(57)【要約】【課題】  比較的低いプロセス温度において、従来のＰＥＣＤＶ法や熱酸化法によって形成された酸化物層より、材料自体の特性、及び界面特性に優れた酸化物層を形成する。【解決手段】  本発明は、高密度誘導結合プラズマ法と化学蒸着法を使用した酸化物層の形成方法であって、シリコン層を形成する工程と、高密度プラズマ化学蒸着法を用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化薄膜の形成方法であって、
シリコン層を形成する工程と、
誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、２０ｎｍ以上の厚さを有し、約１．４５以上、１．４７以下の屈折率を有する酸化物層の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、プラズマ酸化法によることを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記プラズマ酸化法によるシリコン層上への酸化物層の形成は、毎分約４．４ｎｍの成長速度で酸化物を生成することを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項５】
請求項４に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記プラズマ酸化法によるシリコン層上への酸化物層の形成は、２０ｎｍ以下の厚さを有する酸化物層の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項６】
請求項４に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記プラズマ酸化法によるシリコン層上への酸化物層の形成は、
エネルギー密度が０．１（Ｗ／ｃｍ2）以上、１．６（Ｗ／ｃｍ2）以下で、周波数が約１３．５６ＭＨｚであり、
圧力が約１５（ｍＴｏｒｒ）以上、５００（ｍＴｏｒｒ）以下であり、
希ガスと酸素の混合比が２０〜２００：１であり、
全ガス流量は５０（ｃｍ3／分）以上、２００（ｃｍ3／分）以下である誘導結合プラズマによることを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項７】
請求項６に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
希ガスと酸素との混合物による誘導結合プラズマに使用される上記混合物は、酸素と、ヘリウム、アルゴン、及び、クリプトンを含むグループから選択された希ガスとの混合物であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項８】
請求項７に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
更に、透明基板を形成する工程と、
上記透明基板上であって上記シリコン層の下層に拡散防止層を形成する工程とを含み、
上記シリコン層を形成する工程は、トランジスタのチャネル領域と、ソース領域とドレイン領域を形成する工程を含み、
上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、ゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項９】
請求項８に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記ゲート絶縁層を形成する工程は、
５×１０11（／ｃｍ2）以下の固定電荷密度、
約０．９×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度、
１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト、
８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において、１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度、
１０（ＭＶ／ｃｍ）以上の絶縁破壊強度といった界面特性を備える薄膜の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、上記酸化物層を形成するために高密度プラズマ化学蒸着法の使用を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記酸化物層を形成するための高密度プラズマ化学蒸着法の使用において、酸化物の析出速度が毎分約１０ｎｍ以上であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記高密度プラズマ化学蒸着法の使用によって形成される酸化物層の厚みが１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
酸化物層を形成するために使用される高密度プラズマ化学蒸着法は、
約３８０℃であって、
エネルギー密度が、０．１（Ｗ／ｃｍ2）以上、１．６（Ｗ／ｃｍ2）以下で、周波数が、約１３．５６ＭＨｚであり、
圧力が、約５０（ｍＴｏｒｒ）以上、２５０（ｍＴｏｒｒ）以下であり、
ＳｉＨ4、Ｎ2Ｏ、及びＮ2の混合比が、おおよそ１０：１００：５０から２５：１００：５０であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
更に、透明基板層を形成する工程を含み、
上記透明基板上であって上記シリコン層の下層に拡散防止層を形成する工程とを含み、
上記シリコン層を形成する工程は、トランジスタのチャネル領域と、ソース領域とドレイン領域を形成する工程を含み、
上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、ゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記高密度プラズマ化学蒸着法の使用による上記酸化物層の形成は、
５×１０11（／ｃｍ2）以下の固定電荷密度、
約２×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度、
１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト、
８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において、１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度、
１０（ＭＶ／ｃｍ）以上の絶縁破壊強度といった界面特性を備える薄膜の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、酸化物二重層を形成する工程を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記酸化物二重層を形成する工程は、
上記シリコン層の下層に位置する第１の酸化物層を形成するためにプラズマ酸化法の使用と、
上記第１の酸化物層上に積層して第２の酸化物層を形成するために高密度プラズマ化学蒸着法の使用とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記酸化物二重層の厚さが１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
更に、透明基板層を形成する工程を含み、
上記透明基板上であって、上記シリコン層の下層に拡散防止層を形成する工程とを含み、
上記シリコン層を形成する工程は、トランジスタのチャネル領域と、ソース領域とドレイン領域を形成する工程を含み、
上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、ゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項２０】
請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記シリコン層の形成する工程は、非晶質シリコン、または微結晶質シリコン、または多結晶シリコンを含むグループから選択された薄膜の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、
