(57)【要約】【課題】多結晶を促進する触媒元素の極微量の添加を可能とする。【解決手段】非晶質珪素膜の表面を酸化して酸化膜を形成する機能を有しており、第１ノズル１７および第３ノズル２０を備えた第１供液ノズルアーム１６、および第２ノズル１９を備えた第２供液ノズルアーム１８を有する第１スピナー１４と、スリットコート法により、酸化膜を介して非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液を塗布する機能を有するスリットコータノズル２３を備えたコータ２２、基板１１を大気中で回転させることにより、溶液の液膜を乾燥させて、触媒元素を酸化膜に析出させる機能を有する第２スピナー２４と、基板１１を第１スピナー１４、コータ２２および第２スピナー２４の各処理部に搬入し、各処理部から搬出するための搬送手段であるロボットアーム１２およびロボットアームレール２１とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を備えた表面を有する基材上または絶縁膜で表面を覆われた基材上に非晶質珪素膜を堆積させる工程と、この非晶質珪素膜の表面に、オゾン水を用いて酸化膜を形成する工程と、この酸化膜の表面に結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液を添加する工程とを有する半導体製造方法において、
スリットコート法により該触媒元素を含有する溶液を添加することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項２】
触媒元素を含有する溶液を添加する前記工程を実施した後、前記基材およびこの基材上に形成された膜からなる基板を大気中で回転させることで前記該溶液の液膜を乾燥させ、結晶化を助長する触媒元素を前記非晶質珪素膜の表面の酸化膜に析出させる工程を実施する請求項１記載の半導体製造方法。
【請求項３】
前記触媒元素を含有する溶液を添加する工程を実施した後、前記基材およびこの基材上に形成された膜からなる基板を減圧状態下に置くことで前記溶液の液膜を乾燥させ、結晶化を助長する触媒元素を前記非晶質珪素膜の表面の酸化膜に析出させる工程を実施する請求項１記載の半導体製造方法。
【請求項４】
絶縁性を備えた表面を有する基材上または絶縁膜で表面を覆われた基材上に非晶質珪素膜を堆積させるとともに、この非結晶質珪素膜の表面に、オゾン水を用いて酸化膜を形成する第１の処理部と、
前記酸化膜を介して非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液をスリットコート法により塗布する第２の処理部と、
前記基材およびこの基材上に形成された膜からなる基板を連続的にスピン乾燥させ、触媒元素を酸化膜層表面に析出させる第３の処理部と、
前記基板を第1の処理部に搬入し、第１の処理部で実施される工程が終了した後に基板を第１の処理部から搬出して第２の処理部に搬入し、第２の処理部で実施される工程が終了した後に基板を第２の処理部から搬出して第３の処理部に搬入する搬送手段と、
を備えていることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項５】
絶縁性を備えた表面を有する基材上または絶縁膜で表面を覆われた基材上に非晶質珪素膜を堆積させるとともに、この非結晶質珪素膜の表面に、オゾン水を用いて酸化膜を形成する第１の処理部と、
前記酸化膜を介して非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液をスリットコート法により塗布する第２の処理部と、
前記基材およびこの基材上に形成された膜からなる基板を連続的に減圧乾燥させ、触媒元素を酸化膜層表面に析出させる第３の処理部と、
前記基板を第1の処理部に搬入し、第１の処理部で実施される工程が終了した後に基板を第１の処理部から搬出して第２の処理部に搬入し、第２の処理部で実施される工程が終了した後に基板を第２の処理部から搬出して第３の処理部に搬入する搬送手段と、
を備えていることを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基材などの絶縁性基材上に形成された薄膜トランジスタ(以下、単に「ＴＦＴ」という)を有する半導体装置を製造する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス基材などの絶縁性基材上に形成されたＴＦＴを有する半導体装置としては、ＴＦＴを画素駆動に用いるアクティブマトリクス型液晶表示装置やイメージセンサーなどが知られている。これらの半導体装置に用いられるＴＦＴには、薄膜状のシリコン半導体を用いるのが一般的である。この薄膜状のシリコン半導体としては、非晶質シリコン半導体から成るものと結晶性を有するシリコン半導体から成るものの２つに大別される。
【０００３】
