JP3735394B2

JP3735394B2 - 薄膜半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3735394B2
Application number: JP17420695A
Authority: JP
Inventors: 康弘金谷
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: JPH098316A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜半導体装置の製造方法に関する。より詳しくは、半導体薄膜にレーザ光を照射して加熱処理を行なうレーザアニール方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜半導体装置は絶縁基板に半導体薄膜を形成した後、この半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成している。絶縁基板として比較的安価な低融点ガラスを使用可能とする為、従来から薄膜トランジスタの低温プロセスが開発されている。その一環として、半導体薄膜にレーザ光を照射して加熱処理を行なうレーザアニールが注目を集めている。このレーザアニールは半導体薄膜にレーザ光を照射して局部的に加熱し、一旦溶融化した後、冷却過程で結晶化を生じさせ、もって半導体薄膜の電気特性を改善している。あるいは、半導体薄膜にドーピングされた不純物の活性化の為にもレーザアニールが使われる。従来、このレーザアニールは真空中で行なっていた。大気中で行なうと、レーザアニールで活性化もしくは溶融した半導体材料が大気によって酸化し、それが欠陥となり半導体薄膜の電気特性を不安定化すると考えられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらレーザアニールを真空中で行なう為には排気可能なチャンバが必要となり、この為以下の様な課題が生じていた。先ず、レーザアニールを安定した状態で実施する為には、レーザ光を均一化したりそのビーム形状を規定する為の光学系を固定した方が良い。しかしながら大型基板の全面に形成された半導体薄膜を一括照射する為には高出力のレーザ光源が必要である。しかしながら、現状では、この様な高出力のレーザ光源は実用化されていない。ちなみに、３０cm角の絶縁基板に対して一括レーザアニールを行なう為には３００Ｊのエネルギーが必要である。従って、現状では一括照射に代え、レーザ光の断面積を絞ると共に、照射対象となる絶縁基板を相対的に走査してレーザアニールを行なっている。しかしながら、基板サイズが大きくなると、その二次元走査を行なう為大きなチャンバ容積が必要になる。チャンバ容積が増大するとその真空を保つ為相当の剛性が要求され、チャンバ自体が非常に大型化し且つ重くなる為コストが嵩んでいた。又、真空中でレーザアニールを行なうと基板をチャンバに投入して排気を行なう際ゴミ等の異物が舞い上がり、これが基板に付着しやすくなる。さらに、従来のレーザアニールでは基板を真空チャンバに投入する一方、石英等からなるウィンドウを介して外部からレーザ光を基板に照射していた。しかしながら、石英ウィンドウには半導体薄膜の溶融により飛散した物質が付着し、長時間の使用においてはウィンドウの汚れ等によりレーザ光の均一性悪化やエネルギーの透過率低下を招いていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にかかる薄膜半導体装置は以下の工程に従って製造される。先ず成膜工程を行ない絶縁基板に半導体薄膜を形成する。続いて加工工程を行ない、該半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する。この際該加工工程の前又は中間で照射工程を行ない、該半導体薄膜にレーザ光を照射して加熱処理を施す。特徴事項として、前記照射工程は大気圧より高い圧力で９０％以上の濃度の窒素ガスを含有する不活性気体が満たされたウィンドウを有するチャンバに該絶縁基板を投入してレーザ光を外部ウィンドウを通してから照射する。前記照射工程は、該半導体薄膜にレーザ光を照射してその結晶化を行なう。その際該不活性気体でチャンバを満たすことにより該半導体薄膜の表面の酸化を抑制するとともに、チャンバ内を大気圧より高い圧力とすることで該半導体薄膜を構成する物質の飛散を抑えてウィンドウの汚染を抑制する事を特徴とする。
