半導体装置の製造方法および製造装置
【課題】製造工数を増やすことなく、大粒径の多結晶シリコン膜を有する半導体装置を製造可能な製造装置、および、製造方法を提供する。
【解決手段】製造装置１００は、反応室１と、ヒータ２と、圧力計３と、複数のガス導入管４ａ〜４ｇと、ＭＦＣ５ａ〜５ｇと、ニッケル導入部６と、バルブ７ａ，７ｂと、ＩＣＰ−ＭＳ８と、ガス排出管９と、ＡＰＣ１０と、ポンプ１１ａ，１１ｂと、を備えている。製造装置１００にニッケル導入部６を設けるため、製造工数を抑えて製造装置１００内で大粒径の多結晶シリコン膜３４の形成を行うことができ、製造コストを抑えることができる。
【解決手段】製造装置１００は、反応室１と、ヒータ２と、圧力計３と、複数のガス導入管４ａ〜４ｇと、ＭＦＣ５ａ〜５ｇと、ニッケル導入部６と、バルブ７ａ，７ｂと、ＩＣＰ−ＭＳ８と、ガス排出管９と、ＡＰＣ１０と、ポンプ１１ａ，１１ｂと、を備えている。製造装置１００にニッケル導入部６を設けるため、製造工数を抑えて製造装置１００内で大粒径の多結晶シリコン膜３４の形成を行うことができ、製造コストを抑えることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大粒径の多結晶シリコン膜を有する半導体装置の製造方法およびその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイや太陽電池等には、チャネルを多結晶シリコンで形成した薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）が用いられる。多結晶シリコン膜は、例えば、金属誘起結晶化（Metal Induced Crystallization：ＭＩＣ）法と呼ばれる手法で形成される。ＭＩＣ法とは、ニッケル等の金属粒子を非晶質シリコン膜上に吸着させてアニールを行うことにより、金属粒子が吸着した箇所が核となって非晶質シリコンが結晶化し、多結晶シリコン膜を形成する手法である。
【０００３】
ＭＩＣ法を用いた一般的なＴＦＴの製造手法は以下の通りである。まず、ＣＶＤ装置でシリコン基板上に非晶質シリコン膜を成膜する。続いて、スピンコート法を用いて非晶質シリコン膜上に酢酸ニッケル水溶液を塗布する。これを乾燥させて、ニッケル粒子を非晶質シリコン膜に吸着させる。その後、アニール炉でアニールを行って多結晶シリコン膜を形成する。さらに、塩酸を含む酸素雰囲気中で熱処理を行い、多結晶シリコン膜表面に残留したニッケル粒子を除去（ゲッタリング）する。
【０００４】
しかしながら、この手法では、成膜、スピンコート、乾燥、アニール、および熱処理によるゲッタリングという、多くの工程が必要で、これらの工程をそれぞれ別個の装置で処理する必要があるため、製造コストが高くなるという問題がある。
【０００５】
特許文献１には、製造装置内に気相の金属化合物を導入してシリコン表面に金属粒子を吸着させ、同装置内でアニールを行って多結晶シリコン膜を形成することにより、工数を減らしてＴＦＴを製造する手法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、この手法では、多結晶シリコンのグレインの粒径を大きくできないという問題がある。スピンコート法に比べて非常に多くの金属粒子がシリコンに吸着することから、ある箇所の金属粒子を核として結晶化するグレインが、すぐ近くの金属粒子を核として結晶化するグレインと衝突してしまい、グレインの結晶が大きく成長できないためである。この場合、キャリアの移動度が低くなるため、トランジスタのオン・オフ比を十分に大きくできない。
【０００７】
さらに、特許文献１の手法では、シリコンに吸着した金属粒子を除去しない。金属粒子が残っている状態で多結晶シリコン膜の上に薄膜を形成すると、異常成長が起こり、特性の良いデバイスを製造できないという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−７３９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、製造工数を増やすことなく、大粒径の多結晶シリコン膜を有する半導体装置を製造可能な製造装置、および、製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、半導体基板を処理する反応室と、前記半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成するための成膜ガスを前記反応室に導入する成膜ガス導入管と、前記非晶質シリコン膜の結晶化を誘起するための金属と、この金属を腐食させるための腐食性ガスとを前記反応室に導入する金属導入部と、前記非晶質シリコン膜に吸着した前記金属を核とする金属誘起結晶化により形成される多結晶シリコン膜の表面に残留する前記金属を除去するゲッタリングガスを前記反応室に導入するゲッタリングガス導入管と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置が提供される。
【００１１】
また、本発明の一態様によれば、半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成するための成膜ガスを成膜ガス導入管から前記半導体基板を処理する反応室に導入して、前記半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、前記非晶質シリコン膜の結晶化を誘起するための金属と、この金属を腐食させるための腐食性ガスとを金属導入部から前記反応室に導入して、前記非晶質シリコン膜上に前記金属を吸着させる工程と、前記反応室内でアニールを行い、前記吸着した金属を核とする金属誘起結晶化により前記非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に改質する工程と、前記非晶質シリコン膜に吸着した前記金属を除去するゲッタリングガスをゲッタリングガス導入管から前記反応室に導入して、前記多結晶シリコン膜の表面に残留する前記金属を除去する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、製造工数を増やすことなく、大粒径の多結晶シリコン膜を有する半導体装置を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置１００の概略構成を示す図。
【図２】ニッケル導入部６の具体的な構成例を示す図。
【図３】本実施形態に係る製造装置１００を用いたＴＦＴの製造工程の手順を示す工程図。
【図４】製造装置１００の制御シーケンスを示す図。
【図５】半導体装置の製造工程断面図。
【図６】図５に続く半導体装置の製造工程断面図。
【図７】図６に続く半導体装置の製造工程断面図。
【図８】図７に続く半導体装置の製造工程断面図。
【図９】図８に続く半導体装置の製造工程断面図。
【図１０】反応室１内の残留金属量を示すグラフ。