上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、酸化ケイ素、または酸窒素化ケイ素のいずれかから選択された酸化物の生成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項２２】
薄膜の形成方法であって、
シリコン層を形成する工程と、
上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の薄膜の形成方法であって、
上記伝導結合プラズマ、あるいは変換結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、２０ｎｍ以上の厚さを有し、約１．４５以上、１．４７以下の屈折率を有する酸化物層の形成を含むことを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項２４】
酸化薄膜を同じ装置内で連続形成する方法であって、
第１の薄膜形成室においてシリコン薄膜を形成する工程と、
上記形成されたシリコン薄膜を上記第１の薄膜形成室内に存置した状態で、誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法。
【請求項２５】
酸化薄膜の界面構造であって、
透明基板と、
上記透明基板上に積層されたシリコン層と、
上記シリコン層上に、２０ｎｍ以上の厚さを有し、約１．４５以上、１．４７以下の屈折率を有する酸化物層とを含む酸化薄膜の界面構造。
【請求項２６】
請求項２５に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層は、誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で形成されることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項２７】
請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層は、プラズマ酸化物からなることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項２８】
請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層は、析出酸化物からなることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項２９】
請求項２８に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記析出酸化物は、高密度プラズマ化学蒸着法を用いて形成されることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３０】
請求項２９に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層の厚さが１００ｎｍに達することを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３１】
請求項２６に記載の酸化物薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層は、上記シリコン層上に積層されたプラズマ酸化物からなる第１のサブレイヤ（sub-layer）と、上記第１の酸化物サブレイヤ上に積層された析出酸化物からなる第２のサブレイヤとを有することを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３２】
請求項３１に記載の酸化物薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層の厚さは、約１００ｎｍにまで達することを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３３】
請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記シリコン層は、非晶質シリコン、または微結晶質シリコン、または多結晶シリコンを含むグループから選択された素材からなることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３４】
請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層は、酸化ケイ素、または酸窒素化ケイ素のいずれかから選択された酸化物からなることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３５】
請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
更に、上記透明基板上であって上記シリコン層の下層に拡散防止膜を有し、
上記酸化物層上にゲート電極を有し、
上記シリコン層はチャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域を備え、
上記酸化物層の固定電荷密度が５×１０11（／ｃｍ2）であるあることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３６】
請求項３５に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層は、
約０．９×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度、
１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト、
８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において、１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度、
１０（ＭＶ／ｃｍ）以上の絶縁破壊強度といった界面特性を備えることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３７】
請求項２５に記載の酸化薄膜の界面構造であって、
上記酸化物層は、４００℃以下の温度で変換結合プラズマを用いて形成されることを特徴とする酸化薄膜の界面構造。
【請求項３８】
透明基板と、上記透明基板上に積層された拡散防止層と、上記拡散防止層上に積層され、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とを備えたシリコン層と、上記シリコン層上に積層され、５×１０11（／ｃｍ2）の固定電荷密度を有する酸化物ゲート絶縁層と、上記酸化物ゲート絶縁層上にゲート電極とを備えた薄膜トランジスタ。
【請求項３９】
請求項３８に記載の薄膜トランジスタであって、
上記酸化物ゲート絶縁層は、２０ｎｍ以下の厚さを有するプラズマ酸化物であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項４０】
請求項３８に記載の薄膜トランジスタであって、
上記酸化物ゲート絶縁層は、厚さ１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下厚さを有する析出酸化物であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項４１】
請求項３８に記載の薄膜トランジスタであって、上記酸化物ゲート絶縁層は、上記シリコン層上に積層され、プラズマ酸化物からならなる第１のサブレイヤと、上記第１のサブレイヤ上に積層され、析出酸化物からなる第２のサブレイヤとを備えたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路（ＩＣ）素子に関するものであり、特にシリコン層上に形成された酸化薄膜の界面構造、及び高密度プラズマ（high-density plasma）を用いた上記酸化薄膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来の薄膜トランジスタにおいて積層されたゲート構造の概略を示す。ＩＣ素子の最適な性能は、一部、上記素子構造に含まれる酸化物層の特性に依存している。ある種の薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」ともいう。）は、図に示すように使用されているが、以下の説明は他のＩＣ素子へも広げて理解すべきである。
