化層１０２からの剥離が容易になる。また、Ｈ_３ ^＋イオンを多く打ち込むことで、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋を打ち込むよりもイオンの打ち込み効率が向上する。つまり、打ち込みにかかる時間を短縮することができる。

イオン注入装置を用いる場合には、質量分離により、Ｈ_３ ^＋イオンが注入されるようにすることが好ましい。もちろん、Ｈ_２ ^＋を注入してもよい。ただし、イオン注入装置を用いる場合には、イオン種を選択して注入するため、イオンドーピング装置を用いる場合と比較して、イオン打ち込みの効率が低下する場合がある。

上記の脆化層１０２を形成した後、絶縁層を除去し、新たに絶縁層１１１を形成する（図４（Ｂ）参照）。ここで、絶縁層を除去するのは、上記のイオン打ち込みの際に、絶縁層が損傷している可能性が高いためである。なお、絶縁層の損傷が問題とならない場合には絶縁層を除去する必要はない。

絶縁層１１１は、貼り合わせにおけるボンディング（接合）を形成する層であるから、その表面は、高い平坦性を有していることが好ましい。このような絶縁層１１１としては、例えば、有機シランガスを用いて化学気相成長法により形成される酸化珪素膜を用いることができる。なお、本実施の形態においては絶縁層１１１を単層構造としたが、２層以上の積層構造としても良い。

また、絶縁層１１１は、単結晶半導体基板１１０を、酸化性雰囲気下において熱処理することにより形成してもよい。熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加した酸化を行うことが好ましい。ハロゲンを添加して熱酸化を行うことにより形成された絶縁層中にはハロゲンが含まれており、ハロゲンは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の濃度で含まれることにより金属等の不純物を捕獲して単結晶半導体基板１１０の汚染を防止する保護膜としての機能を発現させることができる。

その後、上記の基板１００と単結晶半導体基板１１０とをそれぞれ貼り合わせる（図４（Ｃ）参照）。具体的には、基板１００及び絶縁層１１１の表面を超音波洗浄などの方法で洗浄した後、基板１００の表面と絶縁層１１１の表面とが接触するように配置し、基板１００の表面と絶縁層１１１の表面とでボンディング（接合）が形成されるように加圧処理を施す。ボンディングの形成には、ファン・デル・ワールス力や水素結合が関与しているものと考えられている。なお、１枚の基板上に、２枚以上の単結晶半導体基板を貼り合わせても構わない。

ボンディングを形成する前に、基板１００又は絶縁層１１１の表面を酸素プラズマ処理又はオゾン処理して、その表面を親水性にしても良い。この処理によって、基板１００又は絶縁層１１１の表面に水酸基が付加されるため、水素結合を効率よく形成することができる。

次に、貼り合わせられた基板１００及び単結晶半導体基板１１０に対して加熱処理を施して、貼り合わせを強固なものとする。この際の加熱温度は、脆化層１０２における分離が進行しない温度とする必要がある。例えば、４００℃未満、好ましくは３００℃以下とすることができる。加熱処理時間については特に限定されず、処理速度と貼り合わせ強度との関係から最適な条件を適宜設定すればよい。本実施の形態においては、２００℃、２時間の加熱処理を施すこととする。ここで、貼り合わせに係る領域のみにマイクロ波を照射して、局所的に加熱することも可能である。なお、貼り合わせ強度に問題がない場合は、上記加熱処理を省略しても良い。

次に、単結晶半導体基板１１０を、脆化層１０２にて、半導体膜１０１と単結晶半導体基板１１８とに分離する（図４（Ｄ）参照）。単結晶半導体基板１１０の分離は、加熱処理により行う。該加熱処理の温度は、基板１００の耐熱温度を目安にすることができる。例えば、基板１００としてガラス基板を用いる場合には、加熱温度は４００℃以上６５０℃以下とすることが好ましい。ただし、短時間であれば、４００℃以上７００℃以下の加熱処理を行っても良い。なお、本実施の形態においては、６００℃、２時間の加熱処理を施すこととする。

上述のような加熱処理を行うことにより、脆化層１０２に形成された微小な空孔の体積変化が生じ、脆化層１０２に亀裂が生ずる。その結果、脆化層１０２に沿って単結晶半導体基板１１０が劈開する。絶縁層１１１は基板１００と貼り合わせられているので、基板１００上には単結晶半導体基板１１０から分離された半導体膜１０１が固定される。また、この加熱処理で、基板１００と絶縁層１１１の貼り合わせに係る界面が加熱されるため、貼り合わせに係る界面に共有結合が形成され、基板１００と絶縁層１１１の結合力が一層向上する。

