JPH1050687A

JPH1050687A - 薄膜形成装置および薄膜形成方法

Info

Publication number: JPH1050687A
Application number: JP20365096A
Authority: JP
Inventors: Arichika Ishida; 有親石田; Shigeki Ozeki; 茂樹大関
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-08-01
Filing date: 1996-08-01
Publication date: 1998-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】大面積に均一な膜厚で、高品質でかつ界面特性
の良好な薄膜を形成可能な薄膜形成装置を提供するこ
と。【構成】混合することによって自発的に反応する複数の
ガスを真空容器 1の同一空間に導入する独立した複数の
導入口 6,7と、気体の導入時に真空容器の圧力を１０Ｐ
ａ以下に保つ機構と、気体を電磁波による放電または光
によって励起する機構 5と、真空容器に設定以上の流量
の気体が導入されることを防止する機構10〜12, 10' 〜
12' を具備する。また、気体を励起する手段として電磁
波による放電を用いる場合、基板にバイアスをかける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子や半
導体集積回路等のデバイス製造に用いる薄膜形成装置に
かかわり、特にシリコン含有ガスと酸素含有ガスの反応
を用いて基板上に二酸化シリコンを形成するための薄膜
形成装置および薄膜形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示素子として、高移動度の
多結晶シリコン薄膜を活性層とする薄膜トランジスタで
構成してなる駆動回路を、液晶表示素子の画素表示部の
周辺に配してなる駆動回路一体型の液晶表示素子が注目
されている。そして、このような駆動回路一体型の液晶
表示素子の一つとして、基板に高融点材料である石英を
用い、プロセス最高温度９００〜１０００［゜Ｃ］程度
の高温プロセスでこの石英基板上に薄膜トランジスタで
構成してなる駆動回路を作成した小型の液晶表示素子が
実用化されている。

【０００３】一方、世の中は液晶表示素子に対しても大
画面のものを強く求めている。しかしながら、石英基板
は非常に高価であるために、大面積の駆動回路一体型液
晶表示素子を安価に製造することはできない。すなわ
ち、大面積の駆動回路一体型液晶表示素子を安価に製造
するためには、耐熱性の劣るガラス基板を用いることが
必要であり、ガラス基板にそりや縮みなどの変形を起こ
さないような低温プロセスを開発することが必須であ
る。

【０００４】一方、薄膜トランジスタはＭＯＳ型トラン
ジスタの一種であるため、素子の性能および信頼性には
ゲート絶縁膜として用いられるシリコン酸化膜の膜質が
大きく寄与する。つまり、ＭＯＳ型トランジスタである
ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）は、二
酸化シリコン薄膜をゲート絶縁膜や層間絶縁膜等に用い
ている。そして、ＭＯＳＦＥＴではゲート絶縁膜の膜質
や、ゲート絶縁膜とチャネル半導体層との界面特性が、
ＭＯＳＦＥＴ自体の特性や信頼性に大きな影響を及ぼす
ことが知られている。

【０００５】このため、低温プロセスが適用可能でしか
も、高品質なシリコン酸化膜を形成できる薄膜形成装置
が強く求められる。低温で高品質なシリコン酸化膜を形
成することが可能な薄膜形成装置としては、ＥＣＲプラ
ズマＣＶＤ装置があげられる。

【０００６】図８に示すものは、ＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置の一例である。図において１０１は真空容器であ
り、例えば、円柱状の中空容器である。１０２はプラズ
マ生成室であり、真空容器１０１の上面における中心位
置に形成されており、筒状である。プラズマ生成室１０
２の外周にはリング状の電磁石１０５が当該プラズマ生
成室１０２と同心的に配置され、プラズマ生成室１０２
内に直流磁場を形成する。

【０００７】プラズマ生成室１０２における真空容器１
０１に接していない側の開口は、マイクロ波導入窓１０
３となっており、ここにはマイクロ波導入管１０４が接
続されている。マイクロ波導入管１０４には図示しない
がマイクロ波発生源が接続されており、このマイクロ波
発生源から発生されたマイクロ波がこのマイクロ波導入
管１０４を通してマイクロ波導入窓１０３よりプラズマ
生成室１０２内に導入される仕組みである。

【０００８】１０６は酸素導入口、１０７はシラン導入
口であり、いずれもパイプを円形リング状に形成したも
ので、酸素導入口１０６はプラズマ生成室１０２内にお
けるマイクロ波導入窓１０３部分近傍に当該プラズマ生
成室１０２と同心的に、また、シラン導入口１０７は真
空容器１０１内におけるプラズマ生成室１０２の連絡口
近傍にそれぞれ配される。

