(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材上に形成された酸化物半導体前駆体薄膜とを備える被処理体を処理して酸化物半導体を製造する半導体製造装置であって、
前記被処理体を収容する処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、前記被処理体を載置する処理台と、
前記処理台と対向するように前記処理容器内に設けられた低圧水銀ランプと、
前記処理台を加熱するヒーターと、
前記処理容器内に水蒸気を含む気体を供給する水蒸気供給機と、
を有し、
前記低圧水銀ランプが配置されたランプ室と前記処理台が配置された処理室とに前記処理容器を区分するとともに、紫外光が透過する仕切板を前記処理容器内に備え、
前記ランプ室で発生したオゾンを前記処理容器外に排出するための排出機構をさらに有する半導体製造装置。
【請求項２】
基材と、前記基材上に形成された酸化物半導体前駆体薄膜とを備える被処理体を処理して酸化物半導体を製造する半導体製造装置であって、
前記被処理体を収容する処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、前記被処理体を載置する処理台と、
前記処理台と対向するように前記処理容器内に設けられた紫外線ランプと、
前記処理台を加熱するヒーターと、
前記処理容器内に水蒸気を含む気体を供給する水蒸気供給機と、
前記ヒーターを制御して、前記処理台を１００℃〜３００℃の所定の温度に維持する温度制御機構と、
を有する半導体製造装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記ヒーターを制御して、前記処理台を１００℃〜３００℃の所定の温度に維持する温度制御機構をさらに有する半導体製造装置。
【請求項４】
基材と、前記基材上に形成された酸化物半導体前駆体薄膜とを備える被処理体を処理して酸化物半導体を製造する半導体製造方法であって、
相対湿度８０％以上の雰囲気で、前記被処理体を１００℃〜２００℃の所定の温度に維持しながら、前記酸化物半導体前駆体薄膜に紫外光を照射する照射工程と、
非プラズマ雰囲気で、前記照射工程で得られた前記被処理体を２００℃〜３００℃の所定の温度に維持しながら焼成する焼成工程と、
を有する半導体製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記酸化物半導体前駆体薄膜が、硝酸インジウム、硝酸ガリウム、および硝酸亜鉛を含有する酸化物半導体前駆体液を前記基材上に塗布または印刷することによって形成されている半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に形成された酸化物半導体前駆体薄膜を処理して、移動度が高い酸化物半導体を製造する半導体製造装置および半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材上に塗布または印刷された酸化物半導体前駆体薄膜を焼成して半導体特性を発現させる場合、最も一般的で単純な方法として電気炉中での加熱が挙げられる。しかしながら、高機能な半導体特性を実現させるには３００℃を超える温度での焼成が必要であり、フレキシブルなプラスチック等の基材上への塗布や印刷による酸化物半導体の作製は困難であった。プラスチック等の基材上への塗布や印刷による酸化物半導体の作製のため、低温加熱プロセスが求められている。また、同一面内で複数製造された半導体デバイスの性能のバラつきを抑制することも重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２０７４３１号公報
【特許文献２】特開２０００−３５１９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、酸化物半導体前駆体薄膜を低温加熱して移動度が高い酸化物半導体を製造する半導体製造装置および半導体製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、塗布型酸化物半導体の焼成プロセスにおいて、高湿度雰囲気下で紫外光照射と加熱を同時に行うことによって、焼成の低温化、半導体性能の向上、および同一面内で製造された半導体デバイスの性能バラつき抑制が実現できることを見出した。
