JP3624558B2 - 薄膜形成装置、薄膜形成方法、及びアクティブマトリクス基板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ディスプレイなどに用いる大面積基板の表面にシリコン膜などといった薄膜を形成するための薄膜形成装置、薄膜形成方法、およびアクティブマトリクス基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置その他の装置を製造する際には、基板上に薄膜を形成することが多々ある。たとえば液晶ディスプレイのアクティブマトリクス基板の製造工程では、基板上に薄膜トランジスタを製造するためにシリコン膜やシリコン酸化膜を基板上に形成する。このような薄膜の形成にはＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やスパッタ法などが用いられる。また、ＣＶＤ法のうち、基板上に多結晶のシリコン膜や非結晶のアモルファスシリコン膜を形成する場合には、膜厚の均一性や膜質が良好であるとして減圧ＣＶＤ法が用いられることが多い。そのための減圧ＣＶＤ装置は、従来、図１３に示すように、基板２０Ｆに薄膜を形成するための反応室１１Ｆと、この反応室１１Ｆの内部に設置された基板２０Ｆを加熱するためのヒータ１２Ｆと、反応室１１Ｆの内部を減圧するための真空排気装置１３Ｆと、反応室１１Ｆの内部にガスボンベ１４Ｆから原料ガスを供給するためのガス供給経路１５Ｆとから大略構成されている。
【０００３】
このような減圧ＣＶＤ装置において、反応室１１Ｆ内における圧力を低く設定した方が基板２０Ｆ上に形成した薄膜の膜厚の均一性や膜質をより向上する傾向があるので、従来は、反応室１１Ｆ内の原料ガス濃度を低く抑えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、減圧ＣＶＤ法において、反応室１１Ｆ内における圧力を低く設定するのに反応室１１Ｆ内の原料ガス濃度が低く設定すると、その分だけ、成膜速度が低くなる。このように、従来から検討されている成膜パラメータの範囲内で、ある特定の特性を高めような成膜条件を設定すると、他の特性が犠牲になるという問題点がある。このような問題点は減圧ＣＶＤ法に限らず、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、その他の成膜方法でも同様である。
【０００５】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、薄膜を形成するにあたって、成膜速度を低下させることなく膜厚の均一性や膜質を向上することができるなどといった新たなパラメータを設定可能な薄膜形成装置、薄膜形成方法、およびアクティブマトリクス基板の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜形成装置は、少なくとも、基板に薄膜を形成するための反応室と、該反応室内を真空引きするための真空排気手段と、前記反応室内に複数のスパッタガスを供給するためのガス供給手段と、該ガス供給手段から供給された複数のスパッタガスを用いて前記反応室内にプラズマを形成することによってターゲットからスパッタ蒸発させた原子または分子により前記反応室内の基板に対して薄膜を形成するためのプラズマ発生手段とを有する薄膜形成装置において、前記ガス供給手段は、前記複数のガスに対応して複数のガス供給経路を備えるとともに、前記複数のガスが前記反応室内に供給される前に、前記複数のガスの種類毎に、該ガスをそれぞれ適正な温度に冷却するための冷却手段を、前記複数のガス供給経路の外側に沿って備えることを特徴とする。
また、本発明の薄膜形成方法は、反応室内で、基板に薄膜を形成する工程と、前記反応室内を真空引きした後、該反応室に複数のガス供給経路が設けられ、それぞれの該ガス供給経路の外側に沿って冷却手段を備えるガス供給手段により、前記反応室内に複数のスパッタガスを供給する工程と、前記複数のスパッタガスを用いて前記反応室内にプラズマを形成することによってターゲットからスパッタ蒸発させた原子または分子により前記反応室内の基板に対して薄膜を形成する工程を有する薄膜形成方法において、前記複数のスパッタガスを、それぞれの前記ガス供給経路の外側に沿って設けられた冷却手段により、前記複数のスパッタガスの種類毎に、該原スパッタガスをそれぞれ適正な温度に冷却して前記反応室内に供給することを特徴とする。
また、本発明のアクティブマトリクス基板の製造方法は、前記薄膜形成方法を利用して前記基板上に形成された前記薄膜を用いてアクティブマトリクス基板を製造することを特徴とする。
【０００７】
本発明では、これまで成膜条件のパラメータとして注目されていなかったガスの供給温度に着目した発明である。すなわち、本発明では、ガスを冷却してから反応室に供給するため、気体分子の平均自由行程が短い条件で薄膜を形成するという新たなパラメータを設定できる。また、同じ圧力であっても反応室内におけるガス濃度を高めに設定した条件で薄膜を形成できる。
【００１３】
本発明では、スパッタガスを冷却して供給するため、このスパッタガスの気体分子の平均自由行程が短いので、形成した薄膜はスパッタガスの含有量が少ない。従って、密度が高く、かつ内部ストレスが小さい薄膜を形成できる。また、薄膜のシート抵抗が低い。
【００１４】
本発明において、前記ガス供給手段は、前記反応室内に供給する複数種類のガスに対応して複数の前記ガス供給経路を備えるとともに、各ガス供給経路のそれぞれに対して前記冷却手段を有することが好ましい。このように構成すると、反応室内に供給する複数種類のガスをその種類毎に適正な温度にまで冷却してから反応室内に供給することができる。
【００２０】
本発明において、前記反応室内に供給される複数のガスをそれぞれ冷却して前記反応室内に供給することが好ましい。
【００２１】
本発明に係る薄膜形成方法は、それを利用して前記基板上に薄膜を形成し、該薄膜を用いてアクティブマトリクス基板上に薄膜トランジスタを製造するのに適用できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
上記課題を解決するために、本発明では、少なくとも、反応室内にガスを供給しながら基板に薄膜を形成する薄膜形成装置および薄膜形成方法において、反応室内に冷却したガスを供給することを特徴とする。たとえば、図１に示す減圧ＣＶＤ装置１０Ａを例に説明すると、この減圧ＣＶＤ装置１０Ａには、まず、基板２０Ａに薄膜を形成するための反応室１１Ａと、この反応室１１Ａ内を真空引きするための真空排気手段１３Ａと、反応室１１Ａ内に原料ガスを供給するためのガス供給手段１８Ａと、反応室１１Ａ内の基板２０Ａを加熱しながらガス供給手段１８Ａから供給された原料ガスを分解させることによって反応室１１Ａ内の基板２０Ａに対して薄膜を形成するための加熱手段１２Ａとを設ける。さらに、本発明では、ガス供給手段１８Ａには、反応室１１Ａ内に供給されるガスを冷却するための冷却手段１６Ａを設けたことに特徴を有する。
【００２３】
