JP2008028252A - 半導体層の処理方法、半導体層の処理装置、薄膜トランジスタの製造方法及び薄膜トランジスタの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製するに際して多結晶シリコンからなる半導体層とゲート絶縁膜との界面を良好な状態に形成し、電流駆動能力の向上としきい電圧のばらつきの低減を図る。
【解決手段】 ガラス基板１上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層２の表面を酸化させて第１の絶縁膜３を形成した後、第１の絶縁膜３上に第２の絶縁膜４を堆積させる薄膜トランジスタの製造方法であって、第１の絶縁膜３を形成する工程は、酸素及び水素を構成元素として含むガスを用いて高密度プラズマを発生させ、半導体層２の表面を高密度プラズマ中の活性種で処理する高密度プラズマ処理工程を有する。酸素及び水素を構成元素として含むガスは、例えば、水蒸気を含むガス、又は酸素ガス及び水素ガスの混合ガスである。高密度プラズマ処理工程において形成される酸化膜をエッチングするエッチング工程を有し、エッチング工程を挟んで高密度プラズマ処理工程を複数回行うことが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の処理方法及び半導体層の処理装置に関する。また、本発明は、ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の表面を酸化させて第１の絶縁膜を形成した後、前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を堆積させる薄膜トランジスタの製造方法及び薄膜トランジスタの製造装置に関する。

携帯電話等の表示部に用いられる液晶表示デバイスにおいては、表示領域の各画素を制御するスイッチング素子や表示領域の周辺部に設けられ駆動回路を構成するスイッチング素子として薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）が用いられている。近年では、従来の非晶質シリコンに比較してキャリア移動度が高く、例えば６００℃以下の低温プロセスで形成可能なことから、多結晶シリコンＴＦＴに注目が集まっている。

ところで、液晶表示デバイスの分野においては、多結晶シリコンからなる半導体層上にゲート絶縁膜を形成する方法としてプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりシリコン酸化膜を堆積させる方法が知られており、成膜速度が早いことから広く用いられている。しかしながら、この方法では半導体層とゲート絶縁膜との界面が良好に形成されないことが問題となる。

そこで、プラズマＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜等を堆積させる前に半導体層の表面を酸化して第１の絶縁膜を形成することで、ゲート絶縁膜を２層構造とすることが提案されている。この構造は、半導体層の表面が酸化することによって形成されたシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜が元の半導体層の内側に形成されるため、半導体層とゲート絶縁膜との界面が良好なものとなり、特性ばらつきを低減するうえで有望である。特許文献１においては、酸素原子活性種を含む雰囲気中で半導体の表面を酸化して第１の絶縁膜を形成しており、半導体表面の酸化に寄与する酸素原子活性種を形成する方法として、波長１７５ｎｍ以下の光を酸素ガスを含む雰囲気に照射して形成する方法と、プラズマにより形成する方法とが開示されている。
特開２００２−２０８５９２号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されるように酸素原子活性種を用いて多結晶シリコンからなる半導体層を酸化すると、半導体層のチャネル領域におけるトラップ準位密度が増大し、電流駆動能力の低下やしきい電圧のばらつき等の特性低下を引き起こし、回路設計が困難なものとなる。

一方、単結晶シリコン基板を用いるＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）デバイスの分野においては、半導体層とゲート絶縁膜との界面を形成する方法として、ドライ酸化と比較して良好な界面特性が得られることから、ウェット酸化により熱酸化膜を形成する方法が広く用いられている。ウェット酸化がドライ酸化に比較して良好な界面を形成可能である理由は、ドライ酸化に寄与する反応種が酸素分子又は酸素原子であるのに対し、ウェット酸化に寄与する反応種がＯＨ基であるからと推測される。しかしながら、ウェット酸化では７００℃〜１０００℃程度の高温を要するため、液晶表示デバイスにおけるＴＦＴのように、耐熱性の低いガラス基板上に形成された半導体層を処理する場合には採用できない。

