JP3874815B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガラス等の絶縁基板、あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けられた珪素膜を用いた絶縁ゲイト構造を有する半導体装置、例えば、薄膜トランジスタ(TFT)や薄膜ダイオード(TFD)、またはそれらを応用した薄膜集積回路、特にアクティブ型液晶表示装置(液晶ディスプレー)用薄膜集積回路、およびその作製方法に関するものであり、特に、最高プロセス温度が700℃以下の低温プロセスによって上記半導体装置を形成するためのゲイト絶縁膜の処理方法およびゲイト絶縁膜の処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガラス等の絶縁基板上にTFTを有する半導体装置、例えば、TFTを画素の駆動に用いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が開発されている。これらの基板としては、量産性・価格の面から歪点が750℃以下、典型的には550〜680℃のガラス基板が一般に用いられている。したがって、このようなガラス基板を用いる場合には、最高プロセス温度が700℃以下、好ましくは650℃以下とすることが要求された。
【0003】
これらの装置に用いられるTFTには、薄膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の珪素半導体としては、非晶質珪素半導体(a−Si)からなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの2つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられているが、電界効果移動度、導電率等の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、今後、より高速特性を得るためには、結晶性を有する珪素半導体からなるTFTの作製方法の確立が強く求められている。
【0004】
移動度の小さな非晶質珪素を用いたTFTの場合には、ゲイト絶縁膜の特性はあまり問題とならなかった。例えば、非晶質珪素を用いたTFTでは、ゲイト絶縁膜として酸化珪素よりも電気的特性に劣る窒化珪素膜が用いられる。しかし、移動度の高い結晶性の珪素膜を用いたTFTでは、珪素膜自体の特性と同じくらいにゲイト絶縁膜の特性も大きな問題であった。
【0005】
特に結晶性珪素膜を得る技術が向上するにつれ、良質なゲイト絶縁膜に対する需要は非常に大きくなった。なかでも、チャネル形成領域が実質的に1つの単結晶もしくは複数の結晶からなっていても、全ての結晶の方位が同じである結晶珪素被膜(このような結晶状態をモノドメインという)よりなるTFTでは、通常の多結晶珪素を用いたTFTと異なり、粒界の特性悪化に対する寄与は非常に小さく、ほとんどゲイト絶縁膜の特性によって、その電気特性が決定される。
【0006】
すなわち、通常の多結晶構造においては粒界を構成する2つの結晶の結晶方位は互いに異なるものであり、その結果、高い粒界障壁(バリヤー)が生じる。しかし、モノドメイン構造においては、たとえ複数の結晶からなっていたとしても、通常の多結晶における粒界に相当する境界をはさむ2つの結晶の結晶方位が同じであるため、このような境界においてはバリヤーは非常に低く、単結晶とほとんど差がない。そのため、モノドメイン構造においては、TFTの特性に対する粒界の寄与は小さく、ほぼゲイト絶縁膜によって決定される。
【0007】
このような目的に適した優れたゲイト絶縁膜としては、熱酸化膜が知られている。例えば、石英基板のように高温に耐える基板上であれば、熱酸化法を用いてゲイト絶縁膜を得ることができた。(例えば、特公平3−71793)
しかし、熱酸化法によって、ゲイト絶縁膜として使用するに足る酸化珪素膜を得るには、950℃以上の高温が必要であり、このような高温処理に耐えうる基板材料は石英の他にはなかった。上述のような歪点の低いガラス基板を使用するには、最高プロセス温度を700℃以下、好ましくは650℃以下とする必要があったのだが、熱酸化による方法はこの要請を満足できなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
700℃以下でも高圧水蒸気酸化等の特殊な条件の下では熱酸化膜を形成することができた。例えば、500〜700℃の熱酸化によって熱酸化膜が100〜1000Å形成できた。しかし、このようにして得られた熱酸化膜は、高温で得られた熱酸化膜に比較して、水素濃度が高く、これをゲイト絶縁膜に用いたTFTの特性は極めて悪かった。
このような問題から、ゲイト絶縁膜はスパッタ法等の物理的気相成長(PVD)法、あるいはプラズマCVD法、熱CVD法等の化学的気相成長(CVD)法を用いて作製せざるを得なかった。これらの方法では最高プロセス温度は650℃以下とすることができた。
【0009】
しかしながら、PVD法、CVD法によって作製した絶縁膜は不対結合手や水素の濃度が高く、また、界面特性も良くなかった。そのため、ホットエレクトロン等の注入に対しても弱く、不対結合手や水素が原因となって、電荷捕獲(再結合)中心が形成されやすかった。また、耐圧も低かった。特に、結晶性の珪素との界面においては、再結合中心が多く形成された。このため、TFTのゲイト絶縁膜として用いた場合に、電界移動度やサブスレシュホールド特性値(S値)が、良くないという問題点、あるいはゲイト電極のリーク電流が多く、オン電流の低下(劣化・経時変化)が大きいという問題点があった。
【0010】
例えば、PVD法であるスパッタ法を用いる場合には、高純度の酸素と珪素からなる合成石英をターゲットとすれば、原理的には酸素と珪素の化合物の被膜のみが形成される。しかし、得られる被膜の酸素と珪素の比率が化学量論比に近くかつ、不対結合手の少ない酸化珪素膜を得ることは極めて難しかった。例えば、スパッタガスとして酸素を用いれば、化学量論比に近い酸化珪素膜を得ることができる。しかし、酸素は原子量が小さく、スパッタ速度(堆積速度)が小さく、量産を考慮した場合、スパッタガスとしては不適切であった。
【0011】
また、アルゴン等の雰囲気においては、十分な成膜速度が得られたものの、酸素と珪素の比率が化学量論比と異なり、ゲイト絶縁膜としては極めて不適当なものであった。
さらに、スパッタ雰囲気をどのようにしても珪素の不対結合手を低減することは難しく、成膜後に水素アニールをおこなうことによって、珪素の不対結合手Si・もしくはSiO・をSi−H、Si−OHとして、安定化させることが必要であった。しかしながら、Si−H、Si−OH結合は不安定で、ホットエレクトロン等の加速した電子によって、容易に切断され、もとの珪素の不対結合手に変化してしまった。このような弱い結合Si−H、Si−OHの存在が上述のホットエレクトロン注入による劣化の要因となったものである。
【0012】
同様にプラズマCVD法を用いて作製された酸化珪素膜にもSi−H、Si−OHの形で多くの水素が含有されており、上記の問題の源泉となっていた。加えて、比較的扱いやすい珪素源として、テトラ・エトキシ・シラン(TEOS)を用いた場合には、炭素が酸化珪素膜中に含まれるという問題もあった。本発明は、このようなPVD法やCVD法で堆積された酸化珪素膜の特性を改善する手段を提供するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明では、500〜700℃の温度で珪素膜を酸化することによって形成された熱酸化膜、PVD法もしくはCVD法によって、島状の結晶性珪素を覆って堆積された酸化珪素を主成分とするゲイト絶縁膜に対して、適切な温度に加熱された触媒を用いて励起、もしくは、分解した窒素を有する反応性の高い気体雰囲気で400〜700℃の熱アニールをおこなうことによって、酸化珪素膜を改質する。本発明で使用する気体としては、一酸化二窒素(N2O)、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO 2 )等の窒素酸化物(一般式でNHx:0.5≦x≦2.5で表される)もしくはアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N24 )等の窒化水素(一般式でNHx :1.5≦x≦3で表される)が好ましい。
【0014】
以下においては、触媒によって励起もしくは分解された窒素酸化物(もしくは窒化水素)を有する気体を反応性窒素酸化物(反応性窒化水素)という。本発明においては、反応性窒素酸化物(もしくは反応性窒化水素)は窒素酸化物(窒化水素)のみからなっていてもよいが、アルゴンやその他の不活性な気体が混入されていると特に好ましい。このような反応性窒素酸化物あるいは反応性窒化水素を用いた熱アニールによって、酸化珪素膜の特性、特に、珪素膜との界面における特性が改善される。ただし、この雰囲気に水(H2 O)や炭酸ガス(CO、CO2 等)が混入していることは好ましくない。水や炭酸ガスは1ppm以下、好ましくは10ppb以下とすべきである。
【0015】
上記のような反応性窒素酸化物あるいは窒化水素を用いた熱アニールの工程の前後に、通常の(励起状態の分子や活性種の濃度の低い)窒化水素や窒素酸化物、あるいは水素、酸素、オゾン等の雰囲気で熱アニールをおこなってもよい。また、例えば、反応性の窒素酸化物での熱アニール処理の後に反応性の窒化水素での熱アニール処理をおこなってもよいし、逆に、反応性の窒化水素での熱アニール処理の後に反応性の窒素酸化物での熱アニール処理をおこなってもよい。もちろん、反応性の窒素酸化物のみ、あるいは反応性の窒化水素のみの熱アニール処理でもよい。
【0016】
本発明を実施するための装置の例を図1に示す。本発明を実施するには最初に窒化水素もしくは窒素酸化物を励起もしくは分解するための触媒が必要である。図1(A)の例では、熱アニール炉1の内部に網状の触媒5を設けた。触媒としては、白金、パラジウム、還元ニッケル、コバルト、チタン、バナジウム、タンタル等の3d遷移金属やこれらとアルミナ、シリカゲルを混合したものが好ましい。
熱アニール炉1の内部にはサセプター3を設け、サセプターには多数の基板4を載せ、一度に多数の基板が処理できるようにするとよい。熱アニール炉1はヒーター2によって加熱される。本発明の熱アニール炉において温度分布があると、多数の基板を同時に均一に処理することはできないので、熱アニール炉内の温度分布には特に注意が必要である。また、雰囲気の圧力を大気圧より低くすることも有効である。
【0017】
本発明においては、熱アニール炉1の温度の下限は反応速度、上限は基板等の熱処理される物質によって決定され、これらを鑑みて、熱アニール炉の温度としては400〜700℃、好ましくは450〜650℃が適切である。熱アニール炉の温度は高いほど、反応は進行しやすいが、例えば、ガラス基板を使用する場合には、熱収縮等を引き起こすことがある。特に650〜700℃では、多くのガラス基板が熱収縮を引き起こし、微細なパターンを形成する上で問題となる。ガラス基板を使用する場合にはその歪点以下の温度とすることが望まれる。
【0018】
上記の場合には、触媒は熱アニール炉の温度に加熱されて使用されることとなる。すなわち、熱アニール炉1の温度が700℃であれば、触媒の温度も700℃となる。上記のような3d遷移金属の触媒においては200〜600℃の温度が好ましく、このような温度は触媒の劣化をもたらすこともある。そのため、より低温で触媒を作用させることによって、触媒の劣化を抑制するには図1(B)のように、触媒によって窒化水素もしくは窒素酸化物気体を励起・分解する反応室16を熱アニール炉11と離れて設け、その間を配管18で接続する構造を採用するとよい。この場合、熱アニール炉11はヒーター12で加熱され、触媒の反応室16はヒーター17によって加熱される。このため、触媒反応室の温度を200〜400℃というような低温とすることが可能である。この例でも触媒15は網状とした。
【0019】
このような構造においては、窒化水素や窒素酸化物をアルゴン等の不活性気体で希釈したものを使用すると特に反応性を長時間、長距離にわたって維持できるため好ましかった。すなわち、適切な条件のもとでは0.1〜10秒の間、反応性を維持できる。このため、触媒反応室18と熱アニール炉11との距離を0.1〜1mとすることができる。
