(57)【要約】【課題】  触媒ＣＶＤ法で堆積したアモルファスシリコン膜に対し、レーザーアニーリング法により結晶化（ポリシリコン化）を行う際に、水素の突沸によりポリシリコン膜の膜面荒れが生じることがあった。【解決手段】  予め加熱した触媒体と第一の供給ガスとの反応生成物により真空処理室内部の処理をすることにより、基板を真空処理室に搬送してシリコン系薄膜を堆積する際の真空処理室内部に付着したシリコン膜の離脱による堆積種の発生を低減でき、シリコン系薄膜の膜中の水素含有量を安定的に低減できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空予備室と真空処理室を用いて基板上にシリコン系薄膜を堆積する薄膜製造方法において、加熱した触媒体と第一の供給ガスとの反応生成物により前記真空処理室内部の処理をする工程と、前記真空予備室から前記真空処理室に前記基板を搬送する工程と、加熱した前記触媒体と第二の供給ガスとの反応生成物により前記基板表面を処理する工程と、前記触媒体を加熱したまま原料ガスを供給し前記基板上にシリコン系薄膜を堆積する工程を順に有することを特徴とする薄膜製造方法。
【請求項２】
前記触媒体と前記第一の供給ガスとの反応生成物が、シリコン系薄膜をエッチングできることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項３】
前記触媒体と前記第一の供給ガスとの反応生成物が、シリコン系薄膜と反応して前記シリコン系薄膜を酸化、窒化、あるいは酸化窒化させる反応性を有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
【請求項４】
前記第二の供給ガスが水素を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等に用いる薄膜トランジスタのシリコン系薄膜の堆積方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の触媒ＣＶＤ法によって基板に薄膜を堆積する方法は、触媒ＣＶＤ装置の真空処理室内に基板を載置する工程と、処理室内に前処理ガスを供給する工程と、真空処理室内に設けられた触媒体に通電することによって基板を加熱する工程と、前処理ガスを触媒体に触れさせることにより活性化させ、基板表面の前処理を行う工程と、処理室内に原料ガスを供給して基板に成膜を行う工程を順に有していた（例えば、特許文献１参照）。この方法を用いて、例えばアモルファスシリコン薄膜を堆積する場合を図２と図３を用いて説明する。図２に示すように、まず真空予備室２に基板１をセットした後、排気５により真空予備室２を高真空にする（例えば５．０×１０−３torr以下）。次に、図３に示すようにゲートバルブ３を開放し、高真空に保持された真空処理室６内の５００℃に加熱された基板ホルダー４上へ基板１を搬送してゲートバルブ３を閉じる（搬送機構省略）。ここでは触媒体９と基板１の距離を４０ｍｍになるように基板ホルダー４の高さ調節を行う。次いで真空処理室６に供給ガス８として、例えば水素ガス（Ｈ２ ）を１０ｓｃｃｍの流量で供給して真空処理室６内の圧力を１Ｐａに制御（制御機構図示省略）する。そして、電源７より触媒体９が１７００℃になるように電力を供給し、活性化した供給ガス８により基板１の前処理を５分間行い、供給ガス８の供給量は変えずに、原料ガス１１として例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを５０ｓｃｃｍの流量で供給する。次に膜厚が５０ｎｍになるように原料ガス１１を一定時間供給した後、原料ガス１１の供給を停止して真空処理室６を排気した後、触媒体９への電力供給を停止し、さら触媒体９の冷却を待って供給ガス８の供給を停止し、アモルファスシリコン薄膜の堆積を終了する。