又本発明は、絶縁基板に半導体薄膜を形成する成膜工程と、該半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する加工工程と、該加工工程の前又は中間で該半導体薄膜にレーザ光を照射して加熱処理を行なう照射工程とを含む薄膜半導体装置の製造方法であって、前記照射工程は、絶縁基板にシャワーノズルを使って局所的に窒素ガスを連続的に吹き付ける事により、９０％以上の濃度の窒素ガス雰囲気を局部的に作り出しながらレーザ光を照射する工程である。前記照射工程は、該半導体薄膜にレーザ光を照射してその結晶化を行なう。その際９０％以上の濃度の窒素ガス雰囲気を局部的に作り出すことで該半導体薄膜の表面の酸化を抑制することを特徴とする。
【０００５】
【作用】
本発明では、窒素等の不活性気体を主成分とする雰囲気下でレーザ光を半導体薄膜に照射している。このレーザアニールは例えば薄膜トランジスタの活性層となる半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶化を行なう。この際、例えば窒素等の不活性ガスが９０％以上で且つ大気圧以上に保持された雰囲気下でレーザアニールを実施している。これにより、真空チャンバが不要となり製造コストダウンが図れる。又、真空中に比べ溶融した半導体材料等の飛散を抑制できるので、石英ウィンドウを含めたレーザ光学系の寿命が長くなる。さらには、不活性気体を充満する事によりゴミ等の異物が基板上へ付着する事を防止できる。
【０００６】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。図１は本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の実施に用いられるレーザアニールチャンバの構成例を示す模式的な斜視図である。一般に、薄膜半導体装置は以下の工程により製造される。先ず、絶縁基板２に半導体薄膜を形成する成膜工程を行なう。続いて半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する加工工程を行なう。この際、加工工程の前後又は中間で半導体薄膜にレーザ光３を照射して加熱処理を行なう。この照射工程はレーザアニールと呼ばれており、例えば半導体薄膜の結晶化や半導体薄膜に注入された不純物の活性化を目的とする。本発明の特徴事項として、このレーザアニールは窒素ガス等の不活性気体を主成分とする雰囲気下で行なわれる。この為に、図１に示したチャンバ１−１が用いられる。即ち、大気圧以上の圧力で不活性気体が導入されたチャンバ１−１に絶縁基板２を投入してレーザ光３を外部から照射している。
【０００７】
具体的には、このレーザアニールチャンバ１−１はレーザ光３との焦点距離を正確に出す為固定台７にしっかりと固定される。チャンバ１−１にはレーザ光３を絶縁基板２まで到達させる為、石英製のウィンドウ４が設けられている。このウィンドウ４を通してアルミニウム製のチャンバ１−１内にレーザ光３を導く。このレーザ光３によってＸＹステージ８上に載置された絶縁基板２がアニールされる。この時、ＸＹステージ８がＸ方向（ａ）及びＹ方向（ｂ）に移動する事で、固定されたレーザ光３に対し基板２が相対的に移動し、結果的に絶縁基板２の全面がレーザ光３によって照射される事になる。本発明の特徴事項としてチャンバ１−１には窒素導入口５が設けられている。この導入口５により窒素ガスＮ₂を流入しながらレーザアニールを行なう。チャンバ１−１内の圧力をコントロールし、余剰となった窒素ガスＮ₂は排出口６から外部に放出される。
【０００８】
図２は絶縁基板２の移動機構の具体的な構成例を示す模式的な斜視図である。Ｘステージガイド８−ａの上にＹステージガイド８−ｂが搭載され、さらにその上にステージ８が載せられている。これにより、絶縁基板２をＸ方向及びＹ方向に移動する。
【０００９】