本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、多結晶シリコンからなる半導体層の特性低下を抑制しつつ半導体層の表面を低温で酸化することが可能な半導体層の処理方法及び半導体層の処理装置を提供することを目的とする。また、本発明は、ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製するに際して多結晶シリコンからなる半導体層とゲート絶縁膜との界面を良好な状態に形成し、電流駆動能力の向上としきい電圧のばらつきの低減を図ることが可能な薄膜トランジスタの製造方法及び薄膜トランジスタの製造装置を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明者は長期に亘り種々の検討を重ねてきた。先ず、界面特性の良好な酸化膜を形成可能なＯＨラジカルやＯＨ分子を生成させる方法として、平行平板型のような通常のプラズマ発生手段を備えたＣＶＤ装置に水蒸気を導入することについて検討したところ、ＯＨラジカル等を発生させることは可能ではあるものの、これでは十分な酸化速度を得られないことがわかった。これは、従来の低温酸化技術で用いられている酸素ラジカルに比較してＯＨラジカルの寿命が格段に短いため、基板表面に十分な量が到達できないからと推測される。そこで、半導体層の表面を酸化させるにあたってＯＨラジカルを大量に基板表面まで輸送するための方法についてさらに検討を行った。この際、ＯＨラジカル生成量と反応圧力とに着目した結果、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置では、反応ガスの圧力として１００Ｐａ程度の高圧が必要であり、生成したＯＨラジカルが失活してしまうこと、ラジカル生成量が少ないこと等の問題があることがわかり、これら問題点を解消するには高密度プラズマを用いることが有効であるとの結論に至った。

本発明はこのような知見に基づき完成されたものである。すなわち、本発明に係る半導体層の処理方法は、酸素及び水素を構成元素として含むガスを用いて高密度プラズマを発生させ、ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の表面を前記高密度プラズマ中の活性種で処理する高密度プラズマ処理工程を有することを特徴とする。

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の表面を酸化させて第１の絶縁膜を形成した後、前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を堆積させる薄膜トランジスタの製造方法であって、前記第１の絶縁膜を形成する工程は、酸素及び水素を構成元素として含むガスを用いて高密度プラズマを発生させ、前記半導体層の表面を前記高密度プラズマ中の活性種で処理する高密度プラズマ処理工程を有することを特徴とする。

さらに、本発明に係る半導体層の処理装置は、多結晶シリコンからなる半導体層が形成されたガラス基板を内部に収容するチャンバと、前記チャンバ内に酸素及び水素を構成元素として含むガスを導入する導入手段と、前記チャンバ内に前記酸素及び水素を構成元素として含むガスの高密度プラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備えることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る薄膜トランジスタの製造装置は、ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の表面を酸化させる酸化反応室を少なくとも備える薄膜トランジスタの製造装置であって、前記酸化反応室は、内部に前記ガラス基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内に酸素及び水素を構成元素として含むガスを導入する導入手段と、前記チャンバ内に前記酸素及び水素を構成元素として含むガスの高密度プラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備えることを特徴とする。

本発明においては、酸素及び水素を構成元素として含むガスの高密度プラズマを発生させ、高密度プラズマ中のＯＨラジカル等の活性種で半導体層表面を処理して酸化し、例えば薄膜トランジスタにおけるゲート絶縁膜と半導体層との界面を形成する。高密度プラズマ中にはＯＨラジカルを含む活性種が大量に生成し、また、チャンバ内は比較的低圧とされているのでその失活が比較的抑制されている。このため、半導体層の表面に大量のＯＨラジカルが輸送され、結果として十分な酸化速度にて半導体層の酸化が進行する。また、酸化反応に寄与するＯＨラジカルは、多結晶シリコン膜の膜質を改善する効果を有するため、例えば酸素原子活性種で問題となるような多結晶シリコンからなる半導体層のトラップ準位密度の増大を抑制しつつ半導体層の表面酸化を実現する。さらに、熱酸化膜形成のような高温（例えば８００℃程度）は不要であるため、基板として安価なガラス基板の使用が可能となる。

本発明の半導体層の処理方法及び処理装置によれば、多結晶シリコンからなる半導体層におけるトラップ準位密度の増大を抑制しつつ、半導体層の表面を低温で酸化することができる。また、本発明の薄膜トランジスタの製造方法及び製造装置によれば、半導体層とゲート絶縁膜との界面を良好なものとし、高い電流駆動能力を持つとともにしきい電圧のばらつきの小さい薄膜トランジスタを安価なガラス基板上に作製することができる。

