(57)【要約】【課題】薄膜トランジスタの特性を低下させることなく、生産性を向上させることができる薄膜形成方法およびそれによって製造した薄膜デバイスを提供する。【解決手段】基板１０に、最初に第１層として低成膜速度にてアモルファスシリコン初期層２１を形成し、次に第２層として前記初期層の保護を目的に、前記初期層の成膜速度よりも高い成膜速度にてアモルファスシリコン中間層２２を形成し、更に、前記中間層よりも高い成膜速度にてアモルファスシリコン第３層２３を形成する。【選択図】　　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、最初に第１層として低成膜速度にてアモルファスシリコン初期層を形成し、次に第２層として、前記初期層の成膜速度よりも高い成膜速度にてアモルファスシリコン中間層を形成し、更に、前記中間層よりも高い成膜速度にてアモルファスシリコン第３層を形成することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜形成方法により形成したアモルファスシリコンの積層構造を含むことを特徴とする薄膜デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成方法および薄膜デバイスに関し、特に、アモルファスシリコン薄膜の薄膜形成方法およびその薄膜形成方法により形成する薄膜デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１に、プラズマＣＶＤ法における、反応室の構造の一例を示す。基本的には、反応ガス供給経路および排気経路を持つ反応容器内に、高周波電力を印加するための電極（図中の電極は平行平板構造である）を有する構造である。
【０００３】
次に、この反応室１における、基板３上への膜の形成方法について説明する。真空に保たれた反応室１において、アノード２上に基板３を設置する。ガス供給系統によりＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２、Ｈ２等の原料ガスをガス導入口４より導入し、ガス分散板５を経て、基板３全面に行き渡るよう供給する。ガス排気口６により、反応室１内の圧力を一定に保つよう圧力調整する。反応室１内の圧力が所定の値に安定した状態で、カソード（ガス分散板）５に高周波電力７を供給し、カソード５およびアノード２に挟まれた空間において、原料ガスによるプラズマを発生させる。このプラズマ中に存在するＳｉＨ３等のラジカルが、アノード２上に置かれた基板３上に到達し、表面反応を経て膜が形成される。
【０００４】
現在、ＬＣＤ（液晶表示装置）生産ラインにおいて、ガラス基板上に薄膜トランジスタを形成する工程において、一般にプラズマＣＶＤ法を用いた製造装置が使われている。その中でも、近年はとりわけ枚葉処理方式を採用した製造装置が主流となってきている。この枚葉処理方式は、ガラス基板１枚１枚に対するプロセス制御が容易であり、生産管理がしやすいという利点がある反面、従来のバッチ処理方式（複数枚のガラス基板を一括して処理する方式）と同等な成膜速度では生産性が低く、必然的に成膜速度を向上しなければならないという欠点がある。しかし、ただ単に成膜速度を上げただけでは薄膜トランジスタの特性が低下し、所望の製品品質が得られない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主な目的は、薄膜トランジスタの特性を低下させることなく、生産性を向上させることができる薄膜形成方法およびそれによって製造した薄膜デバイスを提供することにある。
【０００６】
かかる目的を達成するため、鋭意研究の結果、以下の知見を得た。
【０００７】
まず、トランジスタ特性とａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）層成膜速度の関係について説明する。図２に、薄膜トランジスタ特性（移動度μ）のａ−Ｓｉ層成膜速度依存性を示す。ａ−Ｓｉ層成膜速度の高速化に伴い、薄膜トランジスタの移動度μが大きく低下してしまう。移動度μは、特に下地のＳｉＮ層とその上のａ−Ｓｉとの界面の膜質と密接な関係があり、図２のように、ａ−Ｓｉ層成膜速度を低くしてＳｉＮ／ａ−Ｓｉ界面近傍のａ−Ｓｉ膜質を改善すると、特性低下を大幅に抑制することができる。しかし、このようにＳｉＮ／ａ−Ｓｉ界面近傍のａ−Ｓｉ膜質のみを改善しても、更にその上に形成されるａ−Ｓｉ層（以降、ａ−Ｓｉバルク層と称す。）の成膜条件によっては、所望の特性が得られない。
【０００８】
