JP2013021034A

JP2013021034A - レーザアニール法及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2013021034A
Application number: JP2011151284A
Authority: JP
Inventors: Takaomi Kurata; 敬臣倉田; Manabu Gibo; 学宜保; Makoto Arai; 新井　　真; Junya Kiyota; 淳也清田; Yoshinori Onishi; 芳紀大西; Masashi Kikuchi; 正志菊池; Kyuzo Nakamura; 久三中村
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-01-31

Abstract

【課題】基材が必要以上に加熱されることなく、透明酸化物半導体層を効率よくアニールして電気的特性に優れた半導体装置の製造できる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基材１表面にゲート電極層２を形成し、このゲート電極層を覆う絶縁層３を形成し、この絶縁層表面に透明酸化物半導体層４を形成する工程と、透明酸化物半導体層に対してレーザを照射してアニールする工程とを含む。アニール時、レーザを、透明酸化物半導体層及び絶縁層を透過してゲート電極層で吸収される特定波長のグリーンレーザとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザアニール法及び半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、半導体装置の透明酸化物半導体層をアニールして電気的特性に優れたものにすることに関する。

透明酸化物半導体は、電子移動度が大きく、優れた電気特性を持つことが知られており、その中でも、インジウム、ガリウム、亜鉛、酸素を構成元素とするＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料（以下、「ＩＧＺＯ」という）からなる非晶質ＩＧＺＯ膜は、その電子移動度がアモルファスシリコンの電子移動度より高く、この非晶質ＩＧＺＯ膜をチャンネル層に用いた電界効果型のトランジスタはオンオフ比が高い等の電気的特性を有する。このため、近年では、ＴＦＴや発光デバイス等（半導体装置）への応用が進められている。

ここで、非晶質ＩＧＺＯ膜の形成には、量産性等を考慮すると、酸素ガスを導入した反応性スパッタリング法を用いることが適している。このスパッタリング法により非晶質ＩＧＺＯ膜を成膜する際、酸素分圧が僅か（数％）変化しただけで、キャリア濃度が数桁のレベルで変化し、再現性よく一定キャリア濃度を得ることが難しいことが知られている。また、後工程で非晶質ＩＧＺＯ膜が加熱されると、キャリア濃度等の電気的特性が更に大きく変化する（電気的特性の耐熱性が低い）。

そこで、成膜後に熱処理が加えられても膜の電気的特性が殆ど変化しないように、スパッタリング法で成膜したＩＧＺＯ膜を所定温度でアニールすることが特許文献１で知られている。具体的には、反応性スパッタリングにて、ガラス基板等の基板表面に非晶質ＩＧＺＯ膜を形成した後、当該基板を加熱炉に収納する。そして、加熱炉内を真空引きした後、基板を加熱する。この場合、アニール温度は２００〜５００℃、好ましくは２５０℃〜３５０℃の範囲の温度で加熱する。その際、安定した抵抗率が得られるように、アニール雰囲気は酸素雰囲気とする。

ところで、近年では、例えば半導体装置の一層の薄型化、軽量化や耐破損性の向上を図るために、ガラス基板に代えて軽量で可撓性を有する樹脂製のシート（またはフィルム）状の基材を用いることが検討されている。このような基材としては、例えばポリエステルが用いられ、これらは一般に耐熱性が低い。このため、基材自体も直接加熱される上記従来例のアニール法では、基材をその耐熱温度以下に保持しつつ、ＩＧＺＯ膜のみを効率よくアニールできないという問題がある。

特開２０１０−２３８７７０号公報

本発明は、上記点に鑑み、基材が必要以上に加熱されることなく、この基材表面に形成される処理対象物たる薄膜を効率よくアニールし得るレーザアニール法を提供することをその第１の課題とするものである。また、本発明は、基材が必要以上に加熱されることなく、透明酸化物半導体層を効率よくアニールして電気的特性に優れた半導体装置を製造できる半導体装置の製造方法を提供することをその第２の課題とするものである。

上記第１の課題を解決するために、本発明は、処理対象物を薄膜たる第１層とし、この第１層を、レーザを照射してアニールするレーザアニール法であって、前記レーザを、前記第１層を透過する（第１層で吸収されない）特定波長のものとし、前記第１層うちレーザの入射面を上として、この第１層の下側に、前記特定波長のレーザを吸収する第２層を介在させ、第２層を加熱することで第１層をアニールすることを特徴とする。

