专利名称：热处理设备和用于热处理的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于热处理的方法和应用该方法的热处理设备。特别地，本发明涉及通过已加热气体加热一衬底或在该衬底上的已形成物质的热处理设备，以及用于使用该设备的热处理的方法。
该水平型或垂直型退火炉为一块全部处理许多衬底的批量型设备。例如，垂直型退火炉在由石英水平或平行形成的接受器上安装一衬底，并且通过一升降机抬高和压低来进行到反应管的放入和放出。在一钟罩型反应管的外周部分，提供一加热器以通过该加热器加热衬底。由于其构造，花费比较长的时间用于到达预定加热温度的上升的时间和冷却至可能取出温度的下降的时间。
顺便提及，在被用于集成电路的MOS晶体管中，随着元件变得精细，需要非常高的工艺精度。特别地，需要以最小来扩散杂质以形成薄结。然而，由于退火炉使得形成薄结困难，工艺花费长的时间用于升温和降温。
快速热退火(以下描述为RTA)方法被发展为进行快速加热和快速冷却的热处理技术。RTA设备使用红外线灯快速加热一衬底或在该衬底上的一已形成物质以在短时间内进行热处理。
薄膜晶体管(以下描述为TFT)为众所周知的另一形式的晶体管。
TFT作为可能形成直接在玻璃衬底上的集成电路的技术被注意。该技术对于用于新电子设备如液晶显示设备的应用开发来说是先进的。特别地，在形成于玻璃衬底上的多晶半导体膜上形成杂质域如源域和漏域的FET需要用于激活和畸变减轻的热处理。然而，该玻璃衬底具有其畸变点只有600到700℃和容易被热冲击损坏的缺点。
在相关领域的垂直或水平型退火炉中，当衬底尺寸大获得加热温度的均匀变得困难，无论形成集成电路的衬底是半导体还是绝缘材料如玻璃或陶瓷。为了获得衬底表面上和衬底之间温度的均匀，由于在反应管中象流体一样流动的气体的特征，需要使得水平和平行安装的被处理衬底的间距宽。例如，当衬底的一侧超过500mm时，该衬底的间距有必要大于30mm。
因此，由于被处理衬底大，该设备必须有大的尺寸。因为许多衬底一块全部处理，所以衬底自身的重量增加，并且安装被处理衬底的接受器需要强度。由于那样，重量增加，并且携带被处理衬底进出的机器的操作变慢。进一步，该装置不仅影响到该热处理设备占据地板面积的增加，而且影响到用于具有承受地板负荷的建筑的建筑费用。这样，大尺寸设备形成一恶性循环。
另一方面，作为前提，RTA方法一件一件处理以使该设备的负荷不急剧增加。然而，由于被处理衬底和其上的已形成物质的特性，对用于加热单元的灯的光的吸收产生了差别。例如，当一金属线路的图形在玻璃衬底上形成时，金属线路被较早加热和玻璃衬底被局部畸变而损坏的现象产生。由于那样，需要诸如调节上升速度的复杂控制。
本发明针对该问题的解决，即，本发明的目标是提供一种通过短时间热处理激活加到半导体的杂质元素并进行吸气过程的方法，以及一种可能进行这样热处理的热处理设备。
与气体管道连接的处理室的数量是可选的。即，本发明的热处理设备的另一构造包括n段(n＞2)的气体加热室和处理室，其中第m(1≤m≤(n-1))处理室的充气口被连接到第m气体加热单元的排气口，第n处理室的充气口被连接到第n气体加热单元的排气口，第n处理室的排气口被连接到热交换器，并且用由加热单元加热的气体作为加热源加热衬底。
通过由已加热气体加热被处理衬底，该衬底被均匀加热，不为在被处理衬底上的已形成物质的材料所影响。这样，不产生局部畸变进行热处理是可能的，并且通过快速加热，获得如玻璃的易损坏衬底的均匀热处理是容易的。
通过提供除处理室之外的预热室和冷却室进行热处理，不需要的能量消耗被减少。即，通过将从气体供应单元供应的冷(大约室温)气体充向冷却室，已完成热处理的衬底被冷却。这样，尽管该气体温度上升，用于加热气体的热能借助于通过热交换器向气体加热单元供应气体而被节省。通过向预热室充入从热交换器排出的高温气体以及加热被冷却(大约室温)衬底，用于在处理室加热的时间被缩短，并且加热气体的温度变化变小。这样，用于气体加热的热能被节省。
一种用于通过热处理设备热处理的方法包括进行热处理的n段(n＞2)的处理室、一预热室和一冷却室，并且用由n段的加热单元加热的气体作为加热源来加热衬底，其中由第m(1≤m≤(n-1))加热单元加热的气体由n段(n＞2)的处理室和气体加热单元供应给第m处理室，供应给第m处理室的气体由第(m+1)加热单元加热并供应给第(m+1)处理室，安排在n段处理室的衬底被加热，供应给第n处理室的气体被供应给热交换器，从气体供应单元供应的气体被作为用于加热的加热源使用，从气体供应单元供应的气体被供应给冷却室，从冷却室排出的气体通过热交换器供应给第一气体加热单元，并且从热交换器排出的气体供应给预热室。
