(57)【要約】    高温領域３２から低温領域３０へ輻射熱を遮蔽するシャッター２０を進退可能に高温領域と低温領域の中間に付設する。基板１を一旦低温領域３２で保持して、輻射熱をシャッター２０で遮蔽しつつ、予備加熱による均熱を行ない、その後シャッター２０を後退させて基板１を高温領域３０に移動し、表面側が高く反対の裏面側が低い温度勾配が維持されているガラス基板１を低温領域に移動させる温度勾配熱処理を行う。高温領域と低温領域を有する加熱炉のプロセスチューブを有する加熱炉の高さを低くし、パーティクル発生を少なくし、さらに、液晶ディスプレイデバイスに使用されているTFTポリシリコン(p-Si)トランジスタの比抵抗を下げる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温領域と低温領域を有する加熱炉のプロセスチューブ内を炉の軸方向に１枚又は複数枚の基板を移動させる治具を有する半導体装置製造用加熱炉において、前記高温領域から前記低温領域へ輻射熱を遮蔽するシャッターを進退可能に該高温領域と該低温領域の中間に付設したことを特徴とする半導体装置製造用加熱炉。
【請求項２】
前記シャッターを前記プロセスチューブへの支持位置を除いて、該プロセスチューブと非接触状態で輻射熱を遮蔽することを特徴とする請求項１記載の半導体装置製造用加熱炉。
【請求項３】
独立して進退可能な複数のシャッター構成部材が相互に非接触であることを特徴とすることを特徴とする請求項２記載の半導体装置製造用加熱炉。
【請求項４】
前記高温領域と前記低温領域の中間にて前記プロセスチューブに排気孔を設けたことを特徴とする請求項１から３までの何れか1項記載の半導体装置製造用加熱炉。
【請求項５】
前記高温領域と前記低温領域の中間にて前記プロセスチューブにさらに給気孔を設けたことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造装置。
【請求項６】
前記シャッターが、それぞれ高温領域側と低温領域側に設けられていることを特徴とする請求項４又は５記載の半導体装置製造用加熱炉。
【請求項７】
前記治具の下部に前記プロセスチューブ内面周縁近傍まで伸長されたセパレーターを付設したことを特徴とする請求項１から６までの何れか１項記載の半導体装置製造用加熱炉。
【請求項８】
前記低温領域を、昇温部及び降温部に左右に分割し且つ横方向に配列された複数の函体から構成し、函体の下部に基板を横方向に移動させる治具の通路を開設するとともに、前記昇温部及び降温部の中間に位置する最高温度の低温領域の上方に前記高温領域を配置したことを特徴とする請求項１から７までの何れか1項記載の半導体製造装置用加熱炉。
【請求項９】
液晶ディスプレイに使用されるガラス基板にポリシリコン層を形成するために熱処理を行なう半導体装置の製造方法において、SiO2膜上のアモルファスシリコン層をレーザーアニールすることにより結晶化したポリシリコン層が表面に被着された１枚のガラス基板を縦置き状態で保持して、高温領域と低温領域を有する抵抗加熱炉の内側に設けられたプロセスチューブ内を移動させる治具により前記１枚のガラス基板を一旦低温領域で保持して、前記高温領域から低温領域への輻射熱をシャッターで遮蔽しつつ、予備加熱による均熱を行ない、その後前記シャッターを後退させて１枚のガラス基板を前記高温領域に移動し、続いて、前記表面側が高く反対の裏面側が低い温度勾配が維持されている前記１枚のガラス基板を低温領域に移動させる温度勾配熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記１枚のガラス基板の裏面に面するように、輻射熱遮蔽メッシュ板を前記治具に配置したことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記１枚のガラス基板と同時に移動し、あるいは前記１枚のガラス基板と別個に移動する輻射熱遮蔽を配置し、前記温度勾配熱処理中に前記輻射熱遮蔽板を前記１枚のガラス基板の裏面に近接してあるいは分離可能に接触させて、高温領域のヒーターからの輻射熱を遮蔽することを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記レーザーアニールを省略してアモルファスシリコン層のままの１枚のガラス基板に450〜750℃の温度で、前記予備加熱による均熱を施すことを特徴とする請求項９から１１までの何れか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記予備加熱に際しては前記ガラス基板の両面を加熱し、続いて高温領域での加熱に際しては前記裏面側のヒーターへの通電を遮断するか、あるいは電力を削減することを特徴とする請求項９から１２までの何れか1項記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造装置に関するものであり、特にホットウォール型加熱炉の改良に関する。