JP4185133B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

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、好ましくは650℃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作製方法に関する。   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, in particular, a method for manufacturing a thin film integrated circuit for an active liquid crystal display device (liquid crystal display), and in particular, a maximum process temperature of 700 ° C. or lower, preferably 650 ° C. or lower The present invention relates to a method for manufacturing a gate insulating film for forming the semiconductor device by a process.

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℃以下とすることが要求された。   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 less, typically 550 to 680 ° C. are generally used from the viewpoint of mass productivity and price. Therefore, when such a glass substrate is used, the maximum process temperature is required to be 700 ° C. or lower.

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。   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.

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。   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.

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。   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.

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。   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 orientations of the two crystals sandwiching the boundary corresponding to the grain boundary in the normal polycrystal are 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.

このような目的に適した優れたゲイト絶縁膜として、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)
熱酸化膜は、ホットエレクトロン等の電荷が注入された際に、トラップするような欠陥が極めて少ないため、特性の劣化が少なく、信頼性の高い素子が作製できた。
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)
Since a thermal oxide film has very few defects that trap when a charge such as hot electrons is injected, a highly reliable element can be manufactured with little deterioration in characteristics.

熱酸化法によって、ゲイト絶縁膜として使用でき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、従来の熱酸化による方法はこの要請を満足できなかった。   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 required, and there is no substrate material other than quartz that can withstand such a high temperature treatment. In order to use a glass substrate having a low strain point as described above, the maximum process temperature must be 700 ° C. or less, preferably 650 ° C. or less. However, the conventional thermal oxidation method can satisfy this requirement. There wasn't.

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。   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.

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、電荷捕獲中心が形成されやすかった。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。このため、低温で熱酸化膜を作製する技術が求められていた。   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 trap centers are easily formed due to unpaired bonds and hydrogen. 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 is reduced (deteriorated).・ There was a problem that the change over time) was large. For this reason, a technique for producing a thermal oxide film at a low temperature has been demanded.

本発明は、上記の問題を解決する手段を提供するものである。すなわち、結晶性珪素膜を用いて、最高プロセス温度700℃以下で熱酸化法によってゲイト絶縁膜を作製する方法を提供することを課題とする。   The present invention provides means for solving the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a method for producing a gate insulating film by a thermal oxidation method using a crystalline silicon film at a maximum process temperature of 700 ° C. or lower.

本発明では、珪素膜を特殊な雰囲気において熱処理することにより、400〜700℃、典型的には550〜650℃の低温で珪素膜表面に熱酸化膜を形成する。本発明においては、熱的に励起された、もしくは、熱分解された成分を含む酸素やオゾン、窒素酸化物(一般式でNOx :0.5≦x≦2.5で表される)を有する反応性の高い雰囲気で400〜700℃の熱アニールをおこなうことによって、珪素膜を熱酸化し、酸化珪素膜を得る。本発明で熱酸化の際に使用する窒素酸化物としては、一酸化二窒素(N2 O)、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(N2 O)のいずれか、あるいはその混合気体が好ましい。 In the present invention, a thermal oxide film is formed on the surface of the silicon film at a low temperature of 400 to 700 ° C., typically 550 to 650 ° C., by heat-treating the silicon film in a special atmosphere. In the present invention, oxygen, ozone, or nitrogen oxides (generally expressed as NO x : 0.5 ≦ x ≦ 2.5) containing thermally excited or pyrolyzed components are used. By performing thermal annealing at 400 to 700 ° C. in a highly reactive atmosphere, the silicon film is thermally oxidized to obtain a silicon oxide film. As the nitrogen oxide used in the thermal oxidation in the present invention, any of dinitrogen monoxide (N 2 O), nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (N 2 O), or a mixed gas thereof is preferable. .

ただし、これらの雰囲気には水(H2 O)等の水素化物が含有されていることは、得られる熱酸化膜中に水素が含有されることとなるので好ましくなかった。同様に炭酸ガス(CO、CO2 等)も含まれることは好ましくなかった。雰囲気における水や炭酸ガスの濃度は1ppm以下、好ましくは10ppb以下とすることが望ましい。
以下においては、熱的に励起もしくは分解された窒素酸化物(あるいは酸素)を有する気体を反応性窒素酸化物(反応性酸素)という。本発明においては、反応性窒素酸化物(反応性酸素)は窒素酸化物(酸素)のみからなっていてもよいし、アルゴンやその他の不活性な気体が混入されていてもよい。
However, it is not preferable that these atmospheres contain hydrides such as water (H 2 O) because the resulting thermal oxide film contains hydrogen. Similarly, it was not preferable that carbon dioxide (CO, CO 2, etc.) was also contained. The concentration of water or carbon dioxide in the atmosphere is 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less.
Hereinafter, a gas having nitrogen oxide (or oxygen) that is thermally excited or decomposed is referred to as reactive nitrogen oxide (reactive oxygen). In the present invention, the reactive nitrogen oxide (reactive oxygen) may consist only of nitrogen oxide (oxygen), or may contain argon or other inert gas.

酸化の温度は使用する基板の種類によって上限値が決定される。当然のことながら、熱酸化の温度が高いほど酸化作用は進行しやすい。代表的なガラス基板であるコーニング社7059番基板では、550〜650℃が適当であった。本発明では、基板は、コーニング社7059番ガラス(無アルカリ、ホウ珪酸ガラス)に代表されるような歪温度(歪点)が750℃以下、代表的には550〜680℃の各種ガラス基板を用いればよい。
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素酸化物あるいは酸素、オゾンを熱的に励起するための第1の反応室1と、第1の反応室によって得られた反応性の窒素酸化物もしくは酸素等を導入し、400〜700℃の温度で珪素膜を酸化するための第2の反応室が必要である。図1(A)においては、1が第1の反応室であり、5が第2の反応室である。そして、これらの反応室やその間の通路4は適切な温度に保たれる必要がある。ヒーター2、3、6はその目的のためのものである。
The upper limit of the oxidation temperature is determined by the type of substrate used. Of course, the higher the temperature of thermal oxidation, the easier the oxidation action proceeds. In a Corning 7059 substrate, which is a typical glass substrate, 550 to 650 ° C. was appropriate. In the present invention, various glass substrates having a strain temperature (strain point) of 750 ° C. or lower, typically 550 to 680 ° C. as represented by Corning 7059 glass (non-alkali, borosilicate glass) are used. Use it.
An example of an apparatus for carrying out the present invention is shown in FIG. In carrying out the present invention, first, a first reaction chamber 1 for thermally exciting nitrogen oxide or oxygen and ozone, and a reactive nitrogen oxide or oxygen obtained by the first reaction chamber, etc. And a second reaction chamber for oxidizing the silicon film at a temperature of 400 to 700 ° C. is necessary. In FIG. 1A, 1 is a first reaction chamber and 5 is a second reaction chamber. And these reaction chambers and the channel | path 4 between them need to be maintained at appropriate temperature. The heaters 2, 3, 6 are for that purpose.

第1の反応室においては、窒素酸化物を反応性とするために十分な高温とすることが要求される。すなわち、その窒素酸化物の分解する温度以上とすることが必要である。最適な温度は気体の種類によって異なるが、例えば、一酸化二窒素であれば、750〜950℃とすることが望ましい。また、酸素の場合には熱的に励起・分解するにはそれより高温の1000〜1200℃が必要である。   The first reaction chamber is required to have a sufficiently high temperature to make nitrogen oxides reactive. That is, it is necessary that the temperature be higher than the temperature at which the nitrogen oxides decompose. The optimum temperature varies depending on the type of gas. For example, in the case of dinitrogen monoxide, it is preferably set to 750 to 950 ° C. In the case of oxygen, a temperature higher than 1000 to 1200 ° C. is necessary for thermal excitation and decomposition.

第1の反応室と第2の反応室の間の通路4の温度が極めて低い場合には、第1の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、通路4においても適切な温度に保たれる必要がある。通路4の温度は第1の反応室と第2の反応室の中間の温度であることが好ましい。すなわち、第1の反応室1の温度をTA 、通路4の温度をTB 、第2の反応室5の温度をTC とすると、TA ≧TB ≧TC である。また、通路4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。 When the temperature of the passage 4 between the first reaction chamber and the second reaction chamber is extremely low, the gas molecules excited in the first reaction chamber return to the ground state, and the reactivity decreases. Therefore, in order to maintain the reactivity, it is necessary to maintain an appropriate temperature in the passage 4 as well. The temperature of the passage 4 is preferably an intermediate temperature between the first reaction chamber and the second reaction chamber. That is, if the temperature of the first reaction chamber 1 is T A , the temperature of the passage 4 is T B , and the temperature of the second reaction chamber 5 is T C , then T A ≧ T B ≧ T C. Moreover, it is desirable that the inner wall of the passage 4 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.

