JPH04177736A - 絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法 - 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】 【発明の利用分野】

本発明は量産性の高い形成方法により作製された半導体
層を用いた半導体装置の作製方法に関するものである。

【従来の技術】

従来、多結晶半導体装置は、減圧ＣＶＤによって５５０
℃〜９００℃の温度範囲で形成することにより多結晶半
導体膜を得て、この多結晶半導体膜を用いて作製されて
いた。 最近、大面積の液晶デイスプレー等か開発されるように
なり、大面積基板上にも多結晶半導体装置を形成する必
要が生じてきた。 減圧ＣＶＤ法により直接大面積基板」−に多結晶半導体
層を形成することは反応温度の問題より、多くの困難を
有し、通常は非単結晶半導体膜を形成した後に結晶化処
理を施して、大面積基板上に多結晶半導体層を形成して
いた。 減圧ＣＶＤ法によって非単結晶半導体膜を得る場合、大
面積基板に均一に成膜するのは困難であるという問題か
ある。 またプラズマＣＶＤ法によって非単結晶半導体膜を得る
場合その成膜工程に時間かかかり、大面積基板上での膜
厚の均一性が取りにくいという問題かあった。 この様な問題を解決する手段としてはスパッタ法を用い
る方法かある。 特にマグネＩ・ロン型スパッタ法は′ イ）電子か磁場でターゲット付近に閉じ込められ高エネ
ルギー電子による基板表面への損傷か抑えられる。 口）低温で大面積にわたり高速成膜てきる。 ハ）危険なガスを使用しないので、安全性と工業性が高
い。 などの利点かある。 しかし、スパッタ法によって得た半導体膜にはマイクロ
構造、すなわち珪素原子の存在に偏りかあり熱結晶化処
理か困難であることか知られている。

【発明の目的】

本発明はこのような問題点を解決し、より低温にて熱結
晶化可能な半導体膜を利用した半導体装置をより効果的
に作製する方法を提供するものである。

【発明の構成】

本発明は、水素または水素を含有した不活性気体雰囲気
ｒｐ（こより基板上へのスパッタ法による半導体膜の成
膜工程と、前記スパッタ法によって得た半導体膜形成の
前または後に酸素または酸素を含有した不活性気体の雰
囲気によりスパッタ法により酸化珪素膜を形成し、その
各々の膜を専用の反応室で形成することを特徴とし、か
つこれらの膜の形成順序を特定することなく任意に同一
装置内にて連続して形成することがてることをＱ、ｉ”
　６Ｘどするものである。 この各々の膜を専用の反応室にて形成することにより半
導体膜中における酸素蚤を７　Ｘ　１０１１０ｌ９”以
下、最も好ましくはＩ　Ｘ　１０１９ｃｍ’−３以下と
することを特徴とするものであります。 また前記半導体膜の一部をチャネル形成領域として構成
する手法の一例として、水素または水素を含有した不活
性気体雰囲気中によるスパッタで得られた非晶質性（ア
モルファスまたは極めてそ状態に近い）半導体膜（以下
Ｓｉ膜という）を４５０℃〜７００℃代表的には６００
℃の温度を半導体膜に与えて少なくともチャネル形成領
域を結晶化させることにより本発明の絶縁ゲイト型半導
体装置用の活性層は得られる。 従来、水素を添加したスパッタ法によって得られたａ−
３ｉ　（アモルファスシリコン）膜を用いて薄膜トラン
ジスタを作製する例が知られているか、その電気的特性
は低いことが知られている。 そこで、一般的には水素を添加しないスパッタ＝　５− 法によってａ−３ｉ膜を得ている。 しかしなから本発明者は、スパッタ法において水素を添
加することで、成膜されるａ−３ｉ膜中にマイクロ構造
か出来るのを防止することができ、このａ−３ｉ膜を４
５０℃〜７００℃好ましは６００℃以下の低い温度て熱
結晶化できることをつきとめた。 この結晶化の後の半導体膜は平均の結晶粒径か５〜４０
０人程度て程度、かつ半導体膜中に存在する水素含有量
は５原子％以下である。また、この結晶性を持つ半導体
膜は格子歪みを有しておりミクロに各結晶粒の界面か互
いに強く密接し、結晶粒界でのキャリアに対するバリア
を消滅させる効果を持つ。このため、単に格子歪みの無
い多結晶の結晶粒界では、酸素等の不純物原子か偏析し
障壁（バリア）を構成しキャリアの移動を阻害するか、
本発明のように半導体膜を専用のスパッタ反応室で形成
すると膜中に存在する酸素の量が７×１０１９ｃｍ−３
好ましくはＩＸＩＯ１９ｃｍ−”以下という非常に少な
