JP5320100B2 - 酸化物カプセル化材料の水素化の強化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、単原子水素の反射率が低い表面コーティングを用いて、多結晶シリコン膜及びデバイス等の酸化物被覆された材料の水素化に関する。
多結晶シリコン (polycrystalline silicon)（「ポリＳｉ」）膜は広範な種類のデバイスで使用される。例えば、ポリＳｉは、薄膜トランジスタ、太陽電池、液晶ディスプレイ、プリンタ、及びスキャナ等を含む（しかし、これらに限定されない）多数の用途に使用される。
多結晶シリコンの高濃度の深い及び浅い欠陥を低減することは、優れた電気特性を有するデバイスグレードのシリコン材料を得るために非常に重要である。同様に、優れた電気特性を必要とするデバイスで使用されるポリＳｉ以外の材料の欠陥も低減されなければならない。ポリＳｉの場合、シリコン粒界及び粒子内欠陥にあるシリコンダングリングボンドは、例えばこれらを水素原子に結合させることによって、不動態化されなければならない。一般に、ポリＳｉの水素化は、ポリＳｉ膜を高温（約２００℃乃至約５００℃）で水素プラズマへさらすことによって達成される。しかしながら、ポリＳｉが薄膜トランジスタ等のデバイスに取り入れられる場合、ポリＳｉ層は酸化物又は酸窒化物膜でカプセル化される。いくつかの用途では、ホウ素及びリン等のドーパントを不動態化すること（すなわち、酸化物でカプセル化されたホウ素ドープ単結晶又は多結晶シリコンの水素化）が必要であろう。
ポリＳｉデバイスの粒界欠陥を不動態化するために、水素は、酸化物、ポリＳｉ及び可能な表面障壁（ゲート電極、窒化物層及び酸窒化物層等を含むが、これらに限定されない）の多数の層を通って拡散しなければならない。薄膜トランジスタの水素化は、これらの層の存在のために極めて遅い。酸化物コーティングがないと高温処理によって水素がポリＳｉから外に駆動されるので、薄膜トランジスタの水素化は、薄膜トランジスタがパターン化され、酸化物コーティングで不動態化された後に実行される。
ポリＳｉ薄膜トランジスタは通常酸化物膜を通して水素化されるので、一般的に、約１６時間までの極めて長い水素化時間が必要とされる。これは、酸化物層によって水素の流速が抑制されるためである。完全な水素化を達成し、従って最小限の欠陥濃度を達成するためには、長い露出時間が必要とされる。従って、当該技術では、多結晶シリコン膜及びデバイス等の酸化物カプセル化材料の水素化のための時間を短縮することが必要である。
本発明は、単原子水素の反射率が低い表面コーティングを用いて、酸化物カプセル化材料の強化された水素化方法に関する。本発明は、単原子水素の反射率が低い注入層を酸化物カプセル化材料上に形成し、材料を水素プラズマで水素化することを含む、酸化物でカプセル化された材料の水素化を強化するための方法を提供する。
特に、本発明は、多結晶シリコン膜及びデバイス等の酸化物被覆された材料の強化された水素化方法に関する。表面コーティング又は注入層は、結果的に、このような酸化物カプセル化材料を不動態化するために必要とされる水素化時間を大幅に短縮させる。
本発明は、酸化物カプセル化材料の水素化を強化するためのプロセスに関する。本発明の結果、このような酸化物被覆材料を不動態化するために必要とされる水素化時間が大幅に短縮される。
本発明の説明は、ポリＳｉを用いる特定の具体例に関する。しかしながら、ＧａＮ、ポリダイヤモンド、ダイヤモンド、Ｃ60等を含む（しかし、これらに限定されない）、酸化物でカプセル化された他の材料の水素化は、本発明に従って強化されることができる。従って、以下の説明はこれらの他の基板材料へ等しく適用される。
