JP3525882B2 - プラズマｃｖｄ装置および成膜方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマＣＶＤ装置
に関し、特にアクティブマトリックス液晶ディスプレイ
パネル、密着型イメージセンサ等の入出力装置、携帯機
器等に用いる低温での形成が要求される薄膜トランジス
タのゲート絶縁膜の作製に適したプラズマＣＶＤ装置に
関する。また、そのプラズマＣＶＤ装置を用いた成膜方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）を形成する代表的な技術として、水素化アモルファ
ス半導体ＴＦＴ技術及び、多結晶シリコンＴＦＴ技術が
挙げられる。前者は作製プロセス最高温度３００℃程度
であり、移動度１ｃｍ2 ／Ｖｓｅｃ程度のキャリア移動
度を実現している。後者は、例えば石英基板を用い１０
００℃程度のＬＳＩと類似した高温プロセスを用いるこ
とで、キャリア移動度１００ｃｍ2 ／Ｖｓｅｃの性能を
得ることができる。このような高いキャリア移動度の実
現は、たとえば上記ＴＦＴを液晶ディスプレイに応用し
た場合、各画素を駆動する画素ＴＦＴと同時に、周辺駆
動回路部までもが同一ガラス基板上に同時に形成するこ
とができるというコスト、小型化に関する利点がある。
ところが、多結晶シリコンＴＦＴ技術において、上述の
ような高温プロセスを用いる場合、前者のプロセスで用
いることができる安価な低軟化点ガラスを用いることが
できない。そこで多結晶シリコンＴＦＴプロセスの温度
低減が必要になっており、レーザ結晶化技術、ゲート絶
縁膜の低温形成技術、及び低温での良好な絶縁膜−シリ
コン界面形成技術が研究・開発されている。特に、ゲー
ト絶縁膜の低温形成技術として、プラズマＣＶＤ法、ス
パッタ法、ＬＰＣＶＤ法等による二酸化シリコン膜の形
成手段の開発が盛んである。従来のＬＳＩプロセスで用
いられる熱酸化膜に比べ、上述のガラス基板の使用が可
能な６００℃程度以下と低温で形成される二酸化シリコ
ン膜には、次のような課題がある。残留ストレス、ダ
ングリングボンド、不純物等に起因した欠陥準位の低
減、および絶縁耐圧の向上、清浄化不足、プラズマダ
メージ等に起因した界面準位の低減、島状に形成され
た半導体層の被覆性の確保、である。

【０００３】これらの問題のうち特にの清浄化不足、
プラズマダメージ等を解決すべく、特開平３−１９３４
０号公報ではプラズマＣＶＤ法におけるヘリウム希釈率
を経時的に小さくしていくことにより、半導体−絶縁膜
界面では良好な界面を、界面から離れるにしたがって成
膜速度を増加させるという方法が開示されている。ま
た、特開平３−１０８３１９号公報では、半導体薄膜の
形成と絶縁膜の形成を同一反応容器内で行うことによっ
て、良好な界面を形成する方法が、それぞれ開示されて
いる。

