(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして第１および第２の結晶性珪素膜を形成し、
前記第１の結晶性珪素膜および第２の結晶性珪素膜上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記第１の結晶性珪素膜上に前記ゲイト絶縁膜を介して第１のゲイト電極を形成し、
前記第２の結晶性珪素膜上に前記ゲイト絶縁膜を介して第２のゲイト電極を形成し、
イオンを注入するための第１のチャンバーと、アッシングおよびドライエッチングするための第２のチャンバーと、赤外光を照射する第３のチャンバーとを有する半導体処理装置を用い、
第１のチャンバーにおいて、前記第２の結晶性珪素膜をレジストマスクで覆った状態で、前記第１のゲイト電極をマスクにして前記第１の結晶性珪素膜にホウ素のイオンを注入し、
前記基板を外気にさらすことなく、前記第１のチャンバーから第２のチャンバーに移送し、
前記第２のチャンバーにおいて、前記第２の結晶性珪素膜を覆ったレジストマスクをアッシングして除去し、
前記基板を外気にさらすことなく、前記第２のチャンバーから第１のチャンバーに移送し、
第１のチャンバーにおいて、前記第１および第２のゲイト電極をそれぞれマスクにして、前記第１および第２の結晶性珪素膜に燐を含むイオンを注入し、
前記基板を外気にさらすことなく、前記第１のチャンバーから第２のチャンバーに移送し、
前記第２のチャンバーにおいて、前記第１および第２のゲイト電極をマスクとして前記ゲイト絶縁膜の一部をドライエッチングして前記第１および第２の結晶性珪素膜の一部を露呈させ、
前記基板を外気にさらすことなく、前記第２のチャンバーから第３のチャンバーに移送し、
前記第３のチャンバーにおいて、ラピットサーマルアニールにより、前記第１および第２の結晶性珪素膜に注入したイオンを活性化することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、前記非晶質珪素膜は、ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法で形成された膜でなることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記第１および第２のゲイト電極は、材料としてアルミニウム、タンタル、クロム、タングステン、モリブデン、シリコンのいずれかを含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置（各種トランジスタや集積回路等）の作製方法とそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザーを用いた半導体素子製造方法・製造装置が開発されている。例えば、レーザー光を照射することによって、被膜等のエッチング・パターニングをおこなうレーザー・エッチング（レーザー・スクライビング）法、レーザー光を照射することによって、被膜や表面の結晶状態を変化させるレーザーアニール法、不純物を含んだ雰囲気中でレーザー光を照射することによって、被膜や表面に該不純物を拡散させるレーザードーピング法等である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなレーザーを用いる半導体製造方法においては、従来は、他の成膜装置やエッチング装置で処理した基板をレーザー処理装置内にセットし、真空排気や基板加熱等をおこなってからレーザー処理をおこなっていたために、著しく生産性が低いという問題点があった。本発明はこのような低い生産性を改善することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決する手段】
本発明の構成は、以下に示すようなものである。まず、成膜装置（プラズマＣＶＤ装置、スパッタリング装置、熱ＣＶＤ装置、真空蒸着装置等）やエッチング装置、ドーピング装置（プラズマ・ドーピング装置やイオン注入装置等）、熱処理装置（熱拡散装置や熱結晶化装置等）、予備室等の真空装置を、レーザー処理装置（レーザー・エッチング装置、レーザー・アニール装置、レーザー・ドーピング装置等）とともに１つにまとめてマルチ・チャンバー・システムとし、基板を一度も大気にさらすことなく必要な処理をおこなうものである。そのようなシステムにおいては、真空排気の時間が著しく短縮されるばかりではなく、基板の搬送に伴う好ましからざる汚染から基板を守ることができるという特徴がある。
