JP2008243965A - 半導体処理装置および半導体処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間高温加熱が可能でかつ安価に大面積化処理化を行うことができ、かつ下地のガラス基板を高温化することのなく、さらに化学的アニール効果も付与できる、半導体処理装置および半導体処理方法を提供する。
【解決手段】誘電率の小さい半導体膜においては、半導体膜上に蒸着または近傍に部分的に設置した金属または高誘電体物質に高周波電磁界を印加し、金属を設置した場合には誘導電流によるジュール加熱を用いて半導体薄膜１０内に熱誘起電子および正孔を発生させ、半導体を金属電導にしてマイクロ波によるジュール損失加熱を行う。高誘電体物質を設置した場合には高誘電体物質を誘電損失加熱して半導体薄膜内に熱誘起電子および正孔を発生させ、半導体を金属電導にしてマイクロ波によるジュール損失加熱を行う。誘電率の大きい半導体膜においては、金属や高誘電体物質を設置せずに直接誘電損失加熱を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体薄膜形成において半導体内の電子および正孔の存在下で高周波を誘導させてその高周波エネルギーによりジュール熱または誘電損失により半導体を急速に加熱する半導体処理装置および半導体処理方法に関する。

従来、半導体薄膜形成において多岐にわたる加熱処理工程があるが、特に薄膜トランジスタ形成において安価ではあるが電子や正孔の移動度が低い非晶質あるいは多結晶薄膜を熱処理によって良質な半導体薄膜化する試みが行われている。

たとえば多結晶シリコン薄膜トランジスタに用いる多結晶シリコンには移動度の高い良質な多結晶シリコン膜が必要であり、ガラス基板上に非晶質シリコンを堆積させた後、長時間の固相成長抵抗加熱アニールを行うか、または高温短時間レーザーアニールによるアニール処理による多結晶化処理が行われている。

たとえば、特許文献１記載の多結晶シリコン膜の成長方法では、透明基板上に非単結晶シリコン膜を成膜したのち、非単結晶シリコン膜の表面にシリコンより低融点の部材を密着させ、レーザー光を照射することによって非単結晶シリコン膜を多結晶化している。このようにして、多結晶シリコン膜の成長方法に関し、後の工程において影響与えないように結晶成長核となる物質を導入し、短時間のレーザー光照射によって高品質の多結晶シリコン膜を得ている。

また、特許文献２記載の半導体膜の製造方法では、ガラス基板上にジシランを原料としたＬＰＣＶＤ法を用いてａ−Ｓｉ膜を堆積させ、６００℃の窒素中または大気中で熱処理を行ってから固相成長を行い、固相成長多結晶シリコン膜にした後、ＬＰＣＶＤ法によってジシラン及びジボランの混合ガスを用いて不純物を導入し、不純物導入シリコン膜を堆積させる。そして、この堆積後、不純物導入シリコン膜上にレーザーを照射して結晶化を行っている。このようにして、固相成長過程後またはレーザー照射後の結晶性の劣化を防止している。
特開平１１−２９７６２１号公報 特開平１１−３５４４４６号公報

しかしながら、従来の抵抗加熱炉を用いた低温アニール法の場合には、長時間処理でありまた得られる多結晶シリコン膜の結晶性が低いという問題がある。一方レーザー高温アニール法では良質な多結晶シリコン膜が得られるが、大面積処理一括処理に対するコスト、均一性処理の問題、ガラス基板の高温化などの問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、短時間高温加熱が可能でかつ安価に大面積化処理化を行うことができかつ下地のガラス基板を高温化することのなく、さらに化学的アニール効果も付与できる、半導体処理装置および半導体処理方法を提供することを目的とする。

半導体薄膜形成の下地材であるガラス基板をできる限り低温に保ちながら半導体薄膜を加熱するためには、ガラス基板が絶縁材であり低誘電率であることを利用できる高周波誘電損失加熱方法を用いる。