【０００４】一方、アイイーイーイーエレクトロンデバ
イスレターズ第１５巻第２号第６９頁IEEE ELECTRON DE
VICE LETTERS, Vol.15, No.2, page 69), 記載のHigh p
erformance poly-crystalline silicon thin film tran
sistors fabricated using remote plasma CVD of SiO2
，(M. Sekiya, et al.)では、低温での良好な絶縁膜−
シリコン界面を形成することができる二酸化シリコン膜
のリモートプラズマＣＶＤ法を提案している。ガスの分
解、成膜前駆体の形成反応を補助するプラズマ形成領域
を、基板位置から離すことによって絶縁膜を形成する半
導体表面へのプラズマ衝撃を抑制し、良好な半導体−絶
縁膜界面を形成するというものである。また、特開平５
−２１３９３号公報ではアイイーイーイーエレクトロン
デバイスレターズ第１５巻第２号第６９頁記載の技術を
改善する方法として、図７に示すようなモノシランを噴
射させるインジェクタ（シラン導入配管のシラン供給
口）をメッシュ近傍に配置する技術を提案している。す
なわち、真空容器１０１内に酸素を供給するシャワーヘ
ッド兼プラズマを形成するためのＲＦ電極１０２、及び
プラズマを閉じこめるための網目状電極１０４、網目状
電極１０５、基板加熱可能な基板ホルダ１０９、基板ホ
ルダ上に熱伝導性良く配置されたガラス基板１０８がそ
れぞれ配置され、排気バルブ１１０に接続された排気装
置により真空排気、プロセスガス排気が可能なプラズマ
ＣＶＤ装置において、ガスボックス１０７から酸素導入
配管１０３、シラン導入配管１０６を介して反応ガスが
供給できるようになっている。ＲＦ電極と網目状電極１
０４とに挟まれた領域において酸素プラズマを形成し、
網目状電極１０４，及び網目状電極１０５を通して中性
活性種を基板表面に輸送、網目状電極１０５近傍に供給
されるシランガスと反応させ基板上に二酸化シリコン膜
を形成しようとするものである。

【０００５】ところが、これらの方法によれば良好な界
面を形成できる反面、シランが反応雰囲気に導入された
後の気相中での反応時間が長くなり、パーティクル状の
二酸化シリコンが気相中で形成されやすく、基板上への
パーティクルの落下が多いという問題があった。パーテ
ィクルの存在はその大きさにも依存するが、欠陥あるい
は上記に示すような絶縁耐圧の低い膜の一因になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような問題は、リ
モートプラズマＣＶＤ装置のみならず気相成長装置全般
に存在し、これを解決する方法として、特開平２−１５
９０１７号公報が開示されている。この公報では、気相
中での反応を低く抑えることで、パーティクルの発生を
防ぎ、均一性の向上を図っている。すなわち、冷却した
基板に沿って原料ガスを移動させながら噴射し、プラズ
マ源にて生成したイオン種、活性種またはそれらの混合
ガスを照射するか、または光を照射することにより薄膜
を形成する。これにより気相反応が抑えられ、薄膜の形
成過程が基板での表面反応が主となるために、パーティ
クルの少ない膜形成ができるというものである。

【０００７】ところで、パーティクルのできる原因とし
ては、上記のような気相反応が進みすぎてできる場合と
は別に、ガスの導入配管や網目状電極等の意図しない箇
所に付着した膜がはがれ落ちてできる場合がある。これ
らの膜はがれにより発生したパーティクルも気相中で発
生したパーティクルと同様基板上に混入すると欠陥の発
生や膜質の悪化につながる。

【０００８】そこで本発明ではプラズマCVD装置におい
て、成長表面へのプラズマダメージを抑制すると共に、
パーティクルの発生を防ぎ、基板の搬送、設置を容易に
することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係わ
る発明は、所望の膜を形成する反応室内の略中央部に設
けられた基板ホルダーの一方の面と他方の面に基板が載
置され、前記基板ホルダーは前記反応室内に基板面が鉛
直に配置され、一方の基板の表面に対面する、第１のガ
スのプラズマを形成する第１のプラズマ形成室と、前記
反応室と前記第１のプラズマ形成室とを分離し、前記第
１のガスのプラズマを閉じ込め活性種を通過させる第 1
の電極部と、前記活性種との気相反応あるいは基板上で
の表面反応によって前記基板上に所望の膜を形成する第
２のガスを導入する、移動可能な第１の導入口と、他方
の基板の表面に対面する、前記第 1 のガスのプラズマを
形成する第２のプラズマ形成室と、前記反応室と前記第
２のプラズマ形成室とを分離し、前記第１のガスのプラ
ズマを閉じ込め活性種を通過させる第２の電極部と、前
記活性種との気相反応あるいは基板上での表面反応によ
って前記基板上に所望の膜を形成する前記第２のガスを
導入する、移動可能な第２の導入口とを有することを特
徴とするプラズマ CVD 装置である。

