JP3781787B2 - Multipurpose substrate processing apparatus, operation method thereof, and manufacturing method of thin film integrated circuit - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は基板上あるいは基板表面に半導体装置を形成する装置に関する。特に外気に曝することなく連続して行なわれる必要のあるプロセスを行なうことのできる装置に関する。また薄膜集積回路の作製に利用することのできる多目的基板処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板やガラス基板を用いた集積回路が知られている。前者としてはＩＣやＬＳＩが知られており、後者としてはアクティブマトリックス型の液晶表示装置が知られている。このような集積回路を形成するには、各種プロセスを連続して行なう必要がある。例えば絶縁ゲイト型電界効果半導体装置を形成する場合であれば、チャネルが形成される半導体領域とそれに接して設けられるゲイト絶縁膜とを外部に取り出すことなく連続して形成することが望まれる。また各種プロセスを効率良く連続して行なうことが工業上必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体装置の作製に必要とされる各種プロセスを一つの装置で連続して処理することのできる多目的に利用できる基板処理装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を加熱するための手段】
本発明の多目的基板処理装置は、
複数の減圧可能な処理室を有し、
前記複数の処理室は減圧可能は共通室を介して連結されており、
前記共通室には各処理室間において基板を搬送するための手段を有し、
ていることを特徴とする。
【０００５】
また本発明の多目的基板処理装置は、
複数の減圧可能な処理室を有し、
複数の処理室の少なくとも一つは気相反応による成膜機能を有し、
複数の処理室の少なくとも一つは光照射によるアニール機能を有し、
複数の処理室の少なくとも一つは加熱を行なう機能を有し、
前記複数の処理室は減圧可能な共通室を介して連結されており、
前記共通室には各処理室間において基板を搬送するための手段を有し、
ていることを特徴とする。
【０００６】
また本発明の多目的基板処理装置の動作方法は、
同一圧力に保持された状態において、いずれか一つの処理室に保持された基板を共通室に移送すること、
あるいは共通室に保持された基板をいずれか一つの処理室に移送することを特徴とする。
【０００７】
本発明の具体的な例を図１に示す。図１に示す装置は多目的に利用できるものであって、必要とする成膜やアニール処理を施す処理室を必要とする数で組み合わせることができる。
【０００８】
例えば１０７を共通室である基板の搬送室とし、基板の各種処理を行なう処理室の内、１０１と１０２とを予備室とし、一方を基板の搬入用に用い、他の一方を基板の搬出用に用いる。また、１０３は絶縁膜を形成するためにスパッタリング装置とし、１０４をアモルファスシリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置とし、１０５を熱酸化膜を形成するための加熱炉とし、１０６を光照射によるアニールを行なうためのアニール炉とする、といった構成を採ることができる。なお、予備室も基板の搬入や搬出を行なう機能を有するという意味で処理室ということができる。
【０００９】
このような組み合わせは任意に行なえるものである。これら組み合わせのできる要素としては、プラズマＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、光ＣＶＤ、マイクロ波ＣＶＤ、加熱炉、光照射によるアニール炉、スパッタリング、プラズマアニールを挙げることができる。
【００１０】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例の構成を図１に示す。本実施例においては、１０１と１０２が予備室であり、基板の出し入れを行なう機能を有する。これらのチャンバーは、複数の基板が収められたカセットを保持する機能を有する。また当然不活性ガスの導入手段やクリーニングガスの導入手段、さらにはガス排気手段を有している。
【００１１】
１０３〜１０６は処理室であり、１０３と１０４と１０６とがプラズマＣＶＤ装置であり、１０４が温度調節チャンバーである。温度調節チャンバーとは、基板を所定の温度に加熱する機能を有するものであり、他のチャンバーでの成膜に先立ち、予め基板を加熱しておくために使用される。各処理室の仕様を下記表１に示す。
【００１２】
【表１】

【００１３】
１０７は基板の搬送室であり、ロボットアーム１０８によって基板が各チャンバー間を搬送される。ロボットアーム１０８は基板（１０９で示される）を１枚づつ予備室１０１あるいは１０２から取り出し、必要とする反応室に移動させる機能を有する。当然各処理室間においても基板を移動させることができる。また、この搬送室にも排気手段が設けられており、必要とする真空度にすることができる。
【００１４】
各チャンバー間の基板の移動は以下のようにして行なわれる。例えば、予備室１０１に保持される基板を処理室１０３と１０４とで処理し、予備室１０２に搬入する場合を考える。この場合まず、
（１）予備室１０１と搬送室１０７とを同一減圧状態（高真空状態が望ましい）とし、その状態においてゲイトバルブ１１０を開け、ロボットアーム１０８によって基板１０９を搬送室に取り出す。その後ゲイトバルブ１１０は閉める。
（２）搬送室１０７と処理室１０３とを同一減圧状態とし、その状態においてゲイトバルブ１１２を開け、ロボットアーム１０８に保持された基板１０９をプロセス室に搬入する。その後ゲイトバルブ１１２は閉める。
（３）処理室１０３において所定のプロセスが行なわれる。
（４）処理室１０３でのプロセス終了後、処理室１０３の真空度を搬送室１０７と同一減圧状態とし、その後ゲイトバルブ１１２を開け、ロボットアーム１０８によって基板を搬送室１０７に搬出する。そしてゲイトバルブ１１２は閉める。
（５）搬送室１０７と処理室１０４とを同一減圧状態とし、その状態においてゲイトバルブ１１３を開け、ロボットアーム１０８に保持された基板を処理室１０４に搬入する。その後ゲイトバルブは閉める。
（６）処理室１０４において所定のプロセスが行なわれる。
（７）処理室１０４でのプロセス終了後、処理室１０４の真空度を搬送室１０７と同一減圧状態とし、その後ゲイトバルブ１１３を開け、ロボットアーム１０８によって基板を搬送室１０７に搬出する。そしてゲイトバルブ１１３は閉める。
（８）搬送室１０７と予備室１０２とを同一減圧状態とし、その状態においてゲイトバルブ１１１を開け、ロボットアーム１０８によって基板を予備室１０２に搬入し、その後ゲイトバルブ１１１を閉める。
【００１５】
以上のようにして、一枚の基板を外気に曝すことなく、２回またはそれ以上の処理を連続的に行なうことができる。これらの処理としては成膜だけでなく、アニール等も行なえることは有用である。
【００１６】
上記（１）〜（８）の工程を繰り返すことにより、予備室１０１に搬入されているカートリッジに保持された複数の基板を次から次へと連続的に処理することができる。そして、処理の終了した基板は、予備室１０２のカートリッジに自動的に保持されることになる。また上記の成膜工程において、処理室１０３が稼働中において処理室１０４をクレーニングし、逆に処理室１０４が稼働中に処理室１０３をクリーニングすることによって、全体の動作を止めることなく、クレーニングを行いながら連続した処理工程を行うことができる。このようなクレーニングとしては、NF₃ によるチャンバー内のプラズマクリーニングを挙げることができる。