上記によれば、第１層表面側から特定波長のレーザを照射すると、この照射されたレーザは第１層で吸収されずに透過し、第１及び第２の両層の界面に到達する。そして、レーザは第２層で吸収され、その表面から加熱されていく。このとき、例えば第２層表面に第１層が直接積層されているような場合には、当該第２層に接触する、比較的温度の低い第１層に積極的に熱引きし、第１層が伝熱で加熱される。

このように本発明では、処理対象物に特定波長のレーザを照射し、吸収させて直接加熱するものではなく、第２層で、当該処理対象物たる第１層を透過するレーザを吸収させることで、伝熱により間接的に処理対象物が加熱される。その結果、基材自体が直接加熱されるものではないため、上記従来例のものと比較して、当該基材が必要以上に加熱されることを抑制できる。なお、処理対象物で直接レーザを吸収させて加熱することも考えられるが、これでは、処理対象物が局所的に溶融して膜特性が劣化する等の不具合が生じる可能性があるが、本発明では、間接的に処理対象物を加熱することでこのような不具合は生じない。

また、上記第２の課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基材表面にゲート電極層を形成し、このゲート電極層を覆う絶縁層を形成し、この絶縁層表面に透明酸化物半導体層を形成する工程と、透明酸化物半導体層に対してレーザを照射してアニールする工程とを含み、前記レーザを透明酸化物半導体層及び絶縁層を透過してゲート電極層で吸収される特定波長のものとしたことを特徴とする。

上記発明によれば、基材として耐熱温度の低い樹脂製のものを用いたとしても、透明酸化物半導体層を所定温度で効果的にアニールでき、電気特定の優れたものを製造することができる。

上記発明においては、請求項２記載の半導体装置の製造方法であって、前記透明酸化物半導体層がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料からなるものにおいて、前記レーザは、波長が４００ｎｍ以上のものとすればよい。この場合、前記レーザは、グリーンレーザであることが好ましく、また、前記絶縁層は、シリコン酸化物膜またはシリコン窒化物膜であることが好ましい。

本発明を適用して製造されるＴＦＴの断面図。本発明を適用し得るレーザアニール装置の構成を説明する模式図。非晶質ＩＧＺＯ膜の特定波長における吸収率を測定したときのグラフ。本発明の効果を示す実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、半導体装置を所謂チャンネル保護膜型の薄膜トランジスタ素子（以下、「ＴＦT」という)とし、そのチャンネル層をＩＧＺＯ膜（第１層：処理対象物）とした場合を例に、本発明の実施形態のレーザアニール法及び半導体装置の製造方法を説明する。

図１にはＴＦＴが示され、例えばポリエステルからなる樹脂製の基材１を備える。基材１表面（図１中、上面）にはゲート電極層２が形成されている。ゲート電極層２の形成には例えばスパッタリング法が用いられ、所定厚さ（例えば、１０〜２００ｎｍ）のＭｏ膜と、所定厚さ（例えば、２００〜５００ｎｍ）のアルミニウム膜とを順次積層して構成される。なお、本実施形態では、透明酸化物半導体層をアニールする際、このゲート電極層２が特定波長のレーザを吸収する層（第２層）を構成する。

ゲート電極層２を含む基材１上面には絶縁層３が形成されている。絶縁層３の形成には例えばＣＶＤ法が用いられ、所定の厚さ（例えば、１００〜４００ｎｍ）のシリコン酸化物膜（ＳｉＯｘ）やシリコン窒化物膜（ＳｉＮｘ）等で構成される。シリコン酸化物膜を成膜する場合、原料ガスとしては、シラン、ジボラン、亜酸化窒素、アンモニア等が用いられる。そして、絶縁層３の上面には、チャンネル層４が形成される。

チャンネル層４の形成には、量産性等を考慮して、酸素ガスを導入した反応性スパッタリング法が用いられ、所定厚さ（例えば、２０〜８０ｎｍ）の酸化インジウムガリウム亜鉛からなる透明酸化物半導体膜（非晶質ＩＧＺＯ膜）で構成されている。この場合、ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏが、原子％で１：１：１：４のものを用い、また、成膜時の処理室内の酸素分圧が０．００１〜０．５Ｐａとなるように設定される。そして、チャンネル層４の表面には、ソース電極５、ドレイン電極６が形成された後、保護膜７が形成される。なお、ソース電極５、ドレイン電極６及び保護膜７としては、公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

ところで、上記チャンネル層４の形成時、酸素分圧が僅か（数％）変化しただけで、キャリア濃度が数桁のレベルで変化し、再現性よく一定キャリア濃度を得ることが難しい。このため、成膜直後の非晶質ＩＧＺＯ膜を所定温度でアニールすれば、電気的特性に優れたものが得られるが、基材１の耐熱性が低いことから、非晶質ＩＧＺＯ膜たるチャンネル層４のみを所定温度でアニールする必要がある。本実施形態では、特定波長のレーザを用いてアニールすることとした。以下、レーザアニール法について説明する。

