JP2006185998A - Thin film transistor forming method and plasma cvd device used for forming thin film transistor - Google Patents
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Abstract
Description
基板上に薄膜トランジスタを形成させる方法およびこの薄膜トランジスタを形成させるプラズマCVD装置に関する。 The present invention relates to a method for forming a thin film transistor on a substrate and a plasma CVD apparatus for forming the thin film transistor.
良好な素子特性を有する薄膜トランジスタを形成するうえで重要なことは、半導体層とゲート絶縁膜との界面の捕獲準位の密度(界面準位密度)と、薄膜トランジスタの動作電圧(閾値電圧)とを低減させることである。 What is important in forming a thin film transistor having good device characteristics is that the density of the trap level at the interface between the semiconductor layer and the gate insulating film (interface state density) and the operating voltage (threshold voltage) of the thin film transistor. It is to reduce.
上記ゲート絶縁膜の形成方法としては、従来より、熱酸化法とプラズマCVD法があった。熱酸化法は、ゲート絶縁膜形成後、約1000℃以上の熱処理を1時間以上行なわなければならないため、耐熱上使用可能なガラス基板(たとえば石英ガラス基板など)に限定される。このようなガラス基板は高価であるため、コスト上の問題があり、大型フラットパネルなどの場合は採算性が悪いという不都合があった。また、処理時間が長時間にわたるためスループット低下の問題も生じていた。 Conventionally, the gate insulating film is formed by a thermal oxidation method and a plasma CVD method. The thermal oxidation method is limited to a glass substrate (for example, a quartz glass substrate) that can be used for heat resistance because heat treatment at about 1000 ° C. or more must be performed for 1 hour or more after the gate insulating film is formed. Since such a glass substrate is expensive, there is a problem in cost. In the case of a large flat panel or the like, there is an inconvenience that the profitability is poor. In addition, since the processing time is long, there is a problem of throughput reduction.
従って、現在では、低温での処理が可能で熱酸化法ほど処理時間を必要としないプラズマCVD法が主流となっている。たとえば、液晶パネル製造など、大型のガラス基板を使用する場合、テトラエトキシシラン(TEOS)ガスを使用してガラス基板に酸化ケイ素膜を堆積する方法がある(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, at present, the plasma CVD method, which can be processed at a low temperature and does not require a processing time as much as the thermal oxidation method, is mainly used. For example, in the case of using a large glass substrate such as for manufacturing a liquid crystal panel, there is a method of depositing a silicon oxide film on the glass substrate using tetraethoxysilane (TEOS) gas (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、この方法によれば、膜中欠陥が多く、半導体層とゲート絶縁膜との界面に捕獲準位が発生し、誘起されたキャリアが捕獲準位に捕獲されるため、伝導に寄与できない。これを解決するためには、高いゲート電圧が必要になるため電界効果移動度が低下し、閾値電圧が増大する。 However, according to this method, there are many defects in the film, trap levels are generated at the interface between the semiconductor layer and the gate insulating film, and the induced carriers are trapped in the trap levels, which cannot contribute to conduction. In order to solve this, since a high gate voltage is required, the field effect mobility is lowered and the threshold voltage is increased.
ところで、上記捕獲準位の発生はダンクリングボンドが形成されることに起因する。そこで、従来、このダングリングボンドと不活性ガスの原子、イオン、ラジカルとを結合させて電気的に不活性化し、基板を100℃に保持しつつ、ゲート絶縁膜を堆積後、このゲート絶縁膜を400から600℃まで熱処理していた(例えば、特許文献2参照)。
ダングリングボンドの発生が多いと、たとえばP型シリコンウェハーを使用した場合には、図10で示すとおり、フラットバンド電圧(Vfb)は、膜厚100nmで−2.5Vであり、熱酸化法で形成された薄膜トランジスタの場合の−0.7Vに比べて大きい電圧が必要になり、電界効果移動度の低下を招き、閾値電圧が増大するという問題が生じていた。フラットバンド電圧は、薄膜トランジスタにおける閾値電圧に大きく影響するので上記ダングリングボンドの発生を抑えてゲート絶縁膜の品質を向上させることは、薄膜トランジスタの素子特性向上につながる。 When a dangling bond is frequently generated, for example, when a P-type silicon wafer is used, the flat band voltage (Vfb) is −2.5 V at a film thickness of 100 nm as shown in FIG. A voltage larger than −0.7 V in the case of the formed thin film transistor is required, which causes a problem that the field effect mobility is lowered and the threshold voltage is increased. Since the flat band voltage greatly affects the threshold voltage in the thin film transistor, suppressing the generation of the dangling bond and improving the quality of the gate insulating film leads to improvement in device characteristics of the thin film transistor.