【００１７】
〔実施例２〕
図１に示す多目的成膜装置を用いてＴＦＴを少なくとも一つ有する薄膜集積回路を作製する例を図２に示す。まず、本実施例において用いる多目的成膜装置について説明する。本実施例においては、１０１、１０６を基板の搬入搬出を行なうために予備室とした。特にここでは１０１を基板搬入用に、１０６を基板搬出用とした。また１０４を赤外光の短時間照射によるラピットサーマルアニールプロセス（ＲＴＡまたはＲＴＰという）、または予備加熱を行なう処理室とし、１０３をプラズマＣＶＤ法によって窒化アルミニウムを主成分とする膜（窒化アルミオキサイドを以下窒化アルミニウムという）または窒化珪素膜を成膜する処理室とし、１０４をＴＥＯＳを原料としてプラズマＣＶＤ法により酸化珪素膜を成膜する処理室とし、１０５をプラズマＣＶＤ法によりアモルファス状のシリコン膜を成膜する処理室とする。また各処理室には、各処理室を減圧状態にするための排気手段、さらには必要とされるガスを導入するためのガス導入手段が設けられている。
【００１８】
以下に作製工程を示す。まず、基板としてコーニング７０５９等のガラス基板（４インチ角、５インチ角または５×６インチ角）２０１を予備室１０１に搬入し、十分真空引きをする。この真空引きは、十分真空引きをされた搬送室１０７とほぼ同一の圧力になるまで行なうのが好ましい。そしてゲイトバルブ１１０を開け、ロボットアーム１０８によって、予備室１０１内の基板を搬送室１０７に移送する。図１においては、図２における基板２０１は１０９として示されている。なお、以下においてはその上に成膜されている膜も含めて基板という。そして、同じくほぼ同一圧力に真空引きがされた反応室１０３との間のゲイトバルブ１１２を開け、基板を搬入する。基板搬入後にゲイトバルブ１１２を閉め、この反応室１０３内において、厚さ２０００〜５０００Åの窒化アルミニウム膜２０２をプラズマＣＶＤ法で形成する。成膜は、Ａｌ（Ｃ₄ Ｈ₉ ）₃ またはＡｌ（ＣＨ₃)₃ とＮ₂ とを用いて行なう。また、Ｎ₂ Ｏを微量添加して熱膨張歪を緩和させてもよい。
【００１９】
窒化アルミニウム膜２０２の成膜後は、反応室１０３を搬送室１０７と同じ真空度まで真空引きする。そして、ゲイトバルブ１１２を開き、ロボットアーム１０８によって基板を搬送室に基板を移送する。次に同じく真空引きのされたアニール室１０４に基板を搬入する。このアニール室１０４では、赤外線の照射によるラピットサーマルアニール（ＲＴＡ）が行なわれる。このアニールは、窒素、アンモニア（ＮＨ₃ ）、もしくは亜酸化窒素（Ｎ₂ Ｏ）の雰囲気中で行なわれ、短時間に窒化アルミニウム膜を急速に加熱するものである。このアニールによって、窒化アルミニウム膜は透明となり、またその絶縁性や熱伝導性が向上する。また、ガラス基板からのナトリューム等の不純物の半導体への進入を防ぐには、窒化珪素膜を形成してもよい。この場合、窒化珪素膜をプラズマＣＶＤ法により、基板温度３５０℃、０．１Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ₄ とＮＨ₃ との混合雰囲気で成膜する。
【００２０】
そして、反応室１０４を真空引きし、ロボットアーム１０８によって、基板を再び真空引きがされた搬送室１０７に移送する。そして同じく真空引きがされた反応室１０６に基板を搬送する。この反応室１０６ではＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法で酸化珪素膜２０３が成膜される。成膜条件を以下に示す。
ＴＥＯＳ／Ｏ₂ ＝１０／１００ｓｃｃｍ
ＲＦパワー ３５０Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜圧力 ０．２５Ｔｏｒｒ
また、上記反応において、Ｃ₂ Ｆ₆ を添加して、ＳｉＯＦ_xで示される膜を形成してもよい。
【００２１】
この酸化珪素膜はＴＦＴを形成する面に下地酸化膜２０３として厚さ２０００〜５０Åに成膜される。この反応室１０６で成膜された酸化珪素膜２０３をアニール室１０４に搬送し、ラピットサーマルアニールを行なってもよい。
【００２２】
そして、再び基板を搬送室１０７に搬送し、次に反応室１０５に基板を搬入する。これら基板の移送の際において、搬送室とそれぞれの処理室とは同一真空度（同一減圧状態）に真空引きがされた上でゲイトバルブを開閉させることは全て共通である。
【００２３】
反応室１０５では、プラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法によってアモルファス状のシリコン膜を１００〜１５００Å、好ましくは３００〜８００Å堆積する。プラズマＣＶＤ法での成膜条件を以下に示す。
ＳｉＨ₄ ＝２００ｓｃｃｍ
ＲＦパワー ２００Ｗ
基板温度 ２５０℃
成膜圧力 ０．１Ｔｏｒｒ
また、この成膜をＳｉ₂ Ｈ₆ 、Ｓｉ₃ Ｈ₈ を用いたＬＰＣＶＤ法（減圧熱ＣＶＤ法）で行なってもよい。この場合、基板温度を４５０℃、反応圧力を１Ｔｏｒｒとして気相反応を起こせばよい。
【００２４】
さらに反応室１０６に基板を移送し、ＴＥＯＳを原料とするプラズマＣＶＤ法によって、酸化珪素膜２１２を５００〜１５００Å程度堆積する。この膜はシリコン膜の保護膜として機能する。成膜条件を以下に示す。
ＴＥＯＳ／Ｏ₂ ＝１０／１００ｓｃｃｍ
ＲＦパワー ３００Ｗ
基板温度 ３５０℃
成膜圧力 ０．２５Ｔｏｒｒ
かくして、図２（Ａ）に示す如くガラス基板２０１上に窒化アルミニューム、または窒化珪素のブロッキング層２０２、酸化珪素膜２０３、シリコン半導体膜２０４、保護膜２１２を連続して多層に形成することができる。この図１に示す装置は、各チャンバーとロボットアームのある搬送室とはそれぞれゲイトバルブで仕切られているので、個々のチャンバー間において不純物が相互に混入することがなく、特にシリコン膜中におけるＣ、Ｎ、Ｏの値を少なくなくと５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることができる。
【００２５】
次に基板を予備室１０１から外部に出し、島状シリコン領域２０４を形成するためのパターニングを行なう。そして、図２（Ｂ）に示しように厚さ２００〜１５００Å、好ましくは５００〜１０００Åの酸化珪素膜２０５を形成する。この酸化珪素膜はゲイト絶縁膜としても機能する。そのためその作製には十分な注意が必要である。ここでは、ＴＥＯＳを原料とし、酸素とともに基板温度３５０〜６００℃、好ましくは３００〜４５０℃で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した。ＴＥＯＳと酸素の圧力比は１：１〜１：３、また、圧力は０．０５〜０．５ｔｏｒｒ、ＲＦパワーは１００〜２５０Ｗとした。この工程は、搬入室１０１より、基板を搬入し、前記したとは別の操作をして反応室１０６で行なってもよい。あるいはＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法によって、基板温度を３５０〜６００℃、好ましくは４００〜５５０℃として形成してもよい。成膜後、酸素もしくはオゾンの雰囲気で４００〜６００℃で３０〜６０分アニールした。
【００２６】
上記ゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜２０５を反応室１０６で成膜する場合は、その工程終了後、基板をアニール室１０４に搬入し、赤外線の照射によるラピットサーマルアニールをＮ₂ Ｏ雰囲気で行なうことは有効である。これは、酸化珪素膜２０５とシリコン領域２０４との界面準位を減少させることに極めて効果がある。