その後、実施の形態１または２で示したレーザ照射装置を用いて、半導体膜１０１にレーザ光１１３を照射する（図４（Ｅ）参照）。実施の形態１または２のレーザ照射装置は、半導体膜へのレーザ光照射処理において、半導体膜の炭素汚染を抑制しながら、半導体膜の溶融時間を延長することが可能であり、結晶性および平坦性の良好な半導体膜を形成することができる。

上述のようにレーザ光１１３を照射した後には、半導体膜１０１の膜厚を小さくする薄膜化工程を行っても良い。半導体膜１０１の薄膜化には、ドライエッチングまたはウエットエッチングの一方、または双方を組み合わせたエッチング処理（エッチバック処理）を適用すればよい。例えば、半導体膜１０１がシリコン材料からなる層である場合、ＳＦ_６と０_２をプロセスガスに用いたドライエッチング処理で、半導体膜１０１を薄くすることができる。

なお、本実施の形態においては、レーザ光の照射により平坦化等した後でエッチング処理を行う例を挙げたが、これに限定して解釈されるものではない。例えば、レーザ光の照射前にエッチング処理を行ってもよい。この場合には、エッチング処理により半導体層表面の凹凸や欠陥をある程度低減することができる。また、レーザ光の照射前及び照射後の両方に上記処理を適用しても良い。また、レーザ光の照射と上記処理を交互に繰り返しても良い。このように、レーザ光の照射とエッチング処理を組み合わせて用いることにより、半導体層表面の凹凸、欠陥等を著しく低減することができる。もちろん、上述のエッチング処理や加熱処理などを常に用いる必要はない。

以上により、表面の平坦性が向上し、欠陥が低減された半導体膜１０１（本実施の形態においては、単結晶シリコン半導体層）を有する半導体基板を作製することができる（図４（Ｆ）参照）。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、図５乃至７を参照して、上述の半導体基板を用いた半導体装置の作製方法について説明する。ここでは、半導体装置の一例として複数のトランジスタからなる半導体装置の作製方法について説明することとする。なお、以下において示すトランジスタを組み合わせて用いることで、様々な半導体装置を形成することができる。

図５（Ａ）は、実施の形態３により作製した半導体基板の断面図である。ただし、本実施の形態においては、実施の形態３における絶縁層１１１を２層構造とした場合について示すこととする。

半導体膜１０１には、ＴＦＴのしきい値電圧を制御するために、硼素、アルミニウム、ガリウムなどのｐ型不純物、若しくはリン、砒素などのｎ型不純物を添加しても良い。不純物を添加する領域、および添加する不純物の種類は、適宜変更することができる。例えば、ｎチャネル型ＴＦＴの形成領域にはｐ型不純物を添加し、ｐチャネル型ＴＦＴの形成領域にｎ型不純物を添加することができる。上述の不純物を添加する際には、ドーズ量が１×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下程度となるように行えばよい。その後、半導体膜１０１を島状に分離して、半導体層７０２、及び半導体層７０４を形成する（図５（Ｂ）参照）。

次に、半導体層７０２と半導体層７０４を覆うように、ゲート絶縁層７０６を形成する（図５（Ｃ）参照）。ここでは、プラズマＣＶＤ法を用いて、酸化珪素膜を単層で形成することとする。その他にも、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等を含む膜を、単層構造又は積層構造で形成することによりゲート絶縁層７０６としても良い。

プラズマＣＶＤ法以外の作製方法としては、スパッタリング法や、高密度プラズマ処理による酸化または窒化による方法が挙げられる。高密度プラズマ処理は、例えば、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガスと、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などガスの混合ガスを用いて行う。この場合、プラズマの励起をマイクロ波の導入により行うことで、低電子温度で高密度のプラズマを生成することができる。このような高密度のプラズマで生成された酸素ラジカル（ＯＨラジカルを含む場合もある）や窒素ラジカル（ＮＨラジカルを含む場合もある）によって、半導体層の表面を酸化または窒化することにより、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、望ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の絶縁層を半導体層に接するように形成する。

上述した高密度プラズマ処理による半導体層の酸化または窒化は固相反応であるため、ゲート絶縁層７０６と半導体層７０２及び半導体層７０４との界面準位密度をきわめて低くすることができる。また、高密度プラズマ処理により半導体層を直接酸化または窒化することで、形成される絶縁層の厚さのばらつきを抑えることが出来る。また、半導体層が結晶性を有するため、高密度プラズマ処理を用いて半導体層の表面を固相反応で酸化させる場合であっても、結晶粒界における不均一な酸化を抑え、均一性が良く、界面準位密度の低いゲート絶縁層を形成することができる。このように、高密度プラズマ処理により形成された絶縁層をトランジスタのゲート絶縁層の一部または全部に用いることで、特性のばらつきを抑制することができる。

