JP2011187738A - 半導体薄膜の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱プラズマジェットアニール技術による、半導体薄膜の結晶化プロセスをはじめとした熱処理において、従来よりも少ない投入熱量で十分な熱処理効果を得ることを目的とする。
【解決手段】熱プラズマによって被処理半導体薄膜を熱処理する際に、前記被処理半導体薄膜の表面に予め前記被処理半導体薄膜の成分以外の物質からなる粒子を付着させ、該粒子の付着箇所に熱プラズマを照射する。あるいは、前記粒子を熱プラズマ中に供給し、前記粒子を熱プラズマとともに前記被処理半導体薄膜の表面に噴出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体薄膜の熱処理技術、結晶化技術等に関するものであり、好適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。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ）においては、アクティブマトリクス型の画素の駆動（ＯＮ／ＯＦＦ）をおこなうためのＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と呼ばれる素子が用いられる。これは、ガラス等の基板上に形成された半導体薄膜をパターニングして電気回路を形成し、画素に流す電流や印加する電圧を制御する素子である。これまで、この半導体薄膜としてはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：中大型ＬＣＤ−ＴＶなど向け）、あるいはポリシリコン（ｐ−Ｓｉ：小型ＬＣＤ向け）が一般的に用いられている。特にポリシリコン薄膜の製造プロセスにおいては、基板に薄膜を形成する時点ではＳｉ薄膜はアモルファス構造を有しているため、このＳｉ薄膜に対し、後工程でレーザ光等を照射して溶融し、ポリシリコンへと構造変化させるエキシマレーザアニール（ＥＬＡ）技術が実用化されている（非特許文献１参照）。

ＥＬＡ技術はガラス等の基板への熱拡散によるダメージが少ないという利点を有しているが、プロセスコストが高いことが問題視されており、近年このＥＬＡ技術の代替目的で様々な技術開発が進められている。これら代替技術の中で比較的有望視されている技術の１つが「熱プラズマジェットアニール（ＴＰＪ）」技術であり、半導体薄膜の熱処理／結晶化への適用を目指した技術開発が広島大等で行われている（特許文献１参照）。ＴＰＪ技術による半導体薄膜の結晶化は、高電力により熱プラズマ化されたガス流を、熱処理対象である半導体薄膜の付いた基板に吹き付けることで熱プラズマの熱エネルギーを半導体薄膜に付与する、というシンプルな技術であり、装置価格がＥＬＡ技術に比べて非常に安価である。

特開２００８−５３６３２号公報

Ｔ．Ｓａｍｅｓｈｉｍａ，Ｓ．Ｕｓｕｉ，ａｎｄ Ｍ．Ｓｅｋｉｙａ，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．５, ｐ．２７６−２７８（１９８６）

ＥＬＡ技術においてはレーザ光の照射時間すなわち半導体薄膜の加熱される時間が１パルス当たり１０ｎｓｅｃオーダーという超短時間であるのに対し、ＴＰＪ技術では１走査当たりおよそ１ｍｓｅｃという比較的長い時間の加熱処理となる。このため、半導体薄膜へ投入される総熱量が大きくなってしまい、結果的に下地であるガラスやプラスチック等の基板へ拡散する熱量も大きくなってしまう。したがって、十分な結晶化の効果を得るために投入熱量を大きくしようとしても、基板の熱耐性（ガラス＜６００℃程度、プラスチック＜１５０℃程度）の制約を受けてしまい実現困難である。

本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、ＴＰＪ技術による、半導体薄膜の結晶化プロセスをはじめとした熱処理において、従来よりも少ない投入熱量で十分な熱処理効果を得ることを目的とする。

すなわち、本発明の半導体薄膜の製造方法のうち、第１の本発明は、被処理半導体薄膜に熱プラズマを照射して、熱処理された半導体薄膜を得る製造方法であって、前記熱プラズマ中から該プラズマが照射される前記被処理半導体薄膜表面に至る間で、前記被処理半導体薄膜を構成する物質以外の補助物質を介在させて前記熱プラズマを照射し、前記熱処理を行うことを特徴とする。

