JP2006278486A - Thin film deposition element and method of manufacturing the same - Google Patents

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Yoshiaki Washio
圭亮 鷲尾
Kazutoshi Murata
和俊 村田
Naomasa Miyatake
直正 宮武
Nozomi Hattori
望 服部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide thin film or a nitride thin film deposition element which can maintain the interface property of the oxide thin film by ALD and can highly maintain the substrate certainly, and without a possibility that an ALD high film quality layer which makes an interface with the substrate may be damaged and deteriorated, by utilizing a CVD method without lowering the throughput of depositing. <P>SOLUTION: In the thin film deposition element in which the oxide thin film or the nitride thin film is accumulated on the surface of the substrate, the thin film is composed of three layer structuress of (1) an ALD high film quality layer which is composed of original five or less atomic layers formed by atomic layer vapor phase growth (ALD) on the surface of the substrate, (2) an ALD high-speed depositing layer formed on this ALD high film quality layer, and (3) a CVD layer by plasma CVD formed on this ALD high-speed depositing layer. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜が堆積されて成る薄膜堆積体及びその製造方法に係り、特に原子層気相成長(ALD:Atomic Layer Deposition)を利用して作る、フラットパネルディスプレイ用や有機EL(エレクトロルミネセンス)用の低温ポリシリコンTFT(Thin
Film Transistor)ゲート絶縁膜あるいはLSIのゲート絶縁膜に関するものである。
The present invention relates to a thin film deposited body in which an oxide thin film or a nitride thin film is deposited on a surface of a substrate and a method for manufacturing the same, and more particularly, a flat made by utilizing atomic layer vapor deposition (ALD). Low-temperature polysilicon TFT (Thin) for panel displays and organic EL (electroluminescence)
The present invention relates to a gate insulating film or an LSI gate insulating film.

液晶または有機ELを駆動させるためのTFTゲート絶縁膜はSiOからなる。このSiO膜を形成する方法としてALD法が利用されている(例えば特許文献1)。ALD法は、高い膜厚均一性があり、比較的形成温度を低くできるという利点がある。一般的に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成されるSiO膜よりも膜質は良いとされている。 TFT gate insulating film for driving the liquid crystal or organic EL consists of SiO 2. An ALD method is used as a method of forming this SiO 2 film (for example, Patent Document 1). The ALD method has the advantages of high film thickness uniformity and a relatively low formation temperature. Generally, it is said that the film quality is better than the SiO 2 film formed by the CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

特開2004−47660号公報JP 2004-47660 A

ALD法により形成されたSiO膜はその膜質が確かに良いが、ALD法は膜形成プロセスの最初の1サイクルで1原子層の膜が形成され、続く2サイクル目以降で2原子層、3原子層というように1層ずつ膜が形成される。最初の1サイクルで形成される膜は基板との界面を成す膜であるため、この膜の形成反応が不充分であると、基板とSiO膜との界面にSiのダングリングボンドが形成され、それが原因となって前記界面に固定電化として残存または炭素原子Cや窒素原子Nとの反応が起こることになる。この結果、電荷トラップ、不純物要因となり、電気的特性を低下させることになる。 Although the film quality of the SiO 2 film formed by the ALD method is surely good, the ALD method forms a film of one atomic layer in the first cycle of the film forming process, and the two atomic layers, 3 A film is formed layer by layer such as an atomic layer. Since the film formed in the first cycle is a film that forms an interface with the substrate, if the formation reaction of this film is insufficient, a dangling bond of Si is formed at the interface between the substrate and the SiO 2 film. As a result, a residual charge or a reaction with carbon atom C or nitrogen atom N occurs at the interface as fixed electrification. As a result, it becomes a charge trap and an impurity factor, and the electrical characteristics are deteriorated.

従来、ALD法における最初の1サイクル目で形成される基板との界面をなす膜が、電気的特性において特に重要なポイントになるということについては考慮されていなかった。そのため、ALD法により形成された膜の膜質にはバラツキがあった。   Conventionally, it has not been considered that the film forming the interface with the substrate formed in the first cycle in the ALD method is a particularly important point in electrical characteristics. Therefore, the film quality of the film formed by the ALD method varies.

本発明の目的は、ALDによる酸化物薄膜又は窒化物薄膜と基板との界面特性を確実に高く維持することができると共に、成膜のスループットを低下せず、更にCVD法を利用することによって基板との界面をなすALD高膜質層が損傷劣化する虞のない薄膜堆積体及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to ensure that the interface characteristics between an oxide thin film or nitride thin film by ALD and a substrate can be maintained high, and does not reduce the throughput of the film formation. It is an object of the present invention to provide a thin film deposit and a method of manufacturing the same, in which the ALD high-quality film layer that forms an interface with the film does not cause damage and deterioration.

