JPH0855847A

JPH0855847A - 酸化珪素膜の加熱処理方法および加熱処理装置

Info

Publication number: JPH0855847A
Application number: JP6212032A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Mitsunori Sakama; 光範坂間; Tomohiko Sato; 友彦佐藤; Satoshi Teramoto; 聡寺本; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村; Shigefumi Sakai; 重史酒井
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1994-08-11
Publication date: 1996-02-27
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: JP3565911B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ＰＶＤ法やＣＶＤ法によって形成された酸化
珪素膜を薄膜トランジスタのゲイト絶縁膜として用いる
ための、良好な加熱処理方法および加熱処理装置を提供
する。【構成】ＰＶＤ法やＣＶＤ法によって、珪素膜からな
る活性層上に形成した酸化珪素膜に対して、紫外光を照
射しながら、ＮＨ₃、Ｎ₂Ｈ₄雰囲気において３００〜
７００℃の加熱処理をおこなうことによって、酸化珪素
膜中、特に珪素膜との界面に窒素を取り込むことによっ
て不対結合手を埋めて、ゲイト絶縁膜として良好な酸化
珪素膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、
あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けら
れ、ＰＶＤ法やＣＶＤ法によって形成された酸化珪素膜
をゲイト絶縁膜として用いる半導体装置、例えば、薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）または、それを応用した薄膜集
積回路、特にアクティブ型液晶表示装置（液晶ディスプ
レー）用薄膜集積回路の作製方法に関し、特に、良好な
特性のゲイト絶縁膜を得るためのゲイト絶縁膜の加熱処
理方法および加熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを
有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用い
るアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が開
発されている。これらの装置に用いられるＴＦＴには、
薄膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状
の珪素半導体としては、非晶質珪素半導体からなるもの
と結晶性を有する珪素半導体からなるものの２つに大別
される。非晶質珪素半導体は作製温度が低く、気相法で
比較的容易に作製することが可能で量産性に富むため、
もっとも一般的に用いられているが、導電率等の物性が
結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、今後、よ
り高速性を得るためには結晶性を有する珪素半導体から
なるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められている。

【０００３】移動度の小さな非晶質珪素を用いたＴＦＴ
の場合には、ゲイト絶縁膜の特性はあまり問題とならな
かった。例えば、非晶質珪素を用いたＴＦＴでは、ゲイ
ト絶縁膜として酸化珪素よりも電気的特性に劣る窒化珪
素膜が用いられる。しかし、移動度の高い結晶性の珪素
膜を用いたＴＦＴでは、珪素膜自体の特性を同じくらい
ゲイト絶縁膜の特性が大きな問題であった。ゲイト絶縁
膜として好ましいものとしては熱酸化膜がある。例え
ば、石英基板のように高温に耐える基板上であれば、熱
酸化法を用いてゲイト絶縁膜を得ることができた。（例
えば、特公平３−７１７９３）

【０００４】熱酸化法によって、ゲイト絶縁膜として使
用するに足る酸化珪素膜を得るには、９５０℃以上の高
温が必要であった。しかしながら、このような高温処理
に耐えうる基板材料は石英の他にはなく、石英基板は高
価であり、かつ、融点が高いために大面積化が困難であ
るという問題があった。しかし、より安価なガラス基板
材料は、歪み点が７５０℃以下、一般的には５５０〜６
５０℃で、通常の方法で熱酸化膜を得るだけの高温に基
板が耐えないという問題があった。そのため、より低温
で形成できる物理的気相成長法（ＰＶＤ法、例えばスパ
ッタ法）や化学的気相成長法（ＣＶＤ法、例えばプラズ
マＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等）によってゲイト絶縁膜が形
成された。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＰＶＤ
法、ＣＶＤ法によって作製した絶縁膜は不対結合手や水
素の濃度が高く、また、界面特性も良くなかった。その
ため、ホットキャリヤ等の注入に対しても弱く、不対結
合手や水素が原因となり、電荷捕獲中心が形成されやす
かった。このため、ＴＦＴのゲイト絶縁膜として用いた
場合に電界移動度やサブスレシュホールド特性値（Ｓ
値）が、良くないという問題点、あるいはゲイト電極の
リーク電流が多く、オン電流の低下（劣化・経時変化）
が甚だしいという問題点があった。

【０００６】例えば、ＰＶＤ法であるスパッタ法を用い
る場合には、高純度の酸素と珪素からなる合成石英をタ
ーゲットとすれば、原理的には酸素と珪素の化合物の被
膜のみが形成される。しかし、得られる被膜の酸素と珪
素の比率が化学量論比に近く、かつ、不対結合手の少な
い酸化珪素膜を得ることは極めて難しかった。例えば、
スパッタガスとして酸素が好ましかった。しかし、酸素
は原子量が小さく、スパッタ速度（堆積速度）が小さ
く、量産を考慮すると、スパッタガスとしては不適切で
あった。また、アルゴン等の雰囲気においては、十分な
成膜速度が得られたものの、酸素と珪素の比率が化学量
論比と異なり、ゲイト絶縁膜としては極めて不適当なも
のであった。

【０００７】さらに、スパッタ雰囲気をどのようにして
も珪素の不対結合手を低減することは難しく、成膜後に
水素雰囲気での加熱処理をおこなうことによって、珪素
の不対結合手Ｓｉ・もしくはＳｉＯ・をＳｉ−Ｈ、Ｓｉ
−ＯＨとして、安定化させることが必要であった。しか
しながら、Ｓｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ結合は不安定で、加速
した電子によって、容易に切断され、もとの珪素の不対
結合手に変化してしまった。このような弱い結合Ｓｉ−
Ｈ、Ｓｉ−ＯＨの存在が上述のホットキャリヤ注入によ
る劣化の要因となったものである。同様にプラズマＣＶ
Ｄ法を用いて作製された酸化珪素膜にもＳｉ−Ｈ、Ｓｉ
−ＯＨの形で多くの水素が含有されており、不対結合手
も多く、上記の問題の源泉となっていた。本発明は、上
記の問題を解決する手段を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】酸化珪素膜、例えば、熱
酸化法によって形成された酸化珪素膜をアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）等の窒化水素の雰囲気
中において、９００℃以上の加熱処理を施すことによっ
て、窒化されて不対結合が低減することにより、酸化珪
素膜中の窒素濃度が高くなり、ゲイト絶縁膜として理想
的な酸化珪素膜を得られることが知られている。