図３は、レーザアニール装置の全体構成を示す模式的なブロック図である。前述した様に、本発明では非晶質シリコン等の半導体薄膜が成膜された絶縁基板２をレーザ光３で照射する事により、非晶質シリコンを一旦溶融しその冷却過程で多結晶シリコンに転換する。これにより、半導体薄膜の電気特性改善を図っている。図示する様に、レーザアニール装置はレーザアニールを行なうチャンバ１−１、アニールする絶縁基板を投入する為の入口となるロード室１−２、出口となるアンロード室１−３、そしてこれらのチャンバを接続し絶縁基板２を搬送する為の搬送室１−４から構成されている。処理前の絶縁基板２はロード室１−２に投入され、矢印ｃで示す様に搬送室１−４を通過した後レーザアニールチャンバ１−１に供給される。チャンバ１−１でレーザアニールを実施した後、矢印ｄで示す様に搬送室１−４を通ってアンロード室１−３に供給され、処理済みの絶縁基板２が外部に取り出される。前述した様に、レーザアニールチャンバ１−１は窒素等の不活性ガスが導入される様になっている。さらに、ロード室１−２、アンロード室１−３、搬送室１−４も全て窒素ガスによってパージされた状態になっている。
【００１０】
引き続き図３を参照して、窒素雰囲気中におけるレーザアニールの具体的な方法について説明を加える。ガラス等からなる絶縁基板２の表面には予め前工程で非晶質シリコンからなる半導体薄膜が成膜されている。例えば、プラズマＣＶＤにより３５nmの厚みで非晶質シリコンを堆積する。そして、この成膜工程を経た絶縁基板２をロード室１−２にセットした後、レーザアニールチャンバ１−１へと導き、ここで絶縁基板２をＸＹステージにセットする。この時、ロード室１−２及び搬送室１−４は常に窒素パージがなされていて、チャンバ１−１内のガスの９０％以上を窒素で占める様にする。レーザアニールチャンバ１−１では窒素導入口５（図１）より窒素を流し込み、周囲の大気圧よりもやや高め（例えば１０％程度高め）に設定した圧力を維持する様に、排出口６（図１）の排出量を制御する。これにより、レーザアニールチャンバ１−１の内部を高純度の窒素で常に満たす事が可能になる。この様な条件で絶縁基板上の非晶質シリコンにレーザ光を照射して溶融させる。その冷却過程で非晶質シリコンは多結晶シリコンに転換される。この時、周囲雰囲気が９０％以上の窒素で満たされている為、半導体薄膜の溶融時から凝固時までシリコン表面の酸化が抑制でき、真空中と同じ様に表面欠陥が抑制されたレーザアニールを行なえる。絶縁基板２は窒素をパージしているラインのみを移動し且つ処理される為、真空引きの為の排気操作が不要となり、レーザアニールに必要な処理時間が短縮化できる。真空引きを行なう時に巻き上がるゴミ等の異物が基板に付着する惧れもなくなる。
【００１１】
図４に示す様に、絶縁基板２にレーザ光３を照射すると照射を受けた部位の半導体薄膜が非晶質シリコンから多結晶シリコン２−１に転換する。この際、レーザアニールによって溶融したシリコンは僅かながら微細な粒子９として空間に飛散する。この飛散したシリコン粒子９によって石英ウィンドウ４（図１）は次第に汚れていく。この時チャンバ内部を窒素雰囲気で満たし且つ大気圧以上の圧力に保持する事で、シリコンの微小粒子９が窒素分子１０と衝突する為、ウィンドウの汚染を防ぐ事ができる。又大気圧以上の圧力を保持する事で、シリコン溶融時の突沸を抑え込み、安定したレーザアニールを行なえる様にする。この場合には、窒素ガスの圧力をできるだけ高くした方が大きな効果が得られる。
【００１２】
図５はレーザアニール方法の他の実施例を示す模式的な斜視図である。本例では絶縁基板２に不活性気体（窒素ガスＮ₂）のシャワーを連続的に供給した状態でレーザ光３を照射し、非晶質シリコンを多結晶シリコン２−１に転換している。即ち、窒素シャワーノズル１１を使い局所的に窒素ガスＮ₂を吹き付ける事により、９０％以上の窒素雰囲気を局部的に作り出すものである。この場合、チャンバを設ける必要がない為レーザアニールの為の装置コストをさらに下げる事が可能となる。
【００１３】