【０００６】
本発明の半導体製造装置は、基材と、基材上に形成された酸化物半導体前駆体薄膜とを備える被処理体を処理して酸化物半導体を製造する半導体製造装置であって、被処理体を収容する処理容器と、処理容器内に設けられ、被処理体を載置する処理台と、処理台と対向するように処理容器内に設けられた紫外線ランプと、処理台を加熱するヒーターと、処理容器内に水蒸気を含む気体を供給する水蒸気供給機とを有する。
【０００７】
本発明の半導体製造装置において、紫外線ランプが低圧水銀ランプであり、低圧水銀ランプが配置されたランプ室と処理台が配置された処理室とに処理容器を区分するとともに、紫外光が透過する仕切板を処理容器内に備え、ランプ室で発生したオゾンを処理容器外に排出するための排出機構をさらに有することが好ましい。また、本発明の半導体製造装置において、ヒーターを制御して、処理台を１００℃〜３００℃の所定の温度に維持する温度制御機構をさらに有することが好ましい。
【０００８】
本発明の半導体製造方法は、基材と、基材上に形成された酸化物半導体前駆体薄膜とを備える被処理体を処理して酸化物半導体を製造する半導体製造方法であって、相対湿度８０％以上の雰囲気で、被処理体を１００℃〜２００℃の所定の温度に維持しながら、酸化物半導体前駆体薄膜に紫外光を照射する照射工程と、照射工程で得られた被処理体を２００℃〜３００℃の所定の温度に維持しながら焼成する焼成工程とを有する。本発明の半導体製造方法において、酸化物半導体前駆体薄膜が、硝酸インジウム、硝酸ガリウム、および硝酸亜鉛を含有する酸化物半導体前駆体液を基材上に塗布または印刷することによって形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低温加熱処理で高い移動度の酸化物半導体を得ることができる。また、同一面内で製造された半導体デバイスの性能のバラつきを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体製造装置の断面模式図。
【図２】実施例で得られた酸化物半導体薄膜の伝達特性を示すグラフ。
【図３】比較例１で得られた酸化物薄膜の伝達特性を示すグラフ。
【図４】比較例２で得られた酸化物薄膜の伝達特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の半導体製造装置と半導体製造方法ついて、図面を参照しながら実施形態と実施例に基づいて説明する。図面は、半導体製造装置、半導体製造装置の構成部材、および半導体製造装置の周辺部材を模式的に表したものであり、図面上の寸法や寸法比は実物と異なる。なお、重複説明は適宜省略する。また、２つの数値の間に「〜」を記載して数値範囲を表す場合には、この２つの数値も数値範囲に含まれるものとする。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体製造装置１０の断面を模式的に示している。半導体製造装置１０は、被処理体Ｗを処理して酸化物半導体を製造する装置である。被処理体Ｗは、上下面が正方形や長方形などの多角形または円形等であり、厚さが１０ｍｍ以下の板状部材である。また、被処理体Ｗは、シリコンやガラス等からなる基材Ｓと、基材Ｓ上に形成された酸化物半導体前駆体薄膜Ｐとを備えている。酸化物半導体前駆体薄膜Ｐの組成や製法等については後述する。
【００１３】
半導体製造装置１０は、処理容器１２と、処理台１４と、紫外線ランプである低圧水銀ランプ１６と、ヒーター１８と、水蒸気供給機２０と、仕切板２２と、排出機構２４とを備えている。処理容器１２は、アルミニウムやステンレス等の金属から構成されており、主な外形が円柱や直方体等である中空部材である。処理容器１２の内部に被処理体Ｗが収容される。具体的には、処理容器１２内に設けられている処理台１４の上に被処理体Ｗが載置される。処理台１４は、上面が正方形や長方形などの多角形または円形等である円柱部材または角柱部材などで、紫外光や結露に対する耐性を有する材質から構成されている。
【００１４】
