DE69128210T2 - Verfahren zum Herstellen Siliciumnitrid dünner Filme und Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors unter Verwendung Siliciumnitrid dünner Filme - Google Patents

Verfahren zum Herstellen Siliciumnitrid dünner Filme und Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors unter Verwendung Siliciumnitrid dünner Filme

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Siliziumnitrid-Dünnfilmen, z.B. eines Siliziumnitrid- (SiN) Films, gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors (TFT) unter Verwendung dieser Siliziumnitrid-Dünnfilme, wie in den Ansprüchen 6 und 17 dargelegt.
  • Siliziumbasierte Dünnfilme werden als isolierende Filme für TFTs, MOS- Transistoren und integrierte Schaltungen, die die MOS-Transistoren verwenden, eingesetzt.
  • TFTs, die diese siliziumbasierten Dünnfilme verwenden, sind von einem gestaffelten Typ, einem invertierten gestaffelten Typ, einem koplanaren Typ und einem invertierten koplanaren Typ. Eine Struktur eines herkömmlichen TFT des invertierten gestaffelten Typs wird mit Verweis auf Fig. 1 und 2 beschrieben.
  • Gemäß Fig. 2 ist eine Gateelektrode 2, die aus einem Metall, z.B. Tantal oder Chrom, besteht, auf einem isolierenden Substrat 1 aus Glas oder dergleichen gebildet, und ein Gateisolierfilm 3 ist auf der Gateelektrode 2 gebildet. Ein i-Typ-Halbleiterfilm 4, der aus i-Typ amorphem Silizium (i-a-Si) besteht, ist auf dem Gateisolierfilm 3 so gebildet, daß er der Gateelektrode 2 gegenübersteht. Source- und Drainelektroden 5 und 6 aus einem Metall, z.B. Chrom, sind auf dem i-Typ- Halbleiterfilm 4 jeweils durch n-Typ-Halbleiterschichten 7 hindurch gebildet und durch einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet, um eine Kanalzone zu bilden. Jede n-Typ-Halbleiterschicht 7 besteht aus n-typ amorphem Silizuim (n+-a-Si) dotiert mit einem Fremdatom. Eine Schutzschicht (nicht gezeigt) ist gebildet, um die gesamte Struktur zu bedecken.
  • Fig. 2 zeigt eine Verbesserung des in Fig. 1 gezeigten invertiert gestaffelten TFT. Dieser TFT umfaßt eine Sperrschicht 8, die aus einem Isolierfilm besteht, in einem Bereich, der die Kanalzone der i-Typ- Halbleiterschicht 4 bildet. Andere Teile dieses TFT sind dieselben wie in Fig. 1, und dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnen dieselben Teile in Fig. 2.
  • In diesen TFTs werden Siliziumnitrid- (SiN) Filme als die Gateisolierfilme 3 und die Sperrschicht 8 verwendet (nur der in Fig. 2 gezeigte TFT), und ein Siliziumoxid- (SiO) Film wird als die Schutzschicht (nicht gezeigt) verwendet.
  • In jedem dieser herkömmlichen TFTs werden ein siliziumbasierter Dünnfilm, z.B. ein SiN-Film, und ein SiO-Film durch ein Plasma-CVD-Verfahren gebildet. Dieses Plasma-CVD-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Prozeßgas einer Kammer zugeführt wird, in die ein auf eine vorbestimmte Temperatur erhitztes Substrat gelegt wird. Bei Zufuhr eines HF-Stromes wird eine Hochfrequenz-Glühentladung (HF-Entladung) hervorgerufen, um das Prozeßgas in einen Plasmazustand zu bringen, während der Druck des Prozeßgases auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird, und eine Siliziumverbindung wird auf dem Substrat abgelagert, wodurch ein siliziumbasierter Dünnfilm gebildet wird.
  • Das Prozeßgas besteht aus einem Hauptreaktionsgas, das als ein Quellengas für einen zu bildenden Film dient, und einem Trägergas zum Verdünnen des Hauptreaktionsgases, um den Plasmazustand zu erlangen. Um den SiN-Film zu erzeugen, bilden Monosilan- (SiH&sub4;) Gas und Ammoniak- (NH&sub3;) Gas ein Hauptreaktionsgas, und Stickstoff- (N&sub2;) Gas wird als ein Trägergas verwendet. Um den SiO-Film zu erzeugen, bilden Monosilan- (SiH&sub4;) Gas und Lachgas (N&sub2;O) ein Hauptreaktionsgas, und Stickstoff- (N&sub2;) Gas wird als ein Trägergas verwendet.
  • Die Bildung des obigen siliziumbasierten Dünnfilms erfolgt durch die folgenden Schritte, wie durch die Zufuhr von Prozeßgas und die HF- Entladungszeiten in Fig. 3 angegeben.
  • Ein auf eine vorbestimmte Temperatur erhitztes Substrat wird in eine Kammer gelegt, und die Kammer wird evakuiert. Das Prozeßgas als eine Gasmischung des Hauptreaktionsgases und des Trägergases wird zugeführt und auf einen vorbestimmten Druck geregelt. Wenn etwa 15 Minuten zum Stabilisieren des Druckes des Prozeßgases und der Substrattemperatur vergangen sind, wird ein HF-Strom zugeführt, um eine HF- Entladung zu starten, wodurch ein Plasma erzeugt und die Ablagerung eines siliziumbasierten Dünnfilms begonnen wird. Wenn eine zum Ablagern dieses Dünnfilms zu einer vorbestimmten Dicke benötigte Zeitdauer vergangen ist, wird die Zufuhr des HF-Stromes angehalten, um die HF- Entladung zu unterbrechen. Einige Sekunden später wird die Zufuhr des Prozeßgases angehalten.
  • Um einen dichten siliziumbasierten Dünnfilm (insbesondere einen Siliziumnitrid-Dünnfilm) zu erhalten, der frei von Defekten ist und eine hohe Durchbruchspannung aufweist, wird der Siliziumnitrid-Dünnfilm bei einer Substrattemperatur von etwa 350ºC und einer HF-Leistung von 120 bis 130 mW/cm² gebildet.
  • Ein Zusammensetzungsverhältnis (Si/N) der Anzahl von Silizium- (Si) Atomen zu der Anzahl von Nitrid- (N) Atomen des sich ergebenden Siliziumnitridfilms hat einen Wert nahe bei einem stöchiometrischen Verhältnis (Si/N = 0.75) des chemisch stabilsten Silizumnitrids (Si&sub3;N&sub4;). Der erhaltene Siliziumnitridfilm ist dicht, frei von Defekten und besitzt eine hohe Durchbruchspannung.
  • Da die Filmbildung durchgeführt wird, während die Substrattemperatur bei 350ºC gehalten wird, muß das Substrat allmählich erhitzt werden, um keine Defekte, z.B. Verwerfung und Risse, des Substrats hervorzurufen. Außerdem muß das Substrat über eine lange Zeitdauer, die länger als die Heizdauer ist, abgekühlt werden, um zu verhindern, daß der Siliziumnitridfilm durch eine Spannung infolge einer Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und des Siliziumnitridfilms zum Bersten gebracht wird. Nach dem herkömmlichen Filmbildungsverfahren werden deshalb die Heiz- und Kühlperioden des Substrats verlängert, um die Effizienz der Bildung von siliziumbasierten Dünnfilmen zu verschlechtern, was niedrige Produktivität zur Folge hat.
  • Das obige Verfahren zum Bilden des siliziumbasierten Dünnfilms wird in dem Fertigungsschritt des in Fig. 2 gezeigten TFT verwendet. Herstellungsschritte dieses TFT werden unten beschrieben.
  • Ein Metallfilm bestehend aud Chrom (Cr), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) oder dergleichen wird auf dem Substrat 1 mit einer Sputter-Vorrichtung gebildet und durch ein Photoätzverfahren gemustert, wodurch eine Gatelektrode 2 und ein mit dieser Gatelektrode 2 verbundener Gateleitungsteil gebildet wird.
  • Ein Gateisolierfilm 3, eine i-Typ-Halbleiterschicht 4 und ein sperrender Isolierfilm 8 werden auf dem Substrat 1 nacheinander mit einer Plasma-CVD-Vorrichtung gebildet.
  • Der sperrende Isolierfilm 8 wird durch ein Photoätzverfahren gemustert, um den sperrenden Isolierfilm 8 nur in der Kanalzone der i-Typ- Haibleiterschicht 4 zu belassen.
  • Eine n-Typ-Halbleiterschicht 7 wird auf dem i-Typ-Halbleiterfilm 4 mit einer Plasma-CVD-Vorrichtung gebildet, und ein Metallfilm aus Chrom, Tantal oder Molybdän, der als Source- und Drainelektroden 5 und 6 dient, wird mit einer Sputter-Vorrichtung auf der n-Typ-Halbbleiterschicht 7 gebildet. Der Metallfilm und die n-Typ-Halleiterschicht 7 werden durch ein Photoätzverfahren gemustert, um Source- und Drainelektroden 5 und 6 zu bilden.
  • Die i-Typ-Halbleiterschicht 4 wird in der Form eines Transistors gemustert, um einen Dünnfilmtransistor oder TFT fertigzustellen.
  • Während des Herstellungsprozesses des obigen TFT werden der Gateisolierfilm 3 und die Sperrschicht 8 aus SiN-Filmen gefertigt, und der i-Typ-Halbleiterfilm 4 umfaßt einen hydrierten amorphen Silizium(a-Si:H) Film. Der n-Typ-Halbleiterfilm 7 umfaßt einen n+-Typ a-Si- Film. Die SiN-Filme werden bei einer Substrattemperatur von 350ºC und einer HF-Entladeleistungsdichte von 120 bis 130 mW/cm² gebildet, um dichte Filme mit hohen Durchbruchspannungen zu erhalten. Der hydrierte amorphe Silizium- (i-a-Si) Film wird bei einer Substrattemperatur von etwa 250ºC und einer HF-Entladeleistungsdichte von 40 bis 50 mW/cm² gebildet, um eine Abnahme im Wasserstoffgehalt zu verhindern. Der n+-Typ a-Si-Film wird unter denselben Bedingungen gebildet wie der i-a-Si-Film. Wenn in dieser Weise eine Mehrzahl von Filmen fortlaufend auf einem Substrat bei verschiedenen Substrattemperaturen während der Filmbildung erzeugt wird, wird eine Plasma-CVD-Vorrichtung mit einem in Fig. 4 gezeigten schematischen Aufbau verwendet. Fig. 4 zeigt die Plasma-CVD-Vorrichtung zum fortlaufenden Bilden des Gateisolierfilms 3, des i-Typ-Halbleiterfilms 4 und der Sperrschicht 8.
  • Diese Plasma-CVD-Vorrichtung umfaßt eine Substrat-Ladekammer 11, eine Siliziumnitrid-Bildungskammer 12 (nachstehend als Gateisolierfilm-Bildungskammer bezeichnet) zum Bilden des Gateisolierfilms 3, eine Substrat-Kühlungskammer 13, eine Bildungskammer für amorphes Silizium 14 (nachstehend als i-Typ-Halbleiterfilm-Bildungskammer bezeichnet) zum Bilden des i-Typ-Halbleiterfilms 4, eine Substrat-Heizungskammer 15, eine Siliziumnitridfilm-Bildungskammer (nachstehend als Sperrschicht- Bildungskammer bezeichnet) 16 zum Bilden der Sperrschicht 8 und eine Substrat-Entladekammer 17. Diese Kammern werden fortlaufend gebildet.