本発明を適用した半導体層の処理方法、半導体層の処理装置、薄膜トランジスタの製造方法及び薄膜トランジスタの製造装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor ：ＴＦＴ）を製造するには、先ず、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１上に多結晶シリコンからなる半導体層２を形成する。半導体層２は、ガラス基板１上にアモルファスシリコンを成膜した後、レーザーアニールにより多結晶シリコン膜とし、所定形状に加工することで得られる。

次に、図１（ｂ）に示すように、半導体層２の表面を酸化してシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜３を形成し、その後、図１（ｃ）に示すように、大気にさらすことなく第１の絶縁膜３上に第２の絶縁膜４を形成し、第１の絶縁膜３及び第２の絶縁膜４からなるゲート絶縁膜５を形成する。第２の絶縁膜４は例えばＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）と酸素ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によってシリコン酸化物を堆積させて形成する。第１の絶縁膜３は膜厚５ｎｍ以下、第２の絶縁膜４は膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に設定される。

次に、第２の絶縁膜４上にゲート金属を成膜した後、所定形状に加工することで、図１（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜５を介して第２の絶縁膜４上にゲート電極６を形成する。その後、リン、ボロン等を半導体層２のコンタクト領域に注入する。次に、ゲート電極６を覆ってゲート絶縁膜５上に層間絶縁膜７を成膜し、その後、活性化アニールを行う。

次に、図１（ｅ）に示すように、ゲート絶縁膜５及び層間絶縁膜７をエッチングしてコンタクトホールを形成し、信号線金属を成膜、加工してソース・ドレイン電極８を形成することで、ＴＦＴ９が作製される。ＴＦＴ９が形成された基板は、例えば液晶表示デバイスのアレイ基板等として用いられる。

前述のＴＦＴの製造プロセスにおいて、第１の絶縁膜３は、以下に説明するような高密度プラズマ処理工程によって形成される。具体的には、第１の絶縁膜３は、酸素及び水素を構成元素として含むガスを用いて高密度プラズマを発生させ、高密度プラズマ中に生じたＯＨラジカル等の活性種で半導体層２の表面を処理し、半導体層２の表面を酸化することにより形成される。以下、第１の絶縁膜３を形成する方法及び装置について詳細に説明する。

図２は、ゲート絶縁膜５を製造するための装置の一部を示す図であり、具体的にはゲート絶縁膜５のうち第１の絶縁膜３を形成するための酸化用反応室１０を示すものである。酸化反応室１０は、チャンバ１１と、チャンバ１１内にガスを導入する導入手段としての導入口１２と、ガラス基板１を載置するとともにヒータを備えるステージ１３と、ステージ１３に対向して配置されたプラズマ発生手段としてのプラズマ源１５とを備える。チャンバ１１にはチャンバ１１内を排気する排気口１６が設けられ、排気口１６にはオートプレッシャーコントローラー、メカニカルブースターポンプ、ドライポンプ等の排気系が接続される。プラズマ源１５には電力を供給するマイクロ波電源１７が接続され、誘電体窓１４を介してプラズマ源１５よりチャンバ１１内にマイクロ波を照射する構成とされる。

チャンバ１１に設けられた導入口１２には、マスフローコントローラー１７を介してＨ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｈｅ等の各種ガスを供給する配管が接続されている。導入ガスはバルブ等により任意に切り替えられるようになっている。図２においては、プラズマ源１５とステージ１３上のガラス基板１との間にガスを導入するように導入口１６を１箇所設置した状態を示したが、導入口１６の設置箇所や設置数は任意に変更可能であり、例えば誘電体窓１４に複数の孔を設けてガラス基板の上方から反応ガスを導入するようにしてもよい。

