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発明の名称 薄膜半導体装置の製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平9−8316
公開日 平成9年(1997)1月10日
出願番号 特願平7−174206
出願日 平成7年(1995)6月16日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 晴敏
発明者 金谷 康弘
要約 目的
レーザアニールの雰囲気を改善してレーザアニール装置のコストダウン、レーザ光学系の長寿命化、及び絶縁基板上への異物付着防止を図る。

構成
薄膜半導体装置は絶縁基板2に半導体薄膜を形成する成膜工程と、この半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する加工工程を経て製造される。この際、加工工程の前後又は中間で半導体薄膜にレーザ光3を照射して加熱処理を行なう。この照射工程は不活性気体を主成分とする雰囲気下でレーザ光3を照射する事を特徴とする。例えば、大気圧以上の圧力で窒素ガス等の不活性気体が満たされたチャンバ1−1に絶縁基板2を投入してレーザ光3を外部から照射する。
特許請求の範囲
【請求項1】 絶縁基板に半導体薄膜を形成する成膜工程と、該半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する加工工程と、該加工工程の前後又は中間で該半導体薄膜にレーザ光を照射して加熱処理を行なう照射工程とを含む薄膜半導体装置の製造方法であって、前記照射工程は、不活性気体を主成分とする雰囲気下でレーザ光を照射する事を特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項2】 前記照射工程は、大気圧以上の圧力で不活性気体が満たされたチャンバに該絶縁基板を投入してレーザ光を外部から照射する事を特徴とする請求項1記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項3】 前記照射工程は、該絶縁基板に不活性気体のシャワーを連続的に供給した状態でレーザ光を照射する事を特徴とする請求項1記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項4】 前記照射工程は、90%以上の濃度の窒素ガスを含有する雰囲気下でレーザ光を照射する事を特徴とする請求項1記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項5】 前記照射工程は、該半導体薄膜にレーザ光を照射してその結晶化を行なう事を特徴とする請求項1記載の薄膜半導体装置の製造方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は薄膜半導体装置の製造方法に関する。より詳しくは、半導体薄膜にレーザ光を照射して加熱処理を行なうレーザアニール方法に関する。
【0002】
【従来の技術】薄膜半導体装置は絶縁基板に半導体薄膜を形成した後、この半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成している。絶縁基板として比較的安価な低融点ガラスを使用可能とする為、従来から薄膜トランジスタの低温プロセスが開発されている。その一環として、半導体薄膜にレーザ光を照射して加熱処理を行なうレーザアニールが注目を集めている。このレーザアニールは半導体薄膜にレーザ光を照射して局部的に加熱し、一旦溶融化した後、冷却過程で結晶化を生じさせ、もって半導体薄膜の電気特性を改善している。あるいは、半導体薄膜にドーピングされた不純物の活性化の為にもレーザアニールが使われる。従来、このレーザアニールは真空中で行なっていた。大気中で行なうと、レーザアニールで活性化もしくは溶融した半導体材料が大気によって酸化し、それが欠陥となり半導体薄膜の電気特性を不安定化すると考えられていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらレーザアニールを真空中で行なう為には排気可能なチャンバが必要となり、この為以下の様な課題が生じていた。先ず、レーザアニールを安定した状態で実施する為には、レーザ光を均一化したりそのビーム形状を規定する為の光学系を固定した方が良い。しかしながら大型基板の全面に形成された半導体薄膜を一括照射する為には高出力のレーザ光源が必要である。しかしながら、現状では、この様な高出力のレーザ光源は実用化されていない。ちなみに、30cm角の絶縁基板に対して一括レーザアニールを行なう為には300Jのエネルギーが必要である。