JP4066564B2 - Thin film semiconductor manufacturing apparatus and thin film semiconductor manufacturing method - Google Patents
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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】
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−Si TFT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。
【0004】
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−Si TFT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−Si TFT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−Si TFTが作成可能となっている。
【0005】
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4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4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。
【0006】
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の多数回レーザー照射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、たとえば外形サイズが400mm×400mmの基板を10枚程度処理すると透過率が10%近く低下してしまう。レーザー結晶化の最適エネルギー条件はわずか3〜5%の範囲しかないため、経時的にレーザー結晶化poly−Siの膜質が変化してしまう。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5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。
【0007】
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。
【0008】
【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および薄膜半導体の製造方法を与えるものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様によれば、薄膜半導体製造装置が、減圧容器を備え、光導入窓を介して前記減圧容器内の薄膜半導体にレーザ光を照射することにより熱処理を行う。また、該減圧容器は前記光導入窓を備えた光導入室と、被処理半導体基板を保持する光照射室と、前記光導入室と前記光照射室とを分離可能なゲートバルブと、前記光導入室内にプラズマを発生させるプラズマ放電電極と、を有しており、前記ゲートバルブによって前記光導入室と前記光照射室とが分離された場合であって前記光導入室で前記プラズマが発生している場合に、前記光導入窓は加熱される。ここで光導入窓とは前記半導体に照射するレーザ光を透過させる窓である。従って照射するレーザ光の波長において比較的高い透過率を持つ材料にて形成される。
【0010】
上記課題を解決する為に請求項2記載の発明は請求項1記載の半導体製造装置で、前記光導入室の容積は、前記光照射室の容積の5分の1以下であることを特徴とする。
【0011】
上記課題を解決する為に請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の半導体製造装置で、前記光導入室は前記プラズマ放電電極を具備することを特徴とする。
【0012】
上記課題を解決する為に請求項4記載の発明は、請求項3記載の半導体製造装置で、前記プラズマ放電電極は可動型電極であることを特徴とする。ここで可動型とは、薄膜半導体に光照射をおこなう際に光路上にはなく、放電処理をおこなう際に光導入窓近くに移動することを言う。
【0013】
上記課題を解決する為に請求項5記載の発明は、請求項3記載の半導体製造装置で、前記プラズマ放電電極は前記光導入室の外部に設置された誘導結合型放電電極であることを特徴とする。
【0014】
本発明のある態様によれば、薄膜半導体の製造方法が、光導入窓を備えた光導入室と、光照射室と、前記光導入室と前記光照射室とを分離するゲートバルブと、を備えた減圧容器の前記光照射室内で表面に薄膜半導体が形成された被処理半導体基板を保持し、前記ゲートバルブを開け、前記光導入窓を介して前記薄膜半導体にレーザ光を照射することにより熱処理を行う第1工程と、前記ゲートバルブを閉めることにより前記光導入室と前記光照射室とを分離する第2工程と、前記光導入室と前記光照射室とが分離された場合に、前記光導入窓を加熱しながら前記光導入室でプラズマ放電を行う第3工程と、を含む。
【0015】
上記課題を解決する為に請求項7記載の発明は、請求項6記載の半導体製造装置において前記プラズマ放電は前記薄膜半導体のエッチングガスを使っておこなうことを特徴とする。
【0016】
上記課題を解決する為に請求項8記載の発明は請求項6または7記載の薄膜半導体の製造方法において、前記薄膜半導体はシリコンであって、前記エッチングガスは六弗化硫黄であることを特徴とする。
【0017】
上記課題を解決する為に請求項9記載の発明は請求項6、7、または8記載の薄膜半導体の製造方法において、前記光導入室でプラズマ放電をおこなうと同時に、前記光照射室の前記被処理半導体基板の搬送作業をおこなうことを特徴とする。
【0018】
【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1に基づいて詳述する。
【0019】
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(Six Ge1−x :0<x<1)やシリコン・カーバイド(Six C1−x :0<x<1)やゲルマニウム・カーバイド(Gex C1−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(Six Gey Gaz Asz :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(Si2H6)などを原料として堆積し得る。PECVD法ではモノシラン(SiH4)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。
【0020】
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。
【0021】
次に半導体膜のついた基板をレーザー照射チャンバー(405)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)(光導入窓)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を照射する。
【0022】
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2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2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。
【0023】