第２の本発明の半導体薄膜の製造方法は、前記第１の本発明において、前記熱プラズマ中に、前記補助物質を粒子状にして供給し、前記被処理半導体薄膜の表面に該補助物質を前記熱プラズマとともに吹き付けることを特徴とする。

第３の本発明の半導体薄膜の製造方法は、前記第２の本発明において、前記補助物質の供給量は、前記熱プラズマ発生用のガスの流量１Ｌ／分に対し、１μＬ〜１ｍＬ／分であることを特徴とする。

第４の本発明の半導体薄膜の製造方法は、前記第２または第３の本発明において、前記補助物質は、大きさ１ｎｍ〜１０ｍｍの粒子状にして供給されることを特徴とする。

第５の本発明の半導体薄膜の製造方法は、前記第１の本発明において、前記被処理半導体薄膜表面に、前記補助物質が粒子状にして付着され、または層状に積層されていることを特徴とする。

第６の本発明の半導体薄膜の製造方法は、前記第１〜第５のいずれかの本発明において、前記補助物質がＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、ＣｕおよびＭｏのうちいずれか１種以上の金属または合金からなることを特徴とする。

第７の本発明の半導体薄膜の製造方法は、前記第１〜第６のいずれかの本発明において、前記熱処理によって、非晶質の被処理半導体薄膜から結晶質の半導体薄膜を得ることを特徴とする。

第８の本発明の半導体薄膜の製造装置は、被処理半導体薄膜の表面に該被処理半導体薄膜を構成する物質以外の補助物質を固定させる補助物質固定部と、前記補助物質が固定された前記被処理半導体薄膜に、熱プラズマを照射する熱プラズマ照射部と、を備えることを特徴とする。

第９の本発明の半導体薄膜の製造装置は、被処理半導体薄膜に熱プラズマを照射する熱プラズマ照射部と、前記熱プラズマ照射部から照射される熱プラズマ中に、前記被処理半導体薄膜を構成する物質以外の補助物質を粒子状にして供給する補助物質供給部と、を備えることを特徴とする。

第１０の本発明の半導体薄膜の製造装置は、前記第８または第９の本発明において、前記被処理半導体薄膜を設置して、前記熱プラズマに対し前記被処理半導体薄膜を相対的に移動させる走査装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、熱プラズマによって被処理半導体薄膜を熱処理する際に、被処理半導体薄膜を構成する物質以外の補助物質が介在されるので、プラズマの持つ熱エネルギーが補助物質を介して効率よく被処理半導体薄膜に伝達され、所望の熱処理が効果的になされる。例えば、被処理半導体薄膜を熱プラズマによって結晶化する場合、熱エネルギーが効率よく被処理半導体薄膜に付与されて結晶化が効率よくなされるとともに、均一な結晶が得られやすくなる。さらには、補助物質の種類によっては補助物質が触媒的に作用して結晶化などの熱処理をより効果的に行うことが可能になる。
また、本発明では、熱エネルギーの伝達効率が向上することで、同一の熱エネルギーを被処理半導体薄膜に付与しようとする際に、補助物質を介在させない場合よりも熱プラズマによる投入エネルギーを小さくすることができ、被処理半導体薄膜が形成されている基板への熱量付与を小さくでき、基板への悪影響を除外または小さくすることができる。

補助物質としては、熱処理効果を高めることができれば、特定の物質に限定されるものではないが、例えば、熱伝導を向上させるために熱伝導率の高いものを選択することができる。Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、ＣｕおよびＭｏの１種以上の金属、合金、化合物は熱伝導率が高い好適なものとして示される。
また、補助物質は、熱処理に際し触媒としての機能を果たすものであってもよい。例えば、Ｎｉは、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）への構造変化を促進する効果（例えば構造変化に必要な温度を低減する）のあることが知られている。

補助物質は、熱プラズマ中から該プラズマが照射される前記被処理半導体薄膜表面に至る間の何処かで介在されているものであればよい。補助物質はプラズマ照射中に介在させるほか、プラズマ照射前に介在可能な状態にしたものであってもよい。