  • Der Gateisolierfilm 3, die i-a-Si-Schicht 4 und die Sperrschicht 8 werden mit dieser Plasma-CVD-Vorrichtung in der folgenden Weise gebildet.
  • Ein Substrat wird in die Substrat-Ladekammer 11 geladen und auf eine SiN-Filmbildungstemperatur (etwa 350ºC) erhitzt. Das erhitzte Substrat wird an die Gateisolierfilm-Bildungskammer 12 übergeben, und der Gateisolierfilm 3 wird unter den obigen Filmbildungsbedingungen gebildet.
  • Das Substrat wird dann an die Substrat-Kühlungskammer 13 übergeben, die Substrattemperatur wird auf eine i-a-Si-Schichtbildungstemperatur (ca. 250ºC) vermindert, das abgekühlte Substrat wird an die i-Typ- Halbleiterfilm-Bildungskammer 14 übergeben, und der i-Typ-Halbleiterfilm 4 wird unter den obigen Bedingungen gebildet.
  • Das Substrat wird dann an die Substrat-Heizungskammer 15 übergeben, um das Substrat auf eine SiN-Filmbildungstemperatur (ca. 350ºC) zu erhitzen. Das erhitzte Substrat wird an die Sperrschicht-Bildungskammer 16 übergeben, und die Sperrschicht 8 wird unter den obigen Bedingungen gebildet.
  • Das Substrat wird dann an die Substrat-Entladekammer 17 übergeben und auf eine Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) abgekühlt. Das abgekühlte Substrat wird aus der Substrat-Entladekammer 17 entfernt.
  • In diesem Fall dauert es eine lange Zeit, um das Substrat in der Ladekammer 11 und der Substrat-Heizungskammer 15 allmählich zu erhitzen und das Substrat in der Substrat-Kühlungskammer 13 und der Substrat-Entladekammer 17 allmählich abzukühlen, um Risse zu verhindern, die durch eine Wärmespannung, die auf den SiN-Film und die auf dem Substrat gebildete i-a-Si-Schicht wirkt, verursacht werden.
  • Wenn der invertiert gestaffelte Dünnfilmtransistor ohne sperrende Isolierschicht 8, wie in Fig. 1 gezeigt, zu bilden ist, wird die n-Typ amorphe Siliziumschicht (nachstehend als n+-a-Si-Schicht bezeichnet), die als die n-Typ-Halbleiterschicht 7 dient, unmittelbar nach dem Bilden des i-Typ-Halbleiterfilms 4 gebildet. Die Filmbildungsbedingungen der n+-a-Si-Schicht können dieselben wie die der i-a-Si-Schicht sein. Der Gateisolierfilm, die i-Typ-Halbleiterschicht und die n-Typ- Halbleiterschicht des TFT in Fig. 1 werden daher durch eine Plasma- CVD-Vorrichtung gebildet, die so angeordnet ist, daß die Substrat-Heizungskammer 15 und die Sperrschicht-Bildungskammer 16 von der Plasma-CVD-Vorrichtung in Fig. 4 entfernt werden und eine n+-a-Si-Schicht- Bildungskammer zwischen der i-Typ-Halbleiterfilm-Bildungskammer 14 und der Substrat-Entladekammer 17 angeordnet wird.
  • Bei diesem gestaffelten Dünnfilmtransistor werden, nachdem die Source- und Drainelektroden und die darauf gebildete n+-a-Si-Schicht nacheinander gebildet worden sind, die i-a-Si-Schicht und der Gateisolierfilm nacheinander gebildet, und eine Gateelektrode wird darauf gebildet. Die i-a-Si-Schicht und der Gateisolierfilm dieses gestaffelten TFT können daher durch eine Plasma-CVD-Vorrichtung mit zusammenhängenden Kammern gebildet werden, d.h. eine Substrat-Ladekammer, eine i-Typ- Halbleiterfilm-Bildungskammer, eine Substrat-Heizungskammer, eine Gateisolierfilm-Bildungskammer und eine Substrat-Entladekammer.
  • Nach dem obigen herkömmlichen Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors wird der Gateisolierfilm bei einer Filmbildungstemperatur von ca. 350ºC gebildet, und der i-Typ-Halbleiterfilm wird bei der Filmbildungstemperatur von ca. 250ºC gebildet. Aus diesem Grund wird z.B. bei der Herstellung des invertiert gestaffelten Dünnfilmtransistors das Substrat, auf dem der Gateisolierfilm in der Gateisolierfilm-Bildungskammer 12 gebildet wird, auf eine Temperatur eingestellt, bei der der i-Typ-Halbleiterfilm gebildet werden kann, und das temperatureingestellte Substrat muß an die i-Typ-Halbleiterfilm- Bildungskammer 14 übergeben werden. Aus diesem Grund umfaßt die herkömmliche Plasma-CVD-Vorrichtung die zwischen der Gateisolierfilm- Bildungskammer 12 und der nächsten i-Typ-Halbleiterfilm-Bildungskammer 14 gebildete Substrat-Kühlungskammer 13, um das Substrat mit dem Gateisolierfilm darauf auf eine i-Typ-Halbleiterfilm-Bildungstemperatur abzukühlen. Da das Substrat über eine lange Zeitdauer allmählich abgekühlt werden muß, wie oben beschrieben, braucht es eine lange Zeit, um das Substrat mit dem bei einer Tenmperatur von etwa 350ºC gebildeten Gateisolierfilm auf eine Temperatur von etwa 250ºC abzukühlen.
  • Das obige Problem wird auch bei der Herstellung des gestaffelten Dünnfilmtransistors aufgeworfen. In diesem Fall wird das Substrat mit dem in der i-Typ-Halbleiterfilm-Bildungskammer gebildeten i-a-Si-Film in der Substrat-Heizungskammer auf die Gateisolierfilm-Bildungstemperatur erhitzt, und das erhitzte Substrat muß an die Gateisolierfilm-Bildungskammer übergeben werden. Da dieses Heizen des Substrats über eine lange Zeitdauer langsam durchgeführt werden muß, braucht es eine lange Zeit, um das Substrat mit der bei der Filmbildungstemperatur von ca. 250ºC gebildeten i-a-Si-Schicht auf die Temperatur von etwa 350ºC zu erhitzen.
  • Aus diesem Grund kann das herkömmliche TFT-Herstellungsverfahren Dünnfilmstransistoren nicht mit hoher Effizienz herstellen.
  • Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines dichten Sliziumnitrid-Dünnfilms mit einer hohen Durchbruchspannung bei einer Filmbildungstemperatur niedriger als bei dem herkömmlichen Filmbildungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
  • Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors mit guten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, worin ein Siliziumnitridfilm, der als ein Gateisolierfilm dient, und eine i-Typ amorphe Siliziumschicht, die als ein i-Typ-Halbleiterfilm dient, nacheinander in den jeweiligen Bildungsschritten gebildet werden können, ohne die Substrattemperatur zu justieren, die i-Typ-Halbleiterschicht hervorragende Halbleitereigenschaften besitzt und der Gateisolierfilm eine hohe Durchbruchspannung aufweist.
  • Um die obige erste Aufgabe zu erfüllen, wird ein Verfahren mit den Schritten von Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
  • Um die obige zweite Aufgabe zu erfüllen, wird ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors zur Verfügung gestellt, das die Merkmale der Ansprüche 6 und 17 umfaßt.
  • Da bei den obigen erfindungsgemäßen Anordnungen der Siliziumnitrid- Dünnfilm unter Regelung einer HF-Entladungsleistungsdichte der Plasma- CVD-Vorrichtung im Bereich 60 bis 100 mW/cm² in einer anfänglichen Ablagerungsperiode einer Siliziumverbindung auf der Substratoberfläche gebildet wird, werden aufgedampfte Partikel gleichmäßig an der Substratoberfläche befestigt, und der abgelagerte Film kann gleichmäßig aufgewachsen werden, wodurch ein Dünnfilm mit einer sehr kleinen Zahl von Defekten erhalten wird. Selbst wenn die Filmbildungstemperatur bei nur 230ºC bis 270ºC liegt, ist der Dünnfilm frei von Nadelstichen und schlechten Flecken, und ein siliziumbasierter Dünnfilm mit einer hohen Durchbruchspannung kann hergestellt werden.
  • Da die Filmbildungstemperatur des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung um etwa 100ºC niedriger ist als die des herkömmlichen Herstellungsverfahrens, kann eine Substraterhitzungszeit verkürzt werden, und eine Substratabkühlungszeit kann ebenfalls in hohem Maße verkürzt werden. Der siliziumbasierte Dünnfilm kann daher mit hoher Effizienz hergestellt werden.
  • Nach den TFT-Herstellungsverfahren, die das Verfahren zum Bilden des Siliziumnitrid-Dünnfilms der vorliegenden Erfindung verwenden, können sowohl der Siliziumnitridfilm als auch der i-Typ amorphe Siliziumfilm, die nacheinander zu bilden sind, fast innerhalb desselben Temperaturbereiches von 230 bis 270ºC gebildet werden. Ein Satz des Gateisolierfilms (SiN), des i-Typ-Halbleiterfilms (i-a-Si) und der Sperrschicht (SiN), die alle nacheinander in einem TFT gebildet werden, oder ein anderer Satz des Gateisolierfilms (SiN), des i-Typ-Halbleiterfilms (i-a-Si) und des n-Typ-Halbleiterfilms (n-a-Si), die alle nacheinander in einem TFT gebildet werden, können in fast demselben Temperaturbereich von 230 bis 270ºC gebildet werden. Diese Filme oder Schichten können nacheinander gebildet werden, ohne die Substrattemperaturen in verschiedenen Filmbildungsschritten zu verändern. Die zum Ändern der Substrattemperaturen in verschiedenen Filmbildungsschritten benötigte Zeit kann daher stark verringert werden, und TFTs können effizient hergestellt werden.
  • Diese Erfindung kann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
    • Inhalt der Zeichnungen:
  • Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer herkömmlichen TFT-Struktur.
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer weiteren herkömmlichen TFT-Struktur.
  • Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm, das einen Startzeitpunkt einer Prozeßgaszufuhr und einen Startzeitpunkt einer HF-Entladung zeigt.
  • Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die eine Anordnung einer bei einem herkömmlichen TFT-Herstellungsverfahren verwendeten Plasma- CVD-Vorrichtung zeigt.
  • Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Anordnung einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten Plasma-CVD-Vorrichtung.
  • Fig. 6 ist ein Histogramm, das ein Durchbruchtestergebnis eines mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Siliziumnitrid-Dünnfilms zeigt.
  • Fig. 7 ist ein Histogramm, das ein Durchbruchtestergebnis eines mit demselben Verfahren wie das herkömmliche Verfahren hergestellten Siliziumnitrid-Dünnfilms zeigt.
  • Fig. 8 ist eine Draufsicht, die ein Prüfmuster in den Durchbruchtests von Fig. 6 und 7 zeigt.
  • Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die das in Fig. 8 gezeigte Prüfmuster zeigt.
  • Fig. 10 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einer Defektvorkommensdichte und einem Zusammensetzungsverhältnis eines nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Siliziumnitrid- Dünnfilms zeigt.
  • Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Startzeitpunkt der Prozeßgaszufuhr und einem Startzeitpunkt der HF-Entladung bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 12 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einer Filmbildungszeit und einer Filmdicke bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Startzeitpunkt der HF-Entladung und einem HF-Entladungsleistungs-Zufuhrzustand bei einem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 14 ist eine Schnittansicht, die eine. Struktur eines nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten TFT zeigt.