以上に説明した実施例では不活性ガスとして窒素を用いていたが本発明はこれに限られるものではなく、ヘリウム等の他の不活性ガスも使用可能である。但し、不活性ガスに代えて水素等の還元性ガスを用いる事は好ましくない。水素ガスを用いるとチャンバのシールが必要になると共にパージも必要である。この為、チャンバ構造が複雑になる。又、上述した実施例ではレーザアニールにより非晶質シリコンを多結晶シリコンに転換する結晶化を行なっていたが、本発明はこれに限られるものではない。最初から絶縁基板上に多結晶シリコンを成膜した場合でも、半導体薄膜の特性向上を目的としたレーザアニールを行なう場合があり、本発明はこの時にも適用可能である。さらには、半導体薄膜に注入された不純物の活性化を行なう際にも本発明のレーザアニールは適用可能である。さらに、レーザアニールチャンバの材質は特にアルミニウムでなくても良い。チャンバは不活性ガスを溜める事ができるものであれば、他の金属、樹脂、セラミック、石英等の材質を用いる事ができる。
【００１４】
最後に図６及び図７の工程図を参照して、レーザアニールを用いた薄膜半導体装置の製造方法を説明する。先ず工程（ａ）で、ガラス等からなる絶縁基板１０１の表面に半導体薄膜１０２を成膜する。続いて絶縁基板１０１を不活性雰囲気中に投入し、レーザ光１０３を照射して加熱処理を行なう。例えば、半導体薄膜１０２として非晶質シリコンを成膜した場合、レーザアニールによる一括加熱により一旦溶融した後結晶化し比較的大粒径の多結晶シリコンが得られる。レーザ光１０３としては例えばエキシマレーザパルスを用いる事ができる。エキシマレーザは強力なパルス紫外光である為、シリコン等からなる半導体薄膜１０２の表面層で吸収され、その部分の温度を上昇させるが、絶縁基板１０１まで加熱する事はない。透明絶縁基板１０１に例えば厚み３０nmのプラズマＣＶＤシリコンを成膜した場合、ＸｅＣｌエキシマレーザ光を照射した時の溶融閾値エネルギーは１３０mJ／cm²程度である。膜厚全体が溶融するには例えば２２０mJ／cm²程度のエネルギーが必要である。溶融してから固化するまでの時間はおよそ７０nsである。次に工程（ｂ）に進み、半導体薄膜１０２をアイランド状にパタニングして素子領域とする。この素子領域を被覆する様にゲート絶縁膜１０４を成膜する。工程（ｃ）に進み、ゲート絶縁膜１０４の上にゲート電極１０５をパタニングする。続いて工程（ｄ）でイオンドーピング等により不純物イオン１０６を照射する。これによりゲート電極１０５をマスクとしたセルフアライメントで半導体薄膜１０２中に高濃度で不純物をドーピングでき、薄膜トランジスタのソース領域１０７及びドレイン領域１０８を形成する。この際、再びレーザアニールを行なう事で、半導体薄膜１０２に注入された不純物の活性化が可能になる。この活性化を目的としたレーザアニールも本発明に従って不活性雰囲気下で行なう事ができる。
【００１５】
図７の工程（ｅ）に進み、薄膜トランジスタをＰＳＧ等からなる第１層間絶縁膜１０９で被覆する。最後に工程（ｆ）で、第１層間絶縁膜１０９にコンタクトホールを開口する。この後第１層間絶縁膜１０９の上にアルミニウム等の金属を成膜した後所定の形状にパタニングして配線電極１１０に加工する。この配線電極１１０は薄膜トランジスタのソース領域１０７と接続している。さらに配線電極１１０を被覆する様にＰＳＧ等からなる第２層間絶縁膜１１１を成膜する。第２層間絶縁膜１１１及び第１層間絶縁膜１０９に連続してコンタクトホールを開口する。第２層間絶縁膜１１１の上にＩＴＯ等からなる透明導電膜を成膜し、所定の形状にパタニングして画素電極１１４に加工する。この画素電極１１４はコンタクトホールを介して薄膜トランジスタのドレイン領域１０８と接続している。以上により表示用薄膜半導体装置が完成する。この薄膜半導体装置を駆動基板としてアクティブマトリクス型の表示パネルを製造できる。この場合には予め対向電極が形成された別の絶縁基板を所定の間隙を介して絶縁基板１０１に接合する。この間隙に液晶等の電気光学物質を封入充填すると、アクティブマトリクス型の表示パネルが完成する。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明では不活性気体を主成分とする雰囲気下でレーザ光を半導体薄膜に照射する事でレーザアニールを実施している。従来の様に真空状態を作らなくて良い為、真空ポンプは必要なくなる。レーザアニールチャンバは絶縁基板を載置する為のステージとチャンバ固定台以外に剛性が必要なくなり、構造が簡単になり、装置コストが低減化できる。前述した様に真空状態を作らなくて良い為、ゴミ等の異物の巻き上げがなくなり、絶縁基板表面を汚染する惧れが少なくなる。さらに、レーザアニール時に飛散したシリコンの微粒子が石英ウィンドウに付着しにくくなる為、レーザ光学系の寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザアニールに用いるチャンバの構成例を示す模式的な斜視図である。