また誘電損失加熱は内部加熱であって短時間に高温まで昇温することが可能な加熱方法である。

半導体薄膜が高誘電率を有する場合においては高周波誘電損失加熱によって半導体薄膜のみを加熱することができる。

半導体薄膜においては初期に３００度程度の温度で加熱による熱誘起によって自由電子および自由正孔が誘起され、この自由電子と自由正孔によるジュール損失の増加により、半導体のみをさらに高温に加熱することになる。

半導体薄膜が低誘電率材料であり、誘電損失による加熱がおこりにくい場合においては、半導体膜上に蒸着または近傍に設置した金属あるいは高誘電体物質をパターニングすることにより、高周波電磁界によって金属パターン上に渦電流が発生し、ジュール加熱による誘導加熱がおき、または高誘電体物質の誘電緩和による加熱がおき、半導体薄膜を加熱することで電子および正孔を誘起する。

半導体材料は基本的に熱伝導が高いため、前記の電子および正孔誘起のための加熱は局部的な加熱であっても当該の部分より温度上昇と伝熱が起こり薄膜全体の温度が上昇し薄膜全体に高周波を照射することによって薄膜全体の加熱を行うことが可能となると同時にさらに誘起された電子・正孔のために電気伝導度が上昇し、ジュール損失が増加することにより半導体薄膜を８００度以上、さらに１０００度以上の高温域まで急速に温度上昇を行うことが可能となる。

誘電損失加熱に用いる高周波に関しては、周波数が高くなるほど効率が上昇するためギガヘルツ以上の周波数帯のマイクロ波を利用することが有利となる。

さらに高温域での温度制御自体が半導体膜内部でのジュール損失によるもので伝熱加熱現象によるものなく内部加熱によるものであるため高周波の出力制御により高精度に制御が可能となる。

また半導体薄膜への高周波照射において、導体である減圧電離ガスプラズマを高周波照射により発生させ当該の減圧電離ガスプラズマを高周波伝播照射線路として半導体薄膜に対して高周波を照射した場合においては、半導体薄膜表面での電離プラズマイオンシース部の電子とイオンの移動速度差に起因する直流抵抗成分によって薄膜表面近傍における誘電率を高くして表面における誘電損失またはジュール損失による加熱を促進することが可能となる。

前記の減圧電離ガスプラズマを高周波伝播照射線路として利用した場合においては、減圧電離ガスプラズマの拡散による高周波線路拡張により大面積薄膜に関しても均一に加熱処理を行うことが可能となる。

前記の減圧電離ガスプラズマを高周波伝播照射線路として利用した場合においては、減圧電離ガスプラズマのインピーダンスおよび直流抵抗成分をガス種あるいは減圧圧力により制御することも可能となる。

さらにガス種の選択により減圧電離ガスプラズマにより発生する活性ラジカルによる熱的アニールに加えて化学的アニール効果を得ることも可能となる。

手法を要約として以下のとおりである。

（１）半導体薄膜を高周波交流電磁界発生装置内に設置する。

（２）半導体薄膜の局部または全体を加熱し半導体薄膜内に熱誘起電子および正孔を発生する３００度から４００度程度の第一温度域まで温度上昇させて半導体薄膜の局部あるいは全体の電気伝導度を高くして高周波ジュール損失加熱を行える状態とする。

（２−１）高誘電率の半導体薄膜においては高周波照射による高周波誘電損失加熱により前記第一温度域まで温度上昇が可能である。

（２−２）誘電率が低く誘電損失加熱では温度上昇が困難な半導体膜においては半導体膜上に蒸着または近傍に設置した金属または高誘電体物質をパターニングし高周波電磁界により金属または高誘電体物質パターン上に渦電流を発生させジュール加熱による誘導加熱により前記第一温度域を得る。