低圧水銀ランプ１６は、処理台１４と対向するように、すなわち処理容器１２内の上方に設けられている。また、低圧水銀ランプ１６はＡＣ１００Ｖで駆動し、高密度グリッド形状の合成石英ガラスを管材としている。さらに、低圧水銀ランプ１６は、下方に５ｍｍ離れた位置での照射光強度が２８ｍＷｃｍ-2、均一に照射できる面積が２００ｍｍ×２００ｍｍ以上であり、処理容器１２外から点灯および消灯が可能である。電源２６から給電された低圧水銀ランプ１６は、波長８４.９ｎｍおよび２５３.７ｎｍに輝線を有する紫外光を、被処理体Ｗの酸化物半導体前駆体薄膜Ｐに照射する。低圧水銀ランプ１６に代えて、波長８４.９ｎｍおよび２５３.７ｎｍ以外に輝線を有する紫外光が出射する紫外線ランプを使用してもよい。
【００１５】
ヒーター１８は処理台１４を加熱する。処理台１４を加熱することによって、被処理体Ｗの基材Ｓ側から酸化物半導体前駆体薄膜Ｐが加熱される。ヒーター１８は温度制御機構２８に接続されており、ＡＣ１００Ｖで作動し、２００ｍｍ×２００ｍｍ以上の面積が加熱できる。ヒーター１８と温度制御機構２８によって、処理台１４を１００℃〜３００℃の所定の温度に維持することができる。このため、被処理体Ｗの処理温度をほぼ一定に保つことができる。なお、この所定の温度は幅を有していてもよい。また、処理台１４の温度のモニターと制御は、処理容器１２外から行うことができる。
【００１６】
水蒸気供給機２０は、導入管４０と導入弁４２を介して処理容器１２内に水蒸気を含む気体を供給する。すなわち、水蒸気供給機２０は、水を加熱して水蒸気を発生させ、圧縮空気によって水蒸気を処理容器１２内に供給するように構成されている。水の加熱に代えて、水に超音波を照射して水蒸気を発生させてもよい。また、ガス洗浄瓶に水を入れた後、圧縮空気をガス洗浄瓶に流して激しく気泡を発生させ、ここで発生した水蒸気を含む気体を処理容器１２内に供給してもよい。水蒸気供給機２０から処理容器１２内に供給される水蒸気量を調整することによって、被処理体Ｗの周囲の相対湿度が制御される。すなわち、水蒸気供給機２０によって、被処理体Ｗの周囲の相対湿度を高くすることができる。なお、処理容器１２内には湿度モニター（不図示）が設置されている。
【００１７】
仕切板２２は、合成石英等の紫外光透過性部材から構成されており、処理容器１２内に設置されている。具体的には、低圧水銀ランプ１６が配置されたランプ室４４と、処理台１４が配置された処理室４６とを区分するように仕切板２２が配置されている。このため、水蒸気が多い、例えば相対湿度８０％以上である処理室４６と低圧水銀ランプ１６を隔離することができ、低圧水銀ランプ１６の結露を防止できる。また、仕切板２２によって、仕切板２２を含めたそれより上のランプ室４４を処理室４６と切り離せる。このため、低圧水銀ランプ１６の交換やランプ室４４内のクリーニングなど、ランプ室４４のメンテナンスがしやすい。
【００１８】
さらに、仕切板２２は低圧水銀ランプ１６を覆うような箱型の構造でもよい。処理室４６内の相対湿度が高い場合に、ランプ室４４内に水蒸気が侵入して低圧水銀ランプ１６の表面に結露が生じるのを抑制できるからである。また、仕切板２２の処理室４６側の表面には結露防止ヒーター４８が設けられており、仕切板２２の処理室４６側の表面の結露を抑えている。なお、クリーニングのために、仕切板２２は、取り外して処理容器１２外に搬出できるようになっている。
【００１９】
排出機構２４は、低圧水銀ランプ１６から照射される紫外光によってランプ室４４内で発生したオゾンを処理容器１２外に排出するため、ランプ室４４の壁とその外側に設けられている。排出機構２４は、排出弁５０と、排出管５２と、ブロワー５４とを備えている。ランプ室４４内にオゾンが発生したら、自動または手動で排出弁５０を開き、例えばＡＣ１００Ｖで駆動するブロワー５４を作動させて、オゾンを処理容器１２外に排出する。なお、ブロワー５４に代えて排気ポンプを使用してもよい。処理室４６の壁には、排気弁５６が設けられており、処理室４６内の加圧を防止している。すなわち、処理室４６内の圧力が高くなったら、自動または手動で排気弁５６を開き、排気管５８を通じて、処理室４６内の気体を処理容器１２外に排出する。
【００２０】
