JP3736189B2 - Method for forming SiO2 film, method for manufacturing thin film transistor device, and liquid crystal display device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、SiO2膜の形成方法、薄膜トランジスタデバイスの製造方法、及び液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
アモルファスシリコン薄膜トランジスタ(TFT)は、液晶表示装置(LCD)中の素子を切り替えるものとして用いられている。TFTの特性を決定する主な面として、半導体とゲート絶縁層の間の界面の質がある。アモルファスシリコンTFTの場合、SiO2はアモルファスシリコンに対して質の悪い界面を形成するので、窒化ケイ素はゲート絶縁層として用いられる。また、窒化ケイ素アモルファスシリコンの場合には、窒化ケイ素をアモルファスシリコン上に蒸着したものと比べて窒化ケイ素上にアモルファスシリコンを蒸着したものの方が界面の質は高い。これのため、アモルファスシリコンTFTの場合には、ボトムゲート構造が好ましい。しかしながら、自己整合性TFTの製造にはトップゲート構造がより好ましい。
【0003】
半導体シリコンの酸化で得たSiO2膜は、蒸着絶縁膜で形成されたものと比べて質が一層高い界面を形成する。よって、アモルファスシリコンについては、半導体シリコン層の酸化でSiO2を形成するのが好ましい。また、これはトップゲート構造の形成を可能にする。ポリシリコンTFTにおいてもトップゲート構造が普段使われるので、同基板上にピクセルTFT(アモルファスシリコンTFT)とポリシリコンTFTを形成することが可能になる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アモルファスシリコンTFTの場合、最高許容温度は大抵400℃である、というのはそれ以上の温度では半導体アモルファス層の質が劣化するからである。よって、400℃以下の温度でシリコンを酸化し、良い界面特性を得ることが好ましい。しかし、従来の熱酸化工程は約1000℃の温度を要する、というのは熱酸化工程に普段使われている酸化分子またはH2Oが実用率で酸化物を成長するためにはそのような高温を必要としているからである。その反面、酸素原子または酸素ラジカルはシリコンと容易に反応し、SiO2層を形成する。よって、低温でSiO2膜を形成する重要なステップは、そのような低温度で酸素原子または酸素ラジカルを生じることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明のSiO2膜の形成方法は、希ガスと酸化ガスの混合ガスを流出し、酸素原子とラジカルを含むプラズマを発生するためにRF(無線周波)パワーを加え、それにより酸素原子とラジカルがシリコンと反応してSiO2膜を形成することを特徴としている。
【0006】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、希ガスと酸化ガスの混合ガスを流出し、酸素原子とラジカルを含むプラズマを発生するためにRF(無線周波)パワーを加え、それにより酸素原子とラジカルがシリコンと反応してSiO2膜を形成し、前記SiO2膜は続いて400℃以下の炉内アニール、急速熱アニール、またはレーザーアニール処理されてその特性をさらに高めることを特徴としている。
【0007】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、前記アニール処理の環境は水素を含むことを特徴としている。
【0008】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、前記希ガスがヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、または複数の希ガスの混合ガスであることを特徴としている。
【0009】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、前記酸化ガスが、酸素、H2O、N2O及びそれらの混合物から選ばれることを特徴としている。
【0010】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、混合ガス中においての前記酸化ガスの割合が1パーセントから15パーセントまでであることを特徴としている。
【0011】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、前記RF(無線周波)密度が0.1W/cm2から1.5W/cm2までであることを特徴としている。
【0012】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、400℃以下の温度で前記シリコンを酸化させることを特徴としている。
【0013】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、前記酸化工程においての温度が室温から400℃までであることを特徴としている。
【0014】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、酸化処理中の好ましい温度が100℃から400℃までであることを特徴としている。
【0015】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、前記混合ガスの圧力が100mトルから4000mトルであることを特徴としている。
【0016】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、10パーセント以下の窒素を前記混合ガスに加えることを特徴としている。
【0017】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、フッ素を1パーセント以下含む化合物を混合ガスに加えることを特徴としている。
【0018】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、10パーセント以下の窒素と、フッ素を1パーセント以下含む化合物とを混合ガスに加えることを特徴としている。
【0019】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、前記シリコンが、単結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコン、または水素添加アモルファスシリコンであることを特徴としている。
【0020】
また、前記のSiO2膜の形成方法においては、酸化される物質がアモルファスシリコンであり、それが酸化後に炉内アニール、急速熱アニール、またはレーザーアニール処理されて結晶化されることを特徴としている。
【0021】
また、本発明の薄膜トランジスタデバイスの製造方法は、ゲート誘電材料、またはそのゲート誘電材料の一部を先に記載のSiO2膜の形成方法によって形成することを特徴としている。
【0022】
