JP2007250944A - 半導体薄膜の成膜方法および半導体薄膜の成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に結晶質の半導体薄膜を成膜する際、膜質の良好な結晶性の半導体薄膜を得ることが可能な半導体薄膜の成膜方法および成膜装置を提供する。
【解決手段】エッチング性ガスと半導体材料を含有する成膜ガスとを加熱した基板表面に供給することにより、基板表面においてエッチング性ガスと成膜ガスとを熱化学反応させ、基板表面に結晶質の半導体薄膜を成膜する成膜方法において、エッチング性ガスと成膜ガスとは、基板表面に対向配置され冷媒管１８によって冷却状態に保たれたシャワープレート１７から基板表面の全面に対して供給される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体薄膜の成膜方法および半導体薄膜の成膜装置に関し、特には結晶性の半導体薄膜を直接基板上に成膜する成膜方法、この成膜方法を行うための成膜装置に関する。

液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を用いた有機ＥＬ表示装置等のフラットパネル型の表示装置は、大面積化と低コスト化の流れにある。液晶表示装置においては、従来は非晶質シリコン（a-Si）を主体とした薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)、すなわちa-SiＴＦＴが、画素駆動用のスイッチング素子として用いられてきた。

しかしながら、a-SiＴＦＴは、キャリア移動度が低く十分な電流を流せず、また長時間の電流駆動によりしきい電圧（以下Ｖｔｈ）が変動し易い。そのため、有機ＥＬ表示装置の画素制御に使う場合には不向きであった。また液晶表示装置においては、近年高速動画表示のために倍速以上のフレームレートで表示する要求が高まっている。この要求に応えるためにはa-SiＴＦＴの駆動応力では十分では無くなっている。

一方、多結晶シリコン（poly-Si）を用いたpoly-SiＴＦＴは、キャリア移動度がa-SiＴＦＴの１０〜１００倍と大きく、長時間の大電流駆動でも信頼性に問題はない。このため、有機ＥＬ表示装置や、高速動画対応の液晶表示装置におけるスイッチング素子として好適である。

しかしながらpoly-SiＴＦＴ形成のための結晶化プロセスは、従来はエキシマレーザーを使うことが一般的であり、プロセスステップが増えることから低コスト化には障害であり、また装置上の制約から大型化が困難で、大面積の基板に対応することが難しかった。

そこで、以上のような結晶化プロセスにおいて生じる問題を解決するために、基板上に直接、poly-Si膜を成膜できる方法が提案されている。この方法は、エッチング性ガスと成膜ガスとを加熱された基板上に導入し、エッチング性ガスの存在下において加熱された基板によって成膜ガスを熱的に活性化させて熱化学反応を生じさせることにより、結晶質の半導体薄膜を直接成膜する方法である（例えば、下記特許文献１，２参照）。この際、エッチング性ガスと成膜ガスとは、シャワーへッドに設けられた別々の穴状ガス導入口から成膜室内に導入され、基板の直上で混合される。そして、このような方法によれば、成長初期、すなわち基板近傍付近での結晶性が良い半導体薄膜が得られる。したがって、この方法によって成膜した半導体薄膜を用いることにより、比較的高移動度のpoly-SiＴＦＴを作製することが可能である

特許２９５４０３９号公報（特に図９および第００２７段落参照） 特開２００１-６８４２２号公報

しかしながら、上述した半導体薄膜の成膜方法においては、成膜される半導体薄膜の結晶性の向上や成膜速度を上昇させるためには、基板Ｗの温度を上昇させることが最も効果的である。この際、基板の加熱温度が５００℃程度であれば、通常の無アルカリガラスからなる基板も十分使用可能な温度である。ところが、基板の温度を上昇させると、その複写熱によってシャワーへッドの温度も上昇してしまう。そして、このシャワーへッドの熱によって、成膜ガスおよびエッチング性ガスが反応開始温度を超える温度（例えば３００度以上）に加熱され、基板の表面の到達する前に気相反応を起こして消費される。このため、基板表面における熱化学反応による成膜が阻害され、成膜される膜質は非晶質成分が多いものになってしまう。

また、エッチング性ガスと成膜ガスが、シャワーへッドに設けられた別々の穴状ガス導入口から成膜室内に導入され、基板の直上で混合される構成であるため、大面積の基板上では基板の場所に依存してガス混合比率が変動し易い。したがって、大面積基板上での膜の均一性を得ることが難しい。

そこで本発明は、基板上に結晶質の半導体薄膜を成膜する際、膜質の良好な結晶性の半導体薄膜を得ることが可能な半導体薄膜の成膜方法および成膜装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明は、エッチング性ガスと半導体材料を含有する成膜ガスとを加熱した基板表面に供給することにより、当該基板表面において当該エッチング性ガスと成膜ガスとを熱化学反応させ、当該基板表面に結晶質の半導体薄膜を成膜する成膜方法に関する。そして、第１の成膜方法においては、エッチング性ガスと成膜ガスとが、基板表面に対向配置され冷却状態に保たれたシャワーへッドから当該基板表面の全面に対して供給されることを特徴としている。