排出される気体には、酸化物半導体前駆体薄膜Ｐから酸化物半導体薄膜が生成するときに発生する気体、例えば、酸化物半導体前駆体が金属硝酸塩である場合の窒素酸化物やアンモニア等も含まれる。また、半導体製造装置１０には、処理台１４を昇降させる昇降機構としてジャッキ７０が設けられている。昇降機構によって処理台１４の高さが変えられるため、低圧水銀ランプ１６と被処理体Ｗの上面との距離が、例えば１０ｍｍ〜１００ｍｍの適切な範囲で制御できる。なお、昇降機構は、被処理体Ｗが仕切板２２に接触しないように構成されている。また、処理容器１２には、被処理体Ｗを出し入れしたり、処理容器１２内のメンテナンスを行ったりするための扉（不図示）が設けられている。処理容器１２内は扉を閉めた状態で気密である。
【００２１】
本発明の実施形態に係る半導体製造方法は、被処理体Ｗを処理して酸化物半導体を製造する方法で、相対湿度８０％以上の雰囲気で、被処理体を１００℃〜２００℃の所定の温度に維持しながら、酸化物半導体前駆体薄膜に紫外光を照射する照射工程と、照射工程で得られた被処理体を２００℃〜３００℃の所定の温度に維持しながら焼成する焼成工程とを備えている。すなわち、照射工程では、被処理体Ｗを比較的低温の１００℃〜２００℃で加熱し、焼成工程では、照射工程で得られた被処理体Ｗを比較的高温の２００℃〜３００℃で加熱する。焼成工程では、紫外光を被処理体Ｗに照射しなくてもよく、被処理体Ｗの周囲が相対湿度８０％以上でなくてもよい。
【００２２】
具体的には以下の手順で酸化物半導体を製造する。まず、被処理体Ｗを準備する。例えば、酸化物半導体前駆体を含有する液体を基材Ｓに塗布または印刷することによって、酸化物半導体前駆体薄膜Ｐを表面に備える被処理体Ｗが作製できる。酸化物半導体前駆体としては、亜鉛、銅、ニッケル、インジウム、カドミウム、ガリウム、スズ、ロジウム、アルミニウム、またはストロンチウム等の金属塩が挙げられる。
【００２３】
金属の塩としては、金属の塩酸塩、硫酸塩、酢酸塩、または硝酸塩などが挙げられる。この中でも水溶性が大きい硝酸塩が好ましい。特に、硝酸インジウム、硝酸ガリウム、および硝酸亜鉛を含有する液体を酸化物半導体前駆体液として用いたときの酸化物半導体は移動度が高い。つぎに、処理室４６の扉を開けて、被処理体Ｗを処理台１４に載置し、扉を閉める。そして、処理台１４を所定の高さを調節する。その後、ヒーター１８を用いて、高湿度下および紫外光照射下で酸化物半導体前駆体薄膜Ｐの酸化物半導体薄膜化が進行する温度、例えば１００℃〜２００℃の所定の温度に処理台１４を維持する。
【００２４】
つぎに、処理室４６内の相対湿度が８０％以上、好ましくは９０％以上になるように、水蒸気供給機２０から水蒸気を含む気体を処理容器１２内に供給する。そして、結露防止ヒーター４８と低圧水銀ランプ１６を稼動させて、酸化物半導体前駆体薄膜Ｐに紫外光を照射する（照射工程）。その後、低圧水銀ランプ１６の稼動と水蒸気供給機２０からの水蒸気を含む気体の供給を停止し、酸化物半導体前駆体薄膜Ｐの酸化物半導体薄膜化が完了する温度、例えば２００℃〜３００℃の所定の温度に処理台１４を維持しながら被処理体Ｗを焼成する（焼成工程）。なお、本実施形態では、照射工程および焼成工程は大気圧下で行われる。このように、照射工程と焼成工程を経て、酸化物半導体前駆体薄膜Ｐから酸化物半導体薄膜が生成する。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例と比較例により本発明を更に詳細に説明する。本発明の内容はこの実施例に限定されるものではない。
【００２６】
（実施例）
まず、硝酸インジウム０.２３８ｇと、硝酸ガリウム０.０１２ｇと、硝酸亜鉛０.０８９ｇと、水３ｍＬと、２−トリフルオロエタノール７ｍＬとを混合および撹拌して、酸化物半導体前駆体溶液を調製した。つぎに、この酸化物半導体前駆体溶液を熱酸化膜付シリコンウエハ表面にスピンコートして、酸化物半導体前駆体薄膜Ｐが形成された被処理体Ｗを作製した。そして、半導体製造装置１０の処理台１４に被処理体Ｗを載せ、処理台１４の温度を１３０℃に、被処理体Ｗの周囲の相対湿度を９０％以上にそれぞれ維持しながら、大気圧下で酸化物半導体前駆体薄膜Ｐに紫外光を３０分間照射した。
【００２７】
