JP4211085B2

JP4211085B2 - Thin film transistor manufacturing method

Info

Publication number: JP4211085B2
Application number: JP13631198A
Authority: JP
Inventors: 淳芳之内
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JPH11330476A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜トランジスタの製造方法方法に係り、特に絶縁性基板上に形成される薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイやイメージセンサ等の画像入出力デバイスの駆動回路は、いわゆるＬＳＩとして形成され、画像入出力デバイスの基板上に貼り付けられて実装されていた。ところが、この貼付作業は複雑、かつ、面倒であるため、近年では、駆動回路を画像入出力デバイスと同一基板上に直接作製するための開発が進められている。これらの画像入出力デバイスの基板には、通常、半導体素子への不純物の影響を考慮して、無アルカリガラスが用いられている。無アルカリガラスには、バリウムホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス等がある。これらの無アルカリガラスを使用したガラス基板の歪点は５９３〜７００℃程度であるため、この基板上に駆動回路を直接作製するときには、少なくとも７００℃以下の温度で処理することが要求される。
【０００３】
しかし、駆動回路を形成するのに必要な性能を持ったトランジスタの半導体膜を、７００℃以下の温度で作製するのは一般に困難である。７００℃以下の温度で半導体膜を形成する方法として固相成長法がある。固相成長法は、非晶質膜を出発材料として、６００℃程度の温度でアニールして多結晶化することにより、多結晶シリコン膜を作って半導体膜を成形する方法であるが、その多結晶化の段階でそれぞれの結晶方位が異なるため、その結晶粒界で多くの結晶欠陥が発生する。
【０００４】
短波長のエキシマレーザを非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜に照射して溶融固化することにより良質な半導体膜を得る方法もある。エキシマレーザは、パルスレーザであり、かつ、ビームサイズが限られているので、大面積照射する場合は、ビームを継ぎ合わせて照射しなければならず、その継ぎ合わせ部分で多結晶シリコン膜の膜質が変化し、その部分のトランジスタは、異なった特性になってしまう。また、シリコン膜にレーザ照射するとシリコン膜の表面は局所的、かつ、瞬間的に溶融し凝固するため、照射エネルギによって多結晶シリコン膜の膜質は急峻に変化し、結果的に安定して同一膜質の多結晶シリコン膜を得ることが困難である。
【０００５】
以上述べた問題点を解決するものとして、特開平７−１６２００２号公報では、多結晶シリコン膜の表面層を水蒸気を主成分とする雰囲気下で酸化した後、その酸化膜を除去することによって、良質の半導体膜を得る方法が提案されている。このように多結晶シリコン膜を酸化処理すると、シリコン原子が酸化されて酸素原子と結合する過程において、シリコン原子同士の結合が切り離され、ある確率で完全に自由になるシリコン原子が生成される。この完全に自由になったシリコン原子が、多結晶シリコン膜中を拡散して多結晶シリコン膜中の結晶欠陥を補償し、結晶欠陥が低減されると考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特開平７−１６２００２号公報の発明には、次のような問題がある。
（１）半導体表面層に形成された酸化シリコン膜を除去しなければならず、その分工程が長くなってしまう。
（２）酸化シリコン膜を除去した後に、大切な多結晶シリコン膜が露出した状態で、次工程の処理が行われるので、その間に結晶シリコン膜の表面が汚染されたり、劣化したりしてしまう。