このような第1の成膜方法では、シャワーへッドが冷却状態に保たれているため、基板からの輻射熱によってシャワーへッドが加熱され、加熱されたシャワーへッドによってエッチング性ガスと成膜ガスとが加熱されることを防止できる。またこのシャワーへッドにより、エッチング性ガスと成膜ガスとを冷却することもできる。これにより、基板表面に供給される直前までエッチング性ガスと成膜ガスとが、より低温な未反応の状態に保たれ、この未反応な状態で基板表面に到達し易くなる。したがって、加熱された基板表面において、エッチング性ガスと成膜ガスとが熱化学反応を起こす割合が増加し、結晶性の高い半導体薄膜が得られる。

また、第２の成膜方法においては、エッチング性ガスと成膜ガスとが、熱化学反応の開始温度よりも低い温度であらかじめ混合され、混合された状態で前記基板上に供給されることを特徴としている。

このような第２の成膜方法では、エッチング性ガスと成膜ガスとを、それぞれ別の供給路から基板表面に供給する場合と比較して、基板表面の各部に対するエッチング性ガスと成膜ガスとの供給割合を均一化することができる。したがって、膜質の均一な結晶性の半導体薄膜が得られる。

さらに本発明は、上述した第１の成膜方法に好適に用いられる成膜装置でもあり、気密状態が保たれる処理室と、前記処理室内において基板を加熱保持するステージと、前記ステージに対向配置されるシャワーへッドとを備えている。そして特に、シャワーへッドには、当該シャワーへッドの熱を放出するための冷却手段が設けられていることを特徴としている。そしてこの冷却手段により、シャワーへッドを冷却することにより、冷却状態に保たれたシャワーへッドから当該基板表面の全面に対してガスを供給した成膜が行われる。

以上説明したように本発明によれば、結晶性が高いくまたは膜質が均一で、これにより膜質の良好な結晶性の半導体薄膜を得ることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、半導体薄膜の成膜方法に用いる成膜装置、この成膜装置を用いた成膜方法、さらにはこの成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法を、この順に説明する。

＜成膜装置＞
図１は、実施形態の成膜装置の概略を示す全体構成図である。この図に示す成膜装置１は、成膜処理が行われる処理室１１、処理室１１内において成膜処理が施される基板Ｗを固定保持するステージ１２、処理室１１内に成膜処理用のガスを供給するためのシャワーへッド１３を備えている。

このうち処理室１１は、内部が気密状態に保たれるもので、さらに内部を減圧排気する減圧手段１４が設けられている。この減圧手段１４は、例えばターボ分子ポンプであり、内部の圧力を一定に保つ制御機構を備えている。これにより、処理室１１内の圧力が、１０〜１０００Ｐａ程度の範囲の一定圧力に保たれる構成となっている。

また、ステージ１２は、基板Ｗを載置固定するチャック機能を備えると共に、上部に載置固定した基板Ｗを所定の温度に加熱する加熱手段を備えている。この加熱手段は、例えば電気的な加熱を行うヒーター（図示省略）でありステージ１２内に埋め込まれていることとする。これにより、ステージ１２上に載置固定した基板Ｗを、２００〜６００℃に加熱した状態で保持きるようになっている。

そして、シャワーへッド１３は、処理室１１内においてステージ１２に対向配置される。このシャワーへッド１３は、ステージ１２上に配置される基板Ｗ上の全面に対向配置される程度に、十分な大きさを備えていることとする。そして、このシャワーへッド１３には、処理室１１の外部に設けられたガス混合室１５が接続され、このガス混合室１５を介して複数のガス供給管１６ａ，１６ｂ，１６ｃが接続されている。そして、各ガス供給管１６ａ，１６ｂ，１６ｃには、マスフローコントローラMFCが設けられ、ガス混合室１５内に導入されるガスの流量を制御するように構成されている。これにより、ガス供給管１６ａ，１６ｂ，１６ｃから供給された複数種類のガスが、ガス混合室１５においてあらかじめ混合された状態で処理室１１内のシャワーへッド１３に供給される構成となっている。尚、ガス混合室１５には、ここでの図示を省略した冷却手段が設けられていても良い。

また、シャワーへッド１３には、当該シャワーへッド１３の熱を放出するための冷却手段が設けられている。この冷却手段は、例えば、シャワーへッド１３に配設された冷媒管からなる。この冷媒管は、例えばシャワーへッド１３において、ステージ１２に対向配置される穴開きのプレート（いわゆるシャワープレート１７）に配置される。

図２には、シャワープレート１７の平面図を示す。この図に示すように、シャワープレート１７には、その全面に均等に複数の微細なガス穴１７ａが穿設されている。そして、これらのガス穴１７ａの間を縫うように、冷媒管１８が配設されている。この冷媒管１８は、冷媒ｃを導入口から導入し、排出口から排出することにより、シャワープレート１７を３００℃未満に冷却する。冷媒ｃはたとえばヘリウムガスが用いられる。このような冷媒管１８は、シャワープレート１７の一主面側に密着させて設けても良く、シャワープレート１７に内設されていても良い。