【図１１】図１の変形例である半導体装置の製造装置１０１の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る半導体装置の製造装置、およびこの製造装置を用いた半導体装置の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置（以下、製造装置）１００の概略構成を示す図である。製造装置１００は、反応室１と、ヒータ２と、圧力計３と、複数のガス導入管４ａ〜４ｇと、流量制御装置（Mass Flow Controller：以下、ＭＦＣ）５ａ〜５ｇと、ニッケル導入部（金属導入部）６と、バルブ７ａ，７ｂと、誘導結合プラズマ質量計（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer：以下、ＩＣＰ−ＭＳ）８と、ガス排出管９と、自動圧力制御装置（Auto Pressure Controller：以下、ＡＰＣ）１０と、ポンプ１１ａ，１１ｂと、を備えている。本製造装置１００は多結晶シリコン膜で形成されたチャネルを有するＴＦＴを製造することを念頭に置いているが、ＴＦＴ以外の半導体装置の製造にも用いることができる。
【００１６】
反応室１の外壁は例えば石英で形成されている。この反応室１内にシリコン基板３０を載置して化学的に処理し、ＴＦＴ製造工程の一部である、多結晶シリコン膜の形成を行う。反応室１にはヒータ２が取り付けられており、ヒータ２は反応室１内の温度を制御する。圧力計３は反応室１内の圧力を計測する。
【００１７】
反応室１へのガスの導入側は以下のように構成されている。各種ガスはそれぞれがバルブ（不図示）およびＭＦＣ５ａ〜５ｇを介してガス導入管４ａ〜４ｇに導入され、ガス導入管４ａ〜４ｇから反応室１内にガスが導入される。図１では、ＨＦ（フッ化水素）ガス、ＳｉＨ４（モノシラン）ガス、Ｈ２（水素）ガス、Ｏ２（酸素）ガス、Ｎ２（窒素）ガス、Ｆ２（フッ素）ガスを導入可能な例を図示している。ＭＦＣ５ａ〜５ｇはガスの導入量を制御し、不図示のバルブは各ガスを反応室１に導入するか否かを制御する。
【００１８】
ニッケル導入部６は、ＭＦＣ５ｇを介して供給される腐食性ガスであるＨＦガスの腐食作用を利用して、ＨＦガスと共にニッケルを反応室１内に導入する。図２は、ニッケル導入部６の具体的な構成例を示す図である。図２（ａ）のニッケル導入部６は、ニッケルを含む管（例えば、ニッケル、鉄および銅等を含むいわゆるＳＵＳ（Stainless Used Steel）管や、ニッケルの単管）２１と、この管を加熱するヒータ２２とを有する。常温でＨＦガスを流しても管２１は腐食されないが、ヒータ２で管２１を例えば６００℃に加熱してＨＦガスを流すことにより、管２１がＨＦガスに腐食され、ニッケルのハロゲン（フッ素）化合物蒸気を含むＨＦガスを反応室１内に導入できる。ニッケルの導入量（ＨＦガスに含まれるニッケルの量）は、管２１の温度や、ＭＦＣ５ｇで制御されるＨＦガスの流量によって制御できる。なお、管２１として用いるＳＵＳ管やニッケルの単管は、通常の製造装置１００で汎用的に使われるものなので、このような汎用的な管２１にヒータ２２を取り付けるのみで、簡易にニッケル導入部６を構成できる。
【００１９】
また、図２（ｂ）のニッケル導入部６は、管２３と、ニッケルを含む電熱線２４（例えば、ニッケル線やニクロム線）と、電熱線２４の両端に電圧を印加して電熱線２４に電流を流す電流生成部２５とを有する。図２（ｂ）の場合、管２３は必ずしもニッケルを含んでいなくてもよい。電流生成部２５から電熱線２４に電流を流して電熱線２４を加熱し、ＨＦガスを流すことにより、電熱線２４が腐食され、ニッケルのハロゲン（フッ素）化合物蒸気を含むＨＦガスを反応室１内に導入される。ニッケルの導入量は、電流量や、ＭＦＣ５ｇで制御されるＨＦガスの流量によって制御できる。
【００２０】
図２に示すニッケル導入部６は、ニッケルを含む管２１や電熱線２４をニッケル発生源とし、このニッケルをＨＦガスで腐食させて反応室１内に導入するため、反応室１内に過剰のニッケルが導入されるおそれはない。なお、反応室１内に導入されるニッケルの量は、ニッケル導入部６内の管２１や電熱線２４に含まれるニッケルの量と比べると極めて微量であるため、長年使用してもニッケル導入部６のニッケルが不足することはない。
【００２１】
ニッケル導入部６が接続されるガス導入管４ｇは、バルブ７ａ（第２のバルブ）を介して反応室１に接続され、かつ、バルブ７ｂ（第１のバルブ）を介してＩＣＰ−ＭＳ８にも接続される。ＩＣＰ−ＭＳ８はＩＣＰ−ＭＳ８に流入するニッケルの量を計測する質量分析器として機能する。よって、ＩＣＰ−ＭＳ８側のバルブ７ｂを開いてニッケルの量（ＨＦガスに含まれるニッケルの量）を確認した後に、バルブ７ｂを閉じて反応室１側のバルブ７ａを開くことで、所望の量のニッケルを安定的に反応室１内に導入できる。
【００２２】
ポンプ１１ｂは例えばターボポンプであり、ＩＣＰ−ＭＳ８の後段に接続されている。ポンプ１１ｂはＩＣＰ−ＭＳ８を高真空（例えば１０−５Ｐａ）まで真空引きを行う。
【００２３】
誘導結合プラズマによりニッケルのハロゲン化合物を高効率にイオン化できるため、ＩＣＰ−ＭＳ８を用いることで、ニッケルの量が微量であっても、ニッケルの量を精度良く短時間で質量を計測できる。
【００２４】
本実施形態は、図２のニッケル導入部６や、ＩＣＰ−ＭＳ８を設けることにより、適切な量のニッケルを反応室１内に導入できることが特徴の１つである。
【００２５】
一方、反応室１のガスの排出側は以下のように構成されている。ガス排出管９は一端が反応室１に接続されており、反応室１内のガスを排出する。ガス排出管９の他端はＡＰＣ１０を介してポンプ１１ａが接続されている。ポンプ１１ａは反応室１およびＩＣＰ−ＭＳ８から排出されるガスの排気を行い、ＡＰＣ１０は反応室１内の圧力が所定の値となるよう制御する。
【００２６】
図３は、本実施形態に係る製造装置１００を用いたＴＦＴの製造工程の手順を示す工程図であり、図４は、製造装置１００の制御シーケンスを示す図である。図４に示す反応室１の温度はヒータ２によって制御され、反応室１の圧力はＡＰＣ１０によって制御される。図５〜図９は半導体装置の製造工程断面図である。図３〜図９を用いて、ＴＦＴを製造する工程を説明する。
【００２７】
まず、熱酸化等によりシリコン基板３０上にＳｉＯ２膜３１を形成し（ステップＳ１）、図５に示す断面構造が得られる。この工程は製造装置１００とは別の装置で行われる。次に、ＳｉＯ２膜３１が形成されたシリコン基板３０を、例えば５００〜５５０℃に保たれた製造装置１００の反応室１に載置する（ステップＳ２）。これ以降、後述するステップＳ１０の工程までは製造装置１００を用いて行われる。
【００２８】
初めに、ポンプ１１ａにより反応室１内の真空引きを行い、反応室１内の圧力を例えば６０Ｐａとする（ステップＳ３）。次いで、成膜ガスであるＳｉＨ４ガスを例えば流量０．２ｓｌｍで１０分間、ガス導入管４ａから反応室１内に導入し、ＳｉＨ４ガスを熱分解して、ＳｉＯ２膜３１上に例えば２０ｎｍの非晶質シリコン膜３２を形成する（ステップＳ４）。
【００２９】
このとき、ｎ型のＴＦＴを製造する場合は、ＰＨ３（ホスフィン）ガスやＡｓＨ３（アルシン）ガス等の、ｐ型のＴＦＴを製造する場合は、ＢＣｌ３（三塩化ボロン）ガスやＢ２Ｈ６（ジボラン）ガス等のドーピングガスを、ＳｉＨ４ガスと同時に反応室１内に導入してもよい。これらのドーピングガスは、ＳｉＨ４ガスと共にガス導入管４ａから導入してもよいし、これとは別のガス導入管（不図示）から導入してもよい。非晶質シリコン膜３２を形成した後、ポンプ１１ａで真空引きを行い、残留するＳｉＨ４ガス等を排出する（ステップＳ５）。
【００３０】