（２−３）あるいは高周波照射源以外にレーザーあるいは抵抗加熱を用いて半導体薄膜の局部を加熱して前記第一温度域までの温度上昇を得てもよい。

（３）前記第一温度域まで加熱されて電気伝導度の高くなった半導体薄膜はジュール損失による高周波加熱によって加速度的に急速に温度上昇が行われ、８００度以上の高温処理温度まで短時間に加熱される。

（４）前記手法においての高周波照射に関して、減圧電離プラズマを処理装置内に発生させて高周波線路として半導体薄膜に照射した手法の場合、半導体薄膜表面での電離プラズマイオンシース部の電子とイオンの移動速度差に起因する直流抵抗成分によって薄膜表面近傍における誘電率が高くなり表面における誘電損失による加熱が促進される。さらに電離プラズマの拡散によって薄膜表面において電気的均質化が取られることにより、均一かつ大面積の処理が可能となる。

本発明によれば（１）半導体薄膜の下地となる低誘電率基板を高温化することなく半導体薄膜の急速高温短時間加熱できることから安価なガラス素材あるいは有機フィルムをその下地として使用すること。（２）平面上でパターン化された半導体薄膜を選択的に加熱すること。（３）温度制御が半導体膜自体のジュール損失によるもので伝熱加熱現象によるものなく内部加熱によるものであるため高周波の出力制御により高精度に制御が可能で温度プロファイル制御を行うこと。（４）減圧電離プラズマを高周波伝播照射鮮度として用いた場合には、均一かつ大面積処理化とガス種選択により化学的アニール処理を同時に行うこと。（５）従来の炉による低温アニール法に対して大幅な処理時間の低減。（６）従来のレーザーアニール法に対して大幅なコスト低減と大面積処理化と均一化処理。を得ることが可能となる。

本発明の応用分野は全ての半導体および半導体薄膜自体さらに半導体あるいは半導体薄膜を基材とし形成される全ての試料における加熱を必要とする分野で、半導体結晶処理、ＣＶＤ処理、エッチング処理、アニール処理、高温成膜処理等の分野である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
次に、本発明の実施の形態について図１に示す実施形態１に基づき説明する。図１は本発明による実施形態１の半導体膜加熱装置処理部の鉛直中心部断面図である。

図１に示すように、２．４５ＧＨｚ発振用のマイクロ波電源「１」およびマグネトロン高周波発振部「２」より発生されたマイクロ波はアイソレーター「３」、電力検波方向性結合器「４」、インピーダンス整合器「５」および導波管「６」を経由して表面波伝播用の誘電体「７」に導入される。

ストリップ線路として作用する誘電体「７」をマイクロ波が伝播することにより、漏洩マイクロ波電界によるエバネセント波が発生し、石英マイクロ波透過窓「８」を透過して容器処理部「１２」へマイクロ波が導入される。基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」は試料導入口「１１」より容器処理部「１２」へ導入されていて、前記マイクロ波の照射を受けることになる。

容器処理部「１２」の上部には石英透過窓「１３」が設置されていて、基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」を局部的に加熱できるランプ反射板「１５」を付帯した赤外加熱ランプ「１４」および試料温度測定用の放射温度計「１６」が具備されている。またガス導入口「９」からは必要に応じて不活性ガス等が導入できる構成となっている。

本実施形態による半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」の加熱方法は、処理第一ステップとして１ｋＷのマイクロ波をマイクロ波電源「１」およびマグネトロン高周波発振部「２」より発生し、インピーダンス整合器「５」を作動させることによりマイクロ波を半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」に照射すると同時に半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」の温度が３５０度になるまで１５０Ｗの赤外加熱ランプ「１４」を作動させる。

前記処理第一ステップの目的は、半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」の半導体膜に熱誘起により電子および正孔を誘起して電気伝導率を高くすることを目的としている。