【０００３】
図１において、酸化物層によりゲート絶縁体が形成されている。ゲート絶縁体の素材としての特性と、上記ゲート絶縁体及びシリコン層との界面の特性の何れもが、ＴＦＴの作動にとって非常に重要である。シリコン素子にとって、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）はゲート絶縁体の好適な材料である（例えば、特許文献１または２を参照。）。
【０００４】
また、優れた素材特性と界面特性を備えた高品位ＳｉＯ2薄膜を形成するために、熱酸化法（thermal oxidation）は好適な方法である。ＴＦＴ製造工程において、上記熱酸化法は、基板と拡散防止層の上にシリコン層を形成する工程と、このシリコン層上にＳｉＯ2層を形成するために上記積層構造を加熱する工程とを含む。上記酸化物層を実用上十分に経済的な早さで生成させるために、通常、上記熱酸化法は８００℃から１２００℃の間の温度で実行される。熱酸化法において必要とされる上記温度に適した材料は、例えば、シリコンのほか、ごく限られた種類の基板材料しか存在しない。
【０００５】
図２は、従来のプラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapor deposition  以下、「ＰＥＣＶＤ」ともいう。）の概要を示す。熱酸化法と関連した温度に適した基板材料の使用には、関心が高まっている。例えば、液晶ディスプレ（以下、「ＬＣＤｓ」ともいう。）技術の進歩は、ガラスや高分子材料といった透明基板上に形成されるＴＦＴドライバ回路の高性能化を要求する。
【０００６】
しかしながら、上記透明基板は、上記熱酸化法において要求される温度には適合しない。実際、これら透明基板の製造工程においては、４００℃以下の温度（以下、単に「低温」ともいう。）が好ましい。不都合なことに、低温でＰＥＣＶＤを使用する場合、４００℃以上の温度における通常の熱酸化法やＰＥＣＶＤに比較して、上記酸化物層に高い割合で不純物が含まれてしまう。更に、低温におけるＰＥＣＤＶによる酸化物の析出する速度は、４００℃以上におけるＰＥＣＤＶのそれよりも遅いといった問題もある。
【０００７】
また、実際に、低温ＰＥＣＤＶによる酸化物層における、屈折率（refractive index）、積層された酸化物の電荷密度（charge density）、絶縁破壊強度（breakdown field strength）、リーク電流密度（leakage current density）、界面準位密度（interface trap density）といった特性のすべてにおいて、通常の熱酸化物層のそれらに劣っている。例えば、熱酸化物は１．４６の屈折率を有するが、低温でのＰＥＣＤＶによる酸化物の有する屈折率は、１．４５以下である。
【０００８】
また、析出量を増やすために低温でのＰＥＣＤＶ工程におけるパラメータを変化させようとすると、析出する酸化物の素材自体の特性と界面の特性が低下してしまう。
【０００９】
図２に示す方法において、容量結合プラズマ（capacitively coupled plasma）が使用されている。このプラズマ装置において、高周波電圧が、直接上部電極に接続されて下部電極と容量結合されている。上記２つの電極は対になっているため、上部電極と下部電極に印加されたエネルギーを個別に制御することは不可能である。そのため、酸化物の素材特性と界面特性を低下させるように作用するシース電位を増加させるように、上記高周波電圧を上げて成長速度を向上させる試みがなされている（例えば、特許文献３〜５を参照。）。
【特許文献１】米国特許第６０９６６６１号明細書
【特許文献２】米国特許第６１５９５５９号明細書
【特許文献３】米国特許第５６８１４１８号明細書
【特許文献４】米国特許第５７９２５２２号明細書
【特許文献５】米国特許第６０４００２２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
それ故、本発明は、そこで、低いプロセス温度によって、上記低温でのＰＥＣＤＶ法によって形成された酸化物層より、材料自体の特性、及び界面における特性に優れた酸化物層を形成することを課題とする。
【００１１】
また、本発明は、材料自体の特性、及び界面特性において、熱酸化法によって得られた酸化物層に匹敵する酸化物層を低いプロセス温度によって得ることを課題とする。
【００１２】
更に、本発明は、低いプロセス温度において、低温におけるＰＥＣＤＶ法よりも酸化物の析出量を増大させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、４００℃以下の温度で生成され、しかも素材自体の特性、及び界面における特性が熱酸化法により生成された酸化物のそれらに近しい特性を備えた、酸化物界面を開示する。また、本発明は、上記酸化物界面を提供する製造方法についても開示する。本発明は、高密度誘導結合プラズマ法（high-density inductively coupled plasma）と化学蒸着法を使用することにより達成される。
【００１４】
本発明によれば、ガラスや高分子材料といった透明基板上に、薄膜トランジスタ等の集積回路を構成することが可能となる。また、本発明は、上記薄膜酸化物の製造方法をも提供する。
【００１５】
本発明に係る製造方法は、シリコン層の形成と、該シリコン層上への酸化物層の形成を含む。上記酸化物層は、誘導結合プラズマを用いて４００℃または４００℃より低い温度で形成される。そして、上記酸化物層は、２０ｎｍまたは２０ｎｍより厚く形成され、１．４５以上、１．４７以下の屈折率を有する。
【００１６】
また、上記方法のある場合において、上記酸化物層は、上記シリコン層をプラズマで酸化することにより形成される。このとき、プラズマ酸化物は、毎分約４．４ｎｍの割合で生成される。上記酸化物は、パワー密度（power density）、圧力、プロセスガスの組成、及びプロセスガスの流量（process gas flow）を含むパラメーターを設定してシリコン層をプラズマ酸化することによって形成される。
【００１７】
上記方法のある場合において、上記シリコン層と酸化物層は、透明基板が形成され、上記透明基板上に拡散防止層を積層し、該拡散防止層上にシリコン層を積層することによって、ＴＦＴに組み込まれる。そして、トランジスタのチャネル領域、ソース領域、及びドレイン領域が上記シリコン層に形成され、上記酸化物層はゲート誘電体層を形成し、上記ゲート誘電体層上に積層してゲート電極が形成される。上記ゲート誘電体層は、１平方センチメートル当たり５×１０11（／ｃｍ2）または５×１０11（／ｃｍ2）より小さい固定電荷密度を有する。
【００１８】
上記方法のある場合には、高密度プラズマ化学蒸着法（以下、「ＨＤ−ＰＥＣＶＤ」ともいう。）が上記酸化物層の形成に使用される。また、上記酸化物層は、プラズマ酸化物とＨＤ−ＰＥＣＶＤによる酸化物の二層構造にすることも可能である。
【００１９】
具体的に、請求項１の発明は、酸化薄膜の形成方法であって、シリコン層を形成する工程と、誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、２０ｎｍ以上の厚さを有し、約１．４５以上、１．４７以下の屈折率を有する酸化物層の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、プラズマ酸化法によることを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項３に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記プラズマ酸化法によるシリコン層上への酸化物層の形成は、毎分約４．４ｎｍの成長速度で酸化物を生成することを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項４に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記プラズマ酸化法によるシリコン層上への酸化物層の形成は、２０ｎｍ以下の厚さを有する酸化物層の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項４に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記プラズマ酸化法によるシリコン層上への酸化物層の形成は、エネルギー密度が０．１（Ｗ／ｃｍ2）以上、１．６（Ｗ／ｃｍ2）以下で、周波数が約１３．５６ＭＨｚであり、圧力が約１５（ｍＴｏｒｒ）以上、５００（ｍＴｏｒｒ）以下であり、希ガスと酸素の混合比が２０〜２００：１であり、全ガス流量は５０（ｃｍ3／分）以上、２００（ｃｍ3／分）以下である誘導結合プラズマによることを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２５】
