JPH10149984A - 多結晶シリコンの形成方法及び形成装置 - Google Patents
多結晶シリコンの形成方法及び形成装置Info
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- JPH10149984A JPH10149984A JP8309497A JP30949796A JPH10149984A JP H10149984 A JPH10149984 A JP H10149984A JP 8309497 A JP8309497 A JP 8309497A JP 30949796 A JP30949796 A JP 30949796A JP H10149984 A JPH10149984 A JP H10149984A
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- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract
(57)【要約】
【課題】能率良く多結晶シリコンを形成する方法を提供
すること、電界効果移動度の大きな多結晶シリコン薄膜
トランジスタの製造に適した多結晶シリコンを形成する
方法を提供すること、及びこれらの方法を適切に実施で
きる装置を提供すること。 【解決手段】基板２に形成したアモルファスシリコン膜
に気密の室１２内でレーザービームを照射し、レーザー
アニールにより該膜を多結晶化する結晶化工程を有する
多結晶シリコンの形成方法に於いて、該室内を0.1Torr
以上乃至該室の耐圧限度以下の圧力で、且つ、水素、窒
素、不活性ガスのうちの少なくとも１種類のガスを流通
させた雰囲気とする。該室内で該圧力とガス雰囲気によ
り形成した多結晶シリコンを大気に暴露することなくそ
の結晶化後に引き続いて水素プラズマ処理を施す。
すること、電界効果移動度の大きな多結晶シリコン薄膜
トランジスタの製造に適した多結晶シリコンを形成する
方法を提供すること、及びこれらの方法を適切に実施で
きる装置を提供すること。 【解決手段】基板２に形成したアモルファスシリコン膜
に気密の室１２内でレーザービームを照射し、レーザー
アニールにより該膜を多結晶化する結晶化工程を有する
多結晶シリコンの形成方法に於いて、該室内を0.1Torr
以上乃至該室の耐圧限度以下の圧力で、且つ、水素、窒
素、不活性ガスのうちの少なくとも１種類のガスを流通
させた雰囲気とする。該室内で該圧力とガス雰囲気によ
り形成した多結晶シリコンを大気に暴露することなくそ
の結晶化後に引き続いて水素プラズマ処理を施す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主として液晶表示
装置等に使用される多結晶シリコン薄膜トランジスタを
得るための多結晶シリコン（Polycrystallin Silico
n）の形成に適用される方法及びその形成装置に関す
る。
装置等に使用される多結晶シリコン薄膜トランジスタを
得るための多結晶シリコン（Polycrystallin Silico
n）の形成に適用される方法及びその形成装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、多結晶シリコン膜を形成するに
は、ベースＳｉＯ2膜を形成したガラス等の基板に、も
とになるアモルファスシリコン膜を減圧ＣＶＤ装置、ス
パッタ装置、或いはプラズマＣＶＤ装置のいずれかで成
膜したのち、該基板を一旦、大気中へ出し、改めてレー
ザーアニール装置に入れ、その装置内部を大気中又は真
空中の雰囲気としてレーザービームの照射を行い、該膜
を多結晶化するを一般とする。
は、ベースＳｉＯ2膜を形成したガラス等の基板に、も
とになるアモルファスシリコン膜を減圧ＣＶＤ装置、ス
パッタ装置、或いはプラズマＣＶＤ装置のいずれかで成
膜したのち、該基板を一旦、大気中へ出し、改めてレー
ザーアニール装置に入れ、その装置内部を大気中又は真
空中の雰囲気としてレーザービームの照射を行い、該膜
を多結晶化するを一般とする。
【０００３】多結晶シリコン薄膜トランジスタ（Polycr
ystallin Silicon-TFT）を製造する場合、その製造の
１工程に於いて、多結晶シリコン膜の上に更に酸化膜又
は窒化膜がゲート絶縁膜として形成されるが、この場合
も多結晶シリコン膜形成後に一旦大気中に取り出し、再
度、真空の成膜室に搬入して通常はプラズマＣＶＤ法に
よりゲート絶縁膜の形成を行っている。
ystallin Silicon-TFT）を製造する場合、その製造の
１工程に於いて、多結晶シリコン膜の上に更に酸化膜又
は窒化膜がゲート絶縁膜として形成されるが、この場合
も多結晶シリコン膜形成後に一旦大気中に取り出し、再
度、真空の成膜室に搬入して通常はプラズマＣＶＤ法に
よりゲート絶縁膜の形成を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の多結晶シリコン
形成法では、複数の別個の装置間で基板のやりとりを行
うため、スループットが非常に遅く、また、製造された
多結晶シリコン薄膜トランジスタの電界効果移動度（正
孔移動度）が８０cm2／Ｖ・secと比較的小さく、デバイ
ス特性が良好でない欠点があった。この移動度が良好で
ない原因を究明したところ、基板を装置間で移動する