ガス供給手段１８Ａは、たとえば、モノシランやジシランなどといった原料ガスを充填したガスボンベ１４Ａと、このガスボンベ１４から原料ガスを反応室に供給するためのガス供給経路１５Ａと、このガス供給経路１５Ａに介挿されたマスフローコントローラ１７Ａとから構成することができ、このように構成すると、ガスボンベ１４Ａから供給される原料ガスを所定の流量に制御しながら反応室１１Ａの内部に供給できる。このガス供給手段１８Ａにおいて、冷却手段１６Ａは、ガス供給経路１５Ａの途中位置に配置した冷却器などから構成できる。なお、反応室１１Ａへの基板２０Ａの設置にあたっては、複数枚の基板２０Ａを一定の間隔をもって並べた状態で保持しておくための基板支持用のボートなどを利用する。また、真空排気手段１３Ａとしては、ブースターポンプやドライポンプなどを用いることができる。
【００２４】
このような減圧ＣＶＤ装置１０Ａにおいて、基板２０Ａの表面に薄膜を形成するときには、基板２０Ａを設置した反応室１１Ａ内を減圧するとともにこの反応室１１Ａ内の基板２０Ａを加熱して反応室１１Ａ内に供給した原料ガスを分解させ、その分解生成物によって反応室１１Ａ内の基板２０Ａに薄膜を形成する。この際に、原料ガスを冷却して反応室１１Ａ内に供給する。但し、反応室１１Ａの内部において基板２０Ａは加熱手段１２で加熱されているといっても、反応室１１Ａ内は減圧状態にあるため、反応室１１Ａに供給された原料ガスの温度は急速には上昇しない。
【００２５】
このように構成した減圧ＣＶＤ装置１０Ａにおいて、反応室１１Ａの内部に供給される原料ガスの濃度は高めに設定されているが、その代わりに、原料ガスは冷却された状態で反応室１１Ａの内部に供給される。このため、下式からわかるように、原料ガスの濃度Ｃが高いといっても、ガス温度Ｔｇ が低い分だけ、原料ガスを構成する気体分子の平均自由行路が短い。従って、反応室１１Ａの内部における原料ガスの圧力Ｐが低い。すなわち、反応室１１Ａの内部における原料ガスの圧力Ｐを低くしたままで原料ガスの濃度Ｃを高くすることができる。
【００２６】
【数１】

【００２７】
従って、原料ガスの圧力Ｐが低い分、薄膜の厚さの均一性がよいとともに、膜質が良好である。また、同じ圧力でも原料ガスの濃度Ｃが高い分、成膜速度が高いとともに、混入した不純物の影響を受けにくい。
【００２８】
さらに、気体分子の平均自由行程、および気体分子の平均速度は、以下の式で表されるとおりである。
【００２９】
【数２】

【００３０】
【数３】

【００３１】
従って、従来のように原料ガスを冷却することなく反応室内に供給したときの気体分子の運動の様子を図２（Ａ）に模式的に示し、本発明のように原料ガスを冷却して反応室内に供給したときの気体分子の運動の様子を図２（Ｂ）に模式的に示すと、本発明では、原料ガスを冷却してから反応室内に供給するため、気体分子の平均自由行程が短い。従って、従来のように原料ガスを冷却することなく反応室内に供給したときには、凹部に対して形成される薄膜は、図３（Ａ）に模式的に示すように、凹部の縁部分や底部の隅部分で薄くなってしまうのに対して、本発明のように原料ガスを冷却して反応室内に供給すると、図３（Ｂ）に模式的に示すように、凹部の縁部分や底部の隅部分にも均一な厚さの薄膜を形成することができる。すなわち、本発明を適用して薄膜を形成すれば、薄膜の段差被覆性が良好であるといえる。
【００３２】
また、基板を隙間を開けて重ねた状態で薄膜を形成する際に、従来のように原料ガスを冷却することなく反応室内に供給する場合には、図４（Ａ）に模式的に示すように、基板間の間隔を広く確保する必要があったが、本発明では、原料ガスを冷却して反応室内に供給するため、気体分子の平均自由行程が短い分、狭い隙間内でも均一な薄膜を形成できるので、図４（Ｂ）に模式的に示すように、基板間の間隔を狭く設定して薄膜の形成を行うことができる。それ故、同じ枚数の基板を処理するのであれば反応室を小型でき、同じ大きさの反応室であれば基板の処理能力が向上する。
【００３３】
このように、本発明によれば、これまで成膜条件のパラメータとして注目されていなかったガスの供給温度を最適化できる。すなわち、本発明では、ガスを冷却してから反応室１１内に供給するため、気体分子の平均自由行程が短い条件で薄膜を形成するという新たなパラメータを設定できる。
【００３４】
同様なことは、常圧ＣＶＤ装置やプラズマＣＶＤ装置でも同様なことがいえる。
【００３５】
すなわち、常圧ＣＶＤ装置では、反応室１１Ａ内を減圧せずに薄膜を形成するが、この装置でも、減圧ＣＶＤ装置１０Ａと同様に、ガス供給手段１８Ａがガスを冷却して反応室１１Ａ内に供給すると、冷却した分だけ同じ圧力でありながら反応室１１Ａ内に導入されるガス濃度を高めに設定できる。
【００３６】
また、プラズマＣＶＤ装置では、ガス供給手段１８Ａから供給されたガスを用いて反応室１１Ａ内にプラズマを形成することによって反応室１１Ａ内の基板２０Ａに対して薄膜を形成するためのプラズマ発生手段を有するが、この装置でも、減圧ＣＶＤ装置１０Ａと同様に、ガス供給手段１８Ａがガスを冷却して反応室１１Ａ内に供給すると、冷却した分だけ同じ圧力でありながら反応室１１Ａ内に導入されるガス濃度を高めに設定できる。従って、ガスの圧力が低い分、薄膜の厚さの均一性がよいとともに、膜質が良好である。また、同じ圧力でもガスの濃度が高い分、成膜速度が高いとともに、混入した不純物の影響を受けにくい。さらに、ガスを冷却して供給するため、気体分子の平均自由行程が短いので、薄膜の段差被覆性が良好であるとともに、多数の基板２０Ａを狭い間隔で並べて薄膜を形成しても基板２０Ａ内における膜の均一性が良い。
【００３７】
［実施の形態２］
図５に示すように、本発明において、ガス供給手段１８Ａは、反応室１１Ａ内に供給する複数種類のガス（たとえば、ジシランと水素ガス）に対応して複数のガス供給経路１５１Ａ、１５２Ａ・・・を備えるとともに、各ガス供給経路１５１Ａ、１５２Ａ・・・のそれぞれに対して冷却手段１６１Ａ、１６２Ａ・・・を有することが好ましい。このように構成すると、反応室１１Ａ内に供給する複数種類の原料ガスをその種類毎に適正な温度にまで冷却してから反応室１１Ａ内に供給することができる。
【００３８】
［実施の形態３］
また、本発明をスパッタ装置に適用する場合には以下のように構成する。すなわち、図６に示すように、スパッタ装置１０Ｃでは、基板２０Ｃに薄膜を形成するための反応室１１Ｃと、この反応室１１Ｃ内を真空引きするための真空排気手段１３Ｃと、反応室１１Ｃ内にガスを供給するためのガス供給手段１８Ｃと、このガス供給手段１８Ｃから供給されたスパッタガスを用いて反応室１１Ｃ内にプラズマを形成することによってターゲット１９Ｃからスパッタ蒸発させた原子または分子により反応室１１Ｃ内の基板２０Ｃに対して薄膜を形成するためのプラズマ発生手段３０Ｃを有する。ここで、基板２０Ｃに対しては、それを加熱するための加熱手段１２Ｃを設けておく。さらに、本発明では、ガス供給手段１８Ｃには、反応室１１Ｃ内に供給されるガスを冷却するための冷却手段１６Ｃを設けたことに特徴を有する。
【００３９】
このように構成したスパッタ装置１０Ｃにおいて、基板２０Ｃに薄膜を形成するときには、基板２０Ｃを設置した反応室１１Ｃ内を減圧するとともにこの反応室１１Ｃ内に供給したスパッタガスを用いて反応室１１Ｃ内にプラズマを形成することによってターゲット１９Ｃからスパッタ蒸発させた原子または分子により反応室１１Ｃ内の基板２０Ｃに対して薄膜を形成する。この際に、スパッタガスを冷却して反応室１１Ｃ内に供給することを特徴とする。
【００４０】
本発明では、スパッタガスを冷却してから反応室１１Ｃ内に供給するため、このスパッタガスは、気体分子の平均自由行程が短いので、形成した薄膜ではスパッタガスの含有量が少ない。従って、密度が高く、かつ内部ストレスが小さい薄膜を形成できる。また、このように形成した薄膜はシート抵抗が低い。