通过提供预备室和冷却室，用于热处理的时间被缩短。通过与一块全部处理多个衬底的批量型处理系统结合，大量衬底可被高效处理。
对于在本发明中应用的气体，可使用用氮气或稀有气体的非活性气体，氢的还原性气体，氧、一氧化二氮(dinitrogen monoxide)或二氧化氮(nitrogen dioxide)的氧化性气体。
使用氮气或稀有气体的非活性气体可应用到热处理中，该热处理针对用于非晶半导体膜的结晶的热处理、用于吸气以及离子注入或离子掺杂(不分离质量的注入离子的方法)之后的再结晶和激活的热处理。
通过使用氢气或用惰性气体稀释的氢作为还原性气体如氢，可进行补偿半导体缺陷(悬挂键)的氢处理。
通过使用氧化性气体如氧气、一氧化二氮(dinitrogenmonoxide)和二氧化氮，氧化膜可在半导体衬底或半导体膜上形成。
附图简述
图1为表示实施应用本发明的热处理的方法的热处理设备的一个模式的剖视图；图2为表示实施应用本发明的热处理的方法的热处理设备的一个模式的剖视图；图3为表示应用本发明的热处理的方法的热处理设备的实例的布置图；图4为描述可应用到本发明的热处理设备中的气体加热单元实例的视图；图5为描述可应用到本发明的热处理设备中的热交换器实例的视图；图6为描述使用用于本发明热处理的方法的结晶过程中的衬底温度变化的曲线图；图7为描述使用用于本发明热处理的方法的吸气过程中的衬底温度变化的曲线图；图8A到8F为描述表示应用本发明的热处理的方法和热处理设备生产半导体膜过程的剖视图；以及图9A到9F为描述表示应用本发明的热处理的方法和热处理设备生产TFT过程的剖视图。
图10A到10C围描述应用本发明的热处理的方法和热处理设备的半导体衬底热处理过程的剖视图。
优选实施例详述用于实现本发明的模式将在以下参考图1描述。图1为表示应用本发明的热处理的方法实施热处理的设备的模式的剖视图。该热处理设备提供多个气体供应单元、多个气体加热单元、多个处理室和热交换器、一预热室和一冷却室。
从气体供应单元107供应的气体被充到冷却室。已完成加热过程的衬底被安排在冷却室中一定时期。被供应气体促成该衬底的降温，由此被供应的气体的温度以大约室温上升。当没有已完成加热过程的衬底时，该气体象现在这样通过该室。
从冷却室排出的气体通过热交换器108，并供应给第一气体加热单元111a或112a。第一气体加热单元111a以预定温度加热该气体。
第二气体加热单元111b的排气口被连接到由气体管道在第一工艺室101a中提供的充气口，并且供应已加热气体。在第一工艺室101a中，提供一衬底支撑单元和将已加热气体吹向该衬底的喷淋盘。然后，被供应气体通过加热衬底从在第一工艺室101a提供的排气口排出。
为了防止在充入已加热气体时来自壁面材料的沾污，所述工艺室使用石英或陶瓷形成。由于当衬底大时用符合衬底尺寸的石英形成工艺室是困难的，在这种情况下该工艺室可应用陶瓷。支撑单元的结构在与衬底的接触面积上做的尽可能小。供应给工艺室101a的气体通过喷淋盘被吹向衬底。在喷淋盘上以预定间距形成小开口，已加热气体被均匀地吹向衬底。通过提供喷淋盘，即使当衬底大时加热也是均匀进行的。
该工艺室这样的构造类似于第二工艺室101b、第三工艺室101c、第四工艺室101d和第五工艺室101e的构造。
从第一工艺室101a排出的气体被用于再次加热衬底，在那之后供应给第二工艺室101b。由于在该过程气体温度下降，通过第二气体加热单元111b进行控制以使为预定温度。在第一工艺室101a提供的排气口和第二加热单元111b的充气口与一气体管道连接，并且第二加热单元111b的排气口和在第二工艺室101b提供的充气口以一气体管道连接。这些气体管道可能被提供一绝热单元，尽管未表示。
类似地，在被用于加热衬底之后，供应给第二工艺室101b的已加热气体通过第三气体加热单元111c供应给第三工艺室101c。在被用于加热衬底之后供应给第三工艺室101c的已加热气体通过第四气体加热单元111d供应给第四工艺室101d。在被用于加热衬底之后供应给第四工艺室101d的已加热体通过第五气体加热单元111e供应给第五工艺室101e。
从第五工艺室101e排出的气体供应给热交换器108并被用于加热从冷却室106供应给第一气体加热单元111a的气体。进一步，在那之后，该气体供应给预热室105并被用于加热设在其中的衬底。
第一到第五工艺室通过图1的热处理室101中的气体加热单元连接。热处理室102、103和104的构造也类似于热处理室101。通过这样的构造，在每一个热处理室中以不同的加热温度来进行热处理是可能的。连接数量是可选的，不受上面的限制。
衬底每一片都被安置在处理室。通过用气体管道串联连接每个处理室并使已加热气体连续流动，所用气体的量和加热所需能量可被节省。