具体例では、ポリＳｉ膜又はデバイス等のポリＳｉ材料は酸化物でカプセル化され、単原子水素の反射率が低い注入層で被覆される。この材料は、熱的な湿式又は乾式酸化物成長、材料への酸素のインプランテーション、スパッタリング、蒸着等によって酸化物カプセル化できる。酸化物カプセル化層はＳｉＯx （１≦ｘ≦２）を含むが、これに限定されない。酸化物層の厚さは、層が連続的であり、ピンホールを有さなければ十分である。しかしながら、水素不動態化は抑制される。本発明はこの問題を解決する。
酸化物中の水素濃度プロファイルは、酸化物層のスパッタリング中に基板が帯電するため、一般的に、二次イオン質量分析（「ＳＩＭＳ」）で正確に測定することができない。酸化物層を通る水素（「Ｈ」）及び／又は重水素（「Ｄ」）の拡散についての情報を得るために、ポリＳｉ基板等の下側材料は検出器として使用できる。本発明の具体例の分析では、重水素は、水素の化学的性質を複写する、容易に識別可能な同位体なので使用される。従って、Ｄは本発明に従う水素化を分析するために使用される。しかしながら実際には、本発明の具体例では水素が使用されるのが好ましい。
ポリＳｉ基板は、酸化物及び他の層又は障壁を通過するＤを捕集する。ポリＳｉ基板にトラップされた重水素は、酸化物層が除去された後にＳＩＭＳを用いて測定される。酸化物層を通る重水素及び（従って）水素の拡散は、酸化物を通るＤ流速の変化を水素化時間、基板温度及び酸化物の厚さの関数として測定することによって検討される。
図１はポリＳｉ膜の水素化に及ぼす酸化物層の影響を示す。第１に、約３．０μｍ厚の高密度の低温酸化物（「ＬＴＯ」）層を頂部に有する固体結晶化ポリＳｉ膜は、３５０℃で１８０分間、光学的に分離された遠隔水素マイクロ波プラズマ中で単原子重水素にさらされる。プラズマ処理の後、ＬＴＯ層はフッ化水素ＨＦを用いてポリＳｉ膜から除去される。第２に、ＬＴＯ層を有さないポリＳｉ膜は、３５０℃で３０分間、水素プラズマ中で単原子重水素へさらされる。被覆及び未被覆ポリＳｉ膜の双方のＤ濃度プロファイルはＳＩＭＳにより測定される。
本発明の具体例では、ポリＳｉ膜を単原子重水素へさらすために、遠隔水素化システムを使用できる。しかしながら、他の具体例では、正規のプラズマ水素化装置及び電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）機を使用してもよい。水素不動態化の物理的な制限は酸化物層によるものであり、Ｈ原子を発生するために使用される方法によるものではない。
水素化のための温度範囲は約２００℃と約５００℃の間とすることができる。水素化のための時間は下側の酸素カプセル化材料を不動態化するのに適切な時間でよい。具体例では、水素化のための時間は約３０分乃至約１８０分である。時間及び温度の関数として表される不動態化されたスピンの数のプロットは、ニッケルらの「62 Appl. Phys. Lett. 3285 (1993)」に出ており、その全体の開示内容は本文中に援用されて、本発明の一部とする。水素ガスＨ2 の圧力は、下側の酸化物カプセル化材料を不動態化して本発明の目的を達成するために任意の適切な圧力でよい。好ましくは、具体例では、圧力は約２．０トルである。