【０００９】しかし、この際におこなわれる加熱処理
は、温度が９００℃以上と高いため、石英基板のように
歪み点が高い基板においてのみ可能なプロセスであっ
た。そのため、歪み点が７５０℃以下、代表的には５５
０〜６５０℃の各種ガラス基板を用いてＴＦＴを形成す
る低温プロセスにおいては、この加熱処理を導入するこ
とはできなかった。

【００１０】本発明者らは、この反応の低温化について
研究を進め、ＮＨ₃またはＮ₂Ｈ₄雰囲気中における加
熱処理の際に、紫外光を照射することによって、３００
〜７００℃、好ましくは５００〜６００℃の加熱処理
で、９００℃以上の加熱処理をおこなったのと同様の効
果が得られることを見出した。この際、使用される紫外
光の波長としては１００〜３５０ｎｍ、好ましくは１５
０〜３００ｎｍとする。

【００１１】本発明の第１は、ＰＶＤ法あるいはＣＶＤ
法によって形成された酸化珪素膜に対して、ＮＨ₃、ま
たはＮ₂Ｈ₄等の窒化水素雰囲気において、３００〜７
００℃、好ましくは５００〜６００℃で加熱処理を施す
と同時に紫外光照射をおこなうことによって、ゲイト絶
縁膜として用いるに十分な酸化珪素膜に改質することを
特徴とする。

【００１２】窒化水素雰囲気における加熱処理の時間
は、酸化珪素膜の特性・加熱処理温度・紫外光の強度等
に依存するが、量産性を考慮すると３０分〜６時間とす
ることが望ましい。また、加熱処理工程における基板温
度の上昇あるいは下降の速度は本発明を実施するものが
決定すればよいのであるが、量産性を考慮した場合、５
〜３０℃／ｍｉｎの速度で、昇温または冷却することが
望ましい。また、この昇温・冷却の際には窒素雰囲気で
おこなってもよい。

【００１３】本発明においては、例えば、ＰＶＤ法とし
てはスパッタ法、ＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ
法、減圧ＣＶＤ法、大気圧ＣＶＤ法を用いればよい。そ
の他の成膜方法も用いることが可能である。また、プラ
ズマＣＶＤ法もしくは減圧ＣＶＤ法としては、ＴＥＯＳ
を原料とする方法を用いてもよい。前者の場合において
は、ＴＥＯＳと酸素を原料として基板温度２００〜５０
０℃で堆積させればよい。後者の場合においては、ＴＥ
ＯＳとオゾンを原料として、比較的低温（例えば、３７
５℃±２０℃）で、プラズマによるダメージの無い酸化
珪素膜を得ることができる。同様に減圧ＣＶＤ法を用い
て、モノシラン（ＳｉＨ₄）と酸素ガス（Ｏ₂）を主た
る原料としても、活性層へのプラズマダメージを与える
こと無く酸化珪素膜を得ることができる。また、プラズ
マＣＶＤ法のうち、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）
条件の放電を用いる、ＥＣＲ−ＣＶＤ法は、プラズマに
よるダメージが小さいので、より良好なゲイト絶縁膜を
形成することができる。

【００１４】本発明の第２は、上記工程をおこなうに適
切な加熱処理装置に関するもので、加熱処理のためのチ
ャンバーと、加熱処理をおこなう前の基板および加熱処
理後の基板をセットする予備室と、基板を移送するため
の搬送機が備えてある前室とを有し、前記チャンバーに
は、基板を加熱するヒーターを備えた基板ホルダーが備
えてあり、前記基板を加熱するためのチャンバーの外部
もしくは内部に、基板に紫外光を照射するための光源が
取りつけられていることを特徴とする加熱処理装置であ
る。

【００１５】この装置においては、より生産性を向上さ
せるために、チャンバー内部の基板ホルダーを、耐熱性
のメタルで構成された概略コンベアー状の搬送装置にし
て、基板を移動させながら加熱処理がおこなえるように
してもよい。また、基板を加熱するためのチャンバー内
部の基板ホルダーを、耐熱性のメタルで構成された概略
コンベアー状の搬送装置にして、複数枚の基板を取りつ
けて一度に加熱処理がおこなえるようにしてもよい。さ
らには、概略コンベアー状の搬送装置の下部にヒーター
を設けてもよい。

【００１６】本発明の他の装置は、円柱状のチャンバー
を有し、前記円柱状のチャンバーの周囲には、基板を加
熱するためのヒーターが設けられており、前記円柱状の
チャンバーの中心部には、基板に紫外光を照射するため
の光源が設けられており、前記円柱状のチャンバーの内
壁に沿うようにして基板を取りつける構造を有するもの
である。かくすることにより、紫外光を有効に利用する
ことができ、生産性を向上せしめることができる。

【００１７】

【作用】ＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって成膜した酸
化珪素膜をＮＨ₃もしくはＮ₂Ｈ₄雰囲気中で９００℃
以上の加熱処理をおこなうと、窒素によって不対結合手
が埋められたり、酸化珪素膜中のＳｉ−Ｈ結合やＳｉ−
ＯＨ結合が窒化され、Ｓｉ≡Ｎ、あるいはＳｉ₂＝Ｎ−
Ｈ結合に変化し、酸化珪素膜中の窒素が増加する。特に
この反応は酸化珪素と珪素の界面で進行しやすく、結果
として窒素は酸化珪素−珪素界面に集中する。このよう
な手段で界面付近に集中して添加される窒素の量は、酸
化珪素膜の平均的な濃度の１０倍以上になる。酸化珪素
中に０．１〜１０原子％、代表的には、１〜５原子％の
窒素を含有せしめるとゲイト絶縁膜として好ましい。