次に、ＳｉＮ／ａ−Ｓｉ界面近傍のａ−Ｓｉ膜質を改善するために、図３に示すように、下地のＳｉＮ層１０上にａ−Ｓｉ界面層１１を形成し、その上にａ−Ｓｉバルク層１２を形成した場合の、トランジスタ特性（移動度μ）とａ−Ｓｉバルク層１２の成膜速度との関係について説明する。図４に、薄膜トランジスタ特性（移動度μ）のａ−Ｓｉバルク層形成時のＲＦ電力依存性を示す。ａ−Ｓｉ界面層１１を形成してａ−Ｓｉ膜質を改善していることにより、ａ−Ｓｉ界面層１１なしの一層成膜の場合に比べて全般に移動度μは向上しているが、ＲＦ電力８００Ｗ時の特性を極大点として、ＲＦ増加／減少方向共に移動度μが低下している。
【０００９】
これらの原因については、次のように説明できる。
第一に、低ＲＦ電力に伴う移動度μの低下は、ａ−Ｓｉバルク層形成において供給されるＳｉＨ４／Ｈ２ガス流量に対し、低ＲＦ電力によって与えられる反応エネルギーが不十分なために、図５に示すように、膜中のＳｉ−Ｈ２結合が増加し、ａ−Ｓｉバルク層の膜質自体が低品質になっているためである。
第二に、高ＲＦ電力に伴う移動度μの低下は、ａ−Ｓｉバルク層形成時の高電圧の印加により、既に形成されているａ−Ｓｉ界面層に対して、強いイオン衝突等により、本来トランジスタのチャネル領域として寄与する１０〜１５ｎｍ厚さの界面近傍層内部にダメージを与えているためである。
【００１０】
以上より、薄膜トランジスタ特性は、ＳｉＮ／ａ−Ｓｉ界面近傍のａ−Ｓｉ界面層の膜質をその成膜速度を低速化して改善しても、直後に形成されるａ−Ｓｉバルク層の膜質または成膜条件に大きく左右され、成膜速度を上げられない、成膜条件マージンが狭い等、生産性向上や品質管理上の大きな弊害となっていることが判明した。
【００１１】
そのため、本発明者らは、かかる知見に基づいて、ａ−Ｓｉバルク層の影響による薄膜トランジスタの特性低下を抑制しつつ、生産性を確保または向上できる技術を見出し、本発明を完成するに到った。
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、
基板上に、最初に第１層として低成膜速度にてアモルファスシリコン初期層を形成し、次に第２層として前記初期層の保護を目的に、前記初期層の成膜速度よりも高い成膜速度にてアモルファスシリコン中間層を形成し、更に、前記中間層よりも高い成膜速度にてアモルファスシリコン第３層を形成することを特徴とする薄膜形成方法が提供される。
【００１３】
好ましくは、これら各層のうち、少なくとも初期層および中間層を同一の反応室内において連続して形成する。
【００１４】
また、好ましくは、初期層から第３層までを同一の反応室内において連続して形成する。
【００１５】
また、第３層形成後にさらにアモルファスシリコン第４層以降の層を形成してもよく、その場合も、これら各層のうち、少なくとも初期層および中間層を同一の反応室内において連続して形成することが好ましい。また、初期層から第４層以降の層までを同一の反応室内において連続して形成することも好ましい。
【００１６】
また、好ましくは、初期層の厚みが１０〜２０ｎｍであり、かつ中間層の厚みが３０〜５０ｎｍである。
【００１７】
また、本発明の第２の態様によれば、この薄膜形成方法により形成したアモルファスシリコンの積層構造を含むことを特徴とする薄膜デバイスが提供される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図６に、本発明の一実施の形態により形成したａ−Ｓｉ膜の積層構造概略を示す。逆スタガ構造のＴＦＴにおける下地のＳｉＮ膜１０とその上のａ−Ｓｉとの間の界面に近い方から、界面特性を重視して低成膜速度で形成したａ−Ｓｉ第１層（初期層）２１、第１層（初期層）２１の膜特性を保護するためのａ−Ｓｉ第２層（中間層）２２、第２層（中間層）２２の成膜速度より大きい任意の成膜速度によるａ−Ｓｉ第３層以降２３（デバイス構造に応じて第３層は複数層となっても可）の積層構造である。
【００２０】
以下に、具体的な構造例および特性を説明する。
表１に、ａ−Ｓｉ積層条件、また図７にトランジスタ特性（移動度μ）を示す。図３のようなａ−Ｓｉ２層構造でのトランジスタ特性に比べて、図６のようにａ−Ｓｉ第２層（中間層）２２を介在させることにより、ａ−Ｓｉ第３層２３形成時のＲＦ電力を大きく増加しても、特性低下することなく良好なトランジスタ特性が得られた（図７のＲＦ電力１．６ｋＷ参照）。なお、表１において、２層成膜▲１▼とは、ＲＦ電力０．８ｋＷ（成膜速度１．６５ｎｍ／ｓｅｃ）で第２層を形成した場合をいい、２層成膜▲２▼とは、ＲＦ電力１．６ｋＷ（成膜速度２．８８ｎｍ／ｓｅｃ）で第２層を形成した場合をいう。なお、第１層の形成条件は、従来技術▲１▼、▲２▼および本実施の形態で同じである。また、本実施の形態の第３層の形成条件は、２層成膜▲２▼の第２層形成条件と同じである。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