热交换器108被提供用于提前预热从第一气体供应单元107供应给第一气体加热单元111a的气体。该气体可被从每个处理室排出的气体的热量预先加热。
热交换器的一实例在图5中表示。高温气体流经的和如该图中表示的翅片被提供处的管道以及被冷却(通常大约室温)气体流经的和翅片类似地被提供处的管道被安装在该热交换器中。油403作为传热介质被填满于设备的主体400中。所述翅片被提供用于热交换效率的改善，且所述高温气体传递热量至油403并被排出，通过这样的构造造成低温。通过该热量，低温气体通过热交换器时被加热。尽管该热交换器的一简单实例在这里被表示，可应用到本发明热处理设备中的热交换器的构造可采用另一种构造，不局限在图5。
图4表示气体加热单元构造的一实例。在图4中，热吸收体303在让气体通过的圆筒301内部提供。对于该热吸收体303，采用高纯度钛或钨、或由碳化硅(silicon carbide)、石英或硅形成的物质。圆筒301由透明石英形成，且在该圆筒外部提供的光源302的辐射加热热吸收体303。尽管气体接触热吸收体被加热，通过提供在圆筒301外部的光源来防止沾污，并且可保持通过气体的纯度。设备体300的内部可抽空以改进绝热效果。
接下来，使用具有图1所示构造的热处理设备的热处理过程实例将被描述。安排在预热室105的衬底被从热交换器108供应的气体加热至预定温度。加热温度可设定在大约100到450℃。例如，通过加热到450℃，在衬底上形成的非晶硅膜的脱氢过程是可能的。在预热室105加热的衬底被移动至热处理室101的每个处理室101a到101e并在那里被热处理。该衬底由第一到第五气体加热单元111a到111e在预定温度加热。
在完成一定时间的热处理之后，衬底被移动至冷却室106。从气体供应单元107供应并具有大约室温温度的气体被供应到冷却室106，由此该衬底被冷却。因此，被安排在冷却室106的热处理后的衬底可被快速冷却。该气体吸收衬底的热以上升到高于室温的温度。在被热交换器108加热之后，该气体被供应给第一加热单元111a。冷却至预定温度的衬底被收集。
借助于预热室和冷却室，同时进行预热和冷却是可能的，由此可增加每单位时间处理的片。
为了节省所用气体量并改进热效率，使处理室的容积尽可能小是所希望的。处理室内部尺寸由衬底尺寸和放入放出衬底的输送单元的工作范围决定。尽管需要大约10mm的工作范围以使输送单元放入和放出衬底，处理室一侧的尺寸仍由衬底厚度和输送单元的最小工作范围来决定。
尽管用于热处理的方法和应用本发明方法的热处理设备作为前提进行批量工艺，在比较短的时间内升温以通过加热气体直接加热被处理衬底并通过由大约室温的气体冷却高温状态的被处理衬底来降温也是可能的。尽管当使用对热冲击弱的衬底如玻璃时需要注意，但它不同于象相关技术的RTA那样通过灯光进行几微秒到几秒的瞬间加热，由此衬底不被快速加热毁坏。
用于加热或冷却的气体可由热处理的用途来选择。通过稀有气体使用氮气或惰性气体可应用到热处理中，该热处理针对用于非晶半导体膜的结晶的热处理、用于吸气以及在离子注入或离子掺杂(不用分离质量的注入离子的方法)之后的再结晶和激活的热处理。通过使用氢或用惰性气体稀释的氢作为还原性气体如氢，可进行补偿半导体缺陷(悬挂键)的氢处理。通过使用氧化性气体如氧、一氧化二氮(dinitrogen monoxide)和二氧化氮(nitrogen dioxide)，氧化膜可在半导体衬底或半导体膜上形成。
应用上述本发明用于热处理的方法的热处理设备可应用于被处理物质的不同热处理。例如，应用于形成集成电路的半导体衬底的热处理、形成TFT的绝缘衬底的热处理、以及金属衬底的热处理。例如，应用于形成TFT的玻璃衬底的热处理。甚至不仅应用于600×720mm还可应用于1200×1600mm的衬底尺寸，衬底都可均匀加热。进一步，不需要使得支撑衬底的夹具大。
实施例模式[实施例1]图2表示本发明热处理装备的一实施例。在图2中，相应第一处理室201提供第一气热单元207，相应第二处理室202提供第二气热单元208，相应第三处理室203提供第三气热单元209，以及相应第四处理室204提供第四气热单元210。形成第一气体供应单元205、第二气体供应单元206和热交换器211，并且这些管道安排具有与在用于实现的模式中描述的热处理装备类似的构造。
第一气体供应单元205通过未表示的冷却室供应加热气体给热交换器211。从热交换器211排出的气体被供应给未表示的预热室。
被盒子214支撑的衬底215被传送单元213转移到每个处理室，并被设置在支撑单元216上。每个处理室通过开/关门阀来放入和放出衬底。