【００１８】この結果、ゲイト絶縁膜と活性層の界面に
おける不対結合手や、結合が弱く、ホットキャリヤによ
って簡単に分断されるＳｉ−Ｈ結合やＳｉ−ＯＨ結合
が、結合の強固なＳｉ≡Ｎ結合、Ｓｉ₂＝Ｎ−Ｏ結合等
に置き換えられ、ホットキャリヤによる化学状態の変動
が極めて小さくなる。

【００１９】このように、酸化珪素膜中、特に、珪素膜
との界面付近の不対結合手やＳｉ−Ｈ結合やＳｉ−ＯＨ
結合が窒化されることにより、ホットキャリヤに対する
耐性が向上し、ＴＦＴのゲイト絶縁膜として用いた場合
の電界移動度やサブスレシュホールド特性値（Ｓ値）が
向上し、オン電流の低下（劣化・経時変化）を防止する
上で格段の効果が生じた。

【００２０】以上のような反応は９００℃以上の加熱処
理においてのみ進行した。これは、主としてＮＨ₃、お
よびＮ₂Ｈ₄を分解するのに要する温度が９００℃以上
であるためと推定される。しかし、紫外光の照射を併用
するとその温度を低下させることができた。この際、使
用される紫外光の波長としては１００〜３５０ｎｍ、好
ましくは１５０〜３００ｎｍとする。これは、紫外光に
よってＮＨ₃、およびＮ₂Ｈ₄が分解されるのことによ
り、３００〜７００℃、好ましくは、５００〜６００℃
の加熱処理においても上記と同等な反応が可能となった
ものと推定される。また、紫外光の照射された酸化珪素
膜においては、特に不対結合手やＳｉ−Ｈ結合、Ｓｉ−
ＯＨ結合が紫外光を吸収しやすく、この結果、このよう
な部分が化学的に励起された状態となり、化学反応が促
進されたためとも考えられる。

【００２１】本発明をスパッタ法によって成膜した酸化
珪素膜（特に、スパッタ雰囲気をアルゴン等とすること
により、酸素濃度が化学量論比より少ない酸化珪素膜）
に適用した場合には特に効果が顕著である。すなわち、
このような膜は不対結合手が多いのであるが、ＮＨ₃、
Ｎ₂Ｈ₄等の窒化水素の雰囲気において、紫外光を照射
しつつ、３００〜７００℃、好ましくは、５００〜６０
０℃で加熱処理することにより、不対結合手を窒化し、
化学量論比に対して不足している酸素の代わりに窒素を
結合させて、不対結合手の少ない酸化窒化膜とすること
ができる。

【００２２】上記のことはスパッタ法による酸化珪素膜
の成膜が不利でないことを示すものである。すなわち、
従来、スパッタ法によって酸化珪素膜を形成するには、
組成を化学量論比に近づけるため、限られた条件の雰囲
気でしかおこななかった。例えば、雰囲気として、酸素
とアルゴンの混合雰囲気の系を考えると、酸素／アルゴ
ン＞１という条件を満たすことが必要で、好ましくは、
純粋な酸素雰囲気でおこなうことが望まれた。そのた
め、成膜速度が低く、量産に適さなかった。また、酸素
は反応性のガスであり、真空装置、チャンバー等が酸化
されることも問題であった。

【００２３】しかしながら、本発明によって、化学量論
組成より離れた組成の酸化珪素膜であっても、ゲイト絶
縁膜として用いるに適する酸化珪素膜に変換できるの
で、同じ酸素とアルゴンの混合雰囲気の系においても、
酸素／アルゴン≦１というように、成膜速度に関してよ
り有利な条件で実施することができる。例えば、純粋な
アルゴン雰囲気のように極めて成膜速度が高く、安定し
た条件で成膜することも可能となった。

【００２４】このような効果はスパッタ法以外のＰＶＤ
法、あるいは各種ＣＶＤ法によって形成された酸化珪素
膜に対しても得られる。このように、本発明を用いるこ
とにより、３００〜７００℃という低温でありながら、
ＰＶＤ法やＣＶＤ法によって形成された酸化珪素膜中の
不対結合手を減少させ、窒素の濃度を高めることができ
る。そして、この酸化珪素膜をゲイト絶縁膜とした用い
たＴＦＴは、優れた特性と高い信頼性を示す。

【００２５】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例はプラズマＣＶＤ法によって形成
した酸化珪素膜に対して、ＮＨ₃加熱処理と同時に紫外
光照射をおこなって改質し、これをゲイト絶縁膜として
Ｎチャネル型ＴＦＴを形成した例である。図７に本実施
例のＴＦＴの作製工程を、また、図１に上記の酸化珪素
膜の加熱／紫外光照射処理に用いた装置の概略を示す。

【００２６】まず、基板７０１上に下地の酸化珪素膜７
０２をプラズマＣＶＤ法によって３０００Åに形成し
た。そして、非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって
５００Åに成膜した。その後、Ｎ₂雰囲気中において加
熱処理を施して、非晶質珪素膜を結晶化せしめた。この
とき、非晶質珪素膜の結晶化を促進させるために、ニッ
ケル等の非晶質珪素の結晶化を促進する元素を微量添加
してもかまわない。また、結晶化を向上させるためにレ
ーザーアニールを施してもかまわない。（図７（Ａ））

【００２７】次に、結晶化した珪素膜７０３をエッチン
グして、島状領域７０４を形成した。この島状領域７０
４はＴＦＴの活性層である。そして、ゲイト絶縁膜とし
て、１０００Åの酸化珪素膜７０５を形成した。本実施
例では、以下に示す第１〜第３の異なる方法によって酸
化珪素膜を作製した。（図７（Ｂ））第１はＴＥＯＳを
原料とするプラズマＣＶＤ法によるものである。これ
は、ベーパライザーによって気化させたＴＥＯＳと酸素
を平行平板型の電極を有するチャンバーに導入し、ＲＦ
電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ）を導入して、プラズ
マを発生させ、基板温度２００〜５００℃、好ましくは
２５０〜４００℃で堆積させた。本実施例では、反応圧
力は４Ｐａ、投入電力を１５０Ｗ、基板温度を３５０℃
とした。