次に、本来の加熱処理目的のために、処理第二ステップとして当該の赤外加熱ランプ「１４」の作動を停止してその後は前記マイクロ波照射を継続して半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」の温度が１０００度の高温加熱処理域に達した後、放射温度計「１６」の温度情報に基づき、マイクロ波電源「１」のオンオフ作動により半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」温度の制御を行う。またガス導入口「９」からは２０ｓｃｃｍの窒素を容器処理部「１２」に導入した。

ここで具体的寸法と容量の例を示す。マイクロ波電源「１」およびマグネトロン高周波発振部「２」より発生されるマイクロ波は２．４５ＧＨｚ高周波であり、出力は最大１．５ｋＷである。導波管「６」はＪＩＳ規格矩形導波管で、表面波誘起用の誘電体「７」は幅８０ミリ厚み３５ミリ長さ２５０ミリのＰＴＦＥ製で導波管「６」より導入されるＴＥ０１モードマイクロ波の中心電界部に平行に導波管内部に挿入されていてマイクロ波導入部は反射低減を目的にテーパ上に加工されている。内容量５０００ｃｃのアルミ製の容器処理部「１２」と誘電体「７」が挿入されている導波管とは幅９０ミリ長さ２００ミリ厚み５ミリの石英マイクロ波透過窓「８」により接合されている。赤外加熱ランプ「１４」は最大出力２００Ｗのハロゲン赤外加熱ランプでランプ反射板「１５」は外部において水冷がなされている。

半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」は外径１００ミリ厚み０．５ｍｍの石英製基板上に真空蒸着法により非晶質アモルファスシリコンが膜厚１００ｎｍで形成されている。

本実施形態での加熱テスト例は次のとおりである。処理第一ステップとして半導体薄膜温度３５０度までのマイクロ波照射および赤外ランプ加熱処理時間は１０秒であり、処理第二ステップとしての半導体薄膜温度１０００度処理を１分間行い、非晶質アモルファスシリコンの多結晶化について測定を行った。

本加熱処理によって、短時間加熱処理にもかかわらず非晶質シリコンは多結晶化し、結晶性も良好であることをラマン分光法と透過電子顕微鏡で確認した。

本処理方法では、従来の炉加熱によるアニール処理（処理条件６００度２４時間）に比べて７万分の１の短時間での結晶化が可能となっており、１０００度程度の熱処理のために結晶粒の結晶軸がそろった良好な多結晶となっており、本処理方法の効果を確認した。

なお、本実施形態では処理第一ステップにおいて半導体または半導体薄膜の初期温度上昇のために赤外ランプ加熱をマイクロ波照射と併用しているが、半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」の局所加熱として抵抗加熱あるいはレーザー加熱方法を用いてもよい。

（実施形態２）
次に、本発明の実施の形態について図２に示す実施形態２に基づき説明する。図２は本発明による実施形態２の半導体膜加熱装置処理部の鉛直中心部断面図である。

図２に示す高周波反応処理装置は本出願による特許第３６３７３９７号に基づくマイクロ波反応処理装置であり、真空配管「１９」により真空ポンプ「２０」に接続され、かつガス導入口「９」から減圧電離ガスプラズマ用原料ガスが導入された真空減圧容器「１７」内にマイクロ波電源「１」およびマグネトロン高周波発振部「２」より発生された２．４５ＧＨｚマイクロ波が導入されることによって、減圧電離ガスプラズマ「１８」が形成される。

基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」は真空減圧容器「１７」内に設置されていて、前記減圧電離ガスプラズマ「１８」を通してマイクロ波の照射を受けることになる。

真空減圧容器「１７」の上部には石英製の真空隔壁投下窓を通して、基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」温度測定用の放射温度計「１６」が具備されている。