图3表示提供多个处理室的热处理设备的构造。热处理室501和502、第一气体供应单元506和509、第二气体供应单元507和510以及气体加热单元508和511被提供。热处理室501和502以多个级堆积，且相应该室提供气体加热单元。这样的构造可参考图2。预热室520和冷却室530在热处理室501和502之间纵向安排。盒子505a到505c用于支撑和输送衬底。该衬底被用于由输送单元504经过盒子505a到505c、热处理室501和502、预热室520以及冷却室530移动。
处理室的级数由用于热处理的时间和输送单元的工作速度(即，移动衬底的可能速度)来决定。当节拍时间为大约10分钟时，为热处理室501和502设定三到十级。
尽管图3表示通过大量批量处理系统的热处理设备的构造实例，采取任何其它安排是可能的而不限于在该构造和安排。由于实施例中所示热处理设备为批量处理系统和用已加热气体加热被处理衬底的系统，即使当衬底尺寸大时热处理也是均匀进行的。例如，甚至可应用到一侧长度长于1000mm的衬底的热处理中。
用于热处理的方法和使用本发明方法的热处理设备的特征是没有被处理衬底形状和尺寸的限制。通过片处理即使当被处理衬底大时强接受器也是不需要的，由此尺寸设计可以变小。大型加热单元是不需要的从而节省了功率消耗。使用用于热处理的方法和应用本发明方法的热处理设备对半导体膜晶化和吸气的热处理的实例将使用图8A到8F来描述。
尽管衬底600的材料不被特别限制在图8A中，硼硅酸钡玻璃、硼硅酸铝(alminoborosilicate)玻璃或石英仍令人满意地被用于该材料。10到200nm厚度的无机绝缘膜在衬底600的表面形成用于阻塞层601。适当的阻塞层的实例为一通过等离子体CVD方法产生的氮氧化硅膜(silicon oxide nitride film)，并且使用一物质，该物质形成通过SiH4、NH3和N2O产生的50nm厚度的第一氮氧化硅膜并形成通过SiH4、NH3和N2O产生的100nm厚度的第二氮氧化硅膜。阻塞层601被提供以使包含在玻璃衬底中的碱金属不扩散入在其上层形成的半导体膜，并且在石英衬底的情况下略去是可能的。
对于在阻塞层601上形成具有非晶结构的半导体膜(第一半导体膜)602，使用以硅为其主要成分的半导体材料。典型地，应用非晶硅膜或非晶硅锗膜，并且它由等离子体CVD方法、减压CVD方法或溅射方法形成10到100nm的厚度。为了获得好的晶体，在具有非晶结构的半导体膜602中包含的氧和氮的杂质浓度可被减小到小于5×1018/cm3。这些杂质导致干扰非晶半导体的结晶并且甚至在结晶之后增加俘获中心或复合中心的密度。为此，不仅使用高杂质材料的气体而且使用CVD设备以便在反应室或无油抽空系统中提供镜面过程(电解抛光过程)的超高真空是所希望的。
在那之后，具有促进结晶的催化作用的金属元素被加到具有非晶结构的半导体膜602的表面。具有促进半导体膜结晶的催化作用的金属元素为铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)等，以及使用从它们中选择的一种或多种。典型地，使用镍，包含转换为重量的1到100ppm的镍的醋酸镍溶液被一旋转器施用以形成催化剂成分层603。镍的含量越多，在越短的时间内完成结晶。
在这种情况下，为了适应该溶液，用臭氧成分溶液作为具有非晶结构的半导体膜602的表面处理形成一非常薄的氧化膜，通过用氢氟酸和过氧化氢水的混合液刻蚀该氧化膜形成干净表面，在那之后，通过用该臭氧成分溶液再次处理形成一非常薄的氧化膜。由于半导体膜如硅的表面原来是憎水的，通过象这样形成氧化膜醋酸镍溶液可被均匀施用。
催化剂成分层603可通过溅射方法、淀积方法和等离子体过程形成，而不限制这样的方法。催化成分层603可在形成具有非晶结构的半导体膜602之前形成，即，在阻塞层601上。
用于结晶的热处理在保持接触具有非晶结构的半导体膜602和催化剂成分层603的状态的时候进行。图1所示的热处理设备被用于该热处理。图6为描述该热处理过程的曲线图，并且该热处理过程将在以下参考该曲线图来描述。
氮和氩被用作加热气体。形成非晶半导体膜的衬底600被输送单元从盒子移动至预热室，并被预先加热至预定温度。之后，将该衬底移动至处理室，门阀被关闭。在关闭门阀之后，让已加热氮气流动并用氮气填满反应室，加热该衬底。
增加氮气流量，由气体加热单元供应的氮气被加热至第一温度。该加热温度可由供应给加热元件的电功率或该功率和氮气的供应量来调节。在这里，设定到550±50℃作为第一温度，加热衬底(图6中所示升温1的步骤)。用于升至该温度的必要时间仅为两分钟。
