JPS60100468A - プラズマ陽極酸化装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は薄膜半導体装置に関する。本薄膜半導体装置は
例えば、液晶やエレクトロ・ルミネセンス等の平面ディ
スプレイの駆動用薄膜トランジスタ等に利用できる。

〔％明の背景〕

近年、平面ナイスプレイ用のスイッチ・マトリクスとし
て、絶縁性基体上の薄膜トランジスタを用いることが盛
んに倹約されている。薄膜トランジスタケ平面ディスプ
レイ等に応用する場合ＶＣは、生産コスト低減の観点や
、光示品質の向上の観点からは、絶縁体基体として、例
えば、ガラスのような、安価な透光性基体を用いること
が望ましい。

しかし、この場合、基体の耐熱温度が低いことが素子製
作上の問題となる。り１］えば、耐熱温度の上限が９０
０Ｃ以下の基体を用いる場合、単結晶Ｓｉの金属・酸化
物・半導体（ＭＯｓ）構造の電界効果トランジスタＣＦ
ＥＴ）のように、熱酸化によってゲート絶縁膜を形成す
ることは笑際上不可能である。その理由は、９００Ｃ以
下で熱酸化しても、酸化膜厚は億めて薄く、ゲート絶縁
膜として使用不可能であるからである。そこで、従来は
、例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、スノくツタ堆
積法、プラズマＣＶＤ法等によ、り、５ｉＯｚ。

ＡｔｚＯｓ　、　Ｓ　ｊ　３Ｎ４等の絶縁体薄膜を半導
体薄膜上に堆積させて、ゲート絶縁膜を形成せざるを得
なかった。しかし、これらの方法によって形成したゲー
ト絶縁膜の膜質はあまシ良くなく、まだ、半導体薄膜と
ゲート絶縁膜との界面の状態も良くなく、従って、この
ようなゲート絶縁膜を有する薄膜半導体装置の特性は良
くなかった。すなわち、従来、耐熱温度の低い基体上に
、特性の良好な薄膜半導体装置を形成することは困難で
あった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、耐熱温度の低い基体上にも形成可能で
、かつ、特性の良好な、薄膜半導体装置およびその製造
方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明においては、酸素プ
ラズマ中で半導体薄膜を陽極酸化することによシ、比較
的低温で、良質の絶縁ｊ莫に形成する技術を用いるもの
で必る。以下、本明細簀では、酸素プラズマ中で陽４ｍ
ｔＪ化することを、プラズマ陽極酸化と称する。フリズ
マ陽極ポ化法とは、高周波放電やマイクロ波放電によっ
て先生した酸素プラズマ中に試料を入れ、プラズマ内の
他の１極に対して正の直流バイアス区圧を試料に印加し
て、試料狭面を直接酸化させる方法で必る。プラズマ簡
便は化法自体はこれまでに知られた方法を用いて十分で
ろる。

この株にして形成した絶縁膜は絶縁ケート型の半導体ｆ
ｔｃｉｔ、列えばトランジスタに適用して憶めて有用で
ある。

即ち、本願発明は次の叩き粥成を有する半導体装置であ
る。

絶縁性基体と、この上部に形成された半導体薄膜と、と
の半導体薄膜上に絶縁体薄膜とを有する薄膜半導体装置
じおいて、この絶縁体４膜を前記半導体薄膜を酸素プラ
ズマ中で陽極酸化して得られたものを用いるものである
。

前記絶縁性基体としてはガラス板等耐熱温度の上限が９
００Ｃ以下のものを用いて有用である。

又、絶縁性基体上の半導体薄膜は多結晶体或いは非晶質
体等非単結晶体が通例である。

〔発明の実施例〕

以下、不発明勿実施例によって詳しく説明する。

実施例 ガラス基体上に多結晶シリコンＨ！Ｘｉ形成し、この多
結晶シリコン膜を用いて、ｎ−チャンネルのＭＯ８ＦＥ
Ｔ構造の薄膜トランジスタを作成する場合の実施例を、
第１図の工程説明用断面図を用いて説明する。

