JP2000091590A

JP2000091590A - 薄膜半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000091590A
Application number: JP10262130A
Authority: JP
Inventors: Mitsutoshi Miyasaka; 光敏宮坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-09-16
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2000-03-31
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: JP3837935B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速動作が可能な優良な多結晶性薄膜半導体装
置を比較的低温で製造する。【解決手段】ゲート絶縁膜をプラズマ酸化法と堆積法と
で形成する。プラズマ酸化法の際には酸素を希ガスで希
釈して、プラズマを立てる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）等に代表される薄膜半導体装置の製造方法に
関する。更に詳しくは、本願発明は高性能で信頼性に富
む薄膜半導体装置を４５０℃程度以下の比較的低温にて
製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多結晶硅素薄膜トランジスタ（ｐ−Ｓｉ
ＴＦＴ）に代表される半導体装置を安価な汎用ガラス
基板を使用し得る４５０℃程度以下の低温にて製造する
場合、従来以下の如き製造方法が取られて居た。まずエ
キシマレーザー照射法などで多結晶硅素膜（ｐ−Ｓｉ
膜）形成した後、ゲート絶縁膜と成る酸化硅素膜を化学
気相堆積法（ＣＶＤ法）や物理気相堆積法（ＰＶＤ法）
にて１００ｎｍ程度に形成する。次にタンタル等でゲー
ト電極を作成して、金属（ゲート電極）−酸化膜（ゲー
ト絶縁膜）−半導体（多結晶硅素膜）から成る電界効果
トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）を構成せしめて居た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら此等従来
の半導体装置の製造方法では半導体膜と酸化硅素膜との
界面が汚れていたり、界面準位が大きい等の多くの問題
を抱えて居り、その界面特質が窮めて貧弱で有るとの課
題を有して居た。斯くした事実に則し、従来の製造方法
にてｐ−ＳｉＴＦＴ等の半導体装置を製造すると、完
成した半導体装置はその電気特性が悪いにのみならず、
使用途上に経時劣化が生ずる等の信頼性にも課題を有し
て居た。

【０００４】そこで本発明は上述の諸事情を鑑み、その
目的とする所は４５０℃程度以下との低温工程で清浄な
界面を有する優良な半導体装置を製造する方法を提供す
る事に有る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は絶縁性物質上に
形成された半導体膜と、この半導体膜上に形成された酸
化硅素に代表される絶縁膜の二者を構成要件として含ん
で居る半導体装置の製造方法に関し、少なくとも以下の
二工程を以てその特徴と為す。即ち半導体膜を形成する
第一工程と、４５０℃程度以下との比較的低温にて絶縁
膜を半導体膜上に形成する第二工程とで有る。第二工程
では希ガスと酸化性気体との混合気体から成るプラズマ
を第一工程で得られた半導体膜に照射した後に、連続し
てプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）にて絶縁膜
を堆積する工程を少なくとも含んで居る。

【０００６】

【発明の実施の形態】まず本発明は第一工程としてガラ
ス基板や三次元半導体装置の層間絶縁膜等の縁性物質上
に多結晶硅素（ｐ−Ｓｉ）に代表される半導体膜を形成
する。この半導体膜は単結晶状態に有っても、多結晶状
態に有っても、或いは非晶質状態に有っても構わない
が、多結晶状態に有る時に本願発明は殊の外その効果を
示す。此は本願発明が半導体膜と絶縁膜との界面に存在
する捕獲準位（界面準位）を低減せしめると共に、結晶
粒と結晶粒との間に位置する捕獲準位（粒界準位）をも
低減せしめるが故で有る。言う迄もなく界面準位は結晶
状態に拘わらず半導体膜と絶縁膜との接合界面には必ず
存在する。この界面準位を低減させるから、本願発明は
半導体膜の状態の如何に拘わらず有効なので有る。一
方、多結晶膜に対しては此の効果に加え、粒界準位を減
らすとの効果も認められる。半導体膜は硅素（Ｓｉ）や
硅素ゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ：０＜ｘ＜１）等
如何なる半導体物質で有っても構わないが、簡便に良好
なＭＯＳ界面を構成するとの視点からは、硅素単体や硅
素をその主構成元素（硅素原子構成比が８０％程度以
上）として居る半導体物質が優れて居る。半導体膜は物
理気相堆積法（ＰＶＤ法）や化学気相堆積法（ＣＶＤ
法）等の気相堆積法等で形成される。ＰＶＤ法にはスパ
ッター法や蒸着法等が考えられる。又ＣＶＤ法には常圧
化学気相堆積法（ＡＰＣＶＤ法）や低圧化学気相堆積法
（ＬＰＣＶＤ法）、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶ
Ｄ法）等が使用され得る。気相堆積法で形成された半導
体膜は、堆積直後には通常多結晶状態か非晶質状態に、
又は此等の混合状態に有る。多結晶状態に有る薄膜は多
結晶膜と称され、非晶質状態や混合状態に有る薄膜は非
晶質膜や混晶質膜と其々称される。半導体装置の能動部
（電界効果型トランジスタのソース・ドレイン領域やチ
ャンネル形成領域、及びバイポーラ型トランジスタのエ
ミッター・ベース・コレクター領域）としては堆積直後
に得られた多結晶膜をその侭使用する事も可能で有る。
此とは対照的に非晶質膜や混晶質膜を結晶化したり、或
いは多結晶膜を再結晶化するなどして、新たな多結晶膜
を得た後に此等を能動部として使用する事も可能で有
る。結晶化や再結晶化を簡単に行うにはレーザー照射や
急速熱処理が用いられる。

