JPH0290568A - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアクティブ層を多結晶シリコン膜から構成する
薄膜トランジスタ、いわゆる多結晶Ｓｉ薄膜トランジス
タの製造方法に関し、特にその薄膜トランジスタのゲー
ト酸化膜を高周波スパッタ法を用いて低基板温度で形成
するゲート酸化膜の形成法に関するものである。

〔従来の技術〕

現在、多結晶Ｓｌ薄展トランジスタのＭＯ８型半導体装
置への大幅な導入に伴い、アクティブ層である多結晶Ｓ
ｔ模膜上形成するゲート酸化膜の形成法が求められてい
る。この多結晶９ｉ薄膜トランジスタのゲート酸化膜と
しては、まずその形成温度が低温であることが必要とさ
れる。これは、形成温度が高温である場合には、基板と
して耐熱性の高いものが必要である他、基板内における
不純物が再拡散され、その拡散プロファイルが変化した
り、あるいは基板が変形したシするため、ＭＯＳを半導
体装置の高信頼化・低廉化を疎外するためである。この
低温化に加えて、ゲート酸化膜の電気的特性として、絶
縁性と絶縁破壊耐圧が高いこと、界面特性が良好である
ことがＭＯ８型半導体装置の高性能化・高信頼化のため
に要求される。

さらに１多結晶Ｓｋ＠ｌｉｌト９ンジスタ特有の現象と
して、アクティブ層のポテンシャル障壁がその電気的特
性に太き彦影響を与えるため、ゲート酸化膜形成時にア
クティブ層への損傷が小さいことが要求される。

ここで、単結晶Ｓｉ　　ＭＯＳＦＥＴで用いられている
熱酸化法によ多形成したゲート酸化膜は、優れた界面特
性を有し、かつアクティブ層への損傷もないため、これ
を多結晶３ｉ薄展トランジスタのゲート酸化膜形成にそ
のまま適用することが容易に考えられる。しかし、熱酸
化法では形成温度が９００℃以上と高温であシ、かつこ
の方法では多結晶ｇｉｐＩＡ上での絶縁性や絶縁破壊耐
圧が著しく劣化するため、使用電圧が単結晶Ｓｉ　　Ｍ
ＯＳＦＥＴに比べ高い多結晶Ｓム薄膜トランジスタでは
、これを使用することは困難である。

そこで、従来、多結晶Ｓ１薄膜トランジスタのゲート酸
化膜は、少なくとも５００℃以上の基板温度において例
えばシラ／、ジシランなどの気化したシリコン化合物と
酸素を含むガスとを反応させて形成する熱気相成長法（
熱ＣＶＤ法）によ多形成されていた。この熱ＣＶＤ法で
形成したシリコン酸化膜は、絶縁性や絶縁破壊耐圧が高
く、アクティブ層への損傷はないという利点を有するが
、良好な界面特性を持たないため、ＭＯ８型半導体装置
のさら壜る高性能化を疎外し、またその形成温度もまだ
高いため、ＭＯ８型半導体装置の高信頼化拳低廉化を疎
外するという欠点を有していた。さらに、熱ＣＶＤ法で
はシラ／、ジシランなどの極めて危険なシリコン化合物
のガスを用いる必要があることなど、製造装置の保守を
困難とする要因を含んでいた。

ところで、上記熱酸化法や熱ＣＶＤ法が持つ欠点を改善
するために、従来よシ蒸着法、プラズマＣＶＤ法あるい
は高周波スパッタ法を用いたものも提案されている。こ
の蒸着法は、酸素を含む雰囲気中でシリコンを電子ビー
ムで加熱・溶融して蒸発させ、このシリコンと酸素を化
合せしめてゲート酸化膜を形成する方法である０プムズ
マＣＶＤ法は、熱ＣＶＤ法におけるシリコン化合物と酸
素との反応に用いている熱エネルギーの代シにプラズマ
の有するエネルギーを用いる方法である。また、高周波
スパッタ法は、放電ガスのプラズマによシ発生したイオ
ンをターゲット材に衝突させ、ターゲット材よシスバッ
タされた粒子を基板上に堆積あるいはスパッタ粒子と雰
囲気ガスを反応させて基板上に堆積させる方法である。

この場合、ゲート酸化膜の形成には、従来、例えば酸化
シリコンをターゲット材とし放電ガスとして希ガス単体
を用いるもの、およびシリコンをターゲット材とし放電
ガスとして希ガスと酸素の混合ガスを用いるものが用い
られてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような従来の蒸着法を用いた方法は、基板温度を１
００℃以下にまで下げることができ、かつ粒子のエネル
ギーが小さいためアクティブ層への損傷を低く抑えられ
るが、蒸発してくる粒子がほぼ直線的に基板に到達する
ため、段差の影の部分にはゲート酸化膜の形成が極めて
困難であシ、多結晶Ｓｉ膜のような表面の凹凸の激しい
膜の上にはち密な膜ができにくい。このため、良好な絶
縁性と絶縁破壊耐圧を有する膜を均一に形成するのが極
めて困難であｊ５、ＭＯ８型半導体装置の高信頼化・高
性能化を疎外するという欠点を有している。