この非晶質シリコン半導体は作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することができ、量産性に富んでいるが、導電性などの物性が結晶性を有するシリコン半導体に比べて劣るため、高速特性を得るためには、結晶性を有するシリコン半導体から成るＴＦＴの作製方法の確立が望まれている。
【０００４】
結晶性を有する薄膜状のシリコン半導体を得る方法としては、次の１）〜３）に記載した方法が知られている。即ち、
１） 成膜時に結晶性を有する膜を成膜する方法
２） 非晶質の半導体を成膜しておき、レーザー光のエネルギーにより結晶性を付与する方法
３） 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることにより、結晶性を付与する方法
である。
【０００５】
しかしながら、上記１）の方法では、成膜工程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性シリコンを得るにはシリコン膜の厚膜化が必要であり、良好な半導体物性を有する膜を基板上全面にわたり均一に成膜することが技術上困難である。また、成膜温度が６００℃以上と高温のため、安価なガラス基材が使用できないというコスト上の問題があった。
【０００６】
また、上記２）の方法では、熔融固化過程の結晶化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理されて高品質な結晶性シリコン膜が得られるが、一般的に使用されているエキシマレーザーを例にとると、まず、レーザー光の照射面積が小さくスループットが低いという問題があり、また、大面積基板の全面を均一に処理するにはレーザー出力の安定性に欠けるといった問題があった。
【０００７】
また、上記３）の方法では、上記１）、２）の方法と比較すると大面積に対応できるという利点はあるが、結晶化に際して６００℃以上の高温にて数十時間にわたる加熱処理が必要である。すなわち、安価なガラス基材の使用とスループットの向上を考えると加熱温度を下げ、さらに短時間で結晶化させるという問題点を同時に解決する必要がある。また、上記３）の方法では、固相結晶化現象を利用するため、結晶粒は基板面に平行に広がり数μｍの粒径に成長するものもあるが、成長した結晶粒同士がぶつかりあって粒界が形成されるため、その粒界はキャリアに対するトラップ準位として、ＴＦＴの移動度を低下させる原因になっている。
【０００８】
そこで、前記問題点をすべて解決するために、上記の３）の方法において、結晶化に必要な温度の低温化と処理時間の短縮を両立し、さらには粒界の影響を最小限に留めた結晶性シリコン薄膜の作製方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、結晶成長の核として不純物金属元素を非晶質シリコン膜に添加することで、結晶化初期の核生成速度とその後の核成長速度が向上され、従来になかった５８０℃以下の温度において４時間程度の熱処理で結晶性が得られる。また、基板の一部に選択的に触媒元素を添加することにより、レーザー結晶化のように同一基板内に選択的に結晶性シリコン膜と非晶質シリコン膜とを形成することが可能となる。さらに、その後、熱処理を継続させると、選択的に触媒元素が導入され結晶化している部分から、その周辺部の非晶質部分へと横方向（基板面に平行な方向）に結晶成長部分（ラテラル成長部）が延びる現象が起きる。このラテラル成長部では基材と平行に針状または柱状の結晶が成長方向に沿って延びており、その成長方向において結晶粒界が存在しない。したがって、このラテラル成長部を利用してＴＦＴのチャネル部を形成することにより、高性能なＴＦＴが実現可能となる。
【特許文献１】特開平７−５８３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述した特開平７−５８３３８号公報に開示されている半導体装置およびその作製方法によれば、シリコン膜中に触媒元素を添加する方法として、次のａ）〜ｃ）の方法が考えられる。即ち、
ａ）シリコン膜表面に直接触媒元素とシリコンの化合物膜または、触媒元素膜をスパッタ法などによって成膜後、加熱処理してシリコン膜中に触媒元素を拡散させる方法
ｂ）シリコン膜表面に直接触媒元素製電極を有するプラズマチャンバー内でプラズマ処理を行うことより、シリコン膜表面に触媒元素を堆積させた後、加熱してシリコン膜中に触媒元素を拡散させる方法
ｃ）シリコン膜表面に直接触媒元素をイオンドーピング法によりシリコン膜中に触媒元素を注入する方法
などがある。
【００１０】
また、真空装置を用いない簡便な方法として、触媒元素を含有する溶液をスピンコートする方法が考えられる。
【００１１】
この触媒元素は前述のように非晶質シリコン膜の多結晶化を促進する役割を果すが、その反面、触媒元素の注入濃度が高くなると、ＴＦＴを作製した場合、オフ時のリーク電流が増加するというＴＦＴ特性の劣化を招くことになる。また、基板全面にわたって均一な注入が行われない状態で多結晶化を行った場合、結晶成長が注入濃度に依存するため、結晶成長に面内バラツキが生じる。これは、特に、面内均一性を要求される液晶表示装置などへの対応において問題となる。