【０００５】
また、レーザー光の照射するのではなく、赤外光を照射することによって、各種アニールを行なう方法がある。例えば、ガラス基板上に形成された非晶質珪素膜を加熱によって結晶化させた後、赤外光の照射を行なうことで、結晶性をさらに高めることができる。赤外光はガラス基板よりも珪素薄膜に吸収されやすく、ガラス基板をあまり加熱せずに珪素薄膜のみを選択的に加熱することができ有用である。そして、その効果も１０００℃以上の熱アニールよるものに匹敵するものと考えられる。
【０００６】
この赤外光の照射によるアニールは、数分以内で完了させることができるのでラピットサーマルアニール（ＲＴＡ）と呼ばれる。このアニールは、半導体上に絶縁膜を形成した後に行なうことも有効である。この場合、半導体と絶縁膜との界面における準位を減少させることができ、界面特性を高めることができる。例えば、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置の活性層（チャネル形成領域が形成される）の形成後に、ゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜を形成し、しかる後にＲＴＡを行なうことで、絶縁ゲイト型電界効果型半導体装置における重要な要素であるチャネルとゲイト絶縁膜との界面およびその近傍における界面特性を向上させることができる。以下に実施例を示し、本発明の数々の例を説明する。
【０００７】
【実施例】
〔実施例１〕
図１には本発明の例を示す。この例では、プラズマＣＶＤ成膜装置とレーザー処理装置（例えば、レーザーアニール装置）を組み合わせたもので、２つの装置の間には予備室を１つ設けてある。
【０００８】
図において、１はプラズマＣＶＤ装置のチャンバーであり、２はレーザーアニール装置のチャンバーである。これらのチャンバーにはガス導入バルブ７、１８と排気バルブ８、１９を設け、必要なガスを導入し、排気できるようにし、また、内部の圧力を適切な値に保てるようにされている。
【０００９】
チャンバー１には、さらに、電極４、５が設けられ、電極５上には処理されるべき基板（試料）６を置き、電極４にはＲＦ電源（例えば、周波数１３．５６ＭＨｚ）３が接続されている。そして、チャンバー内に適切なガス（例えば、モノシランやジシラン）を導入し、電極間に放電を生じさせて、基板６上に被膜を形成する。基板は必要によって加熱されてもよい。ガスとしてモノシランを用い、基板を３００℃以下とした場合には基板上にはアモルファス状態のシリコン膜が形成される。
【００１０】
このようなアモルファスシリコンは電気特性が優れないので、レーザーアニールによって結晶化することによって特性の向上が図られる。チャンバー２には窓１４が設けられ、レーザー装置１１からミラー１２、レンズ１３を経由したレーザー光が窓を通して、サンプルホルダー１５上の基板１７に照射される。基板はヒーター１６によって３００〜５００℃、好ましくは３００〜４００℃に加熱される。この加熱は結晶化を再現性良くおこなう際には欠かすことができない。
【００１１】
サンプルホルダーは可動式で、基板を乗せたまま、徐々に図の右側に移動することができる。その結果、基板全面にレーザー処理をおこなうことができる。例えば、基板が３００ｍｍ×４００ｍｍであるとすれば、レーザービームの形状を２×３５０ｍｍの線状とすることによって、基板の全面をレーザー処理できる。また、このときのホルダーの移動速度が２０ｍｍ／秒であれば、１枚の基板の処理時間は４００÷２０＝２０秒である。
【００１２】
プラズマＣＶＤ装置１でアモルファスシリコンが成膜された基板は以下のような順序でレーザー処理装置２に移送される。まず、成膜終了後、成膜装置１の内部を排気して、十分な真空状態とする。一方、予備室９も十分な真空状態に排気する。そして、成膜装置１と予備室の間のゲートを開けて、基板を予備室に移送する。移送後、ゲートは閉じられ、成膜装置には再び反応ガスが導入されて、成膜が開始される。
