JP2003273033A

JP2003273033A - プラズマ反応装置

Info

Publication number: JP2003273033A
Application number: JP2002118539A
Authority: JP
Inventors: Masataka Ito; 政隆伊藤; Yasuaki Murata; 康明村田
Original assignee: Crystage Inc
Current assignee: Crystage Inc
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマを用いて薄膜を形成する所謂プラズマ
反応装置において、プラズマによるダメージを低減し、
良好な特性を持つ薄膜を形成する。また、大面積に均一
に薄膜を形成する装置を実現する。【構成】プラズマにより高エネルギー状態に分子を励起
するプラズマ部と、基板付近で反応、薄膜形成を行う反
応部を分離し、基板表面へのプラズマダメージを低減す
る所謂リモートプラズマＣＶＤ装置で構成する。この
時、ガスの流れ、プラズマの均一性を向上させるため、
プラズマ発生部、ガス噴出し部をライン状に形成し、そ
の直下を基板が移動することで均一性の向上を図る。さ
らに、ライン状にプラズマの均一性向上を図るため、複
数のプラズマ源を１列に並べライン状にし、かつプラズ
マ部で発生した励起ガスをライン方向に拡散し均一化を
図る拡散部をプラズマ部と反応部の間に設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】プラズマを用いた薄膜形成利用が
図れる。特に大面積に均一薄膜形成が必要となる液晶デ
ィスプレイへの応用が期待でき、表面、界面へのプラズ
マダメージに敏感なポリシリコン薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）デバイスに最適な薄膜形成装置として利用でき
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、低温ポリシリコンＴＦＴを用い液
晶パネルにドライバをモノリシック化したパネルが実用
化されてきた。このような低温ポリシリコンＴＦＴはガ
ラスの耐熱温度６００℃以下で高品質のポリシリコン
膜、ゲート絶縁膜及びその界面を形成することが必要と
なる。低温ポリシリコンＴＦＴではＳｉをベースとして
薄膜を堆積加工するため、ＣＶＤ（化学気相成長法）が
多くの工程で用いられている。たとえば、ＴＦＴのチャ
ネルとなるＳｉ薄膜、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜、保護
膜等である。このような薄膜の形成には基板の耐熱温度
が６００℃であることから、通常ＩＣ分野で一般に用い
られる熱ＣＶＤではなくプラズマで分解反応させるプラ
ズマＣＶＤが多く用いられている。このプラズマＣＶＤ
法は４００℃以下の温度でも容易に薄膜形成ができる反
面、プラズマによるダメージ、プラズマ分布による薄膜
の不均一性が問題となる。以下、一般に用いられるポリ
シリコンＴＦＴの作製プロセスを説明する。まず第５図
（Ａ）に示すように、ガラス基板上５００にアモルファ
スシリコンをプラズマＣＶＤで成膜した後、レーザーア
ニールで結晶化しポリシリコン膜５１０を形成する。さ
らに第５図（Ｂ）のようにポリシリコン膜を島状に加工
し、ゲート絶縁膜５２０を成膜する。ゲート絶縁膜とし
てはＳｉＯ２が用いられる。成膜には、ＴＥＯＳを用い
たプラズマＣＶＤを用いた方法が一般に使われている。
続いて、第５図（Ｃ）に示すようにゲート電極５３０を