【特許文献１】特開２００２−６９６４６号公報（第３−４頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の従来の触媒ＣＶＤ法で堆積したアモルファスシリコン膜に対し、周知の溶融結晶化技術であるレーザーアニーリング法により結晶化（ポリシリコン化）を数十回行ったところ、水素の突沸によりポリシリコンの膜面荒れが生じることがあった。ここで、堆積した結晶化前のアモルファスシリコン膜を評価したところ膜中の水素含有量が２atomic％〜８atomic％の範囲でばらつくことが解った。一般的にレーザーアニーリング法によりアモルファスシリコン膜を溶融結晶化し、膜面荒れ防止して良好なポリシリコン膜を得るためには、アモルファスシリコン膜の水素含有量を３atomic％程度以下に低減させて水素の突沸を防止する方法が知られている。このための脱水素プロセスとして、アモルファスシリコン膜の膜中の水素含有量を低減するために６００℃程度の高温雰囲気に数時間放置し水素含有量を低減させる方法が行われている。この脱水素プロセスは高温放置のため昇温（数時間）−放置（数時間）−下温（数時間）を要し、タクトタイムの増大によりプロセス上の負担があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述の特許文献１の方法を改善し、脱水素プロセス無しで水素含有量が概ね３atomic％程度以下のアモルファスシリコン膜を安定して得ることが本発明の目的であり、触媒ＣＶＤ法によるアモルファスシリコンの堆積実験を重ねたところ、以下の知見を得ることが出来た。従来技術である特許文献１の方法の不具合点は、活性化した供給ガス８（Ｈ２）で基板１の前処理を行うと前処理時に真空処理室６の内部に付着しているシリコン膜が堆積種として離脱し、原料ガス１０（ＳｉＨ4 ）を供給する前に基板表面にシリコン薄膜が堆積してしまう課題があることがわかった。特許文献１記載の方法で活性化した供給ガス８（Ｈ２）による基板１の前処理のみを行い、前処理のみで基板１への堆積したアモルファスシリコン膜の膜中の水素含有量を計測したところ約１０atomic％であった。また、レーザーアニーリングにより膜面荒れを起こしたアモルファスシリコン膜の膜厚方向の水素含有量分布をＳＩＭＳで調査したところ、堆積開始初期が最も水素含有量が高い結果が得られた。
【０００５】
本発明は上述の知見をもとに、触媒体９と供給ガス８の反応生成物により、真空処理室６の内部に付着しているシリコン薄膜を予め除去した後、真空予備室２から基板１を真空処理室６へ搬送し、特許文献１の方法のような活性化した供給ガス８（Ｈ２）による基板１の前処理を実施してから、アモルファスシリコン膜を堆積すると膜中の水素含有量が概ね２．０atomic％〜３．０atomic％で安定することが解った。この低水素含有量のアモルファスシリコン膜を繰り返し堆積してレーザーアニーリングを行ったところ、全ての膜に於いて膜面荒れを起こさずに良好なポリシリコン膜を堆積することが確認できた。また、触媒体９と供給ガス８の反応生成物によって真空処理室６の内部に付着しているシリコン系薄膜を予め除去する代わりに、触媒体９と供給ガス８の反応生成物によって、真空処理室６の内部に付着しているシリコン系薄膜を、酸化、窒化、または酸化窒化させることとした。これにより、同様に安定して低水素含有量のアモルファスシリコン膜を堆積することができた。
【０００６】
このように、本発明の薄膜製造方法は、加熱した触媒体と第一の供給ガスとの反応生成物により真空処理室内部の処理をする工程と、真空予備室から真空処理室に基板を搬送する工程と、加熱した触媒体と第二の供給ガスとの反応生成物により基板表面を処理する工程と、触媒体を加熱したまま原料ガスを供給し基板上にシリコン系薄膜を堆積する工程を順に有すしている。さらに、加熱した触媒体と第一の供給ガスとの反応生成物がシリコン系薄膜をエッチングできることとする。あるいは、加熱した触媒体と第一の供給ガスとの反応生成物が、シリコン系薄膜と反応してシリコン系薄膜を酸化、窒化、あるいは酸化窒化させる反応性を有することとした。さらに、第二の供給ガスが水素を含有していることとした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によるシリコン系薄膜の堆積方法により、シリコン系薄膜の堆積時の真空処理室内部に付着したシリコン系薄膜から離脱した堆積種の基板への堆積を低減でき、膜中の水素含有量を低減したアモルファスシリコン膜を安定的に堆積できる。