氧化退火处理装置和使用氧化退火处理的薄膜晶体管的制造方法

摘要

在氧化退火处理装置(1)的密闭容器状的装置主体(3)的内部配置有远红外线面状加热器(6)，连接对装置主体(3)内供给包含水蒸气和氧气的氧补充气体的氧补充气体供给管(8)和将装置主体(3)内的气体排出的排气管(11)，使氧补充气体供给管(8)与对基板(50)的氧缺陷部位喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体的喷嘴喷射口(16)连通。由此，即使是大型基板也能够在防止产生漏泄电流的同时以高吞吐量和低成本进行氧化退火处理。

说明书

技术领域

本发明涉及氧化退火处理装置和使用氧化退火处理的薄膜晶体管的制造方法。

背景技术

在有源矩阵基板中，在作为图像的最小单位的每个像素中，作为开关元件设置有例如薄膜晶体管(Thin Film Transistor，以下也称为“TFT”)。

一般的底栅型TFT例如具有：设置在绝缘基板上的栅极电极；以覆盖栅极电极的方式设置的栅极绝缘膜；以在栅极绝缘膜上与栅极电极重叠的方式设置成岛状的半导体层；和在半导体层上以互相相对的方式设置的源极电极和漏极电极。

另外，近年来在有源矩阵基板中，作为图像的最小单位的各像素的开关元件，代替使用非晶硅的半导体层的现有的薄膜晶体管，提出了使用由具有高迁移率的IGZO(In-Ga-Zn-O)类的氧化物半导体膜形成的氧化物半导体的半导体层(以下称为“氧化物半导体层”)的TFT。

在使用氧化物半导体的薄膜晶体管中，难以稳定地得到高的薄膜晶体管的特性，需要通过氧化退火处理来控制氧缺陷量和降低缺陷能级。

于是，现有技术中，例如专利文献1所述，已知在扩散炉内，从投入基板至热处理工序(升温、稳定、降温)，在气氛气体(氮气、氧气、水蒸气)中进行热氧化退火处理。

另外，如专利文献2所述，已知多段型玻璃基板烧制炉，其在由隔热材料构成的炉体的内周存在空隙地竖立设置夹着面状加热器的红外线辐射板，在红外线辐射板的一侧设置有气体供给孔，在红外线辐射板的另一侧设置有排气孔，且在左右的两个红外线辐射板之间隔开所需间隔水平地分段(分层)设置有同样地夹着面状加热器的多块红外线辐射板，在各水平红外线辐射板之间的空间中由支承杆支承玻璃基板。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-128837号公报

专利文献2：实用新型登记第3066387号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

但是，在专利文献1所述的分批式横型扩散炉中，伴随基板的大型化装置主体的容量变大，升温和降温耗费时间。另外，由于要过冲，所以稳定化耗费时间。另外，由于炉内为高温，所以不能使用金属部件，必须由石英部件构成炉。由于大型的石英部件的加工非常困难，所以存在不能应对大型基板的问题。另外，关于基板块数，由于是分批处理，所以作为单位时间的处理能力的吞吐量无法上升。

另外，在专利文献2的多段型玻璃基板烧制炉中，无法确保气密性，产生面内分布，难以使水蒸气分散到炉内。另外，当作为红外线加热器的光性部件的云母加热器与大量水分接触时，存在产生漏泄电流的问题。

另外，在IGZO中，在AC溅射成膜中的靶接缝由于产生TFT特性偏差，所以需要不是基板整体地改善特性而是局部地改善特性。

本发明鉴于上述问题，目的在于即使是大型基板也能够在防止产生漏泄电流的同时以高吞吐量和低成本进行氧化退火处理。

解决技术问题的技术方案

为了达成上述目的，在本发明中，将包含水蒸气和氧气的氧补充气体仅供给到缺氧部位(氧缺陷部位)。

另外，反之将抑制氧化的氮气喷射到缺氧部位以外的部位，换言之喷射到氧过剩部位。

具体而言，第一发明包括：

密闭容器状的装置主体；

配置在上述装置主体的内部的远红外线面状加热器；

向上述装置主体内供给包含水蒸气和氧气的氧补充气体的氧补充气体供给管；

将上述装置主体内的气体排出的排气管；和

喷嘴喷射口，其与上述氧补充气体供给管通，对基板的氧缺陷部位喷射上述包含水蒸气氧气的氧补充气体。

根据上述结构，在装置主体内利用远红外线面状加热器高效地对大型基板进行加热。另外，从喷嘴喷射口仅对基板氧缺陷部位喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体，所在不会充满比必要的量多的水蒸气，能够抑制远红外线面状加热器产生漏泄电流(破坏绝缘)。另外，喷射包含水蒸气的氧气并加热，所以氧化效率提高，不需要将装置主体内保持在450℃左右的高温，能够由金属构成装置主体。而且，只要仅对氧缺陷部位喷射氧补充气体即可而不需要整体均匀地充满氧补充气体，所以不需要高的气密性，所以即使是大型的基板也能够进行蒸气氧化退火处理。

