JP2009123737A - Method of depositing silicon oxide film - Google Patents

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隆司 伊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon oxide film which substantially has no oxygen defect and which has a stable electrical characteristic. <P>SOLUTION: The method of depositing a silicon oxide film using a sputtering sets a substrate on which a target material and a silicon oxide film are deposited in a chamber for forming a gas plasma state and uses introduction gas containing ozone gas as gas which is introduced into the chamber. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、各種電子回路装置あるいは表示装置等に用いる二酸化シリコン膜等のシリコン酸化膜の堆積方法に関する。   The present invention relates to a method for depositing a silicon oxide film such as a silicon dioxide film used in various electronic circuit devices or display devices.

従来、電子回路装置あるいは表示装置等に用いる各種薄膜の堆積方法として化学気相成長(CVD)法、プラズマCVD法、スパッタ法等が用いられてきた。
この内、スパッタ法はガスプラズマ雰囲気中においてターゲット材料にイオンを照射し、その運動エネルギーを得て解離・放出されるターゲット構成原子あるいは分子を、対向して配置した基板に堆積する方法である。そしてスパッタ法は、他の方法に比べて低温で堆積可能であるため、比較的簡便な方法として多用されてきた。
Conventionally, chemical vapor deposition (CVD), plasma CVD, sputtering, and the like have been used as deposition methods for various thin films used in electronic circuit devices, display devices, and the like.
Among them, the sputtering method is a method of irradiating a target material with ions in a gas plasma atmosphere, and depositing target constituent atoms or molecules which are dissociated and released by obtaining the kinetic energy on a substrate disposed oppositely. The sputtering method can be deposited at a lower temperature than other methods, and thus has been widely used as a relatively simple method.

代表的な薄膜である二酸化シリコン膜の場合、ターゲット材料に高純度石英板を用い、アルゴンガスの高周波プラズマ中でスパッタすることにより均一性及び緻密性に優れた絶縁膜を基板加熱することなしに任意の基板に堆積することができる。   In the case of a silicon dioxide film, which is a typical thin film, a high-purity quartz plate is used as the target material, and sputtering is performed in a high-frequency plasma of argon gas without heating the substrate to an insulating film with excellent uniformity and density. It can be deposited on any substrate.

また、ターゲット材料にシリコンを用い、酸素を含んだプラズマ中でスパッタすることにより飛翔するシリコン原子と酸素原子を反応させ、基板上に二酸化シリコン膜を堆積させることも行われてきた。   In addition, silicon is used as a target material, and by sputtering in oxygen-containing plasma, flying silicon atoms and oxygen atoms are reacted to deposit a silicon dioxide film on the substrate.

二酸化シリコン膜の代表的な応用として、液晶表示装置の画素選択に用いるシリコン薄膜トランジスタのゲート絶縁膜がある。
このゲート絶縁膜には通常10V/cm以上の高電界が印加されるため、二酸化シリコン膜には膜の均一性ばかりでなく電気的特性がきわめて安定であることが要求される。
A typical application of a silicon dioxide film is a gate insulating film of a silicon thin film transistor used for pixel selection in a liquid crystal display device.
Since a high electric field of 10 5 V / cm or more is usually applied to the gate insulating film, the silicon dioxide film is required to have extremely stable electrical characteristics as well as film uniformity.

従来のスパッタ法で堆積した二酸化シリコン膜中には、微小構造欠陥起因のキャリアトラップの含有が避けられないため、電気的特性がシリコン熱酸化膜ほど安定でない問題があった。そのため、微小な信号を扱う電子回路の用途には使用できない。電気的にも充分安定な構造であるためには、二酸化シリコンの化学量論組成であること、特に酸素欠損のない薄膜であることが要求される。   The silicon dioxide film deposited by the conventional sputtering method has a problem that the electrical characteristics are not as stable as those of the silicon thermal oxide film because the inclusion of carrier traps due to microscopic defects is inevitable. Therefore, it cannot be used for applications of electronic circuits that handle minute signals. In order to have an electrically stable structure, it is required to have a stoichiometric composition of silicon dioxide, in particular, a thin film without oxygen vacancies.

