JP4050902B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱処理装置及び該熱処理装置を用いた半導体装置の作製方法に関する。特に本発明は、ランプなど光源からの輻射により被処理物を加熱する熱処理装置に関し、該熱処理装置を用いた半導体装置の作製方法は結晶構造を有する半導体膜を用いる半導体装置に適用される。
【0002】
【従来の技術】
半導体に添加した不純物の活性化や、半導体と電極とのコンタクト形成に熱処理は必須の工程となっている。中でもホットウオール型の横型又は縦型のファーネスアニール炉は代表的な熱処理装置として知られている。
【0003】
しかしながら、半導体を用いて作製されるモノシリック型の集積回路は、その微細化に伴って極めて精密な加工精度の要求がますます高まっている。特に、浅い接合の形成には不純物の拡散を最低限にとどめる熱処理技術が必要であり、ファーネスアニール炉のように加熱及び冷却にかなりの時間を必要とする方法は必ずしも適切ではないと考えられている。
【0004】
これに対し急速加熱及び急速冷却を行う熱処理技術として、瞬間熱アニール(Rapid Thermal Anneal:以下、RTAと記す)が開発されており、数十秒から数マイクロ秒の間に瞬間的に熱を加えて行う方法が開発されている。RTAは主に赤外線ランプを用いて基板を急速に加熱し、短時間で熱処理を行う方法として知られている。
【0005】
ところで、集積回路はシリコンウエハーなどの半導体基板を用いて作製されるものばかりでなく、ガラスや石英などの基板上に形成した薄膜トランジスタ(以下、TFTという)を用いる方法も開発されている。TFTはその構造や作製方法に違いはあるものの、いずれにしてもチャネルを形成する活性層を非晶質半導体膜で形成するより、結晶構造を有する半導体膜(以下、結晶質半導体膜と記す)で形成する方が良好な電気的特性を得ることができる。
【0006】
石英基板を用いれば900℃の熱処理にも耐えることができ、半導体基板を前提とした製造技術を応用することが可能である。一方、液晶表示装置のように基板のサイズが大型化する場合には、コストの低減のために安価なガラス基板を用いることが前提条件となる。液晶表示装置などの電子機器向けに市販または量産されているガラス基板は、含有するアルカリ元素の濃度を低減したアルミノホウケイ酸ガラスやバリウムホウケイ酸ガラスなどが用いられているが、このようなガラス基板の耐熱温度はせいぜい650℃程度であるので、必然的に熱処理温度の上限がその近辺で決定されてしまう。
【0007】
例えば非晶質シリコン膜は、結晶化には600℃以上で数時間から数十時間の熱処理温度が要求される。結晶化をより短時間で行うためにはより高温にする必要がある。しかし、歪み点を超える熱処理温度の高温化は、ガラス基板の不可逆的な変形を招き実用的な方法とはならない。そのために採用されるレーザーアニール法は、光学系により集光した高エネルギー密度のレーザー光を照射して結晶化するものである。代表的にはパルス発振するエキシマレーザーが用いられ、レーザー光の照射時間は数十ナノ秒でありながら、半導体膜は溶融し液相状態を経て結晶化している。
【0008】
勿論、RTA法でも非晶質半導体膜の結晶化が試みられているが、レーザーアニール法よりは長い加熱時間を要する。また、加熱温度からみても、RTA法による結晶化は固相成長であるので、レーザーアニール法と比較して、良質な結晶を得ることができないばかりか、基板の温度もかなり上昇するので耐熱性のある石英基板を使う必要がある。ガラス基板では、結晶化のために照射するランプ光の数十秒の加熱で基板の温度が上昇し、歪みや変形が生じてしまうことが確認されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
半導体膜の熱処理による結晶化や、添加した不純物の活性化は、その条件に最適な温度範囲があるにしても、より高温で加熱するほど反応は早く進行し、熱処理は短時間で済む。RTA法を用いたとしても、耐熱性の低いガラス基板を用いる場合には、その耐熱温度以上にガラス基板が加熱されるような処理条件を適用することができないので、処理温度を低くする代わりに処理時間を長くする必要が生じる。しかしながら、RTAは枚葉式の処理を前提としているので、熱処理時間の増加はスループットの低下を招いてしまう。
【0010】
RTA法は短時間で高温まで加熱することが可能であり、枚葉式であってもファーネスアニール法に比べ潜在的に高い処理能力を有している。しかし、従来のRTA法では加熱時間を短くする代わりに加熱温度を高くする必要があり、活性化やゲッタリング処理における所望の効果を得るにはガラスの歪み点、さらには軟化点以上に加熱する必要がある。例えば、ゲッタリング処理をするために800℃にて60秒の熱処理をしただけで、ガラス基板は自重により湾曲し変形してしまう。
【0011】
もっとも、バッチ処理のファーネスアニール炉を用いる手段も考慮されるが、被処理基板が大型化すると装置も大型化し、設置面積の増大のみでなく、大容量の炉内を均一に加熱するために消費電力が増大してしまうことが問題となる。
【0012】
本発明は、上記問題点を解決することを目的とし、ガラスなど耐熱性の低い基板を用いた半導体装置の製造工程において、基板を変形させることなく、短時間の熱処理で半導体膜に添加した不純物元素の活性化や、半導体膜のゲッタリング処理をする方法と、そのような熱処理を可能とする熱処理装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するための本発明の熱処理装置の構成は、反応管と、反応管内に設置される被処理体を加熱または冷却する気体を導入する手段と、反応管内に設置される被処理体を加熱するための光源と、当該光源をパルス状に点滅させる手段とを備えている。また、他の構成は、反応管と、反応管内に設置される被処理体を加熱された、或いは、室温又はそれ以下の温度に冷却された気体を導入する手段と、反応管内に設置される被処理体を加熱するための光源と、当該光源をパルス状に点滅させる手段とを備えている。このような構成に加え、反応管内を減圧にする排気手段が備えられていても良い。
【0014】
また、光源による被処理体の加熱は、周期1秒以下でパルス状に点滅して被処理体を加熱する第1の手段と、周期1秒以上でパルス状に点滅して被処理体を加熱する第2の手段とを備えている。これは、光源を共通なものとするものの、その光源を点灯させる電源回路の構成を変えることにより行う。
【0015】
光源にはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、キセノンランプなどが採用されるが、いずれにしても放射光として被処理体が吸収する波長帯を含むものを用いる。例えば、シリコン膜であれば0.5〜1.5μmの波長帯の光を放射するハロゲンランプやメタルハライドランプなどが適している。
【0016】
また、反応管内に導入する気体は窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性気体を用い被処理体と反応することを防ぐ。
【0017】
また、このような構成の熱処理装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法は、前記反応管内に加熱された気体を供給し、前記反応管の外側に備えられた光源をパルス状に点滅して、前記反応管内に置かれた被処理体を加熱することを特徴としている。また、加熱を終了した後には、反応管内に室温又はそれ以下に冷却された気体を供給し前記被処理体を冷却することによりスループットを向上させることもできる。また、反応管内を減圧に保持して同様の作製方法を適用することもできる。尚、本発明において半導体装置とは半導体特性を利用して機能しうる装置全般を指していう。
【0018】
被処理体の加熱処理の方法は、加熱した不活性気体をもって被処理体を加熱するに加え、光源を周期1秒以下でパルス状に点滅して被処理体を加熱する第1の段階と、前記光源を周期1秒以上でパルス状に点滅して被処理体を加熱する第2の段階により行う方法も採用される。この第1の段階は所定の温度まで被処理体を予熱するために行い、第2の加熱処理は結晶化、活性化、ゲッタリングなど所望の熱処理を行うためのものである。
【0019】
被処理体としては、ガラスまたは石英などの基板上に形成された半導体膜などであり、半導体膜には一導電型の不純物が添加された不純物領域が形成されていても良い。また、ゲート絶縁膜、ゲート電極などが形成されていても良い。
【0020】
本発明の熱処理装置を用いた加熱処理は図6で示すように、大別して予備加熱、加熱処理、冷却処理の三つの段階に分けられる。予備加熱では加熱手段により加熱された不活性気体により被処理体を加熱する。加熱温度は300〜500℃程度とし、その温度を保った状態で光源をパルス状に点灯し、加熱処理を行う。光源の1回当たりの発光時間は0.1〜60秒、好ましくは0.1〜20秒であり、当該光源からの光を複数回照射する。または、半導体膜の最高温度の保持時間が0.5〜5秒であるように光源からの光をパルス状に照射する。その後、冷却処理では、冷却手段を介して供給される室温または室温以下の温度に冷却された不活性気体により200℃以下にまで被処理体を冷却する。
【0021】
予備加熱は、加熱された不活性気体のみでなく、図7に示すように光源を1秒以下の周期で点滅させ、そのパルス光を複数回照射することによって行っても良い。点滅にはパルスフォーミングネットワーク回路を用い、パルス状の大電流を光源に効率良く供給する。勿論、このようなパルス光による加熱と、加熱された不活性気体による加熱を組み合わせて予備加熱を行っても良い。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明の熱処理装置の構成を図1により説明する。図1に示す熱処理装置は、基板を移動させる搬送手段108を備えた搬送室101の周りに、ロード室102、アンロード室103、予備加熱室104、熱処理室105、レーザー処理室106を備えた構成となっている。これらの部屋は、排気手段111により減圧に保持することが可能となっている。また、ゲート107a〜107eを介して搬送室101と連結されている。
【0023】