そのため、レーザーアニール法により結晶化する前の脱水素処理が不要になる。また、堆積時の基板温度が安定するため、膜厚方向にも安定した一定品質の良好なシリコン系薄膜を堆積することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の真空予備室と真空処理室を有する触媒ＣＶＤ法を用いて基板上にシリコン系薄膜を堆積する薄膜製造方法において、予め加熱した触媒体と第一の供給ガスとの反応生成物により真空処理室内部の処理をすることにより、基板を真空処理室に搬送してシリコン系薄膜を堆積する際の真空処理室内部に付着したシリコン膜の離脱による堆積種の発生を低減でき、シリコン系薄膜の膜中の水素含有量を安定的に低減できる。また、堆積時の基板温度が安定するため、膜厚方向にも安定した一定品質のシリコン系薄膜を堆積できる効果がある。
【０００９】
また、本発明の加熱した触媒体と第一の供給ガスとの反応生成物が、真空処理室内部に堆積したシリコン系薄膜を酸化または窒化、あるいは酸化窒化させる反応性を有することにより、シリコン系薄膜を堆積する際の真空処理室内部からのシリコン系薄膜の離脱による堆積種の発生を低減できるため良好なシリコン系薄膜の堆積が安定的に可能となる。
以下、本発明の薄膜製造方法及び薄膜製造装置を用いた実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
本実施例の薄膜製造方法を図に基づいて説明する。図１は本実施例の薄膜製造方法を示すフローチャートである。図２は触媒ＣＶＤ法の一例の概略構成を示しており、真空処理室６と真空予備室２がゲートバルブ３で仕切られている。そのため、真空処理室６を大気暴露することなく高真空に保持したまま、大気圧の真空予備室２に基板１をセットして排気５により真空排気することができる。また、基板搬送機構（図示省略）により基板１を真空処理室６内の基板ホルダー４に搬送できる機構を備えている。
【００１１】
また、マスフローコントローラにより精密に流量コントロールされた供給ガス８がシャワーヘッド１０から真空処理室６内に供給される。排気系（図示省略）には、真空処理室６内の圧力をモニターしながら排気速度を制御して真空処理室６内の圧力を一定に保つ自動圧力制御機構が設けられている。また、供給ガス８を熱分解するための触媒体９がシャワーヘッド１０の噴出し部近傍に設けられ、触媒体９には電源７から触媒体９を加熱するための電力が供給される。さらに、基板１を支持するための基板ホルダー４を室温〜６００℃の温度まで任意の温度に制御できる機構が設けられている。
【００１２】
図４に本実施例で用いた触媒体９の形状の模式図を示す。本実施例では触媒体９として直径０．５ｍｍの高純度タングステン（例えば純度９９．９９９％）を基板１の面に対し平行かつ均一に加工したタングステンワイヤーを用いた。尚、タングステンワイヤーの形状を保つためのテンション機構は記載を省略した。また、図４に、単位面積（１ｃｍ２）当り０．０９ｃｍ３の表面積になるように（以下０．０９ｃｍ２／ｃｍ２と記載）タングステンワイヤーを所望の形状に加工した例を示す。ここで、タングステンワイヤーの形状は図４に示したようなコの字状の繰り返しに限られるわけではなく、かつまた一筆書きの必要もない。すなわち、基板上へ堆積した膜の膜厚が概ね均一になるようにタングステンワイヤーを加工すれば良い。
【００１３】
次に、本実施例の触媒体ＣＶＤ法を用いてシリコン系薄膜としてアモルファスシリコン膜を基板１上に堆積する薄膜製造方法を図１のフローチャートを基に説明する。ここでは基板１として石英基板を用いた。基板搬入工程では、図２に示したように、ゲートバルブ３を閉じた状態で真空予備室２を大気開放し基板１をセットする。真空予備室排気工程では、基板１をセットした後、真空予備室２を５．０×１０−３torrまで真空排気する。真空処理室の内部処理工程では、第一の供給ガス８としてＨ２ガスを５００ｓｃｃｍの流量でシャワーヘッド１０から触媒体９の近傍に供給し、真空処理室６内の圧力を１３０Ｐａに保持する。次いで、電源７から電力を供給して触媒体９を２０００℃に加熱し５分間保持した後、触媒体９への電力供給を停止してから冷却するのを待ってＨ２ガスの供給を停止し、真空処理室６内部の圧力を排気５により高真空（例えば５．０×１０−７torr）まで排気する。