そして、上述の手法で図２に示すニッケル導入部６から、ニッケルを含むＨＦガスを反応室１内に導入する。より具体的には、まずＩＣＰ−ＭＳ８側のバルブ７ｂを開いてニッケルの量を計測する。ＨＦガスに含まれるニッケルの量が後述する所望の値でない場合（ステップＳ６ａ、ＮＯ）、ニッケルの量が所望の値となるよう調整する（ステップＳ６ｂ）。例えば、図２（ａ）に示すニッケル導入部６の場合は、計測されたニッケルの量が多すぎるときは管２１の温度を下げ、少なすぎるときは管２１の温度を上げる。また、図２（ｂ）に示すニッケル導入部６の場合は、計測されたニッケルの量が多すぎるときは電熱線２４に流す電流量を下げ、少なすぎるときは電熱線２４に流す電流量を上げる。
【００３１】
そして、ニッケルの量が所望の値で安定したのを確認して（ステップＳ６ａ、Ｙｅｓ）、バルブ７ｂを閉じ、反応室１側のバルブ７ａを開く。これにより、ニッケルを含むＨＦガスが反応室１内に導入され、ニッケル粒子３３が非晶質シリコン膜３２の表面に吸着する（ステップＳ７）。以上により、図６に示す断面構造が得られる。非晶質シリコン膜３２に吸着したニッケル粒子３３は、大粒径の多結晶シリコン膜３４を形成するための核となる。これにより、図７に示す断面構造の多結晶シリコン膜３４が形成される。このような製法は、上述したようにＭＩＣ法と呼ばれる。
【００３２】
図２（ａ）の構成のニッケル導入部６を用いる場合、反応室１内で非晶質シリコン膜３２にニッケルを吸着させるためには、反応室１内の温度は管２１の温度より低い温度であることが望ましい。そのため、ヒータ２２は、反応室１内の温度より高い例えば６００℃に管２１を加熱する。
【００３３】
ここで、シリコン原子の面密度が１０１５ｃｍ−２程度であるのに対し、これより２桁ほど少ない面密度１０１３ｃｍ−２程度のニッケルを吸着した場合に、大粒径の多結晶シリコン膜３４が形成できる。導入するニッケルが少なすぎる場合、核となる金属が少ないために、非晶質シリコン膜３２の結晶化があまり誘起されず、多結晶シリコン膜３４が得られない。また、吸着するニッケル粒子３３が多すぎる場合、ある箇所のニッケル粒子３３を核として結晶化するグレインが、すぐ近くのニッケル粒子３３を核として結晶化するグレインと衝突してしまい、大粒径の多結晶シリコン膜３４が形成できない。
【００３４】
ＩＣＰ−ＭＳ８で検出されるニッケルの量がどれくらいのときに、面密度１０１３ｃｍ−２程度でニッケル粒子３３を吸着させることができるかを、予め実験等により算出しておき、ステップＳ６，Ｓ７では、この量のニッケルを反応室１内に導入する。図２に示すニッケル導入部６は、面密度１０１３ｃｍ−２程度のニッケルを導入するのに適した構成である。
【００３５】
このようにして、本実施形態では、大粒径の多結晶シリコン膜３４の形成が可能な量のニッケルを、確実に反応室１内に導入できる。
【００３６】
図３のステップＳ７の工程が終わると、ニッケルを含むＨＦガスの導入を止めて、反応室１内の温度を５００〜５５０℃に保ったまま、例えば３時間放置する。非晶質シリコン膜３２に吸着したニッケル粒子３３を核として大粒径の多結晶シリコン膜３４が形成され、図７に示す断面構造が得られる（ステップＳ８）。すなわち、非晶質シリコン膜３２が大粒径の多結晶シリコン膜３４に改質する。
【００３７】
ここで、ＭＩＣ法で用いる金属はニッケルに限らず他の金属でもよいが、ニッケルを用いると以下の効果が得られる。ニッケル粒子３３がシリコン表面に吸着すると、ニッケル粒子３３から電子が供給されて、ニッケルとシリコンが反応してニッケルシリサイドが形成される。ニッケルシリサイドの格子間隔はシリコンの格子間隔と極めて近いため、５００〜５５０℃程度の低温でニッケル粒子３３を核として非晶質シリコン膜３２の結晶化が誘起される。しかし、この温度では、ニッケル粒子３３が吸着していない部分は結晶化しない。その結果、ニッケル粒子３３が吸着した箇所のみでグレインが形成されるため、大粒径の多結晶シリコン膜３４を形成できる。
【００３８】
この多結晶シリコン膜３４を形成する工程において、非晶質シリコン膜３２の厚さが１０ｎｍ程度の薄さである場合、シリコン原子のマイグレーションが発生して、非晶質シリコン膜３２の平坦性が悪化するおそれがある。このため、ニッケル吸着後、Ｏ２ガスを例えば流量１０ｓｃｃｍで、ガス導入管４ｃから反応室１内に導入してもよい。Ｏ２ガスにより非晶質シリコン膜３２の表面にわずかに酸化膜が形成されるため、マイグレーションを抑えることができ、平坦性を維持しつつ大粒径の多結晶シリコン膜３４を形成できる。また、Ｏ２ガスにより過剰に非晶質シリコン膜３２が酸化されるのを防止するため、Ｎ２ガスをガス導入管４ｄから反応室１内に導入しながらアニールを行ってもよい。
【００３９】
その後、多結晶シリコン膜３４表面に残留するニッケルの除去（ゲッタリング）を行い（ステップＳ９）、図８に示す断面構造が得られる。より具体的には、反応室１内の温度および圧力を例えば７００〜８００℃、２０Ｐａとし、ゲッタリングガスであるＨ２およびＯ２ガスを例えば流量１ｓｌｍずつ１０分間、ガス導入管４ｂ，４ｃからそれぞれ反応室１内に導入する。このとき、反応室１内では酸素ラジカルおよび水素ラジカルが発生する。酸素ラジカルは多結晶シリコン膜３４の表面を酸化し、ＳｉＯ２が形成される。一方、水素ラジカルはニッケル粒子３３を還元し、ＮｉＨが形成される。これにより、シリコン原子に吸着していたニッケル粒子３３が多結晶シリコン膜３４から離れるため、ニッケル粒子３３を除去できる。本工程では、反応室１内に残存するニッケルも同様に除去される。
【００４０】
図１０は、上記のようにして残留金属の除去を行った場合の、反応室１内の残留金属量を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は残留金属の量である。図示のように、初め、１０１５ｃｍ−２程度のニッケルが反応室１内に残留しているが、１０分間上記の処理を行うことで、１０１０ｃｍ−２まで残留ニッケルを減らすことができる。ニッケル導入部６に、図２（ａ）の管２１としてＳＵＳ管を用いた場合、ニッケルの他、鉄や銅も反応室１内に導入される。しかし、図１０に示すように、上述したステップＳ９の工程により、反応室１内に残留する鉄や銅も効率的に除去できる。
【００４１】
図３のステップＳ９で残留金属を除去した後、シリコン基板３０を製造装置１００から取り出す（ステップＳ１０）。図４に示すように、図５の断面構造が得られた後、図３のステップＳ１０までの一連の工程を製造装置１００を用いて行うことができる。
【００４２】
ステップＳ１０の工程が終了すると、次に、多結晶シリコン膜３４の表面をラジカル酸化等により酸化して、ゲート酸化膜３５を形成する。続いて、公知のフォトリソグラフィ法等により、ゲート電極３６、ソース電極３７、ドレイン電極３８をそれぞれ形成し、ＣＶＤ法等により形成される層間絶縁膜３９を介して電極４０を引き出すことにより、図９に示す多結晶シリコン膜３４をチャネルとするＴＦＴを製造できる（ステップＳ１１）。
【００４３】
以上のようにしてＴＦＴが製造される。この製法によれば、多結晶シリコン膜３４のグレインの粒径を２００ｎｍ〜１μｍ程度まで大きくすることができる。このとき、電子の移動度は約１２０ｃｍ２／Ｖ・Ｓとなり、オン・オフ比が大きなＴＦＴを得ることができる。
【００４４】
ステップＳ１１の工程が終了すると、製造装置１００からシリコン基板３０を取り出して、製造装置１００のクリーニングを行う（ステップＳ１２）。より具体的には、例えば反応室１内の温度および圧力を３００℃、１００００Ｐａとし、クリーニングガスであるＨＦおよびＦ２ガスを流量ｌｓｌｍずつ１分間、ガス導入管４ｅ，４ｆからそれぞれ反応室１内に導入する。これにより、反応室１内に残存する多結晶シリコンをほぼ完全に除去でき、また反応室１内に残留する金属成分を１０９ｃｍ−２以下とすることができる。
