JP2016189456A - 半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、基板の上に水素を含有する被処理層が形成された被処理物に２段階に亘って光が照射されるように熱源ユニットを制御しながら脱水素化を行うことにより、水素による半導体素子の電気的な特性の低下が抑制及び防止される。すなわち、１段階目に照射される紫外線（ＵＶ）は被処理層内のＳｉ−Ｈ結合を切断する化学的な反応を誘導し、２段階目に照射される赤外線（ＩＲ）系の光はＳｉ−Ｈ結合から分離された水素を気化する熱伝反応を誘導する。このように、被処理層内において水素と他のイオンとの間の結合を切断する化学的な反応及び水素を気化する熱的反応が共に行われることにより、熱的反応のみを用いて被処理層から水素を気化するときの温度よりも低い温度で容易に被処理層内の水素を除去することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、薄膜内の水素の濃度を制御し易い半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法に関する。

一般に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、絶縁表面を有する基板の上に形成された半導体薄膜からなり、集積回路（ＩＣ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）又は電気光学装置等の電子デバイスに広く応用され、特に、画像表示装置のスイッチング素子として用いられる。

薄膜トランジスタは、半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域として用いて半導体層を有するように製造されるが、薄膜トランジスタの製造用材料及び工程により、薄膜内には水素イオンが必ず存在する。

このような水素イオンは、半導体層の内部の空いている領域を満たして半導体素子の駆動安定性を確保するという利点を有する。しかしながら、水素の濃度が半導体層の内部の空いている領域を満たすレベル以上である場合には、半導体層の界面電荷特性を悪化させるという問題を引き起こす。このため、薄膜トランジスタを製造するに当たって薄膜内の水素の濃度を制御する脱水素が重要な問題として取り上げられている。

この理由から、従来には、ファーネス装置を用いて薄膜に熱を加えて水素を除去しながら制御していた。ところが、水素の濃度の制御のための最も重要な工程制御要素は熱処理量であるが、ファーネスは、熱の維持部分しか管理することができず、熱の入力（上昇、維持、冷却）の全ての部分は管理が難しい。このため、ファーネス装置を用いた水素の濃度は調節することが困難である。

また、ファーネス装置の特性からみて、熱処理に時間がかかるという問題が引き起こされ、その結果、半導体素子を製造するのに要する時間が長引いてしまう。

さらに、ファーネス装置は、４５０℃以上の温度で脱水素化を行うが、可撓性ディスプレイに用いられる可撓性基板（例えば、プラスチック）は、高熱により変形され易いため、脱水素化工程を行えないという問題が生じる。

特開２００９−１５９２３８号公報 大韓民国特許公開第２００９−０１０１８３１号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、被処理物内の水素の濃度を制御し易い半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、高熱による被処理物の変形の発生を抑制及び防止する半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、被処理物内の水素を除去するのに要する時間及び水素の除去温度を低減させる半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法を提供する。

本発明のさらに他の目的は、半導体素子の電気的な特性を向上させる半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体素子の製造装置は、被処理物が処理される空間を提供するチャンバと、チャンバ内に配置され、上面に被処理物を載置するステージと、ステージの上方に離隔配置され、被処理物に２段階に亘って光を照射する熱源ユニットと、熱源ユニットに接続されて２段階に亘って光が照射されるように熱源ユニットを制御する制御部とを備える。

好ましくは、熱源ユニットは、被処理物に紫外線を照射する第１のランプと、紫外線が照射された被処理物に赤外線を照射する第２のランプとを備える。

また、好ましくは、第１のランプは、第２のランプを囲繞するように配置される。

さらに、好ましくは、被処理物の照射面の全体の面積を基準として、第１のランプの照射面積は、第２のランプの照射面積よりも大きい。

さらにまた、好ましくは、制御部は、第１のランプが作動した後に第２のランプが作動するように熱源ユニットを制御する。

さらにまた、好ましくは、制御部は、第１のランプの作動が止まると同時に第２のランプを作動する。

さらにまた、好ましくは、制御部は、第１のランプの作動が止まった後に時間差をおいて第２のランプを作動する。

さらにまた、好ましくは、制御部は、第１のランプの作動タイミングと第２のランプの作動タイミングとを重ならせる。

さらにまた、好ましくは、被処理物は、基板と、該基板の上に水素を含有して形成される被処理層とを有し、被処理層は、基板の上に水素（Ｈ）を含むソースを用いて化学気相蒸着（ＣＶＤ）方法により形成した薄膜である。

また、上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体素子の製造方法は、ソース及びドレイン電極を有する半導体素子を製造する方法であって、基板の上に水素を含有する被処理層を形成する過程と、被処理層に２段階に亘って光を照射して脱水素化を行う過程とを含む。

好ましくは、脱水素化を行う過程は、被処理層内のＳｉ−Ｈの化学的な結合を切断する１次光照射過程と、１次光照射過程の後に、分離された水素（Ｈ）を気化する２次光照射過程とを含む。

また、好ましくは、脱水素化を行う過程は、３５０℃〜４００℃において行われる。

さらに、好ましくは、脱水素化を行う過程は、基板の上にゲート電極を形成し、ゲート電極の上に被処理層としてゲート絶縁膜を形成する過程の後に行われる。

さらにまた、好ましくは、脱水素化を行う過程は、基板の上にソース及びドレイン電極を形成し、ソース及びドレイン電極の上にアクティブパターンを形成し、アクティブパターンの上に被処理層としてゲート絶縁膜を形成する過程の後に行われる。