際、基板が大気に曝されて良好な界面を維持するのが困
難になっているためであることが知見された。
形成法では、複数の別個の装置間で基板のやりとりを行
うため、スループットが非常に遅く、また、製造された
多結晶シリコン薄膜トランジスタの電界効果移動度（正
孔移動度）が８０cm2／Ｖ・secと比較的小さく、デバイ
ス特性が良好でない欠点があった。この移動度が良好で
ない原因を究明したところ、基板を装置間で移動する
際、基板が大気に曝されて良好な界面を維持するのが困
難になっているためであることが知見された。
【０００５】更に、真空中で多数枚の基板にアモルファ
スシリコン膜を多結晶化すべくレーザービームの照射を
繰り返すと、レーザーの導入窓が曇ってレーザー強度が
低下し、所期の結晶化が行えず、作業を中断してその曇
りを除く必要があり、能率的に多結晶化処理を行えない
欠点があった。
スシリコン膜を多結晶化すべくレーザービームの照射を
繰り返すと、レーザーの導入窓が曇ってレーザー強度が
低下し、所期の結晶化が行えず、作業を中断してその曇
りを除く必要があり、能率的に多結晶化処理を行えない
欠点があった。
【０００６】本発明は、能率良く多結晶シリコンを形成
する方法を提供すること、上記知見に基づき電界効果移
動度の大きな多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造に
適した多結晶シリコンを形成する方法を提供すること、
及びこれらの方法を適切に実施できる装置を提供するこ
とを目的とするものである。
する方法を提供すること、上記知見に基づき電界効果移
動度の大きな多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造に
適した多結晶シリコンを形成する方法を提供すること、
及びこれらの方法を適切に実施できる装置を提供するこ
とを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、基板に形成
したアモルファスシリコン膜に気密の室内でレーザービ
ームを照射し、レーザーアニールにより該膜を多結晶化
する結晶化工程を有する多結晶シリコンの形成方法に於
いて、該室内を0.1Torr以上乃至該室の耐圧限度以下の
圧力で、且つ、水素、窒素、不活性ガスのうちの少なく
とも１種類のガスを流通させ雰囲気とすることにより、
多結晶シリコンを能率良く形成する目的を達成するよう
にした。更に、該室内で該圧力とガス雰囲気により形成
した多結晶シリコンを大気に暴露することなくその結晶
化後に引き続いて水素プラズマ処理を施すことにより、
多結晶シリコンの表面や粒界に存在するダングリングボ
ンドが埋められて多結晶シリコン膜が安定化し、移動度
の大きな多結晶シリコン薄膜トランジスタの製作に適し
た多結晶シリコンが得られ、請求項３乃至４に記載の手
段を採用することで、界面汚染の少ない多結晶シリコン
にゲート絶縁膜を形成でき、移動度の大きい多結晶シリ
コン薄膜トランジスタを製作することが可能になる。ま
た、本発明の方法は、請求項５の構成を有する装置によ
り簡単且つ確実に実施できる。
したアモルファスシリコン膜に気密の室内でレーザービ
ームを照射し、レーザーアニールにより該膜を多結晶化
する結晶化工程を有する多結晶シリコンの形成方法に於
いて、該室内を0.1Torr以上乃至該室の耐圧限度以下の
圧力で、且つ、水素、窒素、不活性ガスのうちの少なく
とも１種類のガスを流通させ雰囲気とすることにより、
多結晶シリコンを能率良く形成する目的を達成するよう
にした。更に、該室内で該圧力とガス雰囲気により形成
した多結晶シリコンを大気に暴露することなくその結晶
化後に引き続いて水素プラズマ処理を施すことにより、
多結晶シリコンの表面や粒界に存在するダングリングボ
ンドが埋められて多結晶シリコン膜が安定化し、移動度
の大きな多結晶シリコン薄膜トランジスタの製作に適し
た多結晶シリコンが得られ、請求項３乃至４に記載の手
段を採用することで、界面汚染の少ない多結晶シリコン
にゲート絶縁膜を形成でき、移動度の大きい多結晶シリ
コン薄膜トランジスタを製作することが可能になる。ま
た、本発明の方法は、請求項５の構成を有する装置によ
り簡単且つ確実に実施できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１に示す
多結晶シリコン薄膜トランジスタの形成装置に基づき説
明すると、同図に於いて符号１は表面にアモルファスシ
リコン膜を形成したガラス製の基板２を大気圧の外部と
の間で出し入れする圧力調節自在の区分された仕込取出
室を示し、基板２は一方の仕込室１ａへ開閉扉１ｃを介
して外部から搬入され、取出室１ｂから開閉扉１ｄを介
して外部へ搬出される。該仕込取出室１の圧力調節は、
真空ポンプに連なる真空排気管３により行われる。該仕
込取出室１は、ゲートバルブ４を介して基板搬送用ロボ
ットの搬送手段５を内部に備えた７角形の搬送室６に接
続して設けられる。該搬送室６内も図示してない真空排
気管により圧力調節が可能である。該搬送手段５を構成
する基板搬送用ロボットには、昇降及び旋回自在の支軸
５ａに伸縮自在の腕５ｂを設けた公知の構成のものを使
用した。該ロボットの搬送手段５の腕５ｂは、例えば、
仕込室１ａに向かって延び、基板２を受け取ったのち収
縮し、支軸５ａが旋回し、該腕５ｂを搬送先の例えば成
膜室に向けて延ばし、該腕５ｂに載せた基板２を該成膜