【００２７】
そして、図２（Ｂ）に示すようにＫｒＦエキシマーレーザー２１３（波長２４８ｎｍまたは３０８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、シリコン領域２０４を結晶化させた。レーザーのエネルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ² とし、また、レーザー照射の際には基板を３００〜５００℃に加熱した。このようにして形成されたシリコン膜２０４の結晶性をラマン散乱分光法によって調べたところ、単結晶シリコンのピーク（５２１ｃｍ^-1）とは異なって、５１５ｃｍ^-1付近に比較的ブロードなピークが観測され、結晶性半導体例えば多結晶半導体となっていることが判明した。その後、水素中で３５０℃で２時間アニールした。この結晶化の工程は、加熱によることで行なってもよい。
【００２８】
その後、厚さ２０００Å〜１μｍのアルミニウム膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これをパターニングし、ゲイト電極２０６を形成した。アルミニウムにはスカンジウム（Ｓｃ）を０．１５〜０．２重量％ドーピングしておいてもよい。次に基板をｐＨ≒７、１〜３％の酒石酸のエチレングリコール溶液に浸し、白金を陰極、このアルミニウムのゲイト電極を陽極として、陽極酸化をおこなった。陽極酸化は、最初一定電流で２２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了した。本実施例では定電流状態では、電圧の上昇速度は２〜５Ｖ／分が適当であった。このようにして、厚さ１５００〜３５００Å、例えば、２０００Åの陽極酸化物２０９を形成した。（図２（Ｃ））
【００２９】
その後、イオンドーピング法（プラズマドーピング法ともいう）によって、各ＴＦＴの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物（燐）を注入した。ドーピングガスとしてはフォスフィン（ＰＨ₃ ）を用いた。ドーズ量は、１〜４×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。
【００３０】
さらに、図２（Ｄ）に示すようにＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍまたは３０８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）２１６を照射して、上記不純物領域の導入によって結晶性の劣化した部分の結晶性を改善させた。レーザーのエネルギー密度は１５０〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ² であった。こうして、Ｎ型不純物（燐）領域２０８、２０９を形成した。これらの領域のシート抵抗は２００〜８００Ω／□であった。本工程において、レーザーを用いるかわりに、フラッシュランプを使用して短時間に１０００〜１２００℃（シリコンモニターの温度）まで上昇させ、試料を加熱する、いわゆるＲＴＰ（ラピッド・サーマル・プロセス）を用いてもよい。
【００３１】
その後、再び図１の装置を用い、全面に層間絶縁物２１０として、図１の反応装置の反応室１０４を再び用い、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ０．３μｍ〜１μｍここでは３０００Å（０．３μｍ）形成した。基板温度は２５０〜４５０℃、例えば、３５０℃とした。成膜後、表面の平坦性を得るため、この酸化珪素膜を機械的に研磨した。この工程は、図１の装置内に設けられた反応室を用いて等方性ドライエッチングを行なってもよい。さらに、スパッタ法によってＩＴＯ被膜を堆積し、これをパターニングして画素電極２１１とした。（図２（Ｅ））
【００３２】
かくすると、図２の電気光学装置の一方の基板側に薄膜集積回路を作ることができる。勿論、この図面に示す回路と同時に周辺回路を同一基板上に形成してもよい。そして、層間絶縁物２１０をエッチングして、図２（Ｅ）に示すようにＴＦＴのソース／ドレインにコンタクトホールを形成し、クロムもしくは窒化チタンの配線２１２、２１３を形成し、配線２１３は画素電極２１１に接続させた。なお、この際には、ソース／ドレイン領域（島状シリコン）をはみだしてコンタクトホールを形成してもよい。この場合にはコンタクトホールのうち、島状シリコンをはみだした面積は３０〜７０％であった。この場合には、ソース／ドレインの上面のみならず、側面においてもコンタクトが形成される。以下、このようなコンタクトをトップサイドコンタクトと称する。従来の構造において、トップサイドコンタクトを形成しようとすれば、層間絶縁物のエッチング工程によって、島状シリコン以外の部分の下地の酸化珪素膜、さらには、基板までエッチングされたが、本実施例では、窒化アルミニウム膜または窒化珪素膜２０２がエッチングストッパーとなって、ここでエッチングが止まる。
【００３３】
通常の場合には、コンタクトホールの大きさは、ソース／ドレインよりも小さくする必要があったが、トップサイドコンタクトにおいては、逆にアイランドの大きさをコンタクトホールのよりも小さくでき、結果として、アイランドの微細化できる。また、逆にコンタクホールを大きくすることができるので、量産性、信頼性を高めることができた。
【００３４】
最後に、水素中で３００〜４００℃で０．１〜２時間アニールして、シリコンの水素化を完了した。このようにして、ＴＦＴを有する薄膜集積回路が完成した。そして同時に作製した多数のＴＦＴをマトリクス状に配列せしめ、かつ周辺回路をも同一基板上に形成したモノシリック型のアクティブマトリクス型液晶表示装置とした。
【００３５】
【効果】
本発明の構成を採用することで、基板上に半導体装置を作製する際に連続してプロセスをこなすことができ、生産性の向上、信頼性の向上を同時に果たすことができる。
【００３６】
以上に説明した如く、図１のマルチチャンバー方式の多目的ＣＶＤ装置を用いることにより、図２（Ａ）の工程、ゲイト絶縁膜の形成、ＲＴＰ処理工程、相姦絶縁膜の形成工程、とほとんど全ての工程を１台の装置で行なうことができる。そして、これらの工程は、マイクロコンピュータによって制御することができ、生産効率、コストパフォーマンスを向上させることができる。特に本発明装置を図２に示した如く結晶性ＴＦＴまたはこれを応用するモノシリック型薄膜集積回路へ応用することは著しい効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の多目的基板処理装置を示す。
【図２】 実施例におけるＴＦＴの作製工程を示す。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an apparatus for forming a semiconductor device on a substrate or a substrate surface. In particular, the present invention relates to an apparatus capable of performing a process that needs to be performed continuously without being exposed to the outside air. The present invention also relates to a multipurpose substrate processing apparatus that can be used for manufacturing a thin film integrated circuit.