熱処理室105には光源118が備えられ、電源ユニット119により点灯させる。また、この熱処理室105内を減圧にする排気手段111としてターボ分子ポンプ109とドライポンプ110が備えられている。勿論、排気手段111には、その他の真空ポンプを用いることが可能である。
【0024】
熱処理室105内に導入する気体は窒素やヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの不活性気体を用いる。いずれにしても光源118の輻射熱に対し吸収率の小さい媒質であることが望ましい。この気体はシリンダー116bから供給されるが、このような気体を供給する手段として、熱処理室105に導入する前に気体の加熱手段112b及び冷却手段113bが設けられている。これは熱処理室105に設置される被処理体の加熱又は冷却をするためのものであり、気体はこのいずれか一方の経路により熱処理室105に導入される。熱処理室105に供給した気体は、サーキュレータ115bにより循環させて基板を冷却する。この場合、気体の純度を維持するために精製器114bを途中に設けておくことが望ましい。精製器114bはゲッター材を用いても良いし、液体窒素によるコールドトラップを用いても良い。
【0025】
光源118はその電源ユニット119によりパルス状に点灯させる。光源118の点灯及び消灯と、熱処理室105に流す気体の流量は連動して変化させている。被処理体は光源118の点灯により急速に加熱される。昇温期間は100〜200℃/秒という昇温速度で設定温度(例えば1150℃)まで加熱する。設定温度は、被処理基板近傍に置かれた温度検出手段により検知される温度である。温度検知手段としてはサーモパイルや熱電対などを用いる。
【0026】
例えば、150℃/秒の昇温速度で加熱すれば、1100℃まで7秒弱で加熱できる。その後、ある一定時間設定温度に保持し、光源の点灯を遮断する。保持時間は0.5〜5秒とする。従って、光源の連続点灯時間は0.1秒以上であり、90秒を超えることはない。
【0027】
光源にはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、キセノンランプなどを用いることができる。光源118の点灯は、周期1秒以下でパルス状に点滅して被処理体を加熱する第1の段階と、周期1秒以上でパルス状に点滅して被処理体を加熱する第2の段階とに分けて行われる。第1の段階は被処理体を予備加熱するために行い、200〜400℃程度までの加熱を行う。第2の段階は、熱処理を目的とした加熱であり、光源118の点灯時間を長くして所望の温度まで基板を加熱する。
【0028】
光源118のパルス状の点灯は、被処理体の所定の領域を選択的に加熱するために行っている。例えば、被処理体としてガラス基板上の半導体膜がある場合、赤外領域に強いスペクトル分布を持つハロゲンランプを用いれば、ガラス基板を変形させることなく実質的に半導体膜を600℃以上に加熱することができる。
【0029】
周期1秒以下でパルス状に点滅して被処理体を加熱する第1の段階のように、短い周期でパルス状の放電を可能とする回路の一例は図8に示されている。図8(A)の回路はパルスフォーミングネットワーク(Pulse Forming Network)回路であり、L1、C1、Rによる臨界制動放電に、L2、C2、Rによる3倍の周期の減衰振動を加えることでパルス波形を方形波としている。このような放電回路によりパルス幅10ナノ秒〜100ミリ秒で、10MA程度の出力が可能となる。放電の持続時間はLとCの値や接続段数により可変可能である。その出力は図8(B)に示すように光源H1〜Hnに供給される。一方、周期1秒以上でパルス状に点滅して被処理体を加熱する第2の段階は、バッテリーを用やフライホイール発電機などにより行う。
【0030】
熱処理は、排気手段111により13.3Pa以下の減圧下に保持された熱処理室105内に被処理体を設置し、第1の段階として加熱手段112bにより加熱された気体を導入し、13.3〜1.33×104Paに保つ。導入された気体により被処理体は200〜400℃程度まで加熱される。この気体は精製器114b、循環器115b、加熱手段112bの経路により循環させても良い。この第1の段階として光源118を周期1秒以下の短い間隔で点滅させる加熱を加えても良い。その後、第2の段階として光源118より1〜60秒の点灯時間のパルス光を複数回照射する熱処理を行う。所定の熱処理が終わった後、気体の流入経路を変更し、冷却手段113bを介して導入する。これは、被処理体を冷却するために行うものであり、冷却される気体の温度は室温〜液体窒素温度程度までとする。
【0031】
このように、本発明の熱処理装置は、被処理体の加熱と冷却にかかる時間を短縮するために室温以上の温度に加熱、又は室温からそれ以下の温度に冷却した気体を用いることを特徴としている。また減圧下にて行うことにより断熱性を高め熱効率を向上させている。実際の加熱時間を短くし、かつ、半導体膜に選択的に吸収される光を光源から照射することにより、基板自体はそれ程加熱することなく、半導体膜のみを選択的に加熱することが可能となる。
【0032】
予備加熱室104は被処理体の加熱及び冷却をより積極的に行うものであり、シリンダー116aから供給される不活性気体を加熱手段112a又は冷却手段113aにより加熱又は冷却し、被処理体に吹き付ける構成となっている。予備加熱室104は同様に排気手段111により減圧に保持され、導入された気体は精製器114a、循環器115aにより循環させることも可能である。
【0033】
また、付属するレーザー処理室106はレーザー光により被処理体の熱処理を行う処理室であり、レーザー発振器121及びレーザー光を被処理体に所定のエネルギー密度で照射するための光学系122などが備えられている。
【0034】
図2は熱処理室105の詳細を説明する図である。熱処理室105には石英で形成された反応管160があり、その外側に光源118が設けられている。反応管160内に被処理体が設置されるが、温度分布を均一なものとするために被処理基板はピン上に乗せられる。減圧手段111は、好ましくはターボ分子ポンプ109とドライポンプ110とから成り、反応管内の気体を排気し減圧に保持するために用いる。光源118により加熱される温度の測定は、熱電対を用いた温度検出手段124により行う。反応管160内にはサーモパイルなどのセンサー125が設けられ、間接的に被処理体の加熱温度をモニターしている。
【0035】
減圧下での熱処理においても、光源からの輻射が被処理体に吸収される波長帯を用いることにより、効率良く加熱することが可能である。減圧下での熱処理は酸素濃度が低減され、被処理体の酸化を抑制することができる。
【0036】
光源118は電源ユニット119により点灯と消灯の動作をする。コンピュータ120はこの電源ユニット119と、気体の加熱手段112b及び冷却手段113b、精製器114b、循環器115bの動作を集中して制御している。
【0037】
反応管160は二重構造になっており、内管161の内側に被処理体が設置されている。加熱手段112b又は冷却手段113bを介して供給される不活性気体は反応管(外管)160と内管161との間に供給され、内管161に設けられた細孔から内管161の内側に供給されるようになっている。
【0038】
図3は熱処理室105における他の構成例であり、反応管160内に供給する不活性気体を加熱及び冷却する手段としてラジエター162を用い、反応管160に直結した構成を示している。ラジエター162は熱交換器126に接続し加熱又は冷却を行う。その他の構成は図2と同様なものとする。
【0039】
図4は予備加熱室104の構成を示し、シリンダー116aから加熱手段112a又は冷却手段113aを介して供給される不活性気体は多孔質材107を通して予備加熱室104内に供給される。細孔を多数設けたシャワー板などを用いても良いが、基板100により均一に不活性気体を吹き付けるにはセラミックなどで形成される多孔質材を用いて行うことが望ましい。その他排気手段111などの構成は図1の説明に従うものとする。
【0040】
本発明の熱処理装置に適した不活性気体の加熱手段及び冷却手段の構成の一例を図5に示す。図5(A)は加熱手段の一例を示し、気体を通過させるシリンダー150の内側に高純度のチタンやタングステンで形成されたフィン152が設けられている。シリンダー150は透光性の石英などで形成され、その外側に設けられた光源150の輻射によりフィン152を加熱する。気体はフィン152に接触して加熱されるが、熱源をシリンダー150の外部に設けることにより汚染が防止され、通過させる気体の純度を維持することができる。
【0041】
図5(B)は冷却手段の一例を示し、気体を通過させるシリンダー153内に高純度のチタンやタングステンで形成されたフィン154が設けられ、ヒートパイプにより熱交換器155と接続している。気体はフィン154に接触して冷却される。
【0042】
以上、本発明を用いることにより、ガラス等の耐熱性の低い基板を用いた場合においても、短時間の熱処理で半導体膜に添加した不純物元素の活性化や、半導体膜のゲッタリング処理をする方法及びそのような熱処理を可能とすることができる。そしてこのような熱処理は半導体装置の製造工程に組み入れることができる。本実施例において示す熱処理装置の構成は一例であり、ここで示す構成に限定されるものではない。本発明の熱処理装置は、被処理基板を冷却する手段と、パルス状に光源からの光を照射して半導体膜を加熱させる構成に特徴があり、このような構成が満足されれば、その他の構成は特に限定されるものではない。
【0043】
勿論、本発明の熱処装置はTFTのみならず半導体基板を用いた集積回路の熱処理工程に用いることができる。
【0044】
【実施例】
[実施例1]
本発明の熱処理装置を用いて、非晶質半導体膜を結晶化させる実施例を図9により説明する。
【0045】
図9において、基板201はアルミノホウケイ酸ガラスまたはバリウムホウケイ酸ガラスなどによる透光性の基板である。厚さは0.3〜1.1mmのものを用いる。この基板201上に非晶質シリコン膜203をプラズマCVD法で形成する。また、基板201から非晶質シリコン膜203に熱処理などにより不純物元素が混入しないようにブロッキング層202を形成する。通常はシリコンを成分とする絶縁膜を用いて形成するが、本実施例では、SiH4、N2O、NH3からプラズマCVD法で作製される第1酸化窒化シリコン膜を50nm、SiH4、N2OからプラズマCVD法で作製される第2酸化窒化シリコン膜を100nmの厚さに形成し、これらを積層させてブロッキング層202としている。