【００２８】第２はスパッタ法によるものである。これ
は、ターゲットとして合成石英を用い、酸素１００％、
１Ｐａの雰囲気において、スパッタすることによって成
膜した。投入電力は３５０Ｗ、基板温度は２００℃とし
た。第３はＥＣＲ−ＣＶＤ法によるもので、原料ガスと
してモノシラン（ＳｉＨ₄）と酸素を用いた。酸素の代
わりにＮ₂Ｏ、ＮＯ、ＮＯ₂等の酸化窒素ガスを用いて
もよい。また、このときの成膜条件としては、基板加熱
をおこなわず、マイクロ波（周波数２．４５ＭＨｚ）の
投入電力を４００Ｗとした。

【００２９】その後、図１に示す加熱処理装置によっ
て、ＮＨ₃雰囲気での加熱処理を施した。図１に示すよ
うに、本実施例に用いた加熱処理装置は、加熱処理をお
こなうためのチャンバー１０１と、処理前の基板を保管
してある予備室１０２と、処理後の基板を保管する予備
室１０３と、搬送機１１０を備えた前室１０９から構成
されており、基板１１１はこれらのチャンバー間を搬送
機１１０によって移送される。なお、本実施例において
は、チャンバー１０１においては、一度に一枚の加熱処
理がおこなえる枚葉式となっている。

【００３０】また、チャンバー１０１は、基板１０５を
加熱するためのヒーターが下部に設けられた基板ホルダ
ー１０４を有している。さらに、チャンバー１０１の外
部には、紫外光源１０６が設けられてある。本実施例に
おいて紫外光源として、低圧水銀ランプ（中心波長２４
６ｎｍ、および１８５ｎｍ）を使用した。チャンバー１
０１の上部で紫外光源１０６が取りつけられている部分
は、紫外光を取り込むために石英等の紫外光を吸収しな
い素材によって窓が形成されてある。なお、本実施例に
おいては紫外光源はチャンバーの外部に設置されている
が、チャンバーの内部に設置しても構わない。

【００３１】また、チャンバー１０１と前室１０９に
は、排気をおこなうための排気系１０８とガスを導入す
るためのガス導入系１０７が設けられている。まず、未
処理の基板を複数枚カセットにセットして、予備室１０
２にセットした。そして、基板は搬送機１１０によって
前室１０９に移送され、そこで排気系により真空引きし
て前室を減圧してから、既に減圧されている加熱処理用
のチャンバー１０１に移送されて基板ホルダー１０４に
設置された。

【００３２】そして、チャンバー１０１内にガス導入系
１０７よりＮＨ₃を導入して、チャンバー内部の圧力を
大気圧とした実質的に１００％ＮＨ₃雰囲気において、
紫外光を照射しながら加熱処理をおこなった。この際、
加熱温度は３５０〜６００℃、例えば５００℃とした。
また、処理時間は３０分〜６時間、例えば３時間とし
た。

【００３３】このような加熱処理をおこなった後、処理
された基板は搬送機１１０によって前室１０９に移送さ
れ、その後、処理後の基板を設置する予備室１０３内の
カセットにセットして、１枚の基板の処理工程が終了し
た。以後、同様の工程を繰り返しおこなった。以上のよ
うにして本発明の加熱処理がなされたが、この結果、Ｎ
Ｈ₃雰囲気中、９００℃の加熱処理をおこなったときに
得られた効果と同様の効果が、５００℃の加熱処理にお
いて得られた。

【００３４】つまり、紫外光併用の加熱処理をおこなっ
た試料を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって分
析した結果、酸化珪素膜中、特に、上記の第１の方法
（ＴＥＯＳのプラズマＣＶＤ法）によって作製した酸化
珪素膜では珪素膜との界面において窒素（Ｎ）の量が増
加したことが確認された。同様なことは、第２の方法
（スパッタ法）、第３の方法（ＥＣＲ−ＣＶＤ法）によ
って形成された酸化珪素膜についても同様であった。こ
のような組成の酸化珪素膜はゲイト絶縁膜としては好ま
しいものであった。比較のため、上記第１〜第３の方法
によって形成された酸化珪素膜を図１の装置において、
ＮＨ₃の代わりに窒素雰囲気で同じ温度条件で加熱して
も、窒素の濃度において変化は観察されなかった。

【００３５】その後、厚さ５０００Åのアルミニウム
（１ｗｔ％のＳｉ、もしくは０．１〜０．３ｗｔ％のＳ
ｃを含む）膜をスパッタリング法によって形成して、こ
れをエッチングし、ゲイト電極７０６を形成した。次に
アンモニアでｐＨ≒７に調整した１〜３％の酒石酸のエ
チレングリコール溶液に基板を浸し、白金を陰極、この
アルミニウムのゲイト電極を陽極として、陽極酸化をお
こなった。陽極酸化は、最初一定電流で１２０Ｖまで電
圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させた。この
ようにして、厚さ１５００Åの陽極酸化物を形成した。

【００３６】その後、イオンドーピング法によって、島
状珪素膜７０４にゲイト電極７０６をマスクとして自己
整合的に不純物（ここでは燐）を注入した。この場合の
ドーズ量は１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵原子／ｃｍ²、加速
電圧は１０〜９０ｋＶ、例えば、ドーズ量を１×１０¹⁵
原子／ｃｍ²、加速電圧を８０ｋＶとした。この結果、
Ｎ型不純物領域７０７が形成された。（図７（Ｃ））さらに、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パ
ルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、ドーピングされた不
純物領域７０７の活性化をおこなった。レーザーのエネ
ルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ²、好ましくは
２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ²が適当であった。この工程
は、加熱処理によっておこなってもかまわない。

