JPH0443642A - ゲート絶縁膜の形成方法 - 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、シリコンを半導体としたＭＯ３型電界効果１
−ランジスタのゲート絶縁膜を低温で形成する方法に関
する。

〔従来の技術〕

ソリコンを半導体として用いたＭｏｓ型電界効果トラン
／スタ（以下ＭＯ５ＦＥＴという）は半導体集積回路や
、アクティブマトリックス方式液晶デイスプレィ用の薄
膜トランジスタ（以下Ｔ　ＰＴという）アレイ等に用い
られる主要回路素子である。

上記ＭＯ３ＦＥＴの構造は、例えば第７図に示すように
、単結晶シリコン基板、或いは絶縁膜上の厚い多結晶シ
リコン膜１を半導体として用い、」−面にゲート絶縁膜
２を形成し、これを介してＭＯＳゲート電極３を設けた
もの、或いは、第８図に示すように、石英ガラス等の透
明絶縁基板４上に多結晶シリコン薄膜５を半導体として
設け、上面にケート絶縁膜２を形成し、これを介してＭ
ＯＳゲート電極３を接続［７たもの等がある。なお図中
１３はキャリヤを供給、或いは引出すゾーン、ドレイン
領域である。

」−記ゲート絶縁膜２は、半導体領域となるシリコン膜
ｌ或いは５と共にこの素子の特性を決定する最も重要な
部分である。

従来、半導体集積回路においては、主と（５て単零Ｉ；
晶シリコンを半導体として用いたＭＯ３ＦＩΣＴが使用
されているが、この場合、半導体のシリコン自体を約１
０００°Ｃの高温で熱酸化した酸化シリコン膜がゲート
絶縁膜として用いられている。

またＴＦＴアレイに使用できる半導体としては多結晶シ
リコン、或いは非晶質シリコンかある。

これらのうち特に非晶質シリコンを用いたＴＰＴが主に
実用化されているが、多結晶シリコンを用いたＴＰＴ　
（以下多結晶シリコンＴＰＴという）の方が特性−Ｌ優
れており、その実用化が望まれている。この多結晶シリ
コンＴ　Ｐ　Ｔにおいて実用化されているのは、ゲート
絶縁膜として上記単結晶シリコンの場合と同様、高温熱
酸化したゲート絶縁膜を用いた場合のみである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、半導体集積回路においては、シリコン基
板の大型化や素子＼１法の微細化のために、製造プロセ
ス温度の低温化が望まれている。また、多結晶シリコン
ＴＦＴアレイにおいても高温熱酸化膜をゲート絶縁膜と
して用いる場合、基板として高価で大型化が困難な石英
基板を用いる必要があり、低製造コスト化、Ｔ　Ｆ　Ｔ
アレイ寸法の大型化のために、安価で大型化が可能な高
融点ガラスが使用できる６　５０　’Ｃ以下の温度で高
品質のゲート絶縁膜を形成することが望まれている。

そのため、気体の熱分解による化学的気相堆積法（以下
ＣＶＤ法という）を用いて、低温で堆積したシリコン酸
化膜を用いてＴＰＴが作製されているが、高温酸化した
酸化シリコン膜に匹敵するゲート絶縁膜は得られていな
い。

一般に低温で高品質のゲート絶縁膜を形成する方法とし
ては、熱エネルギの代わりに主たるエネルギの供給源と
して、プラズマのエネルギーや、紫外光のエネルギを用
いて膜の堆積を行なったり、下地を酸化する方法が行な
われている。この方法は、半導体集積回路の層間絶縁膜
の形成方法や、非晶質シリコンＴＰＴのゲート絶縁膜の
形成方法として実用化されており、低温で高品質の膜形
成か期待できるが、単結晶シリコンＭＯ３ＦＥＴや、多
結晶シリコンＴ　Ｆ　”Ｆ用のゲート絶縁膜の形成方法
としては、実用化のレベルに達していない。

