JPH0645593A - トランジスタの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 成膜装置内に、酸素ガスのプラズマ放電によ
り生成されるオゾン及び酸素イオンを導入することによ
り、前記成膜装置内及び基板表面に存在する炭素化合物
を除去する工程と、前記成膜装置内に、水素ガスの放電
により生成される水素イオンとフッ素ガスとを導入する
ことにより生成されるフッ素イオンとフッ化水素とを導
入することにより、前記基板表面に形成された自然酸化
膜を除去する工程とを含むトランジスタの製造方法。 【効果】 オゾン又は酸素イオンにより成膜装置内及び
基板表面に存在する炭素化合物は酸化され、一酸化炭素
や二酸化炭素等のガスに変化するので、ガスを真空排気
することにより、炭素化合物による成膜装置内の不純物
汚染を低減することができる。また、フッ素イオンによ
るシリコン酸化膜のエッチングを行って、基板表面に形
成された自然酸化膜を除去することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はトランジスタの製造方
法に関し、より詳細には低温プロセスで製造することが
できるトランジスタの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス基板を用いることによっ
て、６００℃程度の低温プロセスで、ディスプレイデバ
イスやイメージセンサ等の大面積な部分に薄膜トランジ
スタを形成することが必要なデバイスが作製されるよう
になっている。しかし、６００℃程度の温度では、ゲー
ト酸化膜を形成する際、従来の半導体プロセスである熱
酸化法を行うことができないため、減圧ＣＶＤ法、プラ
ズマＣＶＤ法、又はスパッタリング等の堆積法によるゲ
ート酸化膜形成が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常の半導体装置の製
造方法では、半導体層形成直後より、半導体層表面に不
安定な自然酸化膜が形成され、これを避ける事は非常に
困難である。特に、減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、
又はスパッタリング等の堆積法を用いた場合には、半導
体層とゲート酸化膜との界面に自然酸化膜が形成される
こととなる。このため、界面準位密度や固定表面電荷密
度の増加原因となり、トランジスタのしきい値電圧の増
加や電界効果移動度の低下などを引き起こすことがある
という課題があった。

【０００４】また、一般に半導体製造装置内には、排気
ポンプなどに用いられる油脂類を主な原因とする炭素系
の不純物が、微量ながらも存在し、半導体層表面に付着
することよって、トランジスタの特性を不安定にするこ
とが考えられる。この発明はこのような課題に鑑みなさ
れたものであり、成膜装置内及び半導体層表面に存在す
る炭素系不純物の除去を行うとともに、半導体層表面に
形成された自然酸化膜の除去を行うことができるトラン
ジスタの製造方法を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、成膜
装置内に、酸素ガスのプラズマ放電により生成されるオ
ゾン及び酸素イオンを導入することにより、前記成膜装
置内及び基板表面に存在する炭素化合物を除去する工程
と、前記成膜装置内に、水素ガスの放電により生成され
る水素イオンとフッ素ガスとを導入することにより生成
されるフッ素イオンとフッ化水素とを導入することによ
り、前記基板表面に形成された自然酸化膜を除去する工
程とを含むトランジスタの製造方法が提供される。

【０００６】つまりこの発明は、トランジスタを形成す
るプロセスのうち、ゲート絶縁膜を形成する際の表面処
理工程におけるものである。この発明において用いられ
る成膜装置は、通常、膜を形成するために用いられる装
置ならば、特に限定されるものではないが、例えば、図
２に示したような成膜装置１０を用いることができる。
この成膜装置１０は、ステンレスで形成された略円筒形
状の成膜室１１とその下部に接続され、石英管で形成さ
れたプラズマ室１２から主として構成されている。成膜
室１１内の上壁には、その内部にヒータ（図示せず）を
埋設した基板ホルダ１３が配設されており、その基板ホ
ルダ１３上に基板１が載置される。また、上壁端部の略
対角線上に２つの排気口１４が形成されている。さら
に、成膜室１１内のほぼ中央部であって、載置された基
板１に対向する位置に、第１のガスノズル１５が配設さ
れており、第１のガスノズル１５のガス導入口は成膜室
１１外部にまで延設されている。この第１のガスノズル
１５から導入されるガスはプラズマ分解する必要のない
原料ガスを直接成膜室１１内に導入することができる。
さらに第１のガスノズル１５の下方にはプラズマ室１２
と接続され、プラズマ室１２で励起された原料ガスを導
入するための第２のガスノズル１６が形成されている。
さらに、プラズマ室１２外周部にはプラズマ室１２に導
入した原料ガスを励起させるため、プラズマ発振をおこ
なうコイル１７が配設されており、このコイル１７は高
周波電源１８に接続されている。