【００４５】
仮に、反応室１内に金属成分が残留していると、次のシリコン基板３０を反応室１内に載置してＴＦＴを製造する際に、シリコン基板３０に残留金属が付着し、この残留金属を核として細長い髭状の結晶が形成されるウイスカ等の異常成長が発生する。これに対し、本実施形態では、反応室１内のニッケルをゲッタリングし（ステップＳ９）、さらにクリーニングを行う（ステップＳ１２）ため、このような異常成長を抑えることができる。
【００４６】
このように、本実施形態では、製造装置１００にニッケル導入部６を設けるため、製造工数を抑えて製造装置１００内で大粒径の多結晶シリコン膜３４の形成を行うことができ、製造コストを抑えることができる。また、ニッケル導入部６は、管２１または電熱線２４に含まれるニッケルをＨＦガスで腐食させて反応室１内に導入する構成であり、しかも、ＩＣＰ−ＭＳ８によりニッケルの流量を計測でき、計測結果をフィードバックしてニッケルの量を調整可能なので、確実に適量のニッケルを導入でき、大粒径の多結晶シリコン膜３４を形成できる。結果として、オン・オフ比の大きなＴＦＴを製造できる。
【００４７】
本実施形態で示した各ガスは例示であり、他のガスを用いることもできる。例えば、成膜ガスとして、ＳｉＨ４の他、ＳｉＨ６，Ｓｉ３Ｈ８，ＳｉＨ２Ｃｌ２等、非晶質シリコン膜３２を形成可能な他のガスを用いてもよい。また、腐食性ガスは、ＨＦの他、ＨＣｌ，ＮＨ３，Ｈ２等のガスを用いてもよい。但し、ＨＣｌガスを用いる場合は、反応室１内の非晶質シリコン膜３２の表面がエッチングされるおそれがあり、ＮＨ３ガスを用いる場合は、窒素原子がシリコン原子に吸着してＳｉＮが形成されるおそれがある。また、Ｈ２ガスを用いる場合は、管２１や電熱線２４を腐食するためには、ＨＦガスを用いる場合より高い温度に設定する必要がある。
【００４８】
また、非晶質シリコン膜３２の結晶化を誘起する金属として、ニッケルの他、鉄、銅、クロム、コバルト、銀等を用いてもよい。但し、ステップＳ９のゲッタリング工程で除去される金属であることを必要とする。また、各金属の中でも、特にニッケルが適するのは上述の通りである。
【００４９】
さらに、図１の製造装置１００では、ニッケル導入部６にＨＦガスを導入する管４ｇと、クリーニングで用いるＨＦガスを導入する管４ｅとを別個に設けるが、共通の管からＨＦガスを導入してもよい。この場合は、ニッケルを導入する工程（ステップＳ６，Ｓ７）でのみ、ニッケル導入部６の管２１を加熱するか（図２（ａ）の場合）、電熱線２４に電流を流して、ニッケルを発生させればよい（図２（ｂ）の場合）。
【００５０】
また、質量分析器として、ＩＣＰ−ＭＳ８以外のものを用いてもよい。例えば、ガスクロマトグラフ質量計（Gas Chromatograph Mass Spectrometer）を用いてもよく、この場合、ポンプ１１ａとポンプ１１ｂを共用としてもよい。
【００５１】
図１１は、図１の変形例である半導体装置の製造装置１０１の概略構成を示す図である。図１の製造装置１００は反応室１内に１枚ずつ半導体基板を載置して半導体装置を製造する枚葉式の製造装置である。これに対し、図１１の製造装置１０１は反応室１内に複数の半導体基板を収納可能なバッチ式の製造装置である。図１１の製造装置１０１の反応室１以外の基本的な構成は、図１の製造装置１００と同様である。図１１の製造装置１０１は、複数の半導体基板上に同時に半導体装置を製造できるため、図１の製造装置１００よりスループットを向上できる。
【００５２】
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態には限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 反応室
４ａ〜４ｇ ガス導入管
６ ニッケル導入部
７ａ，７ｂ バルブ
８ ＩＣＰ−ＭＳ
２１，２３ 管
２２ ヒータ
２４ 電熱線
２５ 電流生成部
３０ シリコン基板
３２ 非晶質シリコン膜
３３ ニッケル粒子
３４ 多結晶シリコン膜
１００，１０１ 製造装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大粒径の多結晶シリコン膜を有する半導体装置の製造方法およびその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイや太陽電池等には、チャネルを多結晶シリコンで形成した薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）が用いられる。多結晶シリコン膜は、例えば、金属誘起結晶化（Metal Induced Crystallization：ＭＩＣ）法と呼ばれる手法で形成される。ＭＩＣ法とは、ニッケル等の金属粒子を非晶質シリコン膜上に吸着させてアニールを行うことにより、金属粒子が吸着した箇所が核となって非晶質シリコンが結晶化し、多結晶シリコン膜を形成する手法である。
【０００３】
ＭＩＣ法を用いた一般的なＴＦＴの製造手法は以下の通りである。まず、ＣＶＤ装置でシリコン基板上に非晶質シリコン膜を成膜する。続いて、スピンコート法を用いて非晶質シリコン膜上に酢酸ニッケル水溶液を塗布する。これを乾燥させて、ニッケル粒子を非晶質シリコン膜に吸着させる。その後、アニール炉でアニールを行って多結晶シリコン膜を形成する。さらに、塩酸を含む酸素雰囲気中で熱処理を行い、多結晶シリコン膜表面に残留したニッケル粒子を除去（ゲッタリング）する。
【０００４】
しかしながら、この手法では、成膜、スピンコート、乾燥、アニール、および熱処理によるゲッタリングという、多くの工程が必要で、これらの工程をそれぞれ別個の装置で処理する必要があるため、製造コストが高くなるという問題がある。
【０００５】
特許文献１には、製造装置内に気相の金属化合物を導入してシリコン表面に金属粒子を吸着させ、同装置内でアニールを行って多結晶シリコン膜を形成することにより、工数を減らしてＴＦＴを製造する手法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、この手法では、多結晶シリコンのグレインの粒径を大きくできないという問題がある。スピンコート法に比べて非常に多くの金属粒子がシリコンに吸着することから、ある箇所の金属粒子を核として結晶化するグレインが、すぐ近くの金属粒子を核として結晶化するグレインと衝突してしまい、グレインの結晶が大きく成長できないためである。この場合、キャリアの移動度が低くなるため、トランジスタのオン・オフ比を十分に大きくできない。
【０００７】