さらにまた、好ましくは、脱水素化を行う過程は、基板の上に被処理層として非晶質シリコンを形成する過程の後に行われる。

さらにまた、好ましくは、被処理層内のＳｉ−Ｈの化学的な結合を切断する１次光は紫外線であり、分離された水素（Ｈ）を気化する２次光は赤外線系である。

さらにまた、好ましくは、１次光照射過程及び２次光照射過程は、同一の空間において行われる。

さらにまた、好ましくは、１次光照射過程及び２次光照射過程は、互いに異なる空間において行われる。

さらにまた、好ましくは、被処理層は、基板の上に水素（Ｈ）を含むソースを用いて化学気相蒸着（ＣＶＤ）方法により形成した薄膜である。

本発明に係る半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法によれば、被処理物内の水素の濃度が制御され易いことにより、半導体素子の電気的な特性を向上することができる。

すなわち、基板の上に水素を含有する被処理層が形成された被処理物に紫外線（ＵＶ）及び赤外線（ＩＲ）系のランプを用いて順次に光源を照射する。これにより、被処理層にＳｉ−Ｈ結合として存在する水素は、紫外線（ＵＶ）光源により化学的な結合が切断され、分離された水素は、赤外線（ＩＲ）光源により昇温された温度により気化される。

このように、被処理層内において水素と他のイオンとの間の結合を切断する化学的な反応及び水素を気化する熱的反応が共に行われるため、熱的反応のみを用いて被処理層から水素を気化するときの温度よりも低い温度で水素を除去することができる。

これにより、可撓性基板の劣化を防いで該可撓性基板を用いた半導体素子の製造過程においても脱水素化を行うことができる。

また、化学的な結合が切断された水素は気化され易いので、水素が気化される時間を短縮して、半導体素子の製造に要する時間が長くなることを抑制及び防止することができる。

図１は本発明の実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。 図２は本発明の実施形態に係る熱源ユニットを説明するための模式図である。 図３は本発明の実施形態に係る制御部の熱源ユニットの制御方法を示す図である。 図４は本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を順次に示す手順図である。 図５は本発明の被処理物の種類による半導体素子の製造方法を示す手順図である。 図６は本発明の実施形態に係る脱水素化過程を示す手順図である。 図７は本発明の実施形態に係る脱水素化過程における第１のランプのパワー（％）による被処理物内の水素の濃度の変化を示すグラフである。 図８は従来の技術及び本発明の実施形態に係る脱水素化工程による被処理物内の水素の濃度の変化を示すグラフである。 図９は従来の技術及び本発明の実施形態に係る脱水素化過程による工程温度の変化を示すグラフである。

発明を実施するため形態

以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態について詳細に説明する。しかしながら、本発明は以下に開示される実施形態に何ら限定されるものではなく、異なる様々な形態として実現され、単にこれらの実施形態は本発明の開示を完全たるものにし、通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものである。一方、本発明の実施形態を説明するために図面は誇張されており、図中、同じ符号は同じ構成要素を示す。

以下、図１乃至図９に基づき、本発明の実施形態に係る半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法について説明する。ここで、図１は本発明の実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図であり、図２は本発明の実施形態に係る熱源ユニットを説明するための図であり、図３は本発明の実施形態に係る制御部の熱源ユニットの制御方法を示す図である。また、図４は本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を順次に示す手順図であり、図５は本発明の被処理物の種類による半導体素子の製造方法を示す手順図であり、図６は本発明の実施形態に係る脱水素化過程を示す手順図である。さらに、図７乃至図９は本発明の実施形態に係る半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法により製造された半導体素子内の水素の濃度を従来の技術と比較したグラフである。ここで、図７は本発明の実施形態に係る脱水素化過程における第１のランプのパワー（％）による被処理物内の水素の濃度の変化を示すグラフであり、図８は従来の技術及び本発明の実施形態に係る脱水素化工程による被処理物内の水素の濃度の変化を示すグラフであり、図９は従来の技術及び本発明の実施形態に係る脱水素化過程による工程温度の変化を示すグラフである。

本発明の実施形態に係る半導体素子の製造装置１は、水素（Ｈ）を含む被処理層が形成された被処理物Ｓにおいて被処理層から水素（Ｈ）を容易に除去して水素（Ｈ）の濃度を制御する装置であり、被処理物Ｓが処理される空間Ｒを提供するチャンバ１００と、該チャンバ１００内に配置されて上部に被処理物Ｓを載置するステージ２００と、該ステージ２００の上部に離隔配置され、被処理物Ｓに２段階に亘って光を照射するための熱源ユニット３００、及び該熱源ユニット３００に連結されて２段階に亘って光が照射されるように熱源ユニット３００を制御する制御部４００を備える。

すなわち、本発明の実施形態に係る半導体素子の製造装置１は、被処理物Ｓに互いに異なる１次光源Ａ及び２次光源Ｂをこの順に照射して被処理物Ｓの薄膜内の水素イオンを除去するための脱水素化装置である。ここで、被処理物Ｓとは、ソース及びドレイン電極を有する半導体素子を製造する過程において、Ｓｉ−Ｈ結合構造が含まれている状態である中間構造体のことをいう。すなわち、被処理物Ｓは、基板の上に水素を含有して形成される被処理層を備え、被処理層は、製造される半導体素子においてアクティブ層として用いられる種類及び構造に応じて互いに異なる層であるが、ソース及びドレイン電極を有する半導体素子を製造する過程においてソース及びドレイン電極が形成される前の工程においてＳｉ−Ｈ結合が形成された層である点で同様である。

チャンバ１００は、被処理物Ｓの脱水素化過程が行われる空間を提供し、被処理物Ｓを内部に収容して被処理物Ｓに２段階に亘っての光の照射が行われる空間を提供する。このとき、チャンバ１００は、被処理物Ｓの処理空間を提供する下部チャンバ１３０と、該下部チャンバ１３０の上部に組み付けられて被処理物Ｓに２段階に亘って光を照射する熱源ユニット３００を有する上部チャンバ１１０とに画成される。このため、下部チャンバ１３０及び上部チャンバ１１０は、互いに分離されて下部チャンバ１３０の上部が開放され、上部チャンバ１１０の下部が開放されるため、被処理物Ｓが処理される空間を外部から開放及び閉鎖することができる。また、上部チャンバ１１０及び下部チャンバ１３０が分離されて処理空間Ｒが開放されるとき、被処理物Ｓを処理空間Ｒに搬入することができる。しかしながら、チャンバ１００の構造及び被処理物Ｓの処理空間Ｒへの搬入方法は、これに限定されない。