請求項７の発明は、請求項６に記載の酸化薄膜の形成方法であって、希ガスと酸素との混合物による誘導結合プラズマに使用される上記混合物は、酸素と、ヘリウム、アルゴン、及び、クリプトンを含むグループから選択された希ガスとの混合物であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項７に記載の酸化薄膜の形成方法であって、更に、透明基板を形成する工程と、上記透明基板上であって上記シリコン層の下層に拡散防止層を形成する工程とを含み、上記シリコン層を形成する工程は、トランジスタのチャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域を形成する工程を含み、上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、ゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項８に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記ゲート絶縁層を形成する工程は、５×１０11（／ｃｍ2）以下の固定電荷密度（fixed oxide charge density）、
約０．９×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度（interface trap concentration）、１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験（bias temperature stress reliability test）の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト（flat band voltage shift）、８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において、１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度（leakage current density）以下、１０（ＭＶ／ｃｍ）以上の絶縁破壊強度（breakdown field strength）といった界面特性を備える薄膜の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２８】
請求項１０の発明は、請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、上記酸化物層を形成するために高密度プラズマ化学蒸着法の使用を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００２９】
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記酸化物層を形成するための高密度プラズマ化学蒸着法の使用において、酸化物の析出速度が毎分約１０ｎｍ以上であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３０】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記高密度プラズマ化学蒸着法の使用によって形成される酸化物層の厚みが１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３１】
請求項１３の発明は、請求項１１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、酸化物層を形成するために使用される高密度プラズマ化学蒸着法は、約３８０℃であって、エネルギー密度が、０．１（Ｗ／ｃｍ2）以上、１．６（Ｗ／ｃｍ2）以下で、周波数が、約１３．５６ＭＨｚであり、圧力が、約５０（ｍＴｏｒｒ）以上、２５０（ｍＴｏｒｒ）以下であり、ＳｉＨ4、Ｎ2Ｏ、及びＮ2の混合比が、おおよそ１０：１００：５０から２５：１００：５０であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３２】
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の酸化薄膜の形成方法であって、更に、透明基板層を形成する工程を含み、上記透明基板上であって上記シリコン層の下層に拡散防止層を形成する工程とを含み、上記シリコン層を形成する工程は、トランジスタのチャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域を形成する工程を含み、上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、ゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３３】
請求項１５の発明は、請求項１４に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記高密度プラズマ化学蒸着法の使用による上記酸化物層の形成は、５×１０11（／ｃｍ2）以下の固定電荷密度、約２×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト、８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度、１０（ＭＶ／ｃｍ）以上の絶縁破壊強度といった界面特性を備える薄膜の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３４】
請求項１６の発明は、請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、酸化物二重層を形成する工程を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３５】
請求項１７の発明は、請求項１６に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記酸化物二重層を形成する工程は、上記シリコン層の下層に位置する第１の酸化物層を形成するためにプラズマ酸化法の使用と、上記第１の酸化物層上に積層して第２の酸化物層を形成するために高密度プラズマ化学蒸着法の使用とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３６】
請求項１８の発明は、請求項１７に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記酸化物二重層の厚さが１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３７】
請求項１９の発明は、請求項１７に記載の酸化薄膜の形成方法であって、更に、透明基板層を形成する工程を含み、上記透明基板上であって、上記シリコン層の下層に拡散防止層を形成する工程とを含み、上記シリコン層を形成する工程は、トランジスタのチャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域を形成する工程を含み、上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、ゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３８】
請求項２０の発明は、請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記シリコン層の形成する工程は、非晶質シリコン、または微結晶質シリコン、または多結晶シリコンを含むグループから選択された薄膜の形成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００３９】
請求項２１の発明は、請求項１に記載の酸化薄膜の形成方法であって、上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、酸化ケイ素、または酸窒素化ケイ素のいずれかから選択された酸化物の生成を含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００４０】