【０００７】また、この発明で用いられる基板として
は、通常、トランジスタを形成する基板であれば特に限
定されるものではない。例えば、薄膜トランジスタを形
成する場合には、通常薄膜トランジスタを形成する基板
として用いられるガラス基板等の絶縁性基板を用いるこ
とができる。そして、その絶縁性基板上に、公知の方
法、例えば、ＣＶＤ法等によりアモルファスシリコン又
はポリシリコン等の半導体薄膜を、５０〜１５０ｎｍ程
度堆積してチャネル部分となる領域を形成しておくこと
が好ましい。ＭＯＳ等のトランジスタを形成する場合に
は、シリコン基板等の半導体基板を用いることができ
る。なお、この発明において、基板とは、薄膜トランジ
スタの場合には、絶縁性基板上に形成された半導体薄膜
を含むものである。

【０００８】この発明において、半導体薄膜を形成した
基板あるいは半導体基板を成膜装置内の基板ホルダに載
置し、５×１０^-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気することが好
ましい。また、成膜装置内に、酸素ガスのプラズマ放電
により生成されるオゾン及び酸素イオンを導入する際、
酸素ガスはまずプラズマ室に導入される。この場合、酸
素ガスは１０〜５００ｓｃｃｍ程度の流量で導入される
ことが好ましい。また、プラズマ室の圧力は０．１〜１
Ｔｏｒｒ程度が好ましい。そして、酸素ガスのプラズマ
放電により生成したオゾン及び酸素イオンで処理する時
間は５〜１５分間程度が好ましい。さらに、プラズマ放
電の際に発振コイルに印加する高周波電力は５０〜１５
０Ｗが好ましい。

【０００９】また、成膜装置内に、水素ガスの放電によ
り生成される水素イオンとフッ素ガスとを導入すること
により生成されるフッ素イオンとフッ化水素とを導入す
る際、水素ガスはまずプラズマ室に導入される。この場
合、水素ガスは１０〜５００ｓｃｃｍ程度の流量で導入
され、励起して成膜室に導入される。なお、この際のプ
ラズマ室の圧力は０．１〜１Ｔｏｒｒ程度が好ましい。
また、水素イオンの導入と同時に成膜室に直接導入され
るフッ素ガスは、２〜５０ｓｃｃｍ程度の流量で導入さ
れることが好ましい。そして、これら水素イオンとフッ
素ガスとが反応することにより、フッ素イオンとフッ化
水素が生成されることとなる。成膜装置内でフッ素イオ
ンとフッ化水素とにより処理される時間は１〜５分間程
度が好ましい。

【００１０】さらに、これら処理を行ったのち、引き続
いて基板表面にゲート絶縁膜となる酸化膜を形成する。
その際、上記と同様に酸素ガスを導入することによりオ
ゾン及び酸素イオンを生成すると同時に、成膜室に直
接、シランガスを１〜２０ｓｃｃｍ程度の流量で導入し
て、酸化膜を形成することができる。この場合の酸化膜
の膜厚は特に限定されるものではないが、薄膜トランジ
スタを形成する場合には８０〜１２０ｎｍ程度が好まし
い。

【００１１】そして、ゲート絶縁膜を形成したのち、公
知の方法により、ゲート電極、ソース／ドレイン領域及
び層間絶縁膜等を形成し、トランジスタを作製すること
ができる。

【００１２】

【作用】上記の方法によれば、成膜装置内に、酸素ガス
のプラズマ放電により生成されるオゾン及び酸素イオン
を導入するので、オゾン又は酸素イオンにより成膜装置
内及び基板表面に存在する炭素化合物は酸化され、一酸
化炭素や二酸化炭素等のガスに変化することとなる。そ
して、成膜装置内に生成された一酸化炭素や二酸化炭素
等のガスを真空排気することにより、成膜装置内のガス
が除去され、炭素化合物による成膜装置内の不純物汚染
が低減される。

【００１３】また一般に、フッ素イオンがシリコン膜及
びシリコン酸化膜のエッチングを行うことは知られてい
ることから、四フッ化炭素（ＣＦ₄)のプラズマ分解を利
用したエッチングが広く利用されている。しかし、この
方法を応用した場合、炭素がシリコン膜表面に残るた
め、清浄な界面を形成する事ができない。従って、成膜
装置内に、水素ガスの放電により生成される水素イオン
とフッ素ガスとを導入することにより生成されるフッ素
イオンとフッ化水素とを導入することにより、基板表面
に形成された自然酸化膜が除去される。これは、水素を
プラズマ分解することにより水素イオンを形成し、この
水素イオンとフッ素を反応させることによりフッ素イオ
ンを形成して、シリコン酸化膜のエッチングを行うため
である。