このとき、チャンバ１００には、処理空間Ｒを真空状態及び大気状態にするためのポンプＰが連結される。すなわち、処理空間Ｒの気体を吸入して処理空間Ｒを真空状態に維持する場合、被処理物Ｓに不純物が付着することを抑制できる。

ステージ２００は、処理空間Ｒにおいて被処理物Ｓを安定的に支持するために設けられ、上部に被処理物Ｓが載置される載置面が形成される。ステージ２００は、ブロック状を呈し、下部チャンバ１３０の内部の底面に固定された状態で設けられ、図示はしないが、熱源ユニット３００から照射される光が被処理物Ｓの全体の領域に均一に照射されるように被処理物Ｓを回転可能に設けられる。

熱源ユニット３００は、少なくとも一部が上部チャンバ１１０を貫通するように設けられて、ステージ２００の上部に離隔配置される。熱源ユニット３００は、ステージ２００に向かって光が照射されるように、光が発せられる端部が処理空間Ｒ内に配置されるように上部チャンバ１１０に設けられる。熱源ユニット３００は、ステージ２００上の被処理物Ｓに２段階に亘って光を照射するために、被処理物Ｓに紫外線（ＵＶ）を照射する第１のランプ３１０と、紫外線が照射された被処理物に赤外線を照射する第２のランプ３３０とを備える。このため、熱源ユニット３００は、被処理物Ｓに２段階に亘って光を照射して被処理物Ｓ内の水素の濃度の制御を行う。このとき、熱源ユニット３００を用いた水素の濃度の制御方法の詳細については、後述する。

第１のランプ３１０は、被処理物Ｓに紫外線を照射するランプであり、熱源ユニット３００の２段階に亘っての光の照射過程のうち１次光の照射に用いられる。第１のランプ３１０は、被処理物Ｓに含まれているＳｉ−Ｈ結合を切断する役割を果たす。より具体的に、第１のランプ３１０は、被処理物Ｓに向かって紫外線を照射して、被処理物Ｓ内に形成されたＳｉ−Ｈの結合を切断する。これは、Ｓｉ及びＨの結合エネルギーと略同じ波長帯を有する紫外線を照射することにより、被処理物ＳにＳｉ−Ｈ結合を切断するエネルギーが伝わるためである。

このとき、第１のランプ３１０は、被処理物Ｓの全体の領域に光を照射するように配置される。すなわち、下部に照射される第１のランプ３１０の光の照射面積が被処理物Ｓの全体の領域をカバーするように上部チャンバ１１０に複数設けられる。

第２のランプ３３０は、被処理物Ｓに赤外線系の光を照射するランプであり、熱源ユニット３００の２段階に亘っての光の照射過程のうち２次光の照射に用いられる。第２のランプ３３０は、第１のランプ３１０の照射後に被処理物Ｓに赤外線系の光を照射することにより、第１のランプ３１０によりＳｉ−Ｈから分離された水素（Ｈ）を気化する役割を果たす。より具体的に、第２のランプ３３０は、被処理物Ｓに向かって赤外線系の光を照射して処理空間Ｒ内の温度を昇温することにより、被処理物Ｓを加熱処理する役割を果たす。これにより、加熱処理により被処理物Ｓに含まれている水素（Ｈ）が気化して除去される。このとき、第２のランプ３３０は、第１のランプ３１０と共に上部チャンバ１１０に配設されるため、上部チャンバ１１０における第１のランプ３１０が配設される個所と重なり合わない個所に配設されることが求められる。すなわち、第２のランプ３３０は、第１のランプ３１０が被処理物Ｓの全体の領域に光を照射するように上部チャンバ１１０に配設された後、上部チャンバ１１０における第１のランプ３１０が配設されていない個所に配設される。

図２を参照して、第１のランプ３１０及び第２のランプ３３０の配設位置について詳細に説明する。第１のランプ３１０は、第２のランプ３３０を基準として第２のランプ３３０を囲繞するように配置される。また、被処理物Ｓの照射面の全体の領域に対して、第１のランプ３１０の照射面積は、第２のランプ３３０の照射面積よりも大きい照射面積を形成するように配置される。

すなわち、図２（ａ）に示すように、第１のランプ３１０及び第２のランプ３３０は、被処理物Ｓの照射面との対向する方向からみたとき、第２のランプ３３０が中央に配置され、第１のランプ３１０が第２のランプ３３０を囲繞するように配置される。これを断面でみると、図２（ｂ）に示すように、被処理物Ｓの上部において第１のランプ３１０が第２のランプ３３０を間に挟んでその両側に配置された場合と同様である。

このように、第１のランプ３１０が第２のランプ３３０を囲繞するように配置されるので、図２（ｃ−１）に示すように、第１のランプ３１０から照射された光は被処理物Ｓの全体の幅を基準として被処理物Ｓの幅と同じ幅（Ｐ_Ａ）を有するように光を照射する。このため、Ｓｉ−Ｈ結合構造を有する被処理物Ｓの全体の領域に第１のランプ３１０から照射される紫外線（ＵＶ）が照射されるので、被処理物Ｓの内部にＳｉ−Ｈ結合の形で存在する水素をＳｉと分離することができる。

