JPH10116795A - 半導体材料の作製装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐熱性の低い基板上に良好な半導体材料を形
成する装置を提供することを課題とする。 【解決手段】 基板上に形成された半導体材料に、第１
のチャンバーで赤外光を照射し半導体材料中の水素を脱
離させることにより、半導体材料のしきい値を低下さ
せ、第２のチャンバーに大気に曝さずに基板を搬送し、
第２のチャンバーでレーザーアニールを施す。脱水素化
後の不対結合手が大気により中和されることがないた
め、レーザーアニールでの結晶化は助長される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁ゲイト型電界
効果トランジスタ等の薄膜デバイスに用いられる多結晶
半導体をレーザー照射によって得るためのレーザー処理
装置に関するものである。

【０００２】

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

【０００３】一般にレーザー光を用いてアモルファスシ
リコン膜を結晶化させるには、出発膜であるアモルファ
スシリコン膜中に含まれる水素を膜より離脱させるため
に低エネルギー密度のレーザー光をアモルファスシリコ
ン膜に照射し、その後に閾値エネルギー密度（シリコン
が溶融するために必要な最低エネルギー密度）以上のレ
ーザー光を照射することによって、アモルファスシリコ
ン膜を結晶化させる工程がとられている。

【０００４】最初に低エネルギーのレーザー光を照射す
ることによってアモルファスシリコン膜中の水素を離脱
させるのは、主に以下の二つの問題を解決するためであ
る。

【０００５】まず第１の問題とは、いきなり閾値エネル
ギー密度以上のエネルギー密度を有するレーザー光をア
モルファスシリコン膜に照射すると、アモルファスシリ
コン膜中に多量に存在している水素が膜表面から急激に
噴出し、膜表面の平坦性に著しい悪影響を与えてしま
い、後に結晶化したこのシリコン膜表面に絶縁膜を設け
た際に、このシリコン膜と絶縁膜との界面において準位
が発生し、良好な界面準位が得られないという問題であ
る。

【０００６】また第２の問題とは、アモルファスシリコ
ン膜中に存在している多量の水素が閾値エネルギー密度
以上の高エネルギー密度のレーザー光によって表面に噴
出すると同時に溶融しているシリコン膜中において大き
な運動エネルギーを持って運動するので、シリコンの結
晶化を阻害してしまうという問題である。

【０００７】従って、従来においてはプレレーザーアニ
ールと称する低エネルギー密度のレーザー光を照射して
膜中の水素を十分出し切ってから、結晶化のためのレー
ザー光を照射し、膜中の水素の結晶化における影響を極
力排除していた。

【０００８】

【発明が解決しようする課題】上記に述べたような従来
の方法では以下に述べるような問題があった。まず、レ
ーザー照射を２回に別けて行うために効率が悪く、大面
積加工には不向きであるという問題である。

【０００９】また、一般的に良く用いらるエキシマレー
ザーに代表されるパルスショットのレーザーではレーザ
ー照射の時間が短いので徹底的に水素出しを行なうのは
困難であるという問題である。

【００１０】さらにまた、レーザーアニールに用いるレ
ーザー装置にはどうしてもレーザービームの不均一性や
出力の変動があるので水素出しの工程において、膜内の
水素分布がどうしても不均一になってしまい、これが結
晶化後の結晶粒径不均一性の原因となるという問題があ
った。

【００１１】本発明は上記の問題点を解決したレーザー
アニール方法に関するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、非晶質半導体
に対してその結晶化温度以下の温度で加熱処理を施すチ
ャンバーと、前記半導体に対してレーザー光を照射する
チャンバーと、を有し、前記２つのチャンバーの間にお
いて試料は大気に曝されずに搬送されることを特徴とす
る。

【００１３】上記構成を有する装置は、レーザー光を照
射して非晶質半導体を結晶化させる工程であって、レー
ザーを照射する前に真空または不活性雰囲気中において
非晶質半導体の結晶化温度以下の温度で加熱アニール
し、さらに真空または不活性雰囲気中においてレーザー
照射を行い前記加熱アニールされた非晶質半導体を結晶
化させる工程に利用される。

【００１４】レーザーとしてはエキシマレーザーが一般
に用いられているが、本発明の構成がレーザーの種類を
何ら限定するものではなく、どのようなレーザーを用い
てもよいことはいうまでもない。

【００１５】非晶質半導体としては、一般にシリコン半
導体が用いられるが他の半導体を用いてもよい。尚、本
明細書の実施例においては、シリコン半導体を例にとり
説明を行なう。