また、本発明は、半導体メモリなどをRapid Thermal Processing (RTP)により製造するホットウォール型加熱炉の高さを低くするための新規な構造をもつ炉を提供する。さらに、本発明は液晶ディスプレイデバイスに使用されているTFTポリシリコン(p-Si, poly-Si)トランジスタを製造のためのシリコンの多結晶化方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（特開2004-140388号）においては、高温領域と低温領域を有する加熱炉のプロセスチューブ内を炉の軸方向に基板を移動させる治具を有する半導体装置製造用加熱炉において、低温部でSiウェーハを一旦保持して予備加熱を行った後、高温部に移動しウェーハがその高温に達する以前に、ウェーハを低温部に戻すいわゆるスパイク処理が提案されている。この特許文献１においては次のようなプロセスが提案されている。【０００３】
（１）256M DRAM. MOSトランジスタ（ゲート膜厚70〜90オングストローム）；SiO2膜の窒化（1050〜1100℃）
（２）EEROM,フラッシュメモリーのゲート膜のRTP窒化【０００４】
ホットチャンバー式縦型炉は特許文献２（米国特許第5,445,676号）に開示されており、１又は２以上の上部高温領域及び１又は２以上の下部低温領域並びにこれらの中間に位置する温度勾配領域を形成した縦型炉を用いて、低温領域では予熱を行ない、その後の高温領域での転位発生を防止するとともに、例えばTiのシンターによりTiSi2生成を高温領域で行なっている。この出願以降のデバイス微細化の進展により、TiSi2は順次 CoSix, NiSixに置き代えられつつある。この特許文献２のカラム７、第３０〜４５行に記載される各種処理は本発明においても行うことができる。【０００５】
特許文献２においては、高温領域は８００℃以上、例えば950-1000℃であり、低温領域は例えば650-700℃である。高温領域と低温領域の中間領域の温度勾配を急峻にして、炉の高さを低くするために、中間領域の炉体に断熱材を配置しない、一重管の中間領域から排気を行う、二重管構造の内管上端の位置を中間領域に設定して中間位置から排気を行なうなどにより吸熱効率を上げている。しかしながら、上記温度条件下の中間領域では輻射による伝熱が支配的であるので、炉の高さを顕著には短くすることはできない。【０００６】
特許文献３（米国特許第6,248,672号）に開示されたホットチャンバー式縦型炉では、炉を上部炉と下部炉に分離し、これらの炉の間に進退自在に配置されたシャッターにより上部炉と下部炉を遮蔽した状態で上部炉を高温に加熱し、一方下部炉では予熱を行い、次いでシャッターを開放してプロセスチューブとともにウェーハを上部炉に上昇させる二段階熱処理法が開示されている。しかしながら、この方法ではプロセスチューブが上部炉に上昇した時の温度上昇あるいは下部炉に下降した時の温度降下により、炉壁に付着した物質が脱落してパーティクルの原因となる。【０００７】
特許文献４（特開平8-330245号公報）の図４には横型ホットウォール炉が示されている。【０００８】
非特許文献１(FUJITSU, 48.3(06.1977)第262〜268頁「ポリシリコンTFT液晶ディスプレイ」)によると、ガラス基板上に低温プロセスによるポリシリコンTFTトランジスタの製造方法が発表されており、ガラス基板上にプラズマCVDで成長させたa-Siを高出力のレーザーで溶融し、凝固させることにp-Siを成長させることが述べられている。なお、1000℃以上の高温では通常のガラス基板が使用できなくなるが、レーザーによる結晶化法では通常のガラス基板が使用でき、500℃以下の低いプロセス温度でTFTを製造することができると説明されている。【０００９】
a-Siに水素を含有させるのはダングリングボンドを塞ぐためである（非特許文献２（月刊FPD Intelligence，1999,5,第７０頁「TFT-LCD用低温Poly-Siの水素化処理と電子移動度」）。しかし、水素はレーザーアニールの際のa-Si層の割れの原因になるので、除去する必要がある。脱水素を行なったa-Siにはりん又は硼素の不純物のイオン注入を行なう。非特許文献３（月刊FPD Intelligence 1999.5,第58〜61頁、低温poly-Si TFT-LCDの現状と最新技術動向）によると、高濃度にイオン注入されたp-Si結晶はアモルファスになり、500〜600℃程度の温度で熱アニールで再結晶化され、また不純物が活性化されると説明されている。また、この熱アニールによる活性化率は高くないとも説明されている（非特許文献３）。【００１０】
液晶ディスプレイのガラス基板は2000年には680×800mmの面積になると、言われていた（非特許文献4（月刊FPD intelligence, 1994.4, 第68-69頁「PECVD装置の技術革新と４期ライン用装置の開発課題」））が、現在（2004年）は第６世代のものが主流である。また、ガラス基板には、厚さが0.7mm(7×10-８nm)、厚さが4000オングストローム(400 nm)のSiO2膜及び500オングストローム( 40nm)のp-Si層が形成されている。これらの厚さは数年間変化していない。ガラス基板の面積が大きくなるにつれて、レーザー照射のコストが増大して問題となっている。また、レーザー処理では、結晶粒を成長させてp-Si層の比抵抗を下げ、トランジスタの速度を上げるには限界がある。【００１１】