  • Fig. 15A, 15B, 15C und 15D sind Schnittansichten, die Schritte beim Herstellen des in Fig. 14 gezeigten TFT zeigen.
  • Fig. 16 ist eine schematische Darstellung einer bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendeten Plasma-CVD-Vorrichtung.
  • Fig. 17 ist eine Schnittansicht einer Struktur eines TFT, der mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird und sich von dem in Fig. 14 gezeigten unterscheidet.
  • Fig. 18 ist eine Schnittansicht einer Struktur eines TFT, der mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird und sich von dem in Fig. 17 gezeigten unterscheidet.
  • Fig. 19 ist eine Schnittansicht einer Struktur eines TFT, der mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird und sich von dem in Fig. 18 gezeigten unterscheidet.
  • Fig. 20 ist eine Graphik, die I-V-Kennlinien eines mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten TFT zeigt.
  • Fig. 21 ist eine Graphik, die I-V-Kennlinien des in Fig. 18 gezeigten TFT zeigt.
  • Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
    • [Erste Ausführung]
  • Ein Siliziumnitrid-Dünnfilm nach einem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung einer in Fig. 5 gezeigten Plasma-CVD- Vorrichtung gebildet. Diese Plasma-CVD-Vorrichtung verwendet ein vertikales beidseitiges Entladungsschema.
  • Gemäß Fig. 5 ist ein Substrathalter 102 durch einen Halterbewegungsmechanismus 103 innerhalb einer hermetischen Kammer 101 beweglich gelagert. Eine Mehrzahl der Bildung von siliziumbasierten Dünnfilmen unterworfener Substrate 104 wird auf beiden Hauptoberflächen des Substrathalters 102 montiert. Ein Heizkörper 105 ist innerhalb des Substrathalters 102 angeordnet, um die Substrate 104 auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. HF-Elektroden 106 sind so angeordnet, daß sie den auf den beiden Hauptoberflächen des Substrathalters 102 montierten Substraten 104 gegenüberliegen. Die HF-Elektroden 106 sind in der Kammer 101 so montiert, daß sie durch Elektrodenhalteelemente 107 elektrisch voneinander isoliert sind. Jede HF-Elektrode 106 umfaßt eine Metallplatte mit einer großen Zahl von Löchern, durch die Prozeßgas PG in Richtung auf die Substrate 104 fließt. Ein Einlaß 108 zum Empfangen des Prozeßgases PG ist in der hinteren Oberfläche jeder HF-Elektrode 106 gebildet, so daß das Prozeßgas PG vom Einlaß 108 in die Kammer geleitet wird. Das Gas in der Kammer wird über einen Auslaß 109 durch eine mit dem Auslaß 109 verbundene Vakuumpumpe (nicht gezeigt) abgelassen. Schutzplatten 110, die verhindern, daß sich siliziurmbasiertes Material auf der inneren Wandoberfläche der Kammer ablagert, sind außerhalb des Bereiches angeordnet, in dem die Substrate 104 und die HF-Elektroden 106 angeordnet sind. Eine HF- stromquelle 111 ist mit den HF-Elektroden 106 verbunden. Andere Elemente, z.B. die Kammer 101 und der Substrathalter 102, mit Ausnahme der HF-Elektroden 106 sind geerdet.
  • Um einen Siliziumnitrid-Dünnfilm unter Verwendung dieser Plasma-CVD- Vorrichtung zu bilden, werden die Substrate 104 auf dem Substrathalter 102 befestigt und auf etwa 230ºC bis 270 ºC erhitzt. Der Substrathalter 102, der die Substrate 104 hält, wird auf dem Halterbewegungsmechanismus 103 montiert und an eine vorbestimmte Stelle in der Kammer gebracht. Eine Tür der Kammer wird geschlossen, die Kammer wird mit einer Vakuumpumpe auf ein Vakuum von etwa 10&supmin;&sup7; Torr (1 Torr = 133.3 Pa) evakuiert, und das Prozeßgas als eine Gasmischung aus einem Hauptreaktionsgas und einem Trägergas wird von den Einlässen 108 zugeführt. Die Zufuhrmenge von Trägergas und die Menge von dem Auslaß 109 abgelassenen Trägergases werden so geregelt, daß der Innendruck der Kammer bei etwa 0.5 Torr stabilisiert wird. Die Substrate 104 werden mit dem Heizkörper 105 erhitzt, um die Substrattemperatur nicht zu verringern, so daß die Substrattemperatur fast konstant gehalten wird. Nachdem die Substrattemperatur und der Innendruck der Kammer stabilisiert sind, wird ein Hochfrequenzstrom von der Hochfrequenzleistungsquelle 111 zu den HF-Elektroden 106 geführt, urn eine elektrische Glühentladung zwischen den HF-Elektroden 106 und dem Substrathalter 102 zu beginnen und ein Plasma zwischen den HF-Elektroden 106 und dem Substrathalter zu erzeugen. In diesem Plasmazustand wird das Prozeßgas zersetzt. Eine chemische Reaktion findet statt, um einen dünnen Film auf jedem Substrat 104 abzulagern. Dieser Film wird gewachsen, um den gewünschten Siliziumnitrid-Dünnfilm zu erlangen.
  • Gemäß dem Filmbildungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird die Filmbildung in dem Substrattemperaturbereich von 230ºC bis 270ºC und dem HF-Entladungsleistungsdichtebereich von 60 bis 100 mw/cm² durchgeführt. Monosilangas oder Disilangas und Ammoniakgas werden verwendet, um ein Hauptreaktionsgas zu bilden, und Stickstoff, Wasserstoff, Helium oder eine Gasmischung davon wird als ein Trägergas verwendet. Wenn z.B. SiH&sub4; und NH&sub4; benutzt werden, um ein Hauptreaktionsgas zu bilden, und N&sub2; als ein Trägergas benutzt wird, werden sie vorzugsweise in einem Verhältnis von 1 : 1 : 14 bis 1 : 2.7 : 12.3 gemischt. Ein so hergestellter Siliziumnitrid-Dünnfilm besitzt ein Zusammensetzungsverhältnis (Si/N) von etwa 0.75 bis 0.85 als ein Verhältnis der Zahl von Siliziumatomen (Si) zu der Zahl von Stickstoffatmen (N).
  • Ein Siliziumnitridfilm wurde unter den folgenden Bedingungen gebildet, die in den Bereich der obigen Filmbildungsbedingungen fallen:
  • Substrattemperatur 250ºC
  • Hauptreaktionsgas: SiH&sub4; 30 cc/M
  • NH&sub3; 60 cc/M
  • Trägergas: N&sub2; 390 cc/M
  • Druck: 0.5 Torr
  • HF-Entladungsfrequenz: 13.56 MHz
  • Entladungsleistungsdichte: 84 mw/cm²
  • Die Entladungsleistungsdichte ist ein Wert, der durch Teilen einer zugeführten HF-Leistung durch die Fläche jeder HF-Elektrode erhalten wird. Die Einheit cc/M stellt eine Menge (cc) von 1-atm. 0ºC Gas dar, die pro Minute fließt.
  • Der unter den obigen Bedingungen gebildete Siliziumnitridfilm weist eine sehr geringe Zahl von Defekten und ausreichend hohe Durchbruchspannungen auf, da die HF-Entladungsleistungsdichte nur 84 mw/cm² beträgt, obwohl die Filmbildungstemperatur bei nur 250ºC liegt. Ein Zusammensetzungsverhältnis dieses Siliziumnitridfilms beträgt ca. 0.85.
  • Fig. 6 zeigt ein Histogramm eines Durchbruchtestergebnisses des unter den obigen Filmbildungsbedinungen gebildeten Siliziumnitridfilms. Zum Zweck des Vergleichs wird ein Histogramm eines Durchbruchtestergebnisses eines unter denselben oben beschriebenen Bedindungen gebildeten Siliziumnitridfilms außer, daß die HF-Entladungsleistungsdichte auf einen herkömmlichen Wert, d.h. 127 mW/cm², gesetzt wurde, in Fig. 7 gezeigt.
  • Die in Fig. 6 und 7 gezeigten Histogramme der Durchbruchtestergebnisse wurden durch Messen der Durchbruchspannungen eines in Fig. 8 und 9 gezeigten Siliziumnitridfilmmusters erhalten. Dieses Muster wird so gebildet, daß eine Mehrzahl streifenartiger unterer Elektroden 122 parallel zueinander auf der Oberfläche eines Glassubstrats 121 gebildet wird, ein Siliziumnitridfilm 123 darauf gebildet wird und eine Mehrzahl streifenartiger oberer Elektroden 124 parallel zueinander auf dem Siliziumnitridfilm 123 in einer Richtung senkrecht zu den unteren Elektroden 122 gebildet wird. Eine Durchbruchspannung des Siliziumnitridfilms 123 wird durch das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Stromes, der bei Anlegen einer Spannung an jede untere Elektrode 122 durch die oberen Elektroden 124 fließt, gemessen. Dies wird an allen Kreuzungen zwischen allen unteren und oberen Elektroden 122 und 124 wiederholt. Das Muster besaß insgesamt 691,200 Filmteile, die den Kreuzungen der oberen und unteren Elektroden entsprachen, und diese Filmteile hatten eine Gesamtfläche von 2.07 cm². Der Siliziumnitridfilm 124 wurde mit einer Parallel-Flachplatten-Plasma-CVD-Vorrichtung zu einer Dicke von 1,000 Å gebildet.
  • Durchbruchspannungen des Siliziumnitridfilms 123 eines Musters, bei dem der Siliziumnitridfilm 123 gebildet wurde, während die Entladungsleistungsdichte auf 127 mw/cm² bei einer Filmbildungstemperatur von 250ºC geregelt wurde, wurden durch kontinuierliches Ändern einer Feldstärke der zwischen den Elektroden 122 und 124 angelegten Leistung gemessen. Eine Vorkommensrate (d.h. ein Verhältnis einer Durchbruchzählung der Filmteile, die den entgegengesetzten oberen und unteren Elektroden entsprechen, zu der Gesamtzahl der Filmteile, die den entgegengesetzten oberen und unteren Elektroden entsprechen) von Durchbrüchen des Siliziumnitridfilms ergibt sich, wie in Fig. 7 gezeigt.
  • Ein Filmteil, der entgegengesetzten oberen und unteren Elektroden entsprach und durch den ein Strom von 1 x 10&supmin;&sup6; Å oder mehr floß, wurde als ein defekter Durchbruchsteil angesehen.
  • Wie in dem Durchbruchhistogramm von Fig. 7 gezeigt, betrug bei einem Siliziumnitridfilm, der bei einer Filmbildungstemperatur von 250ºC und einer Entladungsleistungsdichte von 127 mW/cm² gebildet wurde, ein A- Modus-Defekt (d.h. ein durch einen Nadelstich verursachter Anfangsdefekt), der bei einer niedrigen Feldstärke von 3 MV/cm² oder weniger auftritt, bis zu etwa 5% bei 1 MV/cm² und etwa 2.5% bei 2 MV/cm². Ein Modus-B-Defekt (d.h. ein durch einen schlechten Fleck verursachter Defekt), der bei einer hohen Feldstärke von mehr als 3 MV/cm² auftritt, betrug bis zu etwa 5.2% bei 5 MV/cm² und etwa 14.3% bei 6 MV/cm². Fig. 7 zeigt ein Durchbruchhistogramm eines bei einer Entladungsleistungsdichte von 127 mw/cm² gebildeten Siliziumnitridfilms. Wenn die Filmbildungstemperatur auf 250ºC gesetzt wurde, blieb das Durchbruchtestergebnis des resultierenden Siliziumnitridfilms fast dasselbe wie das von Fig. 7, selbst wenn die Entladungsleistungsdichte innerhalb des Bereiches von 120 bis 130 mw/cm² verändert wurde.