【０００７】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、多結晶シリコン膜の酸化により形成された酸化シリコン膜を除去することなく、その上に絶縁膜を形成することにより、多結晶シリコン膜の汚染や劣化を防ぎ、もって高品質の薄膜トランジスタを製造する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、絶縁性基板上に多結晶シリコン膜を形成する第１工程と、水蒸気等の酸化能力のある気体を主成分とし圧力が５〜５０気圧の雰囲気で上記多結晶シリコン膜の表面層を酸化して多結晶シリコン膜上に酸化シリコン膜を形成する第２工程と、上記酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜を島状にエッチングする第３工程と、上記島状の酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜を含む領域に絶縁膜を形成する第４工程と、上記絶縁膜上にゲート電極を形成する第５工程とを有している。
【０００９】
上記第４工程のあとに、窒素などの不活性な気体を主成分とし圧力が５〜５０気圧の雰囲気で熱処理する工程を付加することにより、さらに品質向上が図れる。
【００１０】
上記多結晶シリコン膜を酸化する第２工程および請求項２の熱処理温度は３００〜７００℃とするのが好ましい。
【００１１】
次に、本発明の作用を説明する。
本発明で、多結晶シリコン膜の表面層を酸化して酸化シリコン膜を形成し、酸化されずに残った多結晶シリコン膜の改質を行う点では先に述べた特開平７−１６２００２号に開示された発明（以下「先行技術」という。）と同じであるが、先行技術では酸化シリコン膜を除去してから絶縁膜を形成しているのに対し、本発明では酸化シリコン膜を除去せず、その上に絶縁膜を形成する点で先行技術と異なる。
【００１２】
酸化シリコン膜を除去しないので、除去するための工程が省けるとともに、多結晶シリコン膜が酸化シリコン膜により保護された状態で次工程の処理が行われ、多結晶シリコン膜の表面の汚染や劣化の問題が生じることがなく、薄膜トランジスタの品質向上が図れる。なお、島状の酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜を含む領域に絶縁膜を形成するのは、エッチングした酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜の厚さ分だけ、島の周縁部に段差が生じるとともに、段差部に多結晶シリコン膜の厚さ分の露出が生じるので、絶縁膜を形成せずに酸化シリコン膜上に直接ゲート電極を形成すると、露出した多結晶シリコン膜とゲート電極が直接接触してしまい、薄膜トランジスタの性能が損なわれるからである。また、酸化シリコン膜上に絶縁膜を成膜することにより絶縁性の膜を多層化でき、絶縁耐圧を向上することができる。
【００１３】
５気圧以上の雰囲気で酸化処理を行うのは、圧力が高いと熱伝達が向上して処理温度の均一性が高まるとともに、酸化レートが向上し、同じ酸化レートであれば処理温度を低温化することができるからである。５０気圧以下としたのは、５０気圧をこえる高圧にしても均一性の向上がみられないからである。
【００１４】
第４工程のあとに、不活性な気体を主成分とする雰囲気下で絶縁性基板上に形成された、半導体膜を熱処理する工程を付加すると、酸化シリコン膜が緻密化され、かつ、前記酸化シリコン膜と、前記多結晶シリコン膜との界面もさらに良好になって、このように作った薄膜トランジスタは、信頼性に優れ、良好な性能が得られる。
【００１５】
熱処理の温度を７００℃以下とすることにより、安価なガラス基板を使用しても歪を起すことがない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１（ａ）〜（ｇ）は、本発明の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【００１７】
第１工程として、図１（ａ）に示すように絶縁性基板１（ここでは絶縁性基板１の１例として、ガラス基板を用いたので、以下「ガラス基板１」という。）に、多結晶シリコン膜２を形成する。多結晶シリコン膜２の成膜方法には、種々あるが、ここでは、非晶質シリコン膜を成膜した後、これをアニールして多結晶シリコン膜２とした。ガラス基板１上に、減圧ＣＶＤ法によりＳｉ₂ Ｈ₆ ガスを用いて基板温度４５０℃で、膜厚２００ｎｍの非晶質シリコン膜を成膜した。非晶質シリコン膜を成膜する方法は、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法等でもよいが、減圧ＣＶＤ法で行うと、アニール後に良質な多結晶シリコン膜が得られる。基板温度は４００〜６００℃が好ましく、使用する原料ガスとしてＳｉＨ₄ を用いてもよいし、膜厚は５０〜５００ｎｍとすることができる。
【００１８】