【０００９】そして、酸素導入口１０６は外部より酸素
系のガス（ＯまたはＯ系（例えば、Ｎ₂ Ｏなど））を供
給するためのパイプが接続されていて、このパイプを通
して酸素導入口１０６には酸素系のガスが供給され、リ
ング状の酸素導入口１０６に例えば、等間隔で設けた複
数の孔を介してプラズマ生成室１０２内へとこの酸素系
のガスが供給される仕組みである。当該酸素導入口１０
６に接続される当該パイプには、ガス流量を調整するマ
スフローコントローラ１１１が接続されており、マスフ
ローコントローラ１１１の前後段には管路開閉用のバル
ブ１１２，１１０が接続されている。

【００１０】また、シラン導入口１０７は外部よりシラ
ン系のガス（ＳｉＨ₄ やＳｉ₂ Ｈ_６など））を供給する
ためのパイプが接続されていて、このパイプを通してシ
ラン導入口１０７にはシラン系のガスが供給され、リン
グ状のシラン導入口１０７に例えば、等間隔で設けた複
数の孔を介して真空容器１０１内へとこのシラン系のガ
スが供給される仕組みである。当該シラン導入口１０７
に接続される当該パイプには、ガス流量を調整するマス
フローコントローラ１１１´が接続されており、マスフ
ローコントローラ１１１´の前後段には管路開閉用のバ
ルブ１１２´，１１０´が接続されている。

【００１１】また、真空容器１０１にはその側周面の一
部に排気口１０１ａが形成されており、排気ポンプによ
りこの真空容器１０１内のガスは排気される。１０８は
真空容器１０１内に配された基板ホルダ、１０９は基板
で、基板ホルダ１０８により支持されている。

【００１２】このような構成の装置は、真空容器１０１
内のガスが排気口１０１ａを介して排気され、また、シ
ラン導入口１０７よりシラン系のガスが、また、酸素導
入口１０６より酸素系のガスが供給される。また、マイ
クロ波導入管１０４を通してマイクロ波導入窓１０３よ
りプラズマ生成室１０２内にマイクロ波が導入される。

【００１３】酸素導入口１０６より供給された酸素系の
ガスはプラズマ室１０２を満たし、導入窓１０３から導
入されたマイクロ波は、電磁石１０５で発生させた磁界
により酸素に共鳴吸収されることにより、プラズマ室１
０２には酸素プラズマが生成される。そして、プラズマ
により励起された酸素はイオン化して、磁界中を真空容
器１０１方向へと流れていき、真空容器１０１中でシラ
ンガスと反応することにより、真空容器１０１内に配置
された基板１０９の外表面には薄膜が形成されることに
なる。

【００１４】このようなＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用
いることによって、基板１０９の表面には高品質な酸化
膜を形成することができる。しかしながら、このような
ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置においては、基板面内で膜厚
が不均一になるという問題点がある。それは、シラン導
入口１０７から導入されるシランガスの流れを均一にす
ることが非常に困難であるためである。

【００１５】特に基板面積を大きくした場合、リング状
のシラン導入口１０７ではリングの外径が大きくなるの
で、基板１０９の中心部付近にシランガスを供給するこ
とは構造上、困難であり、基板１０９の中心付近での膜
厚が薄くなってしまうことが避けられない。

【００１６】基板１０９の中心近傍にシランガスを供給
できるようにするためには、基板の中心付近にシランガ
スの吹き出し口を設ければよい。しかしながら、そのた
めには、基板１０９の中心近傍にも分布するようにシラ
ン導入口１０７を配置する必要がある。

【００１７】しかし、ＥＣＲプラズマＣＶＤの場合、プ
ラズマ室１０２からのイオン流が方向性を持っているた
めに、このようにすると、シラン導入口１０７がイオン
流の本流部分に鎮座する形になって、このシラン導入口
１０７によってプラズマ室１０２からの酸素イオンの供
給が遮られる部分が生じることになり、その結果、局部
的に膜質の著しく劣る部分ができてしまうことになる。
従って、従来のものは構造上、大面積の基板を処理する
には不向きである。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ＭＯＳ型電界効果トラ
ンジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）は、アクティブマトリックス
型液晶表示装置の画素スイッチング素子としての薄膜ト
ランジスタ（ＦＦＴ）や半導体集積回路等に用いられて
おり、このＭＯＳＦＥＴにおいては、ゲート絶縁膜や層
間絶縁膜等に二酸化シリコン薄膜を用いている。

【００１９】そして、ＭＯＳＦＥＴではゲート絶縁膜の
膜質や、ゲート絶縁膜とチャネル半導体層との界面特性
が、ＭＯＳＦＥＴ自体の特性や信頼性に大きな影響を及
ぼすことが知られている。

【００２０】従来、ＭＯＳＦＥＴの基板として用いられ
てきたものは、少量の不純物が添加された単結晶シリコ
ンや、石英基板のような高融点材料であり、その際のゲ
ート酸化膜としては９００［゜Ｃ］以上の熱工程を必要
とする熱酸化膜が用いられてきた。しかしながら、近
年、ＴＦＴでは液晶表示装置の大画面化、コスト削減の
ため、また、半導体集積回路ではコスト削減のため、ま
たはそれ以外の種々の理由により、基板の大面積化が取
り沙汰されている。