  • Die Durchbruchseigenschaften von Siliziumnitridfilmen werden als gemäß dem folgenden Mechanismus verschlechert beurteilt. Wenn ein Siliziumnitridfilm bei einer hohen Entladungsleistungsdichte von 127 mW/cm² gebildet wird, wird besonders in einer Anfangsperiode der Filmbildung ein Siliziumnitrid einzeln zerstreut und ungleichmäßig auf der Oberfläche des Substrats abgelagert, und ein Wachstumsmaß des Siliziumnitridfilms wird ungleichmäßig, um Defekte wie Nadelstiche und schlechte Flecken zu erhöhen. Wenn eine Filmbildungstemperatur bei einem herkömmlichen Filmbildungsverfahren bis zu etwa 350ºC beträgt, kann der sich ergebende Siliziumnitridfilm ein dichter Film ohne Defekte wie Nadelstiche und schlechte Flecken sein. Zufriedenstellende Druchbrucheigenschaften dieses Siliziumnitridfilms können sichergestellt werden. Wenn aber die Filmbildungstemperatur auf etwa 250ºC gesetzt wird, kann ein dichter Siliziumnitridfilm nicht erhalten werden. Als Folge treten die obigen Defekte auf, um die Durchbruchspannungen zu senken.
  • Ein bei einer Filmbildungstemperatur von 250ºC und einer Entladungsleistungsdichte von 84 mW/cm² gebildeter Siliziumnitridfilm 123 wurde als ein Muster benutzt, um eine Durchruchspannung des Films 123 nach derselben Prozedur wie oben beschrieben zu messen. Eine Durchbruchvorkommensrate dieses Isolierfilms bei den jeweiligen Feldstärken wird in Fig. 6 gezeigt. Ein Filmteil, der entgegengesetzten oberen und unteren Elektroden entsprach und durch den ein Strom von mehr als 1 x 10&supmin;&sup6; A floß, wurde als ein defekter Durchbruchsteil angesehen.
  • Wie in dem Durchbruchhistogramm von Fig. 6 gezeigt, betrug bei einem Siliziumnitridfilm, der bei einer Filmbildungstemperatur von 250ºC und einer Entladungsleistungsdichte von 84 mw/cm² gebildet wurde, ein A-Modus-Defekt, der bei einer niedrigen Feldstärke von 3 MV/cm² oder weniger vorkommt, fast null. Ein B-Modus-Defekt, der bei einer hohen Feldstärke von mehr als 3 MV/cm² vorkommt, betrug nur etwa 0.4% bei 5 MV/cm² und 0.6% bei 6 MV/cm².
  • Diese Abnahme in der Durchbruchvorkommensrate wird als durch den folgenden Grund verursacht beurteilt. Wenn die HF-Entladungsleistungsdichte auf etwa 84 mW/cm² vermindert wird, wird ein Ablagerungszustand eines Siliziumnitrids auf der Substratoberfläche gemittelt, und das Siliziumnitrid wird gleichmäßig aufgewachsen. Wenn der Siliziumnitridfilm gleichmäßig aufgewachsen wird, werden Defekte wie Nadelstiche und schlechte Flecken nahezu beseitigt, so daß der sich ergebende Siliziumnitridfilm eine genügend hohe Durchbruchspannung aufweist.
  • Ein nach dem Verfahren dieser Ausführung gebildeter Siliziumnitridfilm kann eine sehr hohe Durchbruchspannung aufweisen. Wenn dieser Siliziumnitridfilm als ein Gateisolierfilm für einen Dünnfilmtransistor oder ein integriertes MOS-Schaltungselement verwendet wird, kann die Durchbruchvorkommensrate des Dünnfilmtransistors und des integrierten MOS-Schaltungselements in hohem Maße verringert werden, und die Herstellungsausbeute und Zuverlässigkeit solcher Transistoren und Schaltungselemente können verbessert werden. Des weiteren kann die Dicke des Gateisolierfilms (Siliziumnitridfilm) aufgrund seiner hohen Durchbruchspannung verringert werden. Deshalb kann, selbst wenn eine an die Gateelektrode angelegte Spannung dieselbe bleibt, wenn ein stärkeres elektrisches Feld an eine Halbleiterschicht angelegt wird, ein großer EIN-Strom erhalten werden.
  • Bei der obigen Ausführung wurde die HF-Entladungsleistungsdichte auf 84 mw/cm² gesetzt. Wenn aber die Entladungsleistungsdichte in den Bereich von 60 bis 100 mW/cm² fält, können Siliziumnitridfilme, die bei einer in diesen Bereich fallenden Entladungsleistungsdichte und bei einer Temperatur von nur 250ºC gebildet werden, Durchbruchspannungen so hoch wie die in dem Durchbruchhistogramm in Fig. 6 dargestellten aufweisen.
  • Nach dem Filmbildungsverfahren dieser Ausführung kann ein Siliziumnitridfilm mit einer genügend hohen Durchbruchspannung bei einer Filmbildungstemperatur (ca. 250ºC) erhalten werden, die um ca. 100ºC niedriger ist als die des herkömmlichen Filmbildungsverfahrens. Eine Substraterhitzungszeit zur Zeit des Bildens eines Siliziumnitridfilms kann verkürzt werden, und eine Substratabkühlungszeit beim Bilden des Siliziumnitridfilms kann ebenfalls verkürzt werden. Der Siliziumnitridfilm kann effizient gebildet werden. Da bei dem Filmbildungsverfahren dieser Ausführung die HF-Entladungsleistungsdichte so eingestellt wird, daß sie in den Bereich von 60 bis 100 mw/cm² fällt, ist eine Filmablagerungsrate niedriger als die des herkömmlichen Filmbildungsverfahrens mit einer HF-Entladungsleistungsdichte von 120 bis 130 mw/cm². Eine Abnahme in der Ablagerungsrate ist jedoch kleiner als eine Abnahme in den Erhitzungs- und Abkühlungszeiten des Substrats. Folglich wird durch die Abnahme in der Ablagerungsrate kein Problem aufgeworfen.
  • 750 Å dicke Siliziumnitridfilme mit verschiedenen Zusammensetzungsverhältnissen wurden durch Ändern des Flußmengenverhältnisses des Prozeßgases gebildet, während die Filmbildungstemperatur, der Druck, die HF-Entladungsfrequenz und die Entladungsleistungsdichte der obigen Filmbildungsbedingungen unverändert gelassen wurden. Die Dichte von Defekten, die bei Anlegen eines hohen elektrischen Feldes von 3 MV/cm² zwischen Elektroden 122 und 124 der Siliziumnitridfilmmuster mit den obigen Zusammensetzungsverhältnissen vorkommt, wurde gemessen, wie in Fig. 10 gezeigt.
  • Wie in Fig. 10 gezeigt, veränderte sich die bei Anlegen eines hohen Feldes an die Muster auftretende Defektdichte in Abhängigkeit von den Zusammensetzungsverhältnissen (Si/N) der Muster. Ein Siliziumnitridfilm mit einem Zusammensetzungsverhältnis von Si/N = 0.85 und gebildet bei einem Gasflußmengenverhältnis von SiH&sub4; : NH&sub3; : N&sub2; = 1 : 1 : 14 (Gasflußmengen: 30 cc/M von SiN&sub4;, 30 cc/M von NH&sub3; und 420 cc/M von N&sub2;) und ein Siliziumnitridfilm mit einem Zusammensetzungsverhältnis von Si/N > 0.75 und gebildet bei einem Gasflußmengenverhältnis von SiH&sub4; : NH&sub3; : N&sub2; = 1 : 2.7 : 12.3 (Gasflußmengen: 30 cc/M von SiN&sub4;, 80 cc/M von NH&sub3; und 370 cc/M von N&sub2;) zeigten Defektdichten von nur 50 Defekten/cm² oder weniger. Ein Siliziumnitridfilm mit einem Zusammensetzungsverhältnis von Si/N im Bereich von 0.75 (ausschließlich) bis 0.85 (einschließich), d.h. ein Siliziumnitridfilm mit einem Zusammensetzungsverhältnis von Si/N = 0.83 und gebildet bei einem Gasflußmengenverhältnis von SiH&sub4; : NH&sub3; : N&sub2; = 1 : 2 : 13 (Gasflußmengen: 30 cc/M von SiN&sub4;, 60 cc/M von NH&sub3; und 390 cc/M von N&sub2; zeigte eine kleinere Defektdichte von 30 Defekten/cm² oder weniger.
  • Um, wie oben beschrieben, einen Siliziumnitridfilm mit einer hohen Durchbruchspannung zu erhalten, muß sein Zusammensetzungsverhältnis größer sein als ein aus der chemischen Formel SiN von Siliziumnitrid stöchiometrisch berechnetes Verhältnis der Zahl von Si-Atomen zu der von N-Atomen, d.h. ist größer als ein Wert von 0.75 als der chemisch stabilste Zustand des Verhältnisses der Zahl von Si-Atomen zu der von N-Atomen. Vorzugsweise fällt das Zusammensetzungsverhältnis des Siliziumnitridfilms mit einer hohen Durchbruchspannung in den Bereich von 0.75 (ausschließlich) bis 0.85 (einschließlich).
    • [Zweite Ausführung]
  • Die zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
  • Bei der zweiten Ausführung wird zusätzlich zu den Filmbildungsbedingungen der ersten Ausführung ein Timing der HF-Entladungsleistungszufuhr optimiert, um einen Siliziumnitrid-Dünnfilm mit einer kleineren Zahl von Defekten zu bilden. Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm des Timings einer Prozeßgaszufuhr und des Timings eines HF-Entladungsbeginns. Ein Siliziumnitridfilm wird wie folgt gebildet.
  • Zuerst wird nur das N&sub2;-Gas, das als ein Trägergas dient, in die Kammer eingeführt, und die Substrattemperatur und der Innendruck (Gasdruck) der Kammer werden auf eine vorbestimmte Filmbildungstemperatur bzw. einen vorbestimmten Druck eingestellt. Wenn die Substrattemperatur und der Gasdruck stabil sind, wird eine HF-Entladung gestartet. Wenn der Entladungszustand stabil ist, werden der Kammer SiH&sub4;-Gas und NH&sub3;-Gas, die das Hauptreaktionsgas darstellen, zugeführt. Wenn die HF-Entladung begonnen hat und alle zum Bilden des Siliziumnitridfilms benötigten Gase (SiH&sub4;, NH&sub3; und N&sub2;) der Kammer zugeführt worden sind, wird das Bilden eines Siliziumnitridfilms durch ein Plasma- CVD-Verfahren begonnen.
