JP2009164519A - 低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法、低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置および低温ポリシリコンｔｆｔ - Google Patents

Abstract

【課題】低温ポリシリコンに対する成膜において、Ｈ_２パッシベーション効果の優れた保護膜を形成すると共に、電気的特性が安定したＴＦＴを形成する。
【解決手段】低温ポリシリコンの半導体表面に窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の保護膜を形成する成膜方法において、半導体表面にＨ_２パッシベーション用ガスとＳｉを含む材料性ガスとを導入し、低周波プラズマ処理により、Ｈ_２パッシベーションと窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の成膜とを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温ポリシリコンに形成されるパッシベーション膜および低温ポリシリコンの表面を保護する保護膜の成膜に関する。

低温ポリシリコンに窒化膜を成膜する際、ＴＥＯＳ（tetra-ethyl-ortho-silicate）を使用し１３．５６ＭＨｚの周波数を用いた容量結合型プラズマＣＶＤ（ＣＣＰ）によって成膜し、その後４５０℃でＨ_２アニールを行う方法が用いられている。

また、半導体膜上に形成される絶縁膜やパッシベーション膜として窒化シリコン膜が用いられている。この窒化シリコン膜は、従来、１３．５６ＭＨｚまたはさらに周波数の高いＶＨＦ高周波プラズマを用いたプラズマＣＶＤ法により、シラン、アンモニア、窒素の混合ガスを分解することによって成膜する方法が知られている。このプラズマＣＶＤ法を用いたパッシベーション膜の形成において、プラズマにイオン衝撃や熱による半導体膜へのダメージを低減するために、容量結合型プラズマＣＶＤ法を用いた窒化シリコン膜の形成において、ＶＨＦ帯の高周波電力を用い、電極間間隔や圧力を所定値とする構成が提案されている（特許文献１参照）。

また、窒化膜の膜質を改善するために、基板上に、６００℃以下の温度で塩素含有ガスを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜層を成膜する成膜工程と、窒化膜が成膜された基板をアニールするアニール工程とを繰り替えして複数の窒化膜層から窒化膜を形成する点が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００４−９５９５３号公報 特開２００５−５５８９号公報

低温ポリシリコンの表面に窒化膜を成膜して行う保護膜の形成において、１３．５６ＭＨｚの周波数を用いた容量結合型プラズマＣＶＤ（ＣＣＰ）によって成膜を行った後、４５０℃でＨ_２アニールを行う場合には、形成された低温ポリシリコンＴＦＴの電気的特性にばらつきがあるという問題がある。また、窒化シリコン膜の保護膜を成膜する成膜工程と、その後に行うＨ_２アニール工程の２つの工程が必要であるという問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決して、低温ポリシリコンに対する成膜において、Ｈ_２パッシベーション効果の優れた保護膜を形成すると共に、電気的特性が安定したＴＦＴを形成することを目的とする。

本発明は、低周波プラズマ処理により窒化シリコン膜を成膜すると同時にＨ_２パッシベーションを行い、窒化シリコン膜によって保護膜を形成すると共に、Ｈ_２パッシベーションによって、低温ポリシリコンの半導体膜の電気的特性を安定なものとする。保護膜の形成とＨ_２パッシベーションとは、同じ工程で同時に行うことができるため、工程数を低減することができる。

本発明は、低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法、低温ポリシリコンＴＦＴ、および低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置の各態様を含む。

本発明の低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法の態様は、低温ポリシリコンの半導体表面に窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の保護膜を形成する成膜方法において、半導体表面にＨ_２パッシベーション用ガスとＳｉを含む材料性ガスとを導入し、低周波プラズマ処理により、Ｈ_２パッシベーションと窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の成膜とを行う。

導入するガスとして、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３ガス、Ｎ_２ガス、Ｈ_２ガス等が用いられ、Ｈ_２ガスはＨ_２パッシベーション用ガスとして用いられ、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３ガス、Ｎ_２ガスは材料性ガスとして用いられる。

低周波プラズマ処理は、例えば、２５０ＫＨｚのマイクロ波を用いてプラズマ処理を行う。また、このプラズマ処理工程は４００℃以下で行う。

本発明の低温ポリシリコンＴＦＴの態様は、低温ポリシリコン基板に形成されたＴＦＴ上に、本発明の低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法を適用して保護膜を形成してなる低温ポリシリコンＴＦＴである。この低温ポリシリコンＴＦＴは、ＴＦＴ上が保護膜で保護されると共に、Ｈ_２パッシベーションによってＴＦＴは安定した電気的特性が得られる。