上記目的を達成するため、本発明の第1の態様は、基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜が堆積されて成る薄膜堆積体であって、前記酸化物薄膜又は窒化物薄膜は、
(1)基板の表面に原子層気相成長(ALD)により設けられた最初の5原子層以下から成るALD高膜質層と、
(2)該ALD高膜質層の上に形成されたALD高速成膜層と、
(3)該ALD高速成膜層の上に形成されたプラズマCVDによるCVD層と、
の3層構造で構成されていることを特徴とするものである。
To achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a thin film deposit formed by depositing an oxide thin film or a nitride thin film on a surface of a substrate, wherein the oxide thin film or the nitride thin film comprises:
(1) an ALD high-quality layer composed of the first five atomic layers or less provided by atomic layer vapor deposition (ALD) on the surface of the substrate;
(2) an ALD high-speed film-forming layer formed on the ALD high-quality film layer;
(3) a CVD layer formed by plasma CVD formed on the ALD high-speed film-forming layer;
This is a three-layer structure.

本発明によれば、ALD法により基板表面に最初に形成されて界面をなす膜が膜質の良いALD高膜質層になっている。この高膜質化は、膜形成用の原料ガスに対する曝露時間及び酸化剤ガス又は窒化剤ガスに対する曝露時間を長くすることにより、すなわち成膜時間を充分に長くして未反応スポットが減少することで行える。これにより、最も重要な基板との界面をなす膜の膜質が高くなり、基板をなすSiにダングリングボンドができることを防止でき、以て酸化物薄膜又は窒化物薄膜の電気的特性の低下を防止することができる。
そして、これ以降は、当該ALD高膜質層の上にALD高速成膜層を形成するので、成膜速度が遅いのは最初の5サイクル以下だけであり、全体としての成膜のスループットはそれほど低下することはない。高速成膜層は原料ガスに対する曝露時間及び酸化剤ガス又は窒化剤ガスに対する曝露時間を短くすることにより、すなわち成膜時間を短くすることで行える。どの程度短くするかは、高速化によって膜質が低下するが、その低下を許容範囲に収めることができるかどうかという観点から各ケース毎に決められることになる。
そのALD高速成膜層の上にプラズマCVDなどによるCVD層を形成して短時間で成膜を終了することができるようになっている。CVD層を形成する時には、前記ALD高速成膜層によってALD高膜質層が覆われて保護された状態にあるので、該ALD高膜質層はダメージを受けない。
すなわち当該3層構造によって、上記作用効果が得られる。
According to the present invention, the film which is first formed on the substrate surface by the ALD method and forms the interface is an ALD high film quality layer with good film quality. This increase in film quality is achieved by increasing the exposure time to the raw material gas for film formation and the exposure time to the oxidant gas or nitriding gas, that is, by sufficiently increasing the film formation time to reduce unreacted spots. Yes. This improves the quality of the film that forms the interface with the most important substrate and prevents dangling bonds from forming on the Si that forms the substrate, thus preventing the deterioration of the electrical properties of the oxide or nitride thin film. can do.
Thereafter, since the ALD high-speed film formation layer is formed on the ALD high-quality film layer, the film formation speed is low only for the first 5 cycles or less, and the film formation throughput as a whole is greatly reduced. Never do. The high-speed film-forming layer can be formed by shortening the exposure time to the source gas and the exposure time to the oxidizing gas or nitriding gas, that is, shortening the film-forming time. The degree of shortening depends on each case from the viewpoint of whether or not the deterioration can be kept within an allowable range, although the film quality deteriorates due to the increase in speed.
A CVD layer formed by plasma CVD or the like is formed on the ALD high-speed film formation layer, and the film formation can be completed in a short time. When the CVD layer is formed, the ALD high film quality layer is covered and protected by the ALD high speed film formation layer, so that the ALD high film quality layer is not damaged.
That is, the said effect is acquired by the said 3 layer structure.

本発明の第2の態様は、基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜が堆積されて成る薄膜堆積体の製造方法であって、
(A)基板の表面に原子層気相成長(ALD)における最初の5サイクル以下で高膜質化に必要な長時間をかけて5原子層以下から成るALD高膜質層を形成し、
(B)該ALD高膜質層の上に、該ALD高膜質層より1サイクル当たり短時間の高速多サイクルでALD高速成膜層を形成し、
(C)該ALD高速成膜層の上にプラズマCVDによるCVD層を形成する
ことで、前記酸化物薄膜又は窒化物薄膜を3層構造にすることを特徴とするものである。
本発明にかかる製造方法によれば、第1の態様の薄膜堆積体を容易に製造することができる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film deposit formed by depositing an oxide thin film or a nitride thin film on a surface of a substrate,
(A) forming an ALD high-quality film composed of 5 atomic layers or less on the surface of the substrate over a long period of time required for high-quality film formation in the first 5 cycles or less in atomic layer vapor deposition (ALD);
(B) An ALD high-speed film-forming layer is formed on the ALD high-quality film layer in a high-speed multicycle in a short time per cycle from the ALD high-quality film layer,
(C) The oxide thin film or the nitride thin film has a three-layer structure by forming a CVD layer by plasma CVD on the ALD high-speed film formation layer.
According to the manufacturing method concerning the present invention, the thin film deposit of the 1st mode can be manufactured easily.