【００１４】
基板搬送工程では、図３に示すように、真空予備室２内の基板１をゲートバルブ３から真空処理室６内の基板ホルダー４に搬送する。ここで、基板ホルダー４の温度は予め５００℃に設定し、基板１と触媒体９との距離を４０ｍｍに設定する。基板処理工程では、第二の供給ガス１１としてＨ２ガスを１０ｓｃｃｍの流量でシャワーヘッド１０から触媒体９の近傍に供給し、真空処理室内の圧力を１Ｐａに保持する。次いで、電源７から電力を供給して触媒体９を１７００℃に加熱し３分間保持し、基板１の成膜面の処理と予備加熱をした。シリコン系薄膜堆積工程では、供給ガス（Ｈ２）の流量、触媒体９の温度、圧力を保持したまま、原料ガス１１としてＳｉＨ４ガスを５０ｓｃｃｍの流量で供給開始し、５０ｎｍのアモルファスシリコン膜を基板１上に５０ｎｍ堆積した後、ＳｉＨ４ガスの供給を停止し、触媒体９への電力供給を停止してから冷却するのを待って供給ガス（Ｈ２）の供給を停止し、真空処理室６内部の圧力を高真空（例えば本実施例１では５．０×１０−７torr）まで排気した。基板搬送工程では、図２のように、真空処理室６内の基板１をゲートバルブ３から真空予備室２に搬送した。真空予備室リーク工程では、真空予備室２内の基板１を１００℃以下になるまで真空放置した後、真空予備室２を大気開放した。基板搬出工程では、真空予備室２から基板１を取り出し、真空予備室２を真空排気した。
【００１５】
このような工程を繰り返し１０回実施して得られた石英基板上のアモルファスシリコン膜の水素含有量を計測したところ、２．０atomic％〜３．０atomic％であり、全てのアモルファスシリコン膜に対してレーザーアニーリングを実施したところ、膜面荒れを起こさずに結晶粒が０．２μｍ〜０．３μｍの良好なポリシリコン膜を得ることができた。ここで、レーザーアニーリング法には、幅１８０μｍでエネルギー密度が３２０ｍＪ／ｃｍ２のエキシマレーザーを用い、９７％のオーバーラップ率により、石英基板上のアモルファスシリコン膜に周波数３００Ｈｚにてパルス状にスキャンする方式を用いた。
【００１６】
本実施例では基板搬入工程、真空予備室排気工程、真空処理室の内部処理工程の順に実施したが、基板搬入工程と真空予備室排気工程等、基板１が真空処理室６内に無い工程中に真空処理室の内部処理工程行うことが可能である。また、真空予備室２にカセットを配置して複数枚の基板を一度に効率良く排気することや真空処理室を２つ以上かつ基板の搬送先を選択するトランスファー室を設けて真空処理室内部の処理工程とシリコン系薄膜堆積工程を交互に効率良く行うことでタクトタイムを短縮できる。
【実施例２】
【００１７】
本実施例の薄膜製造方法を説明する。ここで、本実施例は真空処理室の内部処理工程のみが実施例１と異なるため、これと重複する説明は適宜省略する。真空予備室排気工程の後、真空処理室の内部処理工程として図２に示したように第一の供給ガス８としてＮＦ３ガスを５０ｓｃｃｍの流量でシャワーヘッド１０から触媒体９の近傍に供給する。このとき、真空処理室６内の圧力は１Ｐａに保持した。次いで、電源７から電力を供給して触媒体９を２４００℃に加熱し３分間保持した後、ＮＦ３ガスの供給を停止し真空処理室６内部の圧力を排気５により高真空（例えば本実施例１では５．０×１０−７torr）まで排気してから触媒体９への電力供給を停止した。次に実施例１と同様の条件で石英基板上にアモルファスシリコン膜を５０ｎｍ堆積した。本実施例の薄膜成膜方法を用いて５０枚の石英基板に５０ｎｍのアモルファスシリコン膜を堆積し、全てのアモルファスシリコン膜に対してレーザーアニーリングを実施したところ、膜面荒れを起こさずに良好なポリシリコン膜を得ることができた。
【実施例３】
【００１８】