また、プラズマＣＶＴ）法を用いた方法は、基板温度を
３００℃〜４００℃に下げることができるが、膜中に５
ｉ−Ｈ結合やｓ　１−ＯＨ結合などの原料ガスの残骸が
残ル、シかも膜がポーラスとなりやすいため、絶縁性と
絶縁破壊耐圧およびエツチング耐性が劣化しやすく、か
つ基板が直接プラズマに晒されるため、アクティブ層へ
の損傷も懸念されるなどＭＯ８型半導体装置の高性能化
・高信頼化を疎外する要因を含んでいた。さらに、この
方法でも、熱ＣＶＤ法と同じく例えばシラン、ジシラン
などの危険なシリコン化合物を用いる必要があシ、製造
装置の保守を困難とする要因を含んでいる。

一方、従来の高周波スパッタ法を用いた方法は、原理的
には基板温度を室温にまで下げることができるとともに
、ＣｖＤで問題となる危険なガスを不用にできるという
利点を有する反面、上記ターゲット材と放電ガスの組合
わせで得られたゲート酸化膜が良好な絶縁性と絶縁破壊
耐圧、および界面特性を同時に満足できず、また基板が
直接プラズマに晒されるため、アクティブ層への損傷が
懸念されると言う欠点を有していた。

以上のように、従来の方法では、形成温度の低温化と多
結晶ｓｉ模膜上おける界面特性および絶縁特性などの１
！気的特性を同時に満足できないという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目
的は、高周波スパッタ法によシリコ／酸化族を多結晶シ
リコン膜上に堆積してゲート酸化膜を形成する際にその
シリコ／酸化族の電気的特性を向上させた薄膜トランジ
スタの製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、アクティブ層を多結晶シリコ／膜
から構成する薄膜トランジスタの製造方法において、タ
ーゲット材として酸化シリコンを用い、かつ放電ガスと
して希ガスに酸素を１０％以上混合したガスを用い、こ
の放電ガスの圧力を１、ＯＰａ以下とした高周波スパッ
タ法によシ前記多結晶シリコン膜上にシリコン酸化膜を
堆積してゲート酸化膜を形成する工程を含むことを特徴
とするものである。

〔作用〕

したがって、本発明によれば、希ガスに酸素を１０％以
上混合したガスと酸化シリコンのターゲット材を用い、
その放電ガスの圧力を１．ＱＰａ以下とした簡単な高周
波スパッタ法により、低基板温度でゲート酸化膜として
用いるシリコ／酸化族を多結晶ｓｉ模膜上形成すること
ができる０〔実施例〕 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明において用いる高周波スパッタ装置の一
例を示す概略図である。ここで、真空槽１に設けるター
ゲット材２は酸化シリコン（Ｓ　１ｏ２）より成シ、こ
れに対向してゲート酸化膜を形成すべき多結晶Ｂｉ膜を
形成した基板３を真空槽１内の基板ホルダー４に配する
。そして、上記真空槽１内のガスを排気口５より排気し
た後、ガス導入口６より希ガスに酸素を混合した放電ガ
スをガスの圧力が０．２〜２．Ｑ　Ｐ　ａとなるように
真空槽１内に導入する。ついで、基板温度を２０〜４０
０℃とし、その後、ターゲット材２と真空槽１との間に
数百ボルトないし数千ボルトの高周波電圧を印加して放
電を生じせしめ、基板３上にゲート酸化膜を形成する。

このようにして、高周波スパッタ法により低基板温度で
かつ危険なガスを用いることなく、多結晶Ｓｉ股上にゲ
ート酸化膜を形成できる０次に、上記ターゲット材２に
酸化シリコンを用い、かつ放電ガスにアルゴンと酸素と
の混合ガスを用いた高周波スパッタ法により基板温度２
００℃で多結晶Ｓｉ膜上に形成した本発明方法によるゲ
ート酸化膜の電気的特性の一例を第２図および第４図を
参照して説明する。ここで、このゲート酸化膜の形成は
、第１図に示した高周波スパッタ装置を用い、ターゲッ
ト材２として純度９９．９９％以上のＳｉ□ａを、基板
３として単結晶ｓｉ基板あるいは石英基板を用いて行っ
た場合を示す。