【００１４】

【実施例】この発明に係わるトランジスタの製造方法を
図面に基づいて説明する。まず、ガラスからなる絶縁性
基板１上に、ポリシリコン２を、例えば、ＣＶＤ法によ
り膜厚１００ｎｍで堆積し、トランジスタのチャネル部
分となるポリシリコン２を形成する（図１（ａ））。

【００１５】これを図２に示した成膜装置１０の基板ホ
ルダー１３に装着し、一旦、成膜装置１０内部を５×１
０^-7Ｔｏｒｒになるまで真空引きを行うとともに、基板
ホルダー１３のヒーターにて基板１を３００℃にする。
そして、まずプラズマ室１２に１００ｓｃｃｍ程度の流
量で酸素ガスを導入し、例えば、発振コイル１７に高周
波電力約１００Ｗを印加することにより酸素プラズマを
形成する。そして、第２のガスノズル１６を通じてオゾ
ン及び酸素ラジカルを成膜室１１に導入し、基板１表面
及び成膜室１１内に存在する炭素化合物からなる不純物
の除去を行う。このときのプラズマ室１２内の圧力は１
Ｔｏｒｒ程度で、処理時間は約１０分間である。次い
で、再び５×１０^-7Ｔｏｒｒまで真空引きを行った後、
プラズマ室１２に１００ｓｃｃｍ程度の流量で水素ガス
を導入し、発振コイル１７に高周波電力約１００Ｗを印
加することにより水素プラズマを形成する。そして、第
２のガスノズル１６を通じ水素ラジカルを成膜室１１に
導入すると同時に、第１のガスノズル１５よりフッ素ガ
スを１０ｓｃｃｍ程度の流量で導入し、ポリシリコン２
表面に形成された自然酸化膜をエッチング除去する。こ
のときの処理時間は約５分である。その後、さらにプラ
ズマ室１２に１００ｓｃｃｍ程度の流量で酸素ガスを導
入することにより、酸素プラズマを形成し、成膜室１１
にオゾン及び酸素イオンを導入する。それと同時に、第
１のガスノズル１５よりモノシランを２ｓｃｃｍ程度の
流量で導入することにより、ポリシリコン２上に、トラ
ンジスタのゲート絶縁膜となる膜厚１００ｎｍ程度のＳ
ｉＯ₂ 膜３を成膜する（図１（ｂ））。

【００１６】次いで、基板１を成膜装置１０から取り出
した後、基板１上に膜厚２５０ｎｍ程度のポリシリコン
膜を成膜し、所望の形状にパターニングしてゲート電極
４４を形成する。これをイオン注入により自己整合的に
不純物元素を１×１０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、４０ｋｅＶ
程度で注入し、活性化を行うことによりトランジスタの
ソース及びドレインを形成する。そして、それと同時に
ゲート電極４４の低抵抗化を行った後、膜厚５００ｎｍ
程度のＳｉＯ₂ 膜からなる層間絶縁膜５を成膜する（図
１（ｃ））。

【００１７】さらに、通常の工程により、層間絶縁膜５
にコンタクトホールを形成した後、例えばアルミニウム
の引き出し電極６を形成し、トランジスタを作製する
（図１（ｄ））。このように作製されたトランジスタの
ドレイン電流−ゲート電圧特性を図３において実線で示
す。

【００１８】実施例１ 酸素プラズマによる成膜装置及び基板表面のクリーニン
グに関する実験の実施例を示す。基板１としてＲＴＡ洗
浄を行ったシリコンウェハを基板ホルダー１３にセット
し、酸素ガスを１００ｓｃｃｍの流量にてプラズマ室１
２に導入して酸素プラズマを形成し、第２のガスノズル
１６を通じて成膜室１１にオゾン及び酸素イオンを導入
した。プラズマを形成する高周波電力は１００Ｗ、基板
１の温度は３００℃、プラズマ室１２及び成膜室１１の
圧力は排気速度を制御することにより１Ｔｏｒｒとし、
１０分間処理を行った。

【００１９】図４は、成膜室１１に質量分析機を設置し
て、処理前（Ａ）、処理直後（Ｂ）及び１分間排気後
（Ｃ）での成膜室１１内の雰囲気を観測したものであ
る。測定時の圧力は処理前後とも５×１０^-7Ｔｏｒｒで
あった。処理前（Ａ）では質量数３８〜４４に、排気ポ
ンプなどに使用されている油脂類を起因とする炭素化合
物を示すシグナルが観測されている。

