JP4016525B2

JP4016525B2 - Semiconductor manufacturing method

Info

Publication number: JP4016525B2
Application number: JP08477699A
Authority: JP
Inventors: 清一郎東
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000277452A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁体上に形成される薄膜トランジスタ、液晶表示装置の表示画素または液晶駆動回路の構成素子として利用される薄膜トランジスタを製造する製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン等の半導体膜は薄膜トランジスタ（以下本願明細書中ではＴＦＴと称する）や太陽電池に広く利用されている。とりわけ多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）ＴＦＴは高移動度化が可能でありながらガラス基板のように透明で絶縁性の基板上に作成できるという特徴を生かして、液晶表示装置（ＬＣＤ）や液晶プロジェクターなどの光変調素子あるいは液晶駆動用内蔵ドライバーの構成素子として広く用いられ、新しい市場の創出に成功している。
【０００３】
電界効果型トランジスタであるＴＦＴの性能は、当然のことながらゲート絶縁膜の膜質、その能動部を構成する半導体膜の膜質、そしてこれらゲート絶縁膜と半導体膜との界面の善し悪しによって決定されている。いうまでもなく高品質の半導体膜、ゲート絶縁膜、および清浄な界面が得られれば、それに応じた高性能のＴＦＴが得られる。逆にこれらの要件の全てが同時に満たされていなければ高性能のＴＦＴは決して実現できない。
【０００４】
ガラス基板上に高性能なＴＦＴを作成する方法としては高温プロセスと呼ばれる製造方法がすでに実用化されている。ＴＦＴの製造方法として工程最高温度が１０００℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に高温プロセスと呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シリコンの固相成長により比較的良質のｐｏｌｙ−Ｓｉを作成する事ができることと、熱酸化により良質のゲート絶縁膜（一般的に二酸化珪素）および清浄なｐｏｌｙ−Ｓｉとゲート絶縁膜の界面を形成できることである。高温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも信頼性の高い高性能ＴＦＴを安定的に製造することができる。しかし、高温プロセスを用いるためにはＴＦＴを作成する基板が１０００℃以上の高温の熱工程に耐え得る必要がある。この条件を満たす透明な基板は現在のところ石英ガラスしかない。このため昨今のｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは総て高価で小さい石英ガラス基板上に作成されており、コストの問題上大型化には向かないとされている。また、固相成長法では十数時間という長時間の熱処理が必要であり、生産性が極めて低いとの課題がある。また、この方法では基板全体が長時間加熱されている事に起因して基板の熱変形が大きな問題と化し実質的に安価な大型ガラス基板を使用し得ないとの課題が生じており、これもまた低コスト化の妨げとなっている。
【０００５】
一方、高温プロセスが持つ上記欠点を解消し、尚且つ高移動度のｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを実現しようとしているのが低温プロセスと呼ばれる技術である。比較的安価な耐熱性ガラス基板を使うために、工程最高温度としておおむね６００℃以下のｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ製造プロセスを一般的に低温プロセスと呼ぶ。低温プロセスでは発振時間が極短時間のパルスレーザーを用いてシリコン膜の結晶化をおこなう技術が広く使われている。レーザー結晶化とは、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜に高出力のパルスレーザー光を照射することによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で結晶化する性質を利用する技術である。最近ではガラス基板上のアモルファスシリコン膜にエキシマレーザービームをくり返し照射しながらスキャンすることによって大面積のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を作成する技術が広く使われるようになった。また、ゲート絶縁膜としてはプラズマＣＶＤをもちいた成膜方法で比較的高品質の二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜が成膜可能となり実用化への見通しが得られるほどになった。これらの技術によって、現在では一辺が数十センチほどもある大型のガラス基板上にｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴが作成可能となっている。
【０００６】
しかし、この低温プロセスで問題となるのはレーザー結晶化したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜は高い欠陥密度を有しており、ＴＦＴの移動度を大きく左右する要因となることである。レーザー結晶化で発生した欠陥の密度は特にレーザー結晶化の際のレーザー照射方法の制御に強く依存する。昨今の大型基板対応のレーザー結晶化装置では図２に示すようなライン状にレーザービームを整形し半導体薄膜にレーザー照射する方法が一般的となりつつある。これは液晶表示装置などの大面積基板上にｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を短いタクトタイムで形成するための実用性を最大限に重視したものである。特にこの場合には限られたパルスエネルギーしか発生できないレーザービームの長尺方向の長さ２０１を確保するために短軸方向のビーム幅２０２は数１０μｍから数１００μｍと大変小さいものがほとんどである。このラインビームを図２矢印（２０３）方向のように移動させながらパルス照射する方法がとられている。ただし、各パルスの照射領域に境目が発生してはいけないので、通常各パルス毎の照射領域を９０％程度互いにオーバーラップさせながらスキャンしレーザー照射をおこなう。このため、レーザー結晶化装置では基板上の半導体薄膜とライン上に集光したレーザービームの位置をレーザー照射パルス毎に相対的に数ミクロンから数十ミクロンという高い精度でずらしながら基板全面の結晶化をおこなうのである。