次に、アニールして、結晶化し多結晶シリコン膜３を形成する。ここでは良好な均一性が得られる炉アニールにより窒素雰囲気中６００℃で２４時間アニールして結晶化した。アニール法は、炉アニール以外に、レーザアニール、ランプアニール、電子ビームアニールまたはこれらの組み合わせを用いることができる。窒素雰囲気中でアニール温度５００〜６５０℃、アニール時間４〜２４時間で行うこともできる。
【００１９】
また、ここではガラス基板を用いたが、石英基板、サファイア基板等の基板を用いることもできる。ガラス基板は、安価であるので作製するデバイスコストを低減できるので好ましい。これらの基板上またはシリコンウエハ上に絶縁膜を形成したものを用いることもできる。この絶縁膜には酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の単膜または２種以上を積層したものを用いることができる。
【００２０】
第２工程として、図１（ｂ）に示すように、水蒸気を主成分とする５〜５０気圧の雰囲気下において、前記多結晶シリコン膜を酸化して酸化シリコン膜４を形成する。ここでは、６００℃で２５気圧の雰囲気において、水蒸気による酸化工程を２時間行った。これにより、酸化されずに残った多結晶シリコン膜の膜厚は８０ｎｍとなった。この酸化作用によって、前述のように良好な多結晶シリコン膜３が得られる。このことは、酸化処理前後の多結晶シリコン膜を電子スピン共鳴法によって、測定したスピン密度が低減することによっても示される。スピン密度はシリコン膜中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）の密度を表していて、シリコン膜中の欠陥密度を示すので、酸化処理前後では明らかに、膜中の欠陥が低減していることがわかる。
【００２１】
ここで圧力を５〜５０気圧としたのは、実験データによれば図２に示すように圧力を高めることにより、加熱炉内の温度の均一性を高めることができるからである。
【００２２】
図２は雰囲気圧力と温度均一性との関係を示すグラフである。温度設定を６００℃として４００×５００ｍｍ角のガラス基板の面内温度の均一性を評価した。測定点数は５０点である。ここで、温度均一性（％）とは、最高温度と最低温度との差の半分を平均値で除した商を１００倍した数値である。図２から、高い圧力下で熱処理すると圧力に応じて熱の伝達効率が高まるので熱処理の均一性を高められることが判る。多結晶シリコン膜３を均一性の高い温度雰囲気で処理すれば、それだけ均一性の良い多結晶シリコン膜５を得ることができる。１０％以下の良好な均一性を得るためには、およそ５気圧以上の雰囲気下で熱処理すれば良いことが判る。また、１０気圧程度まで均一性の向上が顕著であって、１０気圧以上から飽和傾向にあることから、特に好ましくは、１０気圧以上とすることが効果的であり、逆に５０気圧以上としても均一性の向上はみられない。
【００２３】
さらに、上述のような酸化処理を５気圧以上の雰囲気で行うと、７００℃以下の温度でも酸化を効率よく行うことができる。一般には、同一温度であれば圧力にほぼ比例して酸化レートがあがるので、同じ酸化レートで処理するとすれば処理温度を低温化することができ、７００℃以下の温度でも、使用可能な酸化速度（１０ｎｍ／ｈ）が得られる。
【００２４】
第３工程として、図１（ｃ）に示すように、前記酸化シリコン膜４および前記多結晶シリコン膜３をエッチングして、島状の酸化シリコン膜６および島状の多結晶シリコン膜５を形成する。ここでは通常用いられるフォトリソグラフィ技術によりパターニングされたレジストを形成して、プラズマを用いたドライエッチング法により多結晶シリコン膜をエッチングした。
【００２５】
第４工程として、図（ｄ）に示すように、絶縁膜７を形成する。絶縁膜７はプラズマＣＶＤ法により３５０℃でＴＥＯＳ（テトラ・エチル・オルト・シリケート：Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ3 ）4 ）ガスとＯ2 ガスとを用いて成膜した膜厚１００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜を用いた。ここでは上記方法を用いたが、ＳｉＨ₄ ガスとＯ₂ ガスを用いたプラズマＣＶＤ法や、４５０℃でＳｉＨ₄ ガスとＯ₂ ガスを用いた減圧ＣＶＤ法や、４３０℃でＳｉＨ₄ ガスとＯ₂ ガスを用いた常圧ＣＶＤ法や、スパッタ法等を用いて成膜した酸化シリコン膜でもよいことは言うまでもない。膜厚は５０〜１５０ｎｍ程度が好ましい。また、ここでは酸化シリコン膜を用いたが、窒化シリコン膜や、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜でもよい。
【００２６】