本発明の第3の態様は、第2の態様において、ALDにおける酸化物薄膜又は窒化物薄膜の形成を行わせるための原料ガスは、アルキルシラン、アルコキシシラン、アミノシラン、フッ化アルコキシシラン、ハロゲンシランのいずれかであることを特徴とするものである。
本発明の第4の態様は、第2又は第3の態様において、基板の温度は50℃〜500℃であることを特徴とするものである。
本発明の第5の態様は、第2乃至第4の態様のいずれかにおいて、ALDにおける酸化物薄膜又は窒化物薄膜の形成を行わせる反応容器内における酸化物薄膜又は窒化物薄膜の原料ガス分圧は、0.1Torr〜100Torr、酸化剤ガス又は窒化剤ガスの分圧は0.1Torr〜300Torrであることを特徴とするものである。
これにより、第1の態様の薄膜堆積体を容易且つ安定して製造することができる。尚、酸化剤ガスとしては、HO、H、Oが挙げられる。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the source gas for forming an oxide thin film or a nitride thin film in ALD is alkylsilane, alkoxysilane, aminosilane, fluorinated alkoxysilane, halogen silane. It is either of these.
According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the temperature of the substrate is 50 ° C. to 500 ° C.
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the second to fourth aspects, the source gas content of the oxide thin film or nitride thin film in the reaction vessel in which the formation of the oxide thin film or nitride thin film in ALD is performed. The pressure is 0.1 Torr to 100 Torr, and the partial pressure of the oxidizing gas or nitriding gas is 0.1 Torr to 300 Torr.
Thereby, the thin film deposit of the 1st mode can be manufactured easily and stably. Examples of the oxidant gas include H 2 O, H 2 O 2 , and O 3 .

本発明によれば、ALDによる酸化物薄膜又は窒化物薄膜と基板との界面特性を確実に高く維持することができると共に、成膜のスループットを低下せず、更にCVD法を利用することによって基板との界面をなすALDによる高膜質層が損傷劣化する虞のない薄膜堆積体を提供することができる。   According to the present invention, the interface characteristics between the oxide thin film or nitride thin film by ALD and the substrate can be reliably maintained high, the deposition throughput is not lowered, and the substrate is further obtained by utilizing the CVD method. It is possible to provide a thin film deposited body in which the high film quality layer formed by ALD that forms an interface with the substrate does not have a risk of being damaged or degraded.

以下、図面に基づいて、本発明に係る薄膜堆積体及びその製造方法を詳細に説明する。図1は本発明に係る製造方法を実施する成膜装置でALD成膜反応状態を示す縦断面図であり、図2は同成膜装置でCVD成膜反応状態を示す縦断面図である。
この成膜装置においては、その反応容器1は、基板2を載置すると共に該基板2を昇温するヒータ部材3と、ALD成膜反応用ガス給気口4と、ALD成膜反応用ガス排気口5と、CVD成膜反応用ガス給気口6と、CVD成膜反応用ガス排気口7と、前記CVD成膜反応用ガス給気口6に連通し給気されたCVD成膜反応用ガスを前記基板2の膜形成面8の全体に一様に行き渡らせるシャワーヘッド9と、プラズマ発生部10を備えている。
反応容器1は、その内部ほぼ直方体形状に形成されている。そして、本実施の形態では、その素材はアルミニウムをアルマイト処理したもので形成されている。
Hereinafter, a thin film deposit and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an ALD film forming reaction state in a film forming apparatus for carrying out the manufacturing method according to the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a CVD film forming reaction state in the film forming apparatus.
In this film forming apparatus, the reaction vessel 1 includes a heater member 3 for placing the substrate 2 and raising the temperature of the substrate 2, an ALD film forming reaction gas supply port 4, and an ALD film forming reaction gas. A CVD film formation reaction that is supplied to the exhaust port 5, the CVD film formation reaction gas supply port 6, the CVD film formation reaction gas exhaust port 7, and the CVD film formation reaction gas supply port 6. A shower head 9 for uniformly spreading the working gas over the entire film forming surface 8 of the substrate 2 and a plasma generator 10 are provided.
The reaction container 1 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape. And in this Embodiment, the raw material is formed with what alumite-treated aluminum.

前記基板2は、本実施の形態ではフラットパネルディスプレイ用のTFTの基体となる370mm×470mmの長方形状のガラス基板に多結晶ポリシリコン膜が形成されたものである。当該成膜装置は、反応容器1の反応室11内に基板2をセットし、該基板2の前記多結晶ポリシリコン膜の上にSiOゲート絶縁膜を形成するものである。 In the present embodiment, the substrate 2 is obtained by forming a polycrystalline polysilicon film on a rectangular glass substrate of 370 mm × 470 mm, which serves as a TFT substrate for a flat panel display. The film forming apparatus sets a substrate 2 in a reaction chamber 11 of a reaction vessel 1 and forms a SiO 2 gate insulating film on the polycrystalline polysilicon film of the substrate 2.