【００１２】
このように、触媒元素の添加においては極微小量の添加であること、大面積である基板全面にわたり均一な添加量の制御ができることの２点が重要な要素である。これら２つの観点から特開平７−５８３３８号公報に例示されている添加法では、既存の装置を用いて触媒元素の半導体中への添加を低濃度かつ均一制御性よく実行するのは不可能である。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、多結晶を促進する触媒元素の極微量の添加を可能とする半導体製造方法およびその製造装置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】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明の半導体製造方法は、絶縁性を備えた表面を有する基材上または絶縁膜で表面を覆われた基材上に非晶質珪素膜を堆積させる工程と、該非晶質珪素膜の表面に、オゾン水を用いて酸化膜を形成する工程と、該酸化膜の表面に結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液を添加する工程とを有する半導体製造方法において、スリットコート法により該触媒元素を含有する溶液を添加することを特徴としている。
【００１５】
具体的に説明すると、まず、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＬＰＣＶ（Low pressure- Chemical Vapor Deposition）法によって、ガラス基材上に非晶質珪素膜成膜する。
【００１６】
次に、このガラス基材上に非晶質珪素膜が形成されてなる基板を回転させながら、基板の回転中心上に所定濃度のオゾン水を所定流量で所定時間塗布する。このオゾン水の酸化力により非晶質珪素膜の表面に極薄の酸化膜が形成される。
【００１７】
次に、基板の回転中心上に所定濃度のフッ酸液を所定流量で所定時間塗布する。このフッ酸液の酸化力により非晶質珪素膜の表面に形成された酸化膜は不純物ごと取り除かれ、清浄な非晶質珪素膜が露出する。
【００１８】
次に、基板の回転中心上に、再度、所定濃度のオゾン水を所定流量で所定時間塗布する。このオゾン水の酸化力により非晶質珪素膜の表面に清浄で極薄の酸化膜を形成する。この酸化膜は、後の触媒を含んだ溶液を塗布する工程で表面全体に触媒を行き渡らせるため、つまり濡れ性の改善のためのものである。
【００１９】
次に、基板の回転中心上に、純水を所定流量で所定時間塗布し、純水の給液を停止後、さらに基板の回転数を増加させ、純水を振り切り、基板を乾燥する。
【００２０】
次に、基板の上方から、スリットコート法により所定濃度の触媒溶液を所定流量供給して、基板全面にわたり触媒溶液を塗布する。これによって、酸化膜の表面に触媒溶液の液膜ができる（添加される）。
【００２１】
次に、基板を所定回転数で所定時間回転して乾燥させる。この基板を乾燥させる工程で、触媒溶液の液膜が乾燥することにより、非晶質珪素膜の表面にある極薄の酸化膜上に触媒の層または触媒を含む層が形成される（析出される）。この触媒の層または触媒を含む層の触媒が、その後の加熱工程において非晶質珪素膜内に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。
【００２２】
このような半導体製造方法において、本発明では、上記した触媒元素を含有する溶液を添加する工程を実施した後、基板を大気中で回転させることで溶液の液膜を乾燥させて、酸化膜表面に触媒の層または触媒を含む層を形成することにより、結晶化を助長する触媒元素を酸化膜に析出させる工程を実施してもよい。
【００２３】
または、上記した触媒元素を含有する溶液を添加する工程を実施した後、基板を減圧状態下に置くことで、溶液の液膜を乾燥させて、酸化膜表面に触媒の層または触媒を含む層を形成することにより、結晶化を助長する触媒元素を酸化膜に析出させる工程を実施してもよい。
【００２４】
また、上記の半導体製造方法を実施するための半導体製造装置としては、例えば図１に示すように、非晶質珪素膜の表面を酸化して酸化膜を形成する機能を有しており、オゾン水を供給する第１ノズル１７および純粋を供給する第３ノズル２０を備えた第１供液ノズルアーム１６、およびフッ酸液を供給する第２ノズル１９を備えた第２供液ノズルアーム１８を有する第１スピナー１４（第１の処理部）と、スリットコートにより、酸化膜を介して非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液を塗布する機能を有するスリットコータノズル２３を備えたコータ２２（第２の処理部）と、基板１１を大気中で回転させることにより、溶液の液膜を乾燥させて、触媒元素を酸化膜に析出させる機能を有する第２スピナー２４（第３