すなわち、現状において、低温で高品質の膜形成が期待
できるプラズマや紫外光のエネルギを利用して、シリコ
ン単結晶に堆積した酸化膜は、高温で形成した酸化シリ
コン膜に比較して、膜中に多くの欠陥が存在するーＬ１
酸化膜と半導体の界面がもともとの半導体面であるため
、良好な界面の形成が困難である。また、上記エネルギ
を用いて下地半導体を酸化する場合には、界面は半導体
内に形成されるので、良好な界面特性が得られることが
期待できるが、膜の形成速度が極めて遅く経済的でない
。さらに、下地半導体が多結晶シリコンの場合には、多
結晶シリコンの面方位や粒界を反映し°Ｃ膜の厚さがば
らつく欠点を有する。

本発明は、上記の事情に鑑み、半導体集積回路において
は、基板の大形化や素子寸法の微細化が可能で、多結晶
シリコンＴＦＴアレイにおいては、基板の大形化が容易
な高融点ガラス基板の使用を可能とする、ゲート絶縁膜
の形成方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明の方法は、半導体の
材料としてシリコンを用いたＭＯＳｆｆ２７Ｊｆ界効果
トランジスタのゲート絶縁膜を形成するに際し、 シリコン表面をプラズマ酸化して酸化膜を形成し、 ついでプラズマＣＶＤ法によって、シリコン含有ガスと
酸素含有ガスとを反応させシリコン酸化膜の堆積を行な
う。

またはシリコン表面にプラズマＣＶＤ法によってシリコ
ン含有ガスと酸素含有ガスとを反応させてシリコン酸化
膜を堆積し、 ついで、この／リフン酸化膜を酸素プラズマアニールす
る。

または、上記方法を組合わせて （イ）シリコン表面をプラズマ酸化して酸化膜を形成し
、 （ロ）この酸化膜上にプラズマＣＶＤ法によりシリコン
含有ガスと酸素含有ガスとを反応させて、シリコン酸化
膜を堆積させ、 （ハ）次いでこのシリコン酸化膜酸素プラズマアニール
する。

さらに上記（ロ）および（／＼）の工程を２回置」−繰
返えしてもよい。

上記方法はいずれも、プラズマに代えて紫外光エネルギ
ーを用いてもよく、 また同一装置内で連続的に各工程を行うこともできる。

〔作用〕

本発明は上記の構成となっているので、酸素含有ガスに
よるシリコンの酸化はゲート絶縁膜とシリコン含有ガス
との良好な界面を形成し、またシリコン含有ガスと酸素
含有ガスとの反応により形成される堆積膜の欠陥は酸素
含有ガスの作用によってアニールされる。また堆積膜の
形成工程においては、全体の膜形成速度が確保され、特
に下地半導体が多結晶シリコンの場合には多結晶シリコ
ンの面方位と粒界の影響を低減する。

〔実施例〕

本発明の方法を実施する装置としては、プラズマのエネ
ルギーを利用したものとして、ＲＦプラズマＣＶＤ装置
、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置、ＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ装置があり、光エネルギーを利用したものとして光Ｃ
Ｖ　ｌ）装置がある。第１図ないし第３図に装置の具体
例を示す。

第１図はＲＦプラズマＣＶＤ装置で、図中符号１１は、
プラズマＣＶＤ装置チャンバである。チャンバ１１内底
部には、ヒータ１２が内蔵されている、陽極兼基板加熱
台１３が設けられ、この加熱台１３上には、試料基板１
４が載置されている。

上記チャンバ１１の底部には、排気管１５が設けられ、
真空装置（図示せず）によってチャンバｌｌ内を所定の
真空度に保持している。また上記加熱台１３の上部には
、加熱台１３と対向して下面にガス噴出孔１６が穿設さ
れた陰極１７が設けられ、この陰極１７は、ガス導入管
１８によって外部と接続されている。この導入管１８に
は、ＲＦ電源１９が接続されている。