なお、熱アニール炉と触媒反応室の間の配管18の温度が極めて低い場合には、触媒反応室で励起された気体分子が基底状態に戻り、反応性が低下する。したがって、反応性を維持するためには、配管18においてもヒーター19を設け、適切な温度に保たれることが望ましい。配管18の温度は熱アニール炉と触媒反応室の中間の温度であることが好ましい。
【0020】
また、配管18の内壁は反応性の気体分子が反応しないように、石英を主成分とする材料によって構成することが望ましい。好ましくは、90mol%以上の酸化珪素よりなる高純度石英を用いると良い。
内壁が金属材料からなっていると、原子状あるいは励起した分子が基底状態に戻ったり、再結合したりして安定化し、反応性でなくなる。しかし、内壁が石英の場合には、そのような効果は小さく、例えば、第1の反応室から50〜100cm離れていても、多くの原子・分子が活性化状態にあった。
熱アニール炉11には、図1(A)と同様にサセプター13に多数の基板14を載せ、一度に多数の基板が処理できるようにするとよい。
【0021】
上記の例では、触媒はいずれも網状としたが、適切な容器に保持されるのであれば、粉状もしくは粒状であってもよい。
本発明におけるゲイト絶縁膜の作製方法としては、例えば、PVD法としてはスパッタ法、CVD法としては、プラズマCVD法、減圧CVD法、大気圧CVD法を用いればよい。その他の成膜方法を用いることも可能である。プラズマCVD法、減圧CVD法としては、TEOSを原料とする方法を用いてもよい。プラズマCVD法によってTEOSと酸素を原料として酸化珪素膜を堆積するには、基板温度は200〜500℃とすることが望ましい。また、減圧CVD法においてTEOSとオゾンを用いた反応は比較的低温(例えば、375℃±20℃)で進行し、酸化珪素膜を得ることができる。
同様に減圧CVD法によって、モノシラン(SiH4 )と酸素(O2 )、あるいはモノシランと一酸化二窒素等の窒素酸化物を原料としてもプラズマによるダメージが無い酸化珪素膜が得られる。
【0022】
モノシランと窒素酸化物の組合せはプラズマCVD法に用いてもよい。また、プラズマCVD法のうち、ECR(電子サイクロトロン共鳴)条件の放電を用いるECR−CVD法は、プラズマによるダメージが小さいので、より良好なゲイト絶縁膜を形成することができる。
本発明者の知見では、ある程度固い酸化珪素を主成分とする絶縁膜がTFTのゲイト絶縁膜として適していた。具体的な指標としては、フッ化水素酸1、フッ化アンモニウム50、酢酸50の比率で混合された23℃の緩衝フッ酸によるエッチングレートが1000Å/分以下、典型的には300〜800Å/分である酸化珪素膜が好ましいことが明らかになった。平均して1×1017〜1×1021原子/cm3 の窒素が含有されて酸化珪素膜では、このようなエッチングレートの条件を満たすものが多かった。
【0023】
本発明において活性層となる結晶性珪素を形成するには、プラズマCVD法、減圧CVD法等のCVD法によって得られる非晶質珪素膜を出発材料として用いるが、結晶化方法として大きく分けて2通りの方法がある。第1は、非晶質珪素膜を形成した後、500〜650℃の温度で適切な時間の熱アニールを実施することにより、結晶化せしめる方法である。その結晶化の際に、ニッケル、鉄、白金、パラジウム、コバルト等の非晶質珪素の結晶化を促進する元素を添加してもよい。これらの元素を添加すると、結晶化温度を低下させ、また、結晶化時間を短縮することができる。
【0024】
これらの元素は高濃度に含有されていると珪素の半導体特性を損なうので、結晶化に十分で、かつ、半導体特性にほとんど影響のない低濃度であることが望まれる。すなわち、2次イオン質量分析法(SIMS)によって測定した珪素膜における最小値が1×1015〜3×1019原子/cm3 の濃度であることが好ましい。このような結晶化を促進する元素の濃度分布は珪素膜の処理方法によって変わるので、最小値は界面において得られる場合もあるし、膜の中央付近において得られる場合もある。
第2の方法としては、非晶質珪素膜にレーザー等の強光を照射することによって結晶化させる、いわゆるレーザーアニール法がある。上記、第1、第2の方法のうち、いずれの方法を選択するかは本発明を実施するものが必要とするTFTの特性、利用できる装置、設備投資額等を勘案して決定すればよい。
【0025】
また、第1の方法と第2の方法を組み合わせてもよい。例えば、熱アニールによって結晶化させた後、レーザーアニール法によってさらに結晶性を高める方法を用いてもよい。特に、ニッケル等の結晶化促進元素を添加して熱アニールをおこなった場合には、結晶粒界等に非晶質部分が残されることが観察されたが、このような非晶質部分を結晶化させるにはレーザーアニール法が有効である。
逆に、レーザーアニール法によって結晶化させた珪素膜を、熱アニールすることにより、レーザーアニールによって生じた膜の応力歪みを緩和させることができる。
【0026】
【作用】
500〜700℃という低温で酸化して得られた熱酸化膜やCVD法もしくはPVD法によって成膜した酸化珪素膜には多くの珪素の不対結合手、あるいはSi−H結合やSi−OH結合が含まれている。このような酸化珪素膜を800℃以上の高温で一酸化二窒素雰囲気で処理すると、酸化珪素中のSi−H結合は窒化あるいは酸化され、Si≡N、あるいはSi2 =N−O結合、Si−N=O結合等に変化する。Si−OH結合も同様に変化する。特にこの反応は酸化珪素と珪素の界面で進行しやすく、結果として窒素は酸化珪素−珪素界面に集中する。このような手段で界面付近に集中して添加される窒素の量は、酸化珪素膜の平均的な濃度の10倍以上になる。また、酸化珪素中に0.1〜10原子%、代表的には、1〜5原子%の窒素が含有せしめると、ゲイト絶縁膜として好ましい。
【0027】
しかしながら、750℃以下の低温では、このような反応は進行しなかった。これは、一酸化二窒素がこのような低温では分解しないので、酸化珪素膜の内部にまで進入するような活性な原子・分子が得られなかったためである。すなわち、上記の反応においては、一酸化二窒素の分解反応が律速となっていた。一酸化窒素や二酸化窒素のような他の窒素酸化物でも最適な温度は違っても同様であり、本発明の目的とするような400〜700℃、好ましくは、450〜650℃では酸化珪素膜および酸化珪素膜と活性層との界面の改質は不可能であった。
【0028】
ところが、本発明のように、適切な温度に加熱された触媒によってこのような窒素酸化物を反応性のものとすると、その中に活性な原子・分子が含有されているため、700℃以下の温度においても、酸化珪素膜の内部にまで進入して、上記の反応を起こす。このような手段によって反応性となってもその寿命が極めて短いものでは、例え、図1(A)のように同じ炉内に触媒を設けたとしても実用に供することはできないが、適切な条件においては十分な寿命を有するので、触媒から離れた位置に存在する基板にも有効に作用する。
【0029】
特に、このことに着目することにより、触媒による反応を起こさせる反応室とゲイト絶縁膜の処理をおこなう反応室を分離することが可能となる。特にアルゴンその他の不活性な気体で希釈された雰囲気では、反応性は極めて長時間にわたって保持された。本発明においても熱アニールのために400〜700℃という温度は必要であるが、この温度は窒素酸化物を分解するための温度ではなく、活性な原子・分子が酸化珪素膜内部に進入するために必要な温度である。
【0030】
同様な現象はアンモニア、ヒドラジン等の窒化水素の雰囲気においても起こる。例えば、アンモニア雰囲気で850℃以上の高温でCVD法やPVD法によって堆積された酸化珪素膜のアニールをおこなうと、珪素の不対結合手やSi−H結合やSi−OH結合が窒化され、Si≡N等に変化する。この反応も650℃以下では進行しないが、これは、アンモニアが分解して、活性な窒素原子を得るには850℃以上の高温が必要だからである。
【0031】
したがって、予めアンモニアを反応性としておけば、400〜700℃の低温であっても窒化反応が進行する。
なお、窒化水素での処理では、Si−H結合、Si=O結合が窒化され、Si−N=H2 となることもある。これは反応性でない場合でも同様である。このような結合はその後に一酸化二窒素雰囲気でのアニールによって、極めて安定なSi≡N結合やSi−N=O結合に変換される。
【0032】
なお、本発明においては窒化水素を用いた場合と、窒素酸化物を用いた場合でゲイト絶縁膜に対する反応が異なる。そのことを図6を用いて説明する。図6のaは結晶性珪素の活性層にスパッタ法によって酸化珪素膜を堆積したものの窒素濃度を2次イオン質量分析法(SIMS)によって分析したものである。定量値は酸化珪素(ゲイト絶縁膜)部分においてのみ有効であり、1×1018原子/cm3 の窒素が含有されている。活性層とゲイト絶縁膜の界面付近では窒素濃度にピークが観察されるが、これは材料の不連続性による効果(マトリクス効果)によるもので、実際に窒素濃度が界面で増大しているわけではない。
【0033】
これを図1の装置を用いて一酸化二窒素およびアンモニア雰囲気でそれぞれ1時間アニールする。この際、基板温度は600℃とする。このような処理を施した酸化珪素膜を同様にSIMSで分析すると、図6のbおよびcのようになる。一酸化二窒素で処理したbにおいては、aと同様に界面で窒素濃度のピークが観察されるが、その最大値はaより2桁も大きい。これは、マトリクス効果の寄与ももちろん存在するが、それ以上に、実際に界面付近に窒素が集積していることを意味するものである。
【0034】
一方、アンモニアで処理したcにおいてはゲイト絶縁膜全般において窒素濃度が高まり、特に界面に集中して、観察されるわけではない。このように、アンモニア処理することにより、酸化珪素は酸化窒化珪素となる。
本発明をスパッタ法によって成膜した酸化珪素膜(特に、膜中の酸素濃度が化学量論比より少ない酸化珪素膜)に適用した場合には特に効果が顕著である。すなわち、このような膜を反応性の窒素酸化物雰囲気でアニールすれば、不足した酸素を補うことができ、酸化珪素膜の組成を化学量論比に近づけることが可能となるからである。同様に、反応性の窒化水素雰囲気でのアニールでは、酸素の入るべき位置に窒素が入ることにより、電気的に安定な酸化窒化珪素膜となる。
【0035】
上記のことはスパッタ法による酸化珪素膜の成膜が不利でないことを示すものである。すなわち、従来、スパッタ法によって酸化珪素膜を形成するには、組成を化学量論比に近づけるため、限られた条件の雰囲気でしかおこなえなかった。例えば、雰囲気として、酸素とアルゴンの混合雰囲気の系を考えると、酸素/アルゴン>1という条件を満たすことが必要で、好ましくは、純粋な酸素雰囲気でおこなうことが望まれた。そのため、成膜速度が低く、量産に適さなかった。また、酸素は反応性のガスであり、真空装置、チャンバー等が酸化されることも問題であった。
【0036】
しかしながら、本発明によって、化学量論組成より離れた組成の酸化珪素膜であっても、本発明によってゲイト絶縁膜として用いるに適する酸化珪素膜に変換できるので、同じ酸素とアルゴンの混合雰囲気の系においても、酸素/アルゴン≦1というように、成膜速度に関してより有利な条件で実施することができる。例えば、純粋なアルゴン雰囲気のように極めて成膜速度が高く、安定した条件で成膜することも可能となった。
【0037】
本発明を、TEOS等の炭素を含む珪素源を用いて、プラズマCVD法、減圧CVD法等のCVD法によって形成された酸化珪素膜に対して適用すると格別の効果が得られる。これらの酸化珪素膜には炭素が多量に含有され、特に、珪素膜との界面付近に存在する炭素はTFTの特性を低下させる原因であった。本発明において、特に反応性の窒素酸化物雰囲気でのアニールによって、酸化を進行させると、その際に、炭素も酸化され、炭酸ガスとして外部に放出され、膜中の炭素濃度を低減させることができる。
【0038】
このプロセスを図5を用いて説明する。この例では窒素酸化物として一酸化二窒素を用いる。反応性の一酸化二窒素には原子状の窒素や酸素が多く含まれている。これらは容易に酸化珪素膜の内部に進入することができる。そして、酸化珪素内部に存在する炭素(多くはSi−C結合という形で存在する)と原子状の酸素が化合して化学的に極めて安定な炭酸ガスとなり、外部に排出される。一方、炭素と結合していた珪素は不対結合手が残るが、これは窒化されてSi−N結合等に変換される。
【0039】