【０００７】
レーザー結晶化はシリコン薄膜をパルスレーザーでごく短時間に加熱し、同薄膜が融点以上で溶けた後、冷却過程で結晶化する性質を利用したものである。通常このレーザー結晶化は不純物の膜中への混入防止や表面状態制御を目的として真空中で行われるのであるが、前述のようにシリコン膜が融点に達するわけであるから膜の温度は１０００℃以上に上昇するわけである。真空中でこのような処理をおこなうと熱エネルギーを有するシリコン原子やクラスターが膜表面から脱離する。溶融時間はせいぜい数１００ｎｓｅｃの短時間であるから脱離するシリコンの量は微量であるが、前述のように高い重ね率で大面積シリコン薄膜の結晶化をおこなう量産装置ではレーザー光導入窓に前述の熱脱離したシリコンが付着しレーザー光の透過率を次第に変化させてしまうという問題がある。窓に付着したシリコンは微量でも紫外光に対する光学的影響は甚大で、たとえば４００ｍｍラ４００ｍｍの基板を１０枚程度処理すると透過率が数％低下してしまう。この問題を回避するために従来の技術としては特開平１１−２６３９３号公報がある。これは図１に示すようにレーザー光導入窓にガスを吹き付けながら処理をおこなうことによって、シリコン粒子の付着を防止するものである。しかしながら前述のように熱速度で飛来してくる粒子は通常の装置構造における窓までの距離１０ｃｍ程度をわずか数μｓｅｃで通過してしまい、ガスを圧力によって吹き付ける程度では減圧下では衝突確率が極めて低くほとんど効果が望めないのである。
【０００８】
このため照射レーザー光の実効的エネルギーが経時的に変化し、結晶化膜の品質のバラツキを招き、歩留まり低下の原因となっている。また、装置のメンテナンスに要する時間が必要となり、稼働率低下ひいては製品のコストを引き上げることになってしまうのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上述の諸課題を鑑み、真空中で光を利用した熱処理をおこなう半導体製造装置で問題となる光導入窓の透過率変化を防止し、特にはレーザー結晶化ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のばらつきを低減でき、高い稼働率を持った半導体製造装置を与えるものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体の製造方法は、レーザー光を導入する窓が設けられ内部が減圧されるチャンバー内に、シリコンで構成された半導体膜を有する基板を収容し、前記チャンバー内に収容した前記基板を加熱しつつ前記窓を冷却した状態で、前記チャンバー内に水素プラズマを発生させながら、前記半導体膜に、前記窓を介して前記レーザー光を照射する工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
上記の半導体の製造方法において、前記半導体膜を前記窓側に向けた状態で、前記基板を前記チャンバー内に収容してもよい。
【００１２】
上記の半導体の製造方法において、前記窓の冷却では、前記窓を室温に保ってもよい。
【００１３】
上記の半導体の製造方法において、前記窓を冷却水で冷却してもよい。
【００１４】
上記の半導体の製造方法において、前記基板の加熱では、前記基板を２５０℃に加熱してもよい。
【００１５】
上記の半導体の製造方法において、前記基板が収容された前記チャンバー内を真空状態にしてから、前記チャンバー内に前記水素プラズマを発生させてもよい。
【００１６】
上記の半導体の製造方法において、前記チャンバーには、前記チャンバーから立設され、前記窓を支持する管状の支持台と、前記支持台のまわりにコイル状に巻かれているとともに高周波電源に接続された放電電極と、水素ガスを前記チャンバー内に導入する導入口とが設けられており、前記チャンバー内に前記導入口から前記水素ガスを導入し、前記放電電極に前記高周波電源から交流電圧を印加して、前記水素プラズマを発生させてもよい。
【００１７】
上記の半導体の製造方法において、前記チャンバーには、高周波電源に接続されているとともに、前記チャンバー内に設けられる平行平板型の放電電極と、水素ガスを前記チャンバー内に導入する導入口とが設けられており、前記チャンバー内に前記導入口から前記水素ガスを導入し、前記放電電極に前記高周波電源から交流電圧を印加して、前記水素プラズマを発生させてもよい。
【００１８】
上記の半導体の製造方法において、前記チャンバー内に導入された前記水素ガスを１Ｔｏｒｒの圧力に調整してから、前記放電電極に前記交流電圧を印加してもよい。
【００１９】
上記の半導体の製造方法において、前記チャンバー内に導入する前記水素ガスの流量をガス流量制御装置で制御することで、前記水素ガスの前記圧力を調整してもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態の一例を図４に基づいて詳述する。
【００２５】
はじめに半導体薄膜（４０３）について説明する。本発明が適用される半導体膜としてはシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等の四族単体の半導体膜の他に、シリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ：０＜ｘ＜１）やシリコン・カーバイド（Ｓｉ_ｘＣ_１−ｘ：０＜ｘ＜１）やゲルマニウム・カーバイド（Ｇｅ_ｘＣ_１−ｘ：０＜ｘ＜１）等の四族元素複合体の半導体膜、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）やインジウム・アンチモン（ＩｎＳｂ）等の三族元素と五族元素との複合体化合物半導体膜、またはカドミウム・セレン（ＣｄＳｅ）等の二族元素と六族元素との複合体化合物半導体膜等がある。或いはシリコン・ゲルマニウム・ガリウム・ヒ素（Ｓｉ_ｘＧｅ_ｙＧａ_ｚＡｓ_ｚ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）と云った更なる複合化合物半導体膜やこれらの半導体膜にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などのドナー元素を添加したＮ型半導体膜、或いはホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のアクセプター元素を添加したＰ型半導体膜に対しても本発明は適応可能である。これら半導体膜はＡＰＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法、或いはスパッター法等や蒸着法等のＰＶＤ法で形成する。半導体膜としてシリコン膜を用いる場合、ＬＰＣＶＤ法では基板温度を４００℃程度から７００℃程度としてジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）などを原料として堆積し得る。ＰＥＣＶＤ法ではモノシラン（ＳｉＨ_４）などを原料として基板温度が１００℃程度から５００℃程度で堆積可能である。スパッター法を用いる時には基板温度は室温から４００℃程度である。この様に堆積された半導体膜の初期状態（ａｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ状態）は非晶質や混晶質、微結晶質、或いは多結晶質等様々な状態があるが、本願発明にあっては初期状態はいずれの状態であっても構わない。尚本願明細書中では非晶質の結晶化のみならず、多結晶質や微結晶質の再結晶化をも含めて総て結晶化と呼ぶ。半導体膜の膜厚はそれをＴＦＴに用いる時には２０ｎｍ程度から１００ｎｍ程度が適している。