室に収めたのち収縮する。
多結晶シリコン薄膜トランジスタの形成装置に基づき説
明すると、同図に於いて符号１は表面にアモルファスシ
リコン膜を形成したガラス製の基板２を大気圧の外部と
の間で出し入れする圧力調節自在の区分された仕込取出
室を示し、基板２は一方の仕込室１ａへ開閉扉１ｃを介
して外部から搬入され、取出室１ｂから開閉扉１ｄを介
して外部へ搬出される。該仕込取出室１の圧力調節は、
真空ポンプに連なる真空排気管３により行われる。該仕
込取出室１は、ゲートバルブ４を介して基板搬送用ロボ
ットの搬送手段５を内部に備えた７角形の搬送室６に接
続して設けられる。該搬送室６内も図示してない真空排
気管により圧力調節が可能である。該搬送手段５を構成
する基板搬送用ロボットには、昇降及び旋回自在の支軸
５ａに伸縮自在の腕５ｂを設けた公知の構成のものを使
用した。該ロボットの搬送手段５の腕５ｂは、例えば、
仕込室１ａに向かって延び、基板２を受け取ったのち収
縮し、支軸５ａが旋回し、該腕５ｂを搬送先の例えば成
膜室に向けて延ばし、該腕５ｂに載せた基板２を該成膜
室に収めたのち収縮する。
【０００９】該搬送室６の周囲には、加熱室７と、プラ
ズマＣＶＤや水素プラズマ処理を行うプラズマ処理室、
減圧ＣＶＤ室或いはスパッタ室から成る３つの成膜室
８、９、１０とをゲートバルブ４を介して該搬送室６に
接続して設け、更に本発明に従い、レーザー１１を内部
に備えてレーザー照射により該基板２のアモルファスシ
リコン膜を多結晶化するレーザーアニール室１２をゲー
トバルブ４を介して接続した。各成膜室８、９、１０に
は、成膜原料ガスの導入口と圧力調節用の真空排気口、
プラズマ発生用の電極が設けられている。１つの成膜室
８には水素ガスを導入してプラズマを発生させ、多結晶
シリコンをプラズマに曝して水素プラズマ処理を行える
ようにした。他の成膜室９、１０にはＴＥＯＳ（テトラ
エトキシシラン）と酸素を導入してプラズマを発生さ
せ、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化
膜のゲート絶縁膜の形成を行えるようにした。該結晶化
室１２にはＨ2、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ2のガス導入が可能で、
その圧力はガスを流通しながら１０-3Torr〜２２８０To
rr（３気圧）の範囲で可変できるようにした。
ズマＣＶＤや水素プラズマ処理を行うプラズマ処理室、
減圧ＣＶＤ室或いはスパッタ室から成る３つの成膜室
８、９、１０とをゲートバルブ４を介して該搬送室６に
接続して設け、更に本発明に従い、レーザー１１を内部
に備えてレーザー照射により該基板２のアモルファスシ
リコン膜を多結晶化するレーザーアニール室１２をゲー
トバルブ４を介して接続した。各成膜室８、９、１０に
は、成膜原料ガスの導入口と圧力調節用の真空排気口、
プラズマ発生用の電極が設けられている。１つの成膜室
８には水素ガスを導入してプラズマを発生させ、多結晶
シリコンをプラズマに曝して水素プラズマ処理を行える
ようにした。他の成膜室９、１０にはＴＥＯＳ（テトラ
エトキシシラン）と酸素を導入してプラズマを発生さ
せ、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化
膜のゲート絶縁膜の形成を行えるようにした。該結晶化
室１２にはＨ2、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ2のガス導入が可能で、
その圧力はガスを流通しながら１０-3Torr〜２２８０To
rr（３気圧）の範囲で可変できるようにした。
【００１０】仕込取出室１の仕込室１ａに搬入された表
面にアモルファスシリコン膜を有するガラス製の基板２
は、各室の真空圧力を調整したのちにゲートバルブ４を
介して搬送手段５により真空の搬送室６を介して加熱室
７へ搬入され、そこで該基板２を加熱したのちこれを再
び該搬送手段５により該搬送室６を介してレーザーアニ
ール室１２へ搬入し、該アモルファスシリコン膜にＡ
ｒ、Ｈ2、Ｈｅ、Ｎ2の少なくとも１種類のガスの雰囲気
で且つ0.1Torr以上乃至該室の耐圧限度以下の圧力に於
いてレーザービームを照射することにより該膜を多結晶
シリコン化する。更に、この後、成膜室８へ搬送手段５
が基板２を搬送し、そこで水素プラズマ処理を行い、更
に成膜室９、１０へ搬送してＳｉＯ2膜、又はＳｉＮ
X膜、或いはシリコン酸窒化膜のゲート絶縁膜を該多結
晶シリコン膜上に堆積させ、取出室１ｂから外部へ該基
板２を取り出す。取り出した基板２の代表的な構造を図
３に示した。この取り出した基板２に、更に他の装置に
より多結晶シリコン膜の一部にイオンドープ層を形成
し、ゲートメタルやパッシベーション膜、ソース電極、
ＩＴＯ膜の画素電極を形成すると、図５に示す構造の多
結晶シリコン薄膜トランジスタが基板２上に形成され
る。必要な場合、ゲート絶縁膜を形成後に再び成膜室８
へ基板２を搬入し、水素プラズマにゲート絶縁膜を曝
し、膜質を改善したのち取出室１ｂから取り出す。
面にアモルファスシリコン膜を有するガラス製の基板２
は、各室の真空圧力を調整したのちにゲートバルブ４を
介して搬送手段５により真空の搬送室６を介して加熱室
７へ搬入され、そこで該基板２を加熱したのちこれを再
び該搬送手段５により該搬送室６を介してレーザーアニ