また冷却手段は、冷媒管１８のほかにも、例えばシャワーへッド１３の外周枠１９として設けられても良い。この外周枠１９は、シャワープレート１７に接して設けられたもので、シャワープレート１７よりも十分に板厚を厚くして熱容量を十分に大きく設定し、シャワープレート１７の熱が、外周枠１９に向かって流れる構成となっている。この外周枠１９は、熱伝導性の良好な材料からなることが好ましく、シャワープレート１７に対してネジ２０を用いて固定されていることとする。またこの外周枠１９には、冷媒管が埋め込まれていても良い。尚、外周枠１９は、シャワープレート１７と一体に形成されたものであっても良く、アルミニウム、酸化アルミニウム等で構成されることとする。

図３には、シャワーへッド１３の内部構成図を示す。この図に示すように、基板Ｗの全面に対してより均一なガス流を形成するためには、シャワーへッド１３には複数の分散板２１ａ，２１ｂ，２１ｃが内設されていることが好ましい。これらの分散板２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、例えば最も上流側に設けられた第１分散板２１ａには、周辺部のみにガス穴が設けられている。そして、第１分散板２１ａの下流側に設けられた第２分散板２１ｂには、中央部のみにガス穴が設けられている。さらに第２分散板２１ｂとシャワープレート１７との間に設けられた第３分散板２１ｃは、全面に均等にガス穴が設けられている。

このような構成とすることにより、図１で示したガス混合室１５からシャワーへッド１３の中央に導入されるガスが、第１分散板２１ａの中央でさえぎられて周辺部に分散される。そして、第１分散板２１ａを通過したガスは、第２分散板２１ｂの周辺でさえぎられて中央部に向かって流れる。この際、第２分散板２１ｂでは、周辺に近く設けられたガス穴から、より多くのガスが通過する。そして、最後の第３分散板２１ｃにおいて、ほぼ均等に分散されたガスがシャワープレート１３に供給される。

そして、上述したように、シャワープレート１７に接して冷却手段となる外周枠１９が設けられている場合、この外周枠１９がシャワープレート１７のさらに外側に延設されて処理室（１１）の内壁に接続され、シャワープレート１７の熱が、外周枠１９を介して処理室（１１）に逃がされる構成としても良い。また、上述したように、外周枠１９は、シャワープレート１７よりも十分に板厚ｔが厚く熱容量が十分に大きく設定されていることとする。

尚、一般にシャワープレート１７は、ガス穴１７ａのピッチが細かいことが多く、図２に示すように冷媒管１８を配設することが難しい場合もある。このような場合、ガス穴のピッチが比較的大きな分散板に冷媒管１８を配設しても良い。この場合、例えば図４に示すように、シャワープレート１７に近接した第３分散板２１ｃに冷媒管１８を配設することが好ましい。

以上のような図１〜図４を用いて説明した構成の成膜装置１は、次のようにして動作させる。先ず、ステージ１２上に基板Ｗを載置固定し、処理室１１の内部を所定の圧力に減圧する。そして、基板Ｗを所定温度に加熱する。また、シャワープレート１７または最後段の第３分散板２１ｃに配設した冷媒管１８に冷媒を流し、これらを冷却しておく。また、シャワープレート１７は外周枠１９への熱伝導によっても冷却された状態となっている。この状態で、処理室１１内の圧力を調整しつつ、ガス供給管１６ａ，１６ｂ，１６ｃからマスフローコントローラＭＦＣで流量調整しながら、ガス混合室１５内に成膜処理用のガスを導入する。

これにより、ガス混合室１５内に供給された複数種類の成膜処理用のガスは、ガス混合室１５において予め均一に混合される。そして、予め均一に混合された混合ガスが、シャワーへッド１３内に供給され、内部の分散板２１ａ，２１ｂ，２１ｃでシャワーへッド１３内に均等に分散される。そして、均等に分散された混合ガスは、冷却されたシャワープレート１７（または第３分散板２１ｃ）を通過することで冷却され、ステージ１２上の基板Ｗに向かって供給される。

これにより、加熱された基板Ｗによって、シャワーへッド１３が加熱されることによる混合ガスの加熱が防止される。したがって、予め均一に混合された混合ガスをより低温に保った状態で、加熱した基板Ｗの表面に供給して成膜処理を行うことが可能になる。

＜半導体薄膜の成膜方法＞
次に、上述した成膜装置1を用いた半導体薄膜の成膜方法の第１実施形態を、図１を参照して説明する。ここでは、エッチング性ガスと成膜ガスとを加熱した基板の表面において熱化学反応させることで、多結晶シリコン薄膜や多結晶シリコンゲルマニウム薄膜などの結晶質の半導体薄膜を成膜する、いわゆる反応性熱ＣＶＤ法による成膜方法を説明する。

先ず、例えばガラス材料からなる基板Ｗをステージ１２上に載置固定し、４５０℃程度に加熱する。

そして、処理室１１の内部を排気して所定の圧力に減圧する。また、減圧手段１４に備えられた圧力制御機構により、以降の工程において処理室１１に成膜処理ガスが導入された場合であっても、処理室１１内における圧力がたとえば４００Ｐａ程度に保たれるように調整しておく。

さらに、冷媒管１８に冷媒としてヘリウム（Ｈｅ）を流し、シャワーへッド１３のシャワープレート１７を冷却しておく。尚、シャワープレート１７は外周枠１９への熱伝導によっても冷却された状態となっている。

