專利名稱：一種制造薄膜晶體管和電子器件的方法
技術領域：
本發明涉及制造半導體器件如各種晶體管和集成電路的方法和設備。
背景技術：
近年來，采用激光來制造半導體器件的方法和設備得已開發。這些方法和設備的例子包括激光刻蝕或激光刻劃，以此對薄膜進行刻蝕及刻圖，激光退火，以此用激光輻照來改變膜或其表面的結晶狀態，激光摻雜，以此在含雜質的環境中用激光照射來把雜質擴散進膜或其表面。
在這些使用激光的傳統半導體制造方法中，首先把已由其它膜形成設備或刻蝕設備處理過的基片放置于激光處理設備之內的位置。該設備內被抽真空并且加熱基片，然后用激光輻照處理基片。因此，生產率很低。
發明內容
本發明的目的是提供一種生產率得以改善的半導體器件的制造方法。
本發明的另一目的是提供一種能改善生產率的半導體器件的制造設備。
根據本發明的設備包括一個多室系統，其組成是膜形成設備(如等離子CVD設備、濺射設備、熱CVD設備或真空蒸發設備)，刻蝕設備，摻雜設備(如等離子摻雜設備或離子注入設備)，熱處理設備(如熱擴散設備或熱晶化設備)，真空設備如預備室，以及激光處理設備(如激光刻蝕設備、激光退光設備或激光摻雜設備)。新的設備在完全不使每個基片暴露于大氣的條件下完成處理。在該系統中，可在非常短的時間內完成抽真空。此外傳送基片時可免受污染。
而且，也可使用紅外線輻射而不是激光輻照的各種退火方法。例如，對形成于玻璃基片之上的非晶硅膜進行加熱，然后用紅外輻射照射來使其晶化。結果，可進一步提高結晶度。硅薄膜比玻璃基片更易于吸收紅外輻射。僅使硅薄膜被加熱而不會使玻璃基片加熱多少。這是有利的。而且，可以認為，所獲得的效果等于1000℃以上進行熱退火所產生的效果。
采用這種紅外輻射照射的退火可在幾分鐘內完成。因此，這被稱為快速熱退火(RTA)。這種退火可在半導體層上形成絕緣膜之后便利地進行。在這種情形，可降低半導體層與絕緣膜之間的界面能級，以致可提高界面特性。例如，在形成用于絕緣柵場效應晶體管的有源層(在此形成了溝道形成層)之后，形成成為柵絕緣膜的氧化硅膜。接著進行快速熱退火處理。按此方式，可以改善溝道與柵絕緣膜之間的界面處及其周圍的特性，這對絕緣柵場效應晶體管是重要的因素。
根據本發明的另一要點的半導體處理系統包括至少一個處理設備，用于輻射激光或其強度與激光相同的其它光(如紅外光)；至少一個采用氣相淀積法的真空膜形成設備(可抽真空的室，例如等離子CVD設備、低壓CVD(LPCVD)設備、大氣壓CVD(APCVD)設備、濺射膜形成設備(濺射設備)等)。
其中，在用于照射激光或其強度與激光相同的其它光的處理設備中，把激光或強光照射在形成于基片之上的非單晶半導體膜，例如非晶半導體膜、多晶半導體膜、微晶半導體膜。
其中，把所述基片從用于照射激光或其強度與激光相同的其它光的所述處理設備傳送到另一個可抽真空的室，而不暴露于外部空氣，并完成預定的處理；在氧化氣氛如氧氣氛或在氮化(滲氮)氣氛如氨氣氛中，進行所述的激光或其強度與激光相同的其它光的照射，由此改善非單晶硅半導體膜結晶特性，進行其表面的氧化或在表面上形成氧化膜(在氧化氣氛的情形)、或者進行其表面的氮化或在表面上形成氮化膜(在氮化氣氛的情形)。本半導體處理系統具有把工件從光處理室傳送的易抽真空的室的裝置，而不使工件暴露于空氣，反之亦然。
用于照射激光或其強度與激光相同的其它光的處理設備必須具有照射激光或其強度與激光相同的其它光的功能，具有引入所需氣體的裝置，并具有降低氣壓的排氣裝置。準分子激光器激光、各種YAG激光、紅室石激光等可用作激光。作為非相干光源而不是激光、也可使用稀有氣體燈光如氙燈。氮燈或鹵素燈等。從紅外光到紫外光的寬范圍波長可用作光源波長。為了防止基片溫度升高，最好以脈沖方式進行光照射。期望的脈沖寬度為1μsec以下。
作為真空膜形成設備，等離子CVD設備、低壓CVD(LPCVD)設備、大氣壓CVD(APCVD)設備或濺射膜形成設備(濺射設備)均可使用。
除了作為真空處理設備的上述設備之外，還可連接充有各種氣氛的加熱處理設備(熱處理室)、離子注入設備、刻蝕室、把基片送入和送出的設備。最好這些設備中的每一個具有用于每一種所需氣體的氣體引入系統和氣體排出系統。最好這些設備與一個專門傳送基片的公共傳送室相連。
傳送基片而不使其暴露于外部空氣，從而使被處理的物體—工件(例如基片上的硅膜)在各道工序不被污染。
根據本發明的方法包括在氮化氣氛或氧化氣氛中對非單晶半導體膜照射激光或其強度與激光相同的其它光，由此使非單晶半導體表面氮化或氧化，改善所述非單晶半導體膜的結晶特性；以及在氧化膜或氮化膜上淀積絕緣膜。
采用等離子CVD法或低壓熱CVD法淀積的非晶硅膜，可用作非單晶半導體膜。通過對非晶半導體膜在650℃以下退火，結晶的多晶或微晶半導體膜可供使用。為了在非單晶半導體膜上形成氮化膜、氧化膜或氮氧化膜，以及為了改善非單晶半導體膜的結晶特性，在氮化或氧化氣氛中照射激光或其強度與激光相同的其它光。氧化氣氛為包含充分進行氧化作用的氣氛。這是包含一氧化二氮(N2O)和二氧化氮等的氣氛，或者這些氣體與氧等混合的氣氛。因此，這種氣氛不同于簡單包含小量這些氣體的氣氛。該氣氛中可包括氯氣、三氯乙烯、(三氯乙烯，TCE，CHCL＝CCL2)，反(式)-1，2-二氯乙烯(CHCL＝CHCL)。這種氣體可加速氧化效果。
對具有結晶特性的硅膜照射激光或其強度與激光相同的其它光，可在硅表面上形成氧化硅薄膜。特別是在照射紫外光時，可增強化學反應并可使用良好的氧化硅膜在照射激光強光之后，通過采用淀積法如等離子CVD法等形成絕緣膜如氧化硅，可在形成于半導體表面之上的具有良好界面特性的氧化膜或氮化膜上，形成具有所需厚度的絕緣膜。