請求項２２の発明は、薄膜の形成方法であって、シリコン層を形成する工程と、上記誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜の形成方法である。
【００４１】
請求項２３の発明は、請求項２２に記載の薄膜の形成方法であって、上記伝導結合プラズマ（transmission coupled plasma）あるいは変換結合プラズマ（transformer coupled plasma）を用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程は、２０ｎｍ以上の厚さを有し、約１．４５以上、１．４７以下の屈折率を有する酸化物層の形成を含むことを特徴とする薄膜の形成方法である。
【００４２】
請求項２４の発明は、酸化薄膜を同じ装置内で連続形成する方法であって、第１の薄膜形成室においてシリコン薄膜を形成する工程と、上記形成されたシリコン薄膜を上記第１の薄膜形成室内に存置した状態で、誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程とを含むことを特徴とする酸化薄膜の形成方法である。
【００４３】
請求項２５の発明は、酸化薄膜の界面構造であって、透明基板と、上記透明基板上に積層されたシリコン層と、上記シリコン層上に、２０ｎｍ以上の厚さを有し、約１．４５以上、１．４７以下の屈折率を有する酸化物層とを含む酸化薄膜の界面構造である。
【００４４】
請求項２６の発明は、請求項２５に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記酸化物層は、誘導結合プラズマを用いて４００℃以下の温度で形成されることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００４５】
請求項２７の発明は、請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記酸化物層は、プラズマ酸化物からなることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００４６】
請求項２８の発明は、請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記酸化物層は、析出酸化物からなることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００４７】
請求項２９の発明は、請求項２８に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記析出酸化物は、高密度プラズマ化学蒸着法を用いて形成されることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００４８】
請求項３０の発明は、請求項２９に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記酸化物層の厚さが１００ｎｍに達することを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００４９】
請求項３１の発明は、請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記酸化物層は、上記シリコン層上に積層されたプラズマ酸化物からなる第１のサブレイヤと、上記第１の酸化物サブレイヤ上に積層された析出酸化物からなる第２のサブレイヤとを有することを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００５０】
請求項３２の発明は、請求項３１に記載の酸化物薄膜の界面構造であって、上記酸化物層の厚さは、約１００ｎｍにまで達することを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００５１】
請求項３３の発明は、請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記シリコン層は、非晶質シリコン、または微結晶質シリコン、または多結晶シリコンを含むグループから選択された素材からなることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００５２】
請求項３４の発明は、請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記酸化物層は、酸化ケイ素、または酸窒素化ケイ素のいずれかから選択された酸化物からなることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００５３】
請求項３５の発明は、請求項２６に記載の酸化薄膜の界面構造であって、更に、上記透明基板上であって上記シリコン層の下層に拡散防止膜を有し、上記酸化物層上にゲート電極を有し、上記シリコン層はチャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域を備え、上記酸化物層の固定電荷密度が５×１０11（／ｃｍ2）であるあることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００５４】
請求項３６の発明は、請求項３５に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記酸化物層は、約０．９×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度、１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト、８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度、１０（ＭＶ／ｃｍ）以上の絶縁破壊強度といった界面特性を備えることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００５５】
請求項３７の発明は、請求項２５に記載の酸化薄膜の界面構造であって、上記酸化物層は、４００℃以下の温度で変換結合プラズマを用いて形成されることを特徴とする酸化薄膜の界面構造である。
【００５６】
請求項３８の発明は、透明基板と、上記透明基板上に積層された拡散防止層と、上記拡散防止層上に積層され、チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とを備えたシリコン層と、上記シリコン層上に積層され、５×１０11（／ｃｍ2）の固定電荷密度を有する酸化物ゲート絶縁層と、上記酸化物ゲート絶縁層上にゲート電極とを備えた薄膜トランジスタである。
【００５７】
請求項３９の発明は、請求項３８に記載の薄膜トランジスタであって、上記酸化物ゲート絶縁層は、２０ｎｍ以下の厚さを有するプラズマ酸化物であることを特徴とする薄膜トランジスタである。
【００５８】
請求項４０の発明は、請求項３８に記載の薄膜トランジスタであって、上記酸化物ゲート絶縁層は、厚さ１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下厚さを有する析出酸化物であることを特徴とする薄膜トランジスタである。
【００５９】
請求項４１の発明は、請求項３８に記載の薄膜トランジスタであって、上記酸化物ゲート絶縁層は、上記シリコン層上に積層され、プラズマ酸化物からならなる第１のサブレイヤと、上記第１のサブレイヤ上に積層され、析出酸化物からなる第２のサブレイヤとを備えたことを特徴とする薄膜トランジスタである。
【発明の効果】
【００６０】
本発明によれば、低いプロセス温度によって、上記低温でのＰＥＣＤＶによって形成された酸化物層より、材料自体の特性、及び界面における特性に優れた酸化物層を形成することができる。
【００６１】
また、本発明によれば、材料自体の特性、及び界面特性において、熱酸化法によって得られた酸化物層に匹敵する酸化物層を低いプロセス温度によって得ることができる。
【００６２】
更に、本発明は、低いプロセス温度において、低温におけるＰＥＣＤＶよりも酸化物の析出量を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００６４】
《発明の実施形態１》