い量まで減らすことができ、さらに形成された半導体膜
は、格子歪みを有しているのでハリアが形成されないか
又はその存在が無視てきる程度であるため、その電子の
移動度も５０〜３００ｃｎｒ／Ｖ・Ｓと非常に良好な特
性を有していた。 また、プラズマＣＶＤ法により得られた半導体膜はアモ
ルファス成分の存在割合か多く、そのアモルファス成分
の部分か自然酸化され内部まで酸化膜か形成される、一
方スバッタ膜は緻密であり自然酸化が半導体膜の内部に
まで進行せず、表面のごく近傍付近しか酸化されない、
この緻密さ故に格子歪みを持つ結晶粒子同士がお互いに
強く押し合うことになり、結晶粒界面付近でキャリアに
対するエネルギーバリアか形成されないという特徴を持
つ。 本発明は、このようなスパッタ法により形成された半導
体膜の持つ優れた特性を積極的に利用し絶縁ゲイｌ−型
半導体装置の作製法を提供するものであり、そのために
個々の膜を専用のスパッタ反応室で作製するものであり
ます。 このスパッタ法により形成された酸化珪素膜は、基板］
二の絶縁膜またはゲイ１〜絶縁膜として、利用でき、さ
らに半導体膜は活性層または不純物層さらにゲイト電極
として利用することができる。 このように、本発明法によると、絶縁ケイト型半導体装
置に最小限度必要な部分をすへてスパッタ法で作製する
ことかできる。このため第１図（Ｄ）に示されるような
絶縁ゲイト型半導体装置において、活性層の下側（１８
）すなわち下地絶縁膜との接触部分か一部酸化され、Ｓ
ｉＯｘの状態となり、この部分での電気的な特性が若干
悪くなる。これによりこの部分に、バックチャネルか発
生することができす、逆方向リーク電流を少なくするこ
とかできるという特徴を持つ。このことは、この半導体
装置をＣｕＯ２として利用するときに非常に有効であり
オフ電流の減少におおきな効果を示す。 さらにまた、スパッタ法により形成された半導体膜であ
るのでその粒径は熱結晶化の後で、５〜４００人代表的
には５０〜２００人であり、このように粒径か小さいの
てこの部分ての逆方向リークをＮ”−Ｉ（Ｐ”−Ｉ）接
合で小さくすることができる。 又、半導体膜を酸化珪素膜ではさんだ状態に、連続的に
形成した後、半導体膜を熱結晶化すると上下の、酸化珪
素膜により珪素の粒径かおさえられ５〜３００人好まし
くは５０〜２００人とすることかできる。 以下に実施例を示し本発明を説明する。

【実施例１】 本実施例は、第２図（Ａ）にその概略を示したようなマ
ルチチャンバー型のマグネトロン型ＲＦスパッタ装置に
よって作製したＳｉ膜を熱結晶化させ結晶性を持つ珪素
半導体層を得、この珪素半導体層を使用して薄膜ｌ・ラ
ンジスタを作製した例である。 このマルチチャンバー型のスパッタ装置は第２図に示す
ように予備室（１）と酸化珪素用反応室（３）と半導体
膜用反応室（４）が第２酸化用反応室（５）。 基板取り出し室（６）ゲート弁（７）に仕切られて接続
されており、各々の室は完全に独立して排気及び気体の
導入等か行なえるシステムとなっている。 この排気系としてはロータリーポンプとターボ分子ポン
プを直列に接続した反応及び低真空用排気系とさらにク
ライオポンプを接続した高真空ｔＪｌ気系の２系統を備
えており、背圧としてｌＸｌ０−７Ｐａまて排気てきる
。 また各々の部屋に基板をローディングする際には、その
間を仕切るケート弁の開閉を行なった後となるか、この
開閉の際には画室の圧力差を少なくし、かつ画室の雰囲
気ガスをそろえた後に行なう。これにより、不要な不純
物等の混入を極力低減することかてきる。 また、スパッタ用のターゲット近傍に設けられた磁界供
給手段は外部からのコントロール（例えば印加電力量ま
たはターケラトどの距離等の可変）によりその強さを可
変できるものとした。 このスパッタ装置の基板取り出し室（６）には半導体膜
の熱処理が可能なように加熱手段と雰囲気ガス供給手段
か設けられており基板を装置外に取り出さなくても半導
体膜の熱結晶化が可能である。 第１図に本実施例において作製した薄膜ｌ・ランジスタ
作製工程を示す。 まず、ガラス基板（ＩＩ）１０枚／カセットをゲイト弁
（７）より予備室（１）にセラｌ−Ｌ、、このうち１枚
を＝　１０− 酸化珪素膜形成用反応室（３）にローディングした。 ガラス基板（１１）Ｊ−に５１０２膜（１２）を以ドの
条件においてマクネトロン型ＲＦスパッタ法により２０
０ｎｍの厚さに形成した。 ０２　１００％雰囲気 成膜温度　１５０℃ ＲＦ　８１３．５６ＮＨｚ）出力　４００Ｗ圧力　０．
