JP3593363B2

JP3593363B2 - 半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法

Info

Publication number: JP3593363B2
Application number: JP18804394A
Authority: JP
Inventors: 孝明上村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: JPH0855804A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置、特に薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称する）等の活性層をもつ液晶表示装置に有用な製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体薄膜をはじめ、各種薄膜の堆積にＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｉｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が用いられている。
ＣＶＤ装置には、原料ガスの活性化に、熱を用いるもの、光を用いるもの、プラズマ反応を用いるもの、更にはサイクロトロン共鳴を用いるもの等が知られている。中でも、プラズマＣＶＤ装置は、均質で、比較的生産性良く薄膜の堆積が可能であることから、各種分野で利用されている。
【０００３】
このようなプラズマＣＶＤ装置には、プラズマ反応により活性化された原料ガスを反応炉内に導き基板上に堆積させるもの、あるいは原料ガスを反応炉内で活性化して基板上に堆積させるもの等、種々の構成があるが、いずれにしても基板上のみならず、反応炉内壁等にも同様の薄膜が堆積される。
この反応炉内壁や電極板に付着した膜が厚くなると、膜が剥離することによりパーティクルが発生し、製品の歩留まりを低下させる要因となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなことから、反応炉内壁等に堆積される不要被膜の膜厚の程度に応じて、反応炉内の防着板や電極板等を交換・清浄する、あるいは四沸化炭素（ＣＦ_４），三沸化窒素（ＮＦ_３）等のフッ素系クリーニングガスとアルゴン（Ａｒ）等のキャリアガスとを反応炉内に導入し、プラズマを発生させて反応炉内壁に堆積される不要膜を除去することが知られている。また、更に、反応炉内を清浄にした後、実際の成膜前に、基板を配置することなく、反応炉内壁に窒化被膜あるいは実際に成膜すると同一の半導体被膜を堆積させる、いわゆるプリコート工程を経ることにより、反応炉内の不純物を排気除去すると共に、反応炉内壁からの不純物が実際の成膜に悪影響を及ぼすことを防止する技術が、例えば特開昭６３−２１５０３７号、特開昭６３−２６７４３０号等で知られている。
【０００５】
しかしながら、窒化被膜によるプリコート工程を経ても、初期に成膜される半導体薄膜の移動度が、それ以降に成膜される半導体薄膜に比べて低く、成膜された半導体薄膜を活性層として用いたＴＦＴにあっては、しきい値電圧が所望の範囲内に制御されないといった問題点があった。また、半導体皮膜では、このプリコートによりパーティクルが増大するという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記した技術課題に鑑み成されたものであって、製造ばらつきが抑えられ、製造歩留り良く製造することが可能な半導体薄膜の製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求順１に記載される発明は、シリコン（Ｓｉ）を含む活性化された原料ガスに基づいて反応炉内でガラス基板上に半導体薄膜を堆積させる半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法において、
前記半導体薄膜を堆積させる前に、前記反応炉内をフッ素（Ｆ）を含むクリーニング・ガスで清浄する清浄工程と、前記反応炉内に前記半導体薄膜と同一組成の半導体被膜とこの半導体被膜上に窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜とを積層して堆積させる堆積工程とを具備したことを特徴としたものである。
【０００８】
請求項２に記載される発明は、請求項１記載の半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法において、前記半導体被膜が２００〜１０００オングストロームの膜厚を有することを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載される発明は、請求項１記載の半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法において、前記窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜が５０〜１０００オングストロームの膜厚を有することを特徴としている。
