JPH0393273A - 薄膜半導体装置の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、薄膜半導体装置の製造方法に関わり、特に、
絶縁ゲート型電界効果トランジスタあるいはＴＦＴ（Ｔ
ｈｉｎ　　Ｆｉｌｍ　　ＴｒａｎｓｉｓｔＯ゜ｒ）のゲ
ート絶縁膜の形成方法に関する．［従来の技術］ 近年、　ＳＯＩ　　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　　　Ｏｎ　　　
工ｎｓｕｌａｔｏｒ）あるいは、三次元ＩＣや、大型液
晶表示パネルや、高速で高解像度の密着型イメージセン
サ等へのニーズが高まるにつれて、低温で良質のゲート
絶縁膜を形成する技術が重要となってきた．熱酸化法は
、９００〜１２００℃程度の高温プロセスであるため、
　（１）安価なガラス基板上に索子を形成できない．　
（２〉不純物の横拡散．　（３〉三次元ＩＣでは下層部
の素子に悪影響（不純物の拡散など）を与える等の問題
がある．現在、ＣＶＤ法や、光ＣＶＤ法や、プラズマＣ
ＶＤ法などでゲート酸化膜を形成する技術が検討されて
いる． ［ｌｅ明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の方法で形成した酸化膜は、ゲート
絶縁耐圧が低く、界面準位密度が高いというような問題
点がある，ｐｏｌｙ−Ｓｉやゲート酸化膜が圧縮応力を
持つとき優れたＴＰＴ特性が得られるという説がある．
しかし、前記各種ＣＶＤ法により形成された酸化膜は応
力をほとんど持たない． 本発明は、この様な問題点を解決し、優れたゲート酸化
膜を形成して良好なトランジスタ特性を有・する電界効
果トランジスタや薄膜トランジスタを実現することを目
的としている． ［課題を解決するための手段］ 本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、　（１〉絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタの製造方法に於て、ゲート
絶縁膜をスパッタ法により形成することを特徴とする． さらに、　（２）　前記スパッタ法は、ターゲットとし
てＳｉを用い、放電ガスとして０２（酸素）ガス、また
は０２ガスとＡｒ（アルゴン）ガスの混合ガスを用いる
ことを特徴とする． ［実施例］ 第１図（ａ）に於で、１−１は非晶貿絶縁基板である．
石英基板あるいはガラス基板などが用いられる．ＳｉＯ
２で覆われたＳｉ基板を用いることもある．石英基板あ
るいはＳｉｎｇで覆われたＳｉ基板を用いる場合は１２
００℃の高温プロセスにも耐えることができるが、ガラ
ス基板を用いる場合は軟化温度が低いために約６００℃
以下の低温プロセスに制限される．はじめに非品質絶縁
基［１−１上に非晶買シリコン薄膜１−２を堆積させる
．該非晶質シリコン薄膜１−２は一様で、微小な結晶子
は含まれておらず結晶成長の核が全く存在しないことが
望ましい．堆積方法としてはＥＢ　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
　　Ｂｅａｍ）蒸着法やスパッタ法やＣＶＤ法や光ＣＶ
Ｄ法やプラズマＣｖＤ法がある．プラズマＣＶＤ法は、
光起電力素子や、フォトダイオードや、感光ドラムなど
を作製する場合によく用いられる方法である．非晶買シ
リコン薄膜を堆積させるには、シランガス（ＳｉＨａ）
をヘリウムガス（Ｈ．）あるいは水素ガス（Ｈ２）で適
した漬度に希釈し、高周波電圧を印加して、分解堆積さ
せる．プラズマＣＶＤ法の場合は、基板温度が５００℃
以下でも成膜できる．また、デボ直前に水素プラズマあ
るいはアルゴンプラズマ処理を行えば、基板表面の清浄
化と成膜を連続的に行うことができる．その後、４００
℃〜５０Ｏ℃のアニールを行い非晶買シリコン薄膜から
水素を放出させる． 次に、前記シリコン薄膜１−２を固相成長させる．固相
成長方法は、石英管による炉アニールが便利である．ア
ニール雰囲気としては、窒素ガス、水素ガス、アルゴン
ガス、ヘリウムガスなどを用いる，ＩＸＩ（Ｉ”から１
ｘｌＯ−”Ｔｏｒｒの高真空雰囲気でアニールを行って
もよい．固相成長アニール温度は５００℃〜７００℃と