【００１０】また、上記気相反応が促進されると気相中
でパーティクルが発生し、基板上に粒状堆積物が落下し
ポーラスな膜が形成される。そこで、前記記第２のガス
の導入口を前記電極部と前記基板との間で前記電極部よ
りも前記基板に近い位置に配置することにより、過度な
気相反応を抑制し粒状堆積物の形成を防止することが可
能になる。このときの基板と第２のガス導入口との間
は、４０〜１５０ｍｍの範囲が適当である。これよりも
近づきすぎると形成した膜の膜厚が不均一になり好まし
くない。またこれよりも離れると気相反応が進みすぎパ
ーティクルが発生してしまう。

【００１１】さらに、プラズマＣＶＤ装置では、第２の
ガスとの反応による付着物の上記電極部への付着も避け
られない。このような付着物は密着性が弱く、経時的に
電極部から剥がれ基板上に落下する。プラズマ形成室を
上記基板の下に配置することによって、基板への付着物
の落下を防止することが可能になる。

【００１２】次に、プラズマ形成室を上記基板の下に配
置することによって、以下のような構成が可能になる。
第２のガスの導入口を上記電極部および基板との間に配
置することが可能になる。これは、ガス導入口付近への
付着物が基板へ落下するのを防止できるからである。

【００１３】このようにプラズマ形成室を上記基板の下
に配置することによって、電極部への付着物も第２のガ
ス導入口付近への付着物も基板へ落下することがないの
で、電極部と第２のガス導入口を接近して設けることが
できる。また、プラズマ形成室は上記基板の横にあって
も付着物が基板へ落下するのを避けることができる。こ
れらの場合において、さらに第２のガス導入口を平面状
または網目状の配管に設け、この平面状または網目状の
配管が前記電極部を兼ねるように構成すれば、膜厚を均
一化できると同時にプラズマＣＶＤ装置の構成部品を１
つ少なくすることができる。

【００１４】請求項２に係る発明は、請求項１に記載す
るプラズマCVD装置を用いて成膜する方法であって、反
応室に基板を設置するに当たって、基板ホルダーの一方
の面が水平で且つ上面になるようにした後に、第１の基
板を基板ホルダに設置し、その後基板ホルダーの他方の
面が水平且つ上面になるように前記基板ホルダーを回転
し、前記他方の面に第２の基板を載置した後、 基板ホ
ルダーを鉛直に立て、前記第２のガスのガス導入口を基
板近くに移動し、成膜することを特徴とする成膜方法で
ある。プラズマＣＶＤ装置に基板を設置する際には、基
板ホルダを水平とした方が設置しやすく、設置した後横
に向ける方が効率がよい。そこで、第２のガス導入口を
スライドできる構成としておき、基板設置時には第２の
ガス導入口は基板より遠くに離しておき、設置後基板の
向きをたててから、基板に近付けることとした。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を用いて
以下に記述する。図１は参考例である。以下では第１の
ガスとして酸素を、第２のガスとしてシランガスを用
い、二酸化シリコン膜を形成する場合を例にとって説明
するが、第１のガス、第２のガスはこれらに限られな
い。真空容器１０１内に酸素を供給するシャワーヘッド
兼プラズマを形成するためのＲＦ電極１０２、及びプラ
ズマを閉じこめるための網目状電極１０４、網目状電極
１０５、基板加熱可能な基板ホルダ１０９、基板ホルダ
上に熱伝導性良く配置されたガラス基板１０８がそれぞ
れ配置され、排気バルブ１１０に接続された排気装置に
より真空排気、プロセスガス排気が可能なプラズマＣＶ
Ｄ装置を構成する。ガスボックス１０７から酸素導入配
管１０３、シラン導入配管１０６を介して反応ガスが供
給できるようになっており、ＲＦ電極と網目状電極１０
４とに挟まれた領域において酸素プラズマを形成し、網
目状電極１０４，及び網目状電極１０５を通って中性活
性種を基板表面に輸送、基板近傍に供給されるシランガ
スと反応し基板上に二酸化シリコン膜を形成することが
可能である。