【００４１】
本発明でも、ガス供給手段１８Ｃは、反応室１１Ｃ内に複数種類のガスを供給する場合がある。この場合には、各種ガスに対応して複数のガス供給経路を設けるとともに、ガス供給経路のそれぞれに対して冷却手段１６Ｃを設けることが好ましい。このように構成すると、反応室１１Ｃ内に供給する複数種類のガスをその種類毎に適正な温度にまで冷却してから反応室１１Ｃ内に供給することができる。
【００４２】
［薄膜トランジスタの製造方法］
本発明を適用した薄膜形成装置および薄膜形成方法は、各種の薄膜を形成するのに適用できる。たとえば、アクティブマトリクス基板上に薄膜トランジスタを製造する際には、アモルファスシリコン膜などといった半導体膜の形成工程、シリコン酸化膜などといった絶縁膜の形成工程、ゲート電極などといった金属膜の形成工程などに適用できる。そこで、各実施例を説明する前に薄膜トランジスタの製造方法を説明しておく。
【００４３】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法では、図７（Ａ）に示すように、基板２０として汎用の無アリカリガラスを用いる。まず、基板２０を清浄化し後、図７（Ｂ）に示すように、基板２０の上にＣＶＤ法やＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により絶縁性を有する下地保護膜１１を形成する。ＣＶＤ法としては、たとえば減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）やプラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）などがある。ＣＶＤ法としては、たとえばスパッタ法）などがある。
【００４４】
次に、薄膜トランジスタの能動層となるべき真性のシリコン膜などの半導体膜１２を形成する。この半導体膜１２もＣＶＤ法やＰＶＤ法により形成できる。このようにして得られる半導体膜１２は、そのままａｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ膜として薄膜トランジスタのチャネル領域などの半導体層として用いることができる。また、半導体膜１２は、図７（Ｃ）に示すように、レーザ光などの光学エネルギーまたは電磁エネルギーを短時間照射して結晶化を進めてもよい。最初に形成した半導体膜１２が非晶質、または非晶質と微結晶とが混在する混晶質であれば、この工程は結晶化工程と称せられる。これに対して、最初に形成した半導体膜１２が多結晶質であれば、この工程は再結晶化工程と称せられる。この工程においてレーザ光などのエネルギー強度が高ければ、結晶化の際に半導体膜１２は一度溶融し冷却固化過程を経て結晶化（溶融結晶化）する。これに対して半導体膜１２の結晶化を溶融せずに固相にて進める方法を固相成長法（ＳＰＣ法）と称する。固相成長法は、５５０℃程度から６５０℃程度の温度で数時間から数十時間をかけて結晶化をすすめる熱処理法（Ｆｕｒｎａｎｃｅ−ＳＰＣ法）と、一秒未満から一分程度の短時間で７００℃から１０００℃の温度で結晶化をすすめる急速熱処理法（ＲＴＡ法）、およびレーザ光等のエネルギー強度が低いときに生じる極短時間固相成長法（ＶＳＴ−ＳＰＣ法）の三者に主として分類される。いずれの方法も適用可能であるが、溶融結晶化、ＲＴＡ法、ＶＳＴ−ＳＰＣ法では、照射時間が非常に短時間であり、かつ、照射領域が基板２０全体からみると局所的であるため、半導体膜１２の結晶化に際して基板２０全体が高温に熱せられることがない。それ故、基板２０には熱による変形や割れなどが生じないので、大型の基板２０を高い生産性をもって製造するのに適している。
【００４５】
次に、図８（Ａ）に示すように、所定のパターンをもつレジストマスク２２を形成した後、このレジストマスク２２を用いて、図８（Ｂ）に示すように、半導体膜１２をパターニングし、島状の半導体膜１２とする。半導体膜１２をパターニングした後は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などでゲート絶縁膜１３を形成する。ゲート絶縁膜１３の形成にあたっても様々な方法が考えられるが、ゲート絶縁膜１３の形成温度は３５０℃以下であることが好ましい。これは、ＭＯＳ界面やゲート絶縁膜１３が熱劣化するのを防ぐためである。同じことは以下の全ての工程に対してもいえる。ゲート絶縁膜１３形成後の全ての工程温度は３５０℃以下に抑えなければならない。このように条件設定することにより、高性能の薄膜トランジスタを容易に、かつ安定的に製造できる。
【００４６】
次に、図８（Ｃ）に示すように、ゲート電極となる薄膜２１をＣＶＤ法やＰＶＤ法などで堆積する。通常はゲート電極とゲート配線とは、同一の材料で同一の工程により形成される。このため、電気抵抗が低く、かつ、３５０℃程度の熱処理工程に対して安定であることが求められる。ゲート電極となる薄膜２１を堆積した後、図８（Ｄ）に示すように、パターニングを行い、ゲート電極１５を形成する。次に、半導体膜１２に対して不純物イオンを導入し、ソース・ドレイン領域１６およびチャネル領域１７を形成する。
【００４７】
このとき、ゲート電極１５がイオン注入のマスクとなるため、チャネル領域１７は、ゲート電極１５下のみに形成される自己整合構造となる。不純物イオンの導入は、質量非分離型イオン注入装置を用いて注入不純物元素の水素化合物と水素とを注入するイオン・ドーピング法と、質量分離型イオン注入装置を用いて所望の不純物イオンのみを注入するイオン打ち込み法との二種類が適用され得る。イオン・ドーピング法の原料ガスとしては、水素中に希釈された濃度が０．１％程度のホスフィン（ＰＨ３ ）やジボラン（Ｂ２ Ｈ６ ）などの注入不純物の水素化物を用いる。イオン打ち込み法では、所望の不純物元素のみを注入した後に引き続いて水素イオン（プロトンや水素分子イオン）を注入する。前述のとおり、ＭＯＳ界面やゲート絶縁膜１３を安定に保つにはイオン・ドーピング法あるいはイオン打ち込み法のいずれの方法であってもイオン注入時の基板温度は３５０℃以下でなければならない。一方、注入不純物の活性化を３５０℃以下の低温で常に安定的に行うには、イオン注入時の基板２０の温度は２００℃以上であることが好ましい。トランジスタのしきい値電圧を調整するためにチャネルドープを行う場合、あるいはＬＤＤ構造を作成するといったように低濃度に注入された不純物イオンを低温で確実に活性化するには、イオン注入時の基板２０の温度は２５０℃以上であることが必要となる。このように、基板２０の温度が高い状態でイオン注入を行うと、半導体膜１２のイオン注入に伴う結晶破壊の際に再結晶化も同時に生じるので、結果的にはイオン注入部の非晶質化を防ぐことができる。すなわち、イオン注入された領域は、注入後も依然として結晶質として残り、その後の活性化温度が３５０℃程度以下と低温であっても注入イオンの活性化が可能になる。ＣＭＯＳ構造となるように薄膜トランジスタを製造するときには、ポリイミド樹脂などの適当なマスク材を用いてＮＭＯＳまたはＰＭＯＳの一方を交互にマスクで覆い、上述の方法にてそれぞれのイオン注入を行う。
【００４８】