一般に、アルゴンガスプラズマ中のスパッタ法によっては、酸素欠損あるいは未結合シリコン原子の含有が避けられないため、導入するアルゴンガスに酸素ガスを混入させ酸素欠損を補ってきた(非特許文献1参照)。
そこでは、アルゴン70%と酸素30%を用いている。しかしながら、この手段では酸素ガス混入による酸素欠損補填の効果はあるものの、完全に酸素欠損を充足することは難しいため、実用的な技術になっていない。
Generally, oxygen vacancies or inclusion of unbonded silicon atoms is unavoidable depending on the sputtering method in the argon gas plasma, and therefore oxygen gas is mixed in the introduced argon gas to compensate for the oxygen vacancies (see Non-Patent Document 1). .
There, 70% argon and 30% oxygen are used. However, although this means has an effect of filling oxygen vacancies by mixing oxygen gas, it is difficult to completely fill the oxygen vacancies, so it is not a practical technique.

また、薄膜堆積後の酸化雰囲気中の熱処理によっても不足する酸素の補充が進むが、完全に酸素欠損をなくすことは困難であった。このため、スパッタ法により堆積した二酸化シリコン膜は、電気的特性変動のない高い信頼性が要求される薄膜トランジスタのゲート絶縁膜としては実用化されてない。   Further, supplementation of deficient oxygen proceeds by heat treatment in an oxidizing atmosphere after thin film deposition, but it has been difficult to completely eliminate oxygen vacancies. For this reason, the silicon dioxide film deposited by the sputtering method has not been put into practical use as a gate insulating film of a thin film transistor requiring high reliability without fluctuation in electrical characteristics.

さらに、電子回路装置あるいは表示装置等に用いるシリコン窒化酸化膜などの他の酸化膜についてもスパッタ法による酸素欠損の問題は同様に存在する。
特開昭61−172340号公報 特開平6−21242号公報 特開平9―213800号公報 T. Serikawa et al, Jpn.J.Appl.Phys., 45, 4358 (2006)
Furthermore, the problem of oxygen deficiency due to the sputtering method also exists in other oxide films such as a silicon oxynitride film used for an electronic circuit device or a display device.
JP 61-172340 A JP-A-6-21242 JP-A-9-213800 T. Serikawa et al, Jpn.J.Appl.Phys., 45, 4358 (2006)

本発明の課題は、実質的に酸素欠損がなく電気的特性が安定なシリコン酸化膜の堆積方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for depositing a silicon oxide film that is substantially free of oxygen vacancies and has stable electrical characteristics.

上記の課題を解決するために本発明は、次のようなシリコン酸化膜の堆積方法を提供するものである。なお本発明におけるシリコン酸化膜としては、二酸化シリコン膜、酸化シリコン膜以外にもシリコン窒化酸化膜などの酸化膜が含まれる。
(1)ガスプラズマ状態を形成するチャンバー内にターゲット材料とシリコン酸化膜を堆積する基板を設置し、該チャンバーに導入するガスとしてオゾンガスを含む導入ガスを用いることを特徴とするスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。
(2)前記チャンバーに導入するガスは、稀ガスにオゾンガスを混合させていることを特徴とする(1)に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。
(3)前記チャンバーに導入するガスは、さらに窒素原子を含むガスを混合させていることを特徴とする(1)又は(2)に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。
(4)前記ガスプラズマ状態は、高周波印加により生ずることを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。
(5)前記プラズマ状態は、直流電圧印加により生ずることを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。
(6)前記ターゲット材料は、石英であることを特徴とする(1)ないし(5)のいずれかに記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。
(7)前記ターゲット材料は、シリコンであることを特徴とする(1)ないし(5)のいずれかに記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。
(8)前記基板はシリコンあるいはシリコン膜が堆積された基板であり、予めオゾンガスにより表面が酸化されていることを特徴とする(1)ないし(7)のいずれかに記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。
(9)(1)ないし(8)のいずれかに記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法により前記基板上にシリコン酸化膜を堆積した後に、該シリコン酸化膜の堆積時の基板温度と同程度あるいはその温度よりも高い温度で基板を加熱処理することを特徴とするシリコン酸化膜の堆積方法。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides the following silicon oxide film deposition method. The silicon oxide film in the present invention includes an oxide film such as a silicon nitride oxide film in addition to the silicon dioxide film and the silicon oxide film.
(1) A silicon oxide film formed by sputtering, wherein a substrate on which a target material and a silicon oxide film are deposited is placed in a chamber for forming a gas plasma state, and an introduction gas containing ozone gas is used as a gas to be introduced into the chamber. Deposition method.
(2) The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to (1), wherein the gas introduced into the chamber is a mixture of rare gas and ozone gas.
(3) The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to (1) or (2), wherein the gas introduced into the chamber is further mixed with a gas containing nitrogen atoms.
(4) The method of depositing a silicon oxide film by sputtering according to any one of (1) to (3), wherein the gas plasma state is generated by applying a high frequency.
(5) The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to any one of (1) to (3), wherein the plasma state is generated by applying a DC voltage.
(6) The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to any one of (1) to (5), wherein the target material is quartz.
(7) The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to any one of (1) to (5), wherein the target material is silicon.
(8) The silicon oxide film formed by sputtering according to any one of (1) to (7), wherein the substrate is a substrate on which silicon or a silicon film is deposited, and the surface is previously oxidized by ozone gas. Deposition method.
(9) After depositing a silicon oxide film on the substrate by the method of depositing a silicon oxide film by sputtering according to any one of (1) to (8), the substrate temperature is approximately the same as the substrate temperature at the time of depositing the silicon oxide film Alternatively, a method for depositing a silicon oxide film, wherein the substrate is heated at a temperature higher than the temperature.