以上のような状態で、ガス供給管１６ａ，１６ｂ，１６ｃから成膜処理ガスを導入する。この成膜処理においてガス供給管１６ａ，１６ｂ，１６ｃから導入する成膜処理ガスとしては、半導体材料を含有する成膜ガス、エッチング性ガス、希釈ガスが用いられる。成膜ガスとしては、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、トリシラン（Ｓｉ₃Ｈ₈）が用いられる。エッチング性ガスとしては、フッ素（Ｆ₂）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ₄）、三フッ化塩素（ＣｌＦ₃）が用いられる。また、希釈ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ₂）、水素（Ｈ₂）などが用いられる。

このうち、エッチングガスとして、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ₄）を選択した場合には、結晶質の半導体薄膜として多結晶シリコンゲルマニウム薄膜が成膜される。そしてそれ以外は、結晶質の半導体薄膜として多結晶シリコン薄膜が成膜される。このため、成膜目的とする半導体薄膜によって、成膜処理ガスが適切に選択される。

ここでは例えば、成膜ガスとしてジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、エッチング性ガスとして四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ₄）、希釈ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）をガス供給管１６ａ，１６ｂ，１６ｃからガス混合室１５に導入する。この際、マスフローコントローラＭＦＣにて、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）の流量を１０ｓｃｃｍ、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ₄）の流量を０．４ｓｃｃｍ、アルゴン（Ａｒ）の流量を５０００ｓｃｃｍに調整して導入する。

尚、この際、ガス混合室１５の温度は、成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）との反応開始温度（３００℃）未満に保たれており、たとえば２００℃に保たれていることとする。これにより、成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）とが、基板Ｗに供給される前に気相反応によって消費されることを防止する。

以上により、ガス混合室１５内において成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）と希釈ガス（Ａｒ）とを均一に混合し、さらにシャワーへッド１３内において均等に分散させた状態で、４５０℃に加熱された基板Ｗの表面に供給する。この際、基板Ｗ表面の周囲における圧力雰囲気は４００Ｐａ程度に保たれる。

これにより、基板Ｗの表面に供給された成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）とが、４５０℃に加熱された基板Ｗの熱によって熱化学反応を引き起こし、基板Ｗの表面上に多結晶シリコンゲルマニウム薄膜が成膜される。この際、約９ｍｍ／ｍｉｎ程度の成膜速度で多結晶シリコンゲルマニウム薄膜が形成される。

尚、上述した手順において、基板Ｗの加熱温度を５００℃に保った場合には、基板Ｗの表面に、約２０ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度で多結晶シリコンゲルマニウム薄膜が形成される。

以上のような成膜方法では、基板Ｗの表面に供給される成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）とは、ガス混合室１５内において、熱化学反応の開始温度よりも低い温度であらかじめ混合される。このため、エッチング性ガスと成膜ガスとが、シャワーへッドに設けられた別々の穴状ガス導入口から成膜室内に導入される場合と比較して、基板Ｗ表面の各部に対するエッチング性ガスと成膜ガスとの供給割合（混合比）を均一化することができる。したがって、膜質の均一な多結晶シリコンゲルマニウム薄膜を得ることができる。

しかも、ガス混合室１５内で予め混合された混合ガスが、冷却されたシャワープレート１７から基板Ｗに向かって供給される。この際、シャワープレート１７が冷却状態に保たれているため、４５０℃に加熱された基板Ｗからの輻射熱によるシャワープレート１７（シャワーへッド１３）の加熱が防止され、さらに加熱されたシャワーへッド１３によって混合ガスが加熱されることを防止できる。またシャワープレートにより、混合ガスを冷却することもできる。

これにより、加熱された基板Ｗ表面に供給される直前まで、混合ガスがより低温な状態に保たれて成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）とが未反応の状態で維持される。そして、この未反応な状態で基板Ｗ表面に到達し易くなる。したがって、加熱された基板Ｗ表面において、成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）とが熱化学反応を起こす割合が増加し、結晶性の高い多結晶シリコンゲルマニウム薄膜を得ることができる。

以上説明したように本発明によれば、膜質が均一で、しかも結晶性が高く、これにより膜質の良好な結晶性の半導体薄膜を得ることが可能になる。

＜薄膜半導体装置の製造方法−１＞
次に、上述した成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第１の例を、図５〜図７の断面工程図に基づいて説明する。ここでは、これらの図を用いて薄膜トランジスタとしてトップゲート型のＴＦＴの製造方法を説明し、さらにはこれを用いた表示用駆動パネル（薄膜半導体装置）の製造方法を説明する。

先ず、図５（ａ）に示すように、絶縁性の基板３１を用意する。この基板３１には、例えば旭ガラス社製ＡＮ６３５、ＡＮ１００、コーニング社製Ｃｏｄｅ１７３７等が適宜用いられる。