ール室１２へ搬入し、該アモルファスシリコン膜にＡ
ｒ、Ｈ2、Ｈｅ、Ｎ2の少なくとも１種類のガスの雰囲気
で且つ0.1Torr以上乃至該室の耐圧限度以下の圧力に於
いてレーザービームを照射することにより該膜を多結晶
シリコン化する。更に、この後、成膜室８へ搬送手段５
が基板２を搬送し、そこで水素プラズマ処理を行い、更
に成膜室９、１０へ搬送してＳｉＯ2膜、又はＳｉＮ
X膜、或いはシリコン酸窒化膜のゲート絶縁膜を該多結
晶シリコン膜上に堆積させ、取出室１ｂから外部へ該基
板２を取り出す。取り出した基板２の代表的な構造を図
３に示した。この取り出した基板２に、更に他の装置に
より多結晶シリコン膜の一部にイオンドープ層を形成
し、ゲートメタルやパッシベーション膜、ソース電極、
ＩＴＯ膜の画素電極を形成すると、図５に示す構造の多
結晶シリコン薄膜トランジスタが基板２上に形成され
る。必要な場合、ゲート絶縁膜を形成後に再び成膜室８
へ基板２を搬入し、水素プラズマにゲート絶縁膜を曝
し、膜質を改善したのち取出室１ｂから取り出す。
【００１１】レーザー照射でアモルファスシリコン膜を
多結晶化するとき、該レーザーアニール室１２の圧力を
真空とするのが一般であり、真空中では前記したように
該膜からＳｉ原子の一部が蒸発してレーザーの導入窓に
付着し、その窓の曇りのためにレーザー強度が低下する
不都合があるが、本発明ではこれを防ぐため、該レーザ
ーアニール室１２内をＳｉ原子と反応しない水素ガス、
不活性ガス、安価で反応性の低い窒素ガス、或いはこれ
らの混合ガスの雰囲気とし、ガスを導入管から導入し且
つ排気口から真空ポンプにより排気することによりガス
を流通させると共にその導入量と排気量を調整して圧力
を0.1Torr以上に調整することで、該膜から蒸発するＳ
ｉ原子をそのガス雰囲気で多重散乱させ、該導入窓へ到
達する前に排気した。その圧力が0.1Torr以上であれば
該導入窓の曇りが発生せず、その圧力の上限は該レーザ
ーアニール室１２の耐圧限度例えば該室１２と真空を仕
切る仕切バルブ４の耐圧限度で決定される。
多結晶化するとき、該レーザーアニール室１２の圧力を
真空とするのが一般であり、真空中では前記したように
該膜からＳｉ原子の一部が蒸発してレーザーの導入窓に
付着し、その窓の曇りのためにレーザー強度が低下する
不都合があるが、本発明ではこれを防ぐため、該レーザ
ーアニール室１２内をＳｉ原子と反応しない水素ガス、
不活性ガス、安価で反応性の低い窒素ガス、或いはこれ
らの混合ガスの雰囲気とし、ガスを導入管から導入し且
つ排気口から真空ポンプにより排気することによりガス
を流通させると共にその導入量と排気量を調整して圧力
を0.1Torr以上に調整することで、該膜から蒸発するＳ
ｉ原子をそのガス雰囲気で多重散乱させ、該導入窓へ到
達する前に排気した。その圧力が0.1Torr以上であれば
該導入窓の曇りが発生せず、その圧力の上限は該レーザ
ーアニール室１２の耐圧限度例えば該室１２と真空を仕
切る仕切バルブ４の耐圧限度で決定される。
【００１２】各成膜室８、９、１０は、水素プラズマ処
理、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤの場合、例えば図４に
示す構成を有し、高周波電源に接続されたカソード電極
１３で閉鎖された真空槽１４の室内１５に、基板２が載
置されるアノードと加熱手段を兼ねたヒーター電極１６
を設け、該カソード電極１３には外部からのガス導入孔
１７を形成して導入したガスを該ヒーター電極１６と対
向した位置からシャワープレート１８を介して基板２に
向けて均一に吹き出させるようにし、該ヒーター電極１
６の背後に搬送手段５で搬送された基板２の載置と取り
外しのために昇降機構１９により該ヒーター電極１６を
貫通して昇降する昇降腕２０を設けるようにした。２１
は真空ポンプに接続される排気口、２２はパージガスの
導入口である。該基板２にアモルファスシリコン、Ｓｉ
Ｏ2、ＳｉＮXをプラズマＣＶＤで形成する場合には、ガ
ス導入孔１７からＳｉＨ4ガスを導入し、所定の圧力に
なったのち、ヒーター電極１６で基板２を２００〜３０
０℃に加熱し、該カソード電極１３に高周波電力を投入
してプラズマを発生させて行う。水素プラズマ処理を行
うときは、水素ガスをガス導入孔１７から導入し、基板
温度を２００〜４００℃に加熱して行う。減圧ＣＶＤの
場合は、カソード電極１３に高周波電力を供給せず、ヒ
ーター電極１６により基板２を４３０〜６００℃に加熱
して成膜を行う。ゲート絶縁膜を形成するときは、Ｓｉ
Ｈ4、Ｎ2Ｏ、Ａｒの混合ガスが導入される。更に、基板
２にスパッタ成膜する場合は、該カソード電極１３がＳ
ｉターゲットに交換され、ＳｉＨ4ガスの代わりにＡｒ
ガスを導入しながら成膜が行われる。
理、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤの場合、例えば図４に
示す構成を有し、高周波電源に接続されたカソード電極
１３で閉鎖された真空槽１４の室内１５に、基板２が載
置されるアノードと加熱手段を兼ねたヒーター電極１６
を設け、該カソード電極１３には外部からのガス導入孔
１７を形成して導入したガスを該ヒーター電極１６と対
向した位置からシャワープレート１８を介して基板２に
向けて均一に吹き出させるようにし、該ヒーター電極１
６の背後に搬送手段５で搬送された基板２の載置と取り