本発明によれば、スパッタ雰囲気にオゾンガスあるいはオゾンを含むガスを直接導入してプラズマを発生させているため、酸素ガス単独の場合よりも活性な酸素原子のラジカルを発生でき、堆積膜中の酸素欠損を大幅に低減できるとともに、電気的にも安定した緻密なシリコン酸化膜を得ることができる。   According to the present invention, plasma is generated by directly introducing ozone gas or ozone-containing gas into the sputtering atmosphere, so that radicals of oxygen atoms that are more active than in the case of oxygen gas alone can be generated, and oxygen in the deposited film can be generated. Defects can be greatly reduced, and an electrically stable and dense silicon oxide film can be obtained.

本発明の原理について先ず説明する。
スパッタ法はガスプラズマ雰囲気で薄膜堆積を行うものであり、導入するガスに酸素が含まれると酸素プラズマあるいは酸素の励起状態が発生する。
First, the principle of the present invention will be described.
In the sputtering method, thin film deposition is performed in a gas plasma atmosphere. When oxygen is contained in the introduced gas, oxygen plasma or an excited state of oxygen is generated.

酸素分子はプラズマ励起されると次式に従って酸素ラジカルとなる。
O2 →O[P] + O[P] (1)
O2 →O[D] + O[P] (2)
上記(1)、(2)の励起に必要な活性化エネルギーはそれぞれ、5.12eV、7.08eVであり、プラズマが高密度でない場合は(1)が支配的になる。
Oxygen molecules become oxygen radicals according to the following equation when excited by plasma.
O 2 → O [ 3 P] + O [ 3 P] (1)
O 2 → O [ 1 D] + O [ 3 P] (2)
The activation energies necessary for the excitations (1) and (2) are 5.12 eV and 7.08 eV, respectively, and (1) is dominant when the plasma is not dense.

一方、オゾンの場合は以下のようになる。
O →O[P] + O2 (3)
O →O[D] + O2 (4)
上記(3)、(4)の励起に必要なエネルギーはそれぞれ、1.06eV、4.00eVであり、(1)及び(2)に比べてはるかに小さい。酸素プラズマによっても、(3)あるいは(4)の逆方向の合成反応によりオゾンが発生する可能性は存在するが、その量はわずかである。
On the other hand, in the case of ozone, it is as follows.
O 3 → O [ 3 P] + O 2 (3)
O 3 → O [ 1 D] + O 2 (4)
The energies required for the excitations (3) and (4) are 1.06 eV and 4.00 eV, respectively, which are much smaller than those in (1) and (2). Even with oxygen plasma, there is a possibility that ozone is generated by the synthesis reaction in the reverse direction of (3) or (4), but the amount is small.