当衬底温度变为第一温度时，该状态被保持三分钟。在这个步骤中，在非晶半导体膜形成晶核(图6所示形成核的步骤)。在那之后，该衬底被加热至用于结晶的第二温度。将用于加热的氮气的温度升高至675±25℃，加热衬底(图6中所示升温2的步骤)。当衬底温度变为第二温度时，保持该温度五分钟，进行结晶(图6中所示结晶的步骤)。当然，继续供应用于加热的氮气。
在预定时间之后，停止用于加热的氮气的供应，并且供应用于冷却的氮气。该气体可以是具有室温的氮气。然后衬底被快速冷却(图6中所示降温的步骤)。该时间为大约三分钟。在冷却衬底至300℃之后，该衬底被输送单元从处理室取出，并被移动至冷却室。在这里，衬底被进一步冷却到小于150℃(图6中所示输送的步骤)。在那之后，通过输送衬底至盒子，完成用于结晶的热处理。
用于将衬底放入热处理设备并在热处理之后将其取出的时间为13分钟。这样，通过使用该热处理设备和用于本发明热处理的方法，用于结晶的热处理可在非常短的时间内进行。
这样，可获得具有图8B中所示晶体结构的半导体膜(第一半导体膜)。
进一步，为了提高结晶度(结晶成分对膜的整个体积的比)并修补晶粒中残留的缺陷，如图8C中所示向具有晶体结构的半导体膜604辐射激光光束也是有效的。小于400nm波长的准分子激光光束、以及YAG激光的第二和第三谐波被用于该激光。对于任何激光，对具有晶体结构的半导体膜604的激光工艺可通过使用大约10到1000Hz频率的脉冲激光光束并由光学系统聚集该激光光束至100到400mJ/cm2、以90到95％的重叠率来进行。
在通过这样的方式获得的具有晶体结构的半导体膜(第一半导体膜)605中，残留着催化元素(这里为镍)。残留浓度大于作为平均浓度的1×1019/cm3，尽管它在膜中不是均匀分布的。自TFT下，尽管不同种类的半导体元素可能以任何形态形成，该元素通过使用以下方法的吸气被去除。
首先，如图8D中所示，薄阻挡层606在具有晶体结构的半导体膜605的表面形成。尽管该阻挡层的厚度不特别限制，通过简单地用臭氧水处理形成的化学氧化物可取代该阻挡层。通过用混合硫磺酸、盐酸、和硝酸以及过氧化氢的水溶液处理，该化学氧化物可类似地形成。作为另一种方法，可进行氧化物气氛下的等离子体工艺和通过在氧气成分气氛下紫外线照射生成臭氧的氧化物工艺。使用洁净炉在大约200到350℃加热形成薄氧化膜以形成阻挡。大约1到5nm的氧化膜可通过等离子体CVD方法、溅射方法、和淀积方法淀积以形成阻挡层。
在该阻挡层上，通过等离子体CVD方法或溅射方法形成25到250nm厚度的半导体膜(第二半导体膜)607。典型地，选择非晶硅膜。由于半导体膜607后来被去除，形成低密度膜是所希望的，因为对具有晶体结构的半导体膜605刻蚀的选择比被提高。例如，在通过等离子体CVD方法形成非晶硅膜时，衬底温度被设定到100到200℃，并且25到40的原子百分比的氢被包含在该膜中。在采用溅射方法时是类似的，衬底温度被设定在小于200℃，并且通过用氩和氢的混合气体溅射，大量的氢被包含在膜中。同时，通过在用溅射方法或等离子体CVD方法形成膜时加入稀有气体元素，惰性气体元素可被吸收到膜中。通过也以这样的方式被吸收的稀有气体元素，可形成吸气位。
之后，通过离子掺杂方法或离子注入方法稀有气体元素被加到半导体膜607以便包含1×1020到2.5×1022/cm3的密度。尽管加速电压是可选的，由于稀有气体元素而被注入的稀有气体元素离子通过半导体膜607和阻挡层606，并且部分离子可到达具有晶体结构的半导体膜605。由于稀有气体元素在半导体膜中自身是非活性的，该气体不很影响元素特性，即使在接近半导体膜605表面、包含约1×1013到1×1020/cm3的密度的区域。稀有气体元素可在形成半导体膜607的步骤加入。
对于稀有气体元素，使用从氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)和氙(Xe)中选择的一个种或多个种。在本发明中稀有气体元素被用作离子源以形成吸气位，并且该气体通过离子掺杂方法或离子注入方法被注入到半导体膜。注入这些稀有气体元素的离子有两个意思。一是通过使用注入形成悬挂键来给予半导体畸变，而另一个是通过在半导体晶格之间注入离子来给予畸变。尽管非活性气体的离子注入同时满足两者，特别是，后一个可被明确获得，当原子半径大于硅的元素如氩(Ar)、氪(Kr)和氙(Xe)时。
为了确实实现吸气，在那之后进行热处理是有必要的。图7为描述该热处理过程的曲线图，并且该热处理过程将参考该曲线图描述。对于该热处理，本发明的热处理设备被类似使用。为了高效处理许多衬底，使用象图5那样构造的设备是所希望的。氮气和氩气被用于加热气体。
形成图8D构造的衬底600由输送单元从盒子设置在反应管中，并且在那之后，门阀被关闭。在该时间过程中，考虑到氮气在反应管中继续从气体供应单元供应并且使得空气的混合最小。在关闭门阀之后，氮气流量被增加以在反应管中用氮气作为替代物进行填充。