次に、図８（Ｅ）に示すように、層間絶縁膜１８をＣＶＤ法あるいはＰＶＤ法で形成する。イオン注入と層間絶縁膜１８の形成後、３５０℃程度以下の適当な熱環境下にて数十分から数時間の熱処理を施して注入イオンの活性化及び層間絶縁膜１８の焼き締めを行う。この熱処理温度は注入イオンを確実に活性化する為にも２５０℃程度以上が好ましい。ゲート絶縁膜１３と層間絶縁膜１８とではその膜品質が異なっている。このため、層間絶縁膜１８を形成した後、二つの絶縁膜にコンタクトホール１９を開ける際、絶縁膜のエッチング速度が違っているのが普通である。このような条件下ではコンタクトホール１９の形状が下方程広い逆テーパー状になったり或いは庇が発生してしまい、その後にソース・ドレイン電極２６を形成した時に電気的な導通がうまく取れない原因（接続不良の原因）となる。このような接続不良は、層間絶縁膜１８を焼き締めることによって効果的に防止できる。
【００４９】
なお、層間絶縁膜１８を形成した後に、ソース・ドレイン領域１６上にコンタクトホール１９を開孔し、しかる後にソース・ドレイン電極２６を形成する際にもＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いる。このようにして薄膜トランジスタ３０が形成される。
【００５０】
このような薄膜トランジスタの製造工程において、半導体膜を減圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法で形成する場合、形成される半導体膜の構成元素を含有する化学物質を原料気体として半導体膜を形成する。例えば半導体膜がシリコン（Ｓｉ）である場合、原料気体としてはモノシラン（ＳｉＨ４ ）、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）、トリシラン（Ｓｉ３ Ｈ８ ）、ジクロールシラン（ＳｉＨ２ Ｃｌ２ ）等のシランを用いる。ゲルマニウム（Ｇｅ）が半導体膜である場合はゲルマン（ＧｅＨ４ ）等を用いる。リン（Ｐ）やボロン（Ｂ）を半導体膜に添加するときにはフォスフィン（ＰＨ３ ）やジボラン（Ｂ２ Ｈ６ ）などを併用する。原料気体としては前述の各種半導体膜を構成する元素を含有する化学物質が用いられるが、必ず原料気体の一部が半導体膜中に残留するが故に、構成元素の水素化物がより好ましい。例えばジクロールシランから形成されるシリコン膜には量の大小はともかく必ず塩素（Ｃｌ）が残留し、このシリコン膜を薄膜トランジスタの能動層に用いた場合、残留塩素がトランジスタ特性の劣化原因となる。従って、ジクロールシランよりは構成元素の水素化物であるモノシランの方が好ましい。原料気体および必要に応じて添加される追加気体の純度は、高ければ高い程好ましいが、高純度気体を得る技術的な困難さの増大と、価格上昇を考慮すると、純度は９９．９９９９％以上が好ましい。通常、半導体膜形成装置は、背景真空度が１０−５ｔｏｒｒ程度であり、成膜圧力が０．１ｔｏｒｒから数ｔｏｒｒである。それ故、背景真空から成膜過程への不純物混入の割合は、１０−５から１０−６程度となる。成膜に用いる原料気体や追加気体の純度はそれらの気体を利用する成膜装置の背景真空度に対する成膜圧力の比と同等であれば十分である。従って、本発明にて成膜装置に流す気体の純度は９９．９９９％以上（不純物の割合が１×１０−５以下）が好ましく、９９．９９９９％（不純物の割合が１×１０−６以下）であれば原料としての使用に全く支障がなく、背景真空度と成膜圧力との比の十倍の純度（この例では純度が９９．９９９９９％で、不純物の割合が１×１０−７以下）となれば気体からの不純物混入は全く考慮する必要がなく理想的である。
【００５１】
［実施例１］
本発明を適用した薄膜形成装置として、本例の減圧化学気相堆積装置（ＬＰＣＶＤ装置）を、図９を参照して説明する。なお、本例の減圧化学気相堆積装置は、図１に概略構成を示した薄膜形成装置に対応する。
【００５２】
図９は、本例のＬＰＣＶＤ装置の概略構成図である。
【００５３】
ＬＰＣＶＤ装置１００は、縦型炉であり、石英製の反応室１０１（反応室）の中央部付近に３００ｍｍ角のガラス製の基板１０２を所定の間隔をあけて水平に多段に設置し、モノシラン、ジシラン、あるいはゲルマン等の原料ガスの熱分解を利用してシリコン膜などの半導体膜を堆積する。反応室１０１の口径は、直径６００ｍｍである。
【００５４】
真空排気装置１０６は、ターボ分子ポンプ１０６１とロータリポンプ１０６２より構成されている。真空排気装置１０６は、この他にもメカニカル・ブースター・ポンプやドライポンプなどを組み合わせてもよい。原料ガスおよびヘリウム・窒素・アルゴン・水素などの希釈ガスは、必要に応じてガス導入管１１０３を通じて反応室１０１に導入され、マニホールド１０４にゲート・バルブおよびコンダクタンス・バルブ１０５を介して直接取り付けられたターボ分子ポンプ１０６１およびロータリ・ポンプ１０６２からなる真空排気装置１０６によって排気される。マニホールド１０４と反応炉１０１とは特別な区切りがなく、両者は一体化してその区別はない。反応室１０１の外側には３ゾーンに分かれたヒータ１０８（加熱手段）が設置されており、それらを独立に制御することによって反応室１０１中央部付近に所望の温度の均熱帯を形成する。この均熱帯は、約３５０ｍｍの高さで広がり、その範囲内での温度ずれは、たとえば６００℃に設定したときで０．２℃である。従って、挿入した基板１０２の間隔を１０ｍｍとすれば、１バッチで３５枚の基板１０２の処理が可能である。本例では、２０ｍｍ間隔で１７枚の基板１０２をターン・テーブル１０９上に広がる均熱帯内に設置する。
【００５５】
真空排気装置１０６では、ターボ分子ポンプ１０６１とロータリー・ポンプ１０６２を直結して排気を行うようになっている。ターボ分子ポンプ１０６１は、化学対応タイプであり、シリコン膜などの半導体膜堆積中も運転可能である。このターボ分子ポンプ１０６１は、窒素に対して２２００ｌ／ｓｅｃ．の排気速度を有している。反応室１０１での実効排気速度を最大限とするために、ターボ分子ポンプ１０６１とゲート・バルブおよびコンダクタンスバルブ１０５は、マニホールド１０４に直付けされている。この結果、炉内温度６００℃において両ポンプを運転した状態で窒素を１００ＳＣＣＭの流量で導入管１０３より流したとき、反応室１０１内の平衡圧力は１．２×１０−３Ｔｏｒｒとなり、実効排気速度は８３．３ＳＣＣＭ／ｍＴｏｒｒとなった。また、同じ条件下で窒素を３．９７ＳＣＣＭ、１５．８３ＳＣＣＭ、３９．６８ＳＣＣＭ、３００ＳＣＣＭ流したとき、反応室１０１内の平衡圧力は、それぞれ９．５×１０−５Ｔｏｒｒ、２．５×１０−４Ｔｏｒｒ、５．５×１０−４Ｔｏｒｒ、３．０×１０−３Ｔｏｒｒであり、対応する実効排気速度は、それぞれ４１．８ＳＣＣＭ／ｍＴｏｒｒ、６３．３ＳＣＣＭ／ｍＴｏｒｒ、７２．１ＳＣＣＭ／ｍＴｏｒｒ、１００ＳＣＣＭ／ｍＴｏｒｒとなった。
【００５６】
このように構成したＬＰＣＶＤ装置１００において、ガス導入管１１０３から反応室１０１内に原料ガスを供給するためのガス供給部１０３（ガス供給手段）は、モノシランやジシランなどといった原料ガスを充填したガスボンベ１０３１と、このガスボンベ１０３１から原料ガスを反応室１０１に供給するためのガス供給経路１０３４と、このガス供給経路１０３４に介挿されたマスフローコントローラ１０３５とから構成されている。
【００５７】
ガス供給部１０３では、ガス供給経路１０３４の途中位置に冷却器１０３０（冷却手段）が構成され、この冷却器１０３０によって冷却したガスを反応室１０１内に供給することが可能である。
【００５８】