非特許文献５（月間FPDintelligence,1998.10,第50〜51頁「サーミック大型ガラス基板用アニール装置を開発マガジン回転させて±2〜3℃の温度均一性実現」）によると、熱風炉の中に５枚のガラス基板を定盤上に置いて上下に並べ、500〜620℃に30分程度保持してガラス基板をアニールし、FPDの封着、焼成することが公知である。
【特許文献１】特開２００４−１４０３８８号公報
【特許文献２】米国特許第5,445,676号
【特許文献３】米国特許第6,248,672号
【特許文献４】特開平8-330245号公報
【非特許文献１】FUJISTSU, 48.3(06.1977) 第262〜268頁「ポリシリコンTFT液晶ディスプレイ」
【非特許文献２】月刊FPD Intelligence, 1999.6.第70頁「TFE-LCD用低温Poly-Siの水素化処理と電子移動度」
【非特許文献３】月刊FPD Intelligence 1999.5,第58〜61頁「低温poly-Si TFT-LCDの現状と最新技術動向」
【非特許文献４】月刊FPD Intelligence, 1994,4.第68〜69頁「PECVD装置の技術革新の4期ライン用装置の開発課題」
【非特許文献５】月間FPDintelligence,1998.10,第50〜51頁「サーミック大型ガラス基板用アニール装置を開発マガジン回転させて±2〜3℃の温度均一性実現」
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、高温領域と低温領域を有する加熱炉のプロセスチューブ内を炉の軸方向に1枚又は複数枚の基板を移動させる治具を有する半導体装置製造用加熱炉において、パーティクル発生を少なくし、かつ炉の高さ又は長さを短くすることができる半導体装置の製造装置を提供することを第一の目的とする。
さらに、本発明は、液晶ディスプレイデバイスに使用されているTFTポリシリコン(p-Si)トランジスタを製造において、比抵抗を下げることができる半導体装置の製造方法を提供し、さらに、従来行われてきたレーザー処理の必要がない半導体装置の製造方法を提供することを第二の目的とする。
非特許文献２に述べられている低温用Poly-Siとは結晶粒が0.1〜0.3μmである。このような低温用Poly-Siを第4世代の液晶デバイスのTFTと用いることを非特許文献２では解説しているが、結晶粒がより大きい高温Poly-SiのTFTへの利用は従来検討されていなかった。このような従来技術を超える方法を提供することも本発明の第二の目的に含まれる。なお、高温PolySiは石英基板上に、一般に温度で620℃のCVDを行いp-Si膜を形成し、これを900〜1000℃で結晶成長させたものである。
【００１３】
本発明の第一の目的を達成する加熱炉は、高温領域と低温領域を有する加熱炉のプロセスチューブ内を炉の軸方向に1枚又は複数枚の基板を移動させる治具を有する半導体装置製造用加熱炉において、高温領域から低温領域への輻射熱を遮蔽するシャッターを進退可能に該高温領域と該低温領域の中間に付設したことを特徴とするものである。
以下、詳しく本発明を詳しく説明する。
【００１４】
本発明の加熱炉は、輻射熱遮蔽シャッター（以下「シャッター」という）をプロセスチューブに付設して、プロセスチューブの高温領域及び低温領域をシャッターにより遮蔽して、予備加熱されているSiウェーハ、サファイア、SiC、液晶ディスプレイのガラス基板などを高温領域からの輻射熱に対して遮蔽する。シャッターは、材質がシリコン、SiC、Al2O３あるいはこれらにSiNをコーティングしたものなどからなり、厚さが1〜5ｍｍの板を使用することができる。また、低温領域での予備加熱後シャッターを後退させて、治具により基板を高温領域に移動させる。
上記したシャッターは、その支持棒がプロセスチューブに直接的に又は間接的に保持されており、またその保持方式はシャッターの前進・後退を可能にするようなものである。シャッターは、プロセスチューブと接触して完全に遮蔽するものであってもよい。
本発明の加熱炉により行なうことができるRTPの例は次のように大別できる。
【００１５】
１．高温RTP：高温領域800〜1200℃、低温領域500〜800℃、温度差400℃以内
２．中温RTP：高温領域500〜800℃、低温領域300〜500℃、温度差350℃以内
３．低温RTP：高温領域300〜600℃、低温領域350℃以内、温度差300℃以内
【００１６】
高温RTPの適用例は、注入イオンの活性化、膜質の向上、ストレス解除、RT-N(Rapid Thermal Nitride), RT-O(Rapid Thermal Oxide)でありAr,He,H2添加N2,H2＋O2などのガスを使用する。