【００２０】処理直後（Ｂ）では、質量数４４以外のシ
グナルは減少している。これは成膜室１１内に存在する
炭素化合物からなる不純物が、オゾン及び酸素イオンに
より酸化され、一酸化炭素又は二酸化炭素等のガスに変
化しているためである。従って、処理直後で、質量数４
４の二酸化炭素が増加していることが観測により明らか
となっている。

【００２１】また、１分間の排気を行った後（Ｃ）で
は、質量数４４のシグナルも減少しており、炭素化合物
からなる不純物が除去されていることを示している。図
５は、同じく成膜室１１内にオージェ電子分光分析機を
設置し、処理前（Ｄ）及び処理後（Ｅ）でシリコン基板
１表面の状態の変化を観測したものである。処理前
（Ｄ）では、シリコン基板１表面に炭素原子が付着して
いることを示すシグナルが観測されているが、処理後
（Ｅ）では、炭素原子が全く観測されなくなっている。
このことより、基板表面の炭素不純物の除去も行われて
いることが確認できる。ただし、酸素原子を示すシグナ
ルは大きくなっているが、これは、オゾン及び酸素イオ
ンによりシリコンの酸化が進行しているためである。

【００２２】実施例２ 水素プラズマ及びフッ素導入による表面酸化膜除去に関
する実験の実施例を示す。実施例１の処理を行った後、
プラズマ室に水素ガスを１００ｓｃｃｍの流量にて導入
して水素プラズマを形成し、第２のガスノズル１６を通
じて水素イオンを成膜室１１に導入した。また、第１の
ガスノズル１５よりフッ素ガスを１０ｓｃｃｍの流量に
て導入した。プラズマを形成する高周波電力は１００
Ｗ、基板温度は３００℃、プラズマ室１２及び成膜室１
１の圧力は排気速度を制御することにより０．５Ｔｏｒ
ｒとし、１分間処理を行った。

【００２３】図６は、成膜室１１内にオージェ電子分光
分析機を設置し、処理前（Ｆ）及び処理後（Ｇ）でシリ
コン基板１表面の状態の変化を観測したものである。処
理前（Ｆ）では、基板１表面の酸化膜を示す酸素原子の
シグナルが観測されているが、処理後（Ｇ）では、酸素
原子のシグナルが全く観測されなくなっている。このこ
とより、基板１表面に存在する自然酸化膜や実施例１の
処理の際に形成された酸化膜がエッチング除去されてい
ることを示している。

【００２４】実施例３ 酸素プラズマによる成膜装置及び基板表面のクリーニン
グ、水素プラズマ及びフッ素導入による表面酸化膜除去
に関する実験の実施例、及びそれら処理を行った後のシ
リコンウェハ上にシリコン酸化膜の成膜に関する実験の
実施例を示す。酸素を１００ｓｃｃｍの流量にてプラズ
マ室に導入して酸素プラズマを形成し、第２のガスノズ
ル１６を通じて成膜室１１にオゾン及び酸素イオンを導
入すると同時に、第１のガスノズル１５よりモノシラン
を２ｓｃｃｍの流量にて導入した。プラズマを形成する
高周波電力は１００Ｗ、基板温度は３００℃、プラズマ
室１２及び成膜室１１の圧力は、排気速度を制御するこ
とにより０．１Ｔｏｒｒとし、１２分間成膜を行った。
この方法では、オゾン及び酸素イオンとモノシランとの
反応によりシリコン酸化膜の成長が行われ、通常の酸素
とモノシランを用いた減圧ＣＶＤに比べ、３００℃の低
温においても約４倍である約８ｎｍ／ｍｉｎの成長速度
が得られた。また、成膜室内でプラズマ発振を行う通常
プラズマＣＶＤに対し、基板表面に与えるダメージはほ
とんど無いものと考えられる。

【００２５】以上により成膜を行った膜厚１００ｎｍの
シリコン酸化膜よりＭＯＳ構造を形成し、リーク電流特
性及び高周波Ｃ−Ｖ法によるＣ−Ｖ曲線の測定を行っ
た。図７はリーク電流特性を示した図であるが、低電界
でのリーク電流の密度は約３ｎＡ／ｃｍ² 程度で、絶縁
耐圧は約８ＭＶ／ｃｍと、実用上問題のない絶縁膜が得
られた。