次に、請求項２に示すように上記第４工程のあとに、窒素を主成分とする雰囲気下において絶縁膜７、酸化シリコン膜６および多結晶シリコン膜５を熱処理することによって、酸化シリコン膜６が緻密化され、かつ、酸化シリコン膜６と多結晶シリコン膜５との界面もさらに良好になって、このようにして作った多結晶シリコン薄膜トランジスタは非常に信頼性に優れ、良好な性能が得られる。
【００２７】
第５工程として、図１（ｅ）に示すように、ゲート電極８を形成する。ゲート電極８は、Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＴｉ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒ、Ｗまたはこれらの積層膜をスパッタ法等によって成膜した後、エッチングを行って形成する。ゲート電極８は、図１（ｅ）のＡ−Ａ矢視図である図３に示すように島状の多結晶シリコン膜５および島状の酸化シリコン膜６より外にはみ出して（図上右端）形成されているので、もし絶縁膜７がないと島の周縁部で、ゲート電極８と多結晶シリコン膜５とが直接接触してしまい薄膜トランジスタの性能が損なわれる。
【００２８】
次に、図１（ｆ）に示すように、ゲート電極８をマスクとして自己整合的に不純物イオン９を多結晶シリコン膜に注入し、この後不純物イオンを活性化してトランジスタのソース部１０Ｓ、ドレイン部１０Ｄを形成する。このとき不純物が注入されなかった部分はトランジスタのチャネル部１０Ｃとなる。Ｎ型トランジスタを形成するときにはリン、砒素等の第５族元素を、Ｐ型トランジスタを形成するときにはボロン等の第３族元素を不純物イオンとして注入する。不純物イオンの注入には質量分離を行わないで水素等を同時に打ち込んでもよい。活性化には炉アニール、レーザアニール、ランプアニール等を用いる。ここでは、ＸｅＣｌエキシマレーザ照射を行って活性化した。
【００２９】
次に、図１（ｇ）に示すように、層間絶縁膜１１を成膜する。ここでは、層間絶縁膜１１はプラズマＣＶＤ法により３００℃で成膜した膜厚５００ｎｍの窒化シリコン膜を用いた。段差被覆性の良好なＴＥＯＳガスを用いたプラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法により形成される酸化シリコン膜でもよいことは言うまでもない。膜厚は３００〜５００ｎｍ程度が好ましい。続いて、コンタクトホール１２を開口した後、引出し配線１３を形成して、薄膜トランジスタを完成した。
【００３０】
以上のようにして、作製したＮ型薄膜トランジスタの特性を従来例と比較して表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
ここで従来例としたのは、多結晶シリコン膜２を水蒸気を主成分とした酸化能力のある気体を主成分とした雰囲気下で酸化して、酸化シリコン膜を形成する第２工程を省いて、多結晶シリコン膜２を形成する第１工程の後に島状エッチングを行う第３工程を行い、続いて絶縁膜７成膜する第４工程を行って形成した薄膜トランジスタである。本発明によって作製したＮ型の薄膜トランジスタを評価して求めた移動度、しきい値、Ｓ値の全ての項目において、従来例より本発明のほうが特性が優っていることがわかる。
【００３３】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、多結晶シリコン膜を酸化して改質を行った後、酸化により生じた酸化シリコン膜を残したまま、絶縁膜を形成して薄膜トランジスタを作成するようにしたので、次のような優れた効果を有する。
（１）酸化シリコン膜を除去するための工程が省け、その分製造コストの低下が可能になる。
（２）酸化シリコン膜が次の処理工程での多結晶シリコン膜を保護するので、多結晶シリコン膜の表面の汚染や劣化が起こらず、高い品質の薄膜トランジスタが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図２】雰囲気圧力と温度均一性との関係を示すグラフである。
【図３】図１（ｅ）のＡ−Ａ矢視図である。
【符号の説明】
１ガラス基板（絶縁性基板）
２多結晶シリコン膜
３改質された多結晶シリコン膜
４酸化シリコン膜
５島状の多結晶シリコン膜
６島状の酸化シリコン膜
７絶縁膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor, and more particularly to a method for manufacturing a thin film transistor formed on an insulating substrate.