プラズマ処理による絶縁層の作製方法のより具体的な一例について説明する。亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）を、アルゴン（Ａｒ）を用いて１倍以上３倍以下（流量比）に希釈し、１０Ｐａ以上３０Ｐａ以下の圧力下で３ｋＷ以上５ｋＷ以下のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電力を印加して、半導体層７０２と半導体層７０４の表面を酸化または窒化させる。この処理により１ｎｍ以上１０ｎｍ以下（好ましくは２ｎｍ以上６ｎｍ以下）のゲート絶縁層７０６の下層を形成する。さらに、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）とシラン（ＳｉＨ_４）を導入し、１０Ｐａ以上３０Ｐａ以下の圧力下で３ｋＷ以上５ｋＷ以下のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電力を印加して気相成長法により酸化窒化シリコン膜を形成し、ゲート絶縁層７０６の上層とする。このように、固相反応と気相成長法を組み合わせてゲート絶縁層７０６を形成することにより界面準位密度が低く絶縁耐圧の優れたゲート絶縁層７０６を形成することができる。なお、この場合においてゲート絶縁層７０６は２層構造となる。

或いは、半導体層７０２と半導体層７０４を熱酸化させることで、ゲート絶縁層７０６を形成するようにしても良い。このような熱酸化を用いる場合には、耐熱性の比較的高いベース基板を用いることが好ましい。

なお、水素を含むゲート絶縁層７０６を形成し、その後、３５０℃以上４５０℃以下の温度による加熱処理を行うことで、ゲート絶縁層７０６中に含まれる水素を半導体層７０２及び半導体層７０４中に拡散させるようにしても良い。この場合、ゲート絶縁層７０６として、プラズマＣＶＤ法を用いた窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを用いることができる。なお、プロセス温度は３５０℃以下とすると良い。このように、半導体層７０２及び半導体層７０４に水素を供給することで、半導体層７０２中、半導体層７０４中、ゲート絶縁層７０６と半導体層７０２の界面、及びゲート絶縁層７０６と半導体層７０４の界面における欠陥を効果的に低減することができる。

次に、ゲート絶縁層７０６上に導電層を形成した後、該導電層を所定の形状に加工（パターニング）することで、半導体層７０２と半導体層７０４の上方に電極７０８を形成する（図５（Ｄ）参照）。導電層の形成にはＣＶＤ法、スパッタリング法等を用いることができる。導電層は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）等の材料を用いて形成することができる。また、上記金属を主成分とする合金材料を用いても良いし、上記金属を含む化合物を用いても良い。または、半導体に導電性を付与する不純物元素をドーピングした多結晶珪素など、半導体材料を用いて形成しても良い。

本実施の形態では電極７０８を単層の導電層で形成しているが、本発明の半導体装置は該構成に限定されない。電極７０８は積層された複数の導電層で形成されていても良い。２層構造とする場合には、例えば、モリブデン膜、チタン膜、窒化チタン膜等を下層に用い、上層にはアルミニウム膜などを用いればよい。３層構造の場合には、モリブデン膜とアルミニウム膜とモリブデン膜の積層構造や、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜の積層構造などを採用するとよい。

なお、電極７０８を形成する際に用いるマスクは、酸化珪素や窒化酸化珪素等の材料を用いて形成してもよい。この場合、酸化珪素膜や窒化酸化珪素膜等をパターニングしてマスクを形成する工程が加わるが、レジスト材料と比較して、エッチング時におけるマスクの膜減りが少ないため、より正確な形状の電極７０８を形成することができる。また、マスクを用いずに、液滴吐出法を用いて選択的に電極７０８を形成しても良い。ここで、液滴吐出法とは、所定の組成物を含む液滴を吐出または噴出することで所定のパターンを形成する方法を意味し、インクジェット法などがその範疇に含まれる。

また、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用い、エッチング条件（コイル型の電極層に印加される電力量、基板側の電極層に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節し、所望のテーパー形状を有するように導電層をエッチングすることで、電極７０８を形成することもできる。また、テーパー形状は、マスクの形状によって制御することもできる。なお、エッチング用ガスとしては、塩素、塩化硼素、塩化珪素もしくは四塩化炭素などの塩素系ガス、四弗化炭素、弗化硫黄もしくは弗化窒素などのフッ素系ガス又は酸素などを適宜用いることができる。