【０００７】次に第二工程として絶縁膜を半導体膜上に
形成する。絶縁膜の形成は高くとも４５０℃程度以下の
温度、通常は４００℃程度以下の温度で行われる。此は
本願が対象として居る半導体装置を非晶質硅素薄膜半導
体装置（ａ−ＳｉＴＦＴ）が製造される汎用ガラス基
板や、プラスチック基板等の耐熱性の乏しい基板上に製
造する事を前提として居るからで有る。此の絶縁膜をＭ
ＯＳ−ＦＥＴのゲート絶縁膜として利用する。絶縁膜は
ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａ
ｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）と云った
希ガスと、酸素（Ｏ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）、亜酸化窒素
（Ｎ_２Ｏ）と云った酸化性気体との混合気体から成るプ
ラズマを、第一工程で形成された半導体膜に照射して半
導体膜表層部に第一のプラズマ酸化膜を形成した後に、
更に連続してプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）
にて第二の堆積絶縁膜を堆積する事で形成される。第一
のプラズマ酸化膜は半導体膜表面に４ｎｍ程度から１０
ｎｍ程度の厚みを有して形成される。通常の薄膜半導体
装置ではゲート絶縁膜として３０ｎｍ程度から１５０ｎ
ｍ程度の厚みを必要とするので、第二の堆積絶縁膜は残
りの厚みを受け持ち、その値は２０ｎｍ程度から１４６
ｎｍ程度と成る。第一のプラズマ酸化膜が４ｎｍ程度以
上有れば界面遷移領域全体が清浄と化し、酸化膜捕獲準
位や界面捕獲準位と言った準位が低減されて界面特性が
著しく改善される。此はプラズマ酸化に依り界面が半導
体膜の内部に移動し、元の汚れた界面が界面遷移領域の
外に出る事に由来する。第一工程で形成された半導体膜
が硅素を主体としてたから、此の半導体膜の酸化に依っ
て得られた第一のプラズマ酸化膜の主構成物質は酸化硅
素（ＳｉＯ_ｘ：０＜ｘ≦２）と成る。第二の堆積絶縁膜
としては酸化硅素（ＳｉＯ_ｘ：０＜ｘ≦２）や窒化硅素
（Ｓｉ_３Ｎ_ｘ：０＜ｘ≦４）、或いは此等の積層膜が適
して居る。

【０００８】希ガスと酸化性気体との混合気体から成る
プラズマの半導体膜への照射はプラズマ化学気相堆積装
置（ＰＥＣＶＤ装置）等のプラズマ生成装置にて行う。
プラズマ源としてはラジオ波（ｒｆ波：１３．５６ＭＨ
ｚや此の正数倍の周波数で２７．１２ＭＨｚ等）や超高
周波（ＶＨＦ波：１００ＭＨｚ程度から数百ＭＨｚの周
波数を有する電磁波）、或いはマイクロ波（２．４５Ｇ
Ｈｚや８．３ＧＨｚ等のＧＨｚ帯の周波数を有する電磁
波）が使用される。超高周波やマイクロ波を用いればプ
ラズマ密度が上がるので、酸化が迅速に進行する。しか
しながら５５０ｍｍ×６５０ｍｍと云った様な大型基板
に対応する汎用ＰＥＣＶＤ装置を使用出来るとの視点か
らは１３．５６ＭＨｚに代表されるラジオ波の使用が最
適で有る。混合プラズマの照射を行う際には、希ガスと
酸化性気体との混合気体中に占める酸化性気体の割合を
１％程度以上１０％程度以下とする。特にラジオ波をプ
ラズマ源としているＰＥＣＶＤ装置を使用する場合には
プラズマ密度の低下に応じて、酸化性気体の割合を１％
程度以上６％程度未満とせねばならない。これは本願発
明が希ガスの励起状態を多量に生成し、此の励起状態か
らのエネルギー遷移を以て酸化性気体の原子状活性種
（酸素原子活性種Ｏ^＊や水酸基活性種ＯＨ^＊、一酸化窒
素活性種ＮＯ^＊、窒素原子活性種Ｎ^＊）を生成し、半導
体膜表面の酸化乃至は窒化やニトロ化を促進するとの原
理に基づいて居るからで有る。従来のプラズマ酸化で
は、例えば純酸素のプラズマを用いて多結晶硅素膜表面
の酸化を行って居た。此の場合、プラズマ中に発生する
活性種の殆ど総てが酸素分子の活性種（Ｏ_２ ^＊）で有
る。本願の様に硅素等の半導体物質表面や多結晶性半導
体膜の粒界部を４５０℃程度未満の低温で酸化させる場
合、酸素原子が半導体構成原子間に効果的に入り込まね
ばならない。酸素分子の活性種では分子が原子に解離す
る必要が有り、此の解離エネルギーの多くは半導体膜か
ら熱的に供給されて居る。それ故、基板温度が４５０℃
程度未満との低温では酸化の進行が著しく抑制されて仕
舞うので有る。此に対して本願ではプラズマ中に希ガス
の活性種を多量に生成する。希ガスの活性種は励起エネ
ルギーが２０ｅＶ程度と高い。一方、例えば酸素分子が
二つの酸素原子に解離し、その内の一つの酸素原子が第
一励起状態に迄達する総エネルギーは凡そ１８ｅＶで有
る。従って酸素分子が希ガスの励起種からエネルギーを
受け取れば、容易に酸素原子の第一励起種、即ち酸素原
子活性種が生成される。斯うして生成された酸素原子活
性種は化学的に窮めて活性で、４５０℃乃至は４００℃
程度未満との低温で有っても半導体原子の格子間に容易
に入り込んだり、或いは粒界部に於ける不対結合対を終
端する事が出来、斯くして半導体膜の低温での酸化が進
行する訳で有る。此の場合、酸化性気体の割合が１％程
度未満ではプラズマ中の酸化性気体原子活性種の数が少
なく、逆に１０％程度以上だと希ガスの活性種の数が減
少して酸化気体分子活性種が増えて仕舞う為、矢張り酸
化性原子活性種の数は減って仕舞う。取り分けプラズマ
密度の低いラジオ波を用いたプラズマでは酸化性気体原
子活性種の数を多くする必要が有り、混合気体中に於け
る酸化性気体の割合を１％程度以上６％程度未満とせね
ばならない。斯うすればｒｆプラズマで有っても界面準
位が低い良質な酸化膜を、比較的速い成膜速度で形成出
来る訳で有る。本願発明の半導体装置の製造工程中でプ
ラズマ酸化工程を除いた最高温度は半導体膜堆積時で凡
そ４２５℃程度と成って居る。此の半導体装置製造工程
中での最高温度以下、或いは半導体膜堆積時の温度以
下、即ち４２５℃程度以下の低温で第二工程を行うに
は、低温化に伴う酸化反応速度の低下を補償する為に酸
化性気体原子活性種の数を最大とせねば成らず、故に混
合気体中に於ける酸化性気体の割合を１．５％程度以上
４．５％程度未満とする必要が有る。更に結晶粒界が存
在する多結晶性半導体膜に於いては、粒界での乱れた結
合を解き放して此等に酸素を新たに結合させる必要が有
る為、優良な半導体装置を得るには混合気体中に於ける
酸化性気体の割合を２％程度以上４％程度未満とするの
が好ましい。尚、低温でのプラズマ酸化を促進するには
プラズマ酸化の直前に基板を希釈沸酸水溶液等に浸し
て、半導体膜表面や粒界部を水素で終端化しておく。斯
うすると半導体膜表面等は秩序有る状態と成っており、
乱れた結合を解く必要がないので酸化が容易に進行す
る。