【００２１】しかし、基板の大面積化を図るためには、
従来のような９００［゜Ｃ］以上の高温プロセスの下で
は、問題が多い。すなわち、高温プロセスの下では、基
板の大面積化は基板のそり、縮み、不純物脱離等の諸問
題を生じさせる。

【００２２】そのため、基板の大面積化を図るにはプロ
セス温度の低温化が不可欠である。しかしながら、従来
の薄膜形成装置においては、その構造上、大面積の基板
に均−に高品質の薄膜を形成することは困難であるとい
う問題点がある。

【００２３】そこで、この発明の目的とするところは、
大面積の基板に対して、均一に高品質なかつ良好な界面
特性を持った薄膜を形成することができるようにした薄
膜形成装置および薄膜形成方法を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成する。すなわち、第１に
は、薄膜形成装置に、混合することによって自発的に反
応する複数のガス、たとえばモノシランまたはジシラン
またはトリシランおよびその希釈ガスと、酸素もしくは
その希釈ガスを真空容器の同一空間に導入する独立した
複数の導入口と、気体の導入時に真空容器の圧力を１０
［Ｐａ］以下に保つ機構と、気体を電磁波による放電ま
たは光によって励起する励起機構とを具備し、さらに真
空容器に設定以上の流量の気体が導入されることを防止
する機構を具備するものである。

【００２５】また、気体を励起する手段として電磁波に
よる放電を用いる場合、放電している気体プラズマのフ
ローティング電位より薄膜を形成する基板の電位を低く
保つ機構を具備する。

【００２６】本発明によれば、互いに反応する気体を同
一空間に導入することで、気体が均一に供給され、膜厚
が均一になる。また、互いに反応する気体を独立した導
入口から導入し、さらにガス導入中に真空容器の圧力を
１０［Ｐａ］以下に保つことにより、励起されていない
気体分子同士が反応することが防止され、膜質の低下を
招くこともない。さらに、気体の導入を開始する際に、
設定流量以上の気体が導入されることを防止することに
より、界面特性が劣化することもない。また、気体の分
子を励起する手段として電磁波による放電を使用した場
合、基板にバイアスを印加する事により、さらに膜質を
向上させることができる。

【００２７】また、第２には本発明は、ＣＶＤ法を用い
て、シリコン含有ガスと酸素含有ガスとの反応により例
えば二酸化シリコンを形成する際、反応装置内におい
て、酸素含有ガスをプラズマ状態とした後に、引き続い
て酸素含有ガスのプラズマ中に、シリコン含有ガスを導
入することにより、例えば二酸化シリコンを形成する。

【００２８】この方法によれば、ＣＶＤ法を用いて、シ
リコン含有ガスと酸素含有ガスとの反応により二酸化シ
リコンを形成する際、反応装置内において、酸素含有ガ
スをプラズマ状態とした後に、引き続いて酸素含有ガス
のプラズマ中に、シリコン含有ガスを導入することか
ら、これにより、成膜初期においてもシリコンの比率が
高いような組成ずれ（Ｓｉ０ｘ：ｘ＜２）が極めて少な
い高品質な二酸化シリコンを形成させることができる。
特に、本方法を用いて形成した二酸化シリコンをゲート
上置き型ＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜として用いる場
合、チャネル半導体層との界面近傍での二酸化シリコン
膜中において正電荷として作用し、ＭＯＳＦＥＴのしき
い値電圧を負方向へシフトさせるような組成ずれを極め
て少なくできるため、ＭＯＳＦＥＴの特性を向上させる
ことができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の具体例を図面を参照して
説明する。（具体例１）図１において１は真空容器、２はプラズマ
生成室、３はマイクロ波導入窓、４はマイクロ波導入
管、５は電磁石、６は酸素導入口、７はシラン導入口、
８は基板ホルダ、９は基板、１０、１０´はバルブ、１
１，１１´はマスフローコントローラ、１２，１２´は
バルブ、１３はＡＣ電源である。

【００３０】上記の真空容器１は、例えば、円柱状の中
空容器であり、プラズマ生成室２はこの真空容器１の上
面における中心位置に形成されていて筒状である。電磁
石５はリング状であり、プラズマ生成室２の外周に、こ
のリング状の電磁石５は該プラズマ生成室２と同心的に
配置され、プラズマ生成室２内に直流磁場を形成する。

【００３１】プラズマ生成室２における真空容器１に接
していない側の開口は、マイクロ波導入窓３となってお
り、ここにはマイクロ波導入管４が接続されている。マ
イクロ波導入管４には図示しないがマイクロ波発生源が
接続されており、このマイクロ波発生源から発生された
マイクロ波がこのマイクロ波導入管４を通してマイクロ
波導入窓３よりプラズマ生成室２内に導入される仕組み
である。