する．この様な低温アニールでは選択的に、結晶成長の
活性化エネルギーの小さな結晶方位を持つ結晶粒のみが
成長し、しかもゆっくりと大きく成長する．第１図（ｂ
）において、１−３は固相成長したシリコン薄膜を示し
ており、１−４は結晶粒界を示している． 次に前記固相成長したシリコン薄膜１−３をフォトリソ
グラフィ法によりパターニングして第１図（Ｃ）に示す
ように島状にする． 次に第１図（ｄ）に示されているように、スパッタ法に
より、ゲート酸化膜１−５を形成する．スパッタ方式と
してはプラズマをターゲット近傍に圧縮してスパッタを
行うマグネトロン方式が広く用いられている．ターゲッ
トとしてはＳｉを用い゛る．放電ガスとしては０２ガス
単体の他に、０２ガスとＡｒガスの混合ガスを用いる．
０２ガス単体の場合は、反応チャンバー内の内圧や、０
２ガス流量によってＳｉＯ２の膜買を制御する，０２ガ
スとＡｒガスの混合ガスの場合は、前記内圧や前記流量
のほかに、０２ガスとＡｒガスとの混合比を変えること
によってＳｉＯ２の膜質を制御する．この様にすると緻
密で表面形状の滑らかなＳｉＯ２膜が得られる．スパッ
タ中の基板温度は、数十〜数百℃である．その後、６０
０℃以下の低温で熱処理してもよい．成膜されたゲート
酸化膜は、熱処理することによってより緻密で界面準位
の少ない優れた膜となる． 次に第１図（ｅ）に示されるように、ゲート電極１−６
を形成する．該ゲート電極材料としては多結晶シリコン
薄膜、あるいはモリブデンシリサイド、あるいはアルミ
ニュウムやクロムなどのような金属膜、あるいはＩＴＯ
やＳｎ０２などのような透明性導電膜などを用いること
ができる．成膜方法としては、ＣＶＤ法、スパッタ法、
真空蒸着禎、等の方法があるが、ここでの詳しい説明は
省略する． 続いて第１図（ｆ）に示すように、前記ゲート電極１−
６をマスクとして不純物をイオン注入し、自己整合的に
ソース領域１−７およびドレイン領域１−８を形成する
．前記不純物としては、Ｎｃｈトランジスタを作製する
場合はＰ゜あるいはＡｓ０を用い、Ｐｃｈ｝ランジスタ
を作製する場合はＢ゜等を用いる．不純物添加方法とし
ては、イオン注入法の他に、レーザードーピング法ある
いはプラズマドーピング法などの方法がある．１−９で
示される矢印は不純物のイオンビームを表している・．
前記非晶買絶縁基板１−１として石英基板を用いた場合
には熱拡散法を使うことができる．不純物漬度は、ＩＸ
ＩＯＩ％から１×１０２１Ｃｍり程度とする． 続いて第１図（ｇ）に示されるように、層間絶縁膜１−
１０を積層する．該層間絶縁膜材料としては、酸化膜あ
るいは窒化膜などを用いる．絶縁性が良好ならば膜厚は
いくらでもよいが、数千人か・ら数μｍ程度が普通であ
る．窒化膜の形成方法としては、ＬＰＣＶＤ法あるいは
プラズマＣＶＤ法などが簡単である．反応には、アンモ
ニアガス（　Ｎ　Ｈ　３）とシランガスと窒素ガスとの
混合ガス、あるいはシランガスと窒素ガスとの混合ガス
などを用いる． ここで、水素プラズマ法、あるいは水素イオン注入法、
あるいはプラズマ窒化膜からの水素の拡散法などの方法
で水素イオンを導入すると．ゲート酸化膜界面などに存
在するダングリングボンドなどの欠陥が不活性化される
．この様な水素化工程は、層藺絶縁膜１−９を積層する
前におこなってもよい． 次に第１図（ｈ）に示すように、前記層間絶縁膜及びゲ
ート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、コンタクト電
極を形成しソース電極１−１１およびドレイン電極１−
１２とする．該ソース電極及びドレイン電極は、アルミ
ニュウムなどの金属材料で形成する．この様にして薄膜
トランジスタが形成される． ［′発明の効果］ 従来、放電ガスがＡｒガス単体だったので堆積されたＳ
ｉＯ２膜の表面状態はスパッタ圧依存性が大きく、圧力
の増大とともに表面の荒れが激しかった．０２ガスを用
いるとスパッタダメージが減少することが知られている
．本発明によれば、放電ガスとして０２ガス単体、ある
いは０２ガスとＡｒガスの混合ガスを用いるので表面形
状が非常に滑らかで熱酸化ＳｉＯ２膜と同程度の緻密な
Ｓｉｎ２膜が得られる． スパッタ時の内圧によりＳｉＯ２膜の膜貿を制御するこ
