(57)【要約】【課題】アモルファスシリコン薄膜を熱吸収層を用いて加熱結晶化するとともに、熱吸収層を汚染なく簡易方法によって除去でき、さらに結晶の欠陥を効率よく低減する。【解決手段】基板２上に形成されたアモルファス半導体薄膜（ａ−シリコン膜１）を結晶化させる際に、前記アモルファス半導体薄膜の結晶化させたい箇所の表面にのみ予め熱吸収層３を設け、エネルギー照射することで前記アモルファス半導体薄膜を結晶化し、その後、ドライプロセスにより改質物質（水素など）を添加して、前記熱吸収層３を脆化させて半導体薄膜上から除去するとともに結晶化された前記半導体薄膜（ｐ−シリコン膜１ａ）の欠陥低減を同時に行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたアモルファス半導体薄膜を結晶化させる際に、前記アモルファス半導体薄膜の結晶化させたい箇所の表面にのみ予め熱吸収層を設けてエネルギー照射することで前記半導体薄膜を結晶化し、その後、ドライプロセスにより改質物質を添加して、前記熱吸収層を脆化させて半導体薄膜上から除去するとともに結晶化された前記半導体薄膜内の欠陥低減を同時に行うことを特徴とする多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記熱吸収層が、前記改質物質との化学反応により脆化する特性を持った材料からなることを特徴とする請求項１記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記改質物質が、軽元素であることを特徴とする請求項１または２に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記軽元素が、水素、酸素または窒素であることを特徴とする請求項３記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記ドライプロセスに際し、前記改質物質をプラズマ化することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
結晶化させたい箇所のアモルファス半導体薄膜の表面にのみ熱吸収層を設ける成膜処理部と、前記熱吸収層を設けた半導体薄膜にエネルギー照射をして前記半導体薄膜を結晶化させる加熱処理部と、前記エネルギー照射がされた半導体薄膜にドライプロセスによって改質物質を添加する反応処理部と、を備えることを特徴とする多結晶半導体薄膜の製造装置。
【請求項７】
前記成膜処理部、前記加熱処理部および前記反応処理部のいずれか二または全部が、同一室に設けられていることを特徴とする請求項６記載の多結晶半導体薄膜の製造装置。
【請求項８】
前記反応部は、改質物質の添加によって脆化した前記熱吸収層を前記半導体薄膜から吸着または吸引によって除去する除去手段を備えることを特徴とする請求項６または７に記載の多結晶半導体薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜をアモルファス状態から結晶状態へ変化させつつ、欠陥低減処理を施して特性向上を図る手段の一つであり、特には液晶パネル等に用いられている半導体薄膜を用いたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の製造技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＴＦＴの高性能化のためには母材となるシリコン半導体薄膜の高品質化が欠かせない。一般的にＴＶやＰＣディスプレイで用いられているＴＦＴはアモルファス（非結晶）シリコン（以降ａ−シリコンという）であるが、何らかの手段でシリコンを結晶化（以降ｐ−シリコンという）して利用することでＴＦＴとしての性能（開口率、ＯＮ−ＯＦＦスイッチング特性、リーク電流低減など）を格段に向上させることができる。現在はＳｉ結晶化プロセスとしてエキシマレーザアニール技術がすでに実用化されており、携帯電話等の小型ディスプレイ向け用途で頻繁に利用されている。これは、高いパルスエネルギーを持つエキシマレーザ光をアモルファスＳｉに照射することで、光エネルギーを吸収したシリコンが溶融し、その後急速に冷却され凝固する際に結晶化する仕組みである。しかしながらレーザアニール技術により作製した結晶Ｓｉ薄膜の問題として、Ｓｉ溶液からの結晶成長時に結晶粒界が著しく盛り上がる等の問題があり、最良のプロセスとは言い難い。
【０００３】
レーザアニール技術の派生として、ＴＦＴのチャネル部に相当する箇所の表面に予め熱吸収層を成膜しておく手法がある。この場合、レーザ光エネルギーの大半はシリコン膜そのものではなく熱吸収層において吸収される。この結果、熱吸収層が高温に加熱され、この熱が固体熱伝導により下地のシリコン膜へと拡散する。シリコン膜は加熱により融点以下の有る経度の高温となり、固相のまま原子拡散により結晶化が進行する（非特許文献１参照）。このような「熱吸収層を介したレーザ結晶化」では、上述したような溶融プロセス固有のデメリットを解消できるため将来を期待されているプロセスの１つである。