【００３２】酸素導入口６、シラン導入口７は、いずれ
もパイプを円形リング状に形成したもので、酸素導入口
６とシラン導入口７はプラズマ生成室２内におけるマイ
クロ波導入窓３部分近傍に当該プラズマ生成室２と同心
的に配置される。

【００３３】但し、この例では酸素導入口６の方がシラ
ン導入口７よりマイクロ波導入窓３に近い方に配置され
ている。そして、酸素導入口１０６は外部より酸素系の
ガス（ＯまたはＯ系（例えば、Ｎ_２Ｏなど））を供給
するためのパイプが接続されていて、このパイプを通し
て酸素導入口６には酸素系のガスが供給され、リング状
の酸素導入口６に例えば、等間隔で設けた複数の孔を介
してプラズマ生成室２内へとこの酸素系のガスが供給さ
れる仕組みである。当該酸素導入口６に接続される当該
パイプには、ガス流量を調整するマスフローコントロー
ラ１１が接続されており、マスフローコントローラ１１
の前後段には管路開閉用のバルブ１２，１０が接続され
ている。

【００３４】また、シラン導入口７は外部よりシラン系
のガス（ＳｉＨ₄ やＳｉ₂ Ｈ₆ など））を供給するため
のパイプが接続されていて、このパイプを通してシラン
導入口７にはシラン系のガスが供給され、リング状のシ
ラン導入口７に例えば、等間隔で設けた複数の孔を介し
て真空容器１内へとこのシラン系のガスが供給される仕
組みである。当該シラン導入口７に接続される当該パイ
プには、ガス流量を調整するマスフローコントローラ１
１´が接続されており、マスフローコントローラ１１´
の前後段には管路開閉用のバルブ１２´，１０´が接続
されている。

【００３５】また、真空容器１にはその側周面の一部に
排気口１ａが形成されており、図示しないがこの排気口
１ａは排気ポンプに接続されていて、この排気ポンプに
よりこの真空容器１内のガスは排気され、内部が低圧、
例えば、１０［Ｐａ］以下程度の低圧に保たれる構成と
してある。

【００３６】基板ホルダ８は真空容器１内に配され、膜
形成対象となる基板９は、この基板ホルダ８により支持
される。このような構成の本装置は、酸素導入口６とシ
ラン導入口７がともにプラズマ室２内に配置されてお
り、しかも、これらはマイクロ波導入窓３近傍に配置さ
れている。そして、酸素導入口６からは酸素ガスが、ま
た、シラン導入口７からはシランガスがそれぞれ供給さ
れる。従って、本装置の場合、シランガスと酸素ガス
は、酸素導入口６およびシラン導入口７から、プラズマ
室２の中に同時に導入されることになる。

【００３７】またマイクロ波導入窓３からはマイクロ波
が導入され、この導入されたマイクロ波は、電磁石５で
発生させた直流磁界によリ、シランおよび酸素に共鳴吸
収される結果、プラズマ室２内ではシランと酸素の混合
ガスのプラズマが生成され、図２に示すように、この生
成された混合ガスのプラズマＰは、プラズマ流となっ
て、基板９へ到来することになる。

【００３８】一般に、このように、シランと酸素を同一
の空間で混合させて成膜を行うと、膜質の劣る膜が形成
されると考えられていた。しかし、本発明者の研究によ
れば、励起されていない酸素（すなわち、イオン化され
ていない酸素）とシランの混合を避けることで、シラン
と酸素を同一の空間で混合しても高品質の膜が形成され
ることが明らかになった。

【００３９】励起されていない気体同士の反応の阻止
は、図１に示す如く、気体を励起する空間以外での配管
中での混合を避け、また、気体を励起する空間の圧力を
１０［Ｐａ］以下に保つことで実現することができる。

【００４０】圧力１０［Ｐａ］以下では、気体の平均自
由工程は数１０［ｃｍ］程度になり、気体分子同士が衝
突する確率は非常に低く、従って、この状態ではほとん
ど反応は進まない。そして、プラズマ生成室２内でマイ
クロ波が吸収されることにより励起された気体分子が、
真空容器１内の基板９の表面で反応する表面反応のみに
よって成膜が進行することとなる。この特徴はガスの種
類によらない。

【００４１】たとえば、図１の構成の本発明装置と図８
の従来例の装置について性能を比較してみると、本発明
装置の酸素導入口６、そして、従来例の装置の酸素導入
口１０６からそれぞれ毎分１０［ｃｍ³ ］の酸素ガス
を、そして、本発明装置のシラン導入口７，従来例の装
置のシラン導入口１０７から毎分２［ｃｍ³ ］のシラン
ガスを導入し、基板加熱を行わないでシリコン酸化膜の
成膜を行った場合、基板における中心と周辺での膜厚の
差は、図８の従来例で２０％程度であったのに対し、図
１の本発明によれば、２％程度まで向上した。