中温RTPの適用例は、合金膜質の向上、RT(Rapid Thermal)CVD、ストレス解除、RTN、RTOであり、上記と同じガスのほかにシランガス、アンモニアガスなどのガスを使用する。
低温RTPの適用例は、金属配線のコンタクト抵抗向上、配線金属の膜質向上であり、Ar,He,H2,O2などの雰囲気ガスを使用する。
【００１７】
本発明の加熱炉は縦型炉であってもよく、横型炉であってもよい。また、表1の低温領域を2以上に細分割して、それぞれの領域で予備加熱してもよい。しかし表１の高温領域は細分割することは好ましくなく、上記の温度差を一挙に移動させることが好ましい。
【００１８】
より好ましいシャッターは、プロセスチューブと当接せず、また、シャッターが独立して進退可能な複数の部材に分割されている場合は、これら部材相互にも当接しないので、パーティクルの発生が抑えられるものである。一方、シャッターとプロセスチューブの間に、あるいはシャッター部材の間には輻射熱が漏れる隙間が生じるので、このような隙間はできるだけ少なくする必要がある。
【００１９】
本発明の好ましい実施態様によると、高温領域と低温領域の中間にて前記プロセスチューブに排気孔、好ましくは給気孔と排気孔を設けて、炉内ガスを排気孔より排出することにより、シャッター閉鎖中に高温領域に流されているガス、例えば酸化性ガス、CVDガスが低温領域に流れるのを阻止することができる。より好ましくは給気孔からAr,N2などの不活性ガスを流入させ、これを排気孔から排出する。この処理中に例えば窒素ガスが流されている低温領域に上記ガスが侵入してパーティクルが発生することを防止することができる。給気孔と排気孔は炉の中心軸に対して対称的位置に各1個もしくは数個設けることが好ましい。
【００２０】
さらに、好ましい実施態様によると、シャッターが、それぞれ高温領域側と低温領域側に設けられる。この実施態様では、高温領域と低温領域の間の温度差をさらに拡大し、またガス分離効果を大きくする。
【００２１】
より好ましくは、治具の下部周縁がプロセスチューブ内面近傍まで伸長されてセパレーターとなっており、基板を高温領域で保持している際にセパレーターがガスの邪魔板として作用し、高温処理中にガスの混合を阻止する。
【００２２】
以上主として縦型炉について説明したが、本発明の加熱炉は例えば特許文献４に示された横型炉としても構成することができる。この場合、上記した低温領域を、昇温部及び降温部に左右に分割し且つ横方向に配列された複数の函体から構成し、函体の下部に基板を横方向に移動させる治具の通路を開設することが好ましい。この炉構造の場合、基板を低温領域の一方の側に配列された各函体で順次予備処理し、その後高温領域に上昇移動後下降させて、その後低温領域の反対側の函体で降温処理することができる。
【００２３】
本発明の第二の目的を達成する半導体装置の製造方法は、液晶ディスプレイに使用されるガラス基板にポリシリコン層を形成するための熱処理に際して、SiO2膜上に形成されたアモルファスシリコンをレーザーアニールすることにより結晶化したポリシリコン層が表面に被着されたガラス基板を処理する方法の改良に関する。
現在広く使用されているガラス基板は、厚さが0.7mm(7×10-10nm)程度のものである。ガラスとして使用することができるアルミノシリケートガラスは、軟化点が975℃であり、コーニングジャパン社でTFT-LCD用ガラス１７３７との商品名で販売されている。また軟化温度が841℃の安価な硼珪酸ガラス（商品名コーニング7059）を使用することもできる。
【００２４】
現在広く使用されているガラス基板では片面（表面）に、厚さが4000オングストローム(400 nm)のSiO2膜及び500オングストローム( 40nm)のp-Si層が形成されている。熱処理温度が750℃以上のときはガラス基板の温度を下げるためにSiO2膜の膜厚は5000〜8000オングストロームであることが好ましい。かかるp-Si層の形成方法は次の通りである。a-Siを250〜350℃のプラズマＣＶＤにより形成する。これは約15％の水素を含有している。この水素は後工程の熱処理で膜剥離の原因となるので、一般には450〜500℃の温度で脱水素処理すると１％以下の水素濃度とする。その後、不純物をイオン注入し、次いでエキシマレーザーによるアニールにより結晶化及び不純物の活性化処理が行なわれる。
【００２５】
本発明においては、上記の寸法及び処理を経たガラス基板を横置き又は縦置き状態で保持して、以下説明する温度勾配熱処理を施す。
【００２６】
本発明の方法（請求項８）では、縦置きされた1枚のガラス基板を高温領域と低温領域を有する縦型抵抗加熱炉の内側に設けられたプロセスチューブ内を移動させる治具によりガラス基板を一旦低温領域で保持してガラスの耐熱性上問題がない450〜750℃の温度で予備加熱を行なう。現在のアルミノシリケートガラスは600℃、18時間加熱以下の加熱に対しては耐熱性をもっている。