外しのために昇降機構１９により該ヒーター電極１６を
貫通して昇降する昇降腕２０を設けるようにした。２１
は真空ポンプに接続される排気口、２２はパージガスの
導入口である。該基板２にアモルファスシリコン、Ｓｉ
Ｏ2、ＳｉＮXをプラズマＣＶＤで形成する場合には、ガ
ス導入孔１７からＳｉＨ4ガスを導入し、所定の圧力に
なったのち、ヒーター電極１６で基板２を２００〜３０
０℃に加熱し、該カソード電極１３に高周波電力を投入
してプラズマを発生させて行う。水素プラズマ処理を行
うときは、水素ガスをガス導入孔１７から導入し、基板
温度を２００〜４００℃に加熱して行う。減圧ＣＶＤの
場合は、カソード電極１３に高周波電力を供給せず、ヒ
ーター電極１６により基板２を４３０〜６００℃に加熱
して成膜を行う。ゲート絶縁膜を形成するときは、Ｓｉ
Ｈ4、Ｎ2Ｏ、Ａｒの混合ガスが導入される。更に、基板
２にスパッタ成膜する場合は、該カソード電極１３がＳ
ｉターゲットに交換され、ＳｉＨ4ガスの代わりにＡｒ
ガスを導入しながら成膜が行われる。
【００１３】上記の搬送室６は７角形としたが、図２に
示すように仕込取出室１の仕込室１ａと取出室１ｂの間
に上記搬送手段５を備えた搬送室６と同様の真空の複数
の搬送室６ａ、６ｂ、６ｃを介在させ、各搬送室に隣接
して加熱室７、成膜室８、９、１０、及びレーザーアニ
ール室１２を配置するようにしてもよく、更には図１１
のように仕込室１ａと取出室１ｂの間に直列状態で真空
の各室を成膜工程に従って配置するインライン構成とす
ることも可能である。尚、図２、図１１の例は、ゲート
絶縁膜の形成前に水素プラズマ処理を施すもので、その
形成後にも水素プラズマ処理を行う場合には、ゲート絶
縁膜の成膜室１０の取出室１ｂ寄りに成膜室９と同様の
成膜室が配置される。図１１の場合、搬送手段５は各室
に設けられる。また、成膜室１０に於いて、ＴＥＯＳ、
Ｏ2をベースとしたシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜
のゲート絶縁膜を成膜することも可能である。
示すように仕込取出室１の仕込室１ａと取出室１ｂの間
に上記搬送手段５を備えた搬送室６と同様の真空の複数
の搬送室６ａ、６ｂ、６ｃを介在させ、各搬送室に隣接
して加熱室７、成膜室８、９、１０、及びレーザーアニ
ール室１２を配置するようにしてもよく、更には図１１
のように仕込室１ａと取出室１ｂの間に直列状態で真空
の各室を成膜工程に従って配置するインライン構成とす
ることも可能である。尚、図２、図１１の例は、ゲート
絶縁膜の形成前に水素プラズマ処理を施すもので、その
形成後にも水素プラズマ処理を行う場合には、ゲート絶
縁膜の成膜室１０の取出室１ｂ寄りに成膜室９と同様の
成膜室が配置される。図１１の場合、搬送手段５は各室
に設けられる。また、成膜室１０に於いて、ＴＥＯＳ、
Ｏ2をベースとしたシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜
のゲート絶縁膜を成膜することも可能である。
【００１４】本発明によれば、基板２のアモルファスシ
リコン膜にレーザービームを照射する際、レーザーアニ
ール室１２内に於いてＳｉと反応しない上記水素ガス等
のガス雰囲気で結晶化を行うから、結晶化中に酸化のよ
うな変質が起こらず、純度の高い多結晶シリコン膜を形
成でき、しかもその圧力を0.1Torr以上で耐圧限度以下
としてガスを流通させることにより、その形成中に基板
２から蒸発したＳｉ原子をレーザービームの導入窓に到
達する前に排気して該窓の曇りを防ぎ、長時間に亘りレ
ーザービームの強度を低下させずに多数枚の基板をレー
ザーアニールにより多結晶化できる。
リコン膜にレーザービームを照射する際、レーザーアニ
ール室１２内に於いてＳｉと反応しない上記水素ガス等
のガス雰囲気で結晶化を行うから、結晶化中に酸化のよ
うな変質が起こらず、純度の高い多結晶シリコン膜を形
成でき、しかもその圧力を0.1Torr以上で耐圧限度以下
としてガスを流通させることにより、その形成中に基板
２から蒸発したＳｉ原子をレーザービームの導入窓に到
達する前に排気して該窓の曇りを防ぎ、長時間に亘りレ
ーザービームの強度を低下させずに多数枚の基板をレー
ザーアニールにより多結晶化できる。
【００１５】この多結晶化後、真空又は前記ガス雰囲気
中から大気に暴露することなく成膜室８、９、１０のい
ずれかへ搬送し、プラズマＣＶＤ法等によりゲート絶縁
膜を形成するため、多結晶シリコンの表面及び結晶粒界
が酸化されることなく良質の多結晶シリコン膜と界面を
維持したままゲート絶縁膜を形成でき、電界効果移動度
の優れた多結晶シリコン薄膜トランジスタが得られる。
中から大気に暴露することなく成膜室８、９、１０のい
ずれかへ搬送し、プラズマＣＶＤ法等によりゲート絶縁
膜を形成するため、多結晶シリコンの表面及び結晶粒界
が酸化されることなく良質の多結晶シリコン膜と界面を
維持したままゲート絶縁膜を形成でき、電界効果移動度
の優れた多結晶シリコン薄膜トランジスタが得られる。
【００１６】また、この多結晶化直後に水素プラズマ処
理を行うことにより、多結晶シリコン膜の表面と粒界に
あるダングリングボンドが水素で修復され、その後に多
少基板２が大気に触れることがあっても、表面や粒界へ
の酸素の混入を防ぐことができ、短時間であれば多結晶
シリコンを形成後に基板を大気に取り出し、再度、別の