[0002]
[Prior art]
A drive circuit for an image input / output device such as a liquid crystal display or an image sensor is formed as a so-called LSI, and is mounted on a substrate of the image input / output device. However, since this pasting operation is complicated and troublesome, in recent years, development for directly producing the drive circuit on the same substrate as the image input / output device has been advanced. In general, non-alkali glass is used for the substrate of these image input / output devices in consideration of the influence of impurities on the semiconductor elements. Examples of the alkali-free glass include barium borosilicate glass, borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and aluminosilicate glass. Since the strain point of the glass substrate using these non-alkali glasses is about 593 to 700 ° C., it is required to process at a temperature of at least 700 ° C. or less when the drive circuit is directly formed on the substrate.
[0003]
However, it is generally difficult to manufacture a semiconductor film of a transistor having performance necessary for forming a driver circuit at a temperature of 700 ° C. or lower. There is a solid phase growth method as a method of forming a semiconductor film at a temperature of 700 ° C. or lower. The solid phase growth method is a method in which an amorphous film is used as a starting material and annealed at a temperature of about 600 ° C. to be polycrystalline, thereby forming a polycrystalline silicon film and forming a semiconductor film. Since each crystal orientation is different at the stage of crystallization, many crystal defects are generated at the grain boundaries.
[0004]
There is also a method of obtaining a high-quality semiconductor film by irradiating an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film with a short wavelength excimer laser to melt and solidify. The excimer laser is a pulse laser and has a limited beam size. Therefore, when irradiating a large area, the beams must be joined together. Changes, and the transistor in that portion has different characteristics. In addition, when the silicon film is irradiated with laser, the surface of the silicon film melts and solidifies locally and instantaneously, so the film quality of the polycrystalline silicon film changes sharply depending on the irradiation energy, and as a result, the film quality is stable and stable. It is difficult to obtain a polycrystalline silicon film.
[0005]
In order to solve the above-described problems, Japanese Patent Laid-Open No. 7-162002 discloses that a surface layer of a polycrystalline silicon film is oxidized in an atmosphere containing water vapor as a main component, and then the oxide film is removed. A method for obtaining a high-quality semiconductor film has been proposed. When the polycrystalline silicon film is oxidized in this way, in the process in which the silicon atoms are oxidized and bonded to the oxygen atoms, the silicon atoms are disconnected from each other, and silicon atoms that are completely free are generated with a certain probability. It is believed that the completely free silicon atoms diffuse in the polycrystalline silicon film to compensate for crystal defects in the polycrystalline silicon film, and the crystal defects are reduced.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-162002 has the following problems.
(1) The silicon oxide film formed on the semiconductor surface layer must be removed, and the process becomes longer accordingly.
(2) Since the next process is performed with the important polycrystalline silicon film exposed after removing the silicon oxide film, the surface of the crystalline silicon film is contaminated or deteriorated during that time. .
[0007]
The present invention has been devised in view of such problems of the prior art. By removing the silicon oxide film formed by oxidation of the polycrystalline silicon film and forming an insulating film thereon, An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a high-quality thin film transistor by preventing contamination and deterioration of a crystalline silicon film.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a thin film transistor manufacturing method according to the present invention includes a first step of forming a polycrystalline silicon film on an insulating substrate, a gas having an oxidizing ability such as water vapor as a main component, and a pressure of 5 to 50. A second step of oxidizing the surface layer of the polycrystalline silicon film in an atmosphere of atmospheric pressure to form a silicon oxide film on the polycrystalline silicon film; and a third step of etching the silicon oxide film and the polycrystalline silicon film into an island shape. A step, a fourth step of forming an insulating film in a region including the island-shaped silicon oxide film and the polycrystalline silicon film, and a fifth step of forming a gate electrode on the insulating film.
[0009]
After the fourth step, the quality can be further improved by adding a step of heat treatment in an atmosphere having an inert gas such as nitrogen as a main component and a pressure of 5 to 50 atm.
[0010]
The heat treatment temperature in the second step of oxidizing the polycrystalline silicon film and the heat treatment temperature of claim 2 is preferably 300 to 700 ° C.
[0011]
Next, the operation of the present invention will be described.