従って、現状では一括照射に代え、レーザ光の断面積を絞ると共に、照射対象となる絶縁基板を相対的に走査してレーザアニールを行なっている。しかしながら、基板サイズが大きくなると、その二次元走査を行なう為大きなチャンバ容積が必要になる。チャンバ容積が増大するとその真空を保つ為相当の剛性が要求され、チャンバ自体が非常に大型化し且つ重くなる為コストが嵩んでいた。又、真空中でレーザアニールを行なうと基板をチャンバに投入して排気を行なう際ゴミ等の異物が舞い上がり、これが基板に付着しやすくなる。さらに、従来のレーザアニールでは基板を真空チャンバに投入する一方、石英等からなるウィンドウを介して外部からレーザ光を基板に照射していた。しかしながら、石英ウィンドウには半導体薄膜の溶融により飛散した物質が付着し、長時間の使用においてはウィンドウの汚れ等によりレーザ光の均一性悪化やエネルギーの透過率低下を招いていた。
【0004】
【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にかかる薄膜半導体装置は以下の工程に従って製造される。先ず成膜工程を行ない絶縁基板に半導体薄膜を形成する。続いて加工工程を行ない、該半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する。この際該加工工程の前後又は中間で照射工程を行ない、該半導体薄膜にレーザ光を照射して加熱処理を施す。特徴事項として、前記照射工程は、不活性気体を主成分とする雰囲気下でレーザ光を照射する。具体的には、前記照射工程は大気圧以上の圧力で不活性気体が満たされたチャンバに該絶縁基板を投入してレーザ光を外部から照射する。他の具体例では、前記照射工程は絶縁基板に不活性気体のシャワーを連続的に供給した状態でレーザ光を照射する。好ましくは、前記照射工程は90%以上の濃度の窒素ガスを含有する雰囲気下でレーザ光を照射する。一応用例では、前記照射工程は該半導体薄膜にレーザ光を照射してその結晶化を行なう。
【0005】
【作用】本発明では、窒素等の不活性気体を主成分とする雰囲気下でレーザ光を半導体薄膜に照射している。このレーザアニールは例えば薄膜トランジスタの活性層となる半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶化を行なう。この際、例えば窒素等の不活性ガスが90%以上で且つ大気圧以上に保持された雰囲気下でレーザアニールを実施している。これにより、真空チャンバが不要となり製造コストダウンが図れる。又、真空中に比べ溶融した半導体材料等の飛散を抑制できるので、石英ウィンドウを含めたレーザ光学系の寿命が長くなる。さらには、不活性気体を充満する事によりゴミ等の異物が基板上へ付着する事を防止できる。
【0006】
【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。図1は本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の実施に用いられるレーザアニールチャンバの構成例を示す模式的な斜視図である。一般に、薄膜半導体装置は以下の工程により製造される。先ず、絶縁基板2に半導体薄膜を形成する成膜工程を行なう。続いて半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する加工工程を行なう。この際、加工工程の前後又は中間で半導体薄膜にレーザ光3を照射して加熱処理を行なう。この照射工程はレーザアニールと呼ばれており、例えば半導体薄膜の結晶化や半導体薄膜に注入された不純物の活性化を目的とする。本発明の特徴事項として、このレーザアニールは窒素ガス等の不活性気体を主成分とする雰囲気下で行なわれる。この為に、図1に示したチャンバ1−1が用いられる。即ち、大気圧以上の圧力で不活性気体が導入されたチャンバ1−1に絶縁基板2を投入してレーザ光3を外部から照射している。
【0007】具体的には、このレーザアニールチャンバ1−1はレーザ光3との焦点距離を正確に出す為固定台7にしっかりと固定される。チャンバ1−1にはレーザ光3を絶縁基板2まで到達させる為、石英製のウィンドウ4が設けられている。このウィンドウ4を通してアルミニウム製のチャンバ1−1内にレーザ光3を導く。このレーザ光3によってXYステージ8上に載置された絶縁基板2がアニールされる。この時、XYステージ8がX方向(a)及びY方向(b)に移動する事で、固定されたレーザ光3に対し基板2が相対的に移動し、結果的に絶縁基板2の全面がレーザ光3によって照射される事になる。本発明の特徴事項としてチャンバ1−1には窒素導入口5が設けられている。この導入口5により窒素ガスN2を流入しながらレーザアニールを行なう。チャンバ1−1内の圧力をコントロールし、余剰となった窒素ガスN2 は排出口6から外部に放出される。