另外，第二发明为：在第一发明中，

还包括使上述装置主体的内部空间充满氮气的氮气供给管，

在使上述装置主体充满上述氮气的状态下，从上述喷嘴喷射口喷射上述氧补充气体。

根据上述结构，从喷嘴喷射口仅对基板的氧缺陷部位喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体来促进氧化，但是装置主体内充满氮气，所以在不需要氧的部位抑制氧化，并且不会充满比必要的量多的水蒸气，能够抑制远红外线面状加热器产生漏泄电流(破坏绝缘)。

第三发明为：在第一发明或第二发明中，

上述基板为薄膜晶体管，

上述氧缺陷部位为AC溅射处理中产生的靶的接缝。

根据上述结构，即使在AC溅射成膜中的靶接缝产生TFT特性偏差，由于向该部分喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体，所以能够局部地改善特性。

第四发明为：在第三发明中，

上述喷嘴喷射口根据上述靶的接缝的数量配置。

根据上述结构，只要与需要氧化的靶接缝匹配地配置喷嘴喷射口即可，所以能够简化装置。

另外，第五发明包括：

密闭容器状的装置主体；

配置在上述装置主体的内部的远红外线面状加热器；

向上述装置主体内供给氮气的氮气供给管；

将上述装置主体内的气体排出的排气管；和

喷嘴喷射口，其与上述氮气供给管连通，对基板的氧过剩部位喷射氮气。

根据上述结构，在装置主体内利用远红外线面状加热器高效地对大型基板进行加热。在该发明中，相反地从喷嘴喷射口仅向基板的氧过剩部位喷射抑制氧化的氮气，能够使基板整体的氧化均匀。在该方法中，由于在装置主体内没有充满水蒸气，所以能够抑制远红外线面状加热器产生漏泄电流(破坏绝缘)。另外，只要仅对氧过剩部位喷射氮气而不需要整体均匀地充满氮气，所以不需要高的气密性，所以即使是大型的基板也能够进行蒸气氧化退火处理。

第六发明为：在第五发明中，

上述基板为薄膜晶体管，

上述氧过剩部位为AC溅射处理中产生的靶的接缝以外的部位。

根据上述结构，即使在AC溅射成膜中的靶接缝产生TFT特性偏差，由于对此外的部分喷射氮气来抑制氧化，所以能够整体地改善特性的偏差。

第七发明为：在第一发明～第六发明中任一个发明中，

上述远红外线面状加热器包括云母加热器和红外线辐射平板。

根据上述结构，如果是云母，则即使是能够对应大型基板大小也容易成型，响应快。

在第八发明中，一边用远红外线面状加热器对装置主体内的基板进行加热，一边对上述基板的氧缺陷部位局部地喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体。

根据上述结构，在装置主体内利用远红外线面状加热器高效地对大型基板进行加热。另外，从喷嘴喷射口仅对基板氧缺陷部位喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体，所以不会充满比必要的量多的水蒸气，能够抑制远红外线面状加热器产生漏泄电流(破坏绝缘)。另外，喷射包含水蒸气的氧气并加热，所以氧化效率提高，不需要将装置主体内保持在450℃左右的高温，能够由金属构成装置主体。而且，只要仅对氧缺陷部位喷射氧补充气体即可而不需要整体均匀地充满氧补充气体，所以不需要高的气密性，所以即使是大型的基板也能够进行蒸气氧化退火处理。

在第九发明中，一边在装置主体内充满氮气的状态下，用远红外线面状加热器对基板进行加热，一边对上述基板的氧缺陷部位局地喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体。

根据上述结构，在装置主体内利用远红外线面状加热器高效地对大型基板进行加热。另外，从喷嘴喷射口仅对基板的氧缺陷部位喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体来促进氧化，但是在装置主体内充满氮气，所以在不需要氧的部位抑制氧化，并且不会充满比必要的量多的水蒸气，能够抑制远红外线面状加热器产生漏泄电流(破坏绝缘)。另外，喷射包含水蒸气的氧气并加热，所以氧化效率提高，不需要将装置主体内保持在450℃左右的高温，能够由金属构成装置主体。而且，只要仅对氧缺陷部位喷射氧补充气体即可而不需要整体均匀地充满氧补充气体，所以不需要高的气密性，所以即使是大型的基板也能够进行蒸气氧化退火处理。