まず、透光性絶縁基体１、例えば、コーニングナ７０５
９ガ２ス基体上に、例えば、超高真壁中蒸着（分子線成
長）法によシ、基体温度５５０Ｃにおいて、膜厚１μｍ
の多結晶Ｓｉ膜２を形成する（第１図（ａ））。ここで
、蒸着中の真空度は、例えば、３　Ｘ　１０””　Ｔｏ
ｒｒであシ、蒸着速度は、例えば、５０００人／　１１
０ｕｒである。ガラス基体としては、以下の製作工程で
使用する温度領域で耐熱性がちシさえすれば、如何なる
ガラスでも勿論よい。又、他の透光性絶縁膜も上述の条
件を満たせば用い得ることはいうまでもない。コーニン
グナ７０５９ガ２スの歪点温度は５９３Ｃであシ、この
温度は実用上の耐熱温度の上限である。また、ここで多
単結Ｓｉ膜を形成する方法は、形成の際の基体温度が基
体の耐ＰＰＺ温度範囲内にある限シは、どのような方法
を用いてもよい。本実施例の分子線成長法の他に、例え
ば、通常の真空蒸着、プラズマＣＶＤ法等を用いること
ができる。

次に基体温［４３０ｐでＣＶＤ法によシＳｉＯ□膜３を
７００ＯＡの厚みに被着する（第１図（ｂ））。

次に第１図（Ｃ）のように、この５ｉＯｚ膜にソース、
およびドレイン領域の窓あけを行なう。次に２００Ｋｅ
Ｖのエネルギーのｐ＋イオンを１×１０”／ｃｎ＞のド
ース猾で打ち込み、Ｎ２　雰囲気中で５５０１：ｌ’で
２時間熱処理することによって、ソースおよびドレイン
領域にｎ”）ｄ４を形成する。

次に、第１図（ｅ）のように一旦５ｉ０２膜を除去する
。

次に、プラズマ陽極酸化法によって、前記多結晶ｊ９ｆ
膜の表面層を直接酸化して、５ｉ０２膜５を形成し、ゲ
ート絶縁膜とする。この際周知のプラズマ陽極酸化法全
多結晶Ｓｉ膜に適用する。プラズマ陽極酸化装置として
は例えば、Ｖ、Ｑ、ＨＯａｎｄ　’ｆ、Ｓｕｇａｎｏ、
　ｐｒｏｃ、１１ｔｈ　Ｃｏｎｆ。

５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　］）ｅｖｉｃｅｓ、　’ｐｏ
ｋｙｏ、　１９７９　；Ｊｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙ
ｓ、ｖｏｌ　１９　（１９８０）ＳｕｐｐＨ９１、ｐ−
１０３ｒ　Ｆ”ｇ、１．に説明されるものと同様な装置
を用いれば良い。

ただし、従来から一般に良く知られている方法では、試
料の裏面を陽極電極に接触させていだが、本実施例のよ
うな、ガラス基体上の多結晶ｆ９ｉ膜の場合には、試料
の裏側から電極接触をとることはできない。そこで、例
えば、第２図に示すような構成で、多結晶Ｓｉ膜の表面
側から陽極電極を接触させる。第２図は、本実施例で用
いたプラズマ陽極酸化装置の概略と試料の配置を示した
ものである。石英製の真空容器１１内に、陽極電極１２
と陰極電極１３が設けられている。第１図（ｅ）に示さ
れた俗造の試料１４は、多結晶Ｓｉ膜２の形成された面
が第２図において上になるように配置される。多結晶Ｓ
ｉ膜２は、例えば、グラファイト製の円環型の電極接触
用治具１５と、例えば、タンタル製の金属板１６を介し
て、陽極電極１２と″に気的に接触している。円筒形の
石英製カバー１７は次の目的で設けられている。第１に
は多結晶Ｓｉ膜２と電極接触用治具１５と金属板１６と
陽＝Ｖｔ極１２との物理的接触を良くシ、従って電気的
接触を良くするためである。第２に、試料以外の部分を
流れるリーク電流を防止するためである。第３には金属
製の陽極ｉＭ、極によって、プラズマ雰囲気が汚染され
ないために設けられている。