通過在氮化或氧化氣氛中，對半導體特別是硅半導體照射激光或其強度與激光相同的其它光，可在半導體表面上形成具有良好界面的氮化膜或氧化膜。特別是使用硅作為半導體，并對非單晶硅膜照射激光或其強度與激光相同的其它光，可在非單晶半導體膜表面上，形成具有良好界面態的氮化硅膜、氧化硅膜或氮氧化硅膜，并可改善非單晶導體膜的結晶特性。特別是，按此方式形成的氧化硅膜具有小的靜電性和低的界面態密度(Qss)，這與通常在干氧中、1000至1200℃下的熱氧化所得的氧化硅膜相同。因此，這種氧化硅膜作為絕緣柵型器件如TFT的柵絕緣膜是適宜的。
通過在上述的氧化膜上形成絕緣膜如氧化硅膜，可在半導體膜上形成具有足夠厚度和良好界面特性的柵絕緣膜作為TFT的柵絕緣膜。亦即，在本發明中，柵絕緣膜包括至少兩層，與半導體接觸的薄氧化膜已由激光等照射而氧化的半導體構成。因而柵絕緣膜的界面特性是良好的。然而，從介電強度等方面考慮，對于用作柵絕緣膜僅此是不夠的。最好柵絕緣膜這樣制備，在薄氧化膜上采用汽相生長方法，形成具有所需厚度的絕緣膜。
此類淀積工藝最好全部都在確定與空氣分隔的環境中進行。在激光等照射處理之后，如果半導體表面一旦暴露于空氣，則表面會被污染，由激光等照射所獲得的良好的氧化膜等會被損壞。因此，在由激光等照射和汽相淀積法形成絕緣膜期間，絕對不能進行使半導體表面暴露于空氣處理。所以在本發明中，需要用于在這些設備之間傳送基片的專用裝置。
本發明的其它目的和特征通過以下說明將可了解。
圖1是本發明的多室系統的示意圖；圖2是本發明的另一多室系統的示意圖；圖3是本發明的又一多室系統的示意圖；圖4是本發明的另一個多室系統的示意圖；圖5(A)至(F)是制造本發明半導體器件依次進行的系列操作的截面圖。
圖6是本發明的又一多室系統的示意圖；圖7(A)至7(D)顯示了實施例5的制造工序；圖8(A)至8(E)顯示了實施例6的制造工序；圖9(A)至9(E)顯示了實施例7的制造工序；圖10(A)至10(C)顯示了傳統的柵絕緣膜與本發明的柵絕緣膜之間的不同；圖11顯示了本發明的多室系統。
具體實施例方式
實施例1參看圖1，這里顯示了根據本發明的多室系統。該多室系統包括等離子CVD膜形成設備和激光處理設備(如激光退火設備)。在這兩個設備之間形成預備室。等離子CVD設備具有室1，其上裝有進氣閥7和排氣閥8。激光退火設備具有室2，其上裝有進氣閥18和排氣閥19。這些閥允許所需氣體進出這些室。而且，這些閥可使每個室內的氣壓保持在適當的值。
室1還安裝有電極4和5。待處理的基片或樣品置于電極5之上。頻率例如為13.56MHz的RF電源與電極4連接。把足夠的氣體如單[甲]硅烷或乙硅烷導入室內，使電極之間感應放電。按此方式，在基片6上形成膜。如果需要，可加熱基片。其中，單[甲]硅烷用作上述氣體，基片保持在300℃以下，在基片上形成非晶硅膜。
由于這種非晶硅膜不具有優異的電性能，所以用激光退火使硅晶化，以此改善性能。室2安裝有窗口14。由激光器11發射出的激光經反射鏡12和透鏡13穿過窗口14，并照射在放置于樣品支架15上的基片17上。利用加熱器16把基片17加熱至300-500℃，最好300-400℃。對于以高再現性進行晶化的處理來說，該加熱處理是必不可少的。
樣品支架15在承載基片17的同時可如圖中所示那樣向右緩慢地移動。這樣，用激光即可處理基片的整個表面。假設基片為300mm×400mm。把激光束的截面整形為2mm×350mm的矩形，即可用激光處理基片的整個表面。如果支架移動速度為20mm/秒，處理一塊基片的時間為400/20＝20秒。
其上通過等離子CVD設備1形成了非晶硅膜的基片隨后被傳送到激光處理設備2。形成膜之后，把膜形成設備1的內部抽至足夠高的真空度。而且，由9表示的預備室也抽至足夠高的真空度。打開設置在膜形成室1與預備室之間的門，把基片平移進入預備室。之后關閉門。再次將反應氣體引入膜形成設備之中，開始膜的生長。
此外，激光處理設備2的內部被抽至足夠高的真空度。預備室9內早已保持在足夠高的真空度。打開預備室與激光處理設備之間的門，然后把基片從預備室傳送至激光處理設備。接著關閉門，用加熱器16把樣品支架15加熱至適當溫度。溫度穩定之后，把置于激光處理設備中的基片精確對準，進行激光處理。
此外，如果激光處理設備處理一塊基片(包括放置基片、對準和取出基片的操作)所需時間基本上等同于等離子CVD設備形成膜(包括放置基片和內部抽真空的操作)所需時間，則在由等離子CVD設備完成的處理與由激光處理設備進行的處理之間無需等待時間。如果由激光處理一塊基片所用時間是由等離子CVD設備形成膜所用時間的一半，則可由等離子CVD設備在一次操作中在兩塊基片上形成膜。此情形中，膜制成后，兩塊基片被移至預備室。其中之一被傳送至處理基片的激光處理設備中。另一塊保存在預備室中。在第一塊處理之后，對保存在預先準備室中的另一塊進行處理。
實施例2參看圖2，這里顯示了本發明的又一多室系統。該系統包括等離子摻雜設備與激光處理設備(如激光退火設備)的組合。在這兩個設備之間形成預備室。
等離子摻雜設備和激光退火設備分別具有室21和22。這些室被設計成能引入所需氣體且能排出無用氣體。而且，能使每個室內的氣壓保持在適當的值。
室21還裝有陽極電極24和柵電極25。從高壓電源23把可高達100KV的高壓施加于陽極。由RF放電在柵電極周圍產生等離子體并含有正離子26。這些離子26被上述高壓向樣品支架28加速。結果，被加速的正離子被注入置于樣品支架28之上的基片或樣品27。
