JP4208196B2 - マルチチャンバー装置および薄膜デバイスの作製方法。 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ等の薄膜デバイスに用いられる多結晶半導体をレーザー照射によって得るレーザーアニールをおこなうためのマルチチャンバー装置および薄膜デバイスの作製方法に関するものである。

従来、薄膜型の絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）等の薄膜デバイスに用いられる多結晶シリコン半導体薄膜の作製方法としては、プラズマＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法で形成されたアモルファスシリコン膜にレーザー光を照射することによって結晶化させる方法が知られている。

しかしながら、従来のレーザー処理工程においては、レーザー処理の前にレーザー処理されるべき試料の表面が外気に触れ、表面が汚染されることや表面の原子の結合状態が変化することがあった。このため結晶化に最適な条件が制約を受けることがあった。

本発明は、レーザー照射装置と他の真空処理装置（例えば成膜装置、熱処理装置等）とを組み合わせ、処理されるべき基板が、前記レーザー処理装置とその他の真空処理装置との間を移動する際に大気（外気）にさらされることなく移動できる構造を有するレーザーアニール装置である。

レーザーとしてはエキシマレーザーが一般に用いられているが、本発明の構成がレーザーの種類を何ら限定するものではなく、どのようなレーザーを用いてもよいことはいうまでもない。

非晶質半導体としては、一般にシリコン半導体が用いられるが他の半導体を用いてもよい。尚、本明細書の実施例においては、シリコン半導体を例にとり説明を行なう。

本発明の構成であるレーザー照射チャンバーと他の真空処理チャンバーを組み合わせ、処理されるべき試料が外気にさらされることなく前記レーザー照射チャンバーと真空処理チャンバーの間を移動できることによって、例えば、結晶化のしきい値エネルギーを低下させることができたり、生産性を挙げることができるようになった。

以下に実施例を示し本発明の構成を詳細に説明する。本実施例は水素出しのための加熱アニール後に非晶質珪素半導体膜表面を大気中に曝さずに次のレーザー結晶化工程を行なうためのマルチチャンバー方式の装置に関するものである。

図１に本実施例に用いる装置の概略を示す。図面には出発膜である非晶質シリコン膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置２、水素出しのための加熱アニール炉３、レーザー結晶化のためのチャンバー４そして試料の搬送室である試料搬入室１、試料搬出室５を直列に配置した装置を示してある。

この図１には記載していないが各チャンバー１〜５には必要に応じて活性あるいは不活性気体の導入系さらには試料の搬送系が設けられていることはいうまでもない。また、各チャンバーはターボ分子装置とロータリーポンプを直列に接続した真空排気装置を設けてあり、真空状態におけるチャンバー内の不純物濃度特に酸素濃度を極力小さくするようにした。また、さらに不純物濃度を小さくするにはクライオポンプをさらに別に設ける方法も有効である。

図１のマルチチャンバー装置には各チャンバーを仕切るためのゲート弁６が設けられており、例えばプラズマＣＶＤ装置であるチャンバー２における反応性ガスが水素出しのための加熱アニール炉３に混入することを防いだ。

チャンバー３は水素出しを行なうための加熱アニール炉であるが、加熱は赤外線ランプ加熱装置を用いて行なった。もちろん他の加熱装置、例えばヒーターによる加熱を行なう方法によってもよい。加熱はシリコンの結晶化温度以下の温度でおこなわれることが望ましい。このような加熱工程によって、非晶質シリコン膜から水素が離脱し、この結果、形成された多くの不対結合手はレーザーアニールによって結晶化を促進する効果を有する。もし、水素出しをおこなわないと、結晶性はレーザーのエネルギー密度に大きく依存し、エキシマレーザーのごときエネルギー変動の大きなレーザーを使用することは難しい。また、結晶化のためのエネルギーしきい値も大きな値が要求される。