【０００９】希ガスと酸化性気体との混合気体から成る
プラズマを半導体膜に照射する時の基板温度は高ければ
高い程、形成される酸化膜の品質が向上し、酸化速度も
速く成る。比較的良質な酸化膜を得るには基板温度は低
くとも１００℃程度以上で有る事が望ましい。先にも述
べた様に４５０℃程度以下ならば大型汎用ガラス基板の
使用が可能と成り、半導体装置製造工程中での最高温度
程度以下、即ち４２５℃程度以下の低温で有れば、先の
大型ガラス基板でその厚みが０．７ｍｍ程度以下と云っ
た、非晶質硅素薄膜半導体装置の製造に使用されて居る
総ての汎用ガラス基板を自由に使用出来る様に成る。

【００１０】半導体膜表層部に第一のプラズマ酸化膜を
形成した後、真空を破る事無く連続して第二の堆積絶縁
膜を堆積する。ゲート絶縁膜内での不用意な準位形成や
ゲート絶縁膜への不純物混入等の不具合を避ける為に
も、プラズマ酸化が終了した後直ちに、長くとも５分程
度以内に第二の堆積絶縁膜の堆積を開始する。プラズマ
酸化終了から絶縁膜堆積開始迄の間、プラズマ処理室は
プラズマを立てる事を除いて絶縁膜堆積時と同一条件と
しておく。斯様な工程を実行するには、プラズマ酸化に
於ける基板温度と絶縁膜堆積に於ける基板温度とが略同
等でなければ成らない。即ち、両者の温度差は大きくと
も３０℃程度未満とする。斯うする事で先の短時間内で
有っても基板温度は平衡に達し、均質な絶縁膜を安定的
に堆積する事が可能と成る。

【００１１】堆積絶縁膜として酸化硅素を利用する時に
は原料気体としてモノシラン（ＳｉＨ_４）やジシラン
（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジクロールシラン（Ｓｉ_２Ｈ_２Ｃ
ｌ_２）等のシラン気体、乃至はＴＥＯＳ（Ｓｉ（０Ｃ_２
Ｈ_５）_４）等の硅素含有化合物と、酸素（Ｏ_２）や亜酸
化窒素（Ｎ_２Ｏ）等の酸化性気体とを用いる。窒化硅素
を利用する時には上述のシラン気体と、アンモニア（Ｎ
Ｈ_３）や窒素（Ｎ_２）等の窒化性気体とを用いる。