上記の装置を用いてＣＶＤ法によってシリコン酸化物を
試料基板１４上に堆積させるには、試料基板１４を所定
の温度に加熱するとともに、チャンバ１１内を所定の真
空度に保持し、ガス導入管１８からＳｉＨ＊、Ｓｉ、Ｈ
，等のシリコン含有ガスとＯ２、Ｎ、Ｏ等の酸素含有ガ
スを導入しながら陰極１７にＲＦ電力１９を印加する。

これにより、上記陰極１７と陽極兼加熱台１３との間に
プラズマが発生され、試料基板１４の面にシリコン酸化
膜が形成される。この場合、導入ガスを酸素含有ガスの
みとすればシリコンのプラズマ酸化、或いはシリコン酸
化膜のプラズマアニールが行なわれる。

このようにシリコン含有ガスの送入を停止することによ
り、２つの工程が自由に切換えられる。

第２図は、Ｉ’：　ＣＲプラズマＣＶ　Ｉ）装置を示す
もので、第１図と同一機能部分同一符号をイ」シてその
説明を省略する。

この装置においては、ＥＣＲプラズマ発生室２１にプラ
ズマ発生用カス導入管２２より酸素を含有するプラズマ
発生用ガスを導入しなからＥ　ＣＲ条件を満すようにマ
イクロ波導入口２３より導入されるマイクロ波電力と磁
界２４を印加し、高密度のプラズマを発生させこのプラ
ズマを反応室２５に引出すことによって、シリコン含有
ガス導入管２６から導入されるシリコン含有ガスと反応
させ、基板加熱台２７に載置された試料基板１４の面に
シリコン酸化膜を形成する。

この装置においても導入管２６より導入されるシリコン
含有ガスを停止すればＥＣＲプラズマによるシリコン酸
化、或いは堆積膜のアニールヲ行なうことができる。

また、第３図は、光ＣＶＤ装置を示すもので第１図、第
２図と同一機能部分には同一符号が付しである。

ガス導入管１８からンリコン含イ・ｆガスおよび酸素含
有ガスの反応ガスを導入しながら、石英窓３１を通して
、試料基板１４上に紫外光光源３２の光を導入しガスを
分解することにより、試料基板１４１にシリコン酸化膜
が形成される。この場合も／リフン含有ガスを停止すれ
ば、シリコンの光酸化、或いは、光酸素アニールが行な
われる。

次に、ゲート絶縁膜を形成する工程について説明する。

多結晶シリコンＴＰＴの場合も、単結晶シリコンによる
ＭＯＳＦＥＴの場合も、ゲート絶縁膜の形成工程は同一
であり、プラズマＣＶ　Ｉ）装置を用いた多結晶シリコ
ンＴＰＴの工程を代表例として説明する。

第４図（ａ）（ｂ）（ｃ）は工程の一例を示す図で、絶
縁基板４１上に島状にバターニングした膜厚１０ｎｍ〜
数１１００ｎの多結晶シリコン膜４２の表面を充分にク
リーニングした後、プラズマＣＶ　Ｉ）装置内にセット
し、絶縁基板４１の温度を４００〜７００°Ｃにして酸
素含有ガスによりプラズマ酸化を行ない、シリコン膜４
２の表面に数ｎｍ−数ＩＱｎｍの酸化シリコン膜４３を
形成する。次いで同じ温度範囲で酸素含有ガスと共にシ
リコン含有ガスを導入し、膜厚数ＩＱｎｍ〜数１１００
ｎのシリコン酸化膜４４を堆積し、全体として数１０ｎ
ｍ〜数１１００ｎのゲート絶縁膜４５を形成する。

なお、上記酸化シリコン膜４３は、多結晶シリコン膜４
２の面に形成され、シリコン酸化膜４４は絶縁基板４１
の而にも形成される。

上記２つの工程によってゲート絶縁膜４５を形成すると
、シリコン酸化膜４３を形成する場合と比較して、ゲー
ト絶縁膜４５と多結晶シリコン膜４２の間の界面特性が
向上しゲート絶縁膜４５としてのシリコン酸化膜４４が
高品質化する。