なお、ガス供給部１０３には、図示を省略するが、原料ガスとは別に窒素ガスもガス導入管１１０３から反応室１０１内に供給するためのガスボンべやマスフローコントローラが構成されている。
【００５９】
このように構成したＬＰＣＶＤ装置１００において、図７および図８を参照して説明した薄膜トランジスタの製造工程のうち、図７（Ｂ）に示すように、基板１０２表面にアモルファスシリコン膜を形成する例を以下に説明する。
【００６０】
まず、反応室１０１内において、基板１０２を所定の間隔をあけて多段積み状態でターン・テーブル１０９上に設置する。
【００６１】
次に、反応室１０１内を真空排気装置１０６によって減圧するとともに、反応室１０１内に窒素ガスを導入し反応室１０１内から空気をパージする。また、ヒータ１０８によって反応室１０１内を加熱し、ターン・テーブル１０９上に温度が約４２５℃の均熱帯を形成する。この間に、反応室１０１内は真空排気装置１０６によって１０−７Ｔｏｒｒにまで真空引きされる。
【００６２】
しかる後に、ガス供給部１０３においてガスボンベ１０３１からマスフローコントローラ１０３５、ガス供給経路１０３４、およびガス導入管１１０３を介して反応室１０１内にジシランガス（原料ガス）を供給する。このとき、ジシランガスについては、冷却器１０３０によって冷却してから反応室１０１内に供給する。また、ジシランガスに対する希釈ガスも冷却してから反応室１０１内に供給する。
【００６３】
その結果、原料ガスは高温環境下で化学反応を生じ、基板１０２の表面には厚さが約６００オングストロームのアモルファスシリコン膜が形成される。
【００６４】
この間、反応室１０１内に供給されるジシランガスの流量は、通常の減圧ＣＶＤ法における成膜条件からみれば高めに設定されている。但し、反応室１０１内はヒータ１０８によって加熱されているといっても、反応室１０１内は減圧状態にあるので、ジシランガスは冷却された状態で反応室１０１内に供給されてからすぐには気体分子の温度が上昇しない。このため、反応室１０１内において、ジシランガスは濃度が高いものの、冷却された状態で反応室１０１内に供給される分、気体分子の平均自由行路が短いので、反応室１０１の内部におけるジシランガスの圧力が低い。すなわち、反応室１０１内のジシランガスの圧力を低くしたままでジシランガスの濃度を高くすることができる。従って、ジシランガスの圧力が低い分、アモルファスシリコン膜の厚さの均一性がよいとともに、膜質が良好である。また、同じ圧力でもジシランガスの濃度が高い分、成膜速度が高いとともに、混入した不純物の影響を受けにくい。
【００６５】
また、ジシランガスは、冷却された状態で反応室１０１の内部に供給される分、気体分子の平均自由行路が短いので、多数の基板１０２を狭い間隔で並べても、基板１０２内におけるアモルファスシリコン膜の均一性が良い。なお、本例では、表面状態が平坦な基板１０２に対して薄膜を形成したが、凹凸を有する基板１０２上に薄膜を形成する際にジシランガスを冷却した状態で反応室１０１内に供給すると、気体分子の平均自由行路が短い分、段差被覆性が良好である。
【００６６】
このように、本例では、原料ガスを反応室１０１に冷却した状態で供給するための冷却器１０３０を設けたので、これまで成膜条件のパラメータとして注目されていなかったガスの供給温度を最適化することによって理想的な成膜を行うことができる。
【００６７】
［実施例１の変形例］
本発明を適用した薄膜形成装置として、実施例１の変形例に係る減圧化学気相堆積装置（ＬＰＣＶＤ装置）を、図５を参照して説明する。
【００６８】
図５に示すように、本例では、ガス供給手段１８Ａは、反応室１１Ａ内に供給する複数種類のガス（たとえば、ジシランと水素ガス）に対応して複数の前記ガス供給経路１５１Ａ、１５２Ａ・・・を備えるとともに、各ガス供給経路１５１Ａ、１５２Ａ・・・のそれぞれに対して冷却手段１６１Ａ、１６２Ａ・・・を有する。その他の構成は、図１や図９に示したＬＰＣＶＤ装置と基本的な構成が概ね同じである。
【００６９】
このように構成すると、反応室１１Ａ内に供給する複数種類の原料ガスをその種類毎に適正な温度にまで冷却してから反応室１１Ａ内に供給することができる。すなわち、２種類の原料ガスを用いて減圧ＣＶＤ法で薄膜を形成する際に、原料ガスを冷却した状態で反応室１１Ａ内に供給するとすれば、各原料ガスを予め混合器内で混合した後に冷却し、しかる後に、この冷却した混合ガス（原料ガス）を反応室内に供給する方法が考えられる。但し、このような方法では、２種類の原料ガスのうち、沸点が高い方の原料ガスの沸点によって混合ガスの冷却温度が制限されてしまう。
【００７０】
これに対して、本例のように各原料ガスに対応するガス供給経路１５Ａ、１５Ｂのそれぞれに冷却器１６Ａ、１６Ｂを設けた場合には、原料ガスの種類毎に適正な温度にまで原料ガスをそれぞれ冷却し、しかる後に反応室１１Ａ内に供給することができる。すなわち、モノシラン、ジシラン、窒素、水素の沸点は、それぞれ−１１１．８℃、−１４．５℃、−１９５．８℃、−２５２．７８℃であり、各沸点の間には大きな差があるが、各ガスに対応するガス供給経路１５Ａ、１５Ｂのそれぞれに冷却器１６Ａ、１６Ｂを設けた場合には、たとえば、ジシランと水素ガスとを原料ガスとして反応室１１の内部に供給するとき、ジシランについては、冷却器１６Ａによって−１０℃の温度にまで冷却する一方、水素ガスについては、冷却器１６Ｂによって−１９０℃にまで冷却するなど、各原料ガスの温度を下限値、すなわち、凝集する温度近くにまで冷却することができる。それ故、原料ガスを冷却して反応室に供給すれば理想的な成膜を行うことができるという利点を最大限発揮させることができる。
【００７１】
［実施例３］
本発明を適用した薄膜形成装置として、プラズマ化学気相堆積装置（ＰＥＣＶＤ装置）を、図１０および図１１を参照して説明する。図１０は、プラズマＣＶＤ装置の反応室付近の概略平面図、図１２は、そのＡ−Ａ′線における断面図である。
【００７２】
これらの図において、本例のプラズマＣＶＤ装置２００は容量結合型であり、プラズマは、高周波電源を用いて平行平板電極間に発生させるようになっている。
【００７３】
プラズマＣＶＤ装置２００において、反応室２０１は反応容器２０２によって外気から隔絶され、成膜中には約５ｍｔｏｒｒから約５ｔｏｒｒまでの減圧状態とされる。反応容器２０２の内部には下部平板電極２０３と上部平板電極２０４が互いに平行に配置されており、これらの２枚の電極が平行平板電極を構成している。下部平板電極２０３と上部平板電極２０４とからなる平行平板電極の間が反応室２０１である。本例では、４１０ｍｍ×５１０ｍｍの平行平板電極を用い、電極間距離は可変である。反応室２０１の容積も電極間距離の変更にともなって２０９１ｃｍ３ から１０４５５ｃｍ３ までの範囲で可変である。電極間距離の変更は下部平板電極２０３の位置を上下させることにより行うことができ、任意の距離に設定できる。電極間距離をある値に設定したときの平行平板電極の面内における電極間距離の偏差はわずか０．１ｍｍである。従って、電極間に生じる電界強度の偏差は平行平板電極の面内において１．０％以下であり、プラズマは反応室２０１において均質に発生する。
【００７４】
下部平板電極２０３の上には、薄膜を堆積すべきガラス製の大型の基板２０５が置かれ、基板２０５の縁辺部２ｍｍがシャドーフレーム２０６により押さえつけられる。なお、図１０では、装置の構成をわかりやすいようにシャドーフレーム２０６を省略してある。