予備加熱中に高温領域から低温領域への輻射熱をシャッターで遮蔽する。この操作は第1の発明と同様であり、シャッターの構成も同じである。予備加熱後ガラス基板を高温領域に移動してポリシリコンを成長するための加熱を行う。ガラス基板自体には比較的熱がかからない状態で、ガラス基板表面のｐ-Siの結晶成長を促進するために、ガラス基板の表面側の温度（TS）が高く、反対側の温度（TB）が低温の温度勾配（TS＞TB）が生じている状態で処理を終了して（図3参照）、ガラス基板を低温領域に戻す。
【００２７】
従来のレーザー加熱も表面の局部加熱を利用して、上記のような温度勾配を生じさせていたが、a-Siを溶融凝固させていたために、温度勾配は本発明のRTPによるものより大きくなっていた。レーザー加熱による溶融凝固方式で、一旦発生した結晶粒を粗大化するためには、凝固速度を遅くして徐冷をする必要がある。しかしながら、レーザー加熱方式で徐冷をするためにはガラス基板の裏側から加熱して冷却速度を制御するなどの手段を講じる必要がある。だが、このような手段を量産において採用することはできない。これに対して本方法によるRTPを利用すると、温度勾配はレーザー加熱の場合より小さく、また適切な結晶成長温度に加熱でき、しかも加熱後再び低温領域に下降させ、必要ならばさらに低温で温度を保持することにより冷却速度を制御することができる。したがって、本発明によると、ポリシリコンの比抵抗が大幅に低下して、TFTトランジスタの速度を大幅に向上することができる。このような作用効果を温度勾配RTP効果ということにする。
【００２８】
本発明の方法において、（1）600℃予備加熱→800〜900℃高温処理、（2）650℃予備加熱→950℃高温処理を行なうことができる。これらの高温処理は、a-Si層が形成されている極表面のみを所定温度に加熱すればよいので、高温領域における保持時間は1〜10秒程度である。また、本発明の方法においては、特許文献１で提案されているスパイク処理を行なうこともできる。この場合の高温は上記(1)の場合は900〜1000℃、また（2）の場合は1000〜1050℃が好ましく、保持時間は好ましくは1秒以下（ほぼゼロでもよい）である。
【００２９】
さらに、温度勾配RTP効果を高めるためには、ガラス基板の裏面に、光熱遮蔽メッシュ板を対面することにより裏側のヒーターからの熱がガラス基板にできるだけ及ばないようにする。このメッシュ板は、石英、シリコン、SiC,Al2O3などのセラミックを網目状、すだれ状に成形したものである。このメッシュ板は低温領域でも熱遮蔽効果をもつが、低温領域では保持時間が長いから、メッシュ板自体も炉の温度に加熱される。その後ガラス基板が高温領域に上昇した際には、基板裏側からのヒーターからの輻射熱を遮る。
メッシュ板はガラス基板裏面のほぼ全体を覆うことが必要であるが、ガラス基板とメッシュとの間隔は特に制限はない。
【００３０】
上記したメッシュ板に代えて、ガラス基板と同時に移動する輻射熱遮蔽板をガラス基板の裏面に配置し、あるいはガラス基板と別個に移動する輻射熱遮蔽板を配置し、ポリシリコンを成長するための温度勾配熱処理中に輻射熱遮蔽板をガラス基板の裏面に近接して対面させることもできる（請求項１０）。輻射熱遮蔽板は、ダミーのガラス基板、あるいはSiウェーハ、SiC、石英、アルミナあるいは石英もしくはSiウェーハの表面にP-Si、SiNなどをコーティングしたものを使用することができる。
【００３１】
請求項１０の方法によると、図3に示すガラス基板１の裏面1b側にヒーターから輻射熱を妨げる目的の輻射熱遮蔽板50を設ける。この輻射熱遮蔽板はTFTを形成しないが、熱的及び寸法的にはガラス基板１に類似しているダミー基板である（以下「ダミー基板50」として説明する）。ダミー基板50は石英ガラスなどの耐熱性がすぐれた材質とし、厚さは0.5〜1.0mmがよい。又合わせガラスであってもよい。ダミー基板50の表面には、断熱作用を高めるp-Si、SiNなどのコーティング51を施すことができる。
ダミー基板50はその縁部50aを突出させてガラス基板１とかしめるなどの手段で分離可能に接触していてもよく（すなわち＝0mm）、あるいは縁部50aを突出させないで例えば10mm以下の間隔(t)で近接配置されてもよい。ダミー基板50が配置された場合の温度分布はT3のようになり、最低温度がガラス基板1の裏面1bとほぼ一致するために、ガラス基板１に加えられる熱負荷が少なくなる。また周縁から3mm以下の位置でかしめ密接配置とする（t=0）の場合は、ガラス基板１の倒れや反りを少なくすることができる。
【００３２】
ダミー基板50はガラス基板1背面と表面の温度を大きくし、温度勾配RTPの効果を高めるものである。ダミー基板50をガラス基板1と同時に移動する場合は、上記したメッシュ板と同様の作用を発揮する。一方ガラス基板1とは別個にダミー基板が50移動する場合は種々の移動方式を採用することができる。例えば、縦型炉においては（イ）ダミー基板50をガラス基板1より先に高温領域に上昇する、（ロ）結晶成長後ガラス基板50をダミー基板1より先に下降させる、（ハ）ダミー基板50は低温領域における通過保持時間を短くするなどである。これらの方式（イ）〜（ハ）はいずれも、温度勾配RTP効果を高め、特にa-Si層の結晶成長温度をさらに高くすることを可能にする。