本発明を、ニッケル、コバルト、鉄、白金、パラジウム等の非晶質珪素膜の結晶化を促進する元素を添加して結晶化させた結晶性珪素膜からなる活性層に適用した場合には格別の効果を有する。このような結晶化促進元素を添加して結晶化させた珪素膜の結晶性はことのほか良好であり、電界効果移動度も非常に高いものが得られたが、それだけにゲイト絶縁膜としても特性のよいものが望まれていた。本発明によるゲイト絶縁膜はそれにふさわしいものである。また、本発明のアニール工程により、結晶粒界等に残存する非晶質領域も結晶化でき、さらに結晶性を改善できる。
【0040】
本発明をレーザーアニールを施した珪素膜を用いる活性層に対して適用した場合には、本発明のアニール工程の際に、ゲイト絶縁膜の特性が改善される効果に加えて、レーザーアニールによって発生した珪素膜に対する歪みを該アニール工程において同時に緩和できるという効果も有する。
また、モノドメイン構造のように極めて結晶性のよい珪素膜に用いた場合には、ゲイト絶縁膜として熱酸化膜と同等の特性が要求されるが、本発明によって処理された熱酸化膜やCVD酸化膜、PVD酸化膜はその目的に適合するものである。
【0041】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例を図2に示す。本実施例は、ゲイト絶縁膜としてスパッタ法によって形成された酸化珪素膜を使用し、本発明による熱アニールを施してNチャネル型TFTを形成した例である。
まず、基板21(コーニング7059、100mm×100mm)上に下地の酸化膜22として、スパッタ法で酸化珪素膜を1000〜3000Å、例えば2000Å成膜した。この下地の酸化珪素膜22は基板からの汚染を防ぐためのものである。酸化珪素膜は酸素雰囲気もしくは一酸化二窒素雰囲気において、640℃で4時間の熱アニールをおこない、その表面の状態を安定化させた。
【0042】
次に、プラズマCVD法によって非晶質珪素膜を100〜1500Å、例えば500Å成膜した。その後、ニッケル、鉄、白金、パラジウム、コバルト等の結晶化を促進させる元素を非晶質珪素膜に微量添加してアニールし、結晶性珪素膜23を得た。本実施例においては、酢酸ニッケル溶液を非晶質珪素膜上に滴下して、スピンドライをおこなって、非晶質珪素膜上に酢酸ニッケルの極めて薄い膜を形成した。その後、窒素雰囲気中において、550℃、4時間の熱アニールを施すことによってニッケルを非晶質珪素膜に導入し、結晶化せしめた。以上の工程の後、さらに、得られた結晶性珪素膜の結晶性を向上させるためにレーザーアニールを施してもかまわない。(図2(A))
【0043】
次に、結晶性珪素膜23のエッチングをおこなって島状珪素膜24を形成した。この島状珪素膜24は、TFTの活性層である。そして、この島状珪素膜24を覆うように、ゲイト絶縁膜25として厚さ200〜1500Å、例えば1000Åの酸化珪素膜をスパッタ法によって形成した。本実施例においては、合成石英のターゲットを用い、酸素雰囲気中においてスパッタすることによって酸化珪素膜を形成した。スパッタガスとしては、アルゴンを用いてもよい。なお、本実施例においては、スパッタガスの圧力を1Pa、投入電力を350W、基板温度を200℃とした。
【0044】
ゲイト絶縁膜25を形成したのち、本発明のアニール処理をおこなってゲイト絶縁膜、特に、ゲイト絶縁膜と活性層の界面の特性を向上させた。本実施例においては、図1(A)に示す装置を用いた。網状の触媒5としては80〜250メッシュの白金網を用いた。本実施例においては、触媒5と基板4の間の距離は20〜80cmであった。また、アニールに用いる気体として、100%の一酸化二窒素を用いた。本実施例においては、熱アニール炉1の温度500〜650℃が好ましかった。本実施例では550℃とした。熱アニール炉1の圧力は0.5〜1.1気圧が好ましかったが、より減圧雰囲気としてもよかった。本実施例では1気圧とした。また、一酸化二窒素の流量は本実施例では5リットル/分とした。さらに、熱アニール時間は、本実施例では0.5〜6時間、例えば、1時間とした。この結果、酸化珪素膜中および珪素膜との界面における水素が窒化あるいは酸化されて減少し、逆に界面における窒素濃度が増加した。(図2(B))
【0045】
その後、厚さ3000Å〜2μm、例えば5000Åのアルミニウム(1wt%のSi、もしくは0.1〜0.3wt%のScを含む)膜をスパッタ法によって形成して、これをパターニングしてゲイト電極26を形成した。そして、アンモニアによってpH≒7に調整した1〜3%の酒石酸のエチレングリコール溶液に基板を浸し、白金を陰極、このアルミニウムのゲイト電極26を陽極として、陽極酸化をおこなった。陽極酸化は、最初一定電流で140Vまで電圧を上げ、その状態で1時間保持して終了させた。このようにして、厚さ約2000Åの陽極酸化物を形成した。(図2(C))
【0046】
その後、イオンドーピング法によって、島状珪素膜24にゲイト電極26をマスクとして自己整合的に不純物として燐を注入した。このときドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2 、加速電圧は50〜90kVが好ましかった。本実施例では、ドーズ量は1×1015原子/cm2 、加速電圧は80kVとした。この結果、N型の不純物領域(ソース/ドレイン領域)27が形成された。(図2(D))
さらに、レーザー光の照射によってドーピングされた不純物領域の活性化をおこなった。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を使用し、エネルギー密度は200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とした。
【0047】
その後、全面に層間絶縁膜28として酸化珪素膜をプラズマCVD法によって3000Å形成し、この層間絶縁膜28とゲイト絶縁膜25をエッチングしてソース/ドレイン領域27にコンタクトホールを形成した。さらに、アルミニウム膜をスパッタ法によって5000Å成膜して、これをエッチングし、ソース/ドレイン電極29、30を形成した。以上の工程によってNチャネル型のTFTを作製した。(図2(E))
【0048】
このようにして形成されたTFTは、ゲイト絶縁膜の耐性が優れているため、劣化が少なく、特性の優れたTFTが得られた。例えば、ドレイン電圧を+14Vに固定し、ゲイト電圧を−17〜+17Vまで、変動させ、TFTの特性の劣化を評価した。最初に測定して得られた電界効果移動度μ0 と、上記の電圧印加の後に測定して得られた電界効果移動度μ10において、1−(μ10/μ0 )を劣化率と定義すると、本実施例で得られたTFTの劣化率は1.3%であった。
比較のために、本発明のゲイト絶縁膜の熱アニール工程を一酸化二窒素雰囲気ではなく、窒素雰囲気として、550℃/3時間のアニール処理をおこなったものでは、他の作製条件が全く同じでも、劣化率は52.3%もあった。このことは窒素ガスは触媒によってほとんど反応性とならないためであると推定される。
【0049】
〔実施例2〕
本実施例を図3に示す。本実施例は、ゲイト絶縁膜としてTEOSおよび酸素を原料ガスとしたプラズマCVD法によって堆積した酸化珪素膜を使用し、本発明による熱アニールを施してCMOS型のTFTを形成した例である。
まず、基板31(NHテクノグラス製NA35、100mm×100mm)上に下地の酸化膜32として、酸化珪素膜をスパッタ法で2000Å成膜した。
【0050】
次に、プラズマCVD法によって非晶質珪素膜を500Å成膜した。その後、実施例1と同様に、酢酸ニッケル溶液をスピンドライをおこなうことによって、非晶質珪素膜上に酢酸ニッケルの膜を形成した。その後、窒素雰囲気中において、550℃、4時間の熱アニールを施すことによって非晶質珪素膜にニッケルを導入し、結晶化せしめた。その後、さらに結晶性を向上させるためにKrFエキシマーレーザー(波長248nm)を用いて、レーザーアニールを施した。レーザーのエネルギー密度は250〜350mJ/cm2 が適当であった。本実施例では300mJ/cm2 とした。以上のようにして、結晶性珪素膜33を得ることができた。このようにして得られた結晶性珪素膜は、比較的大きな(〜10μm□)結晶粒であり、かつ、その数倍〜10数倍の範囲において同一の結晶方位を示す、モノドメイン構造を有していた。(図3(A))
【0051】
次に、結晶性珪素膜33をエッチングして、島状珪素膜34、35を形成した。この島状珪素膜34、35はTFTの活性層となるものである。本実施例では、ランダムに活性層を形成したが、その中にTFTのチャネル形成領域がモノドメイン構造であるものも多く観察された。
その後、この島状珪素膜34、35を覆うように、ゲイト絶縁膜36として厚さ200〜1500Å、例えば1000Åの酸化珪素膜を形成した。本実施例においては、TEOSおよび酸素を原料ガスとして、プラズマCVD法によって酸化珪素膜を形成した。このとき、成膜条件としては、ガス圧を4Pa、投入電力を150W、基板温度を350℃とした。
【0052】
ゲイト絶縁膜を形成したのち、本発明のアニール処理をおこなってゲイト絶縁膜、特に、ゲイト絶縁膜と活性層の界面の特性を向上させた。本実施例においては、まず、基板を図1(B)の熱アニール装置に置き、最初は熱アニール炉11に水素を流し、350℃、2時間の熱アニールを施した。この結果、酸化珪素膜中に存在する不対結合を水素で埋めることができた。
次に、一酸化二窒素とアルゴンの混合気体(一酸化二窒素:アルゴン=1:10〜1:30)を流した。触媒反応室16の温度は200〜600℃、配管18の温度200〜600℃、熱アニール炉11の温度は400〜700℃が好ましかった。本実施例では、それぞれ、400℃、400℃、600℃とした。反応室の圧力は1気圧、反応ガスの流量は3リットル/分、熱アニール時間は1時間とした。なお、本実施例では、触媒反応室16には、網状の還元ニッケルを触媒15として設けた。本実施例では触媒の温度を実施例1に比較して低く保つことができたので、触媒を劣化させることなく、長時間にわたり一酸化二窒素の分解を促進することができた。
【0053】
以上の工程によって、酸化珪素膜中および珪素膜との界面における水素が窒化あるいは酸化されて減少した。この際、TEOSを原料ガスとしたため、熱アニール前の酸化珪素膜には炭素が含有されているが、この炭素も酸化され、炭酸ガスとして放出されて減少した。こうしてゲイト絶縁膜として好ましい酸化珪素膜とすることができた。(図3(B))
その後、厚さ6000Åの多結晶シリコン膜を減圧CVD法によって形成して、これをパターニングしてゲイト電極37、38を形成した。多結晶シリコン膜には導電性を向上せしめるために微量の燐を添加した。(図3(C))
【0054】
その後、イオンドーピング法によって、島状珪素膜34、35にゲイト電極37、38をマスクとして自己整合的に不純物を注入した。まず、Pチャネル型のTFTを形成する領域をフォトレジストのマスク39で覆って燐を注入し、N型不純物領域40(ソース/ドレイン領域)を形成した。このときドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2 、加速電圧は50〜90kVが好ましかった。本実施例では、ドーズ量を5×1014原子/cm2 、加速電圧は80kVとした。(図3(D))
【0055】
その後、Nチャネル型のTFTを形成する領域をフォトレジストのマスク41で覆って硼素を注入し、P型不純物領域42(ソース/ドレイン領域)を形成した。このときドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2 、加速電圧は40〜80kVが好ましかった。本実施例では、ドーズ量を1×1015原子/cm2 、加速電圧は65kVとした。(図3(E))
【0056】
さらに、レーザー光の照射によってドーピングされた不純物領域40、42の活性化をおこなった。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を使用し、エネルギー密度は200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とした。
その後、全面に層間絶縁膜43として酸化珪素膜をプラズマCVD法によって5000Å形成し、この層間絶縁膜43とゲイト絶縁膜36をエッチングしてソース/ドレイン領域40、42にコンタクトホールを形成した。さらに、アルミニウム膜をスパッタ法によって5000Å成膜して、エッチングをおこない、ソース/ドレイン電極44、45、46を形成して、CMOS型のTFTを作製した。(図3(F))
【0057】
〔実施例3〕