【００７５】
下部平板電極２０３の内部には、基板２０５を加熱するためのヒータ２０７（加熱手段）が設けられており、下部平板電極２０３の温度は２５℃から４００℃までの間で任意に設定できる。電極の温度をある値に設定したとき、周辺５ｍｍを除く下部平板電極２０３の面内における温度分布は設定温度に対して±１．０℃以内であり、基板２０５の大きさを４００ｍｍ×５００ｍｍに設定しても、基板２０５の面内における温度偏差を２．０℃以下に保つことができる。
【００７６】
シャドーフレーム２０６は、例えば基板２０５として汎用のガラス基板（例えば、コーニングジャパン株式会社製♯７０５９、日本電気硝子株式会社製ＯＡ−２、またはＮＨテクノグラス株式会社製ＮＡ３５等）を用いたとき、基板２０５がヒータ２０７からの熱によって凹形に変形するのを防ぐとともに、基板のエッジ部、裏面に不要な薄膜が形成されないように基板２０５を押さえている。
【００７７】
原料となる気体と、必要に応じて追加の気体とからなる原料ガスは、配管２０８を通して上部平板電極２０４の内部に導入され、さらに上部平板電極２０４の内部に設けられたガス拡散板２０９の間をすり抜けて上部平板電極２０４の全面から略均一な圧力で反応室２０１の流れ出る。成膜中であれば、原料ガスの一部は上部平板電極２０４から出たところで電離し、平行平板電極間にプラズマを発生させる。原料ガスの一部ないし全部は成膜に関与する。これに対し、成膜に関与しなかった残留原料ガス、および成膜の化学反応の結果として生じた生成ガスは、排気ガスとして反応容器２０２の周辺上部に設けられた排気穴２１０から排出される。
【００７８】
排気穴２１０のコンダクタンスは平行平板電極間のコンダクタンスの１００倍以上であることが好ましい。さらに、平行平板電極間のコンダクタンスはガス拡散板２０９のコンダクタンスよりも十分に大きく、やはり、その値はガス拡散板２０９のコンダクタンスの１００倍以上であることが好ましい。このように構成することにより、４１０ｍｍ×５１０ｍｍの大型の上部平板電極２０４の全面より略均一な圧力で原料ガスが反応室２０１に導入され、同時に排気ガスが反応室２０１から全ての方向に均等な流量で排出される。
【００７９】
各種の原料ガスの流量は、配管２０８に導入される前に後述するマスフローコントローラーにより所定の値に調整される。また、反応室２０１の内部の圧力は、排気穴の出口に設けられたコンダクタンス・バルブ２１１により所定の値に調整される。コンダクタンス・バルブ２１１の排気側にはターボ分子ポンプ等の真空排気装置（図示せず。）が設けられている。本例では、オイル・フリーの磁気浮上型ターボ分子ポンプが真空排気装置（真空排気手段）の一部として用いられ、反応室内の背景真空度を１０−７ｔｏｒｒ台としている。
【００８０】
このように構成したＰＥＣＶＤ装置２００において、図１１に示すように、配管２０８から反応室２０１内に原料ガスを供給するためのガス供給部２５０（ガス供給手段）には、モノシランなどといった原料ガスを充填したガスボンベ２５０１と、このガスボンベ２５０１から原料ガスを反応室２０１に供給するためのガス供給経路２５０４と、このガス供給経路２５０４に介挿されたマスフローコントローラ２５０５とが構成されている。また、ガス供給部２５０では、ガス供給経路２５０４の途中位置に冷却器２５３０（冷却手段）が構成され、この冷却器２５３０によって、冷却した原料ガスを反応室２０１内に供給することが可能である。
【００８１】
さらに、ガス供給部２５０には、アルゴンガスなどを充填したガスボンベ２６０１と、このガスボンベ２６０１からガスを反応室２０１に供給するためのガス供給経路２６０４と、このガス供給経路２６０４に介挿されたマスフローコントローラ２６０５とが構成されている。ガス供給経路２６０４の途中位置には冷却器２６３０（冷却手段）が構成され、この冷却器２６３０によって、冷却したアルゴンガスなどを反応室２０１内に供給することが可能である。
【００８２】
なお、図１０および図１１には、ガスの流れを矢印で示してある。反応容器２０２および下部平板電極２０３は、接地電位にあり、これらと上部平板電極２０４とは、絶縁リング２１２により電気的な絶縁状態が保たれる。プラズマ発生時には、発振源２１３（電源）から出力されたＲＦ波が増幅器２１４にて増幅された後、マッチング回路２１５を介して上部平板電極２０４に印加される。
【００８３】
本例で用いたプラズマＣＶＤ装置２００は、上述のとおり、電極間距離およびガス流に極めて精巧な制御を実現したことにより、４００ｍｍ×５００ｍｍの大型の基板にも対応できる薄膜形成装置として構成されている。これらの基本的な設計思想され踏襲すれば、さらに大型の基板にも容易に対応でき、５５０ｍｍ×６５０ｍｍほどの大型の基板にも十分に対応し得る装置を構成できる。
【００８４】
本例では、ＲＦ電源を用いているが、マイクロ波やＶＨＦ波を発する電源を用いてもよい。また、ＲＦ電源では、工業用ＲＦ周波数（１３．５６ＭＨｚ）の整数倍である２７．１２ＭＨｚ、４０．６ＭＨｚ、５４．２４ＭＨｚ、６７．８ＭＨｚ等、いずれの周波数に設定してもよい。かかる周波数の変更は、発振源２１３、増幅器２１４、およびマッチング回路２１５を交換することにより容易に行うことができる。 なお、電磁波プラズマでは、周波数を上げると、プラズマ中の電子温度が上がり、ラジカルの発生が容易になる。
【００８５】
このように構成したＰＥＣＶＤ装置２００は、図７および図８を参照して説明した薄膜トランジスタの製造工程のうち、図７（Ｂ）に示すように、基板の表面にアモルファスシリコン膜を形成する工程などに用いられる。すなわち、基板表面の少なくとも一部にシリコン酸化膜などの絶縁性物質である下地保護膜を形成した後に、この下地保護膜上に半導体膜を形成し、最終的にはこの半導体膜を薄膜トランジスタの能動層としている薄膜トランジスタを製造する。
【００８６】
このような成膜方法の一例を以下に説明する。
【００８７】
まず、基板２０５は、下部電極２０３の温度が３８０℃に保たれているＰＥＣＶＤ装置２００内に設置される。
【００８８】
ガス供給部２５０からはガス供給経路２５０４を介して反応室２０１内にモノシランガスを５０ＳＣＣＭの流量で供給する。このとき、モノシランガスを冷却器２５３０によって−１０３℃に冷却した状態で反応室２０１内に供給する。
【００８９】
また、ガス供給部２５０からはガス供給経路２６０４を介して反応室２０１内にアルゴンガスを７０００ＳＣＣＭの流量で供給する。このとき、アルゴンガスを冷却器２６３０によって−１７３℃に冷却した状態で反応室２０１内に供給する。
【００９０】