[0002]
[Prior art]
An integrated circuit using a semiconductor substrate or a glass substrate is known. IC and LSI are known as the former, and an active matrix type liquid crystal display device is known as the latter. In order to form such an integrated circuit, it is necessary to continuously perform various processes. For example, in the case of forming an insulated gate field effect semiconductor device, it is desirable to continuously form a semiconductor region in which a channel is formed and a gate insulating film provided in contact therewith without taking out to the outside. In addition, it is industrially necessary to perform various processes efficiently and continuously.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a multipurpose substrate processing apparatus capable of continuously processing various processes required for manufacturing a semiconductor device with one apparatus.
[0004]
[Means for heating the problem]
The multipurpose substrate processing apparatus of the present invention comprises:
A plurality of pressure-reducing processing chambers;
The plurality of processing chambers are connected via a common chamber that can be decompressed,
The common chamber has means for transporting the substrate between the processing chambers,
It is characterized by.
[0005]
Moreover, the multipurpose substrate processing apparatus of the present invention comprises:
A plurality of pressure-reducing processing chambers;
At least one of the plurality of processing chambers has a film forming function by gas phase reaction,
At least one of the plurality of processing chambers has an annealing function by light irradiation,
At least one of the plurality of processing chambers has a function of heating,
The plurality of processing chambers are connected via a common chamber that can be decompressed,
The common chamber has means for transporting the substrate between the processing chambers,
It is characterized by.
[0006]
The operation method of the multipurpose substrate processing apparatus of the present invention is as follows.
Transferring the substrate held in any one of the processing chambers to the common chamber while being held at the same pressure;
Alternatively, the substrate held in the common chamber is transferred to any one of the processing chambers.
[0007]
A specific example of the present invention is shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 1 can be used for various purposes, and can be combined in a required number of processing chambers for performing required film formation and annealing.
[0008]
For example, 107 is a substrate transfer chamber that is a common chamber, 101 and 102 are spare chambers among processing chambers that perform various types of substrate processing, one is used for loading a substrate, and the other is used for unloading a substrate. Used for. Further, 103 is a sputtering apparatus for forming an insulating film, 104 is a plasma CVD apparatus for forming amorphous silicon, 105 is a heating furnace for forming a thermal oxide film, and 106 is annealed by light irradiation. It is possible to adopt a configuration such as an annealing furnace for performing the above. Note that the preliminary chamber can also be referred to as a processing chamber in the sense that it has a function of loading and unloading substrates.