ここで、O[P]は安定状態であり、O[D]は活性な励起状態であることが知られている。また、それぞれの活性化エネルギーは、0.14eVと0.8eVであり、その差は特に低温における酸化反応に大きな影響を与える。 Here, it is known that O [ 3 P] is a stable state and O [ 1 D] is an active excited state. The activation energies are 0.14 eV and 0.8 eV, respectively, and the difference greatly affects the oxidation reaction particularly at low temperatures.

O[D]あるいはO[P]による酸化反応の速度比O[D]/ O[P]の値は以下のようになる。
1.2×1012 (300K) (5)
3.4×105 (600K) (6)
4.0×103 (1400K) (7)
これらのことから、酸素に代えてオゾンをプラズマチャンバーに導入することより、活性な励起状態である大量のO[D]を有効に利用できるから、酸化反応を促進することができる。
また、シリコン基板を用いる場合は、大量の活性なO[D]とシリコン基板とは直接反応するので、二酸化シリコンの表面層を形成できる。
The value of the rate ratio O [ 1 D] / O [ 3 P] of the oxidation reaction by O [ 1 D] or O [ 3 P] is as follows.
1.2 × 10 12 (300K) (5)
3.4 × 10 5 (600K) (6)
4.0 × 10 3 (1400K) (7)
For these reasons, by introducing ozone into the plasma chamber instead of oxygen, a large amount of O [ 1 D], which is in an active excited state, can be used effectively, and the oxidation reaction can be promoted.
When a silicon substrate is used, a large amount of active O [ 1 D] reacts directly with the silicon substrate, so that a silicon dioxide surface layer can be formed.

電子回路装置あるいは表示装置等において最も多く使われる二酸化シリコン膜をスパッタ法で堆積する場合には、O[D]を使ってシリコン原子との反応を促進できるため、酸素欠損のない二酸化シリコン膜を堆積できる。 When depositing the silicon dioxide film, which is most frequently used in electronic circuit devices or display devices, by sputtering, the reaction with silicon atoms can be promoted using O [ 1 D]. Can be deposited.

またターゲット材料を石英とした場合にも、プラズマ中のイオン衝撃によって石英を構成するシリコンと酸素の結合が切断され、それぞれの原子が飛翔するため、基板上で膜が堆積される過程ではシリコン原子とO[D]の反応を有効に活用できる。 Also, when the target material is quartz, the silicon-oxygen bond that forms the quartz is broken by ion bombardment in the plasma, and each atom flies, so silicon atoms are deposited in the process of depositing the film on the substrate. And O [ 1 D] can be used effectively.

薄膜を堆積する基板がシリコンの場合は、表面のシリコン原子と酸素原子の結合を完成させることが安定した界面を形成するために不可欠あり、スパッタ法による薄膜堆積の前にオゾンガスで該シリコン基板表面を酸化処理することが有効である。また、シリコン窒化酸化膜などの他の酸化膜をスパッタ法で堆積する場合も同じ効果が得られることは明らかである。   When the substrate on which the thin film is deposited is silicon, it is indispensable to complete the bonding of the silicon atoms and oxygen atoms on the surface in order to form a stable interface. It is effective to oxidize. It is clear that the same effect can be obtained when another oxide film such as a silicon oxynitride film is deposited by sputtering.

スパッタ法による薄膜堆積は、ガスプラズマ雰囲気で行う。ガスプラズマを発生させるためには一定のガス圧力が必要である。このため、堆積中の薄膜には必要とする組成以外のガス成分が混入する。本発明においても、微量ではあるがオゾンが不純物として混入する。このような不純物成分は必ずしも除去しなくてよいが、除去するためには膜堆積後に堆積温度以上の温度で一定時間基板を加熱処理する工程が有効である。   Thin film deposition by sputtering is performed in a gas plasma atmosphere. A constant gas pressure is required to generate the gas plasma. For this reason, gas components other than the required composition are mixed in the thin film being deposited. Also in the present invention, ozone is mixed as an impurity although it is a trace amount. Such impurity components do not necessarily have to be removed, but in order to remove them, a process of heating the substrate for a certain period of time at a temperature equal to or higher than the deposition temperature after film deposition is effective.