ポリＳｉ膜へのＤの取り込みに及ぼす３．０μｍＬＴＯ層の影響は著しい。図１は、酸化物の存在のためにポリＳｉへの全体のＤ流速が低下することを示す。Ｄの表面濃度は、酸化物層がない場合のサンプルではＣ0 ＝６．４×１０20ｃｍ-3であるのが、３．０μｍＬＴＯ層で被覆されたポリＳｉ膜ではＣ0 ＝１０17ｃｍ-3より低い値まで低下する。ニッケルらの「52 Phys. Rev. B. 7791 (1995)」（その全体の開示内容は本文中に援用されて、本発明の一部とする）に証明されるように、事実上、同等に低いＤ濃度及び深さプロファイルは、ＬＴＯ層がわずか０．３μｍ厚である場合にも得られる。平均流速を得るために、ポリＳｉ膜中のＤ濃度は積分され、水素化時間で除される。
酸化物層がないポリＳｉ膜のＤ流速はおよそＦ＝１０12ｃｍ-2ｓ-1である。これに対して、０．３μｍより厚いＬＴＯで覆われたポリＳｉ膜では、Ｄ流速はおよそＦ＝１０8 〜１０9 ｃｍ-2ｓ-1へ低下する。下側のポリＳｉ膜へのＤ流速が低いのは、酸化物層へ入る原子Ｄ又はＨに対する大きな障壁のためであり、酸化物中のＤ又はＨの拡散率によって制限されない。
ポリＳｉ中の粒界欠陥を最小限にすることは、不動態化されていないサンプルの欠陥密度を約１００倍だけ越える水素濃度に帰着する。不動態化されていない状態では、固体結晶化ポリＳｉは、Ｎｓ＝２×１０18ｃｍ-3のスピン密度を示す。従って、ニッケルらの「62 Appl. Phys. Lett. 3285 (1993)」（その全体の開示内容は本文中に援用されて、本発明の一部とする）に記載されるように、デバイスグレードのポリＳｉを得るためには約１０20ｃｍ-3のＨ濃度が必要である。
本発明によると、単原子水素の反射率が低いコーティング（即ち、注入層）は、酸化物層でカプセル化された材料の上に付着される。反射率が低いということは、被覆されたＳｉＯx 表面にぶつかるＨ又はＤ原子が注入層及び（続いて）酸化物層に入り、水素プラズマ等の原子水素源へ反射して戻されないことを意味する。コーティングは、蒸発、スパッタリング、化学蒸着、分子ビームエピタキシ、金属有機化学蒸着等の種々の適切な方法のいずれかで付着できる。付着された被覆層は金属又はシリコンベースの層を含むが、これに限定されない。金属は容易に酸化されてはならない。しかしながら、ＩＴＯ等のように金属酸化物が導電性であれば、適切な注入層であろう。
水素は高い電子濃度を有する金属を好む。このような金属から酸化物中への水素拡散は、Ｈ溶解度が低い金属では増大される。金属又はシリコンベースの注入層を使用する場合、注入層内へ拡散する水素は主に酸化物層を通って出ていく。従って、本発明によると、酸化物への拡散は、下側材料の水素化と同様に増大される。
本発明の具体例では、付着された注入層は、好ましくは、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ），ポリＳｉ、絶縁体上のシリコン（ＳＯＩ、例えば、シリコン酸化物上のシリコン）又はこれらの組合せを含む。付着されたコーティングは適切な厚さを有し、好ましくは、約５ｎｍ乃至約７ｎｍの層である。注入層の厚さは特に限定されないが、薄く且つ連続的なコーティングが必要である。厚いコーティングは、水素化時間及び（従って）不動態化時間を増大させる。
本発明の結果、ポリＳｉ膜及びデバイス等の酸化物カプセル化材料の水素化の時間は実質的に短縮される。更に、以下に更に詳細に説明される表１及び図４に示されるように、ポリＳｉ薄膜トランジスタの電気的遷移特性が改良される。
本発明の特定の具体例は、ここで、その特定の実施例に関連して詳細に説明されるであろう。これらの実施例は説明することを意図するだけであって、本発明は、これらの具体例に示される材料、条件又はプロセスパラメータに限定されない。