【００４２】このとき、ガス毎に供給エリアを独立した
構成とした従来例の装置で成膜されたシリコン酸化膜
は、膜の抵抗率が１０¹⁶［Ωｃｍ］であったのに対し、
従来装置でプラズマ室１０１への導入前に両ガスを混合
するようにしたところ、形成されたシリコン酸化膜は抵
抗率が１０¹⁴［Ωｃｍ］まで劣化した。

【００４３】特に薄膜トランジスタのゲート絶縁膜への
応用を考えた場合、活性層である多結晶シリコンとの界
面である、成膜初期の膜質がトランジスタ特性を決定す
る。真空容器１０１の圧力をｌ０［Ｐａ］以下に保つた
めには、導入されるガスの流量は、排気系の性能に依存
するが、一般的には毎分、数ｃｍ³ 以下の微量である。

【００４４】（具体例２）図８、図１に示したような通
常のガス導入系を用いると、バルブ１１０を開くとき、
マスフローコントローラ１１１とバルブ１１０の間に残
留したガスが、一気にプラズマ室１０２に導入される。

【００４５】通常の圧力の１０［Ｐａ］以上で行う成膜
では、この程度の流量の超過は問題にならないが、本発
明において成膜初期の膜質を良好に保つためにはこの流
量超過が問題となる。

【００４６】この場合には図３のような構成とすると良
い。図３は基本構成は図１の装置と同じであり、さらに
次のような構成を付加する。すなわち、酸素導入口６の
管路におけるバルブ１２、マスフローコントローラ１
１、バルブ１０からなる流路制御系において、例えば酸
素導入口６に最も近い位置に配置されるバルブ１０は入
口１つと出口２つを持ち、かつ２つの出口のいずれか１
つを選択するように切り替えることができる三方バルブ
１０ａを用い、また、シラン導入口７の管路におけるバ
ルブ１２´、マスフローコントローラ１１´、バルブ１
０´からなる流路制御系において、例えばシラン導入口
７に最も近い位置に配置されるバルブ１０´も上述のよ
うな三方バルブ１０ａ´を用いるようにし、これら三方
バルブは２つある出口の一つは上記の管路に、もう一つ
はそれぞれ排気ポンプ１４に接続するような構成とした
流量超過の防止機構を設ける。

【００４７】このような構成において、はじめに三方バ
ルブ１０ａ，１０ａ´を排気ポンプ１４側に切り替え、
バルブ１２，１２´を開けてガスを流す。流量が一定の
状態で三方バルブ１０ａ，１０ａ´をプラズマ室２側に
切り替える。このようにすると、流量を設定値から超過
することなくプラズマ室２にガスを導入することができ
るようになる。

【００４８】基板９として単結晶シリコン基板を用い、
この単結晶シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成した
場合、通常のガス導入系を用いると、界面順位密度は７
×１０¹⁰［ｃｍ^-2ｅＶ^-1］であったのに対し、本発明の
ようなガス導入系を設けることで界面順位密度は２×１
０¹⁰［ｃｍ^-2ｅＶ^-1］まで向上した。

【００４９】また、図０３に示すように図０２の構成に
さらにＡＣ電源（交流電源）１３を付加し、この電源１
３の電位を基板ホルダ８に与えるようにして、基板ホル
ダ８上の基板９の電位を気体プラズマのフローティング
ポテンシャルよりも低く保つようにする。こ基板ホルダ
のようにすることで、さらに膜質を向上させることがで
きた。

【００５０】（具体例３）図５に示すものは、本発明の
他の例である具体例３である。この例は、先の例が縦型
であったのに対して、横型にしたものであり、また、プ
ラズマ励起をマイクロ波では無く、光励起としたもので
ある。図５において、１５は紫外線ランプ、１６は紫外
光透過窓であり、その他の符号は図１と同様のものは同
一の符号を付してある。

【００５１】紫外線ランプ１５としては低圧水銀ランプ
や、真空紫外光源を用いる。ガスとしては、酸素と、励
起光源波長に合わせてジシランや、トリシラン、また
は、シランガスに微量の水銀を添加したものが用いられ
る。

【００５２】紫外線ランプ１５は真空容器１内に設けら
れたランプハウス１５ａ内に配され、ランプハウス１５
ａに設けた紫外光透過窓１６を通して真空容器１内に照
射される。真空容器１内には紫外光透過窓１６に対向す
る位置に基板ホルダ８が配され、基板ホルダ８上に保持
された基板９に紫外線ランプ１５からの紫外線が照射さ
れる構成である。

【００５３】酸素とシランは横方向から真空容器１内に
導入され、紫外光透過窓１６と基板ホルダ８との空間を
通って排気側へと排気される。その際に、紫外光透過窓
１６と基板ホルダ８との空間で紫外線を受けて励起さ
れ、反応して基板９上にシリコン酸化膜を形成する。