そして、プラズマＣＶＤ法またはＬＰＣＶＤ法等の成膜方法によって、この基板３１上に、バッファ層となる窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜３２を成膜し、さらに酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜３３を約１００ｎｍ〜４００ｎｍの膜厚で成膜する。この際、窒化シリコン膜３２および酸化シリコン膜３３の成膜にプラズマＣＶＤ法を用いる場合には、先ず窒化シリコン膜３２の成膜においては、無機系シランガス（ＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆等）とアンモニアガス（ＮＨ₃）とを成膜ガスに用いる。また、酸化シリコン膜３３の成膜においては、上記無機系シランガスと酸素（Ｏ₂）または亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）とを成膜ガスに用いる。尚、成膜の際の基板温度は４５０℃程度に保つこととする。

以上の後、先の実施形態で説明した成膜装置を用いて成膜方法（反応性熱ＣＶＤ法）を適用して、結晶性の半導体薄膜３４を成膜する。つまり、成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）との熱化学反応により、多結晶シリコンゲルマニウム薄膜を結晶性の半導体薄膜３４として成膜する。または、成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（Ｆ₂）との熱化学反応により、多結晶シリコン薄膜を結晶性の半導体薄膜３４として成膜する。ここでは、９〜１０ｎｍ／ｍｉｎ．程度の成膜速度で、膜厚が１０〜１００ｎｍ、好ましくは４０ｎｍの多結晶シリコン薄膜を成膜することとする。

次に、図５（ｂ）に示すように、半導体薄膜３４をパターンエッチングすることによってアイランド状に分離する。

その後、図５（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によって、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜３５を、約１００ｎｍの膜厚で成膜する。その後、必要に応じて、ここで形成する薄膜トランジスタのＶｔｈを制御する目的で、Ｂ⁺イオンをドーズ量０．１Ｅ１２〜４Ｅ１２／ｃｍ²程度で半導体薄膜３４にイオン注入する。この際、イオンビームの加速電圧は２０〜２００ｋｅＶ程度に設定される。

次に、図５（ｄ）に示すように、パターニングされた半導体薄膜３４上にゲート絶縁膜３５を介してゲート電極３６を形成する。この場合、先ず、ゲート絶縁膜３５上にアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、不純物が添加されたポリシリコン（Doped poly-Si）、あるいはこれらの合金を２００〜８００ｎｍの膜厚に成膜し、これをパターニングすることによってゲート電極３６を形成する。

その後、図６（ｅ）に示すように、ゲート電極３６をマスクにしたイオン注入法によって、ｎ型のＭＯＳトランジスタのＬＤＤ拡散層３７を半導体薄膜３４中に形成するための不純物導入を行う。この際、例えばＰ⁺イオンを用い、注入ドーズ量：６Ｅ１２〜５Ｅ１３／ｃｍ²、加速電圧：２０〜２００ｋｅＶ程度に設定した質量分離イオン注入が行われる。

次に、図６（ｆ）に示すように、ｎチャンネル領域ａにおけるゲート電極３６の側壁を覆い、かつｐチャンネル領域ｂを覆うレジストパターン３８を形成し、これをマスクにしたイオン注入によって、ｎチャンネルの薄膜トランジスタのソース・ドレイン３９を形成するための不純物導入を行う。この際、例えばＰ⁺イオンを用い、注入ドーズ量：１Ｅ１４〜１Ｅ１５／ｃｍ²、加速電圧：２０〜２００ｋｅＶ程度に設定した質量分離または非質量分離型のイオンシャワードーピングが行われる。これにより、ｎチャンネルの薄膜トランジスタ（ｎＴＦＴ）４０を形成する。イオン注入後には、レジストパターン３８を剥離する。

さらに、図６（ｇ）に示すように、ｎチャンネル領域ａを覆うレジストパターン４１を形成し、これとｐチェンネル領域ｂのゲート電極３６をマスクにしたイオン注入法によって、ｐチャンネルの薄膜トランジスタのソース・ドレイン４２を形成するための不純物導入を行う。この際、例えば、Ｂ⁺イオンを用い、注入ドーズ量：１Ｅ１５〜３Ｅ１５／ｃｍ²、加速電圧１０〜１００ｋｅＶ程度で注入し、ｐチャンネルの薄膜トランジスタ（ｐＴＦＴ）４３を形成する。イオン注入後には、レジストパターン４１を剥離する。

以上の後、図７（ｈ）に示すように、ＴＦＴ４０，４３を覆うように、基板３１上に酸化シリコン膜４４を約６００ｎｍの膜厚で成膜する。この状態で、半導体薄膜３４中に導入した不純物を活性化させるため、レーザーアニール、ランプアニール、炉アニール等から適宜選択された方法で活性化アニール処理を行う。次に、窒化シリコン膜４５を２００〜４００ｎｍの膜厚で成膜した後、水素化アニールを窒素（Ｎ₂）中において３５０〜４００℃で１時間程度施す。

次いで、図７（i）に示すように、酸化シリコン膜４４と窒化シリコン膜４５からなる層間絶縁膜に、各ＴＦＴ４０，４３を構成する半導体薄膜３４に達するコンタクトホール４６を形成する。

その後、図７（ｊ）に示すように、コンタクトホール４６を介して半導体薄膜３４に接続される配線電極４７を形成する。この配線電極４７の形成は、Ａｌ−Ｓｉ等の配線用電極材料をスパッタ成膜し、これをパターニングすることによって行う。