這種離子注入使形成在基片上的結晶材料如單晶硅或結晶硅的狀態改變成為非晶或幾乎非晶態。結果電性能被破壞。因此，通過激光退火使基片晶化，改善性能。室22設有窗34。從激光器31發射激光經反射鏡32和透鏡33穿過窗34，并照射到置于樣品支架36之上的基片35上。基片可由加熱器37來加熱。樣品支架在承載基片的同時能象圖中所示那樣緩慢地向右移動。結果，用激光可處理基片的整個表面。按與實施例1相同的方式，借助預備室29把由等離子摻雜設備21摻雜的基片移進激光處理設備22。
本例中，摻雜設備使用等離子源的離子注入。顯然，可用離子注入機來代替摻雜設備，根據其質量來分離離子并將其注入基片。
實施例3
參看圖3，這里顯示了本發明的又一多室系統。該系統包括等離子摻雜設備、干式腐蝕設備和激光處理設備(如激光退火設備)的組合。在這三個設備中任何相鄰的兩個之間都形成預備室。
等離子摻雜設備、腐蝕設備和激光退火設備分別具有室41、42和43。這些室被設計成能引入所需氣體并能排出無用氣體。而且，每個室內的氣壓可保持在適當值。
室41還安裝有陽電極45和柵電極46。來自高壓電源44的將可達100KV的高壓施加于陽極。由RF放電在柵電極周圍產生等離子體，并含有正離子47。由上述高壓使這些離子47向樣品支架49加速。結果，被加速的正離子如硼離子或磷離子被注入置于樣品支架49之上的基片或樣品48。
例如，假設在絕緣基片48上形成結晶硅層，并在結晶硅層上形成氧化硅層。而且假設形成了薄膜晶體管的柵電極。采用這種摻雜方法，把所需雜質注入氧化硅層和硅層中。由于是通過如氧化硅的材料進行摻雜的，所以這種方法適于以高生產率來制備半導體器件。
正如實施例2已說明的，這種離子注入破壞了結晶度，因而利用激光退火或其它方法來改善結晶度。雜質也被注入氧化硅。其中適于批量生產的UV準分子激光器激光被用作激光退火，例如KrF激光器發射248nm的波長，Xecl激光器發射308nm的波長，XeF激光器發射350nm的波長，由此產生了問題。特別是，純氧化硅對波長超過200nm的UV光是透明的，但含雜質的氧化硅對這種UV光吸收量相當可觀。結果，激光能量大部分被氧化硅膜吸收。這導致不能有效地利用激光能量來改善結晶度。為解決此問題，對氧化硅膜進行腐蝕，以使激光輻射能被那些需改善結晶度的膜有效地吸收。為此目的設置了腐蝕設備42。
腐蝕設備42裝有電極53和54。RF電源52與電極53連接。基片55置于電極54上。例如，在四氟化碳的環境中，由來自RF電源的電能在電極之間產生放電，則基片上的氧化硅膜可被腐蝕。
激光處理設備43基本上與實施例1和2所述的激光處理設備相同，室43安裝有窗61。由激光器58發射的激光經反射鏡59和透鏡60穿過窗61，照射在置于可動樣品支架64之上的基片62上。基片可用加熱器63來加熱。
按與實施例1相同的方式，借助預備室50把已由等離子摻雜設備41摻雜的基片傳送至腐蝕設備42。在腐蝕處理結束之后，借助預備室54把基片移進激光處理設備43。
結合圖5(A)-(F)，對使用這種多室系統來制備薄膜晶體管(TFT)的例子予以說明。采用濺射或等離子CVD，在Corning 7059制成的玻璃基片101上形成厚20至200nm的氧化硅膜102構成底層。然后，采用LPCVD、等離子CVD、濺射或其它類似方法淀積非晶硅作為100-200nm厚膜。在氮或真空的環境中，對疊層在550-650℃加熱48小時，使非晶硅膜晶化。
把結晶硅膜刻圖制成N型區103和P型區104。形成厚50至150nm的氧化硅膜105作為柵氧化膜。然后，用以下材料制成柵電極106和107，即鋁、鉭、鉻、鎢、鉬、硅、其中某些的合金或者多層導電互連材料(圖5(A))。
僅在N型區103上形成掩模材料108如光刻膠。用圖3所示的等離子摻雜設備41注入硼離子。以20至65KeV，典型地為65KeV的加速電壓對硼離子加速。劑量為6×1015原子/cm2。通過此摻雜處理形成P型區109(圖5(B))。
在摻雜工藝結束之后，基片被傳送至腐蝕設備42內，在此，在氧氣環境中采用放電除去掩模材料108。通常，在剝離液中剝離掩模材料如光刻膠可獲得高效率。但是，這要考慮到基片移進和移出真空設備，由腐蝕設備拋光對于圖3所示的各室系統將給出高效率。而且，可獲得高的生產量。
再把基片送回摻雜設備41，注入磷原子。以20至85KeV、典型地為80KeV的加速電壓使磷原子加速。劑量為4×1015原子/cm2。利用這種摻雜工藝形成N型區110(圖5(C))。
然后，把基片再傳送進送進腐蝕設備42，把氧化硅膜105腐蝕掉。如前所述，氧化硅膜中包含大量磷和硼。激光被氧化硅膜強烈地吸收。這使得無法有效地進行激光退火(圖5(D))。
腐蝕了氧化硅膜105之后，把基片傳送進激光處理設備43，進行激光退火。激光退火采用KrF激光器發射的激光輻射，脈沖寬度為20ns，重復頻率為200Hz。顯然，也可采用其它類型的激光。激光束的每個脈沖的能量密度為200至400mJ/cm2，最好為250至300mJ/cm2。可根據其它條件如劑量和硅膜厚度來調整該能量密度(圖5(E))。
完成激光退火后，取出基片，形成層間絕緣膜111和金屬互連—電極112。當然，可在圖3的多室系統中增加膜形成室，用于連續形成層間絕緣膜，通過這些步驟，形成了N溝道和P溝道TFTs。
圖3中，各個真空設備是串聯連接的。例如，真空設備也可按圖4所示并聯連接，其中室71用于放入和取出基片，借助門72、74、76、78，激光處理設備73、等離子摻雜設備75和腐蝕設備77分別與公用的預備室79連接。