このときの反応室２０１内の圧力は１．５Ｔｏｒｒである。平行平板電極間距は、２４．４ｍｍである。設置した基板２０１がこうした系と平衡状態となった後の基板表面温度は３４９℃である。ＰＥＣＶＤ装置２００内に基板２０５を設置してから平衡状態に達するまでの時間を平衡時間とすると、室温に保たれている基板２０５の場合には、平衡時間は５分〜６分が最低必要である。この平衡時間は、基板２０５の厚み、熱容量、熱伝導差、設置前の基板２０５の温度および反応室２０１に導入されている気体種やその流量、圧力等により無論異なる。基板２０５の厚みが本例で用いた１．１ｍｍからたとえば０．７ｍｍと薄くなれば平衡時間も厚みに略比例して３分〜４分と短縮される。基板２０５を反応室２０１内に設置する前に予備加熱しておけば、やはり平衡時間を短縮できる。特に、平衡状態における基板表面温度より１０℃程度高い温度に予備加熱しておけば、平衡時間を１分程度にすることも可能である。平衡時間の短縮は、いうまでもなく、スループットの向上と製品価格の低下を意味する。また、反応室２０１の圧力が低ければ、平衡状態での基板表面温度は低下するのが一般的である。従って、基板２０５を設置後、最初に数十秒から数分間、成膜時に反応室２０１に導入する気体よりも熱伝導度の高い気体（水素やヘリウムなど）を反応室２０１に導入したり、あるいは反応室２０１を成膜時よりも高い圧力に保ったり、またはこれら両者を組み合わせて成膜時に反応室２０１に導入する気体よりも熱伝導度の高い気体を成膜時よりも高い圧力にて反応室に導入することにより、基板２０５の第１の予備加熱を行った後、さらにその後、数十秒から数分間にわたり第２の予備加熱を行ってから成膜を試みてもよい。このようにすることで平衡時間を一層短縮することができる。
【００９１】
こうして平衡状態に達した後、上部平行電極２０４に高周波を印加してプラズマを発生させ、半導体膜の成膜を行う。高周波出力は、たとえば６００Ｗである。すなわち、シリコン膜の堆積条件の一例は、
モノシランガス温度：ＳｉＨ４ ＝−１０３℃
アルゴンガス温度：Ａｒ＝−１７３℃
モノシランガス流量：ＳｉＨ４ ＝５０ＳＣＣＭ
アルゴンガス流量：Ａｒ＝７０００ＳＣＣＭ（原料濃度１．６４％）
高周波出力：ＲＦ＝６００Ｗ（０．２２８Ｗ／ｃｍ２ ）
圧力：Ｐ＝１．５Ｔｏｒｒ
電極間距離：Ｓ＝２４．４ｍｍ
下部平板電極温度：Ｔｓｕｓ＝３８０℃
基板表面温度：Ｔｓｕｂ＝３４９℃
である。
【００９２】
このように、反応室２０１内に供給されるモノシランガスの流量は、通常のプラズマＣＶＤ法における成膜条件からみれば高めに設定されている。また、反応室２０１内はヒータ１０８によって加熱されているといっても、反応室２０１内は減圧状態にあるので、モノシランガスは、冷却された状態で反応室２０１内に供給されてからすぐには気体分子の温度が上昇しない。従って、反応室２０１内において、モノシランガスは濃度が高いものの、冷却された状態で反応室２０１内に供給される分、気体分子の平均自由行路が短いので、反応室２０１の内部におけるモノシランガスの圧力が低い。すなわち、反応室２０１内のモノシランガスの圧力を低くしたままでモノシランガスの濃度を高くすることができる。従って、モノシランガスの圧力が低い分、アモルファスシリコン膜の厚さの均一性がよいとともに、膜質が良好である。また、同じ圧力でもモノシランガスの濃度が高い分、成膜速度が０．８ｎｍ／ｓｅｃ．と通常の条件からすれば約２．５倍の成膜速度である。しかも、同じ圧力でもモノシランガスの濃度が高い分、混入した不純物の影響を受けにくい。
【００９３】
また、モノシランガスは、冷却された状態で反応室２０１の内部に供給される分、気体分子の平均自由行路が短いので、多数の基板２０５を狭い間隔で並べても、基板２０５内におけるアモルファスシリコン膜の均一性が良い。なお、本例では、表面状態が平坦な基板２０５に対して成膜を行ったが、凹凸を有する基板上に成膜する際にジシランガスを冷却した状態で反応室２０１内に供給すると、気体分子の平均自由行路が短い分、段差被覆性がよい。
【００９４】
このように、本例では、原料ガスなどを反応室２０１に冷却した状態で供給するための冷却器２５３０、２６３０を設けたので、これまで成膜条件のパラメータとして注目されていなかったガスの供給温度を最適化することによって理想的な成膜を行うことができる。
【００９５】
しかも、モノシランガスについては−１０３℃の温度にまで冷却する一方、アルゴンガスについては−１７３℃にまで冷却するなど、各原料ガスの温度を下限値、すなわち、凝集する温度近くにまで冷却することができる。それ故、原料ガスを冷却して反応室に供給すれば理想的な成膜を行うことができるという利点を最大限発揮させることができる。
【００９６】
［実施例４］
本発明を適用した薄膜形成装置として、スパッタ装置を、図１２を参照して説明する。なお、本例のスパッタ蒸着装置は、図６に概略構成を示した薄膜形成装置に対応する。
【００９７】
図１２において、本例のスパッタ装置３００では、基板３２０にタンタル薄膜などを形成するための反応室３０１と、基板３２０を加熱するためのヒータ３１２（加熱手段）と、反応室３０１内を真空引きするための真空排気装置３１３と、反応室３０１内にガスを供給するためのガス供給部３５０とが構成されている。真空排気装置３１３としてはクライオポンプなどを使用する。
【００９８】
また、スパッタ装置３００には、ガス供給部３５０から供給されたスパッタガスを用いて反応室３０１内にプラズマを形成することによってターゲット３１９から原子または分子をスパッタ蒸発させ、これらの原子または分子により反応室３０１内の基板３２０に対して薄膜を形成するためのプラズマ発生装置３３０が構成されている。
【００９９】
プラズマ発生装置３３０では、基板３２０を保持する基板ホルダ３１４を陽極とし、ターゲット３１９を陰極とする平行平板電極が構成された状態にあり、これらの電極に対しては直流電源３１５が構成されている。なお、直流電源３１５に代えて高周波電源を用いることもある。このようなプラズマ発生装置３３０では、平行平板電極に直流電界または高周波電界を形成するとともに、ガス供給部３５０から反応室３０１内にスパッタガスを供給すると、ガス内にグロー放電が発生し、アルゴンイオンが生じる。アルゴンイオンは、陰極のターゲット３１９に引かれて加速され、ターゲット３１９を衝撃しこれをスパッタ蒸発させる。その結果、スパッタ蒸発した原子や分子が基板３２０上に薄膜を形成する。
【０１００】
このようなスパッタ蒸着を行うにあたって、スパッタガスを供給するガス供給部３５０には、アルゴンガスなどといったスパッタガスを充填したガスボンベ３５０１と、このガスボンベ３５０１からスパッタガスを反応室３０１に供給するためのガス供給経路３５０４と、このガス供給経路３５０４に介挿されたマスフローコントローラ３５０５とが構成されている。また、ガス供給部３５０では、ガス供給経路３５０４の途中位置に冷却器３５３０（冷却手段）が構成され、この冷却器３５３０によって、冷却したスパッタガスを反応室３０１内に供給することが可能である。
【０１０１】
さらに、ガス供給部３５０には、窒素ガスなどを充填したガスボンベ３６０１と、このガスボンベ３６０１からガスを反応室３０１に供給するためのガス供給経路３６０４と、このガス供給経路３６０４に介挿されたマスフローコントローラ３６０５とが構成されている。このため、スパッタ蒸着中に反応室３０１内には窒素ガスなどを供給することができる。従って、ターゲット３１９として用いたタンタルから基板３２０上にタンタル膜を形成すると、タンタル膜には窒素も含有されることになる。このように窒素を含有させたタンタル膜はα構造となっているため、電気伝導度が高い。また、本例では、ガス供給経路２６０４の途中位置にも冷却器２６３０（冷却手段）が構成され、この冷却器２６３０によって、窒素ガスも冷却した状態で反応室２０１内に供給することが可能である。
【０１０２】