【非特許文献１】ＳＩＤ  Ｄｉｇｅｓｔ  ２００７，”４１．２：Ｍｉｃｒｏ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｔｒｉｘ  ＯＬＥＤ  Ｄｉｓｐｌａｙ”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記した「熱吸収層を介したレーザ結晶化」プロセスは、溶融プロセスでないが故の新たな課題が生じる。その課題を以下に具体的に示す。
１．溶融の場合と比較して固相結晶化により形成されるシリコン結晶粒は非常に小さく、せいぜい直径１０ｎｍ程度であり、これは単位面績あたりの結晶粒界が占める面積割合が高いことを意味している。これら結晶粒界においては格子欠陥（シリコン原子同士の結合が切断された箇所）の密度が高いためにＴＦＴ特性が低い。高性能なＴＦＴが要求される用途では、水素化処理・酸素化処理によって欠陥を低減する必要がある。
【０００５】
２．熱吸収層としてＭｏ（モリブデン）等の金属が用いられるが、レーザ照射プロセス後にこの金属を除去する必要があり、一般的には酸などによるウェットエッチングが適用される。この際、薬液からの基板汚染が生じることが問題であり、また工程が煩雑になってしまうことも難点である。
【０００６】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、熱吸収層の除去を、簡略な工程で基板汚染を生じることなく行うことができ、さらには、結晶粒界に密度高く存在している格子欠陥などを効率よく低減することができる多結晶半導体薄膜の製造方法および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】
【０００７】
すなわち、本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法のうち、第１の本発明は、基板上に形成されたアモルファス半導体薄膜を結晶化させる際に、前記アモルファス半導体薄膜の結晶化させたい箇所の表面にのみ予め熱吸収層を設けてエネルギー照射することで前記半導体薄膜を結晶化し、その後、ドライプロセスにより改質物質を添加して、前記熱吸収層を脆化させて半導体薄膜上から除去するとともに結晶化された前記半導体薄膜内の欠陥低減を同時に行うことを特徴とする。
【０００８】
第２の本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法は、前記第１の本発明において、前記熱吸収層が、前記改質物質との化学反応により脆化する特性を持った材料からなることを特徴とする。
【０００９】
第３の本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法は、前記第１または第２の本発明において、前記改質物質が、軽元素であることを特徴とする。
【００１０】
第４の本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法は、前記第３の本発明において、前記軽元素が、水素、酸素または窒素であることを特徴とする。
【００１１】
第５の本発明の多結晶半導体薄膜の製造方
法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記ドライプロセスに際し、前記改質物質をプラズマ化することを特徴とする。
【００１２】
第６の本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置は、結晶化させたい箇所のアモルファス半導体薄膜の表面にのみ熱吸収層を設ける成膜処理部と、前記熱吸収層を設けた半導体薄膜にエネルギー照射をして前記半導体薄膜を結晶化させる加熱処理部と、前記エネルギー照射がされた半導体薄膜にドライプロセスによって改質物質を添加する反応処理部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
第７の本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置は、前記第６の本発明において、前記成膜処理部、前記加熱処理部および前記反応処理部のいずれか二または全部が、同一室に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
第８の本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置は、前記第６または第７の本発明において。前記反応部は、改質物質の添加によって脆化した前記熱吸収層を前記半導体薄膜から吸着または吸引によって除去する除去手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、基板上に設けられたアモルファス半導体薄膜を出発材料として、ＴＦＴのチャネル層となる部分などの直上に熱吸収層となる水素脆性材料や酸素脆性材料などを被覆する。この部分に電磁波などによるエネルギー照射をして加熱することで下部のアモルファス半導体薄膜が固相結晶化する。その後、基板を水素プラズマ雰囲気や酸素プラズマ雰囲気などに一定時間曝露するドライプロセスによって熱吸収層に改質物質を添加し、該熱吸収層を水素化や酸化、窒化などする。これにより熱吸収層が脆化する。さらに熱吸収層は容易に微粉化するため電磁気などによる吸着や吸引等により半導体膜膜上から容易に除去される。この除去過程は完全ドライプロセスであり、基板上に新たな汚染を引き起こさない。また、これと同時に熱吸収層下層の結晶膜に改質物質が添加されて水素化や酸化、窒化なども生じるため、欠陥低減効果が得られる。しかも、熱吸収層が水素や酸素、窒素などの改質物質と反応する際にそれぞれの分子の乖離反応を促進する触媒として働くために効率良く水素や酸素、窒素などの原子が生成され半導体膜中へ拡散し、改質効果を高める。