In the present invention, the surface layer of a polycrystalline silicon film is oxidized to form a silicon oxide film, and the polycrystalline silicon film remaining unoxidized is modified in Japanese Patent Laid-Open No. 7-162002 described above. Although it is the same as the disclosed invention (hereinafter referred to as “prior art”), the prior art forms the insulating film after removing the silicon oxide film, whereas the present invention removes the silicon oxide film. However, it differs from the prior art in that an insulating film is formed thereon.
[0012]
Since the silicon oxide film is not removed, a process for removing the silicon oxide film can be omitted, and the next process is performed in a state where the polycrystalline silicon film is protected by the silicon oxide film, so that the surface of the polycrystalline silicon film is not contaminated or deteriorated. There is no problem and the quality of the thin film transistor can be improved. Note that the insulating film is formed in the region including the island-shaped silicon oxide film and the polycrystalline silicon film because a step is generated on the periphery of the island by the thickness of the etched silicon oxide film and polycrystalline silicon film. Since the thickness of the polycrystalline silicon film is exposed at the stepped portion, if the gate electrode is formed directly on the silicon oxide film without forming the insulating film, the exposed polycrystalline silicon film and the gate electrode are in direct contact with each other. This is because the performance of the thin film transistor is impaired. Further, by forming an insulating film over the silicon oxide film, the insulating film can be multi-layered and the withstand voltage can be improved.
[0013]
Oxidation is performed in an atmosphere of 5 atm or higher because heat transfer is improved when the pressure is high, the uniformity of the treatment temperature is increased, the oxidation rate is improved, and the treatment temperature is lowered if the oxidation rate is the same. Because it can. The reason why the pressure is 50 atm or less is that even if the pressure exceeds 50 atm, no improvement in uniformity is observed.
[0014]
After the fourth step, by adding a step of heat-treating the semiconductor film formed on the insulating substrate in an atmosphere containing an inert gas as a main component, the silicon oxide film is densified and the oxidation is performed. The interface between the silicon film and the polycrystalline silicon film is further improved, and the thin film transistor thus manufactured has excellent reliability and good performance.
[0015]
By setting the temperature of the heat treatment to 700 ° C. or lower, no distortion occurs even if an inexpensive glass substrate is used.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A to 1G are cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a thin film transistor of the present invention.
[0017]
As a first step, as shown in FIG. 1A, an insulating substrate 1 (herein, since a glass substrate is used as an example of the insulating substrate 1, it is referred to as “glass substrate 1” hereinafter) is polycrystalline. A silicon film 2 is formed. There are various methods for forming the polycrystalline silicon film 2. Here, after forming an amorphous silicon film, the polycrystalline silicon film 2 is annealed to form the polycrystalline silicon film 2. On the glass substrate 1, an amorphous silicon film having a thickness of 200 nm was formed at a substrate temperature of 450 ° C. using Si ₂ H ₆ gas by a low pressure CVD method. A method for forming the amorphous silicon film may be a plasma CVD method, a sputtering method, or the like, but if it is performed by a low pressure CVD method, a high-quality polycrystalline silicon film can be obtained after annealing. The substrate temperature is preferably 400 to 600 ° C., SiH ₄ may be used as the source gas used, and the film thickness may be 50 to 500 nm.
[0018]
Next, it is annealed and crystallized to form a polycrystalline silicon film 3. Here, crystallization was performed by annealing in a nitrogen atmosphere at 600 ° C. for 24 hours by furnace annealing that provides good uniformity. As the annealing method, laser annealing, lamp annealing, electron beam annealing, or a combination thereof can be used in addition to furnace annealing. An annealing temperature of 500 to 650 ° C. and an annealing time of 4 to 24 hours can also be performed in a nitrogen atmosphere.
[0019]
Although a glass substrate is used here, a substrate such as a quartz substrate or a sapphire substrate can also be used. A glass substrate is preferable because it is inexpensive and can reduce the cost of a device to be manufactured. Those in which an insulating film is formed on these substrates or silicon wafers can also be used. As this insulating film, a single film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, aluminum oxide, or tantalum oxide, or a laminate of two or more kinds can be used.