第十发明为：在第八发明或第九发明中，

包括AC溅射处理，在上述退火处理之前，按照并列设置的多对靶中的每对成对的靶改变极性地施加交流电压，

上述氧缺陷部位为在上述AC溅射处理中产生的靶的接缝。

根据上述结构，即使在退火处理之前的工序中，在AC溅射成膜中的靶接缝产生TFT特性偏差，由于对该部分喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体，所以能够局部地改善特性。

另外，在第十一发明中，一边在装置主体内用远红外线面状加热器对基板进行加热，一边对上述基板的氧过剩部位局部地喷射氮气。

根据上述结构，在装置主体内用远红外线面状加热器高效地对大型基板进行加热。在该发明中，相反地从喷嘴喷射口仅向基板的氧过剩部位喷射抑制氧化的氮气，能够实现基板整体氧化均匀。在该方法中，装置主体内没有充满水蒸气，能够抑制远红外线面状加热器产生漏泄电流(破坏绝缘)。另外，只要仅对氧过剩部位喷射氮气而不需要整体均匀地充满氮气，所以不需要高的气密性，所以即使是大型的基板也能够进行蒸气氧化退火处理。

第十二发明为：在第十一发明中，

包括AC溅射处理，在上述退火处理之前，按照并列设置的多对靶中的每对成对的靶改变极性地施加交流电压，

上述氧过剩部位为在上述AC溅射处理中产生的靶的接缝以外的部分。

根据上述结构，即使在AC溅射成膜中的靶接缝产生TFT特性偏差，由于对此外的部分喷射氮气来抑制氧化，所以能够整体地改善特性的偏差。

发明效果

如以上说明的那样，根据本发明，用远红外线面状加热器对基板进行加热，并且对基板的氧缺陷部位局部地喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体，由此，即使是大型基板也能够在防止产生漏泄电流的同时以高吞吐量和低成本进行氧化退火处理。

同样地，根据本发明，用远红外线面状加热器对基板进行加热，并且对基板的氧过剩部位局部地喷射氮气，由此，即使是大型基板也能够在防止产生漏泄电流的同时以高吞吐量和低成本进行氧化退火处理。

附图说明

图1是从正面看实施方式的氧化退火处理装置的剖视图。

图2是从上方看实施方式的氧化退火处理装置的剖视图。

图3是表示起泡系统(bubbler system)的概要的正面图。

图4是表示使用氧化退火处理的薄膜晶体管的制造方法的流程图。

图5表示AC溅射装置的概略，(a)是俯视图，(b)是Vb-Vb线剖视图。

图6是表示AC溅射处理后的特性的图。

图7是表示基板上的各区域的配置的俯视图。

图8是表示各区域的阈值电压的分布的图。

图9是将各区域的靶接缝与接缝以外的阈值电压的平均值和各区域的平均值进行比较的表。

图10是实施方式的变形例1的与图2相当的图。

图11是实施方式的变形例2的与图2相当的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

图1和图2表示本发明的实施方式的氧化退火处理装置1，该氧化退火处理装置1具有密闭容器状的被隔热材料2覆盖的装置主体3。该装置主体3例如为长方体状，例如被划分为上下四个腔室5。远红外线面状加热器6配置在装置主体3的上表面、下表面和分隔位置3个部位，上下合计5层，在装置主体3的前后左右的侧壁也配置。即，各腔室5分别被远红外线面状加热器6包围。另外，在装置主体3内设置多少个腔室5并不特别限定，可以是1～3个，也可以是5个以上。

在装置主体3连接有氧补充气体供给管8，该氧补充气体供给管8供给包含水蒸气和氧气的氧补充气体，该氧补充气体供给管8的前端分支延伸至各腔室5。在各腔室5内配置有基板支承销10，能够与远红外线面状加热器6隔开间隔地支承进行退火处理的基板50。详情未图示，远红外线面状加热器6包括云母加热器和从两侧夹着该云母加热器的红外线辐射平板。如果是云母，则即使是能够对应大型基板的大小也容易地成型，具有响应快的优点。

另外，在装置主体3还连接有将装置主体3内的气体排出的排气管11，各排气管11与各腔室5连通，将各腔室5内的气体排出。

如图3所示，延伸至各腔室5的氧补充气体供给管8，与起泡系统12连接。该起泡系统12具有用于内置被加热到90℃程度的加热器13的热水罐14，从未图示的氧气瓶等向延伸至该热水罐14内部的氧气供给管15供给氧气。而且，被供给到加热后的热水14a内的氧气与水蒸气一起充满热水罐14上方，包含水蒸气的湿润氧气被供给至氧补充气体供给管8。

