JP2794833B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、薄膜半導体装置の製造方法に関わり、特
に、絶縁ゲート型電界効果トランジスタあるいはTFT(T
hin Film Transistor)のゲート絶縁膜の形成方法に関
する。
[従来の技術] 近年、SOI(Silicon On Insulator)あるいは、三次
元ICや、大型液晶表示パネルや、高速で高解像度の密着
型イメージセンサ等へのニーズが高まるにつれて、低温
で良質のゲート絶縁膜を形成する技術が重要となってき
た。熱酸化法は、900〜1200℃程度の高温プロセスであ
るため(1)安価なガラス基板上に素子を形成できな
い。(2)不順物の横拡散。(3)三次元ICでは下層部
の素子に悪影響(不順物の拡散など)を与える等の問題
がある。現在、CVD法や、光CVD法や、プラズマCVD法な
どでゲート酸化膜を形成する技術が検討されている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、従来の方法で形成した酸化膜は、ゲー
ト絶縁耐圧が低く、界面準位密度が高いというような問
題点がある。poly−Siやゲート酸化膜が圧縮応力を持つ
とき優れたTFT特性が得られるという説がある。しか
し、前記各種CVD法により形成された酸化膜は応力をほ
とんど持たない。また、放電ガスとしてO2ガスを用いた
スパッタ法では優れた膜質のSiO2膜が得られるが、成膜
速度が遅いという問題点がある。
本発明は、この様な問題点を解決し、優れたゲート酸
化膜を形成して良好なトランジスタ特性を有する電界効
果トランジスタや薄膜トランジスタを実現することを目
的としている。
[課題を解決するための手段] 本発明は、基板上に形成されたシリコン薄膜と、ゲー
ト絶縁膜を介して該シリコン薄膜に対向配置されたゲー
ト電極とを有する薄膜トランジスタの製造方法におい
て、該ゲート得絶縁膜を酸素ガスを放電ガスとしてスパ
ッタ法により形成する工程と、酸素ガス及びアルゴンガ
スの混合ガスを放電ガスとしてスパッタ法により形成す
る工程とにより形成することを特徴とする。
[実施例] 第1図(a)に於て、1−1は非晶質絶縁基板であ
る。石英基板あるいはガラス基板などが用いられる。Si
O2で覆われたSi基板を用いることもある。石英基板ある
いはSiO2で覆われたSi基板を用いる場合は1200℃の高温
プロセスにも耐えることができるが、ガラス基板を用い
る場合は軟化温度が低いために約600℃以下の低温プロ
セスに制限される。はじめに非晶質絶縁基板1−1上に
非晶質シリコン薄膜1−2を堆積させる。該非晶質シリ
コン薄膜1−2は一様で、微小な結晶子は含まれておら
ず結晶成長の核が全く存在しないことが望ましい。堆積
方法としてはEB(Electron Beam)蒸着法やスパッタ法
やCVD法や光CVD法やプラズマCVD法がある。プラズマCVD
法は、光起電力素子や、フォトダイオードや、感光ドラ
ムなどを作製する場合によく用いられる方法である。非
晶質シリコン薄膜を堆積させるには、シランガス(Si
H4)をヘリウムガス(He)あるいは水素ガス(H2)で適
した濃度に希釈し、高周波電圧を印加して、分解堆積さ
せる。プラズマCVD法の場合は、基板温度が500℃以上で
も成膜できる。また、デポ直前に水素プラズマあるいは
アルゴンプラズマ処理を行えば、基板表面の清浄化と成
膜を連続的に行うことができる。その後、400℃〜500℃
のアニールを行い非晶質シリコン薄膜から水素を放出さ
せる。
次に、前記シリコン薄膜1−2を固相成長させる。固
相成長方法は、石英管による炉アニールが便利である。
アニール雰囲気としては、窒素ガス、水素ガス、アルゴ
ンガス、ヘリウムガスなどを用いる。1×10-6から1×
10-18Torrの高真空雰囲気でアニールを行ってもよい。
固相成長アニール温度は500℃〜700℃とする。この様な
低温アニールでは選択的に、結晶成長の活性化エネルギ
ーの小さな結晶方位を持つ結晶粒のみが成長し、しかも
ゆっくりと大きく成長する。第1図(b)において、1
−3は固相成長したシリコン薄膜を示しており、1−4
は結晶粒界を示している。
次に前記固相成長したシリコン薄膜1−3をフォトリ
ソグラフィ法によりパターニングして第1図(c)に示
すように島状にする。