さらに、特許文献１の手法では、シリコンに吸着した金属粒子を除去しない。金属粒子が残っている状態で多結晶シリコン膜の上に薄膜を形成すると、異常成長が起こり、特性の良いデバイスを製造できないという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−７３９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、製造工数を増やすことなく、大粒径の多結晶シリコン膜を有する半導体装置を製造可能な製造装置、および、製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、半導体基板を処理する反応室と、前記半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成するための成膜ガスを前記反応室に導入する成膜ガス導入管と、前記非晶質シリコン膜の結晶化を誘起するための金属と、この金属を腐食させるための腐食性ガスとを前記反応室に導入する金属導入部と、前記非晶質シリコン膜に吸着した前記金属を核とする金属誘起結晶化により形成される多結晶シリコン膜の表面に残留する前記金属を除去するゲッタリングガスを前記反応室に導入するゲッタリングガス導入管と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置が提供される。
【００１１】
また、本発明の一態様によれば、半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成するための成膜ガスを成膜ガス導入管から前記半導体基板を処理する反応室に導入して、前記半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、前記非晶質シリコン膜の結晶化を誘起するための金属と、この金属を腐食させるための腐食性ガスとを金属導入部から前記反応室に導入して、前記非晶質シリコン膜上に前記金属を吸着させる工程と、前記反応室内でアニールを行い、前記吸着した金属を核とする金属誘起結晶化により前記非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に改質する工程と、前記非晶質シリコン膜に吸着した前記金属を除去するゲッタリングガスをゲッタリングガス導入管から前記反応室に導入して、前記多結晶シリコン膜の表面に残留する前記金属を除去する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、製造工数を増やすことなく、大粒径の多結晶シリコン膜を有する半導体装置を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置１００の概略構成を示す図。
【図２】ニッケル導入部６の具体的な構成例を示す図。
【図３】本実施形態に係る製造装置１００を用いたＴＦＴの製造工程の手順を示す工程図。
【図４】製造装置１００の制御シーケンスを示す図。
【図５】半導体装置の製造工程断面図。
【図６】図５に続く半導体装置の製造工程断面図。
【図７】図６に続く半導体装置の製造工程断面図。
【図８】図７に続く半導体装置の製造工程断面図。
【図９】図８に続く半導体装置の製造工程断面図。
【図１０】反応室１内の残留金属量を示すグラフ。
【図１１】図１の変形例である半導体装置の製造装置１０１の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る半導体装置の製造装置、およびこの製造装置を用いた半導体装置の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置（以下、製造装置）１００の概略構成を示す図である。製造装置１００は、反応室１と、ヒータ２と、圧力計３と、複数のガス導入管４ａ〜４ｇと、流量制御装置（Mass Flow Controller：以下、ＭＦＣ）５ａ〜５ｇと、ニッケル導入部（金属導入部）６と、バルブ７ａ，７ｂと、誘導結合プラズマ質量計（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer：以下、ＩＣＰ−ＭＳ）８と、ガス排出管９と、自動圧力制御装置（Auto Pressure Controller：以下、ＡＰＣ）１０と、ポンプ１１ａ，１１ｂと、を備えている。本製造装置１００は多結晶シリコン膜で形成されたチャネルを有するＴＦＴを製造することを念頭に置いているが、ＴＦＴ以外の半導体装置の製造にも用いることができる。
【００１６】
反応室１の外壁は例えば石英で形成されている。この反応室１内にシリコン基板３０を載置して化学的に処理し、ＴＦＴ製造工程の一部である、多結晶シリコン膜の形成を行う。反応室１にはヒータ２が取り付けられており、ヒータ２は反応室１内の温度を制御する。圧力計３は反応室１内の圧力を計測する。
【００１７】
反応室１へのガスの導入側は以下のように構成されている。各種ガスはそれぞれがバルブ（不図示）およびＭＦＣ５ａ〜５ｇを介してガス導入管４ａ〜４ｇに導入され、ガス導入管４ａ〜４ｇから反応室１内にガスが導入される。図１では、ＨＦ（フッ化水素）ガス、ＳｉＨ４（モノシラン）ガス、Ｈ２（水素）ガス、Ｏ２（酸素）ガス、Ｎ２（窒素）ガス、Ｆ２（フッ素）ガスを導入可能な例を図示している。ＭＦＣ５ａ〜５ｇはガスの導入量を制御し、不図示のバルブは各ガスを反応室１に導入するか否かを制御する。
【００１８】
ニッケル導入部６は、ＭＦＣ５ｇを介して供給される腐食性ガスであるＨＦガスの腐食作用を利用して、ＨＦガスと共にニッケルを反応室１内に導入する。図２は、ニッケル導入部６の具体的な構成例を示す図である。図２（ａ）のニッケル導入部６は、ニッケルを含む管（例えば、ニッケル、鉄および銅等を含むいわゆるＳＵＳ（Stainless Used Steel）管や、ニッケルの単管）２１と、この管を加熱するヒータ２２とを有する。常温でＨＦガスを流しても管２１は腐食されないが、ヒータ２で管２１を例えば６００℃に加熱してＨＦガスを流すことにより、管２１がＨＦガスに腐食され、ニッケルのハロゲン（フッ素）化合物蒸気を含むＨＦガスを反応室１内に導入できる。ニッケルの導入量（ＨＦガスに含まれるニッケルの量）は、管２１の温度や、ＭＦＣ５ｇで制御されるＨＦガスの流量によって制御できる。なお、管２１として用いるＳＵＳ管やニッケルの単管は、通常の製造装置１００で汎用的に使われるものなので、このような汎用的な管２１にヒータ２２を取り付けるのみで、簡易にニッケル導入部６を構成できる。
【００１９】
また、図２（ｂ）のニッケル導入部６は、管２３と、ニッケルを含む電熱線２４（例えば、ニッケル線やニクロム線）と、電熱線２４の両端に電圧を印加して電熱線２４に電流を流す電流生成部２５とを有する。図２（ｂ）の場合、管２３は必ずしもニッケルを含んでいなくてもよい。電流生成部２５から電熱線２４に電流を流して電熱線２４を加熱し、ＨＦガスを流すことにより、電熱線２４が腐食され、ニッケルのハロゲン（フッ素）化合物蒸気を含むＨＦガスを反応室１内に導入される。ニッケルの導入量は、電流量や、ＭＦＣ５ｇで制御されるＨＦガスの流量によって制御できる。
【００２０】
図２に示すニッケル導入部６は、ニッケルを含む管２１や電熱線２４をニッケル発生源とし、このニッケルをＨＦガスで腐食させて反応室１内に導入するため、反応室１内に過剰のニッケルが導入されるおそれはない。なお、反応室１内に導入されるニッケルの量は、ニッケル導入部６内の管２１や電熱線２４に含まれるニッケルの量と比べると極めて微量であるため、長年使用してもニッケル導入部６のニッケルが不足することはない。
【００２１】
ニッケル導入部６が接続されるガス導入管４ｇは、バルブ７ａ（第２のバルブ）を介して反応室１に接続され、かつ、バルブ７ｂ（第１のバルブ）を介してＩＣＰ−ＭＳ８にも接続される。ＩＣＰ−ＭＳ８はＩＣＰ−ＭＳ８に流入するニッケルの量を計測する質量分析器として機能する。よって、ＩＣＰ−ＭＳ８側のバルブ７ｂを開いてニッケルの量（ＨＦガスに含まれるニッケルの量）を確認した後に、バルブ７ｂを閉じて反応室１側のバルブ７ａを開くことで、所望の量のニッケルを安定的に反応室１内に導入できる。