【0046】
非晶質シリコン膜203上には、シリコンの結晶化に必要な加熱温度を低温化することが可能な金属元素を添加する。このような触媒作用のある金属元素としては鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)などであり、これらから選ばれた一種または複数種を用いることができる。
【0047】
重量換算で0.1〜100ppm、好ましくは1〜5ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピナーで塗布してニッケル含有層204を形成する。この場合、当該溶液の馴染みをよくするために、非晶質シリコン膜203の表面処理として、オゾン含有水溶液で極薄い酸化膜を形成し、その酸化膜をフッ酸と過酸化水素水の混合液でエッチングして清浄な表面を形成した後、再度オゾン含有水溶液で処理して極薄い酸化膜を形成しておくと良い。シリコンの表面は本来疎水性なので、このように酸化膜を形成しておくことにより酢酸ニッケル塩溶液を均一に塗布することができる。
【0048】
このような形態の被処理体をあらかじめ13.3Pa以下の減圧に保持された反応管206の中に設置する。そして加熱手段により250℃に加熱された不活性気体を導入して予備加熱を行う。予備加熱の時間は任意なものとするが、一例として5分間のその状態で保持する。或いは、他に設けられた予備加熱室であらかじめ加熱されている場合には、1分間の予備加熱とすることもできる。
【0049】
その後、点灯時間を40秒とし、その点灯間隔を30秒として光源を点滅させ、そのようなパルス光による照射を複数回(代表的には2〜10回)繰り返すことにより加熱処理を行う。このパルス光により瞬間的に加熱される半導体膜の温度は直接的に測定されないが、熱電対を用いた温度センサーの測定値として1250℃となるように輻射強度を調節する。この加熱処理により非晶質シリコン膜を結晶化させることができる。その後、不活性気体の導入経路を切り換え、冷却手段により室温またはそれ以下の温度に冷却した不活性気体により冷却を行う。
【0050】
また、プラズマCVD法で作製された非晶質シリコン膜は膜中に水素が10〜30原子%程度残留しており、この水素を加熱により脱離させてから結晶化を行うことが通常行われる。そのための熱処理として、点灯時間0.1秒程度のパルス光を複数回照射して半導体膜を500℃程度まで加熱し、脱水素処理を行っても良い。この脱水素処理は減圧下で行うことによりより促進させることができる。
【0051】
こうして、実質的には数秒十秒〜数分の加熱時間で非晶質シリコン膜を結晶化することができ、歪み点が660℃のガラス基板を用いても、基板を歪ませること無く結晶化を行うことができる。
【0052】
[実施例2]
このようにして作製される結晶質半導体膜を用いてTFTを作製する方法を図10を用いて説明する。
【0053】
まず、図10(A)において、アルミノホウケイ酸ガラスまたはバリウムホウケイ酸ガラスなどによる透光性の基板301上に島状に分離された結晶質半導体膜303、304を形成する。また、基板301と半導体膜との間には、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコンから選ばれた一つまたは複数種を組み合わせた第1絶縁膜302を50〜200nmの厚さで形成する。
【0054】
第1絶縁膜302の一例として、プラズマCVD法でSiH4とN2Oを用い酸化窒化シリコン膜を50〜200nmの厚さに形成する。その他の形態として、プラズマCVD法でSiH4とNH3とN2Oから作製される酸化窒化シリコン膜を50nm、SiH4とN2Oから作製される酸化窒化シリコン膜を100nm積層させた2層構造や、或いは、窒化シリコン膜とTEOS(Tetraethyl Ortho Silicate)を用いて作製される酸化シリコン膜を積層させた2層構造としても良い。
【0055】
そして、第2絶縁膜305を80nmの厚さで形成する。第2絶縁膜305はゲート絶縁膜として利用するものであり、プラズマCVD法またはスパッタ法を用いて形成する。第2絶縁膜305として、SiH4とN2OにO2を添加させて作製する酸化窒化シリコン膜は膜中の固定電荷密度を低減させることが可能となり、ゲート絶縁膜として好ましい材料である。勿論、ゲート絶縁膜はこのような酸化窒化シリコン膜に限定されるものでなく、酸化シリコン膜や酸化タンタル膜などの絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0056】
その後、図10(B)に示すように、第2絶縁膜305上にゲート電極を形成するための第1導電膜と第2導電膜とを形成する。第1導電膜は窒化タンタルであり、第2導電膜はタングステンを用いて形成する。この導電膜はゲート電極を形成する為のものであり、それぞれの厚さは30nm及び300nmとする。
【0057】
その後、光露光工程により、ゲート電極を形成するためのレジストパターン308を形成する。このレジストパターンを用いて第1のエッチング処理を行う。エッチング方法に限定はないが、好適にはICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いる。タングステン及び窒化タンタルのエッチング用ガスとしてCF4とCl2を用い、0.5〜2Pa、好ましくは1Paの圧力でコイル型の電極に500WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを生成して行う。この時、基板側(試料ステージ)にも100WのRF(13.56MHz)電力を投入して、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。CF4とCl2を混合した場合にはタングステン、窒化タンタルをそれぞれ同程度の速度でエッチングすることができる。
【0058】
上記エッチング条件では、レジストによるマスクの形状と、基板側に印加するバイアス電圧の効果により端部をテーパー形状とすることができる。テーパー部の角度は15〜45度となるようにする。また、ゲート絶縁膜上に残渣を残すことなくエッチングするためには、10〜20%程度の割合でエッチング時間を増加させると良い。W膜に対する酸化窒化シリコン膜の選択比は2〜4(代表的には3)であるので、オーバーエッチング処理により第2の絶縁層が露出した面は20〜40nm程度エッチングされる。こうして、第1のエッチング処理により窒化タンタルとタングステンから成る第1形状電極306、307を形成することができる。
【0059】
そして、第1のドーピング処理を行いn型の不純物(ドナー)を半導体膜にドーピングする。その方法に限定はないが、好ましくは、イオンドープ法またはイオン注入法で行う。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1013〜5×1014/cm2として行う。n型を付与する不純物元素として15族に属する元素、典型的にはリン(P)または砒素(As)を用いる。この場合、第1形状電極306、307はドーピングする元素に対してマスクとなり、加速電圧を適宣調節(例えば、20〜60keV)して、第2絶縁膜を通過した不純物元素により第1不純物領域309、310を形成する。第1の不純物領域309、310おけるリン(P)濃度は1×1020〜1×1021/cm3の範囲となるようにする。
【0060】
続いて、図10(C)に示すように第2のエッチング処理を行う。エッチングはICPエッチング法を用い、エッチングガスにCF4とCl2とO2を混合して、1Paの圧力でコイル型の電極に500WのRF電力(13.56MHz)を供給してプラズマを生成する。基板側(試料ステージ)には50WのRF(13.56MHz)電力を投入し、第1のエッチング処理に比べ低い自己バイアス電圧を印加する。このような条件によりタングステン膜を異方性エッチングし、第1の導電層である窒化タンタル膜を残存させるようにする。こうして、第1のエッチング処理により窒化タンタルとタングステンから成る第2形状電極311、312を形成する。第2絶縁膜はこのエッチング処理により窒化タンタルで覆われていない部分が10〜30nm程度エッチングされ薄くなる。
【0061】
第2のドーピング処理におけるドーズ量は第1のドーピング処理よりも少なくし、かつ高加速電圧の条件でn型不純物(ドナー)をドーピングする。例えば、加速電圧を70〜120keVとし、1×1013/cm2のドーズ量で行い、第1の不純物領域の内側に第2の不純物領域を形成する。ドーピングは露出した窒化タンタルを通過させ、その下側の半導体膜に不純物元素を添加する。こうして、窒化タンタルと重なる第2不純物領域313、314を形成する。この不純物領域は、窒化タンタルの膜厚によって変化するが、そのピーク濃度は1×1017〜1×1019/cm3の範囲で変化する。この領域のn型不純物の深さ分布は一様ではなくある分布をもって形成される。
【0062】
そして図10(D)に示すようにレジストによるマスク315を形成し、半導体膜303、304にp型不純物(アクセプタ)をドーピングする。典型的にはボロン(B)を用いる。第1のp型不純物添加領域316、317の不純物濃度は2×1020〜2×1021/cm3となるようにし、含有するリン濃度の1.5〜3倍のボロンを添加して導電型をp型になっている。
【0063】
その後、図11に示すように、添加した不純物を活性化する熱処理を行う。この熱処理は実施形態において説明する熱処理装置を用い、減圧状態に保持された反応管内に被処理体を導入し、パルス光の照射により活性化を行う。パルス光はタングステンハロゲンランプ319を光源として基板の片面または両面から照射する。減圧下とし酸素濃度を10ppm以下に低減した状態で行う加熱処理は、この段階で露出しているゲート電極の表面を酸化させることなく行うことができる。
【0064】