【００１６】真空もしくは不活性雰囲気中において、非
晶質半導体をこの非晶質半導体の結晶化温度以下の温度
で加熱アニールするのは、非晶質半導体の水素出しを行
なうためである。しかしながら、結晶化温度以上の温度
で加熱アニールを行なうと非晶質半導体が結晶化を起こ
してしまい、後のレーザー照射による結晶化において十
分な結晶化ができないので、結晶化温度以下の温度で加
熱アニールを行なうのは重要である。

【００１７】また、真空もしくは不活性雰囲気中で加熱
アニールを行なうのは、非晶質半導体表面に不要な薄膜
例えば酸化膜等が成膜されてしまうことを防ぐためであ
る。

【００１８】この非晶質半導体を結晶化温度以下の温度
でアニールすることにより膜中において均一かつ徹底的
な水素出しを行なうことができるものである。このこと
により半導体膜の結晶性の面内分布と結晶粒径サイズの
均一性が改善され、大面積基板上に特性のそろったＰ−
Ｓｉ（多結晶）ＴＦＴを形成することが可能になる。

【００１９】真空もしくは不活性雰囲気中において、結
晶化のためのレーザー光を照射して非晶質半導体を結晶
化させるのは、水素出しの結果生じた非晶質半導体の不
対結合手（ダングリングボンド）が活性な気体である空
気中の酸素や水素や窒素と結合することを防ぐためで
る。

【００２０】本発明は、非晶質半導体中に不対結合手を
多量に形成させることによって結晶化を助長させること
を特徴としている。これは本発明者らが、行なった実験
において明らかになった以下の実験事実に基づくもので
ある。

【００２１】すなわち、非単結晶シリコン膜の水素出し
を徹底的に行なった非晶質シリコン膜に対してエキシマ
レーザー（KrF 248nm)を照射した結果、結晶性が著しく
良くなったという実験結果に基づくものである。

【００２２】非晶質シリコン膜には一般的に水素が多量
に含まれており、この水素が不対結合手（ダングリング
ボンド）を中和している。

【００２３】しかしながら、本発明者らは上記の実験事
実から溶融状態における非晶質からの結晶化において
は、不対結合手の存在が極めて重要であるという認識に
立ち、非晶質状態において不対結合手を意図的に形成さ
せることにより、溶融状態における瞬間的な結晶化を助
長させる方法を見出したものである。

【００２４】また、この際において半導体膜表面を空気
に曝すことによって膜表面に酸化膜等が出来てしまう
と、せっかく形成した不対結合手が中和されてしまうの
で前述のように真空または不活性雰囲気中においてレー
ザー照射による結晶化を行なうことは大変重要である。

【００２５】非晶質半導体の結晶化温度以下の温度とい
うのは、加熱アニールによって非晶質半導体が結晶化を
起こし始める温度のことである。

【００２６】本発明の構成において、上記の結晶化温度
以下の温度でレーザー照射による結晶化前の加熱アニー
ルを行なうのは、一度結晶化を起こしたシリコン膜に対
してレーザー光を照射しても結晶性の改善が殆ど見られ
ず、非晶質の状態でレーザー光を照射して結晶化した膜
に比べると結晶性が著しく低いという実験結果に基づく
ものである。

【００２７】従って、非晶質半導体膜中からの水素出し
をその非晶質半導体膜の結晶化温度以下の温度で行なう
ことは極めて重要である。しかしながら、本発明の構成
においては非晶質半導体膜中からの水素出しを徹底的に
行い膜中における不対結合手をできるだけ多く生成させ
ることが極めて重要でもあるので、結晶化を起こさない
程度でなるべく高い温度で水素出しのアニールを行うの
が好ましい。

【００２８】加熱による水素出しは、従来行なわれてい
た低いエネルギー密度のレーザー光によるものと異なり
水素出しが均一にかつ徹底的にできることが大きな特徴
である。その結果、粒径サイズが大きくしかも粒径サイ
ズのそろった多結晶半導体膜を得るとができる。以下に
実施例を示し本発明の構成を詳細に説明する。

【００２９】

【実施例】本実施例は水素出しのための加熱アニール後
に非晶質珪素半導体膜表面を大気中に曝さずに次のレー
ザー結晶化工程を行なうためのマルチチャンバー方式の
装置に関するものである。

【００３０】図２に本実施例に用いる装置の概略を示
す。図面には出発膜である非晶質シリコン膜を成膜する
プラズマＣＶＤ装置２、水素出しのための加熱アニール
炉３、レーザー結晶化のためのチャンバー４そして試料
の搬送室である試料搬入室１、試料搬出室５を直列に配
置した装置を示してある。