その後、例えばアクリル系有機樹脂からなる平坦化絶縁膜４８を約１μｍの膜厚で塗布形成し、この平坦化絶縁膜４８に配線電極４７に達するコンタクトホール４９を形成する。そして、このコンタクトホール４９を介して配線電極４７に接続された画素電極５０を、平坦化絶縁膜４８上に形成する。画素電極５０は、例えば透明導電性材料であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）をスパッタ成膜し、これをパターニングすることによって形成する。また、画素電極５０がＩＴＯからなる場合には、画素電極５０を窒素雰囲気中において約２２０℃で３０分間アニールする。以上により、表示用駆動パネルとなる薄膜半導体装置５１の完成となる。

以上の製造方法においては、図５（ａ）を用いて説明したように、反応性熱ＣＶＤ法によって各ＴＦＴ４０,４３を構成する半導体薄膜３４の成膜を行っている。反応性熱ＣＶＤ法では、成膜に使用するガスの化学反応エネルギーを用いてＴＦＴ成膜が進められる。例えば、ここでは、Ｓｉ₂Ｈ₆−ＧｅＦ₄系またはＳｉ₂Ｈ₆−Ｆ₂系の酸化還元反応が進み、Ｓｉ₂Ｈ₆がＧｅＦ₄またはＦ₂により酸化されてＳｉＧｅまたはＳｉが生じる。この反応系で得られる膜は水素を含まない多結晶状態の結晶性を示す。またこの反応性熱ＣＶＤ法による半導体薄膜３４の成膜には、図１〜図４を用いて説明した本発明の成膜装置とこれを用いた成膜方法が適用される。したがって、膜質が均一で、しかも結晶性が高い半導体薄膜３４を得ることができる。この結果、基板３１上の全面において、移動度の高いＴＦＴ４０,４３を、面内均一に形成することができ、全面において良好な表示駆動を行うことが可能になる。

＜薄膜半導体装置の製造方法−２＞
次に、上述した成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第２の例を、図８〜図９の断面工程図に基づいて説明する。ここでは、これらの図を用いて薄膜トランジスタとしてボトムゲート型のＴＦＴの製造方法を説明し、さらにはこれを用いた表示用駆動パネル（薄膜半導体装置）の製造方法を説明する。

先ず、図８（ａ）に示すように、第１実施形態と同様の絶縁性の基板７１上にゲート電極７２を形成する。この場合、先ず、基板７１上に、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）またはこれらの合金等を２０〜２５０ｎｍの膜厚で形成し、これをパターニングすることによってゲート電極７２を形成する。

次に、図８（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によって、基板７１上にゲート電極７２を覆う状態で、窒化シリコン膜７３を３０〜５０ｎｍの膜厚で成膜し、さらに続けて酸化シリコン膜７４を５０〜２００ｎｍの膜厚で成膜し、ゲート絶縁膜７５を得る。

その後、さらに続けて、ゲート絶縁膜７５上に、先の実施形態で説明した成膜装置を用いて成膜方法（反応性熱ＣＶＤ法）を適用して、結晶性の半導体薄膜７６を成膜する。つまり、成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（ＧｅＦ₄）との熱化学反応により、多結晶シリコンゲルマニウム薄膜を結晶性の半導体薄膜７６として成膜する。または、成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）とエッチング性ガス（Ｆ₂）との熱化学反応により、多結晶シリコン薄膜を結晶性の半導体薄膜７６として成膜する。ここでは、９〜１０ｎｍ／ｍｉｎ．程度の成膜速度で、膜厚が１０〜１００ｎｍ、好ましくは４０ｎｍの多結晶シリコン薄膜を成膜することとする。

次に、プラズマＣＶＤ法によって、酸化シリコンからなるキャップ絶縁膜７７を１００〜２００ｎｍの膜厚で成膜する。その後、必要に応じてＴＦＴのＶｔｈを制御する目的で、Ｂ⁺イオンをドーズ量０．１Ｅ１２〜４Ｅ１２／ｃｍ²程度で半導体薄膜７６にイオン注入する。この際、イオンビームの加速電圧は１０〜１００ｋｅＶ程度に設定される。

次いで、図８（ｃ）に示すように、キャップ絶縁膜７７と、半導体薄膜７６とを同一の形状にパターンエッチングしてアイランド状に分離する。

その後、基板７１側からの裏面露光によって、ゲート電極７２をマスクとしてキャップ絶縁膜７７上にレジストパターン７８を形成する。

次に、図８（ｄ）に示すように、レジストパターン７８をマスクにしたイオン注入法によって、ｎチャンネルの薄膜トランジスタ（ｎＴＦＴ）のＬＤＤ拡散層７９を半導体薄膜７６中に形成するための不純物導入を行う。この際、例えばＰ⁺イオンを用い、注入ドーズ量：４Ｅ１２〜５Ｅ１３／ｃｍ²、加速電圧：１０〜１００ｋｅＶ程度に設定した質量分離イオン注入が行われる。