真空ポンプ１９を用いて、例えば、３Ｘ１０−３’ｆＱ
ｒｒの真空に排気したのち、０２導入管２０より０２ガ
スを、例えば５９ｃｃ／７ｎＪｎの流量で導入し、パル
プ１８を調整することによシ、０２の圧力τ例えば、０
．１　ＴＯｒｌ’に保持する。しかる仮に、例えば周波
数が４００ＫＨ２で、出力電力２ｋＷＯ高周波電源２１
’（！−用いて、８ターンの誘導コイル２２全通して、
無電極放電を行なわせて、酸素ガスプラズマを発生させ
る。しかる後に、陽極酸化用直流電源２３によシ、陽極
電極１２と陰極電極１３の間に直流バイアス′亀圧を印
加し、試料の単位面積当シ例えば％１０ｍＡの定電流を
流すことによって、プラズマ陽極ハ化を行なう。２０分
間のプラズマ陽極酸化を行なうことによって、多結晶Ｓ
ｉ４臭２の狭面ノーに、膜厚１７００人のＳ　ｉ０２族
６が形成された。この５ｉＯｚ膜６をゲート酸化膜とし
て用いる。

次に、ホトエツチング工程によシ、第１図（ｇ）のよう
に、電極接触用孔をあけ、全面にＡｔを蒸着したあと、
ホトエツチング工程によりＡｔｋ加工して、ソース電極
６、ドレイン電極７、ゲート電極８を形成する。このあ
と、Ｈ２雰囲気中で４０００３０分間の熱処理を行なう
。以上の工程によバ多結晶Ｓｉ膜の表面膚をプラズマ陽
極酸化した５ｉＯｚ膜をゲート絶縁ノ莫とする、ＭＯ８
ＦＥＴ構造の多結晶Ｓｉ薄膜トランジスタが、ガラス基
体上に作製された。

形成されたゲート絶縁膜は、絶縁膜自体の膜質は良好で
あシ、多結晶Ｓ＋膜と絶縁膜との界面状態も良好であシ
、従って、このようなゲート絶縁膜を有する多結晶ｄｉ
薄膜トランジスタは、良好で安定な特性を示す。

上記実施例においては、多結晶Ｓｉ膜２と陽極電極１２
とを′鑞気的に接触させ、陽極電極１２を陰極電極１３
に対して正にバイアスしたが、電極接触用治具１５及び
金属板１６を用いないで、試料１４全直接に陽極電極１
２の上に置き、したがって、多結晶Ｓｉ膜２と陽極奄ｖ
ｉ１２とが一気的に絶縁状態のままで、酸素プラズマを
励起した場合には、ガラス基板１がチャージ・アップし
て、正に自己バイアスされ、多結晶８ｉ膜２がプラズマ
陽極酸化される。必要な１Ｍ厚が得られれば、このよう
なプラズマ陽極液化膜を用いても、同様な効果が得られ
る。

上記実施例においては、本発明を薄膜トランジスタに適
用した場合について述べたが、ＭＯＳダイオード等他の
薄膜半導体装置についても、本発明は有用であることは
言うまでもない。

また、上記実施例においては、絶縁体基体としてガラス
基体の場合について述べたが、どのような絶縁体基体を
用いても本発明は有用であシ、特に、熱酸化法を用いる
ことのできないような耐熱温度の低い絶縁体基体に用い
て有用である。熱酸化法を用いることのできないような
絶縁体基体の基準として、例えば耐熱温度の上限が９０
０Ｃ以下であると規定することができる。