この熱処理によって、不純物が活性化すると共に、第2形状の電極と重なる半導体膜の領域、即ちチャネル形成領域から結晶化に用いた触媒元素を燐とボロンが添加された不純物領域にゲッタリングすることができる。ここでは、ボロンが添加された領域にはイオンドーピング時に同時に水素が取り込まれ、その水素がこの加熱処理により再放出することにより一時的にダングリングボンドが多量に生成され、それがゲッタリングサイトとして作用するものと考えられる。
【0065】
その後、図12に示すように酸化窒化シリコン膜または窒化シリコン膜から成る保護絶縁膜318をプラズマCVD法で50nmの厚さに形成する。クリーンオーブンを用いる410℃の加熱処理はこの保護絶縁膜318からの水素放出をもたらし、半導体膜の水素化を行い欠陥を補償することができる。
【0066】
層間絶縁膜321は、ポリイミドまたはアクリルなどの有機絶縁物材料で形成し表面を平坦化する。勿論、プラズマCVD法でTEOSを用いて形成される酸化シリコンを適用しても良い。
【0067】
次いで、層間絶縁膜321の表面から各半導体膜の不純物領域に達するコンタクトホールを形成し、Al、Ti、Taなどを用いて配線を形成する。図10(D)において322〜323はソース線またはドレイン電極となる。こうしてnチャネル型TFTとpチャネル型TFTを形成することができる。ここではそれぞれのTFTを単体として示しているが、これらのTFTを使ってCMOS回路やNMOS回路、PMOS回路を形成することができる。
【0068】
[実施例3]
図13(A)は、実施例2の工程により、同一基板上にpチャネル型TFT403、nチャネル型TFT404から成る駆動回路401と、nチャネル型TFT405から成る画素部402が形成された構成を示している。nチャネル型TFT405はマルチゲート構造を有しているが、作製工程は同様にして行われる。また、画素部402には半導体膜414、第2絶縁膜、ゲート電極と同じ工程で作られる容量電極409からなる保持容量406が形成されている。412は画素電極であり、410はデータ線408と半導体膜413の不純物領域とを接続する接続電極である。また、411はゲート線であり、図中には示されていないが、ゲート電極として機能する第3形状電極407と接続している。この第3形状電極407は、第2形状電極の窒化タンタルをエッチングすることにより形成されるものである。
【0069】
駆動回路401のpチャネル型TFT403、nチャネル型TFT404を用いてシフトレジスタ、レベルシフタ、ラッチ、バッファ回路など様々な機能回路を形成することができる。図13(A)で示すA−A'間の断面構造は、図14で示す画素の上面図において示すA−A'線に対応している。また、図13(B)で示すB−B'間の断面構造は、図14で示す画素の上面図において示すB−B'線に対応している。
【0070】
このような基板から液晶表示装置や、発光素子で画素部を形成する発光装置を形成することができる。図15はTFTによって駆動回路と画素部が形成されている基板の外観図である。基板501上には画素部506、駆動回路504、505が形成されている。また、基板の一方の端部には入力端子502が形成され、各駆動回路に接続する配線503が引き回されている。
【0071】
液晶表示装置を作製するには対向基板をシール材を用い間隙をもって貼り合わせ、その間隙に液晶を注入する。また、発光装置は有機発光素子を画素部に形成する。このように、本実施例によれば各種の半導体装置を作製することができる。
【0072】
[実施例4]
実施例1において示すように、非晶質半導体膜の全面に触媒作用のある金属元素を全面に添加して結晶化する方法は、本発明の熱処理装置を用いて行うことが可能であるが、より好ましくはその後金属元素をゲッタリングして除去することが望ましい。
【0073】
図16はその一実施形態を説明する図であり、非晶質半導体膜の全面に触媒作用のある金属元素を全面に添加して結晶化した後、ゲッタリングを行う方法である。図16(A)において、基板601はバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラス、或いは石英などを用いることができる。基板601の表面には、ブロッキング層602として無機絶縁膜を10〜200nmの厚さで形成する。ブロッキング層602はガラス基板に含まれるアルカリ金属がこの上層に形成する半導体膜中に拡散しないために設けるものであり、石英を基板とする場合には省略することも可能である。
【0074】
ブロッキング層602の上に形成する非晶質構造を有する半導体膜603は、シリコンを主成分とする半導体材料を用いる。代表的には、非晶質シリコン膜又は非晶質シリコンゲルマニウム膜などが適用され、プラズマCVD法や減圧CVD法、或いはスパッタ法で10〜100nmの厚さに形成する。良質な結晶を得るためには、非晶質構造を有する半導体膜603に含まれる酸素、窒素、炭素などの不純物濃度を極力低減する必要があり、高純度の材料ガスを用いることはもとより、超高真空対応のCVD装置を用いることが望ましい。
【0075】
その後、非晶質構造を有する半導体膜603の表面に、結晶化を促進する触媒作用のある金属元素を添加する。重量換算で1〜10ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピナーで塗布して触媒含有層604を形成する。この場合、当該溶液の馴染みをよくするために、非晶質構造を有する半導体膜603の表面処理として、オゾン含有水溶液で極薄い酸化膜を形成し、その酸化膜をフッ酸と過酸化水素水の混合液でエッチングして清浄な表面を形成した後、再度オゾン含有水溶液で処理して極薄い酸化膜を形成しておく。シリコンなど半導体膜の表面は本来疎水性なので、このように酸化膜を形成しておくことにより酢酸ニッケル塩溶液を均一に塗布することができる。
【0076】
勿論、触媒含有層604はこのような方法に限定されず、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理などにより形成しても良い。
【0077】
その後、実施例1と同様にして本発明の熱処理装置を用い、13.3〜1.33×104Paの減圧下にてパルス光の照射により図16(B)に示す結晶質半導体膜605を形成することができる。
【0078】
さらに結晶化率(膜の全体積における結晶成分の割合)を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するためには、結晶質半導体膜605に対してレーザー光を照射することも有効である。レーザーには波長400nm以下のエキシマレーザー光や、YAGレーザーの第2高調波、第3高調波を用いる。いずれにしても、繰り返し周波数10〜1000Hz程度のパルスレーザー光を用い、当該レーザー光を光学系にて100〜400mJ/cm2に集光し、90〜95%のオーバーラップ率をもって結晶質半導体膜605に対するレーザー処理を行っても良い。
【0079】
こうして得られる結晶質半導体膜605には、金属元素(ここではニッケル)が残存している。それは膜中において一様に分布していないにしろ、平均的な濃度とすれば、1×1019/cm3を越える濃度で残存している。勿論、このような状態でもTFTをはじめ各種半導体素子を形成することが可能であるが、より好ましくはゲッタリングにより当該元素を除去することが望ましい。
【0080】
図16(B)はゲッタリングサイト608を形成するために、イオンドープ法で希ガス元素、或いは希ガス元素と一導電型の不純物元素を結晶質半導体膜605に添加する工程を示している。結晶質半導体膜605の表面には、マスク用の酸化シリコン膜606が100〜200nmの厚さに形成され、開孔部607が設けられ結晶質半導体膜が露出した領域に希ガス元素、或いは希ガス元素と一導電型の不純物元素を添加する。希ガス元素の結晶質半導体膜中における濃度は1×1019〜1×1021/cm3とする。
【0081】
このドーピングは、水素で1〜10%、好ましくは3〜5%に希釈したフォスフィン(PH3)またはジボラン(B2H6)を添加した後に希ガス元素を添加する。または、希ガスで1〜10%、好ましくは3〜5%に希釈したPH3またはB2H6を添加する。しかし、より好ましくは、希ガス元素のみをイオンドープ法で添加してゲッタリングサイトを形成する。
【0082】
希ガス元素としてはヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)から選ばれた一種または複数種を用いる。代表的にはアルゴンを用いる。本発明はゲッタリングサイトを形成するためにこれら不活性気体をイオンソースとして用い、イオンドープ法或いはイオン注入法で半導体膜に注入することに特徴を有している。これら不活性気体のイオンを注入する意味は二つある。一つは注入によりダングリングボンドを形成し半導体膜に歪みを与えることであり、他の一つは半導体膜の格子間に当該イオンを注入することで歪みを与えることである。不活性気体のイオンを注入はこの両者を同時に満たすことができるが、特に後者はアルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などシリコンより原子半径の大きな元素を用いた時に顕著に得られる。
【0083】
ゲッタリングは窒素雰囲気中で450〜800℃、1〜24時間、例えば550℃にて14時間の熱処理を行うと、ゲッタリングサイト608に金属元素を偏析させることができる。或いは、実施例1と同様にして本発明の熱処理装置を用い、13.3〜1.33×104Paの減圧下にてパルス光の照射により行うこともできる。その場合、ゲッタリングを効果的に成し遂げる為には、パルス光により加熱される半導体膜の温度は格子を緩和して歪みを除去しない程度の温度とする。
【0084】
その後、エッチングによりゲッタリングサイトを除去すると、図16(C)に示すように金属元素の濃度が低減された結晶質半導体膜609が得られる。こうして形成された結晶質シリコン膜608は棒状または針状の結晶が集合して成り、その各々の結晶は巨視的に見ればある特定の方向性をもって成長している。特に、希ガス元素のみを用いてゲッタリングサイトを形成した場合には、この結晶質半導体膜609をそのまま用いて実施例2または3で示すTFTを形成することができる。