また、本発明の薄膜トランジスタデバイスは、先に記載の薄膜トランジスタデバイスの製造方法によって形成されていることを特徴としている。
【0023】
また、前記の薄膜トランジスタデバイスにおいては、金属酸化物半導体電界効果トランジスタデバイスであることを特徴としている。
【0024】
また、前記の薄膜トランジスタデバイスにおいては、形成されたSiO2膜が金属酸化物半導体電界効果トランジスタデバイスまたは薄膜トランジスタデバイスのゲート誘電材料、またはそのゲート誘電材料の一部として用いられることを特徴としている。
【0025】
また、本発明の液晶表示装置は、先に記載の薄膜トランジスタデバイスを有することを特徴としている。
【0026】
また、前記の液晶表示装置においては、アモルファスシリコン薄膜トランジスタデバイスおよび多結晶シリコン薄膜トランジスタデバイスを同じ基板上に有するように、形成された薄膜トランジスタデバイスを用いる液晶表示装置であることを特徴としている。
【0027】
また、前記の液晶表示装置においては、微結晶シリコン薄膜トランジスタデバイスおよび多結晶シリコン薄膜トランジスタデバイスを同じ基板上に有するように、形成された薄膜トランジスタデバイスを用いる液晶表示装置であることを特徴としている。
【0028】
上記の手段によれば、酸素原子および酸素ラジカルを発生するために、酸素と希ガス(例えば、He、Ne、Ar、Kr、Xe)との混合ガスを使った。その希ガスは、RF(無線周波)バイアスを加えることにより高エネルギー準位状態に容易に励起できる。この希ガスの励起状態と基底状態とのエネルギー準位の相違は、酸素原子と酸素分子とのエネルギー準位の相違よりも大きい。例えば、ヘリウムの励起状態レベルは、その基底状態レベルよりも19.8eV高い。アルゴンの場合では、この値が11.6eVである。酸素分子から原子状態に変化するために必要なエネルギーは、軌道レベルでの配置に従い7eVから11.6eVまでと多様である。よって、励起した希ガス分子がそのエネルギーを酸素分子に放出すると、酸素原子およびラジカルを発生することが出来る。
【0029】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る絶縁膜の形成方法の実施形態について説明する。
【0030】
上記概念に基づいて、以下に示す方法でシリコンの酸化を行なった。酸化させるシリコン基板を入れた化学蒸着(CVD)室に希ガスおよび酸素をあらゆる割合で導入した。その混合ガス中の酸素の割合を1%から15%に変化させた。ガス全圧力を100mトルから4000mトルに変化させた。RF(無線周波)パワーを1000cm2の総面積に対して100Wから1500Wに変化させた。温度を100℃から400℃に変化させた。実験中には100〜400℃の温度範囲を利用したが、ある特定の範囲よりも高いまたは低い温度を利用することが出来る。この方法により、約一時間の酸化で約100オングストロームの厚さのSiO2膜を形成することが出来た。
【0031】
図1は、上記の条件に基づいてシリコン上に成長させた酸化膜の典型的なC-V曲線を示す。そのC-V曲線はほぼ理想的であり、ヒステリシスがない。図2は、本方法でSiO2膜を成長した後、中央ギャップ付近の界面密度を示している。その界面密度の平均値は、ほぼ6E11/cm2-eVである。実験により1000℃でシリコン膜を熱酸化することにより形成したSiO2膜については、界面密度がほぼ2E11/cm2-eVであり、それは本発明の方法で形成した膜とかなり近しいものである。水銀電極を用いて測定した本発明の方法で形成した膜の破壊強度は、15MV/cm以上であり、それはまた熱酸化したものと類似している。図3は、本発明の方法で形成した膜のESCA特性を示している。 SiO2ピークと(基板の)Siピークだけがみられる。よって、これらの結果は、高い温度での熱酸化により形成した膜に匹敵する特性を有するSiO2膜を400℃またはそれ以下の温度で形成することが出来ることを示している。
【0032】
上記の方法では、酸素が酸化剤として用いられているが、例えばN2O、H2O、または各種酸化剤の混合物など他の酸化剤を用いることも出来る。
【0033】
【発明の効果】
本発明の形成方法は酸化剤や希ガスと共に窒素を加えることにより改善され、成長させた酸化ケイ素の信頼度を上げる。
【0034】
本発明の形成方法はまたフッ素を含む化合物(例えば、HF、NF3など)を混合ガスに加えることにより改善され、酸化特性を一層高める。
【0035】
また、SiO2膜を成長した後、膜の特性をさらに改善するためにガスアニール処理などアニール処理を行なうことも出来る。
【0036】
この酸化概念は、MOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)またはTFTに用いられる単結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコン、または水素添加アモルファスシリコンに適用することが出来る。この概念は、また同じ基板上にアモルファスシリコンおよびポリシリコンTFTを形成するために適用することも出来る。
【0037】
ポリシリコンSiO2と微結晶SiO2システムの場合では、ニ通りの方法を取ることが出来る。
【0038】
(1)蒸着された多結晶または微結晶シリコン膜、または炉中アニール、急速アニールまたはレーザーアニールで結晶化されたアモルファスシリコン膜で始まり、それから上記の方法で酸化する。
【0039】
(2)アモルファスシリコンで始まり、それを上記の方法で酸化し、それから炉中アニール、急速アニールまたはレーザーアニールで結晶化する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の製造方法で成長させたSiO2膜の典型的C-V曲線である。
【図2】 本発明の製造方法でSiO2膜を成長させた後のシリコンギャップエネルギーに対する界面密度(DIT)である。
【図3】 本発明の製造方法で成長させたSiO2膜のESCA(化学分析用電子分光法)特性である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a SiO 2 film, a method for manufacturing a thin film transistor device, and a liquid crystal display device.
[0002]
[Prior art]