【００５４】本具体例によつても高品質のシリコン酸化
膜が得られる。（具体例４）図６は本発明の別の具体例である。図６
（ａ）は上面図、図６（ｂ）は正面断面図であり、図に
おいて１７は永久磁石、他の符号は図１、図３、図４と
同じである。本具体例では、永久磁石１７により発生さ
せた直流磁界によって、ガスにマイクロ波を共鳴吸収さ
せ、プラズマを発生させる。永久磁石１７はリング状で
あり、径の異なるものを複数個、用意する。そして、そ
れを図６の（ａ）に示すように同心的に配置し、円筒形
の真空容器１の上部に配置する。隣接する永久磁石１７
はそれぞれ極性が異なるようにする。マイクロ波導入管
４は永久磁石１７の下面側に配置される。

【００５５】マイクロ波導入管４は断面矩形のダクト型
であり、円筒形の真空容器１をその中心線位置を通って
横断するように配される。マイクロ波導入管４にはその
下面に開口４ａを配してあり、ここより真空容器１内に
マイクロ波が導入される。

【００５６】このような構成において、磁界は永久磁石
１７により発生させ、酸素およびシランのガスは真空容
器１内に配置した酸素導入口６、シラン導入口７より供
給する。本装置では基板９を配置する真空容器１内がプ
ラズマ生成室ともなる。従って、専用のプラズマ生成室
は設けてはいない。そして、この装置では永久磁石１７
により発生させた直流磁界によって、酸素およびシラン
のガスにマイクロ波を共鳴吸収させ、プラズマを発生さ
せる。そして、これにより酸素およびシランのガスを反
応させ基板９の表面にシリコン酸化膜を成膜する。

【００５７】本具体例で成膜したシリコン酸化膜の抵抗
率は、基板にＡＣバイアスをかけない状態で膜の抵抗率
は１０¹⁵［Ωｃｍ］であった。また、基板にＡＣバイア
スをかけた状態で抵抗率は１０¹⁶［Ωｃｍ］まで上昇さ
せることができた。

【００５８】なお、上述した具体例では、いずれもシラ
ン系のガスと酸素を用いたシリコン酸化膜の形成につい
て説明したが、これに限定されるものではなく、混合す
ることによって自発的に反応するガス同士であれば本発
明を適用して変わらない効果を得ることができる。ま
た、形成する薄膜の種類としては、シリコン窒化膜や、
他の膜でも自発的に反応を開始する複数のガスを用いる
成膜であれば、効果は同じである。

【００５９】以上は、シランガスと酸素とをプラズマ生
成室内に同時に導入して両ガスを励起し、真空容器内に
導いて反応させ基板上に二酸化シリコン膜を形成する技
術であったが、従来構成の装置を用いても、シーケンス
の工夫により良好な膜形成が可能になる。その例を次に
具体例５として説明する。

【００６０】（具体例５）ＭＯＳＦＥＴは、アクティブ
マトリックス型液晶表示装置の画素スイッチング素子と
しての薄膜トランジスタ（ＦＦＴ）や半導体集積回路等
に用いられており、このＭＯＳＦＥＴにおいては、ゲー
ト絶縁膜や層間絶縁膜等に二酸化シリコン薄膜が用いら
れる。

【００６１】高温プロセスの下での二酸化シリコン薄膜
の形成には、基板のそり、縮み、不純物脱離等の諸問題
を生じさせる。そのため、基板の大面積化を図るにはプ
ロセス温度の低温化が不可欠である。

【００６２】シリコン含有ガスと酸素含有ガスとを反応
させる成膜方法は、低温で二酸化シリコンを成膜する方
法の一つであるが、モノシランのようなＳｉ‐Ｈ結合を
持つシリコン含有ガスは反応性が高く、常温でも酸素と
気相反応を起こして二酸化シリコン形成する。しかしな
がら、酸素ガス自体の反応性はモノシランガス自体の反
応性より劣っており、このような反応性の異なる複数の
ガスの反応においては、反応生成物に組成ずれが生じる
ことが知られている。

【００６３】常温における、励起状態にない酸素とモノ
シランとの気相反応によって形成される二酸化シリコン
では、シリコンの比率が高いような組成ずれ（ＳｉＯ
ｘ：ｘ＜２）が生じる。例えば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ
法を用いて、シリコン含有ガスと酸素含有ガスとの反応
により二酸化シリコンを形成する場合、酸素含有ガスの
ＥＣＲプラズマ生成室導入と、シリコン含有ガスの反応
室導入を同時に行うと、酸素プラズマによって励起され
るシリコン含有ガスは、成膜の初期においては充分に励
起されていないまま酸素含有ガスと反応することにな
り、基板との界面には上記の理由により、組成ずれが生
じた二酸化シリコンが堆積する。