【００３７】次に、層間絶縁膜７０８として、プラズマ
ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ４０００Åに成膜し
た。（図７（Ｄ））そして、層間絶縁膜７０８とゲイト絶縁膜７０５のエッ
チングをおこない、ソース／ドレインにコンタクトホー
ルを形成した。その後、アルミニウム膜をスパッタリン
グ法によって成膜し、パターニングをおこなってソース
／ドレイン電極７０９を形成し、Ｎチャネル型のＴＦＴ
を作製した。

【００３８】本実施例において作製したＴＦＴの劣化を
評価した。ＴＦＴの作製方法はゲイト絶縁膜の作製方法
（第１〜第３のいずれか）およびゲイト絶縁膜の加熱処
理方法（ＮＨ₃雰囲気／紫外光照射あり／５００℃／３
時間（以上の条件を「ＮＨ₃雰囲気」と記す）、もしく
は、Ｎ₂雰囲気／紫外光照射なし／５００℃／３時間
（以上の条件を「Ｎ₂雰囲気」と記す）のいずれか）を
下表のように変更した以外は全て同じとした。また、得
られたＴＦＴはドレイン電圧を＋１４Ｖに固定し、ゲイ
ト電圧を−１７Ｖ〜＋１７Ｖまで変動させて、ドレイン
電流を測定した。この測定を１０回測定し、最初に測定
して得られた電界効果移動度μ₀と１０回目に測定して
得られた電界効果移動度μ₁₀を比較し、１−（μ₁₀／μ
₀）を劣化率と定義した。その結果を、下表に示す。
（劣化率の負号は移動度の上昇したことを意味する）

【００３９】試料名ゲイト絶縁膜成膜法加熱処理法劣化率Ａ−１第１（ＴＥＯＳのプラズマＣＶＤ）ＮＨ₃雰囲気４．３％Ａ−２第１（ＴＥＯＳのプラズマＣＶＤ）Ｎ₂雰囲気５０．６％Ｂ−１第２（スパッタ法）ＮＨ₃雰囲気 −０．８％Ｂ−２第２（スパッタ法）Ｎ₂雰囲気１２．５％Ｃ−１第３（ＥＣＲ−ＣＶＤ法）ＮＨ₃雰囲気１．２％Ｃ−２第３（ＥＣＲ−ＣＶＤ法）Ｎ₂雰囲気２１．６％

【００４０】このように、いずれの試料においても本発
明のＮＨ₃雰囲気において、加熱処理をおこなう際に紫
外光を照射することによって劣化率が著しく低下したこ
とが明らかとなった。また、同様の実験より、ＮＨ₃雰
囲気において、加熱処理をおこなう際に紫外光を照射し
なければ、劣化率に対して改善が見られないことも明ら
かになった。

【００４１】本実施例において作製したＴＦＴは、ゲイ
ト絶縁膜にＰＶＤ法やＣＶＤ法によって作製した酸化珪
素膜を用いているのにもかかわらず、耐久性がよく劣化
の少ないものが得られ、かつ、特性の優れたものが得ら
れた。これは、本発明によるＮＨ₃雰囲気において紫外
光照射併用の加熱処理を施したことによって、不対結合
手やＳｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ結合が窒化されて、酸化珪素
膜中の窒素が増加したことによるものである。

【００４２】〔実施例２〕本実施例は、ＴＥＯＳを原料
としてプラズマＣＶＤ法によって、珪素膜上に形成され
た酸化珪素膜を、図２に示す加熱処理装置を用いて、加
熱処理をおこなった例である。本実施例で用いた酸化珪
素膜は実施例の酸化珪素膜７０５（図７（Ｂ）参照）の
第１の方法によって形成した。図２に示すように、本実
施例に用いた加熱処理装置は、実施例１に示した枚葉式
のチャンバーとは異なり、加熱処理をおこなうためのチ
ャンバーのみから構成されていて、一度に複数枚の基板
を処理することができるバッチ式の構造になっている。

【００４３】本実施例のチャンバー２０１は、円柱状に
なっており、内壁にそって基板２０３を設置できるよう
になっている。なお、基板２０３はチャンバー２０１の
周囲に設けられたヒーター２０２によって加熱されるよ
うになっている。さらに、すべての基板に等しく紫外光
が照射されるように、チャンバー２０１内の中央部に紫
外光源２０４が設けられてある。本実施例において紫外
光源として、低圧水銀ランプ（中心波長２４６ｎｍ、お
よび１８５ｎｍ）を使用した。

【００４４】また、チャンバーには、排気をおこなうた
めの排気系２０６とガスを導入するためのガス導入系２
０５が設けられている。本処理装置を用いた処理例につ
いて説明する。基板２０３をチャンバー２０１の内壁に
そって、紫外光源２０４を取り囲むようにしてセットし
た。そして、チャンバー２０１内にガス導入系よりＮ₂
を導入して、チャンバー内をＮ₂に置換した。このと
き、排気系２０６から排気して、チャンバー内が常に一
定の圧力を保つようにした。

【００４５】次に、チャンバー内がＮ₂に置換された
ら、ヒーターを加熱して、紫外照射をおこなった。この
際、加熱温度は３００〜７００℃、例えば５００℃とし
た。所定の温度に基板が加熱されたら、Ｎ₂をＮ₂Ｈ₄
で置換して、紫外光を照射した。このとき、処理時間は
３０分〜６時間、例えば４時間とした。以上の処理をお
こなった酸化珪素膜を２次イオン質量分析法（ＳＩＭ
Ｓ）によって、分析したところ、初期の酸化珪素膜に含
まれていた窒素濃度よりも窒素が増加し、特に、珪素膜
との界面において窒素の集積が観察された。

【００４６】〔実施例３〕本実施例は、ターゲットとし
て合成石英を用い、酸素１００％雰囲気における、スパ
ッタ法によって珪素膜上に形成された酸化珪素膜を、図
３に示す加熱処理装置を用いて、加熱処理をおこなった
例である。本実施例で用いた酸化珪素膜は実施例の酸化
珪素膜７０５（図７（Ｂ）参照）の第２の方法によって
形成した。