とが可能であり、内圧を低くすると緻密な膜となる． ０２ガスとＡｒガスの混合比を変えることによりＳｉＯ
ｚ膜の組成比を制御することができる．放電ガスとして
Ａｒガス単体を用いて堆積されたＳｉＯ２膜の絶縁耐圧
は約２　Ｍ　Ｖ　／　ｃ　ｍと低いのに対し、本発明の
ように０２ガスを混合することにより絶縁耐圧を著しく
向上でき、その値は約７ＭＶ　／　ｃ　ｍとなり熱酸化
ＳｉＯ２膜とほぼ同程度となるＪ Ｏ２ガスとＡｒガスの混合ガスを用いて堆積されたＳｉ
Ｏ２膜の比抵抗は約５Ｘ１０”Ω・ｃｍであり、熱酸化
ＳｉＯａ膜と同程度の非常に優れた絶縁性を有している
． 数十〜数百℃の基板温度で堆積可能なので、軟化温度の
低いガラス基板を用いることもできる．低温で熱酸化Ｓ
ｉＯ２膜に近い特性を有するゲート絶縁膜を得ることが
できるので、ＳＯＩ技術の発展に大きく寄与するもので
ある．工程数はまったく増えない．６００℃以下の低温
のプロセスでも作製が可能なので、価格が安くて耐熱温
度が低いガラス基板をもちいることができる．優れたシ
リコン薄膜が得られるのにかかわらずコストアップとは
ならない． 本発明によって得られたゲート絶縁膜と大粒径多結晶シ
リコン薄膜を用いて薄膜トランジスタを作成すると、優
れた特性が得られる．従来に比べて、薄膜トランジスタ
のＯＮ電流は増大しＯＦＦ電流は小さくなる．またスレ
ッシュホルド電圧も小゛さくなりトランジスタ特性が大
きく改善される．ＮチャネルとＰチャネルとの特性の不
釣合いさも改善される． 非品質絶縁基板上に優れた特性の薄膜トランジスタを作
製することが可能となるので、ドライバー回路を同一基
板上に集積したアクティブマトリクス基板に応用した場
合にも十分な高速動作が実現される．さらに、電源電圧
の低減、消費電流の低減、信頼性の向上に対して大きな
効果がある．また、６００℃以下の低温プロセスによる
作製も可能なので、アクティブマトリクス基板の低価格
化及び大面積化に対してもその効果は大きい．本発明を
、光電変換素子とその゛走査回路を同一チップ内に集積
した密着型イメージセンサーに応用した場合には、読み
取り速度の高速化、高解像度化、さらに階調をとる場合
に非常に大きな効果をうみだす．高解像度化が達成され
るとカラ一読み取り用密着型イメージセンサーへの応用
も容易となる．もちろん電源電圧の低減、消費電流の低
減、信頼性の向上に対してもその効果は大きい．ま゛た
低温プロセスによって作製することができるので、密着
型イメージセンサーチップの長尺化が可能となり、一本
のチップでＡ４サイズあるいはＡ３サイズの様な大型フ
ァクシミリ用の読み取り装置を実現できる．従って、セ
ンサーチップの二本継ぎのような手数がかかり信頼性の
悪い技術を回避することができ、実装歩留りも向上され
る．石英基板やガラス基板だけではなく、サファイア基
板（Ａｌ２０３）あるいはＭ　ｇ　Ｏ−Ａ　ｌ　２０３
，ＢＰ，ＣａＦ２等の結晶性絶縁基板も用いることがで
きる． 以上実施例では薄膜トランジスタを例として説明したが
、通常のＭＯＳ｝ランジスタやバイボーラトランジスタ
あるいはへテロ接合パイボーラト゜ランジス夕なと薄膜
を利用した素子に対しても、本発明を応用することがで
きる．また、三次元デバイスのようなＳＯＩ技術を利用
した素子に対しても、本発明を応用することができる．

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）から（ｈ）は、本発明の実施例を示′す工
程断面図である． １　−　３ １−５ シリコン薄膜 ゲート酸化膜 以上 第 １ 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法に
   於て、ゲート絶縁膜をスパッタ法により形成することを
   特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
2. （２）前記スパッタ法は、ターゲットとしてＳｉを用い
   、放電ガスとしてＯ＿２（酸素）ガス、、またはＯ＿２
   ガスとＡｒ（アルゴン）ガスの混合ガスを用いることを
   特徴とする請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法。