次に、電極７０８をマスクとして、一導電型を付与する不純物元素を半導体層７０２、半導体層７０４に添加する（図６（Ａ）参照）。本実施の形態では、半導体層７０２にｎ型を付与する不純物元素（例えばリンまたはヒ素）を、半導体層７０４にｐ型を付与する不純物元素（例えばボロン）を添加する。なお、ｎ型を付与する不純物元素を半導体層７０２に添加する際には、ｐ型の不純物が添加される半導体層７０４はマスク等で覆い、ｎ型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。また、ｐ型を付与する不純物元素を半導体層７０４に添加する際には、ｎ型の不純物が添加される半導体層７０２はマスク等で覆い、ｐ型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。又は、半導体層７０２及び半導体層７０４に、ｐ型を付与する不純物元素又はｎ型を付与する不純物元素の一方を添加した後、一方の半導体層のみに、より高い濃度でｐ型を付与する不純物元素又はｎ型を付与する不純物元素の他方を添加するようにしても良い。上記不純物の添加により、半導体層７０２に不純物領域７１０、半導体層７０４に不純物領域７１２が形成される。

次に、電極７０８の側面にサイドウォール７１４を形成する（図６（Ｂ）参照）。サイドウォール７１４は、例えば、ゲート絶縁層７０６及び電極７０８を覆うように新たに絶縁層を形成し、垂直方向を主体とした異方性エッチングにより、該絶縁層を部分的にエッチングすることで形成することができる。なお、上記の異方性エッチングにより、ゲート絶縁層７０６を部分的にエッチングしても良い。サイドウォール７１４を形成するための絶縁層としては、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等により、珪素、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、有機材料などを含む膜を、単層構造又は積層構造で形成すれば良い。本実施の形態では、膜厚１００ｎｍの酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって形成する。また、エッチングガスとしては、ＣＨＦ_３とヘリウムの混合ガスを用いることができる。なお、サイドウォール７１４を形成する工程は、これらに限定されるものではない。

次に、ゲート絶縁層７０６、電極７０８及びサイドウォール７１４をマスクとして、半導体層７０２、半導体層７０４に一導電型を付与する不純物元素を添加する（図６（Ｃ）参照）。なお、半導体層７０２、半導体層７０４には、それぞれ先の工程で添加した不純物元素と同じ導電型の不純物元素をより高い濃度で添加する。なお、ｎ型を付与する不純物元素を半導体層７０２に添加する際には、ｐ型の不純物が添加される半導体層７０４はマスク等で覆い、ｎ型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。また、ｐ型を付与する不純物元素を半導体層７０４に添加する際には、ｎ型の不純物が添加される半導体層７０２はマスク等で覆い、ｐ型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。

上記不純物元素の添加により、半導体層７０２に、一対の高濃度不純物領域７１６と、一対の低濃度不純物領域７１８と、チャネル形成領域７２０とが形成される。また、上記不純物元素の添加により、半導体層７０４に、一対の高濃度不純物領域７２２と、一対の低濃度不純物領域７２４と、チャネル形成領域７２６とが形成される。高濃度不純物領域７１６、高濃度不純物領域７２２はソース又はドレインとして機能し、低濃度不純物領域７１８、低濃度不純物領域７２４はＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域として機能する。

なお、半導体層７０２上に形成されたサイドウォール７１４と、半導体層７０４上に形成されたサイドウォール７１４は、キャリアが移動する方向（いわゆるチャネル長に平行な方向）の長さが同じになるように形成しても良いが、異なるように形成しても良い。ｐチャネル型トランジスタとなる半導体層７０４上のサイドウォール７１４の長さは、ｎチャネル型トランジスタとなる半導体層７０２上のサイドウォール７１４の長さよりも大きくすると良い。なぜならば、ｐチャネル型トランジスタにおいてソース及びドレインを形成するために注入されるボロンは拡散しやすく、短チャネル効果を誘起しやすいためである。ｐチャネル型トランジスタにおいて、サイドウォール７１４の長さをより大きくすることで、ソース及びドレインに高濃度のボロンを添加することが可能となり、ソース及びドレインを低抵抗化することができる。

ソース及びドレインをさらに低抵抗化するために、半導体層７０２及び半導体層７０４の一部をシリサイド化したシリサイド層を形成しても良い。シリサイド化は、半導体層に金属を接触させ、加熱処理（例えば、ＧＲＴＡ法、ＬＲＴＡ法等）により、半導体層中の珪素と金属とを反応させて行う。シリサイド層としては、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドを用いれば良い。半導体層７０２や半導体層７０４が薄い場合には、半導体層７０２、半導体層７０４の底部までシリサイド反応を進めても良い。シリサイド化に用いることができる金属材料としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、Ｈｆ（ハフニウム）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ネオジム（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等が挙げられる。また、レーザ光の照射などによってもシリサイド層を形成することができる。