５Ｐａ 単結晶シリコンをターケラ１〜に使用 この下地の酸化珪素膜中にハロゲン元素を添加して、基
板より出るアルカリ系金属元素を防止する効果をより高
くすることも有効であった。 この膜の形成後反応室を高真空に排気後ケーＩ・弁を開
閉し、基板を半導体膜用反応室（４）に基板を移した後
、チャネル形成領域となるＳ１膜（１３）を１１００ｎ
の厚さに成膜する。 この際に、背圧をＩ　Ｘ　１Ｏ−７Ｐａ以下とし、排気
はターボ分子ポンプとクライオポンプとを用いた。 供給する気体の量は５　Ｎ　（９９，９９９％）以」−
の純度を有し、添加気体としては必要に応して用いるア
ルゴン４Ｎ以上を有せしめた。ターゲットの単結晶シリ
コンも５　Ｘ　１０１８ｃｍ″３以下の酸素濃度、例え
ば１×ｌ０１８ｃｍ”３の酸素濃度とし、形成される被
膜中の不純物としての酸素をきわめて少なくした。 成膜条件は、不活性気体であるアルコンと水素雰囲気下
において、 Ｉｔ、／（ｌＩ２＋Ａｒ）＝８０％　（分圧比）成膜温
度　１５０℃ ＲＦ（１３，５６Ｍｔ（ｚ）出力　４００Ｗ全圧力　０
．５Ｐａ とし、ターゲットは単結晶Ｓｉターゲットを用いた。 次に基板を酸化珪素専用の反応室（５）に移動してゲイ
ト酸化膜（Ｓ１０２ＸＩ５）を１１００ｎの厚さにマク
ネトロン型ＲＦスパッタ法により以下の条件て成膜した
。このケイト絶縁膜形成前に水素１００％雰囲気で基板
側にバイアスを加えて、半導体（１３）の表面をプラズ
マ水素クリーニングした。 ゲイト絶縁膜の作成条件は 酸素　９５体積％　　ＮＦ３５体積９石圧力０．５ｐａ 成膜温度１００℃ ＲＦ（１３，５６１ｉ（ｔ（ｚ）出力４００Ｗこのゲー
ト酸化膜の作成に際して不活性気体に対して酸素の割合
を多くもっとも好ましくは１００％酸素でスパッタを行
なうとゲイト絶縁膜の界面準位密度をさげることかでき
非常に特性のよいトランジスタを実現できる。 また本実施例においては反応中にＮＦ３を反応用気体の
一部として、添加したので、ゲイト絶縁膜中にフッ素が
添加されている。これにより、膜中の珪素の不対結合手
と中和させ、膜中の固定電荷の発生原因を除去すること
ができた。 この後、基板（１１）を基板取り出し室（６）に移動し
ここて４５０℃〜７００℃の温度範囲特に６００℃の温
度で１０時間の時間をかけ水素または不活性気体中、本
実施例においては窒素１００％雰囲気中においてＳｉ膜
（１３）の熱結晶化を行い、結晶性の高い珪素半導体膜
（セミアモルファス又はセミクリスタル）を作製した。 かかる方法にて形成されたアモルファスシリコン膜およ
び熱処理により結晶化後の被膜中の不純物純度をＳＩＭ
Ｓ（二次イオン等量分析）法により調へた。すると成膜
中の不純物濃度のうぢ、酸素８Ｘ　１０”　ｃｍ−’、
炭素３　Ｘ１０１６ｃｍ−”であった。また水素は６　
ｘ　１０”０ｃｍ−３を有し、珪素の密度を４〉ぐ１０
２２ｃｍ−’とすると、１原子％に相当する量であった
。 これらをターゲットの単結晶シリコンの酸素濃度ｌ　Ｘ
　１０１８ｃｍ−３を基準として調へた。またこのＳＩ
ＭＳ分析は成膜後被膜の深さ方向の分布（デプスプロフ
ィル）を調へ、その最小値を基準とした。なせなら表面
は大気との自然酸化した酸化珪素かあるからである。こ
れらの値は結晶化処理後であっても特に大きな変化はな
く、酸素の不純物濃度は８Ｘ　１０’　８ｃＦ３てあっ
た。この実施例において、酸素を念のために増やし、例
えはＮ２０を０．　Ｉｃｅ／ｓｅｃ、］　ｃｃ／ｓｅｃ
と添加してみた。すると結晶化後の酸素濃度はＩ　Ｘ　
１０２１０２Ｏ’、４　Ｘ　１．０”００ｍ−’と多く
なった。 しかしかかる被膜を用いた時、同時に、結晶化に必要な
温度を７００℃以上にするか、または結晶化時間を少な
くとも５倍以−Ｌにすることによって、初めて結晶化か
できた。即ち］−業的に基板のガラスの軟化温度を考慮
すると、７００℃以下好ましくは６００℃以下での処理
は重要であり、またより結晶化に必要な時間を少なくす
ることも重要である。 しかし酸素濃度等の不純物をとのように少なくシフても
、４５０℃以下では熱アニールによるａ−３ｉ半導体の
結晶化は実験的には不可能であった。 また本発明においては、もしかかる商品１ε１のスパッ
タ装置を用いた結果として、装置からのリーク等により
成膜中の酸素濃度かｌ　Ｘ　１０２０ｃｍ−”またはそ
れ以上となった場合は、かかる本発明の特性を期待する
ことかできない。 かくの如くにして７　Ｘ　１０１１０ｌ９”以下の酸素