【００３３】
本発明の予備加熱に際してはガラス基板の両面から加熱し、ガラス基板を均熱する。続いて高温領域での熱処理を行なうに際しては、前記裏面側のヒーターへの通電を遮断するか、あるいは電力を削減すると、温度勾配RTP効果をさらに高めることができる（請求項１２）。
【００３４】
本発明においては、レーザーアニールを省略してアモルファスSi層のままのガラス基板を上記の処理することも可能である。この場合、低温領域では500〜630℃の温度で脱水素処理を充分に行い、水素濃度を例えば１％以下に下げ、さらに、Si結晶核発生とある程度の結晶成長を行なう。次いで、温度勾配熱処理により、さらなる結晶成長と不純物の活性化を行う。不純物の活性化温度は、不純物濃度が5×1015cm-3のときは950〜1000℃、1014cm-3のときは900〜950℃、1012cm-3のときは550〜700℃である。これらの温度のうち1000℃はアルミノシリケートガラスの軟化温度を超える。このようにガラスの軟化温度を超える温度で高温処理を行なう場合は、特許文献１に記載されたスパイク処理を行なうことが必要になる。
【００３５】
従来のレーザーアニールでは溶融Siが凝固する際のSi結晶核発生を利用していたが、本発明法では、溶融を経ないで良好なSi結晶が得られている高温ｐ-Siと同等の温度で温度勾配RTPを行なう。この温度は、ガラスの軟化温度に近くあるいはこれを超えるために、温度勾配RTPによりガラス基板の変形を防止する。熱処理温度がガラスの軟化温度を超える場合は不純物活性化のための熱処理にはスパイク処理を行ない、Si層が高温領域の炉温に達する以前に、ガラス基板を高温領域から低温領域に移動させることが好ましい。
したがって、本発明の方法によると従来必要とされてきたレーザーアニールが必要なくなり、特に大型ガラス基板全面にレーザーを照射するための設備投資が必要なくなる点で効果が大きい。
以下、図面に示された実施態様につき本発明を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】枠に支持されたガラス基板の平面図である。
【図２】図１のガラス基板が加熱されている状態を示す図である。
【図３】液晶ディスプレイデバイスのトランジスタを形成するポリシリコン層が形成されたガラス基板及び温度勾配の模式図である。
【図４】本発明の縦型炉の一実施態様を示す炉の縦型断面図である。
【図５】プロセスチューブの形態を示す概念図である。
【図６】シャッター配置部に給気孔及び排気孔を形成したプロセスチューブの概念図である。
【図７】二重シャッター配置部に給気孔及び排気孔を形成したプロセスチューブの概念図である。
【図８】本発明の縦型炉の別の実施態様を示す炉の縦型断面図である。
【図９】本発明の縦型炉の実施態様を示すプロセスチューブの断面図である。
【図１０】図9の蓄熱板の平面形状を示す図である。
【図１１】ガラス基板の加熱方法を示す縦型炉の縦断面図である。
【図１２】図９の１０（ローマ数字）で示した線矢視の断面図である。
【図１３】ガラス基板を熱処理する炉に使用されるシャッターの平面図である。
【図１４】分割シャッターを示す炉の横断面図である。
【図１５】図１２の１３（ローマ数字）線矢視の断面図である。
【図１６】低温領域を多段横型加熱炉として構成した加熱炉を示す図である。
【図１７】図１６の低温領域部を構成する函体及び収納塔の横断面図である。
【図１８】ダミー基板を使用してガラス基板のRTP処理を行なう方法の説明図である。
【図１９】本発明の実施例及び比較例のSi層の表面抵抗を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下の順にしたがい図面を参照して説明を行なう。
図１−第２発明に使用する枠
図２―第２発明において枠で保持された基板の加熱
図３−第２発明のガラス基板（ダミー基板付記）
図４―第1，2発明の加熱炉（但し、基板としてはSiウェーハを例示）
図５〜７−第１，２発明のシャッター
図８−第１，２発明の加熱炉（セパレーター付設、基板としてはSiウェーハ例示）
図９、１０−バッチ加熱炉
図１１〜１２−第１、２発明の加熱炉
図１３〜１５−第1、２発明のシャッターの例示
図１６，１７−横型/縦型併用加熱炉
図１８−第２発明―ダミー基板の支持治具
図１９−実験データ【００３８】
図１はガラス基板１を支持する方法の一例を図解しており、図中２は、400×470ｍｍ以上の面積以上の場合は、四片を囲む枠２が必要になる枠、2aは枠に一体に形成されたクランプ爪である。クランプ爪は、かしめなどによりガラス基板の縁を3mm程度把持する。【００３９】
図2は、縦型炉内で保持されているガラス基板１を示し、図中、３はメッシュ板、４はプロセスチューブ、５a,bは電気抵抗ヒーター(以下「ヒーター」という)である。