また、上記従来技術のように、ゲート絶縁膜の形成後に後処理として熱処理を施せば、ゲート絶縁膜の品質向上につながるが、処理時間が増えて作業効率が低下するという不都合が生じていた。 In addition, if heat treatment is performed as a post-treatment after the formation of the gate insulating film as in the above prior art, the quality of the gate insulating film is improved, but there is a disadvantage that the processing time is increased and the working efficiency is lowered.
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、上記後処理に頼らずに、ダンクリングボンドの発生を抑えることによって良好なゲート絶縁膜を効率よく形成させる薄膜トランジスタの形成方法およびこの薄膜トランジスタを形成させるプラズマCVD装置を提供することを課題とする。 Accordingly, in view of the above problems, the present invention provides a method for forming a thin film transistor that efficiently forms a good gate insulating film by suppressing the occurrence of dangling bonds without relying on the post-treatment, and a plasma for forming the thin film transistor. It is an object to provide a CVD apparatus.
上記課題を解決するため、本発明にかかる薄膜トランジスタ形成方法は、基板上に薄膜トランジスタを形成する方法であって、この基板上にシリコン膜を形成する工程と、プラズマCVD法でプラズマを発生させるために印加する電力を段階的に変化させて上記シリコン膜上にゲート絶縁膜を形成する工程とを有する。 In order to solve the above-described problems, a thin film transistor forming method according to the present invention is a method of forming a thin film transistor on a substrate, and a step of forming a silicon film on the substrate and generating plasma by a plasma CVD method. Forming a gate insulating film on the silicon film by changing the applied power stepwise.
この構成によれば、上記シリコン膜上のゲート絶縁膜は、従来の形成方法に比べると、段階的に変化させて印加する電力に応じて、徐々に形成される。たとえば上記電力は、2段階にわけて印加される高周波電力であればよい。 According to this configuration, the gate insulating film on the silicon film is gradually formed in accordance with the power applied by changing in stages as compared with the conventional forming method. For example, the power may be high-frequency power that is applied in two stages.
上記2段階に変化させて印加する高周波電力のうち、第2段階で印加する電力は、第1段階で印加する電力よりも大きい電力であることが好ましい。たとえば、第1段階で印加する電力の電力密度が0.02W/cm2以上0.30W/cm2以下であり、第2段階で印加する電力の電力密度が0.50W/cm2以上0.80W/cm2以下であればよい。さらに、上記第1段階で印加する電力の放電時間が1秒以上10秒以下であれば好ましい。
Of the high-frequency power applied in the two stages, the power applied in the second stage is preferably larger than the power applied in the first stage. For example, the power density of the power applied in the first stage is 0.02 W /
なお、上記ゲート絶縁膜を形成させるために導入される原料ガスとしては、シラン化合物、たとえばテトラエトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン、トリエトキシシランの少なくともいずれかを含むケイ素原子含有ガスがよい。また、上記シリコン膜はアモルファスシリコンまたはポリシリコンからなる薄膜が好ましい。 The source gas introduced to form the gate insulating film is preferably a silicon atom-containing gas containing at least one of a silane compound such as tetraethoxysilane, hexamethyldisilazane, and triethoxysilane. The silicon film is preferably a thin film made of amorphous silicon or polysilicon.