本発明の低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置の態様は、低温ポリシリコンの半導体表面に窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の保護膜を形成する成膜装置において、半導体表面にプラズマ処理を施す成膜室と、成膜室にＨ_２パッシベーション用ガスを導入するパッシベーションガス導入部と材料性ガスを導入する材料性ガス導入部とを備える。Ｈ_２パッシベーションガス導入部により成膜室内にＨ_２ガスを導入し、材料性ガス導入部により成膜室内にＳｉＨ_４ガス、ＮＨ３ガス、Ｎ_２ガスを導入し、成膜室内に低周波のマイクロ波を導入してプラズマ処理を行う。

これによって、同一の成膜室内でＨ_２パッシベーションと窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の成膜とを低温ポリシリコンに施して、Ｈ_２パッシベーションによって低温ポリシリコンに形成される膜の電気的特性を安定なものとすると共に、窒化シリコン膜の保護膜を形成する。

プラズマ処理に用いる低周波のマイクロ波は２５０ＫＨｚから４００ＫＨｚを用いることができる。

本発明によれば、低温ポリシリコンに対する成膜において、Ｈ_２パッシベーション効果の優れた保護膜を形成すると共に、電気的特性が安定したＴＦＴを形成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

以下、本実施の形態の低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法について、図１のフローチャートを参照しながら説明する。

成膜室内を真空排気した後（Ｓ１）、Ｈ_２パッシベーションガス導入部から成膜室内にＨ_２パッシベーション用のガスを導入する。Ｈ_２パッシベーション用に導入するガスとして、例えば、Ｈ_２ガスを用いることができる（Ｓ２）。

さらに、材料性ガス導入部から成膜室内に、保護膜を形成するための材料性ガスを導入する。保護膜の形成に用いる材料性ガスとして、窒化シリコン膜の保護膜を形成する場合には例えばＳｉＨ_４ガスを用いることができる（Ｓ３）。

成膜室内に、Ｈ_２パッシベーション用のガスと材料性ガスとを導入した状態において、成膜室内に低周波のマイクロ波を導入してプラズマ処理を行い、Ｈ_２パッシベーションと保護膜の成膜を行う。低周波のマイクロ波として、例えば、２５０ＫＨｚから４００ＫＨｚを用いることができる。（Ｓ４）。

図２に本発明の低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置１の概略構成を示す。低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置１は、加熱室１０、低周波プラズマ装置２９を備える成膜室２０、および冷却室３０により構成することができる。

加熱室１０はチャンバ１１内に搬入された基板１００を真空状態として所定温度に加熱し、成膜室２０に搬出する。成膜室２０は低周波プラズマ装置２９を有し、加熱室１０から搬入された基板１００の表面を低周波数でプラズマ処理してＨ_２パッシベーションを行い、表面に窒化シリコン膜の保護膜を形成する。成膜室２０で処理された基板１００は、冷却室３０に送られて冷却された後、外部に搬出される。

成膜室２０は、低周波プラズマ処理によって、Ｈ_２パッシベーションと窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の保護膜の成膜処理とを同じチャンバ内で行う。

加熱室１０は、内部を真空状態とするチャンバ１１を有する。このチャンバ１１内には、ゲート４０を介してトレー１１０に載置された基板１００が導入される。チャンバ１１内において、導入された基板１００は、トレー１１０上に支持された状態で搬送装置１２によって搬送される。チャンバ１１内には、基板１００を加熱するヒータ１３が設けられ、搬送装置１２によって基板１００を搬送している間や、所定位置に停止している間に基板１００を加熱する。

ヒータ１３は、例えば、ランプヒータやシースヒータを用いる他に、高周波誘導加熱のコイルを用いることができる。例えば、ランプヒータによる加熱では、ランプヒータから発せられる赤外線によってトレー１１０上に載置された基板１００を加熱する。

また、チャンバ１１内には、プロセスガス導入管（図示していない）からＨ_２ガスなどのプロセスガスを導入することができ、また、チャンバ１１の底板には真空排気管（図示していない）が配設され、真空排気ポンプ（図示していない）に接続している。プロセスガス導入管（図示していない）を通してチャンバ１１内にガスを導入しながら真空排気管（図示していない）により排気することによって、チャンバ１１内を一定の圧力に保持することができる。