本実施例を図4に示す。本実施例は、ECR−CVD法によって形成された酸化珪素膜を使用し、本発明による熱アニールを施して、アクティブマトリクス回路のスイッチングトランジスタ(画素TFT)として、Pチャネル型のTFTを形成した例である。
まず、基板51(100mm×100mm)上に下地の酸化膜52として、減圧CVD法で酸化珪素膜を3000Å成膜した。
【0058】
次に、プラズマCVD法によって非晶質珪素膜を500Å成膜した。その後、実施例1と同様に、酢酸ニッケル溶液をスピンドライをおこなうことによって、非晶質珪素膜上に酢酸ニッケルの膜を形成し、さらに、窒素雰囲気中において、550℃、4時間の熱アニールを施すことによって、結晶化せしめ、結晶性珪素膜53を得た。その後、結晶性を向上させるためにレーザーアニールを施してもかまわない。(図3(A))
【0059】
次に、結晶性珪素膜53のパターニングをおこなって島状珪素膜54を形成した。この島状珪素膜54はTFTの活性層となるものである。そして、この島状珪素膜を覆うように、ゲイト絶縁膜として厚さ1200Åの酸化珪素膜55を形成した。本実施例においては、モノシラン(SiH4 )を原料ガス、一酸化二窒素を酸化剤として用いたECR−CVD法によって酸化珪素膜を形成した。このとき、酸化剤として一酸化二窒素以外に、酸素(O2 )、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO2 )等を使用してもかまわない。また、このときの成膜条件としては、基板加熱をおこなわず、マイクロ波(周波数2.45MHz)の投入電力を400Wでおこなった。
【0060】
なお、同じ原料ガス、酸化剤を用いて減圧CVD法によっても、同等な特性を有する酸化珪素膜が得られる。その際には、圧力0.1〜10torr、温度300〜500℃とすればよい。
ゲイト絶縁膜を形成したのち、本発明のアニール処理をおこなってゲイト絶縁膜の特性を向上させた。本実施例においては、図7に示す装置を用いた。本装置においては、触媒反応室76には、図7(B)のように折り曲げた配管にチタンを吸着させた粒状もしくは粉状のシリカゲル75を詰めた。触媒反応室76はヒーター77により200〜400℃、例えば、300℃に加熱された。
熱アニール炉71には、複数のサセプター73を設け、それぞれに基板74を設置した。反応室71はヒーター72により、一定の温度に保たれる。本実施例においては熱アニール炉の温度は550℃とした。
【0061】
本実施例においては熱アニール雰囲気として、アンモニアをアルゴンによって1〜5%に希釈したものを用いた。熱アニール炉71には5リットル/分の流量で上記の希釈されたアンモニアを流した。上記の条件で、1時間の熱アニールを施した。この結果、酸化珪素膜を窒化することができた。その後、反応気体を一酸化二窒素雰囲気中に切り換えて、実施例1、2と同様の条件でさらに熱アニールをおこなってもよかった。(図4(B))
【0062】
その後、厚さ6000Åのアルミニウム膜をスパッタ法によって形成して、これをパターニングしてゲイト電極56を形成した。アルミニウム膜にはヒロックを防止するために微量(0.1〜0.5重量%)のスカンジウムを添加した。(図4(C))
その後、イオンドーピング法によって、島状珪素膜54にゲイト電極56をマスクとして自己整合的に不純物として硼素を注入した。このときドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2 、加速電圧は40〜80kV、例えばドーズ量を1×1015原子/cm2 、加速電圧は65kVとした。この結果、P型不純物領域57(ソース/ドレイン領域)が形成された。(図4(D))
【0063】
さらに、レーザー光の照射によってドーピングされた不純物領域57の活性化をおこなった。レーザー光としては、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅20nsec)を使用し、エネルギー密度は200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とした。
その後、全面に層間絶縁膜58として酸化珪素膜をプラズマCVD法によって3000Å形成し、この層間絶縁膜58とゲイト絶縁膜55をエッチングしてソース領域にコンタクトホールを形成した。さらに、アルミニウム膜をスパッタ法によって5000Å成膜して、エッチングをおこない、ソース電極59を形成した。(図4(E))
【0064】
その後、パッシベーション膜60として窒化珪素膜をプラズマCVD法によって2000Å形成した。そして、パッシベーション膜60、層間絶縁膜58、ゲイト絶縁膜55をエッチングして、ドレイン領域にコンタクトホールを形成した。さらに、ITO膜をスパッタ法によって形成し、これをエッチングして画素電極61を形成した。以上の工程によって画素TFTを作製した。(図4(F))
【0065】
【発明の効果】
上述のように、本発明によって、TFTの特性が大幅に改善された。すなわち、ゲイト絶縁膜と活性層との界面においては再結合中心を低減することができ、この結果、S値および電界効果移動度が向上した。また、ゲイト絶縁膜自体の耐圧も向上させることができ、TDDB(time dependence dielectric breakdown)も向上させることができた。以上のようにゲイト絶縁膜と界面の特性を向上させた結果、特に、ホットエレクトロンの注入に対してゲイト絶縁膜に電子がトラップされるような欠陥が少ないため、ホットエレクトロンに由来する劣化(Hot Carrier Degradation)が低減し、信頼性が向上した。
【0066】
本発明では、素子に対する最高プロセス温度を700℃以下、好ましくは650℃以下とすることでき、そのことによる工業的利益は格別のものがある。
実施例では、ガラス基板上のTFTを中心に説明したが、多層集積回路(立体集積回路、3次元集積回路ともいう)等に本発明を適用しても優れた効果が得られることは明らかである。このように本発明は工業上有益な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を実施するための装置の概念図を示す。
【図2】 実施例1の工程を示す。
【図3】 実施例2の工程を示す。
【図4】 実施例3の工程を示す。
【図5】 本発明の効果を説明する。
【図6】 本発明による処理を施した酸化珪素膜中の窒素濃度を示す。
【図7】 本発明を実施するための装置の概念図を示す。
【符号の説明】
1・・・・熱アニール炉
2・・・・熱アニール炉のヒーター
3・・・・サセプター
4・・・・基板
5・・・・網状の触媒
11・・・・熱アニール炉
12・・・・熱アニール炉のヒーター
13・・・・サセプター
14・・・・基板
15・・・・網状の触媒
16・・・・触媒反応室
17・・・・触媒反応室のヒーター
18・・・・配管(石英)
19・・・・配管のヒーター
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor device having an insulating gate structure using an insulating substrate such as glass or a silicon film provided on an insulating film formed on various substrates, such as a thin film transistor (TFT) or a thin film diode (TFD). ), Or a thin film integrated circuit to which these are applied, particularly a thin film integrated circuit for an active liquid crystal display device (liquid crystal display), and a manufacturing method thereof. The present invention relates to a gate insulating film processing method and a gate insulating film processing apparatus for forming a device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, semiconductor devices having TFTs on an insulating substrate such as glass, for example, active liquid crystal display devices and image sensors that use TFTs for driving pixels have been developed. As these substrates, glass substrates having a strain point of 750 ° C. or lower, typically 550 to 680 ° C. are generally used from the viewpoint of mass productivity and cost. Therefore, when such a glass substrate is used, the maximum process temperature is required to be 700 ° C. or lower, preferably 650 ° C. or lower.
[0003]
A thin film silicon semiconductor is generally used for TFTs used in these devices. Thin film silicon semiconductors are roughly classified into two types: those made of amorphous silicon semiconductor (a-Si) and those made of crystalline silicon semiconductor. Amorphous silicon semiconductors are most commonly used because they have a low production temperature, can be produced relatively easily by a vapor phase method, and are mass-productive. However, field effect mobility, conductivity, etc. Since the physical properties are inferior to those of crystalline silicon semiconductors, in order to obtain higher speed characteristics in the future, it is strongly required to establish a method for manufacturing TFTs made of crystalline silicon semiconductors.
[0004]
In the case of a TFT using amorphous silicon having a low mobility, the characteristics of the gate insulating film have not been a problem. For example, in a TFT using amorphous silicon, a silicon nitride film having inferior electrical characteristics than silicon oxide is used as a gate insulating film. However, in a TFT using a crystalline silicon film with high mobility, the characteristics of the gate insulating film are as large as the characteristics of the silicon film itself.