【００６４】この二酸化シリコンをゲート上置き型ＭＯ
ＳＦＥＴのゲート酸化膜に用いた場合、チャネル半導体
層との界面近傍の二酸化シリコン膜中におけるシリコン
の比率が高いような組成ずれ（ＳｌＯｘ：ｘ＜２）が、
正電荷として作用することにより、ＭＯＳＦＥＴの閾値
電圧を負方向ヘシフトさせる原因となる。

【００６５】このようにＣＶＤ法を用いて、シリコン含
有ガスと酸素含有ガスとの反応により二酸化シリコンを
形成する際、充分に励起されていないシリコン含有ガス
が酸素含有ガスと反応すると、シリコンの比率が高いよ
うな組成ずれ（ＳｉＯｘ：ｘ＜２）を生じた二酸化シリ
コンが形成されるため、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧を負方
向ヘシフトさせるという問題がある。

【００６６】そこで、成膜の初期段階においても組成ず
れの極めて少ない、高品質の二酸化シリコン形成を可能
にする必要があるが、そのためには、次のようにすると
良い。

【００６７】シリコン含有ガスと酸素含有ガスを用いた
二酸化シリコンの成膜方法の例をＥＣＲプラズマＣＶＤ
法を用いて行うものとし、シリコン含有ガスにはモノシ
ラン、酸素含有ガスには酸素を使用するものとする。

【００６８】使用する装置の構造は図８に示す如きの従
来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置であり、連通するプラズ
マ生成室１０２および反応容器１０１内は、本具体例の
場合、排気系により１×１０^-6［Ｐａ］の真空度まで排
気されている（図８で排気系は省略）。

【００６９】基板１０９は基板ホルダ１０８上に置か
れ、本具体例の場合、基板温度は１５０［゜Ｃ］に保た
れている。そして、本具体例の場合、成膜に際し、まず
ガス導入口１０６から流量１４．６［ｓｃｃｍ］の酸素
ガスをプラズマ生成室１０２に導入し、また、図７に示
すように、マイクロ波導入口であるマイクロ波導入窓３
から周波数２．４５［ＧＨｚ］のマイクロ波（マイクロ
波出力３００［Ｗ］）を導入する。

【００７０】そして、酸素ガスをこのプラズマ生成室１
０２に導入されたマイクロ波と、電磁石５より発生して
このプラズマ生成室１０２に作用する直流磁場との相互
作用によってこのプラズマ生成室１０２においてエネル
ギ的に励起されたプラズマ状態にする（図７における
Ｐ）。

【００７１】この酸素プラズマＰは電磁石１０５によっ
て作り出されている発散磁界Ｈにより、反応室である真
空容器１内の基板１０９表面へと移動する。その後、引
き続いてプラズマの生成を中断することなくシラン導入
口１０７から流量７．３［ｓｃｃｍ］のモノシランガス
を反応室に導入すると、既に反応室（真空容器１）内に
存在する酸素プラズマＰによって、この導入されたモノ
シランガスはエネルギ的に励起されたプラズマ状態とな
る。

【００７２】そして、充分に励起され、反応性が等しく
なった酸素プラズマとモノシランプラズマは基板１０９
の表面に到達し、基板１０９の表面で表面反応を起こ
し、二酸化シリコンを形成する。

【００７３】本具体例では、このようなガスシーケンス
適用することにより、二酸化シリコン堆積の初期段階に
おいても、組成ずれを極めて少なくできるため、特に、
本発明による方法によって形成された二酸化シリコンを
ゲート上置き型ＭＯＳＦＥＴに用いると、チャネル半導
体層との界面近傍での二酸化シリコン膜中において、正
電荷として作用させるような組成ずれを極めて少なくで
きる。そして、このことにより、ＭＯＳＦＥＴの閾値電
圧の負方向へのシフト抑制が可能となる。

【００７４】上記方法を用い、二酸化シリコンを多結晶
シリコン上に形成し、チャネル半導体層が多結晶シリコ
ンであるゲート上置き型ｐチャネルＭＯＳＦＥＴを作製
した場合、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧は−７［Ｖ］であっ
た。

【００７５】一方、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法による二酸
化シリコンの成膜に際し、酸素のＥＣＲ生成室導入とモ
ノシランの反応室導入を同時に行い、引き続いて放電を
開始して成膜を行い、同様にゲート上置き型ｐチャネル
ＭＯＳＦＥＴを作製するようにした場合には、ＭＯＳＦ
ＥＴの閾値電圧は−７．５［Ｖ］となり、本発明方法を
用いた時よりＭＯＳＦＥＴの閾値電圧より０．５［Ｖ］
の負方向へのシフトがみられた。