基板2が載置されるヒータ部材3も平面視で長方形状に形成され、該ヒータ部材3は前記基板2より4辺とも約50mm程度大型に形成されている。該ヒータ部材3は、素材がインコネル600で形成され、その内部にステンレスヒータ(図示せず)が内蔵されている。   The heater member 3 on which the substrate 2 is placed is also formed in a rectangular shape in plan view, and the heater member 3 is formed in a large size of about 50 mm on all four sides from the substrate 2. The heater member 3 is made of Inconel 600, and a stainless steel heater (not shown) is built therein.

ALD成膜反応用ガス給気口4から給気される原料ガスは、公知のALD成膜反応用ガスを使用でき、特定の種類に限定されない。ALD成膜反応用ガス排気口5は、本実施の形態ではターボモレキュラーポンプ(TMP)12に繋げられ、該TMP12により反応室11を吸引排気するようになっている。   The source gas supplied from the ALD film formation reaction gas supply port 4 can be a known ALD film formation reaction gas, and is not limited to a specific type. The ALD film formation reaction gas exhaust port 5 is connected to a turbomolecular pump (TMP) 12 in the present embodiment, and the reaction chamber 11 is sucked and exhausted by the TMP 12.

また、CVD成膜反応用ガス給気口6から給気される原料ガスも公知のCVD成膜反応用ガスを使用できるものであり、特定の種類に限定されない。CVD成膜反応用ガス排気口7も公知の吸引ポンプ(図示せず)に繋がっている。   The source gas supplied from the CVD film formation reaction gas supply port 6 can also use a known CVD film formation reaction gas, and is not limited to a specific type. The CVD film forming reaction gas exhaust port 7 is also connected to a known suction pump (not shown).

シャワーヘッド9は公知の構造から成る。すなわち、多数の孔(図示せず)が設けられてCVD成膜反応用ガスが前記多数の孔を通過して前記基板2の膜形成面8の全体に一様に行き渡らせることができるようになっている。また、該シャワーヘッド9はアルミニウムをアルマイト処理した材料で形成されている。   The shower head 9 has a known structure. That is, a large number of holes (not shown) are provided so that the CVD film formation reaction gas can pass through the large number of holes and uniformly spread over the entire film formation surface 8 of the substrate 2. It has become. The shower head 9 is made of a material obtained by anodizing aluminum.

またプラズマ発生部10は公知の構造で構成され、具体的には丸棒のアンテナ10が複数本、ALD成膜反応用ガスの流れる方向に対して交差する方向に互いに離間して平行に設置されている。その表面は石英材で被覆されている。   The plasma generation unit 10 has a known structure. Specifically, a plurality of round-bar antennas 10 are installed in parallel and spaced apart from each other in a direction intersecting the direction in which the ALD film formation reaction gas flows. ing. Its surface is coated with quartz material.

更に、前記ヒータ部材3は、反応容器1内で前記シャワーヘッド9に接近離間する方向に移動可能に形成されており、その移動を司る移動手段13と、反応容器1の内面に周設され前記移動手段13によって前記ヒータ部材3が前記シャワーヘッド9に接近する方向に移動して該ヒータ部材3の周縁部が当接するリング状ストッパ14とを備えている。   Furthermore, the heater member 3 is formed so as to be movable in a direction in which the heater member 3 approaches and separates from the shower head 9 in the reaction vessel 1. The heater member 3 is moved by the moving means 13 in a direction approaching the shower head 9 and a ring-shaped stopper 14 is brought into contact with the peripheral portion of the heater member 3.

移動手段13は、ステンレス製のヒータ支柱部15と、該ヒータ支柱部15が挿入し反応容器1の底面に固定されたステンレス製のベローズ16と、ヒータ支柱部15の下端に固体された基板ヒータ駆動台17を備えて成り、図示しない駆動源の駆動力を受けて図1及び図2に示した各位置にヒータ部材3が移動できるようになっている。   The moving means 13 includes a stainless steel heater column 15, a stainless steel bellows 16 inserted into the heater column 15 and fixed to the bottom surface of the reaction vessel 1, and a substrate heater solidified at the lower end of the heater column 15. A heater 17 is provided, and the heater member 3 can be moved to each position shown in FIGS. 1 and 2 by receiving a driving force of a driving source (not shown).

リング状ストッパ14は、当接する相手部材であるヒータ部材3とメタルタッチするようステンレス材で構成されている。そして、反応容器1の反応室11の前記小容積状態(図1の11a)は、ヒータ部材3が移動してその周縁部が前記リング状ストッパ14にメタルタッチすることによって構成され、一方、反応容器1の反応室11の大容積状態(図2の11b)は、ヒータ部材3が前記リング状ストッパ14から離れる方向に移動することによって構成されるようになっている。   The ring-shaped stopper 14 is made of a stainless material so as to make a metal touch with the heater member 3 which is a mating member to be contacted. And the said small volume state (11a of FIG. 1) of the reaction chamber 11 of the reaction container 1 is comprised when the heater member 3 moves and the peripheral part carries out metal touch to the said ring-shaped stopper 14, On the other hand, reaction The large volume state (11 b in FIG. 2) of the reaction chamber 11 of the container 1 is configured by the heater member 3 moving in a direction away from the ring-shaped stopper 14.