前記補助物質を予め介在可能な状態にしておくものとして、被処理半導体薄膜表面に粒子状にして付着し、または層状に積層しておくものが上げられる。補助物質粒子を被処理半導体薄膜表面へ予め付着させる場合、熱処理の前工程において被処理半導体薄膜表面に粒子を散布、噴射して付着させる工程を設ける。また、補助物質を被処理半導体薄膜表面に積層する場合、適宜のバインダなどとともに補助物質を塗布などして前記表面に積層することができる。
これら補助物質粒子の付着や補助物質の積層方法は本発明としては特に限定されるものではなく、適宜の方法を採用することができる。
例えば熱プラズマ照射を行う熱プラズマ照射装置の内部または外部に粒子散布装置や積層装置等を設けるようにしてもよい。

熱プラズマ中に補助物質粒子を供給して介在させる場合、例えば、熱プラズマ発生部に連通する粒子フィーダ部を設け、該フィーダ部を介して熱プラズマ中に粒子を供給する方法が挙げられる。粒子の供給は、重力を利用しても良く、また、プラズマ発生用のガスとともに移動させるようにしてもよい。補助物質の供給量は、熱プラズマ発生に使用する不活性ガスの流量１Ｌ／分に対し、１μＬ〜１ｍＬ／分とするのが望ましい。この範囲内で補助物質を供給することにより、半導体薄膜への伝熱や触媒作用などが効果的になされる。下限未満であると、供給による作用を十分に得られず、上限を超えると半導体薄膜の特性を損なったり、半導体薄膜と化学反応して物性を変化させたり、導電性の高い物質を用いることで半導体表面で電流リークが生じたりするおそれがある。

また、補助物質の大きさは１ｎｍ〜１０ｍｍ（円相当径）が望ましい。補助物質はプラズマ照射時に介在することで、プラズマ中で溶融されて微粒子となり、作用点が増大し、熱伝達作用などの効果が向上する。なお、この作用は、プラズマ中に補助物質粒子を供給することによって、より高い効果が得られる。１ｎｍ未満では、製造が難しくてコスト高になり、また、１０ｍｍを越えるとプラズマによっても十分な微粒子とならず、作用の向上効果が小さくなる。

以上説明したように、本発明によれば、被処理半導体薄膜に熱プラズマを照射して、熱処理された半導体薄膜を得る製造方法であって、
前記熱プラズマ中から該プラズマが照射される前記被処理半導体薄膜表面に至る間で、前記被処理半導体薄膜を構成する物質以外の補助物質を介在させて前記熱プラズマを照射し、前記熱処理を行うので、熱プラズマの持つ熱エネルギーを効率良く半導体薄膜に伝熱することができる。また、所望により従来のＴＰＪ技術より少ない投入熱量で半導体薄膜を熱処理することができ、ガラス基板やプラスチック基板などのダメージ（割れ・変形など）を少なくして、効果的な熱処理を行うことができる。

本発明の一実施形態を説明するための模式図である。 同じく他の実施形態を説明するための模式図である。 同じく他の実施形態を説明するための模式図である。

（実施形態１）
以下に、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。本実施形態は熱プラズマを照射しつつ補助物質を供給して被処理半導体薄膜の処理を行う方法である。

図１は、本発明の一実施形態を説明するための模式図である。図１に示した熱プラズマ発生装置１は、陰極２、陽極３、不活性ガス流路５、粒子フィーダ部６を備え、熱プラズマ発生装置の下方に、基板９上に形成した被処理半導体薄膜８が配置される。
上記陰極２、陽極３、不活性ガス流路５は本発明の熱プラズマ照射部に相当し、上記粒子フィーダ部６は本発明の補助物質供給部に相当する。

陰極２は、例えばタングステン等の導電体から形成され、陽極３に周囲を囲まれるように、かつ陽極３とは離隔して配置される。陽極３は、例えば銅などの導電体から形成される円筒であり、先端開口部からは熱プラズマ４がジェット流となって照射される。円筒内径は先端開口部に向かって先細る形状となっている。陰極２と陽極３は図示しない直流電源装置に接続され、両電極間に直流電圧が印加される。不活性ガス流路５は陰極２と陽極３の間隙として形成され、アルゴンなどの不活性ガスが送給される。粒子フィーダ部６は前記陽極３の側面を貫通し、不活性ガス流路５に開口している。補助物質粒子７は粒子フィーダ６を通して熱プラズマ中に供給される。補助物質粒子７の供給は、重力を利用した送給やガス送給によって行うことができる。