【図２】レーザアニールチャンバ内に組み込まれるＸＹステージの一例を示す斜視図である。
【図３】レーザアニール装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】レーザアニール処理を示す模式的な斜視図である。
【図５】本発明の他の実施例にかかるレーザアニール方法を示す模式的な斜視図である。
【図６】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法を示す工程図である。
【図７】同じく本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１−１チャンバ
２絶縁基板
３レーザ光
４石英ウィンドウ
５窒素導入口
６窒素排出口
７チャンバ固定台
８ＸＹステージ
１０窒素分子
１１窒素シャワーノズル

Claims

ガラス基板に非晶質シリコンからなる半導体薄膜を形成する成膜工程と、該半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する加工工程と、該加工工程の前又は中間で該半導体薄膜にレーザ光を照射して該非晶質シリコンを結晶化する加熱処理を行なう照射工程とを含む薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記照射工程は、
ウィンドウと、窒素導入口と、窒素排出口とを有するチャンバに、窒素パージされた雰囲気を介して該ガラス基板を投入する工程と、
前記チャンバ内を真空引きすることなく、該窒素導入口から窒素ガスを導入するとともに、該窒素排出口の排出量を制御することにより、該チャンバ内のガスの９０％以上が窒素で占められ、かつ、該チャンバ内を大気圧より１０％程度高めの圧力とした状態で、レーザ光を外部から該ウィンドウを通して該半導体薄膜に照射してその結晶化を行なう工程と、
前記チャンバから窒素パージされた雰囲気を介して前記ガラス基板を搬出する工程とを有し、
その際、
前記チャンバ内の真空引きを排除することにより、処理時間を短縮化するとともに、該チャンバに真空を保つための剛性が不要となり、且つチャンバ内のゴミ等の異物の舞い上がりを防止し、
前記チャンバ内を大気圧より高い圧力とすることで該半導体薄膜を構成するシリコンの飛散を抑えてウィンドウの汚染を抑制するとともに、
前記チャンバ内のガスの９０％以上が窒素で占められるようにすることにより該半導体薄膜の表面の酸化を抑制することを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
ガラス基板に非晶質シリコンからなる半導体薄膜を形成する成膜工程と、該半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する加工工程と、該加工工程の前又は中間で該半導体薄膜にレーザ光を照射して該非晶質シリコンを結晶化する加熱処理を行なう照射工程とを含む薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記照射工程は、
チャンバを設けずに、該ガラス基板にシャワーノズルを使って局所的に窒素ガスを連続的に吹き付けることにより、９０％以上の濃度の窒素雰囲気を局部的に作り出した状態で、該半導体薄膜にレーザ光を照射してその結晶化を行なう工程であって、
その際、９０％以上の濃度の窒素雰囲気を局部的に作り出すことにより、該半導体薄膜の表面の酸化を抑制することを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。