【００７６】この閾値電圧の負方向シフトの原因は、チ
ャネル半導体層との界面近傍における二酸化シリコン膜
中でのシリコンの比率が高いような組成ずれ（ＳｉＯ
ｘ：ｘ＜２）が、正電荷として作用したことによるもの
と考えられる。

【００７７】本発明による二酸化シリコンの形成は、他
にリモートプラズマＣＶＤ、へリコンプラズマＣＶＤ、
ＩＣＰ−ＣＶＤ等のような、プラズマを用い、かつ、２
種類のガスを用いてその反応を利用する方法であれば、
同様の効果が得られる。

【００７８】このように、具体例５によればＣＶＤ法を
用いて、シリコン含有ガスと酸素含有ガスとの反応によ
り二酸化シリコンを形成する際、成膜初期段階において
も、組成ずれが極めて少なく、緻密で高品質な二酸化シ
リコンを形成させることができる。特に、本発明による
方法を用いて形成した二酸化シリコンをゲート上置き型
ＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜として用いる場合、チャネ
ル半導体層との界面近傍での二酸化シリコン膜中におい
て、正電荷として作用し、ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧
を変化させるような組成ずれを極めて少なくできるた
め、ＭＯＳＦＥＴの特性を向上させることができる。

【００７９】従来、ＣＶＤ法を用いて、シリコン含有ガ
スと酸素含有ガスとの反応により二酸化シリコンを形成
する際、充分に励起されていないシリコン含有ガスが酸
素含有ガスと反応すると、シリコンの比率が高いような
組成ずれを生じた二酸化シリコンが形成されるため、高
品質な二酸化シリコンを成膜することが不可能となり、
特に、二酸化シリコンをグート上置き型ＭＯＳＦＥＴの
ゲート酸化膜として用いる場合、チャネル半導体層との
界面近傍での二酸化シリコン膜中におけるシリコンの比
率が高いような組成ずれ（Ｓｉ０ｘ：ｘ＜２）が、正電
荷として作用することにより、ＭＯＳＦＥＴのしきい値
電圧を負方向へシフトさせるという問題があっが、本発
明によればこのような従来技術の欠点を除去し、成膜の
初期段階においても組成ずれの極めて少ない、高品質な
二酸化シリコンの形成が可能になる。

【００８０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、大面積の
基板表面に均−な膜厚で、良好な界面特性を持った高品
質な薄膜を形成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための図であって、本発明の
具体例１の構成例を示す概略図。

【図２】本発明を説明するための図であって、本発明の
具体例１の作用を説明するための図。

【図３】本発明を説明するための図であって、本発明の
具体例２の構成例を示す概略図。

【図４】本発明を説明するための図であって、本発明の
具体例３の構成例を示す概略図。

【図５】本発明を説明するための図であって、本発明の
具体例３の構成例について、さらに改良を加えた別の構
成例を示す概略図。

【図６】本発明を説明するための図であって、本発明の
具体例４の構成例を示す概略図。

【図７】本発明を説明するための図であって、本発明の
具体例５の作用を説明するための図。

【図８】従来例を説明するための図であって、従来の薄
膜形成装置の概略的な構成を示す図。

【符号の説明】

１１，１０９…真空容器２，１０２…プラズマ生成室３，１０３…マイクロ波導入窓４，１０４…マイクロ波導波管５，１０５…電磁石６，１０６…第１のガス導入口（酸素系のガスを導入す
る酸素導入口）７，１０７…第２のガス導入口（シラン系のガスを導入
するシラン導入口）８，１０８…基板ホルダ９，１０９…基板１０，１０´…バルブ１０ａ，１０ａ´…三方バルブ１１，１１´…マスフローコントローラ１２，１２´…バルブ１３…ＡＣ電源１４…排気ポンプ１５…紫外光源１６…紫外線透過窓１７…永久磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器の同一空間に、混合することによって自発
的に反応する気体を独立してそれぞれ導入するための複
数の気体導入手段と、前記気体の導入時に前記真空容器の圧力を１０Ｐａ以下
に保つ機構と、前記気体を電磁波による放電または光によって励起する
手段と、を具備することを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】前記真空容器に気体の導入を開始する際
に、設定以上の流量の気体が導入されることを防止する
手段を具備することを特徴とする請求項１記載の薄膜形
成装置。
【請求項３】基板の電位を調整する電位調整手段を設
けると共に、前記気体を励起する手段として電磁波によ
る放電を用い、また、前記電位調整手段は放電している
気体プラズマのフローティング電位より薄膜を形成する
基板の電位が低く保たれるべく、電位を調整することを
特徴とする請求項１または２いずれか記載の薄膜形成装
置。
【請求項４】シリコン含有ガスと酸素含有ガスの反応
を用いてシリコン含有酸化膜を形成するに際し、反応装
置内において、酸素含有ガスをプラズマ状態とした後
に、引き続いて酸素含有ガスのプラズマ中に、シリコン
含有ガスを導入することを特徴とする薄膜形成方法。