【0008】図2は絶縁基板2の移動機構の具体的な構成例を示す模式的な斜視図である。Xステージガイド8−aの上にYステージガイド8−bが搭載され、さらにその上にステージ8が載せられている。これにより、絶縁基板2をX方向及びY方向に移動する。
【0009】図3は、レーザアニール装置の全体構成を示す模式的なブロック図である。前述した様に、本発明では非晶質シリコン等の半導体薄膜が成膜された絶縁基板2をレーザ光3で照射する事により、非晶質シリコンを一旦溶融しその冷却過程で多結晶シリコンに転換する。これにより、半導体薄膜の電気特性改善を図っている。図示する様に、レーザアニール装置はレーザアニールを行なうチャンバ1−1、アニールする絶縁基板を投入する為の入口となるロード室1−2、出口となるアンロード室1−3、そしてこれらのチャンバを接続し絶縁基板2を搬送する為の搬送室1−4から構成されている。処理前の絶縁基板2はロード室1−2に投入され、矢印cで示す様に搬送室1−4を通過した後レーザアニールチャンバ1−1に供給される。チャンバ1−1でレーザアニールを実施した後、矢印dで示す様に搬送室1−4を通ってアンロード室1−3に供給され、処理済みの絶縁基板2が外部に取り出される。前述した様に、レーザアニールチャンバ1−1は窒素等の不活性ガスが導入される様になっている。さらに、ロード室1−2、アンロード室1−3、搬送室1−4も全て窒素ガスによってパージされた状態になっている。
【0010】引き続き図3を参照して、窒素雰囲気中におけるレーザアニールの具体的な方法について説明を加える。ガラス等からなる絶縁基板2の表面には予め前工程で非晶質シリコンからなる半導体薄膜が成膜されている。例えば、プラズマCVDにより35nmの厚みで非晶質シリコンを堆積する。そして、この成膜工程を経た絶縁基板2をロード室1−2にセットした後、レーザアニールチャンバ1−1へと導き、ここで絶縁基板2をXYステージにセットする。この時、ロード室1−2及び搬送室1−4は常に窒素パージがなされていて、チャンバ1−1内のガスの90%以上を窒素で占める様にする。レーザアニールチャンバ1−1では窒素導入口5(図1)より窒素を流し込み、周囲の大気圧よりもやや高め(例えば10%程度高め)に設定した圧力を維持する様に、排出口6(図1)の排出量を制御する。これにより、レーザアニールチャンバ1−1の内部を高純度の窒素で常に満たす事が可能になる。この様な条件で絶縁基板上の非晶質シリコンにレーザ光を照射して溶融させる。その冷却過程で非晶質シリコンは多結晶シリコンに転換される。この時、周囲雰囲気が90%以上の窒素で満たされている為、半導体薄膜の溶融時から凝固時までシリコン表面の酸化が抑制でき、真空中と同じ様に表面欠陥が抑制されたレーザアニールを行なえる。絶縁基板2は窒素をパージしているラインのみを移動し且つ処理される為、真空引きの為の排気操作が不要となり、レーザアニールに必要な処理時間が短縮化できる。真空引きを行なう時に巻き上がるゴミ等の異物が基板に付着する惧れもなくなる。
【0011】図4に示す様に、絶縁基板2にレーザ光3を照射すると照射を受けた部位の半導体薄膜が非晶質シリコンから多結晶シリコン2−1に転換する。この際、レーザアニールによって溶融したシリコンは僅かながら微細な粒子9として空間に飛散する。この飛散したシリコン粒子9によって石英ウィンドウ4(図1)は次第に汚れていく。この時チャンバ内部を窒素雰囲気で満たし且つ大気圧以上の圧力に保持する事で、シリコンの微小粒子9が窒素分子10と衝突する為、ウィンドウの汚染を防ぐ事ができる。又大気圧以上の圧力を保持する事で、シリコン溶融時の突沸を抑え込み、安定したレーザアニールを行なえる様にする。この場合には、窒素ガスの圧力をできるだけ高くした方が大きな効果が得られる。
【0012】図5はレーザアニール方法の他の実施例を示す模式的な斜視図である。本例では絶縁基板2に不活性気体(窒素ガスN2 )のシャワーを連続的に供給した状態でレーザ光3を照射し、非晶質シリコンを多結晶シリコン2−1に転換している。即ち、窒素シャワーノズル11を使い局所的に窒素ガスN2 を吹き付ける事により、90%以上の窒素雰囲気を局部的に作り出すものである。この場合、チャンバを設ける必要がない為レーザアニールの為の装置コストをさらに下げる事が可能となる。