内壁が金属の場合には、励起状態または原子状の原子・分子が再結合して安定化してしまう。しかし、石英の場合には、そのような効果が小さく、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。
第2の反応室5にはサセプター7に多数の基板8を乗せ、一度に多数の基板が処理できるようにするとよい。本発明においては、第1の反応室は、第2の反応室に比較してかなりの高温であり、高温の気体が第2の反応室に流入するため、温度制御が難しいが、第2の反応室内において温度分布があると、多数の基板を同時に処理することはできない。したがって、通路4の長さや温度を最適化することによって、第2の反応室5の温度分布の均一性を高めることが必要である。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。
When the inner wall is a metal, the excited state or atomic atoms / molecules are recombined and stabilized. However, in the case of quartz, such an effect is small. For example, many atoms and molecules are in an activated state even if they are separated from the first reaction chamber by 50 to 100 cm.
It is preferable to place a large number of substrates 8 on the susceptor 7 in the second reaction chamber 5 so that a large number of substrates can be processed at a time. In the present invention, the first reaction chamber is considerably hotter than the second reaction chamber, and since the high-temperature gas flows into the second reaction chamber, the temperature control is difficult. If there is a temperature distribution in the reaction chamber, a large number of substrates cannot be processed simultaneously. Therefore, it is necessary to improve the uniformity of the temperature distribution in the second reaction chamber 5 by optimizing the length and temperature of the passage 4. It is also effective to lower the atmospheric pressure below atmospheric pressure.

図1(A)の例では、第1の反応室において多くの気体分子を反応性とすることは難しい。というのは、気体が励起されたり分解されたりするには、反応室の壁から熱エネルギーを得る必要があるのであるが、第1の反応室に滞留する間に反応室の壁に接触する機会のある気体分子の数は全体のほんの一部であるからである。厳密には、他の気体分子の運動エネルギーによっても反応性となるが、与えられるエネルギーは他の気体分子が直接、もしくは、間接に反応室の壁から得られたものである。もちろん、少数であっても反応性の分子が存在すれば本発明は実施できる。しかし、その数が多ければ、それだけ効果が大きいことは言うまでもない。   In the example of FIG. 1A, it is difficult to make many gas molecules reactive in the first reaction chamber. This is because in order for the gas to be excited or decomposed, it is necessary to obtain thermal energy from the walls of the reaction chamber, but the opportunity to contact the walls of the reaction chamber while staying in the first reaction chamber This is because the number of gas molecules with is only a small part of the whole. Strictly speaking, the reaction is also caused by the kinetic energy of other gas molecules, but the energy applied is obtained directly or indirectly from the walls of the reaction chamber by other gas molecules. Of course, the present invention can be practiced if there are a small number of reactive molecules. However, it goes without saying that the greater the number, the greater the effect.

多くの気体分子を反応性とするには、図1(B)のように、第1の反応室の内部に金属等の比較的熱を伝導しやすい、あるいは、赤外線を吸収しやすい材料9を設ければよい。好ましくは、このような材料は網状のように、表面積が大きく、気体の流れを妨げずに多くの気体が接触できるようにすればよい。さらに好ましくは、この材料9は触媒作用を有するものであるとよい。例えば、白金、パラジウム、(還元)ニッケル、チタン、バナジウム、コバルト等である。触媒は網状以外に粉状もしくは粒状であってもよい。   In order to make many gas molecules reactive, as shown in FIG. 1B, a material 9 that easily conducts heat, such as metal, or absorbs infrared rays is formed in the first reaction chamber. What is necessary is just to provide. Preferably, such a material has a large surface area, such as a net, so that a large amount of gas can be contacted without obstructing the gas flow. More preferably, the material 9 has a catalytic action. For example, platinum, palladium, (reduced) nickel, titanium, vanadium, cobalt and the like. The catalyst may be powdery or granular in addition to the network.

このような材料に触れると気体分子は反応室の壁に触れた場合と同様に反応性となり、その表面積が大きければ大きいほど、より多くの気体分子を反応性とできる。さらに、このような材料が触媒作用を有すればより多くの反応性気体を得ることができる。また、例えば、網状の金属9に電流を通じて、第1の反応室の温度よりも高い温度とすることも有効である。
以上のような方法を採用すれば、図1(A)の場合に比較して、第1の反応室の温度をより低くすることも可能である。
When such a material is touched, the gas molecules become reactive as in the case of touching the walls of the reaction chamber, and the larger the surface area, the more gas molecules can be made reactive. Furthermore, more reactive gas can be obtained if such a material has a catalytic action. Further, for example, it is also effective to set a temperature higher than the temperature of the first reaction chamber by passing an electric current through the net-like metal 9.
If the method as described above is employed, the temperature of the first reaction chamber can be lowered as compared with the case of FIG.

酸化速度を向上させるには、1気圧(大気圧)のみでなく、加圧して1気圧を越え、15気圧以下の加圧雰囲気での酸化も有効である。例えば、10気圧の雰囲気では、1気圧の雰囲気での酸化に比較して、10倍の酸化速度が得られる。また、酸化温度を下げることもできる。
図5には図1の装置を用いて得られる熱酸化膜の厚さと酸化時間の関係を示す。酸化雰囲気としては一酸化二窒素を用いた。温度が高く、圧力が高いほど、酸化作用が進行しやすいことがわかる。
In order to improve the oxidation rate, not only 1 atmospheric pressure (atmospheric pressure) but also oxidation in a pressurized atmosphere exceeding 15 atm by pressurization is effective. For example, in an atmosphere of 10 atm, an oxidation rate 10 times higher than that in an atmosphere of 1 atm can be obtained. Also, the oxidation temperature can be lowered.
FIG. 5 shows the relationship between the thickness of the thermal oxide film obtained using the apparatus of FIG. 1 and the oxidation time. As the oxidizing atmosphere, dinitrogen monoxide was used. It can be seen that the higher the temperature and the higher the pressure, the easier the oxidation action proceeds.

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。   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.

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。 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. In other words, the minimum value in the silicon film measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) is preferably a concentration of 1 × 10 15 to 3 × 10 19 atoms / cm 3 . 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.

第2の方法は、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である。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。
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。
The second method 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. .
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.

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。
本発明によって得られる熱酸化膜はそのままでもゲイト絶縁膜として用いることが可能であるが、より特性を向上せしめるには、得られた熱酸化膜をアンモニア(NH3 )、ヒドラジン(N2 4 )等の窒化水素雰囲気において、400〜700℃で熱アニールすると良い。この熱アニール工程によって、熱酸化膜の不対結合手が完全に窒素によって埋められ、また、一部は酸素が窒素に置換され、電気的に安定な酸化窒化珪素膜とすることができる。
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.
Although the thermal oxide film obtained by the present invention can be used as a gate insulating film as it is, in order to improve the characteristics, the obtained thermal oxide film is made of ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4). ) Or the like in a hydrogen nitride atmosphere such as 400 ° C. to 700 ° C. By this thermal annealing step, the dangling bonds of the thermal oxide film are completely filled with nitrogen, and part of the oxygen is replaced with nitrogen, so that an electrically stable silicon oxynitride film can be obtained.

また、ゲイト絶縁膜には、本発明によって得られた熱酸化膜のみを用いてもよいが、熱酸化膜が目的とする厚さに達しないならば、その上にさらにPVD法、CVD法等によって酸化珪素を主成分とする絶縁膜を重ねて、多層構造の絶縁膜をゲイト絶縁膜として用いてもよい。PVD法、CVD法等によって得られる絶縁膜は熱酸化膜に比較すると著しく特性の悪いものであるが、少なくとも活性層の表面を20nm以上の熱酸化膜が覆っておれば、TFTの特性に対する影響は十分に小さい。   Further, only the thermal oxide film obtained by the present invention may be used as the gate insulating film. However, if the thermal oxide film does not reach the target thickness, a PVD method, a CVD method, or the like is further provided thereon. Alternatively, an insulating film mainly composed of silicon oxide may be stacked to use a multilayered insulating film as the gate insulating film. Insulating films obtained by PVD, CVD, etc. have remarkably poor characteristics compared to thermal oxide films. However, if at least the surface of the active layer is covered with a thermal oxide film of 20 nm or more, the influence on the TFT characteristics Is small enough.

このような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、プラズマによるダメージが無い酸化珪素膜を得ることができる。   As a method for manufacturing such an insulating film, 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 addition, the reaction using TEOS and ozone in the low pressure CVD method proceeds at a relatively low temperature (for example, 375 ° C. ± 20 ° C.), and a silicon oxide film that is not damaged by plasma can be obtained.