なお、本発明の製造装置は、図２に示す第１の絶縁膜３を形成するための酸化用反応室１０に加えて、図示は省略するが、第２の絶縁膜４を成膜するためのプラズマＣＶＤ装置が設けられた第２の絶縁膜形成用反応室、処理前又は処理後の基板の搬送室への出し入れを行うカセット室、これらチャンバ間での基板の搬送を行うロボット機構を備える搬送室等を備え、これらがゲートバルブにより仕切られるとともそれぞれ吸排気系が設けられ、一貫して真空状態で処理可能な構造とされている。また、基板を加熱する加熱室、基板を冷却する冷却室等をさらに備えてもよい。

図２に示す酸化用反応室１０を備える装置を利用してゲート絶縁膜５を形成するには、先ず、ゲートバルブ、排気系、搬送ロボットを適宜動作させることにより、半導体層２形成後のガラス基板１をカセット室を介して搬送室へ移動させ、さらに所定の真空とした酸化用反応室１０に搬入し、ステージ１３に載置する。

次に、酸化用反応室１０と搬送室との間のゲートバルブを閉じた状態で、酸素及び水素を構成元素として含むガスを導入口１６からチャンバ１１内に導入するとともに、マイクロ波電源２１からプラズマ源１５に電力を供給し、プラズマ源１５からのマイクロ波により、チャンバ１１内に高密度プラズマを発生させる。励起周波数が２．４５ＧＨｚの場合、例えばプラズマ密度７．８Ｅ１０（１／ｃｍ^３）以上の高密度プラズマを発生させる。プラズマ源１５近傍においてはＯＨラジカル等の活性種が比較的大量に生成し、しかも高密度プラズマは例えば数ｍＴｏｒｒ程度の低圧で生成することから生成したＯＨラジカルの失活が抑えられる。このため、ＯＨラジカル等の活性種を絶縁基板１（半導体層２）まで比較的大量に到達させることができる。その結果、半導体層２の表面が十分な酸化速度にて酸化され、第１の絶縁膜３が速やかに形成される。

酸素及び水素を構成元素として含むガスとしては、具体的には水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を含むガスや、酸素（Ｏ_２）ガス及び水素（Ｈ_２）ガスの混合ガス等を用いることができる。このとき、酸素及び水素を構成元素として含むガスとともに、Ａｒ、Ｋｒ、Ｈｅ等の不活性ガスを混入させてもよい。酸素及び水素を構成元素として含むガスは、１回で導入を完了してもよく、また、複数回に分けて導入してもよい。

半導体層２の酸化を行うに際してステージ１３に内蔵されたヒータによりガラス基板１の加熱を行う場合、基板温度を５００℃以下に維持することが好ましい。このことにより、ガラス基板１として低価格なガラス基板を用いた場合であってもガラス基板のシュリンクを防止しつつ半導体層２の表面酸化を実現することができる。基板温度を４００℃以下とすればより高い効果を得ることができる。なお、ヒータによるガラス基板１の加熱は必須ではなく、加熱を行わずに半導体層２の酸化を行ってもよい。

第１の絶縁膜３を形成した後、ゲートバルブを開けて酸化用反応室１０（チャンバ１１）からガラス基板１を搬出し、ゲートバルブ、排気系、搬送ロボットを適宜動作させることにより、第２の絶縁膜形成用反応室にガラス基板１を搬入する。ゲートバルブを閉じた後例えばＰＥＣＶＤ法によって第１の絶縁膜３上に酸化シリコンを堆積させ、第２の絶縁膜４を形成する。その後、第２の絶縁膜形成用反応室からガラス基板１を搬出し、搬送室を介してカセット室へ移動させて装置外へ取り出す。

以上のように、図２に示すような装置を用いて酸素及び水素を構成元素とするガスの高密度プラズマを発生させ、高密度プラズマ中に含まれる例えばＯＨラジカルのような活性種で半導体層２を処理することで、比較的低温で、且つ半導体層２におけるトラップ準位密度の増大を抑制しつつ半導体層２の表面を酸化し、ゲート絶縁膜５と半導体層２との良好な界面を形成することができる。また、多結晶シリコンからなる半導体層２の表面をＯＨラジカル等の活性種で処理することで、結晶粒界のような欠陥が修復される等、多結晶シリコン膜の膜質を改善する効果も得られる。

＜第２の実施形態＞
つぎに、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と重複する部材には同じ符号を付して説明を省略する。