【００３１】この図２には記載していないが各チャンバ
─１〜５には必要に応じて活性あるいは不活性気体の導
入系さらには試料の搬送系が設けられていることはいう
までもない。また、各チャンバーはターボ分子装置とロ
ータリーポンプを直列に接続した真空排気装置を設けて
あり、真空状態におけるチャンバー内の不純物濃度特に
酸素濃度を極力小さくするようにした。

【００３２】また、さらに不純物濃度を小さくするには
クライオポンプをさらに別に設ける方法も有効である。

【００３３】図２のマルチチャンバー装置には各チャン
バーを仕切るためのゲート弁６が設けられており、例え
ばプラズマＣＶＤ装置であるチャンバー２における反応
性ガスが水素出しのための加熱アニール炉３に混入する
ことを防いだ。

【００３４】チャンバー３は水素出しを行なうための加
熱アニール炉であるが、加熱は赤外線ランプ加熱装置を
用いて行なった。もちろん他の加熱装置、例えばヒータ
による加熱を行なう方法によってもよい。

【００３５】チャンバー４はレーザーアニールを行なう
ためのチャンバーであるが、レーザー光の照射はチャン
バー上部に設けられた石英の窓を通して外部のレーザー
発生装置と光学系を通して行なうものである。

【００３６】レーザービームは光学系を用いて基板の幅
に合わせられ、かつ基板の搬送方向とは垂直方向に延ば
された長方形のビームを用いて、レーザー系は動かさず
に試料をゆっくり搬送させることによって、試料の端か
ら連続的に照射を行なうと効率良くアニールを行なうこ
とができる。

【００３７】この図２に示した装置を用いる場合は、真
空状態を破らずに真空中において連続して試料の加熱ア
ニールとレーザー結晶化を行なうとよい。真空状態を破
らないことによって、不対結合手が中和されることがな
く、そのため結晶化のための閾値エネルギーが低下しな
ので、レーザー結晶化工程において効率よく粒径サイズ
の大きな多結晶シリコン膜を形成することができる。

【００３８】本実施例においては、各チャンバーを一つ
づつ直列に設けたものを示したが、各チャンバーでの試
料の処理時間に応じてそれぞれのチャンバーを複数設
け、しかも各チャンバーを直接連結するのではなく、各
チャンバーに共通した試料の搬送室を設け複数の処理を
時間差を利用して同時に行なうことで、生産性を上げる
ことも可能である。

【００３９】本実施例においては、プラズマＣＶＤ法よ
って成膜する装置を示したが、他の成膜方法であるスパ
ッタ法や熱ＣＶＤ法等を用いてもよく、さらには上記の
マルチチャンバー装置に絶縁膜を成膜するための成膜装
置を連結してもよく、一連の工程に必要な構成をとるこ
とができる。

【００４０】〔参考例〕本参考例は、非晶質シリコンの
レーザー結晶化（レーザー光の照射による結晶化）にお
ける水素出しのための加熱アニールの効果を実験結果に
基づいて示すためのものである。

【００４１】まず、下地保護膜である酸化珪素膜を１０
００Åの厚さに成膜したガラス基板上にプラズマＣＶＤ
法によって非晶質シリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）を１００ｎ
ｍの厚さに以下の条件で成膜する。

【００４２】上記の試料を２種類製作した。１種類は加
熱処理なし、１種類は不活性気体であるＮ₂ 雰囲気中に
おいて５００度温度で１時間加熱アニールしたものであ
る。そして両者に対して真空中において波長２４８ｎｍ
のＫｒＦエキシマレーザーを照射しａ−Ｓｉ膜の結晶化
を行なった。このレーザー結晶化はレーザーのエネルギ
ー密度を変化させてワンショットだけ行なった。

【００４３】この際、基板は加熱せずにレーザー照射を
行なったが基板温度をレーザー結晶化前の５００度の加
熱アニール時の温度に維持した状態のままレーザー結晶
化を行なってもよい。勿論、水素出しのための加熱アニ
ール温度は５００度に限定されるものではない。

【００４４】また、本参考例においては５００度の温度
で１時間の加熱アニールを行なったが、工程や半導体膜
の種類によってこの加熱温度、加熱時間を変えることは
当然である。

【００４５】上記のごとくして作製した２種類の試料の
結晶性を調べるためにラマンスペクトルを測定した。図
１にはＡの曲線で示されるレーザー結晶化前に５００度
の温度で１時間加熱アニールした試料のラマンスペクト
ルのピークと結晶化させる際に照射したレーザーのエネ
ルギー密度との関係を示したグラフと、Ｂの曲線で示さ
れるレーザー結晶化前に加熱アニールを行なわなかった
試料のラマンスペクトルのピークと結晶化させる際に照
射したレーザーのエネルギー密度との関係を示したグラ
フを示す。

