JPH0319340A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体装置の製造方法に関する．［従来の技術
］ 近年、大型で高解像度の液晶表示パネル、高速で高解像
度の密着型イメージセンサ、三次元ＩＣ等への実現に向
けて、ガラス、石英等の絶縁性非晶質基板や、ＳｉＯｚ
等の絶縁性非晶貿層上に、高性能な半導体素子を形成す
る試みが威されている．特に大型の液晶表示パネル等に
於いては、低コストの要求を満たすため、安価な低融点
ガラス上に薄膜トランジスタ（ＴＰＴ）を形成すること
が必須の要求になりつつある．従来は、低融点ガラス基
板上に形成するＴＰＴのゲート絶縁膜に、Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏｌ．Ｂａ（２）　ｐ．５１７　（
１９８８）、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ
　Ｐｈｙ−ｓｉｃｓ　Ｖｏｌ．６０，　ｐ．３１３８　
（１９８６）等に見られるようにプラズマ気相成長法（
ＰＣＶＤ）を用いたもの、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ．５０（１７）　ｐ．１
１６７（１９８７）等にみられるように減圧化学気相成
長法（ＬＰＧＶＤ）を用いたもの、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓ　Ｌｅｔ一ｔｅｒｓ　Ｖｏｌ．２４（３）　　ｐ．
１７２　（１９８８）、Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒ−
ｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏ
ｌ．２６（６）　ｐ．８０５，８３５，Ｌ９０８　（１
９８８）等にみられるように光化学気相成長法を用いた
もの、　　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ．２２（４）　
ｐ．Ｌ２１０　（１９８３）等にみられるようにＥＣＲ
プラズマ気相成長法を用いたもの等があり、いずれも低
温成膜法で作製したＳｉＣ）＋薄膜を用いてきた． ［発明が解決しようとする課題］ しかし、ＴＰＴのゲート酸化膜の形成を低温（く６００
℃）で行なう場合、高温酸化法で形成したゲート絶縁膜
と比較すると膜買が劣り、高性能のＴＰＴが実現できな
いという問題点があった．低温で成膜したゲート絶ａＸ
の膜買が劣る理由は、ゲート絶縁膜中の残留ストレス、
ダングリングボンド、不純物等に起因する欠陥準位が半
導体／ゲート絶縁膜界面に存在し、空乏層が広がらない
ことによる．このため、従来の低温成膜法で形成したＴ
ＰＴでは高性能化が難しかった．この問題を解決するた
め、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓＶｏｌ．６０，　ｐ．３１３８　（１９８６）等
に示すように、ｐｃｖＤ法でＳｉＯ２を成膜する際にＨ
ｅガスを希釈ガスに用いる方法が知られている．この方
法によればＰＣｖＤｒｌｉ．ｌｌ［時のプラズマダメー
ジを著しく低減でき、高品質のゲート酸化膜を成膜でき
る．しかし、この方法では大流量のＨｅで希釈する必要
があり、成膜速度が小さく、成膜時間が長くかかるとい
う問題点があった． 本発明は以上の問題点を解決するもので、その目的は低
温プロセスを用いて高性能のＴＰＴを高いスルーブット
で作製することにある．［課題を解決するための千段コ 本発明の半導体装置の製造方法は、半導体表面に絶縁膜
を化学気相成長法で成膜する方法において、ヘリウム、
ネオン、アルゴン、キセノン等の希釈ガス濃度を成膜時
間に対して変化させることを特徴とする． ［実施例］ まず石英基板あるいはガラス基板上に非品質半導体を成
膜する．本実施例では非晶質半導体の例に非晶買シリコ
ンを用いて説明する．尚基板にはＳｉＯ２で覆われたＳ
ｉ基板を用いることもある．石英基板あるいはＳｉＯ２
で覆われたＳｉ基板を用いる場合は１　２００℃の高温
プロセスにも耐えることができるが、ガラス基板を用い
る場合は軟化温度が低いために約６００℃以下の低温プ
ロセスに制限される．以下、第２図（ａ）に従って説明
する．はじめに非品質絶縁基Ｆｉ．２０１上に非晶貿シ
リコン薄膜２０２を堆積させる．該非品質シリコン薄膜
２０２は一様で、微小な結晶子は含まれておらず結晶成
長の核が全く存在しないことが望ましい．減圧化学気相
成長法（ＬＰＣＶＤ）の場合は、成膜温度がなるべく低
くて、成膜速度が早い条件が適している．シランガス（