[0009]
Such a combination can be arbitrarily performed. Examples of elements that can be combined include plasma CVD, LPCVD, photo CVD, microwave CVD, heating furnace, annealing furnace by light irradiation, sputtering, and plasma annealing.
[0010]
【Example】
[Example 1]
The configuration of this embodiment is shown in FIG. In this embodiment, 101 and 102 are spare chambers and have a function of taking in and out the substrate. These chambers have a function of holding a cassette containing a plurality of substrates. Naturally, it also has an inert gas introduction means, a cleaning gas introduction means, and a gas exhaust means.
[0011]
Reference numerals 103 to 106 denote processing chambers,reference numerals 103, 104, and 106 denote plasma CVD apparatuses, andreference numeral 104 denotes a temperature control chamber. The temperature control chamber has a function of heating the substrate to a predetermined temperature, and is used to heat the substrate in advance before film formation in another chamber. The specifications of each processing chamber are shown in Table 1 below.
[0012]
[Table 1]

[0013]
Reference numeral 107 denotes a substrate transfer chamber, and the substrate is transferred between the chambers by therobot arm 108. Therobot arm 108 has a function of taking out the substrates (indicated by 109) one by one from the preliminary chamber 101 or 102 and moving them to the required reaction chamber. Of course, the substrate can be moved between the processing chambers. The transfer chamber is also provided with an evacuation means so that the required degree of vacuum can be achieved.
[0014]
The substrate is moved between the chambers as follows. For example, consider a case where a substrate held in the spare chamber 101 is processed in theprocessing chambers 103 and 104 and is carried into the spare chamber 102. In this case, first
(1) The preliminary chamber 101 and thetransfer chamber 107 are in the same reduced pressure state (high vacuum state is desirable). In this state, thegate valve 110 is opened, and thesubstrate 109 is taken out by therobot arm 108 into the transfer chamber. Thereafter, thegate valve 110 is closed.
(2) Thetransfer chamber 107 and theprocessing chamber 103 are in the same decompressed state, and in this state, thegate valve 112 is opened, and thesubstrate 109 held by therobot arm 108 is carried into the process chamber. Thereafter, thegate valve 112 is closed.
(3) A predetermined process is performed in theprocessing chamber 103.
(4) After the process in theprocessing chamber 103 is completed, the degree of vacuum in theprocessing chamber 103 is set to the same reduced pressure as that in thetransfer chamber 107, and then thegate valve 112 is opened, and the substrate is transferred to thetransfer chamber 107 by therobot arm 108. Then, thegate valve 112 is closed.
(5) Thetransfer chamber 107 and theprocessing chamber 104 are in the same pressure reduction state. In this state, thegate valve 113 is opened, and the substrate held by therobot arm 108 is carried into theprocessing chamber 104. Then the gate valve is closed.
(6) A predetermined process is performed in theprocessing chamber 104.
(7) After completion of the process in theprocessing chamber 104, the degree of vacuum in theprocessing chamber 104 is set to the same reduced pressure as that in thetransfer chamber 107, and then thegate valve 113 is opened, and the substrate is transferred to thetransfer chamber 107 by therobot arm 108. Then, thegate valve 113 is closed.
(8) Thetransfer chamber 107 and the reserve chamber 102 are in the same decompression state, and in this state, thegate valve 111 is opened, the substrate is loaded into the reserve chamber 102 by therobot arm 108, and then thegate valve 111 is closed.
[0015]
As described above, two or more treatments can be continuously performed without exposing a single substrate to the outside air. For these treatments, it is useful to perform not only film formation but also annealing and the like.
[0016]
By repeating the steps (1) to (8), a plurality of substrates held in the cartridge loaded in the preliminary chamber 101 can be continuously processed from one to the next. The processed substrate is automatically held in the cartridge in the spare chamber 102. Further, in the above-described film forming process, theprocessing chamber 104 is craned while theprocessing chamber 103 is in operation, and conversely, theprocessing chamber 103 is cleaned while theprocessing chamber 104 is in operation, so that the entire operation is not stopped. A continuous processing step can be performed while performing the annealing. Examples of such craying include plasma cleaning in the chamber with NF₃ .
[0017]
[Example 2]
An example of manufacturing a thin film integrated circuit having at least one TFT using the multipurpose film forming apparatus shown in FIG. 1 is shown in FIG. First, the multipurpose film forming apparatus used in this embodiment will be described. In this embodiment, 101 and 106 are reserved chambers for carrying in and out the substrates. In particular, 101 is used for carrying in the substrate and 106 is used for carrying out the substrate.Reference numeral 104 denotes a rapid thermal annealing process (referred to as RTA or RTP) by short-time irradiation of infrared light, or a processing chamber for preheating, and 103 denotes a film containing aluminum nitride as a main component (aluminum nitride oxide by plasma CVD). (Hereinafter referred to as aluminum nitride) or a processing chamber in which a silicon nitride film is formed, 104 is a processing chamber in which a silicon oxide film is formed by plasma CVD using TEOS as a raw material, and 105 is an amorphous silicon film formed by plasma CVD. A processing chamber for film formation is used. Further, each processing chamber is provided with an evacuation unit for reducing the pressure in each processing chamber and a gas introduction unit for introducing a necessary gas.
[0018]
The manufacturing process is shown below. First, a glass substrate (4 inch square, 5 inch square, or 5 × 6 inch square) 201 such as Corning 7059 is carried into the preliminary chamber 101 as a substrate, and is sufficiently evacuated. This evacuation is preferably performed until the pressure is substantially the same as that of the sufficiently evacuatedtransfer chamber 107. Then, thegate valve 110 is opened, and the substrate in the preliminary chamber 101 is transferred to thetransfer chamber 107 by therobot arm 108. In FIG. 1, thesubstrate 201 in FIG. In the following, the substrate including the film formed thereon is referred to as a substrate. Then, agate valve 112 is opened between thereaction chamber 103 and thereaction chamber 103 that has been evacuated to substantially the same pressure, and the substrate is loaded. After carrying in the substrate, thegate valve 112 is closed, and analuminum nitride film 202 having a thickness of 2000 to 5000 mm is formed in thereaction chamber 103 by plasma CVD. The film formation is performed using Al (C₄ H₉ )₃ or Al (CH₃ )₃ and N₂ . Further, a small amount of N₂ O may be added to relax the thermal expansion strain.