【００１６】図２は図１のプラズマＣＶＤ装置のシラン
導入配管１０６および基板ホルダ１０９の位置関係を示
す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図３
は、シラン導入配管の（ａ）拡大図と、（ｂ）（ａ）の
Ａ−Ａ’断面図である。図において、基板加熱が可能な
基板ホルダ上に配置される基板のサイズに比べ径の大き
なリング状のシラン導入配管１０６を図のように基板の
外側に配置する。ここでは、基板の外周とシラン導入配
管との間を１００ｍｍとした。シラン導入配管を基板サ
イズよりも径の大きいリング状とした。シラン導入配管
を基板の外側に位置するように設置したので、シラン導
入配管に付着した膜が剥がれて落下しても基板上に落ち
ることはなく、作製する膜に悪影響を与えることはな
い。このシラン導入配管は、図３に示すような管状構造
を有し、その側面にシラン噴出孔３０２を多数有してい
る。噴出口の向きは基板中心に向かうように配置するこ
とも、やや上もしくは下方向に噴出するように調整する
ことも可能である。

【００１７】このとき、例えば基板近傍にシランガスを
供給することにより、酸素プラズマ領域へのシランガス
の逆拡散や、網目状電極等への過度の膜付着を防止でき
ると共に、気相中での過度なパーティクル形成を防ぐこ
とが可能になり、基板上への粒状付着物の形成を防ぐこ
とができる。ここではシラン導入配管は基板より１１０
ｍｍ上に設置した。垂直方向でシラン導入配管と基板と
の間は４０ｍｍ〜１５０ｍｍであることが望ましい。４
０ｍｍ以下では、作製した膜の厚さが不均一となり好ま
しくない。また、１５０ｍｍを越えると気相でのパーテ
ィクル形成が進みこれが薄膜に取り込まれると膜質が悪
化する。

【００１８】図４は参考例である。この図は、図１に示
したプラズマＣＶＤ装置を逆さにした配置をしており、
真空容器１０１内に酸素を供給するシャワーヘッド兼プ
ラズマを形成するためのＲＦ電極１０２、及びプラズマ
を閉じこめるための網目状電極１０４、網目状電極１０
５、基板加熱可能な基板ホルダ１０９、基板ホルダ上に
熱伝導性良く配置されたガラス基板１０８からなる。ま
た、排気バルブ１１０に接続された排気装置により真空
排気、プロセスガス排気が可能なプラズマＣＶＤ装置を
構成する。ガスボックス１０７から酸素導入配管１０
３、シラン導入配管１０６を介して反応ガスが供給でき
るようになっており、ＲＦ電極と網目状電極１０４とに
挟まれた領域において酸素プラズマを形成し、網目状電
極１０４、及び網目状電極１０５を通って中性活性種を
基板表面に輸送、基板近傍に供給されるシランガスと反
応し基板上に二酸化シリコン膜を形成することが可能で
ある。図１と同様に２組の網目状電極を用いているが、
１組、あるいは３組以上の網目状電極を用いることがで
きることはいうまでもない。本実施の形態では基板の下
側に成膜しているため、網目状電極やシラン導入配管等
に付着した膜が剥がれ落ちたとしても基板上に降り積も
ることがない。よって、質の良い膜を形成することがで
きる。

【００１９】また、本実施の形態では膜堆積表面が下方
に位置するため、基板搬送時に以下のような注意を払
い、基板を下方に支持したままの搬送を避ける必要があ
る。例えば、金属製のトレイに基板を固定しトレイと一
緒に基板を搬送する方法や、基板搬送後基板ホルダを回
転し上下を反転させる方法を採ることができる。

【００２０】図５は本発明の請求項１の実施の形態を示
すプラズマ CVD 装置の概略図である。 図 5 においては、
成膜時に２枚の基板が垂直に配置され、左右に対象に設
置されたプラズマ形成部と基板を覆うように配置された
シランの導入配管からなるプラズマＣＶＤ装置を示す。
真空容器５０１、シャワーヘッド兼ＲＦ電極５０２、網
目状電極５０３、回転式基板ホルダ５０７からなる。次
に、本発明の請求項２の実施の形態として、基板の CVD
装置への搬送と設置方法について図５ (a) 、 (b) 、 (c) を
用いて説明する。