  • Eine zum Einstellen und Stabilisieren der Substrattemperatur und des Innendrucks der Kammer benötigte Zeit verändert sich in Abhängigkeit von einer Filmbildungsvorrichtung und der Art des Subtrats, muß aber ein Minimum von ca. 15 Minuten betragen. Eine Zeit von einigen zehn Sekunden reicht aus, um die HF-Entladung zu stabilisieren. Die HF- Entladung kann 15 Minuten nach der Zufuhr von N&sub2;-Gas in die Kammer gestartet werden. Die Zufuhr der SiH&sub4;- und NH&sub3;-Gase kann innerhalb einer Minute nach dem Beginn der Entladung gestartet werden. Die SiH&sub4;- und NH&sub3;-Gase können der Kammer gleichzeitig zugeführt werden. Um Änderungen im Innendruck der Kammer durch das Hauptreaktionsgas zu verringern, werden die SiH&sub4;- und NH&sub3;-Gase vorzugsweise mit einer geringen Zeitverschiebung zugeführt, wie in Fig. 10 gezeigt. Mit dieser Methode können durch Gaszufuhr verursachte Druckänderungen leicht korrigiert werden. Die Zeitverschiebung zwischen der Zufuhr von SiH&sub4;- Gas und der Zufuhr von NH&sub3;-Gas wird durch die Zeit bestimmt, die benötigt wird, um den Innendruck der Kammer auf einen vorbestimmten Druck zu regeln. Bei dieser Ausführung ist die Zeitverschiebung etwa eine Minute oder weniger. Wenn die SiH&sub4;- und NH&sub3;-Gase zeitversetzt zugeführt werden, wird das NH&sub3;-Gas vorzugsweise zuerst zugeführt, und dann wird das SiH&sub4;-Gas zugeführt.
  • Die Gaszufuhr zu der Kammer und die HF-Entladung in der Kammer werden während der Filmbildungszeit, die durch die Dicke eines zu bildenden SiN-Films bestimmt wird, intermittierend durchgeführt. Nach Ablauf der Filmbildungszeit wird die HF-Entladung zuerst angehalten, und dann wird die Zufuhr von Gasen mit einem Zeitversatz von einigen Sekunden angehalten.
  • Bei dieser Ausführung wird der Kammer nur das N&sub2;-Gas, das als das Trägergas dient, zugeführt, und die Substrattemperatur und der Innendruck der Kammer werden justiert. Dann wird die HF-Entladung gestartet, und die SiH&sub4;- und NH&sub3;-Gase, die das Hauptreaktionsgas ausmachen, werden der Kammer zugeführt. Aus diesem Grund wird eine Änderung in der Dicke eines Ablagerungsfilms als eine Funktion der Zeit vom Startzeitpunkt (RF) der HF-Entladung an linear erhöht, wie in Fig. 12 gezeigt.
  • Da das der Kammer vor dem Start der HF-Entladung zugeführte N&sub2;-Gas kein Material enthält, das bei thermischer Zersetzung auf einem Substrat abgelagert wird, wird, anders als bei dem herkömmlichen Filmbildungsverfahren, vor der HF-Entladung kein thermisch zersetztes Material auf dem Substrat abgelagert. Die Dicke des sich ergebenden Siliziumnitridfilms kann über den ganzen Film hinweg gleichmäßig sein. Da außerdem die HF-Entladung bei Zufuhr von nur dem N&sub2;-Gas gestartet wird, wird eine voraussichtliche Siliziumnitridfilmbildungsoberfläche (d.h. eine Substratoberfläche oder eine Oberfläche einer auf der Substratoberfläche gebildeten Elektrode oder dergleichen) des Substrats mit dem N&sub2;-Gas plasmagereinigt. Da der SiN-Film auf der reinen Oberfläche gebildet wird, besitzt der SiN-Film eine gleichmäßige Güte, auch an der Grenzfläche zu der Ablagerungsoberfläche.
  • Da die SiH&sub4;- und NH&sub3;-Gase der Kammer zugeführt werden, nachdem die HF-Entladung gestartet und stabilisiert ist, wird der durch das Plasma-CVD-Verfahren gebildete Siliziumnitridfilm von der Anfangsperiode der Filmbildung an gleichmäßig über dem ganzen Film aufgewachsen. Der sich ergebende SiN-Film ist frei von Defekten wie Nadelstichen und schlechten Flecken und besitzt eine hohe Durchbruchspannung.
  • Im Gegensatz zu dem obigen Verfahren werden bei dem herkömmlichen Verfahren alle Gase der Kammer gleichzeitig zugeführt, und die HF-Entladung wird gestartet, nachdem die Substrattemperatur und der Innendruck der Kammer stabil sind. Während einer Zeit von der Zufuhr der Gase zu der Kammer bis zum Beginn der HF-Entladung, d.h. einer Zeit, in der die Substrattemperatur und der Innendruck der Kammer justiert werden, wird ein Quellengas als ein aktives Gas thermisch zersetzt und auf dem Substrat abgelagert. Wenn das thermisch zersetzte Material vor dem Beginn der HF-Entladung auf der Substratoberfläche befestigt wird, wird ein bei der HF-Entladung gebildeter Plasma-CVD- Ablagerungsfilm auf dem Film des thermisch zersetzten Materials abgelagert.
  • Da der Film des thermisch zersetzten Materials ungleichmäßig auf dem Substrat befestigt wird, wird ein Wachstumsgrad des Plasma-CVD-Ablagerungsfilms ungleichmäßig. Defekte wie Nadelstiche und schlechte Flecken werden in dem sich ergebenden siliziumbasierten Dünnfilm gebildet. Die Eigenschaften des siliziumbasierten Dünnfilms werden daher unstabil.
  • Das erste Anwendungsbeispiel, in dem die vorliegende Erfindung auf das Bilden eines SiO-Films angewandt wird, wird unten beschrieben. Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm der Gaszufuhr und der HF-Entladung beim Bilden eines SiO-Films. Der SiO-Film wird wie folgt gebildet.
    • [Dritte Ausführung]
  • Zusätzlich zu der ersten Ausführung zielt die dritte Ausführung auf die Herstellung eines defektfreien Siliziumnitrid-Dünnfilms durch Kontrollieren eines Zustandes des Beginns der HF-Entladung.
  • Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm der Gaszufuhr und der HF-Entladung beim Bilden eines Siliziumnitridfilms. Dieser Siliziumnitridfilm wird wie folgt gebildet. SiH&sub4;, NH&sub3; und N&sub2;, die ein Prozeßgas darstellen, werden der Kammer als ein Prozeßgas zugeführt. Die Substrattemperatur und der Innendruck (Gasdruck) der Kammer werden auf eine vorbstimmte Filmbildungstemperatur bzw. einen vorbestimmten Druck justiert. Wenn die Substrattemperatur und der Innendruck der Kammer stabilisiert sind, wird eine HF-Entladung gestartet. Zum Zeitpunkt des Beginns der HF-Entladung wird eine Zunahmerate in der Entladungsleistungsdichte auf einen Solllwert (60 bis 100 mw/cm²) so gesteuert, daß sie in den Bereich von 3 bis 10 mW/cm² pro Sekunde fällt. Eine Zeit t&sub1;, die benötigt wird, um die Entladungsleistungsdichte bei dieser Änderungsrate auf den Sollwert zu erhöhen, beträgt 10 bis 20 Sekunden. Eine Beziehung zwischen der Zeit t&sub1;, dem Sollwert der Entladungsleistungsdichte und der Zunahmerate in der Entladungsleistungsdichte wird in Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1
  • Nachdem die Entladungsleistungsdichte auf den Sollwert erhöht worden ist, wird die Entladungsleistungsdichte für die Filmbildungszeit, die durch die Dicke des zu bildenden Siliziumnitridfilms bestimmt wird, auf dem Sollwert gehalten. Nach Ablauf der Filmbildungszeit wird die HF-Entladung angehalten. Die Zufuhr des Prozeßgases wird mit einem Zeitversatz von einigen Sekunden angehalten.
  • Bei der dritten Ausführung wird, wenn die HF-Entladung gestartet wird, die Entladungsleistungsdichte allmählich bei einer Zunahmerate von 3 bis 10 mw/cm² auf den Sollwert erhöht, und die Entladungsleistungsdichte kann in einem stabilen Entladungszustand erhöht werden. Aus diesem Grund kann auf dem Substrat abgelagertes SiN von der Anfangsperiode der Filmbildung an gleichmäßig abgelagert werden. Da die Entladungsleistungsdichte allmählich erhöht wird, wird außerdem der Ablagerungsfilm während der Filmbildungszeit allmählich aufgewachsen, und der Ablagerungsfilm kann in der Anfangsperiode der Filmbildung dicht sein. Wenn der Ablagerungsfilm in der Anfangsperiode der Filmbildung gleichmäßig und dicht ist, wird ein Wachstumsmaß eines darauf abgelagerten Films gleichmäßig. Der sich ergebende Siliziumnitridfilm wird ein Film, der frei von Defekten wie Nadelstichen und schlechten Flecken ist und stabile Eigenschaften besitzt. Dieser SiN- Film weist eine genügend hohe Durchbruchspannung auf.
  • Bei der dritten Ausführung wird eine Zunahmerate in der Entladungsleistungsdichte aus dem folgenden Grund so gewählt, daß sie in den Bereich von 3 bis 10 mW/cm² pro Sekunde fällt. Wenn eine Zunahmerate in der Entladungsleistungsdichte höher als 10 mW/cm² pro Sekunde oder mehr ist, gehen in der Anfangsperiode der Filmbildung Gleichmäßigkeit und Dichte des Ablagerungsfilms verloren. Wenn die Zunahmerate in der Entladungsleistungsdichte verringert wird, können Gleichmäßigkeit und Dichte des Ablagerungsfilms in der Anfangsperiode der Filmbildung verbessert werden. Wenn die Zunahmerate kleiner als 2 mW/cm² pro Sekunde oder weniger ist, braucht es viel Zeit, um die Entladungsleistungsdichte auf den Sollwert einzustellen, so daß der Filmbildungwirkungsgrad verschlechtert wird. Die Zunahmerate in der Entladungsleistungsdichte fällt daher vorzugsweise in den Bereich von 2 bis 10 mw/cm² pro Sekunde. Innerhalb dieses Bereiches kann ein SiN-Film mit stabilen Eigenschaften und frei von Defekten wie Nadelstichen und schlechten Flecken erhalten werden, ohne den Filmbildungwirkungsgrad stark zu verschlechtern.
  • Im Gegensatz dazu wird bei dem herkömmlichen Filmbildungsverfahren beim Beginn der HF-Entladung die Entladungsleistungsdichte innerhalb einer sehr kurzen Zeit von 1 bis 2 Sekunden schnell erhöht. Wenn die Entladungsleistungsdichte innerhalb einer kurzen Zeit schnell erhöht wird, wird ein Entladungszustand unstabil, und das auf dem Substrat in der Anfangsperiode der Filmbildung abgelagerte siliziumbasierte Material wird ungleichmäßig abgelagert.
  • Wenn das Siliziumnitridmaterial in der Anfangsperiode der Filmbildung in einer dispergierten Weise auf dem Substrat abgelagert wird, wird ein Wachstumsgrad des Ablagerungsfilms ungleichmäßig. Aus diesem Grund werden bei dem herkömmlichen Filmbildungsverfahren Defekte wie Nadelstiche und schlechte Flecken in dem sich ergebenden siliziumbasierten Dünnfilm gebildet, so daß die Eigenschaften des siliziumbasierten Dünnfilms unstabil werden.