その後、図９（ｅ）に示すように、ｎチャンネル領域ａにおけるゲート電極７２上およびＬＤＤ拡散層７９上、さらにｐチャンネル領域ｂ全体を覆うレジストパターン８０を形成し、これをマスクにしたイオン注入法によって、ｎチャンネルの薄膜トランジスタ（ｎＴＦＴ）のソース・ドレイン８１を形成するための不純物導入を行う。この際、例えばＰ⁺イオンを用い、注入ドーズ量：１Ｅ１４〜１Ｅ１５／ｃｍ²、加速電圧：１０〜１００ｋｅＶ程度に設定した、質量分離または非質量分離型のイオンシャワードーピングが行われる。これにより、ｎＴＦＴ８２を形成する。イオン注入後には、レジストパターン８０を剥離する。

次いで、図９（ｆ）に示すように、ｎチャンネル領域ａ全体と、ｐチャンネル領域ｂのゲート電極７２上を覆うレジストパターン８３を形成し、これをマスクにしたイオン注入法によって、ｐチャンネルの薄膜トランジスタ（ｐＴＦＴ）８５のソース・ドレイン８４を形成するための不純物導入を行う。この際、例えば、Ｈ₂希釈のＢ₂Ｈ₆ガスを用い、Ｂ⁺イオンを注入ドーズ量：１Ｅ１５〜３Ｅ１５／ｃｍ²、加速電圧１０〜１００ｋｅＶ程度で注入し、ＰチャンネルＴＦＴ８５を形成する。イオン注入後には、レジストパターン８３を剥離する。

以上の後には、先の実施形態において図７（ｈ）〜図７（ｊ）を用いて説明したと同様の工程を行う。

すなわち、図９（ｇ）に示すように、ＴＦＴ８２，８５を覆うように、基板７１上に酸化シリコン膜４４、窒化シリコン膜４５をこの順で成膜して層間絶縁膜とし、この層間絶縁膜に、各ＴＦＴ８２，８５を構成する半導体薄膜７６に達するコンタクトホール４６を形成する。

次に、コンタクトホール４６を介して半導体薄膜７６に接続される配線電極４７を形成する。

その後、平坦化絶縁膜４８を塗布形成し、この平坦化絶縁膜４８に配線電極４７に達するコンタクトホール４９を形成し、これを介して配線電極４７に接続された画素電極５０を、平坦化絶縁膜４８上に形成する。以上により、表示用駆動パネルとなる薄膜半導体装置８６の完成となる。

以上の製造方法においては、図８（ｂ）を用いて説明したように、反応性熱ＣＶＤ法によって各ＴＦＴ８２,８５を構成する半導体薄膜７６の成膜を行っている。反応性熱ＣＶＤ法では、成膜に使用するガスの化学反応エネルギーを用いてＴＦＴ成膜が進められる。例えば、ここでは、Ｓｉ₂Ｈ₆−ＧｅＦ₄系またはＳｉ₂Ｈ₆−Ｆ₂系の酸化還元反応が進み、Ｓｉ₂Ｈ₆がＧｅＦ₄またはＦ₂により酸化されてＳｉＧｅまたはＳｉが生じる。この反応系で得られる膜は水素を含まない多結晶状態の結晶性を示す。またこの反応性熱ＣＶＤ法による半導体薄膜７６の成膜には、図１〜図４を用いて説明した本発明の成膜装置とこれを用いた成膜方法が適用される。したがって、膜質が均一で、しかも結晶性が高い半導体薄膜７６を得ることができる。この結果、基板７１上の全面において、移動度の高いＴＦＴ８２,８５を、面内均一に形成することができ、全面において良好な表示駆動を行うことが可能になる。

＜薄膜半導体装置の製造方法−３＞
次に、上述した成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第３の例を、図１０の断面工程図に基づいて説明する。ここでは、これらの図を用いて薄膜トランジスタとしてボトムゲート型のＴＦＴの製造方法の他の例を説明する。尚ここでは、ボトムゲート型のＴＦＴの製造方法の他の例として、ＮチャネルのみまたはＰチャネルのみの単一導電型のトランジスタを作製する工程を説明する。

先ず、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す工程は、先の実施形態において図８（ａ）および図８（ｂ）を用いて説明したと同様に行い、基板７１上にゲート電極７２を形成し、これを覆う状態で窒化シリコン膜７３および酸化シリコン膜７４を積層してなるゲート絶縁膜７５を形成する。そして、ゲート絶縁膜７５上に、先の実施形態で説明した成膜装置を用いて成膜方法（反応性熱ＣＶＤ法）を適用して、結晶性の半導体薄膜７６を成膜し、さらにこれを酸化シリコンからなるキャップ絶縁膜７７で覆う。また、必要に応じてＴＦＴのＶｔｈを制御する目的でイオン注入を行う。

次に、図１０（ｃ）に示すように、基板７１側からの裏面露光によって、ゲート電極７２をマスクとしてキャップ絶縁膜７７上にレジストパターン７８を形成する。次いで、レジストパターン７８をマスクにしたエッチングにより、キャップ絶縁膜７７をパターニングし、ゲート電極７２上のみ酸化シリコンからなるキャップ絶縁膜７７を残す。尚、エッチング終了後には、レジストパターン７８を剥離除去する。