上述の工程により、ｎチャネル型トランジスタ７２８及びｐチャネル型トランジスタ７３０が形成される。なお、図６（Ｃ）に示す段階では、ソース電極又はドレイン電極として機能する導電層は形成されていないが、これらのソース電極又はドレイン電極として機能する導電層を含めてトランジスタと呼ぶこともある。

次に、ｎチャネル型トランジスタ７２８、ｐチャネル型トランジスタ７３０を覆うように絶縁層７３２を形成する（図６（Ｄ）参照）。絶縁層７３２は必ずしも設ける必要はないが、絶縁層７３２を形成することで、アルカリ金属やアルカリ土類金属などの不純物がｎチャネル型トランジスタ７２８、ｐチャネル型トランジスタ７３０に侵入することを防止できる。具体的には、絶縁層７３２を、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの材料を用いて形成するのが望ましい。本実施の形態では、膜厚６００ｎｍ程度の窒化酸化珪素膜を、絶縁層７３２として用いる。この場合、上述の水素化の工程は、該窒化酸化珪素膜形成後に行っても良い。なお、本実施の形態においては、絶縁層７３２を単層構造としているが、積層構造としても良いことはいうまでもない。例えば、２層構造とする場合には、酸化窒化珪素膜と窒化酸化珪素膜との積層構造とすることができる。

次に、ｎチャネル型トランジスタ７２８、ｐチャネル型トランジスタ７３０を覆うように、絶縁層７３２上に絶縁層７３４を形成する。絶縁層７３４は、ポリイミド、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いて形成するとよい。また、上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）、アルミナ等を用いることもできる。ここで、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は、置換基に水素の他、フッ素、アルキル基、芳香族炭化水素から選ばれる一を有していても良い。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層７３４を形成しても良い。

絶縁層７３４の形成には、その材料に応じて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。

次に、半導体層７０２と半導体層７０４の一部が露出するように絶縁層７３２及び絶縁層７３４にコンタクトホールを形成する。そして、該コンタクトホールを介して半導体層７０２と半導体層７０４に接する導電層７３６、導電層７３８を形成する（図７（Ａ）参照）。導電層７３６及び導電層７３８は、トランジスタのソース電極又はドレイン電極として機能する。なお、本実施の形態においては、コンタクトホール開口時のエッチングに用いるガスとしてＣＨＦ_３とＨｅの混合ガスを用いたが、これに限定されるものではない。

導電層７３６、導電層７３８は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等により形成することができる。具体的には、導電層７３６、導電層７３８として、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ネオジム（Ｎｄ）、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）等を用いることができる。また、上記材料を主成分とする合金を用いても良いし、上記材料を含む化合物を用いても良い。また、導電層７３６、導電層７３８は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。

アルミニウムを主成分とする合金の例としては、アルミニウムを主成分として、ニッケルを含むものを挙げることができる。また、アルミニウムを主成分とし、ニッケルと、炭素または珪素の一方または両方を含むものを挙げることができる。アルミニウムやアルミニウムシリコン（Ａｌ−Ｓｉ）は抵抗値が低く、安価であるため、導電層７３６、導電層７３８を形成する材料として適している。特に、アルミニウムシリコンは、パターニングの際のレジストベークによるヒロックの発生を抑制することができるため好ましい。また、珪素の代わりに、アルミニウムに０．５％程度のＣｕを混入させた材料を用いても良い。

導電層７３６、導電層７３８を積層構造とする場合には、例えば、バリア膜とアルミニウムシリコン膜とバリア膜の積層構造、バリア膜とアルミニウムシリコン膜と窒化チタン膜とバリア膜の積層構造などを採用するとよい。なお、バリア膜とは、チタン、チタンの窒化物、モリブデンまたはモリブデンの窒化物などを用いて形成された膜である。バリア膜の間にアルミニウムシリコン膜を挟むように導電層を形成すると、アルミニウムやアルミニウムシリコンのヒロックの発生をより一層防止することができる。また、還元性の高い元素であるチタンを用いてバリア膜を形成すると、半導体層７０２と半導体層７０４上に薄い酸化膜が形成されていたとしても、バリア膜に含まれるチタンが該酸化膜を還元し、導電層７３６と半導体層７０２、及び導電層７３８と半導体層７０４のコンタクトを良好なものとすることができる。また、バリア膜を複数積層するようにして用いても良い。その場合、例えば、導電層７３６、導電層７３８を、下層からチタン、窒化チタン、アルミニウムシリコン、チタン、窒化チタンのように、５層構造又はそれ以上の積層構造とすることもできる。