【００２１】＜基板１ロード時＞はじめに第１の基板５
０５を水平搬送し回転式基板ホルダ５０７の１平面に固
定する。固定方法は機械的に圧をかけて行う方法や、静
電チャックによる方法等を用いることができる。

【００２２】＜基板２ロード時＞次に、回転式ホルダを
１８０度回転し第２の基板５０６を基板ホルダ上に固定
する。なお、基板搬送に必要な機構、搬送時に真空容器
の開口部となるゲートバルブ等を有していることはいう
までもない。

【００２３】＜成膜時＞２枚の基板を基板ホルダに固定
した後、基板ホルダを９０度回転し網目状電極５０３と
対抗する位置に基板を固定する。ここで、シランガス導
入配管５０４を基板に近づけるように移動する。どの程
度近付けるかは、材料や成膜温度等の条件を考慮して決
められ、パーティクル発生が少なく、かつ膜質が均一と
なる位置に移動する。この可動式シラン導入配管は網目
状電極と平行な面を有し、酸素活性種を透過しうる孔
と、シランを噴出しうる孔とを有する。シランを面状に
導入することにより膜厚の均一化が図れる。このような
シラン導入配管の例を図６に示す。図６において、
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。図に
示すように基板全面を覆うような大きさの平面上のシラ
ン導入配管は、酸素活性種を透過する孔６０１を有し、
基板側の面にはシランを噴出する孔６０２を有する。な
お、このようなシラン導入配管は図４に示す実施の形態
において使用することもできる。

【００２４】＜基板回収時＞基板の回収時には、ロード
時と同様に基板を水平位置に戻したのち、搬送機構によ
り順次回収する。２枚同時に成膜を行うことで、装置の
生産能力向上が図れるが、１枚ずつの成膜装置として、
１対のプラズマ形成部と反応部とからなる装置において
も同様の構成を取ることが可能である。

【００２５】上記実施の形態では、シラン導入配管は図
６に示すような平面上の配管を採用したが、図３に示す
ようなパイプ状の配管を網の目のように張り巡らしたも
のでも良い。

【００２６】なお、本発明は酸素とシランガスあるいは
高次シランガスからなる二酸化シリコン膜の成膜のみな
らず、プラズマによって形成された活性種と原料ガスと
の反応により膜形成を行う用途に応用することが可能で
ある。例えば、４フッ化シランのプラズマ活性種と原子
状水素によるシリコン薄膜の形成やフッ素のプラズマ活
性種とシランガスあるいは高次シランによるシリコン薄
膜の形成、などへの応用が可能である。

【００２７】（参考例）請求項１、請求項２に係る発明
のプラズマＣＶＤ装置を用いて二酸化シリコン膜の成膜
を行った。３００×３５０×１．１（ｔ）ｍｍ基板に対
し図２に示すようにシラン導入機構は外周１００ｍｍ離
れ、上部１１０ｍｍ離れた場所に位置し、網目状電極と
は１００ｍｍの距離を置いた。基板温度３００℃、成膜
圧力１３３Ｐａ、ガス流量：酸素２５ｓｃｃｍ、シラン
６ｓｃｃｍ、ＲＦ電力５０Ｗで、図１，２に示すプラズ
マＣＶＤ装置を用いて成膜を行った結果、二酸化シリコ
ン厚１００ｎｍ、基板面内の膜厚分布±６％、絶縁耐圧
８ＭＶ／ｃｍを得た。

【００２８】比較のために、図７に示すような従来の構
成により、網目状電極近傍２０ｍｍの位置にシランを導
入し成膜を行った結果、絶縁耐圧は４ＭＶ／ｃｍであっ
た。また、基板３０枚目の成膜後基板上のパーティクル
を測定した。３μｍ以上のパーティクルは前者では１個
／基板であったが、後者では２０個／基板と基板に付着
するパーティクル量に大きな差が生じた。