  • Wie oben beschrieben, wird gemäß dem Verfahren zum Bilden von Siliziumnitrid-Dünnfilmen der vorliegenden Erfindung die HF-Entladungsleistungsdichte so verringert, daß sie in den Bereich von 60 bis 100 mw/cm² fällt, um einen Siliziumnitridfilm mit einer hohen Durchbruchspannung bei einer Filmbildungstemperatur von 230ºC bis 270ºC zu bilden. Wie bei der zweiten Ausführung kann eine Zusammensetzung des Prozeßgases gewählt werden, um ein Zusammensetzungsverhältnis eines Siliziumnitridfilms festzulegen, das größer als ein stöchiometrisches Verhältnis ist, wodurch ein Siliziumnitridfilm mit einer hohen Durchbruchspannung gebildet wird. Außerdem werden wie in der zweiten und dritten Ausführung die Zufuhr eines Prozeßgases und ein Startzeitpunkt der HF-Entladung kontrolliert, oder es wird eine Zunahmerate in der HF-Entladungsleistung kontrolliert, um einen Siliziumnitridfilm mit einer hohen Durchbruchspannung zu erhalten. Erfindungsgemäß kann, wenn das Verfahren der ersten Ausführung mit wenigstens einem der Verfahren der zweiten und dritten Ausführung kombiniert wird, ein Siliziumnitridfilm, der fast frei von Defekten ist und eine hohe Durchbruchspannung aufweist, bei niedrigen Filmbildungstemperaturen gebildet werden. Zum Beispiel wird eine HF-Entladungsleistungsdichte vermindert, um in den Bereich von 60 bis 100 mW/cm² zu fallen, ein Prozeßgas, das aus einem Hauptreaktionsgas (d.h. SiH&sub4; und NH&sub3;) und einem Trägergas (d.h. N&sub2;) besteht, wird verwendet, und ein Gasflußmengenverhältnis wird auf 1 : 1 14 bis 1 : 2.7 : 12.3 eingestellt. In diesem Fall kann das Trägergas zuerst zugeführt werden, die HF-Entladung kann gestartet werden, und dann kann das Hauptreaktionsgas in die Kammer eingeführt werden.
    • [Vierte Ausführung]
  • Verfahren zum Bilden von Siliziumnitrid-Dünnfilmen der ersten bis dritten Ausführung können auf ein Verfahren zur Herstellung eines in einem TFT verwendeten Dünnfilms angewandt werden. Fig. 14 zeigt eine Struktur eines mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten TFT. Gemäß Fig. 14 ist eine Gateelektrode 202, die aus einem Metall, z.B. Tantal oder Chrom, besteht, auf einem isolierenden Substrat 201 aus Glas oder dergleichen gebildet, und ein Gateisolierfilm 203 ist auf der Gateelektrode 202 gebildet. Ein i-Typ-Halbleiterfilm 204, der aus i-Typ amorphem Silizium (i-a-Si) besteht, ist auf dem Gateisolierfilm 203 gebildet. Eine Sperrschicht 208 ist im oberen mittleren Teil des i-Typ Halbleiterfilms 204 gebildet, um seine Kanalzone zu bedecken. Source- und Drainelektroden 205 und 206, die aus einem Metall, z.B. Chrom, bestehen, sind an Endteilen des i-Typ-Halbleiterfilms 204 gebildet, um über eine n-Typ-Halbleiterschicht 207, die aus fremdatomdotiertem n-Typ amorphem Silizium (n+- a-Si) besteht, mit dem i-Typ-Halbleiterfilm 204 in ohmischem Kontakt zu sein.
  • Ein Verfahren zur Herstellung dieses TFT wird unten beschrieben. Der in Fig. 14 gezeigte TFT wird durch die folgenden Schritte hergestellt.
  • Ein Metallfilm, der aus Chrom, Tantal, einer Tantal-Molybdän-Legierung oder dergleichen besteht, wird durch ein Sputter-Verfahren auf einem isolierenden Substrat 201 gebildet und gemustert, um eine Gateelektrode 202 zu bilden (Fig. 15A).
  • Ein Siliziumnitridfilm, der als ein Gateisolierfilm 203 dient, ein i-a-Si-Film, der als ein i-Typ-Halbleiterfilm 204 dient, und ein Siliziumnitridfilm 208a, der als eine Sperrschicht dient, werden nacheinander auf der Gateelektrode 202 und der gesamten Oberfläche des Substrats 201 mit der Gateelektrode 202 darauf gebildet (Fig. 158).
  • Der Gateisolierfilm 203, der i-Typ-Halbleiterfilm 204 und der Siliziumnitridfilm 208a werden nacheinander mittels einer Plasma-CVD-Vorrichtung wie folgt gebildet.
  • Fig. 16 zeigt eine Anordnung der Plasma-CVD-Vorrichtung, die beim Bilden des Gateisolierfilms 203, der i-a-Si-Schicht 204 und des Siliziumnitridfilms 208a verwendet wird. Diese CVD-Vorrichtung umfaßt eine Substrat-Ladekammer 221, eine Siliziumnitridfilm-Bildungskammer 222 (nachstehend als Gateisolierfilm-Bildungskammer bezeichnet) zum Bilden des Gateisolierfilms, eine erste Transferkammer 223, eine amorphe Siliziumfilm-Bildungskammer 224 (nachstehend als i-a-Si-Bildungskammer bezeichnet) zum Bilden der i-a-Si-Schicht, eine zweite Transferkammer 225, eine Siliziumnitridfilm-Bildungskammer 226 (nachstehend als Sperrschicht-Bildungskammer bezeichnet) zum Bilden der Sperrschicht (Siliziumnitridfilm 208a) und eine Substrat-Entladekammer 227. Diese Kammern sind aneinander angrenzend gebildet.
  • Die Gateisolierfilm-Bildungskammer 222, die i-Typ-Halbleiterfilm-Bildungskammer 224 und die Sperrschicht-Bildungskammer 226 besitzen denselben Aufbau wie in der in Fig. 5 gezeigten Plasma-CVD-Vorrichtung. Eine Vakuumpumpe 228 ist über ein Ventil V mit jeder Kammer verbunden. Inertgas-Zufuhreinheiten 229 sind über Ventile V mit der Substrat- Ladekammer 221 und der Substrat-Entladekammer 227 verbunden. Eine Prozeßgas-Zufuhreinheit 230 und eine Hochfrequenz-Leistungsquelle 231 sind mit der Gateisolierfilm-Bildungskammer 222, der i-a-Si-Film-Bildungskammer 224 und der Sperrschicht-Bildungskammer 226 verbunden. Bei der in Fig. 16 gezeigten Plasrna-CVD-Vorrichtung wird der Substratladekammer 221 ein Inertgas zugeführt, und eine Tür 221a wird geöffnet, um einen Substrathalter 211 mit Substraten 201 darauf auf einem Halterbewegungsrnechanismus 212 in der Kammer zu montieren. Die Tür 221a wird dann geschlossen. In der Substrat-Ladekammer 221 werden die Substrate 201 auf eine vorbestimmte Temperatur von 203ec bis 270ºC als Filmbildungstemperaturbereich, z.B. auf eine Temperatur von 250ec der ersten Ausführung, erhitzt. Nachdem die Substrate auf die vorbestimmte Temperatur erhitzt sind, wird die Substrat-Ladekammer 221 evakuiert, und die Tür der Gateisolierfilm-Bildungskammer 222 wird geöffnet, um den Substrathalter an die Gateisolierfilm-Bildungskammer 222 zu übergeben. Die Substrate 201 werden HF-Elektroden 213 gegenübergelegt. Danach wird der Gateisolierfilm-Bildungskammer 222 ein Prozeßgas zugeführt. Eine Hochfrequenzleistung wird von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 231 an die HF-Elektroden 213 geliefert, während die Substrattemperatur auf 250ºC gehalten wird, um eine HF-Entladung zu starten, wodurch ein SiN-Film auf jedem Substrat abgelagert wird. In diesem Fall wird die HF-Entladungsleistungsdichte auf 60 bis 100 mW/cm² geregelt.
  • Wenn jeder SiN-Film eine vorbestimmte Dicke besitzt und das Bilden der Gateisolierfilme auf den jeweiligen Substraten 201 vollendet ist, wird eine Tür 222b geöffnet, um die Substrate 201 an die erste Transferkammer 223 zu übergeben. Nachdem die Tür 222b geschlossen ist, wird das Gas in der Kammer 223 abgelassen. Wenn das Gas in der ersten Transferkammer 223 ganz abgelassen ist, wird eine Tür 224a der der i-a-Si-Film-Bildungskammer geöffnet, und die auf dem Substrathalter 211 befestigten Substrate 201 werden an die i-a-Si-Film-Bildungskammer 224 übergeben. Die Substrate 201 werden HF-Elektroden 214 gegenübergelegt. Danach wird der i-a-Si-Film-Bildungskammer 224 ein Prozeßgas zugeführt, und eine Hochfrequenzleistung wird von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 231 an die HF-Elektroden 214 geliefert, um eine HF-Entladung zu starten, während die Substrattemperatur bei 250ºC gehalten wird, wodurch ein i-a-Si-Film auf jedem Substrat abgelagert wird. In diesem Fall wird die HF-Entladungsleistungsdichte auf 40 bis 50 mw/cm² geregelt.
  • Wenn der i-a-Si-Film auf jedem Substrat eine vorbestimmte Dicke besitzt und das Bilden der i-Typ-Halbleiterfilme auf den jeweiligen Substraten vollendet ist, wird eine Tür 224b geöffnet, um die Substrate 201 an die zweite Transferkammer 225 zu übergeben. Nachdem die Tür 224b geschlossen ist, wird das Gas in der Kammer 225 abgelassen. Wenn das Gas in der ersten Transferkammer 225 ganz abgelassen ist, wird eine Tür 226a der Sperrschicht-Bildungskammer 226 geöffnet, um die auf dem Substrathalter 211 befestigten Substrate 201 an die Sperrschicht- Bildungskammer 226 zu übergeben. Die Substrate 201 werden HF-Elektroden 215 gegenübergelegt. Ein Prozeßgas wird der Sperrschicht-Bildungskammer 226 zugeführt, und eine Hochfrequenzleistung wird von der Hochfrequenz-Leistungsquelle an die HF-Elektroden 215 geliefert, um eine HF-Entladung zu starten, während die Substrattemperatur bei 250ºC gehalten wird. Ein SiN-Film wird auf jedem Substrat abgelagert. In diesem Fall wird die HF-Entladungsleistungsdichte wie bei der Filmbildungsbedingung des Gateisolierfilms auf 60 bis 100 mW/cm² geregelt.
  • Wenn der SiN-Film auf jedem Substrat eine vorbestimmte Dicke besitzt und das Bilden von Sperrschichten auf den jeweiligen Substraten vollendet ist, wird eine Tür 226b geöffnet, um die Substrate 201 an die Substrat-Entladekammer 227 zu übergeben. Nachdem die Tür 226b geschlossen ist, wird der Substrat-Entladekammer 227 ein Inertgas zugeführt, um den Innendruck wieder auf den atmosphärischen Druck zu bringen und die Subtrate 201 auf Raumtemperatur abzukühlen. Eine Tür 227a wird geöffntet, um die abgekühlten Substrate 201 zusammen mit dem Substrathalter 211 aud der Kammer 227 zu entfernen.
  • Während des Filmbildungsprozesses dauert es eine lange Zeit, um die Substrate auf eine Siliziumnitridfilm-Bildungstemperatur zu erhitzen und die Substrate 201 abzukühlen, bevor sie aus der Substrat-Entladekammer 227 entfernt werden, um die gebildeten SiN- und i-a-Si-Filme vor durch thermische Verzerrung verursachten Rissen zu schützen. Während der Filmbildung sind die der Gateisolierfilm-Bildungskammer und der Sperrschicht-Bildungskammer zugeführten Prozeßgase dieselben wie bei der ersten Ausführung. Das heißt, Monosilan- oder Disilangas und Ammonikagas bilden ein Hauptreaktionsgas, und Stickstoff, Wasserstoff, Helium oder ein Gemisch davon wird als ein Trägergas verwendet. Wenn SiH&sub4; und NH&sub3; ein Hauptreaktionsgas ausmachen und N&sub2; als ein Trägergas benutzt wird, beträgt ein Mischungsverhältnis von SiH&sub4;, NH&sub3; und N&sub2; 1 : 1 : 14 bis 1 : 2.7 : 12.3. Bei der obigen Ausführung werden die Filme unter denselben Bedingungen gebildet wie bei der ersten Ausführung.