【００１２】斯様にして半導体膜と、その表層部にプラ
ズマ酸化法にて得られた第一のプラズマ酸化膜とＰＥＣ
ＶＤ法にて得られた第二の堆積絶縁膜を形成し、ＭＯＳ
−ＦＥＴの半導体膜とゲート絶縁膜とを構成する。本願
発明では酸化性気体の原子状活性種を多量に生成して、
多結晶性半導体膜の粒界部や半導体膜の表面を効率的に
酸化させるので、斯うした部位に於ける不対結合対の数
が著しく減少する。取り分け、多結晶性半導体膜の粒界
部酸化は半導体膜の禁制帯中での捕獲準位数を低減し、
以て薄膜半導体装置のサブスレーシュホールド特性や閾
値電圧を小さくし、同時に粒界部に於ける荷電単体の非
弾性散乱数を減らす事で移動度の向上をもたらす。又、
酸化膜質が高い為に動作信頼性が高く、寿命の長い薄膜
半導体装置が得られる。しかも第一のプラズマ酸化膜が
４ｎｍ程度以上と従来よりも可成り厚く成るので、界面
遷移領域（半導体膜と絶縁膜との界面から絶縁膜側に４
ｎｍ程度の領域）全体が清浄と化して居る。此に対して
従来は酸素濃度１００％のプラズマ照射を３０秒程度行
われており、此の場合は酸化が非効率的で界面に多量の
不対結合対を残して居るにのみならず、（即ち多量の界
面捕獲準位を有して居るにのみならず、）プラズマ酸化
膜厚も２．５ｎｍ程度未満と薄く成っていた。従って従
来は界面遷移領域の６割程度未満しか清浄な領域はな
く、半導体特性に最も重要な影響を及ぼす界面遷移領域
内にフォトレジスト等が乗った元の汚れた表面が来てい
た。本願発明では元の汚れた表面は界面遷移領域外に出
ており、界面遷移領域全体が清浄と化して居る。此に加
えて酸化効率も高く不対結合対数も少なく、それ故半導
体特性が向上するので有る。

【００１３】（実施例１）本願発明のプラズマ酸化法で
効率良くプラズマ酸化膜が形成される事を本実施例１に
て示す。プラズマ酸化速度はＮ型３Ω・ｃｍ（１０
０）の単結晶硅素基板を用いて調べられた。まず硅素基
板を次の手順で洗浄した。

【００１４】（１）超音波照射に依るイソプロピルアル
コール洗浄（２７℃、５分間）（２）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（３）アンモニア過水洗浄（８０℃、５分間）（４）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（５）硫酸過水洗浄（９７℃、５分間）（６）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（７）希釈弗酸水溶液（弗酸濃度１．６７％）洗浄（２
７℃、２０秒間）（８）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）上記７番目の希釈弗酸水溶液洗浄により、硅素基板表面
に存在する自然酸化膜が除去され、硅素表面は水素に依
り終端化されて居る。斯うして洗浄された基板表面にプ
ラズマ酸化膜をＰＥＣＶＤ装置にて成長させた。上記８
番目の純水洗浄が終了してから基板がＰＥＣＶＤ装置の
プラズマ処理室に設置される迄の時間は約１５分間で有
った。

【００１５】ＰＥＣＶＤ装置は枚葉式容量結合型でプラ
ズマは工業用周波数（１３．５６ＭＨｚ）のラジオ高周
波電源を用いて平行平板電極間に発生させる。プラズマ
処理室は反応容器に依り外気から隔絶され、プラズマ処
理中で凡０．１ｔｏｒｒから１０ｔｏｒｒ程度の減圧状
態とされる。反応容器内には下部平板電極と上部平板電
極が互いに平行に設置されて居り、これら二枚の電極が
平行平板電極を形成する。この平行平板電極間がプラズ
マ処理室となる。本願発明で用いたＰＥＣＶＤ装置は４
７０ｍｍ×５６０ｍｍの平行平板電極を備え、此等平行
平板電極間距離は下部平板電極の位置を上下させる事に
依り、１８．０ｍｍから３７．０ｍｍの間で自由に設定
し得る。此に応じてプラズマ処理室の容積は４７３８ｃ
ｍ^３から９７３８ｃｍ^３と変化する。又電極間距離を所
定の値に設定した場合、４７０ｍｍ×５６０ｍｍの平板
電極面内での電極間距離の偏差は僅か０．５ｍｍで有
る。従って電極間に生ずる電界強度の偏差は平板電極面
内で２％程度以下となり窮めて均質なプラズマがプラズ
マ処理室に発生する。下部平板電極上に酸化膜を形成す
べき硅素基板を置く。下部平板電極内部にはヒーターが
設けられて居り、下部平板電極の温度を２５０℃から４
００℃の間で任意に調整し得る。周辺２ｍｍを除いた下
部平板電極内の温度分布は設定温度に対して±５℃以内
で有り、基板として３６０ｍｍ×４６５ｍｍとの大きな
物を使用しても基板内温度偏差を±２℃以内に保つ事が
出来る。希ガスと酸化性気体から成る混合気体は配管を
通じて上部平板電極内に導入され、更に上部平板電極内
に設けられたガス拡散板の間を擦り抜けて上部平板電極
全面より略均一な圧力でプラズマ処理室に流れ出る。処
理中で有れば混合気体の一部は上部平板電極から出た所
で電離し、平行平板電極間にプラズマを発生させる。混
合気体の一部乃至全部は酸化膜の成長に関与し、成長に
関与しなかった残留混合気体及び酸化膜形成の化学反応
の結果として生じた生成ガスは排気ガスと成って反応容
器周辺上部に設けられた排気穴を介して排気される。排
気穴のコンダクタンスは平行平板電極間のコンダクタン
スに比べて十分に大きく、その値は平行平板電極間のコ
ンダクタンスの１００倍以上が好ましい。更に平行平板
電極間のコンダクタンスはガス拡散板のコンダクタンス
よりも十分に大きく、やはりその値はガス拡散板のコン
ダクタンスの１００倍以上が好ましい。こうした構成に
依り４７０ｍｍ×５６０ｍｍとの大型上部平板電極全面
より略均一な圧力で反応ガスがプラズマ処理室に導入さ
れ、同時に排気ガスがプラズマ処理室から総ての方向に
均等な流量で排気されるので有る。各種反応ガスの流量
は配管に導入される前にマス・フロー・コントローラー
に依り所定の値に調整される。又プラズマ処理室内の圧
力は排気穴出口に設けられたコンダクタンス・バルブに
依り所望の値に調整される。コンダクタンス・バルブの
排気側にはターボ分子ポンプ等の真空排気装置が設けら
れて居る。本願発明ではオイル・フリーのドライ・ポン
プが真空排気装置の一部として用いられ、プラズマ処理
室等の反応容器内の背景真空度を１０^ー５ｔｏｒｒ台と
して居る。反応容器及び下部平板電極は接地電位に有
り、これらと上部平板電極は絶縁リングに依り電気的に
絶縁状態が保たれる。プラズマ発生時には高周波発振源
から出力された１３．５６ＭＨｚのラジオ高周波がイン
ピーダンス・マッチング回路を介して上部平板電極に印
加される。