【００２９】

【実施例】 図５に示す装置を用いた成膜では、３００×
３５０×１．１（ｔ）ｍｍ基板に対しシラン導入機構は
ｘｙ方向共に１０ｍｍピッチのシラン噴出孔と酸素活性
種透過孔を用い、基板から４０ｍｍ、網目状電極とは１
００ｍｍの位置に可動式シラン導入配管を配置した。基
板温度３００℃、成膜圧力１３３Ｐａ、ガス流量：酸素
２５ｓｃｃｍ、シラン６ｓｃｃｍ、ＲＦ電力５０Ｗ、シ
ラン、酸素共にＨｅで１０倍に希釈した。その結果、二
酸化シリコン厚１００ｎｍ、基板面内の膜厚分布±４
％、絶縁耐圧８ＭＶ／ｃｍであった。５０枚の成膜を行
っても、３μｍ以上のパーティクルは１〜２個／基板で
あった。

【００３０】

【発明の効果】本発明のプラズマＣＶＤ装置によれば、
膜中にパーティクルが取り込まれることが少なく質の高
い膜の形成が可能になる。特に、二酸化シリコン膜の形
成では、絶縁耐圧の高い膜を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す図。

【図２】シラン導入配管と基板との位置関係を説明する
図。

【図３】シラン導入配管を説明する図。

【図４】本発明の実施の形態を示す図。

【図５】本発明の実施の形態を示す図。

【図６】シラン導入配管を示す図。

【図７】従来技術の一例を示す図。

【符号の説明】

１０１ 真空容器 １０２ シャワーヘッド兼ＲＦ電極 １０３ 酸素導入配管 １０４ 網目状電極 １０５ 網目状電極 １０６ シラン導入配管 １０７ ガスボックス １０８ 基板 １０９ 基板ホルダ １１０ 排気バルブ １１１ プラズマ ３０２ 噴出孔 ５０１ 真空容器 ５０２ シャワーヘッド兼ＲＦ電極 ５０３ 網目状電極 ５０４ 可動式シラン導入配管 ５０５ 基板１ ５０６ 基板２ ５０７ 回転式基板ホルダ ５０８ プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ａ (72)発明者 田邉 浩 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−21393（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−14217（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−60528（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/205 H01L 21/31 - 21/31 H01L 21/68 H05H 1/46

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所望の膜を形成する反応室内の略中央部に
   設けられた基板ホルダーの一方の面と他方の面に基板が
   載置され、 前記基板ホルダーは前記反応室内に基板面が鉛直に配置
   され、 一方の基板の表面に対面する、第１のガスのプラズマを
   形成する第１のプラズマ形成室と、前記反応室と前記第
   １のプラズマ形成室とを分離し、前記第１のガスのプラ
   ズマを閉じ込め活性種を通過させる第1の電極部と、 前記活性種との気相反応あるいは基板上での表面反応に
   よって前記基板上に所望の膜を形成する第２のガスを導
   入する、移動可能な第１の導入口と、 他方の基板の表面に対面する、前記第1のガスのプラズ
   マを形成する第２のプラズマ形成室と、 前記反応室と前記第２のプラズマ形成室とを分離し、前
   記第１のガスのプラズマを閉じ込め活性種を通過させる
   第２の電極部と、 前記活性種との気相反応あるいは基板上での表面反応に
   よって前記基板上に所望の膜を形成する前記第２のガス
   を導入する、移動可能な第２の導入口とを有することを
   特徴とするプラズマCVD装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置であっ
   て、反応室に基板を設置するにあたって、 前記基板ホルダの一方の面が水平で且つ上面となるよう
   にして、 前記一方の面に第１の基板を載置し、 その後前記基板ホルダーの他方の面が水平且つ上面にな
   るように前記基板ホルダーを回転して前記他方の面に第
   ２の基板を載置し、 その後基板ホルダーを前記第１の基板表面が前記第１のプラズマ形成室に対面
   し、 前記第２の基板表面が前記第２のプラズマ形成室に対面
   するように鉛直に立て、 成膜することを特徴とするプラズマＣＶＤの成膜方法。