[0020]
As a second step, as shown in FIG. 1B, the polycrystalline silicon film is oxidized to form a silicon oxide film 4 in an atmosphere of 5 to 50 atm containing water vapor as a main component. Here, an oxidation process using water vapor was performed for 2 hours in an atmosphere of 600 ° C. and 25 atm. As a result, the film thickness of the polycrystalline silicon film remaining without being oxidized was 80 nm. As a result of this oxidation action, a good polycrystalline silicon film 3 can be obtained as described above. This is also indicated by a decrease in the spin density measured on the polycrystalline silicon film before and after the oxidation treatment by the electron spin resonance method. The spin density indicates the density of dangling bonds of silicon atoms in the silicon film, and indicates the defect density in the silicon film. Obviously, the defects in the film are reduced before and after the oxidation treatment. I understand that.
[0021]
The reason why the pressure is set to 5 to 50 atm is that, according to the experimental data, the uniformity of the temperature in the heating furnace can be increased by increasing the pressure as shown in FIG.
[0022]
FIG. 2 is a graph showing the relationship between atmospheric pressure and temperature uniformity. The uniformity of the in-plane temperature of a 400 × 500 mm square glass substrate was evaluated at a temperature setting of 600 ° C. The number of measurement points is 50 points. Here, the temperature uniformity (%) is a numerical value obtained by multiplying the quotient obtained by dividing half of the difference between the maximum temperature and the minimum temperature by the average value by 100. It can be seen from FIG. 2 that when heat treatment is performed under a high pressure, the heat transfer efficiency increases according to the pressure, so that the uniformity of the heat treatment can be improved. If the polycrystalline silicon film 3 is processed in a highly uniform temperature atmosphere, the polycrystalline silicon film 5 with higher uniformity can be obtained. It can be seen that heat treatment can be performed in an atmosphere of about 5 atm or more in order to obtain good uniformity of 10% or less. Further, the improvement in uniformity is remarkable up to about 10 atmospheres, and since there is a tendency to saturate from 10 atmospheres or more, it is particularly preferable to make 10 atmospheres or more effective. There is no improvement in uniformity.
[0023]
Furthermore, when the above-described oxidation treatment is performed in an atmosphere of 5 atm or higher, the oxidation can be efficiently performed even at a temperature of 700 ° C. or lower. In general, since the oxidation rate increases in proportion to the pressure at the same temperature, if the treatment is performed at the same oxidation rate, the treatment temperature can be lowered, and the usable oxidation rate even at a temperature of 700 ° C. or lower. (10 nm / h) is obtained.
[0024]
As a third step, as shown in FIG. 1C, the silicon oxide film 4 and the polycrystalline silicon film 3 are etched to form an island-shaped silicon oxide film 6 and an island-shaped polycrystalline silicon film 5. To do. Here, a patterned resist is formed by a commonly used photolithography technique, and the polycrystalline silicon film is etched by a dry etching method using plasma.
[0025]
As a fourth step, an insulating film 7 is formed as shown in FIG. The insulating film 7 is a 100 nm thick silicon oxide (SiO2) film formed by TEOS (tetraethylorthosilicate: Si (OC2H3) 4) gas and O2 gas at 350 [deg.] C. by plasma CVD. Using. Is used here to the method, or a plasma CVD method using SiH ₄ gas and O ₂ gas, 450 ° C. under reduced pressure CVD or using SiH ₄ gas and O ₂ gas at, SiH ₄ gas and O at 430 ° C. Needless to say, it may be a silicon oxide film formed by atmospheric pressure CVD using _two gases, sputtering, or the like. The film thickness is preferably about 50 to 150 nm. Although a silicon oxide film is used here, a silicon nitride film or a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film may be used.
[0026]
Next, after the fourth step, the insulating film 7, the silicon oxide film 6, and the polycrystalline silicon film 5 are heat-treated in an atmosphere mainly containing nitrogen after the fourth step, thereby forming a silicon oxide film. 6 is densified, and the interface between the silicon oxide film 6 and the polycrystalline silicon film 5 is further improved, and the polycrystalline silicon thin film transistor thus fabricated is very reliable and has good performance. can get.