【００２２】
ポンプ１１ｂは例えばターボポンプであり、ＩＣＰ−ＭＳ８の後段に接続されている。ポンプ１１ｂはＩＣＰ−ＭＳ８を高真空（例えば１０−５Ｐａ）まで真空引きを行う。
【００２３】
誘導結合プラズマによりニッケルのハロゲン化合物を高効率にイオン化できるため、ＩＣＰ−ＭＳ８を用いることで、ニッケルの量が微量であっても、ニッケルの量を精度良く短時間で質量を計測できる。
【００２４】
本実施形態は、図２のニッケル導入部６や、ＩＣＰ−ＭＳ８を設けることにより、適切な量のニッケルを反応室１内に導入できることが特徴の１つである。
【００２５】
一方、反応室１のガスの排出側は以下のように構成されている。ガス排出管９は一端が反応室１に接続されており、反応室１内のガスを排出する。ガス排出管９の他端はＡＰＣ１０を介してポンプ１１ａが接続されている。ポンプ１１ａは反応室１およびＩＣＰ−ＭＳ８から排出されるガスの排気を行い、ＡＰＣ１０は反応室１内の圧力が所定の値となるよう制御する。
【００２６】
図３は、本実施形態に係る製造装置１００を用いたＴＦＴの製造工程の手順を示す工程図であり、図４は、製造装置１００の制御シーケンスを示す図である。図４に示す反応室１の温度はヒータ２によって制御され、反応室１の圧力はＡＰＣ１０によって制御される。図５〜図９は半導体装置の製造工程断面図である。図３〜図９を用いて、ＴＦＴを製造する工程を説明する。
【００２７】
まず、熱酸化等によりシリコン基板３０上にＳｉＯ２膜３１を形成し（ステップＳ１）、図５に示す断面構造が得られる。この工程は製造装置１００とは別の装置で行われる。次に、ＳｉＯ２膜３１が形成されたシリコン基板３０を、例えば５００〜５５０℃に保たれた製造装置１００の反応室１に載置する（ステップＳ２）。これ以降、後述するステップＳ１０の工程までは製造装置１００を用いて行われる。
【００２８】
初めに、ポンプ１１ａにより反応室１内の真空引きを行い、反応室１内の圧力を例えば６０Ｐａとする（ステップＳ３）。次いで、成膜ガスであるＳｉＨ４ガスを例えば流量０．２ｓｌｍで１０分間、ガス導入管４ａから反応室１内に導入し、ＳｉＨ４ガスを熱分解して、ＳｉＯ２膜３１上に例えば２０ｎｍの非晶質シリコン膜３２を形成する（ステップＳ４）。
【００２９】
このとき、ｎ型のＴＦＴを製造する場合は、ＰＨ３（ホスフィン）ガスやＡｓＨ３（アルシン）ガス等の、ｐ型のＴＦＴを製造する場合は、ＢＣｌ３（三塩化ボロン）ガスやＢ２Ｈ６（ジボラン）ガス等のドーピングガスを、ＳｉＨ４ガスと同時に反応室１内に導入してもよい。これらのドーピングガスは、ＳｉＨ４ガスと共にガス導入管４ａから導入してもよいし、これとは別のガス導入管（不図示）から導入してもよい。非晶質シリコン膜３２を形成した後、ポンプ１１ａで真空引きを行い、残留するＳｉＨ４ガス等を排出する（ステップＳ５）。
【００３０】
そして、上述の手法で図２に示すニッケル導入部６から、ニッケルを含むＨＦガスを反応室１内に導入する。より具体的には、まずＩＣＰ−ＭＳ８側のバルブ７ｂを開いてニッケルの量を計測する。ＨＦガスに含まれるニッケルの量が後述する所望の値でない場合（ステップＳ６ａ、ＮＯ）、ニッケルの量が所望の値となるよう調整する（ステップＳ６ｂ）。例えば、図２（ａ）に示すニッケル導入部６の場合は、計測されたニッケルの量が多すぎるときは管２１の温度を下げ、少なすぎるときは管２１の温度を上げる。また、図２（ｂ）に示すニッケル導入部６の場合は、計測されたニッケルの量が多すぎるときは電熱線２４に流す電流量を下げ、少なすぎるときは電熱線２４に流す電流量を上げる。
【００３１】
そして、ニッケルの量が所望の値で安定したのを確認して（ステップＳ６ａ、Ｙｅｓ）、バルブ７ｂを閉じ、反応室１側のバルブ７ａを開く。これにより、ニッケルを含むＨＦガスが反応室１内に導入され、ニッケル粒子３３が非晶質シリコン膜３２の表面に吸着する（ステップＳ７）。以上により、図６に示す断面構造が得られる。非晶質シリコン膜３２に吸着したニッケル粒子３３は、大粒径の多結晶シリコン膜３４を形成するための核となる。これにより、図７に示す断面構造の多結晶シリコン膜３４が形成される。このような製法は、上述したようにＭＩＣ法と呼ばれる。
【００３２】
図２（ａ）の構成のニッケル導入部６を用いる場合、反応室１内で非晶質シリコン膜３２にニッケルを吸着させるためには、反応室１内の温度は管２１の温度より低い温度であることが望ましい。そのため、ヒータ２２は、反応室１内の温度より高い例えば６００℃に管２１を加熱する。
【００３３】
ここで、シリコン原子の面密度が１０１５ｃｍ−２程度であるのに対し、これより２桁ほど少ない面密度１０１３ｃｍ−２程度のニッケルを吸着した場合に、大粒径の多結晶シリコン膜３４が形成できる。導入するニッケルが少なすぎる場合、核となる金属が少ないために、非晶質シリコン膜３２の結晶化があまり誘起されず、多結晶シリコン膜３４が得られない。また、吸着するニッケル粒子３３が多すぎる場合、ある箇所のニッケル粒子３３を核として結晶化するグレインが、すぐ近くのニッケル粒子３３を核として結晶化するグレインと衝突してしまい、大粒径の多結晶シリコン膜３４が形成できない。
【００３４】
ＩＣＰ−ＭＳ８で検出されるニッケルの量がどれくらいのときに、面密度１０１３ｃｍ−２程度でニッケル粒子３３を吸着させることができるかを、予め実験等により算出しておき、ステップＳ６，Ｓ７では、この量のニッケルを反応室１内に導入する。図２に示すニッケル導入部６は、面密度１０１３ｃｍ−２程度のニッケルを導入するのに適した構成である。
【００３５】
このようにして、本実施形態では、大粒径の多結晶シリコン膜３４の形成が可能な量のニッケルを、確実に反応室１内に導入できる。
【００３６】
図３のステップＳ７の工程が終わると、ニッケルを含むＨＦガスの導入を止めて、反応室１内の温度を５００〜５５０℃に保ったまま、例えば３時間放置する。非晶質シリコン膜３２に吸着したニッケル粒子３３を核として大粒径の多結晶シリコン膜３４が形成され、図７に示す断面構造が得られる（ステップＳ８）。すなわち、非晶質シリコン膜３２が大粒径の多結晶シリコン膜３４に改質する。
【００３７】
ここで、ＭＩＣ法で用いる金属はニッケルに限らず他の金属でもよいが、ニッケルを用いると以下の効果が得られる。ニッケル粒子３３がシリコン表面に吸着すると、ニッケル粒子３３から電子が供給されて、ニッケルとシリコンが反応してニッケルシリサイドが形成される。ニッケルシリサイドの格子間隔はシリコンの格子間隔と極めて近いため、５００〜５５０℃程度の低温でニッケル粒子３３を核として非晶質シリコン膜３２の結晶化が誘起される。しかし、この温度では、ニッケル粒子３３が吸着していない部分は結晶化しない。その結果、ニッケル粒子３３が吸着した箇所のみでグレインが形成されるため、大粒径の多結晶シリコン膜３４を形成できる。
【００３８】
この多結晶シリコン膜３４を形成する工程において、非晶質シリコン膜３２の厚さが１０ｎｍ程度の薄さである場合、シリコン原子のマイグレーションが発生して、非晶質シリコン膜３２の平坦性が悪化するおそれがある。このため、ニッケル吸着後、Ｏ２ガスを例えば流量１０ｓｃｃｍで、ガス導入管４ｃから反応室１内に導入してもよい。Ｏ２ガスにより非晶質シリコン膜３２の表面にわずかに酸化膜が形成されるため、マイグレーションを抑えることができ、平坦性を維持しつつ大粒径の多結晶シリコン膜３４を形成できる。また、Ｏ２ガスにより過剰に非晶質シリコン膜３２が酸化されるのを防止するため、Ｎ２ガスをガス導入管４ｄから反応室１内に導入しながらアニールを行ってもよい。