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主たる原料として反応させてもプラズマによるダメージが無い酸化珪素膜を得られる。
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。
Similarly, a silicon oxide film that is not damaged by plasma can be obtained by reacting monosilane (SiH 4 ) and oxygen (O 2 ) or monosilane and nitrogen oxides such as dinitrogen monoxide as main raw materials by low pressure CVD. .
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.

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100nm/分以下、典型的には30〜80nm/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。 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 100 nm / min or less, typically 30-80 nm / min. It was found that a silicon oxide film is preferable. On average, 1 × 10 17 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 of nitrogen is contained, and many silicon oxide films satisfy such an etching rate condition.

このように熱酸化膜に重ねて形成された絶縁膜は、より特性を向上させるために、一酸化二窒素等の雰囲気での熱アニールをおこなうとよい。その際には300〜700℃とするとよい。また、熱アニールの際には絶縁膜に紫外光を照射するとアニールの効果が増進でき、また、より低温でも同じ効果を上げることができる。これは、紫外光によって一酸化二窒素を活性な状態とすることによって、CVDもしくはPVD法によって堆積された絶縁膜とよりよく反応させることができるからである。   The insulating film formed over the thermal oxide film in this manner is preferably subjected to thermal annealing in an atmosphere such as dinitrogen monoxide in order to further improve the characteristics. In that case, it is good to set it as 300-700 degreeC. In addition, if the insulating film is irradiated with ultraviolet light during thermal annealing, the effect of annealing can be enhanced, and the same effect can be achieved even at lower temperatures. This is because by making the dinitrogen monoxide active by ultraviolet light, it is possible to react better with the insulating film deposited by CVD or PVD.

同様に、絶縁膜を一酸化二窒素を有する雰囲気でプラズマを発生させることによって処理してもよい。この場合もプラズマによって一酸化二窒素が励起して、活性化させて、絶縁膜と反応させることができる。また、このプラズマによる処理では、プラズマを発生させるために一酸化二窒素の圧力を低くする必要があるので、より反応を完全にするために、プラズマ処理の後、0.1気圧以上の一酸化二窒素雰囲気において400〜700℃で熱アニールしてもよい。   Similarly, the insulating film may be processed by generating plasma in an atmosphere containing dinitrogen monoxide. Also in this case, dinitrogen monoxide is excited and activated by plasma, and can react with the insulating film. Further, in this plasma treatment, it is necessary to lower the pressure of dinitrogen monoxide in order to generate plasma. Therefore, in order to make the reaction more complete, after the plasma treatment, monoxide of 0.1 atm or higher is used. Thermal annealing may be performed at 400 to 700 ° C. in a dinitrogen atmosphere.

本発明によって、TFTの特性が大幅に改善された。本発明によって得られたゲイト絶縁膜では、特にホットエレクトロン等が注入された際に電子がトラップされるような欠陥が少ないため、特性の劣化が防止でき、素子の信頼性が高まった。また、本発明による熱酸化膜は薄くてもピンホールが皆無であるので、歩留りも向上させることができた。特に、従来は各種PVD法、CVD法を用いてゲイト絶縁膜の成膜をおこなっていたが、このような成膜方法ではフレークやパーティクルが発生し、そのため、装置のメンテナンスに多くの時間がかかり、量産性が低下したが、本発明では、このようなフレークやパーティクルはほとんど発生しない。そのため、装置のメンテナンスの時間が短縮され、量産性が向上した。また、本発明を実施する際の初期投資も、従来のPVD法、CVD法の場合と同等もしくはそれ以下である。このように本発明は工業上有益な発明である。   According to the present invention, the characteristics of the TFT are greatly improved. In the gate insulating film obtained by the present invention, since there are few defects that trap electrons especially when hot electrons or the like are injected, the deterioration of characteristics can be prevented and the reliability of the element is improved. Moreover, since the thermal oxide film according to the present invention is thin, there are no pinholes, so that the yield can be improved. In particular, the gate insulating film has been conventionally formed by using various PVD methods and CVD methods. However, such a film forming method generates flakes and particles, which requires much time for maintenance of the apparatus. Although the mass productivity is lowered, in the present invention, such flakes and particles are hardly generated. As a result, the maintenance time of the apparatus was shortened and the mass productivity was improved. In addition, the initial investment in carrying out the present invention is equal to or less than that of the conventional PVD method and CVD method. Thus, the present invention is an industrially useful invention.

(作用)
珪素の酸化反応を進行させるには、酸化作用を有する原子状酸素、もしくはそれと同等な反応性の高い酸化性分子が雰囲気に形成されることが必要であった。しかしながら、酸素分子から原子状酸素等を得るには非常に高い温度が必要であった。このため、乾燥した酸素雰囲気では1000℃以上の高温でないと熱酸化が進行しなかった。
(Function)
In order to advance the oxidation reaction of silicon, it was necessary to form atomic oxygen having an oxidizing action or an oxidizing molecule having high reactivity equivalent to that in the atmosphere. However, a very high temperature is required to obtain atomic oxygen or the like from oxygen molecules. For this reason, thermal oxidation did not proceed unless the temperature was 1000 ° C. or higher in a dry oxygen atmosphere.

本発明は窒素酸化物や酸素、オゾンを加熱し、これを熱的に励起し、あるいは分解して得られた、原子状の酸素や励起状態の窒素酸化物が適切な条件の下では、その寿命が十分に長く、空間的移動が可能であることに着目したものである。すなわち、高温に加熱して反応性とした気体分子・原子をより温度の低い反応室に導き、これを熱酸化に利用するため、従来の熱酸化法に比較して、低温でも熱酸化が進行する。本発明においては、より多くの原子状酸素、あるいは励起状態にある窒素酸化物分子を得るために、窒素酸化物や酸素、オゾンをその分解温度以上の温度にまで加熱して用いることが好ましい。   The present invention heats nitrogen oxides, oxygen, and ozone, and thermally excites or decomposes them to obtain atomic oxygen or excited nitrogen oxides under appropriate conditions. It pays attention to the fact that the lifetime is sufficiently long and spatial movement is possible. In other words, gas molecules and atoms that are heated to high temperatures and made reactive are guided to a lower temperature reaction chamber and used for thermal oxidation, so thermal oxidation proceeds even at low temperatures compared to conventional thermal oxidation methods. To do. In the present invention, in order to obtain more atomic oxygen or nitrogen oxide molecules in an excited state, it is preferable to use nitrogen oxide, oxygen, and ozone by heating them to a temperature equal to or higher than their decomposition temperature.

本発明において、熱アニールによって結晶化させた珪素膜を用いた場合には、以下のような効果が付随する。一般にゲイト絶縁膜と活性層は薄ければ薄いほど移動度の向上、オフ電流の減少という良好な特性が得られる。一方、初期の非晶質珪素膜の結晶化はその膜厚が大きいほど結晶化させやすい。したがって、従来は、活性層の厚さに関して、特性とプロセスの面で矛盾が存在していた。本発明はこの矛盾を初めて解決したものであり、すなわち、結晶化前には非晶質珪素膜を厚く形成し、良好な結晶性を有する珪素膜を得て、次にはこの珪素膜を酸化することによって珪素膜を薄くし、TFTとしての特性を向上させるものである。さらに、この熱酸化においては、再結合中心の存在しやすい非晶質成分、結晶粒界が酸化されやすく、結果的に活性層中の再結合中心を減少させるという特徴も有する。このため製品の歩留りが高まる。   In the present invention, when a silicon film crystallized by thermal annealing is used, the following effects are accompanied. In general, the thinner the gate insulating film and the active layer, the better the characteristics of improved mobility and reduced off-current. On the other hand, the initial amorphous silicon film is easily crystallized as the film thickness increases. Therefore, conventionally, there has been a contradiction in terms of characteristics and process regarding the thickness of the active layer. The present invention solves this contradiction for the first time. That is, a thick amorphous silicon film is formed before crystallization to obtain a silicon film having good crystallinity, and then the silicon film is oxidized. By doing so, the silicon film is thinned, and the characteristics as a TFT are improved. Further, this thermal oxidation has a feature that the amorphous component and the crystal grain boundary in which recombination centers are likely to exist are easily oxidized, and as a result, the number of recombination centers in the active layer is reduced. This increases the product yield.

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、本発明の熱酸化の工程において、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。   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. In addition, in the thermal oxidation process of the present invention, the amorphous region remaining in the crystal grain boundary or the like can be crystallized, and the crystallinity can be further improved.

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、本発明の熱酸化の工程の際に、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、本発明によって得られる熱酸化膜はその目的に適合するものである。
When the present invention is applied to an active layer using a silicon film subjected to laser annealing, in addition to the effect of improving the characteristics of the gate insulating film during the thermal oxidation process of the present invention, laser annealing This also has the effect of simultaneously relaxing the strain on the silicon film generated by the annealing process.
Further, when it is used for a silicon film having a very good crystallinity such as a monodomain structure, the gate insulating film is required to have the same characteristics as a thermal oxide film, but the thermal oxide film obtained by the present invention has its purpose. It conforms to.