上記課題を解決するため、本発明にかかるプラズマCVD装置は、基板上にシリコン膜を形成し、このシリコン膜上にゲート絶縁膜を形成させて薄膜トランジスタを形成させるプラズマCVD装置であって、真空チャンバと、この真空チャンバ内にケイ素原子含有ガスと酸素原子含有ガスとを導入するガス導入系と、上記薄膜トランジスタが形成される基板を載置する基板ホルダーと、この基板ホルダーを加熱する基板電極と、基板ホルダーに対向する位置に設置される高周波電極と、この高周波電極に高周波電力を供給する高周波電源と、この高周波電源から上記高周波電極に高周波電力を段階的に変化させて印加するように制御する制御部とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a plasma CVD apparatus according to the present invention is a plasma CVD apparatus in which a silicon film is formed on a substrate and a gate insulating film is formed on the silicon film to form a thin film transistor. A gas introduction system that introduces a silicon atom-containing gas and an oxygen atom-containing gas into the vacuum chamber, a substrate holder on which the substrate on which the thin film transistor is formed is placed, a substrate electrode that heats the substrate holder, A high-frequency electrode installed at a position facing the substrate holder, a high-frequency power source for supplying high-frequency power to the high-frequency electrode, and a control for changing the high-frequency power from the high-frequency power source to the high-frequency electrode in steps. And a control unit.
この構成によれば、上記制御部によってプラズマを発生させるために印加する高周波電力の段階的印加を自動的に行うことができる。上記制御部は、段階の数、各段階の印加電力の大小、印加する電力密度の設定範囲、印加する時間などを制御パラメータとして設定することが可能である。 According to this configuration, it is possible to automatically perform stepwise application of high-frequency power applied to generate plasma by the control unit. The control unit can set the number of stages, the magnitude of applied power at each stage, the setting range of the applied power density, the application time, and the like as control parameters.
従って、上記制御部で、段階の数を2段階にわけること、第2段階で印加する電力を第1段階で印加する電力よりも大きい電力にすること、第1段階で印加する高周波電力の電力密度を0.02W/cm2以上0.30W/cm2以下にすること、第2段階で印加する高周波電力の電力密度を0.50W/cm2以上0.80W/cm2以下にすること、上記第1段階で印加する高周波電力の放電時間を1秒以上10秒以下にすることができる。
Therefore, in the above control unit, the number of stages is divided into two stages, the power applied in the second stage is made larger than the power applied in the first stage, and the power of the high-frequency power applied in the first stage The density is set to 0.02 W /
以上の説明から明らかなように、本発明は、ゲート絶縁膜の堆積後に後処理を行わなくても、ダンクリングボンドの発生を抑え、フラットバンド電圧と界面準位密度を低減させることができるので、良好なゲート絶縁膜を効率よく形成させて、薄膜トランジスタの素子特性を向上させることができる。 As is apparent from the above description, the present invention can suppress the generation of dangling bonds and reduce the flat band voltage and interface state density without performing post-processing after the gate insulating film is deposited. A good gate insulating film can be efficiently formed, and the element characteristics of the thin film transistor can be improved.