本実施の形態では、２層成膜において優れたトランジスタ特性（移動度μ）が得られる２層成膜▲１▼の場合と同等のトランジスタ特性（移動度μ）を持つａ−Ｓｉ膜を、より短い所用時間で形成することができた。
【００２３】
また、第２層が５０ｎｍの場合、表１との比較のため、第１層を２０ｎｍとし、総膜厚を同じとすると、第３層は１１０ｎｍとなり、第１層８３ｓｅｃ、第２層５８ｓｅｃ、第３層３８ｓｅｃで合計所要時間は１７９ｓｅｃとなり、また、移動度μは第２層が３０ｎｍの場合と同様であった。このように、２層成膜▲１▼とほぼ同じトランジスタ特性（移動度μ）のものをほぼ同等の時間で形成できた。なお、第３層の厚さがさらに要求される場合には、本実施の形態の方が所用時間が短くなるのは言うまでもない。
【００２４】
なお、好ましくは、初期層２１の厚みが１０〜２０ｎｍであり、かつ中間層２２の厚みが３０〜５０ｎｍである。中間層２２の形成条件は、好ましくはＲＦ電力３００〜５００Ｗ、圧力９０〜１３０Ｐａ、ＳｉＨ４分圧６０〜７２．３Ｐａ、Ｈ２分圧３０〜５７．７Ｐａである。
【００２５】
本実施の形態では、ＳｉＮ／ａ−Ｓｉ界面側に、第１層となるａ−Ｓｉ界面層を１０〜２０ｎｍ厚の範囲で形成し、第２層として３０〜５０ｎｍ程度のａ−Ｓｉ保護層を形成することにより、第３層以降のａ−Ｓｉバルク層の成膜条件の高ＲＦ電力（高電圧）印加に影響されず、薄膜トランジスタの特性低下を大幅に抑制できた。
【００２６】
また、第３層以降のａ−Ｓｉ層の適用可能な成膜条件領域が広くなり、品質管理上のマージンも大きくできる。
【００２７】
更に、第３層以降のａ−Ｓｉ層の成膜条件の高ＲＦ電力（高電圧）印加が可能なため、ａ−Ｓｉ成膜速度の高速化が容易となり、スループット向上にも寄与する。
【００２８】
なお、第１層（初期層）２１を設けた後、上記第２層（中間層）２２を設けずに、除々にＲＦ電力を高くして第１層（初期層）２１上にａ−Ｓｉ層を形成することも考えられるが、その場合には、後に高ＲＦ電力でａ−Ｓｉ層を形成する場合に影響を受けないような層を第１層（初期層）２１上に形成するのが困難であり、また、制御条件が多段階となり、マクロでみた場合のレシピ数が多くなり、膜質管理が困難であるという問題が生じるが、本実施の形態では、第２層（中間層）２２を設ける条件が単一であるので、第１層（初期層）２１に影響を与えない第２層（中間層）２２を設けるのが容易であり、また、初期層２１、第２層（中間層）２２、および第３層を形成するためのＲＦ電力は各層でそれぞれ単一であるので、３つのＲＦ電力条件を管理すればよく、管理が容易である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜トランジスタの特性を低下させることなく、生産性を向上させることができる薄膜形成方法およびそれによって製造した薄膜デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマＣＶＤ装置における反応室を示す概略縦断面図である。
【図２】アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）トランジスタ特性（移動度）のａ−Ｓｉ成膜速度依存性を示す図である。
【図３】２層成膜方法により形成したアモルファスシリコン薄膜の構造を示す概略断面図である。
【図４】１層成膜方法および２層成膜方法により形成したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）トランジスタ特性（移動度）のａ−Ｓｉ形成時の高周波電力依存性を示す図である。
【図５】２層成膜方法により形成したバルクアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層のＳｉ−Ｈ２結合の量およびＶｐｐ値のａ−Ｓｉバルク層形成時のＲＦ電力依存性を示す図である。
【図６】３層成膜方法により形成したアモルファスシリコン薄膜の構造を示す概略断面図である。
【図７】１層成膜方法、２層成膜方法および３層成膜方法により形成したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）トランジスタ特性（移動度）のａ−Ｓｉ形成時の高周波電力依存性を示す図である。
【符号の説明】
１…反応室
２…アノード
３…基板
４…ガス導入口
５…ガス分散板（カソード）
６…ガス排気口
７…高周波電源
１０…ＳｉＮ膜
１１…ａ−Ｓｉ界面層
１２…ａ−Ｓｉバルク層
２１…ａ−Ｓｉ第１層（初期層）
２２…ａ−Ｓｉ第２層（中間層）
２３…ａ−Ｓｉ第３層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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