[0019]
After thealuminum nitride film 202 is formed, thereaction chamber 103 is evacuated to the same degree of vacuum as thetransfer chamber 107. Then, thegate valve 112 is opened, and the substrate is transferred to the transfer chamber by therobot arm 108. Next, the substrate is carried into theannealing chamber 104 which is also evacuated. In theannealing chamber 104, rapid thermal annealing (RTA) is performed by infrared irradiation. This annealing is performed in an atmosphere of nitrogen, ammonia (NH₃ ), or nitrous oxide (N₂ O), and rapidly heats the aluminum nitride film in a short time. By this annealing, the aluminum nitride film becomes transparent, and its insulation and thermal conductivity are improved. In order to prevent impurities such as sodium from entering the semiconductor from the glass substrate, a silicon nitride film may be formed. In this case, a silicon nitride film is formed by plasma CVD in a substrate temperature of 350 ° C., 0.1 Torr, and a mixed atmosphere of SiH₄ and NH₃ .
[0020]
Then, thereaction chamber 104 is evacuated, and therobot arm 108 transfers the substrate to the evacuatedtransfer chamber 107 again. Then, the substrate is transferred to thereaction chamber 106 which is also evacuated. In thereaction chamber 106, asilicon oxide film 203 is formed by a plasma CVD method using TEOS as a raw material. The film forming conditions are shown below.
TEOS / O₂ = 10/100 sccm
RF power 350W
Substrate temperature 400 ° C
Deposition pressure 0.25 Torr
In the above reaction, a film represented by SiOF_x may be formed by adding C₂ F₆ .
[0021]
This silicon oxide film is formed to a thickness of 2000 to 50 mm as abase oxide film 203 on the surface on which the TFT is to be formed. Thesilicon oxide film 203 formed in thereaction chamber 106 may be transferred to theannealing chamber 104 and rapid thermal annealing may be performed.
[0022]
Then, the substrate is transferred again to thetransfer chamber 107, and then the substrate is transferred into thereaction chamber 105. When transferring these substrates, it is common to open and close the gate valve after the transfer chamber and each processing chamber are evacuated to the same degree of vacuum (same pressure reduction state).
[0023]
In thereaction chamber 105, an amorphous silicon film is deposited in an amount of 100 to 1500, preferably 300 to 800 by plasma CVD or LPCVD. Deposition conditions for the plasma CVD method are shown below.
SiH₄ = 200 sccm
RF power 200W
Substrate temperature 250 ° C
Deposition pressure 0.1 Torr
Further, this film formation may be performed by LPCVD (low pressure thermal CVD) using Si₂ H₆ or Si₃ H₈ . In this case, the gas phase reaction may be caused by setting the substrate temperature to 450 ° C. and the reaction pressure to 1 Torr.
[0024]
Further, the substrate is transferred to thereaction chamber 106, and asilicon oxide film 212 is deposited to a thickness of about 500 to 1500 by a plasma CVD method using TEOS as a raw material. This film functions as a protective film for the silicon film. The film forming conditions are shown below.
TEOS / O₂ = 10/100 sccm
RF power 300W
Substrate temperature 350 ° C
Deposition pressure 0.25 Torr
Thus, as shown in FIG. 2A, an aluminum nitride or siliconnitride blocking layer 202, asilicon oxide film 203, asilicon semiconductor film 204, and aprotective film 212 can be successively formed in a multilayer on aglass substrate 201. it can. In the apparatus shown in FIG. 1, since each chamber and the transfer chamber with the robot arm are partitioned by gate valves, impurities are not mixed between the individual chambers. , N and O can be at least 5 × 10¹⁸ cm⁻³ or less.
[0025]
Next, the substrate is taken out from the preliminary chamber 101 and patterned to form the island-like silicon region 204. Then, as shown in FIG. 2B, asilicon oxide film 205 having a thickness of 200 to 1500 mm, preferably 500 to 1000 mm is formed. This silicon oxide film also functions as a gate insulating film. Therefore, it is necessary to pay sufficient attention to its production. Here, TEOS was used as a raw material and decomposed and deposited by RF plasma CVD at a substrate temperature of 350 to 600 ° C., preferably 300 to 450 ° C., together with oxygen. The pressure ratio between TEOS and oxygen was 1: 1 to 1: 3, the pressure was 0.05 to 0.5 torr, and the RF power was 100 to 250 W. This step may be performed in thereaction chamber 106 by loading a substrate from the loading chamber 101 and performing an operation different from that described above. Alternatively, the substrate temperature may be 350 to 600 ° C., preferably 400 to 550 ° C. by TEOS as a raw material together with ozone gas by a low pressure CVD method or a normal pressure CVD method. After film formation, annealing was performed at 400 to 600 ° C. for 30 to 60 minutes in an oxygen or ozone atmosphere.
[0026]
In the case where thesilicon oxide film 205 to be the gate insulating film is formed in thereaction chamber 106, after the process is completed, the substrate is carried into theannealing chamber 104, and rapid thermal annealing by infrared irradiation is performed in an N₂ O atmosphere. Is valid. This is extremely effective in reducing the interface state between thesilicon oxide film 205 and thesilicon region 204.