しかし、一方ではこのようにして形成された不対結合手は大気成分と結合しやすく、室温で大気に触れるだけで表面に薄い酸化膜等を形成する。そして、この結果、不対結合手が減少し、レーザーアニールの際の結晶化の条件設定が難しくなる。特にレーザーとしてエキシマレーザーを用いる場合には、紫外光であるため表面の状態によって吸収や散乱が大きく支配されていること、およびショットごとのエネルギーの変動が大きいので、このような僅かの表面状態によって最適なエネルギーは大きく変動してしまっては再現性は得られない。したがって、この水素出しの工程の後、真空状態もしくは不活性ガスの雰囲気のままレーザーアニールされることが望まれる。本実施例のマルチチャンバーはまさに、その目的に合致する構成となっている。特にエネルギーの変動が問題となるエキシマレーザーに適する構成である。

チャンバー４はレーザーアニールを行なうためのチャンバーであるが、レーザー光の照射はチャンバー上部に設けられた石英の窓を通して外部のレーザー発生装置と光学系を通して行なうものである。

レーザービームは光学系を用いて基板の幅に合わせられ、かつ基板の搬送方向とは垂直方向に延ばされた長方形のビームを用いて、レーザー系は動かさずに試料をゆっくり搬送させることによって、試料の端から連続的に照射を行なうと効率良くアニールを行なうことができる。

この図１に示した装置を用いる場合は、真空状態を破らずに真空中において連続して試料の加熱アニールとレーザー結晶化を行なうとよい。真空状態を破らないことによって、不対結合手が中和されることがなく、そのため結晶化のための閾値エネルギーが低下し、レーザー結晶化工程において効率よく粒径サイズの大きな多結晶シリコン膜を形成することができる。

本実施例においては、各チャンバーを一つづつ直列に設けたものを示したが、各チャンバーでの試料の処理時間に応じてそれぞれのチャンバーを複数設け、しかも各チャンバーを直接連結するのではなく、各チャンバーに共通した試料の搬送室を設け複数の処理を時間差を利用して同時に行なうことで、生産性を上げることも可能である。

本実施例においては、プラズマＣＶＤ法によって成膜する装置を示したが、他の成膜方法であるスパッタ法や熱ＣＶＤ法等を用いてもよく、さらには上記のマルチチャンバー装置に絶縁膜を成膜するための成膜装置を連結してもよく、一連の工程に必要な構成をとることができる。

実施例において示したマルチチャンバー形式の装置を示す。（実施例）

符号の説明

１・・・試料搬入室（チャンバー）
２・・・プラズマＣＶＤ装置（チャンバー）
３・・・加熱アニール炉（チャンバー）
４・・・レーザーアニール炉（チャンバー）
５・・・試料搬出室（チャンバー）
６・・・ゲート弁

Claims (13)

1. 基板を搬入する第１のチャンバーと、
   前記基板上に半導体膜の成膜を行う第２のチャンバーと、
   前記半導体膜を加熱して、前記半導体膜の水素出しを行う第３のチャンバーと、
   前記半導体膜の表面に照射断面が一方向に延ばされたレーザービームを照射して、前記半導体膜を結晶化させる第４のチャンバーと、
   前記基板を搬出する第５のチャンバーと、
   前記第２のチャンバーから前記第３のチャンバーに、また、前記第３のチャンバーから前記第４のチャンバーに、前記基板を大気に曝すことなく搬送する手段と、
   前記第４のチャンバーにおいて、前記照射断面が延ばされた方向と垂直な方向に前記基板を移動させる手段と、
   を有することを特徴とするマルチチャンバー装置。
2. 基板を搬入する第１のチャンバーと、
   前記基板上に半導体膜の成膜を行う第２のチャンバーと、
   前記半導体膜を加熱して、前記半導体膜の水素出しを行う第３のチャンバーと、
   前記半導体膜の表面に照射断面が一方向に延ばされたレーザービームを照射して、前記半導体膜を結晶化させる第４のチャンバーと、
   前記基板を搬出する第５のチャンバーと、
   前記第４のチャンバーの外に設けられた前記レーザービームの発振装置と、
   前記第４のチャンバー内にある前記基板に前記レーザービームの発振装置からレーザービームの照射を行う石英の窓と、
   前記第２のチャンバーから前記第３のチャンバーに、また、前記第３のチャンバーから前記第４のチャンバーに、前記基板を大気に曝すことなく搬送する手段と、
   前記第４のチャンバーにおいて、前記照射断面が延ばされた方向と垂直な方向に前記基板を移動させる手段と、
   を有し、前記第１のチャンバー、前記第２のチャンバー、前記第３のチャンバー、前記第４のチャンバー、及び前記第５のチャンバーは互いに独立して設けられていることを特徴とするマルチチャンバー装置。
3. 請求項１または２において、前記レーザービームはエキシマレーザーのビームであることを特徴とするマルチチャンバー装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一において、前記レーザービームの照射断面は、前記基板の幅に合わせて延ばされていることを特徴とするマルチチャンバー装置。
   