然后，增加氮气流量，由气体供应单元供应的氮气被加热至第三温度。该加热温度可由供应给加热元件的电功率或该功率和氮气的供应量来调节。在这里，设定到675±25℃作为第三温度，衬底被加热(图7中所示升温的步骤)。用于升至该温度的必要时间为两分钟。
当衬底温度变为第三温度时，该状态被保持三分钟。这样，形成吸气(图7中所示吸气的步骤)。在吸气中，在得到区域(得到位)的催化元素通过热能被排出并通过扩散移动至吸气位。因此，吸气依赖工艺温度，并且对较短的时间，吸气以较高的温度推进。催化元素移动的方向为大约半导体膜厚度的距离，如图8E中以箭头所示，并且吸气在比较短的时间内彻底完成。
在预定时间之后，停止用于加热的氮气的供应，并且供应用于冷却的氮气。该气体可以是具有室温的氮气。然后衬底被快速冷却(图7中所示降温的步骤)。该时间为大约三分钟。在冷却衬底至300℃之后，该衬底被输送单元从处理室取出，并被移动至缓冲盒子。在这里，衬底被进一步冷却到小于150℃(图7中所示输送的步骤)。在那之后，通过将衬底输送至盒子，完成用于吸气的热处理。
从将衬底放入热处理设备到在热处理之后将其取出的时间为9分钟。这样，通过使用该热处理设备和用于本发明热处理的方法，用于吸气的热处理可在非常短的时间内进行。
即使在热处理中，以大于1×1020/cm3的密度包含稀有气体元素的半导体膜607不结晶。这考虑为即使在以上所提处理温度的范围内，稀有气体元素也残留在膜中不被再排出，并且阻塞半导体膜的结晶。
在那之后，通过有选择地刻蚀来去除非晶半导体607。使用通过ClF3的干刻蚀而不使用等离子体，或包含20到30％、理想地25％的密度的联氨或氢氧化四乙基铵(tetraethyl-ammonium-hydro-oxide)(化学式(C2H5)4NOH)的水溶液作为刻蚀方法，通过加热至50℃，该半导体可被容易地去除。在这时，阻挡层606起到刻蚀阻止层的功能，并且保持几乎没有被刻蚀。之后阻挡层606可用盐酸去除。
这样，如图8F中所示可获得催化元素密度被减小到小于1×1017/cm3的具有晶体结构的半导体膜608。通过这样的方式形成的具有晶体结构的半导体膜608，通过催化元素效应形成为一细棒或细平棒型晶体，并且每个晶体宏观地向一特殊方向生长。具有这样晶体结构的半导体膜608不仅应用于TFT的活性层而且用于光传感器和太阳电池的光电输送层。一种使用通过实施例2产生的半导体膜生产TFT的方法将参考图9来描述。在本实施例中描述的产生TFT的过程中，使用用于热处理的方法和本发明的热处理设备。
首先，在图9A中，被分离成岛形的半导体膜702和703通过在实施例2中产生的半导体膜在由硼硅酸铝(alumino-borosilicate)玻璃或硼硅酸钡(barium-borosilicate)玻璃制成的透明衬底700上形成。与从氮化硅、氧化硅和氧氮化硅(silicon nitride oxide)中选择的一个或多个种类结合的50到200nm厚度的第一绝缘膜在衬底700和半导体膜之间形成。
之后，80nm厚度的第二绝缘膜704如图9B中所示形成。第二绝缘膜704被用作栅绝缘膜，并使用等离子体CVD方法或溅射方法形成。通过加O2至SiH4和N2O产生的氮氧化硅膜有可能减小在用于第二绝缘膜704的膜中电荷的固定密度，对于栅绝缘膜是所希望的。绝缘膜如氧化硅膜和氧化钽膜可被作为单层或叠层结构用于栅绝缘膜，不限于这种氮氧化硅膜。
用于在第二绝缘膜上形成栅电极的第一传导膜被形成。尽管没有第一传导膜种类的限制，传导材料如铝、钽、钛、钨和钼或它们的合金仍被应用。对于使用这样材料的栅电极的结构，采用氮化钽或氮化钛和钨或钼钨合金的叠层结构，以及钨和铝或铜的叠层结构。在使用铝时，使用加以0.1-7wt％的钛、钪、钕、硅和铜的物质以为了提高耐热性。300nm厚度的第一传导膜被形成。
之后，形成一抗蚀图形，栅电极705和706被形成。同时到栅电极的线路连接形成，尽管未表示。
掩盖该栅电极，如图9C所示n型半导体域以自匹配形成。通过离子注入方法或离子掺杂方法(在这里，注入离子的方法不分离质量)，磷被作为掺杂注入。
接下来，如图9D所示，形成覆盖半导体膜703之一的掩膜709，并且p型半导体域710在半导体膜702上形成。硼被用于加入杂质，并且被添加1.5到3倍的磷的密度以便转化n型。该域的磷密度被设定在1.5×1020到3×1021/cm3的范围内。
之后，如图9E中所示，由氮氧化硅膜或氮化硅膜制成的50nm厚度的第三绝缘膜711通过等离子体CVD方法形成。