【００３９】
その後、多結晶シリコン膜３４表面に残留するニッケルの除去（ゲッタリング）を行い（ステップＳ９）、図８に示す断面構造が得られる。より具体的には、反応室１内の温度および圧力を例えば７００〜８００℃、２０Ｐａとし、ゲッタリングガスであるＨ２およびＯ２ガスを例えば流量１ｓｌｍずつ１０分間、ガス導入管４ｂ，４ｃからそれぞれ反応室１内に導入する。このとき、反応室１内では酸素ラジカルおよび水素ラジカルが発生する。酸素ラジカルは多結晶シリコン膜３４の表面を酸化し、ＳｉＯ２が形成される。一方、水素ラジカルはニッケル粒子３３を還元し、ＮｉＨが形成される。これにより、シリコン原子に吸着していたニッケル粒子３３が多結晶シリコン膜３４から離れるため、ニッケル粒子３３を除去できる。本工程では、反応室１内に残存するニッケルも同様に除去される。
【００４０】
図１０は、上記のようにして残留金属の除去を行った場合の、反応室１内の残留金属量を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は残留金属の量である。図示のように、初め、１０１５ｃｍ−２程度のニッケルが反応室１内に残留しているが、１０分間上記の処理を行うことで、１０１０ｃｍ−２まで残留ニッケルを減らすことができる。ニッケル導入部６に、図２（ａ）の管２１としてＳＵＳ管を用いた場合、ニッケルの他、鉄や銅も反応室１内に導入される。しかし、図１０に示すように、上述したステップＳ９の工程により、反応室１内に残留する鉄や銅も効率的に除去できる。
【００４１】
図３のステップＳ９で残留金属を除去した後、シリコン基板３０を製造装置１００から取り出す（ステップＳ１０）。図４に示すように、図５の断面構造が得られた後、図３のステップＳ１０までの一連の工程を製造装置１００を用いて行うことができる。
【００４２】
ステップＳ１０の工程が終了すると、次に、多結晶シリコン膜３４の表面をラジカル酸化等により酸化して、ゲート酸化膜３５を形成する。続いて、公知のフォトリソグラフィ法等により、ゲート電極３６、ソース電極３７、ドレイン電極３８をそれぞれ形成し、ＣＶＤ法等により形成される層間絶縁膜３９を介して電極４０を引き出すことにより、図９に示す多結晶シリコン膜３４をチャネルとするＴＦＴを製造できる（ステップＳ１１）。
【００４３】
以上のようにしてＴＦＴが製造される。この製法によれば、多結晶シリコン膜３４のグレインの粒径を２００ｎｍ〜１μｍ程度まで大きくすることができる。このとき、電子の移動度は約１２０ｃｍ２／Ｖ・Ｓとなり、オン・オフ比が大きなＴＦＴを得ることができる。
【００４４】
ステップＳ１１の工程が終了すると、製造装置１００からシリコン基板３０を取り出して、製造装置１００のクリーニングを行う（ステップＳ１２）。より具体的には、例えば反応室１内の温度および圧力を３００℃、１００００Ｐａとし、クリーニングガスであるＨＦおよびＦ２ガスを流量ｌｓｌｍずつ１分間、ガス導入管４ｅ，４ｆからそれぞれ反応室１内に導入する。これにより、反応室１内に残存する多結晶シリコンをほぼ完全に除去でき、また反応室１内に残留する金属成分を１０９ｃｍ−２以下とすることができる。
【００４５】
仮に、反応室１内に金属成分が残留していると、次のシリコン基板３０を反応室１内に載置してＴＦＴを製造する際に、シリコン基板３０に残留金属が付着し、この残留金属を核として細長い髭状の結晶が形成されるウイスカ等の異常成長が発生する。これに対し、本実施形態では、反応室１内のニッケルをゲッタリングし（ステップＳ９）、さらにクリーニングを行う（ステップＳ１２）ため、このような異常成長を抑えることができる。
【００４６】
このように、本実施形態では、製造装置１００にニッケル導入部６を設けるため、製造工数を抑えて製造装置１００内で大粒径の多結晶シリコン膜３４の形成を行うことができ、製造コストを抑えることができる。また、ニッケル導入部６は、管２１または電熱線２４に含まれるニッケルをＨＦガスで腐食させて反応室１内に導入する構成であり、しかも、ＩＣＰ−ＭＳ８によりニッケルの流量を計測でき、計測結果をフィードバックしてニッケルの量を調整可能なので、確実に適量のニッケルを導入でき、大粒径の多結晶シリコン膜３４を形成できる。結果として、オン・オフ比の大きなＴＦＴを製造できる。
【００４７】
本実施形態で示した各ガスは例示であり、他のガスを用いることもできる。例えば、成膜ガスとして、ＳｉＨ４の他、ＳｉＨ６，Ｓｉ３Ｈ８，ＳｉＨ２Ｃｌ２等、非晶質シリコン膜３２を形成可能な他のガスを用いてもよい。また、腐食性ガスは、ＨＦの他、ＨＣｌ，ＮＨ３，Ｈ２等のガスを用いてもよい。但し、ＨＣｌガスを用いる場合は、反応室１内の非晶質シリコン膜３２の表面がエッチングされるおそれがあり、ＮＨ３ガスを用いる場合は、窒素原子がシリコン原子に吸着してＳｉＮが形成されるおそれがある。また、Ｈ２ガスを用いる場合は、管２１や電熱線２４を腐食するためには、ＨＦガスを用いる場合より高い温度に設定する必要がある。
【００４８】
また、非晶質シリコン膜３２の結晶化を誘起する金属として、ニッケルの他、鉄、銅、クロム、コバルト、銀等を用いてもよい。但し、ステップＳ９のゲッタリング工程で除去される金属であることを必要とする。また、各金属の中でも、特にニッケルが適するのは上述の通りである。
【００４９】
さらに、図１の製造装置１００では、ニッケル導入部６にＨＦガスを導入する管４ｇと、クリーニングで用いるＨＦガスを導入する管４ｅとを別個に設けるが、共通の管からＨＦガスを導入してもよい。この場合は、ニッケルを導入する工程（ステップＳ６，Ｓ７）でのみ、ニッケル導入部６の管２１を加熱するか（図２（ａ）の場合）、電熱線２４に電流を流して、ニッケルを発生させればよい（図２（ｂ）の場合）。
【００５０】
また、質量分析器として、ＩＣＰ−ＭＳ８以外のものを用いてもよい。例えば、ガスクロマトグラフ質量計（Gas Chromatograph Mass Spectrometer）を用いてもよく、この場合、ポンプ１１ａとポンプ１１ｂを共用としてもよい。
【００５１】
図１１は、図１の変形例である半導体装置の製造装置１０１の概略構成を示す図である。図１の製造装置１００は反応室１内に１枚ずつ半導体基板を載置して半導体装置を製造する枚葉式の製造装置である。これに対し、図１１の製造装置１０１は反応室１内に複数の半導体基板を収納可能なバッチ式の製造装置である。図１１の製造装置１０１の反応室１以外の基本的な構成は、図１の製造装置１００と同様である。図１１の製造装置１０１は、複数の半導体基板上に同時に半導体装置を製造できるため、図１の製造装置１００よりスループットを向上できる。
【００５２】
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態には限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 反応室
４ａ〜４ｇ ガス導入管
６ ニッケル導入部
７ａ，７ｂ バルブ
８ ＩＣＰ−ＭＳ
２１，２３ 管
２２ ヒータ
２４ 電熱線
２５ 電流生成部
３０ シリコン基板
３２ 非晶質シリコン膜
３３ ニッケル粒子
３４ 多結晶シリコン膜