また、上記実施例においては、半導体薄膜として、多結
晶シリコン膜を用いたが、水素化アモルファス・シリコ
ン膜等も含めた全てのシリコン薄膜やＧａＡＳ薄膜、ゲ
ルマニウム薄膜等を用いても、同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明は、周知のプラズマ陽極酸化法を、薄膜半導体装
置の構成部分である絶縁膜、例えば、ゲート絶縁膜を形
成する場合に適用するものであって、以下に述べるよう
に、単結晶デバイスの製造にプラズマ陽極゛ば化を適用
した場合とは、質的に異なった効果をもたらすものであ
る。

プラズマ陽極酸化の最大の特徴は、熱酸化に較べて格段
に低い温度で直接酸化できることである。

例えば、Ｓｉの場合、熱酸化は１ｏｏｏｒ前後で行なわ
れるのに対して、プラズマ陽極酸化は６０００以下で行
なわれる。熱酸化に較べて酸化温度が低いために、Ｓｔ
基板に積層欠陥（ｓｔａｃｋｉｎｇｆａｕｌｔｓ　）が
発生しにくくなる。また、同じ理由から、−皿形成した
不純物分布が酸化の際の拡散によって変化するというこ
とがなくなる。これらは、Ｓ１デバイスの高速化、高集
積化にとって重要であることは言うまでもない。

しかし、多結晶シリコン膜或いはアモルファス・シリコ
ン膜等を用いた薄膜半導体装置の製造に、プラズマ陽極
酸化を適用した場合次の様な新らたな効果を生ずる。

プラズマ陽極酸化では、熱酸化の場合よシも格段に低い
温度で直接酸化できるために、例えば、耐熱温度の上限
が９００Ｃ以下の基体を用いて、このような基体上に半
導体薄膜を形成し、この半導体薄膜をプラズマ陽極酸化
することによシ、膜質の良好なゲート酸化膜、及び１良
好な界面状態の半導体薄膜／酸化膜界面を得ることがで
き、耐熱温度の低い基体上にも特性の良好な薄膜半導体
装置を形成できる。従来は、耐熱温度の上限が９００Ｃ
以下の基体上に薄膜半導体装置を形成する場合には、直
接酸化する方法がなかったために、例えば、ＣＶＤ法、
スパッタ堆積法、プラズマＣＶＤ法等によ’）、Ｓ　ｆ
ｏｇ　、　ＡｔｚＯｓ　＃　Ｓｉ３Ｎ４等の絶縁体薄膜
を半導体薄膜上に堆積させて、ゲート絶縁膜を形成せざ
るを得なかったが、これらの方法によって形成したゲー
ト絶縁膜の膜質があまり良くなく、また、半導体薄膜と
ゲート絶縁膜との界面状態も良くなく、従って、作製さ
れた薄膜半導体装置の特性もあまり良くなかったことは
、既に述べた通りである。すなわち、耐熱温度の低い基
体上に特性の良好な薄膜半導体装置を形成することは、
従来は不可能であったのが、本発明によれば、プラズマ
陽極酸化を導入することによって、可能となる。

この効果は、前述したような、単結晶Ｓｔデバイスの製
造にプラズマ陽極酸化を適用した場合の効果とは、質的
に異なっている。

ところで、ガラスの歪点（５ｌｒａｉｎ　ｐｏｉｎｔ　
）温度は、素子を製作するに際しての、実際上の耐熱温
度の上限であるので、ガラス基体の耐熱温度をよく知ら
れた一般的な値で表現するために、歪点温度を耐熱温度
の上限の目安とすることができる。