第１の実施形態において説明したように、高密度プラズマ処理工程においてはＯＨラジカル等の活性種の働きにより多結晶シリコンからなる半導体層２の表面酸化が進行するが、それと同時にＯＨラジカル等の活性種が半導体層２に到達することにより半導体層２の膜質の改善も進行する。

しかしながら、第１の実施形態で説明したような高密度プラズマ処理工程単独では、多結晶シリコン膜の膜質改善の効果は小さく、十分なものとはいえない。これは、多結晶シリコン膜の表面に形成されるシリコン酸化膜（第１の絶縁膜３）によって多結晶シリコン膜へのＯＨラジカル等の活性種の到達が妨げられ、表面付近しか改質が進まないからである。例えば第１の絶縁膜３として最終的に必要とされる膜厚（例えば２ｎｍ程度）にシリコン酸化膜が成長するとその下の多結晶シリコン膜へのＯＨラジカル等の活性種の到達量は大幅に減少してしまう。

そこで本実施形態では、第１の絶縁膜３を形成する工程において、多結晶シリコンからなる半導体層２表面のシリコン酸化膜をエッチングするエッチング工程を挟んで高密度プラズマ処理工程を複数回行う。すなわち、第１の絶縁膜３を形成するまでに、高密度プラズマ処理工程とエッチング工程とを交互に行う。エッチング工程におけるエッチングとは、具体的には還元性ガスを用いたプラズマエッチングが好ましい。

図３は、多結晶シリコン膜に対して高密度プラズマ処理工程と水素ガスを用いたプラズマエッチング工程とを交互に行い、各工程終了毎にｉｎ−ｓｉｔｕエリプソメーターにより測定したシリコン酸化膜の膜厚結果を示す図である。図３から明らかなように、高密度プラズマ処理工程とプラズマエッチング工程とを交互に行うことで、膜厚２ｎｍ程度のシリコン酸化膜の形成とシリコン酸化膜の除去とが繰り返される。これは、大量のＯＨラジカル等の活性種を生成する工程と、ＯＨラジカル等による改質の妨げとなるシリコン酸化膜を除去する工程とが繰り返されているということができる。つまり、第１の絶縁膜３を形成するまでに、多結晶シリコン膜表面にシリコン酸化膜が全くない状態か又はその膜厚が極めて薄い状態で、ＯＨラジカル等の活性種による半導体層２の処理が複数回行われることになるため、ＯＨラジカル等の活性種の半導体層２への到達量の総量を増やすことができる。したがって、半導体層２の表面のみならず膜厚方向の深い部分についてもＯＨラジカル等の活性種が拡散するので、第１の絶縁膜３として所望厚みのシリコン酸化膜を形成しつつ多結晶シリコン膜の膜質の改善効果を充分に得ることができる。

プラズマエッチングに際して用いる還元性ガスは、シリコン酸化膜のエッチングが可能なガスであればよいが、中でも酸素及び水素を構成元素として含むガスとの切り替え時のコンタミネーションが少ないことから水素ガスを用いることが好ましい。

また、プラズマエッチング工程ではシリコン酸化膜のエッチングが可能であれば通常のプラズマ密度のプラズマでよいが、エッチングが効率的に進むことから、例えばプラズマ密度７．８Ｅ１０（１／ｃｍ^３）以上の高密度プラズマエッチングとすることが好ましい。

高密度プラズマ処理工程は少なくとも２回行えばよいが、図４に示すように、回数の増加に伴い膜質改善効果は飽和する傾向を示すことから、生産性と膜質改善効果とのバランスを考えて工程数を設定することが望ましく、例えば２回以上５回以下とする。なお、図４は、高密度プラズマ処理工程とプラズマエッチング工程とを行う操作を１サイクルとし、サイクル回数と多結晶シリコン膜の膜質の指標となるライフタイムとの関係を示している。