[0027]
As a fifth step, a gate electrode 8 is formed as shown in FIG. The gate electrode 8 is formed by depositing Al, AlSi, AlTi, TiN, Ti, Ta, TaN, Cr, W or a laminated film thereof by sputtering or the like and then performing etching. The gate electrode 8 protrudes outside the island-shaped polycrystalline silicon film 5 and the island-shaped silicon oxide film 6 as shown in FIG. If the insulating film 7 is not formed, the gate electrode 8 and the polycrystalline silicon film 5 are in direct contact with each other at the periphery of the island, and the performance of the thin film transistor is impaired.
[0028]
Next, as shown in FIG. 1 (f), impurity ions 9 are implanted into the polycrystalline silicon film in a self-aligning manner using the gate electrode 8 as a mask, and then the impurity ions are activated to form the source portion 10S and drain of the transistor. Part 10D is formed. At this time, the portion where the impurity is not implanted becomes the channel portion 10C of the transistor. When forming an N-type transistor, Group 5 elements such as phosphorus and arsenic are implanted as impurity ions, and when forming a P-type transistor, Group 3 elements such as boron are implanted as impurity ions. For the implantation of impurity ions, hydrogen or the like may be implanted simultaneously without performing mass separation. For the activation, furnace annealing, laser annealing, lamp annealing or the like is used. Here, XeCl excimer laser irradiation was performed for activation.
[0029]
Next, as shown in FIG. 1G, an interlayer insulating film 11 is formed. Here, a 500-nm-thick silicon nitride film formed at 300 ° C. by plasma CVD is used as the interlayer insulating film 11. Needless to say, a silicon oxide film formed by a plasma CVD method or a normal pressure CVD method using TEOS gas having a good step coverage may be used. The film thickness is preferably about 300 to 500 nm. Subsequently, after opening the contact hole 12, a lead-out wiring 13 was formed to complete the thin film transistor.
[0030]
The characteristics of the N-type thin film transistor thus manufactured are shown in Table 1 in comparison with the conventional example.
[0031]
[Table 1]

[0032]
Here, the conventional example is that the polycrystalline silicon film 2 is oxidized in an atmosphere mainly containing water vapor as a main component and an oxidizing ability as a main component, and the second step of forming the silicon oxide film is omitted. The thin film transistor is formed by performing a third step of performing island-like etching after the first step of forming the polycrystalline silicon film 2 and subsequently performing a fourth step of forming the insulating film 7. It can be seen that the characteristics of the present invention are superior to those of the conventional examples in all items of mobility, threshold value, and S value obtained by evaluating an N-type thin film transistor manufactured according to the present invention.
[0033]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, in the method of manufacturing a thin film transistor of the present invention, after the polycrystalline silicon film is oxidized and modified, an insulating film is formed while leaving the oxidized silicon film, and the thin film transistor is formed. Since it was made, it has the following excellent effects.
(1) The process for removing the silicon oxide film can be omitted, and the manufacturing cost can be reduced accordingly.
(2) Since the silicon oxide film protects the polycrystalline silicon film in the next processing step, the surface of the polycrystalline silicon film is not contaminated or deteriorated, and a high-quality thin film transistor can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1G are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a thin film transistor of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between atmospheric pressure and temperature uniformity.
FIG. 3 is a view taken in the direction of arrows AA in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Glass substrate (insulating substrate)
2 Polycrystalline silicon film 3 Modified polycrystalline silicon film 4 Silicon oxide film 5 Island-like polycrystalline silicon film 6 Island-like silicon oxide film 7 Insulating film

Claims

A first step of forming a polycrystalline silicon film on an insulating substrate, and a surface of the polycrystalline silicon film in an atmosphere of a gas mainly composed of water vapor and having a pressure of 5 to 50 atm and a temperature of 300 to 700 ° C. A second step of oxidizing the layer to form a silicon oxide film on the polycrystalline silicon film; a third step of etching the silicon oxide film and the polycrystalline silicon film modified by the second step into an island shape; A fourth step of forming an insulating film in the region including the island-shaped silicon oxide film and the polycrystalline silicon film; and a pressure of 5 to 50 atm and a temperature of 300 to 700 ° C. containing an inert gas such as nitrogen as a main component. And a sixth step of forming a gate electrode on the insulating film, wherein each step is performed in the order of the given ordinal numbers . Manufacturing method .