[0005]
In particular, as the technology for obtaining a crystalline silicon film has improved, the demand for a high-quality gate insulating film has increased greatly. In particular, even if the channel formation region is substantially composed of one single crystal or a plurality of crystals, the TFT is made of a crystalline silicon film in which all the crystal orientations are the same (this crystal state is called a monodomain). However, unlike a TFT using normal polycrystalline silicon, the contribution to the deterioration of the grain boundary characteristics is very small, and the electrical characteristics are almost determined by the characteristics of the gate insulating film.
[0006]
That is, in a normal polycrystalline structure, the crystal orientations of two crystals constituting a grain boundary are different from each other, resulting in a high grain boundary barrier (barrier). However, in the monodomain structure, even if it is composed of a plurality of crystals, the crystal orientation of two crystals sandwiching the boundary corresponding to the grain boundary in a normal polycrystal is the same. The barrier is very low and almost no different from single crystals. Therefore, in the monodomain structure, the contribution of the grain boundary to the characteristics of the TFT is small and is almost determined by the gate insulating film.
[0007]
A thermal oxide film is known as an excellent gate insulating film suitable for such a purpose. For example, a gate insulating film could be obtained using a thermal oxidation method on a substrate that can withstand high temperatures such as a quartz substrate. (For example, Japanese Patent Publication No. 3-71793)
However, in order to obtain a silicon oxide film that can be used as a gate insulating film by the thermal oxidation method, a high temperature of 950 ° C. or higher is necessary, and there is no substrate material other than quartz that can withstand such high-temperature processing. It was. In order to use a glass substrate having a low strain point as described above, the maximum process temperature must be 700 ° C. or lower, preferably 650 ° C. or lower. However, the thermal oxidation method cannot satisfy this requirement. .
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Even at 700 ° C. or lower, a thermal oxide film could be formed under special conditions such as high-pressure steam oxidation. For example, a thermal oxide film of 100 to 1000 mm can be formed by thermal oxidation at 500 to 700 ° C. However, the thermal oxide film thus obtained has a higher hydrogen concentration than the thermal oxide film obtained at a high temperature, and the characteristics of the TFT using this as a gate insulating film were extremely poor.
Because of these problems, the gate insulating film must be formed using a physical vapor deposition (PVD) method such as a sputtering method, or a chemical vapor deposition (CVD) method such as a plasma CVD method or a thermal CVD method. I didn't get it. In these methods, the maximum process temperature could be 650 ° C. or less.
[0009]
However, the insulating film produced by the PVD method or the CVD method has a high concentration of dangling bonds and hydrogen, and the interface characteristics are not good. Therefore, it is weak against injection of hot electrons or the like, and charge trapping (recombination) centers are easily formed due to dangling bonds and hydrogen. Moreover, the pressure resistance was also low. In particular, many recombination centers were formed at the interface with crystalline silicon. For this reason, when used as a gate insulating film of a TFT, there is a problem that the electric field mobility and the subthreshold characteristic value (S value) are not good, or there is a large leakage current of the gate electrode, and the on-current decreases (deteriorates)・ There was a problem that the change over time) was large.
[0010]
For example, when a sputtering method that is a PVD method is used, if a synthetic quartz made of high-purity oxygen and silicon is used as a target, only a film of a compound of oxygen and silicon can be formed in principle. However, it has been extremely difficult to obtain a silicon oxide film in which the ratio of oxygen and silicon in the obtained film is close to the stoichiometric ratio and has few dangling bonds. For example, when oxygen is used as the sputtering gas, a silicon oxide film close to the stoichiometric ratio can be obtained. However, oxygen has a small atomic weight and a low sputtering rate (deposition rate), and is not suitable as a sputtering gas when mass production is considered.
[0011]
Further, in an atmosphere of argon or the like, although a sufficient film forming speed was obtained, the ratio of oxygen and silicon was different from the stoichiometric ratio, and it was extremely inappropriate as a gate insulating film.
Further, it is difficult to reduce the dangling bonds of silicon in any sputtering atmosphere. By performing hydrogen annealing after film formation, the dangling bonds of silicon, Si. Or SiO., Are changed to Si-H, Si. It was necessary to stabilize as -OH. However, the Si—H and Si—OH bonds are unstable, and are easily broken by accelerated electrons such as hot electrons, and changed to the unpaired bonds of the original silicon. The presence of such weakly bonded Si—H and Si—OH is a cause of deterioration due to the hot electron injection described above.
[0012]
Similarly, a silicon oxide film manufactured using a plasma CVD method contains a large amount of hydrogen in the form of Si—H and Si—OH, which has been a source of the above problems. In addition, when tetra ethoxy silane (TEOS) is used as a relatively easy silicon source, there is a problem that carbon is contained in the silicon oxide film. The present invention provides means for improving the characteristics of a silicon oxide film deposited by such a PVD method or CVD method.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a thermal oxide film formed by oxidizing a silicon film at a temperature of 500 to 700 ° C., mainly composed of silicon oxide deposited over island-like crystalline silicon by a PVD method or a CVD method. The gate insulating film is excited by using a catalyst heated to an appropriate temperature, or is thermally annealed at 400 to 700 ° C. in a highly reactive gas atmosphere having decomposed nitrogen, whereby a silicon oxide film To reform. As the gas used in the present invention, dinitrogen monoxide (N2O), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) And other nitrogen oxides (general formula NHx: 0.5 ≦ x ≦ 2.5) or ammonia (NHThree), Hydrazine (N2HFour ) And other hydrogen nitrides (general formula NHx : 1.5 ≦ x ≦ 3) is preferable.
[0014]
Hereinafter, a gas having nitrogen oxide (or hydrogen nitride) excited or decomposed by a catalyst is referred to as reactive nitrogen oxide (reactive hydrogen nitride). In the present invention, the reactive nitrogen oxide (or reactive hydrogen nitride) may be composed only of nitrogen oxide (hydrogen nitride), but it is particularly preferable that argon or other inert gas is mixed therein. . The thermal annealing using such reactive nitrogen oxides or reactive hydrogen nitride improves the characteristics of the silicon oxide film, particularly at the interface with the silicon film. However, water (H2O) and carbon dioxide (CO, CO2Etc.) is not preferable. Water and carbon dioxide should be 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less.
[0015]
Before and after the thermal annealing process using reactive nitrogen oxide or hydrogen nitride as described above, normal (excited state molecules or active species are low in concentration) hydrogen nitride or nitrogen oxide, or hydrogen, oxygen, Thermal annealing may be performed in an atmosphere such as ozone. Further, for example, a thermal annealing treatment with reactive hydrogen nitride may be performed after a thermal annealing treatment with reactive nitrogen oxide, and conversely, a reaction after a thermal annealing treatment with reactive hydrogen nitride may be performed. A thermal annealing treatment with a reactive nitrogen oxide may be performed. Of course, a thermal annealing process using only reactive nitrogen oxides or only reactive hydrogen nitride may be used.
[0016]
An example of an apparatus for carrying out the present invention is shown in FIG. In order to carry out the present invention, a catalyst for exciting or decomposing hydrogen nitride or nitrogen oxide is first required. In the example of FIG. 1A, a net-like catalyst 5 is provided inside the thermal annealing furnace 1. The catalyst is preferably a 3d transition metal such as platinum, palladium, reduced nickel, cobalt, titanium, vanadium, or tantalum, or a mixture of these with alumina and silica gel.
A susceptor 3 is provided inside the thermal annealing furnace 1, and a large number of substrates 4 are mounted on the susceptor so that a large number of substrates can be processed at a time. The thermal annealing furnace 1 is heated by a heater 2. If there is a temperature distribution in the thermal annealing furnace of the present invention, a large number of substrates cannot be processed uniformly at the same time, so special attention must be paid to the temperature distribution in the thermal annealing furnace. It is also effective to lower the atmospheric pressure below atmospheric pressure.
[0017]
In the present invention, the lower limit of the temperature of the thermal annealing furnace 1 is determined by the reaction rate, and the upper limit is determined by the material to be heat-treated such as a substrate. In view of these, the temperature of the thermal annealing furnace is 400 to 700 ° C., preferably 450 ˜650 ° C. is appropriate. The higher the temperature of the thermal annealing furnace, the more easily the reaction proceeds. However, for example, when a glass substrate is used, it may cause thermal shrinkage. Particularly at 650 to 700 ° C., many glass substrates cause thermal shrinkage, which is a problem in forming a fine pattern. When using a glass substrate, it is desirable to set the temperature below the strain point.
[0018]
In the above case, the catalyst is used after being heated to the temperature of the thermal annealing furnace. That is, if the temperature of the thermal annealing furnace 1 is 700 ° C., the temperature of the catalyst is also 700 ° C. In the 3d transition metal catalyst as described above, a temperature of 200 to 600 ° C. is preferable, and such a temperature may cause deterioration of the catalyst. Therefore, in order to suppress the deterioration of the catalyst by operating the catalyst at a lower temperature, the reaction chamber 16 for exciting and decomposing hydrogen nitride or nitrogen oxide gas by the catalyst is used as a thermal annealing furnace as shown in FIG. It is good to employ | adopt the structure which leaves | separates from 11 and connects between with the piping 18 between them. In this case, the thermal annealing furnace 11 is heated by the heater 12, and the catalyst reaction chamber 16 is heated by the heater 17. For this reason, it is possible to make the temperature of a catalytic reaction chamber as low as 200-400 degreeC. In this example as well, the catalyst 15 was reticulated.
[0019]
In such a structure, it was particularly preferable to use a solution obtained by diluting hydrogen nitride or nitrogen oxide with an inert gas such as argon because the reactivity can be maintained over a long distance for a long time. That is, the reactivity can be maintained for 0.1 to 10 seconds under appropriate conditions. For this reason, the distance between the catalytic reaction chamber 18 and the thermal annealing furnace 11 can be set to 0.1 to 1 m.
Note that when the temperature of the pipe 18 between the thermal annealing furnace and the catalytic reaction chamber is extremely low, the gas molecules excited in the catalytic reaction chamber return to the ground state and the reactivity decreases. Therefore, in order to maintain the reactivity, it is desirable to provide the heater 19 also in the pipe 18 so as to be kept at an appropriate temperature. The temperature of the pipe 18 is preferably an intermediate temperature between the thermal annealing furnace and the catalytic reaction chamber.
[0020]
Further, it is desirable that the inner wall of the pipe 18 is made of a material mainly composed of quartz so that reactive gas molecules do not react. Preferably, high-purity quartz made of 90 mol% or more silicon oxide is used.
When the inner wall is made of a metal material, atomic or excited molecules are stabilized by returning to the ground state or recombining, and are not reactive. However, when the inner wall is made of quartz, such an effect is small. For example, even if the inner wall is 50 to 100 cm away from the first reaction chamber, many atoms and molecules are in an activated state.
In the thermal annealing furnace 11, as in FIG. 1A, a large number of substrates 14 may be mounted on the susceptor 13 so that a large number of substrates can be processed at a time.
[0021]
In the above example, all the catalysts are net-like, but may be powdery or granular as long as they are held in a suitable container.