また、導電層７３６、導電層７３８として、ＷＦ_６ガスとＳｉＨ_４ガスから化学気相成長法で形成したタングステンシリサイドを用いても良い。また、ＷＦ_６を水素還元して形成したタングステンを、導電層７３６、導電層７３８として用いても良い。

なお、導電層７３６はｎチャネル型トランジスタ７２８の高濃度不純物領域７１６に接続されている。導電層７３８はｐチャネル型トランジスタ７３０の高濃度不純物領域７２２に接続されている。

図７（Ｂ）に、図７（Ａ）に示したｎチャネル型トランジスタ７２８及びｐチャネル型トランジスタ７３０の平面図を示す。ここで、図７（Ｂ）のＡ−Ｂにおける断面が図７（Ａ）に対応している。ただし、図７（Ｂ）においては、簡単のため、導電層７３６、導電層７３８、絶縁層７３２、絶縁層７３４等を省略している。

なお、本実施の形態においては、ｎチャネル型トランジスタ７２８とｐチャネル型トランジスタ７３０が、それぞれゲート電極として機能する電極７０８を１つずつ有する場合を例示しているが、本実施の形態は該構成に限定されない。本実施の形態で作製されるトランジスタは、ゲート電極として機能する電極を複数有し、なおかつ該複数の電極が電気的に接続されているマルチゲート構造を有していても良い。

本実施の形態では、実施の形態１または２のレーザ照射装置によって作製した結晶性および平坦性の良好な半導体基板を用いることにより、高速動作が可能で、サブスレッショルド値が低く、電界効果移動度が高く、低電圧で駆動可能なトランジスタを低いコストで作製することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態５）

上記実施の形態で示した半導体基板を用いてトランジスタ等の半導体装置を作製し、この半導体装置を用いてさまざまな電子機器を完成することができる。実施の形態３で示した半導体基板に設けられた半導体膜は結晶欠陥が低減されているため、ゲート絶縁層との界面において、局在準位密度を低減させることが可能となる。この半導体膜を活性層として用いることで、リーク電流が低減し、電気的特性が向上した半導体素子を製造することができる。すなわち、実施の形態３で示した半導体基板を用いることで、電流駆動能力が高く、かつ信頼性の高い半導体素子を作製することが可能になり、結果として、最終製品としての電子機器をスループット良く、良好な品質で作製することが可能になる。本実施の形態では、図面を用いて具体的な電子機器への適用例を説明する。

半導体装置（特に表示装置）を用いて作製される電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオコンポ等）、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ（ＤＶＤ）等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置）などが挙げられる。

図８（Ａ）はテレビ受像器又はパーソナルコンピュータのモニタである。筺体１００１、支持台１００２、表示部１００３、スピーカー部１００４、ビデオ入力端子１００５等を含む。表示部１００３には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なテレビ受像器又はパーソナルコンピュータのモニタを低価格で提供することができる。

図８（Ｂ）はデジタルカメラである。本体１０１１の正面部分には受像部１０１３が設けられており、本体１０１１の上面部分にはシャッターボタン１０１６が設けられている。また、本体１０１１の背面部分には、表示部１０１２、操作キー１０１４、及び外部接続ポート１０１５が設けられている。表示部１０１２には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なデジタルカメラを低価格で提供することができる。

図８（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータである。本体１０２１には、キーボード１０２４、外部接続ポート１０２５、ポインティングデバイス１０２６が設けられている。また、本体１０２１には、表示部１０２３を有する筐体１０２２が取り付けられている。表示部１０２３には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なノート型パーソナルコンピュータを低価格で提供することができる。

図８（Ｄ）はモバイルコンピュータであり、本体１０３１、表示部１０３２、スイッチ１０３３、操作キー１０３４、赤外線ポート１０３５等を含む。表示部１０３２にはアクティブマトリクス表示装置が設けられている。表示部１０３２には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なモバイルコンピュータを低価格で提供することができる。

図８（Ｅ）は画像再生装置である。本体１０４１には、表示部Ｂ１０４４、記録媒体読み込み部１０４５及び操作キー１０４６が設けられている。また、本体１０４１には、スピーカー部１０４７及び表示部Ａ１０４３それぞれを有する筐体１０４２が取り付けられている。表示部Ａ１０４３及び表示部Ｂ１０４４それぞれには、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な画像再生装置を低価格で提供することができる。