【００１３】
一方、今度はレーザー処理装置２の内部を十分な真空状態とする。予備室９の内部は既に十分な真空状態である。そして、予備室とレーザー処理装置の間のゲートを開けて、予備室からレーザー処理装置に基板を移送する。移送後、ゲートは閉じられ、サンプルホルダー１５はヒーター１６によって適切な温度にまで加熱される。温度が安定し、レーザー処理装置にセットされた基板の精密な位置合わせが完了したら、レーザー処理がおこなわれる。
【００１４】
このとき、例えば、基板のセッティングから位置合わせ、取り出しまでを含めた基板１枚に対するレーザー装置での処理時間が、基板のセッティング、排気をも含めたプラズマＣＶＤ装置での成膜時間とほぼ等しければ、プラズマＣＶＤ装置からレーザー処理装置まで待ち時間無しで処理できる。もし、基板１枚のレーザーの処理時間が、プラズマＣＶＤでの成膜時間の半分であれば、プラズマＣＶＤでの成膜を一度に２枚おこなうようにすればよい。この場合には、成膜終了後は、２枚の基板が予備室に取り出され、うち１枚がレーザー処理装置に送られ、処理され、他の１枚は予備室に保存される。そして、最初の１枚が処理された後に予備室に保存されていた１枚が処理される。
【００１５】
〔実施例２〕
図２には本発明の例を示す。この例では、プラズマドーピング装置とレーザー処理装置（例えば、レーザーアニール装置）を組み合わせたもので、２つの装置の間には予備室を１つ設けてある。
【００１６】
図において、２１はプラズマドーピング装置のチャンバーであり、２２はレーザーアニール装置のチャンバーである。これらのチャンバーには必要なガスを導入し、排気でき、また、内部の圧力を適切な値に保てるようにされている。
【００１７】
チャンバー２１には、さらに、アノード電極２４、グリッド電極２５が設けられ、アノードには高電圧電源２３によって、最大で１００ｋＶの高電圧が印加される。グリッド電極近傍にＲＦ放電等によって発生したプラズマ中の陽イオン２６は、上述の高電圧によってサンプルホルダー２８の方向に加速される。その結果、サンプルホルダー２８上の基板（試料）２７には、加速された陽イオンが打ち込まれる。
【００１８】
このようなイオン打ち込みでは、それまで基板上に形成されていた結晶性の材料（例えば、単結晶シリコンや結晶性シリコン）の特性がアモルファス状態やそれに近いものとなり、電気特性も劣化するので、レーザーアニールによって結晶化することによって特性の向上が図られる。チャンバー２２には窓３４が設けられ、レーザー装置３１からミラー３２、レンズ３３を通したレーザー光が窓を通して、サンプルホルダー３６上の基板３５に照射される。基板はヒーター３７によって加熱されてもよい。
【００１９】
サンプルホルダーは可動式で、基板を乗せたまま、徐々に図の右側に移動することができる。その結果、基板全面にレーザー処理をおこなうことができる。プラズマドーピング装置２１でドーピングされた基板は、実施例１と同様に、予備室２９を経由してレーザー処理装置２２に移送される。
【００２０】
なお、本実施例では、プラズマソースを利用したイオン打ち込みによるドーピング装置を使用したが、イオンの質量を分離してイオンを打ち込む、イオン注入装置であってもよいことは言うまでもない。
【００２１】
〔実施例３〕
図３には本発明の例を示す。この例では、プラズマドーピング装置とドライエッチング装置、およびレーザー処理装置（例えば、レーザーアニール装置）を組み合わせたもので、３つの装置の間にはそれぞれ予備室を１つ設けてある。
【００２２】
図において、４１はプラズマドーピング装置のチャンバーであり、４２はエッチング装置の、また、４３はレーザーアニール装置のチャンバーである。これらのチャンバーには必要なガスを導入し、排気でき、また、内部の圧力を適切な値に保てるようにされている。
【００２３】