次に本発明に係るシリコン酸化膜の堆積方法を、二酸化シリコン膜の堆積方法を例示して詳細に説明する。本発明を実施するための装置の断面模式図を図1に示す。   Next, a silicon oxide film deposition method according to the present invention will be described in detail by exemplifying a silicon dioxide film deposition method. A schematic cross-sectional view of an apparatus for carrying out the present invention is shown in FIG.

図1において1は、SUS製の真空チャンバーである。2及び3は、それぞれ、電圧印加用の陰極及び陽極である。両電極間には高周波電力を入力するが、図1のような容量結合プラズマ発生装置の場合は、イオンシースがより長く形成される電極を便宜的に陰極と称する。4はガス排気口であり、真空ポンプに接続される。5はガス導入口である。陰極2に接してターゲット材料であるシリコンディスク6が設置される。また陽極3に接して清浄な表面のシリコン基板7が配置される。   In FIG. 1, 1 is a vacuum chamber made of SUS. 2 and 3 are a cathode and an anode for applying a voltage, respectively. High-frequency power is input between both electrodes. In the case of a capacitively coupled plasma generator as shown in FIG. 1, an electrode in which an ion sheath is formed longer is called a cathode for convenience. A gas exhaust port 4 is connected to a vacuum pump. 5 is a gas inlet. A silicon disk 6 as a target material is placed in contact with the cathode 2. A clean surface silicon substrate 7 is disposed in contact with the anode 3.

ガス導入口5からはオゾンガスを15%含む酸素ガスとの混合ガスを6sccm流入し、チャンバーの圧力を0.65 Paに調整する。シリコンディスク6とシリコン基板7の距離は5cmである。7はシリコン膜が堆積された他の材料基板でもよい。13.56MHzの高周波電力を2.26 W/cm2の電力密度で印加することによりチャンバー内には安定したプラズマが発生する。この条件では、シリコン基板7の上に、二酸化シリコン膜8が毎時51.7 nmの厚さに堆積される。この二酸化シリコン膜8は、膜厚均一性及び構造緻密性に優れたシリコン酸化膜である。
なおプラズマの発生は高周波電力に限られるものではなく、直流電圧を利用できることは言うまでもない。
From the gas inlet 5, 6 sccm of a mixed gas containing oxygen gas containing 15% ozone gas flows in, and the chamber pressure is adjusted to 0.65 Pa. The distance between the silicon disk 6 and the silicon substrate 7 is 5 cm. 7 may be another material substrate on which a silicon film is deposited. Stable plasma is generated in the chamber by applying high frequency power of 13.56 MHz at a power density of 2.26 W / cm 2 . Under this condition, a silicon dioxide film 8 is deposited on the silicon substrate 7 to a thickness of 51.7 nm per hour. This silicon dioxide film 8 is a silicon oxide film excellent in film thickness uniformity and structural density.
Needless to say, the generation of plasma is not limited to high-frequency power, and a DC voltage can be used.

続いて、二酸化シリコン膜を堆積したシリコン基板を450℃で30分間加熱処理する。雰囲気はアルゴンなどの不活性ガスあるいは真空雰囲気が適している。スパッタ工程に引き続いてオゾン雰囲気でアニールしてもよい。堆積温度あるいはそれより高い温度で熱処理することにより、化学量論組成からずれて過剰に混入したオゾンあるいは酸素分子あるいは酸素原子が放出され、堆積膜が緻密化する。   Subsequently, the silicon substrate on which the silicon dioxide film is deposited is heated at 450 ° C. for 30 minutes. As the atmosphere, an inert gas such as argon or a vacuum atmosphere is suitable. Subsequent to the sputtering process, annealing may be performed in an ozone atmosphere. By performing heat treatment at the deposition temperature or higher, ozone, oxygen molecules, or oxygen atoms mixed in excess from the stoichiometric composition are released, and the deposited film becomes dense.

本発明を適用して二酸化シリコン膜を堆積させた、シリコン基板上のシリコン薄膜トランジスタの製造工程について図2に従って順次説明する。   A manufacturing process of a silicon thin film transistor on a silicon substrate on which a silicon dioxide film is deposited by applying the present invention will be sequentially described with reference to FIG.