このように高い重ね率でレーザー照射を繰り返しても光導入窓(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(405)はゲートバルブ(441)によって光導入室(442)と光照射室(443)の2室に分離される。ゲートバルブを開いた状態で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う。基板全面の結晶化を終えた状態では、光導入窓にわずかにシリコンが付着しているが、完全な膜ではなく部分的には付着していない部分がある。この時点での透過率低下はまだわずかである。この状態でゲートバルブ(441)が閉まり光導入室は光照射室と分離される。しかる後、レーザー導入用の窓(406)直下に可動放電電極(420)を移動させる。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(421)により交流電圧を印加し放電をおこなう。この放電方法は容量結合型の放電であるが、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(427)としてはH2、SF6、CF4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。レーザー照射により付着したシリコンはごく微量であるので、このようなドライエッチングによって1秒から多くても10秒で完全に除去可能である。エッチングレートを高めるために光導入窓を加熱するのも有効である。従来の例ではレーザー照射窓の透過率を常に一定に保つのは難しかったが、本発明の方法により石英窓を使った場合常に透過率は94%以上の値を維持することができ、安定なレーザー照射が可能となる。また、ドライエッチング時間は極めて短時間で済むので、このエッチングは基板搬送の時間内で十分終了することが可能で、装置のスループットを落とすことが無い。しかるエッチングの後、すぐにガスの排気を開始する。ゲートバルブ(441)を開いて真空容器全体を再度真空に保ち次の基板のレーザー結晶化をおこなう。この際、光照射室は光導入室を真空にするためのバッファとしての役割を果たす(すなわち短時間でチャンバー全体を再度高真空に到達させる役割)。このため、光導入室の容積は光照射室の容積より小さい方がよい。望ましくは5分の1以下の容積がよい。また、放電用の電極は図3に示すように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(521)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可動電極のような複雑な構造が不要となり、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、レーザー照射窓の付着物エッチング処理を極めて短時間で実行した後、すぐさま高真空に到達することができる。
【0024】
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。しかもエッチングは基板搬送と並列でおこなうことができるため、装置のスループットはまったく低下しないのである。
【0025】
【実施例】
本発明の実施例を図3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外形サイズが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(Si2 H6 )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。結晶化が終了すると同時にゲートバルブ(544)が閉まり、結晶化させた基板はすぐさま真空ロボットにより別の真空容器への搬送作業に入る。ゲートバルブが閉まると同時にガス導入口からSF6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をエッチングする。ガス圧力は安定するまでに時間がかかるが、放電はすぐさま開始しても良い。結晶化処理をおこなう半導体がシリコンの場合、SF6ガスはエッチングレートが高く特に効率的である。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5秒で完全にエッチングされ、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。この後ゲートバルブ(544)をひらき、光導入室を真空に排気する。この際には新しい基板が搬送されセットされており、時間の無駄なく次のレーザー照射をおこなうことができる。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。しかも装置のスループットは従来の装置とまったく変わらない。
【0026】
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および薄膜半導体の製造方法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】本発明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照射方法を示す図。
【図3】本発明の半導体製造装置を示す図。
【図4】レーザー結晶化時のレーザービームを示す図。
【図5】従来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]
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.
[0004]
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.
[0005]
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. In recent laser crystallization apparatuses for large substrates, a method of shaping a laser beam in a line shape as shown in FIG. 4 and irradiating a semiconductor thin film with a laser is becoming common. 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
[0006]
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 by multiple laser irradiations with a high overlap rate, a laser is used. There is a problem that the above-described thermally desorbed silicon adheres to the light introduction window and the transmittance of the laser light gradually changes. 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 substrates having an outer size of 400 mm × 400 mm are processed, the transmittance is reduced by nearly 10%. Since the optimum energy condition for laser crystallization is only in the range of 3 to 5%, the film quality of the laser crystallization poly-Si changes with time. In order to avoid this problem, there is JP-A-11-26393 as a conventional technique. As shown in FIG. 5, the treatment is performed while gas is blown onto the laser beam introduction window, thereby preventing the adhesion of silicon particles. 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.
[0007]
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.