また、第２のランプ３３０は、第１のランプ３１０の間に配置されることにより、図２（ｃ−２）の実線で示すように、被処理物Ｓの全体の幅を基準として被処理物Ｓの両端部から内側への所定の幅（Ｐ_Ｂ）にしか照射されない。このとき、第２のランプ３３０から照射される赤外線系の光は被処理物Ｓの温度を昇温するため、第２のランプ３３０から照射される赤外線系の光は、被処理物Ｓの全体の領域に照射されなくても、光が照射された領域から照射されない領域への熱の伝達が行われる。これにより、第２のランプ３３０の光が照射されない領域まで加熱されて、被処理物Ｓの全体の領域の水素（Ｈ）が気化される。

一方、第２のランプ３３０は、熱の伝導を用いて被処理物Ｓの全体の領域の温度を昇温することができるが、第２のランプ３３０の光が被処理物Ｓの照射面の全体に近い範囲で照射されるように、第１のランプ３１０よりも照射面積を増大させる程度の大きさに設けられる。

これに対し、図示はしないが、第１のランプ３１０が第２のランプ３３０を囲繞するように形成されず、逆に、第２のランプ３３０が第１のランプ３１０を囲繞するように配置される場合には、第２のランプ３３０の配置構造により赤外線系の光が被処理物Ｓに照射される照射面積は増大されるが、第１のランプ３１０からの紫外線光が被処理物Ｓに照射される照射面積が第２のランプ３３０の光の照射面積よりも小さくなる。このように、第１のランプ３１０から照射される光が被処理物Ｓの全体の領域に照射されなければ、被処理物Ｓにおける光が照射された一部の領域に存在する水素のみがＳｉ−Ｈ結合から分離される。このため、第２のランプ３３０の加熱による水素の気化し易さが第１のランプ３１０が照射された領域にのみ発現されて、水素の除去の効率性が下がる。

制御部４００は、熱源ユニット３００に接続されて、第１のランプ３１０が作動され、且つ、第２のランプ３３０が作動されるように熱源ユニット３００を制御するために配設される。すなわち、脱水素化過程が、第１のランプ３１０を介して１次光源を照射し、第２のランプ３３０を介して２次光源を照射しながら２段階に亘って順次行われるため、制御部４００は、脱水素化を行う際に、熱源ユニット３００の作動を制御して第１のランプ３１０及び第２のランプ３３０を作動する。

このとき、図３（ａ）に示すように、制御部４００は、第１のランプ３１０の作動が止まると同時に、第２のランプ３３０を作動して熱源ユニット３００を制御する。すなわち、制御部４００は、第１のランプ３１０を作動して１次光源Ａを所定の時間だけ被処理層に照射した後、第１のランプ３１０の作動を止めると同時に、第２のランプ３３０を作動して、２次光源Ｂを所定の時間だけ被処理層に照射する。

また、図３（ｂ）に示すように、制御部４００は、第１のランプ３１０の作動が止まり、時間差をおいて第２のランプ３３０を作動して熱源ユニット３００を制御する。すなわち、制御部４００は、第１のランプ３１０を作動して１次光源Ａを所定の時間だけ被処理層に照射した後、第１のランプ３１０の作動を止める。さらに、所定の時間ｈに第１のランプ３１０及び第２のランプ３３０を作動しない状態を維持する。次いで、所定の時間ｈが経過した後、第２のランプ３３０を作動して、２次光源Ｂを被処理層に照射する。このとき、第１のランプ３１０の作動が止まる時点と第２のランプ３３０の作動が始まる時点との間の時間差ｈは、１〜２時間内に設定される。

さらに、図３（ｃ）に示すように、制御部４００は、第１のランプ３１０の１次光源Ａの照射タイミングと第２のランプ３３０の２次光源Ｂの照射タイミングとが重なるように熱源ユニット３００を制御する。このとき、１次光源Ａの照射タイミングと２次光源Ｂの照射タイミングとの重なり度合いは限定されない。すなわち、１次光源Ａの照射時間が初期、中期及び末期と区別され、２次光源Ｂの照射時間が初期、中期及び末期と区別されるとき、１次光源Ａの末期時間と２次光源Ｂの初期時間とが重なるように設定される。また、１次光源Ａの照射タイミングと２次光源Ｂの照射タイミングとが１００％重なるように設定されてもよい。しかしながら、１次光源Ａの照射時間の末期と２次光源Ｂの照射時間の初期とが重なるように設定される場合、１次光源Ａの照射による被処理層内の化学的な反応が十分に起きた状態で２次光源Ｂの照射が行われる。

このように配設された半導体素子の製造装置１を用いた本発明の実施形態に係るソース及びドレイン電極を有する半導体素子の製造方法は、基板の上に水素を含有する被処理層を形成する過程と、被処理層に２段階に亘って光を照射して脱水素化を行う過程とを含む。

以下、本発明の脱水素化過程を半導体素子の構造別に対応させて説明する。すなわち、基板の上にアクティブ層を間に挟んでゲート電極とソース及びドレイン電極とが互いに異なる側に配設され、ゲート電極がソース及びドレイン電極の上部に配設されるトップゲート構造と、ゲート電極がソース及びドレイン電極の下側に配設されるボトムゲート構造とについて、アクティブ層が酸化物により構成される酸化物半導体素子の製造工程を例に採って説明する。また、ゲートと、ソース及びドレイン電極とがいずれも活性化層の片側に配設されるプレナ構造について、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）半導体素子の製造工程を例に採って説明する。しかしながら、構造別の製造工程は下記の説明に限定されるものではなく、本発明の脱水素化過程が、ソース及びドレイン電極を有する半導体素子の製造工程中に水素を含有する被処理層が形成される過程の後に、２段階に亘っての光の照射により行われることについて説明するためのものである。

まず、基板の上に水素を含有する被処理層を形成して被処理物Ｓを設ける（ステップＳ１００）。このとき、被処理物Ｓとは、半導体素子を製造する前の所定の処理が終わった構造体のことをいい、より具体的には、基板の上に水素を含有する被処理層が形成された構造体のことをいう。すなわち、上述したように、被処理物Ｓは、ソース及びドレイン電極を有する半導体素子を製造する過程において、基板の上に水素を含有するソースを用いて化学気相蒸着方法（ＣＶＤ）により形成された薄膜である被処理層を有する構造体のことをいう場合もある。