図1を参照して、1は、本発明にかかるプラズマCVD装置の真空チャンバである。真空チャンバ1の上方には、原料ガス導入系2が設けられている。本実施の形態では、真空チャンバ1の上面にガス導入口(図示せず)を開口し、原料ガス導入系2から供給される原料ガスは、このガス導入口から真空チャンバ1内に導入される。原料ガスは、シラン化合物、たとえばテトラエトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン、トリエトキシシランの少なくともいずれかを含むケイ素原子含有ガスおよび酸素、亜酸化窒素、オゾン、二酸化炭素、水のいずれか1種類の酸素原子含有ガスである。なお、上記ケイ素原子含有ガスと酸素原子含有ガスとの割合は、1:20〜100が好ましい。
Referring to FIG. 1,
この原料ガスを真空チャンバ1内でプラズマ化するために、高周波電源3から変調器4を介して真空チャンバ1内の電極5で高周波電力を印加する。電極5に対向する位置には、シャワープレート6を介して基板7を載置する基板ホルダー8が設けられている。基板ホルダー8内には、基板を加熱する電極(図示せず)が埋設されている。真空チャンバ1の下方には、真空排気系9が設けられている。
In order to turn this source gas into plasma in the
真空チャンバ1内にガス導入系2から上記原料ガスを導入し、高周波電源3から変調器4を介して所定の高周波電力を電極5で印加する。印加された高周波電力により高電界中でプラズマが発生する。このプラズマにより上記原料ガスを励起させ、化学反応を促進させて所望のゲート絶縁膜を形成する。このゲート絶縁膜は、基板7上に既に成膜されているシリコン膜(薄膜トランジスタのソース、チャンネル部、ドレインとなる部分)上に形成される。なお、高周波電源3の発振周波数としては10〜100MHzのものを使用すればよい。また、成膜温度は、300〜450℃であり、成膜圧力は、80〜400Paが好ましい。
The raw material gas is introduced into the
従来は、最初から所定の上記高周波電力を印加してゲート絶縁膜の形成を行なっていたが、この方法では、ダングリングボンドが発生しやすく、フラットバンド電圧および界面準位密度が増大するため、ゲート絶縁膜の品質が低下し、薄膜トランジスタの素子特性の信頼性を損なうおそれがあった。また、ダングリングボンドの発生を抑えるために、ゲート絶縁膜形成後、後処理として熱処理を施して、ゲート絶縁膜の品質向上を図っていたが、処理時間が増えてスループットが低下するという不都合があった。 Conventionally, the gate insulating film was formed by applying the predetermined high frequency power from the beginning, but in this method, dangling bonds are likely to occur, and the flat band voltage and interface state density increase. There is a risk that the quality of the gate insulating film deteriorates and the reliability of the element characteristics of the thin film transistor is impaired. In addition, in order to suppress the occurrence of dangling bonds, heat treatment was performed as a post-treatment after forming the gate insulating film to improve the quality of the gate insulating film. However, there is a disadvantage that the processing time is increased and the throughput is lowered. there were.
そこで、本発明では、上記のような不都合がなく、高品質なゲート絶縁膜を形成させるために、高周波電力を段階的に変化させて印加する設定が可能な制御部10を設けた。制御部10は、所望のゲート絶縁膜を形成させるために、上記段階的に変化させる高周波電力の印加に必要な制御パラーメータの入力ができるようになっている。ここで、必要な制御パラメータとは、たとえば、段階の数、各段階の印加電力、印加する時間などである。
Therefore, in the present invention, in order to form a high-quality gate insulating film without the above-described inconveniences, the
以下図2乃至図6を用いて、従来の薄膜トランジスタ形成方法と本発明にかかる薄膜トランジスタ形成方法とを比較する。 Hereinafter, the conventional thin film transistor forming method and the thin film transistor forming method according to the present invention will be compared with reference to FIGS.