【００４６】図１の曲線Ａを見ると、レーザー結晶化前
の加熱アニールをすることによって低いレーザーのエネ
ルギー密度においても単結晶シリコンのピークである５
２１ｃｍ^-1に近い値が出ており、良好な結晶性を示して
いることがわかる。一般に非晶質シリコンの膜を結晶化
させた膜のラマンスペクルのピークが単結晶シリコンの
ラマンスペクトルのピークである５２１ｃｍ^-1に近い
程、この膜の結晶粒径の大きさは大きいことが知られて
いる。このことから水素出しのための加熱アニールを行
なうとより大きな結晶粒径が形成できることがわかる。

【００４７】また、曲線Ｂより水素出しのための加熱ア
ニールを行なわないとレーザー結晶化の際の照射レーザ
ーのエネルギー密度に結晶性が大きく依存してしまい、
しかもエネルギー密度の大きなレーザー光を照射しない
と良好な結晶性が得られないことがわかる。

【００４８】一般にエキシマレーザーのエネルギ−密度
は変動しやすく、安定性に欠けることが欠点とされてい
るが、曲線Ａのようなラマンスペクトルのピークとレー
ザー結晶化の際のレーザー光のエネルギー密度の関係が
有る場合は、レーザーの強度に対する結晶性の依存性が
少ないので、このエキシマレーザーの不安定性の影響を
あまり受けないで均一な結晶性を有した結晶膜（本参考
例においては多結晶シリコン膜）を得るこができる。

【００４９】しかし、曲線Ｂの場合、即ち水素出しのた
めの加熱アニールを行なわない場合にはレーザー光のエ
ネルギー密度の変動によって結晶性が不均一な多結晶膜
ができてしまうことになる。

【００５０】実際の作製工程において、いかに均一な特
性を持ったデバイスを作製するかが大きな問題であるこ
とを考えるとこの曲線Ａに示されるようにレーザー光の
エネルギー密度に依存せずに安定しかつ良好な結晶性を
示す多結晶膜が得られるレーザー結晶化工程は有用であ
る。

【００５１】また、図１を見ると熱処理（水素出しのた
めの加熱アニール）をした試料は曲線Ａに示されている
ように低いエネルギー密度のレーザー光で結晶化が起こ
っていることがわかる。このことより水素出しのための
加熱アニールを行うことにより結晶化が発生するための
最低エネルギー密度（閾値エネルギー密度）が低くなっ
ていることが結論される。

【００５２】このことより本発明者らは、非晶質（アモ
ルファス）シリコン膜中の水素出しを徹底的に行い、ダ
ングリングボンドを多量に形成させることによって結晶
化のための閾値エネルギー密度を低くできるという結論
に達したものである。

【００５３】

【発明の効果】本発明の構成である結晶化温度以下の温
度の不活性または真空雰囲気中における加熱アニール
と、その後の不活性または真空雰囲気中におけるレーザ
ー光の照射によって、結晶性が高く、しかもレーザーの
エネルギー密度に対する依存性が小さく、さらには均一
性の優れた多結晶シリコン膜を得るこができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 多結晶半導体膜のラマンスペクトルのピーク
とレーザーの照射エネルギー密度の関係を示す。

【図２】 実施例において示したマルチチャンバー形
式の装置を示す。

【符号の説明】

１・・・試料の搬入室 ２・・・プラズマＣＶＤ装置 ３・・・加熱アニール炉 ４・・・レーザーアニール炉 ５・・・試料搬出室 ６・・・ゲート弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体材料の作製装置において、 基板に設けられた半導体膜に赤外光を照射するチャンバ
   ーと、 前記半導体膜をレーザーアニールするチャンバーと、 前記各チャンバー間を前記基板が外気に曝されることな
   く搬送する手段とを有することを特徴とする半導体材料
   の作製装置。
2. 【請求項２】 半導体材料の作製装置において、 基板に設けられた半導体膜に赤外光を照射するチャンバ
   ーと、 前記半導体膜をレーザーアニールするチャンバーと、 前記各チャンバー間を前記基板が外気に曝されることな
   く搬送する手段とを有し、 前記基板の搬送方向に対して垂直に長軸を配置した長方
   形のビームを用いて、該ビームを固定とし、前記基板を
   搬送することにより前記半導体膜をレーザーアニールす
   ることを特徴とする半導体材料の作製装置。