以下、図２に示す装置を用いて第１の絶縁膜３を形成する方法について説明する。先ず、高密度プラズマ処理工程を行う。高密度プラズマ処理工程においては、第１の実施形態と同様にして多結晶シリコン膜が形成されたガラス基板を酸化用反応室１０に搬送し、酸化用反応室１０と搬送室との間のゲートバルブを閉じた状態で、酸素及び水素を構成元素として含むガスを導入口１６からチャンバ１１内に導入するとともに、マイクロ波電源２１からプラズマ源１５に電力を供給し、プラズマ源１５からのマイクロ波によりプラズマ源１５近傍に高密度プラズマを発生させる。そして、高密度プラズマ中のＯＨラジカル等の活性種が多結晶シリコン膜に到達することで、多結晶シリコン膜の表面が十分な酸化速度にて酸化され、シリコン酸化膜が形成される。

続いて、プラズマエッチング工程を行う。プラズマエッチング工程においては、導入ガスを切り替え、チャンバ１１内に水素ガス等の還元性ガスを導入するとともに、マイクロ波電源２１からプラズマ源１５に電力を供給し、プラズマ源１５からのマイクロ波によりプラズマ源１５近傍に高密度プラズマを発生させる。そして、還元性ガスとして例えば水素を用いた場合、高密度プラズマ中のＨラジカル等の活性種がシリコン酸化膜に到達し、シリコン酸化膜が除去される。

プラズマエッチング工程の後、再び高密度プラズマ処理工程を行い、シリコン酸化膜を形成する。すなわち、導入ガスを切り替え、酸素及び水素を構成元素として含むガスを導入口１６からチャンバ１１内に導入するとともに、マイクロ波電源２１からプラズマ源１５に電力を供給し、プラズマ源１５からのマイクロ波によりプラズマ源１５近傍に高密度プラズマを発生させる。そして、高密度プラズマ中のＯＨラジカル等の活性種が多結晶シリコン膜に到達することで、多結晶シリコン膜の表面が十分な酸化速度にて酸化され、第１の絶縁膜３であるシリコン酸化膜が形成される。なお、第１の絶縁膜３を形成するまでに、必要に応じてプラズマエッチング工程及び高密度プラズマ処理工程をさらに繰り返してもよい。その後、第１の実施形態と同様にして、第１の絶縁膜３上に第２の絶縁膜４を堆積させてゲート絶縁膜５を形成する。

以上のように、第２の実施形態によれば、比較的低温でゲート絶縁膜５と半導体層２との良好な界面を形成することができるとともに、多結晶シリコン膜の膜質を良好なものとすることができ、サブスレッショルド係数（Ｓ値）や電界効果移動度等の特性に優れたＴＦＴを製造することができる。また、第１の絶縁膜３の形成と多結晶シリコンからなる半導体層２の改質とで１つの反応室を共用することができ、反応室内外に基板を出し入れすることなく導入ガスの切り替えといった簡単な操作で多結晶シリコン膜の改質を実現できるという利点もある。

なお、以上の実施形態においては、多結晶シリコンからなる半導体層の表面処理（酸化）について、ＴＦＴの製造を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の表面処理全般に適用可能である。この場合も、ＴＦＴにおける半導体層と同様に、半導体層におけるトラップ準位密度の増大を抑制しつつ半導体層の表面を酸化することができる。

実験１
（実施例１）
本発明の効果を確認するため、４００ｍｍ×５００ｍｍのガラス基板上に図１（ｅ）に示す構造のＴＦＴを作製し、特性を比較した。

ガラス基板上に多結晶シリコンからなる半導体層を所定形状に形成した後、図２に示す装置を用いて２層構造のゲート絶縁膜を形成した。本例では、第１の絶縁膜を形成する際、水蒸気を含むガスを用いた高密度プラズマ処理を行った。高密度プラズマ処理における導入ガスの流量は水蒸気／アルゴンガス＝２／２０００ｓｃｃｍ、チャンバ内の全圧力は５Ｐａ、基板温度は３１０℃、投入電力は１０ｋＷとした。

第１の絶縁膜の形成後、プラズマ（ＰＥ）ＣＶＤ装置を備えた成膜室にガラス基板を搬送し、ＴＥＯＳとＯ_２ガスを用いてシリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜を形成した。第２の絶縁膜の膜厚は１００ｎｍ程度とした。