なお、プラズマ酸化法で酸化シリコン膜４３を形成する
と、膜形成速度が非常に遅くこれ単独で全膜厚を形成す
るには時間を要し、実用性を失なう。

また、第５図（ａ）（ｂ）（ｃｌに示すように、絶縁基
板４Ｉ上の多結晶シリコン膜４２の表面に、絶縁基板４
１の温度を４００〜７００　’Ｃとして数］　Ｏｎｍ〜
数１１００ｎのシリコン酸化膜４４を堆積した後、同じ
温度範囲下、酸素プラズマ中でアニールすることにより
ケート絶縁膜４５を形成する。

この場合、酸素プラズマアニール中に酸素原子、或いは
イオンが、堆積したシリコン酸化膜４４中ニ拡散シ、シ
リコン酸化膜中の欠陥およびシリコン酸化膜４４と多結
晶シリコン膜４２間の界面の欠陥のアニールが行われゲ
ート絶縁膜４５としてのシリコン酸化膜４４がアニール
されたシリコン酸化膜４６となり高品質化される。

また第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、」１記
２つの方法を組合わせたもので表面クリーニングした多
結晶シリコン膜４２に数ｎｍ−数１０ｎｍの酸化シリコ
ン膜４３を形成し、さらに数ｌＱｎｍ以下のシリコン酸
化膜４４の堆積を行ないこれを酸素プラズマアニールし
て、アニールサしたシリコン酸化膜４６とする工程を最
低行ない、第６図（ｄ）に示すものをつくる。その後、
シリコン酸化膜４４の堆積、酸素プラズマアニールをし
てアニールされたシリコン酸化膜４６とする工程を繰返
えす。この場合繰返し回数か多い程、高品質のゲート絶
縁膜４５が得られる。