この実施形態では、被処理半導体薄膜８は化学気相堆積法等により基板９の表面に例えば、５ｎｍの厚さに形成されたアモルファスシリコン薄膜である。基板９の材質は一般的に用いられているものでよく、ガラスやプラスチック等により構成される。基板９は該基板９の面方向（Ｘ−Ｙ方向）に移動可能な図示しないステージ上に載置されており、半導体薄膜上の熱プラズマ照射位置を前記面方向へ走査することが可能となっている。

次に、上記装置を用いた半導体薄膜の製造方法について説明する。
不活性ガス流路５にアルゴンなどの不活性ガスを流通させつつ、陰極２と陽極３の間に直流電圧を印加する。電圧を印加された該不活性ガスは、電離・プラズマ化して、熱プラズマ４となり、ジェット流となって陽極先端の開口部から吹き出す。

発生した熱プラズマ４中に、粒子フィーダ部６から、被処理半導体薄膜８を構成する物質以外の補助物質粒子７を供給する。補助物質粒子７の供給は、熱プラズマ照射中連続して行っても良く、また、間欠的に行うようにしてもよい。このとき、粒子７の流量を制御する場合には、粒子フィーダ６に流量調整用バルブを設けることも可能である。粒子の供給量としては、不活性ガスの流量１Ｌ／分に対し当該粒子１μＬ〜ｌｍＬ／分程度が望ましい範囲である。

熱プラズマ中に供給される補助物質粒子７は熱プラズマ中で溶融されｎｍオーダーの微粒子となり、熱プラズマ４とともに半導体薄膜８の表面に付着・凝固する。このとき、熱プラズマの熱エネルギーは補助物質粒子によって被処理半導体薄膜８へと効果的に伝熱される。被処理半導体薄膜８に比べて高熱伝導性の物質を補助物質に選択することにより、半導体薄膜に熱プラズマのみを吹き付ける場合よりも、効率よく被処理半導体薄膜が加熱される。ここで、補助物質として導電性の高い物質を用いる場合、被処理半導体薄膜表面での電流リークを生じない程度に供給量を制限することが望ましい。

上記実施形態においては、従来のＴＰＪ技術で使用される電力よりも２〜３割少ない電力、すなわち２〜３割少ない投入熱量で、従来と同等の結晶化効果を得ることができる。

（実施形態２）
なお、上記実施形態では熱プラズマ４中に補助物質粒子７を供給し、補助物質粒子７を熱プラズマ４とともに吹き付けたが、本発明としては、熱プラズマ照射前に補助物質を予め介在可能な状態にしておくようにしてもよい。以下に当該構成の実施形態２について図２、３に基づき説明する。なお、図１と同様の構成については同じ符号を付してその説明を簡略化する。

本実施形態では、熱プラズマ照射前の被処理半導体薄膜８上に予め補助物質を固定する。補助物質の形態は、図２に示したような粒子状の補助物質粒子７や、図３に示したような層状に積層した補助物質層１７とすることができる。
補助物質粒子７もしくは補助物質層１７を被処理半導体薄膜８上に固定する方法は特に限定されるものではなく、例えば、被処理半導体薄膜８上に補助物質粒子７を散布、噴射して付着させる方法や、適宜のバインダなどとともに補助物質を塗布、コーティングなどして補助物質層１７を形成する方法、補助物質の蒸着やスパッタリングなどにより補助物質層１７を形成する方法等が挙げられる。また、補助物質の固定は、熱プラズマ照射を行う熱プラズマ照射装置の内部または外部に粒子散布装置や積層装置等を設けて行うことができる。これら粒子散布装置や積層装置は本発明の補助物質固定部に相当する。