まず、第１表に、上記ゲート酸化膜を用いたＭＯ８型半
導体装置の一例として製作した多結晶Ｓｔ模膜上ＭＯＳ
キャパシタの主要パラメータを示す。

この時、基板３として単結晶Ｂｋ基板を用い、その上に
多結晶３ｉ膜を高周波マグネトロンスパッタ法によシ膜
厚１５０ｎｍ形成し、１１００℃のＮｌ中アニールによ
り多結晶化し、多結晶Ｓ１膜を形成し九。そして、その
多結晶Ｓ１膜上に、ゲート酸化膜を上記方法により形成
した。ゲート電極にはスパッタＡｌ膜を用い、面積を０
．２５−とじた。

第　　１　表 第２図（ａ）　Ｋ　、上記ＭＯＳキャパシタを用いて測
定した本発明によるゲート酸化膜の絶縁性および絶縁破
壊耐圧と、そのゲート酸化膜形成における放電ガス中へ
の酸素混合率との関係を示し、第２図Φ）に、上記ＭＯ
Ｓキャパシタを用いて測定した本発明によるゲート酸化
膜の絶縁性および絶縁破壊耐圧と、そのゲート酸化膜形
成における放電ガスの圧力との関係を示す。ただし、第
２図中符号ＥＢＩＥｃは本発明によるゲート酸化膜の絶
縁破壊耐圧。

絶縁性の曲線をそれぞれ示す０絶縁性の目安としては、
電流密度が１μＡ／ＣＩｌ！となる電界強度を採用した
。比較のため、従来の多結晶ｓｉ脱膜上高温熱酸化膜の
絶縁性ＥＣＩと絶縁破壊耐圧ＥＢｌ、および参考の丸め
、単結晶８１基板上の高温熱酸化膜の絶縁性ＥＣＩと絶
縁破壊耐圧Ｉｎｓを矢印で示す０これらの図から明らか
なように、放電ガス中への酸素混合率を１０％以上とし
、かつ放電ガスの圧力を１．０　Ｐ　ａ以下とすること
により、２００℃と低基板温度にもかかわらず、多結晶
Ｂｉ脱膜上高温熱酸化膜に匹敵する絶縁性と絶縁破壊耐
圧を有するゲート酸化膜を高周波スパッタ法を用いて形
成できる。４９に１放電ガス中への酸素混合率を３０％
以上とし、かつ放電ガスの圧力を０．６Ｐａ以下とする
ととｋよ、り、２００℃と低基板温度にもかかわらず、
多結晶ｓｉ脱膜上高温熱酸化膜を凌駕し、単結晶Ｓｔ基
板上の高温熱酸化膜に匹敵する絶縁性と絶縁破壊耐圧を
有するゲート酸化膜を高周波スパッタ法を用いて形成で
きる。

次に、本発明によシ形成したゲート酸化膜を用いたＭＯ
８型半導体装置の一例として製作した多結晶Ｂｔ薄膜ト
ランジスタの基本構造を第３図に示す。ここで、基板と
して、石英ガラス１１を用い、その上にスパッタ法でＢ
ｉ膜を膜厚１５０１１ｍ堆積した後、アニールを施し多
結晶化して多結晶Ｓｉ膜１２を形成し、その上にゲート
酸化膜１３を上記方法によ、り１１００ｎ形成した。次
いで、このゲート酸化膜１３上にゲート電極１４を形成
し、このゲート電極１４に対して多結晶５ｔｉ１ｚ内部
にソースおよびドレイン電極１５．１６をセルファライ
ン的に形成したのち、層間絶縁膜１７を介して配線１８
をそれぞれ形成することにより、図示する構造の多結晶
Ｓｉ薄膜トランジスタ１９を作成した。この時、ゲート
電極１４にはＰドープ多結晶Ｓｉ膜を用いて５ＱＱｎｍ
形成し、ソースおよびドレイ／電極１５．１６の形成に
はＰイオン注入法を用いた。配線１８はスパッタＡＩ膜
を用い、膜厚を７ＱＱｎｍとした。

第４図（ａ）　Ｋ　、上記多結晶Ｂｋ薄膜トランジスタ
１９を用いて測定した電界効果移動度と、そのゲート酸
化膜形成における放電ガス中への酸素混合率との関係を
示し、第４図Φ）に、上記多結晶Ｓム薄膜トランジスタ
１ｇを用いて測定した電界効果移動度と、そのゲート酸
化膜形成における放電ガスのガス圧との関係を示す。こ
の第４図から明らかなように１放電ガス中への酸素混合
率を１０％以上とし、かつガス圧を１．０Ｐａ以下とす
ることによシ、ゲート酸化膜の形成が２００℃と低温で
行われているにもかかわらず、大きな電界効果移動度を
得ることができる。特に、酸素混合率を３０％以上とし
、かつガス圧を０．６Ｐａ以下とすることＫよシ、多結
晶Ｓｉ薄膜トランジスタとしては極めて大きな電界効果
移動度を得ることができる。