そして、小容積状態の反応室11a内の圧力は前記メタルタッチ部分を介して隣り合う空間より僅かに高圧となるように設定され、反応室11a内に外部から不純物が浸入するのを確実に防止することができるようになっている。   The pressure in the reaction chamber 11a in the small volume state is set to be slightly higher than the adjacent space through the metal touch portion, and it is possible to reliably prevent impurities from entering the reaction chamber 11a from the outside. Can be done.

ヒータ部材3の移動による反応容器1の反応室11の前記小容積状態(11a)と大容積状態(11b)の切替、ALD成膜反応用ガス給気口4及びALD成膜反応用ガス排気口5のON−OFF切替、CVD成膜反応用ガス給気口6及びCVD成膜反応用ガス排気口7のON−OFF切替、プラズマ発生部のON−OFF切替は、制御部20によって行われる。すなわち制御部20により、反応容器1の反応室11を小容積にしてALD成膜反応を行わせ、続いて反応容器1の反応室11を大容積に変えてCVD成膜反応を行わせるようになっている。   Switching between the small volume state (11a) and the large volume state (11b) of the reaction chamber 11 of the reaction vessel 1 by the movement of the heater member 3, an ALD film formation reaction gas supply port 4, and an ALD film formation reaction gas exhaust port. The control unit 20 performs ON / OFF switching of 5, ON / OFF switching of the CVD film forming reaction gas supply port 6 and the CVD film forming reaction gas exhaust port 7, and ON / OFF switching of the plasma generation unit. That is, the control unit 20 causes the reaction chamber 11 of the reaction vessel 1 to have a small volume to perform an ALD film formation reaction, and subsequently changes the reaction chamber 11 of the reaction vessel 1 to a large volume to perform a CVD film formation reaction. It has become.

更に、制御部20によって、(A)基板2の表面にALDにおける最初の5サイクル以下で高膜質化に必要な1サイクル当たりに長時間(0.5分〜5分)をかけて1原子層から成るALD高膜質層31を形成し、(B)該ALD高膜質層31の上に、該ALD高膜質層31より1サイクル当たり短時間(10秒程度)の高速多サイクルでALD高速成膜層32を形成し、(C)該ALD高速成膜層32の上にプラズマCVDによるCVD層33を形成するようになっている。これにより酸化物薄膜30又は窒化物薄膜を3層構造にする。   Further, the control unit 20 (A) forms a single atomic layer on the surface of the substrate 2 over a long period (0.5 to 5 minutes) per cycle required for high film quality in the first 5 cycles or less in ALD. (B) ALD high-speed film formation on the ALD high-quality film layer 31 at a high-speed multicycle in a short time (about 10 seconds) per cycle from the ALD high-quality film layer 31. A layer 32 is formed, and (C) a CVD layer 33 by plasma CVD is formed on the ALD high-speed film formation layer 32. As a result, the oxide thin film 30 or the nitride thin film has a three-layer structure.

ALDにおける酸化物薄膜又は窒化物薄膜の形成を行わせる反応容器1内における、酸化物薄膜又は窒化物薄膜の形成温度は50℃〜500℃、酸化物薄膜又は窒化物薄膜の原料ガス分圧は0.1Torr〜100Torr、酸化剤ガス又は窒化剤ガスの分圧は0.1Torr〜300Torrである。前記原料ガスはアルキルシラン、アルコキシシラン、アミノシラン、フッ化アルコキシシラン、ハロゲンシランのいずれかである。酸化剤ガスとしては、HO、H、Oが、窒化剤ガスとしてはアンモニアガスが挙げられる。 The formation temperature of the oxide thin film or nitride thin film in the reaction vessel 1 for forming the oxide thin film or nitride thin film in ALD is 50 ° C. to 500 ° C., and the source gas partial pressure of the oxide thin film or nitride thin film is The partial pressure of 0.1 Torr to 100 Torr and the oxidizing gas or nitriding gas is 0.1 Torr to 300 Torr. The source gas is any of alkyl silane, alkoxy silane, amino silane, fluorinated alkoxy silane, and halogen silane. Examples of the oxidizing gas include H 2 O, H 2 O 2 , and O 3 , and examples of the nitriding gas include ammonia gas.

次に、上記成膜装置の動作を説明する。基板2は反応容器1内のヒータ部材3に図示しない公知の機構により載置され、該ヒータ部材3は移動手段13によりその周縁部がリング状ストッパ14に当接するまで移動される。これにより、反応容器1の反応室11は小容積状態となる。この状態でCVD成膜反応用ガス給気口6及びCVD成膜反応用ガス排気口7はOFF状態になり、ALD成膜反応用ガス給気口4及びALD成膜反応用ガス排気口5がON状態になり、ALD成膜反応用ガスが反応室11aに送られてALD成膜反応により基板2の膜形成面8にALD膜が形成される。   Next, the operation of the film forming apparatus will be described. The substrate 2 is placed on the heater member 3 in the reaction vessel 1 by a known mechanism (not shown), and the heater member 3 is moved by the moving means 13 until the peripheral edge abuts against the ring-shaped stopper 14. Thereby, the reaction chamber 11 of the reaction vessel 1 is in a small volume state. In this state, the CVD film formation reaction gas supply port 6 and the CVD film formation reaction gas exhaust port 7 are turned off, and the ALD film formation reaction gas supply port 4 and the ALD film formation reaction gas exhaust port 5 are turned on. The ALD film formation reaction gas is sent to the reaction chamber 11a, and an ALD film is formed on the film formation surface 8 of the substrate 2 by the ALD film formation reaction.