由機械手80把基片81-84送進預備室和其它室。該系統可按需要進行擴展。批量生產時，可提高靈活性(如可增加膜形成步驟和腐蝕步驟負載量，及用于因膜形成時間延長而引起的生產節拍調整的靈活性)。
實施例4參看圖6，等離子摻雜設備具有室41。腐蝕設備具有室42。采用紅外輻射的快速熱退火(RTA)在室601中進行。室41通過預備室50與室42連接。室42通過預備室56與室601連接。應該注意，在圖3和6中，相同的部件由相同的參考標號代表。
進行快速熱退火的室601包括發射紅外光的光源或燈泡602，構成光源室的室603和透射紅外光的石英窗606。室601還裝有進氣系統(未示出)，用來引入惰性氣體和所需氣體，并裝有排氣系統(未示出)。
基片604置于基片支架605上，并由用于傳送基片的機械手或自動手傳送進各個室。基片可單獨傳送也可與基片支架一起傳送。
在惰性氣體如氮的環境中進行快速熱退火是公知的。作為替換，也可在氨(NH3)、一氧化二氮(N2O)或氧氣的環境中進行退火。
現在說明采用圖6所示設備的例子。圖5展示了制造TFT步驟的順序。在此僅討論右側TFT的制造。此時，在有源層104上形成氧化硅膜。然后把基片傳送至室601，進行快速熱退火。室601內充滿惰性氣體，并用燈泡602發射的紅外光照射。這一步驟改善了有源層103與氧化硅膜105之間的界面特性。具體地講，可降低溝道形成區與柵絕緣膜之間界面處的界面能級。
室601內被抽真空。其片被傳送至預備室56，其內部基本保持與室601內氣壓相同的真空度。借助保持在相同真空度的室42和預備室50，把基片傳送進室41，進行等離子摻雜。進行這些傳送基片的步驟時，重要的是不能使基片暴露外部空氣。
在摻雜設備的室內進行所需的離子注入步驟。然后把基片移進腐蝕設備的室42，同時保持真空度。進行干式腐蝕工藝除去暴露的氧化膜105。把基片傳送進室601，進行快速熱退火，激活注入的雜質。此時，無氧化膜105的存在對有效實現快速熱退火是重要的。特別是，離子注入時積聚的雜質存在于氧化硅膜105之內，并且這種雜質吸收紅外光。
至此所述的設備結構可由照射激光輻射的室與進行快速熱退火的室的組合來代替。而且，可把所需的多個室組合起來。
實施例5參看圖1，這里展示了本發明的多室系統。該多室系統包括等離子CVD膜形成設備和激光處理設備(如激光退火設備)。在這兩個設備之間形成預備室。等離子CVD設備具有安裝了進氣閥門7和排氣閥門8的室1。激光退火設備具有安裝了進氣閥門18的排氣閥門19的室2。這些閥門允許所需氣體進入和排出這些室。而且，這些閥門可使每個室內氣壓保持適當的值。
室1還安裝有電極4和5。待處理的基片或樣品6置于電極5上。頻率為如13.56MHz的RF電源3與電極4連接。把足夠的氣體如甲硅烷或乙硅烷和氧氣、一氧化二氮等導入室，使電極之間感應放電。按此方式，在基片6上形成膜。如果需要，可加熱基片。
室2設有窗14。來自激光設備11的激光經反射鏡12和透鏡13通過窗口照射在樣品支架15上的基片17上。用加熱器16把基片加熱至200至500℃，最好是300至400℃。對于實現具有良好的再現性的晶化來說該加熱是必不可少的。
在室2中，通過激光退火改善結晶特性，來極力改善性能。這里，通過使激光退火設備的室內為氧氣氛，可同時進行對非晶硅膜等的非單晶硅膜的結晶特性的改善和在表面上形成氧化膜。按同一方法，如果在氮化氣氛如氨氣氛中進行激光退火。則形成氮化膜。在一氧化二氮氣氛中或者氧與的氨的混合氣氛中，形成氮氧化膜。
在承載基片的同時，樣品支架可如圖所示緩慢地向右移動。以此，可由激光處理基片的整個表面。假設基片為300mm×400mm。使激光束截面整形為2mm×350mm的矩形，即可用激光處理基片的整個表面。如果支架移動速度為20mm/秒，則處理一塊基片所需時間為400/20＝秒。
在基片上形成島狀的非晶硅膜或多晶硅膜，對該基片按以下順序進行處理。首先，把預備室抽真空至10-5至1乇。另一方面，把激光處理設備的室2也抽真空至相同水平。把預備室與激光處理設備之間的門打開，把基片從預備室傳送至激光處理設備。傳送之后，關閉該門，向室2引入適當壓強的氣體。用加熱器16把樣品支架15加熱至適當溫度。當溫度穩定后，并且基片在激光處理設備中的精確對準完成之后，進行激光退火。利用激光照射，使硅的結晶特性得以改善。這里，氣壓為1至1000乇，氧或氧化氮(例如一氧化二氮(N2O)、二氧化氮(NO2)等)的分壓為10％以上。結果，在激光照射的同時，在硅膜表面上形成氧化硅薄膜。
然后，把室2抽真空，使其壓強為10-5至1乇。再把基片放于預備室9，并傳送至真空度與預備室相同的等離子CVD淀積室1。在此淀積工藝期間，可在室1中進行其它基片的處理。淀積完成后，淀積設備1的內部被抽真空至10-5至1乇。把淀積室1與預備室之間的門打開，將基片傳送至真空度相同的預備室。然后使預備室壓強與大氣相同，并把基片取到空氣中。
如果在激光設備中對基片的上述處理所用的時間，例如對基片進行放置、對準和取出所用的時間與在等離子CVD設備中做上述淀積、包括基片的放置和抽真空所用的時間大致相同，則可無需等待時間由激光處理設備至等離子CVD設備對基片進行處理。如果激光處理基片的時間是等離子CVD淀積時間的一半，則可同時在等離子CVD中淀積兩塊基片。這時，首先把兩塊基片存在預備室。把這兩塊基片之一傳送至激光處理設備進行處理。另一塊留在預備室內。第一塊基片處理后，再對存在預備室的另一塊進行處理。兩塊基片都處理之后，把它傳送至等離子CVD設備同時淀積。