[0027]
Then, as shown in FIG. 2B, thesilicon region 204 was crystallized by irradiation with a KrF excimer laser 213 (wavelength 248 nm or 308 nm, pulse width 20 nsec). The energy density of the laser was 200 to 400 mJ / cm² , preferably 250 to 300 mJ / cm^2, and the substrate was heated to 300 to 500 ° C. during laser irradiation. When the crystallinity of thesilicon film 204 thus formed was examined by Raman scattering spectroscopy, a relatively broad peak was observed in the vicinity of 515 cm⁻¹ , unlike the single crystal silicon peak (521 cm⁻¹ ). It has been found that the semiconductor is a crystalline semiconductor such as a polycrystalline semiconductor. Thereafter, annealing was performed in hydrogen at 350 ° C. for 2 hours. This crystallization step may be performed by heating.
[0028]
Thereafter, an aluminum film having a thickness of 2000 mm to 1 μm was formed by electron beam evaporation, and this was patterned to form agate electrode 206. Aluminum may be doped with scandium (Sc) in an amount of 0.15 to 0.2% by weight. Next, the substrate was immersed in an ethylene glycol solution of tartaric acid having a pH of approximately 7 to 1%, and anodic oxidation was performed using platinum as a cathode and the aluminum gate electrode as an anode. The anodization was completed by first raising the voltage to 220 V at a constant current and holding it in that state for 1 hour. In this example, in the constant current state, the voltage increase rate was suitably 2 to 5 V / min. In this way, ananodic oxide 209 having a thickness of 1500 to 3500 mm, for example, 2000 mm was formed. (Fig. 2 (C))
[0029]
Thereafter, an impurity (phosphorus) was implanted into the island-like silicon film of each TFT by the ion doping method (also called plasma doping method) using the gate electrode portion as a mask. Phosphine (PH₃ ) was used as a doping gas. The dose was 1 to 4 × 10¹⁵ cm⁻² .
[0030]
Furthermore, as shown in FIG. 2D, the KrF excimer laser (wavelength 248 nm or 308 nm, pulse width 20 nsec) 216 was irradiated to improve the crystallinity of the portion where the crystallinity deteriorated due to the introduction of the impurity region. The energy density of the laser was 150 to 400 mJ / cm² , preferably 200 to 250 mJ / cm² . Thus, N-type impurity (phosphorus)regions 208 and 209 were formed. The sheet resistance in these regions was 200 to 800 Ω / □. In this step, instead of using a laser, a flash lamp is used to raise the temperature to 1000-1200 ° C. (silicon monitor temperature) in a short time and the sample is heated, so-called RTP (rapid thermal process) is used. Also good.
[0031]
Thereafter, the apparatus of FIG. 1 is used again, thereaction chamber 104 of the reaction apparatus of FIG. 1 is again used as theinterlayer insulator 210 on the entire surface, TEOS is used as a raw material, a plasma CVD method using this and oxygen, or a reduced pressure of ozone. A silicon oxide film having a thickness of 0.3 μm to 1 μm, here 3000 μm (0.3 μm) was formed by CVD or atmospheric pressure CVD. The substrate temperature was 250 to 450 ° C., for example, 350 ° C. After film formation, this silicon oxide film was mechanically polished to obtain surface flatness. In this step, isotropic dry etching may be performed using a reaction chamber provided in the apparatus of FIG. Furthermore, an ITO film was deposited by sputtering, and this was patterned to form apixel electrode 211. (Figure 2 (E))
[0032]
Thus, a thin film integrated circuit can be formed on one substrate side of the electro-optical device of FIG. Of course, peripheral circuits may be formed on the same substrate simultaneously with the circuit shown in this drawing. Then, theinterlayer insulator 210 is etched, contact holes are formed in the source / drain of the TFT as shown in FIG. 2E, and chromium ortitanium nitride wirings 212 and 213 are formed. Thewiring 213 is a pixel electrode. 211. In this case, the contact hole may be formed so as to protrude from the source / drain region (island silicon). In this case, the area of the contact hole that protrudes the island-like silicon was 30 to 70%. In this case, a contact is formed not only on the upper surface of the source / drain but also on the side surface. Hereinafter, such a contact is referred to as a top side contact. In the conventional structure, if the top side contact is to be formed, the underlying silicon oxide film and the substrate other than the island-like silicon are etched by the interlayer insulator etching process. The aluminum nitride film or thesilicon nitride film 202 serves as an etching stopper, and the etching stops here.
[0033]
In the normal case, the size of the contact hole needs to be smaller than that of the source / drain. However, in the top side contact, the size of the island can be made smaller than that of the contact hole. The island can be miniaturized. On the contrary, the contact hole can be enlarged, so that mass productivity and reliability can be improved.
[0034]
Finally, the silicon was hydrogenated by annealing in hydrogen at 300-400 ° C. for 0.1-2 hours. In this way, a thin film integrated circuit having TFTs was completed. A monolithic active matrix liquid crystal display device in which a large number of TFTs manufactured at the same time were arranged in a matrix and peripheral circuits were also formed on the same substrate was obtained.
[0035]
【effect】
By employing the structure of the present invention, a process can be continuously performed when a semiconductor device is manufactured over a substrate, and productivity and reliability can be improved at the same time.
[0036]
As described above, by using the multi-chamber multipurpose CVD apparatus of FIG. 1, almost all of the process of FIG. 2A, the formation of the gate insulating film, the RTP treatment process, the forming process of the incest insulating film, and the like. The process can be performed with one apparatus. These steps can be controlled by a microcomputer, and production efficiency and cost performance can be improved. In particular, when the device of the present invention is applied to a crystalline TFT or a monolithic thin film integrated circuit using the same as shown in FIG. 2, a remarkable effect can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a multipurpose substrate processing apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 shows a manufacturing process of a TFT in an example.