加熱室１０から導出された基板１００は、ゲート４１を介して成膜室２０内に導入される。

成膜室２０は、チャンバ２１の内部に、低周波プラズマ装置２９を備え、チャンバ２１内は真空排気装置（図示していない）による真空引きによって真空雰囲気となる。

低周波プラズマ装置２９は、低温ポリシリコン基板の表面にＨ_２パッシベーションを施す他に、窒化シリコン膜の保護膜を形成する装置である。搬送装置２２は、チャンバ２１内に導入された低温ポリシリコンの基板１００の低周波プラズマ装置２９への搬入、低周波プラズマ装置２９によってＨ_２パッシベーションされ、保護膜が形成された低温ポリシリコンの基板１００のチャンバ外への搬出等を行う。

以下、成膜室の構成について、図３に示す概略図を用いて説明する。

図３において、低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置１が備える成膜室２０は、チャンバ２１、搬送装置２２、マイクロ波導波管２３、低周波プラズマ装置２９、プロセスガス導入管２４、材料性ガス導入管２５、ステージ２６、ヒータ２７、真空排気管２８を備える。

低周波プラズマ装置２９は、マイクロ波導波管２３を通してマイクロ波発生源４０からマイクロ波が供給され、プラズマを励起する。

マイクロ波発生源４０は、低周波数のマイクロ波を発生する低周波マイクロ波発生源を備える。マイクロ波発生源４０で発生した低周波マイクロ波（例えば、２５０ＫＨｚから４００ｋＨｚ）は、マイクロ波導波管２３からチャンバ２１内に導入される。

チャンバ２１は、その内部空間に生成するプラズマによって、トレー１１０上に載置した基板１００の表面に成膜を施す密閉容器であり、内部を真空排気するための真空排気管２８が設けられ、図示しない真空ポンプによって真空引きされる。試料ステージ２６は、内部に設けたヒータ２７によって成膜対象である基板を加熱することが可能である。また、必要に応じて、冷却する構成や、電界を印加する構成としてもよい。

また、チャンバ２１内にはプロセスガス導入管２４が導入され、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５１ａから調整バルブ５２を介して例えば、Ａｒガス等のプロセスガスと、Ｈ_２パッシベーションに用いるＨ_２ガス（水素ガス）が導入される。Ｈ_２ガス（水素ガス）は、プラズマのラジカルによる乖離によってＨ_２が発生する。低周波プラズマは基板に対してＨ_２を打ち込み、これによってＨ_２パッシベーション効果を奏し、電気的特性を安定なものとする。

チャンバ２１には、マイクロ波導波管２３が設けられてマイクロ波発生源５０から低周波マイクロ波電力の供給を受ける他に、プロセスガス導入管５４が設けられ、プロセスガス、ＮＨ_３ガス（アンモニアガス）、Ｎ_２ガス（窒素ガス）が導入される。

チャンバ２１に対して、複数のマイクロ波導波管２３および複数のプロセスガス導入管２４を設けることによって、チャンバ２１内のプラズマを均一化させることができる。

また、チャンバ２１内には、材料性ガスを導入する材料性ガス導入管２５を複数設けられる。図４に示す構成例では、チャンバ２１の側面側に材料性ガス導入管２５を配置する構成を示している。また、チャンバ２１の中央部分に材料性ガス導入管を配置する構成としてもよい。なお、材料性ガス導入管２５には、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５１ｂ、５１ｃから材料性ガスが供給される。

なお、図４では、材料性ガス導入管２５を２組示しているが、設ける個数は２組に限られるものではなく、チャンバ２１や試料ステージ２６の大きさや形状に合わせて定めることができる。

試料ステージ２６は、内部にヒータ２７を備える。ヒータ２７は、領域Ｒに応じて複数箇所に設けることができる。成膜ガスのうち、プロセスガス導入管２４からチャンバ２１内へ導入されるプロセスガスは、Ｎ_２ガス、Ｏ_２ガス、Ｈ_２ガス、ＮＯ_２ガス、ＮＯガス、ＮＨ_３ガス等の反応性活性種の原料となるガスの他に、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等の希ガスである。成膜ガスのうち材料性ガス導入管２５からチャンバ２１内へ導入される材料性ガスは、ＳｉＨ_４ガス、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス等のシリコン薄膜或いはシリコン化合物薄膜の成分であるＳｉ元素を含むガスである。