図2に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、基板(コーニング7059)201上にスパッタリング法によって厚さ200nmの酸化珪素の下地膜202を形成した。基板は、下地膜の成膜の前もしくは後に、歪点よりも高い温度でアニールをおこなった後、0.1〜1.0℃/分の降温速度で歪点以下の温度まで徐冷すると、その後の温度上昇を伴う工程(本発明の熱酸化工程およびその後の熱アニール工程を含む)での基板の収縮が少なく、マスク合わせが容易となる。コーニング7059基板の歪点は593℃なので、620〜660℃で1〜4時間アニールした後、0.03〜1.0℃/分、好ましくは、0.1〜0.3℃/分で徐冷し、400〜500℃まで温度が低下した段階で取り出すとよい。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this embodiment. First, a base film 202 of silicon oxide having a thickness of 200 nm was formed on a substrate (Corning 7059) 201 by a sputtering method. The substrate is annealed at a temperature higher than the strain point before or after the formation of the base film, and then slowly cooled to a temperature below the strain point at a temperature drop rate of 0.1 to 1.0 ° C./min. Subsequent shrinkage of the substrate in the process (including the thermal oxidation process of the present invention and the subsequent thermal annealing process) accompanied by a temperature rise is easy, and mask alignment becomes easy. Since the strain point of the Corning 7059 substrate is 593 ° C., annealing is performed at 620 to 660 ° C. for 1 to 4 hours, and thereafter, 0.03 to 1.0 ° C./min, preferably 0.1 to 0.3 ° C./min. It is good to take out when it cools and the temperature falls to 400-500 degreeC.

次に、プラズマCVD法によって、厚さ50〜150nm、例えば100nmの真性(I型)の非晶質珪素膜を成膜した。そして、窒素雰囲気(大気圧)、600℃で48時間熱アニールして結晶化させ、珪素膜を10〜1000μm角の大きさにパターニングして、島状の珪素膜(TFTの活性層)203を形成した。(図1(A))   Next, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film having a thickness of 50 to 150 nm, for example, 100 nm was formed by plasma CVD. Then, it is crystallized by thermal annealing at 600 ° C. for 48 hours in a nitrogen atmosphere (atmospheric pressure), and the silicon film is patterned to a size of 10 to 1000 μm square to form an island-like silicon film (active layer of TFT) 203. Formed. (Fig. 1 (A))

その後、本発明の熱酸化処理をおこなって活性層203の表面に熱酸化膜204を形成した。本実施例においては、図1に示す装置を用いた。また、熱酸化に用いる気体として、一酸化二窒素を用いた。本実施例においては、第1の反応室1の温度TA は750〜950℃、第2の反応室5の温度TC は500〜650℃が好ましかった。本実施例では、TA は850℃、TB は600℃とした。また、通路4の温度TB はその中間の750℃とした。各反応室の圧力は大気圧とした。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、熱酸化時間は、本実施例では0.5〜6時間、例えば、2時間とした。この結果、厚さ約100nmの熱酸化膜204が形成された。(図2(B)) Thereafter, the thermal oxidation treatment of the present invention was performed to form a thermal oxide film 204 on the surface of the active layer 203. In this example, the apparatus shown in FIG. 1 was used. Moreover, dinitrogen monoxide was used as a gas used for thermal oxidation. In this example, the temperature T A of the first reaction chamber 1 was preferably 750 to 950 ° C., and the temperature T C of the second reaction chamber 5 was preferably 500 to 650 ° C. In this example, T A was 850 ° C. and T B was 600 ° C. Further, the temperature T B of the passage 4 was 750 ° C. in between. The pressure in each reaction chamber was atmospheric pressure. The flow rate of dinitrogen monoxide was 5 liters / minute in this example. Furthermore, the thermal oxidation time was 0.5 to 6 hours, for example, 2 hours in this example. As a result, a thermal oxide film 204 having a thickness of about 100 nm was formed. (Fig. 2 (B))

注目すべきは、かかる熱酸化により、初期の珪素膜は、その表面が5nm以上減少し、結果として、珪素膜の最表面部分の汚染が、珪素−酸化珪素界面には及ばないようになったことである。すなわち、清浄な珪素−酸化珪素界面が得られた。酸化珪素膜の厚さは酸化される珪素膜の2倍であるので、100nmの厚さの珪素膜を酸化して、厚さ100nmの酸化珪素膜を得た場合には、残った珪素膜の厚さは50nmだった。   It should be noted that due to such thermal oxidation, the surface of the initial silicon film was reduced by 5 nm or more, and as a result, the contamination of the outermost surface portion of the silicon film did not reach the silicon-silicon oxide interface. That is. That is, a clean silicon-silicon oxide interface was obtained. Since the thickness of the silicon oxide film is twice that of the silicon film to be oxidized, the silicon film having a thickness of 100 nm is obtained by oxidizing the silicon film having a thickness of 100 nm. The thickness was 50 nm.

熱酸化によってゲイト絶縁膜を形成した後、減圧CVD法によって、厚さ300〜800nm、例えば600nmの多結晶珪素(0.01〜0.2%の燐を含む)を成膜した。そして、該珪素膜をエッチングして、ゲイト電極205を形成した。さらに、この珪素膜をマスクとして自己整合的に、イオンドーピング法(プラズマドーピング法とも言う)によって、活性層203にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加した。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとした。ドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2 、例えば、1×1015原子/cm2 とした。この結果、N型の不純物領域(ソース、ドレイン)206と207が形成された。 After the gate insulating film was formed by thermal oxidation, polycrystalline silicon (containing 0.01 to 0.2% phosphorus) having a thickness of 300 to 800 nm, for example, 600 nm was formed by low pressure CVD. Then, the silicon film was etched to form the gate electrode 205. Further, an impurity imparting N conductivity type (phosphorus in this case) was added to the active layer 203 by ion doping (also called plasma doping) in a self-aligning manner using this silicon film as a mask. As the doping gas, phosphine (PH 3 ) was used, and the acceleration voltage was set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose was 1 × 10 14 to 8 × 10 15 atoms / cm 2 , for example, 1 × 10 15 atoms / cm 2 . As a result, N-type impurity regions (source and drain) 206 and 207 were formed.

その後、レーザー光の照射によって光アニールをおこなった。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)を用いたが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。(図2(C)) Thereafter, light annealing was performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) was used, but other lasers may be used. The laser light was irradiated at an energy density of 200 to 400 mJ / cm 2 , for example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10 shots, for example, 2 shots were irradiated at one place. The effect may be increased by heating the substrate to about 200 to 450 ° C. during the laser light irradiation. (Fig. 2 (C))

また、この光アニール工程は、近赤外光によるランプアニールによる方法でもよい。近赤外線は非晶質珪素よりも結晶化した珪素へは吸収されやすく、1000℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールをおこなうことができる。その反面、ガラス基板(遠赤外光はガラス基板に吸収されるが、可視・近赤外光(波長0.5〜4μm)は吸収されにくい)へは吸収されにくいので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむので、ガラス基板の熱による縮みが問題となる工程においては最適な方法であるといえる。   Further, the light annealing step may be a method by lamp annealing using near infrared light. Near-infrared rays are more easily absorbed by crystallized silicon than amorphous silicon, and effective annealing comparable to thermal annealing at 1000 ° C. or higher can be performed. On the other hand, the glass substrate (far infrared light is absorbed by the glass substrate, but visible / near infrared light (wavelength 0.5 to 4 μm) is hardly absorbed) is hardly absorbed. Since it is not heated and only a short processing time is required, it can be said that it is an optimal method in a process in which shrinkage due to heat of the glass substrate is a problem.