すなわち、(A)基板2の表面にALDにおける最初の5サイクル以下で高膜質化に必要な1サイクル当たり長期間(1分)をかけて1原子層から成るALD高膜質層31を形成される。(B)該ALD高膜質層31の上に、該ALD高膜質層31より1サイクル当たり短時間(10秒程度)の高速多サイクルでALD高速成膜層32が形成される。これにより、ALD成膜反応は所望の厚さのALD膜が形成された段階で終了となる。   That is, (A) the ALD high film quality layer 31 composed of one atomic layer is formed on the surface of the substrate 2 over the long period (1 minute) per cycle necessary for high film quality in the first 5 cycles or less in ALD. . (B) An ALD high-speed film-forming layer 32 is formed on the ALD high-film quality layer 31 by a high-speed multi-cycle in a short time (about 10 seconds) per cycle from the ALD high-film quality layer 31. As a result, the ALD film formation reaction ends when an ALD film having a desired thickness is formed.

ALD膜の形成が終了すると、ALD成膜反応用ガス給気口4及びALD成膜反応用ガス排気口5がOFF状態に変わり、CVD成膜反応用ガス給気口6及びCVD成膜反応用ガス排気口7がON状態に変わる。そして、移動手段13によってヒータ部材3がリング状ストッパ14から離れる方向に移動して図2に示した位置で止まる。これにより、反応容器1の反応室11は大容積状態となる。この状態で、CVD成膜反応用ガスが反応室11bに送られてCVD成膜反応により基板2の前記ALD高速成膜層32の上にCVD層33が積層される。   When the formation of the ALD film is completed, the ALD film formation reaction gas supply port 4 and the ALD film formation reaction gas exhaust port 5 are turned off, and the CVD film formation reaction gas supply port 6 and the CVD film formation reaction The gas exhaust port 7 changes to the ON state. Then, the moving member 13 moves the heater member 3 away from the ring-shaped stopper 14 and stops at the position shown in FIG. Thereby, the reaction chamber 11 of the reaction vessel 1 becomes a large volume state. In this state, the CVD film forming reaction gas is sent to the reaction chamber 11b, and the CVD layer 33 is laminated on the ALD high speed film forming layer 32 of the substrate 2 by the CVD film forming reaction.

本実施例によれば、ALD法により基板2表面に最初に形成されて界面をなす膜が膜質の良いALD高膜質層31になっている。この高膜質化は、膜形成用の原料ガスに対する曝露時間及び酸化剤ガス又は窒化剤ガスに対する曝露時間を長くすることにより、すなわち成膜時間を充分に長くして未反応スポットが減少することで行える。これにより、最も重要な基板2との界面をなす膜31の膜質が高くなり、基板2をなすSiにダングリングボンドができることを防止でき、以て酸化物薄膜又は窒化物薄膜の電気的特性の低下を防止することができる。   According to the present embodiment, the first film formed on the surface of the substrate 2 by the ALD method to form the interface is the ALD high film quality layer 31 with good film quality. This increase in film quality is achieved by lengthening the exposure time to the raw material gas for film formation and the exposure time to the oxidant gas or nitriding gas, that is, by sufficiently increasing the film formation time to reduce unreacted spots. Yes. As a result, the film quality of the film 31 forming the interface with the most important substrate 2 is improved, and dangling bonds can be prevented from being formed in the Si forming the substrate 2, so that the electrical characteristics of the oxide thin film or nitride thin film can be prevented. A decrease can be prevented.

そして、これ以降は、当該ALD高膜質層31の上にALD高速成膜層32を形成するので、成膜速度が遅いのは高々最初の5サイクルまでであり、全体としての成膜のスループットはそれほど低下することはない。高速成膜層32は原料ガスに対する曝露時間及び酸化剤ガス又は窒化剤ガスに対する曝露時間を短くすることにより、すなわち成膜時間を短くすることで行える。どの程度短くするかは、高速化によって膜質が低下するが、その低下を許容範囲に収めることができるかどうかという観点から各ケース毎に決められることになる。   Thereafter, since the ALD high-speed film formation layer 32 is formed on the ALD high-quality film layer 31, the film formation speed is slow at most until the first five cycles, and the film formation throughput as a whole is It wo n’t drop that much. The high-speed film-forming layer 32 can be formed by shortening the exposure time to the source gas and the exposure time to the oxidizing gas or nitriding gas, that is, shortening the film-forming time. The degree of shortening depends on each case from the viewpoint of whether or not the deterioration can be kept within an allowable range, although the film quality deteriorates due to the increase in speed.