図３は、本発明に係る酸化薄膜の界面構造の一部断面図である。透明基板３０２上には、シリコン層３０４が積層されている。シリコン層３０４上には、ある厚さ３０８を有する酸化物層３０６が積層されている。
【００６５】
上記酸化物層３０６の形成には、４００℃または４００℃より低い温度において高密度誘導結合プラズマ（以下、「ＩＣＰ」ともいう。）装置（図示せず。）が使用される。上記透明基板３０２は、ガラス材料または高分子材料で形成されることが可能であるが、これらの材料に限定されるものではない。
【００６６】
本発明における４００℃または４００℃より低い温度において上記酸化物層３０６を形成することにより、従来の熱酸化法に係る温度（８００〜１２００℃）において使用することができなかった上記透明基板３０２の使用を可能にする。その結果、上記透明基板３０２は、液晶ディスプレイを備えた素子のような表示素子に対して、上記酸化物界面３００の使用を容易にする。上記シリコン層３０４は、非晶質シリコン、微晶質シリコン、あるいは多結晶シリコンの中から選択されたものによって形成される。
【００６７】
上記酸化物層３０６は、熱酸化物のそれにほぼ等しい材料自体のバルク特性を有する。上記材料特性は、例えば、ＩＣ素子内の酸化物層３０６の電気的挙動で評価される界面の界面準位密度と比較すると、上記酸化物層３０６の物理的組成に対して固有の特性であるといえる。上記界面構造において、酸化物層の厚さ３０８は、２０ｎｍまたは２０ｎｍより厚く形成することができる。上記厚さ３０８が２０ｎｍ以上である場合、上記酸化物層３０６の屈折率は約１．４５から１．４７の範囲に収まる。これを熱酸化物の屈折率と比較してみると、熱酸化物は、１．４６の屈折率を有する。
【００６８】
また、上記酸化物層３０６はプラズマ酸化物であってもよい。言い換えれば、この場合、上記酸化物層３０６は上記シリコン層をプラズマ酸化することによって形成されている。酸化物層の厚さ３０８を２０ｎｍ未満とすることによって、プラズマ酸化物を他と比べて薄膜層の使用に特に適するようにすることができ、プラズマ酸化物は、下記に示すように熱酸化物に匹敵する界面特性を備える。
【００６９】
図４は、高密度プラズマＣＶＤ装置の概略を示す。図５は、本発明に係る薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」ともいう。）の一部断面図である。本発明において、上記酸化物層３０６は、図４に示す上記ＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成された析出酸化物であってもよい。このように、上記ＨＤ−ＰＥＣＶＤにおいて、より高いプラズマ密度とより高いエネルギーレベルを適用することによって、４００℃以下の温度で実行されていた従来のＰＥＣＶＤよりも不純物のより少ない析出酸化物を得ることができる。また、本発明において、酸化物層３０６を形成している析出酸化物は、１００ｎｍにまで厚くすることも可能である。ただし、上記厚さ３０８は、１００ｎｍに限定されるものではない。１００ｎｍの厚さは、例えば、図５に示される上記酸化物層３０６を備えたＴＦＴのようなＩＣ素子の典型的な厚さ３０８を示すために選択された厚さである。
【００７０】
上記酸化物層３０６は、酸化ケイ素や酸窒素化ケイ素を含むが、これらの材料に限定されるものではない。酸化物の析出に関して、酸化物層３０６を形成する酸化物の種類は、上記ＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置で使用される前駆ガスに依存する。シランやテトラエトキシシラン、その他シリコン含有化合物は、シリコン層形成にとって好適な前駆体である。
【００７１】
ネオン、アルゴン、及びヘリウムは、不活性ガスとして使用することができる。酸素あるいは亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）は、上記酸化ガスとして使用することができる。上記酸化物層３０６に窒素やフッ素を混入させるために、それらの分子を含有する適当な前駆体、例えば、フッ化炭素やアンモニアを使用することもできる。
【００７２】
本発明において、伝導／変圧結合プラズマ源（ＴＣＰ：transmission/transformer coupled plasma）（図示せず。）を用いて、上記酸化物層３０６を形成することも可能である。ＴＣＰの使用により、その素材特性と界面特性において、上記ＩＣＰを使用した場合と同等の酸化物層３０６を得ることができる。また、ＴＣＰの使用により、上記酸化物析出工程を、ＬＣＤｓのようにより大きい装置へ規模を拡大することが可能となる。
【００７３】
図６は、図３に示した酸化物界面の更に詳細な一部断面図である。プラズマ酸化物と析出酸化物はそれぞれ、最適な層厚と組成に関する利点を有する。本発明に係る酸化物界面に関して、上記シリコン層３０４上に、厚さ６０４を有する酸化物の二重層６０２を積層することとも可能である。プラズマ酸化物からなり、ある厚さ６０８を有するサブレイヤ（sub-layer）６０６は、上記二重層６０２の第１のサブレイヤを構成する。
【００７４】
析出酸化物からなるサブレイヤ６１０は、上記サブレイヤ６０６上に積層されている。上記サブレイヤ６０６にはプラズマ酸化物が使用されているが、これは厚さ２０ｎｍ以下のとき、析出酸化物よりもプラズマ酸化物のほうが界面特性に優れているためである。これら界面特性については、後に詳しく説明する。
【００７５】
しかし、プラズマ酸化物の成長速度は、約４．４（ｎｍ／分）であり、約１０（ｎｍ／分）以上である析出酸化物の成長速度よりも遅い。４．４（ｎｍ／分）というプラズマ酸化物の成長速度は、プラズマ酸化工程が始まった後、１分間設定された成長速度である。一方、１０（ｎｍ／分）以上という析出酸化物の成長速度は、ＨＤ−ＰＥＣＶＤ工程が始まった後、１０分間設定された成長速度である。従って、上記プラズマ酸化物層の厚さ６０８は、２０ｎｍ未満に制限されることが好ましい。
【００７６】
厚さ１０ｎｍ以上において良好な素材特性と界面特性を有する析出酸化物は、酸化物二重層に必要な厚さ６０４を達成するために、上記サブレイヤ６１０に使用される。本発明において、上記二重層の厚さ６０４は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲に収まる。  
【００７７】
しかしながら、上記厚さ６０４は１００ｎｍに限定されるものではない。１００ｎｍの厚さは、例えば、図５に示す酸化膜二重層６０２を含むＴＦＴ等ＩＣ素子に対して、典型的な厚さ６０４を示すために選択された厚さである。
【００７８】
図５に示すＴＦＴは、本発明に係る一実施例のみを提示するものと理解しなければならない。上記ＴＦＴ５０２において、拡散防止層５０４は、上記基板３０２上に積層され、上記シリコン層３０４の下方に敷設されている。上記シリコン層３０４は、チャネル領域５０６、ソース領域５０８、及びドレイン領域５１０を含む。ゲート電極５１２は、酸化物層３０６上に積層されている。該酸化物層３０６は、ゲート絶縁体として機能する。
【００７９】
上記酸化物層３０６の界面特性、または電気的特性は、ＴＦＴ５０２の構造の中で評価され得る。ＴＦＴ５０２において、酸化物層３０６は次の界面特性を持っている。
【００８０】
即ち、上記酸化物層３０６は、５×１０11（／ｃｍ2）以下の固定電荷密度、約０．９×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度、１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト、８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度、１０（ＭＶ／ｃｍ）の絶縁破壊強度といった界面特性を備える。
【００８１】
上記析出酸化物においては、約２×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度を備える。これらの界面特性は、熱酸化物の界面特性に匹敵する。例えば、フラット・バンド電圧シフト、リーク電流密度及び絶縁破壊強度は、層厚が１０ｎｍ以上である場合、熱酸化物、プラズマ酸化物、及び析出酸化物において、おおよそ同じオーダーである。
【００８２】