【００４７】図３に示すように、本実施例に用いた加熱
処理装置は、加熱処理をおこなうためのチャンバー３０
１と、処理前の基板を保管してある予備室３０２と、処
理後の基板を保管する予備室３０３と、搬送機３０６、
３０７を備えた前室３０４、３０５から構成されてお
り、基板３０８、３０９はこれらのチャンバー間を搬送
機３０６、３０７によって移送される。なお、本実施例
においては、加熱処理をおこなうためのチャンバーは、
コンベアーによって一度に複数枚の基板が移動して加熱
処理がおこなえるバッチ式になっている。

【００４８】図４（Ａ）、（Ｂ）にチャンバー３０１内
部の構造を示す。チャンバー３０１には、基板を移動し
ながら加熱処理がおこなえるように耐熱性のメタルで構
成されているコンベアー４０１が設けられている。ま
た、コンベアー４０１の下部には、基板４０２を加熱す
るためのヒーター４０６、４０７、４０８が設けられて
いる。なお、ヒーターは基板の温度を上昇させる部分４
０６と、一定温度で加熱する部分４０７と、冷却する部
分４０８との３つの異なるゾーンから構成されている。
さらに、一定温度で加熱する部分のコンベアーの上部に
は、紫外光源４０９が設けられてある。本実施例におい
て紫外光源として、低圧水銀ランプ（中心波長２４６ｎ
ｍ、および１８５ｎｍ）を使用した。

【００４９】また、チャンバー３０１には、排気をおこ
なうための排気系４１２、４１３とガスを導入するため
のガス導入系４０９、４１０、４１１が設けられてい
る。本実施例において、基板を昇温および冷却させる部
分４０３、４０５においてはＮ₂雰囲気中となってお
り、また、紫外光を照射しながら、一定温度で加熱する
部分４０４においてはＮＨ₃雰囲気中となっているた
め、各部分それぞれにガス導入系が設けられてある。な
お、各ゾーンの境界付近には導入されたガスを排気する
ための排気系４１２、４１３が設けられている。この境
界部分に排気系４１２、４１３が設けられていることに
よって、各ゾーンでのガスの混合を防いでいる。

【００５０】次に作業工程を示す。まず、未処理の基板
を複数枚カセットにセットして、予備室３０２にセット
した。ここで本実施例においては、未処理の基板をセッ
トするための予備室、および、処理された基板をセット
するための予備室がそれぞれ２室づつあるが、これは流
れ作業をおこなう際に、装置を停止することなく基板を
交換できるようにして、作業の効率を高めるためであ
る。この後、基板は搬送機３０６によって前室３０４に
移送され、さらに、加熱処理用のチャンバー３０１に移
送されてコンベアー４０１に設置された。このとき、コ
ンベアー４０１上には基板４０２が２枚並んで設置され
るようになっている。

【００５１】そして、加熱工程に移るが、コンベアー４
０１上における温度勾配を図４（Ｃ）に示す。まず加熱
ゾーン４０３において、基板は５〜３０℃／ｍｉｎ、例
えば、１０℃／ｍｉｎの割合で加熱される。このとき、
ガス導入系４０９からはＮ₂が導入されていてＮ₂雰囲
気中において加熱がおこなわれた。

【００５２】その後、基板は一定温度で加熱されるゾー
ン４０４に移動した。ここでは、コンベアー上に設けら
れた紫外光源より紫外光が照射されながら加熱処理がお
こなわれた。加熱温度は５００〜６００℃、例えば、５
５０℃とした。この際、ガス導入系４１０からはＮＨ₃
が導入されてＮＨ₃雰囲気になっていた。なお、ゾーン
４０４においては一度に２０枚の基板が処理できるよう
になっている。また、１枚の基板がこのゾーンを通過す
るのに要する時間、つまり、１枚の基板が加熱処理され
るのに要する時間は、３０分〜６時間、例えば３時間と
した。

【００５３】このような加熱処理をおこなった後、冷却
ゾーン４０５によって２５０℃まで冷却される。このと
きの冷却速度は、加熱時と同じく５〜３０℃／ｍｉｎ、
例えば、１０℃／ｍｉｎとした。なお、このときガス導
入系４１１よりＮ₂を導入してＮ₂雰囲気とした。その
後、処理された基板は搬送系３０７によって前室３０５
に移送され、その後、処理後の基板を設置する予備室３
０３内のカセットにセットされ、基板の処理工程が終了
した。

【００５４】このようにして、紫外光照射を併用したＮ
Ｈ₃雰囲気中での加熱処理がおこなわれたが、実施例１
に示した装置においては１枚の基板を処理するのに、４
時間程度要していたが、本実施例に示す装置を用いるこ
とによって、１０数分となり生産性が向上した。以上の
ようにして本発明の加熱処理がなされた。２次イオン質
量分析法（ＳＩＭＳ）による分析の結果、紫外光併用の
加熱処理をおこなった結果、酸化珪素膜中、特に、珪素
膜との界面において窒素の量が増加したことが観察され
た。これは、ＮＨ₃雰囲気中で９００℃の加熱処理をお
こなったときと同様であった。

【００５５】〔実施例４〕本実施例は、原料ガスとして
モノシラン（ＳｉＨ₄）と酸素を用いたＥＣＲ−ＣＶＤ
法によって珪素膜上に形成された酸化珪素膜を、図５に
示す加熱処理装置を用いて、加熱処理をおこなった例で
ある。本実施例で用いた酸化珪素膜は実施例の酸化珪素
膜７０５（図７（Ｂ）参照）の第３の方法によって形成
した。