本実施例の薄膜製造方法を説明する。ここで、本実施例は真空処理室の内部処理工程のみが実施例１と異なるためこれと重複する説明は適宜省略する。真空予備室排気工程の後に、真空処理室の内部処理工程として図２に示したように第一の供給ガス８としてＮＨ３ガスを１００ｓｃｃｍの流量でシャワーヘッド１０から触媒体９の近傍に供給する。このとき、真空処理室６内の圧力は１０Ｐａに保持した。次いで、電源７から電力を供給して触媒体９を２２００℃に加熱し１分間保持した後、触媒体９への電力供給を停止してから冷却を待ってＮＨ３ガスの供給を停止し、真空処理室６内部の圧力を排気５により高真空（例えば本実施例１では５．０×１０−７torr）まで排気した。次に実施例１と同様の条件で石英基板上にアモルファスシリコン膜を５０ｎｍ堆積した。本実施例の薄膜成膜方法により、５０枚の石英基板に５０ｎｍのアモルファスシリコン膜を堆積し、全てのアモルファスシリコン膜に対してレーザーアニーリングを実施したところ、膜面荒れを起こさずに良好なポリシリコン膜を得ることが出来た。本実施例では第一の供給ガスとしてＮＨ３ガスを用いたが、加熱した触媒体９との反応により窒素ラジカルを発生するガスであれば、これを用いることができる。
【実施例４】
【００１９】
本実施例の薄膜製造方法を説明する。ここで、本実施例は真空処理室の内部処理工程のみが実施例１と異なるため実施例１と重複する説明は適宜省略して説明する。真空予備室排気工程の後、真空処理室の内部処理工程として図２に示したように第一の供給ガス８としてＯ２ガスを１００ｓｃｃｍの流量でシャワーヘッド１０から触媒体９の近傍に供給する。このとき、真空処理室６内の圧力は１０Ｐａに保持した。次いで、電源７から電力を供給して触媒体９を１２００℃に加熱し１分間保持した後、触媒体９への電力供給を停止してから冷却を待ってＯ２ガスの供給を停止し、真空処理室６内部の圧力を排気５により高真空（例えば本実施例１では５．０×１０−７torr）まで排気した。次に実施例１と同様の条件で石英基板上にアモルファスシリコン膜を５０ｎｍ堆積した。このような方法を用いて５０枚の石英基板に５０ｎｍのアモルファスシリコン膜を堆積し、全てのアモルファスシリコン膜に対してレーザーアニーリングを実施したところ、膜面荒れを起こさずに良好なポリシリコン膜を得ることが出来た。ここで、触媒体９の腐食を防止するためにイリジウムワイヤーを用いた。
【００２０】
本実施例では第一の供給ガスとしてＯ２ガスを用いたが、加熱した触媒体９との反応により酸素ラジカルを発生するガスであれば、これを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明によれば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等に用いる薄膜トランジスタ用の良好なシリコン系薄膜が堆積できる。堆積時の基板温度が一定になるため、アモルファスシリコンＴＦＴに於いては膜厚方向に均一な膜質が得られて電気特性のバラツキが低減できる。また本発明により、ポリシリコンＴＦＴに於いては、低水素含有量のアモルファスシリコン膜が安定的に堆積可能なため、レーザーアニーリングにより良好なポリシリコン膜が堆積できるようになり、生産性の向上及び製造歩留りの向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施例の装置を示す概略説明図である。
【図３】本発明の一実施例の装置を示す概略説明図である。
【図４】本発明の一実施例の触媒体の概略説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  基板  
２  真空予備室
３  ゲートバルブ
４  基板ホルダー
５  排気
６  真空処理室
７  電源
８  供給ガス
９  触媒体
１０  シャワーヘッド
１１  原料ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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