形成し、ＴＦＴのソースドレイン部５４０への不純物注
入、活性化を行う。その後、第５図（Ｄ）のように層間
絶縁膜５５０の形成、ソースドレイン電極５６０形成、
保護膜５７０、透明電極５８０を形成する。上記のプロ
セスで、ポリシリコン形成工程、ゲート絶縁膜の形成工
程がＴＦＴの特性を左右する重要な工程であり、ポリシ
リコン形成はレーザーアニールによるところが大きく、
絶縁膜形成はプラズマＣＶＤにおけるプラズマダメージ
低減が大きな課題である。ゲート絶縁膜形成には平行平
板プラズマＣＶＤが用いられている。これは第６図に示
すようにアノード６００とカソード６１０の２枚の電極
を平行に配置させ、この２枚の電極間に高周波電圧を印
加し２つの電極間にプラズマ６２０を発生させる。この
プラズマにより、導入したガスを分解、反応し、基板６
３０上に堆積させる方法である。この方法では成膜しよ
うとする基板は２枚の電極の間に置かれるため、基板は
プラズマの中にさらされ、プラズマにより表面あるいは
界面がダメージを受ける。特に前述のように、まずチャ
ンネルとなるポリシリコンを形成する所謂トップゲート
型ＴＦＴではゲート絶縁膜成膜時にポリシリコン表面が
プラズマにさらされることになる。また膜の均一性向上
もＴＦＴパネルの大型化と共に重要な課題となってきて
いる。パネルの大型化、多面取りが進むにつれて取り扱
うガラス基板も大きくなってきている。現在１ｍ角近い
ガラスを用いた試みがなされている。このような大型基
板では、面内の膜の均一性を保つのが困難となってきて
いる。時に平行平板のプラズマＣＶＤを用いて薄膜を成
膜する場合プラズマ、ガスの流れを２次元平面内で均一
にする必要がある。しかし基板の大型化とともに、２次
元面内で均一なプラズマを得るのは難しく、またガスの
流れも、排気が基板周辺からのみに限定されるため、基
板中央と周辺で流れが異なってくる。これに対し、、最
近、プラズマ部を反応部（基板）から分離するリモート
プラズマ方式の薄膜形成装置を提案してきた。しかしリ
モートプラズマは反応を励起分子の拡散によるため、大
面積基板に成膜することが困難である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題としては、現状の標準的なプロセスである半導
体薄膜の形成、特にゲート絶縁膜の形成におけるプラズ
マダメージを低減し特性信頼性の向上を図る。さらに
は、大面積基板における均一性を向上させ、ＴＦＴ特性
の面内ばらつきを低減させるものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】プラズマ発生部とプラズ
マ発生部で発生した励起分子を拡散させる拡散部と拡散
部で均一に拡散した励起分子を輸送する輸送部と該励起
分子と反応ガスを混合反応させる反応部からなるプラズ
マ反応装置で構成され、プラズマ発生部は複数のプラズ
マ発生装置をライン状に並べることにより均一かつ大面
積に対応したプラズマ反応装置が実現できる。さらに均
一性を向上させるため、拡散部は前記プラズマ発生部と
前記反応部の間に位置し、複数のプラズマ発生部を拡散
部において共通に接続する。輸送部はライン状のスリッ
トからなり、その体積は拡散部より小さく設定される。
またプラズマ部は絶縁体を用いた複数のプラズマチャン
バーと該複数のプラズマチャンバーの周囲にまいた１つ
の高周波コイルによって構成される。別の方法として
は、複数のプラズマ部は絶縁体を用いた複数のプラズマ
チャンバーと複数のプラズマチャンバーに１対１に対応
して周囲にまいた複数の高周波コイルからなり、複数の
高周波コイルへの出力を各コイルに対し独立して制御す
ることによっても実現される。