チャンバー４１には、さらに、アノード電極４５、グリッド電極４６が設けられ、アノードには高電圧電源４４によって、最大で１００ｋＶの高電圧が印加される。グリッド電極近傍にＲＦ放電等によって発生したプラズマ中の陽イオン４７は、上述の高電圧によってサンプルホルダー４９の方向に加速される。その結果、サンプルホルダー４９上の基板（試料）４８には、加速された陽イオン（ホウソイオンやリンイオン等）が打ち込まれる。
【００２４】
例えば、基板４８には絶縁基板上に結晶性シリコンと、その上の酸化珪素層が形成され、さらに、薄膜トラジスタのゲイト電極が形成されているものとする。そして、ドーピングを行なうことによって酸化珪素層およびシリコン層には必要な不純物が注入される。このように、酸化珪素等の材料を通してドーピングすることをスルードープというが、歩留り良く半導体素子を形成するには適した方法である。
【００２５】
実施例２において述べたように、このようなイオン打ち込みの結果、結晶性が悪化するので、レーザーアニール等の方法で結晶性を改善することがおこなわれるが、酸化珪素中にも不純物が注入されている。例えば、レーザーアニールに使用するレーザーとして、量産性に優れた紫外光エキシマーレーザー、例えば、ＫｒＦレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌレーザー（３０８ｎｍ）やＸｅＦレーザー（３５０ｎｍ）を使用する場合には問題が生じる。すなわち、純粋な酸化珪素は２００ｎｍ以上の紫外光に対しては透明であるが、不純物が含まれている酸化珪素はかなりの吸収を示すからである。
【００２６】
この結果、レーザーのエネルギーの多くの部分が酸化珪素膜によって吸収され、結晶性の改善には効率的に使用できないという問題が生じる。この問題を解決するためには、酸化珪素膜をエッチングすることによって、レーザー光が結晶性を改善されるべき被膜に効率的に吸収されるようにしなければならない。エッチング装置４２はこの目的のために設けられたものである。
【００２７】
エッチング装置４２には電極５３、５４が設けられ、電極５３にはＲＦ電源５２が接続され、また、電極５４上には基板５５が置かれる。例えば、四フッ化炭素雰囲気中でＲＦ電源からの電力によって、電極間に放電を生じさせると、基板上の酸化珪素膜をエッチングすることができる。
【００２８】
レーザー処理装置４３は実施例１、２に示したものと実質的には同じもので、チャンバー４３には窓６１が設けられ、レーザー装置５８からミラー５９、レンズ６０を経て、レーザー光が窓６１を通して、可動式のサンプルホルダー６４上の基板６２に照射される。基板はヒーター６３によって加熱されてもよい。
【００２９】
プラズマドーピング装置４１でドーピングされた基板は、実施例１と同様に、予備室５０を経由して、エッチング装置４２に移送され、エッチング処理終了後、予備室５６を経由してレーザー処理装置４３に移送される。
【００３０】
このようなマルチ・チャンバー・システムを用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する例を図５に示す。ガラス基板（例えば、コーニング７０５９）１０１上に厚さ２０〜２００ｎｍの下地酸化珪素膜１０２をスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成する。さらに、ＬＰＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法等の方法によってアモルファス・シリコン膜を１００〜２００ｎｍ堆積し、これを５５０〜６５０℃、４〜４８時間の窒素中、もしくは真空中の加熱によって結晶化させる。
【００３１】
そして、この結晶化したシリコン膜をパターニングして活性層領域１０３と１０４とを形成する。そして、ゲイト酸化膜として機能する厚さ５０〜１５０ｎｍの酸化珪素膜１０５を形成し、さらに、アルミニウム、タンタル、クロム、タングステン、モリブテン、シリコンおよびそれらの合金や多層配線等の材料によってゲイト電極１０６、１０７を形成する。（図５（Ａ））
【００３２】
その後、活性層領域１０３にのみレジスト等のマスク材１０８を形成し、図３のプラズマドーピング装置４１によって、ホウソのドーピングをおこなう。ホウソの加速電圧は２０〜６５ｋｅＶ、典型的には６５ｋｅＶ、ドーズ量は６×１０１５ｃｍ−２とした。このドーピング工程によって、Ｐ型領域１０９が形成される。（図５（Ｂ））