【0085】
[実施例5]
半導体膜の結晶化を助長する元素を選択的に形成する方法を図17により説明する。図17(A)において、基板601としてガラス基板を用いる場合にはブロッキング層602を設ける。また、非晶質構造を有する半導体膜603も実施例1と同様に形成する。
【0086】
そして、非晶質構造を有する半導体膜603上に上に100〜200nmの厚さの酸化シリコン膜610を形成する。酸化シリコン膜の作製方法は限定されないが、例えば、オルトケイ酸テトラエチル(Tetraethyl Ortho Silicate:TEOS)とO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.5〜0.8W/cm2で放電させ形成する。
【0087】
次に、酸化シリコン膜610に開口部611を形成し、重量換算で1〜10ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル塩溶液を塗布する。これにより、触媒金属含有層612が形成され、それは開口部611の底部のみで半導体膜603と接触する。
【0088】
実施例1と同様にして本発明の熱処理装置を用い、1〜200Paの減圧下にてパルス光の照射により図17(B)に示す結晶質半導体膜605を形成することができる。この場合、結晶化は触媒となる金属元素が接した半導体膜の部分でシリサイドが形成され、それを核として基板の表面と平行な方向に結晶化が進行する。こうして形成された結晶質シリコン膜614は棒状または針状の結晶が集合して成り、その各々の結晶は巨視的に見ればある特定の方向性をもって成長している。
【0089】
次いで、開口部611を利用して、同様にイオンドープ法で希ガス元素のみ、或いは希ガス元素と一導電型の不純物元素を添加してゲッタリングサイト615を形成する。ゲッタリングは窒素雰囲気中で450〜800℃、1〜24時間、例えば550℃にて14時間の熱処理を行うと、ゲッタリングサイト615に金属元素を偏析させることができる。或いは、実施例1と同様にして本発明の熱処理装置を用い、13.3〜1.33×104Paの減圧下にてパルス光の照射により行うことができる。その場合にも、ゲッタリングを効果的に成し遂げる為には、パルス光により加熱される半導体膜の温度は格子を緩和して歪みを除去しない程度の温度とする。
【0090】
その後、エッチングによりゲッタリングサイトを除去すると、図17(D)に示すように金属元素の濃度が低減された結晶質半導体膜616が得られる。この結晶質半導体膜609をそのまま用いて実施例2または3で示すTFTを形成することができる。
【0091】
[実施例6]
実施例4または実施例5で示すような希ガス元素を用いたゲッタリングは、実施例2で示すTFTの製造工程において、ソース・ドレイン領域を形成するための不純物領域に希ガス元素を添加することで、同様な効果を得ることができる。即ち、当該不純物領域の抵抗率を下げるために行う活性化のための加熱処理を行うことで、チャネル形成領域に残存する金属元素の濃度を低減させることができる。
【0092】
[実施例7]
本発明を用いることにより様々な半導体装置を製造することができる。その様な半導体装置として、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型表示装置(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、オーディオコンポ等)、ノート型パーソナルコンピュータ、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などが挙げられる。それら半導体装置の具体例を図18および図19に示す。
【0093】
図18(A)はディスクトップ型パーソナルコンピュータなどのモニターであり、筐体3301、支持台3302、表示部3303などから成っている。本発明により、表示部3303やその他集積回路を形成してモニターを作製することができる。
【0094】
図18(B)はビデオカメラであり、本体3311、表示部3312、音声入力部3313、操作スイッチ3314、バッテリー3315、受像部3316等を含む。本発明により、表示部3312やその他集積回路を形成してビデオカメラを作製することができる。
【0095】
図18(C)はヘッドマウントディスプレイの一部(右片側)であり、本体3321、信号ケーブル3322、頭部固定バンド3323、投影部3324、光学系3325、表示部3326等を含む。本発明により、表示部3326やその他集積回路を形成してヘッドマウントディスプレイを作製することができる。
【0096】
図18(D)は記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDVD再生装置)であり、本体3331、記録媒体(DVD等)3332、操作スイッチ3333、表示部(a)3334、表示部(b)3335などから成っている。表示部(a)3334は主として画像情報を表示し、表示部(b)3335は主として文字情報を表示するが、本発明により、表示部(a)3334、表示部(b)3335やその他集積回路を形成し画像再生装置を作製することができる。なお、記録媒体を備えた画像再生装置には家庭用ゲーム機器なども含まれる。
【0097】
図18(E)はゴーグル型表示装置(ヘッドマウントディスプレイ)であり、本体3341、表示部3342、アーム部3343を含む。本発明により、表示部3342やその他集積回路を形成しゴーグル型表示装置を作製することができる。
【0098】
図18(F)はノート型パーソナルコンピュータであり、本体3351、筐体3352、表示部3353、キーボード3354等を含む。本発明により、表示部3353やその他集積回路を形成しノート型パーソナルコンピュータを形成することができる。
【0099】
図19(A)は携帯電話装置であり、本体3401、音声出力部3402、音声入力部3403、表示部3404、操作スイッチ3405、アンテナ3406を含む。本発明により、表示部3404やその他集積回路を形成し携帯電話装置を形成することができる。
【0100】
図19(B)は音響再生装置、具体的にはカーオーディオであり、本体3411、表示部3412、操作スイッチ3413、3414を含む。本発明により表示部3412を形成し音響再生装置を作製することができる。また、本実施例では車載用オーディオを示すが、携帯型や家庭用の音響再生装置に用いても良い。
【0101】
図19(C)はデジタルカメラであり、本体3501、表示部(A)3502、接眼部3503、操作スイッチ3504、表示部(B)3505、バッテリー3506を含む。本発明により、表示部(A)3502表示部(B)3505やその他集積回路を形成しデジタルカメラを形成することができる。
【0102】
以上の様に、本発明の適用範囲は極めて広く、様々な電子装置に適用することが可能である。また、本実施例の電子装置は実施例1〜6のどのような組み合わせからなる構成を用いても実現することができる。
【0103】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱処理装置により、短時間で非晶質半導体膜の結晶化や、半導体膜に添加した不純物元素の活性化やなどを目的とした熱処理をすることができる。
【0104】
また、光源の1回当たりの点灯時間は0.1〜60秒、好ましくは0.1〜20秒として、該光源からの光を複数回照射し、半導体基板の最高温度の保持時間を0.5〜5秒であるようにすることで、耐熱性の低いガラス基板を用いても熱処理効果を高め、半導体基板に形成された耐熱性の低い層のダメージを防ぐことができる。
【0105】
また、上記熱処理を減圧下で行うことにより、雰囲気中の酸素濃度が低減され、半導体膜の表面の酸化が抑制されて不純物の活性化を促進し、再現性の高い熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の熱処理装置の構成を説明する図。
【図2】 本発明の熱処理装置の構成を説明する図。
【図3】 本発明の熱処理装置の構成を説明する図。
【図4】 本発明の熱処理装置の構成を説明する図。
【図5】 加熱手段及び冷却手段の一例を説明する図。
【図6】 光源の点滅と半導体基板の温度変化を説明する図。
【図7】 パルス光の照射による予備加熱と加熱処理の方法を説明する図。
【図8】 ハロゲンランプなどを光源とし、該光源をパルス状に点滅させるのに適した制御回路の一例を示す図。
【図9】 本発明の熱処理装置による半導体膜の熱処理方法を説明する図。
【図10】 半導体装置の作製工程を説明する図。
【図11】 本発明の熱処理装置による半導体膜の熱処理方法を説明する図。
【図12】 半導体装置の作製工程を説明する図。
【図13】 駆動回路、画素部を同一基板上に形成した基板の構成を説明する図。
【図14】 画素部の構成を説明する図。
【図15】 表示装置の素子基板の外観を説明する図。
【図16】 本発明の結晶質半導体膜の作製方法を説明する図。
【図17】 本発明の結晶質半導体膜の作製方法を説明する図。
【図18】 半導体装置の一例を示す図。
【図19】 半導体装置の一例を示す図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat treatment apparatus and a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment apparatus. In particular, the present invention relates to a heat treatment apparatus for heating an object to be processed by radiation from a light source such as a lamp, and a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment apparatus is applied to a semiconductor device using a semiconductor film having a crystal structure.