このように構成したスパッタ装置３００において、基板３２０にタンタル膜を形成するときには、ターゲット３１９としては純度が９９．９５％のタンタルを用いる。まず、基板３２０を設置した反応室３０１内を減圧するとともに、ヒータ３１２によって基板３２０を加熱し、基板温度が１８０℃とする。この状態で、ターゲット３１９と基板ホルダー３１４との間に直流電界または高周波電界を形成するとともに、ガス供給部３５０から反応室３０１内にアルゴンガスを８０ＳＣＣＭの流量で供給し、反応室３０１内にプラズマを形成する。併せて、ガス供給部３５０から反応室３０１内へは窒素ガスを４ＳＣＣＭの流量で供給する。その結果、ターゲット３１９からスパッタ蒸発した原子または分子により反応室３０１内の基板３２０にはタンタル膜が形成され、このタンタル膜には窒素も含まれている。
【０１０３】
このようにスパッタ法にてタンタル膜を形成する際に、本例では、アルゴンガスを冷却器３５３０によって−１８３℃〜−７３℃に冷却した状態で反応室３０１内に供給する。また、窒素ガスを冷却器３６３０によって−１７８℃に冷却した状態で反応室３０１内に供給する。
【０１０４】
このため、アルゴンの気体分子の平均自由行程は短いので、形成したタンタル膜にはアルゴンの含有量が少ない。従って、密度が高く、かつ内部ストレスが小さいタンタル膜を形成でき、しかもタンタル膜のシート抵抗が低い。
【０１０５】
［その他の実施例］
なお、上記の実施例のうち、シリコン膜を形成する場合には真性のシリコン膜に限らず、リンドープなどのシリコン膜を形成することもできる。この場合には、モノシランやジシランとともにホスフィンなどを反応室の内部に供給すればよい。また、シリコン酸化膜を形成する場合には、モノシランと酸素とを原料ガスとして供給し、シリコン窒化膜を形成する場合には、ジクロルシランとアンモニアとを原料ガスとして供給すればよい。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、基板を設置した反応室内を減圧するとともにこの反応室内にガスを供給しながら基板上に薄膜を形成する際にガスを冷却して反応室内に供給することを特徴とする。従って、本発明によれば、ガスを冷却してから反応室に供給し、ガス分子の平均自由行程が短い条件で薄膜を形成できる。
【０１０７】
それ故、本発明を減圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法に適用すれば、冷却した状態で原料ガスを反応室内に供給する分だけ同じ圧力でありながら反応室内に導入される原料ガスの濃度を高めに設定できる。従って、原料ガスの圧力が低い分、薄膜の厚さの均一性がよいとともに、膜質が良好である。また、同じ圧力でも原料ガスの濃度が高い分、成膜速度が高いとともに、混入した不純物の影響を受けにくい。さらに、原料ガスを冷却して供給するため、気体分子の平均自由行程が短いので、段差被覆性が良好であるとともに、多数の基板を狭い間隔で並べて薄膜を形成しても基板内における膜の均一性が良い。
【０１０８】
また、本発明をスパッタ法に適用すれば、スパッタガスを冷却して供給するため、スパッタガスの気体分子の平均自由行程が短いので、形成した薄膜ではスパッタガスの含有量が少ない。従って、密度が高く、かつ内部ストレスが小さい薄膜を形成でき、しかもシート抵抗が低い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した減圧ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【図２】（Ａ）は、従来の薄膜形成方法におけるガスの運動を模式的に示す説明図、（Ｂ）は、本発明の薄膜形成方法におけるガスの運動を模式的に示す説明図である。
【図３】（Ａ）は、従来の薄膜形成方法によって凹部に薄膜を形成したときの状態を示す説明図、（Ｂ）は、本発明の薄膜形成方法によって凹部に薄膜を形成したときの状態を示す説明図である。
【図４】（Ａ）は、従来の薄膜形成方法によって薄膜を形成するときの基板の配置を示す説明図、（Ｂ）は、本発明の薄膜形成方法によって薄膜を形成するときの基板の配置を示す説明図である。
【図５】図１に係る減圧ＣＶＤ装置の変形例に係る減圧ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【図６】本発明を適用したスパッタ装置の概略構成図である。
【図７】薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図である。
【図８】図７に示した工程に続いて行う薄膜トランジスタの製造工程を示す工程断面図である。
【図９】本発明の実施例１に係る薄膜形成装置としての減圧ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施例２に係る薄膜形成装置としてのプラズマＣＶＤ装置の反応室付近の概略平面図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ′線における断面図である。
【図１２】本発明の実施例４に係る薄膜形成装置としてのスパッタ蒸着装置の概略構成図である。
【図１３】従来の減圧ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
２０Ａ・・・基板
１１Ａ、１１Ｃ、１０１、２０１、３０１・・・反応室
１２Ａ・・・加熱手段
１３Ａ、１３Ｃ・・・真空排気手段
１８Ａ、１８Ｃ・・・ガス供給手段
１６Ａ、１６１Ａ、１６２Ａ・・・冷却手段
１９Ｃ、３１９・・・ターゲット
３０・・・プラズマ発生手段
１０６、２５０、３５０・・・ガス供給部
１０８、２０７、３１２・・・ヒータ
３３０・・・プラズマ発生装置
１０３０、２５３０、２６３０、３５３０、３６３０・・・冷却器

Claims (3)

1. 少なくとも、基板に薄膜を形成するための反応室と、該反応室内を真空引きするための真空排気手段と、前記反応室内に複数のスパッタガスを供給するためのガス供給手段と、該ガス供給手段から供給された複数のスパッタガスを用いて前記反応室内にプラズマを形成することによってターゲットからスパッタ蒸発させた原子または分子により前記反応室内の基板に対して薄膜を形成するためのプラズマ発生手段とを有する薄膜形成装置において、
   前記ガス供給手段は、前記複数のガスに対応して複数のガス供給経路を備えるとともに、
   前記複数のガスが前記反応室内に供給される前に、前記複数のガスの種類毎に、該ガスをそれぞれ適正な温度に冷却するための冷却手段を、前記複数のガス供給経路の外側に沿って備えることを特徴とする薄膜形成装置。
2. 反応室内で、基板に薄膜を形成する工程と、前記反応室内を真空引きした後、該反応室に複数のガス供給経路が設けられ、それぞれの該ガス供給経路の外側に沿って冷却手段を備えるガス供給手段により、前記反応室内に複数のスパッタガスを供給する工程と、前記複数のスパッタガスを用いて前記反応室内にプラズマを形成することによってターゲットからスパッタ蒸発させた原子または分子により前記反応室内の基板に対して薄膜を形成する工程を有する薄膜形成方法において、
   前記複数のスパッタガスを、それぞれの前記ガス供給経路の外側に沿って設けられた冷却手段により、前記複数のスパッタガスの種類毎に、該原スパッタガスをそれぞれ適正な温度に冷却して前記反応室内に供給することを特徴とする薄膜形成方法。
3. 請求項２に規定する薄膜形成方法を利用して前記基板上に形成された前記薄膜を用いてアクティブマトリクス基板を製造することを特徴とするアクティブマトリクス基板の製造方法。

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