【００１６】本発明に用いたＰＥＣＶＤ装置は上述の如
く窮めて精巧たる電極間制御と均質なガス流を実現した
事に依り３６０ｍｍ×４６５ｍｍとの大型基板に対応可
能な薄膜形成装置となった。しかしながらこれらの基礎
概念さえ踏襲すれば、更なる基板の大型化には寧ろ容易
に対応出来、実際５５０ｍｍ×６５０ｍｍとのより大型
な基板に対応し得る装置も実現可能で有る。又本願発明
では最も汎用性の高い周波数１３．５６ＭＨｚの高周波
を用いているが、この他にこの高周波の整数倍の高周波
を利用しても良い。例えば２倍の２７．１２ＭＨｚや３
倍の４０．６８ＭＨｚ、４倍の５４．２４ＭＨｚ等も有
効で有る。更には１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度のＶＨＦ
波を利用しても良い。周波数が１０ＭＨｚ程度のｒｆ波
から数百ＭＨｚ程度のＶＨＦ波で有れば平行平板電極間
にプラズマを発生させる事が可能で有る。従って本願発
明に用いたＰＥＣＶＤ装置の高周波発振源とインピーダ
ンス・マッチング回路を交換する事に依り容易に所望の
周波数の高周波を用いてプラズマを発生出来る。

【００１７】本実施例１では、基板は下部平板電極の温
度が３７５℃に保たれているプラズマ処理室に設置され
る。プラズマを立てる事を除いてプラズマ処理室内の条
件を酸化過程と同一とする。例えば酸素を１００ＳＣＣ
Ｍとヘリウムを４９００ＳＣＣＭ流し、プラズマ処理室
内の圧力を１．５Ｔｏｒｒに保つ。平行平板電極間距離
は２１．６ｍｍで有る。設置基板がこうした系と平衡状
態となった後の硅素基板表面温度は３５０℃で有る。設
置された基板と処理室とが平衡状態に達した後、上部平
板電極に高周波を印加してプラズマを発生させ、半導体
膜表面の酸化を行う。高周波出力は５００Ｗで有る。プ
ラズマ酸化条件の一例は以下の通りとなる。

【００１８】酸素流量：Ｏ_２＝１００ＳＣＣＭヘリウム流量：Ｈｅ＝４９００ＳＣＣＭ（酸素濃度
２．０％）ラジオ高周波出力：ＲＦ＝５００Ｗ（０．１９Ｗ／ｃｍ
^２）圧力：Ｐ＝１．５Ｔｏｒｒ電極間距離：Ｓ＝２１．６ｍｍ下部平板電極温度：Ｔｓｕｓ＝３７５℃ 硅素基板表面温度：Ｔｓｕｂ＝３５０℃ プラズマ処理時間：ｔ＝５００秒此の条件下で硅素表面には５．３ｎｍの酸化膜が成長す
る。以下、酸化速度を調べる為にプラズマ処理時間を５
０秒と２００秒、３００秒としてプラズマ酸化を行っ
た。又、上例で希ガスをヘリウムからアルゴンに変えて
同じプラズマ処理を単結晶硅素基板に施した。斯うして
得られた結果を図１に示す。図１中でヘリウム希釈酸素
２％と記して有るのが希ガスとしてヘリウムを用いた実
施例に相当し、アルゴン希釈酸素２％と記して有るのが
希ガスとしてアルゴンを用いた実施例に相当する。更に
図１には比較の為に従来技術に当たる酸素１００％での
プラズマ酸化の結果（図１中に純酸素１００％と記す）
をも記す。此の場合、プラズマ処理室に導入する気体が
混合気体の５０００ＳＣＣＭから純酸素気体の５０００
ＳＣＣＭに変わった他は、比較の為にすべて同じ処理条
件とした。図１から分かる様に本願発明に依り従来より
も酸化速度が５０％以上も大きくする事が可能と化し
た。