As a method for manufacturing the gate insulating film in the present invention, for example, a sputtering method may be used as the PVD method, and a plasma CVD method, a low pressure CVD method, or an atmospheric pressure CVD method may be used as the CVD method. Other film forming methods can also be used. As the plasma CVD method and the low pressure CVD method, a method using TEOS as a raw material may be used. In order to deposit a silicon oxide film using TEOS and oxygen as raw materials by the plasma CVD method, the substrate temperature is preferably 200 to 500 ° C. In the low pressure CVD method, the reaction using TEOS and ozone proceeds at a relatively low temperature (for example, 375 ° C. ± 20 ° C.), and a silicon oxide film can be obtained.
Similarly, monosilane (SiHFour) And oxygen (O2Or a silicon oxide film that is not damaged by plasma can be obtained by using monosilane and nitrogen oxides such as dinitrogen monoxide as raw materials.
[0022]
A combination of monosilane and nitrogen oxide may be used for the plasma CVD method. Further, among the plasma CVD methods, the ECR-CVD method using discharge under ECR (electron cyclotron resonance) conditions can reduce the damage caused by the plasma, so that a better gate insulating film can be formed.
According to the knowledge of the present inventor, an insulating film mainly composed of silicon oxide which is hard to some extent is suitable as a gate insulating film of TFT. As a specific index, the etching rate by buffer hydrofluoric acid at 23 ° C. mixed at a ratio of hydrofluoric acid 1, ammonium fluoride 50, and acetic acid 50 is 1000 kg / min or less, typically 300 to 800 kg / min. It was found that a silicon oxide film is preferable. 1 × 10 on average17~ 1x10twenty oneAtom / cmThreeIn most cases, silicon oxide films containing such nitrogen satisfy the etching rate conditions.
[0023]
In order to form crystalline silicon to be an active layer in the present invention, an amorphous silicon film obtained by a CVD method such as a plasma CVD method or a low pressure CVD method is used as a starting material. There is a street way. The first is a method of crystallizing by forming an amorphous silicon film and then performing thermal annealing at a temperature of 500 to 650 ° C. for an appropriate time. During the crystallization, an element that promotes crystallization of amorphous silicon, such as nickel, iron, platinum, palladium, or cobalt, may be added. When these elements are added, the crystallization temperature can be lowered and the crystallization time can be shortened.
[0024]
If these elements are contained in high concentrations, the semiconductor properties of silicon are impaired, so it is desirable that the concentrations be low enough that they are sufficient for crystallization and have little influence on the semiconductor properties. That is, the minimum value in the silicon film measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) is 1 × 1015~ 3x1019Atom / cmThreeIt is preferable that it is the density | concentration of. Since the concentration distribution of the element that promotes crystallization varies depending on the processing method of the silicon film, the minimum value may be obtained at the interface or in the vicinity of the center of the film.
As a second method, there is a so-called laser annealing method in which an amorphous silicon film is crystallized by irradiating strong light such as laser. Which one of the first and second methods is selected may be determined in consideration of the characteristics of TFTs required by those implementing the present invention, available devices, capital investment, and the like. .
[0025]
Further, the first method and the second method may be combined. For example, after crystallizing by thermal annealing, a method of further increasing crystallinity by laser annealing may be used. In particular, when thermal annealing was performed with the addition of a crystallization-promoting element such as nickel, it was observed that amorphous portions remained at the grain boundaries and the like. A laser annealing method is effective for achieving this.
Conversely, by thermally annealing a silicon film crystallized by a laser annealing method, the stress strain of the film caused by laser annealing can be relaxed.
[0026]
[Action]
Thermally oxidized films obtained by oxidation at a low temperature of 500 to 700 ° C. and silicon oxide films formed by CVD or PVD methods have many dangling bonds of silicon, Si—H bonds, or Si—OH bonds. It is included. When such a silicon oxide film is treated in a dinitrogen monoxide atmosphere at a high temperature of 800 ° C. or higher, the Si—H bond in the silicon oxide is nitrided or oxidized, and Si≡N or Si2= N—O bond, Si—N═O bond and the like. The Si—OH bond changes as well. In particular, this reaction easily proceeds at the interface between silicon oxide and silicon, and as a result, nitrogen is concentrated at the silicon oxide-silicon interface. The amount of nitrogen added concentrated in the vicinity of the interface by such means is 10 times or more the average concentration of the silicon oxide film. Further, it is preferable for the gate insulating film to contain 0.1 to 10 atomic%, typically 1 to 5 atomic% of nitrogen in silicon oxide.
[0027]
However, such a reaction did not proceed at a low temperature of 750 ° C. or lower. This is because dinitrogen monoxide is not decomposed at such a low temperature, so that active atoms / molecules that penetrate into the silicon oxide film could not be obtained. That is, in the above reaction, the decomposition reaction of dinitrogen monoxide was rate limiting. Even if other nitrogen oxides such as nitrogen monoxide and nitrogen dioxide have different optimum temperatures, the temperature is the same, and the silicon oxide film is 400 to 700 ° C., preferably 450 to 650 ° C. as the object of the present invention. Further, the modification of the interface between the silicon oxide film and the active layer was impossible.
[0028]
However, when such a nitrogen oxide is made reactive by a catalyst heated to an appropriate temperature as in the present invention, active atoms / molecules are contained therein, so that the temperature is 700 ° C. or lower. Even at a temperature, it enters the silicon oxide film and causes the above reaction. Even if it becomes reactive by such means, its life is very short. For example, even if a catalyst is provided in the same furnace as shown in FIG. Has a sufficient lifetime, so that it effectively acts on a substrate located at a position away from the catalyst.
[0029]
In particular, by paying attention to this, it is possible to separate a reaction chamber for causing a reaction by a catalyst and a reaction chamber for processing a gate insulating film. The reactivity was maintained for a very long time, particularly in an atmosphere diluted with argon or other inert gas. Also in the present invention, a temperature of 400 to 700 ° C. is necessary for thermal annealing, but this temperature is not a temperature for decomposing nitrogen oxides, but active atoms / molecules enter the inside of the silicon oxide film. The temperature required for
[0030]
A similar phenomenon occurs in an atmosphere of hydrogen nitride such as ammonia or hydrazine. For example, when annealing a silicon oxide film deposited by CVD or PVD at a high temperature of 850 ° C. or higher in an ammonia atmosphere, silicon dangling bonds, Si—H bonds and Si—OH bonds are nitrided, and Si ≡N etc. This reaction also does not proceed at 650 ° C. or lower because ammonia decomposes and a high temperature of 850 ° C. or higher is required to obtain active nitrogen atoms.
[0031]
Therefore, if ammonia is made reactive in advance, the nitriding reaction proceeds even at a low temperature of 400 to 700 ° C.
Note that in the treatment with hydrogen nitride, Si—H bonds and Si═O bonds are nitrided, and Si—N═H.2Sometimes it becomes. This is the same even when it is not reactive. Such bonds are then converted into extremely stable Si≡N bonds or Si—N═O bonds by annealing in a dinitrogen monoxide atmosphere.
[0032]
In the present invention, the reaction to the gate insulating film is different between when hydrogen nitride is used and when nitrogen oxide is used. ThatFIG.Will be described. FIG. 6A shows the nitrogen concentration of a crystalline silicon active layer deposited by sputtering and analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The quantitative value is effective only in the silicon oxide (gate insulating film) portion, and 1 × 1018Atom / cmThree Of nitrogen. A peak is observed in the nitrogen concentration near the interface between the active layer and the gate insulating film. This is due to the effect of the material discontinuity (matrix effect), and the nitrogen concentration does not actually increase at the interface. Absent.
[0033]
Using the device of FIG.Dinitrogen monoxideAnd anneal for 1 hour in an ammonia atmosphere. At this time, the substrate temperature is 600 ° C. When the silicon oxide film subjected to such treatment is similarly analyzed by SIMS, it is as shown in FIGS. In b treated with dinitrogen monoxide, a peak of nitrogen concentration is observed at the interface as in a, but the maximum value is two orders of magnitude larger than a. This means that the matrix effect is of course present, but more than that, it actually means that nitrogen is accumulated near the interface.
[0034]
On the other hand, in the case of c treated with ammonia, the nitrogen concentration is increased in the whole gate insulating film, and it is not particularly observed concentrated on the interface. In this way, by performing the ammonia treatment, the silicon oxide becomes silicon oxynitride.
The effect is particularly remarkable when the present invention is applied to a silicon oxide film (particularly, a silicon oxide film in which the oxygen concentration in the film is less than the stoichiometric ratio) formed by sputtering. That is, if such a film is annealed in a reactive nitrogen oxide atmosphere, deficient oxygen can be compensated and the composition of the silicon oxide film can be brought close to the stoichiometric ratio. Similarly, in annealing in a reactive hydrogen nitride atmosphere, nitrogen enters a position where oxygen should enter, whereby an electrically stable silicon oxynitride film is obtained.
[0035]
The above shows that the formation of a silicon oxide film by sputtering is not disadvantageous. That is, conventionally, the formation of a silicon oxide film by a sputtering method can be performed only in an atmosphere under limited conditions because the composition is close to the stoichiometric ratio. For example, considering a system of a mixed atmosphere of oxygen and argon as the atmosphere, it is necessary to satisfy the condition of oxygen / argon> 1, and it is desirable to perform in a pure oxygen atmosphere. For this reason, the film formation rate is low and it is not suitable for mass production. In addition, oxygen is a reactive gas, and oxidation of vacuum devices, chambers and the like has been a problem.
[0036]
However, according to the present invention, even a silicon oxide film having a composition separated from the stoichiometric composition can be converted into a silicon oxide film suitable for use as a gate insulating film according to the present invention. However, it can be carried out under more advantageous conditions with respect to the film formation rate, such as oxygen / argon ≦ 1. For example, the deposition rate is extremely high as in a pure argon atmosphere, and deposition can be performed under stable conditions.
[0037]
When the present invention is applied to a silicon oxide film formed by a CVD method such as a plasma CVD method or a low pressure CVD method using a silicon source containing carbon such as TEOS, a special effect is obtained. These silicon oxide films contain a large amount of carbon. In particular, carbon existing in the vicinity of the interface with the silicon film is a cause of deteriorating the characteristics of the TFT. In the present invention, in particular, when oxidation is advanced by annealing in a reactive nitrogen oxide atmosphere, carbon is also oxidized and released as carbon dioxide gas to the outside, thereby reducing the carbon concentration in the film. it can.
[0038]
This process will be described with reference to FIG. In this example, dinitrogen monoxide is used as the nitrogen oxide. Reactive dinitrogen monoxide is rich in atomic nitrogen and oxygen. These can easily enter the silicon oxide film. Then, carbon existing in silicon oxide (mostly in the form of Si—C bonds) and atomic oxygen combine to form a chemically extremely stable carbon dioxide gas, which is discharged outside. On the other hand, silicon bonded to carbon has unpaired bonds, but this is nitrided and converted into Si—N bonds or the like.
[0039]
When the present invention is applied to an active layer made of a crystalline silicon film crystallized by adding an element that promotes crystallization of an amorphous silicon film such as nickel, cobalt, iron, platinum, palladium, etc. It has the effect of. The crystallinity of the silicon film crystallized by adding such crystallization-promoting elements is particularly good, and the field effect mobility is very high. A good one was desired. The gate insulating film according to the present invention is suitable for it. Further, the annealing process of the present invention can also crystallize the amorphous region remaining in the crystal grain boundary and the like, and further improve the crystallinity.