【００２６】
下地絶縁膜４０２と半導体膜４０３を形成した後、この半導体膜をレーザー照射によって結晶化する。通常、ＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法で堆積させたシリコン膜表面は自然酸化膜で覆われていることが多い。従って、レーザー光を照射する前にこの自然酸化膜を除去する必要がある。このためには弗酸溶液に浸してウエットエッチングする方法や、フッ素ガスを含んだプラズマ中でのドライエッチング等がある。
【００２７】
次に半導体膜のついた基板をレーザー照射チャンバー（４０８）にセットする。レーザー照射チャンバーは一部分が石英の窓（４０６）によってできており、チャンバーを真空に排気した後この石英窓からレーザー光（４０７）を照射する。
【００２８】
ここでレーザー光について説明する。レーザー光は半導体薄膜（４０３）表面で強く吸収され、その直下の絶縁膜（４０２）にはほとんど吸収されないことが望まれる。従ってこのレーザー光としては紫外域またはその近傍の波長を持つエキシマレーザー、アルゴンイオンレーザー、ＹＡＧレーザー高調波等が好ましい。また、半導体薄膜を高温に加熱すると同時に基板へのダメージを防ぐためには大出力でしかも極短時間のパルス発振であることが必要となる。従って、上記レーザー光の中でも特にキセノン・クロライド（ＸｅＣｌ）レーザー（波長３０８ｎｍ）やクリプトンフロライド（ＫｒＦ）レーザー（波長２４８ｎｍ）等のエキシマ・レーザーが最も適している。次にこれらのレーザー光の照射方法について図３にそって述べる。レーザーパルスの強度半値幅は１０ｎｓ程度から５００ｎｓ程度の極短時間である。レーザー照射は基板（３００）を室温（２５℃）程度から４００℃程度の間とし、背景真空度が１０^−４Ｔｏｒｒ程度から１０^−９Ｔｏｒｒ程度の真空中にて行う。図３に示すように、照射領域形状を幅１００μｍ程度（３０２）以上で長さが数１０ｃｍ以上のライン状（３０１）とし、このライン状レーザー光を走査して結晶化を進めても良い。この場合各照射毎のビームの幅方向の重なり（３０３と３０４の重なり）はビーム幅（３０２）の５％程度から９５％程度とする。ビーム幅が１００μｍでビーム毎の重なり量が９０％で有れば、一回の照射毎にビームは１０μｍ進むので同一点は１０回のレーザー照射を受ける事となる。通常半導体膜を基板全体で均一に結晶化させるには少なくとも５回程度以上のレーザー照射が望まれるので、照射毎のビームの重なり量は８０％程度以上が求められる。高い結晶性の多結晶膜を確実に得るには同一点が１０回程度から３０回程度の照射が行われる様に重なり量を９０％程度から９７％程度へと調整するのが好ましい。
【００２９】
このように高い重ね率でレーザー照射を繰り返してもレーザー導入窓４０６の光透過率が低下しないように本発明の半導体製造装置では真空容器４０８の内部または外部に放電電極を有する。真空中に設置された基板４０１上のシリコン膜４０３にレーザー照射をおこない基板全面の結晶化を終えた後、レーザー導入用の窓４０６直下に放電電極４２０を移動させる。放電電極は平行平板型であれば、その電極間隔がレーザー光の光路を挟むような位置にて使用するのが効果的である。また、このときの電極間隔は１ｃｍ以下の場合がエッチングレートがはやく効果的である。ガス流量をマスフローコントローラ４２３によって制御しながら、放電電極に高周波電源４２２により交流電圧を印加し放電をおこなう。ここで放電は直流電圧によっておこなってもかまわない。ガス４２４としてはＨ_２、ＳＦ_６、ＣＦ_４などを利用することができる。これらのガスを１Ｔｏｒｒ程度の圧力に調整し、放電をおこなうことによってレーザー導入窓の内側に付着したシリコンをエッチングする。また、放電用の電極は真空容器の外部に設置してもよい。特にこの場合は放電電極をリング状の形状にし先端を真空容器に接触させた誘導結合型の放電電極４２１が有効である。このような電極構造であればレーザー光路４０７を取り囲みながらレーザー光の光路は遮らない構造で電極を作製でき、しかも大気中に電極を設置できるので低コストで装置作製が可能である。なお且つ、誘導結合型の放電を用いれば低圧力で高密度のプラズマを発生できるので、レーザー結晶化時の圧力を低くしておこなうことができ不純物の混入を最低限にすることができる。更に、誘導結合型の電極４２１や平行平板電極４２０をレーザー導入窓を取り囲むように配置することによって、レーザー結晶化をおこなっている最中にも放電が可能となる。特に水素ガスを用いてレーザー結晶化をおこないながら放電を実行すると、レーザー結晶化膜中の欠陥が低減されると同時にレーザー導入窓付着のシリコンのエッチングも可能となる。この際にはシリコン膜基板を２５０℃程度に加熱し、一方レーザー導入窓を室温程度に冷却しておく。水素プラズマは室温程度ではシリコンのエッチング作用が強く、逆に２５０℃程度ではエッチングは少なく欠陥パシベーションの作用が強くなる性質を持っている。したがって上記のようにシリコン膜とレーザー導入窓の温度を変えることによってによってエッチングと欠陥終端の効果を同時に得ることができる。
【００３０】
このようにして、レーザー結晶化を多数の大型基板に対しておこなってもレーザー導入窓の透過率を常に一定に保つことが可能となるのである。
【００３１】
〔実施例１〕
本発明の実施例を図５にそって説明する。本発明で用いられる基板及び下地保護膜に関しては前述の説明に準ずるが、ここでは基板の一例として３００ｍｍ×３００ｍｍの正方形状汎用無アルカリガラス５０１を用いる。まず基板５０１上に基板温度を１５０゜ＣとしてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて２００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化硅素膜５０２を堆積する。次に高真空型ＬＰＣＶＤ装置を用いて、原料ガスで有るジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を２００ＳＣＣＭ流し、４２５℃の堆積温度で非晶質シリコン膜５０３を５０ｎｍ堆積する。次にこの基板にエキシマレーザー光５０６を照射し結晶化をおこなう。このレーザー結晶化装置は真空容器５０５の中にＸ−Ｙステージ５０７を有し、この上部に基板ホルダ５０６がある。