ＳｉＨ４）を用いる場合は５００℃〜５６０℃程度、ジ
シランガス（Ｓｉ２Ｈｓ）を用いる場合は３００℃〜５
００′Ｃ程度の成膜温度で分解堆積が可能である．トリ
シランガス（Ｓｉ３Ｈ●〉は分解温度がより低い．成膜
温度を高くすると堆積した膜が多結晶になるので、Ｓｉ
イオン注入によって一旦非晶質化する方法もある．プラ
ズマ化学気相成長法（ＰＣＶＤ）の場合は、基板温度が
５００゜Ｃ以下でも成膜できる．また、成膜直前に水素
プラズマあるいはアルゴンプラズマ処理を行えば、基板
表面の清浄化と成膜を連続的に行うことができる．光励
起ＣＶＤ法の場合も５００℃以下の低温成膜及び基板表
面の清浄化と成膜を連続的に行うことができる点で効果
的である．電子ビーム蒸着法などのような高真空蒸着法
の場合は膜がボーラスであるために大気中の酸素を膜中
に取り込み易く、結晶或長の妨げとなる．このことを防
ぐために、真空雰囲気から取り出す前に３００℃〜５０
０℃程度の低温熱処理を行い膜を緻密化させることが有
効である．以上のようにして作製した半導体薄膜におい
て、半導体薄膜を固相或長させるアニール工程を行うこ
とがＴＰＴの高性能化には望ましい．固相成長方法は、
石英管による炉アニールが便利である．アニール雰囲気
としては、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス、ヘリウ
ムガスなどを用いる．１×１０−６からＩＸＩＯ−”Ｔ
ｏｒｒの高真空雰囲気でアニールを行ってもよい．固相
成長アニール温度は、およそ５００℃〜７００℃とする
．低温アニールでは選択的に、結晶成長の活性化エネル
ギーの小さな結晶方位を持つ結晶粒のみが成長する．固
相成長させたシリコン薄膜上にゲート絶縁膜となるＳｉ
Ｏ２薄膜を２００〜１　５００人成膜する．ＰＣＶＤ法
をＳｉＯ２の成膜に用いる場合は、ＳｉＨ４と亜酸化窒
素ガス（Ｎ２０）の混合ガスを用いる．膜のダメージが
低減するために、ＳｉＨｚ、Ｎ２０の混合ガスにＨｅな
との不活性ガス加える．不活性ガスの内でも原子量の最
も小さいＨｅがプラズマダメージも最も少なくなるので
望ましい．ゲート絶縁膜に８１の窒化膜を用いる場合に
はＳｉＨ４、窒素ガス（Ｎ２）またはアンモニアガス（
ＮＨ３）の混合ガス、これに加えて希釈ガスにＨｅ等の
不活性ガスを用いる．光ＣＶＤではＳ　ｉ　Ｈ　ａの代
わりにＳｉ２Ｈｓ、ＳｉｔＨ●ガス等を用いる，　　Ｐ
ＣＶＤでは、成膜ガスのガス流量比はＨｅを希釈ガスに
使う場合、初期状態でＳｉＨｎ／Ｎ２０／Ｈｅ＝１／１
２５／４０００であり、これを第１図に示すような曲線
に従ってＨｅガスの流量を成膜時間で変化させる．流量
の制御はマスフローコントローラをマイクロコンピュー
タで制御することによって行った．基板温度は５０〜６
５０℃、ＲＦパワーは１０〜４　０　ｍ　Ｗ　／　ｃ　
ｍ　”の範囲が望ましい．第１図に示すようにＨｅの流
量を変化させると、Ｓ　ｉ　／　Ｓ　ｉ　Ｏ　２界面付
近ではＨｅは希釈Ｉの大きい状態、即ち膜のダメージは
極めて小さいが成膜速度は遅い状態で膜形成が進み、Ｓ
ｉ／ＳｉＯ２界面から離れるにしたがって、成膜速度は
速くなる．この様な成膜方法を採用することによって、
成膜時間を短く保ったまま良好なＳ　ｉ　／　３　ｉ　
０　２界面を実現することができる．約１０分間の成膜
時間でｅｏｏ〜１０００人のＳｉＯ２が形成される．こ
の様にして成膜したＳｉＯｚ膜を真空中、または不活性
ガス中で３００〜５００℃の温度で熱処理を行うと膜が
緻密化するので望ましい． 本発明を用いて作製した多結晶シリコン薄膜を、薄膜ト
ランジスタに応用した例を第２図にしたがって説明する
．多結晶シリコン薄膜基板を第２図（ａ）に示す．２０
１は絶縁基板、２０２は多結晶シリコン薄膜である．２
０３は上述の方法で作製したゲート絶縁膜のＳｉＯ２で
ある．次に前記シリコン薄膜をフォトリソグラフィ法に
よりパタニングして第２図（ｂ）に示すように島状にす
る．次に第２図（Ｃ）に示されるように、ゲート電極２
０４を形成する．該ゲート電極材料としては多結晶シリ
コン薄膜、あるいはモリブデンシリサイド、あるいはア
ルミニウムやクロムなどのような金属膜、あるいは工Ｔ
ｏやＳｎ０２などのような透明性導電膜などを用いるこ
とができる．成膜方法としては、ＣＶＤ法、スパツタ法
、真空蒸着法、等の方法があるが、ここでの詳しい説明
は省略する． 続いて第３図（ｄ）に示すように、前記ゲート電極２０
４をマスクとして不純物をイオン注入し、自己整合的に
ソース領域２０５およびドレイン領域２０６を形成する
．前記不純物としては、Ｎｃｈトランジスタを作製する
場合はＰ０あるいはＡｓ９を用い、Ｐｃｈ｝ランジスタ