[0002]
[Prior art]
Heat treatment is an essential process for activating impurities added to the semiconductor and forming contacts between the semiconductor and the electrode. Among them, a hot wall type horizontal or vertical furnace annealing furnace is known as a typical heat treatment apparatus.
[0003]
However, monolithic integrated circuits manufactured using semiconductors are increasingly required to have extremely precise processing accuracy along with miniaturization. In particular, the formation of shallow junctions requires a heat treatment technique that minimizes the diffusion of impurities, and a method that requires a considerable amount of time for heating and cooling, such as a furnace annealing furnace, is not considered appropriate. Yes.
[0004]
In contrast, rapid thermal annealing (hereinafter referred to as RTA) has been developed as a heat treatment technology that performs rapid heating and rapid cooling, and heat is applied instantaneously between several tens of seconds to several microseconds. Have been developed. RTA is known as a method in which a substrate is rapidly heated mainly using an infrared lamp and heat treatment is performed in a short time.
[0005]
By the way, not only the integrated circuit is manufactured using a semiconductor substrate such as a silicon wafer, but also a method using a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) formed on a substrate such as glass or quartz has been developed. Although there are differences in the structure and manufacturing method of a TFT, in any case, a semiconductor film having a crystalline structure (hereinafter referred to as a crystalline semiconductor film) rather than forming an active layer that forms a channel from an amorphous semiconductor film. It is possible to obtain better electrical characteristics by forming the layer.
[0006]
If a quartz substrate is used, it can withstand heat treatment at 900 ° C., and a manufacturing technique based on a semiconductor substrate can be applied. On the other hand, when the size of the substrate is increased as in a liquid crystal display device, it is a precondition to use an inexpensive glass substrate in order to reduce costs. Glass substrates that are commercially available or mass-produced for electronic devices such as liquid crystal display devices use aluminoborosilicate glass or barium borosilicate glass with a reduced concentration of the alkali element contained. Such glass substrates Since the heat-resistant temperature is about 650 ° C. at most, the upper limit of the heat treatment temperature is inevitably determined in the vicinity thereof.
[0007]
For example, an amorphous silicon film requires a heat treatment temperature of 600 ° C. or more for several hours to several tens of hours for crystallization. In order to perform crystallization in a shorter time, the temperature needs to be higher. However, increasing the heat treatment temperature exceeding the strain point causes irreversible deformation of the glass substrate and is not a practical method. For this purpose, the laser annealing method employed is to crystallize by irradiating a laser beam with high energy density collected by an optical system. Typically, a pulsed excimer laser is used, and while the irradiation time of the laser beam is several tens of nanoseconds, the semiconductor film is melted and crystallized through a liquid phase state.
[0008]
Of course, crystallization of an amorphous semiconductor film is also attempted by the RTA method, but it takes a longer heating time than the laser annealing method. From the viewpoint of heating temperature, since crystallization by the RTA method is solid phase growth, not only high quality crystals can be obtained, but also the temperature of the substrate is considerably increased compared to the laser annealing method. It is necessary to use a quartz substrate with In a glass substrate, it has been confirmed that heating of the lamp light irradiated for crystallization for several tens of seconds raises the temperature of the substrate and causes distortion and deformation.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Crystallization by heat treatment of the semiconductor film and activation of the added impurity, even if there is an optimum temperature range for the conditions, the reaction proceeds faster as the temperature is higher, and the heat treatment is shorter. Even when the RTA method is used, when using a glass substrate with low heat resistance, it is not possible to apply processing conditions in which the glass substrate is heated above the heat resistance temperature. It is necessary to lengthen the processing time. However, since RTA is premised on single-wafer processing, an increase in heat treatment time causes a decrease in throughput.
[0010]
The RTA method can be heated to a high temperature in a short time, and even a single wafer type has a potentially higher processing capacity than the furnace annealing method. However, in the conventional RTA method, it is necessary to increase the heating temperature instead of shortening the heating time, and in order to obtain a desired effect in the activation or gettering treatment, the glass is heated to a strain point or higher than the softening point. There is a need. For example, the glass substrate is bent and deformed by its own weight only by performing a heat treatment at 800 ° C. for 60 seconds for the gettering process.
[0011]
Of course, the use of a furnace annealing furnace for batch processing is also considered, but as the substrate to be processed increases in size, the apparatus also increases in size, which not only increases the installation area but also consumes to heat the large-capacity furnace uniformly. The problem is that the power increases.
[0012]
An object of the present invention is to solve the above problems, and in a manufacturing process of a semiconductor device using a substrate having low heat resistance such as glass, impurities added to the semiconductor film by a short heat treatment without deforming the substrate It is an object of the present invention to provide a method for element activation and semiconductor film gettering and a heat treatment apparatus capable of such heat treatment.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the heat treatment apparatus of the present invention for solving the above problems includes a reaction tube, a means for introducing a gas for heating or cooling an object to be processed installed in the reaction tube, and a process to be installed in the reaction tube. A light source for heating the body, and means for blinking the light source in pulses. In another configuration, a reaction tube, a means for introducing a gas heated in a reaction tube, or a gas cooled to room temperature or lower, and a reaction tube are disposed in the reaction tube. A light source for heating the object to be processed and means for blinking the light source in pulses. In addition to such a configuration, an exhaust means for reducing the pressure in the reaction tube may be provided.
[0014]
In addition, heating of the object to be processed by the light source is a first means for heating the object to be processed by blinking in a pulse form with a cycle of 1 second or less, and heating the object to be processed by blinking in a pulse form with a period of 1 second or more. Second means. This is done by changing the configuration of the power supply circuit that turns on the light source, although the light source is common.
[0015]
As the light source, a halogen lamp, a metal halide lamp, a high-pressure mercury lamp, a high-pressure sodium lamp, a xenon lamp, or the like is employed. In any case, a lamp including a wavelength band that is absorbed by the object to be processed is used. For example, a halogen lamp or a metal halide lamp that emits light in a wavelength band of 0.5 to 1.5 μm is suitable for a silicon film.
[0016]
In addition, the gas introduced into the reaction tube uses an inert gas such as nitrogen, helium, argon, krypton, or xenon to prevent reaction with the object to be processed.
[0017]
In addition, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention using the heat treatment apparatus having such a configuration, a heated gas is supplied into the reaction tube, and a light source provided outside the reaction tube is blinked in a pulse shape. The object to be processed placed in the reaction tube is heated. Further, after the heating is completed, the throughput can be improved by supplying a gas cooled to room temperature or lower into the reaction tube and cooling the object to be processed. In addition, a similar manufacturing method can be applied while maintaining the inside of the reaction tube at a reduced pressure. In the present invention, the term “semiconductor device” refers to all devices that can function using semiconductor characteristics.