然后，进行n型和p型半导体域结晶的恢复和用于激活的热处理。该热处理类似实施例2的图7进行。适用于激活的第四温度被设定在450±50℃，并且可进行1到10分钟的热处理。
氮气和氩气被用于加热气体。进行3分钟的热处理加热气体至500℃的温度用于激活。该气体可以是用氢加入的气体的还原性气氛。同时可通过被加入的氢进行氢化。
衬底被输送单元从盒子移动至预热室，并被预先加热至预定温度。在那之后，将该衬底移动至处理室，门阀被关闭。在关闭门阀之后，让已加热氮气流动并用氮气填满反应室，加热该衬底。从将衬底放入处理室到热处理之后将其取出的时间为大约8到9分钟，假定2分钟用于升温且3分钟用于冷却。这样，通过使用本发明的热处理设备和用于热处理的方法，用于激活的热处理可在非常短的时间内完成。
当在玻璃衬底上形成栅电极的状态下进行用RTA方法的热处理时，因为栅电极有选择地吸收灯光的辐射并且衬底被加热，该玻璃衬底有可能被毁坏。依照本发明的热处理由于通过气体的加热而不被影响。
图9F中表示的第四绝缘膜712由氧化硅膜和氮氧化硅形成。该绝缘膜可由有机绝缘材料如聚酰亚胺或丙烯形成，并且其表面可被平整化。
接下来，形成一从第四绝缘膜712到达每个半导体膜杂质域的接触孔，并使用Al、Ti和Ta形成线路。在图9F中，符号713和714起到源线路或漏电极的功能。这样，形成n沟道型TFT和p沟道型TFT。尽管每个TFT被表示为一简单物，但CMOS电路、NMOS电路和PMOS电路使用这些TFT形成。通过将用于加热的惰性气体与选自氧气、一氧化氮和二氧化氮的气体混合，以及在本发明的热处理方法和应用该热处理方法的热处理设备中将此用为氧化性气体，在半导体表面上形成氧化膜是可能的。
图10A到10C表示这样的实例，并且1到30％之间的氧与氮混合用作加热气体。通过在700到850℃的温度进行热处理，用于元素分离的场氧化膜和栅绝缘膜可在单晶硅衬底上形成。
在图10A中，n-井802和p-井803在具有相对高电阻(例如，n-型，约为10Ωcm)的由单晶硅制成的衬底801中形成。接下来，使用本发明的热处理方法并使用氧和氮的混合气体作为加热气体，形成场氧化膜805。通过在这点的硼的选择性离子注入，硼(B)可被引入到半导体衬底中以形成沟道阻止层。热处理温度被设定为从700到850℃。
然后类似地进行变为栅绝缘膜的氧化硅膜806的形成。具有由图1所示结构的设备可被用作在形成场氧化膜805和氧化硅膜806中使用的设备。
接下来，如由图10B所示，使用CVD，用于栅的多晶硅膜形成具有100到300nm的厚度。用于栅的多晶硅膜可预先用具有1021/cm3数量级浓度的磷(P)掺杂以为了降低其电阻，并且在形成该多晶硅膜之后，亦可扩散强n-型杂质。在这种多晶硅膜上形成具有50到300nm的厚度的硅化膜，以为了另外降低该电阻。有可能应用材料如硅化钼(MoSix)、硅化钨(WSix)、硅化钽(TaSix)和硅化钛(TiSix)作为硅化物材料，并且该膜可依照已知方法形成。然后刻蚀该多晶硅膜和硅化物膜，形成栅807和808。栅807和808具有两层结构，分别来自多晶硅膜807a和808a，以及硅化物膜807b和808b。
然后通过离子注入如图10C中所示形成n-沟道MOS晶体管的源和漏区820以及p-沟道MOS晶体管的源和漏区824。本发明的热处理方法和热处理设备当然可被使用以便于进行这些源和漏区的再结晶和激活。热处理温度被设定为从700到850℃，最好变为850℃，并且热处理通过热处理装置并使用被用于加热的气体来进行。通过这种热处理过程，杂质可被激活，并且源和漏区可成为较低电阻。
这样可完成n-沟道MOS晶体管831和p-沟道MOS晶体管830。在实施例模式中解释的晶体管的结构仅仅是一个实例，并且没有必要加限制于图10A到10C中所示的制造过程和结构上。使用这些晶体管可形成CMOS电路、NMOS电路和PMOS电路。进一步，通过使用该晶体管有可能形成不同类型的电路，如移位寄存器、缓冲器、取样电路、D/A转换器和锁存器，并且可制造半导体设备如存储器、CPU、门阵列和RISC处理器。由于MOS结构，对于这些电路高速运算是可能的，并且进一步，通过使用从3到5V的驱动器电压，可使得它们具有较低电功率消耗。
如以上所述，依照本发明，对于片处理即使当被处理衬底大时强接受器也是不需要的，尺寸设计可以变小，没有被处理衬底形状和尺寸的限制。由于本发明用于热处理的方法和应用该方法的热处理设备为批量工艺系统和用已加热气体加热被处理衬底的系统，即使当衬底尺寸大时热处理也是均匀进行的，并且即使对于一侧长度长于1000nm的衬底的热处理也是可用的。通过提供预热室和冷却室，有可能同时进行预热和冷却，由此每单位时间的处理片数增加。