濃度であること、および熱処理温度か４５０〜７００℃
であることが決められた。 この半導体膜は第６図に示すレーザラマン分析のデータ
よりわかるように、結晶の存在を示すピークの位置が、
通常の単結晶シリコンのピークの位置に比へて、低波数
側にシフトシており、格子歪みの存在をうらずけていた
。 また、本実施例においてはシリコン半導体を使用して本
発明の説明をおこなっているか、ゲルマニウム半導体や
シリコンとゲルマニウムの混在した半導体をしようする
ことも可能であり、その際には熱結晶化の際に加える温
度を１００℃程度さげることが可能であった。 次に、基板をこの装置より取り出しこの熱結晶化させた
珪素半導体膜に対してデバイス分離パターニングを行い
第１図（Ａ）の形状を得、この半導体膜の一部を絶縁ゲ
イト型半導体装置のチャネル形成領域として構成させた
。 さらにもう−度パターニングして、不純物領域電極用の
コンタクトホールをあけて、第１図（Ｂ）に示すような
構造とした。 次にこの基板上に減圧ＣＶＤ法にて、リンが混入された
半導体層を全面に形成する。この後所定のマスクパター
ンを使用してフォトリソ加工を行ないこのリンが混入さ
れた半導体膜をゲイト電極（２０）及び不純物領域用電
極（１６）、　（１６’　）として形成した。第１図（
Ｃ） この電極を減圧ＣＶＤ法にて作成することにより下地の
ケイト絶縁膜を損傷せず、良好な特性を君することかで
きる。 このゲイト電極はドープされた半導体層に限定されるこ
となくその他の材料を使用可能である。 さらに、この半導体材料電極上に金属等の電極を積層し
た構造としてもよい。 次にこのケイト電極１２υまたはケイ１〜電極輯Ｏ）を
エツチングする際に使用したレジスパターン等をマスク
として、セルファラインに不純物領域（１１１）及び（
１４’）をイオン打ち込み技術を使用して形成した。第
１図（Ｄ）この後、水素雰囲気下４００℃て熱アニール
を１５分行ない活性化した。 これにより、ゲイト電極（２０）の下の半導体層は絶縁
ゲイト型半導体装置のチャネル領域として、構成された
。 次にこれらの全て上面を覆って絶縁膜（１７）を形成し
、第１図（Ｅ）の状態を得て、絶縁ケイト型半導体装置
を完成させた。 本実施例の場合、チャネル領域を形成する半導体層とソ
ース、ドレインの半導体層とか同一物で構成されており
、工程の簡略化をはかれる。また同じ半導体層を使用し
ているため、ソース、ドレインの半導体層も結晶性を持
ち、キャリアの移動度が高いのでより良い電気的特性を
持つ絶縁ゲイト型半導体装置を実現することができた。 以上か本実施例において作製した熱結晶珪素半導体層を
用いた薄膜トランジスタの作製方法であるが、比較の為
にチャンネル形成領域である第１図（Ａ）のＳｉ層（１
３）をマグネトロン型ＲＦスパッタ法により成膜する際
の条件である水素の濃度を変化させた参考例を４例を以
下にその示す。 （参考例１） 本参考例は実施例１の作製法においてチャンネル形成領
域となる第１図（Ａ）の（１３）を作製する際のスパッ
タ時における雰囲気の分圧比をＨ２／（Ｈ２＋Ａｒ）　
”　０％（分圧比）とし、他は実施例１と同様な方法に
よって作製したものである。この時の酸素濃度は２　Ｘ
　１０２０ｃｍ−３てあった。 −１８＝ （参考例２） 本参考例は実施例１の作製法においてチャンネル形成領
域となる第１図（Ａ）の（１３）を作製する際のスパッ
タ時における雰囲気の分圧比をＨ９／（Ｈ□４−Ａｒ）
＝２０％　（分圧比）とし、他は実施例１と同様な方法
によって作製したものである。この時の酸素濃度は７Ｘ
１０”ｃｍ−３であった。 （参考例３） 本例は実施例１の作製法においてチャンネル形成領域と
なる第１図（Ａ）の（１３）を作製する際のスパッタ時
における雰囲気の分圧比を Ｈ２／（Ｈ２＋Ａｒ）＝５０％　（分圧比）とし、他は
実施例１と同様な方法によって作製したものである。こ
の時の酸素濃度は３　Ｘ　１０”ｃｍ−’であった。 （参考例４） 本参考例は実施例１の作製法においてチャンネル形成領
域となる第１図（Ａ）の（Ｉ３）を作製する際のスパッ
タ時における雰囲気の分圧比をＨ２／　（Ｈ２→Ａｒ）
　＝　７０％　（分圧比）とし、他は実施例１と同様な
方法によって作製したものである。この時の酸素濃度は
Ｉ　Ｘｌ０１９Ｃ１１１−３であった。 以下上記記載例の電気的特性を比較した結果を示す。 第４図は完成した前記実施例１及び参考例１〜５のチャ
ンネル部におけるキャリアの移動度μ（ＦＩＥＬＤ　Ｍ