【００１９】（実施例２）図２（ａ）〜（ｄ）はＭＯＳ
型電界効果トランジスタを形成する薄膜半導体装置の製
造工程を断面で示した図で有る。本実施例２では基板１
０１として歪点が６５０℃程度の汎用無アルカリガラス
を用いた。まず基板１０１上にＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法で
酸化硅素膜を２００ｎｍ程度堆積し、下地保護膜１０２
とした。酸化硅素膜のＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法での堆積条
件は以下の通りで有る。

【００２０】モノシラン（ＳｉＨ４）流量・・・６０ｓｃｃｍ酸素（Ｏ２）流量・・・１００ｓｃｃｍ圧力・・・２．４０ｍＴｏｒｒマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）出力・・・２２５０Ｗ印可磁場・・・８７５Ｇａｕｓｓ基板温度・・・１００℃ 成膜時間・・・４０秒此の下地保護膜上に半導体膜として真性非晶質硅素膜を
ＬＰＣＶＤ法にて６５ｎｍ程度の膜厚に堆積した。ＬＰ
ＣＶＤ装置はホット・ウォール型で容積が１８４．５ｌ
で、基板挿入後の反応総面積は約４４０００ｃｍ^２で有
る。堆積温度は４２５℃で原料ガスとして純度９９．９
９％以上のジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を用い、２００ｓｃ
ｃｍ反応炉に供給した。堆積圧力は凡そ１．１Ｔｏｒｒ
で有り、此の条件下で硅素膜の堆積速度は０．７７ｎｍ
／ｍｉｎで有った。斯様にして得られた非晶質半導体膜
にキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザーを照射し
て半導体膜の結晶化を進めた。照射レーザーエネルギー
密度は４２５ｍＪ・ｃｍ^−２で、半導体膜が膜厚方向全
体に渡り完全溶融して微結晶化が生ずるエネルギー密度
よりも１０ｍＪ・ｃｍ^−２低いエネルギー密度で有っ
た。レーザー結晶化終了後の多結晶硅素薄膜の厚みは６
１．８ｎｍで有った。こうして結晶性半導体膜（多結晶
硅素膜）を形成した（第一工程）後、この結晶性半導体
膜を島状に加工して、後に半導体装置の能動層と成る半
導体膜の島１０３を形成した。（図２−ａ）次にパターニング加工された半導体膜の島１０３を被う
様に酸化硅素膜１０４をＰＥＣＶＤ装置にてプラズマ酸
化法と堆積法にて形成（第二工程）した。此の酸化硅素
膜は半導体装置のゲート絶縁膜として機能する。ゲート
絶縁膜形成に先立ち基板を次の手順で洗浄した。

【００２１】（１）超音波照射に依るイソプロピルアル
コール洗浄（２７℃、５分間）（２）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（３）アンモニア過水洗浄（８０℃、５分間）（４）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（５）硫酸過水洗浄（９７℃、５分間）（６）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（７）希釈弗酸水溶液（弗酸濃度１．６７％）洗浄（２
７℃、２０秒間）（８）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）上記８番目の純水洗浄が終了してから基板がＰＥＣＶＤ
装置のプラズマ処理室に設置される迄の時間は約１５分
間で有った。プラズマ処理装置は実施例１に記した物と
同一で有り、第一のプラズマ酸化条件は以下の通りで有
る。

【００２２】酸素流量：Ｏ_２＝１００ＳＣＣＭヘリウム流量：Ｈｅ＝４９００ＳＣＣＭ（酸素濃度
２．０％）ラジオ高周波出力：ＲＦ＝５００Ｗ（０．１９Ｗ／ｃｍ
^２）圧力：Ｐ＝１．５Ｔｏｒｒ電極間距離：Ｓ＝２１．６ｍｍ下部平板電極温度：Ｔｓｕｓ＝３７５℃ ガラス基板表面温度：Ｔｓｕｂ＝３５０℃ プラズマ処理時間：ｔ＝３００秒此の条件下で硅素表面には５ｎｍ程度の酸化膜が成長し
て居る。プラズマ酸化が終了した後、引き続いて酸化硅
素膜の堆積を行う。原料気体の流量を安定させる為にプ
ラズマ酸化後プラズマ処理室を次の状態とした。

【００２３】酸素流量：Ｏ_２＝１２００ＳＣＣＭアルゴン流量：Ａｒ＝４７００ＳＣＣＭＴＥＯＳ流量：ＴＥＯＳ＝１００ＳＣＣＭラジオ高周波出力：ＲＦ＝０Ｗ（プラズマは立てない）圧力：Ｐ＝１．５Ｔｏｒｒ電極間距離：Ｓ＝２０．９ｍｍ下部平板電極温度：Ｔｓｕｓ＝３７５℃ ガラス基板表面温度：Ｔｓｕｂ＝３５０℃ 安定化時間：ｔ＝２０秒此の状態に連続して、以下の条件で第二の堆積絶縁膜で
有る酸化硅素膜を堆積した。