図4は、1サイクル当たりのSi原料曝露時間(図4(A))および酸化剤曝露時間(図4(B))と成膜後の基板2と界面膜との界面順位密度の関係を示す図である。Si原料、酸化剤共に1サイクルあたりの曝露時間が長いほど、成膜後の基板−膜の界面準位密度が低いことがわかる。界面準位密度が低いことは膜質が良くなることに対応する。   FIG. 4 shows the relationship between the Si raw material exposure time per cycle (FIG. 4A) and the oxidizing agent exposure time (FIG. 4B) and the interface order density between the substrate 2 and the interface film after film formation. FIG. It can be seen that the longer the exposure time per cycle for both the Si source and the oxidizing agent, the lower the interface state density of the substrate-film after film formation. A low interface state density corresponds to an improvement in film quality.

一方、1サイクルあたりのSi原料及び酸化剤の曝露時間を長くすることで良好な電気特性を得ることが出来るが、成膜速度は減少することになる。よって、基板−界面での反応の時のみ、曝露時間を長くすることにした。すなわち、最大5層目までのSi原料曝露時間および酸化剤曝露時間をこれ以降の1〜100倍以上にすることで、基板−膜の界面特性が向上する。   On the other hand, by increasing the exposure time of the Si raw material and the oxidizing agent per cycle, good electrical characteristics can be obtained, but the film formation rate is reduced. Therefore, the exposure time was increased only during the reaction at the substrate-interface. That is, when the Si material exposure time and the oxidant exposure time up to the fifth layer are increased 1 to 100 times or more thereafter, the substrate-film interface characteristics are improved.

そのALD高速成膜層32の上にプラズマCVDなどによるCVD層33を形成して短時間で成膜を終了することができるようになっている。CVD層を形成する時には、前記ALD高速成膜層32によってALD高膜質層31が覆われて保護された状態にあるので、該ALD高膜質層31はダメージを受けない。   A CVD layer 33 formed by plasma CVD or the like is formed on the ALD high-speed film formation layer 32, and the film formation can be completed in a short time. When the CVD layer is formed, since the ALD high film quality layer 31 is covered and protected by the ALD high speed film formation layer 32, the ALD high film quality layer 31 is not damaged.

2インチSiウエハを基体として、その上にALD法によりSiO絶縁膜を形成した。減圧状態を保った反応容器にSiウエハをセットし、昇温して400℃に保持した。そして、(1)Si原料ガスを供給した後、(2)Nガスでパージしながら減圧排気を行い、(3)続いてオゾンを供給し、(4)その後Nパージしながら減圧排気を行った。以上の一連の流れを1サイクルとして、成膜は100サイクルを行い、10nmの厚さを有するSiO絶縁膜を形成した。このとき成膜されたサンプルをAとする。 Using a 2-inch Si wafer as a base, an SiO 2 insulating film was formed thereon by ALD. A Si wafer was set in a reaction vessel maintained in a reduced pressure state, and the temperature was raised and maintained at 400 ° C. (1) After supplying the Si raw material gas, (2) performing vacuum exhaust while purging with N 2 gas, (3) subsequently supplying ozone, and (4) subsequently performing vacuum exhaust while purging with N 2. went. With the above series of flows as one cycle, the film formation was performed for 100 cycles to form a SiO 2 insulating film having a thickness of 10 nm. A sample formed at this time is A.

次に、最大5層目まで、Si原料、酸化剤共に曝露時間をサンプルAの場合の50倍とし、その他は同条件にしてSiO絶縁膜を成膜し、これ以降はサンプルAを製造した条件と同条件で99サイクルを実施しSiO絶縁膜を製造した。このときのサンプルをBとする。サンプルBはサンプルAと比較して良好な界面特性、膜特性を示すことが確認できた。 Next, up to the fifth layer, the exposure time of both the Si raw material and the oxidizing agent was 50 times that of Sample A, and the other conditions were the same, and a SiO 2 insulating film was formed. Thereafter, Sample A was manufactured. 99 cycles were carried out under the same conditions as above to produce a SiO 2 insulating film. Let B be the sample at this time. It was confirmed that Sample B exhibited better interface characteristics and film characteristics than Sample A.

本発明は、基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜が堆積されて成る薄膜堆積体及びその製造方法に係り、特にALDを利用して作る、フラットパネルディスプレイ用や有機EL用の低温ポリシリコンTFTゲート絶縁膜あるいはLSIのゲート絶縁膜に利用可能である。   The present invention relates to a thin film deposited body in which an oxide thin film or a nitride thin film is deposited on a surface of a substrate and a method for manufacturing the same, and particularly to a low-temperature polysilicon for flat panel display and organic EL manufactured using ALD. It can be used as a TFT gate insulating film or an LSI gate insulating film.

本発明に係る一実施の形態でALD成膜反応状態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the ALD film-forming reaction state in one embodiment which concerns on this invention. 同実施の形態でCVD成膜反応状態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the CVD film-forming reaction state in the embodiment. 本発明に係る酸化薄膜堆積体の断面図である。It is sectional drawing of the oxide thin film deposition body which concerns on this invention. 1サイクル当たりのSi原料曝露時間(図4(A))および酸化剤曝露時間(図4(B))と成膜後の基板2と界面膜との界面準位密度の関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the Si source exposure time per cycle (FIG. 4A) and the oxidant exposure time (FIG. 4B) and the interface state density between the substrate 2 and the interface film after film formation. .