このような被処理物Ｓは、図５（ａ）に示すように、絶縁性基板１１ａの上にソース及びドレイン電極１６ａ、１７ａを形成（Ｓ１０ａ）し、ソース及びドレイン電極１６ａ、１７ａの上にアクティブパターン１４ａを形成（Ｓ２０ａ）し、アクティブパターン１４ａの上に被処理層としてゲート絶縁膜１３ａを形成（Ｓ４０ａ）してなる第１の被処理物Ｓ１と、図５（ｂ）に示すように、絶縁性基板１１ｂの上にゲート電極１２ｂを形成（Ｓ１０ｂ）し、ゲート電極１２ｂの上に被処理層としてゲート絶縁膜１３ｂを形成（Ｓ２０ｂ）してなる第２の被処理物Ｓ２と、図５（ｃ）に示すように、絶縁性基板２１の上に被処理層として非晶質シリコン２３を形成（Ｓ１０ｂ）してなる第３の被処理物Ｓ３とのうちのいずれか一つとして設けられる。

第１の被処理物Ｓ１について説明すると、第１の被処理物Ｓ１は、酸化物薄膜トランジスタ（ＯＸＩＤＥ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を製造する過程において、絶縁性基板１１ａの上にソース電極１６ａ及びドレイン電極１７ａを形成し、その上に被処理層として酸化物半導体により構成されるアクティブパターン１４ａを形成し、その上にゲート絶縁膜１３ａを形成（Ｓ４０ａ）した構造体である。すなわち、第１の被処理物Ｓ１は、脱水素化過程（Ｓ３０）を行った後に、ゲート電極１２ａを形成（Ｓ５０ａ）して、半導体素子として製造される。

第２の被処理物Ｓ２について説明すると、第２の被処理物Ｓ２は、酸化物薄膜トランジスタを製造する過程において、絶縁性基板１１ｂの上にゲート電極１２ｂを形成し、その上にゲート絶縁膜１３ｂを形成した構造体である。すなわち、第２の被処理物Ｓ２は、脱水素化過程（Ｓ３０）を行った後に、酸化物半導体により構成されるアクティブパターン１４ｂを形成（Ｓ４０ｂ）し、ソース電極１６ｂ及びドレイン電極１７ｂを形成（Ｓ５０ｂ）して、半導体素子として製造される。

このとき、第１の被処理物Ｓ１及び第２の被処理物Ｓ２のゲート絶縁膜１３ａ、１３ｂを形成する際の工程特性からみたとき、水素イオンが薄膜内に必ず存在する。すなわち、ゲート絶縁膜１３ａ、１３ｂは、プラズマ促進化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｔｉｏｎ）法により形成されるため、薄膜内に水素イオンが必ず存在する。このため、ゲート絶縁膜１３ａ、１３ｂ内に存在する水素のうちの一部を除去して水素イオンの濃度を下げなければ、アクティブパターン１４ａ、１４ｂに水素が噴出して薄膜の品質が低下し、半導体素子の電気的な特性を損なってしまう。このため、第１の被処理物Ｓ１に対しては、アクティブパターン１４ａが形成され、上部にゲート絶縁膜１３ａを形成した後に脱水素化過程（Ｓ３０）を行い、第２の被処理物Ｓ２に対しては、ゲート絶縁膜１３ｂを形成した後にアクティブパターン１４ｂが上部に形成される前に、脱水素化過程（Ｓ３０）を行う。このため、アクティブパターン１４ａ、１４ｂに水素が及ぼす影響を低減して、アクティブパターン１４ａ、１４ｂの薄膜に水素が浸透することを根源的に防ぐ。

他の第３の被処理物Ｓ３について説明すると、第３の被処理物Ｓ３は、多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を製造する低温ポリシリコン薄膜トランジスタ（ＬＴＰＳ ＴＦＴ）工程において、絶縁性基板２１の上に被処理層として非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）が形成（Ｓ１０ｃ）された状態の中間構造体である。すなわち、第３の被処理物Ｓ３は、脱水素化過程（Ｓ３０）が行われた後に、非晶質シリコン層２３を結晶化して活性層２３を形成する過程（Ｓ２０ｃ）が行われ、活性層２３の上にゲート絶縁膜２４及びゲート電極２５を形成する過程（Ｓ４０ｃ）が行われる。また、全体の領域の上に絶縁膜２６を形成し、その上に活性層２３と連結されるソース電極２７及びドレイン電極２８を形成する過程（Ｓ５０ｃ）により、半導体素子として製造される。このとき、第３の被処理物Ｓ３は、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を絶縁性基板２１の上に形成するときの工程特性からみて、水素イオンが薄膜に含まれているままで非晶質シリコン２３からなる薄膜が形成される。このため、該薄膜を多結晶化する前に薄膜内に存在する水素のうちの一部を除去しなければ、非晶質シリコンをレーザ光を用いて結晶化する過程において水素が爆発して、工程の安定性を低減させるという問題を引き起こす。従って、第３の被処理物Ｓ３は、被処理層である非晶質シリコン膜を結晶化して活性層として形成する前に脱水素化工程（Ｓ３０）を行う。

このようにして、Ｓｉ−Ｈ結合構造を有する被処理物Ｓが設けられると（Ｓ１００）、被処理物Ｓの上に２段階に亘っての光の照射を用いて脱水素化を行う（Ｓ２００）。脱水素化過程は、設けられた被処理物Ｓの上に第１のランプ３１０を用いて１次光源を照射する過程（Ｓ２１０）と、被処理物Ｓの上に第２のランプ３３０を用いて２次光源を照射する過程（Ｓ２２０）とを含む。