本発明に係る酸化物界面とその製造方法は、何れも４００℃以下の温度で操作される高密度誘導結合プラズマ（ＨＤ−ＩＣＰ）と高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤ−ＰＥＣＶＤ）装置の使用を組み合わせたものである。本発明に係る酸化物界面とその製造方法は、従来の熱酸化物よりも十分に早い成長速度で高品位の酸化物層を提供することができる。また、本発明に係る方法は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴｓ）や他の集積回路装置のためのゲート酸化物層を形成する自然な連続デポ方法である。上記方法は、４００℃以下の低温で進められることにより、ガラス材料や高分子材料といった透明基板上への素子の集積を可能とする。
【００８３】
本発明は、図４に示す構成のＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置を使用する。上記ＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置の使用により、図４に示す電極を分離することを可能とし、その結果、基板の自己バイアスを低下させることができる。このように、上記ＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置は、ともに薄膜の成長と素材特性及び界面特性を向上させるプラズマのイオン／電子密度（ion/electron density）とエネルギーを独立して制御することができる。
【００８４】
本発明に係る方法によって形成された酸化物は、よりよい素材特性と界面特性を備え、その上、不純物の混入も少ない。上記ＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置は、シリコンのプラズマ酸化とＳｉＯ2薄膜のＨＤ−ＰＥＣＶＤ法による析出の両方に使用される。
【００８５】
上述したように、熱酸化法を使用すると、良好な素材特性と界面特性を有する酸化物を得ることができる。しかし、８００℃以下の温度において、熱によるＳｉＯ2の成長速度は、実用的なものではない。本発明に係る高密度プラズマによるシリコンの酸化は、熱酸化法の成長速度より十分に早い成長速度を示している。更に、プラズマ酸化物は、２０ｎｍまたは２０ｎｍよりも薄い薄膜状態において、良好な特性を保っている。
【００８６】
上記ＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置は、薄膜内の結合に関係する不純物と同様、低温下における析出中に薄膜内に混入する不純物をも最小限にするために効果的である。このことは、本発明に係るＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置のプラズマ密度とエネルギーが、従来のＰＥＣＶＤ装置のそれらに比べて高いことによって可能となる。
【００８７】
本発明において、プラズマ酸化物とＨＤ−ＰＥＣＶＤ法による析出酸化物とが組み合わされて、図６に示す酸化物の二重層を形成することも可能である。上記酸化物二重層は、図５に示すＴＦＴ素子に使用される低温高品位ゲート酸化物の積層にも応用される。上記ゲート酸化物層の界面特性と素材特性は、上記シリコン層に対するプラズマ酸化法とＨＤ−ＰＥＣＶＤ技術の組合せを用いた積層構造の構築によって飛躍的に向上させることができる。上記ＨＤ−ＩＣＰ装置を用いた４００℃以下の温度によるシリコン層のプラズマ酸化は、ＨＤ−ＰＥＣＶＤ法における早い析出速度を利用できると同時に、ゲート界面の特性を向上させることが可能とする。言い換えれば、本発明は、最初に薄いプラズマ酸化物層を形成し、続いて、通常、より厚いＨＤ−ＰＥＣＶＤ酸化物層を析出させることにより、プラズマ酸化とＨＤ−ＰＥＣＶＤ酸化との結びついた特長を得ることができる。
【００８８】
プラズマ酸化物の酸化速度は相対的に遅いため、上記プラズマ酸化物の厚さは、要求される界面特性を得ることができる限り最小限の厚さにすることが好ましい。このような厚さは、典型的には２０ｎｍまたは２０ｎｍよりも薄い。
【００８９】
上記プラズマ酸化物層上に早い成長速度を有するＨＤ−ＰＥＣＶＤ酸化物が析出される。上記基板上において４００℃以下の温度で、上記プラズマ酸化とＨＤ−ＰＥＣＶＤ酸化を組み合わせて使用することにより形成された上記ゲート積層構造は、通常、ＴＦＴや他のＩＣ回路装置に使用されている従来のＰＥＣＶＤ法によって形成されたものと比較して、ゲート酸化物の品位を飛躍的に向上させることができる。
【００９０】
これらゲート積層構造は、低温で処理される基板の問題、界面の品質の問題、あるいはゲート構造の信頼性の問題などが複合した多くのの問題をも解決することができる。加えて、ＩＣ素子の製造において、本発明は熱履歴を大幅に減少させるとともに、上記素子の単位時間当たりの処理数を大幅に増加させることができる。
【００９１】
図７は、本発明による薄膜の製造方法を表したフローチャートである。図７（図８、図９、図１０、図１１も同様に）において、本発明の方法は、明確に付番された工程の順序に従って記載されているが、明示された場合を除き、いかなる順序も上記付番から推測されるものではない。これら工程のうち、あるものは省略され、あるものは平行して行われ、また厳格な順序の指示を維持することなく実行され得るものと理解しなければならない。
【００９２】
この方法は、工程７００から始まる。工程７０４において、シリコン層が形成される。工程７０６において、誘導結合プラズマ装置を使用し、４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する。工程７０８において、上記シリコン層をプラズマ酸化する。工程７１０において、約４．４（ｎｍ／分）の生成速度で、１分間、酸化物を生成する。工程７１２において、以下のスペックで誘導結合プラズマを発生する。即ち、周波数は約１３．５６ＭＨｚ、パワー密度（power density）は約０．１（Ｗ／ｃｍ2）以上、１．６（Ｗ／ｃｍ2）以下、圧力は１５（ｍＴｏｒｒ）以上、５００（ｍＴｏｒｒ）以下、希ガスと酸素の混合比は２０〜２００：１、全ガス流量は５０（ｃｍ3／分）以上、２００（ｃｍ3／分）以下とする。工程７１４において、酸素は、ヘリウム、アルゴン、またはクリプトンから選択される希ガスと混合される。
【００９３】
続いて、本発明に係る方法を用いて、ＴＦＴを形成するための実施可能な順序を説明する。図７において他の順序であっても実施可能であることが分かった。即ち、工程７０１において、透明基板層が形成される。工程７０２において、拡散防止層を上記基板上であって、上記シリコン層の下層に形成することもできる。工程７０４におけるシリコン層の形成に続く工程７０５において、上記シリコン層にトランジスタのチャネル領域、ソース領域、及びドレイン領域が形成される。工程７０６における上記シリコン層上への酸化物層の形成に続く工程７０７において、５×１０11（／ｃｍ2）以下の固定電荷密度、約０．９×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の径面準位密度、１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト、８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度、１０（ＭＶ／ｃｍ）の絶縁破壊強度といった界面特性を備えるゲート誘電体層が形成される。次に、工程７１６において、上記ゲート誘電体層上にゲート電極が積層して形成される。
【００９４】
上記方法において、上記シリコン層上に酸化物層を積層して形成する工程７０６において、上記酸化物層は２０ｎｍ以上厚さに形成することができ、また、上記酸化物層の屈折率を約１．４５以上、１．４７以下とすることもできる。また、上記シリコン層をプラズマ酸化する工程７０８において、酸化物層の厚さを２０ｎｍまたは２０ｎｍより薄くすることもできる。
【００９５】
図８は、図７に示す方法について、更に説明するためのフローチャート図である。この方法は、工程８００から開始される。工程８０４において、シリコン層が形成される。工程８０６において、誘電結合プラズマ装置を使用し４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する。工程８０８では、上記酸化物層を形成するために高密度プラズマＣＶＤ装置を使用する。工程８１０において、約１０（ｎｍ／分）の成長速度で１０分間、酸化物を析出させる。工程８１２において、以下のスペックで誘導結合プラズマを発生させる。即ち、周波数は約１３．５６ＭＨｚ、パワー密度は約０．２（Ｗ／ｃｍ2）以上、１．６（Ｗ／ｃｍ2）以下、圧力は５０（ｍＴｏｒｒ）以上、２５０（ｍＴｏｒｒ）以下、ＳｉＨ4、Ｎ2Ｏ、及びＮ2の混合比は１０：１００：５０〜２５：１００：５０とする。