【００５６】図５に示すように、本実施例に用いた加熱
処理装置は、加熱処理をおこなうためのチャンバー５０
１と、処理前の基板を保管してある予備室５０２と、処
理後の基板を保管する予備室５０３と、搬送機５０５を
備えた前室５０４から構成されており、基板５０６はこ
れらのチャンバー間を搬送機５０５によって移送され
る。なお、本実施例においては、チャンバー５０１は、
コンベアーによって一度に複数枚の基板が移動して加熱
処理がおこなえるバッチ式になっている。

【００５７】図６（Ａ）、（Ｂ）にチャンバー５０１内
部の構造を示す。チャンバー５０１には、基板６０２を
設置するための耐熱性のメタルで構成されているコンベ
アー６０１が設けられている。また、コンベアー６０１
の下部には、基板を加熱するためのヒーター６０３が設
けられている。さらに、コンベアー６０１の上部には、
紫外光源６０４が設けられてある。本実施例において紫
外光源として、低圧水銀ランプ（中心波長２４６ｎｍ、
および１８５ｎｍ）を使用した。

【００５８】また、チャンバー５０１には、基板を昇温
および冷却させるときはＮ₂雰囲気、一定温度で加熱す
るときにおいてはＮ₂Ｈ₄雰囲気とするため、ガス導入
系６０５が設けられてある。さらに、導入されたガスを
排気するための排気系６０６が設けられている。また、
基板に紫外光を照射するための光源６０５が設けられて
いる。

【００５９】次に処理工程について説明する。未処理の
基板を複数枚カセットにセットして、予備室５０２にセ
ットした。そして、基板は搬送機５０５によって前室５
０４に移送され、さらに、加熱処理用のチャンバー５０
１に移送されてコンベアー６０１に設置された。このと
き、基板６０２はコンベアー６０１上を送られ、横に２
枚づつ並び、計２０枚設置された段階で停止するように
なっている。加熱処理中の時間による温度変化の様子を
図６（Ｃ）に示す。昇温時は、基板は５〜３０℃／ｍｉ
ｎ、例えば、１０℃／ｍｉｎの割合で加熱された。この
とき、ガス導入系６０５よりＮ₂が導入されて、Ｎ₂雰
囲気中において加熱がおこなわれた。

【００６０】その後、加熱処理をおこなう温度に達する
と、コンベアー６０１上に設けられた紫外光源６０４よ
り紫外光が照射された。加熱温度は５００〜６００℃、
例えば、５５０℃で加熱をおこなった。この際、温度が
加熱処理をおこなう温度に達する直前にガス導入系６０
５よりＮ₂Ｈ₄を導入して、加熱処理をおこなう温度に
達したときには完全にＮ₂Ｈ₄雰囲気において加熱処理
がおこなわれるようになっていてもよい。このとき、加
熱処理時間は、３０分〜６時間、例えば４時間とした。

【００６１】このような加熱処理をおこなった後、２５
０℃まで冷却された。このときの冷却速度は、加熱時と
同じく５〜３０℃／ｍｉｎ、例えば、１０℃／ｍｉｎと
した。なお、このときガス導入系６０５よりＮ₂を導入
して、Ｎ₂雰囲気においておこなった。その後、処理さ
れた基板は搬送機５０５によって前室５０４に移送さ
れ、その後、処理後の基板を設置する予備室５０３内の
カセットにセットされ、基板の処理工程が終了した。

【００６２】以上のようにして本発明の加熱処理がなさ
れた。上記の処理により、Ｎ₂Ｈ₄雰囲気中、９００℃
の加熱処理をおこなったときに得られたものと同程度の
量の窒素が酸化珪素膜に含有されていることが２次イオ
ン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって確認された。

【００６３】〔実施例５〕本実施例は、モノシラン（Ｓ
ｉＨ₄）と酸素ガス（Ｏ₂）を原料とする減圧ＣＶＤ法
によって、珪素膜上に形成された酸化珪素膜を、図５に
示す加熱処理装置を用いて、加熱処理をおこなった例で
ある。本実施例で用いた酸化珪素膜の成膜条件として
は、基板温度を３００〜５００℃、チャンバー内の圧力
を０．１〜１０ｔｏｒｒ、例えば４００℃、１．５ｔｏ
ｒｒとした。

【００６４】まず、未処理の基板を複数枚カセットにセ
ットして、予備室５０２にセットした。そして、基板は
搬送機５０５によって前室５０４に移送され、さらに、
加熱処理用のチャンバー５０１に移送されてコンベアー
６０１に設置された。加熱処理中の時間による温度変化
の様子を図６（Ｃ）に示す。昇温時は、基板は５〜３０
℃／ｍｉｎ、例えば、１０℃／ｍｉｎの割合で加熱され
た。このとき、ガス導入系６０５よりＮ₂が導入され
て、Ｎ₂雰囲気中において加熱がおこなわれた。

【００６５】その後、加熱処理をおこなう温度に達する
と、コンベアー６０１上に設けられた紫外光源６０４よ
り紫外光（中心波長２４６ｎｍ、１８５ｎｍ）が照射さ
れた。加熱温度は５００〜６００℃、例えば、５５０℃
で加熱をおこなった。この際、温度が加熱処理をおこな
う温度に達する直前にガス導入系６０５よりＮ₂Ｈ₄を
導入して、加熱処理をおこなう温度に達したときには完
全にＮ₂Ｈ₄雰囲気において加熱処理がおこなわれるよ
うになっていてもよい。このとき、加熱処理時間は、３
０分〜６時間、例えば３時間とした。

【００６６】このような加熱処理をおこなった後、２５
０℃まで冷却された。このときの冷却速度は、加熱時と
同じく５〜３０℃／ｍｉｎ、例えば、１０℃／ｍｉｎと
した。なお、このときガス導入系６０５よりＮ₂を導入
して、Ｎ₂雰囲気においておこなった。その後、処理さ
れた基板は搬送機５０５によって前室５０４に移送さ
れ、その後、処理後の基板を設置する予備室５０３内の
カセットにセットされ、基板の処理工程が終了した。