(1)において、9はガラス基板、10は50 nmの多結晶化シリコン膜である。多結晶化シリコン膜10としては、非晶質シリコン膜をレーザ照射等の手段により結晶化させることにより、シリコン単結晶に匹敵するキャリア移動度を有するものが生成可能である。
(2)において、フォトリソグラフィ及びエッチングの手段により多結晶化シリコン膜10を11のようにパターンに形成する。
(3)において、本発明に従い段落0024に記載の条件で高周波スパッタ法により二酸化シリコン膜12を10 nmの厚さに堆積する。
(4)において、リンを高濃度にドープした低抵抗の多結晶シリコン膜を堆積し、パターンに形成し、ゲート電極13とする。
(5)において、引き続き二酸化シリコン膜12の露出部をエッチングし、14のように多結晶化シリコン膜10の表面を表出させる。
(6)において、リンをイオン注入し900℃、30分の活性化熱処理により低抵抗のソース及びドレイン領域15を形成する。この熱処理工程はスパッタ堆積した二酸化シリコン膜の緻密化を兼ねている。
(7)において、本発明の実施により二酸化シリコン膜のカバー膜16を200nmの厚さに堆積する。
(8)においてフォトリソグラフィ及びエッチングの手段により、ソース、ドレイン、ゲートの各領域とのコンタクト窓17を形成する。
(9)において、アルミニウムを約1μmの厚さに堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチングの手段によりパターン形成し、ソース引出電極18、ドレイン引出電極19及びゲート引出電極20を形成し薄膜トランジスタの主要な製造工程を完成する。
In (1), 9 is a glass substrate and 10 is a polycrystalline silicon film of 50 nm. As the polycrystalline silicon film 10, a film having carrier mobility comparable to that of a silicon single crystal can be generated by crystallizing an amorphous silicon film by means such as laser irradiation.
In (2), the polycrystallized silicon film 10 is formed in a pattern like 11 by means of photolithography and etching.
In (3), according to the present invention, a silicon dioxide film 12 is deposited to a thickness of 10 nm by high frequency sputtering under the conditions described in paragraph 0024.
In (4), a low-resistance polycrystalline silicon film doped with phosphorus at a high concentration is deposited and formed into a pattern to form a gate electrode 13.
In (5), the exposed portion of the silicon dioxide film 12 is continuously etched to expose the surface of the polycrystalline silicon film 10 as indicated by 14.
In (6), phosphorus is ion-implanted and the low-resistance source and drain regions 15 are formed by activation heat treatment at 900 ° C. for 30 minutes. This heat treatment process also serves to densify the sputter deposited silicon dioxide film.
In (7), a silicon dioxide film cover film 16 is deposited to a thickness of 200 nm according to the present invention.
In (8), contact windows 17 with the source, drain and gate regions are formed by means of photolithography and etching.
In (9), aluminum is deposited to a thickness of about 1 μm and patterned by means of photolithography and etching to form a source extraction electrode 18, a drain extraction electrode 19 and a gate extraction electrode 20. To complete.

図3に、X線光電子分光法によって測定した堆積膜の酸素原子の結合エネルギーの深さプロファイルを示す。
21はオゾンを25%含んだ酸素プラズマを用いたスパッタによる二酸化シリコン膜であり、酸素のみを導入した場合の二酸化シリコン膜22と比較している。23は比較のためのシリコン単結晶を熱酸化した二酸化シリコン膜の結果である。なおシリコン単結晶を熱酸化した二酸化シリコン膜の酸素原子の結合エネルギーは、深さによらずほぼ一定である。
21は、22に比べ23に近い酸素原子の結合エネルギーを持つ、すなわちシリコン熱酸化膜に近いことが示されている。
FIG. 3 shows the depth profile of the binding energy of oxygen atoms in the deposited film measured by X-ray photoelectron spectroscopy.
Reference numeral 21 denotes a silicon dioxide film formed by sputtering using oxygen plasma containing 25% ozone, which is compared with the silicon dioxide film 22 when only oxygen is introduced. 23 is a result of a silicon dioxide film obtained by thermally oxidizing a silicon single crystal for comparison. Note that the binding energy of oxygen atoms in a silicon dioxide film obtained by thermally oxidizing a silicon single crystal is substantially constant regardless of the depth.
21 has a bond energy of oxygen atoms that is closer to 23 than 22, that is, is close to a silicon thermal oxide film.