符号の説明Explanation of symbols

1 反応容器
2 基板
3 ヒータ部材
4 ALD成膜反応用ガス給気口
5 ALD成膜反応用ガス排気口
6 CVD成膜反応用ガス給気口
7 CVD成膜反応用ガス排気口
8 膜形成面
9 シャワーヘッド
10 プラズマ発生部
11 反応室(11a 小容積状態の反応室、11b 大容積状態の反応室)
13 移動手段
14 リング状ストッパ
20 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction container 2 Substrate 3 Heater member 4 Gas supply port for ALD film formation reaction 5 Gas exhaust port for ALD film formation reaction 6 Gas supply port for CVD film formation reaction 7 Gas exhaust port for CVD film formation reaction 8 Film formation surface 9 Shower head 10 Plasma generator 11 Reaction chamber (11a reaction chamber in a small volume state, 11b reaction chamber in a large volume state)
13 Moving means 14 Ring-shaped stopper 20 Control unit

Claims (5)

基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜が堆積されて成る薄膜堆積体であって、
前記酸化物薄膜又は窒化物薄膜は、
(1)基板の表面に原子層気相成長(ALD)により設けられた最初の5原子層以下から成るALD高膜質層と、
(2)該ALD高膜質層の上に形成されたALD高速成膜層と、
(3)該ALD高速成膜層の上に形成されたプラズマCVDによるCVD層と、
の3層構造で構成されていることを特徴とする薄膜堆積体。
A thin film deposit formed by depositing an oxide thin film or a nitride thin film on the surface of a substrate,
The oxide thin film or nitride thin film is
(1) an ALD high-quality layer composed of the first five atomic layers or less provided by atomic layer vapor deposition (ALD) on the surface of the substrate;
(2) an ALD high-speed film-forming layer formed on the ALD high-quality film layer;
(3) a CVD layer formed by plasma CVD formed on the ALD high-speed film-forming layer;
A thin film deposit characterized by comprising a three-layer structure.
基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜が堆積されて成る薄膜堆積体の製造方法であって、
(A)基板の表面に原子層気相成長(ALD)における最初の5サイクル以下で高膜質化に必要な長時間をかけて5原子層以下から成るALD高膜質層を形成し、
(B)該ALD高膜質層の上に、該ALD高膜質層より1サイクル当たり短時間の高速多サイクルでALD高速成膜層を形成し、
(C)該ALD高速成膜層の上にプラズマCVDによるCVD層を形成する
ことで、前記酸化物薄膜又は窒化物薄膜を3層構造にすることを特徴とする薄膜堆積体の製造方法。
A method for producing a thin film deposit in which an oxide thin film or a nitride thin film is deposited on a surface of a substrate,
(A) forming an ALD high-quality film composed of 5 atomic layers or less on the surface of the substrate over a long period of time required for high-quality film formation in the first 5 cycles or less in atomic layer vapor deposition (ALD);
(B) An ALD high-speed film-forming layer is formed on the ALD high-quality film layer in a high-speed multicycle in a short time per cycle from the ALD high-quality film layer,
(C) A method for producing a thin film deposit, wherein a CVD layer by plasma CVD is formed on the ALD high-speed film formation layer so that the oxide thin film or nitride thin film has a three-layer structure.
請求項2において、ALDにおける酸化物薄膜又は窒化物薄膜の形成を行わせるための原料ガスは、アルキルシラン、アルコキシシラン、アミノシラン、フッ化アルコキシシラン、ハロゲンシランのいずれかであることを特徴とする薄膜堆積体の製造方法。   3. The raw material gas for forming an oxide thin film or a nitride thin film in ALD is any one of alkyl silane, alkoxy silane, amino silane, fluorinated alkoxy silane, and halogen silane. A method for producing a thin film deposit. 請求項2または3において、基板の温度は50℃〜500℃であることを特徴とする薄膜堆積体の製造方法。   4. The method of manufacturing a thin film deposition body according to claim 2, wherein the temperature of the substrate is 50 to 500.degree. 請求項2から4のいずれか1項において、ALDにおける酸化物薄膜又は窒化物薄膜の形成を行わせる反応容器内における酸化物薄膜又は窒化物薄膜の原料ガス分圧は、0.1Torr〜100Torr、酸化剤ガス又は窒化剤ガスの分圧は0.1Torr〜300Torrであることを特徴とする薄膜堆積体の製造方法。   5. The source gas partial pressure of the oxide thin film or nitride thin film in the reaction vessel in which the formation of the oxide thin film or nitride thin film in ALD is performed in any one of claims 2 to 4 is 0.1 Torr to 100 Torr, A method for producing a thin film deposit, wherein the partial pressure of the oxidizing gas or the nitriding gas is 0.1 Torr to 300 Torr.
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