另一方面，如图1所示，在延伸至各腔室5的氧补充气体供给管8设置有喷嘴喷射口16。如图2所示，该喷嘴喷射口16将包含水蒸气和氧气的氧补充气体集中起来局部地向由基板支承销10支承的基板50的氧缺陷部位、即靶接缝51(参照图5)喷射。

-基板制造工序-

接着，用图4对液晶面板的制造工序进行说明，该液晶面板的制造工序包含使用本实施方式的氧化退火处理的薄膜晶体管的制造方法。

首先，在步骤S01中，在有源矩阵基板50上形成扫描配线。例如，分别在第一层沉积钛层，在第二层沉积铝层，在第三层沉积钛层后，通过光刻、湿式蚀刻和抗蚀剂剥离洗净对其进行图案形成，由此形成包括三层膜的扫描配线。

接着，在步骤S02中形成绝缘膜。例如，通过CVD法形成SiO₂层作为绝缘膜，形成In-Ga-Zn-O(IGZO)层作为沟道层。

接着，在步骤S03中形成氧化物半导体层。例如，通过光刻、湿式蚀刻和抗蚀剂剥离洗净对氧化物半导体层进行图案形成。

接着，在步骤S04中，形成信号配线和漏极电极。例如，通过AC溅射法沉积下层钛膜和上层铝膜后，通过光刻、干式蚀刻和抗蚀剂剥离洗净对其进行图案形成，由此形成包括铝/钛膜的信号配线和漏极电极。在此，对AC溅射装置60进行简单说明。如图5所示，在AC溅射处理中，按照并排配置的靶61中的每对成对的靶61改变极性地施加交流电压62，使飞出的靶61的原子在相对放置的基板50上沉积形成金属的膜。伴随基板50的大型化不得不将靶61分割，如图5(a)中剖面线所示，在基板50上形成靶接缝51。靶接缝51上的膜与其它靶61的正上方的膜的膜质不同，如图6所示的漏极电流Id与施加电压Vg的函数产生大幅差异那样，特性差导致品质劣化。

接着，在步骤S05中形成保护膜。例如，通过CVD法在基板50上沉积SiO₂膜。

接着，在步骤S06中，进行本发明的退火处理。具体而言，将装置主体3保持在350℃，从起泡系统12将湿润氧气例如以每分钟250升的固定量经氧补充气体供给管8供给到各腔室5内。供给到各腔室5内的湿润氧气，从喷嘴喷射口16向基板50的靶接缝51喷射。加热时间例如为1小时。由AC溅射成膜形成的靶接缝51，虽然特性产生偏差且缺氧，但是在喷射湿润氧气的状态下进行加热，所以氧化得到促进，特性的偏差消失从而均匀化。各腔室5内的气体被从排气管11排出，所以腔室5内的压力不比大气压高多少。另外，由于在350℃左右进行氧化，所以不需要使用尽管耐热性高但是难以进行大型部件的加工的石英，能够用金属构成装置主体3。另外，由于没有在腔室5内充满比必要的量多的湿润氧气，所以远红外线面状加热器6中不会产生漏泄电流。

接着，在步骤S07中形成层间绝缘膜。例如，将感光性层间绝缘膜材料通过光刻进行图案形成之后，通过干式蚀刻对保护膜和绝缘膜进行图案形成。

接着，在步骤S08中形成像素电极。例如，通过溅射法沉积ITO膜后，通过光刻、湿式蚀刻、抗蚀剂剥离洗净对其进行图案形成，由此形成包括ITO膜的像素电极。

最后，在步骤S09中，与由其它工序制造的彩色滤光片基板贴合而面板化。例如，在由各工序制作的有源矩阵基板50和对置基板上，通过印刷法形成聚酰亚胺作为取向膜。接着，将这些基板进行密封剂印刷和液晶滴下之后贴合。最后通过切割(dicing)将贴合后的基板来切断。