図８（Ｆ）は電子書籍である。本体１０５１には操作キー１０５３が設けられている。また、本体１０５１には複数の表示部１０５２が取り付けられている。表示部１０５２には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な電子書籍を低価格で提供することができる。

図８（Ｇ）はビデオカメラであり、本体１０６１には外部接続ポート１０６４、リモコン受信部１０６５、受像部１０６６、バッテリー１０６７、音声入力部１０６８、操作キー１０６９が設けられている、また、本体１０６１には、表示部１０６２を有する筐体１０６３が取り付けられている。表示部１０６２には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なビデオカメラを低価格で提供することができる。

図８（Ｈ）は携帯電話であり、本体１０７１、筐体１０７２、表示部１０７３、音声入力部１０７４、音声出力部１０７５、操作キー１０７６、外部接続ポート１０７７、アンテナ１０７８等を含む。表示部１０７３には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な携帯電話を低価格で提供することができる。

図９は、電話としての機能と、情報端末としての機能を併せ持った携帯電子機器１１００の構成の一例である。ここで、図９（Ａ）は正面図、図９（Ｂ）は背面図、図９（Ｃ）は展開図である。携帯電子機器１１００は、電話と情報端末の双方の機能を備えており、音声通話以外にも様々なデータ処理が可能な、いわゆるスマートフォンと呼ばれる電子機器である。

携帯電子機器１１００は、筐体１１０１及び筐体１１０２で構成されている。筐体１１０１は、表示部１１１１、スピーカー１１１２、マイクロフォン１１１３、操作キー１１１４、ポインティングデバイス１１１５、カメラ用レンズ１１１６、外部接続端子１１１７等を備え、筐体１１０２は、キーボード１１２１、外部メモリスロット１１２２、カメラ用レンズ１１２３、ライト１１２４、イヤフォン端子１１２５等を備えている。また、アンテナは筐体１１０１内部に内蔵されている。上記構成に加えて、非接触ＩＣチップ、小型記録装置等を内蔵していてもよい。

表示部１１１１には、上記実施の形態で示した半導体装置が組み込まれている。なお、表示部１１１１に表示される映像（及びその表示方向）は、携帯電子機器１１００の使用形態に応じて様々に変化する。また、表示部１１１１と同一面にカメラ用レンズ１１１６を備えているため、映像を伴う音声通話（いわゆるテレビ電話）が可能である。なお、スピーカー１１１２及びマイクロフォン１１１３は音声通話に限らず、録音、再生等に用いることが可能である。カメラ用レンズ１１２３（及び、ライト１１２４）を用いて静止画及び動画の撮影を行う場合には、表示部１１１１はファインダーとして用いられることになる。操作キー１１１４は、電話の発信・着信、電子メール等の簡単な情報入力、画面のスクロール、カーソル移動等に用いられる。

重なり合った筐体１１０１と筐体１１０２（図９（Ａ））は、スライドし、図９（Ｃ）のように展開し、情報端末として使用できる。この場合には、キーボード１１２１、ポインティングデバイス１１１５を用いた円滑な操作が可能である。外部接続端子１１１７はＡＣアダプタやＵＳＢケーブル等の各種ケーブルと接続可能であり、充電やコンピュータ等とのデータ通信を可能にしている。また、外部メモリスロット１１２２に記録媒体を挿入し、より大容量のデータの保存及び移動に対応できる。上記機能に加えて、赤外線などの電磁波を用いた無線通信機能や、テレビ受信機能等を有していても良い。上記実施の形態で示した半導体装置を搭載することで、信頼性が高く高性能な携帯電子機器を低価格で提供することができる。