【０００５】

【作用】プラズマ部を基板から分離することにより、表
面、界面へのプラズマダメージを低減することができ、
良好なＴＦＴ特性が得られる。さらに、プラズマ部を複
数のプラズマ源に分離しライン状に配列させることによ
りライン方向に効率よくプラズマを励起することができ
る。さらに、複数のプラズマ源に分離することにより、
チャンバーの機械強度を向上させることができ、プラズ
マチャンバーの設計作製を容易にする。この複数のプラ
ズマ源で発生した励起ガスをライン方向に拡散させる拡
散領域を設けることにより、ライン方向の励起ガスの分
布をより向上させることができる。

【０００６】

【実施例】図１は本発明の装置を示す図である。プラズ
マ部１００は絶縁体で作られたチャンバー１１０、チャ
ンバーの周囲を巻くように設置された高周波コイル１２
０からなる。さらにこのプラズマ部に励起しようとする
ガスを導入するガス導入部１３０はチャンバーの片方の
端に設置され、チャンバーの他方は励起したガスを拡散
させる拡散部１４０に接続されている。拡散部で均一化
された励起ガスは拡散部１４０に設けられたスリット状
のノズル１５０を通して反応チャンバー１６０に導入さ
れる。反応チャンバーでは励起ガスと反応させる反応ガ
スがガス導入部１７０から噴出され、スリットから導入
された励起ガスと反応して、基板１８０上に薄膜を堆積
させる。基板は一定の速度で矢印の方向に移動し、基板
全面に薄膜を形成する。図２は９０°回転した方向から
見た図である。複数のプラズマチャンバー１１１〜１１
４に各々高周波コイル１２１〜１２４が巻かれ複数のプ
ラズマチャンバーは基板の幅方向に並べラインプラズマ
を構成している。複数のプラズマチャンバーは拡散部１
４０に共通につながれ、この拡散部では励起されたガス
がライン方向に拡散し、基板の幅方向に励起ガスの均一
化を図る。本発明では高周波コイルは各プラズマチャン
バーに対して独立して制御することが可能である。これ
により、ライン方向に対しプラズマ分布、励起ガス密度
の分布を改善制御することができ、成膜する薄膜の膜厚
分布の改善を可能にする。

【０００７】以下ＳｉＯ２の薄膜形成を例にとりながら
説明する。プラズマ形成のための励起ガスは図１におい
て励起ガス導入口１３０から導入される。本実施例では
酸素（Ｏ２）７５％、ヘリウム（Ｈｅ）２５％の混合ガ
スを使用した。各導入口より導入された励起ガスはプ
ラズマチャンバー１１０に導かれる。本実施では直径５
０ｍｍの円筒の石英管を用いた石英管の肉厚は２ｍｍで
ある。この円筒管を３０ｍｍ間隔で６本直線状に並べ有
効幅４００ｍｍのプラズマ源を作った。各円筒管の周り
には高周波コイル１２０が巻かれてある。本実施ではこ
の高周波コイルに２０〜１００ＭＨｚの高周波電磁波１
〜５ｋＷを加えた。さらに円筒管の下端は拡散部に接続
されている。拡散部は各コイルで励起した励起ガスをラ
イン方向に均一にする役目をする。従って拡散部の体積
が大きくこのチャンバーでのガスの滞留時間が長いほ
ど、励起ガスのライン方向の均一性が向上することが予
想されるが、励起ガスの寿命以上に滞留時間を長くする
と励起ガスはかえって減少する。今回の実施例では高さ
５０ｍｍ幅１００ｍｍの箱状のチャンバーを作製し用い
た。この箱状の拡散部の下方に励起ガスを反応チャンバ
ーに輸送する、スリットとノズルが設けられている。本
実施例では、スリットを３０ｍｍとしノズルの長さは基
板から２０ｍｍ〜５０ｍｍ離れるように設定した。反応
ガスはノズルの近くに設置した反応ガス導入口１７０よ
り供給される。反応ガス導入口はライン方向に設置した
パイプに一定の距離を置いて小穴をあけたものを用い
た。反応ガスとしては水素（Ｈ２）希釈のシラン（Ｓｉ
Ｈ４）ガスを用いた。希釈率は１０％で流量は１０〜５
０ｓｃｃｍで行った。基板には高歪点ガラス（コーニン
グ＃１７３７）を用いた。基板加熱は基板ステージ１９
０に埋め込まれたヒーター１９１を用いて行った。基板
温度は４００℃とした。本発明を用いて作製した薄膜ト
ランジスタの特性例を第３図に示す。第４図はゲート電
圧に対するドレイン電流の特性を示しているが、半導体
とゲート絶縁膜の界面の特性を反映する電流の立ちあが
り特性は良好で、また電流ストレス試験後の変化も少な
い。これは界面のトラップが少なく、電荷の注入が少な
いことを示している。また、上記の実施例の条件で１０
０ｎｍ／ｍｉｎ．以上のデポレートが得られており、幅
方向（ラインプラズマ方向）の膜厚分布は５％以下、長
さ方向（基板の移動方向）の膜厚分布は３％以下と非常
に良好な結果が得られている。