請求項４に記載される発明は、請求項１記載の半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法において、前記原料ガスはプラズマにより活性化されることを特徴としている。
【００１０】
【作用】
フッ素（Ｆ）を含むクリーニング・ガスで清浄する清浄工程によれば、反応炉内の反応炉内壁、電極あるいはサセプタ等に付着するフッ素（Ｆ）が、特に半導体薄膜の特性に影響を及ぼしてしまう。そこで、反応炉内に残存するフッ素（Ｆ）の影響を効率よく吸収除去し、しかもクリーニング・ガスで清浄が容易な被膜、即ちシリコン（Ｓｉ）を含む半導体被膜と半導体被膜上に窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜を反応炉内に堆積させた後、実際の成膜を行うことにより、洗浄直後であっても、特性に優れた半導体薄膜の製造が可能になることを見い出し、本発明に至った。
【００１１】
シリコン（Ｓｉ）を含む半導体被膜を堆積させるのは、この半導体被膜が反応炉内に残存するフッ素（Ｆ）を主とした不純物を膜中に旨くトラップし、これにより反応炉内に残存する不純物を激減させることができるためである。この半導体被膜としては、実際に成膜する半導体薄膜と同一組成とすれば、配管等を増加させる必要がない。また、半導体被膜は、反応炉内に残存する不純物を十分にトラップさせるためには、２００オングストローム以上の膜厚とすることが好ましく、特に３００オングストローム以上であれば十分である。しかしながら、膜厚が厚くなり過ぎると洗浄工程を頻繁に行う必要があることから、１０００オングストローム以下であることが好ましい。
【００１２】
また、この発明にあっては、上記した半導体被膜上に窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜が積層されることを必須の要件としている。半導体被膜上に窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜を積層配置するのは、シリコン（Ｓｉ）を含む半導体被膜が露出していると、真空中ではあっても半導体被膜表面が不所望な状態に酸化され、膜剥離し易くなるといった問題点を招くためであり、半導体被膜表面の酸化を防止する理由から窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜を積層する必要がある。
【００１３】
このように、クリーニング・ガスで清浄した後、少なくとも半導体被膜、および窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜を積層することにより、初めて上記した問題点が解決される。
【００１４】
この窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜は、半導体被膜が露出することがないように覆っていれば良く、厚膜とする必要ない。半導体被膜表面の酸化防止を考慮すると５０オングストローム以上とすることが好ましく、やはり膜厚が厚くなり過ぎると洗浄工程を頻繁に行う必要があることから、１０００オングストローム以下であることが好ましい。
【００１５】
この発明において、クリーニング・ガスによる清浄には、熱、光、プラズマ反応あるいはサイクロトロン共鳴等、適宜用いることができ、また、シリコン（Ｓｉ）を含む原料ガスの活性化にも、同様に熱、光、プラズマ反応あるいはサイクロトロン共鳴等、適宜用いることができるが、中でもプラズマ反応を用いる手法は、均質で、比較的生産性良く薄膜の堆積が可能であることから、シリコン（Ｓｉ）を含む半導体薄膜の堆積に有用である。
【００１６】
また、特開昭６３−２１５０３７号あるいは特開昭６３−２６７４３０号等に記載されているように、クリーニング・ガスで清浄した後、更に水素プラズマ等より反応炉内を清浄してもかまわない。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例の半導体薄膜の製造方法について図面を参照して説明する。
図１は、この実施例に用いられる半導体薄膜製造装置（１０１）の概略構成図であって、この半導体薄膜製造装置（１０１）は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が表面に被着されて成るアルミニウム（Ａｌ）によって構成される反応炉を備えたＣＶＤ成膜系（１１１）、ＣＶＤ成膜系（１１１）にシラン（ＳｉＨ_４）、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）およびアンモニア（ＮＨ_３）の各原料ガスをそれぞれバルブ（１５１ａ）〜（１５１ｄ）を介して供給する原料ガス供給系（１５１）、ＣＶＤ成膜系（１１１）に三沸化窒素（ＮＦ_３）とアルゴン（Ａｒ）とをそれぞれバルブ（１６１ａ），（１６１ｂ）を介して供給するクリーニングガス供給系（１６１）、ＣＶＤ成膜系（１１１）内をバルブ（１７１ａ）を介して排気するドライポンプ（１７３）から構成される排気系（１７１）、ＣＶＤ成膜系（１１１）に高周波電圧を供給する電源系（１８１）とを備えている。