將對采用該設備形成TFT的工藝做概括地說明。工藝示于圖7。
首先在Corning 7059等的玻璃基片401上形成氧化硅底膜402。氧化硅膜402的優選厚度為1000至5000，以便防止來自玻璃基片401的離子污染。其適宜的厚度為2000。
之后，淀積非晶硅膜。其厚度最好為300至1000。這里選為500。通過400至500℃、例如450℃的退火，從膜中除去氫。將該非晶硅膜加工成島形，制成島形區403。利用圖1中設備的激光處理設備2，對如此處理的基片照射激光，把島形的非晶硅膜403轉變為結晶硅膜。
使用KrF準分子激光作為激光。激光照射的條件為，能量密度是350至450mJ/cm2，每一位置照射2至20次，基片溫度為200至400℃。激光照射氣氛為1個氣壓的氧/氬氣氛。氧壓部分為20％。
作為該激光照射的結果，在島形區403的表面上形成厚幾+的氧化硅薄膜404(圖7(A))。
然后，把基片傳送至圖1的等離子CVD設備。在這里，形成氧化硅膜。在把基片從激光處理設備傳送至等離子CVD淀積設備期間，基片絕不會接觸象水等的大氣成分。
在等離子CVD設備1中，由硅烷和一氧化二氮形成1000至1500、例如1200的氧化硅膜405。最好在材料氣體中混合少量的三氯乙烯或氯化氫，因為硅膜中可移動的離子也被除去了。該氧化硅膜405還起到TFT的柵絕緣膜的作用(圖7(B))。
隨后，由以下材料形成柵電極406和408，即鋁、鉭、鉻、鎢、鉬、硅、或這些金屬的合金或者多層連接的材料等。通過在電解液中對柵電極施以電流，在柵電極的表面及其周圍形成陽極氧化膜407和409。陽極氧化膜的厚度為1000至2500。該陽極氧化膜可降低由后續的離子摻雜、激光退火或淀積層間絕緣體的處理所引起對柵電極的損害。
采用公知的離子摻雜方法和互補MOS(CMOS)技術，形成P型區410、412和N型區413、415。結果，形成P溝道TFT(PTFT)的溝道區411和N溝道TFT(NTFT)的溝道區414。利用激光照射，使那些被離子摻雜損害的區的結晶特性好轉。此激光照射也是由圖1的激光處理設備完成的。此時，激光能量不必象圖7(A)的工藝所用的那么強。作為激光照射的條件，基片溫度為室溫，激光能量密度為250至350mJ/cm2。其它條件與圖7(A)的工藝相同(圖7(C))。
之后，把基片傳送至圖1(A)的等離子CVD設備。形成氧化硅膜416作為層間絕緣體。氧化硅膜的厚度為3000至8000，例如5000。
隨后，在島形區開接觸孔，并淀積3000至8000、例如5000的鋁膜。通過刻蝕，形成布線—電極417、418和419。通過在鋁與島形區之間設置厚500至1500、例如1000的氮化鈦膜，可獲得良好的接觸特性(圖7(D))。
本例形成的TFT具有良好的性能。例如，可穩定地獲得的場效應遷移率，對于NTFT為200至300cm2/Vs，對于PTFT為100至250cm2/Vs。
實施例6參看圖3，這里顯示了本發明的另一多室系統。該系統包括等離子摻雜設備(或稱為離子摻雜設備)、等離子CVD設備(也是干式腐蝕設備)和激光處理設備(如激光退火設備)的組合。在這三個設備中的任何相鄰的兩個之間形成預備室。
等離子摻雜設備、腐蝕設備和激光退火設備分別有室41、42和43。這些室被設計成能引入所需氣體并能排出無用氣體。而且，每個室內氣壓可保持在適當的值。
室41還裝有陽極電極45和柵電極46。由高壓電源44把可高達100KV的高壓施加于陽極。通過RF放電可在柵電極周圍產生等離子體并含有正離子47。由上述高壓把這些離子47向樣品支架49加速。結果，把加速的正離子如硼離子、磷離子、氫離子等注入位于樣品支架49上的基片或樣品48。
例如，假定的絕緣基片48上形成結晶硅層，并在結晶硅層上形成氧化硅層。而且，假設形成了薄膜晶體的柵電極。采用該摻雜方法，把所需雜質注入氧化硅層和硅層。這種方法稱為穿透摻雜，適于高生產量地形成半導體器件，因為是通過如氧化硅的材料來進行摻雜的。
等離子CVD設備也是腐蝕設備42裝有電極53和54，RF電源52與電極53連接。基片55置于電極54上。作為一個例子，如果在四氟化碳的環境中，由來自RF電源的電能在電極之間產生放電，則可腐蝕基片上的氧化硅膜。如果在氧氣環境中產生RF放電，則有機物質如光刻膠被氧化—除去，并進行拋光。如果在單[甲]硅烷和氧氣的環境中產生RF放電，則可淀積氧化硅膜。
激光處理設備43與實施例5所述的激光處理設備基本相同。室43安裝有窗口61。由激光器58發射的激光經反射鏡59和透鏡60穿過窗口61，并照射在置于可動樣品支架64之上的基片62上。可用加熱器63加熱基片。作為所用的激光，適用于批量生產的紫外光的準分子激光器激光，例如KrF激光(波長248nm)、Xecl激光(308nm)或XeF激光(350nm)是期望的。備用室50和56設置等離子摻雜設備41、等離子CVD設備42和激光處理室43之間。
由于該系統有多個室，所以可進行各種處理。例如，首先，在等離子摻雜處理設備41中，把適量的氫離子注入形成基片上的非晶或多晶硅島形膜。接著，在激光處理設備43中，在氧氣或一氧化二氮的氣氛中，照射激光。改善島形硅區的結晶特性，在其表面上形成氧化硅薄膜。之后，將基片傳送至等離子CVD設備42，淀積作為柵絕緣膜絕緣膜如氧化硅。氫離子的注入工藝是可省略的。
該設備也可用于包括源/漏的摻雜工藝的處理。首先，用光刻膠涂覆基片。在等離子摻雜設備41中，僅在待形成P型(或N型)TFT的區摻雜P型(或N型)雜質。之后，把基片傳送至等離子CVD設備42。通過在氧氣氛中進行RF放電，即通過拋光除去光刻膠。結果，暴露出基片的整個表面。