【００２４】酸素流量：Ｏ_２＝１２００ＳＣＣＭアルゴン流量：Ａｒ＝４７００ＳＣＣＭＴＥＯＳ流量：ＴＥＯＳ＝１００ＳＣＣＭラジオ高周波出力：ＲＦ＝１０００Ｗ（０．３８Ｗ／ｃ
ｍ^２）圧力：Ｐ＝１．５Ｔｏｒｒ電極間距離：Ｓ＝２０．９ｍｍ下部平板電極温度：Ｔｓｕｓ＝３７５℃ ガラス基板表面温度：Ｔｓｕｂ＝３５０℃ 堆積時間：ｔ＝３３秒斯様にして第二工程で酸化硅素膜を形成した後、第三工
程として基板を酸化性雰囲気下にて第一熱処理を行っ
た。濃度１６％の塩化水素酸水溶液を空気中に露点で９
６℃含む塩酸水蒸気空気下にて熱処理は施こされた。処
理温度は３４５℃で処理時間は２時間、処理室内圧力は
１気圧で有った。この塩酸に依る熱処理が終了した後、
引き続いて酸化膜中のハロゲン元素を抜く目的で１時間
の熱処理を継続した。この熱処理雰囲気は露点９６℃の
水蒸気含有空気中で行われ、雰囲気に塩酸は含まれて居
ない。熱処理温度は矢張り３４５℃で圧力は１気圧で有
る。

【００２５】斯うして第三工程が終了した後に第四工程
の第二熱処理を行い、酸化膜を乾燥さた。第二熱処理は
アルゴン中に水素を３％含む非酸化性雰囲気下にて１気
圧、３５０℃で２時間施された。

【００２６】第四工程終了後、直ちに基板は先に記述し
た平行平板容量結合型ＰＥＣＶＤ装置に導入され、半導
体膜と酸化膜に対して水素プラズマ照射が施された。水
素プラズマ条件は以下の通りで有る。

【００２７】水素流量：Ｈ_２＝１０００ＳＣＣＭラジオ高周波出力：ＲＦ＝１００Ｗ（０．０３８Ｗ／ｃ
ｍ^２）圧力：Ｐ＝０．５Ｔｏｒｒ電極間距離：Ｓ＝２５ｍｍ下部平板電極温度：Ｔｓｕｓ＝３５０℃ ガラス基板表面温度：Ｔｓｕｂ＝３２５℃ プラズマ処理時間：ｔ＝９０秒此の工程が終了した後に第一のプラズマ酸化膜と第二の
堆積絶縁膜を合わせた酸化膜の厚みを測定したところ、
その値は９３．５ｎｍで有った。斯うしてゲート絶縁膜
形成と、酸化膜及び界面の改質が完了した。（図２−
ｂ）引き続いて金属薄膜に依りゲート電極１０５をスパッタ
ー法にて形成する。スパッター時の基板温度は１５０℃
で有った。本実施例２では７５０ｎｍの膜厚を有するタ
ンタル（Ｔａ）にてゲート電極を作成し、このゲート電
極のシート抵抗は２．５４Ω／□で有った。次にゲート
電極をマスクとして、ドナー又はアクセプターとなる不
純物イオン１０６を打ち込み、ソース・ドレイン領域１
０７とチャンネル形成領域１０８をゲート電極に対して
自己整合的に作成する。本実施例２ではＣＭＯＳ半導体
装置を作製した。ＮＭＯＳトランジスタを作製する際に
はＰＭＯＳトランジスタ部をアルミニウム（Ａｌ）薄膜
で覆った上で、不純物元素として水素中に５％の濃度で
希釈されたフォスヒィン（ＰＨ_３）を選び、加速電圧７
０ｋＶにて水素を含んだ総イオンを５×１０^１５ｃｍ
^−２の濃度でＮＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン
領域に打ち込んだ。反対にＰＭＯＳトランジスタを作製
する際にはＮＭＯＳトランジスタ部をアルミニウム（Ａ
ｌ）薄膜で覆った上で、不純物元素として水素中に５％
の濃度で希釈されたジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を選び、加速
電圧７０ｋＶにて水素を含んだ総イオンを４×１０^１５
ｃｍ^ー２の濃度でＰＭＯＳトランジスタのソース・ドレ
イン領域に打ち込んだ。（図１−ｃ）イオン打ち込み時
の基板温度は３００℃で有る。