図２は、レーザアニール法を実施するレーザアニール装置ＬＡを示す。レーザアニール装置ＬＡは、特定波長、所定強度及び所定周波数のパルスレーザビームを出力するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１から出力されたパルスレーザビームＧＬを、所定のビーム形状に整えるビーム整形光学系１２と、ビーム整形光学系１２を経たパルスレーザビームを９０°折り曲げる全反射ミラー１３と、この折り曲げられたパルスレーザビームを収束させる収束レンズ１４とを備える。そして、この収束されたパルスレーザビームが、処理対象物たる基材１表面に形成されたチャンネル層４に照射される。

基材１は、隔絶空間を画成するチャンバ１５内に設けられた、互いに直交する同一平面上を移動自在なＸＹテーブル１６で保持される。チャンバ１５のうち収束レンズ１４の直下には透過窓１５ａが設けられ、透過窓１５ａを透過したレーザビームを、ＸＹテーブル１６をＸ方向及びＹ方向に適宜させることで相対走査させてアニールされる。なお、チャンバ１５に図外の真空ポンプを接続し、チャンバ内を減圧した状態でアニールを行うことができ、他方、チャンバ１５に図外のガス導入手段を接続し、例えば酸素ガスを導入し、酸素ガス雰囲気でアニールを行うことができる。

ここで、図３には、非晶質ＩＧＺＯ膜に対し２５０〜７００ｎｍの範囲の波長のレーザビームを照射し、そのときの吸収率（％）を測定したときの結果が示されている。これによれば、４５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲では、光を殆ど吸収しないことが判る。また、特に図示して説明しないが、上記範囲内の波長のレーザは、上記ゲート電極層２で約２％吸収されることが判った。そこで、本実施形態では、レーザビームとして波長が５３２ｎｍのグリーンレーザを用いることとした。そして、レーザアニール装置ＬＡを用いて処理対象物をアニールする場合、先ず、表面にゲート電極層２、絶縁層３及びチャンネル層４を上記の如く積層した基材１をチャンバ１５内のＸＹテーブル１６上に位置決め保持させる。

次に、チャンバ１５を適宜真空引きし、または、酸素ガス雰囲気とした後、レーザ発振器１１を起動して、グリーンレーザＧＬを所定強度（例えば、２００〜８００ｍＪ／ｃｍ^２）かつ所定周波数（例えば、４ｋＨｚ）で出力する。これにより、グリーンレーザＧＬがその上方から非晶質ＩＧＺＯ膜たるチャンネル層４に向けて照射される。このとき、照射されたグリーンレーザＧＬは、チャンネル層４及び絶縁層３で吸収されずに透過し、ゲート電極層２（第２層）に到達して吸収され、ゲート電極層２がその表面から加熱されていく。そして、ゲート電極層２が加熱されると、ゲート電極層２を覆う、比較的温度の低い絶縁層３に積極的に熱引きし、更にはチャンネル層４にも熱引きし、結果として、チャンネル層４が伝熱で加熱される。そして、グリーンレーザＧＬがゲート電極層２の表面全体に照射されるようにＸＹテーブル１６をＸ方向及びＹ方向に相対走査させながら、チャンネル層４がアニールされる。

即ち、チャンネル層４に特定波長のレーザを照射し、吸収させて直接加熱するものではなく、チャンネル層４の下側に設けられたゲート電極層２でチャンネル層４を透過するグリーンレーザを吸収させて、伝熱により間接的にチャンネル層４が加熱される。結果として、基材１自体が直接加熱されるものではないため、上記従来例のものと比較して、基材１が必要以上に加熱されることを抑制できる。なお、レーザをチャンネル層４で吸収される特定波長のものとし、このレーザをチャンネル層４で直接レーザを吸収させて加熱することも考えられるが、これでは、例えばチャンネル層４が局所的に溶融して膜特性が劣化する等の不具合が生じる可能性があるが、本実施形態では、間接的に処理対象物を加熱することでこのような不具合は生じない。

以上の効果を確認するために次の実験を行った。先ず、基材１として、ポリエステル製で、５０×５０×（厚さ）０．７ｍｍのものを用いた。基材１表面に、厚さ５０ｎｍのＭｏ層と、厚さ３００ｎｍのアルミニウム層とを順次積層してゲート電極層２を形成した。次に、ゲート電極層２を含む基材１上面に厚さ２００ｎｍのシリコン酸化物層３を形成し、このシリコン酸化物層３表面に、厚さ５０ｎｍの非晶質ＩＧＺＯ膜（チャンネル層）４を形成した。