本実施形態による基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」の加熱方法は、真空減圧容器「１７」を１０Ｐａまで減圧排気した後、窒素ガスをガス導入口「９」より３０ｓｃｃｍ導入し、真空減圧容器「１７」内圧力を１３０Ｐａとした後に１ｋＷのマイクロ波をマイクロ波電源「１」およびマグネトロン高周波発振部「２」より発生し、減圧電離ガスプラズマ「１８」を発生させ基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」に照射し基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」を加熱する。そして、基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」温度が１０００度の高温加熱処理域に達した後、放射温度計「１６」の温度情報に基づき、マイクロ波電源「１」のオンオフ作動により基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」温度の制御を行う。

ここで具体的寸法と容量の例を示す。マイクロ波電源「１」およびマグネトロン高周波発振部「２」より発生されるマイクロ波は２．４５ＧＨｚ高周波であり、出力は最大１．５ｋＷである。真空減圧容器「１７」は内径１５０ｍｍ高さ２２０ミリの円筒型であり、基板の半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」は下部真空容器フランジ面の高さ５ミリの石製製ピン上に設置して真空減圧容器「１７」内部へ導入されている。真空配管「１９」は内径２０ミリであり、真空ポンプ「２０」は排気量１００リットル／分の油回転ロータリーポンプである。また真空減圧容器「１７」には水冷ジャケットが装着されていて冷却されている。

半導体試料あるいは半導体薄膜試料「１０」は外径１００ミリ厚み０．５ｍｍの石英製基板上にＣＶＤ法により非晶質シリコン膜が膜厚１００ｎｍで形成されている。さらにその上に真空蒸着法とフォトリソグラフィー法を用いて、１００ミクロン角の金属ニッケル膜を膜厚１００ｎｍで選択的に設置している。

本実施例での加熱テスト例は次のとおりである。半導体薄膜温度１０００度処理を６０秒間行い、非晶質アモルファスシリコンの多結晶化について測定を行った。その結果は以下の通りである。

図３は本実施形態における半導体薄膜の温度計測結果を示す図である、図４は薄膜のラマンスペクトル計測による非晶質アモルファスシリコンの多結晶化についての結果を示す図である。

図３に示される加熱特性として、マイクロ波照射開始から３０秒程度まではジュール加熱による誘導加熱がおき、その後急激な温度上昇が見られる。これは前記の初期加熱段階で半導体薄膜を加熱することで電子および正孔が誘起されて半導体薄膜の電気伝導度が高くなりさらにジュール加熱により約２０秒にて１０００度まで薄膜温度上昇が得られることを示している。

図４に示される多結晶化については、処理前に対して５２０ｎｍ近傍での良質なシリコン結晶にピークが得られていて本処理方法の効果が示されている。

またナノビーム電子線回折により半導体薄膜面内において複数の部分を解析の結果、半導体薄膜において連続的に面内にて良好な結晶スポットが得られており、さらに電気特性も電子移動度１００ｃｍ^２／Ｖｓであった。本結果により、本実施形態での温度処理が初期段階における半導体薄膜の温度上昇が半導体内部の電気伝導度に作用した後、急激にジュール加熱により昇温し、さらに平面的に連続的に半導体薄膜全体へ急速に伝播して全体の温度処理が行えることが判明した。

本結果により、従来の炉による加熱によるアニール処理（処理条件７００度５時間）に比べて短時間処理であり、かつ結晶性が良好で、かつ電子移動度で１０倍以上という結果であり本処理方法の効果を確認された。

本発明は前記した実施例や実施態様に限定されず、特許請求の精神及び範囲を逸脱せずに各種の変形を含む。

本発明の実施形態１での半導体膜加熱装置処理部の鉛直中心部断面図である 本発明の実施形態２での半導体膜加熱装置処理部の鉛直中心部断面図である 本発明の実施形態２での半導体薄膜加熱処理の温度測定結果を示す図である。 本発明の実施形態２での半導体薄膜加熱処理前後のラマンスペクトル分析による結晶化に関する測定結果を示す図である。