ＯＢＩＬＩＴＹ）とスパッタ時における水素分圧比比（
Ｐ＋＋／ＰｔｏｔＡ−８２／（Ｈ２＋Ａｒ））の関係を
グラフ化したものである。 第４図におけるプロット点と前記各側との対応関係を以
下に第１表として示す。 第１表 第４図によれば水素分圧２０％以上において顕著に高い
移動度μ（ＦＩＥＬＤ　ＭＯＢｌｌ、ＩＴＹ）が得られ
ていることかわかる。 第５図はしきい値電圧とスパッタ時における水素分圧比
（Ｐ＋＋／ＰｔｏＴｘｔ、＝　Ｈ２／（Ｈ２＋Ａｒ））
の関係をグラフ化したものである。 水素分圧比（Ｐ、／Ｐ□。−ＡＬ−Ｈ２／（Ｈ□＋Ａｒ
））と前記各例番号の対応関係は表１の場合と同しであ
る。 しきい値電圧が低いはと薄膜トランジスタを動作させる
動作電圧すなわちゲート電圧か低くてよいことになり、
デバイスとしての良好な特性か得られることを考えると
第５図の結果は、水素の分圧比の高い条件のスパッタ法
によって、スレッシュボールド電圧８■以下のノーマリ
オフの状態をえることかできる。すなわぢ、チャンネル
形成領域となる第１図（Ａ）の（１３）に示されるＳ１
膜を得て、このＳｉ膜を熱結晶化させることによって青
られる結晶性を持つ半導体層を用いたデバイスは良好な
電気的特性を示すことかわかる。 また第５図によると水素分圧比が高い方かしきい値電圧
が低くなっていることがわかる。このことより前記各側
におけるチャンネル形成領域となるａ−３ｉ膜のスパッ
タ法による作製時において、水素の分圧比を高くすると
デバイスの電気的特性が高くなっていく傾向があること
がわかる。 本願発明に用いられるセミアモルファスまたはセミクリ
スタル半導体について、そのメカニズムを略記する。 すなわちスパッタ法において単結晶のシリコン半導体を
ターゲットとじ、水素とアルゴンとの混合気体でスパッ
タをすると、アルゴンの重い原子のスパッタ（衝撃）に
よりターゲットからは原子状のシリコンも離れ、被形成
面を有する基板上に飛しょうするが、同時に数十〜数十
五個の原子か固まった塊かクラスタとしてターゲットか
ら離れ、被形成面に飛しょうする。 この飛しょう中は、水素かこのクラスタの外周辺の珪素
の不対結合手と結合し、被形成面」二に秩序性の比較的
高い領域として作られる。 すなわち、被膜形成面上には秩序性の高い、かつ周辺に
５ｉ−Ｈ結合を有するクラスタと純粋のアモルファス珪
素との混合物とする。これを４５０″Ｃ〜７００℃の非
酸化性気体中ての熱処理により、クラスタの外周辺の５
ｉ−Ｈ結合は他の５ｉ−Ｉｆ結合と反応し、５ｉ−３ｉ
結合を作る。 しかし、この結合はお互い引っばりあうと同時に、秩序
性の高いクラスタはより高い秩序性の高い状態、すなわ
ち結晶化に相を移そうとする。しかし隣合ったクラスタ
間は、互いに結合した５ｉ−８１かそれぞれのクラスタ
間を引っばりあう。その結果は、結晶は格子歪を持ちレ
ーザラマンでの結晶ピークは単結晶の５２０ｃｍ−’よ
り低波数側にずれて測定される。 また、このクラスタ間の５ｉ−３ｉ結合は互いのクラス
タをアンカリング（連結）するため、各クラスタでのエ
ネルギバンドはこのアンカリンクの個所を経て互いに電
気的に連結しあえる。そのため結晶粒界がキャリアのバ
リアとして働く多結晶シリコンとは根本的に異なり、ギ
ヤリア移動度も１０〜２００ｃｍ２／Ｖ　Ｓｅｃを得る
ことかできる。 つまり本発明の如く、かるる定義に基つくセミアモルフ
ァスまたはセミクリスタルは見掛は上結晶性を持ちなか
らも、電気的には結晶粒界か実質的にない状態を予想で
きる。 もちろん、アニール温度かシリコン半導体の場合の４５
０℃〜７００℃という中温アニールてはなく、１０００
℃またはそれ以上の結晶成長をともなう結晶化をさせる
時はこの結晶成長により、膜中の酸素等が粒界に析出し
、バリアを作ってしまう。これは、単結晶と同じ結晶と
粒界のある材料である。 またこの半導体におけるクラスタ間のアンカリングの程
度を大きくすると、よりギヤリア移動度は大きくなる。 このためにはこの膜中にある酸素量を前述の実施例のよ
うに、２　Ｘ　１０”　ｃｍ−３ではなく　７　ｘ　１
０１１０ｌ９’好ましくはＩ　Ｘ　１０”　ｃｍ−３以
下にすると、さらに６００℃よりも低い温度で結晶化か
できるに加えて、高いキャリア移動度を得ることかでき
る。 第６図は本発明の前記参考例１．２．３．４のチャンネ
ル形成領域となるＳｉ膜（１３）を作製する際のスパッ
タ時における水素の分圧比を０％、２００６．５０％と
した場合において、このａ−３ｉ膜を熱結晶化させた結