次に、図２に示すレーザアニール装置を用いて非晶質ＩＧＺＯ膜４をアニールした。この場合、レーザ発振器１１を、波長が５３２ｎｍのグリーンレーザ用のもの（三菱電機社製）とし、４ｋＨｚの周波数で出力させると共に、ＸＹステージ上に配置したＩＧＺＯ膜サンプルに対して走行させ、ラインビームにてサンプル前面を照射した。このときの走行速度は２ｍｍ／ｓｅｃとした。そして、アニール終了後に、Ｍｏからなるソース電極５と、Ｍｏからなるドレイン電極６とを形成した後、シリコン酸化物からなる保護膜７を形成し、チャンネル保護膜型のＴＦＴを得た。

図４は、アニール時におけるレーザ発振器の出力を２５Ｗ、５０Ｗ及び１５０Ｗに夫々設定した場合におけるＴＦＴの電気特性を示すグラフであり、図４中、直線で示すものが５０Ｗ、二点鎖線が２５Ｗ、一点鎖線が１５０Ｗとしたときのものである。なお、図４中、点線で示すものは、比較実験として、ガラス基板上に従来例の方法でＴＦＴを得たときのものである。出力を２５Ｗに設定した場合、ゲート電圧が＋２０Ｖのときのオン電流は２．０×１０^−４Ａであり、リーク電流は３．０×１０^−１３Ａであり、オンオフ比が６．７×１０^８であった。出力を５０Ｗに設定した場合、ゲート電圧が＋２０Ｖのときのオン電流は１．８×１０^−４Ａであり、リーク電流は３．１×１０^−１３Ａであり、オンオフ比が５．８×１０^８であった。また、出力を１５０Ｗに設定した場合、ゲート電圧が＋２０Ｖのときのオン電流は５．０×１０^−４Ａであり、リーク電流は４．０×１０^−１３Ａであり、オンオフ比が８．０×１０^８であった。これによれば、アニール時の出力に関係なく、高いオンオフ比が得られていることが判る。結果として、非晶質ＩＧＺＯ膜が効果的にアニールされていることが確認された。また、レーザアニール直後の基材１を確認したところ、基材１が熱の影響を受けて変形する等の不具合が生じていないことが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明のレーザアニール法は上記半導体装置の製造に限定されるものではない。処理対象物を薄膜たる第１層とし、このレーザを、第１層を透過する特定波長のものとすると共に、第１層うちレーザの入射面を上として、この第１層の下側に直接、または、上記特定波長のレーザを透過し得る他の層を経て、特定波長のレーザを吸収する第２層を介在させたものであれば広く適用できる。

また、上記実施形態では、樹脂製の基材１を有する半導体装置を例に説明したが、シリコン基板やガラス基板を用いるものに対しても適用できる。更に、レーザアニール装置についても上記のものに限定されるものではなく、他の公知のものを用いることができる。

１…基材、２…ゲート電極層（第２層）、３…絶縁層（シリコン酸化物層）、４…透明酸化物半導体層からなるチャンネル層（処理対象物：第１層）、ＬＡ…レーザアニール装置、ＧＬ…レーザビーム（グリーンレーザ）。

Claims

処理対象物を薄膜たる第１層とし、この第１層を、レーザを照射してアニールするレーザアニール法であって、
前記レーザを、前記第１層を透過する特定波長のものとし、
前記第１層うちレーザの入射面を上として、この第１層の下側に、前記特定波長のレーザを吸収する第２層を介在させ、第２層を加熱することで第１層をアニールすることを特徴とするレーザアニール法。
基材表面にゲート電極層を形成し、このゲート電極層を覆う絶縁層を形成し、この絶縁層表面に透明酸化物半導体層を形成する工程と、
透明酸化物半導体層に対してレーザを照射してアニールする工程とを含み、
前記レーザを透明酸化物半導体層及び絶縁層を透過してゲート電極層で吸収される特定波長のものとしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項２記載の半導体装置の製造方法であって、前記透明酸化物半導体層がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料からなるものにおいて、前記レーザは、波長が４００ｎｍ以上のものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記レーザは、グリーンレーザであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記絶縁層は、シリコン酸化物膜またはシリコン窒化物膜であることを特徴とする請求項３または請求項４記載の半導体装置の製造方法。