[0018]
In addition to heating the object to be processed with the heated inert gas, the method for heat-treating the object to be processed includes a first stage of heating the object to be processed by blinking the light source in a pulsed manner with a period of 1 second or less; A method of performing the second step of heating the object to be processed by blinking the light source in a pulse shape with a period of 1 second or more is also employed. This first stage is performed for preheating the object to be processed to a predetermined temperature, and the second heat treatment is for performing a desired heat treatment such as crystallization, activation, gettering and the like.
[0019]
The object to be processed is a semiconductor film or the like formed on a substrate such as glass or quartz, and an impurity region to which an impurity of one conductivity type is added may be formed in the semiconductor film. A gate insulating film, a gate electrode, or the like may be formed.
[0020]
As shown in FIG. 6, the heat treatment using the heat treatment apparatus of the present invention is roughly divided into three stages: preheating, heat treatment, and cooling treatment. In the preheating, the object to be processed is heated with an inert gas heated by a heating means. The heating temperature is set to about 300 to 500 ° C., and the light source is turned on in a pulse shape while the temperature is maintained, and heat treatment is performed. The light emission time per light source is 0.1 to 60 seconds, preferably 0.1 to 20 seconds, and the light from the light source is irradiated a plurality of times. Alternatively, the light from the light source is irradiated in pulses so that the maximum temperature holding time of the semiconductor film is 0.5 to 5 seconds. Thereafter, in the cooling process, the object to be processed is cooled to 200 ° C. or less with an inert gas cooled to a room temperature or a temperature below the room temperature supplied via the cooling means.
[0021]
The preheating may be performed not only by the heated inert gas, but also by flashing the light source at a cycle of 1 second or less and irradiating the pulsed light a plurality of times as shown in FIG. For the blinking, a pulse forming network circuit is used to efficiently supply a large pulsed current to the light source. Of course, preliminary heating may be performed by combining such heating with pulsed light and heating with a heated inert gas.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The configuration of the heat treatment apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. The heat treatment apparatus shown in FIG. 1 includes a
[0023]
The
[0024]
As a gas introduced into the
[0025]
The
[0026]
For example, if heating is performed at a temperature rising rate of 150 ° C./second, heating can be performed to 1100 ° C. in less than 7 seconds. Thereafter, the temperature is maintained at a set temperature for a certain time, and the light source is turned off. The holding time is 0.5 to 5 seconds. Therefore, the continuous lighting time of the light source is 0.1 seconds or more and does not exceed 90 seconds.
[0027]
As the light source, a halogen lamp, a metal halide lamp, a high-pressure mercury lamp, a high-pressure sodium lamp, a xenon lamp, or the like can be used. The
[0028]
The pulsed lighting of the
[0029]
FIG. 8 shows an example of a circuit that enables pulsed discharge in a short cycle, as in the first stage of heating the object to be processed by blinking in a cycle of 1 second or less. The circuit of FIG. 8A is a pulse forming network circuit, and a pulse waveform is obtained by adding a damping oscillation having a period three times that of L2, C2, and R to the critical braking discharge caused by L1, C1, and R. Is a square wave. With such a discharge circuit, an output of about 10 MA is possible with a pulse width of 10 nanoseconds to 100 milliseconds. The duration of discharge can be varied depending on the values of L and C and the number of connected stages. The output is supplied to the light sources H1 to Hn as shown in FIG. On the other hand, the second stage of heating the object to be processed by blinking in a pulse shape with a period of 1 second or longer is performed by using a battery or a flywheel generator.
[0030]
In the heat treatment, the object to be treated is placed in the
[0031]
As described above, the heat treatment apparatus of the present invention is characterized by using a gas heated to a temperature higher than room temperature or cooled to a temperature lower than room temperature in order to shorten the time required for heating and cooling the object to be processed. Yes. Moreover, heat insulation is improved and thermal efficiency is improved by carrying out under reduced pressure. By shortening the actual heating time and irradiating light selectively absorbed by the semiconductor film from the light source, it is possible to selectively heat only the semiconductor film without heating the substrate itself so much. Become.
[0032]
The preheating
[0033]
The attached
[0034]
FIG. 2 is a diagram for explaining the details of the
[0035]
Even in the heat treatment under reduced pressure, it is possible to heat efficiently by using a wavelength band in which radiation from the light source is absorbed by the object to be processed. The heat treatment under reduced pressure reduces the oxygen concentration and can suppress oxidation of the object to be processed.
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
FIG. 3 shows another configuration example in the
[0039]
FIG. 4 shows the configuration of the preheating
[0040]
An example of the structure of the heating means and cooling means of the inert gas suitable for the heat treatment apparatus of the present invention is shown in FIG. FIG. 5A shows an example of a heating means, in which a
[0041]
FIG. 5B shows an example of a cooling means, in which a
[0042]
As described above, by using the present invention, even when a substrate having low heat resistance such as glass is used, a method for activating an impurity element added to a semiconductor film or performing a gettering process on the semiconductor film by a short heat treatment And such heat treatment may be possible. Such heat treatment can be incorporated into the manufacturing process of the semiconductor device. The structure of the heat treatment apparatus shown in the present embodiment is an example, and is not limited to the structure shown here. The heat treatment apparatus of the present invention is characterized by a means for cooling the substrate to be processed and a structure in which the semiconductor film is heated by irradiating light from a light source in a pulsed manner. The configuration is not particularly limited.
[0043]
Needless to say, the heat treatment apparatus of the present invention can be used for a heat treatment process of an integrated circuit using a semiconductor substrate as well as a TFT.
[0044]
【Example】
[Example 1]
An embodiment of crystallizing an amorphous semiconductor film using the heat treatment apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
[0045]
In FIG. 9, a
[0046]
A metal element that can lower the heating temperature necessary for crystallization of silicon is added over the
[0047]
The nickel-containing
[0048]
The object to be processed in such a form is placed in the
[0049]
Thereafter, the lighting time is set to 40 seconds, the lighting interval is set to 30 seconds, the light source is blinked, and the heat treatment is performed by repeating irradiation with such pulsed light a plurality of times (typically 2 to 10 times). Although the temperature of the semiconductor film that is instantaneously heated by the pulsed light is not directly measured, the radiation intensity is adjusted to 1250 ° C. as a measurement value of a temperature sensor using a thermocouple. By this heat treatment, the amorphous silicon film can be crystallized. Thereafter, the introduction path of the inert gas is switched, and cooling is performed with the inert gas cooled to room temperature or lower by the cooling means.
[0050]
In addition, about 10 to 30 atomic% of hydrogen remains in the amorphous silicon film produced by the plasma CVD method, and crystallization is usually performed after the hydrogen is desorbed by heating. . As a heat treatment for that purpose, dehydrogenation treatment may be performed by heating the semiconductor film to about 500 ° C. by irradiating pulsed light having a lighting time of about 0.1 seconds a plurality of times. This dehydrogenation treatment can be further promoted by performing it under reduced pressure.
[0051]
In this way, the amorphous silicon film can be crystallized substantially with a heating time of several seconds to several seconds to several minutes, and even if a glass substrate having a strain point of 660 ° C. is used, it is crystallized without distorting the substrate. It can be performed.
[0052]
[Example 2]
A method for manufacturing a TFT using the crystalline semiconductor film thus manufactured will be described with reference to FIGS.
[0053]
First, in FIG. 10A,
[0054]
As an example of the first insulating
[0055]
Then, the second
[0056]
After that, as shown in FIG. 10B, a first conductive film and a second conductive film for forming a gate electrode are formed over the second
[0057]
Thereafter, a resist
[0058]
Under the above etching conditions, the end portion can be tapered by the shape of the resist mask and the effect of the bias voltage applied to the substrate side. The angle of the tapered portion is set to 15 to 45 degrees. In order to etch without leaving a residue on the gate insulating film, it is preferable to increase the etching time at a rate of about 10 to 20%. Since the selection ratio of the silicon oxynitride film to the W film is 2 to 4 (typically 3), the surface where the second insulating layer is exposed by the over-etching process is etched by about 20 to 40 nm. Thus, the
[0059]
Then, a first doping process is performed to dope the semiconductor film with an n-type impurity (donor). The method is not limited, but is preferably performed by an ion doping method or an ion implantation method. The condition of the ion doping method is a dose of 1 × 10 13 ~ 5x10 14 /cm 2 Do as. As the impurity element imparting n-type, an element belonging to Group 15, typically phosphorus (P) or arsenic (As) is used. In this case, the
[0060]
Subsequently, a second etching process is performed as shown in FIG. The ICP etching method is used for etching, and CF is used as an etching gas. Four And Cl 2 And O 2 And 500 W of RF power (13.56 MHz) is supplied to the coil-type electrode at a pressure of 1 Pa to generate plasma. 50 W RF (13.56 MHz) power is applied to the substrate side (sample stage), and a lower self-bias voltage is applied than in the first etching process. Under such conditions, the tungsten film is anisotropically etched to leave the tantalum nitride film as the first conductive layer. Thus, the
[0061]
The dose amount in the second doping process is smaller than that in the first doping process, and the n-type impurity (donor) is doped under the condition of a high acceleration voltage. For example, the acceleration voltage is 70 to 120 keV and 1 × 10 13 /cm 2 The second impurity region is formed on the inner side of the first impurity region. Doping allows exposed tantalum nitride to pass through and adds an impurity element to the underlying semiconductor film. Thus,
[0062]
Then, a resist
[0063]
Thereafter, as shown in FIG. 11, heat treatment for activating the added impurities is performed. For this heat treatment, a heat treatment apparatus described in the embodiment is used, and an object to be treated is introduced into a reaction tube held in a reduced pressure state and activated by irradiation with pulsed light. Pulse light is irradiated from one or both sides of the substrate using a
[0064]
Impurities are activated by this heat treatment, and the catalyst element used for crystallization from the region of the semiconductor film overlapping the second shape electrode, that is, the channel formation region, is gettered to the impurity region to which phosphorus and boron are added. Can do. Here, hydrogen is simultaneously taken into the boron-added region at the time of ion doping, and a large amount of dangling bonds are temporarily generated when the hydrogen is re-released by this heat treatment, which serves as a gettering site. It is thought to work.