続いて、厚さ600nmの酸化珪素膜208を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成した。さらにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってTFTの電極・配線209、210を形成した。以上の工程によってTFTが完成した。(図2(D))   Subsequently, a silicon oxide film 208 having a thickness of 600 nm was formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Further, contact holes were formed, and TFT electrodes / wirings 209 and 210 were formed of a metal material, for example, a multilayer film of titanium nitride and aluminum. The TFT was completed through the above steps. (Fig. 2 (D))

上記に示す方法で得られたTFTの移動度は110〜150cm2 /Vs、S値は0.2〜0.5V/桁であった。また、同様な方法によってソース/ドレインにホウ素をドーピングしたPチャネル型TFTも作製したところ、移動度は90〜120cm2 /Vs、S値は0.4〜0.6V/桁であり、公知のPVD法やCVD法によってゲイト絶縁膜を形成した場合に比較して、移動度は2割以上高く、S値は20%以上も減少した。
また、信頼性の面からも、本実施例で作製されたTFTは1000℃の高温熱酸化によって作製されたTFTにひけをとらない良好な結果を示した。
The mobility of the TFT obtained by the method described above was 110 to 150 cm 2 / Vs, and the S value was 0.2 to 0.5 V / digit. Further, when a P-channel TFT in which boron is doped in the source / drain by a similar method is also produced, the mobility is 90 to 120 cm 2 / Vs, the S value is 0.4 to 0.6 V / digit, Compared with the case where the gate insulating film is formed by the PVD method or the CVD method, the mobility is 20% or more higher and the S value is reduced by 20% or more.
Also, from the viewpoint of reliability, the TFT manufactured in this example showed a good result that is not inferior to a TFT manufactured by high-temperature thermal oxidation at 1000 ° C.

本実施例は、アクティブマトリクスの画素の制御に用いられるTFTの作製工程に関するものである。図3に本実施例の作製工程を示す。まず、実施例1と同様に、ガラス基板(コーニング7059)を歪点(593℃)よりも高い620〜660℃、例えば640℃で1〜4時間、例えば1時間アニールし、その後、0.03〜1℃/分、例えば0.2℃/分で徐冷し、400〜500℃、例えば450℃まで温度が低下した段階で取り出した。   This embodiment relates to a manufacturing process of a TFT used for controlling an active matrix pixel. FIG. 3 shows a manufacturing process of this example. First, as in Example 1, the glass substrate (Corning 7059) was annealed at 620 to 660 ° C. higher than the strain point (593 ° C.), for example, 640 ° C. for 1 to 4 hours, for example 1 hour, and then 0.03 It was gradually cooled at ˜1 ° C./min, for example 0.2 ° C./min, and taken out when the temperature dropped to 400 to 500 ° C., for example 450 ° C.

このような処理を施した基板301を洗浄し、TEOS(テトラ・エトキシ・シラン)と酸素を原料ガスとしてプラズマCVD法によって厚さ200nmの酸化珪素の下地膜302を形成した。そして、プラズマCVD法によって、厚さ50〜150nm、例えば100nmの真性(I型)の非晶質珪素膜303を成膜した。次に連続的に厚さ50〜200nm、例えば100nmの酸化珪素膜305をプラズマCVD法によって成膜した。そして、酸化珪素膜305を選択的にエッチングして、非晶質珪素の露出した領域306を形成した。そして、全面に平均厚さ2〜5nmのニッケル膜307をスパッタ法で成膜した。ニッケル膜は連続した膜状でなくともよい。また、スパッタ法の代わりにスピンコーティング法を用いてもよい。   The substrate 301 subjected to such treatment was cleaned, and a silicon oxide base film 302 having a thickness of 200 nm was formed by plasma CVD using TEOS (tetraethoxysilane) and oxygen as source gases. Then, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film 303 having a thickness of 50 to 150 nm, for example, 100 nm was formed by plasma CVD. Next, a silicon oxide film 305 having a thickness of 50 to 200 nm, for example, 100 nm was continuously formed by a plasma CVD method. Then, the silicon oxide film 305 was selectively etched to form a region 306 where amorphous silicon was exposed. Then, a nickel film 307 having an average thickness of 2 to 5 nm was formed on the entire surface by sputtering. The nickel film may not be a continuous film. Further, a spin coating method may be used instead of the sputtering method.

ここで、ニッケルは非晶質珪素の結晶化を助長せしめる作用を有する。ニッケルを用いることにより、通常の固相成長温度よりも低温・短時間で結晶化をおこなうことができる。
この後、窒素雰囲気下で500〜620℃、例えば550℃、8時間の加熱アニールをおこない、珪素膜303の結晶化をおこなった。結晶化は、ニッケルと珪素膜が接触した領域306を出発点として、矢印で示されるように基板に対して平行な方向に進行した。図においては領域304は結晶化した部分、領域303は未結晶化(非晶質)の部分を示す。(図3(A))
Here, nickel has a function of promoting crystallization of amorphous silicon. By using nickel, crystallization can be performed at a lower temperature and in a shorter time than the normal solid phase growth temperature.
Thereafter, heat annealing was performed in a nitrogen atmosphere at 500 to 620 ° C., for example, 550 ° C. for 8 hours, and the silicon film 303 was crystallized. Crystallization proceeded in a direction parallel to the substrate as indicated by the arrow, starting from a region 306 where the nickel and silicon films were in contact. In the figure, a region 304 indicates a crystallized portion, and a region 303 indicates an uncrystallized (amorphous) portion. (Fig. 3 (A))

次に、酸化珪素膜305を除去し、珪素膜304をパターニング後、ドライエッチングして、島状の活性層領域308を形成した。この際、図3(A)で306で示された領域は、ニッケルが直接導入された領域であり、ニッケルが高濃度に存在する領域である。また、結晶成長の先端にも、やはりニッケルが高濃度に存在することが確認されている。これらの領域では、その中間の領域に比較してニッケルの濃度が1桁近く高いことが判明している。したがって、本実施例においては、活性層308において、これらのニッケル濃度の高い領域がチャネル形成領域と重ならないようにした。本実施例の活性層中でのニッケル濃度は、SIMS(2次イオン質量分析)法による測定で1×1017〜1×1019原子cm-3程度であった。 Next, the silicon oxide film 305 was removed, and after patterning the silicon film 304, dry etching was performed to form an island-shaped active layer region 308. At this time, a region indicated by 306 in FIG. 3A is a region where nickel is directly introduced, and is a region where nickel is present at a high concentration. It has also been confirmed that nickel is also present at a high concentration at the tip of crystal growth. In these regions, it has been found that the nickel concentration is nearly an order of magnitude higher than the middle region. Therefore, in this example, in the active layer 308, these high nickel concentration regions were not overlapped with the channel formation region. The nickel concentration in the active layer of this example was about 1 × 10 17 to 1 × 10 19 atoms cm −3 as measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry).

活性層を形成した後、本発明の熱酸化処理をおこなってゲイト絶縁膜309を形成した。本実施例においても図1の熱酸化装置を用いた。熱酸化には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=1:1)を用い、第1の反応室1の温度TA は700℃、通路4の温度TB は650℃、第2の反応室の温度TC は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、熱酸化時間は2時間とした。なお、本実施例では、第1の反応室1には、網状の白金を触媒として設けた。このため、第1の反応室の温度を実施例1に比較して低下させ、また、一酸化二窒素の分解を促進することができたので、より少量の一酸化二窒素によって、実施例1と同等な効果を得ることができた。このようにして、厚さ約100nmの酸化珪素膜309を得た。(図3(B)) After forming the active layer, the gate insulating film 309 was formed by performing the thermal oxidation process of the present invention. Also in this example, the thermal oxidation apparatus of FIG. 1 was used. For the thermal oxidation, a mixed gas of dinitrogen monoxide and argon (dinitrogen monoxide: argon = 1: 1) is used, the temperature T A of the first reaction chamber 1 is 700 ° C., and the temperature T B of the passage 4 is 650. The temperature T C of the second reaction chamber was 600 ° C. The pressure in the reaction chamber was 1 atm, the flow rate of the reaction gas was 3 liters / minute, and the thermal oxidation time was 2 hours. In this example, reticulated platinum was provided in the first reaction chamber 1 as a catalyst. For this reason, since the temperature of the first reaction chamber was decreased as compared with Example 1, and the decomposition of dinitrogen monoxide could be promoted, a smaller amount of dinitrogen monoxide could be used. It was possible to obtain the same effect. Thus, a silicon oxide film 309 having a thickness of about 100 nm was obtained. (Fig. 3 (B))

引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ300〜800nm、例えば600nmのアルミニウム膜(0.01〜0.2%のスカンジウムを含む)を成膜した。そして、アルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極310を形成した。(図3(C))
さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層311を形成した。この陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれたエチレングリコール溶液中でおこなった。溶液はアンモニアを用いて、pH=6.8〜7.2に調整した。得られた酸化物層311の厚さは200nmであった。なお、この酸化物311は、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。(図3(D))
Subsequently, an aluminum film (containing 0.01 to 0.2% scandium) having a thickness of 300 to 800 nm, for example, 600 nm was formed by a sputtering method. Then, the aluminum film was etched to form the gate electrode 310. (Figure 3 (C))
Further, the surface of the aluminum electrode was anodized to form an oxide layer 311 on the surface. This anodization was performed in an ethylene glycol solution containing 1 to 5% tartaric acid. The solution was adjusted to pH = 6.8-7.2 using ammonia. The thickness of the obtained oxide layer 311 was 200 nm. Note that since the oxide 311 has a thickness for forming an offset gate region in a subsequent ion doping step, the length of the offset gate region can be determined in the anodic oxidation step. (Fig. 3 (D))