１００，１０１ 製造装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を処理する反応室と、
前記半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成するための成膜ガスを前記反応室に導入する成膜ガス導入管と、
前記非晶質シリコン膜の結晶化を誘起するための金属と、この金属を腐食させるための腐食性ガスとを前記反応室に導入する金属導入部と、
前記非晶質シリコン膜に吸着した前記金属を核とする金属誘起結晶化により形成される多結晶シリコン膜の表面に残留する前記金属を除去するゲッタリングガスを前記反応室に導入するゲッタリングガス導入管と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項２】
前記金属導入部から前記反応室に導入される前記金属の導入量を計測する質量分析器と、
前記金属を前記質量分析器に導入するか否かを切り替える第１のバルブと、
前記金属を前記反応室に導入するか否かを切り替える第２のバルブと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の製造装置。
【請求項３】
前記金属導入部は、
前記金属を含む材料で形成され、その内部を前記腐食性ガスが流れる管と、
前記管を加熱するヒータと、を有し、
前記金属導入部は、前記ヒータで加熱された前記管が前記腐食性ガスで腐食されて、前記金属を含む前記腐食性ガスを前記反応室に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の製造装置。
【請求項４】
前記金属導入部は、
前記腐食性ガスが流れる管と、
前記管内に設けられ、前記金属を含む材料で形成された電熱線と、
前記電熱線に電流を流す電流生成部と、を有し、
前記金属導入部は、前記電流生成部にて電流を流して加熱された前記電熱線が前記腐食性ガスで腐食されて、前記金属を含む前記腐食性ガスを前記反応室に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の製造装置。
【請求項５】
半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成するための成膜ガスを成膜ガス導入管から前記半導体基板を処理する反応室に導入して、前記半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、
前記非晶質シリコン膜の結晶化を誘起するための金属と、この金属を腐食させるための腐食性ガスとを金属導入部から前記反応室に導入して、前記非晶質シリコン膜上に前記金属を吸着させる工程と、
前記反応室内でアニールを行い、前記吸着した金属を核とする金属誘起結晶化により前記非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に改質する工程と、
前記非晶質シリコン膜に吸着した前記金属を除去するゲッタリングガスをゲッタリングガス導入管から前記反応室に導入して、前記多結晶シリコン膜の表面に残留する前記金属を除去する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記金属を前記反応室に導入する工程では、第１のバルブを開いて質量分析器で計測される前記金属の量が所定の量で安定した後に、前記第１のバルブを閉じ、かつ、第２のバルブを開いて前記金属を前記反応室に導入することを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項１】
半導体基板を処理する反応室と、
前記半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成するための成膜ガスを前記反応室に導入する成膜ガス導入管と、
前記非晶質シリコン膜の結晶化を誘起するための金属と、この金属を腐食させるための腐食性ガスとを前記反応室に導入する金属導入部と、
前記非晶質シリコン膜に吸着した前記金属を核とする金属誘起結晶化により形成される多結晶シリコン膜の表面に残留する前記金属を除去するゲッタリングガスを前記反応室に導入するゲッタリングガス導入管と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項２】
前記金属導入部から前記反応室に導入される前記金属の導入量を計測する質量分析器と、
前記金属を前記質量分析器に導入するか否かを切り替える第１のバルブと、
前記金属を前記反応室に導入するか否かを切り替える第２のバルブと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の製造装置。
【請求項３】
前記金属導入部は、
前記金属を含む材料で形成され、その内部を前記腐食性ガスが流れる管と、
前記管を加熱するヒータと、を有し、
前記金属導入部は、前記ヒータで加熱された前記管が前記腐食性ガスで腐食されて、前記金属を含む前記腐食性ガスを前記反応室に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の製造装置。
【請求項４】
前記金属導入部は、
前記腐食性ガスが流れる管と、
前記管内に設けられ、前記金属を含む材料で形成された電熱線と、
前記電熱線に電流を流す電流生成部と、を有し、
前記金属導入部は、前記電流生成部にて電流を流して加熱された前記電熱線が前記腐食性ガスで腐食されて、前記金属を含む前記腐食性ガスを前記反応室に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の製造装置。
【請求項５】
半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成するための成膜ガスを成膜ガス導入管から前記半導体基板を処理する反応室に導入して、前記半導体基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、
前記非晶質シリコン膜の結晶化を誘起するための金属と、この金属を腐食させるための腐食性ガスとを金属導入部から前記反応室に導入して、前記非晶質シリコン膜上に前記金属を吸着させる工程と、
前記反応室内でアニールを行い、前記吸着した金属を核とする金属誘起結晶化により前記非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に改質する工程と、
前記非晶質シリコン膜に吸着した前記金属を除去するゲッタリングガスをゲッタリングガス導入管から前記反応室に導入して、前記多結晶シリコン膜の表面に残留する前記金属を除去する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記金属を前記反応室に導入する工程では、第１のバルブを開いて質量分析器で計測される前記金属の量が所定の量で安定した後に、前記第１のバルブを閉じ、かつ、第２のバルブを開いて前記金属を前記反応室に導入することを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−６０９０８（Ｐ２０１１−６０９０８Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７３４６（Ｐ２００９−２０７３４６）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]