上記工程は、Ｅ　ＣＲプラズマＣＶＤ装置、マイクロ波
プラズマＣＶ　Ｉ）装置、光ＣＶＤ装置等いずれを用い
ても実施可能である。

なお、上記装置ではヒータによる加熱を行なわなくとも
比較的高品質のシリコン酸化膜４４の堆積が可能であり
、シリコン酸化膜の堆積温度としては室温から７００　
’Ｃ程度までか使用出来る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の方法は、低温で高品質の
ゲート絶縁膜の成形が可能となるので、半導体集積回路
においては、基板の大形化や素子寸法の微細化、多結晶
シリコンＴ　Ｆ　Ｔアレイにおいては、安価で、基板の
大型化が可能な高融点ガラスの使用が可能となる等、多
くの長所を有する方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は、本発明の方法を実施する装置の
例を示すもので、第１図はＲＦプラズマＣＶ　Ｄ装置、
第２図は、ＥＣＲブラズ？ＣＶＤ装置、第図は光（紫外
光）ＣＶＤ装置、第４図（ａ）（ｂ）（Ｃ）は工程の順
の一例を示す図で、第４図（ａ）は、多結晶ンリフン膜
を絶縁基板上にセットした図、第４図（ｂ）は多結晶シ
リコン膜面に酸化ンリコン膜を形成した図、第４図（ｃ
）はさらにその上にシリコン酸化膜を堆積した図、第５
図（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の方法の他の例を示すも
ので、第５図（ａ）は多結晶シリコン膜を絶縁基板上に
セットした図、第５図（ｂ）は多結晶シリコン膜面にシ
リコン酸化膜を堆積した図、第５図（Ｃ）はシリコン酸
化膜を酸素によってアニールした図、第６図（ａ）（ｂ
）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、第４図、第５図の工程を合わ
せたもので、第６図（ａ）は多結晶シリコンを絶縁基板
上にセットした図、第６図（ｂ）は、多結晶シリコン膜
面に酸化シリコン膜を形成した図、第６図（Ｃ）は酸化
シリコン膜面にシリコン酸化膜を堆積した図、第６図（
ｄ）はシリコン酸化膜をアニールした図、第６図（ｅ）
はアニールしたシリコン酸化膜面にさらにシリコン酸化
膜の堆積、アニールを繰返えした図、第７図、第８図は
、従来のＭＯＳＦＥＴの構造例を示すもので、第７図は
単結晶シリコン基板、或いは厚い多結晶シリコン膜を半
導体として用いた図、第８図は多結晶シリコン薄膜を半
導体として用いた図である。 ｌ・・・・・・単結晶シリコン基板或いは多結晶ンリコ
ン膜、２・・・・・・ゲート絶縁膜、３・・・・・・Ｍ
ＯＳゲート電極、４・・・・・・透明絶縁基板、５・・
・・・・多結晶シリコン薄膜、１１・・・・・・プラズ
マＣＶＤ装置チャンバ（チャンバ）、１２・・・・・・
ヒータ、１３・・・・・・陽極兼基板加熱台（加熱台）
、１４・・・・・・シリコン試料基板（試料基板〉、１
５・・・・・・排気管、１６・・・・・・ガス噴出孔、
１７・・・・・・陰極、Ｉ８・・・・・・ガス導入管、
１９・・・・ＲＦｆｆｌ力、２Ｉ・・・・・・ＥＣＲプ
ラズマ発生室、２２・・・プラズマ発生用ガス導入管、
２３・・・・・マイクロ波導入口、２４・・・・・・磁
界、２５・・・・・・反応室、２６・・・・けい素含有
ガス導入管、２７・・・・・基板加熱台、３１・・・・
・・石英窓、３２・・・・・・紫外線光源、４１・・・
・・・絶縁基板、４２・・・・・多結晶シリコン膜、４
３・・酸化ンリコン膜、４４・・・・・シリコン酸化膜
、４５・・・・・・ケート絶縁膜、４６・・・・・アニ
ールされたシリコン酸化膜。 出願人　株式会社　ジ−ティン− 第 図 第 図 第 図 第 図 （ａ） ム２

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体の材料としてシリコンを用いたＭＯＳ型電
   界効果トランジスタのゲート絶縁膜を形成するに際し、 シリコン表面をプラズマのエネルギーを用いて酸化して
   酸化膜を形成し、 ついで、プラズマのエネルギーを用いたＣＶＤ法によっ
   て、シリコン酸化膜の堆積を行なうことを特徴とするゲ
   ート絶縁膜の形成方法。
2. （２）半導体の材料としてシリコンを用いたＭＯＳ型電
   界効果トランジスタのゲート絶縁膜を形成するに際し、 シリコン表面にプラズマのエネルギーを用いたＣＶＤ法
   によってシリコン酸化膜を堆積し、ついで、このシリコ
   ン酸化膜を酸素プラズマを用いてアニールすることを特
   徴とするゲート絶縁膜の形成法。
3. （３）半導体の材料としてシリコンを用いたＭＯＳ型電
   界トランジスタのゲート絶縁膜を形成するに際し、 （イ）シリコン表面をプラズマのエネルギーを用いて酸
   化して酸化膜を形成し、 （ロ）この酸化膜上にプラズマのエネルギーを用いたＣ
   ＶＤ法によりシリコン酸化膜を堆積させ、（ハ）次いで
   このシリコン酸化膜を酸素プラズマを用いてアニールす
   ることを特徴とするゲート絶縁膜の形成方法。
4. （４）請求項（３）において、（ロ）および（ハ）の工
   程を２回以上繰返すことを特徴とするゲート絶縁膜の形
   成方法。
5. （５）プラズマのエネルギーに代えて紫外光エネルギー
   を用いることを特徴とする請求項（１）、（２）、（３
   ）または（４）記載のゲート絶縁膜の形成方法。
6. （６）同一装置内で、連続的に各工程を行うことを特徴
   とする請求項（１）（２）（３）（４）または（５）記
   載のゲート絶縁膜の形成方法。