図2は、従来法による印加電力密度(W/cm2)と経過時間(秒)との関係を示した図である。従来法によれば、成膜処理開始後から5秒経過したところで、およそ1秒間で目的とする0.65W/cm2の電力を印加し、以後、この電力の印加を維持している。図3は、本発明による電力印加方法(段階的印加法)による印加電力密度(W/cm2)と経過時間(秒)との関係を示した図である。この段階的印加法によれば、第1段階として、成膜処理開始後から5秒経過したところで、およそ1秒間に0.05W/cm2の電力を印加し、以後、10秒までは、この電力の印加を維持し、第2段階として、10秒後に約0.60W/cm2の電力を印加して、以後この電力の印加を維持している。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between applied power density (W / cm 2) and elapsed time (seconds) according to the conventional method. According to the conventional method, the target power of 0.65 W /
図4は、従来法と段階的印加法による膜厚とフラットバンド電圧(Vfb)との関係を示した図である。たとえば、膜厚100nmにおけるVfbは、従来法によれば−2.4Vであるのに対し、段階的印加法によれば−1.4Vである。したがって、膜厚100nmにおいて、段階的印加法のほうが従来法よりも約−1V印加する電圧を低減させることができる。図5は、従来法と段階的印加法による膜厚と界面準位密度(Dit:cm−2・eV−1)との関係を示した図である。この図から明らかな通り、段階的印加法によれば、Ditについても従来法より低減していることがわかる。図6は、従来法と段階的印加法による印加電力密度と成膜速度(nm/min)との関係を示した図である。投入電力密度が、0.50〜0.70W/cm2の間の両者の成膜速度を比較すると、段階的印加法と従来法との差異は、およそ5nm/minの範囲内であり、段階的に電力を印加しても成膜速度は、従来法とはほとんど変わらない。従って、段階的印加法を採用しても生産性を損なうことはほとんどないと考えられる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the film thickness and the flat band voltage (Vfb) by the conventional method and the stepwise application method. For example, Vfb at a film thickness of 100 nm is −2.4 V according to the conventional method, whereas it is −1.4 V according to the stepwise application method. Therefore, at a film thickness of 100 nm, the stepwise application method can reduce the voltage applied by about −1 V compared to the conventional method. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the film thickness and the interface state density (Dit: cm−2 · eV−1) by the conventional method and the stepwise application method. As is apparent from this figure, according to the stepwise application method, Dit is also reduced from the conventional method. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the applied power density and the deposition rate (nm / min) by the conventional method and the stepwise application method. Comparing the film forming speeds of the input power density between 0.50 and 0.70 W /
なお、本発明にかかる薄膜トランジスタの形成方法およびこの薄膜トランジスタを形成させるプラズマCVD装置は、ガラス基板に形成される薄膜トランジスタであって、上記ガラス基板の耐熱温度上、成膜温度は600℃以下であることが好ましい。また、成膜は、上記ガラス基板上に、まず、半導体層が形成され、その上にゲート絶縁膜、ゲートの順序で形成されるプロセスが好ましい。さらに、装置としては、平行平板型のプラズマCVD装置が好ましい。ただし、特許請求の範囲記載の発明の範囲から逸脱しない限り、これらに限定されるものではない。 The thin film transistor forming method and the plasma CVD apparatus for forming the thin film transistor according to the present invention are thin film transistors formed on a glass substrate, and the film forming temperature is 600 ° C. or lower due to the heat resistance temperature of the glass substrate. Is preferred. In addition, the film formation is preferably a process in which a semiconductor layer is first formed on the glass substrate, and then a gate insulating film and a gate are formed in that order. Furthermore, a parallel plate type plasma CVD apparatus is preferable as the apparatus. However, the present invention is not limited to these without departing from the scope of the invention described in the claims.
上記実施形態に従って、以下の基本条件で本発明を実施した。
成膜温度 350℃
第1段階の印加電力密度 0.06W/cm2
第2段階の印加電力密度 0.66W/cm2
成膜圧力 175Pa
第1段階の放電時間 5秒
評価膜厚 100nm
TEOSガス流量 200sccm
酸素原子含有化合物のガス流量 TEOSガスの50倍
According to the above embodiment, the present invention was implemented under the following basic conditions.
Deposition temperature 350 ° C
First stage applied power density 0.06 W /
Second stage applied power density 0.66 W /
Deposition pressure 175Pa
First
TEOS gas flow rate 200sccm
Gas flow rate of oxygen atom-containing
上記基本条件をもとに、第1段階の印加電力密度、第2段階の印加電力密度および第1段階の放電時間の3つのパラメータをそれぞれ変化させた場合のフラットバンド電圧(Vfb)および界面準位密度(Dit)の推移を測定した。 Based on the above basic conditions, the flat band voltage (Vfb) and interface state when the three parameters of the first stage applied power density, the second stage applied power density, and the first stage discharge time are changed, respectively. The transition of unit density (Dit) was measured.