[0065]
Thereafter, as shown in FIG. 12, a protective
[0066]
The
[0067]
Next, contact holes reaching the impurity regions of the respective semiconductor films from the surface of the
[0068]
[Example 3]
FIG. 13A shows a structure in which a
[0069]
Various functional circuits such as a shift register, a level shifter, a latch, and a buffer circuit can be formed using the p-
[0070]
From such a substrate, a liquid crystal display device or a light-emitting device in which a pixel portion is formed using a light-emitting element can be formed. FIG. 15 is an external view of a substrate on which a driving circuit and a pixel portion are formed by TFTs. A
[0071]
In order to manufacture a liquid crystal display device, a counter substrate is bonded with a gap using a sealing material, and liquid crystal is injected into the gap. In the light emitting device, an organic light emitting element is formed in the pixel portion. Thus, according to this embodiment, various semiconductor devices can be manufactured.
[0072]
[Example 4]
As shown in Example 1, the method of adding a catalytic metal element to the entire surface of the amorphous semiconductor film for crystallization can be performed using the heat treatment apparatus of the present invention. More preferably, the metal element is then removed by gettering.
[0073]
FIG. 16 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention, which is a method for performing gettering after adding a catalytic metal element to the entire surface of the amorphous semiconductor film to crystallize it. In FIG. 16A, a
[0074]
For the
[0075]
After that, a catalytic metal element that promotes crystallization is added to the surface of the
[0076]
Needless to say, the catalyst-containing
[0077]
Then, using the heat treatment apparatus of the present invention in the same manner as in Example 1, 13.3 to 1.33 × 10 Four A
[0078]
It is also effective to irradiate the
[0079]
In the
[0080]
FIG. 16B shows a step of adding a rare gas element or a rare gas element and an impurity element having one conductivity type to the
[0081]
This doping can be achieved with phosphine (PH) diluted with hydrogen to 1-10%, preferably 3-5%. Three ) Or diborane (B 2 H 6 ) Is added and then a rare gas element is added. Or PH diluted to 1-10%, preferably 3-5% with noble gas Three Or B 2 H 6 Add. However, more preferably, only a rare gas element is added by an ion doping method to form a gettering site.
[0082]
As the rare gas element, one or more selected from helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe) are used. Typically, argon is used. The present invention is characterized in that these inert gases are used as an ion source to form a gettering site and are implanted into a semiconductor film by an ion doping method or an ion implantation method. There are two meanings of implanting these inert gas ions. One is to form a dangling bond by implantation to give distortion to the semiconductor film, and the other is to give distortion by implanting the ions between the lattices of the semiconductor film. Implanting inert gas ions can satisfy both of these simultaneously, but the latter is particularly prominent when elements having a larger atomic radius than silicon, such as argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe), are used. It is done.
[0083]
When gettering is performed in a nitrogen atmosphere at 450 to 800 ° C. for 1 to 24 hours, for example, at 550 ° C. for 14 hours, the
[0084]
After that, when the gettering site is removed by etching, a
[0085]
[Example 5]
A method for selectively forming an element for promoting crystallization of a semiconductor film will be described with reference to FIG. In FIG. 17A, a
[0086]
Then, a
[0087]
Next, an
[0088]
A
[0089]
Next, using the
[0090]
After that, when the gettering site is removed by etching, a
[0091]
[Example 6]
In gettering using a rare gas element as shown in Example 4 or 5, a rare gas element is added to an impurity region for forming a source / drain region in the TFT manufacturing process shown in Example 2. Thus, the same effect can be obtained. That is, the concentration of the metal element remaining in the channel formation region can be reduced by performing heat treatment for activation performed in order to reduce the resistivity of the impurity region.
[0092]
[Example 7]
Various semiconductor devices can be manufactured by using the present invention. As such semiconductor devices, video cameras, digital cameras, goggle type display devices (head mounted displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, audio components, etc.), notebook personal computers, game machines, portable information terminals ( A mobile computer, a mobile phone, a portable game machine, an electronic book, or the like), an image reproducing device including a recording medium, and the like. Specific examples of these semiconductor devices are shown in FIGS.
[0093]
FIG. 18A illustrates a monitor such as a desktop personal computer, which includes a
[0094]
FIG. 18B illustrates a video camera, which includes a main body 3311, a display portion 3312, an
[0095]
FIG. 18C shows a part (right side) of the head mounted display, which includes a main body 3321, a
[0096]
FIG. 18D illustrates an image reproduction device (specifically, a DVD reproduction device) provided with a recording medium, which includes a main body 3331, a recording medium (DVD or the like) 3332, an
[0097]
FIG. 18E illustrates a goggle type display device (head mounted display), which includes a main body 3341, a
[0098]
FIG. 18F illustrates a laptop personal computer including a main body 3351, a housing 3352, a display portion 3353, a
[0099]
FIG. 19A illustrates a cellular phone device, which includes a
[0100]
FIG. 19B shows a sound reproducing device, specifically a car audio, which includes a main body 3411, a
[0101]
FIG. 19C illustrates a digital camera, which includes a main body 3501, a display portion (A) 3502, an eyepiece portion 3503, operation switches 3504, a display portion (B) 3505, and a
[0102]
As described above, the applicable range of the present invention is so wide that the present invention can be applied to various electronic devices. Also, the electronic device of the present embodiment can be realized by using a configuration composed of any combination of the first to sixth embodiments.
[0103]
【The invention's effect】
As described above, the heat treatment apparatus of the present invention can perform heat treatment for the purpose of crystallization of an amorphous semiconductor film or activation of an impurity element added to the semiconductor film in a short time.
[0104]
Further, the lighting time per light source is set to 0.1 to 60 seconds, preferably 0.1 to 20 seconds, the light from the light source is irradiated a plurality of times, and the holding time of the maximum temperature of the semiconductor substrate is set to 0. By setting it as 5 to 5 seconds, even if it uses a glass substrate with low heat resistance, the heat processing effect can be heightened and damage to the layer with low heat resistance formed in the semiconductor substrate can be prevented.
[0105]
Further, by performing the above heat treatment under reduced pressure, the oxygen concentration in the atmosphere is reduced, oxidation of the surface of the semiconductor film is suppressed, activation of impurities is promoted, and heat treatment with high reproducibility can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a heat treatment apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a heat treatment apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a heat treatment apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a heat treatment apparatus according to the present invention.
FIG. 5 illustrates an example of a heating unit and a cooling unit.
FIG. 6 is a diagram for explaining blinking of a light source and a temperature change of a semiconductor substrate.
FIGS. 7A and 7B illustrate a method of preheating and heat treatment using pulsed light irradiation. FIGS.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a control circuit suitable for using a halogen lamp or the like as a light source and blinking the light source in pulses.
FIG. 9 is a view for explaining a semiconductor film heat treatment method by the heat treatment apparatus of the present invention.
10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor device.
11A and 11B illustrate a semiconductor film heat treatment method using the heat treatment apparatus of the present invention.
12A to 12C illustrate a manufacturing process of a semiconductor device.
FIG. 13 illustrates a structure of a substrate in which a driver circuit and a pixel portion are formed over the same substrate.
FIG 14 illustrates a structure of a pixel portion.
FIG. 15 illustrates an appearance of an element substrate of a display device.
16A to 16C illustrate a method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention.
FIGS. 17A to 17C illustrate a method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention. FIGS.
FIG 18 illustrates an example of a semiconductor device.
FIG 19 illustrates an example of a semiconductor device.
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