晶性を持つ珪素半溝体層のラマンスペクトルを示したも
のである。第６図に表された表示記号と例番号およびス
パッタ時の水素分圧比との関係を第２表に示す。 第２表 第６図を見ると曲線（６１）に比較して曲線（６２）、
すなわちチャンネル形成領域となる８１半導体層を作製
する際のスパッタ時における水素の分圧比か０％の場合
と２０％の場合を比較すると、熱結晶化させた場合スパ
ッタ時における水素の分圧比か２０％の場合のラマンス
ペクトルは顕著にその半導体シリコンの結晶性が表れて
いることかわかる。 またその平均の結晶粒径は半値幅より５〜／１００人代
表的には５０〜３００人である。そしてラマンスベクト
ルのピークの位置は単結晶シリコンのピークの位置であ
る５２０ｃｍ−’よりも低波数側にすれており、明らか
に格子歪を有していた。 このことは本発明の特徴を顕著に示している。 すなわち水素を添加したスパッタ法によるＳｉ膜の作製
の効果は、そのＳ１膜を熱結晶化させて初めて現れるも
のであるということである。 このように、格子歪みを有していると微結晶粒の各々が
お互いに無理に縮んだ状態となっているので、お互いの
結晶粒界での密接か強くなり、結晶粒界部分でのキャリ
アに対するエネルギーバリアも存在せず、かつ酸素等の
不純物の偏析も発生しにくくなり、結果として、高いキ
ャリアの移動度を実現することか可能となる。 本発明でいう粒径とは、作製された半導体膜をレーザラ
マン分光分析を行なった際に得られるラマンスペクトル
によって計算される数値を用いて示すものであり、実際
の膜中に粒界か存在するかどうか不明であり、むしろ前
述のように、粒界か存在しないと予想される。 この半導体膜の結晶の粒径を可変する方法としては、ス
パッタ成膜時に、加えるＲＦパワーを可変する方法か考
えらる。 その他の方法どしてターゲット近傍に設置されている磁
界供給手段の磁界の強さを変化させてもよい。例えは、
磁界供給手段が電磁石の場合、コイルに流す電流を多く
して磁界を強くすると、基板上に形成される半導体膜の
粒径を大きくすることかできる。又、その逆も可能であ
る。 また本発明の効果を示すデータとして以下に第３表を示
す。 第３表 第３表において、水素分圧比というのは本実施例におけ
るチャンネル形成領域となるＳｉ膜（第１図（Ａ）の（
１３））をマクネトロン型ＲＰスパッタ法によって作製
する際における条件である。 Ｓ値というのは、デバイスの特性を示すゲート電圧（Ｖ
Ｇ）とドレイン電流（ＩＤ）の関係を示すグラフにおけ
る曲線の立ち上かり部分の［ｄ（ＩＤ）／ｄ（ＶＧ）　
］−’の値の最小値であり、この値か小さい程（ＶＧ−
ＩＤ）特性を示す曲線の傾きの鋭さか大きく、デバイス
の電気的特性が高いことを示す。 ＶＴはしきい値電圧を示す。 μはキャリアの移動度を示し単位は（ｃ＋＋＋２／Ｖ・
Ｓ）である。 ｏｎ１０ｆｆ特性というのは、前記（ＶＧ−ＩＤ）特性
を示す曲線におけるＶＧ＝３０ボルトにおけるＩＤの値
とＩＤの最小値との比の対数値である。 この第３表より、総合的にみてより高性能な半導体装置
を本発明の方法で得るには、上記水素分圧比か８０％以
」二の条件を採用するのか適当であることがわかる。 本実施例においては下地の酸化珪素膜と半導体膜とを専
用の反応室にて、連続的に形成したか特にこの場合に限
定されることはなく、作製する半導体装置の構造にもよ
るが半導体膜とゲイト絶縁膜とケイ１〜電極等を専用の
反応室で連続的に形成することも本発明の技術思想の範
囲内であることは明らかである。

【実施例２】 本実施例においては、第３図に示された構造の絶縁ゲイ
ト型半導体装置を示す。 絶縁基板上に酸化珪素膜をコートすることは実施例１と
同じであるか、本実施例においては、チャネル領域を構
成する半導体層の作製の前にゲイト絶縁膜の形成を終え
る作製方法を示している。 絶縁膜（１りの上にスパッタ法により金属モリブデンを
厚さ３０００人に形成し、所定のパターンニンクをして
、ゲイト電極（２０）を形成した。 次に第２図（Ｂ）のマルチチャンバー型スパッタ装置を
用いて、ゲート酸化膜（ＳｉＯ７Ｘ１５）を］ＯＯｎｍ
の厚さにマグネトロン型ＲＦスパッタ法により以下の条
件で成膜した。 酸化雰囲気　１００％ ＝　２９− 圧力　０．５ｐａ 成膜温度　１００℃ ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力４００１’／シリコンタ
ーゲツＩ・または合成石英のターゲットを使用した。こ