【００６７】以上のようにして本発明の加熱処理がなさ
れた。上記の処理により、Ｎ₂Ｈ₄雰囲気中、９００℃
の加熱処理をおこなったときに得られたものと同程度の
量の窒素が酸化珪素膜に含有されていることが２次イオ
ン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって確認された。

【００６８】

【発明の効果】本発明のように、ＰＶＤ法もしくはＣＶ
Ｄ法によって形成された酸化珪素膜を、ＮＨ₃またはＮ
₂Ｈ₄雰囲気中において、紫外光照射しながら、３００
〜７００℃、好ましくは５００〜６００℃程度の低温で
の加熱処理を施すことによって、酸化珪素膜中、特に、
酸化珪素と珪素の界面における窒素濃度を増大せしめる
ことができた。

【００６９】実施例では、ＴＥＯＳを原料とするプラズ
マＣＶＤ法、ターゲットとして合成石英を用い、酸素１
００％雰囲気におけるスパッタ法、原料ガスとしてモノ
シラン（ＳｉＨ₄）と酸素を用いたＥＣＲ−ＣＶＤ法お
よび減圧ＣＶＤ法による酸化珪素膜について述べたが、
他のＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いて形成された酸化珪素膜
においても不対結合手や多量の水素が含有されており、
本発明を実施することにより、不対結合手を低減させ、
窒素の濃度を増大させることによって、ゲイト絶縁膜と
して好ましい酸化珪素膜に改質できる効果が得られるこ
とは明らかであろう。このように、本発明によって処理
した酸化珪素膜をゲイト絶縁膜として用いることによっ
て、劣化しにくく、特性の優れたＴＦＴを作製すること
ができ、本発明は工業上有益な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１による加熱処理装置を示す。

【図２】実施例２による加熱処理装置を示す。

【図３】実施例３による加熱処理装置を示す。

【図４】実施例３による加熱処理装置のチャンバー内
部および加熱時の温度勾配を示す。

【図５】実施例４、５による加熱処理装置を示す。

【図６】実施例４、５による加熱処理装置のチャンバ
ー内部および加熱時の温度勾配を示す。

【図７】実施例１のＴＦＴの作製工程を示す。

【符号の説明】

１０１・・・・・・加熱処理用チャンバー１０２、１０３・・予備室１０４・・・・・・基板ホルダー１０５・・・・・・基板１０６・・・・・・ＵＶ光源１０７・・・・・・ガス導入系１０８・・・・・・排気系１０９・・・・・・前室１１０・・・・・・搬送機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｅ 29/786 21/336 9056−4ＭＨ０１Ｌ 29/78 ６１７Ｖ (72)発明者寺本聡神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者竹村保彦神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者酒井重史神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱処理をおこなうチャンバー内を真空
にする工程と、前記工程後に、チャンバー内に窒化水素ガスを導入する
工程とを有し、前記工程によって得られた窒化水素雰囲気において、３
００℃以上７００℃以下の温度に加熱された酸化珪素膜
に紫外光を照射することを特徴とする酸化珪素膜の加熱
処理方法。
【請求項２】加熱処理をおこなうチャンバー内に窒素
を導入する工程と、窒素雰囲気において、紫外光を照射しながら酸化珪素膜
を３００℃以上７００℃以下の温度に加熱する工程と、基板が十分に加熱されたのち、チャンバー内に窒化水素
ガスを導入し、窒素を窒化水素ガスで置換する工程とを
有し、前記工程によって得られた窒化水素雰囲気において、酸
化珪素膜に紫外光を照射することを特徴とする酸化珪素
膜の加熱処理方法。
【請求項３】請求項１または請求項２において、酸化珪素膜がモノシラン（ＳｉＨ₄）と酸素ガス
（Ｏ₂）を原料ガスとした減圧ＣＶＤ法によって形成さ
れたことを特徴とする加熱処理方法。
【請求項４】請求項１または請求項２において、酸化珪素膜の加熱温度が５００℃以上６００℃以下であ
ることを特徴とする加熱処理方法。
【請求項５】請求項１または請求項２において、酸化珪素膜の加熱時間が３０分以上６時間以下であるこ
とを特徴とする加熱処理方法。
【請求項６】請求項１または請求項２において、加熱をおこなう際に、基板温度が５〜３０℃／ｍｉｎの
速度で、昇温および冷却することを特徴とする加熱処理
方法。
【請求項７】請求項２において、加熱をおこなうときの基板の昇温および冷却の際に、窒
素雰囲気でおこなうことを特徴とする加熱処理方法。
【請求項８】基板を加熱するためのチャンバーと、加
熱処理前の基板および加熱処理後の基板をセットする予
備室と、基板を移送するための搬送機が備えてある前室
とを有し、前記基板を加熱するためのチャンバーには、基板を加熱
するヒーターを備えた基板ホルダーが備えてあり、前記基板を加熱するためのチャンバーの外部もしくは内
部に、基板に紫外光を照射するための光源が取りつけら
れていることを特徴とする加熱処理装置。
【請求項９】円柱状のチャンバーを有し、前記円柱状のチャンバーの周囲には、基板を加熱するた
めのヒーターが設けられており、前記円柱状のチャンバーの中心部には、基板に紫外光を
照射するための光源が設けられており、前記円柱状のチャンバーの内壁の周囲に基板を取りつけ
ることを特徴とする加熱処理装置。
【請求項１０】請求項８において、基板を加熱するためのチャンバー内部の基板ホルダー
が、耐熱性のメタルで構成された概略コンベアー状の搬
送装置になっており、基板を移動させながら加熱処理が
おこなえることを特徴とする加熱処理装置。
【請求項１１】請求項８において、基板を加熱するためのチャンバー内部の基板ホルダー
が、耐熱性のメタルで構成された概略コンベアー状の搬
送装置になっており、複数枚の基板を取りつけて一度に
加熱処理がおこなえることを特徴とする加熱処理装置。
【請求項１２】請求項１０または請求項１１におい
て、概略コンベアー状の搬送装置の下部にヒーターが設けら
れていることを特徴とする加熱処理装置。