JPH0411729A - 半導体素子用絶縁膜の形成方法 - 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） 本発明は半導体素子用絶縁膜の形成方法に関し、ＭＯＳ
デバイスのゲート絶縁膜などとして好適な半導体素子用
絶縁膜の形成方法に関する。

（従来の技術およびその問題点） 従来、ＭＯＳデバイスのゲート絶縁膜などは、バルク状
シリコンの表面部分を８００℃以上に加熱して酸化シリ
コン膜を形成する熱酸化法により一般に形成されている
。

ところが、ガラス基板上などに形成した半導体層上にゲ
ート絶縁膜を形成する場合、ガラス基板の耐熱性などの
点から熱酸化法を用いることはてきない。そこで、従来
は低温で形成できるプラズマＣＶＤ法や高周波スパッタ
リンク法でゲート絶縁膜を形成する以外になかった。

プラズマＣＶＤ法で形成した酸化シリコン膜などは、熱
酸化法によって形成した膜に比べて密度か６０〜９０％
程度しかなく、膜がポーラスで且つ製造工程中に使用す
る原料ガスの成分である水素が膜中に多くの残留水素と
して存在する。そのために膜質が構造的に不安定で耐電
圧も低く、さらに内部に多くの固定チャージを持ってお
り、トランジスタを形成した場合、しきい値電圧Ｖ　１
　ｈが大きく変動し、均質なトランジスタを形成するこ
とができないという問題があった。

また、高周波スパッタリング法によると、緻密な酸化シ
リコン膜を形成することは容易であるが、プラズマによ
って加速されたイオンやターゲットから飛び出した原子
などから成る高エネルギー粒子が膜の被着面や膜自体へ
ダメージを与えて界面準位が増大したり、また雰囲気ガ
ス圧、反応性ガス圧、投入電力、プラズマ励起状態など
の成膜パラメータ間に独立性がなく、再現性の点でも問
題があった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて案出さ
れたものであり、ＭＯＳデバイスのしきい値電圧を一定
に制御できるとともに、界面準位の良好な半導体素子を
再現性良く形成できる半導体素子の形成方法を提供する
ことを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、半導体基板もしくは半導体層を有する
基板を、ターゲット材が配置されたスパッタ室内に搬入
し、該ターゲット材にスパッタ室とは分離されたプラズ
マイオン源からスパッタ室内のターゲット材にイオンを
衝突させて粒子を放出させることにより、ターゲット材
の構成原子もしくは分子などから成る絶縁膜を半導体基
板もしくは半導体層上に堆積させる半導体素子用絶縁膜
の形成方法が提供され、そのことにより上記目的か達成
される。

（実施例） 以下、本発明を添付図面に基つき詳細に説明する。

本発明に係る半導体素子用絶縁膜の形成方法では、バル
ク状のシリコンなどから成る半導体基板、もしくはガラ
ス基板上などに例えばプラズマＣＶＤ法によって形成し
た非晶質もしくは多結晶の半導体層を形成したもの、ま
たはこのような半導体層にレーザビームや電子ビームな
どの高エネルギービームを照射して結晶化したものなど
が用いられる。

説明の便宜上、第１図にスタガー型の薄膜トランジスタ
を一例として示す。ガラスなどから成る絶縁基板１上な
どに、例えばＡＩ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ
などから成るソース電極２ａ、ドレーン電極２ｂを形成
し、次に、例えはプラズマＣＶＤ法によってドナーまた
はアクセプタを含有する非晶質もしくは多結晶の半導体
層３を形成する。この半導体層３に、酸化シリコンまた
は窒化シリコンなどから成るゲート絶縁膜となる絶縁Ｍ
４を形成する。なお、ゲート絶縁膜４上には、ＡＩ−Ｔ
ｉ＝　Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏ−Ｗなどから成るゲート
電極５が形成されている。

第２図に、前記ゲート絶縁膜４を形成するための装置の
概略を示す、この装置は、スパッタ室１０内に、ターゲ
ット６を保持するターゲットホルダー１１と半導体層３
を有する基板１を保持する基板ホルダー１２とを具備す
る。スパッタ室１０には、スパッタ室１０内に反応性ガ
スを供給するガス供給管１３、ガスを排気するガス排気
管１４、およびスパッタ室１０内を高真空度にする排気
管１５がそれぞれ設けられている。ｔた、スパッタ室１
０には、スパッタ室１０とは分離されたイオン源１３が
設けられており、このイオン源１３にはガスを供給する
ガス供給管１４が設けられている。

ターゲット６としては、酸化シリコン膜を形成する場合
、バルク状シリコンまたはバルク状酸化シリコンが用い
られ、窒化シリコン膜を形成する場合、バルク状シリコ
ンまたはバルク状窒化シリコンが用いられる。

また、酸化シリコン膜を形成する場合は〜スパッタ室１
０内を１０−１〜１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒ程度に減圧して
、スパッタ室１０内が１０−’　〜１０−″’Ｔｏｒｒ
となるように０２ガス、Ｎ２ガスなどの反応性ガス（ア
シストガス）を導入して行う。このアシストガスは、基
板上に被着した絶縁膜を改質するために供給する。

第３図は、第２図に示す装置のイオン源１６部分を示す
断面図である。イオン源１６は、プラズマイオンを発生
させる放電室１６ａ、発生したイオンをスパッタ室ｌＯ
へ引き出して加速するために少なくとも２枚のグリッド
電極を有する電極系１６ｂ、放電室１６ａ内に磁場を形
成するマグネットコイル１６ｃ、およびアーク放電を起
こす陽極１６ｄとフィラメント１６ｅとがそれぞれ設け
られている。放電室１６ａ内に、ガス供給管１７からイ
オン化するガスなどを導入すると、フィラメント１６ｄ
から放出された熱電子の衝突電電によりプラズマイオン
化し、加速電極１３ｂ部分からスパッタ室１０内にプラ
ズマイオンを放出させる。