の酸化膜の作成に際して不活性気体に対して酸素の割合
を多くもっとも好ましくは１００％酸素でスパッタを行
なうとゲイト絶縁膜の界面準位密度を下げることができ
、非常に特性のよいトランジスタを実現できる。 次に基板を半導体膜専用の反応室（４）に移動させてこ
の酸化珪素膜の上にチャンネル形成領域となる計８１膜
（１３）を１１００ｎの厚さに成膜する。 成膜条件は、不活性気体であるアルゴンと水素雰囲気下
において、 Ｈ２／（Ｌ＋Ａｒ）−ｓｏ％　（分圧比）成膜温度　１
５０℃ ＲＦ（１３，５６Ｍｔ（ｚ）出力　４００Ｗ全圧力　０
．５Ｐａ とし、ターゲットはＳｉターゲットを用いた。 この後、半導体膜の成膜を終えた基板を反応室より取り
出し、基板を装置の外に出さす基板通過室（２）にて４
５０℃〜７００’Ｃの温度範囲特に６００℃の温度で１
０時間の時間をかけ水素または不活性気体中、本実施例
においては窒素１００％雰囲気中においてａ−３ｉ膜（
１３）の熱結晶化を行い、結晶性の高い珪素半導体層を
作製した。この時同時に新たに基板を予備室より酸化珪
素膜専用の反応室（３）に移動させて、前述の条件でゲ
イト絶縁膜を作製した。 このような方法により形成された半導体膜中に存在する
酸素不純物の量はＳ　ＩＭＳ分析によりＩＸＩ０１９ｃ
ｍ−”、炭素は４　Ｘｌ０１８ｃｍ−３であり、水素の
含有量は５％以下であった。これによりゲイト電極（２
０）の上にチャネル領域（２２）を構成させることがで
きた。この熱処理の間に後からゲイト絶縁膜作製の為に
酸化珪素用の反応室に導入された基板を基板通過室をへ
て、半導体膜用反応室（４）に移動させ、同じ条件で半
導体膜の形成をこなった。 次に熱処理の終わった基板を通過室からＮ型半導体膜形
成用反応室（９）に移動した後、ｎ“ａ−８ｉ膜（１４
）を以下に示す条件でマグネ１〜ロン型ＲＦスパツタ法
により５０ｎｍの厚さに成膜した。また同時に半導体膜
の形成が終了した基板を基板通過室にて熱処理し同時に
新たな基板をゲイト絶縁膜用反応室に導入し以後は同様
にして複数の処理を同時に行なった。 成膜条件は、水素分圧比１０〜９９％以上（本実施例で
は８０％）、アルゴン分圧比１０〜９９％（本実施例で
は１９９６）の雰囲気中において、 成膜温度　１５０℃ ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力　４００Ｗ全圧力　０．
５Ｐａ でありターゲットとしてリンをドープした単結晶シリコ
ンを使用した。 次にこの半導体層（１４）の上にソース、ドレイン用の
電極のためのアルミニウム膜を形成し、パターニングを
施し、ソース、ドレインの不純物領域（１４）（１４’
　）およびソース、トルインの電極（１６）、　（１６
′）を形成して、半導体装置を完成した。 本実施例においては、チャネル形成領域の半導体膜形成
前にゲイト絶縁膜か形成されているので、熱結晶化の処
理の際に、ケイト絶縁膜とチャネル領域の界面付近か適
度に熱アニールされ、界面塾位密度をさげることかでき
るという特徴を持つ。 また、各々の膜の形成時には背圧を１×１０″６Ｐａ以
下としかつ排気針をターボ分子ポンプとクライオポンプ
とを組み合わせているので、オイルフリーな不純物の少
ない状態で膜形成を行える。 本実施例における活性層（１３）中の酸素不純物量は］
　Ｘ１０１９ｃｍ−３であり、その移動度μは４０．８
であった。 なお、本実施例等においては熱結晶化させる半導体層と
してａ−３ｉ膜を用いたか、本発明は他の非単結晶半導
体を熱結晶化させる場合においても有効であることはい
うまでもない。 また上記スパッタ時における不活性気体としてはＡｒを
用いたか、その他の気体としてＨｅなどの／）ロゲン気
体、または３ｉ１Ｌ、Ｓｉ、Ｈｓなとの反応性気体をプ
ラズマ化させたものを用いても良い。また、本実施例の
マグネ１〜ロン型ＲＦスパツタ法によるａ−８ｉ膜の成
膜において、水素濃度は５〜＋００９６、成膜温度は５
０〜５００℃の範囲、ＲＰ小出力５００Ｈｚ　−１００
ＧＨｚの範囲において、ＩＷ〜ＩＯＭＷの範囲て任意に
選ぶことができ、またパルスエネルギー発信源と組み合
わせてもよい。 さらに強力な光照射（波長１１０００ｎ以下）エネルギ
ーや、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を使用す
ることによって、より水素を高プラズマ化させてスパッ
タリングを行ってもよい。 これは、水素という軽い原子をよりプラズマ化させスパ