【００２８】次にＰＥＣＶＤ法でＴＥＯＳ（Ｓｉ−（Ｏ
ＣＨ_２ＣＨ_３）_４）と酸素を原料気体として、基板温度
３００℃で層間絶縁膜１０９を堆積した。層間絶縁膜は
二酸化硅素膜から成り、その膜厚は凡そ５００ｎｍで有
った。層間絶縁膜堆積後、層間絶縁膜の焼き締めとソー
ス・ドレイン領域に添加された不純物元素の活性化を兼
ねて、窒素雰囲気下３５０℃にて２時間の熱処理を施し
た。最後にコンタクト・ホールを開穴し、スパッター法
で基板温度を１８０℃としてアルミニウムを堆積し、配
線１１０を作成して薄膜半導体装置が完成した。（図１
−ｄ）この様にして作成した薄膜半導体装置の伝達特性を測定
した。測定した半導体装置のチャンネル形成領域の長さ
は１０μｍで幅は１０μｍで有った。伝達特性の測定は
室温にて行われた。ＮＭＯＳトランジスタのＶｄｓ＝８
Ｖに於ける飽和領域より求めた移動度は１２９±７ｃｍ
^２・Ｖ^ー１・ｓ^−１で有り、閾値電圧は３．００１±
０．１７６Ｖ、サブスレーシュホールド・スイングは
０．３６５±０．０６７Ｖで有った。又、ＰＭＯＳトラ
ンジスタのＶｄｓ＝−８Ｖに於ける飽和領域より求めた
移動度は８４±２ｃｍ^２・Ｖ^ー１・ｓ^−１で有り、閾値
電圧は−２．０５４±０．１６８Ｖ、サブスレーシュホ
ールド・スイングは０．４４６±０．０４８Ｖで有っ
た。此に対してプラズマ酸化を酸素１００％で３０秒間
行った比較例（従来技術に相当、此の時プラズマ酸化膜
は２ｎｍ程度）ではＮＭＯＳの移動度は７３±６ｃｍ^２
・Ｖ^ー１・ｓ^−１で有り、閾値電圧は３．７９１±０．
３０８Ｖ、サブスレーシュホールド・スイングは０．５
５６±０．１２４Ｖで有った。又、比較例のＰＭＯＳの
移動度は７５±２ｃｍ^２・Ｖ^ー１・ｓ^−１で有り、閾値
電圧は−３．２８７±０．４３９Ｖ、サブスレーシュホ
ールド・スイングは０．９７９±０．３２５Ｖで有っ
た。此の例が示す様に本願発明に依りＮ型とＰ型の両半
導体装置共に大きな移動度を有し、急峻なサブスレーシ
ュホールド特性を示す優良な薄膜半導体装置をばらつき
無く安定的に製造出来る様に成った。然も界面遷移領域
の酸化膜質が高い為に酸化膜の信頼性が良く、超寿命の
薄膜半導体装置を汎用ガラス基板を使用し得る低温工程
にて、簡便且つ容易に作成し出来る様に成った。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述してきた様に、従来低品質で有
った界面遷移領域の高品質化が本願発明に依り可能と化
し、薄膜半導体装置の高性能化を簡便に実現した。これ
に依り薄膜トランジスタに代表される半導体装置の高速
動作や省エネ化を促進し、同時に半導体装置の動作安定
性をも高めるとの効果が認められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の効果を確認した図。

【図２】本願発明の製造工程を説明した図。

【符号の説明】

１０１・・・基板１０２・・・下地保護膜１０３・・・半導体膜の島１０４・・・酸化硅素膜１０５・・・ゲート電極１０６・・・不純物イオン１０７・・・ソース・ドレイン領域１０８・・・チャネル形成領域１０９・・・層間絶縁膜１１０・・・配線

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性物質上に形成された半導体膜と、
該半導体膜上に形成された絶縁膜とを少なくとも構成要
件として有する半導体装置の製造方法に於いて、半導体膜を形成する第一工程と絶縁膜を形成する第二工
程とを含み、該第二工程は希ガスと酸化性気体との混合気体から成る
プラズマを該半導体膜に照射した後に、連続してプラズ
マ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）にて絶縁膜を堆積す
る工程を少なくとも含む事を特徴とする薄膜半導体装置
の製造方法。
【請求項２】前記半導体膜が多結晶膜で有る事を特徴
とする請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記半導体膜が硅素（Ｓｉ）を主体と成
して居る事を特徴とする請求項１または２記載の薄膜半
導体装置の製造方法。
【請求項４】前記絶縁膜が酸化硅素（ＳｉＯ_ｘ：０＜
ｘ≦２）を主体と成して居る事を特徴とする請求項１乃
至３のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記プラズマのプラズマ源がラジオ波
（ｒｆ波）で有る事を特徴とする請求項１乃至４のいず
れかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記プラズマのプラズマ源が超高周波
（ＶＨＦ波）で有る事を特徴とする請求項１乃至４のい
ずれかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記プラズマのプラズマ源がマイクロ波
で有る事を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載
の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記第二工程中の基板温度が４５０℃程
度以下で有る事を特徴とする請求項１乃至７のいずれか
に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記第二工程中の基板温度が４２５℃程
度以下で有る事を特徴とする請求項１乃至７のいずれか
に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１０】前記混合気体中に占める酸化性気体の
割合が１％程度以上１０％程度以下で有る事を特徴とす
る請求項１乃至９のいずれかに記載の薄膜半導体装置の
製造方法。
【請求項１１】前記混合気体中に占める酸化性気体の
割合が１％程度以上６％程度以下で有る事を特徴とする
請求項１乃至９のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製
造方法。
【請求項１２】前記混合気体中に占める酸化性気体の
割合が１.5％程度以上4.5％程度以下で有る事を特徴と
する請求項１乃至９のいずれかに記載の薄膜半導体装置
の製造方法。
【請求項１３】前記混合気体中に占める酸化性気体の
割合が２％程度以上4％程度以下で有る事を特徴とする
請求項１乃至９のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製
造方法。
【請求項１４】前記プラズマのプラズマ源がラジオ波
（ｒｆ波）で有り、且つ前記混合気体中に占める酸化性
気体の割合が１％程度以上６％程度以下で有る事を特徴
とする請求項１乃至４のいずれかに記載の薄膜半導体装
置の製造方法。
【請求項１５】前記第二工程中の基板温度が４２５℃
程度以下で、且つ前記混合気体中に占める酸化性気体の
割合が１．５％程度以上４．５％程度以下で有る事を特
徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の薄膜半導体
装置の製造方法。
【請求項１６】前記半導体膜が多結晶で有り、且つ前
記第二工程中の基板温度が４２５℃程度以下で有り、前
記プラズマのプラズマ源がラジオ波（ｒｆ波）で有り、
更に前記混合気体中に占める酸化性気体の割合が２％程
度以上４％程度以下で有る事を特徴とする請求項１、
３、および４のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製造
方法。