また、24で示される線はエリプソメトリーで測定した堆積膜と基板の界面であり、堆積膜厚は21及び22とも約35nmである。
24付近の21及び22の傾きをみると、21の方が急峻となっており、界面付近の堆積膜の組成変化は少ないことが示されている。
The line indicated by 24 is the interface between the deposited film and the substrate measured by ellipsometry, and the deposited film thickness is about 35 nm for both 21 and 22.
Looking at the slopes of 21 and 22 near 24, 21 is steeper, indicating that the compositional change of the deposited film near the interface is small.

以上の結果は、本発明の実施により化学量論組成の酸素欠損の少ない二酸化シリコン膜が堆積膜の深さ方向に亘って均一に生成されることを示しており、本発明の効果を実証するものである。   The above results show that the implementation of the present invention produces a silicon dioxide film having a low stoichiometric oxygen vacancy uniformly over the depth direction of the deposited film, demonstrating the effect of the present invention. Is.

図4に、本発明に従って試作したガラス基板上のシリコン薄膜トランジスタのドレイン電流―電圧特性を示す。本発明によりシリコン基板表面とその上に堆積した二酸化シリコン膜の界面には、実質的に該ドレイン電流―電圧特性に影響を与える酸素欠損はないため、きわめて安定した特性となった。   FIG. 4 shows the drain current-voltage characteristics of a silicon thin film transistor on a glass substrate manufactured according to the present invention. According to the present invention, the interface between the silicon substrate surface and the silicon dioxide film deposited thereon has substantially no oxygen vacancies that affect the drain current-voltage characteristics, so that the characteristics are extremely stable.

界面の状態を示す指標のひとつとしてキャリアの移動度があるが、試作したシリコン薄膜トランジスタにおいては多結晶シリコンを使っているにも拘わらず、シリコン単結晶を用いる通常のMOSトランジスタの値に近い400cm2/Vsとなった。本発明の実施により、従来方法のものと比較して薄膜トランジスタの性能を増大できる。 One of the indices indicating the state of the interface is carrier mobility. The prototype silicon thin film transistor uses 400 cm 2, which is close to the value of a normal MOS transistor using a silicon single crystal despite the use of polycrystalline silicon. / Vs. By implementing the present invention, the performance of the thin film transistor can be increased as compared with the conventional method.

以上の説明では、絶縁薄膜として最も高性能が要求されるシリコン薄膜トランジスタのゲート絶縁膜としての二酸化シリコン薄膜生成への応用について開示したが、本発明はこれに限るものではない。
すなわち従来の方法では酸素欠損が含有される酸化物薄膜の堆積方法として広く活用できることは明らかであり、各種電子回路装置あるいは表示装置等の製造を通して幅広く電子機器産業に貢献することが見込める。
In the above description, the application to the generation of a silicon dioxide thin film as a gate insulating film of a silicon thin film transistor that is required to have the highest performance as an insulating thin film has been disclosed, but the present invention is not limited to this.
That is, it is clear that the conventional method can be widely used as a method for depositing an oxide thin film containing oxygen vacancies, and it can be expected to contribute widely to the electronic equipment industry through the manufacture of various electronic circuit devices or display devices.

さらに、オゾンガスに加えて窒素原子を含むガスとして、例えばアンモニアガスを導入してスパッタすることにより、シリコン窒化酸化膜の堆積が可能になるなどの応用があるが、オゾンに他のガスを混入する工程は本発明に含まれることは言うまでもない。   Furthermore, as a gas containing nitrogen atoms in addition to ozone gas, for example, by introducing ammonia gas and performing sputtering, it is possible to deposit a silicon oxynitride film, but other gases are mixed into ozone. It goes without saying that the process is included in the present invention.