実施例
実施例１
３．０μｍＬＴＯ層を有するポリＳｉ膜は５ｎｍのＡｕで被覆される。Ａｕ注入層を有する酸化物被覆ポリＳｉ膜と３．０μｍ厚のＬＴＯ層でカプセル化されたポリＳｉ膜のコントロール例とは、３５０℃で１８０分間、光学的に分離された遠隔マイクロ波プラズマ中で発生された単原子重水素へ同時にさらされる。
実施例１
３．０μｍＬＴＯ層を有するポリＳｉ膜は５ｎｍのＡｕで被覆される。Ａｕ注入層を有する酸化物被覆ポリＳｉ膜と３．０μｍ厚のＬＴＯ層でカプセル化されたポリＳｉ膜のコントロール例とは、３５０℃で１８０分間、光学的に分離された遠隔マイクロ波プラズマ中で発生された単原子重水素へ同時にさらされる。
金属注入層及び酸化物層はＨＦで除去され、下側のポリＳｉ膜中のＤ濃度はＳＩＭＳにより測定される。図２はＡｕ注入層を有する酸化物カプセル化膜及びコントロール実施例の重水素濃度プロファイルを示す。Ａｕ注入層の存在のために、ポリＳｉ中のＤ濃度の著しい増大が観察される。
ＬＴＯがＡｕで被覆される場合には、ポリＳｉ膜表面のＤ濃度は約７５倍に増大する。更に、Ｄは、ポリＳｉ膜中の約０．２μｍの深さまで確認される。従って、Ａｕ注入層はＬＴＯの表面障壁を低くし、ポリＳｉ膜又はデバイスの水素化の効率を高める。
実施例２
５ｎｍのＰｔは、３．０μｍ厚のＬＴＯ層で被覆されたポリＳｉ膜上に付着される。ポリＳｉ膜のコントロールサンプルは、媒介Ｐｔ層を用いずに３．０μｍ厚のＬＴＯ層で被覆される。両者のサンプルは、３５０℃で１８０分間、光学的に分離された遠隔プラズマ中で発生された単原子重水素へ同時にさらされる。金属注入層及びシリコン酸化物層はＨＦで除去され、下側のポリＳｉ膜中のＤ濃度はＳＩＭＳで測定される。図２は、Ｐｔ注入層を有する酸化物カプセル化ポリＳｉ膜及びコントロールサンプルの重水素濃度プロファイルを示す。
５ｎｍのＰｔは、３．０μｍ厚のＬＴＯ層で被覆されたポリＳｉ膜上に付着される。ポリＳｉ膜のコントロールサンプルは、媒介Ｐｔ層を用いずに３．０μｍ厚のＬＴＯ層で被覆される。両者のサンプルは、３５０℃で１８０分間、光学的に分離された遠隔プラズマ中で発生された単原子重水素へ同時にさらされる。金属注入層及びシリコン酸化物層はＨＦで除去され、下側のポリＳｉ膜中のＤ濃度はＳＩＭＳで測定される。図２は、Ｐｔ注入層を有する酸化物カプセル化ポリＳｉ膜及びコントロールサンプルの重水素濃度プロファイルを示す。
図２は、ＰｔがポリＳｉ膜中へのＤの拡散を高めることを証明する。しかしながら、Ｄ濃度はポリＳｉ表面に近接して高められるだけで、ＰｔがＨの取り込みの障壁を低くすることが示される。不動態化の効率がより低いのは、金属中の水素の化学ポテンシャル（μH ）の位置のためである。水素が金属から下側の酸化物及びポリＳｉ層へ拡散できる前に、Ｐｔ層中の空の状態をＨで充満させることによってμH は増大されなければならない。従って、Ｐｔ注入層を用いる場合には、Ａｕ注入層を用いる場合と比較して、ＬＴＯ層へのＨ放出の時間遅延が発生する。
比較例
ポリＳｉ膜の水素化に及ぼすアルミニウム（Ａｌ）注入（又は被覆）層の影響は図３に示される。７ｎｍのＡｌは、０．１μｍ厚のＬＴＯ（シリコン酸化物）層で被覆されたポリＳｉ膜上に付着される。比較のために、注入層を有さない酸化物カプセル化ポリＳｉ膜のコントロールサンプルも準備される。
ポリＳｉ膜の水素化に及ぼすアルミニウム（Ａｌ）注入（又は被覆）層の影響は図３に示される。７ｎｍのＡｌは、０．１μｍ厚のＬＴＯ（シリコン酸化物）層で被覆されたポリＳｉ膜上に付着される。比較のために、注入層を有さない酸化物カプセル化ポリＳｉ膜のコントロールサンプルも準備される。