一方、上記本発明のゲート酸化膜形成によるアクティブ
層（多結晶Ｂｋ膜）への効果を明らかにするため、多結
晶Ｂｉ薄膜トランジスタのドレイ／％流の温度特性から
、多結晶Ｓｉ＃のボテンシャル障壁を求めた。その結果
、酸素を５０％混合した場合には０．１ｅＶとアルゴン
単体の場合の０．３ｅＶに比べて低くなっていることが
明らかとなった。すなわち、本発明によると、界面特性
だけでなく、多結晶Ｂｔ膜のボテンシャル障壁も低くな
）、極めて大きな電界効果移動度を実現できる。

なお、本実施例では、基板温度を２００℃とした例を示
したが、高周波スパッタ法では原理的に２００℃以下で
も充分に良質な膜の堆積が可能なため、２００℃以下の
基板温度でも同様に優れた効果を期待できる。また、本
実施例では、基板として石英ウェハに本発明を適用した
例を示したが、本発明ではゲート酸化膜の形成温度を２
００℃以下とすることができるため、石英の代シに、融
点が低く安価な例えば７０５９ガラスなどを用いても同
様に優れた効果を期待できることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、放電ガスとして希
ガスに酸素を１０％以上混合したガスを用い、かつ放電
ガスの圧力を１．０　Ｐ　ａ以下とした高周波スパッタ
法によシゲート酸化膜として用いるシリコン酸化膜を形
成することによシ、絶縁性、絶縁破壊耐圧、および界面
特性などの良好な電気的特性を有するとともに、アクテ
ィブ層のポテンシャル障壁をも低くできるシリコン酸化
膜を低温で多結晶ｓｉ模膜上形成でき、この酸化膜を用
いて優れたＭＯ８型半導体装置、例えば多結晶ＳＮ膜上
の多結晶Ｂｔ薄膜トランジスタなどを製作できる。これ
によって、例えば、３次元集積回路素子Ｖ製作やデイス
プレィ装置、高機能センサーの製作などのプロセスの低
温化を必須とする分野に適用して有効であυ、特にゲー
ト酸化膜の多結晶Ｓｉ膜上への形成方法として優れた効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法において用いる高周波スパッタ装置
の一例を示す概略図、第２図（ａ）は多結晶３ｉ膜上の
ＭＯＳキャパシタを用いて測定した本発明によるゲート
酸化膜の絶縁性および絶縁破壊耐圧とそのゲート酸化膜
形成における放電ガス中への酸素混合率との関係を示す
図、第２図（ｂ）は多結晶Ｓｉ膜上のＭＯＳキャパシタ
を用いて測定した本発明によるゲート酸化膜の絶縁性お
よび絶縁破壊耐圧とそのゲート酸化膜形成における放電
ガスの圧力との関係を示す図、第３図は本発明方法によ
シ製作した多結晶Ｓｉ薄膜トランジスタの基本構造の一
例を示す断面図、第４図（ａ）は上記多結晶Ｓム薄膜ト
ランジスタを用いて測定した電界効果移動度とそのゲー
ト酸化膜形成における放電ガス中への酸素混合率との関
係を示す図、第４図Φ）は同じく上記多結晶Ｂｋ薄膜ト
ランジスタを用いて測定した電界効果移動度とそのゲー
ト酸化膜形成における放電ガスのガス圧との関係を示す
図である。 １・・・・真空槽、２・・魯・ターゲット材（酸化シリ
コン）、３・・・・基板、４・・・・基板ホルダー　５
＋１・・ｅ排気口、６１１・・・カス導入口、１１・−
Φ・石英ガラス、１２・・・・多結晶Ｓｉ膜、１３・・
・Ｏゲート酸化膜、１４・・・・ゲート電極、１５・・
ｍ−ソース電極、１６・・・・ドレイ／電極。 第１図 第２図（ａ） 第２図（ｂ） ガス圧（Ｐａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アクティブ層を多結晶シリコン膜から構成する薄膜トラ
   ンジスタの製造方法において、ターゲット材として酸化
   シリコンを用い、かつ放電ガスとして希ガスに酸素を１
   ０％以上混合したガスを用い、この放電ガスの圧力を１
   ．０Ｐａ以下とした高周波スパッタ法により、前記多結
   晶シリコン膜上にシリコン酸化膜を堆積してゲート酸化
   膜を形成する工程を含むことを特徴とする薄膜トランジ
   スタの製造方法。