チャンバ２１の底板には、図示しない真空排気ポンプに接続される真空排気管２８が配設されている。プロセスガス導入管２４、材料性ガス導入管２５を通してそれぞれ所定のガスを所定流量でチャンバ２１内に導入しながら排気を行うことによって、チャンバ２１内を所定圧力に保持することができる。

上記のように構成された低周波プラズマ装置２９では、マイクロ波発生源４０から周波数２５０Ｈｚから４００ｋＨｚのマイクロ波をマイクロ波導波管２３内に導入して低エネルギーのプラズマを生成し、このプラズマの低エネルギー領域にプロセスガス導入管２４からＨ_２ガス（水素ガス）を導入してラジカルを生成させ、このプラズマ処理によりＨ_２パッシベーションを行う。また、低エネルギー領域に材料性ガス導入管２５から材料性ガスを導入することによって、低ダメージの高速成膜を行う。

成膜条件は、例えば、成膜温度を４００℃、ＳｉＨ_４ガスのガス量を４００ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガスのガス量を１２００ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスのガス量を１０００ｓｃｃｍ、マイクロ波電力を８００．０ｗ、チャンバ内の圧力を６７Ｐａとする。

本実施の形態では、次のような作用効果を奏する

本発明の低周波プラズマによれば、Ｈ_２イオンを基板に打ち込む効果によって、Ｈ_２パッシベーション効果を奏することができ、窒化シリコン膜の保護膜の形成と同時に行うことができる。

本発明は、保護膜に限らず、絶縁膜など同様な成膜要求を有する基板上への薄膜の成膜に適用することができる。

本実施の形態の低温ポリシリコン用保護膜の形成方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置の概略構成を示す図である。 本発明の低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置が備える成膜室の概略構成を示す図である。

符号の説明

１…成膜装置、１０…加熱室、１１…チャンバ、１２…搬送装置、１３…ヒータ、２０…成膜室、２１…チャンバ、２２…搬送装置、２３…マイクロ波導波管、２４…プロセスガス導入管、２５…材料性ガス導入管、２６…試料ステージ、２７…ヒータ、２９…低周波プラズマ装置、３０…冷却室、３１…チャンバ、３２…搬送装置、４０〜４３…ゲート、５０……マイクロ波発生源、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ…マスフローコントローラ、Ｒ…領域、１００…基板、１１０…トレー。

Claims (7)

1. 低温ポリシリコンの半導体表面に窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の保護膜を形成する成膜方法において、
   当該半導体表面にＨ_２パッシベーション用ガスとＳｉを含む材料性ガスとを導入し、低周波プラズマ処理により、Ｈ_２パッシベーションと窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の成膜とを行うことを特徴とする、低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法。
2. 前記Ｈ_２パッシベーション用ガスとしてＨ_２ガス又はＮＨ_３ガスを用い、材料性ガスとしてＳｉＨ_４ガスを用いることを特徴とする、請求項１に記載の低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法。
3. 前記低周波プラズマ処理は２５０ＫＨｚのマイクロ波を用いてプラズマ処理を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法。
4. 前記処理工程は、４００℃以下で行うことを特徴とする、請求項１から３の何れか一つに記載の低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載の低温ポリシリコン用保護膜の成膜方法によって、低温ポリシリコン基板に形成されたＴＦＴ上に保護膜が形成されたことを特徴とする、低温ポリシリコンＴＦＴ。
6. 低温ポリシリコンの半導体表面に窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の保護膜を形成する成膜装置において、
   前記半導体表面にプラズマ処理を施す成膜室と、当該成膜室にＨ_２パッシベーション用ガスを導入するＨ_２パッシベーションガス導入部と材料性ガスを導入する材料性ガス導入部とを備え、
   前記Ｈ_２パッシベーションガス導入部により成膜室内にＨ_２ガスあるいはＮＨ_３ガスを導入し、
   前記材料性ガス導入部により成膜室内にＳｉＨ_４ガスを導入し、
   前記成膜室内に低周波のマイクロ波を導入してプラズマ処理を行って、Ｈ_２パッシベーションと窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜の成膜とを行うことを特徴とする低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置。
7. 前記プラズマ処理に用いる低周波のマイクロ波は２５０ＫＨｚであることを特徴とする、請求項６に記載の低温ポリシリコン用保護膜の成膜装置。