（実施例２）
半導体層の表面を酸化して第１の絶縁膜を形成する際、水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを用いた高密度プラズマ処理を行った。高密度プラズマ処理における導入ガスの流量は酸素ガス／水素ガス／アルゴンガス＝３０／２０／２０００ｓｃｃｍ、チャンバ内の全圧力は３０Ｐａ、基板温度は３００℃、投入電力は１０ｋＷとした。それ以外は実施例１と同様にしてＴＦＴを作製した。

（従来例１）
第１の絶縁膜を形成する際、酸素ガスのプラズマを利用した。第１の絶縁膜を形成する際の導入ガスの流量は酸素ガス／クリプトンガス＝５０／２０００ｓｃｃｍ、チャンバ内の全圧力は３０Ｐａ、基板温度は３００℃、投入電力は１０ｋＷとした。それ以外は実施例１と同様にしてＴＦＴを作製した。

（従来例２）
半導体層の表面酸化を行うことなく、すなわち第１の絶縁膜を形成することなく、半導体層の表面に第２の絶縁膜を直接成膜した。それ以外は実施例１と同様にしてＴＦＴを作製した。

以上のように作製したＴＦＴのしきい電圧、電界効果移動度及び最大トラップ準位密度を表１に示す。しきい電圧及び電界効果移動度はサンプル１００個の平均であり、分布は３×σ値を記載した。最大トラップ準位密度はJ. Appl. Phys. 53(2) pp.1193-1202の記載に基づいて求めた。

表１に示すように、ＯＨラジカルが半導体層の表面酸化に寄与する実施例１及び実施例２では、ｎ型、ｐ型ともに最大トラップ準位密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下とすることができ、従来例に比較してしきい電圧の低下を実現するとともに、しきい電圧のばらつきを小さくすることができた。また、実施例１及び実施例２では、従来例に比べて高い電界効果移動度も得られており、高い電流駆動能力を有することが確認された。

なお、図２に示すような装置（本発明装置）を用い、酸素ガス及び水素ガスの混合ガスの高密度プラズマによって単結晶シリコン基板の表面を酸化して絶縁膜を形成し、フラットバンド電圧を評価した。また、比較として、単結晶シリコン基板の表面をウェット酸化した酸化膜（熱酸化膜）、平行平板型プラズマＣＶＤ装置により堆積させたシリコン酸化膜（通常装置）を形成し、評価を行った。結果を図５に示す。図５から、本発明の方法を採用することで、ｎ型、ｐ型のいずれにおいてもウェット酸化による熱酸化膜と同程度のフラットバンド電圧を実現可能であることが確認された。

実験２
（実施例３）
水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを用いた高密度プラズマ処理の後、チャンバへの導入ガスを切り替え、水素ガスのプラズマエッチング工程を行い、その後再び水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを用いた高密度プラズマ処理を行うことにより、第１の絶縁膜を形成した。すなわち、実施例３においては、第１の絶縁膜を形成する際、高密度プラズマ処理工程の後プラズマエッチング工程を行うサイクルを１回行った。

水素ガス及び酸素ガスの混合ガスの高密度プラズマ処理における導入ガスの流量は酸素ガス／水素ガス／アルゴンガス＝３０／２０／２０００ｓｃｃｍ、チャンバ内の全圧力は３０Ｐａ、基板温度は３００℃、投入電力は１０ｋＷとした。また、プラズマエッチング工程における導入ガスの流量は水素ガス／アルゴンガス＝５０／２０００ｓｃｃｍ、チャンバ内の全圧力は３０Ｐａ、基板温度は３００℃、投入電力は１０ｋＷとした。それ以外は実施例１と同様にしてＴＦＴを作製した。

（実施例４）
第１の絶縁膜を形成する際、高密度プラズマ処理工程の後プラズマエッチング工程を行うサイクルを５回行った。それ以外は実施例３と同様にしてＴＦＴを作製した。

以上のように作製したＴＦＴのしきい電圧、電界効果移動度及び最大トラップ準位密度を表２に示す。また、実験１で示した従来例の結果も併せて示す。

以上の表２の結果より、水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを用いた高密度プラズマ処理と水素ガスのプラズマエッチングとを繰り返し行うことによって、例えば最大トラップ準位密度についてはｎ型、ｐ型ともに５×１０^１０ｃｍ^−２以下とさらなる低減が可能となり、ＴＦＴ特性のより一層の向上が実現された。