本発明を説明するためのスパッタチャンバーの断面図である。It is sectional drawing of the sputtering chamber for demonstrating this invention. 本発明を用いて製造した薄膜トランジスタの主な製造工程の断面図である。It is sectional drawing of the main manufacturing processes of the thin-film transistor manufactured using this invention. 本発明によりシリコン基板上に堆積した二酸化シリコン膜のX線光電子分光分析結果である。It is a result of X-ray photoelectron spectroscopy analysis of a silicon dioxide film deposited on a silicon substrate according to the present invention. 本発明を用いて製造したシリコン薄膜トランジスタの電気的特性図である。It is an electrical characteristic view of a silicon thin film transistor manufactured using the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 真空チャンバー
2 陰極
3 陽極
4 ガス排気口
5 ガス導入口
6 シリコンディスク
7 シリコン基板
8 二酸化シリコン膜
9 ガラス基板
10 多結晶化シリコン膜
11 多結晶化シリコン膜のパターン
12 二酸化シリコン膜
13 ゲート電極
14 多結晶化シリコン膜の露出部
15 ソース及びドレイン領域
16 カバー膜
17 コンタクト窓
18 ソース引出電極
19 ドレイン引出電極
20 ゲート引出電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 2 Cathode 3 Anode 4 Gas exhaust port 5 Gas inlet 6 Silicon disk 7 Silicon substrate 8 Silicon dioxide film 9 Glass substrate 10 Polycrystalline silicon film 11 Polycrystalline silicon film pattern 12 Silicon dioxide film 13 Gate electrode 14 Exposed portion 15 of polycrystalline silicon film Source and drain region 16 Cover film 17 Contact window 18 Source extraction electrode 19 Drain extraction electrode 20 Gate extraction electrode

Claims (9)

ガスプラズマ状態を形成するチャンバー内にターゲット材料とシリコン酸化膜を堆積する基板を設置し、該チャンバーに導入するガスとしてオゾンガスを含む導入ガスを用いることを特徴とするスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。   A method for depositing a silicon oxide film by sputtering, wherein a substrate for depositing a target material and a silicon oxide film is installed in a chamber for forming a gas plasma state, and an introduction gas containing ozone gas is used as a gas to be introduced into the chamber . 前記チャンバーに導入するガスは、稀ガスにオゾンガスを混合させていることを特徴とする請求項1に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。   2. The method of depositing a silicon oxide film by sputtering according to claim 1, wherein the gas introduced into the chamber is a mixture of rare gas and ozone gas. 前記チャンバーに導入するガスは、さらに窒素原子を含むガスを混合させていることを特徴とする請求項1又は2に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。   The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to claim 1 or 2, wherein the gas introduced into the chamber is further mixed with a gas containing nitrogen atoms. 前記ガスプラズマ状態は、高周波印加により生ずることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。   The method of depositing a silicon oxide film by sputtering according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas plasma state is generated by applying a high frequency. 前記プラズマ状態は、直流電圧印加により生ずることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。   4. The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to claim 1, wherein the plasma state is generated by applying a DC voltage. 前記ターゲット材料は、石英であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。   6. The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to any one of claims 1 to 5, wherein the target material is quartz. 前記ターゲット材料は、シリコンであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。   6. The method of depositing a silicon oxide film by sputtering according to claim 1, wherein the target material is silicon. 前記基板はシリコンあるいはシリコン膜が堆積された基板であり、予めオゾンガスにより表面が酸化されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法。   8. The method for depositing a silicon oxide film by sputtering according to claim 1, wherein the substrate is a substrate on which silicon or a silicon film is deposited, and the surface is previously oxidized by ozone gas. . 請求項1ないし8のいずれか1項に記載のスパッタによるシリコン酸化膜の堆積方法により前記基板上にシリコン酸化膜を堆積した後に、該シリコン酸化膜の堆積時の基板温度と同程度あるいはその温度よりも高い温度で基板を加熱処理することを特徴とするシリコン酸化膜の堆積方法。   The silicon oxide film is deposited on the substrate by the method of depositing a silicon oxide film by sputtering according to any one of claims 1 to 8, and then the same temperature as the substrate temperature at the time of depositing the silicon oxide film or a temperature thereof. A method for depositing a silicon oxide film, characterized in that a substrate is heated at a higher temperature.
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