再把基片返回等離子摻雜設備41，摻入N型(或P型)雜質。在此摻雜中，N型(或P型)雜質摻入在先前的摻雜工藝中用光刻覆蓋的區。該區成為N型(或P型)。另一方面，N型(或P型)雜質也摻入在先前的工藝中已摻入P型雜質的區。通過使第一次摻雜的劑量比后面摻雜降低，可使該區保持為P型(成N型)。
之后，把基片傳送至激光處理設備43，并用激光退光，以使已摻雜的雜質激活，如同實施例5。
參看圖8，說明采用這種多室系統制造薄膜晶體管(TFT)的例子。采用濺射或等離子CVD，在由Corning 7059，制成的玻璃基片201上，形成厚200至2000的氧化硅膜202構成底層。然后，采用LPCVD、等離子CVD、濺射或其它類似方法，淀積非晶硅作為300至1000厚膜。在氮氣環境或真空中把疊層加熱至550-650℃持續4至48小時，使非晶硅膜晶化。這里，如果在膜中混入少量的鎳，則可降低晶化，溫度并且可縮短晶化時間。
對結晶硅膜進行刻圖，形成島區203。之后，把基片放入圖3所示的設備。利用激光處理設備照射激光，島形硅膜203的結晶特性得以改善。與實施例5不同，島形硅區中的晶化已進展至一定程度。但晶界仍有大量的微小的非晶單元。對此非晶單元進行徹底晶化，可顯著改善TFT的性能。
采用KrF準分子激光器激光。作為激光照射條件，能量密度為350至450mJ/cm2，每一位置的照射次數為2至20，基片溫度為200至400℃。在一個氣壓的一氧化二氮氣氛中進行激光照射。
作為這種激光照射的結果，在島形區203的表面上形成厚幾十的氧化硅薄膜204。之后，把基片傳送至圖3系統中的等離子CVD設備42。在那里淀積厚1000至1500、例如1200的氧化硅膜205(圖8(B))。
隨后，用含0.1至0.3重量％鈧的鋁制成柵電極206和208。在電解液中對柵電極通以電流，在柵電極表面及其周圍形成陽極氧化膜207和209。陽極氧化膜的厚度為1000至2500。
用光刻膠掩蔽圖8中島形區203的右部，將其置于圖3的設備中。由等離子摻雜設備41摻入0.5至5×1015/cm2的硼。結果，在島形區203的左部形成P型區210和212，還形成了PTFT的溝道區211。接著，把基片傳送至等離子CVD設備42。通過氧等離子拋光除去光刻膠。再把基片傳送至等離子摻雜設備41，摻雜磷。期望的摻雜劑量為0.1至2×1015/cm2，并且要小于先前硼的摻雜量。按此方法，制造NTFT的N型區213、215和溝道區214(圖8(C))。
把基片傳送至激光處理設備43，對摻入的雜質進行激活。作為激光退火條件，基片溫度為室溫，光能量密度為250至350mJ/cm2(圖8(D))。
把基片傳送至圖3的等離子CVD設備42，形成氧化硅膜216作為層間絕緣體。氧化硅膜的厚度為3000至8000，例如5000。之后，從圖3的設備中取出基片。在島形區開了接觸孔后，淀積厚1000的氮化鈦膜，再淀積厚3000至8000、例如5000的鋁膜。對其進行刻蝕，形成布線-電極217、218和219。按此方法，制成CMOS型TFT電路(圖8(E))。
實施例7圖4給出本發明的具有多室結構的系統的示意圖。圖4系統的詳細圖見圖11。
圖3系統包括一字式連接的三個設備的多室，本例的設備中星形的多室。亦即，本例具有室71，包括裝載—卸載機71；室73，包括用于對基片進行各種加熱處理(如在氫氣氛中退火)的加熱室；室75，包括用于照射激光的激光處理室；室77，包括通過濺射法淀積氧化硅膜的淀積室；以及公用預備室(傳送室)79。預備室與各室之間由門72、74、76和78相互連接。利用設置在公用預備室79的機械手80，如圖4中81至84所示，使基片在各室之間移動。
裝載—卸載機可采用盒對盒(C對C)方法。在C對C法中，當多個基片置于裝載—卸載裝置的盒中時，由機械手把基片一個接一個地自動傳送，并且已完成處理的基片被自動送回盒。
以下說明采用圖4系統形成TFT(薄膜晶體管)的例子。結合圖9說明此例。道德，玻璃基片301采用Corning 7059基片。在620至660℃下對此基片退火1至4小時之后，以0.1至1.0℃/分，最好是0.1至0.3℃/分逐漸冷卻該基片。當溫度降至450至590℃時取出基片。
在基片上形成底膜302，并采用等離子CVD法形成300至800厚的非晶硅膜303。利用厚1000的氧化硅掩模304，在305所指的區上通過濺射形成厚20至50的鎳膜。該鎳膜可能不是連續的膜。不僅可用濺射法，而且可用旋涂法。這里，添加的鎳具有幫助晶化的作用。
隨后，在氮氣氛中，在500至620℃，例如550℃下進行8小時熱退火。使硅膜303晶化。晶化開始于鎳膜與硅膜接觸的區305。晶體生長平行于基片進行，如圖中箭頭所示(圖9(A))。
通過對硅膜303刻蝕，形成島形的有源層區306和307。這里，在已直接引入鎳的區和晶體生長端的區內，鎳以高濃度存在。已注意到，這些區中的鎳濃度比其它晶化區要高出近一個數量級。因而，本例中，要避開這些高濃度鎳的區來形成有源層區306和307，把具有高濃度鎳的區除去。在有少量鎳的區內形成TFT的有源層。本例中有源層區中的鎳濃度大約是1017至1019cm-3。
將按此方法處理的基片從裝載—卸載機71放入圖4所示的系統。把基片放入裝載—卸載機71之后，所有室抽真空。打開門72，用機械臂把基片傳送至公用預備(傳送室)79。接著，關閉門72，打開門74，把基片傳送至熱處理室73。氣氛為氫氣或氮氣，基片加熱至200至400℃。