図7は、第1段階の印加電力密度を変化させた場合のVfbおよびDitの関係を示した図である。印加電力密度が0.30W/cm2以下の場合、VfbおよびDitはいずれもほとんど変化せず、一定の値を示している。しかしながら、印加電力密度が0.50W/cm2以上になると、プラズマダメージによりVfb、Ditはともに悪化する。なお、印加電力密度の印加開始から、0.02W/cm2までは、VfbおよびDitの値が上記一定の値に達するまで急峻な変化を示している。これは、0.02W/cm2以下では電力密度の値を制御することが困難だからである。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between Vfb and Dit when the applied power density in the first stage is changed. When the applied power density is 0.30 W /
図8は、第2段階の印加電力密度を変化させた場合のVfbおよびDitの関係を示した図である。印加電力密度が0.40W/cm2以上0.50W/cm2以下の範囲では、Vfb、Ditはともに上記第1段階の値から次第に低減している。印加電力密度が0.50W/cm2以上になると、VfbおよびDitはいずれもほとんど変化せず、上記図7の第1段階で示された一定の値とほぼ同様の値で安定している。なお、印加電力密度の上限がおよそ0.80W/cm2であるが、これは0.80W/cm2以上の電力密度が印加されると、アークの発生による成膜欠陥の発生および膜応力の増大による薄膜剥離の可能性があるからである。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between Vfb and Dit when the applied power density in the second stage is changed. When the applied power density is in the range of 0.40 W /
図9は、第1段階の放電時間を変化させた場合のVfbおよびDitの関係を示した図である。1秒経過後、Ditについては、時間の経過に関係なくほぼ一定の値を示しているが、Vfbについては、1秒後が最も電圧が低減し、その後次第に増大し、約10秒後には、約−1.8Vとなったことがわかる。なお、放電開始から1秒以下の範囲では、約−2.5Vから−1.3Vまで急峻な変化がみられる。これは放電直後は、再現性が悪く制御が難しいためである。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between Vfb and Dit when the first stage discharge time is changed. After 1 second, Dit shows a substantially constant value regardless of the passage of time, but for Vfb, the voltage decreases most after 1 second, and then gradually increases, and after about 10 seconds, It turns out that it became about -1.8V. In the range of 1 second or less from the start of discharge, a steep change is observed from about −2.5V to −1.3V. This is because the reproducibility is poor and control is difficult immediately after discharge.
以上の結果より、電力密度印加の初期段階、すなわち、成膜初期段階では、プラズマダメージを抑える必要があるのに対し、印加する電力密度を次第に増大させてある段階を経過した時点からは、原料ガスを十分に分解できる程度のプラズマ密度の高い状態で成膜したほうが、良好な薄膜が得られることがわかる。また、上記成膜初期段階では、放電時間は短いほどVfbは良好であることがわかる。そこで、印加する電力密度の制御可能な範囲も考慮すると、具体的な数値としては、第1段階の印加電力密度は、0.02W/cm2以上0.30W/cm2以下で、放電時間は1秒以上10秒以下であり、第2段階の印加電力密度は0.50W/cm2以上0.80W/cm2以下が望ましいと考えられる。
From the above results, it is necessary to suppress the plasma damage in the initial stage of power density application, that is, in the initial stage of film formation, but from the time when the stage in which the power density to be applied is gradually increased has passed, It can be seen that a better thin film can be obtained if the film is formed with a high plasma density that can sufficiently decompose the gas. In the initial stage of film formation, it can be seen that the shorter the discharge time, the better Vfb. Therefore, in consideration of the controllable range of the applied power density, as specific values, the applied power density in the first stage is 0.02 W /
本発明は、薄膜トランジスタの素子特性を向上させるための薄膜トランジスタ形成方法またはこの薄膜トランジスタを形成させるプラズマCVD装置であるため、薄膜トランジスタ製造分野に関する産業上の利用可能性がある。 Since the present invention is a thin film transistor forming method for improving element characteristics of a thin film transistor or a plasma CVD apparatus for forming this thin film transistor, the present invention has industrial applicability in the field of thin film transistor manufacturing.
1 真空チャンバ
2 ガス導入系
3 高周波電源
4 変調器
5 電極
6 シャワープレート
7 基板
8 基板ホルダー
9 真空排気系
10 制御部
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