【００１８】
このＣＶＤ成膜系（１１１）について、図２の概略断面図を参照して、更に詳細に説明する。
ＣＶＤ成膜系（１１１）は、図中上下方向に移動可能に支持された凹状の上収納体（１２１）と、上収納体（１２１）と合致する凹状の下収納体（１３１）とから成り、それぞれアルミニウム（Ａｌ）から成る反応炉（１１３）を備えている。上収納体（１２１）の上壁中央部には原料ガスを導入する導入孔（１２３）、下収納体（１３１）の側壁には排気系（１７１）に接続される排気孔（１３３）が形成されている。
【００１９】
そして、上収納体（１２１）には、導入孔（１２３）から導入される原料ガスを反応炉（１１３）内に均一に拡散させる吹き出し孔（１４３）を備えると共に、電気的に電源系（１８１）に接続されて一方の電極としても機能するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が表面に被着されて成るアルミニウム（Ａｌ）から成るガス導入電極（１４１）が支持されている。
【００２０】
また、下収納体（１３１）上に支持され、一主表面上に基板を配置することが可能なアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が表面に被着されて成るアルミニウム（Ａｌ）から成るサセプタ（１４５）を備えている。このサセプタ（１４５）は、基板温度の制御が可能なヒーター（１４７）を内部に備えており、ガス導入電極（１４１）に対向する他方の電極と成すグランド電位に接続されている。そして、このサセプタ（１４５）一主表面上とマスク（１４９）とによって基板（１１）が固定される。
【００２１】
以下に、このような半導体薄膜製造装置（１０１）を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置の製造方法について説明する。これは、例えば９．５インチの表示領域を備えたアクティブマトリクス型液晶表示装置を構成するアレイ基板が、１枚のガラス基板から４個採取されるように３６０ｍｍ×４６５ｍｍのガラス基板を使用するものである。
【００２２】
まず、図３（ａ）に示すように、３６０ｍｍ×４６５ｍｍのガラス基板（１１）の一主面上にモリブデン・タンタル（ＭｏＴａ）の被膜を形成し、これを複数本のストライプ状にパターンニングしてゲート電極（１３ａ）およびゲート電極（１３ａ）と一体の走査線（図示せず）並びに補助容量線（１３ｂ）を形成し、更にゲート電極（１３ａ）および補助容量線（１３ｂ）上にゲート絶縁膜として酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜（１５ａ）を堆積する。
【００２３】
このゲート電極（１３ａ）、補助容量線（１３ｂ）および酸化シリコン膜（１５ａ）が配設されたガラス基板（１１）を、図示しないが、導入炉から搬送炉、搬送炉から反応炉（１１３）に導く。
【００２４】
ガラス基板（１１）は、ゲート電極（１３ａ）、補助容量線（１３ｂ）および酸化シリコン膜（１５ａ）が配置された主表面が、図２に示すようにガス導入電極（１４１）と対向するようにサセプタ（１４５）上に配置し、その上にマスク（１４９）を配置する。そして、反応ガスとして２００ｓｃｃｍの流量のシラン（ＳｉＨ_４）、１０００ｓｃｃｍの流量のアンモニア（ＮＨ_３）、７０００ｓｃｃｍの流量の窒素（Ｎ_２）を反応炉（１１３）内に導入すると共に、反応炉（１１３）内を１Ｔｏｒｒに維持する。また、同時に、ヒーター（１４７）により加熱されたサセプタ（１４５）上の基板（１１）温度を３３０℃まで上昇させる。そして、電源系（１８１）からガス導入電極（１４１）に１３００Ｗの高周波電圧を供給し、これによりシラン（ＳｉＨ_４）およびアンモニア（ＮＨ_３）をプラズマ励起させて基板（１１）上に２層目のゲート絶縁膜としてシリコンナイトライド（ＳｉＮ_Ｘ）を５００オングストロームの膜厚で堆積させる。
【００２５】
この後、反応ガスとして４００ｓｃｃｍの流量のシラン（ＳｉＨ_４）、１４００ｓｃｃｍの流量の水素（Ｈ_２）にガスを切り換えて反応炉（１１３）内に導入すると共に、基板（１１）温度を３３０℃に制御し、更に１５０Ｗの高周波電力を供給して、シリコンナイトライド（ＳｉＮ_ｘ）上に半導体薄膜として非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を５００オングストロームの膜厚で堆積させる。尚、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）の堆積に際しても反応炉（１１）内を１Ｔｏｒｒに維持する。
【００２６】
再び、反応ガスとして２００ｓｃｃｍの流量のシラン（ＳｉＨ_４）、１０００ｓｃｃｍの流量のアンモニア（ＮＨ_３）、キャリアガスとして７０００ｓｃｃｍの流量の窒素（Ｎ_２）を反応炉（１１３）内に導入すると共に、基板（１１）温度を３３０℃に制御し、更に１３００Ｗの高周波電圧を供給して、チャネル保護膜としてシリコンナイトライド（ＳｉＮ_Ｘ）を３０００オングストロームの膜厚で堆積させる。尚、シリコンナイトライド（ＳｉＮ_Ｘ）の堆積に際してはも反応炉（１１３）内は同様の１Ｔｏｒｒに維持する。