本発明のＴＦＴの製造方法の一例を示す概略断面図であり、（ａ）は半導体層形成工程、（ｂ）は第１の絶縁膜形成工程、（ｃ）は第２の絶縁膜形成工程、（ｄ）はゲート電極・層間絶縁膜形成工程、（ｅ）はソース・ドレイン電極形成工程を示す。 本発明のＴＦＴの製造装置の一例を示す模式図である。 多結晶シリコン膜表面に対して高密度プラズマ処理工程と水素プラズマを用いたプラズマエッチング工程とを繰り返し行い、各工程終了毎にｉｎ−ｓｉｔｕエリプソメーターにより測定したシリコン酸化膜の膜厚結果を示す図である。 高密度プラズマ処理工程及びプラズマエッチング工程のサイクル回数と多結晶シリコン膜の膜質の指標となるライフタイムとの関係を示す図である。 フラットバンド電圧の評価結果を示す図である。

符号の説明

１ ガラス基板、２ 半導体層、３ 第１の絶縁膜、４ 第２の絶縁膜、５ ゲート絶縁膜、６ ゲート電極、７ 層間絶縁膜、８ ソース・ドレイン電極、９ ＴＦＴ、１０ 酸化用反応室、１１ チャンバ、１２ 導入口、１３ ステージ、１４ 誘電体窓、１５ プラズマ源、１６ 排気口、１７ マイクロ波電源

Claims (10)

1. 酸素及び水素を構成元素として含むガスを用いて高密度プラズマを発生させ、ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の表面を前記高密度プラズマ中の活性種で処理する高密度プラズマ処理工程を有することを特徴とする半導体層の処理方法。
2. 前記酸素及び水素を構成元素として含むガスは、水蒸気を含むガス、又は酸素ガス及び水素ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の半導体層の処理方法。
3. 前記処理に際して前記ガラス基板の温度を５００℃以下に維持することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体層の処理方法。
4. 前記高密度プラズマ処理工程において形成される酸化膜をエッチングするエッチング工程を有し、前記エッチング工程を挟んで前記高密度プラズマ処理工程を複数回行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体層の処理方法。
5. ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の表面を酸化させて第１の絶縁膜を形成した後、前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を堆積させる薄膜トランジスタの製造方法であって、
   前記第１の絶縁膜を形成する工程は、酸素及び水素を構成元素として含むガスを用いて高密度プラズマを発生させ、前記半導体層の表面を前記高密度プラズマ中の活性種で処理する高密度プラズマ処理工程を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
6. 前記酸素及び水素を構成元素として含むガスは、水蒸気を含むガス、又は酸素ガス及び水素ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項５記載の薄膜トランジスタの製造方法。
7. 前記酸化に際して前記ガラス基板の温度を５００℃以下に維持することを特徴とする請求項５又は６記載の薄膜トランジスタの製造方法。
8. 前記第１の絶縁膜を形成する工程は前記高密度プラズマ処理工程において形成される酸化膜をエッチングするエッチング工程を有し、前記エッチング工程を挟んで前記高密度プラズマ処理工程を複数回行うことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
9. 多結晶シリコンからなる半導体層が形成されたガラス基板を内部に収容するチャンバと、前記チャンバ内に酸素及び水素を構成元素として含むガスを導入する導入手段と、前記チャンバ内に前記酸素及び水素を構成元素として含むガスの高密度プラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備えることを特徴とする半導体層の処理装置。
10. ガラス基板上に形成された多結晶シリコンからなる半導体層の表面を酸化させる酸化反応室を少なくとも備える薄膜トランジスタの製造装置であって、
    前記酸化反応室は、内部に前記ガラス基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内に酸素及び水素を構成元素として含むガスを導入する導入手段と、前記チャンバ内に前記酸素及び水素を構成元素として含むガスの高密度プラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備えることを特徴とする薄膜トランジスタの製造装置。
    

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