を作製する場合はＢ゛等を用いる．不純物添加方法とし
ては、イオン注入法の他に、レーザードーピング法ある
いはプラズマドーピング法などの方法がある．２０７で
示される矢印は不純物のイオンビームを表している．前
記非晶買絶縁基板２０１として石英基板を用いた場合に
は熱拡散法を使うことができる．不純物濃度は、ＩＸＩ
Ｏ”からＩＸＩＯ”ｃｍ−ゴ程度とする． 続いて第２図（ｅ）に示されるように、層間絶縁膜２０
８を積層する．該層間絶縁膜材料としては、酸化膜ある
いは窒化膜などを用いる．絶縁性が良好ならば膜厚はい
くらでもよいが、数千人から数μｍ程度が普通である．
窒化膜の形成方法としては、ＬＰＣＶＤ法あるいはプラ
ズマＣＶＤ法などが簡単である．反応には、アンモニア
ガスとシランガスと窒素ガスとの混合ガス、あるいはシ
ランガスと窒素ガスとの混合ガスなどを用いる．ここで
、水素プラズマ法、あるいは水素イオン注入法、あるい
はプラズマ窒化膜からの水素の拡散法などの方法で水素
イオンを導入すると，ゲート酸化膜界面などに存在する
ダングリングボンドなどの欠陥が終端化される．この様
な水素化工程は、層間絶縁膜２０８を積層する前におこ
なってもよい． 次に第２図（ｆ）に示すように、前記層間絶縁膜及びゲ
ート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、コンタクト電
極を形成しソース電極２０９およびドレイン電極２１０
とする．該ソース電極及びドレイン電極は、アルミニウ
ムなどの金属材料で形成する．このようにして薄膜トラ
ンジスタが形成される． ［Ｊ！明の効果］ 本発明によって得られた大粒径多結晶シリコン薄膜を用
いて薄膜トランジスタを作成すると、優れた特性が得ら
れる．従来に比べて、薄膜トランジスタのＯＮ電流は増
大しＯＦＦＩ流は小さくなる．またスレッシホルド電圧
も小さくなりトランジスタ特性が大きく改善される． 非晶買絶縁基板上に優れた特性の薄膜トランジスタを作
製することが可能となるので、ドライバー回路を同一基
板上に集積したアクティブマトリクス基板に応用した場
合にも十分な高速動作が実現される．さらに、電源電圧
の低減、消費電流の低減、信頼性の向上に対して大きな
効果がある．また、６００℃以下の低温プロセスによる
作製も可能なので、アクティブマトリクス基板の低価格
化及び大面積化に対してもその効果は大きい．本発明を
、充電変換素子とその走査回路を同一チップ内に集積し
た密着型イメージセンサに応用した場合には、読み取り
速度の高速化、高解像度化、さらに階調をとる場合に非
常に大きな効果をうみだす．高解像度化が達成されると
カラー読み取り用密着型イメージセンサへの応用も容易
となる．もちろん電源電圧の低減、消費電流の低減、信
頼性の向上に対してもその効果は大きい．また低温プロ
セスによって作製することができるので、密着型イメー
ジセンサチップの長尺化が可能となり、一本のチップで
Ａ４サイズあるいはＡ３サイズの様な大型ファクシミリ
用の読み取り装置を実現できる．従って、センサチツプ
の二本継ぎのような手数がかかり信頼性の悪い技術を回
避することができ、実装歩留りも向上される． 石英基板やガラス基板だけではなく、サファイア基板（
Ａｌ２０１）あるいはＭｇＯ．Ａｌ２０３、ＢＰ，Ｃａ
Ｆ２等の結晶性絶縁基板も用いることができる． 以上薄膜トランジスタを例として説明したが、パイボー
ラトランジスタあるいはへテロ接合バイボーラトランジ
スタなど薄膜を利用した素子に対しても、本発明を応用
することができる．また、三次元デバイスのようなＳＯ
工技術を利用した素子に対しても、本発明を応用するこ
とができる．４．　　Ｉｉｌｉ面の簡単な説明 第１図は本発明におけるＨｅガス流量の成膜時間に対す
る変化を示す図。

第２図は本発明による薄膜トランジスタの製造工程を示
す図。

２０１・・・・・・・・・絶縁基板 ２０２・・・・・・・・・多結晶シリコン薄膜２０３・
・・・・・・・・ゲート絶縁膜２０４・・・・・・・・
・ゲート電極 ２０５・・・・・・・・・ソース領域 ２０６・・・・・・・・・ドレイン領域２０７・・・・
・・・・・イオンビーム２０８・・・・・・・・・層間
絶縁膜 ２０９・・・・・・・・・ソース電極 ２１０・・・・・・・・・ドレイン電極第１図 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体表面に絶縁膜を化学気相成長法で成膜する方法
   において、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の
   希釈ガス濃度を成膜時間に対して変化させることを特徴
   とする半導体装置の製造方法。