以上、詳しく述べたように、本発明によれば、特性の良
好な薄膜半導体装置を耐熱温度の低い基体上にも形成す
ることができる。従って、安価な基体や透光性基体等、
用い得る基体の範囲が広がることから、特性の良好な薄
膜半導体装置を安価に製作できるのみならず、薄膜半導
体装置の用途を、例えば、安価なおもちや用や画像装置
用等、新しい製品へと広げることができ、本発明の工業
的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の製作工程を示す断面図、第
２図は本発明の一実施例を製作するためのプラズマ陽極
酸化装置の構成図である。 １・・・ガラス基体、２・・・多結晶Ｓｉ膜、３・・・
ＳｉＯ＋膜、４・・・不純物領域、５・・・ゲート酸化
膜、６・・・ソース電極、７・・・ドレイン電極、８・
・・ゲート電極、１１・・・真空容器、１２・・・陽極
電極、１３・・・隘極電極、１４・・・試料、１５・・
・電極接触用治具、１６・・・金属板、１７・・・石英
カバー、１Ｂ・・・ノ（ルブ、１９・・・真空ポンプ、
２０・・・０２導入管、２１・・・高周波佑　１　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁性基体と、この絶縁性基体上に形成された半導
   体薄膜と、この半導体薄膜上に絶縁体薄膜とを有する構
   造を少なくとも有する薄膜半導体装置において、前記Ｉ
   Ｉｌ！３縁体薄膜は前記半導体薄膜を酸素プラズマ中で
   陽極酸化して得られる絶縁体４膜であることを特徴とす
   る薄膜半導体装置。 ２、前記絶縁性基体は耐熱温度の上限が９００Ｃ以下で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜
   半導体装置。 ３、前記絶縁性基体は歪点温度が９００Ｃ以下のガラス
   基体なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   薄膜半導体装置。 ４、前記半導体薄膜はシリコンの非単結晶薄膜なること
   を：ｆｊ徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第
   ３項記載の薄膜半導体装置。 ５、前記半導体薄膜はＧａＡＳもしくはゲルマニウムの
   非単結晶薄膜なることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項、第２項又は第３項記載の薄膜半導体装置。 ６、前記絶縁性基体上は透光性なることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の薄膜半
   導体装置。 ７、前記絶縁体薄膜上に導電体層が設けられてなること
   を特徴とする特許請求の、地囲第１項〜第６項のいずれ
   かに記ｒａｍの薄膜半導体装置。 ８、前記薄膜半導体装置はトランジスタなることを特徴
   とする付計１ｎ求の範囲第１項〜第６項のい′／″乳か
   に記載の薄膜半導体装置。 ９、所定の絶縁性基体上に所望の非単結晶なる半導体薄
   膜上を形成する工程、前記非単結晶なる半導体薄膜上の
   上部励領を酸素プラズマ甲での陽極酸化法によって絶縁
   体薄膜となす工程を少なくとも有すること’５ｒ：’ｈ
   ｄとする薄膜半導体装置の製造方法。 １０、前記絶縁性基体は耐熱温度の上限が９００ｃ以下
   なるものを用いることを特徴とする特許請求の範囲第９
   項記載の薄膜半導体装置の製造方法。 １１、前記絶縁性基体は歪点温度が９００Ｃ以下のガラ
   ス基体を用いることを特徴とする特許請求の範囲第９項
   記載の薄膜半導体装置の製造方法。 １２、前記半導体薄膜はシリコンの非単結晶薄膜なるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第９項〜第１１項のいず
   れかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。 １３、前記半導体薄膜はＱａ　Ａ　Ｓもしくはゲルマニ
   ウムの非単結晶薄膜なることを特徴とする特許請求の範
   囲第９項〜第１１項のいずれかに記載の薄膜半導体装置
   の製造方法。 １４、前記絶縁性基体は透光性なることを特徴とする特
   許請求の範囲第９項〜第１３項のいずれかに記載の薄膜
   半導体装置の製造方法。 １５、前記絶祿体薄膜上に導電体ノーを設ける工程を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第９項〜第１４項
   のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。