図２は、熱プラズマ発生装置１の外部に粒子散布装置１０を設けた例を示すものである。粒子散布装置１０は、散布用ノズル１１を有し、該散布用ノズル１１に粒子タンク１２が接続されている。粒子タンク１２内の補助物質粒子をガス圧などにより送給し、散布用ノズル１１から被処理半導体薄膜８に向けて補助物質粒子７を散布して被処理半導体薄膜８に付着、固定させる。この際に、被処理半導体薄膜８を基板９とともに移動させることで、被処理半導体薄膜８の所望の表面（例えば全表面）に補助物質粒子７を付着、固定することができる。
補助物質粒子７を固定した基板９は、図２に示すように熱プラズマ発生装置１に移送され、熱プラズマ照射が行われる。なお補助物質粒子の被処理半導体薄膜への付着はガス流に分散させて散布するガスデポジション法によって行うこともできる。

図３は、図示しない積層装置によって表面に補助物質からなる補助物質層１７が積層された被処理半導体薄膜８を示している。該補助物質層１７は、前記したように積層厚さをｎｍオーダーから制御できる蒸着法やスパッタリング法を用いて形成することができる。

前記粒子付着または積層による補助物質の固定後、図２、図３に示すように、補助物質粒子７もしくは補助物質層１７が固定された被処理半導体薄膜８に熱プラズマ４を照射する。このとき、熱プラズマ４の熱エネルギーは補助物質粒子７または補助物質層１７によって被処理半導体薄膜８へと効果的に伝熱される。実施形態１の場合と同様に、被処理半導体薄膜８に比べて高熱伝導性の物質を補助物質に選択することにより、被処理半導体薄膜に直接熱プラズマを吹き付ける場合よりも、効率よく被処理半導体薄膜が加熱される。

上記実施形態においても、従来のＴＰＪ技術で使用される電力よりも２〜３割少ない電力、すなわち２〜３割少ない投入熱量で、従来と同等の結晶化効果を得ることができる。

なお、上記各実施形態は本発明の例にすぎず、本発明における主旨を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

１ 熱プラズマ発生装置
２ 陰極
３ 陽極
４ 熱プラズマ
５ 不活性ガス流路
６ 粒子フィーダ部
７ 補助物質粒子
８ 半導体薄膜
９ 基板
１０ 粒子散布装置
１７ 補助物質層

Claims (10)

1. 被処理半導体薄膜に熱プラズマを照射して、熱処理された半導体薄膜を得る製造方法であって、
   前記熱プラズマ中から該プラズマが照射される前記被処理半導体薄膜表面に至る間で、前記被処理半導体薄膜を構成する物質以外の補助物質を介在させて前記熱プラズマを照射し、前記熱処理を行うことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
2. 前記熱プラズマ中に、前記補助物質を粒子状にして供給し、前記被処理半導体薄膜の表面に該補助物質を前記熱プラズマとともに吹き付けることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜の製造方法。
3. 前記補助物質の供給量は、前記熱プラズマ発生用のガスの流量１Ｌ／分に対し、１μＬ〜１ｍＬ／分であることを特徴とする請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
4. 前記補助物質は、大きさ１ｎｍ〜１０ｍｍの粒子状にして供給されることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体薄膜の製造方法。
5. 前記被処理半導体薄膜表面に、前記補助物質が粒子状にして付着され、または層状に積層されていることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜の製造方法。
6. 前記補助物質がＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、ＣｕおよびＭｏのうちいずれか１種以上の金属または化合物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
7. 前記熱処理によって、非晶質の被処理半導体薄膜から結晶質の半導体薄膜を得ることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
8. 被処理半導体薄膜の表面に該被処理半導体薄膜を構成する物質以外の補助物質を固定させる補助物質固定部と、
   前記補助物質が固定された前記被処理半導体薄膜に、熱プラズマを照射する熱プラズマ照射部と、を備えることを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
9. 被処理半導体薄膜に熱プラズマを照射する熱プラズマ照射部と、前記熱プラズマ照射部から照射される熱プラズマ中に、前記被処理半導体薄膜を構成する物質以外の補助物質を粒子状にして供給する補助物質供給部と、を備えることを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
10. 前記被処理半導体薄膜を設置して、前記熱プラズマに対し前記被処理半導体薄膜を相対的に移動させる走査装置を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体薄膜の製造装置。

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