ッタリングに必要な正イオンを効率よく生成させてスパ
ッタによって成膜される膜中のマイクロ構造、本実施例
の場合においてはａ−３ｉ膜中のマイクロ構造の発生を
防止するためである。 また前記能の反応性気体を上記の手段に応用してもよい
。 本実施例は非晶質性の半導体膜を単にａ−３ｉ膜として
記載した。これは通常はシリコン半導体を示しているか
、その他にゲルマニウムまたはシリコンとゲルマニウム
の混合Ｓｉ、Ｇｅ＋イ（０＜Ｘ＜１）であってもよい。 また、本発明の構成はスタガード型、コプレナー型、逆
スタガード型、逆コプレナー型の絶縁ゲイト型電界効果
トランジスタに適用できることはいうまでもない。 ［発明の効果］ 本発明の構成をとることによって、工業的に有用なスパ
ッタ法により得られた非単結晶半導体を熱結晶化させる
ことによって結晶性を持つ半導体を得る工程において問
題となる熱結晶化困難の問題を解決することができ、し
かもこの結晶性を持つ半導体層を用いて高性能な薄膜ｌ
・ランジスタを作製することかできた。 また、本発明法によると、絶縁ケイト型半導体装置に最
小限度必要な部分をすべてスパッタ法で作製することか
できる。このため第１図（Ｄ）に示されるような絶縁ケ
イ１〜型半導体装置において、活性層の下側（１８）す
なわち下地絶縁膜との接触部分が一部酸化され、半絶縁
性を持つ状態となり、この部分での電気的な特性が若干
悪くなる。これによりこの部分に、バックチャネルが発
生することかてきず、逆方向リーク電流を少なくするこ
とができるという特徴を持つ。このことは、この半導体
装置をＣＭＯ５として利用するときに非常に有効であり
オフ電流の減少におおきな効果を示す。 また、半導体膜中に存在する酸素不純物の濃度を少なく
てき、結晶粒界付近てのキャリアに対する障壁（バリア
）か形成されにくく、非常に高い移動度を持つ絶縁ゲイ
ト型半導体装置を実現することができた。 さらに同一装置内で複数の異なる処理を行える為外部の
影響を受けることなく連続的な処理を行うことができる
。加えて、複数の処理を同時に行なえるので生産性を高
めることかできる。 また、絶縁ゲイト型半導体装置の特性を左右する半導体
膜とゲイト絶縁膜の形成を連続的に行なえるので、特性
が外部要因に影響されず、一定した電気特性を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例１の作製工程を示す。 第２図は本発明用のマルチチャンバースパッタ装置の概
略図を示す。 第３図は本発明の他の実施例を示す。 第４図は水素の分圧比とキャリアの移動度との関係を示
したものである。 第５図は水素の分圧比としきい値との関係を示したもの
である。 第６図は本発明の結晶性を持つ半導体膜のラマンスペク
１〜ルを示したものである。 （１）　　・・・予備室 （２）・・・基板通過室 （３Ｘ４）・・スパッタ室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に絶縁ゲイト型半導体装置を作製する方法で
   あって、水素または水素を含有した不活性気体雰囲気下
   にて、スパッタ法により半導体膜を専用に作成する反応
   室にて半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜の形成
   の前または後またはその両方に酸素または酸素を含有し
   た不活性気体雰囲気下にて、スパッタ法により酸化珪素
   膜を専用に形成する反応室にて酸化珪素膜を形成する工
   程を有し、少なくとも前記３つの工程が終了した後に前
   記基板をスパッタ装置より取り出すことを特徴とする絶
   縁ゲイト型半導体装置の作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記スパッタ法で
   形成された半導体膜を４５０℃〜７００℃の温度で熱処
   理する工程を有する事を特徴とする絶縁ゲイト型半導体
   装置の作製方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記半導体膜を専
   用に形成する反応室と前記酸化珪素膜を専用に形成する
   反応室とは各々独立して直接又は間接に接続されており
   、基板を装置外に取り出すことなく半導体膜および酸化
   珪素膜の形成を行なうことができることを特徴とする絶
   縁ゲイト型半導体装置の作製方法。