プラズマＣＶＤ装置へ搬入してゲート絶縁膜を形成して
も電界効果移動度の大きい良質の多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタを製作できる。
理を行うことにより、多結晶シリコン膜の表面と粒界に
あるダングリングボンドが水素で修復され、その後に多
少基板２が大気に触れることがあっても、表面や粒界へ
の酸素の混入を防ぐことができ、短時間であれば多結晶
シリコンを形成後に基板を大気に取り出し、再度、別の
プラズマＣＶＤ装置へ搬入してゲート絶縁膜を形成して
も電界効果移動度の大きい良質の多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタを製作できる。
【００１７】
【実施例】図１に示す装置の仕込室１ａへＳｉＯ2のベ
ース絶縁膜上にアモルファスシリコンを島状に形成した
ガラスの基板２の多数枚を搬入し、各室の圧力を調整し
たのち該基板２を加熱室７で３００℃に加熱した。この
後、基板２を１×１０-6Torrに真空排気したレーザーア
ニール室１２に搬入してその温度を３００℃に維持した
ままでＡｒガスの雰囲気ガス圧力を調整し、ＫｒＦエキ
シマレーザーを照射して該アモルファスシリコンを多結
晶化した。その照射は、アモルファスシリコン膜中の水
素の突沸を防ぐため、３回に分けて照射した。そして、
成膜室９に基板２を運び込んで水素プラズマ処理を行
い、更に成膜室９に於いてＴＥＯＳとＯ2の混合ガスを
導入してシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を１０００Åの厚
さで堆積させた。この後、該基板２を取出室１ｂから取
り出し、これの多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）としての電界効果移動度を測定した。この例では、
基板２を多数枚用意し、レーザーアニールの際の各種雰
囲気による特性変化と、連続して多数枚の基板処理した
場合のレーザービーム導入窓の曇りを基板上へのレーザ
ー強度の変化として調べた。また、レーザーアニールし
たのち水素プラズマ処理した基板２を、各種雰囲気に３
０分晒してからゲート絶縁膜を形成し、ＴＦＴ特性を調
べた。その結果は以下に記載の通りである。尚、このＴ
ＦＴの最終的な構造は図５に示すものと同一である。
ース絶縁膜上にアモルファスシリコンを島状に形成した
ガラスの基板２の多数枚を搬入し、各室の圧力を調整し
たのち該基板２を加熱室７で３００℃に加熱した。この
後、基板２を１×１０-6Torrに真空排気したレーザーア
ニール室１２に搬入してその温度を３００℃に維持した
ままでＡｒガスの雰囲気ガス圧力を調整し、ＫｒＦエキ
シマレーザーを照射して該アモルファスシリコンを多結
晶化した。その照射は、アモルファスシリコン膜中の水
素の突沸を防ぐため、３回に分けて照射した。そして、
成膜室９に基板２を運び込んで水素プラズマ処理を行
い、更に成膜室９に於いてＴＥＯＳとＯ2の混合ガスを
導入してシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を１０００Åの厚
さで堆積させた。この後、該基板２を取出室１ｂから取
り出し、これの多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）としての電界効果移動度を測定した。この例では、
基板２を多数枚用意し、レーザーアニールの際の各種雰
囲気による特性変化と、連続して多数枚の基板処理した
場合のレーザービーム導入窓の曇りを基板上へのレーザ
ー強度の変化として調べた。また、レーザーアニールし
たのち水素プラズマ処理した基板２を、各種雰囲気に３
０分晒してからゲート絶縁膜を形成し、ＴＦＴ特性を調
べた。その結果は以下に記載の通りである。尚、このＴ
ＦＴの最終的な構造は図５に示すものと同一である。
【００１８】レーザーアニールの際のＡｒ圧力を各種変
化させた場合のこのＴＦＴの電界効果移動度は、図６に
示す如くであった。これによれば、１０-5Torr〜２２８
０Torr（３気圧）まで変化させても約３００ｃｍ2／Ｖ
・Ｓの大きな値が保たれ、その移動度は変化しないこと
が分かる。また、Ａｒ圧力を変化させながら５０枚の基
板を連続してレーザーアニールした場合の５０枚目の基
板上に於けるレーザー強度と、１枚目の基板上のレーザ
ー強度の比を図７に示した。これによれば、０．１Torr
以下に於いて急激にレーザー強度の低下が認められ、基
板からのＳｉ原子の蒸発によるレーザー導入窓の曇りが
低真空になればなるほど進んでいることが分かった。こ
の曇りは目視によっても確認できた。従って、Ａｒ圧力
としては、０．１Torr以上が必要であり、理想的には１
０Torr以上が曇りが少なく排気も容易で理想的である
が、量産機では、通常、搬送室６が真空になっているた
め、基板搬出入時にはレーザーアニール室１２も真空に
なり、基板を該室１２へ搬入後には、仕切バルブ４を閉
じてＡｒガスを導入後、該室１２の圧力設定を高くする
ほど調圧に時間が掛かり、スループットが減少するか
ら、その最適圧力はレーザー導入窓のメンテナンスサイ
クルとスループットとの関係で決定するのが望ましい。
最大圧力は該レーザーアニール室１２を損傷することな
く気密性を維持できる程度の圧力で、通常は室壁よりも