の処理部）と、基板１１を第１スピナー１４、コータ２２および第２スピナー２４の各処理部に搬入し、各処理部から搬出するためのロボットアーム１２およびロボットアームレール２１（搬送手段）とを備えた構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、絶縁性を備えた表面を有する基材上または絶縁膜で表面を覆われた基材上に非晶質珪素膜を堆積させ、該非晶質珪素膜の表面にオゾン水を用いて酸化膜を形成し、該酸化膜の表面に結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液を添加する工程において、スリットコート法により該触媒元素を含有する溶液を添加する構成としたので、結晶化を助長する触媒元素を含有する溶液を基板全面に均一に塗布することができる。
【００２６】
また、触媒元素を含有する溶液を添加した後、基板を大気中で回転させることで該溶液の液膜を乾燥させ、結晶化を助長する触媒元素を酸化膜に析出させる構成としたので、触媒元素が極微量で均一に非晶質珪素膜に添加される。そのため、その後の加熱処理により全面にわたり触媒元素が均一に非晶質珪素膜に注入される。さらに、より短時間で大きい結晶成長距離を得ることができる。これらによりＴＦＴ特性の優れた多結晶半導体が作製可能となる。
【００２７】
また、触媒元素を含有する溶液を添加した後、基板を減圧状態下に置くことで該溶液の液膜を乾燥させ、結晶化を助長する触媒元素を酸化膜に析出させる構成としたので、触媒元素が極微量で均一に非晶質珪素膜に添加される。そのため、その後の加熱処理により全面にわたり触媒元素が均一に非晶質珪素膜に注入される。さらに、より短時間で大きい結晶成長距離を得ることができる。これらによりＴＦＴ特性の優れた多結晶半導体が作製可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本発明の半導体製造方法を実施するための半導体製造装置の概略構成を示す斜視図である。
【００３０】
この半導体製造装置は、スリットコータノズル２３を有するコータ２２の左右両側に、第１スピナー１４と第２スピナー２４とが配置されており、コータ２２及び第２スピナー２４の一方の側に、基板１１を把持して搬送するためのロボットアーム１２を移動させるロボットアームレール２１が配設されている。
【００３１】
第１スピナー１４には、その上面中央部に基板１１を収納するカップ１５が設けられており、このカップ１５の近傍に、オゾン水を供給する第１ノズル１７および純水を供給する第３ノズル２０を有する第１給液ノズルアーム１６と、フッ酸液を供給する第２ノズル１９を有する第２給液ノズルアーム１８とが配置されている。これらアームは、ノズルがカップ１５に収納された基板１１の回転中心上に位置する給液位置（図１では、第１給液ノズルアーム１６が給液位置に位置している。）と、カップ１５上から退避する原点位置（図１では、第２給液ノズルアーム１８が原点位置に位置している。）との間を移動するように、水平方向に回動可能に設けられている。また、第２スピナー２４には、その上面中央部に基板１１を収納するカップ２５が設けられている。
【００３２】
なお、第１スピナー１４、コータ２２および第２スピナー２４には、図中破線で示すように、溶液の飛散等を防止するための透明の蓋体がそれぞれ開閉可能に設けられている。
【００３３】
次に、上記構成の半導体製造装置を用いた本発明の半導体製造方法の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、オゾン水により酸化膜を非晶質珪素膜の表面に形成した後、結晶化を助長する触媒元素を含有した水溶液を非晶質珪素膜上に塗布し乾燥するといった工程を実施した例であり、しかる後に加熱により結晶化させる工程を実施することになる。ここでは、この結晶化させる工程については詳細に述べていないが、通常用いられている装置によって通常実施されている方法を実行することにより結晶化を実施している。
【００３４】
図２は、図１に示す半導体製造装置を用いて本発明の半導体製造方法を実施したときの各工程での基板の状態を示す断面図である。
【００３５】
まず、図２（ａ）に示すように、プラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法によって、ガラス基材３１上に膜厚１，０００〜１，５００Åで非晶質珪素膜３２を成膜する。
【００３６】
そして、このようにガラス基材３１上に非晶質珪素膜３２が形成されてなる複数枚の基板１１を、カセット１３に隙間をあけて水平に配置し、セットする。そして、ロボットアーム１２を用いて基板１１を第１スピナー１４に搬送し、カップ１５内の所定位置にセットする。その後、基板１１を回転させながら、基板１１の回転中心上に第１給液ノズルアーム１６の第１ノズル１７が移動し、設定した濃度のオゾン水を所定流量で所定時間、基板１１の回転中心に塗布する。所定時間後、第１ノズル１７からのオゾン水の給液を停止する。このオゾン水の酸化力により非晶質珪素膜３２の表面に図２(ｂ)に示す極薄の酸化膜３３が形成される。