被処理物Ｓの上に第１のランプ３１０を用いて１次光源を照射する過程（Ｓ２１０）は、紫外線（ＵＶ）を放出するランプを作動することにより、被処理物Ｓの上に紫外線を照射して行う。被処理物Ｓの上に紫外線を照射する際には、薄膜が形成された被処理物Ｓの照射面（すなわち、チャンバ内における被処理物の上面）の全体に照射する。これは、１次光源である紫外線が被処理物Ｓの全体の領域に照射されて初めて、被処理物Ｓの薄膜内に存在するＳｉ−Ｈ結合が部分的な領域においてのみ切断されるわけではなく、薄膜の全体の領域のＳｉ−Ｈ結合が切断されるためである。このように、被処理物Ｓの上に１次光源である紫外線を照射することにより、上述したように、紫外線は、薄膜内のＳｉ−Ｈ結合を切断する。

このとき、被処理物Ｓに第１のランプ３１０を用いて１次光源を照射する過程は、１次光源が照射される時間よりも、１次光源の出力強度（パワー、％）が重要な因子となる。すなわち、１次光源の照射目的は、被処理物Ｓの熱的反応の誘導ではなく、化学的な反応（Ｓｉ−Ｈ結合の切断反応）を誘導することにあるため、１次光源は、被処理物Ｓ内に存在するＳｉ−Ｈ結合のほとんどが切断される程度の時間だけ照射されればよい。これに対し、１次光源の出力強度（パワー、％）の増大に比例して被処理物Ｓの化学的な反応も増大するため、１次光源の出力強度が増大すれば増大するほど、同じ２次光源の照射工程の条件下で製造された半導体素子内の水素イオンの濃度は下がる。これは、図７から明らかである。図７は、被処理物Ｓに第１のランプ３１０の照射時間を１０分と設定し、且つ、第２のランプ３３０の照射時間を４００℃における３０分と設定した状態で、第１のランプ３１０の出力強度の変化による被処理物Ｓの薄膜内の水素の濃度（ａｔ．％）を示すグラフである。図７の結果を参照すると、第１のランプ３１０から照射される１次光源の出力強度が４０％、６０％、８０％及び１００％へと増大すれば増大するほど、被処理物Ｓ内の薄膜の水素イオンの濃度が次第に下がるということが分かる。

１次光源を用いてＳｉ−Ｈ結合を切断した後、被処理物Ｓの上に第２のランプ３３０を用いて２次光源を照射する過程（Ｓ２２０）は、赤外線系の光を放出するランプを作動して、被処理物Ｓの温度を昇温するように行われる。このとき、２次光源Ｂの照射過程は、被処理層内の水素（Ｈ）の濃度が２ａｔ．％〜５ａｔ．％になるまで照射される。このため、被処理物Ｓの薄膜内にＳｉと分離された状態で存在する水素イオンは、２次光源の照射により生じた熱により気化されて被処理層内において除去される。このとき、２次光源は、１次光源とは異なり、被処理物Ｓの全体の領域に照射されることが必ず求められるわけではない。その理由としては、２次光源は、被処理物Ｓの温度を昇温する役割を果たすため、所定の領域にのみ２次光源が照射されても、熱の伝導により被処理物Ｓの全体の領域に２次光源による熱が伝達されることが挙げられる。このため、被処理物Ｓの薄膜内に存在する水素イオンは熱の伝達により気化される。

このように、２次光源を照射して被処理物Ｓの水素を気化する過程（Ｓ２２０）は、１次光源を照射して被処理物Ｓの水素イオンをＳｉから分離する過程（Ｓ２１０）により、４００℃よりも低い温度で行われる。これは、脱水素化過程（Ｓ２００）が４００℃よりも低い温度で行われることを意味する。すなわち、１次光源が照射されて被処理物Ｓの薄膜内に存在する水素イオンは、分離された状態で存在するため、従来には、加熱処理のみを施すことにより、水素イオンをＳｉ−Ｈから分離して気化するまでは４５０℃以上の温度が求められていた。しかしながら、本発明においては、脱水素化過程を用いて、Ｓｉ−Ｈ結合を１次光源である紫外線の照射過程を用いて切断している。このため、従来の加熱処理を用いてＳｉ−Ｈ結合を切断する場合よりも水素の濃度が制御し易く、低い温度で脱水素化過程が行われる。

上述したように、２段階に亘っての光の照射による被処理物Ｓの脱水素化過程が終わると（Ｓ２３０）、脱水素化が終わった被処理物Ｓの上に形成されていない残りの層を形成して、ソース及びドレイン電極を有する半導体素子の製造を終える（Ｓ３００）。

すなわち、第１の被処理物Ｓ１を基準として、半導体素子１０ａの製造工程の全体について説明すると、絶縁性基板１１ａの上にソース及びドレイン電極１６ａ、１７ａを形成（Ｓ１０ａ）し、ソース及びドレイン電極１６ａ、１７ａの上にアクティブパターン１４ａを形成（Ｓ２０ａ）する。次いで、アクティブパターン１４ａの上にゲート絶縁膜１３ａを形成（Ｓ４０ａ）する。次いで、紫外線及び赤外線系の光をこの順に照射して脱水素化（Ｓ３０）を行って、ゲート絶縁膜１３ａ内に含まれているＳｉ−Ｈの化学的な結合を切断し、水素を気化して除去する。次いで、脱水素化が終わると、ゲート絶縁膜１３ａの上にゲート電極１２ａを形成（Ｓ５０ａ）し、パッシベーション層１８ａを形成して製造工程を終える。