  • Das der i-a-Si-Film-Bildungskammer 224 zugeführte Prozeßgas besteht aus Monosilangas als Hauptreaktionsgas und Wasserstoff als Trägergas. Der Siliziumnitridfilm 208A des auf dem Substrat gebildeten Stapels des Siliziumnitridfilms 204, des i-a-Si-Films 204 und des Siliziumnitridfilms 208 wird in eine Form gemustert, die der der Kanalzone entspricht, um dadurch die Sperrschicht 208 zu bilden (Fig. 15C).
  • Ein n+-a-Si-Film 207a zum Erlangen eines ohmischen Kontaktes mit dem i-a-Si-Film und ein Metallfilm 209 werden nacheinander auf dem i-a-Si-Film 204 gebildet (Fig. 15D).
  • Der n+-a-Si-Film 207A und der Matallfilm 209 werden zu Formen gemustert, die den Source- und Drainelektroden 205 und 206 entsprechen, um dadurch einen in Fig. 14 gezeigten TFT zu bilden.
  • Der SiN-Film, der als der Gateisolierfilm dient, der SiN-Film, der als der sperrende Isolierfilm dient, und die i-a-Si-Schicht, die als die i-Typ-Halbleiterschicht dient, werden bei etwa 250ºC gebildet. Der Gateisolierfilm, die Sperrschicht und die i-Typ-Halbleiterschicht können daher fortlaufend gebildet werden, ohne die Substrattemperatur während der Filmbildung zu justieren. Nach diesem Herstellungsverfahren kann die Zeit, die zum Bilden des Gateisolierfilms, der Sperrschicht und der i-Typ-Halbleiterschicht benötigt wird, stark verkürzt werden, und ein Dünnfilmtransistor kann mit hoher Effizienz hergestellt werden.
  • Bei diesem Herstellungsverfahren werden der Gate-SiN-Film, der Sperr- SiN-Film und die i-a-Si-Schicht bei etwa 250ºC gebildet. Da die i-a- Si-Schicht bei dieser Filmbildungstemperatur gebildet wird, werden die Halbleitereigenschaften der i-a-Si-Schicht nicht verschlechtert.
  • Da der Gate-SiN-Film und der Sperr-SiN-Film bei der HF-Entladungsleistungsdichte von 60 bis 100 mW/cm² gebildet werden, können die Gate- und Sperr-SiN-Filme ausreichend hohe Durchbruchspannungen besitzen, selbst wenn die Filmbildungstemperatur so niedrig wie etwa 250ºC ist.
  • Nach diesem Herstellungsverfahren kann ein Dünnfilmtransistor mit hervorragenden Eigenschaften erhalten werden, wobei die i-Typ-Halbleiterschicht hervorragende Halbleitereigenschaften aufweist und der Gateisolierfilm eine genügend hohe Durchbruchspannung besitzt.
  • Die obige Ausführung exemplifiziert einen Dünnfilmtransistor des invertiert gestaffelten Typs mit einem sperrenden Isolierfilm. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf die Herstellung eines invertiert gestaffelten Dünnfilmtransistors ohne sperrenden Isolierfilm anwendbar. In diesem Fall können ein Gateisolierfilm, ein i-Typ-Halbleiterfilm und eine n-Typ-Halbleiterschicht nacheinander gebildet werden. In diesem Fall wird eine Plasma-CVD-Vorrichtung mit einer n+-a- Si-Film-Bildungskammer anstelle der in Fig. 16 gezeigten Plasma-CVD- Vorrichtung mit der Sperrschicht-Bildungskammer 226 verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf die Herstellung eines gestaffelten Dünnfilmtransistors mit einer invertierten Struktur eines invertiert gestaffelten Dünnfilmtransistors anwendbar. Ein TFT des gestaffelten Typs wird in Fig. 17 gezeigt. Dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 16 bezeichnen dieselben Teile in Fig. 17. In diesem Fall werden eine i-a-Si-Schicht 204 und ein Gateisolierfilm 203 nacheinander gebildet. In diesem Fall besitzt die Plasma-CVD-Vorrichtung eine Substrat-Ladekammer, eine i-Typ-Halbleiterschicht-Bildungskammer, eine Gateisolierfilm-Bildungskammer und eine Substrat-Entladekammer, die alle aneinander angrenzen.
    • [Fünfte Ausführung]
  • Die fünfte Ausführung stellt einen TFT zur Verfügung, bei dem ein Gateisolierfilm eine zweilagige Struktur aufweist, die aus einem SiN- Film mit einer hohen Durchbruchspannung und einem SiN-Film mit einer guten Grenzflächeneigenschaft zu einem i-Typ-Halbleiterfilm besteht. Diese Ausführung wird im einzelnen beschrieben.
  • Bei dem Dünnfilmtransistor der fünften Ausführung, wie in Fig. 18 gezeigt, wird eine Gateelektrode 302 auf einem isolierenden Substrat 301 aus Glas gebildet, und ein Gateisolierfilm 303 wird auf der Gateelektrode 302 gebildet. Eine Halbleiterschicht 304, die aus amorphem Silizium oder Polysilizium besteht, wird auf dem Gatesiolierfilm 303 so gebildet, daß sie der Gateelektrode 302 gegenüberliegt Source- und Drainelektroden 305 und 306 werden an beiden Endteilen der Halbleiterschicht 304 über eine ohmische Kontaktschicht 307 gebildet, die aus frendatomdotiertem n-Typ amorphem Silizium oder Polysilizium besteht.
  • Diese Ausführung ist auch auf einen in Fig. 19 gezeigten TFT anwendbar. Bei diesem TFT wird eine Sperrschicht 308 auf einem Teil gebildet, der einer Kanalzone einer i-Typ-Halbleiterschicht entspricht. Dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 16 bezeichnen dieselben Teile in Fig. 19, und eine ausführliche Beschreibung davon wird weggelassen.
  • Ein Gateisolierfilm 303 besteht aus einem Si-reichen Siliziumnitridfilm 303a mit einer größeren Zahl von Siliziumatomen (Si) als der durch das stöchiometrische Verhältnis (Si/N = 0.75) dargestellten und einem N-reichen Siliziumnitridfilm 303b, der in einem Teil des Gateisolierfilms 303 nahe der Grenzfläche zu einer Halbleiterschicht 304 gebildet wird und eine größere Zahl von Stickstoffatomen (N) aufweist als die durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellte. Die Dicke des Gateisolierfilms 303 beträgt etwa 1,100 A, und die Dicke des N- reichen Siliziumnitridfilms beträgt an der Grenzfläche zu der Halbleiterschicht 304 etwa 100 Å.
  • Der Siliziumnitridfilm 303a mit einer großen Zahl von Siliziumatomen in dem Gateisolierfilm 303 wird mit einer Plasma-CVD-Vorrichtung nach den folgenden Filmbildungsbedingungen gebildet:
  • Substrattemperatur: 250ºC
  • Hauptreaktionsgas: SiH&sub4; 30 cc/M
  • NH&sub3; 60 cc/M
  • Trägergas: N&sub2; 390 cc/M
  • Druck: 0.5 Torr
  • HF-Entladungsfrequenz: 13.56 MHz
  • Entladungsleistungsdichte: 84 mW/cm²
  • Ein Zusammensetzungsverhältnis des bei einer HF-Entladungsleistungsdichte von 84 mW/cm² gebildeten Siliziumnitridfilms beträgt Si/N = 0.83.
  • Der N-reiche Siliziumnitridfilm 303b an der Grenzfläche zu der Halbleiterschicht 304 wird mit einer Plasma-CVD-Vorrichtung unter denselben Bedingungen wie die Bildung des Siliziumnitridfilms mit einer größeren Zahl von Siliziumatomen gebildet außer, daß die HF-Entladungsleistungsdichte auf 127 mW/cm² geregelt wird. Auf diese Weise beträgt ein Zusammensetzungsverhältnis des bei der HF-Entladungsleistungsdichte von 127 mW/cm² gebildeten Siliziumnitridfilms Si/N = 0.69.
  • Da bei diesem Dünnfilmtransistor der fünften Ausführung der Gateisolierfilm 303 einen Siliziumnitridfilm mit einer größeren Zahl von Siliziumatomen als der durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellten umfaßt, besitzt der Gateisolierfilm 303 wie in der ersten Ausführung eine genügend hohe Durchbruchspannung.
  • Da der Siliziumnitridfilm 303a mit einer größeren Zahl von Siliziumatomen als der durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellten hauptsächlich verwendet wird, um den Gateisolierfilm 303 zu bilden, wird bei dem Dünnfilmtransistor dieser Ausführung ein Durchbruch zwischen der Gateelektrode 302 und den Source- und Drainelektroden 305 und 306 vollkommen verhindert. Da die Dicke des Gateisolierfilms 303 so klein wie etwa 1,100 Å sein kann, kann außerdem ein stärkeres elektrisches Feld an die Halbleiterschicht 304 angelegt werden, um den EIN-Strom zu erhöhen, selbst wenn die an die Gateelektrode 302 angelegte Gatespannung dieselbe bleibt.
  • Wenn der Gateisolierfilm 303 aus einem Siliziumnitridfilm 303a mit einer größeren Zahl von Siliziumatomen als der durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellten besteht, erscheinen Hysteresemerkmale in der VG-ID-Kennlinie des Dünnfilmtransistors. Da bei dem Dünnfilmtransistor dieser Ausführung der Siliziumnitridfilm 303b mit einer größeren Zahl von Stickstoffatomen als der durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellten an einer Grenzfläche des Gateisolierfilms 303 zu der Halbleiterschicht 304 gebildet wird und die Hysteresemerkmale der VG-ID-Kennlinie durch eine Filmzusammensetzung an der Grenzfläche des Gateisolierfilms 303 zu der Halbleiterschicht 304 bestimmt werden, besitzt der Dünnfilmtransistor gute VG-Io-Eigenschaften ohne Hysteresemerkmale.
  • Fig. 20 und 21 zeigen VG-ID-Kennlinien (feste Linien) eines Dünnfilmtransistors mit dem Gateisolierfilm 303, der nur aus einem Siliziumnitridfilm mit einer größeren Zahl von Siliziumatomen als der durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellten besteht, und eines Dünnfilmtransistors mit dem Gateisolierfilm 303, der aus dem Siliziumnitridfilm 303a mit einer größeren Zahl von Siliziumatomen als der durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellten und dem Siliziumnitridfilm 303b mit einer größeren Zahl von Stickstoffatomen als der durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellten besteht. Wenn der Gateisolierfilm nur aus einem Siliziumnitridfilm mit einer größeren Zahl von Siliziumatomen besteht, erscheinen in der VG-ID-Kennlinie Hysteresemerkmale wie in Fig. 20 gezeigt. Wenn jedoch der Gateisolierfilm 303 auch den Siliziumnitridfilm 303b besitzt, der eine größere Zahl von Stickstoffatomen besitzt und an der Grenzfläche des Gateisolierfilms 303 zu der Halbleiterschicht 304 gebildet wird, weist die VG-ID-Kennlinie keine Hysterese auf, wie in Fig. 21 gezeigt.