【００３７】
次に、第１給液ノズルアーム１６がカップ１５外にある原点位置（図示せず）に戻ると同時に、第２給液ノズルアーム１８が基板１１の回転中心上に移動する。第２給液ノズルアーム１８には第２ノズル１９が設置されており、設定した濃度のフッ酸液を所定流量で所定時間、基板１１の回転中心に塗布する。所定時間後、第２ノズル１９からのフッ酸液の給液を停止する。このフッ酸液の酸化力により非晶質珪素膜３２の表面に形成された酸化膜３３は不純物ごと取り除かれ、清浄な非晶質珪素膜３２が露出する（基板１１の構造は図２（ａ）に示す状態になる）。
【００３８】
次に、第２給液ノズルアーム１８がカップ１５外にある原点位置（図示せず）に戻ると同時に、第１給液ノズルアーム１６が再度基板１１の回転中心上に移動する。第１給液ノズルアーム１６に設置されている第１ノズル１７から設定した濃度のオゾン水を所定流量で所定時間、基板１１の回転中心に塗布する。所定時間後、第１ノズル１７からのオゾン水の給液を停止する。このオゾン水の酸化力により非晶質珪素膜３２の表面に清浄で極薄の酸化膜３３を形成する（基板１１の構造は図２（ｂ）に示す状態になる）。この酸化膜３３は、後の触媒を含んだ溶液を塗布する工程で表面全体に触媒を行き渡らせるため、つまり濡れ性の改善のためのものである。
【００３９】
次に、第１給液ノズルアーム１６において第１ノズル１７と並ぶように設置されている第３ノズル２０から純水を所定流量で所定時間、基板１１の回転中心に塗布する。所定時間後、第３ノズル２０からの純水の給液を停止し、さらに基板１１の回転数を増加させ、純水を振り切り、基板１１を乾燥する。
【００４０】
基板１１の乾燥後、回転を停止し、ロボットアーム１２により、基板１１を第１スピナー１４のカップ１５から離脱させ、ロボットアームレール２１に沿ってコータ２２まで搬送し、所定位置にセットする。基板１１の上方に設置されたスリットコータノズル２３から設定した濃度の触媒溶液を所定流量供給すると同時に、所定時間でガラス基板１１に対しスリットコータノズル２３を相対移動することにより基板１１全面にわたり触媒溶液を塗布する。これによって、図２（ｃ）に示すように、酸化膜３３の表面に触媒溶液の液膜３４ができる（添加される）。
【００４１】
スリットコータノズル２３から触媒溶液の給液を停止すると同時にスリットコータノズル２３は原点位置(図示せず)に移動する。
【００４２】
次に、ロボットアーム１２により、基板１１を、コータ２２から離脱させ、ロボットアームレール２１に沿って第２スピナー２４まで搬送し、カップ２５の所定位置にセットする。次に、第２スピナー２４のカップ２５が所定回転数で所定時間回転し基板１１が乾燥する。
【００４３】
この基板１１を乾燥させる工程で、図２(ｃ)に示す触媒溶液の液膜３４が乾燥することにより、図２(ｄ)に示すように、非晶質珪素膜３２の表面にある極薄の酸化膜３３上に触媒の層または触媒を含む層３５が形成される（析出される）。この触媒の層または触媒を含む層３５の触媒がその後の加熱工程において、非晶質珪素膜３２内に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。なお、ここでの「層」という表現は、必ずしも完全な膜になっていることを表しているわけではなく、少なくとも基板１１の全面にわたり触媒元素濃度が均一であることを表している。
【００４４】
所定時間による乾燥工程後、基板１１の回転を停止する。次に、ロボットアーム１２により、基板１１を保持し、スピナー２４からカセット１３に搬送し格納する。
【００４５】
以上で図１の半導体製造装置を用いて実施される工程が完了する。
【００４６】
また、図示していないが、前述の第２スピナー２４による回転乾燥の替わりに、減圧状態での乾燥を採用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
アクティブマトリクス型の画像表示装置やイメージセンサーなどに用いる半導体装置を製造する際に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の半導体製造装置の構成の一実施例を示す説明図である。
【図２】図１に示す半導体製造装置を用いて本発明の半導体製造方法を実施したときの各工程での基板の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１    基板
１２    ロボットアーム
１３    カセット
１４    第１スピナー
１６    第１給液ノズルアーム
１８    第２給液ノズルアーム
２１    ロボットアームレール
２２    コータ
２４    第２スピナー
３１    ガラス基材
３２    非晶質珪素膜
３３    酸化膜
３４    液膜
【図１】
2007208126.tif 000003
【図２】
2007208126.tif 000004