次に、イオンドーピング法によって、活性層308にゲイト電極部、すなわちゲイト電極310とその周囲の酸化層311をマスクとして、自己整合的にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加した。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとした。ドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2 、例えば、4×1015原子/cm2 とした。この結果、N型の不純物領域312と313を形成することができた。図からも明らかなように不純物領域とゲイト電極とは距離xだけ離れたオフセット状態となった。このようなオフセット状態は、特にゲイト電極に逆電圧(NチャネルTFTの場合はマイナス)を印加した際のリーク電流(オフ電流ともいう)を低減する上で有効であった。特に、本実施例のようにアクティブマトリクスの画素を制御するTFTにおいては良好な画像を得るために画素電極に蓄積された電荷が逃げないようにリーク電流が低いことが望まれるので、オフセットを設けることは有効であった。 Next, an impurity imparting N conductivity type (phosphorus in this case) is added in a self-aligned manner to the active layer 308 by ion doping using the gate electrode portion, that is, the gate electrode 310 and the surrounding oxide layer 311 as a mask. . As the doping gas, phosphine (PH 3 ) was used, and the acceleration voltage was set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose was 1 × 10 14 to 8 × 10 15 atoms / cm 2 , for example, 4 × 10 15 atoms / cm 2 . As a result, N-type impurity regions 312 and 313 can be formed. As is apparent from the figure, the impurity region and the gate electrode are offset by a distance x. Such an offset state is particularly effective in reducing leakage current (also referred to as off-current) when a reverse voltage (minus in the case of an N-channel TFT) is applied to the gate electrode. In particular, in the TFT for controlling the pixels of the active matrix as in this embodiment, it is desired that the leakage current is low so that the charge accumulated in the pixel electrode does not escape in order to obtain a good image. It was effective.

その後、レーザー光の照射によって光アニールをおこなった。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)を用いた。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を200〜450℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。(図3(E))
続いて、厚さ600nmの酸化珪素膜314を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成した。さらに、酸化珪素膜314上にスパッタ法によって厚さ80nmの透明導電性膜(ITO膜)を成膜し、これをエッチングして画素電極315を形成した。
Thereafter, light annealing was performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) was used. The laser light was irradiated at an energy density of 200 to 400 mJ / cm 2 , for example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10 shots, for example, 2 shots were irradiated at one place. The effect may be increased by heating the substrate to about 200 to 450 ° C. during the laser light irradiation. (Figure 3 (E))
Subsequently, a silicon oxide film 314 having a thickness of 600 nm was formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Further, a transparent conductive film (ITO film) having a thickness of 80 nm was formed on the silicon oxide film 314 by sputtering, and this was etched to form a pixel electrode 315.

そして、層間絶縁物314、ゲイト絶縁膜309にコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってTFTの電極・配線316、317を形成した。最後に、1気圧の水素雰囲気で350℃、30分のアニールをおこない、TFTを有するアクティブマトリクスの画素回路を完成した。(図3(F))
以上のようにして、アクティブマトリクス回路が形成された。回路の保護のために、さらに、TFTを覆って、窒化珪素等の保護膜(パッシベーション膜)を形成してもよい。
Then, contact holes were formed in the interlayer insulator 314 and the gate insulating film 309, and TFT electrodes and wirings 316 and 317 were formed of a metal material, for example, a multilayer film of titanium nitride and aluminum. Finally, annealing was performed at 350 ° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere of 1 atm to complete an active matrix pixel circuit having TFTs. (Fig. 3 (F))
An active matrix circuit was formed as described above. In order to protect the circuit, a protective film (passivation film) such as silicon nitride may be formed so as to cover the TFT.

図4に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、基板401は、実施例1と同様にコーニング7059を用い、TEOSを原料とするプラズマCVD法によって厚さ200nmの酸化珪素の下地膜402を形成した。そして、プラズマCVD法によって、厚さ10〜100nm、例えば80nmの真性(I型)の非晶質珪素膜を成膜した。   FIG. 4 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this example. First, as for the substrate 401, Corning 7059 was used in the same manner as in Example 1, and a 200 nm thick silicon oxide base film 402 was formed by a plasma CVD method using TEOS as a raw material. Then, an intrinsic (I-type) amorphous silicon film having a thickness of 10 to 100 nm, for example, 80 nm was formed by plasma CVD.

そして、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させる元素を非晶質珪素膜に微量添加して熱アニールし、結晶性珪素膜を得た。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、スピンドライ法によって、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。そして、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。   Then, a trace amount of an element that promotes crystallization of amorphous silicon, such as nickel, iron, platinum, palladium, and cobalt, was added to the amorphous silicon film and thermally annealed to obtain a crystalline silicon film. In this example, a nickel acetate solution was dropped on the amorphous silicon film, and a very thin film of nickel acetate was formed on the amorphous silicon film by a spin dry method. Then, nickel was introduced into the amorphous silicon film and crystallized by performing thermal annealing at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere.

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。 Thereafter, in order to further improve the crystallinity, laser annealing was performed using a KrF excimer laser (wavelength 248 nm). An appropriate laser energy density was 250 to 350 mJ / cm 2 . In this example, it was set to 300 mJ / cm 2 . As described above, a crystalline silicon film could be 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.

次に、窒化珪素膜を成膜し、これをエッチングして、窒化珪素のマスク405を形成した。そして、マスク405を用いて、珪素膜を30nmドライエッチング法によってエッチングし、珪素膜の厚い領域403と薄い領域404を形成した。珪素膜の厚い領域405はTFTの活性層となるものである。本実施例では、ランダムにこのような活性層を形成したが、その中には、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。(図4(A))   Next, a silicon nitride film was formed and etched to form a silicon nitride mask 405. Then, using the mask 405, the silicon film was etched by a 30 nm dry etching method to form a thick region 403 and a thin region 404 of the silicon film. The thick region 405 of the silicon film becomes an active layer of the TFT. In this example, such an active layer was randomly formed, and many of them were observed in which the channel formation region of the TFT had a monodomain structure. (Fig. 4 (A))

さらに、マスク405をつけたまま、本発明の熱酸化処理をおこなって、薄い領域404を酸化させ、酸化珪素膜407を形成した。本実施例においては、図6に示す装置を用いた。本装置においては、図1の第1の反応室1に該当する部分は特に設けず、反応気体の導入管63の一部をヒーター64により加熱することにより、気体を反応性として、反応室61に導入する構成を有している。反応室61には複数のサセプター65を設け、それぞれに基板66を設置した。反応室61はヒーター62により、一定の温度に保たれる。本実施例においては導入管63の内径は20〜25mmφとした。また、ヒーター64の位置から反応室までの距離は10〜150cmが適当であった。   Further, with the mask 405 attached, the thermal oxidation treatment of the present invention was performed to oxidize the thin region 404 and form a silicon oxide film 407. In this example, the apparatus shown in FIG. 6 was used. In this apparatus, a portion corresponding to the first reaction chamber 1 in FIG. 1 is not particularly provided, and a reaction chamber 61 is heated by partially heating a reaction gas introduction pipe 63 with a heater 64 to make the gas reactive. It has the structure introduced into. A plurality of susceptors 65 were provided in the reaction chamber 61, and a substrate 66 was installed in each. The reaction chamber 61 is kept at a constant temperature by a heater 62. In the present embodiment, the inner diameter of the introduction pipe 63 is 20 to 25 mmφ. The distance from the position of the heater 64 to the reaction chamber was suitably 10 to 150 cm.

図6の装置において、ヒーター64の設けられた部分の導入管の温度は気体の分解する温度とし、さらに、該部分から反応室に至る部分の温度は、反応室61の温度TC よりも高くなるようにした。
本実施例においては熱酸化の雰囲気として、一酸化二窒素を用いた。導入管63に5リットル/分の流量で一酸化二窒素を流した。ヒーター64では、温度が750〜950℃になるように設定するとよかった。反応室61の温度は500〜650℃が好ましかった。本実施例では、ヒーター64の温度は900℃、反応室61の温度は550℃とした。上記の条件で、4時間の熱酸化を施した。この結果、厚さ約100nmの酸化珪素膜407が形成できた。この結果、厚い珪素膜領域403は酸化珪素407に囲まれて、互いに絶縁された。
In the apparatus of FIG. 6, the temperature of the introduction pipe in the portion where the heater 64 is provided is a temperature at which the gas decomposes, and the temperature from the portion to the reaction chamber is higher than the temperature T C of the reaction chamber 61. It was made to become.
In this embodiment, dinitrogen monoxide was used as the thermal oxidation atmosphere. Nitrogen monoxide was allowed to flow through the introduction pipe 63 at a flow rate of 5 liters / minute. In the heater 64, it was good to set the temperature to 750 to 950 ° C. The temperature of the reaction chamber 61 was preferably 500 to 650 ° C. In this example, the temperature of the heater 64 was 900 ° C., and the temperature of the reaction chamber 61 was 550 ° C. Under the above conditions, thermal oxidation was performed for 4 hours. As a result, a silicon oxide film 407 having a thickness of about 100 nm was formed. As a result, the thick silicon film regions 403 were surrounded by the silicon oxide 407 and insulated from each other.