この場合、加速電極１３ｂへの印加電圧などを制御する
ことによって、イオンビームのイオンエネルギーが制御
される。

スパッタ用ガスとしては、アルゴンガスが好適に用いら
れ、放電室１３内が１０−４〜１０−’Ｔ　。

ｒｒ程度となるようにアルゴンガスを導入して、イオン
電流が１００ｍＡ以下でイオンエネルギーが２００〜１
５００ｅＶとなるような低エネルギーでイオンビームを
引き出す。

このイオンビームがターゲット６に衝突してターゲット
６の構成原子もしくは分子をはじき出し、半導体層３上
に絶縁膜４を堆積する。

このような装置では、イオン源１６がスパッタ室１０と
は、独立していることから、従来の対向電極間にプラズ
マを発生させてスパッタリンクを行う装置に比べて、１
〜２桁高い真空下で絶縁膜４を成膜でき、膜の純度が高
い。イオンビームエネルギー、ビーム量、雰囲気ガス圧
、反応性ガス圧などの成膜パラメータを独立に制御でき
く特にビームエネルギーの制御が重要）、再現性がよい
とともに、低エネルギーで絶縁膜４を形成することかで
き、半導体膜３にダメージを与えることなく絶縁膜４を
形成できる。また、イオン源を複数設けることによって
、絶縁膜４の成膜中にイオン照射を行うこともできる。

（実験例１） ２０　ｍ　ｍ口のｎ型不純物を含有するシリコン基板を
スパッタ室とイオン源が分離したチェンバー内に搬入し
て、チェンバー内が２．５Ｘ１０−ｓとなるように０２
ガスを搬入して基板温度を２００°Ｃに設定し、ターゲ
ットとして９９９９％のＳｉＯ２を用いるとともに、イ
オン発生室内にアルコンガスを導入して５．０Ｘ１０−
５Ｔｏｒｒとし、イオンエネルギーを７００ｅＶ、イオ
ン電流を５ＯｍＡで１０分間スパッタリングして半導体
基板上に、膜厚１０８０人の絶縁膜を形成して、屈折率
、比誘電率、および界面準位（表面電荷密度Ｑ、５／電
気素量ｑ）を調べたところ、屈折率は１４９１で、比誘
電率は３．５７で、Ｑ、、／ｑは４゜８４Ｘ１０”ｃｍ
−２であり、熱酸化膜に近似した膜であることが確認さ
れた。すなわち、熱酸化法で形成した酸化シリコン膜は
、屈折率かｌ、４６程度、比誘電率が３．８２程度、Ｑ
、、／ｑが１００ｃｍ”’台であるのに対して、プラズ
マＣＶＤ法で形成した酸化シリコン膜は、屈折率か１．
５程度、比誘電率が５．０１程度、Ｑ、、／ｑが１．３
４Ｘ１０１２ｃｍ−２程度である。

なお、第４図にそのＣ−Ｖ特性図を示す、第４図から明
らかなように、フラットバンド電圧がＯ■近傍にあり、
界面準位の少ないものであることが分かる。

（実験例２） 実験例１のイオンエネルギーを１０００ｅＶにするとと
もに、基板温度を室温とした以外は実験例１と同一の条
件で１１分間スパッタリングして半導体基板上に１０７
０人の膜厚に酸化シリコン膜を形成して、屈折率、比誘
電率、および界面準位（表面電荷密度Ｑ５．／電気素量
ｑ）を調べたところ、屈折率は１．４９１で、比誘電率
は３．９８で、Ｑ、、／ｑは３．４８Ｘ１０”ｃｍ−２
であり、実験例１と同様に熱酸化法によって形成した酸
化シリコン膜に近似しｆ：酸化シリコン膜であることが
確認された。

第５図に、そのＣ−Ｖ特性図を示す。第５図がら明らか
なように、フラットハンド電圧かＯＶ近傍にあり、界面
準位の少ないものであることが分かる。

（発明の効果） 以上のように、本発明に係る半導体素子用絶縁膜の形成
方法によれは、半導体基板もしくは半導体層を有する基
板を、ターゲット材が配置されたスパッタ室内に搬入し
、該ターゲット材にスパッタ室とは分離されたプラズマ
イオン源がらスパッタ室内のターゲット材にイオンを衝
突させて粒子を放出させることにより、ターゲット材の
構成原子などから成る絶縁膜を半導体基板もしくは半導
体層上に堆積させることから、界面準位が良好な絶縁膜
を例えばガラス基板などのように比較的低融点の基板上
に形成する半導体層上でも形成することができ、半導体
産業の画期的な飛躍をもたらすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体素子を示す断面図、第２図は本発明に係
る半導体素子用絶縁膜の形成方法を説明するための装置
を示す概略構成図、第３図は装置のイオン源部分を示す
拡大図、第４図および第５図は本発明に係る方法により
形成した絶縁膜のＣ−■特性を示す図である。 １：基板　　　　　　４：絶縁膜 ６：ターゲット　　１０ニスバッタ室 １６：プラズマイオン源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体基板もしくは半導体層を有する基板を、ターゲ
   ット材が配置されたスパッタ室内に搬入し、該ターゲッ
   ト材にスパッタ室とは分離されたプラズマイオン源から
   スパッタ室内のターゲット材にイオンを衝突させて粒子
   を放出させることにより、ターゲット材の構成原子もし
   くは分子などから成る絶縁膜を半導体基板もしくは半導
   体層上に堆積させる半導体素子用絶縁膜の形成方法。