スパッタ方式としてはプラズマをターゲット近傍に圧
縮してスパッタを行うマグネトロン方式が広く用いられ
ている。ターゲットとしてはSiを用いる。スパッタ開始
からの第1段階では、放電ガスとしてO2ガスのみを用い
優れた膜質のSiO2膜を薄く形成する。該第1層目のSiO2
膜を1−5とする。スパッタ工程の第2段階では、前記
第1層目のSiO2膜1−5が数十Å〜数百Å形成されたと
ころで、反応チャンバー内にArガスを混合し放電ガスと
してO2ガスとArガスの混合ガスを用いることによって成
膜速度を高める。この様にして第2層目のSiO2膜1−6
を形成する。反応ガスとしてO2ガス単体を用いた場合
は、反応チャンバー内の内圧や、O2ガス流量によってSi
O2の膜質を制御する。O2ガスとArガスの混合ガスの場合
は、前記内圧や前記流量のほかに、O2ガスとArガスとの
混合比を変えることによってSiO2の膜質を制御する。こ
の様な2段階スパッタ法によれば、薄膜トランジスタの
特性に大きな影響を及ぼすSi−SiO2界面近傍に緻密で表
面形状の滑らかなSiO2膜が得られ、界面近傍にSiO2が形
成された後は堆積速度を高めて膜厚を厚くする。スパッ
タ中の基板温度は、数十〜数百℃である。その後、600
℃以下の低温で熱処理してもよい。成膜されたゲート酸
化膜は、熱処理することによってより緻密で界面準位の
少ない優れた膜となる。
次に第1図(f)に示されるように、ゲート電極1−
7を形成する。該ゲート電極材料としては多結晶シリコ
ン薄膜、あるいはモリブデンシリサイド、あるいはアル
ミニュウムやクロムなどのような金属膜、あるいはITO
やSnO2などのような透明性導電膜などを用いることがで
きる。成膜方法としては、CVD法、スパッタ法、真空蒸
着法、等の方法があるが、ここでの詳しい説明は省略す
る。
続いて第1図(g)に示すように、前記ゲート電極1
−7をマスクとして不純物をイオン注入し、自己整合的
にソース領域1−8およびドレイン領域1−9を形成す
る。前記不純物としては、Nchトランジスタを作製する
場合はP+あるいはAs+を用い、Pchトランジスタを作製す
る場合はB+等を用いる。不純物添加方法としては、イオ
ン注入法の他に、レーザードーピング法あるいはプラズ
マドーピング法などの方法がある。1−10で示される矢
印は不純物のイオンビームを表している。前記非晶質絶
縁基板1−1として石英基板を用いた場合には熱拡散法
を使うことができる。不純物濃度は、1×1015から1×
1020cm-3程度とする。
続いて第1図(h)に示されるように、層間絶縁膜1
−11を積層する。該層間絶縁膜材料としては、酸化膜あ
るいは窒化膜などを用いる。絶縁性が良好ならば膜厚は
いくらでもよいが、数千Åから数μm程度が普通であ
る。窒化膜の形成方法としては、LPCVD法あるいはプラ
ズマCVD法などが簡単である。反応には、アンモニアガ
ス(NH3)とシランガスと窒素ガスとの混合ガス、ある
いはシランガスと窒素ガスとの混合ガスなどを用いる。
ここで、水素プラズマ法、あるいは水素イオン注入
法、あるいはプラズマ窒化膜からの水素の拡散法などの
方法で水素イオンを導入すると,ゲート酸化膜界面など
に存在するダングリングボンドなどの欠陥が不活性化さ
れる。この様な水素化工程は、層間絶縁膜1−10を積層
する前におこなってもよい。
次に第1図(i)に示すように、前記層間絶縁膜及び
ゲート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、コンタクト
電極を形成しソース電極1−12およびドレイン電極1−
13とする。該ソース電極及びドレイン電極は、アルミニ
ュウムなどの金属材料で形成する。この様にして薄膜ト
ランジスタが形成される。
[発明の効果] 従来、放電ガスがArガス単体だったので堆積されたSi
O2膜の表面状態はスパッタ圧依存性が大きく、圧力の増
大とともに表面の流れが激しかった。O2ガスを用いると
スパッタダメージが減少することが知られている。本発
明によれば、ターゲットとしてSiを用い、Si−SiO2界面
付近には放電ガスとしてO2ガス単体でスパッタされたSi
O2膜を薄く堆積させるので表面形状が非常に滑らかで熱
酸化SiO2膜と同程度の緻密なSiO2膜が界面近傍に形成さ
れる。その後はArガスを混合して堆積速度を高めてSiO2