用于本发明的方法可应用于形成集成电路的半导体衬底的热处理、形成TFT的绝缘衬底的热处理和金属衬底的热处理。例如，应用于形成TFT的大尺寸母玻璃衬底的热处理。不需要使得支撑衬底的夹具大。进一步，在短时间内进行非晶半导体膜的结晶、吸气、杂质的激活、半导体表面的氢化和氧化。可在半导体元件的制造过程中采取这样的过程。
权利要求
1.一种用于加热衬底的热处理设备，使用被气体加热单元加热的气体作为加热源，包括用于进行热处理的n段(n＞2)处理室，每个都具有气体加热单元；预热室；和冷却室，其中气体供应单元被连接到冷却室的充气口，冷却室的排气口通过热交换器被连接到第一气体加热单元，第m(1≤m≤(n-1))处理室的充气口被连接到第m气体加热单元的排气口，第n处理室的充气口被连接到第n气体加热单元的排气口，第n处理室的排气口被连接到热交换器，并且热交换器的排气口被连接到预热室的充气口。
2.依照权利要求1的热处理设备，其中所述气体为氮气或稀有气体。
3.依照权利要求1的热处理设备，其中所述气体为还原性气体。
4.依照权利要求1的热处理设备，其中所述气体为氧化性气体。
5.依照权利要求1的热处理设备，其中所述处理室由石英或陶瓷形成。
6.一种用于热处理的方法，包括步骤通过使用被加热单元加热的气体作为加热源加热衬底，其中所述热处理通过使用热处理设备来进行，所述热处理设备包括n段的(n＞2)处理室，每个处理室都具有加热单元、预热室和冷却室，由第m(1≤m≤(n-1))加热单元加热的气体由n段(n＞2)的处理室和气体加热单元供应给第m处理室，供应给第m处理室的气体由第(m+1)加热单元加热并供应给第(m+1)处理室，安排在n段处理室的衬底被加热，供应给第n处理室的气体被供应给热交换器，从气体供应单元供应的气体被作为用于加热的加热源，从气体供应单元供应的气体被供应给冷却室，从冷却室排出的气体通过热交换器供应给第一气体加热单元，并且从热交换器排出的气体供应给预热室。
7.依照权利要求6的用于热处理的方法，其中氮气或稀有气体被用于所述气体。
8.依照权利要求6的用于热处理的方法，其中还原性气体被用于所述气体。
9.依照权利要求6的用于热处理的方法，其中氧化性气体被用于所述气体。
10.一种热处理设备，包括用于进行热处理的n段(n＞2)的处理室；预热室；和冷却室，其中气体供应单元被连接到冷却室的充气口，冷却室的排气口通过热交换器被连接到第一气体加热单元，第m(1≤m≤(n-1))处理室的充气口被连接到第m气体加热单元的排气口，第n处理室的充气口被连接到第n气体加热单元的排气口，第n处理室的排气口被连接到热交换器，并且热交换器的排气口被连接到预热室的充气口。
11.依照权利要求10的热处理设备，其中氮气或稀有气体被用于所述气体。
12.依照权利要求10的热处理设备，其中还原性气体被用于所述气体。
13.依照权利要求10的热处理设备，其中氧化性气体被用于所述气体。
14.依照权利要求10的热处理设备，其中所述处理室由石英或陶瓷形成。
15.一种热处理设备，包括n段(n＞2)的处理室；和n段(n＞2)的气体加热单元，其中第m(1≤m≤(n-1))处理室的充气口被连接到第m气体加热单元的排气口，第n处理室的充气口被连接到第n气体加热单元的排气口，并且第n处理室的排气口被连接到热交换器。
16.依照权利要求15的热处理设备，其中氮气或稀有气体被用于所述气体。
17.依照权利要求15的热处理设备，其中还原性气体被用于所述气体。
18.依照权利要求15的热处理设备，其中氧化性气体被用于所述气体。
19.依照权利要求15的热处理设备，其中所述处理室由石英或陶瓷形成。
20.一种用于热处理的方法，包括步骤引入n个衬底(n＞2)到n段的处理室中；以及通过作为加热源的n段气体加热单元加热该n个衬底，其中第m(1≤m≤(n-1))处理室的充气口被连接到第m气体加热单元的排气口，第n处理室的充气口被连接到第n气体加热单元的排气口，第n处理室的排气口被连接到热交换器，
21.依照权利要求20的用于热处理的方法，其中氮气或稀有气体被用于所述气体。
22.依照权利要求20的用于热处理的方法，其中还原性气体被用于所述气体。
23.依照权利要求20的用于热处理的方法，其中氧化性气体被用于所述气体。
全文摘要
本发明提供一种用于在短时间内激活加到半导体的杂质元素并进行吸气过程的方法,以及一种使得这样的热处理能够进行的热处理设备。该热处理设备包括进行热处理的n段(n>2)的处理室、预热室和冷却室,并使用被n段加热单元加热的气体作为加热源来加热衬底。
文档编号F28F1/26GK1389898SQ0212162
公开日2003年1月8日 申请日期2002年5月31日 优先权日2001年6月1日
发明者山崎舜平 申请人:株式会社半导体能源研究所