仕切バルブの耐圧性が弱いから、仕切バルブ４の耐圧性
で決定される。
化させた場合のこのＴＦＴの電界効果移動度は、図６に
示す如くであった。これによれば、１０-5Torr〜２２８
０Torr（３気圧）まで変化させても約３００ｃｍ2／Ｖ
・Ｓの大きな値が保たれ、その移動度は変化しないこと
が分かる。また、Ａｒ圧力を変化させながら５０枚の基
板を連続してレーザーアニールした場合の５０枚目の基
板上に於けるレーザー強度と、１枚目の基板上のレーザ
ー強度の比を図７に示した。これによれば、０．１Torr
以下に於いて急激にレーザー強度の低下が認められ、基
板からのＳｉ原子の蒸発によるレーザー導入窓の曇りが
低真空になればなるほど進んでいることが分かった。こ
の曇りは目視によっても確認できた。従って、Ａｒ圧力
としては、０．１Torr以上が必要であり、理想的には１
０Torr以上が曇りが少なく排気も容易で理想的である
が、量産機では、通常、搬送室６が真空になっているた
め、基板搬出入時にはレーザーアニール室１２も真空に
なり、基板を該室１２へ搬入後には、仕切バルブ４を閉
じてＡｒガスを導入後、該室１２の圧力設定を高くする
ほど調圧に時間が掛かり、スループットが減少するか
ら、その最適圧力はレーザー導入窓のメンテナンスサイ
クルとスループットとの関係で決定するのが望ましい。
最大圧力は該レーザーアニール室１２を損傷することな
く気密性を維持できる程度の圧力で、通常は室壁よりも
仕切バルブの耐圧性が弱いから、仕切バルブ４の耐圧性
で決定される。
【００１９】レーザーアニール時の圧力を１００Torrに
固定して雰囲気ガスの種類を変化させた場合のＴＦＴ移
動度の変化を図８に示した。これによれば、Ｈ2、Ｈ
ｅ、Ａｒの雰囲気ガスでは移動度の低下が認められず、
Ｎ2のみが１５２ｃｍ2／Ｖ・Ｓと他のガスの約半分の値
に低下した。この低下の理由は、レーザー照射中にＳｉ
がＮ2と反応して一部でＳｉＮXを作ってしまったためと
推定される。従って、雰囲気ガスとしては、Ｈ2又は不
活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒ）が望ましいが、安
全性と経済性の見地からＮ2又はＮ2との混合ガスを使用
しても、従来のレーザーアニール法によるＴＦＴよりも
優れた移動度のＴＦＴが得られる。
固定して雰囲気ガスの種類を変化させた場合のＴＦＴ移
動度の変化を図８に示した。これによれば、Ｈ2、Ｈ
ｅ、Ａｒの雰囲気ガスでは移動度の低下が認められず、
Ｎ2のみが１５２ｃｍ2／Ｖ・Ｓと他のガスの約半分の値
に低下した。この低下の理由は、レーザー照射中にＳｉ
がＮ2と反応して一部でＳｉＮXを作ってしまったためと
推定される。従って、雰囲気ガスとしては、Ｈ2又は不
活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒ）が望ましいが、安
全性と経済性の見地からＮ2又はＮ2との混合ガスを使用
しても、従来のレーザーアニール法によるＴＦＴよりも
優れた移動度のＴＦＴが得られる。
【００２０】Ａｒガス１０Torrの雰囲気中で基板２のア
モルファスシリコンのレーザーアニールを行ったのち、
搬送室６に於いて各圧力で３０分間基板２を放置し、そ
の後ＳｉＯ2のゲート絶縁膜を形成した場合のＴＦＴ特
性を図９に示した。同図の大気圧というのは、搬送室６
に一度大気圧にまで大気を導入したものである。これに
よれば、１０-4Torr以上の残留圧力の雰囲気では移動度
が低下していることが認められる。また、該搬送室６の
雰囲気圧力を７６０Torr一定とし、雰囲気ガスの種類を
Ｎ2、Ｈ2、Ｈｅ及びＡｒに変更して３０分間放置したの
ちＳｉＯ2のゲート絶縁膜を形成した場合のＴＦＴの移
動度は、図１０に示したように、１０-5Torrの真空中に
置いたのちＳｉＯ2のゲート絶縁膜を形成したＴＦＴの
移動度と大差がないことが分かる。更に、大気中に曝し
たのち該ゲート絶縁膜を形成したものは、図９、図１０
に併記したように、移動度が７８ｃｍ2／Ｖ・Ｓと大幅
に低下しており、絶縁膜界面と粒界の汚染が進んでいる
ことが分かる。この汚染は、残留ガスの主成分が大気成
分即ちＨ2Ｏ、Ｎ2、Ｏ2であるため、汚染の原因は酸化
によるものと推定される。
モルファスシリコンのレーザーアニールを行ったのち、
搬送室６に於いて各圧力で３０分間基板２を放置し、そ
の後ＳｉＯ2のゲート絶縁膜を形成した場合のＴＦＴ特
性を図９に示した。同図の大気圧というのは、搬送室６
に一度大気圧にまで大気を導入したものである。これに
よれば、１０-4Torr以上の残留圧力の雰囲気では移動度
が低下していることが認められる。また、該搬送室６の
雰囲気圧力を７６０Torr一定とし、雰囲気ガスの種類を
Ｎ2、Ｈ2、Ｈｅ及びＡｒに変更して３０分間放置したの
ちＳｉＯ2のゲート絶縁膜を形成した場合のＴＦＴの移
動度は、図１０に示したように、１０-5Torrの真空中に
置いたのちＳｉＯ2のゲート絶縁膜を形成したＴＦＴの
移動度と大差がないことが分かる。更に、大気中に曝し
たのち該ゲート絶縁膜を形成したものは、図９、図１０
に併記したように、移動度が７８ｃｍ2／Ｖ・Ｓと大幅
に低下しており、絶縁膜界面と粒界の汚染が進んでいる
ことが分かる。この汚染は、残留ガスの主成分が大気成
分即ちＨ2Ｏ、Ｎ2、Ｏ2であるため、汚染の原因は酸化
によるものと推定される。
【００２１】