【0013】以上に説明した実施例では不活性ガスとして窒素を用いていたが本発明はこれに限られるものではなく、ヘリウム等の他の不活性ガスも使用可能である。但し、不活性ガスに代えて水素等の還元性ガスを用いる事は好ましくない。水素ガスを用いるとチャンバのシールが必要になると共にパージも必要である。この為、チャンバ構造が複雑になる。又、上述した実施例ではレーザアニールにより非晶質シリコンを多結晶シリコンに転換する結晶化を行なっていたが、本発明はこれに限られるものではない。最初から絶縁基板上に多結晶シリコンを成膜した場合でも、半導体薄膜の特性向上を目的としたレーザアニールを行なう場合があり、本発明はこの時にも適用可能である。さらには、半導体薄膜に注入された不純物の活性化を行なう際にも本発明のレーザアニールは適用可能である。さらに、レーザアニールチャンバの材質は特にアルミニウムでなくても良い。チャンバは不活性ガスを溜める事ができるものであれば、他の金属、樹脂、セラミック、石英等の材質を用いる事ができる。
【0014】最後に図6及び図7の工程図を参照して、レーザアニールを用いた薄膜半導体装置の製造方法を説明する。先ず工程(a)で、ガラス等からなる絶縁基板101の表面に半導体薄膜102を成膜する。続いて絶縁基板101を不活性雰囲気中に投入し、レーザ光103を照射して加熱処理を行なう。例えば、半導体薄膜102として非晶質シリコンを成膜した場合、レーザアニールによる一括加熱により一旦溶融した後結晶化し比較的大粒径の多結晶シリコンが得られる。レーザ光103としては例えばエキシマレーザパルスを用いる事ができる。エキシマレーザは強力なパルス紫外光である為、シリコン等からなる半導体薄膜102の表面層で吸収され、その部分の温度を上昇させるが、絶縁基板101まで加熱する事はない。透明絶縁基板101に例えば厚み30nmのプラズマCVDシリコンを成膜した場合、XeClエキシマレーザ光を照射した時の溶融閾値エネルギーは130mJ/cm2 程度である。膜厚全体が溶融するには例えば220mJ/cm2 程度のエネルギーが必要である。溶融してから固化するまでの時間はおよそ70nsである。次に工程(b)に進み、半導体薄膜102をアイランド状にパタニングして素子領域とする。この素子領域を被覆する様にゲート絶縁膜104を成膜する。工程(c)に進み、ゲート絶縁膜104の上にゲート電極105をパタニングする。続いて工程(d)でイオンドーピング等により不純物イオン106を照射する。これによりゲート電極105をマスクとしたセルフアライメントで半導体薄膜102中に高濃度で不純物をドーピングでき、薄膜トランジスタのソース領域107及びドレイン領域108を形成する。この際、再びレーザアニールを行なう事で、半導体薄膜102に注入された不純物の活性化が可能になる。この活性化を目的としたレーザアニールも本発明に従って不活性雰囲気下で行なう事ができる。
【0015】図7の工程(e)に進み、薄膜トランジスタをPSG等からなる第1層間絶縁膜109で被覆する。最後に工程(f)で、第1層間絶縁膜109にコンタクトホールを開口する。この後第1層間絶縁膜109の上にアルミニウム等の金属を成膜した後所定の形状にパタニングして配線電極110に加工する。この配線電極110は薄膜トランジスタのソース領域107と接続している。さらに配線電極110を被覆する様にPSG等からなる第2層間絶縁膜111を成膜する。第2層間絶縁膜111及び第1層間絶縁膜109に連続してコンタクトホールを開口する。第2層間絶縁膜111の上にITO等からなる透明導電膜を成膜し、所定の形状にパタニングして画素電極114に加工する。この画素電極114はコンタクトホールを介して薄膜トランジスタのドレイン領域108と接続している。以上により表示用薄膜半導体装置が完成する。この薄膜半導体装置を駆動基板としてアクティブマトリクス型の表示パネルを製造できる。この場合には予め対向電極が形成された別の絶縁基板を所定の間隙を介して絶縁基板101に接合する。この間隙に液晶等の電気光学物質を封入充填すると、アクティブマトリクス型の表示パネルが完成する。
【0016】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明では不活性気体を主成分とする雰囲気下でレーザ光を半導体薄膜に照射する事でレーザアニールを実施している。従来の様に真空状態を作らなくて良い為、真空ポンプは必要なくなる。レーザアニールチャンバは絶縁基板を載置する為のステージとチャンバ固定台以外に剛性が必要なくなり、構造が簡単になり、装置コストが低減化できる。前述した様に真空状態を作らなくて良い為、ゴミ等の異物の巻き上げがなくなり、絶縁基板表面を汚染する惧れが少なくなる。さらに、レーザアニール時に飛散したシリコンの微粒子が石英ウィンドウに付着しにくくなる為、レーザ光学系の寿命が長くなる。




 

 


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