この基板ホルダに前述の基板５０１を設置する。Ｘ−Ｙステージ５０７はボールネジ５０８の回転によって移動し、このボールネジはパルスモータ５０９によって駆動される。レーザー導入窓５２０はセラミック製の支持台５２４上に固定され、支持台のまわりに誘導結合型の放電電極５２３がコイル状に設置してあり、この電極はマッチングボックス５２２を介して交流電源５２１に接続されている。１×１０^−４Ｐａの真空中でレーザー照射をしながら基板５０１を移動させ、基板全面のシリコン薄膜を結晶化させる。結晶化させた基板は真空ロボットにより別の真空容器へと移動させる。結晶化が完了したらガス導入口５２４からＳＦ_６ガスを８０ｓｃｃｍ流し、チャンバー内圧力を１．３Ｐａに調整する。しかる後、放電電極に５００Ｗのパワーで交流電圧を印加し放電させ、レーザー導入窓５２０の内側に付着したシリコン膜をエッチングする。誘導結合型の高密度プラズマによって、レーザー導入窓に付着したシリコンはわずか１５秒でエッチングされ、次の基板をレーザー結晶化する際にはレーザー導入窓５２０の透過率は完全に元どおりになっている。これによってレーザー結晶化条件の経時変化を完全に解消でき、安定した特性の結晶シリコン膜を得ることができるようになった。
【００３２】
〔実施例２〕
実施例１ではエッチングガスとしてＳＦ_６ガスを使用したが、Ｈ_２ガスを用いると更に効果的である。レーザー結晶化したシリコン薄膜中には多量の欠陥が発生しているため、これを水素プラズマ処理によって欠陥終端するのが大変効果的である。また、Ｈ_２ガスは同時にシリコンのエッチングガスともなりうる。基板を２５０℃に加熱してレーザー結晶化し、このときレーザー導入窓５２０のまわりは冷却水によって室温程度に冷やしておく。このとき同時に水素ガスを導入し放電電極５２３によってプラズマ放電をおこなう。２５０℃に加熱された基板ではエッチング効果は小さく、シリコン膜５０３では効率的に水素化処理が進行する一方で、レーザー導入窓５２０は室温程度なのでシリコンはエッチングされる。この効果により、レーザー導入窓の透過率はレーザー結晶化プロセス中一定に保たれると同時に、結晶中の欠陥も低減される。また実施例１の場合のようにエッチングだけに時間を使う必要が無いので、装置のスループットが高い。
【００３３】
従来の技術では、レーザー導入窓の透過率変化により結晶膜の特性にバラツキが発生すると共に、装置稼働率の低下による低スループットが問題となっていた。しかし、以上述べて来た様に本発明の半導体製造装置を用いることによって、レーザー導入窓の透過率を一定に維持するができ結晶膜の特性の均一性を飛躍的に向上できると共に、装置の稼働率の向上によって高いスループットを持った製造装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体製造装置を示す図。
【図２】レーザー結晶化時のライン状レーザービームを示す図。
【図３】レーザー結晶化時のライン状レーザービーム照射方法を示す図。
【図４】本発明の半導体製造装置を示す図。
【図５】本発明の半導体製造装置を示す図。
【符号の説明】
１０１．．．基板
１０２．．．下地絶縁膜
１０３．．．半導体膜
１０４．．．絶縁膜
１０６．．．石英窓
１０７．．．レーザー光
１１０．．．結晶化半導体膜
１１１．．．酸素ガスまたは酸素ラジカル
１０９．．．排気管
１１３．．．ゲート絶縁膜
１１４．．．ゲート電極
１１５．．．ソース、ドレイン領域
１１６．．．層間絶縁膜
１１７．．．ソース、ドレイン電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing apparatus for manufacturing a thin film transistor formed on an insulator, a display pixel of a liquid crystal display device, or a thin film transistor used as a constituent element of a liquid crystal driving circuit.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor films such as polycrystalline silicon are widely used for thin film transistors (hereinafter referred to as TFTs in the present specification) and solar cells. In particular, polycrystalline silicon (poly-Si) TFTs can be made on a transparent and insulating substrate such as a glass substrate while being capable of high mobility, making it possible to make liquid crystal display devices (LCD) and liquid crystal projectors. It is widely used as a component of light modulation elements such as built-in drivers for driving liquid crystals, and has succeeded in creating new markets.
[0003]
The performance of a TFT, which is a field effect transistor, is naturally determined by the film quality of the gate insulating film, the film quality of the semiconductor film constituting the active portion thereof, and the quality of the interface between the gate insulating film and the semiconductor film. . Needless to say, if a high-quality semiconductor film, a gate insulating film, and a clean interface are obtained, a high-performance TFT corresponding to that can be obtained. Conversely, if all of these requirements are not satisfied at the same time, a high-performance TFT can never be realized.