【００２６】図８はＣ−Ｖ曲線を示している。界面準位
密度をＣ−Ｖ曲線から計算した結果、シリコンのバンド
ギャップ中央付近で２×１０¹⁰／ｃｍ・ｅＶの値が得ら
れていた。これは、実施例１及び２で示した処理により
シリコン表面がクリーニングされ、そのうえにシリコン
酸化膜が成膜されていることをしめしている。

【００２７】比較例１ 実施例１及び２で示す処理を行わずに、シリコンウェハ
上に実施例３で示すシリコン酸化膜を成膜した比較例を
示す。ＲＴＡ洗浄を行ったシリコンウェハを基板ホルダ
ー１３にセットし、実施例１及び２で示す処理を行わず
に、実施例３でシリコン酸化膜を成膜した。実施例３と
同様に膜厚１００ｎｍのシリコン酸化膜のＣ−Ｖ曲線を
測定した結果を図８の点線に示す。図８から明らかなよ
うに、実施例３で作製したシリコン酸化膜の方が、比較
例１で作製したシリコン酸化膜よりも界面準位密度が小
さく、特性が良いことが判る。

【００２８】比較例２ ゲート絶縁膜の部分を上記実施例１〜３の処理を行わず
通常のプラズマＣＶＤでシリコン酸化膜を成膜したトラ
ンジスタについて示す。実施例１〜３の処理を行わず通
常のプラズマＣＶＤでシリコン酸化膜を成膜した以外は
実施例と同様にしてトランジスタを作製した。

【００２９】比較例２のトランジスタのゲート電圧−ド
レイン電流特性を実施例と同様にして測定した結果を図
３の点線に示す。比較例２のトランジスタに比べ実施例
のトランジスタの方がオン電流が大きく、しきい値電圧
も低い良好な特性のトランジスタであることが判った。
なお、この実施例においては、薄膜トランジスタを形成
する場合について説明したが、その他のトランジスタ、
例えばＭＯＳ等のトランジスタを形成する場合にも本質
的に同様であり、この発明もまた、それらに及ぶもので
ある。

【００３０】

【発明の効果】この発明の製造方法によれば、成膜装置
内に、酸素ガスのプラズマ放電により生成されるオゾン
及び酸素イオンを導入するので、オゾン又は酸素イオン
により成膜装置内及び基板表面に存在する炭素化合物は
酸化され、一酸化炭素や二酸化炭素等のガスに変化す
る。そして、成膜装置内に生成された一酸化炭素や二酸
化炭素等のガスを真空排気することにより、成膜装置内
のガスが除去され、炭素化合物による成膜装置内の不純
物汚染を低減することができる。

【００３１】また成膜装置内に、水素ガスの放電により
生成される水素イオンとフッ素ガスとを導入することに
より生成されるフッ素イオンとフッ化水素とを導入する
ことにより、フッ素イオンによるシリコン酸化膜のエッ
チングを行って、基板表面に形成された自然酸化膜を除
去することができる。従って、界面準位密度や界面固定
電荷密度を低減することができ、トランジスタの特性を
向上することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るトランジスタの製造方法の実施
例を示す断面図である。

【図２】この発明の実施例のシリコン酸化膜作製に用い
た成膜装置の概略図断面図である。

【図３】この発明の実施例及び比較例により作製したト
ランジスタのゲート電圧−ドレイン電流特性を示すグラ
フである。

【図４】この発明の実施例１に示す処理を行う前後で成
膜装置内の雰囲気を測定した質量スペクトルの変化を示
したグラフである。

【図５】この発明の実施例１に示す処理を行う前後でシ
リコンウェハ表面を観測したオージェ電子スペクトルの
変化を示したグラフである。

【図６】この発明の実施例２に示す処理を行う前後でシ
リコンウェハ表面を観測したオージェ電子スペクトルの
変化を示したグラフである。

【図７】この発明の実施例３により作製したシリコン酸
化膜のリーク電流特性を示したグラフである。

【図８】この発明の実施例３により作製したシリコン酸
化膜のＣ−Ｖ特性を示したグラフである。

【符号の説明】

１ 基板 １０ 成膜装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成膜装置内に、酸素ガスのプラズマ放電
   により生成されるオゾン及び酸素イオンを導入すること
   により、前記成膜装置内及び基板表面に存在する炭素化
   合物を除去する工程と、前記成膜装置内に、水素ガスの
   放電により生成される水素イオンとフッ素ガスとを導入
   することにより生成されるフッ素イオンとフッ化水素と
   を導入することにより、前記基板表面に形成された自然
   酸化膜を除去する工程とを含むことを特徴とするトラン
   ジスタの製造方法。