Amorphous silicon thin film transistors (TFTs) are used to switch elements in a liquid crystal display (LCD). The main surface that determines the characteristics of the TFT is the quality of the interface between the semiconductor and the gate insulating layer. In the case of an amorphous silicon TFT, since SiO 2 forms a poor quality interface with amorphous silicon, silicon nitride is used as a gate insulating layer. In the case of silicon nitride amorphous silicon, the quality of the interface is higher when amorphous silicon is deposited on silicon nitride than when silicon nitride is deposited on amorphous silicon. For this reason, in the case of an amorphous silicon TFT, a bottom gate structure is preferable. However, a top gate structure is more preferred for the manufacture of self-aligning TFTs.
[0003]
The SiO 2 film obtained by the oxidation of semiconductor silicon forms an interface with a higher quality than that formed by a vapor-deposited insulating film. Therefore, for amorphous silicon, it is preferable to form SiO 2 by oxidation of the semiconductor silicon layer. This also allows the formation of a top gate structure. Since a top gate structure is usually used also for polysilicon TFTs, it is possible to form pixel TFTs (amorphous silicon TFTs) and polysilicon TFTs on the same substrate.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the case of an amorphous silicon TFT, the maximum allowable temperature is usually 400 ° C. because the quality of the semiconductor amorphous layer deteriorates at a temperature higher than that. Therefore, it is preferable to oxidize silicon at a temperature of 400 ° C. or lower to obtain good interface characteristics. However, the conventional thermal oxidation process requires a temperature of about 1000 ° C. because the oxide molecules or H 2 O that are usually used in the thermal oxidation process grow at such a high temperature in order to grow the oxide at a practical rate. Because it is necessary. On the other hand, oxygen atoms or oxygen radicals easily react with silicon to form a SiO 2 layer. Therefore, an important step for forming the SiO 2 film at a low temperature is to generate oxygen atoms or oxygen radicals at such a low temperature.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the SiO 2 film forming method of the present invention uses an RF (radio frequency) power to generate a plasma containing oxygen atoms and radicals by flowing a mixed gas of a rare gas and an oxidizing gas. Thus, oxygen atoms and radicals react with silicon to form a SiO 2 film.
[0006]
In addition, in the method of forming the SiO 2 film, RF (radio frequency) power is applied in order to generate a plasma containing oxygen atoms and radicals by flowing a mixed gas of a rare gas and an oxidizing gas. The radical reacts with silicon to form a SiO 2 film, and the SiO 2 film is subsequently subjected to in-furnace annealing at 400 ° C. or lower, rapid thermal annealing, or laser annealing to further improve its characteristics. .
[0007]
In the method for forming the SiO 2 film, the annealing environment includes hydrogen.
[0008]
In addition, in the method for forming the SiO 2 film, the rare gas is helium, argon, neon, krypton, xenon, or a mixed gas of a plurality of rare gases.
[0009]
In the method for forming the SiO 2 film, the oxidizing gas is selected from oxygen, H 2 O, N 2 O, and a mixture thereof.
[0010]
The SiO 2 film forming method is characterized in that the ratio of the oxidizing gas in the mixed gas is 1% to 15%.