[0004]
As a method for producing a high-performance TFT on a glass substrate, a manufacturing method called a high-temperature process has already been put into practical use. A process using a high temperature with a maximum process temperature of about 1000 ° C. as a TFT manufacturing method is generally called a high temperature process. The characteristics of the high-temperature process are that a relatively high-quality poly-Si can be produced by solid phase growth of silicon, a high-quality gate insulating film (generally silicon dioxide) and a clean poly-Si and gate by thermal oxidation. That is, the interface of the insulating film can be formed. Due to these characteristics, a high-performance TFT having high mobility and high reliability can be stably manufactured in a high-temperature process. However, in order to use a high temperature process, it is necessary that the substrate on which the TFT is formed can withstand a high temperature heat process of 1000 ° C. or higher. The only transparent substrate that satisfies this condition is currently quartz glass. For this reason, poly-Si TFTs of recent years are all manufactured on a small and expensive quartz glass substrate, and are not suitable for enlargement due to cost problems. In addition, the solid phase growth method requires a heat treatment for a long time of ten and several hours, and there is a problem that productivity is extremely low. In addition, this method has caused a problem that the thermal deformation of the substrate becomes a big problem due to the whole substrate being heated for a long time, and it is impossible to use a substantially inexpensive large glass substrate. This also hinders cost reduction.
[0005]
On the other hand, a technique called a low-temperature process is intended to solve the above-mentioned drawbacks of a high-temperature process and to realize a poly-Si TFT with high mobility. In order to use a relatively inexpensive heat-resistant glass substrate, a poly-Si TFT manufacturing process having a maximum process temperature of approximately 600 ° C. or lower is generally called a low-temperature process. In a low temperature process, a technique for crystallizing a silicon film using a pulse laser having an extremely short oscillation time is widely used. Laser crystallization is a technology that utilizes the property of crystallizing in the process of solidifying instantaneously by irradiating an amorphous silicon film on a glass substrate with high-power pulsed laser light. Recently, a technique for forming a poly-Si film having a large area by scanning an amorphous silicon film on a glass substrate while repeatedly irradiating it with an excimer laser beam has been widely used. In addition, a relatively high quality silicon dioxide (SiO 2) film can be formed by a film forming method using plasma CVD as the gate insulating film, and the prospect for practical use is obtained. With these technologies, poly-Si TFTs can be created on a large glass substrate that is currently several tens of centimeters on a side.
[0006]
However, a problem in this low-temperature process is that the polycrystal-Si film crystallized by laser has a high defect density and becomes a factor that greatly affects the mobility of the TFT. The density of defects generated by laser crystallization particularly depends strongly on the control of the laser irradiation method during laser crystallization. 2. Description of the Related Art In recent laser crystallization apparatuses for large substrates, a method of shaping a laser beam in a line shape as shown in FIG. This emphasizes the practicality for forming a poly-Si film on a large area substrate such as a liquid crystal display device in a short tact time. In particular, in this case, in order to ensure the length 201 of the long direction of the laser beam that can generate only limited pulse energy, the beam width 202 in the short axis direction is almost as small as several tens μm to several hundreds μm. A method of irradiating pulses while moving the line beam as indicated by an arrow (203) in FIG. 2 is employed. However, since there should be no boundary in the irradiation area of each pulse, the irradiation area for each pulse is usually scanned and laser irradiation is performed while overlapping each other by about 90%. For this reason, the laser crystallization apparatus crystallizes the entire surface of the substrate while shifting the position of the semiconductor thin film on the substrate and the laser beam focused on the line with a high accuracy of several microns to several tens of microns for each laser irradiation pulse. To do.
[0007]
Laser crystallization utilizes the property that a silicon thin film is heated with a pulsed laser for a very short time, and the thin film melts above its melting point, and then crystallizes in the cooling process. Usually, this laser crystallization is performed in vacuum for the purpose of preventing impurities from being mixed into the film and controlling the surface state. However, since the silicon film reaches the melting point as described above, the film temperature is 1000 ° C. That's more than that. When such treatment is performed in a vacuum, silicon atoms and clusters having thermal energy are desorbed from the film surface. Since the melting time is a few hundred nanoseconds at most, the amount of desorbed silicon is very small. However, as described above, in a mass production apparatus that crystallizes a large-area silicon thin film with a high overlap rate, the above-mentioned laser light introduction window is provided. There is a problem that the thermally desorbed silicon adheres and gradually changes the transmittance of the laser beam. Even if a small amount of silicon adheres to the window, the optical effect on the ultraviolet light is enormous. For example, when about 10 400 mm × 400 mm substrates are processed, the transmittance decreases by several percent. In order to avoid this problem, there is JP-A-11-26393 as a conventional technique. As shown in FIG. 1, the treatment is performed while gas is blown to the laser beam introduction window, thereby preventing silicon particles from adhering. However, as described above, particles flying at a thermal speed pass through a distance of about 10 cm to a window in a normal apparatus structure in just a few μsec, and the collision probability is extremely low under reduced pressure as long as the gas is blown by pressure. The effect is hardly expected.
[0008]
For this reason, the effective energy of the irradiation laser light changes with time, resulting in variations in the quality of the crystallized film, which causes a decrease in yield. Moreover, the time required for the maintenance of the apparatus is required, and the operating rate is lowered and the cost of the product is increased.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in view of the above-described problems, the present invention prevents a change in transmittance of a light introduction window, which is a problem in a semiconductor manufacturing apparatus that performs heat treatment using light in a vacuum, and in particular, variation in a laser crystallized poly-Si film. It is possible to provide a semiconductor manufacturing apparatus having a high operating rate.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the semiconductor manufacturing method of the present invention, a substrate having a semiconductor film made of silicon is accommodated in a chamber in which a window for introducing laser light is provided and the inside is decompressed, and the substrate accommodated in the chamber is The method includes a step of irradiating the semiconductor film with the laser light through the window while generating hydrogen plasma in the chamber while the window is cooled while being heated.