【００３３】
ドーピング終了後、基板はエッチング装置４２に移送され、酸素雰囲気の放電によって、マスク材１０８が除去される。通常は、レジスト等のマスク材は剥離液によって剥離する方が効率がよいが、真空装置の出し入れを考慮すると、図３のようなマルチ・チャンバー・システムでは、エッチング装置によってアッシングする方が効率的で、処理能力も高い。
【００３４】
次に、再び、基板はドーピング装置４１に戻され、今度は燐のドーピングをおこなう。燐の加速電圧は２０〜８５ｋｅＶ、典型的には８０ｋｅＶ、ドーズ量は４×１０１５ｃｍ−２とした。このドーピング工程によって、Ｎ型領域１１０が形成された。（図５（Ｃ））
【００３５】
次に、基板は再びエッチング装置４２に送られ、ここで、酸化珪素膜１０５のエッチングがおこなわれた。先述の通り、この酸化珪素膜には多くの燐やホウソが混入しており、レーザー光の吸収が大きく、このままではレーザーアニールを効率的におこなうことができないからである。（図５（Ｄ））
【００３６】
酸化珪素膜１０５がエッチングされた後、基板はレーザー処理装置４３に送られ、ここで、レーザーアニールをおこなう。レーザーとしては、ＫｒＦレーザー（パルス幅２０ｎｓｅｃ、繰り返し周波数２００Ｈｚ）を用いた。しかし、その他のレーザーであってもよいことは自明であろう。レーザーの１パルス当たりのエネルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ２  、好ましくは２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ２  としたが、これは他の条件（例えばドーズ量やシリコン膜の厚さ）によって変更される。（図５（Ｅ））
【００３７】
レーザーアニール終了後、基板は外部に取り出されて層間絶縁膜１１１、および金属配線・電極１１２が形成された。もちろん、さらに成膜チャンバーを図３のマルチ・チャンバー・システムに追加して、層間絶縁膜も連続的に成膜してもよい。以上の工程を経ることによってＮチャネル型およびＰチャネル型のＴＦＴが完成された。
【００３８】
図３では各真空装置が直列に配置されている様子が示されているが、例えば、図４に示すように、並列に配置されていても良い。図４には、基板の出入りのためのチャンバー７１、レーザー処理装置７３、プラズマドーピング装置７５、エッチング装置７７が、それぞれのゲート７２、７４、７６、７８を介して、共通の予備室７９に接続されている様子が示されている。
【００３９】
そして、基板８１〜８４はマジックハンド８０によって、予備室や他のチャンバーに移送される。このようなシステムでは、必要に応じてシステムを拡大してゆくことが可能であり、量産時におけるフレキシビリティー（成膜・エッチング工程の追加、成膜時間の延長に伴うタクトの変更等に対する柔軟性）を高めることができる。
【００４０】
〔実施例４〕
本実施例は、図６に示すように、プラズマドーピング装置のチャンバー４１、エッチング装置のチャンバー４２、赤外光によるラピットサーマルアニール（ＲＴＡ）によるアニールを行なうチャンバー６０１とを予備室５０と５６とによって連結した構成を有する。図３と同一符号の箇所は、図３において説明したのと同様な構成を有する。
【００４１】
ＲＴＡを行なうチャンバー６０１には、赤外光を照射する光源（ランプ）６０２、光源室を構成するチャンバー６０３、赤外光を透過する石英窓６０６が設けられている。また図示はしないが、不活性気体や必要とするガスを導入するためのガス導入系とガス排気系とを備えている。
【００４２】
基板６０４は、基板ホルダー６０５に載せられており、マジックハンド（基板搬送用ロボット）によって各チャンバー移送される。この移送方法は、基板のみを移送させる方式でもよいし、基板ホルダーごと移動させる方式でもよい。
【００４３】
また、ＲＴＡを行なう雰囲気は、窒素等の不活性雰囲気中で行なうのが普通であるが、アンモニア（ＮＨ３  ）雰囲気や亜酸化窒素（Ｎ２  Ｏ）さらには酸素雰囲気中で行なってもよい。
【００４４】