この後、マスク405を除去して、厚い珪素膜領域403の表面を露呈させた。そして、この表面に前記した酸化珪素407の熱酸化と同様な方法で酸化珪素膜408を形成した。ただし、このときは酸化時間を1時間としたため、酸化珪素膜408の厚さは50nmであった。このようにして、活性層406を形成した。(図4(B))
引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ300〜800nm、例えば600nmのアルミニウム(0.01〜0.2%のスカンジウムを含む)を成膜した。そして、アルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極409を形成した。(図4(C))
Thereafter, the mask 405 was removed to expose the surface of the thick silicon film region 403. Then, a silicon oxide film 408 was formed on the surface by the same method as the thermal oxidation of the silicon oxide 407 described above. However, since the oxidation time was 1 hour at this time, the thickness of the silicon oxide film 408 was 50 nm. Thus, the active layer 406 was formed. (Fig. 4 (B))
Subsequently, an aluminum film (containing 0.01 to 0.2% scandium) having a thickness of 300 to 800 nm, for example, 600 nm was formed by a sputtering method. Then, the aluminum film was etched to form a gate electrode 409. (Fig. 4 (C))

さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層410を形成した。この陽極酸化は、実施例2と同様におこなった。得られた酸化物層410の厚さは200nmであった。(図4(D))
次に、イオンドーピング法によって、活性層406にゲイト電極部、すなわちゲイト電極409とその周囲の酸化層410をマスクとして、自己整合的にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加した。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を60〜90kV、例えば80kVとした。ドーズ量は1×1014〜8×1015原子/cm2 、例えば、4×1014原子/cm2 とした。この結果、N型の不純物領域411と412を形成することができた。
Further, the surface of the aluminum electrode was anodized to form an oxide layer 410 on the surface. This anodization was performed in the same manner as in Example 2. The thickness of the obtained oxide layer 410 was 200 nm. (Fig. 4 (D))
Next, an impurity imparting N conductivity type (phosphorus in this case) is added in a self-aligned manner to the active layer 406 by ion doping using the gate electrode portion, that is, the gate electrode 409 and the surrounding oxide layer 410 as a mask. . As the doping gas, phosphine (PH 3 ) was used, and the acceleration voltage was set to 60 to 90 kV, for example, 80 kV. The dose was 1 × 10 14 to 8 × 10 15 atoms / cm 2 , for example, 4 × 10 14 atoms / cm 2 . As a result, N-type impurity regions 411 and 412 could be formed.

その後、レーザー光の照射によって光アニールをおこなった。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)を用いた。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が200〜400mJ/cm2 、例えば250mJ/cm2 とし、一か所につき2〜10ショット、例えば2ショット照射した。(図4(E)) Thereafter, light annealing was performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) was used. The laser light was irradiated at an energy density of 200 to 400 mJ / cm 2 , for example, 250 mJ / cm 2, and 2 to 10 shots, for example, 2 shots were irradiated at one place. (Fig. 4 (E))

続いて、層間絶縁物としてプラズマCVD法によって窒化珪素膜413を形成した。そして、窒化珪素の層間絶縁物413および酸化珪素膜408をエッチングして、コンタクトホール414を形成した。コンタクトホールのエッチングには緩衝フッ酸(例えば、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液)を用いた。プラズマCVDによって形成された窒化珪素膜は、PVD法やCVD法によって成膜された酸化珪素膜に比較するとエッチングレートが小さいのであるが、本実施例では酸化珪素膜408は熱酸化によって得られたので、エッチングレートは窒化珪素の層間絶縁物413と同じ程度であった。   Subsequently, a silicon nitride film 413 was formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Then, the silicon nitride interlayer insulator 413 and the silicon oxide film 408 were etched to form contact holes 414. Buffered hydrofluoric acid (for example, a mixture of hydrofluoric acid and ammonium fluoride) was used for etching the contact holes. The silicon nitride film formed by plasma CVD has a lower etching rate than the silicon oxide film formed by PVD or CVD, but in this embodiment the silicon oxide film 408 was obtained by thermal oxidation. Therefore, the etching rate was about the same as that of the silicon nitride interlayer insulator 413.

このため、得られたコンタクトホールも上から下までほぼ同じ径であった。このような構造はコンタクトホール部での配線の断線を防止するうえで有効である。逆に、コンタクトホールの下の部分の径が上の部分よりも大きくなると、配線の断線が発生しやすい。なお、本実施例では、窒化珪素の層間絶縁物413は、外部から水や可動イオンがTFTに侵入するのを防止する保護膜をも兼ねている。   For this reason, the obtained contact holes have almost the same diameter from top to bottom. Such a structure is effective in preventing disconnection of the wiring at the contact hole portion. Conversely, if the diameter of the lower part of the contact hole is larger than that of the upper part, the disconnection of the wiring tends to occur. In this embodiment, the silicon nitride interlayer insulator 413 also serves as a protective film for preventing water and mobile ions from entering the TFT from the outside.

コンタクトホール形成後、スパッタ法によってアルミニウム膜を形成し、これをエッチングしてソース電極・配線415を形成した。さらに、スピンコーティング法によって、ポリイミドの膜416を厚さ200nm形成した。そして、ポリイミド膜416、窒化珪素の層間絶縁物413、ゲイト絶縁膜408をエッチングして、コンタクトホール417を形成した。
そして、透明導電性膜(ITO膜)を成膜し、これをエッチングして画素電極418を形成した。以上によってアクティブマトリクス回路が形成できた。(図4(F))
After forming the contact hole, an aluminum film was formed by sputtering, and this was etched to form a source electrode / wiring 415. Further, a polyimide film 416 having a thickness of 200 nm was formed by spin coating. Then, the polyimide film 416, the silicon nitride interlayer insulator 413, and the gate insulating film 408 were etched to form contact holes 417.
Then, a transparent conductive film (ITO film) was formed and etched to form a pixel electrode 418. Thus, an active matrix circuit can be formed. (Fig. 4 (F))

本実施例ではゲイト絶縁膜の厚さは50nmと他の実施例のものより薄いが、従来のPVD法、CVD法を用いて形成されたものに比較するとピンホールは皆無であり、また、耐圧も高いので実用上問題はなかった。また、本実施例のようにモノドメイン構造のTFTを有する場合には、ゲイト絶縁膜が必要以上に厚いと特性を抑制することとなるのである。その点で、本実施例のように50nm程度であれば、モノドメイン構造の特色を十分に発揮できた。
また、実施例1および2においては、活性層の段差が、ゲイト絶縁膜も含めて150nmにもなり、ゲイト電極の段差被覆性が不十分であると、ゲイト電極・配線の断線が発生することもあった。この点で、本実施例では段差被覆性が極めて小さいので有利であった。
In this embodiment, the thickness of the gate insulating film is 50 nm, which is thinner than those of the other embodiments, but there are no pinholes compared to those formed by using the conventional PVD method and CVD method, and the breakdown voltage is reduced. However, there was no problem in practical use. Further, in the case of having a mono-domain structure TFT as in this embodiment, the characteristics are suppressed if the gate insulating film is thicker than necessary. In that respect, if the thickness is about 50 nm as in this example, the characteristics of the monodomain structure could be sufficiently exhibited.
Further, in Examples 1 and 2, the step of the active layer is 150 nm including the gate insulating film, and the gate electrode / wiring disconnection occurs when the gate electrode has insufficient step coverage. There was also. In this respect, this embodiment is advantageous because the step coverage is extremely small.