[0011]
In the semiconductor manufacturing method, the substrate may be accommodated in the chamber with the semiconductor film facing the window.
[0012]
In the semiconductor manufacturing method, the window may be kept at room temperature in cooling the window.
[0013]
In the semiconductor manufacturing method, the window may be cooled with cooling water.
[0014]
In the semiconductor manufacturing method, the substrate may be heated to 250 ° C. in the heating of the substrate.
[0015]
In the above semiconductor manufacturing method, the hydrogen plasma may be generated in the chamber after the inside of the chamber in which the substrate is accommodated is evacuated.
[0016]
In the semiconductor manufacturing method described above, the chamber is provided with a tubular support base that stands from the chamber and supports the window, is wound in a coil around the support base, and is connected to a high-frequency power source. The discharge electrode and an introduction port for introducing hydrogen gas into the chamber are provided, the hydrogen gas is introduced into the chamber from the introduction port, and an AC voltage is applied to the discharge electrode from the high-frequency power source. Then, the hydrogen plasma may be generated.
[0017]
In the semiconductor manufacturing method, the chamber is connected to a high frequency power source, and includes a parallel plate type discharge electrode provided in the chamber, and an introduction port for introducing hydrogen gas into the chamber. The hydrogen plasma may be generated by introducing the hydrogen gas from the inlet into the chamber and applying an AC voltage from the high-frequency power source to the discharge electrode.
[0018]
In the semiconductor manufacturing method, the AC voltage may be applied to the discharge electrode after adjusting the hydrogen gas introduced into the chamber to a pressure of 1 Torr.
[0019]
In the semiconductor manufacturing method, the pressure of the hydrogen gas may be adjusted by controlling a flow rate of the hydrogen gas introduced into the chamber with a gas flow rate control device.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0025]
First, the semiconductor thin film (403) will be described. As a semiconductor film to which the present invention is applied, in addition to a single group IV semiconductor film such as silicon (Si) or germanium (Ge), silicon germanium (Si _x Ge _1-x : 0 <x <1) or silicon A semiconductor film of a quaternary element complex such as carbide (Si _x C _1-x : 0 <x <1) or germanium carbide (Ge _x C _1-x : 0 <x <1), gallium arsenide (GaAs ) And indium antimony (InSb), etc., a compound compound semiconductor film of a group 3 element and a group 5 element, or a compound compound semiconductor film of a group 2 element, such as cadmium selenium (CdSe), and a group 6 element, etc. is there. Alternatively, further compound compound semiconductor films such as silicon, germanium, gallium, and arsenic (Si _x Ge _y Ga _z As _z : x + y + z = 1) and these semiconductor films include phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb The present invention also applies to an N-type semiconductor film to which a donor element such as) is added, or a P-type semiconductor film to which an acceptor element such as boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or indium (In) is added. Is adaptable. These semiconductor films are formed by a CVD method such as an APCVD method, an LPCVD method, or a PECVD method, or a PVD method such as a sputtering method or a vapor deposition method. In the case of using a silicon film as the semiconductor film, LPCVD can be deposited using disilane (Si ₂ H ₆ ) or the like as a substrate at a substrate temperature of about 400 ° C. to 700 ° C. In the PECVD method, deposition can be performed at a substrate temperature of about 100 ° C. to about 500 ° C. using monosilane (SiH ₄ ) or the like as a raw material. When using the sputtering method, the substrate temperature is about room temperature to 400 ° C. There are various states, such as amorphous, mixed crystal, microcrystalline, and polycrystalline, as the initial state (as-deposited state) of the semiconductor film deposited in this way. May be in any state. In the present specification, not only amorphous crystallization but also polycrystalline and microcrystalline recrystallization are all called crystallization. The thickness of the semiconductor film is suitably about 20 nm to 100 nm when it is used for a TFT.
[0026]
After the base insulating film 402 and the semiconductor film 403 are formed, the semiconductor film is crystallized by laser irradiation. Usually, a silicon film surface deposited by a CVD method such as an LPCVD method or a PECVD method is often covered with a natural oxide film. Therefore, it is necessary to remove this natural oxide film before irradiating the laser beam. For this purpose, there are a method of wet etching by immersing in a hydrofluoric acid solution, dry etching in a plasma containing fluorine gas, and the like.
[0027]
Next, the substrate with the semiconductor film is set in a laser irradiation chamber (408). A part of the laser irradiation chamber is made of a quartz window (406). After the chamber is evacuated, laser light (407) is irradiated from the quartz window.
[0028]
Here, laser light will be described. It is desirable that the laser light is strongly absorbed on the surface of the semiconductor thin film (403) and hardly absorbed by the insulating film (402) immediately below the laser light. Therefore, excimer laser, argon ion laser, YAG laser harmonic, etc. having a wavelength in the ultraviolet region or the vicinity thereof are preferable as this laser light. Further, in order to heat the semiconductor thin film to a high temperature and simultaneously prevent damage to the substrate, it is necessary to have a pulse output with a large output and a very short time. Therefore, among the above laser beams, excimer lasers such as a xenon chloride (XeCl) laser (wavelength 308 nm) and a krypton fluoride (KrF) laser (wavelength 248 nm) are most suitable. Next, the laser light irradiation method will be described with reference to FIG. The half width of the intensity of the laser pulse is an extremely short time of about 10 ns to about 500 ns. Laser irradiation is performed in a vacuum in which the substrate (300) is between room temperature (25 ° C.) and 400 ° C. and the background vacuum is about 10 ⁻⁴ Torr to 10 ⁻⁹ Torr. As shown in FIG. 3, the irradiation region shape may be a line shape (301) having a width of about 100 μm (302) or more and a length of several tens of centimeters or more, and crystallization may be advanced by scanning this line laser beam. In this case, the overlap in the beam width direction for each irradiation (the overlap between 303 and 304) is about 5% to 95% of the beam width (302). If the beam width is 100 μm and the overlap amount for each beam is 90%, the beam advances 10 μm for each irradiation, so that the same point receives 10 laser irradiations. Usually, in order to crystallize the semiconductor film uniformly over the entire substrate, at least about 5 times of laser irradiation is desired. Therefore, the overlap amount of the beam for each irradiation is required to be about 80% or more. In order to reliably obtain a highly crystalline polycrystalline film, it is preferable to adjust the overlap amount from about 90% to about 97% so that the same point is irradiated about 10 to 30 times.