膜を堆積させるので、優れた特性を有するゲート絶縁膜
を短時間で形成することが可能になる。
スパッタ時の内圧によりSiO2膜の膜質を制御すること
が可能であり、内圧を低くすると緻密な膜となる。
O2ガスとArガスの混合比を変えることによりSiO2膜の
組成比を制御することができる。
放電ガスとしてArガスは単体を用いて堆積されたSiO2
膜の絶縁耐圧は約2MV/cmと低いのに対し、本発明のよう
にO2ガスを混合することにより絶縁耐圧を著しく向上で
き、その値は約7MV/cmとなり熱酸化SiO2膜とほぼ同程度
となる。
O2ガスとArガスの混合ガスを用いて堆積されたSiO2
の比抵抗は約5×1015Ω・cmであり、熱酸化SiO2膜と同
程度の非常に優れた絶縁性を有している。
数十〜数百℃の基板温度で堆積可能なので、軟化温度
の低いガラス基板を用いることもできる。
低温で熱酸化SiO2膜に近い特性を有するゲート絶縁膜
を得ることができるので、SOI技術の発展に大きく寄与
するものである。工程数はまったく増えない。600℃以
下の低温のプロセスでも作製が可能なので、価格が安く
て耐熱温度が低いガラス基板をもちいることがきる。優
れたシリコン薄膜が得られるのにかかわらずコストアッ
プとはならない。
本発明によって得られたゲート絶縁膜と大粒径多結晶
シリコン薄膜を用いて薄膜トランジスタを作成すると、
優れた特性が得られる。従来に比べて、薄膜トランジス
タのON電流は増大OFF電流は小さくなる。またスレッシ
ュホルド電圧も小さくなりトランジスタ特性が大きく改
善される。NチャネルとPチャネルとの特性の不釣合い
さも改善される。
非晶質絶縁基板上に優れた特性の薄膜トランジスタを
作製することが可能となるので、ドライバー回路を同一
基板上に集積したアクティブマトリクス基板に応用した
場合にも十分な高速動作が実現される。さらに、電源電
圧の低減、消費電流の低減、信頼性の向上に対して大き
な効果がある。また、600℃以下の低温プロセスによる
作製も可能なので、アクティブマトリクス基板の低価格
化及び大面積化に対してもその効果は大きい。
本発明を、光電変換素子とその走査回路を同一チップ
内に集積した密着型イメージセンサーに応用した場合に
は、読み取り速度の高速化、高解像度化、さらに階調を
とる場合に非常に大きな効果をうみだす。高解像度化が
達成されるとカラー読み取り用密着イメージセンサーへ
の応用も容易となる。もちろん電源電圧の低減、消費電
流の低減、信頼性の向上に対してもその効果は大きい。
また低温プロセスによって作製することができるので、
密着型イメージセンサーチップの長尺化が可能となり、
一本のチップでA4サイズあるいはA3サイズの様な大型フ
ァクシミリ用の読み取り装置を実現できる。従って、セ
ンサーチップの二本継ぎのような手数がかかり信頼性の
悪い技術を回避することができ、実装歩留まりも向上さ
れる。
石英基板やガラス基板だけでなく、サファイア基板
(Al2O3)あるいはMgO・Al2O3,BP,CaF2等の結晶性絶縁
基板も用いることができる。
以上実施例では薄膜トランジスタを例として説明した
が、通常のMOSトランジスタやバイポーラトランジスタ
あるいはヘテロ接合バイポーラトランジスタなど薄膜を
利用した素子に対しても、本発明を応用することができ
る。また、三次元デバイスのようなSOI技術を利用した
素子に対しても、本発明を応用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)から(i)は、本発明の実施例を示す工程
断面図である。 1−3;シリコン薄膜 1−5;第1層目のSiO2膜 1−6;第2層目のSiO2

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に形成されたシリコン薄膜と、ゲー
    ト絶縁膜を介して該シリコン薄膜に対向配置されたゲー
    ト電極とを有する薄膜トランジスタの製造方法におい
    て、該ゲート絶縁膜を酸素ガスを放電ガスとしてスパッ
    タ法により形成する工程と、酸素ガス及びアルゴンガス
    の混合ガスを放電ガスとしてスパッタ法により形成する
    工程とにより形成することを特徴とする薄膜トランジス
    タの製造方法。
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