Ａｌ被覆された酸化物カプセル化ポリＳｉ膜及びコントロールサンプルは、３５０℃で１８０分間、単原子Ｄへ同時にさらされる。金属及びシリコン酸化物層は、ＳＩＭＳ測定の前にＨＦで除去される。図３から、ＡｌはＤ取り込みの酸化物表面障壁を低くしないことがわかる。
Ａｌのように（Ａｌ2 Ｏ3 を形成する）絶縁酸化物層を形成する金属は、Ｈ原子が金属に入るのが妨げられ、これにより、次の層のＨ不動態化プロセスが効果的に防止される。
図１乃至図３に示されるＳＩＭＳの結果は、Ａｕ及びＰｔ金属層がポリＳｉ膜及びデバイス等の酸化物でカプセル化された材料の水素化効率を高めることを証明する。
実施例３
３．０μｍ厚のシリコン酸化物層でカプセル化されたトップゲートポリＳｉ薄膜トランジスタ（「ＴＦＴ」）チップは、５ｎｍのＡｕ及び７ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈでそれぞれ被覆される。薄膜トランジスタは３５０℃で３０分間水素化される。比較のために、注入層を有さない以外は同様のＴＦＴチップのコントロールサンプルが準備される。
３．０μｍ厚のシリコン酸化物層でカプセル化されたトップゲートポリＳｉ薄膜トランジスタ（「ＴＦＴ」）チップは、５ｎｍのＡｕ及び７ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈでそれぞれ被覆される。薄膜トランジスタは３５０℃で３０分間水素化される。比較のために、注入層を有さない以外は同様のＴＦＴチップのコントロールサンプルが準備される。
水素化の前及び後の電気的遷移特性は、図４及び以下の表１に示される。ＬＴＯの頂部にＡｕ及びａ−Ｓｉ：Ｈ注入層を有する薄膜トランジスタチップは、コントロールサンプルに関して改良された遷移特性を示す。しきい値前の傾きが改良され、コントロール例（注入層のない酸化物カプセル化ＴＦＴチップ）よりもしきい値電圧が小さく、ＯＮ電流は高い。全てのＩSD−ＶG 曲線のしきい値前の傾きは表１に要約される。ここで、ＩSDはドレイン電流源であり、ＶG はゲート電圧である。ドレイン電圧源ＶSDは５ボルトである。
これらの結果は、Ａｕ及びａ−Ｓｉ：ＨがポリＳｉデバイスの水素化時間を短縮できることを証明する。更に、ａ−Ｓｉ：ＨはポリＳｉ薄膜トランジスタ製造プロセスと適合する。ａ−Ｓｉ：Ｈ層からの水素が下側のポリＳｉ基板の水素化の源でないことは強調されなければならない。
本発明は特定の具体例に関連して説明された。この明細書を読んで理解すれば修正及び変更は当業者には明らかであろう。このような修正及び変更の全ては、これらが特許請求の範囲の範囲内にある限りにおいて含まれることが意図される。
Claims (4)
- 酸化物でカプセル化された材料の水素化を強化するための方法であって、
Ａｕを含む注入層を酸化物カプセル化材料上に形成するステップと、
前記材料を水素プラズマを含む原子水素源で水素化するステップと、
を含む、酸化物カプセル化材料の水素化の強化方法。 - 前記注入層の厚さが５ｎｍ〜７ｎｍである、請求項１に記載の酸化物カプセル化材料の水素化の強化方法。
- 前記材料がＧａＮ又は多結晶シリコンである、請求項１又は請求項２に記載の酸化物カプセル化材料の水素化の強化方法。
- 前記酸化物がＳｉＯ ｘ （１≦ｘ≦２）を含む、請求項１に記載の酸化物カプセル化材料の水素化の強化方法。
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