  • Die Dicke des Siliziumnitridfilms 303b mit einer größeren Zahl von Stickstoffatomen ist mit etwa 100 Å ausreichend. Selbst wenn der Siliziumnitridfilm 303b auf der Oberfläche des Siliziumnitridfilms (Dicke: etwa 1,000 Å) 303a gebildet wird, beträgt die Gesamtdicke des Isolierfilms etwa 1,100 Å. Der EIN-Strom des Dünnfilmtransistors der fünften Ausführung ist ausreichend größer als der des herkömmlichen Dünnfilmtransistors (Gateisolierfilmdicke: 3,000 bis 4,000 Å) mit der durch die strichpunktierte Linie in Fig. 21 angedeuteten VG-ID-Kennlinie.
  • Da bei dieser Ausführung der Si-reiche Nitridfilm 303a und der nahe der Halbleiterschicht 304 gebildete N-reiche Nitridfilm 303b mit der Plasma-CVD-Vorrichtung bei den HF-Entladungsleistungsdichten von 84 mW/cm² bzw. 127 mW/cm² gebildet werden, können diese Siliziumnitridfilme 303a und 303b mit der Plasma-CVD-Vorrichtung fortlaufend gebildet werden.
  • Bei der fünften Ausführung wird ein Siliziumnitridfilm, der eine größere Anzahl von Siliziumatomen besitzt und als Gateisolierfilm 303 dient, bei der HF-Entladungsleistungsdichte von 84 mW/cm² gebildet. Dieser Siliziumnitridfilm kann jedoch innerhalb des HF-Entladungsleistungsdichtebereiches von 60 bis 100 mW/cm² gebildet werden. Jeder innerhalb dieses Bereiches der Entladungsleistungsdichte gebildete Siliziumnitridfilm besitzt eine hohe Durchbruchspannung.
  • Außerdem kann ein Siliziumnitridfilm, der eine größere Zahl von Stickstoffatomen besitzt und als Siliziumnitridfilm 303b an der Grenzfläche zu der Halbleiterschicht 304 dient, bei einer HF-Entladungsleistungsdichte von 110 mW/cm² oder mehr gebildet werden. Eine bevorzugte Entladungsleistungsdichte zum Bilden dieses Siliziumnitridfilms beträgt jedoch maximal etwa 250 mW/cm². Der Si-reiche Nitridfilm 303a und der N-reiche Nitridfilm 303b können in dem vorerwähnten Schritt zum Bilden des Gateisolierfilms 303 gebildet werden, indem die Zusammensetzung des Prozeßgases nach dem Bilden des Isolierfilms verändert wird.
  • Der Dünnfilmtransistor dieser Ausführung ist von einem invertiert gestaffelten Typ. Die vorliegende Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf Dünnfilmtransistoren des gestaffelten, koplanaren und invertierten koplanaren Typs als eine Selbstverständlichkeit anwendbar.

Claims (19)

1. Verfahren zum Herstellen eines Siliziumnitridfilms (123) umfassend:
Plazieren eines Subtrats (104) gegenüber einer Hochfrequenzelektrode (106), die eine Hochfrequenzleistung (111) empfängt, innerhalb einer hermetischen Kammer (101), Zuführen eines Prozeßgases in die Kammer und Erzeugen eines Plasmas bei Liefern der Hochfrequenzleistung (111) an die Hochfrequenzelektrode (106) und Ablagern eines Dünnfilms (123), der im wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht, auf einer Oberfläche des Substrats (104), dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (104) in einem Temperaturbereich von 230ºC bis 270ºC erhitzt gehalten wird und die Hochfrequenzleistung (111) der Hochfrequenzelektrode (106) zugeführt wird, so daß die HF-Entladungsleistungsdichte in einen Bereich von 60 bis 100 mW/cm² fällt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas ein Trägergas, das im wesentlichen aus Stickstoffgas besteht, und ein Hauptreaktionsgas, das wesentlichen aus Silangas und Ammoniakgas besteht, enthält und das Stickstoffgas und die Silan- und Ammoniakgase ein Flußmengenverhältnis aufweisen, das in einen Bereich von 1 : 1 : 14 bis 1 : 2.7 : 12. 3 fällt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas im wesentlichen aus einem Trägergas und einem Hauptreaktionsgas besteht und das Verfahren den ersten Schritt des Lieferns des Trägergases an die Kammer (101), den zweiten Schritt des Justierens des Innendrucks und der Temperatur der Kammer, die das Trägergas empfängt, den dritten Schritt des Lieferns der Hochfrequenzleistung an die Hochrequenzelektrode (106) und den vierten Schritt des Lieferns des Hauptreaktionsgases an die Kammer (101) nach dem Einleiten einer elektrischen Entladung bei Zufuhr der Hochfrequenzleistung (111) umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas im wesentlichen aus Stickstoffgas besteht und das der Kammer zugeführte Hauptreaktionsgas im wesentlichen aus Silangas und Ammoniakgas besteht, um dadurch den Siliziumnitridfilm (123) auf dem Substrat (104) zu bilden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Silangas, das einen Teil des Hauptreaktionsgases darstellt, zugeführt wird, nachdem die Zufuhr des Ammoniakgases eingeleitet worden ist.
6. Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors, umfassend:
einen ersten Schritt zum Bilden einer Gatelektrode (202) auf einem isolierenden Substrat (201),
einen zweiten Schritt zum Bilden eines Gateisolierfilms (203) aus einem Siliziumnitridfilm, um die Gateelektrode (202) zu bedecken,
einen dritten Schritt zum Bilden eines i-Typ-Halbleiterfilms (204) aus einer amorphen Siliziumschicht und
einen vierten Schritt zum Bilden von Source- und Drainelektroden (205, 206), die über einen n-Typ-Halbleiterfilm (207) mit dem i-Typ-Halbleiterfilm (204) elektrisch verbunden und voneinander beabstandet sind, um eine Kanalzone des i-Typ-Halbleiterfilms (204) zu bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumnitridfilm (203) durch ein Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird, das die Substrattemperatur (201) regelt, um in einen Bereich von 230 bis 270ºC zu fallen, und die Hochfrequenz-Entladungsleistungsdichte regelt, um in einen Bereich von 60 bis 100 mW/cm² zu fallen, und der i-Typ-Halbleiterfilm (204) durch ein Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird, bei dem die Filmbildungstemperatur geregelt wird, um in einen Bereich von 230 bis 270ºC zu fallen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumnitridfilm (203) durch ein Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird, das so geregelt wird, daß seine Filmbildungstemperatur im wesentlichen gleich der Filmbildungstemperatur der amorphen Siliziumschicht (204) ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmbildungstemperatur der im dritten Schritt gebildeten amorphen Siliziumschicht (204) etwa 250ºC beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumnitridfilm (203) und die amorphe Siliziumschicht (204) nacheinander ohne dazwischenliegende Schritte in derselben Plasma-CVD-Vorrichtung gebildet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schritt einen Schritt zum Bilden eines weiteren Siliziumnitridfilms (303b) zwischen dem Siliziumnitridfilm (303a) und der amorphen Siliziumschicht (304) umfaßt, wobei der weitere Siliziumnitridfilm eine größere Zahl von Stickstoffatomen als die durch das stöchiometrische Verhältnis dargestellte besitzt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Bilden des weiteren Siliziumnitridfilms (303b) durch ein Plasma-CVD-Verfahren durchgeführt wird, das so geregelt wird, daß die Hochfrequenz-Entladungsleistungsdichte 127 mW/cm² beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma- CVD-Verfahren zum Bilden des Siliziumnitridfilms (203) umfaßt:
einen ersten Schritt zum Plazieren des im Temperaturbereich von 230 bis 270ºC erhitzten Substrats (201) und einer Hochfrequenzelektrode, die eine Hochfrequenzleistung empfängt, in einer hermetischen Kammer (211) derart, daß sie einander gegenüberliegen,
einen zweiten Schritt zum Zuführen eines Prozeßgases in die Kammer und
einen dritten Schritt zum Erzeugen eines Plasmas bei Liefern der Hochfrequenzleistung an die Hochfrequenzelektrode und
das Prozeßgas ein Trägergas, das im wesentlichen aus Stickstoffgas besteht, und ein Hauptreaktionsgas, des im wesentlichen aus Silangas und Ammoniakgas besteht, enthält und ein Siliziumnitridfilm auf dem Substrat (201) abgelagert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffgas des Trägergases und die Silan- und Ammoniakgase, die das Hauptreaktionsgas darstellen, ein Flußverhältnis aufweisen, das in einen Bereich von 1 : 1 : 14 bis 1 2.7 : 12.3 fällt.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas im wesentlichen aus einem Trägergas und einem Hauptreaktionsgas besteht und das Plasma-CVD-Verfahren einen ersten Unterschritt zum Liefern des Trägergases an die Kammer, einen zweiten Unterschritt zum Justieren eines Innendrucks und einer Temperatur der Kammer, einen dritten Unterschritt zum Liefern der Hochfrequenzleistung an die Hochfrequenzelektrode und einen vierten Unterschritt zum Liefern des Hauptreaktionsgases an die Kammer nach dem Einleiten einer elektrischen Entladung bei Zufuhr der Hochfrequenzleistung umfaßt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Silangas, das das Hauptreaktionsgas darstellt, zugeführt wird, nachdem die Zufuhr des Ammoniakgases eingeleitet worden ist.
16. Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors, umfassend:
einen ersten Schritt zum Bilden von Source- und Drainelektroden (205, 206) auf einem isolierenden Substrat (201), die durch einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet sind,
einen zweiten Schritt zum Bilden eines n-Typ-Halbleiterfilms (207) auf den Source- und Drainelektroden (205, 206),
einen dritten Schritt zum Bilden eines i-Typ-Halbleiterfilms (204), der eine amorphe Siliziumschicht umfaßt, die über den n-Typ-Halbleiterfilm (207) mit den Source- und Drainelektroden (205, 206) elektrisch verbunden ist,
einen vierten Schritt zum Bilden eines Gateisolierfilms (203), der einen Siliziumnitridfilm umfaßt, um den i-Typ-Halbleiterfilm (204) zu bedecken, und
einen fünften Schritt zum Bilden einer auf dem Gateisolierfilm (203) angeordneten Gateelektrode (202),
dadurch gekennzeichnet, daß der i-Typ-Halbleiterfilm (204) durch ein Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird, das die Filmbildungstemperatur so regelt, daß sie in einen Bereich von 230 bis 270ºC fällt,
und der Gateisolierfilm (203), der einen Siliziumnitridfilm (203) umfaßt, durch das Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird, das die Substrattemperatur so regelt, daß sie in einen Bereich von 230 bis 270ºC fällt, und die Hochfrequenz-Leistungsdichte so regelt, daß sie in einen Bereich von 60 bis 100 mW/cm² fällt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumnitridfilm (203) durch ein Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird, das so geregelt wird, daß eine Filmbildungstemperatur im wesentlichen gleich der Filmbildungstemperatur des amorphen Siliziumfilms (204) ist.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Siliziumschicht (204) und der Siliziumnitridfilm (203) nacheinander in der Plasma-CVD-Vorrichtung desselben Typs gebildet werden.
19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzleistung (111) der Hochfrequenzelektrode (106) so zugeführt wird, daß die HF-Entladungsleistungsdichte innerhalb des gegebenen Bereiches bei einer Rate von 2 bis 10 mW/cm² pro Sekunde auf den gewünschten Wert erhöht wird.
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