[0011]
In addition, the method for forming the SiO 2 film is characterized in that the RF (radio frequency) density is from 0.1 W / cm 2 to 1.5 W / cm 2 .
[0012]
Further, the method for forming the SiO 2 film is characterized in that the silicon is oxidized at a temperature of 400 ° C. or lower.
[0013]
In the method for forming the SiO 2 film, the temperature in the oxidation step is from room temperature to 400 ° C.
[0014]
Further, the above-described method for forming a SiO 2 film is characterized in that a preferable temperature during the oxidation treatment is from 100 ° C. to 400 ° C.
[0015]
Further, in the method for forming the SiO 2 film, the pressure of the mixed gas is 100 mTorr to 4000 mTorr.
[0016]
In addition, the SiO 2 film forming method is characterized by adding 10% or less of nitrogen to the mixed gas.
[0017]
The SiO 2 film forming method is characterized in that a compound containing 1% or less of fluorine is added to the mixed gas.
[0018]
The above-mentioned SiO 2 film forming method is characterized in that 10% or less of nitrogen and a compound containing 1% or less of fluorine are added to the mixed gas.
[0019]
In the method for forming the SiO 2 film, the silicon is single crystal silicon, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon, or hydrogenated amorphous silicon.
[0020]
In the above-mentioned SiO 2 film forming method, the substance to be oxidized is amorphous silicon, which is crystallized after being oxidized by furnace annealing, rapid thermal annealing, or laser annealing. .
[0021]
The thin-film transistor device manufacturing method of the present invention is characterized in that the gate dielectric material or a part of the gate dielectric material is formed by the above-described method for forming a SiO 2 film.
[0022]
The thin film transistor device of the present invention is characterized by being formed by the above-described method for manufacturing a thin film transistor device.
[0023]
The thin film transistor device is a metal oxide semiconductor field effect transistor device.
[0024]
The thin film transistor device is characterized in that the formed SiO 2 film is used as a gate dielectric material of a metal oxide semiconductor field effect transistor device or a thin film transistor device, or as a part of the gate dielectric material.
[0025]
The liquid crystal display device of the present invention is characterized by having the above-described thin film transistor device.
[0026]
Further, the liquid crystal display device is characterized in that the liquid crystal display device uses the thin film transistor device formed so as to have the amorphous silicon thin film transistor device and the polycrystalline silicon thin film transistor device on the same substrate.
[0027]
The liquid crystal display device is characterized in that it is a liquid crystal display device using a thin film transistor device formed so as to have a microcrystalline silicon thin film transistor device and a polycrystalline silicon thin film transistor device on the same substrate.
[0028]
According to the above means, a mixed gas of oxygen and a rare gas (for example, He, Ne, Ar, Kr, Xe) was used to generate oxygen atoms and oxygen radicals. The noble gas can be easily excited to a high energy level state by applying an RF (radio frequency) bias. The difference in energy level between the excited state and the ground state of the rare gas is larger than the difference in energy level between the oxygen atom and the oxygen molecule. For example, the excited state level of helium is 19.8 eV higher than its ground state level. In the case of argon, this value is 11.6 eV. The energy required to change from an oxygen molecule to an atomic state varies from 7 eV to 11.6 eV depending on the arrangement at the orbital level. Therefore, when excited rare gas molecules release their energy to oxygen molecules, oxygen atoms and radicals can be generated.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of a method for forming an insulating film according to the present invention will be described.
[0030]
Based on the above concept, silicon was oxidized by the following method. Noble gases and oxygen were introduced in all proportions into a chemical vapor deposition (CVD) chamber containing a silicon substrate to be oxidized. The proportion of oxygen in the mixed gas was changed from 1% to 15%. The total gas pressure was changed from 100 mTorr to 4000 mTorr. RF (radio frequency) power was varied from 100 W to 1500 W for a total area of 1000 cm 2 . The temperature was changed from 100 ° C to 400 ° C. Although a temperature range of 100-400 ° C. was utilized during the experiment, temperatures higher or lower than a certain range can be utilized. By this method, it was possible to form a SiO 2 film having a thickness of about 100 Å by oxidation for about one hour.