【発明の効果】以上のように本発明によるときは、室内
を0.1Torr以上で該室の耐圧限度以下の圧力で且つ水
素、窒素或いは不活性ガス、或いはこれらの混合ガスの
雰囲気としてレーザーアニールによりアモルファスシリ
コン膜を多結晶シリコンとするようにしたので、レーザ
ービームの導入窓の曇りが生じにくくなって長時間に亘
り多数枚の基板の多結晶化を行え、この多結晶シリコン
を大気に曝すことなく水素プラズマ処理を施すことによ
り安定した多結晶シリコンが得られ、これにゲート絶縁
膜を形成して移動度の大きいＴＦＴを製作することがで
き、請求項５の構成の装置を使用することにより本発明
の方法を適切に実施できる効果がある。
を0.1Torr以上で該室の耐圧限度以下の圧力で且つ水
素、窒素或いは不活性ガス、或いはこれらの混合ガスの
雰囲気としてレーザーアニールによりアモルファスシリ
コン膜を多結晶シリコンとするようにしたので、レーザ
ービームの導入窓の曇りが生じにくくなって長時間に亘
り多数枚の基板の多結晶化を行え、この多結晶シリコン
を大気に曝すことなく水素プラズマ処理を施すことによ
り安定した多結晶シリコンが得られ、これにゲート絶縁
膜を形成して移動度の大きいＴＦＴを製作することがで
き、請求項５の構成の装置を使用することにより本発明
の方法を適切に実施できる効果がある。
【図１】本発明の形成装置の一例の概略切断平面図
【図２】本発明の形成装置の他の実施例の概略平面図
【図３】本発明の方法によりゲート絶縁膜を形成した状
態の基板の断面図
態の基板の断面図
【図４】プラズマＣＶＤの成膜室の要部の切断側面図
【図５】多結晶シリコン薄膜トランジスタの拡大断面図
【図６】レーザーアニール時のＡｒ圧力と移動度の関係
を示す線図
を示す線図
【図７】レーザーアニール時のＡｒ圧力と基板上のレー
ザー強度の関係を示す線図
ザー強度の関係を示す線図
【図８】レーザーアニール時の雰囲気ガスの種類と移動
度の関係を示す線図
度の関係を示す線図
【図９】レーザーアニール後からゲート酸化膜形成まで
の雰囲気圧力と移動度の関係を示す線図
の雰囲気圧力と移動度の関係を示す線図
【図１０】レーザーアニール後からゲート絶縁膜形成ま
での雰囲気ガスの種類と移動度の関係を示す線図
での雰囲気ガスの種類と移動度の関係を示す線図
【図１１】本発明の形成装置の更に他の実施例の概略平
面図
面図
１ 仕込取出室、２ 基板、４ ゲートバルブ、５ 搬
送手段、７ 加熱室、８・９・１０ 成膜室、１１ レ
ーザー、１２ レーザーアニール室、
送手段、７ 加熱室、８・９・１０ 成膜室、１１ レ
ーザー、１２ レーザーアニール室、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米▲崎▼ 武 千葉県山武郡山武町横田523 日本真空技 術株式会社千葉超材料研究所内 (72)発明者 戸川 淳 千葉県山武郡山武町横田523 日本真空技 術株式会社千葉超材料研究所内 (72)発明者 太田 賀文 千葉県山武郡山武町横田523 日本真空技 術株式会社千葉超材料研究所内
Claims (5)
- 【請求項１】基板に形成したアモルファスシリコン膜に
気密の室内でレーザービームを照射し、レーザーアニー
ルにより該膜を多結晶化する結晶化工程を有する多結晶
シリコンの形成方法に於いて、該室内を0.1Torr以上乃
至該室の耐圧限度以下の圧力で、且つ、水素、窒素、不
活性ガスのうちの少なくとも１種類のガスを流通させた
雰囲気とすることを特徴とする多結晶シリコンの形成方
法。 - 【請求項２】上記室内で上記圧力とガス雰囲気により形
成した多結晶シリコンを大気に暴露することなくその結
晶化後に引き続いて水素プラズマ処理を施すことを特徴
とする請求項１に記載の多結晶シリコンの形成方法。 - 【請求項３】上記室内で上記圧力とガス雰囲気により形
成した多結晶シリコンを大気に暴露することなくその結
晶化後に引き続いてシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜
或いはシリコン酸窒化膜を該多結晶シリコン上に形成す
ることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンの
形成方法。 - 【請求項４】上記水素プラズマ処理を施した後、該多結
晶シリコンを大気に暴露することなく引き続いてシリコ
ン酸化膜又はシリコン窒化膜或いはシリコン酸窒化膜を
該多結晶シリコン上に形成することを特徴とする請求項
１に記載の多結晶シリコンの形成方法。 - 【請求項５】基板を大気圧の外部との間で出し入れする
圧力調節自在の仕込取出室に、水素、窒素、不活性ガス
のうちの少なくとも１種類のガス雰囲気で圧力設定が自
在のレーザーアニール室を減圧雰囲気で基板を搬送でき
る搬送手段を介して接続し、該レーザーアニール室にプ
ラズマＣＶＤ室又はスパッタ室或いは減圧ＣＶＤ室を減
圧雰囲気で基板を搬送できる搬送手段を介して接続した
ことを特徴とする多結晶シリコンの形成装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8309497A JPH10149984A (ja) | 1996-11-20 | 1996-11-20 | 多結晶シリコンの形成方法及び形成装置 |
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