図7に本実施例の作製工程の断面図を示す。まず、ガラス基板401上に下地の酸化珪素膜702(厚さ200nm)、厚さ75nmの結晶性の島状珪素膜703を形成した。本発明の熱酸化処理をおこなって、珪素膜703を酸化させ、酸化珪素膜704を形成した。本実施例においては、実施例3と同様に、図1(A)の構造の反応炉で、第1の反応室1の構造が図6(A)(断面図)および同図(B)(上面図)に示すものを用いた。
本実施例においては1気圧、100%の一酸化二窒素を5リットル/分の流量で流した。反応室2の温度は500〜650℃が好ましかった。本実施例では550℃とした。上記の条件で、1時間の熱酸化を施した。この結果、厚さ約50nmの酸化珪素膜704が形成できた。(図7(A))
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this example. First, a base silicon oxide film 702 (thickness: 200 nm) and a crystalline island-shaped silicon film 703 having a thickness of 75 nm were formed over a glass substrate 401. The thermal oxidation treatment of the present invention was performed to oxidize the silicon film 703 to form a silicon oxide film 704. In this example, as in Example 3, the structure of the first reaction chamber 1 in the reactor having the structure of FIG. 1A is shown in FIG. 6A (cross-sectional view) and FIG. The one shown in the top view) was used.
In this example, 1 atm and 100% dinitrogen monoxide was flowed at a flow rate of 5 liters / minute. The temperature in the reaction chamber 2 was preferably 500 to 650 ° C. In this embodiment, the temperature was 550 ° C. Under the above conditions, thermal oxidation was performed for 1 hour. As a result, a silicon oxide film 704 having a thickness of about 50 nm was formed. (Fig. 7 (A))

この後、プラズマCVD法によって厚さ50nmの酸化珪素膜領域705を形成した。原料としては、モノシランと一酸化二窒素を用いた。基板温度は400〜500℃、例えば、430℃とした。引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ300〜800nm、例えば600nmのアルミニウム(0.01〜0.2%のスカンジウムを含む)を成膜した。そして、アルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極706を形成した。(図7(B))   Thereafter, a silicon oxide film region 705 having a thickness of 50 nm was formed by plasma CVD. Monosilane and dinitrogen monoxide were used as raw materials. The substrate temperature was 400 to 500 ° C., for example, 430 ° C. Subsequently, an aluminum film (containing 0.01 to 0.2% scandium) having a thickness of 300 to 800 nm, for example, 600 nm was formed by a sputtering method. Then, the aluminum film was etched to form a gate electrode 706. (Fig. 7 (B))

さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層707を形成した。この陽極酸化は、実施例2と同様におこなった。得られた酸化物層707の厚さは200nmであった。
次に、イオンドーピング法によって、活性層704にゲイト電極部、すなわちゲイト電極706とその周囲の酸化層707をマスクとして、自己整合的にN導電型を付与する不純物(ここでは燐)を添加した。ドーピングガスとして、フォスフィン(PH3 )を用い、加速電圧を80kVとした。ドーズ量は4×1014原子/cm2 とした。この結果、N型の不純物領域708を形成することができた。(図7(C))
Further, the surface of the aluminum electrode was anodized to form an oxide layer 707 on the surface. This anodization was performed in the same manner as in Example 2. The thickness of the obtained oxide layer 707 was 200 nm.
Next, an impurity imparting N conductivity type (phosphorus in this case) is added in a self-aligning manner to the active layer 704 by ion doping using the gate electrode portion, that is, the gate electrode 706 and the surrounding oxide layer 707 as a mask. . As the doping gas, phosphine (PH 3 ) was used, and the acceleration voltage was 80 kV. The dose was 4 × 10 14 atoms / cm 2 . As a result, an N-type impurity region 708 could be formed. (Fig. 7 (C))

その後、レーザー光の照射によって光アニールをおこなった。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)を用いた。
続いて、層間絶縁物としてプラズマCVD法によって窒化珪素膜709を形成した。そして、窒化珪素の層間絶縁物709をエッチングして、コンタクトホール710を形成した。
Thereafter, light annealing was performed by laser light irradiation. As the laser light, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 20 nsec) was used.
Subsequently, a silicon nitride film 709 was formed as an interlayer insulator by a plasma CVD method. Then, the silicon nitride interlayer insulator 709 was etched to form a contact hole 710.

コンタクトホール形成後、スパッタ法によってアルミニウム膜を形成し、これをエッチングしてソース電極・配線711を形成した。さらに、プラズマCVD法によって、酸化珪素膜712を厚さ200nm形成した。そして、酸化珪素膜712、窒化珪素の層間絶縁物709をエッチングして、コンタクトホール713を形成した。
そして、透明導電性膜(ITO膜)を成膜し、これをエッチングして画素電極714を形成した。以上によってアクティブマトリクス回路が形成できた。(図7(D))
本実施例ではゲイト絶縁膜を熱酸化膜とプラズマCVD法による酸化珪素膜で2重に形成することによって、短時間で十分な厚さのものとすることができた。
After forming the contact hole, an aluminum film was formed by sputtering, and this was etched to form a source electrode / wiring 711. Further, a silicon oxide film 712 having a thickness of 200 nm was formed by plasma CVD. Then, the silicon oxide film 712 and the silicon nitride interlayer insulator 709 were etched to form contact holes 713.
Then, a transparent conductive film (ITO film) was formed and etched to form a pixel electrode 714. Thus, an active matrix circuit can be formed. (Fig. 7 (D))
In this embodiment, the gate insulating film can be made sufficiently thick in a short time by forming a double layer of the thermal oxide film and the silicon oxide film formed by the plasma CVD method.

本発明を実施するための熱酸化装置の概念図を示す。The conceptual diagram of the thermal oxidation apparatus for implementing this invention is shown. 本発明のTFTの作製工程例を示す。(実施例1参照)An example of a manufacturing process of the TFT of the present invention is shown. (See Example 1) 本発明のTFTの作製工程例を示す。(実施例2参照)An example of a manufacturing process of the TFT of the present invention is shown. (See Example 2) 本発明のTFTの作製工程例を示す。(実施例3参照)An example of a manufacturing process of the TFT of the present invention is shown. (See Example 3) 本発明を用いた低温(600℃以下)熱酸化の様子を示す。The mode of low temperature (600 degrees C or less) thermal oxidation using this invention is shown. 本発明を実施するための熱酸化装置の概念図を示す。The conceptual diagram of the thermal oxidation apparatus for implementing this invention is shown. 本発明のTFTの作製工程例を示す。(実施例4参照)An example of a manufacturing process of the TFT of the present invention is shown. (See Example 4)

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・第1の反応室
2・・・・第1の反応室のヒーター
3・・・・通路のヒーター
4・・・・通路
5・・・・第2の反応室
6・・・・第2の反応室のヒーター
7・・・・サセプター
8・・・・基板
9・・・・反応を促進させる材料(触媒等)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...... 1st reaction chamber 2 ...... Heater of 1st reaction chamber 3 .... Heater of passage 4 ...... Passage 5 ...... 2nd reaction chamber 6 ...・ Second reaction chamber heater 7... Susceptor 8... Substrate 9...

Claims (7)

第1の温度の第1の反応室において、酸素、オゾン又は窒素酸化物を含む雰囲気を熱的に励起し、
前記第1の温度以下の第2の温度の通路を介して、珪素を主成分とする半導体膜が配置され前記第2の温度以下の第3の温度の第2の反応室に、励起された前記酸素、オゾン又は窒素酸化物を導入することによって、前記半導体膜の表面を酸化する半導体装置の作製方法であって、
前記第1の反応室内に触媒を有し、前記酸素、オゾン又は窒素酸化物を前記触媒に接触させて励起することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Thermally exciting an atmosphere containing oxygen, ozone or nitrogen oxides in a first reaction chamber at a first temperature;
A semiconductor film containing silicon as a main component is disposed through a passage having a second temperature not higher than the first temperature, and is excited in a second reaction chamber having a third temperature not higher than the second temperature. A method of manufacturing a semiconductor device that oxidizes a surface of the semiconductor film by introducing oxygen, ozone, or nitrogen oxide,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a catalyst in the first reaction chamber; and exciting the oxygen, ozone, or nitrogen oxide by contacting the catalyst.
請求項において、
前記触媒は網状の金属であって、電流を流すことにより前記第1の温度より高い温度となることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 1 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the catalyst is a net-like metal and is heated to a temperature higher than the first temperature by passing an electric current.
請求項において、
前記触媒は、白金、パラジウム、還元ニッケル、チタン、バナジウム、コバルトのいずれかであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 2 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the catalyst is any one of platinum, palladium, reduced nickel, titanium, vanadium, and cobalt.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第3の温度は400〜700℃であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claim 1 thru | or 3 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the third temperature is 400 to 700 ° C.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記第1の反応室、前記通路、及び前記第2の反応室には個別にヒーターが設けられていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 4 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a heater is provided separately for each of the first reaction chamber, the passage, and the second reaction chamber.
請求項1乃至請求項のいずれか一において、
前記通路の内壁は石英を主成分とする材料によって構成されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 5 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein an inner wall of the passage is made of a material whose main component is quartz.
請求項1乃至請求項のいずれか一において、
前記第2の反応室内は、1気圧以上15気圧以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 1 to 6,
The method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that the inside of the second reaction chamber is 1 atm or more and 15 atm or less.
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