Claims (6)

Translated fromJapanese

第１、第２、第３および第４の減圧可能な処理室を有し、
前記第１、第２、第３および第４の処理室は減圧可能な共通室を介してつなげられており、
各処理室にガラス基板を搬送するための手段を前記共通室に設けている多目的基板処理装置を用いた薄膜集積回路の作製方法であって、
ガラス基板上に窒化アルミニウム膜を前記第１の処理室で形成し、
前記窒化アルミニウム膜のアニールを前記第２の処理室で行い、
前記アニールを行った後に、前記窒化アルミニウム膜上に第１の酸化珪素膜を前記第３の処理室で形成し、
前記第１の酸化珪素膜上にアモルファスシリコン膜を前記第４の処理室で形成し、
前記アモルファスシリコン膜上に第２の酸化珪素膜を前記第３の処理室で形成し、
前記第３の処理室から前記共通室を介して前記多目的基板処理装置の外部に、前記窒化アルミニウム膜、前記アモルファスシリコン膜、前記第１および第２の酸化珪素膜が形成された前記ガラス基板を取り出し、
前記第２の酸化珪素膜および前記アモルファスシリコン膜をパターニングすることにより、前記第２の酸化珪素膜および前記アモルファスシリコン膜からなる島状シリコン領域を前記第１の酸化珪素膜上に形成し、
前記島状シリコン領域および前記第１の酸化珪素膜の上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記島状シリコン領域の前記アモルファスシリコン膜を結晶化し、
結晶化されたシリコン膜を用いて前記ガラス基板上に薄膜トランジスタを形成することを特徴とする薄膜集積回路の作製方法。Having first, second, third and fourth depressurizable processing chambers;
The first, second, third and fourth processing chambers are connected via a common chamber which can be decompressed;
A method of manufacturing a thin film integrated circuit using a multipurpose substrate processing apparatus provided in the common chamber with means for transporting a glass substrate to each processing chamber
Forming an aluminum nitride film on the glass substrate in the first treatment chamber;
Annealing the aluminum nitride film in the second processing chamber;
After performing the annealing, afirst silicon oxide film is formed on the aluminum nitride film in the third treatment chamber,
Forming an amorphous silicon film onthe first silicon oxide film in the fourth treatment chamber;
Forming asecond silicon oxide film on the amorphous silicon film in the third processing chamber;
The glass substrate on which the aluminum nitride film, the amorphous silicon film, and the first and second silicon oxide films are formed outside the multipurpose substrate processing apparatus from the third processing chamber through the common chamber. take out,
By patterning the second silicon oxide film and the amorphous silicon film, an island-like silicon region composed of the second silicon oxide film and the amorphous silicon film is formed on the first silicon oxide film,
Forming a gate insulating film on the island-shaped silicon region and the first silicon oxide film;
Crystallizing the amorphous silicon film inthe island-like silicon region ;
A method for manufacturing a thin film integrated circuit, wherein a thin film transistor is formed on the glass substrate using a crystallized silicon film.請求項１において、前記薄膜トランジスタを形成することは、前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成し、前記結晶化されたシリコン膜にソース領域およびドレイン領域を形成し、前記ゲイト電極、前記ゲイト絶縁膜および前記結晶化されたシリコン膜の上に層間絶縁膜を形成し、前記窒化アルミニウム膜をエッチングストッパーとして前記層間絶縁膜をエッチングすることにより、前記ソース領域および前記ドレイン領域に対して、それぞれ、当該領域上からはみだしたコンタクトホールを前記層間絶縁膜に形成し、前記コンタクトホールにおいて、それぞれ、前記ソース領域または前記ドレイン領域の上面および側面に接する配線を前記層間絶縁膜上に形成することを特徴とする薄膜集積回路の作製方法。2. The thin film transistor according to claim 1, wherein forming the thin film transistor includes forming a gate electrode on the gate insulating film, forming a source region and a drain region in thecrystallized silicon film, and forming the gate electrode and the gate insulating film. And forming an interlayer insulating film on thecrystallized silicon film, and etching the interlayer insulating film using the aluminum nitride film as an etching stopper, whereby the source region and the drain region are respectively A contact hole protruding from above the region is formed in the interlayer insulating film, and a wiring in contact with the upper surface and the side surface of the source region or the drain region is formed on the interlayer insulating film in the contact hole, respectively. A method for manufacturing a thin film integrated circuit.請求項１又は２において、前記薄膜トランジスタを形成する際に、前記薄膜トランジスタのゲイト絶縁膜と、前記薄膜トランジスタの層間絶縁膜とを前記第３の処理室で形成することを特徴とする薄膜集積回路の作製方法。3. The thin film integrated circuit according to claim 1, wherein when the thin film transistor is formed, a gate insulating film of the thin film transistor and an interlayer insulating film of the thin film transistor are formed in the third treatment chamber. Method.請求項３において、前記ゲイト絶縁膜を前記第３の処理室で形成した後、前記ゲイト絶縁膜のアニールを前記第２の処理室で行うことを特徴とする薄膜集積回路の作製方法。4. The method for manufacturing a thin film integrated circuit according to claim 3, wherein the gate insulating film is annealed in the second processing chamber after the gate insulating film is formed in the third processing chamber.請求項１乃至４のうちのいずれか一項において、前記第１、第２、第３および第４の処理室で処理を行っている際、前記第１、第２、第３および第４の処理室のうち処理を行っていない処理室の少なくとも一つをプラズマクリーニングすることを特徴とする薄膜集積回路の作製方法。5. The process according to claim 1, wherein the first, second, third, and fourth processes are performed in the first, second, third, and fourth process chambers. A method for manufacturing a thin film integrated circuit, characterized in that plasma cleaning is performed on at least one of the processing chambers in which processing is not performed.請求項５において、前記プラズマクリーニングのガスにＮＦ_３を用いることを特徴とする薄膜集積回路の作製方法。6. The method for manufacturing a thin film integrated circuit according to claim 5, wherein NF₃ is used as the plasma cleaning gas.

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