以下に図６に示す装置を用いた例を示す。まず、図５に示されているＴＦＴの作製工程において、右側のＴＦＴのみを作製する場合を考える。この場合、まず活性層１０４に酸化珪素膜が形成された後に基板をＲＴＡが行なわれるチャンバー６０１に搬入する。そして、チャンバー６０１内を不活性気体で満たし、ランプ６０２より赤外光を照射する。この工程によって、活性層１０３と酸化珪素膜１０５との界面特性が改善される。具体的には、チャネル形成領域とゲイト絶縁膜との界面における界面準位を減少させることができる。
【００４５】
そしてチャンバー６０１を減圧状態として、同じく同程度の減圧状態に保持された予備室５６に基板を搬送する。さらに同様に減圧状態に保持されたチャンバー４２、予備室５０を経由してプラズマドーピングを行なうチャンバー４１に基板を搬入する。これら基板の搬送工程が、外気に触れさせずに行なわれることは重要である。
【００４６】
そして、必要とするイオン注入工程をドーピング装置のチャンバー内において行なう。さらに真空度を保った状態において基板をエッチング装置のチャンバー４２に移送し、ドライエッチングを行なうことにより、露呈した酸化膜１０５を除去する。そしてさらに基板をＲＴＡが行なわれるチャンバー６０１に搬入しＲＴＡを行なうことで、注入された不純物を活性化させることができる。この際、酸化膜１０５が存在しないことは、ＲＴＡを効果的に行なうために重要である。即ち、酸化珪素膜１０５中には、イオン注入時において注入された不純物が存在しており、この不純物成分が赤外線を吸収するからである。
【００４７】
以上説明した装置の構成以外に、レーザー光を照射するチャンバーとＲＴＡを行なうチャンバーとを組み合わせとしてもよい。さらに必要とする複数のチャンバーを組み合わせることも可能である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明では、レーザー処理装置さらには強光を照射する装置とこれに関連する真空装置（成膜装置やエッチング装置）を組み合わせてシステムとし、これを効率的に活用することによって量産性を向上せしめることが示された。このように本発明は工業上、有益な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマルチチャンバーの概念図を示す。
【図２】本発明のマルチチャンバーの概念図を示す。
【図３】本発明のマルチチャンバーの概念図を示す。
【図４】本発明のマルチチャンバーの概念図を示す。
【図５】本発明の実施例を示す。
【図６】本発明のマルチチャンバーの概念図を示す。
【符号の説明】
１    ・・・成膜チャンバー
２    ・・・レーザー処理チャンバー
３    ・・・ＲＦ電源
４、５・・・電極
６    ・・・（成膜中の）基板
７    ・・・真空バルブ（ガス導入側）
８    ・・・真空バルブ（排気側）
９    ・・・予備室
１０  ・・・（成膜後の）基板
１１  ・・・レーザー装置
１２  ・・・ミラー
１３  ・・・レンズ
１４  ・・・窓
１５  ・・・基板ホルダー（可動式）
１６  ・・・ヒーター
１７  ・・・（レーザー処理中の）基板
１８  ・・・真空バルブ（ガス導入側）
１９  ・・・真空バルブ（排気側）
２１  ・・・ドーピング装置チャンバー
２２  ・・・レーザー処理チャンバー
２３  ・・・高圧電源
２４  ・・・アノード電極
２５  ・・・グリッド電極
２６  ・・・イオン流
２７  ・・・（ドーピング中）の基板
２８  ・・・サンプルホルダー
２９  ・・・予備室
３０  ・・・（ドーピング後の）基板
３１  ・・・レーザー装置
３２  ・・・ミラー
３３  ・・・レンズ
３４  ・・・窓
３５  ・・・（レーザー処理中の）基板
３６  ・・・基板ホルダー（可動式）
３７  ・・・ヒーター
【図１】
0003612009.tif 000002
【図２】
0003612009.tif 000003
【図３】
0003612009.tif 000004
【図４】
0003612009.tif 000005
【図５】
0003612009.tif 000006
【図６】
0003612009.tif 000007