また、第２の被処理物Ｓ２を基準として、半導体素子１０ｂの製造工程の全体について説明すると、絶縁性基板１１の上にゲート電極１２ｂを形成（Ｓ１０ｂ）し、ゲート電極１２ｂの上にゲート絶縁膜１３ｂを形成（Ｓ２０ｂ）する。次いで、紫外線及び赤外線系の光をこの順に照射して脱水素化（Ｓ３０）を行う。次いで、脱水素化が終わると、ゲート絶縁膜１３ｂの上にアクティブパターン１４ｂを形成（Ｓ４０ｂ）し、アクティブパターン１４ｂの上にソース及びドレイン電極１６ｂ、１７ｂを形成（Ｓ５０ｂ）し、パッシベーション層１８ｂを形成して製造工程を終える。

さらに、第３の被処理物Ｓ３を基準として半導体素子の製造工程全体について説明すると、絶縁性基板２１の上に非晶質シリコンを蒸着（Ｓ１０ｃ）し、紫外線及び赤外線系の光をこの順に照射して脱水素化（Ｓ３０）を行う。次いで、脱水素化が終わると、非晶質シリコンを低温において溶融し、結晶化して活性層２３を形成（Ｓ２０ｃ）する。次いで、形成された活性層２３の上にゲート電極２５及びゲート絶縁膜２４を形成（Ｓ４０ｃ）し、活性層２３と連通されるようにソース及びドレイン電極２７、２８を形成（５０ｃ）する。

以下、半導体素子を製造する過程における第１のランプ３１０及び第２のランプ３３０の工程条件の変化、及び従来との比較を通じて本発明の脱水素化過程の効果について下記の表１と、図７及び図８を参照して説明する。このとき、表１及び表２と、図７及び図８のデータとは、被処理物Ｓのうち第２の被処理物Ｓ２の脱水素化過程を行って半導体素子を製造する方法における脱水素化効果についての説明を裏付ける。このため、以下、被処理物Ｓとは、第２の被処理物Ｓ２のことをいう。しかしながら、後述する効果は、第２の被処理物Ｓ２にのみ適用される効果ではなく、第１の被処理物Ｓ１及び第３の被処理物Ｓ３にも同様に適用されるということはいうまでもない。

表１及び図６を参照すると、比較例１〜比較例４においては、被処理物Ｓの脱水素化を行うときに第１のランプ（ＵＶ）を照射する１次光源の照射過程が行われず、第２のランプ（ＮＩＲ）のみを照射する過程が行われた。これに対し、実施例１及び実施例２においては、被処理物Ｓの脱水素化のために、第１のランプ（ＵＶ）を用いた１次光源の照射後に、第２のランプ（ＮＩＲ）を用いた２次光源の照射が行われた。すなわち、２段階に亘っての光源の照射が行われた。

このとき、図８の拡大グラフ（下図）を参照すると、実施例１及び実施例２においては、比較例１〜比較例４よりも低い水素濃度（ａｔ．％）値を示すことが確認された。

また、実施例１は、比較例３及び比較例４と略同じ水素の濃度（ａｔ．％）値を示すが、実施例１においては、第１のランプの照射過程を用いて被処理物Ｓの薄膜内のＳｉ−Ｈの結合を切断することにより、実施例１の第１のランプ３１０の照射時間と第２のランプ３３０の照射時間とを合計しても、比較例３及び比較例４の第２のランプの照射時間よりも短い時間で済むことが確認される。すなわち、実施例１においては、第１のランプ照射時間と第２のランプ照射時間とを合計した脱水素化にかかった時間が２０分であったとき、比較例３及び比較例４において第２のランプをそれぞれ３０分間及び６０分間照射した後の水素の濃度と略同じ値を有する。これにより、実施例１においては、第１のランプ及び第２のランプの照射により被処理物Ｓ内の薄膜内の水素イオンに化学的な反応及び熱的反応を提供することができ、脱水素化の効率が従来と比べて向上する。

さらに、上記の効果は、実施例２の結果によって一層明らかになり、該実施例２は、実施例１よりも第２のランプの照射時間を３０分に増やした後の被処理物薄膜内の水素の濃度（ａｔ．％）を示す。このとき、実施例１と比べて実施例２の水素の濃度が下がった理由は、第２のランプの照射時間の増大によって、水素が気化するための時間が延び、その結果、実施例１と比べて増大した量の水素が気化するためである。また、実施例２の第１のランプの照射時間と第２のランプの照射時間とを合計した脱水素化時間は４０分であり、比較例４と比べて短い脱水素化時間であり、第１のランプの照射によって水素に化学的な反応を提供することにより、脱水素化の効率が比較例４と比べて向上したことが確認される。

以上、表１及び図７から明らかなように、比較例１〜４と、実施例１及び実施例２との比較を通じて、被処理物Ｓへの第１のランプ３１０の紫外線光の照射による被処理物Ｓ薄膜内の化学的な反応により、脱水素化過程に要する時間が短縮されるという効果を得られることが確認される。

このとき、下記の表２及び図８を参照して、第１のランプ３１０を用いた１次光源である紫外線の照射の有無に応じて、同じ２次光源の処理温度において水素の濃度がどのように変化するかについて調べてみる。

すなわち、比較例２〜比較例４は、被処理物Ｓに１次光源を照射せず、２次光源の処理温度が４００℃である状態における水素の濃度の変化を示す。また、比較例５は、被処理物Ｓに１次光源を照射せず、２次光源の処理温度が３８０℃である状態における水素の濃度の変化を示す。

このとき、比較例５及び実施例４について説明すると、実施例４においては、比較例５とは異なり、第１のランプ３１０を用いて１次光源を照射し、該１次光源の照射により、被処理物Ｓの薄膜内のＳｉ−Ｈ結合は化学的な反応により切断される。このため、実施例４の水素の濃度は、比較例２〜比較例４の脱水素化処理前の水素の濃度と略同じ値を有するが、比較例２〜比較例４よりも２０℃だけ低い温度で処理が行われる。このような比較を通じて、１次光源の照射により、水素を気化するための２次光源の処理温度が２０℃だけ下がるという効果を得られることが分かる。