【００２７】
以上のようにして、図３（ｂ）に示すように、１層目のゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜（１５ａ）を含む基板（１１）上にシリコンナイトライド膜（１５ｂ）／半導体薄膜（１７）／チャネル保護膜（１９）の３層を連続して堆積させた後、図２に示す反応炉（１１３）内を５０ｍＴｏｒｒに減圧し、図示しないが、この減圧状態と同様の減圧状態にある搬送炉を介して排出炉に導く。
【００２８】
この後、図３（ｃ）に示すように、半導体薄膜（１７）を島状にパターニングして活性層（１８）とすると共に、またゲート電極（１３ａ）をマスクとした裏面露光によりゲート電極（１３ａ）に自己整合されたチャネル保護膜（２０）を形成する。
【００２９】
この後、図３（ｄ）に示すように、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）を成膜し、パターニングして画素電極（２１）を形成する。また、ｎ^＋型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を堆積し、島状にパターニングして低抵抗半導体膜（２５）を形成した後、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）およびモリブデン（Ｍｏ）の３層構造の導電体層（２９）を堆積する。
【００３０】
この後、チャネル保護膜（２０）上の低抵抗半導体膜（２５）をおよび導電体層（２９）を切断すると共に、導電体層（２９）をパターンニングして画素電極（２１）に接続されるソース電極（３１）、信号線（３３）と一体のドレイン電極（３５）とをそれぞれ構成する。
【００３１】
以上のようにして構成されたアレイ基板を用い、図示しないが、常法にしたがって対向基板と所定の間隔を隔てて貼り合わせ、基板間に液晶組成物を注入し、封止して液晶パネルを構成する。更に、液晶パネルと駆動回路基板とを電気的に接続すると共に、必要であれば液晶パネル外表面に偏光板を貼り付けて液晶表示装置を完成させた。
【００３２】
ところで、この実施例では、上記したシリコンナイトライド膜（１５ｂ）／半導体薄膜（１７）／チャネル保護膜（１９）の３層の連続成膜に先立ち、次のような操作を行っている。
【００３３】
即ち、図２に示す反応炉（１１３）の内壁、ガス導入電極（１４１）、サセプタ（１４５）およびマスク（１４９）の表面には、先の成膜工程での非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）やシリコンナイトライド（ＳｉＮ_Ｘ）が複数層にわたり堆積されている。
【００３４】
このような反応炉（１１３）の内壁、ガス導入電極（１４１）、サセプタ（１４５）およびマスク（１４９）の表面に堆積する非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）やシリコンナイトライド（ＳｉＮ_Ｘ）の膜厚が増大すると、成膜途中に膜中に小片として混入すること等が生じ、製造歩留りの低下を招いてしまう。特に、ガス導入電極（１４１）とサセプタ（１４５）との間に挟まれる反応空間に接する領域、例えばガス導入電極（１４５）の主表面やマスク（１４９）の表面等に堆積される不要被膜が問題となる。
【００３５】
このため、反応空間に接する領域での不要被膜の膜厚が増大した際、反応炉（１１３）内壁を、クリーニングガス供給系（１６１）から７００ｓｃｃｍの流量の三沸化窒素（ＮＦ_３）と１００ｓｃｃｍの流量のアルゴン（Ａｒ）とをそれぞれバルブ（１６１ａ），（１６１ｂ）を介して供給すると共に、１５００Ｗの高周波電圧を供給し、１０分間清浄して、反応炉（１１３）の内壁、ガス導入電極（１４１）、サセプタ（１４５）およびマスク（１４９）の表面の不要被膜をプラズマ・クリーニングにより除去する。
【００３６】
そして、このプラズマ・クリーニング後、実際の成膜の工程と同様の条件で、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）とシリコンナイトライド（ＳｉＮ_Ｘ）とを堆積させる。尚、非晶質シリコン被膜およびシリコンナイトライド被膜の膜厚は、それぞれサセプタ（１４５）上で３００オングストローム、５０オングストロームとなるように行った。従って、反応空間外、例えば反応炉（１１３）の内壁にあっては、更に薄膜となっているが、反応空間での非晶質シリコン被膜およびシリコンナイトライド被膜の膜厚が所望の範囲内に制御されていれば良い。
【００３７】
このような工程を経た後に、上記したシリコンナイトライド膜（１５ｂ）／半導体薄膜（１７）／チャネル保護膜（１９）の３層の連続成膜を実施している。
そして、この実施例では、上記した３層の連続成膜を１サイクルとして、１０サイクルを経た後、再びプラズマ・クリーニング工程、プリコート工程を実施した。
【００３８】
上記した実施例によれば、プラズマ・クリーニング工程直後のＴＦＴの活性層（１８）と、成膜工程を９サイクル経た後のＴＦＴの活性層（１８）とでは、移動度に差異は認められなかった。