【０００８】第３図は本発明の別の実施例として、複数
のプテズマチャンバーに１つのコイルを巻きつけプラズ
マを発生させた場合のプラズマの様子を示す写真であ
る。この写真では励起ガスとしてＡｒガスを用い、高周
波電源として６０ＭＨｚ、５００Ｗを印加している。写
真からもわかるとおり、プラズマはコイルの周辺で非常
に明るく、プラズマがコイルの周辺に集まっている。こ
れは本発明の効果を示すものであり、誘導結合型プラズ
マによる、イオンの閉じ込めが図れたことを示してい
る。以上のように、本発明によれば各プラズマは比較的
狭い領域で発生させるため、誘導結合による高密度プラ
ズマが得られる。さらに円筒形もしくはこれに近い形状
の複数のプラズマチャンバーを用いることにより、薄い
壁厚で、減圧に対し充分な強度が得られ、装置設計が容
易となる。さらに、複数のプラズマチャンバと各チャン
バに対応したコイル、高周波電源を用いることで、複数
のプラズマチャンバを独立に制御することも可能であ
る。

【０００９】

【発明の効果】本発明により、プラズマ発生部と基板、
反応部を分離するリモートプラズマＣＶＤによる低ダメ
ージ薄膜形成が実現できる。特に均一性の優れたライン
状のプラズマを容易に作製することができ、大面積基板
に均一性良く膜を形成することができる。

【００１０】

【図面の簡単な説明】

【図１】

【図２】本発明の実施例の断面構造を示す図である。

【図３】ライン状プラズマの発光を示す写真である。

【図４】本発明を用いて作製したＴＦＴの特性を示すグ
ラフである。

【図５】ＴＦＴの一般的なプロセスを示す図である。

【図６】従来のプラズマＣＶＤを示す図である。

【符号の説明】

１００…プラズマ部１１０，１１１，１１２，１１３，１１４…プラズマチ
ャンバー１２０，１２１，１２２，１２３，１２４…高周波コイ
ル１３０，１３１，１３２，１３３，１３４…励起ガス導
入部１４０…励起ガス拡散部１５０…ノズル１７０…反応ガス導入部１８０…基板１９０…移動ステージ５００…ガラス基板５１０…ポリシリコン膜５２０…ゲート絶縁膜５３０…ゲート電極５４０…ソースドレイン部５５０…層間絶縁膜５６０…ソースドレイン電極５７０…保護膜５８０…透明電極６００、６１０…平行電極６２０…プラズマ６３０…基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ発生部と該プラズマ発生部で発生
した励起分子を拡散させる拡散部と該拡散部で均一に拡
散した励起分子を輸送する輸送部と該励起分子と反応ガ
スを混合反応させる反応部からなるプラズマ反応装置に
おいて、該プラズマ発生部は複数のプラズマ発生装置を
ライン状に並べてなることを特長とするプラズマ反応装
置。
【請求項２】請求項１に記載のプラズマ反応装置におい
て、前記拡散部は前記プラズマ発生部と前記反応部の間
に位置し、前期複数のプラズマ発生部が前記拡散部にお
いて共通に接続されてなることを特長とするプラズマ反
応装置。
【請求項３】請求項１、２に記載のプラズマ反応装置に
おいて、前記輸送部はライン状のスリットからなり、そ
の体積は前記拡散部より小さいことを特長とするプラズ
マ反応装置。
【請求項４】請求項１に記載のプラズマ反応装置におい
て、前記複数のプラズマ部は絶縁体を用いた複数のプラ
ズマチャンバーと該複数のプラズマチャンバーの周囲に
まいた１つの高周波コイルからなることを特長とするプ
ラズマ反応装置。
【請求項５】請求項１に記載のプラズマ反応装置におい
て、前記複数のプラズマ部は絶縁体を用いた複数のプラ
ズマチャンバーと該複数のプラズマチャンバーに１対１
に対応して周囲にまいた複数の高周波コイルからなり、
複数の高周波コイルへの出力を各コイルに対し独立して
制御することを特長とするプラズマ反応装置。