[0029]
The semiconductor manufacturing apparatus of the present invention has a discharge electrode inside or outside the vacuum vessel 408 so that the light transmittance of the laser introduction window 406 does not decrease even when laser irradiation is repeated at such a high overlap rate. After the laser irradiation is performed on the silicon film 403 on the substrate 401 placed in a vacuum and the entire surface of the substrate is crystallized, the discharge electrode 420 is moved directly below the window 406 for laser introduction. If the discharge electrode is a parallel plate type, it is effective to use it at a position where the electrode interval sandwiches the optical path of the laser beam. In addition, when the electrode interval is 1 cm or less, the etching rate is fast and effective. While controlling the gas flow rate by the mass flow controller 423, an AC voltage is applied to the discharge electrode by the high frequency power source 422 to perform discharge. Here, the discharge may be performed by a DC voltage. As the gas 424, H ₂ , SF ₆ , CF ₄ or the like can be used. These gases are adjusted to a pressure of about 1 Torr and discharge is performed to etch the silicon adhering to the inside of the laser introduction window. Further, the discharge electrode may be installed outside the vacuum vessel. In particular, in this case, an inductively coupled discharge electrode 421 in which the discharge electrode has a ring shape and the tip is in contact with the vacuum vessel is effective. With such an electrode structure, the electrode can be manufactured with a structure that surrounds the laser light path 407 and does not block the optical path of the laser light. In addition, since the electrode can be installed in the atmosphere, the apparatus can be manufactured at low cost. In addition, if inductively coupled discharge is used, high-density plasma can be generated at a low pressure, so that the pressure during laser crystallization can be lowered and contamination of impurities can be minimized. Furthermore, by disposing the inductively coupled electrode 421 and the parallel plate electrode 420 so as to surround the laser introduction window, discharge can be performed during laser crystallization. In particular, when discharge is performed while performing laser crystallization using hydrogen gas, defects in the laser crystallized film are reduced, and at the same time, etching of silicon attached to the laser introduction window is possible. At this time, the silicon film substrate is heated to about 250 ° C., while the laser introduction window is cooled to about room temperature. Hydrogen plasma has the property that the etching action of silicon is strong at about room temperature, and conversely, the etching is less at about 250 ° C. and the action of defect passivation is strong. Therefore, the effects of etching and defect termination can be obtained simultaneously by changing the temperatures of the silicon film and the laser introduction window as described above.
[0030]
In this way, even when laser crystallization is performed on a large number of large substrates, the transmittance of the laser introduction window can always be kept constant.
[0031]
[Example 1]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Although the substrate and the base protective film used in the present invention are in accordance with the above description, a square general-purpose non-alkali glass 501 of 300 mm × 300 mm is used here as an example of the substrate. First, a silicon oxide film 502 having a thickness of about 200 nm is deposited on the substrate 501 by an ECR-PECVD method at a substrate temperature of 150 ° C. Next, using a high vacuum type LPCVD apparatus, disilane (Si ₂ H ₆ ), which is a raw material gas, flows at 200 SCCM, and an amorphous silicon film 503 is deposited to a thickness of 50 nm at a deposition temperature of 425 ° C. Next, the substrate is irradiated with excimer laser light 506 for crystallization. This laser crystallization apparatus has an XY stage 507 in a vacuum vessel 505, and a substrate holder 506 on the upper part. The aforementioned substrate 501 is installed in this substrate holder. The XY stage 507 is moved by the rotation of the ball screw 508, and this ball screw is driven by a pulse motor 509. The laser introduction window 520 is fixed on a ceramic support base 524, and an inductively coupled discharge electrode 523 is installed around the support base in a coil shape. This electrode is connected to the AC power source 521 via the matching box 522. It is connected. The substrate 501 is moved while laser irradiation is performed in a vacuum of 1 × 10 ⁻⁴ Pa, and the silicon thin film on the entire surface of the substrate is crystallized. The crystallized substrate is moved to another vacuum container by a vacuum robot. When the crystallization is completed, SF ₆ gas is flowed through the gas inlet 524 at 80 sccm, and the pressure in the chamber is adjusted to 1.3 Pa. Thereafter, an AC voltage is applied to the discharge electrode with a power of 500 W to cause discharge, and the silicon film adhered to the inside of the laser introduction window 520 is etched. The silicon adhering to the laser introduction window is etched in only 15 seconds by the inductively coupled high-density plasma, and when the next substrate is laser crystallized, the transmittance of the laser introduction window 520 is completely restored. Yes. As a result, the change in laser crystallization conditions with time can be completely eliminated, and a crystalline silicon film having stable characteristics can be obtained.