5. 請求項１乃至４のいずれか一において、前記レーザービームの照射断面は長方形であることを特徴とするマルチチャンバー装置。
6. 半導体膜の成膜を行う第１のチャンバーと、加熱処理を行う第２のチャンバーと、レーザーアニールを行う第３のチャンバーと、を有するマルチチャンバー装置を用い、
   前記第１のチャンバーにおいて、基板上に前記半導体膜の成膜を行い、
   前記半導体膜を成膜した後、前記第１のチャンバーから前記第２のチャンバーに前記基板を大気に曝すことなく搬送し、
   前記第２のチャンバーにおいて、前記半導体膜を加熱して前記半導体膜の水素出しを行い、
   前記半導体膜の水素出しを行った後、前記第２のチャンバーから前記第３のチャンバーに前記基板を大気に曝すことなく搬送し、
   前記第３のチャンバーにおいて、照射断面が一方向に延ばされたレーザービームを前記半導体膜に照射して、前記照射断面の延ばされた方向と垂直な方向に前記基板を移動させることにより前記半導体膜を結晶化させることを特徴とする薄膜デバイスの作製方法。
7. 半導体膜の成膜を行う第１のチャンバーと、加熱処理を行う第２のチャンバーと、レーザーアニールを行う第３のチャンバーと、を有するマルチチャンバー装置を用い、
   前記第１のチャンバーにおいて、真空又は不活性雰囲気中で、基板上に前記半導体膜の成膜を行い、
   前記半導体膜を成膜した後、前記第１のチャンバーから前記第２のチャンバーに前記基板を大気に曝すことなく搬送し、
   前記第２のチャンバーにおいて、前記半導体膜を加熱して前記半導体膜の水素出しを行い、
   前記半導体膜の水素出しを行った後、前記第２のチャンバーから前記第３のチャンバーに前記基板を大気に曝すことなく搬送し、
   前記第３のチャンバーにおいて、真空又は不活性雰囲気中で、照射断面が一方向に延ばされたレーザービームを前記半導体膜に照射して、前記照射断面の延ばされた方向と垂直な方向に前記基板を移動させることにより前記半導体膜を結晶化させることを特徴とする薄膜デバイスの作製方法。
8. 請求項６または７において、前記基板上に成膜された半導体膜は非晶質半導体膜であることを特徴とする薄膜デバイスの作製方法。
9. 請求項８において、前記非晶質半導体膜の成膜は、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法またはスパッタ法により行われることを特徴とする薄膜デバイスの作製方法。
10. 請求項６乃至９のいずれか一において、前記レーザービームの照射断面は、前記基板の幅に合わせて延ばされていることを特徴とする薄膜デバイスの作製方法。
11. 請求項６乃至１０のいずれか一において、前記レーザービームの照射は、前記基板の端から連続的に行われることを特徴とする薄膜デバイスの作製方法。
12. 請求項６乃至１１のいずれか一において、前記結晶化された半導体膜は多結晶半導体膜であることを特徴とする薄膜デバイスの作製方法。
13. 請求項６乃至１２のいずれか一において、前記薄膜デバイスは薄膜トランジスタであることを特徴とする薄膜デバイスの作製方法。

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