[0008]
[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. Can be reduced, and a semiconductor manufacturing apparatus and a thin film semiconductor manufacturing method having a high operation rate can be provided.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to an aspect of the present invention, a thin film semiconductor manufacturing apparatus includes a decompression container, and performs heat treatment by irradiating a thin film semiconductor in the decompression container with a laser beam through a light introduction window. The decompression vessel includes a light introduction chamber having the light introduction window, a light irradiation chamber for holding a semiconductor substrate to be processed, a gate valve capable of separating the light introduction chamber and the light irradiation chamber, and the light A plasma discharge electrode for generating plasma in the introduction chamber, and the plasma is generated in the light introduction chamber when the light introduction chamber and the light irradiation chamber are separated by the gate valve. The light introduction window is heated. Here, the light introduction window is a window that transmits the laser light applied to the semiconductor. Therefore, it is formed of a material having a relatively high transmittance at the wavelength of the laser beam to be irradiated.
[0010]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 2 is the semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the volume of the light introducing chamber is not more than one fifth of the volume of the light irradiation chamber. To do.
[0011]
The invention of claim 3, wherein in order to solve the above problems, a semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1 or 2, wherein the light introducing chamber is characterized by comprising the plasma discharge electrode.
[0012]
In order to solve the above problems, a fourth aspect of the present invention is the semiconductor manufacturing apparatus according to the third aspect, wherein the plasma discharge electrode is a movable electrode. Here, the movable type means that the thin film semiconductor is not on the optical path when irradiating light to the thin film semiconductor but moves near the light introduction window when performing the discharge treatment.
[0013]
Wherein the fifth aspect of the present invention to solve the above problems, a semiconductor manufacturing apparatus according to claim 3, wherein the plasma discharge electrode is inductively coupled discharge electrode located outside of the light introducing chamber And
[0014]
According to an aspect of the present invention, a method of manufacturing a thin film semiconductor includes a light introduction chamber having a light introduction window, a light irradiation chamber, and a gate valve that separates the light introduction chamber and the light irradiation chamber. By holding a semiconductor substrate on which a thin film semiconductor is formed on the surface in the light irradiation chamber of the vacuum container provided, opening the gate valve, and irradiating the thin film semiconductor with the laser light through the light introduction window When the first step of performing heat treatment, the second step of separating the light introduction chamber and the light irradiation chamber by closing the gate valve, and the light introduction chamber and the light irradiation chamber are separated, And a third step of performing plasma discharge in the light introduction chamber while heating the light introduction window.
[0015]
In order to solve the above-mentioned problems, a seventh aspect of the invention is characterized in that in the semiconductor manufacturing apparatus of the sixth aspect, the plasma discharge is performed using an etching gas for the thin film semiconductor.
[0016]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 8 is the method of manufacturing a thin film semiconductor according to claim 6 or 7, wherein the thin film semiconductor is silicon and the etching gas is sulfur hexafluoride. And
[0017]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 9 is the thin film semiconductor manufacturing method according to claim 6, 7 or 8, wherein plasma discharge is performed in the light introducing chamber and at the same time the light irradiation chamber is covered. The processing semiconductor substrate is transported.
[0018]
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.
[0019]
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.
[0020]
After forming the base insulating film (402) and the semiconductor film (403), 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.
[0021]
Next, the substrate with the semiconductor film is set in a laser irradiation chamber (405). A part of the laser irradiation chamber is formed by a quartz window (406) (light introduction window), and after the chamber is evacuated to vacuum, laser light is irradiated from the quartz window.
[0022]
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. 2, 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 the 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.