以上の様に、本実施の形態の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

１００ 基板
１０１ 半導体膜
１０２ 脆化層
１１０ 単結晶半導体基板
１１１ 絶縁層
１１３ レーザ光
１１８ 単結晶半導体基板
３００ レーザビーム
３０１ レーザ発振器
３０３ ステージ
３０４ コントローラ
３０５ 光学系
３０６ ヒータ
３０７ 載置台
３０８ 不純物吸着材
３１０ ピン
３１２ 支持台
３５１ シリンドリカルレンズアレイ
３５２ シリンドリカルレンズアレイ
３５３ シリンドリカルレンズアレイ
３５４ シリンドリカルレンズ
３５５ シリンドリカルレンズ
３５６ ミラー
３５７ ダブレットシリンドリカルレンズ
３５８ 領域
４０１ レーザ処理チャンバー
４０３ 搬送チャンバー
４０５ 給気経路
４０５ａ 給気口
４０５ｂ 給気ダクト
４０７ 排気経路
４０７ａ 排気口
４０７ｂ 排気ダクト
４０９ 伸縮管
４１１ モータ
４１３ 搬送ロボット
４１５ 窓
７０２ 半導体層
７０４ 半導体層
７０６ ゲート絶縁層
７０８ 電極
７１０ 不純物領域
７１２ 不純物領域
７１４ サイドウォール
７１６ 高濃度不純物領域
７１８ 低濃度不純物領域
７２０ チャネル形成領域
７２２ 高濃度不純物領域
７２４ 低濃度不純物領域
７２６ チャネル形成領域
７２８ ｎチャネル型トランジスタ
７３０ ｐチャネル型トランジスタ
７３２ 絶縁層
７３４ 絶縁層
７３６ 導電層
７３８ 導電層
１００１ 筺体
１００２ 支持台
１００３ 表示部
１００４ スピーカー部
１００５ ビデオ入力端子
１０１１ 本体
１０１２ 表示部
１０１３ 受像部
１０１４ 操作キー
１０１５ 外部接続ポート
１０１６ シャッターボタン
１０２１ 本体
１０２２ 筐体
１０２３ 表示部
１０２４ キーボード
１０２５ 外部接続ポート
１０２６ ポインティングデバイス
１０３１ 本体
１０３２ 表示部
１０３３ スイッチ
１０３４ 操作キー
１０３５ 赤外線ポート
１０４１ 本体
１０４２ 筐体
１０４３ 表示部Ａ
１０４４ 表示部Ｂ
１０４５ 部
１０４６ 操作キー
１０４７ スピーカー部
１０５１ 本体
１０５２ 表示部
１０５３ 操作キー
１０６１ 本体
１０６２ 表示部
１０６３ 筐体
１０６４ 外部接続ポート
１０６５ リモコン受信部
１０６６ 受像部
１０６７ バッテリー
１０６８ 音声入力部
１０６９ 操作キー
１０７１ 本体
１０７２ 筐体
１０７３ 表示部
１０７４ 音声入力部
１０７５ 音声出力部
１０７６ 操作キー
１０７７ 外部接続ポート
１０７８ アンテナ
１１００ 携帯電子機器
１１０１ 筐体
１１０２ 筐体
１１１１ 表示部
１１１２ スピーカー
１１１３ マイクロフォン
１１１４ 操作キー
１１１５ ポインティングデバイス
１１１６ カメラ用レンズ
１１１７ 外部接続端子
１１２１ キーボード
１１２２ 外部メモリスロット
１１２３ カメラ用レンズ
１１２４ ライト
１１２５ イヤフォン端子

Claims (8)

1. レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を線状に成形する光学系と、
   前記光学系によって成形された線状のレーザ光が照射される被照射物を載置するステージと、を有し、
   前記ステージは、支持台上に、ヒータ、不純物吸着材及び前記被照射物を載置する載置台が順に固定されていることを特徴とするレーザ照射装置。
2. レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を線状に成形する光学系と、
   上面に給気経路が、下面に排気経路がそれぞれ設けられたレーザ処理チャンバーと、
   前記レーザ処理チャンバー内に配置され、前記光学系によって成形された線状のレーザ光が照射される被照射物を載置するステージと、を有し、
   前記レーザ処理チャンバー内の気流は、前記給気経路及び前記排気経路によって下降流に制御され、
   前記ステージは、支持台上に、ヒータ及び前記被照射物を載置する載置台が順に固定されていることを特徴とするレーザ照射装置。
3. 請求項２において、
   前記下降流は、前記被照射物表面と垂直な方向の層流であることを特徴とするレーザ照射装置。
4. 請求項２または３において、
   前記ステージは、前記ヒータと前記載置台の間に、不純物吸着材を有することを特徴とするレーザ照射装置。
5. 請求項１または４において、
   前記ヒータと前記不純物吸着材との距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とするレーザ照射装置。
6. 請求項１、４または５のいずれか一において、
   前記不純物吸着材として、シリコン純度が９８％乃至９９％の低純度シリコンからなるシリコン基板を用いることを特徴とするレーザ照射装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一において、
   前記ヒータとして、グラファイトヒータを用いることを特徴とするレーザ照射装置。
8. 絶縁表面上に設けられた半導体膜に、請求項１乃至７のいずれか一に記載のレーザ照射装置を用いて、レーザ光を照射し、前記半導体膜を結晶化することを特徴とする半導体基板の作製方法。

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