[0031]
FIG. 1 shows a typical CV curve of an oxide film grown on silicon based on the above conditions. Its CV curve is almost ideal and has no hysteresis. FIG. 2 shows the interface density near the central gap after the SiO 2 film is grown by this method. The average value of the interface density is approximately 6E11 / cm 2 -eV. The SiO 2 film formed by thermal oxidation of the silicon film at 1000 ° C. by experiment has an interface density of approximately 2E11 / cm 2 -eV, which is quite close to the film formed by the method of the present invention. The breaking strength of the film formed by the method of the present invention, measured using a mercury electrode, is 15 MV / cm or more, which is also similar to that thermally oxidized. FIG. 3 shows the ESCA characteristics of a film formed by the method of the present invention. Only the SiO 2 peak and the Si peak (of the substrate) are visible. Therefore, these results indicate that a SiO 2 film having characteristics comparable to a film formed by thermal oxidation at a high temperature can be formed at a temperature of 400 ° C. or lower.
[0032]
In the above method, oxygen is used as the oxidizing agent, but other oxidizing agents such as N 2 O, H 2 O, or a mixture of various oxidizing agents can also be used.
[0033]
【The invention's effect】
The formation method of the present invention is improved by adding nitrogen together with an oxidizing agent and a rare gas, and increases the reliability of the grown silicon oxide.
[0034]
The formation method of the present invention is also improved by adding a compound containing fluorine (for example, HF, NF 3, etc.) to the mixed gas, and further enhances the oxidation characteristics.
[0035]
Further, after the SiO 2 film is grown, an annealing process such as a gas annealing process can be performed in order to further improve the characteristics of the film.
[0036]
This oxidation concept can be applied to single crystal silicon, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon, or hydrogenated amorphous silicon used in MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors) or TFTs. This concept can also be applied to form amorphous silicon and polysilicon TFTs on the same substrate.
[0037]
In the case of polysilicon SiO 2 and microcrystalline SiO 2 systems, two methods can be taken.
[0038]
(1) Start with a deposited polycrystalline or microcrystalline silicon film, or an amorphous silicon film crystallized by in-furnace annealing, rapid annealing or laser annealing, and then oxidize by the method described above.
[0039]
(2) Start with amorphous silicon, oxidize it by the above method, and then crystallize by furnace annealing, rapid annealing or laser annealing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a typical CV curve of a SiO 2 film grown by the manufacturing method of the present invention.
FIG. 2 is an interface density (DIT) with respect to a silicon gap energy after a SiO 2 film is grown by the manufacturing method of the present invention.
FIG. 3 is an ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis) characteristic of a SiO 2 film grown by the manufacturing method of the present invention.
Claims (11)
希ガスと酸化ガスとの混合ガスにRFパワー(無線周波数)を加えることにより希ガス分子を励起させ、励起した前記希ガス分子が、エネルギーを酸化ガス分子に放出することによって酸素原子及びラジカルを発生させ、前記酸素原子及び前記ラジカルがシリコンと反応することにより前記SiO2膜を形成し、
前記混合ガス中の前記酸化ガスの割合が1パーセントから15パーセントに、RF(無線周波)密度が0.1W/cm2から1.5W/cm2にそれぞれ設定されてなることを特徴とするSiO2膜の形成方法。In the method for forming the SiO 2 film,
By applying RF power (radio frequency) to a mixed gas of a rare gas and an oxidizing gas, the rare gas molecules are excited, and the excited rare gas molecules release energy to the oxidizing gas molecules to release oxygen atoms and radicals. The oxygen atoms and radicals react with silicon to form the SiO 2 film,
The ratio of the oxidizing gas in the mixed gas is set from 1% to 15%, and the RF (radio frequency) density is set from 0.1 W / cm 2 to 1.5 W / cm 2. Method for forming two films.
前記SiO2膜を400℃以下の炉内アニール、急速熱アニール、またはレーザーアニール処理することを特徴とするSiO2膜の形成方法。In the method of forming a SiO 2 film according to claim 1,
A method of forming a SiO 2 film, comprising subjecting the SiO 2 film to annealing in a furnace at 400 ° C. or less, rapid thermal annealing, or laser annealing.
ゲート誘電材料、またはそのゲート誘電材料の一部を請求項1から請求項9のうちいずれかに記載のSiO2膜の形成方法によって形成することを特徴とする薄膜トランジスタデバイスの製造方法。In a method for manufacturing a thin film transistor device,
A method for manufacturing a thin film transistor device, comprising forming a gate dielectric material or a part of the gate dielectric material by the method for forming a SiO 2 film according to any one of claims 1 to 9.
請求項10に記載の薄膜トランジスタデバイスの製造方法によって形成された薄膜トランジスタデバイスを有することを特徴とする液晶表示装置。In liquid crystal display devices,
A liquid crystal display device comprising the thin film transistor device formed by the method of manufacturing a thin film transistor device according to claim 10.
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