次いで、図１０（ｄ）に示すように、キャップ絶縁膜７７を覆う状態で、先の実施形態で説明した成膜装置を用いて成膜方法（反応性熱ＣＶＤ法）を適用して、不純物を含有する結晶性の半導体薄膜９１を成膜する。この際、Ｎ型の多結晶ドープトシリコンゲルマニウム膜を成膜するには、成膜ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）、エッチング性ガス（ＧｅＦ₄）に加え、不純物導入のためホスフィン（ＰＨ₃）を希釈ガス（Ｎ₂、Ａｒ，Ｈ₂、Ｈｅなど）で希釈したガスを用いる。一方、Ｐ型の多結晶ドープトシリコンゲルマニウム膜を成膜するには、ＰＨ₃に換えてジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）などを用いることが望ましい。このような方法で成膜した不純物を含有する結晶性の半導体薄膜９１は、成膜の段階で活性化するので活性化アニールを省略できる利点がある。

次いで、半導体薄膜９１をキャップ絶縁膜７７上で分離するようにパターニングし、ソース９１ｓ、ドレイン領域９１ｄを形成する。またさらに、ソース９１ｓ、ドレイン領域９１ｄの外側において半導体薄膜９１と共に半導体薄膜７６とをパターニングしてアイランド状に素子分離し、ＴＦＴ９２を得る。

次に、図１０（ｅ）に示すように、Ａｌ等の配線電極膜をスパッタ成膜し、これをパターニングすることにより、ソース９１ｓに接続されたソース電極９３、および、ドレイン領域９１ｄに接続された画素電極９４を形成し、表示用パネルの完成となる。

以上の製造方法においても、図１０（ｂ）および図１０（ｄ）を用いて説明したように、反応性熱ＣＶＤ法によって各ＴＦＴ８２,８５を構成する半導体薄膜７６，９１の成膜を行っている。したがって、膜質が均一で、しかも結晶性が高い半導体薄膜７６，９１を得ることができる。この結果、基板７１上の全面において、移動度の高いＴＦＴ９２を、面内均一に形成することができ、全面において良好な表示駆動を行うことが可能になる。

実施形態の成膜装置の概略を示す全体構成図である。 実施形態の成膜装置におけるシャワープレートの平面図である。 シャワーへッドの内部構成図である。 シャワーへッドの他の例を示す内部構成図である。 本発明の成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第１の例を示す断面工程図（その１）である。 本発明の成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第１の例を示す断面工程図（その２）である。 本発明の成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第１の例を示す断面工程図（その３）である。 本発明の成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第２の例を示す断面工程図（その１）である。 本発明の成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第２の例を示す断面工程図（その２）である。 本発明の成膜方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法の第３の例を示す断面工程図である。

符号の説明

１…成膜装置、１１…処理室、１２…ステージ、１３…シャワーへッド、１５…ガス混合室（混合部）、１７…シャワープレート（シャワーへッド）、１８…冷媒管、１９…外周枠、３１，７１，Ｗ…基板、３４，７６，９１…半導体薄膜

Claims (7)

1. エッチング性ガスと半導体材料を含有する成膜ガスとを加熱した基板表面に供給することにより、当該基板表面において当該エッチング性ガスと成膜ガスとを熱化学反応させ、当該基板表面に結晶質の半導体薄膜を成膜する成膜方法において、
   前記エッチング性ガスと成膜ガスとは、前記基板表面に対向配置され冷却状態に保たれたシャワーへッドから当該基板表面の全面に対して供給される
   ことを特徴とする半導体薄膜の成膜方法。
2. 請求項1記載の半導体薄膜の成膜方法において、
   前記エッチング性ガスと成膜ガスとは、前記熱化学反応の開始温度よりも低い温度であらかじめ混合され、混合された状態で前記シャワーへッドから前記基板表面上に供給される
   ことを特徴とする半導体薄膜の成膜方法。
3. エッチング性ガスと半導体材料を含有する成膜ガスとを加熱した基板表面に供給することにより、当該基板表面において当該エッチング性ガスと成膜ガスとを熱化学反応させ、当該基板表面に結晶質の半導体薄膜を成膜する成膜方法において、
   前記エッチング性ガスと成膜ガスとは、前記熱化学反応の開始温度よりも低い温度であらかじめ混合され、混合された状態で前記基板表面に供給される
   ことを特徴とする半導体薄膜の成膜方法。
4. 気密状態が保たれる処理室と、前記処理室内において基板を加熱保持するステージと、前記ステージに対向配置されたガス供給用のシャワーへッドとを備えた成膜装置において、
   前記シャワーへッドには、当該シャワーへッドの熱を放出するための冷却手段が設けられている
   ことを特徴とする成膜装置。
5. 請求項４記載の成膜装置において、
   前記シャワーへッドから供給されるガスを、当該シャワーへッドの上流側であらかじめ混合するための混合部がさらに設けられた
   ことを特徴とする成膜装置。
6. 請求項４記載の成膜装置において、
   前記冷却手段は、前記シャワーへッドに配設された冷媒管からなる
   ことを特徴とする成膜装置。
7. 請求項４記載の成膜装置において、
   前記冷却手段は、前記シャワーへッドの外周枠として設けられている
   ことを特徴とする成膜装置。
   

Images