-利用湿润氧气进行的退火处理与利用大气进行退火处理的比较-

接着，对利用湿润氧气进行的退火处理与利用大气进行退火处理的比较结果进行简单说明。

首先，在步骤S04中准备两块AC溅射处理后的基板50，用以下条件进行退火处理。

(实施例)在氧化退火处理装置1中，在350℃以每分钟250升供给湿润氧气并且从喷嘴喷射口16喷出，加热1小时。

(比较例)用与氧化退火处理装置1同样的装置将350℃的干燥后的大气供给到腔室5内加热1小时。

将在上述退火处理后的2块基板50中阈值电压Vth在靶接缝51与接缝以外有何种程度差，在图7所示的A～C的各区域比较后的结果用图8和图9表示。

具体而言，图8表示实施例和比较例的各区域的阈值电压的分布。图9示出各区域的靶接缝51的阈值电压的平均值和接缝以外的阈值电压的平均值，也示出了各区域的平均值。

根据该实验数据可知，实施例与比较例相比，阈值电压的偏差较小，而且靶接缝51与接缝以外的阈值电压之差也较小，特性差减少。

因此，在本实施方式中，即使是大型基板50也能够在防止产生漏泄电流的同时以高吞吐量和低成本进行氧化退火处理。

-实施方式的变形例1-

图10表示本发明的实施方式的变形例1的氧化退火处理装置101，装置主体3内充满氮气这一点与上述实施方式不同。另外，以下的各变形例中，对与图1～图9相同的部分标注相同的附图标记，并省略其详细说明。

具体而言，本变形例中，相对于实施方式1追加了使装置主体3的内部空间充满氮气的氮气供给管108。氮气瓶等氮气供给源与该氮气供给管108连接。如果是氮气以外的抑制氧化的气体，也能够使用。

本变形例中，在腔室5内充满氮气的状态下，与上述实施方式同样地局部地喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体。

通过这样的方式，从喷嘴喷射口16仅向基板50的氧缺陷部位(靶接缝51)喷射包含水蒸气和氧气的氧补充气体来促进氧化，但是由于装置主体3内充满氮气，所以在不需要氧的部位抑制氧化，并且不会充满比必要的量多的水蒸气，能够抑制远红外线面状加热器6的漏泄电流(破坏绝缘)的发生。

因此，在本变形例中，即使是大型基板50也能够在防止产生漏泄电流的同时以高吞吐量和低成本进行氧化退火处理。

-实施方式的变形例2-

图11表示本发明的实施方式的变形例2的氧化退火处理装置201，对靶接缝51喷射氮气这一点与上述实施方式不同。

具体而言，在本变形例中，上述实施方式的氧补充气体供给管8被替换为向装置主体3内供给氮气的氮气供给管208。该氮气供给管208，不是与起泡系统12连接，而是与氮气瓶等氮气供给源连接。如果是氮气以外的抑制氧化的气体，也能够代为使用如氢气、一氧化碳气体那样还原性的气体。通过使装置主体3内变为真空并进行加热来抑制氧化的方法，装置变得复杂而无法利用。

氮气供给管与对基板50的氧过剩部位(即，靶接缝51以外的部分)喷射氮气的喷嘴喷射口16连接。但是，与上述实施方式相比喷嘴喷射口16的配置位置或喷射方向不同。例如，如图11所示，喷嘴喷射口16朝向靶接缝51以外的部分。

使用该退火装置，与上述实施方式同样地，在退火处理中，在装置主体3内用远红外线面状加热器6对基板50进行加热，并且对基板50的靶接缝51以外的部分局部地喷射氮气。

与上述实施方式相反地从喷嘴喷射口16仅向基板50的氧过剩部位喷射抑制氧化的氮气，能够使基板50整体的氧化均匀。在该方法中，水蒸气不充满装置主体3内，远红外线面状加热器6的漏泄电流(破坏绝缘)的产生受到抑制。另外，只要仅对氧过剩部位喷射氮气即可而不需要整体均匀地充满氮气，所以不需要高的气密性，所以即使是大型的基板50也能够进行蒸气氧化退火处理。

因此，在本变形例中，即使是大型基板50也能够在防止产生漏泄电流的同时以高吞吐量和低成本进行氧化退火处理。

(其它实施方式)

本发明关于上述实施方式，也可以采用以下的结构。

即，在上述实施方式中，在步骤S05的保护膜形成后进行退火处理，但也可以在步骤S03的氧化物半导体层形成后进行退火处理。

另外，以上实施方式本质上是优选的例子，并没有意图将本发明限制在其适用物或用途的范围内。

产业上的利用可能性

如以上说明的那样，本发明对于对基板进行加热使之氧化的氧化退火处理装置和使用氧化退火处理的薄膜晶体管的制造方法是有用的。

符号说明

1    氧化退火处理装置

3    装置主体

6    远红外线面状加热器(云母加热器、红外线辐射平板)

8    氧补充气体供给管

11   排气管

16   喷嘴喷射口

50   基板

51   靶接缝

60   AC溅射装置

61    靶

101  氧化退火处理装置

108  氮气供给管

201  氧化退火处理装置

208  氮气供给管