然后打開門74和門76，把基片傳送至激光處理室75。關閉門76，使激光處理室75成為常壓下的氧氣氛。盡管這里采用氧氣氛，但也可采用氧化氣氛。
激光照射條件與實施例6相用，在有源層306和307的表面上，獲得厚50至150的氧化硅膜308。由先前熱退火而晶化的區內硅膜的結晶特性得到進一步改善(圖9(B))。
按此方法，在照射激光前在熱處理室內預加熱基片，可節省從基片放入激光處理室到基片溫度升高的時間。
完成激光照射后，排出激光處理室75中的氣體，使其成高真空狀態。打開門76，用機械手把基片傳送至公用預備室79。關閉門76。打開門74，把基片傳送至熱處理室73。
完成該傳送后，關閉門74。使熱處理室73成常壓下的氫氣氛。在熱處理室73中、在350℃下進行30分鐘的氫氣加熱處理。
在此氫氣熱處理中，存在于氧化膜308與有源層306、307之間的界面處以及接近界面處的懸空鍵被中和。因此可降低狀態并且可實現非常期望有界面特性。
完成加熱處理后，使熱處理室73成為高真空態。打開門74，用機械手80把基片傳送至公用預備室79，完成傳送之后關閉門74，再打開門78，把基片傳送淀積室77。完成傳送之后，關閉門78。在淀積室77內用濺射法淀積氧化硅膜309。濺射靶為高純人造石英。淀積的氧化硅膜309厚1000。該氧化硅膜已與其下面的氧化膜308成為一體，可自由地控制膜厚，并且在與基底的界面特性上也是突出的。因而，可淀積包含TFT的柵絕緣膜的氧化硅膜309。也可形成氮化硅膜來代表氧化硅膜309。
在淀積工藝期間，按此方式形成的柵絕緣膜不會暴露于空氣。因此，界面表面不會被污染，并且可獲得適當的界面特性。特別是在氧氣氣氛或氧化氣氛由激光照射形成的氧化膜308，在與構成有源層306、307的硅膜的界面特性是突出的，并具有結晶特性。可獲得具有低界面濃度的TFT的極好的柵絕緣膜。
在淀積室77中淀積氧化硅膜309后，在熱處理室73中進行進一步的氫氣熱退火。
在淀積室77中淀積氧化硅膜309之后，使淀積室77成為高真空態。打開門78、把基片傳送至公用預備室79。關閉門78。接著，打開門72，把基片傳送至裝載—卸載機71。關閉門72，把基片從裝載—卸載機71取出于系統。
采用濺射方法，淀積厚5000的主要含鋁的膜。通過象實施例6那樣刻蝕的和陽極氧化，形成柵電極部分310和311。
象實施例5和6那樣，注入磷和硼，以自對準方式形成TFT的源和漏區。
摻雜磷和硼之后，用激光或其強度與激光相同的其它光照射，以便激活源和漏區。采用等離子CVD方法，形成大約厚5000的氧化硅膜312作為層間絕緣體。在氧化硅膜213中開孔之后，形成源和漏電極—布線313、314和315，在氫氣氛中、350℃下完成氫氣熱處理，制成CMOS型TFT。
當以在氮化氣氛中代替氧化氣氛施加激光時，則獲得氮化硅膜308。
在本發明中，激光處理設備與相關的真空設備如膜形成設備、腐蝕設備和摻雜設備組合以便組成系統。該系統能有效地提供改進的生產率。特別地，在氧氣氛或氧化氣氛中，用激光照射非晶或多晶膜，可以改善膜的結晶特性，同時可在其表面上形成氧化膜。之后，通過淀積絕緣膜如氧化硅而不暴露于外部空氣，可在具有結晶特性的硅膜上形成在界面態優異的柵絕緣膜。
另一方面，可以防止柵電極的臺階部位與島形區電短路。亦即，如圖10(A)所示，在通常的TFT工藝中，當形成島形區時，采用過腐蝕在硅膜邊緣上造成空隙。特別是基底的氧化硅膜是軟的情形(腐蝕率是大的)，這是顯著的。在用已有的PVD法或CVD法形成柵絕緣膜的情形下，由于這些空隙不能良好地掩蓋，所以由裂縫等發生短路，產生峰值電流(圖10(B))。
然而，在本發明中，圍繞硅膜形成微細的氧化膜或氮化膜，該膜具有均勻的厚度且無針孔等，這是由于照射激光或其強度與激光相同的基它光的結果。即使產生上述裂縫，實用中也不會有什么問題，在柵電極與島形區之間不會發生短路。
權利要求
1.一種用于對半導體進行處理的裝置，包括第一真空室；離子引入裝置，用于利用摻雜物經絕緣膜摻雜在基片上形成的半導體層，該絕緣膜包括在所述半導體層上提供的氧化物；蝕刻裝置，用于蝕刻包括氧化物的所述絕緣膜，以暴露所述半導體層的表面，所述蝕刻裝置經所述第一真空室連接到所述離子引入裝置；第二真空室；激光處理裝置，包括激光處理室和激光器，用于在所述蝕刻后，在所述激光處理室中利用激光照射所述半導體層的暴露表面，所述激光處理室經所述第二真空室連接到所述蝕刻裝置；和機械裝置，用于在不將所述基片暴露在空氣中的情況下，將所述基片從所述離子引入裝置運送到所述激光處理室；所述摻雜物作為圍繞所述離子引入裝置的柵極的等離子，且由加在所述離子引入裝置的陽極電極的電壓朝向所述半導體層加速。
2.權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光器位于所述激光處理室的外面，所述激光處理室具有窗口，所述激光經該窗口被引入到所述激光處理室。
3.權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述離子引入裝置是等離子摻雜裝置。
4.權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括一個室，與所述真空室連接，用于所述基片的引入和取出。
5.權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述激光在所述半導體膜的表面上呈矩形，且所述激光處理室配置了機械裝置，用于以和所述激光的縱向呈正交的方向移動所述基片，以便用所述激光掃描所述基片的整個表面。