【００１６】
本発明では、上記のようにアモルファス半導体薄膜の表面に選択的に熱吸収層が設けられている。該熱吸収層は、既知の成膜技術などによって上記薄膜上に形成することができ、本発明としては成膜方法が特定のものに限定されるものではない。例えば、ＣＶＤ、スパッタリングなどにより成膜することができる。
【００１７】
熱吸収層を設けたアモルファス半導体薄膜に対しては、エネルギー照射によって熱吸収層を加熱する。熱吸収層では、熱エネルギーが伝達されて下地のアモルファス半導体薄膜が加熱されて結晶化するが、エネルギー照射減としては、熱吸収層に熱エネルギーを与えて加熱できるものであればよく、本発明としては特定のものに限定されない。例えば、電磁波、光や、プラズマなどのエネルギー粒子などを挙げることができる。
【００１８】
上記エネルギー照射の後、ドライプロセスによって改質物質を少なくとも熱吸収層に添加することで、熱吸収層を脆化させる。改質物質には、水素、酸素、窒素などの軽元素が好適に用いられる。この改質物質は、プラズマ化させることで、より活性になり改質および脆化作用を高めることができる。水素（酸素、窒化）による材料の脆化現象は鉄鋼材料等の分野においては、材料の機械的特性を低下させる好ましくない現象として古くから認知されているが、半導体分野では馴染みのないものである。本発明はこの現象を逆手に取って有効に利用するものである。
【００１９】
なお、熱吸収層には、改質物質の添加によって脆化する材料を用いる。好適には、化学反応により脆化するものが用いられる。該材料としては、例えばタンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）または白金（Ｐｔ）のうちの少なくとも１つ以上を含むものが挙げられる。
【００２０】
上記改質物質は、熱吸収層への添加によって該熱吸収層を脆化する。さらには、熱吸収層の材質と改質物質の添加量の関係によっては、脆化によって熱吸収層が自発的に微粉化し、崩壊する。脆化した熱吸収層はアモルファス半導体薄膜への固着力を完全に失うため、電磁気的な吸着や吸引機構などの除去手段により速やかに基板上から除去することができる。
【００２１】
熱吸収層に添加された改質物質は、拡散して熱吸収層の下地にあって上記エネルギー照射によって結晶化されたアモルファス薄膜に添加され、該薄膜内の欠陥を減少させる。例えば、結晶中に存在していた格子欠陥が改質物質と結合することで不活化され、ＴＦＴ特性などの低下に寄与しなくなる。なお、改質物質が速やかに拡散するように、熱吸収層および下層のアモルファス薄膜は高温の状態にあるのが望ましく、したがって、上記エネルギー照射の直後に改質物質の添加を行うのが望ましく、同一室内で、上記エネルギー照射とドライプロセスとを行うのが効率的である。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明の多結晶半導体薄膜の製造方法によれば、基板上に形成されたアモルファス半導体薄膜を結晶化させる際に、前記アモルファス半導体薄膜の結晶化させたい箇所の表面にのみ予め熱吸収層を設けてエネルギー照射することで前記半導体薄膜を結晶化し、その後、ドライプロセスにより改質物質を添加して、前記熱吸収層を脆化させて半導体薄膜上から除去するとともに結晶化された前記半導体薄膜内の欠陥低減を同時に行うので、半導体製造工程における犠牲層（かつ熱吸収層）除去を汚染を招くことなく行うことができ、この際同時に結晶半導体の欠陥低減を実現する効果がある。これにより、従来の水素化・酸素化による半導体膜の欠陥低減処理に比べ、プロセス時間を低減するという効果が得られる。これらの結果、従来よりも簡便・高速なプロセスによって高特性なＴＦＴ基板を作製することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
出発材料であるａ−シリコン薄膜１（あるいは他の半導体材料の薄膜）を化学気相堆積法等により表面に１ｎｍ〜２００ｎｍ堆積させた絶縁性基板２を成膜装置チャンバ１０内に設置し（図１、図３（ａ））、水素あるいは酸素等との反応により脆化する特性を持った材料（例えばタンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）または白金（Ｐｔ）のうちの少なくとも１つ以上を含む材料）からなる熱吸収層材料を表面に厚さ１ｎｍ〜１００μｍ成膜して熱吸収層３を設ける（図３（ｂ））。
【００２４】
成膜装置チャンバ１０は、本発明の成膜処理部に相当し、上記基板２を載置する基板載置台１１と、成膜材料となるターゲット材料１２が固定されるターゲット電極１３と、ターゲット電極１３と成膜装置チャンバ本体１０ａとの間に電圧を印加する電源１４とを備えている。成膜装置チャンバ１０内にガスを導入し、ターゲット電極１３と成膜装置チャンバ本体１０ａとの間に電圧が印加されると、ガスがプラズマ化してターゲット材料１２に衝突し、ターゲット材料１２の一部が飛び出し、基板２上、またはａ−シリコン薄膜１上に付着して成膜される。この際に、ａ−シリコン膜１上に成膜する場合、マスクやイオン銃を用いることにより膜の付着場所を制限し、後にＴＦＴチャネル層となる部位にのみ被覆する。