上述したように、本発明の実施形態に係る半導体素子の製造装置及びこれを用いた半導体素子の製造方法によれば、被処理物薄膜に１次的に紫外線光を照射して薄膜内のＳｉ−Ｈ結合を切断するように化学的な反応を行い、２次的に赤外線系の光を照射して結合が切断された水素を気化する熱的反応を行う。

これにより、被処理物薄膜内に存在する水素が除去し易くなり、その結果、被処理物薄膜内に存在する水素が半導体素子の電気的な特性を低下させるという問題が解消される。

また、１次の紫外線光の照射過程においてＳｉ−Ｈの結合を切断するため、２次の赤外線光の照射過程において水素（Ｈ）が気化され易くなり、その結果、水素を気化して除去する従来の熱的処理の場合よりも、より低い温度において水素を除去することができる。これにより、ガラス等の基板よりも相対的に熱に弱い可撓性基板（プラスチック基板）の高温による変形を防止することができる。

以上、添付図面及び上述した好適な実施形態に基づいて、本発明について説明したが、本発明はこれらに何ら限定されるものではなく、後述する特許請求の範囲により限定される。よって、この分野における通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲の技術的な思想を逸脱しない範囲内において本発明を種々に変形及び修正することができる。

Ｓ：被処理物
Ｓ１：第１の被処理物
Ｓ２：第２の被処理物
Ｓ３：第３の被処理物
１：半導体素子の製造装置
１００：チャンバ
１１０：上部チャンバ
１３０：下部チャンバ
２００：ステージ
３００：熱源ユニット
３１０：第１のランプ
３３０：第２のランプ
４００：制御部
Ａ：１次光源
Ｂ：２次光源

Claims (19)

1. 被処理物が処理される空間を提供するチャンバと、
   前記チャンバ内に配置され、上面に前記被処理物を載置するステージと、
   前記ステージの上方に離隔配置され、前記被処理物に２段階に亘って光を照射する熱源ユニットと、
   前記熱源ユニットに接続されて２段階に亘って光が照射されるように前記熱源ユニットを制御する制御部と、
   を備える半導体素子の製造装置。
2. 前記熱源ユニットは、
   前記被処理物に紫外線を照射する第１のランプと、
   紫外線が照射された被処理物に赤外線を照射する第２のランプと、
   を備える請求項１に記載の半導体素子の製造装置。
3. 前記第１のランプは、前記第２のランプを囲繞するように配置される請求項２に記載の半導体素子の製造装置。
4. 前記被処理物の照射面の全体の面積を基準として、前記第１のランプの照射面積は、前記第２のランプの照射面積よりも大きい請求項３に記載の半導体素子の製造装置。
5. 前記制御部は、前記第１のランプが作動した後に前記第２のランプが作動するように前記熱源ユニットを制御する請求項２乃至請求項４のうちのいずれか一項に記載の半導体素子の製造装置。
6. 前記制御部は、
   前記第１のランプの作動が止まると同時に前記第２のランプを作動する請求項５に記載の半導体素子の製造装置。
7. 前記制御部は、
   前記第１のランプの作動が止まった後に時間差をおいて前記第２のランプを作動する請求項５に記載の半導体素子の製造装置。
8. 前記制御部は、
   前記第１のランプの作動タイミングと前記第２のランプの作動タイミングとを重ならせる請求項５に記載の半導体素子の製造装置。
9. 前記被処理物は、基板と、前記基板の上に水素を含有して形成される被処理層と、を有し、
   前記被処理層は、前記基板の上に水素（Ｈ）を含むソースを用いて化学気相蒸着ＣＶＤ方法により形成した薄膜である請求項１に記載の半導体素子の製造装置。
10. ソース及びドレイン電極を有する半導体素子を製造する方法であって、
    基板の上に水素を含有する被処理層を形成する過程と、
    前記被処理層に２段階に亘って光を照射して脱水素化を行う過程と、
    を含む半導体素子の製造方法。
11. 前記脱水素化を行う過程は、
    前記被処理層内のＳｉ−Ｈの化学的な結合を切断する１次光照射過程と、
    前記１次光照射過程の後に、分離された水素（Ｈ）を気化する２次光照射過程と、
    を含む請求項１０に記載の半導体素子の製造方法。
12. 前記脱水素化を行う過程は、３５０℃〜４００℃において行われる請求項１０に記載の半導体素子の製造方法。
13. 前記脱水素化を行う過程は、
    前記基板の上にゲート電極を形成し、前記ゲート電極の上に前記被処理層としてゲート絶縁膜を形成する過程の後に行われる請求項１０乃至請求項１２のうちのいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
14. 前記脱水素化を行う過程は、
    前記基板の上に前記ソース及びドレイン電極を形成し、前記ソース及びドレイン電極の上にアクティブパターンを形成し、前記アクティブパターンの上に前記被処理層としてゲート絶縁膜を形成する過程の後に行われる請求項１０乃至請求項１２のうちのいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
15. 前記脱水素化を行う過程は、
    前記基板の上に前記被処理層として非晶質シリコンを形成する過程の後に行われる請求項１０乃至請求項１２のうちのいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
16. 前記被処理層内のＳｉ−Ｈの化学的な結合を切断する１次光は紫外線であり、前記分離された水素（Ｈ）を気化する２次光は赤外線系である請求項１１に記載の半導体素子の製造方法。
17. 前記１次光照射過程及び前記２次光照射過程は、同一の空間において行われる請求項１１に記載の半導体素子の製造方法。
18. 前記１次光照射過程及び前記２次光照射過程は、互いに異なる空間において行われる請求項１１に記載の半導体素子の製造方法。
19. 前記被処理層は、前記基板の上に水素（Ｈ）を含むソースを用いて化学気相蒸着ＣＶＤ方法により形成した薄膜である請求項１０に記載の半導体素子の製造方法。

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