[0040]
When the present invention is applied to an active layer using a silicon film subjected to laser annealing, it is generated by laser annealing in addition to the effect of improving the characteristics of the gate insulating film during the annealing process of the present invention. There is also an effect that strain on the silicon film can be alleviated at the same time in the annealing step.
In addition, when used for a silicon film having extremely good crystallinity such as a monodomain structure, the gate insulating film must have the same characteristics as a thermal oxide film. However, the thermal oxide film or CVD processed by the present invention is required. The oxide film and the PVD oxide film are suitable for the purpose.
[0041]
【Example】
[Example 1]
This embodiment is shown in FIG. In this example, a silicon oxide film formed by a sputtering method is used as a gate insulating film, and thermal annealing according to the present invention is performed to form an N-channel TFT.
First, on the substrate 21 (Corning 7059, 100 mm × 100 mm), a silicon oxide film was formed as a base oxide film 22 by sputtering to 1000 to 3000 mm, for example, 2000 mm. This underlying silicon oxide film 22 is for preventing contamination from the substrate. The silicon oxide film was thermally annealed at 640 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere or a dinitrogen monoxide atmosphere to stabilize the surface state.
[0042]
Next, an amorphous silicon film having a thickness of 100 to 1,500, for example, 500, was formed by plasma CVD. Thereafter, a slight amount of an element that promotes crystallization, such as nickel, iron, platinum, palladium, cobalt, etc., was added to the amorphous silicon film and annealed to obtain a crystalline silicon film 23. In this example, a nickel acetate solution was dropped on the amorphous silicon film and spin-dried to form a very thin film of nickel acetate on the amorphous silicon film. Thereafter, nickel was introduced into the amorphous silicon film by crystallization at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to cause crystallization. After the above steps, laser annealing may be further performed to improve the crystallinity of the obtained crystalline silicon film. (Fig. 2 (A))
[0043]
Next, the crystalline silicon film 23 was etched to form an island-like silicon film 24. This island-like silicon film 24 is an active layer of the TFT. Then, a silicon oxide film having a thickness of 200 to 1500 mm, for example, 1000 mm, was formed as the gate insulating film 25 so as to cover the island-shaped silicon film 24 by sputtering. In this embodiment, a silicon oxide film is formed by sputtering in an oxygen atmosphere using a synthetic quartz target. Argon may be used as the sputtering gas. In this embodiment, the sputtering gas pressure was 1 Pa, the input power was 350 W, and the substrate temperature was 200 ° C.
[0044]
After forming the gate insulating film 25, the annealing process of the present invention was performed to improve the characteristics of the gate insulating film, particularly the interface between the gate insulating film and the active layer. In this example, the apparatus shown in FIG. As the reticulated catalyst 5, an 80-250 mesh platinum net was used. In this example, the distance between the catalyst 5 and the substrate 4 was 20 to 80 cm. Further, 100% dinitrogen monoxide was used as a gas used for annealing. In this embodiment, the temperature of the thermal annealing furnace 1 was preferably 500 to 650 ° C. In this embodiment, the temperature was 550 ° C. Although the pressure of the thermal annealing furnace 1 was preferably 0.5 to 1.1 atm, it could be a reduced pressure atmosphere. In this example, the pressure was 1 atm. The flow rate of dinitrogen monoxide was 5 liters / minute in this example. Furthermore, the thermal annealing time was set to 0.5 to 6 hours, for example, 1 hour in this example. As a result, hydrogen in the silicon oxide film and at the interface with the silicon film decreased due to nitridation or oxidation, and conversely, the nitrogen concentration at the interface increased. (Fig. 2 (B))
[0045]
Thereafter, an aluminum (including 1 wt% Si or 0.1 to 0.3 wt% Sc) film having a thickness of 3000 to 2 μm, for example 5000 mm, is formed by sputtering, and patterned to form the gate electrode 26. Formed. Then, the substrate was immersed in an ethylene glycol solution of tartaric acid adjusted to pH≈7 with ammonia, and anodization was performed using platinum as a cathode and the aluminum gate electrode 26 as an anode. The anodic oxidation was terminated by first increasing the voltage to 140 V at a constant current, and maintaining that state for 1 hour. In this way, an anodic oxide having a thickness of about 2000 mm was formed. (Fig. 2 (C))
[0046]
Thereafter, phosphorus was implanted as an impurity into the island-like silicon film 24 in a self-aligning manner by ion doping using the gate electrode 26 as a mask. At this time, the dose is 1 × 1014~ 8x1015Atom / cm2The acceleration voltage was preferably 50 to 90 kV. In this embodiment, the dose amount is 1 × 10.15Atom / cm2The acceleration voltage was 80 kV. As a result, an N-type impurity region (source / drain region) 27 was formed. (Fig. 2 (D))
Furthermore, the doped impurity region was activated by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) is used, and the energy density is 200 to 400 mJ / cm.2For example, 250 mJ / cm2It was.
[0047]
Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 3000 Å was formed as an interlayer insulating film 28 by plasma CVD on the entire surface, and the interlayer insulating film 28 and the gate insulating film 25 were etched to form contact holes in the source / drain regions 27. Further, an aluminum film having a thickness of 5000 mm was formed by sputtering, and this was etched to form source / drain electrodes 29 and 30. Through the above process, an N-channel TFT was manufactured. (Figure 2 (E))
[0048]
Since the TFT formed in this manner has excellent resistance to the gate insulating film, a TFT with little deterioration and excellent characteristics was obtained. For example, the drain voltage was fixed at + 14V, the gate voltage was varied from -17 to + 17V, and the deterioration of the TFT characteristics was evaluated. Field-effect mobility μ obtained by first measurement0And the field-effect mobility μ obtained after measurement after the voltage applicationTen1- (μTen/ Μ0) Is defined as the deterioration rate, the deterioration rate of the TFT obtained in this example was 1.3%.
For comparison, when the gate insulating film thermal annealing step of the present invention is performed in a nitrogen atmosphere instead of a dinitrogen monoxide atmosphere and is annealed at 550 ° C./3 hours, the other manufacturing conditions are the same. The deterioration rate was 52.3%. This is presumed to be because nitrogen gas is hardly reactive by the catalyst.
[0049]
[Example 2]
This embodiment is shown in FIG. In this embodiment, a silicon oxide film deposited by plasma CVD using TEOS and oxygen as source gases is used as a gate insulating film, and thermal annealing according to the present invention is performed to form a CMOS type TFT.
First, a silicon oxide film having a thickness of 2000 mm was formed as a base oxide film 32 on a substrate 31 (NH Techno Glass NA35, 100 mm × 100 mm) by sputtering.
[0050]
Next, 500 nm of an amorphous silicon film was formed by plasma CVD. Thereafter, as in Example 1, a nickel acetate solution was spin-dried to form a nickel acetate film on the amorphous silicon film. Thereafter, nickel was introduced into the amorphous silicon film and crystallized by performing thermal annealing at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. Thereafter, in order to further improve the crystallinity, laser annealing was performed using a KrF excimer laser (wavelength 248 nm). Laser energy density is 250-350mJ / cm2Was appropriate. In this example, 300 mJ / cm2It was. As described above, the crystalline silicon film 33 was obtained. The crystalline silicon film thus obtained has a monodomain structure that is relatively large (-10 μm square) crystal grains and exhibits the same crystal orientation in the range of several to ten-fold times. Was. (Fig. 3 (A))
[0051]
Next, the crystalline silicon film 33 was etched to form island silicon films 34 and 35. These island-like silicon films 34 and 35 become active layers of the TFT. In this example, active layers were randomly formed, but many of them were observed in which the channel formation region of the TFT had a monodomain structure.
Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 200 to 1500 mm, for example, 1000 mm, was formed as the gate insulating film 36 so as to cover the island-shaped silicon films 34 and 35. In this embodiment, a silicon oxide film is formed by plasma CVD using TEOS and oxygen as source gases. At this time, as the film forming conditions, the gas pressure was 4 Pa, the input power was 150 W, and the substrate temperature was 350 ° C.
[0052]
After forming the gate insulating film, the annealing treatment of the present invention was performed to improve the characteristics of the gate insulating film, particularly the interface between the gate insulating film and the active layer. In this example, first, the substrate was placed in the thermal annealing apparatus shown in FIG. 1B, and hydrogen was first supplied to the thermal annealing furnace 11 to perform thermal annealing at 350 ° C. for 2 hours. As a result, unpaired bonds existing in the silicon oxide film could be filled with hydrogen.
Next, a mixed gas of dinitrogen monoxide and argon (dinitrogen monoxide: argon = 1: 10 to 1:30) was allowed to flow. The temperature of the catalyst reaction chamber 16 was preferably 200 to 600 ° C., the temperature of the pipe 18 was 200 to 600 ° C., and the temperature of the thermal annealing furnace 11 was preferably 400 to 700 ° C. In this embodiment, the temperatures were set to 400 ° C., 400 ° C., and 600 ° C., respectively. The pressure in the reaction chamber was 1 atm, the flow rate of the reaction gas was 3 liters / minute, and the thermal annealing time was 1 hour. In this embodiment, the catalyst reaction chamber 16 is provided with reticulated nickel as a catalyst 15. In this example, since the temperature of the catalyst could be kept lower than that of Example 1, the decomposition of dinitrogen monoxide could be promoted for a long time without degrading the catalyst.
[0053]
Through the above steps, hydrogen in the silicon oxide film and at the interface with the silicon film is reduced by being nitrided or oxidized. At this time, since TEOS was used as the source gas, the silicon oxide film before the thermal annealing contained carbon, but this carbon was also oxidized and released as carbon dioxide gas and decreased. Thus, a silicon oxide film preferable as a gate insulating film could be obtained. (Fig. 3 (B))
Thereafter, a polycrystalline silicon film having a thickness of 6000 mm was formed by a low pressure CVD method, and this was patterned to form gate electrodes 37 and 38. A small amount of phosphorus was added to the polycrystalline silicon film in order to improve conductivity. (Figure 3 (C))
[0054]
Thereafter, by ion doping, impurities were implanted into the island-like silicon films 34 and 35 in a self-aligning manner using the gate electrodes 37 and 38 as masks. First, a region for forming a P-channel TFT was covered with a photoresist mask 39 and phosphorus was implanted to form an N-type impurity region 40 (source / drain region). At this time, the dose is 1 × 1014~ 8x1015Atom / cm2The acceleration voltage was preferably 50 to 90 kV. In this embodiment, the dose amount is 5 × 10.14Atom / cm2The acceleration voltage was 80 kV. (Fig. 3 (D))
[0055]
Thereafter, a region where an N-channel TFT is to be formed is covered with a photoresist mask 41, and boron is implanted to form a P-type impurity region 42 (source / drain region). At this time, the dose is 1 × 1014~ 8x1015Atom / cm2The acceleration voltage was preferably 40-80 kV. In this embodiment, the dose amount is 1 × 10.15Atom / cm2The acceleration voltage was 65 kV. (Figure 3 (E))
[0056]
Further, the doped impurity regions 40 and 42 were activated by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) is used, and the energy density is 200 to 400 mJ / cm.2For example, 250 mJ / cm2It was.
Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 5000 Å was formed as an interlayer insulating film 43 by plasma CVD on the entire surface, and the interlayer insulating film 43 and the gate insulating film 36 were etched to form contact holes in the source / drain regions 40 and 42. Further, an aluminum film was formed in a thickness of 5000 mm by sputtering, and etching was performed to form source / drain electrodes 44, 45, and 46, and a CMOS type TFT was manufactured. (Fig. 3 (F))
[0057]
Example 3
This embodiment is shown in FIG. In this example, a silicon oxide film formed by ECR-CVD is used, and thermal annealing according to the present invention is performed to form a P-channel TFT as a switching transistor (pixel TFT) of an active matrix circuit. It is.
First, as a base oxide film 52 on a substrate 51 (100 mm × 100 mm), a 3000-nm silicon oxide film was formed by a low pressure CVD method.
[0058]
Next, 500 nm of an amorphous silicon film was formed by plasma CVD. Thereafter, as in Example 1, a nickel acetate solution is spin-dried to form a nickel acetate film on the amorphous silicon film, and further, thermal annealing is performed at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. To crystallize to obtain a crystalline silicon film 53. Thereafter, laser annealing may be performed to improve crystallinity. (Fig. 3 (A))
[0059]
Next, the crystalline silicon film 53 was patterned to form an island-like silicon film 54. This island-like silicon film 54 becomes an active layer of the TFT. A silicon oxide film 55 having a thickness of 1200 mm was formed as a gate insulating film so as to cover the island-like silicon film. In this example, monosilane (SiHFour) As a source gas and dinitrogen monoxide as an oxidizing agent, a silicon oxide film was formed by an ECR-CVD method. At this time, in addition to dinitrogen monoxide as an oxidizing agent, oxygen (O2), Nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO2) Etc. may be used. Further, as the film forming conditions at this time, the substrate was not heated, and the input power of the microwave (frequency: 2.45 MHz) was 400 W.
[0060]
Note that a silicon oxide film having equivalent characteristics can also be obtained by low pressure CVD using the same source gas and oxidizing agent. At that time, the pressure may be 0.1 to 10 torr and the temperature 300 to 500 ° C.
After forming the gate insulating film, the annealing process of the present invention was performed to improve the characteristics of the gate insulating film. In this example, the apparatus shown in FIG. 7 was used. In this apparatus, the catalytic reaction chamber 76 is packed with granular or powdery silica gel 75 in which titanium is adsorbed in a bent pipe as shown in FIG. The catalytic reaction chamber 76 was heated to 200 to 400 ° C., for example, 300 ° C. by a heater 77.
The thermal annealing furnace 71 was provided with a plurality of susceptors 73, and a substrate 74 was installed in each. The reaction chamber 71 is maintained at a constant temperature by a heater 72. In this example, the temperature of the thermal annealing furnace was 550 ° C.
[0061]
In the present embodiment, as the thermal annealing atmosphere, ammonia diluted to 1 to 5% with argon was used. The diluted ammonia was passed through the thermal annealing furnace 71 at a flow rate of 5 liters / minute. Under the above conditions, thermal annealing was performed for 1 hour. As a result, the silicon oxide film could be nitrided. Thereafter, the reaction gas was switched to a dinitrogen monoxide atmosphere, and thermal annealing could be further performed under the same conditions as in Examples 1 and 2. (Fig. 4 (B))
[0062]
Thereafter, an aluminum film having a thickness of 6000 mm was formed by sputtering, and this was patterned to form the gate electrode 56. A small amount (0.1 to 0.5% by weight) of scandium was added to the aluminum film to prevent hillocks. (Fig. 4 (C))
Thereafter, boron was implanted as an impurity into the island-like silicon film 54 in a self-aligning manner by ion doping using the gate electrode 56 as a mask. At this time, the dose is 1 × 1014~ 8x1015Atom / cm2The acceleration voltage is 40-80 kV, for example, the dose is 1 × 1015Atom / cm2The acceleration voltage was 65 kV. As a result, a P-type impurity region 57 (source / drain region) was formed. (Fig. 4 (D))
[0063]
Further, the doped impurity region 57 was activated by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) is used, and the energy density is 200 to 400 mJ / cm.2For example, 250 mJ / cm2It was.
Thereafter, a 3000-nm thick silicon oxide film was formed as an interlayer insulating film 58 on the entire surface by plasma CVD, and the interlayer insulating film 58 and the gate insulating film 55 were etched to form a contact hole in the source region. Further, an aluminum film was formed in a thickness of 5000 mm by sputtering, and etching was performed to form the source electrode 59. (Fig. 4 (E))
[0064]
Thereafter, 2000 nm of silicon nitride film was formed as a passivation film 60 by plasma CVD. Then, the passivation film 60, the interlayer insulating film 58, and the gate insulating film 55 were etched to form a contact hole in the drain region. Further, an ITO film was formed by sputtering, and this was etched to form the pixel electrode 61. A pixel TFT was fabricated by the above process. (Fig. 4 (F))
[0065]
【The invention's effect】
As described above, the TFT characteristics are greatly improved by the present invention. That is, the recombination center can be reduced at the interface between the gate insulating film and the active layer. As a result, the S value and the field effect mobility are improved. In addition, the breakdown voltage of the gate insulating film itself can be improved, and TDDB (time dependency dielectric breakdown) can also be improved. As a result of improving the characteristics of the interface with the gate insulating film as described above, since there are few defects in which electrons are trapped in the gate insulating film particularly when hot electrons are injected, deterioration due to hot electrons (Hot) Reduced Carrier Degradation and improved reliability.
[0066]
In the present invention, the maximum process temperature for the device can be set to 700 ° C. or less, preferably 650 ° C. or less, and the industrial profit due to this is exceptional.
In the embodiment, the TFT on the glass substrate has been mainly described, but it is clear that an excellent effect can be obtained even if the present invention is applied to a multilayer integrated circuit (also referred to as a three-dimensional integrated circuit or a three-dimensional integrated circuit). is there. Thus, the present invention is an industrially useful invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a conceptual diagram of an apparatus for carrying out the present invention.
2 shows a process of Example 1. FIG.
FIG. 3 shows a process of Example 2.
4 shows a process of Example 3. FIG.
FIG. 5 explains the effect of the present invention.
FIG. 6 shows the nitrogen concentration in a silicon oxide film treated according to the present invention.
FIG. 7 shows a conceptual diagram of an apparatus for carrying out the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Thermal annealing furnace
2 ... Heat annealing furnace heater
3 ... Susceptor
4 ... Board
5 .... Reticulated catalyst
11 ... Thermal annealing furnace
12. Heater for thermal annealing furnace
13 ... Susceptor
14 ... Board
15... Reticulated catalyst
16 .... Catalytic reaction chamber
17 ... Catalytic reaction chamber heater
18. Piping (quartz)
19 .... Pipe heater

Claims (8)

ガラス基板上に形成された半導体装置の作製方法であって、
結晶性珪素膜を前記ガラス基板の歪点以下の温度で熱酸化することにより、前記結晶性珪素膜を覆ってゲイト絶縁膜を形成し、
白金、パラジウム、還元ニッケル、コバルト、チタン、バナジウム又はタンタルを含む触媒を200℃〜400℃の温度で加熱し、前記触媒に窒素酸化物を接触させて、前記窒素酸化物を励起又は分解させる反応を促進させ、
励起又は分解した前記窒素酸化物を含む雰囲気内で、前記ゲイト絶縁膜を前記ガラス基板の歪点以下の温度且つ400℃〜650℃の温度で加熱して窒化することを特徴とする半導体装置の作製方法。
A method for manufacturing a semiconductor device formed on a glass substrate,
By thermally oxidizing the crystalline silicon film at a temperature lower than a strain point of the glass substrate, forming a gate site insulating film covering the crystalline silicon film,
Platinum, palladium, reduced nickel, cobalt, and heated at a temperature of 200 ° C. to 400 ° C. The catalyst containing titanium, vanadium or tantalum, said catalyst is contacted with nitrogen oxides, Ru excite or decompose the nitrogen oxides Promote the reaction,
A semiconductor device characterized in that , in an atmosphere containing the excited or decomposed nitrogen oxide , the gate insulating film is nitrided by heating at a temperature below the strain point of the glass substrate and at a temperature of 400 ° C. to 650 ° C. Manufacturing method.
請求項1において、励起又は分解した前記窒素酸化物を含む雰囲気内には、アルゴンが含まれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the atmosphere containing the excited or decomposed nitrogen oxide contains argon. 請求項1又は請求項2において、前記窒素酸化物は、一酸化窒素、一酸化二窒素又は二酸化窒素であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the nitrogen oxide is nitrogen monoxide, dinitrogen monoxide, or nitrogen dioxide. ガラス基板上に形成された半導体装置の作製方法であって、
結晶性珪素膜を前記ガラス基板の歪点以下の温度で熱酸化することにより、前記結晶性珪素膜を覆ってゲイト絶縁膜を形成し、
白金、パラジウム、還元ニッケル、コバルト、チタン、バナジウム又はタンタルを含む触媒を200℃〜400℃の温度で加熱し、前記触媒に窒化水素を接触させて、前記窒化水素を励起又は分解させる反応を促進させ、
励起又は分解した前記窒化水素を含む雰囲気内で、前記ゲイト絶縁膜を前記ガラス基板の歪点以下の温度且つ400℃〜650℃の温度で加熱して窒化することを特徴とする半導体装置の作製方法。
A method for manufacturing a semiconductor device formed on a glass substrate,
By thermally oxidizing the crystalline silicon film at a temperature lower than a strain point of the glass substrate, forming a gate site insulating film covering the crystalline silicon film,
Platinum, palladium, reduced nickel, cobalt, titanium, a catalyst containing vanadium or tantalum heated at a temperature of 200 ° C. to 400 ° C., said catalyst is contacted with hydrogen nitriding, the reaction that Ru is excited or decomposing the hydrogen nitride Promote,
Fabrication of a semiconductor device, wherein the gate insulating film is nitrided by heating at a temperature below the strain point of the glass substrate and at a temperature of 400 ° C. to 650 ° C. in an atmosphere containing the excited or decomposed hydrogen nitride. Method.
請求項4において、励起又は分解した前記窒化水素を含む雰囲気内には、アルゴンが含まれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein argon is contained in the atmosphere containing the excited or decomposed hydrogen nitride. 請求項4又は請求項5において、前記窒化水素はアンモニア又はヒドラジンであることを特徴とする半導体装置の作製方法。According to claim 4 or claim 5, the method for manufacturing a semiconductor device wherein the nitride Hydrogen is ammonia or hydrazine. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、前記ゲイト絶縁膜は、酸化珪素を主成分とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。7. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film contains silicon oxide as a main component. 請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、前記触媒には、アルミナ又はシリカゲルが混合されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。8. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the catalyst is mixed with alumina or silica gel.
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