[0023]
In the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention, the vacuum vessel (405) is provided by the gate valve (441) in the light introduction chamber so that the light transmittance of the light introduction window (406) does not decrease even when laser irradiation is repeated at such a high overlap rate. (442) and a light irradiation chamber (443). Laser irradiation is performed on the silicon film (403) on the substrate (401) placed in a vacuum with the gate valve opened. In the state where the crystallization of the entire surface of the substrate is completed, silicon is slightly attached to the light introduction window, but there is a portion that is not completely attached but not a complete film. The transmittance drop at this point is still slight. In this state, the gate valve (441) is closed and the light introduction chamber is separated from the light irradiation chamber. Thereafter, the movable discharge electrode (420) is moved directly under the laser introduction window (406). 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 (421) to perform discharge. This discharge method is a capacitive coupling type discharge, but the discharge may be performed by a DC voltage. As the gas (427), 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. Since a very small amount of silicon is deposited by laser irradiation, such dry etching can be completely removed from 1 second to at most 10 seconds. It is also effective to heat the light introduction window in order to increase the etching rate. In the conventional example, it was difficult to always keep the transmittance of the laser irradiation window constant. However, when the quartz window is used according to the method of the present invention, the transmittance can always be maintained at a value of 94% or more and stable. Laser irradiation is possible. Also, since the dry etching time is very short, this etching can be completed within the substrate transfer time, and the throughput of the apparatus is not reduced. Immediately after the etching, gas exhaustion is started. The gate valve (441) is opened to keep the whole vacuum chamber in a vacuum again, and the next substrate is laser crystallized. At this time, the light irradiation chamber serves as a buffer for evacuating the light introduction chamber (that is, a role for allowing the entire chamber to reach high vacuum again in a short time). For this reason, the volume of the light introduction chamber is preferably smaller than the volume of the light irradiation chamber. A volume of 1/5 or less is desirable. Further, the discharge electrode may be installed outside the vacuum vessel as shown in FIG. Particularly in this case, an inductively coupled discharge electrode (521) in which the discharge electrode has a ring shape and the tip is brought into contact with the vacuum vessel is effective. With such an electrode structure, the electrode can be produced with a structure that surrounds the laser light path and does not block the laser light path, and the electrode can be installed in the atmosphere, eliminating the need for a complicated structure such as a movable electrode, and reducing the cost. The device can be manufactured with. In addition, if inductive coupling type discharge is used, a high-density plasma can be generated at a low pressure. Therefore, a high vacuum can be reached immediately after performing the deposit etching process on the laser irradiation window in a very short time.
[0024]
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. Moreover, since the etching can be performed in parallel with the substrate transport, the throughput of the apparatus is not lowered at all.
[0025]
【Example】
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
[0026]
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 and thin film semiconductor manufacturing method 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. In addition to improvement, it is possible to realize a manufacturing apparatus having high throughput by improving the operation rate of the apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a line laser beam irradiation method during laser crystallization.
FIG. 3 shows a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention.
FIG. 4 shows a laser beam at the time of laser crystallization.
FIG. 5 is a view showing a conventional semiconductor manufacturing apparatus.
[Explanation of symbols]
101. . .
Claims (9)
該減圧容器は前記光導入窓を備えた光導入室と、被処理半導体基板を保持する光照射室と、前記光導入室と前記光照射室とを分離可能なゲートバルブと、前記光導入室内にプラズマを発生させるプラズマ放電電極と、を有しており、
前記ゲートバルブによって前記光導入室と前記光照射室とが分離された場合であって前記光導入室で前記プラズマが発生している場合に、前記光導入窓は加熱されることを特徴とする薄膜半導体製造装置。In a thin film semiconductor manufacturing apparatus that includes a decompression vessel and performs heat treatment by irradiating the thin film semiconductor in the decompression vessel with a laser beam through a light introduction window,
The decompression vessel includes a light introduction chamber having the light introduction window, a light irradiation chamber for holding a semiconductor substrate to be processed, a gate valve capable of separating the light introduction chamber and the light irradiation chamber, and the light introduction chamber. A plasma discharge electrode for generating plasma,
The light introduction window is heated when the light introduction chamber and the light irradiation chamber are separated by the gate valve and the plasma is generated in the light introduction chamber. Thin film semiconductor manufacturing equipment.
前記ゲートバルブを閉めることにより前記光導入室と前記光照射室とを分離する第2工程と、
前記光導入室と前記光照射室とが分離された場合に、前記光導入窓を加熱しながら前記光導入室でプラズマ放電を行う第3工程と、
を含むことを特徴とする薄膜半導体の製造方法。A thin film semiconductor is formed on the surface of the light irradiation chamber of the decompression vessel including a light introduction chamber having a light introduction window, a light irradiation chamber, and a gate valve for separating the light introduction chamber and the light irradiation chamber. A first step of holding the processed semiconductor substrate, opening the gate valve, and performing heat treatment by irradiating the thin film semiconductor with laser light through the light introduction window;
A second step of separating the light introduction chamber and the light irradiation chamber by closing the gate valve;
A third step of performing plasma discharge in the light introduction chamber while heating the light introduction window when the light introduction chamber and the light irradiation chamber are separated;
A method for producing a thin film semiconductor, comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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