低温領域に保持されたガラス基板１では、図３に示したような温度T1で示されたように均熱されるまで予備加熱が行なわれる。高温領域に移行した後の温度勾配が過大になり、ガラス基板が割れ、歪み、あるいは各層に割れが発生することを防止するために、予備加熱を行う。また、既に発生している結晶の成長を行ない、高温領域での短時間処理でも充分な結晶成長が起こるように予備加熱を行う。高温領域に保持されたガラス基板１では、図３に示したような温度勾配T２が発生し、結晶粒が成長したポリシリコン層７が形成される。【００４０】
また、SiO2層６は低温CVDによりa-Siを成長するための下地になり、また、ポリシリコン層７とガラス基板１の熱膨張・収縮を吸収する。
なお、図３は見やすくするために、ガラス基板１の厚さを小さくしているが、実際には段落番号００１０で説明したようにガラス基板１は、ポリシリコン層７の14000倍の厚さを有している。また、図３に示されているダミー基板５０、コーティング５１は後述する。【００４１】
図４は本発明のホットウォール型縦型炉の実施態様を示しており、図中、５は基板昇降治具、６は昇降棒、７は支持台、８は熱補償函、１０は加熱炉、１１は炉体、１２は上部ヒーター、１３は下部ヒーター、１４はガス導入管、１５は排気管、１６は底蓋、２０はシャッター、２１は進退棒、２２は遮蔽板、２３はスペーサ−、２４はSiウェーハ、２５は間隙、２６は軸受、２７は転動輪、３０は低温領域、３２は高温領域をそれぞれ示している。【００４２】
加熱炉の構造を以下説明する。
加熱炉１０の炉体１１にはシャッター２０が付設されており、その箇所では断続構造となっている。炉体１１の内部には適当な取り付け治具で固定された上部ヒーター１２と下部ヒーター１３が配置され、これらの内側にはプロセスチューブ４が配置されている。
ガス導入管１４は炉体１１の底部から炉内をプロセスチューブ４に沿って長手方向に伸び、その頂部で開口している。また排気管１５はプロセスチューブ４の下部に取り付けられ、炉内のガスを排気する。【００４３】
基板１としては1枚又は2枚以上のSiウェーハが縦置きされ、昇降棒６によりプロセスチューブ４内を昇降しかつ任意の位置に保持される。昇降棒６の先端には、支持台７が固着され、その上にはSiと反応しないSiCなどからなるサセプタ7aが基板１を保持している。昇降棒６を取り囲む熱補償函８は内部に板９を多段に配列して、その保有熱により低温領域３０下部の急激な温度降下を阻止している。熱補償函８は昇降棒６の昇降中にも図示の位置に固定されているが、基板１を炉外に取り出す際には底蓋１６とともに、プロセスチューブ４から分離される。以上の構造は公知のものである。【００４４】
本発明により、プロセスチューブ４のうち低温領域３０と高温領域３２の中間に位置する部分4aを炉外に張り出して、この張出部分4aにシャッター２０の支持機構を設けている。すなわち、シャッター支持機構では摺動や摩擦が起こり、パーティクル発生の可能性があるから、できるだけ反応空間から遠ざけている。張出部4aに設けられた絞部4bに進退棒２１を気密にかつ摺動可能に接触させている。絞部4bは市販の溶接ベローなどにより無摺動とすることが好ましい。【００４５】
シャッター２０の遮蔽板２２は進退棒２１の先端に固着されており、図示の位置では、予備加熱されている基板１が位置する低温領域３０にガス導入管１４からのガス、例えばシランガスが流れるのを妨げている。遮蔽板２２はプロセスチューブ４と接触しないために、間隙２５がこれらの間に存在する。この間隙２５は遮蔽板の工作精度が許容する範囲でできるだけ狭いことが好ましい。遮蔽板２２は皿状本体の窪みの中に2枚のSiウェーハを上下に配置して、中間に棒状スペーサ２３を設けた構造となっている。【００４６】
図５には、遮蔽効果を高めるための方法が図解されている。すなわち、図5(a)のように、プロセスチューブ４のうち高温領域３２に相当する部分4hを、低温領域３０に相当する部分4lより径を細くし、径が太い部分のプロセスチューブ４内に、対応して径が大きい遮蔽板２２を配置すると上部の高温領域３２からの輻射熱が下部に放射するのを妨げることができる。
同様に、図5(b)のように、プロセスチューブ４のうち高温領域３２に相当する部分4hを、低温領域３０に相当する部分4lより径を太くし、径が太い部分のプロセスチューブ４内に、対応して径が大きい遮蔽板２２を配置しても上部の高温領域３２からの輻射熱が下部に放射するのを妨げることができる。【００４７】
さらに、図６に示すように、シャッター２２を配置したプロセスチューブ４の領域に給気孔２８及び排気孔２９を設けることができる（請求項４）。この構造において、図７に示すように一体にもしくは別個に移動する遮蔽板22a,22bを上下に配置することができる（請求項５）。
図８は、図４の縦型炉と同様の図面であり、シャッターの図示を省略している。図８においては、支持台７の縁をスカート状に張り出して変形させてセパレーター7aとし、高温領域で処理中に低温領域にガスが流れるのを阻止している。【００４８】