【００３９】
また、上記した実施例により得られたＴＦＴ（Ａ）、プラズマ・クリーニング工程後にプリコート工程を経ることなく作成されたＴＦＴ（Ｂ）、プラズマ・クリーニング工程後にシリコンナイトライド被膜を堆積させない以外は実施例と同様のプリコート工程を経て作成されたＴＦＴ（Ｃ）、プラズマ・クリーニング工程後に非晶質シリコン被膜を堆積させない以外は実施例と同様のプリコート工程を経て作成されたＴＦＴ（Ｄ）のしきい値電圧をそれぞれ測定したところ、ＴＦＴ（Ａ）：２Ｖ，ＴＦＴ（Ｂ）：５Ｖ，ＴＦＴ（Ｃ）：２Ｖ，ＴＦＴ（Ｄ）：５Ｖであった。
【００４０】
また、ＴＦＴ（Ａ）とＴＦＴ（Ｃ）の製造途中で、サセプタ（１４５）上に付着する３ミクロン以上のパーティクルを測定したところ、ＴＦＴ（Ｃ）の製造途中では０．０８個／ｃｍ^２であったものが、ＴＦＴ（Ａ）製造途中では０．０５個／ｃｍ^２以下に減少させることができた。
【００４１】
以上のように、この実施例によれば、清浄工程直後であっても、安定した膜特性が得られ、しかも従来に比べて製造途中でのパーティクル発生量の低い、液晶表示装置に適した絶縁膜と非晶質シリコンの積層膜を得ることができた。
【００４２】
上述した実施例では、基板の主表面に対して平行に電極が配置され、しかも基板の主表面に対して原料ガスが垂直に照射される平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を例にとり説明したが、これに限定されるものではない。
【００４３】
また、プリコート工程において、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）被膜とシリコンナイトライド（ＳｉＮ_Ｘ）被膜とを積層する場合を例にとり説明したが、シリコンナイトライド（ＳｉＮ_Ｘ）被膜に代えて窒素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＮ）を用いても良い。この場合は、原料ガス供給系（１５１）に亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）を加え、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、シラン（ＳｉＨ_４）および窒素（Ｎ_２）をプラズマ励起させて堆積すれば良い。
更に、プリコート工程を、シリコンナイトライド被膜／非晶質シリコン被膜／シリコンナイトライド被膜の三層構造としても良い。
【００４４】
【発明の効果】
この発明の半導体薄膜の製造方法によれば、清浄工程直後であっても、安定した膜特性が得られ、しかも従来に比べてパーティクル発生量の低い、液晶表示装置に適した半導体薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例の半導体薄膜の製造方法に用いられる半導体薄膜製造装置の概略構成図である。
【図２】図２は、図１のＣＶＤ成膜系の概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例の半導体薄膜の製造プロセスを示す図である。
【符号の説明】
（１０１） …半導体薄膜製造装置
（１１１） …ＣＶＤ成膜系
（１５１） …原料ガス供給系
（１６１） …クリーニングガス供給系
（１７１） …排気系
（１８１） …電源系

Claims

シリコン（Ｓｉ）を含む活性化された原料ガスに基づいて反応炉内でガラス基板上に半導体薄膜を堆積させる半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法において、
前記半導体薄膜を堆積させる前に、前記反応炉内をフッ素（Ｆ）を含むクリーニング・ガスで清浄する清浄工程と、前記反応炉内に前記半導体薄膜と同一組成の半導体被膜とこの半導体被膜上に窒化被膜もしくは窒素含有酸化被膜とを積層して堆積させる堆積工程とを具備したことを特徴とした半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法。
請求項１記載の半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法おいて、前記半導体被膜が２００〜１０００オングストロームの膜厚を有することを特徴とした半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法。
請求項１記載の半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法において、前記前記窒化被膜もしくは酸化被膜が５０〜１０００オングストロームの膜厚を有することを特徴とした半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法。
請求項１記載の半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法において、前記原料ガスはプラズマにより活性化されることを特徴とした半導体薄膜を具備するアクティブマトリックス型液晶表示装置の製造方法。