その後、水蒸気を含む気体の処理室４６への供給および紫外光照射を停止し、被処理体Ｗを載せたまま処理台１４を３００℃に昇温し、この温度を６０分間維持ながら大気圧下で被処理体Ｗを焼成して、実施例に係る酸化物薄膜を作製した。得られた酸化物薄膜の伝達特性を図２に示す。図２に示すように、得られた酸化物薄膜は、飽和移動度が４ｃｍ2Ｖ-1ｇ-1を示す酸化物半導体であることが明らかとなった。紫外光によって分解された水蒸気から生じたヒドロキシラジカルが、前駆体薄膜に含まれる硝酸イオンを分解し、その後の加熱によってこれが酸化物薄膜から除去されたため、この酸化物薄膜が半導体特性を示すと考えられる。また、ヒドロキシラジカルが酸化物薄膜表面に適量結合し、これが過剰なキャリア輸送を制御するために良好な半導体特性が示されたとも考えられる。
【００２８】
なお、従来の電気炉を用いて、この金属硝酸塩からなる酸化物半導体前駆体薄膜が表面に形成された被処理体を３００℃で焼成したところ、得られた酸化物薄膜の飽和移動度は１ｃｍ2Ｖ-1ｇ-1程度であった。本発明の半導体製造装置や半導体製造方法を用いることにより、３ｃｍ2Ｖ-1ｇ-1以上高い移動度を示す酸化物半導体を得ることができた。また、本発明の半導体製造装置を用いて、半導体デバイスを同一面内で複数製造したところ、性能、例えば酸化物薄膜の閾値電圧や飽和移動度のバラつき、および伝達特性のヒステリシスを抑制することに成功した。
【００２９】
（比較例１）
実施例の相対湿度９０％以上の条件を相対湿度５０％に変更した点を除き、実施例と同様にして比較例１に係る酸化物薄膜を作製した。得られた酸化物薄膜の伝達特性を図３に示す。図３に示すように、この酸化物薄膜は半導体特性を示さなかった。紫外光によって分解された水蒸気から生じたヒドロキシラジカルの量が少なかったため、酸化物薄膜の表面にヒドロキシル基があまり付着しなかったこと、および酸化物薄膜生成過程で薄膜中に酸素欠陥が生じ、キャリア密度が異常に大きくなってしまったことが原因として考えられる。
【００３０】
（比較例２）
実施例の酸化物半導体前駆体薄膜Ｐに紫外光を照射しなかった点を除き、実施例と同様にして比較例２に係る酸化物薄膜を作製した。得られた酸化物薄膜の伝達特性を図４に示す。図４に示すように、この酸化物薄膜は半導体特性を示したものの、ヒステリシスが観察され、閾値電圧や飽和移動度にもバラつきが見られた。紫外光を照射しなかったために、前駆体薄膜に含まれる硝酸イオンが分解せず、これが遊離物質として存在しているために、上記のような現象が観察されたものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の半導体製造装置および半導体製造方法は、電子デバイス製造やフレキシブルエレクトロニクスなどの分野で利用できる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  半導体製造装置                  １２  処理容器
１４  処理台                          １６  低圧水銀ランプ
１８  ヒーター                        ２０  水蒸気供給機
２２  仕切板                          ２４  排出機構
２６  電源                            ２８  温度制御機構
４０  導入管                          ４２  導入弁
４４  ランプ室                        ４６  処理室
４８  結露防止ヒーター                ５０  排出弁
５２  排出管                          ５４  ブロワー
５６  排気弁                          ５８  排気管
７０  ジャッキ                        Ｗ    被処理体
Ｓ    基材                            Ｐ    酸化物半導体前駆体薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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