本発明の加熱炉は特許文献４に示された蓄熱板を備えたホットウォール炉に適用することができる。図９及び１０はその実施態様であり、４枚の厚い蓄熱板６０の１対の間に基板１が挿入されて、蓄熱板60からの放熱により急速加熱されている。６１は蓄熱板６０の上部コーナー部を貫通する吊り棒であり、その先端はプロセスチューブ４に溶接された受け部4dに支持されている。55はセパレーター、4cはセパレーターとの間で狭い流路を作る突起である。支持台7には基板1を直立並列保持する支持部53,54が固定されている。ガス導入管14としては上部高温領域への導入管14aと下部低温領域への導入管14bが設けられている。
プロセスチューブは特許文献２の図10に示されたように低温側を二重管にすることができる。【００４９】
図４及び８のプロセスチューブ４は断面が円形であるが、図１１及び１２ではガラス基板の処理に適した矩形断面のプロセスチューブをもつ縦型炉を示している。この図に示された参照符号は図４，８に示されたものと同一である。なお、２６はヒーターへの給電端子である。
図１３には、矩形断面のプロセスチューブに使用されるシャッターの平面図を示す。この図の参照符号は図４に示されたものと同じである。遮蔽板２２の先端のみならず、両側にも間隙２５が形成されているので、シャッターの前進後退中に遮蔽板２２はプロセスチューブ４と当接せず、かつ摩擦もしない。また、図示の位置から遮蔽板２２が後退した時も、遮蔽板後端はプロセスチューブ４とは当接しない。【００５０】
図１４、１５ではシャッターをニ分割して、一対のシャッター部材（遮蔽板）22a,22bが前進端まで、反対方向に前進したときに遮蔽効果が実現される（請求項３）。図１２では、半円状遮蔽板22a,22bが、後退位置にある時にもプロセスチューブ４との間に半円状間隙４５が形成されている。図１５では、半円状遮蔽板２２a,22bが前進位置にあるときに輻射熱遮蔽効果をもたらすが、これらは上下に僅かにずらされており、その斜めに切った先端22a’,22b’が当接していない。【００５１】
図１６には、低温領域を横に配列にするとともに、昇温部と降温部に分け、各部をさらに幾つかの領域に区分した加熱炉を示している（請求項７）。この加熱炉によると、基板は同じタクトタイムで横方向に段階的に移動しながら、段階的に温度上昇されかつ予備加熱される。最高予備加熱温度到達後に、基板を上昇させ一挙に高温に加熱する。その後再び基板を下降させた後、昇温部とは別の降温部で段階的に冷却を行なう。したがって、この加熱炉は量産に適している。【００５２】
低温領域３０は、図１６に４区間(30a.30b,30c,30d)の縦断面図が、図１７に１区間の横断面図が示されている。シャッター２０は各区間の中間に上下移動方式として示されているが、水平方向（図１６の紙面に直交方向）移動であってもよい。図１６では各区間に基板１が配置され、予備加熱されており、シャッター２０は回転する案内棒38により上下二箇所で案内されて、間隙５１を残して収納塔40内を下端まで降下している。
基板１を保持する台７は台車３５に固定されており、台車に内蔵された車輪３６が（図示されない）レール上を回転して走行する。低温領域用ガスは（図示されない）共通配管から導入孔４４（図１６）を通って各函体５０内に送入され、次に、治具通路兼排気孔４５から炉外に流出する。【００５３】
さらに、図１６から、高温領域３２を省略して、加熱炉全体を横型に構成し、基板が横方向に移動中に順次昇温するように構成することは自明である。昇降棒６を利用する縦型炉の場合は、セパレーター7aなどを用いないと、基板を高温領域で加熱中に高温領域のガスが低温領域に流れるのを阻止することは困難であるが、横型炉の場合はこれらの間にシャッターを配置することは容易である。【００５４】
図１８には、ダミー基板５０を使用した場合の昇降治具の構成例を示す。各昇降棒6a,6bを適宜駆動して、段落番号００２９で説明したように、様々な態様で熱負荷をダミー基板５０に引き受けさせることができる。  【００５５】
実験例
一般的なガラス基板（商品名コーニング１７３７、面積300×300mm）及びSiO2層上に形成されたa-Si膜（500オングストローム）を脱水素処理した後、りんを8×1014cm-2の濃度でイオン注入した（加速電圧10kV）。その後、ガラス基板を縦置き状態で保持して、500,600, 700℃で予備加熱後800℃、30sで温度勾配RTPを行った。レーザー照射状態の表面抵抗（比較例）及び温度勾配RTP（実施例）後の表面抵抗を図１９に示す。このグラフより本発明により著しい抵抗値減少が起こっていることがわかる。また、温度勾配RTP後のガラス基板には反りはなかった。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上説明したように、本発明は、ホットウォール型加熱炉の高さ又は長さを減少することができる。また、大面積のガラス基板に形成されるTFTの動作速度を高くすることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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