符号の説明

１…マイクロ波電源
２…マグネトロン高周波発振部
３…アイソレーター
４…電力検波方向性結合器
５…インピーダンス整合器
６…導波管
７…誘電体
８…石英マイクロ波透過窓
９…ガス導入口
１０…半導体試料あるいは半導体薄膜試料
１１…試料導入口
１２…容器処理部
１３…石英透過窓
１４…赤外加熱ランプ
１５…ランプ反射板
１６…放射温度計
１７…真空減圧容器
１８…減圧電離ガスプラズマ
１９…真空配管
２０…真空ポンプ

Claims (17)

1. 局所的にまたは全体を加熱することにより、電子・正孔対を発生させた半導体基板または半導体膜に対して１メガヘルツ以上の周波数を有する高周波を照射して前記半導体基板または半導体膜を８００度以上まで加熱することを特徴とする半導体処理方法。
2. 非晶質または多結晶の前記半導体膜を加熱し、キャリアの移動度の高い半導体多結晶膜を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体処理方法。
3. 前記半導体膜上に蒸着した、もしくは近傍に設置した金属のジュール損失、または前記半導体膜上に蒸着した、もしくは近傍に設置した高誘電率物質の誘電損失により、前記半導体膜を加熱することを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体処理方法。
4. ８００メガヘルツ以上の周波数を有するマイクロ波により前記半導体基板または半導体膜を加熱することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体処理方法。
5. 直接、前記半導体膜上に、または前記半導体膜の近傍に金属または高誘電体物質を部分的に設置し、前記金属または高誘電体物質により、前記半導体膜を部分選択的に加熱することを特徴とする請求項３または請求項４記載の半導体処理方法。
6. マイクロ波により、局所的に加熱することにより前記半導体膜中に電子・正孔対を発生させ、前記半導体膜を金属電導状態にすることで、ジュール損失により前記半導体膜の薄膜全体を加熱しキャリアの高移動度を有する多結晶膜を形成することを特徴とする請求項５記載の半導体処理方法。
7. 前記半導体膜をヒータの熱伝導またはレーザーの照射により加熱して、電子・正孔対を発生させた金属電導の状態となった前記半導体膜にマイクロ波を照射しジュール損失により前記半導体基板または半導体膜を加熱することを特徴とする請求項６記載の半導体処理方法。
8. 前記半導体基板または半導体膜へ照射する高周波に減圧電離ガスプラズマを経由させることを特徴とする請求項１から７記載の半導体処理方法。
9. 前記減圧電離ガスプラズマの原料ガスに少なくとも１種類の不活性ガスを使用することを特徴とする請求項８記載の半導体処理方法。
10. 前記減圧電離ガスプラズマの原料ガスに少なくとも水素ガスを含むことを特徴とする請求項８記載の半導体処理方法。
11. 前記減圧電離ガスプラズマの原料ガスに少なくとも酸素ガスを含むことを特徴とする請求項８記載の半導体処理方法。
12. 非晶質または多結晶の前記半導体膜がガラス基板上に堆積された薄膜であることを特徴とする請求項２から請求項１１のいずれかに記載の半導体処理方法。
13. 非晶質または多結晶の前記半導体膜が有機フィルム上に堆積された薄膜であることを特徴とする請求項２から請求項１２のいずれかに記載の半導体処理方法。
14. 前記半導体基板または半導体膜がＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＣもしくはＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の半導体処理方法。
15. 前記半導体薄膜上にダイヤモンドを含めた薄膜を形成することを特徴する請求項１から請求項１４のいずれかに記載の半導体処理方法。
16. 局所的にまたは全体を加熱することにより、電子もしくは正孔対を発生させた半導体基板または半導体膜に対して１メガヘルツ以上の周波数を有する高周波を照射して前記半導体基板または半導体膜を８００度以上まで加熱することを特徴とする半導体処理装置。
17. 前記半導体薄膜を局部的に加熱することを目的に抵抗加熱装置、レーザー加熱装置またはランプ加熱装置を具備したことを特徴とする請求項１６に記載の半導体処理装置。