【００９６】
次に、本発明に係る方法を用いて、ＴＦＴを形成するために実施可能な他の順序を説明する。図８において、他の順序であっても実施可能であることが分かった。即ち、工程８０１において、透明基板層が形成される。続く工程８０２において、拡散防止層を上記基板上であって、上記シリコン層の下層に形成する。工程８０４におけるシリコン層の形成に続く工程８０５において、上記シリコン層にトランジスタのチャネル領域、ソース領域、及びドレイン領域が形成される。工程８０６における上記シリコン層上への酸化物層の形成に続く工程８０７において、５×１０11（／ｃｍ2）以下の固定電荷密度、約２×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以上、８×１０10（／ｃｍ2・ｅＶ）以下の界面準位密度、１５０℃、及び±２（ＭＶ／ｃｍ）、３０分間の高温ストレス信頼性試験の下で、１Ｖ以下のフラット・バンド電圧シフト、８（ＭＶ／ｃｍ）の電界強度において１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下のリーク電流密度、１０（ＭＶ／ｃｍ）の絶縁破壊強度といった界面特性を備えるゲート誘電体層が形成される。次に、工程８１４において、上記ゲート誘電体層上にゲート電極が積層して形成される
ＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置を用いて上記酸化物層を形成する工程８０８において、約１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の厚さを有する酸化物層を形成することもできる。
【００９７】
図９は、図７に示す方法について更に説明するためのフローチャート図である。この方法は、工程９００から開始する。工程９０４において、シリコン層を形成する。工程９０６において、誘導結合プラズマ装置を用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物の二重層を形成する。工程９０８において、第１の酸化物層を形成するためにシリコン層をプラズマ酸化する。工程９１０において、ＨＤ−ＰＥＣＶＤ装置を用いて上記第１の酸化物層上に第２の酸化物層を形成する。
【００９８】
次に、本発明に係る方法を用いて、ＴＦＴを形成するために実施可能な他の順序を説明する。図９において他の順序であっても実施可能であることが分かった。即ち、工程９０１において、透明基板層が形成される。続く工程９０２において、拡散防止層を上記基板上であって、上記シリコン層の下層に形成する。工程９０４におけるシリコン層の形成に続く工程９０５において、上記シリコン層にトランジスタのチャネル領域、ソース領域、及びドレイン領域が形成される。工程９０６における上記シリコン層上への酸化物の二重層の形成に続く工程９０７において、ゲート誘電体層が形成される。工程９１２において、上記ゲート誘電体層に積層してゲート電極が形成される。
【００９９】
上記酸化物の二重層を形成する工程９０６において、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の厚さを有する二重層を形成することもできる。
【０１００】
図１０は、本発明に係る薄膜の製造工程を示すフローチャート図である。本方法は工程１０００から開始される。工程１００２において、シリコン層が形成される。工程１００４において、誘導結合プラズマ装置を用いて４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する。
【０１０１】
上記シリコン層上に酸化物層を形成する工程１００４において、２０ｎｍまたは２０ｎｍ以上の厚さを有する酸化物層を形成することも可能であり、約１．４５以上、１．４７以下の屈折率を有する酸化物層を形成することも可能である。
【０１０２】
図１１は、同じ装置内で連続薄膜を製造する工程を示すフローチャート図である。この方法は、工程１１００から開始する。工程１１０２において、第１の薄膜製造室内でシリコン層を形成する。工程１１０４において、上記第１の薄膜製造室で形成されたシリコン層を該薄膜製造室に配置したまま、誘電結合プラズマ源を用い４００℃以下の温度で上記シリコン層上に酸化物層を形成する。上記形成されたシリコン層を工程１１０４において第１の薄膜製造室に残しておくことは、工程１１０２と同じ薄膜製造室内で工程１１０４が行われることを意味する。
【０１０３】
透明基板上に積層された酸化物の界面については、既に説明されている。また、上記酸化物の界面の製造方法についても、既に説明されている。本発明の実施において、透明基板に限定されるものではない。本発明において、約４００℃の温度に耐えうる基板であれば使用することができる。また、本発明において、例えば、ＴＦＴや他のＩＣ素子のための拡散防止層の形成のように、他の装置に上記酸化物層を形成することも可能である。
【０１０４】
上記発明では、プラズマ酸化法とＨＤ−ＰＥＣＶＤ法を用いることが示された。しかし、ラジカル酸化法や原子薄膜析出法（ＡＬＤ：atomic layer deposition）も本発明に適用することができる。上記ラジカル酸化法は、（２００ｎｍ以下で）最適な波長を有する放射線源の使用を含む。
【０１０５】
上記ラジカル酸化法は、上記ＨＤ−ＰＥＣＶＤを同じ反応装置内で組み合わせることを可能にする。ゲート積層構造は、上記ラジカル酸化法によるシリコン層表面の酸化と、このように酸化されたシリコン層表面上にＨＤ−ＰＥＣＶＤ酸化物を析出することにより製造することもできる。
【０１０６】
また、原子薄膜析出法を用いて上記シリコン層の表面に第１の酸化処理を行い、続いて、上記酸化されたシリコン層上にＨＤ−ＰＥＣＶＤ酸化物を析出させて、上記と同様ゲート積層構造を形成することもできる。
【０１０７】
いくつかの素材、厚さ、ＴＦＴとしての積層構造の配置についていくつかの実施例が示された。同様に、基本的な考え方を明確に説明するために、いくつかの製造方法の詳細についても与えられた。しかし、本発明は、これらの厚さ、積層構造の配置、あるいは上記製造方法の詳細に限定されるものではない。他の変形例や実施例が本技術の習熟により導き出され得るはずである。
【０１０８】
本発明は、詳細な実施例の説明によって開示されたが、上記説明は本発明の適用に関する一実施例に過ぎず、上記のように限定されるものではない。従って、上記開示された実施例の主要部に関する様々な適用と組合せは、特許請求の範囲によって包括される発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】従来の薄膜トランジスタにおいて積層されたゲート構造の概略を示す。
【図２】従来のプラズマ化学蒸着装置の概要を示す。
【図３】本発明に係る酸化物界面の一部断面図である。
【図４】プラズマＣＶＤ装置の概略を示す。
【図５】本発明に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の一部断面図である。
【図６】図３に示した酸化物界面の更に詳細な一部断面図である。
【図７】本発明に係る薄膜の製造工程を示すフローチャート図である。
【図８】図７に示す方法について付加的な細部を示すフローチャート図である。
【図９】図７に示す方法について付加的な細部を示すフローチャート図である。
【図１０】本発明に係る薄膜の製造工程を示すフローチャート図である。
【図１１】同じ装置内で複数の薄膜を製造する工程を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【０１１０】
３００    酸化物界面
３０２    透明基板
３０４    シリコン層
３０６    酸化物層
５０２    ＴＦＴ
５０４    拡散防止層
５０６    チャネル領域
５０８    ソース領域
５１０    ドレイン領域
５１２    ゲート電極
【図１】
2004165628.tif 000003
【図２】
2004165628.tif 000004
【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】
2004165628.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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