【００２５】
同一チャンバ内あるいは第２の専用チャンバ内にて熱吸収層３被覆部に対して光（あるいは電磁波、プラズマ）によりエネルギー照射して加熱する（図３（ｃ））。この際の照射強度はアモルファスシリコンが溶融せず、かつ基板に熱ダメージを与えないレベルに制御する（レーザ光の場合、照射エネルギー密度は１０ｍＪ／ｃｍ２〜１Ｊ／ｃｍ２の範囲とする）。光（あるいは電磁波、プラズマ等）照射中の雰囲気は水素濃度を極力低減した不活性ガスとする。
【００２６】
光（あるいは電磁波、プラズマ等）の照射を受けた熱吸収層３は加熱され、５００〜１５００℃まで（照射強度による）昇温され、この熱の一部が固体熱伝導により直下のａ−シリコン薄膜１へと伝わる。この結果、ａ−シリコン薄膜１は瞬間的に加熱され、原子拡散が加速されるため、より安定な相である結晶相へと速やかに変態する。シリコンは固相結晶化するため、生成される結晶粒サイズは１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の微小なものであり、また粒内・粒界に導入される格子欠陥の量は多い。
【００２７】
図２は、上記加熱を行う処理室２０を示すものであり、本発明の加熱処理部として機能する。該処理室２０には、室内を真空引する排気部２１が設けられている。処理室２０内には、室内を移動可能とした基板載置台２２が設けられており、基板載置台２２の一方の固定位置上に、エネルギー照射部としてレーザ光照射部２３が設けられている。このレーザ光照射部２３から、基板載置台２２に載置され、熱吸収層３が選択的に設けられたアモルファス薄膜１にレーザ光を照射すると、上記のように熱吸収層３下層のａ−アモルファスシリコン膜１が結晶化され、ｐ−シリコン膜１ａとなる。
【００２８】
熱吸収層３被覆部すべてに対する照射終了後、同一チャンバあるいは第３の専用チャンバ内にて水素化処理をおこなう。水素ガスの導入は不活性ガスとの混合状態でおこない、混合ガス中の水素濃度を０〜１００％の範囲で制御した上でチャンバ外からガス導入口を通じて流通させる。チャンバ内に設けたプラズマ電極付近を通過する際に上記混合ガスはプラズマ化され、活性な水素プラズマが発生する。この水素プラズマが接触することにより、熱吸収層３およびｐ−シリコン膜１ａは速やかに水素と化学反応する。結晶シリコン中に存在していた格子欠陥は水素と結合することで不活化され、ＴＦＴ特性低下に寄与しなくなる。また、熱吸収層３は水素化物を形成し機械的に著しく脆化して脆化した熱吸収層３ａに変質する（図３（ｄ））。脆化した熱吸収層３ａの材質と投入水素濃度の関係によっては、水素脆化によって該熱吸収層３ａが自発的に微粉化し、崩壊する。脆化した熱吸収層３ａはｐ−シリコン膜１ａへの吸着力を完全に失うため、電磁気的な吸着機構や吸引機構などの除去手段により速やかに基板上から除去される（図３（ｅ））。
以上のプロセスにより、欠陥の少ない高品質な結晶シリコン膜の付着した基板が得られ、実際のパネル製造工程では、以降のＴＦＴ回路形成プロセスへと向かう。
【００２９】
図２に示す処理室２０は、ドライプロセスによって水素を添加する動作を行うことができ、本発明の反応処理部としての役割も有している。すなわち、この例では、加熱処理と反応処理とを同一のチャンバーで行うように構成されている。
すなわち、上記基板載置台２２の他の固定位置側には、外部から導入されるＡｒなどの不活性ガスと水素との混合ガスを導入するガス導入管２５が接続されたプラズマ部２６が臨ませてあり、該プラズマ部２６によってガス導入管２５によって室内に導入するガスをプラズマ化して、室内を上記ガス雰囲気にする。高温の状態のアモルファスシリコン膜に対し、改質物質として水素を上記プラズマ部２６を介して処理室２０内に導入すると、プラズマ化されて、熱吸収層３等に添加される。この結果、上記のように、熱吸収層３が脆化され、されにｐ−シリコン膜１ａの欠陥が除去される。脆化・微粉化した脆化層３ａは、除去手段に相当する吸引機構２７により容易かつ汚染を招くことなく除去することができる。
【００３０】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は、上記実施形態の内容に限定されるものではなく、当然に本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態の製造方法に用いられる成膜部を示すものである。
【図２】同じく、加熱処理部および反応処理部を示すものである。
【図３】同じく、製造フローを示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    アモルファスシリコン膜
１ａ  ｐ−シリコン膜
２    基板
３    熱吸収層
３ａ  脆化した熱吸収層
４    レーザ光
１０    成膜装置チャンバ
２０    処理室
２７    吸引機構
【図１】
2009147126.tif 000003
【図２】
2009147126.tif 000004
【図３】
2009147126.tif 000005