6.權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光器是準分子激光器。
7.權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光的波長是248nm、308nm和350nm中的一個。
8.一種用于對半導體進行處理的裝置，包括第一真空室；離子引入裝置，用于利用摻雜物經絕緣膜摻雜在基片上形成的半導體層，該絕緣膜包括在所述半導體層上提供的氧化物；蝕刻裝置，用于蝕刻包括氧化物的所述絕緣膜，以暴露所述半導體層的表面，所述蝕刻裝置經所述第一真空室連接到所述離子引入裝置；第二真空室；激光處理裝置，包括激光處理室和激光器，用于在所述蝕刻后，在所述激光處理室中利用矩形激光照射所述半導體層的暴露表面，所述激光處理室經所述第二真空室連接到所述蝕刻裝置；和機械裝置，用于在不將所述基片暴露在空氣的情況下，將所述基片從所述離子引入裝置運送到所述激光處理室；所述矩形激光的長度大于所述基片的寬度；所述摻雜物作為圍繞所述離子引入裝置的柵極的等離子，且由加在所述離子引入裝置的陽極電極的電壓朝向所述半導體層加速。
9.權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述基片是玻璃。
10.權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述基片呈300mm×400mm，且所述矩形激光呈2mm×350mm。
11.權利要求8所述的裝置，其特征在于，還包括至少一個用于形成薄膜晶體管的薄膜晶體管形成裝置。
12.權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述激光處理裝置還包括一個樣品支架，用于以和所述矩形激光呈正交的方向移動所述基片。
13.權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述激光處理裝置還包括一個樣品支架且所述樣品支架包括用于加熱所述基片的加熱器。
14.一種用于形成半導體器件的裝置，包括第一真空室；離子引入裝置，用于利用摻雜物經絕緣膜摻雜在基片上形成的半導體層，該絕緣膜包括在所述半導體層上提供的氧化物；蝕刻裝置，用于蝕刻包括氧化物的所述絕緣膜，以暴露所述半導體層的表面，所述蝕刻裝置經所述第一真空室連接到所述離子引入裝置；第二真空室；激光處理裝置，包括激光處理室和激光器，用于在所述蝕刻后，在所述激光處理室中利用激光照射所述半導體層的暴露表面，所述激光處理室經所述第二真空室連接到所述蝕刻裝置；和機械裝置，用于在不將所述基片暴露在空氣中的情況下，將所述基片從所述離子引入裝置運送到所述激光處理室；所述摻雜物作為圍繞所述離子引入裝置的柵極的等離子，且由加在所述離子引入裝置的陽極電極的電壓朝向所述半導體層加速。
15.一種用于處理半導體的裝置，包括第一真空室；離子引入裝置，用于利用摻雜物經絕緣膜摻雜在基片上形成的半導體層，該絕緣膜包括在所述半導體層上提供的氧化物；蝕刻裝置，用于蝕刻包括氧化物的所述絕緣膜，以暴露所述半導體層的表面，所述蝕刻裝置經所述第一真空室連接到所述離子引入裝置；第二真空室；光處理裝置，包括光處理室和光源室，用于在所述蝕刻后，在所述光處理室中利用紅外光照射所述半導體層的暴露表面，所述光處理室經所述第二真空室連接到所述蝕刻裝置；和機械裝置，用于在不將所述基片暴露在空氣中的情況下，將所述基片從所述離子引入裝置運送到所述光處理室；所述摻雜物作為圍繞所述離子引入裝置的柵極的等離子，且由加在所述離子引入裝置的陽極電極的電壓朝向所述半導體層加速。
16.權利要求15所述的裝置，其特征在于，在所述光處理裝置中的其中放置所述半導體層的氣氛包含氮、氨、一氧化二氮或氧。
17.權利要求1所述的裝置，其特征在于，放置在所述離子引入裝置中的所述半導體層具有形成在所述半導體層上的二氧化硅層。
18.權利要求8所述的裝置，其特征在于，放置在所述離子引入裝置中的所述半導體層具有形成在所述半導體層上的二氧化硅層。
19.權利要求14所述的裝置，其特征在于，放置在所述離子引入裝置中的所述半導體層具有形成在所述半導體層上的二氧化硅層。
20.權利要求15所述的裝置，其特征在于，放置在所述離子引入裝置中的所述半導體層具有形成在所述半導體層上的二氧化硅層。
21.權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述基片的運送是由機械手執行的。
22.權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述基片的運送是由機械手執行的。
23.權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述基片的運送是由機械手執行的。
24.權利要求15所述的裝置，其特征在于，所述基片的運送是由機械手執行的。
全文摘要
一種多室系統，在半導體器件如半導體集成電路的制造中，提供一種高清潔度的處理。該系統包括多個真空設備(如膜形成設備、腐蝕設備、熱處理設備和預備室)，用于制造半導體器件。這些真空設備中至少一個是采用激光的。
文檔編號H01L21/67GK1881532SQ200610101190
公開日2006年12月20日 申請日期1994年7月2日 優先權日1993年11月5日
發明者山崎舜平, 武內晃, 竹村保彥, 島田浩行 申請人:株式會社半導體能源研究所