[0032]
[Example 2]
In Example 1, SF ₆ gas was used as the etching gas, but it is more effective to use H ₂ gas. Since a large amount of defects are generated in the laser-crystallized silicon thin film, it is very effective to terminate the defects by hydrogen plasma treatment. Further, the H ₂ gas can also be a silicon etching gas. The substrate is heated to 250 ° C. for laser crystallization, and at this time, the laser introduction window 520 is cooled to about room temperature with cooling water. At the same time, hydrogen gas is introduced and plasma discharge is performed by the discharge electrode 523. The substrate heated to 250 ° C. has a small etching effect, and the silicon film 503 is efficiently hydrogenated while the laser introduction window 520 is at room temperature, so that silicon is etched. Due to this effect, the transmittance of the laser introduction window is kept constant during the laser crystallization process, while defects in the crystal are also reduced. Further, since it is not necessary to use time only for etching as in the case of the first embodiment, the throughput of the apparatus is high.
[0033]
In the prior art, the crystal film characteristics vary due to changes in the transmittance of the laser introduction window, and low throughput due to a decrease in the apparatus operating rate has been a problem. However, as described above, by using the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention, the transmittance of the laser introduction window can be maintained constant, and the uniformity of the characteristics of the crystal film can be dramatically improved. By improving the operating rate, it becomes possible to realize a manufacturing apparatus having a high throughput.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a conventional semiconductor manufacturing apparatus.
FIG. 2 is a diagram showing a line laser beam during laser crystallization.
FIG. 3 is a view showing a line laser beam irradiation method during laser crystallization.
FIG. 4 shows a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention.
FIG. 5 shows a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
101. . . Substrate 102. . . Underlying insulating film 103. . . Semiconductor film 104. . . Insulating film 106. . . Quartz window 107. . . Laser light 110. . . Crystallized semiconductor film 111. . . Oxygen gas or oxygen radical 109. . . Exhaust pipe 113. . . Gate insulating film 114. . . Gate electrode 115. . . Source and drain regions 116. . . Interlayer insulating film 117. . . Source and drain electrodes

Claims

レーザー光を導入する窓が設けられ内部が減圧されるチャンバー内に、シリコンで構成された半導体膜を有する基板を収容し、前記チャンバー内に収容した前記基板を加熱しつつ前記窓を冷却した状態で、前記チャンバー内に水素プラズマを発生させながら、前記半導体膜に、前記窓を介して前記レーザー光を照射する工程を含むことを特徴とする半導体の製造方法。A state in which a substrate having a semiconductor film made of silicon is accommodated in a chamber in which a window for introducing laser light is provided and the inside is decompressed, and the window is cooled while heating the substrate accommodated in the chamber A method for manufacturing a semiconductor, comprising: irradiating the semiconductor film with the laser light through the window while generating hydrogen plasma in the chamber.

前記半導体膜を前記窓側に向けた状態で、前記基板を前記チャンバー内に収容することを特徴とする請求項１に記載の半導体の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor according to claim 1, wherein the substrate is accommodated in the chamber with the semiconductor film facing the window side.

前記窓の冷却では、前記窓を室温に保つことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor according to claim 1, wherein the window is kept at room temperature in cooling the window.

前記窓を冷却水で冷却することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体の製造方法。The semiconductor manufacturing method according to claim 1, wherein the window is cooled with cooling water.

前記基板の加熱では、前記基板を２５０℃に加熱することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体の製造方法。5. The method for manufacturing a semiconductor according to claim 1, wherein the substrate is heated to 250 ° C. 5.

前記基板が収容された前記チャンバー内を真空状態にしてから、前記チャンバー内に前記水素プラズマを発生させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体の製造方法。6. The method of manufacturing a semiconductor according to claim 1, wherein the hydrogen plasma is generated in the chamber after the inside of the chamber in which the substrate is accommodated is evacuated.

前記チャンバーには、前記チャンバーから立設され、前記窓を支持する管状の支持台と、前記支持台のまわりにコイル状に巻かれているとともに高周波電源に接続された放電電極と、水素ガスを前記チャンバー内に導入する導入口とが設けられており、The chamber is provided with a tubular support base that stands from the chamber and supports the window, a discharge electrode that is coiled around the support base and connected to a high-frequency power source, and hydrogen gas. An inlet for introduction into the chamber is provided,
前記チャンバー内に前記導入口から前記水素ガスを導入し、前記放電電極に前記高周波電源から交流電圧を印加して、前記水素プラズマを発生させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体の製造方法。7. The hydrogen plasma is generated by introducing the hydrogen gas into the chamber from the introduction port and applying an AC voltage to the discharge electrode from the high frequency power source. The manufacturing method of the semiconductor of description.

前記チャンバーには、高周波電源に接続されているとともに、前記チャンバー内に設けられる平行平板型の放電電極と、水素ガスを前記チャンバー内に導入する導入口とが設けられており、The chamber is connected to a high-frequency power source, and is provided with a parallel plate type discharge electrode provided in the chamber, and an inlet for introducing hydrogen gas into the chamber.
前記チャンバー内に前記導入口から前記水素ガスを導入し、前記放電電極に前記高周波電源から交流電圧を印加して、前記水素プラズマを発生させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体の製造方法。7. The hydrogen plasma is generated by introducing the hydrogen gas into the chamber from the introduction port and applying an AC voltage to the discharge electrode from the high frequency power source. The manufacturing method of the semiconductor of description.

前記チャンバー内に導入された前記水素ガスを１Ｔｏｒｒの圧力に調整してから、前記放電電極に前記交流電圧を印加することを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体の製造方法。9. The method of manufacturing a semiconductor according to claim 7, wherein the AC voltage is applied to the discharge electrode after adjusting the hydrogen gas introduced into the chamber to a pressure of 1 Torr.

前記チャンバー内に導入する前記水素ガスの流量をガス流量制御装置で制御することで、前記水素ガスの前記圧力を調整することを特徴とする請求項９に記載の半導体の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor according to claim 9, wherein the pressure of the hydrogen gas is adjusted by controlling a flow rate of the hydrogen gas introduced into the chamber with a gas flow rate control device.